[go: up one dir, main page]

KR20260014646A - Eye tracking system and method - Google Patents

Eye tracking system and method

Info

Publication number
KR20260014646A
KR20260014646A KR1020257042980A KR20257042980A KR20260014646A KR 20260014646 A KR20260014646 A KR 20260014646A KR 1020257042980 A KR1020257042980 A KR 1020257042980A KR 20257042980 A KR20257042980 A KR 20257042980A KR 20260014646 A KR20260014646 A KR 20260014646A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
eye
optical sensor
projection means
reflection
purkinje
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
KR1020257042980A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
보리스 그린버그
데어 템펠 바르트 반
Original Assignee
보셀센서스, 소시에떼 아 헤스퐁사빌리떼 리미떼
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 보셀센서스, 소시에떼 아 헤스퐁사빌리떼 리미떼 filed Critical 보셀센서스, 소시에떼 아 헤스퐁사빌리떼 리미떼
Publication of KR20260014646A publication Critical patent/KR20260014646A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0093Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for monitoring data relating to the user, e.g. head-tracking, eye-tracking
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01Head-up displays
    • G02B27/017Head mounted
    • G02B27/0172Head mounted characterised by optical features

Abstract

본 발명은 눈 추적 시스템(100)에 관한 것이다. 상기 시스템은 눈(1)의 각막(2)의 미리정해진된 영역에 광 빔(4)을 투사하도록 구성된 적어도 하나의 투사 수단(3)을 포함한다. 상기 시스템은, 눈(1)로부터 반사된 광(5)을 감지하고, 그 위에 검출 위치를 결정할 수 있는 적어도 하나의 광학 센서(6)를 더 포함한다. 상기 눈(1)로부터 반사된 광(5)은 적어도 하나, 바람직하게는 두 개의 정반사(specular reflection)를 포함하며, 바람직하게는 적어도 제1 푸르키녜 반사(P1), 더 바람직하게는 적어도 제1 푸르키녜 반사(P1) 및 제4 푸르키녜 반사(P4)를 포함한다. 상기 시스템(100)은 상기 검출 위치 및/또는 그 변위를 기반으로 상기 눈(1)의 횡방향 이동 및/또는 각도 이동 또는 그 변화를 계산하도록 구성된다.The present invention relates to an eye tracking system (100). The system comprises at least one projection means (3) configured to project a light beam (4) onto a predetermined area of the cornea (2) of an eye (1). The system further comprises at least one optical sensor (6) capable of detecting light (5) reflected from the eye (1) and determining a detection position thereon. The light (5) reflected from the eye (1) comprises at least one, preferably two, specular reflections, preferably at least a first Purkinje reflection (P1), more preferably at least a first Purkinje reflection (P1) and a fourth Purkinje reflection (P4). The system (100) is configured to calculate a lateral movement and/or an angular movement or a change thereof of the eye (1) based on the detection position and/or the displacement thereof.

Description

눈 추적 시스템 및 방법Eye tracking system and method

본 발명은 광학 감지 시스템 분야에 대한 것이며, 더 구체적으로는 눈 추적을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to the field of optical sensing systems, and more particularly to systems and methods for eye tracking.

광학 센싱 시스템들은 다양한 적용 분야에 사용되며, 그 중 하나는 눈 추적이며, 이는 증강 현실(AR), 가상 현실(VR), 및 혼합 현실(XR) 분야에서 특히 중요하다. 많은 경우에, 이러한 시스템은 사용자들의 눈들에 매우 가깝게 위치되며, 예를 들어, 하나의 안경 또는 헤드 장착 시스템 상에 위치된다. 이러한 시스템은 전형적으로 눈의 전체 영역 상으로 특정 파장의 광을 방출하고, 역반사를 관찰하고 이를 분석함으로써 동작한다. 이는 방출된 광의 광학 전력이 눈의 안전을 보장하기 위해 매우 낮아야 하므로 문제가 된다. 그러나, 이러한 시스템을 개발하는 것은 용이하지 않으며, 특히 안경 하부의 영역(예를 들어 VR 안경)이 통상적으로 어둡기 때문에, 이는 시스템이 어두운 환경에서 동작해야 함을 암시하고, 이는 시스템이 환경 내의 다른 광원들을 사용하지 않고서, 즉 환경 내의 광원들의 다른 주변 반사들과 구별하여 자체의 광원들만을 식별해야 함을 의미한다. 추가로, 신호 대 잡음비 또한 가능한 한 높아야 한다. 개선을 위한 또 다른 영역은 시스템의 정확도이다. 한편으로, 시스템을 작게 만드는 것은 정확도를 또한 감소시키는데, 이는 눈의 배향에서의 작은 변화들이 감지하기 어려워지기 때문이다. 이에 더하여, 이러한 시스템은 전력 효율적이어야 하고 매우 낮은 지연으로 눈의 배향을 감지할 수 있어야 한다.Optical sensing systems are used in a variety of applications, one of which is eye tracking, which is particularly important in augmented reality (AR), virtual reality (VR), and mixed reality (XR). In many cases, these systems are positioned very close to the user's eyes, for example, on a pair of eyeglasses or a head-mounted system. These systems typically operate by emitting light of a specific wavelength over the entire area of the eye, observing and analyzing the reflected light. This is challenging because the optical power of the emitted light must be very low to ensure eye safety. However, developing such systems is challenging, especially since the area under the eyeglasses (e.g., VR glasses) is typically dark. This means the system must operate in a dark environment, meaning it must identify its own light sources without relying on other light sources in the environment, distinguishing them from other ambient reflections. Additionally, the signal-to-noise ratio must be as high as possible. Another area for improvement is the accuracy of the system. On the other hand, making the system smaller also reduces accuracy, as small changes in eye orientation become harder to detect. Furthermore, such a system must be power-efficient and capable of detecting eye orientation with very low latency.

따라서, 정확하고, 저전력이며, 저지연이고, 안전한 눈 추적을 가능하게 하는 광학 센싱 시스템들에 대한 필요성이 존재한다. 본 발명의 눈에 관한 발명은 상기에서 언급된 문제들 중 일부를 해결하거나 적어도 개선하는 것을 목표로 한다.Therefore, there is a need for optical sensing systems that enable accurate, low-power, low-latency, and safe eye tracking. The present invention relates to the eye and aims to address or at least improve upon some of the problems mentioned above.

제1 측면에서, 본 발명은 3D 이미징을 위한 광학 센싱 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 눈의 각막의 미리정해진 영역에서 투사 출력(projection output)을 투사하도록 구성된 적어도 하나의 투사 수단을 포함한다. 시스템은 또한 눈으로부터의 반사광을 감지하고 그 상에서의 검출 위치를 결정할 수 있는 적어도 하나의 광학 센서를 더 포함한다. 시스템은 검출 위치 및/또는 그 변위에 기초하여 눈의 횡방향 이동(lateral translation) 및/또는 각도 이동(angular translation), 및/또는 그 변화를 계산하도록 구성된다. 눈으로부터의 반사광은 적어도 하나의 반사를 포함하며, 바람직하게는 두 개의 반사를 포함하고, 바람직하게는 적어도 제1 푸르키녜 반사를 포함하며, 더욱 바람직하게는 적어도 제1 푸르키녜 반사 및 제4 푸르키녜 반사를 포함한다.In a first aspect, the present invention relates to an optical sensing system for 3D imaging. The system comprises at least one projection means configured to project a projection output onto a predetermined area of the cornea of an eye. The system further comprises at least one optical sensor capable of detecting a reflected light from the eye and determining a detection position thereon. The system is configured to calculate a lateral translation and/or an angular translation of the eye and/or a change thereof based on the detection position and/or the displacement thereof. The reflected light from the eye comprises at least one reflection, preferably two reflections, preferably at least a first Purkinje reflection, more preferably at least a first Purkinje reflection and a fourth Purkinje reflection.

본 발명의 제1 측면의 바람직한 실시예들은 다음 특징들 중 하나 이상 또는 그에 적합한 조합을 포함한다:Preferred embodiments of the first aspect of the present invention comprise one or more of the following features or a suitable combination thereof:

- 상기 적어도 하나의 투사 수단은, 상기 적어도 하나의 반사가 상기 광학 센서에 의해 수신되도록 위치된 하나의 이동 가능한 투사 수단이거나, 또는 상기 적어도 하나의 투사 수단이 복수의 투사 수단들이고, 바람직하게는 1차원 또는 2차원 어레이로 어레이되고, 상기 시스템은 상기 적어도 하나의 반사가 상기 광학 센서에 의해 수신되게 야기하는 적어도 하나의 투사 수단을 찾도록 구성되며, 바람직하게는 적어도 제1 푸르키녜 반사 및 제4 푸르키녜 반사이다.- wherein said at least one projection means is a single movable projection means positioned such that said at least one reflection is received by said optical sensor, or wherein said at least one projection means is a plurality of projection means, preferably arranged in a one-dimensional or two-dimensional array, and wherein said system is configured to find at least one projection means that causes said at least one reflection to be received by said optical sensor, preferably at least a first Purkinje reflection and a fourth Purkinje reflection.

- 상기 복수의 투사 수단들에서 상기 적어도 하나의 투사 수단은 검출 위치 및/또는 그 변위에 기초하여 다른 투사 수단으로 전환된다.- Among the plurality of projection means, at least one projection means is switched to another projection means based on the detection position and/or its displacement.

- 각각의 광검출기(photodetector)는 단일 광자들을 감지할 수 있는 단일 광자 애벌랜치 검출기 SPAD(single photon avalanche detector SPAD)이다.- Each photodetector is a single photon avalanche detector (SPAD) that can detect single photons.

- 상기 광학 센서는 복수의 센싱 유닛들을 포함하며, 바람직하게는 픽셀들의 매트릭스를 형성하고, 상기 각 센싱 유닛은 광검출기를 포함한다.- The optical sensor comprises a plurality of sensing units, preferably forming a matrix of pixels, each sensing unit comprising a photodetector.

- 상기 시스템은 상기 복수의 센싱 유닛들 중 하나의 센싱 유닛에 의해 결정된 검출 위치를, 상기 하나의 센싱 유닛에 인접한 적어도 하나의 이웃 센싱 유닛 상에서의 상기 감지의 존재에 기초하여, 또는 적어도 두 개의 연속적인 시간 단계들에 걸친 상기 감지의 존재에 기초하여, 필터링하도록 구성된다.- The system is configured to filter a detection location determined by one of the plurality of sensing units based on the presence of the detection on at least one neighboring sensing unit adjacent to the one sensing unit, or based on the presence of the detection over at least two consecutive time steps.

- 상기 적어도 하나의 광학 센서는, 눈의 수평 축을 따라 눈 이미지 평면 상에서 적어도 5 밀리미터의 최소 시야를 가지며, 바람직하게는 적어도 10 밀리미터이고, 더욱 바람직하게는 적어도 15 밀리미터이며, 상기 시야는 적어도 상기 최소 시야에 해당하는 전체 시야를 갖는 하나의 광학 센서에 의해 커버되거나, 적어도 상기 최소 시야에 해당하는 전체 시야를 갖도록 위치가 이동 가능한 하나의 이동 가능한 광학 센서에 의해 커버되거나, 적어도 상기 최소 시야에 해당하는 전체 시야를 갖는 복수의 광학 센서들에 의해 커버된다.- Said at least one optical sensor has a minimum field of view of at least 5 millimeters on the eye image plane along the horizontal axis of the eye, preferably at least 10 millimeters, more preferably at least 15 millimeters, said field of view being covered by one optical sensor having a full field of view at least corresponding to said minimum field of view, or by one movable optical sensor whose position is movable to have a full field of view at least corresponding to said minimum field of view, or by a plurality of optical sensors having a full field of view at least corresponding to said minimum field of view.

- 상기 투사 수단은 재배향되도록 구성되며, 이로써 눈이 회전하는 경우 상기 투사 출력이 각막의 상기 미리정해진 영역에 유지되고, 상기 재배향은 감지 위Δ 및/또는 그 변위에 기초한다.- The projection means is configured to be reoriented so that the projection output is maintained in the predetermined area of the cornea when the eye rotates, the reorientation being based on the detection position Δ and/or its displacement.

- 상기 시스템은 반사 수단들을 더 포함하며, 바람직하게는 동적 편향 미러이고, 더욱 바람직하게는 MEMS이며, 상기 투사 출력은 상기 반사 수단으로 투사되어 상기 반사 수단이 상기 투사 출력을 각막의 상기 미리정해진 영역으로 반사하고, 상기 반사 수단은 재배향되도록 구성되어, 눈이 회전하는 경우 상기 투사 출력이 각막의 상기 미리정해진 영역에 유지되며, 상기 재배향은 검출 위치 및/또는 그 변위에 기초한다.- The system further comprises reflecting means, preferably dynamic deflection mirrors, more preferably MEMS, wherein the projection output is projected onto the reflecting means such that the reflecting means reflects the projection output onto the predetermined area of the cornea, the reflecting means being configured to be reoriented so that when the eye rotates, the projection output remains in the predetermined area of the cornea, the reorientation being based on the detection position and/or displacement thereof.

- 상기 시스템은 상기 복수의 투사 수단들에서 적어도 하나의 상이한 투사 수단을 찾도록 구성되며, 상기 상이한 투사 수단은 제4 푸르키녜 반사가 상기 광학 센서에 의해 수신되게 한다.- The system is configured to find at least one different projection means among the plurality of projection means, wherein the different projection means causes a fourth Purkinje reflection to be received by the optical sensor.

- 상기 시스템은 각막 상의 미리정해진 스캐닝 궤적을 따라 투사 수단의 투사 출력을 스캐닝함으로써 보정된다.- The above system is calibrated by scanning the projection output of the projection means along a predetermined scanning trajectory on the cornea.

- 상기 적어도 하나의 광학 센서는 상기 적어도 하나의 반사의 위치 또는 위치들을 측정하도록 구성되며, 상기 위치 또는 위치들을 상기 센서의 출력에서 제공한다.- The at least one optical sensor is configured to measure the position or positions of the at least one reflection and provides the position or positions in an output of the sensor.

- 상기 적어도 하나의 광학 센서는 제1 광학 센서 및 제2 광학 센서를 포함하며, 각 광학 센서는 서로 다른 반사를 수신하도록 구성된다.- The at least one optical sensor comprises a first optical sensor and a second optical sensor, each optical sensor being configured to receive different reflections.

- 상기 광학 센서는 동공(pupil)의 공준면(conjugate plane)에 위치된다.- The above optical sensor is positioned on the conjugate plane of the pupil.

- 상기 투사 수단은 펄싱된 모드로 동작되며, 각 펄스는 제1 미리정해진 강도 또는 제2 미리정해진 강도를 가지거나, 또는 각 펄스는 제1 미리정해진 펄스 폭 또는 제2 미리정해진 펄스 폭을 가지며, 제1 미리정해진 강도 또는 제1 미리정해진 펄스 폭은 하나의 반사가 상기 광학 센서에 의해 수신되게 하도록 구성되고, 제2 미리정해진 강도 또는 제2 미리정해진 펄스 폭은 하나의 상이한 반사가 상기 광학 센서에 의해 수신되게 하도록 구성된다.- The projection means is operated in a pulsed mode, each pulse having a first predetermined intensity or a second predetermined intensity, or each pulse having a first predetermined pulse width or a second predetermined pulse width, wherein the first predetermined intensity or the first predetermined pulse width is configured to cause one reflection to be received by the optical sensor, and the second predetermined intensity or the second predetermined pulse width is configured to cause one different reflection to be received by the optical sensor.

- 상기 적어도 하나의 광학 센서는 상기 광학 센서 상에서의 적어도 두 개의, 바람직하게는 두 개의, 검출 위치들을 동시에 측정하도록 구성되며, 상기 위치들을 상기 센서의 출력에서 제공하고, 상기 위치들 각각은 서로 다른 정반사(specular reflection)에 대응한다.- The at least one optical sensor is configured to simultaneously measure at least two, preferably two, detection positions on the optical sensor, providing the positions at an output of the sensor, each of the positions corresponding to a different specular reflection.

제2 측면에서, 본 발명은 제1 측면에 따른 눈 추적 시스템을 사용하는 디스플레이 시스템에 관한 것이다.In a second aspect, the present invention relates to a display system using an eye tracking system according to the first aspect.

제3 측면에서, 본 발명은 눈의 배향을 추적하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 다음 단계들을 포함한다:In a third aspect, the present invention relates to a method for tracking eye orientation. The method comprises the following steps:

- 투사 수단에 의해, 바람직하게는 펄싱된 모드로, 상기 각막의 미리정해진 영역 상에 집속된 광 빔으로 추적될 눈의 각막을 조명하는 단계;- illuminating the cornea of the eye to be traced with a light beam focused on a predetermined area of the cornea, preferably in a pulsed mode, by means of a projection means;

- 적어도 하나의 광학 센서에 의해 눈으로부터의 반사광을 감지하는 단계로서, 상기 반사광은 적어도 하나의, 바람직하게는 두 개의, 정반사를 포함하고, 상기 반사는 바람직하게는 적어도 제1 푸르키녜 반사이며, 더욱 바람직하게는 적어도 제1 푸르키녜 반사 및 제4 푸르키녜 반사인 단계;- A step of detecting a reflection from an eye by at least one optical sensor, wherein the reflection comprises at least one, preferably two, specular reflections, the reflections being preferably at least a first Purkinje reflection, more preferably at least a first Purkinje reflection and a fourth Purkinje reflection;

- 상기 적어도 하나의 광학 센서 상에서의 검출 위치를 결정하는 단계;- a step of determining a detection position on at least one optical sensor;

- 결정된 검출 위치 및/또는 그 변위로부터, 상기 눈의 배향 및/또는 위치(예를 들어, 눈의 횡방향 위치 및/또는 각도 위치) 및/또는 그 변화를 계산하는 단계.- A step of calculating the orientation and/or position of the eye (e.g., the transverse position and/or angular position of the eye) and/or the change thereof from the determined detection position and/or the displacement thereof.

본 발명의 제3 측면의 바람직한 실시예들은 다음 특징들 중 하나 이상 또는 그에 적합한 조합을 포함한다:Preferred embodiments of the third aspect of the present invention comprise one or more of the following features or a suitable combination thereof:

o 상기 투사 수단은 하나의 이동 가능한 투사 수단이며, 상기 방법은 상기 반사광이 상기 광학 센서에 의해 수신되도록 상기 투사 수단을 위치시키는 단계를 포함하거나; 또는o the projection means is a single movable projection means, and the method comprises the step of positioning the projection means so that the reflected light is received by the optical sensor; or

o 상기 투사 수단은 1차원 또는 2차원 어레이로 배치된 복수의 투사 수단들이며, 상기 방법은 상기 반사광이 상기 광학 센서에 의해 수신되게 하는 적어도 하나의 투사 수단을 찾는 단계를 포함하고,o The projection means are a plurality of projection means arranged in a one-dimensional or two-dimensional array, and the method includes a step of finding at least one projection means that causes the reflected light to be received by the optical sensor,

상기 방법은 상기 복수의 투사 수단들에서, 상기 검출 위치 및/또는 그 변위에 기초하여, 하나의 투사 수단으로부터 다른 투사 수단으로 동작을 전환하여 상기 반사광이 상기 광학 센서에 의해 수신되게 하는 단계를 포함하고,The method comprises a step of switching operation from one projection means to another projection means based on the detection position and/or displacement thereof in the plurality of projection means so that the reflected light is received by the optical sensor,

- 상기 광학 센서는 픽셀들의 매트릭스를 형성하는 복수의 센싱 유닛들을 포함하며, 각 센싱 유닛은 광검출기를 포함하고, 바람직하게는 단일 광자 애벌랜치 검출기를 포함하고,- The optical sensor comprises a plurality of sensing units forming a matrix of pixels, each sensing unit comprising a photodetector, preferably a single-photon avalanche detector,

- 상기 방법은 상기 복수의 센싱 유닛들 중 하나의 센싱 유닛에 의해 결정된 검출 위치를, 상기 하나의 센싱 유닛에 인접한 적어도 하나의 이웃 센싱 유닛 위에서의 상기 감지의 존재에 기초하여, 또는 적어도 두 개의 연속적인 시간 단계들에 걸친 상기 감지의 존재에 기초하여 필터링하는 단계를 포함하고,- The method comprises a step of filtering a detection location determined by one of the plurality of sensing units based on the presence of the detection on at least one neighboring sensing unit adjacent to the one sensing unit, or based on the presence of the detection over at least two consecutive time steps,

- 상기 방법은 눈의 수평 축을 따라 눈 이미지 평면 상에서 적어도 5 밀리미터의 최소 시야를 가지도록 상기 적어도 하나의 광학 센서를 구성하는 단계를 더 포함하며, 바람직하게는 적어도 10 밀리미터이고, 더욱 바람직하게는 적어도 15 밀리미터이며, 여기서 상기 시야는:- The method further comprises the step of configuring the at least one optical sensor to have a minimum field of view of at least 5 millimeters on the eye image plane along the horizontal axis of the eye, preferably at least 10 millimeters, more preferably at least 15 millimeters, wherein the field of view is:

o 적어도 상기 최소 시야에 해당하는 전체 시야를 갖는 하나의 광학 센서; 또는o one optical sensor having a full field of view corresponding to at least the minimum field of view; or

o 적어도 상기 최소 시야에 해당하는 전체 시야를 갖도록 위치가 이동 가능한 하나의 이동 가능한 광학 센서; 또는o one movable optical sensor capable of being moved to have a full field of view corresponding to at least the minimum field of view; or

o 적어도 상기 최소 시야에 해당하는 전체 시야를 갖는 복수의 광학 센서들o A plurality of optical sensors having a full field of view corresponding to at least the minimum field of view mentioned above.

에 의해 커버되고,Covered by,

- 상기 방법은, 눈이 회전하는 경우 상기 광 빔이 상기 각막의 상기 미리정해진 영역에 유지되도록, 상기 검출 위치 및/또는 그 변위에 기초하여 상기 투사 수단을 재배향하는 단계를 더 포함한다.- The method further comprises a step of reorienting the projection means based on the detection position and/or its displacement so that the light beam remains in the predetermined area of the cornea when the eye rotates.

- 상기 방법은: - The above method:

o 상기 광 빔을 반사 수단 상으로 투사하는 단계;o A step of projecting the above light beam onto a reflecting means;

o 상기 광 빔을 각막의 상기 미리정해진 영역으로 반사하는 단계;o A step of reflecting the light beam onto the predetermined area of the cornea;

o 상기 검출 위치 및/또는 그 변위에 기초하여, 눈이 회전하는 경우 상기 광 빔이 각막의 상기 미리정해진 영역에 유지되도록 상기 반사 수단을 재배향하는 단계o a step of reorienting the reflecting means so that the light beam remains in the predetermined area of the cornea when the eye rotates based on the detection position and/or its displacement;

를 더 포함하고, Including more,

- 상기 방법은, 상기 복수의 투사 수단들에서 제4 푸르키녜 반사가 상기 광학 센서에 의해 수신되게 하는 적어도 하나의 상이한 투사 수단을 찾는 단계를 더 포함하고,- The method further comprises the step of finding at least one different projection means among the plurality of projection means that causes the fourth Purkinje reflection to be received by the optical sensor,

- 상기 방법은 각막 상의 미리정해진 스캐닝 궤적을 따라 광 빔을 스캐닝하는 단계를 포함하고,- The method comprises a step of scanning a light beam along a predetermined scanning trajectory on the cornea,

- 상기 적어도 하나의 광학 센서는 제1 광학 센서 및 제2 광학 센서를 포함하며, 상기 방법은:- wherein said at least one optical sensor comprises a first optical sensor and a second optical sensor, and said method comprises:

o 하나의 반사를 수신하도록 제1 광학 센서를 구성하는 단계; 및o Configuring a first optical sensor to receive one reflection; and

o 하나의 상이한 반사를 수신하도록 제2 광학 센서를 구성하는 단계o A step of configuring a second optical sensor to receive one different reflection.

를 더 포함하고,Including more,

- 상기 방법은 상기 광학 센서를 동공의 공준면에 위치시키는 단계를 포함하고,- The method includes a step of positioning the optical sensor on the standard plane of the pupil,

- 상기 방법은:- The above method:

o 투사 수단을 펄싱된 모드로 동작시키는 단계;o A step of operating the projection means in a pulsed mode;

o 각 펄스가 다음을 갖도록 구성하는 단계:o Steps to configure each pulse to have:

■ 제1 미리정해진 강도 또는 제2 미리정해진 강도, 또는■ First predetermined intensity or second predetermined intensity, or

■ 제1 미리정해진 펄스 폭 또는 제2 미리정해진 펄스 폭;■ First predetermined pulse width or second predetermined pulse width;

o 제1 미리정해진 강도 또는 제1 미리정해진 펄스 폭이 하나의 반사가 상기 광학 센서에 의해 수신되게 하도록 적응시키는 단계; 및o a step of adapting a first predetermined intensity or a first predetermined pulse width such that one reflection is received by the optical sensor; and

o 제2 미리정해진 강도 또는 제2 미리정해진 펄스 폭이 하나의 상이한 반사가 상기 광학 센서에 의해 수신되게 하도록 적응시키는 단계o a step of adapting a second predetermined intensity or a second predetermined pulse width such that one different reflection is received by the optical sensor;

를 포함한다. Includes.

본 발명의 상기 및 기타 특성들, 특징들 및 장점들은, 본 발명의 원리들을 예로서 도시하는 첨부 도면들과 함께 고려되는 다음의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다. 이 설명은, 발명의 범위를 제한하지 않고, 오로지 예시를 위한 목적으로 제공된다.The above and other features, characteristics, and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, which illustrate the principles of the present invention by way of example. This description is provided solely for illustrative purposes and is not intended to limit the scope of the invention.

명세서의 일부로 포함되고 이를 구성하는 첨부 도면들은 본 발명의 여러 측면들을 도시하며, 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명하는 역할을 한다. 도면들에서,
도 1은 본 발명에 따른 눈 추적 시스템(100)을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명에 따라 눈(1)의 서로 다른 층들(41-44) 및 상이한 푸르키녜 반사들(P1-P4)을 도시한다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 눈 추적 시스템(100)에 대한 대안적인 구성들을 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명에 따라, (a, b)에서 눈(1)의 서로 다른 부분들에 광을 집속하는 반사 수단들(10)을 도시하고, (c, d)에서 복수의 투사 수단들(3)을 가짐으로써 확장된 초점 깊이가 얻어지는 것을 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 최적화된 눈 추적 시스템의 실시예를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 시스템의 또 다른 실시예를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따라 눈의 하나의 횡방향 위치만을 고려한, 도 7과 유사한 시스템의 실시예를 도시한다.
도 9는 본 발명에 따라 눈의 서로 다른 z-위치들이 고려되는 시스템의 실시예를 도시한다.
본 발명은 특정한 바람직한 실시예들과 관련하여 설명될 것이나, 이에 한정하려는 의도는 없다. 오히려, 첨부된 청구항들에 의해 정의되는 본 발명의 정신 및 범위 내에 포함되는 모든 대안들, 변형들 및 균등물들을 포괄하려는 의도이다.
The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate several aspects of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention. In the drawings:
Figure 1 schematically illustrates an eye tracking system (100) according to the present invention.
Figure 2 illustrates different layers (41-44) of the eye (1) and different Purkinje reflexes (P1-P4) according to the present invention.
Figures 3 and 4 schematically illustrate alternative configurations for the eye tracking system (100) according to the present invention.
FIG. 5 illustrates, according to the present invention, reflective means (10) for focusing light on different parts of the eye (1) in (a, b) and an extended depth of focus obtained by having a plurality of projection means (3) in (c, d).
Figure 6 illustrates an embodiment of an optimized eye tracking system according to the present invention.
Figure 7 illustrates another embodiment of a system according to the present invention.
FIG. 8 illustrates an embodiment of a system similar to FIG. 7, which considers only one transverse position of the eye according to the present invention.
FIG. 9 illustrates an embodiment of a system in which different z-positions of the eye are taken into account according to the present invention.
While the present invention will be described with reference to specific preferred embodiments, it is not intended to be limited thereto. Rather, the intention is to cover all alternatives, modifications, and equivalents falling within the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

제1 측면에서, 본 발명은 눈 추적을 위한 눈 추적 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 눈의 각막의 미리정해진 부분(예를 들어, 영역(area))으로 투사 출력(예를 들어, 광 빔)을 투사하도록 구성된 적어도 하나의 투사 수단을 포함한다. 예를 들어, 상기 투사 수단은 광원이며, 바람직하게는 레이저 출력을 생성할 수 있는 레이저 광원이다. 예를 들어, 상기 투사 수단은 실질적으로 작은 수치 개구를 가지는 광원으로서, 이로 인해 눈 상에서의 광원의 이미지가 실질적으로 작아야 한다. 레이저 광원의 사용은 작은 수치 개구로 인해 유리한데, 이는 얼굴에서 서로 다른 눈 위치 거리를 가지는 서로 다른 사용자들을 수용할 수 있게 하기 때문이다. 예를 들어 사람들은 서로 다른 코 크기들 및 서로 다른 눈들의 깊이들을 가질 수 있으며, 이는 상기 시스템을 눈들로부터 더 멀리 또는 더 가깝게 이동시키게 되지만, 설계에 의해 결정되는 아이 릴리프(eye relief)의 최소 거리보다 더 가까워서는 안 되며, 예를 들어 10 mm이다. 다시 말해, 프로젝터는 눈들이 z-축 상의 어느 거리들에 위치하더라도, 투사 빔의 레일리 길이(Rayleigh length)가 이미징 시스템의 초점 깊이 내에 있도록 해야 한다. 예를 들어, 레일리 길이에 반비례하는 빔의 전체 각도 확산(angular spread)은 가능한 한 작아야 한다. 예를 들어, 레일리 길이는 5 mm 이상일 수 있고, 바람직하게는 10 mm 이상이다.In a first aspect, the present invention relates to an eye tracking system for eye tracking. The system comprises at least one projection means configured to project a projection output (e.g., a light beam) onto a predetermined portion (e.g., an area) of the cornea of the eye. For example, the projection means is a light source, preferably a laser light source capable of generating laser output. For example, the projection means is a light source having a substantially small numerical aperture, such that the image of the light source on the eye is substantially small. The use of a laser light source is advantageous due to the small numerical aperture, as it allows for accommodating different users with different eye position distances from the face. For example, people may have different nose sizes and different eye depths, which may cause the system to be moved further or closer to the eyes, but not closer than a minimum distance determined by the design for eye relief, such as 10 mm. In other words, the projector should ensure that the Rayleigh length of the projected beam remains within the depth of focus of the imaging system, regardless of the distance at which the eyes are positioned along the z-axis. For example, the total angular spread of the beam, which is inversely proportional to the Rayleigh length, should be as small as possible. For example, the Rayleigh length can be greater than 5 mm, and preferably greater than 10 mm.

종래 기술 시스템들은 전체 눈을 커버하는 넓은 빔을 가진다. 이러한 넓은 빔은 눈으로부터의 반사들을 획득하는 것을 보장하지만, 전력이 비효율적이다. 본 발명에서는, 상기 투사 수단이 눈의 작은 부분을 커버하는 좁은 빔을 생성하지만, 여전히 필요한 반사들을 발생시키며, 이에 따라 상기 시스템을 전력 효율적으로 만든다. 예를 들어, 눈 상에서의 투사 출력은 점 형태의 출력이며, 예를 들어 눈 상의 하나의 점 또는 복수의 점들을 포함한다. 예를 들어, 필요한 반사들을 생성하는 데 필요한 최소 스폿 크기를 가지는 빔이며, 예를 들어 광학 센서 상에서 수신되는 반사들이 식별 가능하고 서로 중첩되지 않도록 한다. 예를 들어, 추적 범위에 대해 반사들이 중첩되지 않도록 수치 개구가 충분히 좋아야 한다.Prior art systems have a wide beam that covers the entire eye. While this wide beam ensures that reflections from the eye are captured, it is power-inefficient. In the present invention, the projection means generates a narrow beam that covers a small portion of the eye, while still generating the necessary reflections, thereby making the system power-efficient. For example, the projection output on the eye is a point-shaped output, such as one or more points on the eye. For example, the beam has a minimum spot size necessary to generate the necessary reflections, and for example, the reflections received on the optical sensor are identifiable and do not overlap with each other. For example, the numerical aperture must be sufficiently large to prevent reflections from overlapping over the tracking range.

상기 시스템은 또한 눈으로부터의 반사광을 감지하고 그 상에서의 검출 위치를 결정할 수 있는 적어도 하나의 광학 센서를 더 포함한다. 예를 들어, 투사 수단과 광학 센서는 투사 출력이 눈에 입사되고 반사되어 광학 센서로 수신되도록 위치된다. 이후 광학 센서는 검출 위치를 인식할 수 있으며, 이는 투사 수단의 위치 및 그것이 위치되는 각도와 연관된다.The system further comprises at least one optical sensor capable of detecting light reflected from the eye and determining a detection location thereon. For example, the projection means and the optical sensor are positioned such that the projection output is incident on the eye, reflected, and received by the optical sensor. The optical sensor can then determine the detection location, which is associated with the position of the projection means and the angle at which it is positioned.

상기 투사 수단의 출력은 바람직하게는 펄싱되며, 예를 들어 적어도 1 나노초의 펄스 폭을 가지며, 바람직하게는 적어도 10 나노초이다. 바람직하게는, 펄스 폭은 반사가 과포화되지 않도록 너무 길어서는 안 되지만, 반사가 식별 불가능하거나 감지 불가능하도록 너무 짧아서도 안 된다. 예를 들어, 푸르키녜 반사에 의존하는 경우, 상기 펄스 폭은 제1 푸르키녜 반사가 과포화되지 않도록 충분히 짧아야 하지만, 제4 푸르키녜 반사가 감지 가능하고 식별 가능하도록 충분히 길어야 한다. 예를 들어, 40 나노초이다. 또 다른 구현예는 예상되는 푸르키녜 이미지 강도들 각각에 더 적합한 2개의 펄스 폭들을 정의하는 것이다. 예를 들어, 제1 푸르키녜 반사를 위해 1 나노초 펄스들을 사용할 수 있고, 제4 푸르키녜 반사를 감지하기 위해 펄스 폭을 40 나노초로 증가시킬 수 있다. 이 경우, 제1 푸르키녜 반사는 증가된 광학 에너지로 인해 더 큰 점으로 감지될 수 있으면서, 제4 푸르키녜 반사를 정확하게 감지할 수 있다. 또한, 눈 위치는 이상적으로 10 kHz 영역에서 추적될 필요가 있으므로, 현저히 낮은 듀티 사이클이 달성될 수 있다. 1 나노초 펄스들과, 푸르키녜 반사들의 감지된 위치들의 평균화를 위한 100개의 샘플들을 사용하면, (100 나노초 / 100 마이크로초) = 0.1%의 듀티 사이클이 달성될 수 있다.The output of the above projection means is preferably pulsed, for example having a pulse width of at least 1 nanosecond, and preferably at least 10 nanoseconds. Preferably, the pulse width should not be so long that the reflection is oversaturated, but should not be so short that the reflection is indistinguishable or undetectable. For example, when relying on Purkinje reflections, the pulse width should be short enough that the first Purkinje reflection is not oversaturated, but long enough that the fourth Purkinje reflection is detectable and identifiable. For example, 40 nanoseconds. Another implementation is to define two pulse widths that are more appropriate for each of the expected Purkinje image intensities. For example, 1 nanosecond pulses can be used for the first Purkinje reflection, and the pulse width can be increased to 40 nanoseconds to detect the fourth Purkinje reflection. In this case, the first Purkinje reflex can be detected as a larger dot due to the increased optical energy, while the fourth Purkinje reflex can be accurately detected. Furthermore, since the eye position ideally needs to be tracked in the 10 kHz range, a significantly lower duty cycle can be achieved. Using 1 nanosecond pulses and 100 samples for averaging the detected positions of the Purkinje reflexes, a duty cycle of (100 nanoseconds / 100 microseconds) = 0.1% can be achieved.

상기 시스템은 또한 상기 광학 센서 상에서의 상기 반사광의 검출 위치에 기초하여, 또는 검출 위치의 변화 또는 변위에 기초하여, 횡방향 이동 및/또는 각도 이μ, 및/또는 그 변화를 계산하도록 구성된다. 이러한 계산이 검출 위치에 기초하는 경우, 광학 센서의 크기는 커야 한다. 그러나, 검출 위치의 변위에 기초하는 경우, 센서는 훨씬 더 작을 수 있다. 예를 들어, 눈의 위치 변화가 발견된 후, 투사 수단은 광학 센서의 중심에서 재정렬될 수 있고, 이후 검출 위치의 또 다른 변위를 기다릴 수 있으며, 이는 정기적으로 발생한다. 예를 들어, 제1 눈 위치에서, 투사 출력은 반사되어 광학 센서의 지점 A에서 수신되고, 일정 시간 후의 제2 눈 위치에서, 투사 출력은 반사되어 광학 센서의 지점 B에서 수신된다. 지점 A와 지점 B 사이의 차이에 기초하여, 상기 시스템은 눈의 횡방향 이동 및/또는 각도 이동을 계산하도록 구성되거나 이를 계산할 수 있다.The system is also configured to calculate the lateral displacement and/or angular displacement μ, and/or the change thereof, based on the detection position of the reflected light on the optical sensor, or based on a change or displacement of the detection position. If this calculation is based on the detection position, the size of the optical sensor must be large. However, if it is based on the displacement of the detection position, the sensor can be much smaller. For example, after a change in the position of the eye is detected, the projection means can be realigned at the center of the optical sensor and then wait for another displacement of the detection position, which occurs periodically. For example, at a first eye position, the projection output is reflected and received at point A of the optical sensor, and at a second eye position after a certain time, the projection output is reflected and received at point B of the optical sensor. Based on the difference between points A and B, the system is configured or can calculate the lateral displacement and/or angular displacement of the eye.

눈으로부터의 반사광은 적어도 하나의, 바람직하게는 두 개의, 반사들을 포함하며, 바람직하게는 적어도 제1 푸르키녜 반사를 포함하고, 더욱 바람직하게는 적어도 제1 푸르키녜 반사 및 제4 푸르키녜 반사를 포함한다. 눈 상에서 및 광학 센서 상에서의 푸르키녜 반사들의 개별적인 이동과, 반사들 간의 상대적인 이동에 기초하여, 상기 시스템은 눈의 횡방향 이동 및/또는 각도 이동을 계산할 수 있다. 제1 푸르키녜 반사 및 제4 푸르키녜 반사를 사용하는 장점은, 이들 둘 모두가 동공과 동일한 광학 평면 상에 위치한다는 점이며, 이는 이들의 이미지들이 동공과 동일한 광학 평면 상에 위치되기 때문이다. 그러나, 본 발명은 일반화될 수 있으며, 제2 푸르키녜 반사 및 제3 푸르키녜 반사와 같은 다른 반사들을 사용하여 수행될 수도 있고, 또는 4개의 푸르키녜 반사들 중 임의의 조합을 사용하여 수행될 수도 있다. 횡방향 이동(lateral translation)은 때때로 이동(translation)이라고도 불리며, xyz 방향들에서의 눈의 이동이다, 한편 각도 이동(angular translation)은 때때로 피치(pitch), 요(yaw), 및 롤(roll)이라고도 불리며, 예를 들어 모든 가능한 방향들에서의 눈의 회전이다.The reflected light from the eye comprises at least one, preferably two, reflections, preferably at least a first Purkinje reflection, more preferably at least a first Purkinje reflection and a fourth Purkinje reflection. Based on the individual movements of the Purkinje reflections on the eye and on the optical sensor, and the relative movements between the reflections, the system can calculate the lateral and/or angular movements of the eye. An advantage of using the first and fourth Purkinje reflections is that both of them are located in the same optical plane as the pupil, since their images are located in the same optical plane as the pupil. However, the invention is generalizable and can be performed using other reflections, such as the second and third Purkinje reflections, or any combination of the four Purkinje reflections. Lateral translation, sometimes called translation, is the movement of the eye in the xyz directions, while angular translation, sometimes called pitch, yaw, and roll, is the rotation of the eye in all possible directions, for example.

예를 들어, 눈이 각도상에서 이동되는 경우(예를 들어 사카드(saccad)), 이는 눈 상에서 및 광학 센서 상에서 제1 푸르키녜 반사 및 제4 푸르키녜 반사의 위치 변화로 이어진다. 또한, 문헌에서 알려진 바와 같이, 눈의 각도 이동은 제1 푸르키녜 반사 및 제4 푸르키녜 반사가 서로 분리되게 한다(즉, 서로에 대한 분리가 증가하거나 감소하도록 서로 간의 분리가 변화한다). 그러나, 눈의 횡방향 이동(즉, 안와(eye socket) 내에서의 이동)은 제1 푸르키녜 반사와 제4 푸르키녜 반사 사이의 분리를 변화시키지 않으며, 대신 동일한 양만큼 함께 이동한다. 이를 알고, 또한 제4 푸르키녜 반사가 제1 푸르키녜 반사에 대해 상대적으로 어떻게 이동하는지를 알면, 순수한 횡방향 이동이 존재하는지, 또는 각도 이동와 횡방향 이동이 모두 존재하는지를 이해하는 것이 가능하다. 예를 들어, 시선(gaze)이 한 지점에서 다른 지점으로 이동하는 경우, 눈의 각도 이동은 제1 푸르키녜 반사의 변화(ΔP1)로부터 제4 푸르키녜 반사의 변화(ΔP4)를 감산함으로써 계산될 수 있다. 이는 광학 센서의 판독을 분석하거나 사전에 이해하는 것을 가능하게 할 수 있으며, 예를 들어, 눈이 A 도만큼 변위되는 경우, 이는 제4 푸르키녜 반사와 제1 푸르키녜 반사 사이의 B 변위에 대응할 것이다. 이는 또한 눈과 광학 센서 사이의 횡방향 이동이 식별된다는 점에서 유리하다. 이러한 횡방향 이동은 항상 안와 내에서의 횡방향 이동은 아니며, 때로는 이것은 상기 시스템의 미끄러짐(slippage)일 수 있다. 예를 들어, 상기 시스템이 눈에 대해 이동하는 경우, 예를 들어 상기 시스템이 사용자의 얼굴로부터 미끄러지는 경우이다. 눈은 횡방향으로 이동할 수 있는 일정한 한계를 가지므로, 상기 횡방향 이동이 미끄러짐에 기인한 것인지, 눈의 횡방향 이동에 기인한 것인지, 또는 이들의 조합에 기인한 것인지를 이해하는 것이 가능하다. 상기 내용을 앎으로써, 순수한 횡방향 이동, 순수한 각도 이동, 및 이들의 조합을 구별하는 것이 가능하다.For example, when the eyes are moved angularly (e.g., saccadic), this leads to a change in the position of the first and fourth Purkinje reflexes on the eye and on the optical sensor. Furthermore, as is known in the literature, angular movement of the eyes causes the first and fourth Purkinje reflexes to separate from each other (i.e., the separation between them changes, either increasing or decreasing their separation from each other). However, lateral movement of the eyes (i.e., movement within the eye socket) does not change the separation between the first and fourth Purkinje reflexes; instead, they move together by the same amount. Knowing this, and also knowing how the fourth Purkinje reflex moves relative to the first Purkinje reflex, it is possible to understand whether a purely lateral movement exists, or whether both an angular and a lateral movement exist. For example, when the gaze moves from one point to another, the angular displacement of the eye can be calculated by subtracting the change in the fourth Purkinje reflex (ΔP4) from the change in the first Purkinje reflex (ΔP1). This can enable analysis or a priori understanding of the readings of the optical sensor; for example, if the eye is displaced by A degrees, this will correspond to a displacement of B degrees between the fourth and first Purkinje reflexes. This is also advantageous in that the lateral displacement between the eye and the optical sensor is identified. This lateral displacement is not always lateral within the orbit; sometimes it can be a slippage of the system. For example, if the system moves relative to the eye, for example, if the system slides away from the user's face. Since the eye has a certain limit to how far it can move laterally, it is possible to understand whether the lateral displacement is due to slippage, a lateral movement of the eye, or a combination of these. Knowing the above, it is possible to distinguish between pure lateral movement, pure angular movement, and combinations thereof.

다른 시스템들과 달리, 동공은 추적될 필요가 없다. 대신에, 상기 시스템은 각막으로부터의 제1 푸르키녜 반사에 의존하며, 선택적으로 눈 수정체로부터의 제4 푸르키녜 반사에 의존한다. 이는 동공을 추적하는 것이 복잡한 과정이기 때문에 유리하다. 동공 추적은 푸르키녜 반사들의 추적에 비해 열등한데, 이는 동공 이미지가 통상적으로 각막의 광학적 파워에 의해 왜곡되기 때문이다. 따라서, 각막의 상기 광학적 파워를 고려하기 위해 각막의 모델이 필요하게 된다. 그러나, 각막을 추적하는 경우에는, 제1 푸르키녜 반사에 완전히 또는 거의 완전히 의존하며, 선택적으로 제4 푸르키녜 반사와 함께, 이들이 상기 광학 센서 상에서 어떻게 이동하는지에 의존한다.Unlike other systems, the pupil does not need to be tracked. Instead, the system relies on the first Purkinje reflex from the cornea and, optionally, the fourth Purkinje reflex from the lens of the eye. This is advantageous because pupil tracking is a complex process. Pupil tracking is inferior to tracking Purkinje reflexes because pupil images are typically distorted by the optical power of the cornea. Therefore, a corneal model is required to account for this optical power. However, when tracking the cornea, it relies entirely or nearly entirely on the first Purkinje reflex, and, optionally, on how it moves along the optical sensor.

상기 시스템은 비발산성 투사 수단이 사용되므로, 사용자의 눈에서 확장된 초점 깊이가 얻어진다는 점에서 유리하다. 예를 들어, 레이저 광원이다. 예를 들어, 최적의 초점에 있지 않은 경우에도 눈의 위치를 추적하는 것이 가능하다. 이는 서로 다른 사용자들이 시스템에 대한 눈들의 깊이 차이에 기인하여 서로 다른 초점을 필요로 할 수 있기 때문에 명백하며, 예를 들어, 투사 수단의 이미지가 각막 상에 생성되고, 이후 광학 센서로 반사된다.The system is advantageous in that it utilizes a non-divergent projection means, such as a laser light source, which allows for an extended depth of focus within the user's eye. For example, it is possible to track the position of the eye even when it is not in optimal focus. This is evident because different users may require different focal points due to differences in the depth of their eyes relative to the system. For example, an image of the projection means is generated on the cornea and then reflected to an optical sensor.

본 발명은 제1 및 제4 푸르키녜 반사들을 참조하여 설명되지만, 당업자는 다른 반사들(제2 및 제3 푸르키녜 반사들) 및 다른 조합들도 서로 다른 편의성의 정도로 본 발명에 도달하기 위해 사용될 수 있음을 이해한다. 따라서, 본 발명은 눈의 횡방향 이동 및/또는 각도 이동에 대한 정보를 제공할 수 있는 하나 또는 두 개의 반사들로 일반화된다.While the present invention is described with reference to the first and fourth Purkinje reflexes, those skilled in the art will appreciate that other reflexes (such as the second and third Purkinje reflexes) and other combinations can also be used to achieve the present invention with varying degrees of convenience. Accordingly, the present invention is generalized to one or two reflexes that can provide information about the lateral and/or angular movements of the eye.

상기 시스템은 상기 적어도 하나의 반사가 상기 광학 센서에 의해 수신되도록 구성된다. 구체적으로, 상기 적어도 하나의 투사 수단은 상기 적어도 하나의 반사(예를 들어 제1 푸르키녜 반사, 선택적으로 제4 푸르키녜 반사와 함께)가 상기 광학 센서에 의해 수신되도록 구성되거나 위치된다. 예를 들어, 상기 투사 수단은 눈의 다양한 횡방향 위치들에 결합된다. 예를 들어, 눈의 이동의 경우, 예를 들어 눈과 광학 센서 사이의 상대적인 이동의 경우, 투사 수단은 보상하기 위해 그에 따라 이동되어 각막 상의 동일한 지점에 투사 출력을 유지한다. 대안적으로, 투사 수단 자체가 위치되거나 재위치될 필요는 없고, 대신 투사 출력이 상기 광학 센서에 의해 반사들이 수신되도록 조작될 수 있으며, 예를 들어 일부 미러들 또는 그와 유사한 수단들을 사용한다.The system is configured such that the at least one reflection is received by the optical sensor. Specifically, the at least one projection means is configured or positioned such that the at least one reflection (e.g., a first Purkinje reflection, optionally together with a fourth Purkinje reflection) is received by the optical sensor. For example, the projection means is coupled to various lateral positions of the eye. For example, in case of movement of the eye, e.g., relative movement between the eye and the optical sensor, the projection means is moved accordingly to compensate so as to maintain the projection output at the same point on the cornea. Alternatively, the projection means itself need not be positioned or repositioned, but instead the projection output can be manipulated such that reflections are received by the optical sensor, e.g., using some mirrors or similar means.

설명 전반에 걸쳐 논의된 세 가지 유리한 구현예들이 존재한다. 제1 구현예에서는, 투사 수단이, 반사들이 각막 상에 유지되고 상기 광학 센서에 의해 수신되도록, 연속적으로 재위치된다. 대안적인 구현예에서는, 반사 수단(예를 들어 미러 또는 그와 유사한 것)이 반사들의 존재를 유지하기 위해 사용된다. 또 다른 대안적인 구현예에서는, 복수의 투사 수단들이 사용되며, 이로써 각 투사 수단은 눈의 서로 다른 위치에 대응하고, 예를 들어 눈의 각 횡방향 위치에 대해 반사들이 상기 광학 센서에 의해 수신되게 하는 투사 수단이 사용된다. 이러한 구현예들의 조합 또한 고려될 수 있다.There are three advantageous implementations discussed throughout the description. In a first implementation, the projection means is continuously repositioned so that the reflections remain on the cornea and are received by the optical sensor. In an alternative implementation, a reflecting means (e.g., a mirror or the like) is used to maintain the presence of the reflections. In another alternative implementation, multiple projection means are used, whereby each projection means corresponds to a different position of the eye, such that, for example, a projection means is used that causes reflections to be received by the optical sensor for each transverse position of the eye. Combinations of these implementations are also contemplated.

상기 시스템에서, 투사 수단(아래에서 논의될 MEMS 또한 마찬가지이다)은 바람직하게는 상부 부분에, 바람직하게는 눈의 (좌측 눈의 경우) 좌측 상에 또는 (우측 눈의 경우) 우측 상에 위치되는데, 이는 사용자의 시야에서 이러한 영역들이 공간적 및 환경적 인지에 영향을 미치지 않기 때문이다.In the above system, the projection means (also the MEMS discussed below) is preferably positioned in the upper part, preferably on the left side (for the left eye) or on the right side (for the right eye) of the eye, since these areas in the user's field of view do not affect spatial and environmental perception.

카메라 기반 시스템들과 같은 현 세대의 눈 추적기들은 정확하지 않은데, 예를 들어 사용자의 눈에 의해 수행되는 일부 동작들에 순수하게 의존하여 보정을 수행하기 때문이다, 예를 들어 특정 자극들을 특정 순서로 바라보도록 하는 것이다. 따라서, 달성 가능한 최상의 정확도는 0.5 도이다. 본 발명의 시스템에서는 사용자에 의해 수행되는 동작들에 순수하게 의존하지 않는다. 본 눈 추적 시스템 및 방법을 정확한 SLAM과 함께 사용하면 0.5 도보다 더 나은 정확도를 가질 수 있다. 상기 시스템은 또한 사용자 인지 부하(user cognitive load) 및 작업 현저성 모달리티(task saliency modality)을 결정하는 데에도 사용될 수 있다.Current-generation eye trackers, such as camera-based systems, are not accurate because they rely purely on certain user-directed actions to perform corrections, such as looking at specific stimuli in a specific order. Therefore, the best achievable accuracy is 0.5 degrees. The present system does not rely purely on user-directed actions. When combined with accurate SLAM, the present eye tracking system and method can achieve an accuracy better than 0.5 degrees. The system can also be used to determine user cognitive load and task saliency modality.

눈이 매우 낮은 지연 및 높은 속도로 추적되므로, 이후 설명될 바와 같이, 예를 들어 파킨슨병 또는 안진(Nystagmus)과 같은 특정 의학적 상태를 사람이 가지고 있는지 여부, 또는 눈의 움직임에 영향을 미치는 다른 상태들을 가지고 있는지 여부, 및 그에 대한 일부 증상들을 가지고 있는지 여부를 식별하는 것이 가능할 수 있다.Because the eyes are tracked at very low latency and high speed, it may be possible to identify whether a person has certain medical conditions, such as Parkinson's disease or nystagmus, or other conditions that affect eye movement, and some of the symptoms thereof, as will be described later.

본 발명의 시스템은 동시 위치 결정(simultaneous localization) 및 지도 작성 SLAM(mapping SLAM)에 유용하며, 예를 들어 사용자가 바라보고 있는 위치를 이해하는 데 유용하다. 이는 또한 VR 시스템에서의 상호작용 경험을 최적화하는 데에도 유용할 수 있으며, 예를 들어 사용자가 시선을 통해 옵션을 선택하도록 허용하거나 이를 보조하는 데 유용하다. 본 발명은 SLAM과 함께 실제 및 가상 환경에서의 정밀한 시선 위치 결정(gaze localization)을 또한 가능하게 한다. 본 발명은 또한 높은 정확도를 제공하여 포비에이션(foveation)을 최적화하는 것을 가능하게 한다. 본 발명의 시스템은 또한 시선 종속 투사(gaze contingent projection)를 가능하게 한다.The system of the present invention is useful for simultaneous localization and mapping SLAM, for example, to understand where a user is looking. It may also be useful for optimizing interactive experiences in VR systems, for example, by allowing or assisting a user to select options through gaze. The present invention, in conjunction with SLAM, also enables precise gaze localization in real and virtual environments. The present invention also provides high accuracy, enabling optimization of foveation. The system of the present invention also enables gaze-contingent projection.

상기 시스템은 또한, 종래 기술 시스템들의 경우와 같이 데이터의 후처리가 필요 없다는 점에서 유리하며, 예를 들어 데이터에 대한 이미지 처리가 필요하지 않다.The above system is also advantageous in that it does not require post-processing of the data as is the case with prior art systems, for example, it does not require image processing of the data.

바람직하게는, 상기 적어도 하나의 투사 수단은 하나의(그러나 하나 이상일 수도 있는) 이동 가능한 투사 수단이다. 상기 이동 가능한 투사 수단은 상기 적어도 하나의 반사가 상기 광학 센서에 의해 수신되도록 위치되며(예를 들어 각도 방향 및 횡방향으로 이동 및 회전된다). 예를 들어, 투사 수단을 눈의 서로 다른 횡방향 및 각도 위치들에 결합하기 위함이다. 대안적으로, 그리고 더욱 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 투사 수단은 복수의 투사 수단들이며, 바람직하게는 1차원 또는 2차원 어레이로 배치되고, 예를 들어 2차원 구성으로 횡방향으로 이격되어 배치된다. 이는 투사 수단 자체가 이동 가능한 제1 시나리오들보다 더 용이하고, 더 빠르며, 더 정확하기 때문에 바람직하다. 예를 들어, 반사들을 획득하기 위해 투사 수단을 이동시킬 필요가 없으며, 예를 들어 광원을 이동시킬 필요가 없다. 2차원 어레이 시나리오가 바람직하지만, 1차원 어레이 시나리오 또한 실행 가능하다. 예를 들어, 눈의 수평 축을 따라 1차원 어레이를 배열하고, 수직 축을 따라 어레이를 이동시키거나, 또는 미러들을 사용하여 광을 수직 방향으로 반사시키는 것이 가능하며, 예를 들어 중심 시선으로부터 10 내지 30 도 이내이다.Preferably, said at least one projection means is one (but may be more than one) movable projection means. The movable projection means is positioned (e.g., angularly and transversely translated and rotated) such that said at least one reflection is received by said optical sensor. For example, to couple the projection means to different transverse and angular positions of the eye. Alternatively, and more preferably, said at least one projection means is a plurality of projection means, preferably arranged in a one-dimensional or two-dimensional array, for example, spaced laterally in a two-dimensional configuration. This is advantageous because it is easier, faster, and more accurate than the first scenarios where the projection means themselves are movable. For example, there is no need to move the projection means to acquire reflections, and for example, there is no need to move the light source. While a two-dimensional array scenario is preferred, a one-dimensional array scenario is also feasible. For example, it is possible to arrange a one-dimensional array along the horizontal axis of the eye, move the array along the vertical axis, or use mirrors to reflect the light in a vertical direction, for example within 10 to 30 degrees from the central line of sight.

상기 복수의 투사 수단들은 바람직하게는 복수의 VCSEL들이며, 이는 단일 모드 동작을 제공하고 저전력을 소비하기 때문에 유리하다. VCSEL들은 또한 다수의 VCSEL들을 어레이로 그룹화하고 주소 지정 가능하게 만드는 것이 가능하다는 점에서 유리하다. VCSEL들은 또한 전환이 빠르다. 각 VCSEL에 대한 출력 전력은 눈에 입사되는 광이 연속파(CW) 동작에서 1.2 밀리와트를 초과하지 않도록 해야 하며, 이는 눈 안전 이유 때문이다. 출력 전력은 제4 푸르키녜 반사를 이미징할 수 있을 만큼 충분히 강해야 하지만, 제1 푸르키녜 반사가 과포화되지 않을 만큼 너무 강해서는 안 된다.The above-described plurality of projection means are preferably multiple VCSELs, which are advantageous because they provide single-mode operation and consume low power. VCSELs are also advantageous because they can be grouped into arrays and made addressable. VCSELs also have fast switching speeds. The output power for each VCSEL should be such that the light incident on the eye does not exceed 1.2 milliwatts in continuous wave (CW) operation, for eye safety reasons. The output power should be sufficiently strong to image the fourth Purkinje reflection, but not so strong that the first Purkinje reflection is oversaturated.

상기 VCSEL들은 근적외선 범위의 파장을 가질 수 있으며, 바람직하게는 IR-A 범위이고, 예를 들어 740 nm 내지 940 nm 사이이며, 예를 들어 905 nm 또는 880 nm 또는 805 nm 또는 850 nm이거나, 또는 예를 들어 1064 nm이거나, 또는 당업자가 적합하다고 판단할 다른 파장들이다. 상기 투사 수단들은 VCSEL들로 한정되지 않으며, 다른 적합한 유형의 광원들일 수도 있다. 상기 광학 센서는 이러한 파장들을 판독할 수 있다.The VCSELs may have a wavelength in the near infrared range, preferably in the IR-A range, for example between 740 nm and 940 nm, for example 905 nm or 880 nm or 805 nm or 850 nm, or for example 1064 nm, or any other wavelength deemed suitable by one skilled in the art. The projection means are not limited to VCSELs and may be any other suitable type of light source. The optical sensor can read these wavelengths.

상기 시스템은 복수의 투사 수단들 중에서, 상기 광학 센서에 의해 적어도 제1 푸르키녜 반사, 바람직하게는 제1 푸르키녜 반사 및 제4 푸르키녜 반사가 수신되도록 유도하거나 허용하는 적어도 하나의 투사 수단을 탐색(예를 들어, 식별 및 온(ON) 상태로 전환)하도록 구성된다. 예를 들어, 복수의 투사 수단들은 주소 지정 가능하여, 선택적으로 투사 수단들을 온(ON) 및 오프(OFF) 상태로 전환할 수 있으며, 예를 들어 하나 또는 복수 개를 동시에 켤 수 있다. 예를 들어, 어레이 내의 각 투사 수단에는 인덱스가 부여될 수 있으며, 예를 들어 하나의 투사 수단은 인덱스 1을 갖고, 그 옆의 투사 수단은 인덱스 2를 갖는 방식이다.The system is configured to detect (e.g., identify and turn ON) at least one projector, among a plurality of projectors, that induces or allows at least a first Purkinje reflection, preferably a first Purkinje reflection and a fourth Purkinje reflection, to be received by the optical sensor. For example, the plurality of projectors may be addressable, such that the projectors may be selectively turned ON and OFF, for example, one or more may be turned ON simultaneously. For example, each projector in the array may be assigned an index, such that one projector has an index of 1, the projector next to it has an index of 2, and so on.

예를 들어, 시스템은 상기 광학 센서에 의해 하나 또는 두 개의 푸르키녜 반사가 수신되는 투사 수단을 탐색하고, 식별하며, 온(ON) 상태로 전환하도록 구성되며, 바람직하게는 적어도 제1 푸르키녜 반사, 더욱 바람직하게는 제1 푸르키녜 반사 및 제4 푸르키녜 반사가 수신되도록 한다. 일단 이러한 결정이 이루어지면, 선택된 투사 수단이 이후의 동작 동안 사용된다. 예를 들어, 눈의 횡방향 이동 또는 시스템의 미끄러짐에 기초하여 투사 수단이 변경될 수 있다. 이는 시스템을 재보정할 필요 없이, 단지 인덱스를 변경함으로써, 즉 상기 어레이 내의 다른 투사 수단을 선택함으로써 대응할 수 있기 때문에 유리하다. 본 발명은 또한 한 번에 하나 또는 소수의 투사 수단만이 온(ON) 상태가 되거나 온 상태로 켜지기 때문에 유리하다. 따라서 눈의 일부만이 조사되고 이미징되어, 전력 효율적이고 빠른 동작이 가능하다. 바람직하게는, 복수의 투사 수단들 중에서 적어도 제1 푸르키녜 반사를 유도하는 적어도 하나의 투사 수단은, 검출 위치 및/또는 그 변위에 기초하여 다른 투사 수단으로 전환된다.For example, the system is configured to detect, identify, and switch ON a projection means from which one or two Purkinje reflections are received by the optical sensor, preferably such that at least the first Purkinje reflection, more preferably the first and fourth Purkinje reflections, are received. Once this determination is made, the selected projection means is used during subsequent operations. For example, the projection means may be changed based on lateral movement of the eye or slippage of the system. This is advantageous because the system can be accommodated by simply changing the index, i.e., selecting a different projection means within the array, without the need for recalibration. The invention is also advantageous because only one or a small number of projection means are ON or switched ON at a time. Thus, only a portion of the eye is irradiated and imaged, allowing for power-efficient and fast operation. Preferably, at least one projection means among the plurality of projection means that induces at least the first Purkinje reflection is switched to another projection means based on the detection position and/or its displacement.

복수의 투사 수단들 각각의 출력은 콜리메이트(collimate)될 수 있다. 대안적으로, 상기 투사 수단들은 상기 복수의 투사 수단들의 출력부에 배치된 마이크로 렌즈 어레이에 의해 눈 상에 이미징될 수 있다.The output of each of the plurality of projectors may be collimated. Alternatively, the projectors may be imaged onto the eye by a microlens array disposed at the output of the plurality of projectors.

투사 수단들의 어레이(예를 들어, VCSEL들)을 구비하는 것은 유리하다. 예를 들어, 눈의 횡방향 이동이 발생하거나, 시스템의 미끄러짐이 발생하는 경우, 예를 들어 광학 센서와 눈 사이에 상대 이동이 발생하는 경우에도, 시스템은 투사 수단을 이동시키지 않고 계속 동작할 수 있다. 대신, 눈의 위치에 최적인 다른 VCSEL(예를 들어, 인접 또는 준인접 픽셀)로 동작을 전환할 수 있다. 이는 상기 광학 센서 상에서 상기 반사광의 검출 위치 변위에 기초한다. 예를 들어, 다른 VCSEL로 전환을 발생시키는 횡방향 이동의 최소값을 정의하거나, VCSEL의 전환을 발생시키는 반사들의 이동의 최소 값을 정의할 수 있다. 투사 수단들의 어레이를 구비함으로써 시스템의 복잡성 또한 감소된다. 예를 들어, 반사들을 수신할 수 있도록 인접한 VCSEL로 동작을 전환함으로써, 하나의 이동 가능한 투사 수단을 사용하는 것보다 단순해진다. 다시 말해, 서로 다른 투사 수단들은 눈의 서로 다른 횡방향 위치들에 결합된다.Having an array of projectors (e.g., VCSELs) is advantageous. For example, if the eye moves laterally, the system slips, or there is relative movement between the optical sensor and the eye, the system can continue to operate without moving the projectors. Instead, the system can switch to another VCSEL (e.g., an adjacent or near-adjacent pixel) that is optimal for the eye position. This is based on the displacement of the detection position of the reflected light on the optical sensor. For example, the minimum lateral movement that triggers switching to another VCSEL can be defined, or the minimum shift of the reflections that triggers switching of the VCSELs can be defined. Having an array of projectors also reduces system complexity. For example, switching to an adjacent VCSEL to receive the reflections is simpler than using a single, movable projector. In other words, different projectors are coupled to different lateral positions of the eye.

또 다른 장점은 서로 다른 사용자들이 동일한 시스템을 사용할 수 있도록 한다는 점이며, 예를 들어, 제2 사용자의 눈 위치가 제1 사용자의 눈 위치와 다른 경우, 예를 들어 동공간 거리(interpupillary distance)의 차이로 인해 예를 들어 횡방향 이동이 존재하는 경우에도 적용 가능하다. 이러한 경우, 그 동작은 다른 VCSEL로 전환될 수 있으며, 이때 재보정(recalibration)이 필요할 수 있다. 따라서 본 발명의 장점은 맞춤형 시스템이 아니라 범용 시스템을 구현할 수 있다는 점에 있다.Another advantage is that it allows different users to use the same system. For example, it can be applied even when the second user's eye position differs from the first user's, for example, due to differences in interpupillary distance, resulting in lateral movement. In such cases, the operation can be switched to a different VCSEL, which may require recalibration. Therefore, the advantage of the present invention lies in its ability to implement a general-purpose system, rather than a customized one.

궁극적으로는, 눈으로부터의 반사광이 가능한 한 광학 센서의 중심 또는 그 근처에 유지되도록 하는 것이 바람직하다. 물론 동작 중에는 반사가 센서 상에서 이동하게 되지만, 반사를 가능한 한 센서의 중심에 유지하는 것이 바람직한데, 이는 최대한 넓은 추적 범위를 유지하는 데 유리하기 때문이다. 예를 들어, 이를 유지하기 위해 적절한 VCSEL을 선택하는 것에 의해 유지할 수 있다. 예를 들어, 반사광이 광학 센서의 중심에서 벗어나도록 야기하는, 눈의 미세한 각도 이동 및/또는 횡방향 이동 후에, 반사가 다시 광학 센서의 중심 또는 그에 최대한 가까운 위치로 돌아가도록 시스템을 조정(예를 들어, 투사 수단을 이동시키거나, 다른 투사 수단을 선택)한다. 예를 들어, 시스템은 반사가 광학 센서의 중심으로 되돌아가기 위해 투사 수단이 얼마나 이동해야 하는지를 계산하도록 구성된다.Ultimately, it is desirable to keep the reflection from the eye as close to or as close to the center of the optical sensor as possible. While the reflection will of course move around the sensor during operation, it is desirable to keep the reflection as close to the center of the sensor as possible, as this facilitates maintaining the widest possible tracking range. This can be achieved, for example, by selecting an appropriate VCSEL. For example, after slight angular and/or lateral movements of the eye that cause the reflection to shift away from the center of the optical sensor, the system can be adjusted (e.g., by moving the projection means or selecting a different projection means) so that the reflection returns to the center of the optical sensor or as close to it as possible. For example, the system can be configured to calculate how much the projection means must move for the reflection to return to the center of the optical sensor.

복수의 투사 수단을 구비하는 것은 사용자 눈에서의 확장된 초점 깊이(extended depth of focus)를 얻는 데에도 유리하다. 예를 들어, 눈이 서로 다른 z-값 또는 깊이에 위치하는 경우, 예를 들어 눈이 안와(eye socket) 깊숙이 위치하거나 그로부터 돌출되어 있는 경우, 또는 코의 크기로 인해 시스템이 눈에 더 가깝거나 더 멀어지는 경우에 유리하다. 예를 들어, 광을 각막에 초점 맞추는 광학계가 존재한다고 가정한다. 사용자 1의 눈이 깊이 Z1에 위치한 경우, Projectionmeans 1을 사용하는 것이 적합하다. 그러나 사용자 2의 눈이 깊이 Z2에 위치하고, Z2가 Z1보다 복수의 투사 수단에 더 가깝거나 더 먼 경우에는, 다른 Projectionmeans 2가 동작에 더 적합하다. 즉, 사용자 1의 눈 위치에 최적인 투사 수단과 사용자 2의 눈 위치에 최적인 투사 수단은 서로 다르다. 다시 말해, 눈의 z-방향 위치 차이를 보상하기 위해 시스템 자체를 사용자에게 더 가깝게 또는 더 멀게 이동시키는 대신, 서로 다른 투사 수단을 선택하여 사용하는 것이다.Having multiple projection means is also advantageous for achieving an extended depth of focus at the user's eyes. For example, this is advantageous when the eyes are positioned at different z-values or depths, for example, when the eyes are positioned deep in or protrude from the eye socket, or when the size of the nose causes the system to be closer or farther from the eyes. For example, suppose there is an optical system that focuses light onto the cornea. If User 1's eye is positioned at depth Z1, Projectionmeans 1 is appropriate. However, if User 2's eye is positioned at depth Z2, and Z2 is closer or farther from Z1 by multiple projection means, then Projectionmeans 2 is more appropriate for operation. In other words, the optimal projection means for User 1's eye position and the optimal projection means for User 2's eye position are different. In other words, instead of moving the system itself closer or farther from the user to compensate for the difference in the z-direction positions of the eyes, different projection means are selected and used.

바람직하게는, 광학 센서는 게이팅(gate)된다. 즉, 센서는 짧은 시간 구간 내에서 관측되는 광자들에만 반응한다. 이는 주변광에 의해 발생하는 노이즈를 줄이는 데 유리하다. 이는 특히 많은 주변광이 예상되는 밝은 환경에서 더욱 중요하다. 예를 들어, 광학 센서는 투사 수단과 동기화되어, 투사 수단이 동작하는 시간 동안에만 광학 센서의 출력을 판독하도록 구성된다.Preferably, the optical sensor is gated, meaning that it only responds to photons observed within a short time period. This is advantageous for reducing noise caused by ambient light. This is especially important in bright environments where a lot of ambient light is expected. For example, the optical sensor is configured to be synchronized with the projection device, so that its output is read only during the time the projection device is operating.

바람직하게는, 광학 센서는 복수의 픽셀의 행렬(matrix)를 형성하는 복수의 센싱 유닛을 포함한다. 각각의 센싱 유닛은 광검출기를 포함한다. 시스템은 상기 센싱 유닛 상에서 반사광의 변위에 기초하여 검출 위치의 변위를 계산하도록 구성된다. 예를 들어, 제1 푸르키녜 반사가 X개의 픽셀만큼 변위되는 경우, 이에 대응하는 각도 이동(예를 들어, 사카드)을 계산할 수 있다.Preferably, the optical sensor comprises a plurality of sensing units forming a matrix of a plurality of pixels. Each sensing unit comprises a photodetector. The system is configured to calculate a displacement of a detection position based on a displacement of reflected light on the sensing unit. For example, if a first Purkinje reflection is displaced by X pixels, a corresponding angular displacement (e.g., a saccade) can be calculated.

바람직하게는, 광학 센서는 눈의 수평축(예를 들어, 코와 귀를 연결하는 방향)을 따라 이미지 평면 상에서 최소 5 밀리미터 이상의 시야(Field of View)를 가지며, 바람직하게는 최소 10 밀리미터 이상, 더욱 바람직하게는 최소 15 밀리미터 이상을 가진다. 예를 들어, 5 밀리미터는 (수평 방향으로) 약 30도의 시야각에 대응한다. 눈의 현실적인 시야각은 (수평 방향) 약 32도, (수직 방향) 약 24도, 예를 들어 약 30도의 원추형 시야각으로 알려져 있다. 이는 이미지 평면 상에서 광학 센서의 최소 시야가 (수평 방향) 약 5.3 밀리미터, (수직 방향) 약 4.2 밀리미터 정도임을 의미한다. 그러나 인구 집단의 동공 간 거리(interpupillary distance)를 고려하기 위해, 바람직한 최소 시야는 수평 방향으로 약 15 밀리미터이며, 수직 방향은 사용 사례에 따라 대략 4 내지 5 밀리미터 정도로 유지된다.Preferably, the optical sensor has a field of view (FOV) of at least 5 millimeters on the image plane along the horizontal axis of the eye (e.g., the direction connecting the nose and the ear), preferably at least 10 millimeters, and more preferably at least 15 millimeters. For example, 5 millimeters corresponds to a field of view of about 30 degrees (horizontal). A realistic field of view of the eye is known to be about 32 degrees (horizontal) and about 24 degrees (vertical), for example, a cone of view of about 30 degrees. This means that the minimum FOV of the optical sensor on the image plane is about 5.3 millimeters (horizontal) and about 4.2 millimeters (vertical). However, to account for the interpupillary distance of the human population, a preferred minimum FOV is about 15 millimeters in the horizontal direction, and the vertical direction is kept to about 4 to 5 millimeters, depending on the use case.

예를 들어, 광학 센서는 최소 5 밀리미터 × 5 밀리미터의 영역을 이미지화할 수 있으며, 바람직하게는 최소 10 밀리미터 × 10 밀리미터, 더욱 바람직하게는 최소 15 밀리미터 × 15 밀리미터의 영역을 이미지화할 수 있으며, 이때 이미지 평면 상에서 눈의 수평축을 따라 최소 5 밀리미터, 바람직하게는 최소 10 밀리미터, 더욱 바람직하게는 최소 15 밀리미터를 포함하도록 구성되며, 수평 방향은 상기에서 설명한 바와 같다.For example, the optical sensor can image an area of at least 5 millimeters by 5 millimeters, preferably at least 10 millimeters by 10 millimeters, more preferably at least 15 millimeters by 15 millimeters, configured to encompass at least 5 millimeters, preferably at least 10 millimeters, more preferably at least 15 millimeters along a horizontal axis of the eye on the image plane, the horizontal direction being as described above.

시야(Field of View)는 하나의 광학 센서로 커버될 수 있으며, 예를 들어, 이동하지 않는 광학 센서, 예를 들어 큰 시야를 가지는 광학 센서, 예를 들어 최소 5 밀리미터, 최소 10 밀리미터, 최소 15 밀리미터 이상의 시야를 가진 광학 센서가 될 수 있다. 대안적으로, 시야는 하나의 이동 가능한 광학 센서로 커버될 수 있으며, 예를 들어 5 밀리미터와 같이 작은 시야를 가지지만, 이동이 가능하여 전체적으로 최소 10 밀리미터 또는 최소 15 밀리미터 이상의 큰 시야를 커버할 수 있는 광학 센서가 될 수 있다. 예를 들어, 광학 센서는 이동될 수 있으며, 이를 통해 광학 센서가 최소 10 밀리미터 또는 15 밀리미터 이상의 전체 시야를 가지도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 시야는 복수의 광학 센서에 의해 커버될 수 있으며, 예를 들어 각각 몇 밀리미터 정도의 작은 시야를 가지는 광학 센서들로 구성될 수 있다. 광학 센서들은 어레이되어, 복수의 광학 센서들의 전체 시야가 최소 5 밀리미터, 최소 10 밀리미터, 최소 15 밀리미터 이상이 되도록 구성된다.The field of view (FOV) can be covered by a single optical sensor, for example, a stationary optical sensor, for example, an optical sensor having a large field of view, for example, an optical sensor having a field of view of at least 5 millimeters, at least 10 millimeters, or at least 15 millimeters or more. Alternatively, the field of view can be covered by a single movable optical sensor, for example, an optical sensor having a small field of view, for example, 5 millimeters, but being able to move so as to cover a large field of view overall, for example, at least 10 millimeters, or at least 15 millimeters or more. For example, the optical sensor can be movable, thereby allowing the optical sensor to have an overall field of view of at least 10 millimeters, or at least 15 millimeters or more. Alternatively, the field of view can be covered by a plurality of optical sensors, for example, each having a small field of view of a few millimeters. The optical sensors are arranged such that the overall field of view of the plurality of optical sensors is at least 5 millimeters, at least 10 millimeters, or at least 15 millimeters or more.

다시 말해, 이미지 평면에서 시야는 눈의 각도 이동(angular translation)이 발생할 수 있는 영역을 포함하도록 하는 것이 바람직하다. 이는 시스템이 서로 다른 동공 간 거리를 가진 다양한 사용자에게 적합하도록 하는 장점이 있다. 눈의 각도 이동을 감지하는 데 필요한 시야(예를 들어, 모든 극단적인 방향들에서)는 약 5 밀리미터이며, 사람들의 동공 간 거리는 약 10 밀리미터 정도 변할 수 있기 때문에, 예를 들어 눈이 코와 귀에 더 가깝거나 멀리 위치할 수 있다. 따라서 상기 시스템은 넓은 시야 내에서 눈을 추적할 수 있어 거의 모든 사용자에게 적합하다. 따라서 가장 바람직한 시나리오는 전체 시야가 약 15 밀리미터인 경우이다. 이미지 배율(imaging ratio)에 따라 광학 센서의 크기는 적절히 계산되어야 한다. 예를 들어, 1:5 이미지 배율의 경우 광학 센서의 크기는 약 3 밀리미터 정도가 되며, 이는 합리적인 크기이다.In other words, the field of view in the image plane should preferably include the area where angular translation of the eyes can occur. This has the advantage of making the system suitable for a variety of users with different interpupillary distances. The field of view required to detect angular eye movement (e.g., at all extreme orientations) is approximately 5 millimeters, and since people's interpupillary distance can vary by approximately 10 millimeters, for example, the eyes may be positioned closer or farther from the nose and ears. Therefore, the system can track eyes within a wide field of view, making it suitable for almost all users. Therefore, the most desirable scenario is a total field of view of approximately 15 millimeters. The size of the optical sensor should be appropriately calculated depending on the imaging ratio. For example, for a 1:5 image magnification, the optical sensor size would be approximately 3 millimeters, which is a reasonable size.

유사하게, 복수의 투사 수단의 경우에도, 복수의 투사 수단은 상기와 동일한 영역을 커버하도록 구성된다. 예를 들어, VCSEL 어레이는 최소 5 밀리미터, 바람직하게는 최소 10 밀리미터, 더욱 바람직하게는 최소 15 밀리미터를 커버하며, 이는 상기와 동일하다. 따라서 서로 다른 VCSEL이 서로 다른 사용자에 대해 최적의 동작을 제공하도록 구성된다.Similarly, in the case of multiple projection means, the multiple projection means are configured to cover the same area as described above. For example, the VCSEL array covers at least 5 millimeters, preferably at least 10 millimeters, and more preferably at least 15 millimeters, as described above. Therefore, different VCSELs are configured to provide optimal operation for different users.

바람직하게, 투사 수단은 재배향(re-orientation)될 수 있도록 구성되며, 눈이 회전하더라도 투사 출력이 각막의 상기 결정된 부분 또는 영역에 유지되도록 한다. 이는 제1 푸르키녜 반사(First Purkinje Reflection)를 광학 센서상의 특정 위치에 유지하기 위한 것이다. 예를 들어, 투사 수단은 항상 눈을 따라 움직이며, 투사 출력은 항상 각막에 도달한다. 이는 광학 센서에서의 검출 위치 및/또는 검출 위치의 변위에 기반한다. 다시 말해, 광학 센서는 투사 수단 및 그에 따라 투사 출력이 각막을 따라가도록 투사 수단을 구동한다. 예를 들어, 광학 센서는 검출 위치의 변위를 투사 수단에 즉시 알리고(예를 들어, 피드백 루프 사용), 예를 들어, 눈이 회전한 대략적인 양과 방향을 투사 수단에 알리며, 여기에서 투사 수단은 각막을 따르고 투사 출력을 각막 상에 도달하도록 재배향되어야 한다. 예를 들어, 투사 출력은 항상 각막의 일정 범위 내에 유지된다. 이는 눈이 지속적으로 추적되는 장점이 있다. 예를 들어, 적어도, 눈의 각도 이동(예를 들어, 사카드)에 대한 정보를 제공하는 제1 푸르키녜 반사를 사용하거나, 추가적으로, 눈의 횡방향 이동(lateral translation)에 대한 정보를 제공하는 제4 푸르키녜 반사를 사용할 수 있다. 상기 방법은 투사 수단을 재배향하는 대신, 거울이나 반사체를 이용하여 출력을 조작함으로써 동일한 결과를 달성할 수도 있다.Preferably, the projection means is configured to be re-orientable, so that the projection output remains at the determined portion or region of the cornea even when the eye rotates. This is to maintain the first Purkinje reflection at a specific location on the optical sensor. For example, the projection means always follows the eye, and the projection output always reaches the cornea. This is based on the detection position and/or displacement of the detection position in the optical sensor. In other words, the optical sensor drives the projection means so that the projection means and thus the projection output follows the cornea. For example, the optical sensor immediately informs the projection means of the displacement of the detection position (e.g., using a feedback loop) and, for example, informs the projection means of the approximate amount and direction of the eye rotation, at which point the projection means should be re-oriented to follow the cornea and reach the projection output on the cornea. For example, the projection output always remains within a certain range of the cornea. This has the advantage of allowing the eye to be continuously tracked. For example, one could use the first Purkinje reflex, which provides information about at least angular eye movements (e.g., saccades), or, additionally, the fourth Purkinje reflex, which provides information about lateral eye movements. The method could also achieve the same result by manipulating the output using a mirror or reflector, rather than reorienting the projection means.

바람직하게, 시스템은 또한 반사 수단, 바람직하게는 동적 편향 거울, 더욱 바람직하게는 MEMS를 포함한다. 투사 출력은, 반사 수단은 해당 출력을 각막의 상기 결정된 영역 또는 부분에 반사하도록, 상기 반사 수단에 투사된다. 반사 수단은 재배치될 수 있도록 구성되며, 눈이 회전하더라도 투사 출력이 각막의 상기 결정된 영역에 유지되도록 한다. 예를 들어, 투사 수단 또는 복수의 투사 수단으로부터 광을 반사할 수 있는 하나의 MEMS가 있다. 재배향(re-orientation)은 광학 센서에서의 검출 위치 또는 검출 위치의 변위를 기반으로 수행된다. 다시 말해, 투사 수단이 각막을 따라 투사 출력을 유지하도록 재배치되거나(위에서 설명한 바와 같이), MEMS가 투사 출력을 받아 각막을 따라 회전하도록 할 수 있다. MEMS를 사용하는 것은 빠른 응답 시간, 낮은 전력 소비, 투사 수단을 이동시키는 것보다 MEMS를 회전시키는 것이 더 용이하다는 장점이 있다. 예를 들어, MEMS와 같은 반사 수단은 움직이지 않을 경우 전력을 소비하지 않는다. 본 발명에서의 반사 수단 또는 MEMS는 두 가지 주요 목적을 가진다: 이후 논의될 보정과 각막에 입사하는 광을 유지하는 것이다.Preferably, the system also includes a reflecting means, preferably a dynamic deflection mirror, more preferably a MEMS. The projection output is projected onto the reflecting means such that the reflecting means reflects the output onto the determined area or portion of the cornea. The reflecting means is configured to be repositionable so that the projection output remains on the determined area of the cornea even when the eye rotates. For example, there is a single MEMS capable of reflecting light from the projection means or multiple projection means. Reorientation is performed based on a displacement of the detection position or positions in the optical sensor. In other words, the projection means can be repositioned to maintain the projection output along the cornea (as described above), or the MEMS can be configured to receive the projection output and rotate along the cornea. The use of MEMS has the advantages of fast response time, low power consumption, and that it is easier to rotate the MEMS than to move the projection means. For example, reflecting means such as MEMS do not consume power when stationary. The reflective means or MEMS in the present invention have two main purposes: compensation, which will be discussed later, and maintaining light incident on the cornea.

입사광(beam)의 각도가 각막에 대해 동일하거나 실질적으로 동일하게 유지되며, 광이 도달하는 영역 역시 동일하거나 실질적으로 동일하게 유지된다. 예를 들어, 입사각(angle of incidence)은 눈의 중심 시선을 정의하는 축으로부터 측정하면 10도에서 40도 사이일 수 있다. 입사각은 하나 이상의 반사(예를 들어, 제1 및 제4 푸르키녜 반사)가 존재할 경우, 광학 센서 상에서 서로 겹치거나 동일한 영역에 나타나지 않도록 최적화될 필요가 있다. 겹칠 경우, 반사들을 구별할 수 없게 된다.The angle of incidence of the incident light (beam) relative to the cornea remains the same or substantially the same, and the area of the light reaching the cornea also remains the same or substantially the same. For example, the angle of incidence can be between 10 and 40 degrees, measured from the axis defining the central gaze of the eye. The angle of incidence needs to be optimized so that, if more than one reflection (e.g., the first and fourth Purkinje reflections) are present, they do not overlap or appear in the same area on the optical sensor. If they overlap, the reflections will be indistinguishable.

입사각은 MEMS가 회전하는 각도 범위와 대응하며, 가능한 최소화되는 것이 바람직하다. 이는 복수의 투사 수단 또는 VCSEL)를 가지는 것에 의해 실현될 수 있으며, 눈이 횡방향으로 이동(예를 들어 사용자의 얼굴에서 시스템이 미끄러짐) 하는 경우, MEMS를 극단적 각도로 회전시키는 대신 다른 VCSEL을 사용할 수 있다. ㅇ이는 제1 푸르키녜 반사의 변화가 순수 또는 거의 순수하게 눈의 각도 이동(angular translation)으로 인한 것이 되며, 결과적으로 눈 추적 성능이 향상된다.The angle of incidence corresponds to the angular range over which the MEMS rotates, and should preferably be minimized. This can be achieved by having multiple projection means or VCSELs, so that if the eye moves laterally (e.g. the system slides off the user's face), a different VCSEL can be used instead of rotating the MEMS by an extreme angle. This ensures that the change in the first Purkinje reflection is purely or almost purely due to the angular translation of the eye, resulting in improved eye tracking performance.

눈에 입사하는 광의 각도는 시스템 설계에 따라 결정된다. 예를 들어, 투사 수단은 광학 센서에 의해 반사가 수신될 수 있는 특정 각도 이하로 광을 방출한다. 또한, 반사 수단은 빔이 각막에 입사하여 동일한 지점에 도달하도록 눈의 회전 중심에 결합될 수 있다. 즉, 투사 수단 또는 광원은 각막 상에 상(image)으로 형성된다.The angle at which light enters the eye depends on the system design. For example, the projector emits light at a certain angle below which the reflection can be received by the optical sensor. Furthermore, the reflector may be aligned with the center of rotation of the eye so that the beam strikes the cornea and reaches the same point. In other words, the projector or light source forms an image on the cornea.

낮은 수치 조리개(numerical aperture) 빔을 가진 투사 수단과 (예를 들어, MEMS와 같은 반사 수단의 조합은 유리하다. 이는 넓은 영역을 커버하는 큰 빔을 사용할 필요 없이, 또는 눈의 새로운 회전 중심에 대응하기 위해 투사 수단을 지속적으로 이동시킬 필요 없이, MEMS를 눈의 회전 중심에 대응하도록 결합할 수 있기 때문이다. 광학 센서와 광학 센서 상의 반사 위치 변위가 MEMS 회전을 구동한다. 즉, MEMS는 눈의 회전 중심과 공준면(conjugate plane) 관계에 있으며, 눈이 회전할 때 MEMS도 그에 따라 회전한다. 예를 들어, 광학 센서는 피드백 루프를 통해 반사 수단에 연결될 수 있다. 또는 MEMS가 없는 경우, 투사 수단이 눈의 회전 중심에 결합되어 눈이 회전할 때 투사 수단도 함께 회전한다.The combination of a projection means having a low numerical aperture beam and a reflective means (e.g., a MEMS) is advantageous because the MEMS can be coupled to the rotational center of the eye without having to use a large beam covering a large area or constantly moving the projection means to correspond to the new rotational center of the eye. The displacement of the optical sensor and the reflection position on the optical sensor drives the rotation of the MEMS. That is, the MEMS is in a conjugate plane relationship to the rotational center of the eye, and as the eye rotates, the MEMS rotates accordingly. For example, the optical sensor can be coupled to the reflection means via a feedback loop. Alternatively, in the absence of MEMS, the projection means can be coupled to the rotational center of the eye, so that as the eye rotates, the projection means rotates as well.

예를 들어, 반사 수단(예를 들어, MEMS)은 검출 위치(location of detection)의 변위를 기준으로 재배향(re-orient)되며, 빔이 사전에 정해진 허용 오차 범위 내에서 각막의 실질적으로 동일한 지점에 도달하도록 유지된다. 이를 지속적이고 빠르게 수행하면, 예를 들어 각막이 투사 출력(projection output)으로부터 일정 범위 내에 유지되도록, 빔이 항상 각막을 따를 수 있다. For example, a reflective means (e.g., a MEMS) is reoriented based on a displacement of the detection location, and the beam is maintained so that it reaches substantially the same point on the cornea within a predetermined tolerance. This can be done continuously and rapidly, so that the beam always follows the cornea, for example, so that the cornea remains within a certain range of the projection output.

즉, MEMS의 주요 목적 중 하나는 푸르키녜 반사의 존재를 유지하는 것이다. 예를 들어, MEMS는 각막 상의 조명을 유지하도록 회전한다. 만약 눈의 시선이 바뀌어 제1 푸르키녜 반사가 광학 센서 중심에서 벗어나면, 제1 푸르키녜 반사 및 가능한 한 제4 푸르키녜 반사의 이동을 기반으로 이동이 각도 이동인지, 횡방향 이동인지 또는 둘의 조합인지 판단할 수 있다. 그에 따라 MEMS는 광학 센서 상에, 바람직하게는 센서 중심에 푸르키녜 반사의 존재가 유지되도록 회전한다. 다만, 눈의 이동이 순수하게 횡방향 이동일 경우, 앞서 설명된 바와 같이, MEMS를 이동시키지 않고 다른 VCSEL 소스로 전환하여 푸르키녜 반사를 센서 중심으로 되돌릴 수도 있다.That is, one of the main purposes of the MEMS is to maintain the presence of the Purkinje reflection. For example, the MEMS rotates to maintain illumination on the cornea. If the eye's gaze changes so that the first Purkinje reflection moves away from the center of the optical sensor, it is possible to determine whether the movement is angular, lateral, or a combination of the two based on the movement of the first Purkinje reflection and possibly the fourth Purkinje reflection. Accordingly, the MEMS rotates so as to maintain the presence of the Purkinje reflection on the optical sensor, preferably at the center of the sensor. However, if the eye movement is purely lateral, as described above, the Purkinje reflection can be returned to the center of the sensor by switching to a different VCSEL source without moving the MEMS.

MEMS의 회전은 검출 위치의 절대값이 아니라 변화를 기준으로 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 검출 위치가 변할 때 MEMS 회전에 그에 응답하는 변화가 있으면, 반사광이 광학 센서 중심에 유지되도록 한다. MEMS를 약간 회전시키는 것만으로는 푸르키녜 반사의 위치 변화가 발생하지 않으며, 오직 눈의 각도 이동이나 횡방향 이동이 위치 변화를 유발한다.It is desirable that the rotation of the MEMS be based on changes in the detection position, rather than the absolute value. For example, if there is a corresponding change in the rotation of the MEMS when the detection position changes, the reflected light will remain centered on the optical sensor. Simply rotating the MEMS slightly will not cause a change in the position of the Purkinje reflex; only angular or lateral movement of the eye will cause a change in position.

선택된 MEMS는 개방 루프와 폐쇄 루프 구성 모두에서 동작 가능해야 한다. 예를 들어, MEMS는 준정적(quasistatic) 또는 공진(resonant) 모드로 개방 루프에서 동작할 수 있으며, 광학 센서가 MEMS 동작을 구동할 때 폐쇄 루프 모드로 동작할 수도 있다. 또한, 보정 시에는 MEMS가 개방 루프 모드에서 동작하도록 할 수 있다.The selected MEMS must be capable of operating in both open-loop and closed-loop configurations. For example, the MEMS can operate in open-loop, quasistatic or resonant mode, or in closed-loop mode when an optical sensor drives the MEMS operation. Furthermore, the MEMS can be operated in open-loop mode during calibration.

피드백 루프는 제1 푸르키녜 반사를 기반으로 한다. 제1 푸르키녜 반사는 눈의 횡방향 이동과 각도 이동에 대한 정보를 제공한다. 그러나 제4 푸르키녜 반사도 눈의 횡방향 이동을 이해하고, 예를 들어 다른 VCSEL로 전환할 때 유용하다. 예를 들어, 시선이 한 지점에서 다른 지점으로 이동하면, 눈의 순수 각도 이동은 제1 푸르키녜 반사의 변화(ΔP1)에서 제4 푸르키녜 반사의 변화(ΔP4)를 빼서 계산할 수 있다.The feedback loop is based on the first Purkinje reflex, which provides information about the lateral and angular displacement of the eye. However, the fourth Purkinje reflex is also useful for understanding the lateral displacement of the eye, for example, when switching between different VCSELs. For example, if the gaze moves from one point to another, the net angular displacement of the eye can be calculated by subtracting the change in the fourth Purkinje reflex (ΔP4) from the change in the first Purkinje reflex (ΔP1).

이 발명은 저지연(low latency) 눈 추적이 가능하다는 점에서 장점이 있으며, 이는 센서의 크기 요구 사항을 줄이는 효과가 있다. 즉, 센서가 검출 위치의 변화를 확인하고 MEMS 및/또는 VCSEL 어레이가 이에 따라 조정되어 반사광을 광학 센서 중심으로 되돌리면, 매우 큰 센서가 필요하지 않게 된다.This invention has the advantage of enabling low-latency eye tracking, which reduces the sensor's size requirements. That is, since the sensor detects changes in the detection position and adjusts the MEMS and/or VCSEL array accordingly to redirect the reflected light back toward the optical sensor's center, a very large sensor is not required.

바람직하게, 시스템 내 광학부(optics)의 크기는 최소화되어 시스템 전체의 크기도 최소화된다. 이는 예를 들어 MEMS와 같은 반사 수단의 이동을 눈의 각도 이동 변화에 대해 최소화함으로써 달성할 수 있다. 예를 들어, 눈의 각도 이동과 MEMS의 필요한 이동량 사이의 비율을 스케일링 계수(scaling factor)로 정의할 수 있으며, 이 스케일링 계수는 MEMS의 이동을 최소화하도록 최적화된다. 즉, 눈의 각도 이동이 크더라도 MEMS는 필요한 만큼만 이동하며, 예를 들어 불필요하게 과도하게 이동하지 않아, 광학부의 크기를 최소화할 수 있다. 다시 말해, MEMS 이동량이 클수록 필요한 광학부의 크기는 커진다.Preferably, the size of the optics within the system is minimized, thereby minimizing the overall size of the system. This can be achieved, for example, by minimizing the movement of reflective means, such as MEMS, relative to changes in the angular movement of the eye. For example, the ratio between the angular movement of the eye and the required movement of the MEMS can be defined as a scaling factor, and this scaling factor is optimized to minimize the movement of the MEMS. That is, even if the angular movement of the eye is large, the MEMS moves only as much as necessary, and, for example, does not move excessively unnecessarily, thereby minimizing the size of the optics. In other words, the larger the MEMS movement, the larger the required optics size.

바람직하게, 광학 센서의 출력 신호는 MEMS의 공진 주파수보다 5 ~ 10배 높은 반복 속도를 가진다. 예를 들어, 출력 신호의 반복 속도는 적어도 1 kHz, 바람직하게는 적어도 10 kHz 이상이다. 이는 MEMS가 광학 센서 출력 신호를 기반으로 눈을 추적하도록 신속하게 회전하여 정확도를 높이고 노이즈를 줄이는 데 유리하다.Preferably, the output signal of the optical sensor has a repetition rate 5 to 10 times higher than the resonant frequency of the MEMS. For example, the repetition rate of the output signal is at least 1 kHz, and preferably at least 10 kHz or higher. This allows the MEMS to rotate rapidly to track the eye based on the optical sensor output signal, thereby improving accuracy and reducing noise.

바람직하게, 투사 수단의 투사 출력은 각막의 한쪽 측면(side)이나 중앙(centre) 부분에 도달(impinge)된다. 바람직하게는 각막의 한쪽 면을 조사하는데, 이는 푸르키녜 반사가 일반적으로 각막의 측면(side)에서 나타나기 때문이다. 그러나 본 발명은 각막의 어느 영역이든 조사할 수 있도록 일반화되어 있으며, 이 경우에도 푸르키녜 반사를 얻을 수 있다. 이는 설계상의 선택사항이며, 시스템 내 다른 부품들의 위치에 따라 달라진다.Preferably, the projection output of the projection means impinges on one side or the center of the cornea. One side of the cornea is preferably irradiated, as the Purkinje reflex typically appears on the side of the cornea. However, the present invention is generalized to irradiate any area of the cornea, and the Purkinje reflex can still be obtained in this case. This is a design choice and depends on the location of other components within the system.

바람직하게, 시스템은 다수의 투사 수단 중에서 적어도 하나, 또는 두 개, 세 개 이상의 투사 수단을 찾아 켤 수 있도록 구성된다. 예를 들어, 한 번에 하나 또는 여러 개의 투사 수단을 켜면서, 제1 푸르키녜 반사, 특히 약한 제4 푸르키녜 반사를 광학 센서가 수신할 수 있는 투사 수단을 찾고, 선택하여 켠다. 예를 들어, 제1 푸르키녜 반사를 수신하도록 하는 투사 수단 외에, 제4 푸르키녜 반사를 수신하도록 하는 다른 투사 수단을 하나 이상 사용할 수 있다. 이는 작은 동공 크기, 예를 들어 사용자가 밝은 조명 조건에 있는 경우에 유리하고, 그 후 일반적으로 약한 반사인 제4 푸르키녜 반사를 광학 센서가 수신할 수 있도록 하나 이상의 투사 수단이 필요할 수 있다. 예를 들어, 작은 동공의 경우 제4 푸르키녜 반사를 생성하는 데 필요한 투사 수단은 위에서 설명한 최적 투사 수단이 아닐 수 있으며, 예를 들어 제2 또는 제3 투사 수단, 즉 최적 투사 수단에서 오프셋된 투사 수단이 필요할 수 있다. 이는 어레이 형태의 다수 투사 수단을 갖는 또 다른 장점이 된다.Preferably, the system is configured to find and turn on at least one, or two, or three or more, of the multiple projection means. For example, by turning on one or more projection means at a time, the system searches for, selects, and turns on a projection means that can receive the first Purkinje reflex, and particularly the weaker fourth Purkinje reflex, by the optical sensor. For example, in addition to the projection means that can receive the first Purkinje reflex, one or more other projection means that can receive the fourth Purkinje reflex may be used. This is advantageous in cases where the pupil size is small, for example, when the user is in bright lighting conditions, and then more than one projection means may be required to allow the optical sensor to receive the fourth Purkinje reflex, which is generally a weaker reflection. For example, in the case of a small pupil, the projection means required to generate the fourth Purkinje reflex may not be the optimal projection means described above, and may require, for example, a second or third projection means, i.e., a projection means that is offset from the optimal projection means. This is another advantage of having multiple projection means in an array configuration.

바람직하게는, 동작을 시작하기 위해, 시스템은 투사 수단의 투사 출력을 각막상의 미리 정해진 스캐닝 경로를 따라 스캔함으로써 보정되도록 구성된다. 예를 들어, 이는 동작을 시작하기 위해 수행된다. 보정 중에는 다수 투사 수단 중 가장 적합한 투사 수단이 찾아져 선택된다. 이는 다음과 같은 방식으로 수행된다. 먼저, 다수 투사 수단을 차례로 켜고,예를 들어, 하나씩 순서대로 켠다. 각 시점과 각 투사 수단마다 광학 센서를 관찰한다. 푸르키녜 반사를 생성하는 투사 수단이 선택된다. 일반적으로 이는 인접한 투사 수단 그룹일 것이며, 예를 들어 노이즈 등으로 인한 일부 이상치(outlier) 투사 수단도 포함될 수 있다. 그 후, 반사 수단(예를 들어, MEMS)은 각 결과 투사 수단을 알려진 스캐닝 경로(예를 들어, 리사주(Lissajous) 스캔, 래스터(raster) 스캔 또는 다른 적절한 스캔)를 따라 스캔한다. 스캔 동안 푸르키녜 반사가 가장 적게 움직이는 투사 수단이 선택되며, 따라서 이것이 눈 추적 과정에서 사용될 투사 수단이 된다. 예를 들어, P1 및 P4 반사의 횡방향 움직임(lateral motion)이 가장 적은 광원이 선택된다. 이는 동작에 가장 적합한 투사 수단이 각막(cornea)의 광축(optical axis)으로부터 가장 적은 중심이탈(decenter)을 가지기 때문이다. 다시 말해, 가장 적합한 투사 수단의 경우, MEMS를 알려진 스캐닝 경로를 따라 스캔하는 것, 예를 들어 작은 영역 내에서, 각막 범위 내에서 MEMS를 스캔하더라도 푸르키녜 반사의 급격한 이동이 발생하지 않으며, 그 출력은 여전히 각막에 투사된다. 예를 들어, MEMS를 일정량 스캔 또는 회전한 후, P1과 P4 사이의 올바른(예를 들어, 예상된) 반사 비율을 가지는 투사 수단을 선택한다. 예를 들어, (High-resolution eye-tracking via digital imaging of Purkinje reflections, Ruei-Ju Wu et al., https://doi.org/10.1101/2022.08.16.504076)의 공식(1)을 적용하는 방식이다.Preferably, to initiate motion, the system is configured to calibrate by scanning the projection output of the projection means along a predetermined scanning path on the cornea. For example, this is performed to initiate motion. During calibration, the most suitable projection means among multiple projection means is found and selected. This is performed in the following manner. First, multiple projection means are turned on sequentially, for example, one by one. At each point in time and for each projection means, an optical sensor is observed. The projection means that produces a Purkinje reflex is selected. Typically, this will be a group of adjacent projection means, and may also include some outlier projection means, for example, due to noise. The reflection means (e.g., MEMS) then scans each resulting projection means along a known scanning path (e.g., Lissajous scan, raster scan, or other suitable scan). The projection means that produces the least movement of the Purkinje reflex during the scan is selected, and thus becomes the projection means used in the eye tracking process. For example, the light source with the least lateral motion of the P1 and P4 reflections is selected. This is because the most suitable projection medium for the operation has the least decentering from the optical axis of the cornea. In other words, for the most suitable projection medium, scanning the MEMS along a known scanning path, for example, within a small area, within the corneal range, does not cause abrupt shift of the Purkinje reflection, and its output is still projected onto the cornea. For example, after scanning or rotating the MEMS by a certain amount, the projection medium with the correct (e.g., expected) reflection ratio between P1 and P4 is selected. For example, this can be done by applying formula (1) of (High-resolution eye-tracking via digital imaging of Purkinje reflections, Ruei-Ju Wu et al., https://doi.org/10.1101/2022.08.16.504076).

바람직하게는, 상기 광검출기 각각은 단일 광자 검출기(single photon detector), 바람직하게는 단일 광자 애벌랜치 검출기(SPAD, single photon avalanche detector)로서 단일 광자를 감지할 수 있는 것으로 한다. SPAD는 최소 광자 예산으로 낮은 응답 시간을 가지므로 유용하다. SPAD는 단일 광자를 감지할 수 있으므로 매우 정확하며 높은 동적 범위를 가진다. 이는 약한 반사인 제4 푸르키녜 반사를 획득할 수 있다는 점에서 유리하다. SPAD는 단일 광자에 민감하므로 약한 신호도 감지할 수 있다. 예를 들어, SPAD는 강도 차이가 3자리 수(order of magnitude)인 제1 및 제4 반사를 모두 감지할 수 있다는 점에서 유리하다. 또한, 광검출기의 응답 시간이 낮다는 점에서도 유리한데, 예를 들어 광자가 나노초 단위로 감지되어 디지털 신호로 인코딩되므로, 눈이 지속적으로 추적되며 투사 출력이 항상 각막의 미리 정해진 영역으로부터 일정 범위 내에 있도록 한다. 낮은 응답 시간 또는 낮은 지연)은 광검출기에서 위치 변화를 신속하게 감지하고, 예를 들어 이후에 상기 변화 정보를 반사 수단 또는 MEMS에 전달하는 데도 유리하다. 또한 SPAD는 광자 감도가 높다는 점에서 유용하며, 이는 투사 출력에 최소한의 에너지만 필요함을 의미한다.Preferably, each of the photodetectors is a single photon detector, preferably a single photon avalanche detector (SPAD), capable of detecting a single photon. SPADs are useful because they have a low response time with a minimum photon budget. Because SPADs can detect single photons, they are highly accurate and have a high dynamic range. This is advantageous in that they can capture the fourth Purkinje reflection, which is a weak reflection. Because SPADs are sensitive to single photons, they can also detect weak signals. For example, SPADs are advantageous in that they can detect both the first and fourth reflections, which have an intensity difference of three orders of magnitude. The low response time of the photodetectors is also advantageous, because, for example, photons are detected in nanoseconds and encoded into digital signals, so that the eye is continuously tracked and the projection output always remains within a certain range from a predetermined area of the cornea. Low response time (or low latency) is also advantageous for quickly detecting position changes in a photodetector and subsequently transmitting this change information to a reflective means or MEMS, for example. SPADs are also useful because of their high photon sensitivity, which means that their projection output requires minimal energy.

바람직하게는, 상기 적어도 하나의 광센서는 제1 광센서와 제2 광센서를 포함하며, 각 광센서는 서로 다른 반사를 수신하도록 구성된다. 예를 들어, 제1 광센서는 제1 푸르키녜 반사를 수신하도록, 제2 광센서는 제4 푸르키녜 반사를 수신하도록 구성된다. 예를 들어, 제2 광센서는 더 민감하게 구성되어 제4 푸르키녜 반사(약한 반사)를 감지할 수 있다. 예를 들어, 광센서로 들어오는 광을 두 부분으로 분할하고, 각 광센서가 그 중 하나의 부분을 수신하도록 한다. 이는 밝은 광 환경에서 유리한데, 이 경우 동공이 작아 제4 푸르키녜 반사가 매우 약해지기 때문이다.Preferably, the at least one photosensor comprises a first photosensor and a second photosensor, each of which is configured to receive a different reflection. For example, the first photosensor is configured to receive the first Purkinje reflex, and the second photosensor is configured to receive the fourth Purkinje reflex. For example, the second photosensor may be configured to be more sensitive to detect the fourth Purkinje reflex (a weaker reflection). For example, the light entering the photosensor may be split into two parts, with each photosensor receiving one of the parts. This is advantageous in bright light environments, because the pupil is small in this case, making the fourth Purkinje reflex very weak.

바람직하게는, 상기 시스템은 두 개의 투사 수단을 찾도록 구성되며, 각 투사 수단은 서로 다른 푸르키녜 반사를 생성하도록 구성된다. 예를 들어, 시스템은 하나 이상의 투사 수단이 제1 푸르키녜 반사를 생성하고, 다른 하나 이상의 투사 수단이 제4 푸르키녜 반사를 생성하도록 구성될 수 있다.Preferably, the system is configured to locate two projection means, each of which is configured to generate a different Purkinje reflex. For example, the system may be configured such that one or more projection means generate a first Purkinje reflex, and one or more other projection means generate a fourth Purkinje reflex.

바람직하게는, 상기 광센서는 동공의 공준면(conjugate plane)에 배치된다. 이는 가상의 제1 푸르키녜 반사와 실제 제4 푸르키녜 반사가 초점을 맞춘 평면이다. 이는 눈의 각 변위와 광센서에서 관측되는 변위 사이에 명확한 비율이 존재한다는 점에서 유리하다. 예를 들어, 눈이 A도만큼 각 변위하면, 이는 광센서에서 B만큼의 감지 변위에 대응하며, 여기서 A와 B는 알려진 비율에 의해 관련되며, 상기 비율은 사용자에 따라 달라지는 보정 계수(calibration factor)이다. 예를 들어, 상기 보정 계수는 시스템의 초기 보정 동안 찾으며, 사용자마다 다르다. 예를 들어, 사용자에게 특정 패턴을 따라 눈을 회전하도록 요청하고, 그 후 반사가 그에 따라 변할 때, 눈이 얼마나 움직였는지와 감지가 얼마나 이동했는지를 기준으로 보정 계수를 얻을 수 있다. 예를 들어, 어떤 각 및/또는 측면 변위가 광센서에서 관측되는 어느 정도의 변위를 초래하는지 계산함으로써 구할 수 있다. 상기 보정 계수는 각 사용자마다 다르며, 이는 각 사용자의 각막 특성에 따라 달라진다. 상기 보정 계수는 광학 수차(optical aberration) 및 광센서에서의 해당 실린더 왜곡(cylinder distortion)과 같은 눈의 다른 특성에도 영향을 받으므로, 사람마다 동일하지 않다. 이 실린더 왜곡은 수직 방향과 수평 방향에서 동일하지 않다. 또한, 일부 사람의 경우, 왜곡이 수직 및 수평 방향 모두에 존재할 수 있다. 따라서 눈이 수평 및 수직 방향 둘 모두에서 움직이는 경우, 두 방향의 실린더 왜곡이 모두 영향을 미친다. 그러므로 수평 방향과 수직 방향에서 보정 계수(calibration factor)는 동일하지 않다. 상기 시스템은 두 방향에서의 왜곡을 알아내도록 적합하게 구성되어 있다는 점에서 유리하다. 이는 보정 과정에서 수행된다. 예를 들어, 시스템은 사용자에게 눈을 수평, 수직, 또는 두 방향의 조합으로 움직이도록 요청한 후, 이 왜곡이 어느 정도인지 계산한다. 많은 경우, 이 왜곡은 수직 및 수평 왜곡의 조합이므로, 눈이 수직 및 수평 방향의 조합으로 움직일 경우 광센서에서 관측되는 변위를 이해하는 것이 바람직하다.Preferably, the light sensor is positioned in the conjugate plane of the pupil. This is the plane where the hypothetical first Purkinje reflection and the actual fourth Purkinje reflection are focused. This is advantageous in that there is a clear ratio between the angular displacement of the eye and the displacement observed by the light sensor. For example, if the eye is angularly displaced by A degrees, this corresponds to a detected displacement of B degrees by the light sensor, where A and B are related by a known ratio, which is a calibration factor that varies from user to user. For example, the calibration factor is determined during the initial calibration of the system and varies from user to user. For example, the user can be asked to rotate their eyes along a specific pattern, and the calibration factor can be derived based on how much the eye has moved and how much the sensor has shifted as the reflection changes accordingly. For example, this can be determined by calculating which angular and/or lateral displacements result in a certain displacement observed by the light sensor. The calibration factor is user-specific and varies depending on the corneal characteristics of each user. The above calibration factor is not the same for each individual because it is affected by other characteristics of the eye, such as optical aberration and the corresponding cylinder distortion in the photosensor. This cylinder distortion is not the same in the vertical and horizontal directions. Furthermore, for some individuals, distortion may exist in both the vertical and horizontal directions. Therefore, if the eye moves in both the horizontal and vertical directions, cylinder distortion in both directions will affect the eye. Therefore, the calibration factor is not the same in the horizontal and vertical directions. The system is advantageous in that it is configured to detect distortion in both directions. This is done during the calibration process. For example, the system asks the user to move their eyes horizontally, vertically, or in a combination of the two directions, and then calculates the amount of this distortion. In many cases, this distortion is a combination of vertical and horizontal distortion, so it is desirable to understand the displacement observed in the photosensor when the eye moves in a combination of vertical and horizontal directions.

바람직하게는, 투사 수단은 펄싱 모드로 동작된다. 예를 들어, 각각의 펄스는 광센서에서 서로 다른 푸르키녜 반사를 생성하도록 조정된다. 예를 들어, 강도가 약하거나 일반적인 하나의 펄스는 제1 푸르키녜 반사를 생성하며, 이러한 반사는 강한 반사이기 때문이고, 강도가 강한 하나의 펄스는 제4 푸르키녜 반사를 생성하며, 이러한 반사는 약한 반사이므로 필요하다. 대안적으로, 이러한 펄스들은 서로 다른 길이를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 푸르키녜 반사를 관측하기 위한 짧은 펄스와 제4 푸르키녜 반사를 관측하기 위한 긴 펄스가 있다. 대안적으로, 광센서는 두 개의 관심 영역(region of interest)을 가지도록 구성될 수 있으며, 한 영역은 제1 푸르키녜 반사를 받을 것으로 예상되고, 다른 영역은 제4 푸르키녜 반사를 받을 것으로 예상된다. 예를 들어, 한 관심 영역은 하나의 감도를 가지며, 다른 관심 영역은 다른 감도를 가지므로, 제1 및 제4 푸르키녜 반사를 모두 포착할 수 있다. 이를 위해, 보정 단계동안 광센서 상에서 제1 강한 푸르키녜 반사가 어디에서 수신되는지, 그리고 제4 약한 반사가 어디에서 수신되는지 추정할 필요가 있다. 예를 들어, 광센서 상에서 검출 위치의 크기가 큰 경우, 이 감지는 제1 푸르키녜 반사일 가능성이 높고, 유사하게 광센서 상에서 검출 위치의 크기가 작은 경우, 이 감지는 제4 푸르키녜 반사일 가능성이 높다. 그 후, 서로 다른 관심 영역은 예를 들어 제1 또는 제4 푸르키녜 반사에 적합하도록 서로 다른 바이어스 값을 가지거나 서로 다른 관찰 창을 가지는 픽셀 또는 SPAD를 포함할 수 있다. 이후, 보정 즉 정상 동작 동안 시스템은 반사들의 상대 위치를 추적한다. 대안적으로, 픽셀 센서들은 감도 조정(tuneable sensitivities)이 가능할 수 있다. 예를 들어, 두 번의 측정을 수행할 수 있는데, 하나는 한 감도로 측정하고 다른 하나는 다른 감도로 측정한다. 예를 들어, 광센서의 감도를 조정하여 때로는 제1 푸르키녜 반사를 감지하고, 때로는 제4 푸르키녜 반사를 감지할 수 있다. 상기 솔루션들은 제1 및 제4 푸르키녜 반사가 세 자릿수 정도의 세기 차이가 있는 문제를 해결하는 데 유리하다. 이 문제를 해결하는 또 다른 방법은 광센서의 데이터를 주변광과 같은 노이즈로부터 필터링하여, 잘못 감지된 센싱 유닛 수를 줄이고, 따라서 제4 약한 푸르키녜 반사를 식별하기 쉽게 만드는 것이다. 예를 들어, 인접한 센싱 유닛(픽셀)의 감지를 확인하는데, 푸르키녜 반사는 일반적으로 하나 이상의 픽셀에서 감지될 가능성이 있기 때문이다(PCT EP2021 087594 참조). 대안적으로 또는 추가적으로, 감지들이 시간에 따라 지속되는지를 확인할 수 있는데(PCT IB2022 058609 참조), 이는 눈이 매우 짧은 시간 동안 극적으로 움직이지 않으므로 푸르키녜 반사 또한 매우 짧은 시간 동안 움직이지 않기 때문이다. 예를 들어, 눈이 40나노초, 심지어 100나노초 동안에도 극적으로 움직이지 않는다. 따라서 장시간 동안 지속되는 감지는 진정 감지들(true detections)일 가능성이 높고, 그렇지 않은 감지는 잘못된 감지들(false detections)일 가능성이 높다. 대안적으로 또는 추가적으로, 각각의 검출기는 PCT/IB2021/054688에 기술된 바와 같이 하나의 열 버스와 하나의 행 버스에 연결되어, 출력 픽셀을 픽셀 단위로 읽는 것을 방지하며, 이는 노이즈를 줄이고 시스템을 더 빠르게 만드는 데 유리하다. 기타 필터링 메커니즘은 PCT IB2021 054688, PCT EP2021 087594, PCT IB 2022 000323 및 PCT IB2022 058609에 기술된 바와 같이 고려될 수 있다.Preferably, the projection means is operated in a pulsed mode. For example, each pulse is tuned to produce a different Purkinje reflection in the light sensor. For example, one pulse of weak or normal intensity produces the first Purkinje reflection, which is a strong reflection, and one pulse of strong intensity produces the fourth Purkinje reflection, which is a weak reflection and is therefore necessary. Alternatively, these pulses may have different lengths. For example, there may be a short pulse for observing the first Purkinje reflection and a long pulse for observing the fourth Purkinje reflection. Alternatively, the light sensor may be configured to have two regions of interest, one region expected to receive the first Purkinje reflection and the other region expected to receive the fourth Purkinje reflection. For example, one region of interest may have one sensitivity and the other region of interest may have a different sensitivity, thereby capturing both the first and fourth Purkinje reflections. To achieve this, during the calibration phase, it is necessary to estimate where on the light sensor the first strong Purkinje reflection is received and where the fourth weak reflection is received. For example, if the detection location size on the light sensor is large, the detection is more likely to be the first Purkinje reflection, and similarly, if the detection location size on the light sensor is small, the detection is more likely to be the fourth Purkinje reflection. Then, different regions of interest may include pixels or SPADs with different bias values or different observation windows, for example, to suit the first or fourth Purkinje reflection. Then, during calibration, that is, normal operation, the system tracks the relative positions of the reflections. Alternatively, the pixel sensors may have tunable sensitivities. For example, two measurements may be taken, one with one sensitivity and the other with a different sensitivity. For example, by adjusting the sensitivity of the light sensor, sometimes the first Purkinje reflection may be detected and sometimes the fourth Purkinje reflection may be detected. The above solutions are advantageous in addressing the problem that the first and fourth Purkinje reflexes differ in intensity by three orders of magnitude. Another way to address this problem is to filter the data from the photosensor from noise, such as ambient light, to reduce the number of falsely detected sensing units, thus making it easier to identify the fourth weak Purkinje reflex. For example, detections from adjacent sensing units (pixels) can be checked, as Purkinje reflexes are typically detected in more than one pixel (see PCT EP2021 087594). Alternatively, or additionally, detections can be checked to see if they persist over time (see PCT IB2022 058609), as the eye does not move dramatically over very short periods of time, and thus the Purkinje reflex does not move dramatically over very short periods of time. For example, the eye does not move dramatically over 40 nanoseconds, or even 100 nanoseconds. Therefore, detections that persist for a long period of time are likely true detections, while those that do not are likely false detections. Alternatively or additionally, each detector may be connected to a single column bus and a single row bus, as described in PCT/IB2021/054688, to avoid reading the output pixels pixel by pixel, which is advantageous for reducing noise and making the system faster. Other filtering mechanisms may be considered, as described in PCT IB2021 054688, PCT EP2021 087594, PCT IB 2022 000323, and PCT IB2022 058609.

예를 들어, 상기 시스템은 상기 복수의 센싱 유닛에 의해 결정된 검출 위치를 필터링하도록 적응되어 있다. 예를 들어, 반사광을 주변광 및 노이즈와 분리한다. 이는 상기 감지가 하나 이상의 인접 또는 반인접 센싱 유닛에서 존재하는지에 기초할 수 있으며, 예를 들어 진 상태인 픽셀 중 적어도 하나의 인접 픽셀도 진 상태인 경우에만 고려하는 방식이다. 이는 추가적으로 또는 대체적으로 상기 감지가 최소 두 개의 연속적인 시간 단계에서 존재하는지에 기초할 수도 있다. 예를 들어, 한 관측에서 얻어진 복수 픽셀 중 진 상태인 픽셀 중 적어도 하나의 인접 픽셀도 진 상태인 경우만 고려하거나, 최소 두 개 이상의 연속적 또는 반연속적 관측 창의 조합에 기초할 수 있다.For example, the system is adapted to filter the detection locations determined by the plurality of sensing units, e.g., to separate reflected light from ambient light and noise. This may be based on whether the detection exists in one or more adjacent or semi-adjacent sensing units, e.g., only considering a pixel in a true state if at least one adjacent pixel is also in a true state. This may additionally or alternatively be based on whether the detection exists in at least two consecutive time steps, e.g., only considering a pixel in a true state among a plurality of pixels obtained in an observation if at least one adjacent pixel is also in a true state, or based on a combination of at least two consecutive or semi-consecutive observation windows.

예를 들어, 각 펄스가 제1 미리정해진 강도 또는 제2 미리정해진 강도를 갖거나, 각 펄스가 제1 미리정해진 펄스 폭 또는 제2 미리정해진 펄스 폭을 갖는 경우. 상기 제1 미리정해진 강도 또는 제1 미리정해진 펄스 폭은 하나의 반사(예를 들어, 제1 푸르키녜 반사)가 상기 광학 센서에 의해 수신되도록 적응되어 있으며, 상기 제2 미리정해진 강도 또는 제2 미리정해진 펄스 폭은 하나의 다른 반사(예를 들어, 제4 푸르키녜 반사)가 상기 광학 센서에 의해 수신되도록 적응되어 있다. 예를 들어, 제1 미리정해진 강도는 제1 강한 푸르키녜 반사가 광학 센서에 의해 수신될 수 있는 낮은 강도이며, 제2 미리정해진 강도는 제4 약한 푸르키녜 반사가 광학 센서에 의해 수신될 수 있는 높은 강도이다. 유사하게, 예를 들어 제1 미리정해진 펄스 폭은 제4 푸르키녜 반사보다 제1 푸르키녜 반사가 강하기 때문에 제2 미리정해진 폭보다 짧다.For example, where each pulse has a first predetermined intensity or a second predetermined intensity, or where each pulse has a first predetermined pulse width or a second predetermined pulse width. The first predetermined intensity or the first predetermined pulse width is adapted to cause one reflection (e.g., a first Purkinje reflection) to be received by the optical sensor, and the second predetermined intensity or the second predetermined pulse width is adapted to cause another reflection (e.g., a fourth Purkinje reflection) to be received by the optical sensor. For example, the first predetermined intensity is a low intensity at which a first strong Purkinje reflection can be received by the optical sensor, and the second predetermined intensity is a high intensity at which a fourth weak Purkinje reflection can be received by the optical sensor. Similarly, for example, the first predetermined pulse width is shorter than the second predetermined width because the first Purkinje reflection is stronger than the fourth Purkinje reflection.

바람직하게, 광학 센서는 반사 위치를 측정하도록 구성되며, 상기 위치를 광학 센서의 출력에서 출력한다. 다시 말해, 광학 센서는 검출 위치 즉, 감지를 감지한 센싱 유닛만을 출력하며, 따라서 복수의 센싱 유닛 각각을 읽을 필요가 없다. 이는 PCT/IB2021/054688에 설명되어 있다. 이는 감지가 있는 유닛만을 읽음으로써 센싱 유닛의 에너지 및 읽기 시간을 절약할 수 있는 장점이 있다. 또한, 특정 구현으로서 감지 영역을 계산하고, 그 결과로 감지의 평균 위치를 결정하여, 푸르키녜 반사가 떨어지는 평균 위치를 나타낼 수 있다.Preferably, the optical sensor is configured to measure the position of the reflection and output the position as an output of the optical sensor. In other words, the optical sensor outputs only the detection position, i.e., the sensing unit that detected the detection, thereby eliminating the need to read each of the multiple sensing units individually. This is described in PCT/IB2021/054688. This has the advantage of saving energy and reading time of the sensing unit by reading only the units that have detected the detection. In addition, as a specific implementation, the detection area can be calculated and the average position of the detection can be determined as a result, thereby indicating the average position at which the Purkinje reflex falls.

바람직하게, 상기 투사 수단은 알려진 펄싱 주파수를 갖는 펄싱 모드로 동작된다. 상기 시스템은 눈을 비추는 외부 광원 등에서 기인한 원치 않는 신호 및 잡음을 최소화하거나 제거하도록 적응된다. 이는 투사 수단의 알려진 펄싱 주파수 또는 실질적으로 동일한 주파수를 갖는 감지만을 고려하고, 서로 다른 또는 실질적으로 다른 펄싱 주파수를 갖는 감지는 버림으로써 이루어진다.Preferably, the projection means is operated in a pulsed mode having a known pulsed frequency. The system is adapted to minimize or eliminate unwanted signals and noise resulting from external light sources illuminating the eye, etc. This is achieved by considering only detections having the known pulsed frequency of the projection means or substantially the same frequency, and discarding detections having different or substantially different pulsed frequencies.

바람직하게, 상기 광학 센서는 상기 광학 센서 상에서 최소 두 개, 바람직하게는 두 개의 검출 위치를 동시에 측정하고, 상기 위치들을 상기 광학 센서의 출력에서 제공하도록 구성된다. 바람직하게, 각 위치는 서로 다른 정반사에 대응된다. 유리하게, 하나의 검출 위치는 제1 푸르키녜 반사(P1)에 대응되고, 다른 하나의 감지 위Δ는 제4 푸르키녜 반사(P4)에 대응된다. 이는 제1 및 제4 푸르키녜 반사 모두에 부분적 또는 완전히 의존하는 눈의 횡방향 및/또는 각도 이동을 계산할 수 있도록 하는 장점이 있다.Preferably, the optical sensor is configured to simultaneously measure at least two, preferably two, detection positions on the optical sensor and to provide said positions at the output of the optical sensor. Preferably, each position corresponds to a different specular reflection. Advantageously, one detection position corresponds to the first Purkinje reflex (P1), and the other detection position Δ corresponds to the fourth Purkinje reflex (P4). This has the advantage of allowing calculation of lateral and/or angular movements of the eye that are partially or fully dependent on both the first and fourth Purkinje reflexes.

제2 측면에서, 본 발명은 제1 측면에 따른 눈 추적 시스템을 사용하는 디스플레이 시스템과 관련된다. 예를 들어, 시선 방향에 따라 장면을 표시하는 VR 시스템.In a second aspect, the present invention relates to a display system using the eye tracking system according to the first aspect. For example, a VR system that displays a scene according to the direction of gaze.

제3 측면에서, 본 발명은 예를 들어 제1 측면의 시스템에 대응하는 눈 추적 방법과 관련된다. 상기 방법은 적어도 하나의 투사 수단에 의해 눈의 각막의 미리 정해진 영역에 투사 출력을 투사(project)하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 적어도 하나의 광학 센서에 의해 눈으로부터의 반사광을 감지하는 단계를 포함한다. 눈으로부터의 반사광은 적어도 하나의 반사, 바람직하게는 두 개의 반사를 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 광학 센서 상에서 상기 반사광의 검출 위치를 결정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 검출 위치 및/또는 그 변위를 기반으로 눈의 방향 및/또는 위치, 예를 들어 눈의 횡방향 및/또는 각도 이동 및/또는 그 변화를 계산하는 단계를 포함한다.In a third aspect, the present invention relates to an eye tracking method, for example, corresponding to the system of the first aspect. The method comprises the step of projecting a projection output onto a predetermined area of the cornea of the eye by at least one projection means. The method also comprises the step of detecting a reflection from the eye by at least one optical sensor. The reflection from the eye comprises at least one reflection, preferably two reflections. The method also comprises the step of determining a detection position of the reflection on the optical sensor. The method also comprises the step of calculating a direction and/or position of the eye, for example, a lateral and/or angular movement and/or a change thereof, based on the detection position and/or the displacement thereof.

바람직하게, 상기 방법은 상기 투사 수단을 이동 가능하도록 구성하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 상기 방법은 적어도 하나의 반사가 상기 광학 센서에 의해 수신되도록 상기 투사 수단을 이동 또는 위치시키는 단계를 포함한다. 또는, 상기 방법은 상기 투사 수단을 1차원 또는 2차원 어레이로 배치된 복수의 투사 수단으로 구성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 적어도 하나의 투사 수단을 찾아 선택하여 상기 광학 센서에 의해 적어도 하나의 반사, 바람직하게는 적어도 제1 푸르키녜 반사 및 제4 푸르키녜 반사가 수신되도록 전환하는 단계를 포함한다.Preferably, the method comprises configuring the projection means to be movable. For example, the method comprises a step of moving or positioning the projection means such that at least one reflection is received by the optical sensor. Alternatively, the method comprises a step of configuring the projection means as a plurality of projection means arranged in a one-dimensional or two-dimensional array. The method further comprises a step of locating and selecting at least one projection means and switching it such that at least one reflection, preferably at least a first Purkinje reflection and a fourth Purkinje reflection, is received by the optical sensor.

바람직하게, 상기 방법은 검출 위치 및/또는 그 변위를 기반으로 한 투사 수단에서 다른 투사 수단으로의 동작 전환 단계를 포함한다. 예를 들어, 눈의 횡방향 이동을 기반으로 한다. 예를 들어, 제1 투사 수단이 더 이상 눈에서 반사를 생성하지 못하는 경우, 이는 눈의 측면 변위 또는 장치의 미끄러짐(slippage) 때문일 수 있다. 일반적으로 바람직하게는 한 번에 하나의 투사 수단 또는 필요에 따른 최소한의 투사 수단만 전원이 켜지도록 하는 것이 선호된다(예를 들어, 제1 푸르키녜 반사를 위한 하나, 제4 푸르키녜 반사를 위한 하나). 예를 들어, 불필요한 중복 광원은 꺼진다. 그러나 반사 세기를 증가시키거나 다른 반사를 유도하기 위해 한 번에 여러 투사 수단 그룹이 필요할 경우, 상기 방법은 한 투사 수단 그룹에서 다른 투사 수단 그룹으로의 동작 전환 단계를 포함한다.Preferably, the method comprises a step of switching the operation from one projection means to another based on the detection position and/or displacement thereof, for example, based on a lateral movement of the eye. For example, if the first projection means no longer produces a reflection from the eye, this may be due to a lateral displacement of the eye or a slippage of the device. In general, it is preferred to power on only one projection means at a time, or a minimum number of projection means as needed (e.g., one for the first Purkinje reflex and one for the fourth Purkinje reflex). For example, unnecessary redundant light sources are turned off. However, if multiple groups of projection means are needed at a time to increase the intensity of the reflection or to induce different reflections, the method comprises a step of switching the operation from one group of projection means to another group of projection means.

바람직하게, 상기 방법은 각 광검출기를 포함하는 픽셀 행렬을 형성하는 복수의 센싱 유닛을 포함하도록 광학 센서를 구성하는 단계를 포함한다.Preferably, the method comprises configuring an optical sensor to include a plurality of sensing units forming a pixel matrix, each of which includes a photodetector.

바람직하게, 상기 방법은 적어도 하나의 광학 센서가 눈 이미지 평면 상에서 눈의 수평 축을 따라 최소 5 밀리미터 이상의 최소 시야를 갖도록 구성하는 단계를 포함하며, 바람직하게는 최소 10 밀리미터, 더욱 바람직하게는 최소 15 밀리미터 이상이다. 상기 방법은 또한, 상기 시야를 최소 시야 이상을 갖는 단일 광학 센서로 커버하는 단계를 포함한다. 또는, 상기 방법은, 전체 시야가 최소 시야 이상이 되도록 위치를 이동할 수 있는 단일 이동형 광학 센서로 상기 시야를 커버하는 단계를 포함한다. 또는, 상기 방법은, 전체 시야가 최소 시야 이상이 되도록 복수의 광학 센서로 최소 시야를 커버하는 단계를 포함한다.Preferably, the method comprises configuring at least one optical sensor to have a minimum field of view of at least 5 millimeters along a horizontal axis of the eye on the eye image plane, preferably at least 10 millimeters, more preferably at least 15 millimeters. The method further comprises covering the field of view with a single optical sensor having at least the minimum field of view. Alternatively, the method comprises covering the field of view with a single movable optical sensor that can move its position so that the entire field of view is at least the minimum field of view. Alternatively, the method comprises covering the minimum field of view with a plurality of optical sensors so that the entire field of view is at least the minimum field of view.

바람직하게, 상기 방법은 눈이 회전할 경우 투사 출력이 상기 미리정해진된 각막 영역에 유지되도록 투사 수단을 재배향하는 단계를 포함한다. 상기 재배치는 검출 위치 및/또는 그 변위를 기반으로 한다.Preferably, the method comprises a step of reorienting the projection means so that the projection output remains in the predetermined corneal region when the eye rotates. The reorientation is based on the detection position and/or its displacement.

바람직하게, 상기 방법은 반사 수단에 의해 상기 투사 출력을 상기 미리정해진된 각막 영역에 반사하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 투사 출력이 상기 반사 수단에 투사된 후, 상기 미리정해진된 각막 영역에 상기 출력을 반사하도록 한다. 상기 방법은 또한, 상기 반사 수단을 재배향하는 단계를 포함하며, 눈이 회전할 경우 투사 출력이 상기 미리정해진된 각막 영역에 유지되도록 한다. 상기 재배치는 검출 위치 및/또는 그 변위를 기반으로 한다.Preferably, the method comprises a step of reflecting the projection output onto the predetermined corneal area by a reflecting means. For example, after the projection output is projected onto the reflecting means, the output is reflected onto the predetermined corneal area. The method also comprises a step of reorienting the reflecting means so that the projection output remains on the predetermined corneal area when the eye rotates. The reorientation is based on the detection position and/or its displacement.

바람직하게, 상기 방법은 복수의 투사 수단 중에서 상기 광학 센서가 제4 푸르키녜 반사를 수신하도록 하는 적어도 하나의 다른 투사 수단을 찾는 단계를 포함한다.Preferably, the method comprises the step of finding at least one other projection means among the plurality of projection means that causes the optical sensor to receive a fourth Purkinje reflection.

바람직하게, 상기 방법은 시스템을 보정하는 단계를 포함한다. 상기 보정은 상기 투사 수단의 투사 출력을 각막 상의 미리정해진된 스캐닝 경로를 따라 스캔하는 단계를 포함한다.Preferably, the method comprises a step of calibrating the system. The calibration comprises a step of scanning the projection output of the projection means along a predetermined scanning path on the cornea.

바람직하게, 상기 방법은 각 상기 광검출기에 단일 광자 애벌랜치 검출기(SPAD)를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 SPAD는 단일 광자를 감지할 수 있다.Preferably, the method comprises the step of providing each of the photodetectors with a single photon avalanche detector (SPAD), wherein the SPAD is capable of detecting a single photon.

바람직하게, 상기 방법은 제1 광학 센서와 제2 광학 센서를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한, 제1 광학 센서를 한 반사를 수신하도록 구성하고, 제2 광학 센서를 다른 반사를 수신하도록 구성하는 단계를 포함한다. 이는 반사의 세기가 서로 다른 경우에 유리하다.Preferably, the method comprises providing a first optical sensor and a second optical sensor. The method also comprises configuring the first optical sensor to receive one reflection and configuring the second optical sensor to receive the other reflection. This is advantageous when the intensities of the reflections are different.

바람직하게, 상기 방법은 광학 센서를 동공의 공준면에 배치하는 단계를 포함한다.Preferably, the method comprises the step of placing the optical sensor on the standard plane of the pupil.

바람직하게, 상기 방법은 상기 센싱 유닛들의 데이터를 필터링하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 상기 감지가 하나 또는 두 개 이상의 인접 또는 반인접 센싱 유닛에서 나타나는지 여부, 및/또는 상기 감지가 최소 두 개의 연속 시간 단계에서 나타나는지를 기준으로 필터링하는 단계를 포함한다.Preferably, the method comprises a step of filtering data of the sensing units, for example, based on whether the detection occurs in one or more adjacent or semi-adjacent sensing units, and/or based on whether the detection occurs in at least two consecutive time steps.

본 발명의 실시예에 대한 추가 특징 및 장점은 도면을 참조하여 설명될 것이다. 발명은 이러한 도면에 도시되거나 예에서 설명된 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 청구범위에 의해만 제한된다는 점에 유의해야 한다.Additional features and advantages of embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. It should be noted that the invention is not limited to the specific embodiments illustrated or described in the drawings, but is limited only by the scope of the claims.

도 1은 본 발명에 따른 안구 추적 시스템(100)을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 1에서, 프로젝터(3)는 눈(1)의 각막 상에 출력(4)을 투사하며, 바람직하게는 각막의 미리정해진된 부분(2), 바람직하게는 각막의 한 측면, 예를 들어 좌측 또는 우측에 투사한다. 입사광(4)은 이후 광학 센서(6)로 반사(5)된다. 광학 센서(6)는 행렬로 어레이된 복수의 픽셀(7)을 포함한다. 광학 센서(6)가 수신한 반사광(5)을 기반으로, 이는 눈의 각 또는 측면 변위를 나타내며, 프로젝터의 방향이 변경되어 각막을 따라가도록 한다.Figure 1 schematically illustrates an eye tracking system (100) according to the present invention. In Figure 1, a projector (3) projects an output (4) onto the cornea of an eye (1), preferably a predetermined portion (2) of the cornea, preferably one side of the cornea, for example the left or right. The incident light (4) is then reflected (5) onto an optical sensor (6). The optical sensor (6) comprises a plurality of pixels (7) arranged in a matrix. Based on the reflected light (5) received by the optical sensor (6), this indicates an angular or lateral displacement of the eye, and the direction of the projector is changed to follow the cornea.

도 2는 본 발명에 따른 눈(1)의 서로 다른 층(41-44)과 서로 다른 푸르키녜 반사(P1-P4)를 보여준다. 가장 중요한 층은 각막(41)과 수정체(44)이다. 각막(41)에서 반사된 광은 제1 푸르키녜 반사(P1)라고 하며, 수정체(44)에서 반사된 광은 제4 푸르키녜 반사(P4)라고 한다.Figure 2 shows different layers (41-44) and different Purkinje reflexes (P1-P4) of the eye (1) according to the present invention. The most important layers are the cornea (41) and the lens (44). The light reflected from the cornea (41) is called the first Purkinje reflex (P1), and the light reflected from the lens (44) is called the fourth Purkinje reflex (P4).

도 3은 안구 추적 시스템(100)의 대안적인 구성예를 개략적으로 나타낸 것이다. 이 경우, 반사 수단 또는 MEMS(10)가 투사 출력(4)을 수신하고 이를 각막으로 반사한다. 피드백 루프(11)를 사용하여, 광학 센서(6)는 광학 센서(6) 상의 푸르키녜 반사(P1, P4)의 변위를 기반으로 눈(1)의 각 변위(예를 들어, 빠른 안구 움직임, saccade)를 따라 MEMS(10)의 움직임을 구동한다.Figure 3 schematically illustrates an alternative configuration of an eye tracking system (100). In this case, a reflecting means or MEMS (10) receives the projection output (4) and reflects it onto the cornea. Using a feedback loop (11), an optical sensor (6) drives the movement of the MEMS (10) along with each displacement of the eye (1) (e.g., rapid eye movement, saccade) based on the displacement of the Purkinje reflex (P1, P4) on the optical sensor (6).

도 4는 안구 추적 시스템(100)의 대체 구성을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 3과의 차이는 복수의 프로젝터(3)가 존재한다는 점이다. 보정 단계에서, 프로젝터들은 차례로 하나씩 켜져, 제1 푸르키녜 반사 및 필요에 따라 제4 푸르키녜 반사를 생성하는 프로젝터를 찾는다. 이로써 이러한 조건을 만족하는 프로젝터 그룹을 찾게 된다. 이후, 이 그룹 중에서 최적의 프로젝터가 선택된다. 예를 들어, 프로젝터를 한 번에 하나씩 켠 후, 알려진 패턴, 예를 들어 리사주 패턴으로 스캔하여, 제1 반사 및 필요에 따라 제4 반사가 광학 센서 상에서 어떻게 이동하는지 알 수 있다. 이를 통해 시스템 운용에 가장 적합한 프로젝터를 찾고, 시스템을 보정한다. 이러한 보정은 한 번만 수행하면 된다. 복수의 프로젝터를 가지는 것은 눈의 서로 다른 측면 위치에 맞추는 데 유용하다. 예를 들어, 눈이 측면으로 이동하거나 시스템이 사용자의 얼굴에서 미끄러지는 경우이다. 이 경우, MEMS를 이동시키는 대신, 다른 프로젝터로 전환하는 것이 더 효율적이고 빠르다.Figure 4 schematically illustrates an alternative configuration of an eye tracking system (100). The difference from Figure 3 is the presence of multiple projectors (3). During the calibration phase, the projectors are turned on one at a time to find a projector that generates the first Purkinje reflection and, if necessary, the fourth Purkinje reflection. This results in finding a group of projectors that satisfy these conditions. The optimal projector is then selected from this group. For example, the projectors can be turned on one at a time and scanned using a known pattern, such as a Lissajous pattern, to determine how the first reflection and, if necessary, the fourth reflection, move across the optical sensor. This allows the system to be calibrated and the projector most suitable for system operation. This calibration only needs to be performed once. Having multiple projectors is useful for adjusting to different lateral positions of the eye. For example, if the eye moves laterally or the system slides off the user's face, switching to a different projector is more efficient and faster than moving the MEMS.

도 5는 광원 또는 발광체(emitter)(13)를 나타내며, 그 출력은 거울(10) 상에 떨어진다. 거울(10)의 방향에 따라, 광은 특정 각도로 반사된다. 광은 안구(1)의 각막(2)에 광을 집광하는 일부 광학계를 통과한다. 예를 들어, 안구(1)가 (a)의 위치에서 (b)의 다른 위치로 이동하였다. MEMS를 올바르게 회전시킴으로써, 광은 동일한 지점에 유지되며, 따라서 눈이 지속적으로 추적된다. 당업자는 시스템이 다양한 방식으로 배치될 수 있음을 이해하며, 예를 들어 시스템에서 사용되는 광학계에 대한 많은 다른 대안이 있을 수 있으므로, 시스템은 이 구현에 의해 제한되지 않는다. 참조 부호(20)에서 알 수 있듯이, 거울(10)과 안구(1)는 공준면들(conjugate plane)이다.Figure 5 shows a light source or emitter (13), the output of which falls on a mirror (10). Depending on the orientation of the mirror (10), the light is reflected at a certain angle. The light passes through some optical system that focuses the light on the cornea (2) of the eye (1). For example, the eye (1) moves from position (a) to another position (b). By properly rotating the MEMS, the light remains at the same point, and thus the eye is continuously tracked. Those skilled in the art will appreciate that the system can be arranged in various ways, and for example, there may be many other alternatives for the optical system used in the system, so that the system is not limited by this implementation. As can be seen from the reference numeral (20), the mirror (10) and the eye (1) are conjugate planes.

도 6은 시스템의 예시 구현을 보여준다. (a)에서 세 개의 VCSEL이 어레이로 배치되어 있으며, 또한 안구(1)에 광을 집광하는 광학계가 있다. VCSEL 사이를 전환함으로써, 눈의 다른 측면 위치로 동작을 전환할 수 있다. 예를 들어, VCSEL(14)의 이미지는 영역(19)에 생성되며, 마찬가지로 (15)는 영역(18)에, (16)은 영역(17)에 생성된다. 이는 MEMS를 높은 또는 극단적인 각도로 회전시키는 대신, 단순히 다른 VCSEL로 전환할 수 있게 한다. 다시 말해, MEMS는 중앙 시선으로부터 측정된 최대 5도, 10도 또는 15도 정도, 예를 들면 소규모 각도 범위에서만 회전되도록 설계된다. 결과적으로 푸르키녜(Purkinje) 반사의 변화는 대부분 눈의 각도 이동으로 인해 발생하고, 횡방향 이동으로 인한 영향은 적게 된다. 이는 눈의 정확한 추적을 가능하게 한다. 또한 폐쇄 루프 동작의 수렴을 용이하게 한다.Figure 6 shows an exemplary implementation of the system. In (a), three VCSELs are arranged in an array, and there is also an optical system that focuses light onto the eye (1). By switching between the VCSELs, the operation can be switched to different lateral positions of the eye. For example, the image of VCSEL (14) is generated in area (19), similarly (15) is generated in area (18), and (16) is generated in area (17). This allows for simply switching to a different VCSEL, rather than rotating the MEMS to a high or extreme angle. In other words, the MEMS is designed to be rotated only within a small angular range, for example, 5, 10, or 15 degrees measured from the central line of sight. Consequently, the change in Purkinje reflection is mostly due to angular movement of the eye, with a smaller effect due to lateral movement. This enables accurate eye tracking and facilitates convergence of the closed-loop operation.

이 시스템은 (b)에서 VCSEL의 조명 방향을 변경하여 더 작게 최적화될 수 있다. 예를 들어, VCSEL의 출력이 광학계 또는 렌즈에서 교차되도록 한다. (c)에서는 시스템을 더욱 최적화하여, 광학계를 눈에 더 가깝게 배치하고, VCSEL의 출력이 광학계 또는 렌즈 이전에 교차하도록 하며, MEMS 거울을 VCSEL 출력이 교차하는 지점에 배치한다. 물론, 사용되는 광학계 또는 렌즈는 이 부분의 배율을 정의하며, 따라서 VCSEL 어레이의 크기도 정의한다.This system can be further optimized by changing the illumination direction of the VCSELs in (b). For example, by ensuring that the VCSEL output intersects the optics or lens. In (c), the system can be further optimized by placing the optics closer to the eye, ensuring that the VCSEL output intersects before the optics or lens, and placing a MEMS mirror at the point where the VCSEL outputs intersect. Of course, the optics or lens used determines the magnification of this part, and thus the size of the VCSEL array.

도 7은 시스템의 또 다른 구현을 보여주며, VCSEL 어레이(14-16)을 포함한다. VCSEL은 눈의 측면 위치(17-19)에 따라 선택된다. 이 구현에서는 회전 가능한 거울(10)의 도움으로, 반사면(21)이 광을 눈으로 반사한다.Figure 7 shows another implementation of the system, which includes a VCSEL array (14-16). The VCSELs are selected based on their lateral position (17-19) relative to the eye. In this implementation, a reflective surface (21) reflects light into the eye with the help of a rotatable mirror (10).

도 8 (a)는 도 7과 유사한 구현을 보여주며, 눈의 한 측면 위치와 하나의 광원만을 고려한 것이다. 이 경우, 핀홀(23)도 존재하지만, 항상 필요한 것은 아니다. 또한 제2 거울(22)도 존재한다. 도 8 (b)는 거울(10)을 조정하거나 회전시킴으로써, 눈을 다른 각도 위치에서 추적할 수 있음을 보여준다.Figure 8 (a) shows an implementation similar to Figure 7, considering only one lateral position of the eye and a single light source. In this case, a pinhole (23) is present, but is not always required. A second mirror (22) is also present. Figure 8 (b) shows that the eye can be tracked at different angular positions by adjusting or rotating the mirror (10).

도 9는 시스템의 구현을 보여주며, 두 개의 VCSEL(13-14)이 나타나 있다. 위에서 논의한 바와 같이, VCSEL 사이를 전환함으로써 눈의 다른 측면 위치와 결합할 수 있다. 그러나 해결해야 할 또 다른 문제는 눈의 서로 다른 z-위치와 결합하는 것이다. 이는 VCSEL을 변경함과 동시에 MEMS를 회전시켜야 한다. 예를 들어, 칼만 필터(Kalman filter)를 사용하여 필요로 하는 측면 및 각도 변화를 계산할 수 있다. 예를 들어, 어떤 VCSEL로 전환해야 하는지, 거울을 얼마나 회전해야 하는지 계산한다. 예를 들어, 제1 위치의 제1 VCSEL(14)과 MEMS의 제1 회전값(점선 MEMS)을 사용하면 제1 z-위치(흰색 원)에 이미지가 생성된다. 반면, 제2 위치의 제2 VCSEL(13)과 MEMS의 제2 회전값(실선 MEMS)을 사용하면 제2 z-위치(실선 원)에 이미지가 생성된다.Figure 9 shows an implementation of the system, showing two VCSELs (13-14). As discussed above, coupling to different lateral positions of the eye can be achieved by switching between the VCSELs. However, another challenge is coupling to different z-positions of the eye. This requires rotating the MEMS while simultaneously switching the VCSELs. For example, a Kalman filter can be used to calculate the required lateral and angular changes, for example, which VCSEL to switch to and how much to rotate the mirror. For example, using the first VCSEL (14) in the first position and the first rotation of the MEMS (dotted MEMS) produces an image at the first z-position (open circle). Conversely, using the second VCSEL (13) in the second position and the second rotation of the MEMS (solid MEMS) produces an image at the second z-position (solid circle).

발명을 구현하는 방법 및 장치의 목적을 달성하기 위한 다른 구성들이 해당 분야의 당업자에게 자명할 것이다. 이어지는 설명은 본 발명의 특정 실시예에 대한 세부 사항을 제공한다. 그러나 위의 설명이 텍스트상 얼마나 상세하든지 간에, 발명은 다양한 방식으로 적용될 수 있음을 명확히 해야 한다. 또한 본 발명의 특정 특성이나 측면을 설명할 때 사용된 특정 용어의 사용이, 해당 용어가 결합된 특정 특성이나 측면으로 제한되어 정의된 것으로 해석되어서는 안 됨을 유의해야 한다.Other configurations for achieving the objectives of the methods and devices for implementing the invention will be apparent to those skilled in the art. The following description provides details of specific embodiments of the invention. However, no matter how detailed the description may appear in the text, it should be clear that the invention can be applied in various ways. It should also be noted that the use of specific terms when describing specific features or aspects of the invention should not be construed as limiting the definition to the specific features or aspects to which those terms are combined.

1: 눈
2: 각막 또는 각막의 미리 정해진 영역
3: 투사 수단 또는 레이저 광원
4: 투사 출력 또는 레이저 빔
5: 반사광
6: 광학 센서
7: 픽셀
8: 광검출기
9: 주변광
10: 반사 수단 또는 MEMS
11: 피드백 루프
12: 광학부
13: 발광체(emitter)
14, 15, 16: 광원들 또는 VCSEL들
17, 18, 19: 눈의 서로 다른 횡방향 위치
20: 공준면들 (conjugate planes)
21: 반사면
22: 거울
23: 핀홀
100: 안구 추적 시스템
41: 각막
42: 전방 (anterior chamber)
43: 홍채
44: 수정체 (lens)
P1: 제1 푸르키녜 반사
P2: 제2 푸르키녜 반사
P3: 제3 푸르키녜 반사
P4: 제4 푸르키녜 반사
1: Eyes
2: Cornea or a predetermined area of the cornea
3: Projection means or laser light source
4: Projection output or laser beam
5: Reflected light
6: Optical sensor
7: Pixel
8: Photodetector
9: Ambient light
10: Reflective means or MEMS
11: Feedback loop
12: Optics
13: Emitter
14, 15, 16: Light sources or VCSELs
17, 18, 19: Different transverse positions of the eyes
20: Conjugate planes
21: Reflective surface
22: Mirror
23: Pinhole
100: Eye Tracking System
41: Cornea
42: Anterior chamber
43: Iris
44: Lens
P1: Purkinje reflex 1
P2: Second Purkinje reflex
P3: Third Purkinje reflex
P4: Fourth Purkinje reflex

Claims (14)

눈의 방향(orientation)을 추적하는 방법으로서:
a. 광 빔(4)에 의해 추적되는 눈(1)의 각막(41)을 상기 각막(41)의 미리정해진 영역(2) 상에, 바람직하게는 펄싱 모드에서, 실질적으로 작은 수치조리개(numerical aperture)를 갖는 투사 수단(3)에 의해, 조명하는 단계;
b. 적어도 하나의 광학 센서(6)에 의해 상기 눈(1)로부터 반사된 광(5)을 감지하는 단계로서, 상기 반사된 광(5)은 적어도 하나, 바람직하게는 두 개의 정반사(specular reflection)를 포함하며, 상기 반사는 바람직하게 적어도 제1 푸르키녜 반사(P1), 보다 바람직하게는 적어도 제1 푸르키녜 반사(P1) 및 제4 푸르키녜 반사(P4)를 포함하는, 단계;
c. 상기 적어도 하나의 광학 센서(6) 상에서 검출 위치를 결정하는 단계로서, 바람직하게는 상기 광학 센서(6)는 픽셀들의 행렬을 형성하는 복수의 센싱 유닛들(7)을 포함하며, 바람직하게 각 센싱 유닛(7)은 광검출기(8)를 포함하고, 바람직하게 각 광검출기는 단일 광자 애벌랜치 검출기(SPAD)인, 단계;
d. 상기 결정된 검출 위치 및/또는 그 변위를 기반으로 상기 눈(1)의 방향 및/또는 위치 및/또는 그 변화를 계산하는 단계;
를 포함하고,
- 상기 투사 수단(3)이 하나의 이동 가능한 투사 수단인 경우, 상기 방법은 상기 반사된 광(5)이 상기 광학 센서(6)에 의해 수신되도록 상기 투사 수단(3)을 위치시키는 단계를 포함하고; 또는
- 상기 투사 수단(3)이 1차원 또는 2차원 어레이로 배열된 복수의 투사 수단인 경우, 상기 방법은 상기 반사된 광(5)이 상기 광학 센서(6)에 의해 수신되도록 야기하는 적어도 하나의 투사 수단을 찾는 단계를 포함하는, 방법.
As a method of tracking eye orientation:
a. A step of illuminating the cornea (41) of the eye (1) tracked by a light beam (4) on a predetermined area (2) of the cornea (41), preferably in a pulsing mode, by means of a projection means (3) having a substantially small numerical aperture;
b. A step of detecting light (5) reflected from the eye (1) by at least one optical sensor (6), wherein the reflected light (5) comprises at least one, preferably two, specular reflections, the reflections preferably comprising at least a first Purkinje reflection (P1), more preferably at least a first Purkinje reflection (P1) and a fourth Purkinje reflection (P4);
c. A step of determining a detection position on at least one optical sensor (6), preferably wherein the optical sensor (6) comprises a plurality of sensing units (7) forming a matrix of pixels, preferably wherein each sensing unit (7) comprises a photodetector (8), preferably wherein each photodetector is a single photon avalanche detector (SPAD);
d. A step of calculating the direction and/or position and/or change thereof of the eye (1) based on the determined detection position and/or displacement thereof;
Including,
- if the projection means (3) is a single movable projection means, the method comprises a step of positioning the projection means (3) so that the reflected light (5) is received by the optical sensor (6); or
- A method, wherein when the projection means (3) is a plurality of projection means arranged in a one-dimensional or two-dimensional array, the method includes a step of finding at least one projection means that causes the reflected light (5) to be received by the optical sensor (6).
청구항 1에 있어서, 상기 방법은, 상기 반사된 광(5)이 상기 광학 센서(6)에 의해 수신되도록, 상기 감지 위치 및/또는 그 변위를 기반으로, 상기 복수의 투사 수단에서, 한 투사 수단에서 다른 투사 수단으로 그 동작을 전환하는 단계를 더 포함하는, 방법.In claim 1, the method further comprises a step of switching the operation of the plurality of projection means from one projection means to another projection means based on the detection position and/or displacement thereof, such that the reflected light (5) is received by the optical sensor (6). 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 방법은, 상기 복수의 센싱 유닛(7) 중 하나의 센싱 유닛에 의해 결정된 검출 위치를, 상기 하나의 센싱 유닛에 인접한 적어도 하나의 센싱 유닛 위의 상기 감지의 존재 여부에 기초하거나, 적어도 두 개의 연속된 시간 단계에서 상기 감지의 존재 여부에 기초하여, 필터링하는 단계를 더 포함하는, 방법.A method according to claim 1 or 2, further comprising a step of filtering a detection location determined by one of the plurality of sensing units (7) based on the presence or absence of the detection above at least one sensing unit adjacent to the one sensing unit, or based on the presence or absence of the detection in at least two consecutive time steps. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 또한, 상기 적어도 하나의 광학 센서를, 상기 눈(1)의 수평 축을 따라 눈 이미지 평면에서 적어도 5밀리미터, 바람직하게는 최소 10밀리미터, 보다 바람직하게는 최소 15밀리미터, 의 최소 시야를 갖도록 구성하는 단계를 더 포함하고,
상기 시야는:
- 적어도 최소 시야 이상의 총 시야를 갖는 하나의 광학 센서(6), 또는
- 적어도 최소 시야 이상의 총 시야를 갖도록 위치가 이동 가능한 하나의 이동 가능한 광학 센서(6), 또는
- 적어도 최소 시야 이상의 총 시야를 갖는 복수의 광학 센서(6)
에 의해 커버되는, 방법.
In any one of claims 1 to 3, the method further comprises the step of configuring the at least one optical sensor to have a minimum field of view of at least 5 millimeters, preferably at least 10 millimeters, more preferably at least 15 millimeters, in the eye image plane along the horizontal axis of the eye (1),
The above view is:
- one optical sensor (6) having a total field of view of at least the minimum field of view, or
- one movable optical sensor (6) capable of being moved to a position that provides a total field of view of at least the minimum field of view, or
- Multiple optical sensors (6) having a total field of view at least greater than the minimum field of view
covered by, method.
청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은, 상기 눈(1)이 회전할 경우 상기 광 빔(4)이 상기 각막(2)의 미리정해진 영역에 유지되도록 상기 투사 수단(3)을 재배향하는 단계를 더 포함하고, 상기 재배향은 상기 검출 위치 및/또는 그 변위에 기초하는, 방법.A method according to any one of claims 1 to 4, wherein the method further comprises a step of reorienting the projection means (3) so that the light beam (4) remains in a predetermined area of the cornea (2) when the eye (1) rotates, wherein the reorientation is based on the detection position and/or its displacement. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은:
- 상기 광 빔(4)을 반사 수단(10)에 투사하는 단계;
- 상기 광 빔(4)을 상기 각막(2)의 미리정해진 영역으로 반사하는 단계;
- 상기 검출 위치 및/또는 그 변위를 기반으로, 상기 눈(1)이 회전할 경우 상기 광 빔(4)이 상기 각막(2)의 미리정해진 영역에 유지되도록, 상기 반사 수단(10)을 재배향하는 단계
를 더 포함하는, 방법.
In any one of claims 1 to 5, the method comprises:
- A step of projecting the above light beam (4) onto a reflecting means (10);
- A step of reflecting the light beam (4) into a predetermined area of the cornea (2);
- A step of reorienting the reflecting means (10) so that the light beam (4) is maintained in a predetermined area of the cornea (2) when the eye (1) rotates based on the detection position and/or its displacement.
A method further comprising:
청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은, 상기 복수의 투사 수단(3) 중에서 상기 제4 푸르키녜 반사(P4)가 상기 광학 센서(6)에 의해 수신되도록 하는 적어도 하나의 다른 투사 수단(3)을 찾는 단계를 더 포함하는, 방법.A method according to any one of claims 1 to 6, wherein the method further comprises the step of finding at least one other projection means (3) among the plurality of projection means (3) that causes the fourth Purkinje reflection (P4) to be received by the optical sensor (6). 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은, 상기 각막(2) 상의 미리정해진 스캔 궤적(scanning trajectory)을 따라 상기 광 빔(4)을 스캔하는 단계를 더 포함하는, 방법.A method according to any one of claims 1 to 7, wherein the method further comprises a step of scanning the light beam (4) along a predetermined scanning trajectory on the cornea (2). 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광학 센서(6)는 제1 광학 센서 및 제2 광학 센서를 포함하며, 상기 방법은:
- 제1 광학 센서를 하나의 반사를 수신하도록 구성하는 단계; 및
- 제2 광학 센서를 하나의 다른 반사를 수신하도록 구성하는 단계
를 포함하는, 방법.
In any one of claims 1 to 8, the at least one optical sensor (6) comprises a first optical sensor and a second optical sensor, and the method comprises:
- a step of configuring the first optical sensor to receive one reflection; and
- a step of configuring the second optical sensor to receive one other reflection;
A method comprising:
청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은, 상기 광학 센서(6)를 상기 동공(2)의 공준면(conjugate plane)에 위치시키는 단계를 포함하는, 방법.A method according to any one of claims 1 to 9, wherein the method comprises the step of positioning the optical sensor (6) on a conjugate plane of the pupil (2). 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은:
- 상기 투사 수단(3)을 펄싱 모드(pulsed mode)로 동작하는 단계;
- 각 펄스를 다음을 갖도록 구성하는 단계:
■ 제1 미리정해진 강도 또는 제2 미리정해진 강도, 또는
■ 제1 미리정해진 펄스 폭 또는 제2 미리정해진 펄스 폭;
- 상기 광학 센서(6)에 의해 하나의 반사가 수신되도록 상기 제1 미리정해진 강도 또는 제1 미리정해진 펄스 폭을 조정하는 단계; 및
- 상기 광학 센서(6)에 의해 하나의 다른 반사가 수신되도록 상기 제2 미리정해진 강도 또는 제2 미리정해진 펄스 폭을 조정하는 단계
를 포함하는, 방법.
In any one of claims 1 to 10, the method comprises:
- A step of operating the above projection means (3) in a pulsed mode;
- Steps to configure each pulse to have:
■ First predetermined intensity or second predetermined intensity, or
■ First predetermined pulse width or second predetermined pulse width;
- a step of adjusting the first predetermined intensity or the first predetermined pulse width so that one reflection is received by the optical sensor (6); and
- a step of adjusting the second predetermined intensity or the second predetermined pulse width so that one different reflection is received by the optical sensor (6);
A method comprising:
눈 추적 시스템(100)에 있어서:
- 실질적으로 작은 수치 조리개를 가지는 적어도 하나의 투사 수단(3) - 상기 투사 수단(3)은 눈(1)의 각막(2)의 미리정해진된 영역에 광 빔(4)을 투사하도록 구성되며, 바람직하게는 펄싱 모드로 동작됨 -;
- 상기 눈(1)로부터 반사된 광(5)을 감지하고 그 검출 위치를 결정할 수 있는 적어도 하나의 광학 센서(6) - 바람직하게는 상기 광학 센서(6)는 픽셀들의 행렬을 형성하는 복수의 센싱 유닛(7)을 포함하며, 바람직하게는 각 센싱 유닛(7)은 광검출기(8)를 포함하고, 바람직하게는 각 광검출기는 단일 광자 애벌랜치 검출기(SPAD)이고, 여기에서, 상기 눈(1)로부터 반사된 광(5)은 적어도 하나, 바람직하게는 두 개의 정반사(specular reflection)를 포함하며, 바람직하게는 적어도 제1 푸르키녜 반사(P1), 더 바람직하게는 적어도 제1 푸르키녜 반사(P1) 및 제4 푸르키녜 반사(P4)를 포함하고, 상기 시스템(100)은 상기 적어도 하나의 반사의 검출 위치 및/또는 그 변위를 기반으로 상기 눈(1)의 방향 및/또는 위치 및/또는 그 변화를 계산하도록 구성됨 -;
을 포함하고,
상기 적어도 하나의 투사 수단(3)은 상기 적어도 하나의 반사가 상기 광학 센서(6)에 의해 수신되도록 위치되는 하나의 이동 가능한 투사 수단이거나, 또는
상기 적어도 하나의 투사 수단(3)은 바람직하게는 1차원 또는 2차원 어레이로 배치되는 복수의 투사 수단(3)이며, 상기 시스템(100)은 상기 적어도 하나의 반사, 바람직하게는 적어도 제1 푸르키녜 반사(P1) 및 제4 푸르키녜 반사(P4)가 상기 광학 센서(6)에 수신되도록 야기하는 적어도 하나의 투사 수단을 찾도록 구성되는, 눈 추적 시스템(100).
In the eye tracking system (100):
- at least one projection means (3) having a substantially small numerical aperture - said projection means (3) being configured to project a light beam (4) onto a predetermined area of the cornea (2) of the eye (1), preferably operated in a pulsing mode -;
- at least one optical sensor (6) capable of detecting light (5) reflected from said eye (1) and determining a detection position thereof - preferably said optical sensor (6) comprises a plurality of sensing units (7) forming an array of pixels, preferably each sensing unit (7) comprising a photodetector (8), preferably each photodetector being a single photon avalanche detector (SPAD), wherein said light (5) reflected from said eye (1) comprises at least one, preferably two specular reflections, preferably at least a first Purkinje reflection (P1), more preferably at least a first Purkinje reflection (P1) and a fourth Purkinje reflection (P4), and said system (100) is configured to calculate a direction and/or a position and/or a change thereof of said eye (1) based on a detection position and/or a displacement thereof of said at least one reflection;
Including,
wherein said at least one projection means (3) is one movable projection means positioned so that said at least one reflection is received by said optical sensor (6), or
An eye tracking system (100), wherein said at least one projection means (3) is preferably a plurality of projection means (3) arranged in a one-dimensional or two-dimensional array, and wherein said system (100) is configured to find at least one projection means that causes said at least one reflection, preferably at least a first Purkinje reflection (P1) and a fourth Purkinje reflection (P4), to be received by said optical sensor (6).
청구항 12에 있어서, 상기 시스템(100)의 보정(calibration) 동안, 상기 시스템은 상기 광학 센서(6)에 의해 관측된 검출 위치의 변위와 상기 눈(1)의 각도 이동 간의 비율을 결정하도록 구성된, 눈 추적 시스템(100).An eye tracking system (100) according to claim 12, wherein during calibration of the system (100), the system is configured to determine a ratio between a displacement of a detection position observed by the optical sensor (6) and an angular movement of the eye (1). 청구항 12 또는 13에 있어서, 상기 적어도 하나의 광학 센서(6)는 상기 광학 센서(6) 상에 적어도 두 개, 바람직하게는 두 개의 검출 위치들을 동시에 측정하고, 상기 검출 위치들을 상기 센서(6)의 출력에 제공하도록 구성되며, 상기 각 검출 위치들은 상이한 정반사(specular reflection)에 대응되는, 눈 추적 시스템(100).
An eye tracking system (100) according to claim 12 or 13, wherein said at least one optical sensor (6) is configured to simultaneously measure at least two, preferably two, detection positions on said optical sensor (6) and provide said detection positions to an output of said sensor (6), each of said detection positions corresponding to a different specular reflection.
KR1020257042980A 2023-05-30 2024-05-28 Eye tracking system and method Pending KR20260014646A (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP23176236.0 2023-05-30
EP23184933.2 2023-07-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20260014646A true KR20260014646A (en) 2026-01-30

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102669768B1 (en) Event camera system for pupil detection and eye tracking
US7428320B2 (en) Iris imaging using reflection from the eye
US5973781A (en) Interferometric arrangement for scanning an object
KR20210049868A (en) Method for detecting the eye's gaze direction
US20080002863A1 (en) Iris imaging using reflection from the eye
JP7302592B2 (en) Information detection device, video projection device, information detection method, and video projection method
US7618144B2 (en) System and method for tracking eye movement
CN117546073B (en) Optical systems for eye tracking
US20240027752A1 (en) Three-Dimensional-Image-Based Eye Tracking Using Triangulation
US12523869B2 (en) Device and method for determining a pupil position
GB2359375A (en) Ophthalmoscope optical system
US7784944B2 (en) Method and device for determining movement of a human eye
US20070052925A1 (en) Method and arrangement for the measurement of the anterior segment of the eye
US5387951A (en) Intraocular length measuring instrument capable of avoiding errors in measurement caused by the movement of a subject's eye
KR20260014646A (en) Eye tracking system and method
US12105873B2 (en) Light field based eye tracking
EP4492124A1 (en) Eye tracking system
CN121368736A (en) Eye tracking system and method
US20240341592A1 (en) Retinal imaging
EP4180860A1 (en) Light scanning eye tracking
CN121359071A (en) Pupil detection method, pupil detection device and data glasses

Legal Events

Date Code Title Description
PA0105 International application

St.27 status event code: A-0-1-A10-A15-nap-PA0105

PG1501 Laying open of application

St.27 status event code: A-1-1-Q10-Q12-nap-PG1501