CN101437440B - 跟踪眼球运动的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

使用探测和测距系统例如无线电探测和测距(“RADAR”)系统，或者光探测和测距(“LIDAR”)系统来探测与脸相关的位置信息，尤其是与脸上的眼球相关的位置信息。位置信息可以包括眼球的位置，与眼球相关的平移运动信息(例如，位移、速度、加速度、加加速度等)，以及当眼球在眼窝旋转时，与眼球相关的旋转运动信息(例如，旋转位移、旋转速度、旋转加速度等)。

Description

跟踪眼球运动的系统和方法
相关申请
本申请要求2005年12月14日提交的名称为“System andMethod for Tracking Eyeball Motion(跟踪眼球运动的系统和方法)”的美国临时专利申请No.60/750,045的优先权，该专利申请的内容以引用的方式并入本文。本申请与2005年2月14日提交的名称为“ChirpCoherent Laser Radar System and Method(啁啾相干的激光雷达系统和方法)”的美国临时专利申请No.60/651,989和2006年12月14日提交的名称为“System and Method for Tracking Eyeball Motion(跟踪眼球运动的系统和方法)”的美国专利申请No.[代理机构卷号No.021636-0358730]相关，这些专利申请的内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明总体涉及对眼球运动的跟踪，更具体地涉及使用探测和测距系统对眼球运动进行跟踪。
背景技术
在多种环境下，确定一个人的眼球的运动具有实际应用。例如，眼球运动可以被监测在虹膜和/或角膜识别系统、刺激反映测量、医疗过程、虚拟现实系统、或其它的环境当中。眼球运动信息能够使眼球、虹膜或者视网膜的成像。眼球运动信息还能够使眼球、虹膜或者角膜在尽可能大的距离上成像。
然而，传统的眼球运动跟踪系统，如立体系统，都不能够用足够的速度和/或精度为眼球运动跟踪的所有的应用提供相关眼球的位置信息。通常，这些系统也由于无法从一个相对扩大的距离确定与眼球相关的位置信息而受到阻碍。
与传统的眼球运动跟踪系统和方法相关的这些和其它缺点存在。
发明内容
本发明的一个方面涉及探测确定与脸相关的位置信息，更具体地，探测与脸上的眼球相关的位置信息，使用探测和测距系统，例如无线电探测和测距(Radio Detection And Ranging-“RADAR”)系统，或者光探测和测距(Light Detection And Ranging-“LIDAR”)系统。当眼球在眼窝里面旋转时，位置信息(position)可以包括眼球的定位(location)、与眼球相关的平移运动信息(例如，位移、速度、加速度、加加速度(jerk)等等)、与眼球相关的旋转运动信息(例如，旋转位移、旋转速度、旋转加速度等等)。在探测与眼球相关的位置信息的过程中使用探测和测距系统的优点之一是可以以提高了的速度确定位置信息。事实上，在一些实施例中，位置信息的确定基本上可能是瞬时的而基本上没有延迟。在探测与眼球相关的位置信息中使用探测和测距系统的另一个优点是可以从扩大的距离确定眼球的运动和/或减小对人的侵害。
正如以上提到的，探测和测距系统可以包括相干的LIDAR系统。在这些实施例中，第一组电磁辐射束可以在眼球上的一个或多个位置处入射在眼球上。该第一组电磁辐射束可以从眼球上的这些位置返回到LIDAR系统(例如，通过背散射，反射等等)，以及对返回的电磁辐射的频移进行测量。
相干的LIDAR系统可以在眼球上的每一个测量位置处确定与位置(例如，x，y，z)和旋转速度(例如，眼球表面的速度的与入射的电磁辐射束平行的分量)之一或两者相关的信息。如果眼球的半径已知，使用聚焦在眼球上的三个分开的测量位置上的三根测量光束就可以确定该信息。如果半径未知，可以使用聚焦在眼球上的第四个分开的测量位置上的第四根测量光束来确定该半径。一旦眼睛被定位(例如，如果半径已知，用三根测量光束，或者，如果半径未知，用四根测量光束)，基于已知的定位，眼睛的中心和眼睛的最近点都可以被确定。
在人的一些测量位置，与眼球表面相切的代表眼球在眼窝里的运动的速度向量可以被确定。如果对于眼球上的至少两个测量位置进行有效的速度向量的确定，那么，眼球在眼窝内的旋转运动就可以通过LIDAR系统确定，所述至少两个测量位置(i)既不是最近点(ii)又不是彼此在同一个大圆上以及最近点。通过扩展眼球的表面特征(例如，虹膜、瞳孔等等)能够跟踪眼球的横向的旋转运动。应当知道，眼球可能不会形成一个理想的球形，眼球形状的不对称影响在眼球上的给定的测量位置处计算的速度向量。然而，眼球形状通常足够接近球体以至于眼球中任何不均匀性通常可以作为可忽略量，而且，在一些实施例中(和这里为解释的目的)，眼球被假定为理想化的球形。
在一些实施例中，取代眼窝，脸跟随眼球的横向或纵向运动，可以通过对由视频成像系统联合LIDAR系统捕获的视频短片(videofootage)的视频光流处理来确定。在视频成像系统的图像平面的旋转也可以通过这种方式确定。在由视频成像系统捕获的图像的平面之外的脸的运动(例如，位移、旋转等等)可以通过LIDAR系统确定。例如，第二组电磁束可以从LIDAR系统发射到脸上(不是眼球)的一个或多个位置，对脸上一个或多个位置的距离和距离变化率(rangerate)的测量可确定与在由视频成像系统捕获的图像的平面之外的脸的运动相关的信息。
相对低的频率的头部运动和大量的测量允许以这种方式或一些其它的方式相对高度准确的头部运动确定。这样做，眼球的3D中心点的位置和速度可以被确定，因此从眼窝运动分离出的眼窝内眼球的残余运动可以被确定，就好像眼球在一个静止的眼窝内。
本发明多个实施例的另一方面涉及到一种激光雷达系统，该激光雷达系统可以精确探测目标相对于激光雷达系统运动的距离和距离变化率。本发明多个实施例的另一方面涉及到一种激光雷达系统，该激光雷达系统使用多个激光雷达部分获取多个同时的测量(或基本上如此)，从而距离和距离变化率二者都能被确定而没有由系统利用单个激光部件进行依次测量而引入的多种时间效应。此外，本发明多个实施例的其它方面可以更快地确定目标的距离和距离变化率，更毫无疑义地确定目标的距离和变化率，和/或可以提供其它的优点。
在本发明的一些实施例中，激光雷达系统可以向目标发射第一目标光束和第二目标光束。第一目标光束和第二目标光束可以被目标向后反射回激光雷达系统。激光雷达系统可以接收反射的第一目标光束和第二目标光束，然后从激光雷达系统确定目标的距离和距离变化率中的至少一个。在本发明的一些实施例中，激光雷达系统可以包括第一激光雷达部分、第二激光雷达部分和处理器。
在本发明的一些实施例中，第一激光雷达部分可产生第一目标光束和第一参考光束。第一目标光束和第一参考光束可以由第一激光源以第一频率产生，该第一频率可以按第一啁啾率(chirp rate)进行调制。该第一目标光束可被引导向目标上的测量点。第一激光雷达部分可以组合被引导向目标并从目标反射的第一目标光束的一部分。第一目标光束的另一部分，被称为本振光束，可以被引导通过一条具有已知的或其它的固定路径长度的路径。这就可以产生了组合的第一目标光束。
根据本发明的多种实施例，第二激光雷达部分可以相对于第一激光雷达部分被配置和固定。更具体地，用来传送和接收各个激光束的相关光学部件被配置和固定。第二激光雷达部分可产生第二目标光束和第二参考光束。第二目标光束和第二参考光束可以由第二激光部件以第二频率产生，该第二频率可以按第二啁啾率进行调制。第二啁啾率可以与第一啁啾率不同。这有利于下游处理的一个或多个方面。例如，信号判别、或下游处理的其它方面。第二目标光束可被引导向与第一目标光束在目标上的相同的测量点。第二激光雷达部分可组合被引导向目标并从目标反射的第二目标光束的一部分和被引导通过一条具有已知的或其它的固定路径长度的路径的第二目标光束的另一部分。这就产生了组合的第二目标光束。
根据本发明的多种实施例，处理器接收第一和第二组合目标光束，测量由于在各个反射的目标光束和其对应的本振光束之间的路径长度的差异以及由相对于激光雷达系统的目标运动产生的一些多普勒频移而引起的拍频。然后，这些拍频被线性组合以产生目标的距离和距离变化率的精确的确定，只要各个本振光束中的每一个和其反射的目标光束之间的拍频与反射的目标光束的同时(或基本上同时)的时间分量(temporal component)相对应。反射的目标光束的同时(或基本上同时)的时间分量可包括目标光束的时间分量，其1)已被入射到目标的基本上相同的部分，2)被相似的传输效应影响，3)在基本上相同的条件下，通过扫描光学元件引导；和/或4)共享其它的相似点。利用与反射的目标光束的同时(或基本上同时)的时间分量对应的拍频进行线性组合可以有效地消除由于环境或其它影响而引入到数据的任何噪声。
由于组合目标光束可以通过用不同的目标光束或相同目标光束的不同部分分别组合第一本振光束和第二本振光束来产生，所以，第一组合目标光束和第二组合目标光束可以表示可能在两个分开但一致的单光源调频的激光雷达系统中出现的正好在最后处理之前的光学信号。例如，在单光源系统中，组合目标光束可以表示被目标干涉仪产生的光学信号。
根据多种实施例，目标光束可在不同的光路上被引导到目标和/或从目标接收。在一些实施例中，这些光路可以是相似但不同的。在其它实施例中，第一目标光束和第二目标光束可在发射前被耦合以生成可以沿着公共光路被引导到目标的组合目标光束。在一些实施例中，目标光束可以被目标反射，并且可以沿着与将目标光束引导到目标的公共光路不同的接收光路被激光雷达系统接收。这种实施例被标示为“收发分置的(bistatic)”。或者，组合目标光束可以沿着公共光路被激光雷达系统接收。这些随后的实施例被标示为“收发合置的(monostatic)”。当使用逆向光学装置(reciprocal optics)操作时，收发合置的实施例可以提供优于它们的收发分置的对应物的优点。更尤其是，本发明的收发合置的实施例在其它事情中受微分多普勒效应以及由于斑点导致的失真的影响较小。例如，通过将目标光束引导到目标上的不同位置的扫描镜可以产生微分多普勒效应。由于镜子的不同部分以不同的速度移动，目标光束的不同部分经历不同的多普勒频移，这可能会将误差引入到距离和/或距离变化率测量。这些效应已被Anthony Slotwinski和其他人进行了调查和分析，例如，NASALangley Contract No.NASI-18890(May 1991)Phase II Final Report，Appendix K，由Digital Signal公司提交，8003Forbes Place，Springfield，VA.22131，这全部以引用的方式并入本文。
在一些情形下，第一激光源和第二激光源可以分别以第一载波频率和第二载波频率产生电磁辐射。第一载波频率可以与第二载波频率基本上相同。这对于激光雷达系统可能提供多种改进，例如，最小化斑点带来的失真，或者其它的改进。
在一些实施例中，第一激光源和第二激光源可以给电磁辐射提供高度线性化的频率啁啾。为此，对由第一激光源和第二激光源发射的电磁辐射的线性化基于频率(例如，每个啁啾)进行校准，或在一些连续的实施例中相继地进行校准(或基本上如此)。当操作者注意到降低了的系统性能时，当操作者被提示基于降低了的性能的可能性开始线性化时，或者当一个或多个系统参数在公差之外时等等，与在启动时进行线性化的传统的系统相比，线性化电磁辐射的频率啁啾可以提供改善了的距离测量精度，或其它方面的改进。频繁的和/或自动的线性化可以减少高速扫描过程中镜像微分多普勒噪声的影响以及为消除这些和其它噪声对距离估计的贡献最大化双啁啾技术的效果。
在本发明的一些实施例中，当目标与激光雷达系统的距离落在最小距离和最大距离之间的一组距离内时，激光雷达系统可以以提高了的精确度确定目标的距离和距离变化率。当目标的距离没有落在该组距离内时，激光雷达系统的精确度可能会降低。这个降低可能是由于第一激光源和第二激光源的相干长度而造成的结果，它在本质上是有限的。例如，最小距离和最大距离之间的距离可以是相干长度的函数。第一激光源和第二激光源的相干长度越长，最小距离和最大距离之间的距离就越大。因此，增加第一激光源和第二激光源的相干长度可以通过提供对增加了的距离组进行确定的能力来增强激光雷达系统对距离和距离变化率的确定。
在本发明的一些实施例中，第一激光源和第二激光源之一或二者可以执行对来自辐射源的电磁辐射的可控啁啾的系统和方法。该系统和方法能够在可配置的期间内以基本上线性的啁啾率产生电磁辐射。在一些实施例中，该辐射可以包括单一频移的谐振模态。
在本发明的一些实施例中，一种系统可以包括辐射源、形成光腔的一个或多个光学元件、频移器、光学开关和光学放大器。在一些实施例中，频移器可被置于光腔内，以接收来自于光腔的电磁辐射和将接收到的电磁辐射的频移部分输回到光腔。光学开关可被置于光腔内，以接收来自于光腔的电磁辐射。光学开关可以控制为将接收到的电磁辐射从光腔中引导出去，或者将接收到的电磁辐射返回到光腔。在一些情形下，光学开关可以控制为当将接收到的电磁辐射从光腔引导出去时将来自辐射源的辐射耦合到光腔，来自源的辐射以初始频率在光学开关处被接收到。
根据本发明的多种实施例，在对应于光腔的光学长度的一段时间内，光腔可以通过将来自激光源的以初始频率发射的辐射引导到光腔来填充光腔。在一些实施例中，来自激光源的辐射可通过光学开关直接引入光腔。当来自激光源的电磁辐射正被引入腔时，光学开关被控制为将通过由光学开关接收到的辐射从光腔引导出去，或者从腔“倒空(dumped)”。一旦腔被“填充”(例如，在经过对应于光腔的光学长度的时间之后)，通过关闭激光源，从激光源到光腔的辐射流被停止。在另一些实施例中，通过控制光学开关来将来自激光源的辐射从光腔倒空，从激光源到光腔的辐射流被停止。当腔正在填充时注入到光腔中的辐射可在腔内通过光学开关循环，它可被控制为将从光腔接收到的辐射返回到光腔。
在本发明的一些实施例中，由于电磁辐射在光腔内循环，在围绕光腔的每个行程中辐射频率被频移器增量地调整。通过这种周期的、增量的调整，光腔内的辐射频率可以以一种基本上线性的方式被啁啾。电磁辐射的频率被啁啾的速率与频移器应用的增量频率调整和腔的光学长度之一或二者相关。因此，电磁辐射的频率被啁啾的速率可以通过这些变量之一或两者被控制。
在一些实施例中，光腔的品质因子可能由于光腔内的多种损耗而降低。例如，从光腔到装置的辐射输出可能构成损耗。其它的损耗也可以被提出，例如，由于光学元件的缺陷而引起的损耗，或者其它的寄生损耗。为了对抗品质因子的降低，光学放大器被置于光腔内。该光学放大器可以被选择或被控制为光腔内的辐射提供足够的增益以克服腔损耗之和，因此从光腔输出的预定的或者被控制的辐射强度被维持。光学放大器也可以基于一个或多个其它的特性例如均匀线宽、增益带宽、或者其它规格被选择。
在本发明的一些实施例中，啁啾率中的一个可以被设置等于零。换句话说，激光源中的一个可以以恒定的频率发射辐射。这使得在以恒定的频率进行发射的激光源可以用更简单的设计、小的光斑、更轻的重量、低的代价、或者其它可以对整个系统提供优点的改进来实施。在这些实施例中，啁啾率被设置为零的激光雷达部分仅能用来确定目标的距离变化率。
在本发明的一些实施例中，处理器可以线性数字化地组合第一组合目标光束和第二组合目标光束以产生距离信号和距离变化率信号。例如，处理器可以包括第一探测器和第二探测器。第一探测器可以接收第一组合目标光束，并且可以产生对应于第一组合目标光束的第一模拟信号。第一模拟信号可以通过第一转换器转换为第一数字信号。处理器可以包括可确定对应于第一数字信号的一个或多个频率分量的第一组频率数据的第一频率数据模块。
第二探测器可以接收第二组合目标光束，并且可以产生对应于第二组合目标光束的第二模拟信号。第二模拟信号通过一个第二转换器可以转换为一个第二数字信号。处理器可以包括可确定对应于第二数字信号的一个或多个频率分量的第二组频率数据的第二频率数据模块。
第一组频率数据和第二组频率数据可通过频率数据组合模块被接收。频率数据组合模块可产生来源于第一组频率数据和第二组频率数据的距离变化率信号和距离信号。
在本发明的其它实施例中，处理器可以电子地混合第一组合目标光束和第二组合目标光束以产生距离信号和距离变化率信号。例如，处理器可以包括调制器。该调制器可以将由第一探测器产生的第一模拟信号与由第二探测器产生的第二模拟信号相乘以生成组合模拟信号。在这样的实施例中，处理器可以包括接收组合模拟信号的第一滤波器和第二滤波器。第一滤波器可以对组合模拟信号进行滤波，以产生第一滤波信号。第一滤波信号可以被第一转换器转换，产生距离变化率信号。第二滤波器可以对组合模拟信号进行滤波，以产生第二滤波信号。第二滤波信号可以被第二转换器转换，产生距离信号。
根据本发明的其它实施例，处理器可以光学混合第一组合目标光束和第二组合目标光束以产生距离信号和距离变化率信号。例如，处理器可以包括探测器，该探测器接收第一组合目标光束和第二组合目标光束，并基于对第一组合目标光束和第二组合目标光束的探测产生组合模拟信号。在这样的实施例中，处理器可以包括接收组合模拟信号的第一滤波器和第二滤波器。第一滤波器可以对组合模拟信号进行滤波，以产生第一滤波信号。第一滤波信号可以被第一转换器转换，产生距离变化率信号。第二滤波器可以对组合模拟信号进行滤波，以产生第二滤波信号。第二滤波信号可以被第二转换器转换，产生距离信号。
当参考全部形成本说明书的一部分的附图来考虑以下描述和所附权利要求时，本发明的这些和其它的目的、特征和特点，操作方法、结构的相关元件的功能和各部件的组合以及制造的经济性将变得更清楚，在各个图中，相似的附图标记表示相应的部件。然而，应当清楚地理解，附图是为了解释和描述而不是为了限制本发明的目的。在说明书和权利要求中所使用的“该”以及单数和复数形式包括多个指示物，除非另有清楚指出以外。
附图说明
图1示出了根据本发明的一个或多个实施例的用于监测人的眼球运动的系统。
图2示出了可以在根据本发明的一个或多个实施例的用于监测人的眼球的系统中实施的激光雷达系统。
图3示出了可以在根据本发明的一个或多个实施例的用于监测人的眼球的系统中实施的激光雷达系统。
图4示出了根据本发明的一个或多个实施例的数字混合两条组合目标光束的处理器。
图5示出了根据本发明的一个或多个实施例的电子地混合两条组合目标光束的处理器。
图6示出了根据本发明的一个或多个实施例的光学混合两条组合目标光束的处理器。
具体实施方式
图1是根据本发明的一些实施例的用于探测与脸尤其是与人112的脸上的眼球相关的位置信息的系统110的示意图。系统110可以确定与人112的眼球相关的位置信息。系统110可以包括激光雷达系统116，该激光雷达系统能够确定在人112(例如，皮肤、衣服、嘴唇等)表面上的点的距离和/或距离变化率(即，速度)。系统110可以包括监测器模块118，该监测器模块能够基于激光雷达系统116的确定确定与人112的眼球相关的位置信息。系统110使与人112的眼球相关的位置信息能够从人112远程地被监测和确定，而不需要直接接触人112。
在本发明的一些实施例中，激光雷达系统116可以将电磁辐射束114引导向人112，以在要测量的人112的表面上的点处入射在人112上。被引导到人112的表面上的点的辐射114的一些或全部被表面反射，然后被接收回到激光雷达系统116。正如下所述，基于在发射之前和/或反射之后的辐射114的一个或多个方面(例如，频率、相位、强度等)，激光雷达系统116可以确定表面上的点相对于激光雷达系统116的距离和距离变化率之一或两者。
根据本发明的多种实施例，监测器模块118还可以监测人112的头部运动，以便更加毫无疑义地确定与人112的眼球相关的位置信息。在这些实施例中的一些中，系统110可以包括视频成像系统，该视频成像系统捕获人112的视频短片(连续的图像)。与眼球一起移动眼窝的人112的脸部的横向或者纵向运动(在由视频成像系统捕获的图像的平面上)可以通过视频成像系统捕获的视频短片的视频光流处理(或一些其它的运动跟踪系统)来确定。类似地，图像平面内的人112脸部的旋转可被确定。以这种方式，三维运动可以被视频成像系统测量。该光流处理可被监测器模块118执行。由视频成像系统捕获的图像的平面之外的人112的脸部运动可以通过激光雷达系统116对脸(眼窝外部)的测量来确定。这些运动包括距离运动(平移自由度)和正交于视频成像系统的图像平面的两个旋转自由度。因此，通过组合从视频成像系统捕获的视频短片确定的信息和激光雷达系统116的测量，监测器模块118可以用6个自由度确定人112的脸部运动。
通过确定人112的脸部的运动，监测器模块118可以跟踪人112的眼窝的运动和/或位置。监测器模块118可以使用人112的眼窝的运动和/或位置来调整人112的眼球的位置和/或运动的确定，使其仅(或仅在基本上)反映眼窝内的眼球的旋转。
图2示出了根据本发明的一些实施例的调频的激光雷达系统210，该调频的激光雷达系统210在系统110中可以实施为激光雷达系统116。系统210可以包括发射电磁辐射束214的激光源212。光束214可以以连续变化或啁啾的频率发射。在一些情形下，啁啾频率包括以周期的方式在下限频率和上限频率之间(或者反之亦然)扫频(例如，锯齿波、三角波等)。光束214可以被光学耦合器216分成目标光束218和参考光束220。应当明白，尽管激光雷达系统210被示出和描述为单条光束系统，但为了给人的眼球上的多个点提供电磁辐射的光束，光束214可被分成多条光束，并且每条光束可以通过以下描述的方式被随后处理。
在传统的实施例中，系统210可包括目标干涉仪222和参考干涉仪224。目标干涉仪222可以接收目标光束218，并可以在光学耦合器226处分割目标光束。目标干涉仪222典型地用来产生依赖于目标230(例如，人112)与目标干涉仪222之间的范围的目标信号。目标干涉仪可以通过将目标光束218的一部分228引导到目标230，把目标光束218的另一部分232沿着具有固定路径长度的光路引导到目标频率差分模块234。目标光束218的部分228可被目标230反射，并可以通过光学耦合器226和光学滤波器236被传输到目标频率差分模块234。基于部分236和232之间在耦合器248处的干涉，目标频率差分模块234可以产生目标信号，该目标信号对应于目标光束218的236和232部分的拍频，该拍频是由于它们之间的路径长度差而引起的。
根据本发明的多种实施例，参考干涉仪224可以接收参考光束220，并可以产生参考信号，该参考信号对应于可沿着具有已知的路径长度差的两个分开的固定路径引导的参考光束220的两部分之间的频率差。更尤其是，参考光束220可以被光学耦合器240分成第一部分242和第二部分244。第一部分242可以具有相对于第二部分244的固定的光路长度差。基于部分242和244之间在耦合器246处的干涉，参考频率差分模块250可以产生参考信号，该参考信号对应于参考光束220的242和244部分的拍频，该拍频是由它们之间的固定的路径长度差而引起的。
将要理解，目标干涉仪222和参考干涉仪224已示出和描述为马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪。然而，其它的干涉仪的配置也可被使用。例如，目标干涉仪222和参考干涉仪224可包括其中可以形成有迈克耳孙-莫雷(Michelson-Morley)干涉仪的实施例。
在一些实施例中，系统210可以包括处理器238。处理器238可以接收目标信号和参考信号，并可以处理这些信号以确定目标230的距离。基于目标信号和参考信号确定的距离信息可以被用来确定目标230相对于目标干涉仪222的距离变化率。
图3示出了根据本发明的一些实施例的激光雷达系统310的示例实施例，该激光雷达系统310可以在系统110中实施为激光雷达系统116，监测人112的眼球表面上的一个或多个点。激光雷达系统310可以利用两个或更多个激光雷达部分，每个激光雷达部分都向目标发射辐射目标光束。例如，第一激光雷达部分374向目标316(例如，人112)发射第一目标光束312，而第二激光雷达部分376向目标316(例如，人112)发射第二目标光束314。在本发明的一些实施例中，第一目标光束312和第二目标光束314可被啁啾以生成双啁啾系统。在系统110中实施激光雷达系统310来监测人112的眼球表面上的一个或多个点，可以提供人112的眼球表面上的点相对于系统110的距离和距离变化率的准确确定，并且可以通过监测器模块118使对与人112的眼球相关的位置信息的确定得到提高。例如，人112的眼球表面上的点的距离和/或距离变化率的准确确定可以减少所确定的距离和/或距离变化率的噪声量。如果存在，噪声可以影响距离和/或距离变化率的确定精确度。所确定的距离和/或距离变化率的不精确度可能妨碍利用测量的距离和/或距离变化率来确定与人112的眼球相关的位置信息。
应当了解，尽管激光雷达系统310被示出和描述为能提供两条光束入射在单个点上的双光束系统，但该描述并不是限制性的，并且，为了监测眼球上的多个点，每个目标光束都可被分成多条光束，然后每条光束以下面描述的方式随后被处理。在一些实施方式中，眼球上的多个点可被相继地通过单个点辐射(例如，通过连续扫描单点辐射到眼球上的多个点中的每个点)监测。尽管在这些实施例中，眼球上的点不能被绝对地同时监测，但单点辐射可以被足够快地提供给眼球上的多个点中的每个，从而使所得到的收集的数据被处理，就好像多个点被同时监测一样。在一些实施例中，一种混合方法可以被实施，由在这里作为单点辐射的激光雷达系统310提供的光束可以被分割以用来提供多个点的辐射，多个点的辐射中的每个被连续扫描到眼球(和/或人112)上的不同点。
根据本发明的多种实施例，激光部件374可以包括激光源控制器336、第一激光源318、第一光学耦合器322、第一光束延迟器344、第一本振光学耦合器330和/或其它部件。第二激光雷达部分376可以包括激光源控制器338、第二激光源320、第二光学耦合器324、第二光束延迟器350、第二本振光学耦合器332和/或其它部件。例如，激光雷达部分374和376中的每一个的部件的一些或全部可作为相干的激光雷达系统从Metris USA获得。在确定目标316的距离和距离变化率的过程中，来自于Metris USA的相干激光雷达系统可以给激光雷达系统310提供多种优点，例如，提高线性化的功能，提高相位漂移的校正，以及其它优点。
在本发明的一些实施例中，第一目标光束312和第二目标光束314可以被目标316反射回激光雷达系统310。激光雷达系统310可以接收第一目标光束312和第二目标光束314，并且可以确定目标316与激光雷达系统310之间的距离和目标316的距离变化率中的至少一个。
根据本发明的多种实施例，第一激光源318可以具有第一载波频率。第一激光源318可以以第一频率发射第一激光束340。第一频率可以以第一啁啾率进行调制。显然，第一频率可以通过电学、机械、声光、或其它方式进行调制。第一激光束340可被第一光学耦合器322分成第一目标光束312和一个第一本振光束342。第一本振光束342在第一光束延迟器344器处保持第一延迟周期。
    在本发明的一些实施例中，第二激光源320可以以第二频率发射第二激光束346。第二频率可以以不同于第一啁啾率的第二啁啾率进行调制。第二频率可以通过电学、机械、声光、或其它方式进行调制。第一啁啾率和第二啁啾率可在第一激光束340和第二激光束346之间产生反向的啁啾。
在一些情形下，第二载波频率可以与第一载波频率基本上相同。例如，在一些实施例中，第一基线频率和第二基线频率之间的百分比差小于.05％。这对于激光系统310可以提供多种改进，例如，最小化由于斑点导致的失真，或者其它方面的改进。第二激光束346可被第二光学耦合器324分成第二目标光束314和第二本振光束348。第二本振光束348在第二光束延迟器350处保持第二延迟周期。第二延迟周期可不同于第一延迟周期。
在一些实施例中，第一激光源318和/或第二激光源320(例如，第一激光束340和/或第二激光束346)的输出可以用在例如MetrisUSA Model MV200中所提供的机构线性化。第一激光源318和/或第二激光源320的输出的相位漂移可使用在例如Metris USA ModelMV200中所提供的机构校正。
在本发明的一些实施例中，当目标316与激光雷达系统310的距离落入在最小距离和最大距离之间的一组距离内时，激光雷达系统310可以以提高了的精确度确定目标316的距离和距离变化率。当目标316的距离没有落入在该组范围内时，激光雷达系统310的精确度可能会被降低。
根据本发明的多种实施例，第一光束延迟器344和第二光束延迟器350是可以调整的。调整第一光束延迟器344和第二光束延迟器350能使被调整的激光雷达系统310带来更加接近或远离激光雷达系统310的更为准确的确定的距离组。第一光束延迟器344和第二光束延迟器350可以被调整以确保目标316的距离落入在最小距离和最大距离之间的一组距离内，从而目标316的距离和距离变化率可以被毫无疑义地确定。第一光束延迟器344和第二光束延迟器350可通过用户调整，或者以自动的方式调整。
当目标316的距离在该组距离之外时，距离和距离变化率的确定的劣化可能是第一激光源318和第二激光源320的相干长度的有限性的结果。例如，最小距离和最大距离之间的距离可以是相干长度的函数。第一激光源318和第二激光源320的相干长度越长，最小距离和最大距离之间的距离就越大。因此，增加第一激光源318和第二激光源320的相干长度可以通过提供在增大的距离组内进行确定的能力而改进由激光雷达系统310对距离和距离变化率的确定。
在本发明的一些实施例中，第一本振光束342可被分成多个第一本振光束，第二本振光束348可被分成多个第二本振光束。在这种情形下，激光雷达系统310可以包括多个光束延迟器，所述多个光束延迟器可以将不同的延迟周期的延迟应用到多个第一本振光束和多个第二本振光束。这就可以确保多个第一本振光束中的一个和多个第二本振光束中的一个可以在能够使目标的距离和距离变化率被准确确定的延迟周期内被延迟。
相应地，在本发明的一些实施例中，第一激光源318和第二激光源320可以以提高了的相干长度发射啁啾电磁辐射。例如，第一激光源318和/或第二激光源320可以包括如图3所示和以上所描述的系统310。
根据各种实施例，第一目标光束312和第二目标光束314可在不同的光路上被引导到目标316和/或被从目标316接收。在一些实施例中，这些光路可以是相似但不同的。在其它的实施例中，第一目标光束312和第二目标光束314在发射前通过目标光学耦合器326被耦合为组合目标光束352，该组合目标光束352可以沿着公共光路被引导向目标316。在一些实施例中，组合目标光束352(或者第一目标光束312和第二目标光束314，假如分别被引导到目标316)可被目标316反射并沿着与将组合目标光束352引导到目标316的公共光路不同的接收光路被激光雷达系统310接收。这种实施例可以被标示为“收发分置的”。或者，组合目标光束352可以沿着公共光路作为反射的目标光束356被激光雷达系统310接收。这些随后的实施例可以被标示为“收发合置的”。当使用逆向光学装置操作时，收发合置的实施例可以提供优于它们的收发分置的对应物的优点。在收发合置的实施例中，公共光路可以包括光学元件328，该光学元件328可提供用于发射组合目标光束352和接收反射的目标光束356的公共端口。光学元件328可以包括光学循环器、光学耦合器或其它显而易见的光学元件。
在一些实施例中，公共光路可以包括扫描元件337。扫描元件337可包括光学元件，例如，反射镜、透镜、天线，或可以被振荡、旋转、或者要不然被致动以使组合目标光束352能够扫描目标316的其它光学元件。在一些情形下，扫描元件337能进行高速扫描。在传统的系统中，由于斑点或其它能降低系统精确度的光学影响，扫描元件可能是反射镜微分多普勒噪声效应的源。然而，由于激光雷达系统310的多种实施例使用同时测量(或者基本上如此)来精确地确定距离和距离变化率，否则由高速扫描引入的不精确度就可以被避免。
在本发明的一些实施例中，目标光学耦合器354可以将反射的目标光束356分成第一反射目标光束部分358和第二反射目标光束部分360。第一本振光学耦合器330可以将第一本振光束342和第一反射目标光束部分358组合成第一组合目标光束362。第二本振光学耦合器332将第二本振光束348和第二反射目标光束部分360组合成第二组合目标光束364。在图中未示出的一些实施例中，其中，例如第一目标光束312和第二目标光束314可以被分别引导到目标316和/或被从目标316接收，第一本振光学耦合器330可以将被反射的第一目标光束312和第一本振光束342组合以生成第一组合目标光束362，被反射的第二目标光束314可以被与第二本振光束348组合以生成第二组合目标光束364。
由于第一本振光束342和第二本振光束348可以与不同的目标光束或同一目标光束的不同部分(例如，反射的目标光束356)组合，正好在最后处理之前，第一组合目标光束362和第二组合目标光束364可以表示可能在两个分离的但一致的单激光源调频激光雷达系统中所出现的光学信号。例如，激光源控制器336、第一激光源318、第一光学耦合器322、第一光束延迟器344和第一本振光学耦合器330可被视为第一激光雷达部分374，该第一激光雷达部分374产生与第二激光雷达部分376可能产生的第二组合目标光束364分离的第一组合目标光束362。第二激光雷达部分376可以包括第一激光源控制器338、第二激光源320、第二光学耦合器324、第二光束延迟器350和第二本振光束耦合器332。
在一些实施例中，激光雷达系统310可以包括处理器334。处理器334可以包括探测模块366、混合模块368、处理模块370和/或其它的模块。这些模块可以使用硬件(包括光学和探测部件)、软件、固件，或者硬件、软件和/或固件的组合。处理器334可以接收第一组合目标光束362和第二组合目标光束364。基于第一组合目标光束362和第二组合目标光束364，处理器334可以产生距离信号和距离变化率信号。基于距离信号和距离变化率信号，目标316的距离和距离变化率可以被毫无疑义地确定。
在本发明的一些实施例中，处理器334可以确定第一组合本振光束362的第一拍频。第一拍频可以包含由于在路径长度上的不同而导致的第一本振光束342和对应于已从目标316反射的第一目标光束312的反射的目标光束356的分量之间的频率差。处理器334可以确定第二组合本振光束364的第二拍频。第二拍频可以包含由于在路径长度上的不同而导致的第二本振光束348和对应于已从目标316反射的第二目标光束314的反射的目标光束356的分量之间的频率差。第一拍频和第二拍频可以被同时(或基本上如此)确定以消除由于环境和其它影响而引入的噪声。可以采用一个或多个步骤使第一拍频和第二拍频从第一组合目标光束362中的其它频率成分、第二组合目标光束364中的其它频率成分、和/或彼此中区别开。例如，这些措施可以包括使用两个不同的啁啾率分别作为第一啁啾率和第二啁啾率，分别使第一本振光束342和第二本振光束350在第一光束延迟器344和第二光束延迟器350处延迟不同的延迟时间，或者采用其它的措施。
应当明白的是，尽管图3示出了主要使用光纤和光学耦合器的实施本发明的示例实施例，但这个实施例决不应当是限制性的。在本发明范围内存在可替代的实施例，其中，光学元件，例如棱镜、反射镜、半反射镜、分束器、二向色性膜、二向色性棱镜、透镜、或者其它光学元件可用来引导、组合、聚焦、分散、放大，或以其它方式处理电磁辐射。
根据本发明的多种实施例，处理器334可以混合第一组合目标光束362和第二组合目标光束364以产生混合信号。混合信号可以包括对应于第一拍频和第二拍频之和的拍频和分量、和对应于第一拍频和第二拍频之间的差的拍频差分量。对于具有恒定速率的目标来说，第一激光束340和第二激光束346的拍频可以分别被描述为如下：
f 1 ( t ) = 4 πv λ 1 + 2 π γ 1 ( R - R O 1 ) - - - ( 1 )
f 2 ( t ) = 4 πv λ 2 + 2 π γ 2 ( R - R O 2 ) - - - ( 2 )
其中，f1(t)表示第一拍频，f2(t)表示第二拍频，λ1和λ2是两个光学波长，v是目标速度，γ1和γ2与各自的啁啾率成正比，R是测量的距离，RO1和RO2表示对两个激光雷达的距离偏移量。现在假设λ1＝λ2＝λ。我们将两个方程相减得到
f1(t)-f2(t)＝2πR(γ1-γ2)-2π(γ1RO1-γ2RO2)       (3)
重新整理(3)，我们得到
R = ( f 1 ( t ) - f 2 ( t ) ) 2 π ( γ 1 - γ 2 ) + ( γ 1 R O 1 - γ 2 R O 2 ) ( γ 1 - γ 2 ) - - - ( 4 )
作为校正的距离测量。同理，我们可以合并(1)和(2)得到方程
v = λ 4 π ( f 1 ( t ) - γ 1 γ 2 f 2 ( t ) 1 - γ 1 γ 2 ) + λ γ 1 2 ( RO 1 - RO 2 1 - γ 1 γ 2 ) - - - ( 5 )
其给出了目标速度的测量。
根据本发明的多种实施例，拍频和分量，如以上方程(4)所描述的，可以被从混合信号中滤波以产生距离信号。从包含在距离信号中的拍频和分量(例如，f1(t)+f2(t))，可以确定从激光雷达系统310到目标316的距离。基于距离信号的确定可以是准确的，可以不依赖于多普勒频移的瞬态和平均态(例如，v/λ)。
在一些实施例中，拍频差分量，如以上方程(4)所描述的，可以被从混合信号中滤波以产生一个距离变化率信号。从包含在距离变化率信号中的拍频差分量，可以毫无疑义地确定目标316的距离变化率。为确定目标316的距离变化率，
Figure S2006800523718D00201
可表示为与第一啁啾率和第二啁啾率之间的差成正比的值。这能使得多普勒频移信息被提取，其可以表示目标316的瞬时速度(即，距离变化率)。
在本发明的一些实施例中，第二啁啾率可被设为零。换句话说，第二激光源318可以恒定的频率发射辐射。这就使得第二激光源318可以以一种简单的设计、小的光斑、轻的重量、低的成本、或者其它可以给整个系统带来优点的改进来实施。在这些实施例中，激光雷达系统310可以包括频移装置。频移装置可以包括声光调制器372或者其它装置。声光调制器372可以提供对第二本振光束348的频率偏移量，这可以改进下游处理。例如，频率偏移量能使第二本振光束348和代表固定目标的距离变化率的第二反射目标光束部分360之间的固定的目标光束频率从零偏移，使得目标的运动方向，以及运动的速率的幅值，都可以从拍频中确定。本发明的这个实施例的更大的优点在于允许不间断地监测目标距离变化率，而不会被周转或反激的啁啾(chirp turn-around or fly back)中断。周转或反激的啁啾可以产生时间间隔，在这个过程中对啁啾的激光雷达部分来说，准确测量是不可能的。在这些实施例中，当激光雷达系统310保持测量距离和距离变化率两者的能力时，激光雷达部分376可以仅确定目标316的距离变化率。
图4示出了根据本发明一个实施例的处理器334。处理器334可以数字地混合第一组合目标光束362和第二组合目标光束364。例如，处理器334可以包括第一探测器410和第二探测器412。第一探测器410可以接收第一组合目标光束362，并可以产生对应于第一组合目标光束362的第一模拟信号。第一模拟信号可以通过第一转换器414被转换为第一数字信号。处理器334可以包括第一频率数据模块416，该第一频率数据模块416可以确定对应于第一数字信号中的一个或多个频率分量的第一组频率数据。在一些情形下，第一数字信号可以在第一平均器模块418处被求平均。在这种情形下，平均的第一数字信号然后可以被传送到第一频率数据模块416。
第二探测器412可以接收第二组合目标光束364，并可以产生对应于第二组合目标光束364的第二模拟信号。第二模拟信号可以通过第二转换器420被转换为第二数字信号。处理器334可以包括第二频率数据模块422，该第二频率数据模块422可以确定对应于第二数字信号中的一个或多个频率分量的第二组频率数据。在一些情形下，第二数字信号可以在第二平均器模块424处被求平均。在这种情形下，平均的第二数字信号然后可以被传送到第二频率数据模块422。
第一组频率数据和第二组频率数据可以通过频率数据组合模块426被接收。频率数据组合模块426可以线性地组合第一组频率数据和第二组频率数据，并从混合的频率数据产生距离变化率信号和距离信号。
图5示出了根据本发明另一个实施例的处理器334。处理器334可以包括分别接收第一组合目标光束362和第二组合目标光束364的第一探测器510和第二探测器512。第一探测器510和第二探测器512可以产生分别与第一组合目标光束362和第二组合目标光束364相关的第一模拟信号和第二模拟信号。处理器334可以电子地混合第一组合目标光束362和第二组合目标光束364以产生距离信号和距离变化率信号。例如，处理器334可以包括调制器514。调制器514可以将由第一探测器510产生的第一模拟信号和由第二探测器512产生的第二模拟信号相乘以生成组合模拟信号。在这样的实施例中，处理器334可以包括接收组合模拟信号的第一滤波器516和第二滤波器518。第一滤波器516可以对组合模拟信号进行滤波以产生第一滤波信号。在一些情形下，第一滤波器516可以包括低通滤波器。第一滤波信号可以被第一转换器520转换以产生距离变化率信号。第二滤波器518可以对组合模拟信号进行滤波以产生第二滤波信号。例如，第二滤波器518可以包括高通滤波器。第二滤波信号可以被第二转换器522转换以产生距离信号。
图6示出了根据本发明又一实施例的处理器334。处理器334可以光学地混合第一组合目标光束362和第二组合目标光束364以产生距离信号和距离变化率信号。例如，处理器334可以包括接收第一组合目标光束362和第二组合目标光束364并基于该探测产生组合模拟信号的探测器610。在这样的实施例中，处理器334可以包括接收组合模拟信号的第一滤波器612和第二滤波器614。第一滤波器612可以对组合模拟信号进行滤波以产生第一滤波信号。第一滤波器612可以包括低通滤波器。第一滤波信号可以被第一转换器616转换以产生距离变化率信号。第二滤波器614可以对组合模拟信号进行滤波以产生第二滤波信号。例如，第二滤波器614可以包括高通滤波器。第二滤波信号可以被第二转换器618转换以产生距离信号。
尽管本发明出于解释的目的已经详细描述了目前认为的最实用的和最优的实施例，但应当理解，这些细节仅是为了解释的目的，本发明并不局限于公开的实施例，相反地，在所附权利要求的实质和范围内的变形和等同物的配置都被本发明所覆盖。例如，应当理解，这样考虑本发明，在某种可能的程度上，任何实施例的一个或多个特征都能与任何其它实施例的一个或多个特征进行组合。

Claims (19)

1.一种用于确定与人的眼球相关的位置和/或运动信息的系统，眼球位于人的眼窝中，该系统包括：
激光雷达系统，其提供电磁辐射到眼球表面上的一个或多个点并接收从所述的眼球表面上的一个或多个点反射的电磁辐射，并且，通过提取多普勒频移信息，在基本上相同的时间点上由所接收到的电磁辐射确定所述的眼球表面上的一个或多个点中的每一个点的距离和瞬时速度；和
监测器模块，其至少部分地基于激光雷达系统确定的距离和瞬时速度来确定与眼球的位置和/或运动相关的信息。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述的眼球表面上的一个或多个点包括眼球表面上的三个以上的点。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述的眼球表面上的三个以上的点包括不位于眼球的同一个大圆上的眼球表面上的至少三个点。
4.如权利要求2所述的系统，其中激光雷达系统同时向眼球上的多个点发射辐射束，从而在相同的时间点上确定所述三个以上的点中的至少两个点的距离和瞬时速度。
5.如权利要求2所述的系统，其中激光雷达系统发射辐射束，所述辐射束相继地扫描到所述眼球表面上的三个以上的点中的至少两个点，从而在基本上相同的时间点上确定所述眼球表面上的点中的至少两个点的距离和瞬时速度。
6.如权利要求1所述的系统，其中与眼球的位置和/或运动相关的信息包括眼球的位置、眼球的平移速度、眼球的平移加速度、眼球的平移加加速度、眼球在眼窝里的旋转速度、眼球在眼窝里的旋转加速度中的一个或多个。
7.如权利要求1所述的系统，其中监测器模块确定与眼窝的位置和/或运动相关的信息，并使用与眼窝的位置和/或运动相关的信息来确定与眼窝里的眼球的位置和/或运动相关的信息。
8.如权利要求7所述的系统，所述系统进一步包括视频成像系统，该视频成像系统捕获该眼窝的视频短片，其中，监测器模块至少部分地基于对由视频成像系统捕获的眼窝的视频短片的处理来确定与眼窝的位置和/或运动相关的信息。
9.如权利要求7所述的系统，其中，激光雷达系统包括：
第一相干激光雷达部分，该第一相干激光雷达部分包括：
激光源，其产生第一激光束；和
干涉仪，其将该第一激光束分离成第一目标光束和第一本振光束，并由从眼球上的一个或多个点中的一个点反射的该第一目标光束的第一反射部分和该第一本振光束产生第一组合目标光束；
第二相干激光雷达部分，该第二相干激光雷达部分包括：
激光源，其产生第二激光束；和
干涉仪，其将该第二激光束分离成第二目标光束和第二本振光束，该第二目标光束在与该第一目标光束相同的位置处入射在目标上，并且，该干涉仪从眼球上的一个或多个点中的一个点反射的该第二目标光束的第二反射部分和该第二本振光束产生第二组合目标光束；
处理器，其从第一组合目标光束和第二组合目标光束毫无疑义地确定眼球上的一个或多个点中的每一个点的距离和瞬时速度。
10.一种确定与人的眼球的位置和/或运动相关的信息的方法，眼球位于人的眼窝中，该方法包括：
提供电磁辐射到眼球表面上的一个或多个点；
接收从所述的眼球表面上的一个或多个点反射的电磁辐射；
通过提取多普勒频移信息，在基本上相同的时间点上由从所述的眼球表面上的一个或多个点反射的所述电磁辐射确定所述的眼球表面上的一个或多个点中的每一个点的距离和瞬时速度，和
至少部分地基于确定的距离和瞬时速度来确定与眼球的位置和/或运动相关的信息。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述的眼球表面上的一个或多个点包括眼球表面上三个以上的点。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述的眼球表面上的三个以上的点包括不位于眼球的同一个大圆上的眼球表面上的至少三个点。
13.如权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括将来自激光雷达系统的辐射束同时引导到眼球表面上的三个以上的点中的至少两个点。
14.如权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括将来自激光雷达系统的单一辐射束相继地引导到眼球表面上的三个以上的点中的至少两个点。
15.如权利要求10所述的方法，其中与眼球的位置和/或运动相关的信息包括眼球的位置、眼球的平移速度、眼球的平移加速度、眼球的平移加加速度、眼球在眼窝里的旋转速度、眼球在眼窝里的旋转加速度中的一个或多个。
16.如权利要求10所述的方法，确定与眼球的位置和/或运动相关的信息包括：
确定与眼窝的位置和/或运动相关的信息；
使用与眼窝的位置和/或运动相关的信息来确定与眼窝里的眼球的位置和/或运动相关的信息。
17.如权利要求10所述的方法，所述方法进一步包括：捕获该眼窝的视频短片，其中，至少部分地基于确定的距离和瞬时速度来确定与眼球的位置和/或运动相关的信息包括至少部分地基于(i)确定的距离和瞬时速度以及(ii)捕获的视频短片来确定与眼球的位置和/或运动相关的信息。
18.一种用于确定与人的眼球相关的位置和/或运动信息的系统，眼球位于人的眼窝中，该系统包括：
激光雷达系统，其提供电磁辐射到眼球表面上的一个或多个点并接收从所述的眼球表面上的一个或多个点反射的电磁辐射，并且，通过提取多普勒频移信息，在基本上相同的时间点上由所接收到的电磁辐射确定所述的眼球表面上的一个或多个点中的每一个点的距离和瞬时速度，
视频成像系统，其捕获眼窝的视频短片，其中监测器模块至少部分地基于对由该视频成像系统捕获的眼窝的视频短片的处理来确定与眼窝的位置和/或运动相关的信息；
监测器模块，其(i)至少部分地基于对由该视频成像系统捕获的眼窝的视频短片的处理来确定与眼窝的运动相关的信息，以及(ii)至少部分地基于由该激光雷达系统确定的瞬时速度和眼窝运动相关的信息来确定与眼窝里的眼球的运动相关的信息。
19.如权利要求18所述的系统，其中与眼窝里的眼球的运动相关的信息包括相对于两个旋转自由度的眼窝里的眼球的旋转速度。
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