JP2021148884A - Rotation angle detection device for three-dimensional object, retina projection display device, head-mounted type display device, optometric device, and input device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、立体物の回旋角度検出装置、網膜投影表示装置、頭部装着型表示装置、検眼装置、及び入力装置に関する。 The present invention relates to a rotation angle detection device, a retinal projection display device, a head-mounted display device, an optometry device, and an input device for a three-dimensional object.
眼球等の曲率を有する立体物の回旋角度を検出する技術の開発が進み、回旋角度に基づく眼球の瞳孔位置(視線)等を用いて、電子機器制御のインターフェースや、ヘッドマウントディスプレイ等のウェアラブル表示機器の映像形成支援、熟練技術者等の視線データ収集、商品の注目度分析等の多様な用途への応用が期待されている。 Development of technology for detecting the rotation angle of a three-dimensional object having a curvature such as an eyeball has progressed, and an interface for controlling electronic devices and a wearable display such as a head-mounted display are used by using the pupil position (line of sight) of the eyeball based on the rotation angle. It is expected to be applied to various applications such as support for image formation of equipment, collection of line-of-sight data of skilled engineers, and analysis of product attention.
また、指向性を有する光を射出する発光部を複数備える光源手段から眼球に光を照射し、眼球による反射光の受光位置を検出することで、眼球の傾き位置を検出する構成が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 Further, a configuration is disclosed in which the tilt position of the eyeball is detected by irradiating the eyeball with light from a light source means having a plurality of light emitting units for emitting light having directivity and detecting the light receiving position of the reflected light by the eyeball. (See, for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1の構成では、複数の発光部毎で回旋角度の検出範囲が重複すること等によって、眼球等の回旋角度を広い範囲で検出できない場合がある。
However, in the configuration of
本発明は、曲率を有する立体物の回旋角度を少数の発光部で広範囲に検出することを課題とする。 An object of the present invention is to detect the rotation angle of a three-dimensional object having a curvature in a wide range with a small number of light emitting parts.
本発明の一態様に係る立体物の回旋角度検出装置は、複数の発光部を備える光源手段と、前記複数の発光部から射出された光を、立体物における曲率を有する被照射面に向けて反射して集束させる集束反射手段と、前記光の前記被照射面により反射された反射光を受光し、前記反射光の受光位置を検出する受光位置検出手段と、を備え、前記受光位置検出手段は、前記複数の発光部のうちの第1発光部から射出された光に由来する前記反射光を前記受光位置検出手段の一端で受光する際に、前記複数の発光部のうちの前記第1発光部とは異なる第2発光部から射出された光に由来する前記反射光を前記受光位置検出手段の他端で受光する。 The rotation angle detection device for a three-dimensional object according to one aspect of the present invention directs a light source means including a plurality of light emitting portions and light emitted from the plurality of light emitting portions toward an irradiated surface having a curvature in the three-dimensional object. The light receiving position detecting means is provided with a focusing reflecting means for reflecting and focusing, and a light receiving position detecting means for receiving the reflected light reflected by the irradiated surface of the light and detecting the light receiving position of the reflected light. Is the first of the plurality of light emitting units when the reflected light derived from the light emitted from the first light emitting unit of the plurality of light emitting units is received by one end of the light receiving position detecting means. The reflected light derived from the light emitted from the second light emitting unit different from the light emitting unit is received by the other end of the light receiving position detecting means.
本発明によれば、曲率を有する立体物の回旋角度を少数の発光部で広範囲に検出できる。 According to the present invention, the rotation angle of a three-dimensional object having a curvature can be detected in a wide range by a small number of light emitting portions.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部には同一符号を付し、重複した説明を適宜省略する。 Hereinafter, modes for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same components are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted as appropriate.
立体物の回旋角度検出装置の一例として、実施形態では眼球の瞳孔位置検出装置を説明し、また、瞳孔位置検出装置を眼鏡型支持体に実装した場合を一例として説明する。 As an example of the rotation angle detection device for a three-dimensional object, the pupil position detection device for the eyeball will be described in the embodiment, and the case where the pupil position detection device is mounted on the spectacle-type support will be described as an example.
なお、各実施形態では、「人」の右目の眼球を例に説明するが、左目の眼球に対しても同様である。また光学装置、又は網膜投影表示装置をそれぞれ2つ備え、両目の眼球に対して適用することもできる。 In each embodiment, the eyeball of the right eye of the “human” will be described as an example, but the same applies to the eyeball of the left eye. Further, it can be applied to the eyeballs of both eyes by providing two optical devices or two retinal projection display devices.
[実施形態]
<瞳孔位置検出装置10の構成例>
図1は、実施形態に係る瞳孔位置検出装置10の構成の一例を説明する図である。
[Embodiment]
<Configuration example of pupil
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the configuration of the pupil
図1に示すように、瞳孔位置検出装置10は、VCSEL(垂直共振器面発光レーザ;Vertical Cavity Surface Emitting LASER)1と、凹面ミラー2と、PSD(Position Sensitive Detector)3と、処理部100とを有する。
As shown in FIG. 1, the pupil
VCSEL1、凹面ミラー2、及びPSD3は、光学系支持体4に配置されている。光学系支持体4は、眼鏡レンズ21と眼鏡フレーム22を含む眼鏡型支持体20の眼鏡フレーム22に、球継手4aを介して傾斜可能に固定されている。球継手4aを介することで、光学系支持体4の傾きを調整することができる。設置微調整機構を構成する球継手4aとしては、球体構造とその外殻構造の間に働く機械的な圧力を用いて固定する方式のほか、着磁した球体構造と金属開口構造との間に働く磁力を用いた固定する方式等が利用できる。
The
眼鏡型支持体20は人の頭部に装着可能である。眼鏡型支持体20が装着されると、VCSEL1、凹面ミラー2、及びPSD3を含む光学系は、眼球30に近接した位置(眼前)に配置された状態になる。
The spectacle-
「光源手段」の一例としてのVCSEL1は、平面内に2次元的に配列された複数の発光部を有する。各発光部は、指向性と有限の広がり角を有するレーザ光を射出する。ここで、射出されたレーザ光は「光」の一例である。また、「複数の発光部」は、「複数の発光点」、又は「複数の発光素子」と同義である。 VCSEL1 as an example of the "light source means" has a plurality of light emitting parts arranged two-dimensionally in a plane. Each light emitting unit emits a laser beam having directivity and a finite divergence angle. Here, the emitted laser light is an example of "light". Further, "plurality of light emitting units" is synonymous with "plurality of light emitting points" or "plurality of light emitting elements".
但し、光源手段は、光を射出することができれば、VCSELに限定されるものではない。レーザ光を射出する複数のLD(半導体レーザ;Laser Diode)やLED(発光ダイオード;Light Emitting Diode)を平面内に2次元的に配列して光源手段を構成してもよい。またパルスレーザ光を射出するパルスレーザでもよい。さらに、複数の種類の光源を組み合わせて光源手段を構成してもよい。 However, the light source means is not limited to the VCSEL as long as it can emit light. A plurality of LDs (semiconductor lasers; Laser Diodes) and LEDs (light emitting diodes; Light Emitting Diodes) that emit laser light may be arranged two-dimensionally in a plane to form a light source means. Further, a pulse laser that emits pulse laser light may be used. Further, the light source means may be configured by combining a plurality of types of light sources.
また、VCSEL1から射出されるレーザ光の波長は、瞳孔位置を検出される「人」の視認を阻害しないように、非可視光である近赤外光の波長であることが好適である。但し、これに限定されるものではなく、可視光であってもよい。 Further, the wavelength of the laser light emitted from VCSEL1 is preferably the wavelength of near-infrared light which is invisible light so as not to hinder the visibility of the "human" whose pupil position is detected. However, the present invention is not limited to this, and visible light may be used.
VCSEL1から射出されたレーザ光L0は、眼前の空間を、眼鏡型支持体20を装着した人の顔面、又は装着された眼鏡レンズ21のレンズ面に略平行な方向に、凹面ミラー2に向けて伝搬する。また、レーザ光L0は、VCSEL1の射出部開口での回折により、ビームの直径を広げながら伝搬する発散光である。発散光の発散角は射出部の開口の形状によって制御可能である。レーザ光L0は、発散しながら伝搬し、凹面ミラー2に入射する。
The laser beam L0 emitted from the VCSEL 1 directs the space in front of the eye toward the
集束反射手段の一例としての凹面ミラー2は、曲率を有する反射面を有し、入射したレーザ光L0を反射して、眼球30に集束レーザ光(集束光とも表現する)L1を照射する。集束レーザ光L1は、眼球30の瞳孔31近傍に入射する。凹面ミラー2の凹面の曲率中心は、VCSEL1から凹面ミラー2までの光路の光軸から外れた位置にあり、VCSEL1、凹面ミラー2、及びPSD3を含む光学系は、いわゆる軸外し光学系を構成している。
The
実施形態に係る軸外し光学系では、眼球30に到達する前の光は、眼球30に隣接する眼前の空間を、眼球30による反射や散乱を受けることなく、少なくとも一回以上折り返して伝搬した後、眼球30に到達している。
In the off-axis optical system according to the embodiment, the light before reaching the
眼球30への集束レーザ光L1の入射角度は、正視時における眼球30の瞳孔31の中心に所定角度で入射するように調整されている。また、VCSEL1は複数の発光部からレーザ光を射出することができ、複数の発光部から射出されたレーザ光は、眼球30の複数の箇所に照射され、或いは眼球30に複数の角度で照射される。
The angle of incidence of the focused laser beam L1 on the
VCSEL1は上述したように複数の発光部を有することに加え、高速変調が可能である。眼球30に照射するレーザ光を時間変調し、PSD3により得られる出力信号から入射レーザ光に適合した変調周波数を有する成分を抽出することで、(変調を伴わない)外部環境からの光の影響を取り除くことができる。この結果、SN比を向上することができ、明るい環境下での瞳孔位置検出において有利となる。また、眼球に照射するレーザ光の光量を低減することもできる。
In addition to having a plurality of light emitting units as described above, the
被照射面の一例としての眼球30の瞳孔表面(角膜表面)は、水分を含む透明体であり、約2〜4%の反射率を有するのが一般的である。眼球30の瞳孔31近傍に入射した集束レーザ光L1は、眼球30の瞳孔31の表面で反射(反射光とも表現する)され、反射光はPSD3に向けて伝搬する。なお、以下では、説明を簡単にするため、眼球30の表面を眼球30と称し、瞳孔31の表面を瞳孔31と称し、角膜32の表面を角膜32と称する場合がある。
The pupil surface (corneal surface) of the
ここで、凹面ミラー2の反射面の曲率は、眼球30、又は角膜32の曲率による反射レーザ光の発散を相殺するように定められている。このようにすることで、PSD3に向けて伝搬するレーザ光L2のビームの直径がPSD素子の受光面において広がらないようにすることができる。
Here, the curvature of the reflecting surface of the
なお、集束反射手段の一例として凹面ミラーを示したが、光を集束(集光)させられるものであれば、これに限定されるものではなく、凸面レンズと平面ミラーを合わせた構成や、ホログラムを用いた波面制御素子、回折光学素子等を用いても良い。 A concave mirror is shown as an example of the focusing and reflecting means, but the present invention is not limited to this as long as it can focus (focus) light, and a configuration in which a convex lens and a flat mirror are combined or a hologram is used. A wavefront control element, a diffractive optical element, or the like may be used.
また、凹面ミラーの凹面として、集束レーザ光L1の光軸に交差する平面内における直交2方向で、曲率の異なるアナモフィックな非球面を用いると、レーザ光L2のビームの直径を更に微小化し、また等方な状態にビームを整形することができて好適である。 Further, if an anamorphic aspherical surface having different curvatures in two orthogonal directions in a plane intersecting the optical axis of the focused laser light L1 is used as the concave surface of the concave mirror, the diameter of the beam of the laser light L2 can be further reduced. It is suitable because the beam can be shaped into an isotropic state.
さらに、被照射面は眼球30に限定されるものではなく、曲率を有する立体物であれば、実施形態を適用可能である。例えば、回転中心で回転可能な回転体と、曲率中心を有する曲面体とを含んで構成され、回転中心の位置と曲率中心の位置は異なっている立体物に対して実施形態を適用できる。
Further, the irradiated surface is not limited to the
「受光位置検出手段」の一例としてのPSD3は、受光面内で直交する2方向において、入射した光の電極までの距離に応じた電流値を検出し、直交2方向の電流値の比から入射光の位置を示す検出信号を算出し、出力する2次元の光位置検出素子である。PSD3は、PSD3の受光面に形成されたビームスポットの位置を示す検出信号を出力することができる。 PSD3 as an example of the "light receiving position detecting means" detects the current value according to the distance to the electrode of the incident light in two orthogonal directions in the light receiving surface, and is incident from the ratio of the current values in the two orthogonal directions. It is a two-dimensional optical position detection element that calculates and outputs a detection signal indicating the position of light. The PSD3 can output a detection signal indicating the position of the beam spot formed on the light receiving surface of the PSD3.
より具体的には、PSD3は4つの出力端子を備え、連続的な受光面(画素分割されていない受光面)に抵抗膜が配され、また直交2方向の電極対が設けられている。ビームスポット位置で発生した光電流は、各出力端子との距離に応じて4つに分割される。このとき、抵抗膜による電気抵抗はビームスポット位置と出力端子との距離が長いほど電流が小さくなるよう作用する。PSD3は抵抗膜を経た電気信号を4つの端子を介して検出し、電気的な後処理により得られる受光面内の位置を示す検出信号を出力することができる。 More specifically, the PSD3 has four output terminals, a resistance film is arranged on a continuous light receiving surface (light receiving surface not divided into pixels), and electrode pairs in two orthogonal directions are provided. The photocurrent generated at the beam spot position is divided into four according to the distance from each output terminal. At this time, the electric resistance due to the resistance film acts so that the longer the distance between the beam spot position and the output terminal, the smaller the current. The PSD3 can detect an electrical signal that has passed through the resistance film via the four terminals and output a detection signal that indicates a position in the light receiving surface obtained by electrical post-processing.
また、PSD3は光電変換で生じた電流をアナログ電圧信号に変換し、検出信号として4つの端子から出力することができる。つまり、PSD3は表面抵抗を利用して各端子との距離を求めることで入射した位置を検出することができる。 Further, the PSD3 can convert the current generated by photoelectric conversion into an analog voltage signal and output it as a detection signal from four terminals. That is, the PSD3 can detect the incident position by obtaining the distance from each terminal by using the surface resistance.
ところで、PSD3に代えてイメージセンサ(撮像素子)を受光位置検出手段に適用した場合、イメージセンサは、各画素への入射光の強度により出力結果が変化し、強度が低いと出力電流が少なくなる。太陽光等のノイズ光の影響を低減するためには、光源の出力を上げてイメージセンサへの入射光の強度を上げる必要があるが、眼球30に光源からの光を入射させる装置に適用する場合、入射光の強度を上げることは、眼球への安全性の観点で好ましくない。 By the way, when an image sensor (imaging element) is applied to the light receiving position detecting means instead of PSD3, the output result of the image sensor changes depending on the intensity of the incident light on each pixel, and the output current decreases when the intensity is low. .. In order to reduce the influence of noise light such as sunlight, it is necessary to increase the output of the light source to increase the intensity of the incident light on the image sensor. In this case, increasing the intensity of the incident light is not preferable from the viewpoint of safety to the eyeball.
また、イメージセンサの場合、位置検出するための画像処理が必要となるが、処理時に位置精度誤差が生じる場合があり、また、処理負荷も大きくなる。 Further, in the case of an image sensor, image processing for position detection is required, but a position accuracy error may occur during the processing, and the processing load also increases.
PSD3を受光位置検出手段に用いることで、出力端子間で分割される電流分割比(割合)を使って位置を検出するため、入射光の強度に依存せず入射光の位置を検出でき、また、画像処理を必要としない点で好適である。 By using PSD3 as the light receiving position detecting means, the position is detected using the current division ratio (ratio) divided between the output terminals, so that the position of the incident light can be detected regardless of the intensity of the incident light. , It is preferable in that it does not require image processing.
但し、上記のPSD3の構成は一例であって、他の構成であってもよい。また、PSD3として受光面内の2次元的な位置を検出する2次元PSDの例を示すが、受光面内の1次元的な位置を検出する1次元PSDを用いても良い。 However, the above configuration of PSD3 is an example, and other configurations may be used. Further, although an example of a two-dimensional PSD that detects a two-dimensional position in the light receiving surface is shown as PSD3, a one-dimensional PSD that detects a one-dimensional position in the light receiving surface may be used.
処理部100は、制御信号を出力して、VCSEL1を発光駆動させる。また、処理部100は、PSD3による検出信号を入力し、後述するように、眼球30の瞳孔31の位置を検出する処理を実行する。処理部100は、一例として眼鏡フレーム22等に配置することができる。
The
眼球30の傾きによって、レーザ光L2によりPSD3の受光面に形成されるビームスポットの位置が変わるため、処理部100は、PSD3の検出信号を座標情報に変換することで眼球30の瞳孔位置を検出することができる。
Since the position of the beam spot formed on the light receiving surface of the PSD3 by the laser beam L2 changes depending on the inclination of the
PSD3は、眼球30での反射点の位置と法線ベクトルの向きを検出することができ、瞳孔位置検出装置10は、検出された反射点の位置と法線ベクトルと眼球の表面形状モデルとの対応に基づき、瞳孔位置を「推定」することができる。
The PSD3 can detect the position of the reflection point on the
図1では、光学系および処理部を眼鏡フレーム22に配置する例を示したが、これに限定されるものではなく、ヘッドマウントディスプレイやヘッドギア型の保持構造体等を用いてもよい。
Although FIG. 1 shows an example in which the optical system and the processing unit are arranged on the
<瞳孔位置検出装置10の眼球運動への追従動作>
次に、瞳孔位置検出装置10の眼球運動への追従動作について説明する。
<Following motion of the pupil
Next, the operation of following the eye movement of the pupil
眼球30は回旋等の眼球運動をするため、回旋によりレーザ光L2の方向が変わることで、レーザ光L2がPSD3の受光面から外れる場合がある。これに対し、瞳孔位置検出装置10は、VCSEL1で発光させる発光部を順次、又は選択的に変更する制御を行うことで、レーザ光L2がPSD3の受光面から外れることを防止することができる。
Since the
図2は、眼球30の回旋とレーザ光L2のPSD3への入射位置との関係を説明する図であり、(a)は眼球が回旋していない状態(正視時)を説明する図、(b)は眼球が回旋している状態を説明する図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining the relationship between the rotation of the
図2は、VCSEL1の2つの発光部から射出されたレーザ光の伝搬を示している。一方の発光部から射出されたレーザ光11は実線で示され、他方の発光部から射出されたレーザ光12は破線で示されている。
FIG. 2 shows the propagation of laser light emitted from the two light emitting portions of VCSEL1. The laser beam 11 emitted from one light emitting unit is shown by a solid line, and the
図2(a)において、眼球30で反射されたレーザ光11は、PSD3の受光面の中央付近に入射している。そのため、PSD3は受光面上でのレーザ光11の位置を検出することができ、瞳孔位置検出装置10はPSD3の検出信号に基づいて、瞳孔31の位置を検出することができる。
In FIG. 2A, the laser beam 11 reflected by the
一方、眼球30で反射されたレーザ光12は、PSD3の受光面に入射していないため、PSD3は受光面上でのレーザ光12の位置を検出できず、瞳孔位置検出装置10は瞳孔31の位置を検出することができない。
On the other hand, since the
また、眼球30が大きく回旋した場合、図2(b)に示すように、眼球30で反射されたレーザ光11はPSD3の受光面に入射していない。そのため、PSD3は受光面上でのレーザ光11の位置を検出できず、瞳孔位置検出装置10は瞳孔31の位置を検出することができない。
Further, when the
一方、眼球30で反射されたレーザ光12は、PSD3の受光面の中央付近に入射しているため、PSD3は受光面上でのレーザ光12の位置を検出することができ、瞳孔位置検出装置10はPSD3の検出信号に基づき、瞳孔31の位置を検出することができる。
On the other hand, since the
このように、1つの発光部のみからの光では、限られた角度範囲でしか眼球30の瞳孔位置を検出できないが、VCSEL1の発光部を変化させることで、何れかの発光部から射出されたレーザ光をPSD3の受光面上に入射させることができる。これにより、眼球30が回旋しても、眼球30で反射されたレーザ光がPSD3の受光面に入射しない状態を減らし、瞳孔位置を検出可能な範囲を拡大することができる。
In this way, the pupil position of the
換言すると、PSD3が眼球30の回旋運動に基づくレーザ光12の微動を検出し、VCSEL1の複数の発光部の配列が眼球30の回旋運動に基づくレーザ光12の粗動を検出することで、眼球30の回旋運動の回旋角度検出において、高い検出分解能と広い検出範囲を両立することが可能となる。
In other words, the PSD3 detects the fine movement of the
VCSEL1の発光部の変化は、眼球30の眼球運動に応じて(追従して)、処理部100からの駆動信号により時系列に行うことができる。また、眼球30の回旋運動に応じて発光部を制御することで、光の利用効率向上や推定時間の短縮を図ることができる。
The change of the light emitting unit of the
但し、必ずしも眼球の回旋運動に応じてVCSEL1の発光部を変化させる必要はない。例えば、瞳孔位置検出装置10は、眼球運動とは独立に所定の時間間隔でVCSEL1の発光部をラスター走査(順次発光)させ、その場合のPSD3の検出信号に基づいて、眼球30の粗動位置を検出するようにしても良い。
However, it is not always necessary to change the light emitting portion of VCSEL1 according to the rotational movement of the eyeball. For example, the pupil
なお、図2では説明を簡単にするため、2つの発光部から射出されたレーザ光のみを例示したが、眼球30の回旋に応じて、VCSEL1の更に多くの発光部を利用可能である。この場合は、瞳孔31の位置が適切に検出されるように、PSD3の受光面サイズ及び眼球30のサイズに合わせ、VCSEL1の発光部の数、及び位置を適正化することが好適である。
Although only the laser light emitted from the two light emitting units is illustrated in FIG. 2 for the sake of simplicity, more light emitting parts of the
<軸外し光学系の条件について>
次に、VCSEL1、凹面ミラー2、及びPSD3を含む軸外し光学系が満たすべき条件について説明する。
<Conditions for off-axis optical system>
Next, the conditions to be satisfied by the off-axis optical system including the
本実施形態では、VCSEL1から射出されたレーザ光がPSD3の受光面に入射するための条件、また、集束レーザ光L1が角膜32での反射後に平行光に変換されるための条件として、凹面ミラー2の有効領域の直径(レーザ光を反射可能な領域。有効径)を定めている。
In the present embodiment, the concave mirror is a condition for the laser light emitted from the VCSEL1 to be incident on the light receiving surface of the PSD3 and a condition for the focused laser light L1 to be converted into parallel light after being reflected by the
図3は、軸外し光学系が満たすべき条件について説明する図であり、(a)は素子間の距離を説明する図、(b)は同軸光学系で表した幾何学的距離関係を説明する図である。 3A and 3B are diagrams for explaining the conditions to be satisfied by the off-axis optical system, FIG. 3A is a diagram for explaining the distance between elements, and FIG. 3B is a diagram for explaining a geometrical distance relationship represented by a coaxial optical system. It is a figure.
図3(a)に示すように、VCSEL1から凹面ミラー2までの距離をd0、凹面ミラー2から角膜32までの距離をd1、角膜32からPSD3までの距離をd2とする。また、凹面ミラー2の曲率と有効領域に注目し、簡単のため、VCSEL1、凹面ミラー2、及びPSD3を同軸に配置した同軸光学系を想定する。
As shown in FIG. 3A, the distance from VCSEL1 to the
図3(b)は、VCSEL1からの発散レーザ光が凹面ミラー2に入射し、凹面ミラー2で反射されたレーザ光が集束しながら角膜32に入射し、その後、角膜32で反射されたレーザ光がPSD3に入射する様子を示している。位置41はVCSEL1の発光部の位置、位置42は角膜32の表面の位置、位置43は凹面ミラー2の表面の位置をそれぞれ示している。
In FIG. 3B, the divergent laser light from VCSEL1 is incident on the
ビームの半径hPSDは、ABCD行列を用いた光線追跡で導出された次の(1)式により算出することができる。 The beam radius hPSD can be calculated by the following equation (1) derived by ray tracing using the ABCD matrix.
(1)式に基づき、凹面ミラー2の有効領域の直径Dmは、(2)式から定めることができる。
Based on the equation (1), the diameter Dm of the effective region of the
図4に示す関係において、PSD3の受光面でのレーザ光のビームの半径hPSDの上限値はhUL=200um、凹面ミラー2から角膜32までの距離d1は24mm、角膜32の曲率半径rcは8mm、レーザ光の波長λは940nmである。これらの値は、眼鏡型支持体20を想定した値であるが、用途や使用環境に応じて任意の値を設定しても良い。
In the relationship shown in FIG. 4, the upper limit of the radius hPSD of the laser beam on the light receiving surface of PSD3 is hUL = 200um, the distance d1 from the
図4において、凹面ミラー2の有効領域の直径Dmが小さくなると、回折に起因してPSD3の受光面のビームの半径hPSDが急激に拡大している。また、凹面ミラー2の有効領域の直径Dmが大きくなるにつれ、PSD3の受光面のビームの半径hPSDが徐々に拡大している。ビームの半径hPSDの拡大に応じて、PSD3によるレーザ光の位置検出分解能は低下する。
In FIG. 4, when the diameter Dm of the effective region of the
図4に示すように、PSD3の受光面でのビームの半径hPSDを最小化するために、凹面ミラー2の有効領域の直径Dmには適切な範囲が存在する。灰色でハッチングした領域は適切な範囲であり、(2)式を満足する凹面ミラー2の有効領域の直径Dmの範囲である。(2)式に当てはめると、凹面ミラー2の有効領域の直径Dmは、0.225mm≦Dm≦2.574mmで定められる。この条件を満足することで、PSD3の受光面上のビームの半径hPSDを200μm以下にすることができ、PSD3によるレーザ光の位置検出分解能を適切にすることができる。
As shown in FIG. 4, in order to minimize the radius hPSD of the beam on the light receiving surface of the PSD3, there is an appropriate range in the diameter Dm of the effective region of the
なお、レーザ光が眼球30に60°の入射角で入射する条件として、d0=24√3(mm)とすると、VCSEL1から射出されたレーザ光は全角で約7.1°以下の発散角が必要になるが、この発散角はVCSEL1の開口の制御により実現可能である。
Assuming that d0 = 24√3 (mm) as a condition for the laser light to enter the
<処理部100の構成例>
次に、実施形態に係る処理部100のハードウェア構成について説明する。図5は、処理部100のハードウェア構成の一例を説明するブロック図である。
<Structure example of
Next, the hardware configuration of the
処理部100は、CPU(Central Processing Unit)101と、ROM(Read Only Memory)102と、RAM(Random Access Memory)103と、SSD(Solid State Drive)104と、光源駆動回路105と、A/D(Analog/Digital)変換回路106と、入出力I/F(Interface)107とを有している。それぞれはシステムバス108で相互に接続されている。
The
CPU101は、ROM102やSSD104等の記憶装置からプログラムやデータをRAM103上に読み出し、処理を実行することで、処理部100全体の制御や後述する機能を実現する。なお、CPU101の有する機能の一部、又は全部を、ASIC(application specific integrated circuit)やFPGA(Field-Programmable Gate Array)といったハードウェアにより実現させてもよい。
The
ROM102は、電源を切ってもプログラムやデータを保持することが可能な不揮発性の半導体メモリ(記憶装置)である。ROM102には、処理部100の起動時に実行されるBIOS(Basic Input/Output System)、OS設定等のプログラムやデータが格納されている。RAM103は、プログラムやデータを一時保持する揮発性の半導体メモリ(記憶装置)である。
The
SSD104は、処理部100による処理を実行するプログラムや各種データが記憶された不揮発性メモリである。なお、SSDはHDD(Hard Disk Drive)であっても良い。
The
光源駆動回路105は、VCSEL1に電気的に接続され、入力された制御信号に従ってVCSEL1に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。光源駆動回路105は、VCSEL1の備える複数の発光部を同時、又は順次に発光駆動させることができる。また、駆動電圧の周期を変調することで、異なる発光周期で発光駆動させることができる。
The light
駆動電圧として矩形波や正弦波、又は所定の波形形状の電圧波形を用いることができる。光源駆動回路105は、電圧波形の周期(周波数)を変化させて、駆動電圧信号の周期を変調することができる。
As the drive voltage, a rectangular wave, a sine wave, or a voltage waveform having a predetermined waveform shape can be used. The light
A/D変換回路106は、PSD3に電気的に接続され、PSD3の出力するアナログ電圧信号をA/D変換したデジタル電圧信号を出力する電気回路である。
The A /
入出力I/F107は、PC(Personal Computer)や映像機器等の外部機器と接続するためのインターフェースである。
The input / output I /
次に、処理部100の機能構成について説明する。図6は、処理部100の機能構成の一例を説明するブロック図である。図6に示すように、処理部100は、発光駆動部110と、検出信号入力部111と、演算部120と、瞳孔位置出力部130とを有する。
Next, the functional configuration of the
発光駆動部110は、VCSEL1に周期T1の駆動信号を出力し、VCSEL1の備える発光部を周期T1で発光駆動させる。発光駆動部110は、光源駆動回路105等で実現することができる。
The light emitting
検出信号入力部111は、A/D変換回路106等により実現され、PSD3から入力したアナログ電圧信号をA/D変換したデジタル電圧信号を、演算部120の備える眼球回旋角度推定部121に出力する。
The detection
演算部120は、眼球回旋角度推定部121と、瞳孔位置取得部122とを有し、検出信号入力部111からの入力信号に基づき、眼球30の瞳孔位置を取得する演算処理を実行する。
The
眼球回旋角度推定部121は、検出信号入力部111からの入力信号に基づき、眼球30の回旋角度を推定し、推定した回旋角度データを瞳孔位置取得部122に出力する。瞳孔位置取得部122は、推定された眼球30の回旋角度に基づき、瞳孔31の位置を取得する処理を実行する。取得された瞳孔31の位置データは、入出力I/F107等により実現される瞳孔位置出力部130を介して、外部装置等に向けて出力される。
The eyeball rotation
<瞳孔位置検出装置10による処理>
次に、瞳孔位置検出装置10による処理について説明する。
<Processing by pupil
Next, the processing by the pupil
ここで、瞳孔位置検出装置10では、瞳孔位置検出の事前準備として、VCSEL1による眼球30への照射レーザ光が眼球30に入射する入射角度と、眼球30の回旋角度の算出式が予め決定されるため、先ず、これらについて説明する。
Here, in the pupil
眼球30の回旋角度の算出式は、1次関数、又は2次関数の算出式である。但し、これに限定はされるものではなく、レーザ光の入射角度とPSD3の受光面での位置から回旋角度を定めることができる算出式であれば、式の形式は問わない。簡単な近似式として、本実施形態では2次関数による算出式を採用している。
The formula for calculating the rotation angle of the
レーザ光が眼球30に入射する角度の決定には、眼球30の表面形状モデルを利用することができる。例えば、一般的な眼球の表面形状モデルとして古くから知られている略式模型眼(例えば、「眼の光学的機構」、精密機械27−11、1961参照)等を利用できる。
A surface shape model of the
一方、眼球30へのレーザ光の入射角度は、PSD3へのレーザ光の入射位置が受光面の中心になるように、光線追跡計算等により予め決定される。
On the other hand, the angle of incidence of the laser beam on the
また、PSD3の受光面へのレーザ光の入射位置は、眼球30へのレーザ光の入射角度、眼球30でのレーザ光の反射位置、及び眼球30の接面の傾きに基づき、理論解析することができる。そして、理論解析の解から、多項式近似により眼球30の回旋角度を推定する逆演算式(近似式)を決定することができる。
The position of the laser beam incident on the light receiving surface of the PSD3 should be theoretically analyzed based on the angle of incidence of the laser beam on the
眼球30へのレーザ光の入射角度と、眼球30の回旋角度を推定する逆演算式は、処理部100のROM102やSSD104等のメモリに記憶され、発光駆動部110による発光部の変更や、演算部120による瞳孔位置取得処理において参照される。
The inverse calculation formula for estimating the angle of incidence of the laser beam on the
次に、図7は、瞳孔位置検出装置10による処理の一例を示すフローチャートである。
Next, FIG. 7 is a flowchart showing an example of processing by the pupil
先ず、ステップS71において、発光駆動部110は、VCSEL1を発光周期T1で発光駆動させる。
First, in step S71, the light emitting
続いて、ステップS72において、検出信号入力部111は、PSD3の検出信号を入力し、演算部120の備える眼球回旋角度推定部121に出力する。
Subsequently, in step S72, the detection
続いて、ステップS73において、眼球回旋角度推定部121は、検出信号入力部111からの入力信号を、回旋角度を推定する逆演算式に代入して眼球回旋角度を算出する。そして、算出した眼球回旋角度データを瞳孔位置取得部122に出力する。
Subsequently, in step S73, the eyeball rotation
続いて、ステップS74において、瞳孔位置取得部122は、入力した眼球回旋角度データに基づき、眼球の表面形状モデルを用いて取得する。取得された瞳孔位置データは瞳孔位置出力部130を介して外部装置に出力される。
Subsequently, in step S74, the pupil
このようにして、処理部100は、PSD3の出力する検出信号に基づいて眼球30の瞳孔31の位置を取得し、取得された位置データを外部装置に出力することができる。
In this way, the
<瞳孔位置検出装置10の作用効果>
瞳孔位置(視線)の検出技術の開発が進み、視線による電子機器制御のインターフェース、ヘッドマウントディスプレイ又は眼前(ニア・アイ)ディスプレイといったウェアラブル映像表示機器における映像形成支援、工場等における熟練技術者の視線データ収集、商品の注目度分析(ロギング)など、多様な用途への応用が期待されている。特に電子機器と人とのインターフェースとして機能する瞳孔位置検出装置では、リアルタイム性と装置の小型・軽量化が要求される。
<Action and effect of pupil
Development of technology for detecting the position of the pupil (line of sight) has progressed, and support for image formation in wearable image display devices such as electronic device control interfaces using the line of sight, head-mounted displays or near-eye displays, and the line of sight of skilled engineers in factories, etc. It is expected to be applied to various applications such as data collection and product attention analysis (logging). In particular, a pupil position detecting device that functions as an interface between an electronic device and a person is required to have real-time performance and to reduce the size and weight of the device.
従来技術では、照明環境下において眼球の反射像を取得し、パターンマッチングを基本とした画像処理部により瞳孔位置を検出するため、画像処理の負荷が大きく、また、リアルタイム性と瞳孔位置の検出分解能との間にトレードオフの関係があった。また、撮像装置やプロセッサ、駆動電源等を搭載する必要があり、装置の小型・軽量化が困難だった。 In the conventional technique, since the reflection image of the eyeball is acquired in the lighting environment and the pupil position is detected by the image processing unit based on pattern matching, the load of image processing is large, and the real-time property and the detection resolution of the pupil position are large. There was a trade-off relationship with. In addition, it is necessary to mount an image pickup device, a processor, a drive power supply, and the like, and it is difficult to reduce the size and weight of the device.
また、従来技術として、眼球表面で高速走査したレーザ光の反射光強度の時間変化を検出し、撮像システムを使わない非画像方式で、瞳孔位置を高速検出する技術が開示されている。しかし、この技術では、曲率が大きい眼球や角膜での反射により、光検出器の受光面でレーザ光のビームの直径が広がり、瞳孔位置を適切に検出できなくなる場合があった。 Further, as a prior art, there is disclosed a technique of detecting a time change of the reflected light intensity of a laser beam scanned at high speed on the surface of an eyeball and detecting a pupil position at high speed by a non-image method that does not use an imaging system. However, in this technique, due to reflection on the eyeball or cornea having a large curvature, the diameter of the laser beam may be widened on the light receiving surface of the photodetector, and the pupil position may not be detected properly.
実施形態では、光を射出するVCSEL1、光を集束光に変換し、この集束光を、曲率を有した被照射面に向けて折り返す凹面ミラー2、及び、集束光の前記被照射面による反射光を受光し、前記反射光の位置を検出するPSD3を含む軸外し光学系を眼前に配置する。
In the embodiment,
より詳しくは、眼球30に到達する前の光は、眼球30に隣接する眼前の空間を、眼球30による反射や散乱を受けることなく、少なくとも一回以上折り返して伝搬した後、眼球30に到達する。また、凹面ミラー2は眼球30に向けて集束レーザ光を照射する。
More specifically, the light before reaching the
これにより、集束レーザ光の曲率により眼球30、又は角膜32の曲率を相殺できるため、眼球30や角膜32で反射されたレーザ光が広がらないようにすることができる。
As a result, the curvature of the
また、VCSEL1から凹面ミラー2までの距離d0(図3参照)を調整して凹面ミラー2に対するレーザ光の照射範囲の直径を変化させることで凹面ミラー2の有効領域の直径(開口)Dmを制御することが可能である。(2)式の条件を満足するように凹面ミラー2の有効領域の直径(開口)Dmを決定することで、凹面ミラー2の有効領域の直径Dmを大きくでき、大きな開口でレーザ光を集束させることができるため、PSD3の受光面でのビームの直径を小さくすることができる。
Further, the diameter (opening) Dm of the effective region of the
このようにして、PSD3の受光面でのレーザ光のビームの直径を微小化することで、PSD3による位置検出分解能、及び瞳孔位置の検出精度を確保でき、瞳孔位置を適切に検出することができる。 By reducing the diameter of the laser beam on the light receiving surface of the PSD3 in this way, the position detection resolution by the PSD3 and the detection accuracy of the pupil position can be ensured, and the pupil position can be appropriately detected. ..
[第1実施形態]
次に、第1実施形態に係る瞳孔位置検出装置10aについて説明する。
[First Embodiment]
Next, the pupil
瞳孔位置検出装置では、複数の発光部毎で回旋角度の検出範囲が重複すること等によって、回旋角度を広い範囲で検出できない場合がある。 In the pupil position detecting device, the rotation angle may not be detected in a wide range because the detection ranges of the rotation angles are overlapped for each of the plurality of light emitting units.
本実施形態では、受光位置検出手段は、複数の発光部のうちの第1発光部から射出された光に由来する反射光を受光位置検出手段の一端で受光する際に、複数の発光部のうちの第1発光部とは異なる第2発光部から射出された光に由来する反射光を受光位置検出手段の他端で受光する。これにより、複数の発光部毎で回旋角度の検出範囲が重複することを防ぎ、曲率を有する立体物の回旋角度を少数の発光部で広範囲に検出可能にする。 In the present embodiment, when the light receiving position detecting means receives the reflected light derived from the light emitted from the first light emitting unit among the plurality of light emitting units at one end of the light receiving position detecting means, the light receiving position detecting means of the plurality of light emitting units. The other end of the light receiving position detecting means receives the reflected light derived from the light emitted from the second light emitting unit different from the first light emitting unit. This prevents the detection ranges of the rotation angles from overlapping for each of the plurality of light emitting units, and makes it possible to detect the rotation angles of a three-dimensional object having a curvature in a wide range with a small number of light emitting units.
<瞳孔位置検出装置10aの構成例>
図8は、瞳孔位置検出装置10aの構成の一例を説明する図である。図8に示したX方向は水平方向を示し、Y方向は垂直方向を示し、Z方向は眼球が回旋していない状態での正視方向を示している。Z方向はX方向及びY方向の両方に直交する方向であり、また眼鏡型支持体20を装着した人にとっての前方に対応する方向である。
<Configuration example of pupil
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of the configuration of the pupil
図8に示すように、瞳孔位置検出装置10aは、VCSEL1aを備えている。VCSEL1aはPSD3の+Z方向側に配置され、凹面ミラー2に向けてレーザ光L0を照射する。VCSEL1aは、VCSEL1と同様に複数の発光部ch1〜ch7(以下、区別しない場合は発光部chと表記する。また図8では図示を省略する。)を有し、各発光部chから指向性と有限の広がり角を有するレーザ光L0を射出する。但し、次述するように複数の発光部chにおける発光部ch間の間隔は、非等間隔になるように構成されている。
As shown in FIG. 8, the pupil
レーザ光L0は凹面ミラー2で反射され、集束レーザ光L1として眼球30に向けて照射される。眼球30で反射されたレーザ光L2は、PSD3の受光面に到達する。PSD3によりレーザ光L2の受光位置が検出される。ここで、レーザ光L2は「発光部から射出された光に由来する反射光」に対応する。
The laser beam L0 is reflected by the
なお、瞳孔位置検出装置10aは球継手4aを備えていないが、球継手4aを備えるように構成することもできる。
Although the pupil
<眼球30の回旋角度とPSD3による受光位置との関係>
次に、眼球30の回旋角度とPSD3によるレーザ光L2の受光位置との関係について、図9を参照して説明する。ここで、図9は、眼球30の回旋角度とPSD3による受光位置との関係の一例を説明する図であり、(a)は眼球30の回旋角度に応じた受光位置の変化を示す図、(b)はPSD3における位置を説明する図である。
<Relationship between the rotation angle of the
Next, the relationship between the rotation angle of the
図9(a)における横軸は、水平方向(図8のX方向)における眼球30の回旋角度θxを示し、縦軸はPSD3によるZ方向の受光位置zを示している。またグラフG1〜G8は、VCSEL1aにおける7つの発光部ch1〜ch7がそれぞれ射出したレーザ光L0に由来する反射光の、PSD3による受光位置のシミュレーション結果をプロットしたものである。
The horizontal axis in FIG. 9A indicates the rotation angle θx of the
発光部ch1〜ch7は、VCSEL1内でZ方向に配列する発光部であり、発光部ch1〜ch7毎で眼球30に対する相対位置が異なっている。
The light emitting units ch1 to ch7 are light emitting units arranged in the Z direction in VCSEL1, and the positions relative to the
図9(a)におけるグラフG1は発光部ch1に、グラフG2は発光部ch2に、グラフG3は発光部ch3に、グラフG4は発光部ch4に、グラフG5は発光部ch5に、グラフG6は発光部ch6に、グラフG7は発光部ch7にそれぞれ対応する。 In FIG. 9A, the graph G1 is in the light emitting part ch1, the graph G2 is in the light emitting part ch2, the graph G3 is in the light emitting part ch3, the graph G4 is in the light emitting part ch4, the graph G5 is in the light emitting part ch5, and the graph G6 is in light emitting part. The graph G7 corresponds to the unit ch6, and the graph G7 corresponds to the light emitting unit ch7.
また領域A1〜A7は、発光部ch1〜ch7に対応するPSD3でのレーザ光L2の受光領域を表している。図9(a)では4隅にL字図形を配した破線の長方形により、領域A1〜A7のそれぞれを表している。なお、領域A1〜A7におけるグラフの横軸に沿う長さは、眼球30の回旋角度θxに応じた長さである。
Further, the regions A1 to A7 represent the light receiving region of the laser beam L2 in the PSD3 corresponding to the light emitting units ch1 to ch7. In FIG. 9A, each of the areas A1 to A7 is represented by a broken line rectangle in which L-shaped figures are arranged at the four corners. The length along the horizontal axis of the graph in the regions A1 to A7 is a length corresponding to the rotation angle θx of the
図9(a)における領域A1は発光部ch1に、領域A2は発光部ch2に、領域A3は発光部ch3に、領域A4は発光部ch4に、領域A5は発光部ch5に、領域A6は発光部ch6に、領域A7は発光部ch7にそれぞれ対応する。 In FIG. 9A, the area A1 is in the light emitting part ch1, the area A2 is in the light emitting part ch2, the area A3 is in the light emitting part ch3, the area A4 is in the light emitting part ch4, the area A5 is in the light emitting part ch5, and the area A6 is light emitting. The region A7 corresponds to the unit ch6, and the region A7 corresponds to the light emitting unit ch7.
また図9(a)における端部位置C1〜C7は、発光部ch1〜ch7から射出した光がPSD3の端部位置(z=−2mm)に着地する際の眼球30の回旋角度θxに対応している。また端部位置F1〜F7は、発光部ch1〜ch7から射出した光がPSD3の端部位置C1〜C7とは反対の端部位置(z=2mm)に着地する際の眼球30の回旋角度θxに対応している。
Further, the end positions C1 to C7 in FIG. 9A correspond to the rotation angle θx of the
なお、Z方向におけるPSD3の受光領域の長さは±2mmである。また、図9(a)では、眼球30の回旋は水平方向の1次元方向に限定してシミュレーションを行っている。
The length of the light receiving region of PSD3 in the Z direction is ± 2 mm. Further, in FIG. 9A, the simulation is performed by limiting the rotation of the
図9(a)に示すように、眼球30の回旋角度θxのマイナス側とプラス側で、眼球30の回旋角度θxに応じたPSD3での受光位置の変化の様子が相違している。また領域A1〜A8の水平方向の長さも相違している。またグラフG1〜G7に示すように、発光部ch1〜ch7毎で眼球30の回旋角度θxに応じたPSD3での受光位置の変化の様子が異なっている。
As shown in FIG. 9A, the change in the light receiving position in
一方、図9(b)はPSD3の受光面3aを示している。受光面3aはYZ平面に沿う平面である。眼球30が水平方向に回旋すると、レーザ光L2の位置はZ方向に変化する。
On the other hand, FIG. 9B shows the light receiving surface 3a of the PSD3. The light receiving surface 3a is a plane along the YZ plane. When the
図9(b)において、レーザ光L25は、発光部ch1〜ch7のうちの発光部ch5が射出したレーザ光L0に由来するレーザ光L2である。またレーザ光L26は、発光部ch1〜ch7のうちの発光部ch6が射出したレーザ光L0に由来するレーザ光L2である。 In FIG. 9B, the laser beam L2 5 is a laser beam L2 derived from the laser beam L0 emitted by the light emitting unit ch5 of the light emitting units ch1 to ch7. The laser beam L2 6 is a laser beam L2 from the laser light L0 emitting portion ch6 is emitted out of the light emitting portion Ch1~ch7.
本実施形態では、PSD3が+Z方向側の端部3bでレーザ光L25を受光する際に、PSD3が−Z方向側の端部3dでもレーザ光L26を受光するように、発光部chの配置が予め定められている。 In the present embodiment, when receiving the laser beam L2 5 at the end 3b of the PSD3 is the + Z direction side, PSD3 is to receive laser light L2 6 even end 3d of the -Z direction, the light emitting portion of the ch The arrangement is predetermined.
ここで、端部3bでレーザ光L25を受光するとは、図9(b)に示すように、レーザ光L25の中心部L25aが端部3bに重なるような位置関係で、PSD3がレーザ光L25を受光することをいう。同様に、端部3dでレーザ光L26を受光するとは、レーザ光L26の中心部L26aが端部3dに重なるような位置関係で、PSD3がレーザ光L26を受光することをいう。この定義は、他の発光部chに由来するレーザ光L2を、PSD3の端部で受光する場合においても同様である。 Here, receives the laser beam L2 5 at the end 3b, as shown in FIG. 9 (b), in a positional relationship such as heart L2 5 a of the laser beam L2 5 overlaps an end portion 3b, is PSD3 It refers to receiving the laser beam L2 5. Similarly, the receiving the laser beam L2 6 at the end 3d, the central portion L2 6 a laser beam L2 6 is in a positional relationship such as to overlap with the end portion 3d, means that PSD3 to receive the laser beam L2 6 .. This definition is the same even when the laser beam L2 derived from another light emitting unit ch is received at the end of the PSD3.
端部3bにおけるレーザ光L25は図9(a)における端部位置F5に対応し、端部3dにおけるレーザ光L26は、図9(a)における端部位置C5に対応する。 The laser beam L2 5 at the ends 3b corresponding to the end position F5 in FIG. 9 (a), the laser beam L2 6 at the end 3d corresponds to the end position C5 in FIG. 9 (a).
ここで、発光部ch5は「第1発光部」の一例であり、発光部ch6は「第2発光部」の一例である。但し、「第1発光部」は発光部ch1〜ch7の何れであってもよいし、「第2発光部」は発光部ch1〜ch7の何れであってもよい。「第1発光部」と「第2発光部」とが隣接している方が、発光部chの配置を容易に定めることができるため、より好適である。 Here, the light emitting unit ch5 is an example of the “first light emitting unit”, and the light emitting unit ch6 is an example of the “second light emitting unit”. However, the "first light emitting unit" may be any of the light emitting units ch1 to ch7, and the "second light emitting unit" may be any of the light emitting units ch1 to ch7. It is more preferable that the "first light emitting unit" and the "second light emitting unit" are adjacent to each other because the arrangement of the light emitting unit ch can be easily determined.
また、端部3bは「受光位置検出手段の一端」に対応し、端部3dは「受光位置検出手段の他端」に対応する。 Further, the end portion 3b corresponds to "one end of the light receiving position detecting means", and the end portion 3d corresponds to "the other end of the light receiving position detecting means".
<VCSEL1aにおける複数の発光部の配置例>
次に、PSD3が第1発光部に由来するレーザ光L2をPSD3の端部3bで受光する際に、PSD3が第2発光部に由来するレーザ光L2をPSD3の端部3dで受光するための、VCSEL1aにおける発光部ch1〜ch7の配置について説明する。
<Example of arrangement of a plurality of light emitting parts in VCSEL1a>
Next, when the PSD3 receives the laser light L2 derived from the first light emitting portion at the end portion 3b of the PSD3, the PSD3 receives the laser light L2 derived from the second light emitting portion at the end portion 3d of the PSD3. , The arrangement of the light emitting units ch1 to ch7 in VCSEL1a will be described.
図10は、VCSEL1aにおける複数の発光部chの配置の一例を説明する図であり、(a)はアンカー位置とVCSEL1aの発光部chの位置との関係を示す図、(b)はVCSEL1aにおける各発光部chの位置を示す図である。 10A and 10B are views for explaining an example of arrangement of a plurality of light emitting portions ch in VCSEL1a, FIG. 10A is a diagram showing a relationship between an anchor position and a position of a light emitting portion ch of VCSEL1a, and FIG. It is a figure which shows the position of a light emitting part ch.
ここで、アンカーとはVCSEL1aの発光部chの位置を決めるための目標をいう。図10では眼球30の所定の回旋角度をアンカーとしている。図10(a)におけるアンカーθx,1〜θx,7は、図9(a)における端部位置C1〜C7に対応する眼球30の回旋角度を意味する。
Here, the anchor means a target for determining the position of the light emitting portion ch of the VCSEL1a. In FIG. 10, a predetermined rotation angle of the
図10(a)の「発光部の位置」はアンカーに対応する目標を達成するためのVCSEL1aの発光部の位置を示している。この位置はシミュレーションにより算出されるものであり、VCSEL1aの中心(重心)からの距離に該当する。 “Position of light emitting part” in FIG. 10A indicates the position of the light emitting part of VCSEL1a for achieving the target corresponding to the anchor. This position is calculated by simulation and corresponds to the distance from the center (center of gravity) of VCSEL1a.
図10(a)に示すように、アンカーθx,1が−21.81度の場合には、発光部chを位置ΔZ1に配置すればよく、アンカーθx,2が−17.80度の場合には、発光部chを位置ΔZ2に配置すればよい。同様に、アンカーθx,3〜θx,7が−13.50〜+14.24度の場合には、それぞれ発光部chを位置ΔZ3〜ΔZ7に配置すればよい。 As shown in FIG. 10A, when the anchor θ x, 1 is -21.81 degrees, the light emitting portion ch may be arranged at the position ΔZ 1 , and the anchor θ x, 2 is -17.80 degrees. In the case of, the light emitting unit ch may be arranged at the position ΔZ 2. Similarly, when the anchors θ x, 3 to θ x, 7 are -13.50 to +14.24 degrees, the light emitting portion ch may be arranged at the positions ΔZ 3 to ΔZ 7, respectively.
本実施形態では、位置ΔZ1に発光部ch1を配置し、位置ΔZ2に発光部ch2を配置し、位置ΔZ3に発光部ch3を配置し、位置ΔZ4に発光部ch4を配置する。また位置ΔZ5に発光部ch5を配置し、位置ΔZ6に発光部ch6を配置し、位置ΔZ7に発光部ch7を配置する。 In the present embodiment, the light emitting unit ch1 arranged at a position [Delta] Z 1, the light emitting unit ch2 arranged at a position [Delta] Z 2, the light emitting portion ch3 arranged at a position [Delta] Z 3, arranging the light emitting portion ch4 to the position [Delta] Z 4. Further, the light emitting unit ch 5 is arranged at the position ΔZ 5, the light emitting unit ch 6 is arranged at the position ΔZ 6, and the light emitting unit ch 7 is arranged at the position ΔZ 7.
図10(b)は、位置ΔZ1〜ΔZ7に対応するように、VCSEL1aに配置された発光部ch1〜ch7を示している。図10(b)に示すように、発光部ch1〜ch7は、隣接する発光部ch同士の間隔が隣接する発光部ch毎で異なるように配置されている。換言すると、発光部ch1〜ch7は非等間隔に配置されている。 FIG. 10B shows light emitting units ch1 to ch7 arranged in VCSEL1a so as to correspond to the positions ΔZ 1 to ΔZ 7. As shown in FIG. 10B, the light emitting units ch1 to ch7 are arranged so that the distance between the adjacent light emitting units ch is different for each adjacent light emitting unit ch. In other words, the light emitting units ch1 to ch7 are arranged at non-equal intervals.
ここで、VCSEL1aの発光部chの位置を決定するための演算方法について、発光部ch5及びch6を一例として説明する。 Here, the calculation method for determining the position of the light emitting unit ch of VCSEL1a will be described by taking the light emitting units ch5 and ch6 as an example.
光線追跡の原理に基づき、PSD3の受光面3aにおけるレーザ光L2の受光位置zと、VCSEL1aの発光部chの位置Δzの関係がZ=f(Δz;θx)として予め定められているとする。関数fは、VCSEL1a、凹面ミラー2、PSD3及び眼球30(角膜部)の位置関係と、眼球形状のモデルとに基づき数式化できる。
Based on the principle of light ray tracing, it is assumed that the relationship between the light receiving position z of the laser beam L2 on the light receiving surface 3a of the PSD3 and the position Δz of the light emitting portion ch of the VCSEL1a is predetermined as Z = f (Δz; θx). The function f can be mathematically expressed based on the positional relationship between the VCSEL1a, the
まず、基準となる発光部chを求めるために、{f(Δz5;θx,5)=−2、f(Δz5;−θx,5)=2}を満たすΔz5およびθx,5を数値的に求解する。すなわち、θx,6=−θx,5となる対称角度に調整する。 First, in order to obtain the reference light emitting unit ch, Δz5 and θx, 5 satisfying {f (Δz5; θx, 5) = -2, f (Δz5; −θx, 5) = 2} are numerically solved. do. That is, the angle of symmetry is adjusted so that θx, 6 = −θx, 5.
次いで、眼球30の回旋角度θxの正の方向へ、{f(Δz6;θx,6)=−2、f(Δz6;θx,7)=2}を満たすΔz6及びθx,7を数値的に求解する。また、眼球30の回旋角度θxの負の方向へ、{f(Δz4;θx,4)=−2、f(Δz4;θx,5)=2}を満たすようなΔz4およびθx,4を数値的に求解する。
Next, Δz6 and θx, 7 satisfying {f (Δz6; θx, 6) = -2, f (Δz6; θx, 7) = 2} are numerically solved in the positive direction of the rotation angle θx of the
Δz1〜Δz3及びθx,1〜θx,3についても、上記の演算を逐次繰り返すことで、VCSEL1aの発光部chの位置を算出することができる。 For Δz1 to Δz3 and θx, 1 to θx, 3, the position of the light emitting portion ch of VCSEL1a can be calculated by sequentially repeating the above calculation.
図10(b)に示すように発光部ch1〜ch7を配置すると、PSD3は第1発光部に由来するレーザ光L2を端部3bで受光する際に、PSD3は第2発光部に由来するレーザ光L2を端部3dで受光することができる。 When the light emitting parts ch1 to ch7 are arranged as shown in FIG. 10B, when the PSD3 receives the laser light L2 derived from the first light emitting part at the end 3b, the PSD3 is a laser derived from the second light emitting part. The light L2 can be received at the end 3d.
これにより、レーザ光L2による眼球30の回旋角度の検出範囲を無駄に使うことなく、少数の発光部chの数で、眼球30の回旋角度を広範囲に検出可能になっている。
As a result, the rotation angle of the
なお上述した例では、隣接する発光部ch5及びch6を第1発光部及び第2発光部の一例として説明したが、これに限定されるものではなく、第1発光部と第2発光部は隣接する発光部でなくてもよい。 In the above-described example, the adjacent light emitting units ch5 and ch6 have been described as examples of the first light emitting unit and the second light emitting unit, but the present invention is not limited to this, and the first light emitting unit and the second light emitting unit are adjacent to each other. It does not have to be a light emitting part.
<眼球30の2軸方向への回旋への対応例>
上述した例では、眼球30が水平方向に沿って回旋する場合を説明したが、眼球30が2軸方向に回旋する場合にも実施形態を適用可能である。
<Example of correspondence to the rotation of the
In the above-described example, the case where the
図11は、眼球30が2軸方向に回旋する場合のPSDの受光領域の一例を説明する図である。図11では、図8におけるX及びY方向への眼球30の回旋に対し、VCSEL1aの各発光部chに由来するレーザ光L2を、PSD3が受光面3a上で受光する受光領域を示している。この場合、VCSEL1aにおける複数の発光部chは、ΔyΔz平面(図10(b)参照)内に2次元的に配置される。ここで、図8のX方向は「所定方向」に対応し、図8のY方向は「交差方向」に対応する。
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a light receiving region of PSD when the
図9(a)と同様に、図11における4隅にL字図形を配した破線の長方形は、領域Aを示している。領域Aにおける図11の横軸に沿う長さは、眼球30のX方向への回旋角度に応じた長さである。また領域Aにおける図11の縦軸に沿う長さは、眼球30のY方向への回旋角度に応じた長さである。
Similar to FIG. 9A, the broken line rectangles in which L-shaped figures are arranged at the four corners in FIG. 11 indicate the area A. The length along the horizontal axis of FIG. 11 in the region A is a length corresponding to the rotation angle of the
PSD3の受光面3a上の四隅においてレーザ光L2が切断され、隣接する4つの受光面3a上の上下左右対称位置で、1つのレーザ光L2が切断されて共有されるように、VCSEL1aにおける複数の発光部chの位置が予め定められている。 A plurality of laser beams L2 in VCSEL1a are cut at four corners on the light receiving surface 3a of the PSD3, and one laser light L2 is cut and shared at symmetrical positions vertically and horizontally on the four adjacent light receiving surfaces 3a. The position of the light emitting unit ch is predetermined.
<レーザ光L2の受光位置調整手段の他の例>
上述した例では、PSD3が第1発光部に由来するレーザ光L2を端部3bで受光する際に、PSD3が第2発光部に由来するレーザ光L2を端部3dで受光するための受光位置調整手段として、VCSEL1aにおける発光部ch1〜ch7を非等間隔に配置する例を示した。但し、受光位置調整手段は、発光部ch1〜ch7の配置を調整することに限定されるものではない。
<Another example of the light receiving position adjusting means for the laser beam L2>
In the above example, when the PSD3 receives the laser light L2 derived from the first light emitting portion at the end 3b, the light receiving position for the PSD3 to receive the laser light L2 derived from the second light emitting portion at the end 3d. As an adjusting means, an example in which the light emitting portions ch1 to ch7 in VCSEL1a are arranged at non-equal intervals is shown. However, the light receiving position adjusting means is not limited to adjusting the arrangement of the light emitting units ch1 to ch7.
図12は、レーザ光L2の受光位置調整手段の他の例を説明する図であり、(a)はプリズム構造体15aを用いる場合の構成例を示す断面図、(b)は回折構造体15bを用いる場合の構成例を示す断面図、(c)はレンズアレイ15cを用いる場合の構成例を示す断面図、(d)は2次元配列のレンズアレイ15dを用いる場合の構成例を示す平面図である。
12A and 12B are views for explaining another example of the light receiving position adjusting means for the laser beam L2, FIG. 12A is a cross-sectional view showing a configuration example when the
プリズム構造体15aは、複数の微小なプリズムが設けられた光学素子である。プリズム構造体15aでは、複数のプリズムがVCSEL1aの発光部chに1対1で対応するように配置されている。プリズムにおける斜面部の傾きをプリズム毎で異ならせることで、発光部ch毎で射出されたレーザ光1の伝搬方向を、発光部ch毎に異ならせることができる。
The
これにより、VCSEL1aにおける発光部chを等間隔に配置した場合に受光位置調整手段の機能を実現でき、VCSEL1aにおける発光部chの配置を調整することと同様の作用効果が得られる。
As a result, the function of the light receiving position adjusting means can be realized when the light emitting unit channels in the
回折構造体15bは、レーザ光L1を回折させるための微細な周期構造が形成された光学素子である。発光部chに1対1で対応して周期構造の周期を異ならせることで、発光部ch毎で射出されたレーザ光1の伝搬方向を、発光部ch毎に異ならせることができる。
The
これにより、VCSEL1aにおける発光部chを等間隔に配置した場合に受光位置調整手段の機能を実現でき、VCSEL1aにおける発光部chの配置を調整することと同様の作用効果が得られる。
As a result, the function of the light receiving position adjusting means can be realized when the light emitting unit channels in the
レンズアレイ15cは、複数の微小レンズが設けられた光学素子である。レンズアレイ15cでは、複数のレンズがVCSEL1aの発光部chに1対1で対応するように配置されている。レンズの発光部chに対する偏心量をレンズ毎で異ならせることで、発光部ch毎で射出されたレーザ光1の伝搬方向を、発光部ch毎に異ならせることができる。
The lens array 15c is an optical element provided with a plurality of minute lenses. In the lens array 15c, a plurality of lenses are arranged so as to have a one-to-one correspondence with the light emitting portion ch of the VCSEL1a. By making the amount of eccentricity of the lens with respect to the light emitting unit ch different for each lens, the propagation direction of the
これにより、VCSEL1aにおける発光部chを等間隔に配置した場合に受光位置調整手段の機能を実現でき、VCSEL1aにおける発光部chの配置を調整することと同様の作用効果が得られる。
As a result, the function of the light receiving position adjusting means can be realized when the light emitting unit channels in the
プリズム構造体15a、回折構造体15b及びレンズアレイ15cは何れも、複数の発光部chのそれぞれが射出する光を偏向する偏向手段に対応する。
The
また図12(d)に示すように、VCSEL1aの発光部chが2次元に配置されている場合にも適用可能である。複数の微小レンズが2次元方向に配置されたレンズアレイ15dを用いて、発光部ch毎で射出されたレーザ光1の伝搬方向を発光部ch毎に2次元方向に異ならせることができる。
Further, as shown in FIG. 12D, it can be applied even when the light emitting portion ch of VCSEL1a is arranged two-dimensionally. By using the lens array 15d in which a plurality of minute lenses are arranged in the two-dimensional direction, the propagation direction of the
同様に、複数の微小なプリズムが2次元方向に配置されたプリズム構造体や、周期構造の周期が2次元方向に異なる回折構造体を用いて、発光部ch毎で射出されたレーザ光1の伝搬方向を発光部ch毎に異ならせることも可能である。
Similarly, using a prism structure in which a plurality of minute prisms are arranged in the two-dimensional direction or a diffraction structure in which the period of the periodic structure is different in the two-dimensional direction, the
<瞳孔位置検出装置10aの作用効果>
以上説明したように、本実施形態では、PSD3は、第1発光部から射出された光に由来するレーザ光L2をPSD3の端部3bで受光する際に、第2発光部から射出された光に由来するレーザ光L2をPSD3の端部3dで受光する。
<Action and effect of pupil
As described above, in the present embodiment, the PSD3 is the light emitted from the second light emitting unit when the laser beam L2 derived from the light emitted from the first light emitting unit is received by the end portion 3b of the PSD3. The laser beam L2 derived from the above is received at the end 3d of the PSD3.
これにより、レーザ光L2による眼球30の回旋角度の検出範囲を無駄に使うことがなくなるため、複数の発光部毎で回旋角度の検出範囲が重複することを防ぎ、曲率を有する眼球30の回旋角度を少数の発光部で広範囲に検出することができる。
As a result, the detection range of the rotation angle of the
また本実施形態では、PSD3が第1発光部に由来するレーザ光L2をPSD3の端部3bで受光する際に、PSD3が第2発光部に由来するレーザ光L2をPSD3の端部3dで受光するための受光位置調整手段の機能を、VCSEL1aにおける複数の発光部chを非等間隔に配置することで実現する。 Further, in the present embodiment, when the PSD3 receives the laser light L2 derived from the first light emitting portion at the end portion 3b of the PSD3, the PSD3 receives the laser light L2 derived from the second light emitting portion at the end portion 3d of the PSD3. The function of the light receiving position adjusting means for the above is realized by arranging a plurality of light emitting unit channels in the VCSEL1a at non-equal intervals.
VCSEL1aは半導体プロセスで製造されるため、発光部chの間隔は容易に調整可能である。そのため、受光位置調整手段の機能を容易に実現することができる。また、VCSEL1aにおける複数の発光部chで、隣接する発光部ch同士の間隔が徐々に異なるように配置すると、発光部ch同士の間隔をより容易に調整できるため、さらに好適である。 Since the VCSEL1a is manufactured by a semiconductor process, the spacing between the light emitting portions channels can be easily adjusted. Therefore, the function of the light receiving position adjusting means can be easily realized. Further, it is more preferable to arrange the plurality of light emitting units ch in VCSEL1a so that the intervals between the adjacent light emitting units channels are gradually different, because the intervals between the light emitting unit channels can be adjusted more easily.
ここで、隣接する発光部ch同士の間隔が徐々に異なるとは、隣接する発光部ch同士の間隔が少しずつ小さくなるように配置されること、或いは隣接する発光部ch同士の間隔が少しずつ大きくなるように配置されることをいう。具体的には、発光部ch1と発光部ch2とが間隔e1で配置され、これに隣接する発光部ch2と発光部ch3は間隔e1より少し小さい間隔e2で配置され、これに隣接する発光部ch3と発光部ch4は間隔e2より少し小さい間隔e3で配置される場合である。或いは間隔e2は間隔e1より少し大きく、間隔e2は間隔e1より少し大きくしてもよい。 Here, the fact that the intervals between the adjacent light emitting unit channels are gradually different means that the intervals between the adjacent light emitting unit channels are arranged so as to be slightly smaller, or the intervals between the adjacent light emitting unit channels are gradually different from each other. It means that it is arranged so as to be large. Specifically, the light emitting unit ch1 and the light emitting unit ch2 are arranged at an interval e1, and the light emitting unit ch2 and the light emitting unit ch3 adjacent thereto are arranged at an interval e2 slightly smaller than the interval e1, and the light emitting unit ch3 adjacent thereto is arranged. And the light emitting unit ch4 is arranged at an interval e3 slightly smaller than the interval e2. Alternatively, the interval e2 may be slightly larger than the interval e1 and the interval e2 may be slightly larger than the interval e1.
また、上記の受光位置調整手段は、VCSEL1aにおける発光部ch1〜ch7の配置を調整することに限定されるものではない。複数の発光部chのそれぞれが射出する光を偏向する偏向手段によっても受光位置調整手段の作用効果を得ることができる。このような受光位置調整手段として、プリズム構造体15a、回折構造体15b及びレンズアレイ15c等が挙げられる。
Further, the above-mentioned light receiving position adjusting means is not limited to adjusting the arrangement of the light emitting units ch1 to ch7 in the VCSEL1a. The effect of the light receiving position adjusting means can also be obtained by the deflecting means for deflecting the light emitted by each of the plurality of light emitting units ch. Examples of such a light receiving position adjusting means include a
また複数の発光部chを2次元に配置し、PSD3は、第1発光部に由来するレーザ光L2を、X方向におけるPSD3の一端、又はY方向におけるPSD3の一端の何れか一方で受光する際に、第1発光部からX方向に離れて配置された第2発光部に由来するレーザ光L2を、X方向におけるPSD3の他端で受光し、第1発光部からY方向に離れて配置された第3発光部に由来するレーザ光L2を、Y方向におけるPSD3の他端で受光することもできる。 Further, when a plurality of light emitting units channels are arranged in two dimensions, the PSD3 receives the laser beam L2 derived from the first light emitting unit at either one end of the PSD3 in the X direction or one end of the PSD3 in the Y direction. The laser beam L2 derived from the second light emitting unit arranged away from the first light emitting unit in the X direction is received by the other end of the PSD3 in the X direction, and is arranged away from the first light emitting unit in the Y direction. The laser beam L2 derived from the third light emitting unit can also be received at the other end of the PSD3 in the Y direction.
この構成により、曲率を有する眼球30の2軸方向への回旋角度及び瞳孔位置を広範囲に検出することができる。
With this configuration, it is possible to detect the rotation angle and the pupil position of the
また本実施形態では、眼球30の回旋角度を検出し、この回旋角度に基づき、眼球30の瞳孔位置を検出する瞳孔位置検出装置10aの例を示したが、これに限定されるものではない。
Further, in the present embodiment, an example of the pupil
実施形態に係る立体物の回旋角度検出装置は、例えば、回転中心で回転可能な回転体と、曲率中心を有する曲面体とを含んで構成される立体物であって、回転中心の位置と曲率中心の位置が異なっている立体物においても、立体物の回旋角度を広範囲に検出することが可能である。 The rotation angle detection device for a three-dimensional object according to the embodiment is, for example, a three-dimensional object including a rotating body that can rotate at the center of rotation and a curved surface that has a center of curvature, and the position and curvature of the center of rotation. It is possible to detect the rotation angle of a three-dimensional object in a wide range even in a three-dimensional object having a different center position.
以下、実施形態に係る瞳孔位置検出装置の変形例を説明する。 Hereinafter, a modified example of the pupil position detecting device according to the embodiment will be described.
(第1変形例)
本変形例に係る瞳孔位置検出装置は、凹面ミラー2に代えて、異方性分子材料が封入された液晶部202を有する第1反射型集光素子200を備える。ここで、異方性分子材料とは液晶材料等をいう。
(First modification)
The pupil position detecting device according to this modification includes a first
図13は、第1反射型集光素子200を用いた軸外し光学系の構成の一例を説明する図である。図13に示すように、第1反射型集光素子200は、支持基板201と、液晶部202と、1/4波長シフト部203とを含む。ここで、第1反射型集光素子200は、「集束反射手段」の一例であり、液晶部202は、「封入部」の一例である。
FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a configuration of an off-axis optical system using the first reflection
VCSEL1から出射された直線偏光の光は、1/4波長シフト部203により円偏光に変換され、液晶部202に入射する。液晶部202で眼球30に向けて反射された光は、1/4波長シフト部203を往きとは逆向きに通過して再び直線偏光に変換され、眼球30の角膜表面に入射する。その後、角膜表面で反射された光はPSD3に入射する。
The linearly polarized light emitted from VCSEL1 is converted into circularly polarized light by the 1/4
また、図14に示すように、液晶部202は、支持基板2021と、配向膜2022と、配向膜2023と、光を透過させる透過支持基板2024とを備えている。
Further, as shown in FIG. 14, the
配向膜2022と配向膜2023で形成される膜内部の空間には、液晶分子2025が含まれている。液晶分子2025は、配向膜2022及び2023の面に垂直な方向にらせん状に旋回して配列している。
The
液晶分子2025の配向は、配向膜2022及び2023により空間的に制御されている。具体的には、配向膜2022及び2023のそれぞれの面内が微小な空間領域に分割され、それぞれの領域に対して特定方向に偏光したUV光が照射され、光配向が施されることで、微小な空間領域毎での液晶分子2025の配向が制御されている。
The orientation of the
換言すると、液晶分子2025は、液晶部202の内部において三次元的な準周期構造を形成するように配向している。ここで、準周期構造とは、集光特性を発現するように構造周期またはその位相が空間的に調整されている構造をいう。
In other words, the
図14の右から左の方向に、液晶部202に入射する光は、透過支持基板2024、配向膜2023を通過し、液晶分子2025の作用により反射されて、配向膜2023、及び透過支持基板2024を往きとは逆向きに通過して、液晶部202から出射する。
From right to left in FIG. 14, the light incident on the
図14の例では、液晶分子2025によるらせん構造の開始位置に該当する配向膜2022、又は2023の面上における配向方向の調整により、らせん構造を示す曲線の等位相面2026が光の入射方向に対して凹面状に湾曲している。これにより、液晶分子2025をレンズとして機能させ、液晶分子2025の作用により反射されて図の右方向に進む光を、集光させることができる。液晶分子を、レンズ等の光学素子として機能させる技術には、公知の技術(例えば、Nature Photonics Vol.10 (2016) p.389参照)を適用できるため、ここでは更に詳細な説明を省略する。なお、図13において、一点鎖線で示した2027は、液晶部202に入射する光を示し、二点鎖線で示した2028は、液晶部202で反射され、集光される光を示している。
In the example of FIG. 14, by adjusting the orientation direction on the plane of the
次に、図15を参照して、液晶部202の光学特性をさらに説明する。図15(a)及び(b)は、右回り円偏光の光を集光させる液晶部202について示している。液晶部202は、液晶分子2025の回旋方向に依存して、右回り偏光と左回り偏光のそれぞれに対して異なる反射または透過特性を備えている。
Next, with reference to FIG. 15, the optical characteristics of the
図15(a)において、液晶部202には、1/4波長シフト部203により円偏光に変換された光が入射する。液晶部202で反射された光は、再度1/4波長板を往きとは逆向きに通過することで直線偏光に戻され、眼球30に照射される。眼球30へのレーザ光の侵入を極力低減するために、直線偏光は紙面垂直方向に電場振動面を有するS偏光とすることが好ましい。
In FIG. 15A, light converted into circularly polarized light by the 1/4
一方、図15(b)は、VCSEL1からの光線が偏光制御されていないランダム偏光の場合の例を示している。液晶部202に入射するランダム偏光のうち、右回り円偏光のみが、支持基板2021で反射して集光され、1/4波長シフト部203を通過して、直線偏光に変換される。一方、左回り偏光成分は支持基板201をそのまま透過し、角膜表面には照射されない。
On the other hand, FIG. 15B shows an example in the case where the light beam from VCSEL1 is randomly polarized light whose polarization is not controlled. Of the random polarized light incident on the
本変形例に係る瞳孔位置検出装置では、液晶分子2025の三次元的な配向分布を、配向膜2022及び2023の2次元的な配向制御により制御でき、これにより、反射および回折効率が高く、薄型の第1反射型集光素子200を提供できる。また、第1反射型集光素子200に偏光選択性を付与することが可能であり、光学部品点数の低減とレーザ光に対する目の安全性確保を両立した瞳孔位置検出装置を提供できる。
In the pupil position detection device according to this modification, the three-dimensional orientation distribution of the
(第2変形例)
本変形例に係る瞳孔位置検出装置は、異方性分子材料を含む第2反射型集光素子210を備える。
(Second modification)
The pupil position detecting device according to this modification includes a second reflective condensing
図16は、第2反射型集光素子210を用いた軸外し光学系の構成の一例を説明する図である。図16に示すように、第2反射型集光素子210は、液晶部211と、導光手段212と、1/4波長シフト部213とを備える。ここで、第2反射型集光素子210は、「集束反射手段」の一例であり、液晶部211は、「異方性分子材料部」の一例である。
FIG. 16 is a diagram illustrating an example of a configuration of an off-axis optical system using the second reflection
液晶部211は、導光手段212における導光領域界面に接触するように設けられている。液晶部211の内部では、上述した液晶部202と同様に、液晶分子が、液晶部211の内部において三次元的な準周期構造を形成するように配向している。
The
VCSEL1から出射された光は、導光手段212の入射端の斜面を介して導光手段212内に結合される。なお、グレーティングを介して導光手段212内に結合される形態でも良いが、実装の簡便性および精度を考慮して、VCSEL1の実装基板面と導光手段212が直交した配置を取る構成が好ましい。
The light emitted from the
導光手段212内に結合された光は、導光手段212の界面で全反射を繰り返し、導光手段212の内部を眼前付近まで伝搬する。導光手段212を内部伝搬した光のうちの右回り円偏光、又は左回り円偏光の光が液晶部211により選択的に反射され、液晶部211のレンズ機能により集光され、1/4波長シフト部213により直線偏光(S偏光)に変換された後、眼球30の角膜表面に照射される。
The light coupled in the light guide means 212 repeats total internal reflection at the interface of the light guide means 212, and propagates inside the light guide means 212 to the vicinity of the front of the eye. Of the light internally propagating through the light guide means 212, right-handed circularly polarized light or left-handed circularly polarized light is selectively reflected by the
なお、導光手段212を用いる場合、角膜表面に対して浅い角度で光を照射することは困難であるため、眼球30の正面近傍で、液晶部211により光を反射するようにしている。この場合、PSD3に光を入射させるためには、角膜上の瞳孔中心位置よりPSD3側にシフトした位置(鏡面反射位置)に光を集光させる必要がある。
When the light guide means 212 is used, it is difficult to irradiate the corneal surface with light at a shallow angle. Therefore, the
本変形例に係る瞳孔位置検出装置では、VCSEL1から出射された光を導光手段212内で光路長を確保した上で角膜表面へ照射できるため、装置を小型化できる。またVCSEL1、導光手段212、及びPSD3等を一体に構成することができる。
In the pupil position detecting device according to this modification, the light emitted from the
[第2実施形態]
次に、第2実施形態に係る網膜投影表示装置を、図17を参照して説明する。
[Second Embodiment]
Next, the retinal projection display device according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
図17は、本実施形態に係る網膜投影表示装置の構成の一例を説明する図である。 FIG. 17 is a diagram illustrating an example of the configuration of the retinal projection display device according to the present embodiment.
網膜投影表示装置60は、RGB(Red、Green、Blue)レーザ光源61と、走査ミラー62と、平面ミラー63と、ハーフミラー64と、画像生成部65と、瞳孔位置検出装置10aとを備えている。
The retinal projection display device 60 includes an RGB (Red, Green, Blue)
RGBレーザ光源61は、RGB3色のレーザ光を時間的に変調して出力する。走査ミラー62は、RGBレーザ光源61からの光を2次元的に走査する。走査ミラー62は、MEMSミラー等である。但し、これに限定されるものではなく、ポリゴンミラー、ガルバノミラー等、光を走査する反射部を有するものであればよい。小型化・軽量化の点でMEMSミラーが有利となる。なお、MEMSミラーの駆動方式は、静電式、圧電式、電磁式等の何れであってもよい。
The RGB
平面ミラー63は、ハーフミラー64に向けて走査ミラー62による走査光を反射する。ハーフミラー64は、入射する光の一部を透過し、一部を眼球30に向けて反射する。ハーフミラー64は、凹型の曲面形状を有しており、反射した光を眼球30の瞳孔31の近傍に集束させ、網膜33の位置で結像させる。これにより、走査光で形成される画像を網膜33に投影する。図中破線で示されている光61aは、網膜33上に画像を形成する光を表している。なお、ハーフミラー64は、必ずしも反射光と透過光の光量が1対1にならなくてもよい。
The
瞳孔位置検出装置10aは、眼球運動に応じた瞳孔31の位置を検出し、瞳孔31の位置のフィードバック信号を画像生成部65に送信する。
The pupil
画像生成部65は、走査ミラー62の振れ角制御機能と、RGBレーザ光源61の発光制御機能とを有している。また、画像生成部65は、瞳孔位置検出装置10aから瞳孔31の位置のフィードバック信号を受信する。瞳孔位置検出装置10aにより検出された瞳孔31の位置に応じて、走査ミラー62の振れ角と、RGBレーザ光源61の発光を制御し、画像の投影角度、又は画像内容を書き換える。これにより、眼球運動に伴う瞳孔31の位置の変化に追従(アイトラッキング)した画像を、網膜33上に形成することができる。
The
上述した例では、網膜投影表示装置60をウェアラブル端末であるヘッドマウントディスプレイ(HMD;Head Mount Display)とする場合を示したが、これに限定されるものではない。ヘッドマウントディスプレイとしての網膜投影表示装置60は、「人」の頭部に直接装着させるだけでなく、固定部等の部材を介して間接的に「人」の頭部に装着させるもの(頭部装着型表示装置)であってもよい。また、左右眼用に一対の網膜投影表示装置60を設けた両眼式の網膜投影表示装置としてもよい。 In the above-described example, the case where the retinal projection display device 60 is a wearable terminal, a head-mounted display (HMD), is shown, but the present invention is not limited to this. The retinal projection display device 60 as a head-mounted display is not only directly attached to the "human" head, but is also indirectly attached to the "human" head via a member such as a fixed portion (head). It may be a wearable display device). Further, a binocular retinal projection display device provided with a pair of retinal projection display devices 60 for the left and right eyes may be used.
[比較例」
ここで、比較例に係るUS2016/0166146に記載の装置と、実施形態に係る瞳孔位置検出装置10aとを比較する。
[Comparison example]
Here, the apparatus described in US2016 / 0166146 according to the comparative example is compared with the pupil
比較例に係る装置では、レーザ光源を用い、レーザ光をMEMSミラーにより走査し、眼球への光の入射角度を変更している。これに対し、実施形態では、複数の発光部を有するVCSELを光源とし、VCSELの発光部の変更により、眼球への光の入射角度を変更している。実施形態では、このように眼球への光の入射角度を、可動部を用いずに変更する。そのため、可動部を有する構成と比較して、振動や外的衝撃等に強くなる。 In the apparatus according to the comparative example, a laser light source is used, the laser light is scanned by the MEMS mirror, and the angle of incidence of the light on the eyeball is changed. On the other hand, in the embodiment, a VCSEL having a plurality of light emitting parts is used as a light source, and the angle of incidence of light on the eyeball is changed by changing the light emitting part of the VCSEL. In the embodiment, the angle of incidence of light on the eyeball is changed in this way without using a movable portion. Therefore, it is more resistant to vibration, external impact, etc., as compared with a configuration having a movable portion.
比較例に係る装置では、角膜に照射した光の反射光強度を光検出器により検出するのに対し、実施形態では、PSDを用い、眼球で反射され、PSDの受光面に入射する光の位置を検出する。PSDは、光強度に依存せずに入射光の位置を検出するため、眼球における光の反射位置等に起因して反射光量に差が生じても、反射光量の差の影響を受けずに高感度の位置検出が可能である。その結果、瞳孔等の眼球の傾き位置を高精度に検出できる。 In the apparatus according to the comparative example, the reflected light intensity of the light irradiating the cornea is detected by a photodetector, whereas in the embodiment, PSD is used and the position of the light reflected by the eyeball and incident on the light receiving surface of the PSD. Is detected. Since PSD detects the position of incident light independently of the light intensity, even if there is a difference in the amount of reflected light due to the position of reflection of light in the eyeball, it is high without being affected by the difference in the amount of reflected light. Sensitivity position detection is possible. As a result, the tilted position of the eyeball such as the pupil can be detected with high accuracy.
実施形態では、発光駆動部110を備え、発光駆動部110によりVCSELの発光部の位置と、発光部間の発光タイミングをずらして個別点灯する。これにより、眼球の運動の粗動を捕らえて、PSDの受光面に眼球からの反射光が収まるようにし、かつPSDによる位置検出で眼球運動の微動を捉えることができる。
In the embodiment, the light emitting
比較例に係る装置では、眼球での反射光の時間軸上の2つのピーク強度(2点の角膜上の反射位置)から眼球位置を推定している。実施形態では、角膜等の眼球上の1点の反射位置により眼球位置を推定する。そのためVCSELとPSDは、必ずしも対称位置になくともよい。実施形態では、PSDを、眼球の正反射(鏡面反射)角近傍に配置せず、VCSELと同じ側に配置してもよい。 In the apparatus according to the comparative example, the eyeball position is estimated from two peak intensities (two points of reflection positions on the cornea) on the time axis of the reflected light in the eyeball. In the embodiment, the eyeball position is estimated from the reflection position of one point on the eyeball such as the cornea. Therefore, the VCSEL and PSD do not necessarily have to be in symmetrical positions. In the embodiment, the PSD may not be placed near the normal reflection (specular reflection) angle of the eyeball, but may be placed on the same side as the VCSEL.
以上、本発明の実施形態の例について記述したが、本発明は斯かる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although examples of embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various aspects are described within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be transformed and changed.
また、瞳孔位置検出装置10aにより検出された瞳孔位置の情報を、電子機器の入力装置におけるアイトラッキングに利用することもできる。例えば、図1に示した瞳孔位置検出装置10aの出力を、電子機器への入力情報としてアイトラッキングに利用する場合等である。換言すると、瞳孔位置検出装置10aを備える入力装置を構成することができる。これにより頭部位置ずれ等にロバストな電子機器の入力を実現することができる。
Further, the information on the pupil position detected by the pupil
また、 眼球の傾きや瞳孔位置(角膜)の検出する機能を有する検眼装置にも採用する事ができる。検眼装置とは、視力検査、眼屈折力検査、眼圧検査、眼軸長検査など種々の検査を行う事が出来る装置を指す。検眼装置は、眼球に非接触で検査可能な装置であって、被験者の顔を支持する支持部と、検眼窓と、検眼に際し被検者の眼球の向き(視線の向き)を一定にする表示を行う表示部と、制御部と、測定部とを有している。測定部の測定精度を上げるために眼球(視線)を動かさず一点を見つめる事が求められ、被検者は支持部に顔を固定し、検眼窓から表示部に表示される表示物を凝視する。このとき、眼球の傾き位置を検出する際に、本実施形態の眼球の傾き位置検出装置が利用可能である。眼球の傾き位置検出装置は測定の妨げにならないよう、測定部の側方に配置される。眼球の傾き位置検出装置で得られた眼球の傾き位置(視線)情報は、制御部にフィードバックする事が可能で、眼球の傾き位置情報に応じた測定をする事ができる。 It can also be used in an optometry device that has the function of detecting the inclination of the eyeball and the position of the pupil (cornea). The optometry device refers to a device capable of performing various tests such as a visual acuity test, an optical power test, an intraocular pressure test, and an axial length test. The optometry device is a device that can perform an examination without contacting the eyeball, and has a support portion that supports the subject's face, an optometry window, and a display that makes the direction of the subject's eyeball (the direction of the line of sight) constant during the optometry. It has a display unit, a control unit, and a measurement unit. In order to improve the measurement accuracy of the measuring unit, it is required to look at one point without moving the eyeball (line of sight), and the subject fixes his face on the support part and stares at the display object displayed on the display unit through the optometry window. .. At this time, when detecting the tilt position of the eyeball, the tilt position detection device of the eyeball of the present embodiment can be used. The tilt position detection device for the eyeball is arranged on the side of the measurement unit so as not to interfere with the measurement. The tilt position (line of sight) information of the eyeball obtained by the tilt position detection device of the eyeball can be fed back to the control unit, and measurement can be performed according to the tilt position information of the eyeball.
1a VCSEL(光源手段の一例)
2 凹面ミラー(集束反射手段の一例)
3 PSD(受光位置検出手段の一例)
3a 受光面
3b 端部(一端の一例)
3d 端部(他端の一例)
10a 瞳孔位置検出装置(立体物の回旋角度検出装置の一例)
15a プリズム構造体(偏向手段の一例)
15b 回折構造体(偏向手段の一例)
15c レンズアレイ(偏向手段の一例)
20 眼鏡型支持体
21 眼鏡レンズ
22 眼鏡フレーム
30 眼球(被照射面の一例、立体物の一例)
31 瞳孔
32 角膜
33 網膜
60 網膜投影表示装置
61 RGBレーザ光源
62 走査ミラー
63 平面ミラー
64 ハーフミラー
65 画像生成部
100 処理部
101 CPU
102 ROM
103 RAM
104 SSD
105 光源駆動回路
106 A/D変換回路
107 入出力I/F
110 発光駆動部
111 検出信号入力部
120 演算部
121 眼球回旋角度推定部
122 瞳孔位置取得部
130 瞳孔位置出力部
ch 発光部
X方向 水平方向(所定方向の一例)
Y方向 垂直方向(交差方向の一例)
Z方向 眼球が回旋していない状態での正視方向
θx,θy 回旋角度
d 距離(所定距離の一例)
1a VCSEL (an example of light source means)
2 Concave mirror (an example of focusing reflection means)
3 PSD (Example of light receiving position detecting means)
3a Light receiving surface 3b end (an example of one end)
3d end (an example of the other end)
10a Pupil position detection device (an example of rotation angle detection device for a three-dimensional object)
15a Prism structure (an example of deflection means)
15b Diffraction structure (an example of deflection means)
15c lens array (an example of deflection means)
20 Eyeglass-
31
102 ROM
103 RAM
104 SSD
105 Light source drive circuit 106 A /
110 Light
Y direction Vertical direction (example of crossing direction)
Z direction Emmetropic direction θx, θy rotation angle d distance when the eyeball is not rotating (an example of a predetermined distance)
Claims (14)
前記複数の発光部から射出された光を、立体物における曲率を有する被照射面に向けて反射して集束させる集束反射手段と、
前記光の前記被照射面により反射された反射光を受光し、前記反射光の受光位置を検出する受光位置検出手段と、を備え、
前記受光位置検出手段は、前記複数の発光部のうちの第1発光部から射出された光に由来する前記反射光を前記受光位置検出手段の一端で受光する際に、前記複数の発光部のうちの前記第1発光部とは異なる第2発光部から射出された光に由来する前記反射光を前記受光位置検出手段の他端で受光する
立体物の回旋角度検出装置。 A light source means having a plurality of light emitting units and
Focusing and reflecting means for reflecting and focusing the light emitted from the plurality of light emitting units toward an irradiated surface having a curvature in a three-dimensional object.
A light receiving position detecting means for receiving the reflected light reflected by the irradiated surface of the light and detecting the light receiving position of the reflected light is provided.
When the light receiving position detecting means receives the reflected light derived from the light emitted from the first light emitting unit among the plurality of light emitting units at one end of the light receiving position detecting means, the light receiving position detecting means of the plurality of light emitting units. A rotation angle detection device for a three-dimensional object that receives the reflected light derived from light emitted from a second light emitting unit different from the first light emitting unit at the other end of the light receiving position detecting means.
請求項1に記載の立体物の回旋角度検出装置。 The rotation angle detecting device for a three-dimensional object according to claim 1, wherein the first light emitting unit and the second light emitting unit are adjacent to each other.
請求項1、又は2に記載の立体物の回旋角度検出装置。 The rotation angle detecting device for a three-dimensional object according to claim 1 or 2, wherein the plurality of light emitting units are arranged at non-equal intervals.
請求項3に記載の立体物の回旋角度検出装置。 The rotation angle detecting device for a three-dimensional object according to claim 3, wherein the plurality of light emitting units are arranged so that the distance between adjacent light emitting units is gradually different.
請求項1乃至4の何れか1項に記載の立体物の回旋角度検出装置。 The rotation angle detecting device for a three-dimensional object according to any one of claims 1 to 4, further comprising a deflecting means for deflecting the light emitted by each of the plurality of light emitting units.
前記受光位置検出手段は、
前記第1発光部から射出された光に由来する前記反射光を、所定方向における前記受光位置検出手段の一端、又は前記所定方向と交差する交差方向における前記受光位置検出手段の一端の何れか一方で受光する際に、
前記第1発光部から前記所定方向に離れて配置された前記第2発光部から射出された光に由来する前記反射光を、前記所定方向における前記受光位置検出手段の他端で受光する
請求項1乃至5の何れか1項に記載の立体物の回旋角度検出装置。 The plurality of light emitting units are arranged two-dimensionally.
The light receiving position detecting means is
One end of the light receiving position detecting means in a predetermined direction or one end of the light receiving position detecting means in an intersecting direction intersecting the predetermined direction with respect to the reflected light derived from the light emitted from the first light emitting unit. When receiving light with
A claim that the reflected light derived from the light emitted from the second light emitting unit arranged away from the first light emitting unit in the predetermined direction is received by the other end of the light receiving position detecting means in the predetermined direction. The rotation angle detecting device for a three-dimensional object according to any one of 1 to 5.
請求項6に記載の立体物の回旋角度検出装置。 6. Claim 6 in which the reflected light derived from the light emitted from the third light emitting unit arranged away from the first light emitting unit in the intersecting direction is received by the other end of the light receiving position detecting means in the intersecting direction. A device for detecting the rotation angle of a three-dimensional object according to the above.
請求項1乃至7の何れか1項に記載の立体物の回旋角度検出装置。 The rotation angle detecting device for a three-dimensional object according to any one of claims 1 to 7, wherein the light source means is a vertical resonator surface emitting laser.
前記回転中心の位置と前記曲率中心の位置は異なっている
請求項1乃至8の何れか1項に記載の立体物の回旋角度検出装置。 The three-dimensional object is composed of a rotating body that can rotate at the center of rotation and a curved body that has a center of curvature.
The rotation angle detecting device for a three-dimensional object according to any one of claims 1 to 8, wherein the position of the center of rotation and the position of the center of curvature are different.
請求項9に記載の立体物の回旋角度検出装置。 The rotation angle detecting device for a three-dimensional object according to claim 9, wherein the three-dimensional object is an eyeball.
網膜投影表示装置。 A retinal projection display device having the rotation angle detecting device for a three-dimensional object according to any one of claims 1 to 10.
頭部装着型表示装置。 A head-mounted display device having the rotation angle detecting device for a three-dimensional object according to any one of claims 1 to 10.
検眼装置。 An optometry device having a rotation angle detecting device for a three-dimensional object according to any one of claims 1 to 10.
入力装置。 An input device having a rotation angle detecting device for a three-dimensional object according to any one of claims 1 to 10.
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