CN113228145B - 一种眼戴设备和照明方法 - Google Patents

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Abstract

公开的一种眼戴设备包括照明设备和空间光调制器，所述照明设备包括照明源，每个照明源包括第一照明器、第二照明器和第三照明器，所述空间光调制器耦合到所述照明设备以控制所述第一照明器、第二照明器和第三照明器中的每一个在照明帧期间打开的时间。所述空间光调制器适于在所述第二照明器和第三照明器关闭时打开所述第一照明器，在所述第一照明器和第三照明器关闭时打开所述第二照明器，在所述照明帧的第三时间段期间打开所述第三照明器，关闭所述第一照明器和第二照明器，并且在第四时间段期间打开所述第一照明器、第二照明器和第三照明器。还公开了一种照明方法。

Description

一种眼戴设备和照明方法
相关申请的交叉参考
本申请要求2018年12月21日提交的名称为“自适应照明器排序”的美国临时申请62/783,328号的优先权，其内容通过引用全文纳入本申请。
发明领域
本发明涉及光投影仪，更特别地，涉及具有自适应照明器的投影仪。
发明背景
消费电子设备借助投影仪向用户显示图像。投影仪包括LED等照明器以产生用于显示图像的光。在周围光线水平较高的环境中，为了增加可见度，投影仪可以增加到照明器的电流以提高亮度。然而，增加到照明器的电流会导致照明器产生热量，这限制了这种方法的实用性。
附图简述
当结合附图阅读下面的详细说明时，可以最好地理解本发明，其中相同的元件具有相同的附图标记。当存在多个相似元件时，一个附图标记可以被分配给多个相似元件，其中具有指代特定元件的小写字母标记。当指代全体元件或指代非特定的一个或多个元件时，可以省略小写字母标记。这里强调，根据惯例，除非另有指示，否则附图的各种特征不是按比例绘制的。相反，为了清楚起见，可扩大或减小各种特征的尺寸。附图包括：
图1是眼戴设备的透视图；
图2是图1眼戴设备的局部顶视图；
图3是图1眼戴设备硬件组件的块图；
图4A是用于在图1眼戴设备中实施四色方案的时序图；
图4B是用于在图1眼戴设备中实施七色方案的时序图；
图5是用于确定产生白色的电流和时序要求的方程；
图6是使用图1眼戴设备进行图像投影的流程图。
发明详述
在以下详细说明中，为了对相关教示能够有透彻的理解，通过示例的方式阐述了许多具体细节。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些细节的情况下实施本教示。在其它实例中，为了避免不必要地使本教示的各个方面难以理解，本文将以相对较高的水平来说明众所周知的方法、程序、组件和电路，而不阐述细节。
本文使用的术语“耦合”或“连接”是指任何逻辑、光学、物理或电连接等，通过这些连接，由一个系统元件产生或提供的电或磁信号被传递给另一个耦合或连接的元件。除非另外描述，否则耦合或连接的元件或设备不一定彼此直接连接，可以由可修改、操纵或携载电/磁信号的中间组件、元件或传播介质来分离。如本文所使用的，术语镜片涉及透明或半透明的玻璃或塑料片，所述玻璃或塑料片具有导致光会聚/发散或导致很少或没有会聚/发散的弯曲面和/或平面。本文使用的术语“约”是指围绕实际值的值的范围，即+/-10％。
为了说明和讨论的目的，仅以示例的方式给出了如任何附图所示的眼戴设备、相关组件和任何完整设备的方向。在操作中，眼戴设备可在适合于眼戴设备特定应用的任何其它方向上定向，例如向上、向下、向侧面或任何其它方向。此外，在本文所使用的范围内，前、后、向内、向外、朝向、左、右、横向、纵向、向上、向下、上、下、顶部、底部、侧面、水平、垂直和对角线等任何方向术语仅以示例的方式使用，且不限于如本文另外描述所构造的深度捕捉摄像头的任何深度捕捉摄像头或组件的方向或取向。
示例的其它目的、优点和新特点将部分地在下面的说明中阐述，并且对于本领域技术人员来说，在查看下面的附图后将部分地变得显而易见，或者可以通过示例的生产或操作而获知。本主题的目的和优点可以通过所附权利要求中特别指出的方法、手段和组合来实现和获得。
图1描述了眼戴设备100。眼戴设备100包括具有框架102、右侧眼戴设备腿104a和左侧眼戴设备腿104b的支撑结构。框架102包括支撑右镜片108a的右边缘106a和支撑左镜片108b的左边缘106b。鼻梁架107连接左边缘106a和右边缘106b，并适于接纳佩戴者的鼻子。眼戴设备100还包括空间光调制器(SLM)110、环境光传感器(ALS)112和温度传感器114，这将在下面进一步详细说明。
眼戴设备100还包括框架102和眼戴设备腿104a之间的可选组块116，以容纳电子组件。组块116可附接到框架102上或集成到框架102中。铰链117可将眼戴设备腿104a连接到组块116，以使眼戴设备腿104a能够以常规的方式向框架102折叠。尽管提供了眼戴设备示例，但是应当理解，本文描述的示例可以应用于彩色照明器光源等其他电子设备。
图2概念性地描述了用于描述光学特性的眼戴设备100的一部分。照明设备200在SLM 110的控制下投射光束202(图1)。光导管和反射镜等投影光学器件204将光束202引导到波导管206中。在该示例中，镜片106a界定波导管206。光束202通过波导管206在内部反射，并且在衍射光栅或涂层等出口耦合器处离开波导管206，以供眼戴设备100佩戴者的眼睛208在可视区域中观看。
图3描述了用于眼戴设备100的硬件组件300。除了上述SLM 110、ALS 112、热敏电阻114和照明设备200之外，硬件组件300包括系统控制器302、存储器304、电流控制器312和三个照明器。三个照明器包括红色照明器306(例如红色发光二极管(LED))，其适于发射与红色相关联的第一频率的光；绿色照明器308(例如绿色LED)，其适于发射与绿色相关联的第二频率的光；以及蓝色照明器310(例如绿色LED)，其适于发射与红色相关联的第三频率的光。系统控制器302和电流控制器312均可以是适于实施本文所述功能的微控制器。存储器304可以是非易失性存储器，例如闪存或可擦除只读存储器。
系统控制器302通过传输线接收来自热敏电阻114的温度值和来自ALS 112的环境亮度级。系统控制器基于环境亮度级从存储器304检索用于调整照明器的时序信息。系统控制器302还基于环境亮度级和/或温度来配置SLM 110和电流控制器312以投射光束202。例如，系统控制器302可配置SLM 110用于高/低环境光条件下的高/低亮度，且可配置电流控制器312以在由照明器产生的热可损坏设备的情况下减小电流(例如，根据电流降额曲线)。
图4A描述了用于四色序列(红、绿、蓝、白)的示例时序，以描述白色。时序在16.67ms的照明序列(代表60Hz视频帧)期间。因为从人眼的角度来看，该序列在短时间内发生，所以用户的眼睛将颜色组合解释为同时发生，而不是各颜色单独发生。在图4A的时序中，红色照明器(R)306单独照明的持续时间等于t1-t0(20％)，绿色照明器(G)308单独照明的持续时间等于t2-t1(40％)，蓝色照明器(B)310单独照明的持续时间等于t3-t2(10％)，所有三个照明器(RGB；白色；W)306、308和310照明的持续时间等于t4-t3(30％)。在传统系统中，照明器不是同时点亮的。为了增加这种系统的亮度，就要增加照明器的电流。根据图4A的时序在一些时间照明器同时照明，这与传统系统相比，能够在不增加电流的情况下提供更多的光。此外，照明器仍然周期性地关闭以允许冷却。
图4B描述了用于七色序列(红、绿、蓝、蓝绿、品红、黄、白)的示例时序，以描述白色。时序在16.67ms的照明序列期间。在图4B的时序中，红色照明器(R)306单独照明的持续时间等于t1-t0(20％)，绿色照明器(G)308单独照明的持续时间等于t2-t1(30％)，蓝色照明器(B)310单独照明的持续时间等于t3-t2(10％)，绿色照明器308和蓝色照明器310(GB；蓝绿；C)照明的持续时间等于t4-t3(10％)，红色照明器306和蓝色照明器310(RB；品红；M)照明的持续时间等于t5-t4(10％)，红色照明器306和绿色照明器308(RG；黄色；Y)照明的持续时间等于t6-t5(10％)，所有三个照明器(RGB；白色；W)306、308和310照明的持续时间等于t7-t6(10％)，根据图4B的时序在一些时间照明器同时照明，这与传统系统相比，能够在不增加电流的情况下提供更多的光。此外，照明器仍然周期性地关闭以允许冷却。
在示例中，当显示重叠颜色(例如白色)时，红色照明器306在tR和tW期间打开，在tG和tB期间关闭，绿色照明器308在tG和tW期间打开，在tR和tB期间关闭，蓝色照明器310在tB和tW期间打开，在tR和tG期间关闭。
在示例中，当显示非重叠颜色(如红色)时，红色照明器306在tR期间打开，但在tW期间关闭。在另一示例中，当显示非重叠颜色(如红色)时，红色照明器306在tR和tW期间都打开(在tW期间，绿色照明器308和蓝色照明器310关闭)。
图5描述用于确定特性(例如电流和时序值)以配置照明器以便产生具有特定强度或亮度的所要白色的等式。每个照明器具有国际照明委员会(CIE)三色刺激值(X、Y、Z)，其是三维值。三态值的替代表示是x、y、Y，其中x＝X/(X+Y+Z)，y＝Y/X+Y+Z，并且Y表示强度或亮度。每个照明器的“打开”时间由“t”表示，是照明器打开的持续时间，在此期间，电流“i”被提供给照明器。当关闭时，照明器热冷却。为了保持色点(即色度值)，将提供给每个照明器的电流(i)设置为恒定值。例如，红色照明器306在显示红色、品红色、黄色和白色时的当前值在整个时序中是恒定的。
在示例中，系统通过调整四色系统和七色系统所有照明器打开的持续时间(四色系统为tW，七色系统为tW、tC、tM和tY)来调整亮度，以解决基于环境光条件的可见度问题。对于重叠照明器颜色tW(对于四色系统)和tW、tC、tM和tY(对于七色系统)，系统亮度和持续时间之间存在直接关联。为每个系统选择一组最佳的操作参数(每个照明器的电流和持续时间)。例如，眼戴设备100优化SLM 110以在环境温度为T0的情况下以亮度Y0运行，在环境温度T1的情况下以亮度Y1运行，在环境温度T2的情况下以亮度Y2运行。对于更高的环境亮度级，增加重叠颜色的持续时间以提高可见度。相反，对于较低的环境亮度级，减少重叠颜色的持续时间以减少功耗。当重叠颜色的持续时间为高/低时，增加/减少非重叠颜色的持续时间(tR、tG和tB)，以补偿照明帧中不使用重叠颜色的时间。
最佳操作参数的确定考虑了照明器的温度，例如，通过位于照明器邻近的热敏电阻114。邻近照明器的位置包括精确表示照明器温度(实际的或相关的)的区域。在照明器附近(例如，在半厘米内)的104a眼戴设备腿上的触摸温度与照明器的实际温度具有良好的相关性。作为示例，触摸温度可以是设置的操作参数，最大值为55摄氏度。
传统系统通过增加到照明器的电流来提高亮度，从而解决明亮的环境光条件问题，而无需调整照明器的持续时间，由于照明器的热限制，这种方法的有效性有限。另外，由于LED等照明器对电流增加的非线性亮度响应，这种系统通常需要包括颜色传感器的主动控制回路来维持系统白点。
例如，通过循环使用照明器，如图4A和4B所示，系统可以在更长的操作时间内将照明器温度保持在安全操作范围内。另外，可以避免如在传统系统中发现的那些主动控制回路。
图6描述了用于通过眼戴设备100等电子设备显示图像的示例步骤的流程图。尽管在下面的示例中描述的是眼戴设备100，但是从本文的描述显而易见的是，其中照明器产生光的其他类型的电子设备可以从实施该方法中受益。另外，本领域技术人员将从本文的描述了解合适的修改，例如省略一个或多个步骤和/或以不同顺序进行。
在步骤602，发起打开投影仪的请求。在示例中，投影仪可以包括SLM 110和照明设备200。眼戴设备100的系统控制器302可例如响应于经由眼戴设备100的镜片108a显示信息的指令而开始请求打开SLM 110和照明设备200。
在步骤604，读取环境光传感器。系统控制器302可以通过周期性地轮询ALS 112来读取环境亮度级。ALS 112可位于眼戴设备100上以提供用户在佩戴眼戴设备100时正体验的亮度级的准确读数(或与亮度级具有良好相关性的值)。
在步骤606，获取照明器时序和电流设置。系统控制器302可从存储器304中的查找表读取值。查找表可以包括多个时序条目，其中每个时序条目对应于不同的环境亮度级。在该示例中，系统控制器302从与从ALS 112读取的当前环境亮度级相关联的查找表中读取时序值。对于四色序列，时序包括用于多个环境亮度级范围中的每一个的四个时序值(tR、tG、tB和tW)。对于七色序列，时序包括用于多个环境亮度级范围中的每一个的七个时序值(tR、tG、tB、tC、tM、tY和tW)。相同或不同的查找表可以包括照明器的初始电流设置。
在步骤608，将时序输入自适应空间光调制器中。系统控制器302可将来自步骤606的时序输入SLM 110中，SLM 110又控制电流控制器312以选择性地接通/断开到照明器306、308和310的电流。
在步骤610，将电流设置输入电流控制器。系统控制器302可以将来自步骤606的电流设置输入SLM 110中。
在步骤612，打开投影仪。系统控制器302可在将时序输入SLM 110中且将电流设置输入电流控制器312中之后打开SLM 110和电流控制器312。
在步骤614，读取与投影仪照明器相关的温度。系统控制器302可以周期性地从热敏电阻114读取温度。温度可以是来自非常接近位置的照明器的实际温度或来自附近位置的相关温度，例如在包含照明器的眼戴设备腿104a表面上或附近的温度(如接触温度)。
在步骤616，确定温度是否在可接受范围内。系统控制器302可将周期性读取的温度值与可接受的温度极限(例如，在可接受的触摸温度55摄氏度以下选择的阈值)进行比较。如果温度是可接受的，则在步骤618，系统在再次读取温度之前等待预定的时间段(例如10秒)。只要来自热敏电阻114的温度低于可接受范围，系统控制器302就重复步骤614、616和618。
在步骤620，当读取的温度不在可接受范围内时，照明器的电流减小。系统控制器302可指示电流控制器312将电流减小预定量(例如1％或大约1％)，可使用个别照明器的电流降额曲线成比例地减小流向各个照明器的电流(例如iR、iG和iB)，以便维持系统的白点。
在步骤622，系统在再次读取温度之前等待一段预定的时间(例如10秒)。只要来自热敏电阻114的温度处于或高于可接受范围，系统控制器302就重复步骤614、616、620和622。
如果环境亮度级在打开投影仪时发生变化，系统控制器302可以另外调整照明器的时序。例如，如果环境亮度级增加到预定量(例如5,000勒克斯)以上，则系统控制器302可以增加重叠颜色的时间(例如，在四色系统中为tW，在七色系统中为tC、tM、tY和tW)百分比，以提高可见度。相反，如果环境亮度级降低到预定量(例如5,000勒克斯)以下，则系统控制器302可以降低重叠颜色的时间(例如，在四色系统中为tW，在七色系统中为tC、tM、tY和tW)百分比，以降低功率消耗。当减少/增加重叠颜色的持续时间时，可以增加/减少非重叠颜色(tR、tG和tB)的持续时间，以补偿照明帧中重叠颜色不再使用的时间。
保护范围仅由所附权利要求书限定。当根据本说明书和随后的申请过程进行解释时，该范围旨在并且应当被解释为与权利要求书中所使用的语言的普通含义一样宽，并且应当被解释为包括所有等同结构和功能。然而，权利要求无意包含未能满足《专利法》第101、102或103节要求的主题，也不应以这种方式解释它们。特此放弃对该主题的任何非故意采纳。
除上文所述之外，已陈述或说明的任何内容均无意或不应被解释为导致将任何组件、步骤、特征、目标、利益、优势等捐献于公众，而不管其是否在权利要求书中陈述。
应当理解，除了在本文中另外阐述的特定含义之外，本文使用的术语和表达具有与这些术语和表达相对它们相应的各自研究领域一致的普通含义。例如第一和第二等关系术语可以仅用于区分一个实体或动作与另一个实体或动作，而不必要求或暗示这些实体或动作之间任何实际的这种关系或顺序。术语“包括”、“包含”或其任何其它变型旨在涵盖非排他性包含，使得包括或包含元件或步骤列表的过程、方法、制品或设备不仅包括那些元件或步骤，而且可以包括未明确列出或对这种过程、方法、制品或设备固有的其它元件或步骤。前面有“一”或“一个”的元件，在没有进一步限制的情况下，不排除在包含该元件的过程、方法、制品或设备中存在附加的相同元件。
除非另有说明，在本说明书(包括所附权利要求书)中提出的任何和所有测量值、值、额定值、位置、大小、尺寸和其它规格都是近似的、不精确的。这样的量旨在具有合理的范围，该范围与它们所涉及的功能以及它们所涉及的本领域中的惯例一致。例如，除非另有明确说明，否则参数值等可能与规定的数量相差±10％。
另外，在前面的具体实施方式中，可以看出，为了简化本公开，在各种示例中将各种特征组合在一起。该公开方法不应被解释为反映了要求保护的示例需要比每个权利要求中明确记载的特征更多特征的意图。相反，如以下权利要求所反映的，要保护的主题在不少于任何单个公开示例的所有特征。因此，以下权利要求在此结合到具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独要求保护的主题。
虽然上文已经描述了被认为是最佳方式和其他示例的内容，但是应当理解，可以在其中进行各种修改，可以以各种形式和示例来实现本文公开的主题，并且它们可以应用于许多应用中，本文仅描述了其中的一些应用。所附权利要求书旨在要求保护落在本概念真实范围内的任何和所有修改和变化。

Claims (18)

1.一种眼戴设备，包括：
界定波导管的镜片；
支撑结构，其适于佩戴在用户的头部，所述支撑结构被配置成在佩戴所述支撑结构时在用户可见的可视区域中支撑所述镜片；
照明设备，其包括多个照明源，每个照明源包括适于以第一频率发射光的第一照明器、适于以第二频率发射光的第二照明器以及适于以第三频率发射光的第三照明器，其中所述第一、第二和第三频率是不同的；
投影光学器件，被配置为将来自所述多个照明源的光投影到所述波导管中以路由到所述可视区域；以及
空间光调制器，其耦合到所述照明设备以在照明帧期间控制所述第一照明器、所述第二照明器和所述第三照明器中的每一个何时打开，所述空间光调制器适于在所述照明帧的第一时间段期间打开所述第一照明器，同时关闭所述第二照明器和所述第三照明器，在所述照明帧的第二时间段期间打开所述第二照明器，同时关闭所述第一和第三照明器，在所述照明帧的第三时间段期间打开所述第三照明器，同时关闭所述第一和第二照明器，并且在所述照明帧的第四时间段期间打开所述第一、第二、第三照明器，其中所述第一、第二、第三和第四时间段不重叠，所述空间光调制器还适于在所述照明帧的第五时间段期间打开所述第一照明器和第二照明器，关闭所述第三照明器，在所述照明帧的第六时间段期间打开所述第二照明器和第三照明器，关闭第一照明器，在所述照明帧的第七时间段期间打开所述第一照明器和第三照明器，关闭所述第二照明器。
2.如权利要求1所述的眼戴设备，还包括：
环境光传感器，用于感测环境亮度级；以及
耦合到所述环境光传感器和所述空间光调制器的控制器；
其中所述空间光调制器基于所述环境亮度级响应于所述控制器来调整所述第四时间段的持续时间。
3.如权利要求2所述的眼戴设备，还包括：
邻近所述照明设备定位以感测温度的温度传感器；
其中所述控制器耦合到所述温度传感器，且其中所述空间光调制器基于所述感测的温度响应于所述控制器来调整所述第一、第二或第三照明器中的至少一个的电流。
4.如权利要求2所述的眼戴设备，其中所述控制器周期性地检测所述环境亮度级，计算所述第四时间段，并将所述计算的第四时间段输入空间光调制器。
5.如权利要求4所述的眼戴设备，其中所述控制器响应于所述环境亮度级的增加而增加所述第四时间段持续时间，并减少所述第一、第二或第三时间段持续时间中的至少一个时间段持续时间，以补偿所述第四时间段持续时间的所述增加。
6.如权利要求4所述的眼戴设备，其中所述控制器响应于所述环境亮度级的降低而减少所述第四时间段持续时间，并增加所述第一、第二或第三时间段持续时间中的至少一个时间段持续时间，以补偿所述第四时间段持续时间的所述减少。
7.如权利要求1所述的眼戴设备，其中所述第一照明器为红色发光二极管(LED)，第二照明器为绿色LED，第三照明器为蓝色LED。
8.如权利要求1所述的眼戴设备，其中所述第一时间段约为20％，所述第二时间段约为40％，所述第三时间段约为10％，所述第四时间段约为30％。
9.如权利要求1所述的眼戴设备，其中所述第一、第二和第三照明器是在所述照明帧期间进行时间排序。
10.如权利要求1所述的眼戴设备，其中所述第一照明器由第一电流打开，所述第二照明器由第二电流打开，所述第三照明器由第三电流打开，且其中所述第一电流在所述照明帧的第一、第四、第五及第七时间段期间相同，所述第二电流在所述照明帧的第二、第四、第五及第六时间段期间相同，并且所述第三电流在所述照明帧的第三、第四、第六和第七时间段期间相同。
11.一种照明方法，包括：
确定照明帧内照明源的照明器照明的时间段，每个照明源包括适于以第一频率发光的第一照明器、适于以第二频率发光的第二照明器和适于以第三频率发光的第三照明器，其中所述第一、第二和第三频率是不同的；
在所述照明帧内所述第一照明器、第二照明器和第三照明器选择性地照明所述确定的时间段，使得在所述照明帧的第一时间段期间打开所述第一照明器，关闭所述第二照明器和所述第三照明器，在所述照明帧的第二时间段期间打开所述第二照明器，关闭所述第一照明器和所述第三照明器，在所述照明帧的第三时间段期间打开第三照明器，关闭所述第一和第二照明器，并且在所述照明帧的第四时间段期间打开所述第一、第二和第三照明器，其中所述第一、第二、第三和第四时间段不重叠，所述第一、第二和第三照明器在所述照明帧内进一步选择性地照明，使得在所述照明帧的第五时间段期间打开所述第一和第二照明器，关闭所述第三照明器，在所述照明帧的第六时间段期间打开所述第二和第三照明器，关闭所述第一照明器，在所述照明帧的第七时间段期间打开所述第一和第三照明器，关闭所述第二照明器。
12.如权利要求11所述的照明方法，其中所述确定步骤包括：
感测环境亮度级；以及
基于所述环境亮度级响应于控制器调整所述第四时间段的持续时间。
13.如权利要求12所述的照明方法，其中所述确定步骤包括：
感测照明源邻近的温度；以及
基于所述感测到的温度响应于所述控制器调整到所述第一、第二或第三照明器中的至少一个的电流。
14.如权利要求12所述的照明方法，其中周期性地感测所述环境亮度级，所述照明方法还包括计算第四时间段，并且所述调整步骤包括将计算的第四时间段输入空间光调制器中。
15.如权利要求14所述的照明方法，其中响应于所述环境亮度级增加，所述第四时间段持续时间增加，并且所述第一、第二或第三时间段持续时间中的至少一个持续时间减少，以补偿所述第四时间段持续时间的所述增加。
16.如权利要求14所述的照明方法，其中响应于所述环境亮度级降低，所述第四时间段持续时间减少，并且所述第一、第二或第三时间段持续时间中的至少一个持续时间增加，以补偿所述第四时间段持续时间的所述减少。
17.如权利要求11所述的照明方法，其中所述第一时间段约为20％，所述第二时间段约为40％，所述第三时间段约为10％，所述第四时间段约为30％。
18.如权利要求11所述的照明方法，其中所述第一，第二和第三照明器是在所述照明帧期间进行时间排序。
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