Brevet FR2612391A1 — publié le 19880923

Dispositif d'observation de l'oeil utilisant la réflexion infrarouge sur le alobe oculaire L'invention a pour objet un dispositif d'observation de l'oeil du type utilisant la réflexion d'un rayonnement infrarouge par le globe oculaire, du type comprenant une source d'illumination de l'oeil, un filtre interférentiel de séparation du rayonnement infrarouge réfléchi et de la lumière visible, et un détecteur fournissant une image comportant le point de réflexion. On utilise très fréquemment la réflexion du rayonnement émis par une source infrarouge dans les appareils de mesure visant & l'établissement d'un diagnostic en ophtalmologie ou destinés à des appli- cations industrielles utilisant la mobilité de l'oeil. Deux raisons principales conduisent à ce choix. La rétine est insensible au rayonnement infrarouge. Et, ce rayonnement étant moins énergétique que la lumière visible, les reflets parasites de l'éclairage infrarouge sur la surface oculaire très réfléchissante sont négli- geables par rapport à ceux observés avec un éclairage en lumière visible. A titre d'exemples d'application médicale, on peut citer, à titre non limitatif, la mesure des mouve- ments oculaires (par mesure de la position relative du reflet cornéen et de la pupille) et la mesure des dimensions de la pupille pour l'évolution du réflexe pupillaire. A titre d'exemples d'applications indus- trielles, on peut citer la mise en oeuvre de systèmes automatiques de manipulation et de guidage visuel de poursuite d'un mobile à l'aide du regard et la recon- naissance de formes situées à la surface du globe oculaire ou dans le globe oculaire lui-même. Beaucoup de ces applications exigent que l'oeil du patient puisse recevoir la lumière visible éclairant un champ de vision ou provenant d'une source. On connait depuis très longtemps des dispositifs répondant à cette condition. Pour obtenir une image de l'oeil sur laquelle apparait la zone de réflexion infrarouge, on utilise un détecteur qui est soustrait & l'action de la lumière visible par un filtre. Dans beaucoup de cas, notamment celui o l'observation doit se faire à *pupille brillante", l'angle entre le faisceau incident provenant de la source et le faisceau de retour doit rester faible. Jusqu'à présent, cela a conduit à des solutions peu satisfaisantes. Dans un premier dispositif, décrit dans l'article eInfrared video pupillometry: a method used to measure the pupillary effects of drugs in small laboratory animals in real time", par Rodney B. Murray et autre, dans Journal of Neuroscience Methods, 3(1981) 365-375, le faisceau provenant de la source infrarouge est renvoyé vers l'oeil par une lame semi-réfléchissante et l'image de l'oeil est formée sur une caméra de télé- vision à travers la lame semi-réfléchissante et un filtre infrarouge. Ce mode de séparation du spectre vi- sible et du spectre infrarouge conduit à une absorption considérable de l'infrarouge, déjà peu énergétique. En conséquence, le dispositif doit être placé très près du globe oculaire, ce qui limite beaucoup le champ visuel. Il est difficilement exploitable lorsque l'oeil est mobile. On a également proposé de renvoyer le faisceau infrarouge provenant de l'oeil vers le détecteur à l'aide d'un miroir constitué par un filtre interféren- tiel qui ne réfléchit que le rayonnement infrarouge, le spectre visible étant transmis, ce qui laisse la possibilité d'un large champ de vision. Mais cette solution présente elle aussi des inconvénients qui ne semblent pas avoir été appréciés à ce jour. Le trajet optique parcouru par le rayonnement infrarouge de l'oeil au miroir, puis au détecteur, est plus long que ne le serait un trajet direct de l'oeil au détecteur, d'o un affaiblissement qui est encore gênant. Le filtre, qu'on appelle fréquemment "miroir chaud" puisqu'il réfléchit exclusivement le rayonnement infrarouge, réfléchit indistinctement le spectre en dehors de la plage qu'il transmet, ce qui affecte le signal reçu par le détecteur d'un bruit de fond important. Et, comme dans le cas précédent, le dispositif est pratiquement inexploitable lorsque l'oeil est mobile. L'invention vise à fournir un dispositif du type ci-dessus défini, répondant mieux que ceux antérieure- ment connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il réduit la distorsion et l'affaiblissement du faisceau infrarouge atteignant le détecteur à une valeur pratiquement minimale, laisse subsister un large champ de vision dans le spectre visible, autorise l'éclaire- ment simultané du globe oculaire par une ou plusieurs sources visibles ponctuelles en même temps que par la source infrarouge et assure un filtrage réduisant le bruit de fond auquel est soumis le détecteur. Dans ce but, l'invention propose un dispositif caractérisé en ce que le filtre interférentiel est d'un type laissant passer le rayonnement infrarouge et réfléchissant la lumière visible et est placé à proxi- mité immédiate du détecteur et en ce que la source infrarouge est placée à proximité immédiate de l'axe optique du détecteur, dirigé vers l'oeil. Le filtre interférentiel peut être considéré comme un "miroir froid" du fait qu'il transmet le rayonnement infrarouge en réfléchissant la lumière visible. Sa longueur d'onde de coupure basse doit se situer à la frontière des spectres visible et infra- rouge, soit à environ 750 nm. La transparence maximale du filtre doit correspondre à la plage de longueurs d'onde de sensibilité maximale du détecteur. Ce détec- teur sera du type matriciel et on pourra notamment utiliser une caméra à matrice de capteurs CCD ou CTD. Dans ce cas, la plage de sensibilité maximale va généralement d'environ 800 nm à 1100 nm. Du fait que le filtre interférentiel laisse surtout passer le rayonnement qui provient de la source infrarouge, il assure, en plus de sa fonction de séparation des spectres, une fonction de filtrage optique réduisant le bruit de fond auquel est soumis le signal, ce qui facilite l'exploitation de ce dernier. L'absorption par le filtre est relativement faible dans la zone de sensibilité. L'incidence du faisceau prove- nant de l'oeil sur le filtre interférentiel peut varier autour de la normale sans pour autant provoquer une modification inacceptable de la transmission. Le filtre interférentiel ne gêne pas le champ visuel de l'oeil car il peut être aussi éloigné de l'oeil que le permettent la puissance du faisceau réfléchi par l'oeil et la sen- sibilité et la nature du détecteur. Si ce détecteur a un domaine angulaire d'observation suffisant, le dispositif permet de détecter le reflet de la source infrarouge sur le globe oculaire quelle que soit la position de ce dernier. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réali- sation donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la Figure 1 est un schéma de principe en pers- pective montrant une disposition relative possible des différents composants; - la Figure 2 montre la courbe représentative de la transparence du filtre interférentiel du dispositif de la Figure 1, en fonction de la longueur d'onde. On supposera que le dispositif qui sera mainte- nant décrit est destiné à déterminer l'orientation du globe oculaire et utilise la technique dite à "pupille brillante". Le dispositif comprend un détecteur 10 dont l'axe optique est dirigé vers le centre de rotation de l'oeil 12 observé. Ce détecteur est du type & matrice de capteurs. On peut notamment utiliser une caméra du type 'VIDICON' & capteurs au silicium, ou une caméra à matrice de CCD ou CTD. Le détecteur reçoit la lumière provenant de l'oeil 12 par l'intermédiaire d'un filtre interférentiel 14 constituant miroir froid. Ce filtre est placé & proximité immédiate de l'optique de la caméra et soustrait ainsi cette optique aux rayonnements parasites. On peut notamment utiliser un filtre inter- férentiel dont la transmission est représentée par une courbe du genre montré en Figure 2, o c désigne le coefficient de transmission, A la longueur d'onde. Le support du filtre sera généralement en germanium, qui est transparent à l'infrarouge dans le domaine spectral à transmettre. Le nombre et l'épaisseur des couches interférentielles seront choisis de façon que l'affaiblissement subi par le faisceau provenant de l'oeil soit faible dans la plage de longueurs d'onde comprise entre 750 et 1300 nm environ. Par contre, le filtre 14 réfléchit la lumière de longueur d'onde inférieure, au-dessous de 630 nm au moins et soustrait donc la matrice de capteurs à l'effet de la lumière visible. La source infrarouge 16 pourra être une diode électroluminescente ou une diode laser, de longueur d'onde adaptée au filtre et au détecteur. Elle est placée à proximité de l'axe. Lorsqu'on cherche à déterminer la réponse de l'oeil à des stimuli constitués par des éclats de lumière visible, une source 18 de lumière visible peut être placée également à proximité immédiate de l'axe optique. La lumière réfléchie par le globe oculaire ne pourra atteindre le détecteur 10, étant renvoyée par le filtre interférentiel 14. Plusieurs sources infrarouges 16, placées dans une position relative prédéterminée, peuvent être prévues au lieu d'une seule pour permettre une discrimi- nation par rapport & des sources parasites éventuelles. L'image analogique fournie par le détecteur 10 sera en général stockée temporairement sous forme numé- rique dans une mémoire vive 20 constituant tampon. Le contraste entre le reflet sur l'oeil et les autres zones de l'oeil sera très élevé, du fait que le détecteur est soustrait & l'action de la lumière ambiante; il suffit en conséquence d'une quantification & quelques niveaux pour l'identifier: le signal de sortie de la caméra pourra être soumis & amplification en 22, puis & quan- tification sur deux bits par un convertisseur A/N 24, avant stockage. La recherche du point de réflexion sur la pupille par exemple, en cas d'un examen à pupille brillante, peut s'effectuer alors & l'aide d'un micro- processeur 26, de façon très simple, par recherche des points en mémoire ayant une brillance maximale (corres- pondant au nombre binaire 11), la pupille correspondant alors au point représenté par le nombre binaire 01 ou 10. Il suffira de choisir de façon appropriée le gain de l'amplificateur 22, éventuellement par un étalonnage préalable. Ce mode de détection représente une simpli- fication très considérable, comparé aux techniques de recherches des points dont la brillance dépasse un seuil ajustable. Un dispositif comparable pourrait être utilisé pour un examen à pupille noire et pour la détermination de l'orientation du regard, qui implique la recherche, d'une part, du reflet cornéen sous forme d'une tache brillante, d'autre part, celle du reflet sur le globe oculaire. Dans la mesure o le grandissement est tel que les reflets correspondents à plusieurs pixels de l'image, le microprocesseur peut être programmé pour rechercher le barycentre suivant l'une des méthodes bien connues, par exemple celle décrite dans le document FR-A-2 382 056 de l'établissement demandeur. Le dispositif, du fait de sa simplicité, se prête parfaitement à un examen binoculaire, que la complexité des systèmes antérieurs rendait difficile. L'invention est susceptible de nombreuses applications autres que celles qui ont été envisagées ci-dessus. Elle permet également de constituer un dispositif d'observation de scènes mobiles en lumière monochromatique, et l'identification de la nature du fond suivant leur réflectivité pour plusieurs longueurs d'onde en utilisant plusieurs filtres ayant des bandes passantes différentes. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'observation de l'oeil utilisant la réflexion d'un rayonnement infrarouge par le globe oculaire, comprenant une source d'illumination de l'oeil, un filtre interférentiel de séparation du rayonnement infrarouge réfléchi et de la lumière visible et un détecteur fournissant une image comportant le point de réflexion, caractérisé en ce que le filtre interférentiel (14) est d'un type laissant passer le rayonnement infrarouge et réfléchissant la lumière visible et est placé à proximité immédiate du détecteur (10) et en ce que la source infrarouge (16) est placée à proximité immédiate de l'axe optique du détecteur dirigé vers l'oeil. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le détecteur est de type matriciel. 3. Dispositif selon la revendication 2, carac- térisé en ce que le détecteur de localisation est constitué par une caméra VIDICON à matrice de capteurs au silicium, ou par une caméra & matrice de capteurs CCD ou CTD. 4. Dispositif selon la revendication 3, caracté- risé en ce que le détecteur est muni d'un circuit de numérisation du signal de sortie & un faible nombre de niveaux de quantification. 5. Dispositif selon la revendication 4, carac- térisé en ce que la numérisation s'effectue à quatre niveaux. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le circuit est associé à des moyens de localisation du reflet par sélection des points élémentaires d'image de brillance égale ou supé- rieure à une valeur numérique déterminée. 7. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que le filtre comporte un support en germanium et des couches interférentielles telles qu'il présente une bande passante allant de 750 nm à au moins 1200 nm. 8. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que la source (16) est constituée par une diode électroluminescente ou une diode laser. 9. Application du dispositif selon l'une quel- conque des revendications précédentes & la mesure des déplacements angulaires de l'oeil par détermination de la position relative de la pupille et du reflet sur le globe oculaire.