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特表2022-538957光ガイド光学素子を介した眼の画像化に基づくアイトラッキングの装置および方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-09-07
(54)【発明の名称】光ガイド光学素子を介した眼の画像化に基づくアイトラッキングの装置および方法
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20220831BHJP
G02B 5/18 20060101ALI20220831BHJP
H04N 5/64 20060101ALI20220831BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
G02B5/18
H04N5/64 511A
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021564398
(86)(22)【出願日】2020-06-25
(85)【翻訳文提出日】2021-10-28
(86)【国際出願番号】 IL2020050715
(87)【国際公開番号】W WO2020261279
(87)【国際公開日】2020-12-30
(31)【優先権主張番号】62/867,249
(32)【優先日】2019-06-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/869,582
(32)【優先日】2019-07-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】518105275
【氏名又は名称】ルーマス リミテッド
【氏名又は名称原語表記】Ｌｕｍｕｓ Ｌｔｄ．
(74)【代理人】
【識別番号】110000523
【氏名又は名称】アクシス国際特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】エイタン・ロネン
【テーマコード（参考）】
2H199
2H249
【Ｆターム（参考）】
2H199CA04
2H199CA42
2H199CA47
2H199CA48
2H199CA54
2H199CA62
2H199CA64
2H199CA67
2H199CA69
2H199CA86
2H199CA87
2H199CA92
2H199CA96
2H249AA02
2H249AA12
2H249AA62
(57)【要約】
光透過基板が、眼に対向して平行な表面の第１のものを有して配置された平行な表面を有する。光学素子が、第１の表面に関連付けられており、入射光をコリメートするように第１のタイプの入射光に光パワーを印加し、第２のタイプの入射光に実質的に光パワーを印加しない。光カップリング構成が、基板に関連付けられており、基板内を伝播するように第１の表面に入射する第１のタイプのコリメートされた光の一部をカップリングインすることと、基板内を伝播する第２のタイプの光の一部をカップリングアウトすることと、を行うように構成されている。基板に関連付けられた光学系が、第１のタイプのコリメートされた光を光の収束ビームに変換し、収束ビームは、光学センサによって感知される。プロセッサが、光学センサからの信号を処理することにより、眼の現在の注視方向を導出する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
装置であって、内部反射によって光を誘導するための少なくとも２つの平行な主表面を有する光透過基板であって、前記主表面の第１のものが、眼に対向して配置されている、光透過基板と、
前記主表面の前記第１のものに関連付けられた光学素子であって、光学素子は、第１のタイプの入射光に光パワーを印加して前記第１のタイプの前記入射光をコリメートするように、かつ光学素子が、第２のタイプの入射光に実質的に光パワーを印加しないように、入射光の少なくとも１つの特性に従って前記入射光に光パワーを印加するように構成されている、光学素子と、
光カップリング構成であって、前記基板に関連付けられ、
前記光学素子によってコリメートされ前記主表面の前記第１のものに入射する前記第１のタイプの光の一部を、前記基板内を伝播するようにカップリングインすることと、
前記基板内を伝播する前記第２のタイプの光の一部をカップリングアウトすることと、を行うように構成されている、光カップリング構成と、
前記基板に関連付けられ、前記第１のタイプのコリメートされた光を捕捉された光の収束ビームに変換するように構成された光学系と、
前記捕捉された光を感知するように配置された光学センサと、
前記光学センサに電気的に関連付けられ、前記光学センサからの信号を処理して前記眼の現在の注視方向を導出するように構成された少なくとも１つのプロセッサと、を備える、装置。
【請求項2】
前記入射光の少なくとも１つの特性が、前記入射光の偏光方向を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記入射光の少なくとも１つの特性が、前記入射光によって占められる電磁スペクトルの領域を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項4】
前記入射光の少なくとも１つの特性が、前記入射光の偏光方向と、前記入射光によって占められる電磁スペクトルの領域とを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項5】
前記第１のタイプの前記光が、第１の偏光方向に偏光される光の成分を含み、前記第２のタイプの前記光が、第２の偏光方向に偏光される、請求項１に記載の装置。
【請求項6】
前記第１のタイプの前記光が、第１の光スペクトル内にあり、前記第２のタイプの前記光が、第２の光スペクトル内にある、請求項１に記載の装置。
【請求項7】
前記第１のタイプの前記光が、第１の偏光方向に偏光される光の成分を含み、かつ第１の光スペクトル内にあり、前記第２のタイプの前記光が、第２の偏光方向に偏光され、かつ第２の光スペクトル内にある、請求項１に記載の装置。
【請求項8】
前記基板の前記主表面の第２のものに関連付けられた偏光子をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項9】
前記基板が、前記眼からのアイレリーフ距離で前記主表面の前記第１のものを有して配置されており、前記光学素子が、前記アイレリーフ距離にほぼ等しい焦点距離を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項10】
第２の光カップリング構成であって、前記光学系に関連付けられ、前記カップリングアウトされた光が前記光学系によって受け入れられるように、前記基板内を伝播する前記第１のタイプの光の一部をカップリングアウトすることと、
内部反射によって前記基板内を伝播するように、ディスプレイソースから前記第２のタイプの光の一部をカップリングインすることと、を行うように構成されている、第２の光カップリング構成をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項11】
前記第１のタイプの光で前記眼を照明するように配置された照明配置をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項12】
前記第２のタイプのカップリングインしコリメートされた光が前記基板内の内部反射によって伝播し、かつ前記光カップリング構成によって前記基板から前記眼に向かってカップリングアウトされるように、画像に対応する前記第２のタイプのコリメートされた光を前記基板に導入するように前記基板に結合された画像プロジェクタをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項13】
前記画像プロジェクタが、偏光光源からの照明に応答して偏光を生成する反射ディスプレイデバイスを含み、前記反射ディスプレイデバイスによって生成された前記偏光が、前記光学系によってコリメートされる、請求項１２に記載の装置。
【請求項14】
前記光カップリング構成が、前記基板の前記主表面に対して斜めに前記基板内に配置された複数の部分的に反射する表面を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項15】
前記第１のタイプの光が、前記基板内で第１の伝播方向に伝播し、前記第２のタイプの光が、前記基板内で、前記第１の伝播方向と反対の第２の伝播方向に伝播する、請求項１に記載の装置。
【請求項16】
装置であって、内部反射によって光を誘導するための一対の平行な主表面を有する光透過基板であって、前記主表面の第１のものが、見る人の眼に対向して配置されている、光透過基板と、
前記主表面の前記第１のものに関連付けられたレンズであって、
第１のタイプの入射光をコリメートするように前記第１のタイプの前記入射光に光パワーを印加することであって、前記第１のタイプの前記入射光が、第１の光スペクトル内にあり、第１の偏光方向に偏光を有する光の成分を含む、印加することと、
第２のタイプの入射光に実質的に光パワーを印加しないことであって、前記第２のタイプの前記入射光が、第２の光スペクトル内にあり、第２の偏光方向に偏光を有する、印加しないことと、を行うように構成されている、レンズと、
前記第１のタイプの光の一部が前記レンズによってコリメートされるように前記レンズに向かって前記眼によって反射して戻ってくるように、前記第１のタイプの前記光で前記眼を照明するように配置された照明配置と、
光学モジュールであって、
光源からの照明に応答して、画像に対応する前記第２のタイプの光を生成する反射ディスプレイデバイスと、
前記第２のタイプのコリメートされた光を生成するように前記反射ディスプレイデバイスによって生成された前記光をコリメートするように構成された光学系と、
光学センサと、を含む、光学モジュールと、
第１の伝播方向に内部反射によって前記基板内を伝播するように、前記第２のタイプの前記コリメートされた光を前記基板にカップリングするように構成された光カップリング構成と、
前記基板の前記主表面に対して斜めに前記基板内に配置された複数の部分的に反射する表面であって、
前記基板内を前記第１の伝播方向に伝播する前記第２のタイプの光の一部をカップリングアウトすることと、
第２の伝播方向に前記基板内を伝播するように、前記主表面の前記第１のものに入射する前記第１のタイプのコリメートされた光の一部をカップリングインすることと、を行うように構成されており、前記光学カップリング構成が、前記第１のタイプの伝播している光をカップリングアウトするようにさらに構成されている、複数の部分的に反射する表面と、
前記光学センサに電気的に結合された少なくとも１つのプロセッサと、を備え、
前記光学モジュールの前記光学系が、前記光カップリング構成によってカップリングアウトされた前記光を受け入れるように、かつ前記カップリングアウトされた光を捕捉された光の収束ビームに変換するようにさらに構成されており、前記光学センサが、前記捕捉された光を感知するように構成されており、前記少なくとも１つのプロセッサが、前記光学センサからの信号を処理して、前記眼の現在の注視方向を導出するように構成されている、装置。
【請求項17】
装置であって、内部反射によって光を誘導するための少なくとも２つの実質的に平行な主表面を有する第１の光透過基板であって、前記主表面の第１のものが、見る人の眼に対向して配置されている、第１の光透過基板と、
前記主表面に対して斜めに前記第１の基板内に配置された少なくとも部分的に反射する表面であって、内部反射によって前記第１の基板内を伝播するようにカップリングイン領域内の前記主表面の前記第１のものに入射する入射光線をカップリングインするように構成され、前記入射光線が、第１の光スペクトルにあり、前記眼の照明に応答して前記眼から発せられ、前記入射光線が、少なくとも光線の第１のセットおよび光線の第２のセットを含み、光線の前記第１のセットが、第１の次元で前記カップリングイン領域の少なくとも一部にまたがる角度分布を有し、光線の前記第２のセットが、第２の次元で前記カップリングイン領域の少なくとも一部にまたがっている、少なくとも部分的に反射する表面と、
前記第１の基板内を伝播する前記光線をカップリングアウトするように構成されたカップリングアウト配置と、
光学モジュールであって、
少なくとも１つのレンズであって、前記レンズの第１の次元での第１の焦点距離および前記レンズの第２の次元での第２の焦点距離を有し、
光線の前記第１のセットに対応する前記カップリングアウトされた光線を、光線の前記第１のセットの角度分布を示す前記角度分布を有する捕捉された光の非収束ビームに変換することと、
光線の前記第２のセットに対応する前記カップリングアウトされた光線を、捕捉された光の収束ビームに変換することと、を行うように構成されている、少なくとも１つのレンズと、
前記レンズから前記第１の焦点距離に実質的に等しい距離に配置されて前記捕捉された光を感知するように構成された光学センサと、を含む、光学モジュールと、
前記光学センサからの信号を処理して前記眼の現在の注視方向を導出するように構成された前記光学センサに電気的に結合された少なくとも１つのプロセッサと、を備える、装置。
【請求項18】
前記第１の光スペクトルの光で前記眼を照明するように配置された照明配置をさらに備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項19】
内部反射によって光を誘導するための相互に平行な第１および第２の主表面を含む複数の表面を有する第２の光透過基板であって、前記第２の基板の前記第１の主表面が、前記眼に対向して配置されており、前記第２の基板の前記第２の主表面が、前記第１の基板の前記主表面の前記第１のものに対向している、第２の光透過基板と、前記第２の基板に関連付けられたカップリングアウト構成であって、前記第１の光スペクトルとは異なり、かつ前記第２の基板内を伝播する第２の光スペクトルの光の一部を、前記第２の基板から前記眼に向かってカップリングアウトするように構成されている、カップリングアウト構成と、をさらに備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項20】
前記第２の基板に結合され、画像に対応する前記第２の光スペクトルでコリメートされた光を生成するように構成された画像プロジェクタであって、前記コリメートされた光が、前記第２の基板内の内部反射によって伝播し、かつ前記カップリングアウト構成によって前記第２の基板から前記眼に向かってカップリングアウトされる、画像プロジェクタをさらに備える、請求項１９に記載の装置。
【請求項21】
前記画像プロジェクタと、前記画像プロジェクタによって生成された前記コリメートされた光を前記第２の基板にカップリングインするように構成された前記第２の基板とに関連付けられたカップリングイン配置をさらに備える、請求項２０に記載の装置。
【請求項22】
前記カップリングアウト構成が、前記第２の基板の前記主表面に対して斜めに前記第２の基板内に配置された複数の部分的に反射する表面を含む、請求項１９に記載の装置。
【請求項23】
前記カップリングアウト構成が、前記第２の基板の前記主表面のうちの１つに関連付けられた回折光学素子を含む、請求項１９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
この出願は、２０１９年６月２７日に出願された米国仮特許出願第６２／８６７，２４９号および２０１９年７月２日に出願された米国仮特許出願第６２／８６９，５８２号からの優先権を主張し、これらの開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
この出願は、２０１９年６月２７日に出願された米国仮特許出願第６２／８６７，２４９号および２０１９年７月２日に出願された米国仮特許出願第６２／８６９，５８２号からの優先権を主張し、これらの開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【0002】
本発明は、アイトラッキングに関する。
【背景技術】
【0003】
ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、およびヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）の光学配置では、観察者の眼が位置するエリア（一般に眼球運動ボックスまたはＥＭＢと呼ばれる）をカバーするために大きな開口が必要とする。コンパクトなデバイスを実装するために、観察者の眼に投影される画像は、大きな開口を生成するために増倍される小さな開口を有する小さな光学画像ジェネレータ（プロジェクタ）によって生成される。
【0004】
一次元での開口増倍へのアプローチが、その内部で画像が内部反射によって伝播する透明な材料の平行面のスラブに基づいて開発されている。画像波面の一部は、斜めに角度が付けられた部分反射器を使用することによって、またはスラブの片面に回折光学素子を使用することによって、スラブからカップリングアウトされる。そのようなスラブは、本明細書では、光ガイド光学素子（ＬＯＥ）、光透過基板、または導波路と呼ぶ。そのような開口増倍の原理は、図１に概略的に示され、図１は、内部反射によって光を誘導するための一対の平行な面２６、２６Ａを有する光ガイド光学素子２０を示している。ビームにまたがるサンプル光線１８Ａおよび１８Ｂを含む照明ビーム１８によってここに概略的に表される投影された画像１８は、第１の反射する表面１６によってここに概略的に示されるように、光ガイド光学素子２０にカップリングインされて、基板内の内部反射によってトラップされる反射光線２８を生成し、光線３０も生成する。画像は、繰り返される内部反射によって基板に沿って伝播し、平行な面２６、２６Ａに対して斜めの角度（αsur）で部分的に反射表面２２のシーケンスに衝突し、そこで画像強度の一部が反射されて、観察者の眼２４に向かって光線３２Ａ、３２Ｂとして基板からカップリングアウトされる。ゴースト画像を生じさせる可能性のある望ましくない反射を最小限に抑えるために、部分的に反射表面２２は、好ましくは、第１の範囲の入射角に対して低い反射率を有する一方で、第２の範囲の入射角に対して所望の部分反射率を有するようにコーティングされる。ここで、部分的に反射する表面２２の法線に対して小さな傾斜を有する光線（ここでは角度βrefとして表される）は、カップリングアウトするための反射光線を生成するために分割される一方、高い傾斜（法線に対して）の光線は、無視できる反射で伝達される。
【0005】
投影された画像１８は、コリメートされた画像であり、すなわち、各ピクセルは、観察者から遠く離れたシーンからの光に相当する、対応する角度の平行光線のビームによって表される（コリメートされた画像は、「無限大にコリメートされる」と呼ばれる）。ここでは、画像は、画像内の単一の点、典型的には画像の重心に対応する光線によって単純に表されるが、実際には、この中心ビームの各側への角度の範囲が含まれ、それら光線は、対応する角度の範囲で基板にカップリングインされ、および同様に対応する角度でカップリングアウトされ、それにより、観察者の眼２４に異なる方向に到達する画像の部分に対応する視野を作成する。
【0006】
ＮＥＤ、ＨＭＤ、またはＨＵＤの設計に役立つ可能性のある光学機能は、アイトラッキング、または観察者の眼が頭の方向に対して見ている方向（一般に注視方向と呼ばれる）を感知することである。過去のアイトラッキングアプローチは、横からＥＭＢに向かって見ている１つ以上の軸外カメラを介してＥＭＢを画像化することに依拠していた。ユーザの不快感を軽減するために、カメラは、比較的小さいサイズにする必要があり、これにより、ＥＭＢ画像化のパフォーマンスが制限される可能性がある。カメラのサイズが小さいことと、高い軸外角度でサンプリングされたＥＭＢ画像から注視方向を導出することは一般的に困難であるため、このようなアイトラッキングアプローチのパフォーマンスは比較的低くなる。
【発明の概要】
【0007】
本発明の態様は、光ガイド光学素子を介して眼を画像化することに基づいて人間の眼の注視方向を追跡するためのアイトラッカーおよび対応する方法を提供し、ＮＥＤ、ＨＭＤまたはＨＵＤの一部として統合するのに特に適している。
【0008】
本発明の一実施形態の教示によれば、内部反射によって光を誘導するための少なくとも２つの平行な主表面を有する光透過基板であって、主表面のうちの第１の主表面が、眼に対向して配置されている、光透過基板と、第１の主表面に関連付けられた光学素子であって、光学素子は、第１のタイプの入射光に光パワーを印加して第１のタイプの入射光をコリメートするように、かつ光学素子が、第２のタイプの入射光に実質的に光パワーを印加しないように、入射光の少なくとも１つの特性に従って入射光に光パワーを印加するように構成されている、光学素子と、光カップリング構成であって、基板に関連付けられ、光学素子によってコリメートされ第１の主表面に入射する第１のタイプの光の一部を、基板内を伝播するようにカップリングインすることと、基板内を伝播する第２のタイプの光の一部をカップリングアウトすることと、を行うように構成されている、光カップリング構成と、基板に関連付けられ、第１のタイプのコリメートされた光を捕捉された光の収束ビームに変換するように構成された光学系と、捕捉された光を感知するように配置された光学センサと、光学センサに電気的に関連付けられ、光学センサからの信号を処理して眼の現在の注視方向を導出するように構成された少なくとも１つのプロセッサと、を備える、装置を提供する。
【0009】
任意選択で、入射光の少なくとも１つの特性は、入射光の偏光方向を含む。
【0010】
任意選択で、入射光の少なくとも１つの特性は、入射光によって占められる電磁スペクトルの領域を含む。
【0011】
任意選択で、入射光の少なくとも１つの特性は、入射光の偏光方向と、入射光によって占められる電磁スペクトルの領域と、を含む。
【0012】
任意選択で、第１のタイプの光は、第１の偏光方向に偏光される光の成分を含み、第２のタイプの光は、第２の偏光方向に偏光される。
【0013】
任意選択で、第１のタイプの光は、第１の光スペクトル内にあり、第２のタイプの光は、第２の光スペクトル内にある。
【0014】
任意選択で、第１のタイプの光は、第１の偏光方向に偏光される光の成分を含み、かつ第１の光スペクトル内にあり、第２のタイプの光は、第２の偏光方向に偏光され、かつ第２の光スペクトル内にある。
【0015】
任意選択で、装置は、基板の主表面の第２のものに関連付けられた偏光子をさらに備える。
【0016】
任意選択で、基板は、眼からのアイレリーフ距離で第１の主表面を有して配置されており、光学素子は、アイレリーフ距離にほぼ等しい焦点距離を有する。
【0017】
任意選択で、装置は、第２の光カップリング構成であって、光学系に関連付けられ、カップリングアウトされた光が光学系によって受け入れられるように、基板内を伝播する第１のタイプの光の一部をカップリングアウトすることと、内部反射によって基板内を伝播するように、ディスプレイソースから第２のタイプの光の一部をカップリングインすることと、を行うように構成されている、第２の光カップリング構成をさらに備える。
【0018】
任意選択で、装置は、第１のタイプの光で眼を照明するように配置された照明配置をさらに備える。
【0019】
任意選択で、装置は、第２のタイプのカップリングインしコリメートされた光が基板内の内部反射によって伝播し、かつ光カップリング構成によって基板から眼に向かってカップリングアウトされるように、画像に対応する第２のタイプのコリメートされた光を基板に導入するように基板に結合された画像プロジェクタをさらに備える。
【0020】
任意選択で、画像プロジェクタは、偏光光源からの照明に応答して偏光を生成する反射ディスプレイデバイスを含み、反射ディスプレイデバイスによって生成された偏光は、光学系によってコリメートされる。
【0021】
任意選択で、光カップリング構成は、基板の主表面に対して斜めに基板内に配置された複数の部分的に反射する表面を含む。
【0022】
任意選択で、第１のタイプの光は、基板内で第１の伝播方向に伝播し、第２のタイプの光は、基板内で、第１の伝播方向と反対の第２の伝播方向に伝播する。
【0023】
本発明の教示の実施形態によれば、内部反射によって光を誘導するための一対の平行な主表面を有する光透過基板であって、主表面のうちの第１の主表面が、見る人の眼に対向して配置されている、光透過基板と、第１の主表面に関連付けられたレンズであって、第１のタイプの入射光をコリメートするように第１のタイプの入射光に光パワーを印加することであって、第１のタイプの入射光が、第１の光スペクトル内にあり、第１の偏光方向に偏光する光の成分を含む、印加することと、第２のタイプの入射光に実質的に光パワーを印加しないことであって、第２のタイプの入射光が、第２の光スペクトル内にあり、第２の偏光方向に偏光を有する、印加しないことと、を行うように構成されている、レンズと、第１のタイプの光の一部がレンズによってコリメートされるようにレンズに向かって眼によって反射して戻ってくるように、第１のタイプの光で眼を照明するように配置された照明配置と、光学モジュールであって、光源からの照明に応答して、画像に対応する第２のタイプの光を生成する反射ディスプレイデバイスと、コリメートされた第２のタイプの光を生成するように反射ディスプレイデバイスによって生成された光をコリメートするように構成された光学系と、光学センサと、を含む、光学モジュールと、第１の伝播方向に内部反射によって基板内を伝播するように、第２のタイプのコリメートされた光を基板にカップリングインするように構成された光カップリング構成と、基板の主表面に対して斜めに基板内に配置された複数の部分的に反射する表面であって、基板内を第１の伝播方向に伝播する第２のタイプの光の一部をカップリングアウトすることと、第２の伝播方向に基板内を伝播するように、第１の主表面に入射するコリメートされた第１のタイプの光の一部をカップリングインすることと、を行うように構成されており、光学カップリング構成が、第１のタイプの伝播している光をカップリングアウトするようにさらに構成されている、複数の部分的に反射する表面と、光学センサに電気的に結合された少なくとも１つのプロセッサと、を備える装置であって、光学モジュールの光学系が、光カップリング構成によってカップリングアウトされた光を受け入れるように、かつカップリングアウトされた光を捕捉された光の収束ビームに変換するようにさらに構成されており、光学センサが、捕捉された光を感知するように構成されており、少なくとも１つのプロセッサが、光学センサからの信号を処理して、眼の現在の注視方向を導出するように構成されている、装置もまた提供する。
【0024】
本発明の教示の実施形態によれば、内部反射によって光を誘導するための少なくとも２つの実質的に平行な主表面を有する第１の光透過基板であって、主表面のうちの第１の主表面が、見る人の眼に対向して配置されている、第１の光透過基板と、主表面に対して斜めに第１の基板内に配置された少なくとも部分的に反射する表面であって、内部反射によって第１の基板内を伝播するようにカップリングイン領域内の第１の主表面に入射する入射光線をカップリングインするように構成され、入射光線が、第１の光スペクトルにあり、眼の照明に応答して眼から発せられ、入射光線が、少なくとも第１の光線のセットおよび第２の光線のセットを含み、第１の光線のセットが、第１の次元で前記カップリングイン領域の少なくとも一部にまたがる角度分布を有し、第２の光線のセットが、第２の次元でカップリングイン領域の少なくとも一部にまたがっている、少なくとも部分的に反射する表面と、第１の基板内を伝播する光線をカップリングアウトするように構成されたカップリングアウト配置と、光学モジュールであって、少なくとも１つのレンズであって、第１の次元での第１の焦点距離および第２の次元での第２の焦点距離を有し、光線の第１のセットに対応するカップリングアウトされた光線を、光線の第１のセットの角度分布を示す角度分布を有する捕捉された光の非収束ビームに変換することと、光線の第２のセットに対応するカップリングアウトされた光線を、捕捉された光の収束ビームに変換することと、を行うように構成されている、少なくとも１つのレンズと、レンズから第１の焦点距離に実質的に等しい距離に配置されて捕捉された光を感知するように構成された光学センサと、を含む、光学モジュールと、光学センサからの信号を処理して眼の現在の注視方向を導出するように構成された光学センサに電気的に結合された少なくとも１つのプロセッサと、を備える、装置もまた提供する。
【0025】
任意選択で、装置はさらに、第１の光スペクトルの光で眼を照明するように配置された照明配置をさらに備える。
【0026】
任意選択で、装置は、内部反射によって光を誘導するための相互に平行な第１および第２の主表面を含む複数の表面を有する第２の光透過基板であって、第２の基板の第１の主表面が、眼に対向して配置されており、第２の基板の第２の主表面が、第１の基板の第１の主表面に対向している、第２の光透過基板と、第２の基板に関連付けられたカップリングアウト構成であって、第１の光スペクトルとは異なり、かつ第２の基板内を伝播する第２の光スペクトルの光の一部を、第２の基板から眼に向かってカップリングアウトするように構成されている、カップリングアウト構成と、をさらに備える。
【0027】
任意選択で、装置は、第２の基板に結合され、画像に対応する第２の光スペクトルでコリメートされた光を生成するように構成された画像プロジェクタであって、コリメートされた光が、第２の基板内の内部反射によって伝播し、かつカップリングアウト構成によって第２の基板から眼に向かってカップリングアウトされる、画像プロジェクタをさらに備える。
【0028】
任意選択で、装置は、画像プロジェクタと、画像プロジェクタによって生成されたコリメートされた光を第２の基板にカップリングインするように構成された第２の基板とに関連付けられたカップリングイン配置をさらに備える。
【0029】
任意選択で、カップリングアウト構成は、第２の基板の主表面に対して斜めに第２の基板内に配置された複数の部分的に反射する表面を含む。
【0030】
任意選択で、カップリングアウト構成は、第２の基板の主表面のうちの１つに関連付けられた回折光学素子を含む。
【0031】
本明細書で別段の定義がない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および／または科学用語は、本発明が関係する当業者によって通常理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載されたものと同様または同等の方法および材料が、本発明の実施形態の実施または試験に使用され得るが、例示的な方法および／または材料が、以下に記載されている。矛盾する場合は、定義を含む特許明細書が支配する。さらに、材料、方法、および例は、例示にすぎず、必ずしも限定することを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0032】
本発明のいくつかの実施形態は、添付の図面を参照して、例としてのみ本明細書に記載されている。詳細な、図面への具体的な言及について、示された細目は、例として、および本発明の実施形態の例示的な議論の目的のためであることを強調しておく。これに関して、図面と併せてなされた説明により、本発明の実施形態がどのように実施され得るかが当業者に明らかになる。
【0033】
ここで、図面に注意を向けると、図面では、同様の参照番号または文字は、対応するまたは同様の構成要素を示す。図面は以下のとおりである。
【0034】
【図1】ニアアイディスプレイで使用するための、部分的に反射する表面を採用する従来技術の光ガイド光学素子の、上記の概略側面図である。
【図2】画像を表示するために、かつ人間の眼の注視方向を追跡するために、本発明の実施形態に従って構築されかつ動作可能な装置の概略側面図であり、光透過基板を介して眼から画像プロジェクタへの光の伝播を示している。
【図9】画像を表示するために、かつ人間の眼の注視方向を追跡するために、本発明の別の実施形態に従って構築され、かつ動作可能であり、アイラッキングのための第１の光透過基板および画像投影のための第２の光透過基板を有する、装置の概略側面図であり、第２の光透過基板を介した眼から画像プロジェクタへの光の伝播を示している。
【発明を実施するための形態】
【0035】
本発明の実施形態は、眼を画像化すること、および／または光ガイド光学素子を介して眼によって反射される光の角度分布を識別することに基づいて、人間の眼の注視方向を追跡するための様々な装置および対応する方法を提供する。
【0036】
本発明による様々なアイトラッキング装置の原理および動作は、説明に付随する図面を参照することにより、よりよく理解され得る。
【0037】
本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、以下の説明に述べられた、ならびに／または図面および／もしくは例に示された構成要素および／または方法の構築の詳細および配置への適用に必ずしも限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であるか、または様々な方法で実践または実施できる。
【0038】
導入として、多くの用途において、特にヘッドアップまたはニアアイディスプレイの文脈において、ユーザの注視方向を決定するためのアイトラッキング配置を提供することは有用である。アイトラッキングを実行するための一般的なアプローチの１つは、典型的には、画像内の瞳孔の位置を決定し、それによって眼の向きを導出する目的で、眼の画像をサンプリングすることである。アイトラッキングのための画像をサンプリングするために、図１と同様の原理で動作する光ガイド光学素子を採用することは特に有利であろう。
【0039】
そのような原理または同様のそのような原理で動作する光ガイド光学素子を使用するアイトラッキングの解決策が本明細書に記載されている。本発明の特定の態様による一組の解決策では、眼は、眼から反射された光（第１のタイプの光と称する）を光ガイド光学素子にカップリングインすることによって画像化され、それによって、光は、光ガイド光学素子を通って逆経路に沿って、画像プロジェクタからの画像光（第２のタイプの光と称する）の逆伝播方向に伝播し、画像プロジェクタに配置された光学センサに集束され、ここで、光の感知に応答して光学センサによって生成された信号は、注視方向を導出するために処理システムによって処理される。眼は、光ガイド光学素子から無限遠に位置していないので（むしろ、典型的には約２０ミリメートルのオーダーのアイレリーフ距離で）、眼から反射された光は、光学素子、好ましくは、光学センサに集束された光から注視方向を正確に導出するために光ガイド光学素子にカップリングインされる前に、第１のタイプと第２のタイプの光とを区別する偏光および／またはスペクトル選択レンズによってコリメートされる。
【0040】
本発明の態様による別の一組の解決策では、注視方向は、特殊な部分的に反射する表面によって、好ましくは、眼から反射されてコリメートされていない光を光ガイド光学素子にカップリングインする、投影された画像が伝播するＬＯＥとは別の専用の光ガイド光学素子において、決定され、これにより、カップリングインされた光は、光ガイド光学素子を通って逆経路に沿って伝播し、それぞれ直交する次元において２つの焦点距離を有するレンズを含む光学モジュールにカップリングアウトされ、そのレンズにより、カップリングアウトされた光は光学センサに向けられる。
【0041】
ここで図面を参照すると、図２～８は、画像を表示するために、かつ眼１１０と光ガイド光学素子（ＬＯＥ）１０２との間に配置されたコリメート光学素子１１２（以下、レンズ１１２と称する）によって人間の眼１１０の注視方向を導出するために、本発明の様々な実施形態に従って構築され、かつ動作可能な、概して１００で示される装置の構造および動作の様々な態様を示している。ＬＯＥ１０２は、透明な材料から形成され、内部反射（好ましくは全内部反射）によって光を誘導するための一対の平行な面（平面の主表面）１０４、１０６を有する。ＬＯＥ１０２は、眼１１０に対向して平行な面１０４の１つを有して配置され、ここで、眼１１０は、面１０４からアイレリーフ（ＥＲ）距離１１１でＥＭＢ１０９内に位置する。部分的に反射する表面１０８のセットとして実装される光カップリング構成は、ＬＯＥ１０２に関連付けられ、カップリングイン領域内の面１０４に入射する光の一部を、（全）内部反射によってＬＯＥ１０２内を伝播するようにカップリングインするように構成されている。特に、部分的に反射する表面１０８は、平行な面１０４、１０６に対して斜めに、ＬＯＥ１０２内（すなわち、面１０４、１０６の間）に配置される。「アクティブ領域」または「アクティブエリア」とも称される、ＬＯＥ１０２のカップリングイン領域は、一般に、面１０４の平面内の部分的に反射する表面１０８の投影がまたがる領域として定義される。
【0042】
レンズ１１２は、レンズ１１２がＬＯＥ１０２と眼１１０との間に位置付けられるように（ＬＯＥ１０２への光学的取り付けによって）面１０４に関連付けられている。レンズ１１２は、好ましくは、ＥＲ１１１にほぼ等しい焦点距離を有する。（照明配置１３８による眼１１０の照明に応答して）眼１１０から反射された光は、レンズ１１２によってコリメートされ、コリメートされた光は、面１０４に入射し、部分的に反射する表面１０８によってＬＯＥ１０２に、内部反射によってＬＯＥ１０２内を伝播するようにカップリングインされる。光学素子１４０（以下、レンズ１４０と称する）は、ＬＯＥ１０２内を伝播する捕捉された光を受け入れ、ＬＯＥ１０２内を伝播するコリメートされた光（平行光線のセット）を捕捉された光の収束ビームに変換するように、ＬＯＥ１０２に関連付けられている。好ましくは、レンズ１４０は、捕捉された光を感知するように構成された光学センサ１２８と共に光学モジュール１２６に統合され、レンズ１４０は、ＬＯＥ１０２内を伝播する捕捉された光を、ＬＯＥ１０２から光学モジュール１２６にカップリングアウトする光カップリング構成１２４を介してＬＯＥ１０２に関連付けられている。処理システム１３０は、記憶媒体１３４（コンピュータメモリ等など）に結合された少なくとも１つのコンピュータ化されたプロセッサ１３２を含み、光学センサ１２８と電気的に関連付けられ、眼１１０の現在の注視方向を導出するために光学センサ１２８からの信号を処理するように構成されている。
【0043】
光カップリング構成１２４は、入射光をＬＯＥ１０２から光学モジュール１２６に偏向させる任意のカップリング構成であり得る。適切な光カップリング構成には、反射する表面（図２に概略的に示されている）およびプリズム（図３に概略的に示されている）が含まれるが、これらに限定されない。
【0044】
一般的に言えば、眼１１０は、照明配置１３８によって光で照明される。論じられるように、照明配置１３８は、電磁スペクトルの明順応領域の外側の波長を有する光で眼１１０を照明するように構成されている。言い換えれば、照明配置１３８は、人間の眼には見えない光で眼１１０を照明するように構成されている。人間の眼からの反射、特に眼の網膜からの反射は、可視波長よりも近赤外線の方が大幅に高くなる。したがって、照明配置１３８は、電磁スペクトルの近赤外線（ＮＩＲ）領域の波長を有する光で眼１１０を照明するように構成されることが好ましい。さらに、本開示の後続のセクションで詳細に論じられるように、照明配置１３８はまた、好ましくは、照明配置１３８からの照明に応答して眼１１０によって反射される光が、レンズ１１２の表面に対して特定の偏光方向（典礼的にはｐ偏光）を有する光の成分を少なくとも含むように、眼１１０を照明するように構成される。
【0045】
ここで特に図２および図３を参照すると、これは、ＬＯＥ１０２を介して眼１１０から光学センサ１２８への光線の横断を示している。一般に、眼１１０から光学センサ１２８にＬＯＥ１０２内を伝播する光は、逆伝播方向（互換的に第１／第２の伝播方向、第１／第２の方向、または逆方向と称する）にＬＯＥ１０２内を伝播するものとして参照され、一方、画像プロジェクタから眼１１０にＬＯＥ１０２内を伝播する画像光は、ＬＯＥ１０２内を順伝播方向（互換的に第２／第１の伝播方向、第２／第１の方向、または順方向と称する）に伝播するものとして参照される。眼１１０に入射する照明配置１３８からの光の強度の一部は、眼１１０によって反射される。眼１１０から発する反射光は、図２および図３において、サンプル光線１１４Ａ～１１４Ｆとして概略的に表される。眼１１０から発する光は、レンズ１１２によってコリメートされ、コリメートされた光は、光線１１６Ａ～１１６Ｆとして概略的に表される（各光線１１４Ａ～１１４Ｆのそれぞれは、対応するコリメートされた光線１１６Ａ～１１６Ｆを有する）。コリメートされた光線１１６Ａ～１１６Ｆは、一般に面１０４に垂直なＬＯＥ１０２の面１０４に入射し、部分的に反射する表面１０８によってＬＯＥ１０２にカップリングインされて、ＬＯＥ１０２内の内部反射によってトラップされる反射光線１１８（下向き光線）を生成し、（上に向かう）光線１２０も生成する。眼１１０から反射された光は、光（光線１１８および１２０）を、ＬＯＥ１０２から光学モジュール１２６に光線１２２Ａ、１２２Ｂ、および１２２Ｃとしてカップリングアウトする光カップリング構成１２４（図２では反射する表面として、図３ではプリズムとして概略的に示されている）に到達するまで基板に沿って伝播する。レンズ１４０は、コリメートされたカップリングアウトされた光（光線１２２Ａ、１２２Ｂ、および１２２Ｃ）を、カップリングアウトされた光（光線１２２Ａ、１２２Ｂ、および１２２Ｃ）を光学センサ１２８に集束させるように、捕捉された光の収束ビームに変換する。
【0046】
光学モジュール１２６は、レンズ１４０および光学センサ１２８をその中に統合することに加えて、好ましくは、光学モジュール１２６が、画像投影および光集束および感知の二重の機能を実行するように、画像を生成し、眼１１０によって見るためにＬＯＥ１０２に投影するための構成要素も含む（図１の投影された画像１８と同様）。論じられるように、レンズ１４０はまた、光学モジュール１２６のディスプレイデバイスによって生成された光線をコリメートするように機能する。
【0047】
ここで図４を参照すると、これは、ＬＯＥ１０２内の順方向への光の伝播を示している。図１と同様に、ここでは、ビームにまたがるサンプル光線１４２Ａ、１４２Ｂ、および１４２Ｃを含む照明ビーム１４２によって概略的に表される投影された画像１４２は、光学モジュール１２６によって生成され、ＬＯＥ１０２内の内部反射によってトラップされる反射光線１４４（上に向かう光線）を生成し、光線１４６（下に向かう光線）も生成するように、光カップリング構成１２４（ここでは反射する表面によって概略的に示されている）を介して、ＬＯＥ１０２にカップリングインされる。画像１４２は、面１０４、１０６間で繰り返される内部反射によってＬＯＥ１０２に沿って伝播し、部分的に反射する表面１０８に衝突し、そこで、画像強度の一部が反射されて、ＬＯＥ１０２から眼１１０に向かって光線１４８Ａ、１４８Ｂ、および１４８Ｃとしてカップリングアウトされる。しかしながら、眼１１０に到達する前に、光線１４８Ａ～１４８Ｃは必然的にレンズ１１２を通過する。
【0048】
レンズ１１２は、（光学センサ１２８による）捕捉された光の正確な感知および（処理システム１３０による）眼球１１０の現在の注視方向を導出するための光学センサ１２８からの信号の処理を可能にするために、光線１１４Ａ～１１４Ｆをコリメートするように、眼１１０から発する光に光パワーを印加することが重要である一方で、光線１４８Ａ、１４８Ｂ、および１４８Ｃへの光パワーの印加が眼１１０によって見られたときに、投影された画像１４２を歪めることになるので、レンズ１１２が、ＬＯＥ１０２を介して光学モジュール１２６から眼球１１０に伝播する画像光に光パワーを印加しないことも同様に重要である。したがって、本実施形態の特定の特徴は、レンズが、２つのタイプの光（光線１１４Ａ～１１４Ｆによって表される、ＬＯＥ１０２を介して光学モジュール１２６の集束および感知構成要素に伝播する眼から反射された光（第１のタイプの光と称する）と、光線１４２Ａ～１４２Ｃによって表される、光学モジュール１２６の画像投影構成要素からの画像光（第２のタイプの光と称する））を区別できるようにレンズ１１２を設計し、これらのタイプの光のうちの一方のみ（つまり、第１のタイプの光、すなわち、反射された眼の光）に光パワーを印加することである。本文書の文脈において、「第１のタイプの光」、「第１のタイプの光波」、「第１の光のタイプ」、「第１の光波のタイプ」という用語、およびそれらの変形は互換的に使用される。本文書の文脈において、「第２のタイプの光」、「第２のタイプの光波」、「第２の光のタイプ」、「第２の光波のタイプ」という用語、およびそれらの変形は互換的に使用される。
【0049】
特定の好ましい実施形態によれば、区別は、レンズ１１２に入射する光の少なくとも１つの特性に基づいて実行される。言い換えれば、レンズ１１２は、レンズ１１２が、入射光の少なくとも１つの特性（特徴）に従って、入射光に光パワーを選択的に印加するように設計されている。特定の実施形態では、１つの特性、例えば、第１のタイプの光と第２のタイプの光とを区別するための基礎として、入射光の波長（すなわち、光スペクトル）が使用され、他の実施形態では、第１のタイプの光と第２のタイプの光を区別するための基礎として、別の特性、例えば、入射光の成分の偏光方向または偏光方向が使用され、その一方で、さらに他の好ましい実施形態では、第１のタイプの光と第２のタイプの光とを区別するための基礎として、入射光の光スペクトル（波長）および偏光方向の両方が使用される。
【0050】
一般に、眼１１０を照明する光とは対照的に、画像光１４２（第２のタイプの光）は、電磁スペクトルの明順応領域（すなわち、３８０ナノメートル（ｎｍ）と約７００ｎｍの間）の波長を有することに留意されたい。したがって、レンズ１１２は、光パワーが、電磁スペクトルの明順応領域の外側の波長を有する光にのみ印加されるように設計することができる。さらに、多くの用途において、光学モジュール１２６によって投影される画像光は、特定の偏光方向に直線偏光される（好ましくは、ｓ偏光される）ことが好ましい。したがって、レンズ１１２は、レンズ１１２が、光学モジュール１２６によって投影されるカップリングアウトされた画像光の偏光方向に対して回転された偏光方向を有する偏光に光パワーを印加するように設計され得る。したがって、レンズ１１２は、好ましくは、光パワーが第１のタイプの入射光波をコリメートするように第１のタイプの入射光波に印加され、かつレンズ１１２が、第２のタイプの入射光波に光パワーを印加しないように、偏光およびスペクトル選択型であるように設計され、その設計では、第１のタイプの入射光波は、第１の偏光方向（例えば、ｐ偏光）の成分を有し、第１の光スペクトル（例えば、電磁スペクトルのＮＩＲ領域）の波長を有しており、かつ第２のタイプの入射光波は、第１の偏光方向に対して回転した第２の偏光方向を有し（例えば、ｓ偏光）、第２の光スペクトルの波長（例えば、電磁スペクトルの明順応（または可視光）領域）を有する。この目的のために、第１のタイプの入射光波の場合、レンズ１１２は、ＥＲ１１１にほぼ等しい焦点距離を有する。
【0051】
レンズ１１２の前述の例示的な構成では、光線１１４Ａ～１１４Ｆ（第１のタイプの光）は、眼１１０から発する光のｐ偏光（レンズ１１２の表面に対して）成分を表し、電磁スペクトルのＮＩＲ領域の波長を有し、その一方で、ＬＯＥ１０２からカップリングアウトされた光線１４８Ａ～１４８Ｃ（第２のタイプの光）は、（レンズ１１２の表面に対して）ｓ偏光され、電磁スペクトルの可視領域の波長を有する。レンズ１１２によって実行される偏光および波長依存の光パワー区別の結果として、レンズ１１２は、光線１１６Ａ～１１６Ｆ（第１のタイプの光）をコリメートするように、ｐ偏光ＮＩＲ光波に光パワーを印加し、ＬＯＥ１０２から（部分的に反射する表面１０８によって）カップリングアウトされた光線１４８Ａ～１４８Ｃ（第２のタイプの光）がレンズ１１２によって歪められることなくレンズ１１２を通過するように、ＬＯＥ１０２からカップリングアウトされたｓ偏光可視画像光波に光パワーを印加しない。さらに、レンズ１１２は、眼１１０から反射されたＮＩＲ光のいかなるｓ偏光成分にも光パワーを印加しない。
【0052】
複屈折（偏光）および／またはスペクトル特性を示す材料の１つの特定のクラスは液晶であり、これは、異なる偏光の光、場合によっては異なる波長に対して異なる効果がある。例えば、ネマティック相液晶分子は、２つの異なる直線偏光（ｓ偏光とｐ偏光）の入射光に対して異なる反応を示す。例示的であるが非限定的な実施形態では、レンズ１１２は、液晶材料の層から構成されるネマティック相液晶レンズとして実施される。液晶材料の層は、調整可能な焦点距離を提供する状態を想定し、それにより、レンズ１１２は、その光のコリメータとして機能するように、１つの偏光方向（例えば、ｐ偏光）の偏光に対して規定の焦点距離を有し、レンズ１１２は、直交偏光（例えば、ｓ偏光）の光に光パワーを印加しない。ネマティック相液晶中の各液晶分子は、各直線偏光に対して異なる感受性を有し、したがって、液晶分子の異なる屈折率を誘発することができる。そのため、一方の偏光方向の入射光は屈折率の変化を「認識」しないが、もう一方の偏光の入射光は屈折率の変化を「認識」し、それによってその偏光の光に対してレンズ効果を誘発する。
【0053】
ねじれネマティック液晶では、各液晶分子は、各円偏光（例えば、右円偏光（またはＲＨＰ）、および左円偏光（またはＬＨＰ））に対して異なる感受性を有する。典型的には、ねじれネマティック液晶の感受性は、ＲＨＰの場合は正のパワーレンズ効果が誘発され、ＬＨＰの場合は負のパワーレンズ効果が誘発されるようなものである。液晶レンズ１１２によって誘発される同じ焦点距離を有する別の等方性レンズを導入することは、一方の偏光に対して光パワーを２倍にし、他方の偏光に対しては光パワーを生じさせないようにすることができる。光パワーは、ＲＨＰおよびＬＨＰ光に異なって印加されるので、好ましくは４分の１波長板１５０を眼１１０とレンズ１１２との間に配置して、眼１１０からの反射光の円偏光方向を適切に回転させる。
【0054】
液晶材料で構成されたレンズは、一般に、入射光の回折分散を生成する薄い回折格子タイプの構造（フレネルレンズと同様）で構成されている。各回折格子は、その回折格子の特定の回折次数に対してより大きな強度を持つように設計することができる。その特定の回折次数の高強度は有彩色である（すなわち、波長依存）。したがって、回折格子は、ＮＩＲ領域の波長に対して、一次以上の回折ノードの対強度は、零次の回折ノードの強度よりも高くなるように設計することができる。明順応領域では、高次ノードの強度は小さいか、まったくないかである必要がある。回折格子の配向は、ＮＩＲおよび明順応領域の光について上記の条件が満たされるように空間的に変化し、それによって、レンズ１１２が光を効果的にコリメートするようなレンズ効果を生み出し、第２の光スペクトルの波長を有する入射光（例えば、電磁スペクトルの明順応（または可視光）領域）は、レンズ１１２によって本質的に影響を受けない。ここで、液晶材料の複屈折特性を利用することなく、液晶分子の屈折率を空間的に変化させるように、液晶分子の回折格子の配向が変更されることに留意されたい。
【0055】
一般に、レンズ１１２は、波長と偏光の組み合わせに基づいて区別するように設計され得る。しかしながら、第１の光スペクトルと第２の光スペクトルとの間のスペクトル分離が、画像プロジェクタからの光に悪影響を与えることなく十分に大きい場合、波長のみに基づく第１および第２のタイプの光の識別で十分である可能性がある。一般的に言えば、画像プロジェクタからの光に対するレンズ１１２の効果は、例えば、ＭＴＦ、ヘイズ、チェッカーボードコントラストなどを含む１つ以上の画質メトリックに基づいて評価することができる。
【0056】
本開示の装置１００は、光学モジュール１２６によって投影された画像が、面１０４、１０６および部分的に反射する表面１０８を通して観察者に見える実世界のシーンにオーバーレイされる拡張現実（ＡＲ）システムで使用される場合に特に適用可能であることに留意されたい。したがって、ＬＯＥ１０２の面１０４、１０６を通過する実世界のシーンからの光波が、眼１１０に到達する前にレンズ１１２によって歪まされないことも好ましい。実世界のシーンからの光波がレンズ１１２によって歪まされるのを防ぐために、第２の偏光方向（例えば、ｓ偏光）に入射光の成分のみを透過する偏光子１３６が面１０６に関連付けられる。偏光子１３６およびＬＯＥ１０２は、好ましくは、共通の伸長方向を有する（本明細書では、ｘ軸に対応するものとして任意に示されている）。好ましくは、偏光子１３６は、実世界の視野全体からの光（入射光線の広い角度分布に対応する）が、面１０６に衝突する前に、偏光子１３６によって適切に偏光されるように、面１０６の全体（または全体に近い）を横切って延びるように配置される。
【0057】
実世界のシーンに対する偏光子１３６の効果は、図４に概略的に示されている。図示のように、実世界のシーン画像１５２は、ここでビームにまたがるサンプル光線１５２Ａおよび１５２Ｂを含む照明ビーム１５２によって概略的に表されるように、光線１５２Ａおよび１５２Ｂのｓ偏光成分のみを透過する偏光子１３６に衝突する。光線１５２Ａおよび１５２Ｂは、ｓ偏光され、明順応領域に波長を有するので、光線１４８Ａ～１４８Ｃと同様に、ｓ偏光された光線１５２Ａおよび１５２Ｂは、レンズ１１２を通過し、レンズ１１２によって歪まされることなく（すなわち、レンズ１１２は、光線１５２Ａおよび１５２Ｂにいかなる光パワーも印加しない）、眼１１０に到達する。
【0058】
背景のセクションで論じたように、ゴースト画像を生じさせる可能性のある不要な反射を最小限に抑えるために、部分的に反射する表面は、好ましくは、第１の範囲の入射角に対して低い反射率を有し、一方で、第２の範囲の入射角に対して所望の部分反射率を有するように、コーティングされる。図１の従来技術の構成では、これらのコーティングは、典型的には、投影された画像の波長範囲および偏光に固有である。例えば、投影された画像が電磁スペクトルの明順応領域の波長を有するｓ偏光で構成されている場合、部分的に反射する表面は、第１の範囲の入射角で明順応領域のｓ偏光の光について低い反射率を有し、一方で、第２の範囲の入射角で明順応領域のｓ偏光の光について所望の部分反射率を有するように、コーティングされる。このコーティングスキームは、光が順方向にのみ伝播し、部分的に反射する表面２２がＬＯＥ２０から光をカップリングアウトするためにのみ使用されるため、図１の構成にとって理想的である。しかしながら、図２～４の構成では、第１のタイプの光（眼１１０から反射されたＮＩＲ光のｐ偏光成分）は、逆方向に伝播し、第２のタイプの光（画像プロジェクタからのｓ偏光明順応光）は、順方向に伝播し、部分的に反射する表面１０８は、第１のタイプの光をＬＯＥ１０２にカップリングインし、第２のタイプの光をＬＯＥ１０２からカップリングアウトするように構成され、修正されたコーティングスキームは、第１のタイプの光に適切な所望の反射率を確保するように従うべきである。具体的には、部分的に反射する表面１０８は、好ましくは、図１の構成のようにコーティングされ、さらに、規定の範囲の入射角でＮＩＲ領域におけるｐ偏光の光について所望の反射率を有するように、コーティングされる。
【0059】
前に論じたように、光学モジュール１２６は、画像投影と光集束および感知との二重の役割を実行する。以下の段落は、画像１４２を投影するための画像プロジェクタ、ならびに眼１１０から反射された光を光学センサ１２８に集束させるための集束および感知配置の両方としての役割における光学モジュール１２６の構造および動作を説明する。
【0060】
まず図５を参照すると、光学モジュール１２６（画像プロジェクタ１２６とも呼ぶ）は、それぞれが光波透過材料から形成された照明プリズム１６０およびコリメーション集束プリズム１８０を含む。照明プリズム１６０は、光波入口面１６８、画像表示面１７０、光波出入口面１７２、および光波出口面１７４を含むいくつかの外表面を有する。偏光選択型ビームスプリッタ構成１６６は、光波入口面１６８に対して斜めの平面上のプリズム１６０内に配置される。プリズム１６０は、２つの構成プリズム、すなわち、第１の構成プリズム１６２および第２の構成プリズム１６４に基づいており、プリズム１６２、１６４のうちの少なくとも１つは、斜辺の側面に、偏光選択型ビームスプリッタ構成１６６の少なくとも一部を形成する偏光ビームスプリッタ（例えば、ワイヤグリッドビームスプリッタ）が設けられており、これは、ｓ偏光の光を反射し、ｐ偏光の光を透過する（ビームスプリッタの表面に入射する）。プリズム１６２、１６４の２つの斜辺の側面は、互いに接合されて、接合された単一照明プリズムアセンブリを形成する。この単一の接合プリズムは、反射ディスプレイデバイス（画像投影用）を照明するために、かつ眼１１０から反射された入射光を、光波出口面１７４に関連付けられた光学センサ１２８に向けるために使用される。偏光ビームスプリッタは、斜辺の側面の１つに直接偏光選択コーティングを介して、またはその上に偏光選択コーティングが堆積された、例えば、シート、箔、またはガラス板などの薄い材料片を介して設けることができ、これにより、薄い材料片が斜辺の側面の１つに取り付けられている。
【0061】
特定の好ましい実施形態では、表面１７０および１７２は、相互に平行であり、表面１６８および１７４は、相互に平行である。特定の特に好ましい実施形態では、プリズム１６０は、直方体プリズム、すなわち、互いに直交する長方形の面を有しており、ここに図示される特定の特に好ましい例では、それは、各構成プリズム１６２および１６４が４５度の直角断面形状を有する正方形の直方体プリズムである。
【0062】
コリメーション集束プリズム１８０はまた、第１の光波出入口面１９０（光波出入口面１７２と整列して平行）、第２の光波出入口面１９４、コリメーション集束表面１９２、および第４の表面１８８を含むいくつかの外表面を有する。偏光およびスペクトル選択ビームスプリッタ構成１８６は、表面１８８に対して斜めの平面上のプリズム１８０内に配置される。図５に見られるように、ビームスプリッタ構成１６６および１８６は平行な平面にある。プリズム１８０は、２つの構成プリズム、すなわち、第１の構成プリズム１８２および第２の構成プリズム１８４に基づいており、プリズム１８２、１８４のうちの少なくとも１つには、斜辺の側面に、偏光およびスペクトル選択ビームスプリッタ構成１８６の少なくとも一部を形成する偏光およびスペクトル選択ビームスプリッタが設けられており、これは、ｐ偏光の光を反射し、第１の光スペクトル（例えば、ＮＩＲ領域）の波長を有するｓ偏光を透過し、ｓ偏光の光を反射し、第２の光スペクトル（例えば、明順応（または可視光）領域）の波長を有するｐ偏光の光を透過する。プリズム１８２、１８４の２つの斜辺の側面は、互いに接合されて、接合された単一のコリメーション集束プリズムアセンブリを形成する。この単一の接合プリズムは、反射ディスプレイデバイスからの光を光学素子（コリメート集束構成要素であるレンズ１４０）に向けてディスプレイ光をコリメートするように使用され、また、眼１１０から反射された入射光を光学素子に向けて照明プリズム１６０を介して光を光学センサ１２８に集束させるように使用される。偏光およびスペクトル選択型ビームスプリッタは、斜辺の側面のうちの１つに直接、誘電体コーティングの形態で、偏光およびスペクトル選択型コーティングを介して設けることができる。
【0063】
特定の好ましい実施形態では、表面１９０および１９２は、相互に平行であり、表面１８８および１９４は、相互に平行である。特定の特に好ましい実施形態では、プリズム１８０は、直方体プリズム、すなわち、互いに直交する長方形の面を有しており、ここに図示される特定の特に好ましい例では、それは、各構成プリズム１８２および１８４が４５度の直角断面形状を有する正方形の直方体プリズムである。
【0064】
偏光源１７６（光源（例えば、ＬＥＤ）と偏光子との組み合わせであり得る）は、光波入口面１６８に関連付けられている。偏光源１７６は、入射ビーム１５８として概略的に表される第２の光スペクトル（すなわち、可視領域）で偏光した光を射出するように構成されている。画像に対応する反射光の空間変調を生成する反射型ディスプレイデバイス１７８（好ましくは、液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）マイクロディスプレイとして実装される）は、画像ディスプレイ表面１７０に関連付けられる。反射ディスプレイデバイス１７８は、ビームスプリッタ構成１６６から反射された偏光源１７６からの入射ビーム１５８によって照明される。反射ディスプレイデバイス１７８は、所望の画像の明るい領域に対応する反射光が、偏光源に対して回転した偏光を有するように構成されている。したがって、図５に示されるように、偏光照明１５８は、第１の偏光、典型的にはビームスプリッタ構成１６６の表面に対するｓ偏光で光波入口面１６８を通ってプリズム１６０に入り、反射ディスプレイデバイス１７８に衝突する画像ディスプレイ表面１７０に向かって反射される。画像の明るい領域に対応するピクセルは、変調された回転偏光（典型的にはｐ偏光された）で反射されるので、明るいピクセルからの放射は、ビームスプリッタ構成１６６を透過し、光波出入口面１７２を通った透過を介してプリズム１６０を出る。次に、光は、第２の偏光（典型的には、偏光およびスペクトル選択ビームスプリッタ構成１８６の表面に対してｐ偏光された）で光波出入口面１９０を通ってプリズム１８０に入り、コリメーション集束面１９２に到達し、そこで光は、コリメーション集束面１９２の少なくとも一部に関連付けられた少なくとも１つのリターデーションプレート１９６、好ましくは４分の１波長プレートを通過し、リターデーションプレート１９６の少なくとも一部を覆う少なくとも１つの光波コリメート集束構成要素、すなわちレンズ１４０に入り、レンズ１４０の反射する表面１４１によってリターデーションプレート１９６を通して反射して戻される。偏光軸に対して４５度でその速軸と整列されたリターデーションプレート１９６を通る二重通過は、偏光を回転させ（例えば、ｐ偏光をｓ偏光に変換する）、その結果、コリメートされた画像照明は、偏光およびスペクトル選択型ビームスプリッタ構成１８６で光波出入口面１９４に向けて反射され、照明ビーム１４２としてプリズム１８０を出る。次に、照明ビーム１４２は、光カップリング構成１２４によってＬＯＥ１０２にカップリングインされる。
【0065】
図６は、光カップリング構成１２４によってＬＯＥ１０２からカップリングアウトされた後、眼１１０から光学モジュール１２６を通って反射されたコリメートされた光が続く光経路を概略的に示している。図２および図３を見返すと、ＬＯＥ１０２を通って逆方向に伝播する眼１１０から反射されたコリメートされた光１１６Ａ～１１６Ｆは、照明ビームの１２２を代表する光線１２２Ａ～１２２Ｃとして、光カップリング構成１２４によってＬＯＥ１０２からカップリングアウトされる。照明１２２（典型的にはＮＩＲ領域内）は、コリメートされる２つの直交偏光成分（すなわち、第１の偏光成分（例えば、ビームスプリッタ構成１８６の表面に対するｐ偏光）および第２の偏光成分（例えば、コリメートされていない、ビームスプリッタ構成１８６の表面に対するｓ偏光）を含み得る。照明１２２は、光波出入口面１９４を通ってプリズム１８０に入る。論じたように、偏光およびスペクトル選択ビームスプリッタ構成１８６は、ｐ偏光の光を反射し、第１の光スペクトル（例えば、ＮＩＲ領域）の波長を有するｓ偏光の光を透過する。したがって、照明１２２の第２の偏光成分は、ビームスプリッタ構成１８６によって透過され、表面１８８を介してプリズム１８０を出る。照明１２２（コリメートされている）の第１の偏光成分（典型的には、ビームスプリッタ構成１８６の表面に対するｐ偏光）は、偏光およびスペクトル選択ビームスプリッタ構成１８６によって反射され、コリメーション集束面１９２に到達し、そこで光は、リターデーションプレート１９６を通過し、コリメート集束構成要素１４０に入り、レンズ１４０の反射する表面１４１によってリターデーションプレート１９６を通って反射されて戻る。コリメート集束構成要素１４０は、図５のコリメートされていない照明１５８をコリメートするように作用するが、コリメート集束構成要素１４０は、図６のコリメートされた照明１２２に対して反対の機能、すなわち、平行光線（コリメートされた光線１２２Ａ、１２２Ｂ、および１２２Ｃ）のセットを、捕捉された光の収束ビームに変換するように光パワーを入射コリメートされた光線に印加すること、すなわち、照明１２２を光学センサ１２８に集束させること、を実行する。さらに、図５を参照して説明したのと同様に、偏光軸に対して４５度でその速軸と整列したリターデーションプレート１９６を通る二重通過は、照明１２２の偏光を回転させることで（例えば、ｐ偏光をｓ偏光に変換する）、集束された照明が偏光およびスペクトル選択ビームスプリッタ構成１８６を通って透過し、光波出入口面１９０を通った透過を介してプリズム１８０を出る。次に、光は、第１の偏光（典型的には、ビームスプリッタ構成１６６の表面に対するｓ偏光）で、光波出入口面１７２を通ってプリズム１６０に入る。前述のように、ビームスプリッタ構成１６６は、ｓ偏光の光を反射し、ｐ偏光の光を透過する。これらの反射および透過特性は、入射光の偏光のみに基づいているため、ＮＩＲと可視光の両方がビームスプリッタ構成１６６によって同じ方法で処理される。したがって、ｓ偏光のＮＩＲ光は、ビームスプリッタ構成１６６で光波出口面１７４に向かって反射され、光学センサ１２８に衝突する集束された照明ビーム１９８としてプリズム１６０を出る。
【0066】
本明細書に記載の実施例において特定の偏光波経路が従った各場合について、偏光は交換可能であり、それにより、例えば、ビームスプリッタ構成１６６、１８６およびレンズ１１２の偏光選択特性を変更する際に、ｐ偏光の光の各言及は、ｓ偏光の光に置き換えることが可能であり、その逆も可能であることに留意されたい。例えば、レンズ１１２は、（ＮＩＲ）光のｓ偏光成分をコリメートするように構成され得る。そのような構成では、偏光源１７６は、ｐ偏光入射ビーム１５８を射出するように構成され、ビームスプリッタ構成１６６は、ｐ偏光の光を反射し、ｓ偏光の光を透過し（明順応領域およびＮＩＲ領域の両方で）、ビームスプリッタ構成１８６は、ｓ偏光の光を反射し、ＮＩＲ領域の波長を有するｐ偏光の光を透過し、ｐ偏光の光を反射し、明順応（可視光）領域の波長を有するｓ偏光の光を透過する。
【0067】
図５および図６に示される偏光およびスペクトル選択ビームスプリッタ構成１８６は、特定の欠点、特に、入射光の適切なスペクトルおよび偏光選択透過および反射を提供するコーティングの設計の複雑さを有し得る。図５および図６に示されるビームスプリッタ設計の１つの代替案が図７に示されている。ここで、ビームスプリッタ構成１８６は、偏光選択型ビームスプリッタ構成（ビームスプリッタ構成１６６と同様）として実装され、すなわち、それは、ｓ偏光の光を反射し、第１および第２の光スペクトルの両方（すなわち、可視光およびＮＩＲ光が、ビームスプリッタ構成１８６によって同じように扱われる）のｐ偏光の光を透過する。図７に示されるビームスプリッタ構成１８６は、第１または第２の光スペクトルの間の光を区別しないので、２つの追加のリターデーションプレートが、ＮＩＲ光の偏光回転を処理するために配置される。具体的には、リターデーションプレート１９５は、光波出入口面１９４の少なくとも一部に関連付けられ、別のリターデーションプレート１９７は、プリズム１６０と１８０との間に配置されるように、光波出入口面１７２および光波出入口面１９０に関連付けられている。リターデーションプレート１９５、１９７は、第１の光スペクトル（すなわち、ＮＩＲ光）の入射光に対して半波長板として機能し、それにより、入射ＮＩＲ光の偏光を回転させ、第２の光スペクトル（すなわち、明順応（可視）光）の入射光に対して全波長板として機能し、それにより、入射明順応光の偏光状態に影響を与えない。
【0068】
したがって、リターデーションプレート１９５に衝突する照明１２２の第１の偏光（典型的にはｐ偏光）成分は、リターデーションプレート１９５によって、その偏光を第２の直交偏光に回転させ（例えば、ｐ偏光をｓ偏光に変換する）、リターデーションプレート１９５に衝突する照明１２２の第２の偏光（典型的にはｓ偏光）成分は、リターデーションプレート１９５によって、その偏光を第１の直交偏光に回転させる（例えば、ｓ偏光をｐ偏光に変換する）。照明１２２（リターデーションプレート１９５を通過した後）は、光波出入口面１９４を通ってプリズム１８０に入る。（偏光選択型ビームスプリッタ構成１８６の表面に対して）ｐ偏光としてプリズムに入る照明１２２の成分は、ビームスプリッタ構成１８６によって透過し、表面１８８を介してプリズム１８０を出る。（偏光選択型ビームスプリッタ構成１８６の表面に対して）ｓ偏光としてプリズムに入る照明１２２の成分は、ビームスプリッタ構成１８６によって反射され、コリメーション集束面１９２に到達し、そこでその成分は、リターデーションプレート１９６を通過し、コリメート集束構成要素（すなわち、レンズ）１４０に入り、偏光を回転させるように（例えば、ｓ偏光をｐ偏光に変換する）、レンズ１４０の反射する表面１４１によってリターデーションプレート１９６を通して反射して戻り、その結果、集束された照明が偏光選択型ビームスプリッタ構成１８６を通って透過し、光波出入口面１９０を通った透過を介してプリズム１８０を出る。次に、光は、第１の偏光（典型的にはｐ偏光）でリターデーションプレート１９７に衝突し、その偏光を、リターデーションプレート１９７によって第２の直交偏光に回転させ（例えば、ｐ偏光をｓ偏光に変換する）、その結果、照明１２２は、ビームスプリッタ構成１６６の表面に対してｓ偏光を伴って、光波出入口面１７２を通ってプリズム１６０に入る。ここで、ｓ偏光の光は、ビームスプリッタ構成１６６によって光波出口面１７４に向かって反射され、光学センサ１２８に衝突する集束照明ビーム１９８としてプリズム１６０を出る。
【0069】
リターデーションプレート１９５、１９７は、明順応光に対して全波長板として機能するので、偏光源１７６からプリズム１８０の出力（光波出入口面１９４）へとプリズム１６０、１８０を通る通過経路、ならびに通過する光の偏光方向は、リターデーションプレート１９５、１９７の影響を受けないことに留意されたい。
【0070】
図７に示される光学モジュール１２６の構成は、レンズ１１２が、少なくとも部分的に偏光分離に基づいて、第１のタイプの光、すなわち、アイトラッキング光（眼１１０からの光）と第２のタイプの光、すなわち、画像光（反射ディスプレイデバイス１７８からの光）とを区別する状況に適用可能であることに留意されたい。レンズ１１２がスペクトル分離のみに基づいてこれらの２つのタイプの光を区別する構成では、リターデーションプレート１９５は必要とされない。これは、アイトラッキング光が一般にレンズ１１２によって両方がコリメートされるｓおよびｐ偏光成分を含むように眼が照明され得るという事実による（レンズ１１２は、アイトラッキング光によって占められる光スペクトルの光、例えば、偏光に関係のないＮＩＲ領域の光をコリメートするので）。したがって、ＬＯＥ１０２から光学モジュール１２６にカップリングアウトされた照明１２２は、（ビームスプリッタ構成１８６の表面に対して）ｓ偏光およびｐ偏光の成分についてコリメートされる。ここで、ｐ偏光成分は、表面１９４を通ってプリズム１８０に入り、ビームスプリッタ構成１８６によって透過され、表面１８８を通ってプリズム１８０を出る。ｓ偏光成分は、表面１９４を通ってプリズム１８０に入り、ビームスプリッタ構成１８６によって反射され、表面１９２を通ってプリズム１８０を出て、コリメーション集束表面１９２に到達し、そこでその成分は、リターデーションプレート１９６を通過し、コリメート集束構成要素（すなわち、レンズ）１４０に入り、偏光を回転させるように（例えば、ｓ偏光をｐ偏光に変換する）、レンズ１４０の反射する表面１４１によってリターデーションプレート１９６を通して反射して戻り、その結果、集束された照明がビームスプリッタ構成１８６を通って透過し、光波出入口面１９０を通った透過を介してプリズム１８０を出る。
【0071】
ビームスプリッタ構成１６６、１８６の他の実装は、例えば、光学モジュール１２６のビームスプリッタ構成１６６、１８６の一方または両方の、入射光の強度の約半分を反射し、かつ入射光の強度の約半分を透過する単純な５０～５０ビームスプリッタとしての実装を含むものとして、本明細書で企図される。あるいは、両方のビームスプリッタ構成を、第２の光スペクトル（可視光）の入射光用の偏光選択型ビームスプリッタ構成として、および第１の光スペクトル（ＮＩＲ光）の入射光用の単純な５０～５０ビームスプリッタとして実装することができる。例えば、ビームスプリッタ構成は、ｓ偏光可視光を反射し、ｐ偏光可視光を透過し、入射ＮＩＲ光の強度の約半分を反射し、入射ＮＩＲ光の強度の約半分を透過することができる。ただし、このような５０～５０のビームスプリッタ構成では、最初に入射する光の強度の約２５％のみが出力に到達することに留意されたい。
【0072】
本明細書では、照明配置１３８の様々な構成が企図されている。すべての照明配置構成において、照明配置１３８は、第１のタイプの光（すなわち、第１の偏光方向に偏光されている（例えば、ｐ偏光されている）光の成分を含む第１の光スペクトルの光（例えば、ＮＩＲ光））で眼１１０を照明するように構成された１つ以上の光源を含む。理想的には、照明配置１３８の光源は、ＥＭＢ１０９に可能な限り鉛直に近い照明方向に眼１１０を照明するように配置される。代替の構成では、光源は、眼１１０を側面から照明するように、眼１１０の視野の周辺に配置される。さらに別の構成では、照明配置１３８は、光学モジュール１２６の一部として配置され、画像１４２を生成し、かつ眼１１０で見るためにＬＯＥ１０２に投影することに加えて、照明配置１３８から光をＬＯＥ１０２に注入して、ＥＭＢ１０９に鉛直なカップリングアウト方向に部分的に反射する表面１０８によってＬＯＥ１０２からカップリングアウトされるように、順方向に伝播するように構成することもできる。
【0073】
以下の段落は、特に図８を参照して、照明配置１３８の配置オプションのいくつかを説明する。図８に示される装置１００の非限定的な実装は、照明配置１３８の一般的な配置オプションに関するコンテキストを提供することを意図している。ここに示される特定の非限定的な実装では、装置１００は、観察者の耳に掛けるためのサイドアーム１５６を備えた眼鏡フレーム１５４として実装されたヘッドマウント機械体を備えた眼鏡フォームファクタに実装される。ヘルメットに取り付けられたフォームファクタ、車両のフロントガラスのフォームファクタ、および他のヘッドアップディスプレイおよびニアアイディスプレイのフォームファクタなどの他のフォームファクタもまた、明らかに本発明の範囲内にあることに留意されたい。照明配置１３８は、光源１３８Ａによって射出された光線が、ＥＭＢ１０９に鉛直に近いＥＭＢ１９０に到達するように、（例えば、面２０４への直接または間接の取り付けを介して）ＬＯＥ１０２のアクティブ領域の近くに配置された少なくとも１つの光源１３８Ａ（図８では２つの光源として表されている）を含み得る。代替的に、または光源１３８Ａに加えて、照明配置１３８は、観察者の頭の側面の近くに配置された少なくとも１つの他の光源１３８Ｂを含むことができる（図８では、これは、サイドアーム１５６に取り付けられた光カップリング構成１２４に取り付けられているものとして示されている）。そのような構成では、偏光源１３８Ｂによって射出された光線は、軸外角度でＥＭＢ１９０に到達する。論じたように、眼１１０から反射される光は、光の２つの直交偏光成分（すなわち、ｓ偏光成分およびｐ偏光成分）を含み得、レンズ１１２は、これらの２つの偏光方向のうちの１つのみをコリメートするように構成される。本明細書に記載の例では、レンズ１１２は、好ましくは、（ｐ偏光をコリメートするように）眼１１０から反射された光のｐ偏光成分に光パワーを印加し、眼１１０から反射された光のｓ偏光成分に光パワーを印加しないように構成される。
【0074】
照明配置１３８は、眼１１０の特定の領域または眼１１０全体をＮＩＲ光で照明するように構成され得る。詳細に論じられるように、眼１１０によって反射される照明（すなわち、光線１１４Ａ～１１４Ｆによって表される第１のタイプの光）は、（レンズ１１２によって）コリメートされ、部分的に反射する表面１０８によってＬＯＥ１０２にカップリングインされ、次にＬＯＥ１０２から（光学カップリング構成１２４によって）カップリングアウトされ、そこで（レンズ１４０によって）光学センサ１２８上に集束される。光学センサ１２８は、集束光の感知に応答して信号を生成し、それらの信号は、信号を処理して眼１１０の現在の注視方向を導出するように構成された処理システム１３０に転送される。特定の非限定的な実施形態では、装置１００は、眼１１０の特定の領域に存在するパターンを画像化することによって、注視方向（眼１１０の角度向き、または眼１１０の視線）を取得する。このようなパターンの位置とその動きは、現在の注視方向と眼の動きを示す。人間の眼は、例えば、網膜の血管によって生成されるパターンを含む、様々な追跡可能な特徴を含む。これらの追跡可能な特徴は、処理システム１３０によって実行される適切な画像処理命令によって実施される適切な追跡アルゴリズムを使用して追跡することができる。
【0075】
注視方向を導き出し追跡するための非限定的なプロセスでは、網膜パターンがマッピングされ、追跡可能な特徴が初期設定プロセス中に決定され、その後、連続追跡プロセスが実行される。例えば、画像マーカーは、観察者が初期化中に見ることができるように観察者に表示され得る。観察者がマーカーの方を向いている間、照明配置１３８は、短いパルスおよび（光学センサ１２８を介して）得られた眼底の完全な画像によって眼底（網膜の可視部分）を完全に照明する。次に、この画像は、処理システム１３０によって処理されて、追跡可能な特徴（例えば、視神経乳頭および中心窩）を識別する。連続追跡プロセス中に、眼の選択された関心領域（ＲＯＩ）１１０は、照明配置１３８によって選択的に照明され、現在の注視方向（視線）を決定するための対応する照明パルス中にＲＯＩの画像（光学センサ１２８によって取得される）がサンプリングされ処理される（処理システム１３０によって）、この導出された注視方向を使用して、後続の照明サイクルのＲＯＩの位置を更新し、更新されたＲＯＩを照明することによって連続追跡プロセスを繰り返す。追跡測定の頻度が眼の動きの速度と比較して高いと仮定すると、この更新プロセスは典型的には、継続的な追跡を維持するのに効果的であり、任意選択で他の眼からの追跡情報と組み合わせられる。注視方向が変わると、照明エリアも変わる。ＲＯＩの更新は、最後にサンプリングされた画像から決定された「現在の」注視方向に従って実行され得るか、または、場合によっては、前の２つ以上の測定間の眼の動きに基づく予測外挿を使用し得る。追跡に失敗した場合、追跡可能な機能が回復するまで、照明された領域のサイズを一時的に増やすことができる。
【0076】
再び図８を見ると、処理システム１３０は、様々な専用グラフィックプロセッサ、ディスプレイドライバ、および任意の適切なオペレーティングシステムの下で動作し、適切なソフトウェアまたはファームウェアモジュールを実装するコンピュータ化されたプロセッサ（総称してプロセッサ１３２と称する）の任意の組み合わせを含むがこれらに限定されない、当技術分野で知られている任意の適切なタイプの処理ハードウェアおよび／またはソフトウェアを使用して実装することができる。記憶媒体１３４は、揮発性データストレージなどの１つ以上のコンピュータ化されたメモリデバイスとすることができる。処理システム１３０は、情報およびグラフィックコンテンツの双方向転送のために、ＬＡＮおよび／またはＷＡＮデバイスとの有線または無線通信を可能にするための様々な通信コンポーネントをさらに含み得る。装置１００は、適切な電源から電力を供給され、これは、ケーブル１３３を介して接続された電源１３１としてここに概略的に示されている、バッテリーおよび／または提供される外部電源の任意の組み合わせであり得る。バッテリー電源を使用する場合、バッテリーは、眼鏡またはヘルメットに取り付けられた構造の一部として統合することができる。
【0077】
レンズ１１２および偏光子１３６などの、ＬＯＥ１０２の面１０４、１０６に関連付けられた光学部品は、例えば、ＬＯＥ１０２への機械的取り付けを含む任意の適切な取り付け技術を使用して、ＬＯＥ１０２に光学的に取り付けられる一方で、光学部品とＬＯＥ１０２の面との間のエアギャップまたは材料（例えば、ゲル）ギャップを維持する。そのようなエアギャップまたは材料ギャップを占める材料は、ＬＯＥ１０２内の全内部反射の状態を維持するのに十分に低い屈折率を有する。光学部品をＬＯＥ１０２に光学的に取り付けるための他の適切な代替案には、ＬＯＥ１０２の面と光学部品との間に超微細構造を有するエアギャップフィルムの配置、または低屈折率材料の透明層（低屈折率材料の薄いプレートなど）の配置が含まれる。このような光学的取り付け方法の詳細は、出願人が共有している米国特許第１０，５２０，７３１号および米国特許出願公開第２０１８／００６７３１５号に記載されている。４分の１波長板１５０は、同様の光学的取り付け技術を使用してレンズ１１２に取り付けられ得る。
【0078】
これまでに説明した装置１００の実施形態は、アイトラッキング光をＬＯＥ１０２にカップリングインするための、かつ（光学モジュール１２６からの）画像光をＬＯＥ１０２からカップリングアウトするための部分的に反射する表面１０８のセットとして実装される光カップリング構成に関するが、部分的に反射する表面１０８は、１つの非限定的な光カップリング構成の単なる例示であり、他の光カップリング構成を使用して、アイトラッキング光をＬＯＥ１０２にカップリングインし、ＬＯＥ１０２から画像光をカップリングアウトすることができる。光カップリング構成は、レンズ１１２からのアイトラッキング入射放射の一部を、ＬＯＥ１０２内の内部反射を通して伝播する角度に偏向し、同様に、画像入射放射の偏向部分がＬＯＥ１０２を出るような角度への内部反射によってＬＯＥ１０２内をすでに伝播している（光学モジュール１２６からの）画像入射放射の一部を偏向する、任意の光カップリング配置であり得る。そのような適切な光学カップリング配置の他の例には、これらに限定されないが、面１０４、１０６のいずれかに配置された１つ以上の回折光学素子が含まれる。
【0079】
図２～８に関して説明された装置の実施形態は、アイトラッキング光（観察者の眼から反射された光）の特定の成分のみをコリメートして、カップリングインしコリメートされた光を画像プロジェクタ（光学モジュール１２６）に統合された光学センサに集束させることができるようにするための偏光および／またはスペクトル（波長）感知性コリメート素子（レンズ１１２）の利用に関する。眼を画像化し、光が眼から発する角度を決定するために、眼からのコリメートされていない光が光ガイド光学素子にカップリングインされ、２つの直交軸に対して異なる曲率半径を有する双円錐レンズによって、光学センサに方向付けられる、他のアイトラッキング解決策が本明細書で企図される。そのような解決策は、好ましくは、投影された画像が伝播するＬＯＥとは別の専用の光ガイド光学素子に配置された、特殊な少なくとも部分的に反射する表面を採用する。
【0080】
ここで図９～１５を参照すると、画像を表示するための、かつ光ガイド光学素子（ＬＯＥ）に関連付けられたカップリングイン構成によって人間の眼２１０の注視方向を導出するための、本発明の様々な実施形態に従って構築され動作する、概して２００で示される装置の構造および動作の様々な態様が示されている。ここに示される好ましいが非限定的な実装では、カップリングイン構成は、眼２１０から発する光に対して少なくとも部分的に反射する表面２０８として実装される。表面２０８は、以下、少なくとも部分的に反射する表面２０８と互換的に称される。表面２０８は、（照明配置２４２による照明に応答して）眼から反射された光を伝播するように構成され、眼２１０で見るためにカップリングアウトされることになる投影された画像を伝播するように構成された第２のＬＯＥ２１２とは別である、第１のＬＯＥ２０２に関連付けられている。ＬＯＥ２０２は、透明な材料から形成され、内部反射（好ましくは全内部反射）によって光を誘導するための一対の平行な面（平面の主表面）２０４、２０６を有する。表面２０８は、（全）内部反射によってＬＯＥ２０２内を伝播するように、カップリングイン領域２４３内の面２０４に入射する光の一部をカップリングインするように構成されている。特に、表面２０８は、ＬＯＥ２０２内（すなわち、面２０４、２０６の間）に平行な面２０４、２０６に対して斜めに配置され、その結果、カップリングインされた光は、面２０４、２０６からの内部反射によって基板２０２内にトラップされる。「アクティブ領域」または「アクティブエリア」とも称される、ＬＯＥ２０２のカップリングイン領域２４３は、面２０４の二次元領域である。
【0081】
表面２０８によってカップリングインされた光は、カップリングアウト光学構成２０７（図９にプリズムとして概略的に示されているが、例えば、反射する表面としても実施され得る）に到達するまで、逆方向にＬＯＥ２０２を通って伝播する。好ましくは、部分的に反射する表面として実装されたミキサー２０５は、カップリングアウト光学構成２０７から上流にかつ隣接する面２０４、２０６に平行な平面（好ましくは面２０４と２０６の間の中間平面）上でＬＯＥ２０２内に配置されて、ＬＯＥ２０２を通って伝播する光の不均一性を軽減する。光は、カップリングアウト光学構成２０７によって、ＬＯＥ２０２から光学モジュール２３６にカップリングアウトされる。光学モジュール２３６は、レンズ２４０（双円錐レンズ）および光学センサ２３８を含む（ただし、センサ２３８は、光学モジュール２３６の外部にあってもよい）。カップリングアウトされた光は、レンズ２４０を通過し、レンズ２４０は、眼２１０から反射された光を感知するように構成された光学センサ２３８に光を向ける。処理システム２３０は、記憶媒体２３４（コンピュータメモリ等など）に結合された少なくとも１つのコンピュータ化されたプロセッサ２３２を含み、光学センサ２３８と電気的に関連付けられ、眼２１０の現在の注視方向を導出するために光学センサ２３８からの信号を処理するように構成されている。
【0082】
眼２１０で見るためにカップリングアウトされることになる投影された画像を伝播するように構成された第２のＬＯＥ２１２は、透明な材料から形成され、内部反射（好ましくは全内部反射）によって光を誘導するための一対の平行な面（平面の主表面）２１４、２１６を有する。ＬＯＥ２１２は、眼２１０に対して対向するように平行な面２１４の１つで展開され、ここで、眼２１０は、面２１４からアイレリーフ（ＥＲ）距離２１３でＥＭＢ２０９内に配置される。画像プロジェクタ２２８は、ここでは、ビームにまたがるサンプル光線２２２Ａ、２２２Ｂ、および２２２Ｃを含む照明ビーム２２２によって概略的に表されるように、画像２２２（無限遠にコリメートされた）を投影するように構成される。投影された画像２２２は、反射する表面によってここに概略的に示されるように、カップリングイン光学構成２２４によってＬＯＥ２１２にカップリングインされ（ただし、例えば、プリズムなどの他の構成が本明細書で企図される）、基板内の内部反射によってトラップされる反射光線２２３を生成し、光線２２５も生成するようにする。画像は、繰り返される内部反射によって基板に沿って伝播し、平行な面２１４、２１６に対して斜めの角度で部分的に反射する表面２１８のシーケンスとして実装される第２のＬＯＥ２１２に関連付けられた光学カップリングアウト構成に衝突し、そこで画像強度の一部が反射されて、光線２２６Ａ、２２６Ｂ、および２２６Ｃとして眼２１０に向かって基板からカップリングアウトされる。部分的に反射する表面２１８は、ＬＯＥ２１２での使用に適切な１つの非限定的な光学カップリングアウト構成の単なる例示であり、他の光学カップリング構成を使用して、ＬＯＥ２１２から画像光をカップリングアウトすることができることに留意されたい。光カップリングアウト構成は、画像の偏向された部分がＬＯＥ２１２を出るような角度に内部反射によってＬＯＥ２１２内を伝播する画像の一部を偏向させる任意の光学カップリング構成であり得る。そのような適切な光学カップリング配置の他の例には、これらに限定されないが、面２１４、２１６のいずれかに配置された１つ以上の回折光学素子が含まれる。
【0083】
ＬＯＥ２０２は、眼２１０に対向するように平行な面２０４の１つを有するが、ＬＯＥ２１２が眼２１０とＬＯＥ２０２との間に介在しており、面２０４および２１６が平行（またはほぼ平行）となり、互いに整列し、隣接するように、配置される。眼２１０は、面２０４からアイレリーフ（ＥＲ）距離２１１に位置する。図面に示される非限定的な構成では、ＬＯＥ２０２および２１２は、ＬＯＥ２０２および２１２が共通の伸長方向（本明細書ではｘ軸に対応するものとして任意に示される）を有し、面２０４、２０６、２１４、２１６が相互に平行となるように配置される。ＬＯＥ２０２および２１２は、好ましくは、面２０４、２１６で互いに光学的に取り付けられて、界面平面を画定する。機械的配置、および光学接合を含むがこれらに限定されない、任意の適切な機構を使用して、ＬＯＥ２０２および２１２を互いに光学的に取り付け得る。例えば、面２０４、２０６は、面２０４、２０６の少なくとも１つの少なくとも一部に光学接合の層を提供することによって互いに接合されて、個別の機能を実行する２つの光ガイドから形成された接合された単一の光学構造を形成し得る。
【0084】
図２～８を参照して説明した実施形態のように、本実施形態では、眼２１０は、第１の光スペクトルの光が、表面２０８によってＬＯＥ２０２にカップリングインされ、照明２２２（すなわち、投影された画像）が、第２の光スペクトル（明順応、すなわち、可視領域）内にあるように、好ましくは、第１の光スペクトル（好ましくはＮＩＲ領域）の光で照明される。前の実施形態で論じたように、部分的に反射する表面２１８は、好ましくは、第１の範囲の入射角に対して低い反射率を有する一方で、第２の範囲の入射角に対して所望の部分反射率を有するようにコーティングされる。さらに、面２１４、２１６および部分的に反射する表面２１８は、眼２１０によって反射された光が、ＬＯＥ２０２にカップリングインされる前の強度の損失を最小限に抑えてＬＯＥ２１２を通過するように、好ましくは、第１の光スペクトルの光に対して高い透過率を有し、するようにコーティングされる。
【0085】
前述の実施形態（図２～８）においてＬＯＥ１０２にカップリングインされる眼からの入射光とは対照的に、本実施形態では、ＬＯＥ２０２にカップリングインされる眼２１０からの入射光はコリメートされず、異なるそれぞれの入射角で表面２０８に衝突する入射光線の角度分布をもたらす。特に図１０を参照すると、ＥＭＢ２０９の第１の次元に沿ったＥＭＢ０９内の２つの異なる点からの入射光（第１の次元は、図面において任意にラベル付けされたＸＹＺ座標系のｘ軸に沿っている）が、ＬＯＥ２０２にカップリングインされるように表面２０８に衝突する。ここでは第１の照明ビーム２４４および第２の照明ビーム２５０によって概略的に表されている入射光は、照明配置２４２からの照明に応答して眼２１０によって反射される光（好ましくはＮＩＲ領域）である。なお、２つのビーム２４４、２５０は、表面２０８によってＬＯＥ２０２にカップリングインされるＥＭＢ２０９からのビームのサンプルを単に示しているだけであり、ＥＭＢ２０９内の追加のそれぞれの点からの追加のビームもまた、表面２０８によってＬＯＥ２０２にカップリングインされる。見てわかるように、ビーム２４４、２５０のそれぞれは、一般に、異なる入射角で表面２０８に到達し、その結果、ビーム２４４、２５０は、内部反射によってＬＯＥ２０２内にトラップされるそれぞれの反射ビーム２４５、２５１を生成するが、これらは、面２０４、２０６に対して異なる角度でＬＯＥ２０２内を伝播する。
【0086】
図１１に示されるように、ビーム２４４、２５０のそれぞれは、ビームにまたがる光線を含む。図示の例では、ビーム２４４は、（ｘ軸に沿った）第１の次元のカップリングイン領域２４３の少なくとも一部に沿ってビーム２４４にまたがるサンプル光線２４６Ａ、２４６Ｂ、および２４６Ｃを含み、光線２４６Ａおよび２４６Ｃは、ビーム２４４の周辺光線である。同様に、ビーム２５０は、（ｘ軸に沿った）第１の次元のカップリングイン領域２４３の少なくとも一部に沿ってサンプル光線２５２Ａ、２５２Ｂ、および２５２Ｃを含み、光線２５２Ａおよび２５２Ｃは、ビーム２５０の周辺光線である。光線２４６Ａ、２４６Ｂ、２４６Ｃ、２５２Ａ、２５２Ｂ、および２５２Ｃのそれぞれは、面２０４の第１の次元（図面のｘ軸）に沿った面２０４の異なるそれぞれの点で面２０４に入射し、したがって、異なるそれぞれの入射角で表面２０８に入射する。したがって、光線２４６Ａ、２４６Ｂ、２４６Ｃ、２５２Ａ、２５２Ｂ、および２５２Ｃのそれぞれは、異なる入射角で表面２０８に到達し、その結果、反射ビーム２４５、２５１は、それぞれ、ＬＯＥ２０２内を伝播する、間隔を置いて離された反射光線（それぞれのビームにまたがる）を含む。
【0087】
表面２０８によってＬＯＥ２０２にカップリングインされる光（ビーム２４４、２５０にまたがり、かつビーム２４４、２５０にまたがる光線にまたがる）の角度分布は、表面２０８の開口幅（ＥＭＢ２０９に平行な平面に投影される幅）の関数である。開口幅は、表面２０８の配置角度βの急峻さ（面２０４に対して測定される）に反比例するので、急峻な配置角度の場合、開口幅は効果的に小さく、それにより、角度またがり次元において高解像度を提供する（図面のｘ軸）。本実施形態では、表面２０８は、部分的に反射する表面２１８よりも急な角度で配置され、角度の狭い角度分布のみをカバーする光が表面２０８によってＬＯＥ２０２にカップリングインされるように表面２０８の開口幅がＬＯＥ２０２とＥＭＢ２０９との間の距離に対して十分に狭いような十分に急な角度で配置される。
【0088】
解像度は、面２０４に平行な平面上に投影された表面２０８の幅によって大まかに概算することができる。図９では、幅はｗとして示され、ｈ／ｔａｎ（β）として計算することができる。ここで、ｈは、ＬＯＥ２０２の厚さ（すなわち、平らな面２０４、２０６間の最小距離）である。例えば、ｈ＝１ｍｍおよびβ＝６５°の場合、
である。０．４７ｍｍの解像度は、人間の眼の瞳孔の解像度よりも小さいので、ｈおよびβのそのようなパラメータは、光学センサ２３８で高解像度画像を提供し、幅を減少させること（配置角度βを増加させることおよび／または厚さｈを減らすことにより）は、さらに高い解像度の画像が生成し得る。しかしながら、幅が減少するにつれて、光学センサ２３８によって出力される信号の強度も減少し、出力信号の全体的な信号対雑音比が減少することに留意されたい。したがって、光学センサ２３８での妥当な信号対雑音比に対応する小さな開口幅の間の適切なバランスを見つけるように注意を払う必要がある。
【数1】
【0089】
ここで図１２に眼を向けると、カップリングアウトされた光線２４７Ａ、２４７Ｂ、および２４７Ｃ、ならびにカップリングアウトされた光線２５３Ａ、２５３Ｂ、および２５３Ｃが、光学モジュール２３６で受け入れられていることが示されている。光線２４７Ａ、２４７Ｂ、および２４７Ｃ、ならびに光線２５３Ａ、２５３Ｂ、および２５３Ｃは、表面２０８の第１の次元（幅）の角度分布にまたがる入射光線に対応する。特に、カップリングアウト光線２４７Ａ、２４７Ｂ、および２４７Ｃは、入射光線２４６Ａ、２４６Ｂ、および２４６Ｃに対応し、カップリングアウト光線２５３Ａ、２５３Ｂ、および２５３Ｃは、入射光線２５２Ａ、２５２Ｂ、および２５２Ｃに対応する。カップリングアウトされた光線２４７Ａ、２４７Ｂ、および２４７Ｃ、ならびにカップリングアウトされた光線２５３Ａ、２５３Ｂ、および２５３Ｃは、レンズ２４０を通過し、レンズ２４０は、光線に光パワーを印加して、光線を光学センサ２３８に向ける。
【0090】
前述のように、レンズ２４０はバイコニックであり、これは、本文脈では、異なる軸に対して異なる曲率半径を有することを指す。異なる曲率半径は、２つのそれぞれの次元（直交次元）で２つの焦点距離、すなわち、第１の次元のｆ1の第１の焦点距離および（第１の次元に直交する）第２の次元のｆ2の第２の焦点距離を有するレンズ２４０につながる。光学センサ２３８は、レンズ２４０からｆ1の距離で配置される。は、第１の焦点距離ｆ1および第１の焦点距離ｆ1における光学センサ２３８の位置決めは、レンズ２４０が光線２４７Ａ、２４７Ｂ、および２４７Ｃ（および光線２５３Ａ、２５３Ｂ、および２５３Ｃ）を捕捉された光の非収束ビームに変換するようなものであり、非収束ビームは、光線２４７Ａ、２４７Ｂ、および２４７Ｃ（および光線２５３Ａ、２５３Ｂ、および２５３Ｃ）の角度分布が対応するビーム２４４および（ビーム２５０）の（表面２０８の幅の次元における）角度分布を示すように、光学センサ２３８の異なるそれぞれの領域に到達する。さらに、光線２４７Ａ、２４７Ｂ、および２４７Ｃ、ならびに光線２５３Ａ、２５３Ｂ、および２５３Ｃは、光線２４７Ａ、２４７Ｂ、および２４７Ｃのセット間の全体的な角度分離、ならびに光学センサ２３８での光線２５３Ａ、２５３Ｂ、および２５３Ｃがビーム２４４と２５０との間の（表面２０８の幅の次元における）角度分離を示すように、光学センサ２３８の異なるそれぞれの領域に到達する。したがって、光学センサ２３８は、適度に高い角度分解能で、表面２０８によってＬＯＥ２０２にカップリングインされたＥＭＢ２０９から発する光（ビーム２４４、２５０）の相対角度を測定することができる。角度分解能は、一般に、表面２０８（前述）の有効開口幅とアイレリーフ（ＥＲ２１１）の関数であり、ｓｉｎ-1（ｗ／ＥＲ）として表すことができる。０．４７ｍｍの有効開口幅（ｗ）および２７ｍｍのアイレリーフ（ＥＲ）の場合、光学センサ２３８によって提供される角度分解能は、約１度である。補足的に、小さな角度分解能の結果として、ＬＯＥ２０２の主平面間の平行性の要件は、眼２１０への画像投影に使用されるＬＯＥ２１２の要件よりもはるかに寛大であり、約１分角の平行性が必要になる場合がある。
【0091】
レンズ２４０は、第１の焦点距離の次元に直交する次元の第２の焦点距離ｆ2を有する。レンズ２４０の双円錐のアスペクトは、２つの直交する次元に沿ってカップリングイン領域２４３にまたがる入射光（眼２１０から反射される）を介して眼２１０の画像化を可能にする。（ｘ軸に沿った）一次元にまたがる入射光線に対応するカップリングアウトされた光を向けることによる（レンズ２４０による）画像化は、図１０～１２を参照して議論された。以下の段落は、レンズ２４０によって光学センサ２３８上に（ｚ軸に沿った）第２の次元にまたがる入射光線に対応するカップリングアウトされた光線を集束させることによる眼２１０の画像化を説明する。
【0092】
ここで図１３を参照すると、ビーム２４４、２５０はまた、（ｚ軸に沿った）第２の次元のカップリングイン領域２４３の少なくとも一部に沿ってそれぞれのビームにまたがる光線を含む。図示の例では、ビーム２４４は、ＥＭＢ２０９の共通点から発生し、かつ（ｘ軸に沿った）第２の次元のカップリングイン領域２４３の少なくとも一部に沿ってビーム２４４にまたがるサンプル光線２４８Ａ、２４８Ｂ、および２４８Ｃを含み、光線２４８Ａおよび２４８Ｃは、ビーム２４４の周辺光線である。同様に、ビーム２５０は、ＥＭＢ２０９の共通点から発生し、かつ（ｘ軸に沿った）第２の次元のカップリングイン領域２４３の少なくとも一部に沿ってビーム２５０にまたがるサンプル光線２５４Ａ、２５４Ｂ、および２５４Ｃを含み、光線２５４Ａおよび２５４Ｃは、ビーム２５０の周辺光線である。ＸＹ平面における光線２４６Ａ、２４６Ｂ、および２４６Ｃの投影は、共通の入射角で表面２０８に入射する。したがって、光線２４６Ａ、２４６Ｂ、および２４６Ｃは、表面２０８によってＬＯＥ２０２にカップリングインされると、ＬＯＥ２０２を通って伝播する、間隔を置いて配置された平行光線のセットを生成する。同様に、ＸＹ平面における光線２５４Ａ、２５４Ｂ、および２５４Ｃの投影は、共通の入射角で表面２０８に入射する。したがって、光線２５４Ａ、２５４Ｂ、および２５４Ｃは、表面２０８によってＬＯＥ２０２にカップリングインされると、ＬＯＥ２０２を通って伝播する、間隔を置いて配置された平行光線のセットを生成する。
【0093】
ここで図１４に眼を向けると、カップリングアウトされた光線２４９Ａ、２４９Ｂ、および２４９Ｃ、およびカップリングアウトされた光線２５５Ａ、２５５Ｂ、および２５５Ｃが、光学モジュール２３６で受け入れられていることが示されている。光線２４９Ａ、２４９Ｂ、および２４９Ｃ、ならびに光線２５５Ａ、２５５Ｂ、および２５５Ｃは、表面２０８の第１の次元（ｚ軸に沿った高さ）にまたがる入射光線に対応する。特に、カップリングアウト光線２４９Ａ、２４９Ｂ、および２４９Ｃは、入射光線２４８Ａ、２４８Ｂ、および２４８Ｃに対応し、カップリングアウト光線２５５Ａ、２５５Ｂ、および２５５Ｃは、入射光線２５４Ａ、２５４Ｂ、および２５４Ｃに対応する。カップリングアウトされた光線２４９Ａ、２４９Ｂ、および２４９Ｃ、ならびにカップリングアウトされた光線２５５Ａ、２５５Ｂ、および２５５Ｃは、レンズ２４０を通過し、レンズ２４０は、光線２４９Ａ、２４９Ｂ、および２４９Ｃを光学センサ２３８の画像平面上の異なる共通領域（またはスポット）に集束するように、かつ光線２５５Ａ、２５５Ｂ、および２５５Ｃを光学センサ２３８の画像平面上の異なる共通スポットに集束させるように、光線に光パワーを印加する。言い換えれば、レンズ２４０は、光線２４９Ａ、２４９Ｂ、および２４９Ｃのセットを捕捉された光の収束ビームに変換し、同様に、光線２５５Ａ、２５５Ｂ、および２５５Ｃのセットを捕捉された光の収束ビームに変換する。これらの光線のセットを画像平面に集束させる能力は、レンズ２４０をＬＯＥ２０２の出力開口に位置付けることによって、かつ適切な第２の焦点距離ｆ2でレンズ２４０を設計することによって可能になる。
【0094】
一般に、レンズ２４０は、好ましくは、第２の焦点距離ｆ2がｆ2＝ｕｆ1／（ｕ－ｆ1）で与えられるように設計され、ここで、ｕは、光線が第２の次元に沿って表面２０８からレンズ２４０まで移動する面内距離であり、レンズ２４０は、ｕ＝ＥＲ＋Ｌ2／ｃｏｓ（θ）によって与えることができ、ここで、Ｌ2は、表面２０８からカップリングアウト光学構成２０７までの面内距離であり、θは、光が伝播する角度（面２０４に対して測定される）である。
【0095】
図２～８を参照して説明した実施形態と同様に、本実施形態の光学センサ２３８は、センサに到達する光線の感知に応答して信号を生成し、これらの信号は、眼１１０の現在の注視方向を導出するために信号を処理するように構成された処理システム１３０に転送される。注視方向の導出は、図２～８を参照して前述したものと同様のステップを使用して実行され得る。さらに、入射光（ビーム２４４、２５０）の相対角度を測定する光学センサ２３８の能力を使用して、本実施形態における注視方向の導出を強化することができる。
【0096】
照明配置２４２の可能な配置構成は、概して、図８を参照して説明した照明配置１３８の配置構成と同様である。例えば、装置２００は、観察者の耳に掛けるためのサイドアームを備えた眼鏡フレームとして実装されたヘッドマウント機械体を備えた眼鏡フォームファクタで実装され得る。ヘルメットに取り付けられたフォームファクタ、車両のフロントガラスのフォームファクタ、および他のヘッドアップディスプレイおよびニアアイディスプレイのフォームファクタなどの他のフォームファクタもまた本明細書で企図されている。照明配置２４２は、１つ以上のＮＩＲ光源を含むことができ、これは、例えば、面２１４への直接または間接の取り付けを介して、例えば、ＬＯＥ２０２のアクティブ領域の近くに配置することができ、光源によって射出された光線は、ＥＭＢ２０９に、ＥＭＢ２０９に対する鉛直近くで到達する。代替的に、または前述の構成に加えて、照明配置２４２は、例えば、画像プロジェクタ２２８またはカップリングイン光学構成２２４に取り付けられた（これらは、好ましくは、眼鏡フレームのサイドアームの１つに取り付けられる）、観察者の頭の側面の近くに配置された少なくとも１つの他のＮＩＲ光源を含むことができる。そのような構成では、ＮＩＲ光源によって射出された光線は、軸外角度でＥＭＢ２０９に到達する。
【0097】
さらに、ＬＯＥ２１２を使用して、ＥＭＢ２０９に鉛直な方向で眼２１０を照明し得る。そのような構成では、照明配置２４２は、図１５に示されるように、画像プロジェクタ２２８の一部として統合される。画像プロジェクタ２２８は、画像プロジェクタ２２８が光学センサを含まないことを除いて、図５に示される画像プロジェクタ１２６と概ね類似している（光学センサ２３８は、画像プロジェクタ２２８とは別の光学的である光学モジュール２３６に配置されるので）。さらに、光学センサ２３８は、画像プロジェクタ２２８の一部ではないので、スペクトル選択性のための適切なコーティングでビームスプリッタ構成１６６および１８６を設計する必要はない。したがって、図１５に示される画像プロジェクタ２２８の非限定的な例では、ビームスプリッタ構成１６６および１８６の両方は、第１の光スペクトルの入射光および第２の光スペクトルの入射光について（すなわち、可視光およびＮＩＲ光は、ビームスプリッタ構成１６６と１８６によって同じように扱われる）、入射光を第１の偏光方向（例えば、ビームスプリッタ構成１６６、１８６の表面に対してｓ偏光された）に反射し、第２の偏光方向（例えば、ビームスプリッタ構成１６６、１８６の表面に対してｐ偏光された）の入射光を透過する、偏光選択型ビームスプリッタである。さらに、光はＬＯＥ２１２を通って順方向にのみ伝播し、したがって光はＬＯＥ２１２から画像プロジェクタ２２８に入らないので、表面１７２は光波出口面１７２であり、表面１９０は光波入口面１９０であり、表面１９４は光波出口面１９４である。
【0098】
図５を参照して説明したのと同様に、偏光源１７６は、入射ビーム１５８として概略的に表される第２の光スペクトル（すなわち、可視領域）の偏光の光を射出する。偏光照明１５８は、第１の偏光、典型的には偏光選択型ビームスプリッタ構成１６６の表面に対するｓ偏光で光波入口面１６８を通ってプリズム１６０に入り、偏光選択型ビームスプリッタ構成１６６によって画像表示面１７０に向かって反射され、反射ディスプレイデバイス１７８に衝突する。画像の明るい領域に対応するピクセルは、変調された回転偏光（典型的にはｐ偏光された）で反射されるので、明るいピクセルからの放射は、ビームスプリッタ構成１６６を透過し、光波出口面１７２を通った透過を介してプリズム１６０を出る。次に、光は、第２の偏光（典型的には、偏光選択型ビームスプリッタ構成１８６の表面に対するｐ偏光）で光波入口面１９０を通ってプリズム１８０に入り、コリメーション面１９２に到達し、そこで光はリターデーションプレート１９６を通過し、レンズ１４０に入り、レンズ１４０の反射する表面１４１によってリターデーションプレート１９６を通って反射されて戻る。偏光軸に対して４５度でその速軸と整列されたリターデーションプレート１９６を通る二重通過は、偏光を回転させ（例えば、ｐ偏光をｓ偏光に変換する）、その結果、コリメートされた画像照明は、偏光選択型ビームスプリッタ構成１８６で光波出口面１９４に向けて反射され、照明ビーム２２２としてプリズム１８０を出る。次に、照明ビーム２２２は、カップリングイン光学構成２２４によって（図９に示されるように）ＬＯＥ２１２にカップリングインされる。
【0099】
例えば、偏光ＮＩＲ光源（ＮＩＲ光源と偏光子との組み合わせであり得る）として実装された照明配置２４２は、この構成では光波入口面１８８である表面１８８に関連付けられている。偏光ＮＩＲ光源は、入射ビーム２６８として概略的に表されている、第１の光スペクトルの偏光の光（すなわち、偏光ＮＩＲ光）を射出するように構成される。偏光照明２６８は、第１の偏光、典型的には偏光選択型ビームスプリッタ構成１８８の表面に対するｐ偏光で光波入口面１８８を通ってプリズム１８０に入り、偏光選択型ビームスプリッタ構成１８６を通って透過し、光波出口面１９４を通った透過を介して照明ビーム２７０としてプリズム１８０を出る。次に、ｐ偏光の照明ビーム２７０は、カップリングイン光学構成２２４（照明ビーム２２２と同様）によってＬＯＥ２１２にカップリングインされる。ｐ偏光照明２７０は、（照明２２２と同様に）ＬＯＥ２１２を通って伝播し、部分的に反射する表面２１８によってＬＯＥ２１２からカップリングアウトされる。この構成では、ＬＯＥ２１２内を伝播するＮＩＲ照明が部分的に反射する表面２１８によってカップリングアウトされること、および眼２１０から発せられるＮＩＲ光が（カップリングアウトされたＮＩＲ光による照明に応答して）ＬＯＥに戻ってカップリングインされないことを確実にするように注意する必要がある。この目的のために、部分的に反射する表面２１８は、好ましくは、ＬＯＥ２１２内を伝播するｓ偏光ＮＩＲ照明が部分的に反射する表面２１８によってカップリングアウトされるが、眼２１０から発するｓ偏光ＮＩＲ照明が、規定の入射角の範囲外の入射角で部分的に反射する表面２１８に入射し、したがって、反射せずに部分的に反射する表面を通過するように、規定の入射角範囲でＮＩＲ領域内のｓ偏光の光に対して所望の反射率を有するようにコーティングされる。
【0100】
これまで装置２００の実施形態を共通の（平行な）伸長方向を有するＬＯＥ２０２および２１２の文脈内で説明したが、ＬＯＥが互いに直交する伸長方向を有する他の実施形態が可能である。例えば、ＬＯＥ２１２は、ｘ軸の方向に伸長方向を有するように配置され得（図９に示されるように）、一方で、ＬＯＥ２０２は、ｚ軸の方向に伸長方向を有するように配置され得る。さらに、装置１００および２００の実施形態は、ＬＯＥ１０２および２１２が「一次元導波路」または「１Ｄ導波路」であるという文脈の中で説明されており、これは、ＬＯＥ１０２および２１２がそれぞれ一次元で開口拡張を実行するように（画像プロジェクタ１２６、２２８からの）画像光を誘導する「スラブ型導波路」を画定する一対の平行な主表面（面１０４、１０６および面２１４、２１６）を有するということを意味することに留意されたい。しかしながら、本実施形態によるアイトラッキング装置は、追加のスラブ型導波路が、直交次元で開口拡張を実行し、全体的な二次元開口拡張効果を生成するように、直交次元で画像光を誘導するＬＯＥ１０２、２１２のそれぞれに結合される、構造を含む、他の導波路構造に等しく適用可能である。あるいは、ＬＯＥ１０２、２１２の一方または両方は、「二次元導波路」または「２Ｄ導波路」であり、これは、（画像プロジェクタ１２６、２２８からの）画像光が単一の導波路を使用して開口拡張を実行するようにＬＯＥに沿って伝播する際にその画像光を２次元で誘導するのに役立つ２つの相互に直交する主表面の対を有することを意味する。
【0101】
本開示の実施形態は、電磁スペクトルの近赤外領域の光で眼を照明するために配置された照明配置の文脈の中で説明されたが、本開示の実施形態は、電磁スペクトルの特定の領域のアイトラッキング光を射出する照明配置に限定されるべきではない。アイトラッキングの目的でＮＩＲ光を使用することの説明は、例えば、本開示の様々な装置の構造および動作のより明確な説明を提供することを目的とする。赤外線領域の光、および低強度で短いパルス持続時間で射出される紫外線を含むがこれらに限定されない、他のタイプの光もアイトラッキングの目的で使用され得る。
【0102】
特定の非限定的な実施形態によれば、本開示の様々なアイトラッキング装置は、対象者の両眼を同時に追跡するために、ならびに画像を両眼に投影するために複製され得る。例えば、装置１００および／または装置２００は、両眼に対して複製され得る。２つのアイトラッカーからのデータを組み合わせることにより、追跡の安定性と継続性を向上させることを可能にし得る。例えば、眼が動いている間、眼の追跡可能な部分は、片方の眼でトラッカーに表示され、もう一方の眼では表示されなくてもよい。追跡可能な特徴の追跡を採用する追跡アルゴリズムを使用する場合、両眼の同時追跡により、１つのアイトラッカーのみが死角を追跡できる期間を通して追跡を継続的に維持することを可能にする。
【0103】
装置が両眼型である場合、各眼はそれ自身の画像投影およびアイトラッキング装置を有し、様々な処理および電源構成要素は、任意選択で２つのアイトラッキングシステム間で共有され得る。両眼型アイトラッキングデバイスによって収集されたアイトラッキング情報は、上記のように、追跡の安定性および連続性を強化するために融合することができる。
【0104】
本開示の様々な実施形態の説明は、例示の目的で提示されてきたが、網羅的であることも、開示される実施形態に限定されることも意図されていない。記載された実施形態の範囲および趣旨から逸脱しない多くの修正および変形が、当業者には明らかであろう。本明細書で使用される用語は、実施形態の原理、市場で見られる技術に対する実際の適用または技術的改善を最もよく説明するため、または当業者以外の人が本明細書に開示される実施形態を理解できるようにするために選択された。
【0105】
本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに他のことを指示しない限り、複数の参照を含む。
【0106】
「例示的」という言葉は、本明細書では、「例、実例、または例示として役立つ」ことを意味するために使用される。「例示的」として記載される任意の実施形態は、必ずしも他の実施形態よりも好ましいまたは有利であると解釈されるべきではなく、および／または他の実施形態からの特徴の組み込みを除外するものではない。
【0107】
明確にするために、別個の実施形態の文脈で記載される本発明の特定の特徴はまた、単一の実施形態で組み合わせて提供され得ることが理解される。逆に、簡潔にするために、単一の実施形態の文脈で記載される本発明の様々な特徴はまた、別個に、または任意の適切な部分的な組み合わせで、または本発明の他の任意の記載された実施形態で適切であるとして提供され得る。様々な実施形態の文脈で記載される特定の特徴は、実施形態がそれらの要素なしでは動作しない場合を除いて、それらの実施形態の本質的な特徴と見なされるべきではない。
【0108】
添付の特許請求の範囲が多重の依存関係なしに起草されている点において、これは、このような複数の依存関係を許可しない法域の正式な要件に対応するためにのみ行われている。請求項を多重依存にすることによって暗示されるであろう特徴のすべての可能な組み合わせが明示的に想定されており、本発明の一部と見なされるべきであることに留意されたい。
【0109】
本発明は、その特定の実施形態と併せて記載されてきたが、多くの代替、修正、および変形が当業者には明らかになるであろうことは明白である。したがって、添付の請求項の趣旨および広い範囲に入るすべてのこのような代替、修正、および変形を包含することが意図されている。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【国際調査報告】