CN100394774C - 带有集成显示器的反射镜组件 - Google Patents

Abstract

一种用于显示图像(15)联同观看者的反射像(14′)的反射镜组件(18)，包括安装有反射起偏振器(13)的反射镜(2)，该发射镜配置成反射入射到它的观看侧上的光(3)和透射入射到它的非观看侧上的光(4)，其中反射光(3)和透射光(4)可以具有不同的偏振。图像(15)由位于非观看侧的装置(5)显示，由例如为一个或多个透镜(12，12a)的聚焦元件聚焦到一个像平面上。像平面可以位于反射镜(2)与观看者(14)之间，使得感觉到图像(15′)好像从反射镜(2)突出出来。可替代地，也可以将像平面的位置设置成使得感觉到的图像(15′)形成观看者的反射像(14′)所沉浸的背景。反射镜组件(1)可以还包括一个或多个用来获得观看者(14)的黑色轮廓像(21)的检测器(19)。可以从图像(15)中减去黑色轮廓像(21)，产生一个经修改的图像(24)供装置(5)显示，从而避免了感觉到的图像(15′)与观看者反射像(14′)之间的竞争。

Description

带有集成显示器的反射镜组件

技术领域

本发明涉及带有集成显示器的反射镜组件，特别适用于在用户的反射像上强调一个图像的应用和以用户反射像的补图的形式显示一个图像的应用。

背景技术

在US 2002/0196333A1中揭示了一种包括反射镜和内建显示器的虚拟控制台(vanity console)。显示器安装在反射镜后，接到一个摄像机、投影器、视频或数字通用光盘(DVD)播放器上。在激活时，显示器输出光，通过反射镜发送，使得用户可以同时看到他的反射像和来自显示器的图像。在一种建议应用中，用户可以用这种设备来预览他在进行化妆后的外貌而不需要实际化妆。

在共同待决的申请WO 2003/79324A中，揭示了一种反射镜组件，它包括反射具有第一偏振的光而透射具有第二偏振的光的表面。内建的液晶显示器(LCD)发射具有第二偏振的光，这样，就可以通过所述反射镜向用户显示图像。图像显示在用户的反射像旁，使得用户可以一面进行诸如剃须、刷牙、沐浴、定型头发或化妆之类的活动一面看新闻、气象预报、电视或其他信息，诸如需遵循的指示。

这些现有技术装置中任何一个装置的用户将看到所显示的图像，由此图像呈现为处在显示器的平面内，并在用户的反射像的前面。因此这些装置在要求图像处在另一个平面内的应用中不能有效使用。例如，上述这些现有技术装置不能用来通过显示用户的反射像的可替换背景而产生提供“沉浸”环境的图像，因为用户将始终感到他的反射像好象是处在这个图像的后面。

相反，在将用户的图像投影到可替换背景上的传统方法中，用户的图像被记录在诸如蓝屏的简单背景前。然后用一个图像处理例行程序将用户的图像与背景图像组合在一起。然而，这种方法需要记录和显示用户的图像，这可能会导致图像质量的降低。此外，在显示时，用这种方法产生的复合图像局限于单个二维平面。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服一个或多个上述问题的反射镜组件装置。

按照本发明的第一方面，一种反射镜组件包括：反射元件，具有观看侧和非观看侧，配置成反射入射到所述观看侧上的光和将入射到所述非观看侧上的光透射到所述观看侧；显示器，位于所述反射元件的非观看侧，用于对显示图像进行显示；聚焦装置，用于将所述显示图像聚焦到不与显示器的位置重合的像平面上；用于捕获位于所述反射元件的观看侧的对象的图像的装置；以及处理器，用于处理所述对象图像，以便通过将与所述对象图像相应的黑色轮廓像叠加到第二图像上、并在与该黑色轮廓像相重合的区域中除去与第二图像相对应的数据来形成所述显示图像。

可以在所述元件的非观看侧设置一个诸如透镜或抛物柱面镜之类的聚焦元件，将其配置成将显示器输出的图像聚焦到所述像平面上。在显示器与所述元件之间包括一个聚焦元件使显示器所投影的图像可以聚焦成使得用户感觉到图像处在一个所希望的像平面上而不是处在显示器的像平面上。可以用较少限制的方式将图像显示在用户的反射像旁，以便提高反射像与图像的组合效果。例如，可以将像平面选择成使得用户不用重调整聚焦就可以观看所显示的图像和他们的反射像，或者使得图像可以得到强调或为用户的反射像提供可替换的背景。

其中，聚焦元件包括一个透镜，还可以配置一个第二透镜来减小反射镜组件的尺寸。或者，可以将透镜配置在一个具有可变焦距的光学系统(诸如基于电子润湿透镜(electro-wetting lens)之类的光学系统)中，使得像平面的位置可以调整。

优选的是，元件反射具有第一种偏振的光和透射第二种偏振的光。此外，显示器可以发射或反射第二种偏振的光。在这些情况下，第一和第二偏振可以是线性的并且是相互垂直的偏振，也可以是具有相反方向或“旋向”的圆或椭圆偏振。元件可以是一个胆甾醇反射镜(cholestericmirror)，特别是在第一和第二偏振是圆或椭圆偏振时。

显示器可以是发射具有特定偏振的光的液晶显示器。

这种反射镜组件还可以包括音频输出装置，以便呈现与所显示的图像关联的声音，例如为用户的反射像提供一个增强的“沉浸环境”。

反射镜组件还可以包括成像或确定用户的位置的监视装置(例如，摄像机)和从而用此信息修改要显示的图像的处理装置。为此还可以配置一个运动检测器。

本发明还提供一种在包括反射元件的反射镜组件中显示图像的方法，其中所述反射元件具有观看侧和非观看侧，并被配置成反射入射到所述观看侧上的光并将入射到所述非观看侧上的光透射到所述观看侧，所述方法包括下列步骤：捕获位于所述反射元件的观看侧的对象的图像；定义与所述对象图像相对应的黑色轮廓像；以及将所述黑色轮廓像叠加在第二图像上来形成所述显示图像(24)，并且在显示器上显示所述显示图像以便所述显示图像(24)聚焦到不与显示器(5)的位置重合的像平面上。

这种方法在一个反射镜组件内将显示器将输出的图像修改成删掉了图像内在用户观看时会与他的反射像重合的区域。这保证了即使在用户的反射像与所显示的图像的亮度级之间有显著差别的情况下用户的反射像也不会被所显示的图像遮蔽。

捕获对象图像的步骤可以包括将图像录在一个以上的摄像机上和/或检测被摄对象的运动。这样的图像和数据之类可以用来提供关于对象位置的信息，使得显示图像可以按照对象的位置得到校正。例如，可以通过校正来校正在观看者不是在反射镜组件的光轴上的一个位置观看时图像内的失真。

可以将显示图像聚焦到一个不与显示器重合的像平面上，例如聚焦到在反射面与对象之间的一个平面上。这种方法还可以包括通过调整一个可变焦距透镜系统来选择像平面。

优选的，通过发射或反射基本上具有预定偏振的光来显示图像。还可以输出与图像关联的音频信号。

发明内容

下面将结合附图对本发明的实施例进行说明，在这些附图中：

图1为在本发明保护范围之外的反射镜组件的分解示意图；

图2为图1的反射镜组件部分的平面图；

图3示出了图1的反射镜组件在配置成产生感觉上位于反射镜前的图像时的光学几何关系；

图4示出了在本发明保护范围之外的反射镜组件的光学几何关系；

图5为在本发明保护范围之外的反射镜组件的分解示意图；

图6为按照本发明实施例设计的反射镜组件的分解示意图；

图7a至7d示出了用一个用户的图像来修改图6的反射镜组件显示的图像的过程；以及

图8为图7所示的过程的流程图。

具体实施方式

现在将描述在本发明保护范围之外的多个反射镜组件，以便帮助描述图6中的反射镜组件。

参看图1，在本发明保护范围之外的反射镜组件1包括带一个反射面和配备有一个反射偏振器的玻璃板2，该玻璃板配置成反射入射到观看侧上的第一偏振的光3和透射入射到非观看侧上的第二偏振的光4。在这个例子中，第一和第二偏振是线性的并且是相互垂直的。

一个诸如LCD 5之类的显示器安装在玻璃板2后，也就是说，安装在反射面的非观看侧，接到一个诸如计算机、DVD或放像机之类的图像源6上。如图2所示，LCD 5包括配置在两个由诸如玻璃或塑料之类的适当材料组成的基片8、9之间液晶7、背光源10和第一起偏振器11。LCD 5产生的光4基本上具有第二偏振。然后这光经一个诸如菲涅耳(Fresnel)透镜之类的的正透镜12折射后通过安装在玻璃板2上的反射起偏振器13，再通过反射面透射。

参见图3，LCD 5与透镜12之间的距离大于透镜12的焦距f。用户14观看反射镜组件1会看到他(或她)自己的反射像14′。由于有透镜12，用户14看不到在LCD 5上显示的实际图像15，而是看到LCD 5的处在透镜12的焦平面处(在玻璃板2前方)的实像15′。用户14从反射镜组件1可以感觉到实像15′好象位于他自己的反射像14′的前面，非常突出，使得实像15′得到强调。

反射镜组件1还包括一个音频装置16，诸如扬声器之类，用来输出与图像15关联的音频信号。例如，如果图像15来自于视频或DVD记录，可以向观看者播放一个所关联的音轨。

在这个特定的反射镜组件中，第一起偏振器11和反射起偏振器13是透射水平偏振光的线性起偏振器。然而，如果使用线性偏振选择镜代替玻璃板2，就可以完全省去反射起偏振器13。

优选的是，LCD 5与反射起偏振器13的偏振方向对准，以便使光损耗最小。然而，在图1和2所示的布置中，玻璃板2安装成可以围绕一个基本上与反射面垂直的轴相对LCD 5转动。这使用户14可以改变LCD 5的光输出的透射因数，因为透射因数将取决于反射起偏振器13的偏振轴与光4的偏振方向之间的对准情况。在这个特定的例子中，将第一起偏振器11和反射起偏振器13配置成透射显示器5输出的水平偏振光4。来自LCD 5的图像的亮度可以由用户14转动玻璃板2从而相对第一起偏振器11的偏振轴转动反射起偏振器13的偏振轴来调整。这样，就可以使图像变暗甚至完全消失。

下面将结合图4说明在本发明保护范围之外的第二反射镜组件，其中，反射镜组件的配置与图1中所示的类似，但区别在于LCD 5与透镜12的距离小于焦距f。如前面一样，用户14观看反射镜组件1会看到他(或她)自己的反射像14′。然而，在这种情况下，用户14看到的是图像15的一个虚像15′，它看来位于离用户14比离LCD 5远的像平面处。

这种配置可以用来产生与用户的反射像14′位于相同的平面内的虚像15′，图像15′叠加在用户图像上，例如用来模拟用户具有不同的发型或打扮的外观，或者使用户可以观看图像15′和他的反射像14′而不用重调焦距。可替代地，也可以用这种配置来产生一个虚像15′，让人感到这个虚像好象在用户的反射像14′后，使得反射像14′“沉浸”在背景内。例如，图4示出了一个例子，其中所显示的房子的虚像15′形成用户的反射像14′的背景。

在这个布置中，图像15为用户的反射像14′提供了可供选择的背景，诸如海滨或丛林之类，可以通过扬声器16向观看者播放关联的音频信号。

然而，由于如图1所示包括一个透镜12而引起的潜在缺点是反射镜组件1的厚度d，它要大于先前的反射镜组件的厚度。图5示出了按照本发明第三实施例设计的反射镜组件17，其中通过使用第二透镜12a减少了厚度d的增大。两个透镜12、12a之间的间距小于它们中任何一个的焦距。在透镜12、12a完全相同的情况下，这个透镜组的有效焦距为单独透镜12、12a的焦距的二分之一，与图1中的反射镜组件相比，这使得LCD设备5、透镜12和玻璃板2可以配置得相互更为靠近。因此，与图1所示的反射镜组件1的厚度d相比，第二透镜12a的使用使得反射镜组件17的厚度d2减小。

在上面这些布置中，只是将图像15简单地显示成叠在用户的反射像14′上或用户的反射像14′的旁边。然而，在某些情况下，例如室内照明低时，这可能导致图像15与反射像14′竞争，使得用户14不能在图像15上清晰地看到反射像14′。可以配置一个处理器6来控制在安装反射镜组件的区域内的照明使得反射像足够明亮以克服这个问题。可替代地，也可以通过省略图像15的在显示时与用户的反射像14′重合的那部分来防止这种影响，如下面所要说明的。

图6示出了本发明的实施例，其中反射镜组件18还包括采用摄像机19的形式的监视装置。例如通过将摄像机19放在靠近玻璃板2或玻璃板2之后，将摄像机19定位成使得它的视场覆盖被玻璃板2的反射表面反射的区域(以下称为反射镜视场)。

参看图7a-7d和8，摄像机19记录一个如图7a所示的覆盖反射镜视场的初始图像20(步骤s 8.1)。在一段预定时间周期t1后(步骤s8.2)，摄像机19记录反射镜视场的一个当前图像21(步骤s8.3)，通过使用背景减法将它与初始图像20相比较(步骤s8.4)。如果图像20、21之间没有差别(s8.5)，也就是说，如果反射镜组件18反射的区域内没有什么改变，处理器6就对于时间周期t1重复这些步骤，记录当前图像和将它与初始图像20相比较(步骤s8.2-s8.4)。如果处理器6确定第二个图像21与初始图像20不同，例如如果当前图像21包括一个进入反射镜视场的用户14的图像22，如图7b所示，处理器就确定图像15′的会与用户14的反射像14′重合的部分。可以通过假设在减去背景过程中所发现的任何差别形成用户图像22的部分来限定重合部分。根据将由LCD 5显示的图像15内的相应部分来限定用户反射像14′的黑色轮廓像(步骤s8.6)。然后定义一个经修改的显示图像24，如7c所示。这个经修改的显示图像24包括具有所叠加的黑色轮廓像的原始图像1523(步骤s8.7)。也就是说，删除原始图像15内与黑色轮廓像23重合的区域(如图7c中阴影部分所示)内相应的数据(步骤s8.7)。

然后，由LCD5输出经修改的显示图像24(步骤s8.8)。于是用户14就可以看到与部分原来的图像15叠加的他的反射像14′，如图7d所示。

按照使用反射镜组件18的应用选择时间周期t1。在很多情况下，将时间周期t1选择成可以实时产生经修改的显示图像24。也可以使用其他一些确定黑色轮廓像23的替代方法，或者用其他方法代替上述的背景减去过程。例如，反射镜组件可以包括一个运动检测器，而将处理器6配置成假设任何运动物体形成用户图像21的一部分。还可以用红外检测和照明来获得用户图像21而不会使用户14受到可见光波段增强的照明的打搅。还可以用识别人体的模式识别或者肤色识别来增强上述的各种方法。

在反射镜组件18的一个变型中，用第二摄像机和/或超声定位方法确定用户14的精确位置。然后处理器6可以用该信息来校正在用户14不在反射镜组件18的光轴上时的图像光学位移。

在阅读了本说明后，本发明的其他变动和修改，对于本领域的技术人员来说都是显而易见的。这样的变动和修改可以涉及在设计、制造和使用反射镜组件、显示器及其组成部分中已知的等效特征和其他特征，可以用来增补或代替在这里所说明的特征。

例如，玻璃板2可以用另一种配备有透射光4的反射表面的包括软质塑料材料的部件代替。透镜12可以罩住玻璃板2的整个区域，等价地也可以如图2所示局限于这个区域的一小部分。

反射镜组件可以包括一个以上的显示器。此外，显示器的类型并不重要。例如，显示器不需要一定包括一个背光式LCD，也可以是包括一个或多个发光二极管(LED)或一个阴极射线管(CRT)而不是一个LCD。显示器可以包括一个反射而不是发射第二偏振的光4的反射表面。

在上面这些实施例中，第一和第二偏振是线性偏振。然而，第一和第二偏振也可以是“旋向”相反的椭圆偏振或圆偏振。在这种情况下，反射镜可以是一个胆甾醇反射镜。这样的反射镜的反射性可以通过改变它的液晶材料的偏振状态调整，从而提供了另一种为用户14调整反射像14′与所显示的图像15′之间的对比度的方法。如果用的是椭圆偏振或圆偏振，透镜12可以是胆甾醇透镜。

可替代地，本发明也可以用一个半透明反射镜实现，它反射在它的观看侧入射的一些或所有的光3而透射在它的非观看侧入射的光4的一小部分，无论光3、4是什么偏振。在这样一个实施例中，反射起偏振器13可以省略。

透镜12不必作为反射镜组件的一个独立部件配置。例如，可以以附着于显示器5、反射起偏振器13、玻璃板2的非观看侧或与这些等效的部件上的折射材料层的形式提供透镜。

透镜12还可以配置在一个具有可变焦距f的光学系统中。在US6369954B1中揭示了这样的可变透镜的一个例子，其中焦距f可以用一个电子润湿装置调整。这样，可以通过调整可变透镜的焦距f来选择用户14感觉到的图像15′所在的平面。

可替代的，也可以用一个抛物柱面镜作为聚焦部件代替透镜12。

虽然在本申请中已对一些特征的具体组合制订了权利要求书，但应理解的是，本发明的公开范围还包括在这里明确或隐含地揭示的任何新颖的特征或这些特征的任何新颖组合或者它们的任何推广，无论是否涉及与任何权项内当前所提出的相同的发明，无论是否缓解了任何或所有与本发明所缓解的相同的技术问题。因此，申请人提请注意，在本申请或从中导出的任何进一步申请的受理期间可能对这样的特征和/或这样的特征的组合制订一些新的权项。

Claims (25)

1.一种反射镜组件(1，17，18)，所述反射镜组件包括：

反射元件(2)，具有观看侧和非观看侧，配置成反射入射到所述观看侧上的光(3)和将入射到所述非观看侧上的光(4)透射到所述观看侧；

显示器(5)，位于所述反射元件(2)的非观看侧，用于对显示图像(24)进行显示；

聚焦装置(12，12a)，用于将所述显示图像(24)聚焦到不与显示器(5)的位置重合的像平面上；

用于捕获位于所述反射元件(2)的观看侧的对象(14)的图像(22)的装置(19)；以及

处理器(6)，用于处理所述对象图像(22)，以便通过将与所述对象图像(22)相应的黑色轮廓像(23)叠加到第二图像(15)上、并在与该黑色轮廓像(23)相重合的区域中除去与第二图像(15)相对应的数据来形成所述显示图像(24)。

2.一种按照权利要求1所述的反射镜组件(1，17，18)，其中所述捕获装置(19)包括一个或多个摄像机。

3.一种按照权利要求1所述的反射镜组件(1，17，18)，所述反射镜组件还包括运动检测器。

4.一种按照权利要求1所述的反射镜组件(1，17，18)，其中所述处理器(6)还配置成：

确定所述对象(14)的位置；以及

按照对象(14)在对象图像(22)内的位置来修改所述显示图像(24)。

5.一种按照权利要求1所述的反射镜组件(1，17，18)，所述反射镜组件还包括聚焦元件(12)，该聚焦元件配置成将所述显示图像(24)聚焦到所述像平面上。

6.一种按照权利要求1所述的反射镜组件(1，17，18)，其中所述像平面处在所述反射元件(2)的观看侧。

7.一种按照权利要求1所述的反射镜组件(1，17，18)，其中所述像平面处在所述反射元件(2)的非观看侧。

8.一种按照权利要求7所述的反射镜组件(1，17，18)，其中所述像平面位于所述对象(14)的反射像(14′)位于其上的第二像平面之后。

9.一种按照权利要求5所述的反射镜组件(1，17，18)，其中所述聚焦元件(12)为变焦距透镜系统。

10.一种按照权利要求5所述的反射镜组件(1，17，18)，其中所述聚焦元件包括第一和第二透镜(12，12a)。

11.一种按照权利要求1所述的反射镜组件(1，17，18)，其中所述反射元件(2)反射第一偏振的光(3)和透射第二偏振的光(4)。

12.一种按照权利要求11所述的反射镜组件(1，17，18)，其中所述显示器(5)发射或反射第二偏振的光(4)。

13.一种按照权利要求11或12所述的反射镜组件(1，17，18)，其中所述第一和第二偏振是线性的并且相互垂直。

14.一种按照权利要求11或12所述的反射镜组件(1，17，18)，其中所述第一和第二偏振是相互反向的圆形偏振。

15.一种按照权利要求11或12所述的反射镜组件(1，17，18)，其中所述第一和第二偏振是相互反向的椭圆形偏振。

16.一种按照权利要求1所述的反射镜组件(1，17，18)，其中所述反射元件(2)是胆甾醇反射镜。

17.一种按照权利要求1所述的反射镜组件(1，17，18)，所述反射镜组件还包括音频输出装置(16)。

18.一种在包括反射元件(2)的反射镜组件(1，17，18)中显示图像的方法，其中所述反射元件(2)具有观看侧和非观看侧，并被配置成反射入射到所述观看侧上的光(3)并将入射到所述非观看侧上的光(4)透射到所述观看侧，所述方法包括下列步骤：

形成包含第二图像(15)的显示图像(24)；

将所述显示图像(24)传输到位于所述反射元件(2)的非观看侧处的显示器(5)；以及

在所述显示器(5)上显示所述显示图像(24)，以便所述显示图像(24)聚焦到不与显示器(5)的位置重合的像平面上，

其特征在于所述方法还包含捕获位于所述反射元件(2)的观看侧的对象(14)的图像(22)的步骤，而且所述形成显示图像(24)的步骤还包含步骤：

定义与所述对象图像(22)相对应的黑色轮廓像(23)；以及

将所述黑色轮廓像(23)叠加在第二图像(15)上并除去与第二图像(15)相对应的数据来形成所述显示图像(24)。

19.一种按照权利要求18所述的方法，其中所述捕获对象图像(22)的步骤包括用一个以上摄像机(19)来记录图像。

20.一种按照权利要求18所述的方法，所述方法还包括步骤：检测所述对象(14)的运动。

21.一种按照权利要求18所述的方法，所述方法还包括步骤：

确定所述对象(14)的位置；以及

按照对象(14)在所述对象图像(22)内的位置来修改所述显示图像(24)。

22.一种按照权利要求18所述的方法，其中所述像平面位于反射元件(2)的非观看侧，并在所述对象(14)的反射像(14′)位于其上的第二像平面之后。

23.一种按照权利要求18所述的方法，其中所述显示所述显示图像(24)的步骤包括用变焦距透镜系统来选择像平面。

24.一种按照权利要求18所述的方法，其中通过由所述显示器(5)发射或反射预定偏振的光(4)来显示所述显示图像(24)。

25.一种按照权利要求18所述的方法，其中所述显示所述显示图像(24)的步骤还包括输出与第二图像(15)关联的音频信号。

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