CZ373399A3

CZ373399A3 - Okem ovládané optoelektrické vstupní/výstupní rozhraní

Info

Publication number: CZ373399A3
Application number: CZ19993733A
Authority: CZ
Inventors: Jonas Ericsson
Original assignee: Ect, Eye Control Technique Ab
Priority date: 1997-02-17
Filing date: 1998-02-16
Publication date: 2000-03-15
Also published as: CZ289121B6; WO1998036348A2; WO1998036348A3; AU6235598A

Description

Okem ovládané optoelektrické vstupní/výstupní rozhraní

Oblast techniky

Vynález se týká okem ovládaného optoelektrického vstupního/výstupního rozhraní.

Dosavadní stav techniky

Určitá zařízení vyžadují použití očima ovládaného vkládání informačních signálů nebo signálů řídících. U určitých použití vzniká takovýto požadavek proto, že uživatel potřebuje využít ovládací možnosti očí, v jiných případech proto, že je třeba uvolnit další orgány pro plnění jiných úkolů a v jiných případech pak v důsledku postižení uživatele. U dalších použití vyžaduje takovýto druh ovládání samotné ovládané zařízení. Příkladně v oblasti výpočetní techniky a telekomunikací postoupila miniaturizace značně daleko a zvětšila se tak použitelnost takovýchto zařízení. Pro ještě další zvýšení použitelnosti a miniaturizace jsou nyní překážkou vstupní zařízení, která zabírají velký prostor. Například použitelná klávesnice je mnohem větší než součásti potřebné pro zpracování informací nebo pro sdílení informací.

Příklady zařízení, která pracují s ovládáním očima lze nalézt v patentových spisech EP-0 270 636 a EP-0 500 672. Tyto spisy se týkají zařízení určených pro detekci směru pohledu lidského oka a okem ovládaných vstupních/výstupních rozhraní, která lze použít například v komunikačních zařízeních, v počítačích a ve fotoaparátech. Obraz je oku prezentován systémem čoček a zrcadel a zjištěním směru pohledu oka může být zjištěno, jaká část prezentovaného obrazu je okem sledována. U komunikačních zařízení a u počítačů mohou být tímto obrazem příkladně ovládací menu nebo ovládací znaky.. Vstup do zařízení je pak prováděn volbou příslušného příkazu nebo znaku, který • 4 4» · ·· ·* ··

4 4 4 · 4 4 · 4 4 4 4 • · · · 4 4 4 4 4 • 4 ·· 4 44444444

4 4 · · * · má být vložen. U fotografických přístrojů se okem ovládá ostření a to tak, že k zaostření dojde automaticky v té oblasti obrazu, na kterou směřuje pohled oka.

U výše uvedených příkladů je oku předkládán obraz, kterým může být u různých použití předmět nebo skutečný objekt nebo obraz zobrazený na displeji nebo na monitoru. Oko vnímá virtuální obraz tak, jako by byl umístěn v určité vzdálenosti od oka na optické ose procházející ohniskem oka. Tato použití vyžadují, aby byl obraz oka zjišťován pomocí určitého druhu fotodetektoru, například CCD matricí nebo videokamerou a to v témže okamžiku jako oko registruje příslušný obraz. Tento detektor obrazu oka by přitom měl být u většiny použití umístěn mimo zorné pole oka. Toho se u řešení podle známého stavu techniky dosahuje pomocí systému čoček a zrcadel tak, že obraz oka je promítán na detektor obrazu oka v témže okamžiku jako je samotnému oku předložen další obraz.

Aby bylo možno zaostřit jak obraz předkládaný oku v ohniskové rovině oka, tj. na sítnici, tak i obraz v ohniskové rovině fotodetektoru je nezbytné, aby mezi zdrojem obrazu, čočkami, okem a fotodetektorem byly určité vzdálenosti. Nevýhodou takovýchto zařízení známých ze stavu techniky je, že požadavek na vzdálenosti mezi jejich prvky má za následek nevhodně velké rozměry celého zařízení. Další nevýhodou je pak skutečnost, že tato známá zařízení nejsou upravena pro obecný vstup nebo výstup informací, například obrazových informací.

Podstata vynálezu

Problémem, který je tímto vynálezem řešen je vytvoření okem ovládaného vstupního/výstupního rozhraní určeného pro vkládání a/nebo výstup informací do a/nebo ze zařízení pracujícího s informacemi. Jednou ze stránek tohoto problému je také vytvoření obecného vstupního/výstupního rozhraní umožňujícího vkládání řídících příkazů stejně jako textových a obrazových informací.

toto ·· • toto to • · · • ♦ · · ··· to· ···· • ·· toto ·· · · totototo • · ···<

• «· ··· tototo • · ·· a* · ©♦«. · toto ··

Problém je podle tohoto vynálezu vyřešen zařízením, jehož podstata spočívá v tom, že zahrnuje kolimační a odrazovou optickou sestavu, obraz promítající zařízení, které je uspořádáno v jedné z ohniskových rovin této optické sestavy a světlo částečně propouštějící dělič světla, který je umístěn mezi uvedeným obraz promítajícím zařízení a optickou sestavou tak, že odrazná plocha děliče světla protíná optickou osu uvedené optické sestavy.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále popsán na svých příkladných provedeních s odkazy na připojené výkresy, kde:

Obr. 1 je celkový pohled na optický prvek používaný v jednotlivých provedeních vynálezu;

Obr. 2 zobrazuje druhé provedení optického prvku z Obr 1;

Obr. 3 je pohled na jedno provedení okem ovládaného vstupního/výstupního rozhraní podle tohoto vynálezu;

Obr. 4 znázorňuje dráhu světelných paprsků u provedení vynálezu z

Obr. 3;

Obr. 5A, Obr. 5B a Obr. 6 jsou schematické pohledy na další provedení okem ovládaného vstupního/výstupního rozhraní podle vynálezu; a

Obr. 7 až Obr. 11 zobrazují různá provedení tohoto vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Možnost vytvořit rozhraní podle tohoto vynálezu, které bude mít přijatelnou velikost je velmi závislá na konstrukci optického systému. Obr. 1 až Obr. 4 zobrazují optický prvek 9 mající schopnost lámat světlo i odrážet světlo, které mohou být výhodně zahrnuty u různých provedení tohoto vynálezu.

Obr. 1 zobrazuje první provedení optického prvku 9, u něhož je pozitivní kolimační čočka 10 uspořádána tak, že spolupracuje s odrazovým prvkem 12, dále • 0

0 0 ♦ · · · • 0 · «•«Φ • 00

0000

označovaným jako reflektor. Čočka 10 je výhodně tvořena dvěma nebo více čočkami a je uspořádána tak, aby vytvářela svazek rovnoběžných světelných paprsků z divergentního světla dopadajícího na čočku a přicházejícího ze světelného zdroje 6 umístěného v jednom z ohnisek 5 nebo ohniskových rovin 30 čočky. Reflektor 12 je na Obr. 1 umístěn ve vzdálenosti A od povrchu čočky 10, který je ohnut od světelného zdroje. Optický prvek 9 může také zahrnovat distanční prvky 7 znázorněné schematicky na Obr. 1 a uspořádané tak, aby udržovaly reflektor 12 ve vzdálenosti A od čočky 10. Reflektor 12 je opatřen odraznou plochou 32, mající stejné zakřivení jako povrch čočky IQ, který je ohnut od světelného zdroje. Světelný paprsek přicházející ze světelného zdroje a dopadající na čočku je touto čočkou nejprve lámán a pak odražen reflektorem 12 zpět do čočky.

Obr. 2 zobrazuje druhé provedení optického prvku 9. U tohoto provedení je reflektor 12 umístěn přímo v kontaktu s povrchem čočky 10, který je ohnut od světelného zdroje. Toto uspořádání je zejména výhodné tím, že odrazná plocha reflektoru sleduje povrch čočky a tím může zakřivení reflektoru přesně odpovídat zakřivení čočky. Reflektor může být příkladně vyroben z, nebo může být tvořen kovovými nebo dielektrickými materiály a může být na povrch čočky nanesen příkladně napařením.

Pro určitá použití je vhodné, když je reflektor navržen jako částečně propustný a tím propouštějící určité množství světla dopadajícího na čočku, zatímco zbývající část světla je odrážena zpět do čočky. Reflektor může být také navržen tak, že je propustný pro jednu nebo více zvolených a předem stanovených vlnových délek světla, zatímco ostatní vlnové délky světla jsou reflektorem odráženy zpět do čočky. Například reflektor může být propustný pro světlo v infračervené části spektra a odrážet může ostatní vlnové délky. Reflektor může být také zcela nepropustný. Optický prvek 9 podle tohoto vynálezu je pro zjednodušení dále označován jako nereflektorová čočka.

Výše popsanou reflektorovou čočku 9 lze použít v různých zařízeních vyžadujících použití kolimačního prostředku, zejména pak u takových použití, která vyžadují jeho malé rozměry a/nebo nízkou hmotnost.

Obr. 3 zobrazuje vynález začleněný v zařízení 2 pro detekci směru pohledu oka, přesněji v okem ovládaném vstupním/výstupním zařízení 2, např. komunikačním zařízení, počítači a fotoaparátu. Světelný zdroj 6, příkladně v podobě LCD displeje nebo objektivu zahrnujícího matnici na kterou je obraz promítán, je umístěn v ohniskové rovině reflektorové čočky 9 popsané výše. Částečně průhledný dělič 8 světla, zde v podobě zrcadla, je uspořádán mezi světelným zdrojem 6 a reflektorovou čočkou 9. Za reflektorovou čočkou 9 (ve směru od světelného zdroje 6) je uspořádáno na světlo citlivé zařízení 13, 14, zahrnující zařízení 14 pro záznam obrazu, například v podobě CCD, vidikonové trubice nebo filmu s citlivou vrstvou (např. halogenidu stříbra) a případně čočku nebo objektiv 13 pro zaostření obrazu v obrazové rovině zařízení pro záznam obrazu. Vstupní/výstupní zařízení 2 podle Obr. 3 zahrnuje volitelně prvek 3 určený pro sběr světla odraženého děličem 8 světla. Prvek 3 u některých provedení zařízení 2 chybí, ale u jiných provedení jím může být další na světlo citlivé zařízení podobné zařízení 13, 14. nebo hledáček v podobě otvoru s nebo bez čočky lámající světlo. V těch případech, kdy světelný zdroj 6, obraz zaznamenávající zařízení 14 a/nebo prvek 3 jsou ovladatelné elektricky, nebo mohou vytvářet elektrický výstupní signál, jsou uvedená zařízení opatřena vstupy a/nebo výstupy elektrických signálů.

U jednoho provedení zařízení 2 se obraz umístěn na světelném zdroji 6, který je umístěn v ohniskové rovině reflektorové čočky 9. Světelné paprsky z obrazu procházejí děličem 8 světla a jsou kolimačně lámány v reflektorové čočce 9, načež alespoň část světla je nejprve opětovně odražena skrz reflektorovou čočku 9 a následně odražena děličem 8 světla k otvoru 3. Oko uživatele hledící skrz otvor 3 vidí obraz odražený děličem 8 světla a současně je obraz oka děličem 8 světla odrážen směrem k zařízení 13, 14 citlivému na světlo. Směr pohledu oka pak může být stanoven známým způsobem, například způsobem popsaným ve výše uvedených dokumentech reprezentujících známý stav techniky. Tímto způsobem může být rovněž zjištěna ta část obrazu, na kterou oko hledí.

Dráha světelných paprsků v zařízení podle Obr. 3 je schematicky znázorněna na Obr. 4. Rozbíhavý svazek světelných paprsků pocházející z jednoho bodu světelného zdroje umístěného na optické ose reflektorové čočky 9, «I · který je na výkrese znázorněn plnými čarami, prochází děličem 8 světla a dopadá na reflektorovou čočku 9. Svazek světelných paprsků je kolimován světlo lámající částí 10 reflektorové čočky 9. Rozbíhavý svazek světelných paprsků je pak odražen odrazným prvkem 12 reflektorové čočky 9 zpět skrz světlo lámající část

10. Světlo odražené do reflektorové čočky 9 vychází z této čočky v kolimované podobě, tj. jako svazek rovnoběžných světelných paprsků a je opět odráženo děličem 8 světla k oku 1 zobrazenému na Obr. 4. Světlo z jiného bodu světelného zdroje, jehož příklad je na Obr. 4 znázorněn čárkovanými čarami, je kolimováno a odráženo analogickým způsobem. Rovnoběžné paprsky světla tak dopadají do oka a oko vnímá obraz jako by byl umístěn ve větší vzdálenosti od oka.

Obr. 5A, Obr. 5B, Obr. 6, Obr. 7A, Obr. 7B a Obr. 8 zobrazují okem ovládané vstupní/výstupní rozhraní 2, které kromě výše uvedených součástí dále zahrnuje objektiv pro promítání předmětového obrazu do obrazové roviny. Z Obr. 5B a Obr. 7B je zřejmé, že lze použít různá provedení reflektorové čočky. Použít je možno také známý optický systém. U těchto provedení je obraz předmětu promítán na stejné obraz zaznamenávající zařízení 14, jako je to, které je použito pro zjišťování obrazu oka. U provedení podle Obr. 5A a Obr. 6 je obraz zaznamenávající zařízení 14 otočné kolem osy 16 tak, že toto zařízení 14 může být přepínáno mezi záznamem obrazu oka (Obr. 5A) a záznamem obrazu promítaného objektivem U3, tedy jako kamera. Provedení podle Obr. 7 zahrnuje zrcadlo 20, které je otočné kolem osy 22 tak, že buď obraz oka (Obr. 7A) nebo obraz jiného předmětu může být promítán na obraz zaznamenávající zařízení 14. U těchto provedení, při jejich nastavení do funkce kamery, tj. při rozhraní nastaveném pro záznam obrazu přes objektiv 18, je výhodné, aby zaznamenaný obraz vystupoval na zařízení 6 zobrazujícím obrazy, například na LCD displeji a ukazoval obraz oku. Rozhraní bude pak pracovat jako fotoaparát s hledáčkem a uživatel bude moci pomocí spouště 36 (Obr. 5A a Obr. 7A) zvolit obraz pro uchování nebo pro telekomunikační přenos.

Obr. 9 znázorňuje perspektivní pohled na provedení rozhraní 2 podle tohoto vynálezu, u kterého jsou obraz zobrazující zařízení 6 a obraz zaznamenávající zařízení 13, 14 umístěny ve vzájemně kolmých první a druhé rovině. Dělič 8 světla je uspořádán tak, že odráží světlo ve směru majícím osu • ·

kolmo protínající třetí rovinu, která je naopak kolmá na první i druhou rovinu. Objektiv 18 je umístěn ve čtvrté rovině, která je rovnoběžná se třetí rovinou. Rozhraní 2 dále zahrnuje zrcadlo 24 otočně uspořádané na ose 38. V první poloze (viz Obr. 9) je obraz oka odrážen do obraz zaznamenávajícího zařízení 14. Ve druhé poloze, po otočení zrcadla 24 o 90° kolem osy 38, je místo toho do obraz zaznamenávajícího zařízení 14 odrážen obraz z objektivu. Stejné funkce jako jsou ty, které byly popsány u předchozího provedení, lze nalézt i u tohoto provedení rozhraní 2.

Obr. 10 zobrazuje v bokoryse zrcadlo 24, které je zavěšeno na ose 38, Obr. 11 pak znázorňuje vzájemnou polohu prvků 6, 14 a 18 vzhledem ke směru pohledu oka 1 uživatele.

Obr. 12 znázorňuje použití rozhraní 2, které je komunikačně spojeno s telekomunikačním zařízením 40 a/nebo se zařízením 42 zpracovávajícím informace. Objektiv 18 reprodukuje předmět 39.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Okem ovládané optoelektrické vstupní/výstupní rozhraní, vyznačující se tím, že zahrnuje:

- kolimační a odrazovou optickou sestavu (9);

- obraz promítající zařízení (6) uspořádané v jedné z ohniskových rovin uvedené optické sestavy (9);

- světlo částečně propouštějící dělič (8) světla umístěný mezi uvedeným obraz promítajícím zařízení (6) a uvedenou optickou sestavou (9) tak, že odrazná plocha tohoto děliče (8) světla protíná optickou osu optické sestavy (9).
2. Okem ovládané rozhraní podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále zahrnuje objektiv pro promítání předmětu na obraz zaznamenávající zařízení (14).
3. Okem ovládané rozhraní podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že dále zahrnuje prostředky pro volitelné vystavení uvedeného obraz zaznamenávajícího zařízení (14) světlu z optické sestavy (9) nebo z objektivu (18).
4. Okem ovládané rozhraní podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že dále zahrnuje zrcadlo (20, 24) otočné kolem osy (22, 38) pro volitelné odrážení světla z optické sestavy (9) nebo z objektivu (18) na obraz zaznamenávající zařízení (14).
5. Okem ovládané rozhraní podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že je uspořádáno tak, že obraz zaznamenávaný uvedeným obraz zaznamenávajícím zařízením (14) je zobrazitelný na uvedeném obraz promítajícím zařízení (6).

·* i·
6. Okem ovládané rozhraní podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že pro uchování a/nebo přenášení řídících povelů, textových informací nebo obrazových informací je komunikačně spojeno s telekomunikačním zařízením (40) a/nebo se zařízením (42) zpracovávajícím informace.

• · ··
7. Optické zařízení (9), vyznačující se tím, že zahrnuje:

- pozitivní čočku (10) navrženou pro vytvoření svazku rovnoběžných světelných paprsků z rozbíhavého svazku světelných paprsků dopadajícího na uvedenou čočku a pocházejícího ze světelného zdroje umístěného v ohnisku uvedené čočky;

- světlo odrážející zařízení (12) umístěné na straně čočky, které je ohnuta od světelného zdroje a mající odraznou plochu se stejným zakřivením jako uvedená plocha čočky, která je ohnuta od světelného zdroje.
8. Optické zařízení (9) podle nároku 7, vyznačující se tím, že světlo odrážející zařízení (12) je propustné pro určité množství světla procházejícího čočkou.
9. Optické zařízení (9) podle kteréhokoliv z nároků 7 až 8, vyznačující se tím, že světlo odrážející zařízení (12) je propustné pro předem stanovenou vlnovou délku světla.
10. Optické zařízení (9) podle kteréhokoliv z nároků 7 až 9, vyznačující se tím, že světlo odrážející zařízení (12) je uspořádáno ve vzdálenosti (A) od povrchu čočky (10).
11. Optické zařízení (9) podle kteréhokoliv z nároků 7 až 10, vyznačující se tím, že zahrnuje distanční prvek (7) pro uspořádání světlo odrážejícího zařízení (12) do vzdálenosti (A) od povrchu čočky (10).

·· · · φ ·· φ φ φ φ • ΦΦΦ φφφφ φφφφ φφ φ φ φφφφφ • · φ · · · · φφφφφφ • φ φ φ φ φ φ φφ φφφφ φφφφφφφ φ · ··
12. Optické zařízení (9) podle kteréhokoliv z nároků 7 až 11, vyznačující se tím, že světlo odrážející zařízení (12) se nachází v kontaktu s povrchem uvedené čočky (10).
13. Optické zařízení (9) podle kteréhokoliv z nároků 7 až 12, vyznačující se tím, že světlo odrážející zařízení (12) je napařeno na povrch uvedené čočky (10).
14. Optické zařízení (9) podle kteréhokoliv z nároků 7 až 13, vyznačující se tím, že zahrnuje kovový materiál.
15. Optické zařízení (9) podle kteréhokoliv z nároků 7 až 14, vyznačující se tím, že zahrnuje dielektrický materiál.
16. Kolimační zařízení, vyznačující se tím, že zahrnuje:

- reflektorovou čočku v podobě optického zařízení (9) podle kteréhokoliv z nároků 7 až 15;

- obraz promítající zařízení (6) uspořádané v jedné z ohniskových rovin uvedené reflektorové čočky (9);

- světlo částečně propouštějící dělič (8) světla umístěný mezi uvedeným obraz promítajícím zařízením (6) a uvedeným optickým zařízením (9) tak, že odrazová plocha uvedeného děliče (8) světla protíná optickou osu reflektorové čočky (9).
17. Optoelektrické vstupní/výstupní rozhraní, vyznačující se tím, že zahrnuje:

- - reflektorovou čočku v podobě optického zařízení (9) podle kteréhokoliv z nároků 7 až 15;

• · · » • · · · • · · ·>

* ·· · ··» • « *· «·

- obraz promítající zařízení (6) uspořádané v jedné z ohniskových rovin uvedené reflektorové čočky (9);

- světlo částečně propouštějící dělič (8) světla umístěný mezi uvedeným obraz promítajícím zařízením (6) a uvedeným optickým zařízením (9) tak, že odrazová plocha uvedeného děliče (8) světla protíná optickou osu reflektorové čočky (9);

na světlo citlivé zařízení (13, 14) umístěné tak, že protíná optickou osu reflektorové čočky (9) na straně reflektorové čočky (9) ležící protilehle k obraz promítajícímu zařízení (6) a upravené pro detekci světla procházejícího reflektorovou čočkou (9).
18. Optoelektrické vstupní/výstupní rozhraní podle nároku 17, vyznačující se tím, že uvedené na světlo citlivé zařízení je uspořádáno tak, že zaznamenává světlo odražené do reflektorové čočky (9) děličem (8) světla.