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使用激光自混合干涉效應(yīng)發(fā)來追蹤眼睛運(yùn)動(dòng)

（映維網(wǎng)Nweon?2022年01月18日）眼動(dòng)追蹤越發(fā)成為頭顯的標(biāo)準(zhǔn)配置，各家廠商都在積極探索精確、輕型、緊湊和高成本效益的眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)。早前映維網(wǎng)已經(jīng)分享了一系列與所述主題相關(guān)的廠商發(fā)明，而美國(guó)專利商標(biāo)局日前又公布了一份名為“Eye-tracking using laser doppler interferometry”的Meta專利申請(qǐng)。具體來說，研究人員提出了一種使用激光多普勒干涉法來追蹤眼睛運(yùn)動(dòng)的方法，又或者說使用激光自混合干涉效應(yīng)來追蹤眼睛運(yùn)動(dòng)。

據(jù)百科，激光自混合干涉效應(yīng)是指：激光器的輸出光在被外部物體反射或散射后，其重新反饋回激光器的諧振腔內(nèi)。攜帶外部物體信息的反饋光與腔內(nèi)光發(fā)生干涉，調(diào)制激光器的輸出特性。根據(jù)特定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的物理測(cè)量。與傳統(tǒng)干涉系統(tǒng)相比，自混合干涉系統(tǒng)僅有一個(gè)干涉通道，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，易準(zhǔn)直，靈敏度高，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量、科學(xué)研究、國(guó)防軍事等眾多領(lǐng)域。

團(tuán)隊(duì)指出，所述方法沒有任何圖像處理或成像要求，不需要使用諸如外部攝像頭之類的附加光學(xué)組件來提供準(zhǔn)確的眼動(dòng)追蹤信息，從而能夠減小眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)的尺寸和成本。另外，所述方法同時(shí)消除了諸如背景濾波之類的附加計(jì)算步驟，從而降低了眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)的計(jì)算成本和功耗。

概括來說，在一個(gè)實(shí)施例中，頭戴式顯示設(shè)備包括眼動(dòng)追蹤設(shè)備和配置為向用戶眼睛發(fā)送一個(gè)或多個(gè)圖像的顯示器。眼動(dòng)追蹤設(shè)備包括第一光學(xué)組件和耦合到第一光學(xué)組件的一個(gè)或多個(gè)處理器。第一光學(xué)組件包括第一光源和與第一光源光學(xué)耦合的第一光傳感器。第一光源具有第一光學(xué)腔。

第一光源定位為向用戶眼睛輸出第一相干光，并接收作為反饋光從用戶眼睛返回的第一相干光的至少第一部分。反饋光進(jìn)入第一光腔并引起第一相干光強(qiáng)度的調(diào)制。第一光傳感器配置為檢測(cè)第一相干光的調(diào)制強(qiáng)度，并基于檢測(cè)到的第一相干光的強(qiáng)度生成一個(gè)或多個(gè)第一信號(hào)。一個(gè)或多個(gè)處理器配置成從一個(gè)或多個(gè)第一信號(hào)確定用戶眼睛的運(yùn)動(dòng)信息。

圖2是根據(jù)示例性系統(tǒng)200的框圖。圖2中所示的系統(tǒng)200包括顯示組件205、成像組件235和輸入接口240，它們各自耦合到主機(jī)210。顯示組件205包括電子顯示器215、一個(gè)或多個(gè)處理器216、眼動(dòng)追蹤模塊217、調(diào)整模塊218、一個(gè)或多個(gè)定位器220、一個(gè)或多個(gè)位置傳感器225、一個(gè)或多個(gè)位置攝像投222、存儲(chǔ)器228、慣性測(cè)量單元（IMU）230、一個(gè)或多個(gè)光學(xué)組件260等。

圖3B示出了基于專利實(shí)施例的眼動(dòng)追蹤裝置390，其主要使用自混合干涉術(shù)確定關(guān)于眼睛340的運(yùn)動(dòng)信息。眼動(dòng)追蹤裝置390包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)組件392和耦合到一個(gè)或多個(gè)光學(xué)組件392的一個(gè)或多個(gè)處理器394。一個(gè)或多個(gè)光學(xué)設(shè)備392配置為執(zhí)行干涉測(cè)量，基于干涉測(cè)量生成一個(gè)或多個(gè)信號(hào)，并將一個(gè)或多個(gè)信號(hào)發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)處理器394。一個(gè)或多個(gè)處理器394配置為基于從光學(xué)組件392接收的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)來確定眼睛340的運(yùn)動(dòng)信息。

在一個(gè)實(shí)施例中，眼動(dòng)追蹤裝置390同時(shí)包括耦合到光學(xué)組件392，并配置為控制光學(xué)組件中的光源的操作的電源396。例如，電源396可配置為改變從光學(xué)組件392輸出的光的功率或強(qiáng)度。在一個(gè)實(shí)施例中，電源396耦合到一個(gè)或多個(gè)處理器394，使得可以由一個(gè)或多個(gè)處理器394控制電源396的操作。

圖4A-4C、5A-5B和6A-6C示出了對(duì)應(yīng)于光學(xué)組件392的示例光學(xué)裝置。

如圖4A所示，光學(xué)組件400包括光源410（例如激光源）和光傳感器420（例如光電探測(cè)器）。在圖4A-4C中，光傳感器420與光源410分開放置。

光源410包括由兩個(gè)反射元件（例如反射面412和414）定義的腔416（例如光學(xué)腔）。在一個(gè)實(shí)施例中，反射元件是分布式布拉格反射器。

在一個(gè)實(shí)施例中，光源410可以是激光源，例如垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）或垂直外腔表面發(fā)射激光器（VECSEL）。

腔416用于產(chǎn)生相干光，光源410定位為向用戶眼睛340輸出至少一部分相干光。表面412為半反射（例如表面412是部分反射和部分透射鏡）。例如表面414的反射率大于表面412的反射率。表面412將朝向腔體416內(nèi)的表面412傳播的光的一部分反射回表面414，并傳輸朝向腔體416內(nèi)的表面412傳播的光的一部分。如圖4B所示，從光源410發(fā)射透射光作為相干光490。

光源410同時(shí)配置為接收作來自用戶眼睛340的至少一部分相干光為反饋光492。反饋光492進(jìn)入光源410的腔416并干擾腔416內(nèi)相干光的產(chǎn)生，從而致使所產(chǎn)生的相干光的強(qiáng)度的調(diào)制。

參考圖4C，調(diào)制相干光494從光源410輸出（例如，從腔416輸出），并且調(diào)制相干光494的至少一部分由光傳感器420接收和檢測(cè)。光傳感器420配置成基于調(diào)制相干光494的檢測(cè)強(qiáng)度生成一個(gè)或多個(gè)信號(hào)?？梢酝ㄟ^分析調(diào)制相干光494或基于調(diào)制相干光494生成的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)來確定關(guān)于眼睛340的運(yùn)動(dòng)信息。

這種測(cè)量技術(shù)稱為“自混合干涉測(cè)量法”，其中相干光（如激光束）從目標(biāo)（如眼睛等目標(biāo)對(duì)象）反射回光源（如激光腔），反射光干擾并調(diào)制光源內(nèi)部產(chǎn)生的相干光?？筛鶕?jù)調(diào)制相干光的強(qiáng)度測(cè)量來確定關(guān)于目標(biāo)的位置和/或運(yùn)動(dòng)信息。

在一個(gè)實(shí)施例中，使用與光源集成的傳感器代替與光源分離的傳感器。

圖5A和5B是示出了垂直集成光學(xué)組件500。光學(xué)組件500有時(shí)可以稱為干涉儀傳感器。如圖5A所示，光學(xué)組件500包括光源410和垂直集成的光傳感器520（例如光電探測(cè)器），其與光源410光學(xué)耦合并垂直集成。光源410包括限定空腔416的表面412和414。在圖5A中，兩個(gè)表面412和414都是半反射表面（例如部分反射鏡和部分透射鏡），其配置為將腔416內(nèi)產(chǎn)生的相干光的至少一部分反射回腔416中，并傳輸腔416內(nèi)產(chǎn)生的光的至少一部分。例如，表面414向光傳感器520發(fā)射腔體416內(nèi)產(chǎn)生的相干光的一部分，使得光傳感器520可以檢測(cè)發(fā)射光的強(qiáng)度。

可使用光學(xué)組件500代替圖3B所示的光學(xué)組件392。參考圖5B，光學(xué)組件500配置為經(jīng)由表面412向用戶眼睛340輸出相干光490。光學(xué)組件500同時(shí)配置為經(jīng)由表面412接收來自用戶眼睛340的至少一部分相干光作為反饋光492。由于表面414為半反射，所以在腔416內(nèi)產(chǎn)生的相干光的至少一部分經(jīng)由表面414從光源410向垂直集成光傳感器520輸出。光傳感器520配置為接收經(jīng)由表面414從光源410輸出的調(diào)制相干光494的至少一部分，并基于調(diào)制相干光494的檢測(cè)強(qiáng)度生成一個(gè)或多個(gè)信號(hào)。

圖6A-6C是示出了水平集成光學(xué)組件600。光學(xué)組件600是干涉儀傳感器，其包括配置為輸出相干光490的光源410（例如激光源）和與光源410水平集成的光傳感器620。光源410包括限定腔416的表面412和414。

光學(xué)組件600可以用來代替圖3B所示的光學(xué)組件392。參考圖6B，光源410配置為經(jīng)由表面412向用戶眼睛340輸出相干光490。光源410同時(shí)配置為經(jīng)由表面412接收來自用戶眼睛340的至少一部分相干光作為反饋光492。反饋光492經(jīng)由表面412進(jìn)入光源410的腔體416，并與腔體416內(nèi)產(chǎn)生的相干光發(fā)生干涉，導(dǎo)致對(duì)腔體416內(nèi)產(chǎn)生的相干光的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制光494的一部分從腔體416漏出，并由光傳感器620檢測(cè)。在一個(gè)實(shí)施例中，濾波器622位于腔體416和光傳感器620之間，以衰減從腔體416傳輸?shù)焦鈧鞲衅?20的光。

或者，光傳感器620在調(diào)制光被外部物體（例如目標(biāo)物體眼睛）反射后檢測(cè)調(diào)制光。在圖6C中，經(jīng)調(diào)制的相干光494經(jīng)由表面412從光源410輸出，并且調(diào)制相干光494的至少一部分被目標(biāo)物體（眼睛340）重定向回光學(xué)組件600的光傳感器620，并且隨后被光傳感器620接收和檢測(cè)。在一個(gè)實(shí)施例中，屏障624位于腔體416和光傳感器620之間，以阻止光從腔體416傳輸?shù)焦鈧鞲衅?20。水平集成光傳感器620配置成基于調(diào)制相干光494的檢測(cè)強(qiáng)度生成一個(gè)或多個(gè)信號(hào)?？梢酝ㄟ^分析調(diào)制相干光494或基于調(diào)制相干光494生成的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)來確定關(guān)于眼睛340的運(yùn)動(dòng)信息。

圖7A示出了使用眼動(dòng)追蹤裝置390追蹤眼睛運(yùn)動(dòng)的示意圖。從光學(xué)組件392輸出的相干光490的至少一部分從眼睛340反向反射或反向散射，并在光學(xué)組件392處接收作為反饋光492。反饋光492調(diào)制光學(xué)組件392中的相干光490的強(qiáng)度。關(guān)于眼睛340的位置和移動(dòng)的信息可以根據(jù)調(diào)制相干光的強(qiáng)度測(cè)量來確定。

圖7B示出了包括多個(gè)光學(xué)組件392的眼動(dòng)追蹤裝置390。眼動(dòng)追蹤裝置390包括多個(gè)（例如兩個(gè)或更多個(gè)）光學(xué)組件392，每個(gè)光學(xué)組件392可對(duì)應(yīng)于光學(xué)設(shè)備400、500和600中的任何一個(gè)。7B中示出了兩個(gè)光學(xué)組件392-1和392-2。光學(xué)組件392-1的定位使得從光學(xué)組件392-1的光源輸出的相干光490-1在x-z平面中入射到眼睛340。相反，光學(xué)組件392-2的定位使得從光學(xué)組件392-2的光源輸出的相干光490-2入射到y(tǒng)-z平面中的眼睛340。

因此，眼動(dòng)追蹤裝置390對(duì)眼睛340在x和y方向上的位置和移動(dòng)敏感。通過采用兩個(gè)光學(xué)組件392-1和392-2，眼動(dòng)追蹤裝置390能夠在兩個(gè)維度（例如在x方向和y方向）確定眼睛位置和眼球運(yùn)動(dòng)信息。例如，相干光490-1由光學(xué)組件392-1的光源輸出。由反饋光與相干光490-1的干涉產(chǎn)生的調(diào)制相干光由光學(xué)組件392-1的光傳感器接收。

光學(xué)組件392-1的光傳感器基于接收調(diào)制相干光生成一個(gè)或多個(gè)信號(hào)?？梢允褂糜晒鈱W(xué)組件392-1的光傳感器生成的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)來確定關(guān)于沿x方向的眼球運(yùn)動(dòng)信息。類似地，相干光490-2由光學(xué)組件392-2的光源輸出。由反饋光與相干光490-2的干涉產(chǎn)生的調(diào)制相干光由光學(xué)組件392-2的光傳感器接收。光學(xué)組件392-2的光傳感器基于接收調(diào)制相干光生成一個(gè)或多個(gè)信號(hào)?？梢允褂糜晒鈱W(xué)組件392-2的光傳感器生成的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)來確定關(guān)于眼睛沿y方向的運(yùn)動(dòng)信息。

相關(guān)專利：Facebook Patent | Eye-tracking using laser doppler interferometry

名為“Eye-tracking using laser doppler interferometry”的Meta專利申請(qǐng)最初在2020年7月提交，并在日前由美國(guó)專利商標(biāo)局公布。

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