JP2018040957A - 回折光学素子、光照射装置、視線追跡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点光源との相対的な回転位置が変化しても光の整形特性を適切に制御することができる回折光学素子と、この回折光学素子を備える光照射装置、及び、視線追跡装置を提供する。【解決手段】回折光学素子１０は、円環形状に形成され、ＬＥＤ光源３２から入射する光を円環形状の中心軸Ｌの方向に向けて整形するように複数の部分周期構造を有する回折光学素子であって、部分周期構造は、少なくとも特定の回転角度範囲において、中心軸Ｌまわりでの回折光学素子１０とＬＥＤ光源３２との相対的な回転位置が変化しても整形される光の整形特性を制御可能となるように、円周方向に沿って配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、回折光学素子、光照射装置、視線追跡装置に関するものである。

光学的な手段を用いて生体検出を行う技術が知られている。例えば、特許文献１には、視線追跡が可能なヘッドマウントディスプレイ装置が開示されている。この特許文献１の装置では、レンズの周辺に４つの赤外ＬＥＤ光源を配置して、眼球へ光を照射している。
ＬＥＤ光源の照射分布は、ガウス分布に近いため、特許文献１のようにＬＥＤ光源のみで生体を均一に照射しようとすると、多数のＬＥＤ光源を配置する必要があった。

特許文献２には、ＬＥＤ光源からの光を回折光学素子によって整形して強度分布を均一化して生体を照射する技術が開示されている。

米国特許第６４３３７６０号明細書 特開２０１５−１７０３２０号公報

しかし、特許文献２には記載されていないが、点光源と回折光学素子との相対的な位置は、厳密に決めてそれぞれを配置しないと、照射方向がずれたり、照射範囲が変化したり、照射強度が低下したりして、所望の配光特性が得られない。特に、特許文献２のように、回折光学素子を円環形状（リング形状）に形成した場合、回折光学素子を円環の中心軸まわりの回転方向において位置決めすることが難しかった。また、ＬＥＤ光源は、通常、基板上に実装される場合が多いが、ＬＥＤ光源となる発光素子自体の寸法精度も、基板の精度も、さらに、発光素子を基板へ実装するときの位置精度も、一般的には精度が低い。したがって、所望の配光特性を得ることができるように回折光学素子と点光源との位置決めをするためには、実際の配光特性を監視しながら回折光学素子の回転位置を決めるといった作業が必要であって、製造工程が複雑になってしまっていた。また、点光源が複数有る場合には、光源側の精度、すなわち、発光素子の寸法精度と基板の寸法精度と実装の位置精度との全てを高精度にする必要があり、非常にコストが高くなっていた。

本発明の課題は、点光源との相対的な回転位置が変化しても光の整形特性を適切に制御することができる回折光学素子と、この回折光学素子を備える光照射装置、及び、視線追跡装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。

第１の発明は、円環形状に形成され、点光源（３２）から入射する光を円環形状の中心軸（Ｌ）の方向に向けて整形するように複数の部分周期構造を有する回折光学素子（１０）であって、前記部分周期構造は、少なくとも特定の回転角度範囲において、前記中心軸（Ｌ）まわりでの当該回折光学素子（１０）と前記点光源（３２）との相対的な回転位置が変化しても整形される光の整形特性を制御可能となるように、円周方向に沿って配置されている回折光学素子（１０）である。

第２の発明は、第１の発明に記載の回折光学素子（１０）において、前記部分周期構造は、少なくとも特定の回転角度範囲において、前記中心軸（Ｌ）まわりでの当該回折光学素子（１０）と前記点光源（３２）との相対的な回転位置が変化しても整形される光の整形特性が変化しないように、円周方向に沿って配置されていること、を特徴とする回折光学素子（１０）である。

第３の発明は、第１の発明に記載の回折光学素子（１０）において、前記部分周期構造は、少なくとも特定の回転角度範囲において、前記中心軸（Ｌ）まわりでの当該回折光学素子（１０）と前記点光源（３２）との相対的な回転位置の変化に応じて整形される光の整形特性が所定の範囲内で変化するように、円周方向に沿って配置されていること、を特徴とする回折光学素子（１０）である。

第４の発明は、第１の発明から第３の発明までのいずれかに記載の回折光学素子（１０）において、前記部分周期構造は、円環形状の全面に配置されていること、を特徴とする回折光学素子（１０）である。

第５の発明は、第１の発明から第３の発明までのいずれかに記載の回折光学素子（１０）において、前記部分周期構造は、円環形状の特定の範囲にのみ配置されていること、を特徴とする回折光学素子（１０）である。

第６の発明は、第１の発明から第５の発明までのいずれかに記載の回折光学素子（１０）と、少なくとも１つの点光源（３２）と、前記点光源（３２）に対する相対的な位置が固定されており、少なくとも前記回折光学素子（１０）を固定前の状態においては前記回折光学素子（１０）を回転可能に保持する保持部（２０）と、を備えた光照射装置（４０）である。

第７の発明は、第６の発明に記載の光照射装置（４０）と、前記光照射装置（４０）の前記点光源（３２）が光を照射する方向とは反対側に配置された表示部（６０）と、前記光照射装置（４０）と前記表示部（６０）との間にあって、前記光照射装置（４０）からの光を反射するミラー部（５０）と、前記光照射装置（４０）が照射した光が人体の目によって反射された後に前記ミラー部（５０）により反射された光を撮影するカメラ部（７０）と、を備える視線追跡装置（１００）である。

本発明によれば、点光源との相対的な回転位置が変化しても光の整形特性を適切に制御することができる回折光学素子と、この回折光学素子を備える光照射装置、及び、視線追跡装置を提供することができる。

本発明による回折光学素子及び光照射装置を用いた視線追跡装置の実施形態を示す図である。 光照射装置４０を利用者側から見た図である。 図２中の矢印Ａ−Ａの位置で光照射装置４０を切断した断面図である。 回折光学素子１０の表面を拡大した平面図である。 図４の回折光学素子１０の部分周期構造の一例を示す斜視図である。 図５中の矢印Ｈ−Ｈの位置で回折光学素子１０を切断した断面図である。 回折光学素子を説明する図である。 ＬＥＤ光源３２単体での、配光特性を示す図である。 ＬＥＤ光源３２を複数用いて配光特性を改善した例を示す図である。 ＬＥＤ光源３２に加えて、回折光学素子１０を配置して、配光特性を改善する本実施形態の例を示す図である。 本実施形態の光照射装置４０が光を照射する範囲を模式的に示した図である。 本実施形態の回折光学素子１０の部分周期構造の配置を説明するための模式図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面等を参照して説明する。

（実施形態）
図１は、本発明による回折光学素子及び光照射装置を用いた視線追跡装置の実施形態を示す図である。
図２は、光照射装置４０を利用者側から見た図である。
図３は、図２中の矢印Ａ−Ａの位置で光照射装置４０を切断した断面図である。
なお、図１から図３を含め、以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張して示している。
また、以下の説明では、具体的な数値、形状、材料等を示して説明を行うが、これらは、適宜変更することができる。

視線追跡装置１００は、光照射装置４０と、ミラー部５０と、表示部６０と、カメラ部７０とを備えており、例えば、ＶＲゴーグル又はＶＲビュワーと呼ばれるようなゴーグル型表示装置内に設けられて、利用者の視線を追跡する装置である。

光照射装置４０は、回折光学素子１０と、保持部２０と、レンズユニット３０とを備えており、利用者の目Ｅの少なくとも瞳の移動範囲をカバーできる範囲に検出光を照射する。

回折光学素子１０は、中心孔１０ａが開口された円環形状に形成されており、保持部２０に保持されて固定されている。回折光学素子１０の詳細については、後述する。

保持部２０は、後述するＬＥＤ光源３２に対する相対的な位置が固定されており、回折光学素子１０を固定する前の状態においては、回折光学素子１０の円環形状の仮想の中心軸Ｌのまわりで回折光学素子１０を回転可能に保持する。また、保持部２０は、回折光学素子１０が、接着やカシメ等により保持部２０に対して固定された後においては、回折光学素子１０のＬＥＤ光源３２に対する相対的な位置が移動しないように回折光学素子１０を固定した状態で保持する。

保持部２０は、中心孔２０ａを中心に略円環形状に形成されており、円環形状の最外径部分には、基板３１側とは反対側に向かって突出した壁部２０ｃを備えている。この壁部２０ｃによって、回折光学素子１０を回転可能に保持可能となっている。なお、本実施形態の壁部２０ｃは、最外径部分の全周にわたって配置されているが、回折光学素子１０を保持可能な範囲で部分的に配置されていてもよい。
また、保持部２０は、中心孔２０ａの他に、ＬＥＤ光源３２の位置に対応した貫通孔２０ｂを２箇所有している。

レンズユニット３０は、基板３１と、ＬＥＤ光源３２と、レンズ枠３３と、レンズ３４とを備えている。
基板３１は、略円環形状に構成されているプリント配線板である。基板３１は、レンズ枠３３に固定されている。基板３１の円環のある直径上には、円環の中心孔３１ａを挟んでＬＥＤ光源３２が１つずつ、合計２つ配置されている。

ＬＥＤ光源３２は、赤外光を発光する点光源である。ＬＥＤ光源３２は、基板３１に実装されており、貫通孔２０ｂ内に挿入された状態で配置されている。なお、ＬＥＤ光源３２は、貫通孔２０ｂから回折光学素子１０側へは、突出していない。
ＬＥＤ光源３２からは、回折光学素子１０を通過する前は、配光特性が略ガウス分布となるように赤外光が発光される。しかし、ＬＥＤ光源３２が発する光は、利用者の目Ｅ上を均一に証明可能なように回折光学素子１０によって整形される。そして、利用者の目Ｅに到達した赤外光は、利用者の目Ｅで反射されて回折光学素子１０の中心孔１０ａを通ってミラー部５０へと進む。

レンズ枠３３は、レンズユニット３０のベースとなる部材であって、その中央部にレンズ３４を保持している。また、レンズ枠３３は、不図示のゴーグル本体に固定されている。

レンズ３４は、レンズ枠３３に固定されており、表示部６０の映像を利用者が拡大観察可能なように、例えば、１つの凸レンズにより構成されている。

なお、レンズユニット３０の構成は、一例に過ぎず、例えば、複数のレンズを設けてもよいし、レンズ枠とレンズとを一体化する等してもよい。また、基板３１は、円環形状とせずに、例えば、円環を略半分にしたような形状としてもよい。

ミラー部５０は、赤外光のみを反射し、可視光は透過する反射鏡であって、レンズユニット３０と表示部６０との間に、中心軸Ｌに対して４５度傾いて配置されている。よって、利用者の目Ｅで反射されてきた赤外光は、ミラー部５０によって進路を偏向されてカメラ部７０へと進む。

表示部６０は、利用者に対して表示したい映像情報を表示する。表示部６０が表示する映像は、可視光であるので、ミラー部５０により反射されることなく、そのまま利用者の目Ｅに到達することができる。

カメラ部７０は、赤外光を撮影可能な撮像装置であって、利用者の目Ｅで反射されて、ミラー部５０によってさらに反射されてカメラ部７０へ到達した赤外光を撮影する。カメラ部７０により撮影された利用者の目Ｅの映像は、不図示の解析部により解析されて、瞳孔の位置の動きから、利用者の目の視線の動きを演算して、追跡する。

ここで、回折光学素子１０について説明する。
図４は、回折光学素子１０の表面を拡大した平面図である。
図５は、図４の回折光学素子１０の部分周期構造の一例を示す斜視図である。
図６は、図５中の矢印Ｈ−Ｈの位置で回折光学素子１０を切断した断面図である。
図７は、回折光学素子を説明する図である。

回折光学素子１０は、異なる周期構造を持つ複数の領域（部分周期構造：例えば、図４のＢ〜Ｇ領域）を有している。図５では、部分周期構造の一例を抽出して示している。
回折光学素子１０は、図６に示すように、断面形状において複数の矩形の凸部１１ａが並んで配置されている高屈折率部１１を備えている。この高屈折率部１１は、同じ断面形状を維持したまま、断面の奥行き方向に延在している。

高屈折率部１１は、例えば、クオーツ（ＳｉＯ_２、合成石英）をドライエッチング処理により形状を加工して作られたものであってもよいし、電離放射線硬化性樹脂組成物を硬化したものであってもよい。このような周期構造の製造方法は、様々な手法が公知であり、それら公知の手法によって、適宜作成することができる。

また、凸部１１ａの間に形成されている凹部１２及び凸部１１ａの頂部付近の空間１３を含む図６の上方の部分は、空気が存在しており、高屈折率部１１よりも屈折率が低い低屈折率部１４となっている。これら高屈折率部１１及び低屈折率部１４が交互に並んで配置された周期構造により、光を整形する作用を備える回折層１５が構成されている。

ここで、本発明において「光を整形する」とは、光の進行方向を制御することにより、対象物又は対象領域に投影された光の形状（照射領域）が任意の形状となるようにすることをいう。例えば、図７の例に示されるように、平面形状のスクリーン２００に直接投影した場合に照射領域２０２が円形となる光２０１（図７（ｂ））を発光する光源２１０を用意する。この光２０１を、本発明の回折光学素子１０を透過させることにより、照射領域２０４を正方形（図７（ａ））や、長方形、円形（図示せず）等、目的の形状とすることを、「光を整形する」いう。

この回折光学素子１０による光の整形作用を利用することにより、本実施形態では、ＬＥＤ光源３２の数を少なくしながら、従来よりも均一な配光特性を得ている。この点について、図を用いて説明する。
図８は、ＬＥＤ光源３２単体での、配光特性を示す図である。
ＬＥＤ光源３２単体では、ガウス分布に近い配光特性となっており、中央付近の照射強度が高く、周辺での照射強度の低下が大きい。
図９は、ＬＥＤ光源３２を複数用いて配光特性を改善した例を示す図である。
必要な照射エリアに均一に光を照射しようとすると、多数のＬＥＤ光源３２を配置する必要があった。また、多数のＬＥＤ光源３２を並べたとしても、照射強度のムラが生じている。
図１０は、ＬＥＤ光源３２に加えて、回折光学素子１０を配置して、配光特性を改善する本実施形態の例を示す図である。
図１０に示すように、本実施形態では、回折光学素子１０を介して光を照射することにより、ＬＥＤ光源３２の数を少なくしながら、均一な配光特性を実現することが可能である。

図１１は、本実施形態の光照射装置４０が光を照射する範囲を模式的に示した図である。
本実施形態の光照射装置４０は、２つのＬＥＤ光源３２のそれぞれから、中心軸Ｌ（図３参照）に向けて光を照射するように回折光学素子１０の部分周期構造が構成されており、２つの光源からの光が、必要な照射範囲において適切に重なる。すなわち、回折光学素子１０は、図３に示した角度αの広がり角度を持った光を、法線方向（図３における水平方向）から角度β傾けて利用者の目Ｅを照射する。この角度αと角度βの具体的な角度については、ＬＥＤ光源３２の配置と、利用者の目Ｅまでの距離等によって、適宜選択すればよいが、以下に、好適な数値範囲の例を示す。なお、照射領域の形状を長方形又は楕円形とすることを想定して、角度αについては、縦と横とに分けて示した。

（ＬＥＤ光源３２を１つとする場合）
α縦：±５°から±６０°
α横：±５°から±７０°
β：０°から６０°

（ＬＥＤ光源３２を２つとする場合）
α縦：±５°から±５５°
α横：±５°から±６５°
β：０°から５０°

（ＬＥＤ光源３２を３つとする場合）
α縦：±５°から±５０°
α横：±５°から±５０°
β：０°から４５°

ここで、点光源であるＬＥＤ光源３２と回折光学素子１０との相対的な位置関係は、非常に厳密な位置合わせを要求されるものであり、わずかに相対的な位置がずれた場合であっても、配光特性が大きく影響を受けて、所望の範囲を適切に照射することができないおそれがあった。したがって、先にも述べたように、従来は、製造工程が複雑となったり、コストアップを招いたりしていた。
そこで、本実施形態では、回折光学素子１０における部分周期構造の配置を改良することにより、ＬＥＤ光源３２と回折光学素子１０との相対的な位置関係がずれても、所望の配光特性を得られるようにした。
具体的には、回折光学素子１０の部分周期構造は、少なくとも特定の回転角度範囲において、中心軸Ｌまわりでの回折光学素子１０とＬＥＤ光源３２との相対的な回転位置が変化しても整形される光の整形特性を制御可能となるように、円周方向に沿って配置されている。なお、ここでいう整形特性とは、成形される光の照射範囲（角度α）と、照射方向（角度β）の他に、光の照射分布（配光特性）も含むものである。

図１２は、本実施形態の回折光学素子１０の部分周期構造の配置を説明するための模式図である。
図１２では、回折光学素子１０の部分周期構造は、領域Ｐ１から領域Ｐ１５として示した。また、図１２では、見やすくするためにＬＥＤ光源３２を実線で示している。
この図１２のようなモデルでは、回折光学素子１０が中心軸Ｌまわりで回転して、領域Ｐ１が移動して、ＬＥＤ光源３２と重なる領域がＰ２となったとしても、領域Ｐ１も領域Ｐ２も、光を整形する作用が同じになるようにしておけば、照射範囲に変化が生じない。本実施形態の回折光学素子１０では、このように部分周期構造を円周方向に沿って同一の整形特性を持つように領域Ｐ１から領域Ｐ１５のいずれの位置においても構成されていると、マクロ的には説明可能である。ただし、実際には、部分周期構造の配置は、より複雑でより微細なものであって、複雑な計算アルゴリズムによって生成されるものであり、図示して説明可能なものではない。この図１２のモデルは、理解を容易にするために作図したものであって、実際にこのような大きな領域分けがされているものではない。したがって、領域Ｐ１と領域Ｐ２との境界位置がＬＥＤ光源３２の真上に来たときに光の整形特性が劇的に変化するということもない。

なお、本実施形態においては、図１２のように、回折光学素子１０のうちのＬＥＤ光源３２と重ねられる範囲の近傍にのみ、部分周期構造を配置した例を示したが、回折光学素子１０の全面に部分周期構造を配置してもよい。

また、上述の説明において、回折光学素子１０が回転しても、整形特性が変化しないようにするとして、説明を行った。しかし、回折光学素子１０の回転位置により光の整形特性が制御された状態で変化するようにしてもよい。例えば、右回りに回折光学素子１０を回転させると、照射領域が広くなり、左回りに回折光学素子１０を回転させると、照射領域が狭くなるようにしてもよい。また、回転位置に応じて、照射方向が変化するようにしてもよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、回折光学素子１０が回転しても、整形特性が変化しないように、回折光学素子１０の部分周期構造を配置したことにより、点光源との相対的な位置決めを容易に行うことができる。
また、本実施形態によれば、回折光学素子１０が回転した場合に、回転位置に応じて照射範囲や照射方向を制御された状態で変化させることができるように、回折光学素子１０の部分周期構造を配置したことにより、実際の整形特性の微調整を容易に行うことが可能となる。

なお、本発明は以上説明した実施形態によって限定されることはない。

１０ 回折光学素子
１０ａ 中心孔
１１ 高屈折率部
１１ａ 凸部
１２ 凹部
１３ 空間
１４ 低屈折率部
１５ 回折層
２０ 保持部
２０ａ 中心孔
２０ｂ 貫通孔
２０ｃ 壁部
３０ レンズユニット
３１ 基板
３１ａ 中心孔
３２ ＬＥＤ光源
３３ レンズ枠
３４ レンズ
４０ 光照射装置
５０ ミラー部
６０ 表示部
７０ カメラ部
１００ 視線追跡装置
２００ スクリーン
２０１ 光
２０２ 照射領域
２０４ 照射領域
２１０ 光源
Ｅ 利用者の目
Ｌ 中心軸
Ｐ１−Ｐ１５ 領域

Claims (7)

1. 円環形状に形成され、点光源から入射する光を円環形状の中心軸の方向に向けて整形するように複数の部分周期構造を有する回折光学素子であって、
   前記部分周期構造は、少なくとも特定の回転角度範囲において、前記中心軸まわりでの当該回折光学素子と前記点光源との相対的な回転位置が変化しても整形される光の整形特性を制御可能となるように、円周方向に沿って配置されている回折光学素子。
2. 請求項１に記載の回折光学素子において、
   前記部分周期構造は、少なくとも特定の回転角度範囲において、前記中心軸まわりでの当該回折光学素子と前記点光源との相対的な回転位置が変化しても整形される光の整形特性が変化しないように、円周方向に沿って配置されていること、
   を特徴とする回折光学素子。
3. 請求項１に記載の回折光学素子において、
   前記部分周期構造は、少なくとも特定の回転角度範囲において、前記中心軸まわりでの当該回折光学素子と前記点光源との相対的な回転位置の変化に応じて整形される光の整形特性が所定の範囲内で変化するように、円周方向に沿って配置されていること、
   を特徴とする回折光学素子。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の回折光学素子において、
   前記部分周期構造は、円環形状の全面に配置されていること、
   を特徴とする回折光学素子。
5. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の回折光学素子において、
   前記部分周期構造は、円環形状の特定の範囲にのみ配置されていること、
   を特徴とする回折光学素子。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の回折光学素子と、
   少なくとも１つの点光源と、
   前記点光源に対する相対的な位置が固定されており、少なくとも前記回折光学素子を固定前の状態においては前記回折光学素子を回転可能に保持する保持部と、
   を備えた光照射装置。
7. 請求項６に記載の光照射装置と、
   前記光照射装置の前記点光源が光を照射する方向とは反対側に配置された表示部と、
   前記光照射装置と前記表示部との間にあって、前記光照射装置からの光を反射するミラー部と、
   前記光照射装置が照射した光が人体の目によって反射された後に前記ミラー部により反射された光を撮影するカメラ部と、
   を備える視線追跡装置。

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