CN109725416B - 眼球追踪光学系统、头戴式设备及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种眼球追踪光学系统、头戴式设备及成像方法。包括：光源单元、目镜单元和光路控制单元；所述光源单元，用于发射指定波长光线，所述光线能进入用户眼部；所述目镜单元相对于用户眼部设置，所述光源单元置于目镜单元边缘；所述目镜单元设置于眼部和所述光路控制单元之间；所述光路控制单元设置于由所述目镜单元出射光的光路上，并与光轴成一定的夹角；在所述光路控制单元内遵循同时刻在第一光路控制模式下形成对应的第一光路和在第二光路控制模式下形成对应的第二光路。可以实现对眼球的追踪，提高眼球成像的质量，从而提高对眼球追踪的准确性。

Description

眼球追踪光学系统、头戴式设备及成像方法

技术领域

本发明实施例涉及眼球追踪技术领域，尤其涉及一种眼球追踪光学系统、头戴式设备及成像方法。

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。

现有的眼球追踪装置主要包含两个部分：照明部分与成像部分。照明部分通常使用近红外波段的光源，成像部分采用的是对近红外波段具有良好响应的相机和镜头等组件。采用反射式眼球追踪技术的虚拟现实设备，由于光在镜片间发生多次反射形成的光斑，会对图像数据的采集操作较大的干扰，从而影响成像的质量及对眼球追踪的准确性。

发明内容

本发明实施例提供一种眼球追踪光学系统、头戴式设备及成像方法，以实现对眼球的追踪，避免近红外光的多次反射形成的光斑对图像采集的影响，可以提高眼球成像的质量，从而提高对眼球追踪的准确性。

第一方面，本发明实施例提供了一种眼球追踪光学系统，包括：光源单元、目镜单元和光路控制单元；

所述光源单元，用于发射指定波长光线，所述光线能进入用户眼部；所述目镜单元相对于用户眼部设置，所述光源单元置于目镜单元边缘；所述目镜单元设置于眼部和所述光路控制单元之间；所述光路控制单元设置于由所述目镜单元出射光的光路上，并与光轴成一定的夹角；在所述光路控制单元内遵循同时刻在第一光路控制模式下形成对应的第一光路和在第二光路控制模式下形成对应的第二光路。

进一步地，所述光路控制单元包括第一光学元件和第二光学元件，所述第一光学元件被设置为能在第一光路控制模式下形成对应的第一光路，所述第二光学元件被设置为能在第二光路控制模式下形成对应的第二光路。

进一步地，所述第一光路控制模式被设置为能透过第一波段的光且反射第二波段的光，其中所述第一光路为在所述第一光路控制模式下被反射的光路；所述第二光路控制模式被设置为能透过第一波段的光且透过或吸收第二波段的光，其中所述第二光路为在所述第二光路控制模式下被第一波段透射的光路。

进一步地，所述第一光学元件至少包括二向色镜或分束器中的一种，还包括第一光学反射膜系，所述第一光学反射膜系贴合在二向色镜或分束器表面。

进一步地，所述第二光学元件至少包括近红外吸收膜系或近红外透过膜系中的一种，近红外吸收膜系或近红外透过膜系用于透过可见光，阻止近红外光反射。

进一步地，所述第二光学元件设置在第一光学元件外圈。

进一步地，所述第一光学元件和第二光学元件设置可见光的透过率相近。

进一步地，所述第一波段的光为可见光波段；第二波段的光为近红外光波段。

进一步地：滤光单元；

所述滤光单元设置于第一光路上，用于滤除所述第一波段的光。

进一步地，还包括：成像单元；

所述成像单元设置于所述滤光单元之后，用于接收经所述滤光单元过滤的第二波段的光，以对眼部及光源成像。

第二方面，本发明实施例还提供了一种头戴式设备，包括本发明实施例所述的眼球追踪光学系统和显示屏；

所述显示屏为多维度显示屏，用于显示多维度图像

第三方面，本发明实施例还提供了一种成像方法，该方法包括：

光源单元发射的指定波长光照射进用户眼部；

由用户眼部反射的光经目镜单元传播至光路控制单元；

传播至光路控制单元的光遵循同时刻在第一光路控制模式下形成对应的第一光路和在第二光路控制模式下形成对应的第二光路；所述光路控制单元设置于由所述目镜单元出射光的光路上，并与光轴成一定的夹角。

本发明实施例提供的眼球追踪光学系统，包括：光源单元、目镜单元和光路控制单元；光源单元，用于发射指定波长光线，光线能进入用户眼部；目镜单元相对于用户眼部设置，光源单元置于目镜单元边缘；目镜单元设置于眼部和光路控制单元之间；光路控制单元设置于由目镜单元出射光的光路上，并与光轴成一定的夹角；在光路控制单元内遵循同时刻在第一光路控制模式下形成对应的第一光路和在第二光路控制模式下形成对应的第二光路。可以实现对眼球的追踪，采用光路控制单元，使得传播至光路控制单元的光遵循同时刻在第一光路控制模式下形成对应的第一光路和在第二光路控制模式下形成对应的第二光路，将光分成两路，可以提高眼球成像的质量，从而提高对眼球追踪的准确性。

附图说明

图1本发明实施例一中的一种眼球追踪光学系统的结构示意图；

图2本发明实施例一中的一种眼球追踪光学系统的结构示意图；

图3是本发明实施例一中的一种光路控制单元的正面图；

图4是本发明实施例一中的用户佩戴眼镜时的眼球追踪光学系统的结构示意图；

图5是本发明实施例二中的一种头戴式设备的结构示意图。

图6是本发明实施例三中的一种成像方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明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发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种眼球追踪光学系统的结构示意图，如图1所示，该光学系统包括：光源单元11、目镜单元12和光路控制单元13。

光源单元11，用于发射指定波长光线，光线能进入用户眼部。目镜单元12相对于用户眼部设置，光源单元11置于目镜单元12边缘；目镜单元12设置于眼部和光路控制单元13之间。光路控制单元13设置于由目镜单元12出射光的光路上，并与光轴成一定的夹角；在光路控制单元13内遵循同时刻在第一光路控制模式下形成对应的第一光路和在第二光路控制模式下形成对应的第二光路。

光源单元11照射眼部，由眼部反射出的光经目镜单元12传播至光路控制单元13。到达光路控制单元13的光遵循同时刻在第一光路控制模式下形成对应的第一光路和在第二光路控制模式下形成对应的第二光路。

可选的，光路控制单元包括第一光学元件和第二光学元件，第一光学元件被设置为能在第一光路控制模式下形成对应的第一光路，第二光学元件被设置为能在第二光路控制模式下形成对应的第二光路。第一光路控制模式被设置为能透过第一波段的光且反射第二波段的光，其中第一光路为在第一光路控制模式下被反射的光路；第二光路控制模式被设置为能透过第一波段的光且透过或吸收第二波段的光，其中第二光路为在第二光路控制模式下被第一波段透射的光路。

其中，光源单元11可以是近红外光源。相应的，第一波段的光可以为可见光波段，第二波段的光可以为近红外光波段。光源单元11的数量可以为1个或多个。当光源单元11的数量为多个时，可以均匀的设置于目镜单元12的边缘。目镜单元12可以为头戴式虚拟现实目镜单元，可以是虚拟现实(Virtual Reality，VR)目镜或增强现实技术(AugmentedReality，AR)目镜。光路控制单元13与光轴的夹角可以是0-90度之间的任意值，夹角的度数可以根据系统的实际设置进行选择。

可选的，第一光学元件至少包括二向色镜或分束器中的一种，还包括第一光学反射膜系，第一光学反射膜系贴合在二向色镜或分束器表面。其中，第一光学反射膜系用于透过第一波段的光且反射第二波段的光。

可选的，所述第二光学元件至少包括近红外吸收膜系或近红外透过膜系中的一种，近红外吸收膜系或近红外透过膜系用于透过可见光，阻止近红外光反射。

可选的，第二光学元件设置在第一光学元件外圈。第一光学元件可以设置为任意形状(如圆形、矩形等)，第二光学元件可以设置为任意形状(如圆环、矩形环)。优选，第二光学元件的形状基于第一光学元件的形状设计，如假设第一光学元件的形状为圆形，则第二光学元件的形状为圆环。

可选的，图2是为本发明实施例一提供的一种眼球追踪光学系统的结构示意图。如图2所示，还包括：滤光单元14、成像单元15。

滤光单元14设置于第一光路上，用于滤除第一波段的光。成像单元15设置于滤光单元14之后，用于接收经滤光单元过滤的第二波段的光，以对眼部及光源成像。

示例性的，图3是本发明实施例中的一种光路控制单元的正面图。如图3所示，光路控制单元13包括第一光学元件131和第二光学元件132，第一光学元件131的形状为圆形，第二光学元件132的形状为圆环。第一光学元件131表面贴合有第一光学反射膜系，用于透第一波段的光反射第二波段的光；第二光学元件132贴合有近红外吸收膜系或近红外透过膜系，用于透过可见光，阻止近红外光反射。本实施例中，当第二波段的光由目镜单元12传播至光路控制单元13时，到达第一光学元件131的第二波段的光反射至滤光单元14，到达第二光学元件132的第二波段的光透射出去或被吸收，到达不了滤光单元14。这样做的好处的，避免到达第二光学元件132的第二波段的光经过多次反射再进入滤波单元14后进入成像单元15而形成光斑。可选的，第一光学元件131和第二光学元件132设置可见光的透过率相近。这样的好处是，使得虚拟现实图像到达人眼之前的透过率相同或相近，从而不影响用户的观看体验。

滤光单元14用以滤除虚拟现实显示图像的第一波段的光和外部的第一波段的光，以防止第一波段的光对成像的影响。

具体的，眼球追踪光学系统的工作原理是：光源照射用户眼部；第二波段的光在眼部发生反射，反射光经过目镜单元后传播到光路控制单元；第二波段的光在第一光路控制模式下形成对应的第一光路，第二波段的光沿第一光路经过滤光单元后进入成像单元。

在另一个实施例中，用户在配戴眼镜的情况下，以对用户的眼球进行追踪。图4是本发明实施例中用户佩戴眼镜时的眼球追踪光学系统的结构示意图。如

图4所示，光源单元11经眼镜照射用户眼部后；第二波段的光在眼部发生反射，反射光经眼镜和目镜单元12后传播到光路控制单元13；第二波段的光在第一光路控制模式下形成对应的第一光路，第二波段的光发生偏转经过滤光单元14后进入成像单元15。本实施例中，由于用户佩戴了眼镜，第二波段的光在眼镜和目镜单元之间发生多次反射，由于本申请采用光路控制单元的特殊设计，可以避免第二波段的光因多次反射而在成像单元中形成光斑。

本发明实施例提供的眼球追踪光学系统，包括：光源单元、目镜单元和光路控制单元。光源单元，用于发射指定波长光线，光线能进入用户眼部；目镜单元相对于用户眼部设置，光源单元置于目镜单元边缘；目镜单元设置于眼部和光路控制单元之间；光路控制单元设置于由目镜单元出射光的光路上，并与光轴成一定的夹角；在光路控制单元内遵循同时刻在第一光路控制模式下形成对应的第一光路和在第二光路控制模式下形成对应的第二光路。可以实现对眼球的追踪，采用光路控制单元，使得传播至光路控制单元的光遵循同时刻在第一光路控制模式下形成对应的第一光路和在第二光路控制模式下形成对应的第二光路，将光分成两路，可以提高眼球成像的质量，从而提高对眼球追踪的准确性。

实施例二

图5是本发明实施例提供的一种头戴式设备的结构示意图，如图5所示，该头戴式设备包括眼球追踪光学系统210和显示屏220。

显示屏220为多维度显示屏，用于显示多维度图像。眼球追踪光学系统210包括光源单元、目镜单元、光路控制单元、滤光单元和成像单元。

本实施例中可以将眼球追踪装置集成在头戴式设备上，以用于对用户进行眼球追踪。头戴式设备包括但不限于AR设备、VR设备、眼镜等设备。此处不限定头戴式设备所包括的其余元件，本领域技术人员可以根据实际情况进行设定。

此外，本实施例的显示屏可以为多维度显示屏。多维度显示屏可以用于防止头戴式设备显示的画面引起视觉辐辏调节冲突(即VAC现象)。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。

头戴式设备中显示屏和眼球追踪装置的关系此处不作限定，头戴式设备可以基于眼球追踪装置确定的数据控制显示屏所显示的内容，也可以基于显示屏所显示的内容和眼球追踪装置确定的数据确定用户注视的内容。

实施例三

图6是本发明实施例三提供的一种成像方法的流程图，该方法由上述实施例所述的眼球追踪光学系统执行，如图6所示，该方法包括如下步骤：

步骤410，光源单元发射的指定波长光照射进用户眼部。

步骤420，由用户眼部反射的光经目镜单元传播至光路控制单元。

步骤430，传播至光路控制单元的光遵循同时刻在第一光路控制模式下形成对应的第一光路和在第二光路控制模式下形成对应的第二光路。

其中，光路控制单元设置于由目镜单元出射光的光路上，并与光轴成一定的夹角。光路控制单元包括第一光学元件和第二光学元件，第一光学元件被设置为能在第一光路控制模式下形成对应的第一光路，第二光学元件被设置为能在第二光路控制模式下形成对应的第二光路。第一光学元件至少包括二向色镜或分束器中的一种，还包括第一光学反射膜系，第一光学反射膜系贴合在二向色镜或分束器表面。第二光学元件至少包括近红外吸收膜系或近红外透过膜系中的一种，近红外吸收膜系或近红外透过膜系用于透过可见光，阻止近红外光反射。

其中，第一光路控制模式被设置为能透过第一波段的光且反射第二波段的光，其中第一光路为在第一光路控制模式下被反射的光路；第二光路控制模式被设置为能透过第一波段的光且透过或吸收第二波段的光，其中第二光路为在第二光路控制模式下被第一波段透射的光路。

成像的原理可以是：光源照射用户眼部，第二波段的光在眼部发生反射，反射光经过目镜单元后传播到光路控制单元，第二波段的光在第一光路控制模式下形成对应的第一光路，第二波段的光沿第一光路经过滤光单元后进入成像单元进行成像。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明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发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (7)

1.一种眼球追踪光学系统，其特征在于，包括：光源单元、目镜单元和光路控制单元；

所述光源单元，用于发射指定波长光线，所述光线能进入用户眼部；所述目镜单元相对于用户眼部设置，所述光源单元置于目镜单元边缘；所述目镜单元设置于眼部和所述光路控制单元之间；所述光路控制单元设置于由所述目镜单元出射光的光路上，并与光轴成一定的夹角；在所述光路控制单元内遵循同时刻在第一光路控制模式下形成对应的第一光路和在第二光路控制模式下形成对应的第二光路；

所述光路控制单元包括第一光学元件和第二光学元件，所述第一光学元件被设置为能在第一光路控制模式下形成对应的第一光路，所述第二光学元件被设置为能在第二光路控制模式下形成对应的第二光路；

所述第二光学元件设置在所述第一光学元件外圈；

所述第一光学元件至少包括二向色镜或分束器中的一种；

所述第二光学元件至少包括近红外吸收膜系或近红外透过膜系中的一种，近红外吸收膜系或近红外透过膜系用于透过可见光，阻止近红外光反射；

所述第一光路控制模式被设置为能透过第一波段的光且反射第二波段的光，其中所述第一光路为在所述第一光路控制模式下被反射的光路；所述第二光路控制模式被设置为能透过第一波段的光且透过或吸收第二波段的光，其中所述第二光路为在所述第二光路控制模式下被第一波段光透射的光路；

所述第二波段的光为近红外光。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一光学元件和第二光学元件设置可见光的透过率相近。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一波段的光为可见光波段；第二波段的光为近红外光波段。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：滤光单元；

所述滤光单元设置于第一光路上，用于滤除所述第一波段的光。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括：成像单元；

所述成像单元设置于所述滤光单元之后，用于接收经所述滤光单元过滤的第二波段的光，以对眼部及光源成像。

6.一种头戴式设备，其特征在于，包括如权利要求1-5任一所述的眼球追踪光学系统和显示屏；

所述显示屏为多维度显示屏，用于显示多维度图像。

7.一种成像方法，其特征在于，包括：

光源单元发射的指定波长光照射进用户眼部；

由用户眼部反射的光经目镜单元传播至光路控制单元；

传播至光路控制单元的光遵循同时刻在第一光路控制模式下形成对应的第一光路和在第二光路控制模式下形成对应的第二光路；所述光路控制单元设置于由所述目镜单元出射光的光路上，并与光轴成一定的夹角；

所述光路控制单元包括第一光学元件和第二光学元件，所述第一光学元件被设置为能在第一光路控制模式下形成对应的第一光路，所述第二光学元件被设置为能在第二光路控制模式下形成对应的第二光路；

所述第二光学元件设置在所述第一光学元件外圈；

所述第一光学元件至少包括二向色镜或分束器中的一种；

所述第二光学元件至少包括近红外吸收膜系或近红外透过膜系中的一种，近红外吸收膜系或近红外透过膜系用于透过可见光，阻止近红外光反射；

所述第一光路控制模式被设置为能透过第一波段的光且反射第二波段的光，其中所述第一光路为在所述第一光路控制模式下被反射的光路；所述第二光路控制模式被设置为能透过第一波段的光且透过或吸收第二波段的光，其中所述第二光路为在所述第二光路控制模式下被第一波段光透射的光路；

所述第二波段的光为近红外光。

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