用于增强显示系统中电磁跟踪的定向发射器/传感器

摘要

一种电磁跟踪系统包括手持控制器，该手持控制器包括被配置为产生由电磁场图案表征的电磁场的电磁发射器；以及邻近电磁发射器定位并被配置为形成修改的电磁场图案的第一电磁反射器。该电磁跟踪系统还包括头戴式增强现实显示器，该头戴式增强现实显示器包括被配置为感测电磁场图案的电磁传感器；以及邻近被配置为最佳地感测感兴趣区域中的电磁场图案的电磁传感器的第二电磁反射器。

说明书

相关申请相互参考

本申请主张2018年9月5日提交的题为“用于增强显示系统中电磁跟踪的定向发射器/传感器(DIRECTED EMITTER/SENSOR FOR ELECTROMAGNETIC TRACKING IN AUGMENTEDREALITY SYSTEMS)”的美国临时专利申请62/727,489的优先权，该申请的全部公开内容出于所有目的在此纳入作为参考。

背景技术

现代计算和显示技术促进了用于所谓的“虚拟现实”(VR)或“增强现实”(AR)体验的系统的开发，其中数字再现的图像或其一部分以看起来或可被感知为真实的方式呈现给用户。VR场景一般涉及呈现对其他实际的真实世界视觉输入不透明的数字或虚拟图像信息，AR场景典型地涉及呈现数字或虚拟图像信息作为对用户周围实际的真实世界的可视化的增强。

尽管这些显示技术已经取得进步，但是本领域仍然需要与增强现实系统，尤其是显示系统相关的改进的方法和系统。

发明内容

本公开涉及虚拟现实和/或增强现实成像和可视化系统。本公开一般地涉及与虚拟现实和/或增强现实系统中的电磁跟踪有关的方法和系统。更具体地说，本公开的实施例提供了用于引导由发射器(也称为发送器)发送和/或由传感器(也称为接收器)接收的能量以改善定位过程的性能的方法和系统。在一些实施例中，成形的电磁(EM)反射器用于修改使用EM发射器产生的发射模式/由EM传感器接收的接收模式。在一些实施例中，未成形的EM模式容易变形，这可能影响其准确地确定位置和取向的能力。在一些实施例中，成形的EM场可以使变形最小化并且可以增加场强。因此，电磁传感器附近的场强得以增加。类似地，电磁传感器在电磁发射器方向上的接收能力得到提高。这些修改可以改善定位信息、提高功耗效率、减小EM变形以及减小电磁发射器和/或电磁传感器的尺寸。本公开适用于计算机视觉和图像显示系统中的各种应用。

根据本发明的实施例，提供了一种电磁跟踪系统。所述电磁跟踪系统包括手持控制器，其包括：被配置为产生由电磁场图案表征的电磁场的电磁发射器；以及邻近所述电磁发射器定位并被配置为形成修改的电磁场图案的第一电磁反射器。所述电磁跟踪系统还包括头戴式增强现实显示器，其包括：被配置为感测所述修改的电磁场的电磁传感器；以及邻近被配置为最佳地感测感兴趣区域中的所述修改的电磁场图案的所述电磁传感器的第二电磁反射器。

根据本发明的特定实施例，提供了一种操作电磁跟踪系统的方法。所述方法包括使用电磁发射器产生电磁场；以及使用第一电磁反射器反射所述电磁场以形成修改的电磁场图案。所述方法还包括使用第二电磁反射器反射所述修改的电磁场图案的一部分；以及使用邻近所述第二电磁反射器的电磁传感器感测所述修改的电磁场图案的所述反射部分。

通过本公开获得了优于传统技术的许多优势。例如，本公开的实施例提供了以预定方式增加电磁场强度的方法和系统。因此，系统可以在减小发射功率，减小组件尺寸，减小或避免EM变形等的同时实现期望的功能。结合下面的文字和附图更详细地描述本公开的这些和其他实施例以及其许多优点和特征。

附图说明

图1示意性地示出了根据一些实施例的电磁(EM)跟踪系统的系统图。

图2是根据一些实施例的描述电磁跟踪系统的运行的流程图。

图3示意性地示出了根据一些实施例的与增强现实(AR)系统结合的电磁跟踪系统。

图4是根据一些实施例的在AR设备的上下文中描述电磁跟踪系统的功能的流程图。

图5是根据一些实施例的电磁发射器和相应的电磁场线的平面图。

图6是根据一些实施例的结合有双面反射器的电磁发射器和相应的电磁场线的平面图。

图7是根据一些实施例的结合有分段反射器的电磁发射器和相应的电磁场线的平面图。

图8是根据一些实施例的结合有三面反射器的电磁发射器和相应的电磁场线的平面图

图9是根据一些实施例的结合有半球形反射器的电磁发射器和相应的电磁场线的平面图。

图10A是示出根据一些实施例的结合有三面反射器的电磁发射器与手持控制器的集成的透视图。

图10B是示出根据一些实施例的结合有三面反射器的电磁传感器与头戴装置的集成的透视图。

图10C是示出图10B所示的传感器壳体的展开图的透视图。

图11是示出根据本发明的实施例的操作结合有集成反射器的电磁跟踪系统的方法的简化流程图。

具体实施方式

在增强现实(AR)系统中，AR系统可以被设计为与用户交互。作为示例，可以向用户提供手持控制器，也称为图腾(totem)，用户可以利用该手持控制器与AR系统进行交互。因此，具备确定图腾相对于AR系统其他元件(包括用户穿戴的头戴式显示系统，也称为头戴装置或AR头戴装置)的位置和取向(例如6个自由度(DOF)姿势)的能力非常有用。

一种实现高精度定位的方法可能涉及使用电磁场(EM)，例如由电磁场发射器发射的电磁场，该电磁场发射器与策略性地放置在用户的AR头戴装置、腰带包和/或其他辅助装置(例如，图腾、触觉设备、游戏工具等)上的电磁场传感器耦合。电磁跟踪系统通常包括至少一个电磁场发射器(一般称为“发射器”)和至少一个电磁场传感器(一般称为“传感器”)。发射器产生在AR头戴装置的用户环境中具有已知的空间(和/或时间)分布的电磁场。传感器测量在传感器的位置处产生的电磁场。基于这些测量和对所产生的电磁场的分布的了解，可以确定传感器相对于发射器的姿势(例如，位置和/或取向)。因此，可以确定传感器和/或发射器所附着的对象的姿势。即，可以确定传感器和发射器的相对位置。

现在参考图1，其中示出了电磁跟踪系统的示例系统图表。在一些实施例中，电磁跟踪系统包括被配置为发射已知的电磁场的一个或多个电磁场发射器102(一般称为“发射器102”)。如图1所示，发射器102可以耦合到向发射器102提供电力的电源110(例如，电流、电池等)。

在一些实施例中，发射器102包括若干产生电磁场的线圈(例如，至少三个彼此垂直定位以在X、Y和Z方向上产生场的线圈)。该电磁场用于建立坐标空间(例如，X-Y-Z笛卡尔坐标空间)。这允许系统相对于已知的电磁场映射电磁传感器104a、104b的位置(例如，(X,Y,Z)位置)，并确定电磁传感器104a、104b的位置和/或取向。在一些实施例中，电磁传感器104a、104b(一般称为“传感器”104)可以附着到一个或多个真实对象上。传感器104可以包括线圈，在线圈中，通过电磁场(例如，由发射器102发射的电磁场)感应出电流。传感器104可以包括在诸如立方体或其他容器之类的小结构中耦合在一起的线圈或环(例如，至少三个彼此垂直定位的线圈)，这些线圈或环通过定位/定向，捕获来自电磁场(例如，由发射器102发射的电磁场)的传入电磁通量，并且通过比较经由这些线圈感应的电流，以及了解这些线圈彼此相对的定位和取向，可以计算传感器104相对于发射器102的相对位置和取向。

可以测量与可操作地耦合到传感器104的线圈和惯性测量单元(“IMU”)组件的特性有关的一个或多个参数，以检测传感器104(及其所附着到的对象)相对于发射器102所耦合到的坐标系的位置和/或取向。在一些实施例中，可以相对于发射器102使用多个传感器104，以检测每个传感器104在坐标空间内的位置和取向。电磁跟踪系统可以提供三个方向(例如，X、Y和Z方向)上的位置，并且还可以提供两个或三个取向角。在一些实施例中，可将IMU的测量结果与线圈的测量结果进行比较，以确定传感器104的位置和取向。在一些实施例中，可以组合电磁(EM)数据和IMU数据以及各种其他数据源(诸如相机、深度传感器和其他传感器)以确定位置和取向。该信息可以被发送(例如，经由无线通信、蓝牙等)到控制器106。在一些实施例中，可以在常规系统中以相对高的刷新率来报告姿势(或位置和取向)。常规地，电磁场发射器耦合到相对稳定且较大的对象，例如桌子、手术台、墙壁或天花板，并且一个或多个传感器耦合到较小的对象，例如医疗设备、手持游戏组件等。替代地，如以下参考图3所述，可以使用电磁跟踪系统的各种特征来产生这样一种配置：其中可以跟踪相对于更稳定的全局坐标系在空间中移动的两个对象之间的位置和/或取向的变化或变动；换句话说，图3示出了这样一种配置：其中可利用电磁跟踪系统的变化来跟踪头戴式组件与手持式组件之间的位置和取向的德尔塔(变化)，同时以其他方式确定头部相对于全局坐标系(例如，用户的本地房间环境)的姿势，例如使用可以耦合到系统的头戴式组件的面向外的捕捉相机，借助即时定位与地图构建(“SLAM”)技术来确定。

控制器106可以控制发射器102，并且还可以捕获来自传感器104的数据。应当理解，系统的各个组件可通过任何机电或无线/蓝牙方式彼此耦合。控制器106还可以包括有关已知的电磁场以及相对于电磁场的坐标空间的数据。然后，该信息用于检测传感器104相对于与已知的电磁场相对应的坐标空间的位置和取向。

电磁跟踪系统的一个优点是它们以最小的延时产生高分辨率且高度可重复的跟踪结果。另外，电磁跟踪系统不必依赖于光学跟踪器，并且可以轻松地跟踪不在用户视线内的传感器/对象。

应当理解，电磁场的强度v作为距线圈发射器(例如，发射器102)的距离r的三次函数而下降。因此，可以使用基于距发射器102的距离的算法。控制器106可以配置有这样的算法，以确定与发射器102相距不同距离的传感器104的位置和取向。假设当传感器104远离发射器102移动时，电磁场的强度快速下降，则可以在更近的距离处获得准确性、效率和低延时方面的最佳结果。在典型的电磁跟踪系统中，发射器由电流(例如，插电式电源)供电，并且传感器位于发射器的20英尺半径内。在包括AR应用在内的许多应用中，更希望传感器和发射器之间的半径更短。

现在参考图2，简要描述了根据一些实施例的描述电磁跟踪系统的运行的示例流程图。在202处，发射已知的电磁场。在一些实施例中，电磁场发射器可以产生电磁场。例如，电磁场发射器的每个线圈可以在一个方向(例如，X、Y或Z)上产生电磁场。可以以任意波形产生电磁场。在一些实施例中，沿着每个轴的电磁场分量可以以与沿着其他方向的其他电磁场分量稍微不同的频率振荡。在204处，可以选择性地确定与电磁场相对应的坐标空间。例如，控制器可以基于电磁场自动确定围绕发射器和/或传感器的坐标空间。在一些实施例中，不在该方法的这个阶段确定坐标空间。在206处，可以检测在传感器(可以附着到已知的对象上)处的线圈的特性。例如，可以计算在线圈处感应的电流。在一些实施例中，可以跟踪和测量线圈的旋转或任何其他可量化的特性。在208处，可使用该特性检测传感器和/或已知的对象(例如，包括传感器的AR头戴装置)相对于发射器的位置或取向，反之亦然。例如，控制器106可以查询将传感器处线圈的特性与各种位置或取向进行关联的映射表。基于这些计算，可以确定坐标空间中的位置以及传感器和/或发射器的取向。

在AR系统的上下文中，可能需要修改电磁跟踪系统的一个或多个组件，以便利精确地跟踪移动组件(例如，发射器和传感器)。如上所述，在许多AR应用，可能期望跟踪用户的头部姿势和取向。准确地确定用户的头部姿势和取向可使AR系统向用户显示适当/相关的虚拟内容。例如，虚拟场景可以包括隐藏在真实建筑物后面的虚拟怪兽。根据用户头部相对于建筑物的姿势和取向，可能需要修改虚拟怪兽的视图，以便提供逼真的AR体验。或者，图腾、触觉设备或与虚拟内容进行交互的某些其他装置的位置和/或取向对于用户与AR系统的交互而言非常重要。例如，在许多游戏应用中，AR系统可以检测真实对象相对于虚拟内容的位置和取向。或者，当显示虚拟界面时，图腾、用户的手、触觉设备或被配置为与AR系统进行交互的任何其他真实对象相对于所显示的虚拟界面的位置是已知的，以便于系统理解命令、交互等。某些包括光学跟踪的定位方法和其他方法可能会遇到高延时、低分辨率的问题，这导致在许多AR应用中渲染虚拟内容极具挑战性。

在一些实施例中，关于图1和图2讨论的电磁跟踪系统可以适应AR系统，以检测一个或多个对象相对于所发射的电磁场的位置和取向。典型的电磁跟踪系统通常具有巨大、笨重的电磁发射器(例如，图1中的102)，这对于例如带有图腾的头戴式AR设备是有问题的。然而，在AR系统的上下文中，可使用较小的电磁发射器(例如，在毫米范围内)发射已知的电磁场。

现在参考图3，电磁跟踪系统可以如图所示并入AR系统，其中电磁场发射器302(一般称为“发射器302”)作为手持控制器306(一般称为“控制器306”)的一部分并入。控制器306可以相对于AR头戴装置301(或束带包370)独立地移动。例如，控制器306可以握在用户的手中，或者控制器306可以安装在用户的手或手臂上(例如，作为戒指或手镯或作为用户穿戴的手套的一部分)。在一些实施例中，控制器306可以是图腾，例如用于游戏场景(例如，多自由度控制器)，或者在AR环境中提供丰富的用户体验，或者允许用户与AR系统进行互动。在一些实施例中，控制器306可以是触觉设备。在一些实施例中，发射器302可以作为束带包370的一部分并入。控制器306可以包括电池310或为发射器302供电的其他电源。应当理解，发射器302也可以包括或耦合到IMU 350组件，该组件被配置为帮助确定发射器302相对于其他组件的位置和/或取向。这对于发射器302和电磁场传感器304(一般称为“传感器304”)都是移动的情况下尤其有利。如图3的实施例所示的那样将发射器302放置在控制器306而不是束带包370中有助于确保发射器302不争夺束带包370处的资源，而是在控制器306上使用其自身的电池源。在一些实施例中，发射器302可以设置在AR头戴装置301上，而传感器304可以设置在控制器306或束带包370上。因此，本发明的实施例提供了其中控制器306被实现为手持单元的实施方式，而在其他实施例中，控制器在AR头戴装置301中实现，但是在另外的实施例中，控制器在辅助单元(例如，束带包307)中实现。此外，除了其中在单个设备中实现控制器306的实施方式之外，控制器和附带的物理组件的功能也可以是分布在多个设备上，例如控制器306、AR头戴装置301和/或辅助单元(例如，束带包307)。

在一些实施例中，传感器304可以与诸如一个或多个IMU或另外的电磁通量捕获线圈308之类的其他感测设备一起被放置在AR头戴装置301上的一个或多个位置处。例如，如图3所示，传感器304、308可被放置在AR头戴装置301的一侧或全部两侧。由于传感器304、308可被设计为相当小(在某些情况下可能不那么敏感)，因此，可以包含多个传感器304、308以提高效率和精度。在一些实施例中，一个或多个传感器也可被放置在束带包370或用户身体的任何其他部位上。传感器304、308例如可通过蓝牙，与确定传感器304、308(以及其所附着的AR头戴装置301)的姿势和取向的计算装置进行无线通信。在一些实施例中，计算装置可以驻留在束带包370上。在一些实施例中，计算装置可以驻留在AR头戴装置301或控制器306上。在一些实施例中，计算装置进而可以包括映射数据库330(例如，映射数据库、云资源、联结型(passable)世界模型、坐标空间等)，用于检测姿势以确定真实对象和/或虚拟对象的坐标，甚至可以连接到云资源和联结型世界模型。在一个实施例中，控制器306能够控制电磁发射器的电磁发射以及电磁传感器的感测的时机，以便基于来自修改的电磁场图案的场计算电磁发射器和电磁传感器的位置和取向。在一些实施例中，计算电磁发射器相对于电磁传感器的位置和取向。在其他实施例中，计算电磁传感器相对于电磁发射器的位置和取向。在一些实施例中，同时计算电磁发射器和电磁传感器的位置和取向。

如上所述，某些电磁发射器对于AR设备而言可能太大。因此，可以使用比传统系统更小的组件(例如，线圈)将发射器设计得更紧凑。然而，考虑到电磁场强度作为距发射器的距离的三次函数而减小，可以使用比图1中详细描述的传统系统更短的传感器304和发射器302之间的半径(例如，约3至3.5英尺)来减少功耗。

在一些实施例中，在一个或多个实施例中，此方面可用于延长为控制器306和发射器302供电的电池310的寿命。在一些实施例中，此方面可用于减小在发射器302处产生电磁场的线圈的尺寸。然而，为了获得相同的电磁场强度，可能需要增加功率。这允许使用紧凑地装配在控制器306上的紧凑型发射器302。

在将电磁跟踪系统用于AR设备时，可做出一些其他的更改。尽管该姿势报告速率相当优异，但AR系统可能需要更高效率的姿势报告速率。为此，可以(附加地或替代地)使用基于IMU的姿势跟踪。有利地，IMU尽可能保持稳定，以提高姿势检测过程的效率。IMU可被设计为能够在高达50-100毫秒的时间内保持稳定。应当理解，一些实施例可以利用能够以10至20Hz的速率报告姿势更新的外部姿势估计模块(例如，IMU可能随时间漂移)。通过使IMU保持稳定在合理的速率，姿势更新速率可以显著地降至10至20Hz(与传统系统中的更高频率相比)。

如果电磁跟踪系统可以以例如10％的占空比(duty circle)运行(例如，仅每100毫秒对地面实况进行一次ping操作(pinging))，AR系统便可节省功率。这意味着电磁跟踪系统每100毫秒就会唤醒10毫秒，以生成一个姿势估计。这可以直接转换为功耗节省，进而影响AR设备(例如，AR头戴装置301和/或控制器306)的尺寸、电池寿命和成本。

在一些实施例中，可通过提供两个控制器306(未示出)而不是图3所示的仅一个控制器306来策略性地利用占空比的减小。例如，用户正在玩需要两个控制器306等的游戏。或者，在多用户游戏中，两个用户使用各自的控制器306来玩游戏。当使用两个控制器306(例如，两个对称的控制器，每只手一个)而不是一个时，控制器306能够以偏移占空比工作。相同的概念也可应用于由玩多人游戏的两个不同用户使用的控制器306。

现在参考图4，其中描述了在AR设备的上下文中描述电磁跟踪系统的示例流程图。在402处，便携式(例如，手持式)控制器(例如，控制器306)发射电磁场。例如，发射器302发射电磁场。在404处，电磁传感器(放置在头戴装置、腰带包等上)检测电磁场。例如，传感器304、308检测电磁场。在406处，基于传感器处的线圈/IMU的特性确定AR头戴装置/束带包的姿势(例如，位置或取向)。例如，AR头戴装置301/束带包370基于传感器304和/或IMU和线圈308的特性确定AR头戴装置301/束带包370的姿势。在408处，将姿势信息传送到计算装置。例如，将姿势信息传送到AR头戴装置301和/或束带包370中的计算装置。在410处，可以选择性地查询映射数据库以关联真实世界坐标(例如，针对头戴装置/束带确定)与虚拟世界坐标。例如，可以查询映射数据库330以关联真实世界坐标与虚拟世界坐标。在412处，可将虚拟内容传送到AR头戴装置并显示给用户(例如，经由本文所述的光场显示器)。例如，可将虚拟内容传送到AR头戴装置301并显示给用户。应当理解，上述流程图仅用于说明目的，而不应被解读为具有限制性。

有利地，可以使用与图3中概述的电磁跟踪系统类似的电磁跟踪系统来实现势跟踪(例如，头部的位置和取向、图腾以及其他控制器的位置和取向)。与光学跟踪技术相比，这允许AR系统以更高的准确度和极低的延时投影虚拟内容(至少部分基于所确定的姿势)。此外，这允许AR系统以高精度、低功耗(例如，电池210的功耗)、低延时等的方式来跟踪用户输入设备(例如，控制器306)。

图5是根据一些实施例的电磁发射器和相应的电磁场线的平面图。如图5所示，由电磁发射器510(一般称为“发射器510”)发射的电磁线520形成闭合回路，该闭合回路沿着x方向穿过发射器510的内部区域，基本上平行于由发射器510创建的连接各极的线。如图5所示，由发射器510产生的电磁场同时沿着正负z方向均等地延伸。

如以上关于图3所描述的，在使用期间，由发射器510(例如，图3中的发射器302)创建的电磁场将在传感器(例如，图3中的传感器304)304处被检测到，以便提供期望的定位信息。由于所发射的电磁场同时沿着正负z方向从发射器510延伸开，因此不会利用沿着与发射器510到传感器的方向相反的方向被引导的能量，从而降低了系统效率。

在一些实施例中，图6至图9中的图表可以基于时变电磁场的有限元分析。在一些实施例中，在发射器和/或传感器的线圈处或附近添加各种形状和构造的反射器可以增加感兴趣区域(ROI)中来自发射器和/或传感器的电磁线的强度。ROI是AR或VR系统中运动最活跃的地方。尽管描述是关于发射器做出的，但是可以将类似的反射器应用于传感器以增强ROI中传感器的接收能力。图6是根据一些实施例的结合有双面反射器的电磁发射器和相应的电磁场线的平面图。在图6中，为了清楚起见，仅示出了位于x-z平面中的电磁场线，但是本领域技术人员将意识到将存在三维波瓣图案。如以下关于图8更全面地讨论的，图6所示的设计可以扩展到三个维度。

参考图6，已经在发射器510附近放置了两个反射元件：第一反射元件620和第二反射元件622，从而提供集成的电磁反射器，也称为集成式反射器。发射器510的取向使得穿过发射器线圈的电磁场与x轴对准。第一反射元件620相对于x轴以预定角度(例如135°角)取向，第二反射元件622相对于x轴以预定角度(例如45°角)取向。换句话说，第一反射元件620与x-z平面中测量的具有斜率为-1的对角线对准，第二反射元件622与x-z平面中测量的斜率为+1的对角线对准。如图6所示，第一反射元件620和第二反射元件622在位于发射器510的中点的顶点630处接合。

第一反射元件620和第二反射元件622使用在发射器510的工作频率(例如，27kHz至40kHz，如35kHz)处具有高导电性的材料制成。在一些实施例中，可以利用高导电金属板(例如2mm厚的铜板)来形成反射元件620、622。在一些实施例中，可以采用涂覆有高导电材料的基材来结合利用基材(例如塑料)的机械性能与涂覆在基材上的导电材料的电性能。对本领域技术人员显而易见的是，用于制造第一反射元件620和第二反射元件622的材料可适当地应用于本文描述的其他反射元件。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。

由于第一反射元件620和第二反射元件622反射沿着负z方向建立的电磁场，因此电磁场线610形成沿着正z方向取向的单个波瓣。由于单个波瓣中存在电磁能，因此相对于发射器510沿着正z轴定位的电磁场传感器(例如，传感器304)将在距发射器510的给定距离处检测到更强的电磁场，从而提高系统性能。

此外，电磁场线610由给定波瓣宽度上强度更高的场表征。参考图6，反射元件620和622的存在导致电磁场线610压缩，从而产生更高强度的场。由最大场强的一半表征的电磁场线610的宽度被定义为电磁场的半峰全宽(full width half maximum)。如图6所示，对于强度为最大场强一半的电磁场线610，宽度等于W。因此，图6所示的波瓣图案(可称为修改的电磁场图案)的半峰全宽为W。这可以与在缺少第一反射元件620和第二反射元件622的情况下由发射器产生的电磁场进行比较。在缺少反射元件620和622的情况下，电磁场线610将在大面积上延伸并且由大于W的半峰全宽表征，这对应于ROI 640中强度较弱的场，以及非ROI区域中不需要的EM能量。因此，尽管传统发射器所产生的传统电磁场图案由初始半峰全宽表征，但是在一些实施例中，利用诸如反射元件620和622之类的反射结构会产生由小于初始半峰全宽的修改的半峰全宽表征的修改的电磁场图案。换句话说，ROI 640中的电磁场线具有强度更高的场。参考图6，反射元件620和622的存在将导致反射原始电磁场(该原始电磁场存在于没有反射元件620和622的情况下)之外的电磁场。实际上，这产生了修改的场图案，该图案的场强远高于ROI 640中没有反射元件620和622时的原始场。这可以与图5所示的在没有反射元件620、622的情况下由发射器产生的电磁场进行比较。在缺少反射元件620、622的情况下，电磁场线610将在大面积上延伸，并且ROI 640中的场强将显著减小。因此，图5所示的由传统发射器产生的传统电磁场图案不仅在ROI 640中分布其能量场，而且还在非ROI区域中分布其能量场，如图5所示。利用诸如反射元件620和622之类的反射元件将产生集中在ROI 640中的修改的电磁场图案。在该修改的图案中，由电磁线最少的区域中的金属引起的变形将最小。因此，反射元件620和622使发射器的线圈和传感器的线圈免受由反射元件620和622的另一面上的金属引起的变形的影响。对于图6，以及图7至图9所示的这些构造，控制器106能够基于修改的场图案计算位置和取向。

图7是根据一些实施例的结合有分段反射器的电磁发射器和相应的电磁场线的平面图。分段反射器720放置在发射器510的一侧附近。分段反射器720包括第一远端反射元件722、中央反射元件724和第二远端反射元件726。由于分段反射器720的元件反射沿着负z方向建立的电磁场，因此电磁场线710形成沿着正z方向取向的单个波瓣。可以选择反射元件720、724、726的尺寸(例如长度)，以及第一远端反射元件722与中央反射元件724之间的角度，以及第二远端反射元件726与中央反射元件724之间的角度来控制电磁场线710的分布。

在一些实施例中，中央反射元件724的长度等于发射器510在x方向上的长度，并且远端反射元件722、726与中央反射元件724之间的角度均为45°。远端反射元件722、726的长度可以根据中央反射元件724的长度来选择。本领域技术人员将显而易见的是，远端反射元件722、726的长度的增加会导致在远端反射元件722、726后面的区域(与电磁场图案的中心线相对)中存在较少的电磁场。然而，远端反射元件722、726的长度增加会导致系统重量和成本增加。以类似的方式，中央反射元件724与一对远端反射元件722、726之间的角度可以根据特定应用而适当地改变。因此，尽管图7中示出了45°的相等角度，但是实施例不限于这种实施方式，也可以利用具有其他角度的构造。此外，角度不必相等，可以是不同的。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。

图8是根据一些实施例的结合有三面反射器的电磁发射器和相应的电磁场线的平面图。在图8中，为了清楚起见，仅示出了位于x-z平面中的电磁场线，但是本领域技术人员将理解，将存在三维波瓣图案，其中波瓣的中心沿着与x轴正交的方向，并且以相对于x-z平面45°的角度远离电磁发射器延伸。

参考图8，其中示出了三个反射元件。第一反射元件812和第二反射元件814邻近发射器510定位。位于x-z平面中的第三反射元件816由虚线示出。在图8所示的实施例中，三个反射元件812、814、816彼此正交，形成立方体结构的一半，其中三个反射元件的交点形成立方体的角顶点。发射器510相对于图6所示的取向成45°取向。因此，在该实施例中，发射器510的板相对于x轴成45°取向。

由于第一反射元件620、第二反射元件622和第三反射元件816反射沿着负z方向和正y方向建立的电磁场，因此电磁场线810形成沿着正z方向和负y方向从图平面向外取向的单个波瓣。在一些实施例中，半立方体构造中的反射元件812、814、816的存在导致效率增加高达八倍，并且功耗减少高达八分之一。替代地，可以减小发射器510的尺寸以实现给定的效率/功耗。此外，在一些实施例中，在实现改善的效率/功耗性能的同时减小发射器510的尺寸。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。

图9是根据一些实施例的结合有半球形反射器的电磁发射器和相应的电磁场线的平面图。在图9中，位于x-z平面中的半球形反射器920的一部分被示为圆弧。应当理解，所示圆弧围绕z轴的旋转将限定半球形反射器的半球形状。由于半球形反射器920反射沿着负z方向建立的电磁场，因此电磁场线910形成沿着正z方向取向的单个波瓣。

图10A是示出根据一些实施例的结合有三面反射器的电磁发射器与手持控制器的集成的透视图。参考图10A，手持控制器1000包括与三面角立方体反射器1020集成在一起的电磁发射器1010(一般称为“发射器1010”)。在该示例中，反射器的三个侧面分别位于以下平面中：第一侧面1022位于x-z平面中，第二侧面1024位于x-y平面中，并且第三侧面1026位于y-z平面中。三面角立方体反射器1020反射由发射器1010产生的电磁场会导致发射器1010所产生的三维波瓣图案的中心与矢量1030对准，矢量1030与远离三个反射器平面的交点的方向(在与三面角立方体反射器的三个轴等距的主线方向上，其中每个轴对应于两个反射器的相交)对准。如图10A所示，矢量1030从x-y-z坐标空间的原点开始，沿着指向x-y-z坐标空间中的点(1,1,1)的线指向，该点对应于三维波瓣图案的中心。当将这种三面角立方体反射器应用于传感器时，它将使传感器沿着指向ROI的主线最有效地进行感测。

在典型的使用中，手持控制器1000放在用户的前面，表面1050大体正交于指向用户头部和用户穿戴的AR头戴装置的线。连接表面1050和用户头部以及与表面1050正交的线一般平行于矢量1030。结果，由于由发射器1010产生的电磁场的方向性增强，因此沿着矢量1030产生了更强的场，并且在用户头部和用户穿戴的AR头戴装置附近产生了更强的场。类似地，如下面关于图10B所描述的，头戴装置可以包括具有相应的三面角立方体反射器(或本文所述的其他合适的集成反射器)的传感器，这些反射器被配置为使得最大接收出现在期望包括发射器的ROI中。因此，相对于不利用反射元件的实施方式提供了改进的系统性能。

图10B是示出根据一些实施例的结合有三面反射器的电磁传感器与头戴装置的集成的透视图。如图10B所示，AR头戴装置301包括传感器壳体1075，在一些实施例中，传感器壳体1075安装在AR头戴装置301的右镜腿(temple)下方。图10C是示出图10B所示的传感器壳体1075的展开图的透视图。传感器壳体1075包括电磁传感器1070(一般称为“传感器1070”)，该电磁传感器与三面角立方体反射器1072集成在一起。三面角立方体反射器反射由传感器1070接收的电磁场，这样的反射会导致传感器1070所接收的三维波瓣图案的中心与矢量1074对准，矢量1074沿着远离三个反射器平面的交点(在与三面角立方体反射器的三个轴等距的主线方向上，其中每个轴对应于两个反射器的相交)的方向取向。如图10B所示，矢量1074从x-y-z坐标空间的原点开始，沿着指向x-y-z坐标空间中的点(1,1,1)的线指向，该点对应于三维波瓣图案的中心。需要指出，为了清楚起见，图10B所示的x-y-z坐标空间不同于图10A所示的坐标空间。如图10B所示，通过将三面角立方体反射器1072应用于传感器1070，允许传感器1070沿着指向发射器的主线最有效地感测。

在典型的使用中，由于图10A所示的手持控制器1000放在用户头部前面和下方，因此传感器壳体1075从发射器接收到的电磁场将因为三面角立方体反射器1072的存在而增强。三面角立方体反射器1072位于传感器1070旁边导致传感器1070接收到的电磁场的方向性增强。因此，传感器的灵敏度沿着连接手持控制器1000和AR头戴装置301的线增加。这样，传感器1070对手持控制器附近产生的电磁场具有更高的灵敏度。因此，相对于不利用反射元件的实施方式提供了改进的系统性能。

图11是示出根据本发明的实施例的操作结合有集成反射器的电磁跟踪系统的方法的简化流程图。其中电磁跟踪系统包括一个或多个集成的电磁反射器的方法1100包括使用电磁发射器产生电磁场(1100)。电磁发射器可以设置在作为电磁跟踪系统的一个元件的手持控制器中，该电磁跟踪系统包括手持控制器、可包括控制器的辅助单元以及头戴式增强现实显示器。集成的电磁反射器可以与发射器和/或传感器一起使用，并且可以是本说明书的图6至图9所示的任何集成的电磁反射器。

该方法还包括使用第一电磁反射器反射电磁场以形成修改的电磁场图案(1112)。第一电磁反射器可以邻近电磁发射器定位。第一电磁反射器可以包括具有各种几何特性的反射元件，其中包括可以在顶点处接合的两个或更多个反射板。在其他实施例中，利用并布置了三个反射板以限定立方体的角顶点。在替代实施例中，第一电磁反射器形成为单个反射器元件。作为示例，单个反射器元件可以是关于图7讨论和示出的分段反射器，或关于图9讨论和示出的半球形反射器。

该方法还包括使用第二电磁反射器来反射修改的电磁场图案的一部分(1114)以及使用与第二电磁反射器相邻的电磁传感器来感测修改的电磁场图案的反射部分(1116)。该方法进一步包括利用控制器来控制产生电磁场和感测修改的电磁场的反射部分的时机，以及基于修改的电磁场图案，以数字的方式计算电磁发射器和电磁传感器的位置和取向。

应当理解，图11所示的具体步骤提供了根据本发明的实施例的操作结合有集成反射器的电磁发射器的特定方法。根据替代实施例，也可以执行其他步骤顺序。例如，本发明的替代实施例可以以不同的顺序执行上面概述的步骤。此外，图11所示的各个步骤可以包括多个子步骤，这些子步骤可以按照适合于各个步骤的各种顺序来执行。此外，取决于具体应用，可以添加或删除附加步骤。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。

还应理解，本文所述的示例和实施例仅用于说明目的，它们的各种修改或变化将被暗示给本领域技术人员，并且包括在本申请的精神和范围以及所附权利要求的范围内。