TW202409636A - 經由光導進行眼睛跟蹤 - Google Patents

Abstract

一種用於向人眼傳遞圖像並且導出注視方向的裝置包括圖像輸出光導、可見和不可見照明耦出佈置、接收光導和濾光層。圖像輸出光導通過內反射引導光。可見圖像耦出佈置耦出與可見圖像對應的可見光，而不可見照明耦出佈置耦出至少一個波長的不可見照明。接收光導具有用於從眼睛反射的不可見照明的耦入構造。除了在不可見光耦出區域中以外，濾光層阻止不可見光傳入眼睛，該不可見光耦出區域小於圖像耦出區域。

Description

經由光導進行眼睛跟蹤

本發明涉及近眼顯示器，並且特別地涉及用於圖像顯示以及用於眼睛跟蹤二者的採用光導佈置的近眼顯示器。

許多近眼顯示系統包括放置在用戶眼睛前的透明光導或“波導”，該透明光導或“波導”在光導內通過內反射傳送圖像，然後將圖像通過適當的輸出耦合機構朝向用戶的眼睛耦出。輸出耦合機構可以基於嵌入的部分反射表面或“小平面”，或者可以採用衍射圖案。下面的描述主要是指基於小平面的耦出佈置，但應該理解的是，本發明的某些特徵也適用於衍射佈置。

一些基於光導的顯示器採用如下光導佈置，該光導佈置實現了圖像投射器的光學孔徑在兩個維度上的擴展，以採用微型投射器向眼睛提供更大的觀看區域。二維擴展可以通過在同一光導內採用附加的一組嵌入式部分反射表面來實現，例如，如PCT專利申請公開第WO 2020/049542 A1號中所公開的，或者通過採用單獨的矩形光導，例如，如PCT專利申請公開第WO 2018/065975 A1號中所公開的。

對於許多應用來說，期望在用戶觀看近眼顯示器時跟蹤眼睛運動。

本發明是用於向人眼傳遞圖像並且導出人眼的注視方向的裝置。

根據本發明的實施方式的教導，提供了用於向人眼傳遞圖像並且導出人眼的注視方向的裝置，該裝置包括：(a)圖像輸出光導，其由透明材料形成， 並且具有用於通過內反射引導光的一對平行面，平行面中的一個被部署為與眼睛成面對關係；(b)可見圖像耦出佈置，其與圖像輸出光導相關聯，並且被構造用於將在圖像輸出光導內傳播的與可見圖像對應的可見光從圖像耦出區域朝向眼睛耦出以供眼睛觀看；(c)不可見照明耦出佈置，其與圖像輸出光導相關聯，並且被構造用於將在圖像輸出光導內傳播的至少一個波長的不可見照明從照明耦出區域耦出，圖像耦出區域的大部分在照明耦出區域的外部；(d)接收光導，其由透明材料形成，並且具有用於通過內反射引導光的一對平行面，接收光導被部署為平行於圖像輸出光導並且在圖像輸出光導與眼睛之間；(e)耦入構造，其與接收光導相關聯，並且被構造用於將從眼睛反射的不可見照明耦入，以在接收光導內傳播；以及(f)濾光層，其與圖像輸出光導和接收光導平行地延伸，濾光層阻止不可見光從圖像輸出光導的圖像耦出區域的至少大部分傳遞到眼睛，同時允許來自圖像輸出光導的可見光到達眼睛，濾光層避開照明耦出區域，使得當至少一個波長的準直可見圖像和不可見照明被引入圖像輸出光導以在圖像輸出光導內傳播時，可見圖像由可見圖像耦出佈置耦出並且通過接收光導和濾光層以被眼睛觀看，並且不可見照明由不可見照明耦出佈置耦出，並且經由接收光導傳遞到眼睛，被眼睛部分反射，並且通過耦入構造耦入接收光導，以在接收光導內傳播，以由感測器進行感測，以提供用於導出人眼的注視方向的資訊。

根據本發明的實施方式的另外的特徵，濾光層在圖像輸出光導與接收光導之間。

根據本發明的實施方式的另外的特徵，濾光層避開的區域對應於狹縫孔徑。

根據本發明的實施方式的另外的特徵，濾光層避開的區域對應於孔徑，孔徑的最大尺寸小於圖像耦出區域的最小尺寸。

根據本發明的實施方式的另外的特徵，耦入構造包括在接收光導內部並與一對主面傾斜成角度的表面，該表面對可見光透明，並且對至少一個波長的不可見照明部分地反射，並且其中，不可見照明耦出佈置被部署為將不可見照明從圖像輸出光導耦出，以通過耦入構造。

根據本發明的實施方式的教導，還提供了用於向人眼傳遞圖像並導出人眼的注視方向的裝置，該裝置包括：(a)圖像輸出光導，其由透明材料形成，並且具有用於通過內反射引導光的一對平行面，平行面中的一個被部署為與眼睛成面對關係；(b)可見圖像耦出佈置，其與圖像輸出光導相關聯，並且被構造用於將在圖像輸出光導內傳播的與可見圖像對應的可見光從圖像耦出區域朝向眼睛耦出以供眼睛觀看；(c)不可見照明耦出佈置，其與圖像輸出光導相關聯，並且被構造用於將在圖像輸出光導內傳播的至少一個波長的不可見照明從照明耦出區域耦出，圖像耦出區域的大部分在照明耦出區域的外部；(d)接收光導，其由透明材料形成，並且具有用於通過內反射引導光的一對平行面，接收光導被部署為平行於圖像輸出光導；(e)耦入表面，其在接收光導的內部並且與一對主面傾斜成角度，該表面對可見光透明並且對至少一個波長的不可見照明是至少部分地反射，耦入表面在平行面之一上的投影具有長度和寬度，長度是寬度的至少10倍；(f)感測器佈置，其用於感測至少一個波長的不可見照明；以及(g)平面內孔徑限制反射器，其垂直於接收光導的一對主面，孔徑限制反射器對至少一個波長的不可見照明進行反射，並且被部署為對由耦入表面耦入到接收光導並且在接收光導內傳播的不可見照明進行重定向，以朝向感測器佈置傳播。

根據本發明的實施方式的另外的特徵，平面內孔徑限制反射器位於接收光導內，並且感測器佈置光學耦合到接收光導。

根據本發明的實施方式的另外的特徵，平面內孔徑限制反射器與位於接收光導附近的第三光導相關聯，並且其中，感測器佈置光學耦合到第三光導。

根據本發明的實施方式的另外的特徵，第三光導是具有第一對相互平行的主表面和第二對相互平行的主表面的矩形光導，第二對主表面垂直於第一對主表面，並且其中，平面內孔徑限制反射器被部署為耦合不可見照明，以在第一對主表面和第二對主表面處通過四重內反射在矩形光導內傳播。

根據本發明的實施方式的教導，還提供了一種用於向人眼傳遞圖像並且導出人眼的注視方向的裝置，該裝置包括：(a)光導佈置，其由透明材料形成，光導佈置包括：(i)第一光導區域，其具有用於通過內反射引導光的一對平行面，第一光導區域包括第一組部分反射內表面，以及(ii)第二光導區域，其 具有用於通過內反射引導光的一對平行面，第二光導區域包括第二組部分反射內表面；(b)圖像投射器，其光學耦合到光導佈置，並且被構造為將與準直圖像對應的可見光注入第一光導區域中，以在一對平行面處經由內反射傳播，以通過第一組部分反射內表面處的反射來逐漸重定向，以在一對平行面處通過內反射在第二光導區域內傳播，並且通過第二組部分反射內表面來逐漸重定向，以從第二光導區域耦出以供眼睛觀看；以及(c)光學感測器佈置，其耦合到第一光導區域，並且被構造用於感測至少一個波長的不可見光，其中，第二組部分反射內表面中的單個部分反射內表面或者附加內表面是不可見光耦入表面，不可見光耦入表面被構造為對不可見光至少部分地反射，以將從眼睛反射的不可見光耦入，以在第二光導區域內朝向第一光導區域傳播，除不可見光耦入表面外的所有第二組部分反射內表面對不可見光透明，並且其中，第一組部分反射內表面中的單個部分反射內表面或者附加內表面是不可見光重定向表面，不可見光重定向表面被構造為對不可見光至少部分地反射，以將在第一光導區域內傳播的不可見光朝向光學感測器佈置重定向，除不可見光耦入表面外的所有第一組部分反射內表面對不可見光透明。

根據本發明的實施方式的另外的特徵，第一光導區域和第二光導區域是單個連續光導的區域。

根據本發明的實施方式的另外的特徵，第一光導區域還包括垂直於一對平行表面的第二對平行表面，從而限定支持通過四重內反射傳播的矩形光導。

根據本發明的實施方式的教導，還提供了一種用於向人眼傳遞圖像並且導出人眼的注視方向的裝置，該裝置包括：(a)光導佈置，其由透明材料形成，光導佈置包括：(i)第一光導區域，其具有用於通過內反射引導光的一對平行面，第一光導區域包括第一組部分反射內表面，以及(ii)第二光導區域，其具有用於通過內反射引導光的一對平行面，第二光導區域包括第二組部分反射內表面；(b)圖像投射器，其光學耦合到光導佈置光學，並且被構造為將與準直圖像對應的可見光注入第一光導區域中，以在一對平行面處經由內反射傳播，以通過第一組部分反射內表面處的反射來逐漸重定向，以在一對平行面處通過內 反射在第二光導區域內傳播，並且通過第二組部分反射內表面來逐漸重定向，以從第二光導區域耦出以供眼睛觀看；(c)光學感測器佈置，其耦合到第一光導區域，並且被構造用於感測至少一個波長的不可見光；以及(d)二向色濾光器，其對可見光透明，並且對至少一個波長的不可見光不透明，二向色濾光器被部署在第二光導區域的大部分區域上方，並且避開孔徑區域，以限定不可見光入口孔徑，其中，第二組部分反射內表面中的至少一個部分反射內表面或者附加內表面被構造為對不可見光至少部分地反射，以將從眼睛反射的入射在不可見光入口孔徑上的不可見光耦入，以在第二光導區域內朝向第一光導區域傳播，並且其中，第一組部分反射內表面中的至少大部分對不可見光部分反射，以將在第一光導區域內傳播的不可見光朝向光學感測器佈置重定向。

根據本發明的實施方式的另外的特徵，第一光導區域和第二光導區域是單個連續光導的區域。

根據本發明的實施方式的另外的特徵，第一光導區域還包括垂直於一對平行表面的第二對平行表面，從而限定支持通過四重內反射傳播的矩形光導。

根據本發明的實施方式的另外的特徵，還提供了一種照明佈置，該照明佈置包括至少一個光源，光源被部署為用不可見照明照射眼睛，不可見照明不通過第二光導區域而到達眼睛。

根據本發明的實施方式的教導，還提供了一種用於跟蹤人眼的觀看方向的裝置，該裝置包括：(a)透明光學元件，其被部署為與眼睛成面對關係，以允許觀看場景；(b)二向色矩形光導，其嵌入在透明光學元件中，二向色矩形光導包括：第一對平行的二向色反射器，其反射至少第一波長的不可見光，同時對可見光透明；以及第二對平行二向色反射器，其反射至少一個第一波長的不可見光，同時對可見光透明，第二對平行的二向色反射器垂直於第一對平行的二向色反射器，以支持不可見光在二向色矩形光導內通過四重內反射傳播；(c)平面二向色耦入反射器，其嵌入在透明光學元件中並且與二向色矩形光導的第一端相關聯，耦入反射器斜向傾斜於第一對平行的二向色反射器和第二對平行的二向色反射器二者，並且被構造為對從眼睛反射的不可見光進行耦入，以在二向色 矩形光導內傳播，同時對可見光透明；以及(d)光學感測佈置，其與二向色矩形光導的第二端相關聯，並且被部署為感測不可見光。

10:第一光導區域/光導部分/近眼顯示器/部分/光導

100A:標稱範圍

100B:區域

100C:邊距

102:投射器

105,502:分束器

106:透鏡

108:控制和處理系統

11a,11b,11c,11d,12a,12b,202,204,206,22H,24,24H,24V,51a,51b:面

125:光學感測器佈置/感測器/接收器/焦平面陣列感測器/接收感測器

125A,125B,76B:接收器

2:光源

20:第二光導區域/部分/光導部分/光導/板式光導

200:光導

208a,208b:圖像

22V:面/可見圖像耦出佈置

23,26,28,40H,40V,58:光線

25,54:箭頭

30:眼睛

32:虹膜/瞳孔

34,36:視網膜

38:虹膜

44H,44V:角度

50:光導/光導部分/光導區域/部分/光學元件

500:光源(照明源)

52H:反射器/反射器表面

52V:面/反射器

53:圖像耦出區域

56:濾光層(IR濾光塗層)

56a:濾光層實現方式

56B,59:濾光器

56b:濾光層

57,57a,57b:孔徑

60:光導區域/光導/部分/光導部分

61a,61b,62S,62M:反射器

70:光導

72:棱鏡

74A:聚焦光學器件

74B:透鏡

76A:FPA感測器矩

80A,80B,80C:輸出圖像

82,86:偏振分束器(PBS)

84:掃描鏡

88:檢測器

在本文中僅通過示例的方式，參照圖式對本發明進行描述，在圖式中：

圖1A和圖1B分別是根據本發明的實施方式構造和操作的、用於向人眼傳遞圖像並導出人眼的注視方向的裝置的示意性正視圖和側視圖，示出了與顯示可見圖像和用不可見照明來照射眼睛對應的光線；

圖1C和圖1D分別是類似於圖1A和圖1B的示意性正視圖和側視圖，示出了與接收到的從眼睛反射的不可見照明對應的光線；

圖1E是來自圖1A的裝置的光學佈置的替選實現方式，其允許可見圖像投射、不可見照明和不可見反射光的感測進行組合，所有這些都沿著共同軸；

圖2A和圖2B分別是在光學上等同於圖1A至圖1D的裝置的示意性側視圖和俯視圖，分別示出了在豎直和水平方向上的有效孔徑光闌的位置；

圖2C是與圖1C相似的、示出了用於限定接收反射的不可見照明的輸入孔徑的變體實現方式的視圖；

圖2D是來自圖2C的裝置的光導部分的示意性等距視圖；

圖3A是根據本發明的另一個實施方式構造和操作的裝置的示意性側視圖，該裝置用於向人眼傳遞圖像並導出人眼的注視方向，該裝置採用單獨的接收光導來接收從眼睛反射的不可見照明；

圖3B和圖3C是示出限定不可見照明的孔徑的濾光層實現方式的兩個選項的示意性等距視圖；

圖3D和圖3E是分別對應於圖3B和圖3C的示意性正視圖，示出了對應孔徑的尺寸；

圖4A和圖4B是用於接收反射的不可見光並且將該不可見光引導朝向感測器的接收光導的替選實施方式的示意性正視圖；

圖5A是用於接收反射的不可見光並且採用矩形光導將該不可見光引導朝向感測器的接收光導的另一替選實施方式的示意性正視圖；

圖5B是用於接收反射的不可見光並且採用嵌入式矩形光導將該不可見光引導朝向感測器的接收光導的另一替選實現方式的示意性正視圖；

圖6A和圖6B是用於接收反射的不可見光並且具有內部重定向反射器的板式光導將該不可見光引導朝向感測器的接收光導的另一替選實現方式的示意性正視圖；

圖7A是用於將不可見照明感測器耦合到接收光導的基於棱鏡的耦合佈置的示意性側視圖；

圖7B是用於將不可見照明感測器耦合到接收光導的沒有耦合棱鏡的耦合佈置的示意性側視圖；

圖7C是一組圖像，該一組圖像對應於根據圖7A的耦合佈置、根據圖7B的耦合佈置針對板式光導以及根據圖7B的耦合佈置針對矩形光導生成的不可見照明感測器的輸出；

圖7D是圖像的更詳細版本，該圖像對應於根據圖7B的耦合佈置針對矩形光導生成的不可見照明感測器輸出，示出了包括在用於導出眼睛跟蹤資料處理中或者被排除在該處理外的區域；

圖8A是根據本發明的實施方式構造和操作的裝置的局部示意性側視圖，該裝置採用單個掃描鏡來同步掃描不可見照明雷射光束和不可見光感測器的視線，經由兩個單獨的光導，採用至少一個分束器來導出人眼的注視方向；

圖8B是根據本發明的實施方式構造和操作的裝置的局部示意性側視圖，該裝置採用單個掃描鏡來同步掃描不可見照明雷射光束和不可見光感測器的視線，經由兩個單獨的光導，採用至少一個分束器，並且針對照明和接收的反射不可見光保持不同的光路來導出人眼的注視方向；以及

圖8C和圖8D示出了用於角度選擇性部分反射的兩個方案，這兩個方案優選地都用於圖8B的裝置中。

本發明是用於向人眼傳遞圖像並且導出人眼的注視方向的裝置。

參照圖式和所附描述，可以更好地理解根據本發明的各種實施方式的裝置的原理和操作。

現在參照圖式，圖1A至圖1D示意性地示出了用於向人眼傳遞圖像並且導出人眼的注視方向的裝置。圖像光和眼睛跟蹤光二者優選地通過同一二維孔徑擴展光導來傳遞。圖1A和圖1B示出了照明光路。具體地，圖中示出了由透明材料形成的光導佈置，該光導佈置包括：第一光導區域10，其具有用於通過內反射引導光的一對平行面11a、11b；以及第一組部分反射內表面22H、24H。光導佈置還包括第二光導區域20，其具有用於通過內反射引導光的一對平行面12a、12b，並且包括第二組部分反射內表面22V、24V。

圖像投射器102光學耦合到光導佈置，並且被構造為將與準直圖像對應的可見光注入第一光導區域10，以在該對平行面處經由內反射傳播，以通過在第一組部分反射內表面22H處的反射被逐漸重定向以在這對平行面處通過內反射在第二光導區域20內傳播，並且通過第二組部分反射內表面22V被逐漸重定向以從第二光導區域耦出，以供眼睛30觀看。光學感測器佈置125耦合到第一光導區域10，並且被構造用於感測至少一個波長的不可見光。光學感測器佈置125通常包括對所需類型的光(通常是紅外線)敏感的焦平面陣列(Focal Plane： Array，FPA)感測器，其中合適的光學器件(透鏡106)將光聚焦在FPA感測器上，所有這些都是本領域已知的。

該裝置對可見圖像的投射如下。與準直圖像對應的來自圖像投射器102的光耦入第一光導區域10中，以在面11a和11b處經由內反射傳播，通過部分反射內表面22H處的反射被逐漸重定向，以作為光線23在面12a和12b處通過內反射在第二光導區域20內傳播，並且通過部分反射內表面22V被逐漸重定向，以作為光線26從第二光導區域20耦出，以供眼睛30觀看。在第一組實現方式中，第一光導區域10和第二光導區域20是單個連續的光導的區域，在這種情況下，用於圖像投射的光學設計基本上類似於上述PCT專利申請公開第WO 2020/049542 A1號中公開的設計，並且可以通過參照該PCT專利申請公開 來進一步理解。在這裡示出的另一組實現方式中，第一光導區域10還包括垂直於第一對平行表面11a和11b的第二對平行表面11c和11d，從而限定支持通過四重內反射傳播的矩形光導。在這種情況下，用於圖像投射的光學設計基本上類似於上述PCT專利申請公開第WO 2018/065975 A1號中公開的設計，並且可以通過參照該PCT專利申請公開來進一步理解。

與本發明的裝置一起採用的圖像投射器102優選地被構造成生成準直圖像，即，在準直圖像中每個圖像像素的光是具有與像素位置對應的角方向的準直到無窮遠的平行光束。因此，圖像照明跨越與二維角視場對應的角度範圍。

圖像投射器102包括通常被部署成照射空間光調製器例如矽基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)晶片的至少一個光源。空間光調製器調製圖像的每個像素的投射強度，從而生成圖像。替選地，圖像投射器可以包括通常使用快速掃描鏡來實現的掃描佈置，該掃描佈置跨投射器的圖像平面掃描來自雷射光源的照射，同時光束的強度隨著逐像素的運動同步變化，從而針對每個像素投射期望強度。在這兩種情況下，準直光學器件被設置成生成準直到無窮遠的輸出投射圖像。以上部件中的一些或全部通常被佈置在一個或更多個偏振分束器(Polarizing Beam-Splitter，PBS)立方體或本領域所公知的其他棱鏡佈置的表面上。

可以通過任何合適的光學耦合來實現圖像投射器102與第一光導區域10的光學耦合，例如，經由具有傾斜成角度的輸入表面的耦合棱鏡、或者經由反射耦合佈置、經由光導的主外表面之一和/或側邊緣來實現。除非在下面另有說明，否則耦入構造的細節通常對本發明而言並不重要，並且在一些實施方式中被示意性地示出為經由光導部分10的傾斜的側邊緣/端部耦入的非限制性示例。

將理解的是，近眼顯示器10包括各種附加的部件，通常包括用於使圖像投射器102致動的控制器(未示出)，該控制器通常採用來自小型板載電池(未示出)或一些其他合適的電源的電力。控制器包括所有必要的電子部件，如用於驅動圖像投射器的至少一個處理器或處理電路，所有這些都是本領域已知的。

在某些特別優選的實施方式中，這種相同的投射佈置用於傳遞不可見照明以照射眼睛，以達到眼睛跟蹤的目的。為了表述簡單，圖1A和圖1C中未示出用於不可見照明的光源，但是如圖1E所示，可以通過使用另外的分束器502來包括不可見照明的光源包括，並且該分束器502在與感測器125相同的光軸上組合不可見光源500。

實現其中由光導佈置收集光的眼睛跟蹤器帶來了重大的挑戰。具體地，光導佈置被構造為對準直圖像執行二維孔徑擴展以投射到眼睛，而從眼睛的表面反射的光從非常接近光導的點發散。此外，場的不同部分和不同空間位置的光路有很大的不同。這對於準直輸出圖像的傳播來說不是問題，因為準直圖像對路徑長度的差異不敏感，但對於近場成像來說非常有問題的，因為這通常是眼睛跟蹤所需要的。

根據本發明的某些方面，用於眼睛跟蹤的反射光的感測經由光導佈置通過限定用於接收不可見照明的相對較小的孔徑來執行，而不干擾從其朝向眼睛投射可見圖像的大得多的有效孔徑。小孔徑充當一種針孔攝像裝置，特別是當與經由同一孔徑的照明一起使用時，通過由目鏡聚焦在視網膜上並且反射回來的光的逆反射，大大促進了瞳孔跟蹤(根據負責閃光攝影中的“紅眼”效應的同一現象)。下面將討論如何實現這種接收不可見光的小孔徑的兩種不同的技術解決方案。

根據第一種方法，第二組部分反射內表面中的單個部分反射內表面或附加的內表面是不可見光耦入表面24V，該不可見光耦入表面24V被構造為對不可見光進行至少部分反射，以對從眼睛反射的不可見光進行耦入，以在第二光導區域內朝向第一光導區域傳播。除了不可見光耦入表面24V以外的所有第二組部分反射內表面22V優選地對不可見光基本透明。根據圖像投射光學設計，在該上下文中的“基本透明”是指被設計成使紅外反射最小化的表面，並且儘管該表面對可見光有更明顯的反射率(通常超過10%)，但對於相關的波長來說，其紅外透射率通常在90%以上，優選地為95%以上。

同樣，根據這種方法，第一組部分反射內表面中的單個部分反射內表面或附加的內表面是不可見光重定向表面24H，該不可見光重定向表面24H 被構造為對不可見光進行至少部分反射，以將在第一光導區域10內傳播的不可見光朝向光學感測器佈置125重定向。除了不可見光重定向表面24H以外的所有第一組部分反射內表面22H優選地對不可見光基本透明。

在不可見照明沿著與接收不可見照明相同的路徑傳遞的情況下，例如通過使用圖1E的佈置，不可見光線為眼睛跟蹤的目的從源500(優選地為至少一種波長的不可見光，最優選地為紅外線)被注入並且進入第一光導區域10(在本示例中示出為矩形光導，但可以替選地實現為同一光導的延續，如下圖所示)。光沿著第一光導區域10傳播，並且被內部部分反射表面(小平面)22H反射(圖1A中的光線23)出第一光導區域10而進入第二光導區域20，以用於豎直孔徑擴展。由於小平面24H被設計成反射特定的紅外線(Infrared，IR)，因此這種反射被描繪成粗箭頭25，並且是引導至第二光導區域20中的不可見照明的最大來源。如前所述，其他小平面22H優選地具有被設計成使對不可見照明的反射最小化的其多層電介質塗層，但由於設計的限制，通常也會有一些殘留的部分反射。當光線在部分20內傳播時，一些光線26被小平面22V反射出去，而其他光線28被小平面24V反射出光導。這些光線照射眼睛30，其中一些光線被虹膜32反射，一些光線被聚焦在視網膜34上，並且以逆反射(“紅眼”)的效果在同一方向反射回來。

圖1C和圖1D示出了從視網膜36或者從虹膜38到小平面24V上的反射光通過光導部分20到部分10上並且隨後沿部分10由小平面24H反射到接收器125上。儘管光導佈置的其他小平面22V和22H的紅外反射率相對較小，但總的來說，但這些小平面通常將反射光的很大一部分作為光線40V和40H耦出，使得由小平面22H耦入的光中只有少部分(通常在5%-10%的範圍內)到達感測器。

眼睛取向的檢測通常是通過檢測來自眼睛的反射與小平面24的位置之間的相對角度來實現的。在圖2A和圖2B中說明了這種方法。

圖2A示出了從虹膜到主IR反射小平面24V的距離，該主IR反射小平面24V被示意性地表示為孔徑(因為只有落在該小平面上的光才被耦入光導中)。其結果是有效地形成狹縫孔徑，該狹縫孔徑限制了耦入光導中的反射的 不可見照明的豎直尺寸。明顯的是，小平面24V位於相對靠近眼睛的位置，所以角度44V較大。

圖2B示意性地示出了自虹膜起的光束路徑的展開路徑，即從小平面24V反射到小平面24H上，這有效地限定了限制平面內場的到達不可見光感測器佈置的部分的第二孔徑，其對應於檢測光學器件的水平孔徑光闌。(上下文中的“展開”是指如下圖形表示：光線在光導面之一處或內部小平面之一處的每個反射被表示為該光線的直線延續)。連接虹膜位置和24H的線相對於中心線之間限定的角度44H(與44V正交)小於44V，因為相對於圖2A，該光路更長。

總的來說，根據圖2A和圖2B的接收孔徑方法的圖1A至圖1D的實施方式在水平和豎直兩個方向上有效地提供了接收孔徑“光闌”，但由小平面24H和24V限定的這些光闌在不同的平面上與眼睛的光路距離不同。由焦平面陣列感測器125感測到的來自瞳孔的明亮的橢圓逆反射的中心位置允許對眼睛的瞳孔32的水平和豎直位置進行幾何重建。在一些情況下，通過對瞳孔的橢圓形狀的分析和/或在眼睛跟蹤領域已知的其他眼睛跟蹤演算法對這種資訊進行補充，以作為眼睛取向的附加指示。

現在轉向圖2C和圖2D，圖2C和圖2D示出了限定孔徑以感測從眼睛反射的不可見光的替選方法。在結構上，本實現方式中的可見光圖像投射佈置優選地與上面參照圖1A和圖1B描述的佈置基本相似，其中，圖像投射器光學耦合到光導佈置，並且被構造為將與準直圖像對應的可見光注入第一光導區域10，以在一對平行面11a和11b(或者在矩形光導的情況下為4個面)處經由內反射傳播。可見光通過在第一組部分反射內表面(圖1A中的表面22H，在這些視圖中不可見)處的反射而被逐漸重定向，以在一對平行面12a和12b處通過內反射在第二光導區域20內傳播，並且然後通過第二組部分反射內表面22V被逐漸重定向，以從第二光導區域耦出以供眼睛觀看，所有這些都如上面參照圖1A和圖1B所描述的。

本實施方式與上文所述不同的是，用於接收的反射的不可見光的孔徑光闌至少部分地由二向色濾光器56B限定，二向色濾光器56B對可見光基本透明並且對用於眼睛跟蹤的不可見光的波長基本不透明(吸收或反射)。二向色 濾光器56B被部署在第二光導區域20的大部分區域上方，並且避開了孔徑區域中，以限定不可見光的入口孔徑57。

第二組部分反射內表面22V中的至少一個部分反射內表面或附加的內表面被構造為對不可見光進行至少部分反射，以對從眼睛30反射的入射到不可見光入口孔徑57上的不可見光進行耦入，以在第二光導區域20內朝向第一光導區域10傳播。在本實施方式中，優選地使至少兩個小平面22V對不可見光進行部分反射，以確保以大範圍角度通過孔徑57的入射光有效地耦入光導中。同樣，由於這裡限定的孔徑靠近眼睛，因此第一組部分反射內表面22H的多個且通常大部分部分反射內表面優選地對不可見光進行部分反射，以將在第一光導區域10內傳播的不可見光朝向光學感測器佈置125重定向(如圖1C或1E中所示)。

作為使用二向色濾光器來限定二維的孔徑57的替選方案，或者除了使用二向色濾光器來限定二維的孔徑57的替選方案之外，可以通過將小平面52V實現為短的小平面來實現類似的效果，其中小平面的延伸長度(即平行於小平面平面與光導50的主表面的相交線的小平面的長度)是沿同一方向測量的圖像輸出區域的尺寸的一小部分(例如，小於20%，並且優選地小於10%)。在這種情況下，小平面52V本身在兩個維度上限定了孔徑57。

此處可以使用如圖1E的佈置以類似於第一實施方式的方式經由光導傳遞用於眼睛跟蹤的不可見光的照明。替選地，可能特別有利的是提供照明佈置，該照明佈置包括至少一個光源(未示出)，該光源被部署成在照明不通過第二光導區域20的情況下用不可見照明來照射眼睛。例如，這可以通過將一個或更多個紅外發光二極體(Infrared Light Emitting Diode，IR LED)安裝在眼鏡框或者將顯示器支承在用戶的面部附近的其他頭戴式支承結構(未示出)的周圍來實現。這與二向色濾光器的存在一起，大大減少了由光導內的IR照明的散射和/或反射引起的“噪音”量。當照明不是源自用於接收不可見照明的孔徑處(或附近)時，紅眼效應的逆反射將不會指向孔徑，從而產生暗瞳孔圖像，為此要對眼睛跟蹤演算法進行對應的調整，所有這些都是本領域中已知的。可選地，可以在光導20的外部的面上部署與濾光器56B類似但沒有孔徑的附加的二向色濾光器 59，以附加地阻止來自太陽或其他外部來源的IR“噪音”進入光導，同時仍然允許用戶觀看外部場景。

在需要通過光導執行照明的地方(如用於明亮瞳孔眼睛跟蹤)，改進信噪比的替選方法是將照明和接收功能分離成兩個獨立的光導。在圖3A至圖3C中示意性地示出了這種方法。

因此，在圖3A中，示出了用於向人眼傳遞圖像並且導出人眼的注視方向的裝置的光導佈置，其中第一光導區域10和第二光導區域20的佈置與上面參照圖1A和圖1B描述的佈置大致相似，在部分反射表面22H、24H、22V和24V擴展並且耦出自圖像投射器(此處未示出，但與上述投射器102相似)的可見圖像，並且沿類似的光路提供不可見照明，以照射眼睛30以用於眼睛跟蹤，所有這些都如上文參照圖1A和圖1B所描述的。在這裡，第一光導區域10也可以是單獨的矩形光導，光從該矩形光導耦出，進入單獨的板式光導20，或者這兩個光導區域可以被集成到單個二維擴展光導中。在這種情況下，由於光導區域10和20不用於感測，因此圖像和不可見照明的耦入可以使用單個二向色光束組合器執行，用圖1E的照明源500替換圖1A的光學感測器佈置125。從其耦出不可見照明的面積優選地小於從其朝向眼睛耦出的可見圖像的面積，使得大部分的圖像耦出區域在照明耦出區域之外。如上所述，這可以使用部分反射表面24H和24V與表面22H和22V相比的不同屬性以及/或者通過使用選擇性部署的濾光層來阻擋某些區域中的不可見光來實現，如下面進一步詳細描述的。

為了使感測光路中的光學“噪音”最小化，該裝置優選地還包括附加的接收光導50，該接收光導50由透明材料形成並且具有用於通過內反射引導光的一對平行面51a和51b。接收光導50與光導20平行部署(即，它們的主表面平行)。在某些特別優選的實現方式中，接收光導50具體地被部署在光導20與眼睛30之間。優選地被實現為部分反射的二向色內表面52V的耦入構造與接收光導50相關聯，並且構造用於將從眼睛反射的不可見照明進行耦入，以在接收光導50內傳播。最優選地，濾光層56平行於光導20和接收光導50延伸，並且被構造為阻擋不可見光從光導20的圖像耦出區域中的至少大部分區域傳到眼睛，同時允許來自光導20的可見光到達眼睛。濾光層避開了照明耦出區域，從 而允許不可見照明照射眼睛。

由於這種結構，當準直的可見圖像和不可見照明被引入光導10、20，以在第一光導內傳播時，可見圖像由可見圖像耦出佈置22V耦出並且通過接收光導50和濾光層56以被眼睛30觀看到，而不可見照明由不可見照明耦出佈置(表面24V)耦出並且經由接收光導50傳到眼睛，被眼睛部分反射，並且由耦入構造52V耦入接收光導，以在接收光導50內傳播，以由感測器感測以提供用於導出人眼的注視方向的資訊。

在與圖像投射和眼睛照明分離的光導中，接收功能的分離提供了顯著的優勢。在這樣的眼睛跟蹤系統中，限制參數是照射眼睛30的光的強度。出於眼睛安全的考慮，該強度應該盡可能低。照明光通道(圖1A和圖1B)中的損失可以很容易地通過不可見照明源的更高的照明功率輸出來補償，只要保持到達眼睛30的所需的低水準照明強度。然而，反射收集路徑(圖1C和圖1D)中的損失會降低接收感測器125處的信噪比(Signal To Noise，SNR)，從而降低檢測精度。此外，在光導內散射的照明光線可能被接收感測器125收集，並且進一步降低檢測SNR和品質。通過將照明功能和接收功能分離成兩個獨立的光導，可以將可能導致接收光導內散射的部件的數目減少到最小，並且可以在很大程度上防止從照明路徑散射的光進入接收光導。

在圖3A中，接收光導50中的表面52V優選地部分反射IR，但透射可見波長。以這種方式防止由光導10和20投射的可見圖像被破壞。由小平面24V反射的IR光部分通過小平面52V以照射眼睛，而部分照明(箭頭54)被反射到系統外。這種損失並不重要，因為如上所述，這種損失可以通過不可見照明源的高功率照明來補償。

IR濾光塗層56(其對可見光波長基本透明)優選地被應用在光導20與50之間，以防止光線26(圖1B)和來自場景的環境IR光照射眼睛。塗層56在小平面52V的前面有具有開口，使得由小平面24V反射的光可以通過而照射眼睛。從眼睛反射的光(虛線箭頭)撞擊到面52V上，被部分反射並且耦入，在光導部分50中被引導，同時部分通過(光線58)而損失。為了使這種損失最小化，優選地是面52V具有超過50%的高反射率，並且優選地在IR範圍內的 60%-80%中，同時在可見光範圍內保持透明。

在不可見照明耦入接收光導50之後，接收通道的光學佈置可以以類似於圖1C和圖1D中示出的接收光路的方式採用附加的接收光導區域60實現，接收光導區域60可以是單獨的矩形光導或者可以是光導50的延續，所有這些都是根據上文詳述的選項，但這裡的光導區域50和60僅包括對接收光學元件至關重要的元件，從而使接收光路中的光學部件的數目和對應的光散射的可能性最小化。替選地，在某些情況下，接收通道可以採用光學感測器佈置125，該光學感測器佈置125被部署為感測耦入光導50的不可見照明，而不需要進一步重定向，例如採用圖4A或圖4B的佈置，如下文進一步所描述的。

關於濾光層56的位置和構造，有很多選項。在這裡示出的特別優選的實現方式中，濾光層56位於光導20與接收光導50之間(這裡可以根據上下文分別稱為“圖像輸出光導”和接收光導)。濾光層通常是以多層電介質塗層的形式實現的，該電介質塗層被選擇性地直接塗覆到光導之一的面。然後，光導本身被組裝起來，具有小的氣隙，或者更優選地使用低折射率黏合劑直接附接，以在其介面上保持內反射條件。

根據圖3B所示的選項，避開了濾光層的與濾光層實現方式56a中的狹縫孔徑57a對應的區域。該選項特別適合於在類似於上面參照圖2A和圖2B描述的光學佈置中分別經由小平面24V和52V的長度進行照明和感測。

根據圖像實現方式，如圖3C所示，濾光層56b避開的區域對應於孔徑57b，該孔徑的最大尺寸小於圖像耦出區域的最小尺寸，類似於上述圖2C的孔徑57。更優選地，孔徑57b的每個尺寸不超過圖像耦出區域的最小尺寸的約20%。當濾光層如圖所示被部署在兩個光導之間時，優選地為了使進入接收光導50中的散射的紅外照明最小化，孔徑57僅限定照明孔徑，而接收孔徑則由小平面52V和任何內置在光導60(等同於圖2B中的面24H)或光學感測器佈置125(在諸如圖4的佈置情況下)中的平面內孔徑光闌限定。替選地或附加地，濾光層56b或另一類似的層可以被部署在更接近眼睛的光導50的表面上。在這種情況下，孔徑57b以與上面參照圖2C和圖2D描述的類似的方式也用作接收光路的孔徑。

在孔徑57a和57b在從其耦出可見圖像的耦出區域53的背景下，在圖3D和圖3E中分別示出了孔徑57a和57b(分別用於圖3C和圖3D的實現方式)的大小。在這兩種情況下，可見圖像耦出區域53的大部分位於孔徑57a或57b的區域之外。在孔徑57b的情況下，孔徑的最大尺寸小於圖像耦出區域53的最小尺寸。

現在轉向圖4A和圖4B，圖4A和圖4B示出了根據這種構造的簡單的構造，在被小平面52V反射並且在接收光導50內被引導之後，由接收器125檢測反射的不可見光。下面參照圖7A至圖7D進一步討論如何將接收器125與光導50耦合的各種選項。在圖4A的情況下，接收器被放置在光導50的正上方。在一些情況下，出於人體工程學的考慮，可以優選地通過對角線方式實現小平面52V來在不同的方向上反射接收到的光，使得反射朝向拐角，如圖4B所示。在這兩種情況下，接收器孔徑都是用來限定平面內的孔徑光闌，而不是像圖2B中那樣需要對光進行重定向。

圖5A示出了替選情況，即放置矩形引導部分60將來自部分50的光收集到接收器125上。反射器52H(優選地為完美鏡面)將接收到的光束反射以由部分60引導。在這種構造中，反射器52H用作圖2B中所示的平面內(對應於水平方向)的孔徑光闌。

圖5B示出了接收光學器件的替選實現方式，在該實現方式中，元件50是惰性透明光學元件，其被部署為與眼睛成面對關係，以允許觀看場景，並且其中，二向色矩形光導60嵌入透明光學元件50中。具體地，這裡的二向色矩形光導60包括：反射相關波長的不可見光同時對可見光透明的第一對平行的二向色反射器61a和61b；以及反射相關波長的不可見光同時對可見光透明的第二對平行二向色反射器(前後表面平行於光學元件50的前後表面)，第二對平行二向色反射器垂直於第一對平行二向色反射器。由於這種結構，二向色矩形光導60支持不可見光在光導內通過四重內反射傳播，同時允許可見光通過(用於顯示可見圖像和/或用於觀看外部場景)。嵌入透明光學元件50並與二向色矩形光導60的第一端相關聯的平面二向色耦入反射器52H斜向傾斜於第一對平行二向色反射器和第二對平行二向色反射器二者，並且被構造為將從眼睛反射 的不可見光耦入，以在二向色矩形光導內傳播，同時對可見光透明。光學感測器佈置125與二向色矩形光導的第二端相關聯，並且被部署為感測不可見光。

圖6A示出了如下構造：側向反射器62S被集成到與面52V相同的板式光導部分中。在這裡示出的非限制性但優選的情況下，側向反射器62S相對較大，並且孔徑光闌由光學感測器佈置125的入口限定。替選地，較小的反射器62S可以用於限定平面內(水平的)的孔徑光闌，在這種情況下，使用較大的感測器佈置孔徑。

圖6B示出了圖6A的實現方式的變體，在該變體中，反射器62M是實現類似於反射器62S的功能的多個反射器。在這種情況下，優選的是採用至少部分交疊關係的部分反射器，使得某些光線被多於一個的反射器62M部分反射。

圖7A至圖7D進一步闡述了感測器/接收器，以及該感測器/接收器如何耦合到光導和接收信號的不同選項。圖7A示出了附接到棱鏡72的光導70(可以對應於任何前述實現方式中的部分50或部分60)的示意圖，棱鏡72將光線反射到接收器125A上。棱鏡72的變體和替選實現方式與本領域已知的用於將圖像從圖像投影耦入光導中的各種不同的耦合構造平行。例如，棱鏡可以被放置在光導70的上方和/或用於耦入矩形光導中，棱鏡可以包括角反射器。感測器/接收器125A優選地包括聚焦光學器件74A和FPA感測器矩陣76A。該矩陣優選地將落在其像素上的紅外光功率轉換為數位信號以進行處理。

在這種構造中，如果光導70是平的(板式)光導，或者如果光導70是矩形光導而棱鏡72是角棱鏡，則在光導70中以相同角度傳播的所有光束將被聚焦到單個光斑中，如圖7C的輸出圖像80A示意性示出的。

圖7B示出了更緊湊的構造，其中接收器125B直接附接到光導70的一側或端部而沒有耦合棱鏡。在這種情況下，透鏡74B非常小，接收器76B也非常小。然而，如果光導70是平的(板式)光導，則光導中的光束傳播將在接收器76B上產生兩個光斑，位於對稱軸的相對側，如圖7C中的輸出圖像80B所示。如果光導70是矩形光導60，則單個光束方向將分成四個，如輸出圖像 80C所示具有兩個正交的對稱軸。

雖然光斑的位置根據光導的對稱性而相互關聯，但輸出圖像80B和80C中的光斑可能具有不同的功率分佈(在圖7C中表示為不同的光斑大小)，並且在一些情況下，一些光斑的功率可以忽略不計。因此，在導出用於眼睛跟蹤的光束方向時，最好考慮到所有對應的光斑。例如，這可以通過鏡面對稱軸的相對側上的圖像的鏡面求和來實現。

根據感測器的確切部署、耦入幾何形狀和可能的眼睛位置的範圍，並非到達檢測器的所有光都必然對應於從眼睛反射的光的允許的光傳播路徑。優選地，通過電子過濾和/或適當的光學設計，將不與有效眼睛跟蹤反射對應的其他角度傳播的光從感測到的圖像中排除。

圖7D示出了從與如圖7B所示的矩形波導的端部相關聯的檢測器接收的並與輸出圖像80C對應的圖像的示例。這裡，預計對應於從眼睛反射並耦入光導的光的適當圖像的標稱範圍被指定為100A。由於反射器表面52H和52V的傾斜，因此四個圖像從接收器中心偏移。在指定的100B的區域中的落在更靠近該圖像的中心的任何接收圖案優選地被電子過濾掉，即在後續處理期間被忽略。較大的離軸角也會被電子過濾掉，和/或可以通過超過由邊距100C指示的全內反射(Total Internal Reflection，TIR)限制而被光學排除。

通過在反射器52V和52H上使用適當的電介質塗層設計，以僅反射關注的角度(即與收集來自眼睛的反射相關的角度)，可以進行附加光學過濾。通過一個非限制性示例，如果眼球中心距離波導30mm並且瞳孔位置(“眼動箱”)的預期運動範圍約為10mm，則角度範圍約為10度，並且小平面的傾斜度可以為60度(例如)。在該示例中，反射塗層應當優選地被優化為以與小平面的法線成4度與20度之間的入射角反射相關波長的紅外線，而在該範圍之外具有低反射率。任何殘留的反射優選地如上所述進一步被電子過濾。

現在轉向圖8A至圖8D，可以使用生成允許的(眼睛安全的)強度的紅外照明光束的掃描雷射器來在眼睛跟蹤中實現更好的信噪比，因為該光束可以更有效地從散射光中區分出來。圖8示出了如下實現方式：在一個或兩個 維度上掃描的單個掃描鏡用於同時和同步地掃描通過照明光導(圖像輸出光導區域10和/或20)的雷射光束，並且經由光導區域50和/或60掃描感測器的視線。

因此，圖8A示出了光源(優選地是IR雷射器)2，光源2照射偏振分束器(PBS)82，然後入射到掃描鏡84上。反射的和掃描的光通過另一個組合器(優選地是另一個PBS)到達照明光導10或20上。可見光可以與該光束組合，以通過光導生成觀察到的虛擬影像。

來自光導部分50或60的接收光束在PBS 86處與透射光組合。如果接收到的光是非偏振的，則50%會在該PBS處丟失。接收到的光束在掃描鏡84上被“掃描”，並且在PBS 82處與透射光束解耦，以由單個檢測器88檢測。

圖8B示出了用於使用單個掃描鏡實現對透射的雷射光束和檢測器的觀察方向二者進行掃描而不需要透射和接收的光束沿著交疊的路徑行進的替選架構。在這種情況下，投射的光束和觀看方向的角度變化相對於光導表面是不對稱的。具體地，如果在觀看時順時針旋轉掃描鏡84，將導致透射的光束對光導10或20的表面呈現更陡峭的傾斜，而感測器的觀看方向的角度變得更淺。然而，這種反向的角度關係可以通過針對光導20的耦出小平面和光導50的耦入表面採用對角選擇性反射塗層來補償，如參照圖8C和圖8D說明的。

具體地，在基於光導的顯示器的設計中，眾所周知，用於朝向觀看者的眼睛耦出圖像的內部部分反射表面(小平面)應該被實現為具有角度選擇性的反射率。當圖像在光導200內傳播時，由於光在光導的前後表面202、204處反復反射，因此主圖像與反轉的圖像共存。為了使重影圖像的形成最小化以及能量損失最小化，在與所需圖像對應的角度範圍內，小平面206應該是部分反射的，而在與反轉圖像對應的角度範圍內，小平面應該是基本透明的。(這裡的“所需圖像”是指在耦出後生成的需要輸出圖像的圖像)。在圖像顯示系統的設計中，這提出了兩個不同的選項，如圖8C和圖8D所示。在圖8C的情況下，示出的小平面對“向上”傳播圖像208a(如圖所示的取向)基本上是透明的，而對“向下”傳播的圖像(如圖所示)208b的耦出則是部分反射的。相比之下，根據圖像顯示的替選設計，圖8D示出了如下情況：小平面被實現為部分反射，以耦出“向 上”傳播圖像208a，同時對“向下”傳播的圖像208b基本透明。這種角度選擇性是通過設計合適的多層電介質塗層來實現的，這在本領域是已知的，也適用於上述所有的實施方式。

在圖8B的系統的背景中，兩個光導中的掃描角度之間的反轉關係可以通過根據這些方案之一(即，根據圖8D)在光導20中採用耦出小平面來補償，而耦入表面52V則根據圖8C的方案使用塗層和小平面角來實現。其結果是反轉由掃描鏡的運動產生的不對稱性，從而確保掃描光束輸出方向和與檢測器88對準的感測方向在掃描鏡的整個運動過程中保持同步。

在整個上述描述中，所有對裝置使用的取向的提及，如“水平”或“豎直”，僅用作非限制性的示例，以利於在示出的取向上理解本發明。然而，這些裝置都可以用在最適合給定應用和一組設計考慮的任何取向上，包括被稱為“水平”的方向被豎直或以任何中間取向來部署的情況。

無論圖像從光導朝向觀察者的眼睛輸出到何處，應當注意，可以結合具有折射光學能力的元件，以限定全部或部分投射圖像的表觀觀看距離和/或提供用戶所需的折射校正。在靠近光導的地方部署這樣的折射元件通常不會影響本文所述的眼睛跟蹤佈置的操作。

將理解的是，以上描述僅旨在用作示例，並且在所附申請專利範圍中限定的本發明的範圍內，可以有許多其他的實施方式。

10:第一光導區域/光導部分/近眼顯示器/部分/光導

20:第二光導區域/部分/光導部分/光導/板式光導

24V:面

30:眼睛

50:光導/光導部分/光導區域/部分/光學元件

52V:面/反射器

54:箭頭

56:濾光層(IR濾光塗層)

58:光線

60:光導區域/光導/部分/光導部分

Claims (17)

1. 一種用於向人眼傳遞圖像並且導出所述人眼的注視方向的裝置，所述裝置包括：

   (a)圖像輸出光導，其由透明材料形成，並且具有用於通過內反射引導光的一對平行面，所述平行面中的一個被部署為與所述眼睛成面對關係；

   (b)可見圖像耦出佈置，其與所述圖像輸出光導相關聯，並且被構造為將在所述圖像輸出光導內傳播的與可見圖像對應的可見光從圖像耦出區域朝向所述眼睛耦出以供所述眼睛觀看；

   (c)不可見照明耦出佈置，其與所述圖像輸出光導相關聯，並且被構造為將在所述圖像輸出光導內傳播的至少一個波長的不可見照明從照明耦出區域耦出，所述圖像耦出區域的大部分在所述照明耦出區域的外部；

   (d)接收光導，其由透明材料形成，並且具有用於通過內反射引導光的一對平行面，所述接收光導被部署為平行於所述圖像輸出光導並且在所述圖像輸出光導與所述眼睛之間；

   (e)耦入構造，其與所述接收光導相關聯，並且被構造為將從所述眼睛反射的不可見照明耦入，以在所述接收光導內傳播；以及

   (f)濾光層，其與所述圖像輸出光導和所述接收光導平行地延伸，所述濾光層阻止所述不可見光從所述圖像輸出光導的所述圖像耦出區域的至少大部分傳遞到所述眼睛，同時允許來自所述圖像輸出光導的可見光到達所述眼睛，所述濾光層避開所述照明耦出區域，

   使得當所述至少一個波長的準直可見圖像和不可見照明被引入所述圖像輸出光導以在所述圖像輸出光導內傳播時，所述可見圖像由所述可見圖像耦出佈置耦出並且通過所述接收光導和所述濾光層以被所述眼睛觀看，並且所述不可見照明由所述不可見照明耦出佈置耦出並且經由所述接收光導傳遞到所述眼睛，被所述眼睛部分反射，並且由所述耦入構造耦入所述接收光導，以在所述接收光導內傳播，以由感測器進行感測，以提供用於導出所述人眼的注視方向的資訊。
2. 如請求項1所述的裝置，其中，所述濾光層在所述圖像輸出光導與所述接收光導之間。
3. 如請求項1所述的裝置，其中，所述濾光層避開的區域對應於狹縫孔徑。
4. 如請求項1所述的裝置，其中，所述濾光層避開的區域對應於孔徑，所述孔徑的最大尺寸小於所述圖像耦出區域的最小尺寸。
5. 如請求項1所述的裝置，其中，所述耦入構造包括在所述接收光導內部並與所述一對主面傾斜成角度的表面，所述表面對可見光透明並且對所述至少一個波長的不可見照明部分地反射，並且其中，所述不可見照明耦出佈置被部署為將所述不可見照明從所述圖像輸出光導耦出，以通過所述耦入構造。
6. 一種用於向人眼傳遞圖像並且導出所述人眼的注視方向的裝置，所述裝置包括：

   (a)圖像輸出光導，其由透明材料形成，並且具有用於通過內反射引導光的一對平行面，所述平行面中的一個被部署為與所述眼睛成面對關係；

   (b)可見圖像耦出佈置，其與所述圖像輸出光導相關聯，並且被構造為將在所述圖像輸出光導內傳播的與可見圖像對應的可見光從圖像耦出區域朝向所述眼睛耦出以供所述眼睛觀看；

   (c)不可見照明耦出佈置，其與所述圖像輸出光導相關聯，並且被構造為將在所述圖像輸出光導內傳播的至少一個波長的不可見照明從照明耦出區域耦出，所述圖像耦出區域的大部分在所述照明耦出區域的外部；

   (d)接收光導，其由透明材料形成，並且具有用於通過內反射引導光的一對平行面，所述接收光導被部署為平行於所述圖像輸出光導；

   (e)耦入表面，其在所述接收光導的內部並且與所述一對主面傾斜成角度，所述表面對可見光透明並且對所述至少一個波長的不可見照明至少部分地反射，所述耦入表面在所述平行面之一上的投影具有長度和寬度，所述長度是所述寬度的至少10倍；

   (f)感測器佈置，其用於感測所述至少一個波長的不可見照明；以及

   (g)平面內孔徑限制反射器，其垂直於所述接收光導的所述一對主面，所述孔徑限制反射器對所述至少一個波長的不可見照明進行反射，並且被部署為對由所述耦入表面耦入所述接收光導並且在所述接收光導內傳播的不可見照明進行重定向，以朝向所述感測器佈置傳播。
7. 如請求項6所述的裝置，其中，所述平面內孔徑限制反射器位於所述接收光導內，並且所述感測器佈置光學耦合到所述接收光導。
8. 如請求項6所述的裝置，其中，所述平面內孔徑限制反射器與位於所述接收光導附近的第三光導相關聯，並且其中，所述感測器佈置光學耦合到所述第三光導。
9. 如請求項8所述的裝置，其中，所述第三光導是具有第一對相互平行的主表面和第二對相互平行的主表面的矩形光導，所述第二對主表面垂直於所述第一對主表面，並且其中，所述平面內孔徑限制反射器被部署為對所述不可見照明進行耦合，以在所述第一對主表面和第二對主表面處通過四重內反射在所述矩形光導內傳播。
10. 一種用於向人眼傳遞圖像並且導出所述人眼的注視方向的裝置，所述裝置包括：

    (a)光導佈置，其由透明材料形成，所述光導佈置包括：

    (i)第一光導區域，其具有用於通過內反射引導光的一對平行面，所述第一光導區域包括第一組部分反射內表面，以及

    (ii)第二光導區域，其具有用於通過內反射引導光的一對平行面，所述第二光導區域包括第二組部分反射內表面；

    (b)圖像投射器，其光學耦合到所述光導佈置並且被構造為將與準直圖像對應的可見光注入所述第一光導區域中，以在所述一對平行面處經由內反射傳播，以通過所述第一組部分反射內表面處的反射來逐漸重定向，以在所述一對平行面處通過內反射在所述第二光導區域內傳播，並且通過所述第二組部分反射 內表面逐漸重定向，以從所述第二光導區域耦出以供所述眼睛觀看；以及

    (c)光學感測器佈置，其耦合到所述第一光導區域，並且被構造為感測至少一個波長的不可見光，

    其中，所述第二組部分反射內表面中的單個部分反射內表面或附加內表面是不可見光耦入表面，所述不可見光耦入表面被構造為對所述不可見光至少部分反射，以將從所述眼睛反射的不可見光耦入，以在所述第二光導區域內朝向所述第一光導區域傳播，除所述不可見光耦入表面外的所有所述第二組部分反射內表面對所述不可見光透明，

    並且其中，所述第一組部分反射內表面中的單個部分反射內表面或附加內表面是不可見光重定向表面，所述不可見光重定向表面被構造為對所述不可見光至少部分反射，以將在所述第一光導區域內傳播的不可見光朝向所述光學感測器佈置重定向，除所述不可見光耦入表面外的所有所述第一組部分反射內表面對所述不可見光透明。
11. 如請求項10所述的裝置，其中，所述第一光導區域和所述第二光導區域是單個連續光導的區域。
12. 如請求項10的裝置，其中，所述第一光導區域還包括垂直於所述一對平行表面的第二對平行表面，從而限定支持通過四重內反射傳播的矩形光導。
13. 一種用於向人眼傳遞圖像並且導出所述人眼的注視方向的裝置，所述裝置包括：

    (a)光導佈置，其由透明材料形成，所述光導佈置包括：

    (i)第一光導區域，其具有用於通過內反射引導光的一對平行面，所述第一光導區域包括第一組部分反射內表面，以及

    (ii)第二光導區域，其具有用於通過內反射引導光的一對平行面，所述第二光導區域包括第二組部分反射內表面；

    (b)圖像投射器，其光學耦合到所述光導佈置，並且被構造為將與準直圖 像對應的可見光注入所述第一光導區域中，以在所述一對平行面處經由內反射傳播，以通過所述第一組部分反射內表面處的反射來逐漸重定向，以在所述一對平行面處通過內反射在所述第二光導區域內傳播，並且通過所述第二組部分反射內表面逐漸重定向，以從所述第二光導區域耦出以供所述眼睛觀看；

    (c)光學感測器佈置，其耦合到所述第一光導區域，並且被構造為感測至少一個波長的不可見光；以及

    (d)二向色濾光器，其對可見光透明並且對至少一個波長的不可見光不透明，所述二向色濾光器被部署在所述第二光導區域的大部分區域上方，並且避開孔徑區域，以限定不可見光入口孔徑，

    其中，所述第二組部分反射內表面中的至少一個部分反射內表面或附加內表面被構造為對所述不可見光至少部分反射，以將從所述眼睛反射的入射在所述不可見光入口孔徑上的不可見光耦入，以在所述第二光導區域內朝向所述第一光導區域傳播，

    並且其中，所述第一組部分反射內表面中的至少大部分部分反射內表面對所述不可見光是部分反射，以將在所述第一光導區域內傳播的不可見光朝向所述光學感測器佈置重定向。
14. 如請求項13所述的裝置，其中，所述第一光導區域和所述第二光導區域是單個連續光導的區域。
15. 如請求項13所述的裝置，其中，所述第一光導區域還包括垂直於所述一對平行表面的第二對平行表面，從而限定支持通過四重內反射傳播的矩形光導。
16. 如請求項13所述的裝置，還包括照明佈置，所述照明佈置包括至少一個光源，所述光源被部署為用不可見照明照射所述眼睛，所述不可見照明不通過所述第二光導區域而到達所述眼睛。
17. 一種用於跟蹤人眼的觀看方向的裝置，所述裝置包括：

    (a)透明光學元件，其被部署為與所述眼睛成面對關係，以允許觀看場景；

    (b)二向色矩形光導，其嵌入在所述透明光學元件中，所述二向色矩形光導包括：第一對平行的二向色反射器，其反射至少第一波長的不可見光，同時對可見光透明；以及第二對平行二向色反射器，其反射所述至少一個第一波長的不可見光，同時對可見光透明，所述第二對平行的二向色反射器垂直於所述第一對平行的二向色反射器，以支持所述不可見光在所述二向色矩形光導內通過四重內反射傳播；

    (c)平面二向色耦入反射器，其嵌入在所述透明光學元件中並且與所述二向色矩形光導的第一端相關聯，所述耦入反射器斜向傾斜於所述第一對平行的二向色反射器和所述第二對平行的二向色反射器二者，並且被構造為將從所述眼睛反射的不可見光耦入，以在所述二向色矩形光導內傳播同時對可見光透明；以及

    (d)光學感測佈置，其與所述二向色矩形光導的第二端相關聯，並且被部署為感測所述不可見光。

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