(57)【要約】レーダー（「ＲＡＤＡＲ」：Radio Detection And Ranging）システムやライダー（「ＬＩＤＡＲ」：LightDetection And Ranging）システムなどの検出および測距システムを使用して、顔と、より具体的には顔内の眼球と関連した位置情報を検出する。位置情報は、眼球が眼窩内で回転するときの眼球の位置、眼球と関連した並進動き情報（例えば、変位、速度、加速、痙動など）、眼球と関連した回転動き情報（例えば、回転変位、回転速度、回転加速度など）を含む。
2009519780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
個人の眼窩内にある前記個人の眼球と関連した位置および／または動き情報を決定するシステムであって、
実質的に同じ時点の前記眼球の表面上の１つまたは複数のポイントのレンジおよびレンジレートを決定するレーザレーダーシステムと、
前記レーザレーダーシステムによって決定された前記レンジおよび前記レンジレートに少なくとも部分的に基づいて前記眼球の前記位置および／または前記動きと関連した情報を決定するモニタモジュールとを備えるシステム。
【請求項２】
前記眼球の表面上の１つまたは複数のポイントが、前記眼球の表面上の３つ以上のポイントを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記眼球の表面上の前記３つ以上のポイントが、前記眼球の同一大円上にない前記眼球の表面上の少なくとも３つのポイントを含む請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記レーザレーダーシステムが、放射ビームを前記眼球上の複数のポイントに同時に放射し、それにより、同じ時点の前記３つ以上のポイントのうちの少なくとも２つのポイントの前記レンジおよび前記レンジレートが決定される請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記レーザレーダーシステムが、前記眼球の表面上の前記３つ以上のポイントのうちの少なくとも２つのポイントに連続的に走査されるビーム放射を放出し、その結果、実質的に同じ時点の前記眼球の表面上の少なくとも２つのポイントの前記レンジおよび前記レンジレートが決定される請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
前記眼球の前記位置および／または前記動きと関連した情報が、前記眼球の位置、前記眼球の並進速度、前記眼球の並進加速度、前記眼球の並進痙動、前記眼窩内の前記眼球の回転速度、または眼窩内の眼球の回転加速度のうちの１つまたは複数を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
モニタモジュールが、前記眼窩の前記位置および／または前記動きと関連した情報を決定し、前記眼窩の前記位置および／または前記動きと関連した前記情報を使用して、前記眼窩内の前記眼球の前記位置および／または前記動きと関連した情報を決定する請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記眼窩のビデオ映像をキャプチャするビデオ撮像システムを更に備え、前記モニタモジュールは、前記ビデオ撮像システムによってキャプチャされた前記眼窩の前記ビデオ映像の処理に少なくとも部分的に基づいて前記眼窩の前記位置および／または前記動きと関連した前記情報を決定する請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記レーザレーダーシステムが、
第１のレーザビームを生成するレーザ源と、前記第１のレーザビームを第１の標的ビームと第１の局部発振器ビームに分割し、前記眼球上の前記１つまたは複数のポイントのうちの１つのポイントから反射された前記第１の標的ビームの第１の反射部分と前記第１の局部発振器ビームとから第１の複合標的ビームを生成する干渉計とを備える第１のコヒーレントレーザレーダーセクションと、
第２のレーザビームを生成するレーザ源と、前記第２のレーザビームを、前記第１の標的ビームと同じ位置で標的に入射する第２の標的ビームと第２の局部発振器ビームとに分割し、前記眼球上の前記１つまたは複数のポイントのうちの１つのポイントから反射された前記第２の標的ビームの第２の反射部分と前記第２の局部発振器ビームとから第２の複合標的ビームを生成する干渉計とを備える第２のコヒーレントレーザレーダーセクションと、
前記第１の複合標的ビームおよび前記第２の複合標的ビームから、前記眼球上の前記１つまたは複数のポイントのうちの前記１つのポイントのレンジおよびレンジレートを明白に決定するプロセッサとを備える請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
個人の眼窩内にある前記個人の眼球の位置および／または動きと関連した情報を決定する方法であって、
同じ時点または実質的に同じ時点の前記眼球の表面上の１つまたは複数のポイントのレンジおよびレンジレートを決定する行程と、
前記決定したレンジおよびレンジレートに少なくとも部分的に基づいて前記眼球の前記位置および／または前記動きと関連した情報を決定する行程とを備える方法。
【請求項１１】
前記眼球の表面上の前記１つまたは複数のポイントが、前記眼球の表面上の３つ以上のポイントを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記眼球の表面上の前記３つ以上のポイントが、前記眼球の同一大円上にない前記眼球の表面上の少なくとも３つのポイントを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
レーザレーダーシステムから前記眼球の表面上の前記３つ以上のポイントのうちの少なくとも２つのポイントに放射ビームを同時に導く行程を更に備える請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
レーザレーダーシステムから前記眼球の表面上の前記３つ以上のポイントのうちの少なくとも２つのポイントに単一放射ビームを連続的に導く行程を更に備える請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記眼球の前記位置および／または前記動きと関連した前記情報が、前記眼球の位置、前記眼球の並進速度、前記眼球の並進加速度、前記眼球の並進痙動、前記眼窩内の前記眼球の回転速度、または眼窩内の眼球の回転加速のうちの１つまたは複数を含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記眼球の前記位置および／または前記動きと関連した情報を決定する行程が、
前記眼窩の前記位置および／または前記動きと関連した情報を決定する行程と、
前記眼窩の前記位置および／または前記動きと関連した前記情報を使用して、前記眼窩内の前記眼球の前記位置および／または前記動きと関連した情報を決定する行程とを更に備える請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記眼窩のビデオ映像をキャプチャする行程を更に備え、前記決定されたレンジとレンジレートに少なくとも部分的に基づいて前記眼球の前記位置および／または前記動きと関連した情報を決定する行程が、（ｉ）前記決定されたレンジおよび／またはレンジレートと（ｉｉ）前記キャプチャしたビデオ映像とに少なくとも部分的に基づいて前記眼球の前記位置および／または前記動きと関連した情報を決定する行程を備える請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
個人の眼窩内にある眼球の前記個人の眼球と関連した位置および／または動き情報を決定するシステムであって、
実質的に同じ時点の前記眼球の表面上の１つまたは複数のポイントの少なくともレンジレートを決定するレーザレーダーシステムと、
前記眼窩のビデオ映像をキャプチャするビデオ撮像システムであって、モニタモジュールが、前記ビデオ撮像システムによってキャプチャされた前記眼窩の前記ビデオ映像の処理に少なくとも部分的に基づいて前記眼窩の前記位置および／または前記動きと関連した前記情報を決定するビデオ撮像システムと、
（ｉ）前記ビデオ撮像システムによってキャプチャされた前記眼窩の前記ビデオ映像の処理に少なくとも部分的に基づいて前記眼窩の前記動きと関連した情報と、（ｉｉ）前記レーザレーダーシステムによって決定された前記レンジレートと、前記眼窩の前記動きと関連した前記情報とに少なくとも部分的に基づいて前記眼窩内の前記眼球の前記動きと関連した情報を決定するモニタモジュールとを備えるシステム。
【請求項１９】
前記眼窩内の前記眼球の動きと関連した前記情報が、２つの回転自由度に対する前記眼窩内の前記眼球の回転速度を含む請求項１８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、眼球の動きの追跡に関し、より詳細には検出および測距システム（detection
and ranging system）を使用する眼球の動きの追跡に関する。
本出願は、２００５年１２月１４日に出願された「System and Method
for Tracking Eyeball Motion」と題する米国仮特許出願番号６０／７５０，０４５の優先権を主張し、この出願の内容は、援用により本明細書に組み込まれる。本出願は、２００５年２月１４日に出願された「Chirped
Coherent Laser Radar System and Method」と題する米国仮特許出願番号６０／６５１，９８９と、２００６年１２月１４日に出願された「System
and Method for Tracking Eyeball Motion」と題する米国特許出願番号［代理人整理番号０２１６３６−０３５８７３０］に関連し、これらの出願の内容は、援用により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
個人の眼球の動きの決定は、多くの環境で実用化されている。例えば、眼球の動きは、虹彩および／または角膜認識システム、刺激応答測定、医療処置、仮想現実システム、または他の環境で監視される。眼球の動きの情報は、眼球、虹彩または網膜の画像化を改善することができる。また、眼球の動きの情報は、他の方法よりも大きな範囲の眼球、虹彩または角膜の画像化を可能にすることがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ステレオシステム(stereo system)などの従来の眼球運動追跡システムは、眼球と関連した位置情報を、眼球運動追跡のすべての応用例に十分な速度および／または精度で提供しない場合がある。また、一般に、これらのシステムは、比較的遠い距離から眼球と関連した位置情報を決定できないために十分に機能できない場合がある。
従来の眼球運動追跡システムおよび方法と関連した以上その他の欠点が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の１つの態様は、レーダー（「ＲＡＤＡＲ」：Radio Detection
And Ranging）システムやライダー（「ＬＩＤＡＲ」：Light Detection And Ranging）システムなどの検出および測距システム（detection
and ranging system）を使用して、顔、より詳細には顔内の眼球と関連した位置情報を検出することに関する。位置情報は、眼球がその眼窩内で回転するときの眼球の位置、眼球と関連した並進動き情報（例えば、変位、速度、加速、痙動（jerk）など）、眼球と関連した回転動き情報（例えば、回転変位、回転速度、回転加速度など）を含む。眼球と関連した位置情報を検出する際の検出および測距システムの実施態様の利点の１つには、短時間で位置情報を決定できることがある。実際には、いくつかの実施態様では、位置情報の決定は、実質的に待ち時間のない実質的に瞬間的である。眼球と関連した位置情報を検出する際の検出および測距システムの実施態様の別の利点には、遠い距離からかつ／または個人への少ない侵襲性で眼球の動きを決定できることがある。
【０００５】
前述のように、検出および測距システムは、コヒーレントＬＩＤＡＲシステムを含んでもよい。これらの実施態様では、第１組の電磁放射ビームは、眼球上の１つまたは複数の位置で眼球に入射することができる。第１組の電磁放射ビームは、眼球上のそのような位置からＬＩＤＡＲシステムに戻され（例えば、後方散乱、反射などによって）、戻された電磁放射の周波数偏移が測定される。
【０００６】
コヒーレントＬＩＤＡＲシステムは、眼球上の各測定位置における位置（例えば、ｘ，ｙ，ｚ）と回転速度（例えば、入射電磁放射ビームと平行な眼球の表面の速度成分）の一方または両方に関連した情報を決定することができる。眼球の半径が既知の場合、この情報は、眼球上の３つの別々の測定位置に集束された３つの測定ビームによって決定されてもよい。半径が分かっていない場合は、眼球上の第４の別の測定位置に集束された第４の測定ビームによって決定することができる。目の位置を特定した後（例えば、半径が分かっている場合は３つの測定ビーム、半径が分かっていない場合は４つの測定ビームで）、分かっている位置に基づいて目の中心と目の最も近いポイントを決定することができる。
【０００７】
個々の測定位置において、眼球の表面に対して接線方向にある眼窩内の眼球の動きを表す速度ベクトルを決定することができる。この速度ベクトルの有効な決定が、（ｉ）最も近いポイントでなく（ｉｉ）互いに同一大円上になく最も近いポイントでもない眼球上の少なくとも２つの測定位置に関して行われた場合は、眼窩内の眼球の回転運動をＬＩＤＡＲシステムによって決定することができる。これにより、眼球の横回転運動と、更には眼球の表面の特徴（例えば、虹彩、瞳など）の追跡が可能になる。眼球が完全な球体として形成されておらず、眼球の形状の非対称性が、眼球上の所定の測定位置で計算された速度ベクトルに影響を及ぼす場合があることを理解されたい。しかしながら、眼球の概略的な形状は、一般に、眼球の不均一さがごく僅かで球形に十分近く、従って、眼球は、いくつかの実施形態では（また、本明細書の説明的な目的のために）完全に球形であると仮定されてもよい。
【０００８】
いくつかの実施態様では、眼球と共に眼窩を移動させる顔の横方向または縦方向の動きは、ＬＩＤＡＲシステムと共に使用されるビデオ撮像システムによってキャプチャされたビデオ映像のビデオ光学的フロー処理によって決定されてもよい。ビデオ撮像システムの像平面での回転もそのように決定されてもよい。ビデオ撮像システムによってキャプチャされた画像の平面からの顔の動き（例えば、変位や回転など）は、ＬＩＤＡＲシステムによって決定することができる。例えば、第２組の電磁気ビームが、ＬＩＤＡＲシステムから顔上の１つまたは複数の位置（眼球以外）に放射され、顔上の１つまたは複数の位置のレンジ(range)とレンジレート(range rate)測定を行って、ビデオ撮像システムによってキャプチャされた画像の平面からの顔の動きと関連した情報を決定することができる。
【０００９】
比較的少ない頻度の頭の動きと多くの測定により、この方式または何らかの他の方式で、頭の動きを比較的高精度で決定することができる。これが行われると、眼球の三次元中心点の位置と速度を決定することができ、その結果、眼窩内の眼球の残りの部分の動きを、眼球が静止した眼窩内にあるかのように、眼窩の動きと別に決定することができる。
【００１０】
本発明の様々な実施形態の別の態様は、標的がレーザレーダーシステムに対して移動しているときの標的のレンジとレンジレートを明白に検出するレーザレーダーシステムに関する。本発明の様々な実施形態の別の態様は、複数のレーザレーダーセクションを使って複数の同時測定値（または実質的に同時）を取得し、それにより単一レーザセクションを使用して連続測定値を取得するシステムによって導入される様々な時間的影響なしにレンジおよびレンジレートを両方とも決定することができるレーザレーダーシステムに関する。更に、本発明の様々な実施形態の他の態様は、標的のレンジおよびレンジレートをより高速に決定し、標的のレンジおよびレンジレートをより正確に決定し、かつ／または他の利点を提供することができる。
【００１１】
本発明のいくつかの実施形態では、レーザレーダーシステムは、第１の標的ビームと第２の標的ビームを標的に放射してもよい。第１の標的ビームと第２の標的ビームは、標的によってレーザレーダーシステムの方に反射されてもよい。レーザレーダーシステムは、反射された第１の標的ビームと第２の標的ビームを受け取り、レーザレーダーシステムからの標的のレンジおよび標的のレンジレートの少なくとも一方を決定することができる。本発明のいくつかの実施形態では、レーザレーダーシステムは、第１のレーザレーダーセクション、第２のレーザレーダーセクションおよびプロセッサを含んでもよい。
【００１２】
本発明のいくつかの実施形態では、第１のレーザレーダーセクションは、第１の標的ビームと第１の基準ビームを生成してもよい。第１の標的ビームと第１の基準ビームは、第１のレーザ源によって、第１のチャープレートで変調された第１の周波数で生成されてもよい。第１の標的ビームは、標的上の測定ポイントの方に導かれてもよい。第１のレーザレーダーセクションは、標的の方に導かれ標的から反射された第１の標的ビームの一部分を組み合わせてもよい。局部発振器ビームと呼ばれる第１の標的ビームの別の部分は、既知の方法または他の方法で決定された経路長を有する経路上で導かれてもよい。これにより、第１の複合標的ビームが生成される。
【００１３】
本発明の様々な実施形態によれば、第２のレーザレーダーセクションは、第１のレーザレーダーセクションに対して配置され固定されてもよい。より詳細には、それぞれのレーザビームを送受信するための関連光学構成要素が適当な順序で配置され固定される。第２のレーザレーダーセクションは、第２の標的ビームと第２の基準ビームを生成することができる。第２の標的ビームと第２の基準ビームは、第２のレーザ源によって、第２のチャープレートで変調された第２の周波数で生成されてもよい。第２のチャープレートは、第１のチャープレートとは異なってもよい。これにより、信号識別や後処理の他の態様など、後処理の１つまたは複数の態様が容易になる。第２の標的ビームは、標的上の第１の標的ビームと同じ測定ポイントの方に導かれてもよい。第２のレーザレーダーセクションは、標的の方に導かれ反射される第２の標的ビームの一部分と、既知の方法または他の方法で決定された経路長を有する経路上で導かれる第２の標的ビームの別の部分とを組み合わせることがある。これにより、組み合わされた第２の標的ビームが得られる。
【００１４】
本発明の様々な実施形態によれば、プロセッサは、第１と第２の複合標的ビームを受け取り、それぞれの反射された標的ビームとその対応する局部発振器ビームのそれぞれとの間の経路長の差と、レーザレーダーシステムに対する標的の動きによって生成される任意のドップラ周波数偏移とによって作成されるうなり周波数を測定する。次に、うなり周波数を線形的に組み合わせて、それぞれの局部発振器ビームとその反射された標的ビームとの間のうなり周波数が、反射された標的ビームの同時（または実質的に同時）の時間的成分に対応する限り、標的のレンジおよびレンジレートの明白な決定を生成することができる。反射された標的ビームの同時（または、実質的に同時）時間的成分は、標的ビームの時間的成分を含むことができ、これらの時間的成分は、１）標的の同じ部分に実質的に入射し、２）類似の伝達効果による影響を受け、３）走査光学素子によって実質的に同じ条件で導かれ、かつ／または４）他の類似性を共有する。線形結合のための反射標的ビームの同時（または、実質的に同時）時間的成分に対応するうなり周波数を利用することにより、環境上または他の作用によってデータに導入されるノイズを有効に相殺することができる。
【００１５】
複合標的ビームは、第１の局部発振器ビームと第２の局部発振器ビームを異なる標的ビームまたは同じ標的ビームの異なる部分と別々に組み合わせることによって作成されるので、第１の複合標的ビームと第２の複合標的ビームは、最終処理の直前に、２つの別々であるが一致する単一源周波数変調レーザレーダーシステム内にある光学信号となり得る。例えば、複合標的ビームは、単一源システム内の標的干渉計によって作成された光学信号となり得る。
【００１６】
様々な実施形態によれば、標的ビームは、別々の光路で標的に導かれかつ／またはその標的から受け取ることができる。いくつかの実施形態では、これらの光路は、類似しているが互いに異なってもよい。他の実施形態では、第１の標的ビームおよび第２の標的ビームは、放射前に結合されて、共通の光路に沿って標的の方へ導かれる複合標的ビームを作成してもよい。いくつかの実施形態では、標的ビームは、標的によって反射され、また標的ビームを標的に導く共通光路と別の受信光路に沿ってレーザレーダーシステムによって受け取られてもよい。そのような実施形態は、「バイスタティック（bistatic）」と呼ばれることがある。または、複合標的ビームは、共通光路に沿ってレーザレーダーシステムによって受け取られてもよい。これらの後者の実施形態は、「モノスタティック（monostatic）」と呼ばれることがある。モノスタティック実施形態は、相補的な光学素子と共に動作するときにバイスタティック実施形態よりも優れた利点を提供することができる。より詳細には、本発明のモノスタティック実施形態は、とりわけ差分ドップラ効果とスペックルによるひずみによる影響を受けにくい。差分ドップラ効果は、例えば、標的ビームを標的上の様々な位置に導く走査ミラーによって作り出される。ミラーの様々な部分が様々な速度で動くので、標的ビームの様々な部品は、様々なドップラ遷移を受ける。その結果、レンジおよび／またはレンジレートの測定値に誤差が導入される可能性がある。これらの効果は、例えば、Digital Signal Corporation, 8003 Forbes Place, Springfield, VA.22131から提出された「NASA
Langley Contract No. NAS1-18890 (May 1991) Phase II Final Report, Appendix K」で、Anthony
Slotwinskiらにより研究され分析されており、この論文は、援用により全体が本明細書に組み込まれる。
【００１７】
いくつかの例では、第１のレーザ源と第２のレーザ源は、それぞれ第１の搬送周波数と第２の搬送周波数の電磁放射を生成する。第１の搬送周波数は、実質的に第２の搬送周波数と同じでよい。こうすると、例えば、スペックルによる歪みの最小化や他の強化などの、レーザレーダーシステムに対する様々な強化を提供することができる。
【００１８】
いくつかの実施形態では、第１のレーザ源と第２のレーザ源は、極めて線形化された周波数チャープを有する電磁放射を提供する。このために、第１のレーザ源と第２のレーザ源によって放射される電磁放射の線形化は、周波数ベース（例えば、各チャープごと）または実施形態によっては連続的（または、実質的に連続的）に較正される。この線形化された電磁放射の周波数チャープによって、オペレータが低下したシステム性能に気づいたとき、オペレータが低下した性能の可能性に基づいて線形化するように促されたとき、または１つまたは複数のシステムパラメータが許容範囲から外れたときなどに、起動時に線形化が行われる従来のシステムよりも高いレンジ測定精度や他の強化を提供することができる。頻繁かつ／または自動化された線形化は、高速走査中のミラー差動ドップラノイズの影響を少なくし、レンジの推定に対する以上またその他のノイズ寄与を打ち消す二重チャープ法の効果を最大化することができる。
【００１９】
本発明のいくつかの実施形態では、レーザレーダーシステムからの標的のレンジが、最小レンジから最大レンジまでの１組のレンジの範囲内にあるとき、レーザレーダーシステムは、標的のレンジとレンジレートを高精度に決定することができる。標的のレンジが１組のレンジの範囲内にないときは、レーザレーダーシステムの精度が低下することがある。この低下は、第１のレーザ源および第２のレーザ源のコヒーレンス長が本質的に有限であることによるものである。例えば、最小レンジと最大レンジとの間の距離は、コヒーレンス長の関数である。第１のレーザ源および第２のレーザ源のコヒーレンス長が大きいほど、最小レンジと最大レンジとの間の距離が大きくなる。従って、第１のレーザ源および第２のレーザ源のコヒーレンス長を大きくすると、広い１組のレンジにわたる決定を行う能力が提供され、レーザレーダーシステムによるレンジおよびレンジレートの決定が強化される。
【００２０】
本発明のいくつかの実施形態では、第１のレーザ源および第２のレーザ源の一方または両方は、放射源からの電磁放射を制御可能にチャープするシステムおよび方法を実現することができる。このシステムおよび方法は、設定可能な期間を有する実質的に線形のチャープレートで電磁放射を作成することができる。いくつかの実施形態では、放射は、単一の周波数偏移された共振モードを含む。
【００２１】
本発明のいくつかの実施形態において、システムは、放射源、光共振器を構成する１つまたは複数の光学素子、周波数シフタ、光スイッチ、および光増幅器を含んでもよい。いくつかの実施形態では、周波数シフタは、光共振器から電磁放射を受け取り、受け取った電磁放射の周波数偏移部分を光共振器に戻すように光共振器内に配置される。光スイッチは、光共振器から電磁放射を受け取るために光共振器内に配置される。光スイッチは、受け取った電磁放射を光共振器から遠くに導くか、受け取った電磁放射を光共振器に戻すように制御可能である。いくつかの例では、光スイッチは、受け取った電磁放射を光共振器から遠ざけると同時に放射源から光共振器に放射を結合するように制御可能でよく、放射源から受け取った放射は、初期周波数で光スイッチに受け取られる。
【００２２】
本発明の様々な実施形態によれば、光共振器は、レーザ源から初期周波数で放射された放射を、光共振器の光学長に対応する期間、光共振器に導くことによって「満たされる」。いくつかの実施形態では、レーザ源からの放射は、光スイッチによって光共振器に導かれてもよい。レーザ源からの電磁放射は、光共振器内に導かれるが、光スイッチを制御して、光スイッチが受け取った放射を光共振器から遠ざけるかまたは光共振器から「ダンプ」されるように導くことができる。光共振器が「満たされた」後（例えば、光共振器の光学長に対応する時間期間が過ぎた後）、レーザ源から光共振器への放射の流れが停止される。いくつかの実施形態では、レーザ源から光共振器への放射の流れは、レーザ源の電源を遮断することにより停止される。他の実施形態では、レーザ源から光共振器への放射の流れは、レーザ源からの放射を光共振器から遠くにダンプするように光スイッチを制御することによって停止される。光共振器が満たされている間に光共振器に注入された放射は、光スイッチによって光共振器内で循環されてもよく、この光スイッチは、光共振器から受け取った放射を光共振器内に導くように制御される。
【００２３】
本発明のいくつかの実施形態では、電磁放射が光共振器内で循環されるとき、放射の周波数は、光共振器を回るたびに周波数シフタによって漸進的に調整されてもよい。この定期的な漸進的調整により、光共振器内の放射の周波数は、実質的に線形にチャープされる。電磁放射の周波数をチャープするレートは、周波数シフタによって適用される漸進的周波数調整と光共振器の光学長の一方または両方と関連付けられる。従って、放射の周波数をチャープするレートは、これらの変量の一方または両方によって制御されてもよい。
【００２４】
いくつかの実施形態では、光共振器のＱ値（quality factor）は、光共振器内の様々な損失によって低下する。例えば、光共振器から装置に出力される放射は、損失が生じることがある。また、光学素子の欠陥による損失や他の寄生損失などの他の損失がある場合もある。Ｑ値の低下を防ぐために、光共振器内に光増幅器が配置されてもよい。光増幅器は、光共振器の損失の和を抑えるために光共振器内で放射に十分な利得を提供するように選択され制御される。その結果、光共振器から出力される放射の所定の強度または制御された強度が維持される。また、光増幅器は、例えば均一な線幅、利得帯域幅または他の仕様などの１つまたは複数の他の特性に基づいて選択されてもよい。
【００２５】
本発明のいくつかの実施形態では、チャープレートの１つはゼロに設定されてもよい。換言すると、レーザ源の１つは、定周波数の放射を放出してもよい。これにより、定周波数で放射するレーザ源を、より単純な設計、小さな占有面積、より軽い重量、低コスト、またはシステム全体に利点を提供する他の強化で実現することができる。これらの実施形態では、チャープレートがゼロに設定されたレーザレーダーセクションを使用して標的のレンジレートだけを決定することができる。
【００２６】
本発明のいくつかの実施形態では、プロセッサは、第１の複合標的ビームと第２の複合標的ビームとを線形的に結合してレンジ信号とレンジレート信号をデジタル的に生成してもよい。例えば、プロセッサは、第１の検出器および第２の検出器を含む。第１の検出器は、第１の複合標的ビームを受け取り、第１の複合標的ビームに対応する第１のアナログ信号を生成する。第１のアナログ信号は、第１のコンバータによって第１のデジタル信号に変換される。プロセッサは、第１のデジタル信号の１つまたは複数の周波数成分に対応する第１組の周波数データを決定する第１の周波数データモジュールを含む。
【００２７】
第２の検出器は、第２の複合標的ビームを受け取り、第２の複合標的ビームに対応する第２のアナログ信号を生成する。第２のアナログ信号は、第２のコンバータによって第２のデジタル信号に変換される。プロセッサは、第２のデジタル信号の周波数成分の１つまたは複数に対応する第２組の周波数データを決定する第２の周波数データモジュールを含む。
【００２８】
第１組の周波数データおよび第２組の周波数データは、周波数データ結合モジュールによって受け取られる。周波数データ結合モジュールは、第１組の周波数データおよび第２組の周波数データから導出されたレンジレート信号およびレンジ信号を生成することができる。
【００２９】
本発明の他の実施形態では、プロセッサは、第１の複合標的ビームと第２の複合標的ビームとを電子的に結合して、レンジ信号およびレンジレート信号を電子的に生成することができる。例えば、プロセッサは、変調器を含んでもよい。変調器は、第１の検出器によって生成された第１のアナログ信号と第２の検出器によって生成された第２のアナログ信号とを乗算して、複合アナログ信号を作成することができる。そのような実施形態では、プロセッサは、複合アナログ信号を受け取る第１のフィルタおよび第２のフィルタを備えてもよい。第１のフィルタは、複合アナログ信号をフィルタリングして第１のフィルタ信号を生成することができる。第１のフィルタ信号は、第１のコンバータによって変換されてレンジレート信号が生成される。第２のフィルタは、複合アナログ信号をフィルタリングして第２のフィルタ信号を生成することができる。第２のフィルタ信号は、第２のコンバータによって変換されてレンジ信号が生成される。
【００３０】
本発明の他の実施形態によれば、プロセッサは、第１の複合標的ビームと第２の複合標的ビームとを光学的に結合してレンジ信号およびレンジレート信号を生成してもよい。例えば、プロセッサは、第１の複合標的ビームおよび第２の複合標的ビームを受け取り且つ第１の複合標的ビームおよび第２の複合標的ビームの検出に基づいて複合アナログ信号を生成する検出器を含んでもよい。そのような実施形態では、プロセッサは、複合アナログ信号を受け取る第１のフィルタおよび第２のフィルタを含む。第１のフィルタは、複合アナログ信号をフィルタリングして第１のフィルタ信号を生成することができる。第１のフィルタ信号は、第１のコンバータによって変換されてレンジレート信号が生成される。第２のフィルタは、複合アナログ信号をフィルタリングして第２のフィルタ信号を生成することができる。第２のフィルタ信号は、第２のコンバータによって変換されてレンジ信号が生成される。
【００３１】
本発明の以上その他の目的、特徴および特性は、操作方法や構造の関連要素、部品の組み合わせ、製造の経済性等と共に、添付図面に関する以下の説明および添付の特許請求の範囲を検討することにより明かになる。添付図面はすべて、本明細書の一部を構成し、同じ参照符号は様々な図面において対応する部分を指す。しかしながら、図面は、単に例示と説明のためのものであり、本発明の範囲を定義するものではないことを明確に理解されたい。明細書と特許請求の範囲で使用されるとき、単数形の「a」、「an」および「the」は、文脈で明瞭に指定されない限り複数の物も指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
図１は、本発明のいくつかの実施形態による、顔、より詳細には個人１１２の顔内の眼球と関連した位置情報を検出するシステム１１０の例示的な説明図である。システム１１０は、個人１１２の眼球と関連した位置情報を決定することができる。システム１１０は、個人１１２の表面上のポイント（例えば、皮膚、衣服、唇など）までのレンジおよび／またはそのポイントのレンジレート（すなわち、速度）を決定することができるレーザレーダーシステム１１６を含む。システム１１０は、レーザレーダーシステム１１６の決定に基づいて個人１１２の眼球と関連した位置情報を決定することができるモニタモジュール１１８を備える。システム１１０は、個人１１２と直接接触することなく、個人１１２の眼球と関連した位置情報を個人１１２からリモートで監視し決定することができる。
【００３３】
本発明のいくつかの実施形態では、レーザレーダーシステム１１６は、個人１１２に対する電磁放射ビーム１１４を、測定される個人１１２の表面上のポイントで個人１１２に入射するように導く。個人１１２の表面上のポイントに導かれた放射１１４の一部または全ては、表面で反射され、次にレーザレーダーシステム１１６内に戻されることがある。後述するように、レーザレーダーシステム１１６は、放射前および／または反射後の放射１１４の１つまたは複数の側面（例えば、周波数、位相、強度など）に基づいて、レーザレーダーシステム１１６に対する表面上のポイントのレンジおよびレンジレートの一方または両方を決定することができる。
【００３４】
本発明の様々な実施形態によれば、レーザレーダーシステム１１６は、ある期間にわたって（例えば、定期的に）個人１１２の眼球の表面上の１組の測定ポイントのレンジおよび／またはレンジレートの決定を何度も行うことができる。モニタモジュール１１８は、決定されたレンジおよびレンジレートを利用して眼球と関連した位置情報を決定することができる。
【００３５】
本発明の様々な実施形態によれば、モニタモジュール１１８は、更に、個人１１２の眼球と関連した位置情報をより正確に決定するために、個人１１２の頭の動きを監視してもよい。これらの実施形態のいくつかでは、システム１１０は、個人１１２のビデオ映像（連続画像）をキャプチャするビデオ撮像システムを含む。眼球と共に眼窩を動かす個人１１２の顔（ビデオ撮像システムによってキャプチャされる像の平面内）の横方向または縦方向の動きは、ビデオ撮像システムによってキャプチャされたビデオ映像のビデオ光学フロー処理（または、何らかの他の動き追跡処理）によって決定される。同様に、像平面内の個人１１２の顔の回転を決定することができる。このようにして、ビデオ撮像システムによって動きの３つの度合いを測定することができる。この光学フロー処理は、モニタモジュール１１８によって実行される。ビデオ撮像システムによってキャプチャされた像の平面からの個人１１２の顔の動きは、レーザレーダーシステム１１６によって顔（眼窩の外側）の測定を行うことにより決定される。これらの動きは、レンジ運動（並進自由度）と、ビデオ撮像システムの像平面と垂直な２つの回転自由度とを含む。従って、ビデオ撮像システムによってキャプチャされたビデオ映像から決定された情報と、レーザレーダーシステム１１６の測定値とを組み合わせることによって、モニタモジュール１１８は、個人１１２の顔の動きを６つの自由度で決定することができる。
【００３６】
個人１１２の顔の動きを決定することによって、モニタモジュール１１８は、個人１１２の眼窩の動きおよび／または位置を追跡することができる。モニタモジュール１１８は、個人１１２の眼窩の動きおよび／または位置を使用して、眼窩内の眼球の回転だけ（または、実質的に眼窩内の眼球の回転だけ）を反映するように個人１１２の眼球の位置および／または動きの決定を調整する。
【００３７】
図２は、本発明のいくつかの実施形態による、システム１１０内にレーザレーダーシステム１１６として実現される周波数変調レーザレーダーシステム２１０を示す。システム２１０は、電磁放射のビーム２１４を放射するレーザ源２１２を含む。ビーム２１４は、連続的に変更された、またはチャープ（chirp）された周波数で放射される。いくつかの例では、周波数をチャープすることは、周波数を下限周波数と上限周波数（またはこの逆）の間で周期的に掃引することを含む（例えば、のこぎり波形、三角形波形など）。ビーム２１４は、光カプラ２１６によって標的ビーム２１８と基準ビーム２２０に分割される。次に、レーザレーダーシステム２１０を単一ビームシステムとして示し説明するが、ビーム２１４は、個人の眼球上の複数のポイントに電磁放射ビームを提供するために、複数のビームに分割され、その後でそれぞれのビームが、後述するように処理されてもよい。
【００３８】
従来の実施形態では、システム２１０は、標的干渉計２２２と基準干渉計２２４を含む。標的干渉計２２２は、標的ビーム２１８を受け取り、標的ビームを光カプラ２２６で分割する。標的干渉計２２２は、一般に、標的干渉計２２２からの標的２３０（例えば、個人１１２）のレンジに依存する標的信号を生成するために使用される。標的干渉計は、これを、標的ビーム２１８の一部分２２８を標的２３０の方に導き、標的ビーム２１８の他の部分２３２を一定経路長の光路を介して標的周波数差モジュール２３４に導くことによって達成することができる。標的ビーム２１８の一部分２２８は、標的２３０によって反射され、また光カプラ２２６と光ファイバ２３６を介して標的周波数差モジュール２３４に送られる。カプラ２４８での部分２３６，２３２間の干渉に基づいて、標的周波数差モジュール２３４は、標的ビーム２１８の部分２３６，２３２の経路長の違いによるうなり周波数に対応する標的信号を生成することができる。
【００３９】
本発明の様々な実施形態によれば、基準干渉計２２４は、基準ビーム２２０を受け取り、既知の経路長差を有する２つの別個の一定経路で導かれた基準ビーム２２４の２つの部分間の周波数差に対応する基準信号を生成することができる。より詳細には、基準ビーム２２０は、光カプラ２４０によって第１の部分２４２と第２の部分２４４とに分割される。第１の部分２４２は、第２の部分２４４に対して一定光路長差を有する。基準周波数差モジュール２５０は、カプラ２４６での部分２４２，２４４間の干渉に基づいて、基準ビーム２２０の部分２４２，２４４の経路長の一定の差によって生じるうなり周波数に対応する基準信号を生成する。
【００４０】
標的干渉計２２２および基準干渉計２２４をマッハ・ツェンダ干渉計として示し説明したことを理解されるであろう。しかしながら、他の干渉計構成を利用することができる。例えば、標的干渉計２２２および基準干渉計２２４は、マイケルソン・モーレー干渉計を構成する実施形態を含むことができる。
【００４１】
いくつかの実施形態では、システム２１０は、プロセッサ２３８を含む。プロセッサ２３８は、標的信号と基準信号を受け取り、これらの信号を処理して標的２３０のレンジを決定することができる。標的信号と基準信号に基づいて決定したレンジ情報を使用して、標的干渉計２２２に対する標的２３０のレンジレートを決定する。
【００４２】
図３は、本発明のいくつかの実施形態により、個人１１２の眼球の表面上の１つまたは複数のポイントを監視するために、レーザレーダーシステム１１６のようにシステム１１０内で実現されるレーザレーダーシステム３１０の例示的実施形態を示す。レーザレーダーシステム３１０は、複数のレーザレーダーセクションを使用し、各セクションは標的放射ビームを標的の方に放射する。例えば、第１のレーザレーダーセクション３７４は、第１の標的ビーム３１２を放射し、第２のレーザレーダーセクション３７６は、第２の標的ビーム３１４を標的３１６（例えば、個人１１２）に放射する。本発明のいくつかの実施形態では、第１の標的ビーム３１２と第２の標的ビーム３１４がチャープされて２重チャープシステムが作成される。システム１１０における個人１１２の眼球の表面上の１つまたは複数のポイントを監視するレーザレーダーシステム３１０の実施態様は、個人１１２の眼球の表面上のポイントのシステム１１０に対するレンジおよびレンジレートを明白に決定し、監視モジュール１１８による個人１１２の眼球と関連した位置情報の強化された決定を可能にすることができる。例えば、個人１１２の眼球の表面上のポイントへのレンジおよび／またはレンジレートを明白に決定することにより、決定されたレンジおよび／またはレンジレートのノイズの量が減少する。ノイズは、存在すると、レンジおよび／またはレンジレートを決定する精度に影響を及ぼすことがある。決定されたレンジおよび／またはレンジレートの不正確さは、決定したレンジおよび／またはレンジレートを個人１１２の眼球と関連した位置情報に活用する決定を妨げることがある。
【００４３】
レーザレーダーシステム３１０を単一ポイントに入射する２つのビームを提供する２重ビームシステムとして示し説明するが、この説明は限定ではなく、眼球上の複数のポイントの監視を可能にするために、標的ビームのそれぞれが複数のビームに分割され、次に各ビームが後で述べる方式で処理されてもよいことを理解されたい。いくつかの実施態様では、（例えば、眼球上の複数のポイントのそれぞれに対して単一放射ポイントを連続的に走査することにより）眼球上の複数のポイントを単一のポイント放射によって連続的に監視できる。これらの実施態様では、眼球上のポイントは完全に同時に監視されなくてもよいが、得られたデータ群を複数のポイントを同時に監視したかのように処理できるほど素早く眼球上の複数のポイントのそれぞれに単一ポイント放射を行うことができる。いくつかの実施態様では、複合的手法が実施されてもよく、その場合、レーザレーダーシステム３１０によって単一放射ポイントとして提供されるビームが、複数の放射ポイントを提供するように分割され、複数の放射ポイントがそれぞれ、眼球（および／または個人１１２）上の様々なポイントに連続的に走査される。
【００４４】
本発明の様々な実施形態によれば、レーザセクション３７４は、レーザ源コントローラ３３６、第１のレーザ源３１８、第１の光カプラ３２２、第１のビーム遅延機構３４４、第１の局部発振器光カプラ３３０および／または他の構成要素を含む。第２のレーザレーダーセクション３７６は、レーザ源コントローラ３３８、第２のレーザ源３２０、第２の光カプラ３２４、第２のビーム遅延機構３５０、第２の局部発振器光カプラ３３２、および／または他の構成要素を含む。例えば、各レーザレーダーセクション３７４，３７６の構成要素のいくつかまたはすべては、米国Ｍｅｔｒｉｓ社によるコヒーレントレーザレーダーシステムとして得られる。米国Ｍｅｔｒｉｓ社によるコヒーレントレーザレーダーシステムは、標的３１６のレンジおよびレンジレートを決定する際に、高度な線形機能、高度な位相ゆらぎ（phase wandering）補正などの様々な利点を、レーザレーダーシステム３１０に提供することができる。
【００４５】
本発明のいくつかの実施形態では、第１の標的ビーム３１２および第２の標的ビーム３１４は、標的３１６によってレーザレーダーシステム３１０の方に反射される。レーザレーダーシステム３１０は、第１の標的ビーム３１２および第２の標的ビーム３１４を受け取り、レーザレーダーシステム３１０からの少なくとも１つの標的３１６までのレンジと標的３１６のレンジレートとを決定することができる。
【００４６】
本発明の様々な実施形態によれば、第１のレーザ源３１８は、第１の搬送周波数を有する。第１のレーザ源３１８は、第１の周波数の第１のレーザビーム３４０を放射することができる。第１の周波数は、第１のチャープレートで変調される。第１の周波数は、電気的、機械的、音響光学的、または他の明白な方法で変調される。第１のレーザビーム３４０は、第１の光カプラ３２２によって第１の標的ビーム３１２と第１の局部発振器ビーム３４２に分割される。第１の局部発振器ビーム３４２は、第１のビーム遅延機構３４４で第１の遅延期間の間保持される。
【００４７】
本発明のいくつかの実施形態では、第２のレーザ源３２０は、第２の周波数の第２のレーザビーム３４６を放射する。第２の周波数は、第１のチャープレートと異なる第２のチャープレートで変調される。第２の周波数は、電気的、機械的、音響光学的または他の方法で変調される。この第１のチャープレートおよび第２のチャープレートは、第１のレーザビーム３４０と第２のレーザビーム３４６との間で逆のチャープを作成してもよい。
【００４８】
いくつかの例では、第２の搬送周波数は、実質的に第１の搬送周波数と同じである。例えば、いくつかの実施形態では、第１のベースライン周波数と第２のベースライン周波数の差の割合は０．０５％より少ない。これは、例えばスペックルによる歪みの最小化や他の強化などの様々な強化をレーザシステム３１０に提供することがある。第２のレーザビーム３４６は、第２の光カプラ３２４によって第２の標的ビーム３１４と第２の局部発振器ビーム３４８に分割される。第２の局部発振器ビーム３４８は、第２のビーム遅延機構３５０で第２の遅延期間の間保持される。第２の遅延期間は、第１の遅延期間と異なる。
【００４９】
いくつかの実施形態では、第１のレーザ源３１８および／または第２のレーザ源３２０（例えば、第１のレーザビーム３４０および／または第２のレーザビーム３４６）の出力は、例えば米国Ｍｅｔｒｉｓ社のモデルＭＶ２００に提供されている機構を使用して線形化される。第１のレーザ源３１８および／または第２のレーザ源３２０の出力の位相ゆらぎは、例えば米国Ｍｅｔｒｉｓ社のモデルＭＶ２００に提供された機構を使用して修正される。
【００５０】
本発明のいくつかの実施形態では、レーザレーダーシステム３１０は、標的３１６のレーザレーダーシステム３１０からのレンジが最小レンジから最大レンジまでの１組のレンジの範囲内にあるときに、標的３１６のレンジおよびレンジレートを高い精度で決定することができる。標的３１６のレンジが上記１組のレンジの範囲内にないときは、レーザレーダーシステム３１０の精度が低下する。
【００５１】
本発明の様々な実施形態によれば、第１のビーム遅延機構３４４および第２のビーム遅延機構３５０は調整可能である。第１のビーム遅延機構３４４および第２のビーム遅延機構３５０を調整することにより、より正確な決定を行える１組のレンジをレーザレーダーシステム３１０に近づけるか遠ざけるようにレーザレーダーシステム３１０を調整することができる。第１のビーム遅延機構３４４および第２のビーム遅延機構３５０は、標的３１６のレンジが最小レンジから最大レンジまでの１組のレンジの範囲内にあり、その結果標的３１６のレンジとレンジレートが正確に決定されるように調整される。第１のビーム遅延機構３４４および第２のビーム遅延機構３５０は、ユーザによって調整されてもよく、自動的に調整されてもよい。
【００５２】
標的３１６のレンジが上記１組のレンジの外にあるときはレンジおよびレンジレートの決定精度が低下するので、第１のレーザ源３１８および第２のレーザ源３２０のコヒーレンス長が有限になる。例えば、最小レンジと最大レンジとの間の距離は、コヒーレンス長の関数になる。第１のレーザ源３１８および第２のレーザ源３２０のコヒーレンス長が長いほど、最小レンジと最大レンジとの間の距離が大きくなる。従って、第１のレーザ源３１８と第２のレーザ源３２０のコヒーレンス長を長くすると、強化された１組のレンジにわたって決定できるようになることにより、レーザレーダーシステム３１０によるレンジおよびレンジレートの決定精度が向上する。
【００５３】
本発明のいくつかの実施形態では、第１の局部発振器ビーム３４２は、複数の第１の局部発振器ビームに分割され、第２の局部発振器ビーム３４８は、複数の第２の局部発振器ビームに分割される。そのような例では、レーザレーダーシステム３１０は、変化する遅延期間の遅延を複数の第１の局部発振器ビームと複数の第２の局部発振器ビームに適用することができる複数のビーム遅延機構を含む。これにより、複数の第１の局部発振器ビームのうちの１つと複数の第２の局部発振器ビームのうちの１つが、標的のレンジおよびレンジレートを正確に決定することを可能にする遅延期間だけ遅延されるようになる。
【００５４】
従って、本発明のいくつかの実施形態では、第１のレーザ源３１８と第２のレーザ源３２０は、長いコヒーレンス長のチャープされた電磁放射を放射することができる。例えば、第１のレーザ源３１８および／または第２のレーザ源３２０は、前に図３に示し説明したようなシステム３１０を含む。
【００５５】
様々な実施形態によれば、第１の標的ビーム３１２と第２の標的ビーム３１４は、別々の光路で標的３１６から導かれかつ／または受け取られる。いくつかの実施形態では、これらの光路は、類似しているが異なっている。他の実施形態では、第１の標的ビーム３１２と第２の標的ビーム３１４は、放射前に、標的光カプラ３２６によって、共通光路に沿って標的３１６の方に導かれる複合標的ビーム３５２に結合される。いくつかの実施形態では、複合標的ビーム３５２（または、標的３１６の方に別々に導かれる場合は第１の標的ビーム３１２と第２の標的ビーム３１４）は、標的３１６によって反射され、複合標的ビーム３５２を標的３１６の方に導いた共通光路とは別の受光光路に沿ってレーザレーダーシステム３１０によって受け取られる。そのような実施形態は、「バイスタティック（bistatic）」と示される。または、複合標的ビーム３５２は、共通光路に沿った反射標的ビーム３５６としてレーザレーダーシステム３１０によって受け取られる。これらの後者の実施形態は、「モノスタティック（monostatic）」と呼ばれる。モノスタティック実施形態は、相互光学素子と動作するときにそのバイスタティック相当物より優れた利点を提供することができる。モノスタティック実施形態では、共通光路は、複合標的ビーム３５２を放射し、反射された標的ビーム３５６を受け取るための共通ポートを提供する光学部材３２８を含む。光学部材３２８は、光サーキュレータ、光カプラ、または明白な他の光学部材を含む。
【００５６】
いくつかの実施形態では、共通光路は、走査要素３３７を含む。走査要素３３７は、複合標的ビーム３５２に標的３１６を走査させるように振動され、回転され、または他の方法で操作される例えばミラー、レンズ、アンテナまたは他の光学素子などの光学素子を含んでもよい。いくつかの例では、走査要素３３７は、高速での走査を可能にする。従来のシステムでは、走査要素は、これらのシステムの精度を低下させる可能性のあるスペックルや他の光学効果によるミラー差動ドップラノイズ効果の原因になることがある。しかしながら、レーザレーダーシステム３１０の様々な実施形態が、レンジおよびレンジレートを明白に決定するために同時（または実質的に同時）測定を使用するので、高速走査によって生じる不正確さを回避することができる。
【００５７】
本発明のいくつかの実施形態では、標的光カプラ３５４は、反射された標的ビーム３５６を第１の反射標的ビーム部分３５８と第２の反射標的ビーム部分３６０に分割する。第１の局部発振器光カプラ３３０は、第１の局部発振器ビーム３４２を第１の反射標的ビーム部分３５８と第１の複合標的ビーム３６２に組み合わせる。第２の局部発振器光カプラ３３２は、第２の局部発振器ビーム３４８を第２の反射標的ビーム部分３６０と第２の複合標的ビーム３６４に組み合わせる。図面に示していないいくつかの実施形態では、例えば第１の標的ビーム３１２と第２の標的ビーム３１４が別々に標的３１６に導かれかつ／または標的３１６から受け取られ、第１の局部発振器光カプラ３３０は、反射された第１の標的ビーム３１２を第１の局部発振器ビーム３４２と合成して第１の複合標的ビーム３６２を作成し、反射された第２の標的ビーム３１４を第２の局部発振器ビーム３４８と合成して第２の複合標的ビーム３６４を作成する。
【００５８】
第１の局部発振器ビーム３４２と第２の局部発振器ビーム３４８が、異なる標的ビームまたは同じ標的ビーム（例えば、反射標的ビーム３５６）の異なる部分と合成されるので、第１の複合標的ビーム３６２と第２の複合標的ビーム３６４は、最終処理の直前に、２つの別々であるが一致する単一レーザ源周波数変調レーザレーダーシステム内にある光信号となり得る。例えば、レーザ源コントローラ３３６、第１のレーザ源３１８、第１の光カプラ３２２、第１のビーム遅延機構３４４および第１の局部発振器光カプラ３３０は、第２のレーザレーダーセクション３７６によって生成される第２の複合標的ビーム３６４とは別の第１の複合標的ビーム３６２を生成する第１のレーザレーダーセクション３７４と見なされる。第２のレーザレーダーセクション３７６は、レーザ源コントローラ３３８、第２のレーザ源３２０、第２の光カプラ３２４、第２のビーム遅延機構３５０および第２の局部発振器光カプラ３３２を含む。
【００５９】
いくつかの実施形態では、レーザレーダーシステム３１０は、プロセッサ３３４を含む。プロセッサ３３４は、検出モジュール３６６、混合モジュール３６８、処理モジュール３７０および／または他のモジュールを含む。モジュールは、ハードウェア（光学構成要素と検出構成要素を含む）、ソフトウェア、ファームウェア、またはハードウェア、ソフトウェアおよび／またはファームウェアの組み合わせで実現される。プロセッサ３３４は、第１の複合標的ビーム３６２と第２の複合標的ビーム３６４を受け取る。プロセッサ３３４は、第１の複合標的ビーム３６２と第２の複合標的ビーム３６４に基づいて、レンジ信号およびレンジレート信号を生成する。レンジ信号およびレンジレート信号に基づいて、標的３１６のレンジおよびレンジレートを明白に決定することができる。
【００６０】
本発明のいくつかの実施形態では、プロセッサ３３４は、第１の複合局部発振器ビーム３６２の第１のうなり周波数を決定する。第１のうなり周波数は、第１の局部発振器ビーム３４２と、標的３１６から反射された第１の標的ビーム３１２に対応する反射標的ビーム３５６の成分との周波数の差（経路長の差に起因する）を含む。プロセッサ３３４は、第２の複合局部発振器ビーム３６４の第２のうなり周波数を決定する。第２のうなり周波数は、第２の局部発振器ビーム３４８と、標的３１６から反射された第２の標的ビーム３１４に対応する反射標的ビーム３５６の成分との周波数の差（経路長の差に起因する）を含む。第１のうなり周波数および第２のうなり周波数は、環境的作用や他の作用によって導入されるノイズを打ち消すために同時（または、実質的に同時）に決定される。第１のうなり周波数および第２のうなり周波数を、第１の複合標的ビーム３６２内の他の周波数成分、第２の複合標的ビーム３６４内の他の周波数成分および／または互いと区別できるように１つまたは複数の段階を実行する。例えば、そのような処置は、第１のチャープレートおよび第２のチャープレートとして２つの別のチャープレートを使用して、第１のビーム遅延機構３４４および第２のビーム遅延機構３５０で異なる遅延時間だけ第１の局部発振器ビーム３４２および第２の局部発振器ビーム３５０を遅延させる処理を含んでもよく、他の処置が取られてもよい。
【００６１】
図３は、主に光ファイバと光カプラを使用して実現された本発明の例示的実施形態を示すが、この実施形態は全く限定されるべきでないことを理解されたい。本発明の範囲内の代替の実施形態が存在し、その代替の実施形態では、例えばプリズム、ミラー、ハーフミラー、ビームスプリッタ、ダイクロイックフィルム、ダイクロイックプリズム、レンズ、または他の光学素子を使用して、電子放射を導き、結合し、導き、集束し、拡散させ、増幅し、または他の方法で処理する。
【００６２】
本発明の様々な実施形態によれば、プロセッサ３３４は、第１の複合標的ビーム３６２と第２の複合標的ビーム３６４を混合して混合信号を作成することができる。混合信号は、第１のうなり周波数と第２のうなり周波数との和に対応するうなり周波数和成分と、第１のうなり周波数と第２のうなり周波数との差に対応するうなり周波数差成分を含む。一定速度を有する標的の場合、第１のレーザビーム３４０と第２のレーザビーム３４６のうなり周波数は、それぞれ次のように表すことができる。
【００６３】
【数１】
2009519780.tif 000003
【００６４】
【数２】
2009519780.tif 000004
【００６５】
ここで、ｆ1（ｔ）は、第１のうなり周波数を表わし、ｆ2（ｔ）は、第２のうなり周波数を表し、λ1とλ2は２つの光波長であり、ｖは標的速度であり、γ1とγ2はそれぞれのチャープレートに比例し、Ｒは測定されたレンジを表し、ＲＯ1とＲＯ2は、２台のレーザレーダーのレンジオフセットを表わす。ここで、λ1＝λ2＝λであると仮定する。式を減算すると次の式が得られる。
【００６６】
【数３】
2009519780.tif 000005
【００６７】
項を並べ替えると、次のような修正されたレンジ測定値が得られる。
【００６８】
【数４】
2009519780.tif 000006
【００６９】
同様に、式（１）と式（２）を組み合わせて、標的速度の速さを提供する次の式を得ることができる。
【００７０】
【数５】
2009519780.tif 000007
【００７１】
本発明の様々な実施形態によれば、式（４）で前述したうなり周波数和成分を混合信号からフィルタリングしてレンジ信号を作成することができる。レンジ信号（例えば、ｆ1（ｔ）＋ｆ2（ｔ））に含まれるうなり周波数和成分から、レーザレーダーシステム３１０から標的３１６までの距離を決定することができる。レンジ信号に基づく決定は明白な場合があり、瞬間的挙動とドップラ周波数偏移（例えば、ｖ／λ）の平均的挙動のどちらにも依存しない場合がある。
【００７２】
いくつかの実施形態では、式（４）で前述したうなり周波数差成分を混合信号からフィルタリングしてレンジレート信号を生成することができる。レンジレート信号に含まれるうなり周波数差成分から、標的３１６のレンジレートを明白に決定することができる。標的３１６のレンジレートを決定するために、第１のチャープレートと第２のチャープレート間とのチャープレートの差に比例する値としてｆ1（ｔ）−（γ1／γ2）ｆ2（ｔ）を表わすことができる。これにより、ドップラ偏移情報を抽出することができ、この情報は、標的３１６の瞬間速度（即ち、レンジレート）を表わす。
【００７３】
本発明のいくつかの実施形態では、第２のチャープレートをゼロに設定する。換言すると、第２のレーザ源３１８は、定周波数の放射を放出することができる。これにより、より単純な設計、小さな占有面積、より軽い重量、低コスト、またはシステム全体に利点を提供することができる他の強化を有する第２のレーザ源３１８を実現することができる。そのような実施形態では、レーザレーダーシステム３１０は、周波数偏移装置を含む。周波数偏移装置は、音響光学変調器３７２や他の装置を含む。音響光学変調器３７２は、第２の局部発振器ビーム３４８に周波数オフセットを提供し、後処理を強化することができる。例えば、周波数オフセットによって、静止標的のレンジレートを表す第２の局部発振器ビーム３４８と第２の反射標的ビーム部分３６０の間の静止標的うなり周波数をゼロからオフセットすることができ、その結果、そのうなり周波数から標的の動きの方向ならびに動きの速度を決定することができる。本発明のこの実施形態には、更に、チャープターンアラウンド（chirp turn-around）またはフライバックによって中断されない標的レンジレートの連続監視を可能にするという利点がある。チャープターンアラウンドまたはフライバックは、チャープされたレーザレーダーセクションでは正確な測定が不可能な時間間隔を作り出すことができる。これらの実施形態では、レーザレーダーセクション３７６は、標的３１６のレンジレートだけを決定することができ、一方レーザレーダーシステム３１０は、レンジおよびレンジレートの両方を測定することができる。
【００７４】
図４は、本発明の一実施形態によるプロセッサ３３４を示す。プロセッサ３３４は、第１の複合標的ビーム３６２と第２の複合標的ビーム３６４をデジタル的に混合することができる。例えば、プロセッサ３３４は、第１の検出器４１０と第２の検出器４１２を有する。第１の検出器４１０は、第１の複合標的ビーム３６２を受け取り、第１の複合標的ビーム３６２に対応する第１のアナログ信号を生成する。第１のアナログ信号は、第１のコンバータ４１４によって第１のデジタル信号に変換される。プロセッサ３３４は、第１のデジタル信号の１つまたは複数の周波数成分に対応する第１組の周波数データを決定する第１の周波数データモジュール４１６を備える。いくつかの例では、第１のデジタル信号は、第１の平均化モジュール４１８で平均化される。そのような例では、次に、平均化された第１のデジタル信号は、第１の周波数データモジュール４１６に送られる。
【００７５】
第２の検出器４１２は、第２の複合標的ビーム３６４を受け取り、第２の複合標的ビーム３６４に対応する第２のアナログ信号を生成する。第２のアナログ信号は、第２のコンバータ４２０によって第２のデジタル信号に変換される。プロセッサ３３４は、第２のデジタル信号の周波数成分の１つまたは複数に対応する第２組の周波数データを決定する第２の周波数データモジュール４２２を備える。いくつかの例では、第２のデジタル信号は、第２の平均化モジュール４２４で平均化される。そのような例では、次に、平均化された第２のデジタル信号は、第２の周波数データモジュール４２２に送られる。
【００７６】
周波数データ結合モジュール４２６は、第１組の周波数データと第２組の周波数データを受け取ることができる。周波数データ結合モジュール４２６は、第１組の周波数データと第２組の周波数データを線形的に組み合わせ、混合された周波数データから導出されたレンジレート信号およびレンジ信号を生成する。
【００７７】
図５は、本発明の別の実施形態によるプロセッサ３３４を示す。プロセッサ３３４は、第１の複合標的ビーム３６２および第２の複合標的ビーム３６４をそれぞれ受け取る第１の検出器５１０および第２の検出器５１２を備える。第１の検出器５１０および第２の検出器５１２はそれぞれ、第１の複合標的ビーム３６２および第２の複合標的ビーム３６４と関連付けられた第１のアナログ信号および第２のアナログ信号を生成する。プロセッサ３３４は、レンジ信号およびレンジレート信号を生成するために第１の複合標的ビーム３６２および第２の複合標的ビーム３６４を電子的に混合する。例えば、プロセッサ３３４は、変調器５１４を含む。変調器５１４は、第１の検出器５１０によって生成された第１のアナログ信号と第２の検出器５１２によって生成された第２のアナログ信号とを乗算して、複合アナログ信号を作成することができる。そのような実施形態では、プロセッサ３３４は、複合アナログ信号を受け取る第１のフィルタ５１６および第２のフィルタ５１８を含む。第１のフィルタ５１６は、複合アナログ信号をフィルタリングして第１のフィルタ信号を生成する。いくつかの例では、第１のフィルタ５１６は、低域フィルタを含む。第１のフィルタ信号は、第１のコンバータ５２０によって変換されてレンジレート信号を生成する。第２のフィルタ５１８は、複合アナログ信号をフィルタリングして第２のフィルタリングされた信号を生成する。例えば、第２のフィルタ５１８は高域フィルタを含む。第２のフィルタ信号は、第２のコンバータ５２２によって変換されてレンジ信号を生成する。
【００７８】
図６は、本発明の更に別の実施形態によるプロセッサ３３４を示す。プロセッサ３３４は、第１の複合標的ビーム３６２と第２の複合標的ビーム３６４を光学的に混合してレンジ信号とレンジレート信号を生成する。例えば、プロセッサ３３４は、第１の複合標的ビーム３６２と第２の複合標的ビーム３６４を受け取り、検出に基づいて複合アナログ信号を生成する検出器６１０を含む。そのような実施形態では、プロセッサ３３４は、複合アナログ信号を受け取る第１のフィルタ６１２および第２のフィルタ６１４を含む。第１のフィルタ６１２は、複合アナログ信号をフィルタリングして第１のフィルタリングされた信号を生成する。第１のフィルタ６１２は、低域フィルタを含む。第１のフィルタリングされた信号は、第１のコンバータ６１６によって変換されてレンジレート信号を生成する。第２のフィルタ６１４は、複合アナログ信号をフィルタリングして第２のフィルタ信号を生成する。第２のフィルタ１４は、高域フィルタを含む。第２のフィルタ信号は、第２のコンバータ６１８によって変換されてレンジ信号を生成する。
【００７９】
本発明を、現在最も実際的で好ましい実施形態と見なされる実施形態に基づいて例示のために詳細に説明したが、そのような詳細が単に例示のためのものであり、本発明が、開示された実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の趣旨および意図の範囲内にある修正および等価な構成を対象として含むように意図されていることを理解されたい。例えば、本発明は、可能な範囲内で、任意の実施形態の１つまたは複数の特徴を他の実施形態の１つまたは複数の特徴と組み合わせることができるものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の１つまたは複数の実施形態による個人の眼球の動きを監視するシステムを示す図である。
【図２】本発明の１つまたは複数の実施形態による個人の眼球を監視するシステム内に実装されたレーザレーダーシステムを示す図である。
【図３】本発明の１つまたは複数の実施形態による個人の眼球を監視するシステム内に実装されたレーザレーダーシステムを示す図である。
【図４】本発明の１つまたは複数の実施形態により２つの複合標的ビームをデジタル的に混合するプロセッサを示す図である。
【図５】本発明の１つまたは複数の実施形態により２つの複合標的ビームを電気的に混合するプロセッサを示す図である。
【図６】本発明の１つまたは複数の実施形態により２つの複合標的ビームを光学的に混合するプロセッサを示す図である。
【図１】
2009519780.tif 000008
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年1月29日(2008.1.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
個人の眼窩内にある前記個人の眼球と関連した位置および／または動き情報を決定するシステムであって、
電磁放射を提供し、前記眼球の表面上の１つまたは複数のポイントから反射された電磁放射を受け取り、実質的に同じ時点の前記眼球の表面上の前記１つまたは複数のポイントのレンジおよびレンジレートを決定するレーザレーダーシステムと、
前記レーザレーダーシステムによって決定された前記レンジおよび前記レンジレートに少なくとも部分的に基づいて前記眼球の前記位置および／または前記動きと関連した情報を決定するモニタモジュールとを備えるシステム。
【請求項２】
前記眼球の表面上の１つまたは複数のポイントが、前記眼球の表面上の３つ以上のポイントを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記眼球の表面上の前記３つ以上のポイントが、前記眼球の同一大円上にない前記眼球の表面上の少なくとも３つのポイントを含む請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記レーザレーダーシステムが、放射ビームを前記眼球上の複数のポイントに同時に放射し、それにより、同じ時点の前記３つ以上のポイントのうちの少なくとも２つのポイントの前記レンジおよび前記レンジレートが決定される請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記レーザレーダーシステムが、前記眼球の表面上の前記３つ以上のポイントのうちの少なくとも２つのポイントに連続的に走査されるビーム放射を放出し、その結果、実質的に同じ時点の前記眼球の表面上の少なくとも２つのポイントの前記レンジおよび前記レンジレートが決定される請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
前記眼球の前記位置および／または前記動きと関連した情報が、前記眼球の位置、前記眼球の並進速度、前記眼球の並進加速度、前記眼球の並進痙動、前記眼窩内の前記眼球の回転速度、または眼窩内の眼球の回転加速度のうちの１つまたは複数を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
モニタモジュールが、前記眼窩の前記位置および／または前記動きと関連した情報を決定し、前記眼窩の前記位置および／または前記動きと関連した前記情報を使用して、前記眼窩内の前記眼球の前記位置および／または前記動きと関連した情報を決定する請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記眼窩のビデオ映像をキャプチャするビデオ撮像システムを更に備え、前記モニタモジュールは、前記ビデオ撮像システムによってキャプチャされた前記眼窩の前記ビデオ映像の処理に少なくとも部分的に基づいて前記眼窩の前記位置および／または前記動きと関連した前記情報を決定する請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記レーザレーダーシステムが、
第１のレーザビームを生成するレーザ源と、前記第１のレーザビームを第１の標的ビームと第１の局部発振器ビームに分割し、前記眼球上の前記１つまたは複数のポイントのうちの１つのポイントから反射された前記第１の標的ビームの第１の反射部分と前記第１の局部発振器ビームとから第１の複合標的ビームを生成する干渉計とを備える第１のコヒーレントレーザレーダーセクションと、
第２のレーザビームを生成するレーザ源と、前記第２のレーザビームを、前記第１の標的ビームと同じ位置で標的に入射する第２の標的ビームと第２の局部発振器ビームとに分割し、前記眼球上の前記１つまたは複数のポイントのうちの１つのポイントから反射された前記第２の標的ビームの第２の反射部分と前記第２の局部発振器ビームとから第２の複合標的ビームを生成する干渉計とを備える第２のコヒーレントレーザレーダーセクションと、
前記第１の複合標的ビームおよび前記第２の複合標的ビームから、前記眼球上の前記１つまたは複数のポイントのうちの前記１つのポイントのレンジおよびレンジレートを明白に決定するプロセッサとを備える請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
個人の眼窩内にある前記個人の眼球の位置および／または動きと関連した情報を決定する方法であって、
前記眼球の表面上の１つまたは複数のポイントに電磁放射を提供する行程と、
前記眼球の表面上の前記１つまたは複数のポイントから反射された電磁放射を受け取る行程と、
前記眼球の表面上の前記１つまたは複数のポイントから反射された電磁放射から、同じ時点または実質的に同じ時点の前記眼球の表面上の前記１つまたは複数のポイントのレンジおよびレンジレートを決定する行程と、
前記決定したレンジおよびレンジレートに少なくとも部分的に基づいて前記眼球の前記位置および／または前記動きと関連した情報を決定する行程とを備える方法。
【請求項１１】
前記眼球の表面上の前記１つまたは複数のポイントが、前記眼球の表面上の３つ以上のポイントを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記眼球の表面上の前記３つ以上のポイントが、前記眼球の同一大円上にない前記眼球の表面上の少なくとも３つのポイントを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
レーザレーダーシステムから前記眼球の表面上の前記３つ以上のポイントのうちの少なくとも２つのポイントに放射ビームを同時に導く行程を更に備える請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
レーザレーダーシステムから前記眼球の表面上の前記３つ以上のポイントのうちの少なくとも２つのポイントに単一放射ビームを連続的に導く行程を更に備える請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記眼球の前記位置および／または前記動きと関連した前記情報が、前記眼球の位置、前記眼球の並進速度、前記眼球の並進加速度、前記眼球の並進痙動、前記眼窩内の前記眼球の回転速度、または眼窩内の眼球の回転加速のうちの１つまたは複数を含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記眼球の前記位置および／または前記動きと関連した情報を決定する行程が、
前記眼窩の前記位置および／または前記動きと関連した情報を決定する行程と、
前記眼窩の前記位置および／または前記動きと関連した前記情報を使用して、前記眼窩内の前記眼球の前記位置および／または前記動きと関連した情報を決定する行程とを更に備える請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記眼窩のビデオ映像をキャプチャする行程を更に備え、前記決定されたレンジとレンジレートに少なくとも部分的に基づいて前記眼球の前記位置および／または前記動きと関連した情報を決定する行程が、（ｉ）前記決定されたレンジおよび／またはレンジレートと（ｉｉ）前記キャプチャしたビデオ映像とに少なくとも部分的に基づいて前記眼球の前記位置および／または前記動きと関連した情報を決定する行程を備える請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
個人の眼窩内にある眼球の前記個人の眼球と関連した位置および／または動き情報を決定するシステムであって、
前記眼球の表面上の１つまたは複数のポイントに電磁放射を提供し、前記眼球の表面上の１つまたは複数のポイントから反射された電磁放射を受け取り、前記受け取った電磁放射から、実質的に同じ時点の前記眼球の表面上の前記１つまたは複数のポイントのレンジとレンジレートを決定するレーザレーダーシステムと、
前記眼窩のビデオ映像をキャプチャするビデオ撮像システムであって、モニタモジュールが、前記ビデオ撮像システムによってキャプチャされた前記眼窩の前記ビデオ映像の処理に少なくとも部分的に基づいて前記眼窩の前記位置および／または前記動きと関連した前記情報を決定するビデオ撮像システムと、
（ｉ）前記ビデオ撮像システムによってキャプチャされた前記眼窩の前記ビデオ映像の処理に少なくとも部分的に基づいて前記眼窩の前記動きと関連した情報と、（ｉｉ）前記レーザレーダーシステムによって決定された前記レンジレートと、前記眼窩の前記動きと関連した前記情報とに少なくとも部分的に基づいて前記眼窩内の前記眼球の前記動きと関連した情報を決定するモニタモジュールとを備えるシステム。
【請求項１９】
前記眼窩内の前記眼球の動きと関連した前記情報が、２つの回転自由度に対する前記眼窩内の前記眼球の回転速度を含む請求項１８に記載のシステム。
【国際調査報告】
2009519780.tif 000014