用于眼部安装式成像系统的高级光学设计的制作方法

[0001]
本公开总体上涉及一种眼部安装式成像系统。


背景技术：

[0002]
手持相机无处不在。世界上很大一部分人都携带智能电话，并且大多数智能电话都具有一个或多个相机。这允许人们可以他们的生活和经历。史诗般的事件、壮观的假期和人生里程碑式的图片和视频通常由手持相机捕获。另一方面，自拍、猫视频和平庸饭菜图片近年来也呈爆炸式增长。
[0003]
体部安装的相机或随身摄录机(body-cam)得到了进一步发展。它们会自动转到用户要去的地方，并且可以自动记录用户的经历。头戴式或头盔式相机更进一步地发展。它们自动查看用户正在观看的内容，或者至少观看用户头部转向的位置。它们可以从这个视角记录事件。
[0004]
然而，所有这些相机都是其他人可见的单独设备。它们也相对较大，并且没有被携带在用户的眼部上。
附图说明
[0005]
本公开的实施例具有其他优点和特征，当结合附图中的示例时，根据以下详细描述和所附权利要求，这些优点和特征将变得更加清楚，在附图中：
[0006]
图1a示出了佩戴与辅助项链通信的眼部安装式设备的用户。
[0007]
图1b示出了安装在用户眼部上的接触透镜器件的放大图。
[0008]
图2示出了具有嵌入式相机的接触透镜器件的截面图。
[0009]
图3a-3c示出了毫微微相机光学系统的截面图，具有分别到达图像传感器的中心、右边缘和左边缘的可能的光线路径。
[0010]
图4a和4b示出了毫微微相机光学系统的透视图。
[0011]
图5示出了具有毫微微相机和毫微微投影仪的眼部安装式设备的截面图。
[0012]
图6示出了另一毫微微相机光学系统的截面图。
[0013]
图7示出了又一毫微微相机光学系统的截面图。
[0014]
图8示出了在接触透镜中的被水平定位的毫微微相机的截面图。
[0015]
图9示出了接触透镜中的又一毫微微相机的截面图。
具体实施方式
[0016]
附图和以下描述仅通过说明的方式涉及实施例。应当注意，从下面的讨论中，本文中公开的结构和方法的替代实施例将容易地被认为是可以在不背离所要求保护的内容的原理的情况下采用的可行替代方案。
[0017]
一种眼部安装式设备包括接触透镜和嵌入式相机，为了方便起见，嵌入式相机由于很小而被称为毫微微相机。毫微微相机的前光圈背向用户的眼部，使得在毫微微相机中
的图像传感器可以捕获用户的外部环境的图像。在各种实施例中，毫微微相机在可见波长波段、不可见波长波段或这两者的组合中操作。
[0018]
毫微微相机光学器件具有折叠光学路径，这对于将毫微微相机装配到在接触透镜内的有限空间中是有利的。在一种设计中，毫微微相机的光学器件是两镜设计，其中在从前光圈到图像传感器的光学路径中，凹面主反射镜之后是凸面辅反射镜。在一些实施例中，光学系统包括实心透明基板，其中主反射镜形成在基板的一个面上，而辅反射镜形成在基板的相对面上。前光圈是环形的，并且轴向位于两个反射镜之间。前光圈可以包括透镜。遮光结构、光重定向结构、吸收涂层和其他类型的挡板结构用于减少或免除外来光到达图像传感器。
[0019]
例如，眼部安装式设备可以包括在接触透镜中的其他组件：将图像投影到视网膜上的投影仪、其他类型的传感器、电子器件、用于无线接收功率的线圈、或用于发射/接收数据的天线。这些组件(包括毫微微相机)可以在眼部的光学路径中位于瞳孔前方。一些组件必须被放置在该光学区域内，例如，以便将图像投影到视网膜上。其他组件可以位于光学区域外侧。毫微微相机可以在光学区域之内或之外。
[0020]
更详细地，图1a示出了佩戴与项链106通信的眼部安装式设备 105的用户。图1b示出了用户的眼部和眼部安装式设备的放大图。眼部安装式设备105包括佩戴在眼部表面上的接触透镜110。以下示例使用巩膜接触透镜，但接触透镜不必是巩膜式接触透镜。接触透镜 110包含毫微微相机120。毫微微相机120捕获外部环境的图像。
[0021]
图1b示出了安装在用户眼部上的接触透镜110的前视图。接触透镜110放置在眼部的表面上。当用户的眼部在其眼窝中旋转时，接触透镜110随用户的眼部而移动。因为毫微微相机120安装在接触透镜110中，所以它也随用户的眼部而移动。接触透镜直径与毫微微相机横向尺寸的比率优选为大约15：1。该比率通常在大约15：1到30： 1之间，但是可以小至5：1或更小，或者大至50：1或更大。
[0022]
在该示例中，接触透镜110还包含电子器件140和线圈(或天线) 145。在一些实施例中，线圈145是例如经由磁感应无线地接收电力的电力线圈。在其他实施例中，接触透镜110包括向毫微微相机120 供电的电池。电子器件140可以用于：控制毫微微相机，接收或处理来自毫微微相机的图像，向毫微微相机提供电力，和/或将数据传输数据到毫微微相机/从毫微微相机传输数据。接触透镜110还可以包括其他组件，诸如将图像投影到用户视网膜上的投影仪(称为毫微微投影仪)。
[0023]
图1a示出了一种实现方式，其中除了眼部安装式设备105，用户还佩戴项链106，项链106包含眼部安装式系统的组件。在该示例中，项链106包括无线收发器107，无线收发器107发射/接收图像数据和/或将电力传输给眼部安装式设备105。由于接触透镜中的电子器件的大小和功耗限制，去往/来自眼部安装式设备的图像传输受到数据速率约束。
[0024]
图2示出了具有嵌入式毫微微相机120的接触透镜110的截面图。图2示出了使用巩膜接触透镜的实施例，但是接触透镜110不必须是巩膜式接触透镜。接触透镜110优选地具有小于2mm的厚度。毫微微相机120优选地装配在1mm
×
1mm
×
1mm的体积中，或者至少在2mm
×
2mm
×
2mm的体积内。接触透镜110佩戴舒适并且通过允许氧气到达角膜150来保持眼部健康。
[0025]
为了完整性，图2示出了眼部100的一些结构。接触透镜110通过泪液层与用户眼部
100的角膜150分开。在角膜150上，泪液层可以厚达一百微米或更多，而在巩膜170上可以只有几微米厚。眼球的水状液位于眼部100的角膜与晶状体160之间。玻璃体填充大部分眼球。虹膜180限制眼部的光圈。
[0026]
毫微微相机120是面向外的相机，这表示毫微微相机120的“视线”背向眼部100并且捕获周围环境的图像。毫微微相机110的视场 125可以与用户眼部的视场相同、更小或更大。如下面更详细地示出的，毫微微相机110包括成像光学器件、传感器阵列和传感器电路装置。传感器阵列可以是光电二极管阵列。在一些实施例中，传感器阵列在可见波长波段(即，约390nm到770nm)中操作。备选地或另外地，传感器阵列在诸如红外(ir)波段(即，约750nm到10μm)或紫外波段(即，＜390nm)等不可见波长波段中操作。例如，传感器阵列可以是热红外传感器。
[0027]
传感器电路装置感测并且调节由传感器阵列产生的传感器信号。在一些实例中，由传感器电路装置产生的输出信号是模拟信号。备选地，传感器电路装置可以包括模数转换器(adc)，使得输出信号是数字信号而不是模拟信号。传感器电路装置还可以具有其他功能。例如，传感器电路装置可以放大传感器信号，将它们从电流转换为电压信号，或者从传感器信号中过滤噪声，以将信噪比保持在阈值以下。传感器电路装置可以被实现为单独的电子器件模块140。备选地，它可以被实现为传感器阵列的底板。由毫微微相机捕获的图像的处理可以在接触透镜110外部进行。
[0028]
图3-4示出了示例毫微微相机设计。图3和4分别示出了使用两个反射镜的毫微微相机的截面图和透视图。图3的毫微微相机包括实心透明基板310。实心透明基板310可以由塑料、玻璃或其他透明材料制成。毫微微相机还包括凹面主反射镜360和凸面辅反射镜350。这两个反射镜中的一个或两个可以是非球面的。凹面主反射镜360可以通过用诸如金属(例如，铝或银)等反射材料或电介质层的工程堆叠涂覆基板310的端部来形成。主反射镜360的形状可以通过数种不同技术中的任何一种来制造。例如，如果基板是注模塑料，则主反射镜360的形状遵循所使用的模具的形状。备选地，主反射镜360的形状可以通过在车床上对基板进行金刚石车削来制成。或者，主反射镜 360的形状可以通过光刻和蚀刻步骤来形成。例如，灰度光刻可以用于蚀刻反射镜表面轮廓。包括压纹、压模和/或uv固化光敏聚合物的晶片级光学技术也可以用于形成反射镜轮廓。也可以采用增材制造或三维打印(例如，通过两光子聚合)技术。这些技术也可以用于形成辅反射镜350。
[0029]
主反射镜360包括透明的非反射性后光圈365。诸如光电二极管阵列的图像传感器340被安装在该位置处。其他类型的图像传感器包括例如光电晶体管、ccd、基于高温计的传感器、微辐射热计、以及基于钒氧化物、硅、磷化铟、锑化镓或砷化镓的传感器。
[0030]
辅反射镜350面向主反射镜360，并且图像传感器340面向辅反射镜350。光线通过前光圈370进入毫微微相机。它们首先入射在主反射镜360上，并且由主反射镜360反射。然后，镜反射的光线在到达图像传感器340之前，入射在辅反射镜350上并且由辅反射镜350 进一步反射。主反射镜360和辅反射镜350协作以形成外部环境的图像，该图像由图像传感器340捕获。
[0031]
主反射镜360和辅反射镜350协作以将通过前光圈370进入的光线成像到图像传感器340上。然而，在图像形成中，并非来自外部环境的所有光线都被包括在内。用于形成图像的光线被称为图像形成光线。剩余光线被称为外来光线。在图3中，前光圈370为环形形状
(但不要求是平面的)。它由内边缘372和外边缘374限定。前光圈370 限制哪些光线进入光学系统以形成图像。在该设计中，前光圈370不与反射镜350、360中的任一个反射镜轴向对准。也就是说，前光圈 370的z坐标在主反射镜360和辅反射镜350的z坐标之间。在图3 中，前光圈370位于两个镜350、360之间的大约中间位置。
[0032]
该系统还包括用于阻挡或至少减少外来光线的挡板系统。在图3 中，挡板系统包括用作三维遮挡物的内部挡板382、以及具有外部部分384和内部部分386的侧挡板。挡板可以是毫微微相机光学系统的组成部分或其中安装有光学系统的周围结构。吸收性或黑色挡板也可以使毫微微相机对其他人更不可见。在一种实现方式中，遮挡物382 和内侧挡板386通过在用作光学系统的核心的透明基板310上沉积诸如碳、粗糙化或经蚀刻镍(“镍黑”)、黑铬或梵塔黑vantablack(萨里纳米系统，纽黑文，uk)的吸收性材料来制造。也可以使用黑色铟锡氧化物。外侧挡板384可以与基板310分离，例如，外侧挡板384 可以是沉积在组装期间芯插入其中的孔的侧面上的吸收材料。
[0033]
在图3中，挡板系统被设计为阻挡所有外来光线，这些外来光线具有从外部环境到图像传感器340的直接路径。因此，遮挡物382在辅反射镜350与前光圈的内边缘372之间的整个长度上延伸。外侧挡板384从前光圈的外边缘374延伸远离主反射镜360，并且外侧挡板 384足够长以阻挡将通过前光圈370直接传播到图像传感器340的所有外来光线。虽然在图3中不必须，但是外侧挡板384可以延伸到与辅反射镜350轴向对准的边缘，而不会增加整个系统的长度。内侧挡板386在整个长度上从前光圈的外边缘374延伸到主反射镜360。在其他实施例中，挡板系统可以阻挡少于所有外来光线的光线，因此挡板可以更短。
[0034]
图3a示出了到图像传感器340的中心点的可能的光线路径。这些光线路径可以被如下分类。光线束341由主反射镜360和辅反射镜 350反射，以在图像传感器340上形成图像。这些是图像形成光线341。在图3a中，图像形成光线束341在通过前光圈370进入时、以及在从辅反射镜350传播到图像传感器340时都被标记。
[0035]
剩余路径是用于外来光线的可能路径，其被如下管理。可能已经沿着光线束345中的光线路径传播到图像传感器340的外来光线由辅反射镜350的背面阻挡。通过遮挡物382和辅反射镜350，外来光线被防止到达在光线束346中的可能光线路径(在实线光线与虚线光线之间)。通过外侧挡板384，外来光线被防止到达光线束347中的可能光线路径(在两个虚线光线之间)。光线束348中的可能光线路径由内侧挡板386阻挡。为清楚起见，在图3a中仅标记了左手侧光线，但是对于右手侧光线存在类似的情况。对于图像传感器340上的其他点也可以产生类似的图。
[0036]
图3b和3c示出了到图像传感器340的两个边缘点的可能的光线路径。外来光线以与图3a中描述的类似的方式来管理。图3b和3c 的边缘点还导致以下考虑。同样，仅考虑了左手侧光线。在图3b中，外侧挡板384从前光圈的外边缘374向外渐缩(或以其他方式成形)，使得其不阻挡最外侧的图像形成光线341x。光线341x穿过前光圈的外边缘374并且入射在图像传感器340的最远点上。结果，它以所有图像形成光线的最外角传播。如果外侧挡板384不阻挡光线341x，则它也将不阻挡任何其他图像形成光线。另外，如图3c所示，外侧挡板384足够长以防止外来光线到达光线路径347a。因为光线路径 347a穿过前光圈的内边缘372到达图像传感器340的最外边缘，所以它将在距图像传感器340的最远可能轴向距离处与侧挡板384相交。
[0037]
同样，在图3c中，遮挡物382和内侧挡板386被成形为使得它们不阻挡图像形成光线341y或341z中任一者。光线341y穿过前光圈的内边缘372，并且入射在图像传感器340上的最近点上。结果，它以所有图像形成光线的最内角传播。如果遮挡物382没有阻挡光线 341y，则它也将不会阻挡任何其他图像形成光线。在图3中，三维遮挡物382是紧邻辅反射镜350的环带加上在环带与前光圈的内边缘 372之间的整个长度上延伸的锥形截头锥体的组合。
[0038]
图4a-4b示出了来自图3的毫微微相机光学系统的透视图。图 4a仅示出了经涂覆的基板310。内侧挡板386是圆柱形形状(即，侧面平行于系统的光学轴线)。遮挡物382是平截头锥体加上狭窄环带，其与辅反射镜350相邻。前光圈370是在内侧挡板386与三维遮挡物 382之间的透明环带。在一些设计中，前光圈370具有比主反射镜360 或辅反射镜350更靠近在主反射镜与辅反射镜的中间位置的轴向位置。例如，如果z是轴向尺寸，并且两个反射镜位于z＝0mm和z＝1 mm处，则前光圈位于0.25mm<z<0.75mm的范围内。用于图像传感器的主反射镜和后光圈位于基板的背面上，其在图4a中不可见。图 4b还示出了外侧挡板384。
[0039]
如上所述，在图3-4中的设计阻挡将直接传播到图像传感器340 的所有外来光线。然而，这不是严格要求的。不同挡板382、384、386 不必延伸所示出的整个长度。在一些设计中它们可以更短。例如，遮挡物382可以占据在辅反射镜350与前光圈的内边缘372之间的一些空间，但不延伸整个长度。它可以从辅反射镜350朝向主反射镜360 延伸，但是没有到达前光圈的内边缘372。类似地，外侧挡板384可以从前光圈的外边缘374延伸，但是可能不足够长以阻挡通过前光圈 370到图像传感器340的所有直接光线路径。内侧挡板386也是如此。在一些情况下，如果倾斜的外来光线较弱或由另一种机制控制，则可以没有内侧挡板386。
[0040]
挡板382、384、386也不必须具有所示出的形状。例如，从辅反射镜350的边缘延伸到前光圈的内边缘372而不会阻挡在图3c中所示的图像形成光线341的任何吸收结构，可以起到与具有图3所示形状的遮挡物382相同的目的。不同形状在制造或组装中可以具有优势。
[0041]
作为最后的一组变型，图3b-3c示出了某些图像形成光线341不应当由挡板阻挡的一些情况。但是，这不是严格要求的。在一些设计中，阻挡一些成像光线341可以是可接受的。
[0042]
毫微微相机的设计由于诸如系统必须适合的非常小的体积、基板和周围的接触透镜材料的折射率、以及所需要的光学放大率规格等限制而变得复杂。主反射镜和辅反射镜的大小和曲率、图像传感器的大小、以及折射指数都是可以由光学设计人员调节，以优化诸如光通量、焦深、视场、放大率和分辨率等不同设计优先级的参数示例。
[0043]
在一些设计中，图像传感器340的宽度不超过500微米。例如，图像传感器340可以是传感器的500
×
500阵列，具有的传感器-传感器节距不大于3微米，并且优选地不大于1微米。节距为1微米的500
ꢀ×
500阵列的一侧大约为500微米。使用拜耳(bayer)模式的500
×ꢀ
500彩色像素的阵列在使用1微米节距的单独传感器(每个彩色像素具有三个或更多个单独传感器)的一侧上小于1mm。图像传感器可以是其他尺寸。例如，红外传感器可以更大。传感器-传感器的节距可以为10、20或甚至40微米。
[0044]
一些设计可以具有狭窄视场，诸如2度或更小。图3-4所示的两镜设计适用于较窄
视场(例如，在5至15度范围内)和对应较高的分辨率。两镜设计也可以提供更大或更小的视场。
[0045]
毫微微相机的具体设计取决于应用。对于非成像应用，实际分辨率可以低于针对成像应用所使用的分辨率。例如，具有少量(例如， 10
×
10阵列)相对较大像素的毫微微相机可以用作眼部跟踪应用的传感器。毫微微相机可以查看较远的对象或较近的参考对象，诸如用户的鼻子。
[0046]
图3-4所示的设计利用折叠光学路径。结果，光学器件的光学路径长于接触透镜的厚度。这可以导致较低像差以及较高角分辨率。光学路径允许图像传感器被定向成近似平行于、而不是垂直于接触透镜表面。毫微微相机可以占据不超过1到2mm的垂直空间(即，接触透镜厚度)，和/或毫微微相机可以具有不超过2到4mm2的横向占地面积。前光圈的最大横向尺寸可以不超过1到2mm。
[0047]
除了捕获外部环境的图像或提供眼部跟踪功能，毫微微相机还可以在不同类型的眼部安装式设备中的其他应用中被使用。例如，图5 示出了具有毫微微相机120和毫微微投影仪530(即，也包含在接触透镜110中的小型投影仪)的眼部安装式设备的截面图。毫微微相机120在其视场125内捕获图像。毫微微投影仪530将图像595投影到用户的视网膜590上。可以对这两者进行协调，使得由毫微微相机捕获的图像被用于确定由毫微微投影仪530投影的图像595。
[0048]
图6-9示出了图3的毫微微相机光学系统的其他变型。这些变型涉及内部折射界面、遮挡物位置和形状、以及其他参数。设计选择必须以组合方式进行说明，并且为了保持附图的数目可控，并未示出每种可能的组合。例如，内部折射界面的形状的选择在很大程度上与遮挡物位置或遮挡物形状的选择无关。说明了这些选择的一些组合。本领域技术人员将理解，在某些情况下可以需要其他未示出的组合。
[0049]
图6的设计还基于透明基板610，其中图像传感器640和主反射镜660在一个面上，而辅反射镜650在相对面上。但是，通过在芯材中创建凹槽，然后用吸收材料涂覆凹槽的内部，从而形成三维遮挡物 682。类似地产生部分侧挡板684。
[0050]
图7的设计包括平面化填充物712。如果芯材710具有折射率n1，填充材料712具有不同的折射率n2，并且周围材料(例如，接触透镜材料)具有折射率n3，则存在有两个折射界面。第一折射界面在出射光圈770处。第二折射界面714在填充材料712与周围材料之间。这些折射界面可以被成形为实现各种光学功能，例如引入光学功率或校正光学像差。
[0051]
在图2中，示出了以“竖直”配置安装在接触透镜中的毫微微相机。毫微微相机120的光学轴线和/或对称轴线线大致垂直于接触透镜 110的外表面。在图8中，毫微微相机820以“水平”配置安装。毫微微相机光学系统830的光学轴线和/或对称轴线大致平行于接触透镜110的外表面。在这种配置中，转向反射镜840将来自外部环境的成像光线引导到毫微微相机光学系统830。
[0052]
图9示出了接触透镜110中的另一毫微微相机的截面图。图9的组件具有以下结构。腔体950形成在接触透镜110中，并且图4a所示的实心芯910被插入腔体950中。在该示例中，腔体950从接触透镜的外表面向内渐缩，因此具有笔直的侧壁，其中腔体接触芯910。腔体950的侧壁是吸收性的。这可以通过涂覆腔体的侧壁来实现。备选地，可以首先形成较大的孔940，并且用深色环氧树脂942(例如， master bond ep42ht-2med black)填充孔940。然
后在环氧树脂中形成腔体950。剩余的深色环氧树脂942被用作毫微微相机的吸收侧挡板。可以使用环氧以外的材料。例如，其侧面可以被替代地涂覆。
[0053]
已经描述了各种毫微微相机光学系统。可以使用塑料注射成型、金刚石车削、光刻和蚀刻或其他技术将它们中的每个制造得足够小以装配在接触透镜中。大多数但并非全部系统包括实心圆柱形透明基板，该基板的一端形成有弯曲主反射镜，另一端形成有辅反射镜。任何设计都可以根据需要使用遮光、光重定向、吸收涂层或其他类型的挡板结构以减少杂散光。
[0054]
当将毫微微相机光学系统描述为“圆柱形”时，其圆柱形形状可以包括在侧壁上的平面。换言之，完美圆柱体的圆形横截面不是必需的，而只是整个圆柱体的形状。光学系统也可以由诸如三角形、正方形、五边形等其他形状的挤压件制成。
[0055]
尽管详细描述包含很多细节，但是这些细节不应当被解释为限制本发明的范围，而仅是用于说明不同的示例。应当理解，本公开的范围包括上面未详细讨论的其他实施例。例如，图3-4中的设计均使用实心基板，但也可以使用空芯。作为另一示例，尽管将毫微微相机描述为嵌入在接触透镜中，但是小型相机也可以用于其他应用中，诸如嵌入在眼镜镜片中，在内窥镜中使用，或者安装在无人机上。在不背离所附权利要求中限定的精神和范围的情况下，可以对本文中公开的方法和装置的布置、操作和细节进行对本领域技术人员而言很清楚的各种其他修改、改变和变化。因此，本发明的范围应当由所附权利要求及其合法等同物确定。