全息眼睛成像设备的制作方法

本发明涉及一种用于跟踪眼睛的眼睛跟踪设备。更具体地，本公开内容涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于跟踪眼睛的眼睛跟踪设备。

背景技术：

眼睛跟踪设备(例如，眼睛跟踪眼镜)通常具有用于以每只眼睛多个闪光的方式来照射用户双眼的多个照射光源、以及用于观察双眼的一个或两个相机。将眼睛的瞳孔与光源在双眼中的多个闪光的位置进行比较，以确定眼睛的观察方向。相机通常例如在镜框中被布置成与双眼成较大角度。这不是一个好的观察角度。为了使容易确定观察方向，使用多个光源、并且使用计算设备来基于图像分析进行确定。然而，许多光源价格昂贵并且降低了眼睛跟踪设备的设计自由度。强大的计算能力既昂贵又耗能。眼睛跟踪设备中也可以具有多于一个的相机。然而，多个相机增加了设备的成本。

因此，产业上需要更便宜的眼睛跟踪设备、和/或要求不太复杂的图像分析来确定用户双眼的观察方向的眼睛跟踪设备。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种至少缓解根据现有技术的眼睛跟踪设备的问题之一的眼睛跟踪设备。

本发明的另一个目的是提供一种缓解对相机及其光学器件的需求的眼睛跟踪设备。

本发明的另一个目的是提供一种实现眼睛跟踪设备的紧凑设计的眼睛跟踪设备。

通过根据独立权利要求1的眼睛跟踪设备来实现这些目的中的至少一个目的。

通过从属权利要求的特征来实现进一步的优点。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于跟踪眼睛的眼睛跟踪设备。该眼睛跟踪设备包括被布置在眼睛前方的第一衍射光学元件doe、图像模块，其中，该图像模块被配置用于经由该第一doe来捕获该眼睛的图像。该第一doe被调整用于将从该眼睛反射的入射光的第一部分引导朝向该图像模块。该眼睛跟踪设备的特征在于，该第一doe被配置用于提供透镜效果。

利用这种眼睛跟踪设备，观察平面或显示器以及相机可以被布置成靠近眼睛。这使得能够构建具有眼睛跟踪设备的非常紧凑的设备，例如，虚拟现实眼镜。

该doe被优选地布置成使得以一定入射角度击中doe的光以第一角度反射，其中，该第一角度与来自眼睛的入射光的入射角度不同。

通过在doe中引入透镜效果，可以使用具有一定焦距的图像模块，该焦距对于图像模块与眼睛之间的实际距离并不是最佳的。doe的透镜效果用于补偿图像模块的不正确焦距。doe的厚度较小。doe可以被布置在聚酰胺薄膜之上/之中。

对doe中的透镜效果的焦距的恰当选择可以使图像置于焦点上。因此，该doe使能够适应眼睛跟踪设备的光学系统以调整用于该图像模块。

该图像模块可以是任何合适的相机。该相机可以包括cmos类型或ccd类型的传感器模块。

该doe的焦距可以被调整用于引导入射光的第一部分以便在该图像模块中给出该眼睛的清晰图像。对于眼睛跟踪设备的大多数应用场合，期望使眼睛的图像在该图像模块的焦点上。

该眼睛跟踪设备还可以包括与该第一doe相邻的第二doe，其中，该第二doe被调整用于将从该眼睛反射的入射光的第二部分引导朝向该图像模块。通过使用两个doe，可以从两个不同的方向记录眼睛的图像。与仅提供来自一个方向的图像时相比，通过使用来自两个不同方向的图像可以改善眼睛跟踪。

该第二doe可以被配置用于提供透镜效果，其中，该第二doe的焦距被调整用于引导入射光的第二部分以便在该图像模块中给出该眼睛的清晰图像，并且其中，该第二doe的焦距与该第一doe的焦距不同。通过使第二doe具有透镜效果，可以使用一种图像模块，其并非对于任意doe都要按照从眼睛到图像模块的距离来进行调整。第一doe和第二doe两者都被调整用于使图像在图像模块的焦点上，而不管图像是在第一doe中反射的还是在第二doe中反射的。

该第一doe和该第二doe从该眼睛来看可以为并排定位的、或者从该眼睛来看为至少部分地重叠的。这是有利的，因为这有助于doe在眼睛跟踪设备中的安装。一般地，doe通常设置在聚合物薄膜上。通过使这些doe并排定位，这些doe可以被布置在同一聚合物薄膜中。这有助于对doe进行操作。

当有两个doe时，在眼睛跟踪设备操作时，光的第一部分(当来自眼睛时)在第一doe中被反射朝向图像模块，并且光的第二部分(当来自眼睛时)在第一doe中被反射朝向图像模块。该入射光的第一部分可以具有第一波长，并且该入射光的第二部分可以具有第二波长。该眼睛跟踪设备可以包括发射第一波长的光的第一照射器以及发射与该第一波长不同的第二波长的光的第二照射器。通过使用两个不同的波长，在第一doe和第二doe中反射的图像可以通过其波长而被分离。

可以通过doe来提供对波长的分离。第一doe仅反射第一波长附近的波段中的光，并且基本上不反射第二波长的光。第二doe仅反射第二波长附近的波段中的光，并且基本上不反射第一波长的光。

然而，入射光的第一部分和入射光的第二部分也可以具有相同的波长。在这种情况下，该第一照射器和该第二照射器发射相同波长的光。

该第一波长以及(如果适用的话)该第二波长可以在650nm至3000nm、优选地在700nm至1500nm、并且最优选地在800nm至1000nm的范围内，即，在近红外(nir)波长区域中。在nir波长的情况下，眼睛跟踪设备的用户不会受到光的干扰。

这些波长之一可以在840nm至860nm的范围内，并且另一波长可以在930nm至950nm的范围内。对波长的这种选择提供了这些波长之间的良好分离。而且，在这些波长区域中有可用的便宜光源。可替代地，第一波长以及(如果适用的话)第二波长可以在840nm至860nm或930nm至950nm的范围内。

该至少第一doe可以是全息光学元件(诸如通过使两个或更多个光束干涉而产生的体积反射全息图或计算机生成的全息图)、按阶梯状制成的近似于理想表面起伏的二元光学器件、具有组合的折射和衍射能力的混合式透镜、或者菲涅耳(fresnel)波带片。这种类型的全息图可以以低成本生产。

该至少第一doe可以被布置在聚合物膜中。这是一种易于在眼睛跟踪设备中进行布置的合适实施方式。可替代地，doe可以被布置在玻璃板上的卤化银中或布置在明胶中。

doe的聚合物膜的厚度可以在10μm至100μm的区间内。此厚度可以允许独立地布置doe。

该至少第一doe可以被布置在支撑结构(诸如例如，聚酰胺膜)上。这是赋予doe更多刚性的一种方式。

该眼睛跟踪设备还可以包括控制单元，该控制单元被调整用于接收由该图像模块捕获的图像并计算该眼睛的观察角度。可能有利的是将该控制单元与该眼睛跟踪设备整合在一起。

进一步地，该眼睛跟踪设备可以是头戴式设备。根据一些示例，该头戴式设备可以是以下各项之一：用于眼睛跟踪的眼镜；增强现实头戴装置，其中，透明的观察平面或被整合到该doe中、被附接到该doe上、或被布置在该doe的附近；或虚拟现实头戴装置，该虚拟现实头戴装置包括观察平面，其中，该doe被整合到该观察平面中、被附接在该观察平面的前方、或被布置在该观察平面的前方。

附图说明

在下文中，将参考附图来描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1是根据本发明的实施例的眼睛跟踪设备的示意图，该眼睛跟踪设备具有被配置用于提供透镜效果的一个衍射光学元件doe并且具有直接照射眼睛的照射器。

图2是根据本发明的另一实施例的眼睛跟踪设备的示意图，该眼睛跟踪设备具有照射眼睛的两个照射器和两个doe，这两个doe之一被配置用于提供透镜效果。

图3是根据本发明的另一实施例的眼睛跟踪设备的示意图，该眼睛跟踪设备具有一个照射器。

具体实施方式

在本发明的优选实施例的以下描述中，不同实施例中的相似特征将以相同的附图标记表示。附图不按比例绘制。

图1是根据本发明的实施例的眼睛跟踪设备的示意图。图1示出了一种用于跟踪眼睛2的眼睛跟踪设备1，该眼睛跟踪设备包括图像模块4。图像模块4可以是任何合适的成像设备(诸如相机)，并且可以包括任何成像传感器(诸如cmos、ccd、深度摄像头/传感器或光电二极管)。被调整用于接收由图像模块4捕获的图像并计算眼睛的观察角度的控制单元6可以被设置为连接至图像模块4。由于控制单元6不是眼睛跟踪设备1的一部分，因此其在图1中以虚线示出。图像模块4被布置在doe7的与眼睛2相同的一侧。图像模块4被调整用于经由doe7来捕获眼睛2的图像。光(诸如环境光)照射眼睛2。光的一部分8被反射到doe7。从眼睛2被反射朝向doe7的光的一部分8以入射角度10击中doe。doe7被调整用于将从眼睛反射的入射光的至少第一部分8以第一角度9引导朝向图像模块。第一角度9与从眼睛2反射的入射光的入射角度10不同。第一doe7被配置用于提供第一透镜效果，该第一透镜效果在图1中以虚线18指示以展示透镜效果的功能。透镜效果可以为正(即，会聚入射光)或为负(即，发散入射光)。要注意的是，透镜效果由doe获得并且没有如虚线18所指示的实体延伸部。眼睛2具有瞳孔11、角膜12、前房13和虹膜14。doe的焦距优选地使得其校正图像模块4的光学器件的焦距。换言之，通过doe，使眼睛在图像模块4的焦点上。因此，当选择相机时没有什么特别的顾虑。可以利用doe7中的透镜效果来补偿对于眼睛跟踪设备1中的实施方式的任何焦距误差。因此，眼睛跟踪设备的图像模块4可以以最低成本为主要因素进行选择，同时可以通过doe中的透镜效果来补偿任何焦距误差。在操作中，图像模块4捕获眼睛的图像。所捕获的图像被发送到控制单元6，该控制单元基于所捕获的图像来计算眼睛的运动。照射器5可以是任何合适的发光二极管led。其他合适的照射器包括oled、激光器，并且尤其是vcsel激光器。在图1中，在第一doe7中反射的眼睛的图像可以被认为由第一虚拟图像模块4’记录。在不具有doe7的透镜效果的情况下第一虚拟图像模块4’的位置以虚线26示出。这对应于虚拟相机根据现有技术将如何布置在设备中。

图2是根据本发明的另一实施例的眼睛跟踪设备1的示意图。将仅解释图1的实施例与图2的实施例之间的差异。图2中的眼睛跟踪设备1包括第一doe7和第二doe27。第一doe7具有由虚线18指示的透镜效果。眼睛跟踪设备1可以进一步包括支撑结构22，第一doe7和第二doe27布置在该支撑结构上。支撑结构22可以是透明的或不透明的。透明的支撑结构22可以由聚酰胺制成或者可以包括卤化银。然而，透明的支撑结构22可以包括任何其他合适的透明材料。在图2中，图像模块4布置在支撑结构22的与眼睛2相同的一侧。然而，图像模块4也可以布置在支撑结构22的与眼睛2相对的另一侧。

在图2的实施例中，眼睛跟踪设备1还包括经由在第一doe7中的反射来照射眼睛的第一照射器5以及经由在第二doe27中的反射来照射眼睛的第二照射器25。在图2的实施例中，第一照射器5和第二照射器25被布置成与图像模块4相邻。第一照射器5和第二照射器25可以发射相同波长的光。可替代地，为了改善眼睛跟踪，第一照射器5被配置用于发射第一波长的光，并且第二照射器25被配置用于发射不同的第二波长的光。在这两个替代方案中，照射器优选地是led。波长在700nm至1000nm、优选地在800nm至1000nm的波长范围内。优选的是，波长在800nm至1000nm范围内的不可见近红外(nir)波长区域中。在nir波长的情况下，用户不会受到用于眼睛跟踪的光的干扰。

第一doe被布置用于反射第一波长附近的波段中的光、但基本上不反射第二波长的光。相应地，第二doe被布置用于反射第二波长附近的波段中的光、但基本上不反射第一波长的光。doe的功能是使第一doe中反射的眼睛的图像移动到图像模块4的焦点上。由虚线18指示的doe的功能还可以通过以下替代方式来解释。在第一doe7中反射的眼睛的图像可以被认为由第一虚拟图像模块4’记录，而第二doe27中反射的眼睛的图像可以被认为由第二虚拟图像模块4”记录。得益于由虚线18指示的透镜效果，第一虚拟图像模块4’与眼睛的距离同第二虚拟图像模块4”与眼睛的距离相同。在没有doe7的透镜效果的情况下第一虚拟图像模块4’的位置以虚线26示出。这对应于虚拟相机根据现有技术将如何布置在设备中。经由在第一doe7和第二doe27中的反射来照射眼睛有助于将照射器5、25和图像模块4连接到控制单元6。

在操作中，第一照射器5发射第一波长的光，并且第二照射器25发射第二波长的光。第一波长的光在第一doe7中反射并照射眼睛2。第一波长的光的第一部分8从眼睛2反射回到第一doe7，并且从第一doe7反射到图像模块4。光的第一部分8相对于第一doe7具有入射角度10，并且相对于第一doe7具有反射角度9。入射角度10不同于反射角度9。在第二doe27中基本上不反射第一波长的光。第二波长的光在第二doe27中反射并照射眼睛2。第二波长的光的第二部分16从眼睛2反射回到第二doe27，并且从第二doe27反射到图像模块4。光的第二部分16相对于第二doe27具有入射角度17，并且相对于第二doe27具有反射角度15。入射角度17不同于反射角度15。在第二doe27中基本上不反射第一波长的光。取决于图像模块4是如何布置的，可以将第一波长下的眼睛的图像与第二波长下的眼睛的图像分离。图像模块4可以被布置用于分离不同的颜色。在这种情况下，控制单元可以通过图像分析将图像分割成两部分。所分割的图像对应于第一波长下的图像和第二波长下的图像。具有来自不同角度的两个图像的增加的信息量改善了眼睛跟踪。在图像模块4对颜色不敏感的情况下，可以通过控制第一照射器5和第二照射器25使得在同一时间只有一个照射器进行照射来分离图像。因此，重复地记录两个图像。切换频率被设置得足够高，以实时跟随眼睛的运动。照射器的切换频率应优选地至少为50hz。即使图像模块4能够在不同颜色之间进行分离，使用对照射器5、25的切换也可能是有利的。

图3是根据本发明的另一实施例的眼睛跟踪设备1的示意图。图2的实施例与图3的实施例之间的一个区别在于，在图3的实施例中，两个doe都具有透镜效果，并且图3的眼睛跟踪设备仅包括一个直接面向眼睛2的照射器5。因此，第一doe7具有如由第一虚线18指示的透镜效果，并且第二doe27具有如由第二虚线19指示的透镜效果。第一doe7的焦距可以比第二doe27的焦距短，以补偿图像模块4与第一doe7之间比图像模块4与第二doe27之间更长的距离。这由第一虚线的较大曲率来指示。第一doe7和第二doe27中的每一个都具有透镜效果的优点是，可以选择图像模块而对图像模块的焦距没有任何严格的限制。通过选择doe7、27中的每一个的透镜效果的适当焦距，可以使眼睛的图像置于图像模块的焦点上。doe7、27可以被布置在支撑结构22上。在此实施例中，支撑结构22可以被布置在用于向用户的眼睛2显示图像的观察平面3上。这有助于在眼睛跟踪设备中布置doe7、27。然而，可以将doe7、27彼此相邻布置，而无需支撑结构22。观察平面3可以是任何类型的显示器，包括任何类型的3d显示器，诸如立体显示器、体积显示器、全息显示器、视网膜扫描显示器。进一步地，观察平面3可以是连接到放置在其他地方的投影仪或显示器(未示出)的波导。在观察平面3是波导的情况下，可以将第一doe7(以及如果适用的话，第二doe27)直接纳入或附接到波导上，而无需中间支撑结构。换言之，在这种情况下，波导可以被视为支撑结构22。又进一步地，观察平面3可以是用于增强现实应用或混合现实应用的透明显示器、用于虚拟现实应用的非透明显示器。然而，也可以不存在观察平面3。

在不脱离仅由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以以多种方式修改上述实施例。

doe的平面上可以具有两个照射器5、25，其布置方式类似于在图1中布置第一照射器5的方式。