CN111123525A - 一种集成瞳孔追踪功能的全息智能显示装置及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集成瞳孔追踪功能的全息智能显示装置及实现方法，本发明全息波导的波导基体上附着有对两种不同波段光线敏感的第一全息光栅组、第二全息光栅组，本发明通过使用两组对不同波段光线敏感的全息光栅组传递特定波长的图像信息，减少了不同光线之间的串扰，可以有效增加瞳孔的识别效率，且由于通过两组不同波段光线敏感的全息光栅组的使用，可以将图像源与瞳孔成像单元设置于同一侧，进而使其两者共用部分光路系统，从而有效简化整个系统结构，用以解决现有可穿戴智能眼镜，无法集成瞳孔追踪模块或能集成但模块过大过重过复杂的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及光电器件领域,具体涉及一种集成瞳孔追踪功能的全息智能显示装置及实现方法。
背景技术
眼睛是人类感官中最重要的器官之一，是人类获取信息知识最主要的通道。人类可以通过眼睛感知外部物体的距离、大小、颜色、形状等各种信息。眼睛在获取信息的同时，也可以反映出人类的内心活动，譬如在说谎时眼睛的闪烁、飘忽不定，因此，对瞳孔视线进行追踪，对心理学的研究有一定的意义。
另外，对瞳孔跟踪可以获取用户的关注点以及关注方向，获取相关的数据进行分析。譬如在阅读文献时，研究眼球的运动轨迹，分析如何获取关键知识过程；在逛街时获取用户在广告以及商品上的视线轨迹以及停留时间，为更好的营销策略提供数据支持；在开车时检测眼睛的视线轨迹来判断驾驶员是否处于疲劳驾驶状态，检测到疲劳驾驶状态后，通过其他措施来提醒驾驶者，避免交通事故发生等，应用场景比较广泛。
而在人机交互方面，瞳孔追踪具有更加广泛的应用前景。通过分析视线的注视方向、时间长短、眨眼睛的次数快慢等参数作为输入命令，对智能设备进行一定的操作，譬如家电的开关设置、电脑文本的编辑、手机应用程序使用等。瞳孔追踪技术可以应用在虚拟现实、增强现实、混合现实等迅速发展起来的领域上，相较目前的手柄操作、手势识别等交互方式，瞳孔追踪技术具有直接、轻便、自然等优势。
为了不遮挡或者不影响显示效果，目前在智能可穿戴设备上添加瞳孔追踪模块，普遍存在结构设计复杂、模块整体体积庞大、比较重等问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种集成瞳孔追踪功能的全息智能显示装置及实现方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种集成瞳孔追踪功能的全息智能显示装置，包括：
全息波导，其包括波导基体及附着在所述波导基体上对两种不同波段光线敏感的第一全息光栅组、第二全息光栅组，
其中，所述第一全息光栅组用于将带有图像信息的第一入射光线耦合入射至所述波导基体，以使所述第一入射光线在所述波导基体内发生全反射后耦合射出所述波导基体，输出照射在眼睛上的第一出射光线，
所述第二全息光栅组用于将经眼睛反射的第二入射光线耦合入射至所述波导基体，以使所述第二入射光线在所述波导基体内发生全反射后耦合射出所述波导基体，输出第二出射光线，
所述波导基体用于所述第一入射光线、第二入射光线的全反射；
瞳孔成像单元，位于所述全息波导的一侧，用于接收所述第二出射光线，并形成包含眼睛瞳孔的图像。
本发明通过使用两组对两种不同波段光线敏感的全息光栅组传递特定波长的图像信息，减少了不同光线之间的串扰，可以有效增加瞳孔的识别效率，且由于通过两组不同波段光线敏感的全息光栅组的使用，可以将图像源与瞳孔成像单元置于同一侧，通过共用部分光路系统，从而有效简化整个系统。
进一步的，所述第一全息光栅组、第二全息光栅组均设置在所述波导基体的表面或设置在所述波导基体内，其中，第一全息光栅组对可见光敏感，第二全息光栅组对近红外光敏感。
所述的可见光、近红外全息光栅为反射型全息光栅、透射型全息光栅组成的可见光、近红外全息光栅，也可以由光刻胶、光致聚合物、重铬酸盐明胶、光折变晶体、卤化银等材料经过全息曝光得到也可以是采用纳米压印技术得到。材料经过全息曝光得到或采用纳米压印技术得到的区别是：前者记录介质的厚度不变，折射率在变化；后者是记录介质厚度在变化但是折射率不变。
进一步的，所述第一全息光栅组包括第一入射全息光栅、第一出射全息光栅，所述第一入射全息光栅、第一出射全息光栅分别错位设置在所述波导基体的不同侧，
其中，
所述第一入射全息光栅用于将所述第一入射光线耦合入射至所述波导基体，以使所述第一入射光线在所述波导基体内发生全反射，
所述第一出射全息光栅用于被所述波导基体全反射后的所述第一入射光线输出所述波导基体，形成所述第一出射光线。
进一步的，所述第二全息光栅组包括第二入射全息光栅、第二出射全息光栅，所述第二入射全息光栅、第二出射全息光栅分别错位设置在所述波导基体的不同侧，
其中，
所述第二入射全息光栅用于将所述第二入射光线耦合入射至所述波导基体，以使所述第二入射光线在所述波导基体内发生全反射，
所述第二出射全息光栅用于被所述波导基体全反射后的所述第二入射光线输出所述波导基体，形成所述第二出射光线。
进一步的，所述的集成瞳孔追踪功能的全息智能显示装置，还包括发光单元，所述发光单元设在所述波导基体或位于眼睛一侧的架框上，用于发射照射在眼睛上的红外光线，所述红外光线经眼睛反射后即为所述第二入射光线。
进一步的，所述的集成瞳孔追踪功能的全息智能显示装置，还包括光线准直单元、分光单元、图像源，所述光线准直单元、分光单元位于所述全息波导与所述图像源之间，
其中，所述光线准直单元为所述图像源、瞳孔成像单元共用中继系统，用于将所述图像源反射或发出的携带图像信息的可见光进行准直处理，形成所述第一入射光线，并接收所述第二出射光线，对所述第二出射光线准直，以供输入所述瞳孔成像单元，
其中，准直后的第二出射光线经所述分光单元输入至所述瞳孔成像单元。
其中，所述图像显示源包括LCOS芯片、OLED芯片、micro LED芯片、SLM芯片、LCD、DMD等芯片中的一种，当图像显示源为micro LED、OLED等可以自发光的芯片，可以省掉光源、偏振分光棱镜以及半波片等光学元件，使得结构变得更简单，当图像显示源为LCOS芯片等，为不可自发光的芯片，需要配置光源，所述光源发出的光线经过所述分光单元照射在所述图像源上，经所述图像源反射形成携带图像信息的可见光，不可自发光的芯片还有DMD、LCD、SLM等，每个芯片的照明方式与LCOS有所区别，DMD与LCOS是反射式，LCD和SLM为透射式。
所述瞳孔成像单元包括成像芯片，所述成像芯片为红外CCD芯片或者红外CMOS芯片，
所述波导基体材质为BK7玻璃、ZF系列玻璃、树脂及其他透明材质的光学材料，
所述分光单元包括偏振分光棱镜或二向色镜。
所述的集成瞳孔追踪功能的全息智能显示装置，还包括像质矫正系统，所述像质矫正系统位于所述分光单元、所述瞳孔成像单元之间，其中，所述像质矫正系统包括至少一片光学透镜以及一片长波通滤光片，用于将可见光以及其他杂散光过滤掉，提高瞳孔图像的信噪比。
根据本发明的另一个方面，提供了一种上述所述全息智能显示装置集成瞳孔追踪功能的实现方法，包括：
带有图像信息的第一入射光线通过全息波导的第一全息光栅组耦合入射至波导基体，所述第一入射光线在所述波导基体内发生全反射后耦合射出所述波导基体，输出照射在眼睛上的第一出射光线；
经眼睛反射的第二入射光线通过全息波导的第二全息光栅组耦合入射至所述波导基体，所述第二入射光线在所述波导基体内发生全反射后耦合射出所述波导基体，输出第二出射光线；
所述第二出射光线传输至瞳孔成像单元，形成包含眼睛瞳孔的图像，进而获取瞳孔位置，所述的全息智能显示装置在不影响图像信息显示的前提下获取瞳孔位置，实现图像信息显示与瞳孔位置追踪的集成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明示例的集成瞳孔追踪功能的全息智能显示装置，发明在全息波导的波导基体上附着有对两种不同波段光线敏感的第一全息光栅组、第二全息光栅组，本发明通过使用两组对不同波段光线敏感的全息光栅组传递特定波长的图像信息，减少了不同光线之间的串扰，可以有效增加瞳孔的识别效率，且由于通过两组不同波段光线敏感的全息光栅组的使用，可以将图像源与瞳孔成像单元设置于同一侧，进而使其两者共用部分光路系统，从而有效简化整个系统结构，用以解决现有可穿戴智能眼镜，无法集成瞳孔追踪模块或能集成但模块过大过重过复杂的技术问题。
2、本发明示例的全息智能显示装置集成瞳孔追踪功能的实现方法，全息智能显示装置通过同时使用两组对不同波长敏感的衍射光栅，分别对可见光显示图像信息及瞳孔位置信息传输，在不影响图像信息显示的前提下获取瞳孔位置，实现图像信息显示与瞳孔位置追踪的集成，是本领域创造性的设计。
附图说明
图1为本发明实施例一结构示意图；
图2为本发明变折射率相位体全息光栅结构示意图；
图3为本发明表面浮雕全息光栅结构示意图；
图4为本发明实施例二结构示意图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
本实施例集成瞳孔追踪功能的全息智能显示装置，包括图像源、光线准直单元、分光单元、像质矫正系统、发光单元、瞳孔成像单元。
其中，
全息波导包括波导基体及附着在所述波导基体上对两种不同波段光线敏感的第一全息光栅组、第二全息光栅组，所述第一全息光栅组、第二全息光栅组均设置在所述波导基体的表面或设置在所述波导基体内，所述波导基体材质为BK7玻璃、ZF系列玻璃、树脂及其他透明光学材料，基体的厚度为1mm。
其中，所述第一全息光栅组用于将带有图像信息的第一入射光线耦合入射至所述波导基体，以使所述第一入射光线在所述波导基体内发生全反射后耦合射出所述波导基体，输出照射在眼睛上的第一出射光线，所述第一全息光栅组具体包括第一入射全息光栅、第一出射全息光栅，所述第一入射全息光栅、第一出射全息光栅分别错位设置在所述波导基体的不同侧，其中，所述第一入射全息光栅用于将所述第一入射光线耦合入射至所述波导基体，以使所述第一入射光线在所述波导基体内发生全反射，所述第一出射全息光栅用于被所述波导基体全反射后的所述第一入射光线输出所述波导基体，形成所述第一出射光线，
所述第二全息光栅组用于将经眼睛反射的第二入射光线耦合入射至所述波导基体，以使所述第二入射光线在所述波导基体内发生全反射后耦合射出所述波导基体，输出第二出射光线，所述第二全息光栅组具体包括第二入射全息光栅、第二出射全息光栅，所述第二入射全息光栅、第二出射全息光栅分别错位设置在所述波导基体的不同侧，其中，所述第二入射全息光栅用于将所述第二入射光线耦合入射至所述波导基体，以使所述第二入射光线在所述波导基体内发生全反射，所述第二出射全息光栅用于被所述波导基体全反射后的所述第二入射光线输出所述波导基体，形成所述第二出射光线；
所述波导基体用于所述第一入射光线、第二入射光线的全反射。
瞳孔成像单元，位于所述全息波导的一侧，用于接收所述第二出射光线，并形成包含眼睛瞳孔的图像，所述瞳孔成像单元具体包括成像芯片，所述成像芯片也称感光芯片，具体为红外CCD芯片或者红外CMOS芯片。
所述发光单元设在所述波导基体上或镜框上(当集成瞳孔追踪功能的全息智能显示装置应用于智能眼镜时，所述发光单元还可以设置在智能眼镜的架框，即镜框上)，用于发射照射在眼睛上的红外光线，所述红外光线经眼睛反射后即为所述第二入射光线。
所述光线准直单元、分光单元位于所述全息波导与所述图像源之间，其中，所述分光单元包括偏振分光棱镜或二向色镜，所述光线准直单元为所述图像源、瞳孔成像单元共用中继系统，用于将所述图像源反射或发出的携带图像信息的可见光进行准直处理，形成所述第一入射光线，并接收所述第二出射光线，对所述第二出射光线准直，以供输入所述瞳孔成像单元，其中，所述图像显示源包括LCOS芯片、OLED芯片、micro LED芯片、SLM芯片等芯片中的一种，当图像显示源为micro LED、OLED等可以自发光的芯片，可以省掉光源、偏振分光棱镜以及半波片等光学元件，使得结构变得更简单，当图像显示源为LCOS芯片等，为不可自发光的芯片，需要配置光源，所述光源发出的光线经过所述分光单元照射在所述图像源上，经所述图像源反射形成携带图像信息的可见光。
准直后的第二出射光线经所述分光单元、像质矫正系统输入至所述瞳孔成像单元，其中，所述像质矫正系统包括至少一片光学透镜以及一片长波通滤光片，将可见光以及其他杂散光过滤掉，提高瞳孔图像的信噪比。
所述全息智能显示装置集成瞳孔追踪功能的实现方法，包括：
带有图像信息的第一入射光线通过全息波导的第一全息光栅组耦合入射至波导基体，所述第一入射光线在所述波导基体内发生全反射后耦合射出所述波导基体，输出照射在眼睛上的第一出射光线；
经眼睛反射的第二入射光线通过全息波导的第二全息光栅组耦合入射至所述波导基体，所述第二入射光线在所述波导基体内发生全反射后耦合射出所述波导基体，输出第二出射光线；
所述第二出射光线传输至瞳孔成像单元，形成包含眼睛瞳孔的图像，进而获取瞳孔位置，所述的全息智能显示装置在不影响图像信息显示的前提下获取瞳孔位置，实现图像信息显示与瞳孔位置追踪的集成。
本实施例集成瞳孔追踪功能的全息智能显示装置具体结构，如图1所示，光源300为LED芯片，发出的光线经过分光单元偏振分光棱镜(PBS)201，照射在图像源400(又称图片显示源)上，图像源400为LCOS芯片，反射回来的光线携带着图像信息，经过光线准直单元光学中继系统200后，准直为平行光线010即为第一入射光线照射在波导基体100上的第一入射全息光栅即可见光耦合输入光栅111上，光线010经可见光耦合输入光栅111衍射后在波导基体100中发生无损耗的全反射传播。光线010在到达第一出射全息光栅即为可见光耦合输出光栅112位置时，经其衍射，从基体中输出，形成第一出射光线，到达人眼600中。外界光线040可以穿过透明的可见光耦合输出光栅112和红外耦合输入光栅122，即可达到将数字信息叠加在外界真实场景上的目的。
为了清晰地获得瞳孔的图像，在波导末端或镜框上设计一个红外光线发射装置700。该装置将红外光线020投射向人眼600，瞳孔的反射光线030形成第二入射光线，所述第二入射光线经过第二入射全息光栅红外耦合输入光栅122耦合进入波导基体100中，发生无损耗的全反射传输，达到第二出射全息光栅红外耦合输出光栅121耦合输出波导基体100，形成第二出射光线。第二出射光线经过光学中继系统200、偏振分光棱镜201、像质矫正系统203后，成像在瞳孔成像单元感光芯片500上，即可获得瞳孔的位置信息。感光芯片为红外CCD芯片或者红外CMOS芯片。像质矫正系统203包括透镜组和一片长波通滤光片，将可见光以及其他杂散光过滤掉，提高瞳孔图像的信噪比。
由于上述图像源400经过光学中继系统200准直后，经过可见光全息光栅进入波导中，在波导中发生全反射，到达另一可见光全息光栅处从波导中出射，进入人眼；红外光发射装置向瞳孔发射红外光线，瞳孔的红外图像经过近红外波导耦合进入波导中发生全反射，到达另一近红外全息光栅处从波导中出射，经过中继系统200及像质矫正系统203到达成像芯片500处。使图像源400与成像芯片500可以共用中继系统，从而提高了系统的集成度、可靠性，进而降低了设备体积。
其中，感光芯片500获得瞳孔的位置后，可以判断人眼的注视方向，再调整图像显示源的内容，从而保证人眼观看的区域的分辨率达到最高，同时为立体显示打下了基础。
所述波导基体100上的可见光、近红外全息光栅为反射型全息光栅、透射型全息光栅组成的可见光、近红外全息光栅(其中，光栅111、112为反射型全息光栅，光栅121、122为透射型全息光栅)，也可以通过将光刻胶、光致聚合物、重铬酸盐明胶、光折变晶体、卤化银等全息材料放置在激光引发的干涉场中，经过全息曝光所得。相干激光形成亮暗交替分布的干涉图，在亮暗区域形成两种折射率不同的区域1111和1112，如图2所示。由于这两个区域的折射率不同，从而形成光栅结构，也属于变折射率相位全息光栅。
或将全息材料通过纳米压印技术所得，将模板上的微纳结构转移到波导基体上，相较厚度不变的变折射率相位光栅，其特点是光栅区域1113的折射率不变，但是光栅的厚度是一直变化的，如图3所示，也属于表面浮雕全息光栅。
实施例二
本实施例与实施例一相同的特征不再赘述，本实施例与实施例一不同的特征在于：
本实施例种集成瞳孔追踪功能的全息智能显示装置的具体结构如图4所示，图像显示源800为micro LED、OLED等可以自发光的芯片，因此就可以省掉LED照明光源、偏振分光棱镜以及半波片等光学元件，使得光机结构变得简单。图像源发出的光线经过光学中继系统200后，准直为平行光线010即为第一入射光线照射在波导基体100上的第一入射全息光栅即可见光耦合输入光栅111上，光线010经可见光耦合输入光栅111衍射后在波导基体100中发生无损耗的全反射传播。光线010在到达第一出射全息光栅即可见光耦合输出光栅112位置时，经其衍射，从波导基体100中输出，到达人眼600中。外界光线040可以穿过透明的可见光耦合输出光栅112和红外耦合输入光栅122，即可达到将数字信息叠加在外界真实场景上的目的。
为了清晰地获得瞳孔的图像，在波导末端设计一个红外光线发射装置700。该装置将红外光线020投射向人眼600，瞳孔的反射光线030即第二入射光线经过第二入射全息光栅红外耦合输入光栅122耦合进入波导基体100中，发生无损耗的全反射传输，达到第二出射全息光栅红外耦合输出光栅121耦合输出波导基体100。红外光线经过光学中继系统200、分光单元二向色镜900、像质矫正系统203后，成像在瞳孔成像单元感光芯片500上，即可获得瞳孔的位置信息。感光芯片为红外CCD芯片或者红外CMOS芯片。像质矫正系统203包括透镜组和一片长波通滤光片，将可见光以及其他杂散光过滤掉，提高瞳孔图像的信噪比。二向色镜900的作用是将红外光线偏折向感光芯片，同时不影响图像源发出光线的透过率。
实施例三
本实施例与实施例一相同的特征不再赘述，本实施例与实施例一不同的特征在于：
图像显示源800为SLM芯片。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (10)
1.一种集成瞳孔追踪功能的全息智能显示装置，其特征是，包括：
全息波导，其包括波导基体及附着在所述波导基体上对两种不同波段光线敏感的第一全息光栅组、第二全息光栅组，
其中，所述第一全息光栅组用于将带有图像信息的第一入射光线耦合入射至所述波导基体，以使所述第一入射光线在所述波导基体内发生全反射后耦合射出所述波导基体，输出照射在眼睛上的第一出射光线，
所述第二全息光栅组用于将经眼睛反射的第二入射光线耦合入射至所述波导基体，以使所述第二入射光线在所述波导基体内发生全反射后耦合射出所述波导基体，输出第二出射光线，所述波导基体用于所述第一入射光线、第二入射光线的全反射；
瞳孔成像单元，位于所述全息波导的一侧，用于接收所述第二出射光线，并形成包含眼睛瞳孔的图像。
2.根据权利要求1所述的集成瞳孔追踪功能的全息智能显示装置，其特征是，所述第一全息光栅组、第二全息光栅组均设置在所述波导基体的表面或设置在所述波导基体内。
3.根据权利要求1所述的集成瞳孔追踪功能的全息智能显示装置，其特征是，所述第一全息光栅组包括第一入射全息光栅、第一出射全息光栅，所述第一入射全息光栅、第一出射全息光栅分别错位设置在所述波导基体的不同侧，
其中，
所述第一入射全息光栅用于将所述第一入射光线耦合入射至所述波导基体，以使所述第一入射光线在所述波导基体内发生全反射，
所述第一出射全息光栅用于被所述波导基体全反射后的所述第一入射光线输出所述波导基体，形成所述第一出射光线。
4.根据权利要求3所述的集成瞳孔追踪功能的全息智能显示装置，其特征是，
所述第二全息光栅组包括第二入射全息光栅、第二出射全息光栅，所述第二入射全息光栅、第二出射全息光栅分别错位设置在所述波导基体的不同侧，
其中，
所述第二入射全息光栅用于将所述第二入射光线耦合入射至所述波导基体，以使所述第二入射光线在所述波导基体内发生全反射，
所述第二出射全息光栅用于被所述波导基体全反射后的所述第二入射光线输出所述波导基体，形成所述第二出射光线。
5.根据权利要求4所述的集成瞳孔追踪功能的全息智能显示装置，其特征是，还包括发光单元，所述发光单元设在所述波导基体或位于眼睛一侧的架框上，用于发射照射在眼睛上的红外光线，所述红外光线经眼睛反射后即为所述第二入射光线。
6.根据权利要求1-5任一所述的集成瞳孔追踪功能的全息智能显示装置，其特征是，还包括光线准直单元、分光单元、图像源，所述光线准直单元、分光单元位于所述全息波导与所述图像源之间，
其中，所述光线准直单元为所述图像源、瞳孔成像单元共用中继系统，用于将所述图像源反射或发出的携带图像信息的可见光进行准直处理，形成所述第一入射光线，并接收所述第二出射光线，对所述第二出射光线准直，以供输入所述瞳孔成像单元，
其中，准直后的第二出射光线经所述分光单元输入至所述瞳孔成像单元。
7.根据权利要求6所述的集成瞳孔追踪功能的全息智能显示装置，其特征是，所述图像显示源包括LCOS芯片、OLED芯片、micro LED芯片、SLM芯片、LCD芯片、DMD芯片中的一种，
所述瞳孔成像单元包括成像芯片，
所述波导基体材质为BK7玻璃、ZF系列玻璃、树脂及其他透明光学材料，
所述分光单元包括偏振分光棱镜或二向色镜。
8.根据权利要求6所述的集成瞳孔追踪功能的全息智能显示装置，其特征是，还包括光源，发出的光线经过所述分光单元照射在所述图像源上，经所述图像源反射形成携带图像信息的可见光。
9.根据权利要求6所述的集成瞳孔追踪功能的全息智能显示装置，其特征是，还包括像质矫正系统，所述像质矫正系统位于所述分光单元、所述瞳孔成像单元之间，其中，所述像质矫正系统包括至少一片光学透镜以及一片长波通滤光片。
10.一种根据权利要求1-9任一所述的全息智能显示装置集成瞳孔追踪功能的实现方法，其特征是，包括：
带有图像信息的第一入射光线通过全息波导的第一全息光栅组耦合入射至波导基体，所述第一入射光线在所述波导基体内发生全反射后耦合射出所述波导基体，输出照射在眼睛上的第一出射光线；
经眼睛反射的第二入射光线通过全息波导的第二全息光栅组耦合入射至所述波导基体，所述第二入射光线在所述波导基体内发生全反射后耦合射出所述波导基体，输出第二出射光线；
所述第二出射光线传输至瞳孔成像单元，形成包含眼睛瞳孔的图像，进而获取瞳孔位置，所述的全息智能显示装置在不影响图像信息显示的前提下获取瞳孔位置，实现图像信息显示与瞳孔位置追踪的集成。
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