CN104812342A - 视觉帮助投影仪 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于帮助具有降低的机能的视网膜的视觉受损个体的视力的装置、系统或方法，其通过克服了这种降低的和/或不均匀的视网膜机能而克服了背景技术中的缺陷。

Description

视觉帮助投影仪
技术领域
本发明涉及一种用于帮助视觉受损个体的视力的装置、系统和方法，并特别涉及帮助具有降低的机能的视网膜的视觉受损个体的这样的装置、系统和方法。
背景技术
由于其视网膜的机能降低，视觉受损个体频繁遭受到视力下降。这种机能降低可能是由于损伤和/或逐渐降低视网膜的机能的各种疾病过程，从而导致随着时间的推移视力受损。这种疾病过程的一个示例涉及在美国成人中失明的首要原因的老化相关的黄斑退化(AMD)。黄斑是视网膜的一部分，它提供了急剧聚焦的图像并且由此对于例如阅读和驾驶这样的活动特别需要。
AMD提出了另一个挑战，这是因为AMD在视网膜上的影响是不均匀的，它主要影响黄斑，使得帮助或矫正设备需要能够涉及到不均匀的视网膜机能，这可能还取决于个体而不同。目前，最有效的设备涉及植入到眼睛，但这些设备是高度实验性、完全侵入性以及在许多方面明显是不可取的(从治疗的角度来看)。
已经提出将光直接投影到视网膜上的各种装置，如公开的例如美国专利No.5653751。然而，所描述的设备要求将光学元件植入到眼睛中，如上所述这又是非常不希望的。
一些教导设备不要求任何可植入元件，如在被授予给Dietrich的美国专利NO.7023621中描述的那样；然而，这种设备假定理想的视网膜，在整个视网膜上具有完全同质的机能。对于正常健康的视网膜，这样的假设尽管不正确然而仍然可以得到合理的有效设备；然而，对于具有降低机能或否者不均匀机能的视网膜来说，这样的假设是不正确的并大大降低了设备的有效性。
发明内容
上述背景技术没有教导或暗示用于帮助具有降低的机能的视网膜的视觉受损个体的视力的设备、系统或方法。
“降低的机能”是指视网膜的机能比正常健康的视网膜低或者差的水平和/或视网膜在不同的位置上具有不均匀的机能，使得例如但不限于，视网膜的不同位置上的一个或更多部分可能机能水平较高，而视网膜的其它位置上的一个或更多其它部分可能机能水平较低。
与之形成对比的是，本发明是用于帮助具有降低的机能的视网膜的视觉受损个体的视力的装置、系统或方法，它通过克服这样的降低和/或不均匀的视网膜机能来克服背景技术中的缺点。
在至少一些实施例中，本发明的系统包括：映射单元，用于映射视网膜的各个位置上的视网膜功能；和投影单元，如同视频投影仪一样用于将光投影到视网膜上，其中，在视网膜的各个部分上的光的强度和/或位置至少部分上由映射的视网膜机能来确定。可选地，可以在单个装置中实现两个单元；映射软件和分析机能还可以在该装置中可选地被实现，或者替选地在远程位置实现。必要的话在这种远程位置与装置之间的通信可选地是无线或有线。
根据本发明的至少一些实施例，视网膜多个部分中的每一个上的视网膜机能水平确定了，是否通过视频投影处理来刺激视网膜的该部分或者替选地是否在视频投影处理期间避免视网膜的该部分；对于后者的情况，视频数据被投影到“重新映射”的视网膜，其中视网膜过低机能部分不被刺激而是被避免，如下面更详细描述的。可选地，根据可用的总体光水平、和期望的视力类型(阅读、驾驶、夜视)等等，可以灵活地实现“刺激”和“避免”之间的这种划分。
根据本发明的至少一些实施例，为了补偿眼睛的移动，装置还包括眼睛跟踪器。
附图说明
图1示出了将直接视频图像投影到用户视网膜上的、根据本发明的一些实施例的虚拟视网膜显示器(VRD)；
图2描述了本发明的多个说明性而非限制性的实施例，VRD 100包括例如激光器或者更特别地激光二极管的光源120；
图3示出作为示意性框图的投影光学器件140的示例性、说明性、可选实施例；
图4示出视频处理器170的操作；
图5是视网膜(FOV)视场的示例性划分，其中用RST中的单元格代表每个角段；
图6是说明性RRST的最初的10行×10列的示例，用于证明在该区域中心内的降低的感光度的视网膜；
图7涉及用于接收输入图像和用于通过视网膜投影装置将该图像适当地投影到主体的视网膜上的示例性、说明性的方法；
图8(上方的图)示出了从光栅扫描的相机导出的示例性模拟视频信号；中间的图示出了扫描期间光信号的视网膜位置；下方的图示出了沿着视网膜位置的视频信号；
图9(上方的图)是从相机得到的视频信号，这里为清楚起见示出为数字信号；中间的图表示根据视网膜位置的视网膜的相对感光度得分；
图10在上方的图(10a)中显示了作为行3和4的光栅扫描的、用视网膜投影仪代表的字母ABC的图像；图10的第二张图(10b)代表如何将所投影的图像显示在中心部分具有盲点的视场中；图10的第三张图(10c)示出了在行5至6投影光栅图像时的字母ABC；
图11涉及用于接收输入图像和用于通过视网膜投影装置将该图像适当地投影到主体的视网膜上的、根据本发明至少一些实施例的示范性、说明性的方法，例如如本文所述的，主体的视网膜的一个或更多部分基本上无机能；和
图12示出了示例性，说明性扫描视场的示意图，其中具有多个返弯点的“S形-曲线”形状表示的路径表示扫描的轨迹。
具体实施方式
由强度调制器用视频信息来调制来自光源的光子。由扫描仪在第一方向和大致垂直于第一方向的第二方向扫描经调制的光来创建光子光栅，该光栅由投影光学器件直接投影到用户的视网膜上来产生感知图像而不需要由用户感知或者观看的处于用户的眼睛之外的任何中间图像。理想的是采用眼睛跟踪系统来随着眼睛瞳孔的移动重新定位所扫描的光栅使得光射线束与眼睛的入射瞳孔重合。
光源可以是单色光或可以作为RGB视频信号以扫描直接到用户眼睛上的彩色光子的红、绿和黄或蓝光的光束。
现在转到附图，如图1所示的根据本发明的至少一些实施例的虚拟视网膜显示器(VRD)将直接视频图像投影到用户的视网膜上。
VRD 100利用由光源120发射的光束110、水平和垂直地以光栅模式扫描光束110的光学扫描仪130、并且由投影光学器件140进一步中继通过用户的眼睛155的瞳孔151直接进入视网膜152。视频处理器170从外部视频源175接收外部视频信号171，并按照如下更详细地描述的映射方面处理信号171，并可选和优选地还根据作为可选和优选地由眼睛跟踪系统160检测的瞳孔151的瞬时位置。视频处理器170随后生成到扫描仪130的同步信号172和根据调制信号173对光束110进行强度调制的该调制信号173。从扫描仪130发射经过光学器件140的经调制的光束110的强度光栅扫描视网膜152并且因此在不需要位于眼睛155之外的任何中间图像的前提下产生图像感知。
由于无需任何中间显示器或投影屏幕而将图像直接形成在视网膜上，因此可以降低设备的尺寸和重量，这继而使得VRD 100适于安装到用户头部150上。然而，无论如何应当注意的是如本文所述的VRD 100并不意在植入眼睛155或附着到眼睛155反而保持在眼睛155的外部；只有光的经强度调制的光束进入眼睛155。
正如图1中所见，VRD 100优选地特征为包括光源120、扫描仪130、投影光学器件140和可选和优选的眼睛跟踪系统160的头戴式部件101。可选地，包括例如电池(未示出)的电源的其它组件可以可选地位于远程模块102中，远程模块102也可以是便携式的但不必设在眼睛155附近。然而，至少远程模块102的电源被用电线103或者其他电连接器或电缆连接到头戴式部件101。
现在转到描述了本发明的各种说明性而非限制性实施例的图2，VRD 100包括例如激光器或更特别地是激光二极管的光源120。VRD 100可以包括一个或更多光源120。特别地，如果被投影到视网膜152上的光栅扫描的图像的特征为由RGB(红、绿、蓝)表示的彩色，则光源120优选地特征为至少有发射红色、绿色和蓝色的三个激光器(分别指定为201、202和203)。虽然激光器由于它们的亮度和低的光束发散而是方便的光源，然而光源120不必是相干或者窄光谱宽度的；也可以可选地使用发光二极管(LED)。
优选地，单个光源120还设置有如图所示的准直光学器件205。优选地，所发射的光束110具有低发散度。从激光源发射的光可以成为具有非常小的发散角的准直光束。然而，如LED的非相干光比较难准直。可以通过使用孔径数值大于或等于所述光束的孔径数值的非球面透镜来使LED准直，这可以例如可选地合并到所示的准直光学元件205中。然而，由于光源的尺寸有限，光束将具有残留的发散。然而，由于VRD 100还包括例如投影光学器件140的其他光学元件来将光投影到瞳孔151中，因此LED源仍然能够提供足够的强度和低的发散度而被用作光源120。
光源120可选且优选地还设置有光衰减器206以使得从光源120发出的光处于人眼安全强度水平之内。光衰减器206可选地包括例如石英玻璃或陶瓷。当使用几个光源120时，例如为了提供彩色图像的投影，如图2的示例性配置中示出的那样，每个光源120被可选且优选地设置有单独的光衰减器206。
彩色图像的投影提供了特别的挑战，原因是眼睛155的强度感知在每种颜色(波长)上是不同的；因此每种颜色需要被单独衰减并且达到相异程度以符合在特定光谱范围内的眼睛安全要求。通常在例如美国标准ANSI Z136或欧洲标准EN 207的各种法规和指令中给出所要求的安全级别。
当VRD 100包括如图所示的RGB光源120时，各个光源的光束可选且优选地由光束组合器207基于分色滤光器或光谱色散组件组合以形成光束110。在图2中示出的示例性布置中，从红色光源201发射的红光束221首先由镜224弯曲并随后由分色滤光器225将其与绿光束222组合。分色滤光器225透射红光221并反射绿光222。同样地，分色滤光器226反射蓝光223的同时透射红色和绿色光束221、222。结果是从光束组合器207发射包含所有RGB组分的光束110。
可选地，设置附加的光衰减器211以接收光束110。可选地，光通过可以包含偏振器的偏振控制单元212、例如λ/2或λ/4的波片、或用于控制偏振的其它光学元件。在一个或更多个实施例中可以通过偏振控制单元212的偏振元件来提供附加的衰减。例如但不限制地，可能用于实现偏振控制单元212的设备的非限制性示例是例如但不限制为从(位于美国加利福尼亚州的Irvine的)Newport公司购买的基于偏振控制的可变衰减器(http://assets.newport.com/webDocuments-EN/images/Variable_Attenuators.pdf)。
在一些可选的、示例性的布置中，为了不同元件的空间放置上的更高的效率可以进一步偏转光束110，这里示出为被镜227弯曲。
可选地且优选地光束110的部分随后经过强度监视单元(“光抽头”)215。光的少部分213被分束分离器214从光束110分离，典型地为主光束110的1％至5％。光部分213随后馈入到强度监视单元215并用于监测光的强度。在优选的实施例中，从强度监测器215发出的信号被用作反馈信号216来控制光的强度和禁用(关闭)光源120，这对VRD 100的操作提供了附加的安全等级。
例如作为为了安全的光的强度控制的操作的非限制性说明，反馈信号216被可选和优选地传达给控制逻辑电路217(显示用于一个光源120但是该电路能够可选地控制所有光源120；替选地，每个光源120可以具有其自己的控制逻辑电路217)。控制逻辑电路217将例如激光的光源120的功率值与例如预定值(对应于人眼安全功率值)进行比较。如果所监视的光功率超过预定值，则控制逻辑电路217将关闭相应的光源120。可以以各种方式禁用光源120，例如通过开关(未示出)中断对光源120的电力供应，如果光源120是激光二极管则随后优选地在驱动器中实现控制逻辑217，其中通过关闭到激光的电流来禁用光发射。控制逻辑电路217是调制器的示例，尽管是以切除设备的形式。然而，可选地，光束110也可以按如下方式进行强度调制。视频处理器170生成调制信号173，根据该信号对光束110进行强度调制。通常有两种方法来调制的光束110的强度。在直接调制中通过调制驱动可以例如是激光二极管的光源120的电流来实现强度调制。当光源120被直接调制时，所发射的光束110从已经进行了强度调制的光源120发出。当利用例如声光调制器的外部调制时，调制信号173作为驱动信号被馈送到声光调制器的转换器。
在使用了多于一个光源120的布置中，根据RGB光源的RGB视频信息将作为用于RGB光源的调制信号优选地提供给所有源120。当使用了外部调制时，信号被传递到外部调制器驱动器并且每个光源120都被提供有调制器(未示出)。如上所述的VRD 100可以包括安全特征，其中由强度监视信号216来禁用激光。本领域的技术人员将认识到，可以利用其它类型的调制器。
调制的动态范围由原始图像数据要求来定义并且其受限于所选择的光调制设备的实际调制能力。与配置无关地，入射到扫描仪130上的光束110是经强度调制的。对于彩色投影每个单个光束在被合并到光束110之前根据RGB视频信息被进行强度调制。
光束扫描仪130用于在两维光栅模式下水平和垂直地操纵或偏转光束110。被偏转的光束111进一步由投影光学器件140以及眼睛155的光学系统聚焦到视网膜152上。光聚焦的视网膜152上的特别点(本文中这样的点也可以被称作“像素”)对应于由扫描仪130跨越的特别的水平和垂直角度。随着扫描仪130使得聚焦的光束水平和垂直地进行扫描，聚焦的光束112扫描视网膜152。聚焦的光束的强度对应于调制的光束110的光的强度。以这样的方式将用户感知为图像的光栅显示直接绘制到视网膜152上。
根据至少一些实施例，光束扫描仪130的特征为具有本文中描述为水平扫描仪231的快速转向镜用于创建行光栅，以及本文中描述为垂直扫描仪232的跨越行的慢速可寻址轴。例如购自MicroVision(www.microvision.com)的MEMS(微电子机械系统)扫描仪通常是双轴的并且可以可选地用于实现水平扫描仪231和垂直扫描仪232两者，使得慢速和快速扫描仪可选地被合并到单个这样的设备中。
对于水平扫描仪231和垂直扫描仪232的扫描仪要求由至少下列因素定义：帧速率、分辨率、像素数和光学系统的限制。快速转向轴(“水平扫描仪”)231经常被定义为[帧中M行]×[N帧]，其中每个帧是投影到视网膜上的图像，作为由行数M构成的先前描述的光栅显示。慢转向轴(“垂直扫描仪”)232的移动带宽由所要求的帧速率来确定。优选的是使用具有用于此目的的位置反馈的可寻址扫描仪以能够补偿光程表面的各种像差，包括关于光程中各种透镜和镜的任何像差。
优选地，每个水平扫描仪231和垂直扫描仪232由视频处理器170根据用于扫描电压的同步信号172来驱动，但也可以包括缓慢变化的电压，该电压依赖于从将会进一步解释的眼睛跟踪系统160接收的反馈信号263。
投影的另一可选模式是其中光在规定点之间转向的矢量扫描，这也可以根据本发明各种实施例来实现。镜(即水平扫描仪231和垂直扫描仪232)不跨越整个视场而沿着规定路径移动。矢量扫描模式要求在对两个轴具有其位置和速度反馈的闭环中操作的可寻址扫描仪。
转回到图2中所示的实施方式，投影光学器件140与眼睛155的折射光学系统结合动作来传送光束通过瞳孔151并聚焦在视网膜152上。设计投影光学器件140，使得由扫描仪130偏转在角度上跨越整个视野(FOV)的光束111基本上与光轴相交在瞳孔151中心的同时避免渐晕(vignetting)。渐晕是由于与图像中心相比外围处图像的亮度或饱和度降低使得图像的周边部分显得更暗时发生的视觉伪影。
图3示出了作为示意性框图的投影光学器件140的示例性、说明性、可选实施例，其中为清楚起见已经省略了一些组件。所示的具体实施例的特征为扫描镜305与瞳孔151结合的、有时被称为“4-f扫描仪设计”的布置。基本上定位透镜301使得其背焦平面与瞳孔151重合。在视网膜152上聚焦光束112是由眼睛155的眼科系统特别是角膜306和晶状体307的折射机制来实现的。透镜301的前焦面与透镜302的后焦面重合。如果扫描镜305被定位在透镜302的前焦面，则基本上在扫描镜305的所有位置上总是完全地充满瞳孔151，原因是扫描镜与瞳孔为光学共轭。可能要求第三透镜303以便于提供准直光束110的微调发散。
可选地，依赖于例如光源和扫描仪的光学部件的细节，并且考虑到眼科系统的折射误差(例如散光；未示出)，用于投影光学器件140的投影器件的其他设计可以包括但不限于更多光学元件。可选地，提供附加的透镜(未示出)来克服例如近视或远视的眼科疾病，因此需要引入一定的光束发散或收敛，同时另一方面对于不需要任何折射校正的个体优选地采用完全准直的光束。
可以设计投影光学器件140使得没有除投影光束112之外的光被传递到用户的眼睛155，或可选地可以设计投影光学器件140使得用户分开观看真实世界与投影的图像。当设计投影光学器件140使得用户除了投影图像外还观看他/她的周围，则由VRD 100投影的虚拟图像优选地叠加在真实世界的图像上。
返回到图2，VRD 100可选且优选地还包括眼睛跟踪系统160，该眼睛跟踪系统可以包括红外(IR)照明261和从眼睛155的外表面捕捉IR反射的IR敏感相机262，并且以这种方式在瞳孔移动时检测瞳孔151的位置。IR光程264可以与光束组合器265的视频信号光组合。瞳孔151的瞬时位置提供反馈信号以抵消扫描仪130在瞳孔151方向上的偏转，并且被视频处理器170进一步处理以导出要被投影到视网膜152上的视频信息。现在将结合图4说明视频处理器170的操作。
视频处理器170可选且优选接收两个主要外部输入信号：从外部视频源175发出的外部视频信号171，外部视频源即生成视频数据的电子设备，例如相机、计算机显示器、移动设备、或可产生视频数据的任何其它设备(未示出)。到视频处理器170的第二输入优选地是由瞳孔151的瞬时位置的眼睛跟踪系统160传送的信号。为清楚起见未示出的到视频处理器170的其他输入可以可选地包括由扫描仪发出的反馈和由强度监视单元215传送的瞬时强度。
视频处理器170优选地具有两个主要输出信号：它提供光束强度的调制的信号(调制信号173)，以及与调制信号173同步地提供到扫描仪130的信号172。
到扫描仪130的信号172由总共四个信号组成，每个扫描轴两个信号。到每个扫描方向的信号由触发光栅扫描的高频信号和对扫描镜130的偏移的缓慢变化的电压组成以跟踪瞳孔151的瞬时位置。
在光跟踪系统中，典型地为红外线的光被从眼睛155反射并由摄像机或一些其它光学传感器262感应。然后分析信息并确定瞳孔151的位置。响应于瞳孔151的检测到的位置，同时在垂直和水平方向上移动扫描镜130使得VRD100出射光瞳与瞳孔151对齐。
因此，视频处理器170生成用于在水平方向触发光栅扫描的高频信号411和用于水平偏移的缓慢变化的信号412，两个信号通过放大器级415被馈送到扫描镜130的水平扫描231。同样地，视频处理器生成用于在垂直方向上触发光栅扫描的高频信号413和用于垂直偏移的缓慢变化的信号414，两个信号通过放大器级416被馈送到扫描镜130的垂直扫描232。
瞳孔位置的输入还用于处理如下的来自外部视频帧的投影视频帧。整个视网膜视场(FOV)是由进入瞳孔并到达视网膜的光线的最大角度决定的。以较高角度投影的光线将无法到达视网膜并且因此将不被感知。由VRD投影的虚拟图像可以被调谐到与输入的外部视频的帧大小完全匹配，或者可选地VRD可以被调谐到仅投影外部视频帧的一部分。当进入视频处理器的外部视频信号填满整个视网膜视场时，虚拟视网膜图像被称为单位放大倍率(X1)。当VRD仅投影了跨整个视网膜视场的外部视频帧的一部分时VRD操作在较大放大倍率。应当注意的是，在本实施例中“放大倍率”指的是投影到视网膜上的外部视频帧的部分，如此当仅部分帧被投影到视网膜视场上时这样的帧可以说成被放大。还应当注意的是，视网膜视场不一定指整个视网膜，如下面更详细描述的，这是由于视网膜的一部分可能损坏或失效。
当输入的视频对应全景场景时工作在高放大倍率可能有用。这种情况类似于当查看扩展(全景)对象时的视觉感知的普通过程。用户以在瞳孔的给定位置感知对象的不同部分的方式对跨对象移动她的瞳孔。瞳孔的瞬时位置因此定义了用户感知的对象的部分帧。当VRD工作在比单位更高的放大倍率时瞳孔的瞬时位置定义了可以被投影到视网膜上的外部视频帧的一部分。视频处理器将外部视频帧存储在缓冲器中，并根据瞳孔的瞬时位置处理要由VRD投影到容纳可用视场的子帧。帧的中心部分对应于瞳孔的中心，这里瞳孔孔径限定了“窗口”帧。
当由示例受损的个体使用VRD作为视觉帮助时，VRD工作在大的放大倍率可以是特别有利的，其中方法倍率是有益的。例如，当视网膜中的某些区域被破坏时，如与老化相关的黄斑退化(AMD)，无法感知落在这些部分上的图像部分。当图像被放大时，放大的图像细节投影到视网膜中未损坏的部分上，这能够补偿受损的部分。放大倍率的缺点是外部视频帧的周边部分不被成像。
根据至少一些实施例，本发明的VRD被提供有可调放大率控制器420，其可以由用户调节以提供到视频处理器170的关于想要的放大倍率的程度的输入。当要求更高的放大倍率时，例如在阅读文本图像时，用户调节放大倍率，以使得文本可读；当想要更宽的全景观看时放大倍率可以被调节为单位，也就是说，与原始(外部)视频相对应。
在视频处理器中如下所述地相对于每个个体的视网膜映射来进一步处理从外部输入视频处理的帧。为了实现根据本发明的至少一些实施例的如下所述的方法的最佳操作，优选地提供了视网膜感光度映射或在不同位置(像素)上的视网膜机能水平的映射。本领域已知的设备不包括这样的映射，这意味着它们将不会有效用于具有受损的视网膜或视网膜具有降低和/或不均匀机能的个体。根据本发明的至少一些实施例，映射优选地由映射单元获得，其可以可选地和优选地利用图1和2中的设备来实现。包括映射软件和分析功能的映射单元的所有功能可以可选地用投影单元(上述以非限制性示例示出为图2的装置)来实现；替选地，这些后者的功能可以可选地单独进行并且然后结果被反馈给投影装置的处理单元。它可以可选地由独立的计算机或替选地通过组合的设备离线执行。
在本领域中描述的视网膜电图(ERG)、图形ERG(PERG)、视觉诱发电位(VEP)和其他验光和眼科试验特指个体的视场，其中这些试验提供了人类视网膜的选定区域的视力丧失或感光度降低(阈值)的信息。这些试验是本领域所熟知的并也为本领域公知的是可以可选地用不同类型装置实现。例如，美国专利No.5233373描述了一种用于在患者的视网膜上实现PERG测试的装置和使用该装置的方法，在此通过引用将其全文合并到本文中，其包括试验视网膜不同位置以确定这些位置的相对机能水平的方法。
感光度(对不同级别的光)和诊断试验的分辨率(即像素密度)以及理所当然地主体的视网膜机能都将确定所获得的视网膜映射。根据本发明的至少一些实施例，在眼科评估中所得视网膜感光度映射被解码成视网膜感光度表(RST)。典型的成年人的视网膜是直径为22mm的球体的大约72％。整个视网膜视场(FOV)由进入瞳孔并到达视网膜的光线的最大角度决定。图5中示出的是视网膜视场的示例分段，其中每个角段用RST中的单元格表示；行号和列号对应于观看区域元素的整个视网膜场的角扇区，并且单元格中的值代表如下的区域感光度：感光度的最高级别具有分数1，感光度的第二级具有分数2，依此类推，其中用最高编号代表视力完全丧失。
感光度的级别由施加的诊断试验的分辨能力决定；可选地还根据施加的诊断试验的能力来确定单元格的数目和位置。
根据本发明的至少一些实施例，根据一个或一个以上的换算系数将视网膜映射变换成RST；例如，如果诊断试验的分辨率低于用于转换为RST的预期，则转换过程需要适应这种降低的分辨率以便用数据填充RST的所有单元格。关于转换到RST，还需要考虑从中获得视网膜映射的诊断试验过程中的眼睛以及尤其是瞳孔的位置，以便在试验期间从放置位置的瞳孔的任何移动都可以被适当地补偿。优选地，所述诊断试验被施加一次以上，以便对多个不同位置的瞳孔多次获得视网膜映射，以便根据瞳孔的移动来利用转换过程并且利用RST的校准进行帮助。
随着光信号被在水平和垂直方向上扫描并且被投影到用户的眼睛上，光信号被水平和垂直地在用户的视网膜上扫描。由于RST代表了每个单元格对应于视网膜扇区或像素的视网膜映射，因此根据光扫描轨迹布置RST是重要的。
RST代表视网膜不同部分的绝对感光度，即使对于正常的视网膜即具有未受损视力的健康个体来说，绝对感光度也是非均匀(非均质)的。即使在这样的个体中视网膜的某些部分也比其它部分对光更敏感。对于具有患病的或受损的视网膜的个体，均匀性的缺乏可能会更加明显，甚至对于具有视网膜非机能部分的点也是如此。构建相对RST(RRST)，其中对于个体获得的感光度值或RST相对于对于视力正常的个体获得的标准的RST进行归一化。这样的标准RST可以可选地对于特别人群被获得，或者替选地对于具有健康、正常视力的许多个体被获得，并且随后被用于从要接收如本文所述的视网膜投影装置的个体获得的RST的校准。
为清楚起见，以示例的方式，在下文中相对感光度级别将为16级，并且16为视力完全丧失的分数。图6是说明性RRST的前10行乘10列的示例，对于表明这个区域的中心内感光度降低的视网膜来说，使得对应于行6、列5和行6、列6(简写为(6,5)和(6,6))的扇区对应于较低机能以及因此视力的更大丧失，而这个区域的周边像素仍然具有相比于健康个体的正常的感光度。
图7涉及用于接收输入图像和用于通过例如如本文所述的视网膜投影装置适当地投影该图像到主体的视网膜上的示例性、说明性方法。该方法可以概括为通过对于一个图像重复本文所述的处理来用于多个图像。
如所示，在阶段1中，外部数字图像被转换为对于多个像素的各视频信号。
在阶段2，对于多个像素的这些视频信号被根据RRST至少在强度上调节以形成变换的视频信号。根据至少一些实施例，如果视网膜的一些部分被破坏或机能降低以致于至少是在接收投影的光的方面它们实际上是不工作的，如下面关于图10的更详细的描述那样，则调整该方法。对于此非限制性示例和实施例，所有(或几乎所有)的视网膜像素都接收投影的光。
如下面所述，RRST的一个目的是为具有受损感光度的那些视网膜段从视网膜扫描仪生成选择性增强的光信号。为了简单说明，说明中将假定单一颜色，但可以理解的是同样适用于多色(通常为红、绿和蓝(RGB)视频信号。
图8中上方的图示出了从光栅扫描相机导出的示例性模拟视频信号；中间的图示出了扫描期间光信号的视网膜位置。在时间t1视频信号对应于值V1，在同一时间的视网膜位置为P1。在时间t2视频信号具有值V2，同时在该情况下视网膜位置为P2。下面的图示出沿视网膜位置的视频信号。
根据本发明由于利用各视频信号来调制光源，因此由RRST设定调制深度。这被在图9中最佳地说明。上方的图是从相机得到的视频信号，为清楚起见这里示出为数字信号。中间的图表示根据视网膜位置的视网膜相对感光度分数。用信号来调制光源(激光、LED或其它光源)，该信号是来自相机的视频数据(信号)与对应于该视频数据并且给定的RRST的值的乘积。
RRST的功能也可以理解如下。在肉眼视力处理中，用户创建视网膜上所观察的场景的图像。对于观察的场景(对象)中的每个点对应于视网膜上的小区域单元。在本发明的一个实施例中图像是由数字相机获取的。相机图像中的每个像素对应于观察的对象中的特定的点。因此，相机图像中的每个像素与用户视网膜中的区域单元相关联。为了补偿视网膜的某些区域元件中的受损感光度，在与具有减小的感光度的视网膜单元相关联的那些像素上加强相机图像。
RRST包括图像应该在何处加强的信息以及放大因子。数学上，如果由矩阵M代表相机图像，由矩阵R代表RRST，则得出强度校正矩阵A为：
Ai,j＝Ri,jMi,j
其中A中的每个单元(i,j)都是原始图像矩阵M的相关单元(i,j)与RRSTR中的相关单元(i,j)的乘积。
再次返回到图4，如所说明的那样，视频处理器在传送信号到强度调制器之前优选地通过与RRST的相乘来处理投影的视频帧。应当注意的是，当用户移动他的瞳孔来观察对象的不同区域时他也移动他的眼球，并且因此相应地移动视网膜。在这个意义上RSST是根据用户瞳孔的相对位置来确定的。当VRD工作在放大倍数大于×1时瞳孔的特定位置上只有一部分对用户可用。用户移动他的瞳孔来观察整个全景视图。由于RSST附着于瞳孔因此仅需要在小于缓冲的图像外部视频图像的投影的图像上处理RSST的映射。
在阶段3中，眼睛位置以及由此瞳孔的相对位置和角度是由眼睛跟踪机构来确定的。在阶段4中，根据眼睛的位置调节视频信号：更具体地，眼睛跟踪器提供反馈以抵消扫描镜以使得视网膜显示的出射光瞳(即光投影仪)与眼睛的入射光瞳大致对齐。瞳孔的瞬时位置也反馈到视频处理器，以使得仅与作为由瞳孔的瞬时位置确定的可视窗口相关联的视频信号被传送到逻辑单元并根据RSST被相乘，并且和其相关联的同步信号被馈送到扫描镜。在阶段5中，根据经变换的视频信号将光投影到视网膜上。
如有需要将整个图像投影到视网膜上，则可选和优选地对于变换的视频信号对像素的每行或列重复阶段3-5。
根据本发明的至少一些实施例，提供了用于将光投影到其中至少一部分是实际上失能的视网膜上的示例性、说明性的方法。“实际上失能”意味着视网膜的特定部分不能以足够的机能来响应以能够有效地接收投影光。这种实际上失能区域可以包括例如暗点。
当视场包括其中视力完全退化的暗点时，将图像从视网膜的退化的扇区移向健康扇区可能是有利的。当暗点出现在视场的中心时尤其如此。参照图10，在上方的图(10A)中，示出了作为行3和4的光栅扫描的用视网膜投影仪代表的字母ABC的图像。图10的第二张图(10b)代表投影图像如何显示在中心部分处具有暗点的视场中。图10的第三张图(10c)示出了当将光栅图像投影在行5至6时的字母ABC。
在RRST中推导视网膜中的暗点的位置和暗点的严重性。如果区域中视场的显著部分退化到完全失去视觉的程度，则根据本发明将相应的视频信息转换为对应于健康扇区的光栅扫描的行。
视网膜中的退化扇区的规避可以是非连续的信号以使得投影的图像具有对应于光未被投影的行的某些“黑”行。
投影图像可以显示为如图10的最后的图(10d)，其中图像被打破和重新投影在前面的行处。
更具体地，这种方法可以被可选地执行如下。图11涉及根据本发明的至少一些实施例的示例性、说明性的方法，用于接收输入图像和用于通过视网膜投影装置将图像适当地投影到主体的视网膜，例如如本文所述的，其中视网膜的一个或更多部分基本上失能。如图11，该方法可以概括为通过重复用于一个图像的本文所述的过程来用于多个图像。
如所示，可以可选地如图7一样执行阶段1。
在阶段2中，由于一个或更多实质上失能的视网膜部分，用于多个像素的这些视频信号中的至少一部分被根据RRST既在强度又在位置上进行调节以形成转换的视频信号。至少一些视频信号可以可选地仅在强度上进行调节，但为清楚起见，本文的描述集中在那些需要既在强度又在位置上进行调节的信号。
在阶段3中，在先前描述的诊断试验过程中根据先前确定的位置确定眼睛的位置以及由此瞳孔的相对位置和角度。在阶段4中，根据眼睛的位置以及更具体地瞳孔的当前位置和角度与在诊断试验中先前确定的瞳孔位置和角度之间的任何差异来调节经变换的视频信号。例如，取决于瞳孔的移动，像素上“高”信号实际上可以被转换为像素上要被投影的“低”信号，根据当前瞳孔的位置有效地转移和转换映射，但还可以确定信号是否被完全发送，如下面更详细地描述的那样。
根据本发明的至少一些实施例，以如下方式执行调节视频信号的位置。将图像的一部分从视网膜的退化部分转换到健康部分是通过引入相对于光栅扫描仪的视频信号的受控延迟来实现的。图12示出了示例性、说明性扫描视场的原理图，其中以具有多个返弯点的“S曲线”形状所表示的路径表示扫描的轨迹。该框图开始于用t0表示的时间。用双向光栅扫描t1表示行号1的开始时间，t2表示第二行的开始时间，并且同样适用于后续的行，其中tn表示第n行扫描的开始时间。与扫描同步地，对于相机的视频信息对激光进行强度调制。与行#1相关联的视频信息开始于t1并结束于t1+T。开始行#2的时间t2-(t1+T)对于扫描仪是垂直重新定位以假定后续行的光栅扫描所必需的“死”时间。图12中左手侧的图示出示例性视频信号，根据该信号对激光进行强度调制。对于每行，存在与视频信号的对应。典型的图像可以包括数百个光栅行，在示例中只示出了前四行。图12中右手侧的图说明这样的示例，即当原始对应于行#3和行#4的视频信号被延迟并且替代显示为移位到对应行#5时，行#3和#4的扫描期间激光被关断。作为引入延迟的结果对应于后续行的原始视频信号也已经被移位了一行。应当注意的是，最后一行的视频信息将被从视频帧中省略。然而最后一行或者如果移位多于一行的话甚至有数行对应于视场的周边，而且往往是对例如读取的视力相关的活动较不关键。用于重新投影和更精确的跳过哪些行的最好的策略的评估很大程度上取决于存储在RSST中的视网膜中心区域信息上的视网膜退化的严重性。
在阶段5，根据经变换的视频信号将光投影到视网膜上。可选和优选地对变换的视频信号对像素的每行或列重复阶段3-5，以便根据需要将整个图像投影到视网膜上。
可以理解的是，为清楚起见，在单独的实施例的环境下描述的本发明的某些特征也可以组合在单个实施例中提供。反过来说，为了简洁起见，在单个实施例的环境下描述的本发明的各种特征也可以分别地或以任何合适的子组合方式提供。
尽管本发明已经结合其具体实施例进行了描述，但很明显，对于那些本领域技术人员来说许多替换、修改和变化将是显而易见的。因此，意在涵盖落入所附权利要求的精神和广泛范围内的所有此类替换，修改和变型。在本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请通过参考将其整体合并到本说明书中，其程度如同每个单独的出版物、专利或专利申请被具体和单独地指明以通过参考合并到本文中的程度。此外，在本申请中任何参考文献的引用或标识不应被解释为承认这样的参考文献可用作本发明的现有技术。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于通过补偿降低的和/或不均匀的视网膜机能来帮助具有降低的机能的视网膜的视觉受损个体的视力的装置，所述装置包括视频数据源、处理器单元、明亮准直的光源和扫描光学器件，所述处理器单元包括视网膜感光度表(RST)，所述视网膜感光度表包括用于所述视网膜的每个区域的放大倍数因子，所述扫描光学器件适用于根据所述RST以及根据由所述处理器单元所确定的所述视频数据源将来自所述光源的光聚焦到所述视网膜的一部分上，所述扫描光学器件还适用于根据所述RST影响所述光的强度和在所述视网膜上的聚焦位置中的至少之一，其中影响所述光的强度包括将所述光的信号的强度与所述RST中的相应的值相乘，并且其中影响所述聚焦位置包括将想要用于所述视网膜的受损区域的光聚焦到所述视网膜的另一个区域上。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述视频数据源包括视频摄像机。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述视频数据源包括计算机视频驱动器。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述视频驱动器被连接到移动电话设备。
6.根据权利要求4所述的装置，其中所述扫描光学器件包括光学扫描仪和投影光学器件。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述光学扫描仪接收来自所述光源的光，并且根据所述处理器单元通过所述投影光学器件扫描所述光。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述光学扫描仪还从所述处理器单元接收扫描同步信号。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述光学扫描仪包括水平扫描仪和垂直扫描仪，分别用于水平和垂直地扫描所述光。
10.根据权利要求7所述的装置，其中所述投影光学器件包括扫描镜和用于将光聚焦在所述视网膜的多个部分上的多个透镜。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述多个透镜包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜具有与所述个体的瞳孔相重合的后聚焦面，并且所述第二透镜具有与所述第一透镜的前聚焦面相重合的后聚焦面。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述多个透镜还包括用于提供所述光的微调发散的第三透镜。
13.根据权利要求1所述的装置，其中所述光源包括多个光源并且其中每个光源产生不同颜色的光。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述多个光源包括发射红光的光源、发射绿光的光源和发射蓝光的光源。
15.根据权利要求13所述的装置，还包括用于每个光源的准直光学器件。
16.根据权利要求13所述的装置，还包括用于每个光源的衰减器。
17.根据权利要求13所述的装置，其中所述光源包括激光器。
18.根据权利要求13所述的装置，还包括用于将来自所述光源的光组合成单个光束的光束组合器。
19.根据权利要求18所述的装置，还包括用于接收所述单个光束和用于衰减所述单个光束的光衰减器。
20.根据权利要求18所述的装置，还包括用于接收所述单个光束和用于控制所述单个光束的偏振的偏振控制单元。
21.根据权利要求18所述的装置，还包括用于监视所述单个光束的强度和用于在所述强度高于最大阈值的情况下停止所述光源的操作的强度监视器。
22.根据权利要求21所述的装置，还包括用于控制所述光源的操作和用于在所述强度高于最大阈值的情况下接收来自所述强度监视器的切断信号的控制电路。
23.根据权利要求21所述的装置，其中对于光的每个颜色和对于每个光源所述强度是不同的。
24.根据权利要求1所述的装置，还包括用于确定所述个体的瞳孔的位置并用于向所述处理器单元提供反馈的眼睛跟踪系统。
25.根据权利要求24所述的装置，其中所述眼睛跟踪系统包括用于测量从所述个体的眼球的外表面所反射的光的光学传感器和用于照亮所述外表面的照明器。
26.根据权利要求25所述的装置，其中所述光学传感器包括IR(红外线)敏感相机并且所述照明器包括IR光源。
27.根据权利要求1所述的装置，其中所述处理器单元将调制信号发射到所述光源用于控制所述光源的调制。
28.根据权利要求6所述的装置，被包含在两个单元中：用于安装到所述个体的头部上的第一单元和用于容纳所述处理器单元和所述视频源的第二单元，其中所述第一单元包含所述光源、所述光学扫描仪、所述投影光学器件和眼睛跟踪系统。
29.一种系统，包括如权利要求1所述的装置。
30.根据权利要求29所述的系统，其中所述处理单元还包括用于映射所述视网膜的各个位置处的视网膜机能的映射单元；其中至少部分地由映射的视网膜机能来确定由所述装置投影到所述视网膜的各个部分处的光的位置和/或强度。
31.根据权利要求30所述的系统，其中所述映射单元包括映射软件和分析功能。
32.根据权利要求29所述的系统，其中映射单元被配置为确定所述视网膜的多个部分中的每一个处的视网膜机能的水平，并且将所述水平编码为所述RST。

Claims (33)

1.一种用于通过补偿降低的和/或不均匀的视网膜机能来帮助具有降低的机能的视网膜的视觉受损个体的视力的装置，所述装置包括所述视网膜的映射、视频数据源、处理器单元、明亮准直的光源和扫描光学器件，所述扫描光学器件用于根据所述映射以及根据由所述处理器单元所确定的所述视频数据源将来自所述光源的光聚焦到所述视网膜的一部分上。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述视频数据源包括视频摄像机。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述视频数据源包括计算机视频驱动器。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述视频驱动器被连接到移动电话设备。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述视网膜的映射包括至少一个受损的区域的确定，以使得所述处理器单元防止将光聚焦到所述至少一个受损的区域上。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其中所述扫描光学器件包括光学扫描仪和投影光学器件。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述光学扫描仪接收来自所述光源的光，并且根据所述处理器单元通过所述投影光学器件扫描所述光。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述光学扫描仪还从所述处理器单元接收扫描同步信号。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述光学扫描仪包括水平扫描仪和垂直扫描仪，分别用于水平和垂直地扫描所述光。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的装置，其中所述投影光学器件包括扫描镜和用于将光聚焦在所述视网膜的多个部分上的多个透镜。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述多个透镜包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜具有与所述个体的瞳孔相重合的后聚焦面，并且所述第二透镜具有与所述第一透镜的前聚焦面相重合的后聚焦面。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述多个透镜还包括用于提供所述光的微调发散的第三透镜。
13.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述光源包括多个光源并且其中每个光源产生不同颜色的光。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述多个光源包括发射红光的光源、发射绿光的光源和发射蓝光的光源。
15.根据权利要求13或14所述的装置，还包括用于每个光源的准直光学器件。
16.根据权利要求13-15中任一项所述的装置，还包括用于每个光源的衰减器。
17.根据权利要求13-16中任一项所述的装置，其中所述光源包括激光器。
18.根据权利要求13-17中任一项所述的装置，还包括用于将来自所述光源的光组合成单个光束的光束组合器。
19.根据权利要求18所述的装置，还包括用于接收所述单个光束和用于衰减所述单个光束的光衰减器。
20.根据权利要求18或19所述的装置，还包括用于接收所述单个光束和用于控制所述单个光束的偏振的偏振控制单元。
21.根据权利要求18-20中任一项所述的装置，还包括用于监视所述单个光束的强度和用于在所述强度高于最大阈值的情况下停止所述光源的操作的强度监视器。
22.根据权利要求21所述的装置，还包括用于控制所述光源的操作和用于在所述强度高于最大阈值的情况下接收来自所述强度监视器的切断信号的控制电路。
23.根据权利要求21或22所述的装置，其中对于光的每个颜色和对于每个光源所述强度是不同的。
24.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，还包括用于确定所述个体的瞳孔的位置并用于向所述处理器单元提供反馈的眼睛跟踪系统。
25.根据权利要求24所述的装置，其中所述眼睛跟踪系统包括用于测量从所述个体的眼球的外表面所反射的光的光学传感器和用于照亮所述外表面的照明器。
26.根据权利要求25所述的装置，其中所述光学传感器包括IR(红外线)敏感相机并且所述照明器包括IR光源。
27.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中所述处理器单元将调制信号发射到所述光源用于控制所述光源的调制。
28.根据上述权利要求中任一项所述的装置，被包含在两个单元中：用于安装到所述个体的头部上的第一单元和用于容纳所述处理器单元和所述视频源的第二单元，其中所述第一单元包含所述光源、所述光学扫描仪、所述投影光学器件和所述眼跟踪系统。
29.一种系统，包括如权利要求1-28中任一项所述的装置。
30.根据权利要求29所述的系统，其中所述处理单元还包括用于映射所述视网膜的各个位置处的视网膜机能的映射单元；其中至少部分地由映射的视网膜机能来确定由所述装置投影到所述视网膜的各个部分处的光的强度和/或位置。
31.根据权利要求30所述的系统，其中所述映射单元包括映射软件和分析功能。
32.根据权利要求29-31中任一项所述的系统，其中映射单元确定在所述视网膜的多个部分中的每一个处的视网膜机能的水平，并且其中所述视网膜机能的所述水平确定了视网膜的该部分是否由所述投影单元投影。
33.根据权利要求32所述的系统，其中如果所述映射单元确定了机能的水平使得在视频投影处理期间避开了所述视网膜的所述部分，则所述视频数据被投影到“重新映射”的视网膜上。
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