CN108681400A - 一种基于多层自由曲面光波导的眼球追踪装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于多层自由曲面光波导的眼球追踪装置，包括：镜片，由多层折射率不同的曲面光波导叠加构成，其中多层折射率不同的曲面光波导根据佩戴时与眼球之间的距离由近及远依次包括第一层光波导、第二层光波导与第三层光波导，第一层光波导与第三层光波导的折射率均大于大气空间的折射率，第一层光波导的折射率大于第二层光波导的折射率；红外光源，设置于镜片的周向轮廓上的指定位置；眼球成像传感器，设置于镜片的侧部。通过本发明的技术方案，在追踪效果上，提高眼球追踪定位速度，优化追踪效果。在产品形态上，实现眼球成像传感器(包括摄像头CMOS元件)和光波导元件的一体化。
Description
技术领域
本发明涉及眼球追踪技术领域，具体而言，涉及一种基于多层自由曲面光波导的眼球追踪装置。
背景技术
眼球追踪技术是一项科学应用技术，一是根据眼球和眼球周边的特征变化进行跟踪，二是根据虹膜角度变化进行跟踪，三是主动投射红外线等光束到虹膜来提取特征。
无论是哪一种算法，都需要对眼球的生理图像进行采集。在目前的设备中，眼球数据的采集，比如将眼球成像传感器固定在视频眼镜可视角度的边缘或外部，或将红外光源组安置在镜片四周的镜框上，将图像传感器模块放置于主板上，存在以下缺陷：
1)通过侧对眼球的摄像头拍摄眼球图像，使得采集到的图像，是斜成像，会影响眼球追踪的效果；
2)为了修正误差，需要多次反复标定，导致用户体验很差；
3)眼球成像传感器与镜片分离，非一体化结构，导致最终产品如果要加入眼球追踪功能，必须要针对每款产品前置安装。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的第一方面的技术方案提出了一种基于多层自由曲面光波导的眼球追踪装置，包括：
镜片，由多层折射率不同的曲面光波导叠加构成，多层折射率不同的曲面光波导根据佩戴时与眼球之间的距离由近及远依次包括第一层光波导、第二层光波导与第三层光波导，第一层光波导与第三层光波导的折射率均大于大气空间的折射率，第一层光波导的折射率大于第二层光波导的折射率；红外光源，设置于镜片的周向轮廓上的指定位置；眼球成像传感器，设置于镜片的侧部，其中，在眼球追踪装置被佩戴后，红外光源发射的红外光通过眼球反射后，进入第一层光波导，并在第一层光波导的外表面以及第一层光波导与第二层光波导的界面之间发生多次反射后，传输至眼球成像传感器实现眼球成像。
在该技术方案中，通过设置多层自由曲面光波导的眼球追踪装置，可实现眼球成像传感器(包括摄像头CMOS元件)和光波导元件的一体化，解决眼球追踪组块设备集成度低的问题，同时，采取直接对眼球状态的正面拍摄，可提高眼球追踪定位速度，优化追踪效果。
另外，本发明提供的上述实施例中的眼球追踪装置还可以具有如下附加技术特征：
在上述技术方案中，优选地，第二层曲面光波导为由至少一组光膜叠加，一组光膜包括至少两种折射率不同的子光膜叠加构成，其中，对于每一组光膜，靠近第一层光波导的子光膜的折射率小于远离第一层光波导的子光膜的折射率。
在该技术方案中，眼球追踪装置可以由红外光源、多层自由曲面光波导、眼球成像传感器构成，红外光源包含两个红外光源，眼球反射红外光源发出的光波，供眼球成像传感器捕获成像。多层自由曲面光波导由多层折射率不同的曲面光波导构成，其中最靠近眼球区域的第一层光波导采用高折射率材料，其折射率为n1，远离眼球的一端为第三层光波导，其折射率为n3，大气空间的折射率用n0表示。第一层光波导与第三层光导波之间的第二层光波导为自由曲面增反膜，使红外光源发出的某一波长的反射光波干涉增强，第二层光波导由至少两层折射率不同的材料交替构成，折射率从第一层光导波至第三层光导波依次为n21、n22，第一层光波导、第二层光波导、第三层光波导与大气空间中，任意两者之间的接触面均可为自由曲面，眼球成像传感器捕获经多层自由曲面光波导传导的红外光波，获得眼球注视不同空间位置时的眼球图像，其中，眼球成像传感器中的CMOS元件紧贴多层自由曲面光波导放置，红外光源和眼球成像传感器位于多层自由曲面光波导的侧面。
其中，各折射率之间的关系如下：n1>n0，n1>n21，n21<n22以及n3>n0。
第一层光波导的折射率n1大于大气空间的折射率n0，确保眼球反射的红外光总是能够透射进入第一层光波导中，且红外光传播到第一层光波导-大气空间界面时，尽可能多地发生全反射，第二层光波导在近第一层光波导的第一层材料具有低折射率n21，第二层材料具有高折射率n22，且第一层光波导的折射率n1大于第二层光波导中近第一层光波导层的折射率n21，按需选取第二层光波导中各层材料的厚度和折射率，以满足红外反射光波相干增强条件，并使得在第一层光波导-第二层光波导界面被反射的光线发生全反射临界角尽可能小，更高能量的红外光线被束缚于第一层光波导中传输，直至传输到CMOS元件。
经由人眼反射的红外光，通过大气空间-第一层光波导界面(即第一层光波导的外表面)进入第一层光波导后，首先在第一层光波导-第二层光波导界面上发生反射和透射，在第一层光波导-第二层光波导界面上发生反射的光波，由于自由曲面增反膜的作用发生干涉增强，随后在第一层光波导-大气空间和第一层光波导-第二层光波导界面之间被多次发射，直至传输到CMOS元件，利用瞳孔、虹膜对于红外光的反射率不同这一特性，CMOS感光成像，进而可通过获得的用户眼球图像，判断用户中央凹视野所对应的视野范围。
在上述任一技术方案中，优选地，第二层曲面光波导为一维光子晶体层。
第二层光波导可以为一维光子晶体材料，在从第一层光波导向第三层光波导的传输方向上，红外波段的光被反射。
另外，由菲涅尔方程(原理：当光从一种具有折射率为η1的介质向另一种具有折射率为η2的介质传播时，在两者的交界处(通常称作界面)可能会同时发生光的反射和折射)可知，优化第一层光波导的折射率n1和第一层光波导-大气空间、第一层光波导-第二层光波导界面光线入射角，可提高电场在第一层光波导-第二层光波导界面反射光功率，进而提高成像质量，其中入射角可通过改变第一层光波导-第二层光波导界面物理形状实现。
在上述任一技术方案中，优选地，第一层光波导与第二层光波导的界面被构造为由弧面与多折面组合形成的第一组合构造面；红外光源与眼球成像传感器分别设置于镜片的两侧，眼球成像传感器与对应的镜片的侧面贴合设置。
在上述任一技术方案中，优选地，第一层光波导与第二层光波导的界面被构造为由梯形凹面与倒梯形凸面沿镜片的宽度构造方向交错连接形成的第二组合构造面；眼球成像传感器具有两个，并分别设置于镜片的两侧，眼球成像传感器与对应的镜片的侧面贴合设置；红外光源包括多个，多个红外光源分布于镜片的周向轮廓上。
在上述任一技术方案中，优选地，第一层光波导与第二层光波导的界面被构造为由多个弯折平面拼接形成的第三组合构造面；红外光源与眼球成像传感器分别设置于镜片的两侧，眼球成像传感器与对应的镜片的侧面贴合设置。
在上述任一技术方案中，优选地，第二层光波导与第三层光波导的界面被构造与第三组合构造面平行设置的第四组合构造面。
在上述任一技术方案中，优选地，第一层光波导的外表面与第三层光波导的外表面均被构造为弧面。
在上述任一技术方案中，优选地，第一层光波导的外表面与第三层光波导的外表面由多个弯折平面拼接形成。
在上述任一技术方案中，优选地，眼球追踪装置还包括：镜框，镜片设置于镜框与镜片配合的框架内，红外光源与眼球成像传感器能够分别设置于镜框上。
具体地，眼球追踪装置可以实现以下技术效果：
(1)通过设置多层自由曲面光波导的眼球追踪装置，可实现眼球成像传感器(包括摄像头CMOS元件)和光波导元件的一体化，解决眼球追踪组块设备集成度低的问题
(2)采取直接对眼球状态的正面拍摄，可提高眼球追踪定位速度，优化追踪效果。
(3)通过采用不同的界面设置方式以及不同的界面设置方式进行组合，在实现光波导折射成像的同时，满足了不同镜片的外观的设置需求。
(4)通过将红外光源设置于镜片周向的不同位置，满足了不同结构的头戴式显示器的构造需求。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1示出了根据本发明的实施例的眼球追踪装置的原理结构示意图；
图2示出了根据本发明的一个实施例的眼球追踪装置的结构示意图；
图3示出了图2中的眼球追踪装置A-A向的结构示意图；
图4示出了根据本发明的另一个实施例的眼球追踪装置的结构示意图；
图5示出了图4中的眼球追踪装置B-B向的结构示意图；
图6示出了根据本发明的又一个实施例的眼球追踪装置的结构示意图；
图7示出了图6中的眼球追踪装置C-C向的结构示意图；
本发明中的图1至图7中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
10镜片，102第一层光波导，104第二层光波导，106第三层光波导，1042第一子光膜，1044第二子光膜，20红外光源，30眼球成像传感器，40镜框，50眼球。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1至图7所示，根据本发明的实施例的眼球追踪装置，包括：镜片10，由多层折射率不同的曲面光波导叠加构成，多层折射率不同的曲面光波导根据佩戴时与眼球50之间的距离由近及远依次包括第一层光波导102、第二层光波导104与第三层光波导106，第一层光波导102与第三层光波导106的折射率均大于大气空间的折射率，第一层光波导102的折射率大于第二层光波导104的折射率；红外光源20，设置于镜片10的周向轮廓上的指定位置；眼球成像传感器30，设置于镜片10的侧部，其中，在眼球追踪装置开始工作后，红外光源20发射的红外光通过眼球50反射后，进入第一层光波导102，并在第一层光波导102的外表面以及第一层光波导102与第二层光波导104的界面之间发生多次反射后，传输至眼球成像传感器30实现眼球50成像。
在该实施例中，通过设置多层自由曲面光波导的眼球追踪装置，可实现眼球成像传感器30(包括摄像头CMOS元件)和光波导元件的一体化，解决眼球50追踪组块设备集成度低的问题，为最终产品例如VR、AR或其它HMD的简易化设计和外观扩展提供新方案，同时可提高眼球50追踪定位速度，优化追踪效果。
另外，本发明提供的上述实施例中的眼球追踪装置还可以具有如下附加技术特征：
在上述实施例中，优选地，第二层曲面光波导为由至少一组光膜叠加，一组光膜包括至少两种折射率不同的子光膜叠加构成，其中，对于每一组光膜，靠近第一层光波导102的第一子光膜1042的折射率小于远离第一层光波导102的第二子光膜1044的折射率。
在该实施例中，眼球追踪装置可以由红外光源20、多层自由曲面光波导、眼球成像传感器30构成，红外光源20包含两个红外光源20，眼球50反射红外光源20发出的光波，供眼球成像传感器30捕获成像。多层自由曲面光波导由多层折射率不同的曲面光波导构成，其中最靠近眼球50区域的第一层光波导102采用高折射率材料，其折射率为n1，远离眼球50的一端为第三层光波导106，其折射率为n3，大气空间的折射率用n0表示。第一层光波导102与第三层光导波之间的第二层光波导104为自由曲面增反膜，使红外光源20发出的某一波长的反射光波干涉增强，第二层光波导104由至少两层折射率不同的材料交替构成，折射率从第一层光导波至第三层光导波依次为n21、n22，第一层光波导102、第二层光波导104、第三层光波导106与大气空间中，任意两者之间的接触面均可为自由曲面，眼球成像传感器30捕获经多层自由曲面光波导传导的红外光波，获得眼球50注视不同空间位置时的眼球图像，其中，眼球成像传感器30中的CMOS元件紧贴多层自由曲面光波导放置，红外光源20和眼球成像传感器30位于多层自由曲面光波导的侧面。
其中，各折射率之间的关系如下：n1>n0，n1>n21，n21<n22以及n3>n0。
第一层光波导102的折射率n1大于大气空间的折射率n0，确保眼球50反射的红外光总是能够透射进入第一层光波导102中，且红外光传播到第一层光波导102-大气空间界面时，尽可能多地发生全反射，第二层光波导104在近第一层光波导102的第一层材料具有低折射率n21，第二层材料具有高折射率n22，且第一层光波导102的折射率n1大于第二层光波导104中近第一层光波导102层的折射率n21，按需选取第二层光波导104中各层材料的厚度和折射率，以满足红外反射光波相干增强条件，并使得在第一层光波导102-第二层光波导104界面被反射的光线发生全反射临界角尽可能小，更高能量的红外光线被束缚于第一层光波导102中传输，直至传输到CMOS元件。
经由人眼反射的红外光，通过大气空间-第一层光波导102界面(即第一层光波导102的外表面)进入第一层光波导102后，首先在第一层光波导102-第二层光波导104界面上发生反射和透射，在第一层光波导102-第二层光波导104界面上发生反射的光波，由于自由曲面增反膜的作用发生干涉增强，随后在第一层光波导102-大气空间和第一层光波导102-第二层光波导104界面之间被多次发射，直至传输到CMOS元件，利用瞳孔、虹膜对于红外光的反射率不同这一特性，CMOS感光成像，进而可通过获得的用户眼球图像，判断用户中央凹视野所对应的视野范围。
在上述任一实施例中，优选地，第二层曲面光波导为一维光子晶体层。
第二层光波导104可以为一维光子晶体材料，在从第一层光波导102向第三层光波导106的传输方向上，红外波段的光被反射。
另外，由菲涅尔方程(原理：当光从一种具有折射率为η1的介质向另一种具有折射率为η2的介质传播时，在两者的交界处(通常称作界面)可能会同时发生光的反射和折射)可知，优化第一层光波导102的折射率n1和第一层光波导102-大气空间、第一层光波导102-第二层光波导104界面光线入射角，可提高电场在第一层光波导102-第二层光波导104界面反射光功率，进而提高成像质量，其中入射角可通过改变第一层光波导102-第二层光波导104界面物理形状实现。
在上述任一实施例中，优选地，第一层光波导102与第二层光波导104的界面被构造为由弧面与多折面组合形成的第一组合构造面；红外光源20与眼球成像传感器30分别设置于镜片10的两侧，眼球成像传感器30与对应的镜片10的侧面贴合设置。
在上述任一实施例中，优选地，第一层光波导102与第二层光波导104的界面被构造为由梯形凹面与倒梯形凸面沿镜片10的宽度构造方向交错连接形成的第二组合构造面；眼球成像传感器30具有两个，并分别设置于镜片10的两侧，眼球成像传感器30与对应的镜片10的侧面贴合设置；红外光源20包括多个，多个红外光源20分布于镜片10的周向轮廓上。
在上述任一实施例中，优选地，第一层光波导102与第二层光波导104的界面被构造为由多个弯折平面拼接形成的第三组合构造面；红外光源20与眼球成像传感器30分别设置于镜片10的两侧，眼球成像传感器30与对应的镜片10的侧面贴合设置。
在上述任一实施例中，优选地，第二层光波导104与第三层光波导106的界面被构造与第三组合构造面平行设置的第四组合构造面。
在上述任一实施例中，优选地，第一层光波导102的外表面与第三层光波导106的外表面均被构造为弧面。
在上述任一实施例中，优选地，第一层光波导102的外表面与第三层光波导106的外表面由多个弯折平面拼接形成。
在上述任一实施例中，优选地，眼球追踪装置还包括：镜框40，镜片设置于镜框40与镜片10配合的框架内，红外光源20与眼球成像传感器30能够分别设置于镜框40上。
图2与图3示出了根据本发明的一个实施例的眼球追踪装置的结构示意图。
实施例一：
第一层光波导102、第三层光波导106与大气空间接触面均为弧面，第一层光波导102-第二层光波导104界面为多折面与弧面组合。红外光源20位于多层自由曲面光波导一侧的镜架上，眼球成像传感器30的CMOS元件紧贴于多层自由曲面光波导另一侧的侧边。
将红外光源20与CMOS原件放置于多层自由曲面光波的不同侧、改变第一层光波导102-第二层光波导104界面的形状，可使得更多经眼球50反射的光向CMOS元件一侧传输。
经由人眼反射的红外光，通过大气空间-第一层光波导102界面进入第一层光波导102后，首先在第一层光波导102-第二层光波导104界面上发生反射和透射。在第一层光波导102-第二层光波导104界面上发生反射的光波，由于自由曲面增反膜的作用发生干涉增强，随后在第一层光波导102-大气空间和第一层光波导102-第二层光波导104界面之间被多次发射，直至传输到眼球成像传感器30。利用瞳孔、虹膜对于红外光的反射率不同这一特性，眼球成像传感器30感光成像，进而可通过获得的用户眼球图像，判断用户中央凹视野所对应的视野范围。
实施例二：
图4与图5示出了根据本发明的一个实施例的眼球追踪装置的结构示意图。
第一层光波导102的外表面与第三层光波导106的外表面均被构造为弧面，第一层光波导102与第二层光波导104的界面被构造为由梯形凹面与倒梯形凸面沿镜片10的宽度构造方向交错连接形成的第二组合构造面；眼球成像传感器30具有两个，并分别设置于镜片10的两侧，眼球成像传感器30与对应的镜片10的侧面贴合设置；红外光源20包括多个，多个红外光源20分布于镜片10的周向轮廓上。红外光源20位于镜框40四周上，两个眼球成像传感器30紧贴于多层自由曲面光波导两侧。
实施例三：
图6与图7示出了根据本发明的一个实施例的眼球追踪装置的结构示意图。
在上述任一实施例中，优选地，第一层光波导102的外表面与第三层光波导106的外表面由多个弯折平面拼接形成、第二层光波导104-第三层光波导106界面为组合多折面。红外光源20位于多层自由曲面光波导一侧的镜架上，眼球成像传感器30的CMOS元件紧贴于多层自由曲面光波导另一侧的侧边。
根据本发明的实施例的虚拟现实设备，包括上述任一实施例所述的眼球追踪装置。
根据本发明的实施例的增强现实设备，包括上述任一实施例所述的眼球追踪装置。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于多层自由曲面光波导的眼球追踪装置，其特征在于，包括：
镜片，由多层折射率不同的曲面光波导叠加构成，所述多层折射率不同的曲面光波导根据佩戴时与眼球之间的距离由近及远依次包括第一层光波导、第二层光波导与第三层光波导，所述第一层光波导与所述第三层光波导的折射率均大于大气空间的折射率，所述第一层光波导的折射率大于所述第二层光波导的折射率；红外光源，设置于所述镜片的周向轮廓上的指定位置；眼球成像传感器，设置于所述镜片的侧部。
其中，所述红外光源发射的红外光通过眼球反射后，进入所述第一层光波导，并在所述第一层光波导的外表面以及所述第一层光波导与所述第二层光波导的界面之间发生多次反射后，传输至所述眼球成像传感器实现眼球成像。
2.根据权利要求1所述的眼球追踪装置，其特征在于，
所述第二层曲面光波导为由至少一组光膜叠加，所述一组光膜包括至少两种折射率不同的子光膜叠加构成，
其中，对于每一组所述光膜，靠近所述第一层光波导的子光膜的折射率小于远离所述第一层光波导的子光膜的折射率。
3.根据权利要求2所述的眼球追踪装置，其特征在于，
所述第二层曲面光波导为一维光子晶体层。
4.根据权利要求2所述的眼球追踪装置，其特征在于，
所述第一层光波导与所述第二层光波导的界面被构造为由弧面与多折面组合形成的第一组合构造面；
所述红外光源与所述眼球成像传感器分别设置于所述镜片的两侧，所述眼球成像传感器与对应的所述镜片的侧面贴合设置。
5.根据权利要求2所述的眼球追踪装置，其特征在于，
所述第一层光波导与所述第二层光波导的界面被构造为由梯形凹面与倒梯形凸面沿所述镜片的宽度构造方向交错连接形成的第二组合构造面；
所述眼球成像传感器具有两个，并分别设置于所述镜片的两侧，所述眼球成像传感器与对应的所述镜片的侧面贴合设置；
所述红外光源包括多个，多个所述红外光源分布于所述镜片的周向轮廓上。
6.根据权利要求2所述的眼球追踪装置，其特征在于，
所述第一层光波导与所述第二层光波导的界面被构造为由多个弯折平面拼接形成的第三组合构造面；
所述红外光源与所述眼球成像传感器分别设置于所述镜片的两侧，所述眼球成像传感器与对应的所述镜片的侧面贴合设置。
7.根据权利要求6所述的眼球追踪装置，其特征在于，包括：
所述第二层光波导与所述第三层光波导的界面被构造与所述第三组合构造面平行设置的第四组合构造面。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的眼球追踪装置，其特征在于，包括：
所述第一层光波导的外表面与所述第三层光波导的外表面均被构造为弧面。
9.根据权利要求4至7中任一项所述的眼球追踪装置，其特征在于，包括：
所述第一层光波导的外表面与所述第三层光波导的外表面由多个弯折平面拼接形成。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的眼球追踪装置，其特征在于，包括：镜框，所述镜片设置于所述镜框与所述镜片配合的框架内，所述红外光源与所述眼球成像传感器能够分别设置于所述镜框上。
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| CN201810454738.3A CN108681400A (zh) | 2018-05-13 | 2018-05-13 | 一种基于多层自由曲面光波导的眼球追踪装置 |
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