[发明专利]基于经由光导光学元件的视网膜成像的眼动追踪器

说明书

一种用于导出人眼睛(150)的注视方向的设备(100)包括光导光学元件(LOE)(120)，所述LOE具有面向所述眼睛(150)部署的一对平行面(104a)(104b)。耦入配置，诸如，一组部分反射表面(145)，与LOE(120)相关联并且配置用于耦入入射在面(104a)上的光的一部分以在所述LOE内传播。与LOE(120)相关联的聚焦光学器件(106)将在所述LOE内传播的多组平行光线转换为由光学感测器(125)感测的捕获到的光的会聚束。处理系统(108)处理来自所述光学感测器(125)的信号以导出所述眼睛的当前注视方向。不管所述LOE的孔径组合效应如何，都可以有效地将视网膜图像恢复为集中在所述光学感测器上的唯一图像信息。

【技术领域】

本发明涉及眼动追踪，并且具体地，本发明涉及一种用于基于经由光导光学元件的视网膜成像来追踪人眼的注视方向的眼动追踪器和对应的方法，其尤其适用于整合为近眼显示器的一部分。

【背景技术】

用于近眼显示器或者抬头显示器的光学布置需要大孔径以覆盖观察者的眼睛所在的区域(眼睛运动盒)。为了实现紧凑的装置，通过具有倍增以生成大孔径的小孔径的小型光学图像生成器(投影仪)来生成图像。

已经基于平行贴面的透明材料平板开发了在一个维度上实现孔径倍增的方法，在所述透明材料平板内，图像通过内反射进行传播。通过使用倾斜带角度的部分反射器或者通过在平板的一个表面上使用衍射光学元件来，将图像波前的一部分耦出平板。本文将这种平板称为“光导光学元件”、“透光基板”或者“波导”。在图1至图4中示意性地图示了这种孔径倍增的原理。

图1示出了具有用于通过内反射来导光的一对平行面 26、26A的光导光学元件20。投影的图像18(此处由照明束 18示意性地表示，所述照明束18包括横跨此束的样本光线18A、18B和18C)耦合到光导光学元件(此处由第一反射表面16示意性地图示)中以生成在基板内通过内反射捕获的反射光线28，还生成光线30。图像通过重复的内反射沿着基板传播，按照与平行面26、26A倾斜的角度照射在一系列部分反射表面22上，其中，对图像强度的一部分进行反射，以便作为光线48A、48B耦出基板。为了使可能产生重像的不希望的反射减到最少，优选地对部分反射表面22进行覆膜以使其对于第一入射角范围具有低反射比，而对于第二入射角范围具有期望的部分反射率，例如，如在图2A和图2B中图示的，在这些图中，使相对于部分反射表面34的法线具有小倾角的光线32分离以生成用于耦出的反射光线(图2A)，而利用可以忽略的反射来透射高倾角(相对于法线)光线36(图 2B)。

图3图示了通过使用用于耦出图像的衍射光学元件23 以及(在此处示出的示例中)用于耦入图像18的另一衍射光学元件17来实施的对应配置。如本领域已知的，衍射光学元件可以部署在基板的上表面或者下表面。

在这两种情况下，投影的图像18是准直图像，即，每个画素由对应角度的平行光束表示，等效于来自与观察者相隔较远的场景的光。此处简单地用与图像中的单个点(通常是图像的质心)对应的光线来表示图像，但是实际上包括所述中心光束的每一侧的一系列角度，这些光线以对应的角度范围耦入基板，并且以对应的角度类似地耦出，从而生成与在不同方向上到达观察者的眼睛24的图像的部分对应的视场。

图1和图3的孔径倍增沿着一个维度发生，与附图的从右到左的方向对应。在一些情况下，在两个维度上采用类似的方法，诸如，在图4中图示的。在这种情况下，第一波导20a具有耦入反射器16a和部分反射耦出表面22a，所述耦入反射器16a和部分反射耦出表面22a利用耦入反射器16b和部分反射耦出表面22b向第二波导20b提供光学输出。按照这种方式，由输入光线90表示的图像在两个维度中相继倍增以提供在两个维度中扩展的输出孔径。虽然此处图示的是使用用于耦出的部分反射表面，但是可以通过使用衍射光学元件来执行所述扩展中的一种或者两种。

要注意，通过孔径倍增实现的较大输出孔径使每条输入图像光线被分成多条间隔隔开的输出光线。在图1和图3中，这由通过分离输入光线18A导出的多条耦出光线48A和通过分离输入光线18B导出的多条耦出光线48B表示。对于图4 的二维扩展也是如此。