將被動式眼動追蹤模塊集成到隱形眼鏡中

（中國AI網 2025年08月29日）眼動追蹤是人機交互的一項關鍵技術，在AR和VR系統中尤為重要。在一項研究中，XPANCEO提出了一種新型的眼動追蹤方法，將被動式眼動追蹤模塊集成到隱形眼鏡中。相關模塊由兩個疊加的光柵組成，光柵之間由狹窄間隙隔開。重疊的光柵會產生莫爾條紋，而它們之間的空間分離則導致視差效應，即觀察角度變化時圖案發生轉變，從而實現精確的角度測量。

所述方法對環境光照條件不敏感，既不需要刻度條和色標，又不需要透視校正。利用這種方法，團隊通過實驗測量了隱形眼鏡的方向，其角分辨率超過0.3°，這對于大多數AR/VR應用中的視線檢測來說是令人滿意的。另外，所提出的技術平臺具有將測量精度提高多倍的潛力。

隱形眼鏡代表了視覺相關設備的一個前景平臺。除了醫療應用，隱形眼鏡有望成為未來AR/VR投影系統和其他應用的潛在平臺。精確的圖像投影需要持續監測眼球位置，特別是當隱形眼鏡（帶有嵌入式投影系統）相對于眼球具有旋轉或平移（沿眼球滑動）自由度時。

目前集成在鏡片的追蹤解決方案包括嵌入式線圈、光電探測器，甚至微型加速度計和磁力計。盡管所述方法可以超越標準計算機視覺方法的精度，但它們通常存在局限性，例如需要眼部麻醉、設計笨重或制造工藝復雜。這同時使得鏡片輔助眼動追蹤的問題變得重要。

XPANCEO團隊提出了一種嵌入隱形眼鏡的簡單、經濟高效的標記，以用于高精度眼動追蹤，僅需一個非專業的外部攝像頭模塊。所述追蹤標記是一個被動光學元件，由兩個重疊的光柵組成，由于視差效應，其產生的莫爾條紋對觀察角度高度敏感。莫爾條紋的相對位移能夠精確追蹤鏡片的旋轉，實現了約0.3度的角分辨率，并具有進一步改進的潛力。

標記簡化了眼動追蹤流程，同時提高了精度并降低了圖像分析的計算需求。這個被動光學元件當被外部攝像頭模塊觀察時，其外觀會隨著觀察角度的變化而發生顯著改變。這使得能夠精確評估固定在隱形眼鏡內的追蹤標記與攝像頭模塊之間的夾角。盡管佩戴隱形眼鏡進行眼動追蹤起初可能顯得麻煩或不必要，但值得注意的是，已有超過1.4億人使用隱形眼鏡。另外，高精度眼動追蹤主要面向集成在鏡片的AR系統，這使得集成輔助追蹤模塊成為自然的延伸。

這項研究側重于通過開發外觀對觀察角度變化極其敏感的追蹤標記來提高測量精度。提高視角敏感度的有效方法之一是視差。然而，隱形眼鏡有限的厚度（通常幾百微米）限制了潛在的視差位移。即便是幾度的傾斜，產生的視差位移都僅有幾微米。為了檢測如此微小的位移，追蹤標記的參考元件必須同樣是微觀尺度。由于元件太小，沒有顯微鏡無法直接觀察，團隊利用莫爾效應來實現可觀察的大尺度變化。

如圖1c所示，當兩個相同、周期為p（小于成像系統分辨率）的光柵完美重疊（無相對位移或旋轉）時，它們均勻地透射光線而不形成特定圖案。然而，光的透射取決于觀察角度。因此，當垂直于表面觀察時（圖1c(i)），透射率最大。當觀察角度 Θ = arctan(p/(2H)) ≈ p/(2H)（其中H是光柵之間的間隙）時，透射率最小，因為一個光柵的狹縫被另一個光柵的線條遮擋（圖1c(ii)）。

在大約兩倍此角度 Θ = arctan(p/H) ≈ p/H 時，透射率再次達到最大（圖1c(iii)）。這可以通過透射率圖（圖1c(iv)）來說明，它隨光柵坐標x的變化是恒定的，但隨觀察角度Θ周期性變化。這種強度變化使得能夠在角周期 aΘ = p/H（在近軸近似下）內確定視角。盡管這種結構的亮度僅由觀察角度決定，但結構內不同點可能以略微不同的角度被觀察，這會引入透射梯度。這意味著，嚴格來說，測得的強度應關聯于相應點的觀察角度，而非整個眼動追蹤模塊的角度。

雙層光柵結構提供了可在宏觀尺度上觀察到的角度敏感性，但其實際應用仍面臨一定的挑戰。首先，用于確定觀察角度的結構亮度顯著依賴于環境光照條件、攝像頭參數和其他外部因素。其次，在利用標記上特定點進行一次角度測量后，由于可能與鄰近點混淆，在后續測量中識別同一點可能存在問題，這固有地限制了測量精度。另外，同一標記從不同角度和距離觀察時可能呈現不同外觀，這使點匹配過程復雜化。第三，標記亮度的角度依賴性具有周期性，可能限制無歧義測量的范圍。

為了幫助將標記強度與觀察角度匹配，可以加入一個參考圖案（類似于彩色圖中的色標），并經歷相同的光照條件。值得注意的是，如果雙層標記本身包含至少一個完整的強度周期，它就可以作為自身的參考標尺。這種布置允許同時觀察到最大和最小強度，可用于校準標記亮度。當使用兩個相同光柵設計此類標記時，最小所需標記尺寸可估計為 d * aΘ ≈ d * (p/H)，其中d是攝像頭到鏡片的距離。所述估計假設標記的角尺寸很小的近似不成立，并且標記似乎承載了完整的強度角周期aΘ，因為其相對兩側是在不同角度被觀察的。

對典型尺寸（H ~ 200 μm, p ~ 30 μm, d ~ 10 cm）的保守估計表明，標記尺寸應變得與隱形眼鏡尺寸（15 mm）相當，這使得集成變得不切實際。然而，可以通過在兩個堆疊光柵的周期之間引入輕微失配來顯著減小標記尺寸。如圖1d所示，即使在標記相對兩側以近似相同角度觀察的小角度尺寸近似下，這種結構都會產生稱為莫爾條紋的周期性條紋。

引入的修改使得莫爾條紋具有有限的空間周期 ax = p?p?/Δp（其中Δp是光柵周期的差值），而角周期aΘ保持不變（見圖1d(iv)），因為它僅取決于（略微修改后的）光柵周期與光柵間隙之比。對于足夠小的標記，可以假設其整個區域上的觀察角度是均勻的（零角尺寸近似），因此條紋周期完全由光柵周期失配決定，而它們的相位對應于視差引起的位移，即相位取決于觀察角度。

這種方法最初是為獲得參考強度圖而開發，它使得能夠測量條紋的相位和周期，而非特定點的強度。這種方法不僅確保了測量獨立于光照條件，而且能夠從多個點收集信息，顯著提高了信噪比并減少了測量誤差。

即便在成功確定條紋相位并從中推導出觀察角度之后，必須牢記的是，相位應相對于某個在所有測量中保持相同的原點來確定。盡管邊緣、角點或標記框架可以作為參考，但僅依靠少數幾個點進行相位評估最終會受到點位置確定精度的限制，從而影響整體測量精度。

由于定位單個點極易受噪聲影響且受限于觀察相機的像素大小，因此最好相對于一個由大量點組成的復雜物體來測量條紋相位。另一個周期性結構可能是實現此目的的合適選擇。因此，建議在單個眼動追蹤標記上集成至少兩個呈現不同莫爾條紋的元件。如果莫爾條紋隨觀察角度變化相對于標記發生不同的位移（或等效地說，彼此相對位移），則測量它們的相對相位就足夠，無需測量單個莫爾條紋的絕對相位。

研究人員通過調整上下光柵之間的周期失配來實現多種不同的莫爾條紋，同時保持它們的平均周期幾乎不受影響。為了將眼動追蹤的角度范圍擴展到莫爾條紋的角周期aΘ之外，可以實現連續的眼動追蹤。由于角度變化是連續的，莫爾條紋的相位可以無歧義地確定。另外，如果莫爾結構具有不同的角周期，它們的最小公周期可能大到足以覆蓋整個感興趣范圍。

在制備方面，構成眼動追蹤標記的光柵由200微米厚的聚二甲基硅氧烷彈性體（PDMS，Sylgard 184）層制成，其不透明線條由一層薄的黑墨水（來自美國Dynamic Color Co.的黑色紋身墨水；炭黑溶于異丙醇和水的溶液）形成。首先，將Sylgard 184的預聚物基體與交聯固化劑充分混合。然后，混合物在離心機中脫氣并注入注射器。將注射器安裝在狹縫涂布機（來自英國Ossila Ltd的Slot-Die Coater）的泵，隨后涂布到標準顯微鏡載玻片（76×26×1 mm）之上；涂層厚度通過內置千分尺控制。

沉積后，PDMS薄膜按照Sylgard說明書提供的程序在烘箱（來自德國IKA-Werke GmbH的OVEN 125 basic干燥烘箱）中固化。為了使PDMS表面親水以便涂覆墨水，基材在空氣等離子體（來自德國Diener electronic GmbH的ATTO等離子體系統）中處理。之后，將一層薄的黑紋身墨水旋涂到PDMS表面（來自英國Ossila Ltd的Advanced Spin Coater），并在熱板上干燥。

使用激光雕刻機（來自美國Full Spectrum Laser LLC的Muse UV Galvo Laser engraver，355 nm DPSS光源）在墨水層上直接刻寫出所需設計的光柵（分布在基板上，間距足夠大以便后續操作）。將光柵用鋒利的解剖刀從PDMS層上切下，留下空白PDMS的外框，并轉移到空白載體載玻片上。參考光柵A以墨水面朝上轉移，而互補光柵B則以墨水面朝向載玻片放置。

進一步的組裝采用PDMS-PDMS鍵合，在HB16引線鍵合機（來自德國TPT Wire Bonder GmbH）進行。所述設備配有H80拾取放置選項，具有用于平面內XY方向的鼠標式操縱器、手動旋轉臺以及配備真空拾取工具的電動Z軸。帶有光柵B的載玻片放置并夾在載物臺上，而承載光柵A的基板與光柵B對齊，并借助內置顯微鏡、XYZ控制器和真空工具使其接觸。這形成了一個夾層結構，層序如下（從下到上）：載玻片、光柵B的墨水層、200微米PDMS薄膜、光柵A的墨水層、200微米PDMS薄膜、載玻片。

然后移除載體載玻片，留下400微米厚的眼動追蹤模塊。最后一步，將模塊封裝到模鑄隱形眼鏡中，其中隱形眼鏡同樣由Sylgard 184 PDMS材料制成。為此，將模塊浸入PDMS中并放置在陰模中的所需位置，之后在烘箱中對聚合物進行部分固化。然后，將模具完全填充PDMS，蓋上陽模，放入烘箱進行完全固化。

相關論文：Contact Lens with Moiré patterns for High-Precision Eye Tracking

https://arxiv.org/pdf/2505.05147

總的來說，團隊展示了一種集成了被動光學視差基眼動追蹤模塊的隱形眼鏡（需要一個外部通用攝像頭來觀察）。系統對觀察角度的變化高度敏感，簡化了圖像處理。研究人員利用莫爾效應在模塊上形成周期性圖案。這一創新方法測量的是圖案之間的相對位移，而非圖案的絕對位移，從而消除了對參考點和透視畸變校正的需求。所述方法不僅簡化了數值分析，而且顯著提高了測量精度。多個莫爾圖案的實施使得可以對結果進行平均，進一步降低了不相關的隨機誤差貢獻。所有這些措施共同實現了優于0.3°的角精度——約為視差敏感莫爾結構角周期（aΘ）的1/37——驗證了方法的有效性。值得注意的是，在角度范圍中心±10°內實現了更高的精度（優于0.2°），滿足了典型的AR/VR應用要求。

除了高精度，這一解決方案同時為大規模實施提供了實用優勢。眼動追蹤模塊設計簡單，相對易于制造，即便使用相當大的（數十微米）結構元件都能保持高精度。

當然，系統需要一個標準攝像頭模塊（當前大多數解決方案中已具備），且不需要輔助照明，從而無需硬件修改即可與現有AR/VR設備無縫集成。這一系統使用計算高效的算法進行圖像處理，可實現連續眼動追蹤而不會產生過高功耗。另外，它存在提高精度的潛力，主要是通過減小光柵周期，這可以將測量精度提高至少數倍。