眼球追踪光学装置、光学系统、显示装置和显示系统的制作方法

1.本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种眼球追踪光学装置、光学系统、显示装置和显示系统。


背景技术：

2.眼球追踪技术是一项科学应用技术，通常是根据眼球、眼球反光特征和眼球周边的特征变化，或者是虹膜、瞳孔的变化进行追踪。采用一个或多个相机来捕获用户的眼部图像，再根据眼部图像中的眼球特征、反光特征来估算用户正眼球看向何处。现有的眼球追踪技术是通过红外发光二极管(led)发出光线，将光线打到人眼角膜，通过摄像机拍摄人眼图像，提取人眼角膜中的对红外光的反射光来判断人眼的注视方向。
3.目前的常规的轻便型虚拟现实/增强现实(vr/ar)中，用作眼球追踪探测光光源的红外led设置在目镜的两边侧面处，若采用红外led灯直接向眼球打光，只能适用于视场较小的小尺寸目镜的情况。当虚拟现实/增强现实为大视场设备时，该设备的目镜尺寸较大，设置在两侧的红外led灯出射的红外光会被人的额头或者其他面部结构挡光，红外光无法照射到人眼角膜。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种眼球追踪光学装置、光学系统、显示装置和显示系统，解决了目前的眼球追踪装置无法适用目镜尺寸较大的大视场头戴式显示设备。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种眼球追踪光学装置，应用于头戴式显示设备，所述头戴式显示设备包括目镜组，所述目镜组包括面向眼睛的第一光学面；其中，所述眼球追踪光学装置包括：探测光光源，用于出射探测光；导光机构，设置在所述第一光学面上，所述导光机构具有进光口和出光口，所述探测光光源的出光方向指向所述进光口，所述导光机构构造为：从所述进光口获取所述探测光，将所述探测光从所述进光口导引至所述出光口，并将所述探测光从所述出光口耦出；所述出光口的出光方向指向所述眼睛；以及探测光采集模块，配置为获取所述眼睛对所述探测光的反射光；其中，所述进光口和所述出光口之间的所述导光机构的长度，占所述第一光学面的口径的10％至49％之间的任一值；所述出光口与所述眼睛之间的光路的主光线，和所述目镜组的光轴之间的锐角夹角为5
°
至65
°
之间的任一值。
6.可选地，所述导光机构包括：空心柱状的导光条，所述导光条内表面镀有用于反射所述探测光的导光膜层，所述导光膜层的反射波段包括所述探测光的波段，所述进光口和所述出光口分别位于所述导光条的两端。
7.可选地，所述导光条由透明材料制成，所述导光膜层为部分透射部分反射膜，所述导光膜层的透射波段包括可见光波段。
8.可选地，所述导光条嵌入式设置在所述第一光学面上。
9.可选地，所述出光口的位置处设有透光板。
10.可选地，所述导光机构和所述探测光光源的数量均为多个，所述导光机构和所述探测光光源一一对应。
11.可选地，所述探测光光源的波段为红外波段。
12.可选地，所述眼球追踪光学装置还包括：反射镜，设置在所述眼睛对所述探测光的反射方向上；其中，所述探测光采集模块设置在所述反射镜的反射方向上。
13.可选地，所述反射镜为部分反射部分透射镜，所述反射镜的反射波段包括红外波段。
14.可选地，所述探测光光源包括：光机，用于生成所述探测光；以及光路调节组件，构造为将所述探测光整形并转向照射入所述进光口。
15.可选地，所述光路调节组件包括：聚焦透镜组以及光路偏转镜，所述聚焦透镜组和所述光路偏转镜均设置在所述光机和所述进光口之间的光路上；所述聚焦透镜组构造为聚焦所述光机生成的所述探测光，所述光路偏转镜构造为将所述探测光的照射方向改变为朝向所述进光口照射。
16.可选地，所述眼球追踪光学装置还包括：探测光机壳，所述探测光光源安装在所述探测光机壳中，所述探测光机壳与所述目镜组连接。
17.另一实施例中，本技术提供一种光学系统，包括：两个前述的眼球追踪光学装置；以及左眼观看组件，一个所述眼球追踪光学装置安装在所述左眼观看组件上；以及右眼观看组件，一个所述眼球追踪光学装置安装在所述右眼观看组件上；其中，所述左眼观看组件和所述右眼观看组件左右对称分布。
18.另一实施例中，本技术提供一种显示装置，应用于虚拟现实设备或增强现实设备，所述显示装置包括：前述的光学系统。
19.可选地，所述显示装置还包括：头部穿戴组件，所述头部穿戴组件用于穿戴在人的头部上。
20.可选地，所述显示装置还包括：外壳，所述光学系统容纳于所述外壳内。
21.另一实施例中，本技术提供一种显示系统，所述显示系统为虚拟现实和/或增强现实显示系统，所述显示系统包括信号输入模块及前述的头戴式显示设备，所述头戴式显示设备接收所述信号输入模块的信号并对信号进行处理。
22.可选地，所述信号输入模块包括与所述头戴式显示设备电性连接的操作控制器。
23.可选地，所述显示系统为虚拟和/或增强现实显示一体机，所述处理模块还用于控制所述操作控制器及所述探测光光源的工作状态。
24.本发明有益效果体现在：本发明在使用时，应用于大视场的头戴式显示设备，这类大视场的头戴式显示设备的目镜组的面积较大。若将探测光光源安装在目镜组的侧边时，探测光无法照射在眼睛上。在导光机构的作用下，能够将探测光导引至第一光学面的口径的10％至49％的某一位置处并出射向眼睛，从而在大视场头戴式显示设备中，实现了将探测光照射在眼睛上。探测光照射入导光机构的进光口中后，可以在导光机构内进行全反射传播，最后从出光口处出射。探测光照射在眼睛后的反射光再照射入探测光采集模块中。探测光采集模块获取到该反射光后便可以进行后续的眼球追踪分析，具体的，可以提取反射光中的瞳孔图像信息以识别出眼球的注视方向。本发明的探测光首先照射入导光机构，导光机构将探测光导引一端光程后出射至眼睛中，导光机构起到收集探测光以及导引探测光
的作用，能够将探测光导引一段光程后再出射，使得探测光光源可以安装在距离眼睛较远的位置处。同时探测光光源也无需精准地对准眼睛，只需要出光口的出光方向朝向眼睛即可，降低了对探测光光源的安装位置要求，也降低了对探测光光源的安装精度要求。此外，降低对探测光光源的安装要求，实际上等效地提高了探测光的利用率，即探测光采集模块更易获取探测光照射在眼睛上的反射光，提升了对眼睛的眼球追踪效率。
附图说明
25.图1所示为本发明一实施例提供的一种眼球追踪光学装置的结构示意图。
26.图2所示为本发明一实施例提供的导光机构的结构示意图。
27.图3所示为本发明包括多个探测光光源和导光机构时的结构示意图。
28.图4所示为本发明一实施例提供的另一种眼球追踪光学装置的结构示意图。
29.图5所示为本发明的探测光光源的结构示意图。
30.图6所示为本发明的显示系统的结构示意图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.实施例一
33.图1所示为本发明一实施例提供的一种眼球追踪光学装置的结构示意图。如图1所示，本技术提供一种眼球追踪光学装置，应用于头戴式显示设备，头戴式显示设备包括目镜组1，目镜组1包括相互背向设置的第一光学面101和第二光学面102，第一光学面101面向眼睛4，第二光学面102面向外界，在使用该头戴式显示设备时，可以向第一光学面101投射图像，或者在第二光学面102所面向的方向上设置一个显示屏以显示图像，佩戴该头戴式显示设备的用户便可以观看到图像。
34.具体的，本技术所应用的头戴式显示设备为大视场类型的头戴式显示设备，该类大视场设备的目镜组1的面积较大。基于此，眼球追踪光学装置包括探测光光源2、导光机构8以及探测光采集模块3，其中探测光光源2用于出射探测光，该探测光光源2安装在目镜组1朝向耳朵的边侧处，且探测光光源2的出光方向指向导光机构8。导光机构8设置在第一光学面101上，导光机构8具有进光口801和出光口802，具体的，探测光光源2的出光方向指向进光口801，导光机构8构造为：从进光口801获取探测光，将探测光从进光口801导引至出光口802，并将探测光从出光口802耦出；出光口802的出光方向指向眼睛4。探测光采集模块3配置为获取眼睛4对探测光的反射光。
35.并且，进光口801和出光口802之间的导光机构8的长度，占第一光学面101的口径的10％至49％之间的任一值；出光口801与眼睛4之间的光路的主光线，和目镜组1的光轴之间的锐角夹角为5
°
至65
°
之间的任一值，包括5
°
和65
°
本值。对于导光机构8长度的限定，以及对出光口801与眼睛4之间的光路方向的限定，对应于大视场的头戴式显示设备，具体视场一般大于100
°
，这类大视场的头戴式显示设备的目镜组1的面积较大。若将探测光光源2
安装在目镜组1的侧边时，探测光无法照射在眼睛4上。在导光机构8的作用下，能够将探测光导引至第一光学面101的口径的10％至49％的某一位置处并出射向眼睛4，从而在大视场头戴式显示设备中，实现了将探测光照射在眼睛4上。
36.具体的，探测光照射入导光机构8的进光口801中后，可以在导光机构8内进行全反射传播，最后传播至出光口802处，出光口802可以是开设在导光机构8侧壁的一个窗口，探测光经过在导光机构8内的全反射传播后从该窗口出射。窗口的具体位置设定可以决定探测光的出射位置和出射方向。为了保障可以有足够的探测光照射在眼睛4上，探测光光源2可以出射发散的探测光，发散的探测光进入导光机构8后再以发散的状态出射并照射在眼睛4上，保障探测光能够覆盖整个眼睛。探测光照射在眼睛4后的反射光再照射入探测光采集模块3中，当探测光采集模块3位于目镜组1的第一光学面101所面向的方向上时，眼睛4对探测光的反射光会直接入射探测光采集模块3；当探测光采集模块3位于目镜组1的第二光学面102所面向的方向上时，眼睛4对探测光的反射光可能会透过目镜组1后再入射探测光采集模块3。探测光采集模块3获取到该反射光后便可以进行后续的眼球追踪分析，具体的，可以提取反射光中的瞳孔图像信息以识别出眼球的注视方向。
37.本实施例的探测光首先照射入导光机构8，导光机构8将探测光导引一端光程后出射至眼睛4中，导光机构8起到收集探测光以及导引探测光的作用，能够将探测光导引一段光程后再出射，使得探测光光源2可以安装在距离眼睛4较远的位置处。同时探测光光源2也无需精准地对准眼睛4，只需要出光口802的出光方向朝向眼睛4即可，降低了对探测光光源2的安装位置要求，也降低了对探测光光源2的安装精度要求。此外，降低对探测光光源2的安装要求，实际上等效地提高了探测光的利用率，即探测光采集模块3更易获取探测光照射在眼睛4上的反射光，提升了对眼睛4的眼球追踪效率。
38.图2所示为本发明一实施例提供的导光机构的结构示意图。具体的，如图2所示，导光机构8包括空心柱状的导光条803，导光条803内表面镀有用于反射探测光的导光膜层804，导光膜层804的反射波段包括探测光的波段，进光口801和出光口802分别位于导光条803的两端。探测光从进光口801入射导光条803后，导光膜层803反射导光条803内的探测光，从而使得探测光在导光条803内进行全反射传播，最后从出光口802出射。探测光的波段例如可以是红外波段，则导光膜层804可以对探测光进行反射。
39.其中，导光条803由透明材料制成，导光膜层804为部分透射部分反射膜，导光膜层804的透射波段包括可见光波段，能够使得导光膜层804仅对探测光进行反射，而头戴式显示设备需要显示的图像对应的图像光以及外界的环境光可以从导光条803透射，导光条803不会影响头戴式显示设备的正常显示工作。
40.为了节省导光机构8的占用空间，导光条803嵌入式设置在第一光学面101上，能够使得导光条803不会突出于第一光学面101的表面，即导光条803不会占用过多的空间。
41.可选地，出光口802的位置处设有透光板805，透光板805可以封闭住出光口803，避免有杂物进入导光条803内。透光板805上可以镀有增透膜806，能够减少探测光在透光板805上的反射率，探测光能够更好地透过透光板805，提高了探测光的能量利用率。
42.图3所示为本发明包括多个探测光光源和导光机构时的结构示意图。如图3所示，导光机构8和探测光光源2的数量均为多个，导光机构8和探测光光源2一一对应，能够有更多的探测光经过导光机构8后照射在眼睛4上，使得眼睛4能够接受较多的探测光，相应的，
会有更多的眼睛4对探测光的反射光被探测光采集模块3获取，即提升了该反射光的信噪比，探测光采集模块3更易检测到眼睛4的眼球运动信息。具体的，探测光光源2的波段为红外波段，红外波段的不可见的探测光不会对目镜组1的正常显示内容造成影响。此外，探测光光源2与目镜组1光轴的距离为30mm至60mm之间的任一值，具体的，该距离可以是探测光光源2几何中心与目镜组1光轴的垂直距离。
43.图4所示为本发明一实施例提供的另一种眼球追踪光学装置的结构示意图。优选的，如图4所示，眼球追踪光学装置还包括反射镜5，反射镜5设置在眼睛4对探测光的反射方向上。探测光采集模块3设置在反射镜5的反射方向上。通过反射镜5可以改变探测光经过眼睛4后的反射光的光路方向，能够提高该眼球追踪光学装置中各个部件的摆放自由度。
44.如图4所示，反射镜5设置在第二光学面102面向的方向上。由于探测光采集模块3的结构一般较为复杂且占用空间大，通过反射镜5可以让探测光采集模块3的放置位置更加自由。在一些方式中，探测光采集模块3可以设置在第二光学面102和反射镜5之间的区域中。具体的，例如可以首先根据整个眼球追踪光学装置的具体结构来决定探测光采集模块3的安装位置，然后调节反射镜5的角度使得眼睛4对探测光的反射光照射在探测光采集模块3的感光窗口上。
45.具体的，一般目镜组1的封装结构上具有较多的安装空间，可以将探测光采集模块3安装在目镜组1的封装结构上，并将探测光采集模块3的探测方向朝向第二光学面102所面向的方向上，再将反射镜5安装在第二光学面102所面向的方向上的某个结构上。其中，由于反射镜5的结构简单且占用空间小，因此反射镜5对安装空间和安装位置的要求不高，然后调节好反射镜5的角度使得眼睛4对探测光的反射光能够入射探测光采集模块3即可。
46.当反射镜5不是部分反射部分透射镜且该头戴式显示设备为增强现实显示设备时，需要设计好反射镜5的安装位置，使得反射镜5不会遮挡眼睛4透过目镜组1后的视野范围，例如反射镜5可以安装在目镜组1的水平方向的上方或下方，并相应地调节探测光光源2的朝向，使得探测光经过第一光学面101以及眼睛4的反射后能够照射在反射镜5上。基于此，反射镜5可以采用部分反射部分透射镜，并且反射镜5的反射波段包括红外波段，这样可以使得反射镜5不会影响眼睛4透过目镜组1观看外界环境，反射镜5便可以设置在眼睛4透过目镜组1后的视野范围中，这样可以降低对各部件的安装位置的要求，提高了各部件的摆放自由度。
47.此外，还可以在第一光学面101的表面覆上或镀上部分透射部分反射膜，并且部分透射部分反射膜的反射波段包括红外波段，这样可以在不影响目镜组1正常显示图像的前提下提高对探测光的反射率，能够使得更多的探测光照射在眼睛4上，提高了对探测光的利用率。
48.图5所示为本发明的探测光光源的结构示意图。如图5所示，探测光光源2包括光机201以及光路调节组件202，光机201用于生成探测光，光路调节组件202构造为将探测光整形并转向照射入进光口801。通过光路调节组件202，可以将光机201生成的探测光整形为所需要的光束形状，例如可以将探测光进行聚焦或准直，经过聚焦或准直的探测光从进光口801入射导光条803并在导光条803内全反射传播，探测光经过全反射传播后从出光口802出射并照射在眼睛上。通过光路调节组件202，可以将探测光耦入导光条803，避免探测光浪费。
49.具体的，光路调节组件202包括聚焦透镜组210以及光路偏转镜211，聚焦透镜组210和光路偏转镜211均设置在光机201和进光口801之间的光路上。聚焦透镜组210构造为聚焦或准直光机201生成的探测光，光路偏转镜211构造为将探测光的照射方向改变为朝向进光口801照射。
50.光机201可选用红外半导体发光二极管，如图5所示，聚焦透镜组210的进光侧设置在光机201的出光方向上，聚焦透镜组210可选用光焦度为正的透镜组来对探测光进行聚焦，光路偏转镜211可选用反射镜或反射棱镜，且光路偏转镜211设置在聚焦透镜组210的出光侧，光路偏转镜211将探测光反射入进光口801。
51.图1至图5中带箭头的直线表示大致的光路走向。
52.可选地，球追踪光学装置还包括探测光机壳10，探测光光源2安装在探测光机壳10中，探测光机壳10与目镜组1连接。通过探测光机壳10来封装固定探测光光源2，可以避免探测光光源2中的各个部件发生移位。探测光机壳10可以连接在目镜组1的侧边，或者通过一些中介件与目镜组1间接连接，以保证探测光光源2和目镜组1的相对位置不变，从而可以稳定地将探测光照射入导光机构8上。
53.本实施例中的头戴式显示设备还可以包括眼镜框，眼镜框包括镜腿，光学系统固定于镜腿之间。本实施例可以将镜腿挂在用户的耳朵上，目镜组可以安装在眼镜框的镜片安装位置上，从而可以将头戴式显示设备方便地戴在用户的头上，为用户提供虚拟现实显示或增强现实显示。该头戴式显示设备为透射式虚拟现实/增强现实产品时，安装在镜片安装位置处的目镜组为半透半反的镜片，从而使得人眼可以观看到目镜组外的现实场景。
54.可选地，头戴式显示设备包括设置于其内的光学系统及扣箍件，扣箍件用于将光学系统固定于人眼前方。在使用时，扣箍件可以将光学系统保持在人眼前方，以供人眼观看。
55.实施例二
56.本发明提供一种光学系统，该光学系统包括：前述的眼球追踪光学装置、左眼观看组件和右眼观看组件，一个眼球追踪光学装置安装在左眼观看组件上，一个眼球追踪光学装置安装在右眼观看组件上，左眼观看组件和右眼观看组件左右对称分布。在使用时，用户的左眼和右眼分别从两个目镜组中观看图像。
57.实施例三
58.本发明还提供一种显示装置，应用于虚拟现实设备或增强现实设备，在一些实施例中，显示装置包括前述的光学系统以及固定结构，光学系统与固定结构连接。
59.在使用时，可以向目镜组的第一光学面投射图像，或者在目镜组远离眼睛的外侧放置图像源，可以观看到目镜组的第一光学面上的图像，或者观看目镜组外图像源的图像。具体的，显示装置可以是透射式/非透射式显示器类的虚拟现实/增强现实产品，也可以是头戴式的虚拟现实/增强现实产品。固定结构为光学系统提供支撑，避免在使用过程中光学系统的各部件发生位移，以保证光学系统的耐用性。显示装置为透射式虚拟现实/增强现实产品时，目镜组为半透半反的镜片，从而使得人眼可以观看到目镜组外的现实场景。
60.该显示装置还包括头部穿戴组件，头部穿戴组件与固定结构连接，头部穿戴组件用于穿戴在人的头部上。
61.在使用时，可以通过头部穿戴组件将该显示装置戴在用户的头部上，用户的头部
为该显示装置提供支撑，可以方便地观看虚拟现实或增强现实图像。
62.可选地，显示装置还包括外壳和摄像头，光学系统容纳于外壳内，外壳可以有效地保护光学系统，避免光学系统受损。摄像头的镜头面对人眼，该摄像头可以用于执行眼动跟踪功能。
63.实施例四
64.图6所示为本发明的显示系统的结构示意图。本发明还提供一种显示系统，显示系统为虚拟现实和/或增强现实显示系统，如图6所示，显示系统包括信号输入模块13及前述的头戴式显示设备，头戴式显示设备接收信号输入模块13的信号并传输至头戴式显示设备进行处理。信号输入模块13包括与头戴式显示设备电性连接的操作控制器，操作控制器具体可以是手柄控制器。可选地，显示系统为虚拟和/或增强现实显示一体机，处理模块40还用于控制操作控制器及探测光光源的工作状态，例如可以控制探测光光源是否开启。
65.在一些实施例中，如图6所示，显示系统还包括存储器15，处理模块40与信号输入模块13分别电连接，存储器15用于存储处理模块40的可执行指令。
66.在使用时，处理模块40可以是中央处理单元(cpu)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其他形式的处理单元，并且可以控制显示系统中的其他组件以执行期望的功能。
67.存储器15可以包括一个或多个计算机程序产品，计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(ram)和/或高速缓冲存储器(cache)等。非易失性存储器例如可以包括只读存储器(rom)、硬盘、闪存等。在计算机可读存储介质上可以存储一个或多个计算机程序指令，处理模块40可以运行程序指令，以控制操作控制器。
68.信号输入模块13可以通过总线系统和/或其他形式的连接机构(未示出)和处理模块40互连，信号输入模块13可以包括例如键盘、鼠标、摇杆和触控屏幕等等。
69.当然，为了简化，图6中仅示出了该显示系统中与本发明有关的组件中的一些，省略了诸如总线、输入/输出接口等等的组件。除此之外，根据具体应用情况，显示系统还可以包括任何其他适当的组件。
70.以上结合具体实施例描述了本发明的基本原理，但是，需要指出的是，在本发明中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本发明的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本发明为必须采用上述具体的细节来实现。
71.本发明中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
72.还需要指出的是，在本发明的装置和设备中，各部件是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。
73.提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本
发明。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本发明的范围。因此，本发明不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此发明的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
74.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。