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1、10申请公布号CN104133299A43申请公布日20141105CN104133299A21申请号201410310391722申请日2011052961/349,83020100529US201180026285020110529G02C7/08200601G02C11/00200601H04N5/353201101H04N5/374520110171申请人蒋文宇地址美国新泽西州72发明人蒋文宇74专利代理机构上海专利商标事务所有限公司31100代理人邢德杰54发明名称用于制造和使用具有自适应透镜的眼镜的系统、方法和设备57摘要本发明描述了一种用于矫正近视的光电设备和方法，包括至少一个自。
2、适应透镜、电源和眼动仪。眼动仪包括图像传感器以及与自适应透镜和图像传感器可操作地连接的处理器。处理器被配置为用于接收来自图像传感器的电信号并控制自适应透镜的矫正功率以矫正近视，其中矫正功率取决于使用者的凝视距离和近视处方强度。本发明还描述了一种低功耗的眼睛闪烁跟踪方法。30优先权数据62分案原申请数据51INTCL权利要求书2页说明书24页附图9页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书24页附图9页10申请公布号CN104133299ACN104133299A1/2页21一种用于矫正近视的光电设备，包括至少一个自适应透镜；至少一个电源；眼动仪，所述眼动仪进一步包括。
3、图像传感器；与所述自适应透镜和所述图像传感器可操作地连接的处理器，其中所述处理器被配置为用于接收来自所述图像传感器的电信号并控制所述自适应透镜的矫正功率以矫正近视，其中所述矫正功率取决于使用者的凝视距离和近视处方强度。2根据权利要求1所述的设备，其中所述自适应透镜和所述眼动仪具有的功耗小于1MW。3根据权利要求1所述的设备，其中所述自适应透镜和所述眼动仪具有的功耗小于100MW。4根据权利要求1所述的设备，其中所述处理器被配置为用于根据非递增曲线调节所述矫正功率，其中所述非递增曲线被分别使用公式1/F1/U1/F01/F_OVER和公式1/F1/F0的曲线限定，其中1/F0为所述近视处方强度且。
4、为负值，U为所述凝视距离，并且1/F_OVER为所述使用者指定的用于潜在的过度减少模式的附加的光功率差值且为正值。5根据权利要求4所述的设备，其中所述非递增曲线恰好为1/F1/U1/F0。6根据权利要求4所述的设备，其中所述非递增曲线的形式为1/F1/U1/1/AUBF0，其中A和B为配置参数。7根据权利要求1所述的设备，其中所述透镜选自由电湿润透镜、液晶透镜和具有流体注入的液态透镜组成的组的一种。8根据权利要求1所述的设备，其中通过视线跟踪确定所述凝视距离。9根据权利要求8所述的设备，其中所述视线跟踪基于头戴式配置中每个眼睛使用多个LED和多个相机的闪烁跟踪，其中以低于跟踪频率的频率执行自动。
5、校准，且在自动校准之后，仅使用1个LED用于照明，并且其中根据哪个LED可能给出最准确的跟踪结果确定有源LED。10根据权利要求8所述的设备，其中所述视线跟踪基于头戴式配置中每个眼睛使用1个LED和1个相机的闪烁跟踪，其中所有的眼睛参数是预校准的，并且从所述相机中的二维闪烁坐标到三维闪烁坐标的映射是基于所述预校准的眼睛参数对每个眼睛进行预计算，并且因此用于获得凝视方向信息旋转角度对。11根据权利要求9所述的设备，其中所述视线跟踪基于使用1个LED和2个相机以获得所述闪烁的所述三维坐标，以及然后将连接所述LED和所述闪烁的所述三维坐标的线与球形中心在原点、半径为DC的球面相交叉，并选择更接近所述。
6、LED的交叉点作为角膜中心的所述三维坐标并因此获得所述凝视方向信息旋转角度对，其中原点为待跟踪的眼睛的中心，并且DC为从所述眼睛的所述中心到所述眼睛的所述角膜中心的距离。12根据权利要求11所述的设备，其中通过根据球面模型由所述角膜中心的三维坐标的样本回归，估计所述眼球相对于所述相机的中心和从所述中心到所述角膜中心的半径，并且其中随后根据至少一个所述角膜中心的三维坐标，使用数学关系式RC2DCLDCG/DCLDCG估计所述角膜的半径RC，其中DCL和DCG分别为角膜中心C和所述LEDL之间的权利要求书CN104133299A2/2页3距离以及角膜中心C和所述闪烁G之间的距离。13根据权利要求1。
7、所述的设备，其中所述处理器被配置为用于基于两条视线的交叉距离计算凝视距离，其中所述两条视线分别从所述使用者的每个眼睛到所述使用者聚焦的物体。14根据权利要求1所述的设备，还包括眼镜框，其中所述至少一个自适应透镜、所述至少一个电源和所述眼动仪与所述眼镜框集成在一起。15一种用于矫正远视的光电设备，包括至少一个自适应透镜；至少一个电源；眼动仪，所述眼动仪进一步包括图像传感器；与所述自适应透镜和所述图像传感器可操作地连接的处理器，其中所述处理器被配置为用于接收来自所述图像传感器的信号并控制所述自适应透镜的矫正功率以矫正远视，所述矫正功率取决于用户的凝视距离和远视处方强度。16根据权利要求15所述的设。
8、备，还包括眼镜框，其中所述至少一个自适应透镜、所述至少一个电源和所述眼动仪与所述眼镜框集成在一起。权利要求书CN104133299A1/24页4用于制造和使用具有自适应透镜的眼镜的系统、方法和设备0001本申请是国际申请日为2011年5月29日、国际申请号为PCT/US2011/038473、中国国家申请号为2011800262850、发明名称为“用于制造和使用具有通过凝视距离和低功率视线跟踪驱动的自适应透镜的眼镜的系统、方法和设备”的国际申请的分案申请。0002优先权要求0003本申请要求于2010年5月29日提交的美国临时专利申请NO61/349,830的权益，其全部公开内容通过引用方式并。
9、入本文。本公开内容包括所附的PCT申请附录中的每个参考文献。发明领域0004本申请一般地涉及光学和电学领域，特别地，涉及用于控制眼镜和其他光学装置中的自适应透镜的装置和方法。0005背景0006随着近视成为患者的最常见和普遍的症状，现代的眼镜通常用于矫正患者或使用者的视力。在下文中可交换地使用术语“患者”和“使用者”。近视的主要原因是眼睛自身的晶状体下文中的“眼睛晶状体”由于过长时间地注视近处物体可能需要较高的光功率较厚的形状而无法似真地回复到较低的光功率或较薄的形状。0007当患者最初被确诊为近视时，典型地在年轻时，他的或她的矫正处方经常为相对低的光功率，例如15屈光度，这意味着患者可在1/。
10、15M0667M667CM远处看清物体。当患者，例如学生，戴着眼镜在教室环境看黑板时，他或她可不用付出太多努力而看见文字。但是，当患者想要阅读课本或者在笔记本中做笔记，并且课本或笔记本位于距患者的眼睛30CM的近距离处时，则利用光学方程，通过眼镜形成的虚拟图像可能在1/15距离处即206CM处而不是在30CM处。因此，患者必须在阅读/书写和看黑板之间反复地改变他的或她的焦距，这可能是使人疲累的，并且在近距离处的调节或焦距的改变可能比患者不戴任何眼镜的情况更强或更大。这种经常的焦距改变迫使患者的眼睛晶状体处于甚至比以前更高的光功率，并且在长时间的阅读/书写后，眼睛晶状体可能丧失回复到甚至最初的1。
11、5屈光度的能力，因为在阅读/书写中，患者实际上聚焦在206CM处而不是667CM处，并且这可能呈现眼睛的不健康消耗。逐渐地，患者可能需要一副更高处方的眼镜，这可能反过来迫使患者的眼睛晶状体陷入不必要的高光功率的状态。最后，眼睛晶状体的机械性能人与人之间可不同可能给晶状体可被压缩的量强加限制，从而稳定使用者的处方强度。但是，可能是以要求比原始处方高得多的处方的巨大代价来稳定处方强度。0008对于有远视眼例如，戴上正常的处方眼镜时无法聚焦近处，通常在中年开始影响视力的使用者，已经使用双焦镜、多焦镜和渐变镜用于阅读目的。双焦镜、多焦镜和渐变镜是受限制的，因为它们要求患者向下看以使用透镜的较低处方部分。
12、，这经常是不方便的。而且，眼睛护理专家似乎认为这种类型的透镜是用于远视患者而不是近视患者。0009ROANOKE,VIRGINIA的PIXELOPTICS,INC已经发布了一种使用自适应透镜的眼说明书CN104133299A2/24页5镜，其中自适应透镜根据视距改变焦距，但是，他们的眼镜严格地用于远视使用者和/或年长的患者，而本发明针对所有年龄的近视患者。而且，本发明与PIXELOPTICS的自适应透镜的区别在于，给定患者可以用于看见近处物体的处方，焦距相应地进行调节，而已知PIXELOPTICS的眼镜不能执行这样的调节。而且，PIXELOPTICS的眼镜模糊地执行眼睛跟踪，而不是如本发明公开。
13、的明确的眼睛跟踪。授予PIXELOPTICS的美国专利NO7,517,083潜在地启示使用眼睛或视线跟踪来控制自适应透镜的焦距。但是，专利没有提供执行眼睛跟踪的足够细节，并且仅仅提及使用多个LED和图像传感器检测瞳孔的边缘其提出基于瞳孔的眼睛跟踪，但没有提供执行具有小的形状因素的瞳孔跟踪的细节，此外，在该专利中提出使用瞳孔间距离确定视距。但是，当患者向侧面看时，瞳孔间距离不完全准确，而使用“视线”交叉方法来计算距离通常更准确。而且，瞳孔间距离的概念默认地假设与两个眼睛之间存在相同的凝视距离，但是这仅在使用者直视前方例如向上或向下是可以接受的时是正确的。例如，当向左侧看时，尤其是看近处物体时，左。
14、眼与该物体之间的距离比右眼近。视线交叉方法不会遇到这个问题。0010在美国专利NO7,517,083中还讨论了一种测距仪方法，其通常测量最近的直前方物体，与测量凝视距离不同。根据各种PIXELOPTICS的文献和新闻发布，它的最新发布的眼镜能够“知道你在看哪里”。0011而且，美国专利NO7,517,083提及使用跟踪系统来“计算近点焦距的范围以便对可调节的和聚焦的近或中间范围聚焦需求进行校正”，这是模糊的描述，且似乎严格地适用于远视使用者的聚焦需求而不是近视使用者的聚焦需求。0012此外，美国专利NO7,517,083中讨论的类型的眼睛跟踪最常用于矫正视力的非常规畸变如散光，而不是更常见的畸。
15、变如近视。实际上，眼睛或视线跟踪是复杂的，是一个应该更清楚和更详细讨论的概念，尤其在小形状因素背景下。0013眼睛或视线跟踪本身是个复杂的课题，已被研究数十年并且仍然很难实现。关于眼睛或视线跟踪的技术已经取得重大进步，使得光学制造商可以花费大量金钱制造和生产商业跟踪器或者头戴式眼动仪，其可卖几千美元以上。现有的研究表明头戴式眼动仪相对庞大且消耗大量的能量，可能几百MW毫瓦。0014一篇2009年的标题为“A200SPROCESSINGTIMESMARTIMAGESENSORFORANEYETRACKERUSINGPIXELLEVELANALOGIMAGEPROCESSING”的论文描述了一种以。
16、100MW的峰值耗量直接执行眼睛跟踪的小型CMOS图像传感器。参见DONGSOOKIM,GUNHEEHANDEPTOFELECTRICALENGINEERING,YONSEIUNIVERSITY,SEOUL,KOREA，A200SPROCESSINGTIMESMARTIMAGESENSORFORANEYETRACKERUSINGPIXELLEVELANALOGIMAGEPROCESSING,44IEEEJOURNALOFSOLIDSTATECIRCUITS2581902009年9月第44卷，第9期。论文讨论了用于眼动仪的低功率设计的当前技术发展水平并示出了尝试开发低于MW级别的消耗如何仍然还是。
17、关键设计目标。但是，论文没有实现低于MW级别的消耗。上述论文中讨论的设计支持每秒5000次跟踪。因此，如果跟踪的次数降至每秒仅50次跟踪，那么总功率消耗可能降至1MW。0015一篇2004年的标题为“AMBIENTLIGHTCANCELINGCAMERAUSINGSUBTRACTIONOFFRAMES”的论文建议通过时间调制开启/关闭的控制的照明进行两次曝光然后进行减法以消除环境背景光干扰。参见美国太空总署的喷气推进实验室说明书CN104133299A3/24页6PASADENA,CALIFORNIA，AMBIENTLIGHTCANCELINGCAMERAUSINGSUBTRACTIONOFF。
18、RAMES，NASATECHBRIEFS,NPO308752004年5月，其可从HTTP/NDARTICLESCOM/P/ARTICLES/MI_QA3957/IS_200405/AI_N9457885/TAGCONTENT；COLL获得。可在软件而不是硬件中进行减法。0016此外，ZAMIRRECOGNITIONSYSTEMS位于KNOXVILLE,TN和JERUSALEM,ISRAEL的公司提交的美国专利公开NO2008/0203277描述了一种与上面提及的2004年NASATECHBRIEF中的上述方法类似的方法，但是在硬件中实现。上面提及的专利公开中概述了两种方法I一种使用时间调制开启。
19、/关闭的控制的光的方法与上面提及的2004年NASATECHBRIEF中的方法类似；以及II另一种使用频率调制类似于AM/FM无线电调谐以更易接收某些受控频率的方法。相比于时间调制方法，频率调制方法可能实现起来更加复杂。相机中的每个像素具有电容。时间调制的方法可采用对一个像素阵列中的每个像素的电容进行充电和放电，或者对两个像素阵列进行充电，然后执行减法。0017美国专利公开NO2008/0203277的图3似乎展示了与充电和放电方法的整体设计逻辑上不一致的静电危害。而且，对于具有两个像素阵列的时间调制方法，提出了在硬件或软件中的信号的减法。甚至对于硬件减法，美国专利公开NO2008/02032。
20、77似乎建议使用现有技术的方法，例如典型地使用差分运算放大器作为模拟域中的减法模块，以及典型地使用数字化后的运算器作为数字域中的减法模块。0018发明概述0019有时，如果处于近视的早期阶段的患者实际上较长时间地观看远处的物体，他们可暂时地恢复看清远处的物体的能力。这可通过肌肉放松并让眼睛晶状体独立地回复到较薄形状而大概实现。因此，如果眼镜被设计为允许肌肉尽可能地放松，同时仍然保持视敏度和足够的视力矫正，那么使用者可能潜在地降低他的或她的近视症状和/或防止处方强度的进一步增加。这可通过采用具有自适应焦距的透镜实现。如果已知患者对于远看的处方强度，那么在眼睛放松的最大水平，这种眼镜可能仅提供必要。
21、的矫正以提供正好的视力矫正或者适当和满意水平的视力矫正。这种方式下，患者可能保持他的或她的原始处方而不会不必要地增加它。甚至还可以小幅减小一组透镜的矫正功率以便促使眼睛朝远处聚焦，从而可能扭转近视的影响。0020上面描述的方法可通过采用自适应透镜技术例如，电湿润、液晶、具有流体注入的液态透镜等与用于确定“凝视距离”或者患者看向远处的物体时的确切聚焦距离的方法相结合而实现。凝视距离不一定是至最近的前方物体的直前距离，因为使用者可能向侧面看，例如瞥视。0021关于凝视距离的新发现是，由于人眼感知立体视觉的方式，凝视距离取决于每个眼睛的视线并可能等于这两个视线的交叉距离。0022上面描述的方法的一种。
22、实施方案采用有利地利用闪烁跟踪的方法。在一种实施方案中，提供一种与现有技术的方法相结合时具有免校准的优点的方法。在一种实施方案中，提供一种通过改进有源像素传感器APS元件使用小型CMOS图像传感器执行非常低功率的闪烁跟踪的方法。0023在一种实施方案中，本发明可利用适当地放置在MOSFET晶体管的源极和栅极的一个像素阵列，但是是两个电容，从而帮助闪烁检测。这种方法与上面描述的美国专利公开说明书CN104133299A4/24页7NO2008/0203277的时间调制方法是有区别的并且还可使用更少的像素。而且，上面描述的美国专利公开NO2008/0203277的时间和频率调制方法被设计为更多地用。
23、于普通图像捕捉而不是闪烁检测。相比之下，本发明的两个电容的设计是一种本质上执行减法的新方式，其以低功率执行仅闪烁检测，而不是以高功率检测任何光强的像素。0024在一种实施方案中，本发明提供一种可以以经济的方式制造的易于实现的低功耗低于MW级别的观看装置。0025在一种实施方案中，提供一种新型的眼镜，其减少患近视的使用者在所有视线距离范围内所需的调节量，从而降低眼疲劳并有希望减慢、稳定或甚至扭转近视的发展。眼镜可适应其透镜的光功率，从而使得相比于佩戴全处方强度眼镜，近视使用者需要减小的调节量。当与全处方强度眼镜相比，减小的调节量可比最大值小但仍为正数。这可帮助保持大脑假设的聚焦和调节之间的隐含关。
24、系，从而当患者摘掉他的或她的眼镜时，他/她仍然可以自然地观看，因为大脑知道对于不同的距离，它必须重调眼睛晶状体的焦距。可替换地，减小的调节量可以比最大值稍大，其中使用者不100地看清，并被引导朝远处聚焦，从而帮助眼睛晶状体恢复到较薄的形状和较低的功率并潜在地扭转近视的发展。眼镜可能需要知道视距，视距通过凝视距离确定。本公开提供的眼睛/视线跟踪器基于跟踪来自红外LED照明的眼睛闪烁。眼睛或视线跟踪器可易于实现，使其适合嵌入使用在眼镜中并当与现有技术的方法结合时促进免校准的使用。0026在一种实施方案中，用于眼镜中的视线跟踪器不仅必须易于实现，还需具有非常低的功耗。设计目标是具有低于MW级别的功耗。
25、，优选地在跟踪的活跃期。根据本发明的实际设计可用于改进小型CMOS图像传感器中的有源像素传感器APS，并仅在像素被开启时可消耗明显的功率，且仅在入射光足够强例如，在像素上捕捉到闪烁时可开启像素。这种方法支持非常低功率的设计，在活跃期可能低于01MW。描述了两种方法，一种更简单易行，另一种更复杂但是对背景光干扰具有更高的免疫性。与现有的方法相比，尤其是与上面讨论的KIMHAN的论文中的方法相比，本发明的系统和方法提供可支持低于MW级别的功耗甚至在活跃期的设计。例如，如果使用1A限流晶体管作为负载，并还使用3V电源，例如如果预计通过视线跟踪器相机捕捉的图像中存在10个闪烁像素，那么本发明的设计中的。
26、闪烁检测电路作为基于闪烁的视线跟踪器的一部分可能在活跃期只消耗大约30W。而且，上面的2009年论文讨论的眼睛跟踪器仅仅跟踪瞳孔的中心，而本发明跟踪闪烁，闪烁可以仅为一个像素或一小群像素，从而使得电路设计更简单和更稳健。0027在一种实施方案中，提供一种眼镜的新型实施方案，其可基于凝视距离调节它们的光功率，以便例如当患近视使用者看向近处时，减少这类使用者所需的调节量。不论使用者看向远处还是近处物体，眼镜允许使用者尽可能地放松他的或她的眼睛，这可帮助减慢并且甚至可能扭转近视的发展。可通过使用例如自适应透镜使由眼镜执行的光学调节可行，并且自适应透镜转而可以多种方式实现例如，液态电湿润、液晶和具有流。
27、体注入的液态透镜。0028在一种实施方案中，提供一种用于执行用于凝视距离估计的视线跟踪的方法。该方法可能仅要求闪烁跟踪，这可能更易于实现。该方法还可通过将其或其步骤与现有技术的自动校准方法或来自这种现有技术的自动校准方法的步骤相结合而实现免校准。该方法还可促进低复杂性实现，例如通过使用1个LED照明和两个或多个相机。说明书CN104133299A5/24页80029在一种实施方案中，提供一种超低功率例如低于MW级别或毫瓦级别的方法，其例如通过使用小型CMOS互补金属氧化物半导体图像传感器执行相机中的闪烁跟踪，其中CMOS图像传感器还可具有改进的有源像素传感器APS。改进的APS可能消耗非常低的。
28、功率，因为仅在像素是潜在的闪烁像素例如，具有足够强的光强度时开启像素并消耗明显的功率。近红外窄带滤波器可被用作提高对背景光干扰的免疫性的优选方法。与普通图像捕捉的速率相比，还可能减少曝光时间，这可能促进LED照明的仅闪烁检测和低功率消耗。换句话说，LED可以不必总是“开启”。在一种实施方案中，还可提供上面描述的方法的变型形式，其通过在APS中使用两个电容用于两次曝光以及使用改进的电压供应以匹配APS的输出信号，来支持对背景光干扰的更强免疫性。在一种实施方案中，还可提供上面描述的方法的变型形式，其可实现先前描述的方法的类似目标例如，对背景光具有更强的免疫性，但是，不使用两个电容和/或改进的电压供。
29、应。0030附图简述0031实施方案以实例的方式示出，并且不限于附图中的示图，其中相似的标号表示相似的元件。0032图1示出根据本发明实施方案的与具有自适应透镜的眼镜联合使用的硬件设备的实例，其中自适应透镜由凝视距离和低功率视线跟踪驱动。0033图2示出根据本发明实施方案的各种调节减小模式的曲线图。0034图3示出根据本发明实施方案的眼睛或视线跟踪中的旋转角度对方位角和高度角的图解。0035图4示出传统的3晶体管有源像素传感器3TAPS。0036图5示出根据本发明实施方案的具有限流器的改进的3TAPS。0037图6示出根据本发明实施方案的具有共享晶体管的改进的3TAPS。0038图7示出传统的。
30、4晶体管APS4TAPS。0039图8示出根据本发明实施方案的具有限流器和共享晶体管的改进的4TAPS。0040图9示出根据本发明实施方案的通过N基底光电二极管执行低功率闪烁检测的改进的3TAPS。0041图10示出根据本发明实施方案的基于两次曝光之间的电压差的两电容APS。0042图11示出根据本发明实施方案的流线型的布局，其中光电二极管与其他MOSFET无缝地集成。0043图12示出根据本发明实施方案的具有自适应透镜和视线跟踪的一副眼镜的实例。0044发明详述和附图0045本说明书中提及的“一种实施方案”或“实施方案”意味着结合实施方案描述的特定的特性、结构或特征包含在本发明的至少一种实施。
31、方案中。在说明书的多个地方出现的短语“在一种实施方案中”不一定全部指相同的实施方案，单独的或可替换的实施方案也不相互排除其他实施方案。而且，描述的各种特性可以被一些实施方案示出而不被其他实施方案示出。类似地，描述的各种需求可能是一些实施方案的需求而不是其他实施方案的需求。0046图1示出根据本发明实施方案的与具有自适应透镜的眼镜联合使用的硬件设备说明书CN104133299A6/24页9的实例，其中自适应透镜由凝视距离和低功率视线跟踪驱动。虽然图1示出嵌入式装置的多个组件，但其并不旨在代表使组件相互连接的任何特定的结构或方式。一些实施方案可使用具有比图1中示出的组件更少或更多的组件的其他系统。。
32、0047在图1中，数据处理系统100包括使微处理器103和存储器108互连的交互连接102例如，总线和系统核心逻辑。在图1的实例中，微处理器103与高速缓存104相连。0048交互连接102将微处理器103和存储器108互连在一起，也将它们与显示控制器、显示装置107、传感器109互连并且通过输入/输出控制器106与诸如输入/输出I/O装置105的外围设备互连。0049传感器109可包括CMOS或CCD图像传感器。传感器109还可包括例如加速度计以确定装置的方向和/或检测装置的抖动，或者作为另一个实例，还可包括音频录音设备以记录使用者附近的声音，或者作为又一个实例，还可包括光学装置以测量、观察。
33、或记录视觉数据。0050典型的I/O装置包括鼠标、键盘、调制解调器、网络接口、打印机、扫描器、摄像机、触摸板、麦克风和其他本领域熟知的装置。在一些实施方案中，当数据处理系统是服务器系统时，I/O装置的一些，例如打印机、扫描器、鼠标和/或键盘是可选的。0051交互连接102可包括通过各种网桥、控制器和/或适配器彼此连接的一个或多个总线。在一种实施方案中，I/O控制器106包括用于控制USB通用串行总线外围设备的USB适配器，和/或用于控制IEEE1394外围设备的IEEE1394总线适配器。0052存储器108可包括ROM只读存储器、挥发性RAM随机存取存储器和非挥发性存储器如硬盘驱动器、闪存等。
34、。0053自适应透镜技术0054如上所述，近视患者看近处物体时忍受这样的事实相比于不戴眼睛时，当戴上全处方眼镜时，他们的眼睛晶状体必须更多地调节，从而迫使他们的眼睛晶状体保持在不必要地比以前更高的光功率。随着长期使用，眼睛晶状体将可能无法恢复到他们的原始形状，因此增加患者的近视处方。即使不戴眼镜，太长时间的近距离阅读似乎不是好的用眼习惯。戴着眼镜，问题变得更加严重。0055因此，提供一种新型的眼镜，其调节它的焦距或光功率以便减少近视患者在看大多数实际距离的物体时所需的调节量。用于眼镜中的这种自适应透镜的关键要求是紧凑性，并且这种要求通常排除多数相机中使用的多焦组合透镜，其通常太大并要求活动部件。
35、。但是，光学技术的最近发展已经使得自适应透镜成为现实。存在几种类型的自适应透镜设计，例如，具有电湿润的液态透镜，液晶透镜和具有流体注入的透镜。关于电湿润，参见LIQUIDLENSTECHNOLOGYPRINCIPLEOFELECTROWETTINGBASEDLENSESANDAPPLICATIONSTOIMAGING,BBERGE,VARIOPTIC,PROCEEDINGSOFTHEMEMS2005CONFERENCE，1月30日2月3日20050205，其公开内容通过引用方式并入本文。关于液晶透镜，参见美国专利NO7,517,083，其公开内容通过引用方式并入本文。关于具有流体注入的透镜，参。
36、见LIQUIDLENSINNOVATIONS；TAKESINITIALFORMINCAMERAPHONES,KJKABZA,2006年2月9日，其公开内容通过引用方式并入本文。只要给定的自适应透镜技术满足度量的特定需求如形状因子、焦距的范围和功耗，它们将适合用于本发明提供的眼镜。而且，可将自适应透镜与固定功率透镜结合使用例如，将两个透镜粘贴在一说明书CN104133299A7/24页10起以便实现期望的光学距离和/或提高成本效率。0056调节减少的模式0057图2示出根据本发明实施方案的各种调节减少模式的曲线图。曲线图200包括部分减少模式图202、全部减少模式图204、过度减少模式图206和。
37、传统透镜图208，其中Y轴是矫正透镜的光功率，以屈光度为单位，X轴是真实物体距离，以米为单位，由变量“U”表示。0058所需的调节的量的减少水平可以具有多种模式。在第一种模式全部减少模式通过全部减少模式图204表示中，减少量是全部的，例如，患者的眼睛晶状体完全放松，在看远处或近处物体时从不必调节。例如，如果患者的近视处方为15屈光度，使用全部减少模式，眼镜中的自适应透镜可总是在1/150667M667CM的距离处形成感兴趣的物体的虚拟图像。应注意的是，如果感兴趣的物体的真实距离小于667CM，自适应透镜必须从凹形变为凸形，以便虚拟图像的距离仍然为667CM。因此，在全部减少模式中，眼睛晶状体总。
38、是保持在它们的最薄形状和最低光功率就有关的当前近视处方而言，这可帮助患者减慢或防止近视的进一步发展。再通过全部减少模式图204说明全部减少模式。应注意的是，对于全部减少模式图204，当真实物体距离U667CMX轴时，全部减少模式的自适应透镜的光功率将为0Y轴，因为具有15屈光度处方的使用者可以不戴眼镜而清楚地看见667CM远处。如果U进一步减小，那么自适应透镜将从负光功率变为正光功率。0059在第二种模式部分减少模式通过部分减少模式图202表示中，减少量比全部模式小，但是相比于佩戴全处方眼镜，减少量仍为正数。可以为虚拟图像距离设置下限。例如，如果使用者处方为15屈光度，并且如果我们设置所述下限。
39、为30CM，那么自适应透镜将确保不论感兴趣的物体多近，虚拟图像都形成在30CM处或更远处。真实物体距离和虚拟图像距离其控制自适应透镜的光功率之间的确切映射可呈现任意函数形式，只要虚拟图像距离是真实物体距离的非递增函数并在|F0|处开始，其中，F0为全处方的自适应透镜的焦距，例如，近视处方的屈光度的倒数。在实际使用中，当真实物体距离不比预设的实际下阈值如10CM小时，我们还可以指定下限。可替换地，我们可以相对于真实物体距离直接指定自适应透镜的光功率，部分减少模式中的这种函数将通常为直线1/F0和曲线1/F1/U1/F0之间的非递增函数，其中，U是真实物体距离X轴。应注意的是，尽管这个函数优选地应。
40、相对于真实物体距离非递增，并且虚拟图像距离的函数应相对于真实物体距离非递增，但是对这些函数所做的破坏他们的非递增或非递减性质的微小修改应被认为是不重要的仿效。部分减少模式图202说明部分减少模式，其中虚拟图像距离V被定义为U的函数V1/20U150667。项0667规定V的最大值，15屈光度用于确保对于任意0的U，满足V0的条件因为虚拟图像与矫正透镜位于相同侧。但是，这些仅为示意性的实例，还可使用其他函数。0060部分减少模式对于保持大脑假设的聚焦和调节之间的隐含关系也可以是重要的。当我们看近处物体时，我们具有更强的聚焦，因为我们的眼睛向内旋转以保持适当的立体视觉。通常，对于视力好的人们甚至是。
41、那些患近视但是戴传统眼镜的人，我们的眼睛晶状体进一步地调节例如，转换成更高的光功率以聚焦在近处物体。但是，在全部减少模式中，眼睛晶状体从不需要改变焦距。虽然在眼睛晶状体总是处于充分放松模式的意义上说明书CN104133299A108/24页11来讲，它可能是有利的，但是不再存在隐含的聚焦/调节关系。随着持久的使用，大脑可能丧失或极大地削弱这种隐含的关系，并且当患者摘掉他的或她的眼镜时，他/她可能发现难以看清不同距离处的物体，即使当这些物体在他的/她的清晰视觉距离内时，因为在不同的距离处，眼睛具有不同的聚焦，但是大脑可能不触发促使改变焦距。因此，部分减少模式的目的在于解决这个潜在的问题。另一方面。
42、，佩戴传统眼镜的近视使用者与不戴眼镜的使用者相比已经具有不同的聚焦/调节关系，因此似乎任何单调的关系/映射可能有效，只要存在一种这样的在调节中具有不容忽视就有关的大脑而言的范围的关系/映射。这表明在选择虚拟图像距离或光功率相对于真实物体距离的函数其控制这种映射时，存在相对高的灵活性。0061在第三种模式过度减少模式通过过度减少模式图206表示中，减少量比全部量稍多，从而使得眼睛不能100地看清感兴趣的物体，目的是可促使眼睛晶状体向远距离聚焦以便看清。如果这种促使被成功地触发，甚至可扭转近视的发展。由过度减少模式图206可以看出，对于所有的距离，矫正功率都减少025屈光度。但是，也可使用其他函数。
43、。0062在上述任何一种模式中，可增加人体工学特性以促进好的用眼习惯和健康。例如，如果真实物体距离比预定的阈值小并可选地持续比预定时间量更长的时间，那么眼镜可例如发出嘟嘟声以提示使用者他/她观看物体的距离太近。0063对于远视使用者，例如，那些可看清远处但难以聚焦在近处物体的人，可使用类似的但稍微不同的模式。例如，自适应透镜可调节其光功率以便总是在最近的清晰视觉距离处有效地形成图像，例如，对于2屈光度的处方为50CM。但是，这将保持使用者总是在近视觉焦距，即使在看远处物体时，而这可能给眼睛施加压力。可替换地，自适应透镜可提供正功率以便当观看比最近清晰视觉距离近的物体时，在最近清晰视觉距离处有效。
44、地形成图像，但是当观看比最近清晰视觉距离远的物体时，自适应透镜将具有0功率以便患者使用他的/她的自然视觉和焦距。与近视情况相同，有效图像距离可保持不变，或者对于不同的真实物体距离可稍微改变，以便大脑保持聚焦和调节之间的一些隐含关系。0064传统透镜图208显示例如由传统透镜呈现的恒定的光功率此处，示为15屈光度。0065凝视距离和视线跟踪0066确定真实物体距离，例如，感兴趣的物体的距离或视距，不是无关紧要的工作。它不总是至最近的前方物体的直前距离，因为使用者总是可以向侧面看，例如，通过瞥视。因此，如果使用具有自动聚焦能力其经常通过调谐成在特定区域如直前方中产生最清晰边缘的焦距而工作的相机并将。
45、它安装在眼镜的前方，它在使用者瞥视时将不工作。在最坏情况的场景中，当在小视角内存在很多不同距离处的物体时，视距在瞥视角度稍微改变时可显著地改变。类似地，测距仪装置可能具有相同的问题，其中测距仪装置发射光或超声波的小脉冲并监测反射时间以确定视距。0067人眼可以以立体的方式感知视觉。眼睛在视网膜的中央凹区内具有最高的视敏度，并感知物体的深层次细节，两只眼睛均可以经常在某种程度上旋转以便物体在中央凹区中形成图像。同时，为了避免在感兴趣的物体上聚焦时形成重影，眼睛的旋转必须非常精确以便物体的两个中央凹图像在立体视觉中几乎完全地重叠。因此，可通过两只眼睛的视说明书CN104133299A119/24页。
46、12线确定视距。由于立体视觉的观看需求，两条线可在感兴趣的物体处交叉。交叉点代表感兴趣的物体的三维坐标或者更确切地，使用者聚焦的物体的部分。实际上，测量误差和不完美的立体眼睛校准都可导致两个检测的视线不交叉。为了解决这些误差，可使用一些形式的近似。例如，取代建模为抽象的细线，可将两个视线扩展为具有小半径的光线或者具有小立体角的光线当它向远处延伸时，覆盖更多的区域，并将产生的交叉区域的中心例如，它的几何中心视为物体的三维坐标。也可使用其他近似方法。0068一旦确定感兴趣的物体的三维坐标，则可容易地确定每个眼睛的视距，其中，基于两个眼球的中心校准三维坐标系。0069确定视线的过程称为视线跟踪，其与。
47、眼睛跟踪有关。两个术语有时可交换，区别是眼睛跟踪通常涉及确定相机图像中的眼睛的存在状况，并且还涉及跟踪眼睛特性如瞳孔和虹膜以便确定瞳孔的中心。而视线跟踪通常涉及确定二维或三维坐标系中的视线，但是视线跟踪经常使用眼睛跟踪的结果以帮助确定视线。而且，由于中央凹区存在最多的视觉注意与光轴和视网膜的交叉点稍微不同，因此视线和凝视线之间甚至存在不同，其中前者与中央凹中心或视轴相关联，而后者与光轴相关联。实际上，我们可以仅直接测量凝视线，并且如果光轴与视轴之间的角度偏差已知，则可用来以简单的几何方式获得视线。可为每个患者测量这个值，或者作为更简单的实现，基于总体平均值。视线跟踪的更多细节可见于例如出版物I。
48、NTHEEYEOFTHEBEHOLDERASURVEYOFMODELSFOREYESANDGAZE,DANWITZNERHANSEN和QIANGJI,IEEETRANSACTIONSONPATTERNANALYSISANDMACHINEINTELLIGENCE，第32卷，NO3，第478500页，2010年3月中，其公开内容通过引用方式并入本文。0070数十年来，眼睛跟踪和视线跟踪一直是重要的研究课题，并且，由于非常不同的背景照明条件、眼睛之间的不同、头部运动和来自眼镜的作为干扰的反射仅举几例可变因素或障碍，眼睛跟踪和视线跟踪领域仍然是重要的。0071有趣地是，当将视线跟踪器嵌入一副眼镜中时，。
49、可避免或极大地减少这些障碍中的很多种。例如，来自眼镜的反射不再是问题，因为可将视线跟踪器放置在眼镜的内部。受控照明通常以近红外LED照明的形式通常用于室内眼睛/视线跟踪，但是对室外眼睛/视线跟踪无效，因为来自室外环境的背景光干扰实在太强。当将LED嵌入眼镜中时，可将LED放置在距离眼睛更近的位置，从而促进相对于背景照明的更高SNR信噪比和/或更低功耗更近距离的更低功率的相同照明效果。这种优点被很多头戴式眼睛/视线跟踪器利用。另外，可使用近红外窄带滤波器，代替使用通用红外通过滤波器在图像捕捉期间通过大部分红外光来阻挡大部分的背景光干扰，并且如果所述窄带被设计为与近红外LED产生的相同窄带光相匹配，对于现实实现，它可以以大约501相比于没有红外滤波器的比例或大约81相比于通用红外滤波器的比例将LED信号放大为更大的信噪比。在描述本发明提出的改进的小型CMOS图像传感器的部分中将给出关于这种技术的更多细节。应注意的是，通常使用近红外光，因为它对于眼睛是不可见的并且不会导致瞳孔在其照明下收缩，并且它可被多数CCD电荷耦合器件和CMOS图像传感器捕捉，因为它们大部分使用硅基光电传感器，硅基光电传感器制造起来相对便宜并且可对高达约1100NM波长的红外光敏感，但超过1000NM后敏感度快速降至零。其他红外光波长也可用于眼睛/视线跟踪，前提是图像传感。