JP4322693B2

JP4322693B2 - 眼球運動測定装置

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Publication number: JP4322693B2
Application number: JP2004022072A
Authority: JP
Inventors: 一隆鈴木; 晴義豊田; 一郎安藤; 直俊袴田
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2024-01-29
Also published as: JP2005211329A

Description

本発明は、眼球の運動を測定するための装置に関するものである。

高齢化社会の到来とともに、痴呆症患者の数は年々増加している。痴呆症は、脳血管性痴呆とアルツハイマー型痴呆（ＡＤ）に大別され、前者は脳血管性疾患の病歴があれば診断がつきやすい。しかし、後者のＡＤ診断では、現在のところ問診や画像診断が中心であるため、主観的であったり、ある程度症状が進まないと分かりにくいといった問題点があった。

近年、脳機能と眼球運動との関係が注目を集めている。特に、ＡＤでは空間視に関連する頭頂部を中心とした後方連合野が病初期より障害を受けやすいとされるため（視覚認識障害等の神経心理学的症状）、眼球運動を測定して空間視の能力を分析することや、固視微動を計測することによって、ＡＤの初期診断に有効であることが知られている。このように、医療の分野にあっては、アルツハイマー病やパーキンソン病、或いは化学物質過敏症、通常の健康診断などにおいて、眼球運動を測定することにより非接触で診断を行うことが可能となる。また、医療以外の分野でも、例えばスポーツ科学の分野など眼球運動測定の応用分野は広い。

眼球運動を測定するための装置としては、例えば特許文献１〜３に開示された装置がある。特許文献１に開示された眼球運動撮像装置は、眼球に照明をあて、その反射光をＣＣＤなどのマトリックスカメラで撮像するとともに、撮像データから角膜反射像の重心位置を算出し、該重心位置の動きを追うことにより眼球運動を測定するものである。また、特許文献２に開示された固視微動検査装置は、発光ダイオードから眼球へ光を照射し、その反射光をフォトダイオードによって検出し、その検出結果から求められた視線移動の時間変化から固視微動成分の異常をフラクタル次元解析を用いて鑑別するものである。また、特許文献３に開示された眼球運動測定装置は、複数のターゲット発光手段（ＬＥＤ）を順次発光させて眼球運動を促すとともに、該ターゲット発光手段から出射されて眼球において反射した光を受光手段（受光素子アレイまたは位置検出素子（ＰＳＤ））によって検出し、眼球運動を測定するものである。
特公平０３−０１４４４８号公報特開平０６−１５４１６７号公報特開２０００−３１６８１１号公報

眼球運動を測定する際には、眼球の緩やかな動きと、固視微動といった高速運動との双方を可能な限り高精度に測定することが望ましい。しかしながら、上記した特許文献１に開示された装置では、マトリックスカメラの複数の画素に電気的なウィンドウをかけて有効走査面積を小さくしてはいるものの、これは重心位置を算出する際の演算時間を短縮するためであり、眼球の高速運動を精度よく撮像する技術については何ら開示されていない。また、特許文献２に開示された装置では、眼球の左前方及び右前方に配置されたフォトダイオードを用いて測定しているため、分解能が低く、眼球運動を高精度に測定することが難しい。また、特許文献３に開示された眼球運動測定装置は、受光手段として受光素子アレイまたは位置検出素子を用いている。しかし、一般的に受光素子アレイは撮像速度が比較的遅く、眼球の高速運動に対応することが困難である。また、位置検出素子は、角膜反射光の入射位置を素早く得ることができるので眼球の高速な動きも測定可能であるが、ＣＣＤ等と比較して分解能が低いという特徴があり、眼球運動を高精度に測定することが難しい。このように、従来の装置はいずれも一長一短であり、眼球の緩やかな動きと高速運動との双方を高精度に測定できる装置は存在しなかった。

本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、眼球の緩やかな動きと高速運動とをともに移動速度に応じた高い精度で測定できる眼球運動測定装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明による眼球運動測定装置は、角膜に光を照射することにより生じる角膜反射光像を撮像することにより、角膜の動きを測定する眼球運動測定装置であって、二次元状に配列された複数の画素を含む光検出部を有し、光検出部に入射した角膜反射光像に関する画素毎の入射光量を示す撮像データを生成する撮像部と、撮像部からの撮像データに基づいて算出される光検出部における角膜反射光像の入射位置の移動情報に基づいて、光検出部における解像度及び撮像領域の少なくとも一方を設定する撮像方式設定手段とを備え、撮像方式設定手段が、角膜反射光像の入射位置の移動速度が増加した場合に、光検出部の低解像度化及び撮像領域の広域化の少なくとも一方を設定し、角膜反射光像の入射位置の移動速度が減少した場合に、光検出部の高解像度化及び撮像領域の狭域化の少なくとも一方を設定することを特徴とする。

上記した眼球運動測定装置では、撮像方式設定手段が、光検出部における角膜反射光像の入射位置の移動情報（例えば、移動速度や移動加速度など）に基づいて、光検出部における解像度及び撮像領域の少なくとも一方を設定している。これによって、角膜反射光像の移動速度が比較的大きいときには解像度を下げ、角膜反射光像の移動速度が比較的小さいときには解像度を上げることができる。或いは、角膜反射光像の移動速度が比較的大きいときには撮像領域を広く設定し、角膜反射光像の移動速度が比較的小さいときには撮像領域を狭く設定することができる。従って、上記した眼球運動測定装置によれば、眼球の緩やかな動きと高速運動とを、ともに移動速度に応じた高い精度で測定することができる。

また、眼球運動測定装置は、撮像方式設定手段が、角膜反射光像の入射位置として、光検出部に入射した角膜反射光像の光量中心位置を算出し、該光量中心位置の移動速度が増加した場合に、光検出部の低解像度化及び撮像領域の広域化の少なくとも一方を設定し、該光量中心位置の移動速度が減少した場合に、光検出部の高解像度化及び撮像領域の狭域化の少なくとも一方を設定することを特徴としてもよい。これによって、角膜反射光像の移動情報を正確に算出することができるので、光検出部における解像度、撮像領域をより適切に設定することができる。

また、眼球運動測定装置は、撮像方式設定手段が、撮像部の撮像速度が増加した場合に、光検出部の高解像度化及び撮像領域の狭域化の少なくとも一方を設定することを特徴としてもよい。これによって、例えば撮像速度が比較的大きく設定された場合に、解像度を下げたり、撮像領域を狭く設定することができるので、撮像部の撮像速度を角膜反射光像の移動情報に応じて好適に設定することができる。

また、眼球運動測定装置は、角膜反射光像が入射した複数の画素のうち所定の画素に対応する撮像データの大きさが所定レベルよりも大きくなるように、撮像データの増幅率を調整する感度調整手段をさらに備えることを特徴としてもよい。これによって、角膜反射光像を明瞭に撮像することができるので、角膜反射光像の移動情報を正確に算出することができ、光検出部における解像度、撮像領域をより適切に設定することができる。

また、眼球運動測定装置は、角膜からの角膜反射光像を光検出部へ反射させる反射ミラーと、撮像部からの撮像データに基づいて反射ミラーの位置及び角度を調整するミラー調整手段とをさらに備え、ミラー調整手段が、光検出部に入射する角膜反射光像が真円に近づくように反射ミラーの位置及び角度を調整することを特徴としてもよい。これによって、角膜反射光像が光検出部に入射する際の入射角調整を容易にできるので、眼球（角膜）の移動速度や移動加速度を光検出部上の角膜反射光像の移動情報に正確に反映することができる。

また、眼球運動測定装置は、左右の角膜からの角膜反射光像を光検出部へ反射させる一対の反射ミラーと、撮像部からの撮像データに基づいて一対の反射ミラーの位置及び角度を調整するミラー調整手段とをさらに備え、ミラー調整手段が、一方の角膜からの角膜反射光像が光検出部における第１の領域に入射し、他方の角膜からの角膜反射光像が光検出部における第１の領域とは異なる第２の領域に入射するように、反射ミラーの位置及び角度を調整することを特徴としてもよい。

また、眼球運動測定装置は、角膜へ光を照射する光源と、撮像部からの撮像データに基づいて、光源からの光が角膜へ入射するように光源の位置を調整する光源位置調整手段とをさらに備えることを特徴としてもよい。これによって、角膜反射光像を精度良く得ることができる。また、眼球運動測定装置は、角膜からの角膜反射光像を光検出部へ反射させる反射ミラーと、撮像部からの撮像データに基づいて反射ミラーの位置及び角度を調整するミラー調整手段とをさらに備え、ミラー調整手段が、角膜反射光像が撮像データの中心に近づくように反射ミラーの位置を調整することを特徴としてもよい。

また、眼球運動測定装置は、角膜へ光を照射する光源と、撮像部からの撮像データに基づいて、光源からの光が角膜へ入射するように光源の位置を調整する光源位置調整手段とをさらに備えることを特徴としてもよい。これによって、角膜反射光像を精度良く得ることができる。

本発明による眼球運動測定装置によれば、眼球の緩やかな動きと高速運動とをともに移動速度に応じた高い精度で測定できる。

以下、添付図面を参照しながら本発明による眼球運動測定装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明による眼球運動測定装置の第１実施形態を示す概略図である。図１を参照すると、本実施形態による眼球運動測定装置１は、ＬＥＤ９１、ダイクロイックミラー４９、集光レンズ１３、撮像部３、制御部５、及び演算部７を備えている。これらのうち、集光レンズ１３、撮像部３、制御部５、及び演算部７は、カメラ１８の内部に収容されている。

ＬＥＤ９１は、本実施形態における光源であり、例えば赤外光ＬＥＤである。ＬＥＤ９１は、被験者の眼球２１の角膜２３と光学的に結合されている。ＬＥＤ９１が角膜２３へ赤外光Ｌ１を照射することにより、角膜２３において赤外光Ｌ１が反射して角膜反射光像Ｌ２が生じる。なお、光源としては赤外光ＬＥＤに限らず他の光源を用いることができるが、可視光源を用いた場合には光量を上げると被験者が眩しいため、赤外光源を用いることが好ましい。また、ＬＥＤ９１は、図示しないＸＹテーブルといった移動台上に固定されており、ＬＥＤ９１からの赤外光Ｌ１が角膜２３に好適に入射するように制御部５によってＬＥＤ９１の位置が制御される。

ダイクロイックミラー４９は、本実施形態における反射ミラーである。ダイクロイックミラー４９は、角膜２３からの角膜反射光像Ｌ２を反射して、該角膜反射光像Ｌ２を撮像部３の光検出部３１に入射させるように配置されている。ダイクロイックミラー４９は、ＬＥＤ９１から照射される赤外光Ｌ１を反射し、他の波長の光（例えば可視光）を透過する特性を有することが好ましい。これにより、被験者に眼球の動きを促すための視標表示（後述）を被験者に提示しつつ、眼球運動を測定することができる。また、ダイクロイックミラー４９は、図示しない回転台及びＸＹテーブルといった移動台上に固定されており、光検出部３１への角膜反射光像Ｌ２の入射角が垂直に近づくように制御部５によってダイクロイックミラー４９の反射面の位置及び角度が調整される。

集光レンズ１３は、角膜反射光像Ｌ２を集光して撮像部３の光検出部上に結像させるためのレンズである。本実施形態では、集光レンズ１３は、ダイクロイックミラー４９と撮像部３との間に配置されている。

撮像部３は、角膜２３からの角膜反射光像Ｌ２を撮像するための手段である。撮像部３は、二次元状に配列された複数の画素を含む光検出部３１を有しており、光検出部３１に入射した角膜反射光像Ｌ２を各画素において電気信号に変換することにより、角膜反射光像Ｌ２に関する画素毎の入射光量を示す撮像データを生成する。撮像部３は、生成した撮像データを表示装置や映像出力端子といった出力手段へ出力するとともに、撮像データを制御部５及び演算部７に提供する。

演算部７は、撮像部３において生成された撮像データに基づいて、光検出部３１における角膜反射光像Ｌ２の入射位置を求める手段である。演算部７は、角膜反射光像Ｌ２の入射位置として角膜反射光像Ｌ２の光量中心位置を算出する。そして、演算部７は、角膜反射光像Ｌ２の光量中心位置を示す光量中心位置データを、制御部５に提供する。

制御部５は、次の各手段を有している。すなわち、制御部５は、（１）撮像部３の光検出部３１における解像度及び撮像領域を設定する手段（撮像方式設定手段）、（２）撮像部３における撮像データの増幅率を調整する手段（感度調整手段）、（３）ダイクロイックミラー４９の反射面の位置及び角度を調整する手段（ミラー調整手段）、（４）ＬＥＤ９１の位置を調整する手段（光源位置調整手段）、を有している。なお、これらの手段は、電気回路として実現されてもよいし、中央演算処理装置やメモリを有するコンピュータ内部でソフトウェアとして実現されてもよい。

（１）の撮像方式設定手段は、演算部７からの角膜反射光像Ｌ２の光量中心位置データに基づいて角膜反射光像Ｌ２の移動情報（例えば、移動速度や移動加速度など）を算出し、この移動情報に応じた解像度及び撮像面積で撮像部３が角膜反射光像Ｌ２を撮像するように撮像部３の解像度及び撮像領域を設定する手段である。撮像方式設定手段は、角膜反射光像Ｌ２の移動速度が比較的大きな場合には解像度を粗く設定するとともに撮像領域を広く設定し、角膜反射光像Ｌ２の移動速度が比較的小さな場合には解像度を細かく設定するとともに撮像領域を狭く設定する。

（２）の感度調整手段は、撮像部３からの撮像データに基づいて、撮像部３における撮像データの増幅率を調整することにより、光検出部３１における角膜反射光像Ｌ２の入射範囲を撮像データに基づいて明瞭に識別可能とするための手段である。感度調整手段は、角膜反射光像Ｌ２が入射した複数の画素のうち所定の画素（本実施形態では、受光量が最も多い画素）に対応する撮像データの大きさが所定レベルよりも大きくなるように、撮像部３における撮像データの増幅率を制御する。

（３）のミラー調整手段は、角膜反射光像Ｌ２の光軸を調整するための手段である。換言すれば、ミラー調整手段は、撮像部３の光検出部３１に角膜反射光像Ｌ２が入射する際の角膜反射光像Ｌ２の入射角を調整するための手段である。ミラー調整手段は、撮像部３からの撮像データに基づいて、ダイクロイックミラー４９を固定している移動台の位置及び回転台の角度を、光検出部３１に入射する角膜反射光像Ｌ２が真円に近づくように調整することにより、角膜反射光像Ｌ２の入射角を調整する。

（４）の光源位置調整手段は、ＬＥＤ９１と被験者の角膜２３との相対位置を調整するための手段である。光源位置調整手段は、撮像部３からの撮像データに基づいて、ＬＥＤ９１を固定している移動台の位置をＬＥＤ９１からの光が被験者の角膜２３に好適に入射するように調整する。

図２は、本実施形態による眼球運動測定装置１の全体構成を示すブロック図である。図２を参照すると、眼球運動測定装置１は、図１に示した撮像部３、制御部５、及び演算部７の他に、視標表示部８、照明部９、及び光結像部４１を備えている。

視標表示部８は、被験者に対して眼球運動を促すための装置である。視標表示部８は、例えばＬＣＤなどの表示装置を有しており、移動する視標や位置が固定された視標、さらには形状情報や色情報等に関する視標を被験者に提示することによって眼球２１（図１参照）の所望の動きを実現させる。本実施形態では、視標表示部８は演算器８１、ビデオメモリ８２、及びメモリコントローラ８３を有しており、測定者が任意の視標データを作成することが可能となっている。すなわち、測定者によって作成された視標データＳ_２０は演算器８１に格納された後、演算器８１から読み出されてビデオメモリ８２に反映される。そして、制御部５からの駆動信号Ｓ_１０に基づくタイミングでメモリコントローラ８３がビデオメモリ８２から視標データＳ_２０を読み出し、視標データＳ_２０を表示装置（視標出力）に表示させる。

照明部９は、図１に示した角膜２３に対して赤外光Ｌ１を照射するための装置である。照明部９は、位置調整駆動回路９３及び反射光像用の光源駆動回路９５を有している。位置調整駆動回路９３は、ＬＥＤ９１が固定された移動台を駆動するための回路である。位置調整駆動回路９３は、制御部５からの光源位置制御信号Ｓ_１１に応じて移動台を駆動することにより、角膜２３に対するＬＥＤ９１の相対位置を変化させる。また、光源駆動回路９５は、ＬＥＤ９１に駆動電力を供給するための回路である。光源駆動回路９５は、制御部５からの駆動信号Ｓ_１０に従ってＬＥＤ９１の点灯／消灯や、光量調節を行う。なお、制御部５が光源位置制御信号Ｓ_１１及び駆動信号Ｓ_１０をどのように生成するかについては、後述する。

また、照明部９は、照明用のＬＥＤ（図示せず）を駆動するための光源駆動回路９７をさらに有している。光源駆動回路９７は、制御部５からの駆動信号Ｓ_１０に従って照明用のＬＥＤの点灯／消灯や、光量調節を行う。ここで、照明用のＬＥＤは、角膜反射光像Ｌ２を生成するためのＬＥＤ９１とは目的が異なるＬＥＤである。すなわち、ＬＥＤ９１が、角膜２３の表面において角膜反射光像Ｌ２を生じさせることを目的とするのに対し、照明用のＬＥＤは、眼球２１を照らし出し、眼球２１の様子や、瞳孔や虹彩といったものの様子などを光検出部３１において撮像可能とすることを目的としている。なお、高速撮影時には、眼球２１の様子などを照らし出すのに充分な光量の可視光を照明用のＬＥＤが発光すると被験者にとって眩しいため、ＬＥＤ９１と同様に照明用のＬＥＤとして赤外光ＬＥＤを用いてもよい。このように、ＬＥＤ９１と照明用ＬＥＤとが共に赤外光ＬＥＤである場合には、ＬＥＤ９１及び照明用のＬＥＤとして一つまたは複数の共通のＬＥＤを用いてもよい。

光結像部４１は、角膜２３からの角膜反射光像Ｌ２を受ける光学部４を撮像部３と共に構成する。光結像部４１は、視軸コントローラ４３を有している。視軸コントローラ４３は、ダイクロイックミラー４９が固定されている移動台及び回転台を制御部５からの指示に基づいて駆動することにより、角膜反射光像Ｌ２の光軸（視軸）と光検出部３１の光入射面とのなす角（すなわち角膜反射光像Ｌ２の光検出部３１への入射角）を変更する。視軸コントローラ４３は位置調整駆動回路４５及び角度調整駆動回路４７を含んでおり、位置調整駆動回路４５及び角度調整駆動回路４７はそれぞれ制御部５からミラー位置制御信号Ｓ_１２及びミラー角度制御信号Ｓ_１３を受ける。そして、位置調整駆動回路４５がミラー位置制御信号Ｓ_１２に応じて移動台を駆動し、角度調整駆動回路４７がミラー角度制御信号Ｓ_１３に応じて回転台を駆動することにより、ダイクロイックミラー４９の位置及び角度が変更され、光検出部３１に入射する角膜反射光像Ｌ２の光軸方向が変更される。なお、制御部５がミラー位置制御信号Ｓ_１２及びミラー角度制御信号Ｓ_１３をどのように生成するかについては、後述する。

撮像部３は、光検出部３１、増幅部３３、Ａ／Ｄ変換部３５、及びスイッチ部３７を有している。本実施形態においては、光検出部３１はいわゆるＭＯＳ型の撮像素子（例えばＣＣＤやＣＭＯＳ）であり、二次元状（ｍ行×ｎ列）に配列された複数の画素３１ａを有している。複数の画素３１ａのそれぞれは、入射した光の光量に応じた電荷Ｑを生成する。

増幅部３３は、光検出部３１の行数に対応するｍ個のアンプ３３ａを有している。ｍ個のアンプ３３ａは、それぞれ光検出部３１の画素３１ａの対応する行と電気的に接続されており、ｎ列の画素３１ａから電荷Ｑを順次受け取る。そして、アンプ３３ａは、電荷Ｑを増幅するとともに電荷Ｑを電圧信号である画像信号Ｓ_１に変換する。また、ｍ個のアンプ３３ａは、それぞれ制御部５と電気的に接続されており、制御部５からの増幅率制御信号Ｓ_４に従って、電荷Ｑを画像信号Ｓ_１に変換する際の増幅率を変化させる。

Ａ／Ｄ変換部３５は、光検出部３１の行数に対応するｍ個のＡ／Ｄ変換器３５ａを有している。ｍ個のＡ／Ｄ変換器３５ａは、対応するｍ個のアンプ３３ａとそれぞれ電気的に接続されており、電圧信号（アナログ信号）である画像信号Ｓ_１をアンプ３３ａから受けてディジタル信号である撮像データＳ_２に変換する。なお、本実施形態ではディジタル信号に変換された撮像データＳ_２を撮像部３からの撮像データとしているが、アナログ信号である画像信号Ｓ_１を撮像部３からの撮像データとして用いてもよい。

スイッチ部３７は、光検出部３１の行数に対応するｍ個のスイッチ３７ａを有している。ｍ個のスイッチ３７ａは、対応するｍ個のＡ／Ｄ変換器３５ａと制御部５及び演算部７との間に設けられており、Ａ／Ｄ変換器３５ａと制御部５及び演算部７との接続／非接続を制御する。スイッチ３７ａが接続状態になると、Ａ／Ｄ変換器３５ａからの撮像データＳ_２が制御部５及び演算部７へ提供される。ｍ個のスイッチ３７ａは、それぞれ制御部５と電気的に接続されており、制御部５からの領域制御信号Ｓ_７に従って個別に接続／非接続が制御される。

ここで、光検出部３１及びその周辺回路についてさらに詳しく説明する。図３は、光検出部３１と、アンプ３３ａ、Ａ／Ｄ変換器３５ａ、及び制御部５との電気的接続関係を示す図である。図３を参照すると、光検出部３１は、フォトダイオードといった光電変換素子により構成される複数の画素３１ａを有している。そして、光検出部３１は、複数の画素３１ａに対応する複数のコンデンサ３１ｂ及び複数の読み出し用スイッチ３１ｃを有している。画素３１ａの光電変換素子とコンデンサ３１ｂとは互いに並列に接続されており、光電変換素子及びコンデンサ３１ｂの一端に読み出し用スイッチ３１ｃの一端が接続されている。読み出し用スイッチ３１ｃの他端は、同一行に含まれる他の読み出し用スイッチ３１ｃの他端と共に、アンプ３３ａに接続されている。読み出し用スイッチ３１ｃは、それぞれ制御部５と電気的に接続されており、制御部５からの領域制御信号Ｓ_７に従って個別に接続／非接続が制御される。

図４は、アンプ３３ａの構成を具体的に示す図である。図４を参照すると、アンプ３３ａは、オペアンプ３３ｂ、リセットスイッチ３３ｇ、キャパシタ３３ｃ及び３３ｄ、並びに切換スイッチ３３ｅ及び３３ｆを含んでいる。オペアンプ３３ｂは二つの入力端３３ｈ及び３３ｉ並びに一つの出力端３３ｊを有している。一方の入力端３３ｈは光検出部３１の各画素３１ａ（図３参照）と電気的に接続されており、他方の入力端３３ｉは参照電圧Ｖｒｅｆを発生する信号源と電気的に接続されている。出力端３３ｊは、Ａ／Ｄ変換器３５ａ（図３参照）と電気的に接続されている。

キャパシタ３３ｃ（容量Ｃｆ１）及び切換スイッチ３３ｆは、互いに直列接続されている。また、キャパシタ３３ｄ（容量Ｃｆ２）及び切換スイッチ３３ｅは、互いに直列接続されている。キャパシタ３３ｃ及び切換スイッチ３３ｆと、キャパシタ３３ｄ及び切換スイッチ３３ｅと、リセットスイッチ３３ｇとは、互いに並列接続されており、これらの回路の両端がそれぞれオペアンプ３３ｂの入力端３３ｈ及び出力端３３ｊに電気的に接続されている。

アンプ３３ａの増幅率Ｇは、光検出部３１のコンデンサ３１ｂの容量Ｃｄとオペアンプ３３ｂの入力端３３ｈ及び出力端３３ｊに接続されるキャパシタ容量Ｃｆの値とから決定され、Ｇ＝Ｃｄ／Ｃｆの関係をもつ。つまり、キャパシタ容量Ｃｆの値が小さいほど増幅率が大きくなる。従って、キャパシタ容量Ｃｆの値を選択することにより増幅率Ｇを選択することができるので、切換スイッチ３３ｅ及び３３ｆを切り換えることによって、増幅率ＧをＣｄ／Ｃｆ１またはＣｄ／Ｃｆ２のいずれかに切り換えることができる。また、両方の切換スイッチ３３ｅ及び３３ｆを接続状態とすることによって、増幅率Ｇを、Ｇ＝（Ｃｄ／（Ｃｆ１＋Ｃｆ２））とすることもできる。

再び図３を参照すると、Ａ／Ｄ変換器３５ａの出力端は、表示装置や映像出力端子といった出力手段１５に電気的に接続されるとともに、制御部５に含まれる感度調整手段５３に電気的に接続されている。感度調整手段５３は、Ａ／Ｄ変換器３５ａからの撮像データＳ_２に基づいて、アンプ３３ａにおける増幅率を制御するための（具体的には、図４に示した切換スイッチ３３ｅ及び３３ｆを制御するための）増幅率制御信号Ｓ_４を生成し、増幅率制御信号Ｓ_４をアンプ３３ａへ出力する。

図３及び図４に示した光検出部３１及びその周辺回路の動作は、次のとおりである。まず、アンプ３３ａのリセットスイッチ３３ｇを接続状態とすることによりキャパシタ３３ｃ及び３３ｄに蓄積された電荷がリセットされる。続いて、アンプ３３ａが所望の増幅率となるように、切換スイッチ３３ｅ及び３３ｆのうち少なくとも一方を接続状態とする。光検出部３１に角膜反射光像Ｌ２が入射すると、各画素３１ａ毎の角膜反射光像Ｌ２の入射光量に応じた電荷がコンデンサ３１ｂに蓄積される。制御部５からの指示に応じて読み出し用スイッチ３１ｃが各行において順次接続されると、コンデンサ３１ｂに蓄積された電荷Ｑがアンプ３３ａに順次送られる。電荷Ｑは、アンプ３３ａによって電圧信号に変換されるとともに増幅されて画像信号Ｓ_１となる。画像信号Ｓ_１は、Ａ／Ｄ変換器３５ａによってアナログ信号からディジタル信号へ変換されて撮像データＳ_２となる。撮像データＳ_２は、出力手段１５へ提供されるとともに、制御部５の感度調整手段５３に提供される。

感度調整手段５３は、Ａ／Ｄ変換器３５ａからの撮像データＳ_２に基づいて、アンプ３３ａにおける増幅率を制御するための増幅率制御信号Ｓ_４を生成し、増幅率制御信号Ｓ_４をアンプ３３ａへ送る。アンプ３３ａでは、リセットスイッチ３３ｇを再度接続状態とすることによりキャパシタ３３ｃ及び３３ｄに蓄積された電荷が再びリセットされた後、増幅率制御信号Ｓ_４に基づき必要に応じて切換スイッチ３３ｅ及び３３ｆが開閉され、増幅率が変更される。

ここで、図５は、感度調整手段５３における処理の流れを示すフローチャートである。図５を参照すると、感度調整手段５３は、角膜反射光像Ｌ２が入射した複数の画素３１ａのうち入射光量が最も多い画素３１ａに対応する撮像データＳ_２の大きさ（最大光量値）が所定レベルよりも大きいか否かを判定する（Ｓ２０１）。そして、最大光量値が所定レベルよりも大きい場合には処理を終了し、最大光量値が所定レベルよりも小さい場合にはアンプ３３ａにおいて増幅率を上げる余地が有るか否かを判断する（Ｓ２０３）。アンプ３３ａにおいて増幅率を上げる余地がある場合には、増幅率が上がるように増幅率制御信号Ｓ_４によってアンプ３３ａにおける切換スイッチ３３ｅ及び３３ｆの開閉を制御し（Ｓ２０５）、ステップＳ２０１に戻る。アンプ３３ａにおいて増幅率を上げる余地がない場合、すなわちアンプ３３ａにおける増幅率をアンプ３３ａにおいて実現可能な最大増幅率に設定した場合には、最大光量値の大きさが所定の許容値よりも大きいか否かを判定する（Ｓ２０７）。最大光量値の大きさが所定の許容値以上である場合（すなわち、現在得られている撮像データＳ_２の明るさが眼球運動測定に必要な明るさを満たしている場合）には現在得られている撮像データＳ_２を用いる。そして、最大光量値の大きさが所定の許容値よりも小さい場合にはその旨を測定者に警告する（Ｓ２０９）。

また、図６（ａ）及び図６（ｂ）は、制御部５の感度調整手段５３による感度調整結果の一例を説明するための図である。図６（ａ）は、アンプ３３ａの増幅率を調整する前の撮像データＳ_２を示す図である。なお、図６（ａ）に示す撮像データＳ_２は、解像度を１２８ドット四方、撮像速度（フレームレート）を１０００［枚／秒］、アンプ３３ａの増幅率を最低値（初期設定）として撮像したものである。図６（ａ）を参照すると、これらの撮像条件では角膜反射光像Ｌ２の入射領域を撮像データＳ_２に基づいて識別することが困難であることがわかる。そこで、感度調整手段５３は、複数の画素３１ａのうち入射光量が最も多い画素３１ａに対応する撮像データＳ_２の大きさが所定レベルよりも大きくなるように、アンプ３３ａの増幅率を大きくする。こうして、感度調整手段５３は、アンプ３３ａの増幅率を最適値に制御することにより、角膜反射光像Ｌ２の入射領域を明瞭に識別可能とする（図６（ｂ））。

再び図２を参照する。制御部５は、感度調整手段５３、撮像方式設定手段５５、ミラー調整手段５６、光源位置調整手段５７、及び駆動信号生成手段５８を有している。感度調整手段５３は、前述したように撮像部３の増幅部３３における撮像データの増幅率を調整する。撮像方式設定手段５５は、撮像部３からの撮像データＳ_２に基づいて、撮像部３の光検出部３１における解像度及び撮像領域を設定する。ミラー調整手段５６は、ダイクロイックミラー４９の反射面の位置及び角度を調整する。光源位置調整手段５７は、ＬＥＤ９１の位置を調整する。

ここで、図７は、ＬＥＤ９１、角膜２３、及びダイクロイックミラー４９の理想的な相対位置関係を示す図である。図７では、ＬＥＤ９１の位置と、角膜２３の反射面２３ａの位置と、赤外光Ｌ１が角膜２３を透過したと仮定した場合の仮想のダイクロイックミラーＢの位置とが一直線上に並び、且つ、仮想のダイクロイックミラーＢの反射面において反射した仮想の赤外光Ａが、仮想の光検出部Ｃの光入射面に対して垂直に入射している。ＬＥＤ９１、角膜２３、及びダイクロイックミラー４９の位置及び角度は、図７に示した仮想のダイクロイックミラーＢ及び光検出部Ｃが角膜２３の反射面２３ａに関して対象な位置になるように設定されることが好ましい。

図７に示したような相対位置関係を実現するためのミラー調整手段５６及び光源位置調整手段５７の機能について、以下に詳細に説明する。ミラー調整手段５６及び光源位置調整手段５７は、上記した相対位置関係を実現するために、以下に説明する（ａ）位置調整機能及び（ｂ）形状調整機能を有している。

（ａ）位置調整機能
眼窟（眼の深さ位置、『ほり』の深さ）や両眼間の幅は各個人でそれぞれ異なるため、眼球２１の位置も各被験者間で異なる。そこで、測定に先立ち、被験者の眼球２１と眼球運動測定装置１の光学系（ＬＥＤ９１、ダイクロイックミラー４９、及び光検出部３１）との位置あわせを行う。すなわち、角膜２３にＬＥＤ９１から赤外光Ｌ１を照射したときに、光検出部３１における角膜反射光像Ｌ２の入射位置が光検出部３１のほぼ中央に位置するように、ミラー調整手段５６が撮像部３からの撮像データＳ_２に基づいてミラー位置制御信号Ｓ_１２及びミラー角度制御信号Ｓ_１３を生成するとともに、光源位置調整手段５７が撮像部３からの撮像データＳ_２に基づいて光源位置制御信号Ｓ_１１を生成する。光結像部４１の位置調整駆動回路４５は、ミラー位置制御信号Ｓ_１２に応じてダイクロイックミラー４９の位置を変更する。角度調整駆動回路４７は、ミラー角度制御信号Ｓ_１３に応じてダイクロイックミラー４９の反射面の角度を変更する。照明部９の位置調整駆動回路９３は、光源位置制御信号Ｓ_１１に応じてＬＥＤ９１の位置を変更する。このようにして、被験者の眼球２１と眼球運動測定装置１の光学系との間の位置調整がなされる。

ミラー調整手段５６及び光源位置調整手段５７による上記した位置調整は、撮像部３の撮像速度（フレームレート）が比較的低い状態で行われることが好ましい。フレームレートとは１秒間に何枚の画像を取得するかを表した数値であり、例えば本実施形態の撮像部３では通常状態で１０２４［枚／秒］である。フレームレートが高いほど、高速な角膜２３の動きをより精度良く解析することができる。しかしながら、フレームレートを高くすると、画像１枚あたりの画素３１ａへの入射光量が少なくなってしまう為、例えばフレームレートが３０［枚／秒］の画像と比べてフレームレートが１０２４［枚／秒］の画像は暗い画像になってしまう。

本実施形態において、上記した位置調整段階では固視微動などの角膜２３の高速運動を撮像する必要がない。従って、制御部５は、上記したようなフレームレートと画像の明暗との関係を逆手にとり、フレームレートを比較的低い８［枚／秒］に設定することで画素３１ａへの入射光量を増し、眼球２１（角膜２３）と眼球周辺の皮膚との双方の画像を得られるようにする。ここで、図８は、撮像部３のフレームレートを８［枚／秒］に設定したときの、撮像データＳ_２を示す図である。図８に示すように、フレームレートを比較的低く設定すれば、眼球２１及び角膜２３と眼球周辺の皮膚１４との双方の画像を好適に得ることができる。そして、眼球２１と撮像部３（光検出部３１）との相対位置をあわせる方法と、ミラー調整手段５６及び光源位置調整手段５７による位置調整機能とを併用すれば、簡単・効率的に位置調整ができるので、測定時間の大幅な短縮につながる。なお、撮像部３のフレームレートの変更は、制御部５の駆動信号生成手段５８がフレームレートに応じた駆動信号Ｓ_１０を生成し、撮像部３がこの駆動信号Ｓ_１０を受けることによってなされる。

（ｂ）形状調整機能
図９は、位置調整及び感度調整の後の撮像データＳ_２の一例を示す図である。図９を参照すると、角膜反射光像Ｌ２の一方向（図９では横方向）の径が、他方向（縦方向）の径と比較して短くなっている（例えると十六夜の月の形状となっている）ことがわかる。このように撮像データＳ_２において角膜反射光像Ｌ２が変形するのは、角膜反射光像Ｌ２が光検出部３１に入射する際の入射角が、光検出部３１の光入射面に対して斜めであることに起因する。そこで、ミラー調整手段５６は、撮像データＳ_２における角膜反射光像Ｌ２の形状を真円に近づけることにより、角膜反射光像Ｌ２の入射角を調整する。

図１０は、ミラー調整手段５６による形状調整の処理の流れを示すフローチャートである。図１０を参照すると、まず、ミラー調整手段５６は、角膜反射光像Ｌ２に関するヒストグラムを作成する（Ｓ３０１）。すなわち、ミラー調整手段５６は、図１１（ａ）に示す撮像データＳ_２において、一定以上の入射光量を有する画素３１ａを抽出する。そして、一定以上の入射光量を有する画素３１ａの数を該画素３１ａのＸ座標及びＹ座標に従ってグラフ化することにより、図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）に示すようなヒストグラムを作成する。

次に、ミラー調整手段５６は、ステップＳ３０１において作成したヒストグラムのピークが撮像データＳ_２の中心に近づくように、ダイクロイックミラー４９の位置を調整する（Ｓ３０３、図１１（ｄ）〜図１１（ｆ））。すなわち、ミラー調整手段５６は、角膜反射光像Ｌ２についてのＸ軸及びＹ軸に関するヒストグラムのピークがそれぞれ撮像データＳ_２の中心に近づくように、ミラー位置制御信号Ｓ_１２を生成する。ミラー位置制御信号Ｓ_１２は光結像部４１内の位置調整駆動回路４５に送られ、位置調整駆動回路４５がミラー位置制御信号Ｓ_１２に従ってダイクロイックミラー４９の位置を変更する。

続いて、ミラー調整手段５６は、角膜反射光像Ｌ２についてのＸ軸（Ｙ軸）に関するヒストグラムがピークから両端に向かって同程度の割合でもって減少していくように（ガウシアン分布に近づくように）、ダイクロイックミラー４９の反射面の角度を調整する（Ｓ３０５）。角膜反射光像Ｌ２の入射角が光検出部３１の光入射面に対して斜めになっている場合には、図９に示したように撮像データＳ_２における角膜反射光像Ｌ２の径が均一ではなくなる。このような状態のとき、角膜反射光像Ｌ２に関するヒストグラムは、図１２（ａ）や図１２（ｂ）に示すように、ピークを挟んで非対称な形状となる。ミラー調整手段５６は、角膜反射光像Ｌ２に関するヒストグラムがピークから両端に向かって同程度の割合でもって減少していくように（図１２（ｃ））、ミラー角度制御信号Ｓ_１３を生成する。ミラー角度制御信号Ｓ_１３は角度調整駆動回路４７に送られ、角度調整駆動回路４７がミラー角度制御信号Ｓ_１３に従ってダイクロイックミラー４９の反射面の角度を変更する。

続いて、ミラー調整手段５６は、撮像データＳ_２における角膜反射光像Ｌ２の形状を微調整する。まず、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示すように、ミラー調整手段５６は、撮像データＳ_２における角膜反射光像Ｌ２の内接円Ｃ１（図１３（ａ））及び外接円Ｃ２（図１３（ｂ））を求める（Ｓ３０７）。そして、ミラー調整手段５６は、内接円Ｃ１の径の大きさと外接円Ｃ２の径の大きさとが互いに近づくように、ミラー角度制御信号Ｓ_１３を生成する（Ｓ３０９）。このミラー角度制御信号Ｓ_１３に従って、角度調整駆動回路４７がダイクロイックミラー４９の反射面の角度を変更する。

続いて、ミラー調整手段５６は、撮像データＳ_２における角膜反射光像Ｌ２が撮像データＳ_２の中心付近の所定領域に存在し、且つ撮像データＳ_２における角膜反射光像Ｌ２が真円に規定以上に近いか否かを判定する（Ｓ３１１）。撮像データＳ_２における角膜反射光像Ｌ２がこれらの条件を満たさない場合には、上記した各ステップをステップＳ３０３から繰り返し行う。また、撮像データＳ_２における角膜反射光像Ｌ２がこれらの条件を満たす場合には、形状調整を終了する。

以上が、ミラー調整手段５６及び光源位置調整手段５７の機能の詳細である。なお、上記したヒストグラムを求める際の演算を高速に行うために、例えば撮像部３が各画素３１ａのそれぞれに対応する並列演算回路をさらに有することが好ましい。これによって、入射位置算出に由来した情報の未消化といったことを防止できる。

続いて、撮像方式設定手段５５の機能について説明する。図１４（ａ）及び（ｂ）は、撮像方式設定手段５５における、光検出部３１の解像度及び撮像領域の設定機能について説明するための図である。

ここで、一般的なＭＯＳ型撮像素子などの撮像装置においては、解像度と撮像速度とが密接に関連する。すなわち、撮像装置においては、解像度を高めるほど撮像速度が低下する。これは、解像度を高めると画素数が多くなり、読み出し時間が長くなる故である。例えば、解像度が１２８×１２８［ドット］の場合にフレームレート１０００［枚/秒］（駆動周波数１．０［ｋＨｚ］）で撮像可能であるとすると、解像度が２５６×２５６［ドット］の場合にはフレームレートが２５０［枚／秒］（駆動周波数２５０ｋＨｚ）となる。解像度を高めれば高精細な撮像データを取得できるので、角膜反射光像の入射位置情報を高い精度で取得することができる反面、フレームレートが低下するので角膜反射光像の高速な動きを細かく捉えることが難しい。

そこで、本実施形態の撮像方式設定手段５５は、角膜反射光像Ｌ２の移動速度や移動加速度などの移動情報に応じた面積を有する撮像領域Ｅを光検出部３１に対して設定することにより、角膜反射光像Ｌ２及びその周辺に関する撮像データＳ_２のみを高解像度を保ったまま取得できるようにする（部分読み出しモード、図１４（ｂ））。すなわち、従来の撮像装置では解像度を高める場合にフレームレートを下げる必要があるが、本実施形態の撮像部３では角膜反射光像Ｌ２及びその周辺に関するデータ以外の不要なデータを取得しない（画素３１ａから取り出さない）ことによって、高精細かつ高速な撮像が可能となる。なお、撮像方式設定手段５５が撮像領域Ｅを設定する際には、例えば角膜反射光像Ｌ２のヒストグラムを用いて角膜反射光像Ｌ２の入射領域を認識するとよい。

図１５は、図１４（ａ）に示した撮像領域Ｅを設定するために、撮像データＳ_２における角膜反射光像Ｌ２の移動速度を算出する方法を説明する図である。図１５に示すように、撮像方式設定手段５５は、各撮像フレーム毎に角膜反射光像Ｌ２の光量中心位置（Ｘ，Ｙ）とひとつ前のフレームの光量中心位置（Ｘ，Ｙ）との差を求める。例えば、現在の光量中心位置の座標が（Ｘ，Ｙ）＝（Ｘｂ，Ｙｂ）であり、ひとつ前の撮像フレームの光量中心位置の座標が（Ｘ，Ｙ）＝（Ｘａ，Ｙａ）とすると、角膜反射光像Ｌ２の移動速度のＸ成分はＸｂ−Ｘａ、Ｙ成分はＹｂ−Ｙａとなる。なお、撮像データＳ_２における角膜反射光像Ｌ２の光量中心位置は、後述する演算部７において算出される。また、本実施形態では現在の撮像フレームにおける光量中心位置とひとつ前の撮像フレームにおける光量中心位置との差を角膜反射光像Ｌ２の移動速度としているが、例えば一定時間内の光量中心位置座標の平均値の差分を用いて角膜反射光像Ｌ２の移動速度を算出してもよい。

撮像方式設定手段５５は、算出した角膜反射光像Ｌ２の移動情報が、解像度（例えば１２８×１２８［ドット］）に応じて定められた閾値内に収まっている場合には、光検出部３１の解像度を高める（例えば２５６×２５６［ドット］）とともに撮像領域を狭くして角膜反射光像Ｌ２の移動情報を再度算出する。すなわち、撮像方式設定手段５５は、角膜反射光像Ｌ２の移動情報が閾値内に収まっている場合には、より狭い撮像領域のみから撮像データＳ_２を取り出す（部分読み出し）ように領域制御信号Ｓ_７を生成する。領域制御信号Ｓ_７は撮像部３のスイッチ部３７及び光検出部３１に送られ、スイッチ部３７の各スイッチ３７ａ及び光検出部３１の読み出し用スイッチ３１ｃ（図３参照）が領域制御信号Ｓ_７に応じて個別に開閉されることによって撮像領域が狭められる。また、撮像方式設定手段５５は、角膜反射光像Ｌ２の移動情報が閾値内に収まっている場合には、解像度を高めるように撮像部３を制御する。

撮像方式設定手段５５によって部分読み出し設定がなされるのは、例えば眼球２１が固視微動を行っているような場合である。固視微動とは、人間が無意識下に行っている眼球運動を指す。人間の眼球は１点注視時であっても、２０〜４０秒角（0.0056°〜0.0111°）の振幅、８０Ｈｚをピークに４０〜１５０Ｈｚの周波数で絶えず震えていると言われており、この運動による視神経への刺激が視界を得続けるのに必要であることが分かっている。このように、固視微動を測定する場合には、角膜反射光像Ｌ２が光検出部３１上のほぼ一点にて留まるため、高解像度で部分読出しを行う設定が撮像方式設定手段５５によってなされる。

以上が、制御部５における機能である。なお、以上に説明した各機能は、形状調整機能、位置調整機能、解像度及び撮像領域の設定機能の一例であり、調整すべき項目が他の項目の調整によって変動した際には、その都度調整が行われるとよい。また、調整による機構のデッドロック（処理系が何から処理すればよいか分からなくなり止ってしまうこと）を避けるために、調整値には許容幅を、調整内容には優先順位を各々つけるとよい。

再び図２を参照する。演算部７は、零次モーメント演算器７１、一次モーメント演算器７３、及び光量中心位置演算器７５を有している。零次モーメント演算器７１は、制御部５の駆動信号生成手段５８からの駆動信号Ｓ_１０に基づくタイミングで、光検出部３１の各列及び各行それぞれの撮像データＳ_２の大きさに関する零次モーメントを算出する。その一例として、第ｉ列の零次モーメントＭ０（ｘ_ｉ）の算出式を数式（１）に示す。なお、以下の数式において、Ｄ（ｘ，ｙ）は光検出部３１上の座標（ｘ，ｙ）における撮像データの大きさ（すなわち入射光量）を示している。

また、一次モーメント演算器７３は、制御部５の駆動信号生成手段５８からの駆動信号Ｓ_１０に基づくタイミングで、光検出部３１の各列及び各行それぞれの撮像データＳ_２の大きさに関する一次モーメントが算出される。その一例として、第ｉ列の一次モーメントＭ１（ｘ_ｉ）の算出式を数式（２）に示す。

そして、光量中心位置演算器７５では、零次モーメント演算器７１及び一次モーメント演算器７３においてそれぞれ算出された零次モーメント及び一次モーメントに基づいて、光検出部３１の各列及び各行それぞれの光量中心位置が算出される。その一例として、第ｉ列の光量中心位置座標ｐ（ｘ_ｉ）の算出式を数式（３）に示す。

ここで、図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、演算部７の零次モーメント演算器７１及び一次モーメント演算器７３の内部構成の一例を示すブロック図である。まず、図１６（ａ）を参照すると、零次モーメント演算器７１は、算術論理演算回路（ＡＬＵ）７１ａ、Ａラッチ回路７１ｂ、及びＢラッチ回路７１ｃを含んで構成されている。光検出部３１の各列（または各行）からの撮像データＳ_２は、Ｂラッチ回路７１ｃで一旦格納される。そして、撮像データＳ_２がＡＬＵ７１ａにおいてＡラッチ回路７１ｂに格納されているデータに逐次加算されながら加算結果がＡラッチ回路７１ｂに格納される。これにより、光検出部３１の各列（または各行）毎に撮像データＳ_２が積算され、上記した数式（１）の演算が実現される。そして、算出された零次モーメントＳ_１５は、Ａラッチ回路７１ｂから光量中心位置演算器７５へ送られる。

次に、図１６（ｂ）を参照すると、一次モーメント演算器７３は、算術論理演算回路（ＡＬＵ）７３ａ、Ａラッチ回路７３ｂ、カウンタ回路７３ｃ、Ｂラッチ回路７３ｄ、及び乗算回路７３ｅを含んで構成されている。光検出部３１の各列（または各行）からの撮像データＳ_２は、Ｂラッチ回路７１ｃで一旦格納される。そして、撮像データＳ_２はカウンタ回路７３ｃから出力されるカウントデータ（１，２，３，・・）と順次乗算され、乗算結果がＡＬＵ７１ａにおいてＡラッチ回路７１ｂに格納されているデータに逐次加算されながら加算結果がＡラッチ回路７１ｂに格納される。これにより、光検出部３１の各列（または各行）毎に上記した数式（２）の演算が実現される。そして、算出された一次モーメントＳ_１６は、光量中心位置演算器７５へ送られる。

以上が、本実施形態による眼球運動測定装置１の構成である。続いて、眼球運動測定装置１の動作について簡単に説明する。なお、以下に示す眼球運動測定装置１の動作手順は一例であり、これに限られるものではない。

図１７は、眼球運動測定装置１の動作に関するフローチャートである。図１７を参照すると、まず、制御部５の駆動信号生成手段５８が、撮像部３における撮像速度（フレームレート）を低速（例えば８フレーム／秒）に設定する（Ｓ１０１）。続いて、制御部５の光源位置調整手段５７が、照明部９の位置調整駆動回路９３を制御することによって眼球２１（角膜２３）とＬＥＤ９１との相対位置を調整する（位置調整、Ｓ１０３）。

続いて、制御部５の駆動信号生成手段５８が、撮像部３における撮像速度（フレームレート）を高速（例えば１０２４フレーム／秒）に設定する（Ｓ１０５）。続いて、制御部５の感度調整手段５３が、撮像データＳ_２において角膜反射光像Ｌ２が明瞭に映し出されるように撮像部３の増幅部３３における増幅率を調整する（感度調整、Ｓ１０７）。続いて、制御部５のミラー調整手段５６が、撮像データＳ_２における角膜反射光像Ｌ２が真円に近づくように、光結像部４１の位置調整駆動回路４５及び角度調整駆動回路４７を制御することによってダイクロイックミラー４９の位置及び角度を調整する（Ｓ１０９）。続いて、制御部５の撮像方式設定手段５５が、撮像部３における解像度及び撮像領域（部分読み出しモード）を設定する（Ｓ１１１）。以上の動作によって眼球運動測定装置１の初期設定が完了し、固視微動測定などの本測定に移行する（Ｓ１１３）。なお、角膜反射光像の焦点合わせは、制御部５のミラー調整手段５６が角膜２３とダイクロイックミラー４９との距離を調整することによって適宜行われる。

上記した本実施形態による眼球運動測定装置１は、以下の効果を有する。すなわち、本実施形態による眼球運動測定装置１では、撮像方式設定手段５５が、光検出部３１における角膜反射光像Ｌ２の入射位置の移動速度に基づいて、光検出部３１における解像度及び撮像領域を設定している。これによって、角膜反射光像Ｌ２の移動速度が比較的大きいときには解像度を下げるとともに撮像領域を広く設定し、角膜反射光像Ｌ２の移動速度が比較的小さいときには解像度を上げるとともに撮像領域を狭く設定することができるので、眼球２１の緩やかな動きと高速運動とを、ともに移動速度に応じた高い精度で測定することができる。

なお、本実施形態では、撮像方式設定手段５５が光検出部３１における解像度及び撮像領域の双方を設定しているが、撮像方式設定手段５５が光検出部３１における解像度及び撮像領域のうちいずれか一方を設定してもよい。これによって、角膜反射光像の移動速度が比較的大きいときには解像度を下げ、角膜反射光像の移動速度が比較的小さいときには解像度を上げることができる。または、角膜反射光像の移動速度が比較的大きいときには撮像領域を広く設定し、角膜反射光像の移動速度が比較的小さいときには撮像領域を狭く設定することができる。このように、解像度及び撮像領域の少なくとも一方を設定することによっても、眼球の緩やかな動きと高速運動とを、ともに移動速度に応じた高い精度で測定することができる。

また、本実施形態のように、眼球運動測定装置１では、撮像方式設定手段５５が、演算部７において算出された角膜反射光像Ｌ２の光量中心位置を角膜反射光像Ｌ２の入射位置として、光検出部３１における解像度及び撮像領域を設定することが好ましい。これによって、角膜反射光像Ｌ２の移動情報を正確に算出することができるので、光検出部３１における解像度及び撮像領域をより適切に設定することができる。

また、本実施形態のように、眼球運動測定装置１では、感度調整手段５３が、角膜反射光像Ｌ２が入射した複数の画素３１ａのうち所定の画素３１ａ（本実施形態では入射光量が最も多い画素３１ａ）に対応する撮像データＳ_２の大きさが所定レベルよりも大きくなるように、撮像データＳ_２の増幅率を調整することが好ましい。これによって、角膜反射光像Ｌ２を明瞭に撮像することができるので、角膜反射光像Ｌ２の移動情報を正確に算出することができ、光検出部３１における解像度及び撮像領域を撮像方式設定手段５５がより適切に設定することができる。

また、本実施形態のように、眼球運動測定装置１は、角膜２３からの角膜反射光像Ｌ２を光検出部３１へ反射させるダイクロイックミラー４９と、撮像部３からの撮像データＳ_２に基づいてダイクロイックミラー４９の位置及び角度を調整するミラー調整手段５６とを備えることが好ましい。そして、ミラー調整手段５６が、光検出部３１に入射する角膜反射光像Ｌ２が真円に近づくようにダイクロイックミラー４９の位置及び角度を調整することが好ましい。これによって、角膜反射光像Ｌ２が光検出部３１に入射する際の入射角調整を容易にできるので、眼球２１（角膜２３）の移動速度を光検出部３１上の角膜反射光像Ｌ２の移動速度に正確に反映することができる。

また、本実施形態のように、眼球運動測定装置１は、角膜２３へ赤外光Ｌ１を照射するＬＥＤ９１と、撮像部３からの撮像データＳ_２に基づいて、ＬＥＤ９１からの赤外光Ｌ１が角膜２３へ入射するようにＬＥＤ９１の位置を調整する光源位置調整手段５７とを備えることが好ましい。これによって、ＬＥＤ９１からの赤外光Ｌ１を角膜２３へ正確に照射して、角膜反射光像Ｌ２を精度良く得ることができる。

なお、本実施形態において、撮像方式設定手段５５は、部分読み出し時に、撮像部３のフレームレートを高めるように駆動信号生成手段５８を介して撮像部３を制御してもよい。これにより、光検出部３１の解像度はある程度制限されるが、眼球２１の高速運動を細かな時間間隔で撮像することができる。或いは、撮像方式設定手段５５は、角膜反射光像Ｌ２の移動情報と撮像部３のフレームレートとに基づいて、撮像部３の撮像領域を設定してもよい。これによって、例えばフレームレートが比較的大きく設定された場合に撮像領域を狭く設定することができるので、角膜反射光像Ｌ２の移動情報に応じて撮像部３のフレームレートを好適に設定することができる。なお、このとき、撮像方式設定手段５５は、撮像部３の解像度を適宜設定してもよい。

また、撮像方式設定手段５５は、上記した部分読み出し設定を行わずに、角膜反射光像Ｌ２の移動情報と撮像部３のフレームレートとに基づいて、撮像部３の解像度を設定してもよい。これによって、例えば撮像速度が比較的大きく設定された場合に解像度を下げることができるので、角膜反射光像Ｌ２の移動情報に応じて撮像部３の撮像速度を好適に設定することができる。

（第２の実施の形態）
図１８は、本発明による眼球運動測定装置の第２実施形態を示す構成図である。本実施形態による眼球運動測定装置２の構成は、以下の点において上記した第１実施形態の眼球運動測定装置１の構成と異なる。すなわち、本実施形態による眼球運動測定装置２は、図１８に示すように、右眼球２１ａ及び左眼球２１ｂにそれぞれ対応する一対のＬＥＤ９１ａ及び９１ｂ並びに一対のダイクロイックミラー４９ａ及び４９ｂと、ダイクロイックミラー４９ａ及び４９ｂの間に配置されたプリズム４６とをさらに備えている。

ＬＥＤ９１ａから右眼球２１ａの角膜２３ａに光が照射されると、右側角膜反射光像Ｌ３が生じる。ダイクロイックミラー４９ａは、右側角膜反射光像Ｌ３を撮像部３の光検出部３１へ反射するように配置されている。本実施形態では、右側角膜反射光像Ｌ３は、ダイクロイックミラー４９ａの反射面においてプリズム４６へ向けて反射した後、プリズム４６の第１の反射面４６ａにおいて再度反射する。そして、右側角膜反射光像Ｌ３は、集光レンズ１３により集光されて光検出部３１上に結像する。

ＬＥＤ９１ｂから左眼球２１ｂの角膜２３ｂに光が照射されると、左側角膜反射光像Ｌ４が生じる。ダイクロイックミラー４９ｂは、左側角膜反射光像Ｌ４を撮像部３の光検出部３１へ反射するように配置されている。本実施形態では、左側角膜反射光像Ｌ４は、ダイクロイックミラー４９ｂの反射面においてプリズム４６へ向けて反射した後、プリズム４６の第１の反射面４６ａとは異なる（例えば、第１の反射面４６ａと直交する）第２の反射面４６ｂにおいて再度反射する。そして、左側角膜反射光像Ｌ４は、集光レンズ１３により集光されて光検出部３１上に結像する。

視標表示部１９ａ及び１９ｂのそれぞれは、ダイクロイックミラー４９ａ及び４９ｂを挟んで角膜２３ａ及び２３ｂと対向するように設けられている。視標表示部１９ａ及び１９ｂは、被験者に視標を提示する。

また、本実施形態の眼球運動測定装置２は、次の点においても第１実施形態の眼球運動測定装置１とは異なっている。すなわち、眼球運動測定装置２の制御部５ａが有するミラー調整手段５６ａは、第１実施形態のミラー調整手段５６が有する機能に加え、さらに次の機能を有している。ミラー調整手段５６ａは、角膜２３ａからの右側角膜反射光像Ｌ３が光検出部３１における第１の領域（例えば、光検出部３１の半面）に入射し、角膜２３ｂからの左側角膜反射光像Ｌ４が光検出部３１における第１の領域とは異なる第２の領域（例えば、光検出部３１の他の半面）に入射するように、ダイクロイックミラー４９ａ及び４９ｂの位置及び角度を調整する。ミラー調整手段５６ａは、このようにダイクロイックミラー４９ａ及び４９ｂの位置及び角度を調整するためのミラー位置制御信号及びミラー角度制御信号を、各ダイクロイックミラーに対応して設けられた位置調整駆動回路及び角度調整駆動回路（図示せず）へ送る。これらの回路は、各ダイクロイックミラーが固定されている移動台及び回転台をミラー位置制御信号及びミラー角度制御信号に従い制御することによって、ダイクロイックミラー４９ａ及び４９ｂの位置及び角度を変更する。こうして、角膜２３ａからの右側角膜反射光像Ｌ３が光検出部３１における第１の領域に入射し、角膜２３ｂからの左側角膜反射光像Ｌ４が光検出部３１における第２の領域に入射する。

図１９は、本実施形態の眼球運動測定装置２の動作を示すフローチャートである。以下、図１９を参照しながら眼球運動測定装置２の動作について説明する。なお、以下の動作においては、まず右側角膜反射光像Ｌ３に関する調整を行い、続いて左側角膜反射光像Ｌ４に関する調整を行う。

眼球運動測定装置２では、まず、制御部５ａの駆動信号生成手段が撮像部３における撮像速度（フレームレート）を低速（例えば８［フレーム／秒］）に設定する（Ｓ４０１）。そして、ＬＥＤ９１ａからの光が角膜２３ａの中心付近を照射しているか否かを撮像データに基づいて判定し（Ｓ４０３）、中心付近を照射していない場合には、制御部５ａの光源位置調整手段がＬＥＤ９１ａの位置を調整する（Ｓ４０５）。

続いて、制御部５ａの駆動信号生成手段が、撮像部３における撮像速度（フレームレート）を高速（例えば１０２４［フレーム／秒］）に設定する（Ｓ４０７）。そして、制御部５ａの感度調整手段が、撮像データにおいて右側角膜反射光像Ｌ３を明瞭に判別できるように撮像部３における撮像データの増幅率を調整する（Ｓ４０９）。

続いて、右側角膜反射光像Ｌ３が光検出部３１の第１の領域に入射しているか否かを制御部５ａのミラー調整手段５６ａが撮像データに基づいて判定する（Ｓ４１１）。そして、右側角膜反射光像Ｌ３が第１の領域に入射していない場合、ミラー調整手段５６ａは、ダイクロイックミラー４９ａの位置及び角度を調整することにより、右側角膜反射光像Ｌ３を光検出部３１の第１の領域に入射させる（Ｓ４１３）。そして、ミラー調整手段５６ａは、撮像データにおける右側角膜反射光像Ｌ３の形状が真円に近づくように、ダイクロイックミラー４９ａの位置及び角度を調整する（Ｓ４１５）。続いて、制御部５の撮像方式設定手段が、撮像部３において右側角膜反射光像Ｌ３に対応する解像度及び撮像領域（部分読み出しモード）を設定する（Ｓ４１７）。なお、角膜反射光像の焦点合わせは、制御部５ａのミラー調整手段５６ａが角膜２３ａとダイクロイックミラー４９ａとの距離を調整することによって適宜行われる。

眼球運動測定装置２は、以上の動作を左側角膜反射光像Ｌ４に関しても同様に行う（Ｓ４１９）。なお、左側角膜反射光像Ｌ４に関する動作においては、制御部５のミラー調整手段５６ａは、ステップＳ４１３においてダイクロイックミラー４９ｂの位置及び角度を調整することによって左側角膜反射光像Ｌ４を光検出部３１の第２の領域に入射させる。

以上の動作によって眼球運動測定装置２の初期設定が完了し、固視微動測定などを両目同時に測定する本測定に移行する（Ｓ４２１）。

本実施形態による眼球運動測定装置２では、ミラー調整手段５６ａによってダイクロイックミラー４９ａ及び４９ｂの位置及び角度を調整することにより、左右の角膜２３ａ及び２３ｂからの角膜反射光像Ｌ３及びＬ４をそれぞれ光検出部３１の異なる領域に入射させている。このように、左右の角膜２３ａからの角膜反射光像Ｌ３及びＬ４を異なる領域に同時に入射させることにより、左右の角膜２３ａ及び２３ｂの動きを容易に測定できる。

本発明による眼球運動測定装置は、上記した各実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記した第１実施形態では、一つの眼球に対し一つの位置から角膜反射光像用の光を照射しているが、一つの眼球に対し複数の位置から角膜反射光像用の光を照射してもよい。例えば、一つの眼球に対し角膜反射光像用の光源を二箇所に配置した場合、光検出部において角膜反射光像が二つ得られる。このような場合には、第２実施形態に示したような第１の領域及び第２の領域を光検出部に設け、二つの角膜反射光像をそれぞれ第１及び第２の領域に入射させるとよい。一つの眼球に対し複数の角膜反射光像が存在する場合には、各角膜反射光像の移動を比較することによって、例えば、角膜反射光像の移動が同期していない場合には、検出系のノイズであると判断できるので、計測精度をさらに向上させることができる。

また、第２実施形態のように左右の眼球からの角膜反射光像を測定する場合においても、一つの角膜に対して複数の位置から角膜反射光像用の光を照射してもよい。このような場合には、制御部の駆動信号生成手段によって、左右の眼球に対応して設けられた光源をそれぞれ交互に点灯させるように制御するとよい。そして、一方の眼球からの複数の角膜反射光像を光検出部において対応する複数の領域に入射させることによって、光検出部の全領域を片眼の測定に割り当てることが可能になり、両眼球運動多重点同時測定を行うことができる。

また、光検出部に複数の角膜反射光像を入射させる際には、演算部における光量中心位置の算出の際に、画像データに対し平滑化処理を行ってもよい。これによって、複数の角膜反射光像の光量中心を高い精度で判別し、それぞれの光量中心位置座標を精度良く算出することができる。

図１は、本発明による眼球運動測定装置の第１実施形態を示す概略図である。図２は、第１実施形態による眼球運動測定装置の全体構成を示すブロック図である。図３は、光検出部と、アンプ、Ａ／Ｄ変換器、及び制御部との電気的接続関係を示す図である。図４は、アンプの構成を具体的に示す図である。図５は、感度調整手段における処理の流れを示すフローチャートである。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、制御部の感度調整手段による感度調整結果の一例を説明するための図である。図７は、ＬＥＤ、角膜、及びダイクロイックミラーの理想的な相対位置関係を示す図である。図８は、撮像部のフレームレートを８［枚／秒］に設定したときの、撮像データを示す図である。図９は、位置調整及び感度調整の後の撮像データの一例を示す図である。図１０は、ミラー調整手段による形状調整の処理の流れを示すフローチャートである。図１１（ａ）〜図１１（ｆ）は、角膜反射光像に関するヒストグラムを撮像データから求め、このヒストグラムに基づいて光源の位置を調整する様子を示す図である。図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、角膜反射光像に関するヒストグラムを撮像データから求め、このヒストグラムに基づいて角膜反射光像の形状を調整する様子を示す図である。図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、角膜反射光像の内接円及び外接円を求め、これらの円の径を近づけることによって角膜反射光像の形状を調整する様子を示す図である。図１４（ａ）及び（ｂ）は、撮像方式設定手段における、光検出部の解像度及び撮像領域の設定機能について説明するための図である。図１５は、図１４（ａ）に示した撮像領域を設定するために、撮像データにおける角膜反射光像の移動速度を算出する方法を説明する図である。図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、演算部の零次モーメント演算器及び一次モーメント演算器の内部構成の一例を示すブロック図である。図１７は、眼球運動測定装置の動作に関するフローチャートである。図１８は、本発明による眼球運動測定装置の第２実施形態を示す構成図である。図１９は、第２実施形態の眼球運動測定装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１、２…眼球運動測定装置、３…撮像部、４…光学部、５…制御部、７…演算部、８…視標表示部、９…照明部、１３…集光レンズ、１５…出力手段、１８…カメラ、２１…眼球、２３…角膜、３１…光検出部、３１ａ…画素、３３…増幅部、３５…Ａ／Ｄ変換部、３７…スイッチ部、４１…光結像部、４３…視軸コントローラ、４５…位置調整駆動回路、４７…角度調整駆動回路、４９…ダイクロイックミラー、５３…感度調整手段、５５…撮像方式設定手段、５６…ミラー調整手段、５７…光源位置調整手段、５８…駆動信号生成手段、７１…零次モーメント演算器、７３…一次モーメント演算器、７５…光量中心位置演算器、８１…演算器、８２…ビデオメモリ、８３…メモリコントローラ、９３…位置調整駆動回路、９５、９７…光源駆動回路。

Claims

角膜に光を照射することにより生じる角膜反射光像を撮像することにより、前記角膜の動きを測定する眼球運動測定装置であって、
二次元状に配列された複数の画素を含む光検出部を有し、前記光検出部に入射した前記角膜反射光像に関する前記画素毎の入射光量を示す撮像データを生成する撮像部と、
前記撮像部からの前記撮像データに基づいて算出される前記光検出部における前記角膜反射光像の入射位置の移動情報に基づいて、前記光検出部における解像度及び撮像領域の少なくとも一方を設定する撮像方式設定手段と
を備え、
前記撮像方式設定手段は、前記角膜反射光像の前記入射位置の移動速度が増加した場合に、前記光検出部の低解像度化及び撮像領域の広域化の少なくとも一方を設定し、前記角膜反射光像の前記入射位置の移動速度が減少した場合に、前記光検出部の高解像度化及び撮像領域の狭域化の少なくとも一方を設定することを特徴とする、眼球運動測定装置。
前記撮像方式設定手段が、前記角膜反射光像の前記入射位置として、前記光検出部に入射した前記角膜反射光像の光量中心位置を算出し、該光量中心位置の移動速度が増加した場合に、前記光検出部の低解像度化及び撮像領域の広域化の少なくとも一方を設定し、該光量中心位置の移動速度が減少した場合に、前記光検出部の高解像度化及び撮像領域の狭域化の少なくとも一方を設定することを特徴とする、請求項１に記載の眼球運動測定装置。
前記撮像方式設定手段が、前記撮像部の撮像速度が増加した場合に、前記光検出部の低解像度化及び撮像領域の狭域化の少なくとも一方を設定することを特徴とする、請求項１または２に記載の眼球運動測定装置。
前記角膜反射光像が入射した前記複数の画素のうち所定の前記画素に対応する前記撮像データの大きさが所定レベルよりも大きくなるように、前記撮像データの増幅率を調整する感度調整手段をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の眼球運動測定装置。
前記角膜からの前記角膜反射光像を前記光検出部へ反射させる反射ミラーと、
前記撮像部からの前記撮像データに基づいて前記反射ミラーの位置及び角度を調整するミラー調整手段と
をさらに備え、
前記ミラー調整手段が、前記光検出部に入射する前記角膜反射光像が真円に近づくように前記反射ミラーの位置及び角度を調整することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の眼球運動測定装置。
左右の前記角膜からの前記角膜反射光像を前記光検出部へ反射させる一対の反射ミラーと、
前記撮像部からの前記撮像データに基づいて前記一対の反射ミラーの位置及び角度を調整するミラー調整手段と
をさらに備え、
前記ミラー調整手段が、一方の前記角膜からの前記角膜反射光像が前記光検出部における第１の領域に入射し、他方の前記角膜からの前記角膜反射光像が前記光検出部における前記第１の領域とは異なる第２の領域に入射するように、前記反射ミラーの位置及び角度を調整することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の眼球運動測定装置。
前記角膜からの前記角膜反射光像を前記光検出部へ反射させる反射ミラーと、
前記撮像部からの前記撮像データに基づいて前記反射ミラーの位置及び角度を調整するミラー調整手段と
をさらに備え、
前記ミラー調整手段が、前記角膜反射光像が前記撮像データの中心に近づくように前記反射ミラーの位置を調整することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の眼球運動測定装置。
前記角膜へ前記光を照射する光源と、
前記撮像部からの前記撮像データに基づいて、前記光源からの前記光が前記角膜へ入射するように前記光源の位置を調整する光源位置調整手段と
をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の眼球運動測定装置。