CN115699316A - 用于眼部应用的基于元光学件的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了基于元透镜的眼部成像、近眼显示和眼睛跟踪系统。所述系统可包含单个聚焦光学件和提供照明光且包含成像阵列的集成电路。所述聚焦光学件包含在衬底上形成的元原子。所述系统可不具有移动部件，并且实现接近或超过180度的成像或图像投影视场。由于所述系统的部件数少，因此所述系统可以是坚固的且具有极小形状因子。

Description

用于眼部应用的基于元光学件的系统和方法
相关申请交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2020年4月1日提交的标题为“用于眼部应用的基于平坦光学件的系统和方法(Flat Optics-Based Systems and Methods for OcularApplications)”的第63/003,782号美国申请的优先权权益，所述美国申请以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明是根据美国国防部高级研究计划局(DARPA)授予的授权号HR0011-1-72-0029在政府的支持下进行的。政府对本发明享有一定权利。
背景技术
广角光学成像和投影系统对于高性能、宽视场(FOV)成像和投影应用是理想的。广角光学系统的最早实例之一是Thomas Sutton在1858年发明的全景相机。这种全景相机包含单个充水球面透镜，所述透镜在覆盖有反应性乳液的曲面玻璃板上产生图像。由于曲面板的制造和处理很困难，所以这种方法很快就被放弃了。然后，全景摄影发展为使用平整检测器平面，同时依靠通常称为鱼眼透镜的复合透镜组件，以减少大视角下的光学像差。然而，这种多透镜架构增加了光学系统的尺寸、重量、组装复杂性和成本。
眼底相机已广泛用于视网膜摄影，用于诊断和监测视网膜疾病。这些相机用于对眼睛的较大内部区成像，并且因此受益于宽FOV光学。例如，眼底相机最好应能够对视网膜、巩膜或眼睛内部其它组织的较大区成像。对在单个照片中的较大区成像可能需要接近180度的FOV。
大多数常规的眼部成像方法，如全景相机，会使用复杂的透镜系统来获得宽FOV。眼底相机通常被设计成使用共享光学路径同时对视网膜进行照明和成像。这种光学系统很复杂，并且通常包含一系列物镜和聚光光学元件、分束器、反射镜、遮蔽罩、漫射器、偏振器、光源和光电检测器。最先进的眼底相机通常可分为三组：桌面眼底相机、小型手持式眼科相机和基于智能手机的眼科相机。与这些现有技术相关联的挑战涉及有限的FOV、复杂的照明/成像协同设计以及较差的信噪比。例如，三组中的每一组中的相机都具有叠加或复合透镜，并且组合照明和成像光学路径。迄今为止，高质量、宽FOV的视网膜成像仅由复杂而笨重的光学系统所构建的桌面眼底相机提供。这些相机很庞大，价格昂贵，并且必须在高端昂贵的临床环境下操作。
发明内容
描述了基于元透镜的紧凑、宽视场的眼部成像系统。元透镜可以是单个平坦光学成像元件，其可以在接近180度或更大的FOV内捕获图像，并将图像聚焦到基本平坦或弯曲的焦平面上。使用元透镜的眼部成像系统还可以使用眼睛的瞳孔作为成像系统的孔径光阑以获得高分辨率图像。此类眼部成像器的厚度可能不超过20mm，并且此类眼部成像器的输入与眼睛的距离介于1mm与100mm之间，以获得眼睛内部区的宽FOV、高质量图像。在一些情况下，它们还可以被配置成定位成与眼睛直接接触，或通过中间层接触，所述中间层例如接触透镜或定位在成像器与眼睛之间的浸没流体层。
此类成像系统还可以作为近眼显示系统反向操作。成像系统可以将宽场图像从焦平面投影到视网膜或附近的屏幕上以供用户查看(例如，用于增强现实(AR)或虚拟现实(VR))，而不是将图像接收到系统焦平面处的检测器阵列上。近眼显示系统的变体也可以用于眼睛跟踪应用。由于成像和近眼显示系统只能具有单个聚焦光学件并且不具有移动部件，因此成像器和显示系统可以是紧凑的、坚固的并且很轻，比常规系统更易于部署和使用。与传统的笨重光学系统相比，基于元透镜的系统可能具有前所未有的尺寸、重量、功率和成本(SWaP-C)优势。
一些实施方案涉及眼部成像系统，其包括具有第一表面的衬底，所述第一表面上形成有元透镜。元透镜包括具有第一多个元原子的成像区，其中元透镜将定位成距眼睛瞳孔40mm或100mm内，以对眼睛的内部部分成像。眼部成像系统可以进一步包含用于对眼睛内部照明的光源和位于元透镜的焦表面处的光电检测器阵列，以检测由成像区形成的眼睛内部部分的图像。
一些实施方案涉及操作眼部成像系统的方法。此类方法可包括以下动作：将来自光源的光导向眼睛；用元透镜的照明区对光进行准直、聚焦或图案化，所述照明区包括在衬底上形成的第一多个元原子；用元透镜的成像区聚焦从眼睛反射的光，所述成像区包括在衬底上形成的第二多个元原子；以及用光电检测器阵列检测聚焦的光。
一些实施方案涉及近眼显示系统，其包括具有第一表面的衬底，所述第一表面上形成有元透镜。元透镜包括多个元原子，其中元透镜将定位成距眼睛瞳孔40mm或100mm内。此类近眼显示系统可以进一步包含定位成距衬底10mm内的微发射器阵列或微显示器，以形成由元透镜直接投影到眼睛的视网膜上的图像，其中如围绕眼睛的内部所测量，图像覆盖70度与200度之间的视场。
一些实施方案涉及眼睛跟踪系统，其包括用于产生照明光的发射器和距发射器10mm内并且距眼睛40mm内或100mm内的第一元透镜。第一元透镜可包含第一多个元原子，所述第一多个元原子在第一衬底的表面上形成并且被布置成将照明光的图案投影到眼睛上。眼睛跟踪系统可以进一步包含定位成距眼睛瞳孔40mm内或100mm内的第二元透镜。第二元透镜可包含被布置成对由图案照明的眼睛的区成像的第二多个元原子和具有多个光电检测器以记录眼睛的区的图像的成像器。
前述概念和下文更详细论述的附加概念的所有组合(假设此类概念不会相互矛盾)为本文所公开的本发明主题的一部分。确切地说，本公开结尾出现的所要求主题的所有组合均为本文中所公开的本发明主题的一部分。还可能出现在通过引用并入的任何公开内容中的本文所使用的术语应被赋予与本文所公开的特定概念最一致的含义。
附图说明
本领域的技术人员将理解附图主要是用于说明性目的且并非意图对本文所述的发明主题的范围进行限制。附图未必按比例绘制；在一些情况下，本文公开的发明主题的各个方面可在附图中夸大或放大地示出以助于理解不同特征。在附图中，类似的参考标号通常指类似的特征(例如，功能上和/或结构上类似的元件)。
图1描绘了宽视场(WFOV)元透镜的正视图。
图2A示出了WFOV元透镜的圆柱状元原子的透视图。
图2B绘制了被设计用于940nm工作波长的WFOV元透镜的圆柱状元原子的透射率和相位。
图2C绘制了被设计用于680nm工作波长的WFOV元透镜的圆柱状元原子的相位。
图3是示出包含在元透镜的一部分中的元原子的扫描电子显微照片。
图4描绘了使用紧凑元透镜的眼部成像系统的实例。
图5A描绘了用于眼部成像系统的元透镜的实例。
图5B描绘了用于眼部成像系统的元透镜的另一实例。
图5C描绘了用于眼部成像系统的元透镜的另一实例。
图6描绘了使用紧凑元透镜和中继光学件的眼部成像或近眼显示系统的另一实例。
图7描绘了使用紧凑元透镜的近眼显示系统的实例。
图8A描绘了使用紧凑元透镜的眼睛跟踪系统的实例。
图8B描绘了使用紧凑元透镜的眼睛跟踪系统的另一实例。
图8C描绘了使用紧凑元透镜的眼睛跟踪系统的另一实例。
图9示出了可包含在操作眼部成像系统的方法中的动作。
具体实施方式
元透镜是一种紧凑的光学元件，具有在透明衬底上形成的微细加工结构(称为元原子)。元原子被设计并定位在衬底上，以赋予元透镜其期望的光学特性，光学工程师可以针对特定应用对所述光学特性进行定制。由于其尺寸较小、不具有移动部件、坚固耐用以及灵活定制的光学特性，元透镜可用于各种应用，例如但不限于增强现实(AR)、虚拟现实(VR)、平视显示、近眼显示、三维(3D)感测、全息摄影、LIDAR和傅里叶变换光学。与由传统光学部件制成的系统相比，基于元透镜的光学系统可以具有明显的尺寸、重量、性能和成本(SWaP-C)优势。如下文进一步描述，为宽FOV成像定制的元透镜可用于眼部成像和近眼显示。
图1描绘了单片集成在平坦透明衬底110上的元透镜100的实例。元透镜包含第一表面112上的孔径光阑130，以及包括在衬底110的第二表面114上形成的元原子的元表面120。对于所示实例，如附图中所描绘，元表面120的元原子被布置成将通过宽FOV接收的准直光聚焦到平整焦平面150上。集成电路180(例如，检测器阵列、发射器阵列和/或微显示器)可以放置在焦平面150处以用于图像采集或图像投影。此类元透镜可用于广角眼部成像、近眼显示和眼睛跟踪系统。特别地，广角眼部成像是期望的，因为它可以解决广泛的疾病，例如糖尿病视网膜病变、视网膜静脉闭塞、早产儿视网膜病变、视网膜脱离、脉络膜肿块、葡萄膜炎、视网膜血管炎等。
衬底110可以由在元透镜的工作波长下透射光的任何合适的材料制成。衬底110可以是刚性的、柔性的或可拉伸的，并且在两侧上可以是平坦的/平整的，如图1所示。在一些情况下，衬底的一个或两个表面可以是弯曲的(例如，凹面的或凸面的)。例如，衬底110可以具有球形、圆柱形或自由形式的透镜形状。在一些情况下，衬底110可以是扭曲的、曲面的或弯曲的，这取决于应用。合适的衬底材料包含但不限于氟化钙、卤化物晶体、蓝宝石和其它氧化物晶体、石英、二氧化硅、熔融二氧化硅、硫属化物晶体、玻璃(例如，氧化物、硫属化物以及其它类型的玻璃)、光学聚合物或半导体材料。衬底材料可以是透明的，并且在元透镜的工作波长下展现低损耗(例如，小于10％)。衬底110具有折射率nsub和厚度tsub。进入直径为Din的输入孔132的光束在不同入射角in下折射到背侧元表面120，所述背侧元表面的总直径为Dmeta。然后，光束由元表面的元原子聚焦到平整焦平面150上。
孔径光阑130可以形成为衬底110的第一表面112上的不透明材料(例如，吸收性或反射性金属或半导体材料)层134。在一个实例中，孔132可以是圆形的，其直径由下式给出：
Din＝Dmeta-2tsubtan[sin-1(1/nsub)] (1)
此直径可以在微米到毫米的范围内，其中数值孔径(NA)在0到1的范围内。如果元透镜浸没在油或其它高折射率材料中，则数值孔径可以更高(例如，1.5)。
在其它实施方案中，孔132可以是正方形、椭圆形、六边形、矩形或任何其它合适的形状。替代地，孔可包含被配置成在光谱、相位、振幅、偏振、等中的一者或多者中对输入光进行调制或编码的一个或多个子孔、子区、贴片或阵列。例如，孔132的至少一部分可以用过滤穿过孔132的光的元原子来图案化。如果需要，可以例如用高斯或超高斯切趾对孔径光阑130的边缘进行切趾，以减少可能由孔的突变(abrupt)边缘引起的有害边缘效应。
在一些眼部成像实施方案中，孔径光阑130和孔132可以不包含在衬底110上。相反，受试者的眼睛瞳孔或定位在眼睛附近的孔(例如，接触透镜上的人工孔)可以用作眼部成像或近眼投影光学系统的孔径光阑。在这种情况下，元透镜100可以被指定用于紧邻眼睛的位置(例如，距眼睛表面100mm内、40mm内、20mm内、10mm内或5mm内)。指定距离可以在元透镜上的指定位置(例如，其后元表面120)或其安装在组件上的位置(例如，组件上的标记)与眼睛的指定特征(例如，角膜、外表面或瞳孔)之间。在一些情况下，元透镜的工作距离可以在4mm与11mm之间，以维持大于60度的FOV。
在一些实施方案中，眼部成像系统可包含测距设备，以帮助用户将元透镜100定位成与眼睛相距正确距离。例如，集成电路180可包含一个或多个激光二极管，并且元透镜包含下文进一步描述的照明区，所述照明区将图案投影到眼睛上，所述图案可以由元透镜成像回焦平面150和集成电路180上。例如，可以处理图案的图像以确定元表面120与瞳孔之间的距离。
元表面120包含多个元原子(有时被称为惠更斯(Huygens)元原子、纳米天线或纳米结构)，其修改入射波前的振幅、相位和/或偏振。这些元原子可以具有亚波长特征尺寸(在竖直和/或横向维度上)，其中参考波长是元透镜的设计工作波长。元原子的厚度可以是0.01波长到100波长。在衬底的元表面120上可以形成一种或多种类型的元原子。例如，元原子可以具有以下形状中的一个或多个：正方形、矩形、条形、梁形、圆柱形或椭圆形(柱或圆盘)、环形、十字形(+)、X形(x)、V形、H形、L形或自由形状。形状不受限制，并且可以使用其它形状。
元原子的类型可以分为三组：共振结构、竖直波导结构和基于几何相位的结构。这三组中的每一组中可存在多于一种尺寸和形状的元原子。在一些情况下，可以在两组或更多组中使用相同的元原子形状。共振结构包含惠更斯元原子，并且可以具有一个或多个维度，所述维度是设计工作波长的半波长的整数除以制造元原子的材料的折射率。因此，工作波可以在这些结构中共振。竖直波导结构可以形成工作波长的竖直波导。基于相位的结构可以被设计成向穿过包含元原子的每个晶胞或穿过包含邻近相同晶胞的元表面120的一部分的TE和/或TM波赋予所需相移。可以使用一种类型的元原子或者两种或三种类型的元原子的组合来形成元表面。
元原子可以按小于或等于元透镜100的工作波长的间距排列在晶格上。晶格可以具有任何合适的结构(例如，正方形、矩形或六边形)。例如，晶格可以是周期性的、半周期性的、非周期性的或随机间隔的，其中晶格间距由邻近元原子之间的中心距离限定。可以选择元原子的形状、尺寸和布局，使得元表面的光谱响应不随入射角变化。可以对元原子进行整形和定位，以在整个元表面120上提供所需的相位轮廓。在一些情况下，第一表面112可以另外在其上图案化元原子，以进一步控制元透镜100的光学特性。元透镜设计、制造和操作的其它细节可见于2020年6月8日提交的标题为“超宽视场平面光学件(Ultra-Wide Field-of-View Flat Optics)”的第16/894,945号美国专利申请中，所述申请以全文引用的方式并入本文中。
图2A示出了圆柱状元原子210的透视图。取决于其尺寸和使用的材料，圆柱状元原子可以用作共振元原子、竖直波导元原子或基于几何相位的元原子。元原子210具有从衬底110的表面延伸的高度H和直径D。对于图2B和图2C的所示实例和图形，元原子210由非晶硅形成，并且衬底110由蓝宝石形成。元原子210位于正方形晶胞中，并且正方形晶格中可以存在并列分布在衬底110的表面上的数千到数百万个此类晶胞。元原子210的直径D和/或高度H可以在表面上的晶胞之间变化，以获得衬底110的表面上的所需空间相位特性。
作为一个实例，在680nm的工作波长下用于眼部成像的金属透镜可以具有元表面120，其具有在元表面120上分布的有八种不同直径的圆柱状元原子210。元原子的高度H可以是相同的(例如，800nm)。晶胞可以是正方形的，并且每侧测得为320nm。表1列出了元原子210的八种直径。
元原子编号 1 2 3 4 5 6 7 8
D(nm) 90 100 112 120 150 156 166 185
表1：元透镜的示例圆柱状元原子的直径。
图2B绘制了具有圆柱状元原子210的元表面120的晶胞的相位特性。元原子可以具有如表1所列出的直径。具有各种相位延迟的八个元原子可以覆盖大约360度的相位范围，步长为约45度。
图2C示出了可用于更长波长应用的不同元原子的透射率和相位特性。对于包含圆柱状元原子210的晶胞，透射率和相位被绘制随柱直径D而变化。柱由非晶硅形成，并且衬底110是蓝宝石。这些元原子被设计成用于工作波长为940nm的元透镜。约130nm到约230nm范围内的八种柱直径可以提供约360度范围内的各种相位延迟，步长为约45度，并且透射率高于90％。
可以将除硅以外的材料用于元原子。例如，可以将各种电介质、半导体或金属材料用于适合于微制造工艺的元原子。示例半导体材料包含但不限于碳化硅、磷化铟、氮化镓、砷化镓等。其它元原子材料包含氮化硅(SiNx)和二氧化钛(TiO2)。对于中红外波长，碲化铅(PbTe)可用作具有氟化钙(CaF2)衬底的元原子材料。元原子还可以直接蚀刻到例如硅衬底的衬底中。
在一些情况下，透镜的元表面120上可以存在不超过10种不同形状的元原子。然而，对于一些实施方案，可以使用更少或更多的形状。在一些情况下，透镜的元表面120上可以存在至少两种不同形状的元原子。在一些情况下，透镜的元表面120上可以存在多达100种或更多种不同形状的元原子。
图3描绘了被设计用于中IR成像应用的元透镜的元表面120的一部分。元原子300的阵列在衬底的表面114上图案化。元原子包含布置在正方形晶格上的矩形和H形结构(2.5微米间距)。在一些实施方案中，类似形状和/或尺寸的元原子可以位于衬底上的径向带内。例如，可以存在位于元表面的径向带内的直径相同的多个圆柱状元原子。可以存在多个不同的径向带，其包含在衬底上形成的不同形状。不同的径向带可以在元表面150的部分上延伸以限定元表面的期望相位特性。
通过对元表面120和孔径光阑130进行空间解耦，元透镜100可以在元表面120的不同但连续的部分上以不同入射角(AOI)捕获输入光束。这可以例如通过优化考虑多个AOI下的聚焦质量的优值来实现透镜的相位轮廓的局部裁剪。元表面相位轮廓可以被设计成使得来自输入孔上方的理想球面波前的根均方(RMS)波前误差始终小于0.0745波长。在这种低波前误差的情况下，元透镜100在极宽视场内可以具有超过80％的斯特列尔(Strehl)比(并实现接近衍射极限的性能)，对于平坦衬底110，所述视场可为120°、130°、140°、150°、160°、170°、175°、179°或接近180°。对于具有曲面、弯曲或扭曲衬底的元透镜，视场可为180°或更大。这种大FOV对于眼部成像器和近眼显示系统可能是有益的。
这种元透镜可以具有校正包含慧差、像散和场曲的一个或多个三阶赛德尔(Seidel)像差的元表面。用于眼部成像器或近眼显示系统的示例元透镜100可以具有直径介于5微米与5厘米之间的孔132。可以在元透镜100的元表面120上图案化数十万或数百万个元原子，并且于其上图案化元原子的区域的直径可以介于100um与50mm之间。元透镜的厚度可以在膜的50微米与50mm之间，并且元表面的焦距可以在0.1mm与50mm之间。
图4描绘了使用紧凑元透镜410的眼部成像系统400的实例。眼部成像系统400可包含与集成电路480间隔开的元透镜410和孔径光阑(在所示实例中是眼睛的瞳孔)。元透镜410的元表面和集成电路480可以分开介于0.1mm与50mm之间的距离，并且可以一起安装在共同外壳内。所述外壳可包含调整机构，例如螺钉和/或压电定位器，用于调整元透镜410与集成电路480之间的平行度、距离、横向位置和旋转中的一者或多者。元透镜可以被设计为宽FOV的透镜，例如上文所描述的FOV介于70°与200°之间的透镜，以将视网膜的大部分的图像形成到平坦集成电路480上。眼部成像系统400可以被指定(或被设计)在距眼睛一定距离内使用(例如，透镜的元表面与被检查的受试者眼睛的瞳孔之间的距离为2mm和100mm)，使得眼睛的瞳孔充当成像系统的孔径光阑。与定位成更远离眼睛的元透镜相比，当定位成更靠近眼睛时，元透镜的直径可以减小。例如，当定位成靠近眼睛时，元表面120上包含用于宽FOV成像的元原子的区域的直径可以在5mm与15mm之间。
在一些实施方案中，可以形成支撑元透镜410和集成电路480的外壳，以接触受试者的前额和/或颧骨，从而保持元透镜与受试者的眼睛和瞳孔相距适当距离。因为眼部成像系统400可仅包含元透镜410和集成电路480，所以支撑这些元件的外壳的厚度可以不超过20mm，并且在一些情况下可以测得为不超过60mm，或在一些实施方案中在一侧测得为不超过100mm。在一些情况下，眼部成像系统400的体积可以不大于60cm3，或在一些实施方案中不超过100cm3。
集成电路480可包含成像区486和一个或多个照明区482，它们可以形成在同一衬底上和/或位于同一平面上。成像区486可以包含光电检测器阵列(例如，CCD或CMOS成像阵列)以及读出电路。对于低光级，光电检测器可包括雪崩光电二极管。光电检测器和读出电路用于获取视网膜或其它组织的由元透镜410形成的电子图像。集成电路480可以连接到计算机或智能手机，使得可以存储和/或处理电子图像。照明区482可包含产生照明光束460的一个或多个发光装置(例如，发光二极管、垂直腔表面发射激光器、激光二极管等)。在一些实施方案中，照明区482可以是环形的并且包围成像区486。照明光束460可以指向眼睛，并且可以通过也可以不通过眼睛的瞳孔进入眼睛。例如，照明光束可以通过睫状肌或巩膜进入眼睛，并从此类组织散射，以对内眼的大部分以及其中的感兴趣组织进行照明。通过离轴并远离瞳孔将光引入眼睛中，可以减少来自通过瞳孔的界面的背反射，所述背反射会产生成像噪声和/或背景信号。
元透镜410可包含对应于成像区486的成像区416和对应于集成电路480的照明区482的一个或多个照明区412。成像区416和照明区412可包含在元透镜410的元表面上形成的多个元原子。在一些情况下，元原子在远离眼睛的元透镜后表面上形成。在其它情况下，元原子可以在最靠近眼睛的元透镜前表面上形成。在另外其它情况下，元原子可以在元透镜410的前表面和后表面上形成。
如上所述，在成像区416中形成的元原子可以将视网膜的宽FOV成像到集成电路480的平坦成像区486上。除了校正赛德尔像差之外，这些元原子还可以解释到视网膜的不同部分的物体距离的变化。在照明区412中形成的元原子可以被布置成将来自照明区482中的发射器的光准直或聚焦到眼睛上。因此，照明区412中的元原子的图案和功能可以与成像区416中的元原子的图案和功能不同。
在操作中，从照明区482中的发射器发射的光由照明区412耦合，以对视网膜或眼睛中的其它感兴趣组织进行照明。由视网膜或其它组织反射的光由成像区416耦合到成像区486上，以在宽FOV内生成视网膜或其它组织的图像。在一个实例中，来自照明区482的照明光束460由元透镜410的至少一个照明区412耦合，以用规定图案(例如，环形图案)对瞳孔、眼睑、巩膜和/或睫状体扁平部(pars-planar)进行照明，从而直接或漫射地对视网膜进行照明。这种照明可以产生大的、均匀照明的视网膜区，并展现出从角膜到成像光学路径中的背反射减少。眼睛的瞳孔充当元透镜和光学系统的孔径光阑，以在宽FOV内实现高分辨率图像。
尽管发射器、光电检测器、照明区412和成像区416在图4的所示实例中被隔离在其相应的衬底上，但在其它实施方案中它们可能不会被隔离。例如，照明区412和成像区416可以重叠，以在元透镜410的同一区域中实现多重功能。这是可能的，因为在透镜的元表面上整形和布置元原子提供了灵活的设计。在重叠配置中，发射器可以与光电检测器位于(例如，散布于)集成电路480的同一区域内。
此外，光学滤波可以用透镜元表面上的元原子来实现。光学滤波器可用于允许通过或拒绝所需波长范围。元原子可以被设计成提供此类额外功能。例如，硅纳米柱可以被设计成阻挡波长短于大约650nm的光，同时通过更长的波长以进行成像。
图4的眼部成像系统400可以展现优于常规眼部成像系统的数种改善。眼部成像系统400可以展现改善的单次FOV，其值介于70°与200°之间。更大的FOV可以用弯曲衬底或如下所述的其它光学布置来实现。这些FOV值以眼睛角度(即，测量为围绕眼睛内部的球面角)而不是外部入射角来表示。与通常实现至多约60°的单次FOV的常规眼底相机相比，这种大FOV是一种显著的改善。常规的眼底相机受到笨重的光学透镜系统的接受角度的限制，所述光学透镜系统校正角度引起的像差以及眼睛瞳孔与笨重的透镜系统的入口孔之间不可避免的距离。尽管具有移动部件(扫描镜)的一些常规眼底相机可以实现非常高的FOV，但这些相机机械复杂、昂贵，并且需要临床环境下的熟练操作员。
眼部成像系统400可以展现改善的照明和成像共同组件。例如并且如图4所见，用于元透镜410的相同衬底可用于形成内眼的图像，并用于对照明光整形并导入眼中。另外，用于成像的光电检测器和用于照明的发射器可以安装在同一平面和/或衬底上或安装在平行平面上。相比之下，常规眼底相机的照明和成像路径通常涉及形成用于对视网膜进行照明和成像的共同光学路径的复杂而笨重的光学系统。一些传统的眼底相机通过围绕瞳孔的外围区生成环形图案而直接穿过瞳孔进行照明(即，跨瞳孔照明)，以最小化背反射。这种设计通常很复杂，FOV有限，并且照明均匀性较差。此外，经常需要瞳孔扩张。已经提出了用于宽FOV眼底成像跨巩膜、跨眼睑和跨睫状体扁平部的照明方法，而无需瞳孔扩张。然而，在此类常规方法中，外部光源(例如，LED或光纤耦合源)紧邻眼睛以对视网膜进行照明。此类分开组装的照明单元有时与眼睑直接接触，要求精确对准，并且对装置小型化提出挑战。
与常规系统相比，眼部成像系统400可以进一步展现改善的信噪比。如果沿着穿过瞳孔的成像路径引入照明光(如大多数常规眼底相机所做的那样)，则通过将光引入穿过除瞳孔以外的眼睛区(如图4中所描绘)对视网膜进行离轴照明可以减少原本因从多个光学表面反射而产生的眩光(噪声)。这种眩光减少有利于改善信噪比，因为所需信号是照明光从视网膜或其它感兴趣组织的弱反射。
眼部成像系统400的另一个优点是，系统的元透镜可被容易地设计成在单个波长、多个波长或宽波长范围内工作。集成电路480中可以包含一个或多个发光装置以在所要工作波长下发射光。一旦工作波长已知，就执行数值计算，以设计透镜元表面上的元表面的形状和布置，从而实现所需的成像和照明功能。工作波长可包含可见光到IR波长。例如，可见光波长可用于近眼显示。可见光、近IR和更长波长的IR中的一者或多者可以用于眼部成像。
由于其尺寸小且部件数少，在一些情况下，元透镜410和/或集成电路480在使用期间可以更换。作为一个实例，轮上可以存在被设计成在不同波长下工作的多个元透镜410和/或集成电路480。可以将第一所选对或集成电路480旋转到适当位置以在第一波长或波长范围下获得第一眼部图像。例如，第一波长可以被设计成优选地对血管进行成像。然后，可以将第二对或集成电路480旋转到适当位置，以在第二波长或波长范围下获得第二眼部图像。例如，第二波长可以被设计成优选地对视网膜组织进行成像。在一些情况下，可旋转部件可能不是必要的。相反，单个元透镜410可以被设计成为所有感兴趣波长提供足够的成像，并且不同的发射器可以包含在同一集成电路480上。在这种情况下，不同发射器可以按顺序循环打开和关闭以用一系列不同波长对眼睛进行照明。
其它元透镜结构和眼部成像系统也是可能的。图5A、图5B和图5C描绘了具有不同元透镜设计的数个眼部成像系统500、502、504的光线跟踪结果。对于每种设计，元透镜包括蓝宝石衬底。元原子由硅形成，并且全部整形为各种直径的圆柱形纳米柱540，其实例描绘于图5A的插图中。柱之间存在亚波长间隔。在这些设计中，眼睛的瞳孔用作眼部成像系统的孔径光阑，以在宽FOV内实现高分辨率图像。光线跟踪模型假设瞳孔直径为4mm，并且角膜与元透镜的前表面之间的分离距离为4mm。在元透镜设计不同的一些情况下，分离距离可以介于2mm与100mm之间。元原子540在元透镜的后表面上图案化，并且以显著减少的像差在宽FOV内将视网膜成像到焦表面550、552上。元透镜被设计成具有介于0.5与10之间的有效f数，但其它值可以利用不同的元透镜设计来容易地实现。在单个聚焦光学元件的情况下，眼部成像系统(不包含瞳孔)的总厚度可以介于5mm与50mm之间。
在图5A中，元透镜510具有平整后表面，硅纳米柱540在所述后表面上图案化。这些元原子将入射光线聚焦到平坦焦平面550上，其中集成电路可位于所述焦平面上。如图所示，元透镜510的前表面可以是弯曲的(例如，球形凹面)。利用不同的元原子布置，元透镜510的前表面可以是平坦的，如图4中所描绘。所示元透镜的FOV超过180°，如围绕眼睛的内部测量。
图5B示出了元透镜512包括弯曲衬底的另一实施方案。当衬底平坦时，可以在衬底的后表面上形成元原子，随后可以使衬底变形(例如，在真空下抽吸或者加热并变形为球形壳)。元原子被布置成将光线聚焦到平坦焦平面550上。所示元透镜的FOV超过180°。
图5C示出了元透镜514包括弯曲衬底的另一实施方案。元原子可以在衬底的后表面上形成，并且被布置成将光线聚焦到弯曲焦表面552上。所示元透镜的眼睛角度FOV超过180°。对于此类实施方案，集成电路可以形成在平坦且柔性的衬底上，所述衬底随后变形为球形形状。
通过在元透镜上包含至少一个弯曲表面和/或聚焦到如图5A到图5C中所描绘的弯曲焦平面，FOV可以相对于图4所示的实施方案的FOV显著增加(例如，至少30°)。潜在地，整个视网膜可以用这种眼部成像系统单次成像，这对于常规眼部成像系统是不可能的。引入弯曲表面可以促进其它3D成像、感测或照明功能。利用元透镜灵活地设计波前整形的能力允许对元透镜衬底和/或焦平面进行几何修改，这可以与系统的光学功能分离。此类几何修改可以显著改善大角度下的光捕获，促进系统集成，并允许为人体形状定制的人体工程学设计，用于例如眼部成像器、可穿戴医疗装置、头戴式显示器等应用。在一些情况下，基于共形光学元透镜的系统可以例如通过集成到接触透镜中而放置成与眼睛接触。另外，元透镜的两个衬底表面可以用元原子图案化以进一步增强波前控制。
图6描绘了在眼睛与元透镜610之间使用中继光学件620的眼部成像系统600或近眼显示系统的另一实施方案。当使用中继光学件620时，元透镜610可包含孔径光阑和衬底前表面上的孔，如图1中所描绘。中继光学件可以将眼睛瞳孔的图像中继到元透镜的输入孔上，使得瞳孔与元透镜之间的分离不会限制眼部成像系统的FOV。中继光学件620可以是大的球形、椭圆形或抛物面反射器或大的透镜。将瞳孔中继到元透镜的输入孔上允许将元透镜孔上的入射角增大到近±90°，从而利用元透镜610的全FOV。中继光学件620的一个实施方案可以是椭圆形反射器，其中眼睛瞳孔和元透镜输入孔定位在反射器的两个焦点处，使得从第一焦点附近的一个点发射的光会聚到第二焦点附近的点。中继光学件620的另一实施方案是自由形式反射器。中继光学件620的又一实施方案是元表面、衍射光学元件、全息光学元件，其被设计成例如在眼睛瞳孔与元透镜的输入孔之间产生恒定的光学路径长度。中继光学件620的又一实施方案是在弯曲表面上形成的元表面，例如反射元表面。具有光电检测器和发光装置的集成电路480可以位于元透镜610的焦平面150处以用于照明和图像采集。
使用中继光学件620可以允许元透镜610定位成比先前实施例更远离眼睛，例如多达200mm。然而，眼睛与元透镜610之间的有效光学路径距离越大，可能需要的中继光学件直径就越大。例如，在200mm距离处，中继光学件的直径可以介于100mm与200mm之间。
上文所描述的眼部成像系统可以反向使用以将图像近眼投影到视网膜上。例如，图像传感器(光电检测器)可以由光发射器阵列或微显示器780替换或增强，如图7的近眼显示系统700中所描绘。发射器阵列或微显示器780可以用于形成由元透镜710在宽FOV(例如，70°与200°之间)内投影到视网膜上以供用户查看的图像。发射器阵列或微显示器780可以定位成距元透镜710 10mm内，所述元透镜可以定位成据瞳孔40mm内或100mm内。图7描绘了从图像的三个点源进行的发射以简化图式，但实际上，发射可以从部分或全部的发射器阵列或微显示器780上扩展且连续的图像进行。在一些情况下，弯曲和/或共形光学系统(例如图5C中所描绘)可以被配置成用于近眼显示并(例如，通过集成到接触透镜中)放置成与眼睛接触。可以为每只眼睛提供一个或多个近眼显示系统700以用于立体和/或3D显示。
作为将图像直接投影到视网膜上的补充或替代，可以包含中继和/或组合器光学件，以将从元透镜发射的光重定向到眼睛，类似于结合图6描述的眼部成像系统。组合器可以将投影的图像与其它光束组合。例如，在AR系统中的透视配置中，投影的图像可以与用户通常看到的外部世界的场景组合。中继和/或组合器光学件可以呈元光学件、衍射光学元件、全息光学元件、分束器、折射或反射光学件、波导光学件等形式。
在近眼显示系统中，宽FOV元透镜可以容易地实现向眼睛发射的高级光操纵，具有高质量的光束整形、准直、聚焦、调向和高角度分辨率的图像/图案投影。这种功能以及无像差成像对于视网膜照明/成像以外的各种应用，例如AR/VR，都是理想的。上文所描述的基于元透镜的成像和近眼显示系统(以及下文所描述的眼睛跟踪系统)与最先进的微LED发射器阵列、微显示器和图像传感器阵列(目前可用的间距小于3微米)的集成完全兼容。此类近眼显示系统可以具有与上文所描述的眼部成像系统相同的形状因子、功率和成本优势。因此，使用元透镜的AR和VR系统可以小而轻，并且为了方便用户和提高真实感，可以展现极大的FOV。
基于元透镜的光学系统也可以用于眼睛跟踪应用。眼睛跟踪技术可用于例如人机交互、认知科学、市场研究、AR/VR、人为因素、人体工程学、心理语言学、神经诊断等应用。眼睛跟踪技术可用于可依赖眼睛移动来实现用户交互的头戴式显示器。
眼睛跟踪系统测量眼睛的凝视点、定向和/或位置。基于视频的光学眼睛跟踪系统通常包含用一个或多个光束(通常在近IR内)对眼睛照明的光源或图案投影仪，以及对眼睛和反射光束或光束图案成像的成像器。通过分析捕获的图像和/或反射的光信号，可以提取关于眼睛的凝视点、定向和/或位置的信息。例如，角膜反射和瞳孔中心可用作确定眼睛的凝视点、定向和/或位置的特征。来自不同眼组织的反射也可以用作跟踪的特征，例如角膜前部和晶状体后部。眼睛内部的特征(例如，视网膜血管)也可用于更精确的眼睛跟踪，这可能需要更复杂的成像配置。下文所描述的眼睛跟踪实施方案非常适合穿戴式或头戴式装置，并且可以与上文所描述的近眼显示系统组合。使用基于元透镜的平台将近眼显示和眼睛跟踪功能组合可以实现超紧凑的AR/VR系统，其具有坚固、低复杂性、薄而轻的设备，不具有移动部件。
图8A描绘了包含两个元透镜810、812的眼睛跟踪系统800。眼睛跟踪系统800还包含发射器820和成像器830。元透镜810、812、发射器820和成像器830可以安装在框架或衬底802上，所述框架或衬底可以是例如定位在用户眼睛前方的眼镜框架、透明透镜、屏幕或面罩。元透镜810、812可以定向到同一平面或平行平面。发射器820可包含朝向第一元透镜810发射光(例如，近红外光)的一个或多个发光装置。第一元透镜可以形成投影到眼睛上的一个或多个光束。一个或多个光束可以对角膜、眼底、视网膜血管、瞳孔等中的一者或多者照明。
第二元透镜812可以布置在眼睛的相对前侧上，并且被设计成将从眼睛反射的光成像到成像器830上。元原子在第二元透镜上的布置可以不同于元原子在第一元透镜810上的布置。成像器可包含用于记录眼睛的电子图像的光电检测器阵列。成像器830可以与处理器(例如，微控制器、数字信号处理器、微处理器或其某一组合)通信，使得可以处理记录的眼睛图像，以跟踪眼睛移动并确定眼睛的凝视点、定向和/或位置。
图8B描绘了眼睛跟踪系统802的实例，其中照明和成像的功能组合到相同衬底上(类似于上文针对图4的眼部成像器所描述的功能)。例如，两个元透镜840可以在其元表面上具有相同的元原子布置。每个元透镜可包含照明区842和成像区846。类似地，每个集成电路850可包含具有发光装置的发射器区和具有光电检测器的成像区。每个集成电路850和元透镜840可以部分地将一个或多个光束投影到眼睛上，并且每个集成电路850和元透镜840可以部分地成像从眼睛反射的光以跟踪眼睛移动。与图4的成像器一样，在其它实施方案中，照明和成像的功能可以在元透镜840和集成电路850上空间重叠。
图8A和图8B的眼睛跟踪光学系统可以布置在弯曲表面上，如图8C的实例中所描绘。例如，第一元透镜810、第二元透镜812、发射器820和成像器830可以安装在两个分开的模块中，所述模块可以与球形表面870相切地定向。弯曲表面配置可以改善大角度下的光捕获，可以促进系统集成，并允许为人体形状定制人体工程学设计，用于例如穿戴式和头戴式装置等应用。在一些情况下，弯曲和/或共形眼睛跟踪系统的至少一部分可以例如通过集成到接触透镜中而放置成与眼睛接触。例如，发射器820及其元透镜可以集成到接触透镜中，并且成像器830及其元透镜可以安装在眼睛外部。替代地，成像器及其透镜可以集成到接触透镜中，且发射器及其透镜可以在眼睛外部。
对于上文所描述的眼睛跟踪系统和显示系统，可以用元原子对元透镜的元表面进行编码，以为不同的光操纵任务分配不同的区。替代地，可以对元表面进行编码，以在元透镜的共享区上将不同的功能区和光操纵任务复合在一起。光发射器可以与元透镜的照明区耦合，以在感兴趣组织上生成二维或三维光斑阵列和/或照明图案。在一些情况下，单个光发射器可以与照明区(例如，设计为全息照片或光斑发生器的元表面)耦合以生成2D/3D光斑阵列和/或照明图案。由组织反射的光由成像区耦合到光电检测器上以生成电子图像。眼睛跟踪系统的元透镜可以定位成距眼睛瞳孔40mm内或100mm内，并且定位成距发射器或成像器10mm内。
对于一些实施方案，整个元表面可以被设计成在不同组织或三维空间中的不同位置上生成多个光斑阵列和/或照明图案并对其进行成像，并且分别跟踪它们。成像元透镜可以被设计成在不同深度下或从不同组织捕获图像。例如，元表面还可以被设计成从不同角度对物体进行照明和成像以生成立体成像的3D图像。另外，元表面可以被设计成提供波长过滤功能。例如，非晶Si纳米柱可以被设计成阻挡波长短于大约650nm的光，同时通过更长的波长。
基于元透镜的成像器、近眼显示器和眼睛跟踪器的小形状因子可以允许多个投影和成像子模块/子区集成在眼部装置中的不同位置，如图8A、图8B和图8C的示例系统所做的那样。多个模块可用于立体和/或3D成像和投影。每只眼睛可以使用两个或更多个模块。如上文所描述，每个模块可包含用于图案投影和成像功能的多个区。
使用常规的微制造技术可以相对简单地建造上文所描述的宽FOV元透镜。制造方法可包含图案化抗蚀剂和执行剥离或蚀刻工艺步骤。示例制造方法在2020年6月8日提交的标题为“超宽视场平坦光学件(Ultra-Wide Field-of-View Flat Optics)”的第16/894,945号美国专利申请中描述，其制造描述以引用的方式并入本文中。元透镜可以被设计成在宽波长范围(例如，从紫外到微波频率，带宽可达一个倍频程)下工作，这取决于元原子以及衬底和元原子材料的所选设计和布置。
操作基于元透镜的眼部成像、近眼显示或眼睛跟踪系统的方法对于上文所描述的实施例是可能的。图9描绘了例如在操作眼部成像系统时可以执行的动作。此方法900可包含以下动作：将来自发光装置的光导向(动作910)眼睛，以及用一个或多个元透镜的一个或多个照明区对光进行操作(动作920)。对光进行操作可包括用一个或多个照明区对光进行准直、聚焦或图案化(例如，形成光斑图案或形成图像)。方法900可以进一步包含用一个或多个元透镜的一个或多个成像区对从眼组织反射的光进行操作(动作930)。对反射光进行操作可包括将光聚焦到位于元透镜后方的一个或多个集成电路的传感器(例如，光电检测器)上。然后，传感器可用于记录(动作940)图像。方法900可以进一步包含处理记录的图像，以检测眼睛的物理状况或检测眼睛的移动(例如，执行眼睛跟踪)。
包含如下文所阐述的基于元透镜的眼部成像设备的各种配置和操作成像设备的方法。
(1)一种眼部成像系统，其包括：衬底，其上形成有第一元表面，所述元表面包括具有第一多个元原子的成像区，其中所述元表面将定位成距眼睛的瞳孔100mm内以对所述眼睛的内部部分成像；光源，其用于对所述眼睛的内部照明；以及光电检测器阵列，其位于所述元表面的焦表面处，用于检测由所述成像区形成的所述眼睛的所述内部部分的图像。
(2)根据配置(1)所述的眼部成像系统，其中所述眼睛的所述瞳孔充当所述眼部成像系统的孔径光阑以获得高分辨率图像。
(3)根据配置(1)或(2)所述的眼部成像系统，其进一步包括所述衬底上由第二多个元原子形成的照明区，所述第二多个元原子被布置成将来自所述光源的光准直、聚焦或图案化到所述眼睛上。
(4)根据配置(1)至(3)中任一项所述的眼部成像系统，其中所述光源包括邻近于所述光电检测器阵列的一个或多个发光二极管。
(5)根据配置(4)所述的眼部成像系统，其中所述眼部成像系统的总厚度不大于20mm。
(6)根据配置(4)或(5)所述的眼部成像系统，其中所述眼部成像系统的总体积不大于100cm3。
(7)根据配置(1)至(6)中任一项所述的眼部成像系统，其中所述衬底包括蓝宝石、二氧化硅、氟化钙或聚合物。
(8)根据配置(7)所述的眼部成像系统，其中所述第一多个元原子由电介质、半导体或金属材料形成。
(9)根据配置(1)至(8)中任一项所述的眼部成像系统，其中所述第一多个元原子包括在所述衬底上重复的至少两种不同形状或尺寸的元原子。
(10)根据配置(1)至(9)中任一项所述的眼部成像系统，其中所述衬底具有至少一个弯曲表面。
(11)根据配置(10)所述的眼部成像系统，其中所述焦表面是弯曲的。
(12)根据配置(1)至(11)中任一项所述的眼部成像系统，其进一步包括：孔径光阑，其在所述衬底的第二表面上形成；以及中继光学件，其用于将所述眼睛的所述瞳孔的图像中继到由所述孔径光阑形成的孔上。
以下方法可用于操作以上配置和以下配置中的一个或多个的眼部成像系统。
(13)一种操作眼部成像系统的方法，所述方法包括：将来自光源的光导向眼睛；用元表面的照明区对所述光进行准直、聚焦或图案化，所述照明区包括在衬底上形成的第一多个元原子；用所述元表面的成像区聚焦从所述眼睛反射的光，所述成像区包括在所述衬底上形成的第二多个元原子；以及用光电检测器阵列检测聚焦的光。
(14)根据(13)所述的方法，其进一步包括使用所述眼睛的所述瞳孔作为所述眼部成像系统的孔径光阑。
(15)根据(13)或(14)所述的方法，其进一步包括形成所述眼睛的视网膜的图像，所述图像具有介于70度与200度之间的视场，如围绕所述眼睛的内部测量。
以下配置可包含来自以上配置(1)至(12)中任一项的一个或多个特征。
(16)一种近眼显示系统，其包括：衬底，其上形成有元表面，所述元表面包括多个元原子，其中所述元表面将定位成距眼睛的瞳孔100mm内；以及微发射器阵列或微显示器，其定位成距所述元表面10mm内以形成由所述元表面投影到所述眼睛的所述视网膜上的图像，其中所述图像覆盖70度与200度之间的视场，如围绕所述眼睛的内部测量。
(17)根据配置(16)所述的近眼显示系统，其中所述近眼显示系统利用所述瞳孔作为孔径光阑以获得高分辨率图像投影。
(18)根据配置(16)或(17)所述的近眼显示系统，其中所述衬底由蓝宝石形成，并且所述元原子由硅形成。
(19)一种眼睛跟踪系统，其包括：发射器，其用于产生照明光；第一元表面，其距所述发射器10mm内并且距眼睛的瞳孔40mm内或100mm内，所述第一元表面包含第一多个元原子，所述第一多个元原子在第一衬底的表面上形成并且被布置成将所述照明光的图案投影到所述眼睛上；第二元表面，其定位成距所述眼睛的瞳孔40mm内或100mm内，所述第二元表面包含被布置成对由所述图案照明的所述眼睛的区成像的第二多个元原子；以及成像器，其具有多个光电检测器以记录所述眼睛的所述区的图像。
(20)根据配置(19)所述的眼睛跟踪系统，其中所述第二元表面在与所述第一衬底分离的第二衬底的表面上形成，并且其中所述第一元表面和所述第二元表面处于同一平整表面中或处于平行平整表面中。
(21)根据配置(19)所述的眼睛跟踪系统，其中所述第二元表面在与所述第一衬底分离的第二衬底的表面上形成，并且其中所述第一元表面和所述第二元表面处于弯曲表面上。
(22)根据配置(19)至(21)中任一项所述的眼睛跟踪系统，其中所述第二元表面在所述第一衬底的所述表面上形成，并且其中所述发射器和所述成像器位于同一衬底上。
尽管已经在本文中描述和示出了各种发明实施方案，但是本领域普通技术人员将容易想到用于执行功能和/或获得结果和/或本文所述的一个或多个优点的多种其它装置和/或结构，并且此类变化和/或修改中的每个都被认为在本文所述的发明实施方案的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易理解，本文描述的所有参数、尺寸、材料和配置均是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于发明示教用于的一个或多个特定应用。本领域的技术人员顶多使用常规实验即可认识到或能够确定本文所描述的特定发明实施方案的许多等同物。因此，应当理解，前述实施方案仅借助于实例而呈现，并且在所附权利要求及其等同物的范围内，可以用不同于具体描述和要求保护的方式来实践发明实施方案。本公开的发明实施方案涉及本文所描述的每个单独特征、系统、制品、材料、套件和/或方法。另外，两个或更多个此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法(如果此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法并非互不一致)的任何组合包含在本公开的发明范围内。
而且，各种发明概念可以体现为一种或多种方法，已经描述了其实例。作为方法的一部分执行的动作可以用任何合适的方式排序。因此，可以构造其中以与所示顺序不同的顺序执行动作的实施方案，其可以包含同时执行一些动作，即使在说明性实施方案中被示为顺序动作。
应理解，如本文中定义和使用的所有定义都优先于字典定义、以引用的方式并入的文档中的定义和/或定义的术语的普通含义。
如本文在说明书和权利要求中所使用的不定冠词“一”除非明确相反指示，否则应理解为意味着“至少一个”。
如本文在说明书和权利要求书中所用，短语“和/或”应理解为意指如此结合的要素中的“任一个或两个”，即，要素在一些情况下结合存在并且在其它情况下分开存在。用“和/或”列出的多个要素应以相同方式解释，即，要素中的“一个或多个”如此结合。除了由“和/或”子句具体指出的元件之外，还可以任选地存在其它元件，无论与具体指出的那些元件相关还是无关。因此，作为非限制性实例，在与开放式语言例如“包括”结合使用时，对“A和/或B”的引用在一种实施方案中可以仅指A(任选地包含除B之外的元件)；在另一种实施方案中，仅指B(任选地包含除A之外的元件)；在又一种实施方案中，指A和B两者(任选地包含其它元件)等等。
如本文在本说明书和权利要求书中所用，“或”应理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。举例来说，当在列表中分隔多个项目时，“或”或“和/或”将解释为包含性的，即，包含至少一个，但也包含数个要素或要素列表中的一个以上要素和任选地额外未列出的项目。只有明确相反指示的术语，如“仅仅……中的一个”或“恰好……中的一个”或当在权利要求书中使用时“由……组成”将指的是包括多个元件或元件列表中的恰好一个元件。一般来说，如本文所使用的术语“或”当前面是例如“任一”、“……中的一个”、“仅仅……中的一个”或“恰好……中的一个”等排它性术语时，仅应解释为指示排它性替代方案(即，“一个或另一个但并非两者”)。“基本上由……组成”当在权利要求书中使用时，应具有如其在专利法领域中所用的普通含义。
如本文在说明书和权利要求书中所使用的，在提及一个或多个元件的列表时，短语“至少一个”应理解为指选自所述元件列表中的任何一个或多个元件的至少一个元件，但不一定包含元件列表中具体列出的每个元件中的至少一个，并且不排除元件列表中的元件的任何组合。此定义还允许除了元素列表内具体识别的短语“至少一个”所指的元素之外的元素可任选地存在，无论其是否与具体识别的那些元素相关。因此，作为非限制性实例，“A和B中的至少一个”(或等效地“A或B中的至少一个”，或等效地“A和/或B中的至少一个”)在一种实施方案中可以指至少一个，任选地包含一个以上的A，不存在B(并且任选地包含除B之外的元件)；在另一种实施方案中，指至少一个，任选地包含一个以上的B，不存在A(并且任选地包含除A之外的元件)；在又一种实施方案中，指至少一个，任选地包含一个以上的A，以及至少一个，任选地包含一个以上的B(并且任选地包含其它元件)等等。
在权利要求书中以及在上述说明书中，例如“包括”、“包含”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“容纳”、“由……组成”等所有连接词应理解为是开放的，即，意指包含但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节所述，只有过渡短语“由…组成”和“基本上由…组成”才应分别是封闭的或半封闭的过渡短语。

Claims (22)

1.一种眼部成像系统，其包括：
衬底，其上形成有第一元表面，所述元表面包括具有第一多个元原子的成像区，其中所述元表面将定位成距眼睛的瞳孔100mm内以对所述眼睛的内部部分成像；
光源，其用于对所述眼睛的内部照明；以及
光电检测器阵列，其位于所述元表面的焦表面处，用于检测由所述成像区形成的所述眼睛的所述内部部分的图像。
2.根据权利要求1所述的眼部成像系统，其中所述眼睛的所述瞳孔充当所述眼部成像系统的孔径光阑以获得高分辨率图像。
3.根据权利要求1所述的眼部成像系统，其进一步包括所述衬底上由第二多个元原子形成的照明区，所述第二多个元原子被布置成将来自所述光源的光准直、聚焦或图案化到所述眼睛上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的眼部成像系统，其中所述光源包括邻近于所述光电检测器阵列的一个或多个发光二极管。
5.根据权利要求4所述的眼部成像系统，其中所述眼部成像系统的总厚度不大于20mm。
6.根据权利要求4所述的眼部成像系统，其中所述眼部成像系统的总体积不大于100cm3。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的眼部成像系统，其中所述衬底包括蓝宝石、二氧化硅、氟化钙或聚合物。
8.根据权利要求7所述的眼部成像系统，其中所述第一多个元原子由电介质、半导体或金属材料形成。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的眼部成像系统，其中所述第一多个元原子包括在所述衬底上重复的至少两种不同形状或尺寸的元原子。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的眼部成像系统，其中所述衬底具有至少一个弯曲表面。
11.根据权利要求10所述的眼部成像系统，其中所述焦表面是弯曲的。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的眼部成像系统，其进一步包括：
孔径光阑，其在所述衬底的第二表面上形成；以及
中继光学件，其用于将所述眼睛的所述瞳孔的图像中继到由所述孔径光阑形成的孔上。
13.一种操作眼部成像系统的方法，所述方法包括：
将来自光源的光导向眼睛；
用元表面的照明区对所述光进行准直、聚焦或图案化，所述照明区包括在衬底上形成的第一多个元原子；
用所述元表面的成像区聚焦从所述眼睛反射的光，所述成像区包括在所述衬底上形成的第二多个元原子；以及
用光电检测器阵列检测聚焦的光。
14.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括使用所述眼睛的所述瞳孔作为所述眼部成像系统的孔径光阑。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其进一步包括形成所述眼睛的视网膜的图像，所述图像具有介于70度与200度之间的视场，如围绕所述眼睛的内部测量。
16.一种近眼显示系统，其包括：
衬底，其上形成有元表面，所述元表面包括多个元原子，其中所述元表面将定位成距眼睛的瞳孔100mm内；以及
微发射器阵列或微显示器，其定位成距所述元表面10mm内以形成由所述元表面投影到所述眼睛的所述视网膜上的图像，其中所述图像覆盖70度与200度之间的视场，如围绕所述眼睛的内部测量。
17.根据权利要求16所述的近眼显示系统，其中所述近眼显示系统利用所述瞳孔作为孔径光阑以获得高分辨率图像投影。
18.根据权利要求16或17所述的近眼显示系统，其中所述衬底由蓝宝石形成，并且所述元原子由硅形成。
19.一种眼睛跟踪系统，其包括：
发射器，其用于产生照明光；
第一元表面，其距所述发射器10mm内并且距眼睛100mm内，所述第一元表面包含第一多个元原子，所述第一多个元原子在第一衬底的表面上形成并且被布置成将所述照明光的图案投影到所述眼睛上；
第二元表面，其定位成距所述眼睛的瞳孔100mm内，所述第二元表面包含被布置成对由所述图案照明的所述眼睛的区成像的第二多个元原子；以及
成像器，其具有多个光电检测器以记录所述眼睛的所述区的图像。
20.根据权利要求18所述的眼睛跟踪系统，其中所述第二元表面在与所述第一衬底分离的第二衬底的表面上形成，并且其中所述第一元表面和所述第二元表面处于同一平整表面中或处于平行平整表面中。
21.根据权利要求18所述的眼睛跟踪系统，其中所述第二元表面在与所述第一衬底分离的第二衬底的表面上形成，并且其中所述第一元表面和所述第二元表面处于弯曲表面上。
22.根据权利要求18所述的眼睛跟踪系统，其中所述第二元表面在所述第一衬底的所述表面上形成，并且其中所述发射器和所述成像器位于同一衬底上。
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