CN114296243B - 一种全息波导显示设备亮度自适应调节系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全息波导显示设备亮度自适应调节系统及方法，目的是让全息波导显示设备可根据环境的光照来自动的调节微像源的亮度。包括五个功能模块：计算机控制模块、驱动调节模块、微像源显示模块、光波导传输模块以及环境光采集模块。视频信号由所述计算机控制模块提供，再通过所述驱动调节模块来控制传输，而后点亮所述微像源显示模块，所述微像源显示模块的光信息再经由所述光波导传输模块最后传输到人眼，完成显示。所述环境光采集模块负责采集环境的照度信息传输给所述驱动调节模块来改变所述微像源显示模块的亮度。同时，为了所述驱动调节模块能够准确地根据照度信息来改变亮度，需要做一个“显示亮度‑环境照度”对应关系标定的实验。

Description

一种全息波导显示设备亮度自适应调节系统及方法

技术领域

本发明涉及全息波导领域，特别是涉及一种全息波导显示设备亮度自适应调节系统及方法。

背景技术

全息波导显示技术(下文称该技术)作为实现增强现实(Augmented Reality,AR)的一种方式，在娱乐、影音以及军事等方面都有着巨大的应用前景。微显示像源是该技术中一个关键的组成部分，微像源的显示效果直接决定了最终成像效果的优劣。随着该技术的日趋深入，对微像源的要求也越来越高。

考虑到该技术通常应用于头戴式显示设备，其所处的环境光照会随着人体头部的活动而改变。为了较好的显示效果，则需要实时的根据环境光照的改变来调整微显示像源的亮若是每次都手动调整，则一方面会增加操作的复杂性，另一方面还可能会因为调整不当而降低了观看体验。因此，本发明基于光照度传感器，提出一种可以自适应调整微像源亮度的方法，无需手动调整，提高了整个设备的实用性。

发明内容

附图2以及图3所示，本发明一共包括五个模块，分别是计算机控制模块(1)、驱动调节模块(2)、微像源显示模块(3)、光波导传输模块(4)以及环境光采集模块(5)，图示(6)是可拆卸支架。所述计算机控制模块(1)是由电脑或者手机构成，其主要作用是提供控制信号以及视频信号给微像源。所述驱动调节模块(2)主要由解码芯片以及MCU(Microprogrammed Control Unit)构成，主要是用来点亮微像源以及改变微像源的显示参数，达到更好的显示效果。所述微像源显示模块(3)就是一个微型的显示器(7)以及驱动电路，用来产生光信息给所述光波导传输模块(4)。所述光波导传输模块(4)主要由全息波导片(12)以及准直透镜(8)构成。而所述波导片(12)由入耦合光栅(9)、玻璃基板(10)以及出耦合光栅(11)组成。该模块(4)主要作用是用来传输微型显示器(7)的光来实现AR显示。所述环境光采集模块(5)主要是由一个光照度传感器构成，其主要作用是采集环境光的照度信息并实时地反馈给所述MCU，让其根据照度信息来调整所述微像源显示模块(3)的亮度。

为了能够准确的根据所述环境光采集模块(5)所采集的照度信息来调整所述微像源显示模块(3)的亮度，不仅需要提前确定显示亮度以及环境照度之间的关系，还需要提前做一个标定“显示亮度-环境照度”的对应关系的预实验，并将此对应关系存于所述MCU之中，如此便可实时、准确地调整所述微像源显示模块(3)的亮度值了。

有益效果：现存的全息波导显示设备的亮度调节往往都是手动的方式，增加了操作的复杂性，降低了观看体验，而本发明可以让设备根据环境光自动改变显示亮度，无需手动调节。同时允许用户根据自己的使用习惯来对自适应调节之后的亮度再次调节，增加了灵活性的同时又扩大了适用人群。

附图说明

图1:全息波导显示设备亮度自适应调节方法整体结构图；

图2:全息波导显示设备示意图；

图3：全息波导显示设备局部特征图；

图4：全息波导成像结构图；

图5：显示亮度-环境照度对应关系示意图。

具体实现方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参见附图，本实施例1提供一种全息波导显示设备亮度自适应调节方法，包括如下步骤：

步骤S1、确定全息波导显示设备的整体规格以及特征参数。主要包括整个设备的尺寸、最终成像的亮度、出瞳大小以及视场(Field of View,FOV)等信息，并根据这些信息确定各个模块的选型。

步骤S2、相关器件的选型，根据确定好的整体规格以及特征参数选择相关器件。主要有4个模块需要考虑选型。首先是所述驱动调节模块2，需要考虑其中的所述MCU和所述解码芯片，所述MCU主要考虑功能和尺寸是否满足要求，所述解码芯片还需着重关注下解码速率。第二是所述微像源显示模块3，其中的所述微型显示器7需要具备高分辨率，高对比度，高亮度以及小尺寸等特点。第三是所述光波导传输模块4，需要根据最终成像的FOV，出瞳大小等确定所述入耦合光栅9以及所述出耦合光栅11的结构特点，然后综合考虑所述微型显示器7以及所述全息波导片12来最终确定所述准直透镜8的规格参数。最后根据光照度传感器的采样率以及采样精度确定所述环境光采集模块5的选型情况。

步骤S3、初步点亮微像源。选好相关器件后，首先从硬件电路上将所述计算机控制模块1、所述驱动调节模块2以及所述微像源显示模块3连接起来，随后将软件驱动代码烧录到MCU里面，即可完成初步点亮所述微像源显示模块3的工作。

步骤S4、全息波导显示设备的搭建。将步骤S3中已经点亮的所述微型显示器7和所述光波导传输模块4结合起来，使所述微像源显示模块3的光经过所述光波导传输模块4之后到达人眼，实现AR显示。在这一步骤中的关键是调节所述微像源显示模块3与所述光波导传输模块4之中的准直透镜以及波导片的相对位置，使其可以拥有良好的成像效果。

步骤S5、所述环境光采集模块5的嵌入。完成上述步骤S1-S4之后就已经成功搭建了一个全息波导显示设备，不过还需将所述环境光采集模块5嵌入其中才可根据环境中的光照信息实现亮度的自适应调节。所述环境光采集模块5需要和所述驱动调节模块2中的所述MCU实现通信来传输光照度的信息，同时所述MCU还可以将照度信息传输到所述计算机控制模块1来实现照度信息的显示。最后将所得照度信息与标准照度计的结果进行对比，以此来对所述环境光采集模块5进行照度数据的矫正。此处需要注意所述环境光采集模块5需要安装在整个设备的前端，充分配合人眼观察。

步骤S6、获取显示亮度以及环境照度之间的“显示亮度-环境照度”对应关系。韦伯-费希纳定律提出实际的物理量和人的心理量并不是成线性关系。感觉量的增加落后于物理量的增加，物理量成几何级数增长，而心理量成算术级数增长。人眼的感觉亮度S与实际亮度B之间也符合韦伯-费希纳定律。

S＝KlnB+S₀ (1)

K为一常数，S₀表示实际亮度为0时人眼能够感知的亮度。可以用类似的传递函数表示显示亮度L以及环境照度E之间的关系：

L＝K′lnE+L₀ (2)

K’为一常数，L₀表示环境光照度为0时的显示亮度；具体的K’和L₀待实验获取，这里为了展示对应关系，将K’以及L₀取作合适的值，画出两者的对应曲线如图5所示。

为了能够获取对应关系，需要进行一个视觉感知的主观实验，实验过程如下：选取15名健康的被试者，校正视力1.0以上，色觉正常，同时要求被试者不参与准备实验。同时还要准备一间0-1000Lux之间的环境照度可控实验室。设置一定的照度变化梯度并让被试者在每一个照度条件下调节整个设备的显示亮度，然后挑选出最低亮度、合适亮度以及最高亮度并记录数据。

观察图5的环境照度与屏幕亮度的对应曲线可知在曲线的前半段斜率比较大，因此需要将照度梯度分段设计的小一点，而后半段则斜率比较小，因此将照度的梯度分段设计的大一点。本发明中将前半段的梯度分段设置为50Lux，即25Lux，75Lux，125Lux……475Lux这10个，将后半段的梯度分段设置为100Lux，即550Lux，650Lux……950Lux这5个。统计在这15种照度环境下，第50百分位(P₅₀)的最低亮度、适宜亮度以及最高亮度。选用第50百分位的原因是其和平均值相比，不受极大值、极小值的影响。采用环境照度为自变量，分别以最低亮度、适宜亮度以及最高亮度作为因变量拟合出三条“显示亮度-环境照度”的曲线方程，分别时最低亮度曲线方程F1，适宜亮度曲线方程F2以及最高亮度曲线方程F3。

步骤S7、将显示亮度与环境照度的对应关系存入MCU并采用系数微调。考虑到所述环境光采集模块5的精确程度，不可能为每一个环境照度设置一个相关的显示亮度。同样采用梯度分段的方法来进行判断，当环境照度低于500Lux时采用20Lux作为一个分段，即用环境照度为10Lux时对应的显示亮度来代替整个0-20Lux对应的显示亮度，其余区间同理。当环境照度大于500Lux时，采用50Lux为一个梯度分段，指的是用环境照度为525Lux时对应的显示亮度来代替整个500-550Lux对应的显示亮度，其余区间同理。而由步骤S6一共得到了三个公式，考虑到所拟合的曲线不一定对所有环境照度的梯度分段都合理，需要把三个公式都存入MCU之中，并引入系数可调的加权平均。初始化时，最低亮度曲线方程F1的权重系数a以及最高亮度曲线方程F3的权重系数c都设置为0，而适宜亮度曲线方程F2的权重系数b则设置为1，并由此得到最终的亮度值F。

F＝aF1+bF2+bF3 (3)

同时，对在所述驱动调节模块2中加入两个按键，分别为“亮度+”以及“亮度-”，若使用人员觉得当前环境照度梯度分段下的整体的亮度偏低，按下“亮度+”的按键，该按键的作用是将a和b的值减小一个步长并将c的值增加两个步长；若使用人员觉得当前环境照度梯度分段下的整体的亮度偏高，按下“亮度-”的按键，该按键的作用是将b和c的值减小一个步长并将a的值增加两个步长，步长需要选取合适的值，根据实验结果选取，其中a、b、c的值增加到1或者减小到0则不再发生变化。设计系数微调目的是为了可以让该自适应调节方法可以适用于更多的人群。

综上，本实施例首先明确全息波导显示设备的整体规格参数，然后选择相关器件，并搭建整个设备。之后又进行了显示亮度与环境照度之间的标定实验，并将实验得到的公式存入MCU之中，为了针对不同的人群，后面又添加了权重的调节模块，最终实现了显示的自适应亮度调节。

Claims (2)

1.一种全息波导显示设备亮度自适应调节方法，该方法采用的调节系统包括计算机控制模块、驱动调节模块、微像源显示模块、光波导传输模块以及环境光采集模块；所述计算机控制模块用来提供控制信号以及视频信号给微像源；所述驱动调节模块用来点亮微像源以及改变微像源的显示参数；所述微像源显示模块用来产生光信息给所述光波导传输模块；所述光波导传输模块用来传输微像源的光来实现AR显示；所述环境光采集模块用来采集环境光的照度信息并实时地反馈给所述驱动调节模块，让其根据照度信息来调整所述微像源显示模块的亮度；所述驱动调节模块包括解码芯片以及微控制单元；所述微像源显示模块包括微型的显示器以及驱动电路；所述光波导传输模块包括全息波导片以及准直透镜；所述波导片包括入耦合光栅、玻璃基板以及出耦合光栅；所述环境光采集模块为光照度传感器；其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤S1、确定全息波导显示设备的整体规格以及特征参数；

步骤S2、根据确定好的整体规格以及特征参数确定所述调节系统的各个模块的选型；

步骤S3、选型后，首先从硬件电路上将所述计算机控制模块、驱动调节模块以及微像源显示模块连接起来，随后将软件驱动代码烧录到微控制单元里面，即可完成初步点亮所述微像源显示模块的工作；

步骤S4、将步骤S3中已经点亮的所述微像源显示模块和所述光波导传输模块结合起来，使所述微像源显示模块的光经过所述光波导传输模块之后到达人眼，实现AR显示；

步骤S5、将环境光采集模块嵌入步骤S1-S4搭建成的全息波导显示设备；所述环境光采集模块和所述驱动调节模块中的所述微控制单元实现通信来传输光照度的信息，所述微控制单元将照度信息传输到所述计算机控制模块来实现照度信息的显示；最后将所得照度信息与标准照度计的结果进行对比，以此来对所述环境光采集模块进行照度数据的矫正；

步骤S6、进行视觉感知的主观实验，获取显示亮度以及环境照度之间的“显示亮度-环境照度”对应关系；

步骤S7、将显示亮度与环境照度的对应关系存入微控制单元并采用系数微调；

步骤S6的具体步骤包括：

步骤S6.1：建立显示亮度L以及环境照度E之间的关系：

L＝K′lnE+L₀ (2)

式中，K’为一常数，L₀表示环境光照度为0时的显示亮度；

步骤S6.2：进行视觉感知的主观实验，设置一定的照度变化梯度并让被试者在每一个照度条件下调节整个设备的显示亮度，然后挑选出最低亮度、合适亮度以及最高亮度并记录数据；

步骤S6.3：分段设计环境照度的梯度，统计在各种环境照度下第50百分位的最低亮度、适宜亮度以及最高亮度；采用环境照度为自变量，分别以最低亮度、适宜亮度以及最高亮度作为因变量拟合出三条“显示亮度-环境照度”的曲线方程，分别是最低亮度曲线方程F1，适宜亮度曲线方程F2以及最高亮度曲线方程F3；

步骤S7中将显示亮度与环境照度的对应关系存入微控制单元的具体步骤包括：把F1、F2、F3都存入微控制单元之中，并引入系数可调的加权平均；初始化时，最低亮度曲线方程F1的权重系数a以及最高亮度曲线方程F3的权重系数c都设置为0，而适宜亮度曲线方程F2的权重系数b则设置为1，并由此得到最终的亮度值F：

F＝aF1+bF2+cF3。

2.根据权利要求1所述的一种全息波导显示设备亮度自适应调节方法，其特征在于，步骤S7中采用系数微调具体包括：在所述驱动调节模块中加入两个按键，分别为“亮度+”以及“亮度-”，若使用人员觉得当前环境照度梯度分段下的整体的亮度偏低，按下“亮度+”的按键，该按键的作用是将a和b的值减小一个步长并将c的值增加两个步长；若使用人员觉得当前环境照度梯度分段下的整体的亮度偏高，按下“亮度-”的按键，该按键的作用是将b和c的值减小一个步长并将a的值增加两个步长，其中a、b、c的值增加到1或者减小到0则不再发生变化。