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監(jiān)控投影儀的位置和方向

（映維網(wǎng)Nweon?2023年08月24日）XR設備通常包括耦合到左光束路徑的左投影儀和耦合到右光束路徑的右投影儀。左投影儀配置為生成左圖像，然后將左圖像通過左光束路徑傳播到用戶的左眼。正確的投影儀被配置為生成正確的圖像，然后正確的圖像通過正確的光束路徑傳播到用戶的右眼。

這種XR設備的結構可能會因常規(guī)使用、溫度變化和/或沖擊而發(fā)生變化。當R設備的結構發(fā)生變化時，圖像可能會失去視軸，無法正確對準。這個問題在眼鏡形態(tài)的設備中可能會變得嚴重。

有XR設備配置為投射校準圖像，并使用校準圖像來確定顯示器是否正確定位。由于校準圖像對用戶可見，所以用戶體驗經(jīng)常受到校準/校正操作的干擾。

在名為“Monitoring position and orientation of a projector”的專利申請中，微軟提出使用監(jiān)控光源（如激光二極管或激光二極管陣列）產(chǎn)生監(jiān)控光束來監(jiān)控投影儀的位置和方向，從而解決上述問題。

投影儀具有反射空間光調制器。監(jiān)控光束引導到監(jiān)控攝像頭中，以獲得直接反饋，然后可用于糾正XR設備的軸視變化。在一個實施例中，配置單個攝像頭以組合來自左眼和右眼投影儀的圖像并減少該測量中的誤差。

在一個實施例中，監(jiān)視器光源可以是一個或多個邊緣發(fā)射器二極管或一個或多個具有非常窄波長帶的垂直外腔表面發(fā)射激光VECSEL二極管。在一個實施例中，監(jiān)視器光源是一組邊緣發(fā)射器二極管或VECSEL二極管，其配置為投射一組點。

使用波長帶非常窄的激光光束作為監(jiān)測光束是有利的，因為這樣的激光波長帶可以選擇為對用戶不可見，或者不同于照明光束(可見光束)，使得監(jiān)測光束可以從照明光束中過濾出來。另外，激光光功率可以設置為大于照明光本身，從而克服監(jiān)控攝像頭的信噪比問題。同時，如此窄的波長帶可以用于基于相位透鏡的非常緊湊的監(jiān)控攝像頭。

在一個實施例中，所述監(jiān)視器光束在通過所述監(jiān)視器光束路徑傳播以產(chǎn)生所述監(jiān)視器圖像之前，由所述投影儀的反射空間光調制器調制。或者，在通過所述監(jiān)視器光束路徑傳播以生成監(jiān)視器圖像之前，所述監(jiān)視器光束不被所述投影儀的反射空間光調制器調制，并且所述監(jiān)視器攝像頭可以包括象限二極管檢測器、攝像頭和/或無透鏡攝像頭。

在一個實施例中，監(jiān)視器光束在光束路徑中被定向到與投影儀不同的路徑，這進一步改善了監(jiān)視器攝像頭處的信號對噪點。另外，與投影儀信號分離的監(jiān)視器信號的專用光束路徑為最終用戶提供了激光安全性，因為沒有將其指向用戶眼睛的路徑。

監(jiān)控攝像頭可以測量左右圖像的姿勢或兩個圖像的變化，并監(jiān)控應用的校正。投影儀可以使用多種不同的投影儀設計。所述監(jiān)控光束和所述照明光束的集成可以來自同側，或可以來自不同側，并通過光束組合器組合，例如二向色光束組合器。

圖1A示出了實現(xiàn)本文所述原理的投影系統(tǒng)100A的示例架構。所述投影系統(tǒng)100A包括照明光源110、監(jiān)視器光源120和投影儀140。所述照明光源110配置為向所述投影儀140發(fā)射照明光束112A，所述監(jiān)控光源120配置為向所述投影儀140發(fā)射監(jiān)控光束122A。

在一個實施例中，投影儀140包括反射空間光調制器142，其配置為調制光束112A和122A以產(chǎn)生投影儀140的輸出144A。投影儀140的輸出144A為投影組合光束144A，其中包含投影照明光束1441和投影監(jiān)控光束144M。

隨后，將所述投射的照明光束1441指向指向用戶眼睛160的照明光束路徑152，使所述用戶眼睛160看到與所述照明光束112A對應的顯示圖像。

所述投射的監(jiān)控光束144M指向所述監(jiān)控攝像頭170，使所述監(jiān)控攝像頭170捕獲與所述監(jiān)控光束122A相對應的監(jiān)控圖像。

由于所述照明光束112A和所述監(jiān)控光束122A均通過所述投影儀140投射，因此所述監(jiān)控攝像頭170捕獲的監(jiān)控圖像可用于確定所述監(jiān)控圖像的方向或位置。

在一個實施例中，照明光源110配置成發(fā)射第一波長波段的光束，例如可見紅綠藍(RGB)光束，包括紅光光束、綠光光束、藍光光束或其組合。所述監(jiān)控光源120配置成發(fā)射第二波長波段的光束，例如不可見光，使得所述監(jiān)控光源產(chǎn)生的圖像僅對所述監(jiān)控攝像頭170可檢測到，而對人眼不可見。

在一個實施例中，照明光束路徑152配置為在第一波長帶中傳播光，并且監(jiān)視器光束路徑154配置為在第二波長帶中傳播光。這樣，所述投射的組合光束144A被分割成所述照明光束路徑152和所述監(jiān)控光束路徑154。

在一個實施例中，在照明光束路徑152之前設置濾光片以濾出第二波長的光束，使得只有第一波長波段的光束在照明光束路徑152上傳播。另外，在監(jiān)視器光束路徑154之前設置濾光片以濾出第一波長的光束，使得僅在第二波長波段的監(jiān)視器光束在監(jiān)視器光束路徑154上傳播。

由于所述監(jiān)控光束112A被引導到與所述照明光束不同的路徑上，因此它進一步提高了所述監(jiān)控攝像頭170處的信噪比。在一個實施例中，所述監(jiān)控光束的功率大于所述照明光束的功率，使得所述信噪比進一步得到改善，以允許在所述攝像頭170處識別所述監(jiān)控圖像。

在一個實施例中，所述照明光源110配置為向第一方向發(fā)射照明光束，監(jiān)控光源120配置為向與所述第一方向相交的第二方向發(fā)射監(jiān)控光束。所述照明光束和所述監(jiān)控光束在所述投影儀的第一位置相交，并在所述投影儀的兩個獨立位置，即第二位置和第三位置輸出。

然后輸出光束在不同的方向上傳播。所述投射的照明光束沿第一方向向用戶的眼睛傳播，所述投射的監(jiān)視器光束沿第二方向向監(jiān)視器攝像頭傳播。

或者在一個實施例中，光束組合器可用于將照明光和監(jiān)視器光組合成指向投影儀140的組合光束。

圖1B示出了投影系統(tǒng)100B的示例結構。所述投影系統(tǒng)100B包括光束組合器130，其配置為將照明光112B和監(jiān)視光束122B組合成指向投影儀140的組合光束132。所述投影儀140配置為將所述組合光束132投射到所述投影組合光束144B中。與圖1A中的投影組合光束144A類似，投影組合光束144B分割并在兩個不同的光束路徑152、154上傳播。

如圖1A或1B所示的投影系統(tǒng)100A或100B可在便攜式投影儀和/或頭戴式設備(例如VR/AR設備)中實現(xiàn)，允許便攜式投影儀和/或頭戴式設備自我監(jiān)控和/或調整其軸視對準。值得注意的是，當在頭戴式設備中實現(xiàn)時，可以實現(xiàn)兩個這樣的投影系統(tǒng)，一個用于左眼，另一個用于右眼。

圖2A和2B示出了實現(xiàn)左投影系統(tǒng)200L和右投影系統(tǒng)200R的示例頭戴式設備200的前視圖和頂視圖，其中每一個都對應于圖1A或1B的投影系統(tǒng)100A或100B。如圖所示，左投影系統(tǒng)200L包括照明光源210L和監(jiān)控光源220。在一個實施例中，左投影系統(tǒng)200L還包括波束合并器230L。

參考圖2B，所述照明光源210L配置為發(fā)出照明光束212L，所述監(jiān)控光源220L配置為發(fā)出監(jiān)控光束222L。光束組合器230L配置為將照明光束212L與監(jiān)控光束222L組合成組合光束232L，再由投影儀240L投射成投影組合光束242L。

參考圖2A，頭戴式設備200同時包括照明光束路徑252L(對應圖1A或1B的照明光束路徑152)和監(jiān)控光束路徑254L(對應圖1A或1B的監(jiān)控光束路徑154)。

所述投射組合光束的第一部分通過照明光束路徑252L向用戶的眼睛傳播(未示出)，所述投射組合光束的第二部分通過所述監(jiān)視器光束路徑254L向所述攝像頭270傳播。

所述投射組合光束的第一部分包含由所述投影儀240L投射的照明光束的至少一部分，使用戶的眼睛看到與所述照明光束相對應的顯示圖像。所述投影組合光束的第二部分包含由所述投影儀240L投影的所述第一監(jiān)視器光束的至少一部分。

再次參考圖2B，兩個監(jiān)控波束路徑254L和256L包括波束組合器260，其配置為將兩個監(jiān)控波束組合成組合的監(jiān)控波束262。然后將組合的監(jiān)控波束262傳播到監(jiān)控攝像頭270中。

所述監(jiān)控攝像頭270配置為接收所述投射的組合光束的第二部分，并捕獲與所述投影儀240L投射的所述監(jiān)控光束相對應的監(jiān)控圖像。

然后，分析監(jiān)視器圖像以確定監(jiān)視器圖像的方向或位置。在確定監(jiān)視器圖像方向或位置不正確的情況下，調整投影儀240L的方向或位置。例如在一個實施例中，轉換與所述照明圖像相關聯(lián)的圖像數(shù)據(jù)，以使所述照明圖像基于所述監(jiān)視器圖像的方向旋轉特定角度。

作為另一個示例，可以變換與所述照明圖像相關聯(lián)的圖像數(shù)據(jù)以使所述照明圖像移動、放大和/或縮小。

在一個實施例中，照明光源210L配置為發(fā)射第一波長波段的光束，例如可見光，而監(jiān)控光源220L配置為發(fā)射第二波長波段的光束，例如不可見光，使得由監(jiān)控光源產(chǎn)生的圖像僅對監(jiān)控攝像頭270可見，而對用戶不可見。

在一個實施例中，所述監(jiān)控光束的功率大于所述照明光束的功率，使得所述監(jiān)控攝像頭270捕獲的所述監(jiān)控圖像具有足夠的信噪比以允許識別所述監(jiān)控圖像。

在一個實施例中，所述照明光束路徑252L被配置為在第一波長波段傳播光，所述監(jiān)視器光束路徑254L配置為在第二波長波段傳播光。因此，所述投射的組合光束分為照明光束路252L和監(jiān)控光束路254L。

在一個實施例中，在照明光束路徑252L之前設置濾光片以濾出第二波長的光束，使得只有第一波長波段的光束在照明光束路徑252L上傳播。另外，在監(jiān)視器光束路徑254L之前設置濾光片以濾出第一波長的光束，使得僅在第二波長波段的監(jiān)視器光束在監(jiān)視器光束路徑254L上傳播。

在一個實施例中，所述監(jiān)視器圖像包括一組預定的點或線。圖3A和3B舉例說明由監(jiān)控攝像頭270捕獲的監(jiān)控圖像的示例。

如圖3A所示，監(jiān)控圖像300A包括由四個點302A、304A、306A、308A組成的網(wǎng)格，所述網(wǎng)格可通過濾除第一波長帶中的光束和/或使用配置為傳播第二波長帶中的光束的監(jiān)控光束路徑254L來實現(xiàn)。

在一個實施例中，將所述監(jiān)控圖像300A與所述監(jiān)控攝像頭270的軸視310A進行比較，以確定所述監(jiān)控圖像330A是否正確定向或定位。

如圖3B所示，監(jiān)控圖像300B包括與顯示圖像320B疊加的由四個點302B、304B、306B、308B組成的網(wǎng)格，其可通過不濾除第一波長帶中的光束，或使用配置為傳播第一波長帶和第二波長帶中的光束的光束路徑造成。

另外，可以將所述監(jiān)控圖像300B與所述監(jiān)控攝像頭270的內徑310B進行比較，以確定所述監(jiān)控圖像300B是否正確定向或定位。在一個實施例中，監(jiān)控光束222L、222R的功率大于(或顯著大于)照明光束212L、212R的功率，從而進一步提高信噪比以允許識別監(jiān)控圖像。

回到圖2A-2B中，頭戴式設備200同時包括第二照明光源210R、第二監(jiān)視器光源220R、第二光束組合器230R、第二照明光束路徑252R和第二監(jiān)視器光束路徑254R、第一監(jiān)視器光源220L、第一光束組合器230L、第一照明光束路徑252L和第一監(jiān)視器光束路徑254L。第一組元件210L、220L、230L、240L和第二組元件210R、220R、230R、240R對稱地設置在頭戴式設備200的左右兩側。

第一組組件210L、220L、230L、240L配置為在用戶的第一只眼睛上投射第一圖像，第二組組件210R、220R、230R、240R配置為在用戶的第二只眼睛上投射第二圖像。

在一個實施例中，監(jiān)控攝像頭270配置為接收來自第一監(jiān)控光束路徑254L的第一投射組合光束的一部分和/或來自第二監(jiān)控光束路徑254R的第二投射組合光束的一部分。所述監(jiān)控攝像頭270配置為基于從所述第一監(jiān)控光束路徑254L接收到的第一光束捕獲第一監(jiān)控圖像，和/或基于從所述第二監(jiān)控光束路徑254R接收到的第二光束捕獲第二監(jiān)控圖像。

在一個實施例中，分別分析第一監(jiān)控圖像或第二監(jiān)控圖像以確定第一監(jiān)控圖像或第二監(jiān)控圖像中的每一個是否正確定向或定位。監(jiān)控攝像頭270配置為捕獲相互覆蓋的第一監(jiān)控圖像和第二監(jiān)控圖像。將第一監(jiān)視器圖像與第二監(jiān)視器圖像進行比較，以確定兩只眼睛的相對內視是否對齊。

在一個實施例中，為每個投影系統(tǒng)實現(xiàn)單獨的監(jiān)控攝像頭。例如，頭戴式設備包括配置為從第一投影儀捕獲第一監(jiān)控圖像的第一監(jiān)控攝像頭，以及配置為從第二投影儀捕獲第二監(jiān)控圖像的第二監(jiān)控攝像頭。然后可以將所捕獲的第一監(jiān)控圖像和第二監(jiān)控圖像與第一攝像頭和第二攝像頭的各自內徑進行比較，或者相互比較以確定彼此的相對內徑。

圖4A和4B說明了由監(jiān)控攝像頭270捕獲的圖像400A、400B的示例，其中第一監(jiān)控圖像(從第一監(jiān)控波束路徑254L接收)和第二監(jiān)控圖像(從第二監(jiān)控波束路徑254R接收)彼此疊加。

如圖4A所示，由監(jiān)控攝像頭270捕獲的圖像400A包括具有四個點402A、404A、406A、408A的第一網(wǎng)格的第一監(jiān)控圖像。第二監(jiān)視器圖像具有由四個點412A、414A、416A、418A組成的第二網(wǎng)格。所述第一監(jiān)控圖像與所述第二監(jiān)控圖像相互疊加。

如圖4A所示，第一格點402A、404A、406A、408A與第二格點412A、414A、416A、418A未對齊，說明與兩眼的相對視軸未對齊。

在一個實施例中，為了確定兩個眼睛的相對軸視不對齊，將頭戴式設備200配置為調整第一投影儀或第二投影儀(或第一照明圖像和/或第二照明圖像)中至少一個的方向或位置，以使相對軸視對齊。

圖4B示出由監(jiān)控攝像頭270捕獲的圖像400B的示例，包括第一顯示圖像410B、具有四個點402B、404B、406B、408B的第一網(wǎng)格的第一監(jiān)控圖像、第二顯示圖像420B和具有四個點412B、414B、416B、418B的第二網(wǎng)格的第二監(jiān)控圖像。

所述第一顯示圖像410B、第一監(jiān)控圖像、第二顯示圖像420B、第二監(jiān)控圖像相互疊加。在一個實施例中，進一步處理疊加圖像400B以提取第一監(jiān)控圖像和/或第二監(jiān)控圖像。然后分析所提取的第一監(jiān)控圖像和/或第二監(jiān)控圖像，以確定監(jiān)控圖像和/或第二監(jiān)控圖像是否正確定向或定位。

圖8示出了在頭戴式設備實現(xiàn)的示例方法800的流程圖。所述方法800包括從第一投影儀捕獲第一監(jiān)控圖像(act810)和從第二投影儀捕獲第二監(jiān)控圖像(act820)。

act810，從第一投影儀獲第一監(jiān)視器圖像由第一投影系統(tǒng)執(zhí)行，而投影系統(tǒng)包括第一照明光源、第一監(jiān)視器光源、第一光束路徑、第二光束路徑和攝像頭。

act810，從第一照明光源發(fā)射第一照明光束(法案710)，從第一監(jiān)控光源發(fā)射第一監(jiān)控光束(法案720)，以及通過第一投影儀將照明光束和監(jiān)控光束投射到第一投影光束中。在一個實施例中，第一照明光源和第一監(jiān)視器光源被配置成向彼此感興趣的不同方向發(fā)射光，并且將第一照明光束和第一監(jiān)視器光束組合成指向第一投影儀的第一組合光束。

act810同時包括將第一投射組合光束的第一部分通過第一光束路徑向用戶的第一眼睛傳播，并將第二投射光束的第二部分通過第二光束路徑向攝像頭傳播，然后通過攝像頭捕獲監(jiān)控圖像。

act820，類似地，從第二投影儀捕獲第二監(jiān)視器圖像由第二投影系統(tǒng)執(zhí)行，而投影系統(tǒng)包括第二照明光源、第二監(jiān)視器光源、第三光束路徑、第四光束路徑和攝像頭。

在一個實施例中，第一投影系統(tǒng)和第二投影系統(tǒng)共享同一攝像頭。第一投影系統(tǒng)包括第一攝像頭，第二投影系統(tǒng)包括第二攝像頭。第一監(jiān)控圖像和第二監(jiān)控圖像被捕獲為彼此疊加。在一個實施例中，分別捕獲第一監(jiān)控圖像和第二監(jiān)控圖像。

act830，然后，將第一監(jiān)控圖像和第二監(jiān)控圖像相互比較，以確定第一投影儀和第二投影儀的相對內視是否彼此對齊。

act840，作為對確定相對軸距未對齊的響應，調整第一或第二投影儀中至少一個的方向或位置。在一個實施例中，為響應于確定相對軸視是否對齊，投影系統(tǒng)可以基于用戶輸入，在預定時間和/或以預定頻率再次重復動作810-830。

在一個實施例中，照明光束和監(jiān)視光束不組合或平行。照明光束和監(jiān)控光束在投影儀內部相交，并在兩個獨立的位置出來。這樣的實施例使得將照明光束發(fā)送到用戶的眼睛和將監(jiān)控光束發(fā)送到監(jiān)控攝像頭變得容易。

相關專利：Microsoft Patent | Monitoring position and orientation of a projector

https://patent.nweon.com/29532

名為“Monitoring position and orientation of a projector”的微軟專利申請最初在2022年1月提交，并在日前由美國專利商標局公布。

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原文鏈接：https://news.nweon.com/111904