眼動追蹤越發成為頭顯的標準配置，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。但開發眼動追蹤系統存在一系列的技術和實際問題。眼動追蹤系統可能會增加重量，涉及大型光學部件，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。克服這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元件。
這是工程師們經常需要權衡的目標。針對這個問題，?微軟在名為“Eye tracker illumination through a waveguide”的專利申請提出了一種相關的眼動追蹤配置。
如圖3A所示的現實世界中，來自遙遠物體310到達用戶115眼睛的光線305幾乎平行。如圖3B所示，處于光學無限遠（正常視力約為6米或更遠）的真實物體的光線320在到達眼睛時完全平行。來自附近真實世界物體330的光線325則以不同的、發散角更大的角度到達眼睛。
在一個實施例中，可以使用各種方法渲染具有適當發散角的虛擬圖像，從而在目標焦距處顯示。例如在圖4中，負（凹面）透鏡405可以使從傳統耦合器元件接收到的準直/平行光線450發散，以產生全息虛擬圖像。如圖所示，從負透鏡射入用戶眼睛115的光線是非平行和發散的，并使用眼睛的內部透鏡會聚在視網膜上形成圖像，如參考數字420所示。微軟提出的技術主要是用于虛擬物體聚焦的負透鏡，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，但不會遮擋用戶對真實世界的視圖。
圖5顯示了顯示設備105的簡化側視圖。在本示例中，顯示設備改裝為提供可由眼動追蹤器使用的照明。顯示設備包括至少一個配置為傳播可見光的部分透明波導505。波導505便于成像儀和眼睛之間的光傳輸。一個或多個波導可用于近眼顯示系統，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505使用全內反射（TIR）原理工作，以便光可以在各種光學元件之間耦合。用戶可以通過波導505查看顯示設備105真實世界一側的真實世界對象。對于顯示設備視場的虛擬部分，與虛擬圖像相關聯的光束510由成像儀515提供。光束通過輸入耦合器520耦合到波導，并以全內反射的形式通過波導傳播。圖像光通過耦合器525從波導中耦出。透明波導和耦合元件的組合可以稱為混合現實光學組合器，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。負透鏡530位于波導530的眼側（眼側由圖5中的參考數字514表示）。負透鏡作用于與用戶眼睛115相關聯的整個視窗范圍內，從而從準直光線540中產生發散光線535。當操作成像儀515投射耦合到波導505中的虛擬圖像時，輸出發散光線以預定焦距d呈現虛擬圖像。例如，如果負透鏡配置有-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透鏡的干擾，共軛正（即凸）透鏡605位于波導的真實世界一側，以補償負透鏡對真實世界一側的影響，如圖6所示。
在一個實施例中，負透鏡的功能可能由分立的獨立光學元件提供。在其他實施例中，顯示設備中的一個或多個元件可以配置為將負透鏡作為附加功能。例如，可以使用任何合適的技術將負透鏡功能集成到顯示設備的輸出耦合器和/或波導中。可以使用不同數量的透光率來提供位于其他距離的焦平面，以滿足特定應用的要求。負透鏡530的透光率不影響沿波導505在TIR中傳播的第零衍射級數，而僅影響衍射出耦合場。另外，透明場不受負透鏡的影響，因為被輸出耦合器525衍射的透明場的任何部分都被波導中的TIR捕獲，因此不會傳輸到用戶眼睛115。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備中的像素，以提供作為虛擬閃爍源的照明。
在一個實現中，信號生成器可能是一個獨立的組件，而在其他實現中，信號生成器可能完全或部分并入成像儀本身。信號發生器向成像儀提供像素照明指令，從而在預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需要提供眼動追蹤器照明，以便以最小化對顯示設備上虛擬圖像渲染的影響的方式實現穩健的眼動追蹤。因此，可以通過執行非當前操作來同步執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因此可以驅動成像儀515為虛擬閃爍源和其他目的提供動態自適應照明。照明的空間、顏色和時間特性可以變化，以滿足特定應用的需要，例如基于每個設備或每個用戶。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通過波導照明的眼動追蹤器的實施方案。在使用多個波導的實施方案中，IR光路可以體現在其自己的離散波導中。或者對于RGB實現，紅外光路可以使用波導作為紅色組件，這可以在可用角度范圍內提供令人滿意的性能。在使用單個反射波導的實現中，對紅外波長敏感的反射結構可用于輸入耦合和/或輸出耦合功能。例如，紅外源905可以包括激光器或LED，并與信號發生器610操作耦合。信號發生器可以與眼動追蹤器協調操作，以驅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505，并在TIR中向下傳播。輸出耦合器525輸出準直紅外光線915，負透鏡530將其導入發散光線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顯示系統以在視場內顯示虛擬圖像的流程圖1000。步驟1005，在近眼光學顯示系統中操作成像儀以產生光像素。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的光像素輸出耦合到近眼光學顯示系統的用戶的輸出耦合器的波導。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，光像素從視場內的波導耦合出來，用于向用戶呈現虛擬圖像。步驟1020，選擇性地操作成像儀，以生成從視場內的波導耦合出來的光像素，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/或認證的虹膜。例如，近眼光學顯示系統可納入至頭顯設備。虹膜掃描可用于識別佩戴頭顯的特定用戶。例如，適當的用戶首選項、設置等可以自動加載到設備中。在身份驗證場景中，當根據虹膜掃描結果確定用戶是設備的非授權用戶時，可以完全或部分禁用頭顯設備。原文始發于微信公眾號（艾邦VR產業資訊）：微軟專利：精確、緊湊、高效的AR/VR眼動追蹤系統開發
