(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】2022-10-07
(54)【発明の名称】アイトラッキング撮像における迷光抑制
(51)【国際特許分類】
G03B 17/00 20210101AFI20220930BHJP
G02B 27/02 20060101ALI20220930BHJP
G02B 1/115 20150101ALI20220930BHJP
【ＦＩ】
G03B17/00 Q
G02B27/02 Z
G02B1/115
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021572292
(86)(22)【出願日】2020-07-27
(85)【翻訳文提出日】2022-02-02
(86)【国際出願番号】 US2020043714
(87)【国際公開番号】W WO2021025887
(87)【国際公開日】2021-02-11
(31)【優先権主張番号】16/534,861
(32)【優先日】2019-08-07
(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】515046968
【氏名又は名称】メタ プラットフォームズ テクノロジーズ， リミテッド ライアビリティ カンパニー
【氏名又は名称原語表記】ＭＥＴＡ ＰＬＡＴＦＯＲＭＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ， ＬＬＣ
(74)【代理人】
【識別番号】110002974
【氏名又は名称】弁理士法人Ｗｏｒｌｄ ＩＰ
(72)【発明者】
【氏名】ハツィリアス， カロル コンスタンティン
(72)【発明者】
【氏名】チャン， チー
(72)【発明者】
【氏名】リャオ， クリストファー ユアン－ティン
(72)【発明者】
【氏名】シャーマ， ロビン
(72)【発明者】
【氏名】アウダーカーク， アンドリュー ジョン
(72)【発明者】
【氏名】アンドレーフ， グレゴリー オレゴビッチ
【テーマコード（参考）】
2H199
2K009
【Ｆターム（参考）】
2H199CA04
2H199CA23
2H199CA24
2H199CA25
2H199CA67
2H199CA69
2H199CA70
2H199CA92
2H199CA96
2K009CC03
2K009CC06
(57)【要約】
本開示は、迷赤外光を抑制するように構成された光学システムとニアアイ光学要素（１１０）とを含む。赤外照明器（１２６、２３７）が、アイトラッキングのために狭帯域赤外照明光でアイボックスエリアを照明する。コンバイナ層（２４０）が、ユーザの眼の反射される反射された赤外光を受光し、反射された赤外光を、ユーザの眼のアイトラッキング画像をキャプチャするように構成されたカメラ（１０８）に向ける。反射防止（ＡＲ）コーティング（７２３）が、迷光を生成するフレネル反射を低減するためにベース湾曲上に配設され得る。ゴースト抑制構成要素（５３３）が、カメラ（１０８）に入射するようになる迷光を低減するために赤外照明器とペアにされ得る。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アイトラッキングのために狭帯域赤外照明光をアイボックスエリアに向けるように構成された赤外照明器と、ユーザの眼のアイトラッキング画像をキャプチャするように構成されたカメラと、
前記ユーザの前記眼から反射する前記狭帯域赤外照明光の反射された赤外光を受光し、前記アイトラッキング画像を生成するために前記反射された赤外光を前記カメラに向けるように構成されたコンバイナ層と、
ベース湾曲上に配設された反射防止（ＡＲ）コーティングであって、前記ＡＲコーティングの透過スペクトルが、第１の入射角（ＡＯＩ）範囲にわたる可視光についての極めて高い透過率と、第２のＡＯＩ範囲にわたる狭帯域の赤外光についての極めて高い透過率とについて調整され、前記狭帯域の赤外光が前記狭帯域赤外照明光に対応する、反射防止（ＡＲ）コーティングと
を備えた、光学システム。
【請求項2】
前記可視光についての前記第１のＡＯＩ範囲が±４０度超であり、前記狭帯域赤外照明光についての前記第２のＡＯＩ範囲が±４０度超であり、好ましくは、前記ＡＲコーティングの前記透過スペクトルが、前記第１のＡＯＩにわたる前記可視光の９０％超を透過し、前記ＡＲコーティングの前記透過スペクトルが、前記第２のＡＯＩにわたる前記狭帯域の赤外光の９５％超を透過する、請求項１に記載の光学システム。
【請求項3】
第２のＡＲコーティングが前記コンバイナ層の裏面上に配設され、好ましくは、前記狭帯域赤外照明光が８００ｎｍを上回る、請求項１または２に記載の光学システム。
【請求項4】
前記コンバイナ層を通って伝搬し、次いで前記ベース湾曲を通って伝搬するディスプレイ光を提供するように構成されたディスプレイ層であって、好ましくは、前記ベース湾曲が、前記光学システムのユーザのためにディスプレイ光中に含まれる仮想画像を集束させるように構成された、ディスプレイ層をさらに備えた、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学システム。
【請求項5】
前記ＡＲコーティングが、複数の二酸化チタン副層と、
複数の二酸化ケイ素副層と
を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の光学システム。
【請求項6】
前記ＡＲコーティングが、複数の酸化ハフニウム副層と、
複数のフッ化マグネシウム副層と
を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の光学システム。
【請求項7】
赤外光源であって、前記赤外光源の出力アパーチャから赤外照明光を放出するように構成された、赤外光源と、前記赤外光源の前記出力アパーチャの上に配設されたビーム整形オプティックであって、前記ビーム整形オプティックが、前記赤外照明光をアイボックスエリアに向けるように構成された、ビーム整形オプティックと、
透明材料と、
前記赤外照明光が、前記赤外照明光を画像化するように構成されたアイトラッキングカメラに入射した迷赤外照明光になるのを抑制するように構成されたゴースト抑制構成要素と
を備える、ニアアイ光学要素。
【請求項8】
前記ビーム整形オプティックが、高い屈折率を有する高屈折率材料から形成されたレンズ湾曲を含み、好ましくは、前記高い屈折率が３よりも大きい、請求項７に記載のニアアイ光学要素。
【請求項9】
前記ゴースト抑制構成要素が、前記レンズ湾曲と前記透明材料との間に配設された反射防止（ＡＲ）コーティングを含み、好ましくは、前記ゴースト抑制構成要素が、前記ＡＲコーティングの上に配設されたマイクロルーバーアレイフィルムを含み、前記マイクロルーバーアレイフィルムが、設計された入射角外の前記マイクロルーバーアレイフィルムに入射する前記赤外照明光を吸収するように構成されている、請求項８に記載のニアアイ光学要素。
【請求項10】
ゴースト抑制要素が、前記レンズ湾曲の上に配設されたマイクロルーバーアレイを含む、請求項８に記載のニアアイ光学要素。
【請求項11】
前記ビーム整形オプティックが、前記赤外照明光を前記アイボックスエリアに向けるように構成された回折光学要素を含む、請求項７から１０のいずれか一項に記載のニアアイ光学要素。
【請求項12】
前記ゴースト抑制構成要素が、前記赤外光源に隣接するオブスキュレーション要素を含み、前記オブスキュレーション要素が、前記赤外光源の前記出力アパーチャと前記アイトラッキングカメラとの間に配設されている、請求項７から１１のいずれか一項に記載のニアアイ光学要素。
【請求項13】
アイトラッキングのために狭帯域赤外照明光をアイボックスエリアに向けるように構成された複数の赤外照明器を含む照明層であって、前記赤外照明器が、赤外光源と、ビーム整形オプティックと、前記ビーム整形オプティックの上に配設された第１の反射防止（ＡＲ）コーティングとを含む、照明層と、ユーザの眼から反射する前記狭帯域赤外照明光の反射された赤外光を受光し、アイトラッキング画像を生成するために前記反射された赤外光をカメラに向けるように構成されたコンバイナ層と、
ベース湾曲を有する透明層であって、第２のＡＲコーティングが前記ベース湾曲上に配設された、透明層と
を備える、ニアアイ光学要素。
【請求項14】
前記照明層が、前記透明層と前記コンバイナ層との間に配設されている、請求項１３に記載のニアアイ光学要素。
【請求項15】
前記第１のＡＲコーティングが、±４０度入射角（ＡＯＩ）にわたる可視光についての９０％超の透過率と、±４０度ＡＯＩにわたる狭帯域の赤外光についての９５％の透過率とについて調整され、前記狭帯域の赤外光が前記狭帯域赤外照明光に対応する、請求項１３または１４に記載のニアアイ光学要素。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
いくつかの光学システムは、ユーザの眼の画像をキャプチャすることから恩恵を受け得る。たとえば、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）は、ユーザの閲覧エクスペリエンスを向上させ得るアイトラッキング機能を実施し得る。アイトラッキングは、いくつかの場合には、ユーザの眼を照明することと、次いで、照明された眼の画像をキャプチャすることとによって補助され得る。しかしながら、様々なコンテキストが、画像を分析するのに十分なコントラストを含む眼の画像をキャプチャすることに対する課題を生じ得る。特に、迷光は光学システムを通って伝搬し、カメラによって受光され、それにより、所望の撮像光学経路に沿って伝搬する光について背景雑音を増加させ得る。
【発明の概要】
【0002】
本発明の第１の態様によれば、光学システムが提供され、光学システムは、アイトラッキングのために狭帯域赤外照明光をアイボックスエリアに向けるように構成された赤外照明器と、ユーザの眼のアイトラッキング画像をキャプチャするように構成されたカメラと、ユーザの眼から反射する狭帯域赤外照明光の反射された赤外光を受光し、アイトラッキング画像を生成するために反射された赤外光をカメラに向けるように構成されたコンバイナ層と、ベース湾曲上に配設された反射防止（ＡＲ）コーティングであって、ＡＲコーティングの透過スペクトルが、第１の入射角（ＡＯＩ）範囲にわたる可視光についての極めて高い透過率と、第２のＡＯＩ範囲にわたる狭帯域の赤外光についての極めて高い透過率とについて調整され、狭帯域の赤外光が狭帯域赤外照明光に対応する、反射防止（ＡＲ）コーティングとを備える。
【0003】
可視光についての第１のＡＯＩ範囲は±４０度超であり得る。狭帯域赤外照明光についての第２のＡＯＩ範囲は±４０度超であり得る。
【0004】
ＡＲコーティングの透過スペクトルは、第１のＡＯＩにわたる可視光の９０％超を透過し得る。ＡＲコーティングの透過スペクトルは、第２のＡＯＩにわたる狭帯域の赤外光の９５％超を透過し得る。
【0005】
第２のＡＲコーティングはコンバイナ層の裏面上に配設され得る。
【0006】
狭帯域赤外照明光は８００ｎｍを上回り得る。
【0007】
光学システムは、コンバイナ層を通って伝搬し、次いでベース湾曲を通って伝搬するディスプレイ光を提供するように構成されたディスプレイ層をさらに備え得る。
【0008】
ベース湾曲は、光学システムのユーザのためにディスプレイ光中に含まれる仮想画像を集束させるように構成され得る。
【0009】
ＡＲコーティングは、複数の二酸化チタン副層を含み得る。追加または代替として、ＡＲコーティングは、複数の二酸化ケイ素副層を含み得る。
【0010】
ＡＲコーティングは、複数の酸化ハフニウム副層を含み得る。追加または代替として、ＡＲコーティングは、複数のフッ化マグネシウム副層を含み得る。
【0011】
本発明の第２の態様によれば、ニアアイ光学要素が提供され、ニアアイ光学要素は、赤外光源であって、赤外光源の出力アパーチャから赤外照明光を放出するように構成された、赤外光源と、赤外光源の出力アパーチャの上に配設されたビーム整形オプティック（ｂｅａｍ ｓｈａｐｉｎｇ ｏｐｔｉｃ）であって、ビーム整形オプティックが、赤外照明光をアイボックスエリアに向けるように構成された、ビーム整形オプティックと、透明材料と、赤外照明光が、赤外照明光を画像化するように構成されたアイトラッキングカメラに入射した迷赤外照明光になるのを抑制するように構成されたゴースト抑制構成要素とを備える。
【0012】
ビーム整形オプティックは、高い屈折率（ｈｉｇｈ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）を有する高屈折率材料（ｈｉｇｈ－ｉｎｄｅｘ ｍａｔｅｒｉａｌ）から形成されたレンズ湾曲を含み得る。
【0013】
高い屈折率は３よりも大きいことがある。
【0014】
ゴースト抑制構成要素は、レンズ湾曲と透明材料との間に配設された反射防止（ＡＲ）コーティングを含み得る。
【0015】
ゴースト抑制構成要素は、ＡＲコーティングの上に配設されたマイクロルーバーアレイフィルムを含み得る。マイクロルーバーアレイフィルムは、設計された入射角外のマイクロルーバーアレイフィルムに入射する赤外照明光を吸収するように構成され得る。
【0016】
ゴースト抑制要素は、レンズ湾曲の上に配設されたマイクロルーバーアレイを含み得る。
【0017】
ビーム整形オプティックは、赤外照明光をアイボックスエリアに向けるように構成された回折光学要素を含み得る。
【0018】
ゴースト抑制構成要素は、赤外光源に隣接するオブスキュレーション要素（ｏｂｓｃｕｒａｔｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ）を含み得る。オブスキュレーション要素は、赤外光源の出力アパーチャとアイトラッキングカメラとの間に配設され得る。
【0019】
本発明の第３の態様によれば、ニアアイ光学要素が提供され、ニアアイ光学要素は、アイトラッキングのために狭帯域赤外照明光をアイボックスエリアに向けるように構成された複数の赤外照明器を含む照明層であって、赤外照明器が、赤外光源と、ビーム整形オプティックと、ビーム整形オプティックの上に配設された第１の反射防止（ＡＲ）コーティングとを含む、照明層と、ユーザの眼から反射する狭帯域赤外照明光の反射された赤外光を受光し、アイトラッキング画像を生成するために反射された赤外光をカメラに向けるように構成されたコンバイナ層と、ベース湾曲を有する透明層であって、第２のＡＲコーティングがベース湾曲上に配設された、透明層とを備える。
【0020】
照明層は、透明層とコンバイナ層との間に配設され得る。
【0021】
第１のＡＲコーティングは、±４０度入射角（ＡＯＩ）にわたる可視光についての９０％超の透過率について調整され得る。追加または代替として、第１のＡＲコーティングは、±４０度ＡＯＩにわたる狭帯域の赤外光についての９５％超の透過率について調整され得、狭帯域の赤外光は狭帯域赤外照明光に対応する。
【0022】
非限定的なおよび非網羅的な実施形態が以下の図を参照しながら説明され、同様の参照番号は、別段に規定されていない限り様々な図全体にわたって同様の部分を指す。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】本開示の態様による、例示的なＨＭＤを示す図である。
【図2】透明層と、照明層と、コンバイナ層と、ディスプレイ層とを含む例示的なニアアイ光学要素の平面図である。
【図3】本開示の態様による、例示的な照明層を通した眼の正面図である。
【図4】赤外光源を示す図である。
【図5】本開示の態様による、例示的な赤外照明器を示す図である。
【図6】本開示の態様による、例示的なマイクロルーバーアレイを示す図である。
【図7】本開示の態様による、ベース湾曲上に配設されたＡＲコーティングと、随意の１／４波長板（ＱＷＰ：ｑｕａｒｔｅｒ－ｗａｖｅｐｌａｔｅ）と、直線偏光子とを含む例示的な光学システムを示す図である。
【図8】本開示の態様による、撮像光学経路を示す例示的な光学システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
アイトラッキングのための光学システムの実施形態が本明細書で説明される。以下の説明では、実施形態の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が記載される。しかしながら、本明細書で説明される技法が、具体的な詳細のうちの１つまたは複数なしに、または他の方法、構成要素、材料などを用いて実践され得ることを、当業者は認識されよう。他の事例では、いくつかの態様を不明瞭にすることを回避するために、よく知られている構造、材料、または動作は、詳細に示されないか、または説明されない。
【0025】
本明細書全体にわたる、「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「一実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」への言及は、その実施形態に関して説明される特定の特徴、構造、または特性が、少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体にわたる様々な箇所における「一実施形態では（ｉｎ ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「一実施形態では（ｉｎ ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」という句の出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を指しているとは限らない。さらに、特定の特徴、構造、または特性が、１つまたは複数の実施形態において任意の好適な様式で組み合わせられ得る。
【0026】
本開示で説明されるアイトラッキング画像において迷光を抑制するためのシステムおよびデバイスは、ゴースト抑制構成要素を赤外照明器に組み込むことと、光学システムの戦略的表面上に反射防止コーティングを含めることとを含む。アイトラッキングモジュールは、赤外光で眼を照明するための赤外照明器と、眼を撮像するためのアイトラッキングカメラとを含み得る。いくつかのアイトラッキングモジュールでは、赤外光の撮像経路は、カメラに入射するようになる前に様々な光学構成要素および表面に遭遇する。したがって、赤外撮像光の一部分が、異なる表面に遭遇したときに反射されるとき、迷光が生成され得る。この迷光は、次いで、光学システム内を伝搬し、最終的に、アイトラッキングカメラに入射するようになり、ゴースト画像を生成し得る。
【0027】
いくつかの場合には、赤外照明光が光学界面（ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）に遭遇したとき、赤外照明光の１５％が反射により失われる。赤外照明光が複数の光学界面に遭遇したとき、反射損失が増し、赤外撮像光の極めて大きい部分が失われ、反射光は、光雑音としてアイトラッキングカメラに入射するようになり得る迷光である。したがって、本開示の実施形態では、ＡＲコーティングおよび他のゴースト抑制構成要素は、赤外撮像光の透過率を増加させ、迷光を抑制するために戦略的に配置され得る。本開示におけるＡＲコーティングは、入射角（ＡＯＩ）が広い範囲を含むときでも、可視光と赤外光の両方の極めて高い割合を透過するように特別に調整され得る。従来のＡＲコーティングは、概して、ほぼ垂直な入射角における可視光のために設計され、広いＡＯＩ範囲にわたる可視光と赤外光とを通すように設計されない。本開示の光学システムは、ヘッドマウントディスプレイのコンテキストにおいて、可視シーン光および／または可視ディスプレイ光を通すための光学システムの要件により可視光と赤外光との透過率から恩恵を受け得る。これらおよび他の実施形態は、図１～図８に関してより詳細に説明される。
【0028】
図１は、本開示の態様による、例示的なＨＭＤ１００を示す。ＨＭＤ１００の図示の例は、フレーム１０２と、テンプルアーム１０４Ａおよび１０４Ｂと、ニアアイ光学要素１１０Ａおよび１１０Ｂとを含むように示されている。アイトラッキングカメラ１０８Ａおよび１０８Ｂは、それぞれ、テンプルアーム１０４Ａおよび１０４Ｂに結合されるように示されている。図１は、ニアアイ光学要素１１０Ａの一例の分解図をも示す。ニアアイ光学要素１１０Ａは、光学的透明層１２０Ａと、照明層１３０Ａと、光コンバイナ層１４０Ａと、ディスプレイ層１５０Ａとを含むように示されている。照明層１３０Ａは、複数のフィールド内光源（ｉｎ－ｆｉｅｌｄ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ）１２６を含むように示されている。フィールド内光源１２６は、たとえば、アイトラッキング目的のために赤外照明光を放出するように構成され得る。ディスプレイ層１５０Ａは、仮想画像をＨＭＤ１００のユーザの眼に向けるように構成された導波路１５８を含み得る。
【0029】
図１に示されているように、フレーム１０２は、ＨＭＤ１００をユーザの頭部に固定するためにテンプルアーム１０４Ａおよび１０４Ｂに結合される。例示的なＨＭＤ１００はまた、フレーム１０２ならびに／またはテンプルアーム１０４Ａおよび１０４Ｂに組み込まれたサポートハードウェアを含み得る。ＨＭＤ１００のハードウェアは、処理論理と、データを送信および受信するためのワイヤードおよび／またはワイヤレスデータインターフェースと、グラフィックプロセッサと、データおよびコンピュータ実行可能命令を記憶するための１つまたは複数のメモリとのいずれかを含み得る。一例では、ＨＭＤ１００は、ワイヤード電力を受信するように構成され得、および／または１つまたは複数のバッテリーによって電力供給されるように構成され得る。さらに、ＨＭＤ１００は、ビデオデータを含むワイヤードおよび／またはワイヤレスデータを受信するように構成され得る。
【0030】
図１は、フレーム１０２に取り付けられるように構成されたニアアイ光学要素１１０Ａおよび１１０Ｂを示す。いくつかの例では、ニアアイ光学要素１１０Ａおよび１１０Ｂは、拡張現実または複合現実を円滑にするためにユーザに透明に見え得、したがって、ユーザは、ディスプレイ層１５０Ａを介して自身の（１つまたは複数の）眼に向けられたディスプレイ光をも受光しながら、環境からの可視シーン光を観察することができる。さらなる例では、ニアアイ光学要素１１０Ａおよび１１０Ｂの一部または全部は、仮想現実ヘッドセットに組み込まれ得、ニアアイ光学要素１１０Ａおよび１１０Ｂの透明性質は、ユーザが、仮想現実ヘッドセットに組み込まれた電子ディスプレイ（たとえば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイ、マイクロＬＥＤディスプレイなど）を観察することを可能にする。
【0031】
図１に示されているように、照明層１３０Ａは、複数のフィールド内光源１２６を含む。各フィールド内光源１２６は、透明基板上に配設され得、ニアアイ光学要素１１０Ａの眼側（ｅｙｅｗａｒｄ ｓｉｄｅ）１０９のほうへ光を放出するように構成され得る。本開示のいくつかの態様では、フィールド内光源１２６は、近赤外光（たとえば、７００ｎｍ～１．４μｍ）を放出するように構成される。各フィールド内光源１２６は、マイクロ発光ダイオード（マイクロＬＥＤ）、端面放射型ＬＥＤ、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）ダイオード、またはスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＥＤ）であり得る。
【0032】
従来のアイトラッキングソリューションは、レンズのリム／周辺の周りに配設された光源を提供し得る。しかしながら、眼の視野内に光源を置くことは、ＨＭＤ１００の装着者の眼を撮像するために配置されたアイトラッキングカメラ１０８Ａなどのカメラによって撮像され得る鏡面または「グリント」反射の算出にとって有利であり得る。
【0033】
フィールド内光源１２６がニアアイ光学要素１１０Ａに小さいオクルージョンをもたらし得るが、フィールド内光源１２６、ならびにフィールド内光源１２６の対応するルーティングは、ＨＭＤ１００の装着者に知覚不可能であるかまたは有意でない程度に小さくなり得る。さらに、フィールド内光源１２６からのオクルージョンは、人間の眼によって焦束不可能（ｕｎｆｏｃｕｓａｂｌｅ）である程度に眼に近く置かれ、したがって、フィールド内光源１２６が気付かれないか、または取るに足らないものになるのを助けることになる。いくつかの実施形態では、各フィールド内光源１２６は、約２００×２００ミクロンよりも小さいフットプリント（またはサイズ）を有する。
【0034】
上述のように、照明層１３０Ａのフィールド内光源１２６は、ユーザの眼を照明するためにニアアイ光学要素１１０Ａの眼側１０９のほうへ赤外照明光を放出するように構成され得る。ニアアイ光学要素１１０Ａは光コンバイナ層１４０Ａを含むように示されており、光コンバイナ層１４０Ａはニアアイ光学要素１１０Ａの照明層１３０Ａと裏面１１１との間に配設される。いくつかの態様では、光コンバイナ１４０Ａは、ユーザの眼によって反射される反射された赤外光を受光し、反射された赤外光をアイトラッキングカメラ１０８Ａのほうへ向けるように構成される。いくつかの例では、アイトラッキングカメラ１０８Ａは、受光された反射された赤外光に基づいてユーザの眼を撮像するように構成された赤外線カメラである。いくつかの態様では、光コンバイナ１４０Ａは、ニアアイ光学要素１１０Ａの裏面１１１に入射したシーン光１９１などの可視光に対して透過である。いくつかの例では、光コンバイナ１４０Ａは、体積ホログラムとして構成され得、および／または反射された赤外光をアイトラッキングカメラ１０８Ａのほうへ向けるための１つまたは複数のブラッグ格子を含み得る。いくつかの例では、光コンバイナは、他の偏光配向（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）を通しながら入射光の特定の偏光配向を回折する偏光選択的ホログラム（別名、偏光体積ホログラム（ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｖｏｌｕｍｅ ｈｏｌｏｇｒａｍ））を含む。
【0035】
ディスプレイ層１５０Ａは、ＨＭＤ１００の設計に応じて１つまたは複数の他の光学要素を含み得る。たとえば、ディスプレイ層１５０Ａは、電子ディスプレイによって生成されたディスプレイ光をユーザの眼に向けるための導波路１５８を含み得る。いくつかの実装形態では、電子ディスプレイの少なくとも一部分は、ＨＭＤ１００のフレーム１０２中に含まれる。電子ディスプレイは、ディスプレイ光を生成するための、ＬＣＤ、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイ、マイクロＬＥＤディスプレイ、ピコプロジェクタ、または液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）ディスプレイを含み得る。
【0036】
光学的透明層１２０Ａは、ニアアイ光学要素１１０Ａの照明層１３０Ａと眼側１０９との間に配設されているように示されている。光学的透明層１２０Ａは、照明層１３０Ａによって放出された赤外光を受光し、ユーザの眼を照明するために赤外光を通し得る。上述のように、光学的透明層１２０Ａはまた、環境から受光されたシーン光１９１、および／またはディスプレイ層１５０Ａから受光されたディスプレイ光などの可視光に対して透明であり得る。いくつかの例では、光学的透明層１２０Ａは、光（たとえば、ディスプレイ光および／またはシーン光）をユーザの眼に集束させるための湾曲を有する。したがって、光学的透明層１２０Ａは、いくつかの例では、レンズと呼ばれることがある。いくつかの態様では、光学的透明層１２０Ａは、ユーザの仕様に対応する厚さおよび／または湾曲を有する。言い換えれば、光学的透明層１２０Ａは処方レンズであり得る。しかしながら、他の例では、光学的透明層１２０Ａは非処方レンズであり得る。
【0037】
図２は、透明層２２０と、照明層２３０と、コンバイナ層２４０と、ディスプレイ層２５０とを含む例示的なニアアイ光学要素２１０の平面図である。複数の赤外照明器２３７が、眼２０６を照明するために赤外照明光２３９をアイボックスエリア２０７に放出する。図２は、赤外照明器２３７Ａ～２３７Ｅを示す。異なる赤外照明器２３７は、眼２０６に対する赤外照明器の位置に応じた異なる角度において赤外照明光２３９を眼２０６に向け得る。たとえば、赤外照明器２３７Ａおよび２３７Ｅは、垂線により近い角度において赤外照明光２３９を眼２０６に向ける赤外照明器２３７Ｃと比較して、より急な角度において赤外照明光を眼２０６に向けるビームフォーミング要素を含み得る。上記で説明されたように、赤外照明器２３７はＶＣＳＥＬまたはＳＬＥＤであり得、したがって、赤外照明光２３９は狭帯域赤外照明光（たとえば、１～１０ｎｍの線幅）であり得る。
【0038】
眼２０６は、（図２に示されていない）反射された赤外光として、赤外照明光２３９の少なくとも一部分を反射して要素２１０に戻し、反射された赤外光は、コンバイナ層２４０に遭遇する前に層２２０および２３０を通って伝搬する。コンバイナ層２４０は、反射された赤外光を受光し、アイトラッキング画像を生成するために反射された赤外光をカメラ１０８に向けるように構成される。一例として、図７は、光学経路７６０（２）に沿って伝搬する反射された赤外光がコンバイナ層７４０によってカメラ１０８Ａに向け直されていることを示す。
【0039】
図２に戻ると、カメラ１０８Ａは、眼２０６のアイトラッキング画像をキャプチャするように構成される。カメラ１０８は、赤外照明器によって放出された赤外照明光２３９の波長を通し、他の光がカメラ１０８Ａの画像センサーに入射するようになるのを阻止するための赤外バンドパスフィルタを含み得る。カメラ１０８Ａは、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）画像センサーを含み得る。
【0040】
図２は、ユーザが外部環境のシーンを観察することができるように、外部環境からのシーン光１９１（可視光）が、ディスプレイ層２５０とコンバイナ層２４０と照明層２３０と透明層２２０とを通って伝搬して、眼２０６に入射するようになり得ることを示す。図２は、ディスプレイ層２５０が眼２０６に仮想画像を提示するためにディスプレイ光２９３を生成するかまたは向け直し得ることを示す。ディスプレイ光２９３は可視光であり、コンバイナ層２４０と照明層２３０と透明層２２０とを通って伝搬して眼２０６に達する。
【0041】
透明層２２０は、眼側１０９に最も近い表面であるベース湾曲２２１を含み得る。ベース湾曲２２１は、ユーザの眼のためにディスプレイ光２９３中に含まれる仮想画像を集束させるように構成され得る。ベース湾曲２２１は、サブトラクティブ法（ｓｕｂｔｒａｃｔｉｖｅ ｐｒｏｃｅｓｓ）を使用して透明層２２０の屈折性材料２２２において形成され得る。屈折性材料２２２は、いくつかの実施形態では、およそ１．５の屈折率を有し得る。照明層２３０は、赤外照明器２３７をカプセル化し得る透明材料２３２を含み得る。透明材料２３２と屈折性材料２２２とは、可視光（たとえば、４００ｎｍ～７００ｎｍ）と近赤外光（たとえば、７００ｎｍ～１．４μｍ）とを透過するように構成される。
【0042】
図３は、本開示の態様による、例示的な照明層３３０を通した眼２０６の正面図を示す。図示の実施形態では、照明層３３０は、２１個の赤外照明器（３３７Ａ～３３７Ｕ）を含む。図示の例では、赤外照明器３３７Ａ～３３７Ｈは、赤外照明器３３７の「内側リング」と見なされ得、赤外照明器３３７Ｉ～３３７Ｕは、赤外照明器３３７の「外側リング」と見なされる。したがって、赤外照明器３３７Ｉ～３３７Ｕは、内側リングにおける赤外照明器３３７Ａ～３３７Ｈ（たとえば、０～２２度）よりも急な角度（たとえば、１４～２５度）において赤外照明器３３７Ｉ～３３７Ｕの赤外照明光を眼２０６に向け得る。
【0043】
図４は、赤外光源４８４を示す。光源４８４は、赤外光源４８４の出力アパーチャ４７６から赤外照明光を放出するように構成される。ビーム整形要素４８１は、出力アパーチャ４７６の上に配設され、基板４８２を通して赤外照明光をアイボックスエリア（たとえば、アイボックスエリア２０７）に向けるように構成される。基板４８２は、透明材料２３２の一例であり得る。しかしながら、ビーム整形要素４８１は屈折性材料４８７から形成され、屈折性材料４８７と基板４８２との間の界面４８３が、放出された赤外照明光の一部分が反射してビーム整形要素４８１の屈折性材料４８７に戻されることを引き起こし得る。これらの反射の結果として、赤外照明光４８５は、設計された方向に向けられないことがあり、赤外照明光の一部のかなりの量が、ビーム整形要素４８１の側部から出ることさえある（たとえば、光４７７Ａおよび４７７Ｂ）。所望の方向に向けられない赤外照明光は、最終的にアイトラッキングカメラに入射するようになり、したがって、雑音フロアを上げ、アイトラッキング画像のコントラストを減少させ得る迷光である。
【0044】
図５は、本開示の態様による、赤外照明器２３７／３３７として利用され得る例示的な赤外照明器５３７を示す。図５に示されている例示的な赤外照明器５３７は、出力アパーチャ５３６を有する赤外光源５３１と出力アパーチャ５３６の上に配設されたビーム整形オプティック５３５とを含む。ビーム整形オプティック５３５は、赤外照明光５３９を、アイボックスエリア（たとえば、アイボックスエリア２０７）に向けるように構成される。図５の図示の実施形態では、反射防止（ＡＲ）コーティング５３３は、迷赤外照明光がカメラ１０８に入射するようになることを防ぐかまたは抑制するように構成されたゴースト抑制構成要素として、レンズ湾曲５３４の上に配設される。レンズ湾曲５３４は、ビーム整形オプティック５３５の屈折性材料によって形成され得る。ＡＲコーティング５３３は、基板５３２と屈折性材料５３８との間の界面において発生することになる赤外照明光５３９の反射を著しく低減する。ＡＲコーティングがない場合、反射は、ほぼ垂直な入射角（ＡＯＩ）についておよそ１５％であり得、ＡＯＩが増加するにつれて増加する。基板５３２は透明材料である。屈折性材料５３８は、３よりも大きい屈折率を有する高屈折率材料であり得る。一実施形態では、屈折性材料５３８は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）を含み、およそ３．５の屈折率を有する。いくつかの実施形態では、ビーム整形オプティック５３５は、幅がおよそ３０ミクロンである。
【0045】
一実施形態では、ＡＲコーティング５３３は、９３０ｎｍから９５０ｎｍの間の波長を有する赤外光について９６％またはより良い透過率を提供する、一窒化ケイ素（ＳｉＮ）の単一の層である。一実施形態では、ＡＲコーティング５３３は、±２６度の入射角（ＡＯＩ）範囲にわたる９３０～９５０ｎｍの近赤外光について９９．５％の透過率を可能にする複数の副層を含む。
【0046】
いくつかの実施形態では、図示された屈折ビーム整形オプティック５３５は、赤外照明光５３９をアイボックスエリアに向けるように構成された回折光学要素によって置き換えられるか、または回折光学要素を含む。一実施形態では、オブスキュレーション要素５４３が、赤外光源５３１に隣接して配設される。オブスキュレーション要素５４３は、迷光がカメラに（少なくとも直接）達することを阻止するために、赤外光源５３１の出力アパーチャ５３６とアイトラッキングカメラ１０８との間に配設され得る。オブスキュレーション要素５４３は、たとえば、光を吸収するための黒くされたコーティングを有する壁を含み得る。
【0047】
図６は、本開示の態様による、ＡＲコーティング５３３の上方に配設された例示的なマイクロルーバーアレイ６３５を示す。マイクロルーバーアレイフィルム６３５は、設計された入射角内の開口５３６を出る光６３９を通すように機能するが、設計された入射角を超えた光（たとえば、光線６８３および６８５）は、マイクロルーバーアレイ６３５によって吸収されることになる。したがって、マイクロルーバーアレイ６３５の、光を通すための設計された入射角は、内反射がない場合に材料２３２および２２２を出ることになる光線６３９Ａと光線６３９Ｂとの間のＡＯＩに制約され得る。いくつかの実施形態では、マイクロルーバーアレイ６３５は、赤外照明器５３７中に含まれるＡＲコーティング５３３がない場合、ゴースト抑制要素としてレンズ湾曲５３４の上方に配設され得る。
【0048】
図７は、本開示の態様による、例示的な透明層７２０のベース湾曲７２１上に配設されたＡＲコーティング７２３を含む例示的な光学システム７００を示す。図７では、赤外照明器２３７Ａは、光学経路７６０（１）に沿って狭帯域赤外照明光をアイボックスエリア２０７に向けるように構成される。
【0049】
交差７６１は、ＡＲコーティング７２３が含まれなかった場合、赤外照明器２３７Ａによって放出された赤外照明光が、空気と透明層７２０の屈折性材料７２２との間の界面に遭遇することになることを示す。ＡＲコーティング７２３がない場合、赤外照明光の少なくとも５％が交差７６１において失われる（反射される）ことになり、ＡＯＩが増加するにつれて透過率は減少することになる。しかしながら、ＡＲコーティング７２３は、赤外照明光の反射を著しく低減し、それにより、迷光に寄与するフレネル反射を抑制する。反射された赤外光は、眼２０６から反射され、光学経路７６０（２）に沿って伝搬する狭帯域赤外照明光である。交差７６２は、ＡＲコーティング７２３が含まれなかった場合、反射された赤外光が、空気と透明層７２０の屈折性材料７２２との間の界面に遭遇することになることを示す。ここで再び、ＡＲコーティング７２３がない場合、反射された赤外光の少なくともさらなる５％が、反射により失われることになる。また、ベース湾曲７２１上に配設されたＡＲコーティング７２３がある場合、反射からの迷光は抑制され、（眼２０６の画像を含む）反射された赤外光の強度は、より高い強度において維持される。
【0050】
透明層７２０と照明層７３０とを通って伝搬する反射された赤外光の部分は、コンバイナ層７４０によって、光学経路７６０（３）に沿ってアイトラッキング画像を生成するためのカメラ１０８に向けられる。交差７６３は、ＡＲコーティング７２３が含まれなかった場合、反射された赤外光が、空気と透明層７２０の屈折性材料７２２との間の第３の界面に遭遇することになることを示す。しかしながら、ＡＲコーティング７２３は、光学経路７６０（３）に沿って伝搬する反射された赤外光の極めて高い透過率を可能にすることによって、ゴースト画像に寄与することになる反射を低減し、反射された赤外光を維持する。図７は、交差７６３においてＡＲコーティング７２３を通って伝搬する反射された赤外光の部分が光学経路７６０（４）に沿ってカメラ１０８Ａに進むことを示す。図７は、例示的な光学システム７００がコンバイナ層７４０の裏面１１１上に配設された第２のＡＲコーティング７２５を随意に含み得ることを示す。
【0051】
とりわけ、光学経路７６０（３）に沿って伝搬する反射された赤外光は、比較的急な角度においてＡＲコーティング７２３に入射するようになる。たとえば、反射された赤外光は、５０度、６０度、さらには７０度の入射角においてＡＲコーティング７２３に入射するようになり得る。したがって、ＡＲコーティング７２３は、ＡＯＩ範囲にわたって狭帯域の赤外光について極めて高い透過率を有し、狭帯域の赤外光は、赤外照明器２３７によって放出された狭帯域赤外照明光の波長に対応する。ＡＲコーティング７２３はまた、交差７６１および７６２において示されているように、垂直なおよびほぼ垂直なＡＯＩにわたって赤外光の極めて高い透過率を有しなければならない。図７はまた、シーン光１９１とディスプレイ光２９３とからの可視光波長がＡＲコーティング７２３を通ってアイボックスエリア２０７に伝搬することになり、したがって、ＡＲコーティング７２３が理想的には可視光の極めて高い透過率を有することになることを示す。しかしながら、従来のＡＲコーティングは、極めて高い透過率が広いＡＯＩにわたって可視光スペクトルと近赤外スペクトルの両方において必要とされるとき、不十分な性能を有する。たとえば、従来のＡＲコーティングは、５００ｎｍ（可視波長）について±７０度のＡＯＩ範囲についてたいてい極めて高い透過率を提供し得るが、９４０ｎｍの透過率（近赤外波長）は、ＡＯＩが６０度以上に近づくにつれて、著しく損なわれ得る。
【0052】
従来のＡＲコーティングは、概して、ほぼ垂直な入射角において入射する可視光について調整される。対照的に、ＡＲコーティング７２３は、好ましくは、有意なＡＯＩ範囲における可視光の極めて高い透過率に加えて、広いＡＯＩ範囲における極めて高い赤外透過率について調整されることになる。「極めて高い透過率」は、本開示では、９０％超として定義される。
【0053】
ＡＲコーティング７２３のいくつかの実施形態では、可視光についての有意なＡＯＩ範囲は±４０度超であり、狭帯域赤外照明光について広いＡＯＩ範囲は±４０度超である。ＡＲコーティング７２３の透過スペクトルは、±４０度ＡＯＩにわたる可視光の９０％超を透過し得、ＡＲコーティング７２３の透過スペクトルは、±４０度ＡＯＩにわたる狭帯域の赤外光の９５％超を透過し得る。別の実施形態では、ＡＲコーティング７２３の透過スペクトルは、±７０度ＡＯＩにわたる可視光の９０％超を透過し、ＡＲコーティング７２３の透過スペクトルは、±７０度ＡＯＩにわたる狭帯域の赤外光の９５％超を透過する。
【0054】
例示的な多層ＡＲコーティングが、二酸化チタン（ＴｉＯ２）副層と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）副層とを含み得る。別の例示的な多層ＡＲコーティングは、酸化ハフニウム副層（ＨｆＯ２）とフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）副層とを含み得る。ＡＲコーティング７２３は、有意なＡＯＩ範囲にわたる可視光についての極めて高い透過率と、広いＡＯＩ範囲にわたる狭帯域の赤外光（９３７ｎｍ～９５０ｎｍ）についての極めて高い透過率とについて調整され得る。ＡＲコーティングは、詳細には、たとえば、９４０ｎｍ光を放出するＶＣＳＥＬまたはＳＬＥＤ赤外照明器２３７と対応する狭帯域赤外照明光の極めて高い透過率について調整され得る。他の実施形態では、狭帯域の赤外光は、異なる波長を有し得る。ＡＲコーティングの透過スペクトルは、極めて高い透過率が９０％の透過率として定義されるとき、可視光と狭帯域の赤外光（たとえば、７００ｎｍ～９３７ｎｍ）との間の波長を有するギャップ光（ｇａｐ－ｌｉｇｈｔ）の少なくとも一部分の極めて高い透過率未満について調整され得る。本開示のいくつかの実施形態では、「極めて高い透過率」は、９５％の透過率またはより良い透過率である。
【0055】
図８は、本開示の態様による、撮像光学経路８６０を示す例示的な光学システム８００を示す。図８は、狭帯域赤外照明光をアイボックスエリア２０７のほうへ放出する赤外照明器２３７Ｅを示す。光路８８１は、図５に関して説明されたゴースト抑制構成要素のうちの１つまたは複数を赤外照明器２３７Ｅに組み込むことによって抑制され得る潜在的迷光路を示す。光路８８１は、迷光が屈折ビーム整形オプティックの側部を出て、次いで、照明層７３０を出て、カメラ１０８に入射するようになる前に、内部全反射（ＴＩＲ）によって透明材料２３２によって閉じ込められることを表し得る。
【0056】
光路８８２は、図５に関して説明されたゴースト抑制構成要素のうちの１つまたは複数を赤外照明器２３７Ｅに組み込むことによって抑制され得る別の潜在的迷光路を示す。光路８８２は、屈折性材料（たとえば、５３８）のレンズ湾曲（たとえば、５３４）から反射し、次いで、光路８８２に沿って出て、カメラ１０８Ａに入射するようになるまで、屈折性材料５３８内で反射し続ける赤外照明光によってとられ得る。レンズ湾曲５３４の上にＡＲコーティング５３３および／またはマイクロルーバーアレイフィルム６３５を含むことによって、たとえば、レンズ湾曲からの赤外照明光の初期反射は抑制され、したがって、赤外照明光のより多くは、意図された方向においてビーム整形オプティックを出る。
【0057】
光路８８３は、本開示で説明されるように、例示的なＡＲコーティングを組み込むことによって抑制され得る潜在的迷光路を示す。光路８８３は、赤外照明器２３７Ｅを出た後にベース湾曲７２１に遭遇する赤外照明光を表し得る。しかしながら、ベース湾曲７２１の上にＡＲコーティング７２３を含むことによって、屈折性材料７２２と空気との間の界面から生成される迷光は、反射を減少させることによって抑制され得る。
【0058】
光路８８４は、本開示で説明されるように、例示的なＡＲコーティングを組み込むことによって抑制され得る別の潜在的迷光路を示す。光路８８４は、反射された赤外光として眼２０７から反射し、次いでベース湾曲７２１に遭遇する、赤外照明光を表し得る。しかしながら、ベース湾曲７２１の上にＡＲコーティング７２３を含むことによって、屈折性材料７２２と空気との間の界面から生成される迷光は、反射を減少させることによって抑制され得る。
【0059】
光路８８５は、本開示で説明されるように、例示的なＡＲコーティングを組み込むことによって抑制され得るまた別の潜在的迷光路を示す。光路８８５は、反射された赤外光として眼２０７から反射し、次いでコンバイナ層７４０と別の層との間の界面に遭遇する、赤外照明光を表し得る。しかしながら、コンバイナ層７４０の裏面１１１上に配設されたＡＲコーティング７２５を随意に含むことによって、コンバイナ層７４０と別の層との間の界面から生成される迷光は、反射を減少させることによって抑制され得る。
【0060】
図８は、本開示の態様に従って特定の特徴を追加することにより、撮像光学経路８６０に沿った２つ以上の交差における迷光抑制が可能になることを示す。また、撮像光学経路８６０に沿って伝搬する赤外光の透過率を増加させることによって迷光を抑制することがまた、赤外アイトラッキング画像を生成する赤外光の強度を保持するのを支援する。したがって、本開示の実施形態は、迷光を抑制することと、所望の赤外撮像光の強度を増加させることの両方を行い、カメラ１０８によってキャプチャされたアイトラッキング画像におけるコントラストを高め得る。したがって、ゴースト画像の低減と画像コントラストの増加は、眼の位置を決定するためにアイトラッキング分析を支援する、眼の瞳孔、虹彩、および他の部分のより効率的な識別を可能にし得る。
【0061】
実施形態は、人工現実システムを含むか、または人工現実システムに関連して実装され得る。人工現実は、ユーザへの提示の前に何らかの様式で調節された形式の現実であり、これは、たとえば、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、複合現実（ＭＲ）、ハイブリッド現実、あるいはそれらの何らかの組合せおよび／または派生物を含み得る。人工現実コンテンツは、完全に生成されたコンテンツ、またはキャプチャされた（たとえば、現実世界の）コンテンツと組み合わせられた生成されたコンテンツを含み得る。人工現実コンテンツは、ビデオ、オーディオ、触覚フィードバック、またはそれらの何らかの組合せを含み得、それらのいずれも、単一のチャネルまたは複数のチャネルにおいて提示され得る（観察者に３次元効果をもたらすステレオビデオなど）。さらに、いくつかの実施形態では、人工現実は、たとえば、人工現実におけるコンテンツを作り出すために使用される、および／または人工現実において別様に使用される（たとえば、人工現実におけるアクティビティを実施する）アプリケーション、製品、アクセサリ、サービス、またはそれらの何らかの組合せにも関連し得る。人工現実コンテンツを提供する人工現実システムは、ホストコンピュータシステムに接続されたヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、スタンドアロンＨＭＤ、モバイルデバイスまたはコンピューティングシステム、あるいは、１人または複数の観察者に人工現実コンテンツを提供することが可能な任意の他のハードウェアプラットフォームを含む、様々なプラットフォーム上に実装され得る。
【0062】
要約書において説明されることを含む、図示の実施形態の上記の説明は、網羅的であること、または本発明を開示される正確な形態に限定することは意図されない。特定の実施形態および例が、説明の目的で本明細書で説明されるが、当業者が認識するように、様々な変更が本発明の範囲内で可能である。
【0063】
これらの変更は、上記の詳細な説明に照らして行われ得る。以下の特許請求の範囲において使用される用語は、本発明を、本明細書において開示される特定の実施形態に限定すると解釈されるべきでない。むしろ、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって完全に決定されるべきであり、特許請求の範囲は、特許請求の範囲の解釈の確立された教義に従って解釈されるべきである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【国際調査報告】