Устройство для измерения перемещений зрительной оси Советский патент 1980 года по МПК A61B3/10 

Изобретение относится к инструментам и приспособлениям для диагно тики, а более конкретно - к устройствам для измерения движений глаз, предназначенным для проведения психологических, эргономических, нейро физиологических экспериментов, и применения в качестве датчика эрготических систем, управляемых взором Известно устройство для измерени перемещений зрительной оси, состоящее из первичного преобразователя, содержащего короткозамкнутую катушку, прикрепленную к контактной линзе, центральную катушку, прикреплен ную параллельно фронтальной плоскос ти оправы очков, и четыре координат ные катушки, а также электронной сх мы, состоящей из общего усилителя переменного тока, двух резонансных усилителей, двух координатных сумматоров , двух генераторов и двух де модуляторов 1 . Однако известное устройство не позволяет проводить одновременные измерения микро - и макродвижений, так как при записи макродвижений о малой чувствительностью измерителя невозможно различить- микродвижения из-за ничтожной их амплитуды, а при записи микродвижений с большой чувствительностью измерителя появившиеся макродвижения выводя: записываемый сигнал из рабочей зоны регистратора. Целью изобретения является формирование выходного сигнала, совместно отображающего микро- и макродвИжения зрительной оси. Поставленная цель достигается тем, что устройство дополнительно имеет два координатных сумматора и каналы уравновешивания вертикальной и горизонтальной составляющих, каждый из. которых имеет последовательно соединенные компаратор зоны, реверсивный счетчик, преобразователь коднапряжение , сумматор., компаратор фазы и схему эквивалентности, а также компаратор знака, вход которого объединен со входом компаратора зоны и соединен с выходом демодулятора, а выход компаратора знака соединен со вторым входом схемы эквивалентности, чей выход соединен со вторым входом реверсивного счетчика, выход компаратора фазы соединен со вторым входом преобразователя код-напряжение , при этом выход соответствующего резонансного усилителя соединен со вторым входом сумматора соответствующего канала уравновешивания, а ВЕЛХОД соответствующего генератора соединен со BTOpi-ам входом демодулятора, треть им входом преобразователя код-напряжениесоответствующего канала уравновешивания и двумя координатными суг.-илаторами соответствующего канала уравновешивания, причем выходы координатных сумматоров горизонтальной и вертикальной составляющих соединены с соответствующими координатньми катушками, а центральная катушка через усилитель переменного тока соединена со входами резонансных усилителей На фиг. 1 изображена блок-схема устройства для измерения перемещений зрительной оси; на фиг. 3 - эпюры, поясняющие работу устройства; на ч)гг. 3 - эпюры, поясняющие работу прэобраэозате/ш вектора поворота гла за . Устройство для измерения перемещений зрительной оси содержит первич кьтй преобразователь I, состоящий из короткозамкнутой катушки 2, при помощи контактной линзы или присоски прикрепленной к глазу, центральной 3, прикреплен-ной параллельно фронталь)1Ой плоскости оправы очков, гормзонтольь; : координатньис катушек -ч , 5 и вертн: а:-ЪК1з1Х координатных кату1;.г.з-,: 6, 7, прикреллег-НЬЕ к оправе очковперпендикулярно центральной ка T. и лежащих в одной плоскости, и электрическую схему, имеющую два горизоитаЛьшле коор/динатные с;/мматора S., 9,- дна верт;-1кальные координатные сумматора .10, 11, общий усилк зль 12 переменного тока, имеющий высокое входное сопротивление li два канала 13, 14 у:о.-зновешивания, каждый из ко состоит из резонансного усили7-зля 15 (16), настроенного на частотч своего высокочастотного генерато;;,;, 17 (18) f демодулятора 19 (20) , об разующего постоянное напряжение, ком паратора 21 (22) зоны, формируквдего :-.:.аульс при достижегаи напряжения на .эде дег одулятора 19 (20), равного амплитуде заданной зопЫ, например, ;:оответствующей ±1 градусу угла пог.-фота глаза, реверсивного счетчзжа 23. (24.) , подсчитывающего количество, и.мпульсоз, принятых от компаратора 21, (22) зоны, .преобразователя. 25(26) .ода в nepeivieHHoe напряжение, формиру1Ьщего переменное напряжение одинаковой частоты с генератором 17 (18), амплитуда которого зависит от содержания реверсивного счетчика 23 (24), ., фаза - от фазы напряжения су лматора 27 (28) , определяемого при помсаци .;-с).маардторов 29 (30) фазы, схемы 31 (32) Элчвизалентности, определяющей на.правление считывания реверсивному счетчику 23 (24). путем сравнения вы.Сг;аых сгигналов компаратора 29 (30J фазы, и компаратора 33 (34) знака, определяющего полярность выходного напряжения демодулятора 19 (20) / Оси координатных катушек 4-7 расположены в одной плоскости с центральной катушкой так, что взаимная индуктивность между центральной и координатными катушками отсутствует. Координатные катушки являются идентичными и поэтому при их .возбуждениях от высокочастотных генераторов 17 и 18, ВЕлдающих напряжени.е U,-,, U личающимися частотами f. в центральной катушке 3 отсутствует, когда короткозамкнутая катушка 2 занимает .центральное поло.жение. При отклонении глаза вместе с короткозамкнутой катушкой 2 магнитные поля координатных катушек 4-7 индуцируют в катушке 2 ЭДС, ам.плитуды которых зависят от величины соответствующих углов поворота глаза, а фазы - от направления поворота. Эти ЭДС создают в короткозамкнутой катушке 2 ток, образующий магнитное поле, которое наводит пропорциональную ЭДС в центральной катушке 3. Из этой ЭДС Е,,, усиленной усилителе / 12 переменного тока, резонансные усилители 15, 16 вы целяют составляющие , U , имеющие частоты f и fg соответственно. Амплитуды выходных ЭДС резонансных усилителей 15, 16 пропорциональны углам отклонения глаза от центрального положения, а их фаза зависит от направления отклонения соответственно для горизонтальной и вертик.альной составляющей, По этим напряжениям U. и U или по демодулированным напряжениям U,, , можно определить углы отклонения зрительных осей глаз, однако такой прямой метод преобразования обеспечивает невысокую линейность характеристик преобразования, а между каналами преобразователя имеется перекрестная связь. Поэтому для обеспечения первой части поставленной цели - формирования высокоточного выходного сигнала, совместно отображающего и, макродвюхение глаза - выходные сигналы преобразователя вектора поворота гл§1 за , формируются компенсационным методом (уравновешиванием). Это достигается применением горизонтального и вертикального каналов 13 и 14 уравновешивания. Выходные напряжения этик каналов U. .и U28 изменяют возбуждающие токи координатных катушек так, чтобы ЭДС в центральной катушке становились, равным нулю - скомпенсировались. При этом компенсирующее напряжение Ugy () увеличивает возбулдаающий ток координатной катушки 4 (6) и уменьшает ток катушки 5 (7) . Величина разности возбуждающих токов координатных катушек, т.е. величина компенсирующих напряжений 41 ( нужная для компенсации ЭДС в центральной катушке 3, пропорциональна отклонению глаза с ко- роткоэамкнутой катушкой 2 и может быть принята за выхолную величину преобразователя вектора поворота глаза . С целью формирования выходных сигналов, совместно отображающих микро- и макродвижения, ксглпенсирующйе сигналы. и U е в каналах уравновешивания расщепляются в дискретно изменяемые переменные напряжения Ugj, с шагом квантования,, например, соответствующим одному градусу, а поворот, глаза в пределах шагов квантования представляется аналоговыми (кусочно) сигналами U -ft показано на фиг.2.

Работа преобразователя вектора поворота глаза поясняется эпюрами, показанныг.5к на фиг, 3. Если вектор поворота глаза в() не превышает шага квантования и находится в первой зоне, то амплитуда переменного напряжения иJ.,., преобразователя 25 (26) равняется нулю и выходное -напряжение ках (,,,) полностью отображает вектор поворота глаза. Схема эквивалентности формирует единичный уровень, который устанавливает реверсивный счетчик в режим считывания, так как совпадают знаки напряжений ) -27(28) (положительные) , определяемые компараторами соответственно знака 33 (34) и фазы 29 (30). При увеличении угла поворота глаза в)(у,) компаратором 21 (22) зоны формируется единичный импульс в момент каждого- перехода угла поворота глаза через .верхнюю границу зоны. Импульсы подсчитываются реверсивным счетчиком 23 (24) и преобразуются в квантованное по уровню переменное напряжение U25(26) имеющее амплитуду (2б) (Фиг. 36) . В момент-каждого перехода сигнала Uyj,2T(2B)®P® верхнюю границу зоны скачком увеличивается квантованное по уровню напряжение UyviSffUe) поэтому скачком уменьшается .кусочно-аналоговое напряжение UiHtBUb) выходе резонансного усилителя 15 (16), т.е. и напряжение в катушке 3. В момент t меняет знак напряжение (2о) поэтому схема эквивалентности переводит реверсивными счетчик в режим вычитания С этого времени при каждом переходе угла x(v) P®3 нижнюю границу кс лпаратором 21 (22) зоны вырабатываемый импульс. U2.,(22 (фиг. Зг) на единицу уменьшает содержание реверсивного счетчика 23 (24) и тем самым - амплитуду квантованного напряжения ) В момент времени t угол поворота ) меняет знак. Содержание ревер сивного счетчика 23 (24) и амплитуда .напряжения Ufj,25( равны нулю. При повороте глаза в противоположном

направлении напряжение H.. фазу на 180 (знак)-, поэтому уровень сигнала компаратора фазы 29 (30) становится нулевым, отчего фаза выходного сигнала преобразователя 25 (26) код-переменное напряжение изменяется на 180 . Поскольку сигнал на выходе демодулятора 19 (20) тоже отрицательный, схема эквивалентности 31 32) переводит реверсивный счетчик 23 (24 в режим накопления (фиг. Зд). В дальнейшем работа преобразователя происходит аналогично.

Таким образсм, дискретные сигналы в унитарном коде UOT , Ол отображают количество уровней, например, число градусов, поворота глаза в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а точное отклонение в пределах этих уровней (градусов) отображается кусочно аналоговыми сигналами f

UKOV

Использование новых блоков и схемы их соединения выгодно отличает предлагаемый преобразователь вектора угла поворота глаза от указанного прототипа, так как наряду с высокой точностью преобразования выходной сигнал совместно отображает микрои макродвижения глаза, в кусочноаналоговом сигнале полезная информация не теряется, а При его записи повышается разрешающая способность. На записи, максимальную aiMплитуду, например ±1 градус, хорошо различаются микродвикения, имеквдие порядок минут. Полное отклонение глаза определяется по величине дискретного сигнала - количеству цельк градусов или по числу переломов в кусочно-аналоговом сигнале. Это позволит применить преобразователь вектора угла поворота глаза для новых типов экспериментов с глазодвигательной системой и устра:ниу необходимость разработки других преобразователей.

Формулаизобретения

Устройство для измерения перемещений зрительной оси, состоящее из первичного преобразователя, содержащего коротк.озамкнутую катушку, прикрепленную к контактной линзе, центральную -катушку, прикрепленную пара.ллельно фронтальной плоскости оправы очков, и четыре координатные катушки, а также электронной схемы, состоящей из общего усилителя переменного тока, двух резонансных усилителей, двух координатных сумматоров, двух генераторов я двух демодуляторов , отличающееся тем, что, с целью фо1 лирования выходного сигнала, совместно отображающего микро- и макродвижения зрительной оси, оно дополнительно имеет два координатных сумматора и каналы уравновешивания вертикальной и горизонтальной составляющих, каждый из которых имеет последовательно соединенные компаратор зоны, реверсивный счетчик, преобразователь код-напряжение, сумматор, компаратор фазы и схему эквивалентности, а также ксяипаратор знака, вход которого объединен со входом компаратора зоны и соединен с выходом демодулятора, а выход компаратора знака соединен со вторым входом схемы эквивалентности, чей выход соединен со вторым входом реверсивного счетчика, выход компаратора фазы соединен со вторым входсм преобразователя код-напряжение, при этом выход соответствующего резонансного усилителя соединен со вторым входом сумматора соответствующего канала уравновешивания, а выход соответствующего генератора соединен со вторым входом демодулятора.

третьим входом преобразователякоднапряжение соответствующего канала уравновешивания и двумя координатными сумматорами, с другими входё1ми которых соединен выход сумматора соответствующего канал уравновешивания, причем выходы координатных сумматоров горизонтальной и вертикальной составляющих соединены с соответствующими координатными катушками, а центральная катушка через усилитель переменного тока соединена со входами резонансных усилителей.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство по заявке № 2323122/13, кл. А 61 в 3-10, 1975.

Utsfis)

иг.г

,mS7fts)

СХ(У)

-t-r-i-- -tи.

il(}l) 19(30)

T I I I гч - -TtTTTx

f

ГТГТ

rN N4r-xj

fPut.3