CN112041732B - 用于为配戴者生成虚像的系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于为配戴者生成虚像的系统，所述系统包括：‑镜片，所述镜片提供真实场景视觉并具有与所述配戴者的处方有关的屈光力，‑定向光源，所述定向光源被配置为发射定向光束以形成所述虚像，‑反射元件，所述反射元件被定位在所述镜片上或中，并被配置为接收由所述定向光源发射的所述定向光束并将其朝向所述配戴者的眼睛的会聚区域改向，‑动态光学元件，所述动态光学元件用于改变接收到的光束，‑存储器，所述存储器存储与所述配戴者的处方有关的处方数据，其中，所述动态光学元件被配置为改变在所述会聚区域处的光束，以便至少部分地补偿所述配戴者的处方。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于为配戴者生成虚像的系统、一种用于为配戴者生成虚像的方法以及一种计算机程序产品。
背景技术
专利申请WO 2016/081888公开了一种眼睛配戴物设备，其包括全息反射镜和微型显示器，以向眼睛配戴物设备的配戴者提供虚像。
微型显示器包括可移动/可改变的焦度镜片，该焦度镜片允许与光源同步地改变光源的焦点，使得从光源发出并在全息反思镜上反射后的光线被准直。
这种眼睛配戴物设备为配戴者提供了改进的虚像。例如，虚像的焦距可以与真实场景中目标物体的焦距匹配；这对于增强现实目的很方便。
然而，这种现有技术的眼睛配戴物设备没有考虑配戴者的眼科处方。
WO 2016/081888中所公开的眼睛配戴物设备被认为独立于配戴者的眼科处方而提供图像清晰度，因为景深很重要。
然而，发明人已经观察到：例如当屈光不正变高时或甚至当屈光不正较低时，不考虑眼科处方会降低视觉清晰度，这会导致图像清晰度的额外损失。
因此，似乎需要一种用于为配戴者生成虚像的系统，该系统将考虑配戴者的眼科处方。
本发明的目的是提供一种用于为配戴者生成虚像的改进型系统，该系统将考虑配戴者的眼科处方。
发明内容
为此，本发明提出了一种用于为配戴者生成虚像的系统，所述系统包括：
-镜片，所述镜片提供真实场景视觉并具有与所述配戴者的处方有关的屈光力，
-定向光源，所述定向光源被配置为发射定向光束以形成所述虚像，
-反射元件，所述反射元件被定位在所述镜片上或中，并被配置为接收由所述定向光源发射的所述定向光束并将其朝向所述配戴者的眼睛的会聚区域改向，
-动态光学元件，所述动态光学元件用于改变接收到的光束，
-存储器，所述存储器存储与所述配戴者的处方有关的处方数据，
其中，所述动态光学元件被配置为改变在所述会聚区域处的光束，以便至少部分地补偿所述配戴者的处方。
本发明的用于生成虚像的系统至少部分地补偿配戴者的眼科处方，特别是所述动态光学元件以特定方式被控制，使得到达配戴者的眼睛的所反射的波前补偿配戴者的眼科处方。有利地，改善了由配戴者感知的虚像的质量，特别是虚像的清晰度。
根据可以单独或组合地考虑的进一步的实施例：
-所述动态光学元件被配置为至少改变在所述会聚区域处所接收到的光束的波前的球镜度分量，以便至少部分地补偿所述配戴者的球镜处方；和/或
-所述动态光学元件进一步被配置为改变在所述会聚区域处所接收到的光束的波前的柱镜度分量，以便至少部分地补偿所述配戴者的柱镜处方；和/或
-所述动态光学元件进一步被配置为改变在所述会聚区域处所接收到的光束的波前，以便至少部分地补偿所述配戴者的处方的下加光；和/或
-所述定向光源包括至少一个被配置为发射光束的光源和被配置为接收所述光束并反射所接收到的光束的扫描元件；和/或
-所述系统被配置为使得所述扫描元件接收由所述动态光学元件改变的光束；和/或
-所述扫描元件是反射镜；和/或
-所述扫描元件被配置为在至少两个垂直方向、例如竖直和水平方向上移动；和/或
-所述动态光学元件进一步被配置为根据所述扫描元件的位置和/或所述反射元件的特性以及所述配戴者的处方来改变在所述会聚区域处所接收到的光束；和/或
-所述系统进一步包括被配置为确定所述会聚区域的当前位置的装置，所述装置被配置为与所述动态光学元件相互作用，以便根据所述配戴者的处方和根据所述会聚区域的当前位置来改变所述光的会聚；和/或
-所述动态光学部件是可移动的光学镜片；和/或
-所述动态光学部件是空间光调制器；和/或
-所述动态光学部件是可变形的光学镜片；和/或
-所述动态光学部件是可变形的光学反射镜；和/或
-所述配戴者的处方包括用于不同注视距离的处方，所述系统进一步包括注视距离确定装置，所述动态光学元件被配置为根据所述配戴者的处方来改变在所述会聚区域处所接收到的光束的波前，所述配戴者的处方对应于由所述注视距离确定装置确定的注视距离。
本发明还涉及一种用于为配戴者生成虚像的方法，所述方法包括：
-系统提供步骤，在所述步骤期间，向配戴者提供根据本发明的系统，所述系统具有存储在存储器中的关于所述配戴者的处方的处方数据，
-动态光学元件控制步骤，在所述步骤期间，所述系统的动态光学元件被控制为改变在所述会聚区域处所接收到的光束，以便至少部分地补偿所述配戴者的处方。
本发明进一步涉及一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括处理器可访问的一个或多个存储的指令序列，并且这些指令序列当被所述处理器执行时使所述处理器至少实施本发明方法的动态光学元件控制步骤。
本发明还涉及一种包括指令的非暂时性计算机可读存储介质，这些指令当被处理器执行时使所述处理器至少实施本发明方法的动态光学元件控制步骤。
附图说明
现在将参照附图来描述本发明的非限制性实施例，其中：
图1展示了根据本发明的系统；
图2是根据本发明的方法的不同步骤的流程图；以及
图3展示了根据实施例的计算机可读介质。
附图中的要素仅为了简洁和清晰而展示出并且不一定是按比例绘制。例如，图中一些要素的尺寸可以相对于其他要素被放大，以帮助提高对本发明的实施例的理解。
具体实施方式
本发明涉及一种用于生成配戴者的虚像的系统，例如一种眼睛配戴物设备。
在本说明书的其余部分，可能使用了如“上部”、“底部”、“水平”、“竖直”、“上方”、“下方”、“前”、“后”等术语、或其他指示相对位置的词。这些术语应在本发明的系统或眼睛配戴物设备的配戴条件下理解。
如图1所示，本发明涉及一种用于为配戴者生成虚像的系统10。优选地，本发明的系统10是旨在由配戴者配戴的眼睛配戴物设备的一部分。
根据本发明的系统至少包括：
-镜片12，
-定向光源14a、14b，
-反射元件16，
-动态光学元件18，以及
-存储器20，该存储器存储关于配戴者的处方的处方数据。
镜片12向配戴者提供真实场景视觉并且具有与配戴者的处方有关的屈光力。
在图1上，镜片1被表示为具有凸面前表面或物体侧表面以及凹面后表面或眼睛侧表面。然而，将了解到，这些表面同样可以是任何其他弯曲表面。镜片12优选地具有矫正用户屈光不正的光焦度，使得用户可以清楚地看到他/她的真实视觉环境。
术语“处方”应当被理解为指光焦度、散光、棱镜偏差的一组光学特性，这些光学特性是由眼科医师或验光师确定的以便例如借助于定位于配戴者眼睛前方的镜片矫正配戴者的视力缺陷。例如，近视眼的处方包括光焦度值和具有用于视远的轴位的散光值。
定向光源被配置为发射定向光束以形成虚像。
如图1所示，光源可以包括光源14a和扫描元件14b。
光源14a被配置为发射光束。
在一些示例中，光源14a可以是激光器、超发光二极管(SLED)、microLED、谐振腔发光二极管(RCLED)、竖直腔表面发射激光器(VCSEL)光源等。在一些示例中，光源14a可以是单个光源或可以是多个光源。在一些示例中，在提供多个光源的情况下，可以提供光学耦合设备。例如，可以提供合束器和/或二向色板。
扫描元件14b被配置为接收光束并反射接收到的光束。
根据优选实施例，扫描元件14b接收经动态光学元件18改变的光束。
扫描元件14b可以是反射镜，例如被配置为在至少两个垂直方向(例如竖直和水平)上移动。
扫描元件14b可以被布置成绕两个相互正交的轴线旋转。在一些示例中，扫描元件14b可以绕一个轴线旋转。在一些示例中，扫描元件14b可以包括两个反射镜，其中每个反射镜绕一个轴线旋转。特别地，每个反射镜可以绕相互正交的轴线旋转。
在一些示例情况下，扫描元件14b可以在第一方向(例如水平方向)上以每行1kHz至80kHz的速度来扫描光束。
在一些示例中，扫描元件14b可以在垂直于第一方向的第二方向上(例如在竖直方向上)以每行1Hz至200Hz的速度来扫描。因此，可以通过扫描整个像的像素的光栅逐行地来生成像。之后，扫描元件14b返回到原始位置。此周期称为回扫周期，其中在该回扫周期期间不会投影像。在一些示例中，可以实现交错投影，例如，其中像从上到下然后从下到上被投影。在一些示例中，可以实现李萨茹(Lissajou)式投影技术，例如以包括更高的水平和竖直轴线频率(例如，每个轴线从600Hz到80kHz等)。
反射元件16被定位在镜片12上或中。在图1所示的实施例中，反射元件16被定位在镜片12的后表面上。然而，本发明不限于这种实施例，特别是反射元件16可以被定位在镜片12的前表面上或实施在镜片12的前表面与后表面之间。
反射元件16被配置为接收由定向光源14发射的光束并将其重定向朝向本发明的系统的配戴者的眼睛的会聚区域17。
当反射元件16被实施在镜片12中或定位在镜片12的前表面或后表面上时，由于镜片12的屈光、特别是由于镜片12的前表面和后表面的形状和相对位置，可能发生屈光反射和/或折射偏差。这种折射偏差改变了到达配戴者的眼睛的波前。
反射元件16的几何形状还影响到达配戴者眼睛的波前。例如，如果反射元件在镜片12的后表面上并且镜片12的后表面为真实场景提供至少一部分屈光功能，则反射元件16具有复曲率，例如非恒定的并取决于后表面的位置。
因此，当光束到达配戴者的眼睛时，进入眼睛的波前不是平坦的，而是具有一些球面分量和/或环曲面分量或甚至更高阶分量。
球面/环曲面或更高阶分量也取决于扫描元件14b的位置。因此，在反射元件16上的两个不同位置的反射无法提供相同的分量。
动态光学元件18被配置为改变在会聚区域17处接收到的光束，以便至少部分地补偿配戴者的处方。与配戴者相关的处方的数据被存储在存储器20中。
换句话说，本发明的系统的动态光学元件18是可移动的和/或可改变的部件，以便以如下方式改变光束的波前：在反射元件16上反射后，进入眼睛的波前分量补偿本发明系统的配戴者的处方。
光束波前的这种改变也可以施加在具有多个出射光瞳的系统上。多个出射光瞳是解决头戴式显示器中的常见挑战的解决方案：为避免笨重的解决方案，光学系统的简单出射光瞳(又称为眼睛运动方框，因为这是配戴者的眼睛必须被定位以看到虚像的位置)通常大小会减小。可以通过增加出射光瞳而不是增大单个出射光瞳的大小来扩大眼睛运动方框。在US 2016033771 A1中描述了具有多个出射光瞳的这种系统的一个示例。
动态光学元件18可以是可移动的光学镜片和/或可变形的镜片和/或可变形的光学反射镜。
在一些示例中，动态光学元件18可以包括电活性聚合物。这样，将电流施加到动态光学元件18可以使动态光学元件18发生物理变形，因此可以改变动态光学元件18的位移。在一些示例中，动态光学元件18可以是压电致动的刚性或聚合物镜片，其中利用驱动信号来致动镜片，以使镜片物理地移动到不同的位置。在一些示例中，驱动信号可以由控制器(图1中未表示)提供。一般而言，动态光学元件18可以是具有改变光束的相分布的特性的SLM(空间光调制器)。
根据本发明的实施例，动态光学元件被配置为至少改变在会聚区域17处接收到的光束的波前的球镜度分量，以便至少部分地补偿配戴者的球镜处方。在本发明的意义上，至少部分地补偿球镜处方应理解为补偿球镜处方的1％至200％，例如球镜处方的50％至100％之间。
动态光学元件可以被配置为改变在会聚区域处接收到的光束的波前的柱镜度分量，以便附加于或独立于配戴者的球镜处方而至少部分地补偿配戴者的柱镜处方。
例如，如果配戴者的处方具有带有轴位A的柱镜C，则优选波前向配戴者提供C’等于C的柱镜，A’等于A的轴位。部分矫正可以例如提供小于或大于C的柱镜C’，使得残余柱镜Cres＝abs(C-C’)小于C(abs(C-C’)<C)。更一般地，部分矫正被定义为使得残余处方误差(即配戴者处方与由波前提供的矫正之间的差)具有小于配戴者处方的幅度或方差的幅度或方差。
动态光学元件进一步被配置为改变在会聚区域处接收到的光束的波前，以便附加于或独立于配戴者的球镜处方和/或柱镜处方而至少部分地补偿配戴者的处方的下加光。
下加光的部分补偿对应于提供小于或等于配戴者的处方的下加光的正下加光。例如，其可以为至少0.5D，优选为配戴者的处方的下加光的至少一半，更优选为处方的下加光的至少80％。
例如，如果配戴者处方对应于-1D球镜，则驱动动态部件18，使得在反射元件16上反射后的光提供具有球面分量的波前，具有会聚-1m，即对于在反射元件16上的所有扫描位置在配戴者前方1m。
例如，如果配戴者需要+3D焦度(远视)，则驱动动态部件18，使得对于反射元件16上的所有扫描位置，波前会聚在配戴者眼睛后方33cm。
动态光学元件可以进一步被配置为根据扫描元件位置和/或反射元件特性以及配戴者的处方来改变在会聚区域处接收到的光束。
当反射元件位于镜片中或在镜片的前表面上时，反射元件特性可以包括例如镜片12的位置和/或镜片12的前表面和/或后表面的几何形状和/或镜片12的折射率。
对可移动/可改变的镜片的驱动可以适应于配戴者的不同注视情况。
例如，如果镜片12是单光镜片：
-当配戴者看远距离时、例如大于或等于4米时，波前分量补偿视远处方；
-当配戴者看近距离时、例如小于或等于1米时，则波前分量补偿视远处方和真实场景接近度。
有利地，真实场景和虚像均以最佳清晰度被看到。
根据本发明的实施例，配戴者的屈光可以直接从眼科医生或验光师或眼镜师的处方中输入。也可以由配戴者本人直接确定，例如动态光学元件可以被配置为提出对应于不同屈光的不同矫正，并且配戴者可以选择最适合他的，并且他们存储此特定配置。
根据本发明的实施例，本发明的系统可以进一步包括被配置为确定会聚区域的当前位置的装置。这种装置被配置为与动态光学元件相互作用，以便根据配戴者的处方和根据会聚区域的当前位置来改变光的会聚。
根据本发明的实施例，配戴者的处方包括用于不同注视距离的处方。本发明的系统进一步可以包括注视距离确定装置，动态光学元件被配置为根据配戴者的处方来改变在会聚区域处接收到的光束的波前，该配戴者的处方对应于由注视距离确定装置确定的注视距离。
尽管未在图1上表示，但根据本发明的系统可以被包括在可配戴的头戴式装置中，例如一副眼镜，又被称为眼镜，比如老花镜、太阳镜、智能眼镜等。特别地，根据本发明的系统可以是增强和/或虚拟现实眼镜的一部分。
如图2所示，本发明进一步涉及一种用于为配戴者生成虚像的方法。
本发明的方法至少包括：
-系统提供步骤S1，以及
-动态光学元件控制步骤S3。
在系统提供步骤S1期间，向配戴者提供根据本发明的系统。该系统设置有存储在存储器中的关于配戴者的处方的处方数据。
其他数据也可以存储在所提供系统的存储器中，例如对进一步计算有用的数据，特别是建议具有给出了在动态光学元件部件上未施加任何变化/运动时到达眼睛的波前变形的规则，以及动态光学元件的驱动如何改变到达眼睛的波前。
这种数据可以从整个光学系统的光线追踪中确定，包括不同元件的所有位置/光学特性。
在动态光学元件控制步骤S3期间，控制系统的动态光学元件被控制为改变在会聚区域处接收到的光束，以便至少部分地补偿配戴者的处方。
如图2所示，本发明的方法可以进一步包括在动态光学元件控制步骤S3之前的使用条件确定步骤S2。
在使用条件确定步骤S2期间，可以确定本发明的系统的使用条件。特别地，配戴者要看近距离/远距离、中距离。这可以使用测斜仪或遥测仪来确定，也可以使用眼动仪从眼睛会聚中确定。
当在动态光学元件控制步骤S3期间控制系统的动态光学元件时，可以考虑使用条件。
图3展示了存储介质30的实施例。存储介质30可以包括制品。在一些示例中，存储介质30可以包括任何非暂时性计算机可读介质或机器可读介质，比如光学、磁性或半导体存储装置。存储介质30可以存储计算机可执行指令32，这些计算机可执行指令在被处理器执行时使处理器至少实施本发明方法的动态光学元件控制步骤。
计算机可读或机器可读存储介质的示例可以包括能够存储电子数据的任何有形介质，包括易失性存储器或非易失性存储器、可移动或不可移动存储器、可擦除或不可擦除存储器、可写或可重写存储器等。计算机可执行指令的示例可以包括任何合适类型的代码，比如源代码、编译代码、解释代码、可执行代码、静态代码、动态代码、面向对象代码、可视代码等。示例在此上下文中不受限制。
以上已经借助于实施例描述了本发明，而并不限制总体发明构思。
在参考前述说明性实施例时，许多进一步的修改和变化将对本领域的技术人员而言是明显的，这些实施例仅以示例方式给出并且无意限制本发明的范围，本发明的范围仅是由所附权利要求来确定的。
在权利要求中，词语“包括”并不排除其他要素或步骤，并且不定冠词“一个/种(a或an)”并不排除复数。在相互不同的从属权利要求中叙述不同的特征这个单纯的事实并不表明不能有利地使用这些特征的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为限制本发明的范围。
Claims (15)
1.一种用于为配戴者生成虚像的系统，所述系统包括：
-镜片，所述镜片提供真实场景视觉并具有与所述配戴者的处方有关的屈光力，
-定向光源，所述定向光源被配置为发射定向光束以形成所述虚像，
-反射元件，所述反射元件被定位在所述镜片上或镜片中，并被配置为接收由所述定向光源发射的所述定向光束并将其朝向所述配戴者的眼睛的会聚区域改向，
-动态光学元件，所述动态光学元件用于改变接收到的光束，
-存储器，所述存储器存储与所述配戴者的处方有关的处方数据，
其中，所述动态光学元件被配置为改变在所述会聚区域处的光束，以便至少部分地补偿所述配戴者的处方，并且
其中，所述配戴者的处方包括用于不同注视距离的处方，所述系统进一步包括注视距离确定装置，所述动态光学元件被配置为根据所述配戴者的处方来改变在所述会聚区域处所接收到的光束的波前，所述配戴者的处方对应于由所述注视距离确定装置确定的注视距离。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述动态光学元件被配置为至少改变在所述会聚区域处所接收到的光束的波前的球镜度分量，以便至少部分地补偿所述配戴者的球镜处方。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述动态光学元件进一步被配置为改变在所述会聚区域处所接收到的光束的波前的柱镜度分量，以便至少部分地补偿所述配戴者的柱镜处方。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述动态光学元件进一步被配置为改变在所述会聚区域处所接收到的光束的波前，以便至少部分地补偿所述配戴者的处方的下加光。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述定向光源包括至少一个被配置为发射光束的光源和被配置为接收所述光束并反射所接收到的光束的扫描元件。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述系统被配置为使得所述扫描元件接收由所述动态光学元件改变的光束。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述扫描元件是反射镜。
8.根据权利要求5所述的系统，其中，所述扫描元件被配置为在至少两个垂直方向上移动。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述至少两个垂直方向为竖直和水平方向。
10.根据权利要求5所述的系统，其中，所述动态光学元件进一步被配置为根据所述扫描元件的位置和/或所述反射元件的特性以及所述配戴者的处方来改变在所述会聚区域处所接收到的光束。
11.根据权利要求1或2所述的系统，进一步包括被配置为确定所述会聚区域的当前位置的装置，所述装置被配置为与所述动态光学元件相互作用，以便根据所述配戴者的处方和根据所述会聚区域的当前位置来改变所述光的会聚。
12.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述动态光学元 件是可移动的光学镜片。
13.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述动态光学元 件是可变形的光学镜片。
14.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述动态光学元 件是可变形的光学反射镜。
15.一种用于为配戴者生成虚像的方法，所述方法包括：
-系统提供步骤，在所述步骤期间，向所述配戴者提供根据前述权利要求中任一项所述的系统，所述系统具有存储在存储器中的关于所述配戴者的处方的处方数据，
-使用条件确定步骤，在所述步骤期间，当配戴者看近距离/远距离、中距离时，确定根据权利要求1或2所述的系统的使用条件；以及
-动态光学元件控制步骤，在所述步骤期间，在考虑使用条件时，所述系统的动态光学元件被控制为改变在所述会聚区域处所接收到的光束，以便至少部分地补偿所述配戴者的处方。
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