CN116670625A - 基于经由准直元件和光导光学元件对眼睛成像来进行眼睛跟踪的光学系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种透光基板，该透光基板被布置为两个主表面中的第一主表面与观看者的眼睛成面对关系，并且通过两个主表面之间的内反射来引导光。光学耦出配置将对应于准直图像并且通过两个主表面之间的内反射引导的图像光耦出透光基板。第一光学耦合配置准直来自眼睛的光以产生准直光，并且将该准直光耦入透光基板中以用于通过内反射来引导。第二光学耦合配置将准直光朝向光学传感器耦出透光基板，光学传感器感测耦出光。处理系统通过处理来自光学传感器的信号来得到眼睛的当前注视方向。

Description

基于经由准直元件和光导光学元件对眼睛成像来进行眼睛跟 踪的光学系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年12月17日提交的美国临时专利申请第63/126,551号的优先权，该申请的全部公开内容通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及眼睛跟踪。

背景技术

用于近眼显示器(Near Eye Display，NED)、头戴式显示器(Head MountedDisplay，HMD)以及平视显示器(Head Up Display，HUD)的光学布置需要大孔径来覆盖观看者的眼睛所在的二维区域(通常称为眼睛运动盒或EMB)。为了实现紧凑的设备，要投影到观看者眼睛中的图像由具有小孔径的小型光学图像生成器(投影仪)生成，该小孔径被倍增以生成大孔径。

基于透明材料的平行面对的板开发了一种在一个维度上进行孔径倍增的方法，在该平行面对的板中图像通过内反射进行传播。通过使用成斜角的部分反射器或通过使用在板的一个表面上的衍射光学元件，将图像波前的一部分耦出板。这样的板在这里被称为光导光学元件(Light-guide Optical Element，LOE)、透光基板或光波导。在图1中示意性地示出了这样的孔径倍增的原理，图1示出了具有一对平行面26、平行面26A的用于通过内反射来引导光的光导光学元件20。如此处由照明光束18示意性地表示的投影图像18被耦入光导光学元件20中(如此处由第一反射表面16示意性地示出的)，以便生成反射光线28，该反射光线28通过内反射被捕获在基板内，从而还生成光线30，照明光束18包括跨越光束的样本光线18A和样本光线18B。该图像通过重复的内反射沿着基板传播，入射到相对于平行面26、平行面26A成斜角(α_sur)的一系列部分反射表面22上，其中部分图像强度被反射，以便作为光线32A、光线32B被朝向观看者的眼睛24耦出基板。为了使可能引起重影图像的不需要的反射最小化，部分反射表面22优选地被涂覆，以便对于第一入射角范围具有低反射率，而对于第二入射角范围具有所需的部分反射率，其中，与部分反射表面22的法线具有小倾角(这里表示为β_ref)的光线被分离，以生成用于耦出的反射光线，而高倾角(相对于法线)的光线以可忽略的反射透射。

投影图像18是准直图像，即，其中每个像素由相应角度的平行光束表示，相当于来自远离观看者的场景的光(准直图像被称为“准直到无限远”)。这里简单地由对应于图像中的单个点的光线表示图像，图像中的单个点通常地是图像的质心，但是实际上包括到该中心光束的每侧的角度范围，其以相应的角度范围耦入基板中，并且类似地以相应的角度耦出，从而创建与在不同方向上到达观看者的眼睛24的图像部分对应的视场。

可以用于NED、HMD或HUD设计的光学功能是眼睛跟踪，或感测观看者的眼睛相对于头部方向所看的方向(通常称为注视方向)。过去的眼睛跟踪方法依赖于经由从侧面朝向EMB观看的一个或更多个离轴摄像机对EMB进行成像。为了减少用户的不适，摄像机应当具有相对小的尺寸，这可能限制EMB成像性能。小的摄像机尺寸以及从以高离轴角度采样的EMB图像得到注视方向的一般困难，导致这样的眼睛跟踪方法的相对低的性能。

发明内容

本发明的各方面提供了一种用于基于经由光导光学元件对眼睛进行成像来跟踪人眼的注视方向的眼睛跟踪器和对应的方法，并且特别地适于集成作为NED、HMD或HUD的一部分，特别是当被用作增强现实(Augmented Reality，AR)或虚拟现实(Virtual Reality，VR)系统的一部分时。

根据本发明的实施方式的教导，提供了一种光学系统。该光学系统包括：透光基板，该透光基板具有至少两个主表面，所述至少两个主表面被布置为所述主表面中的第一主表面与观看者的眼睛成面对关系，以用于通过该透光基板的所述两个主表面之间的内反射来引导光；与该透光基板相关联的光学耦出配置，用于将通过所述两个主表面之间的内反射引导的、与准直图像相对应的图像光耦出该透光基板；与该透光基板相关联的第一光学耦合配置，该第一光学耦合配置被配置成：准直来自眼睛的光以产生准直光，并且将准直光耦入该透光基板中以便通过内反射在该透光基板内传播；与该透光基板相关联的第二光学耦合配置，该第二光学耦合配置被配置成将准直光从该透光基板耦出为耦出光；光学传感器，该光学传感器被布置用于感测耦出光；以及至少一个处理器，该至少一个处理器与该光学传感器通信并且被配置成处理来自该光学传感器的信号以得到眼睛的当前注视方向。

可选地，该光学耦出配置包括多个部分反射表面，所述多个部分反射表面相对于该透光基板的两个主表面倾斜地布置在该透光基板内。

可选地，该光学耦出配置包括与透光基板的两个主表面中的一个主表面相关联的衍射元件。

可选地，来自眼睛的光在第一光谱中，并且图像光在第二光谱中。

可选地，该光学系统还包括：图像投影仪，用于生成该准直图像。

可选地，该第二光学耦合配置还被配置成将与准直图像对应的图像光耦入该透光基板中，以便通过内反射在该透光基板内传播。

可选地，该光学系统还包括：选择性反射表面，该选择性反射表面朝向该第二光学耦合配置透射或反射与该准直图像对应的图像光，并且朝向该光学传感器反射或透射来自该第二光学耦合配置的耦出光。

可选地，该光学系统还包括：与该透光基板相关联的光学耦入配置，用于将与该准直图像对应的图像光耦入该透光基板中，以便通过内反射在该透光基板内传播。

可选地，该光学耦入配置反射与准直图像对应的图像光，并且朝向该第二光学耦合配置透射在该透光基板内传播的准直光。

可选地，通过该光学耦入配置耦入该透光基板中以便通过内反射在该透光基板内传播的、与准直图像对应的图像光到达该第二光学耦合配置，并且第二光学耦合配置透射在该透光基板内传播的与准直图像对应的图像光。

可选地，该光学系统还包括：光学器件，该光学器件被布置在从该第二光学耦合配置到该光学传感器的光学路径中，用于在该光学传感器上形成眼睛的至少一部分的至少一个图像。

可选地，该光学系统还包括：图像投影仪，该图像投影仪包括用于产生图像光的空间光调制器，并且该光学器件形成该图像投影仪的一部分并且准直由该空间光调制器产生的图像光以便生成准直图像。

可选地，该第一光学耦合配置反射来自眼睛的光并且透射与该准直图像对应的图像光。

可选地，该第一光学耦合配置包括弯曲表面，该弯曲表面具有足以使来自眼睛的光准直到无限远的曲率。

可选地，该曲率是眼睛与透光基板的主表面的第一主表面之间的距离的函数。

可选地，该第一光学耦合配置相对于该透光基板的两个主表面倾斜地布置在该透光基板内。

可选地，该光学系统还包括：第二透光基板，该第二透光基板具有至少两个主表面，该第二透光基板的两个主表面中的一个主表面与该透光基板的两个主表面中的一个主表面相关联，并且该第一光学耦合配置的至少一个光学元件被布置在该第二透光基板内。

可选地，第一光学耦合配置的至少一个光学元件被布置在该第二透光基板的位于眼睛前方的区域中，使得该第一光学耦合配置的至少一个光学元件的法线近似到达眼睛的瞳孔的中心。

可选地，该透光基板的两个主表面相互平行，并且该第二透光基板的两个主表面彼此平行并且平行于该透光基板的两个主表面。

可选地，该第二透光基板的主表面中的至少一个主表面是弯曲表面。

可选地，第二透光基板形成为用于向来自现实世界场景的光施加光焦度的透镜。

可选地，该光学系统还包括：第二透光基板，该第二透光基板具有包括第一主表面和第二主表面的至少两个主表面，该第二透光基板的第一主表面与该透光基板的第二主表面相关联，并且该第一光学耦合配置包括：至少一个准直元件，所述至少一个准直元件被布置在该第二透光基板内，以及部分反射器，该部分反射器相对于该透光基板的两个主表面倾斜地布置在该透光基板内，该部分反射器：将来自眼睛的光朝向至少一个准直元件透射使得至少一个准直元件根据来自眼睛的光产生准直光，以及反射由至少一个准直元件产生的准直光以便将该准直光耦入该透光基板中以便通过内反射在该透光基板内传播。

可选地，该光学系统还包括：第二透光基板，该第二透光基板具有包括第一主表面和第二主表面的至少两个主表面，该第二透光基板的第二主表面与该透光基板的第一主表面相关联，并且该第一光学耦合配置包括：至少一个准直元件，所述至少一个准直元件被布置在该第二透光基板内用于准直来自眼睛的光以产生准直光；第一反射器，该第一反射器相对于该透光基板的两个主表面倾斜地布置在该第二透光基板内，该第一反射器将准直光偏转出该第二透光基板并且进入该透光基板；以及第二反射器，该第二反射器相对于该透光基板的两个主表面倾斜地布置在该透光基板内，该第二反射器偏转来自该第一反射器的光，以便将该准直光耦入该透光基板中以便通过内反射在该透光基板内传播。

可选地，该光学系统还包括：照明布置，该照明布置被布置成用照明光照射眼睛，使得眼睛将该照明光反射为反射光，该反射光对应于由该第一光学耦合配置准直的来自眼睛的光。

可选地，该第二光学耦合配置包括反射表面，该反射表面将准直光偏转出该透光基板。

可选地，该第二耦合配置包括透光基板的平面开口端，该开口端通过沿着与透光基板的两个主表面正交的平面切割该透光基板来形成。

可选地，所述至少一个处理器被配置成通过一个或更多个通信网络接收来自该光学传感器的信号。

根据本发明的教导的实施方式，还提供了一种光学系统。该光学系统包括：光导光学元件(Light-guide Optical Element，LOE)，该LOE具有至少两个主表面，所述至少两个主表面被布置为所述主表面中的第一主表面与观看者的眼睛成面对关系，以用于通过该LOE的所述两个主表面之间的内反射来引导光；多个部分反射表面，所述多个部分反射表面相对于该LOE的所述两个主表面倾斜地布置在该LOE内，用于将通过所述两个主表面之间的内反射引导的、与准直图像对应的图像光耦出该LOE；光学元件，该光学元件被布置在该LOE内，该光学元件是选择性反射的并且选择性地向入射光施加光焦度，使得该光学元件：准直从眼睛反射的光以产生准直光，并且反射该准直光以便将该准直光耦入该LOE中以用于通过所述两个主表面之间的内反射来引导，并且透射通过所述两个主表面之间的内反射引导的、与该准直图像对应的图像光并且基本上不向该图像光施加光焦度；成像系统；以及与该LOE相关联的光学耦合配置，该光学耦合配置被配置成将该准直光从该LOE耦出到该成像系统，该成像系统根据通过光学耦合配置从该LOE耦出的准直光形成眼睛的图像。

可选地，该成像系统包括光学传感器，用于感测通过该光学耦合配置耦出该LOE的准直光，并且该光学系统还包括：处理系统，该处理系统与该光学传感器通信并且被配置成处理来自该光学传感器的信号以得到眼睛的当前注视方向。

根据本发明的教导的实施方式，还提供了一种光学系统。该光学系统包括：透光基板，该透光基板具有至少两个主表面，所述至少两个主表面被布置为所述主表面中的第一主表面与观看者的眼睛成面对关系，以用于通过该透光基板的所述两个主表面之间的内反射来引导光；与该透光基板相关联的第一光学耦合配置，该第一光学耦合配置操作用于：准直来自眼睛的反射光以产生准直光，并且将准直光耦入透光基板中以便通过内反射在透光基板内传播；与该透光基板相关联的第二光学耦合配置，该第二光学耦合配置被配置成将准直光从该透光基板耦出为耦出光；聚焦光学器件，该聚焦光学器件与该第二光学耦合配置相关联并且操作用于将该耦出光转换成捕获光的会聚光束；光学传感器，该光学传感器被布置用于感测捕获光；以及至少一个处理器，所述至少一个处理器与该光学传感器通信并且被配置成处理来自该光学传感器的信号以得到眼睛的当前注视方向。

在本文的上下文中，术语“引导”通常是指通过在透光材料(例如，基板)的主外表面处的内反射而被捕获在透光材料内的光，使得被捕获在透光材料内的光在传播方向上传播穿过透光材料。当传播光以给定角度范围内的入射角入射到透光材料的主外表面时，在透光基板内传播的光通过内反射被捕获。捕获光的内反射可以是全内反射的形式，由此以大于临界角(部分地由透光材料的折射率和其中布置有透光的介质(例如空气)的折射率限定)的角度入射到透光材料的主外表面的传播光在主外表面处经历内反射。替选地，可以通过涂层例如角度选择性反射涂层来实现捕获光的内反射，该涂层被施加到透光材料的主外表面以实现在给定角度范围内入射到主外表面的光的反射。

根据本发明的各种实施方式的眼睛跟踪器依赖于通过光学耦合配置对从眼睛反射的光朝向光学传感器的准直和偏转。从眼睛反射的光在本文中也称为眼睛跟踪光。该眼睛跟踪光在特定光谱内，在本文中也称为在“眼睛跟踪光谱”内。当眼睛跟踪光谱在电磁谱的近红外(Near Infrared，NIR)区域中时(即，当眼睛跟踪光谱在NIR区域内时)，根据本发明的各种实施方式的眼睛跟踪器特别有效。在本文的上下文中，电磁光谱的NIR区域中的光通常是指具有700纳米(nm)至1400nm范围内的波长的光，在某些情况下为680nm至1400nm。700nm附近的波长，即680nm至750nm范围内的波长，可以侵蚀较暗的红色可见光，但是当出于眼睛跟踪目的而照射眼睛时，可以是特别有利的。在本文的上下文中，除非另外明确说明，否则被描述为具有NIR区域中的波长的光通常是指具有700nm至1400nm或680nm至1400nm范围内的波长的光。在本文的上下文中，除非另外明确说明，否则被描述为具有NIR区域之外的波长的光通常是指具有小于700nm(或小于680nm)或大于1400nm的波长的光。

尽管根据本发明的各种实施方式的眼睛跟踪器在眼睛跟踪光谱处于NIR区域时特别有效，但是眼睛跟踪器在眼睛跟踪光在NIR区域之外——包括例如红外(Infrared，IR)区域、紫外(Ultraviolet，UV)区域，以及在某些情况下在电磁光谱的可见区域之外(即，当眼睛跟踪光谱在可见光区域内时)——时也是有效的(如将讨论的)。

在本文的上下文中，电磁光谱的可见区域中的光通常是指波长在380nm至750nm范围内的光。因此，在NIR区域与可见光区域之间可能存在一些交叠。在本文的上下文中，除非另外明确说明，否则被描述为主要具有可见光区域中的波长的光通常是指具有380nm至700nm或380nm至680nm范围内的波长的光。在本文的上下文中，除非另外明确说明，否则被描述为主要具有可见光区域之外的波长的光通常是指具有小于380nm或大于700nm(或大于680nm)的波长的光。可见区域在本文中可互换地称为“可见光区域”、“明视区域”和“明视光谱”。

除非本文另有定义，否则本文使用的所有技术术语和/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。尽管与本文所述的这些方法和材料类似或等同的方法和材料可用于本发明的实施方式的实践或测试，但示例性方法和/或材料描述如下。在冲突的情况下，以专利说明书，包括定义为准。另外，材料、方法和示例仅是说明性的，而不旨在是必要的限制性的。

附图说明

本文参考附图仅以示例的方式描述本发明的一些实施方式。通过具体详细地参考附图，强调的是，所示的细节是作为示例的，并且是出于说明性地讨论本发明的实施方式的目的。在这方面，结合附图的描述使得可以如何实践本发明的实施方式对于本领域技术人员来说是明显的。

现在将注意力转到附图，其中相同的附图标记或字符指示相应或相同的部件。在附图中：

图1是上述用于近眼显示器的采用部分反射表面的现有技术光导光学元件的示意性侧视图；

图2A是根据本发明的实施方式构造和操作的光学系统的示意性侧视图，该光学系统用于显示图像和用于跟踪人眼的注视方向，该光学系统具有第一光学耦合配置和第二光学耦合配置，该第一光学耦合配置用于将来自眼睛的光准直和耦入透光基板中，该第二光学耦合配置用于将来自眼睛的光经由光学器件从透光基板耦出到光学传感器，并且示出了来自眼睛的光通过透光基板的传播；

图2B是对应于图2A的示意性等距视图；

图3是图2A和图2B的光学系统的示意性侧视图，示出了由图像投影仪生成的图像光通过透光基板的传播；

图4是以眼镜形状因子实现的图2A至图3的光学系统的局部示意性等距视图；

图5是根据本发明的实施方式构造和操作的光学系统的示意性侧视图，该光学系统类似于图2A至图3的光学系统，但是其中准直部件被布置在第二透光基板中，并且其中光学耦合配置包括布置在透光基板中的部分反射器；

图6是根据本发明的实施方式构造和操作的光学系统的示意性侧视图，该光学系统类似于图5的光学系统，但是其中光学耦合配置包括准直部件以及两个反射器或部分反射器，并且其中准直部件和两个反射器中的一个被布置在第二透光基板中，并且其中两个反射器中的另一个被布置在透光基板中；

图7是根据本发明的实施方式构造和操作的光学系统的示意性侧视图，该光学系统类似于图2A的光学系统，但是其中第二光学耦合配置被实现为透光基板的平面开口端；

图8是根据本发明的实施方式构造和操作的光学系统的示意性侧视图，该光学系统类似于图2A至图3的光学系统，示出了用于生成耦入透光基板中的准直图像光的图像投影仪装置，用于将准直图像光耦合出透光基板的光学耦出配置以及用于对来自眼睛的耦出透光基板的光进行成像的成像系统；以及

图9是根据本发明的实施方式构造和操作的光学系统的示意性侧视图，该光学系统类似于图8的光学系统，但是其中成像系统和图像投影仪的部件被集成到单个模块中。

具体实施方式

本发明的实施方式提供了用于基于经由光导光学元件对眼睛进行成像来跟踪人眼的注视方向的光学系统和对应的方法。

参考说明书附图，可以更好地理解根据本发明的光学系统和方法的原理和操作。

在详细解释本发明的至少一个实施方式之前，应当理解，本发明不必然将其应用限制于在以下描述中阐述和/或在附图和/或示例中阐述的部件和/或方法的构造和布置的细节。本发明能够具有其他实施方式或者能够以各种方式实践或执行。

通过介绍，在许多应用中，特别是在平视显示器或近眼显示器的背景下，提供用于确定用户的注视方向的眼睛跟踪装置是有用的。用于执行眼睛跟踪的一种常见方法是对眼睛的图像进行采样，通常是为了确定瞳孔在图像内的位置的目的，并且由此得到眼睛的取向。采用根据与图1的原理类似的原理操作的光导光学元件来对图像进行采样以用于眼睛跟踪将是特别有利的。

本文描述了采用根据这样的原理或类似的这样的原理操作的光导光学元件的眼睛跟踪解决方案。根据本发明的某些方面，通过将从眼睛反射的光耦入光导光学元件中的光学耦合配置(“第一光学耦合配置”)对眼睛成像。由于眼睛不位于距光导光学元件无限远处(而是位于通常约20毫米的数量级的出瞳距离处)，因此第一光学耦合配置还准直从眼睛反射的光，使得通过第一光学耦合配置耦入光导光学元件中的眼睛跟踪光也被准直。该准直光在与传播通过光导光学元件的任何图像光(来自图像投影仪)的传播方向大体相反的传播方向上沿着相反路径传播通过光导光学元件。然后，来自眼睛的准直光通过另一光学耦合配置(“第二光学耦合配置”)耦出光导光学元件，并且通过聚焦光学器件聚焦到光学传感器上。响应于感测到耦出光，由光学传感器产生的信号由处理系统处理以得到注视方向。

现在共同参考图2A至图8，示出了根据本发明的各种实施方式构造和操作的用于得到人眼110的注视方向的光学系统(总体上表示为光学系统100)的结构和操作的各个方面。一般而言，光学系统100包括透光基板(可互换地称为光导光学元件或LOE)102，以及与LOE 102相关联的用于得到眼睛110的注视方向的装置。该装置包括：与LOE 102相关联的光学耦合配置120(可互换地称为“第一光学耦合配置”和“准直器-耦合器”)，用于对来自眼睛110的光进行准直并将其耦入LOE 102中以便由LOE 102引导；第二光学耦合配置136，用于将来自眼睛的LOE引导光朝向光学传感器152耦出LOE 102；以及处理系统154，其与光学传感器152电相关联并且被配置成处理来自光学传感器152的信号以得到眼睛110的当前注视方向。

LOE 102大致类似于图1所示的LOE。具体地，LOE 102由透明材料(例如玻璃)形成，并且具有至少一对平行面(平面主表面)104、平行面106，用于通过内反射引导光。在某些实施方式中，通过内反射进行的传播(引导)是全内反射的形式(即，如上所述，通过临界角来控制内反射)，而在其他实施方式中，通过内反射进行的传播通过施加到表面104、表面106的涂层(例如，角度选择反射涂层)实现。LOE 102被布置为一个平行面104与眼睛110成面对关系，其中眼睛110位于EMB 114中，离表面104出瞳间隔(Eye Relief，ER)距离116处。

准直器-耦合器120操作用于准直来自眼睛110(或EMB 114)的入射照明(光)，以便生成准直光，该入射照明通常是响应于照明布置214对眼睛110(EMB 114)的照明而生成。除了对入射光进行准直以产生准直光之外，准直器-耦合器120操作用于偏转入射光，从而将所得到的准直光耦入LOE 102中，使得准直光通过内反射被捕获在LOE 102内。捕获的准直光通过表面104、表面106之间(即，在其处)的内反射在LOE 102内传播/传播通过LOE 102(即，被LOE 102引导)，直到到达第二光学耦合配置136，第二光学耦合配置136将准直光耦出LOE 102作为耦出光。

聚焦光学器件144(可互换地称为“透镜”)被示意性地表示为一个透镜，但是其可以包括一组透镜，聚焦光学器件144与LOE 102(在表面104的一部分处)相关联，并且被布置在准直器-耦合器120与光学传感器152之间的光学路径中。聚焦光学器件144接收耦出光，并且将耦出光(成组的平行光线)转换成捕获光的一组或更多组会聚光束，所述一组或更多组会聚光束入射到光学传感器152上。在某些优选实施方式中，聚焦光学器件144是成像光学器件，该成像光学器件将眼睛110的至少一部分的图像形成在光学传感器152上。

优选地，聚焦光学器件144与光学传感器152一起集成到光学成像模块(或成像系统/摄像机系统)145中，该光学传感器被配置用于感测捕获光并且形成发出照明的眼睛的部分的图像。成像模块145聚焦到无限远，并且捕获光的会聚光束(通过透镜144)聚焦到光学传感器152的不同点/区域上。

具体参考图2A至图3，示出了根据本发明的非限制性实施方式的具有光学耦合配置120的LOE 102。在所示实施方式中，光学耦合配置120相对于表面104、表面106倾斜地被布置在LOE 102内，并且被布置在LOE 102的位于或靠近LOE 102的远端处的区域中。远端与LOE 102的近端相对，第二光学耦合配置136位于该近端或在近端附近。

图2A示出了光线从眼睛110经由LOE 102到光学传感器152的穿越。通常，从眼睛110到光学传感器152的光在LOE 102内传播被称为在LOE 102内沿反向传播方向(可互换地称为第一传播方向/第二传播方向、第一方向/第二方向或反向方向)传播，而图像光(在图3中示出为由图像投影仪202生成的光束160)在LOE 102内向眼睛110传播被称为在LOE 102内沿正向传播方向(可互换地称为第二传播方向/第一传播方向、第二方向/第一方向或正向方向)传播，正向传播方向与反向传播方向大致相反。

从眼睛110发出的反射光(响应于照明布置214的照明)在图中示意性地由照明光束124、照明光束126、照明光束128表示，其中光束124、光束126、光束128中的每一个源自眼睛110的不同的相应区域/部分。光束124包括跨越光束124的样本光线124A和样本光线124B。类似地，光束126包括跨越光束126的样本光线126A和样本光线126B，并且光束128包括跨越光束128的样本光线128A和样本光线128B。注意，尽管为了简化表示，每个光束被图示为包括两个样本光线，但是每个光束通常包括跨越该光束的大量或连续的光线。

光束124、光束126、光束128中每一个具有跨越两个维度的角度分布，换句话说，每个光束跨越横向维度(沿着图2A中的水平轴)中的角度范围，并且跨越竖直维度(沿着垂直于图2A中的纸平面的轴)中的角度范围。另外，光124、光126、光128源自的眼睛110的不同区域/部分可以包括在横向维度和竖直维度两者上的不同区域。在图2A中可以看到水平维度上的不同区域，而在图2B所示的光学系统的等距视图中可以看到竖直维度上的不同区域。关于图2B，注意，为了简化表示，没有示出光穿过LOE 102的穿越。

继续参考图2A，来自眼睛110的光124、光126、光128经由表面104进入LOE 102并且到达准直器-耦合器120。取决于入射光124、入射光126、入射光128相对于表面104的入射角，光束124、光束126、光束128中的一个或更多个的一些光线在到达准直器-耦合器120之前可能在表面104处经历折射。光124、光126、光128由准直器-耦合器120准直以产生一组或更多组准直光束。特别地，准直器-耦合器120对光124进行准直以产生准直光束，该准直光束在附图中由横跨光束的光线130A和光线130B示意性地表示。准直器-耦合器120还对光126进行准直以产生准直光束，该准直光束在附图中由跨越光束的光线132A和光线132B示意性地表示，并且准直器-耦合器120对光128进行准直以产生准直光束，该准直光束在附图中由跨越光束的光线134A和光线134B示意性地表示。除了准直入射光之外，准直器-耦合器120还偏转光以便将准直光130A、准直光130B、准直光132A、准直光132B、准直光134A、准直光134B耦入LOE 102中，使得准直光通过内反射(生成反射光线(上行光线)并且还生成下行光线)被捕获在LOE 102内。

准直光130A、准直光130B、准直光132A、准直光132B、准直光134A、准直光134B通过内反射沿着基板(LOE 102)传播(即，由基板引导/穿过基板)，直到其到达第二光学耦合配置136(在附图中示意性地表示为反射表面，但是其也可以被实现为耦合棱镜或其他耦合光学布置)，第二光学耦合配置136将光束(光130A、光130B、光132A、光132B、光134A、光134B)偏转(耦合)出LOE 102，作为耦出光，该耦出光在附图中示意性地表示为耦出光138A、耦出光138B、耦出光140A、耦出光140B、耦出光142A、耦出光142B。这里，光线138A、光线138B跨越对应于输入光束124的耦出光束，光线140A、光线140B跨越对应于输入光束126的耦出光束，并且光线142A、光线142B跨越对应于输入光束128的耦出光束。注意，取决于耦出光138A、耦出光138B、耦出光140A、耦出光140B、耦出光142A、耦出光142B相对于表面104的入射角，由第二光学耦合配置136偏转的一些光线在离开LOE 102时可能在表面104处经历折射。

透镜144将每个准直耦出光束(即，由光线138A、光线138B跨越的光束、由光线140A、光线140B跨越的光束、以及由光线142A、光线142B跨越的光束)转换成到达光学传感器152的捕获光的一组会聚光束，使得每个准直耦出光束由透镜144聚焦到光学传感器152的不同的相应部分上。在附图中示出了捕获光的三个示例会聚光束，其中捕获光的每个会聚光束对应于三个输入光束124、输入光束126、输入光束128中的不同的一个。捕获光的第一会聚光束在附图中由样本光线146A和样本光线146B示意性地表示，样本光线146A和样本光线146B由透镜144聚焦到光学传感器152的第一区域上。样本光线146A和样本光线146B分别对应于与输入光束124对应的耦出光束的光线138A和光线138B。捕获光的另一会聚光束在附图中由样本光线148A和样本光线148B示意性地表示，样本光线148A和样本光线148B由透镜144聚焦到光学传感器152的第二区域上。样本光线148A和样本光线148B分别对应于与输入光束126对应的耦出光束的光线140A和光线140B。捕获光的第三会聚光束在附图中由样本光线150A和样本光线150B示意性地表示，样本光线150A和样本光线150B由透镜144聚焦到光学传感器152的第三区域上。样本光线150A和样本光线150B分别对应于与输入光束128对应的耦出光束的光线142A和光线142B。

光学传感器152响应于感测聚焦光(例如，对应于眼睛的图像)而生成信号，并且这些信号被传递到处理系统154，该处理系统154与光学传感器152电相关联并且被配置成处理来自光学传感器152的信号以得到眼睛110的当前注视方向。

根据某些实施方式的光学系统还被配置用于通过图像投影仪和光学耦出配置向眼睛110显示图像(类似于参考图1所描述的)。现在参考图3，其示出了光在LOE 102内沿正向方向的传播。如这里由照明光束160(包括跨越光束的样本光线160A、样本光线160B和样本光线160C)示意性地表示的投影图像160由与表面104之一相关联的图像投影仪202生成，并且经由光学耦合配置耦入LOE 102中，使得准直图像160通过内反射(生成反射光线(上行光线)并且还生成下行光线)被捕获在LOE 102内，在所示实施方式中，该光学耦合配置是第二光学耦合配置136。

图像160通过面104、面106之间的反复内反射沿着LOE 102传播(即，由LOE引导/穿过LOE)，入射到光学耦出配置108(这里示出为相对于表面104、表面106倾斜地被布置在LOE102内的相互平行的部分反射表面)上，其中图像强度的一部分(部分)被部分反射表面108反射，以便朝向眼睛110从LOE 102耦出为光线162A、光线162B、光线162C。

图像光160是(即，对应于)准直图像，即，其中每个像素由处于对应角度的平行光线束表示，等同于来自远离观看者的场景的光(准直图像被称为“准直到无限远”)。在图3中，图像简单地由光线160A、光线160B和光线160C表示，这些光线对应于图像中的单个点，通常是图像的质心，但是实际上包括到该中心光束的每一侧的角度范围，这些光线以相应的角度范围耦入LOE 102中，并且类似地以相应的角度耦出，从而产生与沿不同方向到达观看者的眼睛110的图像部分对应的视场。

尽管图3中未示出，但是图像投影仪202包括微显示器，该微显示器通常是例如硅上液晶(Liquid-Crystal on Silicon，LCoS)或液晶显示器(Liquid-Crystal Display，LCD)的空间光调制器，但也可以是用于生成图像光的另一类型的微显示器，例如有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)。图像投影仪202还包括相应的准直光学器件(图3中未示出)，用于将图像准直到无限远。当微显示器被实现为空间光调制器时，照明部件(例如一个或更多个LED)与微显示器和准直光学器件一起可以适当地布置在一个或更多个偏振分束器(Polarization Beamsplitter，PBS)立方体或其他棱镜布置的表面上，以便将来自照明部件的光引导到微显示器，并且将图像光引导到准直光学器件。还应注意，尽管在图2A至图2B和图3中单独示出了光学成像模块145和图像投影仪202，但是在此可以设想成像模块与图像投影仪202协同操作并且在某些情况下与图像投影仪202集成在一起的各种配置，并且将参考图7和图8在本公开内容的后续部分中描述这样的配置的示例。

在某些实施方式中，处理系统154还与图像投影仪202电关联，以便提供图像生成控制功能。另外，处理系统154还可以与照明布置214电关联，以便控制照明布置214对EMB的照明定时。以下段落描述照明布置214的结构和操作，以及用于基于由光学传感器152感测到的光来得到注视方向的处理系统154的结构和操作。

照明布置214包括至少一个光源，并且优选地包括多个光源，每个光源被配置用于利用眼睛跟踪光谱中的光照射EMB 114的一个或更多个区域，使得来自照明布置214的、入射到EMB 114/眼睛110上的光的强度的一部分被眼睛110并且具体地被准直器-耦合器120朝着LOE 102反射作为反射光而返回。照明布置214的光源(或多个源)可以被实现为LED，或被配置成发射(产生)眼睛跟踪光谱中的光的任何其他源。在某些非限制性实现方式中，照明布置214的光源是在所有方向上发射光的各向同性(或近似各向同性)源。优选地，照明布置214被配置成用波长在电磁光谱的明视区域之外的光照射眼睛110。换句话说，照明布置214优选地被配置成用人眼不可见的光来照射眼睛110。来自人眼的反射，特别是来自眼睛视网膜的反射，在近红外区比在可见光波长下明显较高。因此，优选的是，照明布置214被配置成用波长在电磁光谱的NIR区域中的光照射眼睛110。

可以采用照明布置214的各种部署配置以便为了眼睛跟踪的目的而照射眼睛110。在照明布置214的一个非限制性示例布置配置中，照明布置214包括一个或更多个光源，所述一个或更多个光源被布置在光学传感器152附近和/或围绕安装有LOE 102的光学系统100的机械体的周边。图4示出了这样的非限制性示例配置，其中光学系统100以具有头戴式机械体的眼镜形状因子来实现，其被实现为具有用于接合观看者(观看者)的耳朵的侧臂218的眼镜框架216。光学系统100由合适的电源供电，该电源可以是电池和/或所提供的外部电源的任何组合，该电源在此示意性地示出为经由电缆222连接的电源220。在使用电池电源的情况下，电池可以集成为眼镜的一部分。应当注意，例如头盔安装形状因子、车辆风挡形状因子、以及其他平视显示器和近眼显示器形状因子的其他形状因子也明显落入本发明的范围内。在图4中所示的非限制性配置中，照明布置214包括三个单独的光源215A、光源215B、光源215C(例如，实现为三个LED)。两个光源即光源215A、光源215B被布置在朝向LOE102的顶部部分并且在部分反射表面108处或附近的眼镜框架216的外围部分上。第三光源215C被布置在光学耦合配置136附近的观看者头部的一侧附近。

顺便指出，应当注意，例如头盔安装形状因子、车辆风挡形状因子、以及其他平视显示器和近眼显示器形状因子的其他形状因子也明显落入本发明的范围内。本公开内容的某些实施方式在被布置为车辆或飞行器中的平视显示器(head-up display，HUD)的一部分时可以具有特别的价值，由此在汽车或航空环境中由图像投影仪202投影的图像的显示可以至少部分地取决于或受控于HUD的用户的眼睛注视方向。在汽车环境中，采用根据所公开的实施方式的光学系统的主要部件的HUD可以安装在车辆的驾驶员的前方，例如集成到车辆的仪表板或前风挡中。在航空环境中，HUD可以被安装在飞机的飞行员的前方，例如作为飞行员头盔的一部分安装在头盔的前部区域中。

处理系统154可以使用本领域已知的任何合适类型的处理硬件和/或软件来实现，包括但不限于在任何合适的操作系统下操作并实现合适的软件或固件模块的各种专用计算机化处理器的任何组合。处理系统154还可以包括各种通信部件，用于允许与LAN和/或WAN设备进行有线或无线通信，以进行信息和图形内容的双向传输。在图2A所示的非限制性示例处理系统154中，处理子系统154包括耦合到存储介质158的至少一个计算机化处理器156。存储介质158可以是诸如易失性数据存储装置的一个或更多个计算机化的存储器设备。处理器156可以被实现为任何数量的计算机化处理器，包括但不限于微处理器、微控制器、图形处理器、显示驱动器、专用集成电路(Application-Specific IntegratedCircuit，ASIC)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、图像处理器、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、现场可编程逻辑阵列(Field-Programmable Logic Array，FPLA)等。这样的计算机化处理器包括存储程序代码或指令集的计算机可读介质或者可以与计算机可读介质电子通信，所述程序代码或指令集在由计算机化处理器执行时使计算机化处理器执行动作。计算机可读介质的类型包括但不限于能够向计算机化处理器提供计算机可读指令的电子设备、光学设备、磁性设备或其他存储设备或传输设备。尽管处理系统154被示为与光学传感器152一起本地布置，并且在某些情况下集成在光学系统100的机械体中(如图4中)，但是注意，处理系统154可以替选地被布置为远离光学系统100的其他主要部件。例如，在某些实施方式中，处理系统154可以被实现为远程处理服务器，远程处理服务器接收以下信号，该信号表示由光学传感器152响应于感测所捕获的光而产生的信号。可以使用连接到光学传感器152的网络接口设备，通过一个或更多个有线和/或无线通信网络将信号传输到远程处理系统154。

在某些非限制性实施方式中，光学系统100通过对存在于眼睛110的特定区域上的图案进行成像来获得注视方向(眼睛的角取向或眼睛的视线)。这样的图案的位置及其运动指示眼睛的当前注视方向和运动。人眼包括各种可跟踪的特征，包括例如由角膜的神经基于角膜反射、眼睛瞳孔的中心生成的图案(即，角膜神经图案)以及由视盘的血管生成的图案。这些可跟踪的特征可以使用由处理系统154执行的适当的图像处理指令实现的适当的跟踪算法来跟踪。在某些非限制性实施方式中，处理系统154基于瞳孔中心与角膜反射之间的矢量来计算注视方向。

通常，所有背景照明都会引起降低眼睛图像的质量的噪声。为了减少外部照明源(例如，环境光、自然日光等)的影响，照明布置214可以被配置成生成短的光脉冲(优选地低于1ms)，并且光学传感器152被同步(通过处理子系统154)成仅在该短的照明持续时间期间集成光。以此方式，可以极大地抑制连续的背景照明。另外地或替选地，通带光谱滤波器可以被布置在从第二光学耦合配置136到光学传感器152的光学路径中以阻挡给定波长范围外的波长的光到达光学传感器152，眼睛跟踪照明是在该给定波长范围内生成的。光谱滤波器可以理想地定位在聚焦光学器件144与光学传感器152之间，但是可以替选地被布置在聚焦光学器件144之前。

在用于得到和跟踪注视方向的非限制性过程中，在初始设置过程期间映射角膜图案(可选地与视盘图案和/或瞳孔组合)并且确定可跟踪的特征，然后执行连续跟踪过程。例如，可以向观看者显示图像标记以供观看者在初始化期间查看。当观看者朝标记看时，照明布置214完全照射角膜并且获得角膜(和瞳孔)的全图像(经由光学传感器152)。然后，该图像由处理系统154处理以识别可跟踪的特征(例如，视盘和中央凹)。在连续跟踪过程期间，眼睛110的选定的感兴趣区域(Regions Of Interest，ROI)由照明布置214选择性地照射，并且ROI的图像(由光学传感器152获得)在对应的照明脉冲期间被(处理系统154)采样和处理以确定当前注视方向(视线)，并且该得到的注视方向被用于更新ROI的位置以用于随后的照明循环，并且通过照射更新的ROI而重复连续跟踪过程。假定跟踪测量的频率与眼睛的运动速度相比是高的，则该更新过程通常有效地保持连续跟踪，可选地与来自另一只眼睛的跟踪信息组合。当注视方向改变时，照射区域也改变。ROI的更新可以根据从最后采样的图像确定的“当前”注视方向来执行，或者在某些情况下，可以使用基于先前两个或更多个测量之间的眼睛运动的预测外推。在跟踪失败的情况下，可以暂时增大被照射区域的尺寸，直到可跟踪的特征被恢复。

照明布置214的光源可以被配置成发射在眼睛跟踪光谱内的近似相同或不同中心波长下的眼睛跟踪光。通常，在NIR区域中，可以构造LOE 102的玻璃材料的色散足够低，以避免在单个眼睛跟踪光源的光谱宽度(对于LED，光谱宽度通常在20nm至50nm的范围内)内发生失真。然而，采用以两个光谱分离的中心波长(同时仍在眼睛跟踪电磁光谱的相同区域内)发射眼睛跟踪光的光源可以在对眼睛成像时提供某些优点。例如，布置具有分别发射中心在约700nm和950nm附近的光的第一光源和第二光源的照明布置214可以导致在光学传感器152上形成的眼睛的两个不同图像，一个相对于另一个移位。通过应用诸如相关性算法的适当的图像处理算法，处理子系统154可以在注视方向计算中实现更高的分辨率。

现在将更详细地讨论根据本公开内容的某些实施方式的准直器-耦合器120的光学结构和特性。再次参考图2A至图3中示出的实施方式，准直器-耦合器120包括光学元件122(在图2A和图2B中由透镜示意性地表示)，该光学元件122执行准直和光偏转两者以将光耦入LOE中。光学元件122的准直和耦合功能由光学表面实现，在某些优选但非限制性的实现方式中，该光学表面是球面(或近似球面)表面或非球面表面。除了球面或非球(弯曲)表面之外，光学元件122还可以以其他方式实现，包括例如全息表面或二向色光栅。为了有效地准直和耦入来自眼睛110的光，光学元件122优选地具有以下特性中的一个或更多个：

1)光学元件122优选地表现出光辨别特性，例如由辨别某些类型的光的涂层实现，使得光学元件122仅反射眼睛跟踪光并透射由图像投影仪生成的图像光。在某些实施方式中，光学元件122的光分辨通过以下来实现：光学元件122是光谱选择性的，使得光学元件122反射具有眼睛跟踪光谱中的波长的光，并且透射明视觉(可见)光谱中的光。如所提及的，眼睛跟踪光谱是指由照明布置214生成的光所占据的光谱，其优选地是电磁光谱的NIR区域(但是如将讨论的也可以是光谱的包括例如红外线或紫外线的其他区域)。在其他实施方式中，光学元件122的光分辨通过以下来实现：光学元件122是偏振选择性的，使得光学元件122反射在一个偏振方向上偏振的入射光并且透射在与第一偏振方向正交的第二偏振方向上偏振的入射光。光学元件122的偏振选择性将在下面进一步详细讨论。

2)光学元件122相对于表面104、表面106倾斜地布置，并且优选地适当地确定尺寸以具有细长形状(在垂直于由倾斜布置角限定的矢量的伸长方向上)，该细长形状具有足够的长度以准直和耦入来自眼睛110(EMB 114)的所有光，包括来自EMB 114的边缘的光束124、光束128。光学元件122还优选地将尺寸适当地确定为足够窄(沿着由倾斜布置角限定的矢量测量)以封装在LOE 102内(在表面104、表面106之间)。

3)当被实现为弯曲(球面或非球面)表面时，光学元件122具有以下曲率，该曲率优选地被优化(或几乎被优化)成将眼睛110(或EMB 114)准直到无限远(即，将眼睛110成像在无限远处)。可以根据ER 116(表面104与EMB 114之间的距离)计算特定曲率值。

4)光学元件122优选地使得光学元件122的光学(准直)表面被布置在具有相同折射率的两个介质之间，使得传播通过准直表面(例如，球面、非球面)的光不经历光焦度的改变。

5)光学元件122相对于表面104、表面106倾斜地布置。光学元件122的倾斜布置角可以不同于部分反射表面108的倾斜布置角，但是应当被选择为使得来自眼睛110的所有光124、光124、光124以适当的角度偏转，以确保偏转光被耦入LOE 102中并且通过内反射被捕获。已经发现，光学元件122在25°至35°范围内的倾斜布置角适于实现光的有效捕获。在某些优选但非限制性的实现方式中，光学元件122以相对于表面104、表面106测量的约30°的角度布置。

除了采用辨别以便选择性地反射和透射入射光之外，光学元件122优选地还操作成采用辨别以便仅准直某些类型的入射光。具体地，光学元件122优选地被配置成仅准直从眼睛反射的光(即，仅向从眼睛反射的光施加光焦度)，而不准直(即，不施加光焦度至)由图像投影仪生成的图像光。具有带有这样的特性的光学元件122的准直器-耦合器120的一个特别的优点在于，光学元件122可以被布置在LOE 102的其他区域中，例如与光学耦出配置108呈交叠关系(例如，跨越一个或更多个部分反射表面108)，而不是如图2A至图3所示的在LOE 102的远端处或附近的有限布置。

如上所述，在某些实施方式中，光学元件122可以是偏振选择性的。偏振选择性可以代替上述光谱选择性，或者除了上述光谱选择性之外还使用偏振选择性。例如，光学元件122可以被配置成透射相对于光学元件122的表面具有第一偏振方向(例如，s偏振或p偏振)的入射光，并且被配置成反射具有与第一偏振方向正交的第二偏振方向(例如，p偏振或s偏振)的入射光。在一个示例情况下，照明布置214可以包括一个或更多个偏振光源，其产生p偏振的NIR光，使得光124、光126、光128是p偏振的NIR光。图像投影仪可以产生明视区域中的s偏振光，使得照明160是s偏振可见光。在这样的示例情况下，光学元件122可以被设计成不向明视区域中的s偏振光施加光焦度而在明视区域中透射s偏振光，并且向NIR p偏振光施加光焦度(以便准直)并反射NIR p偏振光。应当清楚，可以使用光谱和偏振选择性的其他组合，以便通过光学元件122实现眼睛跟踪光与(来自图像投影仪的)图像光之间的辨别。

现在参考图5，示出了根据本发明的另一实施方式的光学系统。这里，光学系统包括由透明材料(例如玻璃)形成并且具有一对面(主表面)166、面168的第二透光基板164，并且光学耦合配置120的光学元件122被布置在基板164中，其中，光学元件122的长主轴平行于LOE 102的表面104、表面106。基板164被布置为主表面之一166与LOE 102的主表面之一106相关联，使得两个表面106、表面166彼此成面对关系，并且另一表面168与现实世界场景成面对关系。结果，LOE 102位于眼睛110与基板164之间。

LOE 102和基板164优选地由具有相同折射率的材料构成，并且可以使用诸如光学粘合剂、凝胶等光学附接材料在表面106、表面166处彼此附接。优选地，光学附接材料是配率材料，使得光在没有反射和折射的情况下从LOE 102传递到基板164(反之，光从基板164传递到LOE 102)。

在所示实施方式中，光学耦合配置120还包括第二光学元件170，其是部分反射表面，该部分反射表面相对于表面104、表面106倾斜地布置在LOE 102中。光学元件170用于偏转来自光学元件122的准直光，以便通过内反射将偏转光捕获在LOE 102内。已经发现，第二光学元件170在25°至35°范围内的倾斜布置角特别适合于实现光的有效捕获。在某些优选但非限制性的实现方式中，第二光学元件170以相对于表面104、表面106测量的约30°的角度布置。光学元件170的布置取向与部分反射表面108的布置取向相反，原因在论述光从眼睛110到光学传感器152的穿越时将变得清楚。另外，如图5所示，光学元件170可以与部分反射表面108成交叠关系来布置。虽然光学元件170被示出为平面，但是光学元件170也可以被实现为弯曲表面。

光学元件122优选地被布置在基板164的大致位于眼睛110正前方的区域中，使得来自光学元件122的光学准直表面的中心的法线到达眼睛110的瞳孔112的中心(或大致中心)。这样的布置增加了光学元件122所采用的准直的功效，因为与图2A至图3所示的实施方式中的边缘光线相比，即使光束124、光束126、光束128的边缘光线也以更接近光学元件122的光学表面的法线的角度到达光学元件122。

光学元件170可以是光谱选择性的，使得其对于眼睛跟踪光谱中的光是部分反射的(并且因此是部分透射的)。光学元件170对明视光谱中的光的反射率或透射率可以根据光学系统的期望显示特征来配置。例如，在某些非限制性实施方式中，光学元件170可以被设计成反射NIR区域中的50％的光强度，并且透射明视区域中的100％的光强度，使得传播通过LOE 102或由部分反射表面108耦出的图像光(例如，图3中的光160、光162A、光162B、光162C)不受光学元件170的影响。

以下段落描述了通过图5的光学耦合配置120从眼睛110到光学传感器152的光的穿越。为了简化呈现，这里将呈现针对光束124、光束126、光束128中的每一个的仅一个样本光线的穿越。来自眼睛110的光124A、光126A、光128A经由表面104进入LOE 102并且到达光学元件170。根据入射光到表面104的入射角，光束124、光束126、光束128中的一个或更多个的一些光线在到达光学元件170之前可以在表面104处经历折射。光124A、光126A、光128A的强度的一部分由光学元件(部分反射表面)170透射。图5中将透射光示意性地表示为光线172A、光线174A、光线176A。透射光172A、透射光174A、透射光176A通过表面106离开LOE102，然后通过表面166进入基板164。然后，光172A、光174A、光176A到达光学元件122，在该点处，入射光被光学元件122准直和偏转，从而产生朝向表面166向后传播并且经由表面166离开基板164的准直光130A、准直光132A、准直光134A。然后，准直光130A、准直光132A、准直光134A通过表面106进入LOE 102，并且到达光学元件170。准直光130A、准直光132A、准直光134A的强度的一部分被光学元件170反射以生成反射光(在图5中示意性地表示为光线178A、光线180A、光线182A)。光学元件170以适当的角度偏转准直光130A、准直光132A、准直光134A，使得所得到的反射光178A、反射光180A、反射光182A通过表面104、表面106处的内反射而被捕获(即，引导)在LOE 102内。捕获的光178A、光180A、光182A通过内反射传播通过LOE 102，直到到达第二光学耦合配置136，第二光学耦合配置136将光178A、180A、182A耦出LOE 102，成为耦出光138A、耦出光140A、耦出光142A。然后，耦出光138A、耦出光140A、耦出光142A到达成像模块，在成像模块上透镜144将准直耦出光138A、耦出光140A、耦出光142A转换成捕获光(146A、148A、150A)的一组或更多组会聚光束，然后该一组或更多组会聚光束到达光学传感器152，该光学传感器生成信号，该信号由处理系统154处理以得到眼睛110的注视方向。

在某些实施方式中，代替或除了光谱选择性之外，光学元件170可以是偏振选择性的。例如，光学元件170可以被设计成透射明视区域中的所有偏振光，并且透射s偏振或p偏振的眼睛跟踪光(例如，在NIR区域中)并反射p偏振或s偏振的眼睛跟踪光。在这样的示例中，光172A、光174A、光176A是s偏振或p偏振的，并且诸如半波板(未示出)的延迟板可以平行于表面106布置在基板164与LOE 102之间，使得光172A、光174A、光176A穿过延迟板并且被转换成圆偏振光。光学元件122准直圆偏振光，以产生圆偏振准直光130A、圆偏振准直光132A、圆偏振准直光134A。然后，圆偏振准直光130A、圆偏振准直光132A、圆偏振准直光134A向后通过延迟板，该延迟板将圆偏振准直光130A、圆偏振准直光132A、圆偏振准直光134A转换为p偏振准直光或s偏振准直光，该准直光被光学元件170反射以产生p偏振或s偏振的准直光178A、准直光180A、准直光182A，该准直光通过内反射被捕获在LOE 102内。

注意，图5示出了基板164的非限制性配置，其中基板164被实现为板型基板。在这样的配置中，表面166、表面168彼此平行并且平行于表面104、表面106。然而，对于基板164的主平面(即，表面166、表面168)之间的平行度的要求比用于眼睛110的图像投影的LOE102的要求宽松得多，其中可能要求约1弧分的量级的平行度。因此，应当理解，可以实现基板164的其他非限制性配置，包括其中表面166、表面168中的一个或两个是弯曲表面和/或其中基板164被形成为透镜的配置，该透镜向来自现实世界场景的入射光提供光焦度，该入射光对于观看者的眼睛110是直接可见的。替选地，或除了这样的弯曲/透镜配置之外，基板164可以配置有具有一定曲率的反射抑制部件，以便减少由以特定入射角入射到基板164的来自现实世界场景的光线引起的幻像。

尽管图5示出了其中光学元件122被布置在第二基板164中并且其中部分反射光学元件170被布置在LOE 102中的特定配置，但是在此可以想到其中没有采用第二基板164并且光学元件122、光学元件170两者都被布置在LOE 102中的其他实现方式。然而，注意，光学元件122的尺寸/大小可能需要减小以确保光学元件122、光学元件170两者都配装在LOE102内，这可能减小来自眼睛110的能够到达准直器-耦合器120的照射的角度范围，从而潜在地降低注视方向确定的准确度。

现在参考图6，示出了根据本发明的另一实施方式的光学系统。类似于图5的实施方式，图6中所示的实施方式采用第二基板164。然而，在图6的实施方式中，第二基板164被布置成主表面168与LOE 102的主表面104相关联，使得基板164位于眼睛110与LOE 102之间。因此，表面168、表面104处于彼此面对的关系，并且另一表面166处于与眼睛110面对的关系。LOE 102和基板164可以使用例如光学粘合剂、凝胶等光学附接材料在表面104、表面168处彼此附接。优选地，光学附接材料是配率材料，使得光在没有反射或折射的情况下从LOE 102传递到基板164(反之，光从基板164传递到LOE 102)。

在图6的实施方式中，光学耦合配置120还包括两个光学元件184、光学元件192，这两个光学元件为反射表面或部分反射表面。虽然光学元件184、光学元件192两者都被示为平面，但是光学元件184、光学元件192中的任一个或两个可以被实现为弯曲表面。光学元件122、光学元件184相对于主表面104、主表面106倾斜地(并且当表面166、表面168彼此平行且平行于表面104、表面106时，相对于主表面166、主表面168倾斜地)布置在基板164内。光学元件192相对于表面104、表面106倾斜地布置在LOE 102中。一般地，光学元件184用于将来自光学元件122的准直光重定向为朝向另一光学元件192，这使所接收的重定向的准直光偏转，以便通过内反射将准直光耦入LOE 102中。已经发现，光学元件184在25°至35°范围内的倾斜布置角特别适合于实现光朝向光学元件192的有效重定向。在某些优选但非限制性的实现方式中，光学元件184以相对于表面104、表面106测量的约30°的角度布置。类似地，已经发现光学元件192在25°至35°范围内的倾斜布置角特别适合于实现光的有效捕获。在某些优选但非限制性的实现方式中，光学元件192以相对于表面104、表面106测量的约30°的角度布置。光学元件122、光学元件184、光学元件192的布置取向与部分反射表面108的布置取向相反，原因在论述光从眼睛110到光学传感器152的穿越时将变得清楚。优选地，光学元件184、光学元件192彼此对准，使得光学元件184、光学元件192在平行于LOE 102的主平面(表面104、表面106)的平面中的投影彼此相互且完全交叠。

以下段落描述了通过图5的光学耦合配置120从眼睛110到光学传感器152的光的穿越。为了简化呈现，这里将呈现针对光束124、光束126、光束128中的每一个的仅一个样本光线(124A、126A、128A)的穿越。

来自眼睛110的光124A、光126A、光128A经由表面166进入基板164并且到达光学元件122。根据入射光到表面166的入射角，光束124、光束126、光束128中的一个或更多个的一些光线在到达光学元件122之前可能在表面166处经历折射。光124A、光126A、光128A被光学元件122准直和偏转，从而产生准直光130A、准直光132A、准直光134A。准直光130A、准直光132A、准直光134A到达光学元件184，光学元件184将准直光130A、准直光132A、准直光134A朝向光学元件192重定向(反射)。重定向(反射)光在图5中示意性地表示为光线186A、光线188A、光线190A。

附带地，准直光130A、准直光132A、准直光134A中的一些在到达光学元件184之前，可能在表面166、表面168中的一个或两个处通过内反射而传播。例如，在图5中，光线124A和光线126A在到达光学元件184之前在表面166、表面168处通过内反射被反射。因此，为了确保光学元件184适当地重定向准直光，在其中布置有光学元件122、光学元件184的基板164的区域中的表面166、表面168的部分应当优选地平行或尽可能接近平行。

重定向光186A、重定向光188A、重定向光190A经由表面168离开基板164，通过表面104进入LOE 102，并且到达光学元件192，该光学元件192反射光186A、光188A、光190A以产生光194A、光196A、光198A。光学元件192以适当的角度偏转光188A、光190A、光192A，使得所得光194A、所得光196A、所得光198A在表面104、表面106处通过内反射被捕获(即，引导)在LOE 102内。捕获光194A、捕获光196A、捕获光198A通过内反射传播通过LOE 102，直到到达第二光学耦合配置136，第二光学耦合配置136将光194A、光196A、光198A耦出LOE 102(经由表面104)并且然后耦出基板164(经由表面166)，成为耦出光138A、耦出光140A、耦出光142A。然后，耦出光138A、耦出光140A、耦出光142A到达成像模块，在成像模块上聚焦光学器件144将准直耦出光转换成捕获光的一组或更多组会聚光束，然后该一组或更多组会聚光束到达光学传感器152，该光学传感器生成信号，该信号由处理系统154处理以得到眼睛110的注视方向。

图6的实施方式的基板164可以是板型基板。然而，与参考图5所讨论的类似，对基板164的主平面(即，表面166、表面168)之间的平行度的要求比对用于眼睛110的图像投影的LOE 102的要求宽松得多。然而，如上所述，在其中布置光学元件122、光学元件184的基板164的区域中的表面166、表面168的部分应当平行或尽可能接近平行。记住这一点，基板164在这些区域之外仍可以表现出一定程度的曲率。因此，类似于参考图5所论述的，基板164仍可以被实现为具有一定程度的曲率或形成为透镜。

尽管至此讨论的实施方式已经涉及作为反射表面(或耦合棱镜或其他耦合表面)的光学耦合配置136，但是在此可以设想其他实施方式，其中光学耦合配置不是表面，而是LOE 102的开口端。在这样的实施方式中，开口端可以通过沿着垂直于(正交于)表面104、表面106的平面切割或切片LOE 102来实现。图7示出了作为图2A和图2B所示实施方式的修改的这样的实施方式的示例(为了简化呈现，没有部分反射表面108)，其中光学耦合配置136包括通过沿着与LOE 102的两个主表面104、主表面106正交的平面在LOE 102的近端处或附近切割基板而形成的平面开口端200。切割平面还垂直于LOE 102的伸长方向，该伸长方向在图7中沿着水平轴线。如可以看到的，来自眼睛的准直光(在图7中由光线130A、光线130B、光线132A、光线132B、光线134A、光线134B表示)到达开口端200并且作为耦出光130A、耦出光130B、耦出光132A、耦出光132B、耦出光134A、耦出光134B自然地离开LOE 102。

成像模块145布置有与开口端200相关联的透镜144。透镜144被布置为使得两个图像形成在光学传感器152的检测器表面的两个相应侧(半部)上。具体地，透镜144聚焦耦出光130A、耦出光130B、耦出光132A、耦出光132B、耦出光134A、耦出光134B，使得在LOE 102内最后反射来自表面104的光线130A、光线132A、光线134A被转换成到达光学传感器152的检测器表面的下半部的不同对应部分的捕获光的不同会聚光束，并且使得在LOE 102内最后反射来自表面106的光线130B、光线132B、光线134B被转换成到达光学传感器152的检测器表面的上半部的不同对应部分的捕获光的不同会聚光束。在图7中，透镜144将光130A、光132A、光134A转换成相应的会聚光束146A、会聚光束148A、会聚光束150A，并且将光130B、光132B、光134B转换成相应的会聚光束146B、会聚光束148B、会聚光束150B。光学传感器152产生信号，该信号由处理系统154处理以确定注视方向。在确定注视方向时，处理系统154首先将两个图像组合在一起以产生具有均匀分布的强度的单个图像，并且由此改进所确定的注视方向的质量。

尽管图7的实施方式中示出的LOE 102的配置被示出为图2A和图2B的实施方式的修改，但是图7的配置可以与光学耦合配置120的前述实施方式中的任何一个一起使用。然而，注意到，当与参考图2A和图2B描述的光学耦合配置120的实施方式一起使用时，采用平面开口端200可能是最有效的，以避免对基板164的不必要的切割。此外，在实施方式中，开口端200的使用还可以与单独的光学耦入配置——例如反射表面或耦合棱镜，其将来自图像投影仪的准直图像光耦入LOE 102中——一起使用，只要耦入配置透射来自眼睛的准直光即可。

注意到，至此所描述的实施方式的眼睛跟踪装置可以独立于显示系统而有利地使用，例如，在其中期望确定眼睛注视方向的非AR/VR应用中。例如，本公开内容的实施方式的眼睛跟踪装置可以与计算机或移动设备相关的应用组合使用，其中用户眼睛的注视方向可以用于导航显示屏、网页、菜单等，或者可以用于与在计算机设备(例如，视频游戏系统、移动设备、膝上型计算机、桌子等)上玩的计算机化游戏交互。在这样的应用中，“LOE”可以包括计算机设备的显示屏，并且准直器-耦合器120可以适当地与显示屏的部分相关联，以便准直从眼睛朝向显示屏反射的眼睛跟踪光并使其偏转。

尽管如上所述，但是根据本发明的实施方式的各种眼睛跟踪装置特别适合于AR显示系统应用和/或VR显示系统应用，其中场景图像由小光学图像生成器(图像投影仪)生成并且使用具有部分反射表面(或另一类型的光学耦出布置)的光波导/基板(即LOE)显示给观看者的眼睛，小光学图像生成器具有小孔径，该小孔径被倍增以生成大孔径。以下段落描述组合眼睛跟踪和显示功能的光学系统的实施方式，其中特别关注产生要显示给眼睛的图像的图像投影仪的结构和操作，以及出于眼睛跟踪目的而对眼睛成像的成像/摄像机系统。

参考图8，示出了根据本发明的实施方式的光学系统，其类似于图2A至图3所示的实施方式。在所示的实施方式中，由图像投影仪202产生的图像光通过光学耦入配置210(在附图中示意性地表示为反射表面，但是其也可以实现为耦合棱镜或其他耦合光学装置)耦入LOE 102中，所述光学耦入配置与光学耦合配置136分离。这里，光学耦合配置136仅用于将眼睛跟踪光朝向成像模块145耦出LOE 102。为了简化呈现，在图8中LOE 102被示为仅具有部分反射表面108、光学耦入配置210和光学耦合配置136的部分。

在所示实施方式中，图像投影仪202包括用于生成图像光(在图8中被示为具有样本光线159A、样本光线159B、样本光线159C的图像光)的空间光调制器(Spatial LightModulator，SLM)204(例如LCoS芯片)，以及用于将图像159A、图像159B、图像159C准直到无限远以产生具有准直光束的准直光学器件206，该准直光束具有跨越其的样本光线160A、样本光线160B、样本光线160C。诸如一个或更多个LED(未示出)的照明源通常用于照射SLM204以驱动图像生成。SLM 204、准直光学器件206和照明源可以适当地布置在一个或更多个偏振分束器(Polarization Beamsplitter，PBS)立方体或其他棱镜布置的表面上。

光束160A、光束160B、光束160C通过光学耦入配置210耦入LOE 102中，使得耦入光160A、耦入光160B、耦入光160C通过内反射被捕获在LOE 102内。图像160A、图像160B、图像160C通过面104、面106之间的反复内反射沿LOE 102在正向方向上传播，直到到达部分反射表面108，在该部分反射表面处部分图像强度被反射，以便朝向眼睛110从LOE 102耦出为光线162A、光线162B、光线162C。光线159A、光线159B、光线159C、光线160A、光线160B、光线160C、光线162A、光线162B、光线162C在图8中用虚线箭头表示，以便更清楚地区分图像光与眼睛跟踪光。

来自眼睛的照明(为了简化呈现，在图8中仅示出了从EMB 114的中心发出的光束126A、光束126B)被准直器-耦合器(图8中未示出，但是其可以是本文讨论的任何准直器-耦合器，例如图2A的准直器-耦合器120)准直并耦入LOE 102中，使得由准直器-耦合器产生的准直光132A、准直光132B通过内反射被捕获在LOE 102内。光132A、光132B通过面104、面106之间的反复内反射沿LOE 102在相反方向上传播，直到到达光学耦合配置136，该光学耦合配置136反射光132A、光132B，以便将光132A、光132B从LOE 102耦出作为耦出光140A、耦出光140B。然后，耦出光140A、耦出光140B通过聚焦光学器件144(产生会聚光束148A、会聚光束148B)聚焦到光学传感器152上。

为了使光132A、光132B沿着LOE 102传播以到达光学耦合配置136，光学耦入配置210(被布置在光学耦合配置136与部分反射表面108之间)应当是选择性反射的，即，在眼睛跟踪光132A、眼睛跟踪光132B与图像光160A、图像光160B、图像光160C之间进行辨别，使得光学耦入配置210透射眼睛跟踪光并且反射图像光。在一个非限制性示例中，可以通过将光学耦入配置210实现为光谱选择表面(例如二向色表面)来实现光学耦入配置210的光辨别，该光谱选择表面反射明视区域中的光(例如，图像160A、图像160B、图像160C)并透射NIR区域中的光(例如，光132A、图像132B)。在另一非限制性示例中，可以通过将光学耦入配置210实现为反射s偏振或p偏振光(其中图像光160A、图像光160B、图像光160C是s偏振的或p偏振的)并透射p偏振或s偏振光(其中眼睛跟踪光132A、眼睛跟踪光132B是p偏振光或s偏振光)的偏振选择表面来实现光学耦入配置210的光辨别。在又一些非限制性示例中，可以使用光谱选择性和偏振选择性的组合。

在某些实施方式中，光学耦入配置210和光学耦合配置136的位置可以互换。在这样的实施方式中，图像投影仪202和成像模块145的位置也应该被互换，并且光学耦入配置210不再需要是选择性反射的(光辨别)。然而，为了实现LOE 102的适当耦入和耦出，光学耦合配置136应当是选择性反射的(光辨别)，使得光学耦合配置136透射与准直图像相对应的图像光(例如，光160A、光160B、光160A)并且反射准直的眼睛跟踪光(例如，光132A、光132B)。

图9示出了光学系统的另一实施方式，该光学系统采用了紧凑的配置，其中成像模块和图像投影仪共享公共的部件，以便集成到单个成像和投影仪模块224中。在这样的实施方式中，光学耦合配置136用于将准直图像光160A、准直图像光160B、准直图像光160C耦入LOE 102中，并且还用于将眼睛跟踪光132A、眼睛跟踪光132B耦出LOE 102成为耦出光140A、140B。为了简化呈现，LOE 102在图9中示出为其中仅有具有光学耦合配置136的部分。

模块224包括SLM 202(例如，LCoS芯片)、光学器件226以及光学传感器152。光学器件226执行准直由SLM 202生成的图像光159A、图像光159B、图像光159C以产生准直光束160A、准直光束160B、准直光束160C以及将耦出的眼睛跟踪光140A、眼睛跟踪光140B聚焦到光学传感器152上作为会聚光束的双重功能。

光学传感器152和SLM 202被布置为使得光学传感器152和SLM 202的主平面彼此正交。模块224还包括光辨别表面212(其可以是光谱选择性表面和/或偏振选择性表面)，光辨别表面212相对于光学传感器152和SLM 202的主平面倾斜布置，优选以45°角布置。表面212的光辨别特性使得表面212反射或透射图像光159A、图像光159B、图像光159C，且透射或反射眼睛跟踪光140A、眼睛跟踪光140B。

在图9所示的非限制性示例配置中，其中光学传感器152被布置为其主平面平行于表面104(并且SLM 202被布置为其主平面正交于表面104)，表面212被配置成反射图像光159A、图像光159B、图像光159C并且透射眼睛跟踪光140A、眼睛跟踪光140B。反射的图像光159A、图像光159B、图像光159C到达光学器件226，光学器件226准直图像光159A、图像光159B、图像光159C以产生准直光160A、准直光160B、准直光160C。然后，准直光160A、准直光160B、准直光160C通过光学耦合配置136耦入LOE 102中，由此准直光通过内反射在正向方向上被引导通过LOE 102，直到到达例如部分反射表面(图9中未示出)的光学耦出配置，该光学耦出配置将一定比例的光强度耦出LOE 102。

来自眼睛的照明(为了简化呈现，图9中仅示出了从EMB 114的中心发出的光束126A、光束126B)被准直器-耦合器(图9中未示出，但是其可以是例如图2A的准直器-耦合器120)准直并耦入LOE 102中，使得由准直器-耦合器产生的准直光132A、准直光132B通过内反射被捕获在LOE 102内。光132A、光132B通过面104、面106之间的反复内反射沿LOE 102在相反方向上传播，直到到达光学耦合配置136，该光学耦合配置136反射光132A、光132B以便将光132A、光132B耦出LOE 102成为耦出光140A、耦出光140B。然后，耦出光140A、耦出光140B被光学器件226聚焦以产生会聚光束148A、148B。会聚光束148A、148B到达表面212，该表面212透射会聚光束148A、会聚光束148B，使得会聚光束148A、会聚光束148B到达光学传感器152。

尽管图9示出了模块224的特定非限制性布置配置，其中光学传感器152被布置为其主平面平行于表面104，但是光学传感器152和SLM 202的位置被交换的布置配置也是可能的。在这样的配置中，表面212操作用于透射图像光159A、图像光159B、图像光159C并且反射眼睛跟踪光140A、眼睛跟踪光140B。

还应当注意，由于单个光学耦合配置136用于将图像光耦入LOE 102中并且用于将眼睛跟踪光耦出LOE 102，光学耦合配置136可以具有一般的反射特征，使得其对于所有类型的入射光都是反射性的，而不管入射光的光谱和/或偏振状态如何。

尽管至此描述的光学系统的实施方式涉及被实现为用于将图像光(来自图像投影仪)耦出LOE 102的一组部分反射表面108的光学耦出配置，但是部分反射表面108仅仅示出了一个非限制性光学耦合配置，并且其他光学耦合配置可以用于将眼睛跟踪光耦入LOE102中并且将图像光耦出LOE 102。光学耦合配置可以是以下任何光学耦合布置，其将已经通过内反射在LOE 102内传播的图像入射辐射(来自图像投影仪)的一部分偏转一角度，使得被偏转的图像入射辐射的一部分离开LOE 102。这样的合适的光学耦合布置的其他示例包括但不限于布置在面104、面106中的任一个上的一个或更多个衍射光学元件。此外，尽管为了呈现的简单仅示出了两个部分反射表面108，但是光学耦出配置(当实现为一组部分反射表面时)可以包括由装置的光学设计支持的任何数目的这样的部分反射器，包括使用五个或更多个部分反射器或十个或更多个部分反射器的实现方式。

至此，已经在被配置成通过内反射引导图像光(从图像投影仪202注入)的光导光学元件(LOE)的上下文中描述了光学系统的实施方式。当用于AR应用和/或VR应用中时，这样的实施方式具有特殊的价值，其中AR图像/VR图像由具有小孔径的紧凑型图像投影仪产生，该小孔径通过LOE倍增以产生大孔径。如背景技术部分所述，在一个维度上的孔径倍增是基于透明材料的平行面的板开发的，在该平行面的板中图像通过内反射传播。注意，二个维度上的孔径倍增也已经使用各种光波导配置来开发。

二维(two-dimensional，2D)孔径倍增器的一个示例采用一对光波导。第一光波导具有形成矩形横截面的两对平行主外表面。第一组相互平行的部分反射表面倾斜于光波导的伸长方向而穿越第一光波导。光学耦合到第一光波导的第二光波导具有形成板型波导的一对平行的主外表面。第二组相互平行的部分反射表面倾斜于第二光波导的主外表面地穿越第二光波导。另外，包含第一组部分反射表面的平面优选地倾斜于包含第二组部分反射表面的平面。两个光波导之间的光耦合，以及两组部分反射表面的布置和配置使得，当图像以初始传播方向以倾斜于第一光波导的两对平行主外表面的耦合角耦入第一光波导中时，图像沿第一光波导(即，在二个维度中)通过四重内反射前进，其中在第一组部分反射表面处反射的图像的一部分强度耦出第一光波导并且耦入第二光波导，然后通过第二光波导内(即，在一个维度中)的双重内反射传播，其中在第二组部分反射表面处反射的图像的一部分强度耦出第二光波导，成为观看者的眼睛看到的可见图像。这样的二维孔径倍增器的其他细节可以在各种专利文献中找到，包括例如美国专利第10,564,417号中找到，美国专利第10,564,417号的全部内容通过引用并入本文中。

在二维孔径倍增器的另一示例中，第一光波导具有形成板型波导的两对平行主外表面。第一组相互平行的内部部分反射表面以与两对平行的主外表面成斜角地穿越第一光波导。第二光波导还具有两对平行的主外表面。第二组相互平行的内部部分反射表面以与第二光波导的两对平行的主外表面成斜角地穿越第二光波导。另外，包含第一组部分反射表面的平面倾斜或垂直于包含第二组部分反射表面的平面。两个光波导之间的光耦合，以及两组部分反射表面的布置和配置使得，当图像耦入第一光波导中时，图像通过两对外表面中的一对外表面之间的第一光波导内的两重内反射在第一引导方向上传播，其中在第一组部分反射表面处反射的图像的一部分强度耦出第一光波导并且耦入第二光波导，并且然后通过第二光波导的外表面对的一对外表面之间的第二光波导内的两重内反射在第二引导方向(倾斜于第一引导方向)上传播，其中在第二组部分反射表面处反射的图像的一部分强度耦出第二光波导，成为观看者的眼睛看到的可见图像。这样的二维孔径倍增器的其他细节可以在各种专利文献中找到，包括例如美国专利第10,551,544号中找到，美国专利第10,551,544号的全部内容通过引用并入本文中。

根据本公开内容的实施方式的眼睛跟踪技术可以应用于二维孔径倍增器。例如，图2A的准直器-耦合器120和光学耦合配置136可以被布置在用于2D孔径倍增(扩展)的上述第二光波导(其可以类似于本文所述的LOE 102使用)中的任何一个中。眼睛跟踪光将通过内反射传播通过第二光波导，并且将通过光学耦合配置136耦入对应的第一光波导中，其中眼睛跟踪光通过内反射行进通过第一光波导。另一光学耦合配置(类似于光学耦合配置136)可以被布置在第一光波导中以将眼睛跟踪光朝向成像模块耦出第一光波导，该成像模块被布置在第一光波导的出口孔径处。

尽管已经在布置成用优选地在电磁光谱的NIR区域中的光照射眼睛的照明布置214的上下文内描述了本公开内容的实施方式，但是本公开内容的实施方式不应限于发射电磁光谱的任何特定区域中的眼睛跟踪光的照明布置。使用用于眼睛跟踪目的的NIR光进行描述是为了示例目的，以便提供对本公开内容的各种装置的构造和操作的更清楚的解释。其他类型的光也可以用于眼睛跟踪目的，包括但不限于可见光、红外区域中的光和紫外(Ultra-Violet，UV)光。在照明布置214用可见光照射眼睛的实施方式中，可能有利的是布置照明源以将照明集中在眼睛的对可见光较不敏感的区域(例如巩膜)上，以便避免用非图像可见光轰击眼睛。在照明布置214利用UV光照射眼睛的实施方式中，应当采取预防措施以减少或最小化眼睛对有害UV辐射的暴露，例如通过在给定持续时间内在给定面积的眼睛的区域上接收的UV束的强度/功率上设置限制(例如对于具有在315nm至400nm范围内的波长的UV光，对于大于1000秒的时段，小于1毫瓦/平方厘米)。

根据某些非限制性实现方式，本公开内容的各种光学系统可以被复制以同时跟踪对象的两只眼睛，以及将图像投影到两只眼睛。通过组合来自两个眼睛跟踪器的数据，可以实现增强的跟踪稳定性和连续性。例如，当眼睛移动时，眼睛的可跟踪部分可以在一只眼睛中对跟踪器可见而在另一只眼睛中对跟踪器不可见。如果使用采用对可跟踪特征进行跟踪的跟踪算法，则对两只眼睛的同时跟踪允许在其中仅一个眼睛跟踪器可以跟踪盲点的时段中连续地维持跟踪。

在光学系统是双目的情况下，每只眼睛具有其自己的图像投影和眼睛跟踪设备，并且各种处理和电源部件可以可选地在两个眼睛跟踪系统之间共享。如上所述，由双目眼睛跟踪设备收集的眼睛跟踪信息可以被融合以便提供增强的跟踪稳定性和连续性。

已经出于说明的目的呈现了对本公开内容的各种实施方式的描述，但是其并非旨在是穷举的或限于所公开的实施方式。在不背离所描述的实施方式的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是明显的。选择本文所使用的术语以最好地解释实施方式的原理、实际应用或对市场上存在技术的技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施方式。

如本文所用，除非上下文另外清楚地指明，否则单数形式和“该”包括复数指代。

词语“示例性”在这里用于表示“用作示例、实例或说明”。任何被描述为“示例性”的实施方式不必然被解释为比其他实施方式优选或有利以及/或者排除来自其他实施方式的特征的结合。

应当理解，为了清楚起见在单独的实施方式的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施方式中组合提供。相反地，为了简洁起见在单个实施方式的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合或如在本发明的任何其他描述的实施方式中合适地提供。在各种实施方式的上下文中描述的某些特征不被认为是这些实施方式的必要特征，除非在没有这些元件的情况下实施方式是不可操作的。

就在没有多项引用的情况下撰写所附权利要求书来说，这样做仅是为了适应不允许这样的多项引用的司法管辖区的形式要求。应当注意，明确地设想了通过使权利要求多项引用而暗示的特征的所有可能组合，并且应当将其视为本发明的一部分。

尽管已经结合本发明的特定实施方式描述了本发明，但是显然，许多替选、修改和变化对于本领域技术人员来说是明显的。因此，本发明旨在包括所有这样的落入所附权利要求的精神和宽范围内的替代、修改和变化。

Claims (30)

1.一种光学系统，包括：

透光基板，所述透光基板具有至少两个主表面，所述至少两个主表面被布置为所述主表面中的第一主表面与观看者的眼睛成面对关系，以用于通过所述透光基板的所述两个主表面之间的内反射来引导光；

与所述透光基板相关联的光学耦出配置，用于将通过所述两个主表面之间的内反射引导的、与准直图像对应的图像光耦出所述透光基板；

与所述透光基板相关联的第一光学耦合配置，所述第一光学耦合配置被配置成：准直来自所述眼睛的光以产生准直光，并且将所述准直光耦入所述透光基板以便通过内反射在所述透光基板内传播；

与所述透光基板相关联的第二光学耦合配置，所述第二光学耦合配置被配置成将所述准直光从所述透光基板耦出为耦出光；

光学传感器，所述光学传感器被布置用于感测所述耦出光；以及

至少一个处理器，所述至少一个处理器与所述光学传感器通信并且被配置成处理来自所述光学传感器的信号以得到所述眼睛的当前注视方向。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光学耦出配置包括多个部分反射表面，所述多个部分反射表面相对于所述透光基板的所述两个主表面倾斜地布置在所述透光基板内。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光学耦出配置包括与所述透光基板的所述两个主表面中的一个主表面相关联的衍射元件。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，来自所述眼睛的光在第一光谱中，并且其中，所述图像光在第二光谱中。

5.根据权利要求1所述的光学系统，还包括：图像投影仪，用于生成所述准直图像。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第二光学耦合配置还被配置为将与所述准直图像对应的所述图像光耦入所述透光基板中，以便通过内反射在所述透光基板内传播。

7.根据权利要求6所述的光学系统，还包括：选择性反射表面，所述选择性反射表面朝向所述第二光学耦合配置透射或反射与所述准直图像对应的所述图像光，并且朝向所述光学传感器反射或透射来自所述第二光学耦合配置的耦出光。

8.根据权利要求1所述的光学系统，还包括：与所述透光基板相关联的光学耦入配置，用于将与所述准直图像对应的所述图像光耦入所述透光基板中，以便通过内反射在所述透光基板内传播。

9.根据权利要求8所述的光学系统，其中，所述光学耦入配置反射与所述准直图像对应的所述图像光，并且朝向所述第二光学耦合配置透射在所述透光基板内传播的所述准直光。

10.根据权利要求8所述的光学系统，其中，通过所述光学耦入配置耦入所述透光基板中以便通过内反射在所述透光基板内传播的、与所述准直图像对应的所述图像光到达所述第二光学耦合配置，并且其中，所述第二光学耦合配置透射在所述透光基板内传播的与所述准直图像对应的所述图像光。

11.根据权利要求1所述的光学系统，还包括：光学器件，所述光学器件被布置在从所述第二光学耦合配置到所述光学传感器的光学路径中，用于在所述光学传感器上形成所述眼睛的至少一部分的至少一个图像。

12.根据权利要求11所述的光学系统，还包括：图像投影仪，所述图像投影仪包括用于产生图像光的空间光调制器，并且其中，所述光学器件形成所述图像投影仪的一部分并且准直由所述空间光调制器产生的图像光以便生成所述准直图像。

13.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一光学耦合配置反射来自所述眼睛的光并且透射与所述准直图像对应的图像光。

14.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一光学耦合配置包括弯曲表面，所述弯曲表面具有足以使来自所述眼睛的光准直到无限远的曲率。

15.根据权利要求14所述的光学系统，其中，所述曲率是所述眼睛与所述透光基板的所述主表面中的所述第一主表面之间的距离的函数。

16.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一光学耦合配置相对于所述透光基板的所述两个主表面倾斜地布置在所述透光基板内。

17.根据权利要求1所述的光学系统，还包括：第二透光基板，所述第二透光基板具有至少两个主表面，其中，所述第二透光基板的所述两个主表面中的一个主表面与所述透光基板的所述两个主表面中的一个主表面相关联，并且其中，所述第一光学耦合配置的至少一个光学元件被布置在所述第二透光基板内。

18.根据权利要求17所述的光学系统，其中，所述第一光学耦合配置的所述至少一个光学元件被布置在所述第二透光基板的位于所述眼睛的前方的区域中，以使得所述第一光学耦合配置的所述至少一个光学元件的法线近似到达所述眼睛的瞳孔的中心。

19.根据权利要求17所述的光学系统，其中，所述透光基板的所述两个主表面彼此平行，并且其中，所述第二透光基板的所述两个主表面彼此平行并且平行于所述透光基板的所述两个主表面。

20.根据权利要求17所述的光学系统，其中，所述第二透光基板的所述主表面中的至少一个主表面是弯曲表面。

21.根据权利要求17所述的光学系统，其中，所述第二透光基板形成为用于向来自现实世界场景的光施加光焦度的透镜。

22.根据权利要求1所述的光学系统，还包括：

第二透光基板，所述第二透光基板具有包括第一主表面和第二主表面的至少两个主表面，其中，所述第二透光基板的所述第一主表面与所述透光基板的所述第二主表面相关联，并且其中，所述第一光学耦合配置包括：

至少一个准直元件，所述至少一个准直元件被布置在所述第二透光基板内，以及

部分反射器，所述部分反射器相对于所述透光基板的所述两个主表面倾斜地布置在所述透光基板内，所述部分反射器：

将来自所述眼睛的光朝向所述至少一个准直元件透射，以使得所述至少一个准直元件根据来自所述眼睛的光产生准直光，以及

反射由所述至少一个准直元件产生的所述准直光，以便将所述准直光耦入所述透光基板中，以便通过内反射在所述透光基板内传播。

23.根据权利要求1所述的光学系统，还包括：

第二透光基板，所述第二透光基板具有包括第一主表面和第二主表面的至少两个主表面，其中，所述第二透光基板的所述第二主表面与所述透光基板的所述第一主表面相关联，并且其中，所述第一光学耦合配置包括：

至少一个准直元件，所述至少一个准直元件被布置在所述第二透光基板内，用于准直来自所述眼睛的光以产生准直光，

第一反射器，所述第一反射器相对于所述透光基板的所述两个主表面倾斜地布置在所述第二透光基板内，所述第一反射器使所述准直光偏转出所述第二透光基板并且进入所述透光基板，以及

第二反射器，所述第二反射器相对于所述透光基板的所述两个主表面倾斜地布置在所述透光基板内，所述第二反射器偏转来自所述第一反射器的光，以便将所述准直光耦入所述透光基板中，以便通过内反射在所述透光基板内传播。

24.根据权利要求1所述的光学系统，还包括：照明布置，所述照明布置被布置成用照明光照射所述眼睛，以使得所述眼睛将所述照明光反射为反射光，其中，所述反射光对应于由所述第一光学耦合配置准直的来自所述眼睛的光。

25.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第二光学耦合配置包括反射表面，所述反射表面将所述准直光偏转出所述透光基板。

26.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第二耦合配置包括所述透光基板的平面开口端，其中，所述开口端通过沿着与所述透光基板的所述两个主表面正交的平面切割所述透光基板来形成。

27.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述至少一个处理器被配置成通过一个或更多个通信网络接收来自所述光学传感器的信号。

28.一种光学系统，包括：

光导光学元件，所述光导光学元件具有至少两个主表面，所述至少两个主表面被布置为所述主表面中的第一主表面与观看者的眼睛成面对关系，以用于通过所述光导光学元件的所述两个主表面之间的内反射来引导光；

多个部分反射表面，所述多个部分反射表面相对于所述光导光学元件的所述两个主表面倾斜地布置在所述光导光学元件内，用于将通过所述两个主表面之间的内反射来引导的、与准直图像对应的图像光耦出所述光导光学元件；

光学元件，所述光学元件被布置在所述光导光学元件内，所述光学元件是选择性反射的并且选择性地向入射光施加光焦度，以使得所述光学元件：

准直从所述眼睛反射的光以产生准直光，并且反射所述准直光以便将所述准直光耦入所述光导光学元件中以用于通过所述两个主表面之间的内反射来引导，并且

透射通过所述两个主表面之间的内反射引导的、与所述准直图像对应的所述图像光并且基本上不向所述图像光施加光焦度；

成像系统；以及

与所述光导光学元件相关联的光学耦合配置，所述光学耦合配置被配置成将所述准直光从所述光导光学元件耦出到所述成像系统，其中，所述成像系统根据通过所述光学耦合配置从所述光导光学元件耦出的所述准直光形成所述眼睛的图像。

29.根据权利要求28所述的光学系统，其中，所述成像系统包括光学传感器，用于感测通过所述光学耦合配置从所述光导光学元件耦出的所述准直光，并且其中，所述光学系统还包括：处理系统，所述处理系统与所述光学传感器通信并且被配置成处理来自所述光学传感器的信号以得到所述眼睛的当前注视方向。

30.一种光学系统，包括：

透光基板，所述透光基板具有至少两个主表面，所述至少两个主表面被布置为所述主表面中的第一主表面与观看者的眼睛成面对关系，以用于通过所述透光基板的所述两个主表面之间的内反射来引导光；

与所述透光基板相关联的第一光学耦合配置，所述第一光学耦合配置操作用于：准直来自所述眼睛的反射光以产生准直光，并且将所述准直光耦入所述透光基板中以便通过内反射在所述透光基板内传播；

与所述透光基板相关联的第二光学耦合配置，所述第二光学耦合配置被配置成将所述准直光从所述透光基板耦出为耦出光；

聚焦光学器件，所述聚焦光学器件与所述第二光学耦合配置相关联并且操作用于将所述耦出光转换成捕获光的会聚光束；

光学传感器，所述光学传感器被布置用于感测所述捕获光；以及

至少一个处理器，所述至少一个处理器与所述光学传感器通信并且被配置成处理来自所述光学传感器的信号以得到所述眼睛的当前注视方向。