CN117741962A - 一种眼球追踪光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种眼球追踪光学系统，属于光学系统技术领域；包括，光源组件，用于照射出射光至待追踪目标对象，待追踪目标对象反射出射光后产生第一反射光；棱镜，棱镜的斜面与光源组件的侧面呈第一角度，棱镜对第一反射光反射后产生第二反射光；透镜组件，位于棱镜的出射端，透镜组件将第二反射光聚焦至感光芯片，感光芯片将光线转化为电信号，以捕捉待追踪目标对象的运动轨迹。上述技术方案的有益效果是：使得整个系统在眼睛侧面也能得到眼球正面的像，且可视范围广，缩小了体积，解决了遮挡视野、瞳孔识别难的问题，成像明亮，光源利用率高。
Description
技术领域
本发明涉及光学系统技术领域，尤其涉及一种眼球追踪光学系统。
背景技术
随着科技的不断发展，智能眼镜应用越来越普及，随之而来的就是眼球追踪及瞳孔识别技术的发展，而现有的眼球追踪光学系统，大多布置于眼睛的正面，且体积较大，这样的布置不仅不美观并且还会遮挡视野，而另一种眼球追踪系统虽然布置于眼睛的斜侧方，但是所得到的像为斜视的像，不仅可见范围小，并且极度影响到瞳孔识别的效果。大部分眼球追踪系统没有与之相匹配的照明系统，光源利用效率不高，导致最终成像昏暗。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种眼球追踪光学系统，解决以上技术问题；
一种眼球追踪光学系统，包括，
光源组件，用于照射出射光至待追踪目标对象，所述待追踪目标对象反射所述出射光后产生第一反射光；
棱镜，所述棱镜的斜面与所述光源组件的侧面呈第一角度，所述棱镜对所述第一反射光反射后产生第二反射光；
透镜组件，位于所述棱镜的出射端，所述透镜组件将所述第二反射光聚焦至感光芯片，所述感光芯片将光线转化为电信号，以捕捉所述待追踪目标对象的运动轨迹。
优选地，所述第一角度为60°，所述棱镜为直角棱镜，所述棱镜的长、宽、高均为4.5mm，所述棱镜的第一折射面与所述斜面呈60°角。
优选地，所述透镜组件包括第一透镜和第二透镜，所述第二透镜位于所述第一透镜的出射端，所述第一透镜为球面透镜，所述第二透镜为非球面透镜。
优选地，所述透镜组件在水平方向上与所述棱镜的第二折射面相距0.07mm，所述透镜组件在竖直方向上与所述棱镜的顶点相距3.5mm。
优选地，所述棱镜与所述待追踪目标对象在水平方向上相距5mm，在竖直方向上相距7.8mm。
优选地，所述透镜组件的焦距为1.5mm，所述透镜组件的口径为0.5mm。
优选地，所述透镜组件的视场角为35°，所述透镜组件的像距为2mm。
优选地，所述感光芯片位于眼球追踪光学系统的光轴的上方，与所述光轴相距0.35mm，所述感光芯片的弥散斑的直径小于等于0.015mm。
优选地，所述光源组件包括LED灯和第三透镜，所述第三透镜位于所述LED灯的下方，所述第三透镜为凸透镜。
优选地，所述LED灯的发光区域的直径为0.7mm，所述LED灯的发射角为60°，所述第三透镜的直径为1mm，焦距为0.8mm，所述第三透镜与所述LED灯相距1.5mm。
本发明的有益效果是：由于采用以上技术方案，使得整个系统在眼睛侧面也能得到眼球正面的像，且可视范围广，缩小了体积，解决了遮挡视野、瞳孔识别难的问题，成像明亮，光源利用率高。
附图说明
图1是本发明的眼球追踪光学系统的整体结构图；
图2是本发明的棱镜的结构图；
图3是本发明的透镜组件及感光芯片的结构图；
图4是本发明的眼球追踪光学系统的点列图；
图5是本发明的光源组件的结构图；
图6是本发明的眼球追踪光学系统和待追踪目标对象的位置图；
图7是本发明的眼球追踪光学系统的光路图；
图8是本发明的眼球追踪系统MTF曲线图；
图9是本发明的光源模拟照明效果图。
附图中：1、光源组件；11、LED灯；12、第三透镜；2、棱镜；21、内反射面；22、第一折射面；23、第二折射面；3、透镜组件；31、第一透镜；32、第二透镜；4、感光芯片；41、光轴；5、待追踪目标对象。
具体实施方式
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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
一种眼球追踪光学系统，如图1所示，包括，
光源组件1，用于照射出射光至待追踪目标对象5，待追踪目标对象5反射出射光后产生第一反射光；
棱镜2，棱镜2的斜面与光源组件1的侧面呈第一角度，棱镜2对第一反射光反射后产生第二反射光；
透镜组件3，位于棱镜2的出射端，透镜组件3将第二反射光聚焦至感光芯片4，感光芯片4将光线转化为电信号，以捕捉待追踪目标对象5的运动轨迹。
具体地，本发明提供一种眼球追踪光学系统，用于眼球追踪，使用棱镜2来改变光路，并且设计了与之相匹配的光源组件1以照明，待追踪目标对象5为眼球，不仅使得整个系统在眼睛侧面近乎达到正面的成像效果且可视范围很广，解决了传统眼球追踪光学系统遮挡视野、瞳孔识别难的问题；同时光源的补充使得整个系统得到更明亮的像，光源利用率高，极大地缩小了整体系统的体积。
在一种较优的实施例中，第一角度为60°，棱镜2为直角棱镜，棱镜2的长、宽、高均为4.5mm，棱镜2的第一折射面22与斜面呈60°角。
具体地，参照图2，棱镜2采用内反射式，斜面为内反射面21，先通过棱镜2的第一折射面22进行折射以改变成像的偏角，然后再经过内反射面21的反射改变光路以缩短棱镜2的体积，然后再经过棱镜2的第二折射面23的折射再次进行物体成像角度的偏转，从而达到从斜侧方观看物体而几乎成正面观测物体的像，因为棱镜2对物体折反射的原因，本系统创新性地对感光元件采用非球面对称的方式放置。
进一步具体地，利用折射定律：n1sinθ1＝n2sinθ2，其中n1、n2分别为入射方和出射方的折射率，θ1和θ2分别为入射角和出射角，眼睛不同的位置对棱镜2的入射角也不同，因此棱镜2的位置、形状均会影响到入射角，反射面和透视面的夹角也要经过大量计算，首先入射角θ1和透镜折射率n2影响到出射角θ2，然后反射面的角度影响到棱镜2的第二面的入射角和出射角，所以要对棱镜2的位置、角度进行严格的计算，同时光阑位置的不同也会导致整个系统的角度不同，从而得到不同的效果，因此设计时要同时考虑棱镜2的形状、位置以及透镜组光阑的位置。
经过光学软件的模拟实验，同时考虑到加工的难易程度和成本问题，最终确定棱镜2为60°和30°的直角棱镜，最终棱镜2的整体长、宽、高均为4.5mm。
更一步具体地，对透镜组件3、棱镜2和光源组件1进行衔接，成为一个整体，其中光源对于棱镜2的斜面的夹角为60度，最终结构整体长度为10mm，上下高度为4.5mm，前后宽度为4.5mm。
在一种较优的实施例中，参照图3，透镜组件3包括第一透镜31和第二透镜32，第二透镜32位于第一透镜31的出射端，第一透镜31为球面透镜，第二透镜32为非球面透镜；
透镜组件3在水平方向上与棱镜2的第二折射面23相距0.07mm，透镜组件3在竖直方向上与棱镜2的顶点相距3.5mm；
参照图6，棱镜2与待追踪目标对象5在水平方向上相距5mm，在竖直方向上相距7.8mm。
具体地，整体放置于待追踪目标对象5的侧面，解决了传统眼球追踪系统在正面遮挡视线的问题，实现在眼睛侧面也能够得到正面的像。
在一种较优的实施例中，透镜组件3的焦距为1.5mm，透镜组件3的口径为0.5mm；
透镜组件3的视场角为35°，透镜组件3的像距为2mm。
具体地，可以捕捉到较宽的视野范围内的光线，实现高质量的成像、广阔的视野范围和准确的成像位置，从而提高眼球追踪的准确性。
在一种较优的实施例中，感光芯片4位于眼球追踪光学系统的光轴41的上方，与光轴41相距0.35mm，参照图4，点阵图中RMS表示均方根，感光芯片4的弥散斑的直径小于等于0.015mm。
具体地，由于棱镜2折反射的原因导致光轴41并不与像中心重合，因此对感光芯片4进行偏置安放，做到了少片数，小体积，高质量成像效果。感光芯片4采用偏执于光轴41距离为0.35mm的非旋转对称方式放置，用一片非球面透镜和球面透镜做到了体积小的同时得到高质量的像，使得系统最终能够得到近乎正视的清晰的像。
在一种较优的实施例中，参照图5，光源组件1包括LED灯11和第三透镜12，第三透镜12位于LED灯11的下方，第三透镜12为凸透镜；
LED灯11的发光区域的直径为0.7mm，LED灯11的发射角为60°，第三透镜12的直径为1mm，焦距为0.8mm，第三透镜12与LED灯11相距1.5mm。
具体地，为了缩小体积的同时得到高质量的像，采用一片球面镜和一片非球面共两片透镜，焦距为1.5mm，透镜的焦距与透镜口径的比值为3，视场角为35°，像距为2mm。通过ligthttools(光学工具)的模拟照明，眼球所处的主要区域能得到很好的照明，内部辅以焦距为0.8mm的第三透镜12，可以照到整个眼部并且光源利用率高。
综上，本申请提供一种眼球追踪光学系统，用于眼球追踪，采用折反射结构且附带照明结构，用于解决传统眼球追踪系统在正面遮挡视线，参照图7的光路图和图8的MTF(调制传递函数)曲线图，曲线图包括Modulation(调制)和Spatial Frequency(空间频率)两个参数，参照图9的光源模拟照明效果图，解决了在斜侧方得不到正面像，成像效果差且照明不足的问题。采用折反射结构，改变光路以从斜侧方得到眼球正面的像，照明系统能更好地追踪眼球的活动，是一种小型化、便携式、成像质量优越的光学系统设备。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种眼球追踪光学系统，其特征在于，包括，
光源组件(1)，用于照射出射光至待追踪目标对象(5)，所述待追踪目标对象(5)反射所述出射光后产生第一反射光；
棱镜(2)，所述棱镜(2)的斜面与所述光源组件(1)的侧面呈第一角度，所述棱镜(2)对所述第一反射光反射后产生第二反射光；
透镜组件(3)，位于所述棱镜(2)的出射端，所述透镜组件(3)将所述第二反射光聚焦至感光芯片(4)，所述感光芯片(4)将光线转化为电信号，以捕捉所述待追踪目标对象(5)的运动轨迹。
2.根据权利要求1所述的眼球追踪光学系统，其特征在于，所述第一角度为60°，所述棱镜(2)为直角棱镜，所述棱镜(2)的长、宽、高均为4.5mm，所述棱镜(2)的第一折射面(22)与所述斜面呈60°角。
3.根据权利要求1所述的眼球追踪光学系统，其特征在于，所述透镜组件(3)包括第一透镜(31)和第二透镜(32)，所述第二透镜(32)位于所述第一透镜(31)的出射端，所述第一透镜(31)为球面透镜，所述第二透镜(32)为非球面透镜。
4.根据权利要求3所述的眼球追踪光学系统，其特征在于，所述透镜组件(3)在水平方向上与所述棱镜(2)的第二折射面(23)相距0.07mm，所述透镜组件(3)在竖直方向上与所述棱镜(2)的顶点相距3.5mm。
5.根据权利要求1所述的眼球追踪光学系统，其特征在于，所述棱镜(2)与所述待追踪目标对象(5)在水平方向上相距5mm，在竖直方向上相距7.8mm。
6.根据权利要求4所述的眼球追踪光学系统，其特征在于，所述透镜组件(3)的焦距为1.5mm，所述透镜组件(3)的口径为0.5mm。
7.根据权利要求6所述的眼球追踪光学系统，其特征在于，所述透镜组件(3)的视场角为35°，所述透镜组件(3)的像距为2mm。
8.根据权利要求1所述的眼球追踪光学系统，其特征在于，所述感光芯片(4)位于眼球追踪光学系统的光轴(41)的上方，与所述光轴(41)相距0.35mm，所述感光芯片(4)的弥散斑的直径小于等于0.015mm。
9.根据权利要求1所述的眼球追踪光学系统，其特征在于，所述光源组件(1)包括LED灯(11)和第三透镜(12)，所述第三透镜(12)位于所述LED灯(11)的下方，所述第三透镜(12)为凸透镜。
10.根据权利要求9所述的眼球追踪光学系统，其特征在于，所述LED灯(11)的发光区域的直径为0.7mm，所述LED灯(11)的发射角为60°，所述第三透镜(12)的直径为1mm，焦距为0.8mm，所述第三透镜(12)与所述LED灯(11)相距1.5mm。
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