TW201308288A - 雙向顯示器及其控制 - Google Patents

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Abstract

一種雙向顯示器，具有一包含複數個發光像素(1a,1b)之較佳二維顯示陣列(1)以及一包含複數個測光元素(2a,2b)之較佳二維相機陣列(2)，其特徵在於該顯示陣列(1)和該相機陣列(2)在時間觀點的一循序電氣控制。

Description

雙向顯示器及其控制
本發明係關於一種雙向顯示器及其電氣控制。
該雙向顯示器可特別使用於例如偵測所謂的頭戴式顯示器“head-mounted display”(HMD)中的眼睛視向之方向。在下文中，因而優先參考該等HMD而敍述根據本發明之雙向顯示器的實施例。即便如此，根據本發明之雙向顯示器亦可以使用在其他的應用目的，例如使用於數位相機用來控制選單的視向控制取景窗。亦可使用於顯微鏡領域之使用者控制，例如藉由視向控制來移動一xy戴台。進一步的應用領域是可以想像得到的。
使用眼球追蹤功能的HMD係首先得知於每個HMD具有分離的組件供虛像投射以及供偵測使用者的視向方向的習知技藝中(J.P.Rolland,H.Hua,P.Krishnashwamy：“Video-based eye tracking methods and algorithms in head-mounted displays”,optics express(2006),Vol.14,H.10,p.4328-4350)。於此情況下，眼睛係看穿半透明鏡片而看見真實世界。一虛擬顯示影像係被一目鏡所放大且經由一半透明鏡片顯現在眼球上。眼球係被一紅外光放射源所照射且眼睛影像經由第二半透明鏡片通過一透鏡而成像於相機。由於顯示器和相機在空間上分離的配置，在這樣的HMD中並不會有光學或電氣串擾(crosstalk)產生。然而這種系統架構由於需要大量的組件，因此僅可達到一定程度的微小化和中等的功率消耗。
再者，光學配置係得知於至少一發射電磁輻射元件與複數個偵測電磁輻射元件配置在一起或者至少一偵測電磁輻射元件與複數個發射電磁輻射元件配置在一共同基板上的習知技藝(DE 10 2006 030 541 A1)中。發射輻射和偵測輻射之元件於此情況下係可用CMOS技術加以實施(發射輻射元件可以是有機發光二極體，OLEDs；偵測輻射元件可以是CMOS光敏二極體)。顯示於專利文件DE 10 2006 030 541 A1中之配置(參下文)可構成根據本發明(其稍後將藉根據本發明之電氣控制來補充)之雙向顯示器之顯示陣列和相機陣列的基礎。專利文件DE 10 2006 030 541 A1和敍述於其中的特定光學配置係因此作為本發明顯示陣列結構和相機陣列結構之組成零件。
雙向顯示器，例如以雙向OLED微顯示器之型式之用以偵測眼睛視向方向之頭戴式顯示器，因此可以基於專利文件DE 10 2006 030 541 A1而實施成特別地微小。然而除了高功能性微小化的好處外，於此情況下產生了一方面是操作時投射光密集虛擬影像至使用者上且另一方面是偵測眼睛影像以穩健地進行眼球追蹤的各種問題。由於雙向OLED微顯示器之架構，OLED像素(非常普遍地亦稱為下文的發光像素)與鄰近的相機像素(以下亦稱為測光元素)產生的光學串擾發生在套疊主動矩陣(顯示陣列和相機陣列彼此套疊，見下文)內。然而，此光學串擾將使得測光元素之動態範圍非常受限。此外，由於電路上的電路零件相互鄰近，不僅有光學串擾亦會有電氣串擾產生。由於例如在套疊之顯示陣列和相機陣 列內部訊號線上的電容串擾，此電氣串擾之後將造成測光元件訊號的干擾。
(發生在HMD中之雙向顯示器之進一步問題是位於微顯示器至視網膜之虛擬影像投射和眼睛影像在雙向顯示器的相機陣列上的成像之間所產生的光學去耦合。然而，此去耦合係在眼睛影像於近紅外光範圍被偵測到時發生。於系統側，使用者的眼球因此必須以近紅外光範圍的光線來照射。使用者眼球所反射之紅外光輻射強度在此方面係受制於系統中不同的耗損機制和法定限制的最大輻射強度。在雙向微顯示器內被偵測到的眼睛影像圖品質會因為系統組件尺寸選擇非最佳化而變差。系統的功率消耗進一步地增加。劣質的影像品質甚至無法進行眼球追蹤。)
以習知技藝為由，本發明之目的因而在於提供可解決上述問題之雙向顯示器，藉此在具有高度微小化之下確保有足夠的光學和/或電氣的去耦合。
此目的係藉由根據申請專利範圍第1項之雙向顯示器和根據申請專利範圍第16項之控制如此顯示器之方法來達成。具優點的實施例變化態樣可見於附屬申請專利範圍。根據本發明之用途可見於申請專利範圍第17項。
本發明將首先在下文作一般性的敍述，之後再參考各樣具優點的實施例變化態樣加以敍述。在個別諸實施例中由本發明個別諸項特徵互相組合而實施之發明之個 別諸項特徵於此情況下沒有必要與顯示於諸實施例中之特徵互相組合而精確地實施，但個別諸項特徵亦可以相當地與專利申請範圍所定義的保護範圍框架內以不同的方式互相組合。顯示於一特定實施例中之個別諸項特徵亦可特別地加以刪除或亦可被所顯示實施例中之其他特徵所取代。
根據本發明之雙向顯示器係基於一顯示陣列和一相機陣列兩者之一套疊和/或重疊陣列結構，意即係基於一既是影像複製又是影像接收之陣列結構。一方面取決於相機定義之需求，另一方面取決於顯示器定義之需求，一測光元素，意即一相機像素，可以例如被複數個發光像素所包圍，意即被複數個影像像素所包圍，或者一影像像素可以例如被複數個相機像素所包圍。相機像素和影像像素於每一顯示列交互排列(相機像素和影像像素之棋盤狀圖案)之配置就像發光像素和測光元素之互相套疊之其他樣式是可以了解的。
下文中若非另有註明，發光像素之最大發射光譜範圍(例如：於可見光範圍內之最大強度)係被放置足夠遠離測光元素之最大發射光譜範圍(例如：在近紅外光譜內)使得儘管沒有足夠的光學去耦合，藉由這種措施已實施一確定的去耦合。
根據本發明之雙向顯示器具有一包含複數個發光像素之顯示陣列以及一包含複數個測光元素之相機陣列。該二陣列較佳地係各可逐列地電氣控制且較佳地係至少逐區地，尤其是較佳地彼此完全地套疊排列(參以上對於 主動矩陣之解釋)。
一般而言，顯示陣列和相機陣列兩者均為二維陣列。然而，亦可以了解的是例如該等陣列之一(例如相機陣列)僅必須被設計成一維陣列，意即設計成單一列且套疊地排列在另一陣列之一列中或者兩列之間。
根據本發明實施在時間觀點之一循序電氣控制。於此情況下，尤其是該顯示陣列及該相機陣列之電氣控制可被實施使得在該顯示陣列之一列之一發光期間內，由最鄰近該列之該相機陣列之列(亦可以是更遠的相機列)所執行之一光偵測係被關閉。該雙向顯示器之一列循序電氣控制因此可特別地以以下的方式進行：首先在該顯示陣列之一選定列發光；僅僅在此列發光結束之後，最鄰近該顯示陣列之該列之該相機陣列之列啟動，且該相機陣列之列拍攝影像。
本發明因此亦自然地包含了一逐行電氣控制而非一逐列控制：該(等)陣列劃分為列和行純粹是一定義問題使得(該(等)陣列旋轉例如90°)行亦可被考慮成列使得該(等)陣列之一相應逐行控制亦同等地被本發明所涵蓋。
在進一步具優點的實施例變化態樣中，根據本發明之顯示陣列和相機陣列之電氣控制係發生使得，在該顯示陣列之複數列，較佳為相鄰列之該發光期間(同時間或有時間偏置)內，由最鄰近(鄰近排列)該相機陣列之該複數列之諸列所執行之光偵測係被關閉。
此想法之邏輯連續性然後產生了進一步電氣控制之具優點的實施例變化態樣，其中在該顯示陣列之任一列 之一發光期間，由該相機陣列執行之任何所有之光偵測係被關閉。在此情況下，展現出該顯示陣列之電氣控制及該相機陣列之電氣控制在時間觀點之完全分離。因此如果光線在顯示陣列任一處產生，整個相機陣列係被切換使得光線不會在相機陣列上被偵測到。
然而在另一方面，該顯示陣列及該相機陣列之一電氣控制亦有可能以以下方式進行：在該顯示陣列之一列(例如第一列、最上列)之一發光期間，一光偵測係由該相機陣列之一列所啟動，該相機陣列之該列係非最鄰近該顯示陣列之此列之該相機陣列之該列，但是係與正在發光之列具有足夠的距離。被啟動光偵測之那列接著可特別地是該相機陣列之那列，該相機陣列之那列係最遠離接著發光之該顯示陣列之該列。於此情況下自然地亦是可能的是該顯示陣列之複數列係仍然發光，然而該相機陣列之複數列係已經執行一光偵測(在時間上互相偏置或者同時間)或已經開始上述之光偵測，該相機陣列之複數列係排列成與該顯示陣列之發光諸列具有一足夠距離。
一電氣控制係同等地可能，其中在由該相機陣列之一列、複數列或所有列所執行之一光偵測期間，該顯示陣列之該/該等最後提及列之該顯示陣列之一列或複數列中的編程係被啟動且/或將被呈現於最後提及列之資料寫入於所述列係被啟動，且然後僅有在最後提及列中之編程及/或寫入係被啟動，但不是與光線傳輸相關的資料呈現被啟動。
一電氣控制亦是可能的，其中在該相機陣列被一外部光源(特別是一發射近紅外光線之光源)所照射期間且/或在該相機陣列之至少一列進行光偵測期間，在該顯示陣列之任一列中，一發光和/或一電氣活動係不啟動。
於進一步具優點的實施例變化態樣中，展現一預定時間期間△t(對顯示陣列之一列或複數列)，該預定時間期間△t係位於一方面該等列之編程結束時和/或將被呈現於該等列中之資料之寫入該等列結束時以及另一方面開始執行光偵測時(由該相機陣列之一列或多列所執行)之間。此時間期間之長度於此情況下係合計具優點地至少為該相機陣列諸列所執行該光偵測之持續時間△tKE之1/10，較佳至少為1/5，較佳至少為一半。
在進一步較佳的變化態樣中，該發光之持續時間t KE 對該顯示陣列之所有列而言係相同長度。對該顯示陣列之所有列而言，發光關閉及/或電氣關閉及/或個別列關滅之持續時間tAD係相同長度。
該相機陣列之所有列所執行之該光偵測係發生在同一時間期間tKE，且該發光係能夠發生在該顯示陣列之個別諸列中彼此具有一時間偏置且發生在該顯示陣列之所有列之該時間期間tKE之外。
然而同等的可能是相機陣列個別諸列中之光偵測和該顯示陣列個別諸列中之發光兩者均係在時間上彼此偏置發生。在每一情況對於顯示陣列所有列而言，於最靠近(鄰近)配置的相機陣列之列中之光偵測係接著發生在顯示陣列之相應列之該發光時間期間之外。
根據本發明，「一列中之發光」一詞可被定義如下：將被呈現於此列中之資料之寫入於此列和/或此列之編程和在此列中之資料呈現和自此列刪除已呈現之資料可意謂著此處定義的發光。在此情況下，「一列中(或者亦在整個顯示陣列中)之發光」一詞因此包含該列或整個顯示陣列之電氣活動之整個時間期間。
然而根據本發明，同等的可能是將發光僅解釋為上述之寫入和/或編程及上述之資料呈現(這不包含接下來自該列刪除已呈現的資料)。僅有呈現和刪除亦可被解釋為發光。最後，本發明之「發光」一詞亦可以僅被解釋成上述在一列(或整個陣列)中之資料呈現。
根據本發明在顯示陣列和在相機陣列中之電氣控制方法接著必須根據寫入和/或編程、資料呈現和資料刪除之定義或相應之諸時間期間而被調適。
在相機陣列之一列(或者亦可在整個相機陣列，只要所有的相機列同時被操作)中之光偵測可同等地意謂著一直到光子列集成開始為止之開啟延遲(或它的持續時間)、該集成以及最後亦是列訊號之讀取，該光子係發射自一外部光源且照射至該列上，該列訊號係由該外部光源之個別諸入射光子之集成所產生。根據此定義，光偵測(或它的持續時間)因此包含了相機陣列之該列(或整個相機陣列)之整個電氣活動時期。
然而，同等的可能(具有時間控制之相應調適或者在顯示陣列和相機陣列之電氣控制中，具有個別持續時間之相應調適)是將光偵測僅僅定義成包含上述集成和已 述讀取之時期。定義成僅包含上述開啟延遲和上述集成之時間期間或者僅定義成集成之時間期間亦是可能的。
根據本發明，發光和光偵測可依次地執行複數次(意即以循環之方式)，較佳地係以相應於將被呈現於顯示器之個別諸顯示影像或諸畫面之定期區間而被執行(接著光偵測亦發生在每一個產生發光的循環，且顯示陣列個別諸列發光與相機陣列個別諸列光偵測之間的關係係能如上述實施例變化態樣來實施)。
顯示陣列(或其個別諸發光像素)較佳地係發射人類眼睛可見光線；然而盡可能少的紅外光，較佳地係不發射可見光線以外的紅外光。相反地，相機陣列(或其測光元素)較佳地係偵測紅外光(較佳地係近紅外光範圍)；然而盡可能少的可見光線，較佳地係不偵測紅外光以外的可見光線。
顯示陣列之發光像素或像素可以是有機發光二極體，OLED。相機陣列之測光元素或像素可以光敏二極體或光敏電晶體。發光像素和測光元素於此情況下可以實施成分離矩陣或實施成為彼此套疊矩陣且以CMOS技術形成且/或集成之矩陣。
雙向顯示可以是一微顯示器，該微顯示器係具有一介於4um和40um之間範圍之該發光像素側長。測光元素側長可落於4um和40um之間的範圍。
如已經所敍述過的，本發明之發光像素之集成和測光元素之集成或者顯示陣列和相機陣列之套疊可依所述於專利文件DE 10 2006 030 541 A1而發生。
本發明將參考複數個實施例加以敍述如下。
第1圖扼要說明了根據本發明之雙向顯示器之主動矩陣，該雙向顯示器具有一二維顯示陣列1和一二維相機陣列2，其中顯示陣列之各發光像素1a,1b...，之位置係相對應於一規律方形格柵之相交點而且相機陣列2之各測光元素2a,2b...之位置係同樣地相對應於另一規律方形格柵(顯示陣列1格柵之光柵週期p1於此情況下係相對應於二維相機陣列2格柵之光柵週期p2之一半。)顯示陣列1和相機陣列2之兩格柵於此情況下係彼此套疊偏置排列使得相機陣列2之每一測光元素2a,2b...，係被顯示陣列1之四個分別個別的發光像素1a,1b...，以規律的四面鄰近之方式所圍繞。
因此所生成之雙向顯示器之第一列1za1係對應於顯示陣列1之第一列；雙向顯示器之第二列2zk1係對應於相機陣列2之第一列；雙向顯示器之第三列1za2係對應於顯示陣列1之第二列；雙向顯示器之第四列1za3係對應於顯示陣列1之第三列。雙向顯示器之第五列(列2zk2)係對應於相機陣列2之第二列等等。
此處之雙向顯示器因此包含了一具有總數為2L=10列，每列包括10個像素1a,2 1b...，之顯示陣列2及一具有總數為L=5列，每列包括了5個測光元素2a,2b...，之相機陣列2。顯示陣列1和相機陣列2係各可逐列地電氣控制(彼此獨立)使得例如資料可逐列地被寫入顯示陣列1的個別諸列中、可被顯示於個別諸列，且可以再 次循序地自個別諸列中加以刪除。由測光元素2a,2b...所產生之電氣訊號之讀取可同等地逐列發生。這樣的顯示陣列1和相機陣列2之逐列控制電氣電路係普遍為所屬領域習知技藝者所熟知。
最接近或最鄰近配置於顯示陣列1之第一列1za1的相機陣列1之列因此是列2zk1。該列2zk1亦是相機陣列2之中最接近於陣列1之第二列1za2之列。因此，最接近顯示陣列1之第三列1za3的相機陣列2之列是相機陣列2之第二列2zk2。
在根據本發明之電氣控制之最簡單之變化態樣中，在顯示陣列1之第一列1za1(及第二列1za2)之發光期間內，由最鄰近列2zk1所執行之光偵測係因此關閉(意即在此列中相機偵測係被關滅)。這可相對應地且成對地與顯示陣列1之其它列1za3,1za4…而實施。例如當顯示陣列1之另一列1za發光時，相機陣列2之所有列2zk亦可自然地關閉。根據本發明之二陣列1,2之電氣控制進一步的細節將在下文敍述。
第2圖顯示根據本發明在第1圖中之顯示陣列1和相機陣列2之第一電氣控制(圖形下半部：S))，與眾所皆知之習知技藝之顯示陣列(「顯示器」)和相機陣列(「相機」)之平行操作P)之比較。在上述第一電氣控制中，一方面顯示陣列1之電氣控制或此陣列之電氣活動，與另一方面相機陣列2之電氣控制或相機陣列之電氣活動，係在時間觀點上完全分離地發生。
第2圖顯示具有持續時間△t1+△t2之圖形呈現週期 (意即顯示影像之生成，於本發明之框架中亦稱為在個別諸列中發光)。在此週期中，照射至測光元素2a,2b...之紅外光之偵測同樣地由在此對紅外光靈敏的相機陣列所執行(於本發明之框架中，亦被稱為相機陣列個別諸列之光偵測)。在下個週期中(圖於此未顯示)，一可選擇地變化顯示影像(比較於此例如第3圖中之「顯示影像2」)之呈現接著發生。
操作P)敍述一平行控制方法，其中顯示陣列1在雙向顯示器之主動矩陣中被逐列地編程且其中集成係發生於相機陣列2內且在顯示陣列1個別諸列中之資料寫入和呈現期間(「寫入顯示資料」)，相機陣列2個別諸列中之相機資料讀取亦發生在相機陣列2內。敍述於P)之所有程序之時間參考值係點時脈(dot clock)。例如在每一個點時脈，一新的像素被編程入顯示陣列。顯示於P)之相機啟始延遲之區間係作為一動態時間緩衝以在一週期時間內調整相機集成時間。在操作時，相機集成必須依賴照射至測光元素上之光線量而加以調整，以實現一高動態範圍。
相反的，根據本發明，顯示陣列1(「顯示器」)之電氣活動S)與在相機陣列2之電氣活動期間，相機陣列2個別諸列所執行之光偵測係彼此完全分離的。其中顯示陣列1之個別諸列之總發光係照射入顯示陣列1(在圖形的下方)。於第一時間期間△t1(此處相應於大約是週期時間之前60%時間)，僅有一電氣活動發生在顯示陣列1中，然而在接下來該週期(此處相應於大約是週期持續時 間之後40%時間)之第二時間期間△t2，僅有電氣活動在相機陣列2中發生，而非在顯示陣列1中。換言之，僅有顯示陣列1之控制發生在△t1，然而在△t2中僅有相機陣列2之控制發生。
將資料寫入顯示陣列、該等資料之呈現及在個別諸列之該等資料之刪除在這方面於此範例中係相應於顯示陣列之發光。相機之啟始延遲、訊號累積(「相機集成」)及相機陣列2之個別諸列中之相機資料讀取在此係相應於由相機陣列2之諸列所執行之光偵測。第1圖所示之OLED顯示陣列1，因此在相機啟始、相機集成及相機資料讀取期間，係完全關滅。
第3圖顯示根據第1圖中顯示陣列1和相機陣列2之本發明之總計三種電氣控制(這些根據本發明之控制或時序係以符號V2,V3和V4表示)。第3圖中之縱坐標因此表示顯示陣列1或相機陣列2之不同控制且在横坐標表示顯示陣列1之個別諸列之發光時間進展和相機陣列2之個別諸列之光偵測時間進展。(因此控制係逐列地發生在顯示陣列1和相機陣列2兩者中，在此為簡單表示之故，於顯示陣列中僅有八個個別諸列1za1-1za8被顯示，於相機陣列中僅有計四個個別諸列2zk1-2zk4被顯示。)「顯示影像1」於此情況下顯示第一週期(比較第2圖)；「顯示影像2」顯示在第一週期之後完全相同的第二週期。
縱坐標最上方部分(「相機」)因此係顯示相機陣列2自第一列到最後一列之個別諸列2zk之逐列控制。由 所顯示之相機陣列2之諸列2zk1-2zk4所同時執行之光偵測(於所示的情況中，在相機諸列中的光偵測係相應於一時間期間tKE，在包含選擇性出現之開啟延遲之該時間期間tKE中，相機2個別諸列中之入射光量子集成係被執行)因此僅發生在對所有列均相同之時間期間tKE內(例如於此處長度△tKE總計為5毫秒)。個別相機諸列之讀取係時間偏置地發生在時間期間tKE之後的各情況中。
自頂端往下第二個縱坐標部分(「顯示器V1」)係顯示第2圖(亦與P比較)中眾所皆知習知技藝之相機和顯示器平行操作案例之顯示陣列1個別諸列1za之發光相關時間進展。在此眾所皆知之顯示陣列1和相機陣列2之電氣控制V1中，一電氣活動藉由在區間t KE 內由相機個別諸列所執行之光偵測期間，亦以將顯示資料寫入顯示陣列之一列中(「編程顯示器」)之型式(取決於顯示陣列之該列)或是以相應顯示資料之呈現或刪除(此處在「顯示器發光」時結合)之型式發生在顯示陣列中。在習知技藝中之平行操作中，一方面顯示陣列1之電氣活動和另一方面相機陣列2之電氣活動因此係非分離的。
中間縱坐標部分(「顯示器V2」)與上方縱坐標部分(「相機」)一起係顯示根據本發明用於第1圖顯示陣列1和相機陣列2電氣控制之一種方法，在下文亦稱作時序V2。如果顯示陣列之一列1za中之發光被定義為在時間期間內一或多個此列呈現資料之發光像素呈現資料(意即被點亮，「顯示器發光」)，則可看出在如此定義之該發光中，在各案例電氣控制中或在時序V2之中，在顯示 器個別諸列中之相機陣列2之一或多列中沒有光偵測發生(「相機關閉」)。
僅僅當顯示陣列之諸列中的發光結束(「顯示器滅」)，一電氣活動以在區間tKE發生之光偵測之型式，發生在相機陣列2之時序V2中(此處光偵測係同時發生在相機陣列之所有諸列中而且光偵測包含了開啟延遲至相機集成開始和在相機諸列中的集成)。
在相機2之光偵測期間(於區間tKE)，目前在顯示陣列1中沒有發光，而是在顯示陣列1之發光期間僅有顯示陣列1之最後兩列之編程發生(依定義在區間tKE中沒有被相機2之光偵測汲及到的相機讀取和逐列依次執行的相機讀取於此亦可在後續的週期發生)。此處顯示列之編程包含了將資料寫入該顯示列和前面的舊資料刪除。
在目前的案例中，於此沒有發生一方面顯示陣列1之電氣控制和另一方面相機陣列2之電氣控制之完全分離，因為顯示器之最後兩列的編程仍然在相機曝光期間發生且當顯示器發光時，相機亦發生了觸發。
時序V2已被證明固然對一方面顯示陣列1及另一方面相機陣列2已經改善了光學去耦合。然而根據本發明，該二陣列之電氣去耦合可在以下得到進一步改善，在相機執行光偵測(「曝光相機」)期間(此處包含開啟延遲和集成)，沒有電氣活動發生在顯示陣列1中。此變化態樣顯示於時序V3：後者一般而言係如同時序V2而實施；但顯示器諸列之編程係如此發生以致於對顯示陣列的每一列而言，在該列之編程結束時和相機陣列2之光 偵測開始時(時間期間tKE開始)之間，產生至少持續時間△t(此處△t總計例如為5毫秒)之一預定中斷。藉此顯示陣列1之所有電氣活動係發生在時間期間tKE之外。
在顯示陣列1和相機陣列2之電氣控制V3中，顯示器之光度(luminosity)，自顯示器中之列編程結束之時刻開始(意即自第3圖中標示「顯示器發光」之時間期間開始)，隨著第1圖中之OLED基礎顯示陣列1之發光持續時間增加而減少。這是由於照明面板係以脈衝方式操作且因此由脈衝比所減少的亮度對觀察者而言係平均地產生。
顯示區域之個別諸列之發光中斷係發生在時序V3中(在相機曝光所發生的時間期間tKE內)；在對顯示陣列1之個別諸列1za之列編程(「編程顯示器」)結束後之不同時間點。藉此顯然地確保了一週期內的個別顯示諸列1za大致上在一週期內之同一個持續時間內係正在發光或被點亮(自一週期內列之編程結束，例如第3圖之「顯示影像1」，直到下一週期相同列之下個列編程開始，比較第3圖之「顯示影像2」，之持續時間，較小的區間tKE之長度△tKE)。在另一方面，由於例如400Hz之高顯示影像率或畫面更新率，顯示陣列之觀察者最終觀察到顯示陣列1個別諸列之亮度集成在每週期之一預定時間期間輸出。如果現在個別諸列中之發光中斷發生(自列編程結束時開始)在不同的時間點，由於在週期的時間過程中已述光度之降低，根據已述集成由諸列使用者所觀察到的影像亮度值將會不同。換言之，在位於列編程結束後之 較早時間點之時間期間tKE內所發生發光中斷之顯示陣列諸列，與在位於列編程結束後之較晚時間點之區間tKE內所發生發光中斷之顯示陣列諸列相比較，對觀察者而言前者係顯得較暗。然而，這不是想要的。
已述問題係在以下電氣控制V4中或相應之時序中被解決：光偵測誠然如同在時序V3中，在同一時間期間tKE內發生在相機陣列之所有列2zk。此外，在各種情況下，顯示陣列之不同諸列1za之發光係時間偏置地發生(分別自相應列之編程結束時開始，且之後每一諸列1za之發光係發生在時間期間tKE之外，意即在相機陣列2諸列2zk中之光偵測之外)而且發光之持續時間tAE(「顯示器發光」包含在以相應顯示列編程結束時開始之個別列中之顯示資料呈現)對於顯示陣列之每一列1za係相同長度。換言之，對所有列1za而言，發光之持續時間tAE是相同的。在持續時間tAD內，個別顯示諸列1za之發光係被闗閉(意即自一週期內一列之發光結束時，直到下一週期同一列發光開始之時間期間)，且持續時間tAD對於顯示陣列1之所有列亦是相同的。藉此可確保相機曝光之時間期間tKE係落入顯示陣列1之每一列1za之一時間期間內，其中顯示陣列1之相應列係闗滅且顯示列關滅持續時間和顯示列發光持續時間之關係是相同的。因此根據時序V4，在時序V3中所述之問題在陣列1,2之電氣控制中不會發生。
第1圖之顯示陣列1和相機陣列2之進一步電氣控制發明，在以下亦稱作時序V5，係與已述之時序V4作 比較而顯示在第4圖(在此圖之呈現，相機陣列2電氣控制之時間軸係與顯示陣列1電氣控制之時間軸重疊顯示；此處僅顯示相機陣列2之四列2zk和顯示陣列1之八列1za)。
然而在已述之時序V4中，對相機所有列2zk(僅有在個別相機諸列2zk之讀取時間點因此被移位，意即在區間tKE結束之後係時間偏置地發生)而言，光偵測係同時發生(在相同的時間期間tK)。根據本發明之時序V5將不再發生此種情況：不僅顯示陣列1之個別諸列1za之發光在時序V5之時間期間tAE中係在時間上彼此偏置發生，而且於時間期間tAD中個別諸列2zk之光偵測亦是在時間上彼此偏置發生，在時間期間tAD期間顯示陣列1之相應列1a係分別被關閉或關滅。
換言之，在時序V5關於個別顯示列1za(例如列1za1)和最靠近列1za之相機列2zk(例如列2zk1係最靠近顯示列1za1)之一週期係如以下方式進行：顯示列1za之編程、顯示列1za中之發光(在區間tAE期間)、顯示列1za中之發光結束(接著顯示列1za在持續時間tAD保持關滅)、在相應相機列2zk之電氣活動開始(接著在持續時間tLE發生光偵測)、在相應相機列2zk之光偵測結束、在時間期間tAK讀取此相機列以及最後，在相機讀取tAK之後，開始下個週期或者開始相應顯示列1za之重復編程。
如第4圖縱坐標部分所示之「顯示器V5」，第一相機列2zk1之電氣活動或光偵測在此情況下係開始於(在 最靠近此列2zk1之顯示列1za1關滅之後)一時間點，而在該時間點上最遠離此第一相機列2zk1之顯示陣列1之最後列1za(2L)係仍然被切換至發光。因此必須確保的是顯示陣列1之最後列(諸列)到相機陣列之最初列(諸列)2zk2,2zk2...之距離係足夠大以致於由顯示陣列1最後列(諸列)發光所產生的進入相機陣列2最初列(諸列)之測光元素2之串擾係可被忽略地小。
根據本發明顯示於第4圖之時序V5與時序V4相較具有的優點是對於藉由可能針對相機陣列2各列之時間偏置而執行之光偵測而言，時間期間tLE之可能長度在光偵測上係大於根據時序V4之時間期間tKE而可用於個別諸列中之光偵測之時間△tKE(在時序V4中，相機所有列之光偵測係同時發生)(最大光偵測時間之最佳化，意即相機諸列之最大集成時間之最佳化)。
根據本發明，顯示陣列和相機陣列之不同以列為基礎之循序控制因此是可能的(例如涵蓋時序V2至V5)，其中(見例如時序V4)一方面在顯示陣列1之電氣控制或電氣活動，另一方面在相機陣列2之電氣控制或電氣活動係可彼此幾乎完全地分離或彼此完全地分離。
特別地為了能夠理想地實施根據本發明之雙向顯示器及其在HMD領域之電氣控制(以雙向OLED微顯示器之型式)，對系統組件之尺寸選擇及其控制之流程係根據本發明於以下提出。於此情況下，第6圖係顯示根據本發明之HMD中之視向方向偵測之關係圖，該發明係根據第1圖且以雙向OLED微顯示器為基礎。
人類眼睛僅可被一紅外光源3之光子所照射至一法規限制值。該法規限值連同其它相關事宜係取決於IR發射器3之配置。該法規限制值係規定於DIN EN 62471標準之燈與燈系統之光生物學安全和DIN EN 60825-1標準之雷射產品安全之中。部分光子在眼球上發生反射且經由雙向光系統而傳送。在接下來的訊號元件中，部分光子經由OLED層堆疊再次被傳送且光子接著分別在光敏二極體2,2b...內或相機陣列2內被轉換成光電流Iph。相機像素單元電路將光電流轉成電壓源UDIO(於此情況下比較第5圖(5=時間)。一類比/數位轉換器將電壓訊號UDIO數位化，使得數位化後之訊號可使用於眼球追蹤之軟體演算法。
一穩健的眼睛影像偵測一般在像素單元中或在相機陣列2之測光元素2a,2b...中需要一高電壓峰值。在顯示於第5圖之系統中，此電壓峰值UDIO可根據以下方程式1計算得出：
(Uido=光敏二極體之電壓；Usperr=相機像素單元之操作電壓，Iph=光電流，Is=光敏二極體之截止電流，CRLZ=光敏二極體之體積電荷容量)。
光電流Iph之位準係間接取決於法律規定對於人類眼睛之最大輻射功率Hir_max和顯示於第6圖之系統內之反射及傳送損耗。光電流Iph係直接取決於集成的測光元素2a,2b...之光譜靈敏度。
在決定光電流Iph_min預期作為系統中(參下文)之最小值後，最大可設定或可能的集成時間Tint可以被決定(Tint接著實質上，意即除了任何在個別諸列之相機開始延遲時間以外，係相應於時序V4中之時間期間△tKE或相應於時序V5中之時間期間tLE)。定義於系統之過高最大集成時間Tint需要較高的點時脈頻率和隨即增加的功率消耗。
為協調整個系統關於眼睛影像偵測之穩健性和關於最佳化之功率消秏，以下流程係有可能決定最大可設定集成時間(或者在一畫面或一顯示影像期間，由相機陣列之列2zk所執行之光偵測所需之最大時間)：
● OLED層堆疊之傳輸特性計算或者與入射光波長λ有關之顯示陣列及相機陣列之主動矩陣之傳輸特性計算，例如藉由使用為所屬領域習知技藝者所熟知之轉換矩陣法(關於此法，請參考Bo E.：Reflection from a metallic surface.Lecture,University of Linkoping,2010)。
● 與集成於根據本發明之雙向OLED微顯示器中之測光元素或光敏二極體或光敏電晶體之波長λ有關之光譜靈敏度模擬或量測。
● 藉由加入主動矩陣或OLED層堆疊之傳輸曲線及加入測光元素之光譜靈敏度曲線來決定最大可達到的光譜靈敏度。
● 在800奈米<λ<1000奈米之數值範圍中選擇IR發射器3之最大波長λ，以能夠在OLED層堆疊中或 在主動矩陣中且在測光元素內或光敏二極體內中達成高光譜靈敏度。
● 根據DIN EN 62471和DIN EN 60825-1計算眼睛之最大允許輻射功率。
● 計算雙向顯示器中之相機陣列之光學傳輸特性。
● 估算在人類眼睛上之最小可獲取之反射。
以前面之計算或估算為基礎，在相機像素單元內或在測光元素2a,2b...內之最小可獲取之光電流Iph_min可以被估算出來。參考此數值Iph_min且根據上述方程式1，對於在相機像素單元內UDIO USPERR時，最大可設定集成時間Tint(或者在時序V4或V5中的時間tKE或tAD)必須藉由計算加以決定(除此方法外之另一種方法，Tint亦可藉由類比模擬而決定)。
已決定之集成時間Tint接著作為雙向OLED微顯示器之理想控制之尺寸選擇之基礎，意即作為根據本發明顯示於第3及第4圖之該二陣列1,2控制之時間期間之選擇基礎。
當習知技藝(比較第2圖頂端)之平行操作P)中的顯示陣列1連續地顯示資料且套疊在顯示陣列1中之相機陣列2同時地偵測使用者之視向方向時，在發光像素1a,1b...和測光元素2a,2b之間的光學和/或電氣串擾係藉由根據本發明控制之雙向顯示器而被減至最低或甚至被完全地阻止。如此具有的優點是被拍攝的相機陣列2之相機影像亦可以在高顯示光度密度下被使用來決定眼睛視向的方向。對此，根據本發明之顯示陣列發光時間和相 機陣列之相機影像拍攝兩者之分離是必要的。
如前所述，第2圖顯示習知技藝之平行控制程序和根據本發明之循序控制方法之比較。顯示器可根據本發明之循序方法先被寫入。在此階段OLED發光。在時間上為了使每一個影像列呈現出相同的亮度，該諸列係以相同於寫入之順序而被刪除。之後，OLED可被切換至暗滅且僅僅當相機陣列2之集成區間Tint開始時。相機陣列2接著被讀取。對於根據本發明之循序控制方法，所需的點時脈頻率(dot clock frequency)fpixel可根據以下包含前面計算之最大集成時間Tint以及顯示器和相機定義之方程式(方程式2)如下計算求得。
Nein_d Nlösch_d 顯示列數目×顯示行數目
Ndar_d發光期間之點時脈數目
Naus_k相機列數目×相機行數目，且
在根據本發明之時序V2中，在顯示器編程期間，OLED係在相機曝光之時間內被切換成全暗。於時序V2，當顯示控制器仍然在寫入資料時，顯示陣列1係因此被關滅一段特定時間。根據本發明之時序V3敍述了顯示矩陣之快速編程以及在曝光時間中和在顯示器編程階段後之顯示器關滅。於時序V3，顯示陣列1係在顯示控制器已寫入所有資料後被關滅一段特定時間。
根據本發明之時序V4敍述了複數個循序操作(比較第2圖S))，其中顯示矩陣係逐列地編程且在一特定發光時間後逐列地被刪除。相機曝光發生在最後顯示列刪除之後。根據本發明之時序V4亦可用來對顯示器進行調光(在脈衝寬度期間調控亮度或，更精確而言，在相應顯示列被關減之時間期間tAD內調控亮度，比較第4圖)。根據本發明之雙向顯示器之整體亮度可因此藉由每一顯示列之發光時間變化來加以控制。於時序V4中，個別顯示陣列諸列係因此以步階方式被關滅；接著顯示陣列發生完全的關滅。如果系統中可設定的亮度被改變，則其適用具有較高的亮度，對每一顯示陣列之列或影像列則發光時間較長。
根據本發明之雙向顯示器可以是具有一套疊主動矩陣之OLED微顯示器。然而，它們在CMOS電路上可同等地是分離的顯示陣列和相機陣列。最大可能光電流Iph可藉由根據本發明對於IR發射源之設計所提出之類似流程，在雙向OLED微顯示器中之相機像素單元內被產生。最小所需集成時間Tint可藉由方程式1藉由此光電流之定義而決定。一非理想和選擇過大的集成時間，將增加電路設計的工夫，亦會增加系統頻率和功率消耗且由於高頻率的關係系統的可靠度亦會下降。
使用理想決定出的集成時間Tint，根據本發明之循序電氣控制可用來避免發生在OLED像素和相機像素之間的光學串擾和/或電氣串擾所造成的干擾。結果，以根據本發明之顯示器為基礎而實施之HMD係可以在最佳 化功率消耗和無干擾影像拍攝之條件下操作。另外，藉由本發明之循序電氣控制亦可能做到亮度控制。
高度微小化之眼球追蹤HMD因此可以穩健地操作。顯示器亮度不需要任何附加的外部電路組件諸如陰極電壓調節器亦可被可變地設定。
1‧‧‧二維顯示陣列
1a、1b‧‧‧發光像素
2‧‧‧二維相機陣列
2a、2b‧‧‧測光元素
3‧‧‧紅外光源
第1圖係根據本發明之顯示器結構之概要，該顯示器具有一二維顯示陣列和一二維相機陣列，兩陣列係以兩格柵彼此覆蓋之型式而互相套疊；第2圖顯示根據本發明可實施之顯示陣列之電氣控制和相機陣列之電氣控制兩者在時間觀點之完全分離，與習知技藝之顯示器(或顯示陣列)及相機(陣列)之平行操作之比較；第3圖係根據本發明以列基準實施之複數個顯示陣列和相機陣列之電氣控制與習知技藝之平行操作之比較；第4圖係根據本發明之進一步顯示陣列和相機陣列之電氣控制；第5圖係於本發明之框架內可實施作為測光元素之光敏二極體之放電電路；以及第6圖係根據本發明之雙向顯示器對於諸如可產生於HMD之視向偵測方向之訊號流關係圖。

Claims (17)

  1. 一種雙向顯示器，具有一包含複數個發光像素(1a,1b)之較佳二維顯示陣列(1)以及一包含複數個測光元素(2a,2b)之較佳二維相機陣列(2)，其特徵在於該顯示陣列(1)和該相機陣列(2)在時間觀點的一循序電氣控制。
  2. 如前述申請專利範圍之雙向顯示器，其中該二陣列(1,2)係各可逐列地電氣控制且較佳地係至少逐區地彼此套疊排列；且該顯示陣列(1)和該相機陣列(2)之該循序電氣控制係設計成使得在該顯示陣列(1)之一列(1za1)之一發光期間內，由最鄰近此列(1za1)之該相機陣列(2)之列(2zk1)所執行之一光偵測係被關閉，藉此以實現該雙向顯示器之一列循序電氣控制。
  3. 如前述申請專利範圍任一項之雙向顯示器，其中在該顯示陣列(1)及該相機陣列(2)之一電氣控制中，在該顯示陣列(1)之複數列(1za1,1za2)，較佳為相鄰列之該發光期間內，由最鄰近該複數列(1za1,1za2)之該相機陣列(2)之諸列(2zk1,2zk2)所執行之該光偵測係被關閉。
  4. 如前述申請專利範圍任一項之雙向顯示器，其中在該顯示陣列(1)及該相機陣列(2)之一電氣控制中，在該顯示陣列(1)之一列(1za1)之一發光期間內，一光偵測係由該相機陣列之一列所啟動，該相機陣列之該列係非最鄰近該顯示陣列(1)之此列(1za1)之該相 機陣列之該列(2zk1)，較佳地係由配置於最遠離該顯示陣列(1)之此列(1za1)之相機陣列之該列(2zkL)所啟動。
  5. 如前述申請專利範圍任一項之雙向顯示器，其中在該顯示陣列(1)及該相機陣列(2)之一電氣控制中，在由該相機陣列(2)之一列、複數列或所有列(2zk1,2zk2)所執行之一光偵測期間，在該顯示陣列(1)之一或多列(1za1,1za2)中，該顯示陣列(1)之一或多列之編程及/或將被顯示於該顯示陣列(1)之一或多列之資料寫入係於該顯示陣列(1)之一或多列中被啟動，而非在該顯示陣列(1)之一或多列中之資料呈現被啟動。
  6. 如申請專利範圍第2項或第3項之雙向顯示器，其中在該顯示陣列(1)及該相機陣列(2)之一電氣控制中，在該相機陣列(2)之至少一部分被一外部光源所曝光，特別是被一紅外線光源(3)所曝光的期間，且/或在該由相機陣列(2)之一列、複數列或所有列(2zk1,2zk2)所執行之該光偵測期間，在該顯示陣列(1)之任一列中，一發光和/或一電氣活動係不啟動。
  7. 如申請專利範圍第2項或第3項之雙向顯示器，其中在該顯示陣列(1)及該相機陣列(2)之一電氣控制中，在該顯示陣列(1)之任一列之一發光期間，由該相機陣列(2)執行之任何所有之光偵測係被關閉，意即，係藉由該顯示陣列(1)之電氣控制及該相機陣列(2)之電氣控制在時間觀點之完全分離而關閉。
  8. 如前述申請專利範圍任一項之雙向顯示器，其中 一預定時間期間△t，其長度合計較佳至少為該相機陣列(2)之諸列(2zk1,2zk2)所執行該光偵測之持續時間△tKE之1/10，較佳至少為1/5，較佳至少為一半，該預定時間期間△t係位於一方面該/該等列之編程結束時和/或將被顯示於該/該等列中之資料之寫入該/該等列結束時以及另一方面該相機陣列(2)之一列、複數列或所有列(2zk1,2zk2)開始執行光偵測時之間，伸展於該顯示陣列之至少一列，較佳為複數列，較佳為所有列(1za1,1za2)。
  9. 如前述申請專利範圍任一項之雙向顯示器，其中該發光之持續時間tAE對該顯示陣列(1)之所有列(1za1,1za2)而言係相同長度；且/或對該顯示陣列(1)之所有列(1za1,1za2)而言，發光關閉及/或電氣關閉及/或個別列關滅之持續時間tAD係相同長度。
  10. 如前述申請專利範圍任一項之雙向顯示器，其中該相機陣列(2)之所有列(2zk1,2zk2)所執行之該光偵測係發生在同一時間期間tKE；且該發光係發生在該顯示陣列(1)之個別諸列(1za1,1za2)中彼此具有一時間偏置且發生在該顯示陣列(1)之所有列之該時間期間tKE之外；或者該相機陣列(2)之個別諸列(2zk1,2zk2)中之該光偵測和該顯示陣列(1)之個別諸列(1za1,1za2)中之該 發光兩者均係在時間上彼此偏置發生，該顯示陣列(1)之所有列之該光偵測係發生在該相機陣列(2)之個別緊鄰列且在該發光之該時間期間之外。
  11. 如前述申請專利範圍任一項之雙向顯示器，其中該顯示陣列(1)之一列(1za1,1za2)中之發光係● 意謂將被呈現於此列中之資料之寫入於此列和/或此列之編程、在此列中之資料呈現且自此列刪除已呈現之資料；● 一方面僅意謂上述寫入和/或編程，且另一方面僅意謂上述呈現；● 僅意謂上述呈現和上述刪除；或者● 僅意謂上述呈現。
  12. 如前述申請專利範圍任一項之雙向顯示器，其中該相機陣列(2)之一列(2zk1,2zk2)中之光偵測係● 意謂一開啟延遲至如下所述之集成開始為止，自一外部光源(3)發出且照射至該列上之光量子之一集成和以如此方式集成之列訊號之一讀取；● 僅意謂上述之開啟延遲和上述集成；● 僅意謂上述集成和上述讀取；或者● 僅意謂上述集成。
  13. 如前述申請專利範圍任一項之雙向顯示器，其中由該顯示陣列(1)之個別列(1za1,1za2)所執行之複數個彼此跟隨的發光係對應於複數個將被呈現之顯 示影像或畫面，而由該相機陣列(2)執行之一光偵測係根據前述申請專利範圍之任一項針對每一該發光而發生。
  14. 如前述申請專利範圍任一項之雙向顯示器，其中顯示陣列(1)發射人類眼睛可見光線，較佳係顯示陣列(1)不發射可見光線以外的紅外光；且/或相機陣列(2)偵測紅外光，較佳係相機陣列(2)不偵測紅外光以外的人類眼睛可見任何光線。
  15. 如前述申請專利範圍任一項之雙向顯示器，其中該顯示陣列(1)包含作為發光像素(1a,1b)之OLEDs；且/或該相機陣列包含作為測光元素(2a,2b)之光敏二極體或光敏電晶體；且/或該發光像素(1a,1b)和/或該測光元素(2a,2b)係實現成為分離矩陣或成為彼此套疊矩陣或成為以CMOS技術形成且/或集成之矩陣；且/或該雙向顯示器係一微顯示器，該微顯示器係具有一介於4um和40um之間範圍之該發光像素(1a,1b)之側長且/或具有一介於4um和40um之間範圍之該測光元素(2a,2b)之側長。
  16. 一種雙向顯示器在時間觀點的循序電氣控制方法，其 特徵在於於如前述申請專利範圍任一項之顯示器之一電氣控制中，該雙向顯示器具有：一包含複數個發光像素(1a,1b)之二維顯示陣列(1)和一包含複數個測光元素(2a,2b)之二維相機陣列(2)；其中該二陣列(1,2)係較佳地至少逐區地彼此套疊排列；其中該二陣列(1,2)係較佳地各逐列地電氣控制；且其中該二陣列(1,2)係較佳地被控制使得，在該顯示陣列(1)之一列(1za1)之一發光期間內，由最鄰近此列(1za1)之該相機陣列(2)之列(2zk1)所執行之一光偵測係被關閉，藉此以實現該雙向顯示器之一列循序電氣控制。
  17. 一種將雙向顯示器或將如前述申請專利範圍任一項之雙向顯示器的控制方法應用於眼球追蹤領域的用途，特別是用於頭戴式顯示器、眼球控制和互動擴增實境、數位相機之視向控制取景窗和/或顯微鏡使用者之視向控制之領域之眼球追蹤，特別適用於一顯微鏡戴台，特別是一xy戴台，之視向控制運動。
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