用于在眼睛跟踪中使用的透明波导包括输入耦合器和输出耦合器。该输入耦合器包括具有径向变化的节距的多个弯曲栅格线。当被置于用红外光照明的眼睛的前方时，从该眼睛反射并入射到该输入耦合器上的红外光束在该输入耦合器处进入该波导，经由全内反射穿过该波导传播，以及在输出耦合器附近离开该波导。该输入耦合器的弯曲栅格线的径向变化的节距提供入射到该输入耦合器上的红外光的角度编码，具体而言，引起入射到该输入耦合器的相应的不同的水平和竖直位置上的不同红外光束以相应的不同反射角穿过波导传播，并相对于红外光束穿过其离开的波导表面以相应的不同的入射角离开波导。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】背景透视、混合现实显示设备系统使得用户能够观察覆盖在物理场景上的数字信息。为了允许不用手的(hands-free)用户交互，透视、混合现实显示设备系统可进一步装备有眼睛跟踪器。通常，眼睛跟踪器包括用于照明用户的眼睛的红外(IR)光源以及用于对用户的眼睛成像(例如，用于观察反射的闪光和虹膜移动以计算注视方向)的相机。对用户的眼睛的照明和成像优选地被实现成使得：混合显示显示设备系统的透视属性不因眼睛跟踪硬件受损；对眼睛的成像对所有类型的处方眼镜(prescription spectacles)均有效；以及对眼睛的成像覆盖整个眼睛移动范围加上瞳孔间距离范围。对眼睛成像以进行眼睛跟踪的一种方式是使用装载在头戴式显示(HMD)设备的框架上的简单相机，其中相机直接聚焦在用户的眼睛上。换言之，存在从相机到眼睛的直接视线。尽管这种配置相对简单且便宜，然而它对相机相对于眼睛的位置和移动高度灵敏。而且，使用这种配置，相机需要被放置地靠近眼睛高度，这通常导致混合现实显示设备系统的透视属性的至少部分遮挡。替换地，部分反射器可被用来这些相机查看路径到用户的太阳穴。尽管此替换配置允许将相机定位在透视视野之外，然而此替换配置的实现在眼睛跟踪需要在处方眼镜的情况下工作时有问题。另一种可能是使用基于自由形式棱镜的混合现实显示设备系统中的逆向光学路径成像。此技术依赖于实际的显示光学器件来提供成像功能以进行眼睛跟踪。然而，因为自由形式棱镜的组件通常尺寸很大，所以这种方法不总是实际的。添加仅用于眼睛跟踪的自由形式光学器件也是可能的，但是这将是昂贵的而且将给系统增加大量重量和尺寸。概述本文描述的某些实施例涉及用于在跟踪由红外光照明的眼睛时使用的波导。这种波导(其可在头戴式显示器(HMD)中使用，但不限于与其一起使用)是透明的且包括输入耦合器以及输出耦合器。输入耦合器包括由多个弯曲栅格线形成的栅格区域，所述弯曲栅格线将入射到输入耦合器上的光束衍射到波导中并衍射向输出耦合器所处的一公共区域。输入耦合器的弯曲栅格线具有径向变化的节距。根据一实施例，输入耦合器的弯曲栅格线的径向变化的节距随着距输出耦合器的增加的距离而减小。优选地，输入耦合器和输出耦合器相对于彼此定位成基本上实现远心性(telecentricity)。输出耦合器可包括线性栅格、全息栅格或棱镜，但不限于此。当输入耦合器被置于用红外光照明的眼睛前方时，从眼睛反射并入射到输入耦合器上的红外光束在输入耦合器处进入波导，穿过波导从输入耦合器经由全内反射传播到输出耦合器，并在输出耦合器附近离开波导。输入耦合器的弯曲栅格线的径向变化的节距导致入射到输入耦合器的相应的不同的水平和竖直位置上的不同红外光束以相应的不同反射角穿过波导传播，并相对于光束穿过其离开的波导表面以相应的不同的入射角离开波导。输入耦合器的多个弯曲栅格线各自具有汇聚点，所述汇聚点位于波导的输出耦合器所处的区域内。在一具体实施例中，输入耦合器的多个弯曲栅格线基本同心，各自具有基本相同的曲率中心，且各自具有基本相同的汇聚点。在一替换实施例中，输入耦合器的光学传输功能基本等同于与线性衍射栅格的光学传输功能相组合的轴上全息透镜的光学传输功能。在此替换实施例中，尽管输入耦合器的多个弯曲栅格线不基本同心，不共享基本相同的曲率中心，且不共享基本相同的汇聚点，然而输入耦合器的多个弯曲栅格线将仍旧各自具有位于波导的输出耦合器所处的区域内的汇聚点。根据一实施例，包括上面概述的波导的实施例的系统还可包括红外照明源，该红外照明源产生被用于照明眼睛的红外光。这种系统也可包括透镜模块，该透镜模块将离开波导的红外光束从角度编码的红外光束转换为二维空间编码的红外光束。此外，这种系统可包括传感器，该传感器取决于使用透镜模块产生的二维空间编码的红外光束来产生眼睛跟踪数据。而且，系统可包括基于眼睛跟踪数据控制或修改应用的一方面的处理器。提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并非旨在标识出要求保护的主题的关键特征或必要特征，亦非旨在用作辅助确定要求保护的主题的范围。附图简述图1是描绘透视、混合现实显示设备系统的一个实施例的示例组件的框图。图2A是被具体化为提供对硬件和软件组件的支持的眼镜的透视、混合现实显示设备的实施例中的镜架的眼镜腿的侧视图。图2B是透视、近眼、混合现实设备的集成眼睛跟踪和显示光学系统的实施例的顶视图。图3A是可以用于一个或多个实施例的透视、近眼、混合现实显示设备的硬件和软件组件的一个实施例的框图。图3B是描述处理单元的各组件的框图。图4A是根据一实施例的平面波导的透视图。图4B是在图4A中介绍的平面波导的正视图。图4C、4D和4E分别是图4A中介绍的平面波导的侧视图、正视图和俯视图，其还示出了与该平面波导一起使用的透镜模块和眼睛跟踪IR传感器。图5A-5C被用来解说根据一实施例的用于设计平面波导的输入耦合器的技术。图6是被用来概述用于在跟踪眼睛中使用的方法的高级流程图。详细描述本技术的某些实施例涉及波导，该波导允许实现对眼睛的成像以用于眼睛跟踪的目的，而不损害混合现实显示设备系统的透视属性。此外，这些实施例可有利地与处方眼镜一起使用。而且，这些实施例可被用来执行覆盖整个眼睛移动范围加上瞳孔间距离范围的眼睛的成像。然而，在更详细地讨论这些实施例之前，首先有用地描述可与本技术一起使用的示例性的透视、混合现实显示设备系统。图1是描绘透视、混合现实显示设备系统的一个实施例的示例组件的框图。系统8包括作为通过线6与处理单元4进行通信的近眼、头戴式显示设备2的透视显示设备。在其他实施例中，头戴式显示设备2通过无线通信来与处理单元4进行通信。处理单元4可以采取各种实施例。例如，处理单元4可实现在如智能手机、平板或膝上型计算机之类的移动设备中。在一些实施例中，处理单元4是可以佩戴在用户的身体(例如，在所示示例中的腕)上或置于口袋中的分开的单元，并且包括用于操作近眼显示设备2的计算能力中的大部分能力。处理单元4可在通信网络50上与一个或多个集线器计算系统12无线地通信(例如，WiFi、蓝牙、红外、RFID传输、无线通用串行总线(WUSB)、蜂窝、3G、4G或其它无线通信装置)，而无论如本示例中的位于附近或位于远程位置。在其他实施例中，处理单元4的功能可被集成在显示设备2的软件和硬件组件中。头戴式显示设备2(在一个实施例中它是带镜架115的眼镜的形状)被佩戴在用户的头上，使得用户可以透视显示器(在该示例中该显示器被实现为用于每一只眼睛的显示光学系统14)，并且从而具有对该用户前方的空间的实际直接视图。使用术语“实际直接视图”来指直接用人眼看到真实世界对象，而非看到所创建的对象的图像表示的能力。例如，通过眼镜看房间允许用户得到该房间的实际直接视图，而在电视机上观看房间的视频不是该房间的实际直接视图。基于执行软件(例如，游戏应用)的上下文，该系统可以将虚拟对象的图像(有时称为虚拟图像)投影在可由佩戴该透视显示设备的人观看的显示器上，同时该人还透过该显示器观看现实世界物体。框架115提供用于将该系统的各元件保持在原位的支承体以及用于电连接的管道。在该实施例中，镜架115提供了便利的眼镜架作为下面进一步讨论的系统的各元件的支撑体。本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于在跟踪被红外光照明的眼睛中使用的装置，所述装置包括：波导，所述波导是透明的且包括输入耦合器和输出耦合器；其中所述输入耦合器包括多个弯曲栅格线，所述弯曲栅格线将入射到所述输入耦合器上的光束衍射到所述波导中并衍射向所述输出耦合器所处的公共区域；以及其中所述输入耦合器的所述多个弯曲栅格线具有径向变化的节距。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.26 US 14/140,9871.一种用于在跟踪被红外光照明的眼睛中使用的装置，所述装置包括：波导，所述波导是透明的且包括输入耦合器和输出耦合器；其中所述输入耦合器包括多个弯曲栅格线，所述弯曲栅格线将入射到所述输入耦合器上的光束衍射到所述波导中并衍射向所述输出耦合器所处的公共区域；以及其中所述输入耦合器的所述多个弯曲栅格线具有径向变化的节距。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述输入耦合器被置于用红外光照明的眼睛前方时，从所述眼睛反射并入射到所述输入耦合器上的红外光束在所述输入耦合器处进入所述波导，穿过所述波导从所述输入耦合器经由全内反射传播到所述输出耦合器，并在所述输出耦合器附近离开所述波导。3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述输入耦合器的所述弯曲栅格线的径向变化的节距：随着所述弯曲栅格线和所述输出耦合器之间的距离的增加而减小；以及引起入射在所述输入耦合器的不同水平和竖直位置上的不同的红外光束在相应的不同的反射角穿过所述波导传播并相对于所述波导的所述红外光束穿过其离开的表面以相应的不同入射角离开所述波导。4.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述输入耦合器和所述输出耦合器相对于彼此被定位成基本实现远心性。5.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述输入耦合器的所述多个弯曲栅格线各自具有汇聚点，所述汇聚点位于所述波导的所述输出耦合器所处的区域内。6.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述输入耦合器的光学传输功能基本等同于与线性衍射栅格的光学传输功能相组合的轴上全息透镜的光学传输功能。7.一种在跟踪眼睛中使用的方法，所述方法包括：用红外光对眼睛照明，同时波导的输入耦合器大体与所述眼睛轴向对齐，这将导致从所述眼睛反射的红外光束入射到所述波导的所述输入耦合器上；使用所述输入耦合器的弯曲栅格线，将入射到所述波导的所述输入耦合器上的所述红外光束衍射向所述波导的输出耦合器所处的公共区域；使用所述波导的所述输出耦合...
【专利技术属性】
技术研发人员：P·萨里科，X·楼，S·麦克尔道尼，S·罗宾斯，T·莱沃拉，
申请(专利权)人：微软技术许可有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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