CN117310972A - 一种眼球追踪光学装置、系统和虚拟现实设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种眼球追踪光学装置、系统和虚拟现实设备，其中，装置中透镜组件包括至少一个胶合透镜，其包括第一透镜部和第二透镜部，第一透镜部远离眼球的一侧面具有凹面，第二透镜部近邻眼球的一侧面具有凸面，凹面与凸面贴合形成胶合面，胶合面设置有第一反射层，胶合透镜近邻图像采集组件的部分具有与透镜的焦平面有夹角的第一平面；光源组件用于出射第一光线至眼球，第一反射层用于反射第一光线的反射光线形成待成像光线，待成像光线经过第一平面进入图像采集组件。从而，在不增加多余的镜片的基础上，改善了原先图像采集部分存在的第一光线的反射光线易被目镜或增加的镜片全反射，图像采集组件采集不到待成像光线的问题。

Description

一种眼球追踪光学装置、系统和虚拟现实设备

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种眼球追踪光学装置、系统和虚拟现实设备。

背景技术

目前应用在虚拟现实眼镜和增强现实眼镜上的眼动追踪识别设备，由采集图像部分与普尔钦斑映射部分组成。其中，采集图像部分，主要通过采集眼球2的反射光斑来对眼球的位置进行追踪，通常的应用场景中，主要使用以下方案进行采集：

(1)如图1所示，图像采集器3直接透过目镜1进行图像采集。

(2)如图2所示，利用内部其他镜片4的表面反射，再透过目镜1，图像采集器3进行图像采集。

(3)如图3所示，利用内部增加反射镜4，再透过目镜1，图像采集器3进行图像采集。

(4)如图4所示，光路先入射目镜1内部，在目镜1的外表面进行反射，图像采集器3进行图像采集。

在以上采集方案中，增加镜片会导致设备整体的体积变大，并且眼球2的反射光线容易在目镜1的表面，或者增加的镜片表面发生全反射，使得图像采集器3无法采集到眼球2的反射光线，进而导致无法对眼球进行追踪。

发明内容

本发明提供了一种眼球追踪光学装置、系统和虚拟现实设备，以实现在不增加设备整体的体积的基础上，解决眼球的反射光线发生全反射的问题。

为实现上述目的，本发明一方面实施例提出了一种眼球追踪光学装置，包括：光源组件、透镜组件和图像采集组件；其中，

所述透镜组件包括至少一个胶合透镜，所述胶合透镜包括第一透镜部和第二透镜部，所述第一透镜部远离所述眼球的一侧面具有凹面，所述第二透镜部近邻所述眼球的一侧面具有凸面，所述凹面与所述凸面贴合形成胶合面，所述胶合面设置有第一反射层，所述胶合透镜近邻所述图像采集组件的部分具有与所述胶合透镜的焦平面有夹角的第一平面；

所述光源组件用于出射第一光线至所述眼球，所述第一反射层用于反射所述第一光线的反射光线形成待成像光线，所述待成像光线经过所述第一平面进入所述图像采集组件，所述图像采集组件采集所述待成像光线，以对所述眼球进行追踪。

根据本发明的一个实施例，所述第一平面与所述焦平面垂直。

根据本发明的一个实施例，所述第一平面位于所述透镜组件的非可视区域。

根据本发明的一个实施例，所述眼球追踪光学装置还包括：光线方向调整组件，所述光线方向调整组件设置有第二反射层，用于反射所述待成像光线，使调整后的所述待成像光线入射所述图像采集组件。

根据本发明的一个实施例，所述光线方向调整组件为反射棱镜或反射平面镜或反射曲面镜中的一种。

根据本发明的一个实施例，所述反射棱镜或所述反射平面镜或所述反射曲面镜与所述第一平面固定贴合设置。

根据本发明的一个实施例，所述凹面或所述凸面的直径大于或等于所述透镜组件的可视区域。

根据本发明的一个实施例，所述光源组件为红外光源组件，所述第一反射层为红外反射层。

为实现上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种眼球追踪光学系统，包括：两个如本发明任一实施例所述的眼球追踪光学装置，以及

左眼观看组件，一个所述眼球追踪光学装置安装在所述左眼观看组件上；

右眼观看组件，一个所述眼球追踪光学装置安装在所述右眼观看组件上；

所述左眼观看组件和所述右眼观看组件左右对称分布。

为实现上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种虚拟现实设备，包括本发明实施例提出的所述的眼球追踪光学系统。

根据本发明实施例提出的眼球追踪光学装置、系统和虚拟现实设备，其中，眼球追踪光学装置包括：光源组件、透镜组件和图像采集组件；透镜组件包括至少一个胶合透镜，胶合透镜包括第一透镜部和第二透镜部，第一透镜部远离眼球的一侧面具有凹面，第二透镜部近邻眼球的一侧面具有凸面，凹面与凸面贴合形成胶合面，胶合面设置有第一反射层，胶合透镜邻近图像采集组件的部分具有与胶合透镜的焦平面有夹角的第一平面；光源组件用于出射第一光线至眼球，第一反射层用于反射第一光线的反射光线形成待成像光线，待成像光线经过第一平面进入图像采集组件，图像采集组件采集待成像光线，以对眼球进行追踪。由此，通过将原透镜组件中的透镜设置为胶合透镜，并将胶合面设置第一反射层，进而对第一光线的反射光线可以反射形成待成像光线，并经过第一平面入射至图像采集组件，从而在不增加多余的镜片的基础上，改善了原先图像采集部分存在的第一光线的反射光线易被目镜或增加的镜片全反射，图像采集组件采集不到待成像光线的问题。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是相关技术中一种待成像光线的光路图；

图2是相关技术中另一种待成像光线的光路图；

图3是相关技术中又一种待成像光线的光路图；

图4是相关技术中再一种待成像光线的光路图；

图5是本发明实施例提出的眼球追踪光学装置的光路原理图；

图6是本发明一个实施例提出的眼球追踪光学装置的光路原理图；

图7是本发明另一个实施例提出的眼球追踪光学装置的光路原理图；

图8是本发明一个实施例提出的眼球追踪光学装置的中透镜组件的正视图；

图9是本发明又一个实施例提出的眼球追踪光学装置的光路原理图；

图10是本发明再一个实施例提出的眼球追踪光学装置的光路原理图；

图11是本发明另一个实施例提出的眼球追踪光学装置的光路原理图；

图12是本发明实施例提出眼球追踪光学系统的方框示意图；

图13是本发明实施例提出的虚拟现实设备的方框示意图。

附图标记：

100、眼球追踪光学装置；101、光源组件；102、透镜组件；1021、第一透镜部；1022、第二透镜部；1023、第一反射层；103、图像采集组件；104、第一平面；105、第一光线；106、眼球；107、待成像光线；108、反射光线；1024、非可视区域；1025、可视区域；109、切割线；110、光线方向调整组件；1101、第二反射层；200、眼球追踪光学系统；201、左眼观看组件；202、右眼观看组件；300、虚拟显示设备。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

图1至图4是相关技术中的待成像光线的光路图，其中，图1中所示方案，直接采集图像受光路体积影响较大，且透过镜片时，容易发生全反射而无法采集；图2中所示方案采用内部其他镜片，反射效果受限制，无法进行针对性优化，也容易发生全反射；图3中所示方案，在内部增加反射镜空间受限严重，很多场景无法实现；图4中所示方案利用目镜另一个面反射，受限于反射面必须为凸面，凹面会全反射无法采集。

针对上述问题，本发明实施例提出了一种眼球追踪光学装置、系统和虚拟现实设备，其中，眼球追踪光学装置包括：光源组件、透镜组件和图像采集组件；透镜组件包括至少一个胶合透镜，胶合透镜包括第一透镜部和第二透镜部，第一透镜部远离眼球的一侧面具有凹面，第二透镜部近邻眼球的一侧面具有凸面，凹面与凸面贴合形成胶合面，胶合面设置有第一反射层，胶合透镜近邻图像采集组件的部分具有与胶合透镜的焦平面有夹角的第一平面；光源组件用于出射第一光线至眼球，第一反射层用于反射第一光线的反射光线形成待成像光线，待成像光线经过第一平面进入图像采集组件，图像采集组件采集待成像光线，以对眼球进行追踪。由此，通过将原透镜组件中的透镜设置为胶合透镜，并将胶合面设置第一反射层，进而对第一光线的反射光线可以反射形成待成像光线，并经过第一平面入射至图像采集组件，从而在不增加多余的镜片的基础上，改善了原先图像采集部分存在的第一光线的反射光线易被目镜或增加的镜片全反射，图像采集组件采集不到待成像光线的问题。

图5是本发明实施例提出的眼球追踪光学装置的光路原理图。如图5所示，该眼球追踪光学装置100包括：光源组件101、透镜组件102和图像采集组件103；其中，

透镜组件102包括至少一个胶合透镜，胶合透镜包括第一透镜部1021和第二透镜部1022，第一透镜部1021远离眼球的一侧面具有凹面，第二透镜部1022近邻眼球的一侧面具有凸面，凹面与凸面贴合形成胶合面，胶合面设置有第一反射层1023，胶合透镜近邻图像采集组件103的部分具有与胶合透镜的焦平面有夹角的第一平面104；

光源组件101用于出射第一光线105至眼球106，第一反射层1023用于反射第一光线105的反射光线108形成待成像光线107，待成像光线107经过第一平面104进入图像采集组件103，图像采集组件103采集待成像光线107，以对眼球106进行追踪。

需要说明的是，光源组件101可以布置在透镜组件102周围，图5所示的光源组件101仅为其中的一部分。光源组件101出射第一光线105至眼球106，在眼球106上形成光斑，眼球106对第一光线105反射形成反射光线108，反射光线108经过第一反射层1023的反射形成待成像光线107，待成像光线107经过第一平面104出射，并入射至图像采集组件103，图像采集组件103对待成像光线进行成像，以对眼球106进行追踪。

其中，第一透镜部1021的凹面和第二透镜部1022的凸面贴合形成胶合面，贴合的材料可以为透明的光学胶，比如聚酰亚胺材料。第一透镜部1021和第二透镜部1022是同一透镜的不同组成部分，在第一透镜部1021和第二透镜部1022贴合后形成相关设备中的一片透镜(比如目镜)。另外，第一反射层1023可以反射光源组件101出射的波段的光线。第一反射层1023可以涂覆在第一透镜部1021的凹面上，和/或，第二透镜部1022的凸面上。另外，可以在眼动追踪光路方案设计阶段，对第一透镜部1021和第二透镜部1022的中间面型(胶合面的曲率)进行针对性优化，第一透镜部1021和第二透镜部1022的折射率相同(或不同，需要根据具体使用场景选择折射率)，可优化找出适合应用场景的反射面型(一般为凸面，凸起朝向眼睛一侧)。第一反射层1023不影响相关设备的可视画面的呈现。图像采集组件103可以为CMOS相机或者CCD相机。至此，图像采集组件103在对眼部图像采集的同时，不影响原有光路系统设计。进而，第一透镜部1021和第二透镜部1022的胶合，在无需改变原有的光路设计，无需增加新的镜片的情况下，改变了待成像光线的光路走向，使得设备结构紧凑，并解决了相关技术中易发生全反射的问题。

第一平面104与胶合透镜的焦平面具有一定夹角，其中，第一平面与该焦平面的夹角可以根据眼球106距离第一透镜部1021近邻眼球106的一侧面的距离，或者，眼球106的大小(比如成人和小孩眼睛大小不同)，以及光源组件101出射的第一光线105的传播方向，眼球对第一光线105的反射光线108的位置，光源组件101的设置位置来确定。其中，图5，图6示出了第一平面104的两种示例。两种示例中，图5所示的图像采集组件103偏向用户眼球106方向，图6中所示的图像采集组件103偏向设备，图像采集组件103可以集成在设备中，以减小设备的体积。实际设计中可根据实际情况进行第一平面104的偏向选择。

可选地，如图7所示，第一平面104与焦平面垂直。此时，第一光线105的反射光线108被第一反射层1023反射，形成待成像光线107，待成像光线107可以更多的被图像采集组件103采集。

可以理解的是，在图5至图7所示的三个示例中，图像采集组件103的设置位置以能采集到最多的待成像光线107的位置为准。由于第一光线105的反射光线108仅被透镜组件102中的第一反射层1023反射一次，便被图像采集组件103采集，进而，图像采集组件103采集的待成像光线107的能量损耗较少，在图像采集组件103中呈现的图像亮度更亮，画面更清晰，有利于提升追踪眼球位置的灵敏度。

根据本发明的一个实施例，如图8所示，第一平面104位于透镜组件102的非可视区域。

其中，透镜组件102具有可视区域1025和非可视区域1024，可视区域1025用于在用户使用设备时，进行画面的呈现显示，非可视区域1024为透镜组件102的闲置非显示边框区域。进而，可以将透镜组件102中的胶合透镜近邻图像采集组件103的部分以切割线109进行切割，切割,109所在的平面即为第一平面104，以达到将待成像光线107自第一平面104中出射的目的，这样有利于图像采集组件103设置在设备整体内部，有利于设备整体的集成。解决了反射光线108沿胶合透镜近邻眼球的一侧面出射，最终使得图像采集组件103需要安装在设备外部，设备体积比较大的问题。

根据本发明的一个实施例，如图9至图11所示，眼球追踪光学装置100还包括：光线方向调整组件110，光线方向调整组件110设置有第二反射层1101，用于反射待成像光线107，使调整后的待成像光线入射图像采集组件103。

可选地，光线方向调整组件110为反射棱镜或反射平面镜或反射曲面镜中的一种。

可选地，反射棱镜或反射平面镜或反射曲面镜与第一平面104固定贴合设置。其中，贴合可通过光学胶粘合实现。

需要说明的是，以第一平面104与焦平面垂直为例来说，如图9所示，光线方向调整组件110为反射棱镜时，待成像光线107自反射棱镜的第二反射层1101再反射之后，入射至图像采集组件103，进而调整了图像采集组件103的摆放位置。图10为光线方向调整组件110为反射平面镜的示例，图11为光线方向调整组件110为反射曲面镜的示例。另外，第一平面104与焦平面呈其他夹角时，参照上述实施例设置光线方向调整组件110，以改变图像采集组件103的摆放位置，有利设备中图像采集组件103的灵活设计。

根据本发明的一个实施例，凹面或凸面的直径大于或等于透镜组件102的可视区域1025。由此，使得胶合面的边缘位于透镜组件102的非可视区域1024之中，以避免胶合边缘对可视区域1024中的可视画面造成影响。如图8中所示，可视区域1025与非可视区域1024的分界线可以作为胶合面的外轮廓边缘。

在上述所有实施例中，光源组件101可以为红外光源组件，第一反射层1023可以为红外反射层，光线方向调整组件110上的第二反射层1101也可以为红外反射层。红外光源组件可以为多个红外LED灯排列在透镜组件102周围。图像采集组件103可以包括相应的红外成像系统。

由此，针对图1至图4相关技术中所示的方案，在使用时都有相应的受限场景的问题，本发明实施例提出的胶合方案可以改善其中问题，胶合方案将目镜拆分成两部分，拆分后的面型可以进行针对性优化，以适应不同的使用场景，自由选择角度的放大倍率。具体地，图1中的光路使用场景受限，在出瞳距离较近的系统中，图像采集距离太短，无法满足大视野的需求。本发明实施例提出的眼球追踪光学装置通过折叠光路，增加光路长度，从而规避了此问题。图2中受到原有系统设计制约，原有的系统的反射面无法进行优化，可能无法得到很好的采集效果。本发明实施例提出的眼球追踪光学装置通过对胶合面进行优化很好的解决了这个问题。图3中内部增加反射镜需要至少2cm的空气间隙，很多设备无法满足此条件，本发明实施例提出的眼球追踪光学装置不受此限制。图4中目镜的第二个面一般为凹面，容易发生严重的全反射，此时拍摄效果会急剧变差。本发明实施例提出的眼球追踪光学装置的反射面可为凸面，从而规避了此问题。

图12是本发明实施例提出眼球追踪光学系统的方框示意图。如图12所示，该眼球追踪光学系统200，包括：两个如本发明任一实施例的眼球追踪光学装置100，以及

左眼观看组件201，一个眼球追踪光学装置100安装在左眼观看组件201上；

右眼观看组件202，一个眼球追踪光学装置100安装在右眼观看组件202上；

左眼观看组件201和右眼观看组件202左右对称分布。

图13是本发明实施例提出的虚拟现实设备的方框示意图。如图13所示，该虚拟显示设备300包括本发明实施例提出的眼球追踪光学系统200。

综上所述，根据本发明实施例提出的眼球追踪光学装置、系统和虚拟现实设备，其中，眼球追踪光学装置包括：光源组件、透镜组件和图像采集组件；透镜组件包括至少一个胶合透镜，胶合透镜包括第一透镜部和第二透镜部，第一透镜部远离眼球的一侧面具有凹面，第二透镜部近邻眼球的一侧面具有凸面，凹面与凸面贴合形成胶合面，胶合面设置有第一反射层，胶合透镜近邻图像采集组件的部分具有与透镜的焦平面有夹角的第一平面；光源组件用于出射第一光线至眼球，第一反射层用于反射第一光线的反射光线形成待成像光线，待成像光线经过第一平面进入图像采集组件，图像采集组件采集待成像光线，以对眼球进行追踪。由此，通过将原透镜组件中的透镜设置为胶合透镜，并将胶合面设置第一反射层，进而对第一光线的反射光线可以反射形成待成像光线，并经过第一平面入射至图像采集组件，从而在不增加多余的镜片的基础上，改善了原先图像采集部分存在的第一光线的反射光线易被目镜或增加的镜片全反射，图像采集组件采集不到待成像光线的问题。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种眼球追踪光学装置，其特征在于，包括：光源组件、透镜组件和图像采集组件；其中，

所述透镜组件包括至少一个胶合透镜，所述胶合透镜包括第一透镜部和第二透镜部，所述第一透镜部远离所述眼球的一侧面具有凹面，所述第二透镜部近邻所述眼球的一侧面具有凸面，所述凹面与所述凸面贴合形成胶合面，所述胶合面设置有第一反射层，所述胶合透镜近邻所述图像采集组件的部分具有与所述胶合透镜的焦平面有夹角的第一平面；

所述光源组件用于出射第一光线至所述眼球，所述第一反射层用于反射所述第一光线的反射光线形成待成像光线，所述待成像光线经过所述第一平面进入所述图像采集组件，所述图像采集组件采集所述待成像光线，以对所述眼球进行追踪。

2.根据权利要求1所述的眼球追踪光学装置，其特征在于，所述第一平面与所述焦平面垂直。

3.根据权利要求2所述的眼球追踪光学装置，其特征在于，所述第一平面位于所述透镜组件的非可视区域。

4.根据权利要求1所述的眼球追踪光学装置，其特征在于，还包括：光线方向调整组件，所述光线方向调整组件设置有第二反射层，用于反射所述待成像光线，使调整后的所述待成像光线入射所述图像采集组件。

5.根据权利要求4所述的眼球追踪光学装置，其特征在于，所述光线方向调整组件为反射棱镜或反射平面镜或反射曲面镜中的一种。

6.根据权利要求5所述的眼球追踪光学装置，其特征在于，所述反射棱镜或所述反射平面镜或所述反射曲面镜与所述第一平面固定贴合设置。

7.根据权利要求1-6任一项所述的眼球追踪光学装置，其特征在于，所述凹面或所述凸面的直径大于或等于所述透镜组件的可视区域。

8.根据权利要求1-6任一项所述的眼球追踪光学装置，其特征在于，所述光源组件为红外光源组件，所述第一反射层为红外反射层。

9.一种眼球追踪光学系统，其特征在于，包括：两个如权利要求1-8任一项所述的眼球追踪光学装置，以及

左眼观看组件，一个所述眼球追踪光学装置安装在所述左眼观看组件上；

右眼观看组件，一个所述眼球追踪光学装置安装在所述右眼观看组件上；

所述左眼观看组件和所述右眼观看组件左右对称分布。

10.一种虚拟现实设备，其特征在于，包括如权利要求9所述的眼球追踪光学系统。