CN111552412A

CN111552412A - 虚拟、增强或混合现实设备

Info

Publication number: CN111552412A
Application number: CN202010085082.XA
Authority: CN
Inventors: 法布里斯·卡赛特; 斯特凡纳·范格特; 安热莉克·拉斯克勒
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2019-02-08
Filing date: 2020-02-10
Publication date: 2020-08-18
Anticipated expiration: 2040-02-10
Also published as: EP3734421C0; FR3092680B1; FR3092680A1; US11474607B2; CN111552412B; US20200257366A1; EP3734421A1; EP3734421B1

Abstract

本发明关于一种便携式虚拟、增强或混合现实设备，包括：‑底座，其旨在被戴在用户头上；‑显示屏，其被附接到底座并旨在被布置在用户一只眼睛的前面；‑多个超声换能器，其被附接到底座；以及‑控制电路，其被配置成控制显示屏显示图像，以及控制超声换能器在距底座一个距离处的空中产生由用户的手可检测的压力分布以获得触觉效果。

Description

虚拟、增强或混合现实设备

本申请要求法国专利申请号19/01269的优先权权益，在法律允许的最大程度上，其内容通过引用整体包含于此。

技术领域

本公开涉及虚拟、增强、或混合现实设备。

背景技术

已经提供了眼镜或面罩类型的便携式虚拟、增强或混合现实显示设备，其包括旨在戴在用户头上的底座和附接到该底座的显示屏，显示屏旨在被放置在用户至少一只眼睛的前方，通常距离用户眼睛几厘米远。该屏幕使得用户能够显示可视图像。屏幕可能是不透明的。由于从用户的角度来看，屏幕上显示的图像代替了用户视野中的真实场景，因此称之为虚拟现实显示设备。作为一种变体，屏幕可能是部分透明的。由于从用户的角度来看，屏幕上显示的图像是覆盖在用户视野中的真实场景上和/或与之相关的，因此被称为增强现实显示设备或混合现实设备。

已经进一步提供了称为触觉接口设备的用户接口设备，其能够为用户创建触摸虚拟物体的感觉。已经提供了一种触觉接口设备，该触觉接口设备包括可单独控制以产生超声脉冲的超声换能器阵列。控制电路利用所选的不同换能器之间的相移来控制处于发射模式的换能器，以将发射的波聚焦在距换能器阵列一个距离的所选择的空间点处。这使得能够在选择的聚焦点附近产生足够高的压力，当用户将他/她的手放于目标点的水平时，便可感受到这种压力。可以以相对高的速度依次扫描不同的聚焦点，以在空间中产生用户可感知的压力分布，从而使得产生触摸虚拟物体的感觉。

已经提供了将虚拟、增强或混合现实显示设备与触觉接口设备相结合的系统。

特别是已经提供了一种将虚拟、增强或混合现实的眼镜或面罩类型的便携式显示设备与基于上述类型的超声换能器的触觉接口设备相结合的系统。这使得能够向用户同时提供光学图像和触摸虚拟物体的感觉。然而，这种系统的局限在于已知的基于超声换能器的触觉接口设备是固定的(非便携式)设备。因此，为了从触觉中获益，用户必须将他/她的手放在预定义的固定体积中，这个体积与超声换能器阵列可达的聚焦点集相对应。

发明内容

需要一种虚拟、增强或混合现实设备，以解决已知设备的全部或部分缺陷。

特别地，需要一种便携式虚拟、增强或混合设备，结合了光学视觉和触觉。

因此，一个实施例提供了一种便携式虚拟、增强或混合现实设备，包括：-旨在戴在用户头上的底座；

-附接到底座并旨在被布置在用户一只眼睛前面的显示屏；

-附接到底座的多个超声换能器；以及

-控制电路，配置成控制显示屏显示图像，以及控制超声换能器在距底座一个距离处的空中产生由用户的手可检测的压力分布以获得触觉效果。

根据一个实施例，设备还包括用于检测用户的手的位置的系统。

根据一个实施例，控制电路配置用于读取检测系统的输出数据并相应地修改对显示屏和对超声换能器的控制。

根据一个实施例，检测系统包括摄像机或红外发射/接收系统。

根据一个实施例，检测系统包括来自所述多个超声换能器的一个或多个超声换能器。

根据一个实施例，超声换能器是压电换能器。

根据一个实施例，每个换能器包括悬浮在刚性支承上的柔性膜和粘结在柔性膜上的压电转换元件。

根据一个实施例，每个超声换能器被布置在底座上形成的腔室中。

根据一个实施例，设备在每个换能器和用户的脸之间还包括由吸收了换能器发射出的超声波的材料制成的元件。

根据一个实施例，控制电路配置用于利用选择的不同换能器之间的相移来控制换能器对超声脉冲的发射以将发射的波聚焦在选择的空间点上。

在下面结合附图对特定实施例的非限制性描述中将详细讨论前述以及其他特征和优势。

附图说明

图1是根据实施例的虚拟、增强或混合现实设备的示例的简化前视图；

图2是以功能框形式示出根据实施例的虚拟、增强或混合现实设备的示例的简化图；

图3是示出图1设备的超声换能器的实施例的部分简化横截面视图；以及

图4是示出在图1设备中集成超声换能器的示例的简化横截面视图。

具体实施方式

在不同附图中，相同的元件被指定相同的附图标记。特别地，不同实施例公共的结构和/或功能元件可以被指定相同的附图标记并且可以具有相同的结构、尺寸和材料属性。

为了清楚起见，仅示出并详细描述了对于理解所描述实施例有用的那些步骤和元件。特别地，未详细描述所描述设备的用途，所描述实施例与能够利用结合光学视觉和触觉的便携式设备的虚拟、增强或混合现实的所有已知应用兼容。进一步地，未详细描述构成所描述设备的不同元件的形成，基于本公开的指示，这些元件的形成在本领域技术人员的能力之内。

贯穿本公开，术语“连接”用于指定电路元件之间的直接电气连接，其中除了导体之外没有中间元件，而术语“耦接”用于指定电路元件之间的电气连接，其可以是直接的，或者可以经由一个或多个其他元件。

在下面的描述中，当提及修饰绝对位置的术语(诸如术语“前面”、“后面”、“顶部”、“底部”、“左边”、“右边”等等)，或修饰相对位置的术语(诸如术语“之上”、“之下”、“较高”、“较低”等等)，或者提及修饰方向的术语(诸如“水平”、“垂直”、“侧向”等等)时，其是指附图的朝向，在实践中应当理解，所描述的光电探测器可以有不同朝向。

术语“大概”、“近似”、“基本上”和“大约”在本文用于指定所讨论值的加减10％的容差，优选加减5％的容差。

图1是根据实施例的虚拟、增强或混合现实设备100的示例的简化前视图。

图1的设备100是眼镜类型的设备，旨在戴在用户头上(未示出)。设备100包括底座101，其具有旨在于分别位于所附的用户左眼前方和用户右眼前方的两个显示屏103G和103D，例如分别在距用户左眼和用户右眼0.5到10厘米的范围的距离处。设备100还包括分别在屏幕103G的侧边和屏幕103D的侧边附接到底座边缘的分支105G和105D，使得能够将设备适当地保持在用户头上。

设备100可以是虚拟现实设备。在这种情况下，显示屏103G和103D是阻挡性的或不透明，阻挡源于位于用户前方的真实场景的可视光线传输到用户眼睛。从而用户仅看到屏幕103G和103D所显示的图像。

作为一种变体，设备100可以是增强或混合现实设备。在这种情况下，显示屏103G和103D是部分透明的，向用户眼睛传输源于位于用户前方的真实场景的全部或部分可视光线。从而用户看到覆盖到位于他/她的视野中的真实场景的由屏幕103G和103D显示的图像。

根据实施例的一个方面，设备100还包括附接到底座101的多个超声换能器107。换能器107例如全部相同或类似。在所示示例中，换能器107全部围绕设备的显示屏103G和103D有规律地分布。然而，所描述的实施例不限于换能器107的此特定布局。作为一个变体，换能器107可以在显示屏103G和103D的下方或上方、在显示屏103G和103D之间、或者也可以在显示屏103G和103D的左边或右边布置成阵列。换能器107是可单独控制以产生用户听不到的超声脉冲，例如频率范围从20kHz到1MHz。

设备100还包括电子控制电路(图1中未示出)，其配置用于利用选择的不同换能器之间的相移来控制换能器107对超声脉冲的发射，以将发射的波聚焦在距底座101一个距离处、位于用户前方的选择的空间点上，例如用户的手或脚够得着，例如在距底座101从0.1到2米范围内的距离处。这使得能够在选择的聚焦点附近产生足够高的压力，当用户将他/她的手放于目标点的水平时，便可感受到这种压力。可以以相对高的速度依次扫描不同的聚焦点，以在空间中生成用户可感知的压力分布，从而产生触摸虚拟物体的感觉。

控制电路进一步配置用于控制屏幕103G和103D上的图像的显示。

这使得能够同时向用户提供例如二维或三维的光学图像和触摸虚拟物体的感觉。

设备100的优势在于其紧凑性和便携性，这是因为超声换能器107与显示屏103G和103D附接到同一便携底座101的事实。因此，无论设备在什么地方使用，视觉和触摸虚拟物体的感觉都是允许的。换言之，没有必要预先定义一个可以获得触觉效果的固定区域。这使得用户更好地沉浸在虚拟环境中。

设备100的另一优势是，显示屏103G和103D与超声换能器107附接到同一底座101，并因此被牢牢固定的事实。换言之，超声换能器107相对于显示屏103G和103D的相对位置是固定的。结果，屏幕103G和103D所显示的光学虚拟物体与超声换能器107所产生的触觉虚拟物体之间的对准相对容易实现。

另一优势是，由于超声换能器107由用户自己佩戴，因此换能器107与用于产生触觉虚拟物体的区域之间的距离可能相对较短的事实。这使得能够限制所需的超声发射功率，并因此限制与触觉效果的产生相关联的电力消耗。

设备100还可以包括检测系统(图1中未示出)，其能够检测环境中的元素。作为一个示例，检测系统配置成检测用户手的位置，以检测用户与设备生成的虚拟物体的可能交互，并相应地修改生成的虚拟物体和/或触觉效果。

检测系统可以包括摄像机、红外发射/接收检测设备、或任何其他适合的检测设备，其附接到设备的底座101或分支105G、105D。

在优选实施例中，检测系统使用一个或多个超声换能器107来检测环境中的元素。作为一个示例，在检测阶段中，某些超声换能器107可以被控制以产生能够在用户手上反射的声学信号，并且其他换能器可以在接收模式下被激活以读取反射的声学信号。因此，用户的手可以被设备定位和成像。用于检测的换能器可以与用于产生触觉效果的换能器相同。在这种情况下，检测阶段和产生触觉效果阶段可以是顺序的。作为一个变体，某些换能器107可以专用于检测环境，而其他换能器107可以专用于产生触觉效果，这种情况下检测阶段和生成触觉物体阶段可以是同时的。

图2是以功能框形式示出根据实施例的虚拟、增强或混合现实设备的示例的图。

图2的虚拟、增强或混合现实设备包括图像显示设备201(DISPLAY显示器)，例如包括图1的设备100的屏幕103G和103D。设备201可以包括一个或多个矩阵微显示器、一个或多个扫描微投影仪，或任何其他能够在放置在距用户一只眼睛几厘米远的屏幕上显示图像的设备。

图2的虚拟、增强或混合现实设备还包括触觉虚拟物体生成设备203(HAPTIC触觉)，例如包括图1的设备100的换能器107组件。

在所示示例中，图2的虚拟、增强或混合现实设备还包括用于检测环境的元素的设备205(DETECT检测)。设备205例如包括摄像机、红外发射/接收检测设备或超声换能器。

图2的虚拟、增强或混合现实设备还包括控制电路207(CTRL)，其能够接收来自检测设备205的信息并能够相应地控制图像显示设备201和触觉虚拟物体生成设备203。控制电路207可以包括微处理器。控制电路207可以附接到图1的设备100的底座101或分支105G、105D。作为一个变体，控制电路207可以形成例如智能电话类型的偏置(offset)设备的一部分，其能够例如通过无线电通信与设备201、203和205远程通信。

图2的虚拟、增强或混合现实设备还包括电源设备209(POWER功率)，其能够包括电池。设备209能够递送电力以供应给虚拟、增强或混合现实设备的不同框，尤其是设备201、203、205和207。作为一个示例，在图1的设备100中，电源设备209中的电池可以附接到图1的设备100的底座101或分支105G、105D。

图3是示出图1的设备的超声换能器107的实施例的部分简化横截面视图。

在此示例中，换能器107是PMUT(“微型压电超声换能器”)类型的薄膜换能器。它包括柔性膜301，其通过其外周悬浮到刚性支承303。支承303例如由硅制成。

作为一个示例，支承303由连续的框架或多个独立的柱子组成。在膜301的外周部分，膜301通过其下表面粘结到支承303的上表面。在所示示例中，例如由氧化硅制成的绝缘层304在膜301到支承303的粘结区域中、在支承303的上表面与301膜的下表面之间形成界面。膜301的中心部分相对于支承303在基本上垂直于膜平面的方向上自由移动。

膜301可以是单层或多层。膜的总厚度例如在2到20μm范围内。在所示示例中，膜301包括两个堆叠层301a和301b。下层301a例如由多晶硅制成。层301a的厚度例如在2到8μm范围内，例如大约4μm。上层301b例如由氧化硅制成。层301b的厚度例如在0.5到3μm范围内，例如大约1.9μm。在顶视图中，膜的大体形状可以是矩形，例如正方形，或者圆形。膜301在顶视图中的尺寸可以相对较大，例如大约几毫米。作为一个示例，在顶视图中，膜301的最大尺寸(直径、宽度或长度)在1到15毫米的范围内。

图3的换能器107还包括粘结到膜301的压电转换元件310，在所示示例中其粘结到膜301的上表面侧。在此示例中，压电转换元件310包括布置在膜301的上表面上方并与之接触的下电极311，布置在电极311的上表面上方并与之接触、由压电材料制成的层313，以及布置在压电层313的上表面上方并与之接触的上电极315。

压电层313可以由铅锆钛(PZT)、氮化铝(ALN)、氧化锌(ZnO)或任何其他合适的压电材料制成。

电极311和315中的每个可以是单层或多层。作为一个示例，下电极311包括与层313的下表面接触的铂层，并且上电极315包括与压电层313上表面接触的钌层和与该钌层上表面接触的金层的堆叠(图中未详细示出)。

在电极311和315之间施加电压而在压电层313中产生电场，引起层313的机械变形(根据所施加电压的极性进行拉伸或收缩)，并因此引起膜301的变形。这种机电换能效应可以用来产生超声波。

相反地，对压电层313施加机械变形会引起电场的变化，并从而在压电转换元件的电极311和313中储存电荷。这种机电换能效应可以用于测量换能器接收到的超声信号。

尽管在图3的示例中压电转换元件301基本上位于膜301的中心，也可以提供其他布局。作为一个变体，压电转换元件可以位于膜的外周部分。在另一变体中，换能器可以包括粘合到膜上的多个压电转换元件。作为一个示例，换能器可以包括两个压电转换元件，分别布置在膜的中心部分和外周部分。

图4是沿着图1的平面P4、图1的设备100的简化横截面视图，示出了在设备100中集成超声换能器107的示例。

在图4的示例中，换能器107位于形成在底座101中的腔室401中，全部围绕屏幕103G、103D。作为一个示例，每个换能器107形成单独的芯片。该设备例如每个换能器包括一个腔室401，并且每个腔室包括单个换能器。然而，所描述的实施例不限于此特定情形。在所示示例中，每个换能器107将其膜面向它所布置在的腔室401的开口。作为一个变体，换能器可以将它们的膜面向腔室底部，超声波继而从每个膜的后侧发射。

为了避免用户可感知的压力波朝向他/她的脸发射，可以在每个换能器107和用户的脸之间(例如在每个腔室401的底部)放置一个由吸收换能器107发射的波的材料制成的元件403。作为一个示例，每个元件403能够吸收由面向用户的脸的换能器107朝向用户的脸发射的至少一半的超声功率。

换能器107到控制电路207(图2)的连接以及到电源框209(图2)的连接可以通过布置在换能器前表面侧(也即，与用户的脸相对的表面)的导线或导电轨迹来实现。作为一种变体，到换能器107的电极311和315(图3)的连接可以借助于穿过支承303(图3)的导电通孔(图中未示出)转移到换能器的后侧。

已经描述了各种实施例和变体。本领域技术人员将会理解，这些各种实施例和变体的某些特征可以组合，并且本领域技术人员将想到其他变体。特别地，所描述的实施例不限于诸如在图1和图4中描述的眼镜类型的虚拟、增强或混合现实设备，而是可以更通用地应用于旨在于戴在用户头上的任何便携式虚拟、增强或混合现实设备，例如头戴式类型的面罩设备。尤其应当注意，所描述的实施例可以应用于包括数量不同于两个的显示屏，例如单个屏幕或多于两个屏幕。

进一步地，所描述的实施例不限于关于图3描述的超声换能器107的实施例。更一般地，可以使用任何其他类型的已知超声换能器，无论是否为压电的。

进一步地，尽管在上述示例中，超声换能器107直接附接到底座101，所描述的实施例不限于此特定情形。作为一个变体，换能器107可以附接到设备的显示屏的全部或部分外表面上。换能器107继而不直接附接到底座101。例如，在虚拟现实设备的情况下，超声换能器107可以附接到显示屏的整个外表面(也即，与用户眼睛相对的表面)。在混合或增强现实设备的情况下，也即，包括一个或多个例如由玻璃制成的透明显示屏，使得用户不仅能够看到控制电路产生的虚拟图像，而且能够穿过屏幕观看真实场景，换能器可以被直接集成在屏幕中(例如在形成在屏幕玻璃中的腔室内)。换能器可以布置在屏幕的外周部分以避免妨碍外部场景的视觉。作为一个变体，换能器可以由透明材料制成(支承303例如可以由石英或玻璃制成)，这种情况下换能器可以放置在屏幕的基本上整个表面上。

这种替换、修改和改进旨在于作为本公开的一部分，并且旨在于在本发明的精神和范围内。相应地，前述描述仅作为示例方式而不旨在于限制。本发明仅受以下权利要求及其等效物中所定义的限制。

Claims

1.一种便携式虚拟、增强或混合现实设备(100)，包括：

-底座(101)，其旨在被戴在用户的头上；

-显示屏(103G，103D)，其被附接到所述底座(101)并旨在被布置在所述用户的一只眼睛前面；

-多个超声换能器(107)，其被附接到所述底座(101)；以及

-控制电路(207)，其被配置成控制所述显示屏(103G，103D)以显示图像，以及控制所述超声换能器(107)以在距所述底座(101)一个距离处的空中产生由所述用户的手能够检测到的压力分布以获得触觉效果；以及

-在每个换能器(107)和所述用户的脸之间，由吸收所述换能器发射的超声波的材料制成的元件(403)。

2.根据权利要求1所述的设备(100)，还包括用于检测所述用户的手的位置的系统(205)。

3.根据权利要求2所述的设备(100)，其中所述控制电路(207)被配置用于读取检测系统(205)的输出数据并相应地修改对所述显示屏(103G，103D)和对所述超声换能器(107)的控制。

4.根据权利要求2或3所述的设备(100)，其中所述检测系统(205)包括摄像机或红外发射/接收系统。

5.根据权利要求2或3所述的设备(100)，其中检测系统(205)包括来自所述多个超声换能器的一个或多个超声换能器(107)。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的设备(100)，其中所述超声换能器(107)是压电换能器。

7.根据权利要求6所述的设备(100)，其中每个换能器(107)包括被悬浮在刚性支承(303)上的柔性膜(301)和被粘结到所述柔性膜(301)的压电转换元件(310)。

8.根据权利要求1到7中任一项所述的设备(100)，其中每个超声换能器(107)被布置在所述底座(101)上形成的腔室(401)中。

9.根据权利要求1到8中任一项所述的设备(100)，其中所述控制电路(207)被配置用于：利用选择的不同换能器之间的相移来控制换能器(107)对超声脉冲的发射，以将发射的波聚焦在所选择的空间点上。

10.一种便携式虚拟、增强或混合现实设备(100)，包括：

-底座(101)，其旨在被戴在用户的头上；

-多个超声换能器(107)，其被附接到所述底座(101)；以及

用于检测所述用户的手的位置的系统(205)，

其中检测系统(205)包括来自所述多个超声换能器的一个或多个超声换能器(107)。

11.根据权利要求10所述的设备(100)，其中所述控制电路(207)被配置用于读取所述检测系统(205)的输出数据并相应地修改对所述显示屏(103G，103D)和对所述超声换能器(107)的控制。

12.根据权利要求10或11所述的设备(100)，其中所述超声换能器(107)是压电换能器。

13.根据权利要求12所述的设备(100)，其中每个换能器(107)包括被悬浮在刚性支承(303)上的柔性膜(301)和被粘结到所述柔性膜(301)的压电转换元件(310)。

14.根据权利要求10到13中任一项所述的设备(100)，其中每个超声换能器(107)被布置在所述底座(101)上形成的腔室(401)中。

15.根据权利要求10到14中任一项所述的设备(100)，还包括，在每个换能器(107)和所述用户的脸之间，由吸收换能器发射的超声波的材料制成的元件(403)。

16.根据权利要求10到15中任一项所述的设备(100)，其中所述控制电路(207)被配置用于：利用选择的不同换能器之间的相移来控制换能器(107)对超声脉冲的发射，以将发射的波聚焦在所选择的空间点上。