專利名稱：用于制造和使用具有通過(guò)凝視距離和低功率視線跟蹤驅(qū)動(dòng)的自適應(yīng)透鏡的眼鏡的系統(tǒng) ...的制作方法
CN 102939557 A書明說(shuō)1/24 頁(yè)用于制造和使用具有通過(guò)凝視距離和低功率視線跟蹤驅(qū)動(dòng)的自適應(yīng)透鏡的眼鏡的系統(tǒng)、方法和設(shè)備
優(yōu)先權(quán)要求
本申請(qǐng)要求于2010年5月29日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/349，830的權(quán)益， 其全部公開內(nèi)容通過(guò)引用方式并入本文。本公開內(nèi)容包括所附的PCT申請(qǐng)附錄中的每個(gè)參考文獻(xiàn)。發(fā)明領(lǐng)域
本申請(qǐng)一般地涉及光學(xué)和電學(xué)領(lǐng)域，特別地，涉及用于控制眼鏡和其他光學(xué)裝置中的自適應(yīng)透鏡的裝置和方法。
背景
隨著近視成為患者的最常見(jiàn)和普遍的癥狀，現(xiàn)代的眼鏡通常用于矯正患者或使用者的視力。在下文中可交換地使用術(shù)語(yǔ)“患者”和“使用者”。近視的主要原因是眼睛自身的晶狀體(下文中的“眼睛晶狀體”)由于過(guò)長(zhǎng)時(shí)間地注視近處物體(可能需要較高的光功率(較厚的形狀))而無(wú)法似真地回復(fù)到較低的光功率(或較薄的形狀)。
當(dāng)患者最初被確診為近視時(shí)，典型地在年輕時(shí)，他的或她的矯正處方經(jīng)常為相對(duì)低的光功率，例如-I. 5屈光度,這意味著患者可在1/1. 5m = O. 667m = 66. 7cm遠(yuǎn)處看清物體。當(dāng)患者，例如學(xué)生，戴著眼鏡在教室環(huán)境看黑板時(shí)，他或她可不用付出太多努力而看見(jiàn)文字。但是，當(dāng)患者想要閱讀課本或者在筆記本中做筆記，并且課本或筆記本位于距患者的眼睛30cm的近距離處時(shí)，則利用光學(xué)方程，通過(guò)眼鏡形成的虛擬圖像可能在1/(-1. 5距離處即20. 6cm處而不是在30cm處。因此，患者必須在閱讀/書寫和看黑板之間反復(fù)地改變他的或她的焦距，這可能是使人疲累的，并且在近距離處的調(diào)節(jié)(或焦距的改變)可能比患者不戴任何眼鏡的情況更強(qiáng)或更大。這種經(jīng)常的焦距改變迫使患者的眼睛晶狀體處于甚至比以前更高的光功率，并且在長(zhǎng)時(shí)間的閱讀/書寫后，眼睛晶狀體可能喪失回復(fù)到甚至最初的-I. 5屈光度的能力，因?yàn)樵陂喿x/書寫中，患者實(shí)際上聚焦在20. 6cm處而不是66. 7cm 處，并且這可能呈現(xiàn)眼睛的不健康消耗。逐漸地，患者可能需要一副更高處方的眼鏡，這可能反過(guò)來(lái)迫使患者的眼睛晶狀體陷入不必要的高光功率的狀態(tài)。最后，眼睛晶狀體的機(jī)械性能(人與人之間可不同)可能給晶狀體可被壓縮的量強(qiáng)加限制，從而穩(wěn)定使用者的處方強(qiáng)度。但是，可能是以要求比原始處方高得多的處方的巨大代價(jià)來(lái)穩(wěn)定處方強(qiáng)度。
對(duì)于有遠(yuǎn)視眼(例如，戴上正常的處方眼鏡時(shí)無(wú)法聚焦近處，通常在中年開始影響視力)的使用者，已經(jīng)使用雙焦鏡、多焦鏡和漸變鏡用于閱讀目的。雙焦鏡、多焦鏡和漸變鏡是受限制的，因?yàn)樗鼈円蠡颊呦蛳驴匆允褂猛哥R的較低處方部分，這經(jīng)常是不方便的。而且，眼睛護(hù)理專家似乎認(rèn)為這種類型的透鏡是用于遠(yuǎn)視患者而不是近視患者。
Roanoke, Virginia的PixelOptics, Inc.已經(jīng)發(fā)布了一種使用自適應(yīng)透鏡的眼鏡，其中自適應(yīng)透鏡根據(jù)視距改變焦距，但是，他們的眼鏡嚴(yán)格地用于遠(yuǎn)視使用者和/或年長(zhǎng)的患者，而本發(fā)明針對(duì)所有年齡的近視患者。而且，本發(fā)明與PixelOptics的自適應(yīng)透鏡的區(qū)別在于，給定患者可以用于看見(jiàn)近處物體的處方，焦距相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)節(jié)，而已知5PixelOptics的眼鏡不能執(zhí)行這樣的調(diào)節(jié)。而且，PixelOptics的眼鏡模糊地執(zhí)行眼睛跟蹤，而不是如本發(fā)明公開的明確的眼睛跟蹤。授予PixelOptics的美國(guó)專利No. 7，517，083 潛在地啟示使用眼睛或視線跟蹤來(lái)控制自適應(yīng)透鏡的焦距。但是，專利沒(méi)有提供執(zhí)行眼睛跟蹤的足夠細(xì)節(jié)，并且僅僅提及使用多個(gè)LED和圖像傳感器檢測(cè)瞳孔的邊緣其提出基于瞳孔的眼睛跟蹤，但沒(méi)有提供執(zhí)行具有小的形狀因素的瞳孔跟蹤的細(xì)節(jié)，此外，在該專利中提出使用瞳孔間距離確定視距。但是，當(dāng)患者向側(cè)面看時(shí)，瞳孔間距離不完全準(zhǔn)確，而使用“視線”交叉方法來(lái)計(jì)算距離通常更準(zhǔn)確。而且，瞳孔間距離的概念默認(rèn)地假設(shè)與兩個(gè)眼睛之間存在相同的凝視距離，但是這僅在使用者直視前方(例如向上或向下是可以接受的)時(shí)是正確的。例如，當(dāng)向左側(cè)看時(shí)，尤其是看近處物體時(shí)，左眼與該物體之間的距離比右眼近。 視線交叉方法不會(huì)遇到這個(gè)問(wèn)題。
在美國(guó)專利No. 7，517，083中還討論了一種測(cè)距儀方法，其通常測(cè)量最近的直前方物體，與測(cè)量凝視距離不同。根據(jù)各種PixelOptics的文獻(xiàn)和新聞發(fā)布，它的最新發(fā)布的眼鏡能夠“知道你在看哪里”。
而且，美國(guó)專利No. 7，517，083提及使用跟蹤系統(tǒng)來(lái)“計(jì)算近點(diǎn)焦距的范圍以便對(duì)可調(diào)節(jié)的和聚焦的近或中間范圍聚焦需求進(jìn)行校正”，這是模糊的描述，且似乎嚴(yán)格地適用于遠(yuǎn)視使用者的聚焦需求而不是近視使用者的聚焦需求。
此外，美國(guó)專利No. 7，517，083中討論的類型的眼睛跟蹤最常用于矯正視力的非常規(guī)畸變?nèi)缟⒐?，而不是更常?jiàn)的畸變?nèi)缃?。?shí)際上，眼睛或視線跟蹤是復(fù)雜的，是一個(gè)應(yīng)該更清楚和更詳細(xì)討論的概念，尤其在小形狀因素背景下。
眼睛或視線跟蹤本身是個(gè)復(fù)雜的課題，已被研究數(shù)十年并且仍然很難實(shí)現(xiàn)。關(guān)于眼睛或視線跟蹤的技術(shù)已經(jīng)取得重大進(jìn)步，使得光學(xué)制造商可以花費(fèi)大量金錢制造和生產(chǎn)商業(yè)跟蹤器(或者頭戴式眼動(dòng)儀)，其可賣幾千美元以上。現(xiàn)有的研究表明頭戴式眼動(dòng)儀相對(duì)龐大且消耗大量的能量，可能幾百mW(毫瓦)。
一篇 2009 年的標(biāo)題為 “A 200 μ s Processing Time Smart ImageSensor for an Eye Tracker Using Pixel-Level Analog Image Processing” 的論文描述了一種以IOOmW的峰值耗量直接執(zhí)行眼睛跟蹤的小型CMOS圖像傳感器。參見(jiàn)Dongsoo Kim, Gunhee Han(Dept. ofElectrical Engineering, Yonsei University, Seoul, Korea), A 200 μ sProcessing Time Smart Image Sensor for an Eye Tracker UsingPixel-Level Analog Image Processing,44 IEEE JOURNAL 0FS0LID-STATE CIRCUITS 2581-90(2009 年 9月)(第44卷，第9期)。論文討論了用于眼動(dòng)儀的低功率設(shè)計(jì)的當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平并示出了嘗試開發(fā)低于mW級(jí)別的消耗如何仍然還是關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)。但是，論文沒(méi)有實(shí)現(xiàn)低于mW 級(jí)別的消耗。上述論文中討論的設(shè)計(jì)支持每秒5000次跟蹤。因此，如果跟蹤的次數(shù)降至每秒僅50次跟蹤，那么總功率消耗可能降至lmW。
一篇 2004 年的標(biāo)題為 “Ambient-Light-Canceling Camera UsingSubtraction of Frames”的論文建議通過(guò)時(shí)間調(diào)制(開啟/關(guān)閉)的控制的照明進(jìn)行兩次曝光然后進(jìn)行減法以消除環(huán)境(背景)光干擾。參見(jiàn)美國(guó)太空總署的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Pasadena， California), Ambient-Light-Canceling Camera Using Subtraction of Frames, NASATECH BRIEFS，NP0-30875(2004 年 5 月)，其可從 http://findarticles. com/p/ articles/mi_qa3957/is_200405/ai_n9457885/ tag = content ；coll.獲得。可在軟件而不是硬件中進(jìn)行減法。
此外，ZamirRecognition Systems (位于 Knoxville,TN 和 Jerusalem, Israel 的公司)提交的美國(guó)專利公開No. 2008/0203277描述了一種與上面提及的2004年NASA Tech Brief中的上述方法類似的方法，但是在硬件中實(shí)現(xiàn)。上面提及的專利公開中概述了兩種方法(i) 一種使用時(shí)間調(diào)制(開啟/關(guān)閉)的控制的光的方法(與上面提及的2004年NASA TechBrief中的方法類似)；以及(ii)另一種使用頻率調(diào)制(類似于AM/FM無(wú)線電調(diào)諧) 以更易接收某些受控頻率的方法。相比于時(shí)間調(diào)制方法，頻率調(diào)制方法可能實(shí)現(xiàn)起來(lái)更加復(fù)雜。相機(jī)中的每個(gè)像素具有電容。時(shí)間調(diào)制的方法可采用對(duì)一個(gè)像素陣列中的每個(gè)像素的電容進(jìn)行充電和放電，或者對(duì)兩個(gè)像素陣列進(jìn)行充電，然后執(zhí)行減法。
美國(guó)專利公開No. 2008/0203277的圖3似乎展示了與充電和放電方法的整體設(shè)計(jì)邏輯上不一致的靜電危害。而且，對(duì)于具有兩個(gè)像素陣列的時(shí)間調(diào)制方法，提出了在硬件或軟件中的信號(hào)的減法。甚至對(duì)于硬件減法，美國(guó)專利公開No. 2008/0203277似乎建議使用現(xiàn)有技術(shù)的方法，例如典型地使用差分運(yùn)算放大器作為模擬域中的減法模塊，以及典型地使用數(shù)字化后的運(yùn)算器作為數(shù)字域中的減法模塊。
發(fā)明概述
有時(shí)，如果處于近視的早期階段的患者實(shí)際上較長(zhǎng)時(shí)間地觀看遠(yuǎn)處的物體，他們可暫時(shí)地恢復(fù)看清遠(yuǎn)處的物體的能力。這可通過(guò)肌肉放松并讓眼睛晶狀體獨(dú)立地回復(fù)到較薄形狀而大概實(shí)現(xiàn)。因此，如果眼鏡被設(shè)計(jì)為允許肌肉盡可能地放松，同時(shí)仍然保持視敏度和足夠的視力矯正，那么使用者可能潛在地降低他的或她的近視癥狀和/或防止處方強(qiáng)度的進(jìn)一步增加。這可通過(guò)采用具有自適應(yīng)焦距的透鏡實(shí)現(xiàn)。如果已知患者對(duì)于遠(yuǎn)看的處方強(qiáng)度，那么在眼睛放松的最大水平，這種眼鏡可能僅提供必要的矯正以提供正好的視力矯正或者適當(dāng)和滿意水平的視力矯正。這種方式下，患者可能保持他的或她的原始處方而不會(huì)不必要地增加它。甚至還可以小幅減小一組透鏡的矯正功率以便促使眼睛(朝遠(yuǎn)處)聚焦，從而可能扭轉(zhuǎn)近視的影響。
上面描述的方法可通過(guò)采用自適應(yīng)透鏡技術(shù)(例如，電濕潤(rùn)、液晶、具有流體注入的液態(tài)透鏡等)與用于確定“凝視距離”或者患者看向遠(yuǎn)處的物體時(shí)的確切聚焦距離的方法相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)。凝視距離不一定是至最近的前方物體的直前距離，因?yàn)槭褂谜呖赡芟騻?cè)面看，例如瞥視。
關(guān)于凝視距離的新發(fā)現(xiàn)是，由于人眼感知立體視覺(jué)的方式，凝視距離取決于每個(gè)眼睛的視線并可能等于這兩個(gè)視線的交叉距離。
上面描述的方法的一種實(shí)施方案采用有利地利用閃爍跟蹤的方法。在一種實(shí)施方案中，提供一種與現(xiàn)有技術(shù)的方法相結(jié)合時(shí)具有免校準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)的方法。在一種實(shí)施方案中， 提供一種通過(guò)改進(jìn)有源像素傳感器(APS)元件使用小型CMOS圖像傳感器執(zhí)行非常低功率的閃爍跟蹤的方法。
在一種實(shí)施方案中，本發(fā)明可利用適當(dāng)?shù)胤胖迷贛OSFET晶體管的源極和柵極的一個(gè)像素陣列，但是是兩個(gè)電容，從而幫助閃爍檢測(cè)。這種方法與上面描述的美國(guó)專利公開 No. 2008/0203277的時(shí)間調(diào)制方法是有區(qū)別的并且還可使用更少的像素。而且，上面描述的美國(guó)專利公開No. 2008/0203277的時(shí)間和頻率調(diào)制方法被設(shè)計(jì)為更多地用于普通圖像捕捉而不是閃爍檢測(cè)。相比之下，本發(fā)明的兩個(gè)電容的設(shè)計(jì)是一種本質(zhì)上執(zhí)行減法的新方式，其以低功率執(zhí)行僅閃爍檢測(cè)，而不是以高功率檢測(cè)任何光強(qiáng)的像素。
在一種實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種可以以經(jīng)濟(jì)的方式制造的易于實(shí)現(xiàn)的低功耗 (低于mW級(jí)別)的觀看裝置。
在一種實(shí)施方案中，提供一種新型的眼鏡，其減少患近視的使用者在所有視線距離范圍內(nèi)所需的調(diào)節(jié)量，從而降低眼疲勞并有希望減慢、穩(wěn)定或甚至扭轉(zhuǎn)近視的發(fā)展。眼鏡可適應(yīng)其透鏡的光功率，從而使得相比于佩戴全處方強(qiáng)度眼鏡，近視使用者需要減小的調(diào)節(jié)量。當(dāng)與全處方強(qiáng)度眼鏡相比，減小的調(diào)節(jié)量可比最大值小但仍為正數(shù)。這可幫助保持大腦假設(shè)的聚焦和調(diào)節(jié)之間的隱含關(guān)系，從而當(dāng)患者摘掉他的或她的眼鏡時(shí)，他/她仍然可以自然地觀看，因?yàn)榇竽X知道對(duì)于不同的距離，它必須重調(diào)眼睛晶狀體的焦距?？商鎿Q地，減小的調(diào)節(jié)量可以比最大值稍大，其中使用者不100%地看清，并被引導(dǎo)朝遠(yuǎn)處聚焦，從而幫助眼睛晶狀體恢復(fù)到較薄的形狀(和較低的功率)并潛在地扭轉(zhuǎn)近視的發(fā)展。眼鏡可能需要知道視距，視距通過(guò)凝視距離確定。本公開提供的眼睛/視線跟蹤器基于跟蹤來(lái)自紅外LED照明的眼睛閃爍。眼睛或視線跟蹤器可易于實(shí)現(xiàn)，使其適合嵌入使用(在眼鏡中) 并當(dāng)與現(xiàn)有技術(shù)的方法結(jié)合時(shí)促進(jìn)免校準(zhǔn)的使用。
在一種實(shí)施方案中，用于眼鏡中的視線跟蹤器不僅必須易于實(shí)現(xiàn)，還需具有非常低的功耗。設(shè)計(jì)目標(biāo)是具有低于mW級(jí)別的功耗，優(yōu)選地在跟蹤的活躍期。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)際設(shè)計(jì)可用于改進(jìn)小型CMOS圖像傳感器中的有源像素傳感器(APS)，并僅在像素被開啟時(shí)可消耗明顯的功率，且僅在入射光足夠強(qiáng)(例如，在像素上捕捉到閃爍)時(shí)可開啟像素。這種方法支持非常低功率的設(shè)計(jì)，在活躍期可能低于O. lmW。描述了兩種方法，一種更簡(jiǎn)單易行，另一種更復(fù)雜但是對(duì)背景光干擾具有更高的免疫性。與現(xiàn)有的方法相比，尤其是與上面討論的Kim&Han的論文中的方法相比，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法提供可支持低于mW級(jí)別的功耗 (甚至在活躍期)的設(shè)計(jì)。例如，如果使用 μ A限流晶體管作為負(fù)載，并還使用3V電源，例如如果預(yù)計(jì)通過(guò)視線跟蹤器相機(jī)捕捉的圖像中存在10個(gè)閃爍像素，那么本發(fā)明的設(shè)計(jì)中的閃爍檢測(cè)電路(作為基于閃爍的視線跟蹤器的一部分)可能在活躍期只消耗大約30 μ W。 而且，上面的2009年論文討論的眼睛跟蹤器僅僅跟蹤瞳孔的中心，而本發(fā)明跟蹤閃爍，閃爍可以僅為一個(gè)像素或一小群像素，從而使得電路設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單和更穩(wěn)健。
在一種實(shí)施方案中，提供一種眼鏡的新型實(shí)施方案，其可基于凝視距離調(diào)節(jié)它們的光功率，以便例如當(dāng)患近視使用者看向近處時(shí)，減少這類使用者所需的調(diào)節(jié)量。不論使用者看向遠(yuǎn)處還是近處物體，眼鏡允許使用者盡可能地放松他的或她的眼睛，這可幫助減慢并且甚至可能扭轉(zhuǎn)近視的發(fā)展?？赏ㄟ^(guò)使用例如自適應(yīng)透鏡使由眼鏡執(zhí)行的光學(xué)調(diào)節(jié)可行，并且自適應(yīng)透鏡轉(zhuǎn)而可以多種方式實(shí)現(xiàn)例如，液態(tài)電濕潤(rùn)、液晶和具有流體注入的液態(tài)透鏡。
在一種實(shí)施方案中，提供一種用于執(zhí)行用于凝視距離估計(jì)的視線跟蹤的方法。該方法可能僅要求閃爍跟蹤，這可能更易于實(shí)現(xiàn)。該方法還可通過(guò)將其或其步驟與現(xiàn)有技術(shù)的自動(dòng)校準(zhǔn)方法或來(lái)自這種現(xiàn)有技術(shù)的自動(dòng)校準(zhǔn)方法的步驟相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)免校準(zhǔn)。該方法還可促進(jìn)低復(fù)雜性實(shí)現(xiàn)，例如通過(guò)使用I個(gè)LED照明和兩個(gè)或多個(gè)相機(jī)。
在一種實(shí)施方案中，提供一種超低功率(例如低于mW級(jí)別或毫瓦級(jí)別)的方法， 其例如通過(guò)使用小型CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器執(zhí)行相機(jī)中的閃爍跟蹤， 其中CMOS圖像傳感器還可具有改進(jìn)的有源像素傳感器(APS)。改進(jìn)的APS可能消耗非常低的功率，因?yàn)閮H在像素是潛在的閃爍像素(例如，具有足夠強(qiáng)的光強(qiáng)度)時(shí)開啟像素(并消耗明顯的功率)。近紅外窄帶濾波器可被用作提高對(duì)背景光干擾的免疫性的優(yōu)選方法。與普通圖像捕捉的速率相比，還可能減少曝光時(shí)間，這可能促進(jìn)LED照明的僅閃爍檢測(cè)和低功率消耗。換句話說(shuō)，LED可以不必總是“開啟”。在一種實(shí)施方案中，還可提供上面描述的方法的變型形式，其通過(guò)在APS中使用兩個(gè)電容用于兩次曝光以及使用改進(jìn)的電壓供應(yīng)以匹配APS的輸出信號(hào),來(lái)支持對(duì)背景光干擾的更強(qiáng)免疫性。在一種實(shí)施方案中，還可提供上面描述的方法的變型形式，其可實(shí)現(xiàn)先前描述的方法的類似目標(biāo)(例如，對(duì)背景光具有更強(qiáng)的免疫性)，但是，不使用兩個(gè)電容和/或改進(jìn)的電壓供應(yīng)。
附圖簡(jiǎn)述
實(shí)施方案以實(shí)例的方式示出，并且不限于附圖中的示圖，其中相似的標(biāo)號(hào)表示相似的元件。
圖I示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的與具有自適應(yīng)透鏡的眼鏡聯(lián)合使用的硬件設(shè)備的實(shí)例，其中自適應(yīng)透鏡由凝視距離和低功率視線跟蹤驅(qū)動(dòng)。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的各種調(diào)節(jié)減小模式的曲線圖。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的眼睛或視線跟蹤中的旋轉(zhuǎn)角度對(duì)(方位角α和高度角β)的圖解。
圖4示出傳統(tǒng)的3-晶體管有源像素傳感器(3T-APS)。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的具有限流器的改進(jìn)的3T-APS。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的具有共享晶體管的改進(jìn)的3T-APS。
圖7示出傳統(tǒng)的4-晶體管APS (4T-APS)。
圖8示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的具有限流器和共享晶體管的改進(jìn)的4T-APS。
圖9示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的通過(guò)N-基底光電二極管執(zhí)行低功率閃爍檢測(cè)的改進(jìn)的3T-APS。


圖10示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的基于兩次曝光之間的電壓差的兩電容APS。
圖11示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的流線型的布局，其中光電二極管與其他MOSFET 無(wú)縫地集成。
圖12示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的具有自適應(yīng)透鏡和視線跟蹤的一副眼鏡的實(shí)例。
發(fā)明詳述和附圖
本說(shuō)明書中提及的“一種實(shí)施方案”或“實(shí)施方案”意味著結(jié)合實(shí)施方案描述的特定的特性、結(jié)構(gòu)或特征包含在本發(fā)明的至少一種實(shí)施方案中。在說(shuō)明書的多個(gè)地方出現(xiàn)的短語(yǔ)“在一種實(shí)施方案中”不一定全部指相同的實(shí)施方案，單獨(dú)的或可替換的實(shí)施方案也不相互排除其他實(shí)施方案。而且，描述的各種特性可以被一些實(shí)施方案示出而不被其他實(shí)施方案示出。類似地，描述的各種需求可能是一些實(shí)施方案的需求而不是其他實(shí)施方案的需求。
圖I示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的與具有自適應(yīng)透鏡的眼鏡聯(lián)合使用的硬件設(shè)備的實(shí)例，其中自適應(yīng)透鏡由凝視距離和低功率視線跟蹤驅(qū)動(dòng)。雖然圖I示出嵌入式裝置的多個(gè)組件，但其并不旨在代表使組件相互連接的任何特定的結(jié)構(gòu)或方式。一些實(shí)施方案可使用具有比圖I中示出的組件更少或更多的組件的其他系統(tǒng)。
在圖I中，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)100包括使微處理器103和存儲(chǔ)器108互連的交互連接 102 (例如，總線和系統(tǒng)核心邏輯)。在圖I的實(shí)例中，微處理器103與高速緩存104相連。
交互連接102將微處理器103和存儲(chǔ)器108互連在一起，也將它們與顯示控制器、 顯示裝置107、傳感器109互連并且通過(guò)輸入/輸出控制器106與諸如輸入/輸出(I/O)裝置105的外圍設(shè)備互連。
傳感器109可包括CMOS或CXD圖像傳感器。傳感器109還可包括例如加速度計(jì)以確定裝置的方向和/或檢測(cè)裝置的抖動(dòng)，或者作為另一個(gè)實(shí)例，還可包括音頻錄音設(shè)備以記錄使用者附近的聲音，或者作為又一個(gè)實(shí)例，還可包括光學(xué)裝置以測(cè)量、觀察或記錄視覺(jué)數(shù)據(jù)。
典型的I/O裝置包括鼠標(biāo)、鍵盤、調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)接口、打印機(jī)、掃描器、攝像機(jī)、 觸摸板、麥克風(fēng)和其他本領(lǐng)域熟知的裝置。在一些實(shí)施方案中，當(dāng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是服務(wù)器系統(tǒng)時(shí)，I/o裝置的一些，例如打印機(jī)、掃描器、鼠標(biāo)和/或鍵盤是可選的。
交互連接102可包括通過(guò)各種網(wǎng)橋、控制器和/或適配器彼此連接的一個(gè)或多個(gè)總線。在一種實(shí)施方案中，I/o控制器106包括用于控制USB(通用串行總線)外圍設(shè)備的 USB適配器，和/或用于控制IEEE-1394外圍設(shè)備的IEEE-1394總線適配器。
存儲(chǔ)器108可包括ROM(只讀存儲(chǔ)器)、揮發(fā)性RAM(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)和非揮發(fā)性存儲(chǔ)器如硬盤驅(qū)動(dòng)器、閃存等。
自適應(yīng)透鏡技術(shù)
如上所述，近視患者看近處物體時(shí)忍受這樣的事實(shí)相比于不戴眼睛時(shí)，當(dāng)戴上全處方眼鏡時(shí)，他們的眼睛晶狀體必須更多地調(diào)節(jié)，從而迫使他們的眼睛晶狀體保持在不必要地比以前更高的光功率。隨著長(zhǎng)期使用，眼睛晶狀體將可能無(wú)法恢復(fù)到他們的原始形狀， 因此增加患者的近視處方。即使不戴眼鏡，太長(zhǎng)時(shí)間的近距離閱讀似乎不是好的用眼習(xí)慣。 戴著眼鏡，問(wèn)題變得更加嚴(yán)重。
因此，提供一種新型的眼鏡，其調(diào)節(jié)它的焦距或光功率以便減少近視患者在看大多數(shù)實(shí)際距離的物體時(shí)所需的調(diào)節(jié)量。用于眼鏡中的這種自適應(yīng)透鏡的關(guān)鍵要求是緊湊性，并且這種要求通常排除多數(shù)相機(jī)中使用的多焦組合透鏡，其通常太大并要求活動(dòng)部件。但是，光學(xué)技術(shù)的最近發(fā)展已經(jīng)使得自適應(yīng)透鏡成為現(xiàn)實(shí)。存在幾種類型的自適應(yīng)透鏡設(shè)計(jì)，例如，具有電濕潤(rùn)的液態(tài)透鏡，液晶透鏡和具有流體注入的透鏡。關(guān)于電濕潤(rùn)，參見(jiàn) Liquid Lens Technology Principle of Electrowetting based Lenses and Applications to Imaging，B. Berge, Varioptic, ProceedinRs of the MEMS 2005 conference, I月30日_2月3日2005-02-05，其公開內(nèi)容通過(guò)引用方式并入本文。關(guān)于液晶透鏡，參見(jiàn)美國(guó)專利No. 7，517，083，其公開內(nèi)容通過(guò)引用方式并入本文。關(guān)于具有流體注入的透鏡j 參見(jiàn) Liquid Lens Innovations ；Takes InitialForm in Camera Phones， K. J.Kabza，2006年2月9日，其公開內(nèi)容通過(guò)引用方式并入本文。只要給定的自適應(yīng)透鏡技術(shù)滿足度量的特定需求如形狀因子、焦距的范圍和功耗，它們將適合用于本發(fā)明提供的眼鏡。而且，可將自適應(yīng)透鏡與固定功率透鏡結(jié)合使用(例如，將兩個(gè)透鏡粘貼在一起)以便實(shí)現(xiàn)期望的光學(xué)距離和/或提高成本效率。
調(diào)節(jié)減少的樽式
圖2示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的各種調(diào)節(jié)減少模式的曲線圖。曲線圖200包括部分減少模式圖202、全部減少模式圖204、過(guò)度減少模式圖206和傳統(tǒng)透鏡圖208，其中y 軸是矯正透鏡的光功率，以屈光度為單位，X軸是真實(shí)物體距離，以米為單位，由變量“u”表/Jn ο
所需的調(diào)節(jié)的量的減少水平可以具有多種模式。在第一種模式(全部減少模式-通過(guò)全部減少模式圖204表示)中，減少量是全部的，例如，患者的眼睛晶狀體完全放松，在看遠(yuǎn)處或近處物體時(shí)從不必調(diào)節(jié)。例如，如果患者的近視處方為-I. 5屈光度，使用全部減少模式，眼鏡中的自適應(yīng)透鏡可總是在1/1.5 = O. 667m = 66. 7cm的距離處形成感興趣的物體的虛擬圖像。應(yīng)注意的是，如果感興趣的物體的真實(shí)距離小于66. 7cm，自適應(yīng)透鏡必須從凹形變?yōu)橥剐?，以便虛擬圖像的距離仍然為66. 7cm。因此，在全部減少模式中，眼睛晶狀體總是保持在它們的最薄形狀和最低光功率(就有關(guān)的當(dāng)前近視處方而言)，這可幫助患者減慢或防止近視的進(jìn)一步發(fā)展。再通過(guò)全部減少模式圖204說(shuō)明全部減少模式。 應(yīng)注意的是，對(duì)于全部減少模式圖204,當(dāng)真實(shí)物體距離u = 66. 7cm(X軸)時(shí),全部減少模式的自適應(yīng)透鏡的光功率將為O (y軸)，因?yàn)榫哂?I. 5屈光度處方的使用者可以不戴眼 鏡而清楚地看見(jiàn)66. 7cm遠(yuǎn)處。如果u進(jìn)一步減小，那么自適應(yīng)透鏡將從負(fù)光功率變?yōu)檎夤β省?br> 在第二種模式(部分減少模式_通過(guò)部分減少模式圖202表示)中，減少量比全部模式小，但是相比于佩戴全處方眼鏡，減少量仍為正數(shù)?？梢詾樘摂M圖像距離設(shè)置下限。 例如，如果使用者處方為-I. 5屈光度，并且如果我們?cè)O(shè)置所述下限為30cm，那么自適應(yīng)透鏡將確保不論感興趣的物體多近，虛擬圖像都形成在30cm處或更遠(yuǎn)處。真實(shí)物體距離和虛擬圖像距離(其控制自適應(yīng)透鏡的光功率)之間的確切映射可呈現(xiàn)任意函數(shù)形式，只要虛擬圖像距離是真實(shí)物體距離的非遞增函數(shù)并在IfcJ處開始，其中，&為全處方的自適應(yīng)透鏡的焦距，例如，近視處方的屈光度的倒數(shù)。在實(shí)際使用中，當(dāng)真實(shí)物體距離不比預(yù)設(shè)的實(shí)際下閾值如IOcm小時(shí)，我們還可以指定下限?？商鎿Q地，我們可以相對(duì)于真實(shí)物體距離直接指定自適應(yīng)透鏡的光功率，部分減少模式中的這種函數(shù)將通常為直線Ι/fO和曲線1/f = 1/u+l/fO之間的非遞增函數(shù)，其中，u是真實(shí)物體距離(X軸)。應(yīng)注意的是，盡管這個(gè)函數(shù)優(yōu)選地應(yīng)相對(duì)于真實(shí)物體距離非遞增，并且虛擬圖像距離的函數(shù)應(yīng)相對(duì)于真實(shí)物體距離非遞增，但是對(duì)這些函數(shù)所做的破壞他們的非遞增或非遞減性質(zhì)的微小修改應(yīng)被認(rèn)為是不重要的仿效。部分減少模式圖202說(shuō)明部分減少模式，其中虛擬圖像距離V被定義為u的函數(shù)V = l/(20*u+l. 5)-O. 667。項(xiàng)-O. 667規(guī)定v的最大值，I. 5 (屈光度)用于確保對(duì)于任意> O的U，滿足V < O的條件(因?yàn)樘摂M圖像與矯正透鏡位于相同側(cè))。但是，這些僅為示意性的實(shí)例，還可使用其他函數(shù)。
部分減少模式對(duì)于保持大腦假設(shè)的聚焦和調(diào)節(jié)之間的隱含關(guān)系也可以是重要的。 當(dāng)我們看近處物體時(shí)，我們具有更強(qiáng)的聚焦，因?yàn)槲覀兊难劬ο騼?nèi)旋轉(zhuǎn)以保持適當(dāng)?shù)牧Ⅲw視覺(jué)。通常，對(duì)于視力好的人們(甚至是那些患近視但是戴傳統(tǒng)眼鏡的人)，我們的眼睛晶狀體進(jìn)一步地調(diào)節(jié)(例如，轉(zhuǎn)換成更高的光功率)以聚焦在近處物體。但是，在全部減少模式中，眼睛晶狀體從不需要改變焦距。雖然在眼睛晶狀體總是處于充分放松模式的意義上來(lái)講，它可能是有利的，但是不再存在隱含的聚焦/調(diào)節(jié)關(guān)系。隨著持久的使用，大腦可能喪失或極大地削弱這種隱含的關(guān)系，并且當(dāng)患者摘掉他的或她的眼鏡時(shí)，他/她可能發(fā)現(xiàn)難以看清不同距離處的物體，即使當(dāng)這些物體在他的/她的清晰視覺(jué)距離內(nèi)時(shí)，因?yàn)樵诓煌木嚯x處，眼睛具有不同的聚焦，但是大腦可能不觸發(fā)促使改變焦距。因此，部分減少模式的目的在于解決這個(gè)潛在的問(wèn)題。另一方面，佩戴傳統(tǒng)眼鏡的近視使用者與不戴眼鏡的使用者相比已經(jīng)具有不同的聚焦/調(diào)節(jié)關(guān)系，因此似乎任何單調(diào)的關(guān)系/映射可能有效，只要存在一種這樣的在調(diào)節(jié)中具有不容忽視(就有關(guān)的大腦而言)的范圍的關(guān)系/映射。這表明在選擇虛擬圖像距離或光功率相對(duì)于真實(shí)物體距離的函數(shù)(其控制這種映射)時(shí)，存在相對(duì)高的靈活性。
在第三種模式(過(guò)度減少模式_通過(guò)過(guò)度減少模式圖206表示)中，減少量比全部量稍多，從而使得眼睛不能100%地看清感興趣的物體，目的是可促使眼睛晶狀體向遠(yuǎn)距離聚焦以便看清。如果這種促使被成功地觸發(fā)，甚至可扭轉(zhuǎn)近視的發(fā)展。由過(guò)度減少模式圖 206可以看出，對(duì)于所有的距離，矯正功率都減少O. 25屈光度。但是，也可使用其他函數(shù)。
在上述任何一種模式中，可增加人體工學(xué)特性以促進(jìn)好的用眼習(xí)慣和健康。例如， 如果真實(shí)物體距離比預(yù)定的閾值小并可選地持續(xù)比預(yù)定時(shí)間量更長(zhǎng)的時(shí)間，那么眼鏡可例如發(fā)出嘟嘟聲以提示使用者他/她觀看物體的距離太近。
對(duì)于遠(yuǎn)視使用者，例如，那些可看清遠(yuǎn)處但難以聚焦在近處物體的人，可使用類似的但稍微不同的模式。例如，自適應(yīng)透鏡可調(diào)節(jié)其光功率以便總是在最近的清晰視覺(jué)距離處有效地形成圖像，例如，對(duì)于+2屈光度的處方為50cm。但是，這將保持使用者總是在近視覺(jué)焦距，即使在看遠(yuǎn)處物體時(shí)，而這可能給眼睛施加壓力?？商鎿Q地，自適應(yīng)透鏡可提供正功率以便當(dāng)觀看比最近清晰視覺(jué)距離近的物體時(shí)，在最近清晰視覺(jué)距離處有效地形成圖像，但是當(dāng)觀看比最近清晰視覺(jué)距離遠(yuǎn)的物體時(shí)，自適應(yīng)透鏡將具有O功率以便患者使用他的/她的自然視覺(jué)和焦距。與近視情況相同，有效圖像距離可保持不變，或者對(duì)于不同的真實(shí)物體距離可稍微改變，以便大腦保持聚焦和調(diào)節(jié)之間的一些隱含關(guān)系。
傳統(tǒng)透鏡圖208顯示例如由傳統(tǒng)透鏡呈現(xiàn)的恒定的光功率(此處，示為-I. 5屈光度)。
凝視距離和視線跟蹤
確定真實(shí)物體距離，例如，感興趣的物體的距離或視距，不是無(wú)關(guān)緊要的工作。它不總是至最近的前方物體的直前距離，因?yàn)槭褂谜呖偸强梢韵騻?cè)面看，例如，通過(guò)瞥視。因此，如果使用具有自動(dòng)聚焦能力(其經(jīng)常通過(guò)調(diào)諧成在特定區(qū)域如直前方中產(chǎn)生最清晰邊緣的焦距而工作)的相機(jī)并將它安裝在眼鏡的前方，它在使用者瞥視時(shí)將不工作。在最壞情況的場(chǎng)景中，當(dāng)在小視角內(nèi)存在很多不同距離處的物體時(shí)，視距在瞥視角度稍微改變時(shí)可顯著地改變。類似地，測(cè)距儀裝置可能具有相同的問(wèn)題，其中測(cè)距儀裝置發(fā)射光或超聲波的小脈沖并監(jiān)測(cè)反射時(shí)間以確定視距。
人眼可以以立體的方式感知視覺(jué)。眼睛在視網(wǎng)膜的中央凹區(qū)內(nèi)具有最高的視敏度，并感知物體的深層次細(xì)節(jié)，兩只眼睛均可以經(jīng)常在某種程度上旋轉(zhuǎn)以便物體在中央凹區(qū)中形成圖像。同時(shí)，為了避免在感興趣的物體上聚焦時(shí)形成重影，眼睛的旋轉(zhuǎn)必須非常精確以便物體的兩個(gè)中央凹圖像在立體視覺(jué)中幾乎完全地重疊。因此，可通過(guò)兩只眼睛的視線確定視距。由于立體視覺(jué)的觀看需求，兩條線可在感興趣的物體處交叉。交叉點(diǎn)代表感興趣的物體的三維坐標(biāo)(或者更確切地，使用者聚焦的物體的部分)。實(shí)際上，測(cè)量誤差和不完美的立體眼睛校準(zhǔn)都可導(dǎo)致兩個(gè)檢測(cè)的視線不交叉。為了解決這些誤差，可使用一些形式的近似。例如，取代建模為抽象的細(xì)線，可將兩個(gè)視線擴(kuò)展為具有小半徑的光線或者具有小立體角的光線(當(dāng)它向遠(yuǎn)處延伸時(shí)，覆蓋更多的區(qū)域)，并將產(chǎn)生的交叉區(qū)域的中心(例如，它的幾何中心)視為物體的三維坐標(biāo)。也可使用其他近似方法。
一旦確定感興趣的物體的三維坐標(biāo)，則可容易地確定每個(gè)眼睛的視距，其中，基于兩個(gè)眼球的中心校準(zhǔn)三維坐標(biāo)系。
確定視線的過(guò)程稱為視線跟蹤，其與眼睛跟蹤有關(guān)。兩個(gè)術(shù)語(yǔ)有時(shí)可交換，區(qū)別是眼睛跟蹤通常涉及確定相機(jī)圖像中的眼睛的存在狀況，并且還涉及跟蹤眼睛特性如瞳孔和虹膜以便確定瞳孔的中心。而視線跟蹤通常涉及確定二維或三維坐標(biāo)系中的視線，但是視線跟蹤經(jīng)常使用眼睛跟蹤的結(jié)果以幫助確定視線。而且，由于中央凹區(qū)(存在最多的視覺(jué)注意)與光軸和視網(wǎng)膜的交叉點(diǎn)稍微不同，因此視線和凝視線之間甚至存在不同，其中前者與中央凹中心或視軸相關(guān)聯(lián)，而后者與光軸相關(guān)聯(lián)。實(shí)際上，我們可以僅直接測(cè)量凝視線，并且如果光軸與視軸之間的角度偏差已知，則可用來(lái)以簡(jiǎn)單的幾何方式獲得視線。 可為每個(gè)患者測(cè)量這個(gè)值，或者作為更簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)，基于總體平均值。視線跟蹤的更多細(xì)節(jié)可見(jiàn)于例如出版物 In the Eye of theBeholder A Survey of Models for Eyes and Gaze, Dan Witzner Hansen 和 Qiang Ji, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machinelntelligence，第32卷，No. 3，第478-500頁(yè)，2010年3月中，其公開內(nèi)容通過(guò)引用方式并入本文。
數(shù)十年來(lái)，眼睛跟蹤和視線跟蹤一直是重要的研究課題，并且，由于非常不同的背景照明條件、眼睛之間的不同、頭部運(yùn)動(dòng)和來(lái)自眼鏡的作為干擾的反射(僅舉幾例可變因素或障礙)，眼睛跟蹤和視線跟蹤領(lǐng)域仍然是重要的。
有趣地是，當(dāng)將視線跟蹤器嵌入一副眼鏡中時(shí)，可避免或極大地減少這些障礙中的很多種。例如，來(lái)自眼鏡的反射不再是問(wèn)題，因?yàn)榭蓪⒁暰€跟蹤器放置在眼鏡的內(nèi)部。受控照明(通常以近紅外LED照明的形式)通常用于室內(nèi)眼睛/視線跟蹤，但是對(duì)室外眼睛 /視線跟蹤無(wú)效，因?yàn)閬?lái)自室外環(huán)境的背景光干擾實(shí)在太強(qiáng)。當(dāng)將LED嵌入眼鏡中時(shí)，可將 LED放置在距離眼睛更近的位置，從而促進(jìn)相對(duì)于背景照明的更高SNR (信噪比)和/或更低功耗(更近距離的更低功率的相同照明效果)。這種優(yōu)點(diǎn)被很多頭戴式眼睛/視線跟蹤器利用。另外，可使用近紅外窄帶濾波器，代替使用通用紅外通過(guò)濾波器(在圖像捕捉期間通過(guò)大部分紅外光)來(lái)阻擋大部分的背景光干擾，并且如果所述窄帶被設(shè)計(jì)為與近紅外 LED產(chǎn)生的相同窄帶光相匹配，對(duì)于現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)，它可以以大約50 1(相比于沒(méi)有紅外濾波器)的比例或大約8 I (相比于通用紅外濾波器)的比例將LED信號(hào)放大為更大的信噪比。在描述本發(fā)明提出的改進(jìn)的小型CMOS圖像傳感器的部分中將給出關(guān)于這種技術(shù)的更多細(xì)節(jié)。應(yīng)注意的是，通常使用近紅外光，因?yàn)樗鼘?duì)于眼睛是不可見(jiàn)的并且不會(huì)導(dǎo)致瞳孔在其照明下收縮，并且它可被多數(shù)CCD (電荷耦合器件)和CMOS圖像傳感器捕捉，因?yàn)樗鼈兇蟛糠质褂霉杌怆妭鞲衅?，硅基光電傳感器制造起?lái)相對(duì)便宜并且可對(duì)高達(dá)約I IOOnm波長(zhǎng)的紅外光敏感，但超過(guò)IOOOnm后敏感度快速降至零。其他紅外光波長(zhǎng)也可用于眼睛/視線跟蹤，前提是圖像傳感器技術(shù)可用來(lái)有效地捕捉這些波長(zhǎng)。
僅基于閃爍的視線跟蹤
為了支持眼鏡中的視線跟蹤，視線跟蹤器必須易于實(shí)現(xiàn)且具有低計(jì)算復(fù)雜性和低功率以便促進(jìn)小尺寸實(shí)現(xiàn)。因此，眼睛閃爍可用于視線跟蹤。點(diǎn)光源的有源照明(其可以是紅外或可見(jiàn)光)下的眼睛將產(chǎn)生多個(gè)反射，其中第一反射發(fā)生在角膜的外表面上，并且相應(yīng)產(chǎn)生的點(diǎn)圖像稱作第一 Purkinje圖像，其經(jīng)常被稱作閃爍。其他反射產(chǎn)生第二、第三和第四Purkinje圖像,但是第一 Purkinje圖像是最亮的，因此是最適合用于低成本、低復(fù)雜性實(shí)現(xiàn)的眼睛/視線跟蹤目的的圖像。
雖然多數(shù)視線跟蹤算法似乎集中于將眼睛閃爍與瞳孔跟蹤相結(jié)合以估計(jì)視線，但本發(fā)明提供的方法利用眼睛閃爍。因?yàn)殚W爍是點(diǎn)圖像，在圖像傳感器中它可能更容易被檢測(cè)，因?yàn)樗ǔＯ喈?dāng)于一個(gè)圖像傳感器像素或一小群像素。在后面的部分中，本發(fā)明將描述如何以低功率設(shè)計(jì)檢測(cè)與閃爍相對(duì)應(yīng)的像素。低功耗是重要的，因?yàn)楦櫻劬鸵暰€的相機(jī)必須是眼鏡的一部分，并且如果設(shè)計(jì)目標(biāo)是保持眼鏡盡可能地緊湊，那么可能存在非常小的空間用于將額外的電池和/或電源供應(yīng)集成到眼鏡中。最小化眼鏡的散熱也是目標(biāo)， 因?yàn)榛颊弑仨殞⒀坨R戴在其頭上，并且舒適和安全性也是關(guān)鍵因素。
當(dāng)眼睛旋轉(zhuǎn)以看見(jiàn)不同物體時(shí)，每個(gè)眼睛圍繞眼球的中心旋轉(zhuǎn)，并且閃爍是通過(guò)角膜形成的虛擬圖像，而角膜通常被建模為球形表面。如果我們使用眼球的中心作為三維坐標(biāo)系的原點(diǎn)(每個(gè)眼睛具有它自己的三維系統(tǒng)，但是通過(guò)提前測(cè)量所謂的瞳孔間的距離，它們可容易地相互轉(zhuǎn)換)，而且如果我們知道LED的三維坐標(biāo)為(&，yL, zL)，角膜的曲率 (即，半徑)為r。，從原點(diǎn)到角膜的球形中心的距離為d。，那么給定眼睛在方位軸中的旋轉(zhuǎn)角度(水平角)α和高度方向的旋轉(zhuǎn)角度(傾斜角)β，我們可預(yù)知閃爍的三維坐標(biāo)。步驟如下首先，我們基于極線幾何 Xc = dccos( a )cos(3 ), yc = dcsin( α )cos(3 ), Zc = dcsin(^ )獲得角膜中心的三維坐標(biāo)(X。，y。，z。)；接著,我們?cè)贚ED (Xlj, yL, zL)和角膜中心 (xc, y。，Zc)之間形成筆直的三維線；如果我們定義4 = nr。為L(zhǎng)ED和半徑為r。的角膜的球形表面之間的距離，并定義4為虛擬閃爍圖像和角膜球形表面之間沿著三維線的距離， 然后根據(jù)球面鏡的光學(xué)方程，虛擬閃爍圖像必須滿足方程dg= nrc/(2n+l)0由于可容易地計(jì)算4作為和(Xpy1^z1)之間的歐式距離(表示為dcj減去r。,也可容易地獲得dg，并且由于閃爍必須落在三維線上，所以也可使用簡(jiǎn)單的三維幾何獲得給定的dg的三維坐標(biāo)。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的眼睛或視線跟蹤中的旋轉(zhuǎn)角度對(duì)(方位角α和高度角β)的圖解。圖形300示出眼球中心(原點(diǎn))、旋轉(zhuǎn)的角膜中心、不旋轉(zhuǎn)的角膜中心、 LED和閃爍之間的三維關(guān)系。應(yīng)注意的是，原點(diǎn)和角膜中心之間的距離d。對(duì)于相同的使用者總是恒定的，只要眼睛沒(méi)有發(fā)生重大的物理改變。文字“閃爍”下面的點(diǎn)可以是虛擬閃爍圖像。上面討論的光學(xué)方程也應(yīng)用于圖形300。
相反地，如果我們知道所有其他的參數(shù)，包括閃爍的三維坐標(biāo)，并且想要計(jì)算兩個(gè)旋轉(zhuǎn)角，我們可以通過(guò)標(biāo)繪從LED到閃爍的三維線而實(shí)現(xiàn)，并且角膜的球形中心則必須在這條線上(因而具有I個(gè)自由度)。令中心的三維坐標(biāo)表示為(Xc;，y。，z。)，那么同時(shí)，它必須在中心為原點(diǎn)、半徑為d。、方程為V+y^+z。2 = d。2的球形表面上。令t表示從LED沿著三維線指向眼睛的距離，因?yàn)?X。，y。，zc)也落在這條線上，我們可以推斷，可使用參數(shù)t以一階線性形式表示線上包括(X。，y。，zc)在內(nèi)的所有點(diǎn)。因此，方程V+y^+z。2 = d。2變成t 的二次方程式，其可容易地求解。應(yīng)注意的是，二次方程式的2個(gè)根中只有I個(gè)是有效的， 因?yàn)橛蓆指定的線只可以在眼睛的前方而不能在眼睛的后方與球形表面交叉。使用t的有效根，然后我們可以獲得然后，我們可以根據(jù)極線幾何的定義容易地獲得旋轉(zhuǎn)角度對(duì)(方位角α和高度角β )。
如果我們使用已知三維坐標(biāo)和焦距的2個(gè)相機(jī)，那么也可以與立體視覺(jué)類似的方式獲得閃爍的三維坐標(biāo)。
上面的方法假設(shè)很多眼睛的特定參數(shù)是已知的,這需要校準(zhǔn)。ACalihration-Free Gaze Tracking Technique, Sheng-ffen Shih 等，International Conference on Pattern Recognition，第201-204頁(yè)，2000中描述了一種免校準(zhǔn)的視線跟蹤方法，其公開內(nèi)容以引用方式并入本文。這種方法可用于使用2個(gè)LED和2個(gè)相機(jī)獲得這些參數(shù)中的一些，假設(shè) LED和相機(jī)之間的點(diǎn)的相對(duì)三維坐標(biāo)是已知的(這相對(duì)容易滿足，因?yàn)樗麄兒芸赡鼙环€(wěn)固地安裝在眼鏡上，從而允許制造期間的簡(jiǎn)單的預(yù)校準(zhǔn))。免校準(zhǔn)的方法可重新獲得角膜中心相對(duì)于相機(jī)的三維坐標(biāo)，然后也可確定閃爍的三維坐標(biāo)。雖然這種方法不能直接地重新獲得d。和r。，但是如果要求使用者旋轉(zhuǎn)他的/她的眼睛成各種角度對(duì)，很明顯地，角膜中心的三維坐標(biāo)的軌跡將遵循半徑為d。、中心為眼睛的中心的球形表面。因此，通過(guò)收集足夠的角膜中心的三維坐標(biāo)的樣本，可實(shí)現(xiàn)球形表面上的回歸，因此可相對(duì)于相機(jī)重新獲得d。和眼睛的中心的三維坐標(biāo)，然后還可容易地將所有三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成使用眼睛的中心為原點(diǎn)， 如上面的段落和圖3中的情況。為了重新獲得r。，只需認(rèn)識(shí)到4= nrc = sqrt ((xc-xL)2+ (yc-yL)2+ (Ze-Z1)2) -rc = d^-r。,其中，(xL, yL, zL)為已知的LED的三維坐標(biāo),這意味著(Idj也是已知的。因此Π可以被表示為(IclZrc-I (r。的函數(shù))，并且dg = nrc/(2 n+1) = rc-dcg, 其中(1。8是也已知的角膜中心和閃爍之間的距離。然后，我們可以插入Π關(guān)于r。的表達(dá)式，并求解關(guān)于未知變量r。的方程dg= nrc/(2n+l) = rc-dcg0更具體地，待求解的方程簡(jiǎn)化為(deI+deg) *re-2deI*deg = O,或者簡(jiǎn)化為r。= 2dcL*dcg/ (dcL+dcg)?？墒褂枚喾N測(cè)量方法來(lái)估算r。，例如通過(guò)平均，以使得r。的估算更準(zhǔn)確。因?yàn)閐。和r。為使用者的特定參數(shù)并且不變，因此對(duì)于每個(gè)使用者，只需進(jìn)行一次確定。因此，結(jié)合上面描述的過(guò)程，免校準(zhǔn)的方法也可重新獲得LED和眼球中心之間的相對(duì)三維位置。因此，可使用Sheng-Wen Shih等在A Calibration-FreeGaze TrackinR Technique中描述的算法,結(jié)合上面描述的過(guò)程，在初次使用時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)眼鏡，然后可單獨(dú)使用上述算法重新估算角膜中心相對(duì)于相機(jī)的三維坐標(biāo)，由此補(bǔ)償眼鏡滑移，但是是以與跟蹤頻率相比較低的頻率以節(jié)省再校準(zhǔn)過(guò)程中的LED 功率和計(jì)算功率。然后，一旦滑移被補(bǔ)償，僅需要I個(gè)LED和2個(gè)相機(jī)來(lái)生成閃爍的三維坐標(biāo)。此外，如果其他LED被期望用于提供更清楚的閃爍，那么跟蹤器可切換到不同的LED(但是仍然每次使用I個(gè)LED)。這可能是因?yàn)?，有時(shí)眼睛旋轉(zhuǎn)那么多，使得閃爍事實(shí)上不從特定的照明方向形成，因此具有2個(gè)LED且他們之間可智能的切換將可能提供更好的結(jié)果。盡管 Sheng-Wen Shih 等在 A Calibration-Free Gaze TrackinR Technique 中描述的算法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)視線跟蹤且免校準(zhǔn)，但是它需要分析眼睛瞳孔圖像以便實(shí)現(xiàn)視線跟蹤，而這樣的分析對(duì)于眼鏡上的嵌入式電路而言可能太復(fù)雜而難以處理。因此，通過(guò)利用Sheng-Wen Shih 等描述的算法，結(jié)合上述過(guò)程，自動(dòng)校準(zhǔn)眼睛參數(shù)，然后僅使用Sheng-Wen Shih等描述的算法來(lái)補(bǔ)償滑移，使用本發(fā)明中的上面描述的步驟，視線跟蹤變得更簡(jiǎn)單?？商鎿Q地，可在確定近視處方時(shí)，測(cè)量使用者的眼睛參數(shù)，特別地，d。和r。。應(yīng)注意的是，每個(gè)眼睛使用2個(gè) LED。對(duì)于兩個(gè)眼睛，可能需要多達(dá)4個(gè)LED，但是可以通過(guò)將共享的LED和相機(jī)放置在兩個(gè)眼睛之間的中心附近而共享I個(gè)LED和甚至I個(gè)相機(jī)，因此對(duì)于每個(gè)使用者，可能將總數(shù)減少至3個(gè)LED和3個(gè)相機(jī)。
圖12示出一副具有自適應(yīng)透鏡和視線跟蹤的眼鏡，每個(gè)眼睛有2個(gè)LED和2個(gè)相機(jī)。如圖12所示，電池、以及由閃爍信息計(jì)算凝視距離的計(jì)算單元可放置在美學(xué)上可接受的位置,例如，眼鏡的中間?？赏ㄟ^(guò)物理電線連接LED、相機(jī)、電池和計(jì)算單元，其中，物理電線與眼鏡遵循相同的輪廓線。可替換地，也可沿著眼鏡框的邊緣或者在眼鏡的邊欄上放置電池和/或計(jì)算單元。LED和相機(jī)的位置僅是示例性的，可以存在其他能產(chǎn)生更好的視線跟蹤性能的位置。對(duì)于低功率閃爍檢測(cè)，圖12中的相機(jī)應(yīng)使用改進(jìn)的小型CMOS APS，這些將在下面的部分中詳細(xì)描述。
I個(gè)LED和2個(gè)相機(jī)的配置實(shí)際上是輕微地超定的系統(tǒng)。一旦使用附錄中的算法自動(dòng)地校準(zhǔn)或預(yù)校準(zhǔn)眼鏡中的視線跟蹤器，對(duì)于每個(gè)唯一的旋轉(zhuǎn)角度對(duì)，閃爍具有唯一的三維坐標(biāo)，其可映射為相機(jī)的圖像傳感器平面上的唯一的二維坐標(biāo)。因此，在旋轉(zhuǎn)角度對(duì)和二維相機(jī)閃爍坐標(biāo)之間存在一對(duì)一的映射，因此，給定二維相機(jī)閃爍坐標(biāo)，我們可以將它映射回三維坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)角度對(duì)，從而獲得視線跟蹤信息。在自動(dòng)校準(zhǔn)或預(yù)校準(zhǔn)之后，將只需要 I個(gè)LED和I個(gè)相機(jī)。不幸地，反向映射(從二維到三維或旋轉(zhuǎn)角度對(duì))可能是非常復(fù)雜的并且似乎不具有封閉形式方程，因此可能必須通過(guò)一些形式的迭代插值，例如，牛頓近似來(lái)近似地求解，或者使用足夠高的采樣密度預(yù)計(jì)算從旋轉(zhuǎn)角度到二維閃爍坐標(biāo)的完整的正向映射以便可能具有閃爍的相機(jī)圖像傳感器陣列中的每個(gè)像素具有至少一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度對(duì)。然后，可通過(guò)計(jì)算每個(gè)這樣的像素中的平均旋轉(zhuǎn)角度對(duì)來(lái)構(gòu)造反向映射。
近似解可能增加每次跟蹤的計(jì)算復(fù)雜性，而預(yù)計(jì)算可為計(jì)算量很大的且不應(yīng)每次校準(zhǔn)都進(jìn)行。如果目標(biāo)是節(jié)省硬件成本，那么可以使用預(yù)校準(zhǔn)、反向映射的預(yù)計(jì)算和具有I 個(gè)相機(jī)的I個(gè)LED，但是這種配置不能補(bǔ)償眼鏡的滑移。如果使用自動(dòng)校準(zhǔn)，那么可能無(wú)論如何都需要2個(gè)LED和2個(gè)相機(jī)，并且當(dāng)2個(gè)相機(jī)能給出低復(fù)雜性的解決方案并能提供以滑移為目的的簡(jiǎn)單的再校準(zhǔn)時(shí)，使用I個(gè)相機(jī)且在滑移期間必須重做反向映射的預(yù)計(jì)算將似乎不那么有用。
因此，用于視線跟蹤器的優(yōu)選實(shí)施方案是在初始使用時(shí)使用2個(gè)LED和2個(gè)相機(jī)用于自動(dòng)校準(zhǔn)，然后切換為I個(gè)LED和2個(gè)相機(jī)用于基于閃爍的視線跟蹤，其中可基于哪個(gè) LED最可能產(chǎn)生更可見(jiàn)的閃爍圖像來(lái)改變有源LED，而且其中可以以比跟蹤頻率更低的頻率執(zhí)行重校準(zhǔn)以補(bǔ)償滑移?？商鎿Q地，如果預(yù)計(jì)滑移較小，那么第二實(shí)施方案包括具有預(yù)校準(zhǔn)以及二維閃爍坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)角度對(duì)之間的反向映射的預(yù)計(jì)算的I個(gè)LED和I個(gè)相機(jī)。
一旦獲得每個(gè)眼睛的旋轉(zhuǎn)角度對(duì)，可獲得兩個(gè)視線。然后，可使用視軸與光軸之間的角度(或者被預(yù)校準(zhǔn)，或者基于總體平均值)來(lái)將凝視線轉(zhuǎn)換成視線。然后，視線的交叉點(diǎn)表示感興趣的物體的三維坐標(biāo)，然后可容易地獲得每個(gè)眼睛的視距，然后可根據(jù)上面描述的三種調(diào)節(jié)減少模式中的一種使用視距來(lái)驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)透鏡的光功率。
當(dāng)眨眼睛時(shí)，如果眼皮還沒(méi)有完全閉合且閃爍對(duì)于相機(jī)仍然是可見(jiàn)的(或者在優(yōu)選實(shí)施方案中對(duì)兩個(gè)相機(jī)均是可見(jiàn)的)，那么上面的方法仍然可以檢測(cè)閃爍并獲得視線跟蹤信息。如果眼皮充分閉合，閃爍將是不可見(jiàn)的，視線跟蹤器將不能獲得跟蹤信息。但是， 如果眼睛被閉合或者被充分閉合(這意味著眼睛不能看見(jiàn)任何有用的東西)，那么視線信息是本質(zhì)上不相干的。在這種情況下，視線跟蹤器可使用最后獲知的視線跟蹤信息，而且事實(shí)上，無(wú)論何時(shí)視線跟蹤器由于某些原因(例如沒(méi)有閃爍被檢測(cè)到)而無(wú)法獲得跟蹤信息， 它都可使用最后獲知的相應(yīng)信息。將在下面的公開文本中描述的閃爍檢測(cè)電路可通知視線跟蹤器，在圖像捕捉期間沒(méi)有檢測(cè)到閃爍。
用于小型CMOS圖像傳感器的低功率閃爍跟蹤
適合用于眼鏡中的視線跟蹤器必須不僅易于實(shí)現(xiàn)和具有低計(jì)算復(fù)雜性，還需消耗低功率，因?yàn)樵谘坨R框中只有非常小的空間用于電池?？紤]到自適應(yīng)透鏡可能已經(jīng)消耗電池容量的顯著的份額，非常優(yōu)選的是，視線跟蹤器消耗非常低的功率，例如，在低于mW級(jí)別的范圍內(nèi)。
在視線跟蹤器中主要有4個(gè)消耗功率的部分(i)LED照明，(ii)圖像捕捉，(iii) 眼睛特性檢測(cè)，和(iv)視線計(jì)算。在上面描述的具有2個(gè)LED和2個(gè)相機(jī)的優(yōu)選實(shí)施方案中的視線計(jì)算包含非常小的計(jì)算量，并且主要要求從2個(gè)相機(jī)獲得閃爍的三維坐標(biāo)、求解二次方程式、和隨后獲得旋轉(zhuǎn)角度對(duì)、視線和凝視線、以及每個(gè)眼睛的凝視距離。每次跟蹤可能花費(fèi)少于100個(gè)浮點(diǎn)計(jì)算周期。因此，預(yù)計(jì)到視線計(jì)算消耗非常小的功率。因此前三個(gè)因素更重要，是以下描述的主題。
近紅外LED典型地消耗幾個(gè)到幾十mW，并且發(fā)射(例如，以近紅外光子形式)它們消耗的功率的一小部分。這個(gè)部分可以是例如1/3，這個(gè)值將用做說(shuō)明功耗的實(shí)例。對(duì)于這個(gè)部分的使用的實(shí)例，參見(jiàn)數(shù)據(jù)表MOLD LED Lamp L880 Series :Infrared LED Lamp. Marubeni America Corporation,其通過(guò)引用方式并入本文。使用優(yōu)選的2個(gè)LED、2個(gè)相機(jī)的配置，我們可在自動(dòng)校準(zhǔn)之后使用I個(gè)LED和2個(gè)相機(jī)，這將導(dǎo)致節(jié)省大約一半的LED 功率。
CXD和CMOS圖像傳感器均對(duì)近紅外光敏感。但是，由于CMOS傳感器通常具有更低的功耗并且也支持隨機(jī)存取，所以對(duì)于本發(fā)明，CMOS傳感器是圖像傳感器的優(yōu)選選擇。而且，CMOS使圖像捕捉與智能信號(hào)處理的結(jié)合更容易，因?yàn)榭稍谙嗤奈锢磉^(guò)程中制造光電傳感器和CMOS信號(hào)處理元件。這稱作小型CMOS圖像傳感器，并屬于快速發(fā)展領(lǐng)域。下面的部分描述可以以非常低的功率實(shí)現(xiàn)閃爍檢測(cè)的小型CMOS圖像傳感器中的改進(jìn)的有源像素傳感器(APS)。
具有PMOSFET源跟隨器的改講APS
首先，注意到，在傳統(tǒng)的眼睛/視線跟蹤中，捕捉并進(jìn)一步分析整個(gè)眼睛圖像，其中眼睛圖像通常為灰度圖或彩色圖。在我們的僅基于閃爍的視線跟蹤方法中，我們僅需要檢測(cè)閃爍，其中閃爍通常比其他眼睛特性更明亮。這意味著，我們可減少圖像捕捉的曝光時(shí)間以便閃爍仍然會(huì)強(qiáng)烈地出現(xiàn)，而其他特性將通常作為暗像素或接近暗像素而出現(xiàn)。這種曝光時(shí)間的減少可節(jié)省LED功率，因?yàn)槲覀儾槐鼗ㄙM(fèi)額外的曝光時(shí)間來(lái)捕捉我們不想要在我們的方法中使用的眼睛特性。
其次，CMOS圖像傳感器電路中的多數(shù)功耗是由于流過(guò)監(jiān)測(cè)晶體管的有效電流造成，其中通過(guò)光電傳感器(典型地，光電二極管)的電壓部分地控制該電流，而且該電壓根據(jù)入射光的量改變。
圖4示出傳統(tǒng)的3-晶體管有源像素傳感器(3T-APS)。APS 400是現(xiàn)有技術(shù)已知的且包括復(fù)位晶體管402、光電二極管403、源跟隨器晶體管404、光電二極管電壓405、選擇晶體管406、供電電壓407、選擇信號(hào)408和輸出電壓409。CMOS圖像傳感器中的基本構(gòu)建塊單元為有源像素傳感器(APS)，其中光電傳感器是反向偏置的(如光電二極管403所示， 其中光電二極管吸收以一系列的三個(gè)箭頭示出的光)并經(jīng)常被充電到初始的正電壓(例如，如通過(guò)供電電壓407反映的Vdd)，然后通過(guò)曝光降低電壓，然后使用降低的電壓控制源跟隨器晶體管404的柵極并因此控制流過(guò)源跟隨器晶體管404的電流。光電二極管電壓 405 (Vpd)在復(fù)位過(guò)程中被初始化為Vdd和Vth的差值。此處，Vth是晶體管(例如，M0SFET) 的閾值電壓，在上述情況下，是復(fù)位晶體管402的閾值電壓。
回憶模擬電子學(xué)，在nMOSFET (更常用的類型)中，只有當(dāng)柵源極電壓Ves超過(guò)它的Vth或閾值電壓時(shí)，電流才從漏極流到源極。相反地，在pMOSFET中，只有當(dāng)Ves比它的 Vth(其為負(fù)值)小時(shí)，才導(dǎo)通相同的路徑(但是，從源極流到漏極)。為了簡(jiǎn)單，我們可以假設(shè)跨越相同的CMOS圖像傳感器中的所有MOSFET的Vth大約相同(對(duì)于pMOSFET，Vth將為負(fù)值但是我們可以假設(shè)它的絕對(duì)值是大約相同的)，因?yàn)榭梢砸韵嗤姆绞街圃焖鼈?。但是，也可以組合具有不同Vth值的MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)一些新穎的設(shè)計(jì)功能。在圖4中，Msel或選擇晶體管406可以是M0SFET，其在它的相應(yīng)APS被選擇用于通讀選擇信號(hào)408 (如圖4中所示的SEL)時(shí)導(dǎo)通。反向偏置的使用和隨后的電壓降低被稱作累加模式，并且對(duì)于光電二極管是.最常見(jiàn)的模式，4歹!I々口，々口 Smart CMOS Image Sensors and Applications, JunOhta, ISBN 0-8493-3681-3 CRC Press. 2008的第29-35頁(yè)所描述，其通過(guò)引用方式并入全文。
因?yàn)楣怆妭鞲衅鞯碾妷篤pd或光電二極管電壓405在曝光期間降低而不是增加， 它意味著當(dāng)像素是暗的時(shí)，Msf或源跟隨器晶體管404將導(dǎo)通并消耗電流，但是當(dāng)像素變白時(shí)，電流將降低甚至電流可停止流動(dòng)。這意味著對(duì)于經(jīng)常在現(xiàn)有技術(shù)中使用的這種設(shè)計(jì)的 APS(如圖4中所示)，較暗的圖像將通常比較白的圖像消耗較多的電流。但是，對(duì)于閃爍檢測(cè)，我們僅對(duì)閃爍像素如白色像素感興趣，并且在一個(gè)捕捉圖像中它們應(yīng)非常少。如果我們減少LED照明的曝光時(shí)間以節(jié)省LED功率，圖4中示出的傳統(tǒng)的APS設(shè)計(jì)事實(shí)上將消耗更多的功率，因?yàn)槎鄶?shù)像素將是黑的，而這不是所期望的。因此，當(dāng)多數(shù)像素是黑的時(shí)，消耗較少功率的APS是非常亟需的。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的具有限流器的改進(jìn)3T-APS。APS500包括復(fù)位晶體管502、光電二極管503、源跟隨器晶體管504、光電二極管電壓505、選擇晶體管506、供電電壓507、選擇信號(hào)508、輸出電壓509和限流晶體管510。APS 500是低功率的、僅進(jìn)行閃爍檢測(cè)的設(shè)計(jì)，其在多數(shù)像素為黑的時(shí)消耗較少的功率且更適合閃爍檢測(cè)。組件502-509 類似于圖4的組件402-409，但具有一些微小的改進(jìn)。在一種實(shí)施方案中，對(duì)于源跟隨器晶體管504，可將源跟隨器晶體管404 (其可為nMOSFET)變?yōu)閜MOSFET，從而為源跟隨器晶體管504反轉(zhuǎn)漏極和源極引腳的位置。現(xiàn)在，當(dāng)像素不是閃爍時(shí)，它將是黑的或接近黑的，并且光電傳感器的電壓將是高的，接近Vdd ;由于pMOSFET的源極與Vdd(供電電壓507)相連， 所以只要柵極電壓(即，光電傳感器電壓)是高的且接近Vdd，pM0SFET就將保持關(guān)閉狀態(tài)。
我們可以校準(zhǔn)視線跟蹤器(例如，曝光時(shí)間)以便在多數(shù)條件下，由LED照明引起的閃爍將導(dǎo)致光電傳感器的電壓改變大于Vth(pMOSFET的閾值電壓)的量，而非閃爍像素將不能將他們的電壓減低Vth或更多。因此，所有的非閃爍像素將使其pMOSFET關(guān)閉并基本不消耗電流。閃爍像素將使其pMOSFET導(dǎo)通并消耗一些電流，但是這些像素的總數(shù)會(huì)非常小。如果我們?yōu)閜MOSFET增加限流器，例如大電阻器或限流晶體管510，我們可進(jìn)一步控制消耗的功率的量。在一種實(shí)施方案中，限流器可以是大電阻器(例如為幾兆歐姆)的形式。在一種實(shí)施方案中，限流器可以是限流晶體管510的形式，其可能更便于大規(guī)模集成。在一種實(shí)施方案中，限流晶體管510可以是具有小的OV漏源極飽和電流(Idss)(例如，Iμ A)的DeMOSFET (耗盡增強(qiáng)型M0SFET)。當(dāng)閱讀I個(gè)掃描(水平)線(行)時(shí)，如果我們預(yù)計(jì)彡10個(gè)閃爍像素，且Vdd = 3V，Idss = ΙμΑ，那么那條線中的所有APS的峰值功率可為 (3*10*1 μ W = 30yW。
在實(shí)際執(zhí)行中，由于nMOSFET(例如，復(fù)位晶體管502)通常用于復(fù)位光電二極管503以充分反向偏置，且在它的柵極處的復(fù)位信號(hào)典型地使用相同的供電電壓507，例如Vdd，且這個(gè)nMOSFET的源極引腳與光電二極管503相連，而且由于MOSFET要求柵源極電壓(Ves)高于Vth以導(dǎo)通M0SFET，因此在圖5示出的設(shè)計(jì)中光電二極管503可能充電到 Vdd-Vth。這是CMOS APS設(shè)計(jì)中熟知的問(wèn)題或行為。因此，在我們的改進(jìn)APS中，Msf或源跟隨器晶體管504的Ves將在(Vdd-Vth)-Vdd = -Vth處開始而不是從O開始。這意味著， 只要存在少量的光(而不是需要更多的光)，Msf或源跟隨器晶體管504就會(huì)導(dǎo)通。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以在502中使用pMOSFET以確保完全復(fù)位至Vdd，或者我們可使用額外的 nMOSFET以降低Msf或源跟隨器晶體管504的源極電壓，如圖6中所示。這個(gè)額外的晶體管可在所有像素之間共享，因此具有可忽略不計(jì)的開銷。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的具有共享晶體管的改進(jìn)3T-APS。APS 600包括復(fù)位晶體管602、光電二極管603、源跟隨器晶體管604、光電二極管電壓605、選擇晶體管606、 供電電壓607、選擇信號(hào)608、輸出電壓609、限流晶體管610和共享晶體管612。APS 600的組件602-610與APS 500的組件502-510類似。共享晶體管612將源跟隨器晶體管604的源極電壓降至Vdd-Vth，這與復(fù)位后的初始光電二極管電壓Vpd 605相匹配，作為只要存在少量的光(本該需要更多的光)，源跟隨器晶體管604就導(dǎo)通的有問(wèn)題的情況的解決方案。 共享晶體管612也可在多個(gè)像素之間共享以節(jié)省晶體管和晶體管空間，從而具有可忽略不計(jì)的開銷。
CMOS圖像傳感器陣列有利于隨機(jī)存取，且他們還可使得整行的像素被感應(yīng)，很像其他二維布局電路。因此，我們可在每列放置上述的電阻器或DeMOSFET (屬于限流器，在圖 5和圖6中被表示為限流晶體管510，610)，并同時(shí)訪問(wèn)行中的所有APS元件。在列舉傳感器陣列中的所有行后，完整的捕捉圖像將被處理。pMOSFET的輸出電壓適合做CMOS的邏輯輸入。因此，可使用傳統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的任何邏輯處理。例如，可將MOSFET輸出發(fā)送至一行鎖存器或寄存器以存儲(chǔ)他們的值。然后，可將pMOSFET與另一控制晶體管(例如， 不論以何種方式使用的Msel 508，608)脫離以減低功耗。然后，我們可使用優(yōu)先編碼器電路(例如，在 Priority Encoders, www. electronics-tutorials. ws/combination/comb_4. html中所討論的，其通過(guò)引用方式并入本文)以選擇一個(gè)閃爍像素(其與非閃爍像素具有不同的電壓和邏輯值)并輸出它的列號(hào)。然后，可從優(yōu)先編碼器電路清除這個(gè)像素并可選擇相同行上的下一個(gè)閃爍像素并顯示它的列號(hào)，直至這行上的所有閃爍像素均被顯示。上面描述的過(guò)程基于CMOS邏輯且有望消耗非常低的功率。
閃爍可能與CMOS圖像傳感器陣列中的一小群像素相對(duì)應(yīng)，而不是僅與一個(gè)像素相對(duì)應(yīng)。這可通過(guò)按照閃爍像素在傳感器陣列中的二維坐標(biāo)和相對(duì)鄰近性對(duì)閃爍像素分組而檢測(cè)，其可優(yōu)選地在軟件中進(jìn)行，因?yàn)轭A(yù)計(jì)這種像素的數(shù)量少。
可替換地，可使用“勝者為王”(Winner-Take-All) (WTA)電路(例如,在A 200 μ s Processing Time Smart Image Sensor for an EyeTracker UsinR Pixel-Level Analog Image ProcessingsDongsoo Kim和Gunhee Han,IEEE Journal of Solid-State Circuits， 第44卷，No. 9，第2581-2590頁(yè)，2009年9月中所討論的，其通過(guò)引用方式并入本文)而不是優(yōu)先編碼器電路來(lái)感應(yīng)pMOSFET的輸出電壓或電流，并輸出優(yōu)勝者(其具有最高的電壓或電流，并對(duì)應(yīng)最明亮的像素)，然后選擇下一個(gè)優(yōu)勝者，以此類推。這種方法具有嚴(yán)格基于它們的亮度(與優(yōu)先編碼器中的一些任意打破僵局的邏輯相反)每次選擇一個(gè)閃爍像素的優(yōu)點(diǎn)。但是，WTA電路通常比CMOS邏輯電路慢，這對(duì)于將在下面描述的閃爍檢測(cè)方法的變型形式可能是個(gè)問(wèn)題。
基于pMOSFET的Msf或源跟隨器晶體管604 (以及504)也可用于其他類型的APS， 如4T-APS(4-晶體管有源像素傳感器)(例如，圖8中的804)，只要光電二極管以反向偏置模式復(fù)位并使用累加模式。分別在圖7和圖8中示出傳統(tǒng)的4T-APS及其改進(jìn)用于低功率閃爍檢測(cè)。應(yīng)注意的是，在高TG信號(hào)時(shí)，來(lái)自圖7和圖8中的光電二極管的電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散(FD)電容，其為一種用于降低CMOS圖像傳感器中的采樣噪聲的設(shè)計(jì)(對(duì)于更多的細(xì)節(jié)，參見(jiàn) Smart CMOSImage Sensors and Applications, Tun Ohta, ISBN 0-8493-3681-3 CRCPress. 2008的第39-42頁(yè)，其通過(guò)引用方式并入本文)。
圖7示出傳統(tǒng)的4-晶體管APS (4T-APS)。APS 700是現(xiàn)有技術(shù)已知的，并包括復(fù)位晶體管702、光電二極管703、源跟隨器晶體管704、選擇晶體管706、供電電壓707、選擇信號(hào)708、輸出電壓709、轉(zhuǎn)移柵極晶體管711、浮動(dòng)擴(kuò)散電壓713和浮動(dòng)擴(kuò)散電容714。元件702-704、706-709與圖4_6中的相應(yīng)參考特性類似，因此省略冗余的描述。如果輸入轉(zhuǎn)移柵極晶體管711的TG信號(hào)升高，那么來(lái)自光電二極管703的電荷將被轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散電容714。這種方法被設(shè)計(jì)用于降低CMOS圖像傳感器中的采樣噪聲。
圖8示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的具有限流器和共享晶體管的改進(jìn)4T-APS。APS 800包括復(fù)位晶體管802、光電二極管803、源跟隨器晶體管804、選擇晶體管806、供電電壓 807、選擇信號(hào)808、輸出電壓809、限流晶體管810、轉(zhuǎn)移柵極晶體管811、共享晶體管812、浮動(dòng)擴(kuò)散電壓813和浮動(dòng)擴(kuò)散電容814。組件802-804、806-814與前面附圖中的組件類似，但是應(yīng)注意的是，源跟隨器晶體管804可以是pMOSFET，并且共享晶體管812可以在多個(gè)像素之間共享以節(jié)省晶體管空間，與圖6中的共享晶體管612類似。而且，與圖7類似，如果輸入轉(zhuǎn)移柵極晶體管811的TG信號(hào)升高，那么來(lái)自光電二極管803的電荷將被轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散電容814。此外，這種方法可幫助降低APS 800中的采樣噪聲。
應(yīng)注意的是，pMOSFET可能要求N-基底，其與多數(shù)基于光電二極管的光電傳感器設(shè)計(jì)中使用的P-基底相反。這可能相應(yīng)地增加制造復(fù)雜性。但是，將光電二極管改變?yōu)?N-基底(并通過(guò)接地電壓和Vdd的交換而反向偏置它，因?yàn)榉聪蚱脤?duì)于累加模式操作是必須的)不能避免這種制造復(fù)雜性，因?yàn)閷l(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在將需要nMOSFET源跟隨器來(lái)確保相同的節(jié)能特性。因此，需要與光電傳感器的基底相反的基底的MOSFET來(lái)提供低功率閃爍檢測(cè)。具有nMOSFET Msf的N-基底光電二極管的等效電路可使得接地電壓和Vdd交換且還使得光電二極管翻轉(zhuǎn)。圖9示出具有N-基底光電二極管和nMOSFET Msf的3T-APS的簡(jiǎn)單實(shí)例。
圖9示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的通過(guò)N-基底光電二極管執(zhí)行低功率閃爍檢測(cè)的改進(jìn)3T-APS。APS 900包括復(fù)位晶體管902、光電二極管903、源跟隨器晶體管904、光電二極管電壓905、選擇晶體管906、供電電壓907、選擇信號(hào)908和輸出電壓909。組件902-909 與前面附圖中的類似參考特性相類似，除了 N-基底光電二極管用于光電二極管903，其以與在前的附圖的光電二極管不同的方向取向。APS900在復(fù)位期間還可具有輸入復(fù)位晶體管902的OV復(fù)位信號(hào)，以及-Vdd值(負(fù)值)的供電電壓907。還應(yīng)注意的是，光電二極管903 是N-基底光電二極管且從先前的附圖中的光電二極管的方向翻轉(zhuǎn)。此外，復(fù)位晶體管902 和源跟隨器晶體管904的漏極和源極引腳與先前的附圖相比也為翻轉(zhuǎn)的。使用nMOSFET和 N-基底光電二極管也可實(shí)現(xiàn)低功率閃爍檢測(cè)。
近紅外窄帶濾波器在阻止背景光干擾中的效果
本發(fā)明的這個(gè)部分也將示出典型的光電二極管有望產(chǎn)生多少光電流，以及因此， 對(duì)于特定曝光時(shí)間有望下降多少電壓。基于硅的光電二極管通常在大約880nm近紅外波長(zhǎng)(其為典型地用于眼睛/視線跟蹤的波長(zhǎng))處具有大約O. 1A/W敏感度。如果我們?yōu)槊總€(gè)眼睛使用I個(gè)消耗2mW功率的LED，并且1/3的功率變成紅外輻射，那么每個(gè)眼睛的照明功率可為0.667mW。假設(shè)角膜占據(jù)約10%的照明區(qū)域并假設(shè)相對(duì)均勻的照明，那么角膜獲取0.667mW的輻射的10%?，F(xiàn)在，我們進(jìn)一步假設(shè)每個(gè)相機(jī)占據(jù)反射照明的完整2 π半球立體角的約1/1000，并假設(shè)皮膚和眼睛可反射50%的紅外光(這可能被高估)，那么相機(jī)透鏡現(xiàn)在可接收被反射的照明總量的最多O. 5*0. 667mff*l/1000 = 333nW。使用100x100 像素陣列，每個(gè)像素最多接收333nW/10000 = 33. 3pW。在O. 1MW，每個(gè)光電二極管將產(chǎn)生 O. 1*33. 3 = 3. 33pA 的光電流。例如，根據(jù) Smart CMOS Image Sensors andApplications 的至少第29-31頁(yè)，這樣的電流將典型地花費(fèi)大約IOOms將光電二極管電壓從3V的Vdd降至接近0V，其中減少相對(duì)于曝光時(shí)間和光電流大致成線性(對(duì)于更準(zhǔn)確 的分析，例如參見(jiàn) Smart CMOSImage Sensors and Applications 的第 29-31 頁(yè))。
現(xiàn)在，相比之下，對(duì)于閃爍像素，假設(shè)整個(gè)閃爍適合一個(gè)像素，并假設(shè)角膜具有對(duì)近紅外光的2. 4 %的反射率(例如，參見(jiàn)Video-basedeyetrackinR methods and alRorithms in head-mounted displays, HongHua和 Prasanna Krishnaswamy, 2006 年 5 月 15日/第14卷，No. 10/0PTICS EXPRESS，其通過(guò)引用方式并入本文)，那么閃爍像素將接收0.024*0. 1*0. 667mff*l/1000 = L 6nW。因此，在閃爍像素處的光電二極管將產(chǎn)生0. 1*1.6 = 160pA的光電流。假設(shè)沒(méi)有背景光干擾，這給出閃爍和非閃爍像素之間至少160 3.33 =48 I的SNR。這是因?yàn)榇罅康拈W爍光聚焦在單個(gè)像素中。通過(guò)識(shí)別出100x100像素陣列具有10000個(gè)元件可估計(jì)因閃爍聚集而產(chǎn)生的放大，因此，因這種聚集而產(chǎn)生的放大比率大致為0. 024*0. 1*10000 = 24。應(yīng)注意的是，雖然我們可以使用1000x1000像素陣列并實(shí)現(xiàn)甚至更高的放大比率，但這將增大成本，而且由于LED不一定是完美的點(diǎn)光源，并且由于角膜的虛擬閃爍圖像不嚴(yán)格為單個(gè)點(diǎn)(即使完美的球面鏡也不能產(chǎn)生單個(gè)點(diǎn)圖像而是具有小尾巴的圖像)，因此閃爍可擴(kuò)大到一小群像素，且與單個(gè)閃爍像素相比不那么易于處理。應(yīng)注意的是，使用 Ohta 的(SmartCMOS ImaRe Sensors and Applications 的第 29-31 頁(yè))指導(dǎo)，160pA的電流將典型地花費(fèi)大約100ms/48 = 2ms的時(shí)間將3V的Vdd降至接近 0V。實(shí)際中，我們不需要多達(dá)3V的降幅，事實(shí)上，比Vth降幅稍多的降幅是足夠良好的。如果Vth = 0. 7V，那么我們可指定例如I. 25*Vth = 0. 875V作為期望的降幅，并且它可能只需花費(fèi)大約0. 875V/3V*2ms = 0. 58ms曝光時(shí)間就能達(dá)到。
現(xiàn)在，分析背景光干擾的影響。讓我們從最強(qiáng)的可能干擾，直射陽(yáng)光(例如當(dāng)太陽(yáng)光直接照射在眼睛上時(shí))開始。從太陽(yáng)能光伏電池技術(shù)已知，直射陽(yáng)光具有大約IkW/ Hi2的能量濃度，并具有大約100,000勒克斯的亮度。相比之下，陰天和室內(nèi)照明具有大約 1000勒克斯。應(yīng)注意的是，勒克斯以可見(jiàn)光表示，因此紅外光對(duì)勒克斯貢獻(xiàn)為零，但是它為能量濃度作出貢獻(xiàn)。假設(shè)眼睛區(qū)域反射大約10%的直射陽(yáng)光，且眼睛區(qū)域?yàn)榇蠹s4cmx 4cm= 16cm2，那么跨越整個(gè)太陽(yáng)光譜反射的照明功率為O. l*16*10_4m2*lkW/m2 = 160mW。如果唯一使用的濾波器為通用IR通過(guò)濾波器，假設(shè)1/4的反射陽(yáng)光可以穿過(guò)并激活硅基光電二極管(應(yīng)注意的是，光子波長(zhǎng)必須比IlOOnm短以激活硅)，并假設(shè)相機(jī)透鏡覆蓋整個(gè)2Ji立體角的1/1000，那么相機(jī)將總共接收l(shuí)/4*160mW*l/1000 = 40 μ W。假設(shè)反射為散射的并在100x100個(gè)像素之間相對(duì)均勻地遍布，那么每個(gè)像素在O. 1A/W的敏感度下將接收 40 μ ff/10000 = 4nff,并將產(chǎn)生O. 4nA或400pA的光電流作為干擾。這是由上述的LED產(chǎn)生的光電流的2. 5倍。由于太陽(yáng)與遙遠(yuǎn)的點(diǎn)光源類似，因此從角膜的反射將形成太陽(yáng)引起的閃爍，并且這個(gè)閃爍將更強(qiáng)烈，因?yàn)楣饧性谙袼厣稀?yīng)注意的是，如果背景光干擾是1000 勒克斯(例如，室內(nèi)光)，假設(shè)能量譜分布與直射陽(yáng)光類似，那么它將僅產(chǎn)生400pA/100 = 4pA，僅為上述的LED引起的光電流的1/40。但是，如果背景光是點(diǎn)光源如電燈泡，那么仍可形成閃爍，且該閃爍仍可引起對(duì)LED照明的足夠干擾。
現(xiàn)在，如果使用與LED產(chǎn)生的輸出波段恰好匹配的近紅外(NIR)窄帶(NB)濾波器，那么可極大地減小背景光干擾的影響。例如，一個(gè)數(shù)據(jù)表(Standard-Line Near Infra-red Bandpass Filter ListingProduct 880. OIF 40. www. cheshireoptical. com/ NIRfilters.htm，其通過(guò)引用方式并入本文)示出一個(gè)這樣的濾波器具有中心為880nm的 40nm的半寬，在帶寬內(nèi)進(jìn)行65 %的傳輸，在帶寬外具有1000-10000倍的抑制比。類似地，另一個(gè)數(shù)據(jù)表(MOLD LED Lamp L880Series Infrared LED Lamp)示出特定的 NIR LED 具有中心也為880nm的40nm的半寬。為了簡(jiǎn)單，假設(shè)陽(yáng)光光譜在從300nm到IlOOnm的總帶寬為SOOnm的范圍內(nèi)為相對(duì)均勻的，而且由于帶寬外的光幾乎被濾波器全部拒絕，因此僅有 40nm/800nm = O. 05的背景光會(huì)在窄帶內(nèi)，并且大約僅僅O. 05*0. 65 = 3. 25 %將通過(guò)該濾波器?，F(xiàn)在，對(duì)于100，000勒克斯直射陽(yáng)光，相機(jī)將僅接收O. 0325*160mff*l/1000 = 5. 2 μ W, 并且對(duì)于散射反射，每個(gè)像素將獲得5. 2μ W/10000 = O. 52nW，其反過(guò)來(lái)產(chǎn)生52pA的光電流作為干擾。盡管它不可忽略，但是現(xiàn)在它比LED產(chǎn)生的160pA低很多。為了更準(zhǔn)確，使用 65 % NIR NB濾波器，LED照明(假設(shè)多數(shù)LED照明在40nm帶寬內(nèi))將可能產(chǎn)生O. 65*160pA =104pA而不是160pA。對(duì)于太陽(yáng)引起的閃爍，這將仍然是個(gè)問(wèn)題，但是將在下個(gè)部分中進(jìn)行說(shuō)明。對(duì)于1000勒克斯的室內(nèi)光，即使源(例如，電燈泡)引起閃爍，且該閃爍可能比散射反射強(qiáng)大約100倍，但是源仍比陽(yáng)光弱100倍。因此，這樣的閃爍可能不會(huì)導(dǎo)通pMOSFET 且不會(huì)引起顯著的干擾。
為了解決太陽(yáng)引起的閃爍，我們可執(zhí)行兩次背靠背的曝光，以便它們捕捉幾乎相同的眼睛特性。在兩次曝光中，我們將曝光時(shí)間校準(zhǔn)為與不具有背景光干擾時(shí)所使用的曝光時(shí)間相同，例如，如果僅存在LED照明，它將導(dǎo)致比pMOSFET的Vth稍高的電壓降。在第一次曝光期間，我們可關(guān)閉LED并檢查是否存在任何閃爍。如果存在閃爍，它們一定是假閃爍，由此記錄它們的像素位置。在第二次曝光期間，LED是導(dǎo)通的，并且也記錄被檢測(cè)到的閃爍。然后，將來(lái)自第一次曝光的假閃爍的像素位置與第二次曝光中的閃爍相比，可能使用小的二維鄰域搜索窗口以防止閃爍已經(jīng)稍微偏移其位置。從記錄中刪除與任何假閃爍恰好對(duì)應(yīng)(按照位置鄰近性)的來(lái)自第二次曝光的任何閃爍。然后，剩下的閃爍最有可能是由LED 引起的真實(shí)閃爍。在一種實(shí)施方案中，LED可在第二次曝光期間關(guān)閉而在第一次曝光期間導(dǎo)通，并將在第二次曝光期間記錄假閃爍且與第一次曝光相比，有效地獲得相同的結(jié)果，但是這種配置稍微有點(diǎn)不合理且效率稍低。應(yīng)理解，如果假閃爍碰巧與真實(shí)閃爍重疊，那么真實(shí)閃爍也將被消除。因此，有較小的可能性在假閃爍消除期間沒(méi)有檢測(cè)到真實(shí)閃爍。但是， 這可通過(guò)下面的方式減輕基于真實(shí)閃爍和假閃爍的既往歷史以及來(lái)自兩個(gè)LED的真實(shí)閃爍的預(yù)測(cè)位置，從上述實(shí)施方案中的2個(gè)LED中選擇更不可能與假閃爍重疊的LED。當(dāng)然， 可以使用多于2個(gè)LED并從中選擇，但是為了降低成本，2個(gè)LED可能是在成本和性能方面的良好權(quán)衡。
當(dāng)然，較高的LED功率還可有助于SNR。如果LED功率是上述的實(shí)例的10倍，那么僅需要1/10的曝光時(shí)間，且背景光的干擾強(qiáng)度將為1/10。但是，必須注意的是，LED功率應(yīng)在由健康規(guī)定設(shè)置的限值內(nèi)以便避免對(duì)眼鏡造成任何傷害。使用較高的LED功率(由此需要較短的曝光時(shí)間)的有益效果是減少快速眼睛運(yùn)動(dòng)對(duì)每次曝光的影響，且與較低LED功率和較長(zhǎng)曝光配置相比，兩次曝光彼此關(guān)聯(lián)性更高。
在上面的描述中，我們以時(shí)間調(diào)制的方式開啟和關(guān)閉LED照明，而且在此期間我們假設(shè)背景照明在兩次曝光期間通常是恒定的。這個(gè)假設(shè)對(duì)于陽(yáng)光、白熾燈泡、蠟燭等通常是正確的。但是很多裝置，例如TV、CRT和IXD監(jiān)視器具有已知的刷新率，因此它們的顯示器也將以時(shí)間調(diào)制的方式照明。為了避免背景照明在兩次曝光期間改變，可偶爾對(duì)于兩次曝光均關(guān)閉LED照明，并檢查假閃爍在兩次曝光之間是否一致。如果它們不一致，背景照明可能是時(shí)間調(diào)制的，因此可采取措施。例如，視線跟蹤器可為兩次曝光選擇不同的時(shí)間偏移 (但是可能保持相同的跟蹤頻率)，在此期間背景照明更穩(wěn)定。視線跟蹤器可能必須檢查一致性并定期地調(diào)節(jié)時(shí)間偏移。視線跟蹤器可采用評(píng)估時(shí)間調(diào)制的特性的算法以便它可更有利地補(bǔ)償背景照明的影響。
用于測(cè)暈兩次曝光之間的電壓差的具有2個(gè)電容的改進(jìn)APS
在上面的描述中，我們已經(jīng)利用時(shí)間調(diào)制的(開啟/關(guān)閉)LED照明來(lái)識(shí)別假閃爍和真實(shí)閃爍，進(jìn)一步地繼續(xù)下去，我們可以執(zhí)行兩次曝光并比較兩次曝光之間產(chǎn)生的電壓差。事實(shí)上，這之前已被JetPropulsion Laboratory article提出(例如，參見(jiàn) Ambient~LiRht-CanceIinRCamera UsinR Subtraction of Frames, NASA Tech Briefs, 2004年5月，其通過(guò)引用方式并入本文)，其中攝取兩個(gè)圖像，然后在軟件中執(zhí)行兩個(gè)圖像上的相應(yīng)像素之間的減法。Zamir識(shí)別系統(tǒng)(例如，參見(jiàn)公開的美國(guó)專利申請(qǐng) No. 20080203277，其通過(guò)引用方式并入本文)已經(jīng)提出更加基于硬件的不同設(shè)計(jì)，其中使用頻率調(diào)制的信號(hào)和頻率濾波器，或使用時(shí)間調(diào)制的(開啟/關(guān)閉)信號(hào)，并且在兩次曝光中分別對(duì)電容進(jìn)行充電和放電。Zamir方法也建議使用2個(gè)像素陣列，每個(gè)像素具有I個(gè)電容，并使用計(jì)算模塊進(jìn)行兩個(gè)電容的電壓的減法。
圖10不出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的基于兩次曝光之間的電壓差的兩電容APS。APS 1000包括復(fù)位晶體管1002、光電二極管1003、源跟隨器晶體管1004、光電二極管電壓1005、 選擇晶體管1006、供電電壓1007、選擇信號(hào)1008、輸出電壓1009、共享的限流晶體管1010、 第一充電晶體管1015、第一電容1016、第二充電晶體管1017和第二電容1018。本發(fā)明提出的方法也可使用時(shí)間調(diào)制的照明和減法，但是它在I個(gè)像素中利用2個(gè)電容并且僅僅需要 I個(gè)像素陣列，而不是如Zamir方法要求2個(gè)像素陣列并且每個(gè)像素具有I個(gè)電容。這可見(jiàn)于APS 1000。在第一次曝光期間，LED關(guān)閉，并且通過(guò)光電二極管1003給第一電容1016 充電(更準(zhǔn)確地說(shuō)，由于初始時(shí)電壓是Vdd-Vth，第一電容1016在放電，并且當(dāng)光電二極管1003獲得曝光時(shí)，電壓將下降)。在第二次曝光期間，LED開啟，并且通過(guò)光電二極管1003 給第二電容1018充電。第一電容1016的陽(yáng)極與Msf源跟隨器晶體管1004 (在一種實(shí)施方案中，使用nMOSFET作為源跟隨器晶體管1004)的柵極相連，并且第二電容1018的陽(yáng)極或者如圖10中所示的間接地與源跟隨器晶體管1004的源極相連，或者通過(guò)將選擇晶體管 1006移動(dòng)到第二電容1018的下方而直接地達(dá)到相同效果。使用這種配置，如果背景照明在兩次曝光期間是穩(wěn)定的，并假設(shè)在兩個(gè)循環(huán)中均沒(méi)有過(guò)度曝光，那么第一電容1016的電壓將比第二電容1018的電壓高，因?yàn)樵诘诙纹毓馄陂g，由于LED照明，光電二極管1003 具有更多的入射光。曝光時(shí)間可設(shè)置為與沒(méi)有背景光干擾的情況相同。因此，電壓差將比 Vth稍高，這將足夠?qū)ㄔ锤S器晶體管1004并導(dǎo)致電流流過(guò)它。對(duì)于不是真實(shí)閃爍(包括假閃爍)的像素，假設(shè)沒(méi)有過(guò)度曝光，那么第一電容1016和第二電容1018的電壓將幾乎相同，電壓差將接近0V，它將不能導(dǎo)通源跟隨器晶體管1004，即使是假閃爍。在圖10中，使用兩個(gè)信號(hào)來(lái)控制何時(shí)對(duì)每個(gè)電容進(jìn)行充電/放電。發(fā)送“充電-I”信號(hào)給第一充電晶體管1015以控制第一電容1016，發(fā)送“充電-2”信號(hào)給第二充電晶體管1017以控制第二電容1018。在上面描述的相應(yīng)復(fù)位和曝光模式期間，充電-I和充電2可分別為開啟(ON)或聞。
在一種實(shí)施方案中，APS 400、500、600、700、800、900和1000示出的晶體管可以為 MOSFET晶體管。在一種實(shí)施方案中，APS 400、500、600、700、800、900和1000示出的晶體管可以為雙極性結(jié)型晶體管。在一種實(shí)施方案中，APS 400、500、600、700、800、900和1000示出的晶體管可以比示出的晶體管更多或更少。
應(yīng)注意的是，通常地，MOSFET是三端子裝置，其中基底(大塊)短接至源極引腳， 這生成隱式二極管并使得每當(dāng)nMOSFET的源極電壓比漏極電壓高時(shí)整體MOSFET容許電流流動(dòng)。這個(gè)問(wèn)題可在圖10中出現(xiàn)，例如，當(dāng)電容I具有比光電二極管高的電壓從而將電荷泄露到光電二極管中。交換漏極和源極引腳不能解決這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槟菢庸怆姸O管可將電荷泄露到電容I中。
在實(shí)際執(zhí)行中，這個(gè)問(wèn)題可通過(guò)制造電荷控制MOSFET(實(shí)際上是四端子裝置)而避免，其中其基底不短接至其源極引腳。這通過(guò)經(jīng)常使用的流線型布局實(shí)現(xiàn)，其中光電二極管與其他MOSFET無(wú)縫地集成，如圖11所示。
圖11示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的流線型布局，其中光電二極管與其他MOSFET無(wú)縫地集成。布局1100包括復(fù)位晶體管1102、第一充電晶體管1115、第二充電晶體管1117、 VCl電壓1120(其測(cè)量由第一浮動(dòng)擴(kuò)散形成的電容Cl的電壓)、第一浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域和第一 η-阱區(qū)域1121、VC2電壓1122 (其測(cè)量由第二浮動(dòng)擴(kuò)散形成的電容C2的電壓)、第二浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域1123、光電二極管η-阱1124、第二 η-阱區(qū)域1125、和P-基底1130。布局1100是圖10中示出的光電二極管1003的物理布局實(shí)現(xiàn)，例如，為了避免電荷泄露。應(yīng)注意的是， 第二電容1018以三維的方式陳列。圖11與具有浮動(dòng)擴(kuò)散電容的4T-APS有些類似可參考 Smart CMOS ImaRe Sensors and Applications 的第 40_41 頁(yè)和圖 2. 23 以進(jìn)行比較。優(yōu)選地，應(yīng)當(dāng)校準(zhǔn)制造過(guò)程并設(shè)計(jì)CMOS圖像傳感器芯片的電勢(shì)分布圖以使得光電二極管1003 的電荷完全流進(jìn)期望的浮動(dòng)擴(kuò)散電容，以簡(jiǎn)化曝光時(shí)間的校準(zhǔn)。否則，將在光電二極管1003 和浮動(dòng)擴(kuò)散電容之間以某種方式共享電荷，而這通常使曝光時(shí)間的校準(zhǔn)變得復(fù)雜。
參考圖10，應(yīng)注意的是，上面的方法具有一些動(dòng)態(tài)電路設(shè)計(jì)的元件，因?yàn)橐坏㎝sf (或源跟隨器晶體管1004)導(dǎo)通并且電流開始流經(jīng)其中，那么第二電容1018將逐漸被充電以使電壓升高，而且一旦它的電壓變得與第一電容1016的電壓一樣高，源跟隨器晶體管 1004就將關(guān)閉且電流將停止流動(dòng)，這看起來(lái)好像是這個(gè)像素不是閃爍，但是這將僅在電流流動(dòng)一段足夠長(zhǎng)的時(shí)間后發(fā)生。因此，在充電太多改變輸出之前盡可能快地采樣輸出電壓或電流是關(guān)鍵的。例如，如果第二電容1018具有IpF的電容量，且如果我們使用IyA的限流器，那么將僅花費(fèi)I μ s來(lái)將它的電壓改變(升高)IV。勝者為王(WTA)電路(例如，參見(jiàn) A 200 μ s Processing Time Smart Image Sensor for anEye Tracker Using Pixel-Level AnaloR ImaRe ProcessinR)可嚴(yán)格地基于輸入大小(例如，取決于閃爍亮度的電壓)(從整行)選擇優(yōu)勝輸出，但是比CMOS邏輯(典型地少于數(shù)十ns)具有更長(zhǎng)的延遲(典型地為數(shù)百ns)，因此，WTA電路更可能改變閃爍像素的電容2的電壓。
此外，WTA沒(méi)有存儲(chǔ)器，并且為了輸出行中的所有閃爍像素，需要數(shù)次迭代，且它們都引起每個(gè)像素中的第二電容1018改變。因此，WTA可能不適合所提出的2電容APSjB 圖10中通過(guò)APS 1000所示。相比之下，使用CMOS邏輯，一行鎖存器或寄存器可用于在數(shù)十ns內(nèi)保存APS輸出電壓的二進(jìn)制值，而且在那之后，可以關(guān)閉所有的APS元件以節(jié)省功率和避免第二電容1018的電壓的進(jìn)一步改變。此外，可使用優(yōu)先編碼器電路來(lái)輸出當(dāng)前行中的所有閃爍像素，每次一個(gè)，并且所有這些可在不導(dǎo)通源跟隨器晶體管1004或再次改變第二電容1018的電壓的情況下進(jìn)行。
也可以將pMOSFET用于2電容APS，其中光電二極管具有P-基底。第二電容 1018(對(duì)于閃爍，有望具有較低的電壓)的陽(yáng)極可與pMOSFET的柵極相連，并且如果第一電容1016的陽(yáng)極可與pMOSFET的源極相連，那么漏極必須(間接地)接地。然后，如果第二電容1018的電壓比第一電容1016的電壓低超過(guò)Vth，像素將開啟，第一電容1016將開始漏電直至它降至第二電容1018的電壓并停止。因此，對(duì)于基于pMOSFET的APS，存在類似的動(dòng)態(tài)電路問(wèn)題，并且因?yàn)榕c之前相同的理由，基于CMOS邏輯的鎖存器/寄存器和優(yōu)先編碼器電路比WTA電路更優(yōu)選用于選擇當(dāng)前行中的閃爍像素。為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，省略用于具有pMOSFET 的2電容APS的精確電路。類似地，如果光電二極管使用N-基底而不是P-基底，那么也可相應(yīng)地調(diào)整電路以只在第二電容1018的電壓與第一電容1016的電壓足夠不同時(shí)導(dǎo)通Msf。
所提出的方法的獨(dú)特性是，它將減法與MOSFET的開關(guān)特性相結(jié)合。但是，這個(gè)方法可能為設(shè)計(jì)和制造增加更多的復(fù)雜性，因此它應(yīng)只在其他方法表現(xiàn)不佳時(shí)使用，例如，假閃爍經(jīng)常碰巧與真實(shí)閃爍重疊的情況下。實(shí)際上，具有假閃爍消除的較簡(jiǎn)單pMOSFET設(shè)計(jì)可能是在復(fù)雜性、實(shí)用性和成本方面的較佳選擇。在所有的情況中，可使用近紅外窄帶濾波器以被動(dòng)地阻擋多數(shù)背景光干擾。
使用2電容APS，可在Msf或源跟隨器晶體管1004的漏極采樣它的輸出電壓 Vo(1009)。如果其不是閃爍像素，Vo將近似等于Vdd。如果其是閃爍像素，Vo將近似為 VC2(例如，VC2電壓1122)，第二電容1018的電壓，且它不是0V。這對(duì)于CMOS邏輯(其經(jīng)常假設(shè)O和Vdd)產(chǎn)生接口問(wèn)題。事實(shí)上，如果使用中壓，將可能導(dǎo)通兩種類型的MOSFET (回憶CMOS由pMOSFET和nMOSFET組成)，從而打破只導(dǎo)通一種類型的假設(shè)。這可導(dǎo)致CMOS邏輯發(fā)生故障以及消耗高功率。
這個(gè)接口問(wèn)題的解決方案是，對(duì)CMOS邏輯使用不同的電壓供應(yīng)。在復(fù)位期間，假設(shè)使用軟件復(fù)位，將VC2初始化為Vdd-Vth的值。在第2次曝光之后，即使沒(méi)有背景光干擾，VC2將下降至少比Vth稍多的值，例如1.25*Vth。那么，VC2將降至不超過(guò)Vdd-Vth-1. 25*Vth = Vdd-2. 25*Vth。因此，如果我們?cè)O(shè)置CMOS邏輯的地電壓為 Vdd-2. 25*Vth(而不是0V)，它的滿功率電壓為Vdd，那么CMOS邏輯將與APS輸出適當(dāng)?shù)亟尤肟?ο
應(yīng)注意的是，在上面的所有分析中，為了簡(jiǎn)單，我們假設(shè)電路中的所有類型的 MOSFET具有相同的Vth值。事實(shí)上，它們不需要相同。通過(guò)理解這些分析的推導(dǎo)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)能夠分析Vth值不同的情況。
本發(fā)明提出一種新型的用于近視使用者的眼鏡，以放松和減輕眼疲勞，以減慢、停止和/或甚至扭轉(zhuǎn)近視的發(fā)展。在本發(fā)明中提供一種通常也執(zhí)行眼睛和視線跟蹤的低功率視線跟蹤器?？商峁┮环N眼鏡形式的低成本、低功率眼睛/視線跟蹤解決方案。眼睛/視線跟蹤可視為重要的一些原因包括頭部運(yùn)動(dòng)、背景光干擾和來(lái)自眼鏡的反射，所有這些在所提出的視線跟蹤器中被極大地減小。眼鏡反射可能不再是個(gè)問(wèn)題，因?yàn)楦櫰鲀?nèi)置在眼鏡中。眼睛/視線跟蹤自身在監(jiān)視使用者行為方面具有很多應(yīng)用，例如，跟蹤看電視或看廣告牌上的廣告時(shí)的一項(xiàng)焦點(diǎn)等。
在上面的說(shuō)明書和下面的附加文件中，已經(jīng)結(jié)合其具體示例性實(shí)施方案描述了本發(fā)明。明顯地，可在不脫離所附權(quán)利要求書所提出的廣泛精神和范圍的前提下對(duì)其做出各種修改。因此，說(shuō)明書和附圖應(yīng)以說(shuō)明性而非限制性意義來(lái)考慮。
在本說(shuō)明書中，各種功能和操作可被描述為通過(guò)軟件代碼實(shí)現(xiàn)或引起以簡(jiǎn)化說(shuō)明。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，這種描述意味著這些功能通過(guò)處理器如微處理器執(zhí)行代碼/指令而產(chǎn)生?？商鎿Q地，或者結(jié)合地，使用具有或不具有軟件指令的專用電路，例如使用特定用途集成電路(ASIC)或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)，來(lái)實(shí)現(xiàn)功能和操作?？墒褂貌痪哂熊浖噶畹挠策B線電路或者與軟件指令相結(jié)合的硬連線電路來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)施方案。因此， 技術(shù)既不限于硬件電路和軟件的任何特定組合，也不限于由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)執(zhí)行的指令的任何特定來(lái)源。
雖然一些實(shí)施方案可在全功能計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中執(zhí)行，但是各種實(shí)施方案能夠被分布為各種形式的計(jì)算產(chǎn)物并能夠被應(yīng)用到各種類型的用于實(shí)際實(shí)現(xiàn)分布的機(jī)器或計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。
公開的至少一些方面可至少部分地體現(xiàn)在軟件中。也就是說(shuō)，可在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或響應(yīng)于其處理器如微處理器的其他數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)技術(shù)，從而執(zhí)行容納在存儲(chǔ)器，例如ROM、揮發(fā)性RAM、非揮發(fā)性存儲(chǔ)器、高速緩存或遠(yuǎn)程存儲(chǔ)設(shè)備中的指令序列。
實(shí)現(xiàn)實(shí)施方案而執(zhí)行的程序可作為操作系統(tǒng)的部分或特定應(yīng)用、組件、程序、對(duì)象、模塊或稱作“計(jì)算機(jī)程序”的指令序列而實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)程序典型地包括在不同的時(shí)間在計(jì)算機(jī)中的不同存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)設(shè)備中設(shè)置的一個(gè)或多個(gè)指令，而且，當(dāng)指令被計(jì)算機(jī)中的一個(gè)或多個(gè)處理器讀取并執(zhí)行時(shí)，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)執(zhí)行必需的操作以執(zhí)行包括各個(gè)方面的要素。
通常，機(jī)器可讀介質(zhì)包括提供(即，存儲(chǔ)和/或傳輸)可被機(jī)器(例如，計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、個(gè)人數(shù)字助理、制造工具、具有一組一個(gè)或多個(gè)處理器的任意設(shè)備等)存取的形式的信息的任何機(jī)制。
機(jī)器可讀介質(zhì)也可用于存儲(chǔ)軟件和數(shù)據(jù)，當(dāng)其被數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)執(zhí)行各種方法?？蓪⒖蓤?zhí)行的軟件和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在各種位置，包括例如ROM、揮發(fā)性RAM、非揮發(fā)性存儲(chǔ)器和/或高速緩存。這種軟件和/或數(shù)據(jù)的部分可存儲(chǔ)在這些存儲(chǔ)設(shè)備中的任一個(gè)中。而且，可從中央服務(wù)器或?qū)Φ染W(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)和指令?？稍诓煌臅r(shí)間在不同的通信會(huì)話或相同的通信會(huì)話中從不同的中央服務(wù)器和/或?qū)Φ染W(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)和指令的不同部分。 可在應(yīng)用程序的執(zhí)行之前獲取全部數(shù)據(jù)和指令?？商鎿Q地，可動(dòng)態(tài)地、及時(shí)地、當(dāng)需要執(zhí)行時(shí)，獲取部分的數(shù)據(jù)和指令。因此，不需要數(shù)據(jù)和指令在特定的實(shí)例時(shí)間全部在機(jī)器可讀介質(zhì)上。
揮發(fā)性RAM典型地作為動(dòng)態(tài)RAM(DRAM)而實(shí)現(xiàn)，其連續(xù)需要功率以更新或保持存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。非揮發(fā)性存儲(chǔ)器典型地為磁硬盤、磁光盤、光盤(例如，DVD RAM)或其他類型的甚至在系統(tǒng)斷電后仍保持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。非揮發(fā)性存儲(chǔ)器也可是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。非揮發(fā)性存儲(chǔ)器可以是與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的其他組件直接連接的本地設(shè)備。也可使用遠(yuǎn)離系統(tǒng)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，例如通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口如調(diào)制解調(diào)器或以太網(wǎng)接口與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備。
計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的實(shí)例包括但不限于可刻錄和不可刻錄類型的介質(zhì)，如揮發(fā)性和非揮發(fā)性存儲(chǔ)設(shè)備、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、閃存設(shè)備、軟盤或其他可移動(dòng)磁盤、磁盤存儲(chǔ)介質(zhì)、光存儲(chǔ)介質(zhì)(例如，光盤只讀存儲(chǔ)器(CD ROMS)、數(shù)字通用光盤 (DVD)等)及其他。
計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可存儲(chǔ)指令。通常，有形的機(jī)器可讀介質(zhì)包括提供(即，存儲(chǔ)和/ 或傳輸)可被機(jī)器(例如，計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、個(gè)人數(shù)字助理、制造工具、具有一組一個(gè)或多個(gè)處理器的任意裝置等)存取的形式的信息的任何機(jī)制。
在各種實(shí)施方案中，可結(jié)合使用硬連線電路和軟件指令以實(shí)現(xiàn)技術(shù)。因此，技術(shù)既不限于硬件電路和軟件的任何特定組合，也不限于由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)執(zhí)行的指令的任何特定來(lái)源。
盡管附圖的一些以特定的順序示出多種操作，但是那些不是順序依賴的操作可被重新排序并且其他操作可被組合或打破。盡管詳細(xì)描述了一些重新排序或其他組合，但是對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)其他替換形式將是顯而易見(jiàn)的，因此不呈現(xiàn)替換形式的詳盡列表。而且，應(yīng)理解的是，步驟可在硬件、固件、軟件或其任何組合中執(zhí)行。
本發(fā)明包括執(zhí)行這些方法的方法和設(shè)備，包括執(zhí)行這些方法的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和包含指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，當(dāng)指令在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)上執(zhí)行時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)執(zhí)行這些方法。
盡管已經(jīng)描述了目前被認(rèn)為是最實(shí)用和優(yōu)選實(shí)施方案的方法和系統(tǒng)，但是應(yīng)理解，本發(fā)明不必限于所公開的實(shí)施方案。它旨在覆蓋權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)包括的各種修改形式和類似布置，權(quán)利要求書的范圍應(yīng)符合最寬解釋以便包含所有這些修改形式和類似結(jié)構(gòu)。本發(fā)明包括所附權(quán)利要求書的任何和所有實(shí)施方案。
還應(yīng)理解，在不脫離本發(fā)明的本質(zhì)的前提下可做出各種改變。這些改變也隱含地包括在說(shuō)明書中。它們也落入本發(fā)明的范圍。應(yīng)理解，本公開旨在以方法和設(shè)備的模式給出覆蓋本發(fā)明的很多方面的專利，其既相互獨(dú)立也作為整體系統(tǒng)。
而且，本發(fā)明和權(quán)利要求書的各種元件的每個(gè)也可以各種方式實(shí)現(xiàn)。應(yīng)理解，本公開包括每種變型形式，如任何設(shè)備實(shí)施方案、方法或過(guò)程實(shí)施方案的實(shí)施方案的變型形式、 或者甚至只是這些的任何元件的變型形式。
特別地，應(yīng)理解，雖然本公開涉及本發(fā)明的元件，但是每個(gè)元件的詞語(yǔ)可用等同設(shè)備術(shù)語(yǔ)或方法術(shù)語(yǔ)表示一即使只是功能或結(jié)果相同。
這些等同、廣義地，或者甚至更通用的術(shù)語(yǔ)也應(yīng)被認(rèn)為包含在每個(gè)元件或行為的描述中。當(dāng)期望明確本發(fā)明授權(quán)的隱含的廣泛覆蓋范圍時(shí)，可替換這些術(shù)語(yǔ)。
應(yīng)理解，所有行為可表示為執(zhí)行這個(gè)行為的方法或引起這個(gè)行為的元件。
類似地，公開的每個(gè)物理元件應(yīng)理解為包括該物理元件促使的行為的公開。
就這一點(diǎn)而言，應(yīng)理解，為了實(shí)用性的理由以及為了避免潛在地增加數(shù)百條權(quán)利要求，本申請(qǐng)人僅示出具有原始從屬的權(quán)利要求。
在這個(gè)意義上做出非實(shí)質(zhì)的替代，在這個(gè)意義上申請(qǐng)人實(shí)際上不起草任何權(quán)利要求以便逐字地包括任何特定實(shí)施方案，而且在這個(gè)意義上反之適用，申請(qǐng)人不應(yīng)被理解為以任何方式旨在或?qū)嶋H上放棄這些覆蓋范圍，因?yàn)樯暾?qǐng)人可能不能簡(jiǎn)單地預(yù)期所有的可能性；不能合理地期望本領(lǐng)域的技術(shù)人員起草逐字地包含這些替換實(shí)施方案的權(quán)利要求。
而且，根據(jù)慣用的權(quán)利要求解釋，本文中連接詞“包括”用于主張“開放的”權(quán)利要求。因此，除非上下文要求，否則應(yīng)理解，術(shù)語(yǔ)“包括”或變型形式，例如“包含”或“含有”， 旨在暗示包括所述的元件或步驟或元件或步驟的組合，但是不排除任何其他元件或步驟或元件或步驟的組合。這些術(shù)語(yǔ)應(yīng)以他們的最廣闊形式解釋以便根據(jù)所附權(quán)利要求為申請(qǐng)人提供合法地允許的最廣泛覆蓋范圍。
在上面的說(shuō)明書中，已經(jīng)結(jié)合其特定示例性實(shí)施方案描述本公開。明顯地，可在不脫離所附權(quán)利要求所提出的廣泛精神和范圍的前提下對(duì)其做出各種修改。因此，說(shuō)明書和附圖應(yīng)以說(shuō)明性而非限制性意義來(lái)考慮。
權(quán)利要求
1.一種用于矯正近視的光電設(shè)備，包括至少一個(gè)自適應(yīng)透鏡；至少一個(gè)電源；眼動(dòng)儀，所述眼動(dòng)儀進(jìn)一步包括圖像傳感器；與所述自適應(yīng)透鏡和所述圖像傳感器可操作地連接的處理器，其中所述處理器被配置為用于接收來(lái)自所述圖像傳感器的電信號(hào)并控制所述自適應(yīng)透鏡的矯正功率以矯正近視， 其中所述矯正功率取決于使用者的凝視距離和近視處方強(qiáng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述自適應(yīng)透鏡和所述眼動(dòng)儀具有的功耗小于Imw0
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述自適應(yīng)透鏡和所述眼動(dòng)儀具有的功耗小于 IOOmwο
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述處理器被配置為用于根據(jù)非遞增曲線調(diào)節(jié)所述矯正功率，其中所述非遞增曲線被分別使用公式1/f = l/u+l/fO+l/f_over和公式1/f =1/fO的曲線限定，其中Ι/fO為所述近視處方強(qiáng)度且為負(fù)值，u為所述凝視距離，并且I/ f_0Ver為所述使用者指定的用于潛在的過(guò)度減少模式的附加的光功率差值且為正值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述非遞增曲線恰好為1/f= 1/u+l/fO。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述非遞增曲線的形式為1/f= l/u+l/(l/ (a*u+b) +f0),其中a和b為配置參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述透鏡選自由電濕潤(rùn)透鏡、液晶透鏡和具有流體注入的液態(tài)透鏡組成的組的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中通過(guò)視線跟蹤確定所述凝視距離。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述視線跟蹤基于頭戴式配置中每個(gè)眼睛使用多個(gè)LED和多個(gè)相機(jī)的閃爍跟蹤，其中以低于跟蹤頻率的頻率執(zhí)行自動(dòng)校準(zhǔn)，且在自動(dòng)校準(zhǔn)之后，僅使用I個(gè)LED用于照明，并且其中根據(jù)哪個(gè)LED可能給出最準(zhǔn)確的跟蹤結(jié)果確定有源 LED。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述視線跟蹤基于頭戴式配置中每個(gè)眼睛使用I 個(gè)LED和I個(gè)相機(jī)的閃爍跟蹤，其中所有的眼睛參數(shù)是預(yù)校準(zhǔn)的，并且從所述相機(jī)中的二維閃爍坐標(biāo)到三維閃爍坐標(biāo)的映射是基于所述預(yù)校準(zhǔn)的眼睛參數(shù)對(duì)每個(gè)眼睛進(jìn)行預(yù)計(jì)算，并且因此用于獲得凝視方向信息(旋轉(zhuǎn)角度對(duì))。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述視線跟蹤基于使用I個(gè)LED和2個(gè)相機(jī)以獲得所述閃爍的所述三維坐標(biāo)，以及然后將連接所述LED和所述閃爍的所述三維坐標(biāo)的線與球形中心在原點(diǎn)、半徑為d。的球面相交叉，并選擇更接近所述LED的交叉點(diǎn)作為角膜中心的所述三維坐標(biāo)并因此獲得所述凝視方向信息(旋轉(zhuǎn)角度對(duì))，其中原點(diǎn)為待跟蹤的眼睛的中心，并且d。為從所述眼睛的所述中心到所述眼睛的所述角膜中心的距離。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中通過(guò)根據(jù)球面模型由所述角膜中心的三維坐標(biāo)的樣本回歸，估計(jì)所述眼球相對(duì)于所述相機(jī)的中心和從所述中心到所述角膜中心的半徑，并且其中隨后根據(jù)至少一個(gè)所述角膜中心的三維坐標(biāo)，使用數(shù)學(xué)關(guān)系式r。= 2dcL*dcg/ (dcL+dcg)估計(jì)所述角膜的半徑r。，其中&和(1。8分別為角膜中心(c)和所述LED(L)之間的距離以及角膜中心(C)和所述閃爍(g)之間的距離。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述處理器被配置為用于基于兩條視線的交叉距離計(jì)算凝視距離，其中所述兩條視線分別從所述使用者的每個(gè)眼睛到所述使用者聚焦的物體。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，還包括眼鏡框，其中所述至少一個(gè)自適應(yīng)透鏡、所述至少一個(gè)電源和所述眼動(dòng)儀與所述眼鏡框集成在一起。
15.一種使用具有有源像素傳感器的圖像傳感器的光電設(shè)備中的眼睛閃爍跟蹤的低功耗方法，包括使用處理器確定圖像傳感器像素是否具有比配置的閾值高的曝光量；通過(guò)圖像傳感器電路報(bào)告所述被比較的圖像傳感器像素；導(dǎo)通具有閾值電壓Vth的M0SFET，其中所述MOSFET在且僅在它的相應(yīng)像素具有超過(guò)閾值的曝光量時(shí)導(dǎo)通；以及使用鎖存器或寄存器電路以保持/拖延所述像素的結(jié)果或狀態(tài)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中通過(guò)近紅外(NIR)照明并使用NIR窄帶濾波器產(chǎn)生閃爍。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述MOSFET與光電傳感器具有相反的基底類型，其中所述光電傳感器為光電二極管。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中使用至少一個(gè)NIRLED用于閃爍跟蹤，并且其中采用兩個(gè)鄰近的曝光，一個(gè)曝光使所述LED關(guān)閉，另一個(gè)曝光使所述LED開啟，其中通過(guò)以下的步驟過(guò)濾閃爍候選者 1)記錄在所述LED關(guān)閉的曝光期間使其相應(yīng)的所述MOSFET導(dǎo)通的像素的位置，并將它們標(biāo)記為假閃爍像素；(2)記錄在所述LED開啟的曝光期間使其相應(yīng)的所述MOSFET導(dǎo)通的像素的位置，并排除那些與步驟(I)的所述假閃爍像素的位置鄰近性小于給定的距離閾值的像素；(3)根據(jù)位置鄰近性聚集從步驟(2)剩下的任何像素，并報(bào)告每個(gè)集群的中心作為閃爍。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中使用附加的晶體管將所述MOSFET的源極電壓從 Vdd降低到Vdd-Vth，其中Vdd是所述附加的晶體管的正供電電壓。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中使用電阻器或耗盡增強(qiáng)型MOSFET作為像素的 Vo (輸出電壓)的負(fù)載。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中同時(shí)訪問(wèn)二維像素陣列中的行上的像素的多個(gè)列，其中使用優(yōu)先編碼器或勝者為王電路來(lái)每次選擇一個(gè)開啟的像素。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中使用兩個(gè)電容來(lái)分別保存兩個(gè)鄰近的曝光期間的電荷，其中第一曝光使LED關(guān)閉并控制供給第一電容的電荷，并且第二曝光使所述LED 開啟并控制供給第二電容的電荷，MOSFET的柵極引腳與所述第一電容的陽(yáng)極相連，并且 MOSFET的源極或漏極弓I腳與所述第二電容的陽(yáng)極相連，其中所述MOSFET在且僅在LED照明產(chǎn)生的兩個(gè)電容之間的電壓差大于Vth時(shí)導(dǎo)通。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述MOSFET為nMOSFET，所述柵極引腳與所述第一電容的所述陽(yáng)極相連，并且源極引腳與所述第二電容的所述陽(yáng)極相連。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中與復(fù)位晶體管集成的光電二極管進(jìn)一步地與兩個(gè)電荷控制晶體管集成，其中每個(gè)所述電荷控制晶體管以控制柵極的形式將浮動(dòng)擴(kuò)散與所述光電二極管的η-阱區(qū)域相連。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述MOSFET為pMOSFET，所述柵極引腳與所述第二電容的所述陽(yáng)極相連，并且源極引腳與所述第一電容的所述陽(yáng)極相連。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述MOSFET的所述輸出電壓被反饋?zhàn)鳛镃MOS 邏輯電路的輸入，所述CMOS邏輯電路的Vss (接地)> Vdd-(k+l)Vth，其中kVth是由LED 照明貢獻(xiàn)的期望壓降且k>= I。
27.—種用于矯正遠(yuǎn)視的光電設(shè)備,包括至少一個(gè)自適應(yīng)透鏡；至少一個(gè)電源；眼動(dòng)儀，所述眼動(dòng)儀進(jìn)一步包括圖像傳感器；與所述自適應(yīng)透鏡和所述圖像傳感器可操作地連接的處理器，其中所述處理器被配置為用于接收來(lái)自所述圖像傳感器的信號(hào)并控制所述自適應(yīng)透鏡的矯正功率以矯正遠(yuǎn)視，所述矯正功率取決于用戶的凝視距離和遠(yuǎn)視處方強(qiáng)度。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的設(shè)備，還包括眼鏡框，其中所述至少一個(gè)自適應(yīng)透鏡、所述至少一個(gè)電源和所述眼動(dòng)儀與所述眼鏡框集成在一起。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種用于矯正近視的光電設(shè)備和方法，包括至少一個(gè)自適應(yīng)透鏡、電源和眼動(dòng)儀。眼動(dòng)儀包括圖像傳感器以及與自適應(yīng)透鏡和圖像傳感器可操作地連接的處理器。處理器被配置為用于接收來(lái)自圖像傳感器的電信號(hào)并控制自適應(yīng)透鏡的矯正功率以矯正近視，其中矯正功率取決于使用者的凝視距離和近視處方強(qiáng)度。本發(fā)明還描述了一種低功耗的眼睛閃爍跟蹤方法。
文檔編號(hào)G02C7/02GK102939557SQ201180026285
公開日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2011年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月29日
發(fā)明者蔣文宇 申請(qǐng)人:蔣文宇