CN110361746B - 接近传感器系统、方法及耳机 - Google Patents

Abstract

一种用于检测对象的存在的接近传感器系统、方法及耳机，该接近传感器系统包括：光发射器，被配置为在第一方向上投射光；光学元件，被配置为对光进行转向；以及传感器。光学元件具有被配置为接收来自光发射器的光的第一表面和与第一表面不平行的第二表面。第二表面被配置为在第二方向上传输光的第一部分并且内部反射来自所述光发射器的光的第二部分。光学元件还包括第三表面，被配置为防止通过第三表面内部反射光的第二部分。传感器被配置为检测从对象返回的并且通过光学元件的第二表面和第一表面传输的光的第一部分的至少一部分。

Description

接近传感器系统、方法及耳机

技术领域

本发明总体涉及耳机(例如，头戴式显示设备)，并且具体涉及具有接近传感器的耳机。

背景技术

包括头戴式显示设备(本文中也称为头戴式显示器)的耳机作为用于向用户提供音频和/或视觉信息的装置得到普及。例如，头戴式显示设备用于虚拟现实和增强现实操作。

向用户提供虚拟和/或增强现实内容的头戴式显示设备具有尺寸和重量限制，其给电力消耗和管理带来了挑战。为了减少它们的电力消耗，头戴式显示设备可以设计成只有由用户佩戴时保持通电。因此头戴式显示设备需要(例如，通过检测用户头部的存在)确定设备由用户佩戴的接近传感器系统以便打开和关闭显示设备。

需要可应用于尺寸紧凑且可靠性增加的头戴式显示设备的低成本接近传感器系统。

发明内容

因此，需要用于头戴式显示器的接近传感器系统，其紧凑、轻便并且可靠地检测对象的存在(例如，用户的头部的存在)。基于红外(IR)感测的传感器系统可应用于这种接近传感器系统，因为IR感测组件(例如，IR光源和IR传感器)总体上比较经济，需要很少的电力，并且有着紧凑的尺寸。用户也注意不到IR光，因此不会干扰用户使用头戴式显示设备的整体体验。然而，为了产生可靠的结果，用于头戴式显示设备的接近传感器系统需要将IR光向用于照明对象的期望区域(例如，用户的头部)的优化方向引导的改进的能力以及用于减少进入传感器的干扰光(例如，从接近传感器系统和/或头戴式显示设备的表面向内部反射的光)的低成本解决方案。

通过所公开的系统减少或者消除以上不足以及与传统接近传感器系统相关联的其他问题。

根据一些实施方式，用于检测接近传感器系统附近对象的存在的接近传感器系统包括：光发射器，被配置为在第一方向上投射光；光学元件，被配置为将来自光发射器的光从第一方向转向至与第一方向不平行的第二方向；以及传感器。光学元件具有被配置为接收来自光发射器的光的第一表面和与第一表面不平行的第二表面。第二表面被配置为在第二方向上传输光的第一部分并且内部反射与来自光发射器的光的第一部分不同的来自光发射器的光的第二部分。光学元件还包括被配置为防止第二部分的光通过第三表面内部反射的第三表面。传感器被配置为检测从对象返回的并且通过光学元件的第二表面和第一表面传输的光的第一部分中的至少一部分。

根据一些实施方式，用于检测接近传感器系统附近的对象的存在的方法包括用接近传感器系统的光发射器在第一方向上投射光。方法还包括用接近传感器系统的光学元件接收光发射器投射的光并且将光发射器投射的光转向至与第一方向不平行的第二方向。光学元件具有被配置为接收来自光发射器的光的第一表面和与第一表面不平行的第二表面，第二表面被配置为在第二方向上传输光的第一部分且反射与来自光发射器的光的第一部分不同的来自光发射器的光的第二部分。光学元件还具有被配置为防止光的第二部分通过第三表面内部反射的第三表面。方法还包括用接近传感器系统的传感器检测从对象返回的并且通过光学元件的第二表面和第一表面传输的来自光发射器的光的第一部分中的至少一部分。

根据一些实施方式，耳机包括上述接近传感器系统。

因此，公开的实施方式提供用于增强现实和/或虚拟现实操作的眼睛跟踪系统和方法。

附图说明

为了更好地理解所描述的各种实施方式，应当结合以下附图参考以下具体实施方式，在这些图中，相同参考数字指相应的部分。

图1是根据一些实施方式的显示设备的立体图。

图2是包含根据一些实施方式的显示设备的系统的框图。

图3是根据一些实施方式的显示设备的等距视图。

图4A是示出了根据一些实施方式的接近传感器系统的示意图。

图4B是示出了根据一些实施方式的接近传感器系统的示意图。

图4C是示出了根据一些实施方式的接近传感器系统的示意图。

图4D是示出了根据一些实施方式的接近传感器系统的示意图。

图4E是示出了根据一些实施方式的接近传感器系统的示意图。

图5是示出了根据一些实施方式的用户佩戴的耳机的截面轮廓的示意图。

图6是示出了根据一些实施方式的用于检测接近传感器系统附近的对象的存在的方法的示意图。

除非另外指明，否则这些图未按比例绘制。

具体实施方式

头戴式显示设备常常需要接近传感器系统以确定用户是否佩戴显示设备。这使得头戴式显示设备只有被用户佩戴时才接通，而用户不佩戴时将设备保持关闭(例如，睡眠模式或省电模式)。这种功能减少电能消耗并且使得能实现更长期的性能而不用充电和/或增加电池容量。这种功能增强了头戴式显示设备的用户体验。接近传感器系统必须紧凑、轻便、可靠，并且优选地，经济。

所公开的实施方式提供低成本、紧凑、且轻便的接近传感器系统(包含可以在头戴式显示设备上实现的那些)以便可靠地确定对象的存在。

现在将参考实施方式，附图中示出了实施方式的实例。在下列描述中，阐述了很多特定细节，以提供对所描述的各种实施方式的理解。然而，对于本领域中普通技术人员显而易见的是，所描述的各种实施方式可以进行实践而无需这些具体细节。在其他情况下，并没有对公知的方法、程序、组件、电路及网络进行详细描述，从而不会使实施方式的各方面不必要地晦涩难懂。

还应当理解的是，虽然在有些情况下本文中使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。例如，在不脱离所描述的各种实施方式的范围的情况下，第一侧面可称为第二侧面，同样地，第二侧面可称为第一侧面。第一侧面和第二侧面均为侧面，但是它们不是相同的侧面。

在本文中所描述的各种实施方式的描述中使用是术语仅为了描述具体实施方式而非旨在限制。如在所描述的各种实施方式和所附权利要求的描述中使用的，除非上下文清楚地指明，否则单数形式“一个(a)”、“一个(an)”、及“该(the)”也旨在包括复数形式。还将理解的是如在本文中使用的术语“和/或”是指并且包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何及所有可能的组合。还应当理解，当术语“包含(comprises)”、“具有(comprising)”和/或“包括(including)”用于本说明书时，指示所述的特征、整体、步骤、操作、元件及/或组件的存在，但并不排除存在或附加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件及/或其组合。本文中术语“示例性”以“用作实例、事例或例证”的意义而非以“代表此类中最好的”的意义使用。

图1示出了根据一些实施方式的显示设备100。在一些实施方式中，显示设备100被配置为佩戴在用户头部上(例如，如图1所示，通过具有眼镜(spectacles)或眼镜(eyeglasses)的形式)或者被包括为用户要佩戴的头盔的一部分。当显示设备100被配置为佩戴在用户头部上或者被包括为头盔的一部分时，显示设备100称为头戴式显示器。可替换地，显示设备100被配置为放置在用户的单只眼睛或一双眼睛附近的固定位置，而非头戴式(例如，显示设备100是安装在交通工具(诸如，汽车或飞机)上的以便放置在用户的单只眼睛或一双眼睛的前面)。如图1所示，显示设备100包括显示器110。显示器110被配置为向用户呈现视觉内容(例如，增强现实内容、虚拟现实内容、混合现实内容、或它们的任意组合)。

在一些实施方式中，显示设备100包括本文中关于图2描述的一个或多个组件。在一些实施方式中，显示设备100包括图2中未示出的附加组件。

图2是根据一些实施方式的系统200的框图。图2中示出的系统200包括均耦合至控制台210的(与图1中示出的显示设备100相对应的)显示设备205、成像设备235、及输入接口240。尽管图2示出了包含一个显示设备205、成像设备235、及输入接口240的系统200的实例，但在其他实施方式中，系统200中可包含任意数量的这些组件。例如，可能有多个显示设备205，每个显示设备均具有相关联的输入接口240并且被一个或多个成像设备235监控，每个显示设备205、输入接口240、及成像设备235与控制台210通信。在可替换的配置中，系统200中可以包括不同的和/或附加部件。例如，在一些实施方式中，控制台210经由网络(例如，互联网)连接至系统200或者作为(例如，以物理方式位于显示设备205的内部)显示设备205的一部分而独立。在一些实施方式中，显示设备205用于通过在真实的周围环境的视图中进行添加而形成混合现实。因此，本文中描述的显示设备205和系统200可以传送虚拟现实、混合现实、和/或增强现实。

在一些实施方式中，如图1所示，显示设备205是向用户呈现媒体的头戴式显示器。由显示设备205呈现的媒体的实例包括一个或多个图像、视频、音频或其某种组合。在一些实施例中，经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴设备)呈现音频，所述外部设备从显示设备205、控制台210或这两者接收音频信息，并且基于音频信息呈现音频数据。在一些实施方式中，显示设备205将用户沉浸在虚拟环境中。

在一些实施方式中，显示设备205还充当增强现实(AR)耳机。在这些实施方式中，显示设备205用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)增强物理真实世界环境的视图。此外，在一些实施方式中，显示设备205能够在不同类型的操作之间循环。因此，显示设备205可以基于来自应用引擎255的指令作为虚拟现实(VR)设备、AR设备、作为眼镜、或作为其某种组合(例如，没有光学校正的眼镜，针对用户光学校正的眼镜、太阳镜、或其某种组合)操作。

显示设备205包括电子显示器215、一个或多个处理器216、眼睛跟踪模块217、调整模块218、一个或多个定位器220、一个或多个位置传感器225、一个或多个位置照相机222、存储器228、惯性测量单元(IMU)230、或其子集或父集(例如，具有电子显示器215、一个或多个处理器216、及存储器228的显示设备205，没有任何其他部件)。显示设备205的一些实施方式具有与在此描述的那些不同的模块。类似地，功能可以与在此描述的不同的方式分布在模块之中。

一个或多个处理器216(例如，处理单元或核心)执行存储在存储器228中的指令。存储器228包括高速随机存取存储器(诸如，DRAM、SRAM、DDR RAM或其他随机访问固态存储设备；并且可以包括非易失性存储器，诸如，一个或多个磁盘存储设备、光盘存储设备、闪存设备、或其他非易失性固态存储设备)。存储器228或可替换地存储器228内的非易失性存储设备包括非瞬时性计算机可读存储介质。在一些实施方式中，存储器228或存储器228的计算机可读存储介质存储程序、模块和数据结构、和/或用于在电子显示器215上显示一个或多个图像的指令。

电子显示器215根据从控制台210和/或处理器216接收的数据向用户显示图像。在各种实施方式中，电子显示器215可包括单个可调节的电子显示元件或多个可调节的电子显示元件(例如，用于用户的每只眼睛的显示器)。

在一些实施方式中，显示元件包括一个或多个发光器件和相应的发射强度阵列。发射强度阵列是电光像素、光电像素、动态地调整每个设备传输的光量的某一其他阵列的器件、或其某种组合。这些像素放在一个或多个透镜的后面。在一些实施方式中，发射强度阵列是LCD(液晶显示器)中的基于液晶的像素阵列。发光器件的实例包括：有机发光二极管、有源矩阵有机发光二极管、发光二极管、激光器、显微镜荧光灯源、能够放入柔性显示器的某些类型的设备、或其某种组合。发光器件包括能够生成用于图像生成的可见光(例如，红色、绿色、蓝色等)的设备。发射强度阵列被配置为选择性地衰减独立的发光器件、发光器件组、或其某种组合。可替换地，当发光器件被配置为选择性地衰减独立的发光器件和/或发光器件组时，显示元件包括这种发光器件的阵列而不包括单独的发射强度阵列。

一个或多个透镜(可选地通过发射强度阵列)将来自发光器件的阵列的光引导至每个可视区(eyebox，眼箱)内的位置并且最终引导至用户的视网膜的后部。可视区是用户(例如，佩戴显示设备205的用户)的处于显示设备205附近的眼睛所占据的、用以观看来自显示设备205的图像的区域。在一些情况下，可视区被表示为10mm x 10mm的正方形。在一些实施方式中，一个或多个透镜包括一个或多个涂层(诸如，抗反射涂层)。

在一些实施方式中，显示元件包括红外(IR)检测器阵列，其从眼角膜的表面、眼睛的晶状体或其某种组合检测从观看用户的视网膜反向反射的IR光。IR检测器阵列包括IR传感器或各自与观看用户的眼睛的瞳孔的不同位置相对应的多个IR传感器。在可替换实施方式中，还可以使用其他眼睛跟踪系统。

眼睛跟踪模块217确定用户的眼睛的每个瞳孔的位置。在一些实施方式中，眼睛跟踪模块217指示电子显示器215(例如，经由显示元件中的IR发光器件)用IR光照亮可视区。发出的IR光的一部分将会穿过观看用户的瞳孔并且从视网膜朝向IR检测器阵列反向反射，IR检测器阵列用于确定瞳孔的位置。可替换地，眼睛的表面的反射还用于确定瞳孔的位置。IR检测器阵列扫描反向反射并且当检测到反向反射时识别出哪些IR发光器件是激活的。眼睛跟踪模块217可以使用跟踪查找表和识别出的IR发光器件以确定每个眼睛的瞳孔位置。跟踪查找表将IR检测器阵列上的接收信号映射至每个可视区中的(与瞳孔位置相对应的)位置。在一些实施方式中，跟踪查找表是经由校正处理而生成的(例如，用户注视图像中各种已知参考点并且在注视参考点时眼睛跟踪模块217将用户瞳孔的位置映射至在IR跟踪阵列上接收的相应信号)。如上所述，在一些实施方式中，系统200可以使用除上述嵌入IR系统外的其他眼睛跟踪系统。

调整模块218基于所确定的瞳孔位置生成图像帧。在一些实施方式中，其向将子图像拼在一起的显示器发送离散图像，从而连贯的拼接图像将会出现在视网膜的后部。调整模块218基于瞳孔的检测位置调整电子显示器215的输出(即，所生成的图像帧)。调整模块218指示电子显示器215的一部分将图像光传递至所确定的瞳孔位置。在一些实施方式中，调整模块218还指示电子显示器不将图像光传递至除所确定的瞳孔位置以外的位置。例如，调整模块218可以阻挡和/或停止其图像光落入所确定的瞳孔位置之外的发光器件，允许其他发光器件发射落入所确定的瞳孔位置内的图像光，平移和/或旋转一个或多个显示元件，动态地调整透镜(例如，微透镜)阵列中的一个或多个有源透镜的曲率和/或折光力，或者其某种组合。

可选的定位器220是相对于彼此和相对于显示设备205上的特定参考点位于显示设备205上的特定位置的对象。定位器220可以是发光二极管(LED)、角立方体反射器、反射标记、与显示设备205操作的环境形成对比的一种光源或其某种组合。在实施方式中，定位器220是有源的(即，LED或其他类型的发光器件)，定位器220可以在可见频带(例如，大约400nm至750nm)、在红外频带(例如，大约750nm至1mm)、在紫外线频带(大约100nm至400nm)、电磁光谱的某个其他部分、或其某种组合中发光。

在一些实施方式中，定位器220可以位于显示设备205的外表面之下，显示设备对定位器220发射或反射的光的波长是透明的或者足够细以致基本上不会减弱定位器220发射或反射的光的波长。另外，在一些实施例中，显示设备205的外表面或其他部分在光的波长的可见频带内是不透明的。因此，定位器220可以在在IR频带中透明但在可见频带中不透明的外表面的下面在IR频带中发射光。

惯性测量单元(IMU)230是基于从一个或多个位置传感器225接收的测量信号生成校准数据的电子设备。位置传感器225响应于显示设备205的运动生成一个或多个测量信号。位置传感器225的实例包括：一个或多个加速计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、检测运动的另一种合适类型的传感器、用于IMU 230的误差校正的传感器类型或其某种组合。位置传感器225可以位于IMU 230的外部、IMU 230的内部或其某种组合。

基于来自一个或多个位置传感器225的一个或多个测量信号，IMU230生成指示显示设备205相对于显示设备205的初始位置的估计位置的第一校准数据。例如，位置传感器225包括多个加速计以测量平移运动(向前/向后、向上/向下、向左/向右)和多个陀螺仪以测量旋转运动(例如，俯仰、偏转、滚动)。在一些实施方式中，IMU 230对测量信号进行取样并且由取样数据计算显示设备205的估计位置。例如，IMU 230对从加速计接收的测量信号在时间上进行积分，以估计速度矢量并对速度矢量在时间上进行积分以确定显示设备205上的参考点的估计位置。可替换地，IMU230向确定第一校准数据的控制台210提供取样测量信号。参考点是可用于描述显示设备205的位置的点。虽然参考点通常可以定义为空间中的点；然而，实际上参考点被定义为显示设备205内的点(例如，IMU 230的中心)。

在一些实施方式中，IMU 230从控制台210接收一个或多个校准参数。如下面进一步讨论的，使用一个或多个校准参数来维持显示设备205的跟踪。基于所接收的校准参数，IMU 230可调节一个或多个IMU参数(例如，采样率)。在一些实施例中，某些校准参数导致IMU 230更新参考点的初始位置，使得其对应于参考点的下一校准位置。将参考点的初始位置更新为参考点的下一个校准位置有助于减少与所确定的估计位置相关联的累积误差。累积误差(也称为漂移误差)导致参考点的估计位置随着时间推移从参考点的实际位置“漂移”离开。

成像设备235根据从控制台210接收的校准参数生成校准数据。校准数据包括示出成像设备235可检测的定位器220的观察位置的一个或多个图像。在一些实施方式中，成像设备235包括一个或多个静物照相机、一个或多个摄像机、包括一个或多个定位器220的能够捕获图像的任何其他设备或其某些组合。另外，成像设备235可以包括一个或多个滤波器(例如，用于增大信噪比)。可选地，成像设备235被配置为检测在成像设备235的视野中从定位器220发射或反射的光。在定位器220包括无源元件(例如，后向反射器)的实施方式中，成像设备235可以包括照亮一些或全部定位器220的光源，定位器向成像设备235中的光源反向反射光。第二校准数据从成像设备235传送到控制台210，并且成像设备235接收来自控制台210的一个或多个校准参数来调节一个或多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧速率、ISO、传感器温度、快门速度、光圈等)。

输入接口240是允许用户向控制台210发送动作请求的设备。动作请求是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是应用的开始或结束或在应用内执行特定动作。输入接口240可以包括一个或多个输入设备。示例性输入设备包括：键盘、鼠标、游戏控制器、触摸控制器、来自脑信号的数据、来自人体的其他部分的数据、或用于接收动作请求并将所接收的动作请求传送至控制台210的任何其他合适的设备。由输入接口240接收的动作请求被传送到控制台210，控制台执行与动作请求对应的动作。在一些实施方式中，输入接口240可以根据从控制台210接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，当接收动作请求时提供触觉反馈，或者控制台210将指令传送至输入接口240使得在控制台210执行动作时输入接口240生成触觉反馈。

控制台210根据从成像设备235、显示设备205和输入接口240中的一个或多个接收的信息向显示设备205提供媒体以呈现给用户。在图2中示出的实例中，控制台210包括应用存储器245、跟踪模块250、及应用引擎255。控制台210的一些实施方式具有与结合图2描述的那些不同的模块。类似地，下面进一步描述的功能可以以与这里所描述的不同的方式分布在控制台210的组件中。

当应用存储器245包括在控制台210中时，应用存储器245存储一个或多个应用以便由控制台210执行。应用是当被处理器执行时用于生成媒体以呈现给用户的一组指令。由处理器基于应用生成的内容可以响应于经由显示设备205或输入接口240的移动从用户接收的输入。应用的实例包括：游戏应用、会议应用、教育应用、视频播放应用、或其他合适的应用。

当跟踪模块250包括在控制台210中时，跟踪模块250使用一个或多个校准参数来校准系统200并且可以调整一个或多个校准参数以在确定显示设备205的位置时减少误差。例如，跟踪模块250调整成像设备235的焦点以获得显示设备205上观察到的定位器的更精确的位置。此外，由跟踪模块250执行的校准还考虑从IMU 230接收的信息。另外，如果显示设备205的跟踪丢失(例如，成像设备235丢失至少阈值数量的定位器220的视线)，跟踪模块250重新校准系统200的一些或全部。

在一些实施方式中，跟踪模块250使用来自成像设备235的第二校准数据跟踪显示设备205的运动。例如，跟踪模块250使用观察到的定位器根据第二校准数据和显示设备205的模型来确定显示设备205的参考点的位置。在一些实施方式中，跟踪模块250还使用来自第一校准数据的位置信息确定显示设备205的参考点的位置。此外，在一些实施方式中，跟踪模块250可以使用第一校准数据、第二校准数据、或其某种组合的一部分以预测显示设备205的未来位置。跟踪模块250将估计的或者预测的显示设备205的未来位置提供至应用引擎255。

应用引擎255执行系统200内的应用并且接收位置信息、加速度信息、速度信息、预测未来位置、或来自跟踪模块250的显示设备205的其某种组合。基于所接收的信息，应用引擎255确定要提供给显示设备205的内容以呈现给用户。例如，如果所接收的信息指示用户已经向左看，则应用引擎255生成用于在虚拟环境中反映用户移动的显示设备205的内容。另外，应用引擎255响应于从输入接口240接收到的动作请求在执行于控制台210的应用内执行动作，并向用户提供执行该动作的反馈。所提供的反馈可以是经由显示设备205的视觉或听觉反馈或者经由输入接口240的触觉反馈。

图3是根据一些实施方式的显示设备300的等距视图。在一些其他实施方式中，显示设备300是一些其他的电子显示器(例如，数字式显微镜、移动设备、智能电话等)的一部分。在一些实施方式中，显示设备300包括发光器件阵列310和一个或多个透镜330。在一些实施方式中，显示设备300还包括发射强度阵列和IR检测器阵列。

发光器件阵列310向观看用户发射图像光和可选的IR光。发光器件阵列310可以是例如LED的阵列、微LED的阵列、OLED的阵列、或其某种组合。发光器件阵列310包括发射可见光中的光的发光器件320(并且可选地包括在IR中发射光的器件)。

在一些实施方式中，显示设备300包括被配置为选择性地衰减从发光阵列310发射的光的发射强度阵列。在一些实施方式中，发射强度阵列包括多个液晶元件或像素、发光器件组、或其某种组合。或者在一些实施方式中，液晶元件中的每一个是液晶元件组，液晶元件组是可寻址的以具有特定水平的衰减。例如，在给定时间，一些液晶元件可被设为无衰减，而其他液晶元件可被设为最大衰减。以这种方式，发射强度阵列能够控制从发光器件阵列310发射的图像光的哪部分被传递至一个或多个透镜330。在一些实施方式中，显示设备300使用发射强度阵列以便于向用户的眼睛340的瞳孔350的位置提供图像光，并且使提供给可视区中的其他区域的图像光的量最小化。

一个或多个透镜330从发射强度阵列(或者直接从发光器件阵列310)接收经修改的图像光(例如，衰减的光)，并且将移位后的图像光引导至瞳孔350的位置。

可选的IR检测器阵列检测已从眼睛340的视网膜、眼睛340的眼角膜、眼睛340的晶体状或其某种组合反向反射的IR光。IR检测器阵列包括单个IR传感器或多个IR敏感检测器(例如，光电二极管)。在一些实施方式中，IR检测器阵列独立于发光器件阵列310。在一些实施方式中，IR检测器阵列整合至发光器件阵列310中。

在一些实施方式中，发光器件阵列310和发射强度阵列组成显示元件。可替换地，显示元件包括发光器件阵列310(例如，当发光器件阵列310包括独立的可调整像素时)而不包括发射强度阵列。在一些实施方式中，显示元件另外包括IR阵列。在一些实施方式中，响应于瞳孔350的确定位置，显示元件调整所发射的图像光使得显示元件输出的光被一个或多个透镜330向瞳孔350的确定位置而不是向可视区中的其他位置折射。

在一些实施方式中，除发光器件阵列310之外或者代替发光器件阵列，显示设备300包括与多个滤色器耦合的一个或多个宽带源(例如，一个或多个白色LED)。

图4A是示出了接近传感器系统400的示意图。在一些实施方式中，接近传感器系统400包括在诸如耳机的可佩带设备(例如，头戴式显示设备)中或者与可佩带设备耦合。接近传感器系统400包括发射器和传感器单元402及光学元件408。发射器和传感器单元402包括传感器404和光发射器406。光发射器406被配置为发射光(例如，光410，包含沿第一方向引导并且然后在第二方向上作为光410-2折射的光410-1)。通过光发射器406发射的光被配置为照亮对象的可检测区域。在头戴式显示设备的实例中，光被引导为使得当用户佩戴显示设备时光照亮用户的身体部分的一部分。在一些实施方式中，光照亮用户的前额和/或鼻子区域。在一些实施方式中，光是非可见光，因此其不会使得观看由显示器提供的内容的用户分散注意力。在一些实施方式中，光是红外(IR)光(例如，NIR光)。在一些实施方式中，光源406是激光器(例如，像素激光器)、LED、微LED、或其他类型的发光器件。传感器404被配置为检测从对象的表面反射的光发射器406发射的光以确定对象的存在。在一些实施方式中，传感器404检测从用户的前额和/或鼻子区域反射的光。在一些实施方式中，传感器404是IR传感器(例如，NIR传感器)，诸如，光电二极管或被配置为检测IR波长的其他传感器。

发射器和传感器单元402与光学元件408光学耦合使得传感器404和光发射器406面向光学元件408。在一些实施方式中，发射器和传感器单元402邻近光学元件408(例如，发射器/传感器与光学元件408耦合或者附接至光学元件)。在一些实施方式中，发射器和传感器单元402与光学元件408分离(例如，发射器和传感器单元402位于光学元件408附近)。光学元件408被配置为将光发射器406发射的光(例如，光410-1)转向至第二方向(例如，在第一方向上的光410-1通过光学元件408折射至第二方向作为光410-2)。光学元件由适于传输光410-1的材料(例如，塑料或玻璃)制成。在一些实施方式中，光学元件408由传输IR的塑料(例如，传输NIR的塑料)制成。在一些实施方式中，光学元件408由传输IR的聚碳酸酯(PC)制成。光学元件408包括均不互相平行的侧面408-1、408-2及408-3。侧面408-1相对于平行于侧面408-2的基准线限定角度A，并且侧面408-3相对于平行于侧面408-2的基准线限定角度B。角度A和角度B大于零度。在图4A中，侧面408-1、408-2及408-3均为平滑表面。在一些实施方式中，侧面包括涂层(例如，IR光的防反射涂层)。在一些实施方式中，侧面408-2和侧面408-3包括用于防止入射到侧面上的光(例如，IR光)的内部反射的防反射涂层。

由光学元件408的侧面408-1接收光410-1使得入射角小于光410-1的临界角，并且因此穿过侧面408-1传输。在一些实施方式中，入射到侧面408-1上的光410-1的入射角为零度或者约为零度。光410-1以与侧面408-2的表面法线不同的角度入射到侧面408-2上。入射到侧面408-2上的光410-1的一部分被侧面408-2折射并沿第二方向(通过光410-2示出的)朝向对象的可检测区域(例如，接近传感器系统400的佩戴者的前额或鼻子)离开光学元件408。由侧面408-1和平行于侧面408-2的基准线限定的角度A被优化，从而由侧面408-2折射的光410-2照亮对象的可检测区域的期望部分。

如通过朝向侧面408-3反射的光410-3示出的，光410-1的另一部分在入射到侧面408-2上时从内部反射。侧面408-3与侧面408-1相邻但不平行。侧面408-3被配置为防止入射到侧面408-3上的光410-3的内部反射。由于这种内部反射可能干扰从可检测的对象反射的光，因此防止光410-3的内部反射提高了确定对象存在的可靠性。在一些实施方式中，侧面408-3是平面。由侧面408-3和平行于侧面408-2的基准线限定的角度B被优化，从而光410-3以小于光410-2(例如，IR光)的临界角的某一角度入射到侧面408-3上，从而穿过侧面408-3传输。在一些实施方式中，入射到侧面408-3上的光410-2的入射角为零度或者约为零度。

图4B是示出了接近传感器系统420的示意图。除了接近传感器系统420包括包含结构430的侧面428-1之外，接近传感器系统420对应于以上关于图4A描述的接近传感器系统400。在一些实施方式中，结构430是菲涅耳结构或棱镜结构。结构430被配置为转向光发射器406发射的光420-1，从而改变光420-1和光420-2的方向。因此，与图4B中的光410-3相比，以不同角度从侧面408-2内部反射光420-3。因此，由侧面428-3和平行于侧面408-2的基准线限定的角度B’被优化，从而光420-3以零度或者约零度的入射角入射到侧面428-3上。

图4C是示出了接近传感器系统430的示意图。除了接近传感器系统440包括侧面448-1之外，接近传感器系统440对应于以上关于图4B描述的接近传感器系统420。除了侧面448-1包括多个结构430(例如，结构430-1和430-2)之外，侧面448-1对应于图4B的侧面428-1。在一些实施方式中，表面448-1被配置为进一步改变光发射器406发射的光(例如，图4A中的光410-1)的方向。在一些实施方式中，表面448-1被配置为使光发射器406发射的光聚焦或离焦。

图4D是示出了接近传感器系统450的示意图。除了接近传感器系统450包括吸收材料454-1之外，接近系统450对应于以上关于图4A描述的接近传感器系统400。吸收材料454-1被配置为吸收穿过侧面408-3离开光学元件408的光410-3以防止光410-3在包括接近传感器系统450的设备内的进一步反射。在一些实施方式中，接近传感器系统450包括在耳机(例如，头戴式显示设备)中并且吸收材料454-1被配置为防止光410-3从耳机的表面反射。由于光41-3的反射在被传感器404检测到时可能引起误报检测事件，因此吸收材料454-1提高了通过接近传感器系统450确定对象存在的可靠性。在一些实施方式中，吸收材料454-1是吸收带。在一些实施方式中，吸收材料是涂层(例如，涂覆有吸收涂料的表面)。在图4D中，吸收材料454-1定位为远离侧面408-1。在一些实施方式中，吸收材料454-1附接至设备的包含接近传感器系统450的表面(例如，表面452)(例如，包含接近传感器系统450的耳机的表面)或与该表面耦合。

图4E是示出了接近传感器系统460的示意图。除了接近传感器系统460包括定位在侧面408-3上(例如，附接至侧面408-3或与该侧面耦合)的吸收材料450-2之外，接近传感器系统460对应于以上关于图4D描述的接近传感器系统450。

以上关于图4A至图4E描述的接近传感器系统的实施方式提供了紧凑且轻量的系统，用以可靠地确定对象的存在。这种接近传感器系统也是经济的。具体地，可以简单工艺(例如，注射模制)用低成本材料(例如，聚碳酸酯)制造接近传感器系统的光学元件(例如，光学元件408)，不需要任何附加处理(例如，添加涂层)。所描述的光学元件的设计(例如，由侧面408-1、408-2及408-3限定的形状)通过添加吸收材料(例如，吸收带)吸收离开光学元件的光而进一步能用低成本方案防止内部反射。

图5是示出了用户504佩戴的耳机500的截面轮廓的示意图。耳机500包括具有内表面502-1和外表面502-2的框架502。接近传感器系统400嵌入框架502中。如图5的插页中所示，接近传感器系统400的光学元件408的侧面408-2大致平行于邻近侧面408-2的内表面502-1并与其对准。光学元件408不突出或内缩于框架502中。光学元件408向用户504折射光410-2。在图4A中示出的角度A被优化以便朝向用户504的头部的期望区域折射光410-2。在图5中，光学元件408朝向用户504的前额区域引导光410-2。在图5的插页中，吸收材料454-1定位为附接至框架502的面向光学元件408的侧面408-3的表面。

图5中的参考箭头510示出了接近传感器系统400投射的光(例如，图4A中的光410-1)的方向，而没有用光学元件408-2进行转向。这种光朝向用户504的鼻子，这可能不像前额区域那样可靠地确定用户504的存在。在有些情况下，光510的一部分可能入射到框架502的下部中的框架502的内表面502-1。在这种情况中，内表面502-1可以向后反射光并且可能引起接近传感器系统400的误报检测。例如，即使当用户没有佩戴耳机500时，从内表面502-1反射的光产生误报检测。

在一些实施方式中，耳机500是包含显示器506和一个或多个透镜508的头戴式显示设备。显示器506和一个或多个透镜508与框架502(例如，框架502的内表面502-1)耦合、嵌入该框架或者附接至该框架。光学元件408朝向用户504引导光410-2离开显示设备506和一个或多个透镜508。在一些实施方式中，耳机500是与以上关于图3描述的显示设备300相对应的头戴式显示设备。在一些实施方式中，显示设备500被配置为向用户504提供增强现实和/或虚拟现实内容。在一些实施方式中，耳机500是被配置为向用户提供音频内容的音频耳机。

图6是示出了用于检测接近传感器系统400附近的对象的存在的方法的示意图。投光器406在第一方向(例如，与投光器406的表面法线的方向相对应的第一方向)上投射光410-1。光由光学元件408的侧面408-1接收。光410-1入射到与侧面408-1不平行的侧面408-2上。侧面408-2朝向第二方向传输(例如，折射)光410-2，第二方向朝向感兴趣的对象。在图6中，光410-2朝向用户504(例如，用户504的前额)。传感器404检测从感兴趣的对象反射的并且朝向传感器404穿过光学元件408传输的光(例如，光404-1)。在一些实施方式中，基于传感器404检测的光强度(例如，光404-1的强度)确定对象是否接近接近传感器系统400。入射到侧面408-2上的光410-1的一部分朝向侧面408-3内部反射，侧面408-3被配置为通过允许光410-3离开光学元件408来防止入射到侧面408-3上的光进一步内部反射。在图6中，光410-3穿过侧面408-3离开光学元件408并且被定位为远离光学元件408的吸收材料454-1吸收。

考虑到这些原理，我们现在转向某些实施方式。

根据一些实施方式，用于检测接近传感器系统附近的对象的存在的接近传感器系统(例如，图4A中的接近传感器系统400)包括：光发射器(例如，投射光410-1的光发射器406)，被配置为在第一方向上投射光；光学元件(例如，将光410-1转向至与光410-2不同的方向的光学元件408)，被配置为将来自光发射器的光从第一方向转向至与第一方向不平行的第二方向；以及传感器(例如，传感器404)。光学元件具有被配置为从光发射器接收光的第一表面(例如，侧面408-1从光发射器406接收光410-1)和与第一表面不平行的第二表面(例如，侧面408-2不平行于侧面408-1)。第二表面被配置为在第二方向上传输第一部分的光并且内部反射与来自光发射器的第一部分的光不同的来自光发射器的第二部分的光(例如，侧面408-2折射光410-1的一部分作为光408-2并且内部反射光410-1的一部分作为光410-3)。光学元件还包括第三表面，第三表面被配置为通过第三表面(例如，侧面408-3被配置为通过侧面408-3防止光410-3的内部反射)防止第二部分的光的内部反射。在一些实施方式中，第三表面被配置为通过第三表面防止第二部分的光的至少显著的部分内部反射。传感器被配置为检测从对象返回的并且穿过光学元件的第二表面和第一表面传输的第一部分的光的至少一部分(例如，传感器404检测从用户504的前额反射的并且穿过图6中的光学元件408传输的光404-1)。

在一些实施方式中，接近传感器系统用于可佩戴设备(例如，图5中的耳机500)。

在一些实施方式中，光发射器和传感器耦合以形成光发射器和传感器的集成的组合(例如，在图4A中，光发射器406和传感器404耦合以形成发射器和传感器单元402)。

在一些实施方式中，来自光发射器的光(例如，来自光发射器406的光410-1)是红外光(例如，近红外光)。

在一些实施方式中，第二方向不同于第二表面的表面法线(例如，光410-2被转向至不同于侧面408-2的表面法线的方向)。

在一些实施方式中，第三表面是平面(例如，在图4A中，侧面408-3是平坦的)。

在一些实施方式中，第三表面邻近于第一表面，并且第三表面与第一表面和第二表面不平行(例如，在图4A中，侧面408-3邻近侧面408-1但与侧面408-1和侧面408-2不平行)。

在一些实施方式中，第三表面被配置为使得第二部分的光以小于第二部分的光的临界角的一角度入射到第三表面上(例如，在图4A中，光410-3以小于光410-3的临界角的入射角入射到侧面408-3上，从而穿过侧面408-3传输)。在一些实施方式中，第三表面上的第二部分的光的入射角为零度，或者接近零度。

在一些实施方式中，第一表面被配置为使得从光发射器发射的光以小于从光发射器发射的光的临界角的一角度入射到第一表面上(例如，在图4A中，光410-1以小于光410-1的临界角的入射角入射到侧面408-1上，从而穿过侧面408-1传输)。在一些实施方式中，从第一表面上的光发射器发射的光的入射角为零度或者约为零度。

在一些实施方式中，第一表面为平滑表面(例如，在图4A中，侧面408-1是平滑的)。在一些实施方式中，第一表面是结构化的表面。在一些实施方式中，第一表面包括一个或多个结构，诸如棱柱或菲涅耳结构(例如，图4B中的侧面428-1包括结构430)。在一些实施方式中，第一表面包括多个菲涅耳结构(例如，图4C中的侧面448-1包括多个结构430，诸如结构430-1和430-2)。

在一些实施方式中，第二表面被配置为使得来自第一表面的光以与第二表面的表面法线不同的一角度入射到第二表面上(例如，在图4A中，侧面408-1不平行于表面408-2并且光410-1以与侧面408-2的表面法线不同的角度入射到侧面408-2上)。

在一些实施方式中，系统进一步包括吸收材料(例如，图4D中的吸收材料454-1)，吸收材料被配置为通过第三表面吸收来自光发射器的离开光学元件的光的部分。在一些实施方式中，吸收材料是吸收带或用吸收涂层或涂料涂覆的表面。

在一些实施方式中，吸收材料定位在第三表面上(例如，在图4E中，吸收材料454-2定位在侧面408-3上)。例如，吸收材料附接至第三表面。

在一些实施方式中，吸收材料定位为离开第三表面(例如，在图4D中，吸收材料454-1定位为离开侧面408-3)。例如，吸收材料附接至表面(例如，图4D中的表面452)，诸如耳机面向第三表面的表面。

根据一些实施方式，用于检测接近传感器系统附近对象的存在的方法包括：用接近传感器系统的光发射器在第一方向上投射光(在图6中，光发射器406投射光410-1)。方法还包括：用接近传感器系统的光学元件接收光发射器投射的光并将光发射器投射的光转向至与第一方向不平行的第二方向(例如，光学元件408接收光410-1并且转向光410-1作为光410-2)。光学元件(例如，光学元件400)具有被配置为接收来自光发射器的光的第一表面和与第一表面不平行的第二表面，第二表面被配置为在第二方向上传输第一部分的光并且反射与来自光发射器的第一部分的光不同的来自光发射器的第二部分的光。光学元件还具有被配置为通过第三表面防止第二部分的光的内反射的第三表面。方法还包括：用接近传感器系统的传感器检测来自光发射器的从对象返回的并通过光学元件的第二表面和第一表面传输的光的第一部分的至少一部分(例如，传感器404检测从用户504的前额反射的光404-1)。

在一些实施方式中，方法包括基于传感器检测的光强度(例如，图6中的光强度404-1)确定对象是否在接近传感器系统附近。

在一些实施方式中，接近传感器系统与耳机耦合(例如，接近传感器系统400与图5中的耳机500耦合)并且方法包括根据确定对象是否在接近传感器系统的附近来确定佩戴者是否佩戴耳机。例如，根据确定用户504的前额是否在图5中的接近传感器400的附近确定用户504是否佩戴耳机500。

在一些实施方式中，引导第二方向离开耳机(例如，使光410-2转向以离开图5中的耳机500)。

根据一些实施方式，耳机包括上述接近传感器系统(例如，图5中的耳机500)。

在一些实施方式中，接近传感器系统嵌入耳机的框架中(例如，在图5中，接近传感器系统400嵌入耳机500的框架502中)，并且光学传感器的第二表面平行于耳机的框架的邻近于光学传感器的第二表面的表面(例如，在图5中，侧面408-2平行于插页中的框架502的内表面502-1)。

在一些实施方式中，耳机进一步包括一个或多个显示器和一个或多个透镜(例如，在图5中，显示设备500包括显示器506和一个或多个透镜508)。

在一些实施方式中，引导第二方向离开一个或多个显示器和一个或多个透镜(例如，在图5中，光410-2被引导离开显示器506和一个或多个透镜508)。在一些实施方式中，第一方向朝向耳机的一部分(例如，在图5中，参考箭头510指示从接近传感器系统400朝向耳机500的下部投射而光学元件508未对其进行转向的光的方向)。

尽管各个图示出了关于单只眼睛的特定部件或特定组的部件的操作，但本领域普通技术人员将理解的是可关于另一只眼睛或双眼执行的类似操作。为了简便起见，在本文中不重复这种细节。

尽管各个图中的某些图以特定顺序示出了多个逻辑阶段，但是不依赖于顺序的阶段可以重新排序并且其他阶段可以被组合或分解。虽然具体提及某种重新排序或其他分组，其他的对本领域内的普通技术人员将是显而易见的，因此本文中呈现的排序和分组不是替代方案的详细列表。此外，应当认识到阶段可以用硬件、固件、软件或其任意组合实现。

为了进行说明，已参照具体实施方式描述了以上说明。然而，以上说明性讨论并非旨在穷尽的或将权利要求的范围限制为所公开的精确形式。鉴于上文的教导很多变型和改变都是可以的。选择这些实施方式以便最好地说明权利要求及其实际应用的原理，从而使得本领域技术人员能够最佳地利用如适于所预期的特定用途的各种修改的实施方式。

Claims (20)

1.一种接近传感器系统，用于检测所述接近传感器系统附近的对象的存在，所述接近传感器系统包括：

光发射器，被配置为在第一方向上投射光；

光学元件，被配置为将来自所述光发射器的光从所述第一方向转向至与所述第一方向不平行的第二方向，所述光学元件具有：

第一表面，被配置为接收来自所述光发射器的光；

第二表面，与所述第一表面不平行，所述第二表面被配置为在所述第二方向上传输所述光的第一部分，并且内部反射与来自所述光发射器的所述光的第一部分不同的、来自所述光发射器的所述光的第二部分；以及

第三表面，被配置为防止所述光的第二部分通过所述第三表面内部反射；以及

传感器，被配置为检测从所述对象返回的并且通过所述光学元件的第二表面和第一表面传输的所述光的第一部分的至少一部分。

2.根据权利要求1所述的接近传感器系统，其中，所述光发射器和所述传感器耦合以形成所述光发射器和所述传感器的集成的组合。

3.根据权利要求1所述的接近传感器系统，其中，来自所述光发射器的光是红外光。

4.根据权利要求1所述的接近传感器系统，其中，所述第二方向与所述第二表面的表面法线不同。

5.根据权利要求1所述的接近传感器系统，其中，所述第三表面是平面。

6.根据权利要求1所述的接近传感器系统，其中，所述第三表面邻近于所述第一表面，并且所述第三表面不平行于所述第一表面和所述第二表面。

7.根据权利要求6所述的接近传感器系统，其中，所述第三表面被配置为使得所述光的第二部分以小于所述光的第二部分的临界角的一角度入射所述第三表面。

8.根据权利要求1所述的接近传感器系统，其中，所述第一表面被配置为使得从所述光发射器发射的光以小于从所述光发射器发射的光的临界角的一角度入射所述第一表面。

9.根据权利要求1所述的接近传感器系统，其中，所述第二表面被配置为使得来自所述第一表面的光以与所述第二表面的表面法线不同的一角度入射所述第二表面。

10.根据权利要求1所述的接近传感器系统，进一步包括：吸收材料，被配置为吸收穿过所述第三表面从所述光学元件出射的来自所述光发射器的一部分光。

11.根据权利要求10所述的接近传感器系统，其中，所述吸收材料定位在所述第三表面上。

12.根据权利要求10所述的接近传感器系统，其中，所述吸收材料定位为离开所述第三表面。

13.一种用于检测在接近传感器系统附近的对象的存在的方法，所述方法包括：

利用所述接近传感器系统的光发射器在第一方向上投射光；

利用所述接近传感器系统的光学元件进行接收，所述光学元件被配置为将来自所述光发射器的光转向至与所述第一方向不平行的第二方向，所述光学元件具有：

第一表面，被配置为接收来自所述光发射器的光；

第二表面，与所述第一表面不平行，所述第二表面被配置为在所述第二方向上传输所述光的第一部分，并且反射与来自所述光发射器的所述光的第一部分不同的来自所述光发射器的所述光的第二部分；以及

第三表面，被配置为防止所述光的第二部分通过所述第三表面内部反射；并且

用所述接近传感器系统的传感器检测从所述对象返回的并且通过所述光学元件的第二表面和第一表面传输的来自所述光发射器的所述光的第一部分的至少一部分。

14.根据权利要求13所述的方法，包括：基于所述传感器检测的光强度确定所述对象是否在所述接近传感器系统附近。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述接近传感器系统与耳机耦合，并且所述方法包括：根据所述对象是否在所述接近传感器系统附近的判定来确定佩戴者是否佩戴所述耳机。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第二方向定向为离开所述耳机。

17.一种耳机，包括根据权利要求1所述的接近传感器系统。

18.根据权利要求17所述的耳机，其中，所述接近传感器系统嵌入所述耳机的框架中，并且所述光学元件的第二表面平行于所述耳机的框架的邻近于所述光学元件的第二表面的表面。

19.根据权利要求17所述的耳机，进一步包括：一个或多个显示器、以及一个或多个透镜。

20.根据权利要求19所述的耳机，其中，所述第二方向定向为离开所述一个或多个显示器以及所述一个或多个透镜。

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