一种用于眼动跟踪的紧凑型巩膜血管成像装置设计.docx

摘要

针对目前常用的便携式眼动仪存在易受外界环境以及使用者生理和心理状态变化等因素影

响的问题,提出一种可用于眼动跟踪的紧凑型巩膜血管成像装置。该成像装置由一块主透

镜、一块微透镜阵列以及一个成像探测器组成,其中主透镜的焦距等于眼球表面到主透镜的

距离,成像探测器位于微透镜阵列的 1 倍焦距处。为了进一步减小整个成像装置的体积,采

用直角棱镜将光路进行两次转折,按照光路顺序依次是成像物体、主透镜、直角棱镜、反射

面 1、反射面 2、微透镜阵列和成像探测器。结果表明,该装置基于微透镜阵列实现巩膜血

管的近距离清晰成像,能够获得巩膜血管的多孔径图像阵列,具有体积小、景深大和分辨力

高的特点。

lens, and the imaging detector is located at one focal length of the microlens array. In

order to further reduce the volume of the whole imaging device, a rectangular prism is

used to turn the optical path twice, which is the imaging object, the main lens, the

rectangular prism, the reflective surface 1, the reflective surface 2, the microlens array,

and the imaging detector in order of the optical path. The results show that the device

can achieve a clear image of scleral vessels at close range based on microlens array,

and can obtain a multi-aperture image array of scleral vessels, which has the

characteristics of small size, large depth of field and high resolution.

1 引言

眼睛是人与外部世界进行交互的重要通道之一,眼睛的视线具有双向性、自然性以及直线性

稳定性好和解算精度高等优点,在便携式眼动跟踪装置中被广泛采用。Li 等

[4]

使用单个摄像

机来获取瞳孔与角膜的反射光斑,当头部静止时眼动跟踪精度约为 1°。Sigut 等

[5]

采用二阶

多项式拟合模型并结合瞳孔-角膜反射光斑法对注视点进行跟踪,当头部静止时跟踪精度约

为 0.75°。Beymer 等

取瞳孔中心区域的边界,当头部静止时跟踪精度约为 0.6°。Lee 等

系统上,并增加头部姿势跟踪器进行头动补偿,在允许头部运动的情况下,眼动跟踪精度约为

由于瞳孔-角膜反射光斑法需要使用红外光源进行照明,才能实现瞳孔和角膜上反射光斑图

像的采集,因此在实际使用的过程中存在一定的不足。一是在自然环境中很难完全消除外部

光照的干扰,所以影响图像的成像质量。二是瞳孔会随着使用者身体状态和情绪等因素的变

化而变化,所以影响眼动和视线方向的解算精度。此外,当采集瞳孔的位置信息时,图像采集

装置需要安装在眼球的正前方,这会对人的正常视线造成遮挡。

相比于瞳孔和角膜的反射光斑,巩膜血管特征是一种非常稳定的生物特征,具有更好的稳定

性,在可见光模式以及近红外模式下均可成像,Crihalmeanu 等

[10]

认为这一特性更有利于巩膜

血管特征在自然光照条件下的检测。采集人眼巩膜血管特征的眼部成像装置可以安装在眼

睛的侧前方,这可以避免对人眼正常视线的遮挡。但传统光学成像装置所得到的景深较小,

本文设计的巩膜血管成像装置安装在眼睛的侧前方(图 1),成像系统与眼球表面的距离约为

25 mm。由于眼球表面有一定的曲率,所以单侧巩膜表面到成像系统入瞳面的距离变化较

大,最大可达 4 mm,为此传统的近距离光学成像模型无法对大范围的巩膜血管进行清晰成

像。

图 1. 紧凑型巩膜血管成像装置的相对位置

Fig. 1. Relative position of compact sclera angiography device

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本文设计一种基于微透镜阵列的巩膜血管成像装置,该成像装置由一块主透镜、一块微透镜

阵列以及一个成像探测器组成,如图 2 所示,其中 d 为微透镜的中心距,M 为微透镜阵列的透

镜列数,N 为微透镜阵列的透镜行数,x

为成像探测器的像元列数,y

为成像探测器的像元行

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3 紧凑型巩膜血管成像装置的设计