校準裝置、投影儀以及校準方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種校準裝置、投影儀以及校準方法，更具體地，涉及用于校準投影多 個光線的投影單元的校準裝置，包括所述投影單元和校準裝置的投影儀，以及所述校準投 影單元的方法。
【背景技術】
[0002] 已知用于校準投影多個光線的投影單元的技術（參見，例如專利文獻1至3)。
[0003] 然而，在專利文獻1至3中所公開的技術沒有提供對于包括與從單個特定點發(fā)射 多個光線的針孔光學系統(tǒng)不同的光學系統(tǒng)（以下，也稱為"非針孔光學系統(tǒng)"）的投影單元 進行校準的校準方法。

【發(fā)明內容】

[0004] 本實施例公開了一種用于校準投影光線的投影單元的校準裝置。所述校準裝置包 括：成像單元，其被配置為拍攝具有位置和姿態(tài)的物體的表面的圖像，光線由所述投影單元 投影到所述表面；位置和姿態(tài)估計單元，配置為基于圖像來估計表面的位置和姿態(tài)；反射 點估計單元，配置為基于所估計的位置和估計的姿態(tài)，來估計光線中的一個光線被表面反 射的反射點；以及識別單元，其被配置為基于反射點估計單元相對于表面的多個不同的位 置和/或多個不同的姿態(tài)而獲得的多個反射點，識別光線中的一個光線經(jīng)過的經(jīng)過點和光 線中的一個光線經(jīng)過經(jīng)過點的方向這兩者，或者僅識別方向。
[0005] 根據(jù)本實施例，不僅可以校準包括針孔光學系統(tǒng)的投影單元，也可以校準包括非 針孔光學系統(tǒng)的投影單元。
【附圖說明】
[0006] 圖1是示出根據(jù)本實施例的投影儀的配置概況的圖。
[0007] 圖2是示出被包含在投影儀中的投影單元的圖。
[0008] 圖3是示出投影儀的控制配置的概況的框圖。
[0009] 圖4是示出在其中使用校準裝置的投影單元的校準方法的流程圖。
[0010] 圖5是示出形成在平板構件的表面上的基礎圖案的示例的棋盤格圖案的圖。
[0011] 圖6是示出投影到平板構件的表面上的投影圖案的示例的點圖案的圖。
[0012] 圖7是示出其中點圖案投影到形成在平板構件的表面上的棋盤格圖案上的情況 的圖。
[0013] 圖8是示出光線在平板構件的表面上的反射點與成像表面上對應于反射點的點 (成像點）之間的關系的圖。
[0014] 圖9是示出在其中位置和姿態(tài)中的至少一個彼此不同的三種情況下光線在平板 構件的表面上的反射點的圖。
[0015] 圖10是示出用于使用校準裝置的成像單元和投影單元利用三角測量來測量物體 的三維形狀的方法的圖。
[0016] 圖11是示出三角測量的原理的圖。
[0017] 圖12是示出基礎圖案或投影圖案的另一示例的圖。
[0018] 圖13是示出修改的實施例3的投影儀的控制配置的概況的框圖。
[0019] 圖14是示出使用該修改的實施例3的校準裝置的投影單元的校準方法的流程圖。
[0020] 圖15是示出由修改的實施例3的校準裝置在過濾處理中使用的過濾器的示例的 圖。
【具體實施方式】
[0021] 參照圖1至圖11對本發(fā)明的實施例進行說明。在圖1中，示出了根據(jù)本實施例的 投影儀10的側圖。在以下的描述中，使用在其中垂直方向為Y軸方向的X-Y-Z三維正交坐 標系。
[0022] 投影儀10被放置在，例如，懸掛式屏幕S附近，在懸掛式屏幕S斜下方（或向-Y 側和向-Z側傾斜）的一個位置處。
[0023]投影儀10包括：例如，殼體12、投影單元16 (參照圖2)、校準裝置18 (參照圖3)、 幾何畸變調節(jié)單元25(參照圖3)、控制單元（圖中未示出）等。
[0024] 所述殼體包括，例如，大致為矩形的箱型構件，并且包括在+Y側的壁上的透光窗 口構件22,通過其來透射光線。
[0025] 投影單元16包括在例如殼體12內。投影單元16根據(jù)來自諸如個人計算機、存儲 器介質等的外部設備的圖像信息將調制光線投影到屏幕S的表面（屏幕表面）。投影單元 16包括光源80、投影光學系統(tǒng)17等。
[0026] 如圖2所示，投影光學系統(tǒng)17包括：例如，作為光分離單元的色輪82、作為光平均 單元的光隧道84、作為光折射單元的兩個聚光透鏡86和88、作為光反射單元的兩個鏡子90 和92、作為光調制單元的DMD(數(shù)字微鏡設備）94、作為光角度加寬與圖像形成單元的投影 透鏡96、作為光反射單元的鏡子97、以及作為光角度加寬和反射單元的自由曲面鏡98。
[0027] 包括從光源80發(fā)射的多個色光分量的光進入到色輪82。進入色輪82的光被分離 成三原色光分量，其順序地從色輪82被提取。從色輪82提取的各個原色光分量進入光隧 道84,在其亮度分布被平均化之后，進入聚光透鏡86和88。各個原色光分量在進入聚光透 鏡86和88后，其圖像形成表面被調節(jié)，其在由鏡子90反射并且然后被鏡子92反射之后， 進入DMD94。各個原色光分量在進入DMD94后基于圖像信息而被DMD94反射和調制之 后，順序地進入投影透鏡96。各個原色光分量在進入投影透鏡96而其角度變寬之后被鏡子 97反射，并順序地進入自由曲面鏡98。各個原色光分量在進入自由曲面鏡98時被自由曲 面鏡98反射，由此其角度被自由曲面鏡98加寬，其通過透光窗口構件22 (參照圖1)而順 序地在斜向上方向被投影到殼體12的+Z、+Y側（到屏幕S上）。結果，彩色圖像或單色圖 像被顯示在屏幕表面上。注意，從光源80到鏡子97的光的路徑由方向箭頭來表示。
[0028] 如從上面的描述可理解的，投影光學系統(tǒng)17從自由曲面鏡98上的彼此不同的多 個點發(fā)射多個光線。換句話說，投影光學系統(tǒng)17不是從特定點發(fā)射多個光線的針孔光學系 統(tǒng)，而是非針孔光學系統(tǒng)。注意，從投影光學系統(tǒng)17發(fā)射的每個光線對應于例如像素。
[0029] 這里，投影單元16以如下方式配置：多個投影光線（多個投影光分量）的焦點姿 態(tài)（attitude)靠近投影單元16,g卩，投影單元16被配置為具有短焦，從而其可以在短投 影距離處在屏幕S上顯示大的彩色（或單色）圖像。在這里，"投影單元16被配置為具有 短焦"指的是投影單元16的光學系統(tǒng)包括具有折射能力的鏡子（例如，上述的自由曲面鏡 98)。鏡子所具有的折射能力可以是正或負能力（S卩，鏡子可以是凹透鏡或凸透鏡）。通過 在投影光學系統(tǒng)17中包括具有折射能力的鏡子，變得能夠即使是在從透光窗口構件22到 屏幕S的距離小于或等于50厘米的情況下、也顯示具有大約80英寸的大小的投影圖像。
[0030] 利用這種短焦投影儀10,因為光線可以從靠近屏幕S的位置投影，所以可以盡可 能地避免以下情況：其中，坐在投影儀10和屏幕S之間的人或物體使得光的投影被干擾。
[0031] 校準裝置18是用于校準投影單元16的裝置，并且包括例如（如圖3中所示）存 儲器單元18a、成像單元18b、位置和姿態(tài)估計單元18c、反射點估計單元18d、經(jīng)過點和方向 識別單元18e等。
[0032] 作為存儲器單元18a，例如，使用半導體存儲設備（RAM或ROM)、硬盤、光盤等。在 存儲器單元18a中，存儲被投影到用于校準投影單元16的物體上的投影圖案。投影單元16 能夠從存儲器單元18a讀出投影圖案，以及將投影圖案投影到物體上。
[0033] 作為成像單元18b，例如，使用包括諸如C⑶或C0MS的成像元件的相機。成像單元 18b被放置在例如殼體12的+Y側表面上。以可以拍攝物體的圖像的方式設置相機的成像 范圍，其中投影單元16將投影圖案投影在該物體上。由成像單元18b拍攝的物體的圖像存 儲在存儲器單元18a中。
[0034] 位置和姿態(tài)估計單元18c從存儲器單元18a讀出由成像單元18b拍攝的物體的圖 像，并估計物體的位置和姿態(tài)。
[0035] 反射點估計單元18d基于由位置和姿態(tài)估計單元18c所估計的物體的位置和姿態(tài) 來估計各個投影光分量（光線）在物體上的反射點。
[0036] 經(jīng)過點和方向識別單元18e基于由反射點估計單元18d所估計的反射點來識別各 個投影光分量在投影單元16和物體之間的經(jīng)過點和方向。
[0037] 幾何畸變調節(jié)單元25包括例如三維形狀測量單元25a、圖像信息調節(jié)裝置25b等。
[0038] 三維形狀測量裝置25a使用由校準裝置18校準的投影單元16和成像單元18b通 過三角測量來測量屏幕表面的3D形狀。結果，檢測出屏幕表面的整個區(qū)域的幾何畸變信 息。
[0039] 圖像信息調節(jié)單元25b基于三維形狀測量單元25a的測量結果，創(chuàng)建用于調節(jié)由 屏幕表面的畸變而導致的投影圖像的幾何畸變的調節(jié)信息，并且使用所創(chuàng)建的調節(jié)信息來 調節(jié)來自外部設備的圖像信息。所述調節(jié)信息是用于通過添加與在屏幕表面上的圖像信息 的畸變相反的畸變來抵消的屏幕表面的畸變的信息。
[0040] 在下文中，參考圖4中的流程圖來描述使用校準裝置18的投影單元16的校準方 法的示例。通過使上述控制裝置執(zhí)行指定校準方法的過程的程序來執(zhí)行該校準方法。該程 序被存儲在存儲器單元18a中，并且可以由控制裝置來讀取。
[0041] 在此，作為上述物體的示例，使用包括在其上形成基礎圖案的表面的平板構件 30(參見圖5到7)。作為基礎圖案的示例，使用如圖5中所示的棋盤格圖案CP。