TW200826911A - Pupil reflection eye tracking system and associated methods - Google Patents

Description

200826911 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 發明領域 本發明係有關於瞳孔反射眼睛追蹤系統及相關方法。 5 【先前技術】 發明背景 本發明是有關於一種光學追蹤系統，特別是指一種用 以追縱瞳孔位置的光學追縱系統。 在眼睛外科的手術程序中，不希望眼睛的移動降低手 10術的成果，在這樣的程序中，眼睛的定位是如同角膜脫落 一樣要緊的。由於一項雷射治療通常是位於病人的理論視 覺軸線中心，更實際的說法，幾乎位在病人瞳孔的中心， 然而，此視覺軸線難以決定的部分原因是因為眼睛不自主 或殘餘的移動，因此，借重手術設備穩定眼睛以達到最好 的手術成果是要緊的。 對於眼睛追蹤系統及方法先前已經有被揭露過，例如 美國專利案第5,980,513號、第6,315,773號以及第6,451，〇〇8 號，邊些與本案是共同被擁有的，藉此，在此一併列為參 考。影像與雷達追蹤在本領域裡是被熟知的，較為熟知用 20以追蹤一眼睛的系統需要一來自角膜的反射反射光作為參 考，而這並不能被用於LASIK型的外科手術，因此，當基 質（stroma)由於瓣切割（flap cutting)而外露時，角膜光滑的 表面被以一較粗糙的表面取代。關於這個目的，影像追蹤 系統已被顯示出可達到此效果，但對著不正常的眼睛這些 5 200826911 工不疋健全的’再者，#他們f要高速照相機及高速處理 錄時，這些系統是趨向於相當昂貴的，再者目前所知， 这些追縱系統被使用在小、不擴大的瞳孔以及人工晶體並 不是非常成功的。 5 ®此，提供—種切_的系統及方法是將是會被需 要的，例如在-個外科手術的程序過程中，不需倚賴角膜 的特! 生’且在瞳孔不擴張的狀況亦可發揮功能。 酽明内溶1】 發明概要 本發明是藉由利用眼睛的反射光特性以及一探測器而 有助於追魏睛的位移，並可被用在擴張及不擴張的眼睛。 種用於追蹤眼睛位移的系統是包含一探測器，用以 接收由視網膜經一眼睛的一瞳孔反射的放射線，該探測器 作用以產生表示在該探測器接收到的該放射線的一位置的 15數據。一處理器，與該探測器接通並内駐有軟體以從一數 據的分析計算瞳孔位置。一控制器，與該處理器以及複數 用以。周整由一照明源響應決定的瞳孔位置所發射的放射線 方向的單元接通，以使發射的放射線實質上位在瞳孔中 心’車父佳地’該照明源實質地與該探測器同轴並被設定以 20發射一具有直徑小於該瞳孔直徑的放射線光束。 本發明的一種方法包括於一探測器接收來自經由一眼 睛的一瞳孔的一視網膜反射的放射線的步驟。在該探測器 所接收的放射線的一位置的表示數據被產生，而一瞳孔位 置被由一該數據的分析決定出，響應被決定的瞳孔位置， 6 200826911 由一照明源所射出的一放射線方向接著可被調整，以實質 上使該射出的放射線位於該瞳孔中心。 這項技術可被用於除了角膜的其他對象，以及除了角 膜脫洛的外科手術過程中。 5 本發明一個重要的特點是不想被用作所謂的「明亮瞳 孔」’也就是攝影術裡熟知的「紅眼」效應，寧可想被發現 的是瞳孔「發亮」，是沒被聚焦的放射線由該視網膜各向異 性地反射，其中所有的能量均被送進眼睛被由眼睛反射回 來，除了曈孔的尺寸，大體上並沒有有關於外部的眼睛構 1〇造或特徵的資料被照射在探測器上，理想地，該被反射的 放射線應該形成一個步階函數，隨著所有來自該瞳孔及該 瞳孔周圍的區域被接受在探測器的放射線沒有提供資料， 當然’事實上達到一套完全地有關/無關的資料是困難的， 以下’一個資料被認為零價值的起點被開始著手。 圖式簡單說明 第1圖是一示範的幾何圖，說明本發明使用的象限探測 儀； 第2圖疋使用極化光的一眼睛追縱系統的一示意圖； 第3圖是使用非極化光的一眼睛追蹤系統的一示意 20 圖；以及 第4圖疋使用影像焦點平面探測器的一眼睛追蹤系統 的一示意圖。 【實施冷式】 較佳實施例之詳細說明 7 200826911 本發明將被描述配合參閱第1圖〜第4圖，一種用以追 蹤橫向位移的系統及方法包含一追縱裝置包括一象限探測 器（quadrant detector)及其使用。在一個實施例中，該系統 10包含一象限探測器11(第1圖），用以接收由一視網膜13反 5射經一眼睛丨5的一瞳孔14的放射線12(第2圖及第3圖），該反 射的放射線12由發射的放射線16開始並由一照明源17送至 該瞳孔14，雖然該照明源17原則上可發射任何可進入並被 由5亥眼睛15的視網膜13反射之波長範圍，但該照明源17發 射紅外線相#是較適合的’再更適合的，是近紅外線，以 10及，最適合的，是波長範圍在1·5μπι以下的，該照明源17 可以是脈衝式（pulsed)、調整式（modulated)或連續波 (continuous wave)，端看來自該系統丨〇其他部件被要求的干 擾，該照明源17也可以包含一單色雷射（m〇n〇chr〇matic laser)、一發光二極體（LED)、一超輻射發光二極體 15 (SUperluminescent LED)、一諧振腔發光二極體 (resonant-cavity LED)。 本系統10-個重要的特點是，該照明源17是用以發射 具有-直徑小於瞳孔直徑的輕射光束，雖然這並不想被限 制，但例如1mm。因此當該放射線16正確地對準中心時， 20可被指向該瞳孔14照射並且完全地圍住瞳孔14，以致於大 體上全部發射的輕射16被送進眼睛15。再者，這樣的光束 16將成為純形式的眼睛都可察覺的反㈣射12，即使來 自非常不同的ementropic。 該探測器11可包含例如-被分割成四等分並且具有複 8 200826911 數個同心圓（concentric)的象限探測器，大致上環形區域 18-20具有一中心21，並且再被細分成數個四分之一的扇型 18a'18d等等，在—個特定的實施例裡，該探測器11包含-個對可用於對眼睛的照明的所有波長敏感的高感度象限探 5測器，該等區域18-20是視瞳孔的尺寸使用，在裡面的區域 18是被用於較小的瞳孔尺寸等等，接著以下將會描述。 該探測器11是用以產生在該探測器丨丨接收到的放射線 的一位置的表示數據，這些數據接著被送到一個内駐有用 以由該數據的一分析計算瞳孔位置的軟體24的處理器23。 10 一控制器25是與該處理器23以及複數用以調整由照明 源17響應決定的瞳孔位置所發射的放射線的方向的單元接 通’以使發射的放射線實質上位在瞳孔13中心。 較佳地’該糸統10更包含一光束分配器 (beamsplitter)，是設置以將來自照明源17的放射線反射在眼 15 睛15上，並且讓被反射的放射線12通過至該探測器11，以 允許該被發射的放射線16以及該反射的放射線12實質上符 合的路徑。 在一第一實施例1〇(第2圖），該照明源17是被極化 (polarize)的26，而該光束分配器包含一極化光束分配器 20 (polarizing beamsplitter)27，該結構允許該極化光束分配器 27由該瞳孔的發光以及由該角膜28的表面反射的反射光選擇。 在一第二實施例10’（第3圖），該照明源17是非極化的， 該光束分配器27’也是非極化的’在此結構裡’遮蔽29反射 自該眼睛15到達該探測器11的反射光是較佳的，這樣的一 9 200826911 個遮蔽物29將設置在該探測器11的中心30，藉此反射的反 射光將正常地被對到中心。 爲使折射的誤差最小化，一個變焦鏡頭(zoom)元件31 可被設置在該探測器11的上游以保持在探測器11的該瞳孔 5 13的一影像在一實質上固定的尺寸，這樣的一個變焦鏡頭 元件31可包含例如一個真實變焦鏡頭(true zoom)、一個定 格卡位鏡頭（step zoom)，或者是一個具有止動裝置(如化加) 的憂焦鏡頭’在某些系統裡或許是不需要變焦鏡頭的。 該處理器23是用以處理探測器數據、選擇使用的區 10 域’以及基於該些區域的信號比率建立一個錯誤信號，該 處理裔23接著藉由該控制器25控制設置在該照明源17下游 以及該瞳孔14上游的光學元件32，例如鏡子。 儘管不想要被限制，該象限探測器11可被使用如下： 在第1圖，陰影線區域33表示一個被由眼睛15反射的放射線 的圓 個有效的數據分析方法包含，針對每一個四等分， 决疋一個最外邊的四分之一區塊包含的被反射放射線以及 只分析該最外邊的四分之一區塊的數據，在第1圖所示的例 子裡，四分之一區塊Ua-lSd是完全被陰影線區域33覆蓋， 並且在這個分析裡不被考慮，假設該瞳孔14是呈環形 2〇 (ClrCUlar)，在四分之一區塊19a、19b、20C、20d的數據將足 夠乂片异δ亥陰影線區域33的中心34，如果必要且/或需要的 話，加上來自19c及19d的額外數據完成這個圓。 在另一個實施例1〇”(見第4圖）裡，該探測器n，，包含一 個設置在該照明源17，，的一個焦點平面的高速影像探測 200826911 器，該高速影像探測器可以是非極化的，在這個實施例1〇，， 裡’該被產生的數據包含像素資料，配合該軟體24”用以按 幾何原理地由該像素數據計算該瞳孔的位置。儘管不想成 為一個限制，該探測器U”可包含例如具有開窗能力 5 (windowins caPability)的互補式金屬氧化半導體感測器 (CMOS sensor)，此處一個非連續性(non-contigUOUS)的開窗 能力可被用以了解一個被劃成區域的概念。 在一個影像系統10”裡，該數據可被減少至一個最小化 的複雜性，而該探測器11”可被使用於一非影像模式，在一 10個數位方式，該焦點平面影像探測器可由該些離散數據計 算與該象限探測器11實質上相同的誤差信號。該互補式金 屬氧化半導體探測器可將處理過程減至最小化，其中一個 方法’例如該些像素可被計算在/不在該瞳孔裡，而該瞳孔 幾何可被衍申為一面積質量中心。 15 此處，該系統1〇”起始該影像，該鏡面反射放出則被消 除’由於這樣的反射光是在内部對該瞳孔，且該反射光的 密度是被開始決定的二進位原始狀態遮蔽。 如果一個變焦鏡頭被使用，一個可變尺寸的次框視窗 可被用作縮放影像。 20 雖然本發明幾個特定實施例已被詳述，仍有多種變化 及修正對熟知以上該些光學領域技術者將是輕易且明顯 的，因此必須了解的是，在附加的權利要求範圍内，本發 明也可以其他除了已經描述的特定内容的方式實施。 【圖式簡單說明】 11 200826911 第1圖是一示範的幾何圖，說明本發明使用的象限探測 儀； 第2圖是使用極化光的一眼睛追蹤系統的一示意圖； 第3圖是使用非極化光的一眼睛追蹤系統的一示意 5 圖；以及 第4圖是使用影像焦點平面探測器的一眼睛追蹤系統 的一示意圖。 【主要元件符號說明】 10，10’、10”·.·光學追蹤系統 11…象限探測器 1Γ...探測器 12，16···放射線 13.. .視網膜 14.. .瞳孔 15…眼睛 17，17”…照明源 18〜20…環形區域 18a〜18d，19a〜19d，20a〜20d···四分之一扇形 23.. .處理器 24，24”…軟體 25.. .控制器 26.. .極化器 27…極化光束分配器 27’…光束分配器 12 200826911 28.. .角膜 29.. .遮蔽物 30···中心 31…鏡頭元件 32…光學元件 33.. .陰影線區域 13

Claims (1)

1. 200826911 十、申請專利範圍： l 一種用以追蹤眼睛移動的系統，包含： 一採測器，用以接收自一視網膜反射的放射線並產 生在該抹測器接收到的該放射線的一位置的表示數 據’ 5亥視網膜界定自一眼睛的一瞳孔的空間延伸； 一處理器，與該探測器接通且内駐有軟體用以由該 數據的一分析計算一瞳孔位置； 一控制器，與該處理器以及複數用以調整由一照明 源響應決定的瞳孔位置所發射的放射線方向的單元接 10 通，以使發射的放射線實質上位在該瞳孔中心，該照明 源實質地與該探測器同軸並被設定以發射一具有直徑 小於該瞳孔直徑的放射線光束。 2·如申請專利範圍第1項之系統，其中該照明源是用以發 射在紅外線範圍内。 15 3·如申請專利範圍第2項之系統，其中該照明源是用以發 射波長在1.5//m以下。 4·如申請專利範圍第1項之系統，其中該照明源是選自由 一單色雷射、一發光二極體、一超輻射發光二極體及一 諧振腔發光二極體所構成的群組。 20 5.如申請專利範圍第1項之系統，更包含一光束分配器， 設置以反射來自該照明源的放射線至該眼睛上並且讓 該反射的放射線通過至該探測器，以允許該發射的放射 線及該反射的放射線實質上一同軸路徑。 6·如申請專利範圍第5項之系統，其中該照明源是被極化 14 200826911 的，且其中該光束分配器包含一極化光束分配器。 7.如申請專利範圍第1項之系統，其中該照明源是非極化 的，且更包含複數用以遮蔽反射自該眼睛到達該探測器 的反射光的單元。 5 8.如申請專利範圍第1項之系統，其中該照明源是非極化 的，且該探測器包含一設置於該照明源的一焦點平面的 影像探測器，該產生的數據包含像素數據，且該軟體是 用以由該像素數據決定該瞳孔位置。 9.如申請專利範圍第1項之系統，更包含一變焦鏡頭元 10 件，設置於該探測器上游以保持於該探測器的該瞳孔的 一影像在一實質上固定的尺寸。 10·如申請專利範圍第1項之系統，其中該探測器包含一非 影像探測器。 11. 如申請專利範圍第10項之系統，其中該探測器包含一被 15 區分成四等分並且具有多數同心圓的象限探測器，大致 地環形區域被四等分的分隔線細分成四分之一的扇形。 12. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該探測器包含一設 置在該雷射的一焦點平面之影像探測器，該產生的數據 包含像素數據，且該軟體用以由該像素數據決定該瞳孔 20 位置。 13. 如申請專利範圍第12項之系統，其中該探測器包含一具 有開窗能力的互補式金屬氧化半導體感測器。 14·如申請專利範圍第1項之系統，其中該等調整的單元包 含複數設置在該照明源下游以及該瞳孔上游的光學儀 15 200826911 器’該等光學儀器受該控制器控制。 15· —種用以追蹤眼睛移動的系統，包含： 一非影像探測器，用以接收自一視網膜反射的放射 線並產生在違採測器接收到的該放射線的—位置的表 5 示數據，該視網膜界定自一眼睛的一瞳孔的空間延伸； 一處理器，與該探測器接通且内駐有軟體用以由一 數據的分析計算一瞳孔位置； 一控制器，與該處理器以及複數用以調整由一照明 源響應決定的瞳孔位置所發射的放射線方向的單元接 10 通，以使發射的放射線實質上位在該瞳孔中心，該照明 源被設定以發射一具有直徑小於該瞳孔直徑的放射線 光束； 一光束分配器，設置以反射來自該照明源的反射放 射線至該眼睛上，並且讓該反射的放射線通過至該探測 15 器，該光束分配器被設定以允許該發射的放射線及該反 射的放射線實質上一同軸路徑。 16·如申請專利範圍第15項之系統，其中該照明源是被極化 的，且其中該光束分配器包含一極化光束分配器。 17. 如申請專利範圍第15項之系統，其中該照明源是非極化 2〇 的，且更包含複數用以遮蔽反射自該眼睛到達該探測器 的反射光的單元。 18. 如申請專利範圍第15項之系統，其中該照明源是#極化 的，且該探測器包含一設置於該照明源的一焦點平面的 影像探測器，該產生的數據包含像素數據，且該軟體是 16 200826911 I 用以由該像素數據決定該瞳孔位置。 ， 19.如申請專利範圍第15項之系統，其中更包含一變焦鏡頭 元件，設置於該探測器上游以保持於該探測器的該瞳孔 的一影像在一實質上固定的尺寸。 .5 20.如申請專利範圍第15項之系統，其中，該探測器包含一 ^ 被區分成四等分並且具有多數同心圓的象限探測器，大 致地環形區域被四等分的分隔線細分成四分之一的扇形。 21. —種用以追蹤眼睛移動的方法，包含以下步驟： 於一探測器接收反射來自視網膜的放射線，該視網 10 膜界定自一眼睛的一瞳孔的空間延伸； 產生在該探測器接收到的該放射線的一位置的表 示數據； 由該數據的一分析計算一瞳孔位置； 響應該決定的瞳孔位置，調整由一照明源所射出的 15 一放射線方向，以使發射的放射線實質上位在該瞳孔中 心，該照明源實質地與該探測器同軸並被設定以發射一 、 具有直徑小於該瞳孔直徑的放射線光束。 22·如申請專利範圍第21項之方法，其中該照明源是用以發 射於紅外線範圍。 20 23·如申請專利範圍第22項之方法，其中該照明源是用以發 射波長在1.5//m以下。 24·如申請專利範圍第21項之方法，其中該照明源是選自由 一單色雷射、一發光二極體、一超輻射發光二極體及一 諧振腔發光二極體所構成的群組。 17 200826911 < 25.如申請專利範圍第21項之方法，更包含設置一光束分配 * 器的步驟，以反射來自該照明源的放射線至該眼睛上並 且讓該反射的放射線通過至該探測器，以允許該發射的 放射線及該反射的放射線實質上一符合的路徑。 ,5 26.如申請專利範圍第25項之方法，其中該照明源是被極化 的，且其中該光束分配器包含一極化光束分配器。 η 27.如申請專利範圍第21項之方法，其中該照明源是非極化 的，且更包含遮蔽反射自該眼睛到達該探測器的反射光 的步驟。 10 28.如申請專利範圍第21項之方法，其中該探測器包含一非 影像探測器。 29.如申請專利範圍第28項之方法，其中該探測器包含一被 區分成四等分並且具有多數同心圓的象限探測器，實質 上環形區域被四等分的分隔線細分成四分之一的扇形。 15 30.如申請專利範圍第29項之方法，其中該決定的步驟包 含，針對該每一個四等分，決定一個最外邊的四分之一 區塊包含的被反射放射線以及只分析該最外邊的四分 之一區塊的數據。 31·如申請專利範圍第21項之方法，其中該照明源是非極化 20 的，且該探測器包含一設置於該照明源的一焦點平面的 影像探測器，該產生的數據包含像素數據，且該決定的 步驟包含由該像素數據決定該瞳孔位置。 32·如申請專利範圍第21項之方法，更包含保持於該探測器 的該瞳孔的一影像在一實質上固定的尺寸的步驟。 18