一种眼球追踪模组和头戴式显示设备的制作方法

本实用新型涉及眼球追踪技术领域，尤其涉及一种眼球追踪模组和头戴式显示设备。

背景技术：

眼球追踪技术是时下在人机交互等领域中应用十分广泛的一种对人眼视线定位的技术，眼球追踪模组融合了机械、电子、光学等学科领域知识。随着人工智能、机器视觉等领域的快速发展，眼球追踪技术有着良好的应用前景，例如，疲劳监测、虚拟现实、沟通辅助工具等。

现有的眼球追踪模组主要包含两个部分：照明系统与采集系统。照明系统通常使用近红外波段的光源，采集系统采用的是对近红外波段具有良好响应的图像传感器组件。光源发出的光经过人眼反射最终成像于图像传感器上。然而对于佩戴眼镜的用户而言，由于眼镜反光而引入像差和杂散光，严重影响光斑的辨别以及定位。

技术实现要素：

本实用新型提供的一种眼球追踪模组和头戴式显示设备，有效解决了由于眼镜反光而引入的像差和杂散光的技术问题。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种眼球追踪模组，包括：壳体、红外光源组件、图像采集装置和非球面透镜装置；

所述壳体内设置容置腔；所述壳体包括第一端面和与所述第一端面相对设置的第二端面，所述第一端面和第二端面均设置有开口；

所述红外光源组件设置于所述壳体的第一端面，用于向用户眼球发射红外光；

所述非球面透镜装置设置于所述容置腔内的所述第一端面和第二端面的传输光路中；

所述图像采集装置设置于所述非球面透镜装置和第一端面间的所述非球面透镜装置的反射光路上，用于接收所述非球面透镜装置反射的红外光。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种头戴式显示设备，包括，目镜，还包括显示屏和本实用新型实施例提供的眼球追踪模组。

本实用新型实施例提供了一种眼球追踪模组和头戴式显示设备。该眼球追踪模组通过在壳体内开设有容置腔，将非球面透镜装置设置于该容置腔内的壳体第一端面和第二端面的传输光路中，可以消除球差、彗差和/或补偿还原图像，从而有效减少了佩戴眼镜用户由于眼镜反光而引入的像差和杂散光。

附图说明

图1是本实用新型实施例一中的一种眼球追踪模组的装配示意图；

图2是本实用新型实施例一中的一种眼球追踪模组的光路示意图；

图3是本实用新型实施例一中的一种非球面透镜装置和图像采集装置的结构示意图；

图4是本实用新型实施例一中的另一种非球面透镜装置和图像采集装置的结构示意图；

图5是本实用新型实施例一中的又一种非球面透镜装置和图像采集装置的结构示意图；

图6是本实用新型实施例一中的眼球追踪模组的分解状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一元件时，其可以直接设置在另一元件上或间接设置在该另一元件上。当一个元件被称为“连接”另一元件时，其可以直接连接到另一元件，也可以间接连接到该另一元件。如，可以是固定连接、可拆卸连接、机械连接或电连接等。此外，“前”或“后”等指示位置关系为基于附图所示的位置关系，本实用新型中并不对此进行限定。

实施例一

图1是本实用新型实施例一中的一种眼球追踪模组的装配示意图，本实施例可适用于屈光不正用户进行眼球追踪的情况，如屈光不正用户佩戴头戴式显示设备时，进行视线追踪的情况。其中，头戴式显示设备可以包括虚拟现实 (Virtual Reality，VR)设备和增强现实(Augmented Reality，AR)设备。该眼球追踪模组可以集成于现有头戴显示设备上，从而对屈光不正用户进行眼球追踪。

现有头戴显示设备中目镜口径较大，采集系统在不遮挡视野的情况下便偏离人眼中心位置较远。当采集系统直接拍摄人眼光斑图片时倾角过大，存在光斑遮挡、光斑像差大等缺点，影响光斑定位的稳定性与准确性。因此，目前头戴显示设备中应用较为广泛的是反射式结构。反射式结构通常采用一块红外截止滤光片倾斜放置于头戴显示设备的目镜与显示屏中间。对于佩戴眼镜用户，由于眼镜反光以及菲涅尔成像特点而引入像差和杂散光，严重影响光斑的辨别以及定位。

本实用新型提供的眼球追踪模组可以为单眼球追踪模组或双眼球追踪模组。双眼球追踪模组可以认为是将两个单眼球追踪模组整合到一起的产品，其与单眼球追踪模组的实现原理基本相同，因此，以下以单眼球追踪模组为例说明。

如图1所示，本实用新型实施例一提供的一种眼球追踪模组，包括：

壳体11、红外光源组件12、图像采集装置13和非球面透镜装置14；壳体 11内设置容置腔；壳体11包括第一端面111和与第一端面111相对设置的第二端面112，第一端面111和第二端面112均设置有开口；红外光源组件12设置于壳体11的第一端面111，用于向用户眼球发射红外光；非球面透镜装置14 设置于容置腔内的第一端面111和第二端面112的传输光路中；图像采集装置 13设置于非球面透镜装置14和第一端面111间的非球面透镜装置14的反射光路上，用于接收非球面透镜装置14反射的红外光。

在本实施例中，该眼球追踪模组的工作原理是：红外光源组件12发出的红外光入射至用户眼睛15，红外光经过用户眼睛15(即，眼球)反射的红外光经过第一端面111的开口照射在非球面透镜装置14上。照射在非球面透镜装置 14的部分红外光被非球面透镜装置14反射，经过图像采集装置13成像。其中，非球面透镜装置14设置在第一端面111和第二端面112的传输光路中，能够有效的校正近视或远视用户。

在本实施例中，壳体11的形状不做限定，如图1所示，可以将壳体11设置为圆柱体。当眼球追踪模组集成在头戴式显示设备上时，壳体11可以为头戴式显示设备的壳体。壳体11可以通过第一端面111将红外光源组件12固定于用户眼睛15前方，红外光源组件12发出的红外光可以入射至用户眼睛15。壳体11还可以通过内设的容纳腔容纳图像采集装置13和非球面透镜装置14，以将非球面透镜装置14固定在容纳腔内的第一端面111和第二端面112的传输光路中；将图像采集装置13固定在非球面透镜装置14和第一端面111间非球面透镜装置14的反射光路上。

当眼球追踪模组集成在头戴式显示设备上时，第一端面111开口处可以设置目镜16；第二端面112开口处可以设置显示屏17。

图2是本实用新型实施例一中的一种眼球追踪模组的光路示意图。如图2 所示，红外光源组件12发出的红外光入射至用户眼睛15，红外光经过用户眼睛15反射的部分红外光穿过目镜16后照射在非球面透镜装置14上。该非球面透镜装置14上可以镀有红外反射膜，将红外光反射至图像采集装置13，如反射经过图像采集装置13的镜头成像于图像采集装置13的图像传感器。

可以理解的是，当眼球追踪模组集成在头戴式显示设备上时，头戴式显示设备通常使用菲涅尔透镜作为目镜16，菲涅尔透镜成像质量较差，因此一般用于对光学成像质量较低的系统中。本实施例中，通过增加非球面透镜装置14可以在一定程度上校正目镜16所引起的像差，提高光学成像质量。进一步地，可以在目镜16上镀增透膜，以减少反射杂散光。

此外，非球面透镜装置14可以固定设置在壳体11内，也可以将非球面透镜装置14的位置设置成在一定范围内可调，以满足不同矫正需求的用户。当非球面透镜装置14位置可调时，目镜16和非球面透镜装置14可以组成一个变焦透镜组。不同的用户在佩戴时可以根据自身情况进行调节。从而有效的避免了佩戴眼镜的用户穿戴头戴式显示设备时，由于眼镜所引起的不适，也有效的解决了由于眼镜反光所引起的杂散光的问题。

可以理解的是，当非球面透镜装置14的位置可调时，图像采集装置13的位置可以根据非球面透镜装置14位置的变化而变化。相应的，非球面透镜装置 14和图像采集装置13可以分别设置有进行位置调节的执行机构，用户可以根据自身需求驱动传动机构实现屈光度矫正。

红外光源组件12可以包括至少两个红外灯，红外灯发出红外光入射至用户眼睛15，用于在用户眼睛15形成光斑，从而基于该光斑及用户眼部特征对用户视线进行分析。

可以理解的是，本实施例并不对红外光源组件12设置在壳体11上的方式进行限定，红外光源组件12可以直接固定连接至壳体11的第一端面111；也可以通过光源固定件活动安装在壳体11的第一端面111上。至少两个红外灯可以以预设的方式排列，如圆形。红外光源组件12可以设置在壳体11的第一端面111朝向用户眼睛15位置处，以向用户眼睛15发射红外光。

在本实施例中，采用红外光源组件12对用户视线进行追踪主要有两个原因：用户眼睛15对红外波段的光并不敏感，红外光对用户眼睛15的照射不会产生不舒适感；图像采集装置13对红外波段有较好的响应。

非球面透镜装置14可以设置在容置腔内的第一端面111和第二端面112的传输光路中，即可以设置在用户眼睛15与显示屏17的传输光路中，用于矫正近视或远视用户。非球面透镜装置14可以为凸透镜、凹透镜或弯月透镜等带有一定屈光度的透镜。

图像采集装置13可以包括红外摄像设备、红外图像传感器、照相机或摄像机等。本实施例可以设置至少一个图像采集装置13。图像采集装置13用于接收非球面透镜装置14所反射的红外光，以对用户视线进行追踪。

可以理解的是，当眼球追踪模组集成在头戴式显示设备上时，非球面透镜装置14可以置于头戴式显示设备的目镜16的正后方，用户眼睛15与显示屏 17的传输光路中。其中，正后方可以理解为相对于用户眼睛15而言的后方。由图1所示，用户眼睛15位置可以认为是前方，显示屏17位置处可以认为是后方。图像采集装置13放置于目镜16和非球面透镜装置14之间。

本实用新型实施例一提供了一种眼球追踪模组，该眼球追踪模组通过在壳体内开设有容置腔，将非球面透镜装置设置于该容置腔内的壳体第一端面和第二端面的传输光路中，可以消除球差、彗差和/或补偿还原图像，从而有效减少了佩戴眼镜用户由于眼镜反光而引入的像差和杂散光。

图3是本实用新型实施例一中的一种非球面透镜装置和图像采集装置的结构示意图；图4是本实用新型实施例一中的另一种非球面透镜装置和图像采集装置的结构示意图；图5是本实用新型实施例一中的又一种非球面透镜装置和图像采集装置的结构示意图。如图3-5所示，进一步地，非球面透镜装置14包括非球面透镜组件141和第一执行机构142；

非球面透镜组件141包括非球面透镜本体1411和透镜固定件1412，透镜固定件1412用于固定非球面透镜本体1411；

第一执行机构142与透镜固定件1412连接，用于控制非球面透镜组件141 沿第一端面111和第二端面112的传输光路中移动；

图像采集装置13固定于透镜固定件1412上；或，

图像采集装置13包括图像采集机构131、采集固定件132和第二执行机构 133，采集固定件132用于固定图像采集机构131，第二执行机构133和采集固定件132连接，用于控制图像采集机构131移动。

非球面透镜组件141可以通过第一执行机构142进行移动，故为使图像采集装置13在非球面透镜装置14的反射光路上，图像采集装置13的位置也可以根据非球面透镜组件141的位置进行调节。

如图3所示，图像采集装置13固定于透镜固定件1412上的非球面透镜装置14中非球面透镜本体1411的反射光路上。在第一执行机构142控制非球面透镜组件141沿第一端面111和第二端面112的传输光路中移动时，图像采集装置13与非球面透镜组件141同步移动，该移动可以为前后移动。其中，用户眼睛15位置可以为前方，显示屏17的位置可以为后方。

如图4所示，图像采集装置13可以包括图像采集机构131、采集固定件132 和第二执行机构133。采集固定件132可以直接固定图像采集机构131，使图像采集机构131随着采集固定件132的移动而移动。采集固定件132可以与第二执行机构133啮合，在第二执行机构133的控制下，采集固定件132可以进行前后移动。由此可见，眼球追踪模组可以根据不同用户的需求，分别控制非球面透镜组件141和图像采集装置13进行前后移动。

如图5所示，图像采集装置13可以包括图像采集机构131、采集固定件132 和第二执行机构133。采集固定件132可以间接固定图像采集机构131，采集固定件132可以与第二执行机构133啮合，在第二执行机构133的控制下，图像采集机构131可以进行前后移动和俯仰调节。在第一执行结构142的控制下，非球面透镜组件141可以进行前后移动。

如图1所示，进一步地，眼球追踪模组还可以包括：主控模块18，主控模块18分别与红外光源组件12、图像采集装置13、第一执行机构142(图1中未示出)和第二执行机构133(图1中未示出)连接，主控模块18用于与红外光源组件12、图像采集装置13、第一执行机构142和第二执行机构133进行信号传输。

主控模块18可以为红外光源组件12、图像采集装置13、第一执行机构142 和第二执行机构133供电；也可以向红外光源组件12发送红外控制信号以控制红外光源组件12的发光亮度和发光时间；也可以向图像采集装置13发送采集控制信号以控制图像采集装置13进行图像采集的时间；也可以接收图像采集装置13回传的图像信息；还可以向第一执行机构142和第二执行机构133发送驱动控制信号以可以分别控制第一执行机构142和第二执行机构133带动非球面透镜组件141和图像采集机构131移动。

主控模块18的位置不作限定，主控模块18可以设置在眼球追踪模组中任意位置处，只要能够与红外光源组件12、图像采集装置13、第一执行机构142 和第二执行机构133连接，以进行信号传输即可。

如图3所示，进一步地，第一执行机构142包括透镜驱动器1421和透镜传动器1422；

透镜驱动器1421和透镜传动器1422连接，用于在主控模块18的控制下带动透镜传动器1422转动，非球面透镜组件141在透镜传动器1422转动时移动。

主控模块18可以与第一执行机构142的透镜驱动器1421连接，用于向透镜驱动器1421发送驱动控制信号(该驱动控制信号可以为主控模块18用于控制第一执行机构142的信号)，透镜驱动器1421基于主控模块18向透镜驱动器1421发送的驱动控制信号转动。非球面透镜组件141中透镜固定件1412可以与透镜传动器1422啮合，在透镜传动器1422转动时，非球面透镜组件141 前后移动。其中，透镜驱动器1421可以为电机，透镜传动器1422可以为齿条。

如图4所示，进一步地，第二执行机构133包括采集驱动器1331和采集传动器1332；

采集驱动器1331和采集传动器1332连接，用于在主控模块18的控制下带动采集传动器1332转动，图像采集机构131在采集传动器1332转动时移动。

可以理解的是，主控模块18可以与第二执行机构133的采集驱动器1331 连接，用于向采集驱动器1331发送驱动控制信号(该驱动控制信号可以为主控模块18用于控制第二执行机构133的信号)，采集传动器1332基于主控模块 18向采集驱动器1331发送的驱动控制信号转动。采集固定件132可以与采集传动器1332啮合，在采集传动器1332转动时，采集固定件132可以前后移动。其中，采集驱动器1331可以为电机，采集传动器1332可以为齿条。

如图5所示，进一步地，图像采集装置13还包括转动座134，图像采集机构131设置在转动座134上，转动座134转动的连接于采集固定件132上，转动座134用于控制图像采集机构131进行俯仰调节；

第二执行机构133还包括角度驱动器1333和角度传动器1334；

角度驱动器1333和角度传动器1334连接，用于在主控模块18的控制下带动角度传动器1334转动，转动座134在角度传动器1334转动时转动。

图像采集机构131可以固定设置在转动座134上，转动座134可以转动的连接在采集固定件132上，图像采集机构131可以随转动座134的转动而转动，从而实现图像采集机构131的俯仰调节。相应的，第二执行机构133可以包括角度驱动器1333和角度传动器1334。角度驱动器1333可以与主控模块18连接以接收主控模块18发送的驱动控制信号，从而带动角度传动器1334转动。其中，转动座134可以与角度传动器1334啮合，当角度传动器1334转动时，转动座134随之转动，从而实现了对图像采集机构131的俯仰调节。其中，转动座134可以为齿轮，角度驱动器1333可以为电机，角度传动器1334可以为齿条。

图6是本实用新型实施例一中的眼球追踪模组的分解状态示意图。如图6 所示，进一步地，图像采集机构131包括图像传感器1311、镜头本体1312、粘贴在镜头本体1312上的红外光滤光片1313和镜头座1314；

镜头座1314用于固定镜头本体1312，镜头本体1312通过镜头座1314粘接在图像传感器1311上。

如图6所示，镜头本体1312与非球面透镜本体1411相对面上可以镀有红外光滤光片1313，以使红外光更好的经过镜头本体1312成像于图像传感器1311 上。

如图6所示，进一步地，红外光源组件12包括至少两个红外光源本体121、光源固定件122和灯罩123；

光源固定件122设置有与红外光源本体121个数相同的安装槽1221；

各红外光源本体121安装在对应的安装槽1221底部；

灯罩123的个数与红外光源本体121的个数相同，灯罩123包括至少一个导光面，用于将对应的红外光源本体121发出的红外光导向特定方向。

红外光源组件12可以通过光源固定件122固定于壳体11的第一端面111 上。其中，光源固定件122的形状不作限定。光源固定件122上可以设置有与红外光源本体121个数相同的安装槽1221，安装槽1221可以用于将各红外光源本体121固定在光源固定件122上。如图6所示，示出了6个红外光源本体 121，此处并不对红外光源本体121的个数进行限定。

可以理解的是，为保证红外光源本体121发出的红外光以一定倾角斜入射至用户眼睛15，且不直接入射至目镜16，安装槽1221可以设置为导光槽，各导光槽的各侧面为导光面，各导光面中至少包括一个斜面导光面，以将红外光源本体121发出的红外光以一定倾角斜入射至用户眼睛15，从而保证用户眼睛 15能够呈现所有光斑。

此外，为进一步将红外光源本体121发出的红外光以一定倾角入射至用户眼睛15，可以在红外光源本体121周围设置灯罩123。灯罩123个数可以与红外光源本体121个数相同，灯罩123可以包括至少一个导光面，其余面可以采用不透光材质，以将红外光源本体121的照射范围限定在一定范围内。

如图6所示，进一步地，非球面透镜本体1411与第一端面111(图6中未示出)相对的第一面镀有红外反射膜19；

非球面透镜本体1411为凹透镜、凸透镜或者弯月透镜。

非球面透镜本体1411通过在与红外光源组件12相对面镀红外反射膜19，可以使非球面透镜本体1411拥有反射红外光，透射可见光的特性，从而在不阻碍用户视线的基础上，使图像采集装置13接收非球面透镜本体1411所反射的红外光，实现对用户视线的追踪。非球面透镜1411可以做成凹透镜、凸透镜或者弯月透镜等带有一定屈光度的透镜，从而有效的矫正近视或远视用户。该非球面透镜本体1411还可以矫正由于目镜16所引起的像差，提升光斑成像质量，也可以避免由眼镜反光所引起的杂散光。

实施例二

本实施例在上述实施例的基础上提供了一种头戴式显示设备，该头戴式显示设备包括目镜，还包括显示屏和本实用新型实施例提供的眼球追踪模组。

该头戴式显示设备的目镜可以设置在眼球追踪模组的第一端面位置处，显示屏可以设置在眼球追踪模组第二端面位置处，其中，眼球追踪模组的壳体可以设置成头戴显示设备的壳体，本实施例提供的头戴式显示设备通过集成本实用新型实施例提供的眼球追踪模组可以有效避免佩戴眼镜用户由于眼镜反光而引入的像差和杂散光，也能够减少目镜所引起的像差，提升光斑成像质量。

进一步地，本实施例中显示屏配置为多维度显示屏，所述多维度显示屏用于显示多维度图像。

可选的，显示屏为能显示多维度图像显示屏，具体的，多维度显示屏可以选用3D显示屏或者多块堆叠的LCD显示屏。

所述多维度显示屏用于防止头戴式显示设备显示的画面引起视觉辐辏调节冲突(即VAC现象)，这一现象造成的眩晕感是目前虚拟显示面临的难以突破的瓶颈。当我们在看某一点时，双眼转动使视点落在视网膜上相对应的位置，看近处的物体时，双眼通常向内看，看远处的物体视轴会发散些，这就产生了视觉辐辏；当我们看现实中的实物时，除了视觉辐辏调节，还需要对不同距离的光进行屈光调解，将光线聚焦到视网膜上才能成清晰的像。此过程中晶状体聚焦在物体的过程叫做焦点调节。而屏幕发出的光线并没有深度信息，眼睛的焦点就定在屏幕上，因而眼睛的焦点调节与屏幕显示的纵深感是不匹配的，从而产生视觉辐辏调节冲突(VAC现象)，这种冲突是与人类日常生理规律是相违背的，因此才会有视觉疲劳、眩晕感。

多维度显示屏可展现的画面可以有深度信息，也就是光从空间立体中的点发射出来，让人眼的视觉辐辏和焦点匹配，光不仅要有强度还要有方向，即，光场显示技术。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。