2024年4月22日发(作者：初晗)
(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利说明书
(21)申请号 CN2.8
(22)申请日 2012.07.12
(71)申请人 谷歌公司
地址 美国加利福尼亚州
(72)发明人 谢尔盖·布林 巴巴克·阿米尔帕尔维兹
(74)专利代理机构 北京律盟知识产权代理有限责任公司
代理人 江葳
(51)
G02B27/02
权利要求说明书 说明书 幅图
(10)申请公布号 CN 104185807 A
(43)申请公布日 2014.12.03
(54)发明名称
双眼头戴式显示器的激光对准
(57)摘要
本发明涉及一种双眼头戴式显示
器，其包含框架、右显示器及左显示器、
对准传感器及控制系统。所述右显示器及
所述左显示器向用户显示右图像及左图像
且安装到所述框架。所述对准传感器包含
安装成接近所述右显示器或所述左显示器
中的一者的第一激光源及安装成与所述第
一激光源相对且接近所述右显示器或所述
左显示器中的相对者的第一光检测器阵
列。所述第一对准传感器经安装以测量归
因于所述框架围绕一个或一个以上旋转轴
的变形的所述右显示器与所述左显示器之
间的不对准且产生指示所述不对准的信
号。所述控制系统耦合到所述对准传感器
以接收所述信号且至少部分地基于所述信
号而计算所述不对准。
法律状态
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
权 利 要 求 说 明 书
1.一种双眼头戴式显示器，其包括：
框架，其用于佩戴在用户的头部上；
右显示器及左显示器，其用于向所述用户显示右图像及左图像，其中所述右显示
第一对准传感器，其包含安装成接近所述右或左显示器中的一者的第一激光源及
安装成与所述第一激光源相对且接近所述右或左显示器中的相对者的
器阵列，所述第一对准传感器经安装以测量归因于所述
转轴的变形的所述右显示器与所述
的第一信号；以及
器及所述左显示器安装到所述框架；
第一光检测
框架围绕一个或一个以上旋
左显示器之间的不对准且产生指示所述不对准
控制系统，其耦合到所述第一对准传感器以接收所述第一信号且包含用于至少部
2.根据权利要求1所述的双眼头戴式显示器，其中所述第一激光源经定位以引导光
束 穿过所述双眼头戴式显示器在所述右显示器与所述左显示器之
击在所述第一光检测器阵列上，其中所述光束冲
置指示所述右显示器与所述
分地基于所述第一信号计算所述不对准的逻辑。
间的鼻梁区域且冲
击在所述第一光检测器阵列上的位
左显示器之间的所述不对准。
3.根据权利要求2所述的双眼头戴式显示器，其中所述第一光检测器阵列包括具有
四 个光敏区域的象限检测器且其中所述控制系统的所述逻辑包含
个光敏区域中的每一者获得的光敏信号的相对强
述象限检测器上的中央位置的第一
区域确定所述不对准
用于基于由所述四
度来确定所述第一光束冲击在所
逻辑及用于至少部分地基于所述所确定的中央
的第二逻辑。
4.根据权利要求2所述的双眼头戴式显示器，其中所述第一光检测器阵列包含
N×M 像素阵列且其中所述控制系统的所述逻辑至少部分地基于所述
哪一个像素感测到所述光束而确定所述光束冲击
述位置。
N×M像素阵列中的
在所述第一光检测器阵列上的所
5.根据权利要求1所述的双眼头戴式显示器，其进一步包括：
第二对准传感器，其包含安装到所述左显示器或右显示器中的一者的第二激光源
及相对于所述第二激光源安装到所述左显示器或右显示器中的相对者
测器阵列，所述第二对准传感器经耦合以测量归因于所
以上旋转轴的所述变形的所述右显
所述不对准的第二信
的第二光检
述框架围绕所述一个或一个
示器与所述左显示器之间的不对准且产生指示
号，
其中所述第二对准传感器与所述第一对准传感器物理偏移，
其中所述控制系统进一步耦合到所述第二对准传感器以接收所述第二信号且所
述逻辑进一步经耦合以至少部分地基于所述第一及第二信号计算所述
不对准。
6.根据权利要求5所述的双眼头戴式显示器，其中所述第一及第二对准传感器各自
经
物理定向以引导实质上水平的光束穿过所述头戴式显示器的鼻
梁区域。
7.根据权利要求5所述的双眼头戴式显示器，其中所述第一及第二对准传感器各自
经 物理定向以引导对角光束穿过所述头戴式显示器的鼻梁区域，
感器使所述右显示器的上部与所述左显示
器使所述左显示器的上部与
使得所述第一对准传
器的下部光学对齐且所述第二对准传感
所述右显示器的下部光学对齐。
8.根据权利要求5所述的双眼头戴式显示器，其中所述一个或一个以上旋转轴包括
通 过所述框架的所述鼻梁区域的实质上垂直轴及通过所述鼻梁区
贯穿所述鼻梁的第一旋转变形可围绕所述
转变形可围绕所述实
域的实质上纵向轴，
实质上垂直轴而发生，贯穿所述鼻梁的扭
质上纵向轴而发生。
9.根据权利要求5所述的双眼头戴式显示器，其中所述控制系统进一步包含用于产
生 指示所述不对准的反馈信号的逻辑，所述双眼头戴式显示器进
一步包括：
右显示器控制器，其耦合到所述控制系统以接收所述反馈信号的至少一部分且调
左显示器控制器，其耦合到所述控制系统以接收所述反馈信号的至少一部分且调
10.根据权利要求1所述的双眼头戴式显示器，其进一步包括安置在所述框架的鼻
梁区 域处的机械致动器，所述机械致动器耦合到所述控制系统以响
对准而机械校
整所述左图像以补偿所述不对准以使所述左图像回到对准状态。
整所述右图像以补偿所述不对准以使所述右图像回到对准状态；及
应于所述经计算的不
正所述右显示器与所述左显示器之间的所述不对准。
11.根据权利要求10所述的双眼头戴式显示器，其中所述机械致动器跨越所述鼻梁
区
12.根据权利要求11所述的双眼头戴式显示器，其中所述机械致动器包括形状记忆
合 金、功能聚合物、压电致动器或微机电系统“MEMS”致动器中
域而延伸。
的至少一者。
13.一种跟踪双眼头戴式显示器“HMD”的右显示器与左显示器之间的对准的方法，
所述方法包括：
从安装成接近所述右显示器或所述左显示器中的一者的第一激光源引导第一光
束穿过所述双眼HMD在所述右显示器与所述左显示器之间的中央区
装成与所述第一激光源相对且接近所述右显示器
一光检测器阵列上；
域以冲击在安
或所述左显示器中的相对者的第
确定所述第一光束冲击在所述第一光检测器阵列上的第一位置；及
至少部分地基于所述第一位置监视所述右显示器与所述左显示器之间的不对准，
其中所述不对准至少部分地由支撑所述右显示器及所述左显示器的所
的框架的变形引起。 述双眼HMD
14.根据权利要求13所述的方法，其中监视所述右显示器与所述左显示器之间的所
述
监视归因于所述框架围绕第一旋转轴的第一旋转变形的所述不对准，所述第一旋
转轴通过所述双眼HMD的所述右显示器与所述左显示器之间的所述
区域；及
不对准包括：
框架的中央鼻
监视归因于所述框架围绕第二旋转轴的第二旋转变形的所述不对准，所述第二旋
转轴通过所述中央鼻区域，其中所述第二旋转轴与所述第一旋转轴不
同。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一旋转变形至少由扩张或压缩所述框
架 的耳臂部件的向内的力或向外的力引起，其中所述第二旋转变
到所述耳臂部件的相对的向上的力及向下形至少部分地由施加
的力引起。
16.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：
从安装成接近所述右显示器或左显示器中的一者的第二激光源引导第二光束穿
过所述双眼HMD的所述中央区域以冲击在安装成与所述第二激光源
述右显示器或所述左显示器中的相对者的第二光
相对且接近所
检测器阵列上；
确定所述第二光束冲击在所述第二光检测器阵列上的第二位置；及
至少部分地基于所述第一及第二位置监视所述右显示器与所述左显示器之间的
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一及第二光束彼此偏移且沿着实质上
平 行的路径延伸，其中所述第一光检测器阵列及所述第一激光源
部与所述左显示器的上部光学对齐，且其
源使所述右显示器的
所述不对准。
使所述右显示器的上
中所述第二光检测器阵列及所述第二激光
下部与所述左显示器的下部光学对齐。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一及第二光束沿着实质上对角的路径
延 伸，其中所述第一光检测器阵列及所述第一激光源使所述右显
显示器的下部光学对齐，且其中所述第二
显示器的上部与所述
示器的上部与所述左
光检测器阵列及所述第二激光源使所述左
右显示器的下部光学对齐。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一光检测器阵列包括具有四个光敏区
域 的象限检测器且其中确定所述第一光束冲击在所述第一光检测
一位置包括： 器阵列上的所述第
基于由所述四个光敏区域中的每一者获得的光敏信号的相对强度确定所述第一
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一光检测器阵列包括N×M像素阵列
且 其中确定所述第一光束冲击在所述第一光检测器阵列上的所述
光束冲击在所述象限检测器上的中央位置。
第一位置包括：
确定所述N×M像素阵列内的哪一个像素感测到所述第一光束。
21.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：
在所述不对准超过阈值不对准的情况下发布故障信号。
22.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括：
在所述右显示器或所述左显示器中的一者或两者上显示对准指示符以向所述双
23.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：
分别以所述右显示器及所述左显示器产生右图像及左图像；及
基于所述不对准将主动图像校正应用于所述右图像或所述左图像中的至少一者
以补偿引起所述右显示器与所述左显示器之间的所述不对准的所述框
形。
眼HMD的用户提供实时视觉对准反馈同时调整所述框架的所述变形。
架的所述变
24.一种双眼头戴式显示器“HMD”，其包括：
框架；
安装到所述框架的右显示器及左显示器，所述右显示器及所述左显示器分别用于
激光对准传感器系统，其耦合到所述右显示器及所述左显示器且经定向以引导光
束穿过所述双眼HMD的鼻梁区域且光学记录所述右显示器与所述左
产生右图像及左图像；
显示器之间的
对准；及
控制系统，其安置在所述框架中或所述框架上且耦合到所述激光对准传感器系
统，所述控制系统包含在被执行时致使所述控制系统执行操作的逻辑，
括： 所述操作包
从所述激光对准传感器系统接收指示所述右显示器与所述左显示器之间的不
基于所述对准信号确定所述不对准；及
基于所述不对准将主动图像校正应用于所述右图像或所述左图像中的至少一
者以补偿引起所述右显示器与所述左显示器之间的所述不对准的所述
形。
对准的对准信号；
框架的变
25.根据权利要求24所述的双眼HMD，其中所述激光对准传感器系统包括：
用于产生第一光束的第一激光源，其安装成接近所述右显示器或所述左显示器中
第一光检测器阵列，其安装成与所述第一激光源相对且接近所述右显示器或所述
左显示器中的相对者，所述第一光检测器
一光检测器上的第一
的一者；及
用于产生指示所述第一光束冲击在所述第
位置的第一对准信号。
26.根据权利要求25所述的双眼HMD，其中所述激光对准传感器系统进一步包括：
用于产生第二光束的第二激光源，其安装成接近所述右显示器或所述左显示器中
第二光检测器阵列，其安装成与所述第二激光源相对且接近所述右显示器或所述
左显示器中的相对者，所述第二光检测器用于产生指示所述第二光束
二光检测器上的第二位置的第二对准信号。
的一者；及
冲击在所述第
27.根据权利要求26所述的双眼HMD，其中所述第一及第二激光源经定向以沿着
贯穿
28.根据权利要求24所述的双眼HMD，其中所述光检测器包括象限检测器。
所述鼻梁区域的实质上对角路径输出所述第一及第二光束。
说 明 书
技术领域
本发明大体上涉及头戴式显示器，且更特定来说但不排他地，涉及双眼头戴式显示
背景技术
头戴式显示器(“HMD”)为在头部上或围绕头部佩戴的显示装置。HMD通常并入
某种类别的近眼式光学系统以在人眼的若干厘米之内显示图像。单眼显示器
HMD而双眼显示器称为双眼式HMD。一些HMD仅显示计算
其它类型的HMD能够在现实世界景物上叠加
强现实，这是因为观看者的世界图
器。
称为单眼式
机产生图像(“CGI”)，而
CGI。这后一种类型的HMD通常称为增
像以重叠CGI增强(也称为抬头显示(“HUD”))。
HMD具有许多实际应用及休闲应用。航空应用允许飞行员在不使其眼睛离开飞行
路径的情况下看见极其重要的飞行控制信息。公共安全应用包含地图及热成
示。其它应用领域包含视频游戏、交通运输及长途通信。因为
所以随着技术发展必定存在新发现的实际应用及
因于用于实施现有HMD的常规光
场中得到广泛采纳之
像的战术显
此技术尚处于初期阶段，
休闲应用；然而，这些应用中的许多归
学系统的成本、尺寸、视场及效率以及在HMD在市
前必须被满意地解决的其它技术障碍而当前受到限制。
发明内容
附图说明
参考附图描述本发明的非限制性且非穷举性实施例，其中相同参考数字在所有各种
视图中指代相同部件，除非另有指定。
图1为根据本发明的实施例的具有激光对准传感器的头戴式显示器的前视图。
图2为根据本发明的实施例的具有激光对准传感器的头戴式显示器的透视图。
图3为根据本发明的实施例的具有激光对准传感器的头戴式显示器的侧视图，其说
图4为根据本发明的实施例的具有激光对准传感器的头戴式显示器的前视图，所述
激光对准传感器经定向以对角地穿过所述头戴式显示器的框架的中央鼻区域
对准。
明所述头戴式显示器的框架的扭转变形。
而测量不
图5A到5C为说明根据本发明的实施例的用于测量头戴式显示器的右显示器与左
显
图6为说明根据本发明的实施例的用于测量头戴式显示器的右显示器与左显示器之
图7为说明根据本发明的实施例的操作用于监视头戴式显示器的右显示器与左显示
图8A及8B为根据本发明的实施例包含用于校正框架变形的一个或一个以上机械
致
具体实施方式
动器的头戴式显示器的前视图。
器之间的不对准的控制系统的方法的流程图。
间的不对准的N×M像素阵列光检测器的框图。
示器之间的不对准的象限光检测器的框图。
本文描述用于感测双眼头戴式显示器(“HMD”)的目镜之间的对准的系统及方法
的实施例。在以下描述中，陈述许多具体细节以提供对实施例的透彻理解。
领域的技术人员将认识到，可在没有所述具体细节中的一者或
以其它方法、组件、材料等等实践本文中描述的
述众所周知的结构、材料或操作以
然而，所属
一者以上的情况下实施或
技术。在其它实例中，未展示或详细描
避免模糊某些方面。
贯穿本说明书的对“一个实施例”或“一实施例”的参考意味着结合所述实施例
描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，在
书的各种地方出现短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”不
施例。此外，特定特征、结构或特性可在一个或一个以
贯穿本说明
一定都指代同一实
上实施例中以任何合适方式组合。
进一步鼓励市场采纳HMD技术所需克服的一个技术障碍为识别及补偿双眼HMD
变形。双眼HMD的变形可导致双眼HMD的左图像显示器与右图像显示器
不对准。这些不对准可导致如由用户感知的模糊的或以其它方
致较差的用户体验(迷失方向、晕眩等等)。变形
当、较差的用户匹配、非对称脸部
之间的有害
式折中的图像，这最终导
可归因于各种原因而发生，包含使用不
特征、恶劣的环境因数(例如，热翘曲)或其它原因。
举例来说，如果双眼HMD对于给定用户的头部来说过窄，那么所述用户的头部将
对双眼HMD的耳臂中的每一者施加向外的力，从而引起耳臂扩张，借此围
显示区段折曲。在较小程度上，如果用户的头部过窄，那么相
施加向内压缩力)可发生。此外，如果用户的耳
朵高)，
绕鼻梁使前
反的作用(通过耳朵向耳臂
朵是不对称的(即，一只耳朵比另一只耳
那么扭转力可被施加到耳臂，从而引起双眼HMD的左侧及右侧围绕鼻梁扭转。
这些旋转变形可导致双眼HMD的右显示器与左显示器之间的不对准。
图1到3说明根据本发明的实施例的实例双眼HMD100的各种视图。图1为双眼
HMD100的前视图、图2为双眼HMD100的透视图且图3为双眼HMD100
所说明的双眼HMD100的实施例包含右显示器105A及左显示
105)、激光对准传感器系统115、对准控制器
传感器系统115的实施例包含两个
阵列122。所说明的
及前显
的侧视图。
器105B(共同称为显示器
125(图2或3)及框架。所说明的激光对准
激光对准传感器，其各自包含激光源120及光检测器
框架的实施例包含右耳臂130A及左耳臂130B(共同称为耳臂130)
示区段132。所说明的前显示区段132的实施例包含右上显示器支撑件135A及
左上显示器支撑件135B(共同称为上显示器支撑件135)、右下显示器支撑件
下显示器支撑件140B(共同称为下显示器支撑件140)及鼻梁
统眼镜形框架，但本发明的实施例可适用于各种
显示器支撑件140、可省略上显示
框架部件的刚性光学
140A及左
145。虽然图1到3说明传
框架类型及风格。举例来说，可省略下
器支撑件135，显示器105可为其自身也用作结构性
目镜，所述框架可呈现护目镜形状或其它形状。
可使用各种不同双眼显示器技术实施显示器105。举例来说，显示器105可实施为
半透明光学元件或不透明光学元件。半透明光学元件实施例允许外部光通过
的眼睛以提供现实世界视图，但还显示所述现实世界视图上的
(“CGI”)。这种类型的显示器技术经常称为抬头
明光学元件实施例可进一步定义成
的薄片)或反射性实
器105
而到达用户
叠加的计算机产生图像
显示(“HUD”)或增强现实。所述半透
发射性实施例(例如，透明有机发光二极管(“OLED”)
施例。图2说明反射性实施例，其中图像源205将CGI投影到显示
上，显示器105朝向用户的眼睛反射回CGI。其它反射性实施例可使用各种类型
的波导将CGI从耳臂130附近的周边位置传送到用户眼睛前方的位置。可
(“LCoS”)图像面板、微微投影仪、LED阵列或其它装
光学元件的实施例不允许外部光通过显示
类型的HMD通常称为虚拟
使用硅上液晶
置实施图像源205。包含不透明
器105，而是仅将CGI发射到用户眼睛。这些
现实HMD。在半透明光学元件实施例及不透明光学元件实施 例两者中，显
示器控制器210可用于驱动显示器105及呈现CGI。当然，可使用其它显
示器技术且甚至可使用可在半透明操作模式与不透明操作模式之间来回切换
置。 的混合装
如上文论述，双眼HMD100可归因于若干环境因素或使用场景而在使用期间变形
或随时间推移而变形。如图1及2中说明，双眼HMD100可围绕通过鼻梁
折曲轴(或垂直轴)而变形。鼻梁145通常为右显示器与左显示
132的中心部分中的
在鼻梁
145的旋转
器105之间的前显示区段
结构性弱点。通过在耳臂130上施加向内的力，前显示区段132将
145处折曲且围绕旋转折曲轴向后枢转或旋转。相应地，施加到耳臂130的向外
的力将致使前显示区段132围绕鼻梁145折曲且围绕旋转折曲轴向前枢转或
双眼HMD100未与用户适当匹配(例如，用户头部过小或过大)，
此外，双眼HMD100可围绕通过鼻梁145的旋
通过向耳臂130施加相反的向上的
旋转扭转轴扭转。如
力可能
旋转。如果
那么这些力可能发生。
转扭转轴(或纵轴)变形。参考图1及3，
力及向下的力，前显示区段132将在鼻梁145处围绕
果双眼HMD100未与具有不匀称耳朵的用户适当匹配，那么这些
发生。旋转折曲变形及旋转扭转变形在本文中一般称为围绕旋转轴的旋转变形。
激光对准传感器系统115安置成接近显示器105以测量归因于框架围绕旋转变形轴
的变形的右显示器与左显示器105之间的不对准。可以单个激光对准传感器
成对的激光源120及光检测器阵列122)、一对激光对准传感
对准传感器来实施激光对准传感器系统115。使
传感器系统115的灵敏度且可增加
目。
(例如，单个
器(已说明)或两个以上激光
用多个激光对准传感器提高了激光对准
可通过激光对准传感器系统115监视的变形轴的数
在所说明的实施例中，激光源120安装成接近左显示器105B且光检测器122安装
成与激光源120相对而接近右显示器105A。当然，在其它实施例中，可交
以其它方式更改安装位置／定向。激光源120引导光束穿过鼻
测器122。因为激光源120刚性地耦合到左显示
右显示器105A，所以围绕鼻梁
光束中的移动。每一
换、交替或
梁145而冲击其对应的光检
器105B且光检测器122刚性地耦合到
145的任何折曲或扭转被光检测器阵列122感测为冲击
冲击光束从其默认位置或校准位置的移位越大，框架的变形就越大。
可共同地分析来自两个光检测器阵列122的输出信号以确定变形的方向及量
发生的显示器105的相对不对准。 值以及随之
图4说明根据本发明的实施例的激光源120及光检测器122的替代对角布置400。
图1到3说明使显示器105的上部彼此光学对齐且使显示器105的下部彼此
实质上平行的光束路径。相比之下，图4中说明的对角布置
过鼻梁145而使一个显示器的上部与另一显示器
示的平行路径布置，对角布置400
光学对齐的
400通过引导光束对角地穿
的下部光学对齐。相比于图1到3中揭
可提高灵敏度且增加可测量变形轴的数目。
激光源120及光检测器122可安置在前显示区段132接近显示器105的前侧(已说
明) 或后侧表面上。或者，鼻梁145可由透明材料(例如，透明塑料)制成
120及光检测器122嵌入在框架结构自身内的内部中空
可直接安装到显示器105或安装到框架接
或包含允许激光源
腔。激光源120及光检测器122
近显示器105的部分。在任一情形中，安置位
置应提供与显示器105的充分刚性的机械耦合，使得导致显示器105之间的
的框架变形被激光对准传感器系统115记录。 相对不对准
图5A到5C为说明根据本发明的实施例的用于测量头戴式显示器的右显示器与左
显 示器之间的不对准的象限光检测器500的框图。象限光检测器500为
的一个可能实施方案。所说明的象限光检测器500的实
505B、505C及505D(共同称为光敏区域
光检测器阵列122
施例包含四个光敏区域505A、
505)。每一光敏区域505可以捕获图像电荷且 输出指示冲击在给定光电二
荷耦合装置极管上的光束510的量的信号或图像数据的光电二极管或电
(“CCD”)来实施。接着，可分析输出信号以确定光束510的中央位置或形
心。举例来说，如果所有光敏区域505都获得相同图像电荷量，那么形心分
束510的位置在象限光检测器500的中间(图5B)。然而，如果
像电荷、区域505D捕获最低的图像电荷且区域
荷，那么形心分析将确定光束510
505捕获的图像电荷
示器
析将确定光
区域505A捕获最高的图
505C及505B捕获实质上相等的图像电
的位置已朝向左上象限移动(图5C)。由每一光敏区域
的相对量值可用于确定光束510的中央位置，所述中央位置指示显
105之间的不对准(或对准)且相应地指示框架的变形(或没有框架变形)。
图6为说明根据本发明的实施例的用于测量头戴式显示器的右显示器与左显示器之
间的不对准的N×M像素阵列600的框图。N×M像素阵列600为光检测器阵
个可能实施方案。所说明的N×M像素阵列600的实施例包含
二极管，CCD等)的N×M阵列。在一个实施例
可简单地通过哪一个像素归因于光
而确定光束605的位
列122的一
光敏成像像素(例如，光电
中，在N×M像素阵列600的操作期间，
束605而捕获最大图像电荷且因此输出最大图像数据
置。
可经由对框架的适当设计及对材料的适当选择来减少双眼HMD100的旋转变形。
通过选择较硬的材料并且围绕鼻梁145增大框架强度，可减少致使右显示器
相对于左显示器105B不对准的旋转变形。举例来说，双眼
控制系统模制的塑料、其中或其上安置有
材料制成。然而，对较硬材
在审美
105A变得
HMD100可由围绕传感器和
传感器及控制系统的中空金属框架部件或其它
料的选择及／或较粗壮的框架设计可为沉重的、令人不适的或
／功能上不令人满意的。因此，本文中揭示的激光对准传感器系统115及控制系统
可提供对框架变形及显示器不对准的主动监视／跟踪，其可用于在达到变形
即刻产生故障信号以关闭显示器105以防止用户迷失方阈值程度之后
向、向用户发布矫正或以其它方 式重新校准框架的警告及指令，或甚至向
补偿以抵消机械变形的影响。图像控制器210提供主动反馈以进行实时图像
图7为说明根据本发明的实施例的操作用于监视右显示器与左显示器105之间的不
对准的控制系统的过程700的流程图。过程框中
的顺序不应被认为是限制性的。相
未说明的各种顺序执
的一些或所有过程框在过程700中出现
反，受益于本发明的所属领域的技术人员将理解可以
行或甚至并行执行过程框中的一些过程框。
在过程框705中，通过启用激光源120及光检测器阵列122激活激光对准传感器系
统115。激光源120的激活致使光束被发射且被引导穿过显示器105之间的
如，鼻梁145)(过程框710)。所发射的光束冲击在光检测器阵
束撞击其表面的位置的信号。
中央区域(例
列122上，其产生指示光
在过程框715中，将从光检测器阵列122输出的信号耦合到对准控制器125中以进
行分析以确定光束冲击在光检测器阵列122上的位置。所述信号可为由光检
122(例如，象限检测器500)内的光敏区域收集、由成像像素
收集的图像数据或由各种其它光敏元件收集的图
列122上的形心或中央位置或通过
置的确定。在一个实
检测器
测器阵列
(例如，N×M像素阵列600)
像数据。可通过计算光束在光检测器阵
识别像素阵列内的哪一个像素正在感测光束来完成位
施例中，实时连续监视、周期性监视或响应于校准要求而监视从光
阵列122输出的信号。
在过程框720中，使用从光检测器阵列122输出的信号确定显示器105之间的相对
不对准且相应地确定引起所述不对准的框架中的变形。在一个实施例中，可
束冲击位置与在先前用户校准期间确定的参考位置或以其它方
定不对准／变形。所述比较可由对准控制器125
通过比较光
式先前预设的位置来确
执行，且所述参考位置可为在知晓框架处 于对准或非变形状态时来自
考位置之间的光检测器122的测得输出。接着，可使用当前测得位置与参
位置偏移的大小及方向来确定归因于围绕旋转变形轴的框架变形的不对
如果双眼HMD100经配置以执行实时主动校正(决策框725)，那么过程400继续到
过程框730处。在过程框730中，使用所确定的不对准来将主动图像校正应
器105显示的CGI。以此方式，即使物理变形连续出现也可使
架变形且使右CGI及左CGI回到对准状态。在
对准控制器125以接收实时不对准
移、梯形失真及／或
准的方向及量值。
用于由显示
用图像校正来克服机械框
一个实施例中，图像控制器210耦合到
反馈并计算必要的图像调整，其可包含水平或垂直平
各种其它图像预失真校正措施。
如果框架变形变得对于主动图像校正来说过大或如果双眼HMD100的特定实施例
不支持主动图像校正，那么可确定不对准是否超过阈限量。因此，在决策框
定不对准是否超过阈值。如果不超过，那么过程700返回到过
如果超过，那么过程700继续到过程框740。在
用户。
735中，确
程框710以继续进行监视。
过程框740中，发布故障信号从而警告
所述故障信号可使显示器105停用或甚至在显示器105上向用户显示警告消息。
在一个实施例中，所述警告消息可包含如何校正框架中的变形的指示(例如，
新对准框架的校正扭转措施的符号)。随着用户通过施加反力
架，显示器可显示对准指示符以实时引导
回到常规操作。还可发布及
说明用于重
校正框架变形来重新对准框
用户，且可在变形下降到低于阈值之后最终返
／或显示其它类型的警告或错误信号，例如可闻警告。
图8A及8B为根据本发明的实施例的包含用于校正框架变形的机械致动器的各种
实 施例的HMD801及802的前视图。图8A说明安置在显示器105之间
械致动器810。机械致动器810可为耦合到对准控制器的鼻梁145中的机
125以响应于来自控制器125的 反馈控制信号的单个致动器装置或多个独
处对框架施加反力以机械校
归因于温度变
立致动器装置。机械致动器810可在鼻梁145
正显示器105之间的小不对准。举例来说，小不对准可包含
化、小力等等的光学装置中的小蠕变。此机械重新对准可实时连续发生(即，
图8B说明跨越显示器105之间的鼻梁145而安置的机械致动器815及817。机械
致动器815及817耦合到对准控制器125以响应于来自对准控制器125的反
机械致动器815及817可跨越鼻梁145而对框架施加反
正显示器105之间的小不对准。此机械重
的启动初始化阶段期间发生。
系统
主动对准)或在每次打开HMD801时的启动初始化阶段期间发生。
馈控制信号。
力(压缩性或拉伸性的)以机械校
新对准可实时连续发生或在打开HMD801时
可使用形状记忆合金、功能聚合物或压电致动器、微机电
(“MEMS”)致动器或其它机械或机电致动装置来实施机械致动器810、815或817。
由机械致动器810、815或817中的任一者提供的机械校正可为除上文论述
之外的机械校正或可代替上文论述的图像校正。 的图像校正
可从计算机软件及硬件的角度来描述上文解释的过程。所描述的技术可构成体现在
有形机器(例如，计算机)可读存储媒体内的机器可执行指令，当由机
令将致使所述机器执行所描述的操作。此外，所述过程
电路(“ASIC”)或类似物。
器执行时，所述指
可体现在硬件内，例如专用集成
有形机器可读存储媒体包含以机器(例如，计算机、网络装置、个人数字助理、制
造 工具、具有一组一个或一个以上处理器的任何装置等)可存取的形式
的任何机构。举例来说，机器可读存储媒体包含可记录
器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘
等)。
提供(即，存储)信息
／不可记录媒体(例如，只读存储
存储媒体、光学存储媒体、快闪存储器装置等
对本发明的所说明的实施例的以上描述(包含在说明书摘要中描述的内容)不希望为
穷举性的或将本发明限于所揭示的精确形式。如所属领域的技术人员将认识
于说明目的描述了本发明的特定实
是可能的。
到，虽然出
施例及本发明的实例，但各种修改在本发明的范围内
在以上详细描述的背景下可对本发明做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语
不应被解释为将本发明限于说明书中揭示的特定实施例。而是，本发
根据沿用已久的权利要求解释规则来解释的所附权利要明的范围将完全由
求书确定。
2024年4月22日发(作者：初晗)
(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利说明书
(21)申请号 CN2.8
(22)申请日 2012.07.12
(71)申请人 谷歌公司
地址 美国加利福尼亚州
(72)发明人 谢尔盖·布林 巴巴克·阿米尔帕尔维兹
(74)专利代理机构 北京律盟知识产权代理有限责任公司
代理人 江葳
(51)
G02B27/02
权利要求说明书 说明书 幅图
(10)申请公布号 CN 104185807 A
(43)申请公布日 2014.12.03
(54)发明名称
双眼头戴式显示器的激光对准
(57)摘要
本发明涉及一种双眼头戴式显示
器，其包含框架、右显示器及左显示器、
对准传感器及控制系统。所述右显示器及
所述左显示器向用户显示右图像及左图像
且安装到所述框架。所述对准传感器包含
安装成接近所述右显示器或所述左显示器
中的一者的第一激光源及安装成与所述第
一激光源相对且接近所述右显示器或所述
左显示器中的相对者的第一光检测器阵
列。所述第一对准传感器经安装以测量归
因于所述框架围绕一个或一个以上旋转轴
的变形的所述右显示器与所述左显示器之
间的不对准且产生指示所述不对准的信
号。所述控制系统耦合到所述对准传感器
以接收所述信号且至少部分地基于所述信
号而计算所述不对准。
法律状态
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
权 利 要 求 说 明 书
1.一种双眼头戴式显示器，其包括：
框架，其用于佩戴在用户的头部上；
右显示器及左显示器，其用于向所述用户显示右图像及左图像，其中所述右显示
第一对准传感器，其包含安装成接近所述右或左显示器中的一者的第一激光源及
安装成与所述第一激光源相对且接近所述右或左显示器中的相对者的
器阵列，所述第一对准传感器经安装以测量归因于所述
转轴的变形的所述右显示器与所述
的第一信号；以及
器及所述左显示器安装到所述框架；
第一光检测
框架围绕一个或一个以上旋
左显示器之间的不对准且产生指示所述不对准
控制系统，其耦合到所述第一对准传感器以接收所述第一信号且包含用于至少部
2.根据权利要求1所述的双眼头戴式显示器，其中所述第一激光源经定位以引导光
束 穿过所述双眼头戴式显示器在所述右显示器与所述左显示器之
击在所述第一光检测器阵列上，其中所述光束冲
置指示所述右显示器与所述
分地基于所述第一信号计算所述不对准的逻辑。
间的鼻梁区域且冲
击在所述第一光检测器阵列上的位
左显示器之间的所述不对准。
3.根据权利要求2所述的双眼头戴式显示器，其中所述第一光检测器阵列包括具有
四 个光敏区域的象限检测器且其中所述控制系统的所述逻辑包含
个光敏区域中的每一者获得的光敏信号的相对强
述象限检测器上的中央位置的第一
区域确定所述不对准
用于基于由所述四
度来确定所述第一光束冲击在所
逻辑及用于至少部分地基于所述所确定的中央
的第二逻辑。
4.根据权利要求2所述的双眼头戴式显示器，其中所述第一光检测器阵列包含
N×M 像素阵列且其中所述控制系统的所述逻辑至少部分地基于所述
哪一个像素感测到所述光束而确定所述光束冲击
述位置。
N×M像素阵列中的
在所述第一光检测器阵列上的所
5.根据权利要求1所述的双眼头戴式显示器，其进一步包括：
第二对准传感器，其包含安装到所述左显示器或右显示器中的一者的第二激光源
及相对于所述第二激光源安装到所述左显示器或右显示器中的相对者
测器阵列，所述第二对准传感器经耦合以测量归因于所
以上旋转轴的所述变形的所述右显
所述不对准的第二信
的第二光检
述框架围绕所述一个或一个
示器与所述左显示器之间的不对准且产生指示
号，
其中所述第二对准传感器与所述第一对准传感器物理偏移，
其中所述控制系统进一步耦合到所述第二对准传感器以接收所述第二信号且所
述逻辑进一步经耦合以至少部分地基于所述第一及第二信号计算所述
不对准。
6.根据权利要求5所述的双眼头戴式显示器，其中所述第一及第二对准传感器各自
经
物理定向以引导实质上水平的光束穿过所述头戴式显示器的鼻
梁区域。
7.根据权利要求5所述的双眼头戴式显示器，其中所述第一及第二对准传感器各自
经 物理定向以引导对角光束穿过所述头戴式显示器的鼻梁区域，
感器使所述右显示器的上部与所述左显示
器使所述左显示器的上部与
使得所述第一对准传
器的下部光学对齐且所述第二对准传感
所述右显示器的下部光学对齐。
8.根据权利要求5所述的双眼头戴式显示器，其中所述一个或一个以上旋转轴包括
通 过所述框架的所述鼻梁区域的实质上垂直轴及通过所述鼻梁区
贯穿所述鼻梁的第一旋转变形可围绕所述
转变形可围绕所述实
域的实质上纵向轴，
实质上垂直轴而发生，贯穿所述鼻梁的扭
质上纵向轴而发生。
9.根据权利要求5所述的双眼头戴式显示器，其中所述控制系统进一步包含用于产
生 指示所述不对准的反馈信号的逻辑，所述双眼头戴式显示器进
一步包括：
右显示器控制器，其耦合到所述控制系统以接收所述反馈信号的至少一部分且调
左显示器控制器，其耦合到所述控制系统以接收所述反馈信号的至少一部分且调
10.根据权利要求1所述的双眼头戴式显示器，其进一步包括安置在所述框架的鼻
梁区 域处的机械致动器，所述机械致动器耦合到所述控制系统以响
对准而机械校
整所述左图像以补偿所述不对准以使所述左图像回到对准状态。
整所述右图像以补偿所述不对准以使所述右图像回到对准状态；及
应于所述经计算的不
正所述右显示器与所述左显示器之间的所述不对准。
11.根据权利要求10所述的双眼头戴式显示器，其中所述机械致动器跨越所述鼻梁
区
12.根据权利要求11所述的双眼头戴式显示器，其中所述机械致动器包括形状记忆
合 金、功能聚合物、压电致动器或微机电系统“MEMS”致动器中
域而延伸。
的至少一者。
13.一种跟踪双眼头戴式显示器“HMD”的右显示器与左显示器之间的对准的方法，
所述方法包括：
从安装成接近所述右显示器或所述左显示器中的一者的第一激光源引导第一光
束穿过所述双眼HMD在所述右显示器与所述左显示器之间的中央区
装成与所述第一激光源相对且接近所述右显示器
一光检测器阵列上；
域以冲击在安
或所述左显示器中的相对者的第
确定所述第一光束冲击在所述第一光检测器阵列上的第一位置；及
至少部分地基于所述第一位置监视所述右显示器与所述左显示器之间的不对准，
其中所述不对准至少部分地由支撑所述右显示器及所述左显示器的所
的框架的变形引起。 述双眼HMD
14.根据权利要求13所述的方法，其中监视所述右显示器与所述左显示器之间的所
述
监视归因于所述框架围绕第一旋转轴的第一旋转变形的所述不对准，所述第一旋
转轴通过所述双眼HMD的所述右显示器与所述左显示器之间的所述
区域；及
不对准包括：
框架的中央鼻
监视归因于所述框架围绕第二旋转轴的第二旋转变形的所述不对准，所述第二旋
转轴通过所述中央鼻区域，其中所述第二旋转轴与所述第一旋转轴不
同。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一旋转变形至少由扩张或压缩所述框
架 的耳臂部件的向内的力或向外的力引起，其中所述第二旋转变
到所述耳臂部件的相对的向上的力及向下形至少部分地由施加
的力引起。
16.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：
从安装成接近所述右显示器或左显示器中的一者的第二激光源引导第二光束穿
过所述双眼HMD的所述中央区域以冲击在安装成与所述第二激光源
述右显示器或所述左显示器中的相对者的第二光
相对且接近所
检测器阵列上；
确定所述第二光束冲击在所述第二光检测器阵列上的第二位置；及
至少部分地基于所述第一及第二位置监视所述右显示器与所述左显示器之间的
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一及第二光束彼此偏移且沿着实质上
平 行的路径延伸，其中所述第一光检测器阵列及所述第一激光源
部与所述左显示器的上部光学对齐，且其
源使所述右显示器的
所述不对准。
使所述右显示器的上
中所述第二光检测器阵列及所述第二激光
下部与所述左显示器的下部光学对齐。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一及第二光束沿着实质上对角的路径
延 伸，其中所述第一光检测器阵列及所述第一激光源使所述右显
显示器的下部光学对齐，且其中所述第二
显示器的上部与所述
示器的上部与所述左
光检测器阵列及所述第二激光源使所述左
右显示器的下部光学对齐。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一光检测器阵列包括具有四个光敏区
域 的象限检测器且其中确定所述第一光束冲击在所述第一光检测
一位置包括： 器阵列上的所述第
基于由所述四个光敏区域中的每一者获得的光敏信号的相对强度确定所述第一
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一光检测器阵列包括N×M像素阵列
且 其中确定所述第一光束冲击在所述第一光检测器阵列上的所述
光束冲击在所述象限检测器上的中央位置。
第一位置包括：
确定所述N×M像素阵列内的哪一个像素感测到所述第一光束。
21.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：
在所述不对准超过阈值不对准的情况下发布故障信号。
22.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括：
在所述右显示器或所述左显示器中的一者或两者上显示对准指示符以向所述双
23.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：
分别以所述右显示器及所述左显示器产生右图像及左图像；及
基于所述不对准将主动图像校正应用于所述右图像或所述左图像中的至少一者
以补偿引起所述右显示器与所述左显示器之间的所述不对准的所述框
形。
眼HMD的用户提供实时视觉对准反馈同时调整所述框架的所述变形。
架的所述变
24.一种双眼头戴式显示器“HMD”，其包括：
框架；
安装到所述框架的右显示器及左显示器，所述右显示器及所述左显示器分别用于
激光对准传感器系统，其耦合到所述右显示器及所述左显示器且经定向以引导光
束穿过所述双眼HMD的鼻梁区域且光学记录所述右显示器与所述左
产生右图像及左图像；
显示器之间的
对准；及
控制系统，其安置在所述框架中或所述框架上且耦合到所述激光对准传感器系
统，所述控制系统包含在被执行时致使所述控制系统执行操作的逻辑，
括： 所述操作包
从所述激光对准传感器系统接收指示所述右显示器与所述左显示器之间的不
基于所述对准信号确定所述不对准；及
基于所述不对准将主动图像校正应用于所述右图像或所述左图像中的至少一
者以补偿引起所述右显示器与所述左显示器之间的所述不对准的所述
形。
对准的对准信号；
框架的变
25.根据权利要求24所述的双眼HMD，其中所述激光对准传感器系统包括：
用于产生第一光束的第一激光源，其安装成接近所述右显示器或所述左显示器中
第一光检测器阵列，其安装成与所述第一激光源相对且接近所述右显示器或所述
左显示器中的相对者，所述第一光检测器
一光检测器上的第一
的一者；及
用于产生指示所述第一光束冲击在所述第
位置的第一对准信号。
26.根据权利要求25所述的双眼HMD，其中所述激光对准传感器系统进一步包括：
用于产生第二光束的第二激光源，其安装成接近所述右显示器或所述左显示器中
第二光检测器阵列，其安装成与所述第二激光源相对且接近所述右显示器或所述
左显示器中的相对者，所述第二光检测器用于产生指示所述第二光束
二光检测器上的第二位置的第二对准信号。
的一者；及
冲击在所述第
27.根据权利要求26所述的双眼HMD，其中所述第一及第二激光源经定向以沿着
贯穿
28.根据权利要求24所述的双眼HMD，其中所述光检测器包括象限检测器。
所述鼻梁区域的实质上对角路径输出所述第一及第二光束。
说 明 书
技术领域
本发明大体上涉及头戴式显示器，且更特定来说但不排他地，涉及双眼头戴式显示
背景技术
头戴式显示器(“HMD”)为在头部上或围绕头部佩戴的显示装置。HMD通常并入
某种类别的近眼式光学系统以在人眼的若干厘米之内显示图像。单眼显示器
HMD而双眼显示器称为双眼式HMD。一些HMD仅显示计算
其它类型的HMD能够在现实世界景物上叠加
强现实，这是因为观看者的世界图
器。
称为单眼式
机产生图像(“CGI”)，而
CGI。这后一种类型的HMD通常称为增
像以重叠CGI增强(也称为抬头显示(“HUD”))。
HMD具有许多实际应用及休闲应用。航空应用允许飞行员在不使其眼睛离开飞行
路径的情况下看见极其重要的飞行控制信息。公共安全应用包含地图及热成
示。其它应用领域包含视频游戏、交通运输及长途通信。因为
所以随着技术发展必定存在新发现的实际应用及
因于用于实施现有HMD的常规光
场中得到广泛采纳之
像的战术显
此技术尚处于初期阶段，
休闲应用；然而，这些应用中的许多归
学系统的成本、尺寸、视场及效率以及在HMD在市
前必须被满意地解决的其它技术障碍而当前受到限制。
发明内容
附图说明
参考附图描述本发明的非限制性且非穷举性实施例，其中相同参考数字在所有各种
视图中指代相同部件，除非另有指定。
图1为根据本发明的实施例的具有激光对准传感器的头戴式显示器的前视图。
图2为根据本发明的实施例的具有激光对准传感器的头戴式显示器的透视图。
图3为根据本发明的实施例的具有激光对准传感器的头戴式显示器的侧视图，其说
图4为根据本发明的实施例的具有激光对准传感器的头戴式显示器的前视图，所述
激光对准传感器经定向以对角地穿过所述头戴式显示器的框架的中央鼻区域
对准。
明所述头戴式显示器的框架的扭转变形。
而测量不
图5A到5C为说明根据本发明的实施例的用于测量头戴式显示器的右显示器与左
显
图6为说明根据本发明的实施例的用于测量头戴式显示器的右显示器与左显示器之
图7为说明根据本发明的实施例的操作用于监视头戴式显示器的右显示器与左显示
图8A及8B为根据本发明的实施例包含用于校正框架变形的一个或一个以上机械
致
具体实施方式
动器的头戴式显示器的前视图。
器之间的不对准的控制系统的方法的流程图。
间的不对准的N×M像素阵列光检测器的框图。
示器之间的不对准的象限光检测器的框图。
本文描述用于感测双眼头戴式显示器(“HMD”)的目镜之间的对准的系统及方法
的实施例。在以下描述中，陈述许多具体细节以提供对实施例的透彻理解。
领域的技术人员将认识到，可在没有所述具体细节中的一者或
以其它方法、组件、材料等等实践本文中描述的
述众所周知的结构、材料或操作以
然而，所属
一者以上的情况下实施或
技术。在其它实例中，未展示或详细描
避免模糊某些方面。
贯穿本说明书的对“一个实施例”或“一实施例”的参考意味着结合所述实施例
描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，在
书的各种地方出现短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”不
施例。此外，特定特征、结构或特性可在一个或一个以
贯穿本说明
一定都指代同一实
上实施例中以任何合适方式组合。
进一步鼓励市场采纳HMD技术所需克服的一个技术障碍为识别及补偿双眼HMD
变形。双眼HMD的变形可导致双眼HMD的左图像显示器与右图像显示器
不对准。这些不对准可导致如由用户感知的模糊的或以其它方
致较差的用户体验(迷失方向、晕眩等等)。变形
当、较差的用户匹配、非对称脸部
之间的有害
式折中的图像，这最终导
可归因于各种原因而发生，包含使用不
特征、恶劣的环境因数(例如，热翘曲)或其它原因。
举例来说，如果双眼HMD对于给定用户的头部来说过窄，那么所述用户的头部将
对双眼HMD的耳臂中的每一者施加向外的力，从而引起耳臂扩张，借此围
显示区段折曲。在较小程度上，如果用户的头部过窄，那么相
施加向内压缩力)可发生。此外，如果用户的耳
朵高)，
绕鼻梁使前
反的作用(通过耳朵向耳臂
朵是不对称的(即，一只耳朵比另一只耳
那么扭转力可被施加到耳臂，从而引起双眼HMD的左侧及右侧围绕鼻梁扭转。
这些旋转变形可导致双眼HMD的右显示器与左显示器之间的不对准。
图1到3说明根据本发明的实施例的实例双眼HMD100的各种视图。图1为双眼
HMD100的前视图、图2为双眼HMD100的透视图且图3为双眼HMD100
所说明的双眼HMD100的实施例包含右显示器105A及左显示
105)、激光对准传感器系统115、对准控制器
传感器系统115的实施例包含两个
阵列122。所说明的
及前显
的侧视图。
器105B(共同称为显示器
125(图2或3)及框架。所说明的激光对准
激光对准传感器，其各自包含激光源120及光检测器
框架的实施例包含右耳臂130A及左耳臂130B(共同称为耳臂130)
示区段132。所说明的前显示区段132的实施例包含右上显示器支撑件135A及
左上显示器支撑件135B(共同称为上显示器支撑件135)、右下显示器支撑件
下显示器支撑件140B(共同称为下显示器支撑件140)及鼻梁
统眼镜形框架，但本发明的实施例可适用于各种
显示器支撑件140、可省略上显示
框架部件的刚性光学
140A及左
145。虽然图1到3说明传
框架类型及风格。举例来说，可省略下
器支撑件135，显示器105可为其自身也用作结构性
目镜，所述框架可呈现护目镜形状或其它形状。
可使用各种不同双眼显示器技术实施显示器105。举例来说，显示器105可实施为
半透明光学元件或不透明光学元件。半透明光学元件实施例允许外部光通过
的眼睛以提供现实世界视图，但还显示所述现实世界视图上的
(“CGI”)。这种类型的显示器技术经常称为抬头
明光学元件实施例可进一步定义成
的薄片)或反射性实
器105
而到达用户
叠加的计算机产生图像
显示(“HUD”)或增强现实。所述半透
发射性实施例(例如，透明有机发光二极管(“OLED”)
施例。图2说明反射性实施例，其中图像源205将CGI投影到显示
上，显示器105朝向用户的眼睛反射回CGI。其它反射性实施例可使用各种类型
的波导将CGI从耳臂130附近的周边位置传送到用户眼睛前方的位置。可
(“LCoS”)图像面板、微微投影仪、LED阵列或其它装
光学元件的实施例不允许外部光通过显示
类型的HMD通常称为虚拟
使用硅上液晶
置实施图像源205。包含不透明
器105，而是仅将CGI发射到用户眼睛。这些
现实HMD。在半透明光学元件实施例及不透明光学元件实施 例两者中，显
示器控制器210可用于驱动显示器105及呈现CGI。当然，可使用其它显
示器技术且甚至可使用可在半透明操作模式与不透明操作模式之间来回切换
置。 的混合装
如上文论述，双眼HMD100可归因于若干环境因素或使用场景而在使用期间变形
或随时间推移而变形。如图1及2中说明，双眼HMD100可围绕通过鼻梁
折曲轴(或垂直轴)而变形。鼻梁145通常为右显示器与左显示
132的中心部分中的
在鼻梁
145的旋转
器105之间的前显示区段
结构性弱点。通过在耳臂130上施加向内的力，前显示区段132将
145处折曲且围绕旋转折曲轴向后枢转或旋转。相应地，施加到耳臂130的向外
的力将致使前显示区段132围绕鼻梁145折曲且围绕旋转折曲轴向前枢转或
双眼HMD100未与用户适当匹配(例如，用户头部过小或过大)，
此外，双眼HMD100可围绕通过鼻梁145的旋
通过向耳臂130施加相反的向上的
旋转扭转轴扭转。如
力可能
旋转。如果
那么这些力可能发生。
转扭转轴(或纵轴)变形。参考图1及3，
力及向下的力，前显示区段132将在鼻梁145处围绕
果双眼HMD100未与具有不匀称耳朵的用户适当匹配，那么这些
发生。旋转折曲变形及旋转扭转变形在本文中一般称为围绕旋转轴的旋转变形。
激光对准传感器系统115安置成接近显示器105以测量归因于框架围绕旋转变形轴
的变形的右显示器与左显示器105之间的不对准。可以单个激光对准传感器
成对的激光源120及光检测器阵列122)、一对激光对准传感
对准传感器来实施激光对准传感器系统115。使
传感器系统115的灵敏度且可增加
目。
(例如，单个
器(已说明)或两个以上激光
用多个激光对准传感器提高了激光对准
可通过激光对准传感器系统115监视的变形轴的数
在所说明的实施例中，激光源120安装成接近左显示器105B且光检测器122安装
成与激光源120相对而接近右显示器105A。当然，在其它实施例中，可交
以其它方式更改安装位置／定向。激光源120引导光束穿过鼻
测器122。因为激光源120刚性地耦合到左显示
右显示器105A，所以围绕鼻梁
光束中的移动。每一
换、交替或
梁145而冲击其对应的光检
器105B且光检测器122刚性地耦合到
145的任何折曲或扭转被光检测器阵列122感测为冲击
冲击光束从其默认位置或校准位置的移位越大，框架的变形就越大。
可共同地分析来自两个光检测器阵列122的输出信号以确定变形的方向及量
发生的显示器105的相对不对准。 值以及随之
图4说明根据本发明的实施例的激光源120及光检测器122的替代对角布置400。
图1到3说明使显示器105的上部彼此光学对齐且使显示器105的下部彼此
实质上平行的光束路径。相比之下，图4中说明的对角布置
过鼻梁145而使一个显示器的上部与另一显示器
示的平行路径布置，对角布置400
光学对齐的
400通过引导光束对角地穿
的下部光学对齐。相比于图1到3中揭
可提高灵敏度且增加可测量变形轴的数目。
激光源120及光检测器122可安置在前显示区段132接近显示器105的前侧(已说
明) 或后侧表面上。或者，鼻梁145可由透明材料(例如，透明塑料)制成
120及光检测器122嵌入在框架结构自身内的内部中空
可直接安装到显示器105或安装到框架接
或包含允许激光源
腔。激光源120及光检测器122
近显示器105的部分。在任一情形中，安置位
置应提供与显示器105的充分刚性的机械耦合，使得导致显示器105之间的
的框架变形被激光对准传感器系统115记录。 相对不对准
图5A到5C为说明根据本发明的实施例的用于测量头戴式显示器的右显示器与左
显 示器之间的不对准的象限光检测器500的框图。象限光检测器500为
的一个可能实施方案。所说明的象限光检测器500的实
505B、505C及505D(共同称为光敏区域
光检测器阵列122
施例包含四个光敏区域505A、
505)。每一光敏区域505可以捕获图像电荷且 输出指示冲击在给定光电二
荷耦合装置极管上的光束510的量的信号或图像数据的光电二极管或电
(“CCD”)来实施。接着，可分析输出信号以确定光束510的中央位置或形
心。举例来说，如果所有光敏区域505都获得相同图像电荷量，那么形心分
束510的位置在象限光检测器500的中间(图5B)。然而，如果
像电荷、区域505D捕获最低的图像电荷且区域
荷，那么形心分析将确定光束510
505捕获的图像电荷
示器
析将确定光
区域505A捕获最高的图
505C及505B捕获实质上相等的图像电
的位置已朝向左上象限移动(图5C)。由每一光敏区域
的相对量值可用于确定光束510的中央位置，所述中央位置指示显
105之间的不对准(或对准)且相应地指示框架的变形(或没有框架变形)。
图6为说明根据本发明的实施例的用于测量头戴式显示器的右显示器与左显示器之
间的不对准的N×M像素阵列600的框图。N×M像素阵列600为光检测器阵
个可能实施方案。所说明的N×M像素阵列600的实施例包含
二极管，CCD等)的N×M阵列。在一个实施例
可简单地通过哪一个像素归因于光
而确定光束605的位
列122的一
光敏成像像素(例如，光电
中，在N×M像素阵列600的操作期间，
束605而捕获最大图像电荷且因此输出最大图像数据
置。
可经由对框架的适当设计及对材料的适当选择来减少双眼HMD100的旋转变形。
通过选择较硬的材料并且围绕鼻梁145增大框架强度，可减少致使右显示器
相对于左显示器105B不对准的旋转变形。举例来说，双眼
控制系统模制的塑料、其中或其上安置有
材料制成。然而，对较硬材
在审美
105A变得
HMD100可由围绕传感器和
传感器及控制系统的中空金属框架部件或其它
料的选择及／或较粗壮的框架设计可为沉重的、令人不适的或
／功能上不令人满意的。因此，本文中揭示的激光对准传感器系统115及控制系统
可提供对框架变形及显示器不对准的主动监视／跟踪，其可用于在达到变形
即刻产生故障信号以关闭显示器105以防止用户迷失方阈值程度之后
向、向用户发布矫正或以其它方 式重新校准框架的警告及指令，或甚至向
补偿以抵消机械变形的影响。图像控制器210提供主动反馈以进行实时图像
图7为说明根据本发明的实施例的操作用于监视右显示器与左显示器105之间的不
对准的控制系统的过程700的流程图。过程框中
的顺序不应被认为是限制性的。相
未说明的各种顺序执
的一些或所有过程框在过程700中出现
反，受益于本发明的所属领域的技术人员将理解可以
行或甚至并行执行过程框中的一些过程框。
在过程框705中，通过启用激光源120及光检测器阵列122激活激光对准传感器系
统115。激光源120的激活致使光束被发射且被引导穿过显示器105之间的
如，鼻梁145)(过程框710)。所发射的光束冲击在光检测器阵
束撞击其表面的位置的信号。
中央区域(例
列122上，其产生指示光
在过程框715中，将从光检测器阵列122输出的信号耦合到对准控制器125中以进
行分析以确定光束冲击在光检测器阵列122上的位置。所述信号可为由光检
122(例如，象限检测器500)内的光敏区域收集、由成像像素
收集的图像数据或由各种其它光敏元件收集的图
列122上的形心或中央位置或通过
置的确定。在一个实
检测器
测器阵列
(例如，N×M像素阵列600)
像数据。可通过计算光束在光检测器阵
识别像素阵列内的哪一个像素正在感测光束来完成位
施例中，实时连续监视、周期性监视或响应于校准要求而监视从光
阵列122输出的信号。
在过程框720中，使用从光检测器阵列122输出的信号确定显示器105之间的相对
不对准且相应地确定引起所述不对准的框架中的变形。在一个实施例中，可
束冲击位置与在先前用户校准期间确定的参考位置或以其它方
定不对准／变形。所述比较可由对准控制器125
通过比较光
式先前预设的位置来确
执行，且所述参考位置可为在知晓框架处 于对准或非变形状态时来自
考位置之间的光检测器122的测得输出。接着，可使用当前测得位置与参
位置偏移的大小及方向来确定归因于围绕旋转变形轴的框架变形的不对
如果双眼HMD100经配置以执行实时主动校正(决策框725)，那么过程400继续到
过程框730处。在过程框730中，使用所确定的不对准来将主动图像校正应
器105显示的CGI。以此方式，即使物理变形连续出现也可使
架变形且使右CGI及左CGI回到对准状态。在
对准控制器125以接收实时不对准
移、梯形失真及／或
准的方向及量值。
用于由显示
用图像校正来克服机械框
一个实施例中，图像控制器210耦合到
反馈并计算必要的图像调整，其可包含水平或垂直平
各种其它图像预失真校正措施。
如果框架变形变得对于主动图像校正来说过大或如果双眼HMD100的特定实施例
不支持主动图像校正，那么可确定不对准是否超过阈限量。因此，在决策框
定不对准是否超过阈值。如果不超过，那么过程700返回到过
如果超过，那么过程700继续到过程框740。在
用户。
735中，确
程框710以继续进行监视。
过程框740中，发布故障信号从而警告
所述故障信号可使显示器105停用或甚至在显示器105上向用户显示警告消息。
在一个实施例中，所述警告消息可包含如何校正框架中的变形的指示(例如，
新对准框架的校正扭转措施的符号)。随着用户通过施加反力
架，显示器可显示对准指示符以实时引导
回到常规操作。还可发布及
说明用于重
校正框架变形来重新对准框
用户，且可在变形下降到低于阈值之后最终返
／或显示其它类型的警告或错误信号，例如可闻警告。
图8A及8B为根据本发明的实施例的包含用于校正框架变形的机械致动器的各种
实 施例的HMD801及802的前视图。图8A说明安置在显示器105之间
械致动器810。机械致动器810可为耦合到对准控制器的鼻梁145中的机
125以响应于来自控制器125的 反馈控制信号的单个致动器装置或多个独
处对框架施加反力以机械校
归因于温度变
立致动器装置。机械致动器810可在鼻梁145
正显示器105之间的小不对准。举例来说，小不对准可包含
化、小力等等的光学装置中的小蠕变。此机械重新对准可实时连续发生(即，
图8B说明跨越显示器105之间的鼻梁145而安置的机械致动器815及817。机械
致动器815及817耦合到对准控制器125以响应于来自对准控制器125的反
机械致动器815及817可跨越鼻梁145而对框架施加反
正显示器105之间的小不对准。此机械重
的启动初始化阶段期间发生。
系统
主动对准)或在每次打开HMD801时的启动初始化阶段期间发生。
馈控制信号。
力(压缩性或拉伸性的)以机械校
新对准可实时连续发生或在打开HMD801时
可使用形状记忆合金、功能聚合物或压电致动器、微机电
(“MEMS”)致动器或其它机械或机电致动装置来实施机械致动器810、815或817。
由机械致动器810、815或817中的任一者提供的机械校正可为除上文论述
之外的机械校正或可代替上文论述的图像校正。 的图像校正
可从计算机软件及硬件的角度来描述上文解释的过程。所描述的技术可构成体现在
有形机器(例如，计算机)可读存储媒体内的机器可执行指令，当由机
令将致使所述机器执行所描述的操作。此外，所述过程
电路(“ASIC”)或类似物。
器执行时，所述指
可体现在硬件内，例如专用集成
有形机器可读存储媒体包含以机器(例如，计算机、网络装置、个人数字助理、制
造 工具、具有一组一个或一个以上处理器的任何装置等)可存取的形式
的任何机构。举例来说，机器可读存储媒体包含可记录
器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘
等)。
提供(即，存储)信息
／不可记录媒体(例如，只读存储
存储媒体、光学存储媒体、快闪存储器装置等
对本发明的所说明的实施例的以上描述(包含在说明书摘要中描述的内容)不希望为
穷举性的或将本发明限于所揭示的精确形式。如所属领域的技术人员将认识
于说明目的描述了本发明的特定实
是可能的。
到，虽然出
施例及本发明的实例，但各种修改在本发明的范围内
在以上详细描述的背景下可对本发明做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语
不应被解释为将本发明限于说明书中揭示的特定实施例。而是，本发
根据沿用已久的权利要求解释规则来解释的所附权利要明的范围将完全由
求书确定。