CZ302107B6 - Zarízení pro bezkontaktní snímání a kvantitativní vyhodnocování pohybu lidského oka ci obecných fyzických objektu - Google Patents

Abstract

U zarízení pro bezkontaktní snímání a kvantitativní vyhodnocování pohybu lidského oka ci obecných fyzických objektu s využitím jevu koherencní zrnitosti v optice je sledovaný objekt (1) osvetlován svazkem koherentního nebo kvazikoherentního zárení z alespon jednoho zdroje (22) zárení, pracujícího ve viditelné, blízké infracervené nebo blízké ultrafialové, oblasti spektra, a napájeného z napájecího zdroje (3) elektrického napetí. Zarízení obsahuje minimálne jeden obrazový snímac (5) umístený ve zvolené rovine pozorování a napojený na rídicí a vyhodnocovací systém (4) zmen polí koherencní zrnitosti. Zdroj (22) zárení je soucástí osvetlovacího bloku (2) obsahujícího dále osvetlovací optickou soustavu (21) polohovatelne ustavenou v pohybovém translacním systému (23), který je uložen mezi pozorovaným objektem (1) a zdrojem (22) zárení a je propojen s rídicím a vyhodnocovacím systémem (4).

Description

Zařízení pro bezkontaktní snímání a kvantitativní vyhodnocování pohybu lidského oka či obecných fyzických objektů

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro bezkontaktní snímání a kvantitativní vyhodnocování změny a velikosti pohybu lidského oka či obecných fyzických objektů s využitím jevu koherentní zrnitosti v optice, vznikajícího při odrazu koherentního nebo částečně koherentního světla od difuzně roz10 ptyluj ícího rozhraní nebo při průchodu tímto rozhraním.

Dosavadní stav techniky [ 5 V současné době je problematika snímání pohybu oční bulvy ve směrech transverzálním a laterálním řešena mnoha způsoby, od technicky jednoduchých až po využití složitých přístrojů a zařízení, a to na různém principu. Z lékařské praxe a odborné literatury, například „Movement of the eye“ (Carpenter R. H. S., Pion Limited, London, 1988) nebo „Eye Movement Basics for the CLinician, Methods to Assess Eye Position and Movement (Chapter 8)“ (CiuffredaK. J.,

Tannen B., Mosby Yearbook, St. Louis, 1995), jsou známy kontaktní i bezkontaktní metody snímání (detekce) pohybu oční bulvy. U kontaktních metod zprostředkovává informaci o pohybu oka signál generovaný, například, elektrodami umístěnými v okolí bulvy, jež se chová jako pohybující se elektrický dipól, nebo snímačem tlaku, který registruje změny v pohybu bulvy přes nestlačitelnou kapalinu jsoucí v přímém kontaktu s rohovkou oka. Druhý typ metod využívá, například, infračerveného sledovacího zařízení. Vyhodnocení signálů generovaných snímači pak podává informaci využitelnou k indikaci nemoci, popřípadě její profylaxi, nebo k řízení pohybových částí mechanických systémů. Tato problematika je všeobecně známá.

Předmětem vynálezu je založen na využití jevu koherenční zrnitosti v optice, popisovaného v odborné optické literatuře od konce šedesátých let dvacátého století, většinou v souvislosti s holografií, jako například v pramenech „An introduction to coherent optics and holography“ (Stroke G. W., Academie Press, New York and London, 1966) nebo „Principles of holography“ (Smith Η. M., John Wiley & Sons lne., New York, 1969). Jev je nejprve popisován jako jev parazitní, později je naopak využíván jako optický interferenční jev v různých oborech lidské čin35 nosti, jak je uváděno v publikaci „Laser speekle and related phenomena“ (Ed. by Dainty J. C., Springer-Verlag, Berlin, 1984) nebo jak plyne například z článků „Displacement measurement front double-exposure lasers photography“ (Archbold E., Burch J. M., Ennos A. E., Opt. Acta 19, 1972, str. 253), respektive „A study of the use of laser speckles to measure smáli tilt by electronic speekle correlation“ (Tiziani H. J., Opt. Commun. 5, 1971, str. 891).

Koherenční zrnitost (z angl. speekle) je jev vznikající při odrazu koherentního, nebo částečně koherentního, světla od difuzně rozptylujícího rozhraní nebo pri průchodu takovým rozhraním. Podstatou tohoto jevu je interference světelných vln šířících se odrazem nebo rozptylem od mikroskopických plošek tvořících povrch předmětu, rozptylem na náhodně rozložených rozptylují45 cích částicích, pri průchodu světla prostředím s náhodnými fluktuacemi indexu lomu tohoto prostředí apod. Interferencí vzniká tzv. pole koherentní zrnitosti a na stínítku v něm umístěném je pozorována tzv. struktura koherenční zrnitosti, což je náhodně, avšak statisticky vázaná struktura světlých a tmavých skvrn, tzv. interferenčních maxim a minim. Velikost těchto skvrn je nepřímo úměrná velikosti osvětlené plochy povrchu předmětu, jak je uvedeno v publikaci „Laser speekle and related phenomena “ (Ed. by Dainty J. C., Springer-Verlag, Berlin, 1984). Znalost vlastností takového pole, popřípadě struktury, koherenční zrnitosti zpětně umožňuje studovat, respektive stanovit, optické i některé mechanické vlastnosti prostředí, popis jeho stavu z hlediska kinematiky a jiné, o čemž například pojednává monografie „Koherenční zrnitost v optice“ (Hrabovský M., Bača Z., Horváth P., Univerz. Palackého v Olomouci, 2001). Obraz pole koherenční zmi55 tosti tvoří systém náhodně rozložených malých skvrn a změna polohy tohoto obrazu nebo změna

- 1 CZ 302107 B6 jeho struktury signalizuje, že předmět, mimo jiné, změnil polohu, byl deformován apod. Této závislosti je využíváno pro měření, například v mechanice, posuvů, rotace, silové (pružné) deformace apod., jak je popsáno například v časopiseckých publikacích „Fringe formation in speckle photography (Yamaguchi I., J. Opt, Soc. Am. Al, 1984, str. 81), „Stabilized laser speckle strain gauge (Yamaguchi 1. et al., SP1E Vol. 1084, 1989, str. 45), „Theory of speckle displacement and decorrelation and its application in tnechanics (Hrabovský M. et al., Opt. Lasers Eng. 32, 2000, str. 395), „Application of speckle decorrelation method for smáli (ranslation measurements (Horváth P. et al., Opt. Appl. 34, 2004, str. 203), „Speckle correlation method ušed to measure objeďs in-plane velocity (Šmíd P. et al,, Appl. Opt. 46, io 2007, str. 3709).

Jsou známa zařízení pro měření pohybu očí ajejich diagnostiku, jejichž významnou součástí jsou optické systémy, přičemž tato zařízení obsahují taktéž zdroje záření, optické soustavy, obrazové snímače, a jsou tedy zdánlivě podobné předkládané přihlášce vynálezu. Ani jeden z těchto vyná15 lezů ovšem není založen na využití jevu koherenční zrnitosti v optice. Jedná se většinou o známé postupy založené na odlišných principech, které analyzují hledanou informaci na základě využití Michelsonova interferometru (patent WO 03/086180), analýzy světelné vlnoplochy, tj. čela vlny (patenty WO 03/039356, US 2005/0225725), eye-tracking, tj. sledování pohybu lidského oka analýzou obrazu oka (patenty EP 13 69 079, US 2005/0024586, US 6 120 461, DE-19731303), io aj.

Je rovněž známo zařízení pro bezkontaktní snímání stability polohy předmětu dle patentu CZ 295 817, které řeší využití obráceného efektu jevu koherenční zrnitosti pouze k registraci změny polohy předmětu, avšak bez možnosti jejího přesného kvantifikovaného tedy číselného, vyhodnocení. Snahou předkládaného vynálezu je modifikace stávajícího zařízení doplněného o definovaně řízený translační optický systém pro fokusaci svazku, pomocí něhož lze získat i tuto kvantitativní informaci jak pro lékařské účely, tak i pro různé jiné obory činnosti či průmyslová odvětví.

Podstata vynálezu

Uvedeného cíle je dosaženo vynálezem, kterým je zařízení pro bezkontaktní snímání a kvantitativní vyhodnocování pohybu lidského oka či obecných fyzických objektů s využitím jevu kohe35 renční zrnitosti v optice, kdy sledovaný objekt je osvětlován svazkem koherentního nebo kvazikoherentního záření z alespoň jednoho zdroje záření, pracujícího ve viditelné, blízké infračervené nebo blízké ultrafialové, oblasti spektra, a napájeného z napájecího zdroje elektrického napětí, přičemž zařízení obsahuje minimálně jeden obrazový snímač umístěný ve zvolené rovině pozorování a napojený na řídicí a vyhodnocovací systém změn polí koherenční zrnitosti. Podstata vynálezu spočívá v tom, že zdroj záření je součástí osvětlovacího bloku obsahujícího dále osvětlovací optickou soustavu polohovatelně ustavenou v pohybovém trans lačním systému, který je uložen mezi pozorovaným objektem a zdrojem záření aje propojen s řídicím a vyhodnocovacím systémem.

Také je podstatou vynálezu, že mezi sledovaný objekt a obrazový snímač je vložena zobrazovací optická soustava.

Zařízením podle vynálezu se dosahuje nového a vyššího účinku v tom, že modifikací známé konstrukce zařízení pro bezkontaktní snímání stability polohy předmětu o definovaně řízený translační optický systém pro fokusaci svazku je možno kvantifikované a s vyšší přesností detekovat změny na povrchu, a to včetně pohybu povrchu, nezakryté části oční bulvy. To znamená vyhodnotit dynamické chování všech složek tzv. tenzoru malé deformace, který popisuje malou deformaci elementu zkoumaného povrchu, a zvýšit tak kvalitu a přesnost měření. V podstatě je možné určit u nezakryté Části oční bulvy, a to pomocí libovolného kvantitativního nastavení citli55 vosti měřicí soustavy volbou geometrických parametrů uspořádání soustavy, včetně nastavení

- 7 .

fokusace svazku řízeným translačním optickým systémem, míru změny složek translace rotace, případně poměrného prodloužení či smyku a to již o hodnotách v řádu 10 ⁶ jednotek příslušných veličin. Dále je také možno vyhodnotit rychlost nebo kmitání studovaného povrchu.

Přehled obrázků na výkresech

Konkrétní příklady provedení vynálezu jsou schématicky znázorněny na připojených výkresech, kde in obr. 1 je blokové schéma základního provedení zařízení s naznačením vícenásobného užití zdrojů záření v kombinaci s definovaně řízenými translaěními optickými systémy pro fokusaci svazku ěi obrazových snímačů, případně jejich symetrického umístění, is obr. 2 je blokové schéma alternativního provedení zařízení s vloženou zobrazovací optickou soustavou a rovněž naznačením vícenásobného užití zdrojů záření v kombinaci s definovaně řízenými translaěními optickými systémy pro fokusaci svazku či obrazových snímačů.

Příklady provedení vynálezu

V základním provedení podle obr. 1 je zařízení pro bezkontaktní snímání pohybu objektu 1, například oka ěi jiného předmětu, tvořeno osvětlovacím blokem 2 obsahujícím osvětlovací optickou soustavu 21 s pevnou nebo proměnnou polohou ohniskové roviny a vlastní zdroj 22 záření, který je napojený na napájecí zdroj 3. Osvětlovací optická soustava 21 je ustavena v pohybovém translačním systému 23, určujícím její polohu vůči studovanému objektu 1 a propojeném s řídicím a vyhodnocovacím systémem 4, s nímž je rovněž propojen napájecí zdroj 3. Pomocí tohoto osvětlovacího bloku 2 je sledovaný povrch části objektu 1, například oční bulvy nezakryté očním víčkem, osvětlován z definovaného bodu prostoru, tedy bodového zdroje, úzkým diver30 gentním svazkem koherentního nebo kvazi koherentního záření. Zdroj 22 záření, například laser nebo laserová dioda, pracující ve viditelné, blízké infračervené nebo blízké ultrafialové, oblasti spektra, je napájen zodpovídajícího napájecího zdroje 3 elektrického napětí, který pracuje buď autonomně, nebo je ovládán z řídicího a vyhodnocovacího systému 4, tvořeného například počítačovým řídicím systémem. Ve zvolené rovině pozorování je umístěn obrazový snímač 5, napří35 klad maticový nebo lineární snímač na bázi technologií CCD (Charged Coupled Device) nebo CMOS (Complementary Metal Oxid Semiconductor), který je rovněž napojen na řídicí a vyhodnocovací systém 4.

Osvětlení povrchu nezakryté části objektu 1 je buď kontinuální, nebo pulsní, přičemž řídicí a vyhodnocovací systém 4 ovládá délku a intenzitu pulsu a dále časovou prodlevu mezi dvěma pulsy, tedy dvěma expozicemi. Délku expozice, respektive časovou prodlevu mezi dvěma expozicemi, popřípadě zisk snímače, je také možno řídit ovládáním vstupu přenosu signálu z obrazového snímače 5 do řídicího a vyhodnocovacího systému 4. Optický výkon záření dopadající na povrch nezakryté části objektu 1 nepřekračuje povolené normativní limity pro bezpečné záření laserových zařízení užívaných v lékařství.

Osvětlovací blok 2 s definovaně řízenou osvětlovací optickou soustavou 21 pro fokusaci svazku vytváří bodový zdroj a umožňuje měnit s pomocí pohybového translaěního systému jeho polohou před povrchem objektu 1, tedy oční bulvy. Znalost polohy bodového zdroje poskytuje informaci nezbytnou k přesnému kvantitativnímu stanovení všech složek tenzoru malé deformace, neboť známe přesnou hodnotu vzdálenosti bodového zdroje od zkoumaného předmětu. Dále lze osvětlovacím blokem 2, a to zpětnou vazbou přes obrazový snímač 5 a řídicí a vyhodnocovací systém 4, optimalizovat velikost zm ve struktuře koherenění zrnitosti a ovlivnit tak kvalitu vyhodnocení dat registrovaných obrazovým snímačem 5 zvýšením přesnosti stanovení výsledku numerické korelace těchto dat, což u stávajících zařízení nebylo možné. Pomocí definovaně řízené osvětlo-3CZ 302107 B6 vací optické soustavy pro fokusaci svazku lze obdržet navíc informaci o přesné kvantitativní změně stavu povrchu studovaného objektu i oproti pouhému zaregistrování změny stavu tohoto povrchu. Bez použití výše popsaného osvětlovacího bloku 2 tedy není možné stanovit, například přesnou trajektorii pohybu oční bulvy, ale pouze jeho přibližný orientační pohyb rekonstruovaný z informací o směru a délce trvání dílčích translací, což je pro lékařské využití informace malého významu.

Stejně jako u zařízení dle patentu CZ295 817 je také předkládaného řešení citlivé na jakýkoliv fyzikálně obecný pohyb sledovaného objektu i, tj. posuvy, rotace či pružné deformace, přičemž io směr osvětlení objektu i je zpravidla normálou k povrchu v místě dopadu záření na nezakrytou část sledovaného objektu i. Obecně je však směr osvětlení možné instalovat až téměř 90° od této normály. Citlivost detekce pohybu sledovaného objektu ije možno ovlivňovat jak volbou polohy osvětlovacího bloku 2 vzhledem k objektu 1, tak jejich počtem, kdy je možno použít dva i více osvětlovacích bloků 2 rozmístěných v různých místech poloprostoru před sledovaným objektem ¹⁵ í Jak je znázorněno na obr. 1 a obr. 2. Analogicky lze ovlivňovat citlivost detekce pohybu oka také volbou směru pozorování, tedy polohou obrazového snímače 5 před objektem i. Je rovněž možno použít více, zpravidla dva až šest, obrazových snímačů 5, přičemž režim jejich postupného měření, tedy snímání signálů, je ovlivňován řídicím a vyhodnocovacím systémem 4. Vhodným geometrickým rozmístěním osvětlovacích bloků 2 a obrazových snímačů 5 v prostoru lze ovlivňovat citlivost detekce pohybu ve velmi velkém rozsahu, například posuv až o l pm.

Oproti zařízení dle patentu CZ 295 817 je zvýšen jeho původní měřicí potenciál o schopnost přesného kvantifikovaného měření, čímž se rozšiřuje jeho použitelnost. Lze měřit jednotlivé složky tenzoru deformace osvětleného povrchu sledovaného objektu 1, tj. například posuvy oční bulvy ve třech vzájemně kolmých směrech, dále rotace okolo os ležících v rovině osvětleného povrchu oka a tři složky deformace elementu osvětlené části povrchu objektu I, tedy poměrné prodloužení ve dvou vzájemně kolmých osách a smykovou deformaci. Například, volbou dvojice obrazových snímačů 5 symetricky umístěných vzhledem ke směru osvětlení z osvětlovacího bloku 2, nebo analogicky dvojice osvětlovacích bloků 2 symetricky umístěných vzhledem ke jo směru pozorování snímačem 5 lze přímo rozlišit pohyb oka ve směru normály kjeho povrchu. Potom Fourierovou analýzou tohoto pohybuje možné dostat informaci o jeho periodičnosti Jež má význam pro lékařství.

Popsané zařízení uvedené na obr. 1 není jediným možným provedením podle vynálezu, ale jak plyne z obr. 2, lze pro zvýšení citlivosti sledování změn pohybu vložit mezi sledovaný objekt 1 a obrazový snímač 5 zobrazovací optickou soustavu 6, například spojnou čočku, rozptylnou čočku nebo zobrazovací objektiv. Pokud je užito více obrazových snímačů 5,je možno vkládat odpovídající počet zobrazovacích optických soustav 6.

Průmyslová využitelnost

Zařízení podle vynálezu lze s výhodou využít nejen k přesné kvantitativní detekci změny pohybu sledovaného objektu, ale v případě jeho kmitavého pohybu také k analýze frekvence příslušného pohybu, což je výhodné zejména v lékařství při vyšetřování očí.

Claims (2)

1. 5 1. Zařízení pro bezkontaktní snímání a kvantitativní vyhodnocování pohybu lidského oka či obecných fyzických objektů s využitím jevu koherenční zrnitosti v optice, kdy sledovaný objekt (1) je osvětlován svazkem koherentního nebo kvazikoherentního záření z alespoň jednoho zdroje (22) záření, pracujícího ve viditelné, blízké infračervené nebo blízké ultrafialové, oblasti spektra, a napájeného z napájecího zdroje (3) elektrického napětí, přičemž zařízení obsahuje minimálně io jeden obrazový snímač (5) umístěný ve zvolené rovině pozorování a napojený na řídicí a vyhodnocovací systém (4) změn polí koherenční zrnitosti, vyznačující se tím, že zdroj (22) záření je součástí osvětlovacího bloku (2) obsahujícího dále osvětlovací optickou soustavu (21) polohovatelné ustavenou v pohybovém translačním systému (23), který je uložen mezi pozorovaným objektem (1) a zdrojem (22) záření aje propojen s řídicím a vyhodnocovacím systémem (4).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že mezi sledovaný objekt (l) a obrazový snímač (5) je vložena zobrazovací optická soustava (6),