TW201527798A - 頭戴式顯示裝置及其背光調整方法 - Google Patents

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Abstract

一種頭戴式顯示裝置及其背光調整方法。頭戴式顯示裝置包括顯示模組、背光模組、應用處理器、眼球影像擷取裝置、紅外線發光二極體及特殊應用積體電路。背光模組提供背光至顯示模組。眼球影像擷取裝置擷取眼球影像。紅外線發光二極體提供輔助光至眼球影像擷取裝置。特殊應用積體電路根據眼球影像計算目前瞳孔大小。應用處理器於調整模式下，根據目前瞳孔大小調整背光模組之背光亮度。

Description

頭戴式顯示裝置及其背光調整方法
本發明是有關於一種電子裝置，且特別是有關於一種頭戴式顯示裝置及其背光調整方法。
隨著科技日新月異，人們對於資訊的吸收也日漸增加。一般常見的多媒體播放裝置、網路通訊裝置及電腦裝置等都係搭配CRT或LCD顯示器來顯示影像。但是其所能顯示的影像畫素及大小，係受限於顯示器的尺寸大小及其效能。目前傳統的CRT或LCD顯示器，皆無法兼顧尺寸及攜帶輕便的需求。為解決上述問題，市場上推出一種光學穿透式(Optical See-Through)的頭戴式顯示裝置(Head-Mounted Display,HMD)，其可以讓使用者同時看到外界(實像)和頭戴式顯示裝置所提供的影像(虛像)。頭戴式顯示裝置係在左右眼睛前方各放置有一小型映像管或是液晶顯示器。頭戴式顯示裝置例如是利用兩眼視差的立體效果，將各別映像管或是液晶顯示器所輸出的影像經過分光鏡(Beam Splitter)投射至使用者的視網膜。然而，當環境亮度較低時虛像亮度低，使用者會覺得顯示模組所投射出的虛像光線過於刺眼。相反地， 當環境亮度較高時實像亮度高，使用者會覺得無法看清楚顯示模組所投射出的虛像。因此，如何能避免環境亮度影響使用者視覺感受則成為一個相當重要的課題。
本發明係有關於一種頭戴式顯示裝置及其背光調整方法，其係隨環境亮度動態地調整背光亮度。
根據本發明，提出一種頭戴式顯示裝置。頭戴式顯示裝置包括顯示模組、背光模組、應用處理器、眼球影像擷取裝置、第一紅外線發光二極體及特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)。背光模組提供背光至顯示模組。眼球影像擷取裝置擷取眼球影像。紅外線發光二極體提供輔助光至眼球影像擷取裝置。特殊應用積體電路根據眼球影像計算目前瞳孔大小。應用處理器於調整模式下，根據目前瞳孔大小調整背光模組之背光亮度。
根據本發明，提出一種頭戴式顯示裝置之背光調整方法。頭戴式顯示裝置之背光調整方法包括：由眼球影像擷取裝置擷取眼球影像；由紅外線發光二極體提供輔助光至眼球影像擷取裝置；根據眼球影像計算目前瞳孔大小；以及於調整模式下，根據目前瞳孔大小調整背光模組之背光亮度。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
1、1a、1b、1c、1d、1e、3、5‧‧‧頭戴式顯示裝置
10‧‧‧眼鏡架
11‧‧‧顯示模組
12‧‧‧背光模組
13‧‧‧應用處理器
14‧‧‧眼球影像擷取裝置
15‧‧‧第一紅外線發光二極體
16‧‧‧特殊應用積體電路
17‧‧‧第二紅外線發光二極體
18‧‧‧前方影像擷取裝置
19‧‧‧環境光感測器
201~206、401~405‧‧‧步驟
D‧‧‧瞳孔直徑
L1‧‧‧實像亮度
L2‧‧‧虛像亮度
Id‧‧‧驅動電流
第1圖繪示係為依照第一實施例之一種頭戴式顯示裝置之方塊圖。
第2圖繪示係為依照第一實施例之一種頭戴式顯示裝置之背光調整方法之流程圖。
第3圖繪示係為依照第一實施例之頭戴式顯示裝置之第一種外觀示意圖。
第4圖繪示係為依照第一實施例之頭戴式顯示裝置之第二種外觀示意圖。
第5圖繪示係為依照第一實施例之頭戴式顯示裝置之第三種外觀示意圖。
第6圖繪示係為依照第一實施例之頭戴式顯示裝置之第四種外觀示意圖。
第7圖繪示係為依照第一實施例之頭戴式顯示裝置之第五種外觀示意圖。
第8圖繪示係為依照第二實施例之一種頭戴式顯示裝置之方塊圖。
第9圖繪示係為依照第二實施例之一種頭戴式顯示裝置之背光調整方法之流程圖。
第10圖繪示係為依照第二實施例之頭戴式顯示裝置之外觀示意圖。
第11圖繪示係為依照第三實施例之一種頭戴式顯示裝置之方塊圖。
第12圖係為依照第三實施例之頭戴式顯示裝置之外觀示意圖。
第13圖繪示係為一種瞳孔大小與實像亮度之對應關係圖。
第14圖繪示係為一種虛像亮度與驅動電流之對應關係圖。
第一實施例
請參照第1圖，第1圖繪示係為依照第一實施例之一種頭戴式顯示裝置之方塊圖。頭戴式顯示裝置1包括顯示模組(Display module)11、背光模組12、應用處理器13、眼球影像擷取裝置14、第一紅外線發光二極體15及特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)16。顯示模組11例如是微型投影機(Pico Projector)。應用處理器13可經由通用序列匯流排(Universal Serial Bus,USB)與特殊應用積體電路16溝通。眼球影像擷取裝置14可經由行動產業處理器介面(Mobile Interface Processor Interface,MIPI)或並列式介面(Parallel I/F)與特殊應用積體電路16溝通。特殊應用積體電路16經由通用輸入輸出(General Purpose Input Output,GPIO)介面開啟或關閉第一紅外線發光二極體15。
背光模組12例如係由發光二極體所實現，且背光模組12提供背光至顯示模組11。眼球影像擷取裝置14擷取使用者之眼球影像。第一紅外線發光二極體15提供第一輔助光至眼球影像擷取裝置14。特殊應用積體電路16根據眼球影像計算使用者之目前瞳孔大小。應用處理器13於調整模式下，根據目前瞳 孔大小調整背光模組12之背光亮度。
請同時參照第1圖及第2圖，第2圖繪示係為依照 第一實施例之一種頭戴式顯示裝置之背光調整方法之流程圖。頭戴式顯示裝置1之背光調整方法包括如下步驟：首先如步驟201所示，眼球影像擷取裝置14擷取使用者之眼球影像。接著如步驟202所示，特殊應用積體電路16將眼球影像進行透視校正以產生眼球正向影像。特殊應用積體電路16根據眼球正向影像能更方便地取得眼球及瞳孔位置，並能修正原先因投影所造成的失真。跟著如步驟203所示，特殊應用積體電路16去除眼球正向影像之雜訊並排除睫毛和陰影的干擾。此外，於執行步驟203之前，特殊應用積體電路16亦可先進行眼球偵測來取得瞳孔位置，以避免眼球影像擷取裝置14擷取到使用者眨眼時之影像而造成分析誤判。
然後如步驟204所示，特殊應用積體電路16根據去除雜訊後之眼球正向影像計算使用者之目前瞳孔大小，並將瞳孔大小資訊傳送至應用處理器13。接著如步驟205所示，特殊應用積體電路16計算目前瞳孔大小與前次瞳孔大小之瞳孔差異值。當瞳孔差異值之絕對值大於一臨界值時，特殊應用積體電路16輸出警告訊號及目前瞳孔大小至應用處理器13。接著如步驟206所示，應用處理器13收到該警告訊號後，根據目前瞳孔大小控制背光模組12調整背光亮度。由於使用者之瞳孔大小由虹膜上平滑肌的伸縮控制，所以變化速度不會太快。特殊應用積體電路 16計算目前瞳孔大小的頻率不需太快，以降低電力消耗。舉例來說，特殊應用積體電路16計算目前瞳孔大小的頻率約每秒n次，而n係小於5之正整數。
進一步來說，步驟205計算瞳孔差異值，且當差異 值絕對值大於一臨界值時，特殊應用積體電路16輸出警告訊號至應用處理器13的意義在於：若使用者處於光線很弱的環境，則使用者的瞳孔需張的很大才能看清周圍景物。此時如果因投影虛像光線過強，將導致瞳孔反向縮小，而造成實像進入光線不足。如此一來，使用者反而看不清外在景物，很容易造成安全事故。所以，應用處理器13接收警告訊號後，會先控制背光模組12適度地降低背光亮度，以確認使用者的瞳孔變化是受到外在環境光線變強所造成的影響，還是投影虛像光線過強所造成的影響。若背光亮度降低後，使用者之目前瞳孔大小仍在縮小，就可確認使用者的瞳孔變化是受到外在環境光線變強所造成的影響。此時，應用處理器13即能根據對照表調整背光亮度。但實際應用並不侷限於此，在另一實施例中，當瞳孔差異值小於一臨界值時，應用處理器13也能正常地根據對照表調整背光亮度。接著如步驟206所示，當目前瞳孔較大時，表示使用者處於低環境亮度。此時應用處理器13需根據對照表對應地降低背光亮度。否則使用者會覺得顯示模組11所投射的虛像太亮且刺眼。相反地，當目前瞳孔較小時，表示使用者處於高環境亮度。此時應用處理器13需根據對照表對應地提高背光亮度。否則使用者會覺 得顯示模組11所投射的虛像太暗而看不清楚。
需說明的是，即便使用者之瞳孔大小相同，在不同 硬體條件下，背光模組12的驅動訊號仍會有所不同。舉例來說，不同微投影機的光機設計；不同背光模組其發光效率也不同；不同分光鏡或準直透鏡對光的損失程度也不同。有鑑於此，應用處理器13能進一步地於校正模式下，根據目前瞳孔大小及背光模組12對應之驅動訊號建立出實際系統的對照表對照表，例如第14圖所示。驅動訊號例如為發光二極體之驅動電流。
請同時參照第1圖、第13圖及第14圖，第13圖繪 示係為一種瞳孔大小與實像亮度之對應關係圖，第14圖繪示係為一種虛像亮度與驅動電流之對應關係圖。第13圖標示之L1表示實像亮度。第14圖標示之L2為虛像亮度。第14圖繪示僅為一示意圖，如前所述，每個系統實際測量出來的曲線均會不同。 為方便說明起見，下述說明之背光模組12之發光元件係以發光二極體為例說明，而背光模組12係以電流驅動模式驅動為例說明。應用處理器13於校正模式下，根據眼球影像擷取裝置14所擷取之眼球影像得知使用者之瞳孔直徑D，再根據瞳孔直徑D及第13圖決定對應之實像亮度L1(或稱為環境亮度)。顯示模組11所投射的虛像亮度L2=實像亮度L1±閥值△TH，其主要是考量瞳孔直徑D不要因為虛像光線入射而產生劇烈變化。
顯示模組11所投射的虛像亮度L2係隨背光模組12之驅動電流Id而對應改變。其中，驅動電流Id例如係指發光二 極體之驅動電流。應用處理器13於校正模式下，根據第14圖實際系統測量出之虛像亮度L2與驅動電流Id之對應關係即可產生前述之對照表。後續頭戴式顯示裝置1於調整模式下，應用處理器13即能根據瞳孔直徑D來動態調整虛像亮度L2。
需說明的是，應用處理器13於校正模式下，除了根 據第13圖決定瞳孔直徑D與實像亮度L1之對應關係外，亦可根據瞳孔直徑D=5.3-lnB來決定瞳孔直徑D與實像亮度L1之對應關係。其中，ln為自然對數，實像亮度B之單位為英尺-朗伯(ft-L)。實像亮度B可經由單位換算將其單位改變為坎德拉/公尺平方(cd/m2)，即第13圖之實像亮度L1。
請同時參照第1圖及第3圖，第3圖繪示係為依照 第一實施例之頭戴式顯示裝置之第一種外觀示意圖。第1圖繪示之頭戴式顯示裝置1於第3圖係以頭戴式顯示裝置1a為例說明。 頭戴式顯示裝置1a更包括眼鏡架10。眼球影像擷取裝置14與第一紅外線發光二極體15係設置於眼鏡架10之鏡框右上方，且眼球影像擷取裝置14之光軸與第一紅外線發光二極體15之光軸平行。當眼球影像擷取裝置14之光軸與第一紅外線發光二極體15之光軸平行時，會形成亮瞳效應。亮瞳效應可降低睫毛或陰影之干擾，且有助於低環境亮度下的瞳孔偵測。此外，亮瞳效應有助於偵測有藍色或灰色眼睛的使用者。
請同時參照第1圖及第4圖，第4圖繪示係為依照第一實施例之頭戴式顯示裝置之第二種外觀示意圖。第1圖繪示 之頭戴式顯示裝置1於第4圖係以頭戴式顯示裝置1b為例說明。頭戴式顯示裝置1b更包括眼鏡架10。眼球影像擷取裝置14係設置於眼鏡架10之鏡框右上方，且第一紅外線發光二極體15設置於眼鏡架10之鏡框右下方。眼球影像擷取裝置14之光軸與第一紅外線發光二極體15之光軸形成一夾角。當眼球影像擷取裝置14之光軸與第一紅外線發光二極體15之光軸形成一夾角，會形成暗瞳效應。暗瞳效應有助於高環境亮度下或有自然光時的瞳孔偵測。此外，暗瞳效應有助於偵測有深色眼睛的使用者。
請同時參照第1圖及第5圖，第5圖繪示係為依照第一實施例之頭戴式顯示裝置之第三種外觀示意圖。第1圖繪示之頭戴式顯示裝置1於第5圖係以頭戴式顯示裝置1c為例說明。頭戴式顯示裝置1c更包括眼鏡架10。眼球影像擷取裝置14與第一紅外線發光二極體15係設置於眼鏡架10之鏡框左下方，且眼球影像擷取裝置14之光軸與第一紅外線發光二極體15之光軸平行。
請同時參照第1圖及第6圖，第6圖繪示係為依照第一實施例之頭戴式顯示裝置之第四種外觀示意圖。第1圖繪示之頭戴式顯示裝置1於第6圖係以頭戴式顯示裝置1d為例說明。頭戴式顯示裝置1d更包括眼鏡架10。眼球影像擷取裝置14係設置於眼鏡架10之鏡框左下方，且第一紅外線發光二極體15設置於眼鏡架10之鏡框左上方。眼球影像擷取裝置14之光軸與第一紅外線發光二極體15之光軸形成一夾角。
請同時參照第1圖及第7圖，第7圖繪示係為依照第一實施例之頭戴式顯示裝置之第五種外觀示意圖。第1圖繪示之頭戴式顯示裝置1於第7圖係以頭戴式顯示裝置1e為例說明。頭戴式顯示裝置1e更包括眼鏡架10及第二發光二極體17。特殊應用積體電路16經由通用輸入輸出介面開啟或關閉第二紅外線發光二極體17。眼球影像擷取裝置14及第二紅外線發光二極體17係設置於眼鏡架10之鏡框左下方，且第一紅外線發光二極體15設置於眼鏡架10之鏡框左上方。眼球影像擷取裝置14之光軸與第一紅外線發光二極體15之光軸形成一夾角，且眼球影像擷取裝置14之光軸與第二紅外線發光二極體17之光軸平行。特殊應用積體電路16可視環境條件選擇開啟第一紅外線發光二極體15或第二紅外線發光二極體17，以選擇配合亮瞳效應或暗瞳效應來偵測使用者之目前瞳孔大小。
第二實施例
請同時參照同時第8圖、第9圖及第10圖，第8圖繪示係為依照第二實施例之一種頭戴式顯示裝置之方塊圖，第9圖繪示係為依照第二實施例之一種頭戴式顯示裝置之背光調整方法之流程圖，第10圖繪示係為依照第二實施例之頭戴式顯示裝置之外觀示意圖。第二實施例與第一實施例主要不同之處在於頭戴式顯示裝置3是藉由前方影像擷取裝置18所擷取之前方影像來調整背光亮度，且前方影像擷取裝置18之視角與使用者之 視角大約相同。
頭戴式顯示裝置3之背光調整方法包括如下步驟：首先如步驟401所示，前方影像擷取裝置18擷取使用者之前方影像。由於要藉由前方影像來忠實地偵測出前方環境亮度，因此需關閉自動曝光(Auto Exposure,AE)。換言之，前方影像擷取裝置18擷取前方影像時。需固定類比增益、數位增益及曝光時間。接著如步驟402所示，特殊應用積體電路16將前方影像分為N×N個區塊，N係大於等於1之正整數。特殊應用積體電路16將前方影像分為N×N個區塊的好處在於可以讓不同的區塊具有不同的權重因子。舉例來說，位於視野中心點的區塊對應至較大的權重因子。或者，特殊應用積體電路16根據顯著圖(Saliency Map)來調整權重因子。特殊應用積體電路16可假設視野中心點位於前方影像的中心部分，所以前方影像的中心部分的權重因子較高。跟著如步驟403所示，特殊應用積體電路16計算統計資料。然後如步驟404所示，特殊應用積體電路16根據統計資料估計環境亮度。接著如步驟405所示，應用處理器13根據環境亮度控制調整背光亮度。
第三實施例
請同時參照第11圖及第12圖，第11圖繪示係為依照第三實施例之一種頭戴式顯示裝置之方塊圖，第12圖係為依照第三實施例之頭戴式顯示裝置之外觀示意圖。第三實施例與第 二實施例主要不同之處在於頭戴式顯示裝置5是藉由環境光感測器(Ambient Light Sensor,ALS)18所感測之環境亮度來調整背光亮度。環境光感測器19不僅偵測其前方亮度，更偵測其周圍的環境亮度。
前述實施例所載之頭戴式顯示裝置及其背光調整方 法僅為舉例說明，於其他實施例中頭戴式顯示裝置亦可搭配兩個以上的紅外線發光二極體。此外，於偵測使用者之目前瞳孔大小時，並不侷限於一次開啟一個紅外線發光二極體，亦可同時開啟多個紅外線發光二極體。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
201~206‧‧‧步驟

Claims (16)

  1. 一種頭戴式顯示裝置，包括：一顯示模組；一背光模組，用以提供一背光至該顯示模組；一應用處理器；一眼球影像擷取裝置，用以擷取一眼球影像；一第一紅外線發光二極體，用以提供一第一輔助光至該眼球影像擷取裝置；以及一特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)，用以根據該眼球影像計算一目前瞳孔大小，該應用處理器於一調整模式下，根據該目前瞳孔大小調整該背光模組之一背光亮度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示裝置，其中該特殊應用積體電路計算該目前瞳孔大小與一前次瞳孔大小之一瞳孔差異值，並當該瞳孔差異值之絕對值大於一臨界值時，輸出一警告訊號及該目前瞳孔大小至該應用處理器，該應用處理器接收該警告訊號後，根據該目前瞳孔大小控制該背光模組調整該背光亮度。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之頭戴式顯示裝置，其中該應用處理器接收該警告訊號後，控制該背光模組降低該背光亮度，若該背光亮度降低後，該目前瞳孔大小仍在縮小，該應用處理器根據一對照表調整該背光亮度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示裝置，其中該眼球影像擷取裝置之光軸與該第一紅外線發光二極體之光軸平行。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之頭戴式顯示裝置，更包括：一眼鏡架，該眼球影像擷取裝置與該第一紅外線發光二極體係設置於該眼鏡架之鏡框右上方。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之頭戴式顯示裝置，更包括：一眼鏡架，該眼球影像擷取裝置與該第一紅外線發光二極體係設置於該眼鏡架之鏡框左下方。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示裝置，其中該眼球影像擷取裝置之光軸與該第一紅外線發光二極體之光軸形成一夾角。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之頭戴式顯示裝置，更包括：一眼鏡架，該眼球影像擷取裝置係設置於該眼鏡架之鏡框右上方，且該第一紅外線發光二極體設置於該眼鏡架之鏡框右下方。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之頭戴式顯示裝置，更包括：一眼鏡架，該眼球影像擷取裝置係設置於該眼鏡架之鏡框左下方，且該第一紅外線發光二極體設置於該眼鏡架之鏡框左上方。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之頭戴式顯示裝置，更包括：一第二紅外線發光二極體，用以提供一第二輔助光至該眼球影像擷取裝置，且該眼球影像擷取裝置之光軸與該第二紅外線發 光二極體之光軸平行。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示裝置，其中該應用處理器於一校正模式下，根據該目前瞳孔大小及該背光模組對應之驅動訊號建立一對照表。
  12. 一種頭戴式顯示裝置之背光調整方法，包括：由一眼球影像擷取裝置擷取一眼球影像；由一第一紅外線發光二極體提供一第一輔助光至一眼球影像擷取裝置；根據該眼球影像計算一目前瞳孔大小；以及於一調整模式下，根據該目前瞳孔大小調整一背光模組之一背光亮度。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之背光調整方法，其中該計算步驟係計算該目前瞳孔大小與一前次瞳孔大小之一瞳孔差異值，並當該瞳孔差異值大於一臨界值時，輸出一警告訊號及該目前瞳孔大小至一應用處理器。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之背光調整方法，其中該調整步驟係於該應用處理器接收該警告訊號後，根據該目前瞳孔大小控制該背光模組調整該背光亮度。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之背光調整方法，其中該應用處理器接收該警告訊號後，控制該背光模組降低該背光亮度，若該背光亮度降低後，該目前瞳孔大小仍在縮小，該應用處理器根據一對照表調整該背光亮度。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之背光調整方法，更包括：於一校正模式下，根據該目前瞳孔大小及該背光模組對應之驅動訊號建立一對照表。
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