CN101713637A - 眼睛空间定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种眼睛空间定位装置，包括至少一个照明单元的点光源，经过至少一个半透明反射镜，将部分光能透射后进入眼睛，眼睛对光线进行反射调制后，按原路返回到半透明发射镜反射在至少一个成像单元上成点光源的像，采集系统采集参考坐标系中点光源位置和点光源的像位置，计算得出眼睛在参考坐标系中位置。可以实现以光学的方法对眼睛的空间位置和状态的检测，对背景光无限制，对于入射光束要求低，系统应用范围广；实现实时信号输出，定位精度高，使用便利，稳定性和可靠性高；系统结构简单，成本低廉。

Description

眼睛空间定位装置

技术领域

本发明涉及一种光电检测领域，特别涉及一种眼睛空间定位装置。

背景技术

当前的眼部跟踪系统通常运用红外线捕捉角膜和视网膜的反射原理，采用有头盔式和非头盔式两种方式。与最初的眼部跟踪系统相比，现代眼部跟踪系统变得更易于操作且省时。但是当前的眼部跟踪系统在技术上还存在一定问题：当采用非头盔式系统时，系统复杂昂贵、实时性差、对环境要求高，且对被试的运动有一定限制；当采用头盔式系统时，又会使用户感到不适。

可以说，非头盔式系统是眼睛追踪定位系统现在和未来的发展方向。现有的非头盔式系统通常采用图像处理的方法，对眼睛特征进行提取，利用sobel算子对灰度图像进行边缘增强，对背景噪声产生部分抑制，达到定位跟踪眼睛的目的。根据综合肤色和几何特征的眼睛定位，以及基于灰度投影曲线的眼睛定位等方法也有报道。以上方法通常都需要用到模式识别、模板匹配等高计算量的算法，故难以做成嵌入式控制系统和便携式仪器。

发明内容

本发明是针对现有技术的不足问题，提出了一种眼睛空间定位装置，此装置具有可实现快速实时判别眼睛空间位置及闭合频率，对环境要求低，成本低。

本发明的技术方案为：一种眼睛空间定位装置，包括至少一个照明单元的点光源，经过至少一个半透明反射镜，将部分光能透射后进入眼睛，眼睛对光线进行反射调制后，按原路返回到半透明发射镜反射在至少一个成像单元上成点光源的像，采集系统采集参考坐标系中点光源位置和点光源的像位置，计算得出眼睛在参考坐标系中位置。

所述照明单元包括灯罩、至少一个光源、会聚透镜、小孔光阑，光源的光经过灯罩反射后，经过会聚透镜聚焦，聚焦光线穿过小孔光阑形成点光源。

所述灯罩反射面上可镀相应光源发出光的波长的膜，灯罩可位于与光源和会聚透镜同轴的位置上，也可离轴放置，会聚透镜位于光源后面，可在表面镀相应光源发出光的波长的膜。

所述照明单元的点光源产生系统的光轴与参考坐标系XYZ中XOY面成45°角放置，利用放在坐标系XYZ中YOZ平面内的两个以OY对称的半透明反射镜分束，生成两个点光源。

本发明的有益效果在于：本发明眼睛空间定位装置，可以实现以光学的方法对眼睛的空间位置和状态的检测，对背景光无限制，对于入射光束要求低，系统应用范围广；实现实时信号输出，定位精度高，使用便利，稳定性和可靠性高；系统结构简单，成本低廉。

附图说明

图1为本发明自眼睛视网膜的光线反射及反射斑点的产生原理图；

图2为本发明眼睛空间定位装置结构示意图；

图3为本发明眼睛空间定位装置便携式结构示意图；

图4为本发明眼睛空间定位装置中产生点光源的光路示意图；

图5为本发明眼睛空间定位装置第二实施例结构示意图；

图6为本发明眼睛空间定位装置第三实施例结构示意图；

图7为本发明眼睛空间定位装置第四实施例结构示意图；

图8为本发明眼睛空间定位装置中反射斑点在成像单元上的位置图。

具体实施方式

如图1所示自眼睛视网膜的光线反射及反射斑点的产生原理图，眼睛100一般不位于参考坐标系XYZ的坐标轴上；照明单元301的点光源发出发散光束，经过半透明反射镜401，部分光能透射后进入眼睛100。人的眼睛100是一套完整的光学系统，可以简单地把眼睛100抽象成一个光学模型，晶状体可以等效成一个凸透镜，视网膜等效为光屏。进入眼睛100的光线都是通过晶状体110成像于视网膜120上，并且光线能被视网膜反射出去；反射的光束再线晶状体110调制，按原光路返回；经半透明反射镜401反射，在平面P处成点光源的像，所述的点光源的像与照明单元301的点光源关于半透明反射镜401共轭，所述的点光源的像与眼睛的位置及尺寸大小无关；光束再进入成像单元201；由于成像单元201的工作面不在平面P上，因此当眼睛相对于照明单元301有不同的方位角时，在成像单元201上的斑点相对于成像单元201中心的位置不同。

如图2所示眼睛空间定位装置结构示意图，其示意性地示出了用于确定眼睛空间位置的设备，利用两个照明单元301、302、两个半透明反射镜401、402、两个成像单元201、202，相当于图1中的两套系统，所述的两套系统关于参考坐标系XYZ中的YOZ平面对称放置。此时，可得到两个反射斑点(S₁、S₂)的图像和位置。由此便可以确定眼睛在参考坐标系中的空间位置。

如图3眼睛空间定位装置便携式结构示意图，其示意性地示出了用于确定眼睛空间位置的便携设备。结合图1、图2所描述，设备可以集成在一个小盒子里作为便携设备，可在成像单元201、202前加滤光片501、502。

如图4眼睛空间定位装置中产生点光源的光路示意图，其示意性地示出了设备中一种产生点光源的方法，包括灯罩311、光源312、会聚透镜313，小孔光阑314，灯罩311反射面上可镀相应光源发出光的波长的膜，以提高反射效率，灯罩311可位于与光源和会聚透镜313同轴的位置上，也可离轴放置，光源的个数为一个或者多个，可为白炽灯、LED、激光器等，光源产生的光的波长可为红外光波段，以免对眼睛造成损害，也可为可见光波段或者紫外光波段。会聚透镜313的材料应该与光源发出的光的波长相对应；焦距应为短焦距的单正透镜或者透镜组，提高两个校准光束LB1、LB2的孔径角，以提高检测眼睛的范围；会聚透镜313位于光源后面，可在表面镀相应光源发出光的波长的膜，以提高透射效率，小孔光阑314于会聚透镜313后，中心可置于会聚透镜313的后焦点上，也可置于离焦位置。

如图5眼睛空间定位装置第二实施例结构示意图，其示意性地示出了用于确定眼睛空间位置的便携设备的进一步改进，相对图3所述的系统，图5中所述的系统中可只用一个光源；和图4所述的点光源产生系统相似，在图5中点光源产生系统的光轴与参考坐标系XYZ中XOY面成45°角放置，利用放在坐标系XYZ中YOZ平面内的半透明反射镜401、402分束，生成两个点光源。

如图6眼睛空间定位装置第三实施例结构示意图，其示意性地示出了用于确定眼睛空间位置的设备的另一种改进，与图2中所描述的系统相似，用半透明反射镜401覆盖两束光，与图2中所描述的系统相比，图6中所描述的系统减少了一个半透明反射镜402和一个成像单元202。同时，图6中的系统可与图5的相结合，能大大降低成本。

如图7眼睛空间定位装置第四实施例结构示意图和图8眼睛空间定位装置中反射斑点在成像单元上的位置图，其中图7示意性地示出了以单光线代替光束展示用于确定眼睛空间位置的设备，图8示意性地示出了反射斑点在成像单元上的图像和位置。

设眼睛的空间位置在参考坐标系XYZ中为(x₁、y₁、z₁)，眼睛相对于照明单元301、302的空间角度分别为(α₁，β₁，γ₁)、(α₂，β₂，γ₂)，在成像单元201、202的反获得反射斑点(S₁、S₂)的中心在以成像单元为中心的平面坐标系中分别为(c₁，d₁)、(c₂，d₂)，两个照明单元301、302在参考坐标系XYZ中分别为(a₁，0，0)、(a₂，0，0)，两个常数因子为k₁、k₂：

根据空间直线方程有：

$\frac{x_1-a_1}{{\cos \mathrm{\α}}_1}=\frac{y_1-0}{{\cos \mathrm{\β}}_1}=\frac{z_1-0}{{\cos \mathrm{\γ}}_1}...\left(1\right)$

$\frac{x_1-a_2}{{\cos \mathrm{\α}}_2}=\frac{y_1-0}{{\cos \mathrm{\β}}_2}=\frac{z_1-0}{{\cos \mathrm{\γ}}_2}...\left(2\right)$

式中

cos²α₁+cos²β₁+cos²γ₁＝1................(3)

cos²α₂+cos²β₂+cos²γ₂＝1................(4)

另外还有：

α₁＝k₁c₁，β₁＝k₂c₂，α₂＝k₂c₂，β₂＝k₂d₂................(5)

由于c₁、d₁、c₂、d₂均可由成像单元及数据采集系统读出，a₁、a₂已知且不变，另外k₁、k₂已系统有关且固定不变。因此由以上方程(1)到(5)可就出眼睛在参考坐标系(XYZ)的位置。

Claims (4)

1.一种眼睛空间定位装置，其特征在于，包括至少一个照明单元的点光源，经过至少一个半透明反射镜，将部分光能透射后进入眼睛，眼睛对光线进行反射调制后，按原路返回到半透明发射镜反射在至少一个成像单元上成点光源的像，采集系统采集参考坐标系中点光源位置和点光源的像位置，计算得出眼睛在参考坐标系中位置。

2.根据权利要求1所述的眼睛空间定位装置，其特征在于，所述照明单元包括灯罩、至少一个光源、会聚透镜、小孔光阑，光源的光经过灯罩反射后，经过会聚透镜聚焦，聚焦光线穿过小孔光阑形成点光源。

3.根据权利要求2所述眼睛空间定位装置，其特征在于，所述灯罩反射面上可镀相应光源发出光的波长的膜，灯罩可位于与光源和会聚透镜同轴的位置上，也可离轴放置，会聚透镜位于光源后面，可在表面镀相应光源发出光的波长的膜。

4.根据权利要求1所述眼睛空间定位装置，其特征在于，所述照明单元的点光源产生系统的光轴与参考坐标系XYZ中XOY面成45°角放置，利用放在坐标系XYZ中YOZ平面内的两个以OY对称的半透明反射镜分束，生成两个点光源。

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