眼睛追踪器照明的制作方法

本申请是2012年6月14日递交的申请号为201280034006.x，发明名称为“眼睛追踪器照明”的分案申请。

本发明涉及照明对象，通过眼睛追踪器注册所述对象的至少一只眼睛的移动，用于生成结果数据(即，关于眼睛和/或凝视位置的信息)。依次地，该数据可以被用于控制计算机装置，或者(例如，与心理学相结合或者在诊断多种医学状况时)被专门注册用于分析目的。观察者每只眼睛位置上的精准信息对于自动立体显示是必要的，用于确保正确的图像被呈现并被投射向每只眼睛，以便生成身临其境的三维效果。更详细来说，本发明涉及根据权利要求1前序部分的装置。

背景技术：

现有技术包括用于眼睛追踪器的方向性光学照明器。这种照明器相对于静态复制是有益的，因为在每个时间点上，他们仅仅照明在对象移动的空间内的内表面的一小部分。因此，对应于那些没有被照明的表面的尺寸，如果相反地，这些表面被照明的情况下，这种照明器节省了功率。us2012/0066975描述了一种方案，使用具有成像镜片或者准直光束的基于矩阵的照明器，以及可倾斜的镜子引导照明朝向眼睛追踪器的用户。

此外，已知衍射光学元件(diffractiveopticalelement，doe)，用于将相干光束转换成任意亮度的图案。可以通过urlhttp://www.rpcphotonics.com/optical.asp获得简要的doe描述。

us2004/0213463公开了一种用于成像和范围探测的方案，其中，基于doe的技术被用于光的空间编码。这里，通过将不同的doe插入光束中，可以即刻改变光图案的位置和形状。

有时，doe被称作为全息光学元件。在这种情况下，doe经常包括模拟或数字的相位掩膜，其被用于将相干光束转换为想要的空间图案。该相位振幅典型地小于一个波长。doe还可以包括振幅掩膜。

现有技术中存在的问题

尽管在us2010/0066975中公开的技术方案具有很多重要的特性，但是仍有改善的空间。例如，该设计是基于经典镜片的，例如成像透镜和镜子。这反过来显现出该设计相对笨重、复杂以及对机械损坏是易受影响的。

通常来说，基于led和经典光学技术的传统的眼睛追踪器照明器也具有以下缺点。

在将电能转化成光能方面，led的效率是相对低的。光学上的效率同样相对低。此外，由于宽的带宽，即便led照明器的峰值波长在nir频谱中，led照明器也可能无意间生成可见光。当然，这可能分散所照明的对象。由于使用了宽的带宽，外界光线也可能到达成像传感器，并因此造成干扰。

当以明亮的瞳孔眼睛追踪为目标时，希望将照明器放置得尽可能靠近图像注册装置的光轴。因此，尽可能最小的照明器是具有吸引力的。当今眼睛追踪器中通常使用的led照明器包括多个led的矩阵。因此，led照明器变得相对大。此外，根据所需芯片的数量来测量产品成本。由于多个led对应于多个芯片，所以led照明器的成本趋向于相当高。

led的另一个特点是其代表所谓的朗伯(lambertian)光源。这意味着，其辐射是与方向独立的。换句话说，辐射角度延伸±90度，典型的为±60度半高全宽。因此，为了高效地耦合，需要大数值孔径镜片，即高透过率(hightransmission)，这反过来显示出镜片的笨重和昂贵。

技术实现要素：

本发明的目的是减轻上述问题并实现简单的、紧凑的、鲁棒的而且是节能的照明方案，用于眼睛追踪器的实现。

根据本发明，通过最初描述的装置实现目的，其中，光生成装置包括相干光源和衍射光学元件。该相干光源被用于产生良好限定的光束的相干光。优选地，该相干光源包括多模激光二极管，其显示一定程度的相干并具有少于10nm的带宽。然而，显示至少一定程度相关的任何其他形式的照明器也可以被用作相干光源。该衍射光学器件被用于引导光束朝向第一指定区域，估计该第一指定区域覆盖对象的至少一只眼睛，注册所述对象的眼睛的移动。优选地，该装置被用于适应性地控制第一指定区域的位置，使得第一指定区域在每个时间点上覆盖估计的对象的眼睛区域。

该装置是有益的，因为其可以对眼睛追踪最相关的区域进行精确的照明。

根据本发明一个优选实施例，第一指定区域代表照明图案，并且所照明的区域位于图像注册装置(imagingregisteringmeans)的视野内。这样，消耗最小数量的光，即，非常少的光被引导朝向不需要图像注册的区域。

根据本发明的另一优选实施例，该装置包括斑点减少装置。该斑点减少装置被用于通过使来自相干光源的光在预定时间间隔过程中，在第一指定区域上基本均匀地分布，来在来自第一指定区域内的相干光源的光中，减少斑点相关的亮度变化，所述预定时间间隔典型地对应于图像注册装置基于所产生的结果数据捕捉图像数据所需的时间。

这样，斑点减少装置可以包括振荡器，被用于使衍射光学元件相对于相干光源移动。替选地，相干光源可以包括静态多模激光(横向的和/或纵向的)，用于使用包括至少两个分离的光谱线的频谱发射光，其中，所述至少两个线中的每一个所代表的光与特定斑点图案相关联。因此，导致第一指定区域上的全部光分布变得基本上均匀。作为再一替选，斑点减少装置可以包括调制装置，用于使用在时间上变化的斑点图案产生光的方式来定时调制相干光源。同样，随着时间的过去，导致第一指定区域上的全部光分布变得基本上均匀。

根据本发明的另一优选实施例，该装置包括光控制元件，用于接收相干光并引导所接收的光的至少一部分朝向对象。优选地，光控制元件包括衍射光学元件，用于引导接收的光作为光束的一部分朝向第一指定区域。因此，装置实现鲁棒的和紧凑的设计。

根据本发明的另一优选实施例，图像注册装置包括过滤元件，其被设置在用于生成结果数据的传感器元件的上游。该过滤元件被用于屏蔽可见光，以便减少源于外界光的、在眼睛和/或眼镜中不希望有的反射的干扰。此外，优选地，该过滤元件具有与相干光源具有能量发射峰值的频谱范围相匹配的通频带。这样，理想地，过滤元件具有相对窄的通频带，其中心在相干光源的能量发射峰值的周围。替选地，过滤元件包括低通过滤器，用于允许能量发射峰值和nir(nearinfrared，近距离红外)光通过，而不是可见光。在任何情况下，过滤元件可以被布置在透镜元件的前面或后面；或者被集成在图像注册装置中的透镜元件中。替选地，可以在传感器原件上的覆盖玻璃中包括过滤元件。这样，通过过滤元件，任何干扰背景光都可以被有效地去除。

优选地，激光代表相干光源。也就是说，被动冷却的激光典型的具有少于1nm的带宽，而在现有技术设计中使用的led(lightemittingdiode，发光二极管)光源通常具有超过40nm的带宽。因此，所提出的激光的使用，相当直接地压抑了任何不希望有的背景照明。

根据本发明另一优选实施例，光线产生装置还包括第二衍射光学元件。该元件被用于引导来自相干光源的光朝向第二指定区域。这里，第二指定区域可以与第一指定区域重叠。优选地，第二衍射光学元件被用于产生结构化的光，当通过图像注册装置对所述光进行注册时，导致输入数据适合于三维映射。因此，促进了所谓的范围映射，这继而促进了眼睛追踪。

根据本发明的再一优选实施例，第一衍射光学元件被用于在第一指定区域内生成单色光图案。作为结果，进一步促进了可靠的眼睛追踪。

根据本发明的另一优选实施例，装置包括控制装置，被用于使来自相干光源的光以定时调节的方式穿过第一或第二衍射光学元件，使得第一和第二指定区域在不重叠的各自的时间间隔中被照明。因此，可以以高效的方式执行眼睛追踪所需的图像处理。

替选地，或者作为补充，装置包括控制装置，用于是来自相干光源的光以波长多路复用的形式穿过第一和第二衍射光学元件，使得具有第一不同波长的相干光被引导朝向第一指定区域，具有第二不同波长的相干光被引导朝向第二指定区域。同样的，这对于所需的图像处理是有益的。

根据本发明的另一优选实施例，装置包括至少两个衍射光学元件和镜子元件。镜子元件在此被用于至少在一个维度上倾斜来响应控制信号。取决于倾斜的程度，镜子元件将来自相干光源的校准光引导朝向至少两个衍射光学元件中的给定的一个。这提供了在引导校准光以及该光线的形状/图案方面的很大程度的自由度。

所提出的新设计相对于现有技术方案总体来说是有优势的，因为新设计伴随有更高的转换效率，具有更紧凑的波形因数，并且能够创建具有任意空间性状的照明区域。例如，来自所提出的相干光光源的光束的照明显示出，可以均匀地照明所指定的区域，例如矩形。当使用静态和可引导照明器时，这一点均是有利的。

此外，doe对于模拟设计具有90％的效率以及对于数字设计具有高于80％的效率。通过具有单个激光二极管而不是像led元件的相干光源矩阵，波形因数被骤降。doe元件尺寸与光束尺寸相同，典型的约为一毫米。相干源的光学元件典型的10mm的规定内。此外，激光二极管具有高达70％的转换效率，而led具有少于30％的转换效率。

led照明器中的一个高频led的成本与一个高频激光二极管的成本相当。相反的，对于典型的led照明器来说，在单个芯片的基础上可以补充激光二极管系统。此外，用于led的高数值孔径镜片比对应的激光校准镜片笨重很多。因此，可以以相对低的成本和小的尺寸制造基于激光的设计。

此外，通过使用doe，能够实现大光束直径和大扩散孔径，这继而允许眼睛安全操作。在所需功率上，这是非常难以仅使用激光束来实现的。

与led不同的，激光具有高斯(gaussian)光束，并且多模激光具有高斯光束的假设，其非常适用于耦合进整体镜片(bulkoptics)或纤维镜片(fiberoptics)。由于更低的衍射，还可以以比朗伯(lambertian)源更大的距离来校准并转换高斯光束。

例如，使用校准光线更直接地控制并结合整体镜片或纤维镜片，使得照明器如同其被放置得非常靠近理想位置一样工作。

本发明的进一步的优点、有益特性和应用将在以下描述和所附权利要求中显现。

附图说明

现在以优选实施例并结合附图的方式对本发明进行更进一步地说明，这些优选实施例作为示例被公开。

图1显示了包括眼睛追踪器的装置的概览，在所述装置中，由根据本发明的装置照明对象；并且

图2-图8示出了根据本发明的实施例，一个或多个指定区域是如何被照明的以及代表那些区域的图像数据是如何被记录的。

具体实施方式

本发明涉及对象眼睛或凝视的追踪。自然地，这不排除将被追踪和/或分析的在此之外的额外的对象的面部特征、面部表情和/或手势。在本文中，本发明解决了这样的特定问题，将实现足够高的图像对比所需的光线引导朝向对象同时使多余光线的数量最小。所提出的装置还可以提供覆盖对象的相对大区域的单色照明(homogenousillumination)。总而言之，这是通过成形光束所实现的，使得光线所投向的区域与图像传感器/摄像机的视野相匹配，所述图像传感器/摄像机用于注册表示对象的相关部分的图像数据。

当然，如果仅仅照明摄像机视野的最相关部分，则照明设置变得更节能，例如，估计对象眼睛将位于的位置，并且如果光束适于被控制得跟随对象的任何移动。以下，我们将描述本发明的多种实施例，其中实现了这种控制。

图1示出了眼睛追踪装置，通过该装置，用户180可以与计算机装置170进行交互。如同以上所提到的，本发明同样适用于眼睛/凝视追踪，其中结果数据deye不产生任何控制信号等。

在任何情况下，都通过根据本发明的装置对对象180照明。所提出的装置包括光产生装置140，用于提供至少一个良好限定的光束l1和l2，以及图像注册装置150。

依次地，光产生装置140包括相干光源(coherentlightsource)，用于生成相干光，所述相干光被包括在至少一个光束l1和l2中。光产生装置140还包括衍射光学元件，被布置在相干光源和光产生装置140的输出之间。衍射光学元件的特征将在以下结合图2-8进行描述。然而，总而言之，响应于控制信号c1ll(例如由计算机装置170产生)，衍射光学元件被用于以第一光束l1的方式将光引导朝向所预计的用于覆盖对象180眼睛的第一指定区域a1。

衍射光学元件还可以被用于以第二光束l2的形式将光引导朝向第二指定区域a2，例如，所述第二指定区域包括第一指定区域a1。第二光束l2可以包括所谓的结构化的光(structuredlight)，其具有这样的特性：当通过图像注册装置150对从第二指定区域a2反射的光进行注册时，可以产生适用于三维(3d)映射的结果数据。这样，例如有助于范围映射。然而，与图1所示的相比，这种3d映射的方法要求离轴照明(即，光产生装置140与图像注册装置150不在同一地点的布置)。

图像注册装置150用于注册来自光束l1和l2中至少一个的光束，例如，在第一指定区域内已经朝向对象180反射该光束。响应于图像注册装置150所注册的光，产生结果数据deye，该结果数据deye代表对象180的至少一只眼睛的移动。

第一指定区域a1可以表示特定照明图案，其显示出用以派生结果数据deye的随后的图像处理是可靠的并且/或者是有效的。在任何情况下，第一指定区域a1被放置得使其出现在图像注册装置150的视野内。

可以使用包含结构化的光的组合来照明对象180用以3d映射以及使用单色光用于眼睛追踪。在这里优选地将单色光盒的中心置于对象眼睛附近(即，第一指定区域a1)，而结构化的光可以被投射在图像注册装置150的其余视野中(即第二指定区域a2)。

根据本发明的实施例，第二光束l2可以包含具有比第一光束l1更低亮度的单色光。这种类型的光是有益的，因为其有助于面部识别和/或面部特征的识别。此外，如果眼睛追踪失败，并且需要重新开始时，单色光是有用的。在这种情况下，原始眼睛追踪相对粗糙，并且需要大得多的被照明的区域。

相干光源与衍射光学元件145一起，导致第一指定区域a1以外的非常少的偏离光。这有助于对于光传递的高精度控制，尤其是与相干光源相比。

图2示出了根据本发明的一个实施例，第一指定区域a1是如何被照明的，并且图像注册装置150是如何接收从区域a1反射的光的。

光产生装置140包含相干光源142，其用于产生相干光，该相干光将被投射向第一指定区域a1。衍射光学元件145被布置在相干光源142和光产生装置140的输出之间。衍射光学元件145被用于引导光束l1朝向第一指定区域a1，该第一指定区域a1继而被估测为覆盖对象180的与接口(即，典型的为至少一只眼睛)相关的主体部分。

类似于以上已经参照图1所描述的，图像注册装置150注册从第一指定区域a1反射的光，使得能够产生结果数据deye。当然，为了这个目的，图像注册装置150包括至少一个透镜元件153，用于将光投射向传感器元件152。

图3示出了根据本发明的另一实施例，第一指定区域a1是如何被照明的以及图像注册装置150是如何接收从区域a1反射的光的。

在第一指定区域a1中可能会出现不希望有的斑点图案。该斑点效果是相同频率的许多光波相干的结果，所述光波具有不同的相位和振幅，将它们加在一起以给出合成的波，其振幅以及因此亮度随机变化。

为了减轻斑点效果，所提出的装置可以包括斑点减少装置。图3中，包括了斑点减少装置141，其包含振荡器，用于使衍射光学元件145相对于相干光源142移动。这样，随着时间的过去，在第一指定区域a1上将来自光束l1的光更均匀地分布。

根据本发明另一实施例(未示出)，相干光源142替代地，包含静态多模激光(横向和/或纵向)，用于使用包含至少两个分离的光谱线的光谱来发射光。每条线代表的光在这里与特定和不同的斑点图案相关。导致第一指定区域a1上的总体光分布因此变得基本均匀。

根据本发明的另一实施例(未显示)，斑点减少装置包括调制装置，用于以这样的方式定时调制相干光源142，相干光源142以时间上变化的斑点图案产生光。同样的，随着时间的过去，导致第一指定区域a1上的总体光分布变得基本上均匀。

与以上结合图1所述相似的是，图像注册装置150注册从第一指定区域a1反射的光，使得能够产生结果数据deye。

图4示出了根据本发明另一实施例，如何照明第一指定区域a1以及如何记录代表区域a1的图像数据。这里，过滤元件155被布置在图像注册装置150中传感器元件152的上游，用于产生结果数据deye。该过滤元件155用于阻挡可见光，以便减少由接近装置的光源产生的干扰，例如，以眼睛和/或眼镜中不希望有的反射的形式。如果过滤元件155与相干光源142的能量释放峰值匹配，也是进一步优选的。理想的，这意味着过滤元件155具有相对窄的通频带(passband)，该通频带的中心位于相干光源142的能量释放峰值附近。然而，替选的，过滤元件155可以包括低通过滤器，其允许能量释放峰值和nir(nearinfrared,近距离红外)光穿过，而不是可见光。由于被动冷却激光形式的相干光源142具有少于1nm的带宽，所以对于过滤器元件155的陡度要求可以是相当缓和的，同时实质上抑制背景照明。

在图4中所示的实施例中，在相干光源142和衍射光学元件145的光路中包括透镜元件147。该透镜元件147可以进一步成形并且控制朝向第一指定区域a1的光。

根据本发明的实施例，过滤元件155可以被布置在图像注册装置150中透镜元件153的前方(如图4中所示)，也可以被布置在这种透镜元件之后。替选的，过滤元件155可以被集成在透镜元件中，或者被包含在传感器元件152上的覆盖玻璃中。

与以上结合图1所描述相似的，图像注册装置150注册从第一指定区域a1反射的光，使得能够产生结果数据deye。

图5示出了根据本发明另一实施例，如何照明第一指定区域a1以及如何记录图像数据。

这里，装置包括光引导元件145b，用于接收相干光并引导至少一部分该相干光朝向对象180。在衍射光学元件以外，光引导元件145b可以包括镜子或衍射设备(例如棱镜或透镜)，用于将接收到的光的所述一部分作为第一光束l1的一部分引导朝向第一指定区域a1。这提供了高度紧凑的设计。

与以上结合图1所描述相似的，图像注册装置150注册从第一指定区域a1反射的光，使得能够产生结果数据deye。

图6示出了如何照明第一指定区域a1和第三指定区域a12。这里，衍射光学元件145用于将第一光束l1从相干光源142引导朝向第一指定区域，并且将另一光束l12从相干光源142引导朝向第三指定区域a12。这样，可以在两个分离的并且不重叠的位置上照明对象180。

与以上参照图1所描述相似的，图像注册装置150注册从第一指定区域a1和第三指定区域a12反射的光，使得能够产生结果数据deye。

图7通过另一个示例示出了如何照明第一指定区域a1和第三指定区域a12。在这个实施例中，共同相干光源142将第一光束l1引导朝向第一指定区域，并且将另一光束l12引导朝向第三指定区域a12，然而，是分别经由第一衍射光学元件145和第二衍射光学元件146。

控制装置(这里标示为镜子元件m)用于使来自相干光源142的光以定时调节的方式穿过第一衍射光学元件145或第二衍射光学元件146。结果是，第一指定区域a1和第三指定区域a12在不重叠的各自时间间隔中被照明。

镜子元件m被配置为在至少一个维度上倾斜来响应控制信号，并且根据倾斜的程度，来自相干光源142的校准光被引导朝向衍射光学元件145和146中的指定的一个。这样，可以最小化镜子元件m和波形因数。

替选地，装置可以包括控制装置(未示出)，其被用于是来自相干光源142的光以波长多路复用的方式穿过第一衍射光学元件145和第二衍射光学元件146，使得具有第一不同波长的相干光被引导朝向第一指定区域a1，并且具有第二不同波长的相干光被引导朝向第三指定区域a12。

此外，同样的，可以将两个或更多衍射光学元件布置得彼此相连。例如，第一衍射光元件可以用于分散来自相干光源142的光，来穿过两个或多个后续的衍射光学元件，继而，这些衍射光学元件被用于将光的一部分引导至指定的区域。

与以上结合图1所描述相似的，图像注册装置150注册从第一指定区域a1和第三指定区域a12反射的光，使得能够产生结果数据deye。

图8示出了如何照明第一指定区域a1和第二指定区域a2。实质上，该设计与以上描述的图6的设计相同，但是两个被照明的区域相互重叠。这样，衍射光学元件145被用于将第一光束l1从相干光源142引导朝向第一指定区域，以及将第二光束l2从相干光源142引导朝向第二指定区域a12。然而，最优选地，第一指定区域a1和第二指定区域a2并不是实际地彼此重叠。尽管第二区域a2的位置基本上是静态的，并且控制第一区域a1的位置在第二区域a2内移动，但是优选地使用对应于第一区域a1及其位置的“可适用孔”生成第二区域a2。也就是说，通过所提出的，使用doe可以实现这点。

与以上结合图1所描述相似的，图像注册装置150注册从第一指定区域a1和第三指定区域a12反射的光，使得能够产生结果数据deye。

在本说明中使用的术语“包含/包含有”是用来明确所阐述特征、整体、步骤或成分的存在。然而，该术语不排除一个或多个额外特征、整体、步骤或组件或他们的组合的存在或添加。

本发明在特征上不限于所描述的实施例，而是可以在权利要求的范围内自由地变换。