CN115135843A - 多自由度铰接系统和包含这种铰接系统的眼镜设备 - Google Patents

Abstract

提供了多自由度铰接系统，特别适用于诸如空间计算头戴式装置之类的眼镜。在此类具有由相对的镜腿支撑的光学组件的空间计算头戴式装置的情况下，铰接系统提供保护以防止镜腿的可能由镜腿的不希望的扭转负载引起的过度伸展或极端偏转。铰接系统还允许镜腿向外张开，以实现适当贴合并提高用户舒适度。

Description

多自由度铰接系统和包含这种铰接系统的眼镜设备

相关申请的交叉引用

本申请主张2020年2月18日提交的题为“MULTIPLE DEGREE OF FREEDOM HINGESYSTEMS and EYEWEAR DEVICES COMPRISING SUCH HINGE SYSTEMS(多自由度铰接系统和包含这种铰接系统的眼镜设备)”的，序列号为62/978,076的美国临时申请的优先权。上述美国临时专利申请的全部内容为所有目的特此通过引用明确并入。

技术领域

本公开一般地涉及铰接系统，更具体地说，涉及尤其适合于支撑包括空间计算头戴式装置的眼镜设备的镜腿的多自由度铰接系统。本公开还涉及包括这种铰接系统的眼镜设备。

背景技术

包括虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)和扩展现实(XR)头戴式装置的空间计算头戴式装置已被证明对于跨越科学可视化、医学和军事训练、工程设计和原型设计、远程操作和远程呈现和个人娱乐系统等领域的许多应用具有不可估量的价值。在空间计算头戴式装置中，虚拟或增强场景经由光学组件显示给用户，该光学组件可被定位并固定在用户头部，位于用户眼前。存在许多不同的系统和技术用以将这种头戴式装置支撑在用户的头上，其中包括具有铰接连接的镜腿的各种结构。然而，这样的系统和技术可能存在各种缺陷。例如，已知的系统可能过于复杂、庞大、缺乏精确度和/或包括有限的运动范围。

发明内容

本文所述的实施例提供了特别适合于支撑包括空间计算头戴式装置的眼镜设备的镜腿的多自由度铰接系统。在具有由相对的镜腿支撑的光学组件的空间计算头戴式装置的情况下，多自由度铰接系统可以提供保护以防止镜腿可能由镜腿的不希望的扭转负载引起的过度伸展或极端偏转(例如，一个镜腿向上扭转，另一镜腿向下扭转)。例如，多自由度铰接系统可以允许眼镜设备(例如，空间计算头戴式装置)的镜腿围绕至少两个不同的旋转轴(即，俯仰轴和偏航轴)旋转，以解耦例如从铰接部件(例如，光学组件)前面的眼镜设备的结构施加到镜腿上的力，操作眼镜设备等。

根据一个实施例，一种眼镜装置可以概括为包括：光学组件；一对相对的镜腿；以及一对铰接系统，每个铰接系统将一对相对的镜腿中的相应一个镜腿耦接到光学组件。每个铰接系统可以包括：铰接基部，其被固定地耦接到光学组件；中间铰接构件，其被可旋转地耦接到铰接基部以围绕俯仰轴旋转；远端铰接构件，其被可旋转地耦接到中间铰接构件以围绕偏航轴旋转并且被固定地耦接到一对镜腿中的相应一个镜腿。

铰接基部可以包括偏置构件，该偏置构件被配置为在中间铰接构件从中立配置移位时使中间铰接构件围绕俯仰轴朝着中立配置旋转地偏置。铰接基部可以包括具有容纳偏置构件的内腔的大致平面的结构。铰接基部可以包括大致平面的基部元件，其具有在其中一体地形成的偏置构件。铰接基部还可以包括相对的盖，这些盖被固定地连接到大致平面的基部元件上，以将偏置构件基本隐藏在铰接基部的内腔内。相对的盖中的至少一者可以包括弧形引导件，以在中间铰接构件相对于铰接基部围绕俯仰轴旋转时帮助引导中间铰接构件。

铰接基部可以包括与俯仰轴对准的衬套，并且中间铰接构件可以围绕衬套被可枢转地安装以围绕俯仰轴上下俯仰。可以在衬套和中间铰接构件之间设置间隙，以使中间铰接构件能够相对于铰接基部进行一些平移位移。例如，盖间隙可以是具有至少0.25mm间隙距离的圆周间隙。

铰接系统的铰接基部和中间铰接构件可以包括一个或多个止动装置，以限制中间铰接构件相对于铰接基部围绕俯仰轴的旋转行进。

在一些情况下，一个或多个止动装置可以包括：被设置在铰接基部上的第一旋转止动件，该第一旋转止动件被配置为在中间铰接构件向上俯仰至上限时阻挡中间铰接构件的路径；以及被设置在铰接基部上的第二旋转止动件，该第二旋转止动件被配置为在中间铰接构件向下俯仰至下限时阻挡中间铰接构件的路径。第一旋转止动件和第二旋转止动件可以由被设置在铰接基部中的弧形槽的部分设置，在中间铰接构件分别向上或向下俯仰至上限和下限时，该弧形槽的部分阻挡中间铰接构件或结构的路径从弧形槽的延伸。

在一些情况下，一个或多个止动装置可以包括：被设置在中间铰接构件上的第一旋转止动件，该第一旋转止动件被配置为在中间铰接构件向上俯仰至上限时抵靠铰接基部；以及被设置在中间铰接构件上的第二旋转止动件，该第二旋转止动件被配置为在中间铰接构件向下俯仰至下限时抵靠铰接基部。第一旋转止动件和第二旋转止动件可以由中间铰接构件的外围边缘提供。在由基部铰接设置的主旋转止动件失效的情况下，第一旋转止动件和第二旋转止动件可以用作备用止动件。

铰接基部可以包括弧形引导件，并且中间铰接构件可以包括对应的引导销或以其他方式与对应的引导销相互作用，这些引导销在中间铰接件相对于铰接基部围绕俯仰轴旋转时跨接在铰接基部的弧形引导件上。可以在弧形引导件的轮廓和对应的引导销之间提供间隙，以使中间铰接构件能够相对于铰接基部进行一些平移位移。例如，该间隙可以是具有至少0.25mm间隙距离的圆周间隙。

铰接系统可以被配置为使一对镜腿能够在围绕俯仰轴的每个旋转方向上从中立配置上下俯仰至少五度，或至少十度或更多。

偏置构件(例如，悬臂弹簧)可以被定位在远端铰接构件和中间铰接构件之间以使远端铰接构件朝着中立配偏置，其中一对镜腿朝着缩回配置偏置。

铰接系统的中间铰接构件和远端铰接构件可以包括一个或多个止动装置，以限制远端铰接构件相对于中间铰接构件围绕偏航轴的旋转行进。

在一些情况下，一个或多个止动装置可以包括：被设置在中间铰接构件上的第一旋转止动件，该第一旋转止动件被配置为在远端铰接构件偏航至外限时阻挡远端铰接构件的路径；以及被设置在中间铰接构件上的第二旋转止动件，该第二旋转止动件被配置为在远端铰接构件偏航至内限时阻挡远端铰接构件的路径。第一旋转止动件和第二旋转止动件可以由中间铰接构件的板状结构的相对部分提供，在远端铰接构件分别偏航至外限和内限时，该板状结构的相对部分阻挡远端铰接构件的路径。

在一些情况下，一个或多个止动装置可以包括：被设置在远端铰接构件上的第一旋转止动件，该第一旋转止动件被配置为在远端铰接构件偏航至外限时抵靠中间铰接构件；以及被设置在远端铰接构件上的第二旋转止动件，该第二旋转止动件被配置为在远端铰接构件偏航至内限时抵靠中间铰接构件。第一旋转止动件和第二旋转止动件可以由远端铰接构件的不同部分提供，这些不同部分被配置为抵靠中间铰接构件的相对侧。

铰接系统可以被配置为使一对镜腿能够向外偏航至少十五度、或至少二十度或更多。

每个铰接系统可以基本隐藏在眼镜设备的光学组件和镜腿构件内。铰接系统可以被配置为在铰接系统的整个操纵过程中在眼镜设备的相应接头区域内保持从铰接系统的前端到铰接系统的尾端的柔性电路通道。柔性电路通道可以是铰接系统和眼镜外壳之间的空隙，其沿着铰接系统的从前端到尾端的长度延伸。

尽管前述实施例是在眼镜的背景下公开的，但是应当理解，本文公开的铰接系统的实施例或其各个方面或特征可以很好地适用于包括一个或多个铰接连接的各种其他设备。因此，铰接系统可以被概括为包括：可被固定地耦接到第一构件的铰接基部；可被旋转地耦接到铰接基部以围绕俯仰轴旋转的中间铰接构件；以及可被旋转地耦接到中间铰接构件以围绕偏航轴旋转并且可被固定地耦接到第二构件的远端铰接构件，其中，铰接系统使第二构件能够相对于第一构件俯仰和偏航。第一构件和第二构件可以是多种不同的结构，其中，需要具有多自由度的铰接连接。铰接系统可以包括前面结合前述眼镜实施例描述的一些或所有特征。

本公开的一些实施例的概述

1.一种眼镜设备，包括：光学组件；一对相对的镜腿；一对铰接系统，每个铰接系统将所述一对相对的镜腿中的相应一个镜腿耦接到所述光学组件，并且每个铰接系统包括：铰接基部，其被固定地耦接到所述光学组件；中间铰接构件，其被可旋转地耦接到所述铰接基部以围绕俯仰轴旋转；远端铰接构件，其被可旋转地耦接到所述中间铰接构件以围绕偏航轴旋转并且被固定地耦接到所述一对镜腿中的所述相应一个镜腿。

2.根据权利要求1所述的眼镜设备，其中，所述铰接基部包括偏置构件，所述偏置构件被配置为在所述中间铰接构件从中立配置移位时使所述中间铰接构件围绕所述俯仰轴朝着所述中立配置旋转地偏置。

3.根据权利要求2所述的眼镜设备，其中，所述铰接基部包括具有容纳所述偏置构件的内腔的大致平面的结构。

4.根据权利要求2所述的眼镜设备，其中，所述铰接基部包括：大致平面的基部元件，其具有在其中一体地形成的所述偏置元件。

5.根据权利要求4所述的眼镜设备，其中，所述铰接基部还包括相对的盖，所述相对的盖被固定地连接到大致平面的基部元件上，以将所述偏置构件基本隐藏在所述铰接基部的内腔内。

6.根据权利要求5所述的眼镜设备，其中，所述相对的盖中的至少一个包括弧形引导件，以在所述中间铰接构件相对于所述铰接基部围绕所述俯仰轴旋转时帮助引导所述中间铰接构件。

7.根据权利要求1所述的眼镜设备，其中，所述铰接基部包括与所述俯仰轴对准的衬套，并且所述中间铰接构件被围绕所述衬套枢转地安装以围绕所述俯仰轴上下俯仰。

8.根据权利要求7所述的眼镜设备，其中，在所述衬套和所述中间铰接构件之间设置间隙，以使所述中间铰接构件能够相对于所述铰接基部进行一些平移位移。

9.根据权利要求1所述的眼镜设备，其中，所述铰接系统的所述铰接基部和所述中间铰接构件包括一个或多个止动装置，以限制所述中间铰接构件相对于所述铰接基部围绕所述俯仰轴的旋转行进。

10.根据权利要求9所述的眼镜设备，其中，所述一个或多个止动装置包括：被设置在所述铰接基部上的第一旋转止动件，所述第一旋转止动件被配置为在所述中间铰接构件向上俯仰至上限时阻挡所述中间铰接构件的路径；以及被设置在所述铰接基部上的第二旋转止动件，所述第二旋转止动件被配置为在所述中间铰接构件向下俯仰至下限时阻挡所述中间铰接构件的路径。

11.根据权利要求10所述的眼镜设备，其中，所述第一旋转止动件和所述第二旋转止动件由被设置在所述铰接基部中的弧形槽的部分设置，在所述中间铰接构件分别上下俯仰至所述上限和所述下限时阻挡所述中间铰接构件的路径。

12.根据权利要求9所述的眼镜设备，其中，所述一个或多个止动装置包括：被设置在所述中间铰接构件上的第一旋转止动件，所述第一旋转止动件被配置为在所述中间铰接构件向上俯仰至上限时抵靠所述铰接基部；以及被设置在所述中间铰接构件上的第二旋转止动件，所述第二旋转止动件被配置为在所述中间铰接构件向下俯仰至下限时抵靠所述铰接基部。

13.根据权利要求12所述的眼镜设备，其中，所述第一旋转止动件和所述第二旋转止动件由所述中间铰接构件的外围边缘提供。

14.根据权利要求13所述的眼镜设备，其中，在由所述基部铰接设置的主旋转止动件失效的情况下，所述第一旋转止动件和所述第二旋转止动件用作备用止动件。

15.根据权利要求1所述的眼镜设备，其中，所述铰接基部包括弧形引导件，并且所述中间铰接构件包括对应的引导销或与所述引导销相互作用，在所述中间铰接构件相对于所述铰接基部围绕所述俯仰轴旋转时，所述引导销跨接在所述铰接基部的所述弧形引导件上。

16.根据权利要求15所述的眼镜设备，其中，在所述弧形引导件的轮廓和所述对应的引导销之间设置间隙，以使所述中间铰接构件能够相对于所述铰接基部进行一些平移位移。

17.根据权利要求1所述的眼镜设备，其中，所述铰接系统被配置为使所述一对镜腿能够在围绕所述俯仰轴的每个旋转方向上从中立配置上下俯仰至少五度。

18.根据权利要求1所述的眼镜设备，其中，所述铰接系统被配置为使得所述一对镜腿能够在围绕所述俯仰轴的每个旋转方向上从中立配置上下俯仰至少十度。

19.根据权利要求1所述的眼镜设备，其中，偏置构件被定位在所述远端铰接构件和所述中间铰接构件之间，以使所述远端铰接构件朝着中立配置偏置，在所述中立配置中所述一对镜腿朝着缩回配置偏置。

20.根据权利要求1所述的眼镜设备，其中，所述铰接系统的所述中间铰接构件和所述远端铰接构件包括一个或多个止动装置，以限制所述远端铰接构件相对于所述中间铰接构件围绕所述偏航轴的旋转行进。

21.根据权利要求20所述的眼镜设备，其中，所述一个或多个止动装置包括：被设置在所述中间铰接构件上的第一旋转止动件，所述第一旋转止动件被配置为在所述远端铰接构件偏航至外限时阻挡所述远端铰接构件的路径；以及被设置在所述中间铰接构件上的第二旋转止动件，所述第二旋转止动件被配置为在所述中间铰接构件偏航至内限时阻挡所述中间铰接构件的所述路径。

22.根据权利要求21所述的眼镜设备，其中，所述第一旋转止动件和第二旋转止动件由所述中间铰接构件的板状结构的相对部分设置，在所述中间铰接构件分别偏航至所述外限和所述内限时，所述板状结构的所述相对部分阻挡所述远端铰接构件的路径。

23.根据权利要求20所述的眼镜设备，其中，所述一个或多个止动装置包括：被设置在所述远端铰接构件上的第一旋转止动件，所述第一旋转止动件被配置为在所述远端铰接构件偏航至外限时抵靠所述中间铰接构件；以及被设置在所述远端铰接构件上的第二旋转止动件，所述的第二旋转止动件被配置为在所述远端铰接构件偏航至内限时抵靠所述中间铰接构件。

24.根据权利要求23所述的眼镜设备，其中，所述第一转止动件和所述第二旋转止动件由所述远端铰接构件的不同部分设置，所述不同部分被配置为抵靠所述中间铰接构件的相对侧。

25.根据权利要求1所述的眼镜设备，其中，所述铰接系统被配置为使所述一对镜腿能够向外偏航至少十五度。

26.根据权利要求1所述的眼镜设备，其中，所述铰接系统被配置为使所述一对镜腿能够向外偏航至少二十度。

27.根据权利要求1所述的眼镜设备，其中，每个铰接系统被基本隐藏在所述眼镜设备的所述光学组件和镜腿构件内。

28.根据权利要求27所述的眼镜设备，其中，所述铰接系统被配置为在所述铰接系统的整个操纵过程中在所述眼镜设备的相应接头区域内保持从所述铰接系统的前端到所述铰接系统的尾端的柔性电路通道。

29.根据权利要求28所述的眼镜设备，其中，所述柔性电路通道是所述铰接系统和所述眼镜外壳之间的空隙，所述空隙沿着所述铰接系统的从所述前端到所述尾端的长度延伸。

30.一种铰接系统，包括：铰接基部，其可被固定地耦接到第一构件；中间铰接构件，其被可旋转地耦接到所述铰接基部以围绕俯仰轴旋转；远端铰接构件，其被可旋转地耦接到所述中间铰接构件以围绕偏航轴旋转并且可被固定地耦接到第二构件，其中，所述铰接系统使所述第二构件能够相对于所述第一构件俯仰和偏航。

31.根据权利要求30所述的铰接系统，其中，所述铰接基部包括偏置构件，所述偏置构件被配置为在所述中间铰接构件从中立配置移位时使所述中间铰接构件围绕所述俯仰轴朝着所述中立配置旋转地偏置。

32.根据权利要求31所述的铰接系统，其中，所述铰接基部包括具有容纳所述偏置构件的内腔的大致平面的结构。

33.根据权利要求31所述的铰接系统，其中，所述铰接基部包括大致平面的基部元件，其具有在其中一体地形成的所述偏置构件。

34.根据权利要求33所述的铰接系统，其中，所述铰接基部还包括相对的盖，所述相对的盖被固定地连接到所述大致平面的基部元件上，以将所述偏置构件基本隐藏在所述铰接基部的内腔内。

35.根据权利要求34所述的铰接系统，其中，所述相对的盖中的至少一个包括弧形引导件，以在所述中间铰接构件相对于所述铰接基部围绕所述俯仰轴旋转时帮助引导所述中间铰接构件。

36.根据权利要求30所述的铰接系统，其中，所述铰接基部包括与所述俯仰轴对准的衬套，并且所述中间铰接构件被围绕所述衬套可枢转地安装以围绕所述俯仰轴上下俯仰。

37.根据权利要求36所述的铰接系统，其中，在所述衬套和所述中间铰接构件之间设置间隙，以使所述中间铰接构件能够相对于所述铰接基部进行一些平移位移。

38.根据权利要求30所述的铰接系统，其中，所述铰接系统的所述铰接基部和所述中间铰接构件包括一个或多个止动装置，以限制所述中间铰接构件相对于所述铰接基部围绕所述俯仰轴的旋转行进。

39.根据权利要求38所述的铰接系统，其中，所述一个或多个止动装置包括：被设置在所述铰接基部上的第一旋转止动件，所述第一旋转止动件被配置为在所述中间铰接部件俯仰至上限时阻挡所述中间铰接部件的路径；以及被设置在所述铰接基部上的第二旋转止动件，所述第二旋转止动件被配置为在所述中间铰接构件向下俯仰至下限时阻挡所述中间铰接构件的所述路径。

40.根据权利要求39所述的铰接系统，其中所述第一旋转止动件和所述第二旋转止动件由被设置在所述铰接基部中的弧形槽的部分设置，在所述中间铰接构件分别上下俯仰至所述上限和所述下限时阻挡所述中间铰接构件的路径。

41.根据权利要求38所述的铰接系统，其中，所述一个或多个止动装置包括：被设置在所述中间铰接构件上的第一旋转止动件，所述第一旋转止动件被配置为在所述中间铰接构件向上俯仰至上限时抵靠所述铰接基部；以及被设置在所述中间铰接构件上的第二旋转止动件，所述第二旋转止动件被配置为在所述中间铰接构件向下俯仰至下限时抵靠所述铰接基部。

42.根据权利要求41所述的铰接系统，其中，所述第一旋转止动件和第二旋转止动件由所述中间铰接构件的外围边缘提供。

43.根据权利要求42所述的铰接系统，其中，在由所述基部铰接设置的主旋转止动件失效的情况下，所述第一旋转止动件和所述第二旋转止动件用作备用止动件。

44.根据权利要求30所述的铰接系统，其中，所述铰接基部包括弧形引导件，并且所述中间铰接构件包括对应的引导销或与所述引导销相互作用，在所述中间铰接构件相对于所述铰接基部围绕所述俯仰轴旋转时，所述引导销跨接在所述铰接基部的所述弧形引导件上。

45.根据权利要求44所述的铰接系统，其中，在所述弧形引导件的轮廓和所述对应的引导销之间设置间隙，以使所述中间铰接构件能够相对于所述铰接基部进行一些平移位移。

46.根据权利要求30所述的铰接系统，其中，所述铰接系统被配置为使所述第二构件能够在围绕所述俯仰轴的每个旋转方向上从中立配置上下俯仰至少五度。

47.根据权利要求30所述的铰接系统，其中，所述铰接系统被配置为使得所述第二构件能够在围绕所述俯仰轴的每个旋转方向上从中立配置上下俯仰至少十度。

48.根据权利要求30所述的铰接系统，其中，偏置构件被定位在所述远端铰接构件和所述中间铰接构件之间，以使所述远端铰接构件朝着中立配置偏置。

49.根据权利要求30所述的铰接系统，其中，所述铰接系统的所述中间铰接构件和所述远端铰接构件包括一个或多个止动装置，以限制所述远端铰接构件相对于所述中间铰接构件围绕所述偏航轴的旋转行进。

50.根据权利要求49所述的铰接系统，其中，所述一个或多个止动装置包括：被设置在所述中间铰接构件上的第一旋转止动件，所述第一旋转止动件被配置为在所述远端铰接构件偏航至外限时阻挡所述远端铰接构件的路径；以及被设置在所述中间铰接构件上的第二旋转止动件，所述第二旋转止动件被配置为在所述远端铰接构件偏航至内限时阻挡所述远端铰接构件的路径。

51.根据权利要求50所述的铰接系统，其中，所述第一旋转止动件和所述第二旋转止动件由所述中间铰接构件的板状结构的相对部分设置，在所述远端铰接构件分别偏航至所述外限和所述内限时，所述板状结构的所述相对部分阻挡所述远端铰接构件的路径。

52.根据权利要求49所述的铰接系统，其中，所述一个止动装置或多个止动装置包括：被设置在所述远端铰接构件上的第一旋转止动件，所述第一旋转止动件被配置为在所述远端铰接构件偏航至外限时抵靠所述中间铰接构件；以及被设置在所述远端铰接构件上第二旋转止动件，所述第二旋转止动件被配置为在所述远端铰接构件偏航至内限时抵靠所述中间铰接构件。

53.根据权利要求52所述的铰接系统，其中，所述第一旋转止动件和所述第二旋转止动件由所述远端铰接构件的不同部分设置，所述不同部分被配置为抵靠所述中间铰接构件的相对侧。

54.根据权利要求30所述的铰接系统，其中，所述铰接系统被配置为使所述第二构件能够偏航至少十五度。

55.根据权利要求30所述的铰接系统，其中，所述铰接系统被构造成使所述第二构件能够向外偏航至少二十度。

附图说明

图1是根据一个示例性实施例的空间计算头戴式装置形式的包括通过铰接系统连接的一对镜腿的眼镜的等距视图，其中，头戴式装置的镜腿被显示为处于缩回配置。

图2是图1的空间计算头戴式装置的等距视图，其中，头戴式装置的镜腿被显示为处于向外张开或伸展的配置。

图3是被示出为与图1和图2的空间计算头戴式装置的其余部分分开的铰接系统之一的前等距视图，其中，铰接系统被显示为处于中立配置。铰接系统的一部分被显示为透明的，以显示下面的部件。

图4是处于中立配置的铰接系统的后等距视图。

图5是处于弹性变形配置的铰接系统的前等距视图。

图6是处于与图5相同的弹性变形配置的铰接系统的后等距视图。

图7A是处于中立配置的铰接系统的正视图。

图7B是处于向上俯仰配置的铰接系统的正视图。

图7C是处于向下俯仰配置的铰接系统的正视图。

图8A是处于中立配置的铰接系统的俯视图。

图8B是处于向外张开配置的铰接系统的俯视图。

图9是铰接系统的分解等距视图。

图10示出了可穿戴AR设备的各种内部处理部件的一个或多个实施例。

图11A-I示出了一个或多个实施例中的微型投影仪阵列以及将微型投影仪阵列与光学系统耦合的示例配置。

图12示出了一个或多个实施例中的可操作地耦接到光学系统的电子器件的示例架构2500。

图13A示出了一个或多个实施例中的光学系统的示意性表示的一些示例部件的俯视图。

图13B示出了一个或多个实施例中的光学系统的示意性表示的示例实施例。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了某些特定细节以便提供对各种公开的实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下，或者使用其他方法、部件、材料等来实践实施例。在其他情况下，与眼镜相关联的众所周知的结构，包括空间计算头戴式装置和用于眼镜镜腿的铰接系统没有被详细示出或描述以避免不必要地混淆实施例的描述。

除非上下文另有要求，否则在整个说明书和随后的权利要求书中，“comparise(包括)”一词及其变体，例如“comprises(包括)”和“comprising(包括)”应以开放、包容的意义解释为“包括但不仅限于。”

在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”不一定都指示相同的实施例。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。

在以下描述中，阐述了某些特定细节以便提供对各种公开的实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下，或者使用其他方法、部件、材料等来实践实施例。在其他情况下，与虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)和扩展现实(XR)系统相关联的众所周知的结构未详细示出或描述以避免不必要地模糊实施例的描述。应当注意，术语虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)和扩展现实(XR)在本公开中可以互换使用，以表示用于至少经由本文所述的可穿戴光学组件12向用户至少显示虚拟内容的方法或系统。

除非上下文另有要求，否则在随后的说明书和权利要求书中，“comparise(包括)”一词及其变体，例如“comprises(包括)”和“comprising(包括)”应以开放、包容的意义解释为“包括但不仅限于。”

图1至图9示出了特别适用于眼镜的铰接系统100的示例实施例。例如，参考图1和2，铰接系统100特别适用于空间计算头戴式装置10。空间计算头戴式装置10包括由一对镜腿14、16支撑的光学组件12，镜腿14、16通过一对铰接系统100连接在一起。与空间计算头戴式装置(例如，光学部件和内部电子电路)相关联的众所周知的结构和设备没有被详细示出或描述，以避免不必要地模糊对本文公开的实施例的描述。图1和图2所示的示例眼镜是非限制性的，并且实施例可以用于其他合适的眼镜、其他可穿戴设备或其他采用铰接连接的装置。

需要指出，示例空间计算头戴式装置10的镜腿14、16在接头18、20处被可移动地耦接到光学组件12。每个接头18、20包括相应的铰接系统100，该铰接系统100能够使镜腿14、16在多个方向上围绕多个自由度相对于光学组件12运动。如将在下文更详细描述的，示例空间计算头戴式装置10包括位于接头18、20处的铰接系统100，铰接系统100使镜腿14、16能够从图1所示的缩回配置R到图2所示的展开配置E向外(即远离用户的矢状面)张开大约20度。铰接系统100还包括至少一个偏置构件109(图3至图6)，其以扭转力或扭矩将镜腿14、16朝向图2所示的缩回配置R推回。示例实施例的铰接系统100进一步使每个镜腿14、16能够从图1所示的中立配置上下俯仰大约十度，诸如响应于施加的标记为F₁和F₂的力。铰接系统100还包括至少一个偏置构件108(图3)，其将镜腿14、16朝向图1所示的中立配置推回。

继续参考图1和2，根据示例性实施例，每个铰接系统100被耦接到并跨越在镜腿14、16的中相应一个的前端和光学组件12之间。如将在本文别处更详细描述的，铰接系统100使镜腿14、16能够从中立配置或位置(例如，在该位置，镜腿没有展现出因为例如手动操作镜腿，将空间计算头戴式装置10戴在用户头部等操作所产生的外部负载而导致的从其设计位置的任何移动)围绕俯仰轴P上下俯仰，以及从图1所示的缩回配置R向外偏航至如2所示的展开配置E。因此，铰接系统100为镜腿14、16提供了多个自由度，即围绕俯仰轴P上下俯仰和围绕偏航轴Y侧向偏航的能力。

方便地，在操作中，用户可以在铰接系统100的限制下将空间计算头戴式装置10的镜腿14、16展开图2所示的展开配置E。然后，用户可以定位空间计算头戴式装置10以与位于用户眼前的光学组件12和延伸经过用户的太阳穴的镜腿14、16一起使用，然后允许镜腿14、16在铰接系统100提供的偏置力下朝着图1所示的缩回配置R缩回，直到镜腿14、16接触用户头部并向头部施加保持力以帮助将空间计算头戴式装置10固定到位。以这种方式，铰接系统100被配置为至少部分地帮助使镜腿14、16围绕它们各自的轴朝向彼此偏置或扭转。在一些情况下，铰接系统100提供了使镜腿14、16朝向彼此偏置的唯一方式。

有利地，铰接系统100还被配置为通过提供相当大的阻力和/或硬止动件(例如，作为主止动件的硬止动件)来抵抗镜腿14、16的过度伸展和极端偏转，以防止镜腿14、16的不希望的移动。例如，铰接系统100可以减少和/或抵消当向上扭转一个镜腿14并且向下扭转一个镜腿16时经由接头18、20以其他方式传递到光学组件12的扭转负载，如图1中被标记为F₁和F₂的力所表示的扭转负载。这可能是有利的，因为铰接系统100因此可以帮助防止可能以其他方式由这种扭转负载导致的对光学组件12的易损部件的损坏。

现在将参考图3至9描述每个铰接系统100的更多细节，其中：图3通过前等距透视图示出了处于中立配置或位置N的铰接系统100；图4通过后等距透视图示出了处于中立配置N的铰接系统100；图5通过前等距透视图示出了处于弹性变形配置的铰接系统100；图6通过后等距透视图示出了处于相同的弹性变形配置的铰接系统100；图7A示出了处于中立配置N的铰接系统100的正视图；图7B示出了处于向上俯仰配置U的铰接系统100的正视图；图7C示出了处于向下俯仰配置D的铰接系统100的正视图；图8A示出了处于中立配置N的铰接系统100的俯视图；图8B示出了处于向外张开配置O的铰接系统100的俯视图；图9示出了铰接系统100的分解等距视图。

参考图3至6，铰接系统100的示例实施例包括铰接基部102，该铰接基部102可被固定地耦接到第一构件，例如空间计算头戴式装置10的光学组件12。铰接基部102例如可以通过一个或多个紧固件(例如螺钉、铆钉)被固定地耦接到第一构件。例如，所示的铰接系统100为此目的包括四个螺纹螺钉110的布置。

铰接系统100的示例实施例还包括：中间铰接构件104，其可被旋转地耦接到铰接基部102以围绕延伸通过铰接基部102的俯仰轴P旋转；以及远端铰接构件106，其被可旋转地耦接到中间铰接构件104以围绕偏航轴Y旋转。远端铰接构件106又可被固定地耦接到第二构件，例如空间计算头戴式装置10的镜腿14、16。在一些实施例中，镜腿对应于镜腿通常沿其放置的长度方向，但应注意，在一些实施例中，镜腿可以沿长度方向具有笔直的线性轮廓，或者在一些其他实施例中，具有一个或多个弯曲部，而不是笔直的线性轮廓。在一些实施例中，镜腿(14或16)被固定地附接到远端铰接构件106，远端铰接构件106又被可旋转地耦接到中间铰接构件104，使得镜腿(14或16)不仅可以围绕偏航轴Y朝着空间计算头戴式装置10的中心(例如，用于存储)折叠，而且还可以围绕偏航轴Y偏航以及围绕俯仰轴P俯仰，其中，偏航轴Y与镜腿的长度方向大致正交(例如，长度方向和偏航轴Y被设计为彼此正交，并且由于制造公差而被制造成偏离正交的相对定位)，并且俯仰轴P与偏航轴Y大致正交(例如，长度方向和偏航轴Y被设计为彼此正交，并且由于制造公差而制造成成偏离正交的相对定位)。远端铰接构件106例如可以通过一个或多个紧固件(例如螺钉、铆钉)被固定地耦接到第二构件。例如，所示的铰接系统100为此目的包括两个螺纹螺钉112的布置。当安装使用时，铰接系统100的示例实施例提供铰接连接，使得第二构件能够相对于第一构件俯仰和偏航。俯仰轴P和偏航轴Y可以彼此正交，例如，如在所示的实施例中示出的。在其他情况下，俯仰轴P和偏航轴Y可以是非正交的。在任何情况下，应当理解，铰接系统包括至少两个旋转自由度，即围绕俯仰轴P的旋转和围绕偏航轴Y的旋转。

如图3所示，铰接基部102包括偏置构件108，偏置构件108被配置为在中间铰接构件104从所述中间配置N移位时，使中间铰接构件104围绕俯仰轴P朝着中间配置N(例如，偏置构件处于不施加扭矩或负载的自由状态的位置)旋转地偏置。如图3的示例实施例所示，铰接基部102可以包括具有容纳偏置构件108的内腔的大致平面的结构。例如，铰接基部102可以包括大致平面的基部元件120，其具有其中一体地形成的偏置构件108。此外，相对的盖122、124例如可以通过粘合剂层123、125(图9)被固定地连接到大致平面的基部元件120上，以将偏置构件108基本隐藏在铰接基部102的内腔内。如图3所示，偏置构件108可以包括多个曲折弹簧构件，在偏置构件108的中心轮毂围绕俯仰轴P旋转时，这些弹簧构件提供旋转恢复力。偏置构件108的具体配置是非限制性的，并且示出了一种示例构造，该构造非常适合于以相对细长或薄的形状因子提供旋转恢复力。

铰接基部102的相对的盖122、124可以各自包括弧形引导件130(例如，弧形槽)，以在中间铰接构件104相对于铰接基部102围绕俯仰轴P旋转时帮助引导中间铰接构件104。更具体地，一个或多个引导销132可以在中间铰接构件104和铰接基部102的偏置构件108之间延伸，并且在中间铰接构件104围绕俯仰轴P上下俯仰时跨接在弧形引导件130上。可以在弧形引导件130的轮廓和对应的引导销132之间设置间隙，以使中间铰接构件104能够相对于铰接基部102进行一些平移位移。以这种方式，除了上述的旋转自由度之外，中间铰接构件104可以在垂直于枢轴P的所有平移方向上悬浮在偏置构件108上并具有一些间隙，从而提供一种特别通用的铰接结构。

铰接基部102还可以包括与俯仰轴P对准的衬套136，并且中间铰接构件104可以围绕衬套136被可枢转地安装以围绕俯仰轴P上下俯仰。在一些实例中，可以在衬套136和中间铰接构件104之间提供间隙(例如，间隔)，以使中间铰接构件104能够相对于铰接基部102进行一些平移位移。以这种方式，除了上述旋转自由度之外，铰接系统100可以在垂直于枢轴P的所有平移方向上提供一些间隙，从而提供一种特别通用的铰接结构。中间铰接构件104可以通过合适的紧固件(例如螺纹螺钉111，其通过螺纹与衬套136接合)耦接到铰接基部102。可以在中间铰接构件104和铰接基部102之间提供垫片117以促进中间铰接构件104相对于铰接基部102的旋转。

铰接基部102和中间铰接构件104优选地包括一个或多个止动装置或机构，以限制中间铰接构件104相对于铰接基部102围绕俯仰轴P的旋转行进。一个或多个止动装置例如可以包括：被设置在铰接基部102上的第一旋转止动件130a(图6)，该第一旋转止动件被配置为在中间铰接构件104向上俯仰至上限U(如图7B所示)时阻挡中间铰接构件104的路径；以及被设置在铰接基部102上的第二旋转止动件130b(图6)，该第二旋转止动件被配置为在中间铰接构件104向下俯仰至下限D(如图7C所示)时阻挡中间铰接构件104的路径。例如，第一旋转止动件130a和第二旋转止动件130b可以由被设置在铰接基部102中的上述弧形引导件130的一部分(例如，弧形槽)设置，在中间铰接构件104分别上下俯仰至上限U和下限D时，该弧形引导件的一部分阻挡中间铰接构件104的路径(经由在中间铰接构件104和弧形引导件130之间延伸的引导销132)。

在一些情况下，一个或多个止动装置可以包括：被设置在中间铰接构件104上的第一旋转止动件，该第一旋转止动件被配置为在中间铰接构件104向上俯仰至上限U(如图7B所示)时抵靠铰接基部102；以及被设置在中间铰接构件104上的第二旋转止动件，该第二旋转止动件被配置为在中间铰接构件104向下俯仰至下限D(如图7C所示)时抵靠铰接基部102。例如，第一旋转止动件和第二旋转止动件可以由中间铰接构件104的外围边缘140、142提供，在中间铰接构件104分别上下俯仰至上限U和下限D时，该外围边缘可以抵靠相应的紧固件110或铰接基部102的其他组成部分。在由基部铰接102设置的主旋转止动件失效的情况下，此类旋转止动件用作备用止动件。

参考图7A-图7C所示，示例性实施例的铰接系统100被配置为使中间铰接构件104能够在围绕俯仰轴P的每个旋转方向上从在向上范围α和向下范围β中从中立配置N上下俯仰至少约五度，更具体地，至少大约十度。图7A示出了处于中立配置N的中间铰接构件104，其中，中间铰接构件104基本上水平对准；图7B示出了中间铰接构件104以俯仰至处于从水平面起大约正十度的角度的上限U；图7C示出了中间铰接构件104以俯仰至处于从水平面起大约负十度的角度的下限D。尽管示例实施例的铰接系统100被示出为具有大致相等的向上范围α和向下范围β，但是应当理解，铰接系统100可以被配置为在一个方向上比在另一方向上俯仰更多。此外，尽管示例实施例的范围在围绕俯仰轴P的每个旋转方向上大约为十度，但是应当理解，铰接系统100可以被配置为具有更大的运动范围或更小的运动范围。还应当理解，中立配置N可由处于非水平角度取向的中间铰接构件104限制。

如前所述，铰接系统100的示例实施例包括远端铰接构件106，该远端铰接构件106可被旋转地连接到中间铰接构件104以围绕偏航轴Y旋转。为此，中间铰接构件104和远端铰接构件106中的每一者包括用于形成旋转接头的相应特征。这样的特征例如可以包括相应的法兰105、107，这些法兰配合在一起以形成旋转接头并限制延伸穿过其中的偏航轴Y。一个或多个接头可以被设置有衬套113并且可以通过一个或多个合适的紧固件(例如，铆钉115，仅示出一个)保持在一起。

再次参考图3至图6，偏置构件109被设置在远端铰接构件106和中间铰接构件104之间，以便如图5和图6所示，在远端铰接构件106从中立配置N围绕偏航轴Y旋转时，使远端铰接构件104朝着中立配置N偏置，如图3和图4所示。根据图5和图6可以理解，偏置构件109以悬臂弹簧臂的形式设置，并且在远端铰接构件106围绕偏航轴Y旋转以将远端铰接构件106朝向中立配置N(如图3和4所示)推回时弹性变形。

铰接系统100的中间铰接构件104和远端铰接构件106优选地包括一个或多个止动装置，以限制远端铰接构件106相对于中间铰接构件104围绕偏航轴Y的旋转行进。一个或多个止动装置例如可以包括：被设置在中间铰接构件上的第一旋转止动件，该第一旋转止动件被配置为在远端铰接构件106偏航至外限O(如图8B所示)时阻挡远端铰接构件106的路径；以及被设置在中间铰接构件104上的第二旋转止动件，该第二旋转止动件被配置为在远端铰接构件偏航至内限I(如图8A所示)时(根据示例实施例也是中立配置N)阻挡远端铰接构件106的路径。例如，可以通过中间铰接构件10的板状结构的相对部分150、152来设置第一旋转止动件和第二旋转止动件，在远端铰接构件106分别偏航至外限O和内限I时，该板状结构的相对部分阻挡远端铰接构件106的路径。

在一些情况下，一个或多个止动装置可以包括：被设置在远端铰接构件106上的第一旋转止动件，该第一旋转止动件被配置为在远端铰接构件偏航至外限O(如图8B所示)时抵靠中间铰接构件104；以及被设置在远端铰接构件106上的第二旋转止动件，该第二旋转止动件被配置为在远端铰接构件106偏航至内限I(如图8A所示)时抵靠中间铰接构件104。例如，第一旋转止动件和第二旋转止动件可以由远端铰接构件106的不同部分156、158设置，这些不同部分被配置为抵靠中间铰接构件104的相对侧。

参考图8A和图8B，示例实施例的铰接系统100被配置为使远端铰接构件(以及连接到其的任何部件，例如镜腿14、16)能够围绕偏航轴Y偏航至少十五度，更具体地，偏航至少二十度。图8A示出了处于中立配置N的远端铰接构件106，其中远端铰接构件106基本平行于基部铰接102并且与中间铰接构件104对准；图8B示出了远端铰接构件106围绕偏航轴Y向外旋转到从中立配置N起大约二十度的外限O。虽然示例实施例的铰接系统100被示出具有大约二十度的向外范围γ并且没有向内范围，但是应当理解，铰接系统100可以被配置为在围绕偏航轴Y的每个旋转方向上或多或少地偏航。还应当理解，中立配置N可以由远端铰接构件106限制，该远端铰接构件处于与基部铰接102和中间铰接构件104有角度取向并非基本平行于基部铰接102和中间铰接构件104。

如前所述，本文所述的实施例提供了多自由度铰接系统100，该系统特别适合于支撑包括空间计算头戴式装置10的眼镜设备的镜腿14、16。在空间计算头戴式装置10具有由相对的镜腿14、16支撑的光学组件12的情况下，多自由度铰接系统100可以提供保护以防止可能由镜腿的不希望的扭转负载引起的镜腿14、16的过度伸展或极端偏转14、16(例如，一个镜腿向上扭转，一个镜腿向下扭转)。例如，多自由度铰接系统100可以允许眼镜设备(例如，空间计算头戴式装置10)的镜腿14、16围绕至少两个不同的旋转轴(即，俯仰轴P和偏航轴Y)旋转，以解耦从铰接部件(例如，光学组件12)前方的眼镜设备的结构施加到镜腿14、16上的力。

此外，铰接系统100的实施例以相对紧凑和高效的形式因子提供。例如，在具有由相对的镜腿14、16支撑的光学组件12的空间计算头戴式装置10的情况下，多自由度铰接系统100足够紧凑以被基本地隐藏在光学组件12和镜腿构件14、16内(可以根据图1和图2理解)。此外，铰接系统100可以被配置为在铰接系统100的整个操纵过程中在空间计算头戴式装置10的相应接头18、20内保持从铰接系统100的前端到铰接系统100的尾端的柔性电路通道13a。

柔性电路通道可以包括铰接系统100和空间计算头戴式装置10的外壳之间的一个或多个互连空隙，该空隙沿着铰接系统100的长度从铰接系统的前端延伸到后端允许一根或多根电线、互连等通过。这在允许电通路穿过接头18、20以使光学组件12能够与存储在镜腿14、16中的电子器件一起通信或以其他方式操作方面可能是有利的。一个或多个空隙中的一些或全部可以具有足够的体积为一根或多根电线、互连等提供足够的空间，从而使得镜腿的操纵(例如，俯仰和/或偏航)不会对一根或多根电线、互连等造成不利影响(例如，由于对一根或多根电线、互连的弯曲而引起的疲劳)。

在一些实施例中，两个相对的镜腿臂(14或16)中只有一个被配置为容纳柔性电路通道(13a)。柔性电路通道(13a)可以离开镜腿(14或16)，以将光学组件12与外部电路(例如，图10中的1070中的电路、诸如电池或充电端口之类的外部充电源)连接起来。在这些实施例中的一些中，柔性电路通道13a可以通过一个或多个电连接器13b(图2中仅示出一个)离开镜腿，该电连接器13b可以接收一个或多个电连接(例如，经由图10中的1068的电连接)。例如，柔性电通道13a可以包括电连接器13b，这些电连接器接收电缆13c以将光学组件12连接到外部腰包(例如，图10中的1070)，该外部腰包可以束带耦合式配置被可移除地附接到用户1060，如图10的实施例所示。

本地处理和数据模块1070可以包括节能处理器或控制器、以及诸如闪存之类的数字存储器，这两者都可以用于帮助数据的处理、缓存和存储。可以从被可操作地耦合到框架1064的传感器捕获数据，这些传感器诸如包括图像捕获设备(例如相机)、麦克风、惯性测量单元、加速度计、罗盘、GPS单元、无线电设备和/或陀螺仪、或任何其他数据捕获设备。附加地或替代地，可以使用远程处理模块1072和/或远程数据存储库1074来获取和/或处理数据，这些数据可能在这样的处理或检索之后传送到显示器1062。

本地处理和数据模块1070可以例如经由有线或无线通信链路被可操作地耦合(1076和/或1078)到远程处理模块1072和远程数据存储库1074，使得这些远程模块(1072或1074)被可操作地彼此耦合并且可用作本地处理和数据模块1070的资源。处理模块1070可以控制光学系统和光学系统(12)的其他系统，并执行一个或多个计算任务，包括从存储器或一个或多个数据库(例如，基于云的服务器)检索数据，以便向用户提供虚拟内容。

在一个实施例中，远程处理模块1072可以包括一个或多个相对强大的处理器或控制器，这些处理器或控制器被配置为分析和处理数据和/或图像信息。在一个实施例中，远程数据存储库1074可以包括相对大规模的数字数据存储设施，其可以通过互联网或“云”资源配置中的其他网络配置获得。在一个实施例中，在本地处理和数据模块中存储所有数据并且执行所有计算，从而允许从任何远程模块完全自主地使用。

在一些其他实施例中，柔性电路通道13a可以包括电缆释放装置，该电缆释放装置在光学系统(12)内部容纳一根或多根电线或互连以离开镜腿(14或16)。在这些实施例中，光学系统(12)内的一根或多根电线或互连可以穿过电缆释放装置并提供一个或多个相应的连接器，该连接器可以被连接到例如腰包(图10中的1070)，用于对光学系统12的内部可充电电池(如果有的话)充电的外部充电设备。

尽管本文中公开的实施例主要在具有铰接系统100的空间计算头戴式装置10的背景下进行了描述，但应当理解，铰接系统100或铰接系统100的特征和方面可以结合在其他眼镜、其他可穿戴设备或其他具有铰接连接的装置中。然而，还应当理解，本文公开的铰接系统100的实施例特别适合与包括镜腿的眼镜一起使用，以限制这种镜腿的不希望的位移或变形。

在其中光学系统(12)向穿戴该光学系统的用户提供VR、AR、MR和/或ER内容的一些实施例中，光学系统可以包括光学、电气和机械装置，以便于向穿戴光学系统(12)的用户的至少一只眼睛呈现VR、AR、MR和/或ER内容。例如，光学系统(12)可以包括具有相关电子和光学部件的微型投影仪阵列，以将虚拟内容投影到用户的至少一只眼睛或用户的两只眼睛，同时为用户提供调节和/或会聚。调节是眼睛的反射动作，响应于聚焦在近处目标上，然后注视远处目标(反之亦然)，包括聚散度、晶状体形状和瞳孔大小的协调变化。会聚是一种聚散度内收运动，可增加视角以在近距离观看期间允许单双目视觉。会聚可以是主动的，但无需近刺激以引起收敛。它也是反射性的，并且是近响应中的协同运动。

图11A-I示出了一个或多个实施例中的微型投影仪阵列的一些非限制性示例配置以及显示将微型投影仪阵列与光学系统耦合的示意图。参考图11G，在离散波前显示配置中，多个入射子束(11332)中的每一个通过相对于眼睛1158的小出瞳(11330)。参考图11H，子束组(11332)的子集(11334)可以用匹配的颜色和强度水平来驱动，以被感知为好像它们是相同的较大尺寸射线的一部分(粗体子集(11334)可以被视为“聚合光束”)。在这种情况下，子束的子集彼此平行，表示来自光学无限远的准直聚合光束(诸如来自远山的光)。眼睛被调节到无限远，使得子束子集被眼睛的角膜和晶状体偏转，基本上都落在视网膜的相同位置上，并且被感知为包括单个聚焦像素。

图11I示出了另一子束子集，表示从用户的眼睛58的视场的右侧进入的聚合准直光束(11336)，在眼睛1158从上方以冠状式平面视图观看的情况下。另外，眼睛被示出为调节到无限远，因此子束落在视网膜的同一点上，并且像素被感知为聚焦。相反，如果选择不同的子束子集作为发散的光线扇形到达眼睛，则这些子束将不会落在视网膜的同一位置(并被感知为聚焦)，直到眼睛位移调节到与该射线扇形的几何原点相匹配的近点。

关于子束与眼睛的解剖瞳孔的交叉点的图案(例如，出瞳的图案)，可以将交叉点组织成诸如横截面有效的六角晶格或方格或其他二维阵列之类的构造。此外，可以创建出瞳的三维阵列，以及出瞳的时变阵列。

离散聚合波前可以使用几种配置来创建，诸如与观察光学器件的出瞳光学共轭放置的微型显示器或微型投影仪阵列、耦合到直接视场基板(诸如眼镜镜片)的微型显示器或微型投影仪阵列，以便它们直接将光投射到眼睛，无需额外的中间观察光学器件、连续空间光调制阵列技术或波导技术。

参考图11A，在一个实施例中，可以通过捆绑一组小型投影仪或显示单元(诸如扫描光纤显示器)来创建立体(例如，三维)或四维或五维光场。图11A示出了六边形晶格投影束11338，其例如可以创建7mm直径的六角阵列，其中每个光纤显示器输出一个子图像(11340)。如果这样的阵列具有放置在其前面的光学系统，诸如透镜，使得该阵列与眼睛的入瞳光学共轭，这将在眼睛的瞳孔处产生该阵列的图像，如图11B所示.基本上提供了与图11G的实施例相同的光学布置。

配置的每个小出瞳由束11338中的专用小显示器创建，诸如扫描光纤显示器。在光学上，在一些实施例中，就好像整个六角阵列11338被正好定位在解剖瞳孔1145中。这样的实施例可用于将不同的子图像驱动到眼睛的较大解剖入瞳1145内的不同的小出瞳，包括具有多个入射角和与眼睛瞳孔的交叉点的子束的超集。每个单独的投影仪或显示器可以用稍微不同的图像驱动，从而可以创建子图像，这些子图像提取不同的光线集，以不同的光强度和颜色驱动。

在一个实施例中，可以创建严格的图像共轭，如在图11B的实施例中，其中，存在阵列11338与瞳孔1145的直接一一映射。在另一变型中，可以改变阵列中的显示器和光学系统(图11B中的透镜11342)之间的间距，使得代替将阵列的共轭映射接收到眼睛瞳孔，而是眼睛瞳孔在某个其他距离处捕获来自阵列的光线。使用这样的配置，人们仍然可以获得光束的角度分集，通过这些光束人们可以创建离散的聚合波前表示，但是关于如何驱动哪条射线以及以何种功率和强度驱动的数学运算会变得更加复杂(尽管另一方面，从观察光学器件的角度来看，这种配置可能被认为更简单)。与光场图像捕获有关的数学运算可用于这些计算。

参考图11C，示出了另一光场创建实施例，其中，微型显示器或微型投影仪的阵列11346可以被耦接到框架(11344)，诸如眼镜框架。这种配置可以被定位在眼睛1158的前面。所描绘的配置是非共轭布置，其中，在阵列显示器11346(例如，扫描光纤显示器)和眼睛1158之间没有插入大型光学元件。可以想象一副眼镜，以及多个显示器，诸如扫描光纤引擎，与这些眼镜耦接，显示器与眼镜表面正交地定位，并且都向内倾斜，因此指向用户的瞳孔。每个显示器可以被配置为创建一组射线，该组射线表示子束超集的不同元素。

使用这种配置，在解剖瞳孔1145处，用户可以接收到与参考图11G讨论的实施例中接收到的结果相似的结果，在图11G中，用户瞳孔处的每个点接收来自不同显示器的具有多个入射角和交叉点的光线。图11D示出了类似于图11C的非共轭构造，只是图11D的实施例具有反射表面(11348)特征以便于将显示器阵列11346从眼睛58的视场中移开，同时还允许通过反射表面(11348)观察真实世界11144。

提出了用于创建离散聚合波前显示的角度分集的另一配置。为了优化这样的配置，显示器的尺寸可以被最大程度上减小。可用作显示器的扫描光纤显示器可以具有1mm范围内的基线直径，但外壳和投影透镜硬件的精简可将此类显示器的直径减小至大约0.5mm或更小，这样减少对用户的干扰。在光纤扫描显示器阵列的情况下，可以通过将准直透镜(例如，其可以包括梯度折射率或“GRIN”透镜、常规曲面透镜或衍射透镜)直接耦合到扫描光纤本身的尖端来实现另一尺寸缩小的几何细化。例如，参考图11E，GRIN(梯度折射率)透镜(11354)被示为熔合到单模光纤的末端。诸如压电致动器之类的致动器11350可以被耦合到光纤11352并且可用于扫描光纤尖端。

在另一实施例中，可以使用光纤的弯曲抛光处理将光纤的末端成形为半球形以产生透镜效应。在另一实施例中，可以使用粘合剂将标准折射透镜耦合到每个光纤的末端。在另一实施例中，透镜可以由少量透射聚合材料或玻璃制成，诸如环氧树脂。在另一实施例中，光纤的末端可以被熔化以产生用于透镜效应的曲面。

图11F示出了一个实施例，其中，显示器配置(例如，具有GRIN透镜的扫描光纤显示器，图11E的放大图所示)可以通过单个透明基板11356耦合在一起，该基板优选地具有与光纤11352的包层紧密匹配的折射率，使得光纤本身对于通过所描绘的组件观察外部世界而言基本是不可见的。应当理解，如果包层的折射率匹配被精确地完成，则较大的包层/外壳变得透明，并且只有优选地为大约三(3)微米直径的小芯将阻碍观察。在一个实施例中，显示器矩阵11358可以全部向内倾斜，因此指向用户的解剖瞳孔(在另一实施例中，它们可以保持彼此平行，但是这样的配置效率较低)。

图12示出了在一个或多个实施例中可操作地耦合到光学系统的电子器件的示例架构2500。光学系统(12)本身或耦合到光学系统的外部设备(例如，图10中的腰包1070)可以包括一个或多个印刷电路板部件，例如左(2502)和右(2504)印刷电路板组件(PCBA)。如图所示，左PCBA2502包括大部分有源电子器件，而右PCBA 604主要支撑显示器或投影仪元件。

右PCBA 2504可以包括多个投影仪驱动结构，这些投影仪驱动结构向图像生成部件提供图像信息和控制信号。例如，右PCBA 2504可以承载第一投影仪驱动结构或左投影仪驱动结构2506和第二投影仪驱动结构或右投影仪驱动结构2508。第一投影仪驱动结构或左投影仪驱动结构2506连接第一投影仪光纤或左投影仪光纤2510和一组信号线(例如，压电驱动线)。第二投影仪驱动结构或右投影仪驱动结构2508连接第二投影仪光纤或右投影仪光纤2512和一组信号线(例如，压电驱动线)。第一投影仪驱动结构或左投影仪驱动结构2506被通信地耦合到第一图像投影仪或左图像投影仪，而第二投影仪驱动结构或右投影仪驱动结构2508被通信地耦合到第二图像投影仪或右图像投影仪。

在操作中，图像投影仪经由相应的光学部件(例如波导和/或补偿透镜)将虚拟内容渲染给用户的左眼和右眼(例如视网膜)，以改变与虚拟图像相关联的光。

图像投影仪例如可以包括左投影仪组件和右投影仪组件。投影仪组件可以使用多种不同的图像形成或生产技术，例如，光纤扫描投影仪、液晶显示器(LCD)、LCOS显示器、数字光处理(DLP)显示器。在采用光纤扫描投影仪的情况下，图像可以沿着光纤传送，以经由光纤的尖端从光纤投影。此尖端可以被取向为馈入波导(图23和图24)。光纤的尖端可以投射图像，该尖端可以被支撑以弯曲或震荡。多个压电致动器可以控制尖端的震荡(例如，频率、幅度)。投影仪驱动结构向各自的光纤提供图像，并提供控制信号以控制压电致动器，从而将图像投影到用户的眼睛。

继续右PCBA 2504，按钮板连接器2514可以提供与携带各种用户可访问按钮、按键、开关或其他输入设备的按钮板2516的通信和物理耦合。右PCBA 2504可以包括右耳机或扬声器连接器2518，以将音频信号通信地耦合到头戴式部件的右耳机2520或扬声器。右PCBA 2504还可以包括右麦克风连接器2522以通信地耦合来自头戴式部件的麦克风的音频信号。右PCBA 2504还可以包括右遮挡驱动器连接器2524，以将遮挡信息通信地耦合到头戴式部件的右遮挡显示器2526。右PCBA 2504还可以包括板对板连接器以经由左PCBA 2502的板对板连接器2534提供与左PCBA2502的通信。

右PCBA 2504可以通信地耦合到一个或多个面朝外的或世界观察的右侧相机2528，该相机由身体或头部穿戴，并被可选地耦合到右侧相机视觉指示器(例如LED)，该指示器通过照射指示其他人图像何时被捕获。右PCBA 2504可以被通信地耦合到一个或多个右眼相机2532，这些右眼相机由头戴式部件携带，被定位和取向为捕获右眼的图像，以允许跟踪、检测或监测右眼的取向和/或运动。可选地，右PCBA 2504被通信地耦合到一个或多个右眼照射源2530(例如，LED)，如本文所解释的，右眼照射源2530以照射模式(例如，时间、空间)照射右眼，以促进跟踪、检测或监测右眼的取向和/或运动。

左PCBA 2502可以包括控制子系统，该控制子系统可以包括一个或多个控制器(例如，微控制器、微处理器、数字信号处理器、图形处理单元、中央处理单元、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)2540和/或可编程逻辑单元(PLU))。控制系统可以包括一个或多个存储可执行逻辑或指令和/或数据或信息的非暂时性计算机或处理器可读介质。非暂时性计算机或处理器可读介质可以采用多种形式，例如易失性和非易失性的形式，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM、DRAM、SD-RAM)、闪存等。非暂时性计算机或处理器可读介质可以被形成为例如微处理器、FPGA或ASIC的一个或多个寄存器。

左PCBA 2502可以包括左耳机或扬声器连接器2536，以将音频信号通信地耦合到头戴式部件的左耳机或扬声器2538。左PCBA 2502可以包括与驱动耳机或扬声器通信耦合的音频信号放大器(例如，立体声放大器)2542。左PCBA 2502还可以包括左麦克风连接器2544以通信地耦合来自头戴式部件的麦克风的音频信号。左PCBA 2502还可以包括左遮挡驱动器连接器2546以将遮挡信息通信地耦合到头戴式部件的左遮挡显示器2548。

左PCBA 2502还可以包括一个或多个传感器或换能器，它们检测、测量、捕获或以其他方式感测关于周围环境和/或关于用户的信息。例如，加速度换能器2550(例如，三轴加速度计)可以检测三个轴上的加速度，从而检测运动。陀螺仪传感器2552可以检测取向和/或磁或罗盘航向或取向。可以类似地使用其他传感器或换能器。

左PCBA 2502可以被通信地耦合到一个或多个面朝外的或世界观察左侧相机2524，该相机由身体或头部穿戴，并可选地耦合到左侧相机视觉指示器(例如LED)2556，该指示器通过照射指示其他人图像被何时捕获。左PCBA可以被通信地耦合到一个或多个左眼相机2558，这些左眼相机由头戴式部件携带，被定位和取向为捕获左眼的图像，以允许跟踪、检测或监测左眼的取向和/或运动。可选地，左PCBA 2502可被通信地耦合到一个或多个左眼照射源(例如，LED)2556，如本文所解释的，左眼照射源2556以照射模式(例如，时间、空间)照射左眼，以促进跟踪、检测或监测左眼的取向和/或运动。

PCBA 2502和2504经由一个或多个端口、连接器和/或路径与不同的计算部件(例如，腰包)通信地耦合。例如，左PCBA 2502可以包括一个或多个通信端口或连接器以提供与腰包的通信(例如，双向通信)。一个或多个通信端口或连接器还可以从腰包向左PCBA 2502供电。左PCBA2502可以包括功率调节电路2580(例如，DC/DC功率转换器、输入滤波器)，其被电耦合到通信端口或连接器，并可根据条件(例如，升压、降压、平滑电流、减少瞬变)操作。

通信端口或连接器例如可以采用数据和电源连接器或收发器2582(例如，

端口、

端口)的形式。右PCBA 2504可以包括端口或连接器以从腰包接收电力。图像生成元件可以从便携式电源(例如，化学电池单元、一次或二次电池单元、超级电容器电池、燃料电池)接收电力，该便携式电源例如可以位于腰包中。

如图所示，左PCBA 2502包括大部分有源电子器件，而右PCBA 2504主要支持显示器或投影仪以及相关的压电驱动信号。跨光学系统(12)的身体或头戴式部件的前部、后部或顶部采用电和/或光纤连接。PCBA 2502和2504被通信地(例如，电地、光学地)耦合到腰包。左PCBA 2502包括电源子系统和高速通信子系统。右PCBA 2504处理光纤显示器压电驱动信号。在所示的实施例中，仅右PCBA 2504需要光学连接到腰包。在其他实施例中，右PCBA和左PCBA都可以被连接到腰包。

虽然图示为采用两个PCBA 2502和2504，但身体或头戴式部件的电子器件可以采用其他架构。例如，一些实施方式可以使用更少或更多的PCBA。作为另一示例，各种部件或子系统可以以不同于图12所示的方式布置。例如，在一些替代实施例中，图12示出为驻留在一个PCBA上的一些部件可以位于另一PCBA上，而不失一般性。

如上面参考例如图11A所述，在一些实施例中，本文描述的光学系统(12)可以向用户呈现虚拟内容，使得虚拟内容可以被感知为三维内容。在一些其他实施例中，光学系统(12)可以将四维或五维光场(或光场)中的虚拟内容呈现给用户。

如图13A-B所示，光场生成子系统(例如，分别为1300和1302)被优选地可操作以产生光场。例如，光学装置1360或子系统可以产生或投射光以模拟由从真实的三维对象或场景反射的光产生的四维(4D)或五维(5D)光场。例如，在一些实施例中，诸如波导反射器阵列投影仪(WRAP)装置1310或多深度平面三维(3D)显示系统之类的光学装置可以在相应的径向焦距处生成或投影多个虚拟深度平面以模拟4D或5D光场。在这些实施例中，光学系统(12)用作通过将输入图像解释为表示光场的4D函数的二维(2D)小片来用作近眼光场发生器以及4D或5D光场的显示器。需要指出，图13A-B示出了光学系统，在一些实施例中，该光学系统具有本文描述的光场生成子系统，或者在一些其他实施例中，该光学系统具有将对应于多个深度平面的光束投射到用户眼睛的立体虚拟内容生成子系统。

在一些实施例中，光学系统(12)利用基于图像的渲染向用户渲染虚拟内容的立体表示，基于图像的渲染通过一组预先获取或预先计算的影像生成虚拟内容的不同视图。通过使用例如环境地图、世界地图、拓扑地图(例如，具有点节点的地图，这些节点表示相应的位置和/或特征以及连接节点的边缘，并且表示连接的节点之间的一个或多个关系)中的一种或多种，可以将虚拟内容混合或放置在观看虚拟内容的用户所在的环境中。在这些实施例中，光学系统针对基于图像的渲染使用一种或多种显示或渲染算法，这些基于图像的渲染需要相对适度(例如，与生成相同虚拟内容的光场相比)的计算资源，尤其是在虚拟内容的实时实施方式中。此外，与所生成的虚拟内容交互的成本与虚拟内容的复杂性无关。此外，用于生成虚拟内容的图像源可以是真实的(例如，物理对象的照片或一系列视频)或虚拟的(例如，来自一个或多个模型)。

这些以基于图像的渲染和一个或多个地图为基础的实施例可以基于一个或多个固定视点(例如，从中获取一组图像以渲染基于图像的虚拟内容的视点)。这些实施例中的一些使用深度值(例如，由深度传感器获取或通过诸如三角测量等之类定位技术计算的深度信息)通过视图插值来放宽固定视点限制。在这些实施例中，光学系统(12)使用深度信息(例如，图像中的较小像素子集或图像中的每个像素的深度数据)来解释视图，以便基于用户的位置、取向和/或注视方向在例如环境地图(例如，具有地图中的特征、点等的详细几何和/或地理信息的几何地图)中相对于用户重新投影点。

使用基于图像的渲染和一个或多个地图的一些其他实施例通过确定一对图像中的对应点和/或对应关系来放宽固定视点限制，这些对应点和/或对应关系用于至少部分地基于捕获该对图像的一个或多个图像传感器的位置，渲染虚拟内容。具有基于图像的渲染的两类实施例有效地生成和呈现可被观看用户感知为立体的虚拟内容，尽管可能存在例如不一定确定性地确定一个或多个图像对之间的对应关系的情况。

因此，一些其他实施例利用光学系统(12)生成4D或5D光场，而不是采用上述基于图像的渲染。光场可以使用5D函数(例如，5D全光函数)生成，并包括三维空间中给定方向上的点处的辐射。因此，一个光场可能包括定义一组空间角度图像的5D函数。在空间中坐标为(x,y,z)的点A处的辐射R沿方向D(φ,θ)传播的这些实施例中，可以具有R(x,y,z,φ,θ)的形式，其中φ具有范围[0,π]，包括两个端点，并且θ具有范围[0,2π]，也包括两个端点。在这种形式中，φ表示与由x轴和y轴定义的水平面的夹角；θ表示连接3D空间中的点和坐标系原点的矢量与参考单位矢量(例如，沿x轴的单位矢量)之间的角度。

在一些实施例中，辐射在介质(例如，诸如空气之类的透明介质)中是守恒的。由于辐射守恒，上述5D函数表现出一定量的冗余。在这些实施例中，当光学系统在表面(例如，平面z＝0)中创建5D函数时，上述表示光场的5D函数可以被简化为4D函数R(x,y,φ,θ)，并因此有效地将具有三个空间维度(x,y,z)和两个角度维度(φ,θ)的5D函数简化为具有两个空间维度(x,y)和两个角度维度(φ,θ)的4D函数。将光场函数的维数从5D函数简化为4D函数不仅可以加快虚拟内容的光场生成，而且可以节省计算资源。

在这些实施例中，本文所述的光学系统(12)通过使用上述4D函数(或者在更一般的光场技术应用中使用5D函数)计算虚拟内容的多个点的相应辐射生成虚拟内容的光场并向用户呈现该虚拟内容的光场。所计算的点的辐射(或辐射通量)包括由该点发射、反射、透射或接收的光的数据，并且可以基于每投影面积计算。点的辐射还可以包括频率和/或波长信息，并且具有方向性，因为辐射表示，代表虚拟内容的一个点(例如，像素或像素组)或一部分的点可以被光学系统(12)的用户感知成什么。可以使用任何技术计算辐射，诸如通过点和方向参数化一条线(例如，从用户的眼睛到虚拟内容的一点的线)，利用使用齐次坐标的正投影图像或使用固定视场的图像。例如，可以通过使用将虚拟内容的点和代表用户眼睛的点限制在相应的凸四边形内的光板技术以及通过虚拟内容的点(例如，虚拟内容的图像像素)和利用线性投影图(例如，3x3矩阵)表示用户眼睛的点之间的映射来确定点的辐射。

例如，光学系统(12)或电子器件(例如，上述腰包)可以通过渲染2D图像阵列来生成光板，其中，每个图像表示固定平面处的4D光板的小片，并且通过执行与用于生成立体图像对的投影基本相似的剪切透视投影，将虚拟相机的投影中心放置在对应于该虚拟内容的点的样本位置来形成。在一些实施例中，光板可以由正投影视图的2D阵列形成。

为了经由光学系统(12)生成虚拟内容的光场表示并将其呈现给用户，光学系统(12)的透镜(例如，图1中的12a或12b)可以包括一个或多个平面或自由形式波导的堆叠，其中，波导可以定义一个或多个不同的焦平面，这些焦平面分别对应于一个或多个不同焦距。在一些实施例中，一个或多个平面或自由形式波导的堆叠因此限定位于对应焦距处的多个焦平面。图像的2D小片可以在特定焦距处的焦平面上渲染，因此可以在多个焦平面上渲染一组2D小片以表示虚拟内容，然后该虚拟内容可以被光学系统的用户感知为立体的。

在一些实施例中，波导可以包括：与平面光波导的第一面相关联的正交光瞳扩展(OPE)元件，用于将耦入光束分成第一组正交子光束；以及与平面光波导的第二面相关联的第二正交光瞳扩展(OPE)元件，用于将耦入光束分成第二组正交子光束。在一些实施例中，第一OPE元件被设置在平面光波导的第一面上，第二OPE元件被设置在平面光波导的第二面上。耦入元件可以被配置为将来自图像投影组件的准直光束光学耦合为耦入光束，以经由全内反射(TIR)沿着第一光学路径在平面光波导内传播，该第一光学路径交替地与第一OPE元件和第二OPE元件相交，使得耦入光束的各个部分被偏转为相应的第一组正交子光束和第二组正交子光束，这些子束经由TIR沿着第二平行的光学路径在平面光波导内传播。在这种情况下，第二平行的光学路径可以与第一光学路径正交。

在一些实施例中，半反射界面被配置为将耦入光束分成至少两个耦入子束。在这种情况下，一个或多个DOE包括正交光瞳扩展(OPE)元件，其被配置为将至少两个耦入子束分别分成至少两组正交子光束，半反射界面还被配置为将至少两组正交子光束分成至少四组正交子光束，并且DOE包括出瞳扩展(EPE)元件，其被配置为将至少四组正交子光束分成一组耦出子光束。OPE元件和EPE元件可以被设置在光平面波导的面上。

在一些实施例中，波导可以包括与平面光波导相关联的出瞳扩展(EPE)元件，用于将正交子光束分成从平面光波导射出的耦出子光束阵列(例如，二维耦出子束阵列)。准直光束可以限定入瞳，耦出子束阵列可以限定比入瞳大的出瞳，例如，比入瞳大至少十倍，甚至比入瞳大至少一百倍。

在一些实施例中，EPE元件被设置在平面光波导的第一表面和第二表面之一上。第一组正交子光束和第二组正交子光束可以与EPE元件相交，使得第一组正交子光束和第二组正交子光束的部分被偏转为从平面光波导射出的耦出子光束阵列。在一些实施例中，EPE元件被配置为在从平面光波导射出的耦出光束阵列上赋予凸波前轮廓。在这种情况下，凸波前轮廓可以在焦点处具有半径中心，以在给定焦平面处产生图像。在另一实施例中，IC元件、OPE元件和EPE元件中的每一个都是衍射的。

虚拟图像生成系统还包括与平面光波导相关联的一个或多个衍射光学元件(DOE)，用于进一步将多个初级子光束分成从平面光波导的一面射出的耦出子光束阵列(例如，二维耦出子光束阵列)。准直光束可以限定入瞳，耦出子束阵列可以限定比入瞳大的出瞳，例如，比入瞳大至少十倍，甚至比入瞳大至少一百倍。在一些实施例中，选择主基板的第一厚度和次基板的第二厚度，使得耦出子光束中至少两个相邻子束的中心之间的间距等于或小于准直光束的宽度。在另一实施例中，选择第一厚度和第二厚度，使得耦出子光束中的大于一半的相邻子光束的边缘之间不存在间隙。

在一些实施例中，半反射界面被配置为将耦入光束分成至少两个耦入子光束。在这种情况下，一个或多个DOE包括正交光瞳扩展(OPE)元件，其被配置为分别将至少两个耦入子光束分成至少两组正交子光束，半反射界面还被配置为将至少两组正交子光束分成至少四组正交子光束，并且一个或多个DOE包括出瞳扩展(EPE)元件，其被配置为将至少四组正交子光束分成一组耦出子光束。OPE元件和EPE元件可以被设置在光平面波导的面上。

至少两个耦入子光束可以经由全内反射(TIR)沿着第一光学路径在平面光波导内传播，该第一光学路径与OPE元件相交，使得至少两个耦入子光束的各个部分被偏转为至少两组正交子光束，这些子光束经由TIR沿着第二平行的光学路径在平面光波导内传播。第二平行的光学路径可以与第一光学路径正交。至少两组正交子光束可以与EPE元件相交，使得至少两组正交子光束的各个部分作为耦出子束组被衍射出平面光波导的面。在一些实施例中，EPE元件可以被配置为在从平面光波导射出的耦出子光束阵列上赋予凸波前轮廓。在这种情况下，凸波前轮廓可以在焦点处具有半径中心，以在给定焦平面处产生图像。

根据本公开的第三方面，一种虚像生成系统包括平面光波导，该平面光波导包括多个基板，该基板包括具有第一厚度的主基板、分别具有至少一个第二厚度的至少一个次基板以及分别被设置于基板之间的至少一半反射界面。

第一厚度是至少一个第二厚度中的每一个的至少两倍。在一些实施例中，第一厚度是第二厚度中的每一个的非倍数。在另一实施例中，一个或多个次基板包括多个次基板。在这种情况下，第二厚度可以彼此相等，或者两个或更多个次基板可以具有彼此不相等的第二厚度。第一厚度可以是至少一个第二厚度的非倍数。不相等的第二厚度中的至少两个可以不是彼此的倍数。

在一些实施例中，一个或多个半反射界面中的每一个包括半反射涂层，其例如可以经由物理气相沉积(PVD)、离子辅助沉积(IAD)和离子束溅射(IBS)中的一种被分别设置在基板之间。每个涂层例如可以包括金属(Au、Al、Ag、Ni-Cr、Cr等)、电介质(氧化物、氟化物和硫化物)和半导体(Si、Ge)中的一种或多种。在又一实施例中，多个基板中的相邻基板包括不同折射率的材料。

虚拟图像生成系统还包括耦入(IC)元件，其被配置为光学耦合来自图像投影组件的准直光束，以在平面光波导内作为耦入光束传播。图像投影组件可以包括被配置为扫描准直光束的扫描设备。一个或多个半反射界面被配置为将耦入光束分成在主基板内传播的多个主子光束。

虚拟图像生成系统还包括与平面光波导相关联的一个或多个衍射光学元件(DOE)，以进一步将多个主子光束分成从平面光波导的面射出的耦出子光束阵列(例如，二维耦出子光束阵列)。准直光束可以限定入瞳，耦出子束阵列可以限定比入瞳大的出瞳，例如，比入瞳大至少十倍，甚至比入瞳大至少一百倍。在一些实施例中，选择主基板的第一厚度和一个或多个次基板的一个或多个第二厚度，使得耦出子光束中至少两个相邻子光束的中心之间的间距等于或小于准直光束的宽度。在另一实施例中，选择第一厚度和一个或多个第二厚度，使得耦出子光束中的大于一半的相邻子光束的边缘之间不存在间隙。

在一些实施例中，一个或多个半反射界面被配置为将耦入光束分成至少两个耦入子光束。在这种情况下，一个或多个DOE包括正交光瞳扩展(OPE)元件，其被配置为分别将至少两个耦入子光束分成至少两组正交子光束，一个或多个半反射界面还被配置为将至少两组正交子光束分成至少四组正交子光束，并且一个或多个DOE包括出瞳扩展(EPE)元件，其被配置为将至少四组正交子光束分成一组耦出子光束。OPE元件和EPE元件可以被设置在光平面波导的面上。

至少两个耦入子光束可以经由全内反射(TIR)沿着第一光学路径在平面光波导内传播，该第一光学路径与OPE元件相交，使得至少两个耦入子光束的各个部分被偏转为至少两组正交子光束，该两组正交子光束经由TIR沿着第二平行的光学路径在平面光波导内传播。第二平行的光学路径可以与第一光学路径正交。至少两组正交子光束可以与EPE元件相交，使得至少两组正交子光束的各个部分作为一组耦出子光束被衍射出平面光波导的面。在一些实施例中，EPE元件可以被配置为在从平面光波导射出的耦出子光束阵列上赋予凸波前轮廓。在这种情况下，凸波前轮廓可以在焦点处具有半径中心，以在给定焦平面处产生图像。

根据本公开的第四方面，一种虚拟图像生成系统包括预扩瞳(PPE)元件，其被配置为接收来自成像元件的准直光束并将准直光束分成一组初始耦出子光束。虚像生成系统还包括平面光波导；耦入(IC)元件，其被配置为将该组初始耦出子光束光学耦入平面光波导中作为一组耦入子光束；以及与平面光波导相关联的一个或多个衍射元件，其用于将该组耦入子光束分成从平面光波导的一个面射出的一组最终耦出子光束。一个或多个衍射元件可以包括与平面光波导相关联的正交光瞳扩展(OPE)元件，用于进一步将该组耦入子光束分成一组正交子光束，以及包括与平面光波导相关联的出瞳扩展(EPE)元件，用于将该组正交子光束分成该组最终耦出子光束。

在一些实施例中，准直光束限定入瞳，该组初始耦出子光束限定比入瞳大的预扩瞳，并且该组最终耦出子光束限定比预扩瞳大的出瞳。在一个示例中，预扩瞳比入瞳至少大十倍，出瞳比预扩瞳至少大十倍。在一些实施例中，该组初始耦出子光束被光学耦入平面光波导中作为二维子光束阵列，并且该组最终耦出子光束从平面光波导的面射出作为二维子光束阵列。在另一实施例中，该组初始耦出子光束被光学耦入平面光波导中作为一维子光束阵列，并且该组初始耦出子光束从平面光波导的面射出作为二维子光束阵列。

在一些实施例中，PPE元件包括微型平面光波导、与微型平面光波导相关联的用于将准直光束分成一组初始正交子光束的微型OPE元件，以及与微型平面光波导相关联的用于将该组初始正交子光束分成从微型平面光波导面射出的该组初始耦出子光束的微型EPE元件。PPE还可以包括被配置为将准直光束光学耦合到平面光波导中的微型IC元件。

在另一实施例中，PPE元件包括：衍射分束器(例如，1x N分束器或M x N分束器)，其被配置为将准直光束分成一组初始发散子光束；以及透镜(例如，衍射透镜)，其被配置为将该组初始发散子光束重新准直成该组初始耦出子光束。

在又一实施例中，PPE元件包括棱镜(例如，实心棱镜或空腔棱镜)，其被配置为将准直光束分成一组耦入子光束。棱镜可以包括半反射棱镜平面，其被配置为将准直光束分成该组耦入子光束。棱镜可以包括多个平行的棱镜平面，其被配置为将准直光束分成该组耦入子光束。在这种情况下，平行的棱镜平面可以包括半反射棱镜平面。多个平行的棱镜平面可以包括完全反射的棱镜平面，在这种情况下，准直光束的一部分可以被至少一个半反射棱镜沿第一方向反射，并且准直光束的一部分可以透射到完全反射的棱镜平面以沿第一方向反射。棱镜可以包括：第一组平行的棱镜平面，其被配置为将准直光束分成一组沿第一方向反射的初始正交子光束；以及第二组平行的棱镜平面，其被配置为将该组初始正交子光束分成该组耦入子光束，这些耦入子光束沿着不同于第一方向的第二方向反射。第一方向和第二方向可以彼此正交。

在又一实施例中，PPE元件包括：第一平面光波导组件，其被配置为将准直光束分成二维耦出子光束阵列(例如，N x N子光束阵列)，这些耦出子光束阵列从第一平面光波导的组件的面射出；以及第二平面光波导组件，其被配置为将二维耦出子光束阵列分成多个二维耦出子光束阵列，这些二维耦出子光束阵列从第二平面光波导组件的面射出作为该组耦入子光束。第一平面光波导组件和第二平面光波导组件可以分别具有不相等的厚度。

二维耦出子光束阵列具有子光束间间距，并且多个二维耦出子光束阵列在空间上相互错开一阵列间间距，该阵列间间距不同于二维耦出子光束阵列的子光束间间距。在一些实施例中，多个二维耦出子光束阵列的阵列间间距与二维耦出子光束阵列的子光束间间距互为非倍数。多个二维耦出子光束阵列的阵列间间距可以大于二维耦出子光束阵列的子光束间间距。

在一些实施例中，第一平面光波导组件包括：具有相对的第一面和第二面的第一平面光波导；第一耦入(IC)元件，其被配置为光耦合准直光束以经由全内反射(TIR)沿着第一光学路径在第一平面光波导内传播；与第一平面光波导相关联的第一出瞳扩展器(EPE)元件，其用于将准直光束分成从第一平面光波导的第二面射出的一维子光束阵列；具有相对的第一面和第二面的第二平面光波导；第二IC元件，其被配置为光学耦合一维子光束阵列，以经由TIR沿着与第一光学路径垂直的相应的第二光学路径在第二平面光波导内传播；以及与第二平面光波导相关联的第二出瞳扩展器(EPE)元件，其用于将一维子光束阵列分成从第二平面光波导的第二面射出的二维子光束阵列。在这种情况下，第二平面光波导的第一面可以被附接到第一平面光波导的第二面。第一平面光波导和第二平面光波导可以分别具有基本相等的厚度。

第二平面光波导组件可以包括：具有相对的第一面和第二面的第三平面光波导；第三IC元件，其被配置为光耦合第一二维子光束阵列，以经由TIR沿着相应的第三光学路径在第三平面光波导内传播；与第三平面光波导相关联的第三EPE元件，其用于将二维子光束阵列分成从第三平面光波导的第二面射出的多个二维子光束阵列；具有相对的第一面和第二面的第四平面光波导；第四IC元件，其被配置为光学耦合多个二维子光束阵列，以经由TIR沿着与第三光学路径垂直的相应的第四光学路径在第四平面光波导内传播；以及与第四平面光波相关联的第四EPE元件，其用于将多个二维子光束阵列分成多个二维子光束阵列，这些子光束阵列从第四平面光波导的第二面射出作为输入的一组子光束。在这种情况下，第四平面光波导的第一面可以被附接到第三平面光波导的第二面，第三平面光波导的第一面可以被附接到第二平面光波导的第二面。第一平面光波导和第二平面光波导可以分别具有基本相等的厚度，第三平面光波导和第四平面光波导可以分别具有基本相等的厚度。在这种情况下，第一平面光波导和第二平面光波导的基本相等的厚度可以不同于第三平面光波导和第四平面光波导的基本相等的厚度。第三平面光波导和第四平面光波导的相等厚度可以大于第一平面光波导和第二平面光波导的相等厚度。

WRAP装置1310或多深度平面3D显示系统形式的光学装置1360例如可以直接或间接地将图像投影到用户的每只眼睛中。当虚拟深度平面的数量和径向位置与根据径向距离的人类视觉系统的深度分辨率相当时，一组离散的投影深度平面模拟了由真实的连续三维对象或场景产生的心理物理效应。在一个或多个实施例中，系统1300可以包括为每个AR用户定制的框架1370。系统1300的附加部件可以包括电子器件1330(例如，图12所示的电子器件中一些或全部)，以将AR系统的各种电气和电子子部件相互连接。

系统1300还可以包括微型显示器1320，其将与一个或多个虚拟图像相关联的光投射到波导棱镜1310中。如图13A所示，从微型显示器1320产生的光在波导1310内行进，并且一些光到达用户的眼睛1390。在一个或多个实施例中，系统1300还可以包括一个或多个补偿透镜1380以改变与虚拟图像相关联的光。图13B示出了与图13A相同的不件，但是示出了来自微型显示器1320的光如何行进传播通过波导1310到达用户的眼睛1390。

应当理解，光学装置1360可以包括多个线性波导，每个线性波导具有嵌入、定位或形成在每个线性波导内的相应系列的解构弯曲球面反射器或反射镜。该系列的解构弯曲球面反射器或反射镜被设计为将无限远聚焦的光重新聚焦在特定的径向距离处。凸球面镜可用于产生输出球面波，以表示呈现为位于凸球面镜后面的限定距离处的虚拟点源。

通过在线性或矩形波导中将一系列具有形状(例如，围绕两个轴的曲率半径)和取向的微型反射器连接在一起，可以投影对应于由在特定x、y、z坐标处虚拟点源产生的球面波前的3D图像。每个2D波导或层提供相对于其他波导独立的光学路径，并对波前进行整形以及聚焦入射光以投射对应于相应径向距离的虚拟深度平面。利用分别在不同焦深处提供焦平面的多个2D波导，观看投影的虚拟深度平面的用户可以体验3D效果。

应当理解，上述各种实施例的特征和方面可以组合以提供进一步的实施例。根据以上详细描述，可以对实施例进行这些和其他改变。一般而言，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制为说明书和权利要求中公开的特定实施例，而应被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求享有权利的全部范围的等价物。

本文描述了本公开的各种示例实施例。以非限制性的方式参考这些示例。提供它们是为了说明本公开的更广泛适用的方面。在不背离本公开的真实精神和范围的情况下，可以对所描述的公开进行各种改变并且可以替换等同物。此外，可以进行许多修改以使特定情况、材料、物质组成、过程、一个或多个处理动作或一个或多个步骤适应本公开的目标、精神或范围。此外，如本领域技术人员将理解的，在此描述和图示的每个单独的变体都具有离散的部件和特征，它们可以容易地与其他几个实施例的特征分离或与其他几个实施例中的任一者的特征相结合，而不背离本公开的范围或精神。所有这些修改都旨在落入与本公开相关联的权利要求的范围内。

本公开包括可以使用主题设备执行的方法。该方法可以包括提供这种合适的设备的动作。这种提供可以由终端用户执行。换言之，“提供”动作仅要求终端用户获得、访问、接近、定位、设置、激活、加电或以其他动作提供主题方法中的必要设备。在此列举的方法可以以逻辑上可能的所列举事件的任何顺序以及以所列举的事件顺序来执行。

本公开的示例方面，连同关于材料选择和制造的细节已经在上面阐述。至于本公开的其他细节，可以结合上面引用的专利和公开来理解，可以是本领域技术人员通常已知或理解的。对于本公开的基于方法的方面，就如通常或逻辑上采用的附加动作而言，这同样适用。

此外，虽然本公开已经参考可选地结合各种特征的几个示例进行了描述，但是本公开不限于关于本公开的每个变体所描述或指示的内容。在不背离本公开的真实精神和范围的情况下，可以对所描述的公开进行各种改变并且可以替换等同物(无论是在本文中列举的还是为了简洁起见未包括在内)。此外，在提供数值范围的情况下，应当理解，该范围的上限和下限之间的每个中间值，以及所述范围内的任何其他所述的值或中间值都包含在本公开内。

此外，可以构想，所描述的本发明变体的任何可选特征可以独立地，或者与本文描述的任何一个或多个特征组合地阐述和要求保护。对单数项目的引用包括存在多个相同项目的可能性。更具体地，如在本文和与本文相关联的权利要求中使用的，单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”包括复数指示物，除非另有明确说明。换言之，冠词的使用允许上述描述以及与本公开相关联的权利要求中的“至少一个”主题项目。还应注意，可以起草此类权利要求以排除任何可选要素。因此，本声明旨在作为结合权利要求要素的叙述使用“唯一”、“仅”等之类排他性术语，或者使用“否定”限制的先行基础。

在不使用此类排他性术语的情况下，与本公开相关联的权利要求中的术语“包括”应允许包含任何附加要素—无论在此类权利要求中是否列举了给定数量的要素，或者，一个特征的添加可以被认为是改变了在这些权利要求中提出的要素的性质。除非本文特别定义，否则在此使用的所有技术和科学术语应被赋予尽可能广泛的普遍理解的含义，同时保持权利要求的有效性。

本公开的广度不限于所提供的示例和/或主题说明书，而是仅受限于与本公开相关联的权利要求语言的范围。

以上对所示实施例的描述并不旨在穷举或将实施例限制为所公开的精确形式。尽管本文出于说明性目的描述了特定实施例和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在不背离本公开的精神和范围的情况下可以进行各种等效修改。此处提供的各种实施例的教导可以应用于实现VR、AR、MR、XR或混合系统和/或采用用户界面的其他设备，不一定是上面一般描述的示例光学系统(12)。

例如，前述详细描述已经经由使用框图、示意图和示例阐述了设备和/或过程的各种实施例。就此类框图、示意图和示例包含一个或多个功能和/或操作而言，本领域技术人员将理解，可以通过各种硬件、软件、固件或它们的几乎任何组合单独和/或集体地实现此类框图、流程图或示例中的每个功能和/或操作。

在一个实施例中，本主题可以经由专用集成电路(ASIC)来实现。然而，本领域技术人员将认识到，本文公开的实施例全部或部分可以等效地在标准集成电路中实现为由一个或多个计算机执行的一个或多个计算机程序(例如，作为在一个或多个计算机系统上运行的一个或多个程序)、由一个或多个控制器(例如，微控制器)执行的一个或多个程序、由一个或多个处理器(例如，微处理器)执行的一个或多个程序、固件，或上述的几乎任何组合，并且将认识到，根据本公开的教导，设计电路和/或编写软件和/或固件的代码将完全在本领域普通技术人员的技能范围内。

当逻辑被实现为软件并存储在存储器中时，逻辑或信息可以存储在任何计算机可读介质上以供任何处理器相关系统或方法使用或与其结合使用。在本公开的上下文中，存储器是计算机可读介质，其是包含或存储计算机和/或处理器程序的电、磁、光或其他物理设备或装置。逻辑和/或信息可以体现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用，诸如基于计算机的系统、包含处理器的系统或可以从指令执行系统、装置或设备获取指令并执行与逻辑和/或信息相关联的指令的其他系统。

在本说明书的上下文中，“计算机可读介质”可以是能够存储与逻辑和/或信息相关联的程序以供指令执行系统、装置和/或设备使用或与其结合使用的任何元件。计算机可读介质可以是例如但不限于电、磁、光、电磁、红外线或半导体系统、装置或设备。计算机可读介质的更具体示例(非详尽列表)将包括以下项：便携式计算机软盘(磁盘、紧凑型闪存卡、安全数字等)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM、EEPROM或闪存)、便携式光盘只读存储器(CDROM)、数字磁带和其他非暂时性介质。

在此描述的许多方法可以通过变体来执行。例如，许多方法可以包括附加动作，省略一些动作，和/或以不同于所示或描述的顺序执行动作。

可以组合上述各种实施例以提供进一步的实施例。只要不与本文的具体教导和定义不一致，所有美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利公开均在本说明书中提及和/或在申请书资料表中列出。如果需要，可以修改实施例的方面以采用各种专利、申请和公开的系统、电路和概念来提供更进一步的实施例。

根据以上详细描述，可以对实施例进行这些和其他改变。一般而言，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制为说明书和权利要求中公开的特定实施例，而应被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求享有权利的全部范围的等同物。因此，权利要求不受本公开的限制。

此外，可以组合上述各种实施例以提供进一步的实施例。如果需要，可以修改实施例的方面以采用各种专利、申请和公开的概念来提供更进一步的实施例。

根据以上详细描述，可以对实施例进行这些和其他改变。一般而言，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制为说明书和权利要求中公开的特定实施例，而应被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求享有权利的全部范围的等同物。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (15)

1.一种用于向用户呈现虚拟内容的光学系统，包括：

光学组件，其用于将光束投射到用户的至少一个眼睛中；

第一镜腿和与所述第一镜腿相对的第二镜腿；以及

第一铰接系统和第二铰接系统，所述第一铰链系统和所述第二铰接系统分别将所述第一镜腿和所述第二镜腿耦接到所述光学组件，所述第一铰接系统包括：

铰接基部，其被固定地耦接到所述光学组件；

中间铰接构件，其被可旋转地耦接到所述铰接基部以围绕第一轴旋转；以及

远侧铰接构件，其被可旋转地耦接到所述中间铰接构件以围绕第二轴旋转并且被固定地耦接到所述第一镜腿，所述第一轴不同于所述第二轴。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一铰接系统包括一个或多个止动机构，以限制所述中间铰接构件相对于所述铰接基部围绕所述俯仰轴的旋转行进。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述一个或多个止动机构包括：被设置在所述铰接基部上的第一旋转止动件，所述第一旋转止动件被配置为在所述中间铰接构件向上俯仰至上限时限制所述中间铰接构件的第一运动；以及被设置在所述铰接基部上的第二旋转止动件，所述第二旋转止动件被配置为在所述中间铰接构件向下俯仰至下限时限制所述中间铰接构件的所述第一运动。

4.根据权利要求3所述的光学系统，其中，所述第一旋转止动件和所述第二旋转止动件分别由被设置在所述铰接基部中的开口的对应部分设置，在所述中间铰接构件分别向上或向下俯仰至所述上限或所述下限时，所述开口的所述对应部分约束所述中间铰接构件的所述第一运动。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述铰接系统包括一个或多个止动机构，以限制所述远侧端铰接构件相对于所述中间铰接构件围绕偏航轴的旋转行进。

6.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述一个或多个止动机构包括：被设置在所述中间铰接构件上的第一旋转止动件，所述第一旋转止动件被配置为在所述远端铰接构件偏航至外限时阻止所述远端铰接构件的第二运动；以及被设置在所述中间铰接构件上的第二旋转止动件，所述第二旋转止动件被配置为在所述中间铰接构件偏航至内限时阻止所述中间铰接构件的所述第二运动。

7.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述第一旋转止动件和所述第二旋转止动件分别由所述中间铰接构件的板状结构的对应的相对部分设置，在所述中间铰接构件偏航至所述外限和所述内限时，所述板状结构的所述相对部分分别限制所述远端铰接构件的所述第二运动。

8.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述一个或多个止动机构包括第一旋转止动件和第二旋转止动件，其中，所述第一旋转止动件被设置在所述远端铰接构件上，所述第一旋转止动件被配置为所述远端铰接构件偏航至外限时抵靠所述中间铰接构件，并且所述第二旋转止动件被设置在所述远端铰接构件上，所述第二旋转止动件被配置为在所述远端铰接构件偏航至所述内限时抵靠所述中间铰接构件。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述铰接基部包括偏置构件，所述偏置构件被配置为在所述中间铰接构件偏离中立位置或配置时，使所述中间铰接构件朝着所述中立位置或配置围绕所述第一轴旋转地偏置或扭转。

10.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光学组件包括第一透镜、第二透镜、第一多个投影光纤和第二多个投影光纤，其中，所述第一多个投影光纤被配置为将至少一个第一光束投影到所述第一透镜中，所述第一透镜接着将所述第一光束反射到所述用户的所述至少一个眼睛中。

11.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述铰接基部包括弧形引导件，并且所述中间铰接构件包括对应的引导销或与所述对应的引导销相互作用，在所述中间铰接构件相对于所述铰接基部围绕所述俯仰轴旋转时，所述引导销跨接在所述铰接基部的所述弧形引导件上。

12.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一铰接系统包括主止动机构和备用止动机构。

13.一种铰接系统，包括：

铰接基部，其可被固定地耦接到第一结构构件；

中间铰接构件，其被可旋转地耦接到铰接基部以围绕俯仰轴旋转；以及

远端铰接构件，其被可旋转地耦接到所述中间铰接构件以围绕偏航轴旋转并且可被固定地耦接到第二结构构件，其中，所述铰接系统使所述第二结构构件能够相对于所述第一结构构件俯仰和偏航。

14.根据权利要求13所述的铰接系统，还包括一个或多个止动机构，以限制所述中间铰接构件相对于所述铰接基部围绕所述俯仰轴的旋转行进。

15.根据权利要求14所述的铰接系统，其中，所述一个或多个止动机构包括被设置在所述铰接基部上的第一旋转止动件，所述第一旋转止动件被配置为在所述中间铰接构件向上俯仰至上限时限制所述中间铰接构件的第一运动；以及被设置在所述铰接基部上的第二旋转止动件，所述第二止动件被配置为在所述中间铰接构件向下俯仰至下限时限制所述中间铰接构件的所述第一运动。

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