【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及一种用于眼动追踪的光学系统，使得其可形成眼动追踪系统的一部分。所述光学系统可形成扩增现实(ar)或虚拟现实(vr)系统的一部分。
技术介绍
1、眼动追踪在用户界面研究或优化、健康、心理学、汽车安全、军事和可及性中具有许多应用，且还用于理解用户响应于例如广告等刺激的行为。新兴领域是扩增现实(ar)和虚拟现实(vr)的领域，其中预期眼动追踪是一个重要组成部分，从而允许用户界面控制及有助于向用户提供高质量虚拟图像。ar提供覆叠在现实世界上的虚拟图像，且正为此技术开发越来越多的应用。
2、眼动追踪技术通常拆分成三组：光学眼动追踪；眼睛附接追踪；以及电位测量。光学眼动追踪由于其无创且便宜而最常使用，且是本公开内论述的技术。
3、光学眼动追踪系统存在两个主要类型：具有远程相机的桌装式；或者呈眼镜或头盔尺寸规格的头戴式。眼动追踪理解为测量眼睛的转动。相比之下，视线追踪通常理解为包含确定用户正在现实世界中注视什么，且包括额外追踪头部位置。这通常利用头戴式装置上的面朝外相机(世界相机)或加速度计来实现。理想地使用校准使眼睛转动与视线方向相关。眼动追踪在例如holmqvist等人(牛津大学出版社，2011)的“眼动追踪：方法及措施的综合指南(eye tracking:a comprehensive guide to methods and measures)”等教科书中论述。
4、光学眼动追踪头戴式系统通常具有红外(ir)光源来为眼睛照明，以及ir相机(例如，电荷耦合装置，ccd)来捕获眼睛的图像，两者
5、光学眼动追踪的准确性，即所计算的注视点相对于真实注视点的角偏差，也很重要。此准确性通常在0.5到2度之间。
6、光学眼动追踪系统的功率消耗对于无线ar眼镜来说尤其显著，无线ar眼镜被设计成长时间穿戴，因此期望其重量轻且电池寿命较长。为此，计算要求应保持最小。当前头戴式眼动追踪装置具有高功率消耗(达到1w)。
7、对于ar，机器视觉计算因眼睛从相机的离轴检视而变得更难，眼睛从相机的离轴检视通常对于提供紧凑的尺寸规格和满足ar眼镜的透明度要求是必要的。对于vr，相机可以是离轴或轴上的(例如，使用热镜分束器)。ar或vr中的眼动追踪允许中央凹形渲染和其它计算效应以减小计算功率，增加视觉舒适度和减少动晕症。然而，这取决于低时延眼动追踪。
8、ar产品仍待实现消费者接受度。此问题的一个原因是现有的ar光学系统设计中固有的亮度、视场(fov)和视窗(定义为眼睛可在其内看到虚拟图像的区域)之间的折衷。当前紧凑型ar产品通常呈两个配置之一：波导设计；或虚拟视网膜显示(vrd)。波导设计具有通过复制虚拟图像创建的大视窗，但这会降低亮度且具有低功率效率，并且制造起来代价较高。vrd设计较便宜且较紧凑，具有明亮的图像和高功率效率，但具有小视窗。可通过为每一用户配备一副定制的眼镜来缓解小视窗，但这样做代价较高。利用低时延眼动追踪，可改进vrd设计以克服此视窗限制。举例来说，可经由微机电系统(mems)镜经由眼动追踪操控单个视窗，或者可生成多个单独的视窗且取决于眼睛正注视哪里而接通或切断所述多个单独的视窗。这需要鉴于上文提出的问题改进现有的眼动追踪系统。
9、全息光学元件(hoe)在ar中使用，因为它们很大程度上是透明的且可将虚拟图像从投影器反射到眼睛。通常，hoe反射可见光(400-700nm)，但它们可被设计成反射红外(ir)光(700-1500nm)。ir和可见透明全息图可彼此覆叠以组合功能。优选地ir光为眼睛照明，因为其是用户不可见的(尤其是波长>820nm)。us-10,838,362b2是光学眼动追踪系统的实例，其使用hoe充当反射镜且借此提供眼睛到ir相机的轴上检视，从而允许较低的计算要求。然而，计算要求仍高于所期望的计算要求。这些hoe使用“自由空间”全息图，这样称谓是因为它们类似于透明凹面镜而起作用，从而向相机反射闪烁。归因于此些hoe的互逆性质，ir光还可通过全息图定向到眼睛上且回向反射回到相机。基于hoe的系统的商业化一直因缺乏对ir光敏感的全息材料而受到阻碍，但是现在存在可用的新的合适的材料。
10、为了降低计算要求，us-8,939,579b2建议仅测量来自角膜的闪烁反射。此处，角膜的曲线充当凸面镜，其经由透镜将照明ir点源(led或激光)作为光斑朝向相机或检测器反射回去。准直射束导向眼睛，且使用透明波导和hoe来重定向闪烁反射(或第一普金野图像)，且此光斑通过透镜聚焦到相机上。原则上，此光斑在相机上的位置对应于眼睛的转动，且需要比计算瞳孔和闪烁的相对位置少的计算。然而，实现高准确性很难，尤其是通过将光斑聚焦到小尺寸时。
11、us-10,712,571b2采取类似的方法，但利用来自光学鼠标传感器的技术，所述光学鼠标传感器可通过检测随着物体或传感器移动激光斑点图案相对于漫射表面的相对移动而工作。准直射束导向眼睛，且使用波导和hoe经由透镜将斑点图案重定向到相机。这可能需要比其它方法明显更少的计算(且因此具有更低时延)。然而，追踪来自具有弯曲水样表面的眼睛的斑点图案仍具有挑战性。
12、us-2021/0041693a1和wo-2020/043472a1建议使用hoe来为眼睛照明，且将ir源并入到基于vrd的ar投影系统中，使用激光束扫描仪及mems镜和全息图将图像经由瞳孔(或虹膜的中心)聚焦到视网膜上。这两个文献描述扫描聚焦在瞳孔处的ir光且经由ir激光中的自干扰效应来测量反射光。
13、紧凑型的且允许低计算要求、低时延(允许高刷新率)和高眼动追踪准确性的用于眼动追踪的光学系统因此是合乎需要的。
技术实现思路
1、在此背景下，提供一种根据权利要求1所述的用于眼动追踪的光学系统，以及一种根据权利要求25所述的扩增现实(ar)或虚拟现实(vr)系统。附属权利要求项中限定另外的任选和/或有利的特征。
2、光源和光检测器(其优选地但不一定协同定位和/或集成)可用于指示一个或多个闪烁反射的位置信息。全息光学元件(hoe)布置(其优选地使用单个hoe，但在一些实施例中可使用多个hoe)接收来自光源的光，将光导向眼睛(有利地，使光聚焦或会聚在眼睛上)，接收来自眼睛的一个或多个闪烁反射且将这些反射导向成聚焦在光检测器处。光本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于眼动追踪的光学系统，其包括：
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光检测器进一步被配置成基于检测到的至少一个闪烁生成电信号，所述光学系统进一步包括：
3.根据权利要求2所述的光学系统，其中光检测器检测图像，所述处理器被配置成基于所述检测到的至少一个闪烁在所述图像中的经识别位置确定所述眼睛的位置信息。
4.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中所述数值孔径大于0.2。
5.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中所述光源被布置成发射发散光，且所述HOE布置进一步被配置成将来自所述光源的所述光会聚到所述眼睛上。
6.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中所述HOE布置进一步被配置成将来自所述光源的所述光会聚到所述眼睛的巩膜和/或角膜的曲率中心上。
7.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其进一步包括：
8.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中所述HOE布置包括点对点全息图，所述点对点全息图经记录以充当椭圆面镜和/或将所接收光聚焦到两个有限焦点。
9.根据任一前述权
10.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中所述HOE布置以多个全息图记录且被配置成使用来自所述光源的所述光重放所述多个全息图，使得所述多个全息图中的每一个以略微不同的角度会聚以便从所述眼睛生成多个闪烁。
11.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中所述光源包括多个相异光源，使得所述HOE布置被配置成将来自所述多个相异光源的光导向所述眼睛，借此从所述眼睛生成多个闪烁。
12.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中所述HOE布置包括单个HOE。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的光学系统，其中所述HOE布置包括多个HOE，所述多个HOE中的每一HOE以不同全息图记录。
14.根据权利要求13所述的光学系统，其中所述HOE布置包括：第一HOE，其被配置成朝向所述眼睛反射来自所述光源的光；以及第二HOE，其被配置成从所述眼睛接收所述光的所述至少一个闪烁且将来自所接收的至少一个闪烁的所述光聚焦到所述光检测器上。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的光学系统，其中所述多个HOE形成于同一衬底上和/或被复用。
16.根据权利要求13所述的光学系统，其进一步包括波导，且其中所述HOE布置包括：
17.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中所述光源和所述光检测器协同定位。
18.根据权利要求17所述的光学系统，其中所述光源和所述光检测器集成。
19.根据权利要求18所述的光学系统，其中集成的所述光源和光检测器包括以下中的一者：多个发光二极管(LED)，其经调制以便在不发光时用作传感器；以及单个装置内单独的光源和光检测器。
20.根据权利要求1至16中任一项所述的光学系统，其中所述光源和光检测器在空间上分离。
21.根据权利要求20所述的光学系统，其进一步包括：
22.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中所述光检测器包括以下中的一者或多者：位置敏感检测器；光电传感器阵列；以及光流传感器。
23.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中所述光源包括以下中的一者或多者：垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)；激光二极管；以及宽带LED，其具有一个或多个滤波器以减小所发射光的光谱带宽。
24.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中所述HOE布置与所述光检测器之间不存在透镜，或其中自动聚焦透镜设置于所述HOE布置与所述光检测器之间。
25.一种扩增现实(AR)或虚拟现实(VR)系统，其包括：
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于眼动追踪的光学系统，其包括：
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光检测器进一步被配置成基于检测到的至少一个闪烁生成电信号，所述光学系统进一步包括：
3.根据权利要求2所述的光学系统，其中光检测器检测图像，所述处理器被配置成基于所述检测到的至少一个闪烁在所述图像中的经识别位置确定所述眼睛的位置信息。
4.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中所述数值孔径大于0.2。
5.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中所述光源被布置成发射发散光，且所述hoe布置进一步被配置成将来自所述光源的所述光会聚到所述眼睛上。
6.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中所述hoe布置进一步被配置成将来自所述光源的所述光会聚到所述眼睛的巩膜和/或角膜的曲率中心上。
7.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其进一步包括：
8.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中所述hoe布置包括点对点全息图，所述点对点全息图经记录以充当椭圆面镜和/或将所接收光聚焦到两个有限焦点。
9.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中所述hoe布置被配置成使用所述所接收的至少一个闪烁中的每一个来重放相应的全息图，每一重放的全息图聚焦到所述光检测器上。
10.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中所述hoe布置以多个全息图记录且被配置成使用来自所述光源的所述光重放所述多个全息图，使得所述多个全息图中的每一个以略微不同的角度会聚以便从所述眼睛生成多个闪烁。
11.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中所述光源包括多个相异光源，使得所述hoe布置被配置成将来自所述多个相异光源的光导向所述眼睛，借此从所述眼睛生成多个闪烁。
12.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中所述hoe布置包括单个hoe。
13.根据权利要求1至11中任一项所...
【专利技术属性】
技术研发人员：安德里·沃尔科夫，本·舍尔利克尔，
申请(专利权)人：真利光学有限公司，
类型：发明
国别省市：
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