專(zhuān)利名稱(chēng)：眼睛空間定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電檢測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種眼睛空間定位裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)前的眼部跟蹤系統(tǒng)通常運(yùn)用紅外線(xiàn)捕捉角膜和視網(wǎng)膜的反射原理，采用有頭盔式和非頭盔式兩種方式。與最初的眼部跟蹤系統(tǒng)相比，現(xiàn)代眼部跟蹤系統(tǒng)變得更易于操作且省時(shí)。但是當(dāng)前的眼部跟蹤系統(tǒng)在技術(shù)上還存在一定問(wèn)題當(dāng)采用非頭盔式系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)復(fù)雜昂貴、實(shí)時(shí)性差、對(duì)環(huán)境要求高，且對(duì)被試的運(yùn)動(dòng)有一定限制；當(dāng)采用頭盔式系統(tǒng)時(shí)，又會(huì)使用戶(hù)感到不適。 可以說(shuō)，非頭盔式系統(tǒng)是眼睛追蹤定位系統(tǒng)現(xiàn)在和未來(lái)的發(fā)展方向?，F(xiàn)有的非頭盔式系統(tǒng)通常采用圖像處理的方法，對(duì)眼睛特征進(jìn)行提取，利用sobel算子對(duì)灰度圖像進(jìn)行邊緣增強(qiáng)，對(duì)背景噪聲產(chǎn)生部分抑制，達(dá)到定位跟蹤眼睛的目的。根據(jù)綜合膚色和幾何特征的眼睛定位，以及基于灰度投影曲線(xiàn)的眼睛定位等方法也有報(bào)道。以上方法通常都需要用到模式識(shí)別、模板匹配等高計(jì)算量的算法，故難以做成嵌入式控制系統(tǒng)和便攜式儀器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足問(wèn)題，提出了一種眼睛空間定位裝置，此裝置具有可實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)判別眼睛空間位置及閉合頻率，對(duì)環(huán)境要求低，成本低。
本發(fā)明的技術(shù)方案為一種眼睛空間定位裝置，包括至少一個(gè)照明單元的點(diǎn)光源，
經(jīng)過(guò)至少一個(gè)半透明反射鏡，將部分光能透射后進(jìn)入眼睛，眼睛對(duì)光線(xiàn)進(jìn)行反射調(diào)制后，按
原路返回到半透明發(fā)射鏡反射在至少一個(gè)成像單元上成點(diǎn)光源的像，采集系統(tǒng)采集參考坐
標(biāo)系中點(diǎn)光源位置和點(diǎn)光源的像位置，計(jì)算得出眼睛在參考坐標(biāo)系中位置。 所述照明單元包括燈罩、至少一個(gè)光源、會(huì)聚透鏡、小孔光闌，光源的光經(jīng)過(guò)燈罩
反射后，經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡聚焦，聚焦光線(xiàn)穿過(guò)小孔光闌形成點(diǎn)光源。 所述燈罩反射面上可鍍相應(yīng)光源發(fā)出光的波長(zhǎng)的膜，燈罩可位于與光源和會(huì)聚透鏡同軸的位置上，也可離軸放置，會(huì)聚透鏡位于光源后面，可在表面鍍相應(yīng)光源發(fā)出光的波長(zhǎng)的膜。 所述照明單元的點(diǎn)光源產(chǎn)生系統(tǒng)的光軸與參考坐標(biāo)系XYZ中X0Y面成45°角放置，利用放在坐標(biāo)系XYZ中Y0Z平面內(nèi)的兩個(gè)以0Y對(duì)稱(chēng)的半透明反射鏡分束，生成兩個(gè)點(diǎn)光源。 本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明眼睛空間定位裝置，可以實(shí)現(xiàn)以光學(xué)的方法對(duì)眼睛的空間位置和狀態(tài)的檢測(cè)，對(duì)背景光無(wú)限制，對(duì)于入射光束要求低，系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣；實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)輸出，定位精度高，使用便利，穩(wěn)定性和可靠性高；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。


圖1為本發(fā)明自眼睛視網(wǎng)膜的光線(xiàn)反射及反射斑點(diǎn)的產(chǎn)生原理 圖2為本發(fā)明眼睛空間定位裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明眼睛空間定位裝置便攜式結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明眼睛空間定位裝置中產(chǎn)生點(diǎn)光源的光路示意圖； 圖5為本發(fā)明眼睛空間定位裝置第二實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6為本發(fā)明眼睛空間定位裝置第三實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7為本發(fā)明眼睛空間定位裝置第四實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8為本發(fā)明眼睛空間定位裝置中反射斑點(diǎn)在成像單元上的位置圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示自眼睛視網(wǎng)膜的光線(xiàn)反射及反射斑點(diǎn)的產(chǎn)生原理圖，眼睛100 —般不 位于參考坐標(biāo)系XYZ的坐標(biāo)軸上；照明單元301的點(diǎn)光源發(fā)出發(fā)散光束，經(jīng)過(guò)半透明反射鏡 401，部分光能透射后進(jìn)入眼睛100。人的眼睛IOO是一套完整的光學(xué)系統(tǒng)，可以簡(jiǎn)單地把眼 睛IOO抽象成一個(gè)光學(xué)模型，晶狀體可以等效成一個(gè)凸透鏡，視網(wǎng)膜等效為光屏。進(jìn)入眼睛 100的光線(xiàn)都是通過(guò)晶狀體IIO成像于視網(wǎng)膜120上，并且光線(xiàn)能被視網(wǎng)膜反射出去；反射 的光束再線(xiàn)晶狀體IIO調(diào)制，按原光路返回；經(jīng)半透明反射鏡401反射，在平面P處成點(diǎn)光 源的像，所述的點(diǎn)光源的像與照明單元301的點(diǎn)光源關(guān)于半透明反射鏡401共軛，所述的點(diǎn) 光源的像與眼睛的位置及尺寸大小無(wú)關(guān)；光束再進(jìn)入成像單元201 ;由于成像單元201的工 作面不在平面P上，因此當(dāng)眼睛相對(duì)于照明單元301有不同的方位角時(shí)，在成像單元201上 的斑點(diǎn)相對(duì)于成像單元201中心的位置不同。 如圖2所示眼睛空間定位裝置結(jié)構(gòu)示意圖，其示意性地示出了用于確定眼睛空間 位置的設(shè)備，利用兩個(gè)照明單元301、302、兩個(gè)半透明反射鏡401、402、兩個(gè)成像單元201、 202，相當(dāng)于圖1中的兩套系統(tǒng)，所述的兩套系統(tǒng)關(guān)于參考坐標(biāo)系XYZ中的YOZ平面對(duì)稱(chēng)放 置。此時(shí)，可得到兩個(gè)反射斑點(diǎn)(SpS》的圖像和位置。由此便可以確定眼睛在參考坐標(biāo)系 中的空間位置。 如圖3眼睛空間定位裝置便攜式結(jié)構(gòu)示意圖，其示意性地示出了用于確定眼睛空 間位置的便攜設(shè)備。結(jié)合圖1、圖2所描述，設(shè)備可以集成在一個(gè)小盒子里作為便攜設(shè)備，可 在成像單元201、202前加濾光片501、502。 如圖4眼睛空間定位裝置中產(chǎn)生點(diǎn)光源的光路示意圖，其示意性地示出了設(shè)備中 一種產(chǎn)生點(diǎn)光源的方法，包括燈罩311、光源312、會(huì)聚透鏡313，小孔光闌314，燈罩311反 射面上可鍍相應(yīng)光源發(fā)出光的波長(zhǎng)的膜，以提高反射效率，燈罩311可位于與光源和會(huì)聚 透鏡313同軸的位置上，也可離軸放置，光源的個(gè)數(shù)為一個(gè)或者多個(gè)，可為白熾燈、LED、激 光器等，光源產(chǎn)生的光的波長(zhǎng)可為紅外光波段，以免對(duì)眼睛造成損害，也可為可見(jiàn)光波段或 者紫外光波段。會(huì)聚透鏡313的材料應(yīng)該與光源發(fā)出的光的波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)；焦距應(yīng)為短焦距 的單正透鏡或者透鏡組，提高兩個(gè)校準(zhǔn)光束LB1、LB2的孔徑角，以提高檢測(cè)眼睛的范圍；會(huì) 聚透鏡313位于光源后面，可在表面鍍相應(yīng)光源發(fā)出光的波長(zhǎng)的膜，以提高透射效率，小孔 光闌314于會(huì)聚透鏡313后，中心可置于會(huì)聚透鏡313的后焦點(diǎn)上，也可置于離焦位置。
如圖5眼睛空間定位裝置第二實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖，其示意性地示出了用于確定眼 睛空間位置的便攜設(shè)備的進(jìn)一步改進(jìn)，相對(duì)圖3所述的系統(tǒng)，圖5中所述的系統(tǒng)中可只用一 個(gè)光源；和圖4所述的點(diǎn)光源產(chǎn)生系統(tǒng)相似，在圖5中點(diǎn)光源產(chǎn)生系統(tǒng)的光軸與參考坐標(biāo)系XYZ中XOY面成45°角放置，利用放在坐標(biāo)系XYZ中YOZ平面內(nèi)的半透明反射鏡401、402 分束，生成兩個(gè)點(diǎn)光源。 如圖6眼睛空間定位裝置第三實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖，其示意性地示出了用于確定眼 睛空間位置的設(shè)備的另一種改進(jìn)，與圖2中所描述的系統(tǒng)相似，用半透明反射鏡401覆蓋兩 束光，與圖2中所描述的系統(tǒng)相比，圖6中所描述的系統(tǒng)減少了一個(gè)半透明反射鏡402和一 個(gè)成像單元202。同時(shí)，圖6中的系統(tǒng)可與圖5的相結(jié)合，能大大降低成本。
如圖7眼睛空間定位裝置第四實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖和圖8眼睛空間定位裝置中反射 斑點(diǎn)在成像單元上的位置圖，其中圖7示意性地示出了以單光線(xiàn)代替光束展示用于確定眼 睛空間位置的設(shè)備，圖8示意性地示出了反射斑點(diǎn)在成像單元上的圖像和位置。
設(shè)眼睛的空間位置在參考坐標(biāo)系XYZ中為(Xl、 yi、 Zl)，眼睛相對(duì)于照明單元301、 302的空間角度分別為(Ql， ！^， Y》、(a2， P2， Y2)，在成像單元201、202的反獲得反射 斑點(diǎn)(SpS》的中心在以成像單元為中心的平面坐標(biāo)系中分別為(Cl， d》、(c2， cQ，兩個(gè)照 明單元301、302在參考坐標(biāo)系XYZ中分別為(ai，0，0)、 (a2， 0， 0)，兩個(gè)常數(shù)因子為kpk2 :
根據(jù)空間直線(xiàn)方程有 -= -=-
cos% cospj_cosyi (1)
xi — a2 yi— o— o - = ~~""^ =-
cosoc2cosp2cosy2 ② 式中 cos2 a ,cos2 P丄+cos2 Y丄=1................(3) cos2 a 2+cos2 P 2+cos2 Y 2 = 1................(4) 另外還有 a ! = k^， P ! = k2c2， a 2 = k2c2， P 2 = k2d2................(5) 由于Cl、 dp c2、 d2均可由成像單元及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀出，ai、 a2已知且不變，另外 、、k2已系統(tǒng)有關(guān)且固定不變。因此由以上方程(1)到(5)可就出眼睛在參考坐標(biāo)系(XYZ) 的位置。
權(quán)利要求
一種眼睛空間定位裝置，其特征在于，包括至少一個(gè)照明單元的點(diǎn)光源，經(jīng)過(guò)至少一個(gè)半透明反射鏡，將部分光能透射后進(jìn)入眼睛，眼睛對(duì)光線(xiàn)進(jìn)行反射調(diào)制后，按原路返回到半透明發(fā)射鏡反射在至少一個(gè)成像單元上成點(diǎn)光源的像，采集系統(tǒng)采集參考坐標(biāo)系中點(diǎn)光源位置和點(diǎn)光源的像位置，計(jì)算得出眼睛在參考坐標(biāo)系中位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的眼睛空間定位裝置，其特征在于，所述照明單元包括燈罩、至 少一個(gè)光源、會(huì)聚透鏡、小孔光闌，光源的光經(jīng)過(guò)燈罩反射后，經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡聚焦，聚焦光線(xiàn) 穿過(guò)小孔光闌形成點(diǎn)光源。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述眼睛空間定位裝置，其特征在于，所述燈罩反射面上可鍍相應(yīng) 光源發(fā)出光的波長(zhǎng)的膜，燈罩可位于與光源和會(huì)聚透鏡同軸的位置上，也可離軸放置，會(huì)聚 透鏡位于光源后面，可在表面鍍相應(yīng)光源發(fā)出光的波長(zhǎng)的膜。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述眼睛空間定位裝置，其特征在于，所述照明單元的點(diǎn)光源產(chǎn)生 系統(tǒng)的光軸與參考坐標(biāo)系XYZ中X0Y面成45°角放置，利用放在坐標(biāo)系XYZ中Y0Z平面內(nèi) 的兩個(gè)以0Y對(duì)稱(chēng)的半透明反射鏡分束，生成兩個(gè)點(diǎn)光源。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種眼睛空間定位裝置，包括至少一個(gè)照明單元的點(diǎn)光源，經(jīng)過(guò)至少一個(gè)半透明反射鏡，將部分光能透射后進(jìn)入眼睛，眼睛對(duì)光線(xiàn)進(jìn)行反射調(diào)制后，按原路返回到半透明發(fā)射鏡反射在至少一個(gè)成像單元上成點(diǎn)光源的像，采集系統(tǒng)采集參考坐標(biāo)系中點(diǎn)光源位置和點(diǎn)光源的像位置，計(jì)算得出眼睛在參考坐標(biāo)系中位置?？梢詫?shí)現(xiàn)以光學(xué)的方法對(duì)眼睛的空間位置和狀態(tài)的檢測(cè)，對(duì)背景光無(wú)限制，對(duì)于入射光束要求低，系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣；實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)輸出，定位精度高，使用便利，穩(wěn)定性和可靠性高；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。
文檔編號(hào)G01B11/00GK101713637SQ200910201090
公開(kāi)日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月15日
發(fā)明者丁左紅, 莊松林, 滿(mǎn)忠勝, 翁曉羽, 藍(lán)景恒, 郭漢明 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)