阅读说明：本技术 头戴式可视设备及用于头戴式可视设备的眼球追踪系统 (Head-mounted visual equipment and eyeball tracking system for same ) 是由 张扣文 郭美杉 宋立通 唐溦 谢剑 于 2018-08-20 设计创作，主要内容包括：头戴式可视设备及用于所述头戴式可视设备的眼球追踪系统,其包括一屏幕,用于投射一虚拟场景图像至使用者的眼球,一VR(Virtual Reality)光学透镜,用于在所述屏幕和该使用者的眼球之间构建一光学路径；以及,一眼球追踪系统,用于检测该使用者的眼球的视线方向。所述眼球追踪系统包括：至少一光源,用于投射一检测光至该使用者的眼球；以及,一接收模组,用于接收自该使用者的眼球处所反射的该检测光,其中,所述接收模组位于所述VR光学透镜的侧部,并朝向该使用者的眼球,以使得自该使用者的眼球处所反射的该检测光直接被所述接收模组所接收。这样,所述眼球追踪系统的光路不经过VR光学透镜,以简化所述头戴式可视设备的整体光路系统设计,利于实施。(The head-mounted visual equipment comprises a screen, a VR (virtual reality) optical lens and a visual tracking system, wherein the screen is used for projecting a virtual scene image to the eyeball of a user; and an eyeball tracking system for detecting the sight line direction of the eyeballs of the user. The eye tracking system comprises: at least one light source for projecting a detection light to the eyeball of the user; and the receiving module is used for receiving the detection light reflected from the eyeball of the user, wherein the receiving module is positioned on the side part of the VR optical lens and faces the eyeball of the user, so that the detection light reflected from the eyeball of the user is directly received by the receiving module. Therefore, the light path of the eyeball tracking system does not pass through the VR optical lens, so that the design of the whole light path system of the head-wearing visual equipment is simplified, and the implementation is facilitated.)

头戴式可视设备及用于头戴式可视设备的眼球追踪系统

技术领域

本发明涉及虚拟现实领域，尤其涉及用于实现虚拟现实的头戴式可视设备及用于所述头戴式可视设备的眼球追踪系统。

背景技术

近年来，虚拟现实(virtual reality)和增强现实(Augmented Reality)为人类创造了独特的感官体验。虚拟现实是一种在模拟环境中与计算机生成的虚拟场景所产生的交互式体验。沉浸式的模拟环境可以与现实世界相类似，或者脱离于现实世界，从而创造出在普通物理现实世界中无法实现的感官体验。目前，市场上涌现了诸多VR技术相关产品，通过这些产品用户可沉浸于三维立体空间视觉中并与之交互。

最常见的VR产品为头戴式可视设备(Head-Mounted Display)，其外形类似于眼镜。在使用时，使用者穿戴该设备于头部以进行虚拟现实体验。头戴式可视设备的主流支撑技术包括：SLAM算法和眼球追踪技术。其中，SLAM算法(Simultaneous Localization andMapping)的主要作用在于构建沉浸式虚拟环境，其技术核心在于同步定位与地图构建。对于SLAM算法所构建的整体虚拟环境，应确保该虚拟环境在头戴显示设备的显示位置能够被人眼所观察到。这正是眼球追踪技术的核心目的：通过检测人眼的视线方向，调整该虚拟环境的显示位置，藉此，确保人眼能够观察到该虚拟环境图像。

然而，在头戴式可视设备的具体实施中仍存在诸多技术难题，尤其是头戴式可视设备的光学系统的设计。这些技术难题严重地影响着用户的体验，制约着头戴式可视设备在实际产业中更广泛的应用。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一头戴式可视设备及用于头戴式可视设备的眼球追踪系统，其中，所述眼球追踪系统的光路不经过VR光学透镜，以简化所述头戴式可视设备的整体光路系统设计，利于实施。

本发明的另一目的在于提供一头戴式可视设备及用于头戴式可视设备的眼球追踪系统，其中，所述眼球追踪系统的光路不经过所述VR光学透镜，因此，所述VR光学透镜仅需对屏幕所投射的图像进行光学处理，而无需兼顾对所述眼球追踪系统的光路的影响。换言之，所述VR光学透镜的光学参数相对较为统一，以利于所述VR透镜的光学设计和加工。

本发明的另一目的在于提供一头戴式可视设备及用于头戴式可视设备的眼球追踪系统，其中，所述眼球追踪系统的光路传播不经过所述VR光学透镜。换言之，所述VR光学透镜与所述眼球追踪系统的相互独立，以利于提升所述头戴式可视设备整体性能的稳定性。

本发明的另一目的在于提供一头戴式可视设备及用于头戴式可视设备的眼球追踪系统，其中，用于实现眼球追踪的检测光线在人眼处漫反射后，直接被用于实现眼球追踪的接收模组所感知，从而相较于现有的用于头戴式可视设备的眼球追踪系统，用于反射该检测光的反射镜被省略，以简化所述眼球追踪系统的光学系统，并节省成本。

本发明的另一目的在于提供一头戴式可视设备及用于头戴式可视设备的眼球追踪系统，其中，所述接收模组的感光芯片所在平面与其光学透镜所在平面之间呈一夹角。换言之，所述感光芯片所在平面与光学透镜所在平面之间倾斜地设置，从而通过“成像面倾斜”的方式简化所述接收模组的光学设计要求，并利于其提高成像质量。

本发明的另一目的在于提供一头戴式可视设备及用于头戴式可视设备的眼球追踪系统，其中，通过“成像面倾斜”的设置方式，能够实现对“相对照度”进行补偿。

本发明的另一目的在于提供一头戴式可视设备及用于头戴式可视设备的眼球追踪系统，其中，在眼球追踪系统中，用于投射该检测光的光源具有相对较小的尺寸，以防止光源自身尺寸对人眼的观察造成不良影响。换言之，通过尺寸较小的光源缩减人眼的视觉盲区范围。

本发明的另一目的在于提供一头戴式可视设备及用于头戴式可视设备的眼球追踪系统，其中，在本发明的一实施例中，所述眼球追踪系统与所述VR光学透镜集成地设置，以通过眼球追踪系统与所述VR光学透镜结构上的稳定关系，确保所述眼球追踪系统和所述VR光学透镜的光学稳定性。

本发明的另一目的在于提供一头戴式可视设备及用于头戴式可视设备的眼球追踪系统，其中，在本发明的一实施例中，所述眼球追踪系统与所述VR光学透镜集成地设置，从而可消除在装配过程中所引起的误差，减轻重量且利于后期维护。

本发明的另一目的在于提供一头戴式可视设备及用于头戴式可视设备的眼球追踪系统，其中，在本发明的一实施例中，所述头戴式可视设备的所述屏幕相对所述VR光学透镜可移动，以通过调节所述屏幕和所述VR光学透镜之间的距离调整人眼屈光度，以确保使用者的体验。

通过下面的描述，本发明的其它优势和特征将会变得显而易见，并可以通过权利要求书中特别指出的手段和组合得到实现。

为实现上述至少一目的或优势，本发明提供一头戴式可视设备，包括：

一屏幕，用于投射一虚拟场景图像至使用者的眼球，

一VR(Virtual Reality)光学透镜，用于在所述屏幕和该使用者的眼球之间构建一光学路径，以使得所述屏幕所投射的所述虚拟场景图像能够透过所述VR光学透镜抵至该使用者的眼球；以及

一眼球追踪系统，用于检测该使用者的眼球的视线方向，以基于该视线方向调整所述虚拟场景图像位于所述屏幕的显示位置，其中，所述眼球追踪系统包括：

至少一光源，用于投射一检测光至该使用者的眼球；以及

一接收模组，用于接收自该使用者的眼球处所反射的该检测光，以检测该使用者的眼球的视线方向，其中，所述接收模组位于所述VR光学透镜的侧部，并朝向该使用者的眼球，以使得自该使用者的眼球处所反射的该检测光直接被所述接收模组所接收。

在本发明一实施例中，所述光学镜头包括至少一光学透镜和一感光芯片，其中，所述光学镜头用于接收该使用者的眼球处所反射的该检测光，其中，所述感光芯片所设定的平面与所述至少一光学透镜所设定的平面之间具有一夹角。

在本发明一实施例中，所述感光芯片所设定的平面与所述至少一光学透镜所设定的平面之间的夹角的大小取决于该使用者眼球所设定的物方光轴和所述接收模组所设定的感光光轴之间的夹角和所述至少一光学透镜自身的光学参数。

在本发明一实施例中，该使用者眼球所设定的物方光轴和所述接收模组所设定的感光光轴之间的夹角取决于该使用者的眼球与所述VR光学透镜之间的距离，该使用者的眼球的预设直径，以及，所述VR光学透镜与所述接收模组之间的距离。

在本发明一实施例中，该使用者眼球所设定的物方光轴和所述接收模组所设定的感光光轴之间的夹角的范围为：25.0°～40.0°。

在本发明一实施例中，设定该使用者眼球所设定的光轴和所述接收模组所设定的光轴之间的夹角为32°。

在本发明一实施例中，设定所述感光芯片所设定的平面与所述至少一光学透镜所设定的平面之间的夹角为20°。

在本发明一实施例中，所述接收模组的所述至少一光学透镜被实施为单片非球面光学透镜。

在本发明一实施例中，所述眼球追踪系统集成于所述VR光学透镜，以使得所述VR光学透镜和所述眼球追踪系统具有一体式结构。

在本发明一实施例中，所述至少一光源包括8个所述光源，其中，8个所述光源周向地布置于所述VR光学透镜的周缘，用于投射该检测光至该使用者的眼球。

在本发明一实施例中，每一所述光源包括多路光纤和一非可见光光源，所述多路光纤分别连通于所述非可见光源，以使得在所述非可见光源被导通后，分别于所述多路光纤的每一光纤处产生该检测光。

在本发明一实施例中，所述屏幕相对所述VR光学透镜可移动，以通过改变所述屏幕和所述VR光学透镜之间的距离，调节该使用者的眼球的屈光度。

根据本发明的另一方面，本发明还提供一用于头戴式可视设备的眼球追踪系统，其包括：

至少一光源，用于投射一检测光至该使用者的眼球；以及

一接收模组，用于接收自该使用者的眼球处所反射的该检测光，以检测该使用者的眼球的视线方向，其中，所述接收模组位于该头戴式可视设备的VR光学透镜的侧部，并朝向该使用者的眼球，以使得自该使用者的眼球处所反射的该检测光直接被所述接收模组所接收。

在本发明一实施例中，所述接收模组包括一光学镜头和一感光芯片，其中，所述光学镜头包括至少一光学透镜，用于接收该使用者的眼球处所反射的该检测光，其中，所述感光芯片所设定的平面与所述至少一光学透镜所述设定的平面之间具有一夹角。

在本发明一实施例中，所述感光芯片所设定的平面与所述至少一光学透镜所设定的平面之间的夹角的大小取决于该使用者眼球设定的物方光轴和所述接收模组设定的感光光轴之间的夹角和所述至少一光学透镜自身的光学参数。

在本发明一实施例中，该使用者眼球所设定的物方光轴和所述接收模组所设定的感光光轴之间的夹角取决于该使用者的眼球与该VR光学透镜之间的距离，该使用者的眼球的预设直径，以及，该VR光学透镜与所述接收模组之间的距离。

在本发明一实施例中，设定该使用者眼球所设定的光轴和所述接收模组所设定的光轴之间的夹角为32°，以及，设定所述感光芯片所设定的平面与所述至少一光学透镜所设定的平面之间的夹角为20°。

在本发明一实施例中，所述接收模组的所述至少一光学透镜被实施为单片非球面光学透镜。

在本发明一实施例中，所述至少一光源包括8个所述光源，其中，8个所述光源周向地布置于该头戴式可视设备的VR光学透镜的周缘，用于投射该检测光至该使用者的眼球，其中，每一所述光源包括多路光纤和一非可见光光源，所述多路光纤分别连通于所述非可见光源，以使得在所述非可见光源被导通后，分别于所述多路光纤的每一光纤处产生该检测光。

根据本发明的另一方面，本发明还提供一用于头戴式可视设备的眼球追踪方法，其包括：

投射一检测光至使用者的眼球；以及

通过一接收模组，接收自该使用者的眼球处所反射的该检测光，以检测该使用者的眼球的视线方向，其中，所述接收模组位于该头戴式可视设备的VR光学透镜的侧部并朝向该使用者的眼球，以使得自该使用者的眼球处所反射的该检测光直接被所述接收模组所接收。

根据本发明的另一方面，本发明还提供一用于头戴式可视设备的屈光度调整方法，其包括：

移动屏幕以调节所述屏幕与VR光学透镜之间的距离，以改变使用者的眼球的屈光度。

在本发明一实施例中，眼球追踪系统集成于所述VR光学透镜，以使得所述VR光学透镜和所述眼球追踪系统具有一体式结构。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。

附图说明

图1是现有的头戴式可视设备的光路系统示意图。

图2是现有的头戴式可视设备的眼球追踪光路的LED光源投射检测光至使用者的眼球的示意图。

图3是现有的头戴式可视设备的调节眼球屈光度的过程示意图。

图4图示了依据本发明一较佳实施例的所述头戴式可视设备的光学系统示意图。

图5图示了设定所述接收模组的感光芯片与感光光轴Y之间以垂直关系布置时，所述接收模组的理想成像面与所述感光芯片所在平面之间相对位置关系示意图。

图6和图7图示了依据本发明该较佳实施例的所述眼球追踪系统的特定光学系统设计的示意图。

图8和图9示意了依据本发明该较佳实施例的所述眼球追踪系统的所述至少一光源的示意图。

图10图示了依据本发明该较佳实施例的所述头戴式可视设备的调节眼球屈光度的过程示意图

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

申请概述

如上所述，头戴式可视设备的主要支撑技术为：SLAM(SimultaneousLocalization and Mapping)算法和眼球追踪技术。然而，在头戴式可视设备具体的实施中仍存在着诸多技术难题，尤其是头戴式可视设备的光学系统设计。

图1是现有的头戴式可视设备的光路系统示意图。如图1所示，头戴式可视设备的光路系统主要由虚拟场景成像光路和眼球追踪光路所构成。其中，虚拟场景的成像光路的路径为：屏幕1P–VR光学透镜2P–人眼3P。在工作过程中，屏幕1P所投射的虚拟场景图像透过所述VR光学透镜2P并抵至使用者的眼球3P，以允许使用者观察到该虚拟场景图像并与之进行交互。眼球追踪光路的路径为：光源4P–人眼3P–VR光学透镜2P–反射镜5P–接收模组6P。眼球追踪光路的作用在于检测使用者的视线方向，以基于此调整虚拟场景图像位于屏幕1P的显示位置，以确保该虚拟场景图像位于人眼能够观察到的区域。然而，这样的光学系统设置方式却存在诸多缺陷。

首先，虚拟场景成像光路和眼球追踪光路皆通过VR光学透镜2P。换言之，对于VR光学透镜2P而言，其不仅需对可见光进行调制还需对非可见光进行调制(虚拟场景投射光路的光线为可见光，眼球追踪光路的光线为非可见光)。这里，本领域的技术人员应知晓，当光学元件需对不同波段的光波进行不同程度的调制，其光学设计难度高且结构复杂。即使，该VR光学透镜2P能够通过复杂的工艺制备而成，藉由该VR光学透镜2P所构成的光学系统的性能的稳定性也相对较差。不难想象，当该VR光学透镜2P的位置由于震动或其他意外因素发生偏移时，该虚拟场景成像光路和该眼球追踪光路的性能皆受到影响。

其次，现有的眼球追踪系统的光源4P通常为LED(Light Emitting Diode)光源，其周向地安装于该VR光学透镜2P的周缘，用于投射检测光至使用者眼球。由于LED光源安装于该VR光学透镜2P的周缘，即，LED光源位于人眼观察方向，因此，LED光源于该VR光学透镜2P的布置位置将限制人眼的观察范围。换言之，形成人眼的视觉盲区。图2是现有的头戴式可视设备的眼球追踪光路的LED光源投射检测光至使用者的眼球3P的示意图。如图2所示，使用者的视觉范围仅限于LED光源限定所形成的阴影区域，而阴影外的区域人眼无法观察到。这里，由于LED光源的尺寸相对较大，导致LED光源干扰视觉体验的不良影响将增加。

还有，现有的头戴式可视设备的眼球追踪光路为：光源4P–人眼3P–VR光学透镜2P–反射镜5P–接收模组6P。换言之，为了确保眼球追踪系统的检测性能，光源4P的布置位置，VR光学透镜2P与反射镜5P的相对位置关系，以及，反射镜5P和接收模组6P之间的相对位置关系，皆需保持相对较高的精度。这无疑导致眼球追踪系统的设计难度、组装难度，结构复杂度的增加。

此外，对于头戴式可视设备而言，其需根据人眼的近视或远视程度进行匹配调节，以满足用户体验和需求。如图3所示，现有的头戴式可视设备满足该需求的技术方案为：固定反射镜5P和接收模组6P的相对位置保持不变，移动VR光学透镜2P，以改变屏幕1P上虚拟场景图像在人眼中成像的焦点位置，通过这样的方式，调节人眼的屈光度，保证成像质量。然而，这样的调节方式(移动VR光学透镜2P)，改变了眼球追踪光路中眼球3P和接收模组6P之间的物距，导致接收模组6P的成像质量受到影响，以进一步地导致眼球追踪光路的人眼视线方向检测精度的降低。

针对上述技术问题，本发明的基本构思是通过改变眼球追踪系统的光路设计，以使得用于检测人眼视线方向的检测光不经过VR光学透镜而直接被所述接收模组所接收，从而眼球追踪系统的光路与虚拟场景的成像光路相对保持独立，以降低眼球追踪系统的设计难度，简化其结构，且利于提高所述头戴式可视设备整体性能稳定性。

基于此，本发明提出了一种头戴式可视设备，其包括：一屏幕，用于投射一虚拟场景图像至使用者的眼球，一VR(Virtual Reality)光学透镜，用于在所述屏幕和该使用者的眼球之间构建一光学路径，以使得所述屏幕所投射的所述虚拟场景图像能够透过所述VR光学透镜抵至该使用者的眼球；以及，一眼球追踪系统，用于检测该使用者的眼球的视线方向，以基于该视线方向调整所述虚拟场景图像位于所述屏幕的显示位置，其中，所述眼球追踪系统包括：至少一光源，用于投射一检测光至该使用者的眼球；以及一接收模组，用于接收自该使用者的眼球处所反射的该检测光，以检测该使用者的眼球的视线方向，其中，所述接收模组位于所述VR光学透镜的侧部，并朝向该使用者的眼球，以使得自该使用者的眼球处所反射的该检测光直接被所述接收模组所接收。

在介绍本发明的基本原理之后，下面将参考附图来具体介绍本发明的各种非限制性实施例。

示例性头戴式可视设备

根据图4至图10所示，依据本发明一较佳实施例的头戴式可视设备被阐明，其中，使用者可穿戴所述头戴式可视设备于头部以进行虚拟现实体验。

图4图示了依据本发明该较佳实施例的所述头戴式可视设备的光学系统示意图。如图4所示，所述头戴式可视设备的光学系统主要由两部分组成：虚拟场景成像系统10和眼球追踪系统20。

如图4所示，所述虚拟场景成像系统10包括一屏幕11和一VR(Virtual Reality)光学透镜12，其中，所述屏幕11用于投射一虚拟场景图像至使用者的眼球，所述VR光学透镜12位于所述屏幕11和该使用者的眼球30之间，用于在两者之间构建一光学路径，以使得所述屏幕11所投射的所述虚拟场景图像能够透过所述VR光学透镜12抵至该使用者的眼球30。

所述眼球追踪系统20包括至少一光源21和一接收模组22，其中，所述至少一光源21用于投射一检测光200至该使用者的眼球30，所述接收模组22用于接收自该使用者的眼球30处所反射的该检测光200，以检测该使用者的眼球30的视线方向。在通过眼球追踪系统20获得该使用者的眼球30视线方向之后，基于此，对应地调节所述图像位于所述屏幕11的显示位置，以确保所述屏幕11所投射的图像始终位于人眼视场范围内。换言之，在所述头戴式可视设备中，所述虚拟场景成像系统10与所述眼球追踪系统20相互配合，以确保使用者始终能够观察到所述屏幕11所产生的虚拟场景图像并与之交互，以提升用户体验。

在具体实施中，所述屏幕11的所述虚拟场景图像可藉由SLAM算法生成。本领域的技术人员应知晓，SLAM算法是视觉领域空间定位的前沿技术，其主要作用在于构建沉浸式虚拟场景。藉由SLAM算法可解决人眼在头戴式可视设备中的空间定位，并创建环境的地图。在藉由SLAM算法构建出沉浸式虚拟场景之后，所述虚拟场景图像可直接显示于所述屏幕11，或者藉由投影设备投射于所述屏幕11。换言之，在本发明的该较佳实施例中，所述屏幕11可被实施为主动式屏幕11或被动式屏幕11。

当所述屏幕11被实施为主动式屏幕11时(例如，液晶显示屏)，藉由SLAM算法所构建的虚拟场景图像可直接显示于所述屏幕11的特定位置。此时，使用者可透过所述VR光学透镜12观测到形成于所述屏幕11的所述虚拟场景图像。相应地，当所述屏幕11被实施为被动式屏幕11时，所述头戴式可视设备还包括一投影设备，所述投射设备用于投射藉由SLAM算法所构建的虚拟场景图像于所述屏幕11的特定位置。同样地，使用者可透过所述VR光学透镜12观测到形成于所述屏幕11的所述虚拟场景图像。两者的区别在于，当所述屏幕11为主动式屏幕11时，所述虚拟场景图像直接显示于所述屏幕11的特定位置，即，所述屏幕11主动投射所述虚拟场景图像至使用者眼球。而，当所述屏幕11为被动式屏幕11时，所述屏幕11的作用在于承接所述投射设备所投射的所述虚拟场景图像，即，所述屏幕11被动地投射所述虚拟场景图像至使用者眼球。

如前所述，在通过眼球追踪系统20检测到该使用者的眼球30视线方向之后，需对应地调节所述虚拟场景图像位于所述屏幕11的显示位置，以确保所述屏幕11所投射的图像始终位于人眼视场范围内。相应地，当所述屏幕11为主动式屏幕11时，在获得使用者眼球的视线方向信息后，所述屏幕11能够主动地调整所述图像于所述屏幕11的显示位置，以确保所述屏幕11所投射的图像能够透过所述VR光学透镜12被人眼观测到。当所述屏幕11为被动式屏幕11时，所述图像于所述屏幕11的显示位置需依靠所述投影设备进行调节。相应地，在获得使用者眼球的视线方向信息后，所述投影设备能够基于此改变其投影方向，以调整其所投影的所述虚拟场景图像于所述屏幕11的显示位置，以确保所述图像于所述屏幕11的显示位置始终位于人眼视场范围内。

进一步地，在具体实施中，所述VR光学透镜12通常被实施为菲涅尔透镜(FresnelLens)。本领域的技术人员应知晓，菲涅尔透镜又名“螺纹透镜”，其中，在透镜的一侧具有一系列锯齿形凹槽，通过这些齿槽所形成的齿纹可以达到对指定光谱的光带通(折射或反射)的作用。相较于其他光学透镜，菲涅尔透镜具有相对较低的成本。当然，本领域的技术人员应知晓，在本发明的该较佳实施例中，所述VR光学透镜12可被实施为其他类型的光学透镜。对此，本发明不作任何限制。

对于所述头戴式可视设备而言，其性能主要取决于：所述虚拟场景成像系统10，所述眼球追踪系统20，以及所述虚拟场景成像系统10和所述眼球光路系统之间的配合。如前所述，在现有的头戴式可视设备中，虚拟场景成像光路和眼球追踪光路共同VR光学透镜12。换言之，在现有的头戴式可视设备中，虚拟场景成像系统10和眼球追踪系统20为结构紧密关联的光学系统。这样的光路系统引发了一系列技术问题(此部分已在申请概述中详细介绍，故在此不再赘述)。

相应地，如图4所示，在本申请的该较佳实施例中，所述眼球追踪系统20的光路设计发生调整，以使得用于检测人眼视线方向的检测光200不经过VR光学透镜12而直接被所述接收模组22所接收。通过这样的方式，使得眼球追踪系统20与虚拟场景成像系统10之间相对保持独立，以实现降低眼球追踪系统20的设计难度，简化其结构，且利于提高所述头戴式可视设备整体性能稳定性等技术目的。

更具体地说，在本发明的该较佳实施例中，所述眼球追踪系统20的所述接收模组22被设置朝向该使用者的眼球30，从而自该使用者的眼球30处所反射的该检测光200能够直接被所述接收模组22所接收，而无需像现有技术中需透过VR光学透镜12，并经过反射镜的作用。这样，对于所述VR光学透镜12而言，在本发明中，其仅需对所述屏幕11所投射的可见光波段进行处理，而无需对用于实现眼球追踪的非可见光波段进行处理。换言之，在本发明的该较佳实施例中，由于所述VR光学透镜12的光学设计难度降低，结构简化。

进一步地，藉由所述接收模组22的特殊布置方式，所述眼球追踪系统20的光路由光源–人眼–VR光学透镜–反射镜–接收模组被简化为所述至少一光源21–该使用者的眼球30–所述接收模组22。从光路的简化可看出，所述眼球追踪系统20所涉及的元件数量减少。本领域的技术人员应容易理解，对于单一系统而言，系统的元件越少，系统内元件与元件之间的配合精度更容易确保且系统相对更为稳定。换言之，所述眼球追踪系统20的设计难度、组装难度，整体结构的复杂度等都得以降低。

更为重要的是，通过所述眼球追踪系统20的光路的调整，使得所述虚拟场景成像系统10与所述眼球追踪系统20在结构上保持独立。换言之，从结构层面来看，所述虚拟场景成像系统10与所述眼球追踪系统20是完全独立的两个系统。本领域的技术人员应知晓，对于多系统而言，系统与系统之间的关联度越低，多系统的稳定程度越高。对应到本发明中，所述眼球追踪系统20与所述虚拟场景成像系统10没有共用的元器件(所述VR光学透镜12)。即，所述眼球追踪系统20与所述虚拟场景成像系统10之间的关联度低，因此，由所述眼球追踪系统20和所述虚拟场景构建系统10所构成的所述头戴式可视设备的稳定性能高。

进一步地，如图4所示，在本发明的该较佳实施例中，所述接收模组22被设置朝向该使用者的眼球30并位于所述VR光学透镜12的侧部(顶侧或底侧)，处于这样的位置，以能够直接接收从使用者的眼球处所反射的该检测光200。这里，应观察到，设定该使用者的眼球30所设定的轴线为物方光轴X，以及，所述接收模组22的光学镜头222所设定的轴线为感光光轴Y，所述物方光轴X与所述感光光轴Y之间存在夹角α。换言之，该使用者的眼球30相对所述接收模组22处于倾斜状态。

本领域的技术人员应知晓，如图5所示，当物方光轴X与所述感光光轴Y存在夹角时，如果所述接收模组22的感光芯片221与所述感光光轴Y之间以垂直关系进行布置(常规摄像模组的布置方式)，那么所述接收模组22的理想成像面与所述感光芯片221所设定的平面之间存在一定的夹角。从图像表现上来看，形成于所述感光芯片221的人眼图像的清晰度较低。

为了提高所述接收模组22的成像质量，可采用的第一种方案为：提高所述接收模组22的场曲参数，以使得所述接收模组22的理想成像面在场曲的作用下能与所述感光芯片221所设定的平面重合。然而，通过改变场曲参数提高所述接收模组22的技术方案，增加了所述接收模组22的光学设计难度，且对成像质量的提升作用不大。

优选地，在本发明的该较佳实施例中，采用第二种方案：改变所述感光芯片221所设定的平面相对于所述感光光轴Y的相对位置关系，即，改变所述感光芯片221与所述光学镜头222之间的相对位置关系，以使得所述感光芯片221所设定的平面与理想成像面之间尽可能地处于重叠的状态。换言之，在第二种方案中，所述感光芯片221相对所述光学镜头222的位置被调整，以使得所述感光芯片221所设定的平面与所述光学镜头222所设定的平面之间处于非平行状态，即，所述感光芯片221所设定的平面与所述光学镜头222所设定的平面之间存在夹角β。由于所述感光芯片221与所述光学镜头222之间处于倾斜状态，为了便于理解和说明，将第二种方案定义为“成像面倾斜”的方案。

应领会的是，相对于第一种方案，在“成像面倾斜”的方案中，所述接收模组22的设计难度得以大幅降低。同时，随着所述接收模组22的视场角的增加，成像点位置愈加密集，这样，在一定程度上补偿了所述接收模组22的相对照度。

在具体光学设计中，所述感光芯片221所设定的平面与所述光学镜头222所设定的平面之间的夹角β，取决于所述物方光轴X与所述感光光轴Y之间的夹角α以及所述光学镜头222的自身参数。换言之，要求解所述感光芯片221所设定的平面与所述光学镜头222所设定的平面之间的夹角β，需预先求解所述物方光轴X与所述感光光轴Y之间的夹角α以及所述光学镜头222的光学参数。

这里，当采用“成像面倾斜”的方案时，所述接收模组22的所述光学镜头222的光学设计可得以简化。特别地，在本发明的该较佳实施例中，所述接收模组22的所述光学镜头222可被实施为单片非球面光学透镜2221，其具有特定的焦度等光学参数。这里，应领会的是，所述光学镜头222所设定的平面为由所述非球面光学透镜2221所界定的平面。

此外，在本发明的该较佳实施例中，所述物方光轴X与所述感光光轴Y之间的夹角α，取决于该使用者的眼球30与所述VR光学透镜12之间的距离，该使用者的眼球30的预设直径，以及，所述VR光学透镜12与所述接收模组22之间的距离。通常，所述物方光轴X与所述感光光轴Y之间的夹角α的范围为：25.0°～40.0°。图6和7图示了依据本发明该较佳实施例的所述眼球追踪系统20的特定光学系统设计的示意图。如图6所示，该使用者的眼球30与所述VR光学透镜12之间的距离被设定为15mm，使用者的眼球的预设直径被设定为35mm，以及，所述VR光学透镜12与所述接收模组22之间的距离被设定为30mm，在这3个参数的限定下同时考虑到所述接收模组22的自身光学参数，最终设定，所述物方光轴X与所述感光光轴Y之间的夹角α为32°。

由此，在设定所述物方光轴X与所述感光光轴Y之间的夹角α为32°，并确定所述接收模组22的所述光学镜头222实施为单片非球面光学透镜2221的前提下，经检测优化获知：在所述感光芯片221所设定的平面与所述光学镜头222所设定的平面之间的夹角β为20°时，所述接收模组22的成像性能较优能满足设计要求，如图7所示。

这里，本领域的技术人员应容易理解，在本发明的该较佳实施例中，所述感光芯片221所设定的平面与所述光学镜头222所设定的平面之间的夹角β为一变量，其具体取值取决于所述物方光轴X与所述感光光轴Y之间的夹角α以及所述光学镜头222的自身光学参数。同时，在具体实施中，通过调节所述感光芯片221所设定的平面与所述光学镜头222所设定的平面之间的夹角β，可对所述接收模组22的成像性能进行调节优化，从而可在获得满足设计要求的成像效果之后，确定所述感光芯片221所设定的平面与所述光学镜头222所设定的平面之间的夹角β的最终取值。

为了进一步地优化所述眼球追踪系统20的性能，对所述眼球追踪系统20的光源类型与布置方式进行调整。在本发明的该较佳实施例中，所述眼球追踪系统20包括8个所述光源21，其中，8个所述光源21周向地布置于所述VR光学透镜12的周缘，用于投射该检测光200至该使用者的眼球30。特别地，如图8和如图9所示，每一所述光源21包括多路光纤221和一非可见光光源212(例如，近红外光源或红外光源)，所述多路光纤221分别连通于所述非可见光源，以使得在所述非可见光源被导通后，分别于所述多路光纤221的每一光纤221处产生该检测光200，实现多点照明。

值得一提的是，相较于现有的LED(Light Emitting Diode)光源，由多路光纤221所形成的光源束具有相对较小的尺寸，从而有效地降低了所述光源对人眼视觉范围的限定，减少视觉盲区。此外，由多路光纤221替代LED光源组，可有效地降低成本，使得产品更加轻便美观。

如前所述，对于头戴式可视设备而言，其需根据人眼的近视或远视程度进行匹配调节，以满足用户体验和需求。特别地，在本发明的该较佳实施例中，如图10所示，所述屏幕11相对所述VR光学透镜12可移动，以使得可通过改变所述屏幕11和所述VR光学透镜12之间的距离，调节该使用者的眼球30的屈光度。应领会的是，相较于现有的固定反射镜和接收模组22的相对位置保持不变，移动VR光学透镜12的调节人眼屈光度的技术方案，在移动屏幕11的技术方案中，所述VR光学透镜12、所述接收模组22和该使用者眼球之间的相对位置关系保持不变，即，所述眼球追踪系统20的光路保持不变，增加了所述头戴式可视设备的整体稳定性。

相应地，根据本发明的又一方面，本发明还提供一用于头戴式可视设备的屈光度调整方法，其包括：移动屏幕11以调节所述屏幕11与VR光学透镜12之间的距离，以改变使用者的眼球的屈光度。其中，在本发明的一实施例中，眼球追踪系统20集成于所述VR光学透镜12，以使得所述VR光学透镜12和所述眼球追踪系统20具有一体式结构。

进一步地，所述眼球追踪系统20与所述VR光学透镜12集成地设置，以通过眼球追踪系统20与所述VR光学透镜12结构上的稳定关系，确保所述眼球追踪系统20和所述VR光学透镜12的光学性能的稳定性。与此同时，这样的集成方式有利于消除在装配过程中所引起的误差，减轻重量且利于后期维护。

综上，通过改变眼球追踪系统20的光路设计，以使得用于检测人眼视线方向的检测光200不经过VR光学透镜12而直接被所述接收模组22所接收，从而眼球追踪系统20的光路与虚拟场景的投射光路相对保持独立的技术原理和技术效果被阐明。

示例性眼球追踪系统

如图4至图10所示，根据本发明的另一方面，本发明还提供一用于头戴式可视设备的眼球追踪系统20，其中，所述眼球追踪系统20的作用在于检测使用者眼球的视线方向。如图4所示，所述眼球追踪系统20包括至少一光源21和一接收模组22，其中，所述至少一光源21用于投射一检测光200至该使用者的眼球30，所述接收模组22用于接收自该使用者的眼球30处所反射的该检测光200，以检测该使用者的眼球30的视线方向。在通过眼球追踪系统20获得该使用者的眼球30视线方向之后，基于此，对应地调节虚拟场景图像的显示位置，以确保所该虚拟场景图像始终位于人眼视场范围内。

如图4所示，在本申请的该较佳实施例中，所述眼球追踪系统20的光路设计发生调整，以使得用于检测人眼视线方向的检测光200不经过VR光学透镜12而直接被所述接收模组22所接收。通过这样的方式，使得眼球追踪系统20与虚拟场景成像系统10之间相对保持独立，以实现降低眼球追踪系统20的设计难度，简化其结构，且利于提高所述头戴式可视设备整体性能稳定性等技术目的。

更具体地说，在本发明的该较佳实施例中，所述眼球追踪系统20的所述接收模组22被设置朝向该使用者的眼球30，从而自该使用者的眼球30处所反射的该检测光200能够直接被所述接收模组22所接收，而无需像现有技术中需透过VR光学透镜12，并经过反射镜的作用。这样，对于所述VR光学透镜12而言，在本发明中，其仅需对所述屏幕11所投射的可见光波段进行处理，而无需对用于实现眼球追踪的非可见光波段进行处理。换言之，在本发明的该较佳实施例中，由于所述VR光学透镜12的光学设计难度降低，结构简化。

进一步地，藉由所述接收模组22的特殊布置方式，所述眼球追踪系统20的光路由光源–人眼–VR光学透镜–反射镜–接收模组被简化为所述至少一光源21–该使用者的眼球30–所述接收模组22。从光路的简化可看出，所述眼球追踪系统20所涉及的元件数量减少。本领域的技术人员应容易理解，对于单一系统而言，系统的元件越少，系统内元件与元件之间的配合精度更容易确保且系统相对更为稳定。换言之，所述眼球追踪系统20的设计难度、组装难度，整体结构的复杂度等都得以降低。

更为重要的是，通过所述眼球追踪系统20的光路的调整，使得所述虚拟场景成像系统10与所述眼球追踪系统20在结构上保持独立。换言之，从结构层面来看，所述虚拟场景成像系统10与所述眼球追踪系统20是完全独立的两个系统。本领域的技术人员应知晓，对于多系统而言，系统与系统之间的关联度越低，多系统的稳定程度越高。对应到本发明中，所述眼球追踪系统20与所述虚拟场景成像系统10没有共用的元器件(所述VR光学透镜12)。即，所述眼球追踪系统20与所述虚拟场景成像系统10之间的关联度低，因此，由所述眼球追踪系统20和所述虚拟场景成像系统10所构成的所述头戴式可视设备的稳定性能高。

进一步地，如图4所示，在本发明的该较佳实施例中，所述接收模组22被设置朝向该使用者的眼球30并位于所述VR光学透镜12的侧部(顶侧或底侧)，处于这样的位置，以能够直接接收从使用者的眼球处所反射的该检测光200。这里，应观察到，设定该使用者的眼球30所设定的轴线为物方光轴X，以及，所述接收模组22的光学镜头222所设定的轴线为感光光轴Y，所述物方光轴X与所述感光光轴Y之间存在夹角α。换言之，该使用者的眼球30相对所述接收模组22处于倾斜状态。

本领域的技术人员应知晓，如图5所示，当物方光轴X与所述感光光轴Y存在夹角时，如果所述接收模组22的感光芯片221与所述感光光轴Y之间以垂直关系进行布置(常规摄像模组的布置方式)，那么所述接收模组22的理想成像面与所述感光芯片221所设定的平面之间存在一定的夹角。从图像表现上来看，形成于所述感光芯片221的人眼图像的清晰度较低。

为了提高所述接收模组22的成像质量，可采用的第一种方案为：提高所述接收模组22的场曲参数，以使得所述接收模组22的理想成像面在场曲的作用下能与所述感光芯片221所设定的平面重合。然而，通过改变场曲参数提高所述接收模组22的技术方案，增加了所述接收模组22的光学设计难度，且对成像质量的提升作用不大。

优选地，在本发明的该较佳实施例中，采用第二种方案：改变所述感光芯片221所设定的平面相对于所述感光光轴Y的相对位置关系，即，改变所述感光芯片221与所述光学镜头222之间的相对位置关系，以使得所述感光芯片221所设定的平面与理想成像面之间尽可能地处于重叠的状态。换言之，在第二种方案中，所述感光芯片221相对所述光学镜头222的位置被调整，以使得所述感光芯片221所设定的平面与所述光学镜头222所设定的平面之间处于非平行状态，即，所述感光芯片221所设定的平面与所述光学镜头222所设定的平面之间存在夹角β。由于所述感光芯片221与所述光学镜头222之间处于倾斜状态，为了便于理解和说明，将第二种方案定义为“成像面倾斜”的方案。

应领会的是，相对于第一种方案，在“成像面倾斜”的方案中，所述接收模组22的设计难度得以大幅降低。同时，随着所述接收模组22的视场角的增加，成像点位置愈加密集，这样，在一定程度上补偿了所述接收模组22的相对照度。

在具体光学设计中，所述感光芯片221所设定的平面与所述光学镜头222所设定的平面之间的夹角β，取决于所述物方光轴X与所述感光光轴Y之间的夹角α以及所述光学镜头222的自身参数。换言之，要求解所述感光芯片221所设定的平面与所述光学镜头222所设定的平面之间的夹角β，需预先求解所述物方光轴X与所述感光光轴Y之间的夹角α以及所述光学镜头222的光学参数。

这里，当采用“成像面倾斜”的方案时，所述接收模组22的所述光学镜头222的光学设计可得以简化。特别地，在本发明的该较佳实施例中，所述接收模组22的所述光学镜头222可被实施为单片非球面光学透镜2221，其具有特定的焦度等光学参数。这里，应领会的是，所述光学镜头222所设定的平面为由所述非球面光学透镜2221所界定的平面。

此外，在本发明的该较佳实施例中，所述物方光轴X与所述感光光轴Y之间的夹角α，取决于该使用者的眼球30与所述VR光学透镜12之间的距离，该使用者的眼球30的预设直径，以及，所述VR光学透镜12与所述接收模组22之间的距离。通常，所述物方光轴X与所述感光光轴Y之间的夹角α的范围为：25.0°～40.0°。图6和7图示了依据本发明该较佳实施例的所述眼球追踪系统20的特定光学系统设计的示意图。如图6所示，该使用者的眼球30与所述VR光学透镜12之间的距离被设定为15mm，使用者的眼球的预设直径被设定为35mm，以及，所述VR光学透镜12与所述接收模组22之间的距离被设定为30mm，在这3个参数的限定下同时考虑到所述接收模组22的自身光学参数，最终设定，所述物方光轴X与所述感光光轴Y之间的夹角α为32°。

由此，在设定所述物方光轴X与所述感光光轴Y之间的夹角α为32°，并确定所述接收模组22的所述光学镜头222实施为单片非球面光学透镜的前提下，经检测优化获知：在所述感光芯片221所设定的平面与所述光学镜头222所设定的平面之间的夹角β为20°时，所述接收模组22的成像性能较优能满足设计要求，如图7所示。

这里，本领域的技术人员应容易理解，在本发明的该较佳实施例中，所述感光芯片221所设定的平面与所述光学镜头222所设定的平面之间的夹角β为一变量，其具体取值取决于所述物方光轴X与所述感光光轴Y之间的夹角α以及所述光学镜头222的自身光学参数。同时，在具体实施中，通过调节所述感光芯片221所设定的平面与所述光学镜头222所设定的平面之间的夹角β，可对所述接收模组22的成像性能进行调节优化，从而可在获得满足设计要求的成像效果之后，确定所述感光芯片221所设定的平面与所述光学镜头222所设定的平面之间的夹角β的最终取值。

为了进一步地优化所述眼球追踪系统20的性能，对所述眼球追踪系统20的光源类型与布置方式进行调整。在本发明的该较佳实施例中，所述眼球追踪系统20包括8个所述光源21，其中，8个所述光源21周向地布置于所述VR光学透镜12的周缘，用于投射该检测光200至该使用者的眼球30。特别地，如图8和如图9所示，每一所述光源21包括多路光纤221和一非可见光光源212(例如，近红外光源或红外光源)，所述多路光纤221分别连通于所述非可见光源，以使得在所述非可见光源被导通后，分别于所述多路光纤221的每一光纤221处产生该检测光200，实现多点照明。

值得一提的是，相较于现有的LED(Light Emitting Diode)光源，由多路光纤221所形成的光源束具有相对较小的尺寸，从而有效地降低了所述光源对人眼视觉范围的限定，减少视觉盲区。此外，由多路光纤221替代LED光源组，可有效地降低成本，使得产品更加轻便美观。

根据本发明的又一方面，本发明还提供一用于头戴式可视设备的眼球追踪方法，其包括：

投射一检测光200至使用者的眼球；以及

通过一接收模组22，接收自该使用者的眼球30处所反射的该检测光200，以检测该使用者的眼球30的视线方向，其中，所述接收模组22位于所述VR光学透镜12的侧部并朝向该使用者的眼球30，以使得自该使用者的眼球30处所反射的该检测光200直接被所述接收模组22所接收。

这里，虽然上文中，以所述眼球追踪系统20应用于头戴式可视设备为示例进行了说明。但是，本领域的技术人员应可以理解，根据本发明实施例的所述眼球追踪系统20还可以应用于其他VR产品，甚至于VR产品等领域。对此，并不为本发明所局限。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。