DE102008045774A1 - Arrangement for detection of reflex from eye, has two illumination systems, which produce same light power spectral density of viewer, where former illumination system produces eye reflexes on two-dimensional optical detector - Google Patents

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Abstract

The arrangement has two illumination systems, which produce the same light power spectral density of viewer. The former illumination system produces eye reflexes on two-dimensional optical detector and has light sources.

Description

Technische Beschreibungtechnical description

Stand der TechnikState of the art

Als Beispiel für den Stand der Technik dient das Patent US 4,836,670 vom Thomas Hutchinson.An example of the state of the art is the patent US 4,836,670 from Thomas Hutchinson.

Zur Erkennung der Position der Augenpupille wird Reflex von der Netzhaut mit einer Kamera aufgenommen, anschließend wird zur Berechnung der Blickrichtung auch der Reflex von der Hornhaut benutzt. Die Erkennung des Reflexes von der Netzhaut ist dabei von zentraler Bedeutung.to Detecting the position of the eye pupil becomes reflex of the retina taken with a camera, then becomes the calculation the line of sight also uses the reflex of the cornea. The Recognition of the reflex from the retina is of central importance Importance.

Zur Messung des Reflexes von der Netzhaut wird eine Leuchtdiode innerhalb der Öffnung eines Objektivs untergebracht. Diese Beleuchtung reicht allerdings für zuverlässige Funktion im hell beleuchteten Büro oder im Fahrzeug nicht aus. Aus diesem Grund hat dieses Verfahren in der Praxis nur begrenzte Verbreitung gefunden.to Measuring the reflex of the retina becomes a light-emitting diode within housed the opening of a lens. This lighting is sufficient for reliable function in the brightly lit office or not in the vehicle. Out For this reason, this method has in practice only limited distribution found.

Störungen durch fremde Lichtquellen können durch die Verwendung einer schmalbandigen Beleuchtung, zusammen mit einem optischen Bandpassfilter vor der Kamera, zum Teil unterdrückt werden.disorders by foreign light sources can by the use of a narrowband lighting, along with an optical bandpass filter in front of the camera, partly suppressed.

Schwerwiegender sind Reflexe vom Gesicht, oder von Gegenständen aus der Umgebung, die auf diese Weise nicht beseitigt werden können. Diese Reflexe haben oft ähnliche oder größere Intensität als Reflexe von der Netzhaut bei der Beleuchtung nach USP 4,836,670 .More serious are facial reflexes or environmental objects that can not be removed in this way. These reflexes often have similar or greater intensity than reflexes from the retina when illuminated USP 4,836,670 ,

Bei den medizinischen oder militärischen Systemen besteht die Möglichkeit, störende Reflexe durch Unterbringung der Kamera am Kopf oder in seiner Nähe zu reduzieren. Dabei wird auch die Beweglichkeit der Person eingeschränkt, deswegen sind für eine Verwendung im Büro oder im Fahrzeug solche Verfahren nicht geeignet.at the medical or military systems is the Possibility of annoying reflexes through accommodation reduce the camera at the head or in its vicinity. there is also the mobility of the person restricted, that is why for use in the office or in the vehicle such Procedure not suitable.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description the invention

Das neue Verfahren ermöglicht eine zuverlässige Erkennung des Reflexes von der Netzhaut des Auges in einer realen Umgebung im Büro oder im Fahrzeug. Der Reflexionsgrad der Netzhaut des Auges beträgt im nahen Infrarotbereich ca. 30% und ist damit sehr viel stärker, als der Reflex von der Hornhaut, der nur ca. 4% erreicht. Auch die meisten störenden Reflexe aus der Umgebung haben wesentlich geringere Intensität, als der Reflex von der Netzhaut.The new process allows reliable detection the reflex of the retina of the eye in a real environment in the office or in the vehicle. The reflectance of the retina of the eye is in the near infrared range about 30% and is thus much stronger than the reflex of the cornea, which only reaches about 4%. Also the most annoying reflexes from the environment have much lower intensity, as the reflex of the retina.

Das Licht einer punktförmigen Lichtquelle wird von der Augenlinse auf die Netzhaut fokussiert. Untersuchungen haben ergeben, dass die kleinste Größe eines Lichtpunktes auf der Netzhaut im sichtbaren Bereich zwischen 7 ... 30 Mikrometer liegt. Im sichtbaren Bereich wird das Licht auf den Lichtrezeptoren zum größten Teil absorbiert, im infraroten Bereich dagegen dringt es in die Netzhaut ein und wird auf deren Schichten und Nervenfasern gestreut.The Light from a point light source is emitted from the eye lens focused on the retina. Investigations have shown that the smallest size of a spot of light on the Retina in the visible range between 7 ... 30 microns. In the visible range, the light on the light receptors to largest part absorbed, in the infrared range on the other hand it penetrates into the retina and becomes on its layers and nerve fibers scattered.

Diese Streuung und optische Fehler der Augenoptik führen zur Vergrößerung des Abbildes der Lichtquelle. Dieser vergrößerte Lichtfleck wird von der Augenlinse zurück auf die Lichtquelle abgebildet. Ähnlich entsteht auch der in der Fotografie gut bekannte „rote Augen Effekt”.These Scattering and optical aberrations of the optics lead to Magnification of the image of the light source. This enlarged light spot is from the eye lens pictured back to the light source. Similar also arises the well-known in photography "red Eye effect ".

Das Auge stellt einen Rückreflektor dar.The Eye represents a back reflector.

Der Durchmesser des reflektierten Lichtpunktes hängt von den optischen Fehlern des Auges und von der Entfernung ab, im typischen Fall beträgt er zwischen 0.3 bis 1 mm.Of the Diameter of the reflected light depends on the optical errors of the eye and from the distance, in the typical Case it is between 0.3 to 1 mm.

Nur wenn die Lichtquelle kleiner als der zurück reflektierte Lichtpunkt ist, kann ein wesentlicher Teil des Lichtes auf den hinter ihr befindlichen Detektor gelangen.Just when the light source reflected less than the one back Point of light is a substantial part of the light on the back get her located detector.

Nachteil einer kleinen Lichtquelle liegt in ihrer begrenzten Lichtleistung. Dieses Problem lässt sich mit einem Laser lösen, allerdings darf dann die Strahlungsdichte wegen der Sicherheitsauflagen maximal 0.05 mW/m2 betragen.Disadvantage of a small light source is their limited light output. This problem can be solved with a laser, but then the radiation density may be a maximum of 0.05 mW / m 2 due to the safety requirements.

Für zuverlässige Funktion ist eine wesentlich stärkere Beleuchtung erforderlich. Dieses Problem wird durch die Verwendung einer Vielzahl von kleinen Lichtquellen gelöst.For reliable function is a much stronger one Lighting required. This problem is caused by the use solved a variety of small light sources.

Zur Unterdrückung von störenden Reflexen werden weiter zwei Beleuchtungssysteme verwendet, wie in der 1 dargestellt.To suppress disturbing reflections two lighting systems are further used, as in the 1 shown.

Das erste Beleuchtungssystem besteht aus zweidimensional angeordneten kleinen Lichtquellen.The first lighting system consists of two-dimensionally arranged small light sources.

Vorzugsweise wird eine zweidimensionale Anordnung aus Leuchtdioden aufgebaut, die auf einem transparenten Substrat montiert werden.Preferably If a two-dimensional arrangement of light-emitting diodes is constructed, which are mounted on a transparent substrate.

Eine Anordnung aus 20 LED's mit einem Durchmesser 150 μm erreicht eine Lichtleistung von über 100 mW, die eine zuverlässige Erkennung der Augenreflexe auch über größere Entfernung ermöglicht.A Arrangement of 20 LED's achieved with a diameter of 150 microns a light output of over 100 mW, which is a reliable Detection of eye-reflexes even over larger ones Distance allows.

Grundsätzlich ist es möglich, mit jeder Art von Lichtquellen ein Array aufzubauen.in principle It is possible with any kind of light sources an array build.

Eine andere mögliche Ausführung des ersten Beleuchtungssystems besteht aus einen Bündel aus Lichtleitleitern, der am Eingang beleuchtet wird. Die Ausgänge der einzelnen Lichtleiter werden über die Öffnung des Objektivs verteilt.Another possible embodiment of the first illumination system consists of a bundle of optical fibers illuminated at the entrance. The outputs of each fiber are distributed across the aperture of the lens.

Eine andere mögliche Ausführung besteht aus kleinen Strahlern aus fluoreszierendem Farbstoff, die mit einem UV Strahler angeregt werden.A another possible design consists of small ones Emitters of fluorescent dye, with a UV lamp be stimulated.

Durch die hohe Anzahl von kleinen Lichtquellen kann insgesamt eine hohe Lichtleistung erreicht werden.By The high number of small light sources can be high overall Light output can be achieved.

Ein wesentliches Merkmal dieser Anordnung besteht darin, dass sie keine optischen Strahlteiler, auf deren Oberflächen unweigerlich störende Reflexe entstehen, verwendet.One The essential feature of this arrangement is that it no optical beam splitter, on the surfaces inevitably disturbing reflexes arise, used.

Die verwendeten kleinen Lichtquellen müssen mindestens in einer Richtung kleiner, als der vom Auge reflektierte Lichtpunkt sein, sie können z. B. kreisförmig, rechteckförmig, oder strichförmig sein.The used small light sources must be at least in one Direction smaller than the light point reflected by the eye, they can z. B. circular, rectangular, or be line-shaped.

Um die Beleuchtung für das Auge unsichtbar zu machen, ist es üblich die Wellenlänge im nahen Infrarotbereich, von ca. 750 nm bis 1500 nm zu wählen. Für Lichtwellenlängen oberhalb von 1500 nm ist das Auge nicht durchlässig.Around making the lighting invisible to the eye is it is common for the wavelength in the near infrared range, from about 750 nm to 1500 nm. For light wavelengths above 1500 nm, the eye is not permeable.

Wie üblich wird vor der Kamera ein nicht dargestelltes optisches Filter angebracht, das vorwiegend nur die Wellenlänge der Lichtquellen durchlässt. Solche Filter gehören zum Stand der Technik und können z. B. von der Firma Schott in Mainz bezogen werden.As usual an unillustrated optical filter is placed in front of the camera, the predominantly only the wavelength of the light sources lets through. Such filters are state of the art and can z. B. from the company Schott in Mainz.

Wesentlicher Merkmal der Erfindung ist die Verwendung eines weiteren zweiten Beleuchtungssystems. Es erzeugt in der Ebene des Betrachters die gleiche optische Leistungsdichte, wie das erste Beleuchtungssystem und kann unabhängig aktiviert werden.essential A feature of the invention is the use of a further second Lighting system. It creates in the plane of the viewer the same optical power density as the first lighting system and can be activated independently.

Wie bereits erklärt wurde, ist das erste Beleuchtungssystem so aufgebaut, dass das von der Netzhaut reflektierte Licht auf den hinter ihm liegenden Detektor gelangen kann.As already explained, is the first lighting system designed so that the light reflected from the retina on the behind him can reach detector.

Bei der Beleuchtung mit dem zweiten Beleuchtungssystem wird das von der Netzhaut zurück reflektierte Licht auf den Detektor nicht durchgelassen. Die Kamera sieht nur das vom Gesicht und von der Umgebung gestreute Licht.at the lighting with the second lighting system is that of the retina reflected back light onto the detector not allowed. The camera sees only the face and the Environment scattered light.

Hinter den Lichtquellen des zweiten Beleuchtungssystems können Blenden angebracht werden, die das von der Netzhaut reflektierte Licht abfangen. In der bevorzugten Ausführung, die auf dem Bild 1 dargestellt ist, werden Lichtquellen des zweiten Beleuchtungssystems außerhalb der Öffnung des Detektors angebracht.Behind the light sources of the second illumination system can Apertures that reflected the retina Intercept light. In the preferred embodiment, the 1, light sources of the second illumination system mounted outside the opening of the detector.

Im Folgenden wird die Funktionsweise der zwei Beleuchtungssysteme näher erläutert.in the Following is the operation of the two lighting systems closer explained.

Zuerst wird nur das erste Beleuchtungssystem aktiviert und ein erstes Bild mit der Kamera aufgenommen. Danach wird nur das zweite Beleuchtungssystem aktiviert und ein zweites Bild aufgenommen. Anschließend werden beide Bilder voneinander subtrahiert.First Only the first lighting system is activated and a first image taken with the camera. After that, only the second lighting system activated and a second picture was taken. Subsequently Both images are subtracted from each other.

Beide Bilder unterschieden sich im Wesentlichen nur durch die Reflexe von der Netzhaut.Both Images differed essentially only by the reflexes from the retina.

Bei der Subtraktion beider Bilder werden, mit Ausnahme der Reflexe von der Netzhaut, alle anderen Bildanteile und Störungen durch fremde Lichtquellen zum großen Teil unterdrückt.at the subtraction of both images, with the exception of the reflexes of the retina, all other image parts and disorders foreign light sources largely suppressed.

In der Praxis wurden noch bessere Ergebnisse erzielt, wenn das zweite Bild vor der Subtraktion mit einem empirischen Faktor zwischen ca. 0.7 bis 1.5 multipliziert wurde.In In practice, even better results were achieved when the second Picture before subtraction with an empirical factor between ca. 0.7 to 1.5 was multiplied.

Als Detektor wird in der 1 eine Kamera mit Objektiv dargestellt.As a detector is in the 1 a camera with lens shown.

Es bietet sich an, eine handelsübliche Kamera mit Autofokus Funktion zu verwenden. Die Kamera ist auf die Ebene des Betrachters scharfgestellt.It lends itself to a commercially available camera with autofocus Function to use. The camera is on the level of the viewer focus.

Eine CCD oder CMOS Kamera besteht aus Fotodioden, die zweidimensionale angeordnet sind. Es ist grundsätzlich möglich, entweder eine Kamera oder ein anderes Array aus Fotodioden zu verwenden.A CCD or CMOS camera consists of photodiodes, the two-dimensional are arranged. It is basically possible either to use a camera or other array of photodiodes.

Aus dem Bild der Kamera kann der räumliche Winkel der Augenreflexe bestimmt werden.Out The image of the camera can be the spatial angle of the eye reflexes be determined.

Wenn zwei oder mehrere Systeme nach 1 verwendet werden, lässt sich mit Hilfe von trigonometrischen Formeln die absolute Position der Augen ermitteln.If two or more systems after 1 can be used to determine the absolute position of the eyes using trigonometric formulas.

Auf 2 wird bei der gleichen Beleuchtung wie in 1 ein anderer Detektor verwendet, mit dem die Lichtverteilung der Reflexe von der Netzhaut in der Ebene der Lichtquellen erfasst wird.On 2 will be at the same lighting as in 1 another detector is used to detect the light distribution of the reflections from the retina in the plane of the light sources.

Die Anordnung nach 2 ermöglicht eine einfache Erkennung der Blickrichtung. Sie ist besonders dazu geeignet, einen direkten Blick auf die Lichtquellen zu erkennen.The arrangement after 2 allows easy detection of the viewing direction. It is particularly suitable to recognize a direct view of the light sources.

Die Anordnung besteht aus einem Linsenarray und einem Objektiv. Jeder Lichtquelle und jedem zurückreflektierten Strahl wird eine Linse des Linsenarrays zugeordnet.The Arrangement consists of a lens array and a lens. Everyone Light source and each reflected beam is a Lens associated with the lens array.

Punktprofile in der Ebene der Lichtquellen werden im Fokus des Objektivs überlagert, wodurch die Lichtintensität an der Kamera erhöht wird.Point profiles in the plane of the light sources are superimposed on the focus of the lens, increasing the light intensity on the camera.

In beiden 1 und 2 hängt die Form der Reflexe von der Netzhaut von der Blickrichtung ab.In both 1 and 2 The shape of the reflexes depends on the retina from the viewing direction.

Wenn die Augen direkt auf die Lichtquellen gerichtet sind, haben die reflektierten Lichtpunkte kleinsten Durchmesser und sind im Wesentlichen rund.If the eyes are aimed directly at the light sources, the Reflected points of light smallest diameter and are essentially round.

Wenn die Augen nicht direkt auf die Lichtquellen gerichtet sind, verformt sich der vom Auge in der Ebene der Lichtquellen gebildete Lichtpunkt, er wird größer und elliptisch. Aus der Form der Lichtpunkte kann die Blickrichtung bestimmt werden.If the eyes are not aimed directly at the light sources, deformed the point of light formed by the eye in the plane of the light sources, he gets bigger and elliptical. From the shape of Points of light, the viewing direction can be determined.

Es ist daran gedacht, beide Ausführungen 1 und 2 in einem Gerät zu vereinen, indem ein umschaltbares optisches System benutzt wird.It is thought both versions 1 and 2 in a device using a switchable optical system.

In einigen praktischen Anwendungen führt die Verwendung von polarisierten Lichtquellen zusammen mit einem polarisierenden Filter im Detektor zu einer weiteren Unterdrückung von störenden Reflexen.In some practical applications leads to the use of polarized light sources together with a polarizing filter in the detector for a further suppression of interfering Reflections.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - US 4836670 [0001] - US 4836670 [0001]
  • - US 4,836,670 P [0005] US 4,836,670 P [0005]

Claims (7)

Anordnung zur Erkennung des Reflexes vom Auge dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes und ein zweites Beleuchtungssystem verwendet wird, die beide in der Ebene des Betrachters gleiche Lichtleistungsdichte erzeugen, wobei nur die durch das erste Beleuchtungssystem erzeugten Augenreflexe auf einen zweidimensionalen optischen Detektor gelangen.Arrangement for detecting the reflex of the eye, characterized in that a first and a second illumination system is used, both of which produce the same light power density in the plane of the observer, wherein only the eye reflexes generated by the first illumination system arrive at a two-dimensional optical detector. Anordnung nach dem Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das erste Beleuchtungssystem aus Lichtquellen besteht, derer Abmessungen kleiner, als der von der Netzhaut des Auges reflektierter Lichtpunkt sind.Arrangement according to claim 1, characterized that the first illumination system consists of light sources, the Dimensions smaller than the light spot reflected from the retina of the eye are. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass als Detektor eine zweidimensionale Anordnung aus Fotodioden verwendet wird, auf die mit einem optischen System die Ebene des Betrachters abgebildet wird.Arrangement according to one of claims 1 or 2 characterized in that the detector is a two-dimensional Arrangement of photodiodes is used on which with an optical System the level of the viewer is mapped. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass als Detektor eine zweidimensionale Anordnung aus Fotodioden verwendet wird, auf die mit einem optischen System die Ebenen der Lichtquellen des ersten Beleuchtungssystems abgebildet werden.Arrangement according to one of claims 1 or 2 characterized in that the detector is a two-dimensional Arrangement of photodiodes is used on which with an optical System the levels of the light sources of the first lighting system be imaged. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Bild mit dem ersten Beleuchtungssystem und ein zweites Bild mit dem zweiten Beleuchtungssystem aufgenommen werden und anschließend beide Bilder linear kombiniert werden.Arrangement according to one of claims 1 to 4 characterized in that a first image with the first illumination system and a second image taken with the second illumination system and then combine both images linearly. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass aus der Lage und Form der Augenreflexe die räumliche Position der Augen und die Blickrichtung bestimmt wird.Arrangement according to one of claims 1 to 5 characterized in that from the location and shape of the eye reflexes the spatial position of the eyes and the direction of view is determined. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen polarisiertes Licht aussenden und der Detektor mit einem polarisierendem Filter versehen wird.Arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the light sources polarized light send out and provide the detector with a polarizing filter becomes.
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