CN117310978A - 一种眼球追踪光学系统及头戴式设备 - Google Patents

一种眼球追踪光学系统及头戴式设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种眼球追踪光学系统及头戴式设备，该系统包括光源模块、固定透镜组模块、棱镜模块和图像采集模块；在图像采集模块外置反射拍摄眼部图像光路中，通过图像采集模块的感光面前端增加至少一个反射棱镜，可以起到减小系统体积、延长光路和减小图像采集模块拍摄角度的作用，有效利用图像采集模块的感光面，增大眼部拍摄区域，较好地改善了眼部部分区域被遮挡成像不完整地问题，提高了眼部图像的成像像质。

Description

一种眼球追踪光学系统及头戴式设备
技术领域
本发明实施例涉及眼球追踪技术领域，尤其涉及一种眼球追踪光学系统及头戴式设备。
背景技术
因目前虚拟现实(Virtual Reality，VR)类头盔趋于厚度薄、可折叠的方向发展和设计，故大多会基于紧凑式显示光机进行产品化开发。图1是现有技术提供的一种眼球追踪光学系统的结构示意图，结合图1所示，在近眼眼球追踪设备中，摄像头11采用外置反射拍摄方案，光源12发出的光线S0经眼球13反射，反射光S0’经反射镜片14反射后进入摄像头11，最终呈现眼部图像。图1示出了摄像头外置反射拍摄眼部图像光路，这类方法摄像头11位于近眼眼球追踪设备所有透镜之外，为了不遮挡视场且不与其他位置干涉，摄像头11设置在光学镜片边缘且距离光学镜片不能太远处，所以有时摄像头的拍摄角度非常大，眼部部分区域被遮挡无法采集到，进而导致摄像头11的感光面的有效利用率不高。
发明内容
本发明提供一种眼球追踪光学系统及头戴式设备，在图像采集模块外置反射拍摄眼部图像光路中，通过在图像采集模块的感光面前端增加至少一个反射棱镜，可以起到减小系统体积、延长光路和减小图像采集模块拍摄角的作用，更有效利用图像采集模块的感光面，增大眼部拍摄区域，较好地改善了眼部部分区域被遮挡成像不完整地问题，提高了眼部图像的成像像质。
本发明实施例提供了一种眼球追踪光学系统，包括光源模块、固定透镜组模块、棱镜模块和图像采集模块；
所述光源模块和所述图像采集模块均位于所述固定透镜组模块靠近用户眼球一侧的边缘，所述光源模块用于发射预设波长的光线至所述用户眼球；所述预设波长的光线经所述用户眼球反射后形成反射光线；
所述棱镜模块包括至少一个反射棱镜，至少一个所述反射棱镜位于所述图像采集模块的感光面的前端；所述反射光线经所述固定透镜组模块反射后再经至少一个所述反射棱镜反射后进入所述图像采集模块，所述图像采集模块用于生成所述用户眼球的图像。
可选的，所述反射棱镜的反射面为平面。
可选的，所述反射棱镜的反射面与所述图像采集模块的感光面所在平面的夹角为α，0°＜α＜90°。
可选的，所述反射棱镜的反射面为凹面。
可选的，所述反射棱镜的反射面包括增反膜；所述增反膜用于提高所述反射光线的反射效率。
可选的，至少一个所述反射棱镜和所述图像采集模块固定设置。
可选的，所述反射棱镜的尺寸满足3mm×3mm×3mm。
可选的，所述光源模块包括阵列红外波段光源，用于出射阵列红外波段光线。
可选的，所述固定透镜组模块包括靠近所述用户眼球的第一固定透镜，所述第一固定透镜包括红外截止片，用于反射所述反射光线到所述棱镜模块。
第二方面，本发明实施例还提供了一种头戴式设备，包括头戴装置和上述的眼球追踪光学系统。
本发明实施例提供的眼球追踪光学系统，在图像采集模块外置反射拍摄眼部图像光路中，通过图像采集模块的感光面前端增加至少一个反射棱镜，可以起到减小系统体积、延长光路和减小图像采集模块拍摄角度的作用，充分利用图像采集模块的感光面，增大眼部拍摄区域，较好地改善了眼部部分区域被遮挡成像不完整地问题，提高了眼部图像的成像像质。
附图说明
图1是现有技术提供的一种眼球追踪光学系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种眼球追踪光学系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种眼球追踪光学系统的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种眼球追踪光学系统的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种眼球追踪光学系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图2是本发明实施例提供的一种眼球追踪光学系统的结构示意图；图3是本发明实施例提供的另一种眼球追踪光学系统的结构示意图；图4是本发明实施例提供的另一种眼球追踪光学系统的结构示意图。结合图2和图4所示，本发明实施例提供的眼球追踪光学系统，该系统包括光源模块21、固定透镜组模块22、棱镜模块23和图像采集模块24；光源模块21和图像采集模块24均位于固定透镜组模块22靠近用户眼球25一侧的边缘，光源模块21用于发射预设波长的光线至用户眼球25；预设波长的光线经用户眼球25反射后形成反射光线；棱镜模块23包括至少一个反射棱镜231，至少一个反射棱镜231位于图像采集模块24的感光面的前端；反射光线经固定透镜组模块22反射后再经至少一个反射棱镜231反射后进入图像采集模块24，图像采集模块24用于生成用户眼球25的图像。
具体的，本发明实施例提供的眼球追踪光学系还包括安装框架(图中未示出)，结合图2和图4所示，光源模块21、固定透镜组模块22、棱镜模块23和图像采集模块24固定设置在安装框架内。光源模块21包括至少一个发光光源，可以发射眼睛可接收并反射的预设波长的光线S1，如可见光波段、红外波段的光线等；固定透镜组模块22包括第一固定透镜221，第一固定透镜221位于靠近用户眼球25的一侧，第一固定透镜221可以采用如菲涅尔透镜，起到保护其他组件和聚焦光线的作用；图像采集模块24包括至少一个图像采集设备，如摄像头等，用于接收反射光线并生成用于眼球的图像。设置光源模块21和图像采集模块24位于固定透镜组模块22靠近用户眼球25的一侧边缘，其中，光源模块21和图像采集模块24可以位于用户眼球25的同一侧或不同侧。棱镜模块23包括至少一个反射棱镜231，反射棱镜231具有反射面。反射棱镜231利用光的反射定律和折射定律，光在相同介质中发生反射时，其反射角和入射角相等；光由一种介质垂直两介质平面入射到另一种介质时，不会发生折射。如图2和图3示出了一个反射棱镜231位于图像采集模块24的感光面的前端，光源模块21发射的光线被用户眼球25反射后形成反射光线，反射光线被固定透镜组模块22反射后再经一个反射棱镜231的反射面反射后被图像采集模块24的感光面接收；图4示出了2个反射棱镜231组合位于图像采集模块24的感光面的前端，光源模块21发射的光线被用户眼球25反射后形成反射光线，反射光线被固定透镜组模块22反射后再依次经2个组合反射棱镜231的反射面反射后被图像采集模块24的感光面接收，图像采集模块24生成用户眼球25的图像。在图像采集模块24外置反射拍摄眼部图像光路中，通过在图像采集模块24的感光面前端增加至少一个反射棱镜231，可以起到延长光路和减小拍摄角度的作用，有效利用摄像头的感光面，增大眼部拍摄区域，较好地改善了眼部部分区域被遮挡成像不完整地问题，提高了眼部图像的成像像质；同时，通过增加反射棱镜231，可以灵活设置图像采集模块24的位置，有利于压缩眼球追踪光学系的体积。
综上，本发明实施例提供的眼球追踪光学系统，在摄像头外置反射拍摄眼部图像光路中，通过摄像头的感光面前端增加至少一个反射棱镜231，可以减小系统体积、延长光路和减小摄像头的拍摄角度，增大眼部拍摄区域，较好地改善了眼部部分区域被遮挡成像不完整地问题，提高了眼部图像的成像像质。
作为一种可行的实施方式，继续参考图2所示，可选的，反射棱镜231的反射面为平面。采用平面反射面，改变反射光线S2的传播方向，起到延长光路和减小摄像头的拍摄角度，使图像采集模块24采集地眼部图像更完整，更满足算法对图像处理地需求。
作为一种可行的实施方式，继续参考图3所示，可选的，反射棱镜231的反射面为凹面。设置反射棱镜231的反射面为凹面可以聚焦反射光线S2，使得图像采集模块24的感光面可以接受更多的反射光线S2，提高眼部成像的亮度和眼部成像的完整性。
在上述实施例的基础上，结合图2-图4所示，可选的，反射棱镜231的反射面与图像采集模块24的感光面所在平面的夹角为α，0°＜α＜90°。
具体的，反射棱镜231的反射面可以是平面或凹面，反射棱镜231的反射面与图像采集模块24的感光面所在平面的夹角α为锐角。当反射棱镜231的反射面为平面，优选的，α＝45°，通过调整反射棱镜231的反射面与图像采集模块24的感光面所在平面的夹角α，改变反射光线S2的传播方向，可以灵活设置图像采集模块24的位置，避免遮挡视线及干涉的同时，又能采集到较完整的眼部图像。
可选的，继续参考图2-图4所示，反射棱镜231的尺寸满足3mm×3mm×3mm。
采用从小尺寸的反射棱镜231调节反射光线S2的传播放，空间占比小，位置灵活多变，不影响整个系统的体积结构，有利于眼球追踪光学系的体积压缩。
可选的，反射棱镜231的反射面包括增反膜；增反膜用于提高反射光线的反射效率。通过在反射棱镜231的反射面增镀增反膜，增反膜包括全波段反射膜，可以提高反射光线S2的反射效率，使得更多反射光线S2进入图像采集模块24，提高眼部图像的亮度。
图5是本发明实施例提供的另一种眼球追踪光学系统的结构示意图。可选的，如图5所示，至少一个反射棱镜231和图像采集模块24固定设置。
具体的，通过将反射棱镜231和图像采集模块24的前端固定设置，可使反射棱镜231紧贴图像采集模块24的感光面，减小反射棱镜231的反射面和图像采集模块24的感光面的位置移动，减小抖动，保证图像采集模块24对眼部成像的稳定性。
可选的，继续参照图2-图4所示，反射棱镜231亦可距图像采集模块24的感光面有一定距离，以到达灵活调整图像采集模块24的位置。
在上述实施例的基础上，继续参照图2和图3所示，可选的，光源模块21包括阵列红外波段光源，用于出射阵列红外波段光线。
具体的，阵列红外波段光源是由若干颗红外发光源(700nm～1100nm或特定波段)组成的阵列组，出射阵列的红外波段光线。采用阵列红外波段光源可使用户眼周区域被均匀照亮，并在用户眼球虹膜形成具有约束性质的光斑。同时，图像采集模块24采集的眼部图像亮度会更加均匀，有利于后续工作进行。
在上述实施例的基础上，继续参照图2和图4所示，可选的，固定透镜组模块22包括靠近用户眼球25的第一固定透镜221，第一固定透镜221包括红外截止片，用于反射阵列红外波段光源出射的红外波段光线到棱镜模块23。红外截止片指的是红外波段的光线被反射，其他波长的光线透过的镜片，利用精密光学镀膜技术在光学玻璃上交替镀上高低折射率的光学膜，实现红外(700nm～1100nm)截止的光学滤光片，第一固定透镜221采用红外截止片，可以使阵列红外波段光源出射的光线更多的被反射到图像采集模块24，提高光线利用率。
在上述实施例的基础上，继续参照图2和图3所示，可选的，眼球追踪光学系统还包括显示屏26；显示屏26位于固定透镜组模块22远离用户眼球25的一侧，显示屏26为多维度显示屏26，用于显示多维度图像。
具体的，显示屏26可以采用有机发光(Organic Light Emitting Diode Display，OLED)显示面屏、发光二极管(Light Emitting Diode Display，LED)显示面屏、微发光二极管(Micro Light Emitting Diode Display，Micro LED)显示面屏等，显示彩色或黑白画面；设置显示屏26位于固定透镜组模块22远离用户眼球25的一侧，显示屏26出射的多维度图像经过固定透镜组模块22后到达用户眼睛成像。
基于同一个发明构思，本发明实施例提供了一种头戴式设备，包括头戴装置和上述实施例提供的眼球追踪光学系统，可用于用户穿戴式的眼球追踪和虹膜识别的应用中。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互组合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种眼球追踪光学系统，其特征在于，包括光源模块、固定透镜组模块、棱镜模块和图像采集模块；
所述光源模块和所述图像采集模块均位于所述固定透镜组模块靠近用户眼球一侧的边缘，所述光源模块用于发射预设波长的光线至所述用户眼球；所述预设波长的光线经所述用户眼球反射后形成反射光线；
所述棱镜模块包括至少一个反射棱镜，至少一个所述反射棱镜位于所述图像采集模块的感光面的前端；所述反射光线经所述固定透镜组模块反射后再经至少一个所述反射棱镜反射后进入所述图像采集模块，所述图像采集模块用于生成所述用户眼球的图像。
2.根据权利要求1所述的眼球追踪光学系统，其特征在于，所述反射棱镜的反射面为平面。
3.根据权利要求1所述的眼球追踪光学系统，其特征在于，所述反射棱镜的反射面与所述图像采集模块的感光面所在平面的夹角为α，0°＜α＜90°。
4.根据权利要求1所述的眼球追踪光学系统，其特征在于，所述反射棱镜的反射面为凹面。
5.根据权利要求1所述的眼球追踪光学系统，其特征在于，所述反射棱镜的反射面包括增反膜；所述增反膜用于提高所述反射光线的反射效率。
6.根据权利要求1所述的眼球追踪光学系统，其特征在于，至少一个所述反射棱镜和所述图像采集模块固定设置。
7.根据权利要求1所述的眼球追踪光学系统，其特征在于，所述反射棱镜的尺寸满足3mm×3mm×3mm。
8.根据权利要求1所述的眼球追踪光学系统，其特征在于，所述光源模块包括阵列红外波段光源，用于出射阵列红外波段光线。
9.根据权利要求1所述的眼球追踪光学系统，其特征在于，所述固定透镜组模块包括靠近所述用户眼球的第一固定透镜，所述第一固定透镜包括红外截止片，用于反射所述反射光线到所述棱镜模块。
10.一种头戴式设备，其特征在于，包括头戴装置和权利要求1-9任一项所述的眼球追踪光学系统。
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