头戴式显示器的自适应亮度控制的制作方法

头戴式显示器的自适应亮度控制的制作方法
【专利摘要】一种用于头戴式显示器“HMD”的目镜的自适应亮度控制的技术包括从所述HMD的所述目镜的观看区向用户的眼睛显示计算机产生的图像“CGI”。从环绕所述HMD的周围环境捕获图像数据。至少部分地基于所述图像数据而计算所述周围环境的亮度值。至少部分地基于所述亮度值而确定偏置功率设定。将所述偏置功率设定应用于照明源以用于产生所述CGI且以所述偏置功率设定来控制显示给所述用户的所述眼睛的所述CGI的亮度级。
【专利说明】头戴式显示器的自适应亮度控制

【技术领域】
[0001] 本发明一股来说涉及光学领域，且特定来说但非排他性地涉及近眼光学系统。

【背景技术】
[0002] 头戴式显示器（"HMD"）为佩戴于头部上或周围的显示装置。HMD通常并入有某 种近眼光学系统以在人眼的几厘米内发射光图像。单眼显示器称为单眼HMD，而双眼显示 器称为双眼HMD。一些HMD仅显示计算机产生的图像（"CGI"），而其它类型的HMD能够将 CGI叠加于真实世界视图上。此后一类型的HMD可用作用于实现增强现实的硬件平台。借 助增强现实，世界的观看者的图像以重叠的CGI而增强，也称为平视显示器（"HUD"）。
[0003] HMD具有众多实际工作及休闲应用。航空应用准许飞行员在不用使其眼睛脱离飞 行路径的情况下看到重要飞行控制信息。公共安全应用包括地图的战术显示及热成像。其 它应用领域包括视频游戏、交通运输及电信。随着技术演进必然存在新发现的实际工作及 休闲应用；然而，这些应用中的许多应用由于用于实施现有HMD的常规光学系统的成本、大 小、重量、视域及效率而受限制。

【专利附图】

【附图说明】
[0004] 参考以下各图描述本发明的非限制性及非穷尽性实施例，其中除非另有说明，否 则贯穿各个视图相似参考编号指代相似部件。
[0005] 图1是根据本发明的实施例用具有自适应亮度控制的目镜实施的双眼HMD的俯视 图。
[0006] 图2是图解说明根据本发明的实施例供与HMD-起使用的自适应亮度控制系统的 功能框图。
[0007] 图3A是图解说明根据本发明的实施例用于HMD的自适应亮度控制的过程的流程 图。
[0008] 图3B是图解说明根据本发明的实施例用于确定何时调整灯功率对目镜透明度的 过程的流程图。
[0009] 图4是根据本发明的实施例的目镜的横截面图。
[0010] 图5是根据本发明的实施例的目镜的透视图。
[0011] 图6是图解说明根据本发明的实施例用以将近眼图像递送到用户的目镜的操作 过程的流程图。

【具体实施方式】
[0012] 本文中描述一种用于头戴式显示器（"HMD"）的自适应亮度控制的系统、设备及方 法的实施例。在以下说明中，为提供对各实施例的透彻理解而列举大量具体细节。然而，所 属领域的技术人员将认识到，本文中所描述的技术可在不具有所述具体细节中的一或多者 的情况下实践或者可借助其它方法、组件、材料等来实践。在其它实例中，未详细展示或描 述众所周知的结构、材料或操作以避免使某些方面模糊。
[0013] 本说明书通篇所提及的"一个实施例"或"一实施例"意指结合所述实施例描述的 特定特征、结构或特性包括于本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇各处出现 的片语"在一个实施例中"或"在一实施例中"未必全部指同一实施例。此外，特定特征、结 构或特性可以任何适合方式组合于一个或多个实施例中。
[0014] 图1是根据本发明的实施例使用一对近眼光学目镜101的头戴式显示器 ("HMD"）100的俯视图。目镜101安装到框架组合件，所述框架组合件包括鼻梁件105、左 耳臂110及右耳臂115。尽管图1图解说明双眼实施例，但HMD100也可实施为其中仅单个 目镜101定位于单只眼120前方的单眼HMD。
[0015] 两个目镜101固定到可佩戴于用户的头部上的眼镜布置中。左耳臂110及右耳 臂115沿着用户的脚丝区延伸且剩余部分在用户的耳朵上，而鼻组合件105搁放在用户的 鼻子上。框架组合件经定形及大小以将每一目镜101的观看区125定位于用户的对应眼睛 120前方。当然，可使用具有其它形状的其它框架组合件（例如，具有耳臂及鼻梁支撑件的 护目镜、单个连续头戴式部件、头带、眼珠型眼镜等）。
[0016] HMD100的所图解说明实施例能够向用户显示增强现实。每一目镜的观看区125准 许用户经由外部周围场景光130看到真实世界图像。左及右（双眼实施例）CGI光135可 由耦合到目镜101的相应显示源140的一个或两个CGI引擎（未图解说明）产生。CGI光 135由用户见为虚拟图像作为增强现实叠加于真实世界上。在一些实施例中，可阻挡、选择 性地阻挡或部分地阻挡周围场景光130以改善图像对比度且在一些情形中提供虚拟现实 显不。
[0017] HMD100包括可使用包括以下各项的以下组件中的一或多者来实施的自适应亮度 控制特征：显示源140、周围光传感器145、可变透明度层150、控制器155及用户接口（例 如，图形用户接口（未图解说明）及触摸接口 160)。在一个实施例中，自适应亮度控制特 征基于周围环境的亮度而实时调整CGI光135的显示亮度。在一个实施例中，自适应亮度 控制特征包括可变透明度层150,其安置于观看区125上方以控制穿过目镜101透射到眼 睛120的周围场景光130的量。也可基于周围环境的亮度而实时调整可变透明度层150的 透明度以实现用户的舒适亮度级且获得周围场景光130与CGI光135之间的所要对比度等 级。自适应亮度控制特征可能够调整CGI光135的亮度及目镜101的透明度两者以实现较 大动态范围且增加用户舒适性及显示选项。
[0018] 图2是图解说明根据本发明的实施例供与HMD100 -起使用的自适应亮度控制系 统200的功能框图。自适应亮度控制系统200的所图解说明实施例包括周围光传感器145、 控制器155、照明电源205、显示源140、透镜透明度致动器210、可变透明度层155、用户接口 215及亮度查找表220。
[0019] 在操作期间，控制器155监视周围光传感器145的输出以确定周围环境225的亮 度。基于所确定亮度，控制器155可调整从显示源140输出的显示亮度及/或可变透明度 层155的透明度。在所图解说明的实施例中，这些调整是至少部分地基于存储于亮度查找 表220内的默认校准曲线。在一个实施例中，用户接口 215可促进用户依据默认设定应用 可选择偏移。用户接口 215可使用各种接口机制来实施，例如触摸接口 160、由CGI光135 再现以提供视觉用户反馈的图形用户接口（ "GUI")、话音命令接口、听觉反馈接口或其它。
[0020] 控制器155是执行用以实施本文中所揭示的自适应亮度控制功能的逻辑的处理 器。控制器155可实施为执行固件/软件指令的专用集成电路（"ASIC"）、现场可编程门 阵列（"FPGA"）、通用处理器或其它。可执行指令以及亮度查找表220可存储于耦合到控 制器155的存储器单元230中。或者，由控制器155执行的指令可为硬连线逻辑。尽管图 1将控制器155图解说明为安置于HMD100的耳臂部件155内，但控制器155可嵌入于框架 组合件内的任何地方或甚至安装到目镜101中的一者。
[0021] 周围光传感器145包括用于获取周围环境225的图像数据的一或多个光敏元件 (例如，CMOS图像传感器、光二极管、电荷耦合装置等）。周围光传感器145可实施为单个 光敏元件，在此情形中所获取图像数据为所述单个光敏元件的输出。在其它实施例中，周围 光传感器145可包括多个光敏元件，例如用于获取周围环境225的低或高分辨率静止图片/ 视频图片的图像传感器像素阵列。在这些实施例中，图像数据可为静止图片或连续视频串 流。
[0022] 周围光传感器145可安置于HMD100的框架组合件上任何地方或甚至安装到目镜 101的一部分。在一个实施例中，周围光传感器145安置于面向前的配置中以使得其测量照 射在目镜101上的向前周围环境的亮度。举例来说，周围光传感器145可安置于框架组合 件的前左（经图解说明）或右拐角中的一者处，或甚至安置于鼻梁件105内。在一个实施 例中，周围光传感器145可安置于与闪光灯相同的电路板（例如，印刷电路板）上，及/或 单独相机模块经安置以减少安装到框架组合件的独立组件的数目且共享用于将信号从电 路板耦合到控制器155的共用柔性带状信号缆线。
[0023] 控制器155经稱合以控制显不源140。在一个实施例中，控制器155将控制信号 235输出到照明电源205。照明电源205为用于控制施加到显示源140的偏置功率240的 功率控制器。举例来说，照明电源205可为用于给背光或灯（例如，LED源）供电的电压控 制电流源，所述后部背光或灯照明产生CGI光135的显示面板（例如，LC0S显示器、IXD面 板等）。或者，显示源140可为直接发射显示器（例如，0LED、量子点阵列等）且照明电源 205控制直接施加到显示面板的偏置功率240。
[0024] 在所图解说明的实施例中，控制器155经由控制信号245进一步耦合到透镜透明 度致动器210,其又经由控制信号250致动或控制可变透明度层155的透明度。可变透明度 层155可使用涂覆/安装于观看区125中的目镜101的外部（或周围场景侧）上的电致变 色或可切换反射镜层来实施。举例来说，可变透明度层155可为响应于由透镜透明度致动 器210输出的控制信号250 (例如，偏置电压）而改变其不透明度的LCD层。在其中控制信 号250为电压信号的实施例中，透镜透明度致动器210可实施为可控制电压源。在其中控 制信号250为偏置电流信号的实施例中，透镜透明度致动器210可实施为可控制电流源。
[0025] 如上文所论述，用户接口 215可使用提供到控制器155的人机接口的各种接口机 制来实施，例如触摸接口 160、在CGI光135内再现以提供视觉用户反馈的GUI、话音命令接 口、听觉反馈接口或其它。在图1的所图解说明的实施例中，用户接口 215包括沿着用户的 脚丝区处的左耳臂110安置的触摸接口 160且包括在CGI光135内再现的反馈⑶I。用户 可使用触摸接口 160的表面上的手指轻击及挥击运动来与自适应亮度控制功能交互作用。 在此实施例中，触摸接口 160可为电容敏感表面。在CGI光134内再现的反馈⑶I可用于 确认经由触摸接口 160接收的用户输入且以视觉方式向用户指示自适应亮度控制系统的 当前设定，包括应用于默认校准曲线的任何用户偏移。
[0026] 图3A是图解说明根据本发明的实施例用于HMD100的自适应亮度控制的过程300 的流程图。过程框中的一些或全部在过程300中出现的次序不应被视为限制性的。而是， 受益于本发明的熟习此项技术者将理解，可以未图解说明的各种次序或甚至并行地执行过 程框中的一些过程框。
[0027] 在过程框305中，周围光传感器145从周围环境225捕获图像数据。图像数据可 通过单个光敏元件（例如，单个光电二极管或其它亮度传感器）的曝光或多像素阵列图像 传感器（例如，静止或视频图像传感器）的曝光来捕获。周围光传感器145可为用于感测 周围环境225的亮度的唯一目的的独立光敏装置，或也可用于额外目的。举例来说，在一个 实施例中，周围光传感器145还捕获面向前的周围环境225的静止图像或视频图像。
[0028] 在决策框307中，如果启用外部闪光灯（例如，面向前的LED闪光灯）以用于在 低光环境中获取静止或视频图像，那么停用本文中所描述的自适应亮度控制特征（过程框 309)。在停用自适应亮度控制的情况下，可维持先前亮度设定，或替代地，可应用灯功率及 目镜透明度两者的默认闪光灯设定。在外部闪光灯的操作期间停用自适应亮度控制防止来 自外部闪光灯本身的照明干扰自适应亮度设定。在一个实施例中，自适应亮度控制特征可 在外部闪光灯被启用时操作，但使用适当偏移/滤光算法以计及来自外部闪光灯光学输出 的影响。
[0029] 如果停用外部闪光灯，那么过程300继续到过程框310。在过程框310中，将图像 数据传送到控制器155 (或耦合到控制器155的存储器单元230)中以由控制器155进行亮 度分析。控制器155分析图像数据以至少部分地基于图像数据（例如，图像数据的亮度） 而计算亮度值。在其中周围光传感器145为简单亮度传感器的实施例中，可使亮度值与图 像数据的简单强度读数相关。在其中周围光传感器145捕获静止或视频图像的实施例中， 亮度值可对应于当捕获图像数据时周围光传感器145的自动曝光值或曝光时间。在后一实 施例中，控制器155可包括用于计算曝光时间的数字信号处理（"DSP"）块。
[0030] 在包括用于控制CGI光的亮度的可变灯功率（决策框315)的HMD100的实施例 中，过程300继续到过程框320。在过程框320中，控制器155使用所确定亮度值来确定用 于应用于显示源405的偏置功率设定。在所图解说明的实施例中，控制器155使用亮度值 来索引到亮度查找表200中以识别与所确定亮度值相关联的对应偏置功率设定。当然，在 其它实施例中，与索引到查找表中相反，可通过将亮度值插入到预定亮度对功率方程式中 来确定偏置功率设定。
[0031] 在过程框325中，如果用户已经由用户介面215输入用户调整以改变CGI图像的 亮度，那么将用户偏移应用于默认偏置功率设定。最后，在过程框330中，响应于从控制器 155输出的控制信号235而经由对应用于显示源140的偏置功率设定（经由照明电源205) 的适当调整来调整从目镜100输出的CGI光的照明强度。可响应于用户请求而更新、响应 于周围环境225的亮度的阈值改变而自动更新、实时连续更新或以其它方式更新CGI光的 亮度设定。
[0032] 返回到过程框310,在包括目镜100的可变透明度遮蔽以阻挡可变量的周围光通 过观看区125 (决策框335)的HMD100的实施例中，过程300继续到过程框340。应了解， HMD100的一些实施例可包括可变灯功率及可变目镜透明度两者，在此情形中可与过程框 340到350的执行并行或交错地执行过程框320到330。
[0033] 在过程框340中，控制器155使用所确定亮度值来确定可变透明度层150的透明 度设定。在所图解说明的实施例中，控制器155使用亮度值来索引到亮度查找表200(或另 一独立表中）以进一步识别对应控制设定从而应用于与所确定亮度值相关联的可变透明 度层150。当然，在其它实施例中，与索引到查找表中相反，可通过将亮度值插入到预定亮度 对透明度方程式中来确定透明度控制设定。在一个实施例中，查找表存储默认校准设定。
[0034] 在过程框345中，如果用户已经由用户介面215输入对观看区125的透明度的用 户调整，那么将用户偏移应用于默认偏置控制设定。最后，在过程框350中，经由对应用于 可变透明度层150的控制设定的适当调整来调整可变透明度层150的透明度，经由透镜透 明度致动器210,响应于从控制器155输出的控制信号245。在一个实施例中，可变透明度 层150可像在两个透明度状态之间交替的快门那样操作，其中通过调整控制信号250的频 率或工作循环来实现可变性。在另一实施例中，可变透明度层150针对控制信号250的给 定值具有静态或恒定透明度，但可选择控制信号250的许多不多值。可响应于用户请求而 更新、响应于周围环境225的亮度的阈值改变而自动更新、实时连续更新或以其它方式更 新目镜100的透明度。
[0035] 图3A图解说明可如何经由变化灯功率及/或目镜透明度两者来实现亮度控制。然 而，图3A仅指示这两个方案可并行或彼此独立地操作，但不论述这两个亮度机制可如何一 起操作以实现统一的亮度控制。图3B是图解说明根据本发明的实施例用于确定何时调整 灯功率对目镜透明度的过程301的流程图。过程301计及两个情景。第一情景描述当总显 示亮度太低（例如，从室内环境走到亮的室外环境）时的控制程序。第二情景描述当总显 示亮度太高（例如，从室外环境走到较暗室内环境）时的控制程序。
[0036] 在过程框355中，控制系统200经由周围光传感器145连续监视周围环境225的亮 度。如果所发射CGI光135的总亮度太亮（决策框360)，那么过程301继续到决策框365。 总亮度的确定可包括在通过目镜101的周围环境光的强度对从目镜101发射的CGI光135 的强度之间是否存在用于用户舒适性的充足对比度的确定。在决策框365中，控制器155 确定可变透明度层150的当前透明度设定是否处于透视目镜的最小透明度。如果不是，那 么可减小可变透明度层150的透明度。在一个实施例中，可变透明度层150可具有有限数 目个透明度设定（例如，两个或两个以上设定）。在这些实施例中，可以多个反复递增地减 小可变透明度层150的透明度，或以单个反复减小到其最小设定，以减小来自周围环境225 的眩光且增加与CGI光135的对比度。返回到决策框365,如果可变透明度层150的透明度 已经处于最小值（即，阻挡所准许的最大外部周围光），那么增加显示源140的灯功率。可 递增地增加灯功率直到在决策框360中实现并确定周围环境225与CGI光135之间的所要 对比度。当在亮度太低的情景中操作时，不增加灯功率直到可变透明度层150的透明度已 达到阈值最小等级。此技术节约电力消耗，因为与增加灯功率相比，减小可变透明度层150 的透明度所消耗的电力较少。
[0037] 返回到决策框360,如果总显示亮度太高，那么过程301继续到过程框380。在过 程框380中，停用可变透明度层150 (即，设定为最大透明度）或经由过程301的多个反复 在有限步骤中增加其透明度。在过程框385中，减小显示源140的灯功率（例如，以固定有 限步骤减小）。过程301接着重新评价周围环境225的亮度（过程框355)且做出目镜101 的总亮度的新确定（决策框360)。如果CGI光135与周围环境225之间的对比度使得目镜 101的总亮度仍太高或太低，那么过程301如上文所论述重新执行。否则，如果亮度被视为 适当，那么控制系统200继续监视周围环境355的亮度。
[0038] 图4及5图解说明根据本发明的实施例供与HMD -起使用的目镜400。图4图解 说明目镜400的的横截面图，而图5图解说明其透视图。目镜400是图1中所图解说明的 目镜101的一个可能实施方案。目镜400的所图解说明实施例包括图像源405、输入耦合 偏振分束器（"PBS"）410、输出耦合PBS415、末端反射器420、偏振旋转器425及可变透明 度层427。目镜400进一步包括照明区430及观看区435。图像源405的所图解说明实施 例包括照明源440及显示面板445。末端反射器420的所图解说明实施例包括凸形反射层 455。
[0039] 在一个实施例中，目镜400的组件可经由界定空气腔且将内部组件固持到位的线 框架来固持在一起，或可由一或多种固体光学材料（例如，玻璃、石英、丙烯酸、透明塑料、 PMMA、ZE0NEX-E48R等）制作，外部组件安置到其上且内部组件嵌入于其中。在所图解说明 的实施例中，输入耦合PBS410及输出耦合PBS415与正向传播路径403成倾斜角度（例如， 45度）安装于目镜400内。正向传播路径403在目镜400内从照明区430到观看区435延 伸。
[0040] 目镜400由观看区435中的透明材料（例如，玻璃、石英、丙烯酸、透明塑料、PMMA、 ZE0NEX-E48R等）制作以准许周围场景光130通过目镜400的周围场景侧401及朝向眼睛 侧402以到达眼睛120。观看区435的半透明性质准许目镜400通过用CGI光增强周围场 景光130而向用户提供增强现实。可变透明度层427安置于观看区235中的周围场景侧 201上以自动调暗周围场景光130。
[0041] 可使用发光二极管（"LED"）源（或多色彩LED阵列）来实施照明模块440,其经 由输入耦合PBS410照明显示面板445。照明模块440可输出非偏振光（例如，P及S线性 偏振分量两者）或输出偏振光（例如，仅P偏振分量）。照明模块440及显示面板445可在 目镜400的任一侧上以相反配置安装到照明区430中的目镜400的外部侧。
[0042] 输入耦合PBS410定位于照明区430内在照明模块440与显示面板445之间。输入 耦合PBS440可实施为线网格偏振器、多层薄膜偏振器、PBS立方体或其它。输入耦合PBS410 操作以实质上通过第一线性偏振的光，而实质上反射第二偏振的光。两种线性偏振通常为 正交线性偏振。显示面板445(例如，LC0S、IXD面板等）将图像数据赋予到由照明模块440 输出的照明光上以通过图像像素阵列经由选择性反射输出计算机产生的图像（"CGI"）光。 显不面板445的反射使入射灯光的偏振旋转90度。
[0043] 在入射灯光被反射后，CGI光（其已偏振旋转90度）由输入耦合PBS410重新引 导且沿着正向传播路径403沿目镜400向下传播。在一个实施例中，在不需要全内反射 ("TIR"）的情况下CGI光沿着正向传播路径403沿目镜400向下引导。换句话说，由CGI 光形成的光锥的横截面形状及散度被限制，以使得光线到达末端反射器而无离开目镜400 的侧的TIR。在一个实施例中，光锥散度角度（例如，15度）由图案化到照明模块440、显示 面板445或目镜400内别处上的遮黑膜控制。
[0044] 正向传播路径403延伸到末端反射器420。在一个实施例中，目镜400的长度经选 择以使得末端反射器420的焦平面与显示面板445的发射孔径实质上一致。为实现与显示 面板445的发射孔径的焦平面对准，可结合彼此选择目镜400的长度及反射层455的曲率 半径两者。
[0045] 观看区435的所图解说明实施例包括由输出耦合PBS415形成的反射表面。在一 个实施例中，观看区435部分地透明，此准许外部（周围）场景光130通过目镜400的周围 场景侧401及朝向眼睛侧402以到达眼睛120。部分透明实施例促进增强现实（"AR"）， 其中CGI光叠加于到用户眼睛120的外部场景光130上。通过自适应地控制可变透明度层 427的透明度（或不透明度），可调整观看区435对周围场景光130的总透明度。
[0046] 输出耦合PBS415可经配置以通过正交线性偏振（例如，S偏振），而输入耦合 PBS210在反射其它线性偏振（例如，P偏振）时通过。或者，通过将半波偏振旋转器插入于 两个PBS之间的正向传播路径403中，输出耦合PBS415可与输入耦合PBS415相同。在所 图解说明的实施例中，偏振旋转器425为安置于输出耦合PBS415与反射层455之间的四分 之一波板偏振旋转器。在由反射层455反射之后，CGI光在其经由正向传播路径403及反 向传播路径404两次通过四分之一波板期间偏振旋转90度。在一个实施例中，反射层455 既反射CGI光又使其准直以使得沿着反向传播路径404行进的CGI光实质上准直。如前文 所陈述，末端反射器的焦平面可经配置而与显示面板445的发射孔径一致或几乎一致。使 CGI光準直帮助眼睛120在近眼配置（例如，目镜400放置于眼睛120的10cm且通常小于 眼睛120的5cm内）中聚焦于射出朝向眼睛侧402的CGI光。由于输出耦合PBS415的倾 斜定向（例如，相对于侧401及402大约45度），CGI光被朝向眼睛120引导。在其它实施 例中，末端反射器减小CGI光的散度而不完全准直CGI光。在又其它实施例中，末端反射器 可实施为平坦反射表面。
[0047] 图6是图解说明根据本发明的实施例用以将近眼图像递送到用户的目镜400的操 作过程600的流程图。过程框中的一些或全部在过程600中出现的次序不应被视为限制性 的。而是，受益于本发明的熟习此项技术者将理解，可以未图解说明的各种次序或甚至并行 地执行过程框中的一些过程框。
[0048] 在过程框605中，照明模块440发射非偏振或具有经选择以通过输入耦合PBS410 的第一线性偏振（例如，图解说明为P偏振）的灯光。在通过输入耦合PBS410 (过程框610) 后，非偏振光在照明显示面板445之前变为偏振的。显示面板445通过选择性地激活显示 面板内的图像像素而将图像数据调制到入射灯光上。当图像像素被激活时，其反射其灯光 部分（过程框615)。这样做时，经反射CGI光使其偏振旋转90度到由输入耦合PBS410反 射的偏振（例如，图解说明为S偏振）。从显示面板445发射的CGI光反射回到输入耦合 PBS445,输入耦合PBS445沿着正向传播路径403重新引导CGI光（过程框620)。应了解， P及S偏振的标记，由此P被透射且S被反射仅为说明性的。可实施其它偏振定向及透射/ 反射组合。
[0049] 经重新引导的CGI光沿目镜400向下传播。在一个实施例中，CGI光在无 TIR的 情况下且在无外部表面反射的情况下沿目镜400向下传递。在过程框625中，CGI光沿着 正向传播路径403通过观看区435。输出耦合PBS415可经配置以实质上通过与由输入耦合 PBS410反射的相同的偏振分量，或替代地半波偏振旋转器可安置于正向传播403中在输入 耦合PBS410与输出耦合PBS415之间，如此，CGI光在实质上不受影响的情况下通过输出耦 合 PBS415。
[0050] 在过程框630中，CGI光接着沿着正向传播路径403通过偏振旋转器425。在这样 做时，CGI光的偏振由四分之一波板旋转器旋转45度。
[0051] 在过程框635中，CGI光由反射层455沿着反向传播路径404往回反射。在一个 实施例中，反射层455为凹面的且具有实质上准直沿着反向传播路径404反射的CGI光的 形状。准直CGI光具有几乎使CGI图像无穷地或接近无穷地位移的效果，从而帮助人眼120 聚焦CGI图像。当然，末端反射器可减小散度而不完全准直光，从而使虚拟图像位移到小于 无穷的位置处（例如，1到3米）。
[0052] 在过程框640中，沿着反向传播路径404行进的经反射CGI光再次通过偏振旋转 器425,致使CGI光的偏振旋转另一 45度，从而致使CGI光线性偏振于正交于正向路径的 偏振方向处。因此，在第二次通过偏振旋转器425之后，CGI光具有由输出耦合PBS415实 质上反射的偏振（例如，图解说明为P偏振）。在过程框645中，CGI光由输出耦合PBS415 反射且经由朝向眼睛侧402从目镜400朝向眼睛120重新引导。
[0053] 就计算机软件及硬件来描述上文所解释的过程中的一些过程。所描述的技术可构 成体现于有形或非暂时性机器（例如，计算机）可读存储媒体内的机器可执行指令，所述机 器可执行指令当由机器执行时将致使所述机器执行所描述的操作。另外，所述过程可体现 于硬件内，例如专用集成电路（"ASIC"）或其它。
[0054] 有形机器可读存储媒体包括提供（即，存储）呈可由机器（例如，计算机、网络装 置、个人数字助理、制造工具、具有一组一或多个处理器的任何装置等）存取的形式的信息 的任何机制。举例来说，机器可读存储媒体包括可记录/不可记录媒体（例如，只读存储器 (ROM)、随机存取存储器（RAM)、磁盘存储媒体、光学存储媒体、快闪存储器装置等）。
[0055] 包括发明摘要中所描述内容的对本发明的所图解说明实施例的以上描述并非打 算为穷尽性或将本发明限于所揭示的精确形式。虽然出于说明性目的而在本文中描述本发 明的特定实施例及实例，但所属领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内作出各种 修改。
[0056] 可根据以上详细描述对本发明做出这些修改。以上权利要求中所使用的术语不应 理解为将本发明限于说明书中所揭示的特定实施例。而是，本发明的范围将完全由以上权 利要求书来确定，所述权利要求书将根据权利要求解释所创建的原则来加以理解。
【权利要求】
1. 一种用于头戴式显示器"HMD"的目镜的自适应亮度控制的方法，所述方法包含： 从所述HMD的所述目镜的观看区显示计算机产生的图像"CGI" ； 从环绕所述HMD的周围环境捕获图像数据； 至少部分地基于所述图像数据而计算所述周围环境的亮度值； 至少部分地基于所述亮度值而确定用以应用于照明源以用于产生所述CGI的偏置功 率设定；及 以所述偏置功率设定来控制所述CGI的亮度级。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中控制所述CGI的所述亮度级包含响应于与所述周 围环境相关联的所述亮度值的改变而实时调整所述亮度级。
3. 根据权利要求1所述的方法，其进一步包含： 经由所述目镜的在所述观看区中的周围场景侧及朝向眼睛侧将周围场景光传递到用 户的眼睛； 确定用于选择安置于所述观看区上方的可变透明度层的透明度的控制信号，其中至少 部分地基于所述亮度值而确定所述控制信号；及 至少部分地基于所述控制信号而调整所述可变透明度层的所述透明度。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中所述可变透明度层包含电致变色层快门，其中调 整所述可变透明度层的所述透明度包含调整所述控制信号的频率或工作循环中的至少一 者以用于在两个透明度设定之间致动所述电致变色层。
5. 根据权利要求3所述的方法，其中所述可变透明度层具有两个以上透明度设定且所 述透明度对于所述控制信号的给定值是恒定的。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中从环绕所述HMD的所述周围环境捕获所述图像数 据包含： 用面向前安装于所述HMD上的周围光传感器来捕获所述图像数据。
7. 根据权利要求1所述的方法， 其中从环绕所述HMD的所述周围环境捕获所述图像数据包含捕获面向前的场景的视 频图像，且 其中计算所述周围环境的所述亮度值包含至少部分地基于所述视频图像而计算所述 亮度值。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中所述亮度值包含用于操作捕获所述视频图像的视 频相机的自动曝光值。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中确定用以应用于所述照明源的所述偏置功率设定 包含： 使用所述亮度值索引到查找表中以获得所述偏置功率设定，其中所述查找表包含默认 亮度值对默认偏置功率设定的校准曲线。
10. 根据权利要求9所述的方法，其进一步包含： 依据针对给定默认亮度值的所述默认偏置功率设定提供用户可选择偏移特征以应用 用户可选择偏移。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中提供所述用户可选择偏移特征包含： 提供图形用户接口以用于在经由所述HMD显示给所述用户的所述CGI内显示用户可选 择偏移值；及 沿着所述HMD的耳臂部件提供触摸接口以接收触摸命令。
12. -种用于显示计算机产生的图像"CGI "的头戴式显示器"HMD"，所述HMD包含： 显示源，其用于产生所述CGI ; 目镜，其具有观看区，所述目镜经耦合以从所述显示源输送所述CGI且将所述CGI射出 所述目镜的在所述观看区中的朝向眼睛侧，其中所述观看区部分地透明以经由所述目镜的 在所述观看区中的周围场景侧及所述朝向眼睛侧传递周围场景光； 周围光传感器，其用以从环绕所述HMD的周围环境捕获图像数据；及 控制器，其耦合到所述显示源、所述周围光传感器及机器可存取存储媒体，所述机器可 存取存储媒体提供当由所述控制器执行时致使所述控制器执行包含以下各项的操作的指 令： 至少部分地基于所述图像数据而计算所述周围环境的亮度值； 至少部分地基于所述亮度值而确定用以应用于所述显示源的偏置功率设定；及 以所述偏置功率设定来控制所述CGI的亮度级。
13. 根据权利要求12所述的头戴式显示器，其进一步包含： 框架组合件，其用以支撑所述显示源、所述目镜、所述周围光传感器及所述控制器，所 述框架组合件用于佩戴于用户的头部上，其中所述观看区定位于所述用户的眼睛前方。
14. 根据权利要求13所述的头戴式显示器，其中所述周围光传感器以面向前的定向安 装到所述框架组合件。
15. 根据权利要求14所述的头戴式显示器， 其中所述周围光传感器包含视频相机且所述图像数据包含面向前的场景的视频图像， 其中计算所述周围环境的所述亮度值包含至少部分地基于所述视频图像而计算所述 亮度值。
16. 根据权利要求15所述的头戴式显示器，其中所述亮度值包含用于操作所述视频相 机的自动曝光值。
17. 根据权利要求14所述的头戴式显示器，其进一步包含： 面向前的相机，其用以捕获面向前的场景图像；及 闪光灯； 其中所述面向前的相机、所述闪光灯及所述周围光传感器全部安置于安装于所述框架 组合件中或上的单个电路板上。
18. 根据权利要求13所述的头戴式显示器，其中确定用以应用于所述显示源的所述偏 置功率设定包含： 使用所述亮度值索引到查找表中以获得所述偏置功率设定，其中所述查找表包含默认 亮度值对默认偏置功率设定的校准曲线。
19. 根据权利要求18所述的头戴式显示器，其进一步包含： 触摸接口，其沿着所述框架组合件的脚丝区安置， 其中所述机器可存取存储媒体进一步提供当由所述控制器执行时致使所述控制器执 行包含以下各项的进一步操作的指令： 依据针对给定默认亮度值的所述默认偏置功率设定提供用户可选择偏移特征以应用 用户可选择偏移。
20. 根据权利要求12所述的头戴式显示器，其进一步包含安置于所述目镜的所述观看 区上方的可变透明度层，其中所述机器可存取存储媒体进一步提供当由所述控制器执行时 致使所述控制器执行包含以下各项的进一步操作的指令： 确定用于选择所述可变透明度层的透明度的控制信号，其中所述控制信号是至少部分 地基于所述亮度值而确定；及 至少部分地基于所述控制信号而调整所述可变透明度层的所述透明度。
21. 根据权利要求20所述的头戴式显示器，其中所述可变透明度层包含电致变色层快 门，其中调整所述可变透明度层的所述透明度包含调整所述控制信号的频率或工作循环中 的至少一者以用于在两个透明度设定之间致动所述电致变色层。
22. 根据权利要求20所述的头戴式显示器，其中所述可变透明度层具有两个以上透明 度设定且所述透明度对于所述控制信号的给定值是恒定的。
23. -种机器可存取存储媒体，其提供当由头戴式显示器执行时致使所述头戴式显示 器执行包含以下各项的操作的指令： 从所述HMD的目镜的观看区显示计算机产生的图像"CGI" ； 从环绕所述HMD的周围环境捕获图像数据； 至少部分地基于所述图像数据而计算所述周围环境的亮度值； 至少部分地基于所述亮度值而确定用以应用于照明源以用于产生所述CGI的偏置功 率设定；及 以所述偏置功率设定来控制所述CGI的亮度级。
24. 根据权利要求23所述的机器可存取存储媒体，其进一步提供当由所述头戴式显示 器执行时致使所述头戴式显示器执行包含以下各项的进一步操作的指令： 确定用于选择安置于所述目镜的所述观看区上方的可变透明度层的透明度的控制信 号，其中所述控制信号是至少部分地基于所述亮度值而确定；及 至少部分地基于所述控制信号而调整所述可变透明度层的所述透明度。
25. 根据权利要求24所述的机器可存取存储媒体，其中所述可变透明度层包含电致变 色层快门，其中调整所述可变透明度层的所述透明度包含调整所述控制信号的频率或工作 循环中的至少一者以用于在两个透明度设定之间致动所述电致变色层。
26. 根据权利要求24所述的机器可存取存储媒体，其中所述可变透明度层具有两个以 上透明度设定且所述透明度对于所述控制信号的给定值是恒定的。
27. 根据权利要求24所述的机器可存取存储媒体，其进一步提供当由所述头戴式显示 器执行时致使所述头戴式显示器执行包含以下各项的进一步操作的指令： 提供用户可选择偏移特征以将用户可选择偏移应用于所述控制信号以用于调整所述 可变透明度层的所述透明度。
28. 根据权利要求23所述的机器可存取存储媒体， 其中从环绕所述HMD的所述周围环境捕获所述图像数据包含捕获面向前的场景的视 频图像，且 其中计算所述周围环境的所述亮度值包含至少部分地基于所述视频图像而计算所述 亮度值。
29. 根据权利要求23所述的机器可存取存储媒体，其中确定用以应用于所述照明源的 所述偏置功率设定包含： 使用所述亮度值索引到查找表中以获得所述偏置功率设定，其中所述查找表包含默认 亮度值对默认偏置功率设定的校准曲线。
30. 根据权利要求29所述的机器可存取存储媒体，其进一步提供当由所述头戴式显示 器执行时致使所述头戴式显示器执行包含以下各项的进一步操作的指令： 依据针对给定默认亮度值的所述默认偏置功率设定提供用户可选择偏移特征以应用 用户可选择偏移。
【文档编号】G02B27/01GK104067334SQ201280053495
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2012年9月25日 优先权日:2011年11月4日
【发明者】缪潇宇 申请人:谷歌公司