紅外線μLED照明透鏡結構微軟AR/VR專利中實現任意給定方向的方法

根據2024年1月2日映維網的報道，用於XR頭顯的眼動追蹤技術正在快速發展。這種技術可以透過分析使用者眼睛的指向和從眼睛反射的紅外線訊號來追蹤眼動並確定使用者的注視方向。例如，常見的技術是在頭戴式顯示器上安裝一個或多個紅外線光源，從不同的方向向使用者的眼睛發射紅外光。感測器可以偵測到從使用者眼睛反射出的紅外線光（閃爍），並用於確定使用者眼睛的XYZ位置和注視方向。

為了提高紅外線眼動追蹤系統的準確性和處理能力，通常需要在使用者的眼睛周圍放置幾個不同的紅外線光源。這些光源會在角膜上產生不同的閃爍效果。透過這些閃爍效果的分析，系統可以更準確地追蹤使用者的眼動情況。這種方法可以提高系統的追蹤精度，並且能夠處理更複雜的眼動行為。

很遺憾，傳統的XR系統在使用紅外線光源進行定位時存在一些限制。通常情況下，傳統系統將紅外線光源放置在頭顯的邊緣或其他安裝了顯示透鏡和螢幕的結構中。然而，這種外圍位置並不總是最佳的選擇，因此需要增加更多的光源或使用更大、更強大的光源。如果能夠將光源相對於使用者的眼睛虹膜放置得更近或更優，則不需要額外的光源。

為了解決混合實境環境中使用者視角的視覺障礙問題，XR系統嘗試了一種新的方法，將紅外線光源放置在遠離顯示器邊緣的位置，並靠近眼睛放置在使用者視場內。然而，這種現有系統存在問題，因為紅外線光源的尺寸通常在1.0毫米至4.0毫米直徑/寬度範圍內，這樣的尺寸在使用者視場中非常明顯。因此，為了減少對使用者視角的影響，大多數傳統系統只將紅外線光源定位在透鏡/顯示器外圍邊緣的次優位置。

針對這個問題，微軟提出了一個名為「Microled based invisible illumination for eye tracking」的專利申請，提供了一個解決方案。根據微軟的表示，這項發明可以讓紅外線光源以最佳方向直接照射在頭戴式顯示器透鏡的觀看區域內，而不會幹擾使用者對混合現實環境的感知。這種解決方案還能夠定位使用者的眼睛/虹膜和對應的攝影機感測器，為眼動追蹤技術提供支援。

該公司提出了一種方法，利用小於100 μm的紅外線μLED光源來製作照明透鏡結構。這種μLED被嵌入到頭戴裝置的透鏡中，使用者無法察覺到其存在。因此，在使用過程中，這種μLED不會對混合實境環境的呈現造成任何阻礙或乾擾。

現在我們來關註一下圖1，頭戴式設備的配置是基於相機130或其他感測器捕捉光線的反射來進行眼動追蹤。在使用過程中，光源會圍繞著使用者的眼睛發出閃光。一旦光線發出後，它會從使用者的眼睛（尤其是虹膜）反射回來，並被相機偵測到。

透過感知光的強度和強度相對於光源的時間，頭顯光處理模組能夠準確地偵測使用者眼睛和虹膜的位置和方向。

系統可以透過對相機/感測器捕捉的影像進行額外處理，來區分使用者的瞳孔和虹膜。這種處理後的影像可以幫助系統確定使用者眼睛的位置以及使用者眼睛相對於投影全像圖或其他物件的方向和注視點。利用使用者眼睛的位置訊息，系統還可以在需要的位置進行定位，並重新投影全息圖，以支援混合現實環境的呈現。

圖2顯示用戶眼睛200的表示，其中紅外線光源210向用戶眼睛200發射紅外光220。紅外光反射回來作為鏡面反射和散射反射。圖2同時顯示如何放置攝影機250或其他感測器以偵測一個或多個反射。

透過光源的位置、光源發出光的時間、相機的位置以及從使用者眼睛反射的偵測光反射的測量強度和時間，系統可以確定使用者眼睛/虹膜的相對定位。這是因為光線在使用者眼睛的不同部位反射的不同，例如它在角膜的瞳孔和虹膜區域的反射不同於鞏膜。這種差異的檢測和測量是基於反射是鏡面反射或散射反射。

為了光源能夠優化定位，例如靠近使用者的角膜，需要將光源定位在適當的位置。但遺憾的是，傳統的紅外線光源太大（例如1-4毫米），無法在使用者的視場範圍內定位而不會對使用者透過透鏡查看環境造成阻礙。

為了幫助解決這些問題，微軟提出可以採用配置有紅外線μLED的照明透鏡。透過這種配置，可以將光源最佳地放置在靠近使用者眼睛的位置，而不必考慮頭戴裝置安裝結構的物理形狀因素所施加的現有限制。

圖3顯示具有以網格方式排列的16個紅外線μLED的紅外線μLED透鏡結構300。紅外線μLED放置在透明基板310之上，沿著導電跡線320在陽極端和陰極極端之間形成電路。例如，當電路由頭顯的電源供電時，電源可以電連接到陽極和陰極極端子並由照明控制單元控制，紅外線μLED將啟動並發出紅外光。

紅外線μLED的發光波長在790 μm ~ 1mm之間。在優選實施例中，紅外線μLED發射波長約為800-900 μm的光，甚至更優選地發射波長約850 μm的光。

圖4A-4D顯示了不同照明透鏡結構的不哦她那個紅外線μLED數量不同。具體地說，在圖4A，紅外線uLED的分佈模式有點圓形/橢圓形，但在圖4C中有點長方形，在圖4D中有點菱形。另一方面，圖4B所示的實施例包括兩種不同的圖案，圓形/橢圓形的外部圖案和三角形的內部圖案。

另外，照明透鏡結構400A由6個紅外線uLED組成，而照明透鏡結構400C和400D各由8個紅外線uLED組成。照明透鏡結構400B包含19個紅外線uLED。

紅外線uLED的不同數量和模式可以改變，以適應不同的需求和偏好。

在圖5中，頭戴裝置500配置有透明照明透鏡結構510，透鏡結構510具有多個紅外線μLEDs 540。如圖所示，紅外線μLEDs 540呈圓形分佈，每個眼睛和水晶體區域各8個。不同的紅外線μLEDs 540可以選擇接在單一電路或兩個或更多不同的電路。形成電路的電跡線沒有顯示出來。

在使用期間，從紅外線uLED發出的光線將至少部分指向使用者的眼睛，並且光線將反射回來並由裝置相機530偵測到。

圖6示出一副眼鏡600的實施例，眼鏡600具有包含四個紅外線uLED的第一透明照明透鏡結構610和包含八個紅外線uLED的第二透明照明透鏡結構620。

這個例子用來說明頭顯的兩側不一定要有匹配/對稱的紅外線uLED分佈。無論紅外線uLED的數量和分佈如何，應理解的是，在使用期間，從紅外線uLED發出的光將至少部分地指向用戶的眼睛，並且光可以反射回來並由設備攝像頭630檢測到。

在相關實施例中，圖7所示的頭戴裝置700包括具有遮陽板的透明照明透鏡結構710。在這個例子中，遮陽板的一側有數個形成圓形圖案的紅外線uLED。遮陽板的另一側有四個紅外線uLED，呈方形分佈。

關於前面所有的例子，紅外線uLED沒有顯示成比例。事實上，紅外線uLED非常小（

同樣是因為紅外線LED非常小，所以它們可以用來用紅外線光照亮使用者的眼睛，並且同時定位在使用者通過的透鏡而不會阻礙使用者透過透鏡的視野。

導電跡線非常薄，寬度小於50 μm，甚至小於25 μm，所以在接近使用者眼睛使用時，它們在視覺上並不明顯，基本上不可見。這種配置特別有利於使跡線能夠定位在照明透鏡結構內部。即便直接定位在使用者眼睛的前面，它使用過程中都不會妨礙使用者透過透鏡感知到的環境視圖。

圖8視覺化了用於製造發明所述照明透鏡結構的製造流程。

如圖所示，製造過程包括獲得包含一個或多個紅外線μLED的晶圓810。例如，晶圓810可以是透過外延生長或沉積過程形成的外延晶圓。

圖8所示的工藝800同時包括獲得用於將紅外線uLED轉移到其上的襯底820。如圖所示，執行轉移過程830以將一個或多個紅外線uLED轉移到已經位於基板820上並且在基板上形成一個或多個不同電路827的導電跡線825。

從基板上移除並放置在基板上的紅外線μLED的尺寸在任何方向都限制在

紅外線uLED的最大尺寸尺寸可以小於75 μm，小於50 μm，甚至小於20 μm。在一個實施例中，紅外線uLED的最大尺寸尺寸約為10 μm。

跡線的寬度同樣受到限制，厚度不能大於

圖9顯示了與配置用於執行眼動追蹤的流程圖900，其中頭顯包括包含多個紅外線μLED的照明透鏡，並且多個紅外線μLED中的每個紅外線μLED具有

系統組件控制紅外線uLED的照明，從照明透鏡中的一個或多個紅外線uLED向使用者的眼睛發射紅外線光。

接下來，頭顯進一步配置為偵測和處理在使用頭戴裝置期間從使用者眼睛反射回來的紅外光的閃爍，並根據偵測和處理的閃爍確定使用者眼睛的定位。

現在將注意力轉向圖10，圖10說明了與使用多個紅外線uLED製造照明透鏡結構的流程圖1000。

這包括用於獲得透明襯底，將多個跡線應用於透明背板。其中多個跡線導電，並在陽極端子和陰極端子之間形成至少一個電路。

然後，獲得紅外線μLED晶圓，其包含多個紅外線μLED或可單獨萃取為最大尺寸

相關專利：Microsoft Patent | Microled based invisible illumination for eye tracking

名為「Microled based invisible illumination for eye tracking」的微軟專利申請最初在2023年1月提交，並在日前由美國專利商標局公佈。

要注意的是，一般來說，美國專利申請接收審查後，自申請日或優先權日起18個月自動公佈或根據申請人要求在申請日起18個月內進行公開。注意，專利申請公開不代表專利核准。在專利申請後，美國專利商標局需要實際審查，時間可能在1年至3年不等。

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