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使用選擇性折畸變反射透鏡可以允許眼動追蹤系統(tǒng)放置在非?？拷跨R的位置，并且不會造成目鏡方面的失真

（映維網(wǎng)Nweon?2022年07月13日）傳統(tǒng)的頭顯一般包括需要以一定距離放置的顯示器和目鏡，而這種結(jié)構(gòu)令開發(fā)廠商難以縮小設(shè)備的厚度。一個解決方案是采用包括折反射透鏡的目鏡，因為折反射透鏡可以折疊光路，從而令虛擬距離與實際距離的比率遠大于簡單折射透鏡。

但當(dāng)頭顯采用帶有折反射透鏡的目鏡時，由于顯示器移近目鏡（從而接近眼睛），目鏡和顯示器之間的空間變小，難以納入越發(fā)成為主流的眼動追蹤攝像頭系統(tǒng)。

針對這個問題，蘋果在名為“Method and device for image display and eye tracking through a catadioptric lens”的專利申請中指出，使用選擇性畸變折反射透鏡可以允許眼動追蹤系統(tǒng)放置在非常靠近目鏡的位置，并且不會造成目鏡方面的失真，因為所述組件只畸變來自顯示器的光，不會畸變來自光源的光。

通過這種方式，不僅可以減少頭顯的尺寸/厚度，而且減小了厚度后依然可以納入眼動追蹤系統(tǒng)。

在圖4的頭戴式設(shè)備400中，殼體401容納顯示器410，顯示器410穿過目鏡430將圖像投影到用戶10的眼睛。目鏡430折射顯示器410發(fā)射的光，以令用戶10誤認為顯示器位于眼睛到顯示器410的實際距離之外的虛擬距離。

為了幫助用戶對焦，虛擬距離至少大于眼睛的最小焦距（例如7 cm）。另外，為了提供更好的用戶體驗，虛擬距離大于1m。

例如在一個實施例中，從眼睛到目鏡430的距離約為15 mm，目鏡430約為8 mm厚，目鏡430和顯示器410之間的距離約為38 mm。所以，從眼睛到顯示器410的距離約為61 mm。然而，目鏡430折射顯示器410發(fā)射的光以提供約2m的虛擬距離。

殼體401同時容納包括光源422和攝像頭424的眼動追蹤系統(tǒng)。一個或多個光源422將可由攝像頭424檢測的光圖案投影到用戶10的眼睛。根據(jù)由用戶10眼睛反射并由攝像頭424檢測的光圖案，系統(tǒng)可以追蹤用戶10的眼睛的相對位置。

顯示器410在第一波長范圍內(nèi)發(fā)光，而一個或多個光源422在第二波長范圍內(nèi)發(fā)光。攝像頭424檢測第二波長范圍內(nèi)的光。

在各種實現(xiàn)中，第一波長范圍是可見波長范圍，第二波長范圍是近紅外波長范圍。在圖4的頭戴式設(shè)備400中，目鏡430在第一波長范圍和第二波長范圍內(nèi)折射光。

在各種實現(xiàn)中，攝像頭424布置成具有用戶10眼睛的正面視圖，從而最小化失真并確保眼睛的瞳孔可見以進行精確的眼動追蹤。所以在各種實現(xiàn)中，攝像頭424布置在目鏡430和顯示器410之間，而一個或多個光源422布置在眼睛和目鏡430之間。

圖5的頭戴式設(shè)備500基本類似于圖4的頭戴式設(shè)備400，不同點在于，在圖5的頭戴式設(shè)備500中，一個或多個光源422布置在目鏡430和顯示器410之間。所以，一個或多個光源422布置成更靠近顯示器而不是目鏡430。

由于一個或多個光源422布置在目鏡430和顯示器410之間（并且距離目鏡430的距離大于至少第一波長范圍內(nèi)的焦距），所以一個或多個光源422發(fā)射的光由目鏡430準直，并且在攝像頭424檢測到的眼睛圖像中出現(xiàn)失焦，從而降低眼動追蹤精度。另外，由于目鏡430增加了眼睛與一個或多個光源422之間的虛擬距離，所以用戶10能夠?qū)挂粋€或多個光源122，從而可能造成視網(wǎng)膜損傷。

圖6納入了蘋果提出的選擇性畸變目鏡630。圖6的頭戴式設(shè)備600基本類似于圖5的頭戴式設(shè)備500，但不同點在于，在圖6的頭戴式設(shè)備600中，目鏡630折射第一波長范圍內(nèi)的光，同時通過第二波長范圍內(nèi)的光，而這一過程沒有實質(zhì)性失真。

因此，目鏡630增加了從眼睛到顯示器410的虛擬距離，而不影響從眼睛到一個或多個光源422或攝像頭424的虛擬距離。

以這種方式，與圖4的頭戴式顯示器相比，圖6中的一個或多個光源422的位置更靠近光軸，從而提高了攝像頭424的可檢測性和眼動追蹤系統(tǒng)的定位。另外，由于一個或多個光源422發(fā)射的光不像圖5那樣被目鏡630準直，而且目鏡630不增加眼睛與一個或多個光源422之間的虛擬距離，所以用戶10不會像圖5那樣對焦一個或多個光源422，亦即減少了視網(wǎng)膜損傷的可能。

為了減小頭戴式設(shè)備600的形狀參數(shù)，例如殼體401的尺寸/厚度，在各種實現(xiàn)中，顯示器410可以更靠近目鏡630，從而更接近用戶10的眼睛。在各種實現(xiàn)中，當(dāng)目鏡630和顯示器410之間的實際距離減小時，僅折射光的目鏡無法提供足夠的虛擬距離。因此，在各種實現(xiàn)中，可以使用折射和反射光線的折反射目鏡。

圖7示出了具有折反射目鏡730的頭戴式設(shè)備700。圖7的頭戴式設(shè)備700基本類似于圖6的頭戴式設(shè)備600，不同之處在于，在圖7的頭戴式設(shè)備700中，目鏡730包括選擇性畸變折反射透鏡，其反射和折射第一波長范圍內(nèi)的光，同時通過第二波長范圍內(nèi)的光，而這一過程沒有實質(zhì)性失真。同時，在圖7的頭戴式設(shè)備700中，殼體701的尺寸/厚度減小，顯示器410（和眼動追蹤系統(tǒng)）更靠近目鏡730。

例如在各種實現(xiàn)中，目鏡730和顯示器410之間的距離在0到3mm之間。但由于選擇性畸變折反射透鏡在第一波長范圍內(nèi)折疊光線的光路，所以眼睛和顯示器410之間的虛擬距離依然約為2m。

在各種實現(xiàn)中，選擇性畸變折反射透鏡是一種彎月透鏡/凹凸透鏡，包括由四分之一波長延遲器分隔的兩半透鏡。在各種實施例中，四分之一波延遲器包括四分之一波片或另一種雙折射材料。因此，目鏡730在沒有實質(zhì)性失真的情況下通過第二波長范圍內(nèi)的光，并且與目鏡730在第二波長范圍內(nèi)反射和折射光時相比，由攝像頭424檢測到的眼睛圖像具有更少的失真。

另外，在各種實現(xiàn)中，當(dāng)一個或多個光源422和/或攝像頭424布置在目鏡730的第一波長范圍的視場之外（同時位于目鏡730的第二波長范圍的視場中）時，眼動追蹤系統(tǒng)可以從用戶10的視場中隱藏。

圖8示出了從顯示器410穿過選擇性畸變彎月透鏡830向用戶10眼睛發(fā)射的光線軌跡。選擇性畸變彎月透鏡830包括由四分之一波長延遲器分隔的兩半透鏡。在各種實施例中，透鏡半體和四分之一波長延遲器可以如圖8所示粘合在一起，或者在一個或多個透鏡元件之間用氣隙隔開。

可見光810被選擇性畸變的彎月透鏡830反射和折射。近紅外線820則穿過選擇性畸變彎月透鏡830，并且沒有實質(zhì)性失真。所以，用戶無法在可見光譜中看到攝像頭424。因此，攝像頭424從用戶10的視圖中隱藏。

圖9是包括彎月透鏡930的光學(xué)系統(tǒng)900。光學(xué)系統(tǒng)900包括顯示器910，其將圖像通過彎月透鏡930投影到用戶10的眼睛。

顯示器910包括發(fā)射第一波長范圍內(nèi)的光920的發(fā)光器911。顯示器910包括令光920線性極化的線性偏振器912。顯示器910包括四分之一波長延遲器913，其將線偏振光改變?yōu)閳A偏振光。因此，由顯示器610發(fā)射的光920以第一圓方向圓偏振。

圓偏振光920照射彎月透鏡930的部分反射、部分透射（PR/PT）表面931。在各種實現(xiàn)中，PR/PT表面931是50/50反射鏡，其在第一波長范圍內(nèi)具有50%反射和50%透射的功能。所以，一部分圓偏振光920從PR/PT表面931反射回顯示器931，并且一部分圓偏振光920折射（基于PR/PT表面931的幾何形狀和相對折射率）到彎月透鏡930中。

圓偏振光920的折射部分穿過將圓偏振光改變?yōu)榫€偏振光的四分之一波長延遲器932。因此，在穿過四分之一波延遲器932之后，光920在第一線性方向線性偏振。

穿過四分之一波長延遲器932的光920遇到反射偏振器933，反射偏振器933反射第一線性方向的線偏振光，并發(fā)射與第一線性方向正交的第二線性方向的線偏振光。由于光920在第一線性方向上被線性極化，因此光920從反射偏振器933反射回四分之一波延遲器932。

然后，光920第二次穿過四分之一波長延遲器932，在第一個圓形方向上圓極化。光920遇到PR/PT表面931，并且光920的一部分從彎月透鏡930發(fā)射回顯示器910，而光920的另一部分則反射回四分之一波延遲器932。在反射PR/PT表面931時，光920的圓形方向改變?yōu)榕c第一方向相反的第二圓形方向。

被反射回四分之一波長延遲器932的光920的一部分第三次穿過四分之一波長延遲器932，其進入四分之一波片932具有第二圓形取向，并在第二線性取向中變?yōu)榫€偏振。因此，由于在第二線性方向上被線性極化，離開彎月透鏡930，穿過反射偏振器933并朝向用戶1的眼睛的光920的一部分將根據(jù)反射偏振器933的幾何形狀和相對折射率被折射。

相關(guān)專利：Apple Patent | Method and device for image display and eye tracking through a catadioptric lens

名為“Method and device for image display and eye tracking through a catadioptric lens”的蘋果專利申請最初在2022年3月提交，并在日前由美國專利商標局公布。

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