[发明专利]采用可切换衍射光栅的波导眼睛跟踪

说明书

供在跟踪通过红外光照射的眼睛时使用的透明波导包括输入耦合器和输出耦合器。输入耦合器包括彼此平行布置的可电子地切换的衍射光栅的堆叠，这些可电子地切换的衍射光栅中的每一者具有相应的透镜光学能力，这使得该堆叠中的每一光栅具有不同的焦距。每一光栅在被打开时将接收到的红外光耦合到波导中。传感器取决于在输出耦合器处离开波导的红外光束对眼睛进行成像。使用传感器获得的眼睛的图像被分析以确定这些可电子地切换的衍射光栅中的哪一者在被打开时提供眼睛或其部分的最佳聚焦图像。这些可电子地切换的衍射光栅中提供眼睛的最佳聚焦图像的那一个可电子地切换的衍射光栅被用于在眼睛跟踪期间对眼睛进行成像。

背景

透视、混合现实显示设备系统使得用户能够观察覆盖在物理场景上的数字信息。为了实现脱手用户交互，透视、混合现实显示设备系统还可配备有眼睛跟踪器。通常，眼睛跟踪器包括用于照射用户的眼睛的红外(IR)光源以及用于对用户的眼睛进行成像的传感器(例如相机)，例如，来观察反射的闪光和虹膜移动以计算注视方向。对眼睛的照射和成像优选地被实现成使得：混合现实显示设备系统的透视属性不会受到眼睛跟踪硬件的损害；对眼睛的成像与所有类型的处方眼镜(prescription spectacles)一起工作；并且对眼睛的成像覆盖整个眼睛移动范围加上瞳孔间距距离范围和良视距距离范围。

对眼睛进行成像以实现眼睛跟踪的一种方式是使用被安装在头戴式显示(HMD)设备的镜架上的简单相机，其中该相机被直接聚焦于用户的眼睛。换言之，存在从相机到眼睛的直接视线。尽管这样的配置相对简单和便宜，但是它对相机相对于眼睛的位置和移动高度敏感。而且，根据这样的配置，相机需要被定位成接近于眼睛高度，这通常导致混合现实显示设备系统的透视属性的至少部分遮挡。替代地，部分反射器可被用来将相机观察路径折叠到用户的太阳穴。尽管此替代配置允许相机被定位在透视视野之外，但是如果眼睛跟踪需要与处方眼镜一起工作，则该替代配置的实现是有问题的。

另一种可能是使用基于自由形式棱镜或其他目镜的混合现实显示设备系统中的反向光路成像。该技术依赖于实际的显示光学器件来还提供用于眼睛跟踪的成像功能。然而，因为自由形式棱镜或目镜的组件趋向于在尺寸上相当大，所以该方法并不总是实用的。仅添加用于眼睛跟踪的自由形式光学元件也是可能的，但是这将是昂贵的并且将向系统增加显著的重量和尺寸。

概述

本文描述的某些实施例涉及在跟踪由红外光照射的眼睛时使用的波导。这样的波导(其可在头戴式显示器(HMD)中被使用，但不限于与其一起使用)是透明的并且包括输入耦合器以及输出耦合器。根据特定实施例，输入耦合器包括彼此平行布置的两个或更多个可电子地切换的衍射光栅的堆叠。这些可电子地切换的衍射光栅中的每一者都具有各自的透镜光学能力和各自的棱镜光学能力。可电子地切换的衍射光栅中的每一者的透镜光学能力彼此不同，使得可电子地切换的衍射光栅中的每一者具有不同的焦距。可电子地切换的衍射光栅中的每一者当被打开时被适配成接收具有红外波长的红外光并将接收到的红外光耦合到波导中。当输入耦合器被定位在用红外光照射的眼睛前面时，从眼睛反射并由输入耦合器接收的红外光的至少一部分在输入耦合器处被耦合到波导中，经由全内反射在波导内从输入耦合器传播到输出耦合器，并在输出耦合器附近离开波导。传感器取决于在输出耦合器处离开波导的红外光束来对眼睛进行成像。在某些实施例中，透镜模块在输出耦合器和传感器之间，并且在输出耦合器处离开波导的红外光束在入射在传感器上之前通过该透镜模块。

输入耦合器控制器控制何时打开可电子地切换的衍射光栅中的每一者，使得一次仅打开可电子地切换的衍射光栅之一。图像分析器分析使用传感器获得的眼睛的两个或更多个图像，以确定可电子地切换的衍射光栅中的哪一者在被打开时提供眼睛或其部分的最佳聚焦图像。输入耦合器控制器使得可电子地切换的衍射光栅中的一个衍射光栅被用来在眼睛跟踪期间对眼睛进行成像，图像分析模块确定该衍射光栅提供眼睛的最佳聚焦图像。