JP2013535022A - 凝視距離および低電力凝視追跡によって動かされる適応レンズを有する眼鏡を製作し使用するためのシステム、方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図12
Description
[0001] 本出願は、2010年5月29日に出願された米国仮特許出願番号第61/349,830号に基づく優先権を主張し、その全体をリファレンスとしてここに組み入れる。この開示は、PCT出願の付録のリファレンスの各々を包含する。
[0021] ある実施形態では、視聴の全ての距離範囲で近視眼をもつユーザのために必要な遠近調節の量を減らす新型の眼鏡が提供され、それによって近視眼の進行を眼精疲労を減らすか、希望を持って減速するか、安定させるかまたは逆転させさえする。眼鏡はそのレンズの光学力を適応させることができ、遠近調節の減少する量は完全な処方強度眼鏡をかけることと比較して近視眼ユーザに要求される。減少した遠近調節量は、完全な処方強度眼鏡より小さくいが、依然として正である。これは収束との潜在的な関係および脳が装う遠近調節を維持するのを助けることができる。その結果、患者が彼または彼女の眼鏡を取り去るときに、脳がそれが異なる距離のための接眼レンズを再び集中させなければならないということを知っているので、彼/彼女はまだ自然に見えることが可能である。別の実施形態では、減少する遠近調節量は最高を僅かに超えてもよく、ユーザは明らかに100%を見なくて、遠い距離の方の焦点に集まりたくなり、それによって、接眼レンズがより薄い形状(そして、低い力)に戻り、潜在的に近視眼の進行を逆転させるのを助ける。眼鏡は視聴距離を知っていることを必要とするかもしれず、それは凝視距離で測定される。本願によって提供される目または凝視トラッカは、赤外線LED照明から目グリントを追うことに基づいている。目または凝視トラッカは、実装に容易でもよい(眼鏡の)埋め込み用途に適しており、、較正のない使用を容易にする従来技術の方法と結合される。
--/M
[0042] 内部連絡102は、一緒にマイクロプロセッサ103およびメモリ108を相互接続し、更にディスプレイ・コントローラ(表示装置107)にそれらを相互接続するセンサ109、そして、周辺機器にとって、装置は例えば入力して/入出力コントローラ 106で(I/O)装置105を出力する。
適応レンズ技術
[0047] 上記したように、眼鏡をかけないときと比較して完全な度付き眼鏡をかけるとき、近視眼患者は近い対象物に注目するとき、それらの接眼レンズに適応しなければならないという事実で苦しみ、それによって、不必要に光学力で高いままのそれらの接眼レンズが強制される。長引く使用によって、接眼レンズは多分それらの最初の形状に戻ることができず、このように患者の近視眼処方を増やす。眼鏡なしで、あまり長い間、近い距離で見ることは、目にとって良い習慣でない。眼鏡については、課題は非常に更に悪化する。
遠近調節減少のモード
[0049] 図2は本願の一実施形態による、異なる遠近調節減少モードのグラフを示す。グラフ200は部分的な減少モード・プロット線202、完全な減少モード構想204、オーバードライブ減少モード・プロット線206を含み、従来のレンズ・プロット線208は、y軸がジオプタ、およびx軸の補正レンズの光学力であるメーターで(可変の「u」によって表される)の本当の被写体との距離である。
凝視距離および凝視追跡
[0057] 本当の被写体との距離(例えば関心物または視聴距離の対象物の距離)を決定することは、平凡な作業でない。常に最も近いものまでが、まっすぐな距離ではなく、−その理由は、例えば、ユーザは一瞬見ることによって横を常に見ることができるからである。したがって、あるユーザが、オートフォーカスの能力(まっすぐな正面のような指定された領域の中で最も鋭いエッジを生成する焦点距離に、それは通常チューニングによって作用する)を有するカメラを使用して、それを眼鏡の正面に取り付ける場合、それは作用しない。最悪のケース・シナリオにおいて、多くの対象物が図の角度の少ない範囲内で異なる距離であるとき、一見角度が僅かに変化するとき、視聴距離は有意に変化することができる。同様に、光または超音波の小さいパルスを発して、視聴距離を決定するために反射のタイミングをモニタする距離測定器装置は、同じ課題を抱え得る。
グリントだけに基づく(GLINT-ONLY BASED)凝視追跡
[0063] 凝視追跡の眼鏡を支持するために、凝視トラッカは、実装するのが容易でなければならなくて、小型実施を容易にするために、低い計算量で、および、低電力でなければならない。したがって、目グリントが、凝視追跡のために使われることができる。角膜の外面に現れている第1の反射および第1のプルキンエ像と呼ばれている対応する生成された位置イメージについては、1点の光源の作動中の照明(それは、赤外線または可視光であってもよい)の下の目はいくつかの反射を生成し、それはしばしばグリントと称する。他の反射は第2、第3、第4のプルキンエ像を生成するが、第1のプルキンエ像はローコスト(低い複雑さ実施態様)のための対象物を追っている目/凝視のために最も良い最も適切なイメージである。
[0069] 上記の方法は多くの目に特有のパラメータが公知であると仮定し、それは較正を必要とする。較正のない凝視-追跡方法は、A Calibration-Free Gaze Tracking Technique, Sheng-Wen Shih et al., International Conference on Pattern Recognition, pp. 201-204, (2000年)に記載され、本願明細書に引用したものとする。この方法は2つのLEDおよび2台のカメラを使用しているこれらのパラメータを引き出すために用いることができ、LEDおよびカメラ間のポイントの相対的な3D座標が公知である(そして、これはそれらが最も、製造の間、このように単純なプレ較正を許し、着実に眼鏡に載置しそうだった時から、満たすのが比較的容易である)と仮定する。較正のない方法は、カメラと関連する角膜センター及びグリントの3D座標がまた、決定されることができるということを有する3D座標を回復することができる。ユーザが様々な角度ペアに彼(女)の目を回転させるよう依頼する場合、この方法が直接dcおよびrcを回復しないにもかかわらず、3Dが調整する角膜センターの跡が球面にdcの半径によって、そして、目の中央のその中心によって付け加えることは明白である。したがって、角膜センターの3D座標の十分なサンプルを集めることによって、球面上の後退は実行されることができ、それゆえ、目の中心のdcおよび3D座標はカメラと関連して回復されることができ、そうすると、座標はまた、容易に原点として目の中心を使用することに変わることができる全ての3Dは前のパラグラフおよび図3のケースである。rcを回復するために、dL = η rc = sqrt((xc- xL)2 + (yc- yL)2 + (zc- ZL)2)- rc= dcL- rcを実現するのに十分であり、ここで(xL、yL、zL)は、LEDの3D座標であり、公知であり、それはdCLがまた公知であることを意味する。ηがdci/rc-1(rcの関数)、及び、dg =ηrc/(2η+l)=rc−dcgとして表され、ここでdcgは、角膜センターとグリントとの間の距離であり、公知である。我々は、次いで、rcの項にηの式を接続することができ、未知の変数rcの方程式dg =ηrc /(2η+l)= rc-dcgを解くことができる。より正確に、解く方程式は、単純化するために(dCL+dcg)* rc-2 dcL*dCg= 0、または、単にrc = 2dCL*dcg/(dCL+dcg)。多数の測定値は、例えば、より正確なrcの評価をするために、平均でrcを推定するために実行されることができる。dcおよびrcがユーザに特有のパラメータであって変化しないので、それらはユーザにつき一度決定されることを必要とするだけである。それで、ちょうど記載されている手順と結合して、較正のない方法はまた、LEDと眼球センターとの間の相対的な3D位置を回復することができる。したがって、最初の使用で眼鏡を自動較正するために単に記載された手順と組み合わせて、A Calibration-Free Gaze Tracking TechniqueにSheng-Wen Shih等によって記載されたアルゴリズムを使用することができ、後で、そのアルゴリズムだけがカメラと関連して角膜センターの再評価3D座標に用いられることができ、かくして、眼鏡ずれを補償するために用いることができるが、再較正の間の計算力およびLED力を節約するためにトラッキング周波数よりも低い周波数でなされる。それから、一旦ずれが補償されるならば、1つのLEDおよび2台のカメラだけはグリントの3D座標を生成するために必要である。加えて、他のLEDがより明るいグリントを出力すると思われる場合、トラッカは異なるLED(しかし、まだ、一度に1つのLEDを使用する)へ切り替えることができる。時々、目がグリントが2つのLEDを有するこのように特定の照明方向から実際に形をなさないほど、非常に回転するので、これは起こることができ、それらの間で知的に切り替えをすることはたぶんより良い結果を提供する。A Calibration-Free Gaze Tracking TechniqueにSheng-Wen Shih等によって記載されたアルゴリズムが、凝視追跡を既に実装し、較正不要であるにもかかわらず、凝視追跡を実行するために、目瞳孔イメージの分析が必要であり、かかる分析は、取り扱うために眼鏡上の組込型回路が複雑すぎてもよい。それ故、目パラメータを自動較正するために上述の手順に沿ってSheng-Wen Shih等によって記載されたアルゴリズムを利用することによって、次いで、ズレに関して補償するためにSheng-Wen Shih等によ記載されたアルゴリズムを使用し、凝視追跡は、この開示で上述したステップでより簡単になる。別の実施形態では、目パラメータ、特にdcおよびrcは、近視眼処方を決定する時にユーザのために測定されることができる。2つのLEDが各々の目のためにある点に注意する。両眼のために、2つの目の間の中心の近くに共有LEDおよびカメラを配置することによって1つのLEDおよび1台のカメラさえ共有することが可能でもよいにもかかわらず、最高4つのLEDが必要かもしれない。そして、ユーザにつきこのように場合によっては合計を3つのLEDおよび3台のカメラに下げるかもしれない。
高性能なCMOSイメージ・センサのための低出力グリント追跡
[0076] 眼鏡ために、適切な凝視トラッカは、インプリメントするのが容易ではならなくて最低で計算でなければならないだけである複雑さ、しかし、また、眼鏡フレームの電池のごくわずかな余地しかないので、低電力を消費する。適応レンズがすでにバッテリ容量の目立つシェアを消費することができることを考えれば、凝視トラッカが、例えば、サブmWレンジの非常に低い力を消費することは非常に好まれる。
PMOSFETソースフォロアを有する修正されたAPS
[0080] 第一に、従来の目/凝視追跡で、通常グレイスケールまたは色イメージとして全ての目のイメージが捕えられ、そして、更に解析される。我々のグリントだけの(glint-only)ベース凝視追跡方法において、我々は、グリントを認めることを必要とするだけであり、それは一般に、他の目の機能より非常に明るい。グリントが強くまだ現れるように、我々がそうすることができるこの手段はイメージ捕獲の露出時間を減らすのに、他の特徴は暗いか暗いピクセルとして主に、現れる。露出時間のこの減少はLED力を節約することができる。その理由は、我々は我々が我々の方法で使用する予定でない目の機能を捕えるために余分な露出時間を過ごす必要はないからである。
バックグランド光干渉を妨ぐ際の近赤外線狭帯域フィルタの効果
[0097] 本願のこの項はまた、どれくらいの光電流が典型的フォトダイオードによって発生すると思われるかについて説明し、したがって、ほぼ同じ電圧が落ちる方法は特定の露出時間の間で予想される。シリコン・ベースのフォトダイオードは近赤外線の約880ナノメートルの波長で、一般に約0.1のA/W感度を有し、それは目/凝視追跡のために概して使用される波長である。我々は、消費される力が2mWを有する目につき1つのLEDを使用する場合、それの1/3は赤外線になり、照明力は0.667mW/目であってもよい。角膜が照らされた領域の約10%を占めると仮定し、比較的同一の照明、角膜は0.667mWの放射線の10%を得る。現在、我々は更に、各々のカメラが反射された照明の完全な2π半球立体角の約1/1000を占めると仮定し、皮膚および目が50%のIR照明(それは、多分過大評価されるだろう)を反射することができる場合、カメラレンズは現在全体の反射された照明の多くても0.5*0.667mW * 1/1000 =333nWを受信する。100x100ピクセル配列については、各々のピクセルは、大部分の333nW/10000 =33.3pWで受ける。0.1A/Wで、各々のフォトダイオードは、光電流の0.1*33.3 =3.33pAを生成する。少なくともSmart CMOS Image Sensors and Applicationsのp.29-31によれば、例えば、この種の電流は3VのVddから約0Vまで落ちるように概して約100msをフォトダイオード電圧と考え、ここで、減少は露出時間および光電流に関してざっと線形である(例えば、より正確な分析について、Smart CMOS Image Sensors and Applicationsのp.29-31を参照)。
2つの露出時間の電圧相違を判断するための2台のコンデンサを有する修正されたAPS
[00104] 上記の説明において、我々は本当のグリントから誤ったグリントを識別するためにすでに時間調整された(オン/オフ)LED照明を利用し、更にそれを続けるために、我々は2つの露出時間を実行することができ、2つの露出時間の間で生じる電圧差を比較することができる。事実、これはJet Propulsion Laboratory article(Ambient-Light-Canceling Camera Using Subtraction of Frames, NASA Tech Briefs (2004年5月)参照。リファレンスとして本願明細書に引用したものとするか。)によっての前から提案されており、2つの画像は撮られ、減算はそれから2つのイメージ上の対応するピクセル間のソフトウェアで実行される。ザミール認識システム(Zamir Recognition Systems)(発行された米特許出願番号第20080203277号参照。リファレンスとして本願明細書に引用したものとする。)は、よりハードウェアで異なる設計ベースが提案されており、周波数変調信号および周波数パスフィルタが使用され、または、時間変調(On/Off)信号が使われることを示唆し、それぞれ、2つの露出時間においてコンデンサが充電され及び放電された。ザミール方法も、1つのコンデンサを有する各々のピクセルについては、ピクセルの2つの列を使用して、算出モジュールを使用している2つのコンデンサの電圧を減じようと提案する。
[00136] 同様に、開示される各々の物理的な要素は、その物理的な要素が容易にする動きの開示を含むと理解されなければならない。
Claims (28)
- 近視を補正するための電気光学装置であって、
少なくとも1つの適用レンズと、
少なくとも1つの電源と、
目トラッカと
を有し、
前記目トラッカが更に、
イメージ・センサと、
前記適用レンズと前記イメージ・センサとに作動可能に接続されたプロセッサとを有し、
前記プロセッサが、前記イメージ・センサから電気信号を受信し、ユーザの凝視距離および近視処方強度に依存した補正パワーで、近視を修正するために前記適用レンズの補正パワーを制御するように構成されることを特徴とする装置。 - 前記適用レンズおよび前記目トラッカが、1mwより小さいパワー消費を呈することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記適用レンズおよび前記目トラッカが、100mwより小さいパワー消費を呈することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記プロセッサが、式1/f = 1/u + 1/fO +l/f_over及び式1/f = 1/fOそれぞれを使用して曲線によって境界が定められた非増加曲線で、補正パワーを調整するように構成され、1/fOが近視処方強度であり、それは負であり、uが、凝視距離であり、l/f_overがオーバードライブモードのポテンシャルに関してユーザによって特定された追加の光学パワー差であり、それは正であることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記非増加曲線が正確に1/f = 1/u + 1/fOであることを特徴とする請求項4に記載の装置。
- 前記非増加曲線が、式1/f = 1/u + l/(l/(a*u+b) + fO)であり、aおよびbが構成パラメータであることを特徴とする請求項4に記載の装置。
- レンズが、エレクトロウェッティング(electrowetting)レンズ、液晶レンズ、および、流体流入(fluid injections)の液体レンズからなるグループから選択された1つであることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記凝視距離が、凝視追跡によって決定されることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記凝視追跡が、複数のLEDおよび、ヘッドマウント構成における目毎の複数のカメラを使用したグリント追跡に基づき、追跡の周波数よりも小さい周波数で自動較正が実行され、自動較正の後、1つのLEDだけが照明として使用され、活性化したLEDは、最も正確な追跡結果を与えるようなLEDとして決定されることを特徴とする請求項8に記載の装置。
- 前記凝視追跡が、ヘッドマウント構成における目毎の1つのカメラおよび1つのLEDを使用したグリント追跡に基づき、全ての目のパラメータが、事前に較正され、前記カメラの2次元グリント座標から3次元グリント座標にマッピングすることは、事前に較正された目のパラメータに基づいて目毎に事前に計算され、凝視方向情報(回転角ペア)を駆動させるのに用いられることを特徴とする請求項8に記載の装置。
- 前記凝視追跡が、グリントの3次元座標を得て、次いで、前記LEDとライン接続を増加させ、原点で球の中心を有する半径dcの球表面を備えたグリントの前記3次元座標を得るために1つのLEDおよび2つのカメラの使用に基づき、角膜中心の3次元座標として前記LEDにより近い交差点を選択し、従って、凝視方向情報(回転角ペア)を導出し、
原点が、追跡される目の中心であり、dcが前記目の中心から前決めの角膜中心までの距離であることを特徴とする請求項9に記載の装置。 - 前記カメラに関する眼球の中心と、前記中心から角膜中心までの半径とが、球表面モデルによって角膜中心の3次元座標のサンプルから回帰によって推測され、
角膜の半径rcが、rc = 2 dCL*dcg /(dCL+dcg)という数学的関係を用いて角膜中心の少なくとも1つの3次元座標から引き続き推測され、dCLおよびdcgが、それぞれ、角膜中心と前記LED(L)との間の距離、および、角膜中心とグリントとの間の距離であることを特徴とする請求項11に記載の装置。 - 前記プロセッサが、ユーザの目の各々から、ユーザが焦点合わせする対象物までの、それぞれ見る2つのラインの増加距離に基づいて凝視距離を計算するように構成されることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 眼鏡フレームを更に有し、
少なくとも1つの適用レンズ、少なくとも1つの電源、および、目トラッカが前記眼鏡フレームと一体であることを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 活性化ピクセルセンサを備えたイメージ・センサを使用して電気光学的装置における低パワー消費の目グリント追跡の方法であって、
プロセッサを使用して決定するステップであって、イメージ・センサが、構成された閾値よりも高い露光を有することを特徴とする、決定するステップと、
イメージ・センサ回路によって、比較されたイメージセンサピクセルを報告するステップと、
対応するピクセルが閾値を超える露光を有する場合、オンにする閾値電圧VthでMOSFETをオンにするステップと、
ピクセルの状態又は結果をオン/オフす保持するようにレジスタ回路またはラッチを使用するステップと、
を有することを特徴とする方法。 - グリントが、近赤外(NIR)照明およびNIR狭帯域フィルタを使用して生成されることを特徴とする請求項15に記載の方法。
- 前記MOSFETが、フォトセンサのものである対向する基板タイプを有し、フォトセンサがフォトダイオードであることを特徴とする請求項15に記載の方法。
- 少なくとも1つのNIR LEDがグリント追跡のために用いられ、
2つの隣接する露光が、オフのLEDを備えた1つの露光で得られ、多の露光が、オンのLEDを備え、グリント候補が以下のステップによってフィルタリングされることを特徴とする;
(1)前記オフのLEDを備えた露光中にオンにされるMOSFETに対応するそれらを有し、虚偽のグリントピクセルとしてそれらをマークする、ピクセルの位置を記録するステップと、
(2)前記オンのLEDを備えた露光中にオンにされるMOSFETに対応するそれらを有し、所定の閾値距離より下である、前記ステップ(1)から虚偽のグリントピクセルに対して近位の位置を有するそれらを排除したピクセルの位置を記録するステップと、
(3)近位の位置によるステップ(2)から残りのピクセルをクラスタ化し、グリントとして各クラスタの中心を報告するステップと、
を有することを特徴とする請求項17に記載の方法。 - 追加のトランジスタが、VddからVdd−Vthまで前記MOSFETのソース電圧を低下させるように用いられ、Vddが前記追加のトランジスタの正の供給電圧であることを特徴とする請求項17に記載の方法。
- レジスタまたは空乏エンハンスメントMOSFETが、ピクセルのVo(出力電圧)のロードとして使用されることを特徴とする請求項17に記載の方法。
- ピクセルの2次元アレイの行のピクセルの複数の列が、同時にアクセスされ、優先順位エンコーダまたは競争式(WTA)回路が1つの時間でピクセルをオンにする選択をするように用いられることを特徴とする請求項17に記載の方法。
- それぞれ、2つの隣接する露光中に、2つのコンデンサがチャージを保持するように使用され、第1の露光が、オフLEDを有し、第1のコンデンサに関してチャージを制御し、第2の露光が、オンLEDおよびを有し、第2のコンデンサに関してチャージを制御し、MOSFETのゲートピンが、第1のコンデンサのアノードに接続され、そのソース又はドレインが、第2のコンデンサのアノードに接続され、LED照明がVthよりも大きな2つのコンデンサの間で異なる電圧を生成する場合、MOSFETがオンになることを特徴とする請求項15に記載の方法。
- MOSFETがnMOSFETであり、ゲートピンが、第1のコンデンサの前記アノードに接続され、ソースピンが、第2のコンデンサの前記アノードに接続されることを特徴とする請求項22に記載の方法。
- リセットトランジスタと統合されたフォトダイオードが更に、2つのチャージ制御トランジスタと統合され、各チャージ制御トランジスタが、コントロールゲートの形態で、浮遊拡散をフォトダイオードのnウェル領域に接続することを特徴とする請求項23に記載の方法。
- MOSFETがpMOSFETであり、ゲートピンが、第2のコンデンサの前記アノードに接続され、ソースピンが、第1のコンデンサの前記アノードに接続されることを特徴とする請求項22に記載の方法。
- MOSFETの出力電圧が、Vss (ground) > Vdd - (k+l)VthでCMOSロジック回路に対する入力として供給され、kVthが、LED照明によって寄与される期待された電圧ドロップであり、k≧1であることを特徴とする請求項25に記載の方法。
- 遠視を補正するための電気光学的装置であって、
少なくとも1つの適用レンズと、
少なくとも1つの電源と、
目トラッカと
を有し、
前記目トラッカが更に、
イメージ・センサと、
前記適用レンズと前記イメージ・センサとに作動可能に接続されたプロセッサとを有し、
前記プロセッサが、前記イメージ・センサから電気信号を受信し、ユーザの凝視距離および遠視処方強度に依存した補正パワーで、遠視を修正するために前記適用レンズの補正パワーを制御するように構成されることを特徴とする装置。 - 眼鏡フレームを更に有し、
少なくとも1つの適用レンズ、少なくとも1つの電源、および、目トラッカが前記眼鏡フレームと一体であることを特徴とする請求項27に記載の装置。
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