（映維網Nweon 2022年01月18日）眼動追蹤越發成為頭顯的標準配置，各家廠商都在積極探索精確、輕型、緊湊和高成本效益的眼動追蹤系統。早前映維網已經分享了一系列與所述主題相關的廠商發明，而美國專利商標局日前又公佈了一份名為“Eye-tracking using laser doppler interferometry”的Meta專利申請。具體來說，研究人員提出了一種使用鐳射多普勒干涉法來追蹤眼睛運動的方法，又或者說使用鐳射自混合干涉效應法來追蹤眼睛運動。
據百科，鐳射自混合干涉效應是指：鐳射器的輸出光在被外部物體反射或散射後，其重新反饋回鐳射器的諧振腔內。攜帶外部物體資訊的反饋光與腔內光發生干涉，調製鐳射器的輸出特性。根據特定的對應關係，系統可以實現對目標物的物理測量。與傳統干涉系統相比，自混合干涉系統僅有一個干涉通道，結構簡單、緊湊，易準直，靈敏度高，已廣泛應用於工業測量、科學研究、國防軍事等眾多領域。
團隊指出，所述方法沒有任何影象處理或成像要求，不需要使用諸如外部攝像頭之類的附加光學元件來提供準確的眼動追蹤資訊，從而能夠減小眼動追蹤系統的尺寸和成本。另外，所述方法同時消除了諸如背景濾波之類的附加計算步驟，從而降低了眼動追蹤系統的計算成本和功耗。
概括來說，在一個實施例中，頭戴式顯示裝置包括眼動追蹤裝置和配置為向用戶眼睛傳送一個或多個影象的顯示器。眼動追蹤裝置包括第一光學元件和耦合到第一光學元件的一個或多個處理器。第一光學元件包括第一光源和與第一光源光學耦合的第一光感測器。第一光源具有第一光學腔。
第一光源定位為向用戶眼睛輸出第一相干光，並接收作為反饋光從使用者眼睛返回的第一相干光的至少第一部分。反饋光進入第一光腔並引起第一相干光強度的調製。第一光感測器配置為檢測第一相干光的調製強度，並基於檢測到的第一相干光的強度生成一個或多個第一訊號。一個或多個處理器配置成從一個或多個第一訊號確定使用者眼睛的運動資訊。
圖2是根據示例性系統200的框圖。圖2中所示的系統200包括顯示元件205、成像元件235和輸入介面240，它們各自耦合到主機210。顯示元件205包括電子顯示器215、一個或多個處理器216、眼動追蹤模組217、調整模組218、一個或多個定位器220、一個或多個位置感測器225、一個或多個位置攝像投222、儲存器228、慣性測量單元（IMU）230、一個或多個光學元件260等。
圖3B示出了基於專利實施例的眼動追蹤裝置390，其主要使用自混合干涉術確定關於眼睛340的運動資訊。眼動追蹤裝置390包括一個或多個光學元件392和耦合到一個或多個光學元件392的一個或多個處理器394。一個或多個光學裝置392配置為執行干涉測量，基於干涉測量生成一個或多個訊號，並將一個或多個訊號傳送到一個或多個處理器394。一個或多個處理器394配置為基於從光學元件392接收的一個或多個訊號來確定眼睛340的運動資訊。
在一個實施例中，眼動追蹤裝置390同時包括耦合到光學元件392，並配置為控制光學元件中的光源的操作的電源396。例如，電源396可配置為改變從光學元件392輸出的光的功率或強度。在一個實施例中，電源396耦合到一個或多個處理器394，使得可以由一個或多個處理器394控制電源396的操作。
圖4A-4C、5A-5B和6A-6C示出了對應於光學元件392的示例光學裝置。
如圖4A所示，光學元件400包括光源410（例如鐳射源）和光感測器420（例如光電探測器）。在圖4A-4C中，光感測器420與光源410分開放置。
光源410包括由兩個反射元件（例如反射面412和414）定義的腔416（例如光學腔）。在一個實施例中，反射元件是分散式布拉格反射器。
在一個實施例中，光源410可以是鐳射源，例如垂直腔表面發射鐳射器（VCSEL）或垂直外腔表面發射鐳射器（VECSEL）。
腔416用於產生相干光，光源410定位為向用戶眼睛340輸出至少一部分相干光。表面412為半反射（例如表面412是部分反射和部分透射鏡）。例如表面414的反射率大於表面412的反射率。表面412將朝向腔體416內的表面412傳播的光的一部分反射回表面414，並傳輸朝向腔體416內的表面412傳播的光的一部分。如圖4B所示，從光源410發射透射光作為相干光490。
光源410同時配置為接收作來自使用者眼睛340的至少一部分相干光為反饋光492。反饋光492進入光源410的腔416並干擾腔416內相干光的產生，從而致使所產生的相干光的強度的調製。
參考圖4C，調製相干光494從光源410輸出（例如，從腔416輸出），並且調製相干光494的至少一部分由光感測器420接收和檢測。光感測器420配置成基於調製相干光494的檢測強度生成一個或多個訊號。可以透過分析調製相干光494或基於調製相干光494生成的一個或多個訊號來確定關於眼睛340的運動資訊。
這種測量技術稱為“自混合干涉測量法”，其中相干光（如鐳射束）從目標（如眼睛等目標物件）反射回光源（如鐳射腔），反射光干擾並調製光源內部產生的相干光。可根據調製相干光的強度測量來確定關於目標的位置和/或運動資訊。
在一個實施例中，使用與光源整合的感測器代替與光源分離的感測器。
圖5A和5B是示出了垂直整合光學元件500。光學元件500有時可以稱為干涉儀感測器。如圖5A所示，光學元件500包括光源410和垂直整合的光感測器520（例如光電探測器），其與光源410光學耦合並垂直整合。光源410包括限定空腔416的表面412和414。在圖5A中，兩個表面412和414都是半反射表面（例如部分反射鏡和部分透射鏡），其配置為將腔416內產生的相干光的至少一部分反射回腔416中，並傳輸腔416內產生的光的至少一部分。例如，表面414向光感測器520發射腔體416內產生的相干光的一部分，使得光感測器520可以檢測發射光的強度。
可使用光學元件500代替圖3B所示的光學元件392。參考圖5B，光學元件500配置為經由表面412向用戶眼睛340輸出相干光490。光學元件500同時配置為經由表面412接收來自使用者眼睛340的至少一部分相干光作為反饋光492。由於表面414為半反射，所以在腔416內產生的相干光的至少一部分經由表面414從光源410向垂直整合光感測器520輸出。光感測器520配置為接收經由表面414從光源410輸出的調製相干光494的至少一部分，並基於調製相干光494的檢測強度生成一個或多個訊號。
圖6A-6C是示出了水平整合光學元件600。光學元件600是干涉儀感測器，其包括配置為輸出相干光490的光源410（例如鐳射源）和與光源410水平整合的光感測器620。光源410包括限定腔416的表面412和414。
光學元件600可以用來代替圖3B所示的光學元件392。參考圖6B，光源410配置為經由表面412向用戶眼睛340輸出相干光490。光源410同時配置為經由表面412接收來自使用者眼睛340的至少一部分相干光作為反饋光492。反饋光492經由表面412進入光源410的腔體416，並與腔體416內產生的相干光發生干涉，導致對腔體416內產生的相干光的強度進行調製。調製光494的一部分從腔體416漏出，並由光感測器620檢測。在一個實施例中，濾波器622位於腔體416和光感測器620之間，以衰減從腔體416傳輸到光感測器620的光。
或者，光感測器620在調製光被外部物體（例如目標物體眼睛）反射後檢測調製光。在圖6C中，經調製的相干光494經由表面412從光源410輸出，並且調製相干光494的至少一部分被目標物體（眼睛340）重定向回光學元件600的光感測器620，並且隨後被光感測器620接收和檢測。在一個實施例中，屏障624位於腔體416和光感測器620之間，以阻止光從腔體416傳輸到光感測器620。水平整合光感測器620配置成基於調製相干光494的檢測強度生成一個或多個訊號。可以透過分析調製相干光494或基於調製相干光494生成的一個或多個訊號來確定關於眼睛340的運動資訊。
圖7A示出了使用眼動追蹤裝置390追蹤眼睛運動的示意圖。從光學元件392輸出的相干光490的至少一部分從眼睛340反向反射或反向散射，並在光學元件392處接收作為反饋光492。反饋光492調製光學元件392中的相干光490的強度。關於眼睛340的位置和移動的資訊可以根據調製相干光的強度測量來確定。
圖7B示出了包括多個光學元件392的眼動追蹤裝置390。眼動追蹤裝置390包括多個（例如兩個或更多個）光學元件392，每個光學元件392可對應於光學裝置400、500和600中的任何一個。7B中示出了兩個光學元件392-1和392-2。光學元件392-1的定位使得從光學元件392-1的光源輸出的相干光490-1在x-z平面中入射到眼睛340。相反，光學元件392-2的定位使得從光學元件392-2的光源輸出的相干光490-2入射到y-z平面中的眼睛340。
因此，眼動追蹤裝置390對眼睛340在x和y方向上的位置和移動敏感。透過採用兩個光學元件392-1和392-2，眼動追蹤裝置390能夠在兩個維度（例如在x方向和y方向）確定眼睛位置和眼球運動資訊。例如，相干光490-1由光學元件392-1的光源輸出。由反饋光與相干光490-1的干涉產生的調製相干光由光學元件392-1的光感測器接收。
光學元件392-1的光感測器基於接收調製相干光生成一個或多個訊號。可以使用由光學元件392-1的光感測器生成的一個或多個訊號來確定關於沿x方向的眼球運動資訊。類似地，相干光490-2由光學元件392-2的光源輸出。由反饋光與相干光490-2的干涉產生的調製相干光由光學元件392-2的光感測器接收。光學元件392-2的光感測器基於接收調製相干光生成一個或多個訊號。可以使用由光學元件392-2的光感測器生成的一個或多個訊號來確定關於眼睛沿y方向的運動資訊。
相關專利：Facebook Patent | Eye-tracking using laser doppler interferometry
名為“Eye-tracking using laser doppler interferometry”的Meta專利申請最初在2020年7月提交，並在日前由美國專利商標局公佈。
