CN116699836A - 用于瞳孔探测和/或瞳孔跟踪的方法、光学系统和数据眼镜 - Google Patents

Abstract

本发明从一种用于借助对红外激光器(12)的射入到眼睛(10)中的光的通过眼睛(10)反射回来的斑点图案的分析处理进行瞳孔探测和/或瞳孔跟踪的方法出发。提出，至少所述红外激光器(12)的射入到所述眼睛(10)中的光扫描经过全息光学元件(HOE，18)，所述全息光学元件包括不同的折射结构(14，16)，其中，所述不同的折射结构(14，16)如此构造，使得所述不同的折射结构分别产生不同的视觉缺陷校正。

Description

用于瞳孔探测和/或瞳孔跟踪的方法、光学系统和数据眼镜

技术领域

本发明涉及一种用于瞳孔探测和/或瞳孔跟踪的方法、一种光学系统和一种数据眼镜。

背景技术

已经提出一种用于借助对红外激光器的射入到眼睛中的光的通过眼睛反射回来的斑点图案的分析处理进行瞳孔探测和/或瞳孔跟踪的方法。

发明内容

本发明从一种用于借助对红外激光器的射入到眼睛中的光的通过眼睛、尤其是通过眼睛的视网膜反射回来的斑点图案(Speckle-Muster)的分析处理进行瞳孔探测和/或瞳孔跟踪的方法出发，该方法尤其用于数据眼镜。

提出，至少该红外激光器的射入到眼睛中的光扫描经过全息光学元件(HOE)，该全息光学元件包括不同的折射结构，其中，所述不同的折射结构如此构造，使得不同的折射结构分别产生不同的视觉缺陷校正、优选分别产生不同强度的视觉缺陷校正。由此，可以有利地实现可靠的瞳孔探测和/或瞳孔跟踪，尤其是即使在具有视觉缺陷(例如近视或者远视)的人的情况下，优选地还借助对反射回来的斑点图案进行分析处理的方法。尤其是，HOE具有至少两个、优选多于两个的不同的折射结构，例如三个、四个、五个、六个或者多于六个的不同的折射结构，所述不同的折射结构用于不同的视觉缺陷、尤其是不同的视觉缺陷度数。尤其是，在所述不同的折射结构中的每个折射结构中，写入与另外的折射结构不同的光学功能。例如，在所述不同的折射结构中的每个折射结构中，写入匹配于确定的屈光度数的折射结构，例如，可以存在五个不同的折射结构，其中，各一个折射结构匹配于下述视觉缺陷度数中的一个视觉缺陷度数：-2屈光度，-1屈光度，0屈光度，+1屈光度，+2屈光度。尤其是，不同的折射结构都集成到单个的(嵌套的)HOE中。尤其是，HOE构造为具有多个不同的所描述的光学元件/光学功能。尤其是，红外激光扫描经过HOE的不同的折射结构中的多个折射结构、优选HOE的不同的折射结构中的所有折射结构，由此，尤其在眼睛的区域中产生与不同的折射结构的数量相应的数量的彼此分开的图像、焦面和/或焦点。折射结构产生“视觉缺陷校正”尤其应理解为，折射结构这样操纵射入的光的射束路径，使得通过该操纵实现射束路径到视网膜上的入射、尤其是射束路径到视网膜上的聚焦，如在健康(无视觉缺陷)的眼睛的情况下那样。斑点图案(也被称为：激光颗粒)尤其是呈现为颗粒状的干扰现象，该干扰现象能够在对光学粗糙的对象表面、例如眼睛的视网膜进行充分相干照明的情况下观察到。尤其是，用于分析处理的光被红外探测器检测，该红外探测器构造/布置为与红外激光器同轴(on-axis)。尤其是，为了进行分析处理，测量且考虑在激光方向上反射回来的光/斑点图案。例如，通过红外激光器(例如ViP＝VCSEL with integrated photodiode，具有集成式光电二极管的VCSEL)的背向反射器中的光电二极管，尤其是像在LFI传感器(Laser-Feedback-Interferometry-Sensor，激光反馈干涉测量传感器)的情况下那样，检测反射回来的光/斑点图案。替代地，光电二极管可以通过分束器(Beamsplitter)和/或合并器(Combiner)折叠到红外激光束中。“数据眼镜”尤其应理解为可穿戴设备(头戴式显示器)，借助该可穿戴设备可以给用户的视野添加信息。优选地，数据眼镜能够实现增强现实应用和/或混合显现实应用。众所周知地，数据眼镜也被称为智能眼镜。

此外提出，不同的折射结构如此构造，使得对于红外激光器的射入到眼睛中的光，在眼睛中尤其在相应的眼睛晶状体的共同作用下分别产生不同的焦点，所述不同的焦点尤其与眼睛的眼睛晶状体具有不同间距。由此，可以有利地实现可靠的瞳孔探测和/或瞳孔跟踪，尤其是即使在具有视觉缺陷(例如近视或者远视)的人的情况下。尤其是，包括在HOE中的不同的折射结构/包括在HOE中的不同的光学元件分别将红外激光器的射入的经准直的光聚焦到眼睛的视网膜上。尤其是，包括在HOE中的个体的折射结构/包括在HOE中的个体的光学元件在此分别产生个体的焦面。尤其是，通过折射结构/光学元件产生的焦面与HOE和/或与被照射的眼睛的眼睛晶状体具有不同的间距。尤其是，通过视网膜实现射入到眼睛中的光的强烈背向散射，尤其是当红外激光器的射入到眼睛中的光尤其通过眼睛晶状体的共同作用聚焦到视网膜上时，通过视网膜实现射入到眼睛中的光的如下背向散射：该背向散射足以用于分析处理通过眼睛反射回来的斑点图案。如果眼睛现在是视觉缺陷的(晶状体的折射能力与健康晶状体的折射能力不同/视网膜位于晶状体的焦点之外)，则这导致为健康眼睛(0屈光度)产生的光束在视网膜的前方或者后方聚焦，并且因此未产生足够的反射信号。因此，尤其是，通过折射结构中的至少一个折射结构、优选通过折射结构中的多个折射结构产生聚焦，该聚焦的焦点位置尤其是与用于健康眼睛的折射结构相比在眼睛中向前或者向后移位(例如移位1mm)。

此外提出，借助对从眼睛反射回来的斑点图案的射束路径的分析，尤其通过从眼睛反射回来的斑点图案的射束路径的映射，来求取眼睛的视觉缺陷。由此，可以有利地实现对视觉缺陷的特别简单的识别和/或对不同视觉缺陷的匹配。尤其是，在不具有和/或独立于可移动的光学元件、例如聚焦透镜(参照医疗折射计)的情况下，求取视觉缺陷。尤其是，在分析/映射射束路径时求取反射回来的斑点图案来自于不同的折射结构中的哪个折射结构。尤其是，只有如下光充分反射回来：所述光已聚焦到眼睛的视网膜上并且尤其在那里已产生斑点图案。由于不同的折射结构中的每个折射结构配属有屈光度值，因此由此可以确定视觉缺陷。尤其是，HOE的不同的折射结构中的每个折射结构产生在空间中以不同方式延伸的反射射束，使得通过求取探测到的反射射束的位置(映射)可以推断出HOE的相应的个体的折射结构。

另外提出，借助对从眼睛反射回来的斑点图案的射束路径的在时间上的变化的分析，来求取眼睛的视觉缺陷的发展过程。由此可以有利地及早地和/或特别简单地识别视觉缺陷的产生、例如与年龄视觉缺陷的产生。有利地，由此可以实现数据眼镜的高用户舒适性，尤其是由于可以在数据眼睛显示时及早地抵抗产生的视觉缺陷。尤其是，为了识别眼睛的视觉缺陷的发展过程，周期性地、例如每天、每周、每月或者每年存储用于所辨认的眼睛的分析结果/映射结果(Mappingergebnis)，并且将所述分析结果/映射结果与同一眼睛的先前的分析结果/映射结果进行比较。

此外，提出一种用于执行上述方法的光学系统，该光学系统具有激光投影仪并且具有全息光学元件(HOE)，该激光投影仪至少用于产生扫描式红外激光束，该全息光学元件包括不同的折射结构。由此，可以有利地实现可靠的瞳孔探测和/或瞳孔跟踪，尤其是即使在具有视觉缺陷(例如近视或者远视)的人的情况下，优选地还借助对反射回来的斑点图案进行分析处理的方法。尤其是，激光投影仪附加地包括红外探测器。尤其是，激光投影仪包括ViP。尤其是，激光投影仪构成虚拟视网膜显示器(Retinal Scan Display，视网膜扫描显示器)的投影部件。尤其是，激光投影仪附加地设置用于产生再现可见图像的扫描式激光束。“设置”尤其应理解为专门编程、设计和/或配备。对象设置用于确定的功能，尤其应理解为：该对象在至少一个应用状态和/或运行状态中满足和/或实施这个确定的功能。尤其是，不同的折射结构汇总在唯一的HOE中。尤其是，HOE集成到数据眼镜的眼镜片中。

另外提出，HOE分段地构造，其中，HOE的至少两个不同的段具有用于不同的视觉缺陷校正的不同的折射结构。由此可以有利地实现特别简单的视觉缺陷确定，例如通过映射。尤其是，扫描式红外激光束扫描经过HOE的两个、优选所有段。尤其是，分段的HOE具有多于两个的段，例如三个、四个、五个、六个或者多于六个的段，所述段分别具有用于不同视觉缺陷和/或不同视觉缺陷度数的、尤其是分别用于不同的视觉缺陷校正的不同的折射结构。尤其是，在每个段中写入不同的光学功能、尤其是以不同方式进行聚焦的反射全息图。不同的视觉缺陷校正可以设置用于校正不同的视觉缺陷(近视或者远视)和/或用于校正不同的视觉缺陷度数(不同的屈光度数)。尤其是，分段的HOE的段位于共同的平面中。

如果不同的折射结构、尤其是段在HOE中线状地布置或者布置在由菱形、三角形或者别的图形构成的、尤其有规律地重复的图案中，则可以有利地实现紧凑的构造方式。此外，可以有利地尤其借助精确的映射实现可靠的视觉缺陷确定。尤其是，不同的折射结构、优选段可以棋盘状地布置，其中，尤其是单个的或者所有图案格(Musterfelder)也可以具有与正方形不同的形状。替代于折射结构的、尤其是段的离散的分界，也可以在折射结构之间设置过渡部。例如，可以使用正弦函数，该正弦函数引起两个段之间的折射率的稳定的改变。

此外，如果HOE的包括不同的折射结构的、尤其构成段的线或者图案格具有足够大的空间延伸，该空间延伸允许对反射回来的斑点图案的映射，用以求取相应优化的折射结构，则可以有利地实现特别精确的视觉缺陷确定。尤其是，在这种情况下，段在至少基本上与扫描式红外激光束的扫描方向平行的方向上具有最小延伸，该最小延伸为至少10μm、优选至少30μm、优选至少60μm并且特别优选至少100μm。在这里，“基本上平行”尤其应限定一方向相对于参考方向尤其是在一平面中的定向，其中，该方向相对于该参考方向具有小于8°的、有利地小于5°的并且特别有利地小于2°的偏差。相应的被称为“优化”的折射结构尤其构造为HOE的多个折射结构中的如下折射结构、尤其是构造为HOE的多个反射全息图中的如下反射全息图：该折射结构以最好的方式将红外激光器的射入的光并且可选地也将可见光聚焦到相应的用户的眼睛的视网膜上，尤其是，该折射结构产生红外激光器的射入的光的焦点并且可选地也产生可见光的焦点，该焦点最接近相应的用户的眼睛的视网膜。图案格可以构成拜耳图案(Bayer-Muster)。

替代地，如果HOE的包括不同的折射结构的线或者图案格具有如下空间延伸：该空间延伸小于对反射回来的斑点图案的映射所需要的空间延伸，则可以有利地实现瞳孔探测的高的空间分辨率。由此可以有利地实现对瞳孔形状、瞳孔尺寸和/或瞳孔大小的特别准确的识别。尤其是，在这种情况下，段在至少基本上与扫描式红外激光束的扫描方向平行的方向上具有最小延伸，该最小延伸为最多20μm、优选最多10μm、优选最多5μm并且特别优选最多3μm。

另外提出，光学系统具有红外探测器，该红外探测器用于检测红外激光束的尤其直接地和/或正好相反地逆着红外激光束的激光射出方向、尤其是从眼睛的视网膜反射回来的反射。由此可以有利地实现视觉缺陷识别和/或视觉缺陷校正的高精度。尤其是，红外探测器集成到激光投影仪/用于产生红外激光束的光源中，例如作为ViP。

此外，提出一种用于执行上述方法和/或具有该光学系统的数据眼镜。由此，可以有利地实现可靠的瞳孔探测和/或瞳孔跟踪，尤其是即使在具有视觉缺陷(例如近视或者远视)的人的情况下，优选地还借助对反射回来的斑点图案进行分析处理的方法。

在此，根据本发明的方法、根据本发明的光学系统和根据本发明的数据眼镜不应局限于上文所描述的应用和实施方式。尤其是，为了实现在这里描述的作用原理，根据本发明的方法、根据本发明的光学系统和根据本发明的数据眼镜可以具有与各个元件、构件和单元以及方法步骤的在这里提到的数量不同的数量。此外，对于在本公开内容中给出的数值范围，处在所提到的极限内的值也应被视为已公开且能够任意使用。

附图说明

从下面的附图说明中得出其他优点。在附图中示出本发明的实施例。附图和说明书中包括大量特征组合。本领域技术人员也符合目的地单个观察所述特征并且将所述特征组合成其他有意义的组合。

附图示出：

图1示出具有光学系统的数据眼镜的示意图，

图2a示意性地示出光学系统的全息光学元件的可能的第一构造，

图2b示意性地示出光学系统的全息光学元件的可能的第二构造，

图3示出光学系统的红外激光束的示例性射束路径，

图4示出用于瞳孔探测和/或瞳孔跟踪的方法的示意性流程图。

具体实施方式

图1示出数据眼镜46的示意图。数据眼镜46包括眼镜架48。数据眼镜46包括眼镜片50。数据眼镜46构成位于眼镜片50后方且位于眼镜架48的眼镜腿之间的眼睛接收区域60。数据眼镜46具有光学系统24。光学系统24设置用于构成虚拟视网膜显示器。光学系统24设置用于将图像直接投影到眼睛10的视网膜44(参见图3)上。光学系统24具有激光投影仪26。激光投影仪26至少部分地集成到眼镜架48中。激光投影仪26设置用于产生可见的扫描式激光束(未示出)，该激光束设置用于将图像投射到数据眼镜46的佩戴者的眼睛10的视网膜44上。激光投影仪26包括用于产生和输出图像的MEMS激光投影系统。激光投影仪26包括红外激光器12。激光投影仪26、尤其是红外激光器12，设置用于产生扫描式红外激光束28。红外激光束28设置用于在瞳孔探测和/或瞳孔跟踪的方法中使用。红外激光束28设置用于在眼睛10的视网膜44上产生斑点图案。在此，用于瞳孔探测和/或瞳孔跟踪的方法基于对红外激光束28的从眼睛10的视网膜44反射回来的反射的分析处理。光学系统24包括红外探测器40。红外探测器40设置用于检测红外激光束28的从眼睛10的视网膜44反射回来的反射。红外探测器40这样布置，使得能够通过红外探测器40来检测红外激光束28的逆着红外激光束28的激光射出方向42反射回来的反射。红外探测器40通过激光投影仪26构造。红外探测器40集成到激光投影仪26中。眼镜片50中的至少一个眼镜片构成光学系统24的光学元件。光学系统24包括全息光学元件(HOE18)。HOE18集成到眼镜片50中。HOE18设置用于反射射入的光。

图2a和2b示出HOE18的两种可能的示意性构造。HOE18分段地构造。HOE18包括多个段30、32。HOE18包括不同的折射结构14、16。每个段30、32构成不同的折射结构14、16中的一个折射结构。不同的折射结构14、16设置用于产生不同的视觉缺陷校正。不同的折射结构14、16设置用于产生视觉缺陷校正的不同度数。不同的折射结构14、16如此构造，使得所述不同的折射结构分别产生不同的视觉缺陷校正和/或视觉缺陷校正的不同度数。不同的折射结构14、16构造为以不同的方式聚焦。不同的折射结构14、16如此构造，使得所述不同的折射结构对于红外激光器12的光在眼睛10中分别产生不同的焦点20、22(参见图3)。

在图2a中的HOE18的示例性构型中，不同的折射结构14、16布置在由方菱形(quadratischen Rauten)构成的、有规律地重复的图案中。在此，该图案具有图案格34。在图2b中的HOE18的示例性构型中，不同的折射结构14、16线状地并排布置在线36中。在两个附图2a和2b中，扫描式红外激光束28的扫描方向52通过箭头标示。扫描方向52是如下方向：红外激光束28在图像产生期间在该方向中快速地往复运动。此外，在扫描式红外激光束28沿着扫描方向52快速往复扫描期间，红外激光束28缓慢地向下和向上运动。HOE18的包括不同的折射结构14、16的线36或者图案格34在扫描方向52上分别具有空间延伸38。图案格34的或者线36的空间延伸38足够大，以便允许对从眼睛10的视网膜44反射回来的斑点图案进行映射，用以为了优化的视觉缺陷校正而求取相应优化的折射结构14、16。替代地，图案格34的或者线36的空间延伸38也可以比对反射回来的斑点图案的映射所需要的空间延伸小(未示出)。

图3示例性地示出用于眼睛10的红外激光束28的射束路径。折射结构14、16在眼睛10中分别产生焦点20、22。在此，折射结构14、16中的第一折射结构14产生位于视网膜44的前方的焦点20。在此，折射结构14、16中的第二折射结构14产生位于视网膜44上的焦点22。对于该例子，假设眼睛10在这种情况下是近视的。在该示例情况中，第一折射结构14是无校正的，即设置用于产生如下聚焦：该聚焦在健康(0屈光度(Dioptrin))的眼睛的情况下会到达(landen)在视网膜44上。在近视的眼睛10中，通过第一折射结构14产生的焦点20位于视网膜44的前方。在远视的眼睛的情况下，同一折射结构14的焦点20会位于视网膜44的后方。在该示例情况中，第二折射结构16构造为校正近视的，即设置用于产生如下聚焦：该聚焦在健康(0屈光度)的眼睛的情况下会以远离视网膜44的方式到达。在近视的眼睛10中，通过第二折射结构16产生的焦点22位于视网膜44上。在远视的眼睛的情况下，同一折射结构16的焦点22会位于视网膜44的后方更远的地方。然后，另外的、未示出的折射结构可以设置用于产生比第二折射结构更强或者更弱的近视校正或者产生不同强度的近视校正。对在图3中示出的射束路径的回溯(Rückverfolgung)被称为映射，并且允许对如下折射结构14、16进行辨认：该折射结构在相应的眼睛10的情况下将焦点20、22放置到视网膜44上。

图4示出用于瞳孔探测和/或瞳孔跟踪的方法的示意性流程图。该方法基于对红外激光器12的射入到眼睛10中的光的通过眼睛10反射回来的斑点图案的分析处理。在至少一个方法步骤54中，从激光投影仪26输出至少包括红外激光束28的扫描式激光束。在此，激光束的扫描经过借助MEMS镜组件(未示出)的、激光束的偏转来实现。在至少一个另外的方法步骤56中，至少所输出的红外激光束28扫描经过包括不同的折射结构14、16的HOE18。在此，红外激光束28扫描HOE18的多个段30、32，所述段可以分别具有不同的折射结构14、16。不同的折射结构14、16如此构造，使得所述不同的折射结构分别产生不同的视觉缺陷校正。在至少一个另外的方法步骤58中，折射结构14、16、尤其是构造为反射全息图的折射结构14、16将红外激光束28的入射到所述折射结构上的光在数据眼镜46的眼睛接收区域60的方向上、尤其是在数据眼镜46的用户的眼睛10的方向上反射和聚焦。在至少一个另外的方法步骤62中，红外激光束28的由折射结构14、16反射和聚焦的光通过眼睛10的瞳孔64进入到眼睛10的内部。在此，红外激光束28的光穿过眼睛10的眼睛晶状体(未示出)。根据眼睛晶状体的折射能力，红外激光束28的进入到眼睛10中的光被进一步衍射/聚焦。在此，通过不同的折射结构14、16的相应的不同的构造，和由此产生的、红外激光器12的射入到眼睛10中的光的、来自相应的折射结构14、16且进入到瞳孔64中的子射束的区别，对于相应的子射束在眼睛10中分别产生不同的角度20、22。在至少一个另外的方法步骤66中，子射束中的一个子射束在眼睛10的视网膜44上聚焦或者以非常靠近眼睛10的视网膜44的方式聚焦。聚焦在视网膜44上的子射束，以通过视网膜43的不平坦的表面(杆/锥)触发的方式，在视网膜44上产生斑点图案。该斑点图案至少部分地被反射回来。在至少一个另外的方法步骤68中，反射回来的斑点图案重新从瞳孔64中出射，并且重新被HOE18的同一折射结构14、16反射，使得该斑点图案进入到激光投影仪26中。在至少一个另外的方法步骤70中，反射回来的斑点图案被红外探测器40检测到。在至少一个另外的方法步骤72中，对检测到的斑点图案的射束路径进行分析和回溯(映射)。在方法步骤72中，借助对从眼睛10反射回来的斑点图案的射束路径的分析，来求取眼睛10的视觉缺陷。在至少一个另外的方法步骤74中，借助对从同一眼睛10反射回来的斑点图案的射束路径的在时间上的变化的分析，来求取眼睛10的视觉缺陷的发展过程。为此，有规律地存储视觉缺陷分析的结果并且在变化方面将所述结果进行相互比较。

Claims (11)

1.一种用于瞳孔探测和/或瞳孔跟踪的方法，借助对红外激光器(12)的射入到眼睛(10)中的光的通过眼睛(10)反射回来的斑点图案的分析处理进行所述瞳孔探测和/或瞳孔跟踪，其特征在于，至少所述红外激光器(12)的射入到所述眼睛(10)中的光扫描经过全息光学元件(HOE，18)，所述全息光学元件包括不同的折射结构(14，16)，其中，所述不同的折射结构(14，16)如此构造，使得所述不同的折射结构分别产生不同的视觉缺陷校正。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不同的折射结构(14，16)如此构造，使得对于所述红外激光器(12)的射入到所述眼睛(10)中的光，在所述眼睛(10)中分别产生不同的焦点(20，22)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助对从所述眼睛(10)反射回来的斑点图案的射束路径的分析，求取所述眼睛(10)的视觉缺陷。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助对从所述眼睛(10)反射回来的斑点图案的射束路径的在时间上的变化的分析，求取所述眼睛(10)的视觉缺陷的发展过程。

5.一种光学系统(24)，所述光学系统用于执行根据上述权利要求中任一项所述的方法，所述光学系统具有激光投影仪(26)并且具有全息光学元件(HOE，18)，所述激光投影仪至少用于产生扫描式红外激光束(28)，所述全息光学元件包括不同的折射结构(14，16)。

6.根据权利要求5所述的光学系统(24)，其特征在于，所述全息光学元件(18)分段地构造，其中，所述全息光学元件(18)的至少两个不同的段(30，32)具有用于不同的视觉缺陷校正的不同的折射结构(14，16)。

7.根据权利要求5或6所述的光学系统(24)，其特征在于，所述不同的折射结构(14，16)在所述全息光学元件(18)中线状地布置或者布置在由菱形、三角形或者其他图形构成的、尤其规律地重复的图案中。

8.根据权利要求7所述的光学系统(24)，其特征在于，所述全息光学元件(18)的包括所述不同的折射结构(14，16)的线(36)或者图案格(34)具有足够大的空间延伸(38)，所述空间延伸允许对反射回来的斑点图案的映射，用以求取相应优化的折射结构(14，16)。

9.根据权利要求7所述的光学系统(24)，其特征在于，所述全息光学元件(18)的包括所述不同的折射结构(14，16)的线(36)或者图案格(34)具有如下空间延伸(38)：所述空间延伸比对反射回来的斑点图案的映射所需要的空间延伸小。

10.根据权利要求5至9中任一项所述的光学系统(24)，其特征在于红外探测器(40)，所述红外探测器用于检测所述红外激光束(28)的迎着所述红外激光束(28)的激光射出方向(42)反射回来的反射、尤其是从眼睛(10)的视网膜(44)反射回来的反射。

11.一种数据眼镜(46)，所述数据眼镜用于执行根据权利要求1至4中任一项所述的方法和/或具有根据权利要求5至9中任一项所述的光学系统(24)。