投影机对焦方法及投影机对焦系统与流程

1.本发明公开一种投影机对焦方法及投影机对焦系统，尤指一种具有任意位置对焦功能的高精确度的投影机对焦方法及投影机对焦系统。


背景技术：

2.近年来，随着科技日新月异，显示设备的市场逐渐增大，加上多家厂商投入，针对显示设备的市场增加投资。虽然市面上的显示设备种类繁多，然而能提供一个较便宜且屏幕尺寸够大，足够众人观赏的，目前只有投影显示器能有此优势。投影显示器利用投影机系统，通过其内部微小的反射镜面作为显示组件(例如数字微镜装置，digital micro-mirror device，dmd)，并利用成像原理，将小尺寸的显示面上的影像投影到上百寸的屏幕上，并提供足够的亮度及屏幕支持性，将影像信息分享给观赏的人。因此，当投影机将影像投影至屏幕时，将不再局限于显示面板的尺寸。
3.一般相机的对焦方式可分为被动式自动影像对焦以及主动式自动影像对焦。被动式自动影像对焦属于视觉对焦，常见的模式有相位检测(phase detection)对焦以及对比度检测(contrast detection)对焦等等。被动式自动影像对焦可根据影像画面做出合焦判断，属于精确度较高的对焦方式。主动式自动影像对焦可对物体发射红外线、超音波或是雷射，再接收反射讯号，据此取得距离而做出合焦判断，属于高速且不受干扰的方法。然而，被动式自动影像对焦的缺点在于对焦速度慢，且画面在合焦过程会前后反复拉动。主动式自动影像对焦的缺点在于局限于短距离的合焦焦距，且仅能支持单点对焦。
4.因此，将相机的对焦方式改良，以应用在投影机的投影过程实为重要的设计议题。


技术实现要素：

5.本发明一实施例提出一种投影机对焦方法。投影机对焦方法包含提供飞时测距装置及投影面，在飞时测距装置发射光束到达投影面后，取得投影面所显示的光束于周缘两侧与飞时测距装置的第一距离以及第二距离，以及光束的平面夹角，依据第一距离、第二距离及平面夹角，取得投影面的平面方程式，取得投影机内的数字微镜装置的多个影像定位坐标，依据该些影像定位坐标，取得数字微镜装置的光轴向量，指定数字微镜装置内的目标坐标，并依据平面方程式将目标坐标转换为投影面上的投影目标坐标，依据投影目标坐标及投影机的镜头位置，取得自定义对焦位置发射向量，依据自定义对焦位置发射向量及光轴向量，取得投影机的理想对焦距离，以及依据理想对焦距离设定投影机，以使投影影像在投影目标坐标是清晰状态。
6.本发明另一实施例提出一种投影机对焦系统。投影机对焦系统包含投影机、飞时测距装置及投影面。投影机包含数字微镜装置、镜头、重力传感器及处理器。数字微镜装置用以产生影像。镜头面对数字微镜装置，用以投射影像。重力传感器用以感测投影机的偏移角度。处理器耦接于数字微镜装置、镜头及重力传感器。投影面用以产生投影影像。在飞时测距装置发射光束到达投影面后，飞时测距装置取得投影面所显示的光束于周缘两侧与飞
时测距装置的第一距离以及第二距离，以及光束的平面夹角。处理器依据第一距离、第二距离及平面夹角，取得投影面的平面方程式。处理器取得数字微镜装置的多个影像定位坐标。处理器依据该些影像定位坐标，取得数字微镜装置的光轴向量，指定数字微镜装置内的目标坐标，并依据平面方程式将目标坐标转换为投影面上的投影目标坐标。处理器依据投影目标坐标及投影机的镜头位置，取得自定义对焦位置发射向量，依据自定义对焦位置发射向量及光轴向量，取得投影机的理想对焦距离。处理器依据理想对焦距离设定投影机，以使投影影像在投影目标坐标是清晰状态。
附图说明
7.图1为本发明的投影机对焦系统的实施例的方块图。
8.图2为图1的投影机对焦系统中，利用飞时测距装置取得投影面的平面方程式的示意图。
9.图3为图1的投影机对焦系统中，在数字微镜装置与投影面之间，利用平面方程式求出投影影像定位坐标及投影目标坐标的示意图。
10.图4为图1的投影机对焦系统中，依据自定义对焦位置发射向量与光轴向量，求得让投影目标坐标的影像是清晰状态时的理想对焦距离的示意图。
11.图5为图1的投影机对焦系统执行投影机对焦方法的流程图。
12.附图标记列表
13.100：投影机对焦系统
14.10：投影机
15.11：飞时测距装置
16.12：投影面
17.pimg：投影影像
18.10a：数字微镜装置
19.10b：镜头
20.10c：重力传感器
21.10d：处理器
22.l及r：距离
23.x1及x2：投影点
24.t：飞时测距装置发射点
25.θ：平面夹角
26.x3至x6：顶点
27.x3’至x6’：投影顶点
28.p：目标坐标
29.p’：投影目标坐标
30.a：光机透镜中心
31.v1及v2：方向向量
32.o：光轴向量
33.d1：自定义对焦位置发射向量
34.d：理想对焦距离
35.13：虚拟投影平面
36.s501至s509：步骤
具体实施方式
37.图1为本发明的投影机对焦系统100的实施例的方块图。投影机对焦系统100包含投影机10、飞时测距(time of flight，tof)装置11以及投影面12。投影机10可为任何形式的投影机，例如数字光处理(digital light processing，dlp)投影机。投影机10可包含数字微镜装置(digital micro-mirror device，dmd)10a、镜头10b、重力传感器10c以及处理器10d。数字微镜装置10a用以产生影像。镜头10b面对数字微镜装置10a，用以投射影像。重力传感器(g-sensor)10c用以感测投影机10的偏移角度。重力传感器10c可感知投影机10在俯仰(pitch)轴、偏摆(yaw)轴及翻滚(roll)上的偏移角度。处理器10d耦接于数字微镜装置10a、镜头10b及重力传感器10c，用以控制数字微镜装置10a、镜头10b及重力传感器10c以及接收感测数据。飞时测距装置11耦接于投影机10。飞时测距装置(后文称为：tof装置11)可利用发光二极管或是雷射二极管发射出红外光或是雷射，照射到物体表面以产生反射光。因此，tof装置11可以依据发射的红外光或是雷射与接收的反射光的时间差，计算不同物体位置的距离。投影面12用以产生投影影像。投影面12可为墙壁、屏幕、或是投影帘幕等等。并且，投影机10可以利用光机对焦环设定理想对焦距离。在处理器10d设定投影机至理想对焦距离后，投影机10可产生准焦的投影影像。在投影机对焦系统100中，在tof装置11发射光束到达投影面12后，处理器10d取得投影面12所显示的光束于周缘两侧与tof装置11的第一距离以及第二距离，以及光束的平面夹角。处理器10d依据第一距离、第二距离及平面夹角，取得投影面12的平面方程式。处理器10d取得数字微镜装置10a的多个影像定位坐标。处理器10d依据该些影像定位坐标，取得数字微镜装置10a的光轴向量。使用者也可以通过处理器10d指定数字微镜装置10a内的目标坐标。处理器10d依据平面方程式，将目标坐标转换为投影面12上的投影目标坐标。接着，处理器10d依据投影目标坐标及投影机10的镜头位置，取得自定义对焦位置发射向量，再依据自定义对焦位置发射向量及光轴向量，取得投影机12的理想对焦距离。最后，处理器10d依据理想对焦距离设定投影机12，以使投影影像在投影目标坐标是清晰状态。换句话说，当用户欲让某个区域或是某个坐标的投影影像是清晰状态时，投影机对焦系统100可以快速且自动地调整理想对焦距离，以满足使用者的需求。投影机对焦系统100计算理想对焦距离的细节将描述于下。
38.图2为投影机对焦系统100中，利用飞时测距装置11取得投影面12的平面方程式的示意图。如前述提及，tof装置11的发射点t可以朝着
39.投影面12发射红外光或是雷射，以产生反射光。因此，tof装置11可以依据发射的红外光或是雷射与接收的反射光的时间差计算距离。如图2所示，在tof装置11于发射点t发射红外光或是雷射后，投影面12所显示的光束于周缘左侧与发射点t的第一距离为l1。l1为已知距离(可测定)。类似地，投影面12所显示的光束于周缘右侧与发射点t的第二距离为l2。l2为已知距离(可测定)。光束左右两侧得到平面夹角2θ也可被侦测。投影面12所显示的光束于周缘左侧的投影点为x1。投影面12所显示的光束于周缘右侧的投影点为x2。为了描述简化，于此以z轴视角(z＝0)观察三维坐标。tof装置发射点t的坐标为t(0,0,0)。投影点
x1的坐标为x1(x1,y1,0)。投影点x2的坐标为x2(x2,y2,0)。假设投影面12满足平面方程式ax+by+c＝0。由勾股定理以及三角函数的公式，可以得到以下式子：
40.对于投影点x1的坐标x1(x1,y1,0)而言，满足：
[0041][0042]
依据(1)式，可以推导出投影点x1的坐标x1(x1,y1,0)的解。类似地，对于投影点x2的坐标为x2(x2,y2,0)而言，满足：
[0043][0044]
依据(2)式，可以推导出投影点x2的坐标x2(x2,y2,0)的解。换句话说，处理器10d可依据第一距离l1、第二距离l2及平面夹角2θ(半角为θ)，取得投影面12的多个平面坐标，如投影点x1的坐标x1(x1,y1,0)以及投影点x2的坐标x2(x2,y2,0)。接着，处理器10d可以依据该些平面坐标，取得方向向量。例如x1至x2的方向向量可以表示为v
x1x2
＝(x
2-x1,y
2-y1,0)。类似地，处理器10d可以依据上述步骤，取得至少两个方向向量。接着，处理器10d可依据至少二个方向向量，取得投影面12的平面方程式，以ax+by+c＝0表示。a,b,c为投影面12的法向量系数，可依据至少两个方向向量，以外积运算推导而得。
[0045]
应当理解的是，投影机对焦系统100因为有引入重力传感器10c，故可以修正投影面12的平面方程式系数，以增加精确度，说明如下。重力传感器10c可用以取得投影机10在俯仰(pitch)轴、偏摆(yaw)轴及翻滚(roll)轴上的偏移角度。举例而言，投影机10在俯仰(pitch)轴上的偏移角度为θy。投影机10在偏摆(yaw)轴上的偏移角度为θz。投影机10在翻滚(roll)轴上的偏移角度为θ
x
。因此，处理器10d可依据俯仰轴、偏摆轴及翻滚轴上的偏移角度，产生旋转向量矩阵r。旋转向量矩阵r可表示如下：
[0046]
r＝ry(θy)r
x
(θ
x
)rz(θz)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0047]
在(3)式中，ry(θy)、r
x
(θ
x
)及rz(θz)为方阵且与偏移角度有关，可表示如下：
[0048][0049][0050][0051]
并且，在一实施例中，投影点x1的坐标x1(x1,y1,0)以及投影点x2的坐标x2(x2,y2,0)可以根据旋转向量矩阵r进行调整(或称为更新)，如下：
[0052][0053][0054]
换句话说，当投影机对焦系统100引入重力传感器10c后，可以根据重力传感器10c的信息产生旋转向量矩阵，以修正平面方程式。并且，若投影机在俯仰轴、偏摆轴及翻滚轴上没有偏移角度，表示θ
x
＝θy＝θz＝0。因此，旋转向量矩阵r变为单位矩阵(identity matrix)。
[0055]
图3为投影机对焦系统100中，在数字微镜装置10a与投影面12之间，利用平面方程式求出投影影像定位坐标及投影目标坐标的示意图。在投影机10内的数字微镜装置10a中，影像定位坐标可为数字微镜装置10a的四个顶点的坐标。如图3所示，顶点x3的影像定位坐标表示为x3(x3,y3,z3)。顶点x4的影像定位坐标表示为x4(x4,y4,z4)。顶点x5的影像定位坐标表示为x5(x5,y5,z5)。顶点x6的影像定位坐标表示为x6(x6,y6,z6)。处理器10d可依据该些影像定位坐标，利用平面方程式将该些影像定位坐标转换为投影面12上的多个投影影像定位坐标。举例，对于顶点x3的影像定位坐标x3(x3,y3,z3)而言，投影面12上相对的投影顶点x3’的投影影像定位坐标x3’(x3’
,y3’
,z3’
)满足：
[0056][0057]
对于顶点x4的影像定位坐标x4(x4,y4,z4)而言，投影面12上相对的投影顶点x4’的投影影像定位坐标x4’(x4’
,y4’
,z4’
)满足：
[0058][0059]
对于顶点x5的影像定位坐标x5(x5,y5,z5)而言，投影面12上相对的投影顶点x5’的投影影像定位坐标x5’(x5’
,y5’
,z5’
)满足：
[0060][0061]
对于顶点x6的影像定位坐标x6(x6,y6,z6)而言，投影面12上相对的投影顶点x6’的投影影像定位坐标x6’(x6’
,y6’
,z6’
)满足：
[0062][0063]
投影顶点x4’至x6’在投影面12上所围成的范围即对应投影机10在投影面12上所
投射的投影影像pimg。如前述，数字微镜装置10a的四个顶点x3至x6的影像定位坐标可以决定。因此，处理器10d可以依据该些影像定位坐标，取得数字微镜装置10a的至少两个方向向量。举例而言，数字微镜装置10a的第一方向向量v1可表示如下：
[0064]
v1＝(x
4-x3,y
4-y3,z
4-z3)
ꢀꢀꢀ
(13)
[0065]
数字微镜装置10a的第二方向向量v2可表示如下：
[0066]
v2＝(x
6-x3,y
6-y3,z
6-z3)
ꢀꢀꢀ
(14)
[0067]
接着，处理器10d可以依据至少两个方向向量v1及v2，利用外积运算，以取得数字微镜装置10a的光轴向量o。因此，数字微镜装置10a的光轴向量o即为垂直于数字微镜装置10a的法向量。
[0068]
如前述提及，投影机对焦系统100具有在指定的投影目标坐标上，让影像呈现清晰状态。使用者可以通过处理器10d，指定数字微镜装置10a上的目标坐标。举例而言，数字微镜装置10a上的目标坐标可表示为p(p
x
,py,pz)。目标坐标p(p
x
,py,pz)可基于光机透镜中心a的坐标(假设为a(0,0,0))以及前述推导的平面方程式ax+by+c＝0，得出目标坐标p(p
x
,py,pz)在投影面12上的投影目标坐标p’(p
x’,p
y’,p
z’)。投影目标坐标p’(p
x’,p
y’,p
z’)满足以下式子：
[0069][0070]
由于目标坐标p(p
x
,py,pz)、光机透镜中心a的坐标以及投影目标坐标p’(p
x’,p
y’,p
z’)可决定，因此可以依此推导出对应的自定义对焦位置发射向量d1，可表示为：
[0071]
d1＝(p
x
',py',pz')
ꢀꢀꢀ
(16)
[0072]
而正确的理想对焦距离是将自定义对焦位置发射向量d1投影至光轴向量o的范数(长度)，可由内积运算获得，细节如下。
[0073]
图4为投影机对焦系统100中，依据自定义对焦位置发射向量d1与光轴向量o，求得让投影目标坐标p’(p
x’,p
y’,p
z’)的影像是清晰状态时的理想对焦距离d的示意图。如前述提及，正确的理想对焦距离d是将自定义对焦位置发射向量d1投影至光轴向辆o的长度。因此，在图4中，理想对焦距离d可以由三角函数的运算得出，如下：
[0074]
d＝|d1|cos(φ)
ꢀꢀꢀ
(17)
[0075]
其中φ为自定义对焦位置发射向量d1与光轴向辆o的夹角。|d1|为自定义对焦位置发射向量d1的长度，可用投影目标坐标p’(p
x’,p
y’,p
z’)与目标坐标p(p
x
,py,pz)的直线距离求得。cos(φ)可用以下式子导出：
[0076][0077]
其中d1·
o为自定义对焦位置发射向量d1与光轴向辆o的内积。|q|为光轴向辆o的长度，可由镜头中心点a到投影面12的垂直距离得出。换句话说，依据(17)以及(18)式，处理器10d可以依据自定义对焦位置发射向量d1及光轴向量o，取得自定义对焦位置发射向量d1及光轴向量o之间的夹角φ(第18式)。接着，处理器10d可以依据夹角φ及自定义对焦位置发射向量d1，取得投影机10的理想对焦距离d(第17式)。并且，如图4所示，投影机10可以依
据光轴向量o与理想对焦距离d，产生虚拟投影平面13。并且，虚拟投影平面13与投影面12的交线，通过投影目标坐标p’(p
x’,p
y’,p
z’)。因此，投影影像pimg会在投影目标坐标p’(p
x’,p
y’,p
z’)上的一个范围为清晰状态。
[0078]
在投影机对焦系统100中，任何合理的技术变更或是硬件变更都属于本发明所公开的范畴。举例而言，tof装置11与投影机10可以有一个间隔，合理的间隔可为数公分或是数十公分。然而，tof装置11的位置并不被图1所限制。更一般性地说，当图2的tof装置发射点的坐标为t(0,0,0)时，图3的镜头中心点的坐标可设定为a(a1,a2,a3)。并且，tof装置发射点与镜头中心点的距离可表示为理想对焦距离d的推导过程类似前述提及，故于此将不再赘述。
[0079]
图5为投影机对焦系统100执行投影机对焦方法的流程图。投影机对焦系统100执行投影机对焦方法的流程包含步骤s501至s509。任何合理的步骤变更或是置换都属于本发明所公开的范畴。
[0080]
步骤s501：提供tof装置11及投影面12；
[0081]
步骤s502：在该tof装置11发射光束到达投影面12后，取得投影面12所显示的光束于周缘两侧与tof装置11的第一距离l1以及第二距离l2，以及光束的平面夹角2θ；
[0082]
步骤s503：依据第一距离l1、第二距离l2及平面夹角2θ，取得投影面12的平面方程式；
[0083]
步骤s504：取得投影机10内的数字微镜装置10a的多个影像定位坐标(x3(x3,y3,z3)至x6(x6,y6,z6))；
[0084]
步骤s505：依据该些影像定位坐标(x3(x3,y3,z3)至x6(x6,y6,z6))，取得数字微镜装置10a的光轴向量o；
[0085]
步骤s506：指定数字微镜装置10a内的目标坐标p(p
x
,py,pz)，并依据平面方程式将目标坐标p(p
x
,py,pz)转换为投影面12上的投影目标坐标p’(p
x’,p
y’,p
z’)；
[0086]
步骤s507：依据投影目标坐标p’(p
x’,p
y’,p
z’)及投影机10的镜头位置，取得自定义对焦位置发射向量d1；
[0087]
步骤s508：依据自定义对焦位置发射向量d1及光轴向量o，取得投影机10的理想对焦距离d；
[0088]
步骤s509：依据理想对焦距离d设定投影机10，以使投影影像pimg在投影目标坐标p’(p
x’,p
y’,p
z’)是清晰状态。
[0089]
步骤s501至步骤s509的细节已于前文中描述，故于此将不再赘述。在投影机对焦系统100中，可以用tof装置11所测的距离推导出投影面12的平面方程式。当用户指定投影影像中的一个投影点或是每一个区域时，投影机对焦系统100可利用再依据平面方程式逐步推导出投影机10对应的理想对焦距离d。因此，投影影像会在投影目标坐标上的一个范围为清晰状态。
[0090]
综上所述，本发明描述一种投影机对焦系统。投影机对焦系统具有可侦测投影机与屏幕距离的tof装置(或是任何替代装置)，故可依据测定的屏幕距离取得投影面的平面方程式。当用户指定某个投影目标坐标的影像欲为清晰状态后，投影机对焦系统可以依据平面方程式与数字微镜装置的坐标信息，产生最佳理想对焦距离，以使虚拟投影平面与投
影面的交线通过投影目标坐标。因此，投影机对焦系统可以将投影目标坐标上的一个范围的投影影像变为清晰状态。
[0091]
以上所述仅为本发明之较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明之涵盖范围。