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)。但開(kāi)發(fā)眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)存在一系列的技術(shù)和實(shí)際問(wèn)題。
眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)可能會(huì)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(duì)于特定的眼動(dòng)追蹤算法，只要眼動(dòng)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(huì)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(gè)或多個(gè)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(duì)這個(gè)問(wèn)題，?微軟在名為“Eye tracker illumination through a waveguide”的專利申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N相關(guān)的眼動(dòng)追蹤配置。
如圖3A所示的現(xiàn)實(shí)世界中，來(lái)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(wú)限遠(yuǎn)（正常視力約為6米或更遠(yuǎn)）的真實(shí)物體的光線320在到達(dá)眼睛時(shí)完全平行。來(lái)自附近真實(shí)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(gè)實(shí)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(huì)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(dòng)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(chǎng)之內(nèi)，但不會(huì)遮擋用戶對(duì)真實(shí)世界的視圖。
圖5顯示了顯示設(shè)備105的簡(jiǎn)化側(cè)視圖。在本示例中，顯示設(shè)備改裝為提供可由眼動(dòng)追蹤器使用的照明。顯示設(shè)備包括至少一個(gè)配置為傳播可見(jiàn)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(gè)或多個(gè)波導(dǎo)可用于近眼顯示系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兺该鳎⑶彝ǔｓw積小、重量輕。
在一個(gè)實(shí)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(guò)波導(dǎo)505查看顯示設(shè)備105真實(shí)世界一側(cè)的真實(shí)世界對(duì)象。對(duì)于顯示設(shè)備視場(chǎng)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(guò)輸入耦合器520耦合到波導(dǎo)，并以全內(nèi)反射的形式通過(guò)波導(dǎo)傳播。
圖像光通過(guò)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(shí)光學(xué)組合器，因?yàn)樗梢詫⒄鎸?shí)世界和虛擬世界的圖像組合成單個(gè)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(gè)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(shí)，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(duì)真實(shí)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(shí)世界一側(cè)，以補(bǔ)償負(fù)透鏡對(duì)真實(shí)世界一側(cè)的影響，如圖6所示。
在一個(gè)實(shí)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(shí)施例中，顯示設(shè)備中的一個(gè)或多個(gè)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(lái)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(jí)數(shù)，而僅影響衍射出耦合場(chǎng)。另外，透明場(chǎng)不受負(fù)透鏡的影響，因?yàn)楸惠敵鲴詈掀?25衍射的透明場(chǎng)的任何部分都被波導(dǎo)中的TIR捕獲，因此不會(huì)傳輸?shù)接脩粞劬?15。
如圖6所示，信號(hào)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(gè)實(shí)現(xiàn)中，信號(hào)生成器可能是一個(gè)獨(dú)立的組件，而在其他實(shí)現(xiàn)中，信號(hào)生成器可能完全或部分并入成像儀本身。信號(hào)發(fā)生器向成像儀提供像素照明指令，從而在預(yù)定時(shí)間控制其功能和操作。
例如，信號(hào)生成器可以指示成像儀根據(jù)需要提供眼動(dòng)追蹤器照明，以便以最小化對(duì)顯示設(shè)備上虛擬圖像渲染的影響的方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的眼動(dòng)追蹤。
因此，可以通過(guò)執(zhí)行非當(dāng)前操作來(lái)同步執(zhí)行虛擬圖像投影和眼動(dòng)追蹤器照明的成像儀操作，其中一個(gè)操作在另一個(gè)操作開(kāi)始之前完成。成像儀515通常以某個(gè)標(biāo)稱幀或刷新率渲染虛擬圖像。因此，信號(hào)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(gè)渲染幀提供眼動(dòng)追蹤器照明。
可以理解，信號(hào)生成器610因此可以驅(qū)動(dòng)成像儀515為虛擬閃爍源和其他目的提供動(dòng)態(tài)自適應(yīng)照明。照明的空間、顏色和時(shí)間特性可以變化，以滿足特定應(yīng)用的需要，例如基于每個(gè)設(shè)備或每個(gè)用戶。有利的是，虛擬照明源位于頭顯用戶的視場(chǎng)中，與虛擬圖像處于同一焦平面，而不會(huì)通過(guò)顯示設(shè)備阻擋用戶對(duì)真實(shí)世界的觀察。
圖9顯示了使用IR源905通過(guò)波導(dǎo)照明的眼動(dòng)追蹤器的實(shí)施方案。在使用多個(gè)波導(dǎo)的實(shí)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(duì)于RGB實(shí)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(gè)反射波導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)中，對(duì)紅外波長(zhǎng)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(hào)發(fā)生器610操作耦合。信號(hào)發(fā)生器可以與眼動(dòng)追蹤器協(xié)調(diào)操作，以驅(qū)動(dòng)紅外源為一個(gè)或多個(gè)像素提供紅外照明，并作為眼動(dòng)追蹤器615的虛擬閃爍源。
如圖9所示，一個(gè)或多個(gè)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(diǎn)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(chǎng)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(lái)自成像儀的光像素的輸入耦合器，以及配置為將視場(chǎng)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(chǎng)內(nèi)的波導(dǎo)耦合出來(lái)，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(chǎng)內(nèi)的波導(dǎo)耦合出來(lái)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(shí)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(shí)別佩戴頭顯的特定用戶。例如，適當(dāng)?shù)挠脩羰走x項(xiàng)、設(shè)置等可以自動(dòng)加載到設(shè)備中。在身份驗(yàn)證場(chǎng)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(shí)，可以完全或部分禁用頭顯設(shè)備。
來(lái)源：映維網(wǎng)news.nweon.com
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦VR產(chǎn)業(yè)資訊）：微軟專利：精確、緊湊、高效的AR/VR眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)開(kāi)發(fā)
