专利名称：具有变焦距透镜的头戴显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种图像显示装置，该图像显示装置为观察者提供具有较低分 辨率区域和较高^D摔区域的虚像。
背景技术：
视觉是人类在很多情况下收集信息的主要途径。但是，我们的视觉评估一 百多年以来保持相对静止并且主要集中在19世纪60年代由Snellen博士最初引 入的看靴'20/20"的能力。
现代世界额外地弓l入环境压力以施加于人的感受，SM过简单的20/20评估 不肖g足够地来解决。例如，我们周围的物体以及劍门本身的行鹏度的增加， 以及在变化的对比度和闪耀度情况下需要聚焦于小的目标或文字，M满意的 视力评估产生了新的挑战。本质上来说，为了快速和准确地收集有用的信息， 必须在某种程度上定向人的眼睛，这在靠近所需要的信息驻留的区域中带来视 觉检测器，并且以实时的方式这样做。
利用例如Snellen测试机制的传统装置来获得满意视力的合适评估是困难 的。即使这样的设备被制造能够提供与现代fr验相关的测试协议，但是这种装 备的成本对于太多的世界人口来说是不容许的。第三世界国家的经济制度都不 能负担起现ft验光师或者眼科专家的典型办公室内的完美装备。
另外，现在在眼睛护理中使用虚拟空间还是未知的。这可能是部分由于工 业界的如下感知这项技术昂贵的价格被禁止。在本发明之前，具有以高于大 约20/40的精确度有效地评估视觉所必需的分辨率的视觉系统非常昂贵不容许。 并且，即使这样的装置育,获得，其还没有适用于诊断或治疗的领域。因此，本发明包括用于提供具有较低分辨率区域和较高分辨率区域的相对 低成本显示器的方法和装置。另外，在一些实施例中，本发明包括这样的装置， 该装置以反映患者所经历的真实世界压力的方式对于人类视力的评估是有用 的。
本发明提供了一种头戴显示器，其具有适于以一种与患者实际的视觉挑战 相一致的方式对患者的视力进行评估的光学特性。
图1A示出了单高分辨率图像叠加于另外图像上。 图1B示出了双高^^率图像叠加于另夕卜图像上。
图2示出了用于形成叠加高分辨率图像部分以及一个或多个可变焦距透镜 的一些实施例。
图3示出了包括平面镜以及一个或多个可变焦距透镜的本发明的一些实施例。
图4示出了连接到头戴显示器单元的控制器。
图5示出了可以用于本发明的一些实施例中的控制器。
具体实施例方式
根据本发明，提供了一种头戴显示器("HMD")，该头戴显示器具有足够的 光学分辨率以及眼睛跟踪装置以为视觉系统的动态测试参数提供平台。 一些测 试可对应例如传统的临床观赋以及附加观i賦可以包括在迄今为止在广泛的基础 上不能得到的测试。
附加测试在患者要求速度的环境下把视觉确认为信息收集的重要部分。本 发明提供了用于把视觉检测器放置靠iffl^样的区域的方法和装置，其中所需要 的信息驻留在所述区域中并且允许患者柳艮镜以仿真实际生活感受的方式被定 向。加强的测试可以包括例如稳定目标的中心凹固定(foveal fixation)。
本发明提供一种具有足够分辨率和可编程的显示的HMD，以评估高空间频 率信息，例如细节，或者单目模式中的锐度，以及还有下列中的一个或多个颜色，深度(例如4柳双目的中介聚散度(vergence mediated)或者立体影像(z
轴))；对比度；轮廓；空间定位(X-Y);以及稳定性。前述的一个或多个可以
同步或同时iMt行评估。
相对高分辨率对于通过HMD管理的至少一些测试是最佳的。根据一些实施 例，HMD显示鹏供标准分辨率和增强分辨率部分。HMD肖的夠i佣第一图像 源在标准分辨率下进行全面的显示以及利用第二图像源在增强分辨率下进行第 二图像显示。第一图像显示和第二图像显示彼此叠加以在相对高分辨率提供至 少一部分聚合显示。 一些实施例可以包括有机发光二极管("OLED")系统作为 第一图像源和第二图像源中的一个或两个。
另外，根据本发明，为了测试，HMD可被用于在虚拟空间中训练。这种训 练可以是静态的，以便跟随一组状况；或者是动态的，由此随后训练水平或练 习是基于先前性能的记录性能。
HMD本身f詢多由计算设备来控制。计算设备上可执行的软件可被用于下列 中的一个或多个产生测试；产生测试参数；传递指令给描述测i微况的患者; 在HMD中控制观赋参数；收集患者的响应并产生报告。
现在参照图la和lb，HMD100A可以包括两个或多个图像部分101A-102A。 每一个图像部分可以具有不同的分辨率，至少一个图像部分包括足够的分辨率 来评估高空间频率信息以及评估眼睛度量(metrics)。如图所示，两个图像部分 被示出，但是，实施例也可以包括三个或更多个图像部分。第一图像部分101A 在较宽阔的显示区域提供相对较低的^^率。第二图像部分102A在较小的显示 区域上包括相对较高的^f摔。
如上面所述，附加的较高分辨率显示区域102B-102C都在本发明的范围之 内，并且可以包括例如两个高分辨率区域102B-102C，具有被指定用于戴有 HMD的用户的每一个眼睛的各个高分辨率区域IOIB。
现在参考图2，根据本发明一些实施例的HMD200的部件被示出。HMD200 育^按比例被构造以被患者戴上，具有到患者眼睛的光学接入。HMD包括主图 像产生部分205，例如OLED面板。其他的图像产生装置也可以被利用，例如， 其他的平面面板屏幕设计。主图像产生装置205产生显示在第一图像显示部分 101A-101B上的图像。
第二图像产生装置206也提供被人类视力可确定的可见图像。.第二图像产
6生装置206也可包括OLED面板或者其他的图像产生设备。 一个或多个可变焦 距透镜208A-B被定位以接收来自第二 OLED面板202的输出以及fflil光学最 小化增加来自第二图像产生装置206的输出的显示的分辨率。 一个或多个可变 焦距透镜208A-B作为光学最小化透镜以增加由第二图像产生装置206所产生的 图像的分辨率。包括第二图像部分102B的缩小图像的像素尺寸可以作为以下的 函数:第二图像产生装置206的原始像素尺寸; 一个或多个可变焦足隨镜208A-B 的光学功率以及一个或多个可变焦距透镜208A-B离OLED显示器202的距离。 一个具体的商业可获得OLED显示器的例子可用于主图像产生部分205，或可 用于第二图像产生装置206，该OLED显示器可包括从eMagin公司获得的W05 显示单元。一些实施例可包括例如液体弯月型可变焦距透镜，该透镜能够M约6倍 的缩小因子来增加分辨率。约6倍的缩小因子提供了每像素大约0.4弧分 (arcmin)的分辨率，首先原始第二图像产生装置206的每像素尺寸大约是2.4 弧分(arcmin)o分束器202會&D多被用于将来自第一OLED系统205的图像和来自第二图像 产生装置206的縮小的图像叠加到观察区域209上。叠加的图像可被呈现给戴 有包括第一 OLED显示器205和第二图像产生装置206以及观察区域209的头 戴显示器的用户。来自第一 OLED显示器205和第二图像产生装置206的图像 能够被合并到单一观察区域。在一些实施例中，分束器202也可被用于衰减来自第一 OLED显示器205 以及第二图像产生装置206中的一个或者两个的亮度。在一些实施例中，每一 个图像的衰减能够是预定量，例如第一图像衰减50%，第二图像衰减50%。其 他的实施例可包括第一图像与第二图像的全异衰織disparate attenuation),例如， 第一图像是60%，第二图像是40%。在另外其他的实施例中，在有源分束器中， 例如，在有源的LED分束器中，从第一麟二图像传输光的衰减百分比根据需 要可以改变。因此，一^i^的实施例包括与第一 OLED显示器205和第二 OLED图像202相关联的衰减，其ffiil软件或者M用户的主动控制来控制。第一OLED显示器205的图像在相对较大的l妙汤("FOV")中显示，在一 些实施例中，FOV可接近40度。通常，可获得的OLED显示器可支^j象素 208大约2.4弧分(arcmin)的分辨率。第二 OLED显示器206将呈现较小的FOV，例如，在光学最小化之后6.5颇角FOV。第二图像产生装置206还^娥供较 高的分辨率显示，例如，WM象素205具有0.4弧分(arcmin)的分辨率。可变焦距透镜208A-208B可包括例如两个通常相互平行的透明板，并且至 少部分限定包含具有不同光学指数的两种不可混溶液体的内部体积。弹性元件 被定位以使得它响应于液体的压力的改变将变形。在一些实施例中，液体的压 力响应于跨越一种或两种液体放置的电荷而改变。在一些实施例中，可变透镜能够包括液体弯月型透镜，该透镜包括液体容 纳单元，用于保持一种或多种液体的体积。非平面的^^f氏表面包括轴delta的圆 锥形或圆柱形的凹陷或凹部，其包含绝缘液体滴。该单元的剩余部分包括导电 液体，该导电液体与绝缘液体不易混合并且具有不同的折射率，并且在一些实 施例中还具有相似或相同的密度。开口面向凹部的环形电极被定位在较低板的 背面上。另一个电极被放置与导电液体相接触。利用在电极两端上施加电压来产生电润湿以及根据电极之间施加的电压V 修改两个液体之间的界面曲率。穿过该单元的垂直于上面的板和较低的板并且 在该滴的区域内的光束根据施加到电极的电压将被聚焦到更大或更少的范围。 该导电液体通常是水成液，并且该绝缘液体通常是油状液体。用户控制的调节设备212育的多被用来聚焦透镜。通过非限制性的例子，调 节设备能够包括用于增加或减少电压输出的任意电子设备或者无源设备。 一些 实施例也包括自动调节设备，用于根据所观懂的参数或用户输入经由自动的装 置聚焦透镜。可变长度透镜的一^f寺定例子在美国专利申请S/N 11/284125中有 所描述，雜此弓l入以供参考。在一些实施例中，用户的旨眼睛将对由第二图像产生装置206产生的较小 较高i)f摔区域有清晰的视线。通常，第一OLED图像205提供视觉上浸入式 的环境，以及第二图像产生装置206提供一个或多个高分辨率区域和对于高水 平视觉测试有用的视力表。另外，在一些实施例中，用户的每个眼睛将具有分 别被控制的可变长度透镜组件。用户控制的调节设备f,被用来聚焦透镜。在本发明的另一个方面中，在一些实施例中，自动折射器210育,被用来 测量一个或多个用户的眼镜和调节一个或更多可变焦足MH的焦距。现在参考附图3，在另一个方面中，在一些实施例中， 一个或更多反射镜 301鼬多被用来将来自第二图像产生體206的图像指引ffl51分束器。该一个或8更多反射镜301肖,被定位以允许更加紧凑的HMD设计。其他方面包括这样的实施例，其中，光学器件被用于下列中的一个或多个:校正在第一 OLED显示器205和第二图像产生装置206之间的光学聚散度的不 同；校正用户的屈光异常；以及产生光学刺激以适应性调节。现在参考附图4，在一些实施例中，目艮睛跟踪装置401也可以被结合到具有 视觉系统(例如，如上所述的)的HMD单元402中。眼睛足跟宗系统401从商 业上可以获得，并且提供用于自动足llt郭艮睛的视线。眼睛运动足郎宗对于监控与 视觉相关运动神经(motor)部件的响应特性是有用的。在一些实施例中，HMD402和在HMD402中提供被控显示的计^t几设备403 可操作地通过模型化具体的视觉场景以及控制从分析这些视觉场景必须所收集 的参数和信息在虚拟空间中训练视觉性能。基本的视觉技能例如扫视准确度， 追S3I度，预料，聚散度范围，昏眼协调性，立体感灵敏度，抑制等等，者阿 以通过训练这些技能而修改。视觉行为的感知与认知方面在虚拟场景中通过练 习也能够被加强。因此，通常归于"练习"所产生的好处性能改进也可以通过使 用这个设备而实现。禾,在此所描述的系统执行的一些典型观赋例如包括以下:VA:视觉敏锐度具体的视力表可以是符合5:1图像尺寸与细节尺寸比的 标准的任意视力表，其可以是'LandoltC"(标准视力表)或者基于"Snellen"敏锐 度的字母，或者是'BrokenWhed"测试中的混合。不仅是尺寸，而且像ETDRS， Baily-lovey，或者Peli-Robson观赋中的对比度，颜色，呈现^^卖时间，位置以 及视力表的移动(动态锐度)都可以被操作。动 锐度(对动态目标的敏锐度)到目前为止在动态^f牛下的敏l^测 试对于不同的群体意味不同。该系统将允许以各种方式的动态敏锐度的测试， 一旦在这个测试地点的竞争选项之间进行对比，它将导致标准方法。可以操作 的参数包括速度，位置，方向，目标设计，视力表设计，视力表尺寸，颜色， 对比度，呈现持续时间，以及这些单独参数的任意组合。CSF:对比灵驗函数^这包括了对探观喇激的个体的极限测试，这些刺 ^^现为光栅(正弦波，方波，高斯函数，余弦方等等)，字母，圆形'牛眼"目 标或者任意其他的所需要的亮度分布图案。可操作的参数是亮度，对比度分布， 呈现持续时间，颜色，固定与闪烁或对比度的反转，光栅的空间特性(例如，9目标的明亮与黑暗分量的尺寸)，位置以及目标的移动。颜色视觉将参考颜色与测试朿臓相匹配来确定个体是否对光波长具有合 适的灵敏度。遮盖测试为每个眼睛在相同的位置提供刺激以评价眼睛是否在目标只显 示给同伴眼睛的时候在恰当的方位被指引。它测量斜视或隐斜视的出现并且作 为单双目视觉所需要的聚 校正量的度量。NPC:会聚近点测量人能够双目固定目标的最近点。远立体视觉任意点图案都可被利用(这是近的标准，但是如果需要的话也可以是Howard-Dolman任务的格式。能够被操纵的参数包括差异、颜色、亮 度、尺寸、位置、移动、刺激擀卖时间、目标隨(即用于呈5赠异的图片)。近立体视觉任意点观赋是目前临床观!l试的标准，以及在遞巨离测i舒万列 出的目标参数上具有相同控制。立体视觉可利用聚散度负荷被测试，或者繊B离或者鄉巨离。这将允许立 体视觉的测试，同时在通过聚散度的坡度改变、阶梯改变或者混合改变增加或 M^、负荷时挑战聚鹏系统。m眼睛卿斜几制将监视眼睛的位置。视场眼睛不发生移动的情况眼睛所育猜到的世界范围。聚鹏目艮睛移动，其改变两只眼睛在相反方向的视轴的方位。(一只眼睛 向右边，另一只眼睛向左边，或者一只眼睛向上边，另一只眼睛向下边等等)。Verssion:眼睛移动，其改变两只眼睛在相同方向的视轴的方位。包括一只 或全部的眼睛向右边，或者全部向左边，或者上边，下边)。 固定差异(水平&垂直，DV/NV)熔合状态(第一，第二度(价值点)或者弱视校正器目标)。 赫斯-兰喀辦細ss Lancaster)。 Aniseikonia测量。 Cyclotorsional测量。反应时间。凝视行为&眼睛移动动态(自由空间和HMD)。 手/眼协调。感知测试，例如，视觉记t乙，图像背景(figureground),以及辨别力。 本发明的一些实施例能够提供训练视觉技能以及通过控制环境参数提供在视觉浸入式AX环境中的功能。在一些实施例中，附加的身体移动也可以被监视和跟踪。作为非局限性的 例子，身体移动跟踪包括下列中的一个或多个头部跟踪、手、脚、臂体，以 及患者的身体上的其他位置，或者与它们相互作用的物体，并且在某些应用当 中将在虚拟环境的控制和呈现中被监视和利用。本发明将允许对所有环境因素 的全部控制，这些因素会影响与视觉系统相关的个人的性能，感觉系统彼此之 间以及与运动神经控制系统以及运动神经响应系统的集成，它们用于处理视觉 输入、分析视觉场景、计划对视觉刺激和环境的运动神经响应，以及执行运动 神经it^lj，包括监测、运动神经计划的修改和在最后响应特性中涉及的反馈回 路。因此，在系统操作者的控制下，闭环和开环条件都是有可能的。现在参考附图5，图5示出了可用于执^亍本发明的一些方面的控制器500。处理器单元510包括一个或多个鹏器，该处理器单元耦合至嗵信设备520，该 通信设备520被配置3MM信网络通信。处理器510还与存储设备530通信。 存储设备530可包括任意合适的信息存储设备，包括磁存储设备(例如，磁带 和硬盘驱动器)、光存储设备、禾口/或例如随机存取存储^(RAM)设备和只读存储 器(ROM)设备之类的半导,储器设备的组合。存储设备530肖,存储可执行的软件程序515，用于控制处理器510。处理 器510执tff聘515的指令，并且由此根据本发明进行操作。存储设备530能 够在数据库中存储相关数据。总结由上面所描述的以及由下面权利要求进一步所限定的本发明提供了一种处 翻艮科透镜的方法以及实5Ilt匕方法的装置，还提供了由此而形成的眼科透镜。
权利要求
1.一种头戴显示装置，该装置包括第一发光二极管显示单元，其稳固到头戴装置上并用于提供第一人类可读显示图像；第二发光二极管显示单元，其另外稳固到所述头戴装置上并用于提供第二人类可读显示图像；分束器单元，其安装在头戴装置的位置上，该分束器单元能够接收来自第一发光二极管显示单元的第一显示图像和来自第二发光二极管显示单元的第二显示图像，并且将所接收的图像组合为人类可认知的形式；以及一个或多个可变焦距透镜，该可变焦距透镜能够最小化来自第二发光二极管显示单元的第二显示图像以创建相对较高分辨率的显示图像区域。
2. 如权利要求1所述的装置，其中第一发光二极管显示单元和第二发光二 极管显示单元中的至少一^括有机发光二极管。
3. 如权利要求1所述的装置，还包括用于控制第一发光二极管显示单元和 第二发光二极管显示单元的处理器。
4. 如权利要求1所述的装置，其中分束器叠加来自第一发光二极管显示单 元的第一显示图像和来自第二发光二极管显示单元的第二显示图像。
5. 如权禾腰求4所述的装置，其中， 一个或多个可变焦距透镜通纖小因 子为6或更高来增加来自第二发光二极管显示单元的图像的分辨率。
6. 如权利要求4所述的装置，其中， 一个或多个可变焦距透镜增加来自第 二发光二极管显示单元的图像的分辨率以提供每像素约0.4 arcmin的分辨率或 更高的分辨率。
7. 如权利要求6所述的装置，其中，第二发光二极管显示单元在每像素约 2.0到2.8 arcmin分辨率上产生显示图像。
8. 如权利要求7所述的装置，其中，分束器具有将来自第二发光二极管显 示单元的具有每像素约0.4 arcmin的分辨率或更高分辨率的显示图像与来自第 一发光二极管显示单元的相对较低分辨率图像进行叠加的功能。
9. 如权利要求6所述的装置，其中，来自第二发光二极管显示单元的具有 敏象素约0.4 arcmin的^fjf率或更高^f摔的图像被叠加到通常位于来自第一显示单元的图像的中心的单一区域中。
10. 如权利要求6所述的装置，其中，来自第二发光二极管显示单元的具有每像素约0.4 arcmin的^P率或更高分辨率的图像被動卩到两个区域中，该相应 两个区域中的每一个通常与戴有头戴装置的用户的眼睛的视场相关联。
11. 如权利要求l所述的装置，其中， 一个或多个可变焦距透镜中的至少一 作括液体弯月型透镜。
12. 如权禾腰求ll所述的装置，其中， 一个或多个可变焦距itl竟包括两种 不易混合的液体，每一种液体具有不同的光学指数。
13. 如权利要求11所述的装置，其中，至少一个可变焦距3tH包括导电液 体和绝缘液体，并且该导电液体与该绝缘液体不易混合，并且具有与该绝缘液 体不同的折射率。
14. 如权利要求11所述的装置，还包括在一个或多个可变焦足Bt镜的至少 一个两端提供电压的电压源，用于控制在其两端施加电压的所述至少一，镜 的焦距。
15. 如权利要求11所述的装置，还包括自动折射器，其被定位用于产生用 户眼睛的折射度量，以及控制器，用于根据折射度量控制该一个或多个可变焦 距透镜的至少一个的焦距设置。
16. —种用于在人头戴装置中显示人类可认知图像的装置，该装置包括 稳固在头戴装置内的第一数字显示单元；稳固在头戴装置内的第二数字显示单元；包括处理器和用于数字翻的存储器的控制器；以及存储在用于数字数据的存储器上的可执行软件并且基于命令可执行，禾IJ用 该处理器该软件可操作；引起第一数字显示单元在头戴装置内的分束器上产生人类可视图像，弓l起第二数字显示单元产生人类可视图像iSA可变光学透镜的路径中以有 效增加由第二数字显示单元产生的进入分束器上的人类可视图像的分辨率，该可变光学透镜对于增强由第二数字显示单元在光束分束器上所产生的所 述人类可视图像的分辨率是有效的；以及弓胞由第二数字显示器所产生的人类可视图像叠加于由第一数字显示器所 产生的图像上。
全文摘要
本发明涉及具有变焦距透镜的头戴显示器。本发明公开了用于产生具有第一分辨率区域和第二分辨率区域的头戴显示器的方法和装置。一个或多个可变焦距透镜被利用以增加第二分辨率区域的分辨率。
文档编号G02B27/01GK101634750SQ20091017330
公开日2010年1月27日 申请日期2009年5月27日 优先权日2008年5月27日
发明者G·T·佩蒂托, R·皮尤 申请人:庄臣及庄臣视力保护公司