CN105103039B - 向用户的头部提供压缩的头戴式显示器的镜腿臂 - Google Patents

Abstract

一种HMD包括具有环绕头部(109)来提供长轴压缩的弹簧钢(106)的一对镜腿臂(102a，102b)。弹簧钢臂产生沿头部的长轴(107)的压缩力，这抵消位于前额处的重量的重力。该重量由该长轴压缩来支持，而不是依靠在鼻子、耳朵或头顶上。从前到后的长轴压缩力使得头部除了最小的用具量之外几乎摆脱了全部重量，并允许该重量以舒适且非侵入式的方式被佩戴。弹簧钢镜腿臂被向内过度弯曲而远远超过最小大小的头部，并与限制镜腿臂可向内弯曲到什么程度的脊材料(104a，104b，…)一起被使用。还附着界面层(103)来向头部提供舒适。

Description

向用户的头部提供压缩的头戴式显示器的镜腿臂

轴压缩

背景

诸如头戴式显示器(HMD)之类的近眼显示设备可由用户穿戴来获得增强现实(AR)体验或虚拟现实(VR)体验。典型的HMD在一只眼睛之前(单眼HMD)或每只眼睛之前(双眼HMD)具有小的光学部件或显示器。在VR体验中，显示器可向佩戴HMD的用户提供计算机生成的图像(CGI)。在AR体验中，显示器可使用光学透视透镜来允许将CGI重叠在现实世界视图上。HMD中的显示器可包括头盔、遮光罩、眼镜、护目镜，或者由一个或多个带来系附。HMD被至少用于航空、工程、科学、医疗、游戏、视频、体育、训练和仿真。

概述

一种HMD包括具有环绕头部来主要提供长轴压缩的弹簧钢(或其他压缩材料)的一对镜腿臂，该长轴压缩舒适地承受住至少一显示光学系统或其他设备的重量。弹簧钢臂主要产生沿头部的长轴(从前到后)的压缩力，这抵消位于前额处的重量产生的重力(向下)。在该对镜腿臂环绕头部时，该对镜腿臂还施加了不朝向头部的长轴的夹紧或压缩力。该重量主要由该长轴压缩来支持，而不是主要依靠在鼻子、耳朵或头顶上。从前到后的长轴压缩力使得头部除了最小的用具量之外几乎摆脱了全部重量，并允许该重量以舒适且非侵入式的方式被佩戴。通过将载荷分布在更大的区域上，总载荷可以更高以获得更牢固的适配，但是局部压力可被减少来获得舒适。

弹簧钢镜腿臂或其他压缩材料被向内过度弯曲而远远超过最小大小的头部，并与限制压缩材料可向内弯曲到什么程度的脊材料一起被使用。在一实施例中，脊材料承受拉力并将压缩材料预加载到位，使得在一实施例中镜腿臂的开口正好稍微小于最小头部。用户可容易地戴上镜腿臂，因为小的偏折使脊材料松弛并重新获得弹簧材料的完全强度。在一实施例中，与将以较小的力开始偏折的弹簧材料相对，在偏折发生之前用户施加诸如3N的力。结果，镜腿臂为小的头部大小和大的头部大小提供了更一致的力。在制造该对镜腿臂时，可以各种各样的定向来定位诸如硬物和软物之类的不同类型的压缩和脊材料。界面材料也可被附着来向用户的头部提供舒适。

弹簧钢臂从用户的镜腿延伸到头部的后部(朝向枕外隆凸点)。弹簧钢臂被预加载并弯曲到位来适配在头部周围。弹簧钢的预加载在沿臂的三个区域中可变：沿长度方向，从前部直线部分、中间可弯曲部分以及后部最易弯曲部分具有不断增加的预加载弯曲。这三个分段可以是连续的或铰接式的。在替代实施例中，可使用比三更多或更少的区域或分段。在一实施例中，弹簧钢随着弹簧钢向枕外隆凸点延伸而逐渐变细或变窄。在一实施例中，各分段形成了渐进式悬臂。每个分段转移其负载以及任何附连的分段。例如，在三分段实施例中，前部分段的弹簧载荷足够强来承受施加于所有三个分段的负载。中间分段的弹簧载荷足够强来承受施加于中间和后部分段的负载。后部分段的弹簧载荷对于施加于后部分段的负载来说足够强。

该对镜腿臂围绕用户的头部分布载荷，同时保持典型的运动护目镜镜腿臂的感观。该对镜腿臂包裹了围绕用户的头部的大部分路径，但无需像典型的手术环带或完整头带那样的围绕头部的完整回环连接。广泛范围的头部大小可被适应(一个大小适合于大多数)而无须诸如滑动机制和/或多个设定点之类的用户调节。跨该大范围的头部大小保持了小范围的夹紧力，例如2-5N。护目镜镜腿形状因子可允许镜腿臂绕铰接点铰接来折叠HMD供存放，像典型的护目镜那样。

本技术涉及一种将近眼显示器(或其他设备)定位在用户的头部上的装置。该装置包括耦合于该近眼显示器的镜腿臂。每个镜腿臂包括主要向头部的长轴方向施加压缩力的压缩材料以及限制该压缩材料的位移的脊材料。界面材料被设置在每个镜腿臂的内侧。

本技术还涉及包括提供表示视觉信息的电信号的计算设备以及响应于该电信号提供视觉图像的头戴式显示器的装置。该头戴式显示器包括耦合于近眼显示器的镜腿臂。每个镜腿臂包括主要施加向内的压缩力的弹簧钢以及耦合于该弹簧钢来限制弹簧钢的位移的脊材料。界面材料被设置于弹簧钢和脊材料两者的至少一部分的内部。

本技术还涉及一种制造要被耦合于可被戴在头部上的显示器的一对镜腿臂的方法。该方法包括在该对镜腿臂的每个镜腿臂中形成压缩材料，该压缩材料提供主要朝向头部的长轴的压缩力。在该对镜腿臂的每个镜腿臂中形成脊材料，脊材料限制了压缩层朝向长轴的位移。在该对镜腿臂的每个镜腿臂中形成界面材料，界面材料提供了每个镜腿臂与头部之间的界面。

提供本概述以便以简化形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念的选集。本概述并不旨在标识出所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

附图简述

图1是用于HMD中的具有外部硬物脊的镜腿臂的侧视图。

图2是用于HMD中的具有外部硬物脊的一对镜腿臂的俯视图。

图3是具有可伸缩的织物的外部软物脊的镜腿臂在带上前位置和带上后位置的俯视截面图。

图4是具有穿孔的织物或泡沫的外部软物脊的镜腿臂在带上前位置和带上后位置的俯视截面图。

图5是图4中的镜腿臂在带上前位置的侧视图。

图6是图4中的镜腿臂在带上后位置的侧视图。

图7是具有可伸展材料的内部硬物脊的镜腿臂在带上前位置和带上后位置的俯视截面图。

图8是具有泡沫或硅胶的内部硬物脊的镜腿臂在带上前位置和带上后位置的俯视截面图。

图9A-B是具有钢丝型件弹簧的镜腿臂以及用于形成具有钢丝型件弹簧的镜腿臂的材料的俯视内视图，以及具有钢丝型件弹簧的镜腿臂的截面图。

图10是具有钢丝型件弹簧的镜腿臂以及用于形成具有钢丝型件弹簧的镜腿臂的材料的俯视外视图。

图11是例示出制造具有外部硬物脊的一对镜腿臂的方法的流程图。

图12是例示出制造具有外部软物脊的一对镜腿臂的方法的流程图。

图13是例示出制造具有内部硬物脊的一对镜腿臂的方法的流程图。

图14是例示出制造具有钢丝型件弹簧的一对镜腿臂的方法的流程图。

图15A是描绘具有近眼AR显示器以及伴随的处理模块的个人视听(A/V)装置的一实施例的示例组件的框图。

图15B是描绘具有近眼AR显示器的A/V装置的另一实施例的示例组件的框图。

图16A是具有镜腿臂以及近眼光学透视AR显示器和其他电子组件的HMD的侧视图。

图16B是具有镜腿臂以及近眼光学透视AR显示器和其他电子组件的HMD的部分俯视图。

图17是从软件角度而言的用于用由A/V装置的近眼光学透视AR显示器提供的三维(3D)虚拟数据表示前一时间段的物理位置的系统的框图。

图18例示出可被用于实现网络可访问的计算系统或伴随的处理模块的计算系统一个实施例的框图。

详细描述

在制造在HMD中主要提供舒适的长轴压缩的一对镜腿臂时可使用以各种各样的定向定位的各种各样的不同类型的材料。在替代实施例中，该对镜腿臂可被用于安装其他头部安装式设备，诸如手术放大镜、大功率头灯以及其他类型的头部安装式设备。在一实施例中，可在诸如弹簧钢之类的压缩层外部形成包括硬物的脊材料，压缩层具有内部界面层用来为用户的头部提供舒适。替代地，外部脊材料可包括软物，例如可伸缩的织物或高密度泡沫。而且，内部脊材料可被形成在外部压缩层与内部界面层之间。内部脊材料可以是一种包括具有小楔形间隙的多个链节的压缩型硬栓锁机制。在一实施例中，钢丝型件弹簧也可被用作压缩材料，其中脊材料被设置在两条平行钢丝之间。

图1和2是具有一对镜腿臂102a-b的HMD 100的侧视图和俯视图，该对镜腿臂具有外部硬物脊。该对镜腿臂102a-b还包括诸如弹簧钢106之类的压缩材料，该压缩材料环绕头部109来主要提供长轴压缩，该长轴压缩在用户的前额处舒适地承受住某一重量。具体来说，弹簧钢106主要产生朝向用户的头部109的长轴107(从前到后)的压缩力，这抵消前额处的重量产生的重力(向下)。在该对镜腿臂102a-b环绕头部109时，镜腿臂102a-b还施加了不朝向头部的长轴的夹紧或压缩力。前额处的重量主要由该长轴压缩来支持，而不是依靠在鼻子、耳朵或头顶上。前额处的重量可至少包括显示光学系统以及其他电子组件的重量。在许多实施例中，显示光学系统可被用于AR或VR体验中，如本文所述。

弹簧钢106从镜腿朝向枕外隆凸点沿伸到用户的头部109之后。弹簧钢106被预加载并弯曲到位来适配在用户的头部109周围。在替代实施例中，弹簧钢106可被其他类型的压缩材料完全或部分地替代，例如玻璃纤维、碳纤维或其他类型的压缩材料。在一实施例中，弹簧钢106的预加载在沿镜腿臂102a-b的三个区域中可变：沿长度方向，从前部直线部分、中间可弯曲部分以及后部最易弯曲部分具有不断增加的预加载弯曲。在许多实施例中，这三个分段可以是连续的或铰接式的。在替代实施例中，可使用更多或更少的分段。尽管各实施例不需要围绕用户的头部109的完整环带，但是在其他实施例中可使用完整环带。

外部硬物脊材料包含防止镜腿臂102a-b完全自我折叠的硬栓锁(hard stop)。弹簧钢106可被向内过度弯曲而远远超过最小大小的头部，并与诸如链节104a-d和连杆105a-d之类的限制弹簧钢106可被向内弯曲到什么程度的外部硬物脊材料一起被使用。界面材料103形成在弹簧钢106内侧来向用户的头部109提供舒适。

弹簧钢106的过度弯曲跨范围广泛的头部大小产生了一定范围的夹紧力，例如2-5N。弹簧钢106可被过度弯曲到一常曲率，或沿其长度在各种尺寸具有不同程度的曲率。在各种长度的不同程度的曲率使得压力分布能够被微调来最优地围绕用户的头部109分布载荷。

在一实施例中，镜腿臂102a-b通过铰接式铰链110a-b而耦合到显示光学系统101，使得HMD 100可如同典型眼镜或护目镜那样具有可向内折叠的镜腿臂。在一实施例中，铰接式铰链100a-b是具有硬拴锁的弹簧式铰链。在一实施例中，除非力超过铰接式铰链100a-b中的预定弹簧力，铰接式铰链100a-b将不会向外旋转，铰接式铰链110a-b的弹簧力随着镜腿臂102a-b向外旋转而稍微增加。在一替代实施例中，镜腿臂102a-b无需铰接式铰链110a-b而耦合到显示光学系统101，从而镜腿臂102a-b不能向内折叠。

图11是例示出制造具有外部硬物脊的一个或多个镜腿臂的方法的流程图。图11以及本文中的其他流程图例示出用于制造HMD中使用的一个或多个镜腿臂的步骤。在替代实施例中，可使用更多或更少的生产或制造步骤。在许多实施例中，一个步骤可表示由某一机器或过程在或不在人类操作者干预下进行的制造。在许多实施例中，一个步骤可表示至少部分地由一个或多个个人执行的制造。例如，许多实施例可包括将镜腿臂耦合到显示光学系统和/或其他HMD电子设备的进一步步骤。

步骤1100例示出形成压缩中间层。在一实施例中，中间层是将HMD夹紧在用户的头部的轧制弹簧钢层。在一实施例中，压缩中间层是从轧钢或钢板压印的以匹配镜腿臂的专注于ID的轮廓。可以钢料形状来压印诸如孔洞之类的装配与安装组件。

步骤1101例示出形成可向用户的头部提供舒适的最内层界面层。在一实施例中，该界面层是冲切或压模的泡沫、铸型硅胶、和/或某种其他泡沫或填充材料。在某一实施例中，最内层界面层防止用户的头发被夹在脊材料中的可能的链节之间。在一实施例中，界面层可以是单层或可包括多层，且可用织物表面包裹来提供装饰与触感。步骤1102例示出将界面层耦合到压缩层。在一实施例中，使用粘合剂来将界面层耦合到压缩层。在替代实施例中，如本文所述可使用耦合各层的其他方法。

步骤1103例示出形成最外层作为硬物脊层。例如，如图1和2中所例示的那样，链节104a-d和连杆105a-d被形成。在该实施例中，由于脊层被安装在压缩层外侧，因此脊层是一种拉伸(tension-style)样式的硬拴锁机制。在一实施例中，脊层包括由模制塑料、铸型或成型的金属、和/或其他等效工艺制成的多个主链节。在许多实施例中，主链节可包括各种各样的几何形状或其组合。在一实施例中，主链节通过可能或可能不形成铰接式铰链的拉杆(tension link)而彼此连接。这些拉杆可以是每个主链节之间的个体连杆轴、成型的金属片拉杆、或模制聚合物或复合材料拉杆。在一替代实施例中，可通过长度为镜腿臂的整个长度(或一部分)并穿梭每个主链节的单个线缆来进行主链节之间的连接。在一实施例中，线缆可具有特定长度并被系到镜腿臂的前部和后部来提供整体栓锁。当镜腿臂处于其松弛状态/带上前状态(即不在用户的头部109上)时，这些栓锁被拉伸到其最大程度，因为镜腿臂被折叠到它们最弯曲的位置。当镜腿臂位于用户的头部上时，拉杆被释放且它们相对于主链悬浮。

步骤1104例示出将硬物脊层耦合到压缩层。在一实施例中，通过粘合剂或本文所述的其他等效方法，硬物脊被耦合到压缩层。

图3是具有可具有可伸缩的织物的外部软物脊材料303的镜腿臂300在带上前位置300a和带上后位置300b的俯视截面图。在一实施例中，镜腿臂300类似于上述的镜腿臂102a-b具有界面材料301和压缩材料302。然而，图3例示出包括软物而不是图1-2所例示的硬物的外部脊材料303。

在一实施例中，外部脊材料303是一种可伸缩的纤维与不可伸缩的纤维交织的织物。当压缩材料302处于带上前位置300a时，外部脊织物紧绷。不可伸缩的纤维被拉伸到其最大长度，这防止镜腿臂完全折叠。

在一替代实施例中，外部脊材料303是一种诸如合成橡胶之类的织物或高密度泡沫，它可部分伸展且仅最大伸到伸展范围的某一特定或预定百分比。这种材料可能较不可靠，因为难以控制跨大量不同软物的均匀伸展。此外，可能难以用通常的软栓锁来制做硬拴锁。

为了保持脊材料303对压缩材料302的机械优势，在一实施例中，脊材料303在具有最小间隔的附着点304被连接到压缩材料302。最小间隔可通过以重复的最小间隔附着于(通过粘合剂、热熔、超声波焊接、或嵌件模塑(insert-molding))脊材料303的外表面的硬塑料肋来实现。在一替代实施例中，间隔也可通过压印到压缩材料302中并用于附着脊材料303的局部成型的特征来被创建。在一替代实施例中，可将塑料薄片辅助层粘附到压缩材料302外部或脊材料303的内面来允许最小间隔。

图4-6例示出在具有穿孔图案开口401的带上前位置400a和穿孔图案开口401闭合时的带上后位置400b的镜腿臂400。镜腿臂400类似于镜腿臂300具有界面材料301和压缩材料302。然而不同于镜腿臂300，镜腿臂400在外部软物脊材料403中包括穿孔图案。在一实施例中，外部软物脊材料403是一种诸如合成橡胶之类的织物或高密度泡沫，它可部分地伸展但能够通过冲切或激光切割的穿孔图案来伸展。在一替代实施例中，用于在软物中创建穿孔图案的其他工艺可被使用。穿孔图案允许外部软物脊材料403在达到最大长度之前伸展固定距离。在一实施例中，与其他实施例相比，镜腿臂400具有最小厚度。在一实施例中，外部软脊材料上可使用多个不同类型/形状的穿孔图案。各种类型/形状的穿孔图案可被选择使得它们在装饰上也对大范围的潜在消费者或替代地对某一目标消费者有吸引力。

图12是例示出制造具有外部软物脊材料的一对镜腿臂的方法的流程图。步骤1200—1202例示出形成压缩层、界面层以及贴附这两层，与上面图11中所述类似。

步骤1203和1204例示出形成最外层作为外部软物脊层以及将软物脊层附着到压缩层。在一实施例中，最外层外部软物脊层是由如本文所述的可伸缩的织物或高密度泡沫制成的。在一实施例中，形成最外层外部软物脊层包括形成如本文所述的穿孔图案。在各种实施例中，软物脊层可通过许多方法来被附着于其下面的压缩层，例如胶水、压敏粘合剂(PSA)、烧结/热熔、铆接、或其他机械方法。如图3中所例示的脊材料303的这些附着点304的间隔沿镜腿臂可变，以便在镜腿臂的特定分段处提供压缩材料的预定量的向内弯曲(或位移)。

图7是具有内部硬物脊材料的镜腿臂700在带上前位置700a和带上后位置700b的俯视截面图。在一实施例中，中间硬物脊材料701包括压缩型栓锁机构，因为它被安装在压缩材料702内部。在一实施例中，脊材料701由多个链节701a-b组成，这些链节之间具有小的楔形间隙。在替代实施例中，间隙是矩形的，在弯曲过程中顶角将彼此接触而不是在使用楔形间隙时的整面接触。矩形间隙可能比楔形间隙更容易制造，因为它们可从扁材切割出而不是被模制/成型。在压缩材料的松弛状态(或带上前位置700a)，链节701a-b彼此压靠，使得其间没有间隙；这是硬栓锁状态。当镜腿臂700处于带上后状态700b或用户的头部上时，脊链节701a-b弯曲而彼此离开。在一实施例中，链节701a-b可被模制为一个物件，每个链节之间带有铰链。在许多实施例中，链节701a-b可包括各种各样的几何形状或其组合。在一实施例中，使用本文所述的方法，链节701a-b在附着点703被耦合到界面材料301。

图8是具有带有泡沫或硅胶的内部硬物脊的镜腿臂800在带上前位置800a和带上后位置800b的俯视截面图。在一实施例中，镜腿臂800类似于镜腿臂700，但是链节801a-b被模制成个体件。在替代实施例中，个体链节801a-b是通过压印、冲切或激光切割来形成的。使用粘合剂、热熔、超声波焊接、嵌件模塑、或其他贴附工艺，链节801a-b然后以预定位置和间隔被安装在压缩材料702上。

在一替代实施例中，通过在界面材料301内嵌件模塑或双色注塑(double-shotmolding)链节801a-b，将制作中间硬物脊材料801与制作最内层界面材料301相组合。

在替代实施例中，装饰层可被贴到外部压缩材料702的外表面。该装饰层还可向四周延伸以覆盖内部硬物脊材料701和801的内表面。

在一替代实施例中，圆筒织物或橡胶制品滑盖在内部硬物脊材料701/801与压缩材料702的子装配件上。这一组件将造成内部舒适特征与外部装饰，这全部都是用一个组件实现的。

在又一实施例中，内部硬物脊材料801和压缩材料702是通过嵌件模塑、双色注塑、插入压缩模塑、或某种其他等效制作工艺来被多色注塑(multi-shot mold)而成以实现内部舒适和外部装饰。

图13是例示出制造具有内部硬物脊的一对镜腿臂的方法的流程图。步骤1300例示出形成压缩层，诸如本文所述的弹簧钢。

在步骤1301，如本文所述地制作内部硬物脊。例如，可如本文所述地制作具有多个链节的压缩型栓锁机制。在一替代实施例中，链节被制造成个体件。在又一实施例中，使用多色注塑将内部硬物脊与最内层界面材料制作在一起。

步骤1302例示出将内部硬物脊附着到压缩材料。在许多实施例中，使用粘合剂、热熔、超声波焊接、嵌件模塑或等效工艺将内部硬物脊附着于压缩材料。在步骤1303和1304中，界面层被制作并附着于内部硬物脊，如本文所述。

图9A-B和10例示出将钢丝型件弹簧而不是弹簧钢作为压缩材料的镜腿臂。具体来说，图9A例示出具有钢丝型件弹簧901和脊材料902的镜腿臂900的内视图。图9B在至少两个实施例中例示出具有钢丝型件弹簧的镜腿臂的截面。在一实施例中，钢丝型件弹簧901被咬扣到具有C形903的脊材料902中。替代地，钢丝型件弹簧901完全被脊材料902封装。图10例示出具有钢丝型件弹簧1001和脊材料1002的镜腿臂1000的外视图。在一实施例中，钢丝型件弹簧901和1000是通过弯曲或回环钢丝(圈形钢丝)形成的。在一实施例中，脊材料902和1002被成形为适合于钢丝901和1001的两个平行部分之间。在一实施例中，镜腿臂900和1000比脊形材料层叠有或堆叠在压缩层上的实施例更薄。镜腿臂900和1000使得以更小的形状因子和重量获得更强的弹簧成为可能，因为利用圆形截面比利用片弹簧能更容易构建弹簧的惯性矩，为了获得相同性能片弹簧可能要重得多。

图14是例示出制造具有钢丝型件弹簧的一对镜腿臂的方法的流程图。步骤1400例示出从钢丝形成钢丝弹簧来适合于镜腿臂。在一实施例中，钢丝弹簧形成了HMD中所使用的镜腿臂的轮廓。在一实施例中，钢丝弹簧被形成为具有带有一平行部分的环。

步骤1401例示出制作与钢丝型件弹簧一起使用的脊材料。在一实施例中，脊材料可被模制为具有链接铰链的单个部件或被形成为利用织物而保持在一起的一组个体部件或链节。在替代实施例中，可通过带来将一组个体部件或链节保持在一起。在一替代实施例中，铰链细节可被模制到个体链节中，或替代地，链节之间的铰链可从耦合相应链节的织物来形成。

步骤1402例示出将脊材料耦合于钢丝型件弹簧。在一实施例中，在步骤1401中制作具有模制到边缘中的圆形通道(如图9B中所例示是完全封闭的或像“C”那样开口)的脊材料，以便在步骤1402中使得钢丝型件弹簧能够咬扣(或滑)入位。

步骤1403例示出形成界面层，如本文类似地描述的。步骤1404例示出将界面层耦合到脊材料和钢丝型件弹簧。在一实施例中，界面层被耦合到脊材料，如本文中类似所述。在许多实施例中，可进一步附着外部装饰层，例如如本文所述的圆通遮盖物。

图15A是描绘具有如本文所述的镜腿臂的个人视听(A/V)装置的一实施例的示例组件的框图。个人A/V装置1500包括光学透视AR显示设备作为近眼AR显示设备或HMD 1502，在该示例中该设备通过线1506或在其他示例中无线地与伴随的处理模块1504通信。在该实施例中，HMD 1502为具有框架1515的眼镜的形状，该框架具有如本文所述的镜腿臂，对于每只眼睛具有显示光学系统1514(1514r和1514l)，其中图像数据被投影到用户的眼睛中以生成图像数据的显示画面，同时用户还透视显示光学系统1514获得现实世界的实际直接视图。

每个显示光学系统1514也被称为透视显示器，两个显示光学系统1514一起也可被称为透视(意味着光学透视)AR显示器1514。

框架1515提供用于将该装置的各元件保持在原位的支撑结构以及用于电连接的管道。在该实施例中，框架1515提供了便利的眼镜架作为对下面进一步讨论的该装置的各元件的支撑。框架1515包括具有用于记录声音并向控制电路1536传送音频数据的话筒1510的鼻梁架1504。框架的镜腿臂1513提供朝向用户的头部的长轴的压缩力，在该示例中，镜腿臂1513被例示为包括用于HMD 1502的控制电路1536。

如图16A和16B中所例示，在该实施例中在每个镜腿臂1513上还包括图像生成单元1620。同样在图16A和16B中例示出的是朝向外的例如相机的捕捉设备1613，用于记录诸如静止图像、视频或二者之类的数字图像数据，以及将视觉记录传送给控制电路1536，控制电路1536进而可将捕捉到的图像数据发送给所述伴随的处理模块1504，伴随的处理模块1504还可通过一个或多个通信网络1560将该数据发送给一个或多个计算机系统1512或另一个人A/V装置。

伴随的处理模块1504可以采取各种实施例。在一些实施例中，伴随的处理模块1504是可被佩戴在用户的身体(例如腰)上的单独单元，或者可以是移动设备(例如，智能电话)之类的单独设备。伴随的处理模块1504可以通过一个或多个通信网络1560有线地或无线地(例如WiFi、蓝牙、红外、红外个域网、RFID传输、无线通用串行总线(WUSB)、蜂窝、3G、4G或其他无线通信手段)与一个或多个计算机系统1512(无论是位于附近还是远程位置)、处于某个位置或环境中的其他个人A/V装置1508进行通信。在其他实施例中，伴随的处理模块1504的功能可被集成在HMD 1502的软件和硬件组件中，如图15B中那样。图18中示出伴随的处理模块1504的硬件组件的一些示例。图18中还示出计算机系统1512的硬件组件的示例。组件的规模和数量可以因计算机系统1512和伴随的处理模块1504的不同实施例而显著变化。

应用可以在计算机系统1512上执行，其与在个人A/V装置1500中的一个或多个处理器上执行的应用进行交互或为其执行处理。例如，3D映射应用可能正在所述一个或多个计算机系统12和用户的个人A/V装置1500上执行。

在图15A和15B的所例示的实施例中，所述一个或多个计算机系统1512和个人A/V装置1500还具有对一个或多个3D图像捕捉设备1520的网络访问，所述3D图像捕捉设备例如可以是一个或多个相机，相机在视觉上监视一个或多个用户和周围空间，使得由所述一个或多个用户执行的姿势和移动以及包括表面和物体的周围空间的结构可被捕捉、分析和跟踪。一个或多个3D捕捉设备1520的图像数据和深度数据(如果被捕捉的话)可补充个人A/V装置1500和某一位置处用于实现3D映射、姿势识别、物体识别、资源跟踪以及下面进一步讨论的其他功能的其他个人A/V装置1508的近眼AR HMD 1502上的一个或多个捕捉设备1613所捕捉的数据。

图15B是描绘具有近眼AR显示器的个人视听(A/V)装置的另一实施例的示例性组件的框图，该装置可通过通信网络1560与其他设备通信。在该实施例中，HMD 1502的控制电路1536合并了图15A中伴随的处理模块1504所提供的功能，并且通过无线收发机(见图16A中的无线接口1537)经通信网络1560与一个或多个计算机系统1512(无论是位于附近还是远程位置处)、处于某一位置或环境中的其他个人A/V装置1500、以及该环境中的3D图像捕捉设备(如果可用的话)进行无线通信。

图16A是个人视听(A/V)装置的一实施例中的框架的眼镜腿臂1513的侧视图，该装置具有被具体化为提供对硬件和软件组件的支撑的眼镜的光学透视AR显示器。在框架1515的前部描绘的是例如相机的至少两个朝向物理环境的捕捉设备1613之一，捕捉设备可以捕捉现实世界的诸如视频和静止图像(通常为彩色)之类的图像数据，以映射该透视显示器的显示器视野中、以及因此进入用户的视野中的现实物体。在一些示例中，捕捉设备1613也可以是深度敏感的，例如它们可以是传送和检测红外光的深度敏感相机，深度数据可从所述红外光中被确定。

控制电路1536提供支持HMD 1502的其他组件的各种电子设备。在该示例中，右镜腿臂1513包括用于HMD 1502的控制电路1536，该控制电路包括处理单元15210、处理单元15210可访问来存储处理器可读指令和数据的存储器15244、通信地耦合到处理单元15210的无线接口1537、以及为控制电路1536的各组件以及HMD 1502的其他组件(如相机1613、话筒1510和下面讨论的传感器单元)提供电力的电源15239。处理单元15210可包括一个或多个处理器，包括中央处理单元(CPU)和图形处理单元(GPU)。

镜腿臂1502内或安装到镜腿臂1502的是一耳机或一组耳机1630、包括一个或多个惯性传感器的惯性感测单元1632、以及包括一个或多个位置或邻近度传感器的位置感测单元1644，位置感测单元的一些示例是GPS收发机、红外(IR)收发机、用于处理RFID数据的射频收发机。

在该实施例中，在其操作中处理模拟信号的每个设备都包括与数字处理单元15210和存储器15244数字对接，并且为其相应设备产生或转换模拟信号或者既产生又转换模拟信号的控制电路。处理模拟信号的设备的一些示例是用于下面所讨论的每只眼睛的显示光学系统154l、154r的感测单元1644、1632和耳机1630以及话筒1510、捕捉设备1613和相应的IR照明器1634A、以及相应的IR检测器或相机1634B。

安装到镜腿臂1515或镜腿臂1515内部的是产生表示图像的可见光的图像源或图像生成单元1620。图像生成单元1620可将虚拟物体显示为出现在显示器视野中的指定深度位置来提供虚拟物体的真实的、聚焦的三维显示，该虚拟物体可以与一个或多个现实物体交互。

在一些实施例中，图像生成单元1620包括微显示器，用于投影一个或多个虚拟物体的图像以及耦合诸如透镜系统之类的用于将图像从微显示器引导到反射表面或元件1624的光学器件。反射表面或元件1624将光从图像生成单元1620引导到光导光学元件1612中，光导光学元件将表示图像的光引导到用户的眼睛中。

图16B是包括显示光学系统1514的光学透视、近眼AR显示设备的一侧的一实施例的俯视图。HMD 1502的框架1515的一部分将围绕显示光学系统1514以用于提供支撑和进行电连接。为了示出HMD 1502中的显示光学系统1514(在该情况下是用于右眼系统的1514r)的各个组件，围绕显示光学系统的框架1515的一部分未被描绘。

在所例示的实施例中，显示光学系统1514是集成式眼睛跟踪和显示系统。该系统实施例包括用于增强虚拟图像的对比度的不透明滤光器1514，在该示例中不透明滤光器1514处于可任选的透视透镜1616之后并与之对齐，用于投影来自图像生成单元1620的图像数据的光导光学元件1612处于不透明滤光器1514之后并与之对齐，以及可任选的透视透镜1618处于光导光学元件1612之后并与之对齐。

光导光学元件1612将来自图像生成单元1620的光传送到佩戴HMD 1502的用户的眼睛1640。光导光学元件1612还允许眼睛1640通过光导光学元件1612接收到来自HMD 1502的前方的光，如表示显示光学系统1514r的光轴1542的箭头所描绘的那样，由此允许用户除接收来自图像生成单元1620的虚拟图像之外，还具有HMD 1502的前方空间的实际直接视图。从而，光导光学元件1612的壁是透视的。在该实施例中，光导光学元件1612是平面波导。代表性的反射元件1634E表示一个或多个光学元件，比如反射镜、光栅以及将表示图像的可见光从平面波导引导向用户眼睛1640的其他光学元件。

红外照明和反射也穿越平面波导供眼睛跟踪系统1634跟踪用户的眼睛(通常为用户的瞳孔)的位置和移动。眼睛移动也可包括眨眼。所跟踪的眼睛数据可被用于诸如注视检测、眨眼命令检测以及收集指示用户的个人存在状态的生物测定信息之类的应用。眼睛跟踪系统1634包括眼睛跟踪IR照明源1634A(红外发光二极管(LED)或激光器(例如VCSEL))和眼睛跟踪IR传感器1634B(例如IR相机、IR光电检测器的布置、或者用于跟踪闪光位置的IR位置敏感检测器(PSD))。在该实施例中，代表性的反射元件1634E还实现了双向红外(IR)滤光，它将IR照明优选地以光轴1542为中心地引导向眼睛1640，并从用户眼睛1640接收IR反射。波长选择性滤光器1634C让来自反射表面或元件1624的可见光谱光通过，以及将来自眼睛跟踪照明源1634A的红外波长照明引导到平面波导中。波长选择性滤光器1634D在朝向鼻梁架1504的光路方向上传递可见光和红外照明。波长选择性滤光器1634D将来自波导的包括用户眼睛1640的红外反射(优选地包括光轴1542周围捕捉的反射)的红外辐射从被具体化为波导的光导光学元件1612引导到IR传感器1634B。

与光导光学元件112对齐的不透明滤光器1514选择性地阻挡自然光穿过光导光学元件1612，来增强虚拟图像的对比度。不透明滤光器帮助使虚拟物体的图像表现得更真实并表示全范围的颜色和强度。在该实施例中，用于不透明滤光器的电控制电路(未示出)通过路经框架的电连接从控制电路1536接收指令。

再次，图15A和15B示出了HMD 1502的一半。对于所例示的实施例，完整的HMD 1502可包括另一显示光学系统1514以及本文所述的组件。

图17是从软件角度而言的用于用由个人视听(A/V)装置的近眼AR显示器显示的三维(3D)虚拟数据表示前一时间段的物理位置的系统的框图。图17从软件角度例示出一计算环境实施例1754，该计算环境实施例可由诸如物理A/V装置1500、与一个或多个物理A/V装置通信的一个或多个远程计算机系统1512或这些装置的组合之类的系统来实现。此外，物理A/V装置可以与其他物理A/V装置通信以用于共享数据和处理资源。网络连通性允许充分利用可用的计算资源。信息显示应用4714可以在个人A/V装置1500的一个或多个处理器上执行。在所例示的实施例中，在远程计算机系统1512上执行的虚拟数据提供者系统4704也可以执行某一版本的信息显示应用4714以及与其通信的其他个人A/V装置1500。如图17的实施例中所示，计算环境1754的软件组件包括与操作系统1790通信的图像和音频处理引擎1791。图像和音频处理引擎1791处理图像数据(例如视频之类的移动数据或静止数据)以及音频数据，以便支持为诸如包括近眼AR显示器的物理A/V装置1500之类的HMD系统执行的应用。图像和音频处理引擎1791包括物体识别引擎1792、姿势识别引擎1793、虚拟数据引擎1795、眼睛跟踪软件1796(如果眼睛跟踪被使用的话)、遮挡引擎3702、具有声音识别引擎1794的3D位置音频引擎3704、场景映射引擎3706、以及物理引擎3708，这些引擎可彼此通信。

计算环境1754还将数据存储在图像和音频数据缓存器(一个或多个)1799中。缓存器提供：用于接收从朝向外的捕捉设备1613捕捉的图像数据、由其他捕捉设备(如果可用的话)捕捉的图像数据、来自眼睛跟踪系统1634的眼睛跟踪相机(如果被使用的话)的图像数据的存储器；用于保持要由图像生成单元1620显示的虚拟物体的图像数据的缓冲器；以及用于输入和输出音频数据两者的缓存器，例如通过话筒1510从用户捕捉的声音以及用于某应用的来自3D音频引擎3704的要通过音频输出设备(比如耳机1630)被输出给用户的音效。

图像和音频处理引擎1791处理从某一位置中可用的一个或多个捕捉设备接收的图像数据、深度数据和音频数据。图像和深度信息可来自朝向外的捕捉设备1613，其是在用户移动他的头或身体时捕捉的，并且还可来自其他个人A/V装置1500、该位置处的其他3D图像捕捉设备1520、以及图像数据存储，比如位置索引化的图像和图3724。

下面更详细地描述图17中所描绘的各个引擎和数据存储，但是首先从提供与某一物理位置相关联的虚拟数据的信息显示应用4714之类的某一应用的角度来描述这些引擎和数据存储作为支持平台所提供的数据和功能的概述。在近眼AR物理A/V装置1500中执行或在用于该物理A/V装置1500的计算机系统1512上远程地执行的信息显示应用4714充分利用图像和音频处理引擎1791的各种引擎，来通过发送标识了用于处理的数据的请求以及接收数据更新的通知来实现其一个或多个功能。例如，来自场景映射引擎3706的通知标识至少在显示器视野中的虚拟和现实物体的位置。信息显示应用4714向虚拟数据引擎1795标识用于生成某一物体的结构和物理属性的数据以供显示。信息显示应用4714可向物理引擎3708提供和标识为其应用生成的每个虚拟物体的物理模型，或者物理引擎3708可以基于物体的物体物理属性数据集3720生成物理模型。

操作系统1790使得下列内容对应用可用：姿势识别引擎1793已经标识出哪些姿势；声音识别引擎1794已经标识出哪些单词或声音；来自上述场景映射引擎3706的物体的位置；以及从眼睛跟踪软件1796检测到的诸如瞳孔位置或者像眨眼序列之类的眼睛移动的眼睛数据。根据信息显示应用4714要向用户播放的声音可以被上传到声音库3712并且向3D音频引擎3704标识出如下的数据：该数据标识出使声音好像来自哪个方向或位置。设备数据1798使得位置数据、头位置数据、标识相对于地面的定向的数据、以及来自HMD 1502的感测单元的其他数据对信息显示应用4714可用。

首先描述场景映射引擎3706。AR显示器的显示器视野的3D映射可由场景映射引擎3706基于所捕捉的图像数据和从所捕捉的图像数据导出的或者同样被捕捉的深度数据来确定。3D映射包括物体的3D空间位置或位置体。

表示来自朝向外的捕捉设备1613的所捕捉的图像数据和深度数据的深度图可被用作近眼AR显示器的显示器视野的3D映射。依赖于视图的坐标系可被用于近似于用户视角的显示器视野的映射。所捕捉的数据可以是基于跟踪现实物体的运动的捕捉时间而跟踪的时间。虚拟物体可以在诸如信息显示应用4714之类的某一应用的控制下被插入到深度图中。可以用传感器数据来辅助映射用户的环境中围绕用户的事物。来自例如三轴加速度计和三轴磁力计之类的定向感测单元1632的数据确定用户的头部的位置改变，那些头部位置改变与来自朝向前的捕捉设备1613的图像和深度数据中的改变的相关性可标识物体相对于彼此的位置以及用户正在看某一环境或位置的什么子集。

在一些实施例中，在一个或多个网络可访问的计算机系统1512上执行的场景映射引擎3706更新某一位置的中央化存储的3D映射，而装置1500下载更新并基于映射更新来确定它们的相应显示器视野中的物体的改变。可以在一个或多个网络可访问的计算机系统1512的控制下从其他3D图像捕捉设备1520，或者从该位置处的一个或多个物理A/V装置1500中实时地接收来自多个视角的图像和深度数据。从多个视角拍摄的深度图像中的重叠对象可以基于不依赖于视图的坐标系而被相关，而图像内容被组合来用于创建某一位置的体积或3D映射(例如某个房间、某一商店空间或某一围起来的区域的x、y、z表示)。此外，场景映射引擎3706可以基于数据的捕捉时间将所接收的图像数据相关，以便实时地跟踪该位置处的物体以及照明和阴影的改变。

图像的配准和对齐允许场景映射引擎能够比较现实世界物体、地标或者从不同图像提取的其他特征，并将它们集成到与该现实世界位置相关联的统一3D图中。

当用户进入某一位置或某位置内的某一环境时，场景映射引擎3706可以首先搜索标识出3D空间位置以及物体的标识数据的预生成的3D图，该图被本地地存储或者可从另一物理A/V装置1500或网络可访问的计算机系统1512处访问。该预生成的图可包括静止物体。如果该预生成的图当前正被在另一计算机系统1512或装置1500上执行的另一场景映射引擎3706更新，则该预生成的图还可包括实时移动的物体和当前的光和阴影条件。例如，可以从存储器中检索指示用户的起居室中的静止物体的位置、标识数据和物理属性的预生成的图，所述位置、标识数据和物理属性是从来自以前的HMD会话的图像和深度数据中导出的。此外，包括趋于进入该位置的物体的物理属性的标识数据可以被预加载以用于更快的识别。如下所讨论的那样，预生成的图还可存储物体的物理模型。预生成的图可被存储在网络可访问的数据存储中，比如位置索引化的图像和3D图3724。

该位置可以由位置数据来标识，所述位置数据可被用作索引以在位置索引化的图像和预生成的3D图3724中或在因特网可访问的图像3726中搜索可被用于生成图的与图或图像相关的数据。例如，诸如来自HMD 1502上的位置感测单元1644的GPS收发机的GPS数据之类的位置数据可标识出用户的位置。在另一示例中，来自用户的物理A/V装置1500的朝向外的捕捉设备1613的图像数据中的一个或多个物体的相对位置可以相对于该位置中的一个或多个GPS跟踪的物体来确定，从中可以标识出现实和虚拟物体的其他相对位置。此外，与该物理A/V装置1500具有连接的WiFi热点或蜂窝站的IP地址可标识某一位置。此外，可通过红外、蓝牙或WUSB在物理A/V装置1500之间交换标识符令牌。红外、WUSB或蓝牙信号的范围可以充当用于确定另一用户的邻近度的预定义距离。图和图更新或至少物体标识数据可通过红外、蓝牙或WUSB在该信号的范围允许的情况下在物理A/V装置之间交换。

场景映射引擎3706标识出该位置，并且基于与图像和音频处理引擎1791的物体识别引擎1792以及生成虚拟物体的一个或多个执行中的应用的通信来跟踪体积空间中的现实和虚拟物体的移动。

图像和音频处理引擎1791的物体识别引擎1792基于所捕捉的图像数据以及所捕捉的深度数据(如果可用)或从立体视觉中确定的深度位置来检测、跟踪和标识出显示器视野和用户的3D环境中的现实物体。物体识别引擎1792通过标记物体边界并且将物体边界与结构化数据相比较来将现实物体彼此区分开。标记物体边界的一个示例是检测所检测或所导出的深度数据和图像数据内的边并连接这些边。除了标识出物体的类型以外，可以基于与所存储的结构数据2700、物体参考数据集3718或二者的比较来检测所标识出的物体的定向。可通过一个或多个通信网络1560访问的结构数据2700的一个或多个数据库可以包括关于物体的结构化信息。如在其他图像处理应用中那样，人可以是一种类型的物体，所以结构数据的一示例是某人的存储的骨架模型，可以参考该骨架模型来帮助识别身体部位。结构数据2700还可包括关于一个或多个无生命物体的结构化信息以便帮助识别该一个或多个无生命物体，这些物体的一些示例是家具、体育器材、汽车等等。

结构数据2700可将结构化信息作为图像数据来存储或者将图像数据用作用于模式识别的参考。图像数据还可用于面部识别。物体识别引擎1792同样还可基于来自其他源的存储的图像数据对物体的图像数据执行面部和模式识别，这些其他源例如用户的用户简档数据1797、经许可可访问或网络可访问的其他用户简档数据3722、位置索引化的图像和3D图3724、以及因特网可访问的图像3726。

图18是可被用于实现一个或多个网络可访问的计算机系统1512或伴随的处理模块1504的计算系统的一个实施例的框图，该计算系统可主持计算环境1754的软件组件或者图17中所描绘的其他元素中的至少一些。参考图18，示例性系统包括计算设备，诸如计算设备1800。在大多数基本配置中，计算设备1800通常包括一个或多个处理单元1802，包括一个或多个中央处理单元(CPU)和一个或多个图形处理单元(GPU)。计算设备1800还包括系统存储器1804。取决于计算设备的确切配置和类型，系统存储器1804可包括易失性存储器1805(如RAM)、非易失性存储器1807(如ROM、闪存等)或是两者的某种组合。该最基本配置在图18中由虚线1806来例示出。另外，设备1800还可具有附加特征/功能。例如，设备1800还可包含附加存储(可移动和/或不可移动)，包括但不限于磁盘、光盘或磁带。这样的附加存储在图18中由可移动存储1808和不可移动存储1810示出。

设备1800还可包含允许该设备与其他设备通信的通信连接1812，如一个或多个网络接口和收发机。设备1800也可具有输入设备1814，诸如键盘、鼠标、笔、语音输入设备、触摸输入设备等。还可包括输出设备1816，诸如显示器、扬声器、打印机等。这些设备在本领域是公知的，因此不在此详细讨论。

尽管本文描述了在A/R HMD中提供长轴压缩的镜腿臂，但是本领域的技术人员将理解本文所述的镜腿臂同样也可被用于V/R HMD实施例。

尽管用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本主题，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上述具体特征或动作。上述具体特征和动作是作为实现权利要求的示例形式公开的。

Claims (15)

1.一种用于将设备定位在用户的头部上的装置，所述装置包括：

要耦合于所述设备的第一镜腿臂；以及

要耦合于所述设备的第二镜腿臂，

其中所述第一镜腿臂和所述第二镜腿臂中的每一个包括，

施加朝向所述头部的长轴的压缩力的压缩材料，

耦合于所述压缩材料用以限制所述压缩材料朝向所述长轴的位移的脊层，

设置在所述第一镜腿臂和所述第二镜腿臂中每一个的内侧上的界面材料，使得当所述第一镜腿臂和所述第二镜腿臂被放置在所述头部上时，所述界面材料的至少一部分接触所述头部。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述设备是近眼显示器，并且所述第一镜腿臂和所述第二镜腿臂耦合于所述近眼显示器，所述压缩材料是弹簧钢，并且所述弹簧钢的至少一部分被设置成邻近所述界面材料并位于所述界面材料外部。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述脊层的至少一部分被设置成邻近所述弹簧钢并位于所述弹簧钢外部。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述脊层包括通过多个拉杆耦合在一起的多个链节，

所述多个拉杆包括多个拉伸连杆以及穿梭所述多个链节的线缆中的一种。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述脊层包括以下之一：可伸缩纤维与不可伸缩纤维交织的织物、部分可伸缩直到固定距离的织物或高密度泡沫、具有多个穿孔的织物或高密度泡沫。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脊层被至少部分地设置在所述界面材料和所述压缩材料之间，

所述脊层包括具有小楔形间隙的多个链节以及所述多个链节中每对链节之间的铰链。

7.一种制造要被耦合于要被戴在头部上的显示器的一对镜腿臂的方法，所述方法包括：

在所述一对镜腿臂的每个镜腿臂中形成压缩材料，该压缩材料提供朝向头部的长轴的压缩力；

在所述一对镜腿臂的每个镜腿臂中形成脊材料，所述脊材料限制所述压缩材料朝向所述长轴的位移；以及

在所述一对镜腿臂的每个镜腿臂中形成界面材料，所述界面材料提供每个镜腿臂与所述头部之间的界面。

8.如权利要求7所述的方法，所述一对镜腿臂的每个镜腿臂包括具有不同可弯曲量和预加载量的多个分段。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，形成脊材料包括以下之一：至少部分地在所述压缩材料的外部形成包括硬物的脊层，以及至少部分地在所述压缩材料的外部形成包括软物的脊层，

其中，形成压缩材料包括形成弹簧钢。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，形成脊材料包括至少部分地在所述界面材料的界面层与所述压缩材料的压缩层之间形成脊层。

11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，形成压缩材料包括形成圈形钢丝弹簧，形成脊材料包括在圈形钢丝弹簧中间形成脊层。

12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，形成界面材料包括形成以下之一：压模的泡沫、铸型硅胶、以及填充材料。

13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，形成包括硬物的脊材料包括形成由多个拉杆连接的多个链节。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述多个链节中的某一链节是由模制塑料以及铸型或成型的金属之一制成的，

所述多个拉杆中的某一拉杆包括以下之一：连杆轴、成型的金属片、模制聚合物、复合材料以及线缆。

15.如权利要求9所述的方法，其特征在于，形成包括软物的脊层包括形成以下之一：可伸缩的纤维与不可伸缩的纤维交织的织物、具有穿孔图案的织物或高密度泡沫、以及可伸缩到其预定百分比的织物或高密度泡沫。