CN114035318A - 紧凑型眼球跟踪***及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种紧凑型眼球跟踪***及方法，该***包括偏振模块，用于将IR光转化为特定偏振态的IR光，通过设置布拉格光栅引导处于特定偏振态的IR光衍射至用户眼球，IR传感器模块用于接收自眼睛的镜面反射和散射反射来的IR光，生成眼睛的图像，检测用户的眼睛位置和运动。利用IR衍射光的角度相较与衍射前IR光入射角发生较大改变的特性，使布拉格光栅的安装位置或角度可以设置得尽量小地占用HMD的空间。
Description
技术领域
本申请涉及头戴显示技术领域，尤其涉及一种紧凑型眼球跟踪***及方法。
背景技术
在VR、AR或MR头戴式显示器(HMD)设备或其他可穿戴设备中，眼球跟踪技术可以使设备获取用户眼睛注视方向，以实现精准、便捷和智能化的人机交互方式，例如，可以通过注视方向来控制图像在HMD上的显示。此外，在激光投影成像过程中，由于现有技术中对MEMS扫描镜在设计和工艺上的局限性，保障较高扫描频率以达到令人满意的成像效果极为困难，因此可以借助眼球跟踪技术辅助解决此问题，利用设备中的眼球跟踪***，获取用户眼睛注视方向，可通过调节投影扫描连续帧之间的相位差或调节投影视场中竖直扫描频率来生成仅在眼镜注视方向上具有局部高分辨率图像，以此克服MEMS扫描镜在现有技术中遇到的困难。
然而，在开发HMD过程中增加眼球跟踪***，尤其在光学波导部分，增加的部件使得设备的体积和重量相应增加，眼球跟踪***包括的光学部件还有可能会阻碍用户正常观看路径，对用户的观看体验以及头戴过程中的舒适性造成负面影响。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种紧凑型眼球跟踪***及方法，该***体积小，对用户正常观看路径无阻碍。
为了解决上述技术问题，本申请采用了如下技术方案：
第一方面，本申请的提供了一种紧凑型眼球跟踪***，所述***包括：
光源模块，被配置为发射红外（IR）光以探测用户眼球，发射可见光以形成可视图像；
偏振模块，被配置为至少将IR光转化为具有特定偏振态的IR光；
光扫描模块，被配置为至少引导IR光沿IR光路传播至衍射光栅；
光波导模块，被配置为至少包括两个光波导，用于显示可见光形成的可视图像；
衍射光栅，被配置为将光扫描模块引导出的具有特定偏振态的IR光衍射至用户眼球；
IR光传感器模块，被配置为接收用户眼球反射的IR光。
可选地，所述偏振模块包括：
快速偏振调制器，被配置为以适当的切换频率使IR光在两个正交的线性偏振状态之间来回切换；
四分之一波片，被配置为将来自快速偏振调制器的线性偏振光转换为其对应旋向性的圆偏振光。
可选地，所述光扫描模块包括至少一个MEMS扫描镜。
可选地，所述衍射光栅可以为布拉格光栅，所述布拉格光栅被配置为对左旋圆偏振光或右旋圆偏振光敏感，使得左旋圆偏振光-1级或右旋圆偏振光+1级衍射光穿过所述布拉格光栅时被衍射。
可选地，所述衍射光栅可被配置为紧贴所述光波导。
可选地，所述衍射光栅可被配置为不与所述光波导接触。
可选地，所述IR光路不穿过所述光波导。
可选地，所述***还包括一仅将IR光反射至所述衍射光栅并且允许可见光通过的镜。
可选地，所述衍射光栅的一面具有光吸收材料。
第二方面，本申请的提供了一种紧凑型眼球跟踪方法，所述方法包括：
从光源模块发射IR光；
偏振模块将IR光转化为具有特定偏振态的IR光；
光扫描模块引导IR光沿IR光路传播至衍射光栅；
衍射光栅将光扫描模块引导出的具有特定偏振态的IR光衍射至用户眼球；
IR传感器模块接收用户眼球反射的IR光。
相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：
基于以上技术方案可知，本申请提供的一种紧凑型眼球跟踪***与方法，该***包括偏振模块，用于将IR光转化为特定偏振态的IR光，通过设置布拉格光栅引导处于特定偏振态的IR光衍射至用户眼球，IR传感器模块用于接收自眼睛的镜面反射和散射反射来的IR光，生成眼睛的图像，检测用户的眼睛位置和运动。利用IR衍射光的衍射角相较与衍射前IR光入射角发生较大改变的特性，布拉格光栅的安装位置或角度可以设置得尽量小地占用HMD的空间。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本申请实施例提供的一种紧凑型眼球跟踪***示意图。
图2是本申请实施例提供的另一种紧凑型眼球跟踪***示意图。
图3是本申请实施例提供的IR衍射示意图。
图4是本申请实施例提供的另一种紧凑型眼球跟踪***示意图。
图5是本申请实施例提供的另一种紧凑型眼球跟踪***示意图。
图6是本申请实施例提供的一种紧凑型眼球跟踪方法示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
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它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
图1是本申请实施例提供的一种紧凑型眼球跟踪***示意图。在图1的示例中，紧凑型眼球跟踪***包括控制模块10、光源模块11、偏振模块12、光扫描模块13、光波导模块14、红外光(IR)传感器模块和眼球16。
光源模块11用于产生在二维视场范围中投射并且形成可视图像的可见光和用于进行眼球跟踪的IR光。光源模块11可以是激光器模块，激光器模块包括多个单独的激光器，激光器可以为红色激光器112、蓝色激光器113、绿色激光器114和 IR激光器111。其中，红色激光器112、蓝色激光器113、绿色激光器114用于可见光投影显示，IR激光器111用于发射跟踪眼球位置和方向的IR光。
应当注意的是，本实施例能够使用具有任何波长的光波来追踪用户的眼睛，不应仅限于使用IR光。作为示例，红色激光器112发出的红色激光波长范围可以在600nm至650nm之间，蓝色激光器113发出的蓝色激光波长范围可以在430nm至480nm之间，绿色激光器114发出的绿色激光波长范围可以在500nm至550nm之间，IR激光器发出的IR光波长范围可以在780nm至1000nm。
同一波长范围的激光器可以包括多个子激光器，例如，红色激光器112、蓝色激光器113、绿色激光器114可以各自包括两个子激光器。多个子激光器和可以经由合适的光刻工艺布置在同一激光器裸片上。
偏振模块12用于将激光器发射的光转换为特定方向的偏振光，偏振模块12可以包括快速偏振调制器121和四分之一波片122，快速偏振调制器121可以是基于LC的偏振调制器/旋转器，通过外部施加的驱动电压来控制光偏振，可以以适当的切换频率使光在两个正交的线性偏振状态之间实现来回切换。
四分之一波片122将来自快速偏振调制器121的线性偏振转换为其对应的旋向性的圆偏振，即左旋圆偏振或右旋圆偏振。基于从快速偏振调制器121接收的线性偏振，四分之一波片在生成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光之间循环。应当理解，偏振模块12可以包括用于生成在左旋圆和右旋圆偏振光之间时分复用切换的其他或替代模块及组件。
光扫描模块13用于将从激光器接收的光投射出光扫描模块，使可见光进入波导模块14形成可视图像，使IR光用于进行眼球跟踪。光扫描模块13可以包括可在水平轴和竖直轴均可振动的单个MEMS扫描镜，也可以包括各自分别在水平轴和竖直轴振动的双MEMS扫描镜，或是它们组合形成的多MEMS扫描镜模块。
本实施例以单轴偏转双MEMS扫描镜为例，第一扫描镜131将从激光器接收的光反射向第二扫描镜132。第一扫描镜131可以被配置为在水平轴或x轴方向上扫描，第二镜扫描106可以被配置为在竖直轴或y轴方向上扫描，使得可见光最终在整个二维视场范围中投射并且形成可视图像，并将IR光投射出光扫描模块以使其用于进行眼球跟踪。应当说明的是，第一扫描镜131的扫描方式也可以为竖直扫描，第二扫描镜132的扫描方式也可以为水平扫描。
光波导模块14用于与图像相对应的红光、绿光和蓝光从输入光瞳传输到输出光瞳。光波导模块14可以包括两个波导或三个波导组成，在两个波导的情况下，可以为一个波导用于引导红光和绿光，另一个波导用于引导绿光和蓝光，在三个波导的情况下，可以分别用于引导红光、蓝光和绿光从输入光瞳传输到输出光瞳。
IR传感器模块15用于接收自眼睛的镜面反射和散射反射来的IR光，生成电信号，并将电信号转化为数字信号格式，对该数字信号进行附加处理以生成用户的眼睛的图像，该图像包括该眼睛的位置信息。因此，当生成多个眼睛图像时，通过测量眼睛在多个图像的三角位移，可以检测用户的眼睛位置和运动。IR传感器模块15可以包括一个或多个硅光电倍增管(SiPM)传感器，还可以包括一个或多个PIN结传感器，也可以为上述两类传感器的混合。SiPM传感器采用雪崩光电二极管，在接收光子时以雪崩模式工作，具有非常快的响应和高增益信号。
控制模块10用于控制光扫描模块13中的扫描镜、光源模块11中激光器以及偏振模块12中的偏振部件的工作状态。
图2是本申请实施例提供的另一种紧凑型眼球跟踪***示意图。在图2的示例中，光波导模块14以包含三个波导为例，其中，光波导模块14包括第一波导143，第二波导144，第三波导145和第一布拉格光栅146。
本实施例以光波导模块14以三个波导组件构成为例，光学波导143、144和145可以分别用于将与图像相对应的红光、绿光和蓝光从输入光瞳传输到输出光瞳。
具体地，波导143的输入耦合器1431可以用于将对应图像中红色波长范围内的光耦合到波导143中，并且光通过从输入耦合器1431到输出耦合器1432的全内反射，波导143的输出耦合器1432可以用于将对应于图像中红色波长范围内的光耦合出波导143。类似地，波导144的输入耦合器1441可以用于将对应图像中绿色波长范围内的光耦合到波导144中，并且光通过从输入耦合器1441到输出耦合器1442的全内反射，波导144的输出耦合器1442可以用于将对应于图像中绿色波长范围内的光耦合出波导144。波导145的输入耦合器1451可以用于将对应图像中蓝色波长范围内的光耦合到波导145中，并且光通过从输入耦合器1451到输出耦合器1452的全内反射，波导145的输出耦合器1452可以用于将对应于图像中蓝色波长范围内的光耦合出波导145。最终将对应于显示图像的可见光141投影入人眼。
第一布拉格光栅146用于衍射特定偏振状态的IR光。第一布拉格光栅146可以设置在波导145一侧的表面上，可以由使得IR光波长满足布拉格条件的光栅周期、厚度和/或平均折射率的液晶材料形成。其通过图案化具有光学各向异性的薄膜而形成的聚合向列液晶子层，使得第一布拉格光栅146可以对左旋圆偏振光或右旋圆偏振光敏感，使得左旋圆偏振光-1级或右旋圆偏振光+1级衍射光穿过第一布拉格光栅146时被衍射。
根据偏振模块12的设置需要，为了配合从偏振模块12出射的具有特定偏振状态的IR光，第一布拉格光栅146可以设置为对允许左旋圆偏振光的入射光衍射到最大化-1级，或者衍射右旋圆偏振光到最大化+1级。
图3是本申请实施例提供的IR衍射示意图，参考图3，IR光经过光扫描***的MEMS扫描镜作用后，入射到第一布拉格光栅146表面时具有一定范围的入射角，例如可以为相对于法线+/-15度，在图中φ1和φ3表示具有不同入射角的IR光路集合的边界入射角，穿过第一布拉格光栅146时相对于法向矢量衍射到角度φ2和φ4，IR衍射光142的衍射角φ2和φ4可以通过合理调控第一布拉格光栅146的光栅厚度、周期和折射率进行选择实现，以保证具有衍射角φ2和φ4的IR衍射光142光路足够覆盖到用户眼球。
本实施例提供的紧凑型眼球跟踪***设计的优点是，通过合理调控第一布拉格光栅146的光栅厚度、周期和折射率，可以使得具有衍射角φ2和φ4的IR衍射光142可以覆盖到用户眼球，满足眼球跟踪技术需要。第一布拉格光栅146不在用户的观看路径中，不会破坏用户观看体验。
图4是本申请实施例提供的另一种紧凑型眼球跟踪***示意图。在图4的示例中，光波导模块14包括第二布拉格光栅147。
第二布拉格光栅147可以设置于光波导模块14中，具体地，可以设置于相较最靠近用户眼球侧的第三波导145更靠近用户眼球。IR光可以穿过第一波导143、第二波导144和第三波导145到达第二布拉格光栅147表面。
第二布拉格光栅147可以对左旋圆偏振光或右旋圆偏振光敏感，使得左旋圆偏振光-1级或右旋圆偏振光+1级衍射光穿过第二布拉格光栅147时被衍射。
根据偏振模块12的设置需要，为了配合从偏振模块12出射的具有特定偏振状态的IR光，第二布拉格光栅147可以设置为对允许左旋圆偏振光的入射光衍射到最大化-1级，或者衍射右旋圆偏振光到最大化+1级。
第二布拉格光栅147的背面，即与接收入射光界面相反的一面，可以涂有光吸收材料，起到束流收集作用。
IR光经过光扫描***的MEMS扫描镜作用后，入射到第二布拉格光栅147表面时具有一定范围的入射角，例如可以为相对于法线+/-15度，在图中φ2和φ4表示具有不同入射角的IR光路集合的边界入射角，穿过第二布拉格光栅147时相对于法向矢量衍射到角度φ2至φ4，IR衍射光142的衍射角φ2至φ4可以通过合理调控第二布拉格光栅147的光栅厚度、周期和折射率进行选择实现，以保证具有衍射角φ2至φ4的IR衍射光142光路足够覆盖到用户眼球。
本实施例提供的紧凑型眼球跟踪***设计的优点是，通过合理调控第二布拉格光栅147的光栅厚度、周期和折射率，可以使得具有衍射角φ2至φ4的IR衍射光142可以尽量在第二布拉格光栅147占用HMD空间较小的前提下覆盖到用户眼球，也就是，通过利用IR衍射光142的衍射角相较与衍射前IR光入射角发生较大改变的特性，将第二布拉格光栅147的安装位置或角度设置得尽量小地占用HMD的空间。如图4示意，第二布拉格光栅147的正面与光波导模块14侧面可尽可能设置为较小角度，减小光波导模块14的凸出体积。第二布拉格光栅147不在用户的观看路径中，不会破坏用户观看体验。
图5是本申请实施例提供的另一种紧凑型眼球跟踪***示意图。在图5的示例中，光波导模块14包括第三布拉格光栅148和镜149。
镜149被特殊配置为用于仅将IR光反射至波导模块14底部的并且允许可见光通过镜149进入波导模块14中的各输入耦合器。IR光被镜149引导至位于波导模块14底部的第三布拉格光栅148正面。
第三布拉格光栅148可以对左旋圆偏振光或右旋圆偏振光敏感，使得左旋圆偏振光-1级或右旋圆偏振光+1级衍射光穿过第三布拉格光栅148时被衍射。
根据偏振模块12的设置需要，为了配合从偏振模块12出射的具有特定偏振状态的IR光，第三布拉格光栅148可以设置为对允许左旋圆偏振光的入射光衍射到最大化-1级，或者衍射右旋圆偏振光到最大化+1级。
第三布拉格光栅148的背面，即与接收入射光界面相反的一面，可以涂有光吸收材料，起到束流收集作用。
IR光经过光扫描***的MEMS扫描镜作用后，入射到第二布拉格光栅147表面时具有一定范围的入射角，例如可以为相对于法线+/-15度，在图中φ2和φ4表示具有不同入射角的IR光路集合的边界入射角，穿过第二布拉格光栅147时相对于法向矢量衍射到角度φ2至φ4，IR衍射光142的衍射角φ2至φ4可以通过合理调控第二布拉格光栅147的光栅厚度、周期和折射率进行选择实现，以保证具有衍射角φ2至φ4的IR衍射光142光路足够覆盖到用户眼球。
本实施例提供的紧凑型眼球跟踪***设计的优点是，通过合理调控第三布拉格光栅148的光栅厚度、周期和折射率，可以使得具有衍射角φ2至φ4的IR衍射光142可以尽量在第三布拉格光栅148占用HMD空间较小的前提下覆盖到用户眼球，也就是，通过利用IR衍射光142的衍射角相较与衍射前IR光入射角发生较大改变的特性，将第三布拉格光栅148的安装位置或角度设置得尽量小地占用HMD的空间，如图5示意，第三布拉格光栅148的上表面可以达到或接近达到与光波导模块14底面平行，无需通过倾斜达一定角度以满足IR光覆盖眼球。此外，此设计还可以减少了IR光横穿可见光波导14时发生的潜在的IR光损失。第三布拉格光栅148不在用户的观看路径中，不会破坏用户观看体验。
图6是本申请实施例提供的一种紧凑型眼球跟踪方法示意图。方法包括S601从光源模块发射IR光；S602偏振模块将IR光转化为具有特定偏振态的IR光；S603光扫描模块引导IR光沿IR光路传播至衍射光栅；S604衍射光栅衍射经光扫描模块引导出的IR光至用户眼球；S605 IR传感器模块接收自眼睛反射来的IR光。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种紧凑型眼球跟踪***，其特征在于，所述***包括：
光源模块，被配置为发射红外（IR）光以探测用户眼球，发射可见光以形成可视图像；
偏振模块，被配置为至少将IR光转化为具有特定偏振态的IR光；
光扫描模块，被配置为至少引导IR光沿IR光路传播至衍射光栅；
光波导模块，被配置为至少包括两个光波导，用于显示可见光形成的可视图像；
衍射光栅，被配置为将光扫描模块引导出的具有特定偏振态的IR光衍射至用户眼球；
IR光传感器模块，被配置为接收用户眼球反射的IR光。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述偏振模块包括：
快速偏振调制器，被配置为以适当的切换频率使IR光在两个正交的线性偏振状态之间来回切换；
四分之一波片，被配置为将来自快速偏振调制器的线性偏振光转换为其对应旋向性的圆偏振光。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述光扫描模块包括至少一个MEMS扫描镜。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述衍射光栅可以为布拉格光栅，所述布拉格光栅被配置为对左旋圆偏振光或右旋圆偏振光敏感，使得左旋圆偏振光-1级或右旋圆偏振光+1级衍射光穿过所述布拉格光栅时被衍射。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述衍射光栅可被配置为紧贴所述光波导。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述衍射光栅可被配置为不与所述光波导接触。
7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述IR光路不穿过所述光波导。
8.根据权利要求7所述的***，其特征在于，所述***还包括镜，被配置为将IR光反射至所述衍射光栅且所述镜允许可见光通过。
9.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述衍射光栅的一面具有光吸收材料。
10.一种紧凑型眼球跟踪方法，其特征在于，所述方法包括：
从光源模块发射IR光；
偏振模块将IR光转化为具有特定偏振态的IR光；
光扫描模块引导IR光沿IR光路传播至衍射光栅；
衍射光栅将光扫描模块引导出的具有特定偏振态的IR光衍射至用户眼球；
IR传感器模块接收用户眼球反射的IR光。
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- 2021-11-17 CN CN202111360252.1A patent/CN114035318A/zh active Pending
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