微软AR/VR专利介绍用于评估头显一个或多个组件的对齐方法

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（XR导航网 2023年12月08日）头显一般包括两个分别位于左眼和右眼前面的显示器，而它们之间的不对准可能会以非期望的方式影响显示图像的呈现。

尽管初始校准可以在工厂校准期间和/或通过最终用户执行的校准程序进行设置，但由于外部应变，校准可能会受到损害，例如头显因硬物撞击而导致组件错位。

所以在名为“Alignment assessment for head-mounted display system”的专利申请中，微软介绍了一种用于评估头显一个或多个组件的对齐的方法。

在一个实施例中，专利描述的头显可以包括一个或多个应变片，每个应变片都有一个或多个可变应变参数。系统可以检测到一个或多个应变片的应变参数的变化，并由逻辑机用于评估头显的校准。

逻辑机可以根据评估的显示组件和/或摄像头的对齐来改变显示图像的一个或多个方面。例如，在确定应变导致显示器组件相对于摄像头错位时，可以相应地改变显示图像的方向。

图3A和3B图解头戴式显示系统的组件不对齐场景。具体而言，图3A示出位于用户眼睛202L和202R前方的近眼显示器200L和200R。然而，右侧近眼显示器200R相对于左侧近眼显示器200L和相对于摄像头205不对齐。

具体来说，右近眼显示器偏移了大约10度。所以在图3B中，右侧近眼显示器200R的对准与根据摄像头捕获图像估计的头戴显示器姿态不一致，显示图像204R与显示图像204L不对齐。这样，两个显示图像不解析为单个三维对象206，而是视为两个不同的偏移图像。往好了说，这可能会分散注意力，往坏了说，可能会给用户带来不适和恶心感。

图4示出了示例头戴式显示系统400。头戴式显示系统400包括左显示组件402L，其包括左光源404L。类似地，头显 400包括右显示组件402R，而右显示组件402R又包括右光源404R。

显示组件提供用于形成显示图像的空间调制显示光的操作可由逻辑机器控制，如图4所示的逻辑机器406。例如，逻辑机可以控制与每个显示组件相关联的光源。逻辑机同时可以或可选地检测头戴式显示系统的各种组件之间的不对齐。

头戴式显示系统400的各种结构可用于评估头戴式显示器组件的对齐。一般来说，头显可以包括一个或多个应变片，每个应变片至少部分基于施加在头显的应变量，并具有一个或多个可变应变参数。发明描述的一个或多个应变片采用蚀刻到光学元件中的一个或多个布拉格光栅形式。

作为另一个例子，应变片可以包括箔应变片。例如当应变导致箔图案变形时，可以检测到的电阻变化。

图5所示的方法500说明了用于头显校准评估方法500，其中一个或多个应变片包括在光学元件形成的布拉格光栅。

在502，方法500包括将测试光从测试光源发射到配置成通过全内反射传播测试光的光学元件中。光学元件包括一个或多个布拉格光栅，每个光栅具有可变的光返回参数，而所述参数至少基于施加到光学元件的应变量。

在图6中，光源404L配置为发射用于形成显示图像的显示光602D和用于评估头显 400组件对齐的测试光602T。为此，光源包括用于释放显示光602D的第一发射器601D和用于释放测试光602T的第二发射器601T。

每个光发射器与光源的不同发光组件相关联。在这种情况下，测试光的特性可能以任何合适的方式与显示光不同。例如，虽然显示光通常可以空间调制以形成显示图像，但测试光可以包括波长的宽带光谱。例如，测试光可以是基本上包括整个可见光光谱的白光。

简单地回到图5，在504，方法500包括在测试光传感器处检测光学元件中的测试光。检测光学元件中的测试光可包括检测在测试光传感器处的测试光的波长。

图8A示出的光学元件800可以采取波导的形式。光学元件800耦合到配置为向光学元件发射测试光的测试光源802，以及配置为检测来自光学元件的测试光的测试光传感器804。另外，在测试光源和测试光传感器之间的光学元件形成布拉格光栅806，光栅806表示为设置在光学元件侧面的多个单独光栅元件。

在图8A中，测试光源发射测试光808，该测试光808通过光学元件向测试光传感器804传播。相对于测试光，布拉格光栅返回的测试光的部分可以代表一个相对较窄的波长范围，例如可以返回几个纳米的波长范围，而测试光的其他波长继续在光学元件中传播。由布拉格光栅返回的部分测试光可以被测试光传感器检测到，如图8B所示。

具体地说，图8B包括表示由测试光源802发射的波长光谱的相对强度的第一图812。这可能包括“白光”。图8B同时包括第二图814，其表示由测试光传感器804检测到的测试光的各种波长的相对强度。

如图所示，图814包括一个波长谷816，表示布拉格光栅806返回的波长范围相对较小。由于测试光传感器位于测试光路的源端远端，因此布拉格光栅返回的波长无法到达测试光传感器，所以在检测波长的光谱中产生波长谷816。

简单地回到图5，在506，方法500包括评估头戴式显示系统的显示组件和头戴式显示系统的摄像头的一个或两个的对准，至少部分地基于由测试光传感器检测到的测试光。如上所述，可以将逻辑机配置为至少部分地基于由测试光传感器检测到的测试光的波长来评估显示组件和摄像头的一个或两个的对准。

例如，图8C再次显示了图8A的光学元件800。在这个例子中，应变818施加到光学元件。应变可能是由直接施加在光学元件上的外力引起。

在任何情况下，施加在光学元件上的应变都会影响布拉格光栅806各光栅元件的元件间距。这影响由布拉格光栅返回的测试光的波长。换句话说，布拉格光栅的可变光返回参数导致对施加于布拉格光栅的第一应变量的测试光的第一波长的应变相关返回，以及对施加于光学元件的第二应变量的测试光的第二波长的应变相关返回。

这可以通过测试光传感器检测到，如图8D所示。具体地说，图8D的图820显示了用于图8C所示场景的由测试光传感器804检测的测试光的波长的相对强度。如上所述，测试光传感器804位于所述测试光的光路的源远端，因此所述返回的波长由所述检测波长光谱中的波长谷822表示。

标记824表示图8A所示场景中检测到的波长谷816的位置，例如，图8A所示应变条件下波长谷的预期位置。换句话说，对光学元件施加应变使检测到的波长谷从标记824移动到如图8D所示的波长谷822。

通过这种方式，逻辑机器可以通过比较布拉格光栅在给定时刻返回的光的波长与已知布拉格光栅在已知应变状态返回的光的波长来检测何时对光学元件施加了应变。

换句话说，当测试光传感器位于测试光的光路的源远端时，逻辑机可以检测相对于测试光源发射的已知波长光谱的波长谷，其中波长谷是由布拉格光栅的部分测试光的应变相关返回引起。例如，逻辑机可以将检测到波长谷822的波长与检测到波长谷816的波长进行比较。

这可以用来评估头显的不同部分的对齐。例如，先前的测试可以用来确定不同的布拉格光栅在不同的应变条件下返回的测试光的波长。

作为一个例子，这可以包括检查返回光的波长如何随着头显的框架以一种影响显示组件对齐的已知量的方式弯曲而变化。因此在运行时，逻辑机可以通过检测测试光返回波长的变化是否与测试期间返回的波长一致来评估显示组件的对齐。

例如，先前的测试可能表明，当显示器组件相对于头显的其余部分在已知方向上弯曲约5度时，返回与波长谷822对应的波长。因此在运行时，当在谷822的位置检测到波长谷时，逻辑机可以将显示组件的对准评估为偏差5度。在不同波长检测到的波长谷可能与先前测试的不同条件一致，例如摄像头的不对准。

需要理解的是，这种测试实际上可以检测到应用于头显的任何应变条件，特别是当在头显的一个或多个不同光学元件上形成多个布拉格光栅时。在测试过程中，不同布拉格光栅返回的测试光的波长可以存储在一个查找表中，以供头显在运行时查询。

通过这种方式，逻辑机可以在运行时通过查询查找表来检测头显的各种不对齐。换句话说，在检测到与特定布拉格光栅对应的被检测测试光的特定波长后，头显可以参考查找表，将检测到的波长与布拉格光栅返回的已知波长进行比较，以获得头显的已知应变状态。

名为“Microsoft Patent | Alignment assessment for head-mounted display system”的微软专利申请最初在2022年5月提交，并在日前由美国专利商标局公布。