用于XR頭顯的眼動(dòng)追蹤技術(shù)正在迅速發(fā)展。追蹤眼動(dòng)和確定用戶(hù)注視方向的一種技術(shù)包括分析指向用戶(hù)眼睛和從用戶(hù)眼睛反射的紅外光信號(hào)。例如，頭戴式顯示器可以配備一個(gè)或多個(gè)紅外光源，從不同的方向向用戶(hù)的眼睛發(fā)射紅外光。從用戶(hù)眼睛反射出來(lái)的紅外光（閃爍）可以由傳感器檢測(cè)到，并用于確定用戶(hù)眼睛的XYZ位置和注視方向。

為了提高紅外眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和處理能力，通常需要在用戶(hù)的眼睛周?chē)胖脦讉€(gè)不同的紅外光源，以在角膜產(chǎn)生不同的閃爍。

遺憾的是，傳統(tǒng)的XR系統(tǒng)在紅外光源可以定位方面存在一定的限制。特別是，傳統(tǒng)系統(tǒng)歷來(lái)將紅外光源定位在頭顯的外圍邊緣或其他安裝了實(shí)際顯示透鏡和屏幕的結(jié)構(gòu)中。這種紅外光源的外圍位置并不總是最佳，并且需要使用更多的光源和/或更大、更強(qiáng)大的光源。如果光源可以相對(duì)于用戶(hù)眼睛的虹膜放置得更近或更優(yōu)，則不需要使用其他光源。

有XR系統(tǒng)嘗試將紅外光源放置在遠(yuǎn)離顯示屏邊緣的位置，并放在用戶(hù)視場(chǎng)之內(nèi)以靠近眼睛。但這種類(lèi)型的現(xiàn)有系統(tǒng)存在問(wèn)題，因?yàn)樗鼈儠?huì)對(duì)混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境的用戶(hù)視角造成視覺(jué)障礙。特別是，現(xiàn)有的紅外光源通常尺寸在1.0毫米至4.0毫米直徑/寬度范圍內(nèi)。這樣的尺寸非常明顯，特別是當(dāng)定位在用戶(hù)視場(chǎng)中時(shí)。至少出于這個(gè)原因，大多數(shù)傳統(tǒng)系統(tǒng)只將紅外光源定位在透鏡/顯示器外圍邊緣的次優(yōu)位置。

鑒于這個(gè)問(wèn)題，微軟名為“Microled based invisible illumination for eye tracking”的專(zhuān)利申請(qǐng)中提出了一種解決方案。特別是，微軟表示所述發(fā)明允許紅外光源以相對(duì)于用戶(hù)眼睛/虹膜和相應(yīng)攝像頭傳感器的最佳方向直接定位在頭顯透鏡的查看區(qū)域之內(nèi)，同時(shí)不會(huì)妨礙用戶(hù)對(duì)混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境的感知。

這家公司指出，方法是利用具有在任何給定方向小于100 μm的紅外μLED的照明透鏡結(jié)構(gòu)，因?yàn)榧幢闱度氲筋^顯的透鏡中，用戶(hù)都無(wú)法感知到這種uLED，所以在使用過(guò)程中不會(huì)阻礙或干擾頭顯對(duì)混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境的呈現(xiàn)。

現(xiàn)在將注意力轉(zhuǎn)向圖1，頭顯配置為根據(jù)由攝像頭130或其他傳感器捕獲的光反射（閃爍）執(zhí)行眼動(dòng)追蹤。例如在使用過(guò)程中，光圍繞著用戶(hù)眼睛的光源發(fā)出(。光線發(fā)出后，閃光從用戶(hù)的眼睛（特別是用戶(hù)的虹膜）反射，并由攝像頭檢測(cè)到。

根據(jù)感知到的光的強(qiáng)度/強(qiáng)度，相對(duì)于光發(fā)出的光源/時(shí)間，頭顯光處理模塊可以檢測(cè)用戶(hù)眼睛/虹膜的定位（相對(duì)位置和方向）。

系統(tǒng)攝像頭/傳感器捕獲的圖像的額外處理可用來(lái)區(qū)分用戶(hù)的瞳孔和虹膜。這種圖像可以幫助系統(tǒng)繪制用戶(hù)眼睛的位置和用戶(hù)眼睛相對(duì)于投影全息圖或其他對(duì)象的方向/注視。系統(tǒng)同時(shí)可以利用戶(hù)眼睛的位置來(lái)支持混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境，在所需位置定位和重新投影全息圖。

圖2示出用戶(hù)眼睛200的表示，其中紅外光源210向用戶(hù)眼睛200發(fā)射紅外光220。紅外光反射回來(lái)作為鏡面反射和散射反射。圖2同時(shí)顯示了如何放置攝像頭250或其他傳感器以檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)反射。

通過(guò)光源的位置、光源發(fā)出光的時(shí)間、攝像頭的位置以及從用戶(hù)眼睛反射的檢測(cè)光反射的測(cè)量強(qiáng)度和時(shí)間，系統(tǒng)可以確定用戶(hù)眼睛/虹膜的相對(duì)定位。這是因?yàn)楣饩€在用戶(hù)眼睛的不同部位反射的不同，例如它在角膜的瞳孔和虹膜區(qū)域的反射不同于鞏膜。這種差異的檢測(cè)和測(cè)量是基于反射是鏡面反射或散射反射。

為了光源能夠優(yōu)化定位，例如靠近用戶(hù)的角膜，需要將光源定位在合適的位置。但遺憾的是，傳統(tǒng)的紅外光源太大（例如1-4毫米），無(wú)法在用戶(hù)的視場(chǎng)范圍內(nèi)定位而不會(huì)對(duì)用戶(hù)通過(guò)透鏡查看環(huán)境造成阻礙。

為了幫助解決這些問(wèn)題，微軟提出可以采用配置有紅外μLED的照明透鏡。通過(guò)這種配置，可以將光源最佳地放置在靠近用戶(hù)眼睛的位置，而不必考慮頭顯安裝結(jié)構(gòu)的物理形狀因素所施加的現(xiàn)有限制。

圖3示出具有以網(wǎng)格方式排列的16個(gè)紅外μLED的紅外μLED透鏡結(jié)構(gòu)300。紅外μLED放置在透明襯底310之上，沿著導(dǎo)電跡線320在陽(yáng)極端和陰極端之間形成電路。例如，當(dāng)電路由頭顯的電源供電時(shí)，電源可以電連接到陽(yáng)極和陰極端子并由照明控制單元控制，紅外μLED將激活并發(fā)出紅外光。

紅外μLED的發(fā)光波長(zhǎng)在790 μm ~ 1mm之間。在優(yōu)選實(shí)施例中，紅外μLED發(fā)射波長(zhǎng)約為800-900 μm的光，甚至更優(yōu)選地發(fā)射波長(zhǎng)約為850 μm的光。

圖4A-4D顯示了不同照明透鏡結(jié)構(gòu)的不哦她那個(gè)紅外μLED數(shù)量不同。具體地說(shuō)，在圖4A，紅外uLED的分布模式有點(diǎn)圓形/橢圓形，但在圖4C中有點(diǎn)矩形，在圖4D中有點(diǎn)菱形。另一方面，圖4B所示的實(shí)施例包括兩種不同的圖案，圓形/橢圓形的外部圖案和三角形的內(nèi)部圖案。

另外，照明透鏡結(jié)構(gòu)400A由6個(gè)紅外uLED組成，而照明透鏡結(jié)構(gòu)400C和400D各由8個(gè)紅外uLED組成。照明透鏡結(jié)構(gòu)400B包含19個(gè)紅外uLED。

紅外uLED的不同數(shù)量和模式可以改變，以適應(yīng)不同的需求和偏好。

在圖5中，頭顯500配置有透明照明透鏡結(jié)構(gòu)510，透鏡結(jié)構(gòu)510具有多個(gè)紅外μLEDs 540。如圖所示，紅外μLEDs 540呈圓形分布，每個(gè)眼睛和晶狀體區(qū)域各8個(gè)。不同的紅外μLEDs 540可以選擇接在單個(gè)電路或兩個(gè)或更多不同的電路。形成電路的電跡線沒(méi)有顯示出來(lái)。

在使用期間，從紅外uLED發(fā)出的光將至少部分地指向用戶(hù)的眼睛，并且光將反射回來(lái)并由設(shè)備攝像頭530檢測(cè)到。

圖6示出一副眼鏡600的實(shí)施例，眼鏡600具有包括四個(gè)紅外uLED的第一透明照明透鏡結(jié)構(gòu)610和包括八個(gè)紅外uLED的第二透明照明透鏡結(jié)構(gòu)620。

這個(gè)例子用來(lái)說(shuō)明頭顯的兩側(cè)不一定要有匹配/對(duì)稱(chēng)的紅外uLED分布。無(wú)論紅外uLED的數(shù)量和分布如何，應(yīng)當(dāng)理解的是，在使用期間，從紅外uLED發(fā)出的光將至少部分地指向用戶(hù)的眼睛，并且光可以反射回來(lái)并由設(shè)備攝像頭630檢測(cè)到。

在相關(guān)實(shí)施例中，圖7所示的頭顯系統(tǒng)700包括具有遮陽(yáng)板的透明照明透鏡結(jié)構(gòu)710。在這個(gè)例子中，遮陽(yáng)板的一側(cè)有數(shù)個(gè)形成圓形圖案的紅外uLED。遮陽(yáng)板的另一側(cè)有四個(gè)紅外uLED，呈方形分布。

關(guān)于前面所有的例子，紅外uLED沒(méi)有顯示成比例。事實(shí)上，紅外uLED非常小（<100 μm），就像跡線的厚度一樣，如果按比例表示，它們?cè)诋?dāng)前的插圖中看不出來(lái)。

同樣是因?yàn)榧t外LED非常小，所以它們可以用來(lái)用紅外光照亮用戶(hù)的眼睛，并且同時(shí)定位在用戶(hù)通過(guò)的透鏡而不會(huì)阻礙用戶(hù)通過(guò)透鏡的視場(chǎng)。

導(dǎo)電跡線非常薄，寬度小于50 μm，甚至小于25 μm，所以在接近用戶(hù)眼睛使用時(shí)，它們?cè)谝曈X(jué)上并不明顯，基本不可見(jiàn)。這種配置特別有利于使跡線能夠定位在照明透鏡結(jié)構(gòu)內(nèi)部。即便直接定位在用戶(hù)眼睛的前面，它使用過(guò)程中都不會(huì)妨礙用戶(hù)通過(guò)透鏡感知到的環(huán)境視圖。

圖8可視化了用于制造發(fā)明所述照明透鏡結(jié)構(gòu)的制造流程。

如圖所示，制造過(guò)程包括獲得包含一個(gè)或多個(gè)紅外μLED的晶圓810。例如，晶圓810可以是通過(guò)外延生長(zhǎng)或沉積工藝形成的外延晶圓。

圖8所示的工藝800同時(shí)包括獲得用于將紅外uLED轉(zhuǎn)移到其上的襯底820。如圖所示，執(zhí)行轉(zhuǎn)移過(guò)程830以將一個(gè)或多個(gè)紅外uLED轉(zhuǎn)移到已經(jīng)位于襯底820上并且在襯底上形成一個(gè)或多個(gè)不同電路827的導(dǎo)電跡線825。

從襯底上移除并放置在襯底上的紅外μLED的尺寸在任何方向都限制在<100 μm，所以紅外μLED的任何可測(cè)量長(zhǎng)度的最大尺寸都小于100 μm。

紅外uLED的最大尺寸尺寸可以小于75 μm，小于50 μm，甚至小于20 μm。在一個(gè)實(shí)施例中，紅外uLED的最大尺寸尺寸約為10 μm。

跡線的寬度同樣受到限制，厚度不能大于<50 μm、<40 μm、<30 μm，甚至小于20 μm。在一個(gè)實(shí)施例中，跡線寬度約為20 μm。

圖9示出了與配置用于執(zhí)行眼動(dòng)追蹤的流程圖900，其中頭顯包括包含多個(gè)紅外μLED的照明透鏡，并且多個(gè)紅外μLED中的每個(gè)紅外μLED具有<100 μm的最大尺寸。

系統(tǒng)組件控制紅外uLED的照明，從照明透鏡中的一個(gè)或多個(gè)紅外uLED向用戶(hù)的眼睛發(fā)射紅外光。

接下來(lái)，頭顯進(jìn)一步配置為檢測(cè)和處理在使用頭顯期間從用戶(hù)眼睛反射回來(lái)的紅外光的閃爍，并根據(jù)檢測(cè)和處理的閃爍確定用戶(hù)眼睛的定位。

現(xiàn)在將注意力轉(zhuǎn)向圖10，圖10說(shuō)明了與使用多個(gè)紅外uLED制造照明透鏡結(jié)構(gòu)的流程圖1000。

這包括用于獲得透明襯底，將多個(gè)跡線應(yīng)用于透明背板。其中多個(gè)跡線導(dǎo)電，并在陽(yáng)極端子和陰極端子之間形成至少一個(gè)電路。

然后，獲得紅外μLED晶圓，其包含多個(gè)紅外μLED或可單獨(dú)提取為最大尺寸<100 μm的離散紅外μLED的材料。接下來(lái)，將一組一個(gè)或多個(gè)紅外uLED以預(yù)定的模式轉(zhuǎn)移到襯底，并且使得紅外uLED電耦合到底板/襯底上的至少一個(gè)電路。

名為“MicroLED based invisible illumination for eye tracking”的微軟專(zhuān)利申請(qǐng)最初在2023年1月提交，并在日前由美國(guó)專(zhuān)利商標(biāo)局公布。

需要注意的是，一般來(lái)說(shuō)，美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)接收審查后，自申請(qǐng)日或優(yōu)先權(quán)日起18個(gè)月自動(dòng)公布或根據(jù)申請(qǐng)人要求在申請(qǐng)日起18個(gè)月內(nèi)進(jìn)行公開(kāi)。注意，專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)不代表專(zhuān)利獲批。在專(zhuān)利申請(qǐng)后，美國(guó)專(zhuān)利商標(biāo)局需要進(jìn)行實(shí)際審查，時(shí)間可能在1年至3年不等。

文章來(lái)源：映維網(wǎng)

審核編輯：劉清