眼动追踪的制作方法

本公开涉及眼动追踪(eye tracking)装置，特别是集成在用于安装到用户头部的框架中、例如集成在ar智能眼镜中的装置。

背景技术：

1、眼动追踪是重要的用户侧传感模态，其可以使得能够实现例如增强现实(ar)应用中的各种应用。

2、现有技术的眼动追踪传感模态依赖于使用成像传感器对眼睛和角膜进行成像并基于对采集到的图像的数据处理来识别注视向量。这样的方法常常功耗较高、精度较低、和/或数据收集缓慢。同样重要的是，成像传感器的放置是以最大化所采集的数据的质量的方式选择的，导致放置遮挡了承载装置中的视场。

3、理想的眼动追踪解决方案应当具有低功耗、精确、快速、且具有较小的形状因子以及在承载装置中的简单集成。当前系统无法同时提供所有这些特征。

技术实现思路

1、为解决这些问题中的至少一些，提供了使用激光来测量角膜上特定点的距离并使用该信息来推断眼睛的转动位置的装置。

2、根据本公开的第一方面，提供了一种集成在用于安装到用户头部的框架(例如，智能眼镜、ar头戴设备、vr头戴设备、头盔或类似设备)中的眼动追踪装置，所述装置包括激光输出单元，其固定到所述框架，并被配置为在使用时提供用于照射用户眼睛的角膜的激光束。所述装置还包括：接收单元(当使用smi时，接收单元可以与激光输出单元相同)，其固定到所述框架，并被配置为接收所述激光束的反射并提供可用于确定角膜的距离或速度的追踪信号；以及处理单元，其用于根据所述追踪信号确定所述用户眼睛的转动。因此，所述眼动追踪装置无需对眼睛进行成像。

3、优选地，所述眼动追踪装置提供至少两个空间上分离的激光束，用于照射用户眼睛的角膜上的不同点，其中，所述接收单元被配置为接收来自两个激光束的反射，并针对接收到的反射中的每一个提供可用于确定角膜的相应点的距离或速度的追踪信号。使用两个或更多个激光束可以提高眼动追踪的精度。更优选地，通过所述激光输出单元提供至少三个空间上分离的激光束。再次地，所述装置被配置为使得每个激光束照射用户眼睛的角膜上的不同点。所述接收单元被配置为接收来自所述至少三个激光束的反射并提供对应的追踪信号。然后所述追踪信号可以用于确定用户眼睛的转动(例如，根据角膜的不同点的速度或根据距离变化)。通过使用(来自三个激光源的)至少三个激光束，可以进一步提高精度。

4、当具有多个激光束时，各光束可以对称分布在用户眼睛的角膜上。例如，三个激光束可以照射角膜上形成等边三角形的三个点。对于在某些方向上追踪眼睛转动比在其他方向上更重要的应用来说(例如，精确的水平追踪比竖直追踪更重要的应用)，角膜上的激光束照射的其他分布可能是合适的。例如，非对称分布可用于某些应用。

5、激光源单独使用或与光学元件一起使用，以在眼睛上、特别是角膜上产生照射场。取决于实际的几何构造，角膜表面上的特定位置将产生可被检测到的对该照射场的反射。由于角膜是与眼睛的转动点偏移的球面，因此眼睛的任何转动将引起角膜的移位。这使得用激光信号测得的角膜目标点移位与眼睛转动相关联。由于所提出的方法根据角膜上特定点的相对距离变化来推断眼睛转动，因此在给定锥体内绕起始位置的任何眼睛转动会导致相同的距离变化，并因此导致测量结果与转动之间的不确定性。为了克服这一点，进一步且优选地，可以使用具有不同位置的至少三个激光束。

6、所述激光输出单元通常包括诸如激光二极管之类的激光源(每个激光束一个)，例如边缘发射激光器、分布反馈(dfb)激光器、分布布拉格反射器(dbr)激光器或垂直腔面发射激光器(vcsel)。替代地，所述激光输出单元可以包括连接至激光源的光波导。波导通常可以是单波模式光纤波导。所述激光输出单元可以包括连接至相应激光源的多个波导，用于提供多个(通常是三个)激光束。因此，实际的激光源可以位于集成装置外(即框架外)而通过波导连接至该装置。所述激光源应当是完全单色的(窄带)并具有高相干性，以实现精确的距离/位移测量。vcsel具有相对便宜的优势，并具有低功耗。所述激光源可以被配置为在红外或近红外光谱中的波长上进行操作。例如，所述激光源可以被配置为发射波长范围在850nm至1500nm的光，例如940nm。从眼睛安全性的角度，更长的波长通常更好，且因此可以用相对更高的输出功率来使用，这可以提供更好的信号。

7、有利地，所述激光输出单元也是所述接收单元，并通过测量发射的激光束与接收到的激光束之间的相位差来提供(一个或多个)追踪信号。特别地，在激光源中发生自混合干涉的自混合干涉法smi可以用于提供smi信号作为追踪信号。smi允许精确的距离/位移测量，而无需额外的光电二极管来接收反射光。使用smi，照射光的一部分从角膜表面反射出来并返回每个相应的激光源。耦合回激光器腔的反射光与原始激光发生干涉，引起对激光发射特性的调整。测量激光发射特性(例如，激光功率输出、结电压等)的变化可以提供关于较远目标(角膜表面上的特定点)的相对位置变化的信息。

8、smi可以使用光学检测，其中，根据相应激光源的光输出确定每个追踪信号。例如，光电二极管可以放置于靠近激光源处，并测量激光源的输出强度。光电二极管可以集成在激光器外延中，或者可以位于激光源后方，并被布置为监测与眼睛发射相对的激光镜上的功率输出。替代地，可以根据输入到相应激光源的电流或电压来确定每个追踪信号。由于smi影响激光输出，因此其也影响对激光源的功率供给，可以对此进行测量以确定距离/位移。

9、所述空间上分离的激光束在使用时可以在用户眼睛的角膜上相距范围为3.5°至20°的角距离。例如，在使用三个激光源的配置中，所述激光束可以相距大约17°的最小角距离。激光源角距离的其他值也是可能的，并且可取决于所使用的激光束的数量。所述空间上分离的激光束可以包含数量范围在3至12个的激光束。尽管(来自三个激光源的)三个激光束可以提供精确的眼动追踪，但更多光束可以用来改善眼动追踪或在系统中提供冗余度(例如，若一个激光源失效的话)。然而，更多数量的源可能增加装置的复杂度和功耗。

10、所述装置还可以包括一个或多个光学元件，其固定到所述框架，并被配置为调整照射角膜的激光束。例如，所述一个或多个光学元件可以是用于提供对角膜的平面波照射的准直透镜。替代地，所述一个或多个光学元件可以是用于使激光束聚焦到角膜上的聚焦透镜。所述光学元件可以是反射透镜。于是，所述激光输出单元可以固定到所述框架的沿用户头部的侧面延伸的杆。替代地，所述一个或多个光学元件可以是透射透镜。例如，所述激光输出单元可以放置在用户眼睛前方。

11、激光器可以与(一个或多个)光学元件一起使用，以产生到角膜表面上的任何范围的照射场，从平面波照射到角膜表面上的单个焦点。例如，这可以通过改变透镜与激光源之间的距离来实现。角膜的球面会将光的某一部分反射回来，其与相同或不同的光学元件的相互作用将使其向着接收单元重定向(使用smi时重定向回激光器)。基于所述追踪信号，可以推断出所述较远目标的深度变化，并且其与眼睛的转动相关联。(一个或多个)光学元件可以包括以下中的任何：体相全息(vph)、液晶偏振光栅(lcpg)和热镜等。

12、根据本发明的第二方面，提供了一种眼动追踪方法，其可以用根据第一方面的眼动追踪装置来实施。所述方法包括：将框架安装到用户头部(例如，戴上眼镜)；用固定到所述框架的激光输出单元提供的激光束照射用户眼睛的角膜；以及用接收单元接收所述激光束的反射，所述接收单元固定到所述框架并提供可用于确定到角膜的距离或角膜的速度的追踪信号(例如，smi信号)。所述方法还包括用处理单元根据所述追踪信号来确定所述用户眼睛的转动。因此，所述眼动追踪方法无需对眼睛进行成像。

13、优选地，使用至少三个空间上分离的激光束来提供至少三个追踪信号，所述至少三个追踪信号可以一起使用，以确定用户眼睛的转动。

14、本公开提供了眼动追踪解决方案，该方案使用较少数量的照射和检测元件，从而得到复杂度较低的解决方案。通过使用框架上的光学元件，传感模块可以灵活地放置在装置的不同位置上(例如，杆上)，从而允许不引人注目的眼动追踪。数据收集的减少(由于从有限数量的光电二极管读出信号)可以使得数据速率提高。