Устройство измерения углов поворота глаза

 

Изобретение относится к меди цинской технике. Целью изобретения является повьппение точности за счет осуществления масштабной калибровки. Устройство содержит датчик 1 , состоящий из источника ИК-излучения 4, спектроделителей 5 и 12, оптической системы 6, позиционно-чувствительно (Л с Й1 00 00 Од со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (51) g А б1 В 3/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3926029/28-14 (22) 09.07.85 (46) 23,11.88.Бюл. У 43 (71) Особое конструкторское бюро биологической и медицинской кибернетики (72) М,И,Шиф, Е.Ф.Тимофеева, С.С Егоров и Д,Л.Свердлов (53) 615.471 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 831102, кл. А 61 В 3/10, 1979.

„„SU„„! 438691 А 1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ

ПОВОРОТА ГЛАЗА (57) Иэобретение относится к меди.. цинской технике. Целью иэобретения является повышение точности эа счет осуществления масштабной калибровки.

Устройство содержит датчик 1, состоящий иэ источника ИК-иэлучения 4, спектроделителей 5 и 12, оптической системы б, поэиционно-чувствительно,1438691

ro элемента 7, корректировочного реперного источника 10, калибровочных реперных источников 11-1-11-.4, размещенных на экране 9. Электронный блок состоит из последовательно соединенных блока преобразования 13, блока коррекции 14, блока обработки

15 и блока управления 16, Устройство работает следующим образом. Цент-! рально расположенный на экране 9 кор. ! ректировочный реперный источник 10 через спектроделители 12 и 5, раэ-! о мещенные под углом 45 к оптической оси, проецирует в глаз излучение-в красном видимом диапазоне иэ бесконечно удаленной точки, ориентируя глаз вдоль оптической оси.ИК-излучение от источника 4 отражается дважды !

Изобретение относится к медицинской технике к технике эргономических

Ф ! и психологических исследований зрительного восприятия информации.

Цель изобретения — повышение точности за счет применения масштабной калибровки.

На фиг„1 представлена оптическая схема датчика и структурная схема ! устройства; на фиг.2 — блок-схема электронного блока; на фиг.3 — вариант оптической схемы датчика; на фиг.4 и 5 — структурная схема электронного блока. 15

Устройство измерения углов поворота глаза (УПГ) состоит из датчика

1, размещенного на раме 2 и установ ленного .на голове оператора, и электронного блока 3. Датчик 1 содержит gp основной источник 4 света ИК-диапазона, спектроделитель 5, оптическую систему (ОС) 6, позиционно-чувствительный элемент (ПЧЭ) 7, блок 8 калибровочных реперных источников, сос- 25 тоящий иэ экрана 9, в центре которого размещен корректировочный реперный источник 10, относительно которого крестообразно в вертикальной и горизонтальной плоскостях расположены 30 четыре калибровочных реперных источника 11, и спектроделителя 12, плоскость которого расположена под углом от спектроделителя 5 и через оптическую систему 6 попадает на позиционно-чувствительйый элемент 7, за.тем в электрочный блок 3, на выходе которого возникает сигнал, пропорциональный углу поворота глаза. Перед; началом измерений проводится индивидуальная масштабная калибровка путем . поочередного включения от блока управления 16 калибровочных реперных источников 11 — 1 — 11-4 и записи в блок обработки 15 коэффициентов, ха- рактеризующих индивидуальные особенности глазного яблока пациента, в результате чего повышается точность определения углов поворота глаза при дальнейшей работе устройства. 3 э.п. ф-лы, 5 ил.

45 к оптической оси оптической системы. Электронный блок содержит последовательно соединенные блок 13 преобразования, блок 14 коррекции, блок 15 обработки, блок 16 управления.

Блок 14 коррекции содержит блоки

17 и 18 памяти, соединенные соответственно с блоками 19 и 20 вычитания, к которым подключен блок 21 сигнали" зации, а блок «15 обработки состоит из двух идентичных каналов 22 и 23 масштабной калибровки, каждый из которых содержит последовательно соединеные блок 24 делечия, блок 25 па" мяти„ блок 26 усреднения, блок 27 памяти и блок 28 уставки, подключен-. ный к блоку 24 деления, а выходы каналов 22 и 23 масштабной калибровки подключены к блоку 29 вычисления УПГ.

Блок 16 управления включает анализаторы 30 и 31 скорости изменения УПГ, подключенные через элемент И 32 к коммутатору 33,.к которому подсоединены ключевое устройство 34, генератор 35 инфраэвуковой частоты, таймер

36, элементы ИЛИ 37 и 38,-линии 39-44 задержки, дифференцирующая цепь $5.

Блок 29 вычисления УПГ содержит последовательно соединенные блок 46 деления, квадратор 47, делитель 48 на два, блок 49 вьлитания, блок 50

20 ки ци

РИ не ро

25 За ни нь

1 фи

ЭО си

Э" и йх =x и- х01 хц- хо l у(= у -> у у у< - у °

55 где Ц, — сигнал, соответствующий фиксированному калибровочному углу на выходе блока

28 уставки, 14386 умножения, блок 51 деления, а также задатчик 52 "l".

Блок 8 калибровочных реперных источников может быть выполнен по варианту на фиг.3, где относительно корректировочного реперного источника 53, ось которого совмещена с оптической осью ОС 6, расположены крестообразно и равноудаленно под углом от него калибровочные реперные источники 54-57, каждый из которых состоит иэ оптического узла 58, экрана 59 с отверстием в центре, излучателя 60, корпуса 61.

Устройство работает следующим образом.

Работа устройства состоит из эта. пов формирования блика на роговице глаз от основного источника 4, автоматического определения посредством блока 13 преобразования координат иэображения блика на ПЧЭ 7, формируемого OC 6, автоматической индивидуальной масштабной калибровки перемешенийизображения блика на ПЧЭ 7 посредством калибровочньж реперных источников (РИ) 11 (54-57),блоков обработки 15 и управления 16, полуавтоматической коррекции нуля при смещениях датчика на голове с помощью корректировочных РИ 10 (53), блоков коррекции 14 и управления 16 и непрерывной выдачи значений YIII в процессе зрительной деятельности оператора.

Глаз оператора облучается пучком от источника 4 света ИК-диапазона, отраженным от спектроделителя 5, пропускающего большую часть видимого света и отражающего большую часть

ИК-составляющей потока. Поток, отраженный от роговицы, вновь отражается спектроделителем 5 и воспринимается ОС 6, которая формирует на ПЧЭ

7 иэображение роговичного блика, перемещающегося по чувствительной поверхности ПЧЭ 7 при поворотах глаза вследствие эксцентричности роговицы относительно глазного яблока. Блок 13 преобразования непрерывно преобразует значения координат изображения блика на ПЧЭ 7 в пропорциональные электрические сигналы Х и Y связанные функциональной, например линейной, зависимостью с величинами УПГ сри 8.

Определение значений УПГ требует предварительного проведения индивидуальной масштабной калибровки ввиду

91

4 различий геометрических характеристик глаз у разных людей. Калибровка осуществляется при поочередном включении корректировочного РИ 10 (53) и калибровочных РИ ll (54-57), воспринимаемых оператором под определенным эталоннъы углом (р, относительно оси ОС 6 (оси корректировочного

РИ 10 (53). При калибровке по команде с блока 16 управления включается корректировочный РИ 10 (53).

Оператор фиксирует на нем взгяд, а блок преобразования 13 выдает соответствующие "нулевые" координаты блика на ПЧЭ 4:х, и у . Блок 16 управления, содержащий анализаторы 30 и 31 скорости изменения УПГ, дает команду на запись величин х, и у в бло17 и 18 памяти блока 14 корреки в момент фиксации оператором

10 (53),т.е. когда скорость измения УПГ становится меньше некотой величинъ, например 0,5 град./с. тем по команде с блока 16 управлея поочередно включаются горизонталь е и вертикальные калибровочные РИ

1-1...11-4 (54-57). При поочередной ксации на них взгляда оператора блоки и 20 вычитания выдают соответствующие гналы приращений:

В момент фиксации взгляда на каждом калибровочном РИ анализаторы 30 и 31 скорости изменения УПГ блока 16 управления выдают последовательно две команды: "Разрешение деления" блоку 24 деления соответствующего канала 22 или 23 калибровки,при этом выполняется деление с определением частных коэффициентов масштаба

d x„ dxq

К = — — К

Чо 1 а

К вЂ” ; К

dv g Eve г А с.

5 14386 и "Запись" s один из двух элементов блоков 25 памяти соответствующего канала 22 или 23 масштабной калибровки, при этом происходит запись величин К,, К,, К2, К2 в зависимости от

5 того, какой из РИ l l-l 11-4 (545?) включен в данный момент. После того, как имело место последовательное включение горизонталЬных или вер- 10 тикальных пар корректировочных РИ н фиксация на них взгляда, блок 16 управления выдает последовательно две

tf команды: "Разрешение усреднения, при этом в блоках 26 усреднения соответ- 15 ствующих каналов 22 (23) масштабной калибровки определяются индивидуальные масштабные коэффициенты

If 1 1

KI+ К» Кх + К2

К - — — — и К

2 2

20 и "Запись" (после "Сброса" ) значений К и К2 в выходные блоки 27 памяти соответствующего канала

22(23) масштабной калибровки. 25

На этом процесс калибровки заканчивается. Измерение величин УПГ данного оператора в процессе его зрительной деятельности осуществляется посредством блока 29 вычисления УПГ 30 по величинам ранее определенных индивидуальньгх масштабных коэффициентов К и К и текущих значений приращений координат изображения блика на ПЧЭ 7, например, как

91 6

l6 управления. Все дальнейшие измерения приращений координат блика для определения УПГ осуществляются относительно этих значений х и у, в блсках 19 и 20;вычитания. Блок 21 сигнализации дает сигнал о необходимости механической подстройки датчика 1 при значительных смещениях его на голове, Отличие одного варианта блока 8 корректировочных источников от другого связано лишь с построением реперных источников. В обоих вариантах реперные источники, задаваемые нод фиксированными эталонными углами. формируются как мнимые увеличенные изображения излучателей, удаленные от глаза оператора на расстояние наилучшей аккомодации. В первом варианте мнимые изображения РИ обеспечиваются посредством той же ОС 6, кроме того, основной функции формирования иэображения блока на ПЧЭ 7 придана дополнительная функция формирования изображений РИ. Для этого плоскость экрана 9 с отверстиями, за которыми расположены излучатели 111. ..11-4, удалена от задней главной плоскости ОС 6 на расстояние, меньшее, чем фокусное этой ОС 6, и составляющее а - f" а— ) а + f

55 где Н

11х йу гп и

К {1- — -)

Sx (или, иногда, вида Cf и g ).

Ьу 1

Электронный блок осуществляет также периодическую коррекцию ошибки измерения, обусловленной смещениями датчика на голове оператора, посред-. ством корректировочного РИ 10 (53) блока 16 управления н блока 14 кор-: рекции. Таймер 36 блока 16 управления периодически, например с интервалом 3 мин, включает корректировочные РИ 10 (53). Оператор фиксирует на нем взгляд.,и блок

tl

13 преобразования выдает новые нулевые" значения координат х и у которые фиксируются в блоках 17 и и 18 памяти по команде от анализатора 30 или 31 скорости изменения УПГ блока где а — расстояние от задней главной плоскости ОС 6 до мнимого изображения плоскости экрана;

f — фокусное расстояние ОС 6.

Конструктивно это обеспечено с помощью спектроделителя 12, пропускающего ИК-составляющую,. отражающего видимую часть спектра и расположенного в основном оптическом тракте датчика между ОС 6 и ПЧЭ 7. При этом благодаря спектроцелителю 12 ось корректировочного РИ 10 оптически совмещена с осью ОС 6, а периферические отверстия в экране удалены от центрального каждое на расстояние

{К+а )tpgо а /f + l расстояние от роговицы глаза до передней главной плоскости ОС б (обычно H=100120 мм);

7 143

<, -- фиксированный эталонный угол масштабной калибровки.

Целесообразно Ц, выбирать в прео делах 7-9, а величина (Н+а ) должна быть не менее 250 мм для наилучшей аккомодации глаза.

Во втором варианте калибровочные

РИ 54-57 выполнены независимыми от

ОС 6 отдельными конструктивными узлами, каждый из которых формирует мнимое изображение излучателя посредством своего собственногб оптического узла. Для того, чтобы оператор при калибровке мог видеть каждый калибровочный РИ 54-57 под заданным эталонным углом с д, оси .этих РИ образуют угол Ч с осью корректировочного

РИ 53 и осью ОС 6, причем оси калибровочных РИ пересекаются с осью ОС 6 и осью корректировочного РИ 53 в точке, оптически сопряженной ОС 6 с центром ПЧЭ 7. Для задания необходимого калибровочного угла реперные источники во втором варианте располагаются так, что расстояние от центра оптического узла каждого калибровочного РИ 54-57 до оси корректировочного РИ 53 определяется как

h Р sang, где P — расстояние от оптического узла РИ до точки, сопряженной с центром ПЧЭ 7 через ось 6, Экраны РИ удалены от соответствующих оптических узлов на расстояние а ° f

S а а + где а — расстояние от задней главной плоскости оптического узла РИ до мнимого изображения плоскости экрана; ( — фокусное расстояние оптического узла РИ.

Во втором варианте для правильной аккомодации глаза также соблюдено условие (а + Р) - 250 мм.

Устройство позволяет повысить точность измерения углов поворота глаза за счет того, что оно обладает новой функцией — осуществляет масштаб ную калибровку. формула изобретения

1. устройство для измерения углов поворота глзза, содержащее датчик, 10

50 ветственно с двумя блоками вычитания, и блок сигнализации, при этом датчик состоит из основного источника света ИК-диапазона, спектроделителя, оптической системы, позиционно-чувствительного элемента, подключенного к блоку преобразования и корректи- . ровочного реперного источника, соединенного с блоком управления, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности за счет осуществления м.-".сштабной калибровки, оно снабжено блоком обработки и блоком калибровочных реперных источников, содержащим четыре источника света, экран и второй спектроделитель, установленный между оптической системой и позиционно-чувствительным элементом, его плоскость параллельна плоскости первого спектроделителя, причем корректировочный реперный источник расположен на оптической оси второго слектроделителя, а четыре источника света размещены на плоском экране крестообразно и равноудаленно отHocHòåëüHo корректировочного реперного источника и подключены к блоку управления, который соединен с блоком обработки.

2. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок управления с коммутатором состоит иэ двух анализаторов скорости изменения угла, выходы которых через элемент И соединены с входом первой группы коммутатора,, объединенные первый и второй выходы которой соединены с блоком коррекции напрямую и через дифференцирующую цепь, а второй и третий выходы которой соединены соответственно с блоком обработки через вход первого элемента KIH и второй элемент задержки, второй вход первого элемента ИЛИ и с третьим и четвертым элементами задержки, четвертый и пятый выходы первой группы соединены с блоком обработки через первый вход второго элемента ИЛИ и пятый элемент задержки и ключевого устройства, выход которого соединен через вход и первый выход второй

8691 закрепленный на раме, и электронный блок, включающий в себя блок управ" ления с коммутатором, подключенный к последовательно соединенным блоку преобразования и блоку коррекции, содержащему два блока памяти с ключевы" ми устройствами, соединенные соот! 4386 группы коммутатора с корректировоч ным реперным источником, а первый и второй входы подключены соответственно к генератору инфранизкой час5 тоты, входу третьей группы коммутатора и к таймеру, при этом второй выход третьей группы коммутатора соединен с корректировочным реперным источником, а третий — mecTaA выходы соединены соответственно с первым— четвертым калибровочными реперными источниками, а выходы блока "Сброс",,"Запись" соединены с соответствующими входами блока обработки. 5

3. Устройство по п,l о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок обработки состоит из блока уставки и двух каналов масштабной калибровки, 91 1О соединенных с блоком вычисления угла поворота глаза, причем каждый иэ каналов масштабной калибровки состоит

vз последовательно соединенных блока деления, третьего блока памяти, блока усреднения, четвертого блока гамяти. ч. Устройство по п.l, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок калиб" ровочных реперных источников выполнен в виде четырех калибровочных реперных источников, расположенных крестообразно и равноудаленно от оптической оси и размещенных под углом к ней, причем каждый из калибровочных реперных источников состоит из излучателя, экрана с отверстием, оптического узла.

1438691 43869) 1430691 4 а

Ьчтпо

Составитель A. Филатов

Редактор Е.Папп Техред Л.Сердюкова Корректор A.Îáðó÷àð

Заказ 5985/3

Тираж 655 Подписное

ВПИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4