СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ УДАЛЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ФОКУСА
SYSTEM AND METHOD FOR REMOTE MEASUREMENT OF OPTICAL FOCUS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к удаленному измерению оптического фокуса удаленной системы формирования оптического изображения, при этом удаленная система формирования оптического изображения содержит объектив и чувствительную поверхность, причем обеспечивают световую тест-картину, записывают изображение от объектива системы формирования оптического изображения, по изображению отражения световой тест-картины на чувствительной поверхности определяют оптический фокус удаленной системы формирования изображения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Вышеописанные системы и способы существуют и, в частности, применяются для удаленного измерения аккомодации глаза удаленного (человеческого) глаза.
В патенте США 3639041 раскрыто измерение профиля по глубине глазного дна, во время которого первый и второй попеременно излучающие излучения формируют изображение апертуры на участке диска зрительного нерва. Преломляющую способность глаза выдерживают, приблизительно, постоянной посредством направления взгляда глаза в точку фиксации. Для измерения степени перекрытия изображений апертуры, обусловленных первым и вторым источниками света, обеспечен детектор.
В патенте DE 1299907 раскрыто субъективное и одновременное объективное определение преломления глаза, во время которого происходит распределение излучения перед глазом с помощью наклонного полупрозрачного зеркала, при этом для объективного обследования объектив отображает фиксированное глазное дно на фиксированной плоскости изображения с помощью полупрозрачного зеркала и картина будет отображать контрольные изображения, создающиеся в двух разных спектральных областях, для объективного теста, вместе с контрольной картиной для субъективного теста.
В патенте 3524702 раскрыто устройство для объективного тестирования оптической системы, которая содержит объектив и фоточувствительную поверхность. Устройство содержит источник излучаемой энергии для формирования пучка, визирную сетку, выполненную с возможностью освещения пучком, и проекционный объектив, которые расположены все в оптическом пути испытательной оптической системы. Пучок формируется с возможностью прохождения через визирную сетку, проекционный объектив и испытательной оптической системы и с возможностью проецирования изображения визирной сетки на фоточувствительную поверхность. Устройство дополнительно содержит объектив, фокальную плоскость и делитель пучка, которые расположены все в оптическом пути, пересекающем первый упомянутый оптический путь. Пучок, отраженный от фоточувствительной поверхности, отражается от делителя пучка, проходит через объектив и формирует изображение на фокальной плоскости. Предусмотрено средство для рефракционной коррекции испытательной оптической системы.
В клинической практике объективное измерение аккомодации глаз необходимо для пациентов (например, младенцев), которые не способны проходить субъективный тест на преломление, который требует правильного выполнения процедуры и реакции от человека. В таком случае целью является измерение рефракционного состояния (обычно близорукости или дальнозоркости) глаза для определения оптической силы назначаемых очков. В дополнение к клиническим применениям непрерывное измерение аккомодации используют также при исследовании зрения человека, чтобы понять физиологию и динамические характеристики глаза.
Давний способ объективного измерения рефракционного состояния заключался в непосредственном наблюдении проекции подвижного источника света на сетчатке и получил название риноскопии. Проецирование на сетчатку источника света вызывает ретроотражение на сетчатке, перемещение которого характеризует рефракционное состояние.
Еще в 1619 г. Шейнером был предложен способ, заменяющий подвижный источник света освещением через пластину с проколами, которую размещают вблизи глаза. Отверстия в пластине, по существу, создают световую картину, содержащую дискретный набор световых лучей, которые должны сходиться в одной точке на сетчатке, т.е. чувствительной поверхности глаза, в случае правильной аккомодации. С другой стороны, проявление нескольких проекций на сетчатке является показанием близорукости или дальнозоркости. Принцип Шейнера, по прежнему, составляет основу для современных автоматических рефрактометров или авторефракторов.
Варшавский (Warshawsky) использовал принцип Шейнера для создания механического авторефрактора, описанного в статье «High-resolution optometer for the continuous measurement of accommodation», Journal of the Optical Society of America, vol. 54, nr. 3, p. 375-379, March 1964. Аналогичные способы и системы описаны в статье Кэмпбелла с соавторами (Campbell et al) «High-speed infrared optometer», Journal of the Optical Society of America, vol. 49, nr. 3, March 1959 и статье Окуямы с соавторами (Okuyama et al.) «Eye-tracking infrared optometer», Ophthalmic and Physiological Optics, Vol. 10, July 1990.
Большинство современных авторефракторов, по прежнему, основаны на принципе Шейнера. Однако все известные устройства имеют недостаток в том, что системы и способы причиняют беспокойство. Многие системы и способы требуют, чтобы пользователь смотрел прямо в измерительное устройство, что является беспокоящим фактором и не имитирует естественное поведение. Например, хотя авторефрактор Окуямы обеспечивает наблюдение естественных объектов наблюдения, помеха от полупрозрачных зеркал около глаз и потребность в фиксаторе подбородка не создают ощущения естественного наблюдения.
Общеизвестно, что многие люди, когда попадают в неестественное положение и, очевидно, под наблюдение, чувствуют дискомфорт, что может сказаться на таких признаках, как частота сердечных сокращений и артериальное давление, которые могут влиять на зрение. Кроме очевидного недостатка возможного приведения объекта наблюдения в состояние стресса, существует также недостаток получения результатов, которые отражают не фактическую аккомодацию глаз в нормальных ситуациях, а аккомодацию глаз, когда объект обследования находится в состоянии стресса.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является удаленное и небеспокоящее измерение аккомодации глаз.
Система в соответствии с изобретением содержит светопроекционное устройство для проецирования световой тест-картины в оптическом излучении таким образом, чтобы тест-картина находилась в фокусе в известной фокальной плоскости перед объективом удаленной системы формирования оптического изображения, и камеру, имеющую оптическую ось, которая между светопроекционным устройством и известной фокальной плоскостью, по меньшей мере, частично совпадает с оптической осью светопроекционного устройства, для записи изображения отражения световой тест-картины на чувствительной поверхности удаленной системы формирования оптического изображения, и блок обработки изображений для определения резкости записанной световой тест-картины, отраженной на чувствительной поверхности, для измерения фокусного расстояния удаленной системы формирования оптического изображения.
Изобретение основано на использовании светопроекционного устройства, создающего видимый или невидимый (например, инфракрасный) свет и, по меньшей мере, одной камеры, оптическая ось которой находится, по меньшей мере, в оптической плоскости проекционного устройства, с ориентацией вдоль или близко к оси проекционного устройства. Если фокальные плоскости проектора и камеры совпадают с фокальной плоскостью удаленной системы формирования оптического изображения, расположенной дальше, если смотреть от проекционного устройства, за фокальной плоскостью проектора, то проецируемая тест-картина оказывается резкой на камере, т.е. записывающем устройстве измерительной системы. Возможно использование единственной тест-картины. В предпочтительном варианте выполняют обработку изображений для повышения качества и анализа зафиксированных изображений, предпочтительно, в составе автоматизированной системы.
В предпочтительных вариантах осуществления проекционное устройство выполнено с возможностью одновременного формирования, по меньшей мере, двух тест-картин в разных фокальных плоскостях или непрерывной тест-картины, известный ракурс которой изменяется в зависимости от положения фокальной плоскости. Применение разных тест-картин, одновременно проецируемых на разных расстояниях или непрерывной тест-картины, известный ракурс которой изменяется в зависимости от положения фокальной плоскости, допускает мгновенное определение нескольких фокусных расстояний, в зависимости от того, какая тест-картина или измеренный ракурс непрерывной тест-картины представляются резко.
В предпочтительных вариантах осуществления система содержит общий объектив для проекционного устройства и камеры между светопроекционным устройством и фокальной плоскостью. Данное решение делает измерительную систему менее сложной.
Когда в настоящем описании используется термин «камера», под камерой понимают любое устройство формирования изображений.
Свет для формирования тест-картины может быть видимым светом, но, предпочтительно, ИК-светом, чтобы не беспокоить наблюдателя.
Также, чтобы не доставлять беспокойства, но при этом использовать тест-картины в видимом свете, видимые световые тест-картины в предпочтительных вариантах осуществления делают скрытыми в проецируемом свете.
Во многих случаях удаленная система формирования оптического изображения будет человеческим глазом и изобретение особенно полезно при подобном применении; однако упомянутая система может быть также глазом животного, например, кошки, собаки или лошади, или даже объективом камеры. Преимущество удаленного измерения аккомодации позволяет измерять аккомодацию глаз животных, что невозможно или очень трудно при применении известных способов и систем. Упомянутую систему можно также применять для отслеживания работы камеры. Измерительная система может быть частью внимательного пользовательского интерфейса, системы контроля безопасности или системы наблюдения.
Способ в соответствии с изобретением отличается тем, что световую тест-картину в оптическом излучении проецируют в фокусе в известной фокальной плоскости перед объективом удаленной системы формирования оптического изображения посредством светопроекционного устройства и изображение отражения световой тест-картины на чувствительной поверхности удаленной системы формирования оптического изображения записывают камерой, имеющей оптическую ось, которая между светопроекционным устройством и известной фокальной плоскостью, по меньшей мере, частично совпадает с оптической осью светопроекционного устройства, и определяют резкость записанной световой тест-картины, отраженной на чувствительной поверхности, для измерения фокусного расстояния удаленной системы формирования оптического изображения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Приведенные и другие цели и полезные аспекты станут понятными из примерных вариантов осуществления, которые описаны ниже с использованием нижеследующих фигур.
Фиг. 1 - изображение, поясняющее принцип Шейнера, который является принципом всех известных рефрактометров.
Фиг. 2 - известная схема.
Фиг. 3 - изображение, поясняющее автоотражение или ретроотражение.
Фиг. 4 - система и способ в соответствии с изобретением.
Фиг. 5A, 5B и 5C - возможные схемы устройства и способа в соответствии с изобретением.
Фиг. 6 - изображение отражения тест-картины на сетчатке, фиксируемого на датчике изображения камеры, когда тест-картину перемещают на протяжении некоторого диапазона.
Фиг. 7A-7С - варианты осуществления системы в соответствии с изобретением.
Фиг. 8 - изображение, поясняющее, что систему можно применить для распознавания, сфокусирован ли глаз на бесконечности.
Фиг. 9 - схема, поясняющая поворот фокальных плоскостей.
Фиг. 10 - схема дополнительного варианта осуществления системы и способа в соответствии с изобретением.
Фигуры вычерчены не в масштабе. В общем, идентичные компоненты обозначены одинаковыми числовыми на фигурах.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На фиг. 1 поясняется принцип Шейнера, который является принципом всех известных рефрактометров.
Перед маской Ma с двумя точечными отверстиями размещен внешний объектив с фокальной точкой F. Только в случае правильной аккомодации оба пятна сливаются на сетчатке с образованием одного единственного, более яркого пятна (случай обозначен (c)).
На фиг. 2 изображен оптометр, предложенный Окуямой.
Перед левым L и правым R глазами установлены дихроичные зеркала M1 и M2 и используются левый и правый оптометры O1 и O2. Сигналы передаются в блок С управления, который может передавать выходной сигнал в перьевой самописец P, монитор M и/или телевизионный приемник TV.
Очевидно, что хотя авторефрактометр Окуямы обеспечивает наблюдение естественных объектов наблюдения, помеха от полупрозрачных зеркал около глаз и потребность в фиксаторе подбородка не создают ощущения естественного наблюдения.
Целью изобретения является создание возможности удаленного определения расстояния фокусирования линзовых систем формирования изображения с большого расстояния.
С данной целью система в соответствии с изобретением содержит светопроекционное устройство для проецирования, по меньшей мере, одной оптической тест-картины и средство для обеспечения, по меньшей мере, одной тест-картины на, по меньшей мере, одной известной фокальной плоскости, и камеру, имеющую оптическую ось, совпадающую, по меньшей мере, частично, с оптической осью проекционного устройства, для измерения изображения отражения, по меньшей мере, одной оптической тест-картины на плоскости изображения объектива, и процессор изображений для анализа резкости, по меньшей мере, одной отраженной тест-картины.
Поскольку изобретение пригодно для работы с (человеческими) глазами, данное изобретение обеспечивает фокусное расстояние, до которого происходит аккомодация, что показывает расстояние до объекта, на который кратковременно обращено внимание.
В противоположность существующим системам для измерения аккомодации глаз изобретение является совершенно не беспокоящим, так что аккомодацию измеряют без вынужденного создания помех наблюдению от полупрозрачной оптики в пути наблюдения или от элементов на периферии глаза.
В противоположность существующим системам для измерения аккомодации глаз предложенная система может быть конструктивно выполнена с небольшим форм-фактором, обычно, в размер сверхминиатюрного проектора или веб-камеры.
Простая конструкция оптики и потенциально простое определение надлежащего фокуса допускает недорогое исполнение.
Использование тест-картин, известных блоку обработки изображений, делает определение фокуса, по существу, устойчивым к движению, так как конкретная тест-картина в фокусе всегда будет передаваться обратно глазом в, приблизительно, одно и то же местоположение в кадре коаксиальной камеры. Данное свойство обусловлено просто коаксиальной геометрией. Данное свойство делает систему также устойчивой к размытости вследствие движения.
Использование нескольких тест-картин, как поясняется в вариантах осуществления, должно также обеспечивать возможность одновременного определения по отдельности аккомодации глаз нескольких обследуемых человек.
На фиг. 3 поясняется принцип ретроотражения. Эффект красных глаз, т.е. отражения от сетчатки, является относительно независимым от направления взгляда; при этом объекту обследования не обязательно смотреть в направлении камеры или соседней импульсной лампы. Источник света создает яркую проекцию на сетчатку. Так как объект обследования, обычно, фокусируется на камере или импульсной лампе, то свет эффективно концентрируется на сетчатке, из-за чего пятно источника света на сетчатке действует как вторичный источник света, проецирующийся из глаза наружу к источнику света. Как следует из принципа Ферма, сопряженные точки источника света и изображения источника света в изображении на сетчатке совпадают между собой, независимо от направления распространения света, так что изображение отражения источника света от сетчатки и источника света находятся в одной и той же точке. Вследствие этого, глаз обладает естественным свойством ретроотражения.
На фиг. 4 представлены система и способ в соответствии с изобретением.
Проектор P и камера CAM имеют общую оптическую ось, т.е. оси AXCAM и AXP совпадают, вследствие применения делителя BSP пучка, который может быть полупрозрачным зеркалом. Проектор проецирует тест-картину таким образом, что каждая точка A1 тест-картины P1 проецируется в точку A2 так, что совокупность точек тест-картины формирует резкое изображение данной тест-картины в фокальной плоскости FPL1. Проектор и камера снабжены объективами L1 и L2, соответственно.
Если в фокальной плоскости проектора установить экран, то камера сможет записать проекцию A2, которая будет представляться только в виде единственной точки A5 на датчике, если его фокальная плоскость совпадает с фокальной плоскостью проектора. Однако экран отсутствует. В отсутствие физического проекционного экрана удаленная система формирования изображения, в настоящем случае глаз EYE, будет фокусировать точку A2 на сетчатке в точке A3 и будет передавать через точку A4 точку обратно в камеру в точку A5, при условии, что точка A2 оказывается расположенной в фокальной плоскости удаленной системы формирования изображения, в настоящем случае глаза, т.е. на фокальной плоскости FPL2.
На фиг. 4, удаленный глаз сфокусирован на пространственной точке B1, которая, следовательно, расположена в мгновенной фокальной плоскости FPL2 глаза (следует отметить, что реальная фокальная плоскость глаза будет фокальной поверхностью с некоторой кривизной). При этом фокальная плоскость глаза совпадает с фокальной плоскостью FPL1 камеры и проектора. В результате, на сетчатке глаза формируется резкое изображение. На практике, вся проецируемая тест-картина будет передаваться обратно в фокусе, так как глубина резкости каждой из трех систем формирования изображения, обычно, вытягивает зону совмещенного фокуса в 3-мерный объем вблизи двух фокальный плоскостей. Разумеется, объем совмещенного фокуса уменьшается, когда угол между двумя оптическими осями увеличивается.
Определение фокуса основано на том, что проецируемая тест-картина или, по меньшей мере, ракурс проецируемой тест-картины (например, ориентация) известна(известен) блоку обработки изображений. Для определения нахождения фокуса в предварительно заданной плоскости удаленная система формирования изображения, т.е. глаз, будет передавать фрагмент тест-картины обратно в камеру, как будто данный фрагмент проецировался на физический экран на таком же расстоянии. Проще говоря, только в случае, если фокальные плоскости глаза и фокальная плоскость проектора и камеры совпадают, камера будет записывать резкое ретроотражение тест-картины на сетчатке. На фиг. 4 показано, что между глазом EYE и фокальной плоскостью FPL2 глаза ничего не расположено. Измерение аккомодации глаз выполняется удаленно. Обследуемый человек не должен ни смотреть в измерительное устройство или использовать полупрозрачное зеркало, расположенное перед глазами, ни пользоваться фиксатором подбородка. Способ является совершенно не беспокоящим и, при использовании ИК-света, может применяться даже без предупреждения человека об обследовании. Ниже приведены примеры использования видимого света, который, тем не менее, не будет восприниматься наблюдателем или, по меньшей мере, не будет раздражать наблюдателя. В настоящим примере, глаз фокусируется в точке В1; изображение точки В1 находится в точке B2 на сетчатке, при этом, сетчатка является чувствительной поверхностью удаленной системы формирования оптического изображения, являющейся человеческим глазом.
Новый принцип определения фокуса по общей фокальной плоскости можно применить для оценки фокуса, или измерения фокуса, или отслеживания фокуса в пределах предварительно заданного диапазона фокусных расстояний. В случае применения определения фокуса в качестве основы существуют различные способы оценки или измерения фокуса в диапазоне фокусных расстояний.
Вариант осуществления изобретения, использующий одну проецируемую световую тест-картину, основан на комбинированной настройке общих фокусных расстояний проектора и камеры. При применении нового принципа определения фокуса общую фокальную плоскость проектора и камеры настраивают, пока не обнаруживают оптимальным образом проецируемую тест-картину из глаза, т.е. пока отражение тест-картины на сетчатке не становится максимально резким. Найденное таким образом значение общего фокусного расстояния показывает фокусное расстояние глаза. Ниже представлены варианты осуществления изобретения, использующие проецирование нескольких тест-картин, при этом все упомянутые варианты осуществления основаны на проецировании нескольких тест-картин, каждая из которых фокусируется на отличающемся расстоянии. Пока тест-картины находятся в пределах глубины резкости камеры, обнаружение конкретной тест-картины дает фокус на соответствующем расстоянии.
Камера CAM содержит датчик IS изображения. Сигналы датчика IS изображения передаются в блок IP обработки изображений для измерения резкости изображения.
На фиг. 5A, 5B и 5C приведены возможные схемы устройства в соответствии с изобретением.
На фиг. 5A проектор и камера имеют по отдельному объективу, на фиг. 5B проектор и камера имеют общий объектив. Данное решение уменьшает число элементов системы.
На фиг. 5C камера и проектор поменялись местами расположения по сравнению с фиг. 5B. Данный вариант осуществления предпочтителен. Для камеры целесообразно обеспечить прямую линию наблюдения через делитель пучка. Разумеется, камеру и проектор на фиг. 5A также можно поменять местами.
На фиг. 5A-5C показаны также снятые камерой изображения тест-картины, отраженной от сетчатки глаза. Когда фокальная плоскость FLP2 глаза совпадает с фокальной плоскостью проектора и камеры, наблюдается сравнительно резкое изображение, при этом упомянутое изображение постепенно размывается по мере того, как фокальная плоскость глаза расходится с фокальной плоскостью проектора и камеры. Наблюдаемые изображения были сняты коаксиальной камерой во время изменения ее фокуса, при статическом фокусе внешней системы формирования изображения (указанной как глаз на чертеже). При перемещении фокальной плоскости проектора и камеры на протяжении некоторого диапазона и одновременной записи изображения использование обработки изображений для определения резкости изображения обеспечивает максимум резкости в конкретной фокальной плоскости проектора и камеры. Фокальная плоскость глаза соответствует найденной таким образом фокальной плоскости.
Тест-картину можно обеспечивать в инфракрасном (ИК) свете.
В предпочтительных вариантах осуществления, тест-картину можно также обеспечивать в каждом чередующемся видеокадре с тем, чтобы камера поочередно получала фоновое изображение и изображение с проекцией световых тест-картин. Вычитание фонового изображение оставляет только отражение световой тест-картины на сетчатке, что значительно повышается способность к обнаружению отражения тест-картины.
В предпочтительных вариантах осуществления тест-картине можно также придать временную частоту, например 70 Гц. В предпочтительном варианте частота не соответствует, например, частоте, используемой другими источниками видимого или инфракрасного света. Тогда, камера может быть настроена на данную частоту с использованием частотного фильтра для отфильтровывания ИК-сигналов, которые не находятся в диапазоне частот около частоты проектора. В данных предпочтительных вариантах осуществления отфильтровываются фоновые сигналы.
На фиг. 6 показано отражение тест-картины на сетчатке, фиксируемое на датчике изображения камеры, когда тест-картину перемещают на протяжении некоторого диапазона.
На фиг. 7A-7С изображены варианты осуществления системы и способа в соответствии с изобретением. Различие между данным вариантом осуществления и предыдущим вариантом осуществления состоит в том, что несколько фокальных плоскостей FPLi-FPLj сформировано с использованием микролинзового растра. Система в соответствии с данными вариантами осуществления содержит микролинзовый растр MAR, размещенный в оптическом пути проектора для создания светового поля, которое содержит разные тест-картины, каждая из которых сфокусирована на отличающемся расстоянии. При применении такого метода можно создать либо ряд дискретно сфокусированных тест-картин, либо непрерывную тест-картину, известный ракурс которой изменяется в зависимости от расстояния. Данная тест-картина может быть решетчатой картиной; тогда ориентацию тест-картины можно использовать как известный ракурс тест-картины. Посредством анализа изображения на камере можно находить фокальную плоскость глаза. Одновременное проецирование на разных расстояниях позволяет также оценивать аккомодацию глаз по отдельности нескольких объектов обследования в пределах диапазона системы. Упомянутая возможность отсутствует в известных системах.
На фиг. 7A микролинзовый растр расположен в оптическом пути проектора, однако, аналогичные результаты получают при размещении микролинзового растра в оптическом пути камеры, причем в таком случае вместо пленоптического проектора применяют пленоптическую камеру. Упомянутая схема расположения схематично показана на фиг. 7С. В предпочтительных вариантах осуществления, микролинзовый растр устанавливают как перед камерой, так и перед проектором, что схематично показано на фиг. 7B. Последняя схема расположения обеспечивает отношение 1:1 между пикселями проектора и камеры, что дает преимущество.
Вместо микролинзового растра проектор может содержать ряд разных слайдов на разных расстояниях позади объектива проектора, при этом каждый из упомянутых слайдов имеет отличающуюся тест-картину.
Маска тест-картины может быть также дифракционным элементом, формирующим световое поле с разными характеристиками на разных расстояниях. Для данной цели можно воспользоваться голограммой.
Формирование тест-картины (или тест-картин) на нескольких расстояниях можно также производить последовательно во времени, при условии, что камера использует синхронизированную фиксацию изображений.
Возможно также использование, по меньшей мере, двух проекторов, проецирующих статические тест-картины на разных расстояниях, с применением зеркал для расположения оптических осей проекторов на одной прямой.
При наличии подходящей тест-картины размытие тест-картины может моментально идентифицировать направление, в котором ее проекция находится не в фокусе. Данную возможность можно использовать для механического управления фокусом проектора (и камеры), чтобы сохранить в фокусе передаваемую тест-картину. Затем система управления автоматически определяет фокусное расстояние неизвестной системы, т.е. фокальную плоскость глаза. Неудобство состоит в том, что упомянутая система может подстраиваться к единственной неизвестной камере или одному обследуемому человеку; в противоположность применению одновременного проецирования нескольких тест-картин. В настоящей заявке описаны система и способ для отслеживания аккомодации глаза, однако, следует отметить, что камера функционирует подобно глазу, и поэтому систему можно также применять для отслеживания фокуса камеры.
Система способна также определять, когда глаз фокусируется на бесконечность. Даже несмотря на то, что фокальная плоскость проектора и фокальная плоскость глаза могут не совпадать в данной ситуации, изображение тест-картины на датчике камеры все же будет сформировано резко, когда глаз фокусируется на бесконечность. На фиг. 8 изображена такая ситуация. Параллельные световые лучи, испускаемые проектором, фокусируются глазом при фокусировке на бесконечность на сетчатке, и световые лучи, отраженные от сетчатки, формируют параллельные лучи, которые фокусируются на датчике камеры. Таким образом, система способна устанавливать, фокусируется ли глаз или нет на бесконечность.
В ситуации, когда тест-картины формируются в различных фокальных плоскостях, одна тест-картина может быть предназначена для бесконечности. Способы измерения резкости известны. Один способ измерения резкости состоит, например, в измерении протяженности линий в тест-картине и/или отношения между максимумами и минимумами в отраженной тест-картине. Протяженность линий в тест-картине будет минимальной, а отношение будет максимальным, когда тест-картина сфокусирована, т.е. является резкой.
Кроме того, как упоминалось выше, объем совмещенного фокуса уменьшается, когда угол между двумя оптическими осями, оптической осью глаза и оптической осью проектора и камеры увеличивается. Данный поворот можно скомпенсировать поворотом фокальной плоскости проектора и, при необходимости, камеры. На фиг. 9 поясняется поворот фокальной плоскости проектора. Данный поворот обеспечивают поворотом плоскости изображения относительно плоскости объектива, известным как конфигурация Шаймпфлюга, впервые предложенная Теодором Шаймпфлюгом, смотри, например, патент Великобритании (GB) № 1196 от мая 1904 г. Упомянутая наклонная геометрия объектива, названная именем ее автора, обуславливает приобретение фокальной плоскостью поворота относительно плоскости объектива. Продолженная фокальная плоскость будет пересекать продолженную плоскость объектива, а также продолженную плоскость изображения по одной линии. В альтернативном варианте можно использовать несколько пар из проектора и камеры, направленных линией наблюдения на глаз и для наблюдения глазом и анализирующих различные отраженные тест-картины.
В примере изобретения, приведенном на фиг. 10, проектор окружен группой камер, Cam 1, Cam 2 и т.п. При использовании группы камер можно создать световое поле в центре группы. При использовании изображений, обеспечиваемых группой камер, можно реконструировать изображения с различной глубиной резкости. Данное решение позволяет получать информацию о глубине по изображениям, снятым группой камер. Преимущество приведенного способа состоит в том, что никакой информацией о глубине не требуется располагать заранее. Положение глаза можно получить путем анализа изображений группы камер.
Систему и способ в соответствии со всеми вариантами осуществления можно применять для отслеживания показателей жизненно важных функций:
Известно, что когда люди продолжают фокусироваться на фиксированное расстояние, данная стационарная аккомодация глаз изменяется периодически с дыханием, а также с сокращениями сердца. По существу, определение аккомодации может также обеспечивать упомянутые показатели жизненно важных функций. Тот факт, что система в соответствии с изобретением может выполнять данную задачу без причинения беспокойства и дистанционно, предлагает ранее недостижимые возможности. Например, когда требуется измерять частоту сердечных сокращений и периодичность дыхания человека, который проходит испытание на выносливость, данное измерение можно выполнять без беспокойства человека проводами.
С другой стороны, при обеспечении извне измеренных показателей жизненно важных функций, измерение аккомодации глаз можно, в принципе, корректировать с учетом изменения расстояния фокусировки, которое вызывают упомянутые показатели.
Применяемая камера может быть камерой светового поля, т.е. камерой, которая способна обеспечивать данные изображения, которые можно использовать для формирования изображения, которое находится в фокусе в диапазоне глубин резкости. Существуют различные способы преобразования обычной камеры в камеру светового поля с синтезированной апертурой. Преимущество камеры светового поля состоит в том, что данная камера фиксирует за одну экспозицию полное поле световых лучей, из которого можно ретроспективно настраивать фокус или диапазон фокусировки по единственному зафиксированному кадру. По существу, зафиксированное световое поле мгновенно обеспечивает оценку или измерение фокусного расстояния удаленного(ных) глаза или глаз. Упомянутую камеру можно конструктивно выполнить с использованием микролинзового растра перед датчиком, с использованием кодированной апертуры или модулирующей картины в оптическом пути между объективом и датчиком (так называемая, пятнистая фотография).
Существуют различные способы продолжения глубины резкости камеры, без ущерба для экспонирования. В упомянутых способах особенно заинтересованы, когда камеру используют только для обнаружения конкретных тест-картин, а не для обычной фиксации изображения. Известным способом является применение формирования изображений с перемещением фокуса.
В вариантах осуществления изобретения определение фокуса применяют в сочетании с определением взгляда.
При сочетании определения взгляда и определения фокуса появляется возможность устранять неоднозначность толкования ненамеренного взгляда и намеренного взгляда в направлении устройства. В приведенном случае система является частью конкретного устройства, которым следует управлять по взгляду, возможно, в сочетании с другим пусковым сигналом, исходящим от кнопки или интерпретатора речевой команды.
В частности, посредством выбора расположения проецируемой фокальной плоскости в самом устройстве можно определять намеренный фокус в дополнение к взгляду. Случай, когда взгляд определен без определения надлежащего фокуса, можно считать ненамеренным взглядом и не принимать во внимание в качестве пускового сигнала для начала управления устройством.
Так как определение взгляда уже основано на использовании камеры и коаксиального (инфракрасного) освещения, то определение взгляда и определение фокуса можно эффективно объединять при небольших дополнительных затратах.
Использование определения или оценки фокуса в сочетании с оценкой взгляда.
Сочетание с оценкой взгляда позволяет определять точку направления взгляда в 3-мерном пространстве. Сочетание с (голографическим) 3-мерным дисплеем может предоставить уникальные функциональные возможности.
Систему и способ в соответствии с изобретением можно применять в различных практических областях.
Удаленную оценку аккомодации глаз у людей можно применить для измерения внимания, для измерения визуального внимания к смыслу цифровых указателей, возможно, в сочетании с определением взгляда. Знание расстояния фокусировки может способствовать различению между «видением» и «пристальным разглядыванием».
Возможно, в сочетании с определением взгляда систему и способ можно также применять как внимательный пользовательский интерфейс, который реагирует на речевую команду или на действие только в том случае, когда на него смотрят.
Удаленное измерение аккомодации глаз можно также применить при определении дефектов зрения у детей, для контроля правильного развития зрительной системы.
Определение аккомодации на бесконечность может обнаруживать, достаточно ли водитель сфокусирован на дороге.
Как часть управляемого взглядом пользовательского интерфейса для инвалидов, определение аккомодации может обеспечить ошибкоустойчивость, например, при управлении мышью.
В сочетании с оптической системой, определение аккомодации может обеспечить способ автоматической адаптации оптической системы к состоянию преломления глаза. Так как способ работает без причинения беспокойства и обеспечивает небольшой форм-фактор, то применение может выходить за пределы традиционной офтальмологии и может быть составной частью оптического изделия для потребительского рынка.
В системах защиты определение фокуса зрения человека можно применять для обнаружения нежелательного внимания. Возможно также определение нежелательного фокуса камеры. Как упоминалось, систему можно также применять для измерения фокусного расстояния камеры.
Отсутствие беспокойства делает принцип особенно подходящим для применений с не сотрудничающими объектами обследования, например новорожденными, а также с (дикими) животными.
Изобретение относится также к компьютерным программам, содержащим средство программного кода для выполнения способа в соответствии с изобретением в любом варианте осуществления, когда упомянутая программа выполняется в компьютере. Изобретение относится также к компьютерным программным продуктам, содержащим средство программного кода, хранящееся на компьютерно-считываемом носителе, для выполнения способа в соответствии с изобретением.
Камера является любым устройством для записи изображений.
Камера может быть частью устройства, применяемого также для других целей, например связи, или соединенной с упомянутым устройством связи, или встроенной в упомянутое устройство, или взаимодействующим с ним.
Кроме того, дополнительный вариант осуществления относится к использованию световых тест-картин на разных длинах волн, например трех разных длинах волн, по одной на каждом конце диапазона видимого излучения и в центральной части диапазона видимого излучения, например красной-зеленой-синей. Измерение фокусных расстояний на трех длинах волн обеспечивает информацию об аберрации глаза. Фокусное расстояние можно измерять для каждой длины волны, причем данное измерение можно выполнять одновременно. Тем самым, выполняется мгновенное и удаленное измерение не просто аккомодации глаз, но также аккомодации глаз на трех разных длинах волн, т.е. аберрации.
Возможно также применение скрытых световых тест-картин, т.е. тест-картин, которые почти невидимы для человеческого глаза. Один из способов заключается в использовании ИК-света для световых тест-картин.
Другой способ состоит в том, что тест-картину вставляют таким методом, который нельзя заметить человеческим глазом, в проецируемое изображение, по существу, не отвлекающее человеческий глаз.
Проектор может проецировать однородную зону в белом свете плюс тест-картину в одном кадре и зону в белом свете минус упомянутую тест-картину в следующем кадре.
В одном кадре проектор проецирует белый свет (с интенсивностью ниже максимальной) плюс тест-картину, в следующем кадре проектор проецирует белый свет минус тест-картину. Если частота кадров выше частоты, воспринимаемой человеческим глазом, то человеческий глаз будет воспринимать не тест-картину, а однородную лампу белого света, поскольку человек будет усреднять разность между двумя проекциями и, в результате, оставлять только однородную белую зону, видимую наблюдателем. Белые лампы освещения не притягивают внимание наблюдателя, и поэтому не мешают измерению. Однако при вычитании двух изображений, снятых камерой для двух кадров, отражение вставленной световой тест-картины может восприниматься в изображении, записанном камерой. Скрытые тест-картины, то есть скрытые для человеческого глаза, могут быть в проекторе разными для разных цветов, чем также можно воспользоваться, чтобы сделать тест-картины еще более невидимыми. Можно использовать, например, следующую последовательность:
I. Тест-картина в белом минус синем свете плюс тест-картина в зеленом свете, (при структурно различающихся тест-картинах),
II. Тест-картина в белом минус зеленом света плюс тест-картина в красном свете,
III. Тест-картина в белом плюс синем свете, минус тест-картина в красном свете.
Сами тест-картины не обязательно должны быть одинаковыми, но могут различаться.
Если частота кадров выше, чем, приблизительно 50 Гц, то глаз будет воспринимать лампу белого света. Однако камера может выделить отражение тест-картины в зеленом свете посредством вычитания II из I и получения «зеленого сигнала». Аналогично, камера может выделить отражение тест-картины в синем и красном свете посредством соответствующего вычитания кадров.
Другой способ формирования незаметных тест-картин заключается, например, в использовании тест-картин шахматной конфигурации в двух цветах (например, A-B), сумма которых дает белый цвет для человеческого глаза. Тест-картина шахматной конфигурации имеет вид A-B в одном кадре, B-A в следующем кадре. И вновь, человеческий глаз будет воспринимать белый свет, который не представляет тест-картины, но камера может выделять отражение тест-картин A и B посредством соответствующего вычитания или измерения кадров.
Еще один способ заключается в использовании тест-картины, которая содержит, по меньшей мере, три части разного цвета, (например, тест-картину сотовой конфигурации с цветами A-B-C). При использовании повторяющегося цикла из, по меньшей мере, трех кадров (A-B-C; C-A-B; B-C-A; A-B-C и т.п.), в котором человеческий глаз видит белый свет как усредненный по циклу во всех частях, любая первичная тест-картина не заметна для человеческого глаза.
Однако сигналы записывающей камеры можно анализировать для вычитания информации об отраженных тест-картинах в, по меньшей мере, трех цветах. Число цветов можно увеличить до четырех или более, для выделения более подробной информации об аберрациях.
Способ можно использовать для обеспечения информации, например, о работе человеческого глаза различным образом. Например: посредством измерения реакции глаза или двух глаз наблюдателя, когда глаза следят за объектом, который перемещается в пределах поля зрения наблюдателя, можно получить информацию относительно диапазона расстояний, на которые глаз или глаза могут фокусироваться.
В большинстве случаев можно просто запросить у человека упомянутую информацию. Однако существуют также случаи, когда такой запрос невозможен, так как человек не может обмениваться информаций и/или человек просто не может выдержать тесты, необходимые в ходе обычных процедур по причинам физического или психического состояния здоровья. Даже простое обеспечение обоснованной оценки параметров глаза предоставит, в результате, значительные преимущества, поскольку время и трудозатраты на получение качественных результатов для любого теста (и, следовательно, время, в течение которого пациент должен проходить тест) определяются, помимо прочего, отправным состоянием для тестов. Поэтому, небеспокоящее обеспечение удовлетворительного отправного состояния для более точных измерений может принести большую пользу пациенту.
При измерении обоих глаз можно обнаружить и измерить различия между глазами, что может дать показание величины анизомерии. Изобретение можно, например, использовать для обеспечения показаний амблиопии в раннем возрасте посредством определения различий между глазами, когда ребенок, например, играет с игрушкой или смотрит на движущийся объект.
Изобретение можно вкратце изложить следующим образом:
Система и способ измеряют оптический фокус удаленной системы формирования оптического изображения, в частности аккомодацию глаз удаленного обследуемого человека. Световую тест-картину в оптическом излучении проецируют в фокусе в известной фокальной плоскости перед удаленной системой формирования оптического изображения и изображение отражения тест-картины на чувствительной поверхности удаленной системы формирования оптического изображения, например, на сетчатке глаза, записывают камерой, имеющей оптическую ось, по меньшей мере, частично совпадающую или расположенную близко с/к оптической осью/оси проекционного устройства. Определяют резкость световой картины, отраженной от чувствительной поверхности.