TW202332941A - 用於眼睛追蹤的波長多工式波導系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種用於一波導系統之設備、系統及方法，該設備、系統及方法可用於支援一頭戴式顯示器（HMD）中之眼睛追蹤。該波導系統可定位於一使用者之視野中且定位於該HMD的一透鏡構件內以捕獲自一眼睛反射的光。該波導系統可包括一波導、一第一繞射光柵及一第二繞射光柵。該第一繞射光柵可經配置以將一第一波長之光內耦合至該波導中，且該第二繞射光柵可經配置以內耦合一第二波長之光。該第一繞射光柵及該第二繞射光柵一起操作以偵測來自一眼動眶區之光反射。

Description

用於眼睛追蹤的波長多工式波導系統

本發明大體上係關於光學件，且特定言之，係關於眼睛追蹤技術。 相關申請案之交叉參考

本申請案主張於2021年12月28日申請之美國臨時申請案第63/294,341號及2022年6月2日申請之美國非臨時申請案第17/830339號之優先權，其特此以引用之方式併入。

眼睛追蹤技術使得頭戴式顯示器（head mounted display；HMD）能夠基於使用者之眼移動或眼睛定向而與使用者互動。現有眼睛追蹤系統技術上可受到自然障礙物限制。舉例而言，睫毛及眼瞼可阻礙拍攝眼睛之影像，此可降低眼睛追蹤操作之品質。

本發明之一態樣為一種透鏡構件，其包含：波導；第一繞射光柵，其安置於該波導中且經配置以將第一光從眼動眶區內耦合至該波導中，該第一光具有第一波長；及第二繞射光柵，其安置於該波導中且經配置以將第二光從該眼動眶區內耦合至該波導中，該第二光具有第二波長。

本發明之另一態樣為一種眼睛追蹤系統，其包含：控制器，其經配置以基於影像資料判定眼睛定向；波導系統，其包括：波導；第一繞射光柵，其安置於該波導中且經配置以將第一光自眼動眶區內耦合至該波導中，該第一光具有第一波長；及第二繞射光柵，其安置於該波導中且經配置以將第二光自該眼動眶區內耦合至該波導中，該第二光具有第二波長；及影像感測器，其光學耦合至該波導系統以自該波導接收該第一光及該第二光，其中該影像感測器經配置以產生該影像資料。

本發明之另一態樣為一種頭戴式裝置，其包含：框架；透鏡構件，其耦接至該框架且經配置以將場景光透射至眼動眶區；波導系統，其耦接至該透鏡構件且耦接至該框架，其中該波導系統包括：波導；第一繞射光柵，其安置於該波導中且經配置以將第一光自該眼動眶區內耦合至該波導中，該第一光具有第一波長；及第二繞射光柵，其安置於該波導中且經配置以將第二光自該眼動眶區內耦合至該波導中，該第二光具有第二波長；及影像感測器，其定位於該框架中以利用自該波導接收到之該第一光及該第二光產生影像資料。

本文中描述支援場內眼睛追蹤之波長多工式波導成像系統的具體實例。在以下描述中，闡述了許多特定細節，以便提供對具體實例之透徹理解。然而，熟習相關技術者將認識到，可在無特定細節中之一或多者的情況下或藉由其他方法、組件、材料等實踐本文中所描述之技術。在其他情況下，未詳細展示或描述熟知結構、材料或操作以避免混淆某些態樣。

貫穿於本說明書中的對「一個具體實例（one embodiment）」或「一具體實例（an embodiment）」的參考意謂結合具體實例所描述的特定特徵、結構或特性包括於本發明的至少一個具體實例中。因此，片語「在一個具體實例中」或「在一具體實例中」貫穿本說明書在各處之出現未必皆參考同一具體實例。此外，可在一或多個具體實例中以任何適合方式組合所述特定特徵、結構或特性。

在本發明之態樣中，可見光可定義為具有大約380 nm至700 nm之波長範圍。非可見光可定義為具有在可見光範圍外之波長之光，諸如紫外光及紅外光。在本發明之態樣中，紅光可定義為具有大約620至750 nm之波長範圍，綠光可定義為具有大約495至570 nm之波長範圍，且藍光可定義為具有大約450至495 nm之波長範圍。

如本文中所使用，光自光學元件（例如，光學耦合器、繞射光柵、全像光學元件等）之繞射角為出射射線關於光學元件之出射表面之法線（亦即，90度）之位移角。

如本文中所使用，繞射光柵可包括規定光柵或全像光柵。全像光柵可包括具有感光性材料之基板，光柵經記錄於該基板上（例如，在基板內部）。全像光柵亦可稱為全像光學元件（holographic optical element；HOE）。

眼睛追蹤功能性擴展頭戴式顯示器（HMD）可提供至使用者之互動的服務及品質。當自眼睛周邊執行成像時，睫毛及眼瞼可阻斷且抑制可自眼睛獲得的信號（例如，影像）之品質。用於對來自眼睛之光反射成像的明顯較佳位置為在眼睛正前方。然而，將相機置放於眼睛正前方可阻礙使用者之視覺且可為降低使用者體驗HMD之品質的煩惱。本文中揭示用於波導系統之技術，該波導系統自眼睛正前方且在眼睛之視野（場內）中捕獲來自眼睛之光。波導系統將光自透鏡構件之場內部分導引至可定位於HMD的框架上或HMD的框架中的影像感測器。另外，波導系統可使用波長多工式繞射光柵以將反射之空間位置編碼成角，以波長編碼眼動眶區(eyebox region)之部分，且擴大可偵測到反射之眼動眶區。

HMD可包括（例如，波長多工式）波導系統，其至少部分地安置於透鏡構件中及HMD之框架中以自使用者之眼睛接收光反射。波導系統可將來自使用者之眼睛的光反射（例如，紅外線）導引至影像感測器以實現使用者之眼睛的無分散及場內成像。波導系統可包括兩個或更多個內耦合繞射光柵、波導及外耦合繞射光柵。內耦合繞射光柵可經配置以將來自眼睛（或眼動眶區）之光反射內耦合至波導中。經繞射之光反射可包括第一波長光及第二波長光。波導可將來自內耦合繞射光柵之光導引（例如，經由全內反射（through total internal reflection；TIR））至外耦合繞射光柵。外耦合繞射光柵可經配置以將來自波導之第一波長光及第二波長光外耦合至影像感測器（例如，經由透鏡）。

內耦合繞射光柵中的各者可為具有複數個傾斜光柵平面之全像光學元件（HOE），該複數個傾斜光柵平面經配置以將各光線之入射位置映射（或編碼）至TIR角，其中該入射位置為關於內耦合繞射光柵之表面。換言之，特定光線之TIR角可指示在內耦合繞射光柵上接收光線之位置。外耦合繞射光柵接著可經配置以基於特定光線之繞射角解碼各光線之入射位置。在一個具體實例中，來自外耦合繞射光柵之光線的出射角或出射位置與特定光線之入射位置成比例或相關。外耦合繞射光柵可經配置以繞射包括第一波長光及第二波長光之波長帶。

控制器可以通信方式耦合至影像感測器以自影像感測器接收影像資料。控制器可使用影像資料來判定眼睛之定向及/或執行一或多個眼睛追蹤操作。根據本發明之態樣，基於眼睛定向及/或眼睛追蹤資料，HMD可經配置以選擇性地顯示資訊及/或提供或調整HMD之透鏡構件中的使用者介面元件之數目。

內耦合繞射光柵及外耦合繞射光柵可經實施為透射性繞射光柵或反射性繞射光柵。透射性繞射光柵對特定光波長（例如，在紅外線範圍內）進行透射操作且僅傳遞或透射其他波長而無繞射。反射性繞射光柵對特定光波長（例如，在紅外線範圍內）進行反射操作且傳遞或透射其他波長而無繞射。內耦合繞射光柵之表面積及/或體積可大於外耦合繞射光柵之表面積及/或體積，以促進捕獲來自眼動眶之光反射且促進將光聚焦至來自HMD之框架內的影像感測器上。多個（例如，兩個）內耦合繞射光柵之組合表面積可操作以擴大眼動眶區之有效面積，可自該有效面積將光反射繞射至波導中。

內耦合繞射光柵（及/或外耦合繞射光柵）中的各者可為具有數個傾斜繞射光柵之軋製繞射光柵。傾斜繞射光柵將光繞射至波導中。傾斜繞射光柵可在內耦合繞射光柵的第一側上以與內耦合繞射光柵的第二側上不同的繞射角來繞射光。根據本發明之態樣，傾斜繞射光柵可具有自內耦合繞射光柵之第一側至內耦合繞射之第二側改變（例如，增加或減小）的傾斜角。傾斜繞射光柵可經設計或經配置以在特定波長範圍（例如，特定近紅外或紅外波長）上操作。根據本發明之具體實例，傾斜繞射光柵可具有基於傾斜繞射光柵之繞射角及角度頻寬而定義的傾斜角、光柵線及光柵週期。

本發明中描述之用於波長多工式波導系統之設備、系統及方法可使得能夠改良眼睛追蹤技術，例如支援HMD之操作。結合圖1至圖11更詳細地描述此等及其他具體實例。

圖1圖示根據本發明之具體實例的支援自使用者之視野（場內）內之眼睛追蹤的實例頭戴式顯示器（HMD）100。根據一具體實例，HMD 100包括波導系統102，其經配置以將來自眼動眶區之光內耦合且將來自眼動眶區之光外耦合至定位於框架106中或上的影像感測器104。根據一具體實例，波導系統102部分地安置於透鏡構件108內且部分地定位於框架106內，以支援場內接收自眼動眶區反射之光。眼動眶區及使用者之眼睛之場內成像的優點在於，將波導系統102定位於使用者之眼睛前方減少諸如眼瞼及睫毛之障礙物，所述障礙物可降低可自使用者之眼睛捕獲的影像之品質。根據本發明之態樣，眼動眶區之場內成像的另一益處可為改良自使用者之眼睛接收反射。波導系統102可用以支援眼睛追蹤、使用者體驗（UX）及HMD 100之其他特徵。HMD（諸如HMD 100）為一種類型之頭戴式顯示器，通常穿戴於使用者之頭部上以向使用者提供人工實境內容。人工實境為在呈現給使用者之前已以某一方式調整之實境形式，其可包括例如虛擬實境（virtual reality；VR）、擴增實境（augmented reality；AR）、混合實境（mixed reality；MR）、混雜實境或其某一組合及/或衍生物。

HMD 100利用框架106承載波導系統102及影像感測器104。框架106耦接至臂110A及110B。透鏡構件108安裝至框架106。透鏡構件108可包括與HMD 100之特定使用者匹配的處方光學層，或可為非處方透鏡。所圖示HMD 100經配置以穿戴於HMD 100之穿戴者的頭部上或頭部周圍。

透鏡構件108可對使用者顯現為透明的以促進擴增實境或混合實境以使得使用者能夠查看來自她周圍環境之場景光同時亦接收經導引至她眼睛之影像光。因此，透鏡構件108可被視為（或包括）光學組合器。在一具體實例中，透鏡構件108可包括承載波導系統102之部分的兩個或更多個光學層。在一些具體實例中，將來自一或多個整合顯示器之顯示光導引至HMD 100之穿戴者的一個或兩個眼睛中。

根據一具體實例，波導系統102及影像感測器104可經配置以捕獲離開使用者之眼睛之反射的影像。為了產生離開使用者之眼睛的光反射，HMD 100可包括定位於框架106周圍的一或多個位置處的多個光源112。光源112經定向以朝向眼動眶區導引光，以照射至少一個使用者之眼睛。光源112可發射在非可見光譜中之光。舉例而言，根據一具體實例，光源112經配置以發射例如具有在750 nm至1500 nm之範圍內之波長的紅外光。光源112中之一些可經配置以發射為第一波長光，其為具有第一波長（例如，1300 nm）之光，且光源112中之其他者可經配置以發射第二波長光，其為具有第二波長（例如，940 nm）之光。光源112可為發光二極體（light emitting diode；LED）、垂直共振腔面射型雷射（vertical-cavity surface-emitting laser；VCSEL）、微發光二極體（微LED）、邊緣發射LED、超發光二極體（superluminescent diode；SLED）或另一類型之光源。在一個具體實例中，自光源112發射之光為以約850 nm為中心之紅外光。來自其他源之紅外光亦可照射眼睛。根據一具體實例，HMD 100可經配置以使用離開使用者之眼睛之反射的影像來判定使用者之眼睛之定向及/或執行眼睛追蹤操作。

根據一具體實例，HMD 100包括通信耦合至影像感測器104之控制器118。根據一具體實例，控制器118耦合至影像感測器104以使用波導系統102接收由影像感測器104捕獲之影像。根據一具體實例，控制器118可包括處理邏輯120及一或多個記憶體122以分析自影像感測器104接收到之影像資料，判定使用者之眼睛中之一或多者的定向，執行一或多個眼睛追蹤操作及/或在透鏡構件108中顯示或提供使用者介面元件。控制器118可包括用於發送及接收資料之有線及/或無線資料介面、圖形處理器及用於儲存資料及電腦可執行指令之一或多個記憶體122。控制器118及/或處理邏輯120可包括電路系統、邏輯、儲存於機器可讀儲存媒體中之指令、ASIC電路系統、FPGA電路系統及/或一或多個處理器。在一個具體實例中，HMD 100可經配置以接收有線電力。在一個具體實例中，HMD 100經配置以由一或多個電池供電。在一個具體實例中，HMD 100可經配置以經由有線通信通道接收包括視訊資料之有線資料。在一個具體實例中，HMD 100經配置以經由無線通信通道接收包括視訊資料之無線資料。

HMD 100可包括定位於透鏡構件124上或周圍的波導系統114及影像感測器116，該透鏡構件位於例如框架106的左側上。根據一具體實例，波導系統114可包括與波導系統102類似之特徵。根據一具體實例，影像感測器116可經配置以類似於影像感測器104操作。透鏡構件124可包括與透鏡構件108類似的特徵及/或層。

波導系統102可經配置以傳遞或透射來自HMD 100之場景側之場景光，使得波導系統102對HMD 100之使用者呈現為透明的。根據本發明之各種態樣，波導系統102亦經配置以將來自例如透鏡構件108之中心區126的光選擇性地導引至影像感測器104。

圖2圖示根據本發明之各種具體實例的眼部環境200之實例俯視圖。根據一具體實例，眼部環境200包括HMD 202及眼睛204。HMD 202為HMD 100之實例實施。如所說明，根據一具體實例，HMD 202為頭戴式顯示器之態樣的部分橫截面視圖。眼睛204定位於HMD 202之眼動眶側206上。眼睛204定位於眼動眶側206上之眼動眶區208中且經定位以自場景側212接收場景光210。根據一具體實例，場景光210穿過透鏡構件214至眼動眶區208且至眼睛204。場景光210自場景側212穿過透鏡構件214及波導系統216至眼動眶側206。

根據一具體實例，波導系統216為波導系統102及/或114的實例實施。根據一具體實例，波導系統216經配置以自眼睛204及/或眼動眶區208接收變得入射於表面220上之非可見光218的反射。根據一具體實例，波導系統216包括波導222、內耦合繞射光柵224及外耦合繞射光柵226。

根據一具體實例，波導系統216經配置以利用內耦合繞射光柵224接收非可見光218之反射。根據一具體實例，內耦合繞射光柵224將反射光內耦合至波導222中。內耦合繞射光柵224可表示兩個或更多個內耦合繞射光柵（例如，經配置以繞射第一波長光之第一繞射光柵及經配置以繞射第二波長光之第二繞射光柵）。根據一具體實例，藉由將反射光共耦合至波導222中，內耦合繞射光柵224將反射光導引至外耦合繞射光柵226。根據一具體實例，在反射光已經由波導222內之全內反射（TIR）自內耦合繞射光柵224傳播至外耦合繞射光柵226之後，外耦合繞射光柵226自內耦合繞射光柵224接收反射光。

根據一具體實例，外耦合繞射光柵226經配置以自波導222接收反射光且外耦合反射光。根據一具體實例，外耦合繞射光柵226經配置以將所接收反射光提供至影像感測器104。如所說明，根據一具體實例，外耦合繞射光柵226及影像感測器104可定位於框架106之一部分內（或上）（例如，眼睛204之視野外）。根據一具體實例，外耦合繞射光柵226及波導222之一部分可定位於框架106之一部分內，以促進將來自外耦合繞射光柵226之反射光外耦合至影像感測器104。根據一具體實例，外耦合繞射光柵226可經配置以繞射包括第一波長光及第二波長光之光的波長之範圍或頻帶。

影像感測器104經配置以將所接收反射光轉換成電氣信號。根據一具體實例，電氣信號可表示由內耦合繞射光柵224接收到之反射光。根據一具體實例，影像感測器104將所接收反射光轉換成影像資料228且經由通信通道230將影像資料228提供至控制器118。換言之，控制器118可通信地耦合以自影像感測器104接收影像資料228。根據一具體實例，控制器118可使用多種技術中之一或多者來判定眼睛204之定向且基於影像資料228執行一或多個眼睛追蹤操作。

根據一具體實例，HMD 202可包括經配置以將資訊及/或使用者介面元件提供至眼動眶區208以供HMD 202之使用者查看的投影儀232及顯示器234。顯示器234可包括液晶顯示器（liquid crystal display；LCD）、有機發光二極體（organic light emitting diode；OLED）顯示器、微LED顯示器、量子點顯示器、微微投影儀或矽上液晶（liquid crystal on silicon；LCOS）顯示器以用於將影像光導引至HMD 202之穿戴者。根據一具體實例，投影儀232可定位於框架106中或上，且顯示器234可至少部分地定位於透鏡構件214內。根據一具體實例，顯示器234可為透明的且可經配置以允許場景光210穿過透鏡構件214至眼動眶區208。根據一具體實例，投影儀232及顯示器234可通信地耦合以自控制器118接收指令及/或資訊，且可經配置以至少部分地基於眼睛204之定向來投影資訊。

出於說明之目的，透鏡構件214經說明為單一光學層。根據一具體實例，如所說明，透鏡構件214可經實施為單一光學層，或可實施為耦接在一起以包括波導系統216及顯示器234的兩個或更多個光學層。

根據一具體實例，圖3圖示HMD 300之俯視圖。根據一具體實例，HMD 300包括透鏡構件302，其包括多個光學層。根據一具體實例，透鏡構件302為透鏡構件214之實例實施。根據一具體實例，透鏡構件302包括波導光學層304及顯示光學層306。根據一具體實例，波導光學層304耦合至顯示光學層306以將場景光210透射至眼動眶區208。根據一具體實例，透鏡構件302可包括提供光功率、間隔之一或多個額外層，諸如光學層308及光學層310，以及支援HMD 300的操作之一或多個額外特徵或特性。

根據本發明之態樣，圖4A及圖4B圖示可實施至所揭示HMD中之一或多者中的波導成像系統之實例具體實例。

圖4A圖示根據一具體實例之波導成像系統400。根據一具體實例，波導成像系統400包括波導系統402，其經配置以自眼動眶區208接收光（例如，反射紅外光）且將光提供至影像感測器104。波導系統402為波導系統102（展示於圖1中）及/或波導系統216（展示於圖2中）之實例實施。根據一具體實例，波導系統402使用繞射光柵404以將光內耦合至波導406中且使用繞射光柵408以將來自波導406之光外耦合至影像感測器104。根據一具體實例，繞射光柵404、波導406及繞射光柵408為至少部分地界定波導系統402且一起操作以將光自眼動眶區208導引至影像感測器104之光學元件。

繞射光柵404為經配置以透射操作以繞射光之一些波長同時傳遞（而不繞射）光之其他波長之透射性光柵。繞射光柵404可經配置以繞射具有在紅外波長範圍中之波長的光同時傳遞光之其他波長（例如，可見波長帶）而不繞射。繞射光柵404將來自眼動眶區208（例如，來自眼睛204）之光410內耦合至波導406中，使得波導406將光410反射（例如，利用TIR）至繞射光柵408。

根據一具體實例，繞射光柵404包括第一端412及第二端414且經配置以不同於第二端414而自第一端412繞射光線。舉例而言，繞射光柵404可經配置以第一繞射角θ _D1繞射第一端412上之光線416，且可經配置以第二繞射角θ _D2繞射第二端414上之光線418。在一個具體實例中，第一繞射角θ _D1為大於第二繞射角θ _D2的角，使得繞射光柵404更強力地自第一端412繞射光410且較低強力地自第二端414繞射光410以減小在波導406內反射之光線反射回至繞射光柵404上之可能性。根據一具體實例，繞射光柵404經配置以自第一端412至第二端414逐漸變小的繞射角繞射光。替代地，根據一具體實例，繞射光柵404經配置以自第一端412至第二端414逐漸地變得更大之繞射角繞射光。根據本發明之各種態樣，光線416及418表示大量光線（例如，光410），所述光線由入射表面420接收且以自第一端412至第二端414變化之繞射角在出射表面422外繞射。

繞射光柵408經配置以利用入射表面424接收光線416及418且經配置以將光線416及418導引至影像感測器104。繞射光柵408為經配置以透射操作以繞射光之一些波長同時傳遞光之其他波長之透射性光柵。根據一具體實例，繞射光柵408為透射性繞射光柵，其將來自波導406之光線416及418外耦合至影像感測器104。根據一具體實例，繞射光柵408可經配置以將來自波導406之光線416及418繞射地外耦合至影像感測器104。類似於繞射光柵404，繞射光柵408可經配置以與第二側430之角不同的角而自第一側428繞射來自出射表面426之光。繞射光柵408可經配置以以小於自第二側430之繞射角的繞射角自第一側428繞射光。繞射光柵408可經配置以在自第一側428至第二側430逐漸或漸進地改變之繞射角下發射光。根據一具體實例，自出射表面426發射之光線之繞射角自第一側428至第二側430漸進地增加。根據一具體實例，自出射表面426發射之光線之繞射角自第一側428至第二側430漸進地減小。

根據一具體實例，繞射光柵404定位於波導406內接近波導406之表面432以使得繞射光柵404能夠將光410內耦合至波導406中且使得繞射光柵404能夠朝向繞射光柵408導引光410。根據一具體實例，繞射光柵404之入射表面420界定或構成波導406之表面432的至少一部分，使得入射表面420的部分與表面432為相同表面。根據一具體實例，繞射光柵404定位於波導406中波導406之透鏡構件側436上。根據一具體實例，波導406之透鏡構件側436表示將場景光210透射至眼動眶區208之波導406的一部分。

根據一具體實例，繞射光柵408定位於波導406內接近波導406之表面434以使得繞射光柵408能夠在波導406外外耦合光410且使得繞射光柵408能夠朝向影像感測器104導引光410。根據一具體實例，繞射光柵408之出射表面426界定或構成波導406之表面434的至少一部分，使得出射表面426之部分與表面434為相同表面。根據一具體實例，繞射光柵408定位於波導406中波導406之框架側438上。根據一具體實例，波導406之框架側438表示波導406之一部分，其至少部分地定位於HMD之框架的表面內或上，以使得能夠將光外耦合至影像感測器104。

波導成像系統400可視情況包括定位於波導406與影像感測器104之間的透鏡440。透鏡440可自單一光學層構築或可包括耦接在一起以將來自出射表面426之光聚焦至影像感測器104上之多個光學層。在一個具體實例中，繞射光柵408及透鏡440經配置以將來自繞射光柵404之第一端412的光聚焦至影像感測器104之第一端442上且經配置以將來自繞射光柵404之第二端414的光聚焦至影像感測器104之第二端444上，或反之亦然。

圖4B圖示根據一具體實例之波導成像系統450。根據一具體實例，波導成像系統450包括波導系統452，其經配置以自眼動眶區208接收光410且將光410選擇性地提供至影像感測器104。波導系統452為波導系統102（展示於圖1中）及/或波導系統216（展示於圖2中）之實例實施。根據一具體實例，波導系統452使用一或多個反射體積布氏光柵（volume Bragg grating；VBG）以將光410耦合至影像感測器104。藉由使用VBG，波導系統452可有利地在可在場內波導成像系統中出現的可見彩虹假影減小或消除（例如，低於.01%）的情況下操作。更特定言之，根據一些實施，波導系統452可在透射性彩虹假影低於.01%之情況下操作，且可在幾乎不存在反射性彩虹假影之情況下操作。在一具體實例中，根據一具體實例，波導系統452使用反射性繞射光柵454將光內耦合至波導456中且使用反射性繞射光柵458將來自波導456之光外耦合至影像感測器104。

繞射光柵454為經配置以反射操作以繞射光之一些波長同時傳遞（而不操作）光之其他波長之反射性繞射光柵（例如，反射VBG）。繞射光柵454可經配置以繞射具有在紅外波長範圍中的波長（例如，850 nm）之光，同時傳遞光之其他波長（例如，可見波長帶）而無繞射。繞射光柵454將來自眼動眶區208（例如，來自眼睛204）之光410內耦合至波導456中，使得波導456將光410反射（例如，利用TIR）至繞射光柵458。

根據一具體實例，繞射光柵454包括第一端462及第二端464且經配置以不同於來自第二端464之光線而自第一端462繞射光線。舉例而言，繞射光柵454可經配置以第一繞射角θ _D3繞射第一端462上之光線416，且可經配置以第二繞射角θ _D4繞射第二端464上之光線418。在一個具體實例中，第一繞射角θ _D3為大於第二繞射角θ _D4的角，使得繞射光柵454更強力地自第一端462繞射光410且較低強力地自第二端464繞射光410以減小將光線反射回至繞射光柵454上之可能性。根據一具體實例，繞射光柵454經配置以自第一端462至第二端464逐漸變小的繞射角繞射光。根據一具體實例，繞射光柵454經配置以自第一端462至第二端464逐漸地變得更大之繞射角繞射光。根據本發明之各種態樣，光線416及418表示由表面470接收且以自第一端462至第二端464改變之繞射角繞射回表面470外的大量光線（例如，光410）。

繞射光柵454為具有多個傾斜光柵平面472之軋製繞射光柵，所述傾斜光柵平面自繞射光柵454之第一端462至第二端464改變（例如，漸進地增加或減小）出射光線之繞射角。傾斜光柵平面472基於傾斜光柵平面472之傾斜角改變出射光線之繞射角。根據一具體實例，繞射光柵454將入射光線之各位置映射至波導456內部之一或多個特定全內反射（TIR）角。換言之，根據一具體實例，繞射光柵454藉由使（繞射光柵454上之）光線之入射位置與波導456內之TIR角相關聯而將資訊編碼至所接收光線上。根據一具體實例，繞射光柵458接收光線所藉以之特定TIR角提供光線入射至繞射光柵454上（例如，自眼動眶區208）之位置的指示。根據一具體實例，繞射光柵458經配置以基於光線之特定繞射角解碼光線之入射位置。根據一具體實例，光線離開波導456及/或由影像感測器104接收藉以之特定角提供光線入射至繞射光柵454上之位置及/或入射角的指示。

傾斜光柵平面472（個別地，傾斜光柵平面472A、472B、472C等）與至少部分地界定傾斜光柵平面472之角的傾斜角φ（個別地，傾斜角φ _S1、φ _S2、φ _S3）相關聯。為了說明清楚起見，僅標註有限數目個所說明傾斜光柵平面。然而實務上，彼此之間具有例如若干微米間距之光柵平面之數目將難以充分說明。根據一具體實例，關於繞射光柵454之表面470界定傾斜角φ。根據一具體實例，亦可關於表面470之相交及關於傾斜光柵平面472中之各者的法線來界定傾斜角φ。根據本發明之具體實例，傾斜角φ及傾斜光柵平面472由結合圖5、圖6及圖7描述之技術至少部分地界定。

繞射光柵458經配置以（例如，利用表面474）接收光線416及418且經配置以將光線416及418導引至影像感測器104。繞射光柵458為經配置以反射操作以繞射光之一些波長（例如，紅外波長內）同時傳遞光之其他波長（例如，可見波長）之反射性繞射光柵。根據一具體實例，繞射光柵458為反射性繞射光柵，其將來自波導456之光線416及418外耦合至影像感測器104。類似於繞射光柵454，繞射光柵458可經配置以與第二側480之角不同的角而自第一側478繞射來自表面474之光。繞射光柵458可經配置以以小於自第二側480之繞射角的繞射角自第一側478繞射光。繞射光柵458可經配置以在自第一側478至第二側480逐漸或漸進地改變之繞射角下發射光。根據一具體實例，自表面474發射之光線之繞射角自第一側478至第二側480漸進地增加。根據一具體實例，自表面474發射之光線之繞射角自第一側478至第二側480漸進地減小。

根據一具體實例，繞射光柵454定位於波導456內接近波導456之表面482以使得繞射光柵454能夠將光410內耦合至波導456中且使得繞射光柵454能夠朝向繞射光柵458導引光410。根據一具體實例，繞射光柵454之至少一個表面及表面482在同一平面上或至少部分地界定同一表面。根據一具體實例，繞射光柵454定位於波導456中波導456之透鏡構件側486上。根據一具體實例，波導456之透鏡構件側486表示將場景光210透射至眼動眶區208之波導456的一部分。

根據一具體實例，繞射光柵458定位於波導456內接近波導456之表面484以使得繞射光柵458能夠在波導456外外耦合光410且使得繞射光柵458能夠朝向影像感測器104導引光410。根據一具體實例，繞射光柵458之至少一個表面及表面484在同一平面上或至少部分地界定同一表面。根據一具體實例，繞射光柵458定位於波導456中波導456之框架側488上。根據一具體實例，波導456之框架側488表示波導456之一部分，其至少部分地定位於HMD之框架的表面內或上，以使得能夠將光外耦合至影像感測器104。

波導成像系統450可視情況包括定位於波導系統452與影像感測器104之間的透鏡440。透鏡440可自單一光學層構築或可包括耦接在一起以將來自繞射光柵458之光聚焦至影像感測器104上的多個光學層。在一個具體實例中，繞射光柵458及透鏡440經配置以將來自繞射光柵454之第一端462的光聚焦至影像感測器104之第一端442上且經配置以將來自繞射光柵454之第二端464的光聚焦至影像感測器104之第二端444上。

圖5圖示根據本發明之具體實例之用於界定及構築波導系統402及/或452之一或多個特徵的圖500。根據本發明之態樣，圖500圖示在多個位置p（個別地，位置p ₁、p ₂、p ₃、p _n）處入射於光學元件504上以判定傾斜光柵平面506（個別地，傾斜光柵平面506A、506B、506C）之繞射角、光柵週期及傾斜角的光線502（個別地，光線502A、502B、502C、502D、502E）。根據本發明之各種態樣，光學元件504可為透射性或反射性繞射光柵（例如，全像光學元件）。

為界定第一點p ₁處之第一傾斜角φ _p1，第一光線502A之繞射角θ ₁經界定為80°。第一光線502A來源於距光學元件504距離d ₀之眼動眶區208。第一射線502A之入射角為0°。第一傾斜光柵平面506A之第一傾斜角φ _p1可經調整直至第一光線502A之繞射角θ ₁為80°。光柵週期Λ _p1為傾斜光柵平面506上之鄰近光柵線之間的橫向距離，且基於經選擇性地繞射之光之波長（例如，850 nm）。在p ₁處調整光柵週期Λ _p1及傾斜角φ _p1，直至第一光線502A之繞射角θ ₁為80°為止。繞射角θ ₁可自光學元件504之表面（例如，出射表面）之法線量測。

一旦已判定第一傾斜光柵平面506A在第一點p ₁處之光柵週期Λ _p1及傾斜角φ _p1以達成特定繞射角，則判定第一點p ₁處的角度頻寬θ _B,p1。作為一實例，可藉由在第一點p ₁處以不同入射角導引各種光線直至繞射角超出預定臨限值來判定角度頻寬θ _B,p1。

在已判定角度頻寬θ _B,p1的情況下，以入射角-θ _B,p1/2（負θ除以2）將第二光線502B發射或導引至第一點p ₁。角θ _2,3為來自第二光線502B之第一點p ₁之所得繞射角。角θ _2,3可自光學元件504之表面（例如，出射表面）之法線量測。

在第二點p ₂處，第二傾斜光柵平面506B之光柵週期Λ _p2及傾斜角φ _p2經調整以使得第三光線502C亦以繞射角θ _2,3繞射。以入射角θ _B,p1/2（正θ除以2）將第三光線502C發射或導引至第二點p ₂。根據一具體實例，第二點p ₂經判定為沿光學元件504之表面距第一點p ₁的距離w ₁₂。距離w ₁₂可根據方程式1定義，該方程式1為： w ₁₂= 2*d ₀* tan(θ _B,p1/2)。

為判定第三點p ₃處之光柵週期Λ _p3及傾斜角φ _p3，自第二點p ₂判定繞射角θ _4,5。繞射角θ _4,5可基於第二點p2之角度頻寬θ _B,p2/2而判定。角度頻寬θ _B,p2可藉由在第二點p ₂處自各種入射角將各種光線導引至第二傾斜光柵平面506B處直至繞射角超出預定臨限值而判定。以入射角-θ _B,p2/2（負θ除以2）朝向第二點p2發射或導引第四光線502D，且第四光線502D之所得繞射角為繞射角θ _4,5。角θ _4,5可自光學元件504之表面（例如，出射表面）之法線量測。

至少部分地基於繞射角θ _4,5判定第三點p3處之第三傾斜光柵平面506C之光柵週期Λ _p3及傾斜角φ _p3。根據一具體實例，第三點p ₃經判定作為沿著光學元件504之表面距第二點p ₂之距離w ₂₃。距離w ₂₃可根據方程式2定義，該方程式2為： w ₂₃= 2*d ₀* tan(θ _B,p2/2)。

光柵週期Λ _p3及傾斜角φ _p3藉由調整光柵週期Λ _p3及傾斜角φ _p3直至第五光線502E以繞射角θ _4,5自傾斜光柵平面506C繞射來判定。根據一具體實例，以入射角θ _B,p2/2（θ除以2）朝向第三點p ₃發射或導引第五光線502E，同時調整光柵週期Λ _p3及傾斜角φ _p3。

根據本發明之具體實例，針對判定傾斜光柵平面506之特性所論述之通用順序可反覆地應用於光學元件504之整個長度以產生具有傾斜光柵平面之光學元件，所述傾斜光柵平面操作以根據本文所描述之繞射光柵（例如，繞射光柵404、454）來繞射光。此順序可重複直至達到臨界繞射角，其中來自傾斜光柵平面之繞射光線不再體驗波導內之TIR。

在一些具體實例中，根據各種具體實例，識別及界定光學元件504之特性的過程由一或多個處理器執行，該一或多個處理器經配置以操作用於例如記錄及/或測試光學元件、繞射光柵、波導系統、波導成像系統及/或HMD之製造或製作裝備。

圖6圖示展示根據本發明之態樣的波導系統及繞射光柵之光學特性的圖600。根據一具體實例，圖600包括波導系統602之俯視圖，該波導系統至少部分地以圖表604中所圖示的旋轉角進行操作。根據一具體實例，波導系統602包括波導606、內耦合繞射光柵608及外耦合繞射光柵610。根據一具體實例，波導系統602為波導系統402及/或452之俯視圖的實例。根據一具體實例，內耦合繞射光柵608為繞射光柵404及/或454之實例俯視圖。根據一具體實例，外耦合繞射光柵610為繞射光柵408及/或458之實例俯視圖。

根據一具體實例，內耦合繞射光柵608包括傾斜光柵平面612，所述傾斜光柵平面關於外耦合繞射光柵610之方向弧形且凹面彎曲。根據一具體實例，傾斜光柵平面612之曲率朝向外耦合繞射光柵610導引光線614（以各種角度）且使得外耦合繞射光柵610能夠具有比內耦合繞射光柵608之發射表面積小的接收表面積。根據一具體實例，外耦合繞射光柵610之較小表面區域使得能夠較容易將外耦合繞射光柵610隱匿及置放於HMD之框架內或上。內耦合繞射光柵608之較大表面積可使得能夠接收及內耦合來自HMD之眼動眶區或來自HMD之使用者之眼睛的更多光。根據一個具體實例，圖表604展示基於光線沿著內耦合繞射光柵608之x軸及y軸之正及負位移光線（例如，光線614）體驗之旋轉度數。

圖7圖示根據一具體實例之用於製造軋製繞射光柵之過程700。根據一具體實例，過程700可併入至包括一或多個處理器及一或多個雷射控制器之一或多個製造系統中，該一或多個雷射控制器經配置以將繞射圖案記錄於記錄媒體中以產生例如體積光柵。過程塊中之一些或全部出現在過程700中的次序不應視為限制性的。實際上，受益於本發明之所屬技術領域中具有通常知識者將理解，過程塊中之一些可以未說明之多種次序執行，或甚至並行地執行。

根據一具體實例，在過程塊702處，過程700判定至光學元件之操作距離。操作距離可為光學元件與使用者之眼動眶區或眼睛之間的距離。光學元件可為記錄媒體，可自該記錄媒體製造全像光學元件。根據一具體實例，過程塊702可進行至過程塊704。

根據一具體實例，在過程塊704處，過程700將具有初始入射角之初始光線提供至光學元件上之初始點。初始入射角可為0°。根據一具體實例，過程塊704可進行至過程塊706。

根據一具體實例，在過程塊706處，過程700調整初始傾斜光柵平面在初始點處之初始光柵週期及/或傾斜角直至初始光線之初始繞射角達成初始臨限值。初始臨限值可為預定臨限值，諸如80°。根據一具體實例，過程塊706可進行至過程塊708。

根據一具體實例，在過程塊708處，過程700判定傾斜光柵平面之角度頻寬。根據一具體實例，過程塊708進行至過程塊710。

根據一具體實例，在過程塊710處，過程700在具有-½角度頻寬之入射角的點處提供下一光線且判定下一光線之下一繞射角。根據一具體實例，過程塊710進行至過程塊712。

根據一具體實例，在過程塊712處，過程700移動至光學元件上之下一點。根據一具體實例，過程塊712進行至過程塊714。

根據一具體實例，在過程塊714處，過程700在具有+ ½角度頻寬之入射角的下一點處提供下一光線。根據一具體實例，過程塊714進行至過程塊716。

根據一具體實例，在過程塊716處，過程700調整下一傾斜光柵平面圍繞下一點之下一光柵週期及/或下一傾斜角直至下一光線以過程塊710處判定之下一繞射角自下一傾斜光柵平面繞射。根據一具體實例，過程塊716進行至過程塊708，直至下一繞射角滿足或超出臨界角臨限值。

圖8圖示根據一具體實例之用於眼睛追蹤的過程800。過程800可至少部分併入至本文中所揭示之一或多個HMD中（例如，控制器118中）。過程塊中之一些或全部出現在過程800中的次序不應視為限制性的。實際上，受益於本發明之所屬技術領域中具有通常知識者將理解，過程塊中之一些可以未說明之多種次序執行，或甚至並行地執行。

根據一具體實例，在過程塊802處，過程800朝向眼動眶區導引光線以照射HMD之使用者的眼睛。朝向眼動眶區導引光線可包括使用一或多個光源（例如，LED）朝向眼動眶區發射紅外光。根據一具體實例，過程塊802可進行至過程塊804。

根據一具體實例，在過程塊804處，過程800利用波導系統接收反射光線。波導系統可包括本文中所揭示之波導系統中之任一者，且可包括定位於波導上或內的內耦合繞射光柵及外耦合繞射光柵。根據本發明之態樣，內耦合繞射光柵及/或外耦合繞射光柵可為軋製繞射光柵。波導系統可至少部分地包括於透鏡構件中且可至少部分地定位於HMD之框架中。根據一具體實例，過程塊804可進行至過程塊806。

根據一具體實例，在過程塊806處，過程800利用波導系統將反射光線導引至影像感測器。影像感測器可定位於HMD之框架中或上以自波導系統接收反射光線。根據一具體實例，過程塊806可進行至過程塊808。

根據一具體實例，在過程塊808處，過程800利用影像感測器自波導系統接收反射光線。影像感測器可將反射光線自光學信號轉換為電信號，且將電信號作為影像資料保存或提供至控制器。根據一具體實例，過程塊808進行至過程塊810。

根據一具體實例，在過程塊810處，過程800基於表示反射光線之影像資料判定使用者之眼睛的定向。

圖9至圖13圖示根據本發明之態樣的波長多工式波導系統及相關過程之具體實例。波長多工式波導系統可使用多波長特定內耦合繞射光柵以：i）將反射之空間位置編碼成角，ii）波長編碼眼動眶區之部分，且iii）擴大可偵測到反射之眼動眶區。

圖9圖示根據本發明之態樣的波長多工式波導系統900之俯視圖。根據一具體實例，波長多工式波導系統900包括多個內耦合繞射光柵，該內耦合繞射光柵操作以擴大可偵測到反射之眼動眶區的大小或面積。多個內耦合繞射光柵經配置以在光之不同波長上操作。多個內耦合繞射光柵經配置以朝向外耦合繞射光柵導引所接收光。多個內耦合繞射光柵中的各者可具有不同焦距，使得在內耦合繞射光柵定位於波導內之不同位置中時，繞射光經聚焦於出耦合光柵上。多個內耦合繞射光柵可為波長選擇性VBG，其減少或消除兩個或更多個繞射光柵之間的串擾。外耦合繞射光柵可經配置為不為波長選擇性的，因此，外耦合繞射光柵可外耦合由內耦合繞射光柵繞射之光之任何波長。各繞射光柵可在記錄期間獨立地曝露於各波長，其可允許調諧δn（指標調變的幅度）以在內耦合繞射光柵中的各者中達成高繞射效率。

波長多工式波導系統900為波導系統102（展示於圖1中）及波導系統216（展示於圖2及圖3中）之實例實施。根據本發明之具體實例，上文關於圖4A至圖8所描述之各種技術可應用於波長多工式波導系統900。根據一具體實例，波長多工式波導系統900包括安置於波導908中之第一內耦合繞射光柵902、第二內耦合繞射光柵904及外耦合繞射光柵906。

第一內耦合繞射光柵902定位於波導908內且經配置以傳遞可見光且繞射第一波長光910（例如，1300 nm）。第一內耦合繞射光柵902經配置以反射操作或透射操作以朝向外耦合繞射光柵906繞射第一波長光910。第一波長光910依靠全內反射（TIR）沿著波導908中之第一光學路徑朝向外耦合繞射光柵906傳播。第一內耦合繞射光柵902經配置以具有焦距F1以將第一波長光910聚焦至外耦合繞射光柵906上。第一內耦合繞射光柵902可具有大於外耦合繞射光柵906之表面積或二維佔據面積的（例如，俯視圖）表面積或二維佔據面積，因此第一內耦合繞射光柵902可經配置以沿著波導908之縱向軸（x軸）以及沿著波導908之橫向軸（y軸）聚焦第一波長光910。

為了將第一波長光910聚焦至外耦合繞射光柵906上，第一內耦合繞射光柵902可包括多個傾斜光柵平面912。傾斜光柵平面912可具有自第一內耦合繞射光柵902之第一端914至第二端916改變之傾斜角。傾斜光柵平面912之傾斜角使得第一內耦合繞射光柵902能夠取決於光入射於第一內耦合繞射光柵902上之情況而以不同角繞射第一波長光910。傾斜光柵平面912中之各者具有經界定以使得第一內耦合繞射光柵902傳遞可見光且繞射第一波長光910之光柵線及光柵週期。替代地，根據一具體實例，第一內耦合繞射光柵902可經配置以繞射圍繞第一波長光910（例如，1300 nm）集中之波長範圍（例如，1250至1350 nm）。傾斜光柵平面912可朝向外耦合繞射光柵906弧形形成且凹面彎曲以支援沿著波導908之y軸橫向地聚焦光。根據一具體實例，傾斜光柵平面912之弧形曲率可自第一端914至第二端916自具有較小半徑之弧形變成具有較大半徑之弧形，以支援將第一波長光910聚焦至外耦合繞射光柵906上。

第二內耦合繞射光柵904定位於波導908內且經配置以傳遞可見光且繞射第二波長光918（例如，940 nm）。第二內耦合繞射光柵904鄰近於第一內耦合繞射光柵902而定位。第二內耦合繞射光柵904可與第一內耦合繞射光柵902接觸，或間隙可存在於內耦合繞射光柵902與內耦合繞射光柵904之間。第一波長光910及第二波長光918可由緩衝波長帶（例如，200 nm或更大的頻帶）分離以減少干擾，且兩個光波長可在紅外或近紅外範圍內。第二內耦合繞射光柵904可經配置以反射操作或透射操作以朝向外耦合繞射光柵906繞射第二波長光918。第一波長光910依靠TIR沿著波導908中之第二光學路徑自第二內耦合繞射光柵904朝向外耦合繞射光柵906傳播。

第二內耦合繞射光柵904可經配置以具有焦距F2以將第二波長光918聚焦至外耦合繞射光柵906上。焦距F2可短於焦距F1。第二內耦合繞射光柵904可具有大於外耦合繞射光柵906之表面積或二維佔據面積的（例如，俯視圖）表面積或二維佔據面積，因此第二內耦合繞射光柵904可經配置以沿著波導908之縱向軸（x軸）以及沿著波導908之橫向軸（y軸）聚焦第二波長光918。

為了將第二波長光918聚焦至外耦合繞射光柵906上，第二內耦合繞射光柵904可包括多個傾斜光柵平面920。傾斜光柵平面920可具有自第二內耦合繞射光柵904之第一端922至第二端924改變之傾斜角。傾斜光柵平面920之傾斜角使得第二內耦合繞射光柵904能夠取決於光入射於第二內耦合繞射光柵904上之情況而以不同角繞射第二波長光918。傾斜光柵平面920中之各者具有經界定以使得第二內耦合繞射光柵904傳遞可見光及繞射二次波長光918之光柵線及光柵週期。替代地，根據一具體實例，第二內耦合繞射光柵904可經配置以繞射圍繞第二波長光918（例如，940 nm）集中之波長範圍（例如，890至990 nm）。傾斜光柵平面920可朝向外耦合繞射光柵906弧形形成且凹面彎曲以支援沿著波導908之y軸橫向地聚焦光。根據一具體實例，傾斜光柵平面920之弧形曲率可自第一端922至第二端924自具有較小半徑之弧形變成具有較大半徑之弧形，以支援將第二波長光918聚焦至外耦合繞射光柵906上。

外部耦合繞射光柵906定位於波導908中且經配置以接收第一波長光910及第二波長光918。外耦合繞射光柵906可經定位成與第一內耦合繞射光柵902相距焦距F1距離，且可經定位成與第二內部耦合繞射光柵904相距焦距F2距離。外耦合繞射光柵906可經配置（例如，具有傾斜光柵平面）以傳遞可見光且繞射第一波長光910及第二波長光918兩者。外耦合繞射光柵906可經圍封於HMD的框架中且遮蔽外部光，因此外耦合繞射光柵906可經配置以繞射波長範圍（例如，近紅外光、紅外光及/或可見光）。外耦合繞射光柵906可透射操作或可反射操作以繞射第一波長光910及第二波長光918。

相比於第一內耦合繞射光柵902及第二內耦合繞射光柵904中之任一者，外耦合繞射光柵906可具有較小表面積。根據一具體實例，外耦合繞射光柵906之較小表面區域使得能夠較容易將外耦合繞射光柵906隱匿及置放於HMD之框架內或上。內耦合繞射光柵902、904之較大表面積可使得能夠接收及內耦合來自HMD之眼動眶區或來自HMD之使用者之眼睛的更多光。根據本發明之態樣，儘管波長多工式波導系統900描繪兩個內耦合繞射光柵，但波導908可包括兩個、三個或更多個內耦合繞射光柵（各自經配置以繞射不同光波長）以擴大可內耦合來自眼動眶區之光反射的面積。

圖10A、圖10B及圖10C圖示根據本發明之態樣的波長多工式波導成像系統1000之具體側視圖。波長多工式波導成像系統1000包括波長多工式波導系統1002，該波長多工式波導系統為波長多工式波導系統900（展示於圖9中）之實例實施。波長多工式波導系統1002可經配置以例如使用上文參考波導成像系統450（展示於圖4B中）所描述之類似技術反射操作以繞射光。根據一具體實例，波長多工式波導系統1002包括定位於波導1010中之第一內耦合繞射光柵1004、第二內耦合繞射光柵1006及外耦合繞射光柵1008。根據一具體實例，波長多工式波導系統1002經配置以將來自眼睛204及/或眼動眶1012之反射光之多個波長重新導引至影像感測器104上。藉由實施兩個或更多個內耦合繞射光柵，波長多工式波導系統1002可操作以偵測來自較傳統或其他眼睛追蹤技術更大的面積（例如，來自更大眼動眶區）之反射光。

圖10A圖示藉由第一內耦合繞射光柵1004進行之光線繞射的實例。第一波長光910可包括表示第一波長光910之光線1014及光線1016。光線1014及1016具有第一波長，且第一內耦合繞射光柵1004經配置以繞射具有第一波長之光。然而，光線1014及1016之傳播或透射路徑不受第二內耦合繞射光柵1006影響，此係因為第二內耦合繞射光柵1006可經配置以傳遞具有第一波長之光（不對其進行操作）。為了圖示此情形，以虛線描繪第二內耦合繞射光柵1006。

第一內耦合繞射光柵1004自眼動眶區1012接收第一波長光910。根據一具體實例，第一內耦合繞射光柵1004可經配置以自眼動眶區1012之第一部分1018接收第一波長光910，且第二內耦合繞射光柵1006可經配置以自眼動眶區1012之第二部分1020接收第二波長光918。第一內耦合繞射光柵1004在波導1010中繞射光線1014及1016。光線1014及1016在波導1010中反射且傳播至外耦合繞射光柵1008。外耦合繞射光柵1008朝向影像感測器104繞射（例如，經由透鏡440）光線1014及1016。

圖10B圖示藉由第二內耦合繞射光柵1006進行之光線繞射的實例。第二波長光918可包括表示第二波長光918之光線1022及光線1024。光線1022及1024具有第二波長，且第二內耦合繞射光柵1006經配置以繞射具有第二波長之光。然而，光線1022及1024之傳播或透射路徑不受第一內耦合繞射光柵1004影響，此係因為第一內耦合繞射光柵1004可經配置以傳遞具有第二波長之光（不對其進行操作）。為了圖示此情形，以虛線描繪第一內耦合繞射光柵1004。

第二內耦合繞射光柵1006自眼動眶區1012接收第二波長光918。第二內耦合繞射光柵1006在波導1010中繞射光線1022及1024。光線1022及1024在波導1010中且反射且傳播至外耦合繞射光柵1008。外耦合繞射光柵1008朝向影像感測器104繞射（例如，經由透鏡440）光線1022及1024。

圖10C圖示根據本發明之態樣的藉由第一內耦合繞射光柵1004及第二內耦合繞射光柵1006進行之波長多工式繞射之實例。基於第一內耦合繞射光柵1004及第二內耦合繞射光柵1006之配置，第一波長光910及第二波長光918各自由內耦合繞射光柵中之一者而非兩者繞射。經由實施兩個或更多個內耦合繞射光柵，波長多工式波導成像系統1000可實現場內眼睛追蹤操作，包括來自較大擴展眼動眶區1012（相比於傳統技術）之眼睛定向資訊。

考慮到功耗，可使用多種照射技術照射眼動眶區1012。在一個具體實例中，光源可經操作以用第一波長光照射眼動眶區之一側或用第二波長光照射眼動眶區之另一側，因此波長編碼眼動眶之部分。在一個具體實例中，HMD操作光源以照射其中當前定向中的眼睛的眼動眶區的一部分，以減少浪費與照射其中眼睛未定向的眼動眶區的一部分相關聯的電力。在一個具體實例中，暫時照射兩個波長之光源，直至初始判定眼睛定向。在一個具體實例中，HMD操作光源以在第一波長光與第二波長光之間週期性地交替。HMD可經配置以操作光源以初始地提供兩種光波長，且接著基於例如眼睛之所判定定向而切換至較低功耗的照射順序或模式。

儘管展示一個外耦合繞射光柵，但在一些具體實例中，波長多工式波導成像系統1000可包括多個外耦合繞射光柵。多個外耦合繞射光柵可各自經調諧以繞射特定光波長。舉例而言，第一外耦合繞射光柵可經配置以繞射第一波長光，且第二外耦合繞射光柵可經配置以繞射第二波長光。第一及第二輸出耦合光柵可並排或前後定位。可包括大於兩個外耦合繞射光柵以利用大於兩個光波長來波長編碼眼動眶區。

儘管展示單個影像感測器，但可交替地使用用於各波長之影像感測器。各影像感測器可光學地耦合以自對應外耦合繞射光柵接收光。在一個具體實例中，根據一具體實例，透鏡可用於將第一波長光導引至第一影像感測器且將第二波長光導引至第二影像感測器。額外影像感測器可用於支援具有額外光波長的波長多工。

圖11圖示根據一具體實例之用於眼睛追蹤的過程1100。過程1100可至少部分併入至本文中所揭示之一或多個HMD中（例如，控制器118中）。過程塊中之一些或全部出現在過程1100中的次序不應視為限制性的。實際上，受益於本發明之所屬技術領域中具有通常知識者將理解，過程塊中之一些可以未說明之多種次序執行，或甚至並行地執行。

根據一具體實例，在過程塊1102處，過程1100朝向眼動眶區導引具有第一波長之第一光及具有第二波長之第二光以照射HMD之使用者的眼睛。朝向眼動眶區導引第一光及第二光可包括使用兩個或更多個光源（例如，LED）朝向眼動眶區發射紅外光。根據一具體實例，過程塊1102可進行至過程塊1104。

根據一具體實例，在過程塊1104處，過程1100利用波導系統接收反射光。反射光包括分別具有第一波長及第二波長之第一光及第二光。波導系統可包括本文中所揭示之波導系統中的任一者，且可包括至少兩個內耦合繞射光柵以內耦合來自眼動眶區之第一光及第二光。波導系統亦可包括外耦合繞射光柵以將光導引至影像感測器。根據本發明之態樣，繞射光柵可定位於波導中且可為軋製繞射光柵。波導系統可至少部分地包括於透鏡構件中且可至少部分地定位於HMD之框架中。根據一具體實例，過程塊1104可進行至過程塊1106。

根據一具體實例，在過程塊1106處，過程1100利用波導系統將反射光導引至影像感測器。影像感測器可定位於HMD之框架中或上以自波導系統之外耦合繞射光柵接收反射光。根據一具體實例，過程塊1106可進行至過程塊1108。

根據一具體實例，在過程塊1108處，過程1100利用影像感測器自波導系統接收反射光。影像感測器可將反射光自光學信號轉換為電信號，且將電信號作為影像資料保存或提供至控制器。根據一具體實例，過程塊1108進行至過程塊1110。

根據一具體實例，在過程塊1110處，過程1100基於表示第一波長及第二波長之反射光的影像資料而判定使用者之眼睛的定向。

圖12圖示根據本發明之態樣的光與波長多工式波導系統1200的相互作用之透視圖。波長多工式波導系統1200展示來自眼動眶區之光1202。根據一具體實例，藉由具有多個內耦合繞射光柵1206之波導1204接收光1202，所述內耦合繞射光柵朝向外耦合繞射光柵1208導引光1202之部分。

圖13圖示根據本發明之態樣的表示映射至波導中之角的眼睛反射之空間位置的圖1300。光叢集1302及1304表示由多個內耦合繞射光柵1206接收且接著經重新導引（在波導中）至外耦合繞射光柵1208之光的空間位置。光叢集1302表示自多個內耦合繞射光柵1206中之一者接收到的光，且光叢集1304表示自多個內耦合繞射光柵1206中之另一者接收到的光。藉由光叢集1302及1304形成的位置、數量及圖案可隨著對眼動眶區中之眼睛的定向的改變而改變。

圖1300包括映射光之x軸角及y軸角。x軸角表示內耦合繞射光柵在波導之縱向x軸方向上繞射入射光之繞射角。y軸角表示入射光沿著橫向y軸（朝向波導之中心）之繞射。x軸角亦可表示光線沿著波導之x軸入射於外耦合繞射光柵上之角。y軸角亦可表示光線沿著波導之y軸入射於外耦合繞射光柵上之角。光叢集1302及1304展示內耦合繞射光柵將眼睛反射之空間位置編碼（或映射）至波導內之繞射角，且展示外耦合光柵將位置解碼為導引至影像感測器之光。光叢集1302及1302可表示影像感測器中回應於來自外耦合繞射光柵之光之像素之叢集。圖1300可用於幫助解碼光線之特定反射的起源，且可被視為可用於重建構眼動眶區之影像的解碼圖。另外，由於不同波長可用於照射眼動眶之不同部分，因此根據本發明之具體實例，所揭示之技術可使用不同波長編碼（位置至角）眼動眶之不同部分。

本發明之具體實例可包括人工實境系統或可結合人工實境系統實施。人工實境係在呈現給使用者之前已以某一方式調整之實境形式，其可包括例如虛擬實境（VR）、擴增實境（AR）、混合實境（MR）、混雜實境或其某一組合及/或衍生物。人工實境內容可包括完全產生之內容或與所捕獲之（例如，真實世界）內容組合之所產生內容。人工實境內容可包括視訊、音訊、觸覺反饋或其某一組合，且其中之任一者可在單一通道中或在多個通道中呈現（諸如，對觀看者產生三維效應之立體聲視訊）。另外，在一些具體實例中，人工實境亦可與用以例如在人工實境中產生內容及/或另外用於人工實境中（例如，在人工實境中執行活動）之應用、產品、配件、服務或其某一組合相關聯。提供人工實境內容之人工實境系統可實施於各種平台上，包括連接至主機電腦系統之頭戴式顯示器（HMD）、獨立式HMD、行動裝置或計算系統或能夠將人工實境內容提供至一或多個檢視者之任一其他硬體平台。

本發明中之術語「處理邏輯」（例如，控制器118、處理邏輯120）可包括一或多個處理器、微處理器、多核心處理器、特殊應用積體電路（Application-specific integrated circuit；ASIC）及/或場可程式化閘陣列（Field Programmable Gate Array；FPGA）以執行本文中所揭示的操作。在一些具體實例中，記憶體（未圖示）經整合至處理邏輯中，以儲存用以執行操作之指令及/或儲存資料。處理邏輯亦可包括類比或數位電路系統，以執行根據本發明之具體實例的操作。

本揭示內容中所描述之「記憶體（memory或memories）」（例如，記憶體122）可包括一或多個揮發性或非揮發性記憶體架構。「記憶體（memory或memories）」可為實施於任何方法或技術中以用於儲存資訊（諸如，電腦可讀指令、資料結構、程式模組或其他資料）的抽取式及非抽取式媒體。實例記憶體技術可包括RAM、ROM、EEPROM、快閃記憶體、CD-ROM、數位多功能光碟（digital versatile disk；DVD）、高清晰度多媒體/資料儲存碟或其他光學儲存器、磁碟、磁帶、磁碟儲存器或其他磁性儲存裝置，或可用於儲存資訊以供計算裝置存取之任一其他非傳輸媒體。

計算裝置可包括桌上型電腦、膝上型電腦、平板電腦、平板手機、智慧型手機、功能型手機、伺服器電腦或其他。伺服器電腦可遠端地位於資料中心或在本端儲存。

關於電腦軟體及硬體描述上文所解釋之過程。所描述之技術可構成體現於有形或非暫時性機器（例如，電腦）可讀儲存媒體內之機器可執行指令，所述機器可執行指令在由機器執行時將使得機器進行所描述之操作。另外，過程可體現於硬體內，諸如特殊應用積體電路（「ASIC」）或其他。

有形非暫時性機器可讀儲存媒體包括提供（亦即，儲存）資訊之任何機制，該資訊呈可由機器（例如，電腦、網路裝置、個人數位助理、製造工具、具有一或多個處理器之集合之任何裝置等）存取之形式。舉例而言，機器可讀儲存媒體包括可記錄/非可記錄媒體（例如，唯讀記憶體（ROM）、隨機存取記憶體（RAM）、磁碟儲存媒體、光學儲存媒體、快閃記憶體裝置等）。

本發明之所說明具體實例的以上描述（包括摘要中所描述之內容）並不意欲為詳盡的或將本發明限於所揭示之精確形式。雖然本文中出於說明性目的描述本發明之特定具體實例及實例，但如所屬技術領域中具有通常知識者將認識到，在本發明之範圍內，各種修改為可能的。

鑒於以上詳細描述，可對本發明作出此等修改。在以下申請專利範圍中所使用之術語不應被視為將本發明限於本說明書中所揭示之特定具體實例。實情為，本發明之範疇應完全由以下申請專利範圍來判定，申請專利範圍將根據申請專利範圍解釋之已確立原則來解釋。

100、202、300:頭戴式顯示器 102、114、216、402、452、602:波導系統 104、116:影像感測器 106:框架 108、124、214、302:透鏡構件 110A、110B:臂 112:光源 118:控制器 120:處理邏輯 122:記憶體 126:中心區 200:眼部環境 204:眼睛 206:眼動眶側 208:眼動眶區 210:場景光 212:場景側 218:非可見光 220、432、434、470、474、482、484:表面 222、406、456、606、908、1010、1204:波導 224、608、902、904、1004、1206:內耦合繞射光柵 226、610、906、1006、1008、1208:外耦合繞射光柵 228:影像資料 230:通信通道 232:投影儀 234:顯示器 304:波導光學層 306:顯示光學層 308、310:光學層 400、450:波導成像系統 404、408、454、458:繞射光柵 410、1202:光 412、442、462、914、922:第一端 414、444、464、916、924:第二端 416、418、502、502A、502B、502C、502D、502E、614、1014、1016、1022、1024:光線 420、424:入射表面 422、426:出射表面 428、478:第一側 430、480:第二側 436、486:透鏡構件側 438、488:框架側 440:透鏡 472、472A、472B、472C、506、506A、506B、506C、612、912、920:傾斜光柵平面 500、600、1300:圖 504:光學元件 604:圖表 700、800、1100:過程 702、704、706、708、710、712、714、716、802、804、806、808、810、1102、1104、1106、1108、1110:過程塊 900、1002、1200:波長多工式波導系統 910:第一波長光 918:第二波長光 1000:波長多工式波導成像系統 1012:眼動眶 1018:第一部分 1020:第二部分 1302、1304:光叢集 F1、F2:焦距

參考以下諸圖描述本發明之非限制性及非詳盡性具體實例，其中除非另外指定，否則貫穿各種視圖，相同參考編號指代相同部分。 [圖1]圖示根據本發明之態樣的頭戴式顯示器。 [圖2]圖示根據本發明之態樣的用於頭戴式顯示器之透鏡構件的實例實施。 [圖3]圖示根據本發明之態樣的透鏡構件之實例實施。 [圖4A]及[圖4B]圖示根據本發明之態樣的可在HMD中使用以支援眼睛追蹤操作的波導系統之實例實施。 [圖5]圖示繪示根據本發明之態樣的用於界定軋製繞射光柵之特性之技術的圖。 [圖6]圖示根據本發明之態樣的波導系統之俯視圖及用於軋製繞射光柵之旋轉角度圖表的圖。 [圖7]圖示根據本發明之態樣的用於製造軋製繞射光柵之過程之流程圖。 [圖8]圖示根據本發明之態樣的用於眼睛追蹤之過程的流程圖。 [圖9]圖示根據本發明之態樣的波長多工式波導系統之俯視圖的圖。 [圖10A]、[圖10B]及[圖10C]圖示根據本發明之態樣的可在HMD中使用以支援眼睛追蹤操作的波長多工式波導系統中之實例光線傳播。 [圖11]圖示根據本發明之態樣的用於眼睛追蹤之過程的流程圖。 [圖12]圖示根據本發明之態樣的光與波長多工式波導系統的相互作用之透視圖。 [圖13]圖示表示根據本發明之態樣的經映射至圖12之波長多工式波導系統中之角的眼睛反射之空間位置的圖。

104:影像感測器

106:框架

112:光源

118:控制器

200:眼部環境

202:頭戴式顯示器

204:眼睛

206:眼動眶側

208:眼動眶區

210:場景光

212:場景側

214:透鏡構件

216:波導系統

218:非可見光

220:表面

222:波導

224:內耦合繞射光柵

226:外耦合繞射光柵

228:影像資料

230:通信通道

232:投影儀

234:顯示器

Claims (20)

1. 一種透鏡構件，其包含： 波導； 第一繞射光柵，其安置於該波導中且經配置以將第一光從眼動眶區內耦合至該波導中，該第一光具有第一波長；及 第二繞射光柵，其安置於該波導中且經配置以將第二光從該眼動眶區內耦合至該波導中，該第二光具有第二波長。
2. 如請求項1之透鏡構件，其進一步包含： 第三繞射光柵，其安置於該波導中且經配置以將來自該波導之該第一光及該第二光外耦合至影像感測器，其中該第一繞射光柵具有將該第一光聚焦至該第三繞射光柵之第一焦距，且其中該第二繞射光柵具有將該第二光聚焦至該第三繞射光柵之第二焦距，該第一焦距長於該第二焦距。
3. 如請求項2之透鏡構件，其中該第三繞射光柵之二維佔據面積小於該第一繞射光柵及該第二繞射光柵。
4. 如請求項2之透鏡構件，其中聚焦至該第三繞射光柵之該第一光之第一光學路徑依賴於該波導之全內反射（TIR）以傳播至該第三繞射光柵，且其中聚焦至該第三繞射光柵之該第二光之第二光學路徑依賴於該波導之該TIR以傳播至該第三繞射光柵。
5. 如請求項1之透鏡構件，其中該第一繞射光柵鄰近於該第二繞射光柵定位於該波導中，其中該第一繞射光柵經配置以內耦合來自該眼動眶區之第一部分的該第一光，其中該第二繞射光柵經配置以內耦合來自該眼動眶區之第二部分的該第二光。
6. 如請求項1之透鏡構件，其中該第一波長為大約1300 nm且該第二波長為大約940 nm。
7. 如請求項1之透鏡構件，其中該眼動眶區由第一光源及第二光源照射，所述第一光源經配置以發射在大約1300 nm之光，且所述第二光源經配置以發射在大約940 nm之光。
8. 如請求項1之透鏡構件，其中該第一繞射光柵為第一全像光學元件，其中該第二繞射光柵為第二全像光學元件，其中該第一全像光學元件包括經配置以傳遞可見光且朝向該波導中之第三繞射光柵繞射該第一光的第一複數個傾斜光柵平面，其中該第二全像光學元件包括經配置以傳遞可見光且朝向該波導中之該第三繞射光柵繞射該第二光的第二複數個傾斜光柵平面。
9. 如請求項8之透鏡構件，其中該第一複數個傾斜光柵平面經配置以利用第一焦距繞射該第一光，其中該第二複數個傾斜光柵平面經配置以利用第二焦距繞射該第二光。
10. 如請求項1之透鏡構件，其中該第一繞射光柵經配置以無法對該第二光操作，其中該第二繞射光柵經配置以對無法該第一光操作。
11. 如請求項1之透鏡構件，其中該第一繞射光柵及該第二繞射光柵中之至少一者以反射的方式繞射地操作。
12. 如請求項1之透鏡構件，其中該第一繞射光柵及該第二繞射光柵為體積布氏光柵（volume Bragg grating）。
13. 一種眼睛追蹤系統，其包含： 控制器，其經配置以基於影像資料判定眼睛定向； 波導系統，其包括： 波導； 第一繞射光柵，其安置於該波導中且經配置以將第一光自眼動眶區內耦合至該波導中，該第一光具有第一波長；及 第二繞射光柵，其安置於該波導中且經配置以將第二光自該眼動眶區內耦合至該波導中，該第二光具有第二波長；及 影像感測器，其光學耦合至該波導系統以自該波導接收該第一光及該第二光，其中該影像感測器經配置以產生該影像資料。
14. 如請求項13之眼睛追蹤系統，其進一步包含： 第三繞射光柵，其安置於該波導中且經配置以將來自該波導之該第一光及該第二光外耦合至該影像感測器，其中該第一繞射光柵具有將該第一光聚焦至該第三繞射光柵之第一焦距，且其中該第二繞射光柵具有將該第二光聚焦至該第三繞射光柵之第二焦距，該第一焦距長於該第二焦距。
15. 如請求項14之眼睛追蹤系統，其中該第三繞射光柵之二維佔據面積小於該第一繞射光柵及該第二繞射光柵。
16. 如請求項13之眼睛追蹤系統，其進一步包含： 第一光源，其經配置以在該第一波長下朝向該眼動眶區發射該第一光；及 第二光源，其經配置以在該第二波長下朝向該眼動眶區發射該第二光。
17. 如請求項16之眼睛追蹤系統，其中該第一波長為大約1300 nm且該第二波長為大約940 nm。
18. 如請求項16之眼睛追蹤系統，其中該控制器經配置以基於該眼動眶區中之該眼睛定向而選擇性地操作所述第一光源或所述第二光源。
19. 一種頭戴式裝置，其包含： 框架； 透鏡構件，其耦接至該框架且經配置以將場景光透射至眼動眶區； 波導系統，其耦接至該透鏡構件且耦接至該框架，其中該波導系統包括： 波導； 第一繞射光柵，其安置於該波導中且經配置以將第一光自該眼動眶區內耦合至該波導中，該第一光具有第一波長；及 第二繞射光柵，其安置於該波導中且經配置以將第二光自該眼動眶區內耦合至該波導中，該第二光具有第二波長；及 影像感測器，其定位於該框架中以利用自該波導接收到之該第一光及該第二光產生影像資料。
20. 如請求項19之頭戴式裝置，其進一步包含： 第三繞射光柵，其安置於該波導中且經配置以將來自該波導之該第一光及該第二光外耦合至該影像感測器，其中該第一繞射光柵具有將該第一光聚焦至該第三繞射光柵之第一焦距，且其中該第二繞射光柵具有將該第二光聚焦至該第三繞射光柵之第二焦距，該第一焦距長於該第二焦距。