SE515639C2 - Anordning och förfarande för att svepa en ljusstråle över ett objekt och system för att låta en användare med ögats hjälp styra en maskin - Google Patents

Description

515 639 2 En CCD-kamera eller liknande har emellertid begränsad prestanda, och är dessutom förhållandevis dyr.

Denna typ av lösning är därför inte lämplig för den stora konsumentmarkanden.

Enligt en annan typ av lösning sveps en ljusstråle över ögat, och detekteras sedan av en detektor. Ett exempel på denna typ av system visas i EP O 821 908, där en divergent laserstråle medelst en SLM (spatial light reflekteras och detekteras av modulator) sveps över ögat, en PSD (positive sensor detector). Systemet som visas i EP O 821 908 innefattar dock flera relativt dyra komponenter, och är beroende av en noggrann och komplicerad styrning.

Sammanfattningsvis kan sägas att på marknaden före~ kommande lösningar är känsliga för misslinjering och felkalibrering, och att de ej är ämnade för serietill- verkning. Komplexitetsnivån hos konventionella produkter gör dem alltså olämpliga som serietillverkade standard- produkter.

Uppfinningens syften Ett första syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en anordning av inledningsvis angivet slag, vilken på ett tillfredsställande sätt kombinerar god prestanda med lågt pris.

Ett andra syfte med uppfinningen är att åstadkomma en anordning som utnyttjar aktiv registrering av ögat.

Ett tredje syfte med uppfinningen är att åstadkomma en anordning som med hög noggrannhet kan svepa en ljus- stråle över ett öga, utan att erfordra alltför små toleranser vid tillverkning och installation.

Ett fjärde syfte med uppfinningen är att åstadkomma en anordning som bättre lämpar sig för serietillverkning.

Sammanfattning av uppfinningen Dessa syften uppfylls enligt uppfinningen med en anordning av inledningsvis angivet slag, som kännetecknas lO l5 20 25 30 35 515 639 3 av att åtminstone ett diffraktivt element i form av en skiva är roterbart anordnat i ett tvärplan till ljussträlen, vilken skiva är indelad i flera fält som vardera är utformat att avböja strålen i åtminstone en bestämd riktning, så att, då skivan bringas att rotera, fälten ett efter ett passerar förbi ljussträlen som därmed avböjs i olika riktningar, för att därigenom åstadkomma en svepning av objektet eller ögat.

Svepningen åstadkommes alltså genom brytning av ljussträlen i skivan, vilken endast har en frihetsgrad, nämligen rotation kring en axel. Detta innebär att behovet av drivning och styrning minimeras, så att anordningen kan utföras relativt kompakt och enkel.

Vidare är diffraktiva optiska element (DOE) i form av skivor mycket billiga att tillverka. Resultatet blir att anordningens pris kan hållas nere, utan att göra avkall på prestanda.

Samtidigt blir anordningen enklare att kalibrera som en följd av diffraktionselementets enda frihetsgrad. Det är inte ens kritiskt exakt var i varje fält ljussträlen träffar, eftersom hela fältet avböjer ljuset i samma riktning. Relativt stora toleranser kan därför tillåtas vid inrättning av varje skiva, eftersom det endast behöver säkerställas att ljussträlen passerar genom varje fält.

Strålen kan genereras i riktning mot användarens båda ögon, vilket normalt är en fördel då ögonens blickpunkt ska bestämmas.

Varje fält kan vara anordnat att dela upp ljus- tràlen, och avböja den i flera riktningar. På detta vis erhålles en större mängd information (fler reflektioner i ögonen) för varje fält som passerar genom ljussträlen.

Färre fält behövs därmed för att åstadkomma en svepning av ögonen.

Ljuskällan är företrädesvis anordnad att generera pulsat ljus. Skivan eller skivorna roterar då med sådan hastighet att varje puls passerar genom ett fält av varje lO 15 20 25 30 35 515 639 4 skiva. Genom att pulsa ljuset elimineras de besvärliga brytningsfenomen som annars kan inträffa vid övergångar mellan olika fält.

Enligt en utföringsform av uppfinningen innefattar anordning en första och en andra skiva, anordnade i var sitt normalplan till ljusstrålen, varvid den första skivan är anordnad att avleda ljusstrålen i ett första plan, och den andra skivan är anordnad att avleda ljusstrålen i ett andra plan som är orienterat tvärs det första planet.

Exempelvis avböjs ljuset först i en x-riktning och sedan i en y-riktning. Även om detta erfordrar två skivor, innebär det i gengäld att varje skiva kan framställas enligt en relativt enkel mall.

Alternativt används endast en skiva, som då måste utformas med fält som bryter ljuset i fler plan för att åstadkomma en tillfredsställande svepning.

Fälten utgörs företrädesvis av sektorer av ett ringformigt område hos varje skiva. Vidare kan en skiva innefatta flera ringformiga områden, vilka vardera år indelat i ett flertal fält. Genom att utforma fälten i områdena på olika sätt, kan svepningens karakteristik förändras genom att flytta ljusstrålen i sidled och låta ljusstrålen passera olika områden. Även flera ljusstrålar kan utnyttjas, vilka då kan passera olika områden av en gemensam skiva, för att åstadkomma två samtidiga svepningar med olika karakteristik.

En andra aspekt av uppfinningen avser en metod för att utnyttja en anordning enligt uppfinningen för att svepa en ljusstråle över ett objekt.

En tredje aspekt av uppfinningen avser ett system för att låta en användare medelst ögonen ge instruktioner till exempelvis en dator, innefattande organ för registrering av ögats position och generering av en elektrisk signal som innehåller information om denna position, och organ för databehandling av nämnda signal, för att omvandla signalen till instruktioner till datorn. lO 15 20 25 30 35 515 639 5 Nämnda registreringsorgan utgörs härvid av en anordning enligt uppfinningen, med alla de fördelar som nämnts OVâIl .

Kort beskrivning av ritninqarna Föreliggande uppfinning kommer i det följande att beskrivas närmare under hänvisning till bifogade ritningar, vilka i exemplifierande syfte visar föredragna utföringsformer av uppfinningen.

Fig 1 visar schematiskt en anordning enligt en första utföringsform av uppfinningen.

Fig 2 visar en skiva i anordningen i fig l.

Fig 3 visar en anordning enligt en andra utföringsform av uppfinningen Fig 4a och 4b visar skivor i anordningen i fig 3.

Fig 5a och 5b visar alternativa utföringsformer av en diffraktiv skiva.

Fig 6 visar ett system för styrning av ett datorsystem med ögonen, enligt en utföringsform av uppfinningen.

Beskrivning av en föredragen utföringsform I uppställningen som visas i fig l är en ljuskälla 1, företrädesvis en pulsad infraröd laser eller LED, anordnad att utsända en ljusstràle 3 i riktning mot en användares ansikte, närmare bestämt hans/hennes ögon 5.

Ett linssystem, i det visade exemplet bestående av två linser 7a, 7b är anordnade att fokusera stràlen pa användarens ansikte, eller närmare bestämt pà det plan där pà användarens ögon 5 är belägna. Efter reflektion mot ögonen 5 detekteras ljusstrálen 3 av en detektor 8, exempelvis en fotodiod såsom en PIN-diod.

En av linserna 7a är skjutbar mot och från ögonen 5, för att kunna verkställa en fokusering av ljussträlen 3 i ögonens plan. För detta ändamål är ett kraftdon 9 anordnat att förflytta linsen 7a i enlighet med en styrsignal från en autofokusenhet 11, vilken är anordnad lO 15 20 25 30 35 515 639 6 att justera linsens 7a läge i enlighet med den reflekterade ljusstyrkan som fotodioden 8 mottar. Denna fokusering är i sig känd, och kommer inte närmare att beskrivas.

Mellan linserna är vidare en eller flera diffraktiva (DOE), i form av lOb optiska element även kallade kinoformer, företrädesvis väsentligen cirkulära skivor lOa, anordnade. Diffraktiva skivor av detta slag kan tillverkas av exempelvis därtill avsedd polymer, som pressas till önskad form, varvid dess ytstruktur bestäms av en matematiskt beskrivning av den önskade brytningen.

Skivorna lOa, lOb är belägna i tvärplan till ljussträlen 3, alltså plan som är orienterade tvärs ljusstràlen, och avsedda att läta ljussträlen passera igenom dem. Företrädesvis är skivorna som i det visade exemplet belägna i normalplan till ljusstràlen, även om detta inte är nödvändigt.

Varje skiva, är indelad i ett flertal fält 12, som visas bättre i fig 2 och där betecknas 10, vilka vardera är utformat att bryta ljus som passerar igenom skivan, och därmed avböja det i en bestämd riktning.

Olika fält är utformade att avböja ljuset olika mycket, och eventuellt åt olika häll, så att, då skivan roteras, ljusstràlen sveps över ögonen. Detta kommer att beskrivas närmare nedan.

Varje skiva lOa, lOb är vidare monterad pä en axel l3a, 13b, är ansluten till en av axlarna och anordnad att rotera och en drivenhet 15, exempelvis en stegmotor, skivorna. En styrenhet 17, exempelvis en mellanliggande utväxlingsenhet, är anordnad att säkerställa en korrekt relation mellan skivornas varvtal. Istället för en utväxlingsenhet kan naturligtvis två stegmotorer vara anordnade att rotera skivorna, och om skivorna ska roteras med samma varvtal finns inget behov av utväxlingsenhet.

I gränsskikten mellan olika fält kan en mindre del av ljuset passera en skiva utan att avböjas. Det kan lO 15 20 25 30 35 515 659 7 därför vara aktuellt att låta hela svepningen ske vid en viss bestämd minsta avböjning, och att anordna en mask bakom skivorna, vilken endast släpper igenom ljus som avböjts något. Denna teknik är i sig känd inom andra teknikområden.

Enligt utföringsformen som visas i fig 1 är alltså två skivor anordnade mellan ljuskàllan och ögat, varvid den första skivan är avpassad att bryta ljusstrålen i en första riktning (exempelvis en x-riktning) och den andra skivan år avpassad att bryta strålen i en andra riktning (exempelvis en y-riktning).

Skivorna lOa, l0b kan såsom visas i fig 2 innefatta ett ringformigt område som är indelat i åtta cirkel- sektorer 12. Samtliga sektorer 12 bryter ljuset i samma plan men med olika brytningsvinkel. Exempelvis bryter den ena skivan ljuset radiellt i förhållande till skivan, och den andra skivan ljuset tangentiellt i förhållande till skivan. Dessa riktningar är konstanta i varje fix punkt i rummet då skivan roterar.

Varje sektor l2a är vidare utformad att bryta ljuset något mer än föregående, intilliggande sektor l2b, så att hela svepintervallet, alltså det vinkelintervall som ljusstrålen skall svepas genom i en riktning, kan svepas genom rotation av skivan lOa, l0b. Olika relationer kan förekomma mellan antalet fält per svepintervall och det totala antalet fält. I vissa applikationer kan det vara lämpligt att relationen är ett, dvs att samtliga fält bryter ljuset i varsin riktning, och att skivan måste roteras ett helt varv för att en hel svepning i den aktuella riktningen ska genomföras. Om det föreligger begränsningar på skivans rotationshastighet kan dock relationen istället vara ett större heltal.

En typisk upplösning för svepningen, alltså det antal olika punkter som ljusstrålen genom brytning bringas att träffa, är 320 gånger 320 stycken. Varje svepintervall (i x- respektive y-led) erfordrar alltså 320 sektorfält. Detta åstadkommes enklast genom att l0 l5 20 25 30 35 51.5 639 8 vardera skiva l0a, l0b är indelad i 320 fält, men kan också, för att reducera den erfordrade rotations- hastigheten, åstadkommas med en multipel av 320 fält per skiva, exempelvis 640 eller 960.

En andra utföringsform av uppfinningen visas i fig 3, där delar som väsentligen är desamma som delarna i fig l har givits samma beteckningar. Enligt denna utföringsform är endast ett diffraktivt element 20 anordnat mellan ljuskällan och ögat. Denna skiva har då ett fält för varje avsedd avböjningsriktning, så att, då den roteras, ljuset bryts åt en riktning i taget så att svepning av ögat verkställs. Härvid förenklas den mekaniska styrningen, eftersom endast en skiva 20 behöver roteras.

Fig 4a visar ett exempel på en skiva 20 avsedd för anordningen i fig 3. Även om denna skiva i princip liknar skivan l0a, l0b i fig 2, måste skivan 20 i detta fall uppvisa ett fält 22 för varje brytningsvinkel, vilket i det visade exemplet innebär 64 fält 22 (se fig 4), istället för två skivor med 8 fält vardera (se fig 2).

Vardera av de 64 fälten åstadkommer en brytning som motsvarar en brytning som de båda skivorna l0a, 10b i fig 1 åstadkommer i kombination i ett bestämt läge.

I det ovan nämnda exemplet med en upplösning om 320x320 punkter, skulle detta innebära en skiva med 320x320=l02400 stycken fält. För höga upplösningar kan tillverkningen av denna typ av skivor därför bli komplicerad.

Ett annat utförande av skivan 20 i anordningen i fig 3 visas i fig 4b, med beteckningen 20'. Denna skiva har endast 16 fält 22', men varje fält är i gengäld anordnat att dela upp ljusstràlen i flera, exempelvis 8 strålar som bryts i olika riktningar, så att ett strålknippe med 8 strålar träffar ögonen och reflekteras. De första 8 fälten kan då svepa detta strålknippe i en riktning, medan de följande 8 fälten sveper ett annorlunda orienterat strålknippe i en annan riktning. 10 l5 20 25 30 35 5.15 639 9 För en upplösning på 320x32O punkter skulle då 640 fält erfordras på en skiva. Utformningen av skivorna i enlighet med en matematiskt beräknad struktur innebär att det inte innebär några svårigheter att låta varje fält dela upp ljusstràlen i flera strålar.

Enligt en alternativ utföringsform kan en eller lOb, 20, 20' ringformiga partier, vilka vardera är indelade i flera av skivorna lOa, vara indelad i flera sektorer. Varje sektorindelad ring kan utformas att bryta ljuset med olika vinklar, för att på detta sätt àstadkomma olika svepvinkelintervall med oförändrad upplösning, dvs “sprida ut” eller “trycka ihop” svepningen. I fig 5a visas en skiva 30 med två 32b, indelade i fält 34a, med där varierande avböjningsvinklar. Fältens 34a, 34b ringformiga partier 32a, 34b annorlunda brytningsegenskaper har i fig Sa markerats med olika skuggning. På samma sätt kan varje sektorindelad ring utformas med fler eller färre fält, för att, eventuellt i kombination med en förändrad rotations- hastighet och/eller pulstakt, åstadkomma olika upp- lösning. I fig 5b visas en skiva 40 med två ringformiga partier 42a, 42b, där det inre partiet 42a har 8 fält 44a medan det yttre partiet 42b har 16 fält 44b.

För att växla mellan de olika ringformiga partierna 32a, 32b, 42a, ljusstrålen i sidled, vilket normalt är enkelt att 42b erfordras endast en förflyttning av åstadkomma med exempelvis en lins eller en direkt förflyttning av ljuskällan. Naturligtvis kan även flera ljusstràlar, eller en avlänkning av en första ljusstràle i flera strålar, utnyttjas för att samtidigt utnyttja flera ringar.

Det kan noteras att även om den ovanstående beskrivningen i huvudsak talar om rätlinjig svepning, och rätlinjiga strålknippen, skall detta inte ses som någon begränsning av uppfinningen. Tvärtom är svepriktningarna liksom geometrin för dessa strålknippen helt godtyckliga.

Exempelvis är det möjligt att svepa i cirklar med alter- l0 l5 20 25 30 35 »515 639 l0 nerande radie, eller enligt ett godtyckligt mönster.

Eftersom utformningen av fälten i de diffraktiva elementen sker pà automatisk väg i enlighet med en matematiskt beräknad struktur, är alla matematiskt beskrivbara svepgeometrier möjliga.

Den ovan beskrivna anordningen används med fördel i ett system för att styra exempelvis en dator med ögonrörelser, exempelvis av det slag som visas i fig 6.

Systemet 50 innefattar en maskin eller utrustning 52 som skall styras av en användare. Om det är en dator motsvarar systemets funktion den hos en traditionell mus. Ögats rörelser ersätter alltsä handens rörelser. Ögats rörelser registreras med hjälp av en anordning 54 enligt uppfinningen, exempelvis av det slag som beskrivits ovan. En analog utsignal 56 från detektorn 8 digitaliseras i en AD-omvandlare 62, och den digitala signalen 64 behandlas därefter av en mikroprocessor 66, exempelvis enligt en lämplig filtreringsalgoritm. Denna algoritm är främst beroende av vilken typ av styrning som systemet är anordnat att utföra, och kan designas pà lämpligt sätt av en fackman pà området. Om styrningen ersätter en traditionell datamus, utförs exempelvis en beräkning av vilket markör-läge pä skärmen som ögats läge motsvarar.

Slutligen matas denna beräknade signal 68 till maskinen 52, och utnyttjas av denna att styra en process, ett program eller liknande.

Enligt en utföringsform av uppfinningen kan en vidvinklig svepning utnyttjas för att grovt bestämma var i rummet användarens huvud är beläget, varefter en mer snäv svepning kan utnyttjas under själva styrningen. Om användaren flyttar sitt huvud kan detta innebära att ögonen hamnar utanför svepomrädet, varvid den vidvinkliga svepnigen äter kan kopplas in. Omställningar mellan olika svepomràden kan ske genom att en skiva med flera ringformiga partier som beskrivs ovan används.

Ljussträlen kan dä avböjas med en lins mot ett av de lO 15 5-15 639 ll ringformiga partierna, eller också anordnas skivan med ringformiga partier att vara skjutbar i sidled.

Det inses att uppfinningen såsom definieras i de bifogade patentkraven inte begränsas av de beskrivna utföringsformerna. Tvärtom är ett flertal modifieringar och variationer möjliga för en fackman på området.

Exempelvis kan skivornas indelning i fält varieras, med olika form pà fälten och olika antal. Skivornas dimensioner, liksom fältens relativa dimensioner i förhållande till skivorna, bestäms bäst av fackmannen i varje enskilt fall. De visade skivorna ska endast ses som exempel, avsedda att illustrera en princip, och anger således inga exakta màttangivelser.

Vidare kan andra drivanordningar utnyttjas för att styra skivorna, liksom andra kombinationer av linser och andra optiska element kan vara lämpliga beroende pà tillämpningen.

Claims (17)

10 15 20 25 30 35 515 639 12 PATENTKRAV

1. l. Anordning för att svepa en ljusstråle över ett objekt, speciellt en användares öga, innefattande en ljuskålla (l) som är anordnad att generera en ljusstråle (3) i riktning mot objektet (5), kêàn11et:e<:k11a<í av att åtminstone ett diffraktivt element i form av en skiva (lOa, lOb; 20) är roterbart anordnat i ett tvårplan till ljusstràlen, vilken skiva (lOa, lOb; 20) är indelad i flera fält (l2; 22) strålen i åtminstone en bestämd riktning, så att, då (loa, 10b; 20) (12, 22) ett efter ett passerar förbi ljusstràlen (3) som därmed som vardera är anordnat att avböja skivan bringas att rotera, fälten avböjs i olika riktningar, för att därigenom åstadkomma en svepning av objektet (5).

2. Anordning enligt krav l, varvid strålen (3) genereras i riktning mot båda användarens ögon (5).

3. Anordning enligt krav l eller 2, varvid varje fält (l2; 22) är anordnat att dela upp ljusstràlen (3), och avböja den i flera riktningar.

4. Anordning enligt något av föregående krav, varvid ljuskällan (l) är anordnad att generera pulsat ljus.

5. Anordning enligt något av föregående krav, innefattande en första och en andra skiva (lOa, lOb), anordnade i var sitt normalplan till ljusstràlen, varvid (lOa) strålen i ett första plan, är anordnad att avleda ljus- (10b) är anordnad att avleda ljusstràlen i ett andra plan som är den första skivan och den andra skivan orienterat tvärs det första planet.

6. Anordning enligt något av föregående krav, varvid fälten (l2; 22) vardera utgör en sektor av nämnda skiva.

7. Anordning enligt något av föregående krav, varvid åtminstone en skiva (30; 40) innefattar åtminstone två ringformiga partier (32a, 32b; 42a, 42b), vilka vardera är indelat i ett flertal fält (34a, 34b; 44a, 44b). lO l5 20 25 30 35 515 639 l3

8. Anordning enligt något av kraven 2-7, vidare för att detektera strålen (5), möjliggöra detektering av användarens blickpunkt. innefattande en detektor (8) efter denna reflekterats mot ögat för att därigenom

9. Anordning enligt något av föregående krav, vidare innefattande en andra ljuskälla.

10. Anordning enligt något av föregående krav, varvid detektorn (8) är en fotodiod.

11. ll. Anordning enligt något av föregående krav, varvid ljuskällan (1) är en laser.

12. Anordning enligt något av föregående krav, varvid ljuskällan (1) är en LED.

13. Anordning enligt något av föregående krav, varvid ljuskållans våglängd ligger inom det infraröda området.

14. System för att låta en användare genom förändring av ögonens blickpunkt ge instruktioner till en (54) för registrering av ögonens blickpunkt och generering av (56) denna blickpunkt, och organ (58, 62, 66) för maskin 52, exempelvis en dator, innefattande organ en elektrisk signal som innehåller information om databehandling av nämnda signal, för att omvandla signalen till instruktioner (68) till maskinen, kêànI1et:e<:k11a innefattar en ljuskälla (1) i riktning mot ögonen som är anordnad att generera en (5), för att detektera strålen efter ljusstråle (3) en detektor (8) denna reflekterats mot ögonen, och åtminstone ett diffraktivt element i form av en (l0a, lOb; 20), roterbar i ett tvärplan till ljusstrålen (3), och vilken skiva vilken är anordnad att vara är indelad i ett flertal fält (l2; 22) som vardera år utformat att avböja strålen i åtminstone en bestämd riktning, så att, då skivan bringas att rotera, fälten (l2; 10 15 20 25 515 659 14 22) ett efter ett passerar förbi ljusstràlen (3) som därmed avböjs i olika riktningar, för att därigenom åstadkomma en svepning av ögonen (5).

15. System enligt krav 14, varvid nämnda instruktioner (68) innefattar lägesbestämning av en markör pä en datorskärm.

16. Förfarande för att svepa en ljusstràle över ett objekt, speciellt en användares ögon, innefattande stegen att generera en ljusstràle (3) i riktning mot objektet, speciellt mot en användares ögon (5), och att svepa strälen över objektet, kännetecknad av att steget att svepa ljusstràlen innefattar stegen att låta strälen passera genom ett diffraktivt element i (lOa, l0b; 20) i ett tvärplan till ljussträlen (3), vilken skiva är indelad i ett flertal fält (12, 22) som vardera är form av en skiva som är roterbart anordnat utformat att avböja strälen i åtminstone en bestämd riktning, och att rotera skivan, så att fälten ett efter ett passerar förbi ljusstràlen (3) som därmed avböjs i olika riktningar.

17. Förfarande enligt krav 16, vidare innefattande steget att detektera strälen efter denna reflekterats mot ögonen (5), för att därigenom möjliggöra detektering av användarens blickpunkt.