透視、混合現(xiàn)實顯示設(shè)備系統(tǒng)使得用戶能夠觀察覆蓋在物理場景上的數(shù)字信息。為了實現(xiàn)免提(hands-free)用戶交互，透視、混合現(xiàn)實顯示設(shè)備系統(tǒng)還可配備有眼睛跟蹤器。通常，眼睛跟蹤器包括對用戶的眼睛照射的紅外(IR)光源以及對用戶的眼睛成像的傳感器(例如相機)，例如，來觀察反射的閃光和虹膜移動以計算注視方向。對用戶的眼睛的照射和成像優(yōu)選地被實現(xiàn)成使得：混合現(xiàn)實顯示設(shè)備系統(tǒng)的透視屬性不因眼睛跟蹤硬件而受損；對眼睛的成像對所有類型的處方眼鏡(prescription spectacles)都有效；并且對眼睛的成像覆蓋整個眼睛移動范圍加上瞳孔間(inter-pupillary)距離范圍和出瞳距離(eye relief)距離范圍。

對眼睛成像以進行眼睛跟蹤的一種方式是使用被安裝在頭戴式顯示(HMD)設(shè)備的框架上的簡單相機，其中該相機被直接對焦于用戶的眼睛。換言之，存在從相機到眼睛的直接視線。盡管這樣的配置相對簡單和便宜，但是它對相機相對于眼睛的位置和移動高度靈敏。而且，根據(jù)這樣的配置，相機需要被定位在靠近眼睛高度，這通常導(dǎo)致混合現(xiàn)實顯示設(shè)備系統(tǒng)的透視屬性的至少部分遮擋。替代地，部分反射器可被用來將相機觀察路徑折疊到用戶的太陽穴。盡管此替代配置允許相機被定位在透視視野之外，但是如果眼睛跟蹤需要與處方眼鏡一起工作，則該替代配置的實現(xiàn)是有問題的。

另一種可能是使用基于自由形式棱鏡或其他目鏡的混合現(xiàn)實顯示設(shè)備系統(tǒng)中的反向光路成像。該技術(shù)依賴于實際的顯示光學(xué)器件來同樣提供用于眼睛跟蹤的成像功能。然而，因為自由形式棱鏡或目鏡的組件趨向于在尺寸上相當(dāng)大，所以該方法并不總是實用的。僅添加用于眼睛跟蹤的自由形式光學(xué)元件也是可能的，但是這將是昂貴的并且將向系統(tǒng)增加顯著的重量和尺寸。

概述

本文描述的某些實施例涉及在跟蹤由紅外光照射的眼睛時使用的波導(dǎo)。這樣的波導(dǎo)(其可在頭戴式顯示器(HMD)中被使用，但不限于與其一起使用)是透明的并且包括輸入耦合器以及輸出耦合器。根據(jù)具體實施例，輸入耦合器包括被適配成接收具有紅外波長的紅外光并將接收到的紅外光耦合到波導(dǎo)中的體布拉格光柵。體布拉格光柵包括下邊界和上邊界，上邊界比下邊界更靠近輸出耦合器。根據(jù)實施例，體布拉格光柵在下邊界處具有大于上邊界處的k向量角的k向量角，其中在下邊界與上邊界之間的體布拉格光柵的k向量角隨著體布拉格光柵的光柵平面與上邊界之間的距離減小而逐漸減小。這使得由體布拉格光柵類型的輸入耦合器耦合到波導(dǎo)中的至少大部分紅外光在波導(dǎo)內(nèi)傳播到波導(dǎo)的輸出耦合器。

根據(jù)實施例，體布拉格光柵具有與用于眼睛跟蹤的紅外光的紅外波長相匹配的布拉格波長。附加地，體布拉格光柵包括透鏡光學(xué)能力(lens power)和棱鏡光學(xué)能力(prismatic power)。體布拉格光柵的透鏡光學(xué)能力指定體布拉格光柵的焦距。體布拉格光柵的棱鏡光學(xué)能力致使由體布拉格光柵接收到的紅外光被耦合到波導(dǎo)中。

根據(jù)實施例，體布拉格光柵的角帶寬(angular bandwidth)在傳播方向上(即，垂直于光柵線)等于或小于5度。更具體地，體布拉格光柵的角帶寬在傳播方向上可以是大約1.5度。當(dāng)不同的紅外光束從體布拉格光柵類型的輸入耦合器傳播到波導(dǎo)內(nèi)的輸出耦合器時，該窄角帶寬被用來限制一范圍，其中(在不同的出瞳距離距離處)從眼睛上的同一點反射之后被耦合到波導(dǎo)中的不同的紅外光束可以是非準(zhǔn)直的。因此，窄角帶寬的使用限制了多重成像的程度，這將在下文進行更詳細(xì)地討論。

當(dāng)輸入耦合器被定位在被用紅外光照射的眼睛的前方時，從眼睛反射并由輸入耦合器接收的紅外光的至少一部分在輸入耦合器處被耦合到波導(dǎo)中，經(jīng)由全內(nèi)反射在波導(dǎo)內(nèi)從輸入耦合器傳播到輸出耦合器，并在輸出耦合器處離開波導(dǎo)。

在一實施例中，輸入耦合器和輸出耦合器相對于彼此定位以基本上實現(xiàn)遠(yuǎn)心性(telecentricity)。此外，為了基本上實現(xiàn)遠(yuǎn)心性，輸入耦合器的每個點的角帶寬基本上以輸入耦合器的主光線為中心，輸入耦合器的所有主光線基本上彼此平行。輸出耦合器可以是例如線性光柵、全息光柵或棱鏡，但并不局限于此。

提供本概述以便以簡化的形式介紹以下在詳細(xì)描述中進一步描述的一些概念。本概述并非旨在標(biāo)識所要求保護的主題的關(guān)鍵特征或必要特征，亦非旨在用作輔助確定所要求保護的主題的范圍。

附圖簡述

圖1是描繪透視、混合現(xiàn)實顯示設(shè)備系統(tǒng)的一個實施例的示例組件的框圖。

圖2A是被具體化為提供對硬件和軟件組件的支持的眼鏡的透視、混合現(xiàn)實顯示設(shè)備的實施例中的鏡架的眼鏡腿的側(cè)視圖。

圖2B是透視、近眼、混合現(xiàn)實設(shè)備的集成眼睛跟蹤和顯示光學(xué)系統(tǒng)的實施例的頂視圖。

圖3A是可以用于一個或多個實施例的透視、近眼、混合現(xiàn)實顯示設(shè)備的硬件和軟件組件的一個實施例的框圖。

圖3B是描述處理單元的各組件的框圖。

圖4A例示了根據(jù)實施例的包括波導(dǎo)的眼睛跟蹤系統(tǒng)的一部分的側(cè)視圖。

圖4B是圖4A中引入的波導(dǎo)的部分的放大圖。

圖4C例示了波導(dǎo)的輸入耦合器的示例性k向量和對應(yīng)的示例性k向量角。

圖5根據(jù)實施例例示了透鏡光學(xué)能力和楔形光學(xué)能力(wedge power)如何能夠在雙光束過程中在數(shù)學(xué)上被組合以生成相位復(fù)制主全息圖(phase copy master hologram)，其進而可被用于接觸復(fù)制(contact copy)過程中以產(chǎn)生體布拉格光柵類型的輸入光柵。

圖6是被用來概述用于在跟蹤眼睛中使用的方法的高級流程圖。

詳細(xì)描述

本技術(shù)的某些實施例涉及波導(dǎo)，該波導(dǎo)允許實現(xiàn)對眼睛的成像以用于眼睛跟蹤的目的，而不損害混合現(xiàn)實顯示設(shè)備系統(tǒng)的透視屬性。此外，這些實施例可有利地與處方眼鏡一起使用。而且，這樣的實施例可被用來執(zhí)行覆蓋整個眼睛移動范圍加上瞳孔間距離范圍和出瞳距離距離范圍的眼睛的成像。然而，在更詳細(xì)地討論這樣的實施例之前，首先描述本技術(shù)的實施例可使用的示例性透視、混合現(xiàn)實顯示設(shè)備系統(tǒng)是有用的。

圖1是描繪透視、混合現(xiàn)實顯示設(shè)備系統(tǒng)的一個實施例的示例組件的框圖。系統(tǒng)8包括作為經(jīng)由線6與處理單元4進行通信的近眼、頭戴式顯示設(shè)備2的透視顯示設(shè)備。在其他實施例中，頭戴式顯示設(shè)備2經(jīng)由無線通信來與處理單元4進行通信。處理單元4可以采取各種實施例。例如，處理單元4可被實現(xiàn)在如智能手機、平板或膝上型計算機之類的移動設(shè)備中。在一些實施例中，處理單元4是可被佩戴在用戶的身體(例如，在所例示的示例中的腕)上或在口袋中的分開的單元，并且包括被用來操作近眼顯示設(shè)備2的計算能力中的大部分能力。處理單元4可與不論是本示例中位于附近的還是處在遠(yuǎn)程位置的一個或多個中樞計算系統(tǒng)12在通信網(wǎng)絡(luò)50上無線地(例如，WiFi、藍(lán)牙、紅外、RFID傳輸、無線通用串行總線(WUSB)、蜂窩、3G、4G或其他無線通信裝置)進行通信。在其他實施例中，處理單元4的功能可被集成在顯示設(shè)備2的軟件和硬件組件中。

頭戴式顯示設(shè)備2(在一個實施例中它是帶鏡架115的眼鏡的形狀)被佩戴在用戶的頭上，使得用戶能夠透視顯示器(在本示例中該顯示器被實現(xiàn)為用于每一只眼睛的顯示光學(xué)系統(tǒng)14)，并且從而具有用戶前方的空間的實際直接視圖。

使用術(shù)語“實際直接視圖”來指直接用人眼看到真實世界對象，而非看到對象的經(jīng)創(chuàng)建的圖像表示的能力。例如，透過房間的玻璃看允許用戶得到該房間的實際直接視圖，而觀看電視機上的房間的視頻并不是該房間的實際直接視圖?；趫?zhí)行軟件(例如，游戲應(yīng)用)的上下文，該系統(tǒng)可在顯示器上投影虛擬對象的圖像(有時被稱為虛擬圖像)，虛擬對象的圖像可由佩戴透視顯示設(shè)備的人觀看，同時該人還透過顯示器觀看真實世界對象。

鏡架115提供用于將該系統(tǒng)的各元件保持在原位的支承體以及用于電連接的管道。在該實施例中，鏡架115提供便利的眼鏡架作為對下面進一步討論的該系統(tǒng)的各元件的支承。在其他實施例中，可以使用其他支承結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)的示例是面罩(visor)或護目鏡。鏡架115包括用于擱置在用戶的每只耳朵上的鏡腿或邊撐。鏡腿102代表右鏡腿的實施例，并且包括顯示設(shè)備2的控制電路136。鏡架115的鼻梁104包括用于記錄聲音并向處理單元4傳送音頻數(shù)據(jù)的麥克風(fēng)110。

圖2A是被具體化為提供對硬件和軟件組件的支持的眼鏡的透視、混合現(xiàn)實顯示設(shè)備的實施例中的鏡架115的眼鏡腿102的側(cè)視圖。在鏡架115的前部是朝向物理環(huán)境或朝向外部的視頻相機113，其可捕捉被傳送到處理單元4的視頻和靜態(tài)圖像。

來自相機的數(shù)據(jù)可被發(fā)送到控制電路136的處理器210、或處理單元4或者這兩者，它們可處理數(shù)據(jù)，然而單元4也可將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)50發(fā)送到一個或多個計算機系統(tǒng)12用于處理。該處理標(biāo)識并映射用戶的現(xiàn)實世界視野。

控制電路136提供支持頭戴式顯示設(shè)備2的其他組件的各種電子裝置。控制電路136的更多細(xì)節(jié)在下文參照圖3A提供。在鏡腿102內(nèi)部或被安裝到鏡腿102的有耳機130、慣性傳感器132、GPS收發(fā)機144以及溫度傳感器138。在一個實施例中，慣性傳感器132包括三軸磁力計132A、三軸陀螺儀132B以及三軸加速度計132C(參見圖3A)。慣性傳感器用于感測頭戴式顯示器設(shè)備2的位置、朝向，以及突然加速。根據(jù)這些移動，頭部位置同樣可被確定。

被安裝到鏡腿102或在鏡腿102內(nèi)部的是圖像源或圖像生成單元120。在一個實施例中，圖像源包括用于投射一個或多個虛擬對象的圖像的微顯示器120和用于將來自微顯示器120的圖像導(dǎo)入透視波導(dǎo)112中的透鏡系統(tǒng)122。透鏡系統(tǒng)122可包括一個或多個透鏡。在一個實施例中，透鏡系統(tǒng)122包括一個或多個準(zhǔn)直的透鏡。在例示出的示例中，反射元件124接收由透鏡系統(tǒng)122引導(dǎo)的圖像并且將圖像數(shù)據(jù)光學(xué)地耦合到波導(dǎo)112中。

存在可被用來實現(xiàn)微顯示器120的不同的圖像生成技術(shù)。例如，微顯示器120可使用透射式投影技術(shù)來實現(xiàn)，其中光源由光學(xué)活性材料(optically active material)來調(diào)制，用白光從背后照亮。這些技術(shù)通常使用具有強大背光和高光能量密度的LCD型顯示器來實現(xiàn)。微顯示器120還可使用反射技術(shù)來實現(xiàn)，其中外部光被光學(xué)活性材料反射并調(diào)制。數(shù)字光處理(DLP)、硅基液晶(LCOS)以及高通公司的顯示技術(shù)都是反射技術(shù)的示例。另外，微顯示器120可使用發(fā)射技術(shù)來實現(xiàn)，其中光由顯示器生成，例如，來自Microvision公司的PicoP^TM顯示引擎。發(fā)射顯示技術(shù)的另一示例是微型有機發(fā)光二極管(OLED)顯示器。eMagin和Microoled公司提供了微型OLED顯示器的示例。

圖2B是透視、近眼、增強或混合現(xiàn)實設(shè)備的顯示光學(xué)系統(tǒng)14的實施例的頂視圖。近眼顯示設(shè)備2的鏡架115的一部分將環(huán)繞顯示光學(xué)系統(tǒng)14，以提供對如此處以及之后的附圖中例示出的一個或多個光學(xué)元件的支承并進行電氣連接。為了示出頭戴式顯示設(shè)備2中的顯示光學(xué)系統(tǒng)14(在該情況下是右眼系統(tǒng)14r)的各個組件，圍繞顯示光學(xué)系統(tǒng)的鏡架115的一部分未被描繪。

在一個實施例中，顯示光學(xué)系統(tǒng)14包括波導(dǎo)112、任選的不透明度濾光器114、透視透鏡116和透視透鏡118。在一個實施例中，不透明度濾光器(opacity filter)114在透視透鏡116后面并與透視透鏡116對準(zhǔn)，波導(dǎo)112在不透明度濾光器114后面并與不透明度濾光器114對準(zhǔn)，并且透視透鏡118在波導(dǎo)112后面并與波導(dǎo)112對準(zhǔn)。透視透鏡116和118可以是眼鏡中使用的標(biāo)準(zhǔn)透鏡，并且可根據(jù)任何處方(包括無處方)來制作。在一些實施例中，頭戴式顯示設(shè)備2將僅包括一個透視透鏡或者不包括透視透鏡。與波導(dǎo)112對準(zhǔn)的不透明度濾光器114均勻地或基于每像素來選擇性地阻擋自然光穿過波導(dǎo)112。例如，不透明度濾光器增強了虛擬影像的對比度。

波導(dǎo)112將來自微顯示器120的可見光傳送到佩戴頭戴式顯示設(shè)備2的用戶的眼睛140。透視波導(dǎo)112還允許可見光如代表顯示光學(xué)系統(tǒng)14r的光軸的箭頭142所描繪的那樣從頭戴式顯示設(shè)備2的前方透過透視波導(dǎo)112被傳送到眼睛140，從而除了接收來自微顯示器120的虛擬圖像之外還允許用戶具有頭戴式顯示設(shè)備2的前方的空間的實際直接視圖。因此，波導(dǎo)112的壁是透明的，波導(dǎo)112包括第一反射表面(例如，鏡面或其他表面)或第一衍射光柵124。來自微顯示器120的可見光通過透鏡122并且入射到反射表面或衍射光柵124上。反射表面或衍射光柵124反射或衍射來自微顯示器120的入射可見光，使得可見光通過內(nèi)反射被捕獲在包括波導(dǎo)112的基板內(nèi)，如下文進一步描述。

紅外照射和反射同樣穿過波導(dǎo)112，以供眼睛跟蹤系統(tǒng)134跟蹤用戶眼睛的位置和注視方向。用戶的眼睛將被引導(dǎo)到作為用戶的聚焦或注視區(qū)域的環(huán)境的子集。眼睛跟蹤系統(tǒng)134包括眼睛跟蹤照射源134A(在該示例中其被安裝到鏡腿102或其內(nèi)部)以及眼睛跟蹤IR傳感器134B(在該示例中其被安裝到鏡架115的眉部103或其內(nèi)部)。眼睛跟蹤IR傳感器134B可替代地被定位在透鏡118與鏡腿102之間。還有可能的是，眼睛跟蹤照射源134A和眼睛跟蹤IR傳感器134B都被安裝到鏡架115的眉部103或其內(nèi)部。

本技術(shù)允許進出用于圖像生成單元120、照射源134A以及眼睛跟蹤IR傳感器134B的波導(dǎo)的光學(xué)路徑的入口和出口光學(xué)耦合器(其也可被稱為輸入耦合器和輸出耦合器)的布置中的靈活性。呈現(xiàn)圖像的可見照射以及紅外照射可從相對波導(dǎo)112的任何方向進入，并且一個或多個波長選擇濾光器(例如127)以顯示光學(xué)系統(tǒng)14的光軸142為中心將照射導(dǎo)出波導(dǎo)。

在一個實施例中，眼睛跟蹤照射源134A可包括以大約預(yù)先確定的IR波長或一定范圍的波長發(fā)射的一個或多個紅外(IR)發(fā)射器(諸如紅外發(fā)光二極管(LED)或激光器(例如，VCSEL))。在一些實施例中，眼睛跟蹤IR傳感器134B可以是用于跟蹤閃光位置的IR相機或IR位置敏感檢測器(PSD)。

在一實施例中，波長選擇濾光器123讓來自微顯示器120的經(jīng)過反射面124的可見光譜的光通過，并且將來自眼睛跟蹤照射源134A的紅外波長照射導(dǎo)入波導(dǎo)112中，其中IR照射在波導(dǎo)內(nèi)被內(nèi)部反射直至到達(dá)與光軸142對準(zhǔn)的另一波長選擇濾光器127。

從IR反射中，當(dāng)眼睛跟蹤IR傳感器134B是IR相機時，瞳孔在眼框內(nèi)的位置可通過已知的成像技術(shù)來標(biāo)識，而當(dāng)眼睛跟蹤IR傳感器134B是一種位置敏感檢測器(PSD)時，瞳孔在眼框內(nèi)的位置可通過閃光位置數(shù)據(jù)來標(biāo)識。其他類型的眼睛跟蹤IR傳感器和用于眼睛跟蹤的其他技術(shù)的使用同樣是可能的并且落在實施例的范圍內(nèi)。

在耦合到波導(dǎo)112中之后，呈現(xiàn)來自微顯示器120的圖像數(shù)據(jù)的可見光照射和IR照射在波導(dǎo)112中被內(nèi)部反射。在圖2B的示例中，在基板的表面上進行若干次反射之后，被捕獲的可見光波到達(dá)在本示例中被實現(xiàn)為選擇性反射表面126₁至126_N的波長選擇濾光器陣列。附加地，與顯示光學(xué)系統(tǒng)的光軸對準(zhǔn)的波長選擇濾光器127同樣被定位在波導(dǎo)112中。反射表面126將入射在那些反射表面上的可見光波長耦合到指向用戶眼睛140的方向的基板之外。

反射表面126還在波導(dǎo)內(nèi)傳遞紅外輻照。然而，與顯示光學(xué)系統(tǒng)14r的光軸142對準(zhǔn)的是一個或多個波長選擇濾光器127，波長選擇濾光器127不僅引導(dǎo)可見光照射，還引導(dǎo)接收到的來自照射源134A的紅外照射。例如，如果反射元件126₁至126_N各自反射可見光譜的不同部分，則一個或多個波長選擇濾光器127可反射紅色可見光譜和紅外光譜中的波長。在其他實施例中，濾光器127可反射覆蓋整個可見光譜或其較大部分的波長，以及IR反射的波長和由IR照射源生成的波長的紅外光譜。

附加地，如下面將參考圖4A和4B更詳細(xì)地討論的，輸入耦合器(在圖2A和2B中未被具體示出，但在圖4A和4B中被示出)將來自眼睛的穿過以光軸142為中心的波導(dǎo)的透視壁的紅外反射沿朝向輸出耦合器(在圖2A和2B中未被具體示出，但在圖4A-5C中被示出)的方向引入到波導(dǎo)的光路中，該輸出耦合器將紅外光引向眼睛跟蹤IR傳感器134B。附加地，可見和紅外濾光器可在從透鏡116至118的方向上被層疊，使得它們都與光軸同軸。例如，相對于眼睛被放置在可見反射元件前方的雙向熱鏡(hot mirror)讓可見光通過但反射IR波長。附加地，一個或多個濾光器127可被實現(xiàn)為主動式光柵，其被調(diào)制在可見和紅外光譜之間的過濾波長之間。這將會以人眼無法檢測到的足夠快的速率來完成。

在一實施例中，每只眼睛將具有其自己的波導(dǎo)112。當(dāng)頭戴式顯示設(shè)備具有兩個波導(dǎo)時，每只眼睛都可具有其自己的微顯示器120，該微顯示器120可在雙眼中顯示相同圖像或者在雙眼中顯示不同圖像。此外，當(dāng)頭戴式顯示設(shè)備具有兩個波導(dǎo)時，每只眼睛可具有其自己的眼睛跟蹤照射源134A和其自己的眼睛跟蹤IR傳感器134B。在另一實施例中，可存在一個具有兩根光軸的波導(dǎo)，每只眼睛一根，其橫跨鼻梁并將可見和紅外光反射到兩只眼睛中。

在上述實施例中，所示出的具體數(shù)量的透鏡只是示例?？梢允褂闷渌麛?shù)目和配置的根據(jù)相同原理操作的透鏡。另外，圖2A和2B僅示出頭戴式顯示設(shè)備2的一半。完整的頭戴式顯示設(shè)備可包括例如另一組透視透鏡116和118、另一不透明度濾光器114、具有一個或多個波長選擇濾光器127的另一波導(dǎo)112、另一微顯示器120、另一透鏡系統(tǒng)122、朝向物理環(huán)境的相機113(也稱朝向外部或朝向正面的相機113)、眼睛跟蹤組件134、耳機130、濾光器123以及溫度傳感器138。示例性頭戴式顯示器2的更多細(xì)節(jié)在Flaks等人于2010年10月15日提交的題為“Fusing Virtual Content Into Real Content(將虛擬內(nèi)容融合到現(xiàn)實內(nèi)容中)”的美國專利申請公開號2012/0092328中提供。

圖3A是可以用于一個或多個實施例的透視、近眼、混合現(xiàn)實顯示設(shè)備2的硬件和軟件組件的一個實施例的框圖。圖3B是描述處理單元4的各種組件的框圖。在這一實施例中，近眼顯示設(shè)備2接收來自處理單元4的關(guān)于虛擬圖像的指令并將來自傳感器的數(shù)據(jù)提供回處理單元4。例如在圖3B中描繪的可被實現(xiàn)在處理單元4中的軟件和硬件組件從顯示設(shè)備2接收傳感數(shù)據(jù)并且還可通過網(wǎng)絡(luò)50從計算系統(tǒng)12接收傳感信息?；谠撔畔ⅲ幚韱卧?將確定在何處以及在何時向用戶提供虛擬圖像并相應(yīng)地將指令發(fā)送給顯示設(shè)備2的控制電路136。

注意，圖3A的某些組件(例如，朝向外部或物理環(huán)境的相機113、眼睛相機134、微顯示器120、不透明度濾光器114、眼睛跟蹤照射單元134A、耳機130、一個或多個波長選擇濾光器127、以及溫度傳感器138)以陰影顯示，以指示可存在那些設(shè)備中的每一者的至少兩個，其中至少一個用于頭戴式顯示設(shè)備2的左側(cè)并且至少一個用于右側(cè)。圖3A示出與電源管理電路202通信的控制電路200。控制電路200包括處理器210、與存儲器244(例如D-RAM)進行通信的存儲器控制器212、相機接口216、相機緩沖器218、顯示驅(qū)動器220、顯示格式化器222、定時生成器226、顯示輸出接口228、以及顯示輸入接口230。在一個實施例中，控制電路200的所有組件都通過一個或多個總線的專用線路彼此進行通信。在另一實施例中，控制電路200的每個組件都與處理器210通信。

相機接口216提供到兩個朝向物理環(huán)境的相機113以及本實施例中的如傳感器134B之類的IR相機的接口，并且將從相機113、134B接收到的各個圖像儲存在相機緩沖區(qū)218中。顯示驅(qū)動器220將驅(qū)動微顯示器120。顯示格式化器222可向執(zhí)行該混合現(xiàn)實系統(tǒng)的處理的一個或多個計算機系統(tǒng)(例如4和12)的一個或多個處理器提供與被顯示在微顯示器120上的虛擬圖像有關(guān)的信息。顯示格式化器222可向不透明度控制單元224標(biāo)識關(guān)于顯示光學(xué)系統(tǒng)14的透射率設(shè)置。定時生成器226被用來為該系統(tǒng)提供定時數(shù)據(jù)。顯示輸出接口228包括用于將來自面向物理環(huán)境的相機113和眼睛相機134B的圖像提供給處理單元4的緩沖區(qū)。顯示輸入接口230包括用于接收諸如要在微顯示器120上被顯示的虛擬圖像之類的緩沖區(qū)。顯示輸出228和顯示輸入230與作為到處理單元4的接口的帶接口(band interface)232進行通信。

電源管理電路202包括電壓調(diào)節(jié)器234、眼睛跟蹤照射驅(qū)動器236、音頻DAC和放大器238、麥克風(fēng)前置放大器和音頻ADC 240、溫度傳感器接口242、主動式濾光器控制器237、以及時鐘生成器245。電壓調(diào)節(jié)器234通過帶接口232從處理單元4接收電力，并將該電力提供給頭戴式顯示設(shè)備2的其他組件。照射驅(qū)動器236例如經(jīng)由驅(qū)動電流或電壓來控制眼睛跟蹤照射單元134A以大約預(yù)定的波長或在某一波長范圍內(nèi)操作。音頻DAC和放大器238向耳機130提供音頻數(shù)據(jù)。麥克風(fēng)前置放大器和音頻ADC 240提供用于麥克風(fēng)110的接口。溫度傳感器接口242是用于溫度傳感器138的接口。主動式濾光器控制器237接收指示一個或多個波長的數(shù)據(jù)，其中針對所述波長，每個波長選擇濾光器127將作為對該波長的選擇性波長濾光器。電源管理單元202還向三軸磁力計132A、三軸陀螺儀132B以及三軸加速度計132C提供電力并從其接收回數(shù)據(jù)。電源管理單元202還向GPS收發(fā)機144提供電力并且從GPS收發(fā)機144接收數(shù)據(jù)并向其發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3B是與透視、近眼、混合現(xiàn)實顯示單元相關(guān)聯(lián)的處理單元4的硬件和軟件組件的一個實施例的框圖。圖3B示出與電源管理電路306進行通信的控制電路304?？刂齐娐?04包括中央處理單元(CPU)320、圖形處理單元(GPU)322、高速緩存324、RAM 326、與存儲器330(例如，D-RAM)進行通信的存儲器控制器328、與閃存334(或其他類型的非易失性存儲)進行通信的閃存控制器332、經(jīng)由帶接口302和帶接口232與透視、近眼顯示設(shè)備2進行通信的顯示輸出緩沖區(qū)336、經(jīng)由帶接口302和帶接口232與近眼顯示設(shè)備2進行通信的顯示輸入緩沖區(qū)338、與用于連接到麥克風(fēng)的外部麥克風(fēng)連接器342進行通信的麥克風(fēng)接口340、用于連接到無線通信設(shè)備346的PCI express接口，以及(多個)USB端口348。

在一個實施例中，無線通信組件346可包括啟用Wi-Fi的通信設(shè)備、藍(lán)牙通信設(shè)備、紅外通信設(shè)備、蜂窩、3G、4G通信設(shè)備、無線USB(WUSB)通信設(shè)備、RFID通信設(shè)備等等。無線通信設(shè)備346由此允許與例如另一顯示設(shè)備系統(tǒng)8的端對端數(shù)據(jù)傳輸，以及經(jīng)由無線路由器或蜂窩塔到較大網(wǎng)絡(luò)的連接。USB端口可被用來將處理單元4對接到另一顯示設(shè)備系統(tǒng)8。附加地，處理單元4可對接到另一計算系統(tǒng)12以便將數(shù)據(jù)或軟件加載到處理單元4以及對處理單元4充電。在一個實施例中，CPU 320和GPU 322是用于確定在何處、何時以及如何向用戶的視野內(nèi)插入虛擬圖像的主負(fù)荷設(shè)備。

電源管理電路306包括時鐘生成器360、模數(shù)轉(zhuǎn)換器362、電池充電器364、電壓調(diào)節(jié)器366、透視、近眼顯示器電源376，以及與溫度傳感器374進行通信的溫度傳感器接口372(位于處理單元4的腕帶(wrist band)上)。到直流轉(zhuǎn)換器362的交流電被連接到充電插孔370以用于接收AC供電并為該系統(tǒng)產(chǎn)生DC供電。電壓調(diào)節(jié)器366與用于向該系統(tǒng)提供電力的電池368進行通信。電池充電器364被用來在從充電插孔370接收到電力時(通過電壓調(diào)節(jié)器366)對電池368進行充電。設(shè)備電源接口376向顯示設(shè)備2提供電力。

波導(dǎo)眼睛跟蹤系統(tǒng)

圖4A和4B現(xiàn)在將被用來描述根據(jù)本技術(shù)的實施例的波導(dǎo)412的具體特征。更具體地，圖4A和4B將被用來描述波導(dǎo)412的被用來收集從眼睛440反射的紅外光并將該紅外光提供給眼睛跟蹤IR傳感器(例如，上面參考圖2B和3A討論的134B)以用于眼睛跟蹤的部分。因此，波導(dǎo)412也可被稱為眼睛跟蹤器波導(dǎo)412或眼睛跟蹤波導(dǎo)412。更一般地，該波導(dǎo)可被稱為用于跟蹤眼睛的裝置。

波導(dǎo)412可被合并到透視混合現(xiàn)實顯示設(shè)備系統(tǒng)中，諸如上面參考圖1－3B描述的系統(tǒng)，但不限于與其一起使用。例如，波導(dǎo)412可被用來實現(xiàn)上面參考圖1、2A和2B討論的波導(dǎo)112(或其一部分)。替代地，根據(jù)實施方式，波導(dǎo)412可被定位成與波導(dǎo)112相鄰或者被用來代替波導(dǎo)112?？梢詾檠劬Ρ桓櫟挠脩舻淖笱酆陀已壑械拿恳恢惶峁┎▽?dǎo)412的單獨實例。如果在上面參照圖1－3B描述的透視混合現(xiàn)實顯示設(shè)備系統(tǒng)中被使用，則波導(dǎo)412可被定位在透視透鏡(例如，116和/或118)旁邊或透視透鏡之間，透視透鏡可以是眼鏡中使用的標(biāo)準(zhǔn)透鏡，并且可根據(jù)任何處方(包括無處方)來制作。波導(dǎo)412可替代地與旨在基于從眼睛反射的紅外光執(zhí)行眼睛跟蹤的任何系統(tǒng)一起使用。

圖4A例示了包括波導(dǎo)412的眼睛跟蹤系統(tǒng)400的一部分的側(cè)視圖，并且因此，圖4A中所示的眼睛跟蹤系統(tǒng)的一部分可被稱為波導(dǎo)眼睛跟蹤器400。波導(dǎo)412包括輸入耦合器414和輸出耦合器424。圖4A中還示出了包括一個或多個透鏡的透鏡模塊430，透鏡模塊430被配置成將波導(dǎo)412內(nèi)的光線的角度空間轉(zhuǎn)換為在光線在靠近輸出耦合器424處離開波導(dǎo)412之后的二維(2D)空間。用另一種方式解釋，也可被稱為成像透鏡430的透鏡模塊430被用來將角度編碼的紅外光束轉(zhuǎn)換為二維(2D)空間編碼的紅外光束。在被轉(zhuǎn)換到二維空間之后，紅外光束入射到眼睛跟蹤IR傳感器134B的二維平面上，如圖4C中所示。眼睛跟蹤IR傳感器134B取決于入射到傳感器上的二維空間編碼的紅外光束來產(chǎn)生眼睛跟蹤數(shù)據(jù)。

一般地，波導(dǎo)的輸入耦合器414優(yōu)選地與眼睛軸向?qū)?zhǔn)，使得當(dāng)眼睛440被用紅外光照射時，從眼睛反射的紅外光束將入射到波導(dǎo)412的輸入耦合器414上。更一般地，紅外光將被從眼睛440反射，例如當(dāng)眼睛被由眼睛跟蹤照射單元134A產(chǎn)生的紅外光照射時，如上面所解釋的。

輸出耦合器424被優(yōu)選地定位成與被用來對眼睛成像的傳感器或相機(例如眼睛跟蹤IR傳感器134B)緊鄰。如上面所提及的，這樣的傳感器或相機可被安裝到鏡架(例如115)的眉部(例如103)或其內(nèi)部。替代地，傳感器或相機可被安裝到鏡架的鏡腿或邊撐(例如102)或者其內(nèi)部，在這種情況下，輸入耦合器414和輸出耦合器424的相對位置可被旋轉(zhuǎn)九十度。如上面所解釋的，透鏡模塊(例如430)可被定位在輸出耦合器424與傳感器(例如眼睛跟蹤IR傳感器134B)之間。根據(jù)實施例，輸出耦合器結(jié)合部分地或全部地替代透鏡模塊430的透鏡光學(xué)能力。例如，在一個實施例中，輸出耦合器424在單個衍射光學(xué)元件中提供楔形光學(xué)能力和透鏡光學(xué)能力。

根據(jù)實施例，輸入耦合器的水平－垂直區(qū)域是28mm×16mm，其限定眼睛跟蹤區(qū)域。替代的區(qū)域也是可能的，并且落在實施例的范圍內(nèi)。輸出耦合器的孔徑可以是例如3.7mm，但是更小或更大的孔徑也是可能的并且落在實施例的范圍內(nèi)。透鏡模塊430的焦距比數(shù)(f-number)可以是例如1.35，但是更小或更大的焦距比數(shù)也是可能的并且落在實施例的范圍內(nèi)。波導(dǎo)412的厚度優(yōu)選地為1mm或更小，但是更大的厚度是可能的并且落在實施例的范圍內(nèi)。波導(dǎo)412可使用BK7光學(xué)玻璃來制造，但是其他光學(xué)材料的使用也是可能的并且落在實施例的范圍內(nèi)。假設(shè)用于眼睛跟蹤的紅外光的波長為850nm，則波導(dǎo)412優(yōu)選地在850nm波長下提供大于42度的入射角(AOI)的全內(nèi)反射。同樣落在實施例的范圍內(nèi)的是可以使用替代的紅外波長。為了實現(xiàn)低于基板的臨界角的全內(nèi)反射，反射涂層422可在空氣－玻璃界面處被施加到波導(dǎo)412的外表面。該涂層在其中由輸入耦合器生成的內(nèi)角的范圍大于能夠被基板支持的內(nèi)角的范圍的實施例中是有用的。例如，如果眼睛跟蹤區(qū)域是28mm×16mm并且眼睛出瞳距離(從眼睛到輸入耦合器的距離)是大約20mm，則如果輸入耦合器最靠近成像透鏡的區(qū)域生成剛好大于BK7的臨界角的內(nèi)角，則由輸入耦合器的離成像透鏡最遠(yuǎn)的區(qū)域生成的內(nèi)角將需要在90度以上，這本質(zhì)上是不可能的。替代地，如果輸入耦合器被設(shè)計成對于輸入耦合器的離成像透鏡最遠(yuǎn)的區(qū)域生成大約70度的內(nèi)角，則由輸入耦合器的最靠近成像透鏡的區(qū)域生成的內(nèi)角將小于BK7的臨界角，因此需要涂層以延長內(nèi)部反射。

圖4B是波導(dǎo)412的包括輸入耦合器414的部分的放大圖，現(xiàn)在將被用來描述根據(jù)實施例的波導(dǎo)412的附加細(xì)節(jié)。。參考圖4B，波導(dǎo)412被示為包括第一透明層402、第二透明層404，以及輸入耦合器414。雖然在圖4B中未被具體示出，但是輸出耦合器424可以類似地在第一和第二透明層402、404之間。透明層402、404可由玻璃或光學(xué)塑料制成，但不限于此。應(yīng)當(dāng)注意，即使透明層402、404由光學(xué)塑料制成，這樣的層與空氣之間的界面仍將被稱為空氣－玻璃界面。如圖4B所示，輸入耦合器414具有下邊界415和上邊界416，其中上邊界416比下邊界415更靠近輸出耦合器424。

作為衍射元件的輸入耦合器414被配置成具有不同于入射角的折射角。更具體地，衍射元件輸入耦合器414調(diào)整穿過第一透明層402的光的角度，使得當(dāng)光遇到第二透明層404時，光的角度超過臨界角并因此在波導(dǎo)412中進行內(nèi)部反射。然后，光將在輸出耦合器424處從波導(dǎo)412傳遞出來，如上所述。根據(jù)下面描述的具體實施例，衍射元件輸入耦合器414是體布拉格光柵類型的輸入耦合器。

當(dāng)輸入耦合器414被定位在被紅外光照射的眼睛440的前方時，從眼睛440反射的紅外光束(一個示例由圖4B中的虛線箭頭所示)穿過第一透明層402并入射在輸入耦合器414上。這些紅外光束在輸入耦合器414處進入波導(dǎo)412，在波導(dǎo)412內(nèi)經(jīng)由全內(nèi)反射從輸入耦合器414傳播到輸出耦合器424，并且在靠近輸出耦合器424處離開波導(dǎo)412。用另一種方式解釋，從眼睛440反射的紅外光由輸入耦合器414成像，并且同時通過衍射紅外光被衍射成波導(dǎo)模式，使得經(jīng)衍射的紅外光以比全內(nèi)反射的臨界角更大的角度入射在波導(dǎo)412的表面上。

輸入耦合器414可被實現(xiàn)為輸入光柵，在這種情況下，輸入耦合器414可被簡稱為輸入光柵414。在下面更詳細(xì)地描述的某些實施例中，輸入耦合器414是體布拉格光柵類型的輸入光柵，在這種情況下，輸入耦合器414可被稱為體布拉格光柵類型的輸入耦合器414、體布拉格光柵類型的輸入光柵414，或簡稱為體布拉格光柵414。輸出耦合器424(其可以是反射的、衍射的或折射的或者其組合)可被植入，例如，作為能夠促使紅外光離開波導(dǎo)412的線性光柵類型的輸出耦合器、全息光柵類型的輸出耦合器、棱鏡或另一光學(xué)耦合器。輸出耦合器414可附加地具有集成在處方中的透鏡光學(xué)能力，其可替代透鏡模塊430的一些或全部透鏡光學(xué)能力。在一個這樣的實施例中，輸出耦合器414可以是具有楔形和透鏡光學(xué)能力的體布拉格光柵。輸出耦合器414的透鏡光學(xué)能力可提供透鏡模塊430的一些或全部透鏡光學(xué)能力。在一個實施例中，輸出耦合器414例如通過提供非球面校正來向透鏡模塊430提供小的校正。簡要地回顧圖4A，輸出耦合器424的目的是促使紅外光朝著透鏡模塊430和/或朝向眼睛跟蹤IR傳感器134B的方向離開波導(dǎo)412。然后，紅外光最終由透鏡模塊430(或輸出耦合器本身)成像到眼睛跟蹤IR傳感器134B上。眼睛跟蹤IR傳感器可以是例如電荷耦合器件(CCD)或CMOS二維(2D)像素傳感器陣列，但不限于此。

在一實施例中，體布拉格光柵類型的輸入耦合器414和輸出耦合器424相對于彼此定位以實現(xiàn)遠(yuǎn)心性。在此情形下，入射瞳孔(entrance pupil)位于無窮遠(yuǎn)處，這使得輸入耦合器物體空間是遠(yuǎn)心的。這可以有利地提供眼睛440的正射投影。遠(yuǎn)心性也可通過將輸入耦合器的角帶寬設(shè)計成使得其集中于光(對于來自眼睛平面的所有光而言是平行的)來實現(xiàn)。這并不一定意味著角帶寬集中在與波導(dǎo)正交的光上。例如，從眼睛平面下方的方向查看眼睛平面(仰望眼睛處)以減少由于睫毛導(dǎo)致的遮蔽可能是有利的。用另一種方式解釋，為了在物體空間中實現(xiàn)遠(yuǎn)心性，輸入耦合器414的每個點的角帶寬應(yīng)當(dāng)以主光線為中心，其中輸入耦合器414的所有主光線基本上平行。

根據(jù)實施例，體布拉格光柵類型的輸入耦合器414具有透鏡光學(xué)能力和楔形光學(xué)能力。體布拉格光柵類型的輸入耦合器414的透鏡光學(xué)能力優(yōu)選地具有等于眼睛440與體布拉格光柵類型的輸入耦合器414之間的距離的焦距，其有利地使得紅外光(從眼睛440反射，并入射在體布拉格光柵類型的輸入耦合器414上)在波導(dǎo)412內(nèi)被準(zhǔn)直。例如，如果眼睛440與體布拉格光柵類型的輸入耦合器414之間的距離是20毫米(mm)，則輸入光柵的透鏡光學(xué)能力的焦距優(yōu)選為20mm。楔形光學(xué)能力(也可稱為楔形衍射光學(xué)能力或棱鏡光焦度(prismatic power))將紅外光(優(yōu)選地是經(jīng)準(zhǔn)直的)衍射成波導(dǎo)模式。楔形光學(xué)能力被優(yōu)選地選擇，使得入射在體布拉格光柵類型的輸入耦合器414的靠近其上邊界416的部分上的紅外光被內(nèi)部衍射，使得到波導(dǎo)的空氣－玻璃界面的入射角大于波導(dǎo)412的全內(nèi)反射(TIR)角(并且因此由波導(dǎo)412引導(dǎo))。另外，楔形光學(xué)能力被優(yōu)選地選擇，使得入射在體布拉格光柵類型的輸入耦合器414的靠近其下邊界415的部分上的紅外光被內(nèi)部衍射，使得到波導(dǎo)的空氣－玻璃界面的入射角不會太大(例如，不大于70度)，以避免幾乎平行于波導(dǎo)412的表面行進的光線。根據(jù)實施例，透鏡光學(xué)能力和楔形光學(xué)能力在數(shù)學(xué)上被組合并且由單個布拉格光柵處方實現(xiàn)。這可通過將滿足輸入角度的條件的相位多項式數(shù)學(xué)擬合跨光柵表面的輸出角度來實現(xiàn)。該類型的相位多項式的生成可被用來對電子束光刻機進行編程，以在諸如鉻或玻璃之類的介質(zhì)中產(chǎn)生表面光柵。這進而可被用來生成相位復(fù)制主全息圖，相位復(fù)制主全息圖進而可被用于用接觸復(fù)制過程中以大量生產(chǎn)體布拉格光柵類型的輸入耦合器414。

在波導(dǎo)412內(nèi)反射的光束靠近在一起，這樣的光束之間的距離取決于波導(dǎo)412內(nèi)的傳播角、波導(dǎo)412的厚度，以及光束寬度。由于希望使得波導(dǎo)412的厚度盡可能薄，因此波導(dǎo)412內(nèi)的不同光束可能彼此非?？拷⑶铱赡鼙舜酥丿B。

眼睛跟蹤器光學(xué)系統(tǒng)作為一個整體像中繼透鏡系統(tǒng)一樣起作用，將來自(例如，與眼睛440相關(guān)聯(lián)的)眼睛平面的光重新成像到(例如，與眼睛跟蹤IR傳感器134B相關(guān)聯(lián)的)相機傳感器平面。在一實施例中，總系統(tǒng)的放大率遠(yuǎn)小于一(即，縮小)，因為眼睛跟蹤IR傳感器134B(其也可被稱為相機傳感器)遠(yuǎn)小于物體平面(眼睛平面)。體布拉格光柵類型的輸入耦合器414優(yōu)選地促使入射在體布拉格光柵類型的輸入耦合器414的不同的水平和豎直位置上的不同紅外光束在波導(dǎo)412內(nèi)以各自不同的反射角傳播，并且以相對于波導(dǎo)412的表面的各自不同的入射角離開輸出耦合器424(紅外光束通過該輸出耦合器424離開)。用另一種方式解釋，體布拉格光柵類型的輸入耦合器414優(yōu)選地導(dǎo)致入射到體布拉格光柵類型的輸入耦合器414上的紅外光束的角度編碼，由此使得穿過輸出耦合器424離開波導(dǎo)412的紅外光束能夠按照以下方式被成像(例如，被眼睛跟蹤IR傳感器134B成像)：該方式區(qū)分入射到體布拉格光柵類型的輸入耦合器414的不同的水平和豎直位置上的紅外光束。

如上所述，體布拉格光柵類型的輸入耦合器414的透鏡光學(xué)能力優(yōu)選地具有等于眼睛440與體布拉格光柵類型的輸入耦合器414之間的距離的焦距，其有利地使得紅外光(從眼睛440反射，并入射在體布拉格光柵類型的輸入耦合器414上)在波導(dǎo)內(nèi)被準(zhǔn)直。盡管這是優(yōu)選的條件，但是這樣的條件不容易一致地實現(xiàn)，因為不同的人具有不同形狀的鼻子和其他面部特征以及不同的眼睛位置。附加地，每次相同的人戴上包括波導(dǎo)412的HMD設(shè)備和/或調(diào)整HMD設(shè)備時，人的眼睛與體布拉格光柵類型的輸入耦合器414之間的距離可能改變。

當(dāng)體布拉格光柵類型的輸入耦合器414的透鏡光學(xué)能力的焦距(其也可被簡單地稱為體布拉格光柵類型的輸入耦合器414的焦距)不等于體布拉格光柵類型的輸入耦合器414與眼睛440之間的距離時，則經(jīng)由全內(nèi)反射在波導(dǎo)412內(nèi)行進的紅外光束將不會被完美地準(zhǔn)直。這種情況的問題在于，在經(jīng)由全內(nèi)反射從體布拉格光柵類型的輸入耦合器414行進到輸出耦合器424之后，從眼睛440上的同一點反射到波導(dǎo)中(經(jīng)過體布拉格光柵類型的輸入耦合器414)的兩個或更多個光束將在兩個或更多個不同位置處離開波導(dǎo)(經(jīng)過輸出耦合器424)，從而導(dǎo)致多個(例如，雙重，三重等)圖像由透鏡模塊430和眼睛跟蹤IR傳感器134B生成。換句話說，來自眼睛平面中的相同點的兩個或更多個光束將在波導(dǎo)412內(nèi)會聚或發(fā)散，使得兩個或更多個分離的圖像由眼睛跟蹤IR傳感器134B形成。這樣的多重(例如，雙重、三重等)成像是不期望的，因為它降低了眼睛跟蹤的精確度和/或使得執(zhí)行眼睛跟蹤更加復(fù)雜。

當(dāng)眼睛440與輸入耦合器414之間的距離可以改變時，本技術(shù)的某些實施例減小并且優(yōu)選地最小化在波導(dǎo)眼睛跟蹤器400中固有的這樣的多重成像的影響。一些這樣的實施例通過將輸入耦合器414實現(xiàn)為在切向方向上(即，在傳播方向上)具有非常窄的角帶寬的體布拉格光柵類型的輸入耦合器來減小并且優(yōu)選地使多個圖像之間的(諸)距離最小化來做到這一點。更具體地，根據(jù)實施例，體布拉格光柵類型的輸入耦合器414的角帶寬(ABW)不大于5度，優(yōu)選地不大于2度，更優(yōu)選地在1和2度之間，并且甚至更優(yōu)選地約1.5度。

如本文所使用的術(shù)語，衍射光柵(諸如體布拉格光柵類型的輸入耦合器414)的角帶寬(ABW)是圍繞入射角的峰值衍射效率(DE)的角度范圍，其中DE大于或等于峰值DE的50％。因此，ABW在本文中可被更準(zhǔn)確地稱為全寬度半最大值(FWHM)ABW。有利地，具有這樣的窄ABW的體布拉格光柵可被容易地設(shè)計和制造。

通過將ABW限制為這樣窄的角度，從眼睛440上的相同點反射的紅外光在波導(dǎo)內(nèi)可以是非準(zhǔn)直的程度顯著地受到限制。換句話說，體布拉格光柵類型的輸入耦合器414的非常窄的ABW限制從眼睛440上的同一點反射(并進入輸入耦合器414處的波導(dǎo))的紅外光束能夠有多少不在波導(dǎo)412內(nèi)完全準(zhǔn)直。更一般地，使用具有窄AWB的體布拉格光柵類型的輸入耦合器414限制了來自眼睛的反射光的錐角以從而增加成像的視野深度，從而使得波導(dǎo)眼睛跟蹤器400和眼睛與體布拉格光柵類型的輸入耦合器414之間的距離范圍兼容。

如本領(lǐng)域中已知的，體布拉格光柵是具有周期性變化的折射率的體光柵，使得大的衍射效率在滿足布拉格條件的特定波長附近的波長范圍(帶寬)中可被達(dá)到。衍射波長λB(其也被稱為布拉格波長)由布拉格條件λB＝2neffΛ定義，并且與波導(dǎo)的有效折射率(neff)和光柵周期(Λ)成比例。體布拉格光柵包括限定光柵周期(Λ)的光柵平面(也被稱為條紋或布拉格平面)。體布拉格光柵的k向量正交于(即，垂直于)這些布拉格平面。根據(jù)一實施例，布拉格波長λB匹配于(即，基本上等于)被用于眼睛跟蹤的紅外光的波長。

參考圖4B，當(dāng)紅外光束(由虛線箭頭表示)在體布拉格光柵類型的輸入光柵414(其也可被簡稱為體布拉格光柵414)的標(biāo)記為418的區(qū)域處被衍射時，由于滿足布拉格條件，紅外光束被高效率地衍射為波導(dǎo)模式。如果體布拉格光柵414的處方在標(biāo)記為420的區(qū)域處與在標(biāo)記為418的區(qū)域處完全相同，則布拉格條件也將在標(biāo)記為420的區(qū)域處得到滿足，這將導(dǎo)致高百分比的紅外光(由虛線箭頭表示)在標(biāo)記為420的區(qū)域處被衍射出波導(dǎo)。這是不期望的，因為其導(dǎo)致(通過體布拉格光柵414)被衍射到波導(dǎo)412中的紅外光的部分沒有到達(dá)輸出耦合器424，從而顯著地降低設(shè)備的整體光學(xué)效率并且就圖像處理而言降低了信噪比(SNR)。

根據(jù)某些實施例，為了減小并且優(yōu)選地最小化由體布拉格光柵414衍射出波導(dǎo)的紅外光的量，體布拉格光柵414的處方在體布拉格光柵414的下邊界415與上邊界416之間變化。這是通過將體布拉格光柵414設(shè)計成使得在標(biāo)記為420的區(qū)域處的體布拉格光柵414的k向量從標(biāo)記為418的區(qū)域處的k向量被充分偏移，使得標(biāo)記為420的區(qū)域不再完全滿足布拉格條件。這優(yōu)選地導(dǎo)致效率曲線的峰值在角度上被充分地偏移，以便顯著地減少在體布拉格光柵的標(biāo)記為420的區(qū)域和其他區(qū)域處被衍射出波導(dǎo)(即，被耦出)的紅外光的量。附加地，光柵周期(即，相鄰布拉格平面之間的距離)以及因此光柵頻率(其是光柵周期的倒數(shù))在體布拉格光柵414的下邊界415與上邊界416之間變化以實現(xiàn)所需的楔形和透鏡光學(xué)能力的組合。

更具體地，根據(jù)某些實施例，體布拉格光柵類型的輸入耦合器414在其下邊界415處具有大于其上邊界416處的k向量角的k向量角，其中下邊界和上邊界415、416之間的布拉格光柵類型的輸入耦合器414的k向量角逐漸減小。這樣的體布拉格光柵類型的輸入耦合器414可被說成具有變化的k向量或滾動的k向量通過沿著紅外光在波導(dǎo)412中被傳播的方向?qū)w布拉格光柵類型的輸入耦合器414的k向量角進行變化，紅外光到波導(dǎo)412中的有效耦合以這樣的方式實現(xiàn)：促使被耦合進波導(dǎo)412的大部分的(并且優(yōu)選地所有或顯著地所有)紅外光通過全內(nèi)反射向沿波導(dǎo)向上傳送直至紅外光被輸出耦合器424耦合輸出。

根據(jù)某些實施例，體布拉格類型的輸入耦合器414在其下邊界415處具有小于在其上邊界416處的布拉格光柵周期的光柵周期(其也可被稱為光柵間隔)，其中在下和上邊界415、416之間的布拉格類型的輸入耦合器414的布拉格光柵周期逐漸增加。這樣的體布拉格光柵類型的輸入耦合器414可被說成具有變化的布拉格光柵周期。這與體布拉格光柵類型的輸入耦合器414在其下邊界415處具有大于在其上邊界416處的布拉格光柵頻率的布拉格光柵頻率的說法相同，其中在下和上邊界415、416之間的布拉格類型的輸入耦合器414的布拉格光柵頻率逐漸減小。這樣的體布拉格光柵類型的輸入耦合器414可被說成具有變化的布拉格光柵頻率。

在一實施例中，透鏡光學(xué)能力和楔形光學(xué)能力通過變化布拉格光柵頻率得到實現(xiàn)。透鏡光學(xué)能力聚焦來自眼睛平面的光。當(dāng)出瞳距離(從眼睛瞳孔平面到輸入光柵的距離)等于衍射透鏡焦距時，光通過透鏡光學(xué)能力被準(zhǔn)直。楔形光學(xué)能力分量將該經(jīng)準(zhǔn)直的光衍射，使得基板中的最小內(nèi)角超過基板的臨界角，并將因此在波導(dǎo)中被引導(dǎo)。入射在體布拉格類型的輸入耦合器414的下部(靠近下邊界415)的光以比入射在上部(靠近上邊界416)的光大的角度被衍射，并且由于體布拉格光柵類型的輸入耦合器414的透鏡和楔形光學(xué)能力的組合而行進。由于峰值效率的輸入角基本上都相同，因此用于體布拉格光柵類型的輸入耦合器414的結(jié)構(gòu)光學(xué)器件的第一光束將接近平行。由于衍射光學(xué)能力根據(jù)衍射透鏡光學(xué)能力和楔形光學(xué)能力的組合而變化，因此布拉格記錄的第二結(jié)構(gòu)光束將基本上會聚。根據(jù)實施例，這兩種光束的組合提供體k向量藉此自然地變化的布拉格光柵。優(yōu)選地，該兩種結(jié)構(gòu)光束被優(yōu)化，使得衍射效率和衍射光學(xué)能力得到優(yōu)化以滿足體布拉格光柵類型的輸入耦合器414的效率和幾何屬性。

以下表格例示了示例性k向量角，以及這樣的體布拉格光柵類型的輸入耦合器414的布拉格光柵周期和頻率，其中下邊界415與上邊界416之間的總距離為16mm。

在上表中，為了簡單和一致性，假定入射到體布拉格光柵類型的輸入耦合器414上的紅外光束具有零度入射角。然而，不必是這種情況，并且本文描述的實施例不限于該條件。

根據(jù)定義，體布拉格光柵(例如414)的k向量正交于(即，垂直于)體布拉格光柵的布拉格平面。本文所使用的術(shù)語k向量角是指相對于體布拉格光柵的表面法線的k向量的角度，如從圖4C可以理解的。參考圖4C，其中示出了(多個布拉格平面中的(其他布拉格平面未示出))兩個布拉格平面424。圖4C中還示出了正交于體布拉格光柵404的表面的虛線430。還示出了兩個k向量，每個k向量垂直于相應(yīng)的布拉格平面424，并且每個k向量相對于布拉格光柵414的表面法線具有不同的k向量角。

圖5例示了透鏡光學(xué)能力和楔形光學(xué)能力如何能夠在雙光束過程中進行組合以生成主全息圖，其進而能夠被用于接觸復(fù)制過程中以產(chǎn)生體布拉格光柵414。參考圖5，其中示出了第一表面502、蓋透鏡(cover lens)504、用來生成被記錄的主全息圖的全息記錄介質(zhì)506、離軸成像透鏡系統(tǒng)(off-axis imaging lens system)508和第二表面510。全息記錄介質(zhì)506可以是二色性明膠或光聚合物，但不限于此。第一光束由從第一表面502發(fā)散出的經(jīng)準(zhǔn)直的光束生成。第一光束在其入射到記錄介質(zhì)506上之前由蓋透鏡504會聚。第二光束由從第二表面510發(fā)散出的經(jīng)準(zhǔn)直的光束生成。該光束在入射到記錄介質(zhì)上之前由離軸成像透鏡系統(tǒng)508和蓋透鏡504修正。這兩個光束彼此干涉以在全息記錄介質(zhì)506中產(chǎn)生干涉圖案，從而生成主全息圖。這樣的主全息圖然后可被用于使用接觸復(fù)制來大量生產(chǎn)體布拉格光柵414。如果主全息圖與副本直接接觸，則接觸副本的透鏡或衍射光學(xué)能力將是相同的。如果主圖和副本之間有間隙或距離，則主全息圖應(yīng)被設(shè)計成補償該間隙。

圖6是被用來概述用于在眼睛跟蹤中使用的方法的流程圖。參考圖6，在步驟602，當(dāng)波導(dǎo)的體布拉格光柵類型的輸入耦合器與眼睛基本軸向?qū)?zhǔn)時，用紅外光照射眼睛。如步驟604所示，體布拉格光柵類型的輸入耦合器被用來將從眼睛反射的入射在體布拉格光柵型輸入耦合器上的紅外光束耦合到波導(dǎo)中。步驟606涉及在體布拉格光柵類型的輸入耦合器的下至上邊界之間使用逐漸減小的k向量角，以促使由體布拉格光柵類型的輸入耦合器耦合到波導(dǎo)中的紅外光的至少大部分(并且優(yōu)選地全部或幾乎所有)在波導(dǎo)內(nèi)傳播到波導(dǎo)的輸出耦合器。步驟608涉及使用等于或小于5度的體布拉格光柵類型的輸入耦合器的角帶寬，從而限制一范圍，其中當(dāng)不同的紅外光束從體布拉格光柵類型的輸入耦合器傳播到輸出耦合器時，在從眼睛上的同一點反射之后被耦合到波導(dǎo)中的不同紅外光束可以是非準(zhǔn)直。盡管步驟604、606和608被示出為三個獨立的步驟，但是這些步驟可能被同時執(zhí)行。

如步驟610所示，波導(dǎo)的輸出耦合器被用來促使從體布拉格光柵類型的輸入耦合器傳播到輸出耦合器的紅外光束離開波導(dǎo)。

如在步驟612所指示的，離開波導(dǎo)的紅外光束被從角度編碼的紅外光束轉(zhuǎn)換為二維空間編碼的紅外光束。這可使用透鏡模塊來實現(xiàn)(例如430)。

如在步驟614指示的，可被用來跟蹤眼睛的眼睛跟蹤數(shù)據(jù)取決于二維空間編碼的紅外光束而生成。如上面解釋的，這可使用眼睛跟蹤IR傳感器(例如134B)來實現(xiàn)。傳感器可以例如是電荷耦合器件(CCD)或CMOS像素傳感器陣列，但不限于此。眼睛跟蹤數(shù)據(jù)的一些示例是來自紅外相機或由位置敏感檢測器(PSD)所檢測到閃光的位置的圖像數(shù)據(jù)。眼睛跟蹤數(shù)據(jù)可被用來例如確定注視點，該注視點指示用戶正在注視的一個或多個現(xiàn)實或虛擬對象。換句話說，眼睛跟蹤數(shù)據(jù)可被用來確定用戶注視的方向或?qū)ο?。本領(lǐng)域所知的眼睛跟蹤可涉及測量聚散度、瞳孔間距(IPD)、注視確定、基于眼睛移動的命令、生物測定標(biāo)識，但不限于此。

當(dāng)IR傳感器是IR相機時，瞳孔在眼框內(nèi)的位置可通過已知的成像技術(shù)來標(biāo)識，而當(dāng)IR傳感器是一種位置敏感檢測器(PSD)時，瞳孔在眼框內(nèi)的位置可通過閃光位置數(shù)據(jù)來標(biāo)識。對于更具體的示例，瞳孔的位置可通過檢測角膜的反射的已知成像技術(shù)來標(biāo)識，例如，如在2008年7月22日授權(quán)給Kranz等人的題為“Head Mounted Eye Tracking and Display System(頭戴式眼睛跟蹤和顯示系統(tǒng))”的美國專利7,401,920中所公開的。此類技術(shù)可以定位眼睛的中心相對于跟蹤相機(例如，眼睛跟蹤IR傳感器134B)的位置。一般而言，眼睛跟蹤涉及獲得眼睛的圖像并使用計算機視覺技術(shù)來確定瞳孔在眼眶內(nèi)的位置。在一個實施例中，跟蹤一只眼睛的位置就足夠了，因為雙眼通常一致地移動。然而，單獨地跟蹤每只眼睛也是可能的。在兩只眼睛被跟蹤的情況下，對于這兩只眼睛中的每只眼睛，可以存在在本文中描述的波導(dǎo)412中的一個獨立的波導(dǎo)。描述用于基于反射的紅外光來跟蹤眼睛并生成眼睛跟蹤數(shù)據(jù)的專利的另一示例是2013年7月16日頒發(fā)給Lewis等人的題為“Gaze Detection in a See-Through,Near-Eye,Mixed Reality Display(透視近眼混合現(xiàn)實顯示器中的注視檢測)”的美國專利號8,487,838。

如在步驟616處所指示的，應(yīng)用的一方面基于眼睛跟蹤數(shù)據(jù)被控制或修改。步驟616可例如使用處理器(例如210或320)來執(zhí)行。步驟616可涉及例如使得用戶能夠從列表中做出選擇，從而使得用戶能夠控制化身如何行進通過虛擬環(huán)境，或引起某些虛擬對象被強調(diào)，但不限于此。步驟616可附加地或替代地涉及觀察用戶對某些視覺刺激等的反應(yīng)。

本文公開的波導(dǎo)有利地可按不損害混合現(xiàn)實顯示設(shè)備系統(tǒng)的透視屬性的方式與眼睛跟蹤硬件一起使用。而且，本文公開的波導(dǎo)使得眼睛的成像能夠與所有類型的處方眼鏡一起工作，并且使得眼睛的成像覆蓋整個眼睛移動范圍加上瞳孔間距離范圍。

在附圖中，波導(dǎo)412通常被示為包括一對平面表面的波導(dǎo)412。在替代實施例中，波導(dǎo)的表面可以是非平面的，即彎曲的。盡管光柵可在平面表面上或平面表面中被更容易地制造，使用(一個或多個)彎曲表面可能減少系統(tǒng)中的某些色差(aberration)。

本文描述的某些實施例涉及一種用于跟蹤被具有紅外波長的紅外光照射的眼睛的裝置，其中該裝置包括波導(dǎo)，該波導(dǎo)是透明的并且包括輸入耦合器和輸出耦合器。輸出耦合器可以是線性光柵、全息柵格或棱鏡，但不限于此。輸入耦合器包括被適配成接收具有紅外波長的紅外光并將接收到的紅外光耦合到波導(dǎo)中的體布拉格光柵。體布拉格光柵包括下邊界和上邊界，其中上邊界比下邊界更靠近輸出耦合器。附加地，體布拉格光柵在下邊界處具有大于上邊界處的k向量角的k向量角，其中在下邊界與上邊界之間的體布拉格光柵的k向量角隨著體布拉格光柵的光柵平面與上邊界之間的距離減小而逐漸減小。體布拉格光柵具有與照射被跟蹤的眼睛的紅外光的紅外波長相匹配的布拉格波長。體布拉格光柵在其下邊界處具有小于其上邊界處的光柵周期的光柵周期，其中在下邊界與上邊界之間的體布拉格光柵的光柵周期逐漸增加。體布拉格光柵包括透鏡光學(xué)能力和棱鏡光學(xué)能力，其中體布拉格光柵的透鏡光學(xué)能力指定體布拉格光柵的焦距，并且體布拉格光柵的棱鏡光學(xué)能力促使由體布拉格光柵接收到的紅外光被耦合到波導(dǎo)中。體布拉格光柵的角帶寬等于或小于5度，并且優(yōu)選地在1和2度之間。當(dāng)輸入耦合器被定位在用紅外光照射的眼睛的前方時，從眼睛反射并由輸入耦合器接收的紅外光的至少一部分在輸入耦合器處被耦合到波導(dǎo)中，經(jīng)由全內(nèi)反射在波導(dǎo)內(nèi)從輸入耦合器傳播到輸出耦合器，并離開接近輸出耦合器的波導(dǎo)。為了基本上實現(xiàn)遠(yuǎn)心性，輸入耦合器的每個點的角帶寬基本上以輸入耦合器的主光線為中心，輸入耦合器的所有主光線基本上彼此平行。

本文描述的某些實施例涉及一種用于跟蹤眼睛的方法，其中該方法包括用紅外光照射眼睛，而波導(dǎo)的體布拉格光柵類型的輸入耦合器通常與眼睛軸向?qū)?zhǔn)，以及使用體布拉格光柵類型的輸入耦合器將入射在體布拉格光柵類型輸入耦合器上的從眼睛反射的紅外光束耦合到波導(dǎo)中。這樣的方法還包括在體布拉格光柵類型的輸入耦合器的下和上邊界之間使用逐漸減小的k向量角，以促使由體布拉格光柵類型的輸入耦合器耦合到波導(dǎo)中的紅外光的至少大部分在波導(dǎo)內(nèi)傳播到波導(dǎo)的輸出耦合器。此外，這樣的方法還包括使用波導(dǎo)的輸出耦合器，以促使已經(jīng)從體布拉格光柵類型的輸入耦合器傳播到輸出耦合器的紅外光束離開波導(dǎo)。此外，當(dāng)不同的紅外光束從體布拉格光柵類型的輸入耦合器傳播到輸出耦合器時，等于或小于5度的體布拉格光柵類型的輸入耦合器的角帶寬被用來限制在從眼睛上的同一點反射之后被耦合到波導(dǎo)中的不同紅外光束是非準(zhǔn)直的程度。附加地，離開波導(dǎo)的紅外光束被從角度編碼的紅外光束轉(zhuǎn)換成二維空間編碼的紅外光束。該方法還可包括根據(jù)二維空間編碼的紅外光束來生成被用來跟蹤眼睛的眼睛跟蹤數(shù)據(jù)，以及基于眼睛跟蹤數(shù)據(jù)來控制或修改應(yīng)用的一方面。

本文描述的某些實施例涉及用于跟蹤眼睛的系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)包括產(chǎn)生被用來照射眼睛的紅外光的紅外照射源。該系統(tǒng)還包括波導(dǎo)，所述波導(dǎo)是透明的并且包括輸入耦合器和輸出耦合器。輸入耦合器包括被適配成接收具有紅外波長的紅外光并將接收到的紅外光耦合到波導(dǎo)中的體布拉格光柵。體布拉格光柵包括下邊界和上邊界，上邊界比下邊界更靠近輸出耦合器。體布拉格光柵在下邊界處具有大于上邊界處的k向量角的k向量角，其中在下邊界與上邊界之間的體布拉格光柵的k向量角隨著體布拉格光柵的光柵平面與上邊界之間的距離減小而逐漸減小。體布拉格光柵具有與用于眼睛跟蹤的紅外光的紅外波長相匹配的布拉格波長。體布拉格光柵包括透鏡光學(xué)能力和棱鏡光學(xué)能力，其中體布拉格光柵的透鏡光學(xué)能力指定體布拉格光柵的焦距，并且體布拉格光柵的棱鏡光學(xué)能力促使由體布拉格光柵接收到的紅外光被耦合到波導(dǎo)中。體布拉格光柵的角帶寬等于或小于5度。該系統(tǒng)還包括透鏡模塊，該透鏡模塊將在輸出耦合器處離開波導(dǎo)的紅外光束從角度編碼的紅外光束轉(zhuǎn)換成二維空間編碼的紅外光束。該系統(tǒng)還包括傳感器，該傳感器取決于使用透鏡模塊產(chǎn)生的二維空間編碼的紅外光束來產(chǎn)生眼睛跟蹤數(shù)據(jù)。附加地，該系統(tǒng)包括基于眼睛跟蹤數(shù)據(jù)來控制或修改應(yīng)用的一方面的處理器。

本技術(shù)的各實施例已經(jīng)在上面在解說所指定的功能的執(zhí)行及其關(guān)系的功能構(gòu)造塊的幫助下進行了描述。這些功能構(gòu)造塊的邊界在本文中經(jīng)常為了方便描述而被限定。替代的邊界可被定義，只要所指定的功能及其關(guān)系被適當(dāng)?shù)貓?zhí)行。任何這些替代地邊界從而落在本技術(shù)的范圍和精神內(nèi)。例如，組合或分離圖6中示出的某些步驟是可能的。對于另一示例，改變圖3A和3B中示出的某些塊的邊界是可能的。

盡管用結(jié)構(gòu)特征和/或方法動作專用的語言描述了本主題，但可以理解，所附權(quán)利要求書中定義的主題不必限于上述具體特征或動作。更確切而言，上述具體特征和動作是作為實現(xiàn)權(quán)利要求的示例形式公開的。本技術(shù)的范圍由所附的權(quán)利要求進行定義。