CN104766590B - 头戴式显示装置及其背光调整方法 - Google Patents

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Abstract

一种头戴式显示装置及其背光调整方法。头戴式显示装置包括显示模块、背光模块、应用处理器、眼球图像提取装置、红外线发光二极管及特殊应用集成电路。背光模块提供背光至显示模块。眼球图像提取装置提取眼球图像。红外线发光二极管提供辅助光至眼球图像提取装置。特殊应用集成电路根据眼球图像计算目前瞳孔大小。应用处理器在调整模式下，根据目前瞳孔大小调整背光模块的背光亮度。

Description

头戴式显示装置及其背光调整方法
技术领域
本发明涉及一种电子装置，且特别涉及一种头戴式显示装置及其背光调整方法。
背景技术
随着科技日新月异，人们对于信息的吸收也日渐增加。一般常见的多媒体播放装置、网络通讯装置及计算机装置等都搭配CRT或LCD显示器来显示图像。但是其所能显示的图像像素及大小，受限于显示器的尺寸大小及其效能。目前传统的CRT或LCD显示器，皆无法兼顾尺寸及携带轻便的需求。为解决上述问题，市场上推出一种光学穿透式(Optical See-Through)的头戴式显示装置(Head-Mounted Display，HMD)，其可以让使用者同时看到外界（实像）和头戴式显示装置所提供的图像（虚像）。头戴式显示装置在左右眼睛前方各放置有一小型显像管或是液晶显示器。头戴式显示装置例如是利用两眼视差的立体效果，将各别显像管或是液晶显示器所输出的图像经过分光镜(Beam Splitter)投射至使用者的视网膜。然而，当环境亮度较低时虚像亮度低，使用者会觉得显示模块所投射出的虚像光线过于刺眼。相反地，当环境亮度较高时实像亮度高，使用者会觉得无法看清楚显示模块所投射出的虚像。因此，如何能避免环境亮度影响使用者视觉感受则成为一个相当重要的课题。
发明内容
本发明涉及一种头戴式显示装置及其背光调整方法，其随环境亮度动态地调整背光亮度。
根据本发明，提出一种头戴式显示装置。头戴式显示装置包括显示模块、背光模块、应用处理器、眼球图像提取装置、第一红外线发光二极管及特殊应用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）。背光模块提供背光至显示模块。眼球图像提取装置提取眼球图像。红外线发光二极管提供辅助光至眼球图像提取装置。特殊应用集成电路根据眼球图像计算目前瞳孔大小。应用处理器在调整模式下，根据目前瞳孔大小调整背光模块的背光亮度。
根据本发明，提出一种头戴式显示装置的背光调整方法。头戴式显示装置的背光调整方法包括：由眼球图像提取装置提取眼球图像；由红外线发光二极管提供辅助光至眼球图像提取装置；根据眼球图像计算目前瞳孔大小；以及在调整模式下，根据目前瞳孔大小调整背光模块的背光亮度。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下：
附图说明
图1绘示为依照第一实施例的一种头戴式显示装置的方块图。
图2绘示为依照第一实施例的一种头戴式显示装置的背光调整方法的流程图。
图3绘示为依照第一实施例的头戴式显示装置的第一种外观示意图。
图4绘示为依照第一实施例的头戴式显示装置的第二种外观示意图。
图5绘示为依照第一实施例的头戴式显示装置的第三种外观示意图。
图6绘示为依照第一实施例的头戴式显示装置的第四种外观示意图。
图7绘示为依照第一实施例的头戴式显示装置的第五种外观示意图。
图8绘示为依照第二实施例的一种头戴式显示装置的方块图。
图9绘示为依照第二实施例的一种头戴式显示装置的背光调整方法的流程图。
图10绘示为依照第二实施例的头戴式显示装置的外观示意图。
图11绘示为依照第三实施例的一种头戴式显示装置的方块图。
图12为依照第三实施例的头戴式显示装置的外观示意图。
图13绘示为一种瞳孔大小与实像亮度的对应关系图。
图14绘示为一种虚像亮度与驱动电流的对应关系图。
【符号说明】
1、1a、1b、1c、1d、1e、3、5：头戴式显示装置
10：眼镜架
11：显示模块
12：背光模块
13：应用处理器
14：眼球图像提取装置
15：第一红外线发光二极管
16：特殊应用集成电路
17：第二红外线发光二极管
18：前方图像提取装置
19：环境光感测器
201～206、401～405：步骤
D：瞳孔直径
L1：实像亮度
L2：虚像亮度
Id：驱动电流
具体实施方式
第一实施例
请参照图1，图1绘示为依照第一实施例的一种头戴式显示装置的方块图。头戴式显示装置1包括显示模块(Display module)11、背光模块12、应用处理器13、眼球图像提取装置14、第一红外线发光二极管15及特殊应用集成电路（Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC）16。显示模块11例如是微型投影机(Pico Projector)。应用处理器13可经由通用序列总线(Universal Serial Bus，USB)与特殊应用集成电路16沟通。眼球图像提取装置14可经由移动产业处理器接口(Mobile Interface ProcessorInterface，MIPI)或并列式接口(Parallel I/F)与特殊应用集成电路16沟通。特殊应用集成电路16经由通用输入输出(General Purpose Input Output，GPIO)接口开启或关闭第一红外线发光二极管15。
背光模块12例如由发光二极管所实现，且背光模块12提供背光至显示模块11。眼球图像提取装置14提取使用者的眼球图像。第一红外线发光二极管15提供第一辅助光至眼球图像提取装置14。特殊应用集成电路16根据眼球图像计算使用者的目前瞳孔大小。应用处理器13在调整模式下，根据目前瞳孔大小调整背光模块12的背光亮度。
请同时参照图1及图2，图2绘示为依照第一实施例的一种头戴式显示装置的背光调整方法的流程图。头戴式显示装置1的背光调整方法包括如下步骤：首先如步骤201所示，眼球图像提取装置14提取使用者的眼球图像。接着如步骤202所示，特殊应用集成电路16将眼球图像进行透视校正以产生眼球正向图像。特殊应用集成电路16根据眼球正向图像能更方便地取得眼球及瞳孔位置，并能修正原先因投影所造成的失真。跟着如步骤203所示，特殊应用集成电路16去除眼球正向图像的噪声并排除睫毛和阴影的干扰。此外，在执行步骤203之前，特殊应用集成电路16也可先进行眼球检测来取得瞳孔位置，以避免眼球图像提取装置14提取到使用者眨眼时的图像而造成分析误判。
然后如步骤204所示，特殊应用集成电路16根据去除噪声后的眼球正向图像计算使用者的目前瞳孔大小，并将瞳孔大小信息传送至应用处理器13。接着如步骤205所示，特殊应用集成电路16计算目前瞳孔大小与前次瞳孔大小的瞳孔差异值。当瞳孔差异值的绝对值大于一临界值时，特殊应用集成电路16输出警告信号及目前瞳孔大小至应用处理器13。接着如步骤206所示，应用处理器13收到该警告信号后，根据目前瞳孔大小控制背光模块12调整背光亮度。由于使用者的瞳孔大小由虹膜上平滑肌的伸缩控制，所以变化速度不会太快。特殊应用集成电路16计算目前瞳孔大小的频率不需太快，以降低电力消耗。举例来说，特殊应用集成电路16计算目前瞳孔大小的频率约每秒n次，而n小于5的正整数。
进一步来说，步骤205计算瞳孔差异值，且当差异值绝对值大于一临界值时，特殊应用集成电路16输出警告信号至应用处理器13的意义在于：如果使用者处于光线很弱的环境，则使用者的瞳孔需张的很大才能看清周围景物。此时如果因投影虚像光线过强，将导致瞳孔反向缩小，而造成实像进入光线不足。如此一来，使用者反而看不清外在景物，很容易造成安全事故。所以，应用处理器13接收警告信号后，会先控制背光模块12适度地降低背光亮度，以确认使用者的瞳孔变化是受到外在环境光线变强所造成的影响，还是投影虚像光线过强所造成的影响。如果背光亮度降低后，使用者的目前瞳孔大小仍在缩小，就可确认使用者的瞳孔变化是受到外在环境光线变强所造成的影响。此时，应用处理器13即能根据对照表调整背光亮度。但实际应用并不局限于此，在另一实施例中，当瞳孔差异值小于一临界值时，应用处理器13也能正常地根据对照表调整背光亮度。接着如步骤206所示，当目前瞳孔较大时，表示使用者处于低环境亮度。此时应用处理器13需根据对照表对应地降低背光亮度。否则使用者会觉得显示模块11所投射的虚像太亮且刺眼。相反地，当目前瞳孔较小时，表示使用者处于高环境亮度。此时应用处理器13需根据对照表对应地提高背光亮度。否则使用者会觉得显示模块11所投射的虚像太暗而看不清楚。
需说明的是，即便使用者的瞳孔大小相同，在不同硬件条件下，背光模块12的驱动信号仍会有所不同。举例来说，不同微投影机的光机设计；不同背光模块其发光效率也不同；不同分光镜或准直透镜对光的损失程度也不同。有鉴于此，应用处理器13能进一步地在校正模式下，根据目前瞳孔大小及背光模块12对应的驱动信号建立出实际系统的对照表对照表，例如图14所示。驱动信号例如为发光二极管的驱动电流。
请同时参照图1、图13及图14，图13绘示为一种瞳孔大小与实像亮度的对应关系图，图14绘示为一种虚像亮度与驱动电流的对应关系图。图13标示的L1表示实像亮度。图14标示的L2为虚像亮度。图14绘示仅为一示意图，如前所述，每个系统实际测量出来的曲线均会不同。为方便说明起见，下述说明的背光模块12的发光元件以发光二极管为例说明，而背光模块12以电流驱动模式驱动为例说明。应用处理器13在校正模式下，根据眼球图像提取装置14所提取的眼球图像得知使用者的瞳孔直径D，再根据瞳孔直径D及图13决定对应的实像亮度L1（或称为环境亮度）。显示模块11所投射的虚像亮度L2＝实像亮度L1±阈值ΔTH，其主要是考虑瞳孔直径D不要因为虚像光线入射而产生剧烈变化。
显示模块11所投射的虚像亮度L2随背光模块12的驱动电流Id而对应改变。其中，驱动电流Id例如是指发光二极管的驱动电流。应用处理器13在校正模式下，根据图14实际系统测量出的虚像亮度L2与驱动电流Id的对应关系即可产生前述的对照表。后续头戴式显示装置1在调整模式下，应用处理器13即能根据瞳孔直径D来动态调整虚像亮度L2。
需说明的是，应用处理器13在校正模式下，除了根据图13决定瞳孔直径D与实像亮度L1的对应关系外，也可根据瞳孔直径D=5.3-lnB来决定瞳孔直径D与实像亮度L1的对应关系。其中，ln为自然对数，实像亮度B的单位为英尺-朗伯(ft-L)。实像亮度B可经由单位换算将其单位改变为坎德拉/公尺平方(cd/m2)，即图13的实像亮度L1。
请同时参照图1及图3，图3绘示为依照第一实施例的头戴式显示装置的第一种外观示意图。图1绘示的头戴式显示装置1在图3以头戴式显示装置1a为例说明。头戴式显示装置1a还包括眼镜架10。眼球图像提取装置14与第一红外线发光二极管15设置于眼镜架10的镜框右上方，且眼球图像提取装置14的光轴与第一红外线发光二极管15的光轴平行。当眼球图像提取装置14的光轴与第一红外线发光二极管15的光轴平行时，会形成亮瞳效应。亮瞳效应可降低睫毛或阴影的干扰，且有助于低环境亮度下的瞳孔检测。此外，亮瞳效应有助于检测有蓝色或灰色眼睛的使用者。
请同时参照图1及图4，图4绘示为依照第一实施例的头戴式显示装置的第二种外观示意图。图1绘示的头戴式显示装置1在图4以头戴式显示装置1b为例说明。头戴式显示装置1b还包括眼镜架10。眼球图像提取装置14设置于眼镜架10的镜框右上方，且第一红外线发光二极管15设置于眼镜架10的镜框右下方。眼球图像提取装置14的光轴与第一红外线发光二极管15的光轴形成一夹角。当眼球图像提取装置14的光轴与第一红外线发光二极管15的光轴形成一夹角，会形成暗瞳效应。暗瞳效应有助于高环境亮度下或有自然光时的瞳孔检测。此外，暗瞳效应有助于检测有深色眼睛的使用者。
请同时参照图1及图5，图5绘示为依照第一实施例的头戴式显示装置的第三种外观示意图。图1绘示的头戴式显示装置1在图5以头戴式显示装置1c为例说明。头戴式显示装置1c还包括眼镜架10。眼球图像提取装置14与第一红外线发光二极管15设置于眼镜架10的镜框左下方，且眼球图像提取装置14的光轴与第一红外线发光二极管15的光轴平行。
请同时参照图1及图6，图6绘示为依照第一实施例的头戴式显示装置的第四种外观示意图。图1绘示的头戴式显示装置1在图6以头戴式显示装置1d为例说明。头戴式显示装置1d还包括眼镜架10。眼球图像提取装置14设置于眼镜架10的镜框左下方，且第一红外线发光二极管15设置于眼镜架10的镜框左上方。眼球图像提取装置14的光轴与第一红外线发光二极管15的光轴形成一夹角。
请同时参照图1及图7，图7绘示为依照第一实施例的头戴式显示装置的第五种外观示意图。图1绘示的头戴式显示装置1在图7以头戴式显示装置1e为例说明。头戴式显示装置1e还包括眼镜架10及第二发光二极管17。特殊应用集成电路16经由通用输入输出接口开启或关闭第二红外线发光二极管17。眼球图像提取装置14及第二红外线发光二极管17设置于眼镜架10的镜框左下方，且第一红外线发光二极管15设置于眼镜架10的镜框左上方。眼球图像提取装置14的光轴与第一红外线发光二极管15的光轴形成一夹角，且眼球图像提取装置14的光轴与第二红外线发光二极管17的光轴平行。特殊应用集成电路16可视环境条件选择开启第一红外线发光二极管15或第二红外线发光二极管17，以选择配合亮瞳效应或暗瞳效应来检测使用者的目前瞳孔大小。
第二实施例
请同时参照同时图8、图9及图10，图8绘示为依照第二实施例的一种头戴式显示装置的方块图，图9绘示为依照第二实施例的一种头戴式显示装置的背光调整方法的流程图，图10绘示为依照第二实施例的头戴式显示装置的外观示意图。第二实施例与第一实施例主要不同之处在于头戴式显示装置3是藉由前方图像提取装置18所提取的前方图像来调整背光亮度，且前方图像提取装置18的视角与使用者的视角大约相同。
头戴式显示装置3的背光调整方法包括如下步骤：首先如步骤401所示，前方图像提取装置18提取使用者的前方图像。由于要藉由前方图像来忠实地检测出前方环境亮度，因此需关闭自动曝光(Auto Exposure，AE)。换句话说，前方图像提取装置18提取前方图像时。需固定模拟增益、数字增益及曝光时间。接着如步骤402所示，特殊应用集成电路16将前方图像分为N×N个区块，N大于等于1的正整数。特殊应用集成电路16将前方图像分为N×N个区块的好处在于可以让不同的区块具有不同的权重因子。举例来说，位于视野中心点的区块对应至较大的权重因子。或者，特殊应用集成电路16根据显著图(Saliency Map)来调整权重因子。特殊应用集成电路16可假设视野中心点位于前方图像的中心部分，所以前方图像的中心部分的权重因子较高。跟着如步骤403所示，特殊应用集成电路16计算统计数据。然后如步骤404所示，特殊应用集成电路16根据统计数据估计环境亮度。接着如步骤405所示，应用处理器13根据环境亮度控制调整背光亮度。
第三实施例
请同时参照图11及图12，图11绘示为依照第三实施例的一种头戴式显示装置的方块图，图12为依照第三实施例的头戴式显示装置的外观示意图。第三实施例与第二实施例主要不同之处在于头戴式显示装置5是藉由环境光感测器(Ambient Light Sensor，ALS)18所感测的环境亮度来调整背光亮度。环境光感测器19不仅检测其前方亮度，还检测其周围的环境亮度。
前述实施例所载的头戴式显示装置及其背光调整方法仅为举例说明，在其他实施例中头戴式显示装置也可搭配两个以上的红外线发光二极管。此外，在检测使用者的目前瞳孔大小时，并不局限于一次开启一个红外线发光二极管，也可同时开启多个红外线发光二极管。
综上所述，虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定者为准。

Claims (14)

1.一种头戴式显示装置，包括：
一显示模块；
一背光模块，用以提供一背光至该显示模块；
一应用处理器；
一眼球图像提取装置，用以提取一眼球图像；
一第一红外线发光二极管，用以提供一第一辅助光至该眼球图像提取装置；以及
一特殊应用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)，用以根据该眼球图像计算一目前瞳孔大小，该应用处理器在一调整模式下，根据该目前瞳孔大小调整该背光模块的一背光亮度，
其中该特殊应用集成电路计算该目前瞳孔大小与一前次瞳孔大小的一瞳孔差异值，并当该瞳孔差异值的绝对值大于一临界值时，输出一警告信号及该目前瞳孔大小至该应用处理器，该应用处理器接收该警告信号后，根据该目前瞳孔大小控制该背光模块调整该背光亮度。
2.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中该应用处理器接收该警告信号后，控制该背光模块降低该背光亮度，如果该背光亮度降低后，该目前瞳孔大小仍在缩小，该应用处理器根据一对照表调整该背光亮度。
3.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中该眼球图像提取装置的光轴与该第一红外线发光二极管的光轴平行。
4.如权利要求3所述的头戴式显示装置，还包括：
一眼镜架，该眼球图像提取装置与该第一红外线发光二极管设置于该眼镜架的镜框右上方。
5.如权利要求3所述的头戴式显示装置，还包括：
一眼镜架，该眼球图像提取装置与该第一红外线发光二极管设置于该眼镜架的镜框左下方。
6.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中该眼球图像提取装置的光轴与该第一红外线发光二极管的光轴形成一夹角。
7.如权利要求6所述的头戴式显示装置，还包括：
一眼镜架，该眼球图像提取装置设置于该眼镜架的镜框右上方，且该第一红外线发光二极管设置于该眼镜架的镜框右下方。
8.如权利要求6所述的头戴式显示装置，还包括：
一眼镜架，该眼球图像提取装置设置于该眼镜架的镜框左下方，且该第一红外线发光二极管设置于该眼镜架的镜框左上方。
9.如权利要求6所述的头戴式显示装置，还包括：
一第二红外线发光二极管，用以提供一第二辅助光至该眼球图像提取装置，且该眼球图像提取装置的光轴与该第二红外线发光二极管的光轴平行。
10.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中该应用处理器在一校正模式下，根据该目前瞳孔大小及该背光模块对应的驱动信号建立一对照表。
11.一种头戴式显示装置的背光调整方法，包括：
由一眼球图像提取装置提取一眼球图像；
由一第一红外线发光二极管提供一第一辅助光至一眼球图像提取装置；
根据该眼球图像计算一目前瞳孔大小；以及
在一调整模式下，根据该目前瞳孔大小调整一背光模块的一背光亮度，
其中该计算步骤计算该目前瞳孔大小与一前次瞳孔大小的一瞳孔差异值，并当该瞳孔差异值大于一临界值时，输出一警告信号及该目前瞳孔大小至一应用处理器。
12.如权利要求11所述的背光调整方法，其中该调整步骤在该应用处理器接收该警告信号后，根据该目前瞳孔大小控制该背光模块调整该背光亮度。
13.如权利要求12所述的背光调整方法，其中该应用处理器接收该警告信号后，控制该背光模块降低该背光亮度，如果该背光亮度降低后，该目前瞳孔大小仍在缩小，该应用处理器根据一对照表调整该背光亮度。
14.如权利要求11所述的背光调整方法，还包括：
在一校正模式下，根据该目前瞳孔大小及该背光模块对应的驱动信号建立一对照表。
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