Meta AR/VR專利提出使用激光多普勒干涉法進行眼動追蹤

　　眼動追蹤越發(fā)成為頭顯的標準配置，各家廠商都在積極探索精確、輕型、緊湊和高成本效益的眼動追蹤系統(tǒng)。早前映維網(wǎng)已經(jīng)分享了一系列與所述主題相關的廠商發(fā)明，而美國專利商標局日前又公布了一份名為“Eye-tracking using laser doppler interferometry”的Meta專利申請。具體來說，研究人員提出了一種使用激光多普勒干涉法來追蹤眼睛運動的方法，又或者說使用激光自混合干涉效應來追蹤眼睛運動。

　　據(jù)百科，激光自混合干涉效應是指：激光器的輸出光在被外部物體反射或散射后，其重新反饋回激光器的諧振腔內(nèi)。攜帶外部物體信息的反饋光與腔內(nèi)光發(fā)生干涉，調(diào)制激光器的輸出特性。根據(jù)特定的對應關系，系統(tǒng)可以實現(xiàn)對目標物的物理測量。與傳統(tǒng)干涉系統(tǒng)相比，自混合干涉系統(tǒng)僅有一個干涉通道，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，易準直，靈敏度高，已廣泛應用于工業(yè)測量、科學研究、國防軍事等眾多領域。

　　團隊指出，所述方法沒有任何圖像處理或成像要求，不需要使用諸如外部攝像頭之類的附加光學組件來提供準確的眼動追蹤信息，從而能夠減小眼動追蹤系統(tǒng)的尺寸和成本。另外，所述方法同時消除了諸如背景濾波之類的附加計算步驟，從而降低了眼動追蹤系統(tǒng)的計算成本和功耗。

　　概括來說，在一個實施例中，頭戴式顯示設備包括眼動追蹤設備和配置為向用戶眼睛發(fā)送一個或多個圖像的顯示器。眼動追蹤設備包括第一光學組件和耦合到第一光學組件的一個或多個處理器。第一光學組件包括第一光源和與第一光源光學耦合的第一光傳感器。第一光源具有第一光學腔。

　　第一光源定位為向用戶眼睛輸出第一相干光，并接收作為反饋光從用戶眼睛返回的第一相干光的至少第一部分。反饋光進入第一光腔并引起第一相干光強度的調(diào)制。第一光傳感器配置為檢測第一相干光的調(diào)制強度，并基于檢測到的第一相干光的強度生成一個或多個第一信號。一個或多個處理器配置成從一個或多個第一信號確定用戶眼睛的運動信息。

　　圖2是根據(jù)示例性系統(tǒng)200的框圖。圖2中所示的系統(tǒng)200包括顯示組件205、成像組件235和輸入接口240，它們各自耦合到主機210。顯示組件205包括電子顯示器215、一個或多個處理器216、眼動追蹤模塊217、調(diào)整模塊218、一個或多個定位器220、一個或多個位置傳感器225、一個或多個位置攝像投222、存儲器228、慣性測量單元(IMU)230、一個或多個光學組件260等。

　　圖3B示出了基于專利實施例的眼動追蹤裝置390，其主要使用自混合干涉術確定關于眼睛340的運動信息。眼動追蹤裝置390包括一個或多個光學組件392和耦合到一個或多個光學組件392的一個或多個處理器394。一個或多個光學設備392配置為執(zhí)行干涉測量，基于干涉測量生成一個或多個信號，并將一個或多個信號發(fā)送到一個或多個處理器394。一個或多個處理器394配置為基于從光學組件392接收的一個或多個信號來確定眼睛340的運動信息。

　　在一個實施例中，眼動追蹤裝置390同時包括耦合到光學組件392，并配置為控制光學組件中的光源的操作的電源396。例如，電源396可配置為改變從光學組件392輸出的光的功率或強度。在一個實施例中，電源396耦合到一個或多個處理器394，使得可以由一個或多個處理器394控制電源396的操作。

　　圖4A-4C、5A-5B和6A-6C示出了對應于光學組件392的示例光學裝置。

　　如圖4A所示，光學組件400包括光源410(例如激光源)和光傳感器420(例如光電探測器)。在圖4A-4C中，光傳感器420與光源410分開放置。

　　光源410包括由兩個反射元件(例如反射面412和414)定義的腔416(例如光學腔)。在一個實施例中，反射元件是分布式布拉格反射器。

　　在一個實施例中，光源410可以是激光源，例如垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)或垂直外腔表面發(fā)射激光器(VECSEL)。

　　腔416用于產(chǎn)生相干光，光源410定位為向用戶眼睛340輸出至少一部分相干光。表面412為半反射(例如表面412是部分反射和部分透射鏡)。例如表面414的反射率大于表面412的反射率。表面412將朝向腔體416內(nèi)的表面412傳播的光的一部分反射回表面414，并傳輸朝向腔體416內(nèi)的表面412傳播的光的一部分。如圖4B所示，從光源410發(fā)射透射光作為相干光490。

　　光源410同時配置為接收作來自用戶眼睛340的至少一部分相干光為反饋光492。反饋光492進入光源410的腔416并干擾腔416內(nèi)相干光的產(chǎn)生，從而致使所產(chǎn)生的相干光的強度的調(diào)制。

　　參考圖4C，調(diào)制相干光494從光源410輸出(例如，從腔416輸出)，并且調(diào)制相干光494的至少一部分由光傳感器420接收和檢測。光傳感器420配置成基于調(diào)制相干光494的檢測強度生成一個或多個信號。可以通過分析調(diào)制相干光494或基于調(diào)制相干光494生成的一個或多個信號來確定關于眼睛340的運動信息。

　　這種測量技術稱為“自混合干涉測量法”，其中相干光(如激光束)從目標(如眼睛等目標對象)反射回光源(如激光腔)，反射光干擾并調(diào)制光源內(nèi)部產(chǎn)生的相干光�？筛鶕�(jù)調(diào)制相干光的強度測量來確定關于目標的位置和/或運動信息。

　　在一個實施例中，使用與光源集成的傳感器代替與光源分離的傳感器。

　　圖5A和5B是示出了垂直集成光學組件500。光學組件500有時可以稱為干涉儀傳感器。如圖5A所示，光學組件500包括光源410和垂直集成的光傳感器520(例如光電探測器)，其與光源410光學耦合并垂直集成。光源410包括限定空腔416的表面412和414。在圖5A中，兩個表面412和414都是半反射表面(例如部分反射鏡和部分透射鏡)，其配置為將腔416內(nèi)產(chǎn)生的相干光的至少一部分反射回腔416中，并傳輸腔416內(nèi)產(chǎn)生的光的至少一部分。例如，表面414向光傳感器520發(fā)射腔體416內(nèi)產(chǎn)生的相干光的一部分，使得光傳感器520可以檢測發(fā)射光的強度。

　　可使用光學組件500代替圖3B所示的光學組件392。參考圖5B，光學組件500配置為經(jīng)由表面412向用戶眼睛340輸出相干光490。光學組件500同時配置為經(jīng)由表面412接收來自用戶眼睛340的至少一部分相干光作為反饋光492。由于表面414為半反射，所以在腔416內(nèi)產(chǎn)生的相干光的至少一部分經(jīng)由表面414從光源410向垂直集成光傳感器520輸出。光傳感器520配置為接收經(jīng)由表面414從光源410輸出的調(diào)制相干光494的至少一部分，并基于調(diào)制相干光494的檢測強度生成一個或多個信號。

　　圖6A-6C是示出了水平集成光學組件600。光學組件600是干涉儀傳感器，其包括配置為輸出相干光490的光源410(例如激光源)和與光源410水平集成的光傳感器620。光源410包括限定腔416的表面412和414。

　　光學組件600可以用來代替圖3B所示的光學組件392。參考圖6B，光源410配置為經(jīng)由表面412向用戶眼睛340輸出相干光490。光源410同時配置為經(jīng)由表面412接收來自用戶眼睛340的至少一部分相干光作為反饋光492。反饋光492經(jīng)由表面412進入光源410的腔體416，并與腔體416內(nèi)產(chǎn)生的相干光發(fā)生干涉，導致對腔體416內(nèi)產(chǎn)生的相干光的強度進行調(diào)制。調(diào)制光494的一部分從腔體416漏出，并由光傳感器620檢測。在一個實施例中，濾波器622位于腔體416和光傳感器620之間，以衰減從腔體416傳輸?shù)焦鈧鞲衅?20的光。

　　或者，光傳感器620在調(diào)制光被外部物體(例如目標物體眼睛)反射后檢測調(diào)制光。在圖6C中，經(jīng)調(diào)制的相干光494經(jīng)由表面412從光源410輸出，并且調(diào)制相干光494的至少一部分被目標物體(眼睛340)重定向回光學組件600的光傳感器620，并且隨后被光傳感器620接收和檢測。在一個實施例中，屏障624位于腔體416和光傳感器620之間，以阻止光從腔體416傳輸?shù)焦鈧鞲衅?20。水平集成光傳感器620配置成基于調(diào)制相干光494的檢測強度生成一個或多個信號�？梢酝ㄟ^分析調(diào)制相干光494或基于調(diào)制相干光494生成的一個或多個信號來確定關于眼睛340的運動信息。

　　圖7A示出了使用眼動追蹤裝置390追蹤眼睛運動的示意圖。從光學組件392輸出的相干光490的至少一部分從眼睛340反向反射或反向散射，并在光學組件392處接收作為反饋光492。反饋光492調(diào)制光學組件392中的相干光490的強度。關于眼睛340的位置和移動的信息可以根據(jù)調(diào)制相干光的強度測量來確定。

　　圖7B示出了包括多個光學組件392的眼動追蹤裝置390。眼動追蹤裝置390包括多個(例如兩個或更多個)光學組件392，每個光學組件392可對應于光學設備400、500和600中的任何一個。7B中示出了兩個光學組件392-1和392-2。光學組件392-1的定位使得從光學組件392-1的光源輸出的相干光490-1在x-z平面中入射到眼睛340。相反，光學組件392-2的定位使得從光學組件392-2的光源輸出的相干光490-2入射到y(tǒng)-z平面中的眼睛340。

　　因此，眼動追蹤裝置390對眼睛340在x和y方向上的位置和移動敏感。通過采用兩個光學組件392-1和392-2，眼動追蹤裝置390能夠在兩個維度(例如在x方向和y方向)確定眼睛位置和眼球運動信息。例如，相干光490-1由光學組件392-1的光源輸出。由反饋光與相干光490-1的干涉產(chǎn)生的調(diào)制相干光由光學組件392-1的光傳感器接收。

　　光學組件392-1的光傳感器基于接收調(diào)制相干光生成一個或多個信號�？梢允褂糜晒鈱W組件392-1的光傳感器生成的一個或多個信號來確定關于沿x方向的眼球運動信息。類似地，相干光490-2由光學組件392-2的光源輸出。由反饋光與相干光490-2的干涉產(chǎn)生的調(diào)制相干光由光學組件392-2的光傳感器接收。光學組件392-2的光傳感器基于接收調(diào)制相干光生成一個或多個信號�？梢允褂糜晒鈱W組件392-2的光傳感器生成的一個或多個信號來確定關于眼睛沿y方向的運動信息。

　　名為“Eye-tracking using laser doppler interferometry”的Meta專利申請最初在2020年7月提交，并在日前由美國專利商標局公布。