《Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting》：Modular 3D-Printed Smartphone XR Goggle With Independent Tri-Axis Optical Adjustment
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基于智能手机的扩展现实（XR）系统为沉浸式模拟提供了低成本平台，然而大多数智能手机XR眼镜在用户间的光学可调节性方面存在局限。本研究开发了一款模块化、完全3D打印的智能手机XR眼镜，其瞳孔间距、垂直光学对准和眼-显示屏距离均具有机械独立的调节功能。该系统还采用
基于智能手机的扩展现实（XR）系统为沉浸式模拟提供了低成本平台，然而大多数智能手机XR眼镜在用户间的光学可调节性方面存在局限。本研究开发了一款模块化、完全3D打印的智能手机XR眼镜，其瞳孔间距、垂直光学对准和眼-显示屏距离均具有机械独立的调节功能。该系统还采用了一种基于浇道（sprue）的模块化制造策略，将各组件整合为紧凑的打印布局，便于用户自行组装。研发人员台式基准测试表明，其调节范围覆盖了文献记载的成人人体测量学变异范围。一项包含五名成人参与者的单次可用性研究评估了在标准化情境下，参与者能否在无任何指导的情况下识别各调节机构。参与者在15次回答中有14次识别出了预期机构，并准确描述了其功能，表明该调节架构在无需事先接触眼镜的情况下基本具备直观性。上述发现证明了将人体测量学可调节性、制造高效模块化与直观操作相结合的低成本智能手机XR眼镜的可行性。
**论文解读：模块化3D打印智能手机XR眼镜的三轴独立光学调节系统**
**1. 研究背景与问题**
智能手机集成的处理、显示与摄像系统，使其成为扩展现实（Extended Reality, XR）平台的理想载体。基于智能手机的XR系统凭借其低成本、高便携性和可扩展性，在医疗模拟、训练等众多领域显示出巨大应用潜力。然而，作为立体沉浸观看核心组件的智能手机XR眼镜外壳，在人体适配性方面存在明显不足。现有设备主要分为两类：一是以纸板为材料的低成本自组装观看器，其结构刚性差且缺乏光学调节能力；二是预配置的商用塑料外壳，虽耐用但体积笨重，且人体测量学适应性有限。由于头戴式显示器的光学适配对瞳孔间距（Interpupillary Distance, IPD）和眼-显示屏距离高度敏感，固定或调节范围有限的结构会显著影响不同面部几何特征用户的视觉舒适度和观看性能。因此，在面向广泛部署的智能手机XR系统中，亟需在实现光学个性化调节的同时兼顾制造简便性、便携性和易操作性。然而，兼具人体测量学可调节性和制造高效模块化的耐用塑料外壳仍鲜有探索。此外，调节机构的价值不仅取决于其机械调节范围，还取决于用户能否在无先验经验的情况下直观地理解和操作。本研究旨在解决上述空白，开发了一款完全3D打印的模块化智能手机XR眼镜，并对其调节架构的直观性进行了实证检验。论文发表于《Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting》。
**2. 研究方法与技术**
研究人员采用迭代设计方法，历经三代原型开发，最终确定了集成式三轴光学架构与浇道（sprue）模块化制造策略。核心技术包括：① 通过同步带驱动机构实现双侧镜片对称平移，完成IPD连续调节；② 采用带螺纹导向的拨盘式线性平移机构实现垂直光学对准调节；③ 利用丝杠驱动线性平移机构沿导轨实现眼前后（anterior-posterior）平移，调节眼-显示屏距离。制造工艺采用熔融沉积建模（Fused Deposition Modeling, FDM），使用PLA（聚乳酸）耗材和0.4 mm喷嘴，优化浇道连接件设计（2.5 mm直径、-30°锥度），实现多组件单次打印与集成化分离。可用性研究在University of South Florida开展，经机构审查委员会（Institutional Review Board, IRB）认定为最低风险并豁免。研究纳入5名成人参与者（60%为女性，年龄18-24岁），采用非随机、单次会话、定性研究设计，参与者仅观察设备而非实体操作，以隔离调节机制可解释性与操作人体工学变量的影响。
**3. 主要研究结果**
**智能手机XR眼镜样机：** 研究人员成功制造并组装了一款功能完整的智能手机集成XR眼镜样机。对组装后样机的测量显示，其三个光学轴均具备调节能力：IPD调节范围为38.9至77.0 mm，垂直光学平移量为21.59 mm，前后（前-后）方向调节量可达50 mm。浇道模块化配置支持在统一打印网格内同时制造多个机械组件，集成式断点可确保组件在打印后清洁分离。
**可用性研究：** 全部5名参与者完成了单次可用性研究，并回答了全部三个标准化情境问题。在收集的15次情境应答中，参与者在14次回答中正确识别了预期调节机构，唯一一次错误应答出现在前后平移情境。参与者的回答一致依赖于推断的运动功能可供性和可见的机械关联。各情境中出现了反复使用的方向性推理术语，表明参与者对预期平移方向具有一致的解读。
**情境1：垂直平移。** 所有参与者均识别出丝杠驱动机构为校正垂直透镜对准的合适调节方式。参与者一致将该机构与垂直运动行为关联，使用“上/下”、“高度”和“垂直”等术语进行描述。尽管使用了非正式描述词（如“螺丝”、“旋钮”），但其解释与垂直重新定位透镜组件的预期功能相一致。
**情境2：瞳孔间距调节。** 所有参与者均识别出杆驱动机构为校正透镜未与眼睛居中对齐的合适调节方式。参与者一致描述了与该机构相关的侧向或水平运动，部分参与者解释该机构可使透镜“左右”移动，另一名参与者则描述其功能为使透镜“靠拢或分开”。所有应答均与预期瞳孔间距调节功能对应。
**情境3：前后平移。** 5名参与者中有4名识别出滑块机构为校正头戴设备压迫眼镜问题的合适调节方式。这些参与者描述了透镜平台相对于面部的向前/向后运动，并推断该机构可增加设备与眼镜之间的间隙。剩余1名参与者未能识别出设备机构，表示会选择摘除眼镜。这是唯一一次未识别出预期调节机构的情境应答。
**一般可用性问题：** 参与者普遍认为该头戴设备调节系统直观且仅通过观察即可理解。多数参与者报告对调节架构几乎没有困惑。被提及的不确定性主要与前后滑块机构相关，包括难以识别滑块抓握位置及其致动方式。一名参与者报告对丝杠驱动机构存在短暂初始困惑，后经观察自行解决。建议改进集中于增加更清晰的抓握提示或视觉指示器（如颜色编码）以改善滑块机构的理解性。
**4. 讨论与结论**
**讨论总结：** 所测得的调节范围覆盖了文献记载的成人IPD和面部几何形状变异范围，垂直方向及前后方向的独立调节机制能够在紧凑的智能手机集成外壳内支持个体化光学定位。三轴独立调节架构有效弥补了固定或最小调节智能手机XR外壳可能导致的舒适度下降和沉浸观看性能退化的局限。定性可用性研究表明，参与者主要依靠可见运动可供性和推断的方向行为来解读调节机制，显示出调节系统物理架构能够通过可观察的机械结构和方向可供性有效传达操作意图。研究局限性包括仅关注首轮可解释性而非长期沉浸使用或人体工学表现，参与者仅目视观察而未实际操作，且未评估主动XR使用期间的光学质量、视觉舒适度、视觉疲劳或晕动症。未来工作将优化模块化制造过程并评估主动XR交互中的可用性。
**研究结论：** 本研究证明了在低成本智能手机XR眼镜中，将人体测量学可调节性、制造高效模块化与直观操作相结合的可行性。所提出的三轴独立光学调节架构和浇道模块化制造策略，为广泛部署的沉浸式XR设备的个体化光学适配提供了高效且用户友好的解决方案。
