CN114779471A - 基于纳米像元阵列的眼机接口及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出基于纳米像元阵列的眼机接口及其工作方法，主要包括：柔性镜片、设置于柔性镜片上的纳米像元阵列、设置于纳米像元阵列上的可变焦距透镜模块。其中，纳米像元阵列具有三种功能：作为显示器件将图像直接投影到视网膜，作为图像传感器用于外界图像采集，作为近场显微镜头可以用于生物大分子的检测；可变焦距透镜模块既可以用于人眼视力的辅助调节，又可以作为用于外界图像捕捉的光学透镜。
Description
技术领域
本发明属于可穿戴智能电子设备技术领域，尤其涉及基于纳米像元阵列的眼机接口及其工作方法。
背景技术
近年科技发展迅速，随着5G高速传输、物联网、人工智能、柔性显示、移动式高性能图形计算卡等技术的出现，为增强现实技术与可穿戴设备的结合进入商用奠定了基础。目前，基于增强现实技术的应用和可穿戴设备已经开始出现在教育、传媒、娱乐、医疗、等诸多领域。
增强现实已经被公认为21世纪影响人们生活的重要技术之一，它能给人带来更为逼真、更为自然的人机交互体验。在国际上，目前增强现实技术已经逐渐走向成熟，并且向着视觉、听觉、触觉多感官沉浸式体验的方向发展。同时，相应硬件设备也在朝着微型化、移动化发展。但是增强现实技术还在研究中，如果将其应用到较为复杂的环境中，对于增强现实技术精准图像展现会造成影响。正因如此，基于增强现实技术的可穿戴设备还需要深入研究。以智能眼镜为例，人眼本身就具备非常高的分辨率，如果智能眼镜无法在近距离或远距离下提高分辨率，则此技术的发展就会受到限制。因此，提高显示器件的分辨率，提升图像的清晰度，设计开发出新型的眼机接口已成为迫切的要求。
发明内容
针对现有技术的空白和不足，本发明提出一种新的基于纳米像元阵列的眼机接口及其工作方法的设计。主要包括：柔性镜片、设置于柔性镜片上的纳米像元阵列、设置于纳米像元阵列上的可变焦距透镜模块。其中，纳米像元阵列具有三种功能：作为显示器件将图像直接投影到视网膜，作为图像传感器用于外界图像采集，作为近场显微镜头可以用于生物大分子的检测；可变焦距透镜模块既可以用于人眼视力的辅助调节，又可以作为用于外界图像捕捉的光学透镜。在进一步的设计中，本发明还可以包括设置于柔性镜片上的眼动感知模块、生物传感模块、数据处理与传输模块、自供电模块。本发明兼具方便美观轻便，智能，紧凑，可穿戴的优点，在此基础上实现与人眼的互动，更加具有人性化的特点，由于与人眼产生交互，具有智能化，显示图像分辨率高，并且体积小巧，方便携带，拥有良好的发展前景和一定的市场竞争力。
本发明与传统的智能隐形眼镜本质区别在于设置于柔性镜片上的纳米像元阵列、设置于纳米像元阵列上的可变焦距透镜模块，其中的纳米像元阵列既可以作为极高分辨率显示器件，用于将所需显示的图像投影到人眼的视网膜，又可以作为光电转换器件用于外界图像的捕捉，又可以作为近场显微镜头用于眼液中生物大分子的检测；还在于其中的可变焦距透镜模块既可以用于人眼视力的辅助调节，又可以作为用于外界图像捕捉的光学透镜。此外，眼动感知模块用于感应人眼的形态变化，将所感应的信息通过数据处理与传输模块发送到其他智能设备；生物传感模块利用传感器分析人体体液的化学成分，检测人体的健康状况；数据处理与传输模块对其他智能设备的图像信息进行接收并将数据信息发送到纳米像元阵列中；自供电模块产生能量为整个眼机接口提供能量。
本发明具体采用以下技术方案：
一种基于纳米像元阵列的眼机接口，其特征在于，包括：柔性镜片、设置于所述柔性镜片上的纳米像元阵列、以及设置于所述纳米像元阵列上的可变焦距透镜模块；所述纳米像元阵列同时作为显示器件，用于将所需显示的图像投影到人眼的视网膜，作为光电转换器件，用于外界图像的捕捉，以及作为近场显微镜头，用于生物大分子的检测；所述可变焦距透镜模块同时用于人眼视力的辅助调节，以及作为用于外界图像捕捉的光学透镜。
进一步地，所述纳米像元阵列为纳米发光二极管，Micro-LED、微型量子点发光二极管、微型有机发光二极管、微型激光二极管、发光三极管其中之一或其组合构成的显示阵列；所述可变焦距透镜模块包括激光测距模块和微型透镜模组。
进一步地，所述微型透镜模组采用液晶微透镜阵列、电亲润微型阵列、光学天线的其中之一或其组合。
进一步地，所述柔性镜片的材料采用甲基丙烯酸羟乙酯、聚甲基丙烯酸甲酯、水凝胶、硅水凝胶的其中之一或其组合。作为优选，柔性镜片的厚度为0.01mm到1mm之间，与眼睛对应部分的直径在0.5cm到1.5cm之间。
进一步地，还包括设置于所述柔性镜片上的眼动感知模块、生物传感模块、数据处理与传输模块和自供电模块。
进一步地，所述眼动感知模块采用压力传感器、倾角传感器、速度传感器的其中之一或其组合；所述生物传感模块指的是由生物体成分或生物体本身作为分子的识别元件，可以采用微生物传感器、细胞传感器、组织传感器、电化学生物传感器的其中之一或其组合；所述自供电模块采用纳米发电机，太阳能电池，无线充电模块的其中之一或其组合，也可以包括其他电能存储器件，能量来源可以包括太阳能，生物质能，动能，电磁能。
关于工作方法：
进一步地，当所述纳米像元阵列作为显示器件时，外接的智能设备将所需显示的图像信息发送到纳米像元阵列进行投影；当所述纳米像元阵列作为图像传感器时，利用光生伏特效应，纳米像元阵列通过光强的变化感应出电荷的变化，通过检测电荷量还原捕捉的外界图像；当所述纳米像元阵列作为近场显微镜头时，当待观察物体放置在眼机接口前，由于物体具有一定的厚度产生了遮光性，纳米像元阵列通过扫描每一点光强的变化，以获得物体的微观形貌以及微观粒子。
进一步地，所述可变焦距透镜模块通过激光测距模块，探测物体与眼球之间的距离，再通过调节电压控制分子的状态变化，改变微型透镜模组的成像焦距，以实现辅助人眼视力调节或用于作为纳米像元阵列捕捉外界图像时的光学透镜。
进一步地，所述眼动感知模块和生物传感模块通过微型传感器检测眼球的转动变化与人体体液的化学成分，以获得表征人体的健康状况的相关参数。
与现有技术相比，本发明及其优选方案的核心元器件由设置于柔性镜片上的纳米像元阵列与设置于纳米像元阵列上的可变焦距透镜模块组成。与传统的智能隐形眼镜显示器件不同的是，其中纳米像元阵列不仅可以作为分辨率极高的显示器件，还能够作为用于外界图像采集的图像传感器与用于生物大分子检测的近场显微镜头；可变焦距透镜模块既可以用于人眼视力的辅助调节，又可以作为用于外界图像捕捉的光学透镜。同时柔性镜片保证了穿戴者的舒适性，透气性好，长时间佩戴不会引起眼睛的不适，对眼睛伤害小有利于人体健康；同时自供电模块利用可再生能源对整个眼机接口供电，合理利用能量，避免了造成能源浪费，符合可持续发展的理念。
当纳米像元阵列作为显示器件时，其他智能设备将所需显示的图像信息通过数据处理与传输模块发送到纳米发光像元投影到人眼的视网膜中，当纳米像元阵列作为图像传感器时，利用光生伏特效应，纳米像元阵列通过光强的变化感应出电荷的变化，通过检测电荷量还原捕捉的外界图像；当纳米像元阵列作为近场显微镜头时，当物体放置在眼机接口前，由于物体具有一定的厚度产生了遮光性，纳米像元阵列通过扫描每一点光强的变化，就能够获得物体的微观形貌以及微观粒子。可变焦距透镜模块通过激光测距模块，探测物体与眼球之间的距离，再通过调节电压控制分子的状态变化，改变微型透镜模组的成像焦距，既能够辅助人眼视力调节还能够用于纳米像元阵列捕捉外界图像时的光学透镜。眼动感知模块和生物传感模块通过一系列的微型传感器检测眼球的转动变化与人体体液的化学成分，检测人体的健康状况。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例整体模块功能示意图；
图2为本发明实施例一的纳米像元阵列的眼机接口结构示意图；
图3为本发明实施例一的眼机接口结构的横截面图；
图4为本发明实施例二的纳米像元阵列的眼机接口结构示意图；
图5为本发明实施例三的纳米像元阵列的眼机接口结构示意图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
为了让本领域技术人员进一步了解本发明所提出的方法，下面结合具体实施例进行说明。本发明提供优选实施例，只用于本发明做进一步的说明，不应该被认为仅限于在此阐述的实施例，也不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供一种基于纳米像元阵列的眼机接口的设计方案，其模块上的设计包括：柔性镜片、设置于柔性镜片上的纳米像元阵列、设置于纳米像元阵列上的可变焦距透镜模块，还包括设置于柔性镜片上的眼动感知模块、生物传感模块、数据处理与传输模块、自供电模块。
当使用者佩戴上眼机接口后，与其他智能设备通过蓝牙或无线网建立连接，智能设备将图像信息发送给设置于柔性镜片上的纳米像元阵列，纳米像元阵列在自供电模块的驱动下，内部载流子发生辐射复合发出不同波长的光，完成了电信号到光信号的转换，再将图像信息以光的形式投影到人眼的视网膜上，由此获取了图像信息；当纳米像元阵列作为图像传感器时，利用光生伏特效应，吸收光子存储成电荷，完成了光信号到电信号的转换，捕获外界图像；当纳米像元阵列作为近场镜头时，纳米像元阵列作为探针阵列，利用消逝场和传输场的耦合和转换，实现对光信号的获取，由此获得了被检测物体的微观粒子以及表面形貌。可变焦距透镜模块通过激光测距模块检测物体与人眼之间的距离，再通过微型透镜模组改变成像焦距，使图像能够成像于视网膜中央；通过调节电压，利用微型透镜模组中微粒的介电各向异性或者电亲润性，可变焦距透镜模块还能够作为光学透镜，辅助图像传感器对焦外界图像。
如图2、图3所示，在发明提供的第一个实施例中，该眼机接口依次由1为柔性镜片、2为设置于柔性镜片上的纳米像元阵列、3为设置于纳米像元阵列上的可变焦距透镜模块、4为眼动感知模块、5为生物传感模块、6为数据处理与传输模块、7为自供电模块。
在本实施例中，智能设备和眼机接口相连接后，智能设备将图像信息发送给纳米像元阵列，器件内部的纳米像元阵列在自供电模块的驱动下，内部载流子发生辐射复合发出不同波长的光实现了光输出，完成了电信号到光信号的转换，最终将光信号投影到人眼的视网膜中，实现了智能图像显示功能。
在本实施例中，柔性镜片的中心厚度为0.1mm；柔性镜片的眼镜直径为13.8mm；柔性镜片的材料为水凝胶，能够完美呈现本专利效果。
在本实施例中，纳米像元阵列为纳米发光二极管阵列，
在本实施例中，可变焦距透镜模块由激光测距模块和微型透镜模组组成。
在本实施例中，微型透镜模组由液晶微透镜阵列组成。
在本实施例中，眼动感知模块为压力传感器、倾角传感器、速度传感器的组合。
在本实施例中，生物传感模块是由生物体成分或生物体本身作为分子的识别元件。
在本实施例中，生物传感模块为微生物传感器。
在本实施例中，自供电模块由太阳能电池组成。
在本实施例中，自供电模块能量来源为太阳能。
如图2所示，为本实施例的眼机接口结构示意图。其眼机接口结构依次包括柔性镜片1、设置于柔性镜片上的纳米像元阵列2、设置于纳米像元阵列上的可变焦距透镜模块3、眼动感知模块4、生物传感模块5、数据处理与传输模块6、自供电模块7。当眼机接口与智能设备相连接时，智能设备将图像信息传输到设置于柔性镜片上的纳米像元阵列2，在自供电模块7的驱动下，内部载流子发生辐射复合发出不同波长的光，完成了电信号到光信号的转换，再将图像信息以光的形式投影到人眼的视网膜上，由此获取了图像信息；当纳米像元阵列2作为图像传感器时，利用光生伏特效应，吸收光子存储成电荷，完成了光信号到电信号的转换，捕获外界图像；当纳米像元阵列2作为近场镜头时，纳米像元阵列2作为探针阵列，利用消逝场和传输场的耦合和转换，实现对光信号的获取，由此获得了被检测物体的微观粒子以及表面形貌。
如图3所示，为本实施例眼机接口结构的横截面图。
本发明提供的眼机接口结构实现方案不限于以上第一种实施例。
如图4所示，比如在本发明实施例二提供的眼机接口结构当中：纳米像元阵列2环形排列，4个纳米像元阵列绕眼机接口中心均匀分布，使用4个纳米像元阵列的目的在于当眼球发生转动时，能够多方位、多角度的接收到投影的信息，防止因为漏光而导致的看不清图像现象；可变焦距透镜模块3以眼机接口为中心环形排列；眼动感知模块4、生物传感模块5、数据处理与传输模块6三个模块竖直等距地排布在镜片中央。
如图5所示，在本发明实施例三提供的眼机接口结构当中：环形纳米像元阵列2采用背光分区的方式，将纳米像元阵列分成多个区域分布在眼机接口的中心，并且每个区域都可以进行独立的控制，提高图像对比度，提升显示效果；眼动感知模块4、生物传感模块5、数据处理与传输模块6、自供电模块7围绕眼机接口中心环形分布，使眼机接口结构布局更加合理，防止各模块之间相互影响。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。同时，以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的可实时监测量子点色母粒光学性能的方法及测试系统，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种基于纳米像元阵列的眼机接口，其特征在于，包括：柔性镜片、设置于所述柔性镜片上的纳米像元阵列、以及设置于所述纳米像元阵列上的可变焦距透镜模块；所述纳米像元阵列同时作为显示器件，用于将所需显示的图像投影到人眼的视网膜，作为光电转换器件，用于外界图像的捕捉，以及作为近场显微镜头，用于生物大分子的检测；所述可变焦距透镜模块同时用于人眼视力的辅助调节，以及作为用于外界图像捕捉的光学透镜。
2.根据权利要求1所述的基于纳米像元阵列的眼机接口，其特征在于：所述纳米像元阵列为纳米发光二极管，Micro-LED、微型量子点发光二极管、微型有机发光二极管、微型激光二极管、发光三极管其中之一或其组合构成的显示阵列；所述可变焦距透镜模块包括激光测距模块和微型透镜模组。
3.根据权利要求2所述的基于纳米像元阵列的眼机接口，其特征在于：所述微型透镜模组采用液晶微透镜阵列、电亲润微型阵列、光学天线的其中之一或其组合。
4.根据权利要求1所述的基于纳米像元阵列的眼机接口，其特征在于：所述柔性镜片的材料采用甲基丙烯酸羟乙酯、聚甲基丙烯酸甲酯、水凝胶、硅水凝胶的其中之一或其组合。
5.根据权利要求1所述的基于纳米像元阵列的眼机接口，其特征在于：还包括设置于所述柔性镜片上的眼动感知模块、生物传感模块、数据处理与传输模块和自供电模块。
6.根据权利要求5所述的基于纳米像元阵列的眼机接口，其特征在于：所述眼动感知模块采用压力传感器、倾角传感器、速度传感器的其中之一或其组合；所述生物传感模块采用微生物传感器、细胞传感器、组织传感器、电化学生物传感器的其中之一或其组合；所述自供电模块采用纳米发电机，太阳能电池，无线充电模块的其中之一或其组合。
7.根据权利要求1所述的基于纳米像元阵列的眼机接口的工作方法，其特征在于：当所述纳米像元阵列作为显示器件时，外接的智能设备将所需显示的图像信息发送到纳米像元阵列进行投影；当所述纳米像元阵列作为图像传感器时，利用光生伏特效应，纳米像元阵列通过光强的变化感应出电荷的变化，通过检测电荷量还原捕捉的外界图像；当所述纳米像元阵列作为近场显微镜头时，当待观察物体放置在眼机接口前，由于物体具有一定的厚度产生了遮光性，纳米像元阵列通过扫描每一点光强的变化，以获得物体的微观形貌以及微观粒子。
8.根据权利要求2所述的基于纳米像元阵列的眼机接口的工作方法，其特征在于：所述可变焦距透镜模块通过激光测距模块，探测物体与眼球之间的距离，再通过调节电压控制分子的状态变化，改变微型透镜模组的成像焦距，以实现辅助人眼视力调节或用于作为纳米像元阵列捕捉外界图像时的光学透镜。
9.根据权利要求6所述的基于纳米像元阵列的眼机接口的工作方法，其特征在于：所述眼动感知模块和生物传感模块通过微型传感器检测眼球的转动变化与人体体液的化学成分，以获得表征人体的健康状况的相关参数。
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