CN111505826A - 用于眼睛追踪的镜片和具有此镜片的装置 - Google Patents
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Abstract
描述一种用于眼睛追踪应用的镜片(10)。镜片(10)包括第一保护层(20)，所述第一保护层(20)具有第一表面(21)，被布置成在所述镜片(10)用于眼睛追踪时面向要被追踪的眼睛(5)。镜片(10)的特征在于，镜片还包括：支撑层(30)；以及第二保护层(40)，具有第二表面(41)，被布置成在镜片(10)用于眼睛追踪时背离要被追踪的眼睛(5)。支撑层(30)布置在第一保护层(20)与第二保护层(40)之间，并且支撑层(30)包括第一保护层(20)与第二保护层(40)之间的至少第一开口(22)。至少一个电气部件(60)被布置成延伸穿过第一开口(22)。
Description
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电气部件，诸如光源和图像捕捉装置。本公开还涉及包括此镜片的头戴式装置。
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
本发明的目标是至少缓解现有技术的问题中的一个。
本发明的另一目标是减少附接在镜片的外部上的设备的重量。
这些目标中的至少一个通过根据涉及镜片的独立权利要求的镜片来满足。
其它优点通过从属权利要求的特征来实现。
根据本发明的第一方面，提供一种用于眼睛追踪应用的镜片，所述镜片包括第一保护层，所述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所要追踪的眼睛。镜片的特征在于，镜片还包括：支撑层；以及第二保护层，具有第二表面，被布置成在镜片用于眼睛追踪时背离所要追踪的眼睛。支撑层布置在第一保护层与第二保护层之间，并且支撑层包括第一保护层与第二保护层之间的至少第一开口。镜片还包括被布置成延伸穿过第一开口的电气部件。
对于根据本发明的镜片来说，有助于将电气部件纳入到镜片中。在镜片的制造期间，电气部件可被布置成延伸穿过支撑层。第一保护层和第二保护层可接着形成在支撑层的相对两侧上。电气部件接着变得正确定位在镜片中。
镜片可用于针对增强现实(AR)的装置中以及用于针对虚拟现实(VR)的装置中。特别是在VR应用中，镜片优选是平坦的，这是因为镜片将与在多数状况下平坦的显示器组合。然而，可以制造具有弯曲表面的镜片。
至少一个开口的大小可被布置成在镜片的制造期间为电气部件提供支撑。根据优选实施例，这通过加工出具有比电气部件略大的尺寸的开口来实现，其中所述电气部件将布置在开口中。在将电气装置布置在开口中之后，透光材料可布置在支撑层与电气部件之间以将电气部件相对于支撑层固定。第一保护层和第二保护层可接着形成在支撑层的相对两侧上。作为替代，第一开口可形成有略小于电气部件的尺寸。以此方式，实现了压配合。由于压配合，开口的形成必须以紧公差来完成。
所述电气部件可以是图像捕捉装置，所述图像捕捉装置被布置成在镜片用于眼睛追踪时接收来自要被追踪的眼睛的光。有利的是使图像捕捉装置纳入到镜片中。以此方式，将图像捕捉装置布置在镜片上的问题则得以避免。图像捕捉装置可包括任何适当图像传感器，诸如，例如CMOS传感器和CCD。图像捕捉装置可还包括用于在图像传感器上形成图像的光学元件。
图像捕捉装置可与第一保护层接触。如果未采取特殊措施，那么图像捕捉装置将与第一保护层接触。优选的是，图像捕捉装置延伸到第一保护层中。
镜片可包括被布置成将光发射到第一保护层中的光源，其中当镜片用于眼睛追踪时，所述光从第一表面离开第一保护层并被引导向要被追踪的眼睛。在光源以此方式纳入到镜片中的情况下，将光源布置在镜片的外部上的问题得以避免。
支撑层可包括第一保护层与第二保护层之间的第二开口，其中光源被布置成延伸穿过第二开口。此布置可对于一些应用来说是有利的，并且可有助于将光源相对于第一表面以正确的期望角度布置。
光源优选是发光二极管LED或激光器。光源优选发射窄波长带的光。图像捕捉装置优选被布置成引导所述波长带的光。优选的是，该波长带处于近红外波长区域中。对于此波长区域中的光来说，光不对镜片的用户形成干扰。光源发射光的波长带可通常处于800nm到1000nm的范围中。通过使图像捕捉装置仅检测其中光源发射光的波长带的光，眼睛追踪的质量提高。
光源可相对于第一表面以预定角度布置，以使得在镜片用于眼睛追踪时，从光源发射的光被引导向要被追踪的眼睛的角膜。通过如此引导来自光源的光，眼睛追踪可被优化，这是因为追踪眼睛的角膜是有利的。
图像捕捉装置可相对于第一表面以预定角度布置，以使得图像捕捉装置被布置成在镜片用于眼睛追踪时，接收从要被追踪的眼睛的角膜反射的光。通过使图像捕捉装置以此方式布置，眼睛追踪可被优化，这是因为主要是角膜被照射。
镜片可包括连接到图像捕捉装置的第一电缆，其中电缆从图像捕捉装置开始在支撑层与第一表面或第二表面之间延伸到镜片的外部，以使得能够通过第一电缆而将图像捕捉装置连接到控制单元。通过第一电缆的此种布置，第一电缆被固定在镜片中，并且无法在镜片的用户的视野中移动。
第一电缆可被布置成与支撑层接触。此举有助于镜片的制造，这是因为第一电缆接着在第一保护层和第三保护层的形成之前被固定到支撑层。
镜片可包括连接到光源的第二电缆，其中第二电缆从光源开始在支撑层与第一表面或第二表面之间延伸到镜片的外部，以使得能够通过第二电缆而将光源装置连接到控制单元。也以此方式布置第二电缆具有与以相同方式布置第一电缆相同的优点。
第二电缆可被布置成与支撑层接触。此举有助于镜片的制造，这是因为第二电缆接着在第一保护层和第二保护层的形成之前被固定到支撑层。这具有与上文针对第一电缆所述相同的优点。
第一保护层和/或第二保护层中的材料可以是聚合物。聚合物可形成在支撑层上，而不会负面地影响电气部件。
支撑层中的材料可以是聚合物。聚合物有益于与聚合物的第一保护层和第三保护层的结合。
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光。
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 (16)
1.一种用于眼睛追踪应用的镜片(10)，所述镜片(10)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(10)用于眼睛追踪时面向要被追踪的眼睛(5)；
其特征在于，所述镜片还包括：
支撑层(30)；以及
第二保护层(40)，所述第二保护层(40)具有第二表面(41)，所述第二保护层(40)被布置成在所述镜片(10)用于眼睛追踪时背离所述要被追踪的眼睛(5)；
其中所述支撑层(30)布置在所述第一保护层(20)与所述第二保护层(40)之间，并且其中所述支撑层(30)包括所述第一保护层(20)与所述第二保护层(40)之间的至少第一开口(22)；并且
其中电气部件(60)被布置成延伸穿过所述第一开口(22)。
2.根据权利要求1所述的镜片(10)，其中所述至少一个开口(22)的大小被设置成在所述镜片(10)的制造期间为所述电气部件(60)提供支撑。
3.根据权利要求1或2所述的镜片(10)，其中所述电气部件是图像捕捉装置(60)，所述图像捕捉装置(60)被布置成在所述镜片(10)用于眼睛追踪时接收来自所述要被追踪的眼睛(5)的光。
4.根据权利要求3所述的镜片(10)，其中所述图像捕捉装置(60)与所述第一保护层(20)接触。
5.根据权利要求3或4所述的镜片(10)，其中所述镜片(10)包括被布置成将第一光发射到所述第一保护层(20)中的光源(50)，其中当所述镜片(10)用于眼睛追踪时，所述光从所述第一表面(21)离开所述第一保护层(20)并被引导向要被追踪的眼睛(5)。
6.根据权利要求5所述的镜片(10)，其中所述支撑层(30)包括所述第一保护层(20)与所述第二保护层(40)之间的第二开口(23)，并且其中所述光源(50)被布置成延伸穿过所述第二开口(23)。
7.根据权利要求5或6所述的镜片(10)，其中所述光源(50)相对于所述第一表面(21)以预定角度布置，以使得在所述镜片(10)用于眼睛追踪时，从所述光源(50)发射的所述光被引导向所述要被追踪的眼睛(5)的角膜。
8.根据权利要求7所述的镜片(10)，其中所述图像捕捉装置(60)相对于所述第一表面(21)以预定角度布置，以使得所述图像捕捉装置(60)被布置成在所述镜片(10)用于眼睛追踪时，接收从所述要被追踪的眼睛(5)的所述角膜反射的光。
9.根据权利要求3到8中任一项所述的镜片(10)，包括连接到所述图像捕捉装置(60)的第一电缆(24)，其中所述第一电缆(24)从所述图像捕捉装置(60)开始在所述支撑层(30)与所述第一表面(21)或所述第二表面(41)之间延伸到所述镜片(10)的外部，以使得能够通过所述第一电缆(24)而将所述图像捕捉装置(60)连接到控制单元(26)。
10.根据权利要求9所述的镜片(10)，其中所述第一电缆(24)被布置成与所述支撑层(30)接触。
11.根据权利要求5到8中任一项和权利要求9或10所述的镜片(10)，包括连接到所述光源(50)的第二电缆(25)，其中所述第二电缆(25)从所述光源(50)开始在所述支撑层(30)与所述第一表面(21)或所述第二表面(41)之间延伸到所述镜片(10)的外部，以使得能够通过所述第二电缆(25)而将所述光源(50)连接到控制单元(26)。
12.根据权利要求11所述的镜片(10)，其中所述第二电缆(25)被布置成与所述支撑层(30)接触。
13.根据前述权利要求中任一项所述的镜片(10)，其中所述第一保护层(20)和/或所述第二保护层(40)中的材料是以下各者中的任一种：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。
14.一种头戴式装置(80)，包括根据前述权利要求中任一权利要求所述的用于眼睛追踪应用的至少一个镜片(10)。
15.根据权利要求14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。
16.根据权利要求14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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