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眼動追蹤

（映維網(wǎng)Nweon?2022年12月08日）眼動追蹤越發(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追蹤系統(tǒng)。但開發(fā)眼動追蹤系統(tǒng)存在一系列的技術(shù)和實際問題。

眼動追蹤系統(tǒng)可能會增加重量，涉及大型光學(xué)部件，并且需要額外的處理能力。對于特定的眼動追蹤算法，只要眼動追蹤照明源位于眼睛正前方，就可能有助于提高精度、魯棒性和/或速度。

然而，直接照明會阻擋用戶的視線。這通常不可取，特別是在透明顯示器的情況下?？朔@種視線障礙的一種方法是使用一個或多個部分反射鏡將照明重定向到眼睛。然而，這種方法依賴于潛在的大型光學(xué)元件。

這是工程師們經(jīng)常需要權(quán)衡的目標(biāo)。針對這個問題，?微軟在名為“Eye tracker illumination through a waveguide”的專利申請?zhí)岢隽艘环N相關(guān)的眼動追蹤配置。

如圖3A所示的現(xiàn)實世界中，來自遙遠(yuǎn)物體310到達(dá)用戶115眼睛的光線305幾乎平行。如圖3B所示，處于光學(xué)無限遠(yuǎn)（正常視力約為6米或更遠(yuǎn)）的真實物體的光線320在到達(dá)眼睛時完全平行。來自附近真實世界物體330的光線325則以不同的、發(fā)散角更大的角度到達(dá)眼睛。

在一個實施例中，可以使用各種方法渲染具有適當(dāng)發(fā)散角的虛擬圖像，從而在目標(biāo)焦距處顯示。例如在圖4中，負(fù)（凹面）透鏡405可以使從傳統(tǒng)耦合器元件接收到的準(zhǔn)直/平行光線450發(fā)散，以產(chǎn)生全息虛擬圖像。如圖所示，從負(fù)透鏡射入用戶眼睛115的光線是非平行和發(fā)散的，并使用眼睛的內(nèi)部透鏡會聚在視網(wǎng)膜上形成圖像，如參考數(shù)字420所示。

微軟提出的技術(shù)主要是用于虛擬物體聚焦的負(fù)透鏡，使用于虛擬圖像的像素能夠重新用作眼動追蹤的虛擬閃爍源。有利的是，虛擬閃爍源可以位于用戶眼前的視場之內(nèi)，但不會遮擋用戶對真實世界的視圖。

圖5顯示了顯示設(shè)備105的簡化側(cè)視圖。在本示例中，顯示設(shè)備改裝為提供可由眼動追蹤器使用的照明。顯示設(shè)備包括至少一個配置為傳播可見光的部分透明波導(dǎo)505。

波導(dǎo)505便于成像儀和眼睛之間的光傳輸。一個或多個波導(dǎo)可用于近眼顯示系統(tǒng)，因為它們透明，并且通常體積小、重量輕。

在一個實施例中，波導(dǎo)505使用全內(nèi)反射（TIR）原理工作，以便光可以在各種光學(xué)元件之間耦合。

用戶可以通過波導(dǎo)505查看顯示設(shè)備105真實世界一側(cè)的真實世界對象。對于顯示設(shè)備視場的虛擬部分，與虛擬圖像相關(guān)聯(lián)的光束510由成像儀515提供。光束通過輸入耦合器520耦合到波導(dǎo)，并以全內(nèi)反射的形式通過波導(dǎo)傳播。

圖像光通過耦合器525從波導(dǎo)中耦出。透明波導(dǎo)和耦合元件的組合可以稱為混合現(xiàn)實光學(xué)組合器，因為它可以將真實世界和虛擬世界的圖像組合成單個顯示器。

負(fù)透鏡530位于波導(dǎo)530的眼側(cè)（眼側(cè)由圖5中的參考數(shù)字514表示）。負(fù)透鏡作用于與用戶眼睛115相關(guān)聯(lián)的整個視窗范圍內(nèi)，從而從準(zhǔn)直光線540中產(chǎn)生發(fā)散光線535。當(dāng)操作成像儀515投射耦合到波導(dǎo)505中的虛擬圖像時，輸出發(fā)散光線以預(yù)定焦距d呈現(xiàn)虛擬圖像。

例如，如果負(fù)透鏡配置有-0.5屈光度的透光率，則d等于2米。為了確保用戶對真實世界的看法不受負(fù)透鏡的干擾，共軛正（即凸）透鏡605位于波導(dǎo)的真實世界一側(cè)，以補(bǔ)償負(fù)透鏡對真實世界一側(cè)的影響，如圖6所示。

在一個實施例中，負(fù)透鏡的功能可能由分立的獨(dú)立光學(xué)元件提供。在其他實施例中，顯示設(shè)備中的一個或多個元件可以配置為將負(fù)透鏡作為附加功能。例如，可以使用任何合適的技術(shù)將負(fù)透鏡功能集成到顯示設(shè)備的輸出耦合器和/或波導(dǎo)中。

可以使用不同數(shù)量的透光率來提供位于其他距離的焦平面，以滿足特定應(yīng)用的要求。負(fù)透鏡530的透光率不影響沿波導(dǎo)505在TIR中傳播的第零衍射級數(shù)，而僅影響衍射出耦合場。另外，透明場不受負(fù)透鏡的影響，因為被輸出耦合器525衍射的透明場的任何部分都被波導(dǎo)中的TIR捕獲，因此不會傳輸?shù)接脩粞劬?15。

如圖6所示，信號生成器610與成像儀515操作耦合，使其能夠選擇性地照亮顯示設(shè)備中的像素，以提供作為虛擬閃爍源的照明。

在一個實現(xiàn)中，信號生成器可能是一個獨(dú)立的組件，而在其他實現(xiàn)中，信號生成器可能完全或部分并入成像儀本身。信號發(fā)生器向成像儀提供像素照明指令，從而在預(yù)定時間控制其功能和操作。

例如，信號生成器可以指示成像儀根據(jù)需要提供眼動追蹤器照明，以便以最小化對顯示設(shè)備上虛擬圖像渲染的影響的方式實現(xiàn)穩(wěn)健的眼動追蹤。

因此，可以通過執(zhí)行非當(dāng)前操作來同步執(zhí)行虛擬圖像投影和眼動追蹤器照明的成像儀操作，其中一個操作在另一個操作開始之前完成。成像儀515通常以某個標(biāo)稱幀或刷新率渲染虛擬圖像。因此，信號生成器610可以指示成像儀5150跨多幀為顯示設(shè)備105的單個渲染幀提供眼動追蹤器照明。

可以理解，信號生成器610因此可以驅(qū)動成像儀515為虛擬閃爍源和其他目的提供動態(tài)自適應(yīng)照明。照明的空間、顏色和時間特性可以變化，以滿足特定應(yīng)用的需要，例如基于每個設(shè)備或每個用戶。有利的是，虛擬照明源位于頭顯用戶的視場中，與虛擬圖像處于同一焦平面，而不會通過顯示設(shè)備阻擋用戶對真實世界的觀察。

圖9顯示了使用IR源905通過波導(dǎo)照明的眼動追蹤器的實施方案。在使用多個波導(dǎo)的實施方案中，IR光路可以體現(xiàn)在其自己的離散波導(dǎo)中。

或者對于RGB實現(xiàn)，紅外光路可以使用波導(dǎo)作為紅色組件，這可以在可用角度范圍內(nèi)提供令人滿意的性能。在使用單個反射波導(dǎo)的實現(xiàn)中，對紅外波長敏感的反射結(jié)構(gòu)可用于輸入耦合和/或輸出耦合功能。

例如，紅外源905可以包括激光器或LED，并與信號發(fā)生器610操作耦合。信號發(fā)生器可以與眼動追蹤器協(xié)調(diào)操作，以驅(qū)動紅外源為一個或多個像素提供紅外照明，并作為眼動追蹤器615的虛擬閃爍源。

如圖9所示，一個或多個紅外光束910由輸入耦合器520耦合到波導(dǎo)505，并在TIR中向下傳播。輸出耦合器525輸出準(zhǔn)直紅外光線915，負(fù)透鏡530將其導(dǎo)入發(fā)散光線920，從而在焦點F處將虛擬紅外閃爍源定位在用戶眼前。

圖10是用于操作近眼光學(xué)顯示系統(tǒng)以在視場內(nèi)顯示虛擬圖像的流程圖1000。

步驟1005，在近眼光學(xué)顯示系統(tǒng)中操作成像儀以產(chǎn)生光像素。步驟1010提供了一種具有配置為耦合來自成像儀的光像素的輸入耦合器，以及配置為將視場內(nèi)的光像素輸出耦合到近眼光學(xué)顯示系統(tǒng)的用戶的輸出耦合器的波導(dǎo)。

步驟1015，有選擇地操作成像儀，以生成虛擬圖像的光像素。其中，光像素從視場內(nèi)的波導(dǎo)耦合出來，用于向用戶呈現(xiàn)虛擬圖像。步驟1020，選擇性地操作成像儀，以生成從視場內(nèi)的波導(dǎo)耦合出來的光像素，從而用于照明。例如，像素可用于照亮用戶眼睛的特定特征，例如用于生物識別和/或認(rèn)證的虹膜。

例如，近眼光學(xué)顯示系統(tǒng)可納入至頭顯設(shè)備。虹膜掃描可用于識別佩戴頭顯的特定用戶。例如，適當(dāng)?shù)挠脩羰走x項、設(shè)置等可以自動加載到設(shè)備中。在身份驗證場景中，當(dāng)根據(jù)虹膜掃描結(jié)果確定用戶是設(shè)備的非授權(quán)用戶時，可以完全或部分禁用頭顯設(shè)備。

相關(guān)專利：Microsoft Patent | Eye tracker illumination through a waveguide

名為“Eye tracker illumination through a waveguide”的微軟專利申請最初在2021年3月提交，并在日前由美國專利商標(biāo)局公布。

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