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公開番号2025157255
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-15
出願番号2025106638,2022533645
出願日2025-06-24,2020-11-30
発明の名称光ガイド光学素子と関連付けられた光学配置を使用して、眼からの光を方向転換することに基づく、アイトラッキングのための光学システムおよび方法
出願人ルムスエルティーディー.,Lumus Ltd.
代理人弁理士法人清原国際特許事務所
主分類G02B 27/02 20060101AFI20251007BHJP(光学)
要約【課題】光ガイド光学素子に関連付けられた光学配置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様々な装置および対応する方法を提供する。
【解決手段】光透過基板は、少なくとも2つの主表面を有し、少なくとも2つの主表面は、主表面の第1のものが視認者の眼に対向して配備されている。光方向転換配置は、光透過基板に関連付けられ、眼から光を感知する光学センサに向かって光を偏向させ、その結果、光偏向が光透過基板で発生し、光学センサに到達する偏向光が、光透過基板によって誘導されない。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。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
光学システムであって、
少なくとも２つの主表面を有する光透過基板であって、前記少なくとも２つの主表面は、前記主表面の第１のものが視認者の眼に対向して配備されている、光透過基板と、
光を感知するように配備された光学センサと、
前記眼から前記光学センサに向かって光を偏向させ、その結果、前記光学センサに到達する前記偏向光が、前記光透過基板によって誘導されないように構成された、前記光透過基板に関連付けられた光方向転換配置であって、前記光方向転換配置による前記光の偏向が、前記光透過基板で生じる、光方向転換配置と、
前記光学センサに電気的にカップリングされ、かつ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、光学システム。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
前記眼を光で照明するように配備された照明配置であって、その結果、前記眼が、反射光として、前記照明配置からのある割合の前記光を反射し、前記反射光が、前記光方向転換配置によって偏向されている前記眼からの前記光に対応する、照明配置をさらに備える、請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
前記照明配置が、少なくとも第１の光源および第２の光源を含み、前記第１の光源が、所与の第１の波長範囲内の波長を有する光を生成するように構成されており、前記第２の光源が、所与の第２の波長範囲内の波長を有する光を生成するように構成されており、前記所与の第１の波長範囲および所与の第２の波長範囲が、非重複範囲である、請求項２に記載の光学システム。
【請求項４】
前記光方向転換配置によって偏向されている前記眼からの前記光が、主に、電磁スペクトルの可視光領域の外側の波長を有する光を含む、請求項１に記載の光学システム。
【請求項５】
前記光方向転換配置によって偏向されている前記眼からの前記光が、主に、前記電磁スペクトルの前記可視光領域内の波長を有する光を含む、請求項１に記載の光学システム。
【請求項６】
前記光方向転換配置が、前記電磁スペクトルの前記可視光領域内の波長を有する光を透過させ、前記電磁スペクトルの前記可視光領域の外側の波長を有する光を反射する、請求項１に記載の光学システム。
【請求項７】
前記光方向転換配置が、前記光透過基板内に位置する少なくとも１つの部分的に反射性の表面を含む、請求項１に記載の光学システム。
【請求項８】
前記光透過基板の前記２つの主表面が、相互に平行であり、前記少なくとも１つの部分的に反射性の表面が、前記２つの主表面に対して斜めの角度にある平坦な表面である、請求項７に記載の光学システム。
【請求項９】
前記光透過基板が、前記光透過基板の前記２つの主表面間の内部反射によって、無限大にコリメートされた画像に対応する光を誘導するように構成されており、前記光学システムが、
前記２つの主表面の間の内部反射によって誘導された前記光を、前記光透過基板から前記視認者の前記眼にカップリングアウトするための前記光透過基板内に位置する第２の少なくとも１つの部分的に反射性の表面をさらに備える、請求項７に記載の光学システム。
【請求項１０】
前記第２の少なくとも１つの部分的に反射性の表面が、前記２つの主表面に対して斜めの角度にある平坦な表面である、請求項９に記載の光学システム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年１２月２５日に出願された米国仮特許出願第６２／９５３，５５７号、２０２０年１月９日に出願された米国仮特許出願第６２／９５８，７５５号および２０２０年７月５月１３日に出願された米国仮特許出願第６３／０２３，８９１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。
続きを表示（約 2,900 文字）【０００２】
本発明は、アイトラッキングに関する。
【背景技術】
【０００３】
近眼ディスプレイ（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と称される）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、または光学導波路と称される。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（好ましくは全内部反射であるが、必須ではない）によって光を誘導するための一対の平行な主外部表面（面）１２、１４を有する光ガイド光学素子１０を示している。画像プロジェクタ１６（矩形として概略的に表される）は、ここでは、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によって概略的に表されるように、投影された画像１８を生成する。投影された画像１８は、プリズム２０（互換的に「ウェッジ」と称される）によってここに概略的に示されるように、光学カップリングイン構成２０によって光ガイド光学素子１０にカップリングインされ、基板内の内部反射によってトラップされる反射光線２２を生成し、光線２４も生成するようにする。ここで、カップリングウェッジ２０は、３つの主表面を含み、そのうちの１つは、ＬＯＥ１０の傾斜した縁部２６の隣に位置する（またはそれと共通である）（縁部２６は、面１２、１４に対して斜めの角度にある）。
【０００５】
カップリングイン画像１８は、面１２、１４から繰り返される内部反射によって基板１０に沿って伝播し、平行な面１２、１４に対して斜めの角度（α
ｓｕｒ
）で部分的に反射性の表面２８のシーケンスによって概略的に示されるように、光学カップリングアウト構成２８に衝突し、平行な面１２、１４で画像強度の一部が反射されて、表面１２からアイレリーフ（ＥＲ）距離３８でＥＭＢ３６に位置する観察者の眼３４の瞳孔３２に向かって光線３０Ａおよび３０Ｂ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、部分的に反射性の表面２８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、部分的に反射性の表面２８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。
【０００６】
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」と称される）。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３４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。
【０００７】
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（一般に注視方向と称される）を感知することである。アイトラッキングの様々な解決策が提案されてきた。解決策の１つのセットでは、眼から反射された光をＬＯＥにカップリングインすることによって、眼はＬＯＥを介してＥＭＢ内で画像化され、その結果、反射された光は、内部反射によってＬＯＥを通って画像プロジェクタに戻って（すなわち、画像プロジェクタからの画像光に対して逆方向に）伝播する。これらの解決策は、ＥＭＢが画像プロジェクタからのコリメートされた画像のように無限大に位置するのではなく、ＬＯＥに比較的近い距離に位置するという根本的な問題を克服しようとするものである。別の解決策のセットでは、ＥＭＢは、ＬＯＥが取り付けられる機械体の周辺部分、例えば眼鏡フレーム上の軸外位置で眼の前に配備された１つ以上のカメラを使用して画像化される。しかしながら、機械体の周辺部分と眼との間の近接性は、比較的大きなキーストーン角度のために、ＥＭＢ内の眼の画像化を困難にする。明らかに、カメラを眼の前に配備すると、高品質のＥＭＢ画像撮影および画像処理が可能になるが、カメラを眼の前に位置決めすると、視認者の自然な視界が不明瞭になる。
【発明の概要】
【０００８】
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好適である。
【０００９】
本発明の態様は、眼の照明に応答して、眼から反射された光を非誘導光として光学センサに向けて方向転換する光ガイド光学素子と関連付けられた光方向転換光学配置を介して、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好適である。
【００１０】
本発明の一実施形態の教示によれば、光学システムが提供される。光学システムは、少なくとも２つの主表面を有する光透過基板であって、少なくとも２つの主表面は、主表面の第１のものが視認者の眼に対向して配備されている、光透過基板と、光を感知するように配備された光学センサと、眼から光学センサに向かって光を偏向させ、その結果、光学センサに到達する偏向光が、光透過基板によって誘導されず、光方向転換配置による光の偏向が、光透過基板で生じるように構成された光透過基板に関連付けられた光方向転換配置と、光学センサに電気的にカップリングされ、かつ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。
（【００１１】以降は省略されています）

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