CN115039013A

CN115039013A - 增强现实接触透镜及相应方法

Info

Publication number: CN115039013A
Application number: CN202180008028.8A
Authority: CN
Inventors: 让-路易·德布格勒内·德拉托那也; 文森特·努里特; 凯文·赫加蒂
Original assignee: Institut Mines Telecom IMT
Current assignee: Institut Mines Telecom IMT
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2021-01-21
Publication date: 2022-09-09
Also published as: WO2021148548A1; JP2023510222A; US11947118B2; KR20220126722A; US20230023682A1; FR3106419A1; EP4094117A1

Abstract

增强现实接触透镜(100)包括：‑透明体(102)，该透明体被设计成布置在一个眼睛(104)上；以及‑至少一个增强现实模块，该至少一个增强现实模块包括附接到透明体(102)上并且被设计成将光发射到透明体中的光源(114)，以及附接到透明体(102)上并且被设计成从光源(114)接收光并使光直接朝向眼睛(104)的光学元件(116)。光学元件(116)是被设计成将接收到的光以全息图像的形式衍射到眼睛(104)的全息图。

Description

增强现实接触透镜及相应方法

技术领域

本发明涉及用于增强现实的接触透镜及其方法。

背景技术

通过增强现实，我们理解了将代表文本、符号或绘图等的图像叠加到眼睛捕捉到的真实场景中的事实。增强现实是扩展现实(Extended Reality，XR)和混合/融合现实(Mixed/Merged Reality，MR)的基本原理。

作为增强现实装置的一个示例，被公布为US 8,786,675 B2的美国专利描述了一种增强现实接触透镜，该接触透镜包括：

-透明体，该透明体被设计成布置在眼睛上；

-光学光源，该光学光源附接到透明体上并且被设计成将光发射到透明体中；和

-光学元件，该光学元件附接到透明体上并且被设计成接收来自光源的光以及沿眼睛的方向发送光。在该文献中，光学光源包括像素矩阵。在一个特定的实施例中，接触透镜包括反射镜，该反射镜用于将光反射回作为会聚透镜的光学元件，使得像素矩阵的图像聚焦在眼睛的视网膜上。

该组件的缺点是实现起来相对复杂。该组件体积大，并且会出现光学对准问题，有可能掩盖用户对其所处环境的视觉。

被公布为JP2005311823的专利申请描述了一种接触透镜，其中，通过包括多条光线路和适于照明这些光线路的光源的光导来生成像素矩阵。通过电极局部地施加电场，以激活矩阵中的每一个像素，以便局部地改变光线路的折射率。接触透镜还包括被配置成将从像素矩阵发射的发光射线会聚在眼睛的瞳孔中心的全息图，以便实现麦克斯韦照明。

同样，该组件的缺点是实现起来相对复杂。该组件体积大，并且会出现光学对准问题，有可能掩盖用户对其所处环境的视觉。

因此，可能需要提供使得能够消除至少部分的上述问题和限制的用于增强现实的接触透镜。

发明内容

因此，提出了用于增强现实的接触透镜，该接触透镜包括：

-透明体，该透明体被设计成布置在眼睛上；

-光学元件，该光学元件附接到透明体上并且被设计成接收来自光源的光以及沿眼睛的方向发送光；

其特征在于，光学元件是一种全息图，全息图被设计成沿眼睛的方向将接收到的光衍射为全息图像。

因此，光源可以是非常简单的和紧凑的，因为光源不必像像素矩阵那样生成一种图像，而是简单地发射光。实际上，根据本发明，图像是由全息图生成的。特别地，这样的光源可以比像素矩阵更紧凑。

可选地，根据本发明的增强现实接触透镜还可包括单独的或组合的下列特征中的任一项或全部：

-光源为单色的和/或点状的；

-接触透镜还包括光导，光导被设计成将来自光源的光引导到全息图；

-光导包括透明衬底和反射材料层，反射材料层覆盖透明衬底的外表面；

-光源和全息图中的至少一个被布置在透明衬底内，以便部分或完全被透明衬底包围；

-接触透镜包括：附接到透明体上并且被设计成接收指令的无线电接收器；以及用于根据接收到的指令选择性地激活增强现实模块的模块；

-选择激活模块包括折射率改变装置，折射率改变装置被设计成改变光导的折射率，以便改变全息图的照明，从而使全息图停止提供全息图像；

-选择激活模块被设计成停用光源；以及

-接触透镜具有仅由透明体组成的中心区域。

还提出了增强现实方法，该增强现实方法包括：

-将接触透镜的透明体布置在眼睛上；

-从附接到透明体的光源向透明体中发射光；以及

-通过附接到透明体上的光学元件接收光并且穿过光学元件沿眼睛的方向发送光；

其特征在于，光学元件是全息图，并且沿眼睛的方向发送的光是由全息图以全息图像的形式衍射的光。

附图说明

借助仅通过示例方式并且参照附图给出的以下描述将更好地理解本发明，在附图中：

[图1]图1是根据本发明的增强现实接触透镜以及增强现实接触透镜布置在眼睛上的剖面图；

[图2]图2是图1的增强现实接触透镜的后视图，即当从眼睛观察该接触透镜时的增强现实接触透镜；

[图3]图3是与图1类似的视图，其中接触透镜的元件更加详细；

[图4]图4是用于控制前述附图中接触透镜的光源的电子模块的功能视图；

[图5]图5是描述根据本发明的实施例的增强现实方法的流程图；

[图6]图6是根据本发明的实施例的增强现实接触透镜的后视图；和

[图7]图7是当增强现实装置被封装在接触透镜的透明体中时，图1至图3或图6的接触透镜的剖面图。

具体实施方式

参照图1，现在将描述根据本发明的增强现实接触透镜100。

接触透镜100被设计成应用于眼睛104，眼睛具有在点O处相交的光轴线AO和视轴线AV。就其本身而言，眼睛104首先包括在与周围空气的界面处呈球形帽形式的角膜106。眼睛104还包括虹膜122，虹膜在其中心由被称为瞳孔123的圆形开口穿孔，光穿过瞳孔传播。虹膜122根据发光强度扩张或收缩。眼睛104还包括由透明柔性纤维盘形成的晶体118，以聚焦穿过瞳孔123接收到的入射光。交点O通常位于晶体118的中心。在晶体118之后，眼腔109的另一侧，眼睛104还包括由感觉细胞形成的视网膜110，感觉细胞包括用于白天视觉的锥状体和用于夜间视觉的棒状体。视网膜110在视轴线AV的延伸部分中具有被称为中央凹111的中心区域，在这里对细节的视觉是最精确的。因此，中央凹111相对于光轴线AO偏心了几度。视网膜110在中央凹111周围还具有与周边视觉相对应的被称为旁中央凹112的区域。如图1所示，角膜106，虹膜122的瞳孔和晶体118大致以光轴线AO为中心。

接触透镜100首先包括被设计成布置在眼睛104上的透明体102。

透明体102具有围绕中心轴线AC拱起的圆盘形状，该圆盘形状具有凹的背面1004和凸的正面1003。背面1004具有与角膜106互补的形状，以便在图1所示的接触透镜100的优选位置紧贴角膜106。在该优选位置，接触透镜100以光轴线AO为中心，使得透明体102的中心轴线AC大致与光轴线AO重合。

由于透明体102与角膜106接触，因此透明体由生物相容性材料制成，例如与硅氧烷水凝胶或甲基丙烯酸羟基乙酯(Hydroxy Ethyl Methacrylate，HEMA)基底或如C.Stephen，A.Musgrave和F.Fang在《Material(材料)》杂志2019年1月第14卷第261期上发表的题为“Contact Lens Materials:A Materials Science Perspective(接触透镜材料：材料科学视角)”的文章中描述的任何其他合适的材料。

接触透镜100还包括封装在接触透镜100的透明体102内的增强现实装置107。

参照图2，现在将更详细地描述增强现实装置107。

增强现实装置107具有例如平坦的冠形区域的一般形状，或替代地具有平坦的环形区域的一般形状，平坦的环形区域具有位于透明体102的中心轴线AC上的中心。增强现实装置107包括用于引导光的透明衬底105，如下文所述。透明衬底105包括例如液晶。

增强现实装置107还包括至少一个增强现实模块108。在图2所示的示例中，增强现实模块108的数量为8个，并且呈星形图案分布，使得每个增强现实模块108沿着星形的一个分支对齐。

增强现实装置107还包括增强现实模块108的控制模块10，控制模块10附接到透明衬底105。之后，将参照图5更详细地描述该控制模块10。

每个增强现实模块108被设计成，一旦接触透镜100在眼睛104上处于接触透镜的优选位置，就在视网膜110上生成叠加在眼睛104捕捉到的真实场景上的图像。在所描述的示例中，图像是警告标志，旨在出现在周边视觉中。因此，在所描述的示例中，优选地，图像在旁中央凹112上生成。此外，在所描述的示例中，每个增强现实模块108被设计成在视网膜110上提供不同的图像。因此，在该示例中，可以在旁中央凹112上显示多达八个不同的图像。

增强现实模块108彼此是相似的，因此现在将更详细地描述增强现实模块中的一个。

增强现实模块108首先包括光源114，光源附接到透明衬底105并且被设计成将光发射到透明衬底105中。

优选地，光源114是点状的，即，光源具有小于100μm的光输出，并且是单色的，即，例如，光源发射的光具有单波长发射峰，其半高宽度最多为100nm。该峰位于可见光中，大约400-750nm，并且优选地位于绿色或红色中：500-670nm。替代地，该峰在视网膜110的光感受器的灵敏度波长中，更具体地，在旁中央凹112的光感受器的灵敏度波长中(例如，对于棒状体为420nm，对于锥状体M为534nm)。

更优选地，光源114具有小于40°的发散。

例如，光源114包括激光器，并且更具体地包括至少一个被称为VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，垂直腔表面发射激光)的垂直腔表面发射激光二极管。实际上，有利地，该类型的光源具有减小的尺寸，因此与在现有技术的接触透镜中使用的像素矩阵相比，使得接触透镜100的厚度能够大幅减小。

增强现实模块108还包括全息图116，该全息图附接到透明衬底105上，并且被设计成接收来自光源114的光，以及沿眼睛104的方向发送光，更具体地，穿过瞳孔123朝向晶体118发送光。全息图116是一种衍射光学元件，通常由缩写DOE(Diffractive OpticalElement，衍射光学元件)来表示。因此，全息图116被设计成沿眼睛104的方向将接收到的光衍射为全息图像。该变换基于光学衍射现象，使得衍射光(全息图像)，例如，对应于要在视网膜110上成像的最终图像的菲涅耳变换或空间傅里叶变换。优选地，在全息图的设计中考虑了光穿过的组织。

因此，通常，全息图116被配置成生成期望的最终图像并且将期望的最终图像投射到眼睛的视网膜上。特别地，全息图的结构限定了该图像。如上所述，在一些实施例中，全息图可被配置成提供要投射到视网膜上的最终图像的空间傅立叶逆变换。在其他实施例中，全息图可被配置成实现附加光学功能，例如所需图像的菲涅耳变换。

实际上，全息图116包括，例如，恒定厚度的透明衬底的叶片，例如玻璃板，在叶片上或在叶片中是被配置成衍射入射波前以便生成全息图像的剖面微观结构或纳米结构。这些微观结构或纳米结构形成衍射图案。替代地，全息图116可以以反射镜的形式进行反射操作，而不是以透明的形式进行操作。

例如，当接触透镜100在眼睛104上处于接触透镜的优选位置时，通过在透明体102的表面上，在位于面向瞳孔123的一端部的区域中沉积厚度约1.2μm的光敏树脂层(例如S1813型)来获得全息图116。然后，在全息图116周围的区域完全曝光的情况下，将多级相位的相位轮廓光刻入树脂中。在显影步骤中，将全息图116刻入树脂层，去除全息图116周围的树脂。得到的全息图116具有，例如，约750nm的分辨率和约1000nm的雕刻深度。

为了不干扰眼睛104的中心视觉，优选地，接触透镜100具有仅由透明体102形成的中心区域120。当透明体以透明体的优选位置布置在眼睛104上时，该中心区域120位于光轴线AO上，瞳孔123的前面。由于该中心区域120，瞳孔123至少部分地清除了可能降低视觉的任何元素。

特别地，在所描述的示例中，各种增强现实模块108的全息图116被布置在围绕中心区域120的环形区域中。该全息图冠116的最大半径等于散瞳(瞳孔的最大开口，例如为8mm)并且全息图冠的最小半径使得瞳孔123的中心区域是自由的(例如为2mm)，这意味着瞳孔123可以在这两个值之间变化。因此，在所描述的示例中，每个全息图116具有至多6mm的径向尺寸。在瞳孔123等于全息冠的最小半径的情况下，不能在视网膜110上进行投射。否则，即使全息图116仅部分清晰，也将始终在视网膜上形成图像，因为在这种情况下，全息图116的图案的至少一部分的全息图像仍穿过瞳孔123，通过所述全息图的设计模式，这足以使得能够在视网膜110上出现最终图像，然而，反过来，视网膜110的照明水平降低。实际上，全息图116包括周期性图案，使得如果全息图的一部分被瞳孔123遮蔽，全息图116能够生成全息图像，该全息图像仍经由晶体118在视网膜110上成像，但与全息图116没有被瞳孔123部分遮蔽的情况相比，全息图像具有降低的强度，并且可能具有降低的分辨率。

参照图3，优选地，中心区域120围绕中心轴线AC具有至少3mm的直径d，以适当地清除瞳孔123。

为了防止由光源114发射的光的一部分在到达全息图116之前离开透明衬底105，接触透镜100还包括反射材料层124，该反射材料层124至少部分覆盖透明衬底102除中心区域120外的表面，以便不遮蔽眼睛104的中心视觉。因此，透明衬底105和反射材料层124形成光导，光导将来自光源114的光引导到相关联的全息图116。

在中心区域120的外部，反射材料层124不必在透明衬底105的整个剩余表面上延伸。例如，透明衬底105的边缘1001可没有任何反射材料层124。

例如，反射材料层124包括金。在这种情况下，有利地，可以通过光刻技术，例如“剥离”式，产生几纳米量级的非常薄的反射层。

替代地，反射材料层124包括铝或银，有利地，这使得能够增强反射材料层124的强度和反射率因子。

如图3所示，光源114和全息图116被布置在透明衬底105内，以便部分被透明衬底105包围并且与透明衬底齐平。替代地，光源和全息图中的一个或两个可以完全被透明衬底105包围。

参照图4，现在将更详细地描述控制模块10的实施例的示例。

控制模块10首先包括馈电源130，例如电池130。特别地，馈电源130被设计成馈电每个增强现实模块108的光源114。

控制模块10还包括用于对例如感应式电池132充电的装置。

控制模块10还包括被设计成接收指令C的无线电接收器Rx，例如Wi-Fi。

接触透镜100还包括用于基于接收到的指令C选择性地激活增强现实模块108的选择激活模块136。例如，选择激活模块136包括连接在电池130和光源114之间的开关1361。

参照图5，现在将描述增强现实方法500的示例。

具体地，该方法描述了增强现实模块108之一的使用，但是可以应用于增强现实模块108中的每一个。

在步骤E1期间，将接触透镜100布置在眼睛104上，使得透明体102，更准确地说，透明体的背面1004布置在角膜106上，处于如图1和图3所示的优选位置。

假设最初，增强现实模块108未被激活，因此增强现实模块不提供全息图像。

在步骤E2期间，选择激活模块136经由接收器Rx接收指令C，该指令指示增强现实模块108的激活。

在步骤E3期间，响应于指令C，选择激活模块136激活在指令C中指示的增强现实模块108以提供全息图像。在所描述的示例中，最初处于打开位置的开关1361闭合，使得馈电源130馈送光源114。

在步骤E4期间，现在被馈送的光源114发射光，光通过在反射材料层124之间的光学反射被引导到透明体102的内部。

在步骤E5期间，与该光源114相关联的全息图116接收被引导的光。

在步骤E7期间，全息图116衍射所接收到的光以形成沿眼睛104的方向发送的图像，更精确地，形成沿瞳孔123的方向发送的全息图像。

在图3中，发光射线被表示为虚线，以便以简化的方式具体化光的路径。实际上，由光源114发射多个发光射线，以便形成发光束。

在步骤E9期间，晶体118接收由全息图衍射的波，并且参与在视网膜110上最终图像(对应于该全息图像)的重建。

因此，虚拟对象的最终图像出现在视网膜110上，在视网膜上虚拟对象的最终图像叠加在由眼睛104捕获的真实场景上。在所描述的示例中，光学重建发生在旁中央凹112中，使得最终图像出现在眼睛104的周边视觉中。

具体地，虚拟对象的图像从中央凹111(或等效地，从光轴线AO)相对于点O投射约10°，以避免干扰中心视觉，这对应于从光轴线AO相对于点O的12°-15°。优选地，最终图像延伸至多2°的视场(约四个满月)，这对应于在视网膜110上约1.15mm的长度。在距离中央凹111如此距离的位置，与中央凹111相比，神经分辨率显著降低，因此在最终图像中的最小细节必须是至少48微米才能被感知。

在步骤E10期间，选择激活模块136经由接收器Rx接收指示增强现实模块108的停用的指令C。

在步骤E11期间，响应于指令C，选择激活模块136停用在指令C中指示的增强现实模块108，使得增强现实模块不再提供全息图像。在所描述的示例中，开关1361被打开，使得馈电源130不再馈送光源114并且光源停止发光。

参照图6，现在将描述根据本发明的替代实施例的接触透镜100’。

在增强现实模块的数量(四个而不是八个)上以及沿眼睛的方向发送的全息图被选择性地激活和停用的方式上，该实施例的变型本质上不同于上述先前的实施例。

根据该实施例，光源114连续发射光，并且对于每个全息图116，选择激活模块136包括折射率改变装置140，折射率改变装置被设计成通过例如透明衬底包含的液晶来改变透明衬底105的折射率。实际上，该液晶是一种双折射电光元件，其折射率由施加电场改变。一旦折射率被改变，引导条件(例如，偏转角)就被改变，使得全息图116不再被照明，以便提供全息图像。

例如，折射率改变装置140包括至少一对电极，所述一对电极被设计成至少在一个方向上产生改变折射率的电场。在所描述的示例中，这些电极由反射材料板124制成。具体地，反射材料124包括在透明衬底105的正面上的大环形区域124A和在透明衬底105的背面上的小环形区域124B。该小环形区域124B被分成彼此电隔离的并且连接到控制装置10’的四个部分142A、142B、144A、144B。每对相对的部分形成一对电极。

因此，在接收到指令C时，选择激活模块136被设计成在与指令C所涉及的增强现实模块108相关联的电极之间施加电压，以改变在电极之间延伸的透明衬底105的折射率。因此，增强现实模块108的全息图116不再被充分照明以提供全息图像。

参照图7，透明体102包括，例如，基座102A和盖102B，基座具有用于接收增强现实装置107或107’的壳体702，盖被设计成覆盖基座和增强现实装置107或107’(在壳体702中被接收的)。

根据前面的描述，可以很好地理解，当全息图被光源照明时，是全息图生成了全息图像。在这种情况下，光源提供不包括任何图像或图像信息的中性光(例如，均匀强度的光束)。因此，仅由光源照明的全息图能够沿眼睛的方向生成图像。与现有技术相比，不需要屏幕或像素矩阵。特别地，光源可以简单到单独用点状的光源来照明全息图。

显然，例如上述那些用于增强现实的接触透镜使得能够以紧凑的和简单的方式在眼睛的视网膜上将图像叠加到眼睛捕获的真实场景中。

还应注意，本发明不限于上述实施例。对于本领域技术人员来说，根据刚刚公开的教导，的确可以对上述实施例进行各种修改。

特别地，光源的性质和发射特性可以根据目标应用而调整。

此外，可以在光源114和全息图116之间布置光学元件，例如菲涅耳透镜，以便对光束进行成形以改善成像条件。

在本发明的前述详细说明中，所使用的术语不应被解释为将本发明限制为在本说明书中公开的实施例，而应被解释为包括本领域技术人员通过将其一般知识应用于刚刚公开的教导的实现所能达到的预期的所有等价物。

Claims

1.一种用于增强现实的接触透镜(100；100’)，所述接触透镜包括：

-透明体(102)，所述透明体被设计成布置在眼睛(104)上；

-至少一个增强现实模块(108)，所述至少一个增强现实模块包括：

ο光源(114)，所述光源附接到所述透明体(102)上并且被设计成将光发射到所述透明体(102)中；

ο光学元件(116)，所述光学元件附接到所述透明体上并且被设计成接收来自所述光源(114)的光以及沿眼睛(104)的方向发送光；

其特征在于，所述光源(114)适于发射由所述光学元件(116)接收到的不包括图像的光，并且所述光学元件(116)是一种全息图，所述全息图被设计成衍射接收到的光以便沿所述眼睛(104)的方向生成全息图像。

2.根据权利要求1所述的透镜，所述透镜包括多个所述增强现实模块(108)，每个模块(108)被设计成在视网膜(110)上提供不同的最终图像。

3.根据权利要求1或2所述的接触透镜(100；100’)，其中，所述光源(114)是单色的和/或点状的。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的接触透镜(100，100’)，所述接触透镜还包括光导(105，124)，所述光导被设计成将来自所述光源(114)的光引导到所述全息图(116)。

5.根据权利要求4所述的接触透镜(100；100’)，其中，所述光导包括透明衬底(105)和反射材料层(124)，所述反射材料层覆盖所述透明衬底(105)的外表面。

6.根据权利要求5所述的接触透镜(100；100’)，其中，所述光源(114)和所述全息图(116)中的至少一个布置在所述透明衬底(105)中，以便部分或完全被所述透明衬底(105)包围。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的接触透镜(100，100’)，所述接触透镜包括：

-无线电接收器(Rx)，所述无线电接收器附接到所述透明体(102)上并且被设计成接收指令(C)；和

-选择激活模块(136；136’)，所述选择激活模块用于根据接收到的指令(C)选择性地激活每个所述增强现实模块(108)。

8.根据与权利要求7合并的、权利要求4至6中任一项所述的接触透镜(100；100’)，其中，所述选择激活模块(136’)包括折射率改变装置(140)，所述折射率改变装置被设计成用于改变所述光导(105，124)的折射率，以改变所述全息图(116)的照明，使得所述全息图停止提供所述全息图像。

9.根据权利要求8所述的接触透镜(100；100’)，其中，所述选择激活模块(136)被设计成停用所述光源(114)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的接触透镜(100，100’)，所述接触透镜具有仅由所述透明体(102)组成的中心区域(120)。

11.一种增强现实方法(500)，所述增强现实方法包括：

-将接触透镜(100)的透明体(102)布置(E1)在眼睛(104)上；

-从附接到所述透明体(102)的光源(114)发射(E4)光到所述透明体(102)中；和

-通过附接到所述透明体(102)上的光学元件(116)接收(E5)光并且穿过所述光学元件(116)沿所述眼睛(104)的方向发送(E7)光；

其特征在于，由所述光源(114)发射并由所述光学元件(116)接收到的光不包括图像，并且所述光学元件(116)是一种全息图，所述全息图衍射接收到的光以便沿所述眼睛(104)的方向生成全息图像。