一种可穿戴显示装置及其驱动方法

文档序号:104653 发布日期:2021-10-15 浏览:23次 >En<

阅读说明:本技术 一种可穿戴显示装置及其驱动方法 (Wearable display device and driving method thereof ) 是由 黄忠守 于 2021-07-07 设计创作,主要内容包括:本发明公开了一种可穿戴显示装置及其驱动方法。可穿戴显示装置包括控制单元、显示单元、光路传输单元、半透明光电探测单元及信号处理单元;控制单元控制显示单元输出显示画面;光路传输单元将显示画面传输至人眼;半透明光电探测单元将人眼反射的光信号转换为电信号;信号处理单元处理半透明光电探测单元输出的电信号;控制单元根据反馈信号实时调整显示单元的输出画面的数据;光路传输单元和半透明光电探测单元还将外界光线透射入人眼。本发明的技术方案,根据人眼反射光的强度和颜色的时间和空间分布调整显示单元的输出画面的数据,以增强和优化图像的视觉体验,以及保护视觉和保障安全驾驶,且具有结构简单、体积小、成本低的优点。(The invention discloses a wearable display device and a driving method thereof. The wearable display device comprises a control unit, a display unit, a light path transmission unit, a semitransparent photoelectric detection unit and a signal processing unit; the control unit controls the display unit to output a display picture; the optical path transmission unit transmits the display picture to human eyes; the semi-transparent photoelectric detection unit converts optical signals reflected by human eyes into electric signals; the signal processing unit processes the electric signal output by the semitransparent photoelectric detection unit; the control unit adjusts the data of the output picture of the display unit in real time according to the feedback signal; the light path transmission unit and the semitransparent photoelectric detection unit also transmit external light into human eyes. According to the technical scheme, the data of the output picture of the display unit is adjusted according to the time and space distribution of the intensity and color of the light reflected by human eyes, so that the visual experience of the image is enhanced and optimized, the vision is protected, the safe driving is guaranteed, and the display device has the advantages of simple structure, small size and low cost.)

一种可穿戴显示装置及其驱动方法

技术领域

本发明实施例涉及显示技术,尤其涉及一种可穿戴显示装置及其驱动方法。

背景技术

近年来增强现实(AR:Augment Reality)和虚拟现实(VR:Virtual Reality)技术不仅发展迅速,而且其应用领域也在迅猛扩大,从安保监控到医疗手术和电子游戏,已经逐渐渗透到现代社会的各个方面,成为驱动相关领域的关键技术和装置。

为了进一步地开发AR系统,眼球视线追踪成为了能够提供更多重要信息和增强视觉体验的强有力的手段。在观测一幅图像的时候,人眼在不断的对画面扫描并聚焦在感到兴趣的物体和人上,AR系统就可以根据观察者的视线方向,实时地提供该兴趣关注点的有关信息,并且同步显示在该兴趣关注点的周围活重叠在原有的影像之上。然而传统设备的视线追踪结构体积较大,如果要集成到小巧轻便的AR眼镜上,对于工程设计,制造以及封装来说都面临极其困难的技术挑战。

另外,随着手机和各种电子显示技术的普及,人眼的过度使用导致视网膜的老化病变,比如老年性黄斑区老化AMD(Aged Related Macular Degeneration),变得越来越普遍和年轻化。这种病症很多是由于紫色或者蓝色光线对于视网膜中视神经细胞的伤害导致的。如果能够在AR或VR显示设备上实时监控光线对人眼的累积曝光量,从而就可以因人而异地调整入射亮度和颜色,最大限度地保护人眼。另外,人眼视网膜的对红色,绿色和蓝色光线敏感的三种锥状视细胞的寿命不同,尤其是对蓝色光线敏感的锥状视细胞的寿命相对于另外两种,衰退较快。从而随着年龄的增长或过度用眼,其感受的图像的颜色会逐渐发生演变。如果能够检测出这种颜色感知的变化,就可以对需要显示的画面因人而异地作优化。但是传统的这种医院眼科才有的检测设备庞大,无法集成在小巧轻便的可穿戴设备上。

发明内容

本发明实施例提供一种可穿戴显示装置及其驱动方法,该可穿戴显示装置可以根据人眼反射光的强度和颜色的时间和空间分布调整显示单元的输出画面的数据,以增强和优化图像的视觉体验,以及保护视觉和保障安全驾驶,,且具有结构简单、体积小、成本低的优点。

第一方面,本发明实施例提供一种可穿戴显示装置,包括控制单元、显示单元、光路传输单元、半透明光电探测单元以及信号处理单元;

所述控制单元与所述显示单元连接,所述显示单元包括多个发光元件,所述控制单元用于控制所述显示单元输出显示画面;

所述光路传输单元用于将所述显示画面传输至人眼;

所述半透明光电探测单元位于所述光路传输单元靠近所述人眼的一侧,所述半透明光电探测单元用于将所述人眼反射的光信号转换为电信号;

所述信号处理单元与所述半透明光电探测单元连接,所述信号处理单元用于处理所述半透明光电探测单元输出的电信号;

所述控制单元与所述信号处理单元连接,所述控制单元用于根据所述信号处理单元的反馈信号实时调整所述显示单元的输出画面的数据;

所述光路传输单元和所述半透明光电探测单元还用于将外界光线透射入人眼。

可选的,所述半透明光电探测单元包括一个半透明光电探测器;所述半透明光电探测器包括多个探测区和多个透光区,所述探测区包括光电传感器和驱动电路,所述透光区的面积总和占所述半透明光电探测器面积的比例大于或等于30%,小于或等于90%。

可选的,所述光路传输单元包括至少一个传播光学图像的光波导管,第一衍射输入耦合片,用于将所述显示画面输入所述光波导管,一个衍射输出耦合片,用于将所述光波导管传输的光束输出至所述人眼;

所述半透明光电探测单元位于所述衍射输出耦合片靠近所述人眼的一侧,所述半透明光电探测单元和所述衍射输出耦合片用于透射外界光线至人眼。

可选的,所述信号处理单元包括视网膜健康管理器,所述视网膜健康管理器根据所述半透明光电探测单元检测的所述人眼反射的光辐射信息并生成反馈信号,所述控制单元根据所述反馈信号实时调整所述显示单元出射光的亮度和/或颜色。

可选的,所述视网膜健康管理器包括对多个颜色光的曝光积分器、模数转换器以及存储器,所述存储器预存视网膜老化模型和减缓伤害模型。

可选的,还包括结构光投影仪和第二衍射输入耦合片,所述第二衍射输入耦合片用于将所述结构光投影仪出射的结构光耦合入所述光波导管;

所述衍射输出耦合片还用于将所述结构光输出至所述人眼;

所述半透明光电探测单元用于接收所述人眼反射的结构光;

所述信号处理单元包括结构光处理器,所述结构光处理器根据所述人眼反射的结构光的畸变追踪所述人眼的视线方位,所述控制单元根据所述人眼的视线方位调整所述显示单元输出的待显示画面。

可选的,所述结构光的光斑形状包括点阵形状、格栅形状或者平行条纹形状。

可选的,所述结构光的光斑形状为格栅形状,所述格栅形状的栅线宽度为DL,栅格周期为D21;

所述半透明光电探测单元包括阵列排布的多个光电探测器,所述光电探测器的宽度为DS,相邻两个所述光电探测器之间的距离为D11;

其中,D11≤0.5D21;0.25≤DL/D21≤0.75;0.1≤DS/D11≤0.5。

可选的,所述格栅形状的行方向为第一方向,所述光电探测器所成阵列的行方向为第二方向,所述第一方向与所述第二方向的夹角大于或等于40°,小于或等于50°。

可选的,所述第一衍射输入耦合片包括表面浮雕光栅或体内全息光栅,所述衍射输出耦合片包括表面浮雕光栅或体内全息光栅。

可选的,所述显示单元包括硅基有机发光显示面板。

可选的,所述半透明光电探测单元包括多个光电传感器,所述光电传感器包括光电二极管或光电三极管。

第二方面,本发明实施例还提供一种可穿戴显示装置的驱动方法,适用于上述的可穿戴显示装置,包括:

控制单元根据初始设置控制显示单元输出待显示画面;

半透明光电探测单元每间隔预设时间获取一次人眼反射的光信号,并反馈至信号处理单元;

控制单元根据所述信号处理单元的反馈信号,调整所述显示单元的输出画面的数据。

可选的,所述信号处理单元根据人眼反射光的强度和颜色随时间的变化,计算出眨眼的频率和闭眼的时间长短,以此判断使用者的视觉疲劳程度,并通过所述控制单元对所述可穿戴显示装置的使用者和/或周围环境发出相应的警示信号,和/或修改所述显示单元的输出画面的数据。

可选的,所述信号处理单元包括视网膜健康管理器,所述控制单元根据所述信号处理单元的反馈信号,调整所述显示单元的输出画面的数据,包括:

所述控制单元根据所述反馈信号实时调整所述显示单元出射光的亮度和/或颜色。

可选的,所述视网膜健康管理器根据眼球反射光的光谱分布估算出视网膜对于颜色的感知能力的衰变并反馈到所述控制单元;所述控制单元根据所述信号处理单元的反馈信号,调整所述显示单元的输出画面的颜色,从而使得人眼感知理想的图像颜色。

可选的,所述可穿戴显示装置还包括结构光投影仪和第二衍射输入耦合片,所述信号处理单元包括结构光处理器,所述控制单元根据所述信号处理单元的反馈信号,调整所述显示单元的输出画面的数据,包括:

所述控制单元根据人眼的视线方位调整所述显示单元输出的待显示画面。

本发明实施例提供的可穿戴显示装置,包括控制单元、显示单元、光路传输单元、半透明光电探测单元以及信号处理单元;显示单元包括多个发光元件,通过控制单元控制显示单元输出显示画面;通过光路传输单元和半透明光电探测单元将外界光线透射入人眼,以使外界实景图像与显示单元的显示画面叠加,达到增强现实的显示效果;通过光路传输单元将显示画面传输至人眼,以使人眼观看到显示画面;通过半透明光电探测单元将人眼反射的光信号转换为电信号,以检测人眼的健康状态或视线方位;通过信号处理单元处理半透明光电探测单元输出的电信号,并反馈给控制单元;通过控制单元根据信号处理单元的反馈信号实时调整显示单元的输出画面的数据,从而增强和优化图像的视觉体验,以及保护视觉和保障安全驾驶,提升用户体验。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种可穿戴显示装置的结构示意图;

图2为本发明实施例提供的一种半透明光电探测单元的俯视结构示意图;

图3为本发明实施例提供的另一种可穿戴显示装置的结构示意图;

图4为本发明实施例提供的一种半透明光电探测单元的剖面结构示意图;

图5为本发明实施例提供的又一种可穿戴显示装置的结构示意图;

图6示出了本发明实施例提供的一种入射结构光的形状示意图;

图7和图8分别为图6对应的反射结构光的形状示意图;

图9为本发明实施例提供的一种结构光和光电探测区阵列的结构示意图;

图10为本发明实施例提供的一种光电二极管的结构示意图;

图11为本发明实施例提供的一种光电三极管的结构示意图;

图12~图14分别为本发明实施例提供的一种半透明光电探测单元的平面结构示意图;

图15~图17分别为本发明实施例提供的一种半透明光电探测单元的连接关系示意图;

图18为本发明实施例提供的一种可穿戴显示装置的驱动方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本发明。需要注意的是,本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的,不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中,还需要理解的是,当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时,其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”,也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例中所用到的人眼一词,包括了人眼的外部组织,眼球和视网膜组织。人眼的外部组织特别包括了上下眼睑,眼球包括了结膜,虹膜,角膜,瞳孔,水晶体和玻璃体,视网膜组织包括了黄斑区,视网膜,脉络膜,视网膜血管和视神经等在内。本发明实施例所用到的光线一词,包括了波长从红外到可见光并延伸到近紫外的光辐射。所提到的人眼和光线的相互作用的词汇,自然就应该包括上述人眼各种组织和各种波长光线的相互作用在内。比如人眼的反射光,则包括了可能从眼睑或视网膜上的黄斑区反射的各种波长的光线。

图1为本发明实施例提供的一种可穿戴显示装置的结构示意图,参考图1,本实施例提供的可穿戴显示装置包括控制单元10、显示单元20、光路传输单元30、半透明光电探测单元40以及信号处理单元50;控制单元10与显示单元20连接,显示单元20包括多个发光元件(图1中未示出),控制单元10用于控制显示单元20输出显示画面;光路传输单元30用于将显示画面传输至人眼60;半透明光电探测单元40位于光路传输单元30靠近人眼60的一侧,半透明光电探测单元40用于将人眼60反射的光信号转换为电信号;信号处理单元50与半透明光电探测单元40连接,信号处理单元50用于处理半透明光电探测单元40输出的电信号;控制单元10与信号处理单元50连接,控制单元10用于根据信号处理单元50的反馈信号实时调整显示单元20的输出画面的数据;光路传输单元30和半透明光电探测单元40还用于将外界光线a透射入人眼60。

其中,本实施例提供的可穿戴显示装置可以为AR显示装置。控制单元10可以包括图像处理芯片,用来控制显示单元20按照预设程序输出显示画面,显示画面可以是静止的画面或者视频画面,具体根据可穿戴显示装置的使用场景确定。控制单元10、显示单元20、光路传输单元30、半透明光电探测单元40和信号处理单元50可以集成在一个壳体内,例如头盔中。发光元件可以为有机发光二极管OLED,具体实施时,为了减小显示单元20的体积,可选的,显示单元20包括硅基有机发光显示面板,像素驱动电路和行扫描线以及数据线和外部供电线都集成在硅芯片里面,OLED发光薄膜则依靠薄膜蒸发等方式沉积在硅芯片上。光路传输单元30用于折转光路,包括必要的反射面、传输通道等或具有等效功能的结构,用于显示画面和外界光线传输到人眼60成像。半透明光电探测单元40可以包括多个光电传感器,可以将接收到的人眼60反射光信号转换为电信号,并将信号反馈给信号处理单元50,从而获知人眼60的状态,例检测人眼的健康状态、获取人眼的视线方位等,控制单元10根据半透明光电探测单元40反馈的信号调整驱动信号,以实现对后续待显示画面的调节。光路传输单元30和光电探测单元40具有一定的透光性,可以透射外界光线,从而实现增强现实的显示效果。

本发明实施例的技术方案,通过控制单元控制显示单元输出显示画面;通过光路传输单元和半透明光电探测单元将外界光线透射入人眼,以使外界实景图像与显示单元的显示画面叠加,达到增强现实的显示效果;通过光路传输单元将显示画面传输至人眼,以使人眼观看到显示画面;通过半透明光电探测单元将人眼反射的光信号转换为电信号,以检测人眼的健康状态或视线方位;通过信号处理单元处理半透明光电探测单元输出的电信号,并反馈给控制单元;通过控制单元根据信号处理单元的反馈信号实时调整显示单元的输出画面的数据,从而增强和优化图像的视觉体验,以及保护视觉和保障安全驾驶,提升用户体验。

可选的,半透明光电探测单元包括一个半透明光电探测器;半透明光电探测器包括多个探测区和多个透光区,探测区包括光电传感器和驱动电路,透光区的面积总和占半透明光电探测器面积的比例大于或等于30%,小于或等于90%。

示例性的,图2为本发明实施例提供的一种半透明光电探测单元的俯视结构示意图,参考图2,半透明光电探测单元包括多个透光区401和探测区402,探测区402包括光电探测器和驱动电路(图2中未示出光电探测器和驱动电路的具体结构)、第一走线403和第二走线404,与光电探测器连接,用于传输控制信号或数据信号。通过设置透光区的面积总和占半透明光电探测器面积的30%~90%之间,可以保证半透明光电探测单元具有足够的透光性透过外界光线。

可选的,探测区402和透光区401呈周期性阵列排布,所有相邻的探测区402之间的距离相等,探测区402的数量和透光区401的数量基本相等。

具体实施时,D11和D12大于或等于显示单元的图像投影在光电传感器平面上的各个像素之间的距离,而且大于输出耦合光栅内相邻格栅的间距的两倍以便避免产生摩尔条纹。在光电传感器之间的区域则有横向和纵向的第一走线403(控制线)和第二走线404(数据母线)。这些数据母线和控制线可以用金属来制成,也可以用透明导电材料比如ITO制成。用金属走线的场合,比如铝合金或者金属铜,金属铬,或者金属钼,由于其电阻率很低,金属线可以做的比较细,比如0.5微米~2微米,从而对于光电传感阵列的透过率衰减比较小。透明导电材料比如ITO的电阻率比较高,比如方块电阻在10欧姆,但是由于对于可见光的透明度较高,可以做的较宽,甚至透光区域的大部分都可以覆盖透明导电膜ITO的走线。光电传感器的感光面一侧还可以附加一层彩色滤光片,从而获得该颜色光线的光电信号。对光电传感器的阵列中,不同的传感器上使用不同颜色的彩色滤光片,就可以获得彩色,比如R、G、B三种颜色的空间分布信息。

图3为本发明实施例提供的另一种可穿戴显示装置的结构示意图,参考图3,可选的,光路传输单元30包括至少一个传播光学图像的光波导管31(图3种以一个波导管为例),第一衍射输入耦合片32,用于将显示画面输入光波导管31,一个衍射输出耦合片33,用于将光波导管31传输的光束输出至人眼60;半透明光电探测单元40位于衍射输出耦合片33靠近人眼60的一侧,半透明光电探测单元40和衍射输出耦合片60用于透射外界光线a至人眼60。

其中,第一衍射输入耦合片32位于光波导管31的入射窗口,衍射输出耦合片33位于光波导管31的输出窗口。可选的,第一衍射输入耦合片32包括表面浮雕光栅(SRG:Surface Relieve Grating)或体内全息光栅(VHG:Volumetric Holographic Grating),衍射输出耦合片33包括表面浮雕光栅或体内全息光栅。采用这种类平面衍射光栅的波导管也称作衍射波导管,区别于依靠光密媒质和光疏媒质界面的全反射原理的几何光学波导管。经过第一衍射输入耦合片32的作用,携带显示画面的光束以大于全反射角度的传播角度在光波导管32的两侧界面不断发生全反射而向前传播。在传播的尽头,放置着一个衍射输出耦合片33,将横向传播过来的光束投射到人眼60的视网膜上。在其他实施例中,为了减少彩虹效应,也就是R、G、B三种颜色的光线在透明材料中不同的折射率导致的颜色分离现象,也可以使用三个波导管来分别传输不同颜色的光束。可以理解的是,由于光波导管31位于衍射输出耦合片33与人眼60之间,实际实施时,半透明光电探测单元40可以贴附在光波导管31的表面。

本实施例提供的可穿戴显示装置,可以检测人眼的健康状态,具体的,可以检测视网膜的健康状态。在某一实施例中,可选的,信号处理单元50包括视网膜健康管理器,视网膜健康管理器根据半透明光电探测单元40检测的人眼反射的光辐射信息并生成反馈信号,控制单元10根据反馈信号实时调整显示单元20出射光的亮度和/或颜色。

在本实施例中,半透明光电检测单元包括均匀分布的多个半导体材料的探测区和多个透光区,被放置在衍射输出耦合片33的外侧朝向观察者的一侧。外界自然景象的光线和通过光波导管31传播过来的显示单元20的显示画面从半透明光电探测单元40的同一侧穿过透光区进入人眼60。从眼球的表面和内部的视网膜反射回来的光线b中的一部分则进入到半透明光电探测单元40的探测区中,产生光生电荷(光电效应)或光生电压(光伏效应)。传统的方法中,或者根据显示屏点亮的时间,或者用一个光电传感器接收来自外界的光线来推测累积的光辐射。但是在比如眨眼,短暂紧闭的休息或进入短暂睡眠期间,传统的方式是无法感知的。然而本实施例则可以根据从眼皮的反光和视网膜反光的强度和光谱的差异而得知是否真的有光入射到视网膜,从而更加精准地至少从三个参数或者三个维度:曝光剂量,光谱信息,曝光时刻上全面掌握视网膜的光辐射信息。

产生的光电信号输出到一个视网膜健康管理器,可选的,视网膜健康管理器包括对多个颜色光的曝光积分器、模数转换器以及存储器,存储器预存视网膜老化模型和减缓伤害模型。输出对视频信号的修改指令到控制单元10,从而对显示单元20的输出光的强度和颜色做适应性的调整。

本实施例的一个实际应用是对驾驶员或机器操作人员的疲劳的监控。当驾驶员或者机器操作人员过于疲劳的时候,就会发生短暂的闭眼和打瞌睡的生理现象。本实施例探知该现象发生的时候,可以通知相关的预警系统强制唤醒驾驶员或操作人员,或者自动控制系统直接接管车辆或飞行器,防止发生意外。这种暂时的闭眼和打瞌睡出现之前的症候是虽然眼睛睁开,但是眼球的辏动,视线的扫描频率和幅度明显降低和变得迟缓。本实施例则可以准确地探测到这些症候从而向驾驶员或控制系统发出警告。

在具体实施时,为了防止入射的现实图像和内部的电子图像对上述反射光的光电变换发生干扰作用,半透明光电探测单元的背朝观察者眼球的一侧可以设置至少一层不透光的薄膜,比如不透光的金属薄膜Mo或者Al所覆盖,而朝向观察者眼球的一侧的则被透明导电膜所覆盖并可以接收来自眼球一侧的光线。示例性的,图4为本发明实施例提供的一种半透明光电探测单元的剖面结构示意图,参考图4,半透明光电探测单元包括透明基板410以及位于透明基板410一侧的光电传感器420,光电传感器420包括透光电极421、半导体薄膜422和非透光电极423,非透光电极423位于光电探测器420的感光面远离人眼的一侧。

另外,在每个光电传感器420的靠近人眼一侧可以不覆盖任何波长的滤波片,使得光电传感器420可以探测从红外到蓝光的所有波长的反射光线;也可以覆盖上一层彩色滤光片,从而可以获得不同颜色的反射光的强度。对于人眼视网膜的老化作用或者伤害的入射光的波长,和光子的能量密切相关,所以视网膜的健康管理需要对不同的光辐射频谱分别对待。蓝色光的成分越多,对于视网膜的伤害就越大,而红色光线正好相反,对于视细胞无论是杆状体还是锥状体,还有一定的修复和疗伤作用(red light therapy)。这是因为红光,比如波长为625nm~635nm的红光,或者850nm附近的近红外光线,能够作用于视神经细胞中的线粒体,对其有一定的激活效果。

因此,通过检测可穿戴显示装置佩戴者的蓝光和红光的累积曝光能量,视网膜健康管理器就能够预测蓝光对眼睛的累积伤害并给与佩戴者提醒或将光谱调整信号发送给控制单元10,改变微显示单元的R、G、B各种颜色的输出量,缓解对人眼视神经的持续冲击。

在另一实施例中,可穿戴显示装置可以用于实现眼球视线追踪,以提升显示效果。图5为本发明实施例提供的又一种可穿戴显示装置的结构示意图,参考图5,可选的,本实施例提供的可穿戴显示装置还包括结构光投影仪70和第二衍射输入耦合片34,第二衍射输入耦合片34用于将结构光投影仪70出射的结构光耦合入光波导管31;衍射输出耦合片33还用于将结构光输出至人眼60;半透明光电探测单元40用于接收人眼60反射的结构光;信号处理单元50包括结构光处理器,结构光处理器根据人眼60反射的结构光的畸变追踪人眼60的视线方位,控制单元10根据人眼60的视线方位调整显示单元20输出的待显示画面。

其中,外界自然景象的光线和通过光波导管31传播过来的显示单元20的显示画面从衍射输出耦合片33出来后穿过半透明光电探测单元40的透光区的进入人眼60成像,实现增强显示的显示效果。结构光投影仪70出射的结构光通过第二衍射输入耦合片34耦合入光波导管31,从衍射输出耦合片33出射后投射到眼球表面和穿过瞳孔投射到视网膜上,结构光的波长可以限定在一个特定波长比如800nm近红外NIR或者在其他红外波段,可以在不干扰人眼对可见光图像观测的情况下进行对人眼视线的追踪。对获得的结构光图像信息做进一步的处理,并和原始的入射结构光图像做比较后计算出反射结构光的畸变和相对应的视线轴向,或者人眼正在关注的图像位置。

可选的,结构光的光斑形状包括点阵形状、格栅形状或者平行条纹形状。

示例性的,图6示出了本发明实施例提供的一种入射结构光的形状示意图,图7和图8分别为图6对应的反射结构光的形状示意图,其中图7示出的是视线居中的反射结构光,图8示出的是视线偏左的反射结构光,实际的畸变包括了眼球表面曲面产生的畸变和穿过瞳孔后在视网膜上的反射导致的畸变,所以反射光的图像或许要更加复杂,图6~图8只是本实施例的原理说明图。

结构光畸变的信息进一步反馈到控制单元,图像增强的信息然后从控制单元产生并发送给显示单元,从而产生在入射外部的实际图像上叠加的重要参考信息。

可选的,结构光的光斑形状为格栅形状,格栅形状的栅线宽度为DL,栅格周期为D21;半透明光电探测单元包括阵列排布的多个光电探测器,光电探测器的宽度为DS,相邻两个光电探测器之间的距离为D11;其中,D11≤0.5D21;0.25≤DL/D21≤0.75;0.1≤DS/D11≤0.5。

其中,经过了眼球表面或者视网膜表面的反射,红外结构光的条纹很可能变得更粗,因此为了保证能够获取足够的结构光空间形状畸变的信息和获取更多的红外反射光的能量,需要满足以上条件,且阵列的行方向和列方向都保持均匀。

图9为本发明实施例提供的一种结构光和光电探测区阵列的结构示意图,参考图9,可选的,格栅形状的行方向为第一方向x1,光电探测器所成阵列的行方向为第二方向x2,第一方向x1与第二方向x2的夹角大于或等于40°,小于或等于50°,例如可以为45°,这样有利于降低摩尔干涉条纹。

可选的,半透明光电探测单元包括多个光电传感器,光电传感器包括光电二极管或光电三极管。

当可穿戴显示装置上贴附的光电传感器用于人眼光量的检测的时候,光电传感器的光电响应范围主要包括了对可见光敏感的半导体器件。这种对可见光敏感的器件可以包括用氢化非晶硅光电变换材料制成的光电二极管或光电三极管,图10为本发明实施例提供的一种光电二极管的结构示意图,参考图10,该光电二极管包括:透明基板101、不透明金属电极102、N型掺杂层103、本征半导体层104、P型掺杂层105和透明电极106。图11为本发明实施例提供的一种光电三极管的结构示意图,参考图11,该光电三极管包括:透明基板201、栅极202、栅极绝缘层203、光敏区域204、源漏极掺杂欧姆层205、源极206和漏极207。由于用于可穿戴显示装置的光电传感器的面积足够大,能覆盖人眼观察的全部视角,所以单位面积的制造成本较低的氢化非晶硅光电二极管或者光电三极管均可以使用。然而普通的氢化非晶硅光电器件无法对近红外光敏感,所以硅片上制造的光电二极管或光电三极管可以兼用于视网膜健康管理和近红外线视线追踪。由于硅的基板基本对于可见光的强烈吸收,所以需要对硅片做减薄和开孔处理。硅片减薄和开孔后,由于其机械强度不够,有可能需要将其贴附在另外一个起到支撑作用的透明基板上。

可选的,半透明光电探测单元包括多光谱光电传感器或者彩色图像传感器;半透明光电探测单元包括三个检测区域,分别用于检测红色、绿色和蓝色三种不同颜色的光线。

示例性的,图12~图14分别为本发明实施例提供的一种半透明光电探测单元的平面结构示意图,参考图12~图14,半透明光电探测单元包括红色探测区R、绿色探测区G和蓝色探测区B,三个区域分别检测红、绿、蓝三色光线。在其他实施例中,三个检测区域还可以采用其他的排布方式,本发明实施例对此不作限定。

可选的,同种颜色的探测区通过一条信号总线与信号处理单元连接,或者每个探测区通过各自独立的信号线与信号处理单元连接,或者所有探测区被顺序扫描后经过第一预处理单元后与信号处理单元连接。

示例性的,图15~图17分别为本发明实施例提供的一种半透明光电探测单元的连接关系示意图,每个探测区均包括多个探测子区域(图15和图16示意性示出每个探测区包括三个探测子区域,图17中示出十二个,并不是对本发明实施例的限定),且每个图中仅示出了一种探测区的连接线,参考图15,每个探测区内的所有探测子区域通过一条总信号线与信号处理单元50连接,这样可以减少连接线的数量,简化电路;参考图16,每个探测子区域通过一条单独的信号线与信号处理单元50连接,这样可以提高测量精度,适用于检测区域较少的情况;参考图17,半透明光电检测单元包括扫描单元405和预处理单元406,其中预处理单元406可以包括预放大器和模数转换器,所有探测子区域以顺序扫描的方式通过预处理单元406与信号处理单元50连接。

当本发明的实施例是用于视网膜健康管理的时候,图15~图17实施例的三种连接方式都是可以的。然而当用于视线追踪的时候,需要获取畸变后的结构光的整体图像,可以采取图16或图17所示的连接方式。

由于可穿戴显示镜片有可能不是平面,本发明实施例中的光电传感器可以是制作或者贴附在柔性透明基板上,这些柔性基板包括了有机材料的基板,比如PVC等透明而且耐一定高温的树脂基板,也包括了无机材料比如薄化后的厚度在0.1毫米以下的玻璃基板。

图18为本发明实施例提供的一种可穿戴显示装置的驱动方法的流程示意图,适用于上述实施例提供的任意一种可穿戴显示装置,参考图18,该驱动方法包括:

步骤S110、控制单元根据初始设置控制显示单元输出待显示画面。

其中,控制单元可以包括图像处理芯片,用来控制显示单元按照预设程序输出显示画面,显示单元可以包括硅基有机发光显示面板,以适应可穿戴显示装置对小体积的要求。

步骤S120、半透明光电探测单元每间隔预设时间获取一次人眼反射的光信号,并反馈至信号处理单元。

其中,预设时间可以根据可穿戴显示装置的使用情况设置,例如可以为一天、两天或者几个小时等,光电探测单元将光信号转换成电信号,并反馈到信号处理单元。

步骤S130、控制单元根据信号处理单元的反馈信号,调整显示单元的输出画面的数据。

本发明实施例的技术方案,通过控制单元控制显示单元输出显示画面;通过半透明光电探测单元将人眼反射的光信号转换为电信号,以检测人眼的健康状态或视线方位;通过信号处理单元处理半透明光电探测单元输出的电信号,并反馈给控制单元;通过控制单元根据信号处理单元的反馈信号实时调整显示单元的输出画面的数据,从而增强和优化图像的视觉体验,以及保护视觉和保障安全驾驶,提升用户体验。

可选的,信号处理单元根据人眼反射光的强度和颜色的时间变化,计算出眨眼的频率和闭眼时间长短,以此判断人眼的疲劳程度,并通过控制单元对可穿戴显示装置的使用者和/或周围环境发出相应的警示信号,和/或修改显示单元的输出画面的数据。

和机器视觉的摄像头不同,人眼需要不断眨眼来润滑角膜表面和疏解眼球肌肉紧张和调整眼球的聚焦状态。当由于长时间的连续用眼,或由于酒精或药物原因,或者精神和肉体的疲惫的原因,眨眼的频率会降低,闭眼的时间也会拉长。通过检测从眼睛反射回来的光线,包括光线强度的变化或光线颜色的变化,半透明光电探测单元可以实时和准确地判断反射光来自眼球表面或者内部,或者来自闭眼瞬间的眼睑表面。因此能够把握观察者的疲劳或精神状态,并能够进一步地对此采取应对措施。这种应对措施,包括通过控制单元让显示单元显示警示画面,或者通过声音,震动等方式警示正在驾驶车辆或飞行器的人员,或者警示电子游戏的操控者,或者周围环境,甚至跳过驾驶者或该可穿戴显示装置的使用者,对车辆或电子游戏实施接管。具体地说,在睁眼期间,从眼球表面的角膜或者从眼底的视网膜反射回来的光线,根据入射光线的光谱,有可能包含了从蓝光到红外的各种光谱。然而在闭眼期间,从眼睑表面反射回来的光线强度明显减弱,而且颜色趋向于皮肤的颜色,比如对于黄种人来说是红色和黄色的混合色调,对于黑色人种来说,反射光线衰减更加严重。这种在光线强度或者颜色上的明显差异,就可以被半透明的光电单侧单元所捕获。

另外,信号处理单元还可以包括视网膜健康管理器,控制单元根据信号处理单元的反馈信号,调整显示单元的输出画面的数据,包括:

控制单元根据反馈信号调整显示单元出射光的亮度和/或颜色。

可选的,视网膜健康管理器根据眼球反射光的光谱分布估算出视网膜对于颜色的感知能力的衰变并反馈到控制单元;控制单元根据信号处理单元的反馈信号,调整显示单元的输出画面的颜色,从而使得人眼感知理想的图像颜色。

可以理解的是,由于显示单元中广泛使用的蓝色光源,蓝光对于视网膜的损害作用,将导致视网膜的老化和病变甚至青光眼和视网膜脱落等严重病症。即通常所说的老年性黄斑区老化(AMD:Age-related Macular Degeneration)。由于对显示屏的过度使用使得不仅老年人,中年人甚至年轻人也被AMD的各种症状所困扰。本实施例种,通过将视网膜健康管理器集成在可穿戴显示装置上,具有小巧轻便而且有效可靠的优点,可以监控光辐射对人眼的累积伤害,改变显示单元的R、G、B各种颜色的输出量,缓解对人眼视神经的持续冲击,以及对人眼的现状实时监控,进行全方位的视网膜健康管理以及对使用者正在操纵的机器或者行驶器进行安全或运行的优化管理。

可选的,可穿戴显示装置还包括结构光投影仪和第二衍射输入耦合片,信号处理单元包括结构光处理器,控制单元根据信号处理单元的反馈信号,调整显示单元的输出画面的数据,包括:

控制单元根据人眼的视线方位调整显示单元输出的待显示画面。

本实施例中,通过感知眼球的空间位置和方向的信息,就可以将人眼凝视的焦点区域,也就是通常所说的感兴趣的区域(ROI:Region of Interest)的最大解析度的图像提供给视网膜的黄斑区,而对黄斑区域周围的视网膜则提供较低解析度的图像,从而得已降低显示系统的功耗,提升计算速度和减少信号带宽。还可以在一个电子游戏,商业广告或影视剧中,获取观众的视觉焦点在哪里,可以给出有价值的信息反馈,从而优化电子游戏,广告或影视剧的影像内容和排布,甚至可以几乎同步地随时修改正在播送的电子游戏,广告或影视,提供观众前所未有的视觉体验和实时互动性的广告或影视作品。

注意,上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解,本发明不限于这里所述的特定实施例,对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此,虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明,但是本发明不仅仅限于以上实施例,在不脱离本发明构思的情况下,还可以包括更多其他等效实施例,而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

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