Meta AR/VR专利分享一种用于眼动追踪的波长复用波导系统

　　眼动追踪功能扩展了头显为用户提供的服务和交互质量。但当从眼睛外围进行成像时，睫毛和眼睑可以阻挡和抑制从眼睛获得的信号的质量。对眼睛反射的光进行成像的一个优势位置是从眼睛的正前方。然而，将摄像头放在眼睛正前方可能会阻碍用户的视线，并且可能会降低用户使用头显的体验质量。

　　所以在名为“Wavelength multiplexed waveguide system for eye tracking”的专利申请中，Meta介绍了一种用于眼动追踪的波长复用波导系统。简单来说，波长复用波导系统配置为将来自眼睛和/或视窗的多个波长的反射光重定向到图像传感器。通过实现两个或更多个耦入衍射光栅，波长复用波导系统可以检测比传统或其他眼动追踪技术更大的区域的反射光。

　　其中，波导系统将光从透镜组件的场内部分引导到可位于头显框架的图像传感器。另外，波导系统可以使用波长复用衍射光栅将反射的空间位置编码为角度，对视窗区域的部分进行波长编码，并扩展可从中检测反射的视窗区域。

　　头显可以包括至少部分地设置在透镜组件和头显框架中的波长复用波导系统，从而接收来自用户眼睛的光反射。波导系统可以将来自用户眼睛的光反射引导到图像传感器，以实现用户眼睛的无干扰和场内成像。

　　波导系统可包括两个或多个耦入衍射光栅、波导和耦出衍射光栅。耦入衍射光栅可以配置成耦合从眼睛反射到波导的光。所衍射的光反射可以包括第一波长光和第二波长光。波导可以引导光从耦入衍射光栅到耦出衍射光栅。耦出衍射光栅可以配置为将来自波导的第一波长光和第二波长光耦出到图像传感器(例如通过透镜)。

　　每个耦合衍射光栅可以是全息光学元件，并具有多个倾斜光栅平面。所述倾斜光栅平面配置为将每个光线的入射位置映射或编码到TIR角，其中入射位置相对于耦合衍射光栅的表面。

　　换句话说，特定光线的TIR角可以指示在耦合衍射光栅接收光线的位置。然后，可以将耦出衍射光栅配置为基于特定光线的衍射角解码每条光线的入射位置。在一个实施例中，来自耦出衍射光栅的光线的出口角度或出口位置与特定光线的入射位置成比例或相关。耦出衍射光栅可以配置成衍射包括第一波长光和第二波长光的波长带。

　　控制器可以通信耦合到图像传感器以接收来自图像传感器的图像数据。控制器可以使用图像数据来确定眼睛的方向和/或执行一个或多个眼动追踪操作。基于眼睛方向和/或眼动追踪数据，可以将头显配置为执行各种，例如选择性地显示信息和/或提供或调整头显的镜头组件中的多个用户界面元素。

　　耦入衍射光栅和耦出衍射光栅可以实现为透射衍射光栅或反射衍射光栅。透射衍射光栅的工作原理是透射特定波长的光，而不通过或透射其他波长的光。反射式衍射光栅对特定波长的光进行反射，并通过或透射其他波长的光。

　　耦入衍射光栅的表面积和/或体积可以大于耦出衍射光栅的表面积和/或体积，以方便捕获来自视场的光反射，并方便地将光从头显框架内聚焦到图像传感器。

　　每一个耦入衍射光栅(和/或耦出衍射光栅)可以是具有若干倾斜衍射光栅的轧制衍射光栅。倾斜的衍射光栅将光衍射到波导中。倾斜的衍射光栅可以在耦合衍射光栅的第一侧以不同的衍射角衍射光。

　　在一个实施例中，倾斜的衍射光栅可以具有从耦合衍射光栅的第一侧到耦合衍射光栅的第二一侧变化的斜角。倾斜的衍射光栅可以设计或配置为在特定波长范围工作。倾斜衍射光栅可以具有基于衍射角和倾斜衍射光栅的角带宽定义的斜角、光栅线和光栅周期。

　　图9-图13举例说明波长复用波导系统和相关工艺的实施例。其中，波长复用波导系统可以使用多个波长特定的耦合衍射光栅来将反射的空间位置编码为角度，对视窗区域的波长进行编码，以及扩展可检测反射的视窗区域。

　　图9示出了波长复用波导系统900的俯视图图。波长复用波导系统900包括多个耦入衍射光栅，其用于扩展可从中检测反射的视窗区域的尺寸或面积。多入耦合衍射光栅配置成在不同波长的光上工作。多个耦入衍射光栅配置成将接收到的光指向耦出衍射光栅。多个耦入衍射光栅中的每一个都可以具有不同的焦距，以便衍射光聚焦在耦出光栅上。

　　多个耦入衍射光栅可以是波长选择性的VBG，它可以减少或消除两个或多个衍射光栅之间的串扰。耦出衍射光栅可以配置为不具有波长选择性，因此所述耦出衍射光栅可以耦出耦入衍射光栅衍射的任何波长光。在记录过程中，每个衍射光栅可以独立地对每个波长进行曝光，这可以允许调整δn(折射率调制的幅度)，以实现每个耦入衍射光栅的高衍射效率。

　　在一个实施例中，波长复用波导系统900包括设置在波导908中的第一耦入衍射光栅902、第二耦入衍射光栅904和耦出衍射光栅906。

　　第一耦入衍射光栅902位于波导908内，并配置为通过可见光并衍射第一波长光910。第一耦入衍射光栅902配置为以反射或传输方式工作，以使第一波长的光910向耦出衍射光栅906衍射。

　　第一波长光910可以沿着波导908中的第一光路，依靠全内反射TIR向耦出衍射光栅906传播。第一耦入衍射光栅902配置为具有焦距F1，以将第一波长光910聚焦到耦出衍射光栅906。第一耦入衍射光栅902可以具有大于耦出衍射光栅906的表面积，因此，第一耦入衍射光栅902可以配置为沿波导908的纵轴(x轴)以及沿波导908的纵轴(y轴)聚焦第一波长光910。

　　为了将第一波长光910聚焦到耦出衍射光栅906，第一耦入衍射光栅902可以包括若干倾斜光栅平面912。倾斜光栅平面912可以具有从第一耦入衍射光栅902的第一端914到第二端916变化的斜角。倾斜光栅平面912的斜角使第一耦入衍射光栅902能够以不同角度衍射第一波长光910，这取决于光入射到第一耦入衍射光栅902的位置。

　　每个倾斜光栅平面912都具有光栅线和光栅周期，其定义为使第一耦入衍射光栅902通过可见光并衍射第一波长光910。或者，可以将第一耦入衍射光栅902配置为衍射以第一波长光910为中心的波长范围。

　　斜光栅平面912可以向耦出衍射光栅906形成弧形和凹形弯曲，以支持沿波导908的y轴方向的纬度聚焦光。根据实施例，倾斜光栅平面912的弧形曲率可以从具有较小半径的弧形变为具有较大半径的弧形，以支持将第一波长光910聚焦到耦出衍射光栅906。

　　第二耦入衍射光栅904位于波导908内，配置为通过可见光并衍射第二波长光918。第二耦入衍射光栅904位于与第一耦入衍射光栅902相邻。第二耦入衍射光栅904可以与第一耦入衍射光栅902接触，或者在耦入衍射光栅902和904之间可以存在间隙。

　　第一和第二波长光910和918可以被波长的缓冲带隔开，从而减少干扰，并且两种光的波长都可以在红外或近红外范围内。第二耦入衍射光栅904可以配置成以反射或传输方式操作，以向耦出衍射光栅906衍射第二波长光918。第一波长光910可以依靠TIR从第二耦入衍射光栅904沿着波导908中的第二光路向耦出衍射光栅906传播。

　　第二耦入衍射光栅904可以配置为具有焦距F2以将第二波长光918聚焦到耦出衍射光栅906。焦距F2可能比焦距F1短。第二耦入衍射光栅904可以具有大于耦出衍射光栅906的表面积，因此第二耦入衍射光栅904可以配置为沿波导908的纵轴(x轴)以及沿波导908的纵轴(y轴)聚焦第二波长光918。

　　为了将第二波长光918聚焦到耦出衍射光栅906，第二耦入衍射光栅904可以包括若干倾斜光栅平面920。倾斜光栅平面920可以具有从第二耦入衍射光栅904的第一端922到第二端924变化的斜角。

　　倾斜光栅平面920的斜角使第二耦入衍射光栅904能够以不同角度衍射第二波长光918，这取决于光入射到第二耦入衍射光栅904的位置。每个倾斜光栅平面920都具有光栅线和光栅周期，其定义为使第二耦入衍射光栅904通过可见光并衍射第二波长光918。

　　或者，第二耦入衍射光栅904可以配置为衍射以第二波长光918为中心的波长范围(。斜光栅平面920可以向外耦合衍射光栅906形成弧形和凹形弯曲，以支持沿波导908的y轴向纬度聚焦光。倾斜光栅平面920的弧形曲率可以从具有较小半径的弧形变为具有较大半径的弧形，以支持将第二波长光918聚焦到耦出衍射光栅906。

　　耦出衍射光栅906位于波导908中，并配置为接收第一和第二波长光910和918。耦出衍射光栅906可以定位在距离第一耦合衍射光栅902焦距F1的地方，并且可以定位在距离第二耦入衍射光栅904焦距F2的地方。

　　耦出衍射光栅906可以配置成通过可见光并衍射第一和第二波长光910和918。耦出衍射光栅906可以比第一和第二内耦入衍射光栅902和904中的任何一个具有更小的表面积。耦出衍射光栅906的较小表面积使得它能够更容易地隐藏和放置在头显的框架内或框架上。

　　耦入衍射光栅902、904的较大表面积则可实现来自视窗区域或来自用户眼睛的更多光的接收和耦合。

　　尽管波长复用波导系统900描述了两个耦入衍射光栅，但波导908可以包括两个、三个或更多个耦入衍射光栅(每个配置为衍射不同波长的光)，从而扩展可从视窗区域耦合光反射的区域。

　　图10A、10B和10C示出波长复用波导成像系统1000的示例侧视图图。波长复用波导系统1002包括位于波导1010中的第一耦入衍射光栅1004、第二耦入衍射光栅1006和耦出衍射光栅1008。

　　波长复用波导系统1002配置为将来自眼睛204和/或视窗1012的多个波长的反射光重定向到图像传感器104。通过实现两个或更多个耦入衍射光栅，波长复用波导系统1002可以检测来自比传统或其他眼动追踪技术更大的区域的反射光。

　　图10A示出通过第一耦入衍射光栅1004进行光线衍射的示例。第一波长光910可包括代表第一波长光910的光线1014和光线1016。光线1014和1016具有第一波长，第一耦入衍射光栅1004配置为衍射具有第一波长的光。

　　然而，光线1014和1016的传播或传输路径不受第二耦入衍射光栅1006的影响，因为第二耦入衍射光栅1006可以配置为通过具有第一波长的光。为了说明这一点，用折线描绘了第二耦入衍射光栅1006。

　　第一耦入衍射光栅1004接收来自视窗区域1012的第一波长光910。第一耦入衍射光栅1004可以配置为接收来自视窗区域1012的第一部分1018的第一波长光910，第二耦入衍射光栅1006可以配置为接收来自视窗区域1012的第二部分1020的第二波长光918。

　　第一耦入衍射光栅1004在波导1010中衍射光线1014和1016。光线1014和1016在波导1010中反射并传播到耦出衍射光栅1008。耦出衍射光栅1008将光线1014和1016衍射到图像传感器104。

　　图10B示出通过第二耦入衍射光栅1006进行光线衍射的示例。第二波长光918可包括代表第二波长光918的光线1022和光线1024。光线1022和1024具有第二波长，第二耦入衍射光栅1006配置为衍射具有第二波长的光。然而，光线1022和1024的传播或传输路径可以不受第一耦入衍射光栅1004的影响，因为第一耦合衍射光栅1004可以配置为通过具有第二波长的光。为了说明这一点，第一个耦入衍射光栅1004用折线表示。

　　第二耦合衍射光栅1006接收来自视窗区域1012的第二波长光918。第二耦入衍射光栅1006在波导1010中衍射光线1022和1024。光线1022和1024被波导1010反射并在波导1010中传播到耦出衍射光栅1008。耦出衍射光栅1008将光线1022和1024衍射到图像传感器104。

　　图10C示出了通过第一耦入衍射光栅1004和第二耦入衍射光栅1006进行波长复用衍射的示例。基于第一耦入衍射光栅1004和第二耦入衍射光栅1006的结构，第一波长光910和第二波长光918分别被其中一个而不是同时被两个耦入衍射光栅衍射。通过实施两个或多个耦入衍射光栅，波长复用波导成像系统1000可实现包括来自更大的扩展视窗区域1012的眼睛方向信息的场内眼动追踪操作(与传统技术相比)。

　　尽管示出一个耦出衍射光栅，但在其他实施例中，波长复用波导成像系统1000可包括多个耦出衍射光栅。多个耦出衍射光栅可调谐以衍射特定波长的光。例如，第一耦出衍射光栅可以配置为衍射第一波长光，第二耦出衍射光栅可以配置为衍射第二波长光。第一和第二耦出光栅可以并排放置或一个在另一个前面放置。可以包括两个以上的耦出衍射光栅，以便用两个以上波长的光对视窗区域进行波长编码。

　　图12示出与波长复用波导系统1200的光相互作用的透视图。波长复用波导系统1200显示来自视窗区域的光1202。根据实施例，光1202通过具有多个耦入衍射光栅1206的波导1204接收，而波导1206将光1202的部分指向耦出衍射光栅1208。

　　图13示出了表示眼睛反射的空间位置的图1300。光1302和1304表示由多个耦入衍射光栅1206接收的光的空间位置，然后重定向到耦出衍射光栅1208。光1302代表从多个耦入衍射光栅1206中的一个接收的光，而光1304代表从多个耦入衍射光栅1206中的另一个接收的光。由光1302和1304形成的位置、数量和图案可随着眼睛在视窗区域的方向变化而变化。

　　图1300包括映射光的x轴角和y轴角。x轴角表示耦入衍射光栅在波导纵向x轴方向上衍射入射光的衍射角。y轴角度表示入射光沿纬度y轴(朝向波导中心)的衍射。

　　x轴角同时可以表示光束沿波导x轴向耦出衍射光栅的入射角。y轴角可以表示光束沿波导y轴向耦出衍射光栅的入射角。

　　光1302和1304表明，耦入衍射光栅将眼睛反射的空间位置编码或映射到波导内的衍射角，并表明耦入光栅将所述位置解码为指向图像传感器的光。

　　光1302和1302可以表示响应来自耦出衍射光栅的光的图像传感器中的像素团。图1300可用于帮助解码光线的特定反射的起源，并且可视为解码图，从而用于重建视窗区域的图像。另外，由于可以使用不同的波长来照亮视窗的不同部分，因此可以使用不同的波长来编码(从位置到角度)视窗的不同部分。

　　名为“Wavelength multiplexed waveguide system for eye tracking”的Meta专利申请最初在2022年6月提交，并在日前由美国专利商标局公布。