光学测量装置和系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种光学测量装置(1)，用于捕获穿戴所述光学测量装置(1)的测试人员(31)的至少一个眼睛的至少一个参数，所述光学测量装置(1)包括框架(4)，连接至框架(4)的至少一个框架插入件(8l，8r)，以及至少一个捕获单元(3l，3r)，其中所述框架(4)被设计成将所述光学测量装置(1)固定至测试人员(31)的头部以使得至少一个框架插入件(8l，8r)位于测试人员(31)的至少一个眼睛(10l，10r)的前面用于至少一个眼睛(10l，10r)在所述至少一个眼睛(10l，10r)的光学轴线(K)上的至少一个观看方向，而所述捕获单元(3l，3r)被设计成光学地捕获至少一个眼睛(10l，10r)的至少一个参数，其中，所述捕获单元(3l，3r)被布置成以使得(a)用于捕获至少一个眼睛(10l，10r)的至少一个参数的光学路径将框架插入件(8l，8r)排除在外。
【专利说明】光学测量装置和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光学测量装置，用于捕获穿戴所述光学测量装置的测试人员的至少一个眼睛的至少一个参数，所述光学测量装置包括框架，连接至框架的至少一个框架插入件，以及至少一个捕获单元，其中所述框架被设计成将所述光学测量装置固定至测试人员的头部，使得至少一个框架插入件对于至少一个眼睛在所述至少一个眼睛的光学轴线上的至少一个观看方向位于测试人员的至少一个眼睛的前面，所述捕获单元被设计成光学地捕获至少一个眼睛的至少一个参数。本发明还涉及一种包括这种光学测量装置的系统。
【背景技术】
[0002]从现有技 术已知使用头戴式眼睛追踪装置。US RE39，539E公开了用于监控人的眼睛运动的设备。系统包括戴在人的头部上的框架、在框架上用于朝向人的眼睛引导光的发射器阵列、以及在框架上用于检测来自发射器阵列的光的传感器阵列。传感器检测被眼睛的各个部分或其的眼睑反射的光，由此产生表示眼睛的反射部分被眼睑覆盖时的输出信号。所述设备允许监控人的睡意水平。
[0003]US6, 163，281公开了一种利用人眼的运动进行交流的系统和方法，包括用于朝向眼睛引导光的发射器、用于检测从发射器发出的光的传感器、以及耦接至传感器用于将从传感器接收到的依次的光强信号转换成数据流和/或将信号转换成可理解的信息的处理器。
[0004]US2004 / 0196433A1公开了一种用于监控使用者眼睛的运动的眼睛追踪系统，包括眼相机和场景相机，用于供给表示使用者眼睛的图像和被使用者观察到的场景的图像的隔行扫描电子视频数据。另外，所述系统包含帧抓取器和光点位置模块，所述帧抓取器用于数字化视频数据和用于将眼睛和场景数据分成两个处理信道，所述光点地点模块用于从视频数据确定通过点光源照射使用者眼睛而在使用者眼睛上所形成的参考光点的位置。所述系统还包括瞳孔位置模块，用于确定使用者的凝视线。
[0005]W02010 / 83853A1公开了凝视点检测系统，具有放置在测试场景中作为参考点的一个或更多的红外信号源，由测试对象穿戴的至少一对眼镜以及用于计算人的凝视点的数据处理存储单元。眼镜包括适于检测来自至少一个IR信号源的IR信号和产生IR信号源追踪信号的图像传感器、适于确定测试对象人员的凝视方向和产生眼睛追踪信号的眼睛追踪单元、以及适于获取测试场景图片的相机单元。
[0006]W02004 / 066097A2公开了一种用于在使用者凝视的关注点处显示视频屏幕指针的眼睛追踪系统。所述系统包括聚焦在使用者眼睛上的相机、连接至相机用于固定相机至使用者的瞳孔的相对位置的支撑件、以及具有CPU和眼睛追踪界面的计算机。通过确定眼睛的中心，视频显示屏幕上的指针可以被显示在关注点处。W02004 / 066097A2公开了一种根据本申请的前序部分所述的光学测量装置。
[0007]US2010 / 0220291A1公开了一种眼睛追踪系统，具有透明透镜、至少一个光源和多个光检测器。透明透镜适于设置在眼睛附近。至少一个光源设置在透明透镜中并且配置成朝向眼睛发射光。至少一个光源透过可见光。多个光检测器设置在透明透镜中并且配置成接收从至少一个光源发射并且被眼睛反射的光。每一光检测器透过可见光并且配置成在接收到被眼睛反射的光时供给输出信号。
[0008]已知的头戴式眼睛追踪器遭受以下缺点:被在测试人员的眼睛上反射的环境杂散光可能会不利地影响眼睛追踪功能。监控测试人员的眼睛的相机可以不能够在专门用于保持追踪眼睛运动的眼睛特征和由环境照明条件所引起的诸如反射等的特征之间进行区分。总体上，照射情况未被很好地限定。可靠的眼睛追踪通常被环境条件和干扰追踪机制的不期望的杂散光拖累。因此，已知的头戴式眼睛追踪装置经常遭受有限的精确度和鲁棒性。为了改进检测精确度，需要耗时且难以校准的程序。
【发明内容】
[0009]本发明的一个目的是提供一种光学测量装置和系统，其允许更加可靠地捕获表征眼睛的至少一个参数。
[0010]根据本发明所述的任务由具有根据专利权利要求1所述的特征的光学测量装置和具有根据专利权利要求15所述的特征的系统来解决。本发明的有利实施例是独立权利要求和所述描述的主题。
[0011]根据本发明的光学测量装置用于捕获穿戴所述光学测量装置的测试人员的至少一个眼睛的至少一个参数。所述光学测量装置包括框架，连接至框架的至少一个框架插入件，以及至少一个捕获单元，其中所述框架被设计成将所述光学测量装置固定至测试人员的头部，使得至少一个框架插入件对于至少一个眼睛在所述至少一个眼睛的光学轴线上的至少一个观看方向位于测试人员的至少一个眼睛的前面，所述捕获单元被设计成光学地捕获至少一个眼睛的至少一个参数。光学测量装置的所述捕获单元被布置成使得，用于捕获至少一个眼睛的至少一个参数的光学`路径不包括框架插入件或将框架插入件排除在外。
[0012]这样，框架插入件和捕获单元光学地解耦。两个元件可以用于不同目的，不必提供相互关联的功能。具体地，捕获单元的光学路径既没有被引导通过框架插入件，也不包括作为反射光学元件的框架插入件的表面。因此，框架插入件的光学属性可以被设计，而不必考虑光学路径的要求。这样，可以提供新的光学设计选择，其允许对眼睛的至少一个参数的更加可靠和有效的捕获。捕获单元的光学路径未被框架插入件劣化。
[0013]框架插入件可以是能够被插入和/或连接至光学测量装置的框架的任何元件。其可以是透明的或者是不透明的。框架插入件可以是(例如由于其的材料)区别于框架的任何元件，所述框架插入件固定至框架或者可以连接至框架。捕获单元可以包括至少一个相机。具体地，所述至少一个眼睛的光学轴线可以是眼睛的凝视方向。捕获单元的光学路径或检测路径不包括框架插入件或将框架插入件排除在外，即，框架插入件不是捕获单元的光学路径的一部分。如果尤其是在几何光学方面上描述光学路径，那么表征光学路径的光线与框架插入件没有公共点。
[0014]有利地，框架插入件被布置成使得，在光学测量装置被固定至测试人员的头部时，通过框架插入件的点与测试人员的眼睛的连线确定观看路径，并且所述捕获单元被布置成使得用于捕获眼睛的至少一个参数的光学路径和所述观看路径包括作为唯一共同使用的光学元件的眼睛。具体地，框架插入件明显不是被眼睛以及被捕获单元共同使用的光学元件。具体地，本实施例将被在射线光学的方面上理解。具体地，测试人员的视线被引导到框架插入件上或者通过框架插入件，而所述视线和所述捕获单元的视线未通过使用共同的光学元件完全地解耦。所述实施例保证框架插入件被单独地用于通过影响其视线而影响测试人员的视野。另一方面，可以利用捕获单元直接观察眼睛，而不被框架插入件的光学特性不利地影响。
[0015]有利地，所述光学路径完全地在一空间内延伸，所述空间在光学测量装置固定至测试人员的头部时，在所述框架插入件面向所述至少一个眼睛的一侧上延伸。这样，捕获单元的光学路径可以由框架插入件适当地遮挡。依赖于框架插入件的特性，可以显著地改进用于捕获眼睛的至少一个参数的品质。具体地，框架插入件可以阻挡来自光学路径延伸通过的空间的不期望的光。通过框架插入件，可以防止不想要的反射和杂散光到达捕获单元。
[0016]有利地，所述至少一个框架插入件具有至少一个光学属性。具体地，所述至少一个框架插入件可以被配置成为光学元件，尤其是为光学透镜和/或衍射光学元件。尤其是，框架插入件可以包括至少一个眼睛玻璃镜片。这样，框架插入件可以改进测试人员对环境的光学感知。可以改善测试人员的视线。另一方面，框架插入件的光学属性可以被选择成，使得通过捕获单元捕获至少一个参数的品质被改善。
[0017]在一个实施例中，这可以被实现，使得至少一个框架插入件至少在波长范围之上的可见光光谱范围中被光学地配置成中性密度滤光片。中性密度滤光片在宽的波长范围之上减小了光强度，尤其是在可见光谱中。这样，眼睛的瞳孔可以变得更宽，尽管环境中的照射条件未变化。如果眼睛的被捕获的参数是瞳孔直径，那么更大的瞳孔直径通常保证通过捕获单元的改进的且更加可靠的检测。因此，包括中性密度滤光片的框架插入件改进了用捕获单元可获得的检测品质。而且，还可以避免被捕获的图像的过曝光，从而产生更好的图像品质。
[0018]在另一实施例中，所述至少一个框架插入件被配置成光学光谱滤光片，尤其被配置成高通滤光片、低通滤光片、带通滤光片、或陷波滤光片。这样的滤光片保证了仅特定光谱范围的光可以到达在框架插入件后面的眼睛。因此，显然不利地影响捕获单元的捕获能力的光可以被阻挡。因此可以.防止眼上不想要的反射和在特定波长范围中不期望的杂散光。所述至少一个参数的捕获品质非常高。
[0019]优选地，所述捕获单元至少在一个可预先确定的光谱范围中是光学敏感的。具体地，所述光谱范围是可预先确定的，以使得其与所述至少一个框架插入件的光学属性相关联。例如，捕获单元可以被设计成以使得其在由框架插入件所阻挡的光谱范围中是光学敏感的。通过框架插入件的光因此不会不利地影响捕获单元的捕获能力。实现完全的光学解耦。对于捕获单元，生成了在框架插入件后面的变暗的空间，因而提供几乎没有背景的对眼睛参数的捕获。具体地，可以选择框架插入件和捕获单元的属性，以使得框架插入件在可见光波长范围中是几乎完全透明的，因此允许对环境的无阻碍的视野，并且在其中捕获单元是光学敏感的波长范围中是几乎完全不透明的。
[0020]有利地，所述光学测量装置包括至少一个照射单元，在光学测量装置固定至测试人员的头部时，所述至少一个照射单元配置成发射在可预先确定的光谱范围中的辐射，以使得所述辐射至少部分地射到所述至少一个眼睛上。所述照射单元之后可以用可由捕获单元捕获的光照射眼睛。在眼睛上可以生成特定的反射和/或照射图案(结构照明)，其可以帮助捕获单元捕获至少一个参数。在优选实施例中，配置成光学光谱滤光片的框架插入件、在可预先确定的光谱范围中是光学敏感的捕获单元、以及发射在可预先确定的光谱范围中的光的照射单元的特征被结合。框架插入件的光学光谱滤光片之后优选被设计成，使得其在捕获单元和照射单元被优化的可预先确定的光谱范围中是至少部分地不透明的。优选地，所述至少一个框架插入件在可预先确定的光谱范围中的透射率小于40 %，优选小于20%。之后，可以在框架插入件的后面产生完全不同的光环境，其允许通过捕获单元的对所述至少一个参数的优化的捕获。光学解耦的情况改善了捕获和检测效率。
[0021]在一个实施例中，照射单元和框架插入件被配置成使得用于照射单元的发射辐射的可预先确定的光谱范围和其中框架插入件基本不透明的可预先确定的光谱范围能够以相关联的方式变化。之后可以根据环境的照射条件调整检测方案。
[0022]有利地，所述至少一个框架插入件至少部分在所述可预先确定的光谱范围中具有大于40%、优选地大于60%的反射率。这样,充分抑制潜在干扰捕获过程的背景光。
[0023]在一个优 选实施例中，所述可预先确定的光谱范围在红外波长范围中。之后，框架插入件在可见光谱范围中是透明的，同时大部分地阻挡红外光。由于人类眼睛对于红外光不敏感，所以框架插入件看上去对于测试人员是完全透明的，并且不阻碍他的视力。另一方面，将会在框架插入件后面产生没有IR杂散光的环境，用于有效地捕获通过红外照射单元在测试人员的眼睛上所生成的期望的反射。
[0024]有利地，所述捕获单元被布置在框架上以使得，在光学测量装置固定至测试人员的头部时，捕获至少一个眼睛的至少一个参数的所述光学路径在从所述捕获单元至眼睛的直线上延伸。具体地，光学路径不包含任何光学元件，特别是不包含反射光学元件。之后，捕获单元可以直接观察眼睛，而不受光学元件的干扰。
[0025]可替代地，光学测量装置可以包括光学偏转元件，所述光学偏转元件和所述捕获单元被布置在框架上以使得，在光学测量装置固定至测试人员的头部时，用于捕获至少一个眼睛的至少一个参数的所述光学路径从所述捕获单元经由所述偏转元件延伸至眼睛。通过改变光学路径的方向，存在用于将捕获单元定位在光学测量装置上的许多不同的可能性。实现高集成度且紧凑的测量装置。通过对准偏转元件可以调整光学路径，而不必改变捕获单元的位置。可以采用具有低数值孔径的捕获单元。
[0026]有利地，所述光学测量装置配置成以使得，当被固定至穿戴眼睛镜片的测试人员的头部时，所述至少一个框架插入件定位在测试人员的眼睛镜片的至少一个眼睛玻璃镜片的前面。之后光学测量装置可以由需要矫正性的眼睛镜片的测试人员穿戴以改善其视力。
[0027]有利地，框架插入件配置成包括至少一个载体元件和至少一个光学元件的多部件式的元件，其中具体地，光学元件与捕获单元相互作用，以使得其允许捕获单元光学捕获所述至少一个眼睛的至少一个参数和/或支持其这么做。具体地，光学元件在捕获元件敏感的波长范围中可以是反射性的。有利地，所述至少一个光学元件配置成反射镜和/或反射涂层。具体地，载体元件可以是透明的眼睛镜片，而光学元件可以是眼睛镜片上的反射性涂层。
[0028]有利地，所述至少一个被捕获的参数关于至少一个眼睛的定向和/或位置和/或眼睑闭合和/或瞳孔直径和/或异色边缘特性和/或巩膜特性和/或虹膜特性和/或血管特性和/或角膜特性。尤其是，至少一个被捕获的参数可能关于角膜半径(前面的、后面的)、眼球半径、瞳孔中心至角膜中心的距离、角膜中心至眼球中心的距离、瞳孔中心至角膜与巩膜的连接部分(Iimbus)的中心的距离、角膜屈光折射率、角膜折射率、玻璃状液的折射率、晶状体至眼球中心和至角膜中心和至角膜顶点的距离、晶状体的折射率、视轴线方向、光学轴线方向、瞳孔轴线(削色差轴线)方向、视线方向、散光度(屈光度)和平坦和陡峭轴线的方向角、虹膜直径、瞳孔直径(瞳孔长轴线和短轴线)、瞳孔区域、异色边缘(Iimbus)长轴线和短轴线、眼睛旋转、眼睛眼内距离、眼睛聚散度、在眼睛内收/外展上的统计值和在眼睛突出/凹陷上的统计值。光学测量装置可以之后用作眼睛追踪装置。
[0029]有利地，所述框架插入件包括显示单元。所述显示单元可以是透明的，部分透明的或者不透明的。
[0030]有利地，在光学测量装置固定至测试人员的头部时，所述显示单元上的显示能够通过所述测试人员的至少一个眼睛光学地捕获。这个实施例允许捕获所述测试人员的眼睛的至少一个参数，同时测试人员正在观看显示单元上的特定显示。虽然正在显示特定信息，但是因为用于捕获至少一个参数的光学路径不包括显示单元，所以捕获单元没有被所述显示不利地影响。光学解耦允许通过捕获单元的对眼睛的无阻挡的观察。捕获单元专门捕获关于测试人员的眼睛的信息而不捕获正在显示单元上显示的信息。
[0031 ] 光学测量装置可以是眼镜装置。
[0032]根据本发明所述的一种系统包括根据本发明所述的光学测量装置和至少两个框架插入件，所述至少两个框架插入件在它们的透射和/或反射属性上不同，其中所述框架被配置成以使得所述至少两个框架插入件能够可更换地连接至所述系统。依赖于环境中的测量条件和光条件，可以对于捕获单元的优化的捕获能力选择合适的框架插入件。通过更换框架插入件重新配置系统可以由测试人员自己轻易地完成。光学测量装置之后可以根据变化的条件被灵活地调整。在各种条件下，可以实现光学测量装置的非常好的捕获能力。
[0033]在发明的一个方面中，所关注的方法允许在光学测量装置中更换不同的框架插入件。在系统的包括光学测量装置和至少两个框架插入件的第一配置中，至少两个框架插入件中的第一框架插入件连接至`光学测量装置的框架。第一框架插入件具有第一透射特性。当环境发光条件变化时，至少两个框架插入件中的第二框架插入件变得更加适合于改变后的发光条件，因为其的使用在原理上改进了对测试人员的至少一个眼睛的至少一个参数的捕获。根据所述方法的一个步骤，测试人员现在可以选择第二框架插入件，从光学测量装置的框架上移除第一框架插入件并且将其更换成第二框架插入件。第二框架插入件之后被连接至框架并且在改变后的发光条件下的捕获能力被改善。根据变化的环境发光条件可以灵活地调节光学测量装置。可选地，可以对于光学测量装置的不同的捕获功能原理使用不同的框架插入件。
[0034]本发明的另一方面关于一种用于眼镜装置，用于捕获穿戴所述眼镜装置的测试人员的至少一个眼睛的至少一个参数，所述眼镜装置包括框架，连接至框架的至少一个框架插入件，以及至少一个捕获单元，其中所述框架被配置成将所述眼镜装置固定至测试人员的头部，以使得至少一个框架插入件对于所述眼睛在所述眼睛的光学轴线上的至少一个观看方向位于测试人员的至少一个眼睛的前面，所述捕获单元被配置成光学地捕获至少一个眼睛的至少一个参数，其中所述框架插入件包括显示单元。
[0035]有利地，在眼镜装置固定至测试人员的头部时，所述显示单元上的显示能够通过所述测试人员的至少一个眼睛光学地捕获。
[0036]有利地，所述眼镜装置的框架插入件包括眼睛玻璃镜片。
[0037]根据本发明的光学测量装置的有利实施例还将被认为是根据本发明的系统以及根据另外的方面的眼镜装置的有利实施例。
[0038]本发明的另外的特征源自权利要求、附图和附图的描述。在说明书中之前所述的所有特征和特征的结合以及与附图的描述和/或仅在附图中所显示的特征进一步所述的特征和特征的结合不仅可用于在每一情形中所指出的结合中，而且还可以以不同的结合使用或独自使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]现在参考单独的优选实施例和参考附图详细说明本发明。下面显示出这些:
[0040]图1A是根据本发明实施例的眼镜装置的正视图；
[0041]图1B是图1A的眼镜装置的侧视图；
[0042]图1C是图1A的眼镜装置的俯视图；
[0043]图1D是图1A的眼镜装置的透视图；
[0044]图2是眼镜装置的后视图；
[0045]图3是眼镜装置的示意后视图，其中眼相机利用偏转元件来将其的光学路径引导到眼睛上；
[0046]图4是示意性地显示出眼相机的定向的眼镜装置的侧视图；
[0047]图5是被眼镜装置所包含的单独的电子部件的示意图；
[0048]图6A是表示用根据现有技术的光学测量装置所获得的大的视差的符号的图片；
[0049]图6B是显示用根据本发明实施例的眼镜装置的表示没有视差的符号的图片；
[0050]图7是视差模型；
[0051]图8是比较根据现有技术和根据本发明实施例的测量装置的视差的视图；
[0052]图9A是通过场景相机所获取的第一视场；
[0053]图9B是通过场景相机所获得的第二视场；
[0054]图1OA是眼镜装置的示意侧视图，其中眼相机的光学路径在从眼相机至眼睛的直线上延伸；和
[0055]图1OB是眼镜装置的示意侧视图，其中眼相机的光学路径从眼相机经由反射镜延伸至眼睛。
【具体实施方式】
[0056]在附图中，相同的元件或具有相同功能的元件被给予相同的参考标记。图2、3和4显示出具有笛卡尔坐标系和垂直的轴线x、y和z的相同的参考系。
[0057]图1A至ID显示出光学测量装置，其分别具有眼镜装置I或眼睛追踪装置的形式。眼镜装置I被设计成使得人员可以将其穿戴在其的头上，正如通常的一对眼镜那样。其包括具有两个侧杆51和5r的框架4，所述两个侧杆将眼镜装置I支撑在穿戴其的人员的耳朵上。另外，眼镜装置I通过鼻托7被保持在头上的适合位置。主框架具有具体的宽度wl和高度h。其长度I依赖于侧杆51和5r的长度。如在图1C中所看到的，侧杆51和5r被铰接至框架4的前部，使得在侧杆51和5r之间的距离w2可以被放大或缩短(参见在图1C中的对侧杆51的虚线侧杆配置)。
[0058]可替代地，光学测量装置可以不设计成常规的一对眼镜的形式，而是可以被设计成使得其类似于具有面罩(形成框架插入件)的头盔(形成框架)。
[0059]在框架4中的鼻托7上方，安装了场景相机2。其可以连接至或一体集成到框架4中。利用场景相机2，事实上可以捕获如由测试人员在穿戴眼镜装置I时所看到的那样的类似视场。在框架4的下部中，眼镜装置I包含两个眼相机31和3r。在眼镜装置I被人穿戴时，可以通过眼相机31和3r捕获人眼，该眼相机31和3r被以适合的角度集成到框架4中。眼相机31和3r被设计成分别观看人的左眼和右眼，即捕获人眼的特征。
[0060]框架4包括两个开口，所述两个开口填充有由此形成了框架插入件的眼镜透镜81和Sr。由场景相机2和眼相机31和3r所获取的图片引起信号，所述信号在集成到侧杆51和5r中的一个或几个预先处理单元6中被处理。
[0061]图2显示眼镜装置I的内侧视图。沿框架部分包封眼镜透镜81和Sr的边缘，以环形布置定位几个发光二极管(LED)9。当眼镜装置I被人穿戴时，这些LED9可以以限定的方式照射测试人员的眼睛。LED9将导致对于所有可能的凝视角度在测试人员的眼睛上的反射(角膜反射)。这些反射可以由眼相机31和3r检测并且可以用于眼睛追踪。
[0062]LED9可以遵循特定的时间图案、选通特性或空间变化被单独地、成组地或所有一起地切换成打开和关闭。不同的LED9或LED9组的开关切换频率可以变化。特定组的LED9可以精确地在其他组的LED9被关闭时打开。具体的空间和瞬间相关图案可以关于切换并且因此关于照射特性被实。这样，在可以被容易地由眼相机3所识别的眼睛上可以生成反射图案。
[0063]具有最重要的电子.部件的整体装配在图5中示出。限相机31和3r通过IOOmm长的缆线14连接至特定的相机电子装置15。尤其是，相机31和3r仅包括基本的电子部件，而他们的主要电子部件定位在相机电子装置15内。这样，相机31和3r的基本“光学部件”可以相对于相机电子装置15内的基本“电子部件”远程地定位。所述部件两者之后可以通过柔性PCB缆线14连接。这样，光学传感器和在相机31和3r内的基本电子部件形成了非常小且高紧凑的整体，而在电子装置15内的大量的电子部件可以被放置在更多的大规模的集成电路板的其他位置上。电子装置15连接至预先处理单元16，所述预先处理单元可以处理来自眼相机31和3r的信号。预先处理单元16可以与定位在眼镜装置I的侧杆51和5r中的预先处理单元6相同。预先处理单元16连接至USB集线器(hub) 19。安装在框架4中的LED9形成了布置成围绕眼镜透镜81和8r的环形配置的第一和第二 IR LED链条21和22。IR LED链条21和22连接至IR LED恒流源20，其也连接至USB集线器19。USB集线器19另外用作IR LED恒流源20的电源。IR LED链条21和22的LED9可以被单独切换成打开和关闭。为了实现这个，它们可以以实施对每一 LED9单独电切换的并行网络被连接至IR LED恒流源20。
[0064]USB集线器19经由USB2.0缆线25连接至预先处理单元26。在预先处理单元26中预先处理的信号最终在个人计算机27中被分析，所述个人计算机包括记录器装置28。形成眼镜装置I上的接口的另外的辅助/同步端口 13也可以连接至USB集线器19。辅助/同步端口 13可以用作与其他电子装置同步或用于触发平行的数据获取的接口。电子装置15、预先处理单元16、USB集线器19和IR LED恒流源20定位在共同的印刷电路板PCB23上。
[0065]类似于该构造，场景相机2也经由IOOmm缆线14连接至电子装置15。在该情形中，电子装置15定位在第二印刷电路板PCB24上，其也包括预先处理单元17。预先处理单元17可以基于根据DaVinci数字信号处理器(DSP)的电子装置。其包含用于编码从电子装置15接收到的信号的MPEG编码器18。麦克风12也可以连接至预先处理单元17。定位在PCB24上的预先处理单元17连接至USB集线器19。这样，由场景相机2所获取的处理信号最终在个人计算机27中被分析。
[0066]预先处理单元6，16，17和26可以能够压缩由两个限相机31和3r以及场景相机2所产生的三个图像流中的至少一个。在此处，不同的替代方案是可行的。预先处理单元可以仅压缩一个相机的图像流，而每个相机具有其自身的预先处理单元。可替代地，单个预先处理单元可以压缩所有相机的图像流。另外，预先处理单元可以配置成经由系统接口和对应的软件通过调节分辨率、感兴趣的区域、帧速率和压缩参数来管理带宽。预先处理单元可以被设计成同步地触发相 机的图像获取。它们可以为每一个被获取的图像提供时间标记，其可以用于离线地同步几个或所有相机数据流。
[0067]预先处理单元可以定位在相机的集成电路板上、或者定位在头安装件处或上(例如在眼镜装置I的侧杆51或5r中)的单独的集成电路板上、或在由测试人员31所穿戴的单独的壳体中，例如在带上。
[0068]眼镜装置I还可以包括辅助接口，其允许实时地从外部传感器获取数据。这样的传感器可以是生物测量传感器(包括但不限于EEG，ECG等)或姿态传感器(包括但不限于加速计、磁力计、陀螺仪等)。之后可以将外部传感器的数据流与从相机2，31和3r所获取的数据流同步。另外，可以提供被外部时钟或触发信号，其可以由外部传感器使用以使它们自身与所述系统同步。从接口所获取的数据的带宽可以通过集成到所述系统中的在其专用记录单元28中的机载处理资源的方式被减小或压缩。
[0069]眼相机31和3r可能适合于可见光或近红外光。它们可以相对于竖直的中心线对称地定位，该竖直的中心线将使用者的面部分成两半。眼相机31和3r可以分别定位在眼睛101和IOr的前面和下面，例如在一对眼镜透镜81和8r的下边缘处，以30°至50°的角度指向眼睛101和10r，并且以30°至50°的角度安装在框架4中。在实施例中，眼相机31和3r在近红外中是敏感的。
[0070]场景相机2可以定位在竖直的中心线上，该竖直的中心线在框架4的鼻桥处将使用者的面部分成两半。可替代地，其还可以定位在头盔、帽或头带的边缘处或附近。场景相机2可以具有HD (高清晰度)和/或至少720p (1280 X 720像素)的可调节的分辨率和在30Hz或60Hz下操作。其可以沿风景或人像的定向被安装。另外，其可以被安装以使得其的定向可以从风景变化到人像定向(相机辊)以及还有相机所指向的方向(相机云台)。
[0071]代替单个场景相机2，眼镜装置I还可以包括一对场景相机，其中每个场景相机可以在人像模式或风景模式中定向。另外，每个场景相机可以独立于各自的第二场景相机定向。可替代地，两个场景相机2可以具有固定的定向，其可以彼此相同或可以彼此不同。
[0072]另外，棱镜或透镜可以安装在场景相机2的前面，以产生场景相机2相对于眼镜的视场的不同定位，尤其是用于近范围读取应用的更加向下定向的视场。[0073]6个LED9围绕每个眼镜透镜8定位。它们以850nm的中心波长在红外波长范围内(典型地大于750nm并且小于IOOOnm)发射。它们被由IR LED恒流源20提供的50mA电流驱动。
[0074]代替用LED9直接照射眼睛，可以设想具有光导的实施方式。一个或几段的光导(例如光纤)可以被使用。眼睛的照射可以用聚焦光学器件(结构照射)来实施。替代LED9，适合的衍射光学器件或激光器可以被用于产生照射眼睛的相干光的图案。光源可以与光学元件一起使用，用于(例如用聚焦光学器件或衍射光学器件)产生在眼睛101和IOr上的反射图案。照射源可以发射可见光或近红外光。照射源可以定位在框架4中或上，尤其是在围绕眼镜透镜81和Sr的圈形布置中。可替代地，照射源可以定位在头戴式显示器的边缘或框架上。其可以具体地被设计成在测试人员31的眼睛表面上产生反射图案。
[0075]在图2所示的眼镜装置I被测试人员穿戴时，图1OA中所示的情形以简化的方式实现。眼相机3被布置成使得，在眼镜装置I固定至测试人员的头部的情况下，在框架4上，捕获眼睛10的至少一个参数的光学路径M在从眼相机3至眼睛10的直线上延伸。
[0076]图3和IOB显示眼镜装置I的不同配置。眼镜装置I包括形成了连接至框架4的光学偏转元件的反射镜11，反射镜11和眼相机3布置成使得，在眼镜装置I固定至测试人员的头部上的情况下，在框架4上，用于捕获眼睛10的至少一个参数的光学路径M从眼相机3经由反射镜11延伸至眼睛10。图3的三维视图显示出从后视的角度或内视的角度的眼镜装置I。在附图中，左右眼睛101和IOr的反射分别显示在眼镜透镜81和8r中。坐标系是笛卡尔坐标系，且z轴线被引导到投影平面中。
[0077]因此，眼相机31和3r可以被安装在眼睛101和IOr的前面和上方，且光导或反射镜11定位在眼睛101和IOr的前面和下方，例如在一对眼镜透镜81和8r的下边缘处，用于从向前和低的透视角度获取每一眼睛101和IOr的图像，并且使得所述图像对于眼相机101和IOr是可见的。光导或反射镜11可以是(平坦的)反射镜、球形反射镜、拱顶、定制透镜、全息图像光导等。反射`镜11可以仅反射特定范围的波长和对于其他是透射的。
[0078]反射镜11可以是平坦的反射镜或球形反射镜。球形反射镜的优点在于其放大了眼相机3的视场超过用平坦的反射镜可获得的视场。图3的配置另外允许将光学系统放置成非常靠近眼睛10 (设定方向)，由此改善了工效学和美学。测试人员自己的视场很难被阻挡。反射镜11可以是所谓的热反射镜，即反射镜11在可见波长范围中是透射的而在红外波长范围中具有较高的反射率。其可以非常薄且中空的(所谓的拱顶)，因此最小化了由于折射所引起的变形。其可以由显示出非常小的折射率(IOR)的材料制造。
[0079]在两种情形(图1OA和10B)中，眼相机3被布置成使得用于捕获眼睛10的至少一个参数的光学路径M排除了框架插入件，即眼镜透镜8。另外，眼镜透镜8被布置成使得眼睛10的光学轴线K和光学路径M作为单个结合地使用的光学元件包括眼睛10。另外，光学路径M整体在空间Sp中延伸，其在面向眼睛10的眼镜透镜8的一侧上延伸。
[0080]图2和3以及图1OA和IOB所示的实施例分别都减小了由于上眼睑造成的眼睛闭塞。
[0081]图6A至8显示了与现有技术相比减小了眼镜装置I的视差。如从图6A所见，测试人员实际上将其眼睛聚焦到物体29的位置和由眼镜装置I所确定的关注点32通常在使用如从现有技术所已知的眼镜装置I时不是很好重合。这种效果通常是测试人员越靠近将被聚焦的物体29定位时越明显。然而，根据本发明实施例的眼镜装置1，所确定的关注点32和实际物体29之间的重合非常好，甚至对于低至0.5m的测量距离(参见图6B)。这通过最小化眼球中心和相机焦点之间的距离来实现。
[0082]所述情形再次在图7中示出。由于眼睛10和场景相机2定位在略微不同的位置上，所以在他们的各自用于聚焦物体29的视角上的差别在物体29分别地越靠近眼睛10和场景相机2定位时预加明显(即对于更小的z值具有更大的变形)。眼镜装置I可以在图6B所示的情形中被校准。物体29之后位于校准平面P中并且通过校准眼镜装置1，可以保证所确定的关注点32实际上落到实际的物体29上。通常在距离测试对象的某一距离处的平面上执行校准。其将所测量的凝视方向(角度)与在场景视频帧中的像素相关联。这一计算仅对于位于所述校准平面中的点给出了有效的结果。位于未在所述平面中的点，引入了系统误差(视差)。当眼镜装置与物体29的距离被增大时，所述至校准平面P的距离和至物体29的实际距离之间差别导致了明显的偏差。对于根据本发明实施例的眼镜装置1，对于所有距离d的这些偏差或视差(由在图8中的符号S2圆圈表示)远小于根据现有技术所述的装置的偏差或视差(符号S1、矩形)。细交叉线与符号S2的组相关，而粗交叉线与符号SI的组相关。所述交叉线对应于用于校准目的关注点32。
[0083]视差被数学建模为场景相机2的位置相对于眼睛位置的函数。由于视差所造成的凝视估计误差通过将场景相机2根据由数学模拟所显示的结果尽可能地靠近眼睛10放置而被最小化。视差可以通过利用双眼追踪的光折射度数估计至关注点的距离和通过估计眼睛相对于眼睛追踪装置的位置而被进一步修正。
[0084]为了实现甚至更好的结果，场景相机2的视场可以被优化。具有标准光学器件的场景相机2具有不覆盖全部生理学凝视范围(标准光学器件的水平视场:40°至50° ;典型的生理学凝视范围为60° )的视场。在实施例中，场景相机2的视场因此可以根据各自的应用被优化。在图9A和9B中示出了一个这样的视场优化方法。穿戴眼镜装置I的使用者同时观看背景B和他的移动电话30。根据图9A，视场FOVl主要覆盖背景B。当测试人员31向下看他的移动电话30时.，凝视方向的变化自动地由眼相机31和3r确定，场景相机2的视场自动地通过从风景切换至人像定向而被调节(视场F0V2)。这可以通过场景相机2的z轴线90°的机械滚动或通过使用在场景相机2的前面的光学棱镜来实现。另外，使用具有不同的倾斜或滚动角度的两个场景相机是可行的。可替代地，另外光学分束器可以被用在场景相机2的前面。
[0085]总之，眼镜装置I形成了头戴式眼睛追踪系统，其由三个相机构成:两个眼相机31和3r和至少一个场景相机2。三个相机31，3r和2可以具有可管理的带宽，例如通过可调节的帧速率或分辨率。一个或几个预先处理单元6，16，17和26可以存在，其执行从相机2，31和3r所接收到的视频流的可变的压缩。视频流的压缩水平可以与眼相机31和3r以及场景相机2相同，或者视频流可以针对眼相机31和3r和场景相机2被单独地压缩。眼相机31的帧速率可以对应于全速获取，眼相机3r的帧速率可以对应于I / 10速度获取，场景相机2的帧速率可以对应于I / 2速度获取。代替调节不同相机的帧速率，可替代地，获取速率可以被选择成相同，而数据处理被针对于每一相机不同地执行。即便两个相机获取了相同量的数据，由一个相机所提供的数据可以比由另一相机提供的数据更大地压缩。还可以组合不同的压缩速率与不同的获取速率。还可以在传送数据时省略例如每隔一秒所获取的图像，由此将发送至CPU的数据量减小至一半。相机2，31和3r的信号可以经由无线或有线接口被传送至PC27中的CPU (参见图5)。用于其他数据源的辅助接口和用于与这些数据源同步的方法可以在眼镜装置I中被实施。
[0086]眼镜装置I可以犹如包括几个可交换件的系统。眼镜装置I可以具有对于有小或大鼻子的面部的可更换组的鼻件或鼻托7。这样，眼镜装置I可以穿戴在视力矫正眼镜上，而不造成问题。另外，眼镜装置I具有用于可更换眼镜的保持机构，其可以对于特定的波长范围具有不同的光透射水平(例如透明眼镜或太阳镜)。另外或可替代地，可更换的眼镜可以具有近红外光学滤光片，以匹配照射源的波长和阻挡在相同和类似波长的外面的所有光或一些光到达眼睛表面，以改善眼睛表面上的信噪比。眼镜装置I具有边缘和鼻桥，其用作眼相机31和3r以及场景相机2的安装件或壳体。眼相机31和3r被安装使得它们的视场延伸到可更换的眼镜81和8r的后面。
[0087]对于眼镜装置1，可以进行眼睛追踪、超自然测量(occulometrics)、生物学测量和位置移动测量，用于在自由范围移动的装配中尽可能全面地测量和分类人类的行为。头戴式眼睛追踪装置被实现，其是不需校准的且提供了散光估计。眼睛追踪功能性具有零启动时间。不需要调整。测试人员31可以仅将眼镜装置I放置到其上并且开始使用其。其具有覆盖人类眼睛运动的生理学范围的非常大的凝视追踪范围(水平上80°，竖直上60° )。其是非常鲁棒性的并且在凝视映射中具有高精度散光被补偿，视差被最小化，光轴轴线偏移被补偿并且所述装置不需校准，或可以使用一个点的校准特征进行校准。另外，其被设计成不管人种(高加索人、亚洲人、非洲人等)、性别和年龄进行工作。场景相机2的视场被优化。通过使用光学、惯性或磁性传感器，头部追踪功能可以被实施。眼镜装置另外提供了生物测量特征，诸如测量瞳孔或异色边缘直径，并且提供了与EEG，ECG, EOG等的接合和同步选项。最终，可以与头戴式显示器集成在一起。可以将虚拟图像投影到便携式计算机屏幕的使用者眼睛上。另外，提供了使用眼睛运动(凝视、眨眼)与虚拟图像中的“物体”互动的可能性。
[0088]头部追踪功能可以通过使用三轴线陀螺仪、三轴线加速计和/或三轴线磁力计来实现，且对于六维的头 部追踪具有可选的传感器融合。
[0089]总之，眼镜装置I提供了非常特定的光学和电子构造。关于电子构造，具有可分配的带宽的三个或更多的高分辨率相机被集成到所述装置I中。可以设想用于眼相机31和3r和场景相机2的单独的处理通道。光学构造的特点在于具有各种性质的可更换的眼镜。眼相机31和3r的光学路径分别延伸到眼镜或眼镜透镜81和Sr的后面。另外，一组LED9允许对眼睛101和IOr的高度可变的照射。例如，可以控制围绕眼睛的照射几何构型。可以相对于频闪效应和次序控制特定的LED子组。最终，眼睛照射可以通过点、线或两维光源来实现。
[0090]参考标记
[0091]I眼镜装置
[0092]2场景相机
[0093]3，31，3r 眼相机
[0094]4 框架
[0095]51, 5r 侧杆[0096]6预先处理单元
[0097]7 鼻托
[0098]8，81，8r 眼镜透镜
[0099]9 LED
[0100]10，101，IOr 眼睛
[0101]11反射镜
[0102]12麦克风
[0103]13辅助/同步端口
[0104]14 缆线
[0105]15电子装置
[0106]16预先处理单元
[0107]17预先处理单元
[0108]18 MPEG 编码器
[0109]19 USB 集线器
[0110]20 IR LED 恒流源
[0111]21，22 IR LED 链条
[0112]23，24 PCB
[0113]25USB2.0 缆线
[0114]26预先处理单元
[0115]27 PC
[0116]28记录器
[0117]29 物体
[0118]30移动电话
[0119]31测试人员
[0120]32关注点
[0121]wl, w2 宽度
[0122]h 高度
[0123]I 长度
[0124]a 倾角
[0125]K光学轴线
[0126]M光学路径
[0127]O系统参考原点
[0128]P校准平面
[0129]Sp 空间
[0130]d 距离
[0131]S1，S2 符号
[0132]B 背景
[0133]FOVl, F0V2 视场
[0134]X, Y, z 轴线
【权利要求】
1.一种光学测量装置(I)，用于捕获穿戴所述光学测量装置(I)的测试人员(31)的至少一个眼睛(101，10r)的至少一个参数，所述光学测量装置(I)包括:框架(4)、连接至框架(4)的至少一个框架插入件(81，8r)以及至少一个捕获单元(31，3r)，其中所述框架(4)被设计成将所述光学测量装置(I)固定至测试人员(31)的头部，使得至少一个框架插入件(81, Sr)对于至少一个眼睛(101, IOr)在所述至少一个眼睛(101, IOr)的光学轴线(K)上的至少一个观看方向位于测试人员(31)的至少一个眼睛(101，IOr)的前面，所述至少一个捕获单元(31，3r)被设计成光学地捕获至少一个眼睛(101，IOr)的至少一个参数， 其特征在于，所述至少一个捕获单元(31，3r)被布置成，使得(a)用于捕获至少一个眼睛(101，IOr)的至少一个参数的光学路径(M)将所述至少一个框架插入件(81，8r)排除在外。
2.根据权利要求1所述的光学测量装置(I)，其特征在于， 所述框架插入件(81，8r)被布置成使得，在光学测量装置(I)被固定至测试人员(31)的头部时，通过框架插入件(81，8r)的点与测试人员(31)的眼睛(101，IOr)的连线确定观看路径(K)，并且所述捕获单元(31，3r)被布置成使得用于捕获所述眼睛(101，IOr)的至少一个参数的光学路径(M)和所述观看路径包括眼睛(101，IOr)，作为唯一共同使用的光学元件。
3.根据权利要求1或2所述的光学测量装置(I)，其特征在于， 所述光学路径(M)完全地在空间(Sp)内延伸，所述空间在光学测量装置(I)固定至测试人员(31)的头部时,在 所述框架插入件(81,8r)面向所述至少一个眼睛(101, IOr)的一侧上延伸。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光学测量装置(I)，其特征在于， 所述至少一个框架插入件(81，8r)具有至少一个光学属性。
5.根据权利要求4所述的光学测量装置(I)，其特征在于， 所述至少一个框架插入件被配置成光学元件，尤其被配置成光学透镜和/或衍射光学元件。
6.根据权利要求4或5所述的光学测量装置(I)，其特征在于， 所述至少一个框架插入件(81，Sr)被配置成光学光谱滤光片，尤其被配置成高通滤光片、低通滤光片、带通滤光片、或陷波滤光片。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光学测量装置(I)，其特征在于， 所述捕获单元(3r，31)至少在一个可预先确定的光谱范围中是光学敏感的。
8.根据权利要求7所述的光学测量装置(I)，其特征在于， 至少一个照射单元(9)，所述至少一个照射单元在光学测量装置(I)固定至测试人员(31)的头部时，配置成发射在可预先确定的光谱范围中的辐射，以使得所述辐射至少部分地射到所述至少一个眼睛(101，IOr)上。
9.根据权利要求7或8所述的光学测量装置(I)，其特征在于， 在所述可预先确定的光谱范围中的所述至少一个框架插入件(81，8r)的透射率最多是50%，优选地小于20%。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的光学测量装置(I)，其特征在于， 所述可预先确定的光谱范围在红外波长范围中。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光学测量装置(I)，其特征在于， 所述捕获单元(31，3r)被布置在框架(4)上以使得(a)，在光学测量装置(I)固定至测试人员(31)的头部时，捕获至少一个眼睛(101，IOr)的至少一个参数的所述光学路径(M)在从所述捕获单元(31, 3r)至眼睛(101, IOr)的直线上延伸。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的光学测量装置(I)，其特征在于， 光学偏转元件(11)，所述光学偏转元件(11)和所述捕获单元(31，3r)被布置在框架(4)上以使得，在光学测量装置(I)固定至测试人员(31)的头部时，捕获至少一个眼睛(101, IOr)的至少一个参数的所述光学路径(M)从所述捕获单元(31，3r)经由所述偏转元件延伸至眼睛(101，IOr)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的光学测量装置(I)，其特征在于， 所述至少一个被捕获的参数关于所述至少一个眼睛(101，IOr)的定向和/或位置和/或眼睑闭合和/或瞳孔直径和/或巩膜特性和/或虹膜特性和/或血管的特征和/或角膜特性。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光学测量装置(I)，其特征在于， 所述框架插入件(81，8r)包括显示单元，尤其使得，在光学测量装置(I)固定至测试人员(31)的头部时，所述显示单元上的显示能够通过所述测试人员(31)的至少一个眼睛(101，IOr)光学捕获。
15.一种系统，包括根据前述权利要求中任一项的光学测量装置(I)和至少两个框架插入件(81，Sr)，所述至少两个框架插入件(81，8r)在它们的透射和/或反射属性上不同，其中所述框架被配置成使 得所述至少两个框架插入件(81，8r)能够可更换地连接至所述系统。
【文档编号】A61B3/024GK103429143SQ201280013861
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2012年3月15日 优先权日:2011年3月18日
【发明者】沃尔特·尼斯迪克, 简·霍夫曼, 埃伯哈德·施密特 申请人:Smi创新传感技术有限公司