Meta AR/VR专利提出通过液晶偏振全息LCPH实现眼动追踪

小编刘卫华 | 分类：专利 | 2023年8月22日

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通过液晶偏振体全息来实现眼动追踪

（映维网Nweon 2023年08月22日）对于眼动追踪，与将光源定位在用户视场的外围相比，视场内照明可以提供更高的追踪精度。例如，当光源位于用户的视场范围内时，捕获到眼睛所有注视角度的角膜闪烁的可能性更高。另外，在用户的视场内定位光源可以在光源的放置和分布方面提供更大的灵活性，从而使摄像头捕获的光量最大化，并降低光源输出光的强度和光源的功耗。

然而，场内照明可能有数个挑战。例如，用户视场中的光源可能影响真实世界图像和显示图像的透视质量，并可能增加眼动追踪系统的成本和功耗。

所以在名为“Liquid crystal polarization hologram (lcph) based eye tracking for ar/vr”的专利申请中，Meta提出可以通过液晶偏振全息（LCPH）来实现眼动追踪。其中，偏振体全息（PVH）可以放置在用户眼睛的视场中，并且可以以高衍射效率衍射照明光，从而实现高效的场内照明。

眼动追踪系统的眼睛照明子系统可以包括被配置为放置在近眼显示器的用户的眼睛的视场中的衬底、配置为发射照明光的多个光源，形成在衬底中或衬底上并配置为引导照明光的多个波导，以及配置为将来自多个波导的照明光衍射成朝向用户眼睛传播的光束的多个偏振体全息图（PVH）。

在一个实施例中，眼睛照明子系统可以包括大量波导和PVH，以产生大量窄光束并在用户眼睛形成大量闪烁，其中闪烁可以在用户眼睛上形成图案。来自多个PVH的光束可以是相干的，并且可以具有大的立体角，因此可以重叠并在用户的眼睛上形成干涉条纹图案。一个或多个摄像头可以收集从用户眼睛反射的光，然后可以对其进行分析并确定用户眼睛的位置。

在一个实施例中，光源可以是相干光源，而每个PVH可以具有变化的光栅周期，并且可以以立体角将入射光衍射到多个方向。由一对PVH衍射的一对光束可以在用户的眼睛重叠和干涉，以产生正弦干涉图样。因此，PVH可以将干涉条纹图案投射到眼睛表面上，从而密集地采样眼睛表面。

由于用户眼睛的三维轮廓，由摄像头捕获的用户眼睛的二维图像可以包括由用户眼睛扭曲的干涉条纹图案。根据摄像头捕获的图像中的信息，可以计算出用户眼睛表面的3D图像或深度图像。例如，可以使用3D图像来确定眼睛的位置和注视方向。

在另一个实施例，光源不需要是相干光源，眼动追踪系统可以包括大量波导和PVH，以产生大量光束。每个PVH可以具有均匀的光栅周期，并且可以将入射光衍射到一个方向。因此，PVH衍射的光束可以是窄光束，并且不会重叠和干涉，但可以在用户的眼睛上形成二维的闪烁图案。

Meta指出，PVH可以放置在用户眼睛的视场中，并且可以以高衍射效率衍射照明光，从而实现高效的场内照明。另外，PVH可能能够产生具有大立体角的衍射光束，使得衍射光束可以在大的重叠区域干涉，形成大的干涉条纹图案。

一对PVH可以产生一组条纹。使用多对PVH可以生成具有不同方向和/或周期的多组条纹。同时，PVH可能比其他类型的光栅耦合器更容易制造。因此，使用场内PVH生成的干涉条纹图案或闪烁图案可以产生密集采样和更准确的眼睛深度轮廓，从而可以提供准确，节能和经济高效的集成眼动追踪系统。

图8示出由两个相干光束干涉以形成条纹图案的示例。在所示实施例中，平面波810通过两个狭缝820和822可产生两束相干光束，因此两束光束在两个狭缝820和822处可具有相同的频率和一定的固定相位关系。当两束相同频率ω=2πf的光束叠加在表面830上的一点时，它们可以激发出相同方向的振荡。

因此，可以通过控制两个狭缝820和822之间的距离来控制表面830上干涉图案的周期性。

图9A示出的近眼显示器900使用PVH 950生成的干涉条纹图案960进行三维眼动追踪。如图所示，近眼显示器900可包括用于每只眼睛的框架910和衬底920。衬底920可以由框架910保持，并且可以包括任何合适的材料。衬底920可以对可见光和红外光透明。

波导940可以在衬底920内或在衬底920上形成，并且可以包括任何合适类型的波导。波导940可以包括核心层和包层。波导940可进一步包括一个或多个分路器，分路器将耦合到波导940中的光分裂成在两个或多个波导940中传播的两个或多个光束。两个或多个光束可以具有基本上相同的振幅。每个波导940可包括可在波导940的末端扩展光束的锥形结构942。

PVH 950可以在锥形结构942上形成，并且可以配置为将由波导940引导的光束从波导940耦合到用户的眼睛990。

在一个实施例中，可以在PVH 950和波导940之间使用偏振转换器，例如四分之一波片。通过两个PVH 950从两个波导940耦合出来并向用户眼睛990传播的两个光束可以各自具有大的立体角，并且因此可以在用户的脸上具有大的重叠区域。

两束光束可以在重叠区域内相互干涉以在用户的眼和脸形成干涉条纹图案960。相邻亮条纹或暗条纹之间的距离取决于两个PVH 950中心之间的距离d、光源930发出的光的波长以及PVH 950与用户眼睛990之间的距离。

例如，当两个PVH 950中心之间的距离d增加时，干涉条纹图案960可能变得更精细，并可用于测量较小的特征。

图9B示出由干涉条纹照明图案照射的用户眼睛的二维图像962。所述干涉条纹照明图案可由图9A所述眼动追踪系统产生，并且可包括明暗条纹。图象962可由摄像头捕获。

如图9B所示，由于用户眼睛和面部的非平坦表面，在二维图像962中捕获的用户眼睛和面部的条纹扭曲。在平面上形成的条纹与所捕获的图像962中的条纹之间的扭曲可以提供用户眼睛的轮廓和位置的信息。

在图9C中，可以基于用户眼睛干涉条纹照明图案的扭曲来生成用户眼睛的3D轮廓964。可以使用两个或多个摄像头在不同位置从不同角度捕获的两个或多个2D图像来生成用户眼睛的3D轮廓964。

可以使用诸如三角测量的技术来确定三维轮廓964。诸如用户眼睛的位置或注视方向的信息可以从3D轮廓964中提取，并且可以例如用于图像渲染。

图10A示出了包括使用闪烁进行眼动追踪的近眼显示1000。与在近眼显示900中一样，近眼显示1000中的眼追踪系统可包括用于每只眼睛的帧1010和衬底1020。衬底1020可以由框架1010保持，并且可以包括任何合适的材料。

眼动追踪系统可包括产生相干或非相干光的一个或多个光源1030。光源1030发出的光可以通过边缘耦合器耦合到波导1040中。波导1040可以在衬底1020内或在衬底1020上形成，并且可以包括任何合适类型的波导。

波导1040可以包括核心层和包层。波导1040可包括一个或多个分路器，分路器将耦合到波导1040中的光分裂成在两个或多个波导1040中传播的两个或多个光束。两个或多个光束可以具有基本上相同的振幅。每个波导1040可包括可在波导1040的端部扩展光束的锥形结构1042。

PVH 1050可以形成在每个波导1040的锥形结构1042上，并且可以配置为将由波导1040引导的光束从波导1040耦合到用户的眼睛1090。

在一个实施例，可以在PVH 1050和波导1040之间使用偏振转换器，例如波片。通过PVH 1050耦合出波导1040的光束可能是发散角较小的窄光束，因此可能在用户的眼睛上形成闪烁。由于发散角小，通过PVH 1050从波导1040耦合出来的光束不会在用户眼睛上重叠，但可以在用户眼睛的不同区域形成闪烁。

图10B示出用户眼睛1095的图像1060的示例，包括闪烁1062。闪烁可能出现在用户眼睛的不同区域。闪烁1062可以在用户眼睛1095上形成某种图案，例如圆形或2D阵列。可以使用诸如质心算法之类的技术来确定捕获图像中眼睛上闪烁的位置。

质心化算法可以通过在局部邻域中寻找能量最大的像素位置来确定闪烁的中心。然后，眼睛的旋转位可以根据所捕获图像中相对于眼睛的已知特征的闪烁位置来确定。可以由多个摄像头从不同角度捕获带有闪烁的用户眼睛的多个图像，以提供更准确的位置信息或用户眼睛的3D轮廓。

上述PVH 950和1050是一种Q>1的布拉格光栅，具有较强的偏振选择性。PVH可以是透射PVH，或可以是反射PVH。PVH可以包括具有多个光学各向异性分子的双折射材料层。例如，LC PVH可以包括液晶分子。

不同偏振态的光可以由PVH以不同的方式衍射。例如，特定PVH可能只衍射与螺旋结构具有相同手性或手性的入射光，并且允许与螺旋结构具有相反手性或手性的入射光通过而不被衍射。与入射光相比，衍射光可能具有相同或相反的旋向性。

例如，特定PVH可能将右手圆偏振光衍射成左手圆偏振光，反之亦然。特定PVH可以将线偏振或非偏振光束衍射成沿一个方向传播的左旋圆偏振光束和沿另一个方向传播的右旋圆偏振光束。

图11A示出侧面视图中的PVH 1100的示例。在所示的实施例中，PVH 1100可包括在对准层1110上形成图案螺旋结构的手性掺杂剂和双折射材料分子112。

PVH 1100同时可以包括第二对准层（未在图11A中示出），所述对准层可以具有，或可以不具有对准图案，其中包括双折射材料分子1120的图案螺旋结构可以由对准层1110和第二对准层夹在中间。

由于将手性掺杂剂掺杂到双折射材料分子中，可以沿着它们的方向获得螺旋结构。通过控制旋扭功率和/或手性掺杂剂的浓度，可以调节y轴上的周期性Py。由于手性掺杂剂的螺旋扭曲能力，双折射材料的光轴可以沿螺旋方向旋转。

对准层1110可具有周期性表面对准图案。由于周期性的表面对准图案，双折射材料在对准层1110上不同位置的光轴可在x-z平面上以不同的方位角旋转，并可在水平面上形成周期性结构。

双折射材料分子1120表现出螺旋结构，具有垂直于对准层1110的周期性，并且具有相对于对准层1110具有斜角φ的周期性等折射率平面。因此，PVH 1100的光栅矢量K相对于对准层1110的表面法线方向有一个斜角φ。

当周期折射率面数足够高时，可以满足布拉格衍射条件，PVH 1100根据入射圆偏振光的倾斜角度ϕ和旋向性的不同，可以高效地对入射圆偏振光进行+1或- 1衍射阶的反射或透射衍射。例如，PVH 1100可以高效率地将右手圆偏振光反射衍射到第一衍射阶，并且可以允许左手圆偏振光以最小衍射或基本上没有衍射通过。

图11B示出侧视图中倾斜的PVH 1105的示例。PVH 1105可包括对准层1112和具有相对于对准层1112倾斜的螺旋结构的双折射材料分子1122，其中液晶导向器可相对于对准层1110倾斜。

PVH 1105可包括相对于对准层1112具有斜角的周期性等折射率平面。因此，PVH 1105的光栅矢量K相对于对准层1112的面法线方向有一个斜角φ。

当周期折射率面数足够高时，可以满足布拉格衍射条件，PVH 1105可以根据入射圆偏振光的倾斜角度ϕ和旋向性，以+1或- 1阶的高效率反射或透射衍射入射圆偏振光。例如，PVH 1105可以高效率地将右手圆偏振光反射衍射到第一衍射阶，并且可以允许左手圆偏振光以最小衍射或基本上没有衍射通过。

图11C示出俯视图中偏振体全息图中对准层的表面对准图案。如图所示，可以将对准层处理为在x-z平面上旋转LC分子或其他双折射材料分子，其中双折射材料分子的旋转角度沿x轴连续周期性变化，周期为Px。

图11A和11B可以是反射PVH，其中具有特定圆偏振状态且在一定波长范围内的光可以由PVH反射衍射成第一衍射阶。PVH可以制成透射PVH，其中特定圆偏振态的光可以通过PVH透射衍射。

图12A-12D是透射式PVH的实例。图12A示出主要透射PVH 1200的示例，其包括对准层1210和基于对准层1210中的对准图案排列成螺旋结构的双折射材料分子。虚线1220表示布拉格平面，虚线1230表示双折射材料分子的旋转平面。

在主透射PVH 1200中，LC定向器可以在x-z平面上旋转，但不能沿y方向旋转，布拉格平面可以垂直于对准层1210，而双折射材料分子的旋转平面可以平行于对准层1210。

因此，主透射PVH 1200可以是垂直透射PVH，其中光栅矢量K可以平行于对准层1210或相对于对准层1210的面法线方向成约90度角。主透射PVH 1200可以是PBP相位器件。主透射PVH1200可以将圆偏振光束衍射成具有相移的圆偏振光束。主透射PVH1200在较小的衍射角下表现良好，但在较大的衍射角下衍射效率明显下降。

图12B示出扭曲透射PVH 1202的示例，其包括对准层1212和基于对准层1212中的对准图案排列成螺旋结构的双折射材料分子。虚线1222表示布拉格平面，虚线1232表示双折射材料分子的旋转平面。

在扭曲透射PVH 1202中，LC定向器可以在x-z平面和y方向上旋转，布拉格平面可以相对于取向层1212成一个角度，而双折射材料分子的旋转平面可以平行于取向层1212。

因此，扭曲透射PVH 1202可以是相对于对准层1212的面法线方向具有小斜角的倾斜透射PVH，从而可以透射衍射入射光。扭曲透射PVH1202可以是PBP器件，并且可以使用例如具有手性添加液晶反应介质的光定向和多层自旋涂层来制造。

图12C示出倾斜透射PVH 1204的示例，其包括对准层1214和基于对准层1214中的对准图案排列成螺旋结构的双折射材料分子。虚线1224表示布拉格平面，虚线1234表示双折射材料分子的旋转平面。

在斜透射PVH 1204中，布拉格平面相对于对准层1214可能处于一个角度，而双折射材料分子的旋转平面相对于对准层1212可能处于一个非零角度。

因此，旋转平面可以相对于对准层是倾斜的，并且可以垂直于布拉格平面。斜透射PVH 1204可以在大衍射角下实现高衍射效率，并且可以在输出处实现圆偏振状态。

例如，斜透射PVH 1204可以将右手圆偏振光束衍射成左手圆偏振光束，或可以将左手圆偏振光束衍射成右手圆偏振光束，但可以将线性偏振光束衍射成右手圆偏振光束和左手圆偏振光束。倾斜透射PVH1204可使用例如体积曝光方法制造。

图12D示出倾斜PVH 1206的示例，其包括对准层1216和基于对准层1216中的对准图案排列成螺旋结构的双折射材料分子。虚线1226表示布拉格平面，虚线1236表示双折射材料分子的旋转平面。

在倾斜的PVH 1206中，布拉格平面可能平行于双折射材料分子的旋转平面，并且旋转平面可能相对于对准层1216倾斜。当布拉格平面与对准层1216的夹角大于45度，且LC导向器旋转角度在0度~ 45度之间时，倾斜PVH 1206可以是倾斜透射PVH。

倾斜透射PVH可能无法在输出处获得高衍射效率和圆偏振态。当布拉格平面与对准层1216的夹角小于45度，且LC导向器旋转角度在45度~ 90度之间时，倾斜PVH 1206可以是倾斜反射PVH。倾斜反射PVH可以实现高衍射效率和圆偏振态的输出。因此，倾斜的PVH 1206通常可以用作反射PVH。

图13A示出透射偏振体全息图1310的示例。图13B示出了透射偏振体全息图1310的衍射效率。透射式PVH 1310是斜透射式PVH 1204的一个例子。透射PVH 1310可将圆偏振入射光束1312透射衍射成圆偏振衍射光束1314，其中圆偏振入射光束1312和圆偏振衍射光束1314可位于透射PVH 1310的相对两侧。

圆偏振入射光束1312和圆偏振衍射光束1314可以具有相反的旋向性。例如，圆偏振入射光束1312可以是右手圆偏振，而圆偏振衍射光束1314可以是左手圆偏振。图13B显示，透射PVH 1310可以以高衍射效率和较大的衍射角偏转波长约940 nm的入射光。

图13C示出反射偏振体全息图1330的示例。图13D示出了反射偏振体全息图1330的衍射效率。反射式PVH 1330可能是倾斜PVH 1206的一个例子。反射型PVH 1330可以将圆偏振入射光束1332反射衍射成圆偏振衍射光束1334，其中圆偏振入射光束1332和圆偏振衍射光束1334可以位于反射型PVH 1330的同一侧。

圆偏振入射光束1332和圆偏振衍射光束1334可以具有相反的旋向性。例如，圆偏振入射光束1332可以是左旋圆偏振，而圆偏振衍射光束1334可以是右旋圆偏振。图13D显示，反射PVH 1330可以以高衍射效率和较大的衍射角偏转波长约940 nm的入射光。

因此，PVH具有较高的衍射效率和较大的衍射角，并适合于将波导中的相干光束耦合到用户的眼睛中进行眼动追踪。