用于确定注视方向的设备和方法

专利名称：用于确定注视方向的设备和方法
技术领域：
本发明涉及确定眼睛的注视方向。
背景技术：
人的注视方向可以用来选择显示于计算机屏幕上的选项。因此可以使用提供关于 注视方向的信息的眼睛跟踪器设备而不是计算机鼠标例如作为指示和选择设备。当光撞击眼睛时在晶状体、角膜和视网膜的边界上出现若干反射。这些反射提供 称为普尔钦(Purkinje)图像的反射斑。来自外角膜表面的反射提供第一普尔钦图像，也称 为反光点(glint)。可以基于瞳孔相对于第一普尔钦图像的位置的位置来确定眼睛的取向。专利申请PCT/FI2006/050043公开了 一种包括衍射光束扩展器以提供两个照射 光束的眼睛跟踪器设备。使用两个普尔钦图像使该确定过程基本上独立于在眼睛与跟踪器 设备之间的距离。所述申请也公开了眼睛跟踪器设备可以与虚拟显示单元组合使用，其中 所述虚拟显示单元被布置成显示虚拟图像。

发明内容
本发明的目的在于提供一种用于确定注视方向的设备和方法。根据本发明的第一方面，提供一种用于确定眼睛的注视方向的设备，所述设备包 括-第一成像单元，用于获取所述眼睛的图像，-基本上平坦波导衬底，-光源，用于提供第一光束，所述第一光束被基本上校准，-输入耦合光栅，用于将所述光束的光衍射到所述衬底并且形成在所述衬底内在 不同方向上传播的第一输入耦合光束和第二输入耦合光束，-第一扩展光栅部分，用于通过衍射所述第一输入耦合光束的光来提供第一扩展 内部光束，-第二扩展光栅部分，用于通过衍射所述第二输入耦合光束的光来提供第二扩展 内部光束，-第一输出耦合光栅部分，用于通过从所述衬底衍射输出所述第一内部光束的光 来形成第一基本上校准的照射光束，-第二输出耦合光栅部分，用于通过从所述衬底衍射输出所述第二内部光束的光 来形成第二基本上校准的照射光束，所述照射光束具有相对于所述设备的不同方向，从而 所述第一照射光束在光从眼睛的表面反射时提供第一反射斑并且所述第二照射光束在光 从所述眼睛的表面反射时提供第二反射斑，所述反射斑出现于所述图像中，以及_数据处理单元，用于基于所述第一反射斑在所述图像中的位置、所述第二反射斑 在所述图像中的位置、所述眼睛的瞳孔和/或虹膜在所述图像中的位置和照射光束的方向 来确定眼睛相对于所述设备的注视方向。
根据本发明的第二方面，提供一种用于确定眼睛的注视方向的方法，所述方法包括_通过使用第一成像单元来获取所述眼睛的图像，-通过使用光源来提供基本上校准的第一光束，-通过使用输入耦合光栅来衍射所述第一光束的光以便形成在基本上平坦波导衬 底内在不同方向上传播的第一输入耦合光束和第二输入耦合光束，-通过第一扩展光栅部分来衍射所述第一输入耦合光束的光以提供在所述衬底内 传播的第一扩展内部光束，-通过第二扩展光栅部分来衍射所述第二输入耦合光束的光以提供在所述衬底内 传播的第二扩展内部光束，-通过第一输出耦合光栅部分从所述衬底衍射输出所述第一扩展内部光束的光以 形成第一基本上校准的照射光束，-从所述衬底衍射输出所述第二扩展内部光束的光以形成第二基本上校准的照射 光束，所述照射光束具有不同方向，从而所述第一照射光束在光从眼睛的表面反射时提供 第一反射斑并且所述第二照射光束在光从所述眼睛的表面反射时提供第二反射斑，所述反 射斑出现于所述图像中，以及_基于所述第一反射斑在所述图像中的位置、所述第二反射斑在所述图像中的位 置、眼睛的瞳孔和/或虹膜在所述图像中的位置和照射光束的方向来确定眼睛的注视方 向。根据本发明的第三方面，提供一种用于显示虚拟图像和用于确定眼睛的注视方向 的便携设备，所述设备包括-第一成像单元，用于获取所述眼睛的图像，-基本上平坦波导衬底，-光源，用于提供第一光束，所述第一光束被基本上校准，-输入耦合光栅，用于将所述光束的光衍射到所述衬底并且形成在所述衬底内在 不同方向上传播的第一输入耦合光束和第二输入耦合光束，-第一扩展光栅部分，用于通过衍射所述第一输入耦合光束的光来提供第一扩展 内部光束，-第二扩展光栅部分，用于通过衍射所述第二输入耦合光束的光来提供第二扩展 内部光束，-第一输出耦合光栅部分，用于通过从所述衬底衍射输出所述第一内部光束的光 来形成第一基本上校准的照射光束，-第二输出耦合光栅部分，用于通过从所述衬底衍射输出所述第二内部光束的光 来形成第二基本上校准的照射光束，所述照射光束具有不同方向，从而所述第一照射光束 在光从眼睛的表面反射时提供第一反射斑并且所述第二照射光束在光从所述眼睛的表面 反射时提供第二反射斑，所述反射斑出现于所述图像中，_数据处理单元，用于基于所述第一反射斑在所述图像中的位置、所述第二反射斑 在所述图像中的位置、眼睛的瞳孔和/或虹膜在所述图像中的位置和照射光束的方向来确 定眼睛相对于所述设备的注视方向，
-光学引擎，用于提供至少一个光束，以及-衍射光束扩展器，用于扩展所述至少一个光束，从而经过所述衍射光束扩展器的 观察孔来可视地观测虚拟图像。根据本发明的第四方面，提供一种用于确定眼睛的注视方向的注视方向确定装 置，所述装置包括-第一成像装置，用于获取所述眼睛的图像，-基本上平坦波导衬底，-光源装置，用于提供第一光束，所述第一光束被基本上校准，
-输入耦合光栅，用于将所述光束的光衍射到所述衬底并且形成在所述衬底内在 不同方向上传播的第一输入耦合光束和第二输入耦合光束，-第一扩展光栅部分，用于通过衍射所述第一输入耦合光束的光来提供第一扩展 内部光束，-第二扩展光栅部分，用于通过衍射所述第二输入耦合光束的光来提供第二扩展 内部光束，-第一输出耦合光栅部分，用于通过从所述衬底衍射输出所述第一内部光束的光 来形成第一基本上校准的照射光束，-第二输出耦合光栅部分，用于通过从所述衬底衍射输出所述第二内部光束的光 来形成第二基本上校准的照射光束，所述照射光束具有不同方向，从而所述第一照射光束 在光从眼睛的表面反射时提供第一反射斑并且所述第二照射光束在光从所述眼睛的表面 反射时提供第二反射斑，所述反射斑出现于所述图像中，以及_数据处理装置，用于基于所述第一反射斑在所述图像中的位置、所述第二反射斑 在所述图像中的位置、眼睛的瞳孔和/或虹膜在所述图像中的位置和照射光束的方向来确 定眼睛相对于所述注视方向确定装置的注视方向。输入耦合光栅将单个校准的光束分成至少两个部分提供一种布置眼睛照射的简 单和稳定方式。在一个实施例中，该设备也包括光学引擎和又一衍射光束扩展器以显示虚拟图 像。相同输出耦合光栅可以用于提供照射光束和虚拟图像。在一个实施例中，该设备也包括光学引擎和又一衍射光束扩展器以显示虚拟图 像。眼睛跟踪器单元的第一衍射光束扩展器和用于显示虚拟图像的第二衍射光束扩展器可 以实施于相同衬底上。第一衍射光束扩展器的输出光栅的衍射特征可以基本上垂直于第二 衍射光束扩展器的输出耦合光栅的衍射特征。因而，第二衍射光束扩展器的输出光栅从衬 底耦合输出仅最少量照射光束和/或第二衍射光束扩展器的输出光栅从衬底耦合输出的 照射光在不干扰注视方向确定的方向上传播。


在以下例子中将参照如下附图更详细地描述本发明的实施例，其中图Ia在三维视图中示出了眼睛以参考坐标系为参照的注视方向，图Ib在三维视图中示出了眼睛的光轴以图Ia的参考坐标系为参照的方向，图2在侧视图中示出了用于确定注视方向的眼睛跟踪设备，
图3在侧视图中示出了光线从角膜表面的反射，
图4示出了眼睛的图像，所述图像包括两个反射斑，图5a在侧视图中示出了适合于提供第一校准的照射光束和第二校准的照射光束 的衍射光束扩展器，图5b在三维视图中示出了适合于提供第一校准的照射光束和第二校准的照射光 束的衍射光束扩展器，图6a在三维视图中示出了包括衍射光束扩展器的眼睛跟踪设备，图6b示出了图6a的衍射光束扩展器，图6c示出了在图6a的衍射光束扩展器上衍射特征的取向，图7a示出了衍射光束扩展器，图7b示出了在图7a的衍射光束扩展器上衍射特征的取向，图7c在三维视图中示出了包括图7a的衍射光束扩展器的眼睛跟踪设备，图7d在三维视图中示出了布置成至少在三个不同方向上衍射光的输入耦合光 栅，图8a示出了衍射光束扩展器，图8b示出了在图8a的衍射光束扩展器上衍射特征的取向，图9在三维视图中示出了包括衍射光束扩展器的虚拟显示设备，图IOa在侧视图中示出了图9的虚拟显示设备，图IOb示出了微型显示器生成的图像，图Ila在三维视图中示出了光线或者光束的天顶角和方位角，图lib在俯视图中示出了输入耦合光束的方位角和输出耦合光束的方位角，图Ilc在三维视图中示出了输入耦合光束的天顶角和输出耦合光束的天顶角，图12a在俯视图中示出了包括偏转和恢复中间光栅部分的衍射光束扩展器，图12b在俯视图中示出了在图12a的衍射光束扩展器上衍射特征的取向，图12c在俯视图中示出了在图12a的衍射光束扩展器上衍射特征的取向，图13在俯视图中示出了包括偏转和恢复中间光栅部分的衍射光束扩展器，图14在三维视图中示出了光束在图13的衍射光束扩展器中的传播，图15a在俯视图中示出了用于显示虚拟图像的衍射光束扩展器，图15b在俯视图中示出了用于提供两个校准照射光束的衍射光束扩展器，图15c在俯视图中示出了包括用于提供两个校准照射光束的第一衍射光束扩展 器和用于显示虚拟图像的第二衍射光束扩展器的衬底，图16a在俯视图中示出了用于提供两个校准照射光束的衍射光束扩展器，图16b在俯视图中示出了用于显示虚拟图像的衍射光束扩展器，图16c在俯视图中示出了包括用于提供两个校准照射光束的第一衍射光束扩展 器和用于显示虚拟图像的第二衍射光束扩展器的衬底，图17示出了眼睛跟踪设备，图18示出了双目衍射光束扩展器，图19示出了双目虚拟显示设备，图20示出了包括眼睛跟踪单元的双目虚拟显示设备，
图21示出了经过虚拟显示设备的观察孔观察的虚拟图像，以及图22示出了用于确定相对于外部对象的注视方向的眼睛跟踪设备。
具体实施方式
参照图la，可以通过注视方向GZD相对于参考坐标系的方向SX、SY和SZ的天顶 角θ 1和方位角φ 来表达眼睛El的注视方向GZD。方向SZ定义参考坐标系的竖直方向， 并且方向SX定义参考坐标系的水平方向。方向SX、SY和SZ正交。关于天顶角和方位角的 定义参见图11a。眼睛El的视网膜的称为凹部FV的部分负责最明显视觉。注视方向GZD可以由穿 过凹部FV中心和眼睛El的晶状体LNS的主点的线定义。参考线REFl平行于参考坐标系的方向SY。眼睛El的位置可以在方向SX、SY和/ 或SZ上移动。参考线REFl —般未穿过眼睛El的中心0。对象1002、1003位于与眼睛El相距相当或者无穷远处。对象1002、1003可以是 物理对象(例如身体)、显示于远处显示屏上的图像或者由虚拟显示器显示的图像。假设已知相对于参考线REFl上的点C，对象1002、1003的角坐标并且已知在眼睛 El与对象1002、1003之间的距离当与在点C与眼睛中心0之间的距离相比较时为长。距 离之比可以例如大于或者等于十。因此，对象1002、1003可以与注视方向GZD关联。因而， 通过已知注视方向GZD的天顶角θ 1和方位角φ ，可以确定眼睛El正在看着哪个对象，例 如，眼睛El是在看着星形1002还是六边形1003。参照图lb，眼睛El的实际形式略微为非球形，但是角膜的形式可以由球形表面近 似。这里，眼睛El的中心0是指最佳拟合球体的中心，所述球体与角膜表面拟合。这里，目艮 睛El的半径R是指所述最佳拟合球体的半径。眼睛El的光轴的方向DOA由穿过眼睛El的中心0和瞳孔P的最佳拟合中心的线 来定义。瞳孔由虹膜IRI包围。也可以部分地或者完全地基于虹膜IRI的位置来确定瞳孔 P的最佳拟合中心。注视方向GZD通常从光轴的方向DOA偏离3_5度。可以例如通过校准测量来建立 在方向DOA的天顶角和方位角θ ι'、φΓ与注视方向GZD的天顶角和方位角θ ι、φ1之间 的关系。所述关系可以例如表达为回归方程。参照图2，光轴方向DOA的天顶角Θ1'和方位角φΓ又可以由眼睛跟踪器设备 200确定。眼睛跟踪器设备200可以包括一个或者多个输出耦合光栅或者光栅部分230和 成像单元400。输出耦合光栅230提供引向眼睛El并且具有不同方向的至少两个基本上校 准的光束Β11、Β12。成像单元400提供眼睛El的图像。第一照射光束Bll的方向可以由所述光束Bll的天顶角φι丨和方位角θ η标识。 第二照射光束Β12的方向可以由所述光束Bll的天顶角φ 2和方位角θ12标识。在图2中 仅示出了天顶角θ η和θ12。光束Bll和Β12在不同方向上传播、S卩θ n兴012和/或 φ 关Cpl2。Ll表示在成像单元400与眼睛El的瞳孔P之间的距离。
成像单元400包括将光聚焦到图像传感器上的、可以例如是电荷耦合器件(CXD) 或者CMOS图像传感器的成像光学器件。成像单元400可以包括用于自动聚焦的装置。参照图3，光束Bll的光从提供在若干不同方向上传播的多个反射光线的角膜表 面反射。反射光线的窄扇由成像单元400的孔接收。所述扇在这里由单个射线NC代表，该 射线是所述扇的加权平均。射线NC从眼睛El的表面上的反射点N向成像单元400的成像 光学器件的主点C反射。第二照射光束B12(图3中未示出)也从角膜表面向成像单元400反射。第二照 射光束B12从眼睛El的表面上的点M(未示出)向成像单元400的成像光学器件的主点C 反射。图4示出了眼睛El的如由成像单元400获取的图像401。第一照射光束Bll引向 眼睛E1，从而第一光束Bll的反射提供出现于图像401中的第一反射斑G1。第二照射光束 B12引向眼睛E1，从而第二光束B12的反射提供出现于图像401中的第二反射斑G2。图像 分析算法可以用来确定反射斑Gl、G2在图像401中的坐标XI、ZU X2、Z2和瞳孔P在图像 401中 的坐标X3、Z3。反射斑Gl、G2、即第一普尔钦图像应当区别于源于眼睛El内部的其 它普尔钦图像。瞳孔是指在虹膜IRI中心的圆形透明区域。正是这一黑色区域的位置可以由布置 成观察眼睛El的相机400确定。第一反射斑Gl的角位置可以由在参考方向REFl与从成像光学器件的点C向反射 斑Gl的中心、即向图3中所示点N绘制的线之间的水平角和竖直角定义。可以基于获取的 图像401来确定反射斑G1、G2和瞳孔P的角位置。可以基于在成像光学器件与图像传感器 之间的已知距离来计算在像素在获取的图像中的位置与成像于所述像素上的特征的角位 置之间的关系。也可以在测试台上实验确定该关系。当注视方向改变时，瞳孔P相对于反射斑Gl、G2进行移动。与反射斑Gl、G2的位置之差对应的角度差建立如下衡量标准，该标准使注视方向 的确定基本上独立于在成像光学器件400与眼睛El之间的距离Li。例如已经在专利出版物W02007085682A1中描述了用于基于反射斑Gl、G2和瞳孔 Pl的位置来确定注视方向GZD和/或光轴的方向DOA的算法。注视方向GZD和/或光轴的方向DOA的确定可以包括-基于反射斑G1、G2在成像单元400获取的图像401中的坐标来确定反射点N、M 在眼睛El的表面上的角位置，-基于照射光束B11、B12的方向以及从成像光学器件的主点C向所述反射点N和 M绘制的矢量CN和CM的方向来计算在所述点N和M的表面法线Ni、N2的方向，所述表面 法线N1、N2垂直于眼睛El的表面，-确定与法线m和N2垂直的辅助矢量GH，-计算矢量GH、CM和CN的长度，-通过所述辅助矢量GH的中点来近似眼睛中心0的位置，-基于瞳孔P和/或虹膜在获取的图像401中的坐标来确定从主点C到瞳孔中心 P的矢量CP的方向，
-计算瞳孔中心P的位置，以及
-计算从眼睛El的中心0到瞳孔中心P的矢量OP的方向，所述矢量OP的方向是 眼睛El的光轴的方向D0A。应当注意眼睛El的瞳孔和晶状体未在眼睛El的表面上而是在眼睛El内部。可 以通过校准来确定由上述算法建立的在注视方向GZD与光轴的方向DOA之间的关系(参见 在图21的上下文中的讨论)。因此，可以通过使用一个或者多个回归方程基于眼睛El的光 轴的方向DOA来确定注视方向GZD。参照图5a，眼睛跟踪设备200可以包括光源350和衍射光束扩展器207以提供至 少两个基本上校准的照射光束B11、B12。眼睛跟踪设备200也包括成像单元400和数据处 理单元550 (参见图17)。光源350可以例如是适合于发射例如红外光的激光器。成像单元400对光源350 的波长敏感。成像单元400可以包括光滤波器以反射其它波长的光。衍射光束扩展器可以包括输入耦合光栅210和输出耦合光栅230。光栅230也可 以是相同光栅的各部分。光栅210、230可以实施于基本上平坦透明衬底7上。衬底7具有 第一基本上平坦表面和与所述第一平坦表面基本上平行的第二基本上平坦表面。衬底7是波导，这意味着输入耦合光可以在所述衬底7内传播，从而所述传播光可 以通过全内反射(TIR)而受限于所述衬底7。光源350可以提供窄光束B4。窄光束B4撞击输入耦合光栅210，该输入耦合光栅 将所述窄光束的光衍射到至少两个不同方向上。输入耦合光栅充当提供第一输入耦合光束 B5和第二输入耦合光束B6的衍射分束器。在衬底7内传播的光束B5和B6通过全内反射 而受限于衬底7。第一输入耦合光束B5可以基本上对应于-1阶反射或者透射衍射，并且第二输入 耦合光束B6可以基本上对应于+1阶反射或者透射衍射。光束B5和B6的光可以由输出耦合光栅230从衬底7耦合输出。输出耦合光栅 230提供照射光束B11、B12。美国专利6，580，529公开了一种用于二维扩展光束的衍射光束扩展器。参照图5b，衍射光束扩展器207还可以包括第一扩展光栅221和第二扩展光栅 222。第一扩展光栅221可以通过衍射第一输入耦合光束B5的光来提供第一内部光束B7。 第二扩展光束221可以通过衍射第二输入耦合光束B5的光来提供第二内部光束B8。内部 光束B7、B8在与光源350提供的原有窄光束B4相比较时已经在方向SX上被扩展。窄光束B4可以基本上垂直于输入耦合光栅210。一个输出耦合光栅、多个输出耦合光栅或者输出耦合光栅部分230可以通过从衬 底7衍射输出内部光束B7、B8的光来提供照射光束B11、B12。可以导引照射光束B11、B12 并且可以相对于眼睛El对跟踪器设备200进行定位使得照射光束B11、B12撞击眼睛El的 角膜表面。输出耦合光栅230可以在方向SZ上提供光束扩展。因而，照射光束B11、B12现 在在与窄光束B4的维度相比较时可以在方向SX和SZ上被扩展。光栅210、221、222和230可以具有基本上线性衍射特征，例如多个脊和/或槽。输 入耦合光栅210的衍射特征可以基本上平行于方向SZ。输出耦合光栅230的衍射特征可以 基本上平行于方向SX。可以选择在扩展光栅中衍射特征的取向使得内部光束B7、B8具有不同方位角。因此，光束B7、B8在输出耦合光栅230处的衍射提供在不同方向上传播的照射光束Bll和B12，尽管在与光束B7对接的第一光栅部分处的衍射特征取向与在与光束B8 对接的第二光栅部分处的衍射特征取向相同。因而，即使光栅230的相同部分也可以用来 在光束Bll的方向上和在光束B12的方向上衍射光。即使光栅230的相同点也可以在光束 Bll的方向上和在光束B12的方向上衍射光。这有助于提供在与光束扩展器207相距预定 距离处、即在扩展器与眼睛El之间的优选距离处几乎完全重叠的照射光束B11、B12。优选 距离在护目镜型设备(参见图19)的情况下可以例如范围为5至50mm。图6a示出了眼睛跟踪器设备200的三维视图。成像单元400可以被布置成经过 衍射光束扩展器207的衬底7监视眼睛El。图6b示出了光栅在图6a的眼睛跟踪器设备200的衍射光束扩展器207上的位置。图6c示出了在图6a的眼睛跟踪设备200中光栅210、221、222和230的衍射特征 的取向。光栅210、221、222和230可以在方向SX和SZ定义的平面中。输入耦合光栅210 的衍射特征可以基本上平行于方向SZ。输出耦合光栅230的衍射特征可以基本上平行于方 向SZ。可以选择扩展光栅221、222的光栅周期d221和d222以及扩展光栅221、222的衍射特 征的取向角P221、P 222使得内部光束B7、B8在衬底7内在不同方位方向上传播。图7a示出了光栅210、221、222、230的另一布局。从扩展光栅221衍射的光B8可 以再次撞击相同光栅221，由此提供在与原有输入耦合光束B5相同的方向上传播的辅助光 束B5'。辅助光束B5'的光可以提供在内部光束B7的方向上传播的更多光线。扩展光栅 222可以用类似方式提供一个或者多个辅助光束B6'。因此，扩展光栅221、222提供已经 在方向SZ上扩展的内部光束B7、B8。从光源350发射的窄光束B4可以相对于输入耦合光栅210倾斜使得输入耦合光 束B5、B6在衬底7内未在相反方向上传播。光束B5的方位角可以例如范围为-90度至-45 度，并且光束B6的方位角可以例如范围为45度至90度。图7b中的影线图案示意地示出了光栅210、221、222、230中的衍射特征的取向。可 以根据等式(1)来选择光栅221和222中的衍射特征的取向
=---- cos ρ+sin ΘΒ4 sin 广 ι
2《1丨 ^im，( 1 )其中θ Β4是光束Β4在衬底7以外的天顶角，P是在光栅210的衍射特征与光栅 221的衍射特征的取向之间的角度，λ表示波长，d221表示光栅221的光栅周期，并且(121(|表 示光栅210的光栅周期。222和221的光栅线的角度P可以例如范围为10-30度。图7c在三维视图中示出了图7a和图7b的眼睛跟踪器设备200。参照图7d，输入耦合光栅可以将光束B4的光衍射到三个或者更多不同方向上。例 如，可以按照-1和+1阶衍射通过衍射形成输入耦合光束B5和B6，并且可以按照零阶衍射 通过衍射来形成第三光束B9。输入耦合光束B5和B6在衬底7内向输出耦合光栅230和/ 或向扩展光栅部分221、222传播以便形成从衬底7耦合输出的照射光束B11、B12。与零阶衍射对应的第三光束B9以它未通过全内反射而受限于衬底7这样的角度 撞击衬底的相反平面。因此，光束B9经过衬底7透射并且从衬底7耦合输出。
输入耦合光栅例如也按照2阶衍射来衍射光束B4的光以便提供又一输入耦合光 束B10，该又一输入耦合光束可以在衬底7内向输出耦合光栅230和/或向又一扩展光栅部 分(未示出)传播以便形成从衬底7向眼睛耦合输出的第三照射光束(未示出)。也可以 按照_2阶衍射通过衍射提供又一输入耦合光束。可以使用在不同方向上传播的三个或者更多不同照射光束来确定注视方向。在三 个照射光束的情况下，可以三次使用为两个光束开发的注视方向检测算法。第一次通过使 用第一照射光束和第二照射光束，第二次通过使用第一照射光束和第三照射光束，并且第 三次通过使用第二照射光束和第三照射光束。可以例如平均三个确定的注视方向的天顶角 以便提高准确性。可以例如平均三个确定的注视方向的方位角以便提高准确性。
图8a示出了衍射光束扩展器207的又一布局，其中扩展光栅221、222的周界相对 于输出耦合光栅230的衍射特征的方向而倾斜。从光源350发射的窄光束B4可以相对于 输入耦合光束210倾斜以提供相对于输出耦合光栅230的衍射特征的方向倾斜的输入耦合 光束B5、B6。伸长的扩展光栅221、222可以与输入耦合光束B5、B6的方向基本上对准。图8b中的影线图案示出了在图8a的设备中光栅210、221、222、230中的衍射特征 的近似取向。图9示出了虚拟显示设备100。虚拟显示设备200可以包括光学引擎150和衍射 光束扩展器107。光学引擎150可以包括微型显示器170和成像光学器件160 (图IOa)。成 像光学器件160将由微型显示器170形成的实际图像605 (图IOb)转换成可经过衍射光束 扩展器107的观察孔35来观测的虚拟图像1002 (图19)。衍射光束扩展器107可以包括输入光栅10、至少一个光束偏转部分21a、22a、至少 一个方向恢复部分21b、22b和输出光栅30。光栅10、30和部分21a、21b、22a、22b可以实施 于基本上平坦波导衬底7上。光学引擎提供输入光束B0。撞击输入光栅10的输入光束BO可以耦合输入衬底7 使得对应的输入耦合光束Bl在所述衬底内向光束偏转部分21a、22a传播。波导衬底7的平坦表面在方向SX和SZ定义的平面中。部分输入耦合光束Bl撞击第一光束偏转光栅部分21a，该第一光束偏转光栅部分 向第一方向恢复光栅部分21b衍射光从而提供第一偏转光束U1。恢复部分21b衍射光束 Ul的光从而提供第一恢复光束VI。恢复光束Vl相对于原有输入耦合光束Bl已经移位，并 且它基本上在与原有输入耦合光束Bl相同的方向上传播。部分输入耦合光束Bl可以撞击第二光束偏转光栅部分22a，该第二光束偏转光栅 部分可以向第二方向恢复光栅部分22b衍射光从而提供第二偏转光束U2。恢复部分22b衍 射光束U2的光从而提供第二恢复光束V2。第二恢复光束V2相对于原有输入耦合光束Bl 也已经移位，并且它基本上在与原有输入耦合光束Bl相同的方向上传播。部分原有输入耦合光束Bl可以在衬底7内传播而未由部分21a、21b、22a、22b进 行衍射。光束Bl的未衍射部分、恢复光束Vl和/或恢复光束V2可以一起形成在与原有输 入耦合光束Bl相同的方向上传播的扩大光束。扩大光束可以随后由输出光栅30从衬底7耦合输出以提供在与与输入光束BO的 维度相比较时在两个方向SX和SZ上扩展的输出光束B2。输出光束B2可以被布置成撞击观测者的眼睛El。输出光束B2的高度H2大于输入光束BO的高度H0。因此，衍射光束扩展器107在 方向SZ上提供光束扩展。输出光束B2的宽度W2可以大于输入光束BO的宽度W0。输出光 束B2的最大高度H2和最大宽度W2受观察孔35的尺度限制。可以选择输入光栅10的高 度和宽度以基本上等于或者大于输入光束BO的尺度以便最大化将光耦合输入到衬底7中 的效率。各光栅和光栅部分是衍射元件。各光栅和光栅部分可以例如是通过模制或者压花 来实施于平坦表面41、42中的任一表面上的表面浮雕光栅(图IOa)。光栅的轮廓可以例如 是正弦曲线、二元矩形或者加有标记(blazed)。另外，光栅的轮廓可以是二元偏斜或者正 弦曲线偏斜。一个或者多个光栅和/或部分可以嵌入于衬底7内。光栅10、30和光栅部分 21a、21b、22a、22b可以在由方向SX和SY定义的一个或者多个平面中。衬底7可以例如包括聚碳酸酯、有机玻璃(PMMA)或者玻璃等或者由聚碳酸酯、有 机玻璃(PMMA)或者玻璃等构成。参照图10a，光学引擎150可以包括微型显示器170和成像光学器件160。成像光 学器件160可以包括一个或者多个光学元件，比如透镜、镜、棱镜或者衍射元件。从微型显 示器170的点PXl发出的光线由成像光学器件160基本上校准以形成平行光线，这些光线 构成由光学引擎150提供的光束B0。设置微型显示器170与成像光学器件160之间的距离 L3,以使得微型显示器170的像素基本上在成像光学器件160的焦距处。提供多个光束BO 以便显示由多个像素构成的虚拟图像。从光学引擎150的输出孔151发出的至少一个光束BO撞击衍射光束扩展器107 的输入光栅10。输入光束BO的光由输入光栅10耦合输入到波导衬底7中。输入耦合光作 为输入耦合光束Bl在衬底7内传播。部分输入耦合光束Bl与第一偏转光栅部分21a互作 用从而提供偏转光束Ul。部分偏转光束Ul与恢复光栅部分21b互作用从而提供第一恢复 光束VI。部分输入耦合光束Bl可以保持未衍射(图IOa中未示出)。输出光栅30向观测 者的眼睛El衍射扩展输出光束B2。衍射光束扩展器107提供的扩大光束B2为观察者提供在与观察者相距无穷距离 处显示的虚拟图像1002这一印象。然而作为一种现象，尽管距离为无穷，但是人类观察者 通常感知显示的虚拟图像1002仅与他们相距数米。虚拟图像1002可以例如是如图19中 所示星形图案。衍射光束扩展器107可以是单目、即它可以具有仅一个输出光栅30。输入光栅10、 输出光栅30和/或光栅部分21a、21b、22a、22b可以是倾斜或者有标记表面浮雕光栅以便 最大化将光耦合到衬底7中和从衬底7耦合输出光的效率。衍射光束扩展器107可以包括 一个或者多个光学吸收结构80以消除杂散光。衬底7具有第一基本上平坦表面41和与所述第一平坦表面41基本上平行的第二 基本上平坦表面42。光栅10、30和部分21a、21b、22a、22b可以处于相同平坦表面41、42上 或者在相反表面41、42上。输入光束BO也可以在撞击输入光栅10之前透射经过衬底7。微型显示器170可以例如是液晶显示器、微型机械可移动镜阵列、发光二极管的 阵列或者是包括至少一个可移动和可调制发光点的单元。图IOb示出了形成于微型显示器170上的实际图像605。实际图像可以由发光像素或者发光点PXl形成。光学引擎150也可以包括用于提供光束的发光点和用于迅速地改变所述光束的 方向的光束导向单元，其中基于所述光束的方向来调制由所述发光点提供的光学功率。光 束导向单元可以例如包括一个或者多个转动反射器以改变光束的方向。换而言之，光学引 擎150也可以通过使用扫描方法来直接地提供虚拟图像。图Ila示出了光线LRl在方向SX_SY_SZ定义的坐标系中的方位角CpLRl和天顶角 em。一般而言，天顶角是在光线或者光束的方向与方向-SY之间的角度。方向-SY与方 向SY相反。方位角是在投影PRO与方向SX之间的角度，其中所述投影PRO是光线LRl在 方向SX和SZ定义的平面中的方向投影。投影PRO形成方位角的左侧。参照图11b，输入光束BO在SX-SZ平面上的投影相对于方向SX具有方位角φ丨N。 输入耦合光束Bl和恢复光束VI、V2的投影具有相对于方向SX的方位角。输出光束Β2的 投影具有相对于方向SX的方位角φουτ。中间光栅21可以包括偏转部分21a和恢复部分21b。第二中间光栅22可以包括 偏转部分22a和恢复部分22b。参照图11c，输入光束BO的方向具有相对于方向-SY的天顶角θ ΙΝ。输出光束Β2 的方向具有相对于方向-SY的天顶角Θ·。可以选择光栅10、30和光栅部分21a、21b、22a、22b的衍射特征的取向以及光栅 10、30和光栅部分21a、21b、22a、22b的光栅周期使得输入光束BO的天顶角θ ΙΝ基本上等于 输出光束Β2的天顶角θ ουτ并且使得输入光束BO的方位角φ Ν基本上等于输出光束Β2的 方位角Φουτ 在原理上，输出光束Β2也可以在方向SY上从衬底7向上耦合输出。可以选择光 栅10、30和光栅部分2la、2lb、22a、22b的衍射特征的取向以及光栅10、30和光栅部分21a、 21b、22a、22b的光栅周期使得输入光束BO的方向基本上平行于输出光束B2的方向。现在，由于保留与显示的虚拟图像1002对应的光束的方向，所以光束扩展器107 可以扩展光学引擎150的出口瞳孔。撞击观察者的眼睛El的多个光束B2产生与在观察无 光束扩展器107的光学引擎150提供的虚拟图像时相同的虚拟图像这一印象。然而由于光 束扩展器107，观察者具有在方向SX、SZ和SY上相对于虚拟显示单元200移动其眼睛El的 相当自由度。接着，将描述用于实施适合于扩展虚拟显示器的出口瞳孔的衍射光束扩展器107 的数个替代方式。参照图12a，衍射光束扩展器107可以包括输入光栅10、偏转部分21a、22a、恢复部 分21b、22b和输出光栅30。图12b中的影线图案示出了光栅10、30和光栅部分21a、21b、 22a、22b的衍射特征的近似取向。光栅10、30和光栅部分2la、2lb、22a、22b可以包括基本 上线性衍射特征，例如多个微观槽和/或脊。光栅10的特征FlO和光栅30的特征F30可 以基本上平行于方向SZ。输入光栅10和输出光栅30的光栅周期为dQ。参照图12c，部分 21a、21b、22a、22b 具有光栅周期分别为 d21a、(！21b、d22a、d22b 而取向角分别为 P 21a、P 21b、P 22a、 P 22b的基本上线性衍射特征F21a、F21b、F22a、F22b。取向角在这里定义衍射特征相对于光栅10 的衍射特征的方向的方向。第一偏转光栅部分21a具有相对于方向SZ的角度P 21a的多个衍射特征F21a。第一偏转光栅部分21a具有光栅周期d21a。第二偏转光栅部分22a具有相对于方向SZ的角度P 22a的多个衍射特征F22a。第 二偏转光栅部分22a具有光栅周期d22a。第一恢复光栅部分21b具有相对于方向SZ的角度P 21b的多个衍射特征F21b。第 一恢复光栅部分21b具有光栅周期d21b。第二恢复光栅部分22b具有角度相对于SZ的角度P 22b的多个衍射特征F22b。第 二恢复光栅部分22b具有光栅周期d22b。在衍射特征的取向角P与所述特征的光栅周期之间的关系由下式给出
j _ d0
"Ajcosp5(2)其中Cltl是光栅10的光栅周期，并且Atl是值范围为1. 8至2. 2的常数。具体而言， 常数Atl可以基本上等于二。现在可以使用等式(2)来求解光栅部分21a、21b、22a、22b、21c、 22c的光栅周期。可以使用等式(2)来求解光栅部分21a、21b、22a、22b、21C、22C的光栅周期，从而 仅在零阶衍射模式中和在一阶衍射模式中允许衍射。一阶衍射的符号取决于所选坐标。在所述第一偏转光栅部分21a的衍射特征F21a的方向与所述输入光栅10的衍射 特征Fltl的方向SZ之间的角度P 21a可以范围为55度至65度。具体而言，分别地，取向角 度P21a可以基本上等于60度。取向角度P22a可以基本上等于120度。第一偏转部分21a和第一恢复部分21b可以具有衍射特征的相同取向和相同光栅 周期。第二偏转部分22a和第二恢复部分22b可以具有衍射特征的相同取向和相同光栅周 期。第一辅助反射部分21c (参见图15a)和第一恢复部分21b可以具有衍射特征的相同取 向和相同光栅周期。第二辅助反射部分22c (参见图15a)和第二恢复部分22b可以具有衍 射特征的相同取向和相同光栅周期。参照图13，线AXl可以与输入光栅10和输出光栅30相交。具体而言，线AX可以 穿过输入光栅10的中心和输出光栅30的中心。偏转部分21a和恢复部分21b可以在线 AXl的不同侧上。偏转部分22a和恢复部分22b也可以在线AXl的不同侧上。因而，偏转光 束Ul和U2与线AXl交叉。参照图14，线AXl事实上是平面PLNl的投影。偏转部分21a和恢复部分21b可以 在由方向SX和SY定义的平面PLNl的不同侧上。偏转部分22a和恢复部分22b也可以在 平面PLNl的不同侧上。因而，偏转光束Ul和U2穿过平面PLNl。因此，衍射光束扩展器107可以包括_基本上平坦波导衬底7，-输入光栅10，用于通过将输入光束BO的光衍射到所述衬底7来提供在所述衬底 7内传播的输入耦合光束Bi，-第一偏转光栅部分21a，用于通过衍射部分所述输入耦合光束Bl来提供第一偏 转光束Ul，从而所述第一偏转光束Ul的方位角与所述输入耦合光束Bl的方位角之差为负， 所述第一偏转光栅部分21a包括基本上线性衍射特征，-第二偏转光栅部分22a，用于通过衍射部分所述输入耦合光束Bl来提供第二偏转光束U2，从而所述第二偏转光束U2的方位角与所述输入耦合光束Bl的方位角之差为正， 所述第二偏转光栅部分22a包括基本上线性衍射特征，所述第二偏转光栅部分的衍射特征 具有与所述第一偏转光栅部分21a的衍射特征不同的取向，-第一恢复光栅部分21b，用于通过衍射所述第一偏转光束Ul的光来提供第一恢 复光束VI，-第二恢复光栅部分22b，用于提供第二恢复光束V2，所述第二恢复光束V2基本上 平行于所述第一恢复光束VI，以及-输出光栅30，用于通过从所述衬底7衍射输出所述第一恢复光束Vl和所述第 二恢复光束V2的光来提供输出耦合光束B2，所述输出光束B2基本上平行于所述输入光束 BO。所述第一偏转光栅部分21a和所述第二恢复光栅部分22b可以在参考平面PLNl 的第一侧上，并且所述第二偏转光栅部分22a和所述第一恢复光栅部分21b可以在所述参 考平面PLNl的第二侧上，所述参考平面PLNl基本上垂直于所述输入光栅10的平面。参照图15a，衍射光束扩展器107可以包括输入光栅10、输出光栅30、偏转部分 21a、22a和恢复部分21b、22b。此外，光束扩展器107可以具有辅助偏转部分21c、22c。第 一辅助偏转部分向第一恢复部分21b衍射输入耦合光束Bl的光。第二辅助偏转部分向第 二恢复部分22b衍射输入耦合光束Bl的光。恢复部分21b、22b再次衍射光从而提供与原 有输入耦合光束Bl以及恢复光束Vl和V2基本上平行的辅助恢复光束Vlc和V2c。部分21a、22b和22c可以在平面PLNl的第一侧上，并且部分22a、21b和21c可以 在所述平面PLN的第二侧上，所述平面PLNl基本上垂直于输入光栅10的平面。线AXl是 所述平面PLNl的投影(见图14)。参照图15b，图15a的衬底7也可以包括用于提供眼睛跟踪所需照射光束B11、B12 的输入耦合光栅210、扩展光栅221、222和输出耦合光栅230。光栅210、221、222和230形 成第二衍射光束扩展器207，该扩展器将撞击输入耦合光栅210的校准的窄光束分成至少 两个部分并且提供在不同方向上传播的两个扩大光束B11、B12(也参见图5b和图7c)。图15c中的影线通过例子示出了各光栅和光栅部分10、21a、21b、21c、22a、22b、 22c、30、210、221、222和230中的衍射特征的取向。具体而言，输出光栅30的衍射特征可以基本上平行于输出耦合光栅230的衍射特 征。输出光栅30也可以具有与输出耦合光栅230基本上相同的光栅周期。因而，输出光栅 30和输出耦合光栅230可以一起构成单个光栅30。输出光栅30和输出耦合光栅230的共 同部分CPR可以同时贡献照射光束B11、B12以及与显示的虚拟图像对应的多个光束B2。成像单元400可以被布置成经过衬底7的未包括衍射特征的部分监视眼睛E1。这 样的无障碍部分可以例如驻留于光栅部分21a与21b之间。图16a、图16b和图16c示出了在相同衬底7上实施各光栅和光栅部分10、21a、 21b、22a、22b、30、210、221、222、230的另一方式。图16c中的影线示出了各光栅和光栅部分 10、21a、21b、21c、22a、22b、22c、30、210、221、222 和 230 中的衍射特征的取向。具体而言， 输出光栅30的衍射特征可以基本上垂直于输出耦合光栅230的衍射特征。因而，输出光栅 30从衬底7耦合输出最少量照射光，尽管内部光束B7和B8可以在到达实际输出光栅230 之前撞击输出光栅30若干次。可以基本上避免将会从非所需方向照射眼睛El的光束，具体为红外光束。输出光栅30可以对于红外光至少部分地透明。成像单元400可以被布置成例如 经过输出光栅30监视眼睛。参照图17，眼睛跟踪器设备200可以包括用于获取眼睛El的图像的成像单元 400、用于提供第一基本上校准的光束BO的光源350、用于扩展所述第一光束BO的光并且提 供至少两个扩大的基本上校准的照射光束B11、B12的第一衍射光束扩展器207。眼睛跟踪 器设备200可以包括用于基于成像单元400获取的图像401来确定注视方向GZD的数据处 理单元550。眼睛跟踪器设备200可以包括命令接口 570和通信单元560。命令接口 570可以是允许用户向设备700发送命令的按钮设备、操纵杆或者键盘。 命令接口 570也可以是语音命令设备或者手势识别设备。通信单元560可以是用于与计算 机或者移动设备通信的接口模块。通信单元560也可以是允许经由因特网或者无线电网络 通信的光学或者射频发射器/接收器。眼睛跟踪设备200可以包括用于确定设备200相对于至少一个外部参考的位置的 位置传感器580。外部参考例如可以是实际对象或显示在屏幕上的图像。位置传感器580 可以例如是相机。位置传感器也可以是包括一个或者多个陀螺仪和/或加速计的惯性位置 传感器。虚拟显示设备500可以包括光学引擎150和又一衍射光束扩展器107。用于跟踪 注视方向的第一衍射光束扩展器207和用于显示虚拟图像的第二衍射光束扩展器107可以 实施于相同衬底7上。眼睛跟踪设备200或者虚拟显示设备500可以是紧凑、便携和轻质设备。第二衍射光束扩展器107可以被布置成扩展光学引擎150的出口瞳孔，比如在专 利申请US 2006/0126182中公开的扩展器。第二衍射光束扩展器107可以被布置成扩展光学引擎150的出口瞳孔，比如在专 利申请PCT/FI2007/050322中公开的扩展器。第二衍射光束扩展器107可以被布置成扩展光学引擎150的出口瞳孔，比如在专 利申请PCT/FI2006/050590中公开的扩展器。参照图18，相同衬底7可以包括各光栅或者光栅区域10、21、21' ,30,30'、210、 221、222、230以实施适合于向观察者的双眼显示虚拟图像的双目光束扩展器107和用于提 供照射光束B11、B12以跟踪所述观察者的至少一只眼的注视方向的双目光束扩展器207。双目光束扩展器107可以用来实施图19中所示虚拟显示设备500。输出光栅30、 30'向观察者的眼睛El、E2提供的输出光束B2为观察者提供在与观察者相距无穷距离处 显示的虚拟图像1002这一印象。虚拟图像1002可以例如是与微型显示器170生成的实际 图像605 (图IOb)对应的如图19中所示星形图案。虚拟图像1002可以例如是图形和/或 文字。虚拟显示设备500还可以包括眼睛跟踪器单元200以监视眼睛El的注视方向。图19的显示设备还可以包括可以定位于观察者的耳朵上以便有助于将虚拟显示 设备500定位于观察者的眼睛El、E2前面的耳承589。显示设备500也可以附着到帽冠， 如头盔。参照图20，虚拟显示设备500可以包括堆叠光束扩展器107以便显示彩色图像。实施于第一衬底7上的第一衍射光束扩展器107可以被布置成显示虚拟图像的红色分量B2R。 实施于第二衬底7b上的第二衍射光束扩展器107可以被布置成经过第一光束扩展器显示 虚拟图像的绿色分量B2G和蓝色分量B2B。实施于第三衬底7'上的第三衍射光束扩展器 107可以被布置成向观察者的左眼显示虚拟图像的红色分量B2R。实施于第四衬底7b'上 的第四衍射光束扩展器107可以被布置成经过第三光束扩展器显示虚拟图像的绿色分量 B2G和蓝色分量B2B。各光束扩展器107可以具有它自己的输入光栅10、10b、10' UOb'和 输出光栅30、30b、30'、30b'。第五光束扩展器207可以实施于第一衬底7上用于提供照 射光束Bll、B12。光源350也可以处于衬底7与监视的眼睛El相同的一侧上。将单独衬底用于左眼E2和右眼El允许比实施于单个直衬底7上的双目光束扩展 器107、207更多的用于观察者鼻部的空间和更佳的重量平衡。参照图21，观察者的眼睛El可以经过虚拟显示器100、500的输出孔35看见显示 的虚拟图像1000。虚拟图像1000可以包括显示的对象1002、1003、1004、1005，例如星形 1002、六边形 1003、符号 “0K” 1005 和问号“？” 1004。虚拟图像1000的对象或者位置有利地与注视方向关联。因此，当眼睛El看着由 观察者决定的对象或者位置时，可以基于注视方向来确定眼睛El在看着哪个对象或者位 置。另外，各对象或者位置可以与选项关联，并且观察者可以通过看着相应对象或者位置来 选择选项。用户可以例如通过按动命令接口 570(图17)的按钮来确认选择。用户也可以 通过眨动他的眼睛或者通过凝视预定对象或者位置持续延长时段来确认选择。例如，用户可以通过导引他的注视在对象1002(星形)或者对象1003(六边形) 代表的选项之间选择。如果选择六边形，则设备500可以在选择之后通过闪动来提供可视 反馈。用户可以例如通过看着符号“0K”来确认选择。另外，用户可以通过看着问号“ ？”来 询问更多信息。虚拟图像1000的对象1002、1003、1004、1005可以例如通过将对象的像素坐标转
换成角坐标在软件等级和/或硬件等级来与注视方向相关联。可以比较显示对象的角坐标 与注视方向以确定用户是否正在看着所述对象。可视或者不可视光标1001可以适合于跟随眼睛El的确定注视方向在虚拟图像 1000之上移动。光标1001帮助用户理解跟踪器设备在实际地跟随他的注视。换而言之，光 标1001向用户提供可视反馈。可以例如通过在虚拟图像1000之上移动闪动光标1001并且要求用户看着光标 1001来校准检测的注视方向。另外，可以要求用户在他实际地看着光标1001时按动命令接 口 570的按钮。参照图22，用户也可以经过光束扩展器107、207观察物理对象901(房屋)、 902(汽车)。设备500的位置可以相对于对象901、902固定，或者设备500可以包括位置 传感器580(图17)以监视设备500相对于至少一个对象901、902的位置。因此，对象901、 902、对象的位置和/或风景的特征可以与注视方向关联。例如，可以确定用户是在观看房屋901还是汽车902。另外，对象901、902可以与 选项关联，从而可以通过观看相应对象来选择选项。设备200、500还可以例如包括数据处理单元、存储器和通信单元以提供向移动电 话网络、因特网或者局域网的接入。设备200、500可以例如选自于可连接到又一设备的
20显示模块、便携设备、具有无线通信能力的设备、成像设备、移动电话、游戏设备、音乐记录/ 播放设备(例如基于MP3格式)、遥控发射器或者接收器、导航仪器、测量仪器、目标发现设 备、瞄准设备、导航设备、个人数字助理(PDA)、通信器、便携因特网装置、手持计算机、移动 电话附件。 对于本领域技术人员而言将清楚的是，可设想根据本发明的设备和方法的修改和 变形。附图为示意性的。上文参照附图描述的具体实施例仅为示例性的而并非限制由所附 权利要求书限定的本发明范围。
权利要求
一种用于确定眼睛(E1)的注视方向(GZD)的设备(200，500)，所述设备(200)包括 第一成像单元(400)，用于获取所述眼睛(E1)的图像(401)， 基本上平坦波导衬底(7)， 光源(350)，用于提供第一光束(B4)，所述第一光束(B4)基本上被校准， 输入耦合光栅(210)，用于将所述光束(B4)的光衍射到所述衬底(7)并且形成在所述衬底(7)内在不同方向上传播的第一输入耦合光束(B5)和第二输入耦合光束(B6)， 第一扩展光栅部分(221)，用于通过衍射所述第一输入耦合光束(B5)的光来提供第一扩展内部光束(B7)， 第二扩展光栅部分(222)，用于通过衍射所述第二输入耦合光束(B6)的光来提供第二扩展内部光束(B8)， 第一输出耦合光栅部分(230)，用于通过从所述衬底(7)衍射输出所述第一内部光束(B7)的光来形成第一基本上校准的照射光束(B11)， 第二输出耦合光栅部分(230)，用于通过从所述衬底(7)衍射输出所述第二内部光束(B8)的光来形成第二基本上校准的照射光束(B11)，所述照射光束(B11，B12)具有不同方向，从而所述第一照射光束(B11)在光从所述眼睛(E1)的表面反射时提供第一反射斑(G1)并且所述第二照射光束(B12)在光从所述眼睛(E1)的表面反射时提供第二反射斑(G2)，所述反射斑出现于所述图像(401)中，以及 数据处理单元(550)，用于基于所述第一反射斑(G1)在所述图像(401)中的位置、所述第二反射斑(G2)在所述图像(401)中的位置、所述眼睛(E1)的瞳孔(P)和/或虹膜(IRI)在所述图像(401)中的位置和所述照射光束(B11，B12)的方向来确定所述眼睛(E1)相对于所述设备(200)的注视方向(GZD)。
2.根据权利要求1所述的设备(200，500)，其中所述第一输入耦合光束(B5)基本上对 应于-1阶反射或者透射衍射，并且所述第二输入耦合光束(B6)基本上对应于+1阶反射或 者透射衍射。
3.根据权利要求2所述的设备(200，500)，其中所述输入耦合光栅(210)还被布置成 按照2或者-2阶衍射来衍射所述光束(B4)的光以便形成在所述衬底(7)内传播的第三输 入耦合光束(BlO)。
4.根据前述权利要求1至3中的任一权利要求所述的设备(200，500)，其中所述第一 输出耦合光栅部分(230)的衍射特征基本上平行于所述第二输出耦合光栅部分(230)的衍 射特征。
5.根据权利要求4所述的设备(200，500)，其中所述第一输出耦合光栅部分(230)与 所述第二输出耦合光栅部分(230)重叠。
6.根据前述权利要求1至5中的任一权利要求所述的设备(200，500)，还包括用于确 定所述设备(500)相对于至少一个外部参考(901)的位置的位置检测单元(580)。
7.根据前述权利要求1至6中的任一权利要求所述的设备(200，500)，适合于将实际 对象(901)或者位置与注视方向关联。
8.根据前述权利要求1至7中的任一权利要求所述的设备(500)，还包括光学引 擎(150)，用于提供至少一个光束(BO)，以及衍射光束扩展器(107)，用于扩展所述至少一个光束(BO)，从而经过所述衍射光束扩展器(107)的观察孔(35)来可视地观测虚拟图像 (1001)。
9.根据权利要求8所述的设备(500)，其中所述衍射光束扩展器(107)的输出光栅部 分(30)与所述第一输出耦合部分(230)重叠。
10.根据权利要求9所述的设备(500)，其中所述衍射光束扩展器(107)的输出光栅 (30)基本上垂直于所述第一输出耦合部分(230)。
11.根据前述权利要求8至10中的任一权利要求所述的设备(500)，适合于将虚拟对 象(1001)与注视方向关联。
12.一种用于确定眼睛(El)的注视方向(GZD)的方法，所述方法包括-通过使用第一成像单元(400)来获取所述眼睛(El)的图像(401)，-通过使用光源(350)来提供基本上校准的第一光束(B4)，-通过使用输入耦合光栅(210)来衍射所述第一光束(B4)的光以便形成在基本上平坦 波导衬底(7)内在不同方向上传播的第一输入耦合光束(B5)和第二输入耦合光束(B6)，-通过第一扩展光栅部分(221)来衍射所述第一输入耦合光束(B5)的光以提供在所述 衬底(7)内传播的第一扩展内部光束(B7)，-通过第二扩展光栅部分(222)来衍射所述第二输入耦合光束(B6)的光以提供在所述 衬底(7)内传播的第二扩展内部光束(B8)，-通过第一输出耦合光栅部分(230)从所述衬底(7)衍射输出所述第一扩展内部光束 (B7)的光以形成第一基本上校准的照射光束(Bll)，-从所述衬底(7)衍射输出所述第二扩展内部光束(B8)的光以形成第二基本上校准 的照射光束(B12)，所述照射光束(Bll，B12)具有不同方向，从而所述第一照射光束(Bll) 在光从所述眼睛(El)的表面反射时提供第一反射斑(Gl)并且所述第二照射光束(B12)在 光从所述眼睛(El)的表面反射时提供第二反射斑(G2)，所述反射斑出现于所述图像(401) 中，以及_基于所述第一反射斑(Gl)在所述图像(401)中的位置、所述第二反射斑(G2)在所述 图像(401)中的位置、所述眼睛(El)的瞳孔⑵和/或虹膜(IRI)在所述图像(401)中的 位置和所述照射光束(B11，B12)的方向来确定所述眼睛(El)的注视方向(GZD)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一输出耦合光栅部分(230)的衍射特征 基本上平行于所述第二输出耦合光栅部分(230)的衍射特征。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一输出耦合光栅部分(230)与所述第二 输出耦合光栅部分(230)重叠。
15.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括-通过使用光学引擎(150)来提供至少一个光束(BO)，-通过使用衍射光束扩展器(107)扩展所述至少一个光束(BO)来显示虚拟图像 (1001)，经过所述衍射光束扩展器(107)的观察孔(35)来观测所述虚拟图像。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述衍射光束扩展器(107)的输出光栅(30)基 本上垂直于所述第一输出耦合部分(230)。
17.一种便携设备(500)，用于显示虚拟图像(1001)和用于确定眼睛(El)的注视方向 (GZD)，所述设备(500)包括_第一成像单元(400)，用于获取所述眼睛(El)的图像(401)， -基本上平坦波导衬底(7)，-光源(350)，用于提供第一光束(B4)，所述第一光束(B4)基本上被校准， _输入耦合光栅(210)，用于将所述光束(B4)的光衍射到所述衬底(7)并且形成在所 述衬底(7)内在不同方向上传播的第一输入耦合光束(B5)和第二输入耦合光束(B6)，-第一扩展光栅部分(221)，用于通过衍射所述第一输入耦合光束(B5)的光来提供第 一扩展内部光束(B7)，-第二扩展光栅部分(222)，用于通过衍射所述第二输入耦合光束(B6)的光来提供第 二扩展内部光束(B8)，-第一输出耦合光栅部分(230)，用于通过从所述衬底(7)衍射输出所述第一内部光束 (B7)的光来形成第一基本上校准的照射光束(Bll)，-第二输出耦合光栅部分(230)，用于通过从所述衬底(7)衍射输出所述第二内部光束 (B8)的光来形成第二基本上校准的照射光束(Bll)，所述照射光束(Bll，B12)具有不同方 向，从而所述第一照射光束(Bll)在光从所述眼睛(El)的表面反射时提供第一反射斑并且 所述第二照射光束(B12)在光从所述眼睛(El)的表面反射时提供第二反射斑(G2)，所述反 射斑出现于所述图像(401)中，-数据处理单元(550)，用于基于所述第一反射斑(Gl)在所述图像(401)中的位置、 所述第二反射斑(G2)在所述图像(401)中的位置、所述眼睛(El)的瞳孔(P)和/或虹膜 (IRI)在所述图像(401)中的位置和所述照射光束(B11，B12)的方向来确定所述眼睛(El) 相对于所述设备(200)的注视方向(α 1，β 1)，-光学引擎(150)，用于提供至少一个光束(BO)，以及-衍射光束扩展器(107)，用于扩展所述至少一个光束(BO)，从而经过所述衍射光束扩 展器(107)的观察孔(35)来可视地观测虚拟图像(1001)。
18.根据权利要求17所述的设备(500)，其中所述衍射光束扩展器(107)的输出光栅 (30)基本上垂直于所述第一输出耦合部分(230)。
19.一种用于确定眼睛(El)的注视方向(GZD)的注视方向确定装置，所述装置(200) 包括_第一成像装置(400)，用于获取所述眼睛(El)的图像(401)， -基本上平坦波导衬底(7)，-光源装置(350)，用于提供第一光束(Β4)，所述第一光束(Β4)基本上被校准， _输入耦合光栅(210)，用于将所述光束(Β4)的光衍射到所述衬底(7)并且形成在所 述衬底(7)内在不同方向上传播的第一输入耦合光束(Β5)和第二输入耦合光束(Β6)，-第一扩展光栅部分(221)，用于通过衍射所述第一输入耦合光束(Β5)的光来提供第 一扩展内部光束(Β7)，-第二扩展光栅部分(222)，用于通过衍射所述第二输入耦合光束(Β6)的光来提供第 二扩展内部光束(Β8)，-第一输出耦合光栅部分(230)，用于通过从所述衬底(7)衍射输出所述第一内部光束 (Β7)的光来形成第一基本上校准的照射光束(Bll)，-第二输出耦合光栅部分(230)，用于通过从所述衬底(7)衍射输出所述第二内部光束(B8)的光来形成第二基本上校准的照射光束(Bll)，所述照射光束(Bll，B12)具有不同方 向，从而所述第一照射光束(Bll)在光从所述眼睛(El)的表面反射时提供第一反射斑(Gl) 并且所述第二照射光束(B12)在光从所述眼睛(El)的表面反射时提供第二反射斑(G2)，所 述反射斑出现于所述图像(401)中，以及-数据处理装置(550)，用于基于所述第一反射斑(Gl)在所述图像(401)中的位置、 所述第二反射斑(G2)在所述图像(401)中的位置、所述眼睛(El)的瞳孔(P)和/或虹膜 (IRI)在所述图像(401)中的位置和所述照射光束(B11，B12)的方向来确定所述眼睛(El) 相对于所述注视方向确定装置(200)的注视方向(GZD)。
20.根据权利要求19所述的注视方向检测装置(500)，还包括图像形成装置(150)， 用于提供至少一个光束(BO)；以及衍射扩展装置，用于扩展所述至少一个光束(BO)，从而 经过所述衍射扩展装置的观察孔(35)来可视地观测虚拟图像(1001)。
全文摘要
一种眼睛跟踪器设备(200)包括衍射光束扩展器(207)以提供两个基本上校准的照射光束(B11，B12)。校准的光束(B11，B12)提供出现于眼睛的图像中的两个反射斑(G1，G2)。根据反射斑(G1，G2)相对于眼睛(E1)的瞳孔(P)的位置来计算注视方向(GZD)。通过将红外激光束(B4)分成在光束扩展器的衬底(7)中在不同方向上传播的两个输入耦合光束(B5，B6)来提供两个照射光束(B11，B12)。对输入耦合光束(B5，B6)进行扩展，并且随后通过输出耦合光栅(230)从衬底(7)耦合输出它们的光以照射眼睛(E1)。相同衬底(7)也可以用来实施用于向所述眼睛(E1)显示虚拟图像的虚拟显示设备(100)。
文档编号A61B3/113GK101945612SQ200880126761
公开日2011年1月12日 申请日期2008年2月14日 优先权日2008年2月14日
发明者T·勒沃拉, T·雅旺帕 申请人:诺基亚公司