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CN111505823A - 用于眼睛追踪应用的镜片和头戴式装置 - Google Patents

用于眼睛追踪应用的镜片和头戴式装置 Download PDF

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CN111505823A
CN111505823A CN202010076853.9A CN202010076853A CN111505823A CN 111505823 A CN111505823 A CN 111505823A CN 202010076853 A CN202010076853 A CN 202010076853A CN 111505823 A CN111505823 A CN 111505823A
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CN
China
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lens
protective layer
layer
light
eye
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Application number
CN202010076853.9A
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阿克塞尔·托林
丹尼尔·容格伦
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Tobii AB
Original Assignee
Tobii AB
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Publication date
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Abstract

本发明涉及用于眼睛追踪应用的镜片。镜片包括第一保护层，所述第一保护层被布置成在镜片用于眼睛追踪时面向要被追踪的眼睛。镜片还包括至少一个光源，所述至少一个光源至少部分布置在第一保护层中，被布置成在朝向眼睛的方向上从第一保护层发射第一光。此外，镜片包括至少一个图像捕捉装置，所述至少一个图像捕捉装置至少部分布置在第一保护层中，被布置成接收第一保护层内的第一光。镜片还包括吸收层，所述吸收层在镜片用于眼睛追踪时从要被追踪的眼睛的方向来看布置在第一保护层的远侧上，被调适成对于第一光的大部分的波长来说是吸收性的。

Description

用于眼睛追踪应用的镜片和头戴式装置
技术领域
本公开涉及用于眼睛追踪应用的镜片，其中所述镜片包括至少一个光源和至少一个相机。本公开还涉及头戴式装置。
背景技术
眼睛追踪是针对测量眼睛的注视点或测量眼睛相对于头部的运动的过程的术语。眼睛追踪器是针对用于测量眼睛位置和眼睛移动的装置的术语。眼睛追踪器常见地用于若干研究和研发领域中，诸如，在生理上用于视觉系统上，用于心理学中，用于心理语言学中，用于市场营销中(作为用于人机互动的输入装置)以及用于产品设计中。当前存在用于测量眼睛移动的许多方法。其新出现的变化形式之一使用视频图像，其中从所述视频图像提取眼睛位置。
眼睛追踪器大体上被调适成按若干方式中的一种来测量眼睛的旋转，但主要归结于三个主要种类：在与眼睛接触的情况下的对象的移动的测量；在并未直接接触眼睛的情况下的光学追踪；以及使用布置在眼睛周围的电极而进行的电位的测量。
前面提到的光学追踪种类将可用的非接触式光学方法中的一些方法用于测量眼睛运动。所发射的光(通常在红外波长区域中)从眼睛反射并由视频相机或某一其它专门设计的光学传感器感测。所感测的信息接着被实时地分析以从反射的改变提取眼睛移动。
在常规头戴式眼睛追踪装置中，电光部件(诸如，一个或更多个相机和/或光源)通常安装在机械支撑结构上。最便利且经典的解决方案是使一副眼镜的镜架被所述机械支撑结构至少部分覆盖，其中必要的部件已安装到所述机械支撑结构上。
此解决方案的实例公开在第9,665,172号美国专利中，其中所述美国专利描述一种便携式眼睛追踪装置，其包含镜架，所述镜架具有附接在上面的眼镜镜片，以便在最大可能程度上模仿一副传统眼镜或太阳镜。镜架包含中央零件(centrepiece)，其中眼镜镜片附接到所述中央零件，并且侧部零件(sidepiece)从所述中央零件延伸。这些侧部零件可按一副传统眼镜或太阳镜的方式配合在用户的耳朵上。提供鼻部零件(nose piece)，其目的是为了舒适并且为了有助于将装置配合在用户的鼻子上。可捕捉静态图像和/或视频图像和/或其它图像数据的实景相机在鼻部零件上方设置在眼镜镜片中。为了记录声音，麦克风也可被布置成邻近于或接近于实景相机。控制单元位于一个或两个镜腿(侧部零件)内。
附接到镜架的是具有光学器件保持构件的机械支撑结构，其中所述机械支撑结构通常固定到便携式眼睛追踪装置的镜架。具有光学器件保持构件的机械支撑结构通常构成对于用户来说在视觉上且在物理上造成阻碍的元件。此支撑结构可能被认为是干扰性的并且从功能与美感观点两者来看不太有吸引力。在延伸的镜架结构上安装时易碎的且有时极敏感的光学和/或电子部件从镜片及其功能元件的强度和耐久性的角度来看可也是不期望的，镜片及其功能元件的强度和耐久性对于眼睛追踪装置的强健且可靠的功能来说是至关重要的。
此外，至少到目前为止，因为眼睛追踪技术现在刚刚出现，所以现有技术解决方案在设立生产设施从而以大规模生产眼睛追踪装置时在成本和效率方面尚未达到最佳。
发明内容
本公开的目标是缓解已知装置的上述问题中的至少一些。
本公开的另一目标是提供对于用户来说在视觉上和/或在物理上较少造成阻碍的头戴式装置。
本公开的又一目标是提供已知装置的替代且改进的解决方案。
上述目标中的至少一个是根据由用于眼睛追踪应用的镜片实现的本公开的一个方面。镜片包括：第一保护层，具有第一表面，被布置成在镜片用于眼睛追踪时面向要被追踪的眼睛；以及至少一个光源，被至少部分布置成与第一保护层接触，被布置成在朝向眼睛的方向上从第一保护层发射第一光。镜片还包括：至少一个图像捕捉装置，被至少部分布置成与第一保护层接触，被布置成接收第一保护层内的所发射的第一光。镜片还包括吸收层，所述吸收层在镜片用于眼睛追踪时从要被追踪的眼睛的方向来看布置在第一保护层的远侧上，被调适成对于第一光的大部分来说是吸收性的。
根据本发明的整体配置允许将光学部件和电气部件布置在镜片内。因此，不再如同在现有技术中一样需要镜片的外部上的机械支撑结构。因此，镜片允许较轻且较灵活的头戴式眼睛追踪装置的构造。此外，镜片允许一种头戴式眼睛追踪装置的构造，这种构造视觉上较少受损且具有较强健的构造。
吸收层减少来自至少一个光源的杂散光。特别是，可能到达图像捕捉装置的杂散光可因为将被吸收层吸收而减少。
通过将光源布置在镜片中，头戴式眼睛追踪装置的其它部件将获得关于其设计的较大自由度，这是因为所述部件不再需要支撑光源。特别是，这些其它部件可被设计得较轻，从而需要较少空间，或可能甚至完全省去。
光源可以是发光二极管LED或激光器。那些是优选类型的光源，这是因为它们可极小且因此容易实施在镜片中。
吸收层可被配置成还充当支撑层并支撑至少一个光源和至少一个图像捕捉装置中的至少一个。吸收层必须足够强韧以便允许吸收层充当支撑层。这允许镜片的较容易的生产。然而，如果吸收层充当支撑层，那么可有助于镜片的制造。光源和图像捕捉装置可接着在第一步骤中附接到支撑/吸收层，并且第一保护层可在第二步骤中模制到支撑层上。
镜片可还包括支撑层，所述支撑层被配置成支撑至少一个光源和至少一个图像捕捉装置中的至少一个，其中支撑层布置在吸收层的任一侧上。正如吸收层一样，支撑层可被进一步调适成对于第一光的大部分的波长来说是吸收性的。
镜片可还包括第二保护层，所述第二保护层从眼睛的方向来看提供在吸收层的远侧上。第二保护层的功能是进一步保护整体安装在镜片中的光学部件和/或电气部件。并且，通往部件的电连接以及来自部件的电连接可通过镜片的第三保护层来保护而免受机械损坏。
在另一实例中，镜片可还包括第二保护层，所述第二保护层从眼睛的方向来看提供在支撑层的远侧上，并且其中第二保护层是吸收层。此举允许有助于镜片的安装，这是因为只有第二保护层对于至少一个光源的波长来说必须是吸收性的。此外，第二保护层保护整体安装在镜片中的光学部件和/或电气部件。并且，通往部件的电连接以及来自部件的电连接可通过镜片的第三保护层来保护而免受机械损坏。
光源可被调适成发射基本上在波长范围650nm到3000nm中、优选在波长范围750nm到1400nm中、较优选在波长范围800nm到1000nm中的波长下的第一光，其中支撑层和/或吸收层被调适成对于所述波长来说是吸收性的。这实现优选用于眼睛追踪的第一光的波长与可用于虚拟现实VR和/或增强现实AR的可见光的波长的分离。
支撑层、第二保护层和/或吸收层对于可见波长来说可以是基本上透明的。这是有利的，因为这允许用户看穿镜片并使镜片能够用于增强现实应用。
镜片可包括折射元件，所述折射元件布置在第一光的光路中。折射元件可以是例如微镜片。这允许在期望方向上引导第一光和/或按期望方式操纵第一光。此外，这减少对用于引导/操纵第一光的任何额外部件的需要，从而减少对用于支撑额外部件的额外结构的需要。正如上文所述的减小的距离一样，所布置的折射元件减少第一光在镜片内的内部全反射。有利地，电力消耗进一步减少，并且杂散光减少。因为较少的来自光源的杂散光将到达眼睛追踪相机，所以眼睛追踪的准确性将进一步提高。
被布置成面向眼睛的折射元件的表面从光源的方向来看具有凸起形状。因此，第一光的发射光锥以一入射角发射到凸起表面上，该入射角相对于凸起表面小于在那里将发生内部全反射的临界角。以此方式，内部反射可被最小化，并且被引导向眼睛的光可被最大化。
在一个实施例中，至少一个折射元件(诸如，微镜片)被布置成缩窄至少一个光源的发射光锥。这进一步减少至少一个光源在要被追踪的眼睛处提供具体强度的光所需的电力消耗。
折射元件可以是第一保护层的整体部分，并且可具有实质上等于第一保护层的折射率的折射率。这使得能够在模制第一保护层时生产折射元件。
根据也由头戴式装置实现的本公开的一个方面来实现前述目标中的至少一些。头戴式装置包括至少一个根据本公开的用于眼睛追踪应用的镜片。头戴式装置具有关于镜片论述的优点。
头戴式装置可以是增强现实头戴设备，其中透明显示器集成到镜片中，附接到镜片或布置在镜片附近。
头戴式装置或者可以是虚拟现实头戴设备，所述虚拟现实头戴设备包括显示器，其中所述镜片集成到显示器中，附接在显示器之前或布置在显示器之前。
应强调，可组合上述实施例中的任何实施例。这些实施例的组合可提供额外优点。在将本公开付诸实践时或在研读下文具体实施方式时，其它优点可出现。
附图说明
为了更详细地理解本发明及其目标和优点，参考应与附图一起阅读的下文具体实施方式。相同附图标记在不同图中表示相同部件。
图1示意性地描绘根据本公开的实施例的镜片。
图2示意性地描绘根据本公开的替代实施例的镜片。
图3示意性地描绘根据本公开的替代实施例的镜片。
图4a和图4b以放大图示出根据两个替代实施例的镜片的一部分和灯。
图5a-5c示意性地描绘根据本公开的头戴式装置的不同实施例。
具体实施方式
图1示意性地描绘根据本公开的实施例的镜片10。镜片10被具体地布置，并旨在用于眼睛追踪应用。镜片包括第一保护层20，第一保护层20被布置成在镜片10用于眼睛追踪时面向要被追踪的眼睛5，其中第一保护层包括第一表面21，被布置成在镜片10用于眼睛追踪时面向要被追踪的眼睛5。第一表面21可具有第一非零曲率的形状。
镜片10还包括支撑层30。支撑层30被布置成在镜片用于眼睛追踪时背离要被追踪的眼睛5。此外，镜片10可包括第二保护层40，第二保护层40具有第二表面41，被布置成在镜片用于眼睛追踪时背离要被追踪的眼睛5。在此状况下，支撑层30布置在第一保护层20与第二保护层40之间。
在一个实例中，支撑层包括第一保护层20与第二保护层40之间的第一开口22。图像捕捉装置的形式的电气部件被布置成延伸穿过第一开口22。第一开口22可具有大于图像捕捉装置60的尺寸。这允许在镜片10的制造期间调整图像捕捉装置60的角度。在第一保护层20和第二保护层40的布置之前执行图像捕捉装置60的布置。在将图像捕捉装置布置在第一开口22中之后，可涂覆透光的粘合剂27以填充第一开口的剩余部分。第一电缆24连接到图像捕捉装置60。第一电缆24可与支撑层接触地从成像装置60开始在支撑层与第一表面21之间延伸到镜片10的外部。这实现图像捕捉装置60到控制单元26的连接。
图像捕捉装置60包括图像传感器，诸如，CMOS传感器或CCD传感器；RGB颜色传感器；红外传感器等。图像捕捉装置60还包括用于汇聚来自眼睛5的入射光的任何必要的光学元件。
镜片10的第一保护层20和第二保护层40由诸如玻璃和/或一种或若干种聚合物(包括例如塑料、丙烯酸玻璃、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚环氧化物)等材料组成。支撑层30可包括适当的聚合物。不同层20、30、40、70的材料的实例包含：玻璃和/或一种或若干种聚合物，包括例如塑料、丙烯酸玻璃、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚环氧化物。
第一保护层20的厚度可处于范围50μm到2000μm中，优选处于范围100μm到1500μm中，较优选处于范围100μm到1000μm中，并且最优选处于范围100μm到500μm中。
镜片10还包括光源50，其中光源50在图1所示的实施例中附接到支撑层30并布置在第一保护层20内。光源50被布置成透过第一表面21朝向眼睛5并且最优选朝向眼睛5的角膜发射第一光。图像捕捉装置60朝向眼睛5并且最优选朝向眼睛的角膜以捕捉第一光。为了取得清楚的信号，光源50被布置成发射具体波长带的光，并且图像捕捉装置60被布置成捕捉同一波长带的光。光源50可被调适成发射基本上在波长范围650nm到3000nm中、优选在波长范围750nm到1400nm中、较优选在波长范围800nm到1000nm中的波长下的第一光。图像捕捉装置60在眼睛的移动期间捕捉眼睛的图像以便按从现有技术眼睛追踪系统本身已知的方式追踪眼睛的移动。
由于第一保护层中的材料与第一表面21的外部上的空气的折射率相比具有较高折射率，因此第一光中的一些光将经受内部全反射，如线条28所示。如果第一光到达图像捕捉装置，那么第一光将使由图像捕捉装置60捕捉的图像恶化。为了避免第一光中的一些光到达图像捕捉装置60，支撑层30可被调适成对于第一光的大部分波长来说是吸收性的。换句话说，如果第一光处于一定波长带内，例如，处于范围750nm到1400nm中，那么吸收层应被调适成在同一波长带内是吸收性的。作为实例，如果光源50发射约900nm的波长下的光，那么吸收性的支撑层30被调适成至少在约900nm下是吸收性的。这将防止第一光到达图像捕捉装置60。支撑层优选在可见波长下是透明的，以使用户能够看穿镜片10。镜片10的支撑层30可被提供以吸收染料，以便吸收第一光。作为替代，第二保护层40而不是支撑层30可充当吸收层。因此，镜片10的第二保护层40可被提供以吸收染料，以便吸收第一光，同时使可见光透射。
镜片10还包括连接到光源的第二电缆25。第二电缆25可与支撑层30接触地从光源50开始在支撑层30与第一表面21之间延伸到镜片10的外部。第二电缆25可连接到控制单元26。
控制单元26控制光源50和图像捕捉装置，并且可被调适成有线地或无线地与另一设备(诸如，计算机)通信。第一电缆24和第二电缆25提供数据和/或电力供应。数据和/或电力供应优选连接到可能光源和/或图像捕捉装置(诸如，相机)。
图2示意性地描绘根据本公开的替代实施例的镜片。与图1所示的镜片10的一个差异在于，图2的镜片10包括单独的吸收层70。吸收层70被调适成对于由第一光源50发射的第一光的波长来说是吸收性的。支撑层30与吸收层70两者对于可见波长来说是基本上透明的，以允许用户看穿镜片。在图2中，与图1中的镜片10相比，第一电缆24布置在支撑层30的另一侧上，即，支撑层30与第二表面41之间。吸收层70被提供以吸收染料，以便吸收已通过内部全反射而反射的第一光。可以使吸收层70和支撑层30具有其它顺序，即，使支撑层30处于吸收层70与第一保护层20之间。第二保护层40对图像捕捉装置60的背部提供保护。
图3示意性地示出根据本公开的替代实施例的镜片。在图3中，镜片10仅包括第一保护层20和支撑层30。支撑层30是吸收层，该吸收层被调适成吸收第一光在内部全反射中被反射的那部分。图3中的镜片可包括第二开口23。光源被布置成延伸穿过第二开口。第二开口增大调整第一光的方向的可能性。镜片10可以是平坦的。此实施例在本发明用于VR头戴设备中时特别引人关注。VR头戴设备可包括或可不包括单独镜片。因此，有可能，图3中的镜片10可以是显示器。
包含所有层的镜片具有在1mm到10mm、优选3mm到5mm的范围中的厚度。可以使镜片更厚，但镜片的重量可能成为问题。如果未来图像捕捉装置展现小于当前图像捕捉装置的尺寸，那么还可以将镜片生产得比1mm更薄。
图4a和图4b以放大图示出根据两个替代实施例的镜片10的一部分和光源50。光源可以例如是发光二极管LED或激光器。当前可在市场上购得的多数发光二极管LED是由折射率接近第一保护层的材料的折射率的材料制成，其中发光二极管将布置在所述第一保护层中。由镜片的拱顶形状提供的聚焦功能丧失，并且因此在替代实施例中，替换为拱顶状微镜片，即，附接到第一保护层20上的第一表面21上的镜片。镜片10具有使从光源50发射的第一光聚焦并减少内部反射的双重功能。这示出在图4a中。如在图4a中可见，折射元件65布置在光源50之前。折射元件65具有弯曲表面66。折射元件65可与第一保护层20成整体，或附接到第一保护层20的外部。折射元件优选具有与第一保护层20相同的折射率。折射元件65的弯曲表面66从光源5的方向来看具有凸起形状，以使得第一光的发射光锥以一入射角发射到弯曲表面66上，该入射角相对于弯曲表面66小于在那里将发生内部全反射的临界角。因此，因为相对于镜片的内表面具有大入射角的杂散光减少，所以内部反射被最小化。换句话说，由于折射元件65的弯曲表面66，较少光将按大于临界角的入射角落在内表面上。
图4b示出具有缩窄来自至少一个光源50的发射锥的折射元件的替代实施例。折射元件65与第一保护镜片20成整体，以使得其不从第一表面21突起。折射元件65具有弯曲表面66。折射元件65可具有比第一保护层20的折射率高15％到100％的折射率。优选地，折射元件65可具有比第一保护层20的折射率高30％到50％的折射率。折射元件65的弯曲表面66从光源5的方向来看具有凸起形状，以使得第一光的发射光锥以一入射角发射到弯曲表面66上，该入射角相对于弯曲表面66小于在那里将发生内部全反射的临界角。
图5a-5c示意性地描绘根据本公开的实施例的头戴式装置80的不同实施例。头戴式装置80可以是用于眼睛追踪的眼镜(图5a)(不具有显示器)；增强现实头戴设备(图5b)，其中透明显示器81集成到镜片中，附接到镜片或布置在镜片附近；或虚拟现实头戴设备(图5c)，包括显示器81，其中镜片集成到显示器中，附接在显示器之前或布置在显示器之前。
所描述的实施例可按许多方式修改，而不偏离本发明的范围，其中本发明的范围仅由随附权利要求书限定。

Claims (14)

1.一种用于眼睛追踪应用的镜片(10)，所述镜片包括：
第一保护层(20)，所述第一保护层(20)具有第一表面(21)，所述第一保护层(20)被布置成在所述镜片用于眼睛追踪时面向要被追踪的眼睛，
至少一个光源(50)，所述至少一个光源(50)被至少部分布置成与所述第一保护层(20)接触，所述至少一个光源(50)被布置成在朝向所述眼睛的方向上从所述第一保护层(20)发射第一光，
至少一个图像捕捉装置(60)，所述至少一个图像捕捉装置(60)被至少部分布置成与所述第一保护层(20)接触，所述至少一个图像捕捉装置(60)被布置成接收所述第一保护层(20)内的所述发射的第一光，
其中所述镜片还包括吸收层(70)，所述吸收层(70)在所述镜片用于眼睛追踪时从所述要被追踪的眼睛(5)的方向来看被布置在所述第一保护层(20)的远侧上，所述吸收层(70)被调适成对于所述第一光的大部分来说是吸收性的。
2.根据权利要求1所述的镜片(10)，其中所述光源(50)是发光二极管、LED或激光器。
3.根据权利要求1或2所述的镜片(10)，其中所述吸收层(70)被配置成还充当支撑层(30)并支撑所述至少一个光源(50)和所述至少一个图像捕捉装置(60)中的至少一个。
4.根据权利要求1或2所述的镜片(10)，其中所述镜片还包括支撑层(30)，所述支撑层(30)被配置成支撑所述至少一个光源(50)和所述至少一个图像捕捉装置(60)中的至少一个，其中所述支撑层(30)被布置在所述吸收层(70)的任一侧上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的镜片，其中第二保护层(40)从所述眼睛的方向来看被提供在所述吸收层(70)的远侧上。
6.根据权利要求1或2所述的镜片(10)，其中第二保护层(40)从所述眼睛的方向来看被提供在所述支撑层(30)的远侧上，并且其中所述第二保护层(40)是所述吸收层(70)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的镜片(10)，其中所述光源(50)被调适成发射基本上在波长范围650nm到3000nm中、优选在波长范围750nm到1400nm中、较优选在波长范围800nm到1000nm中的波长下的所述第一光，其中所述支撑层(30)和/或所述吸收层(70)被调适成对于所述波长来说是吸收性的。
8.根据前述权利要求中任一项所述的镜片(10)，其中所述支撑层(30)、所述第二保护层(40)和/或所述吸收层(70)对于可见波长来说是基本上透明的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的镜片，其中折射元件(65)被布置在所述第一光的光路中。
10.根据权利要求9所述的镜片，其中被布置成面向所述眼睛(5)的所述折射元件(65)的表面具有凸起形状，以使得所述第一光的发射光锥以一入射角发射到所述凸起表面上，所述入射角相对于所述凸起表面小于在那里将发生内部全反射的临界角。
11.根据权利要求10所述的镜片，其中所述折射元件(65)是所述第一保护层(20)的整体部分，并具有基本上等于所述第一保护层(20)的折射率的折射率。
12.一种头戴式装置(80)，包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的用于眼睛追踪应用的镜片(10)。
13.根据权利要求12所述的头戴式装置(80)，其中所述头戴式装置(80)是增强现实头戴设备，其中透明显示器集成到所述镜片中、附接到所述镜片或布置在所述镜片附近。
14.根据权利要求12所述的头戴式装置(80)，其中所述头戴式装置(80)是虚拟现实头戴设备，所述虚拟现实头戴设备包括显示器，其中所述镜片集成到所述显示器中、附接在所述显示器之前或布置在所述显示器之前。
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