TW201923419A - 採用光具座的頭戴式增強現實設備 - Google Patents

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Abstract

本發明頭戴式增強現實設備(10)包括用於用戶的右眼和左眼的一對光學模組(12)，每個光學模組(12)具有光學地耦合至光導(16)的准直顯示源(14)，該光導(16)用於朝向使用者的眼睛引導圖像照明。支承結構(20)由使用者的頭部支承。光具座(22)提供用於對準和固定右光學模組的第一組對準特徵部(26，28，32，74)以及用於對準和固定左光學模組的第二組對準特徵部(26，28，32，74)。懸掛裝置相對於支承結構懸掛光具座(22)。光具座(22)提供一對光學模組(12)與支承結構(20)之間的唯一的機械連接。

Description

採用光具座的頭戴式增強現實設備
本發明涉及增強現實顯示器，並且特別地提供一種採用光具座以實現和保持光學模組的對準的頭戴式增強現實設備。
也稱為混合現實的增強現實是一種允許虛擬影像與真實世界的使用者視野混合的技術。除了使虛擬物件的物理屬性(例如，形狀、顏色、大小、紋理)在顯示器中變得逼真之外，期望的是虛擬物件相對於真實物件的位置和移動逼真地顯示。為了在頭戴式設備中實現這樣的功能，諸如攝像機和方向感測器的附加感測器可以被安裝在集成了真實影像和虛擬影像的緊湊型光學模組旁邊。這樣的緊湊型光學元件既用作成像透鏡又用作組合器，其中，二維顯示被成像為無限遠並且反射到觀看者的眼睛中。這樣的光學模組通常包括准直顯示源以及從准直顯示源接收准直圖像並且將准直圖像投射到觀看者的眼睛中的光導，准直顯示源可以是對與准直光學器件結合的光調製顯示器照明的有源照明顯示器或光源。
准直顯示源部件與光導之間的機械對準和放置穩定性要求是嚴格的。此外，光學模組相對於彼此的針對雙目視覺的對準和放置以及相對於任何附加感測器和相對於觀看者的對準均受制於嚴格的公差。設備上的機械應力、震動、衝擊、熱波動和熱梯度都可能導致光學模組和其他部件的突然錯位或逐漸錯位，或者損壞模組。
本發明是一種頭戴式增強現實設備。
根據本發明的實施方式的教導，提供了一種用於向觀看真實場景 的使用者顯示增強現實顯示的頭戴式增強現實設備，該設備包括：(a)一對光學模組，其包括：用於使用者的右眼的右側光學模組和用於使用者的左眼的左側光學模組，光學模組中的每一個包括光學地耦合至光導的准直顯示源，該光導是至少部分透明的，並且該光導被配置成將由准直顯示源投射的圖像照明引導到耦合輸出區域並且從耦合輸出區域朝向使用者的眼睛耦合輸出圖像照明中的至少一些；(b)支承結構，其被配置成接合使用者的頭部以由用戶的頭部支承；以及(c)光具座，其包括：(i)用於對準和固定右光學模組的第一組對準特徵部，(i)用於對準和固定左光學模組的第二組對準特徵部以及(iii)用於相對於支承結構懸掛光具座的懸掛裝置，其中，光具座提供一對光學模組與支承結構之間的唯一的機械連接。
根據本發明的實施方式的其他特徵，第一組對準特徵部和第二組對準特徵部中的每一組包括至少一個平面對準表面和用於相對於至少一個平面對準表面定位光學模組的已知參考位置的至少兩個定位特徵部。
根據本發明的實施方式的其他特徵，所述至少兩個定位特徵部選自：用於接合光學模組的對準孔徑的銷以及用於容納銷的對準孔徑。
根據本發明的實施方式的其他特徵，光具座還設置有用於容納螺栓的螺栓孔，該螺栓用於將每個光學模組抵接各自對應的平面對準表面緊固。
根據本發明的實施方式的其他特徵，所述至少兩個定位特徵部被配置成提供用於調節光學模組的耦合輸出區域之間的瞳間距離的一個自由度。
根據本發明的實施方式的其他特徵，用於對準右光學模組的所述至少一個平面對準表面和用於對準左光學模組的所述至少一個平面對準表面相對於彼此傾斜，以限定雙目輻合(binocular convergence)的角度。
根據本發明的實施方式的其他特徵，第一組對準特徵部和第二組對準特徵部中的每一組包括相對於光學模組中的對應光學模組的耦合輸出區域雙側地設置的兩個平面對準表面。
根據本發明的實施方式的其他特徵，光具座形成為整體的材料塊。
根據本發明的實施方式的其他特徵，光具座包括用於剛性地支承右光學模組的第一閉環框架和用於剛性地支承左光學模組的第二閉環框架。
根據本發明的實施方式的其他特徵，光具座還包括用於相對於一對光學模組將至少一個成像設備對準的攝像機對準特徵部。
根據本發明的實施方式的其他特徵，懸掛裝置包括被設置成抑制震動從支承結構傳遞到光具座的至少一個彈性阻尼元件。
根據本發明的實施方式的其他特徵，光具座和一對光學模組一起具有總寬度，並且其中，懸掛裝置僅在寬度的中心區域內連接至光具座。
根據本發明的實施方式的其他特徵，支承結構包括至少部分地圍繞光具座的殼體，其中，殼體與光具座間隔開並且與一對光學模組間隔開，以避免在正常操作條件的範圍內殼體與光具座和一對光學模組二者之間的接觸。
根據本發明的實施方式的其他特徵，光導的至少一部分從殼體向下突出。
根據本發明的實施方式的其他特徵，支承結構包括用於環繞使用者的頭部的頭帶。
根據本發明的實施方式的其他特徵，支承結構具有被設置成接合用戶的耳朵的一對側臂。
1,2,4‧‧‧線性位移軸
3,5‧‧‧旋轉的軸
6‧‧‧旋轉軸
10‧‧‧設備
12‧‧‧光學模組
14‧‧‧准直顯示源
16‧‧‧光導
18‧‧‧耦合輸出區域
20‧‧‧支承結構
22‧‧‧光具座
24‧‧‧安裝區域
26‧‧‧平面對準表面
28‧‧‧對準孔徑
30‧‧‧對準銷
32‧‧‧螺栓孔
34‧‧‧螺紋螺栓孔
36‧‧‧螺栓
40‧‧‧攝像機元件
42‧‧‧身歷聲攝像機
44‧‧‧IMU
46‧‧‧驅動器電路系統
48‧‧‧前支架
50‧‧‧頂部支架
52‧‧‧中心附接表面
54‧‧‧側支架
56‧‧‧孔徑
58‧‧‧彈性墊環
60‧‧‧螺栓
62‧‧‧墊圈
64‧‧‧螺紋孔徑
66‧‧‧阻尼連接件
68‧‧‧殼體
70‧‧‧最小間隙
72‧‧‧頭帶
74‧‧‧橫向鄰接特徵部
第1圖是根據本發明的實施方式構造和操作的頭戴式增強現實設備的等距視圖；第2圖是在第1圖的設備中使用的光學模組的等距視圖；第3A圖和第3B圖分別是在第1圖的設備中使用的光具座的後等距視圖和前等距視圖；第4A圖和第4B圖是分別示出在將第2圖的光學模組組裝到光具座之前 和期間的第3A圖光具座的一部分的局部等距視圖；第4C圖是光具座與兩個光學模組的組裝件的前視圖；第5圖是將附加的驅動器電路系統附接到第4C圖的組裝件之後的組裝件的等距視圖；第6圖是沿穿過光具座的閉環的中心的豎直平面穿過第3A圖的光具座截取的截面圖；第7A圖和第7B圖是示出允許光學模組之間的瞳間距離調節的變型實現方式的、與第4A圖和第4B圖類似的視圖；第8圖是示出光學模組周圍的間隔以適應瞳間距離的調節的從第1圖的設備下方的局部等距視圖；第9A圖是示出用於從支承結構懸掛第3A圖的光具座的懸掛裝置的分解等距視圖，該懸掛裝置包括可旋轉的阻尼接合件；第9B圖是沿與旋轉軸平行的平面穿過可旋轉的阻尼接合件截取的截面圖；第10圖是示出殼體內經由懸掛裝置安裝光具座的沿第1圖的設備的中間平面截取的局部豎直截面圖；第11A圖是示出懸掛裝置針對其提供定位和阻尼的線性運動和旋轉運動的各個方向的經由懸掛裝置安裝的光具座組裝件的示意性等距視圖；第11B圖是示出懸掛裝置的各種阻尼元件的相對定位的示意性側視圖；第12A圖和第12B圖分別是第4C圖的光學模組和光具座的組裝件與安裝在光具座上的附加部件一起的組裝等距視圖和分解等距視圖；第13A圖和第13B圖分別是用於在本發明的替選實現方式中使用的光具座的替選實現方式的前等距視圖和後等距視圖；第13C圖是第13A圖的光具座與第2圖的光學模組的組裝件的等距視圖；第14A圖和第14B圖是用於在本發明的替選實現方式中使用的光具座的替選實現方式的兩個後等距視圖；以及第14C圖是用於形成根據本發明的實施方式的設備的替選實現方式的第14A圖的光具座與兩個光學模組的組裝件的局部等距視圖。
本發明是一種頭戴式增強現實設備。
參照圖式和所附描述可以更好地理解根據本發明的設備的原理和操作。
現在參照圖式，第1圖至第14C圖示出了用於向觀看真實場景的使用者顯示增強現實顯示的通常指定為10的頭戴式增強現實設備的各種實施方式和各種部件。一般而言，設備10包括如第1圖中所示的一對光學模組12，其包括用於用戶的右眼的右光學模組和用於使用者的左眼的左光學模組。如第2圖中最佳看到的，每個光學模組12包括光學地耦合至光導16的准直顯示源14，該光導16是至少部分透明的，並且光導16被配置成將由准直顯示源14投射的圖像照明引導到耦合輸出區域18，其中光導16從耦合輸出區域18朝向使用者的眼睛耦合輸出圖像照明中的至少一些。
該設備10還包括被配置成接合使用者的頭部的區域以由使用者的頭部支承的支承結構20。本發明的一個方面的特定特徵在於：設備10包括光具座22，該光具座22提供用於對準和固定右光學模組的第一組對準特徵部、用於對準和固定左光學模組的第二組對準特徵部以及用於相對於支承結構懸掛光具座22的懸掛裝置。本發明的該方面的特別優選的特徵在於：光具座22提供一對光學模組12與支承結構20之間的唯一的機械連接。
以這種方式使用光具座22與將光學模組12直接安裝到身體安裝式支承結構上相比提供了許多優點。特別地，光具座22優選地在光學模組12之間提供相對剛性的互連，這限定和保持兩個光學模組12之間的準確對準，同時至少部分地將光學模組12與身體安裝式支承結構可能會在正常使用期間暴露於的大部分應力、震動和/或衝擊隔離開。光具座22還可以用於限定和保持光學模組12與諸如攝像機和/或慣性測量單元(IMU)的附加部件之間的對準，並且類似地保護這些元件免受設備可能暴露於的機械應力和/或熱致應力中的至少一部分的影響。與可以以其他方式實現的光學模組12的對準相比，使用專用的光具座22--通常使用與用於支承結構相比更剛性和/或更精確的可加工的材料來實現--有助於光學模組12的更準確的對準。將參考下面的進一步描述更好地理 解本發明的各種實施方式的這些優點和其他優點。
本文中提到的光學模組12可以是任何類型的光學模組，其包括本文中稱為准直顯示源14的准直圖像投影儀以及用於將投射的圖像照明和來自真實世界的光組合以提供增強現實顯示的、本文中稱為光導16的至少部分透明的組合器。准直顯示源14通常基於通常在基於偏振分束器(PBS)的緊湊型配置中與准直光學器件組合的諸如OLED陣列或照明LCOS陣列的圖像生成元件。最優選地，光學模組12提供用於光學孔徑擴展的機構以使得在實現相對較大角度的視場和可以看到所顯示的圖像的可用眼睛運動的“可視區(eyebox)”的同時能夠使用微型圖像投影儀。用於實現這樣的光學孔徑擴展的可用技術包括以下作為一個特別優選但非限制性的示例：在光導16內--可選地在兩級擴展裝置中--使用傾斜角度的部分反射表面，以實現二維孔徑擴展，例如從魯姆斯有限公司(以色列)可商業購得的各種光學模組。從各種來源可商業購得的另一種孔徑擴展技術採用衍射光學元件以實現在擴展區域上從光導耦合輸出圖像照明。應當注意的是，以上僅是示例，並且本發明可應用於包括顯示源和組合器以提供增強現實顯示的任何可用技術。光學模組設計的細節本身不構成本發明的一部分，並且因此在本檔中不進一步討論。
用於實現本發明的光學模組12可以具有許多不同的配置和形狀因數。在本文中，第1圖至第13C圖示出了適合於“自上而下”實現方式的配置，其中圖像照明從光導的頂部邊緣被引導到光導中。然而，應當注意的是，本發明同樣適用於從光導的側面或從光導的拐角引入圖像照明的實現方式。下面將參照第14A圖至第14C圖討論一種這樣的實現方式。
在第1圖所示的示例中，經由兩個安裝區域24實現光學模組12的安裝，兩個安裝區域24位於准直顯示源14的相對兩側並且因此相對於光學模組12的耦合輸出區域18雙側地設置。以這種方式間隔開安裝區域往往增加部件的對準精度。
每個安裝區域24限定下述參考位置，該參考位置形成有用於與光具座22上的對應的一組對準特徵部對準的互補特徵部。在此處示出的優選示例中，光具座22的每組對準特徵部包括至少一個平面對準表面26--在這種情況 下為兩個平面對準表面26--和用於相對於平面對準表面26定位光學模組12的已知參考位置的至少兩個定位特徵部。所述至少兩個定位特徵部在此處示出為用於容納對準銷30的對準孔徑28，該對準銷30從光學模組12的安裝區域24的平面對準表面突出。顯然，通過提供從平面對準表面26突出的對準銷30和安裝區域24的平面表面中的對準孔徑28或具有單獨銷的兩個對準孔徑(單獨銷與兩個對準孔徑接合)可以實現等同的效果。通常也在平面對準表面26的區域中，光具座22也設置有用於容納螺栓的螺栓孔32，該螺栓用於將每個光學模組12抵接各自對應的平面對準表面緊固。光學模組12優選地具有對應的螺紋螺栓孔34，使得當光學模組12的安裝區域24與光具座22的平面對準表面26結合在一起--其中對準銷30接合在對準孔徑28中--時，一對螺栓36可以被用於將元件緊固在一起，如第4圖、第5圖和第7B圖所示的那樣。
將理解的是，到目前為止所描述的對準特徵部有效地將每個光學模組12以6個自由度(三個線性/平移和三個角度/旋轉)的準確限定的取向固定到光具座22。具體地，安裝區域24和平面對準表面26的緊固足以限定兩個旋轉取向和一個平移自由度(與平面垂直)。然後，第一對準銷與對準孔徑的接合排除兩個平面內平移自由度，僅留下與繞作為軸的銷的旋轉有關的不確定性。因此，與第一接合間隔開的、第二對準銷與對準孔徑的接合完全限定了所有6個自由度上的對準。為了減少對於對準孔徑之間的高精度間隔的需要，第二對準孔徑可以有利地被實現為在朝向/遠離第一對準孔徑的方向上延長的橢圓形孔徑或槽，這仍然足以完全確定整個接合的平面內旋轉取向。
安裝區域24和平面對準表面26優選地是準確的介面表面，其可以在製造期間被特別加工以實現與這些元件的其他區域相比提高的精度水準，例如，通過採用機械加工或研磨加工以實現高精度平面表面。通過在針對每個光學模組12的兩個間隔開的位置中提供平面表面，可以實現高度精確的對準精度。應當注意的是，此處描述的對準特徵部的特定實現方式僅僅是示例性的，並且可以等同地使用對準特徵部的各種配置。其他示例包括具有脊、槽或以下邊緣鄰接特徵部的對準表面的各種組合，所述邊緣鄰接特徵部通過與光學模組12的安裝區域24上的對應特徵部的鄰接來對準光學模組12。
用於對準每個光學模組12的兩個平面對準表面26優選地是共面的。用於對準一個光學模組的表面也可以與用於對準另一個光學模組的表面共面，在這種情況下，兩個顯示器的光軸可以是平行的，或者也可以以數位形式或在對準光學部件時引入輕微的輻合。然而，在某些特別優選的實現方式中，用於對準右光學模組12的平面對準表面26相對於用於對準左光學模組的對準表面傾斜，以限定雙目輻合的角度。例如，在一個特別優選的實現方式中，用於每個光學模組的對準表面向參考平面傾斜0.45度以在對準表面之間給出179.1度的角度，其與距用戶大約4米處的雙目輻合對應。期望的雙目輻合的程度可以根據預期的應用而變化，通常與要疊加增強現實顯示的真實世界工作範圍對應。例如，室外應用可以採用更遠的輻合點，通常在6米至10米的範圍內，而AR輔助的手術應用可以採用更短的輻合幾何結構，通常在0.4米至1米的範圍內。(應當注意的是，輻合距離也是瞳間距離(IPD)的函數，其由簡單的三角法限定，其中IPD的一半與輻合長度的比等於每個光學模組12到參考平面的傾斜角度的正切。然而，為了確定期望的傾斜角度，IPD的平均值給出足夠的準確度。)
現在轉到光具座22的其他特徵部，光具座22可以有利地形成為整體的材料塊，這往往增強光具座22針對給定重量的剛性和結構強度。用於光具座22的合適材料包括但不限於諸如鋁的各種金屬或金屬合金以及諸如碳複合材料的纖維增強聚合物。光具座22的設計和尺寸以及相關的製造工藝將根據所選材料的屬性來調節，這對於本領域普通技術人員而言將是清楚的。
選擇結構和材料是為了在光學模組12之間提供基本上剛性的互連。在這種情況下，“基本上剛性”用於指在身體安裝式設備通常被暴露於的機械操作條件的範圍內保持光學模組的對準的結構，機械操作條件的範圍包括在運動期間由人體頭部和/或身體執行的線性加速度和角度加速度並且考慮到模組本身的重量。如第12A圖和第12B圖最佳所看到的，還可能需要光具座22以支承許多不同的部件，對於這些不同的部件，與光學模組12的準確對準是關鍵的以及/或者與光學模組12的緊密接近是有利的。在第12A圖和第12B圖的示例中，這包括具有一對身歷聲攝像機42的攝像機元件40、IMU 44和用於光學模組12的驅動器電路系統46。這些元件中的每一個通常在光具座22的結構中設置有專 用附接配置，例如提供用於安裝攝像機元件40(其在此處與IMU 44集成)的攝像機對準特徵部的前支架48以及用於附接驅動器電路系統46的頂部支架50。這些部件的定位和重量對光具座22的設計提出了進一步的機械要求。
對於給定的重量和材料的選擇，特定的結構特徵可以用於實現光具座22的增強的剛性。根據一個優選的選擇，光具座22採用至少一個閉環結構，並且最優選地採用用於剛性地支承右光學模組的第一閉環框架以及用於剛性地支承左光學模組的第二閉環框架，如第3A圖至第5圖所看到的那樣。
在這樣的閉環結構的情況下，本發明的某些實現方式通過使用具有不對稱的剛度的橫樑實現增強的多軸剛度，其中最大剛度的方向是非平行的。在第6圖中最佳地示出該選項，其中豎直截面視圖截取閉合環中的一個閉合環的兩個橫樑(陰影區域)。每個橫樑具有橫截面，該橫截面具有長軸和短軸，在這種情況下是矩形橫截面的長邊和短邊。下橫樑的長軸明顯是非平行的(大於45°)，並且優選地與上橫樑橫截面的長軸大致垂直(90°±15°)，由此在不同的方向對彎曲力矩提供增強的抵抗力。
雖然針對實現方式的範圍用於光具座22的所示的閉環配置被認為是有利的，但是應當注意的是，本發明不限於這樣的實現方式，並且特別是在較少的附加部件需要被安裝在具座上的情況下，簡化的實現方式可以是足夠的。第13A圖至第13C圖示出了根據本發明的替選實現方式的用於支承一對光學模組12的光具座22的簡化版本。可以針對根據要被支承的部件的特定組合的每個特定應用以及根據最終設備的期望形狀因數的可用空間來改變光具座22設計的細節。
現在轉向第7A圖至第7B圖和第8圖，根據本發明的某些優選的實現方式，光學模組12到光具座22的附接位置可以是可調節的，以適應不同的瞳間距離(IPD)。應當注意的是，只要用戶的眼動可視區沒有將用戶的視場帶到從其投射顯示圖像照明的耦合輸出區域18的外部，本發明的AR顯示器對IPD的變化通常是不敏感的。然而，IPD的可調節性可以允許使用相對較小的耦合輸出區域，並且因此允許投影系統的整體大小減小。
在第7A圖中示出了用於調節IPD的一個特別優選的選項，其中對準孔徑28和螺栓孔32形成為在水準方向上延長的槽。這放寬了光學模組12在預定運動範圍內的水準平移的一個自由度。只要未達到顯示區域的限制，光學模組12的圖像投影對於沒有旋轉的平面內平移通常是不敏感的，因此該調節不會影響顯示。兩隻眼睛中的每一隻眼睛的任一方向上的幾毫米範圍通常足以調節耦合輸出區域18(的中心)之間的IPD以適應大多數人群的IPD變化，並且允許耦合輸出區域18的大小對應減小。可選地，每個光學模組12的水準位置可以如前所述通過螺栓36的擰緊而固定，該螺栓36通過摩擦接觸將模組夾緊到位。更優選地，可以提供彈簧墊圈或一些其他彈性元件以提供每個光學模組12的位置的摩擦保持力，但允許通過由用戶簡單地施加輕柔的手動力以克服摩擦保持力而引起的光學模組12的橫向位移。光具座22的對準特徵部可靠地保持光學模組12在繞所有軸的角度取向和兩個線性維度上的期望的對準，由此適應便利的IPD調節而無需複雜的移位機構。如第8圖中所示，與光學模組12的任何部分相鄰的支承結構20的任何部分被實現有足夠的間隙，以適應光學模組12位置的可用調節範圍。
現在轉到用於相對於支承結構20懸掛光具座22的懸掛裝置，這可以根據特定應用的細節和支承結構的形狀因數採用許多不同的形式。在特別優選的實現方式的一個子集中，懸掛裝置僅在寬度的中心區域內連接至光具座22，該中心區域被限定為在光具座22與光學模組12的組裝件的總寬度的中心20%內。最優選地，連接被限制在總寬度的中心10%內，這例如可以通過僅經由中心附接表面52(第12A圖)將光具座22附接到支承結構來實現。附接可以是剛性的，但是更優選地是經由至少一個彈性阻尼元件，該至少一個彈性阻尼元件被設置成抑制(衰減)震動從支承結構傳遞到光具座22。通過僅在中心區域支承光具座22，從支承結構到光具座22的應力傳遞基本上被消除，這允許支承結構彎曲、扭曲和/或經歷熱膨脹或收縮，而不會對光學元件引入對應的變形或應力。
在其他實現方式中，可以提供更精密的懸掛裝置，其保持光具座22相對於支承結構20的對準，同時更有效地衰減元件之間的震動。參照第9A圖 至第11B圖示出了這樣的懸掛裝置的示例。
首先參照第9A圖，支承結構(未示出)在此處設置有在孔徑56處終止的兩個側支架54，彈性墊環58被定位在孔徑56內。螺栓60和墊圈62穿過每個彈性墊環58的中心孔並且與光具座22的每一側上的螺紋孔徑64接合。在第9B圖中以橫截面示出了組裝的連接。該雙側附接至側支架54將光具座22相對於第11A圖中所示的六個自由度中的五個自由度--即，三個線性位移軸1,2,4和兩個旋轉的軸3,5--懸掛在明確限定的位置。這僅留下在第11A圖中標記為“6”的旋轉軸，其與繞螺栓60的公共軸線的旋轉對應。該最後一個旋轉自由度由阻尼連接件66取消，該阻尼連接件66在光具座22的中心附近相對於螺栓60偏軸地附接，並且經由另一個支架(未示出)連接至支承結構，由此形成光具座22與支承結構之間的阻尼連接。在第11B圖中最佳地看到該幾何結構。本發明的某些實現方式的特定特徵在於：孔徑56被定位成使得光具座22與安裝在其上的其他部件的組裝件具有基本上位於孔徑56之間的軸線上的質心。這確保經由該支承結構傳遞到組裝件的任何衝擊或震動不會產生可能導致進一步的振盪運動的淨力矩。
儘管上述懸掛裝置在三個間隔開的位置為光具座22提供支承，但是每個互連通過彈性阻尼元件發生，該彈性阻尼元件具有以下能力：衰減衝擊和震動，並且在應力條件下變形(例如通過熱量擴展係數的差異)以避免向光具座22傳遞顯著的應力。彈性元件也有助於光具座22和相關聯的光學部件的熱隔離。
在本發明的某些特別優選的實現方式中，支承結構20包括至少部分地圍繞光具座22的殼體68，如第10圖中最佳地看到的那樣。在這種情況下，殼體68優選地與光具座22和光學模組12間隔開最小間隙70以避免在正常操作條件的範圍內殼體與光具座22和一對光學模組12二者之間的接觸。該上下文中的“正常操作條件的範圍”涉及產品通常需要操作的震動、機械應力和操作溫度範圍的條件，如由各種標準限定的以及如本領域已知的那樣。主要地，間隙應當足夠，使得如果設備從高達至少1米的高度落到硬表面上，間隙不會閉合，並且衝擊的脈衝僅通過彈性阻尼元件被傳遞到光具座22。
如本文中所示出的，對至少部分地圍繞設備的光具座22和各種電 子器件和/或光學部件的殼體的選擇可以有利地以“自上而下”的設計來實現，其中圖像照明在光導16的頂部處被引入並且在光導16內向下傳播。在這種情況下，光學模組12的光導16的至少一部分優選地從殼體68向下突出，如第1圖和第8圖中所看到的那樣。
如上面所提及的，光具座22優選地提供一對光學模組12與支承結構20之間的唯一的機械連接。在該上下文中，短語“機械連接”用於指代兩個元件之間的任何連接，其旨在承載負荷並且在元件之間傳遞力。應當注意的是，通常存在在支承結構與光學模組12之間穿過同時提供電力和視訊訊號等的各種柔性電纜。雖然這些柔性電纜可以在元件之間傳遞特定小的力，但任何這樣的力都是無意的並且會被有意地最小化，並且與支承結構的機械連接相比是可忽略的。因此，術語“唯一的機械連接”不排除不旨在負荷承載的這樣的互連。
支承結構20可以以與設備的不同“形狀因數”對應的寬範圍配置來實現。在一個非限制性選擇中，如第1圖所示，支承結構20包括優選地可調節的用於環繞用戶的頭部的頭帶72。這向設備提供了穩定的平臺，並且特別適合於在使用者在使用設備時高度活躍的情況下使用。類似的配置可以被實現為支承結構20與頭盔集成的頭盔安裝式顯示器。
替選“形狀因數”採用玻璃框架型設備，其中，支承結構20包括被設置成用於接合用戶的耳朵(未示出)的一對側臂。在這種情況下，用於接合使用者的鼻子的第三支承點可以從支承結構20向下延伸，或者在一些情況下直接從光具座22向下延伸。儘管在本發明的大多數實現方式中，優選地認為光具座22不直接與用戶身體對接，但中心支承的一個區域--特別是當被實現為用於接合鼻子的有彈性的或加襯墊的橋時--在某些實現方式中可以是可接受的。
最後轉到第14A圖至第14C圖，儘管到目前為止已經參考自上而下的光學模組12實現方式說明了本發明，但是同樣可以使用在某些情況下可以提供附加的優點的其他配置來實現本發明。作為示例，第14A圖和第14B圖示出了被實現為用於在如第14C圖中所看到的那樣針對側面注入圖像實現方式的兩個光導16之間進行連接的中心塊的光具座22，其中，准直顯示源(未示出)位於每個光導的側邊緣處。該實現方式也示出了用於對準和固定每個光學模組 12的對準特徵部的替選實現方式。在這種情況下，提供平面對準表面26以用於直接鄰接光導16的表面與此處被實現為經定位突出部的橫向鄰接特徵部74。鄰接光導16的非線性邊緣和非圓形邊緣的三個橫向鄰接特徵部的使用足以限定光導相對於光具座22的獨特位置和對準。此處光導16附接到光具座22優選地通過在光導與平面對準表面26之間的薄層中和/或在光導與光具座22之間的、在橫向鄰接特徵部之間和/或圍繞橫向鄰接特徵部的空間中使用粘合劑來實現。粘合劑的使用不限於該實施方式，並且也可以在上述的其他實施方式的上下文中被實現。
將理解的是，以上描述僅旨在用作示例，並且在所附申請專利範圍限定的本發明的範圍內，許多其他實施方式是可能的。

Claims (16)

  1. 一種用於向觀看真實場景的使用者顯示增強現實顯示的頭戴式增強現實設備，所述設備包括：(a)一對光學模組，其包括用於使用者的右眼的右光學模組和用於使用者的左眼的左光學模組，所述光學模組中的每一個包括光學地耦合至光導的准直顯示源，所述光導是至少部分透明的，並且所述光導被配置成將由所述准直顯示源投射的圖像照明引導到耦合輸出區域並且從所述耦合輸出區域朝向使用者的眼睛耦合輸出所述圖像照明中的至少一些；(b)支承結構，其被配置成接合使用者的頭部以由用戶的頭部支承；以及(c)光具座，其包括：(i)用於對準和固定所述右光學模組的第一組對準特徵部，(ii)用於對準和固定所述左光學模組的第二組對準特徵部，以及(iii)用於相對於所述支承結構懸掛所述光具座的懸掛裝置，其中，所述光具座提供所述一對光學模組與所述支承結構之間的唯一的機械連接。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的設備，其中，所述第一組對準特徵部和所述第二組對準特徵部中的每一組包括至少一個平面對準表面和用於相對於所述至少一個平面對準表面定位所述光學模組的已知參考位置的至少兩個定位特徵部。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述的設備，其中，所述至少兩個定位特徵部選自：用於接合所述光學模組的對準孔徑的銷，以及用於容納所述銷的所述對準孔徑。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述的設備，其中，所述光具座還設置有用於容納螺栓的螺栓孔，所述螺栓用於將所述光學模組中的每一個抵接各自對應的平面對準表面緊固。
  5. 根據申請專利範圍第2項所述的設備，其中，所述至少兩個定位特徵部被配置成提供用於調節所述光學模組的所述耦合輸出區域之間的瞳間距離的一個自由度。
  6. 根據申請專利範圍第2項所述的設備，其中，用於對準所述右光學模組的所述至少一個平面對準表面和用於對準所述左光學模組的所述至少一個平面 對準表面相對於彼此傾斜，以限定雙目輻合的角度。
  7. 根據申請專利範圍第2項所述的設備，其中，所述第一組對準特徵部和所述第二組對準特徵部中的每一組包括相對於所述光學模組中的對應光學模組的所述耦合輸出區域雙側地設置的兩個平面對準表面。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述的設備，其中，所述光具座形成為整體的材料塊。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述的設備，其中，所述光具座包括用於剛性地支承所述右光學模組的第一閉環框架和用於剛性地支承所述左光學模組的第二閉環框架。
  10. 根據申請專利範圍第1項所述的設備，其中，所述光具座還包括用於相對於所述一對光學模組將至少一個成像設備對準的攝像機對準特徵部。
  11. 根據申請專利範圍第1項所述的設備，其中，所述懸掛裝置包括被設置成抑制震動從所述支承結構傳遞到所述光具座的至少一個彈性阻尼元件。
  12. 根據申請專利範圍第1項所述的設備，其中，所述光具座和所述一對光學模組一起具有總寬度，並且其中，所述懸掛裝置僅在所述寬度的中心區域內連接至所述光具座。
  13. 根據申請專利範圍第1項所述的設備，其中，所述支承結構包括至少部分地圍繞所述光具座的殼體，其中，所述殼體與所述光具座間隔開並且與所述一對光學模組間隔開，以避免在正常操作條件的範圍內所述殼體與所述光具座和所述一對光學模組二者之間的接觸。
  14. 根據申請專利範圍第13項所述的設備，其中，所述光導的至少一部分從所述殼體向下突出。
  15. 根據申請專利範圍第1項所述的設備，其中，所述支承結構包括用於環繞使用者的頭部的頭帶。
  16. 根據申請專利範圍第1項所述的設備，其中，所述支承結構具有被設置成用於接合用戶的耳朵的一對側臂。
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