一种紧凑型眼球追踪成像装置

技术领域

本发明涉及反射成像系统技术领域，具体涉及一种紧凑型眼球追踪成像装置。

背景技术

眼球追踪装置是一种能够跟踪测量眼球位置及眼球运动信息的一种设备，在视觉系统、心理学、认知语言学的研究中有广泛的应用。常见的眼球追踪装置主要通过以下手段来实现：瞳孔角膜反射法、视网膜影像、对眼睛建模后计算视觉中心、视网膜反射光强度、角膜的反射光强度等。该类技术手段通常都需要依赖光学器件，比如摄像头、光敏传感器阵列等，对眼部的反射光线进行成像或检测来确定用户的视线朝向。

现有技术中，为实现在正常应用场景中对用户眼部的采集，往往需要通过折反射系统来使得成像系统小型化，进而被部署在眼镜、头戴式设备中等。比如，中国专利CN202210706722.3公开了一种眼球追踪光学系统及头戴式设备，该系统包括光源模块、固定透镜组模块、棱镜模块和图像采集模块；在拍摄眼部图像光路中，通过在图像采集模块的感光面前端增加至少一个反射棱镜，利用有限的内部空间，更灵活地调整图像采集模块的位置和角度，可以减小系统体积、延长光路和减小图像采集模块的拍摄角度，改善图像采集模块感光面利用率低的问题，使得眼部成像区域更大，改善眼部图像采集不完整的问题，提高眼部图像的成像像质。

但是，在实际实施过程中，发明人发现，上述方案中，需要在用户的眼部前方设置完整的固定透镜组模块，比如，上述技术方案中包括至少一面凸透镜，还包括一面反射镜，其在实际应用过程中会使得产品受到诸多制约，比如应用在眼镜、MR设备等用户需要“透视”到现实场景的产品中时，眼部前方的透镜系统会影响用户视觉。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种紧凑型眼球追踪成像装置。

具体技术方案如下：

一种紧凑型眼球追踪成像装置，包括照明装置、棱镜透镜模块和感光芯片；

所述照明装置以第一预设角度向用户的眼部投射照明光，以使得所述眼部产生第二预设角度的眼部反射光；

所述棱镜透镜模块在高度方向上相对于所述照明装置具有第一预设距离，以及在深度方向上具有第二预设距离，以使得所述棱镜透镜模块的受光部相对于所述眼部垂直设置；

所述受光部接收所述眼部反射光，所述棱镜透镜模块将所述眼部反射光转换为水平出射光并投射至所述感光芯片的成像面上，以使得所述感光芯片获取所述眼部的反射图像。

另一方面，所述照明装置靠近所述棱镜透镜模块的背部；

所述棱镜透镜模块呈L字形结构，所述棱镜透镜模块的出光部水平方向设置；

所述感光芯片竖直设置于所述出光部的同一高度上，并相对于所述出光部保持第三预设距离。

另一方面，所述棱镜透镜模块包括：

凹透镜，所述凹透镜的凹面朝向上方以作为所述受光部接收所述眼部反射光；

棱镜，所述棱镜的第一边水平并贴合所述凹透镜的底面设置，以接收所述凹透镜的凹透镜出射光，并通过所述棱镜的反射面转换成水平方向上的棱镜出射光，经由所述棱镜的第二边输出，所述第二边竖直设置；

透镜，所述透镜竖直贴合所述棱镜的第二边设置，接收并对所述棱镜出射光聚焦后投射至所述感光芯片。

另一方面，所述棱镜的剖面呈直角梯形，所述棱镜的第一边所对应的上底面的面积大于相对的下底面的面积；

所述上底面与所述反射面之间的上底角呈50-52度角；

所述第一边长3.2mm，所述第二边长3.2mm。

另一方面，所述凹透镜为非球面凹透镜，所述凹透镜的下底面为平面，所述凹透镜的顶点距离所述眼部的最下方的位置的距离在15mm-20mm之间。

另一方面，所述透镜为非球面凸透镜，所述透镜与所述棱镜胶合固定。

另一方面，所述第一预设距离在25mm-10mm之间，所述第二预设距离在15mm-4mm之间。

另一方面，所述照明装置包括照明装置壳体，所述照明装置壳体呈长圆筒状，所述照明装置壳体内设置有一个光源；

所述照明装置的出光口设置有照明装置透镜，所述照明装置透镜为凸透镜，直径为1.2mm，焦距为0.9mm，相对于所述光源1.5mm设置。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

针对现有技术中的眼球追踪装置需要设置体积较大的透镜组、影响用户视觉的问题，本方案中，对光路的角度进行了调整，通过投射特定角度的光源来使得用户的眼部反射光能够投射进入眼部下方、沿水平方向设置的棱镜透镜模块中，再对光路进行矫正形成水平方向的出射光投射至感光芯片中，从而实现了较为紧凑的装置布局，便于布置在各类产品中。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1为本发明实施例的整体示意图；

图2为本发明实施例的装置示意图；

图3为本发明实施例的光路示意图；

图4为本发明实施例的棱镜透镜模块测试MTF曲线图；

图5为本发明实施例的棱镜透镜模块测试点列图；

图6为本发明实施例的照明装置示意图；

图7为本发明实施例的照明装置光斑示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本发明包括：

一种紧凑型眼球追踪成像装置，如图1所示，包括照明装置1、棱镜透镜模块2和感光芯片3；

照明装置3以第一预设角度向用户的眼部4投射照明光，以使得眼部4产生第二预设角度的眼部反射光；

棱镜透镜模块2在高度方向上相对于眼部具有第一预设距离，以及在深度方向上具有第二预设距离，以使得棱镜透镜模块2的受光部相对于眼部垂直设置；

受光部接收眼部反射光，棱镜透镜模块2将眼部反射光转换为水平出射光并投射至感光芯片3的成像面上，以使得感光芯片3获取眼部的反射图像。

具体地，针对现有技术中的眼球追踪装置需要设置体积较大的透镜组、影响用户视觉的问题，本方案中，对光路的角度进行了调整，通过投射特定角度的光源来使得用户的眼部反射光能够投射进入眼部4下方、沿水平方向设置的棱镜透镜模块2的受光部中，再对光路进行矫正形成水平方向的出射光投射至感光芯片中，从而实现了较为紧凑的装置布局，便于布置在各类产品中。

在一个实施例中，照明装置1靠近棱镜透镜模块2的背部；

棱镜透镜模块2呈L字形结构，棱镜透镜模块2的出光部水平方向设置；

感光芯片3竖直设置于出光部的同一高度上，并相对于出光部保持第三预设距离。

具体来说，为实现较为紧凑的装置布局，本实施例中，对照明装置1、棱镜透镜模块2和感光芯片3作出了整合，将照明装置1与棱镜透镜模块2进行了背向设置，照明装置1位于棱镜透镜模块2后方并指向斜上方的眼部，通过控制照明装置1的出射光线角度和装置整体相对于眼部的方位，来使得眼部反射光能够恰好投射在下方的棱镜透镜模块2的受光部上，进而通过棱镜透镜模块2将光路转换成水平方向的光线投射在感光芯片3中。

在一个实施例中，如图2所示，棱镜透镜模块2包括：

凹透镜21，凹透镜21的凹面朝向上方以作为受光部接收眼部反射光；

棱镜22，棱镜22的第一边水平并贴合凹透镜21的底面设置，以接收凹透镜21的凹透镜出射光，并通过棱镜22的反射面转换成水平方向上的棱镜出射光，经由棱镜22的第二边输出，第二边竖直设置；

透镜23，透镜23竖直贴合棱镜22的第二边设置，接收并对棱镜出射光聚焦后投射至感光芯片3。

具体地，为实现对眼部反射光的有效接收，本实施例中，在棱镜22的上方水平粘接了一个凹透镜21来作为受光部。当眼部4接收到照明装置1投射的光线后，眼部反射光进入凹透镜21并被折射为向下的凹透镜出射光进入棱镜22中，随后被棱镜22的反射面转换成水平方向上的棱镜出射光，通过透镜23聚焦后照射在感光芯片3上完成成像过程。

为实现上述过程，首先利用折射定律对照明装置1的照射角度、眼睛不同的位置导致的眼部反射光对凹透镜21的入射角的影响进行建模分析，并结合装置的实际结构尺寸进行计算，从而使得装置在满足相应体积需求的情况下，眼部反射光能够投射至水平设置的受光部上，并被有效折射进入棱镜22。同时，眼部反射光对于棱镜透镜模块2的入射角度，也影响了凹透镜21的折射角度以及棱镜22的反射角度。因此棱镜22的位置、形状均会影响到入射角，反射面和透视面的夹角也要经过大量计算。比如入射角θ1和透镜折射率n2影响到出射角θ2，然后反射面的角度影响到棱镜第二面的入射角和出射角，所以要对棱镜的位置、角度进行严格的计算，同时光阑位置的不同也会导致整个系统的角度不同从而得到不同的效果，因此设计时要同时考虑棱镜的形状，位置以及透镜组光阑的位置。经过在模拟环境中多次进行仿真实验，最终确定可采用以下的棱镜透镜模块2来实现该光路的处理过程：

棱镜22的剖面呈直角梯形，棱镜22的第一边所对应的上底面的面积大于相对的下底面的面积；

上底面与反射面之间的上底角呈50-52度角；

第一边长3.2mm，第二边长3.2mm。

该棱镜22为直角棱镜，且底面向上用来接收凹透镜出射光，整体的长、宽、高均为3.2mm，凹透镜位于上底面的中心位置，且凹透镜焦点位置与中心位置对齐；上底面与反射面之间的上底角呈52度角，下底面与反射面之间的下底角呈142度角，从而实现对特定反射角的控制，最后通过第二边上竖直设置的透镜进行聚焦。

在一个实施例中，凹透镜21为非球面凹透镜，凹透镜21的下底面为平面，凹透镜21的顶点距离眼部的最下方的位置的距离在15mm-20mm之间。

具体来说，为实现较好的折射效果，本实施例中，将凹透镜选定为非球面凹透镜来控制透镜尺寸，其下底面为平面以贴合棱镜22来控制镜片组体积。为实现较好的折光效果，在一个实施例中，凹透镜21的顶点距离眼睛最下方的位置被控制为17.1mm，凹透镜21的中心位于棱镜22的第二边向反射面移动1.5mm的位置。

在一个实施例中，透镜23为非球面凸透镜，透镜与棱镜胶合固定。

具体地，为实现较为紧凑的装置体积，本实施例中，将透镜23选定为非球面凸透镜，并胶合在棱镜22的第二边上，使得棱镜22和透镜23组成一个整体。透镜23的中心位置位于棱镜22的上底面向下1.5mm的位置。

在此基础之上，控制照明装置1相对于反射面之间的夹角为53度，使得照明装置1以特定角度对眼部4投射光线来获取对应的眼部反射光，最终的光路图如图3所示。在一个实施例中，该特定角度，即第一预设角度大致为75度，产生的第二预设角度大致在20度至30度之间。

通过上述设置，可使得棱镜透镜组2的整体焦距为1.8mm，F数为3.6，视场角为15度，像距2.5mm，其中，像距即作为感光芯片3与棱镜透镜组2之间的第三预设距离。对其进行测试得到的MTF曲线如图4所示，点列图如图5所示。最终制得的装置整体长度为7mm，上下高度为3.7mm，前后宽度为3.2mm。

在一个实施例中，第一预设距离在25mm-10mm之间，第二预设距离在15mm-4mm之间。

具体地，为实现较好的采集效果，在确定了上述的棱镜透镜模块2后，可将第一预设距离控制在25mm-10mm之间，第二预设距离控制在15mm-4mm之间来实现对眼部反射光的接收。具体来说，应当位于眼睛最下边的正下方18mm、前方8.8mm处。

在一个实施例中，如图6所示，照明装置1包括照明装置壳体11，照明装置壳体11呈长圆筒状，照明装置壳体11内设置有一个光源12；

照明装置1的出光口设置有照明装置透镜13，照明装置透镜13为凸透镜，直径为1.2mm，焦距为0.9mm，相对于光源12呈1.5mm设置。

具体来说，为实现较好的照明效果，本实施例中，在照明装置1中设置了一个光源12，其依照产品类型不同可能是LED器件或其他等同的光源。为实现较好的使用体验，该光源12可选择对应的波长，比如红外光来避免对用户的视野造成影响。该照明装置1的照明装置壳体11大致呈长圆筒状，出光口的位置上设置了一个照明装置透镜13对光源12产生的光线进行聚焦。其能够实现的照明效果如图7所示。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。