CN110603476B - 具有视力矫正的头戴式显示设备 - Google Patents

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Abstract

一种头戴式显示器可包括外壳中的显示系统和光学系统。该显示系统可具有产生图像的显示器。定位器可用于相对于用户的眼睛的眼睛位置来移动该显示器。可调节光学系统可包括可调透镜，诸如可调柱面液晶透镜。当用户的眼睛位于眼睛位置时，可通过透镜观看显示器。可以将传感器并入到头戴式显示器中，以测量用户的眼睛的屈光不正。传感器可包括波导和体积全息图以及用于收集从用户的眼睛的视网膜反射的光的相机。通过相对于眼睛位置来调节显示器位置和/或通过基于显示器上呈现的内容和/或测量的屈光不正来调节透镜设置可以提高观看舒适度。

Description

具有视力矫正的头戴式显示设备
本专利申请要求2017年5月17日提交的临时专利申请62/507,671的优先权，该临时专利申请据此全文以引用方式并入本文。
背景技术
本发明整体涉及光学系统，并且更具体地讲，涉及用于头戴式设备的光学系统。
头戴式设备诸如虚拟现实眼镜和增强现实眼镜使用显示器来生成图像，并使用透镜来将图像呈现给用户的眼睛。
如果不加注意，则头戴式设备可能穿戴起来非常笨重且令人疲劳。用于头戴式设备的光学系统可能笨重且笨拙，并且可能无法充分进行调节。将头戴式设备更多地与这种类型的光学系统扩大使用可能令人不适。
发明内容
头戴式显示器设备可包括外壳中的显示系统和光学系统。该显示系统可具有产生图像的显示器。定位器可用于相对于用户的眼睛来移动显示器。该定位器可用于调节显示器彼此之间的水平离距以适应用户之间瞳距的差异，可用于进行垂直显示器位置调节以适应用户之间面部解剖结构的差异，并且可用于调节眼睛到显示器的间距以改变焦点。
该光学系统可包括可调透镜，诸如可调柱面液晶透镜。可以通过透镜观看显示器。光学系统可包括与可调柱面透镜结合使用的固定球面透镜。
可以将传感器并入到头戴式设备中，以测量用户的眼睛的屈光不正。通过相对于用户的眼睛的眼睛位置来调节显示器位置和/或基于显示器上呈现的内容和/或基于测量的眼睛屈光不正来调节透镜设置可以提高观看舒适度。传感器可包括波导和体积全息图(volume hologram)以及用于收集从用户的眼睛的视网膜反射的光的相机。屈光不正诸如远视、近视和散光可以通过调谐透镜和/或调节显示器位置来矫正。
附图说明
图1是根据一个实施方案的例示性头戴式设备的图示。
图2是根据一个实施方案的具有可调节显示器和透镜的例示性头戴式设备的图示。
图3是根据一个实施方案的例示性可调节透镜的横截面侧视图。
图4是示出根据实施方案如何可以调节图3的透镜的折射率的图示。
图5是示出根据实施方案的在形成菲涅耳(Fresnel)透镜时如何调节图3的透镜的折射率的图示。
图6A是根据一个实施方案的用于头戴式设备的例示性Shack-Hartmann传感器的图示。
图6B、图6C和图6D是根据实施方案的用于Shack-Hartmann传感器的另选光源的图示。
图7A和图7B是根据一个实施方案的Tscherning传感器的源极部分和检测器部分的图示。
图8A和图8B是根据一个实施方案的光线跟踪传感器的源极部分和检测器部分的图示。
图9是根据实施方案的操作头戴式设备所涉及的例示性操作的流程图。
图10是根据一个实施方案的例示性透镜和相关联的视力矫正透镜的侧视图。
图11是根据一个实施方案的耦合到透镜座的例示性视力矫正透镜的前视图。
图12是根据一个实施方案的例示性透镜和相关联的菲涅耳视力矫正透镜的侧视图。
图13是根据一个实施方案的例示性球面菲涅耳透镜的前视图。
图14是根据一个实施方案的例示性柱面菲涅耳透镜的前视图。
具体实施方式
头戴式设备诸如头戴式显示器可用于虚拟现实和增强现实系统。例如，一副穿戴在用户头上的虚拟现实眼镜可用于向用户提供虚拟现实内容。
图1中示出了一种例示性系统，其中头戴式设备诸如一副虚拟现实眼镜用于向用户提供虚拟现实内容。如图1所示，头戴式显示器10可包括显示系统诸如显示系统40，该显示系统形成图像并且可具有光学系统诸如光学系统20，用户(例如，用户的眼睛46)可通过该光学系统在方向48上观看由显示系统40产生的图像。
显示系统40可基于液晶显示器、有机发光二极管显示器、具有晶体半导体发光二极管管芯阵列的显示器、硅基液晶显示器、微机电系统(MEM)和/或基于其它显示技术的显示器。系统40中可包括独立的左右显示器，用于用户的左眼和右眼，或单一显示器可跨越两个眼睛。
可使用安装在头戴式设备10中的控制电路42和/或安装在头戴式设备10外部的控制电路(例如，与便携式电子设备、膝上型计算机或其它计算设备相关联)向显示系统40提供虚拟内容(例如，用于静止和/或活动图像的图像数据)。控制电路42可包括存储装置，诸如硬盘存储装置、易失性和非易失性存储器、用于形成固态驱动器的电可编程存储装置，以及其他存储器。控制电路42还可包括一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、图形处理器、基带处理器、专用集成电路和其他处理电路。电路42中的通信电路可用于传输和接收数据(例如，无线地和/或通过有线路径)。控制电路42可使用显示系统40来显示视觉内容，诸如虚拟现实内容(例如，与虚拟世界相关联的计算机生成的内容)，用于电影或其他媒体的预先录制的视频或其他图像。
系统40可包括可用于调节系统40中显示器的位置的电控定位器。透镜系统20可包括可调透镜。在操作期间，控制电路42可以对系统40中的显示器进行位置调节，可以调节透镜系统20中的可调透镜，并且/或者可以在使用系统40向用户呈现图像内容时对设备10的部件进行其他调节。
输入-输出设备44可耦合到控制电路42。输入-输出设备44可用于采集来自用户的用户输入，可用于对设备10周围的环境进行测量，可用于向用户提供输出，并且/或者可用于向外部电子设备供应输出。输入-输出设备44可包括按钮、操纵杆、小键盘、键盘按键、触摸传感器、跟踪垫、显示器、触摸屏显示器、麦克风、扬声器、用于向用户提供视觉输出的发光二极管、传感器(例如，力传感器、温度传感器、磁性传感器、加速度计、陀螺仪和/或用于测量眼镜10的取向、位置和/或移动的其他传感器、接近度传感器、电容性触摸传感器、应变仪、气体传感器、压力传感器、环境光传感器和/或其他传感器)。如果需要，输入-输出设备44可包括测量用户的眼睛46的眼睛特性的感测系统。例如，可以使用波前传感器(诸如夏克-哈特曼(Shack-Hartmann)波前传感器、切尔宁(Tscherning)传感器或光线跟踪传感器)来测量用户的眼睛中的屈光不正，诸如散光、远视和近视。设备44还可包括用于捕获用户的周围环境的图像的相机(数字图像传感器)，用于通过观看眼睛46执行注视检测操作的相机和/或其他相机。
图2是沿图1的方向48(沿图2中的Z轴)观看的头戴式设备10的部分的图示。如图2所示，可以将光学系统部件(诸如，左透镜20L和右透镜20R)以及显示系统部件(诸如，用于设备10的左显示器40L和右显示器40R)安装在外壳诸如外壳12中。外壳12可具有用于一副眼镜的框架的形状(例如，头戴式设备10可类似于眼镜)，可具有头盔的形状(例如，头戴式设备10可形成头盔式显示器)，可具有一副泳镜的形状，或者可具有允许外壳12被佩戴于用户的头部上的任何其他适当外壳形状。有时在本文中可以描述如下的配置作为示例：当用户在方向48上观看光学系统20和显示系统40时，外壳12在用户的眼睛(例如，眼睛46)前方支撑光学系统20和显示系统40。如果需要，外壳12可具有其他合适的配置。
外壳12可由塑料、金属、纤维复合材料诸如碳纤维材料、木材和其他天然材料、玻璃、其他材料和/或这些材料中的两种或更多种的组合形成。电控定位器(例如，由来自控制电路42的控制信号控制的计算机控制的步进电机，压电致动器或其他计算机控制的定位设备)可以耦合到设备10的部件，并且用于将这些部件相对于外壳12并且相对于用户佩戴设备10定位在期望的位置。例如，定位器50X可用于调节显示器40L和40R的相应X轴的位置。定位器50Y可用于沿着图2的Y轴调节显示器40L和40R的相应位置。显示器40L和40R的Z轴位置(分别是显示器40L和40R到用户的左眼和右眼46的距离)可以使用定位器50Z来调节。定位器50L(例如，X轴、Y轴、Z轴和/或旋转定位器)可用于调节透镜20L和20R的位置。还可响应于来自控制电路42的控制信号对透镜属性进行电调谐。设备10中的定位器可以耦合到外壳12(例如，以相对于外壳12移动部件的位置)，并且/或者可以耦合到设备10中的可移动结构(例如，以调节一个部件相对于另一个部件或相对于可移动支撑结构的位置)。如果需要，可以使用固定的支撑结构将透镜20L耦合到显示器40L，并且可以使用固定的支撑结构将透镜20R耦合到显示器40R，使得显示器和对应的透镜一起移动。在其他配置中，透镜20L和20R的位置可以相对于用户的眼睛固定(或可调节)，而显示器40L和40R的相对于用户的眼睛的位置可以使用显示器40L和40R的定位器独立地调节。在一些布置结构中，可以省略透镜定位器50L。也可以使用透镜定位器仅提供透镜20L和20R的旋转定位的布置结构。
显示器40L和40R和/或透镜20L和20R的沿Z轴的位置的可调节性使得显示器40L和40R上的图像可以为用户聚焦。平行于X轴的向内和向外位置调节允许设备10适应具有不同瞳孔间距的用户。每个透镜和面板对(对应一只眼睛)必须一起调节。沿Y维度的调节可允许设备10适应用户头部和面部解剖结构的差异(例如，将显示器和透镜沿Y轴相对于用户的眼睛放置在不同的高度)。可以响应于用户输入来控制定位器操作。例如，控制电路42可以使用图2的定位器基于按钮按压输入、触摸传感器输入、语音输入、屏幕上菜单选择和/或对图1的设备44的其他用户输入来进行位置调节。位置调节(例如，用于调焦)也可以由控制电路42基于测量的用户眼睛的屈光特性自动进行。
除使用透镜移动和/或显示器移动来执行聚焦操作之外，可以基于来自控制电路42的控制信号对透镜20L和20R进行电调谐。透镜20L和20R可以是例如可调透镜，诸如可调液晶透镜或可以被动态地调谐以展现不同焦距的其他透镜。在图3的示例中，可调透镜20T(例如，透镜20L和/或透镜20R)已经由一对正交取向的堆叠的可调柱面透镜形成。具体地讲，可调透镜20T具有由液晶透镜结构形成的第一可调柱面透镜CL1和第二可调透镜CL2。可以将偏振片(例如，具有对准的透光轴的线性偏振片)放置在CL2上方和CL1下方。
透镜20T可包括基板诸如基板52。基板52可以由透光塑料、透明玻璃或其他合适的透明材料形成。透明导电电极诸如电极54、56、58和60可以形成在基板52上。透明导电电极可以由氧化铟锡或其他透明导电材料形成。光刻和蚀刻、阴影掩模图案化或其他图案化技术可用于将电极图案化成期望的形状(例如，环形、带状、阵列中的垫等)。
在图3所示的一种例示性配置中，可调柱面透镜CL1的下部电极54由透明导电材料的覆盖层形成，而可调柱面透镜CL1的上部电极56由平行于Y轴延伸的带图案的透明导电材料条形成。液晶材料62插置在电极54与电极56之间。液晶材料的折射率随施加电压(通过液晶的电场)而变化。通过跨维度X独立地调节每个电极56上的电压，可以在每个电极56下方调节液晶材料62的折射率，因此可以调节柱面透镜CL1的焦距。
因为电极56沿着图3的Y轴延伸，所以柱面透镜CL1的细长轴也平行于Y轴延伸。在上部可调柱面透镜CL2中，液晶材料64插置在电极60与电极58之间。电极58可以是透明导电材料的均匀层，并且上部电极60可以由平行于X轴延伸的带图案的透明导电材料条形成。通过调节施加到电极60的电极条上的电压，可以调节可调柱面透镜CL2的焦距。电极60的电极条沿X轴延伸，因此透镜CL2的纵轴也沿X轴延伸。因为透镜CL1和CL2彼此垂直，所以可以通过调谐透镜CL1和CL2来产生在正交方向上所选的柱面透镜光焦度。可以通过参数化地驱动CL1和CL2(X和Y中的电极)两者来产生球面透镜光焦度。
图4是示出如何可以调节可调柱面透镜的焦距(例如，CL1的焦距)的图示。在第一配置中，将平滑变化的电压分布施加到可调柱面透镜的电极条上，使得该透镜的折射率n由图4的折射率分布66表征。折射率n的值跨维度X呈弯曲形状变化，从而由液晶材料制成柱面透镜。
为了调谐透镜，可以向液晶材料施加另一个平滑变化的电压分布(例如，具有较大量值)，从而产生折射率分布68。如这些示例所示，可动态调节可调柱面透镜的折射率分布，以调节透镜的焦距(例如，如分布66所示具有较长的焦距和较弱的透镜光焦度，或如分布68所示具有较短的焦距和较强的透镜光焦度)。如果需要，可以动态地产生图5的可调柱面透镜折射率分布70所示类型的折射率分布，以使用菲涅耳(Fresnel)透镜配置来实现所需光焦度的柱面透镜。
在透镜20T所示类型的可调透镜配置中，透镜CL1和CL2的纵轴是正交的，从而允许沿X或Y轴动态地产生柱面透镜。为了帮助矫正散光用户的视力，可以使用可调透镜20T的透镜CL1和CL2来控制沿X和/或Y维度的柱面透镜光焦度。如果需要，可使用定位器旋转可调柱面透镜。例如，透镜系统20可包括变化光焦度(例如，以补偿关于X或Y轴不对称的眼睛散光)的机械或电可旋转的柱面可调透镜。固定透镜20T的角取向并且使用电调谐来对透镜CL1和/或透镜CL2进行调谐的配置在本文作为示例进行了描述。
透镜系统20可包括与透镜20L对准的固定(或可调)球面透镜以及与透镜20R对准的固定(或可调)球面透镜。当球面透镜与可调柱面透镜组合时，设备10可以调节系统20中的可调透镜以使用等效球面来矫正用户的眼睛的视力(例如，球面透镜和柱面透镜的组合，具有适当的光焦度，可以近似于所需的非球面透镜，以矫正用户的散光)。
如果需要，控制电路42可以使用被配置为用作像差计的传感器(例如，Shack-Hartmann、Tscherning或光线跟踪传感器或其他合适的屈光不正测量设备)来自动测量用户的眼睛的屈光不正。全息耦合到器、波导和图6A中所示类型的其他结构可以用于形成波前传感器，从而可以充分减小波前传感器的尺寸以携带在头戴式设备10中。
设备10可包括显示器诸如图6A的例示性显示器40。每个显示器40可具有用于生成图像的像素P的阵列。如结合图2所描述的，设备10可以具有两个显示器(例如，显示器40L和40R)，用于分别为用户的左眼和右眼46提供图像。在图6A的示例中仅示出了一只眼睛46和一个对应的显示器40。
图2中所示类型的位置传感器可以用于调节显示器40相对于眼睛46的位置，使得图像清晰并且可以由用户舒适地观看。例如，显示器40与眼睛46之间的间隔可以使用Z轴定位器来调节(作为示例)。透镜系统20可包括固定和/或可调透镜(例如，固定和/或可调球面透镜、可调柱面透镜等)。
在图6A中所示类型的Shack-Hartmann传感器配置中，光源72和相机106可用于向眼睛46供应光以及测量反射光来测量眼睛46的光学属性。光源72可产生任何合适波长的光74。例如，光源72可以是产生近红外光的红外光源，诸如激光或发光二极管(例如，750至1400nm的光，至少波长为700nm的光、至少波长为750nm的光、至少波长为800nm的光、波长小于1500nm的光、波长小于1000nm的光、波长小于900nm的光或波长小于850nm的光等)。如果需要，还可以使用其他波长的光(更长的红外波长、可见光波长等)。
对于光源诸如激光器，可以使用物镜75、针孔孔径76、准直透镜80和虹膜81来准直和控制光74的光束尺寸。这些光学元件构成准直光学组件71。物镜75将光74聚焦到针孔孔径76上，该针孔孔径充当空间滤波器，可消除光束中不均匀的强度分布。具有平滑高斯分布的光束从针孔孔径76射出。透镜80可以用于收集和准直空间滤波的光。虹膜81可用于控制准直光束的尺寸。组件71中的透镜和孔径可以是固定部件，或者可以响应于来自控制电路42的控制信号而手动地或电子地调节。
光源72可以是以任何合适的波长发射的发光二极管(LED)73。由于LED的尺寸有限，因此光束在准直后将微微发散。对于LED光源，准直光学组件71可以包含不同的部件以减轻准直之后的光束发散。图6B示出了非球面透镜对77A准直来自LED源73的光74的配置。如果需要，可以使用单个非球面透镜来准直。在图6C中，准直光学组件71可以仅包含LED 73和复合抛物面聚光器77B。通过坐在中空抛物面镜77C的焦点处，可以收集和准直光74。抛物面聚光器77B在LED源73携带不能由简单透镜完全捕获的大发射分布的情况下是有利的。在图6D中，组件71可包含透镜阵列对77C和聚光透镜79。两个透镜阵列的组合产生均匀的照明，其光束尺寸可以由聚光透镜79控制。如果需要，可改为使用单个透镜阵列。
输入和输出耦合器诸如体积全息图或其他全息耦合器可用于将光耦合到波导84和94的端部并从其耦合出来。耦合器是定向的，这意味着光可以沿一个方向进入体积全息图。例如，输入耦合器82可用于将光74耦合到波导84中。一旦耦合到波导84中，该光可以在波导94内沿方向93行进到输出耦合器86。输出耦合器86可以与用户的眼睛46对准(例如，输出耦合器86可以插置在显示器40(与透镜20)与用户的眼睛46之间)。通过这种配置，输出耦合器86将在波导94中沿方向93行进的光耦合出波导94，并朝着眼睛46传播，如输出光88所示。这利用光74照亮了用户的眼睛。在穿过眼睛46的透镜之后，光88沿方向48反射，如反射光90所示。输入耦合器92将光90耦合到波导94中。耦合器86和92可以被调谐到光74的波长，并且因此当用户在方向48上观看显示器40上的图像时对用户可以是透明的。
在波导94中，从输入耦合器92收集的光沿方向96行进到输出耦合器83。输出耦合器83将在方向96上行进的离开波导94的光作为输出光91耦合到相机106。输出光91穿过透镜98、低通滤波器100(位于透镜98的焦点并且用于滤除光中的噪声)和小透镜阵列102。小透镜阵列102可包括透镜的二维阵列。这些透镜将光91以斑104的二维阵列聚焦到相机106(例如，数字图像传感器)上。
相机106处的斑104的二维图案中的斑的单独强度可以由控制电路系统42分析，以表征存在于用户的眼睛46中的任何屈光不正(例如，散光、近视或远视)。在一种例示性的布置中，控制电路42将Zernike多项式拟合到所测量的斑104的强度，并且处理Zernike多项式以确定用户的眼睛屈光不正(例如，屈光度值或其他眼镜处方信息，指定光学系统设置以通过矫正与眼睛46相关联的屈光不正来矫正用户的视力)。然后，控制电路42可以使用关于所测量的屈光不正的信息来调节显示器40相对于眼睛46的位置和/或调节光学系统20中的一个或多个可调透镜。
例如，考虑具有散光的近视用户，其右眼(OD)处方的球镜为：-3.00屈光度，柱镜：-1.50屈光度，轴：180°。该处方表明用户需要分别进行-3.00和-1.5屈光度的球面和柱面矫正。轴值180o表示用户的散光矫正为水平。在这种场景中，可以通过使用Z轴定位器调节显示器40与眼睛46之间的间隔来获得球面矫正，并且可以通过调谐水平取向的可调柱面透镜以产生-1.5屈光度的柱面透镜光焦度来获得柱面矫正。用户的右眼屈光不正可以由控制电路42基于所测量的用户右眼的特性独立地矫正。
提供给用户的内容可以包含远处的图像(例如，山的图像)，并且可以包含前景内容(例如，与用户站成50厘米的人的图像)。通过使用相应的显示器40L和40R向用户的左眼和右眼呈现微微不同的图像，可以提供三维内容。
适应度-融合度失调有可能导致眼睛疲劳。为了最小化眼睛疲劳，设备10可以执行有助于允许使用的睫状肌放松的操作。例如，控制电路42可以周期性地(例如，每20分钟)向用户呈现远处的内容(例如，在至少20英尺远的视距处的内容)，并且可以指导用户在预先确定的时间段内(例如，20秒)观看该遥远的内容。还可以对与设备10相关联的屈光度矫正或其他光学系统设置进行调节，以帮助增强用户的眼睛舒适度。例如，设备10可以在制造期间校准，使得控制电路42能够在正常操作期间将显示器14和光学系统20置于低眼疲劳配置中。当校准设备10时，可以测试设备10以确定与无穷远焦点处的虚拟图像对应的显示器40的位置。然后可以将该校准信息存储在控制电路42中。
如果用户具有理想的视力(无需矫正眼睛)并且如果设备10正在显示远处的内容(例如，用户的视力与距离用户无穷远的对象相关联的内容)，则设备10可以调节光学系统20，使得设备10的额外屈光度为零。在这种布置中，用户将能够舒适地观看远处的内容而不会眼睛疲劳。
又如，如果用户是近视的，并且通常需要-1.00屈光度的透镜才能舒适地观看远处的图像，则当呈现远处图像并且随着呈现更近的内容对应增加的屈光度改变时，控制电路42可以进行-1.00屈光度调节。
如果需要，除使用Shack-Hartmann传感器或使用Shack-Hartmann传感器测量屈光不正以外，还可以使用Tscherning传感器系统或光线跟踪传感器系统来感知眼睛特性。
在图7A和图7B中示出了例示性的Tscherning传感器系统(Tscherning像差仪)的部分。在Tscherning传感器系统中，来自光源诸如激光器72或LED 73的准直光74穿过掩模诸如掩模120。掩模120具有开口阵列，诸如具有数行和数列的网格图案的圆形开口阵列。掩模120的存在将光74转换成与掩模120中的开口阵列对准的一系列平行光束。如结合图6A所描述的，将这些平行光束耦合到波导84中并作为光88引导到眼睛46。在穿过眼睛46并在用户的视网膜上形成图像之后，这些光束作为光90返回到波导94(图6A)。波导94将光90作为光91供应给透镜122，如图7B所示。在光91通过透镜122之后，相机106可以测量与反射的光束相关联的光斑的所得阵列。控制电路42可以分析相机106进行的测量，以表征用户的眼睛的屈光不正(例如，使用Zernike多项式)。
如果需要，可以省略光源72、掩模120和波导84，并且可以替代地通过在显示器40上呈现斑阵列来生成原本要穿过掩模120的光束阵列。在刚感测到用户的眼睛之前，可以通过在显示器40上形成图像并将该虚拟目标移动到无穷远而将用户的眼睛置于放松状态(例如，通过缓慢增加显示器40与眼睛46之间的间隔，直到到达无穷远焦点位置为止，并且/或者通过调整系统20中的透镜)。在这种类型的场景中，阵列中的光点可以从显示器40传递到眼睛46，而无需使用波导84路由到眼睛46。可以将反射光90(作为光91)供应给相机106，以通过控制电路42(例如，Zernike多项式拟合等)进行分析。
光线跟踪像差仪的部分在图8A和图8B中示出。在光线跟踪系统中，来自光源诸如激光器72或LED 73的光束74被电控光束扫描设备诸如扫描镜124(例如，镜子或其他受控制电路42控制的设备)扫描。扫描的光束通过波导84投射到眼睛46的视网膜上，而光74的强度由激光器72或LED 73脉冲。该组件在眼睛46的视网膜上形成斑阵列。当每个斑依次投影到眼睛46上时，该斑的反射光(例如，参见图6A的光90)通过波导94被引导到透镜122，作为图8B的光91。在穿过透镜122之后，相机106可以捕获每个斑的图像，并且控制电路42可以分析所捕获的图像数据(例如，使用Zernike多项式拟合)。
如果需要，可以通过在使用户的眼睛46放松之后在显示器40上形成图案来产生用于光线跟踪感测系统的光(光线跟踪像差仪)。例如，可以在显示器40上形成圆形(光环)或其他图案。在进行眼睛测量之前，可以通过将由圆形或其他图案形成的虚拟目标移动到无穷远焦点位置来放松用户的眼睛46。在这种类型的配置中，可以省略光源72、掩模120和波导84。在测量期间，显示器40上的光的圆形图案被引导到用户的视网膜上并反射为反射光90。在沿方向96穿过波导94并且以光91离开之后，相机106可以捕获圆形的图像(可能具有椭圆)，以供控制电路42分析。椭圆的放大率可用于确定用户的处方的球面部分，椭圆的长轴和短轴可用于确定用户的处方的柱面部分，并且用户的处方的轴可以从用相机106测量的椭圆长轴的角度确定。
使用设备10所涉及的例示性操作在图9中示出。
在框108的操作期间，可以校准设备10。例如，可以使用测试设备来表征设备10(或一批正在校准的设备中的代表性设备)。在测试期间，显示器40可以创建测试图像，同时控制电路42引导设备10中的定位器将显示器40定位在其无穷远焦点位置，并且引导透镜系统20中的透镜调谐到其无穷远焦点位置。在显示图像时，可以将图像传感器(例如，假眼)或其他测试传感器放置在用户的眼睛的位置。然后，可以确定将无穷远处的虚拟图像聚焦到测试传感器上可能需要的显示位置偏移和/或透镜调节偏移，并将其存储在设备10到校准设备10中，以供用户将来使用。
在框110处的用户操作期间，可以调节设备10(自动和/或手动)，使得透镜20和显示器40相对于用户的眼睛和面部处于适当的位置(例如，使得透镜20和显示器40隔开的适当距离与用户的瞳孔间距相匹配，使得透镜20和显示器40具有适当的Y位置等)。在执行了这些初始调节之后，设备10可以使用眼睛感应系统(例如，像差仪诸如Hartmann-Shack、Tscherning或光线跟踪传感器或其他合适的屈光不正测量设备)来测量用户眼睛的特性(例如，以自动测量用户的眼睛的屈光不正，从而确定用户的左眼和右眼两者的眼睛处方)。如果需要，用户可以使用输入-输出设备将有关用户的处方的信息手动供应给控制电路42。例如，可以提示用户使用触摸屏、按键、语音输入等供应处方值(球面、柱面、轴)。
在框112的操作期间，控制电路可以调节显示器40的位置(例如，左显示器的维度Z与用户的左眼的间隔以及右显示器的维度Z与用户的右眼的间隔)，并且/或者可以调节光学系统10中的可调透镜，以使显示器40上的内容对用户聚焦，同时矫正用户视力中的散光、远视、近视和其他屈光不正。可以基于所显示的内容的性质来调节焦点(例如，基于内容是远处的内容(诸如风景中的山脉)还是特写内容(诸如附近的人))，以在考虑到用户偏好和用户屈光不正的同时使适应度-融合度不匹配最小化。
在框112处调节焦点之后，控制电路42可以使用显示系统40来为用户显示图像。在显示图像时，控制电路42可以确定是否有任何内容与远处的对象(远处的虚拟对象，诸如景观中计算机生成的远处山脉)相关联，或者与用户的放松眼睛聚焦状态(聚焦在无穷远处的眼睛)相关联。可以维持定时器以跟踪显示远距离(例如，无穷远焦点)内容超过预先确定时间量的时间段之间经过的时间量(例如，至少20秒、至少10秒、小于2分钟的阈值时间等)。
当定时器到期时(例如，在至少15分钟、至少20分钟、10至30分钟、少于40分钟的时间段或其他合适的时限之后，不允许用户在眼睛没有放松的情况下继续操作)，控制电路42可以得出结论，该是用户放松眼睛的时候了。因此，可以将长距离(例如，无穷远或大于20英尺远)的内容呈现给用户(框116)。当用户观看该远处的内容时(并且随着控制电路42将显示器40和光学系统20的位置调节到其对应的无穷远聚焦状态)，用户眼睛46中的睫状肌就会放松。在经过适当的眼睛放松时间之后(例如，至少10秒、至少20秒、至少30秒、至少15至30秒、少于3分钟的时间段或其他合适的放松时间段)，处理可以返回到框112，如线118所示。在框116的操作期间显示的眼睛放松内容(长距离)内容可以包括在无穷远聚焦点或其他适当的大距离处呈现的消息诸如“放松眼睛”，或者可能包括嵌入内容(例如，无穷远焦点处的山脉或其他合适的大距离)，这些内容会被压入本应呈现给用户的内容中。例如，玩视频游戏的用户可能在狭窄的空间中并且靠近周围的对象。为了在框116的操作期间让用户的眼睛放松，可以将远处的山景插入视频游戏中，从而避免了用文本消息(“放松的眼睛”)或其他可能打断用户对视频游戏的兴趣的内容打扰用户的需要。
设备10的用户可能不具有完美的视力。例如，用户可能近视、可能远视和/或可能散光。为了矫正不完美的视力，可以将视力矫正透镜耦合到设备10。例如，透镜20可以具有固定部分和可移除视力矫正部分。
例如，视力矫正透镜可具有正屈光度(以矫正远视眼)或负屈光度(以矫正近视眼)。还可以矫正散光。矫正散光的矫正透镜不是旋转对称的。为了确保非旋转对称的视力矫正透镜正确取向，设备10可以具有视力矫正透镜取向特征(例如，磁性矫正结构或机械耦合结构，可在将矫正透镜与设备10中的透镜20L或20R耦合时准确地对准矫正透镜，使得当用户佩戴设备10时，矫正透镜相对于设备10和显示器40以及因此对用户的眼睛具有理想的角取向)。
在图10中示出了例示性视力矫正透镜布置结构。在图10的示例中，视力矫正透镜130已经与透镜20重叠地安装在设备10内。透镜20可以是反射折射透镜或其他合适的透镜。透镜20可以是可调谐的或者可以固定的。透镜130可以是旋转对称的或者可以是旋转不对称的。如图10所示，透镜130可具有面对透镜20的凸形外表面SF3，并且可具有凹形内表面。在透镜130非旋转对称以补偿散光的配置中，透镜130的凹形内表面可以由沿着第一维度(例如，沿着X轴)的第一曲率(由截面轮廓SF1示出)表征，并且可以由沿着第二维度(例如，沿着Y轴)的不同的第二曲率(由截面轮廓SF2示出)表征。当透镜130与透镜20重叠时，将形成两部分式透镜，并对其进行矫正以补偿用户的视力问题。
视力矫正透镜130可具有支撑结构诸如视力矫正透镜安装环132。可以将透镜20安装在支撑结构诸如透镜安装结构134中(例如，外壳的一部分或设备10中的其他结构支撑)。结构134可以具有接纳安装环132的开口(例如，圆形开口或其他合适形状的开口)。当环132被接纳在结构134内时，与环132和结构134相关联的对准特征相对于结构134精确地对准视力矫正环130(例如，将环132以及因此视力矫正透镜130相对于透镜20、显示器40以及设备10的其他部分的角取向确定为小于2°，小于4°或其他合适的量)。
通过一种例示性配置，可以在环132和结构134上使用磁性对准结构。如图11所示，例如，透镜130可以安装在环132内，并且当环132在支撑结构134的圆形开口内旋转时，该透镜可能会相对于中心点CP旋转。为了将视力矫正透镜130相对于结构134和设备10的其余部分进行所需的旋转对准，环132可以设置有一个或多个磁体，诸如磁体138和140，并且结构134可以设置有一个或多个对应的磁体136和142。当将视力矫正透镜130安装到设备10上时，磁体138与磁体136之间的磁引力以及磁体140与142之间的磁引力将有助于将透镜130对准并保持在设备10内所需的角取向，从而确保透镜130令人满意地矫正用户的散光。
如果需要，视力矫正透镜130可以是菲涅耳透镜，如图12所示。菲涅耳视力矫正透镜130(例如，图12的透镜130)可以是球面透镜(例如，旋转对称透镜)，如图13的透镜130的前视图所示，或者可以是柱面透镜(例如，没有球面光焦度的柱面透镜或混合柱面-球面透镜)，如图14所示的旋转不对称透镜130的正视图所示。
为了确保在使用设备10时可以令人满意地矫正用户的视力，可以在使用设备10之前将视力矫正透镜130与透镜20对准地耦合到设备10。例如，左视力矫正透镜可以与左透镜20L对准地(重叠)耦合到设备10，并且右视力矫正透镜可以与右透镜20R对准地耦合到设备10。视力矫正透镜130可以使用螺纹保持环、使用夹具、使用粘合剂和/或使用其他合适的安装结构磁性地(例如，使用磁体和/或磁性材料)耦合到设备10。在一些配置中，视力矫正透镜130可移除地耦合到设备10(例如，使得如果需要，不同的用户可以用另一组视力矫正透镜来代替视力矫正透镜130)。
当将视力矫正透镜130并入到设备10中时，透镜130和20一起操作。例如，透镜20可用于提供用于使显示器40聚焦的大部分屈光度，而透镜130可矫正用户特定的视力问题诸如散光等。如果需要，可将可调透镜结构与视力矫正透镜130和/或其他固定透镜(例如，反射折射透镜、菲涅耳透镜等)组合使用。
根据一个实施方案，提供了一种头戴式设备，该头戴式设备被配置为生成眼睛屈光不正的用户可观看的图像，该用户的眼睛位于眼睛位置处，该头戴式设备包括：显示器，该显示器被配置为显示图像；透镜，图像通过该透镜是可观看的；传感器；定位器，该定位器耦合到显示器；以及控制电路，该控制电路被配置为利用传感器测量屈光不正并被配置为基于所测量的屈光不正来调节定位器。
根据另一个实施方案，该传感器包括至少一个波导。
根据另一个实施方案，该传感器包括将光耦合到波导中的输入耦合器，并且包括将光耦合出波导的输出耦合器。
根据另一个实施方案，该输出耦合器被配置为允许图像从显示器传递到眼睛位置。
根据另一个实施方案，该输入耦合器和该输出耦合器是体积全息图。
根据另一个实施方案，该传感器还包括测量来自输出耦合器的光的相机。
根据另一个实施方案，该头戴式设备还包括选自由以下项构成的组的光源：激光器；以及发光二极管，该发光二极管供应光；附加的波导，该附加的波导具有附加的输入耦合器和附加的输出耦合器，该附加的输入耦合器将光耦合到附加的波导中，并且该附加的输出耦合器将该光朝着眼睛位置从附加的波导引出。
根据另一个实施方案，该头戴式设备还包括透镜阵列，该透镜阵列插置在输出耦合器与相机之间，其中该控制电路被配置为通过分析由透镜阵列在相机处产生的光斑来测量屈光不正。
根据另一个实施方案，该传感器被配置为形成Shack-Hartmann像差仪。
根据另一个实施方案，该传感器被配置为形成Tscherning像差仪，并且该控制电路被配置为通过分析在显示器上显示点阵列时产生的相机处的光斑来测量屈光不正。
根据另一个实施方案，该传感器被配置为形成光线跟踪像差仪，并且该控制电路被配置为通过分析在显示器上显示形状时产生的相机处的光图案来测量屈光不正。
根据另一个实施方案，该形状包括圆形。
根据另一个实施方案，该控制电路被配置为在将从显示器和透镜中选定的至少一者调节为无穷远焦点设置时通过周期性地在显示器上呈现内容来允许眼睛放松。
根据另一个实施方案，头戴式设备还包括输入-输出设备，该控制电路被配置为用输入-输出设备来接收关于屈光不正的用户输入。
根据另一个实施方案，该用户输入包括眼镜处方，并且控制电路被配置为基于眼镜处方来用定位器调节显示器的位置。
根据另一个实施方案，该透镜包括可调透镜，并该且控制电路被配置为至少部分地基于测量的屈光不正来调节可调透镜。
根据另一个实施方案，该可调透镜包括至少一个可调液晶柱面透镜，测量的屈光不正与眼睛的散光相关联，并且该控制电路被配置为基于测量的屈光不正来调节可调液晶柱面透镜以矫正散光。
根据另一个实施方案，该透镜包括视力矫正透镜。
根据另一个实施方案，该视力矫正透镜是非旋转对称的并且被配置为补偿散光。
根据另一个实施方案，该视力矫正透镜是菲涅耳透镜。
根据另一个实施方案，该透镜包括固定透镜以及配置为与固定透镜重叠的可移除视力矫正透镜。
根据另一个实施方案，该可移除视力矫正透镜包括旋转对准结构，该旋转对准结构被配置为相对于固定透镜旋转地对准可移除视力矫正透镜。
根据另一个实施方案，该旋转对准结构包括磁体。
根据一个实施方案，提供了一种头戴式设备，其包括：显示器，该显示器被配置为显示图像；透镜；传感器，该传感器包括至少一个全息图；以及控制电路，该控制电路被配置为利用传感器测量眼睛中的屈光不正并被配置为基于测量的屈光不正来调节透镜和显示器的位置中的至少一者。
根据另一个实施方案，该传感器包括相机，屈光不正包括散光，并且透镜包括可调节液晶柱面透镜，并且控制电路被配置为在观看显示器时调节可调节液晶柱面透镜以矫正散光。
根据一个实施方案，提供了一种头戴式设备，其包括：显示器；透镜，通过该透镜可以从眼睛位置处观看显示器；波导；全息图，该全息图在波导上，通过该全息图可以从眼睛位置处观看显示器；相机；以及控制电路，该控制电路被配置为基于用相机对离开波导的光进行的测量来测量眼睛的屈光不正。
前述内容仅为例示性的并且可对所述实施方案作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任意组合实施。

Claims (25)

1.一种头戴式设备，所述头戴式设备被配置为生成眼睛屈光不正的用户可观看的图像，所述用户的眼睛位于眼睛位置处，所述头戴式设备包括：
显示器，所述显示器被配置为显示所述图像；
透镜，所述图像通过所述透镜是可观看的；
传感器，所述传感器包括至少一个波导，所述至少一个波导将来自所述眼睛位置的光耦合到测量所述光的感测系统；
定位器，所述定位器耦合到所述显示器；和
控制电路，所述控制电路被配置为利用所述传感器测量所述屈光不正并被配置为基于所测量的屈光不正来调节所述定位器。
2.根据权利要求1所述的头戴式设备，其中所述传感器包括将所述光耦合到所述波导中的输入耦合器，并且包括将所述光耦合出所述波导的输出耦合器。
3.根据权利要求2所述的头戴式设备，其中所述输入耦合器被配置为允许图像从所述显示器传递到所述眼睛位置。
4.根据权利要求3所述的头戴式设备，其中所述输入耦合器和所述输出耦合器是体积全息图。
5.根据权利要求4所述的头戴式设备，其中所述感测系统包括相机，所述相机测量来自所述输出耦合器的所述光。
6.根据权利要求5所述的头戴式设备，还包括选自由以下项构成的组的光源：激光器；以及发光二极管，所述发光二极管供应光；附加的波导，所述附加的波导具有附加的输入耦合器和附加的输出耦合器，所述附加的输入耦合器将所供应的光耦合到所述附加的波导中，并且所述附加的输出耦合器将所供应的光朝着所述眼睛位置从所述附加的波导引导出。
7.根据权利要求6所述的头戴式设备，还包括透镜阵列，所述透镜阵列插置在所述输出耦合器与所述相机之间，其中所述控制电路被配置为通过分析由所述透镜阵列在所述相机处产生的光斑来测量所述屈光不正。
8.根据权利要求7所述的头戴式设备，其中所述传感器被配置为形成夏克-哈特曼像差仪。
9.根据权利要求5所述的头戴式设备，其中所述传感器被配置为形成切尔宁像差仪，并且其中所述控制电路被配置为通过分析在所述显示器上显示点阵列时产生的位于所述相机处的光斑来测量所述屈光不正。
10.根据权利要求5所述的头戴式设备，其中所述传感器被配置为形成光线跟踪像差仪，并且其中所述控制电路被配置为通过分析在所述显示器上显示形状时产生的位于所述相机处的光图案来测量所述屈光不正。
11.根据权利要求10所述的头戴式设备，其中所述形状包括圆形。
12.根据权利要求1所述的头戴式设备，其中所述控制电路被配置为在将从所述显示器和所述透镜中选定的至少一者调节为无穷远焦点设置时通过周期性地在所述显示器上呈现内容来允许所述眼睛放松。
13.根据权利要求1所述的头戴式设备，还包括输入-输出设备，其中所述控制电路被配置为用所述输入-输出设备来接收关于所述屈光不正的用户输入。
14.根据权利要求13所述的头戴式设备，其中所述用户输入包括眼镜处方，并且其中所述控制电路被配置为基于所述眼镜处方来用所述定位器调节所述显示器的位置。
15.根据权利要求1所述的头戴式设备，其中所述透镜包括可调透镜，并且其中所述控制电路被配置为至少部分地基于所测量的屈光不正来调节所述可调透镜。
16.根据权利要求15所述的头戴式设备，其中所述可调透镜包括至少一个可调液晶柱面透镜，其中所测量的屈光不正与所述眼睛的散光相关联，并且其中所述控制电路被配置为基于所测量的屈光不正来调节所述可调液晶柱面透镜以矫正所述散光。
17.根据权利要求1所述的头戴式设备，其中所述透镜包括视力矫正透镜。
18.根据权利要求17所述的头戴式设备，其中所述视力矫正透镜是非旋转对称的并被配置为补偿散光。
19.根据权利要求18所述的头戴式设备，其中所述视力矫正透镜是菲涅耳透镜。
20.根据权利要求1所述的头戴式设备，其中所述透镜包括固定透镜以及被配置为与所述固定透镜重叠的可移除视力矫正透镜。
21.根据权利要求20所述的头戴式设备，其中所述可移除视力矫正透镜包括旋转对准结构，所述旋转对准结构被配置为相对于所述固定透镜旋转地对准所述可移除视力矫正透镜。
22.根据权利要求21所述的头戴式设备，其中所述旋转对准结构包括磁体。
23.一种头戴式设备，包括：
显示器，所述显示器被配置为显示图像；
透镜；
传感器，所述传感器包括至少一个全息图；和
控制电路，所述控制电路被配置为利用所述传感器基于来自所述全息图的光测量眼睛中的屈光不正并被配置为基于所测量的屈光不正来调节所述显示器的位置和所述透镜中的至少一者。
24.根据权利要求23所述的头戴式设备，其中所述传感器包括相机，其中所述屈光不正包括散光，其中所述透镜包括可调节液晶柱面透镜，并且其中所述控制电路被配置为在观看所述显示器时调节所述可调节液晶柱面透镜以矫正所述散光。
25.一种头戴式设备，包括：
显示器；
透镜，所述显示器通过所述透镜从眼睛位置处是可观看的；
波导；
全息图，所述全息图在所述波导上，所述显示器通过所述全息图从所述眼睛位置处是可观看的；
相机；和
控制电路，所述控制电路被配置为基于用所述相机对离开所述波导的光进行的测量来测量眼睛的屈光不正。
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Families Citing this family (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111052720A (zh) 2017-06-12 2020-04-21 奇跃公司 具有更改深度平面的多元件自适应透镜的增强现实显示器
DE102017217193B4 (de) * 2017-09-27 2019-07-25 Audi Ag Anzeigevorrichtung, insbesondere für ein Fahrzeug, sowie Fahrzeug mit einer solchen Anzeigevorrichtung
US11275920B1 (en) 2017-09-27 2022-03-15 Apple Inc. Elongated fingerprint sensor
US11487132B2 (en) * 2018-11-12 2022-11-01 Yutou Technology (Hangzhou) Co., Ltd. Active alignment for assembling optical devices
CN110780445A (zh) * 2018-11-12 2020-02-11 芋头科技（杭州）有限公司 用于装配光学成像系统的主动校准的方法及系统
US20200201042A1 (en) * 2018-12-19 2020-06-25 Apple Inc. Modular system for head-mounted device
US10983352B2 (en) * 2019-01-15 2021-04-20 Apple Inc. Display system with virtual image distance adjustment and corrective lenses
US11099387B2 (en) * 2019-02-28 2021-08-24 Microsoft Technology Licensing, Llc Active display alignment for multi-display device
CN111856749A (zh) * 2019-04-28 2020-10-30 云谷（固安）科技有限公司 显示装置及方法
EP3914957B1 (en) 2019-05-07 2023-11-22 Apple Inc. Adjustment mechanism for head-mounted display
US20200400948A1 (en) * 2019-06-21 2020-12-24 Apple Inc. Display And Vision Correction System With Removable Lens
US11822081B2 (en) * 2019-08-29 2023-11-21 Apple Inc. Optical module for head-mounted device
US11740742B2 (en) * 2019-09-23 2023-08-29 Apple Inc. Electronic devices with finger sensors
US11885965B1 (en) 2019-09-23 2024-01-30 Apple Inc. Head-mounted display and display modules thereof
US11221479B2 (en) * 2019-09-24 2022-01-11 Facebook Technologies, Llc Varifocal optical assembly providing astigmatism compensation
US11391906B2 (en) * 2019-11-06 2022-07-19 Valve Corporation Optical system for head-mounted display device
US11809619B1 (en) 2019-11-12 2023-11-07 Apple Inc. Display systems with optical sensing
KR102235646B1 (ko) * 2019-12-12 2021-04-02 서울대학교산학협력단 시력보정 홀로그래픽 디스플레이 시스템
EP3865046A1 (en) 2020-02-12 2021-08-18 Essilor International Detecting and correcting a variation of current refractive error and of current accommodation amplitude of a person
US11189248B1 (en) 2020-05-06 2021-11-30 Apple Inc. Systems and methods for switching vision correction graphical outputs on a display of an electronic device
WO2021246777A1 (en) * 2020-06-03 2021-12-09 Samsung Electronics Co., Ltd. Device and method for displaying augmented reality
KR102223621B1 (ko) * 2020-07-01 2021-03-05 부경대학교 산학협력단 비가시광선 가시화 자동정합형 증강현실 글래스
KR102489272B1 (ko) * 2020-07-07 2023-01-17 한국과학기술연구원 근안 디스플레이 장치
WO2022009233A1 (en) * 2020-07-08 2022-01-13 Forus Health Pvt. Ltd. Apparatus and method for self-correcting objective refractometry
WO2022032198A1 (en) * 2020-08-07 2022-02-10 Magic Leap, Inc. Tunable cylindrical lenses and head-mounted display including the same
EP3958039A1 (en) * 2020-08-20 2022-02-23 BAE SYSTEMS plc Improvements in or relating to wearable optical devices
US20230324687A1 (en) * 2020-08-20 2023-10-12 Snap Inc. Wearable optical devices
CN112147786B (zh) * 2020-10-28 2024-04-12 南京爱奇艺智能科技有限公司 一种增强现实显示系统
CN114594595B (zh) * 2020-12-03 2023-10-20 华为技术有限公司 眼镜的控制方法、控制装置和眼镜
CN112505930A (zh) * 2021-02-05 2021-03-16 宁波圻亿科技有限公司 一种光学矫正装置及穿戴装置
US11783629B2 (en) 2021-03-02 2023-10-10 Apple Inc. Handheld electronic device
US11953695B2 (en) 2021-03-08 2024-04-09 Samsung Electronics Co., Ltd. Wearable electronic device with display
CN113281906A (zh) * 2021-04-25 2021-08-20 凤凰光学股份有限公司 一种可拆分增强现实显示设备及其系统
CN115373154A (zh) * 2021-05-19 2022-11-22 奥普托图尼股份公司 用于确定个人的助视器的至少一个光学特性的方法和系统
US11948043B2 (en) * 2021-06-02 2024-04-02 Apple Inc. Transparent insert identification
CN113679579B (zh) * 2021-08-24 2024-01-05 京东方科技集团股份有限公司 一种显示装置、显示系统、视力训练方法
CN113703169B (zh) * 2021-09-09 2022-07-08 中山大学 具有屈光矫正功能的集成成像光场显示方法及显示系统
US11927757B1 (en) * 2021-10-29 2024-03-12 Apple Inc. Electronic device display having distortion compensation
US20230176377A1 (en) * 2021-12-06 2023-06-08 Facebook Technologies, Llc Directional illuminator and display apparatus with switchable diffuser
CN114488534A (zh) * 2022-01-26 2022-05-13 深圳市光舟半导体技术有限公司 Ar眼镜及其相关装置和方法
WO2023172266A1 (en) * 2022-03-11 2023-09-14 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Head-mountable display (hmd) virtual image distance adjustment based on eye tiredness of hmd wearer
CN116458835B (zh) * 2023-04-27 2024-02-13 上海中医药大学 一种幼儿近视及弱视的检测预防系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08286144A (ja) * 1995-04-14 1996-11-01 Canon Inc 画像観察装置及びそれを用いた観察機器
CN103365028A (zh) * 2012-04-03 2013-10-23 庄臣及庄臣视力保护公司 用于可变光学电子式眼科透镜的透镜驱动器
CN106249412A (zh) * 2015-06-15 2016-12-21 三星电子株式会社 头戴式显示器装置

Family Cites Families (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02149916U (zh) * 1989-05-23 1990-12-21
JPH08292394A (ja) * 1995-01-24 1996-11-05 Matsushita Electric Ind Co Ltd 頭部搭載型画像表示装置
AU6104600A (en) 1999-07-20 2001-02-05 Smartspecs, Llc. Integrated method and system for communication
JP2005122026A (ja) * 2003-10-20 2005-05-12 Toshiba Corp レンズ鏡筒および撮像装置
US9681800B2 (en) 2005-10-27 2017-06-20 The Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Holographic adaptive see-through phoropter
US7486341B2 (en) * 2005-11-03 2009-02-03 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Head mounted display with eye accommodation having 3-D image producing system consisting of, for each eye, one single planar display screen, one single planar tunable focus LC micro-lens array, one single planar black mask and bias lens
JP5216761B2 (ja) * 2007-09-26 2013-06-19 パナソニック株式会社 ビーム走査型表示装置
FR2924819B1 (fr) 2007-12-07 2010-05-14 Essilor Int Pastille courbe de modification d'une puissance d'un composant optique
JP2010204397A (ja) 2009-03-04 2010-09-16 Hoya Corp 映像表示装置、およびヘッドマウントディスプレイ
WO2010118292A1 (en) 2009-04-09 2010-10-14 Dynavox Systems, Llc Calibration free, motion tolerant eye-gaze direction detector with contextually aware computer interaction and communication methods
US8488246B2 (en) 2010-02-28 2013-07-16 Osterhout Group, Inc. See-through near-eye display glasses including a curved polarizing film in the image source, a partially reflective, partially transmitting optical element and an optically flat film
US9632315B2 (en) * 2010-10-21 2017-04-25 Lockheed Martin Corporation Head-mounted display apparatus employing one or more fresnel lenses
US9292973B2 (en) 2010-11-08 2016-03-22 Microsoft Technology Licensing, Llc Automatic variable virtual focus for augmented reality displays
US9304319B2 (en) 2010-11-18 2016-04-05 Microsoft Technology Licensing, Llc Automatic focus improvement for augmented reality displays
US9690099B2 (en) * 2010-12-17 2017-06-27 Microsoft Technology Licensing, Llc Optimized focal area for augmented reality displays
WO2013076994A1 (ja) 2011-11-24 2013-05-30 パナソニック株式会社 頭部装着型ディスプレイ装置
US8384999B1 (en) 2012-01-09 2013-02-26 Cerr Limited Optical modules
MX344394B (es) 2012-07-10 2016-12-13 Wavelight Gmbh Procedimiento y aparato para determinar las aberraciones opticas de un ojo.
JP6026836B2 (ja) * 2012-09-28 2016-11-16 パイオニア株式会社 画像表示装置、制御方法、プログラム及び記憶媒体
CN106896524B (zh) * 2012-12-06 2021-01-01 E-视觉有限公司 提供影像的系统、装置、和/或方法
US20140375542A1 (en) 2013-06-25 2014-12-25 Steve Robbins Adjusting a near-eye display device
WO2015012280A1 (ja) 2013-07-24 2015-01-29 コニカミノルタ株式会社 視線検出装置
CN105518539A (zh) * 2013-09-04 2016-04-20 依视路国际集团（光学总公司） 用于增强现实的方法和系统
US9459451B2 (en) 2013-12-26 2016-10-04 Microsoft Technology Licensing, Llc Eye tracking apparatus, method and system
US20150234206A1 (en) * 2014-02-18 2015-08-20 Aliphcom Configurable adaptive optical material and device
JP2017037235A (ja) * 2015-08-11 2017-02-16 ローム株式会社 双眼ディスプレイ装置
US9684172B2 (en) 2014-12-03 2017-06-20 Osterhout Group, Inc. Head worn computer display systems
WO2016115285A1 (en) * 2015-01-13 2016-07-21 Eyenetra, Inc. Variable lens system for refractive measurement
IL293029B2 (en) * 2015-03-16 2023-06-01 Magic Leap Inc Augmented reality signal oximeter
US9492074B1 (en) 2015-04-30 2016-11-15 Opternative, Inc. Computerized refraction and astigmatism determination
US10302945B2 (en) * 2015-08-12 2019-05-28 Google Llc Near-eye display with stacked lightguides
CN105929534A (zh) 2015-10-26 2016-09-07 北京蚁视科技有限公司 一种屈光度自适应头戴式显示装置
CN106444028B (zh) 2016-09-27 2019-11-19 成都虚拟世界科技有限公司 一种近眼显示系统以及虚拟现实设备
US10520651B2 (en) * 2017-05-02 2019-12-31 SoliDDD Corp. Voltage adjustable near-eye optical lens

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08286144A (ja) * 1995-04-14 1996-11-01 Canon Inc 画像観察装置及びそれを用いた観察機器
CN103365028A (zh) * 2012-04-03 2013-10-23 庄臣及庄臣视力保护公司 用于可变光学电子式眼科透镜的透镜驱动器
CN106249412A (zh) * 2015-06-15 2016-12-21 三星电子株式会社 头戴式显示器装置

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