苹果专利探索自混合干涉式接近传感器的AR/VR指戴式触觉反馈设备

　　如果大家有关注映维网的专利分享，你应该有注意到苹果一直在探索用于AR/VR的指戴式设备。日前，美国专利商标局又公布了与所述主题相关的苹果发明。具体来说，它主要描述了一种具有自混合干涉式接近传感器的指戴式设备，而它可以用于监测用户的手指操作并向手指提供触觉反馈。

　　苹果指出，这种指戴式设备可用于收集用户输入并向用户提供输出。在一个实施例中，指戴式设备可以包括具有加速度计的惯性测量单元，并用于收集关于手指运动的信息，例如手指轻触平面的动作或自由空间手指姿势。

　　指戴式设备同时可以包括自混合干涉光学接近传感器，以在手指移动时测量到手指表面距离的微小变化，可以包括用于收集关于指戴式设备和用户手指中的法向力和剪切力信息的力传感器，并且可以包括用于采集关于指戴式设备和周围环境之间的交互信息的其他传感器。另外，指戴式设备可以包括触觉输出设备以向用户的手指提供触觉输出，并且可以包括其他输出组件。

　　特别是，苹果表示，用户可以通过指戴式设备操作虚拟现实或混合现实设备，以及其他电子设备。

　　图1是包括一个或多个指戴式设备的说明性系统示意图。设备10是具有包裹用户手指的U形主体的指戴式设备，而设备24可以是AR/VR头戴式设备等。具有U形主体的指戴式设备可以具有相对的左侧和右侧以及顶部外壳部分。其中，左侧和右侧配置为贴合用户的手指，而顶部外壳部分将左侧和右侧耦接并且与用户的指甲重叠。

　　如前所述，指戴式设备10可以包括具有加速度计的惯性测量单元，并用于收集关于手指运动的信息，例如手指轻触平面的动作或自由空间手指姿势。

　　指戴式设备10同时可以包括自混合干涉光学接近传感器，以在手指移动时测量到手指表面距离的微小变化，可以包括用于收集关于指戴式设备和用户手指中的法向力和剪切力信息的力传感器，并且可以包括用于采集关于指戴式设备和周围环境之间的交互信息的其他传感器。另外，指戴式设备可以包括触觉输出设备以向用户的手指提供触觉输出，并且可以包括其他输出组件。

　　指戴式设备10包括输入输出设备16，输入输出设备16可以包括触觉输出设备20。触觉输出设备20可以产生由用户感测的运动。触觉输出设备20可以包括致动器，例如电磁致动器、马达、压电致动器和线性致动器等。

　　在一个实施例中，在设备10中产生力的致动器可以用于挤压用户的手指和/或以其他方式与用户的指腹直接交互。

　　图2是用户手指(手指40)穿戴设备10的顶视图。如图2所示，设备10可以由安装在指尖40上或指尖附近的手指安装单元形成。如果需要，设备10可以佩戴在用户手指的其他地方，例如在关节上方、关节之间等。

　　用户可以同时佩戴一个或多个设备10。例如，用户可以将设备10中的单个设备佩戴在用户的无名指或食指上。作为另一示例，用户可以在用户的拇指佩戴第一设备10，在食指佩戴第二设备10，并且在中指佩戴可选的第三设备10。

　　图3是说明性指戴式设备10的横截面侧视图。如图3所示，壳体44可以具有U形形状。

　　在操作期间，用户可以按压诸如结构50之类的结构。当手指40的底部(例如指腹40P)压靠在结构50的表面48上时，力传感器或其他传感器可以感测手指40在X-Y平面中的横向运动。

　　例如，设备10中的传感器可以测量用户相对于表面48移动设备10(和手指40)的力度，和/或用户在X-Y平面内移动设备10和手指40的力度，其中X-Y平面与表面48相切。设备10在X-Y平面和/或Z方向上的移动方向同时可以通过位置46的力传感器和/或其他传感器18来测量。

　　因为设备10可以感测晕动，所以设备10可以用于收集指向输入，可以用于收集轻敲输入、滑动输入或其他手势输入。

　　图4A和4B更详细地示出了设备10中的传感器如何测量用户相对于表面48移动设备10(和手指40)的力度。

　　如图4A所示，传感器模块60定位在手指40的一侧。传感器模块60包括柔性膜62、刚性壳体部分64和自混合干涉(SMI)接近传感器66

　　自混合接近传感器66可以具有相干或部分相干的电磁辐射源。辐射源例如可以是相干光源，例如红外垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、量子级联激光器或其他激光器。自混合接近传感器同时可以具有光检测器，例如光电二极管和/或其他电磁辐射敏感元件。

　　自混合接近传感器可以具有亚微米分辨率，并且可以配置为检测非常小的距离变化，从而允许传感器66检测手指40的微小运动。

　　在图4A中，手指40轻微地接触(或不接触)表面48。在负Z方向上施加力的情况下，膜62定位在距自混合接近传感器距离68处。

　　在图4B中，手指40比在图4A中更用力地按压表面48。在负Z方向上施加的增加力量导致指状物40的边缘在X方向上扩展(如位移72所反映的)。这又导致柔性隔膜62进一步推向自混合接近传感器66。在图4B中，膜62定位在距离自混合接近传感器70的位置处。图4B中的距离70小于图4A中的距离68。自混合接近传感器66具有足够高的分辨率以检测图4A和图4B之间到柔性膜的距离的变化。

　　柔性隔膜62可以与指状物40的侧面一致。以这种方式，由手指40向表面48施加力引起的手指40的形状/位置变化可以转化为柔性膜62中的位移，而所述位移又由自混合接近传感器66检测到。

　　图5是力作为柔性膜的位移(在正X方向上)的函数的曲线图。如图所示，位移随着手指施加的力的增加而增加。因此，由自混合接近传感器测量的位移可以用于确定手指施加的力。

　　刚性壳体部分64可以可选地与指戴式设备壳体44一体形成。换句话说，壳体44具有形成传感器模块60的壳体的部分。可替换地，用于传感器模块60的刚性壳体部分64可以与指状设备壳体44分开形成并附接到指状设备外壳44。

　　在图7A中，柔性膜62包括侧壁部分80和手指接口部分86。侧壁部分80具有倾斜部分82和比倾斜部分82宽的基部84。成角度部分82相对于衬底74处于非正交的角度。手指接口部分86是平面的并且连接到成角度部分82。手指接口部分86平行于基板74。

　　在图7B中，柔性膜62包括侧壁部分80和手指接口部分86。侧壁部分80具有圆角部分88和与基板74正交的基部90。圆角部分88将平面基部90连接到平面手指接口部分86。手指接口部分86平行于基板74。平面基部90与基板74正交。

　　在图7C中，柔性膜62包括侧壁部分80，侧壁部分在基板74和平面手指接口部分86之间具有三个弯曲部(92、94和96)。手指接口部分86平行于基板74。柔性膜在弯曲部96和基底74之间的第一部分相对于基底成直角。弯曲94和96之间的柔性膜的第二部分平行于基底。弯曲部92和94之间的柔性膜的第三部分与基底正交。

　　在图7D中，柔性膜62再次包括侧壁部分80，侧壁部分在基板74和平面手指接口部分86之间具有三个弯曲部(92、94和96)。柔性膜在弯曲部96和基底74之间的第一部分相对于基底成直角。弯曲94和96之间的柔性膜的第二部分朝着基底74折回，并且相对于基底成非正交角度。弯曲部92和94之间的柔性膜的第三部分与基底正交。

　　图7A-7D的柔性膜形状作为手指变形的函数提供不同的阻力。

　　图8是传感器模块60的横截面侧视图。传感器模块60包括自混合接近传感器66，其检测柔性膜62与自身的接近程度。在图8中，自混合接近传感器包括红外光源，例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)102。VCSEL 102用作传感器的电磁辐射的相干源。自混合接近传感器同时具有光电二极管104，光电二极管104用于感测VCSEL 102透射的光。

　　在图8中，光电二极管104与激光器102堆叠在一起。光电二极管可以具有在VCSEL 102周围形成环的光敏区域。

　　激光器102可以向目标发射光。然后，光从目标反射向激光器102和光电二极管104。光电二极管104的端子可以耦合到控制电路12中的感测电路。电路收集响应于从柔性膜反射的光的接收而产生的光电二极管输出信号。除了使用光电二极管之外，同时可以使用激光结电压测量或激光偏置电流来检测自混合。

　　设备10中的控制电路可以调制激光器102的激光偏置电流信号，以产生与自混合接近传感器和柔性膜之间的距离相对应的目标距离测量。这种调制可以使得能够检测用户手指的相对位移。传感器66可以具有亚微米分辨率，从而允许精确地测量用户手指的小位移。

　　堆叠的光电二极管104和激光器102可以由透明帽98覆盖。透明帽98可以由透明玻璃、塑料或其他所需材料形成。如果需要，透明帽可以可选地具有在堆叠的光电二极管104和激光器102上形成的集成透镜100。透镜可以与透明帽形成为一体，或者可以由附接到透明帽的单独材料形成。透镜可以增加传感器的信噪比以及减小传感器的总目标面积(允许柔性膜62具有减小的尺寸)。

　　光学透明填充材料78可以可选地包括在传感器66中(在透明帽98和堆叠的光电二极管104和激光器102之间)和/或传感器模块60中(在柔性膜62和传感器66之间)。

　　自混合接近传感器66所使用的目标可能会影响传感器的性能。检测柔性膜62的位移可能具有提供具有优化光学财产的均匀目标的优点。

　　为了优化自混合接近传感器目标的属性，可以将反射涂层106附着到柔性膜62的内表面。换句话说，柔性膜可以包括耦合到反射涂层的柔性。在这种布置中，柔性膜62具有优化的物理属性(例如优化的柔性)，反射涂层106具有优化的自混合接近传感器66的光学属性。

　　涂层106可以是对激光器102发射的光具有高镜面反射的金属镜面状涂层。或者，涂层106可以是以等于入射角的角度反射入射光的回复反射器涂层。这导致(来自激光器的)发散光束聚焦回到激光器孔径中。

　　图9是可用于使用接近传感器66检测柔性膜62的位移的感测电路110的示意图。感测电路110可以是图1中的控制电路12的一部分。

　　图9示出了包括发光二极管112和激光驱动器114的激光器102。激光驱动器114调制激光器102的激光偏置电流信号。光电二极管104可用于检测激光器102输出功率的自混合波动。感测电路110耦合到光电二极管104。

　　感测电路110包括将光电二极管电流转换为代表性电压的跨阻抗放大器(TIA)116。跨阻抗放大器输出的电压然后由模数转换器(ADC)120转换为数字信号。因此，ADC 120的输出是表示光电二极管电流(IPD)的数字值。感测电路110可以对检测到的光电二极管电流执行进一步处理，以确定柔性膜的总位移。可以可选地包括偏置减法电路118，以在使用跨阻抗放大器116将光电二极管电流转换为电压之前去除偏置。

　　名为“Finger devices with self-mixing interferometric proximity sensors”的苹果专利申请最初在2021年9月提交，并在日前由美国专利商标局公布。