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用于眼動追蹤俄波長復(fù)用波導(dǎo)系統(tǒng)

（映維網(wǎng)Nweon?2023年07月17日）眼動追蹤功能擴(kuò)展了頭顯為用戶提供的服務(wù)和交互質(zhì)量。但當(dāng)從眼睛外圍進(jìn)行成像時，睫毛和眼瞼可以阻擋和抑制從眼睛獲得的信號的質(zhì)量。對眼睛反射的光進(jìn)行成像的一個優(yōu)勢位置是從眼睛的正前方。然而，將攝像頭放在眼睛正前方可能會阻礙用戶的視線，并且可能會降低用戶使用頭顯的體驗(yàn)質(zhì)量。

所以在名為“Wavelength multiplexed waveguide system for eye tracking”的專利申請中，Meta介紹了一種用于眼動追蹤的波長復(fù)用波導(dǎo)系統(tǒng)。簡單來說，波長復(fù)用波導(dǎo)系統(tǒng)配置為將來自眼睛和/或視窗的多個波長的反射光重定向到圖像傳感器。通過實(shí)現(xiàn)兩個或更多個耦入衍射光柵，波長復(fù)用波導(dǎo)系統(tǒng)可以檢測比傳統(tǒng)或其他眼動追蹤技術(shù)更大的區(qū)域的反射光。

其中，波導(dǎo)系統(tǒng)將光從透鏡組件的場內(nèi)部分引導(dǎo)到可位于頭顯框架的圖像傳感器。另外，波導(dǎo)系統(tǒng)可以使用波長復(fù)用衍射光柵將反射的空間位置編碼為角度，對視窗區(qū)域的部分進(jìn)行波長編碼，并擴(kuò)展可從中檢測反射的視窗區(qū)域。

頭顯可以包括至少部分地設(shè)置在透鏡組件和頭顯框架中的波長復(fù)用波導(dǎo)系統(tǒng)，從而接收來自用戶眼睛的光反射。波導(dǎo)系統(tǒng)可以將來自用戶眼睛的光反射引導(dǎo)到圖像傳感器，以實(shí)現(xiàn)用戶眼睛的無干擾和場內(nèi)成像。

波導(dǎo)系統(tǒng)可包括兩個或多個耦入衍射光柵、波導(dǎo)和耦出衍射光柵。耦入衍射光柵可以配置成耦合從眼睛反射到波導(dǎo)的光。所衍射的光反射可以包括第一波長光和第二波長光。波導(dǎo)可以引導(dǎo)光從耦入衍射光柵到耦出衍射光柵。耦出衍射光柵可以配置為將來自波導(dǎo)的第一波長光和第二波長光耦出到圖像傳感器（例如通過透鏡）。

每個耦合衍射光柵可以是全息光學(xué)元件，并具有多個傾斜光柵平面。所述傾斜光柵平面配置為將每個光線的入射位置映射或編碼到TIR角，其中入射位置相對于耦合衍射光柵的表面。

換句話說，特定光線的TIR角可以指示在耦合衍射光柵接收光線的位置。然后，可以將耦出衍射光柵配置為基于特定光線的衍射角解碼每條光線的入射位置。在一個實(shí)施例中，來自耦出衍射光柵的光線的出口角度或出口位置與特定光線的入射位置成比例或相關(guān)。耦出衍射光柵可以配置成衍射包括第一波長光和第二波長光的波長帶。

控制器可以通信耦合到圖像傳感器以接收來自圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)?？刂破骺梢允褂脠D像數(shù)據(jù)來確定眼睛的方向和/或執(zhí)行一個或多個眼動追蹤操作?；谘劬Ψ较蚝?或眼動追蹤數(shù)據(jù)，可以將頭顯配置為執(zhí)行各種，例如選擇性地顯示信息和/或提供或調(diào)整頭顯的鏡頭組件中的多個用戶界面元素。

耦入衍射光柵和耦出衍射光柵可以實(shí)現(xiàn)為透射衍射光柵或反射衍射光柵。透射衍射光柵的工作原理是透射特定波長的光，而不通過或透射其他波長的光。反射式衍射光柵對特定波長的光進(jìn)行反射，并通過或透射其他波長的光。

耦入衍射光柵的表面積和/或體積可以大于耦出衍射光柵的表面積和/或體積，以方便捕獲來自視場的光反射，并方便地將光從頭顯框架內(nèi)聚焦到圖像傳感器。

每一個耦入衍射光柵(和/或耦出衍射光柵)可以是具有若干傾斜衍射光柵的軋制衍射光柵。傾斜的衍射光柵將光衍射到波導(dǎo)中。傾斜的衍射光柵可以在耦合衍射光柵的第一側(cè)以不同的衍射角衍射光。

在一個實(shí)施例中，傾斜的衍射光柵可以具有從耦合衍射光柵的第一側(cè)到耦合衍射光柵的第二一側(cè)變化的斜角。傾斜的衍射光柵可以設(shè)計(jì)或配置為在特定波長范圍工作。傾斜衍射光柵可以具有基于衍射角和傾斜衍射光柵的角帶寬定義的斜角、光柵線和光柵周期。

圖9-圖13舉例說明波長復(fù)用波導(dǎo)系統(tǒng)和相關(guān)工藝的實(shí)施例。其中，波長復(fù)用波導(dǎo)系統(tǒng)可以使用多個波長特定的耦合衍射光柵來將反射的空間位置編碼為角度，對視窗區(qū)域的波長進(jìn)行編碼，以及擴(kuò)展可檢測反射的視窗區(qū)域。

圖9示出了波長復(fù)用波導(dǎo)系統(tǒng)900的俯視圖圖。波長復(fù)用波導(dǎo)系統(tǒng)900包括多個耦入衍射光柵，其用于擴(kuò)展可從中檢測反射的視窗區(qū)域的尺寸或面積。多入耦合衍射光柵配置成在不同波長的光上工作。多個耦入衍射光柵配置成將接收到的光指向耦出衍射光柵。多個耦入衍射光柵中的每一個都可以具有不同的焦距，以便衍射光聚焦在耦出光柵上。

多個耦入衍射光柵可以是波長選擇性的VBG，它可以減少或消除兩個或多個衍射光柵之間的串?dāng)_。耦出衍射光柵可以配置為不具有波長選擇性，因此所述耦出衍射光柵可以耦出耦入衍射光柵衍射的任何波長光。在記錄過程中，每個衍射光柵可以獨(dú)立地對每個波長進(jìn)行曝光，這可以允許調(diào)整δn（折射率調(diào)制的幅度），以實(shí)現(xiàn)每個耦入衍射光柵的高衍射效率。

在一個實(shí)施例中，波長復(fù)用波導(dǎo)系統(tǒng)900包括設(shè)置在波導(dǎo)908中的第一耦入衍射光柵902、第二耦入衍射光柵904和耦出衍射光柵906。

第一耦入衍射光柵902位于波導(dǎo)908內(nèi)，并配置為通過可見光并衍射第一波長光910。第一耦入衍射光柵902配置為以反射或傳輸方式工作，以使第一波長的光910向耦出衍射光柵906衍射。

第一波長光910可以沿著波導(dǎo)908中的第一光路，依靠全內(nèi)反射TIR向耦出衍射光柵906傳播。第一耦入衍射光柵902配置為具有焦距F1，以將第一波長光910聚焦到耦出衍射光柵906。第一耦入衍射光柵902可以具有大于耦出衍射光柵906的表面積，因此，第一耦入衍射光柵902可以配置為沿波導(dǎo)908的縱軸（x軸）以及沿波導(dǎo)908的縱軸（y軸）聚焦第一波長光910。

為了將第一波長光910聚焦到耦出衍射光柵906，第一耦入衍射光柵902可以包括若干傾斜光柵平面912。傾斜光柵平面912可以具有從第一耦入衍射光柵902的第一端914到第二端916變化的斜角。傾斜光柵平面912的斜角使第一耦入衍射光柵902能夠以不同角度衍射第一波長光910，這取決于光入射到第一耦入衍射光柵902的位置。

每個傾斜光柵平面912都具有光柵線和光柵周期，其定義為使第一耦入衍射光柵902通過可見光并衍射第一波長光910?；蛘撸梢詫⒌谝获钊胙苌涔鈻?02配置為衍射以第一波長光910為中心的波長范圍。

斜光柵平面912可以向耦出衍射光柵906形成弧形和凹形彎曲，以支持沿波導(dǎo)908的y軸方向的緯度聚焦光。根據(jù)實(shí)施例，傾斜光柵平面912的弧形曲率可以從具有較小半徑的弧形變?yōu)榫哂休^大半徑的弧形，以支持將第一波長光910聚焦到耦出衍射光柵906。

第二耦入衍射光柵904位于波導(dǎo)908內(nèi)，配置為通過可見光并衍射第二波長光918。第二耦入衍射光柵904位于與第一耦入衍射光柵902相鄰。第二耦入衍射光柵904可以與第一耦入衍射光柵902接觸，或者在耦入衍射光柵902和904之間可以存在間隙。

第一和第二波長光910和918可以被波長的緩沖帶隔開，從而減少干擾，并且兩種光的波長都可以在紅外或近紅外范圍內(nèi)。第二耦入衍射光柵904可以配置成以反射或傳輸方式操作，以向耦出衍射光柵906衍射第二波長光918。第一波長光910可以依靠TIR從第二耦入衍射光柵904沿著波導(dǎo)908中的第二光路向耦出衍射光柵906傳播。

第二耦入衍射光柵904可以配置為具有焦距F2以將第二波長光918聚焦到耦出衍射光柵906。焦距F2可能比焦距F1短。第二耦入衍射光柵904可以具有大于耦出衍射光柵906的表面積，因此第二耦入衍射光柵904可以配置為沿波導(dǎo)908的縱軸（x軸）以及沿波導(dǎo)908的縱軸（y軸）聚焦第二波長光918。

為了將第二波長光918聚焦到耦出衍射光柵906，第二耦入衍射光柵904可以包括若干傾斜光柵平面920。傾斜光柵平面920可以具有從第二耦入衍射光柵904的第一端922到第二端924變化的斜角。

傾斜光柵平面920的斜角使第二耦入衍射光柵904能夠以不同角度衍射第二波長光918，這取決于光入射到第二耦入衍射光柵904的位置。每個傾斜光柵平面920都具有光柵線和光柵周期，其定義為使第二耦入衍射光柵904通過可見光并衍射第二波長光918。

或者，第二耦入衍射光柵904可以配置為衍射以第二波長光918為中心的波長范圍(。斜光柵平面920可以向外耦合衍射光柵906形成弧形和凹形彎曲，以支持沿波導(dǎo)908的y軸向緯度聚焦光。傾斜光柵平面920的弧形曲率可以從具有較小半徑的弧形變?yōu)榫哂休^大半徑的弧形，以支持將第二波長光918聚焦到耦出衍射光柵906。

耦出衍射光柵906位于波導(dǎo)908中，并配置為接收第一和第二波長光910和918。耦出衍射光柵906可以定位在距離第一耦合衍射光柵902焦距F1的地方，并且可以定位在距離第二耦入衍射光柵904焦距F2的地方。

耦出衍射光柵906可以配置成通過可見光并衍射第一和第二波長光910和918。耦出衍射光柵906可以比第一和第二內(nèi)耦入衍射光柵902和904中的任何一個具有更小的表面積。耦出衍射光柵906的較小表面積使得它能夠更容易地隱藏和放置在頭顯的框架內(nèi)或框架上。

耦入衍射光柵902、904的較大表面積則可實(shí)現(xiàn)來自視窗區(qū)域或來自用戶眼睛的更多光的接收和耦合。

盡管波長復(fù)用波導(dǎo)系統(tǒng)900描述了兩個耦入衍射光柵，但波導(dǎo)908可以包括兩個、三個或更多個耦入衍射光柵（每個配置為衍射不同波長的光），從而擴(kuò)展可從視窗區(qū)域耦合光反射的區(qū)域。

圖10A、10B和10C示出波長復(fù)用波導(dǎo)成像系統(tǒng)1000的示例側(cè)視圖圖。波長復(fù)用波導(dǎo)系統(tǒng)1002包括位于波導(dǎo)1010中的第一耦入衍射光柵1004、第二耦入衍射光柵1006和耦出衍射光柵1008。

波長復(fù)用波導(dǎo)系統(tǒng)1002配置為將來自眼睛204和/或視窗1012的多個波長的反射光重定向到圖像傳感器104。通過實(shí)現(xiàn)兩個或更多個耦入衍射光柵，波長復(fù)用波導(dǎo)系統(tǒng)1002可以檢測來自比傳統(tǒng)或其他眼動追蹤技術(shù)更大的區(qū)域的反射光。

圖10A示出通過第一耦入衍射光柵1004進(jìn)行光線衍射的示例。第一波長光910可包括代表第一波長光910的光線1014和光線1016。光線1014和1016具有第一波長，第一耦入衍射光柵1004配置為衍射具有第一波長的光。

然而，光線1014和1016的傳播或傳輸路徑不受第二耦入衍射光柵1006的影響，因?yàn)榈诙钊胙苌涔鈻?006可以配置為通過具有第一波長的光。為了說明這一點(diǎn)，用折線描繪了第二耦入衍射光柵1006。

第一耦入衍射光柵1004接收來自視窗區(qū)域1012的第一波長光910。第一耦入衍射光柵1004可以配置為接收來自視窗區(qū)域1012的第一部分1018的第一波長光910，第二耦入衍射光柵1006可以配置為接收來自視窗區(qū)域1012的第二部分1020的第二波長光918。

第一耦入衍射光柵1004在波導(dǎo)1010中衍射光線1014和1016。光線1014和1016在波導(dǎo)1010中反射并傳播到耦出衍射光柵1008。耦出衍射光柵1008將光線1014和1016衍射到圖像傳感器104。

圖10B示出通過第二耦入衍射光柵1006進(jìn)行光線衍射的示例。第二波長光918可包括代表第二波長光918的光線1022和光線1024。光線1022和1024具有第二波長，第二耦入衍射光柵1006配置為衍射具有第二波長的光。然而，光線1022和1024的傳播或傳輸路徑可以不受第一耦入衍射光柵1004的影響，因?yàn)榈谝获詈涎苌涔鈻?004可以配置為通過具有第二波長的光。為了說明這一點(diǎn)，第一個耦入衍射光柵1004用折線表示。

第二耦合衍射光柵1006接收來自視窗區(qū)域1012的第二波長光918。第二耦入衍射光柵1006在波導(dǎo)1010中衍射光線1022和1024。光線1022和1024被波導(dǎo)1010反射并在波導(dǎo)1010中傳播到耦出衍射光柵1008。耦出衍射光柵1008將光線1022和1024衍射到圖像傳感器104。

圖10C示出了通過第一耦入衍射光柵1004和第二耦入衍射光柵1006進(jìn)行波長復(fù)用衍射的示例?；诘谝获钊胙苌涔鈻?004和第二耦入衍射光柵1006的結(jié)構(gòu)，第一波長光910和第二波長光918分別被其中一個而不是同時被兩個耦入衍射光柵衍射。通過實(shí)施兩個或多個耦入衍射光柵，波長復(fù)用波導(dǎo)成像系統(tǒng)1000可實(shí)現(xiàn)包括來自更大的擴(kuò)展視窗區(qū)域1012的眼睛方向信息的場內(nèi)眼動追蹤操作（與傳統(tǒng)技術(shù)相比）。

盡管示出一個耦出衍射光柵，但在其他實(shí)施例中，波長復(fù)用波導(dǎo)成像系統(tǒng)1000可包括多個耦出衍射光柵。多個耦出衍射光柵可調(diào)諧以衍射特定波長的光。例如，第一耦出衍射光柵可以配置為衍射第一波長光，第二耦出衍射光柵可以配置為衍射第二波長光。第一和第二耦出光柵可以并排放置或一個在另一個前面放置?？梢园▋蓚€以上的耦出衍射光柵，以便用兩個以上波長的光對視窗區(qū)域進(jìn)行波長編碼。

圖12示出與波長復(fù)用波導(dǎo)系統(tǒng)1200的光相互作用的透視圖。波長復(fù)用波導(dǎo)系統(tǒng)1200顯示來自視窗區(qū)域的光1202。根據(jù)實(shí)施例，光1202通過具有多個耦入衍射光柵1206的波導(dǎo)1204接收，而波導(dǎo)1206將光1202的部分指向耦出衍射光柵1208。

圖13示出了表示眼睛反射的空間位置的圖1300。光1302和1304表示由多個耦入衍射光柵1206接收的光的空間位置，然后重定向到耦出衍射光柵1208。光1302代表從多個耦入衍射光柵1206中的一個接收的光，而光1304代表從多個耦入衍射光柵1206中的另一個接收的光。由光1302和1304形成的位置、數(shù)量和圖案可隨著眼睛在視窗區(qū)域的方向變化而變化。

圖1300包括映射光的x軸角和y軸角。x軸角表示耦入衍射光柵在波導(dǎo)縱向x軸方向上衍射入射光的衍射角。y軸角度表示入射光沿緯度y軸（朝向波導(dǎo)中心）的衍射。

x軸角同時可以表示光束沿波導(dǎo)x軸向耦出衍射光柵的入射角。y軸角可以表示光束沿波導(dǎo)y軸向耦出衍射光柵的入射角。

光1302和1304表明，耦入衍射光柵將眼睛反射的空間位置編碼或映射到波導(dǎo)內(nèi)的衍射角，并表明耦入光柵將所述位置解碼為指向圖像傳感器的光。

光1302和1302可以表示響應(yīng)來自耦出衍射光柵的光的圖像傳感器中的像素團(tuán)。圖1300可用于幫助解碼光線的特定反射的起源，并且可視為解碼圖，從而用于重建視窗區(qū)域的圖像。另外，由于可以使用不同的波長來照亮視窗的不同部分，因此可以使用不同的波長來編碼（從位置到角度）視窗的不同部分。

相關(guān)專利：Meta Patent | Wavelength multiplexed waveguide system for eye tracking

名為“Wavelength multiplexed waveguide system for eye tracking”的Meta專利申請最初在2022年6月提交，并在日前由美國專利商標(biāo)局公布。

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