揭秘VR及移动设备如何实现眼动追踪

硅片（wafer）可切割出约1000个MEMS传感器芯片，分摊到每个芯片的成本则可大幅度降低。由于具有上述优势，基于MEMS的眼动追踪系统在AR/AR系统中具有不可比拟的优势，也将成为VR/AR装置小型化、低成本化的重要资本。

　　图示为8英寸硅片上的MEMS芯片（5mmX5mm）示意图

　　图示为硅片，其上的重复单元可称为芯片（chip 或die），每个重复单元可含有若干MEMS传感器，甚至包含相应的集成电路。

　　技术原理（苹果专利及滑铁卢大学成果）

　　下面介绍MEMS眼球追踪技术一项来自苹果专利（微型眼动追踪系统与方法US 20150238079 A1），该苹果专利为可使用与移动端的微型眼动追踪系统与方法。其专利介绍如下：

　　本发明公开了一种微型眼动跟踪系统，包括一个摄像头（应是与MEMS大小相近的微型摄像机），一个微机电系统（MEMS）设备和处理器。相机拍摄眼睛的图像，MEMS装置控制相机的视角方向，处理器接收来自相机的眼睛的图像，确定相机图像内的眼睛的位置，并控制MEMS以保持相机指向眼睛。

　　该方法首先由相机拍摄获得眼睛的图像，然后处理器通过该图像确定图像内眼睛的位置，并控制MEMS以保持相机指向眼睛。在另一个实例中，该微机电系统装置控制相机的可调焦距。首先由该处理器确定眼睛图像的聚焦状况，再通过MEMS设备调整摄像机以保持所需的聚焦条件。在所提及的第三个实例中，该MEMS设备可以控制相机变焦。该处理器确定眼睛在整体图像中的大小，然后通过MEMS设备控制摄像机以保持眼睛图像在整体相机图像内的特定大小。

　　图示为苹果基于MEMS的眼动追踪示意图

　　由于MEMS驱动器极小（可从0.1微米至几个微米），可以直接应用于手机等移动端的微型眼动追踪系统中。上图展示了一个采用MEMS驱动器对摄像头进行移动/转动来控制拍摄的例子。主要原理为采用两个MEMS驱动器（1405a和1405b）连接平台（底座）和摄像机及镜头。两个MEMS驱动器中，一个连接在摄像机一侧来产生水平方向的移动，另一个连接在底部或顶部来产生垂直方向的移动。

　　专利中并没有特地指出采用何种MEMS驱动器，专利更侧重于构建这样一个系统。实际MEMS中有非常多的方法可以实现伸缩。MEMS常用的伸缩结构有弹簧spring，spring大部分属于被动器件。主动伸缩的话可以通过热膨胀（加热之后物体膨胀，例子有双晶片）、压电效应（加电之后产生力以及相应的位移）或静电驱动（通过静电力产生位移）。

　　MEMS的弹簧结构

　　MEMS中一些主动位移结构 

　　另一项来自加拿大滑铁卢大学（N.Sarkar：SCANNING DIFFRACTIVE OPTIC ELEMENTS FOR UNTETHERED EYETRACKING MICROSYSTEMS）的MEMS眼动追踪技术则是完全基于MEMS器件的方案，取消了体积较大的摄像头。

　　眼睛与眼角膜具有不同的直径，这是该设计的原理基础。该方案通过采用下图所示的简单设计从而实现在尺寸、价格、功率、带宽、准确性上的改进。

　　该设计使用一束低辐射（1-10μW/cm2），红外（850nm）、发散（50mrad）的光束。光束从激光源发出后射向扫描仪scanner，扫描仪scanner具有一个平面，功能类似于镜子，将入射光束反射。再由扫描仪scanner操控该光束射向眼角膜，然后从角膜表面反射（在掠射角从60？到90？）到一个光电二极管。光电二极管的作用为接受光信号，产生电信号。输出电信号随输入光强增大而增大。随着眼睛的转动，扫描仪scanner控制光束追踪眼角膜上能够使光电二极管接受到最大信号的点。

　　值得注意的是，其光电二极管的表面可作为一个空间滤波器，使其不需要大面积平坦的微镜。相应地，该设计使用了一个300微米大小的扫描仪（Fresnel zone plate scanner）。其支撑anchor可以实现扫描仪scanner两个自由度（蓝色支撑以及红色支撑均可旋转）的偏转，可以完成光束的较大范围操纵。

　　下图为另一种同样具有两个自由度的扫描仪scanner，其工作原理与上图类似，通过支撑anchor的旋转对扫描仪进行旋转，从而操纵光束的角度。其中间载荷为垂直排列的两个cylindrical lens patterns用以投射十字准线（crosshair）。

　　进行色彩描绘后的扫描仪scanner的扫描电镜图，其整体尺寸小于一毫米（1000微米）

　　其制作的扫描仪scanner模块产品原型

　　结语

2016年被广泛认为是VR元年，眼动追踪等相关技术开始进入高速发展阶段。本文介绍两种MEMS技术在眼动追踪中的应用。随着游戏娱乐、虚拟实境、甚至智能手机对眼动追踪需求日益旺盛，MEMS技术将通过其不可比拟的体积优势为眼动追踪提供重大改进，打造出更具便携性的VR/移动设备，从而