KR101941321B1 - 눈-추적기 조명 - Google Patents

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Abstract

대상체(180)가 조명되고, 상기 대상체의 적어도 하나의 눈의 움직임이, 결과 데이터(DEYE)를 생성하기 위하여 눈-추적기에 의해 기록된다. 이를 위하여, 광 생성 수단(140) 내의 코히런트 광원은 적어도 하나의 명확한 광선(L1, L2)을 생성한다. 회절성 광학 구성요소는 코히런트 광원과 광 생성 수단(140)의 출력부 사이에 배치된다. 회절성 광학 구성요소는 광선(L1)을 대상체(180)의 적어도 하나의 눈을 덮도록 추정되는 제1 지정된 영역(A1)으로 향하도록 구성된다. 이미지 기록 수단(150)은 대상체(180)에 대해 반사되었던 적어도 하나의 광선(L1, l2)으로부터의 광을 기록한다. 결과 데이터(DEYE)는 이들 광 반사에 응답하여 생성되고, 상기 결과 데이터(DEYE)는 대상체(180)의 적어도 하나의 눈의 움직임을 나타낸다.

Description

눈-추적기 조명{EYE-TRACKER ILLUMINATION}
본 발명은 대상체를 조명하고, 눈-추적기에 의해 상기 대상체의 적어도 하나의 눈의 움직임을 기록하여 결과 데이터(즉, 눈 및/또는 시선 위치에 관한 정보)를 생성하는 것과 관련된다. 이 데이터는 결국, 컴퓨터 장치를 제어하거나 분석 목적(가령, 심리학 연구와 관련하여, 또는 다양한 질병을 진단할 때)을 위해 독점적으로 기록되는데 사용될 것이다. 관측자의 각각의 눈의 위치에 대한 정확한 정보는, 오토-스테레오스코픽 디스플레이(auto-stereoscopic display)가, 몰입형(immersive) 3차원 효과를 위하여, 정확한 이미지가 각 눈을 향하여 렌더링(render)되거나 투형(project)되는 것을 보장하는데 있어서 필수적이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 장치에 관한 것이다.
종래 기술은 눈-추적기를 위한 방향성 광학 조명기를 포함한다. 이러한 조명기는, 각 시점에서, 대상체가 움직이는 크기내의 표면의 일부만을 조명하기 때문에, 고정된 조명기에 비해 이점이 있다. 따라서, 전력은, 조명되지 않은 비-조명된 표면의 크기에 비례하여 보존된다. 미국 특허 제2010/0066975호는, 이미징 광학 또는 콜리메이트 빔(collimated beam)을 가진 매트릭스-기반의 조명기 및 조명을 눈-추적기의 사용자에게 향하도록 하는 기울일 수 있는 거울을 사용하여 해결책을 기술한다.
더구나, 회절성 광학 구성요소(DOE)가 알려져 있는데, 이는 코히런트 광선을 임의적 강도 패턴(arbitrary intensity pattern)으로 변환시키도록 구성된다. 간단한 DOE 설명은 URL http://www.rpcphotonics.com/optical.asp를 통해 가능하다.
미국 특허 제2004/0213463호는 이미징과 범위 검출을 위한 해결책을 공개하는데, DOE-기반의 기술은 광의 공간적인 인코딩(endcoding)을 위해 사용된다. 여기서, 광 패턴의 위치와 모양은 다른 DOE를 광선내로 삽입시켜서, 곧바로 변할 수 있다.
DOE는 가끔 홀로그래픽 광학 구성요소(holographic optical element)로도 언급된다. 이러한 경우에, DOE는 종종 위상 마스크(phase mask), 아날로그 또는 디지털을 포함하는데, 이는 코히런트 광선을 원하는 공간 패턴으로 변환하도록 구성된다. 전형적으로, 위상 증폭은 1 파장 보다 작다. DOE가 진폭 마스크(amplitude mask)를 포함할 수도 있다.
미국 특허 제2010/0066975호에서 개시된 해결책이 많은 중요한 우수함을 가지고 있더라도, 개선의 여지가 있다. 예를 들어, 디자인은 이미징 렌즈와 거울과 같은 고전적인 광학에 기초한다. 이는 결국, 디자인이 비교적 부피가 크고, 복잡하며 기계적 손상에 취약하도록 만든다.
일반적으로, LED 및 고전적인 광학 기술에 기초한 전통적인 눈-추적기 조명기도 다음 약점과 관련된다.
전기 에너지를 광에너지로 변환하는 것과 관련하여, LED의 효율성은 비교적 낮다. 광학에서의 효율은 마찬가지로 비교적 낮다. 또한, 넓은 대역폭 때문에, LED 조명기의 최고 파장이 NIR 스펙트럼에 있음에도 불구하고, LED 조명기는 무심코 가시광을 생산할 수 있다. 물론, 이는 조명된 대상체를 주위 산만하게 할 수 있다. 넓은 대역폭이 사용되기 때문에, 주변광도 이미지 센서에 도달하여 혼란을 일으킬 수 있다.
밝은 동공 추적을 목표로 할 때, 조명기는 이미지 기록 수단의 광축에 가능한 인접하여 위치되는 것이 바람직하다. 따라서, 가능한 작은 조명기가 매력적이다. LED 조명기는 보통 복수의 LED의 매트릭스를 포함하는 오늘날의 눈-추적기에서 사용되었다. 결과적으로, LED 조명기는 비교적 커졌다. 게다가, 생산 단가는 필요한 칩의 수만큼 올라간다. 복수의 LED가 복수의 칩에 비례하기 때문에, LED 조명기의 단가는 비교적 높은 경향이 있다.
LED의 또 다른 특징은 소위 람베르트(Lambertian) 광원을 나타낸다는 것이다. 이는 그 빛이 방향에 있어 독립적이라는 것을 의미한다. 다시 말해, 반값 전폭(full width half maximum)이 전형적으로 ± 60도인 방사각(radiation angle)이 ± 90도로 확장된다. 그러므로, 유효하게 결합을 위하여 큰 개구수(numerical aperture)가 요구되고, 즉, 높은 전송이 요구되고, 이는 즉, 광학기기의 부피를 크게 하고 비싸게 만든다.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 완화시키고, 복잡하지 않으면서, 컴팩트하고, 강건하면서도 에너지-효율적인 눈-추적기 장치를 위한 조명 해결책을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 앞서 기술된 장치에 의해 달성되는데, 광생성 수단은 코히런트 광원 및 회절성 광학 구성요소를 포함한다. 코히런트 광원은 명확한 광선의 코히런트 광을 생성하도록 구성된다. 바람직하게는, 코히런트 광원은 얼마간의 코히런스를 보이고, 10 nm 미만의 대역폭을 가진 멀티-모드 레이저 다이오드를 포함한다. 그러나, 적어도 얼마간의 코히런스를 보이는 조명의 다른 형태도 코히런트 광원으로서 사용될 수 있다. 회절성 광학 구성요소는 광선을 제1 지정된 영역으로 향하도록 구성되고, 상기 제1 지정된 영역은 대상체의 적어도 하나의 눈을 덮도록 추정되며, 상기 대상체의 눈의 움직임이 기록될 것이다. 바람직하게는, 본 장치는 제1 지정된 영역의 위치를 적응적으로 제어하도록 구성되어서, 제1 지정된 영역은 각 시점에서, 대상체의 추정된 눈 영역을 덮는다.
본 장치는 눈-추적과 가장 관련된 영역에 정확한 조명을 가능하게 하기 때문에 유리하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1 지정된 영역은 조명 패턴을 나타내고, 조명된 영역은 이미지 기록 수단의 시야내에 위치된다. 따라서, 광의 최소양이 소모되고, 즉, 적은양의 광이 이미지 기록을 위해 필요한 영역을 향한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 본 장치는 스페클 감소 수단을 포함한다. 스페클 감소 수단은, 전형적으로 이미지 기록 수단이 결과 데이터가 생산되는 것에 기초하여 이미지 데이터를 캡쳐하는데 필요한 시간에 해당하는 기설정된 시간 간격 동안에, 코히런트 광원으로부터의 광이 제1 지정된 영역상에 본질적으로 균일하게 분포되도록 함에 의하여, 제1 지정된 영역 내의 코히런트 광원으로부터의 광의 스페클-관련된 강도 변화를 줄이도록 구성된다.
따라서, 스페클 감소 수단은 회절성 광학 구성요소가 코히런트 광원에 대하여 움직일 수 있도록 구성되는 오실레이터를 포함할 수 있다. 대안적으로, 코히런트 광원은 적어도 두 개의 분리된 스펙트럼 라인을 포함하는 스펙트럼을 가진 광을 발산하도록 구성된 고정된 멀티모드 레이저(static multimode laser)(가로의 및/또는 세로의)를 대신 포함하고, 여기서, 각 라인에 의해 표현된 광은 여기 특별하고 분명한 스페클 패턴과 연관이 있다. 따라서, 제1 지정된 영역상의 결과적인 전체 광 분포는 본질적으로 균일하게 된다. 또 다른 대안예에 따르면, 스페클 감소 수단은 코히런트 광원이 일시적으로 가변하는 스페클 패턴을 가진 광을 생산하는 방식으로 코히런트 광원을 시간-변조하도록 구성된 변조 수단(modulating means)을 포함할 수 있다. 다시, 시간이 흐르면서, 제1 지정된 영역상의 결과적인 전체 광 분포는 본질적으로 균일하게 된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 본 장치는 코히런트 광을 받아서, 받은 광의 적어도 일부를 대상체로 향하게 하도록 구성된 광 조절 구성요소를 포함한다. 바람직하게는, 광 조절 구성요소는 제1 광선의 부분로서 받은 광의 상기 일부를 제1 지정된 영역으로 향하게 하도록 구성된 회절성 광학 구성요소를 포함한다. 결과적으로, 본 장치는 강건하고 컴팩트한 디자인을 가진다.
본 발명의 바람직한 추가 실시예에 따르면, 이미지 기록 수단은 결과 데이터를 생산하도록 구성된 센서 구성요소의 업스트림에 배치되는 필터 구성요소를 포함한다. 필터 구성요소는, 주변광으로부터 나오는 눈 및/또는 안경의 원하지 않는 반사의 형태의 방해를 감소시키기 위하여, 가시광을 차단하도록 구성된다. 추가로 바람직하게는, 필터 구성요소가 코히런트 광원가 가지는 에너지 발산 최고점에 대해 매칭되는 통과대역을 가진다. 따라서, 이상적으로, 필터 구성요소는 코히런트 광원의 에너지 발산 최고점 주위에 중심이 있는 비교적 좁은 통과대역을 가진다. 대안적으로, 필터 구성요소는 가시광을 제외하고, 에너지 발산 최고점과 NIR(적외선 근처) 광을 통과시킬 수 있게 하는 로우-패스 필터를 포함할 수 있다. 아무튼, 필터 구성요소는 이미지 기록 수단 내의 렌즈 구성요소의 전면 또는 후면에 배치되거나 렌즈 구성요소에 통합될 수 있다. 대안적으로, 필터 구성요소는 센서 구성요소 위의 커버 글라스에 포함될 수 있다. 따라서, 필터 구성요소에 의하여, 간섭하는 배경 광은 효율적으로 제거될 수 있다.
바람직하게는, 레이저는 코히런트 광원을 나타낸다. 다시 말해, 수동적으로 냉각된 레이저는 전형적으로 1 nm 미만의 대역폭을 가지나, 종래 기술에서 사용되었던 LED(발광 다이오드) 광원은 보통 40 nm 를 초과하는 대역폭을 가진다. 따라서, 레이저가 사용된다면, 비교적 간단하게 원치 않은 배경 조명을 억제할수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 광 생성 수단은 제2 회절성 광학 구성요소도 포함한다. 이 구성요소는 코히런트 광원으로부터의 광선을 제2 지정된 영역으로 향하게 하도록 구성된다. 제2 지정된 영역은 제1 지정된 영역과 오버랩될 수 있다. 바람직하게는, 제2 회절성 광학 구성요소는 이미지 기록 수단에 의해 기록될 때, 3차원 맵핑에 대해 적응되는 결과 데이터를 생성하는 구조형 광을 생성하도록 구성된다. 따라서, 소위 범위 맴핑이 가능하고, 이는 결국, 눈 추적이 가능하다.
본 발명의 여전히 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 제1 회절성 광학 구성요소는 제1 지정된 영역 내에서 균질광 패턴을 생성하도록 구성된다. 결과적으로, 신뢰할 만한 눈 추적이 더욱 가능하다.
본 발명의 바람직한 추가 실시예에 따르면, 본 장치는 코히런트 광원으로부터의 광이 시간 변조된 방식으로 제1 또는 제2 회절성 광학 구성요소를 통과하도록 구성된 제어 수단을 포함하여, 제1 및 제2 지정된 영역이 오버랩 되지 않은 각각의 시간 간격 동안에 조명된다. 결과적으로, 눈 추적을 위해 필요한 이미지 프로세싱이 효율적인 방식으로 실행될 수 있다.
대안적으로, 또는 보충적으로, 본 장치는 코히런트 광원으로부터의 광이 파장 다중 방식으로 제1 및 제2 회절성 광학 구성요소를 통과하도록 구성된 제어 수단을 포함하여, 구별되는 제1 파장을 가진 코히런트 광이 제1 지정된 영역으로 향하도록 하고, 구별되는 제2 파장을 가진 코히런트 광이 제3 지정된 영역으로 향하도록 할 수 있다. 다시 말해, 이는 필요한 이미지 프로세싱에 이로울 것이다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 본 장치는 적어도 두 개의 회절성 광학 구성요소 및 거울 구성요소를 포함한다. 거울 구성요소는 제어신호에 응답하여 적어도 한 치수만큼 기울어질 수 있도록 구성된다. 기울어지는 각도에 의존하여, 코히런트 광원으로부터의 시준된 광(collimated light)이 적어도 두 개의 회절성 광학 구성요소의 주어진 하나를 향하도록 한다. 이는 시준된 광의 모양/패턴뿐만아니라, 시준된 광이 향하는 곳과 관련하여 더 큰 자유도를 제공한다.
제안된 새로운 디자인은 종래의 해결책과 관련하여 대체로 유리한데, 이는 새로운 디자인이 더 높은 전환 효율과 관련되고, 더 컴팩트한 폼 팩터를 가지며, 임의적 공간 모양을 가지고 생성될 영역을 조명하는 것이 가능하기 때문이다. 예를 들어, 제안된 코히런트 광원으로부터의 광선의 시준(collimation)은 지정된 영역, 가령 직사각형을 균일하게 조명할 수 있게 한다. 고정된 조명기와 직행 조명기를 사용할 때 모두 유리하다.
게다가, DOE는 아날로그 디자인에 대해 90%의 효율성, 디지털 디자인에 대해 80%의 효율성을 가진다. 폼 팩터는 LED 구성요소와 같은 인코히런트 광원의 매트릭스 대신에 단일 레이저 다이오드를 가짐에 의하여 급격히 감소된다. DOE 구성요소 크기는 광선 크기와 동일하고, 이는 전형적으로 약 1 밀리미터이다. 인코히런트 광원의 광학 구성요소는 전형적으로 10 mm의 자릿수이다. 게다가, 레이저 다이오드는 70% 까지 전환 효율성을 가지나, LED는 30% 미만의 전환 효율성을 가진다.
LED 조명기 내의 고전력 LED 하나의 가격은 고전력 레이저 다이오드 하나의 가격과 동등하다. 전형적인 LED 조명기와 달리, 레이저 다이오드 시스템은 하나의 칩에 기초하여 실행될 수 있다. 게다가, LED의 높은 개구수(numerical aperture)는 해당 레이저 시준 광학보다 실질적으로 더 부피가 크다. 따라서, 레지저-기반 디자인은 비교적 낮은 단가와 작은 크기에서 제조될 수 있다.
추가적으로, DOE를 사용함에 의하여, 큰 광선 지름과 큰 확산 틈새가 가능하고, 이는 결국, 눈-안전 작업을 가능하게 한다. 필요한 전력에서, 이는 레이저 광선 혼자서로 얻기 매우 어렵다.
LED와 달리, 레이저는 가우시안 광선을 가지고, 멀티모드 레이저는 가우시안 광선의 중첩성을 가지며, 이는 부피가 큰 광학기기나 광섬유내로 결합하기에 매우 적합하다. 적은 회절 때문에, 가우시안 광선도 시준되고, 람베르트 광원보다 더 먼 거리에서 전송될 수도 있다.
예시에 의하여, 시준된 광을 사용하여, 부피가 큰 광학기기 또는 광섬유를 결합하거나 제어하는 것이 비교적 간단하여, 조명기는 마치 이상적인 위치에 매우 가까이 위치된 것과 같다.
본 발명의 추가적인 이점, 이로운 특징 및 적용은 후술하는 설명과 종속항으로부터 명백해질 것이다.
본 발명은 이제 바람직한 실시예에 의하여 좀 더 자세히 설명되고, 이는 첨부된 도면을 참조하여 예로서 개시된다.
도 1은 대상체이 본 발명에 따른 장치에 의하여 조명된 눈-추적기를 포함하는 장비의 개요를 도시한다.
도 2-도 8은 본 발명의 실시예에 따라서, 어떻게 하나 이상의 지정된 영역이 조명되고, 어떻게 이러한 영역을 나타내는 이미지 데이터가 기록되는지를 도시한다.
본 발명은 대상물의 눈 또는 시선을 추적하는 것에 관한 것이다. 물론, 대상체의 얼굴 특징, 얼굴 표정 및/또는 제스처도 추적 및/또는 분석되는 것도 추가되는 것이고 제외되는 것은 아니다. 이러한 맥락에서, 본 발명은 불필요한 광의 양을 최소로하면서, 높고 충분한 이미지 콘트라스트(image contrast)를 달성하기에 필요한 광을 대상체를 향하여 가리키는 특정 문제점을 해결한다. 또한, 제안된 장치는 대상체를 덮는 비교적 넓은 영역의 균질한 조명을 제공할 수 있다. 요약하면,광이 투형된 영역이, 대상체의 관련 부분을 나타내는 이미지 데이터를 기록하기 위해 사용되는 이미지 센서/카메라의 시야와 매칭되도록 광선을 형성함에 의하여 유효하다.
물론, 카메라의 시야의 가장 관련된 부분, 가령, 대상체의 눈이 위치될 것으로 추정되는 곳에 조명된다면, 그리고, 광선이 대상체의 어떠한 움직임을 따라가도록 적응적으로 제어된다면, 조명은 좀 더 에너지-효율적으로 된다. 아래에서, 우리는 이러한 제어가 이루어지는 본 발명의 다양한 실시예를 기술할 것이다.
도 1은 눈-추적하는 장비를 나타내고, 사용자(180)는 이를 통하여 컴퓨터 장치(170)와 상호 작용할 수 있다. 상기 언급한 바와 같이, 본 발명은 결과 데이터(DEYE)가 어떠한 제어신호 등을 생산하지 않으면서, 마찬가지로 눈/시선 추적할 수 있다.
아무튼, 대상체(180)는 본 발명에 따른 장치에 의해 조명된다. 제안된 장치는 적어도 하나의 명확한 광선(L1, L2)을 제공하도록 구성된 광 생성 수단(light producing means, 140) 및 이미지 기록 수단(image registering means, 150)을 포함한다.
광 생성 수단(140)은 결국, 적어도 하나의 광선(L1, L2)에 포함된 코히런트 광을 생성하도록 구성된 코히런트 광원(coherent light source)을 포함한다. 또한, 광 생성 수단(140)은 회절성 광학 구성요소(diffractive optical element)도 포함하는데, 이는 코히런트 광원과 광 생성 수단(140)의 출력부 사이에 배치된다. 회절성 광학 구성요소의 특징은 도 2 내지 도 8을 참조하여 아래에서 설명될 것이다. 그러나, 요약하면, (가령, 컴퓨터 장치(170)에 의해 생성된) 제어신호(CILL)에 응답하여, 회절성 광학 구성요소는 제1 광선(L1) 형태의 광을 대상물(180)의 눈을 덮도록 예상되는 제1 지정된 영역(A1)으로 향하게 하도록 구성된다.
또한, 회절성 광학 구성요소는 제2 광선(L2) 형태의 광을 가령, 제1 지정된 영역(A1)을 포함하는 제2 지정된 영역(A2)으로 향하게 하도록 구성될 수 있다. 제2 광선(L2)은, 제2 지정된 영역(A2)으로부터 반사된 광이 이미지 기록 수단(150)에 의해 기록될 때, 결과 데이터가 생성될 수 있는 이러한 특성을 가진 소위 구조형 광을 포함할 수 있는데, 이는 3-차원(3D) 맵핑에 적당하다. 따라서, 범위 맵핑(range mapping)이 가능하다. 도 1에 도시된 것과 반대로, 그러나, 이 3D 맵핑으로의 접근은 오프-액시스(off-axis) 조명(즉, 광 생성 수단(140)이 이미지 기록 수단(150)과 함께 위치되지 않는 장치)을 필요로 한다.
이미지 기록 수단(150)은 가령, 제1 지정된 영역(A1)내에서 대상체(180)에 대해 반사되었던 적어도 하나의 광선(L1, L2)로부터의 광을 기록하도록 구성된다. 이미지 기록 수단(150)에 의해 기록된 광에 응답하여, 결과 데이터(DEYE) 는 생산되고, 상기 결과 데이터(DEYE) 는 대상체(180)의 적어도 하나의 눈의 움직임을 나타낸다.
제1 지정된 영역(A1)은 특정 조명 패턴을 나타내고, 이는 신뢰할 만하고 및/또는 효율적인 결과 데이터(DEYE)를 얻기 위한 차후의 이미지 프로세싱을 하도록 한다. 아무튼, 제1 지정된 영역(A1)은 이미지 기록 수단(150)의 시야 내에서 나타나도록 위치된다.
대상체(180)는 3D 맵핑을 위한 구조형 광(structured light)과 눈-추적을 위한 균질광(homogeneous light)의 조합을 포함하는 광으로 조명될 수 있다. 균질광 박스는 여기, 대상체의 눈 주위 중심(즉, 제1 지정된 영역(A1))에 있는 반면, 구조형 광은 이미지 기록 수단(150)의 시야의 나머지 부분(즉, 제2 지정된 영역(A2))으로 투형될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제2 광선(L2)은 제1 광선(L1)의 강도보다 낮은 강도를 가진 균질광을 포함할 수 있다. 이유형의 광은 얼굴 확인 및/또는 얼굴 특징의 검출이 가능하므로 유리하다. 게다가, 눈-추적이 실패하고 다시 시작할 필요가 있다면, 균질광이 유용하다. 이러한 경우에서, 초기 눈-추적은 비교적 세련되지 않고, 훨씬 넓은 조명된 영역을 요한다.
회절성 광학 구성요소(145)와 함께 코히런트 광원은 제1 지정된 영역(A1) 밖으로 아주 약간의 미광(stray light)을 야기한다. 이는, 특히 인코히런트 광원(incoherent light source)과 비교할 때, 광 전송에 있어 매우 정확한 제어를 가능하게 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라서, 제1 지정된 영역(A1)이 어떻게 조명되는지, 그리고 이미지 기록 수단(150)이 그 영역(A1)으로부터 반사된 광을 받아들이는지를 나타낸다.
광 생성 수단(140)은 코히런트 광원(142)를 포함하는데, 이는 제1 지정된 영역(A1)으로 투형될 코히런트 광을 생성하도록 구성된다. 회절성 광학 구성요소(145)는 코히런트 광원(142)과 광 생성 수단(140)의 출력부 사이에 배치된다. 회절성 광학 구성요소(145)는 광선(L1)을 제1 지정된 영역(A1)으로 향하게 하도록 구성되고, 이는 결국, 인터페이스와 관련되고, 대상체(180)의 신체 일부, 즉, 전형적으로 적어도 하나의 눈을 덮기 위해 추정된다.
도 1과 관련하여 상기 기술된 것과 유사하게, 이미지 기록 수단(150)은 제1 지정된 영역(A1)으로부터 반사된 광을 기록하여, 결과 데이터(DEYE)가 생성될 수 있다. 물론, 이를 위하여, 이미지 기록 수단(150)은 광을 센서 구성요소(sensor element, 152)로 투형되도록 구성되는 적어도 하나의 렌즈 구성요소(lens element, 153)를 포함한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라서, 제1 지정된 영역(A1)이 어떻게 조명되는지, 그리고 이미지 기록 수단(150)이 그 영역(A1)으로부터 반사된 광을 받아들이는지를 나타낸다.
원하지 않는 스페클(speckle) 패턴이 제1 지정된 영역(A1)에서 발생할 수 있다. 스페클 효과는 서로 다른 위상과 진폭을 가진 동일한 주파수의 많은 광 파장의 간섭의 결과이며, 이는 함께 더해져서, 진폭, 따라서 강도가 랜덤하게 가변하는 결과 파장을 생성한다.
스페클 효과를 감소시키기 위하여, 제안된 장치는 스페클 감소 수단(speckle reduction means)을 포함할 수 있다. 도 3에서, 스페클 감소 수단(141)은 회절성 광학 구성요소(145)가 코히런트 광원(14)와 관련하여 움직이게 하도록 구성된 오실레이터(oscillator)를 포함한다. 그러므로, 시간이 흐르면서, 광선(L1)으로부터의 광은 제1 지정된 영역(A1)에 걸쳐 좀 더 균일하게 분포된다.
본 발명의 또 다른 실시예(미도시)에 따르면, 코히런트 광원(142)은 적어도 두 개의 분리된 스펙트럼 라인을 포함하는 스펙트럼을 가진 광을 발산하도록 구성된 고정된 멀티모드 레이저(static multimode laser)(가로의 및/또는 세로의)를 대신 포함한다. 각 라인에 의해 표현된 광은 여기 특별하고 분명한 스페클 패턴과 연관이 있다. 결과적으로, 제1 지정된 영역(A1)상의 결과적인 전체 광 분포는 본질적으로 균일하게 된다.
본 발명의 또 다른 실시예(미도시)에 따르면, 스페클 감소 수단은, 코히런트 광원(142)이 일시적으로 가변하는 스페클 패턴을 가진 광을 생산하는 방식으로 코히런트 광원(142)을 시간-변조하도록 구성된 변조 수단(modulating means)을 포함한다. 다시, 제1 지정된 영역(A1)상의 결과적인 전체 광 분포는 본질적으로 균일하게 된다.
도 1과 관련하여 상기 기술된 것과 유사하게, 이미지 기록 수단(150)은 제1 지정된 영역(A1)으로부터 반사된 광을 기록하여, 결과 데이터(DEYE)가 생성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라서, 제1 지정된 영역(A1)이 어떻게 조명되는지, 그리고 그 영역(A1)을 나타내는 이미지 데이터가 어떻게 기록되는지를 나타낸다. 여기서, 필터 구성요소(filter element, 155)는 결과 데이터(DEYE)를 생성하도록 구성된 이미지 기록 수단(150)내의 센서 구성요소(152)의 업스트림(upstream)에 배치된다. 필터 구성요소(155)는, 장치에 근접한 광원에 의한 방해(가령, 눈 및/또는 안경의 원하지 않는 반사의 형태로)를 감소시키기 위하여, 가시광을 차단하도록 구성된다. 필터 구성요소(155)가 코히런트 광원(142)의 에너지 발산 최고점에 대해 매칭된다면 더욱 바람직하다. 이상적으로, 이는 필터 구성요소(155)가 코히런트 광원(14)의 에너지 발산 최고점 주위에 중심이 있는 비교적 좁은 통과대역을 가지고 있다는 것을 의미한다. 대안적으로, 그러나, 필터 구성요소(155)는 가시광을 제외하고, 에너지 발산 최고점과 NIR(적외선 근처) 광을 통과시킬 수 있게 하는 로우-패스 필터를 포함할 수 있다. 전형적으로, 수동적으로 냉각된 레이저(passively cooled laser)의 형태인 코히런트 광원(142)은 1nm 미만의 대역폭을 가지고 있기 때문에, 필터 구성요소(155)에 대한 첨도 요구사항(steepness requirement)은 배경 조명을 실질적으로 억제하나, 다소 적절하게 이루어질 수 있다.
도 4에 도시된 실시예에서, 렌즈 구성요소(147)은 코히런트 광원(142)과 회절성 광학 구성요소(145)의 광 경로에 포함된다. 렌즈 구성요소(147)는 제1 지정된 영역(A1)을 향하도록 광을 추가로 형성시키고 제어한다.
본 발명의 실시예에 따라서, 필터 구성요소(155)는 이미지 기록 수단(150)내의 렌즈 구성요소(153)의 전면(도 4에 도시된 바와 같이) 또는 이러한 렌즈 구성요소의 후면에 배치될 수 있다. 대안적으로, 필터 구성요소(155)는 렌즈 구성요소에 통합되거나 센서 구성요소(152) 위의 커버 글라스(cover glass)에 포함될 수 있다.
도 1과 관련하여 상기 기술된 것과 유사하게, 이미지 기록 수단(150)은 제1 지정된 영역(A1)으로부터 반사된 광을 기록하여, 결과 데이터(DEYE)가 생성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라서, 제1 지정된 영역(A1)이 어떻게 조명되는지, 그리고 이미지 데이터가 어떻게 기록되는지를 나타낸다.
여기서, 본 장치는 코히런트 광을 받아서, 그 중 적어도 일부를 대상체(180)로 향하게 하도록 구성된 광 조절 구성요소(light steering element, 145b)를 포함한다. 회절성 광학 구성요소에 추가하여, 광 조절 구성요소(145b)는 거울 또는 반사 장치(가령, 프리즘 또는 렌즈)를 포함하고, 제1 광선(L1)의 일부로서 광을 받은 상기 일부를 제1 지정된 영역(A1)으로 향하게 하도록 구성된다. 이는 매우 컴팩트한 디자인을 제공한다.
도 1과 관련하여 상기 기술된 것과 유사하게, 이미지 기록 수단(150)은 제1 지정된 영역(A1)으로부터 반사된 광을 기록하여, 결과 데이터(DEYE)가 생성될 수 있다.
도 6은 제1 지정된 영역(A1)과 제3 지정된 영역(A12)이 어떻게 조명되는지를 나타낸다. 여기서, 회절성 광학 구성요소(145)는 코히런트 광원(142)로부터의 제1 광선(L1)을 제1 지정된 영역으로 향하게 하도록 구성되고, 코히런트 광원(142)으로부터의 또 다른 광선(L12)은 제3 지정된 영역(A12)으로 향하게 하도록 구성된다. 따라서, 대상체(180)는 두 개의 분리되고 오버랩되지 않은 위치에서 조명될 수 있다.
도 1과 관련하여 상기 기술된 것과 유사하게, 이미지 기록 수단(150)은 제1 지정된 영역(A1) 및 제3 지정된 영역(A12)으로부터 반사된 광을 기록하여, 결과 데이터(DEYE)가 생성될 수 있다.
도 7은, 또 다른 예로서, 제1 지정된 영역(A1)과 제3 지정된 영역(A12)이 어떻게 조명되는지를 나타낸다. 이 구체예에서, 공통 코히런트 광원(142)은 제1 광선(L1)을 제1 지정된 영역으로 향하게 하고, 또 다른 광선(L12)을 제3 지정된 영역(A12)을 향하게 하나, 제1 및 제2 회절성 광학 구성요소(145, 146) 각각을 통해서이다.
제어 수단(여기서, 거울 구성요소(M)에 의해 표현됨)은 코히런트 광원(142)으로부터의 광이 시간 변조된 방식으로 제1 회절성 광학 구성요소(145) 또는 제2 회절성 광학 구성요소(146)를 통과하도록 구성된다. 결과적으로, 제1 지정된 영역(A1)과 제3 지정된 영역(A12)은 오버랩 되지 않은 각각의 시간 간격 동안에 조명된다.
거울 구성요소(M)은 제어신호에 응답하여 적어도 한 치수만큼 기울어질 수 있도록 구성되고, 기울어지는 각도에 의존하여, 코히런트 광원(142)으로부터의 시준된 광(collimated light)은 회절성 광학 구성요소들(145, 146) 중 주어진 하나를 향한다. 따라서, 거울 구성요소(M) 및 폼 팩터(form factor)는 최소로 될 수 있다.
대안적으로, 본 장치는 제어 수단(미도시)을 포함할 수 있고, 이는 코히런트 광원(142)으로부터의 광이 파장 다중 방식(wavelength multiplexed manner)으로 제1 회절성 광학 구성요소(145) 또는 제2 회절성 광학 구성요소(146)를 통과하도록 구성되어서, 구별되는 제1 파장을 가진 코히런트 광이 제1 지정된 영역(A1)으로 향하도록 하고, 구별되는 제2 파장을 가진 코히런트 광이 제3 지정된 영역(A12)으로 향하도록 한다.
더구나, 두 개 이상의 회절성 광학 구성요소는 서로 연속적으로 배치될 수도 있다. 예를 들어, 제1 회절성 광학 구성요소는 코히런트 광원(142)으로부터의 광을 분산시켜서 두 개 이상의 차후의 회절성 광학 구성요소를 통과시키도록 구성되고, 이는 결국, 각각은 광의 일부를 지정된 영역으로 향하게 한다.
도 1과 관련하여 상기 기술된 것과 유사하게, 이미지 기록 수단(150)은 제1 지정된 영역(A1) 및 제3 지정된 영역(A12)으로부터 반사된 광을 기록하여, 결과 데이터(DEYE)가 생성될 수 있다.
도 8은 제1 지정된 영역(A1)과 제2 지정된 영역(A2)이 어떻게 조명되는지를 나타낸다. 본질적으로, eel자인은 상기 도 6에 기술된 것돠 동일하나, 두 개의 조명된 영역이 서로 오버랩된다. 따라서, 회절성 광학 구성요소(145)는 코히런트 광원(142)으로부터의 제1 광선(L1)을 제1 지정된 영역으로 향하게 하고, 코히런트 광원(142)으로부터의 제 광선(L2)을 제2 지정된 영역(A12)으로 향하게 하도록 구성된다. 좀 더 바람직하게는, 제1 지정된 영역(A1)과 제2 지정된 영역(A2)이 실제로 서로 오버랩되지 않도록 한다. 제2 영역(A2)의 위치가 본질적으로 고정되고, 제1 영역(A1)의 위치가 제어되어 제2 영역(A2) 내로 이동되더라도, 제2 영역(A2)은 제1 영역(A1)과 그 위치에 해당하는 "적응형 홀(adaptive hole)"을 사용하여 생성되는 것이 바람직하다. 다시말해, 이것은 DOE의 제안된 사용을 통해 가능하다.
도 1과 관련하여 상기 기술된 것과 유사하게, 이미지 기록 수단(150)은 제1 지정된 영역(A1) 및 제3 지정된 영역(A12)으로부터 반사된 광을 기록하여, 결과 데이터(DEYE)가 생성될 수 있다.
이 명세서에서 사용되는 용어 "포함하다/포함하는"은 진술된 특징, 수, 단계 또는 부품의 존제를 구체화하기 위한 것이다. 그러나, 그 용어는 하나 이상의 특징, 수, 단계 또는 부품 또는 그의 그룹을 존재 또는 추가를 제한하는 것이 아니다.
본 발명은 도면에서 기술된 실시예에 제한되지 않으나, 청구항의 범위 내에서 자유롭게 가변 될 수 있다.

Claims (17)

  1. 대상체(180)를 조명하고, 눈-추적기에 의해 상기 대상체의 적어도 하나의 눈의 움직임을 기록하여, 결과 데이터(DEYE)를 생성하는 장치에 있어서, 상기 장치는,
    광선(L1, L2, L12)을 생성하도록 구성된 광 생성 수단(140);
    회절성 광학 구성요소(145); 및
    대상체(180)에 대해 반사되었던 광선(L1, L2, L12)으로부터의 광을 기록하도록 구성된 이미지 기록 수단(150)을 포함하되,
    상기 광 생성 수단(140)은 광선(L1, L2, L12)에 포함되는 코히런트 광을 생성하도록 구성된 코히런트 광원(142)을 포함하고,
    상기 회절성 광학 구성요소(145)는 코히런트 광원(142)과 광 생성 수단(140)의 출력부 사이에 배치되고, 상기 회절성 광학 구성요소(145)는 광선(L1)을 상기 대상체(180)의 적어도 하나의 눈을 덮도록 추정되는 제1 지정된 영역(A1)으로 향하게 하도록 하며, 상기 회절성 광학 구성요소(145)는 제2 광선(L2) 형태의 코히런트 광원(142)으로부터의 광선을 제2 지정된 영역(A2)으로 향하게 하도록 또한 구성되고, 상기 제 2 광선(L2)은 이미지 기록 수단(150)에 의해 기록될 때, 3차원 맵핑을 위해 구성되는 결과 데이터(DEYE)를 생성하는 구조형 광(structured light)을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 지정된 영역(A2)은 상기 제1 지정된 영역(A1)과 오버랩되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 지정된 영역(A1)은 상기 이미지 기록 수단(150)의 시야 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 기설정된 시간 간격 동안에, 코히런트 광원(142)으로부터의 광이 제1 지정된 영역(A1)상에 분포되도록 함에 의하여, 제1 지정된 영역(A1) 내의 코히런트 광원(142)으로부터의 광의 스페클-관련된 강도 변화를 줄이도록 구성되는 스페클 감소 수단(141)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 스페클 감소 수단(141)은 상기 회절성 광학 구성요소(145)가 코히런트 광원(142)에 대하여 움직일 수 있도록 구성되는 오실레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 코히런트 광원(142)은 적어도 두 개의 분리된 스펙트럼 라인을 포함하는 스펙트럼을 가진 광을 발산하도록 구성된 고정된 멀티모드 레이저를 포함하되, 상기 적어도 두 개의 라인 각각에 의해 표현된 광은 스페클 패턴과 연관이 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 스페클 감소 수단은 코히런트 광원(142)을 시간-변조하여 일시적으로 가변하는 스페클 패턴을 가진 광을 생산하도록 구성된 변조 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 코히런트 광을 받아서, 받은 광의 적어도 일부를 대상체(180)로 향하게 하도록 구성된 광 조절 구성요소(145b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 광 조절 구성요소(145b)는 제1 광선(L1)의 부분로서 받은 광의 상기 일부를 제1 지정된 영역(A1)으로 향하게 하도록 구성된 회절성 광학 구성요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 이미지 기록 수단(150)은 결과 데이터(DEYE)를 생산하도록 구성된 센서 구성요소의 업스트림(upstream)에 배치되는 필터 구성요소(155)를 포함하고, 상기 필터 구성요소(155)는 가시광을 차단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 필터 구성요소(155)는 코히런트 광원(142)이 에너지 발산 최고점(energy emission peak)을 가지는 스펙트럼 범위와 매칭되는 통과대역을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 광 생성 수단(140)은 코히런트 광원(142)으로부터의 제2 광선(L12)을 나타낼 코히어런트 광원(142)으로부터의 광을 제2 지정된 영역(A12)으로 향하게 하도록 구성된 제2 회절성 광학 구성요소(146)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 회절성 광학 구성요소(145)는 제1 지정된 영역(A1) 내에서 균질광 패턴을 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 장치는, 제1 지정된 영역(A1)이 각 시점에서 대상체(180)의 추정된 눈 영역을 덮을 수 있도록, 제1 지정된 영역(A1)의 위치를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 코히런트 광원(142)으로부터의 광이 시간 변조된 방식으로 제1 또는 제2 회절성 광학 구성요소(145;146)를 통과하도록 구성된 제어 수단을 포함하여, 제1 및 제2 지정된 영역(A1;A2/A12)이 오버랩 되지 않은 각각의 시간 간격 동안에 조명되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 코히런트 광원(142)으로부터의 광이 파장 다중 방식으로 제1 및 제2 회절성 광학 구성요소(145;146)를 통과하도록 구성된 제어 수단을 포함하여, 구별되는 제1 파장을 가진 코히런트 광이 제1 지정된 영역(A1)으로 향하도록 하고, 구별되는 제2 파장을 가진 코히런트 광이 제2 지정된 영역(A12)으로 향하도록 하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    적어도 두 개의 회절성 광학 구성요소(145, 146); 및
    제어신호에 응답하여 적어도 한 치수만큼 기울어질 수 있도록 구성되고, 기울어지는 각도에 의존하여, 코히런트 광원(142)으로부터의 시준된 광이 적어도 두 개의 회절성 광학 구성요소(145, 146)의 주어진 하나를 향하도록 하는 것을 특징으로 하는 장치.
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