WO2013079727A1

WO2013079727A1 - Messverfahren und vorrichtung zur durchführung des messverfahrens

Info

Publication number: WO2013079727A1
Application number: PCT/EP2012/074289
Authority: WO
Inventors: Gerald FÜTTERER
Original assignee: Seereal Technologies S.A.
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2013-06-06
Also published as: DE102011055967A1; CN104205006B; TW201329416A; CN104205006A; US11675426B2; DE102011055967B4; TWI588441B; US20140327612A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messverfahren, bei welchem durch vorbestimmte Beleuchtung mittels eines Anzeigegerätes, insbesondere eines holographischen oder autostereoskopischen Anzeigegerätes, mit einer Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts in einer Ebene eines Lichtquellenbilds ein erster Ort eines Objektes, insbesondere eines Betrachter des Anzeigegeräts, markiert wird und wobei die Relativposition des ersten Ortes in Bezug auf einen zweiten Ort des Objektes in einem Koordinatensystem einer Kamera bestimmt wird.

Description

Messverfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Messverfahrens

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messverfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Messverfahrens.

Anzeigegeräte, die Betrachtern eine echte räumliche, d.h. dreidimensionale Wahrnehmung erlauben, werden immer populärer.

Typischerweise benötigen Betrachter dieser Anzeigegeräte Hilfsmittel, z.B. Helme, Spots, Polarisationsbrillen oder Shutterbrillen, um die von den Anzeigegeräten angezeigten Szenen dreidimensional wahrnehmen zu können.

Es sind auch Anzeigegeräte bekannt, die den Betrachtern eine Betrachtung ohne zusätzliche Hilfsmittel ermöglichen. Typischerweise wird bei diesen

Anzeigegeräten, z.B. autostereoskopischen Anzeigegeräten oder holographischen Anzeigegeräten, eine Information darüber benötigt, wo sich der oder die Betrachter in Bezug auf das Anzeigegerät aufhalten.

Üblicherweise werden zu diesem Zweck zwei Kameras genutzt, die den Raum vor dem Anzeigegerät erfassen. Mit den Kameras verbundene Auswerteeinheiten erkennen das Gesicht eines Betrachters des Anzeigegerätes und können insbesondere die Position der Augenpupillen des Betrachters in Bezug auf die Position der Kameras bestimmen. Die Erfassungsrichtung der Kameras in Bezug auf das Anzeigegerät ist dabei fest vorgegeben, so dass sich aus der Position der Augenpupillen in Bezug auf die Kameras die Position der Augenpupillen in Bezug auf das Anzeigegerät bestimmen lässt. Während des Transports der Vorrichtung kann es passieren, dass sich die Position und insbesondere die Ausrichtung der Kameras in Bezug auf das Anzeigegerät verstellt. Somit kann die Position der Augenpupillen in Bezug auf das Anzeigegerät nicht mehr genau bzw. korrekt bestimmt werden und es ist eine Neukalibrierung der Vorrichtung notwendig .

Weiter sind spezielle Vorrichtungen bekannt, mit denen Objekte

dreidimensional vermessen werden können. Typischerweise werden bei diesen Vorrichtungen mit einem Laser Linien auf dem Objekt erzeugt. Bilder von dem mit diesen Linien beleuchteten Objekt werden dann mit einer Kamera

aufgenommen und aus der Verzerrung der Linien wird dann die Form des Objektes berechnet und als digitales Modell hinterlegt. Um einem Betrachter die Möglichkeit zu geben, dieses digitale Modell zu begutachten, ist zusätzlich jedoch noch ein digitales Anzeigegerät notwendig. Hiervon ausgehend lag der Erfindung demzufolge die Aufgabe zugrunde, ein Messverfahren und eine Vorrichtung mit verringertem apparativen Aufwand anzugeben . Erfindungsgemäß wurde diese Aufgabe mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den auf die Patentansprüche 1 und 15 rückbezogenen Patentansprüchen 2 bis 14 sowie 16 bis 18 genannt. So besteht die Lösung der Aufgabe in einem Messverfahren, wobei durch vorbestimmte Beleuchtung mittels eines Anzeigegerätes mit einer

Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts in einer Ebene eines

Lichtquellenbilds ein erster Ort eines Objektes markiert wird und wobei die Relativposition des ersten Ortes in Bezug auf einen zweiten Ort des Objektes in einem Koordinatensystem einer Kamera bestimmt wird.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, das Anzeigegerät selbst als Mittel zur Bestimmung der Relativposition des ersten Ortes des Objektes in Bezug auf einen zweiten Ort des Objektes zu verwenden. Da die Beleuchtung für die Anzeige von Bildinformationen durch das Anzeigegerät selbst vorgegeben wird, kann die Position des ersten Ortes des Objektes und mittels der

Relativposition des zweiten Ortes in Bezug auf den ersten Ort im

Koordinatensystem der Kamera auch die Position des zweiten Ortes des Objektes im Koordinatensystem des Anzeigegerätes bestimmt werden.

Eine Kalibrierung der Kamera, d.h. die Bestimmung von deren Position und Ausrichtung, in Bezug auf das Koordinatensystem des Anzeigegerätes kann dadurch entbehrlich werden. Durch die Verwendung eines holographischen Anzeigegerätes kann die

Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts in der Ebene des

Lichtquellenbildes durch konstruktive bzw. destruktive Interferenz kohärenter Lichtstrahlen erzeugt werden. Auf diese Weise kann gezielt eine stark mit dem Abstand des Objektes vom Anzeigegerät variierende Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts erzielt werden.

Ein autostereoskopisches Anzeigegerät kann gegenüber einem holographischen Anzeigegerät aus einfacheren Baugruppen zusammengesetzt sein. Insbesondere benötigen autostereoskopische Anzeigegeräte keine Lichtquellen, die Licht großer Kohärenzlänge erzeugen, um dreidimensionale Szenen darzustellen. Die

Verwendung eines autostereoskopischen Anzeigegerätes kann das Verfahren somit günstiger machen. Die Markierung des ersten Ortes eines Betrachters des Anzeigegerätes kann vor allem dann vorteilhaft sein, wenn das Anzeigegerät mit dem Betrachter interagieren soll. Es ist allerdings auch denkbar den ersten Ort eines unbelebten Gegenstands zu markieren, so dass er vermessen werden kann, oder gezielt mit einer Textur beleuchtet werden kann.

Nach einer ersten Weiterbildung des Messverfahrens weist die

Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts in der Ebene des

Lichtquellenbilds ein Lichtquellenbild einer Beugungsordnung auf.

Anzeigegeräte weisen typischerweise einen räumlichen Modulator für Licht mit einer vorgegebenen Rasterung. Die Rasterung des räumlichen Modulators kann als natürliches Beugungsgitter mit einem vorherbestimmten Gitterabstand genutzt werden, so dass die Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts in der Ebene des Lichtquellenbilds ein Lichtquellenbild einer Beugungsordnung aufweisen kann. Denkbar ist, das Lichtquellenbild der 0. Beugungsordnung, d.h. das ungebeugte Lichtquellenbild, zu verwenden. Es können jedoch auch höhere Beugungsordnungen verwendet werden. Es können auch mehrere

Beugungsordnungen zur Erzeugung der Intensitätsverteilung verwendet werden, beispielsweise um die Präzision des Messverfahrens zu erhöhen, da mehrere Lichtquellenbilder detektierbar sind. Durch den vorgegebenen Gitterabstand können die Abstände der Maxima und/oder Minima in der Intensitätsverteilung sehr genau vorgegeben werden. Es ist möglich die Genauigkeit der Bestimmung der Relativposition des ersten Ortes in Bezug auf den zweiten Ort sehr genau vorzugeben.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Messverfahrens ist der zweite Ort eine Augenpupille des Betrachters und die Relativposition des ersten Ortes wird in Bezug auf die Augenpupille des Betrachters in dem Koordinatensystem der Kamera bestimmt. Die Augenpupillen des Betrachters sind sehr markante Punkte bzw. Bereiche auf dem Gesicht des Betrachters. Sie können sich somit relativ einfach von einer mit der Kamera verbundenen Auswertelogik erkannt werden. Zudem kann die Bestimmung der Relativposition des ersten Ortes in Bezug auf die Position einer Augenpupille des Betrachters eine Steuerung in

Abhängigkeit der Augenpupillenposition des Betrachters ermöglichen. Davon können insbesondere Betrachter profitierten, die sich aus körperlichen Gründen nicht anders verständlich machen können.

Ferner sieht ein Ausführungsbeispiel der Messverfahrens vor, dass durch Änderung der vorbestimmten Beleuchtung der erste Ort mit einem vorgebbaren Bereich des Gesichts des Betrachters, insbesondere mit der Augenpupille des Betrachters, in Deckung gebracht wird. Hierdurch kann eine

Betrachternachführung (engl.: Tracking) realisiert werden. Bei Anzeigegeräten, die Betrachtern eine echte dreidimensionale Wahrnehmung ohne Hilfsmittel wie z.B. Polarisationsbrillen oder Shutterbrillen

ermöglichen sollen, kann es vorteilhaft sein, nicht nur die Relativposition des ersten Ortes in Bezug auf den zweiten Ort zu bestimmen, sondern diese direkt in Deckung zu bringen. Auf diese Weise kann es möglich werden, gezielt nur einen vorgebbaren Bereich des Gesichts des Betrachters bei der Wiedergabe von z.B. Filmszenen zu beleuchten. Auf diese Weise kann der Rechenaufwand bei der Berechnung der dreidimensionalen Darstellung reduziert werden.

Nach einer anderen Weiterbildung des Messverfahrens wird als

Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts in einer Ebene eines

Lichtquellenbilds oder als Lichtquellenbild ein dem Betrachter anzuzeigendes Bild verwendet.

Die Verwendung des dem Betrachters anzuzeigenden Bildes kann es ermöglichen, das Messverfahren auch dann durchzuführen, wenn es als Anzeigegerät für den Betrachter verwendet wird. Wenn es sich um ein dreidimensionale Szenen darstellendes Anzeigegerät handelt, kann die Darstellung an eine sich ändernde Position des Betrachters angepasst werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Messverfahrens wird durch vorbestimmte Beleuchtung mittels des Anzeigegerätes mit einer zweiten

Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts in einer Ebene eines zweiten Lichtquellenbilds der zweite Ort des Objektes definiert.

Der Abstand zwischen dem ersten Ort des Objektes und dem zweiten Ort kann auf diese Weise im Koordinatensystem des Anzeigegeräts bekannt sein und somit aus dem Relativabstand des ersten Ortes in Bezug auf den zweiten Ort im

Koordinatensystem der Kamera die Position und Ausrichtung der Kamera in Bezug auf das Anzeigegerät bestimmt werden.

Die zweite Intensitätsverteilung des Beugungslichts in der Ebene des zweiten Lichtquellenbilds kann ein Lichtquellenbild einer Beugungsordnung aufweisen. Die Verwendung von Beugungsordnungen als Lichtquellenbilder kann den Vorteil haben, dass deren Abstände, bzw. die zugrunde liegenden Beugungswinkel durch eine Rasterung des Anzeigegerätes fest vorgegeben sein können. Es kann somit die Reproduzierbarkeit der Messung verbessert sein. Ferner sieht ein Ausführungsbeispiel des Messverfahrens vor, dass mit der ersten und der zweiten Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts ein vorgebbares Muster auf dem Objekt, insbesondere dem Gesicht des Betrachters, gebildet wird, dass mit der Kamera ein Bild des Musters aufgenommen wird, und dass das aufgenommene Bild des Musters auf Abweichungen zu dem vorgebbaren Muster untersucht wird.

Durch Ermittlung der Abweichungen zu dem vorgebbaren Muster, ist es denkbar, die Form des Objektes zu ermitteln. Es kann ggf. auch festgestellt werden, ob das Objekt einem vorgegebenen Objekt oder einem anderen Objekt entspricht.

Nach einer anderen Weiterbildung des Messverfahrens wird als erstes

Lichtquellenbild eine erste Beugungsordnung und als zweites Lichtquellenbild eine andere Beugungsordnung verwendet.

Die Verwendung von definierten Beugungsordnungen als Lichtquellenbilder kann den Vorteil haben, dass deren Abstand durch eine Rasterung des Anzeigegerätes fest vorgegeben sein kann, so dass die gemessenen Relativpositionen auf absolute Positionen zurückgeführt werden können. Das Beugungsmuster ergibt sich aus der Rasterung des Anzeigegerätes bzw. eines steuerbaren räumlichen Lichtmodulators des Anzeigegerätes, der Wellenlänge des verwendeten Lichtes, bzw. den verwendeten Wellenlängen und dem Abstand zur beleuchteten Ebene, d.h. dem Abstand zum beleuchteten Objekt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Messverfahrens wird ein kalibriertes Objekt verwendet. Unter einem kalibrierten Objekt wird ein Objekt mit einer hinreichend genau bekannten Form verstanden. Aus der Bestimmung der

Relativposition des ersten Ortes des Objektes in Bezug auf den zweiten Ort des kalibrierten Objektes im Koordinatensystem der Kamera kann die Position und Ausrichtung der Kamera in Bezug auf das Koordinatensystem des

Anzeigegerätes mit verbesserter Genauigkeit bestimmt werden.

Ferner sieht ein Ausführungsbeispiel des Messverfahrens vor, dass aus der Relativposition des ersten Ortes in Bezug auf den zweiten Ort in dem

Koordinatensystem der Kamera das Koordinatensystem der Kamera in Bezug auf ein Koordinatensystem des Anzeigegerätes kalibriert wird.

Die Kalibration des Koordinatensystems der Kamera kann es ermöglichen auf die laufende Bestimmung der Relativposition zu verzichten, da die Position des zweiten Ortes des Objektes im Koordinatensystem des Anzeigegerätes auch bestimmt werden kann, ohne dass ein erster Ort des Objektes durch

vorbestimmte Beleuchtung markiert werden muss. Eine Kalibrierung ist nur in größeren Abständen notwendig, wenn sich die Ausrichtung und/oder Position der

Kamera verstellt haben sollte. Eine Kalibrierung kann insbesondere nach einem

Transport der Vorrichtung notwendig werden. Es ist denkbar die Kalibrierung in vorgegebenen Zeitabständen durchzuführen. Vorstellbar ist es aber auch, die Kalibrierung nur auf explizite Anforderung des Betrachters durchzuführen. Nach einer anderen Weiterbildung des Messverfahrens wird die Kamera in einem vorbestimmten Abstand und/oder einer vorbestimmten Ausrichtung zum

Anzeigegerät angeordnet und aus der Relativposition des ersten Ortes in Bezug auf den zweiten Ort in dem Koordinatensystem der Kamera die Position des zweiten Ortes in einem Koordinatensystem des Anzeigegerätes bestimmt. Dadurch kann insbesondere die Form des Objektes bestimmt werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Messverfahrens wird das erste

Lichtquellenbild und das zweite Lichtquellenbild durch ein optisches System des Anzeigegerätes und durch eine vorbestimmte Beleuchtung eines steuerbaren räumlichen Lichtmodulators mit Licht einer ersten sichtbaren Wellenlänge und/oder einer zweiten sichtbaren Wellenlänge und/oder einer dritten sichtbaren Wellenlänge und/oder einer infraroten Wellenlänge erzeugt und die Kamera und/oder eine weitere Kamera mit einem Filter versehen, der im

Wesentlichen nur Licht der ersten sichtbaren Wellenlänge und/oder der zweiten sichtbaren Wellenlänge und/oder der dritten sichtbaren Wellenlänge und/oder infraroter Wellenlänge durchlässig ist. Durch die Verwendung von Licht einer definierten Wellenlänge und eines entsprechenden Filters, kann das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden. Insbesondere kann eine Beeinflussung des Messergebnisses durch Umgebungslicht reduziert werden. Die Verwendung eines für Licht infraroter Wellenlänge durchlässigen Filters kann insbesondere bei der Erfassung des Betrachters vorteilhaft sein. Beispielsweise kann ggf. die Position der Augenpupillen des Betrachters einfacher zu bestimmen sein, wenn der Filter der Kamera lediglich Licht infraroter Wellenlänge durchlässt.

Typischerweise werden Betrachtern mit Anzeigegeräten, der hier beschriebenen Art, den Betrachtern farbige Lichtquellenbilder gezeigt, die aus Licht dreier Wellenlängen gebildet werden. Durch die Nutzung aller drei Wellenlängen lässt sich die Genauigkeit der Messungen verbessern.

Ferner sieht ein anderes Ausführungsbeispiel des Messverfahrens vor, dass die Relativposition des ersten Ortes in Bezug auf den zweiten Ort in einem zweiten Koordinatensystem einer zweiten Kamera bestimmt wird.

Durch die Verwendung einer zweiten Kamera können zusätzlich zu Informationen über die Richtungen, in denen sich der erste Ort des Objektes und der zweite Ort des Objektes befinden, auch Informationen über den Abstand des ersten und des zweiten Objektes von dem Anzeigegerät erhalten werden. Weitere Kameras können ggf. die Ortsauflösung weiter verbessern. Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des Messverfahrens wird durch vorbestimmte Beleuchtung mittels eines Anzeigegerätes, insbesondere eines holographischen oder autostereoskopischen Anzeigegerätes, mit einer

Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts in einer Ebene eines

Lichtquellenbilds ein erster Ort eines Betrachters des Anzeigegeräts markiert, wobei als Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts in einer Ebene eines Lichtquellenbilds oder als Lichtquellenbild ein

Sichtbarkeitsfenster eines dem Betrachter anzuzeigenden Bildes verwendet wird, wobei die Relativposition des ersten Ortes in Bezug auf die

Augenpupille des Betrachters in dem Koordinatensystem der Kamera bestimmt wird, und wobei durch Änderung der vorbestimmten Beleuchtung der erste Ort mit einem vorgebbaren Bereich des Gesichts des Betrachters, insbesondere mit der Augenpupille des Betrachters, in Deckung gebracht wird. Das Messverfahren kann für beide Augenpupillen durchgeführt werden. Es können dem Betrachter für jede Augenpupille spezifische Bildinformationen zur Verfügung gestellt werden. Damit kann beispielsweise ein besonders guter Tiefeneindruck vermittelt werden. Zudem kann das Sichtbarkeitsfenster kontinuierlich der Position der Augen nachgeführt werden, so dass vermieden werden kann, dass Lichtbilder höherer Beugungsordnungen von den Augenpupillen erfasst werden.

Andererseits ist die oben genannte Aufgabe durch eine Vorrichtung zur

Durchführung des Messverfahrens gelöst worden, wobei die Vorrichtung ein Anzeigegerät, eine Kamera und eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der

Position des ersten Ortes in einem Koordinatensystem der Kamera aufweist.

Die mit einem solchen Anzeigegerät, insbesondere mit einem holographischen Anzeigegerät oder einem autostereoskopischen Anzeigegerät einhergehenden Vorteile sind in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren bereits oben beschrieben worden.

Nach einer ersten Weiterbildung der Vorrichtung umfasst die Kamera einen CCD- Sensor .

CCD-Sensoren können einen besonders hohen Dynamikumfang haben, d.h. sowohl sehr helle als auch sehr dunkele Bereiche des Bildbereichs erfassen.

Alternativ kann die Kamera auch einen CMOS-Sensor aufweisen. Im Allgemeinen weisen CMOS-Sensoren einen höheren Dynamikbereich als CCD-Sensoren auf, wobei CCD-Sensoren im Vergleich zu CMOS-Sensoren im Allgemeinen eine höhere Bit- Tiefe aufweisen. CMOS-Sensoren können typischerweise auch langwelligeres, infrarotes Licht erfassen. Die Kamera könnte auch eine Farbkamera sein. Durch das zusätzliche Ausnutzen der Farbinformationen kann die Genauigkeit der Relativpositionsbestimmung weiter verbessert werden. Ferner sieht ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung vor, dass die

Vorrichtung eine Lichtquelle und ein optisches System umfasst, wobei mit der Lichtquelle und dem optischen System eine Intensitätsverteilung des

Beleuchtungslichts in einer Ebene eines Lichtquellenbildes erzeugbar ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit Hilfe einer auf ein Objekt abgebildete bzw. projizierte Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts eine zuverlässige relative Position des ersten Orts des Objekts auf einen zweiten Ort des Objekts in einem Koordinatensystem einer Kamera bestimmt werden, wobei der zweite Ort eine Augenpupille des Betrachters ist.

Damit das Signal-zu-Rausch-Verhältnis erhöht werden kann, könnte gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mindestens ein schmaler Bandpassfilter eingesetzt werden. Die Transmissionscharakteristik eines Dreifach-Bandpassfilters ist in Fig. 5 gezeigt. Hierbei ist die Transmission in Abhängigkeit der Wellenlänge des verwendeten Lichts aufgetragen. Die Transmission kann derart optimiert werden, dass sie für mehrere schmalbandige spektrale Bereiche jeweils wirkt. Dementsprechend ist es möglich, entsprechende spektrale Fenster

beispielsweise für (457 ± 3) nm, (532 ± 3) nm, (640 ± 3) nm und/oder (780 ± 5) nm zu verwenden. Solche spektralen Filter sind heutzutage schon

Massenprodukte, deren hauptsächliches Einsatzgebiet in der

Fluoreszenzlichtmikroskopie oder in farbseparierter dreidimensionaler

Darstellung von Objekten ist. Es ist auch möglich, lediglich eine Infrarot- Wellenlänge, beispielsweise 780 nm, als unsichtbare Komponente einzusetzen. Dies deshalb, weil Licht bei einer Wellenlänge von 780 nm nur bei hohen Intensitäten gesehen werden kann. Es ist also möglich, ein schmales

spektrales Fenster in dem nahen Infrarotbereich oder im Infrarotbereich zu verwenden. Das Umgebungslicht kann um einen Faktor von zum Beispiel > 200 unterdrückt werden. In vorteilhafter Weise ist es darüber hinaus möglich, beispielsweise ein Infrarot-Line-Scanning (d.h. eine Linienrasterung) unter Verwendung eines zusätzlichen Subsystems des erfindungsgemäßen Messverfahrens zu verwenden.

Die Detektion bzw. die Bestimmung der Augenposition kann mit Hilfe eines CMOS-Arrays oder einer CMOS-Zeile erfolgen. Ein Retina-Scan stellt hierbei eine schnelle Möglichkeit zur Nachführung der Augenposition dar. Dabei ist es möglich, dies unter Verwendung einer nahen Infrarot-LED zu implementieren, welche eine vorgegebene räumliche Korrelation realisiert. Dementsprechend kann die Position eines Auges bzw. einer Pupille mit einer vordefinierten bzw. vorgegebenen Beleuchtungsfunktion korrelieren.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel hierzu könnten mehrere Lichtquellen eingesetzt werden, deren Licht in unterschiedliche Richtungen emittiert wird. Dementsprechend ist es möglich, die Köpfe mehrerer Betrachter und die Augen aus unterschiedlichen Richtungen zu beleuchten. Die unterschiedlichen

Beleuchtungsrichtungen können ein- und ausgeschaltet werden, nämlich beispielsweise dadurch, dass Lichtquellen unterschiedlicher Richtungen ein- bzw. ausgeschaltet werden. Dies kann zeitsequentiell oder zeitgleich erfolgen, beispielsweise bei einer Beleuchtung mit Licht im Wesentlichen gleicher Wellenlänge zeitsequentiell. Wenn Beleuchtungslicht

unterschiedlicher Wellenlängen verwendet wird, könnte dies auch zeitgleich erfolgen .

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel hierzu könnte eine scannende Lösung verwendet werden. Hierbei könnte ein Scan (Rastern bzw. Abtasten)

beispielsweise in eine Richtung oder in zwei, drei oder mehrere

unterschiedliche Richtungen erfolgen. Jeder eindimensionale Scan (d.h. jede Rasterung eines Lichtstrahls entlang einer im Wesentlichen geradförmigen Linie) ergibt eine Erhöhung des Retina-Reflex-Signals. Auch hier kann der Einsatz eines schmalbandigen spektralen Filters genutzt werden, um das Licht der Lichtquelle des Scanners von dem Umgebungslicht zu trennen und damit das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des detektierten Signals zu erhöhen.

Die Auswertung bzw. Bestimmung der Position der Augen kann zeitsequentiell erfolgen, beispielsweise in zwei unterschiedlichen Richtungen.

Dementsprechend kann die x- und y-Position des Auges bzw. der Augenpupille beispielsweise innerhalb 1/1000 Sekunde bestimmt werden, wenn ein CMOS- Liniendetektor eingesetzt wird.

Es können weiterhin unterschiedliche Scanverfahren implementiert werden. So können beispielsweise globale Scans durchgeführt werden, beispielsweise in x- und y-Richtung oder in gekreuzten Richtungen. Auch winkelabhängige Scans können implementiert werden. Weiterhin kann ein a- und ß-Winkelscan

eingesetzt werden, um richtungsabhängige Schnitte der Winkel-Scanning-Linien zu bestimmen. Mehrere Scanningverfahren können kombiniert werden, um mögliche Unsicherheiten in der Positionsbestimmung zu reduzieren bzw. auszuschließen. Zusätzlich hierzu kann ein Scanbereich definiert bzw. festgelegt werden.

Dieser Scanbereich kann wesentlich kleiner als der gesamte Scanbereich sein. Dementsprechend können die Scans in diesem reduzierten Scanbereichen durchgeführt werden, wodurch die Scangeschwindigkeit und die Augendetektion schneller durchgeführt werden kann.

Im Konkreten könnte in einem Ausführungsbeispiel ein in x-Richtung bzw. in horizontaler Richtung angeordneter Linienscanner an einer Seite des

Anzeigegeräts vorgesehen sein und ein linienförmiger Detektor oder eine (zweidimensionale) Detektionsmatrix an der anderen Seite des Anzeigegeräts angeordnet sein. Weiterhin ist es möglich, Linienscanner und Detektoren an beiden Seiten des Anzeigegeräts vorzusehen. Eine vergleichbare Anordnung kann an der oberen und unteren Seite des Anzeigegeräts vorgesehen sein, um beispielsweise einen y-Scan zu implementieren.

Eine kosteneffiziente Lösung könnte beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein DOE (diffraktives optisches Element), welches vor einer IR-LD (Infrarot- Lichtdiode) und einem eindimensionalen Scanspiegel angeordnet ist, wobei die IR-LD und der eindimensionale Scanspiegel in einem Standard-IC-Gehäuse angeordnet ist, welches auch die gesamte elektronische Ansteuerung enthält, um den kleinen Scanningspiegel anzutreiben.

Dieses Detektionsprinzip könnte auch in Verbindung mit einem HMD (head- mounted Display, ein an einem Betrachterkopf adaptiertes Display) angewendet werden .

Wenn beispielsweise ein- oder zweidimensionale CMOS-Detektor-Arrays verwendet werden, kann auch hier wieder ein eingeschränkter Scanbereich ausgewählt werden, damit von dem eingeschränkten Scanbereich Signale detektiert und mit einer erhöhten Wiederholrate ausgelesen werden können. Hierzu kann

beispielsweise ein Modul zum Auffinden eines Betrachterkopfes verwendet werden, welches lediglich die Position des Betrachterkopfes detektiert. Diese Positionsdaten des Betrachterkopfes können dann für den ausgewählten

Scanbereich verwendet werden, beispielsweise unter Einsatz zweier

eindimensionaler Scanner.

So könnte beispielsweise ein kleiner Bereich von 25 mm x 25 mm oder sogar wesentlich kleiner verwendet werden, wobei dieser Bereich ungefähr auf die

Mitte der Augenpupille zentriert wird. Dieser Bereich bzw. diese Fläche wird mit dem eindimensionalen oder zweidimensionalen Linienscan beleuchtet.

Schnelle Fotodetektordioden können am Rand des Anzeigegeräts angeordnet sein.

Diese Detektoren können beispielsweise mit schmalbandigen Filtern, welche auf die Beleuchtungswellenlänge abgestimmt sind - z.B. nahe Infrarotleuchtdioden

- versehen sein. Dementsprechend kann hierdurch ein schnelles Subsystem realisiert werden, welches in dem Anzeigegerät zum Einsatz kommen kann, und zwar wenn das Anzeigegerät in Form eines Direktsichtgeräts, eines HMD oder eines mobilen Displays oder eines Tablets ausgebildet ist. Die Fotodetektoren oder Fotodioden können auch eine speziell abgestimmte winkelabhängige

Detektionscharakteristik aufweisen, welche insbesondere Licht aus

vorgegebenen Raumbereichen bzw. Nachführbereichen detektieren. Auch hierdurch kann die Menge des Lichts reduziert werden, welche nicht aus dem Scanbereich bzw. aus dem Detektionsbereich stammt.

Nach einer anderen Weiterbildung der Vorrichtung umfasst die Vorrichtung einen Filter, der vor der ersten Kamera angeordnet ist und im Wesentlichen nur für Licht einer ersten sichtbaren Wellenlänge und/oder einer zweiten sichtbaren Wellenlänge und/oder einer dritten sichtbaren Wellenlänge und/oder infraroter Wellenlänge durchlässig ist.

Die damit einhergehenden Vorteile sind bereits in Bezug auf das

erfindungsgemäße Verfahren oben beschrieben worden.

Weitere Ausgestaltungen werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigt Figur 1 ein Ablaufdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel des

erfindungsgemäßen Messverfahrens ,

Figur 2 eine Vorrichtung zur Durchführung des Messverfahrens gemäß einem erfindungsgemäßen Aus führungsbeispiel ,

Figur 3 in einer Ebene der Lichtquellenbilder die Position der Augen eines

Betrachters relativ zu Lichtquellenbildern des Beleuchtungslichts, wobei die Ebene der Lichtquellenbilder in diesem Ausführungsbeispiel parallel zur Oberfläche des steuerbaren räumlichen Lichtmodulators angeordnet ist,

Figur 4 in einer Aufsicht ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur

Durchführung des erfindungsgemäßen Messverfahrens und die Augen eines Betrachters und

Figur 5 in einer Diagrammdarstellung die Transmissionscharakteristik eines

Dreifach-Bandpassfilters .

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ablaufdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Messverfahrens.

In einem ersten Schritt 1 wird ein Objekt durch vorbestimmte Beleuchtung mittels eines Anzeigegerätes beleuchtet und durch die Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts in einer Ebene eines Lichtquellenbildes ein erster Ort eines Objektes markiert.

In einem zweiten Schritt 2 wird die Relativposition des ersten Ortes in Bezug auf einen zweiten Ort des Objektes in einem Koordinatensystem einer Kamera bestimmt .

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 3. Die Vorrichtung 3 weist ein Anzeigegerät 4, eine Kamera 5 und eine

Auswerteeinheit 6 auf. Das Anzeigegerät beinhaltet eine Lichtquelle 7, einen räumlichen Modulator für Licht 8 und ein optisches System 9.

Wird eine Lichtquelle geringer Ausdehnung auf eine große Fläche aufgeweitet, die in Figur 2 mit 7 bezeichnet wird, so erzeugt ein optisches System, welches zumindest in einer Richtung eine fokussierende Wirkung aufweist, zumindest in einer Richtung ein Lichtquellenbild, welches beispielsweise nahe der Ebene 13 liegt. Ist 7 eine leuchtende Fläche, so liegt in 13 eine

Intensitätsverteilung vor, die proportional zum Planwellenspektrum der leuchtenden Fläche ist. Ein räumlicher Modulator kann dabei eine

Beugungsverbreiterung einführen.

Räumliche Modulatoren für Licht 8 sind auch unter ihrer englischen

Bezeichnung Spatial Light Modulator bzw. der Abkürzung SLM bekannt und dienen dazu Licht eine räumliche Modulation aufzuprägen. Typischerweise modulieren SLMs die Intensität des Lichts. Es sind jedoch auch SLMs bekannt, welche die Phase modulieren, und es ist darüber hinaus denkbar mit einem SLM die Phase und die Intensität gleichzeitig zu modulieren.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Anzeigegerät 4 über eine Verbindung 10 von der Auswerteeinheit 6 angesteuert und die Beleuchtung vorbestimmt, mit der das Anzeigegerät 4 ein Objekt 11 beleuchtet. Vorliegend handelt es sich bei dem Objekt 11 um einen Betrachter des Anzeigegerätes 4. Mittels der vorbestimmten Beleuchtung wird eine Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts 12 in einer Ebene eines Lichtquellenbildes 13 erzeugt und damit ein erster Ort des Objektes 11 markiert.

Im Allgemeinen kann die in der Ebene 13 vom Anzeigegerät erzeugte

Intensitätsverteilung deutlich kleiner als in Figur 2 ausfallen. Es kann sich beispielsweise dabei auch um ein Sichtbarkeitsfenster handeln, welches eine Abmessung von 10 mm x 10 mm oder auch nur einen Durchmesser von 3 mm aufweist . Mit der Kamera 5 wird die Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts 12 in der Ebene des Lichtquellenbildes 13 erfasst und der erste Ort des Objektes mit der Kamera 5 erfasst. Die Kamera 5 erfasst ebenfalls einen zweiten Ort des Objektes 11, hier die Augenpupille 14 des Betrachters. Aus den von der Kamera 5 über die Verbindung 15 zur Verfügung gestellten Daten bestimmt dann die Auswerteeinheit 6 die Relativposition des ersten Ortes in Bezug auf den zweiten Ort des Objektes 11 in dem Koordinatensystem der Kamera 5.

Die Figur 3 zeigt die Position der Augen 16 und 17 eines Betrachters, dessen Gesicht (in Figur 3 nicht gezeigt) mittels eines Anzeigegeräts (in Figur 3 nicht gezeigt) , insbesondere eines holographischen oder autostereoskopischen Anzeigegerätes, beleuchtet wird. Bei der Beleuchtung des Betrachters mit dem Anzeigegerät weist die Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts häufig Lichtquellenbilder mehrerer Beugungsordnungen 18-30 auf. Die Figur 3 zeigt Beugungsordnungen 18-30, welche mittels einer zweidimensionalen Kodierung erhalten wurden und als schwarze Kreisflächen dargestellt sind. Als

Lichtquellenbild der 0. Beugungsordnung wird dabei das ungebeugte

Lichtquellenbild 18 bezeichnet. Der Bereich, welcher das ungebeugte

Lichtquellenbild 18 umfasst und bis zu den nächstliegenden

Lichtquellenbildern 19-22 höherer Beugungsordnung reicht, wird als

Sichtbarkeitsfenster 31 oder Viewing Window bezeichnet. Das

Sichtbarkeitsfenster 31 ist in der Figur 3 als Ellipse skizziert. Vom

Sichtbarkeitsfenster 31 weiter entfernt liegende Lichtquellenbilder können, beispielsweise durch ein kosinusförmig verlaufendes Apodisationsprofil der Pixel des steuerbaren räumlichen Lichtmodulators, wie beispielsweise in der WO 2009/156191 AI beschrieben, in ihrer Intensität reduziert werden. Deckt sich das Sichtbarkeitsfenster 31 wie in der Figur 3 gezeigt mit der Position des Auges 16, können die anderen Lichtquellenbilder soweit unterdrückt werden, dass sie von dem anderen Auge 17 nicht mehr wahrgenommen werden. Damit dies auch bei einer Bewegung der Augen sichergestellt werden kann, wird typischerweise die Beleuchtung kontinuierlich an die Position der Augen angepasst. Die dafür zu berücksichtigenden Augenbewegungen sind in der Figur 3 durch vier kurze Pfeile angedeutet. Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Vorrichtung 32. Die Vorrichtung 32 weist ein Anzeigegerät 33, zwei Kameras 34, 35 und eine Auswerteeinheit 36 auf. Die Ausrichtung und Position der beiden Kameras 34, 35 in Bezug auf das Anzeigegerät 33 ist durch die Montage fest vorgegeben. Mit anderen Worten sind die Koordinatensysteme der beiden Kameras 34, 35 kalibriert.

Der Raum vor der Vorrichtung 32, in welchem sich der Betrachter befindet, wird mit den beiden Kameras 34, 35 erfasst, wobei anhand der Kamerabilder das Gesicht des Betrachters erkannt wird. Die Position der Augenpupillen 37, 38 wird in den kalibrierten Koordinatensystemen der jeweiligen Kamera 34, 35 bestimmt. Dadurch erhält man zunächst für die Augenpupille 37 zwei

Richtungsvektoren 39, 40, welche von den Positionen der Kameras 34, 35 ausgehen und in Richtung der Augenpupille 37 zeigen. Aus dem Schnittpunkt der die beiden Richtungsvektoren 39, 40 aufspannenden Geraden, kann dann der Abstand der Augenpupille 37 von dem Anzeigegerät 33 bzw. die Relativposition zwischen der Augenpupille 37 und dem Anzeigegerät 33 ermittelt werden. Mit der zweiten Augenpupille 37 wird auf die gleich Art und Weise verfahren.

Beim Transport der Vorrichtung 32 kann es passieren, dass sich die Position der Kameras 34, 35 oder deren Ausrichtung gegenüber dem Anzeigegerät 33 ungewollt verändert. Deren Koordinatensystem ist somit nicht mehr in Bezug auf das Anzeigegerät 33 kalibriert.

Die Abstände der auf einem Objekt erzeugten Lichtquellenbilder (vgl. Figur 3) können durch das native Pixelraster des Anzeigegerätes 33 fest vorgegeben sein, z.B. als Fouriertransformierte des steuerbaren räumlichen

Lichtmodulators, insbesondere, wenn eine Anzeigevorrichtung gemäß der WO 2006/066919 AI eingesetzt wird bzw. das erfindungsgemäße Messverfahren auf eine in der WO 2006/066919 AI offenbarte Anzeigevorrichtung angewendet wird. Zur Kalibration der Vorrichtung 32 können die Lichtquellenbilder mehrerer Beugungsordnungen 18-30, d.h. das Lichtquellenbildraster, mit der jeweiligen Kamera 34, 35 erfasst werden und aus der Relativposition der

Lichtquellenbilder in den jeweiligen Koordinatensystemen der Kameras 34, 35 kann die Position der Objektes bestimmt werden. Da die Position der

Lichtquellenbilder in Bezug auf das Anzeigegerät 33 bekannt ist, kann die Vorrichtung somit neu kalibriert werden.

Claims

Patentansprüche

Messverfahren,

wobei durch vorbestimmte Beleuchtung mittels eines Anzeigegerätes, insbesondere eines holographischen oder autostereoskopischen

Anzeigegerätes, mit einer Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts in einer Ebene eines Lichtquellenbilds ein erster Ort eines Objektes, insbesondere eines Betrachter des Anzeigegeräts, markiert wird und wobei die Relativposition des ersten Ortes in Bezug auf einen zweiten Ort des Objektes in einem Koordinatensystem einer Kamera bestimmt wird

Messverfahren nach Anspruch 1,

wobei die Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts in der Ebene de Lichtquellenbilds ein Lichtquellenbild einer Beugungsordnung aufweist.

Messverfahren nach Anspruch 1 oder 2,

wobei der zweite Ort eine Augenpupille des Betrachters ist und die Relativposition des ersten Ortes in Bezug auf die Augenpupille des Betrachters in dem Koordinatensystem der Kamera bestimmt wird.

Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

wobei durch Änderung der vorbestimmten Beleuchtung der erste Ort mit einem vorgebbaren Bereich des Gesichts des Betrachters, insbesondere mit der Augenpupille des Betrachters, in Deckung gebracht wird.

Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

wobei als Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts in einer Ebene eines Lichtquellenbilds oder als Lichtquellenbild ein

Sichtbarkeitsfenster eines dem Betrachter anzuzeigenden Bildes verwendet wird.

Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

wobei durch vorbestimmte Beleuchtung mittels des Anzeigegerätes mit einer zweiten Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts in einer Ebene eines zweiten Lichtquellenbilds der zweite Ort des Objektes definiert wird.

Messverfahren nach Anspruch 6,

wobei mit der ersten und der zweiten Intensitätsverteilung des

Beleuchtungslichts ein vorgebbares Muster auf dem Objekt, insbesondere dem Gesicht des Betrachters, gebildet wird,

wobei mit der Kamera ein Bild des Musters aufgenommen wird, und wobei das aufgenommene Bild des Musters auf Abweichungen zu dem vorgebbaren Muster untersucht wird.

Messverfahren nach Anspruch 6,

wobei als erstes Lichtquellenbild eine erste Beugungsordnung und zweites Lichtquellenbild eine andere Beugungsordnung verwendet wi

9. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1, 6, 7 oder 8,

wobei ein kalibriertes Objekt verwendet wird.

10. Messverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9,

wobei aus der Relativposition des ersten Ortes in Bezug auf den zweiten Ort in dem Koordinatensystem der Kamera das Koordinatensystem der Kamera in Bezug auf ein Koordinatensystem des Anzeigegerätes kalibriert wird.

11. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,

wobei die Kamera in einem vorbestimmten Abstand und/oder einer vorbestimmten Ausrichtung zum Anzeigegerät angeordnet wird, und wobei aus der Relativposition des ersten Ortes in Bezug auf den zweiten

Ort in dem Koordinatensystem der Kamera die Position des zweiten Ortes in einem Koordinatensystem des Anzeigegerätes bestimmt wird.

Messverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,

wobei das erste Lichtquellenbild und/oder das zweite Lichtquellenbild durch ein optisches System des Anzeigegerätes und durch eine

vorbestimmte Beleuchtung eines steuerbaren räumlichen Lichtmodulators mit Licht einer ersten sichtbaren Wellenlänge und/oder einer zweiten sichtbaren Wellenlänge und/oder einer dritten Wellenlänge und/oder einer infraroten Wellenlänge erzeugt wird, und

wobei die Kamera und/oder eine weitere Kamera mit einem Filter versehe wird, der im Wesentlichen nur Licht der ersten sichtbaren Wellenlänge und/oder der zweiten sichtbaren Wellenlänge und/oder der dritten sichtbaren Wellenlänge und/oder infraroter Wellenlängen durchlässig

13. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,

wobei die Relativposition des ersten Ortes in Bezug auf den zweiten Ort in einem zweiten Koordinatensystem einer zweiten Kamera bestimmt wird.

14. Messverfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 13,

wobei durch vorbestimmte Beleuchtung mittels eines Anzeigegerätes, insbesondere eines holographischen oder autostereoskopischen Anzeigegerätes, mit einer Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts in einer Ebene eines Lichtquellenbilds ein erster Ort eines Betrachters des Anzeigegeräts markiert wird,

Sichtbarkeitsfenster eines dem Betrachter anzuzeigenden Bildes verwendet wird,

wobei die Relativposition des ersten Ortes in Bezug auf die

Augenpupille des Betrachters in dem Koordinatensystem der Kamera bestimmt wird,

5. Vorrichtung zur Durchführung eines Messverfahrens gemäß einem der

Ansprüche 1 bis 14,

wobei die Vorrichtung ein Anzeigegerät, insbesondere ein

holographisches Anzeigegerät oder ein autostereoskopisches

Anzeigegerät, eine Kamera und eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Position des ersten Ortes in einem Koordinatensystem der Kamera aufweist .

6. Vorrichtung nach Anspruch 15,

wobei die Kamera einen CCD-Sensor oder einen CMOS-Sensor umfasst und/oder wobei die Kamera eine Farbkamera ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16,

welche eine Lichtquelle umfasst, wobei mit der Lichtquelle und dem optischen System eine Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts in einer Ebene eines Lichtquellenbilds erzeugbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17,

wobei die Vorrichtung einen Filter umfasst,

wobei der Filter vor der ersten Kamera angeordnet ist, und

wobei der Filter im Wesentlichen nur für Licht einer ersten sichtbaren Wellenlänge und/oder einer zweiten sichtbaren Wellenlänge und/oder einer dritten sichtbaren Wellenlänge und/oder infrarote Wellenlänge durchlässig ist.