CN117434718A - 具有面向后的传感器的电子设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种具有面向后的传感器的电子设备。该头戴式设备可具有壳体，该壳体具有支撑透镜的框架。每个透镜可以具有正偏置透镜元件和负偏置透镜元件。波导可以与该透镜重叠。在操作期间，来自波导的图像可以通过负偏置透镜元件被提供到眼箱。诸如视线跟踪相机之类的眼睛传感器可以通过负偏置透镜元件来操作。负偏置透镜元件可以具有突出部分，传感器通过该突出部分操作，可以具有面向该传感器的表面，该表面具有弯曲表面以提供期望的透镜特性，可以具有用于帮助将光从眼箱耦合到眼睛传感器的棱镜，并且/或者可以具有其他特征部以便于使用眼睛传感器来监测眼箱中的用户的眼睛。

Description

具有面向后的传感器的电子设备

本申请要求2023年6月15日提交的美国专利申请18/335,671号以及2022年7月22日提交的美国临时专利申请63/391,544号的优先权，这些专利申请据此全文以引用方式并入本文。

技术领域

本发明整体涉及电子设备，并且更具体地涉及可穿戴电子设备诸如头戴式设备。

背景技术

电子设备诸如头戴式设备被配置为佩戴在用户头部上。头戴式设备可具有透镜，当设备正被佩戴时，用户可通过所述透镜观看真实世界对象。显示器可用于向用户呈现与真实世界对象重叠的图像。

发明内容

电子设备诸如头戴式电子设备可包括生成显示图像的显示器。波导可用于将显示图像呈现给眼箱(eye box)以供用户观看。

头戴式设备可具有壳体，所述壳体具有容纳左透镜和右透镜(有时称为头戴式设备透镜或眼镜透镜)的框架。每个眼镜透镜可以具有正偏置透镜(正偏置透镜元件)和负偏置透镜(负偏置透镜元件)。波导可以与每个眼镜透镜重叠并且可以位于该眼镜透镜的正偏置透镜和负偏置透镜之间。

在操作期间，来自波导的显示图像可以通过被波导重叠的眼镜透镜的负偏置透镜元件被提供到眼箱。诸如视线跟踪相机之类的眼睛传感器可以通过负偏置透镜元件来操作。负偏置透镜元件可以具有突出部分，传感器通过该突出部分操作，可以具有面向传感器的表面，该表面具有弯曲表面形状以提供透镜特性，可以具有用于帮助将光从眼箱耦合到眼睛传感器的棱镜，和/或可以具有其他特征部以便于使用眼睛传感器来监测眼箱中的用户的眼睛，而不产生用于头戴式设备的过于庞大的眼睛传感器配置。

附图说明

图1是根据一个实施方案的例示性头戴式设备的顶视图。

图2是根据一个实施方案的例示性头戴式设备的边缘部分的横截面顶视图。

图3是根据一个实施方案的具有突出部的例示性负偏置透镜元件的前视图。

图4是根据一个实施方案的具有安装在壳体中的突出部的例示性负偏置透镜元件的前视图。

图5是根据一个实施方案的例示性头戴式设备的边缘部分的横截面顶视图。

图6、图7和图8是根据实施方案的示出了眼睛传感器的安装位置的例示性负偏置透镜元件的部分的横截面顶视图。

具体实施方式

电子设备诸如头戴式设备可具有被配置为佩戴在用户头部上的壳体。该设备可以具有分别安装在左眼箱和右眼箱前面的左透镜和右透镜。左显示器和右显示器可以使用左透镜和右透镜中的波导向眼箱提供相应的左图像和右图像。当用户的眼睛位于左眼箱和右眼箱中时，用户可从显示器观看叠加在正通过透镜观看的真实世界对象上的图像。

诸如按钮和其他设备之类的输入-输出设备可以用于收集用户输入以控制头戴式设备。在例示性配置中，眼睛传感器可用于监测左眼箱及右眼箱中的用户的眼睛。眼睛传感器可以包括例如视线跟踪传感器。视线跟踪传感器可以具有任选的发光二极管或照亮用户眼睛的其他光源(例如，以在眼睛上产生眼睛跟踪闪光)并且可以具有面向用户眼睛的图像传感器(有时被称为视线跟踪相机)。从图像传感器捕获的图像数据可用于测量用户的注视点(有时称为用户的观看方向)。来自传感器的注视点信息随后可用作输入以控制内容通过显示器的呈现和/或以其他方式用作头戴式设备的输入。

图1是例示性头戴式设备的顶视图。如图1中所示，头戴式设备10可具有壳体，诸如壳体12。壳体12可以被配置为佩戴在用户头部上，并且有时可以被称为头戴式支撑结构或头戴式支撑件。壳体12可包括长的侧支撑件(有时被称为侧支撑构件、侧支撑结构或镜腿)，其被配置为沿着用户头部的左侧和右侧延伸(例如，在耳朵上)，诸如壳体构件12T，并且可具有诸如框架12F的前框架(透镜框架)，透镜16安装在该前框架中。铰链14和/或其他联接结构可用于将框架12F附接到长的侧构件12T。框架12F可具有被配置为搁置于用户的鼻部上的鼻梁部分，诸如鼻梁部分NB。

在操作期间，诸如显示投影仪之类的显示器可以向波导提供图像。显示投影仪可以位于鼻梁部分NB中或者在框架12F的左边缘E和右边缘E处。波导可以具有与透镜16重叠的输出耦合器(例如，全息输出耦合器)。来自显示器的图像可以通过波导传送到输出耦合器，然后可以在朝向眼箱20的方向18上从波导耦合出来以供用户观看。用户可以通过透镜16观看诸如对象22之类的真实世界对象，同时从显示器观看叠加图像。

图2是设备10的在透镜16中的一个附近的边缘部分的横截面顶视图。如图2所示，透镜16可以包括面向外的外透镜元件16P和面向内的内透镜元件16N。波导24可以插置在透镜元件16P和透镜元件16N之间。波导24的输出耦合器与透镜16重叠，并且可以具有或不具有相关联的非零透镜焦度。在例示性配置中，波导24的输出耦合器具有零透镜焦度，且因此供应位于无穷远的虚像距离处的图像。为了提高观看者的舒适度，内透镜16N可以具有调整所显示图像的虚像距离的偏置透镜焦度。例如，透镜16N可以具有负透镜焦度，诸如-0.5屈光度透镜焦度，以将来自显示器的图像放置在2米的虚像距离处。由于可与透镜元件16N一起使用的负偏置透镜焦度，透镜元件16N有时可被称为负偏置透镜元件或负偏置透镜。为了抵消元件16N的负偏置并且由此确保外部对象22聚焦，透镜16可以包括补偿正偏置透镜元件(例如，具有与元件16N的透镜焦度相等且相反的透镜焦度的透镜)。在图2的示例中，负偏置透镜16N具有-0.5屈光度的透镜焦度，因此透镜元件16P可以具有对应的+0.5屈光度透镜焦度。在用户具有视力缺陷(例如，诸如近视、远视、散光等的屈光不正)的情况下，用户的个人处方可以被并入到透镜16N中(作为示例)。例如，如果用户佩戴+1屈光度处方，则负偏置透镜16N可以被配置为呈现+0.5屈光度透镜焦度(+1屈光度+-0.5屈光度)而不是-0.5屈光度，而正偏置透镜16P仍然具有+0.5屈光度焦度以补偿负偏置透镜的非处方部分(在该示例中为-0.5屈光度)。

为了最小化设备10的体积并且避免设备10中的视线跟踪相机或其他眼睛传感器过度地侵入透镜16的观察区域的情况，视线跟踪相机(或其他眼睛传感器)可以被安装为使得它们位于透镜元件16N的面向外的表面上(例如，在诸如图2的位置28的位置处)并且通过透镜元件16N操作(例如，通过被定向为使得它们在向内方向30上操作)。利用这种类型的布置，视线跟踪相机或其他眼睛传感器可以捕获眼箱20中用户的眼睛的图像以监测用户的眼睛(例如，以监测用户的注视点)。

图3是例示性负偏置透镜(有时称为透镜元件、内透镜或后透镜)的前视图。如图3所示，透镜元件16N可以具有周边边缘P。透镜元件16N的轮廓(例如，边缘P的形状)可以是圆形、矩形，可以具有泪滴形状，可以是椭圆形，可以具有直的和/或弯曲的边缘，和/或可以具有任何其他合适的眼镜透镜形状。如图3所示，诸如突出部38的一个或多个视线跟踪相机安装突出部可以从透镜16N的边缘P横向向外突出。在例示性配置中，透镜16N具有大约1cm-5cm的横向尺寸，并且突出部38具有大约透镜16N的横向尺寸的1％-15％的横向尺寸(例如，0.1mm-7.5mm)。

图4示出了使用诸如透镜16N的透镜突出部38的局部突出部分而不是透镜14的横向尺寸的整体扩大可以如何帮助维持壳体12和设备10的紧凑的整体尺寸而不损害壳体12的完整性。仅框架12F的相对小的部分(其可在围绕透镜16的部分中具有环形形状)需要受突出部38的存在的影响，因此可在容纳突出部38的同时维持框架12F的强度。

图5是设备10的一部分的横截面顶视图，其示出了视线跟踪相机32可以如何在方向30上向内面向眼箱20并且可以如何通过负偏置透镜元件16N的周边边缘部分(例如，突出部38或元件16N的非突出部分)进行操作。透镜元件16N可以具有诸如平面或具有另一横截面轮廓的表面36的视线跟踪相机表面。如图5中所示，表面36可以由透镜元件16N的面向外的表面的一部分形成，并且可以用作视线跟踪相机32的安装表面。表面36可以是倾斜的，使得视线跟踪相机32可以捕获眼箱20中用户的眼睛的图像。框架12F可具有可拆卸的修整部分，诸如修整构件12F'(例如，环形修整构件)，其可插入到框架12F中以用作透镜元件16N的保持特征部(其可从后面安装在框架12F中)。在一些配置中，外(前)透镜元件16P可以从前面安装在框架12F中。如果需要，可以使用壳体12的其他布置。其中框架12F具有可移除部分诸如修整部12F'的图5的配置为例示性的。

可使用任何合适的技术来形成透镜元件16N。例如，透镜元件16N可以由玻璃或聚合物形成，可以在注塑成型工具或其他模制工具中使用玻璃模制和/或聚合物模制来形成，可以使用三维印刷来成形，可以使用机加工(例如，使用计算机控制的机加工工具)来成形，和/或可以以其他方式通过模制、切割、研磨、抛光等来形成。如结合图2所描述的，用户的眼镜处方可以被并入透镜元件16N中。对于例示性配置，可使用模制来形成包括相机安装突出部的聚合物透镜元件坯件，同时可在透镜元件16N上执行机加工操作(边缘修整、研磨及抛光)以将用户的处方并入到元件16N中、任选地形成面向相机的表面(诸如36)、完善突出部38的形状、修整透镜元件16N的周边边缘及/或以其他方式形成透镜元件16N的最终所要形状。

当视线跟踪相机32通过透镜元件16N操作时，用户的处方和负透镜偏置可能影响相机32对眼睛图像的捕获。为了抵消透镜元件16N的透镜效应和/或以其他方式帮助聚焦相机32的眼睛图像，透镜元件16N的面向相机32的部分可以设置有用作透镜元件的非平面光学表面(例如，表面36可以被成形为向表面36提供期望的透镜特性，诸如期望的透镜焦度)。如图6所示，例如，表面36可以具有弯曲的横截面轮廓，并且可以被成形为具有凹形形状(参见例如凹形表面36')或凸形形状(参见例如凸形形状36”)。一般来说，可在透镜元件16N的外表面的面向相机32的部分中形成任何合适的透镜形状以向透镜元件16N的此表面提供所要的透镜特性。如果需要，由透镜元件16N的该部分形成的透镜可以是非球面的。

如图7所示，相机32可联接到透镜元件16N，使得相机32可使用光学耦合器(诸如棱镜40)在通过透镜元件16N的方向30上操作。棱镜40可以是与透镜元件16N分离的分立光学元件，或者棱镜40的一些或全部可以形成为透镜元件16N的一体部分。如果需要，可以省略棱镜40，使得在图7的相机32和透镜元件16N的外(面向前的)表面之间存在三角形气隙。

图8的示例示出了透镜元件16N可以如何具有允许与视线跟踪相机32的操作相关联的光在透镜元件16N内进行内部反射的一体棱镜44。例如，来自眼箱20的入射光可以从透镜元件16N的表面区域42朝向相机32进行内部反射。如果需要，棱镜44可以由从透镜元件16N的中心横向向外突出的透镜元件16N的突出部分(例如，突出部38)形成。

图8的反向眼睛传感器安装布置允许相机32面向外(远离眼箱20)，同时在方向30上朝向眼箱20操作(例如，以跟踪位于眼箱20中的用户眼睛的注视点)，并且因此在紧凑地将视线跟踪相机封装在框架12F中时提供额外的自由度。

在一些实施方案中，传感器可以收集个人用户信息。为了确保保护用户的隐私，应当满足或超过所有适用的隐私规则，并且应当遵循用于处理个人用户信息的最佳实践。可以允许用户根据他们的偏好控制他们的个人信息的使用。

根据一个实施方案，提供了一种头戴式设备，其包括头戴式壳体、由所述头戴式壳体支撑的正偏置透镜和负偏置透镜、介于所述正偏置透镜和所述负偏置透镜之间的波导和被配置为通过所述负偏置透镜监测眼箱的眼睛传感器。

根据另一个实施方案，眼镜传感器包括视线跟踪相机。

根据另一个实施方案，所述负偏置透镜具有面向所述视线跟踪相机的表面区域，所述视线跟踪相机通过所述表面区域操作。

根据另一个实施方案，所述负偏置透镜的面向所述视线跟踪相机的所述表面区域是平面的。

根据另一个实施方案，所述负偏置透镜的面向所述视线跟踪相机的所述表面区域具有向所述表面区域提供透镜特性的弯曲横截面轮廓。

根据另一个实施方案，所述负偏置透镜具有突出部，并且所述眼睛传感器被配置为通过所述突出部监测所述眼箱。

根据另一个实施方案，所述负偏置透镜具有一体棱镜，所述眼睛传感器通过所述一体棱镜操作。

根据另一个实施方案，所述一体棱镜具有在所述负偏置透镜内为所述眼睛传感器内部地反射光的表面。

根据另一个实施方案，所述眼睛传感器通过三角形气隙与所述负偏置透镜的表面分离。

根据另一个实施方案，头戴式设备包括介于眼睛传感器和负偏置透镜之间的棱镜。

根据一个实施方案，提供了一种头戴式设备，该头戴式设备包括：头戴式支撑件、由所述头戴式支撑件支撑的透镜，外部对象能够从眼箱通过所述透镜被看到，和被配置为通过所述透镜监测所述眼箱的视线跟踪相机。

根据另一个实施方案，透镜具有周边边缘并且具有从周边边缘横向突出的突出部。

根据另一个实施方案，所述视线跟踪相机被配置为通过所述突出部监测所述眼箱。

根据另一个实施方案，所述突出部具有面向所述视线跟踪相机的表面，并且所述表面具有透镜特性。

根据另一个实施方案，头戴式设备包括波导，所述波导被配置为通过所述透镜向所述眼箱提供图像。

根据另一个实施方案，所定义的头戴式设备包括介于视线跟踪相机与透镜之间的棱镜。

根据另一个实施方案，透镜具有面向视线跟踪相机的凹透镜表面。

根据另一个实施方案，透镜具有面向视线跟踪相机的凸透镜表面。

根据一个实施方案，提供了眼镜，该眼镜包括长的侧支撑件；联接到所述长的侧支撑件的透镜框架；所述透镜框架中的透镜，真实世界对象能够从眼箱通过所述透镜被看到；被配置为向所述眼箱提供显示图像的波导，所述显示图像叠加在所述真实世界对象上；和被配置为通过所述透镜的一部分监测所述眼箱的传感器。

根据另一个实施方案，所述透镜具有带正透镜焦度的第一透镜并且具有第二透镜，所述波导介于所述第一透镜和所述第二透镜之间，并且所述视线跟踪传感器被配置为通过所述第二透镜的突出部分操作。

前述内容仅为示例性的并且可对所述实施方案作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任意组合实施。

Claims (20)

1.一种头戴式设备，包括：

头戴式壳体；

正偏置透镜和负偏置透镜，所述正偏置透镜和所述负偏置透镜由所述头戴式壳体支撑；

波导，所述波导介于所述正偏置透镜和所述负偏置透镜之间；和

眼睛传感器，所述眼睛传感器被配置为通过所述负偏置透镜监测眼箱。

2.根据权利要求1所述的头戴式设备，其中，所述眼睛传感器包括视线跟踪相机。

3.根据权利要求1所述的头戴式设备，其中，所述负偏置透镜具有面向所述视线跟踪相机的表面区域，所述视线跟踪相机通过所述表面区域操作。

4.根据权利要求3所述的头戴式设备，其中，所述负偏置透镜的面向所述视线跟踪相机的所述表面区域是平面的。

5.根据权利要求3所述的头戴式设备，其中，所述负偏置透镜的面向所述视线跟踪相机的所述表面区域具有向所述表面区域提供透镜特性的弯曲横截面轮廓。

6.根据权利要求1所述的头戴式设备，其中，所述负偏置透镜具有突出部，并且其中，所述眼睛传感器被配置为通过所述突出部监测所述眼箱。

7.根据权利要求1所述的头戴式设备，其中，所述负偏置透镜具有一体棱镜，所述眼睛传感器通过所述一体棱镜操作。

8.根据权利要求7所述的头戴式设备，其中，所述一体棱镜具有在所述负偏置透镜内为所述眼睛传感器内部地反射光的表面。

9.根据权利要求1所述的头戴式设备，其中，所述眼睛传感器通过三角形气隙与所述负偏置透镜的表面分离。

10.根据权利要求1所述的头戴式设备，还包括介于所述眼睛传感器和所述负偏置透镜之间的棱镜。

11.一种头戴式设备，包括：

头戴式支撑件；

透镜，所述透镜由所述头戴式支撑件支撑，外部对象能够从眼箱通过所述透镜被看到；和

视线跟踪相机，所述视线跟踪相机被配置为通过所述透镜监测所述眼箱。

12.根据权利要求11所述的头戴式设备，其中，所述透镜具有周边边缘并且具有从所述周边边缘横向突出的突出部。

13.根据权利要求12所述的头戴式设备，其中，所述视线跟踪相机被配置为通过所述突出部监测所述眼箱。

14.根据权利要求13所述的头戴式设备，其中，所述突出部具有面向所述视线跟踪相机的表面，并且其中，所述表面具有透镜特性。

15.根据权利要求11所述的头戴式设备，还包括波导，所述波导被配置为通过所述透镜向所述眼箱提供图像。

16.根据权利要求11所述的头戴式设备，还包括介于所述视线跟踪相机与所述透镜之间的棱镜。

17.根据权利要求11所述的头戴式设备，其中，所述透镜具有面向所述视线跟踪相机的凹透镜表面。

18.根据权利要求11所述的头戴式设备，其中，所述透镜具有面向所述视线跟踪相机的凸透镜表面。

19.一种眼镜，包括：

长的侧支撑件；

透镜框架，所述透镜框架联接到所述长的侧支撑件；

透镜，所述透镜位于所述透镜框架中，真实世界对象能够从眼箱通过所述透镜被看到；

波导，所述波导被配置为向所述眼箱提供显示图像，所述显示图像叠加在所述真实世界对象上；和

传感器，所述传感器被配置为通过所述透镜的一部分监测所述眼箱。

20.根据权利要求19所述的眼镜，其中，所述透镜具有带正透镜焦度的第一透镜并且具有第二透镜，其中，所述波导介于所述第一透镜和所述第二透镜之间，并且其中，所述视线跟踪传感器被配置为通过所述第二透镜的突出部分操作。