JP7388507B2 - Surface-emitting laser for pupil or cornea position detection device, light source device, and eyeball tilt position detection device - Google Patents

Surface-emitting laser for pupil or cornea position detection device, light source device, and eyeball tilt position detection device Download PDF

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Description

本発明は、瞳孔又は角膜の位置検知装置用面発光レーザ、光源装置及び眼球の傾き位置検出装置に関する。 The present invention relates to a surface emitting laser for a pupil or cornea position detection device , a light source device, and an eyeball tilt position detection device.

近年、仮想現実(VR)、拡張現実(AR)に関わる技術・製品が注目されている。特にAR技術は、実空間においてデジタル情報を表示する手段として、産業分野への応用が期待されている。AR技術を活用する「人」は、認知情報の大部分を視覚から取得していることに鑑み、行動(作業)環境下において利用可能な眼鏡型映像表示装置が開発されている。また、このような眼鏡型映像表示装置として、レーザを用いて「人」の網膜上に直接映像を描画する網膜描画方式の眼鏡型映像表示装置が知られている。 In recent years, technologies and products related to virtual reality (VR) and augmented reality (AR) have been attracting attention. In particular, AR technology is expected to be applied to the industrial field as a means of displaying digital information in real space. In view of the fact that "people" who utilize AR technology acquire most of their cognitive information visually, glasses-type video display devices that can be used in behavioral (work) environments have been developed. Furthermore, as such a glasses-type image display device, a glasses-type image display device using a retinal drawing method that draws an image directly on a "person's" retina using a laser is known.

ところで、レーザを用いた網膜描画方式の眼鏡型映像表示装置では、角膜や瞳孔の大きさの制限から眼球運動を伴う行動(作業)環境下において、角膜や瞳孔の外周部等でレーザのケラレが発生し、所定の位置に所定の映像を描画できなくなる場合がある。 By the way, in glasses-type video display devices that use a retinal drawing method using a laser, the laser vignetting may occur on the outer periphery of the cornea or pupil in an action (work) environment that involves eye movement due to the size limitations of the cornea or pupil. This may occur, making it impossible to draw a specific image at a specific location.

このような課題に対し、角膜の位置を検知して映像の描画位置等にフィードバックするために、眼球上でレーザを走査するMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーと、反射光強度を検出するための光検出器と、検出強度から眼球上の角膜位置を推定する電子回路を備えたアイトラッキング技術が開示されている(例えば、特許文献1、非特許文献1参照)。 To address these issues, we have developed a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mirror that scans a laser on the eyeball in order to detect the position of the cornea and feed it back to the image drawing position, and a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mirror that scans the laser on the eyeball and a mirror that detects the intensity of reflected light. Eye tracking technology that includes a photodetector and an electronic circuit that estimates the corneal position on the eyeball from the detected intensity has been disclosed (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).

本発明は、光量の増大及びアライメント精度の向上を実現可能な瞳孔又は角膜の位置検知装置用面発光レーザを提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a surface emitting laser for a pupil or corneal position detection device that can increase the amount of light and improve alignment accuracy.

開示の技術の一態様に係る瞳孔又は角膜の位置検知装置用面発光レーザは、活性層と反射鏡によって光を発振させ光射出面から光学素子を介して射出する瞳孔又は角膜の位置検知装置用面発光レーザであって、前記光学素子から射出された光は、前記光射出面に対し垂直な方向から見て円環状である。 A surface emitting laser for a pupil or corneal position detecting device according to one aspect of the disclosed technology is a surface emitting laser for a pupil or corneal position detecting device in which light is oscillated by an active layer and a reflecting mirror and emitted from a light exit surface via an optical element. In the surface emitting laser, light emitted from the optical element has an annular shape when viewed from a direction perpendicular to the light exit surface.

本発明の実施形態によれば、光量の増大及びアライメント精度の向上を実現可能な瞳孔又は角膜の位置検知装置用面発光レーザを提供することができる。
According to the embodiments of the present invention, it is possible to provide a surface emitting laser for a pupil or cornea position detection device that can increase the amount of light and improve alignment accuracy.

第1の実施形態に係る瞳孔位置検知装置の構成の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a pupil position detection device according to a first embodiment. 第1の実施形態に係る瞳孔位置検知動作の一例を説明する図であり、(a)は眼球が正面を向いている時を示す図であり、(b)は眼球が回旋している時を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a pupil position detection operation according to the first embodiment, in which (a) is a diagram showing when the eyeball is facing forward, and (b) is a diagram showing when the eyeball is rotating. FIG. 第1の実施形態に係る処理部のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating an example of the hardware configuration of a processing unit according to the first embodiment. 第1の実施形態に係る処理部の構成要素の一例を機能ブロックで示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the components of the processing unit according to the first embodiment using functional blocks. 第1の実施形態に係る瞳孔位置算出部による処理の一例を示すフローチャートである。7 is a flowchart illustrating an example of processing by the pupil position calculation unit according to the first embodiment. 第1の実施形態に係る瞳孔位置検知装置の傾き位置検知の数値シミュレーションを説明する図であり、(a)は正視状態を基準角度とした場合の眼球の回旋角度の推定結果を表わすグラフであり、(b)は瞳孔の位置が正視の状態から右上方にある場合の眼球の回旋角度の推定結果を表わすグラフである。FIG. 3 is a diagram illustrating a numerical simulation of tilt position detection of the pupil position detection device according to the first embodiment, and (a) is a graph showing the estimation result of the rotation angle of the eyeball when the emmetropia state is used as the reference angle. , (b) is a graph showing the estimation result of the rotation angle of the eyeball when the pupil position is in the upper right direction from the state of emmetropia. 第1の実施形態に係る非回折光生成部の要部の構成の一例を説明する図であり、(a)はリングスリットによる光線の振る舞いを説明する図であり、(b)はアレイ状のリングスリットによる光線の振る舞いを説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the configuration of a main part of a non-diffracted light generating section according to the first embodiment, in which (a) is a diagram illustrating the behavior of light rays due to a ring slit, and (b) is a diagram illustrating the behavior of a light beam by a ring slit; It is a figure explaining the behavior of the light beam by a ring slit. 第1の実施形態の変形例1に係る瞳孔位置検知装置の構成の一例を示す図である。It is a figure showing an example of composition of a pupil position detection device concerning modification 1 of a 1st embodiment. 第1の実施形態の変形例2に係る瞳孔位置検知装置の構成の一例を示す図である。It is a figure showing an example of composition of a pupil position detection device concerning modification 2 of a 1st embodiment. 第1の実施形態の変形例3に係る瞳孔位置検知装置の非回折光生成部の要部の構成の一例を説明する図であり、(a)はアキシコンレンズによる光線の振る舞いを説明する図であり、(b)はアレイ状のアキシコンレンズによる光線の振る舞いを説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the configuration of a main part of a non-diffracted light generating section of a pupil position detection device according to modification 3 of the first embodiment, and (a) is a diagram illustrating behavior of light rays by an axicon lens. , and (b) is a diagram explaining the behavior of light rays due to an array of axicon lenses. 第1の実施形態の変形例4に係る瞳孔位置検知装置の非回折光生成部の要部の構成の一例を説明する図であり、(a)はDOEによる光線の振る舞いを説明する図であり、(b)はアレイ状のDOEによる光線の振る舞いを説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the configuration of a main part of a non-diffracted light generation section of a pupil position detection device according to a fourth modification of the first embodiment, and (a) is a diagram illustrating behavior of a light ray by a DOE; , (b) are diagrams illustrating the behavior of light rays due to an array of DOEs. 第1の実施形態の変形例5に係る瞳孔位置検知装置の非回折光生成部の要部の構成の一例を説明する図であり、(a)はアキシコンレンズ群による光線の振る舞いを説明する図であり、(b)はアレイ状のアキシコンレンズ群による光線の振る舞いを説明する図であり、(c)はアレイ状のアキシコンレンズと結像プレートによる光線の振る舞いを説明する図で、(d)はアレイ光源とアキシコンレンズとの間隔を狭めた場合を説明する図である。FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the configuration of a main part of a non-diffracted light generation section of a pupil position detection device according to a fifth modification of the first embodiment, and (a) illustrates behavior of light rays by an axicon lens group. FIG. 3B is a diagram illustrating the behavior of light rays due to an array-shaped axicon lens group, and FIG. (d) is a diagram illustrating a case where the distance between the array light source and the axicon lens is narrowed. 第1の実施形態の変形例6に係る瞳孔位置検知装置の非回折光生成部の要部の構成の一例を説明する図であり、(a)はDOE群による光線の振る舞いを説明する図であり、(b)はアレイ状のDOE群による光線の振る舞いを説明する図であり、(c)はアレイ状のDOEと結像プレートによる光線の振る舞いを説明する図であり、(d)はアレイ光源とDOEとの間隔を狭めた場合を説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the configuration of a main part of a non-diffracted light generating section of a pupil position detection device according to modification 6 of the first embodiment; FIG. (b) is a diagram explaining the behavior of light rays due to an array-shaped DOE group, (c) is a diagram explaining the behavior of light rays due to an array-shaped DOE group and an imaging plate, and (d) is a diagram explaining the behavior of light rays due to an array-shaped DOE group. FIG. 6 is a diagram illustrating a case where the distance between the light source and the DOE is narrowed. 第2の実施形態に係る眼球の傾き位置検知装置の構成の一例を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the configuration of an eyeball tilt position detection device according to a second embodiment. 第3の実施形態に係るVCSELの構成の一例を説明する図であり、(a)は活性層側にレーザ光を射出する例を説明する図であり、(b)は活性層側に光学素子を形成した例を説明する図であり、(c)は基板側にレーザ光を射出する例を説明する図であり、(d)は基板側に光学素子を形成した例を説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the configuration of a VCSEL according to a third embodiment, in which (a) is a diagram illustrating an example in which laser light is emitted to the active layer side, and (b) is a diagram illustrating an example in which a laser beam is emitted to the active layer side; (c) is a diagram illustrating an example in which a laser beam is emitted to the substrate side; (d) is a diagram illustrating an example in which an optical element is formed on the substrate side; FIG. . 第3の実施形態に係る光学素子の構成の一例を説明する図であり、(a)はリングスリットをVCSELの光射出面上に形成した構成の一例を説明する斜視図であり、(b)は断面図であり、(c)はアレイ状のリングスリットの構成の一例を示す断面図であり、(d)はDOEをVCSELの光射出面上に形成した構成の一例を説明する斜視図であり、(e)は断面図であり、(f)はアレイ状のDOEの構成の一例を説明する断面図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the configuration of an optical element according to a third embodiment, in which (a) is a perspective view illustrating an example of the configuration in which a ring slit is formed on the light exit surface of a VCSEL, and (b) is a sectional view, (c) is a sectional view showing an example of the configuration of an array of ring slits, and (d) is a perspective view illustrating an example of the configuration in which a DOE is formed on the light exit surface of the VCSEL. (e) is a cross-sectional view, and (f) is a cross-sectional view illustrating an example of the configuration of an array-shaped DOE. 第4の実施形態に係る表示装置の構成の一例を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the configuration of a display device according to a fourth embodiment. 特許文献1に記載されたアイトラッキング装置の構成を示す図である。1 is a diagram showing the configuration of an eye tracking device described in Patent Document 1. FIG.

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、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same components are given the same reference numerals, and redundant explanations may be omitted.

実施形態における「眼球の傾き位置」は、眼球の瞳孔や角膜の傾き、又は位置である。実施形態では、眼球の傾き位置検知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。 The "eyeball tilt position" in the embodiment is the tilt or position of the pupil or cornea of the eyeball. In the embodiment, a case where an eyeball inclination position detection device is mounted on a glasses-type support will be described as an example.

尚、実施形態では、「人」の右目の眼球の傾き位置検知装置を一例として説明するが、左目の眼球に対しても同様である。また眼球の傾き位置検知装置を2つ備え、両目の眼球に対して適用することもできる。 In the embodiment, a device for detecting the tilt position of the right eyeball of a "person" will be described as an example, but the same applies to the left eyeball. It is also possible to provide two eyeball tilt position detection devices and apply them to the eyeballs of both eyes.

[第1の実施形態]
第1の実施形態では、眼球の傾き位置検知装置の一例として、瞳孔位置検知装置10を説明する。
[First embodiment]
In the first embodiment, a pupil position detection device 10 will be described as an example of an eyeball tilt position detection device.

<瞳孔位置検知装置の構成>
図1は、本実施形態に係る瞳孔位置検知装置の構成の一例を示す図である。尚、図中に示されている矢印は、X方向、Y方向、及びZ方向を示している。
<Configuration of pupil position detection device>
FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a pupil position detection device according to this embodiment. Note that the arrows shown in the figure indicate the X direction, the Y direction, and the Z direction.

図1において、瞳孔位置検知装置10は、非回折光生成部1と、ミラー2と、光位置検出素子3と、処理部100とを有している。また非回折光生成部1は、アレイ光源4と、リングスリット5と、レンズ6とを有している。 In FIG. 1, a pupil position detection device 10 includes a non-diffracted light generation section 1, a mirror 2, an optical position detection element 3, and a processing section 100. The non-diffracted light generating section 1 also includes an array light source 4, a ring slit 5, and a lens 6.

非回折光生成部1は、眼鏡型支持体20の眼鏡フレーム21に設けられ、ミラー2と、光位置検出素子3は、眼鏡型支持体20の眼鏡レンズ22に固定されている。 The non-diffracted light generating section 1 is provided on the spectacle frame 21 of the spectacle-shaped support 20 , and the mirror 2 and the optical position detection element 3 are fixed to the spectacle lens 22 of the spectacle-shaped support 20 .

アレイ光源4は、XY平面内の複数の位置から、正のZ方向に指向性を有するレーザ光を射出するVCSEL(垂直共振器面発光レーザ;Vertical Cavity Surface Emitting LASER)である。アレイ光源4はレーザ光を射出する複数の発光部がXY平面内に2次元アレイ状に配列された光源であり、発光部は制御信号に応じて変化させることができる。 The array light source 4 is a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) that emits laser light having directivity in the positive Z direction from a plurality of positions in the XY plane. The array light source 4 is a light source in which a plurality of light emitting parts that emit laser light are arranged in a two-dimensional array in the XY plane, and the light emitting parts can be changed according to a control signal.

但し、アレイ光源4はVCSELに限定されるものではなく、指向性を有する光源であれば、LD(半導体レーザ;Laser Diode)等をXY平面内に2次元アレイ状に配列させてアレイ光源4を構成してもよい。尚、アレイ光源4は「光源」の一例であり、VCSELは「面発光レーザ」の一例である。 However, the array light source 4 is not limited to a VCSEL, and as long as it is a directional light source, the array light source 4 can be formed by arranging LDs (laser diodes) or the like in a two-dimensional array in the XY plane. may be configured. Note that the array light source 4 is an example of a "light source", and the VCSEL is an example of a "surface emitting laser".

アレイ光源4から射出される光の波長は、瞳孔位置を検知される「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ましい。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。 The wavelength of the light emitted from the array light source 4 is preferably that of near-infrared light, which is non-visible light, so as not to obstruct the visibility of the "person" whose pupil position is being detected. However, the light is not limited to this, and visible light may be used.

アレイ光源4から射出されたレーザ光は、リングスリット5とレンズ6によって、異なる波数ベクトルをもつ円環状の光(以下、リング光という)であるリング光61a及び61bに変換される。そしてリング光61a及び61bが干渉することで非回折光が生成される。この非回折光生成部1の構成については別途詳述する。 Laser light emitted from the array light source 4 is converted by the ring slit 5 and the lens 6 into ring lights 61a and 61b, which are annular lights (hereinafter referred to as ring lights) having different wave number vectors. Then, the ring lights 61a and 61b interfere to generate undiffracted light. The configuration of this non-diffracted light generating section 1 will be described in detail separately.

非回折光生成部1から射出された非回折光は、レンズ6で偏向(屈折)され、ミラー2により眼球30に向けて反射されて、正視時における眼球30の瞳孔31の中心に所定の角度で入射する。尚、ミラー2は眼球30の瞳孔31に対向する方向に設けられた光学系であり、「眼前光学系」の一例である。 The non-diffracted light emitted from the non-diffracted light generating section 1 is deflected (refracted) by the lens 6, reflected by the mirror 2 toward the eyeball 30, and is directed at a predetermined angle to the center of the pupil 31 of the eyeball 30 during emmetropia. incident at Note that the mirror 2 is an optical system provided in a direction facing the pupil 31 of the eyeball 30, and is an example of a "front eye optical system."

ここで、非回折光生成部1から射出された非回折光を眼球30に入射させるための光偏向手段は、レンズ6とミラー2に限定されない。アレイ光源4からの光を所定角度で眼球に入射させることが可能であれば、任意の部材又は任意の部材の組合せであってもよい。 Here, the light deflecting means for making the undiffracted light emitted from the undiffracted light generating section 1 enter the eyeball 30 is not limited to the lens 6 and the mirror 2. Any member or combination of members may be used as long as it is possible to make the light from the array light source 4 enter the eyeball at a predetermined angle.

光偏向手段として、凸レンズの他、マイクロレンズアレイ、凹型曲面ミラー、ホログラム回折素子、プリズムアレイ、又は回折格子の何れか1つ、又は何れか2つ以上の組合せを用いることで、瞳孔位置検知範囲の拡大、装置の小型化、瞳孔位置検知装置10の組み立て負荷低減等の効果が得られる。 As a light deflection means, in addition to a convex lens, by using any one of a microlens array, a concave curved mirror, a hologram diffraction element, a prism array, or a diffraction grating, or a combination of two or more of them, the pupil position detection range can be adjusted. Effects such as enlargement of the pupil position detection device 10, miniaturization of the device, and reduction in the assembly load of the pupil position detection device 10 can be obtained.

一方、角膜表面(瞳孔表面)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。瞳孔31付近に入射した光は眼球30の角膜表面で反射され、反射光は光位置検出素子3に入射する。ここで光位置検出素子3は、2次元PSD(Position Sensitive Detector)等であり、「光検出素子」の一例である。また角膜表面は「眼球の表面」の一例である。 On the other hand, the corneal surface (pupil surface) is a transparent body containing water and generally has a reflectance of about 2 to 4%. Light incident near the pupil 31 is reflected on the corneal surface of the eyeball 30, and the reflected light enters the optical position detection element 3. Here, the optical position detection element 3 is a two-dimensional PSD (Position Sensitive Detector) or the like, and is an example of a "photo detection element". Further, the corneal surface is an example of "the surface of the eyeball."

眼球30の傾きによって反射光の光位置検出素子3への入射位置が変わるため、光位置検出素子3による検出信号を座標情報に変換することで、眼球30の瞳孔位置を検知することができる。尚、PSDが検出するのは、反射点の法線ベクトルの向き、すなわち3次元形状である。検出された3次元形状と眼球モデルとの対応により瞳孔中心位置が「推定」される。 Since the incident position of the reflected light on the optical position detection element 3 changes depending on the inclination of the eyeball 30, the pupil position of the eyeball 30 can be detected by converting the detection signal from the optical position detection element 3 into coordinate information. Note that what the PSD detects is the direction of the normal vector of the reflection point, that is, the three-dimensional shape. The pupil center position is "estimated" based on the correspondence between the detected three-dimensional shape and the eyeball model.

二次元PSDは、直交2方向において、入射する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検出して検出信号を出力する。 A two-dimensional PSD detects a current value corresponding to the distance of incident light to an electrode in two orthogonal directions, detects the position of the incident light from a ratio of the current values in the two orthogonal directions, and outputs a detection signal.

ここで、二次元PSDは、入射光の光強度に依存せずに、入射光の位置を検出することができる。そのため、眼球30における反射位置等に起因して反射光量に差が生じたとしても、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。 Here, the two-dimensional PSD can detect the position of the incident light without depending on the light intensity of the incident light. Therefore, even if there is a difference in the amount of reflected light due to the reflection position on the eyeball 30, etc., highly sensitive position detection is possible without being affected by the difference in the amount of reflected light.

但し、光位置検出素子3は二次元PSDに限定はされない。X方向における入射光の位置を検出可能な1次元PSDをY方向に配列させたり、Y方向における入射光の位置を検出可能な1次元PSDをX方向に配列させたりして、入射光のXY平面内での位置を検出してもよい。CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)等の撮像素子を用いてもよい。 However, the optical position detection element 3 is not limited to a two-dimensional PSD. One-dimensional PSDs that can detect the position of incident light in the X direction are arranged in the Y direction, or one-dimensional PSDs that can detect the position of incident light in the Y direction are arranged in the X direction. The position within a plane may also be detected. An image sensor such as a CCD (Charge Coupled Device) or a CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) may be used.

1次元PSDは2次元PSD等と比較して安価であることから、瞳孔位置検知装置10のコストを抑制できる等の効果が得られる。 Since the one-dimensional PSD is cheaper than the two-dimensional PSD, etc., effects such as being able to suppress the cost of the pupil position detection device 10 can be obtained.

また光位置検出素子3として1次元PSD又は2次元PSDを用いると、CCDやCMOS等の撮像素子を用いた場合と比較して、位置検出に複雑な画像処理を要さないことから処理負荷を低減できる効果がある。 Furthermore, when a one-dimensional PSD or two-dimensional PSD is used as the optical position detection element 3, processing load is reduced because complex image processing is not required for position detection compared to when using an image sensor such as a CCD or CMOS. It has the effect of reducing

一方で、処理部100は、発光制御部110と、瞳孔位置算出部120と、出力部130とを有している。 On the other hand, the processing section 100 includes a light emission control section 110, a pupil position calculation section 120, and an output section 130.

発光制御部110は、アレイ光源4に電気的に接続され、制御信号を送信する。発光制御部110は、制御信号によりアレイ光源4において発光させる発光部を変化させ、また発光のタイミングを制御する。発光制御部110は、複数の発光部間の発光タイミングを所定のタイミングで変化させ、眼球30への光の入射角度を時系列に変化させることができる。 The light emission control unit 110 is electrically connected to the array light source 4 and transmits a control signal. The light emission control section 110 changes the light emitting section that emits light in the array light source 4 based on a control signal, and also controls the timing of light emission. The light emission control unit 110 can change the light emission timing between the plurality of light emitting units at a predetermined timing, and can change the incident angle of light onto the eyeball 30 in time series.

瞳孔位置算出部120は、光位置検出素子3に電気的に接続され、光位置検出素子3による検出信号を受信する。瞳孔位置算出部120は、検出信号に基づいて眼球30の回旋角及び瞳孔中心位置を算出し、算出結果を、出力部130を介して表示装置等の外部装置に出力する。ここで、瞳孔位置算出部120が出力部130を介して出力する眼球30の回旋角及び瞳孔中心位置は、「眼球の傾き位置情報」の一例である。 The pupil position calculation unit 120 is electrically connected to the optical position detection element 3 and receives a detection signal from the optical position detection element 3. The pupil position calculation unit 120 calculates the rotation angle and pupil center position of the eyeball 30 based on the detection signal, and outputs the calculation result to an external device such as a display device via the output unit 130. Here, the rotation angle and pupil center position of the eyeball 30 output by the pupil position calculation unit 120 via the output unit 130 are an example of “eyeball tilt position information”.

眼球30の回旋等の眼球運動により眼球30での反射光の方向が変わると、反射光が光位置検出素子3を外れてしまう場合がある。これを防ぐために発光制御部110は、アレイ光源4で発光させる発光部を順次、又は選択的に変更する。 When the direction of the reflected light from the eyeball 30 changes due to eye movement such as rotation of the eyeball 30, the reflected light may miss the optical position detection element 3. In order to prevent this, the light emission control section 110 sequentially or selectively changes the light emitting sections that are caused to emit light by the array light source 4.

発光部が変わると、アレイ光源4におけるXY平面内での発光位置が変わり、レンズ6とミラー2を介して眼球30に入射する光の入射角度が変化する。これにより眼球30で反射され、光位置検出素子3に入射する光の位置を変化させることができる。従って眼球30の眼球運動に応じてアレイ光源4で発光させる発光部を変化させることで、眼球30での反射光が光位置検出素子3から外れることを防止できる。 When the light emitting section changes, the light emitting position within the XY plane in the array light source 4 changes, and the incident angle of the light that enters the eyeball 30 via the lens 6 and mirror 2 changes. Thereby, the position of the light reflected by the eyeball 30 and incident on the optical position detection element 3 can be changed. Therefore, by changing the light emitting part emitted by the array light source 4 according to the eyeball movement of the eyeball 30, it is possible to prevent the reflected light from the eyeball 30 from deviating from the optical position detection element 3.

<瞳孔位置検知装置の動作>
図2は、瞳孔位置検知装置10による瞳孔位置検知の動作の一例を説明する図であり、(a)は眼球30の正視時、つまり眼球30が正面を向いている時を示し、(b)は眼球30が回旋している時を示している。図2では、アレイ光源4の2つの発光部から射出された光の振る舞いを示している。一方の発光部からの光4aは点線で表され、他方の発光部からの光4bは一点鎖線で表されている。
<Operation of pupil position detection device>
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the operation of detecting the pupil position by the pupil position detection device 10, in which (a) shows the case when the eyeball 30 is looking straight ahead, that is, when the eyeball 30 is facing forward, and (b) indicates when the eyeball 30 is rotating. FIG. 2 shows the behavior of light emitted from two light emitting parts of the array light source 4. Light 4a from one light emitting part is represented by a dotted line, and light 4b from the other light emitting part is represented by a dashed line.

図2(a)において、光4aは眼球30で反射され、光位置検出素子3の中央付近に入射している。光位置検出素子3は眼球30の回旋に応じた光4aの入射位置の変化を検出でき、瞳孔位置算出部120は光位置検出素子3の検出信号に基づいて眼球30の瞳孔位置を算出することができる。 In FIG. 2A, the light 4a is reflected by the eyeball 30 and is incident near the center of the optical position detection element 3. The optical position detection element 3 can detect a change in the incident position of the light 4a according to the rotation of the eyeball 30, and the pupil position calculation section 120 calculates the pupil position of the eyeball 30 based on the detection signal of the optical position detection element 3. I can do it.

一方、一点鎖線で示されている光4bは、眼球30で反射された後、光位置検出素子3に入射していない。そのため光位置検出素子3は光4bを検出することができず、瞳孔位置算出部120は眼球30の瞳孔位置を算出することができない。 On the other hand, the light 4b indicated by the dashed line does not enter the optical position detection element 3 after being reflected by the eyeball 30. Therefore, the optical position detection element 3 cannot detect the light 4b, and the pupil position calculation unit 120 cannot calculate the pupil position of the eyeball 30.

一方、図2(b)に示されているように、図2(a)に対して眼球30が大きく回旋すると、光4aは光位置検出素子3から外れている。反対に光4bは光位置検出素子3の中央付近に入射しているため、光位置検出素子3は光4bを検出でき、瞳孔位置算出部120は眼球30の瞳孔位置を算出することができる。 On the other hand, as shown in FIG. 2(b), when the eyeball 30 rotates significantly with respect to FIG. 2(a), the light 4a is removed from the optical position detection element 3. On the other hand, since the light 4b is incident near the center of the optical position detection element 3, the optical position detection element 3 can detect the light 4b, and the pupil position calculation unit 120 can calculate the pupil position of the eyeball 30.

このように、一つの発光部からの光では、限られた角度範囲でしか眼球30の眼球運動を検知できないのに対し、本実施形態ではアレイ光源4の発光部を変化させることで、眼球30への入射角度を変化させることができる。これにより眼球30の眼球運動及び瞳孔位置の検知範囲を拡大することができる。 In this way, the eye movement of the eyeball 30 can only be detected in a limited angular range with light from one light emitting part, whereas in this embodiment, by changing the light emitting part of the array light source 4, the eye movement of the eyeball 30 can be detected. The angle of incidence can be changed. Thereby, the detection range of the eyeball movement of the eyeball 30 and the pupil position can be expanded.

アレイ光源4の発光部は、眼球30の眼球運動に応じた発光制御部110からの制御信号に基づき、時系列に変化される。眼球30の眼球運動に応じて(追従して)発光部を制御することで、光利用効率向上や推定時間の短縮を図ることができる。但し、必ずしも「眼球運動に応じる」必要はない。例えば、眼球運動とは独立に一定時間間隔で発光部位置をラスター走査し、眼球の粗動位置を取得してもよい。 The light emitting section of the array light source 4 is changed in time series based on a control signal from the light emission control section 110 according to the eye movement of the eyeball 30. By controlling the light emitting unit according to (following) the eyeball movement of the eyeball 30, it is possible to improve the light utilization efficiency and shorten the estimation time. However, it is not necessarily necessary to "respond to eye movements." For example, the position of the light emitting part may be raster scanned at fixed time intervals independently of the eyeball movement to obtain the coarse movement position of the eyeball.

図2では説明を簡略化するため、2つの発光部から射出された光のみを例示したが、アレイ光源4の備えるさらに多くの発光部を利用してもよい。この場合、光位置検出素子3の大きさと眼球の大きさに応じて、眼球30の瞳孔位置が適切に検知されるように、アレイ光源4の発光部の数、及び位置は適正化される。 In FIG. 2, in order to simplify the explanation, only light emitted from two light emitting parts is illustrated, but more light emitting parts provided in the array light source 4 may be used. In this case, the number and position of the light emitting parts of the array light source 4 are optimized according to the size of the optical position detection element 3 and the size of the eyeball so that the pupil position of the eyeball 30 can be appropriately detected.

次に、図3は、本実施形態に係る処理部100のハードウェア構成の一例を機能ブロックで示す図である。 Next, FIG. 3 is a diagram showing an example of the hardware configuration of the processing unit 100 according to the present embodiment using functional blocks.

処理部100は、CPU(Central Processing Unit)101と、ROM(Read Only Memory)102と、RAM(Random Access Memory)103と、入出力I/F(Interface)104とを有している。これらは、システムバス105を介して相互に接続されている。 The processing unit 100 includes a CPU (Central Processing Unit) 101, a ROM (Read Only Memory) 102, a RAM (Random Access Memory) 103, and an input/output I/F (Interface) 104. These are interconnected via a system bus 105.

CPU101は、処理部100の動作を統括的に制御する。またCPU101は、光位置検出素子3の検出信号に基づき、眼球30の瞳孔位置を算出する処理を実行する。 The CPU 101 centrally controls the operation of the processing unit 100. Further, the CPU 101 executes a process of calculating the pupil position of the eyeball 30 based on the detection signal of the optical position detection element 3.

CPU101は、RAM103をワークエリア(作業領域)としてROM102等に格納されたプログラムを実行することで、上記の制御及び処理を実行し、後述する各種機能を実現する。尚、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)といったワイヤードロジックによるハードウェアにより実現させてもよい。 The CPU 101 executes the programs stored in the ROM 102 and the like using the RAM 103 as a work area, thereby executing the above control and processing and realizing various functions described below. Note that some or all of the functions of the CPU 101 may be realized by hardware using wired logic such as an ASIC (application specific integrated circuit) or an FPGA (field-programmable gate array).

また入出力I/F104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。 Further, the input/output I/F 104 is an interface for connecting to external equipment such as a PC (Personal Computer) and video equipment.

図4は、本実施形態に係る処理部100が有する構成要素の一例を機能ブロックで示す図である。尚、図4に図示される各機能ブロックは概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。各機能ブロックの全部又は一部を、任意の単位で機能的又は物理的に分散・結合して構成してもよい。 FIG. 4 is a diagram showing, in functional blocks, an example of the components included in the processing unit 100 according to the present embodiment. Note that each functional block illustrated in FIG. 4 is conceptual and does not necessarily need to be physically configured as illustrated. All or part of each functional block may be configured by functionally or physically distributing and combining in arbitrary units.

上述のように、処理部100は発光制御部110と、瞳孔位置算出部120と、出力部130とを有している。発光制御部110の機能は、上述した通りである。一方、瞳孔位置算出部120は、検出信号受信部121と、眼球回旋角度推定部122と、瞳孔中心位置算出部123とを有している。 As described above, the processing section 100 includes the light emission control section 110, the pupil position calculation section 120, and the output section 130. The functions of the light emission control section 110 are as described above. On the other hand, the pupil position calculation section 120 includes a detection signal reception section 121 , an eyeball rotation angle estimation section 122 , and a pupil center position calculation section 123 .

検出信号受信部121は、光位置検出素子3が出力する検出信号を受信し、眼球回旋角度推定部122に出力する。 The detection signal receiving section 121 receives the detection signal output from the optical position detection element 3 and outputs it to the eyeball rotation angle estimation section 122 .

眼球回旋角度推定部122は、光位置検出素子3の検出信号に基づき、眼球30の回旋角度を推定し、推定した回旋角度を瞳孔中心位置算出部123に出力する。 The eyeball rotation angle estimation section 122 estimates the rotation angle of the eyeball 30 based on the detection signal of the optical position detection element 3, and outputs the estimated rotation angle to the pupil center position calculation section 123.

瞳孔中心位置算出部123は、眼球30の回旋角度に基づき、瞳孔31の中心位置を算出して出力部130に出力する。 The pupil center position calculation unit 123 calculates the center position of the pupil 31 based on the rotation angle of the eyeball 30 and outputs it to the output unit 130.

出力部130は、瞳孔位置算出部120による算出結果を、入出力I/F104を介して表示装置等の外部装置に出力する。 The output unit 130 outputs the calculation result by the pupil position calculation unit 120 to an external device such as a display device via the input/output I/F 104.

図5は、本実施形態に係る瞳孔位置算出部120による処理の一例を示すフローチャートである。 FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of processing by the pupil position calculation unit 120 according to the present embodiment.

先ずステップS51に先立ち、瞳孔位置算出のための事前準備として、アレイ光源4から射出された光が眼球30に入射する角度が設計され、眼球30の回旋角度の算出式が決定される。 First, prior to step S51, as a preliminary preparation for calculating the pupil position, the angle at which the light emitted from the array light source 4 enters the eyeball 30 is designed, and a calculation formula for the rotation angle of the eyeball 30 is determined.

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、これに限定はされない。設計された光線入射角度と光位置検出素子3上の反射光線の着地位置から回旋角度が定ま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、シミュレーションでは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 eyeball 30 is a linear function or a quadratic function. However, it is not limited to this. The format of the formula does not matter as long as the rotation angle is determined from the designed light beam incident angle and the landing position of the reflected light beam on the optical position detection element 3. As a simple approximation formula, a calculation formula using a quadratic function is used in the simulation.

光が眼球30に入射する角度の設計には、眼球30の表面形状のモデルが利用される。一般的な眼球表面形状のモデルとしては、略式模型眼などが古くから知られている(例えば、「眼の光学的機構」、精密機械27-11、1961参照)。 A model of the surface shape of the eyeball 30 is used to design the angle at which light enters the eyeball 30. As a general model of the eyeball surface shape, a schematic model of the eye has been known for a long time (see, for example, "Optical Mechanism of the Eye", Precision Instruments 27-11, 1961).

ミラー2(図1、及び図2参照)は、アレイ光源4から射出された光の集光点に配置されている。ミラー2で反射された光は、眼球30に入射する。眼球30への入射光は、所定の角度だけ回旋した眼球30で反射され、光位置検出素子3に向けて伝搬する。この伝搬光が光位置検出素子3の中心位置に入射されるように、眼球30に入射させる光の角度を予め光線追跡計算等により決めておく。 The mirror 2 (see FIGS. 1 and 2) is arranged at the focal point of the light emitted from the array light source 4. The light reflected by the mirror 2 enters the eyeball 30. The light incident on the eyeball 30 is reflected by the eyeball 30 that has been rotated by a predetermined angle, and propagates toward the optical position detection element 3 . The angle of the light incident on the eyeball 30 is determined in advance by ray tracing calculation or the like so that this propagated light is incident on the center position of the optical position detection element 3.

光位置検出素子3への光の入射位置は、眼球30への光の入射角度、眼球30での光の反射位置、及び眼球30表面の接面の傾きに基づき、理論解析可能である。このような理論解析の解から、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。 The incident position of the light on the optical position detection element 3 can be theoretically analyzed based on the incident angle of the light on the eyeball 30, the reflection position of the light on the eyeball 30, and the inclination of the contact surface of the eyeball 30 surface. From the solution of such theoretical analysis, an inverse calculation formula (approximate formula) for estimating the rotation angle of the eyeball 30 by polynomial approximation is determined.

以上が、図5のステップS51に先立ち、瞳孔位置算出のために実施される事前準備である。眼球30に入射させる光の角度と、眼球30の回旋角度を推定する逆演算式は、処理部100のROM102等のメモリに記憶され、発光制御部110による発光制御や、瞳孔位置算出部120による瞳孔位置算出において参照される。 The above is the advance preparation performed for calculating the pupil position prior to step S51 in FIG. The inverse calculation formula for estimating the angle of light incident on the eyeball 30 and the rotation angle of the eyeball 30 is stored in a memory such as the ROM 102 of the processing unit 100, and is controlled by the light emission control unit 110 and the pupil position calculation unit 120. Referenced in pupil position calculation.

次に、ステップS51において、発光制御部110は、事前に決定された光の入射角度に応じて、アレイ光源4の発光部の少なくとも1つを所定のタイミングで発光させる。光位置検出素子3は、アレイ光源4から射出され、眼球30での反射された光を検出し、検出信号を処理部100に出力する。処理部100の検出信号受信部121は、受信した光位置検出素子3の検出信号を眼球回旋角度推定部122に出力する。 Next, in step S51, the light emission control section 110 causes at least one of the light emitting sections of the array light source 4 to emit light at a predetermined timing according to a predetermined incident angle of light. The optical position detection element 3 detects the light emitted from the array light source 4 and reflected by the eyeball 30, and outputs a detection signal to the processing section 100. The detection signal receiving section 121 of the processing section 100 outputs the received detection signal of the optical position detection element 3 to the eyeball rotation angle estimation section 122.

続いて、ステップS53において、眼球回旋角度推定部122は入力した検出信号(位置データ)を、上述の逆演算式に代入し、眼球回旋角度を算出する。眼球回旋角度推定部122は、算出した眼球回旋角度を瞳孔中心位置算出部123に出力する。 Subsequently, in step S53, the eyeball rotation angle estimation unit 122 substitutes the input detection signal (position data) into the above-mentioned inverse calculation formula to calculate the eyeball rotation angle. The eyeball rotation angle estimation unit 122 outputs the calculated eyeball rotation angle to the pupil center position calculation unit 123.

続いて、ステップS55において、瞳孔中心位置算出部123は、入力した眼球回旋角度に基づき、眼球表面形状のモデルを用いて瞳孔中心位置を算出し、出力部130を介して外部装置等に出力する。 Subsequently, in step S55, the pupil center position calculation unit 123 calculates the pupil center position using the model of the eyeball surface shape based on the input eyeball rotation angle, and outputs it to an external device etc. via the output unit 130. .

このようにして瞳孔位置検知装置10は眼球30の瞳孔位置を検知することができる。 In this way, the pupil position detection device 10 can detect the pupil position of the eyeball 30.

次に、図6は、瞳孔位置検知装置10の原理検証のために実施した数値シミュレーションを説明する図である。 Next, FIG. 6 is a diagram illustrating a numerical simulation carried out to verify the principle of the pupil position detection device 10.

この数値シミュレーションでは、図1において、眼球30から+Z軸方向に10mm離れた平面内に配置されたミラー2及び光位置検出素子3を想定する。X方向に5点、Y方向に3点、ともに5°刻みで回旋角度を変化させた時の眼球30の角度を基準角度(θx,θy)とする。 In this numerical simulation, in FIG. 1, it is assumed that the mirror 2 and the optical position detection element 3 are arranged in a plane 10 mm away from the eyeball 30 in the +Z-axis direction. The reference angle (θx, θy) is the angle of the eyeball 30 when the rotation angle is changed at 5° increments at 5 points in the X direction and 3 points in the Y direction.

図6の横軸はX方向の眼球回旋角度の変化量で、縦軸はY方向の眼球回旋角度の変化量である。回旋角度をX方向に5点、Y方向に3点、ともに5°刻みで変化させたそれぞれの入射角を、基準(角度変化量(0、0))にした値である。 The horizontal axis of FIG. 6 is the amount of change in the eyeball rotation angle in the X direction, and the vertical axis is the amount of change in the eyeball rotation angle in the Y direction. This value is based on the incident angles obtained by changing the rotation angle at 5 points in the X direction and 3 points in the Y direction, both in 5° increments, as a reference (angle change amount (0, 0)).

数値シミュレーションでは、眼球30で反射され、光位置検出素子3の中央に入射する光のミラー2の位置での射出角度(ミラー2での反射角度)を、眼球30の基準角度毎に数値演算により求めた。尚、光位置検出素子3の中央は、座標(0、0)として表現される。 In the numerical simulation, the exit angle at the position of the mirror 2 (reflection angle at the mirror 2) of the light reflected by the eyeball 30 and incident on the center of the optical position detection element 3 is calculated by numerical calculation for each reference angle of the eyeball 30. I asked for it. Note that the center of the optical position detection element 3 is expressed as coordinates (0, 0).

また、射出角度毎の光と、眼球30の基準角度(θx,θy)との差分(Δθx、Δθy)を、光位置検出素子3への入射位置(x,y)から推定する逆演算式を用いて2次関数により表現し、その係数をテイラー展開による方法で数値的に算出した。 In addition, an inverse calculation formula for estimating the difference (Δθx, Δθy) between the light at each exit angle and the reference angle (θx, θy) of the eyeball 30 from the incident position (x, y) to the light position detection element 3 is calculated. was expressed by a quadratic function, and its coefficients were calculated numerically using a Taylor expansion method.

図6(a)は、基準角度を(θx,θy)=(0°,0°)とした場合、すなわち正視状態を基準角度とした場合の眼球30の回旋角度の推定結果を表わすグラフである。図6(a)において、格子点は実際の眼球30の回旋角度であり、ドットが推定位置である。眼球30の回旋角度が小さい場合には、良好な一致が得られている。この場合、|Δθx|≦2.5°の範囲で、誤差は最大0.1°程度に収まっている。ここで2.5°という数値は、基準角度を5°刻みとした半分の値であり、光が検出されていない領域が生じないための条件を意味している。また、ミラー2と光位置検出素子3を平面内でX方向に配置した構成を想定したことから、Y方向の誤差はX方向よりも小さな値となっている。 FIG. 6(a) is a graph showing the estimation result of the rotation angle of the eyeball 30 when the reference angle is (θx, θy) = (0°, 0°), that is, when the emmetropic state is used as the reference angle. . In FIG. 6(a), the grid points are the actual rotation angles of the eyeball 30, and the dots are the estimated positions. Good agreement is obtained when the rotation angle of the eyeball 30 is small. In this case, within the range of |Δθx|≦2.5°, the error is within a maximum of about 0.1°. Here, the numerical value of 2.5° is a half value of the reference angle in 5° increments, and means a condition to prevent an area where no light is detected from occurring. Furthermore, since a configuration is assumed in which the mirror 2 and the optical position detection element 3 are arranged in the X direction within a plane, the error in the Y direction is a smaller value than in the X direction.

図6(b)は、基準角度を(θx,θy)=(10°,5°)とした場合、すなわち瞳孔31の位置が正視の状態から右上方にある場合の結果である。図6(a)の結果と同等の誤差範囲で、眼球30の回旋角度が推定されている。 FIG. 6(b) shows the result when the reference angle is (θx, θy)=(10°, 5°), that is, when the position of the pupil 31 is in the upper right direction from the state of emmetropia. The rotation angle of the eyeball 30 is estimated within the same error range as the result in FIG. 6(a).

上記の数値シミュレーション結果は、眼球30の回旋角度の推定値を示したものである。眼球30の回旋角度は、正視の方向であるZ軸に対し、眼球30の中心、すなわち回旋の中心位置と角膜の中心位置とを結ぶ直線がなす角度と定義することができる。従って瞳孔31の位置は、眼球30の中心位置と角膜の中心位置との距離だけ、眼球30の中心位置から眼球30の回旋角度の方向に離れた座標として、算出可能である。尚、眼球30の中心位置から角膜の中心位置までの距離は、予め眼球モデルで与えられる。 The above numerical simulation results show an estimated value of the rotation angle of the eyeball 30. The rotation angle of the eyeball 30 can be defined as the angle formed by a straight line connecting the center of the eyeball 30, that is, the center of rotation and the center of the cornea, with respect to the Z axis, which is the direction of emmetropia. Therefore, the position of the pupil 31 can be calculated as a coordinate spaced from the center position of the eyeball 30 in the direction of the rotation angle of the eyeball 30 by the distance between the center position of the eyeball 30 and the center position of the cornea. Note that the distance from the center position of the eyeball 30 to the center position of the cornea is given in advance in the eyeball model.

このように、図5に示した瞳孔位置算出部120の算出処理によって、十分な精度で眼球30の瞳孔位置を算出できることが検証された。 In this way, it has been verified that the pupil position of the eyeball 30 can be calculated with sufficient accuracy by the calculation process of the pupil position calculation unit 120 shown in FIG.

尚、瞳孔位置検知装置10では、変化させたアレイ光源4の発光部の位置に基づいて、眼球30の大きな動き(粗動)を検知し、眼球30で反射された光の光位置検出素子3への入射位置に基づいて、眼球の小さな動き(微動)を検知することで、眼球30の瞳孔位置を広範囲かつ高精度に検知してもよい。 The pupil position detection device 10 detects a large movement (coarse movement) of the eyeball 30 based on the changed position of the light emitting part of the array light source 4, and detects the light reflected by the eyeball 30 using the optical position detection element 3. The pupil position of the eyeball 30 may be detected over a wide range and with high precision by detecting small movements (fine movements) of the eyeball based on the incident position.

<非回折光生成部の構成等>
次に、非回折光生成部1の構成について説明する。
<Configuration of non-diffracted light generating section, etc.>
Next, the configuration of the non-diffracted light generating section 1 will be explained.

アレイ光源4は、ガウス型ビームのレーザ光を射出する。ここで、ガウス型ビームとは、ビーム断面の光強度分布をガウス分布とみなせる光ビームをいう。 The array light source 4 emits a Gaussian beam of laser light. Here, the Gaussian beam refers to a light beam whose light intensity distribution in the cross section of the beam can be regarded as a Gaussian distribution.

ガウス型ビームのビーム径w(z)は、以下の(1)式で表される。 The beam diameter w(z) of the Gaussian beam is expressed by the following equation (1).

Figure 0007388507000001
但し、(1)式において、wはレーザ光のビームウェスト径を表し、Zはビームウェストからの光軸方向の距離を表す。またZは、ビームウェスト径wとレーザ光の波長λを用いて、次の(2)式で表される変数である。
Figure 0007388507000001
However, in equation (1), w 0 represents the beam waist diameter of the laser beam, and Z represents the distance from the beam waist in the optical axis direction. Further, Z R is a variable expressed by the following equation (2) using the beam waist diameter w 0 and the wavelength λ of the laser light.

Figure 0007388507000002
(1)式は、ガウス型ビームのレーザ光は、焦点深度が浅く、ビームウエスト(集光位置)からのレーザ光の伝搬距離に応じて、ビーム径が大きくなる特性があることを示している。
Figure 0007388507000002
Equation (1) shows that a Gaussian beam laser beam has a shallow depth of focus, and the beam diameter increases depending on the propagation distance of the laser beam from the beam waist (focusing position). .

図1において、アレイ光源4から射出されたガウス型ビームのレーザ光は、リングスリット5とレンズ6によって、光伝播方向と平行な断面を見ると2本の平行光であり、異なる波数ベクトルをもつ円環状の光(以下、リング光という)であるリング光61a及び61bに変換される。そしてリング光61a及び61bが干渉することで非回折光が生成される。図1で、斜線ハッチングで示した非回折光領域71aは、生成された非回折光が伝搬する領域を示している。ここで、リング光は、「円環状の光」の一例である。また、「異なる波数ベクトルをもつ円環状の光」は、光伝播方向と平行な断面を見ると2本の平行光である円環状の収束光、又は発散光等である。 In FIG. 1, a Gaussian beam laser beam emitted from an array light source 4 is formed by a ring slit 5 and a lens 6, and when viewed in a cross section parallel to the light propagation direction, it becomes two parallel beams with different wave number vectors. The light is converted into ring lights 61a and 61b which are annular lights (hereinafter referred to as ring lights). Then, the ring lights 61a and 61b interfere to generate undiffracted light. In FIG. 1, the undiffracted light region 71a indicated by diagonal hatching indicates the region through which the generated undiffracted light propagates. Here, the ring light is an example of "circular light." Further, "ring-shaped light having different wave number vectors" refers to toric-shaped convergent light, which is two parallel lights when viewed in a cross section parallel to the light propagation direction, or diverging light.

ここで、非回折光は、上述の(1)式の特性を有さず、回折現象に伴ったビーム径の広がりが生じない光である。つまり焦点深度が深く、ビームウエスト(集光位置)からのレーザ光の伝搬距離に応じてビーム径が大きくならない特性を有する光である。 Here, the undiffracted light is light that does not have the characteristic of the above-mentioned formula (1), and the beam diameter does not widen due to the diffraction phenomenon. In other words, it is light that has a deep depth of focus and a characteristic that the beam diameter does not increase depending on the propagation distance of the laser light from the beam waist (focusing position).

このような非回折光の特性は、以下の[1]~[3]のように整理することができる。
[1]回折しない。
[2]長距離を伝播することができる。
[3]回折限界を超えた分解能で集光(結像)することができる。
The characteristics of such undiffracted light can be summarized as follows [1] to [3].
[1] No diffraction.
[2] Can propagate over long distances.
[3] Light can be focused (imaged) with a resolution exceeding the diffraction limit.

非回折光には、ベッセルビーム、エアリービーム、ウェーバービーム、長距離伝搬非回折ビーム(LRNB;Long Range Nondiffracting Beam)等がある。 Non-diffracted light includes a Bessel beam, an Airy beam, a Weber beam, a long-range nondiffracting beam (LRNB), and the like.

尚、完全な非回折光の生成には無限のエネルギーが必要となるため、実際には完全な非回折光を生成することはできず、近似された近似非回折光が生成されることになるが、説明を簡略にするため、以下では、便宜的に近似非回折光のことを非回折光と称する。 Furthermore, since infinite energy is required to generate a perfect undiffracted light, it is actually not possible to generate a perfect undiffracted light, but an approximated undiffracted light is generated. However, in order to simplify the explanation, the approximate undiffracted light will be referred to as undiffracted light hereinafter for convenience.

図7は、非回折光生成部1の要部の構成の一例を説明する図であり、(a)はリングスリット5による光線の振る舞いを説明する図であり、(b)はアレイ状のリングスリット5による光線の振る舞いを説明する図である。 7A and 7B are diagrams illustrating an example of the configuration of the essential parts of the non-diffracted light generating section 1, in which (a) is a diagram illustrating the behavior of the light beam by the ring slit 5, and (b) is a diagram illustrating the behavior of the light beam by the ring slit 5. 5 is a diagram illustrating the behavior of light rays due to the slit 5. FIG.

図7(a)において、図示を省略するアレイ光源4の1つの発光部から射出された光は、リングスリット5で回折され、レンズ6で偏向(屈折)されて、異なる波数ベクトルをもつリング光に変換される。リング光が非回折光領域71で重ね合されて干渉することで、非回折光が生成される。生成される非回折光のビームウエスト径や、非回折光領域71Aの位置や大きさは、リングスリット5の半径、リングスリット5とレンズ6の距離、及びレンズ6の曲率等により決定される。 In FIG. 7(a), light emitted from one light emitting part of an array light source 4 (not shown) is diffracted by a ring slit 5, deflected (refracted) by a lens 6, and is then formed into a ring light beam having a different wave number vector. is converted to Non-diffracted light is generated by the ring lights being superimposed and interfering in the non-diffracted light region 71. The beam waist diameter of the generated undiffracted light and the position and size of the undiffracted light region 71A are determined by the radius of the ring slit 5, the distance between the ring slit 5 and the lens 6, the curvature of the lens 6, and the like.

図7(b)は、リングスリット5及びレンズ6をそれぞれアレイ状に並べて構成した非回折光生成部1の要部を示している。図示を省略するアレイ光源4の各発光部の配列間隔と、アレイ状のリングスリット5及びアレイ状のレンズ6のそれぞれの配列間隔を一致させることで、非回折光領域71にアレイ状の非回折光を生成することができる。 FIG. 7(b) shows a main part of the non-diffracted light generating section 1, which is constructed by arranging ring slits 5 and lenses 6 in an array. By matching the arrangement spacing of each light emitting part of the array light source 4 (not shown) with the arrangement spacing of each of the arrayed ring slits 5 and the arrayed lenses 6, an arrayed non-diffracting light region 71 is formed. Can generate light.

図1に戻り、生成された非回折光は、非回折光領域71aを伝搬し、眼球30の角膜表面で反射される。反射された非回折光は、非回折光領域72aを伝搬して光位置検出素子3に入射する。入射した光の光位置検出素子3による検出信号に基づき、眼球30の瞳孔位置が検知される。 Returning to FIG. 1, the generated undiffracted light propagates through the undiffracted light region 71a and is reflected on the corneal surface of the eyeball 30. The reflected undiffracted light propagates through the undiffracted light region 72a and enters the optical position detection element 3. The pupil position of the eyeball 30 is detected based on the detection signal of the incident light by the optical position detection element 3.

本実施形態では、非回折光を眼球30の角膜表面及び光位置検出素子3の双方に入射させることで、眼球30の角膜表面上及び光位置検出素子3上の双方でのレーザ光の集光分解能を向上させている。これにより、眼球30の瞳孔位置の検知精度を向上させることができる。 In this embodiment, by making the undiffracted light incident on both the corneal surface of the eyeball 30 and the optical position detection element 3, the laser beam is focused on both the corneal surface of the eyeball 30 and the optical position detection element 3. Improves resolution. Thereby, the detection accuracy of the pupil position of the eyeball 30 can be improved.

ここで、比較例として、ガウス型ビームのレーザ光を眼球30に入射させる場合を考える。眼鏡フレーム21がずれる等してミラー2から眼球30までの距離(光路長)が変化すると、入射光は角膜表面上で集光せず(ビームウエストの状態にならず)、角膜表面で異常な反射や散乱を生じさせ、角膜表面での反射光が光位置検出素子3に適切に入射しない場合がある。 Here, as a comparative example, a case will be considered in which a Gaussian beam of laser light is made to enter the eyeball 30. If the distance (optical path length) from the mirror 2 to the eyeball 30 changes due to the eyeglass frame 21 being shifted, etc., the incident light will not be condensed on the corneal surface (beam waist state), and abnormalities will occur on the corneal surface. Reflection and scattering may occur, and the reflected light on the corneal surface may not properly enter the optical position detection element 3.

尚、異常な反射とは、角膜表面で反射された後、光位置検出素子3に入射する光が大きく広がる発散光になる場合等であり、異常な散乱とは、角膜表面に入射する光が大きく広がり、角膜の縁部で散乱する場合等である。 Incidentally, abnormal reflection refers to cases where the light incident on the optical position detection element 3 after being reflected on the corneal surface becomes diverging light that spreads widely, and abnormal scattering refers to cases where the light incident on the corneal surface becomes divergent light. This is the case when the light spreads widely and is scattered at the edge of the cornea.

また、同様に眼鏡フレーム21がずれる等して眼球30から光位置検出素子3までの距離が変化した場合にも、光位置検出素子3に入射する光は光位置検出素子3上でビームウエストの状態にならず、入射した光の位置を光位置検出素子3で適切に検出できない場合がある。 Similarly, even if the distance from the eyeball 30 to the optical position detecting element 3 changes due to displacement of the eyeglass frame 21, etc., the light incident on the optical position detecting element 3 will be at the beam waist on the optical position detecting element 3. In some cases, the position of the incident light cannot be appropriately detected by the optical position detection element 3.

これらは眼球30の瞳孔位置の検知精度低下の要因となる。 These factors cause a decrease in the detection accuracy of the pupil position of the eyeball 30.

これに対し、本実施形態で眼球30に入射させる非回折光はレーザ光の伝搬距離に応じてビーム径が大きくならない。そのため、眼鏡フレーム21がずれる等してミラー2から眼球30までの距離が変化しても、ビームウエストの状態で眼球30の角膜表面にレーザ光を入射させることができ、入射光を眼球30の角膜表面で適切に反射させることができる。 In contrast, in the present embodiment, the beam diameter of the undiffracted light incident on the eyeball 30 does not increase depending on the propagation distance of the laser light. Therefore, even if the distance from the mirror 2 to the eyeball 30 changes due to displacement of the eyeglass frame 21, etc., the laser beam can be incident on the corneal surface of the eyeball 30 in the state of the beam waist, and the incident light can be directed to the corneal surface of the eyeball 30. It can be properly reflected on the corneal surface.

また光位置検出素子3に入射させるレーザ光も非回折光である。そのため、眼球30と瞳孔位置検知装置10の間隔が変化しても、ビームウエストの状態で光位置検出素子3にレーザ光を入射させることができ、入射光の位置を光位置検出素子3で適切に検出することができる。 Further, the laser light that is made incident on the optical position detection element 3 is also non-diffracted light. Therefore, even if the distance between the eyeball 30 and the pupil position detection device 10 changes, the laser beam can be made to enter the optical position detection element 3 in the state of the beam waist, and the position of the incident light can be adjusted appropriately by the optical position detection element 3. can be detected.

このようにして、本実施形態では、非回折光を用いて眼球30の角膜表面及び光位置検出素子3にビームウエストの状態でレーザ光を入射させることで、眼球30の角膜表面からの反射光を光位置検出素子3で適切に検出することができる。そして、振動や外的衝撃に対する眼球の瞳孔位置検知のロバスト性を向上させることができる。 In this way, in this embodiment, by making the laser beam enter the corneal surface of the eyeball 30 and the optical position detection element 3 in a beam waist state using non-diffracted light, the reflected light from the corneal surface of the eyeball 30 is can be appropriately detected by the optical position detection element 3. In addition, the robustness of detecting the position of the pupil of the eye against vibrations and external shocks can be improved.

尚、非回折光生成部1の構成に自動位置調整手段を追加し、自動焦点調節機能を備えさせてもよい。自動焦点調節機能により、異なる波数ベクトルをもつリング光の伝搬角度を変化させられるため、非回折光の生成位置を調整することができる。そして、眼鏡フレーム21のずれや、使用者の顔の形状又は眼球30の形状等の個人差に対する瞳孔位置検知のロバスト性をさらに向上させることができる。 Note that an automatic position adjustment means may be added to the configuration of the non-diffracted light generating section 1 to provide an automatic focus adjustment function. The automatic focus adjustment function allows the propagation angle of ring lights with different wave number vectors to be changed, so the generation position of undiffracted light can be adjusted. Furthermore, the robustness of pupil position detection against individual differences such as misalignment of the eyeglass frame 21 and the shape of the user's face or the shape of the eyeballs 30 can be further improved.

(変形例1)
図8は、本実施形態の変形例1に係る瞳孔位置検知装置11の構成の一例を示す図である。瞳孔位置検知装置11では、ミラー2と眼球30の角膜表面との間の空間範囲に限定して非回折光を生成する。ここで、ミラー2と眼球30の角膜表面との間の空間範囲とは、眼球角膜表面と入射光の法線上を通り、入射光の光線伝播面と垂直な面を境界面としたときに、光線が眼球角膜に向かって進行してくる領域と定義する。図8において、ミラー2と眼球30の角膜表面との間の空間範囲は、非回折光領域72として示している。
(Modification 1)
FIG. 8 is a diagram showing an example of the configuration of the pupil position detection device 11 according to Modification 1 of the present embodiment. The pupil position detection device 11 generates undiffracted light only in a spatial range between the mirror 2 and the corneal surface of the eyeball 30. Here, the spatial range between the mirror 2 and the corneal surface of the eyeball 30 is defined as a boundary surface that passes along the normal line of the corneal surface of the eyeball and the incident light and is perpendicular to the ray propagation plane of the incident light. It is defined as the area where light rays travel toward the cornea of the eye. In FIG. 8, the spatial extent between mirror 2 and the corneal surface of eyeball 30 is shown as undiffracted light region 72. In FIG.

瞳孔位置検知装置11では、空間範囲を限定して生成した非回折光を、眼球30の角膜表面に入射させる。これにより眼球30の角膜表面におけるレーザ光の集光分解能を向上させ、眼球30の瞳孔位置の検知精度を向上させることができる。また眼鏡フレーム21のずれ等に対する瞳孔位置検知のロバスト性を向上させることができる。 In the pupil position detection device 11, undiffracted light generated in a limited spatial range is made to enter the corneal surface of the eyeball 30. Thereby, the focusing resolution of the laser beam on the corneal surface of the eyeball 30 can be improved, and the detection accuracy of the pupil position of the eyeball 30 can be improved. Furthermore, the robustness of pupil position detection against displacement of the eyeglass frame 21 can be improved.

(変形例2)
図9は、本実施形態の変形例2に係る瞳孔位置検知装置12の構成の一例を示す図である。瞳孔位置検知装置12では、眼球30の角膜表面と光位置検出素子3との間の空間範囲に限定して非回折光を生成する。図9において、非回折光領域73は、非回折光が伝搬する領域を示している。
(Modification 2)
FIG. 9 is a diagram showing an example of the configuration of a pupil position detection device 12 according to a second modification of the present embodiment. The pupil position detection device 12 generates undiffracted light only in a spatial range between the corneal surface of the eyeball 30 and the optical position detection element 3 . In FIG. 9, a undiffracted light region 73 indicates a region in which undiffracted light propagates.

ここで、瞳孔位置検知装置10及び11において、波数ベクトルが揃った光を眼球30の角膜表面に入射させても、角膜表面の曲率によって反射光が光位置検出素子3に向けて広がる発散光となり、反射された非回折光の強度が減衰したり、反射後に波数ベクトルが揃わずに非回折光が生成されなかったりする場合がある。 Here, in the pupil position detection devices 10 and 11, even if light with uniform wave number vectors is incident on the corneal surface of the eyeball 30, the reflected light becomes diverging light that spreads toward the optical position detection element 3 due to the curvature of the corneal surface. In some cases, the intensity of the reflected undiffracted light is attenuated, or the wave number vectors are not aligned after reflection, and the undiffracted light is not generated.

そこで、瞳孔位置検知装置12では、角膜表面の曲率を測定する等して予め把握しておき、角膜表面で反射された後に波数ベクトルが揃うような収束光を眼球30に入射させる。これにより、角膜表面での反射により波数ベクトルが揃ったレーザ光を干渉させて非回折光を生成し、非回折光領域73を伝搬させて光位置検出素子3に入射させることができる。 Therefore, in the pupil position detection device 12, the curvature of the corneal surface is known in advance by measuring the curvature, and convergent light whose wave number vectors are aligned after being reflected on the corneal surface is made to enter the eyeball 30. Thereby, the laser light whose wave number vector is aligned due to reflection on the corneal surface can be interfered with to generate undiffracted light, which can be propagated through the undiffracted light region 73 and made to enter the optical position detection element 3.

光位置検出素子3に入射する光を非回折光とすることで、上述したように集光分解能を向上させることができ、また眼球の瞳孔位置の検知精度を向上させることができる。また眼鏡フレーム21のずれ等に対するロバスト性を向上させることができる。 By making the light incident on the optical position detection element 3 non-diffracted, the light collection resolution can be improved as described above, and the detection accuracy of the pupil position of the eyeball can be improved. Furthermore, the robustness against misalignment of the eyeglass frame 21 can be improved.

(変形例3)
図10は、本実施形態の変形例3に係る瞳孔位置検知装置13の非回折光生成部1aの要部の構成の一例を説明する図であり、(a)はアキシコンレンズ5aによる光線の振る舞いを説明する図で、(b)はアレイ状のアキシコンレンズ5aによる光線の振る舞いを説明する図である。
(Modification 3)
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of the configuration of the main part of the non-diffracted light generating section 1a of the pupil position detection device 13 according to the third modification of the present embodiment, and (a) shows the configuration of the main part of the non-diffracted light generating section 1a. FIG. 3B is a diagram illustrating the behavior of light rays caused by the array-shaped axicon lens 5a.

尚、アキシコンレンズは、円錐状の表面形状を有するレンズであり、アキシコンレンズ5aは「円錐レンズ」の一例である。 Note that an axicon lens is a lens having a conical surface shape, and the axicon lens 5a is an example of a "conical lens."

図10(a)において、図示を省略するアレイ光源4の1つの発光部から射出された平行光は、アキシコンレンズ5aで偏向され、異なる波数ベクトルをもつ光に変換される。そしてこれらが非回折光領域71で重ね合されて干渉することで、ベッセルビーム等の非回折光が生成される。生成される非回折光のビームウエスト径や、非回折光領域71の位置や大きさは、アキシコンレンズ5aの曲率や円錐定数等により決定される。 In FIG. 10(a), parallel light emitted from one light emitting part of the array light source 4 (not shown) is deflected by an axicon lens 5a and converted into light having a different wave number vector. These light beams are superposed and interfered in the non-diffracted light region 71, thereby generating non-diffracted light such as a Bessel beam. The beam waist diameter of the generated undiffracted light and the position and size of the undiffracted light region 71 are determined by the curvature, conic constant, etc. of the axicon lens 5a.

図7(b)は、アレイ状のアキシコンレンズ5aをアレイ状に並べて構成した非回折光生成部1aを示している。図示を省略するアレイ光源4の各発光部の配列間隔と、アレイ状のアキシコンレンズ5aの配列間隔を一致させることで、アレイ状の非回折光を生成することができる。 FIG. 7B shows a non-diffracted light generating section 1a configured by arranging an array of axicon lenses 5a in an array. By matching the arrangement interval of each light emitting part of the array light source 4 (not shown) with the arrangement interval of the arrayed axicon lens 5a, an array of undiffracted light can be generated.

(変形例4)
図11は、本実施形態の変形例4に係る瞳孔位置検知装置14の非回折光生成部1bの要部の構成の一例を説明する図であり、(a)はDOE(回折光学素子;Diffractive Optical Element)5bによる光線の振る舞いを説明する図で、(b)はアレイ状のDOE5bによる光線の振る舞いを説明する図である。尚、DOEは、平板上に周期構造が形成された光学素子であり、通過する光線を偏向(屈折)させる機能を有する光学素子である。またDOE5bは「回折光学素子」の一例である。
(Modification 4)
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of the configuration of the main part of the non-diffracted light generating section 1b of the pupil position detection device 14 according to the fourth modification of the present embodiment, and (a) is a diagram illustrating an example of the configuration of the main part of the non-diffractive light generating section 1b of the pupil position detection device 14 according to the fourth modification of the present embodiment. (b) is a diagram illustrating the behavior of light rays due to the DOE 5b in the form of an array. Note that the DOE is an optical element in which a periodic structure is formed on a flat plate, and has a function of deflecting (refracting) passing light rays. Further, the DOE 5b is an example of a "diffractive optical element."

図11(a)において、図示を省略するアレイ光源4の1つの発光部から射出された平行光は、DOE5bで偏向され、異なる波数ベクトルをもつ光に変換される。そしてこれらが非回折光領域71で重ね合されて干渉することで、ベッセルビーム等の非回折光が生成される。生成される非回折光のビームウエスト径や、非回折光領域71の位置や大きさは、DOE5bの周期構造の間隔等により決定される。 In FIG. 11A, parallel light emitted from one light emitting part of the array light source 4 (not shown) is deflected by the DOE 5b and converted into light having a different wave number vector. These light beams are superposed and interfered in the non-diffracted light region 71, thereby generating non-diffracted light such as a Bessel beam. The beam waist diameter of the generated undiffracted light and the position and size of the undiffracted light region 71 are determined by the interval of the periodic structure of the DOE 5b, etc.

図11(b)は、DOE5bをアレイ状に並べて構成した非回折光生成部1bを示している。図示を省略するアレイ光源4の各発光部の配列間隔と、DOE5bの配列間隔を一致させることで、アレイ状の非回折光を生成することができる。 FIG. 11(b) shows a non-diffracted light generating section 1b configured by arranging DOEs 5b in an array. By matching the arrangement interval of each light emitting part of the array light source 4 (not shown) with the arrangement interval of the DOE 5b, an array of undiffracted light can be generated.

(変形例5)
図12は、本実施形態の変形例5に係る瞳孔位置検知装置15の非回折光生成部1cの要部の構成の一例を説明する図であり、(a)は光軸方向に複数のアキシコンレンズを並べたアキシコンレンズ群5cによる光線の振る舞いを説明する図で、(b)はアレイ状のアキシコンレンズ群5cによる光線の振る舞いを説明する図である。また(c)はアレイ状のアキシコンレンズ5caと結像プレート5ccによる光線の振る舞いを説明する図で、(d)はアレイ光源4とアキシコンレンズ5caとの間隔を狭めた場合を説明する図である。
(Modification 5)
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of the configuration of the main part of the non-diffracted light generating section 1c of the pupil position detection device 15 according to modification 5 of the present embodiment, and (a) shows a plurality of axes in the optical axis direction. This is a diagram illustrating the behavior of light rays due to the axicon lens group 5c in which con lenses are arranged, and (b) is a diagram illustrating the behavior of light rays due to the axicon lens group 5c arranged in an array. Further, (c) is a diagram explaining the behavior of light rays due to the arrayed axicon lens 5ca and the imaging plate 5cc, and (d) is a diagram explaining the case where the distance between the array light source 4 and the axicon lens 5ca is narrowed. It is.

図12(a)において、アキシコンレンズ群5cは、凹面を備える凹アキシコンレンズ5caと、2つの凸面を備える両凸アキシコンレンズ5cbとを有する。ここで、アキシコンレンズ群5cは「円錐レンズ群」の一例である。 In FIG. 12A, the axicon lens group 5c includes a concave axicon lens 5ca having a concave surface and a biconvex axicon lens 5cb having two convex surfaces. Here, the axicon lens group 5c is an example of a "conical lens group."

図示を省略するアレイ光源4の1つの発光部から射出された平行光は、アキシコンレンズ群5cで偏向され、異なる波数ベクトルをもつ光に変換される。そしてこれらが非回折光領域71で重ね合されて干渉することで、ベッセルビーム等の非回折光が生成される。 Parallel light emitted from one light emitting part of the array light source 4 (not shown) is deflected by the axicon lens group 5c and converted into light having a different wave number vector. These light beams are superposed and interfered in the non-diffracted light region 71, thereby generating non-diffracted light such as a Bessel beam.

尚、アキシコンレンズ群5cのうち、凹アキシコンレンズ5caは入射光を広げる(発散させる)ように作用し、両凸アキシコンレンズ5cbは入射光を収束させるように作用する。 In the axicon lens group 5c, the concave axicon lens 5ca acts to spread (diverge) the incident light, and the biconvex axicon lens 5cb acts to converge the incident light.

生成される非回折光のビームウエスト径や、非回折光領域71の位置や大きさは、凹アキシコンレンズ5ca及び両凸アキシコンレンズ5cbの曲率や円錐定数等により決定される。 The beam waist diameter of the generated undiffracted light and the position and size of the undiffracted light region 71 are determined by the curvatures and conic constants of the concave axicon lens 5ca and the biconvex axicon lens 5cb.

図12(b)は、アキシコンレンズ群5cをアレイ状に並べて構成した非回折光生成部1cを示している。図示を省略するアレイ光源4の各発光部の配列間隔と、アレイ状のアキシコンレンズ群5cの配列間隔を一致させることで、アレイ状の非回折光を生成することができる。 FIG. 12(b) shows a non-diffracted light generating section 1c configured by arranging axicon lens groups 5c in an array. By matching the arrangement interval of each light emitting part of the array light source 4 (not shown) with the arrangement interval of the arrayed axicon lens group 5c, an array of undiffracted light can be generated.

図12(c)は、両凸アキシコンレンズ5cbに代えて結像プレート5ccを設けた場合を示している。ここで、結像プレート5ccは、短冊状のマイクロミラーをアレイ状に設けた透明平板を2枚備え、2枚の透明平板を、短冊状のマイクロミラーの長手方向が交差するように張り合わせて構成した光学素子である。 FIG. 12(c) shows a case where an imaging plate 5cc is provided in place of the biconvex axicon lens 5cb. Here, the imaging plate 5cc includes two transparent flat plates on which strip-shaped micromirrors are arranged in an array, and is constructed by pasting the two transparent plates together so that the longitudinal directions of the strip-shaped micromirrors intersect. It is an optical element with

結像プレート5ccは、入射した光を一方のマイクロミラーで反射した後に、もう一方のマイクロミラーによって再度反射することで、光源と反対側に結像させることができる。 The imaging plate 5cc can form an image on the side opposite to the light source by reflecting the incident light on one micromirror and then reflecting it again on the other micromirror.

また直交するマイクロミラーは、結像プレート5cc内で二次元アレイ状に分布しているため、結像プレート5ccのどの面を利用しても同様の結像性能を得ることができる。このような特性を利用することで、図12(d)に示すように、入射光の結像プレート5ccでの光線の重複を考慮することなく、アレイ光源4(図示を省略)及びアレイ状のアキシコンレンズ5caの間隔を自由に狭くすることができる。 Further, since the orthogonal micromirrors are distributed in a two-dimensional array within the imaging plate 5cc, the same imaging performance can be obtained no matter which surface of the imaging plate 5cc is used. By utilizing such characteristics, as shown in FIG. 12(d), the array light source 4 (not shown) and the array-shaped The interval between the axicon lenses 5ca can be freely narrowed.

(変形例6)
図13は、本実施形態の変形例6に係る瞳孔位置検知装置16の非回折光生成部1dの要部の構成の一例を説明する図であり、(a)は光軸方向に複数のDOEを並べたDOE群5dによる光線の振る舞いを説明する図で、(b)はアレイ状のDOE群5dによる光線の振る舞いを説明する図である。また(c)はアレイ状のDOE5daと結像プレート5dcによる光線の振る舞いを説明する図で、(d)はアレイ光源4とDOE5daとの間隔を狭めた場合を説明する図である。
(Modification 6)
FIG. 13 is a diagram illustrating an example of the configuration of the main part of the non-diffracted light generating section 1d of the pupil position detection device 16 according to modification 6 of the present embodiment, and (a) shows a plurality of DOEs in the optical axis direction. (b) is a diagram illustrating the behavior of light rays due to the DOE group 5d arranged in an array. Moreover, (c) is a figure explaining the behavior of the light beam by the array-shaped DOE5da and the imaging plate 5dc, and (d) is a figure explaining the case where the space|interval between the array light source 4 and DOE5da is narrowed.

図13(a)において、DOE群5dは、凹レンズとして作用するDOE5daと、両凸レンズとして作用するDOE5dbとを有する。ここでDOE群5dは「回折光学素子群」の一例である。 In FIG. 13A, the DOE group 5d includes a DOE 5da that acts as a concave lens and a DOE 5db that acts as a biconvex lens. Here, the DOE group 5d is an example of a "diffractive optical element group."

図示を省略するアレイ光源4の1つの発光部から射出された平行光は、DOE群5dで偏向され、異なる波数ベクトルをもつ光に変換される。そしてこれらが非回折光領域71で重ね合されて干渉することで、ベッセルビーム等の非回折光が生成される。 Parallel light emitted from one light emitting part of the array light source 4 (not shown) is deflected by the DOE group 5d and converted into light having a different wave number vector. These light beams are superposed and interfered in the non-diffracted light region 71, thereby generating non-diffracted light such as a Bessel beam.

尚、DOE群5dのうち、DOE5daは入射光を広げる(発散させる)ように作用し、DOE5dbは入射光を収束させるように作用する。 Note that among the DOE group 5d, the DOE 5da acts to spread (diverge) the incident light, and the DOE 5db acts to converge the incident light.

生成される非回折光のビームウエスト径や、非回折光領域71の位置や大きさは、DOE5da及び5dbの曲率や円錐定数等により決定される。 The beam waist diameter of the generated undiffracted light and the position and size of the undiffracted light region 71 are determined by the curvature and conic constant of the DOEs 5da and 5db.

図13(b)は、DOE群5dをアレイ状に並べて構成した非回折光生成部1dを示している。図示を省略するアレイ光源4の各発光部の配列間隔と、アレイ状のアキシコンレンズ群5cの配列間隔を一致させることで、アレイ状の非回折光を生成することができる。 FIG. 13(b) shows a non-diffracted light generating section 1d configured by arranging DOE groups 5d in an array. By matching the arrangement interval of each light emitting part of the array light source 4 (not shown) with the arrangement interval of the arrayed axicon lens group 5c, an array of undiffracted light can be generated.

図13(c)は、DOE5dbに代えて結像プレート5dcを設けた場合を示している。結像プレート5dcは、入射した光を一方のマイクロミラーで反射した後に、もう一方のマイクロミラーによって再度反射することで、光源と反対側に結像させることができる。 FIG. 13(c) shows a case where an imaging plate 5dc is provided in place of the DOE 5db. The imaging plate 5dc can form an image on the side opposite to the light source by reflecting the incident light on one micromirror and then reflecting it again on the other micromirror.

また直交するマイクロミラーは、結像プレート5cc内で二次元アレイ状に分布しているため、結像プレート5dcのどの面を利用しても同様の結像性能を得ることができる。このような特性を利用することで、図13(d)に示すように、入射光の結像プレート5dcでの光線の重複を考慮することなく、アレイ光源4(図示を省略)及びアレイ状のDOE5daの間隔を自由に狭くすることができる。 Further, since the orthogonal micromirrors are distributed in a two-dimensional array within the imaging plate 5cc, the same imaging performance can be obtained no matter which surface of the imaging plate 5dc is used. By utilizing such characteristics, as shown in FIG. 13(d), the array light source 4 (not shown) and the array-shaped The interval between DOE5da can be freely narrowed.

[第2の実施形態]
次に、第2の実施形態に係る眼球の傾き位置検知装置17を、図14を参照して説明する。尚、既に説明した実施形態と同一構成部分についての説明は省略する。
[Second embodiment]
Next, an eyeball tilt position detection device 17 according to a second embodiment will be described with reference to FIG. 14. Note that descriptions of the same components as those of the previously described embodiments will be omitted.

図14は、本実施形態に係る眼球の傾き位置検知装置17の構成の一例を示す図である。眼球の傾き位置検知装置17は、非回折光生成部1と光位置検出素子3とを一体として、眼鏡型支持体20の眼鏡フレーム21に備えている。 FIG. 14 is a diagram showing an example of the configuration of the eyeball tilt position detection device 17 according to the present embodiment. The eyeball inclination position detection device 17 includes the non-diffracted light generating section 1 and the optical position detection element 3 as one body, and is provided on the eyeglass frame 21 of the eyeglass type support 20 .

非回折光生成部1から射出された非回折光は、レンズ6で偏向(屈折)され、眼球30に入射する。入射光は眼球30で反射され、反射光は光位置検出素子3に入射する。 The non-diffracted light emitted from the non-diffracted light generating section 1 is deflected (refracted) by the lens 6 and enters the eyeball 30. The incident light is reflected by the eyeball 30, and the reflected light enters the optical position detection element 3.

眼球30の傾きによって、反射光が光位置検出素子3に入射する位置が変わるため、光位置検出素子3による検出信号を座標情報に変換することで、眼球30の瞳孔位置を検知することができる。 Since the position at which the reflected light enters the optical position detection element 3 changes depending on the inclination of the eyeball 30, the pupil position of the eyeball 30 can be detected by converting the detection signal from the optical position detection element 3 into coordinate information. .

このように、非回折光生成部1と光位置検出素子3とを一体化することで、眼球の傾き位置検知装置の構成を簡略化することができる。 In this way, by integrating the non-diffracted light generating section 1 and the optical position detecting element 3, the configuration of the eyeball tilt position detecting device can be simplified.

尚、これ以外の効果は、第1の実施形態で説明したものと同様である。 Note that other effects are the same as those described in the first embodiment.

[第3の実施形態]
次に、第3の実施形態に係る眼球の傾き位置検知装置18を、図15及び16を参照して説明する。尚、既に説明した実施形態と同一構成部分についての説明は省略する。
[Third embodiment]
Next, an eyeball tilt position detection device 18 according to a third embodiment will be described with reference to FIGS. 15 and 16. Note that descriptions of the same components as those of the previously described embodiments will be omitted.

VCSELは、半導体製造技術により製造されるため、様々な機能を持つ光学素子をVCSELに積層させて形成することができる。そこで、本実施形態では、眼球の傾き位置検知装置の光源に、非回折光を生成するための光学素子を実装したVCSELを用い、非回折光生成部の小型化、薄型化、アライメント精度向上及び光量増大を図っている。 Since VCSELs are manufactured using semiconductor manufacturing technology, optical elements having various functions can be laminated onto the VCSELs. Therefore, in this embodiment, a VCSEL equipped with an optical element for generating non-diffracted light is used as the light source of the eyeball tilt position detection device, and the non-diffracted light generating section is made smaller and thinner, and alignment accuracy is improved. Efforts are being made to increase the amount of light.

図15は、非回折光を生成するための光学素子を実装したVCSELの構成の一例を説明する図であり、(a)はVCSELが基板からみて活性層(表面)側にレーザ光を射出する例を説明する図であり、(b)は活性層側に成膜した膜に光学素子を形成した例を説明する図である。また(c)は活性層からみて基板(裏面)側からレーザ光を射出する例を説明する図であり、(d)は基板の裏面側に成膜した膜に光学素子を形成した例を説明する図である。 FIG. 15 is a diagram illustrating an example of the configuration of a VCSEL equipped with an optical element for generating non-diffracted light, and (a) shows the VCSEL emitting laser light toward the active layer (surface) side when viewed from the substrate. It is a figure explaining an example, and (b) is a figure explaining the example in which the optical element was formed in the film formed into the active layer side. Further, (c) is a diagram illustrating an example in which laser light is emitted from the substrate (back side) side when viewed from the active layer, and (d) is a diagram illustrating an example in which an optical element is formed on a film formed on the back side of the substrate. This is a diagram.

図15(a)において、VCSEL4aでは、n型半導体基板151上に、第1DBR(分布ブラッグ反射器:Distributed Bragg Refletor)層152、n型スペーサ層153、活性層154、p型スペーサ層155、及び第2DBR層156が順に形成されている。ここで、第1DBR層152は高反射率の層であり、第2DBR層156は低反射率の層である。 In FIG. 15A, in the VCSEL 4a, on an n-type semiconductor substrate 151, a first DBR (Distributed Bragg Reflector) layer 152, an n-type spacer layer 153, an active layer 154, a p-type spacer layer 155, and A second DBR layer 156 is sequentially formed. Here, the first DBR layer 152 is a layer with high reflectance, and the second DBR layer 156 is a layer with low reflectance.

VCSEL4aでは、駆動電流の供給により活性層154で放出された光が第1DBR層152と第2DBR層156との間を往復することで、活性層154で誘導放出が生じてレーザ発振し、上部の光射出面から射出される。 In the VCSEL 4a, light emitted from the active layer 154 due to the supply of a driving current travels back and forth between the first DBR layer 152 and the second DBR layer 156, causing stimulated emission in the active layer 154 and causing laser oscillation. The light is emitted from the light exit surface.

この際、上部の光射出面上に光学素子を形成することによって、レーザ光のビームプロファイルやモードを任意に制御することができる。このような光学素子は、p型のコンタクト電極の成膜にフォトリソグラフィーパターニングを施すことで形成される。或いは、図15(b)に示すVCSEL4bのように、第2DBR層上に新たに成膜した遮光膜157に、フォトリソグラフィーパターニングを施すことで光学素子を形成してもよい。 At this time, by forming an optical element on the upper light exit surface, the beam profile and mode of the laser beam can be arbitrarily controlled. Such an optical element is formed by applying photolithographic patterning to the formation of a p-type contact electrode. Alternatively, as in the VCSEL 4b shown in FIG. 15(b), an optical element may be formed by subjecting a light shielding film 157 newly formed on the second DBR layer to photolithography patterning.

一方、図15(c)において、VCSEL4cでは、第1DBR層152が低反射率の層であり、第2DBR層156が高反射率の層になっており、レーザ光はn型半導体基板151の下部を光射出面として射出される。 On the other hand, in FIG. 15(c), in the VCSEL 4c, the first DBR layer 152 is a layer with low reflectance, the second DBR layer 156 is a layer with high reflectance, and the laser beam is emitted from the bottom of the n-type semiconductor substrate 151. is used as the light exit surface.

この際、n型半導体基板151の下部の光射出面上に光学素子を形成することによって、レーザ光のビームプロファイルやモードを任意に制御することができる。このような光学素子は、裏面のn型のコンタクト電極の成膜にフォトリソグラフィーパターニングを施すことで形成される。或いは、図15(d)に示すVCSEL4dのように、n型半導体基板151の裏面側に新たに成膜した遮光膜158に、フォトリソグラフィーパターニングを施すことで光学素子を形成してもよい。 At this time, by forming an optical element on the lower light exit surface of the n-type semiconductor substrate 151, the beam profile and mode of the laser beam can be controlled as desired. Such an optical element is formed by applying photolithographic patterning to the formation of an n-type contact electrode on the back surface. Alternatively, as in a VCSEL 4d shown in FIG. 15(d), an optical element may be formed by subjecting a light-shielding film 158 newly formed on the back surface side of the n-type semiconductor substrate 151 to photolithography patterning.

次に図16は、非回折光を生成するためにVCSELに実装する光学素子の構成の一例を説明する図であり、(a)はリングスリット5をVCSEL4の光射出面上に形成した構成の一例を説明する斜視図であり、(b)は断面図であり、(c)はアレイ状のリングスリット5の構成の一例を説明する断面図である。また(d)はDOE5bをVCSEL4の光射出面上に形成した構成の一例を説明する斜視図であり、(e)は断面図であり、(f)はアレイ状のDOE5bの構成の一例を説明する断面図である。 Next, FIG. 16 is a diagram illustrating an example of the configuration of an optical element mounted on a VCSEL to generate undiffracted light, and (a) shows a configuration in which a ring slit 5 is formed on the light exit surface of the VCSEL 4. It is a perspective view explaining an example, (b) is a sectional view, and (c) is a sectional view explaining an example of the configuration of the ring slits 5 in an array. Further, (d) is a perspective view illustrating an example of a configuration in which DOEs 5b are formed on the light exit surface of the VCSEL 4, (e) is a sectional view, and (f) is an example of a configuration of DOEs 5b in an array. FIG.

図16(a)~(c)に示す構成により、アレイ光源4とリングスリット5を別々の構成にする場合と比較して、光量の増大を図ることができ、アレイ光源4とリングスリット5のアライメント精度を向上させることができる。 With the configurations shown in FIGS. 16(a) to 16(c), the amount of light can be increased compared to the case where the array light source 4 and the ring slit 5 are configured separately. Alignment accuracy can be improved.

また図16(d)~(f)に示す構成により、同様に、アレイ光源4とDOE5bを別々の構成にする場合と比較して、光量の増大を図ることができ、アレイ光源4とDOE5bのアライメント精度を向上させることができる。 Furthermore, with the configurations shown in FIGS. 16(d) to (f), it is possible to increase the amount of light compared to the case where the array light source 4 and the DOE 5b are configured separately. Alignment accuracy can be improved.

以上説明したように、非回折光を生成するための光学素子を実装したVCSELを用いることで、非回折光生成部及び非回折光生成部を備える眼球の傾き位置検知装置を小型化、及び/又は薄型化することができる。またアレイ光源と光学素子のアライメント精度の向上、及び/又は光量増大を図ることができ、これにより眼球の傾き位置検知装置の検知精度を向上させることができる。 As explained above, by using a VCSEL equipped with an optical element for generating non-diffracted light, an eyeball tilt position detection device including a non-diffracted light generating section and a non-diffracted light generating section can be miniaturized and/or Or it can be made thinner. Furthermore, it is possible to improve the alignment accuracy between the array light source and the optical element and/or to increase the amount of light, thereby improving the detection accuracy of the eyeball tilt position detection device.

[第4の実施形態]
次に、第4の実施形態に係る表示装置を、図17を参照して説明する。尚、既に説明した実施形態と同一構成部分についての説明は省略する。
[Fourth embodiment]
Next, a display device according to a fourth embodiment will be described with reference to FIG. 17. Note that descriptions of the same components as those of the previously described embodiments will be omitted.

本実施形態では、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)を表示装置の一例として説明する。またヘッドマウントディスプレイに、眼球の傾き位置検知装置の一例である瞳孔位置検知装置10を適用する例を説明する。 In this embodiment, a head mount display (HMD), which is a wearable terminal, will be described as an example of a display device. Further, an example will be described in which a pupil position detection device 10, which is an example of an eyeball tilt position detection device, is applied to a head mounted display.

図17は、本実施形態に係る表示装置50の構成の一例を示す図である。 FIG. 17 is a diagram showing an example of the configuration of the display device 50 according to this embodiment.

表示装置50は、RGB(Red、Green、Blue)レーザ光源51と、走査ミラー52と、ミラー53と、ハーフミラー54と、画像生成部55と、瞳孔位置検知装置10とを有している。 The display device 50 includes an RGB (Red, Green, Blue) laser light source 51, a scanning mirror 52, a mirror 53, a half mirror 54, an image generation section 55, and a pupil position detection device 10.

RGBレーザ光源51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52は、RGBレーザ光源51からの光を二次元的に走査する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、光を走査する反射面を有するものであれば良い。小型化・軽量化の点でMEMSミラーは有利である。尚、MEMSミラーの駆動方式は、静電式、圧電式、電磁式などいずれであっても良い。 The RGB laser light source 51 temporally modulates and outputs laser light of three colors of RGB. The scanning mirror 52 is a MEMS mirror or the like that two-dimensionally scans the light from the RGB laser light source 51. However, the mirror is not limited to this, and any mirror that has a reflective surface that scans light, such as a polygon mirror or a galvano mirror, may be used. MEMS mirrors are advantageous in terms of size and weight reduction. Note that the MEMS mirror may be driven by any of electrostatic, piezoelectric, and electromagnetic methods.

ミラー53は、走査ミラー52による走査光を、ハーフミラー54に向けて反射する。ハーフミラー54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54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の近傍に収束させ、網膜32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32に投影する。図中破線で示されている光51aは、網膜32上に画像を形成する光を表している。尚、ハーフミラー54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。 Mirror 53 reflects the scanning light from scanning mirror 52 toward half mirror 54 . The half mirror 54 transmits a portion of the incident light and reflects a portion toward the eyeball 30 . The half mirror 54 has a concave curved shape, converges the reflected light near the pupil 31 of the eyeball 30, and forms an image at the position of the retina 32. As a result, an image formed by the scanning light is projected onto the retina 32. Light 51a indicated by a broken line in the figure represents light that forms an image on the retina 32. Note that in the half mirror 54, the amount of reflected light and transmitted light does not necessarily have to be one to one.

瞳孔位置検知装置10は、眼球運動に応じた瞳孔31の位置を検知し、画像生成部55に、瞳孔31の位置を示すフィードバック信号を送信する。 The pupil position detection device 10 detects the position of the pupil 31 according to eye movement, and transmits a feedback signal indicating the position of the pupil 31 to the image generation unit 55.

画像生成部55は、走査ミラー52の振れ角制御機能と、RGBレーザ光源51の発光制御機能とを有している。また画像生成部55は、瞳孔位置検知装置10から瞳孔31の位置を示すフィードバック信号を受信する。 The image generation unit 55 has a deflection angle control function of the scanning mirror 52 and a light emission control function of the RGB laser light source 51. The image generation unit 55 also receives a feedback signal indicating the position of the pupil 31 from the pupil position detection device 10.

画像生成部55は、瞳孔31の位置に応じて、走査ミラー52の振れ角、及びRGBレーザ光源51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32上に形成することができる。 The image generation unit 55 controls the deflection angle of the scanning mirror 52 and the light emission of the RGB laser light source 51 according to the position of the pupil 31, and rewrites the projection angle of the image or the image content. Thereby, it is possible to form an image on the retina 32 that follows (eye tracking) the change in the position of the pupil 31 due to eyeball movement.

尚、ヘッドマウントディスプレイとしての表示装置50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であってもよい。また、左右眼用に一対の表示装置50を設けた両眼式の表示装置としてもよい。 The display device 50 as a head-mounted display is not only attached directly to a person's head, but also indirectly attached to a person's head via a member such as a fixing part. Good too. Alternatively, a binocular display device may be used in which a pair of display devices 50 are provided for left and right eyes.

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 modifications may be made within the scope of the gist of the present invention as described in the claims. It is possible to transform and change.

例えば、眼球の傾きや瞳孔位置(角膜)の検知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知する際に、本実施形態に係る眼球の傾き位置検知装置が利用可能である。眼球の傾き位置検知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。眼球の傾き位置検知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。 For example, it can be adopted in an optometry device that has a function of detecting the tilt of the eyeball and the position of the pupil (cornea). An optometry device refers to a device that can perform various tests such as a visual acuity test, an eye refractive power test, an intraocular pressure test, and an axial length test. An optometry device is a device that can perform eye examinations without contacting the eyeballs, and includes a support part that supports the subject's face, an optometry window, and a display that keeps the subject's eyeball direction (direction of line of sight) constant during the eye exam. It has a display section, a control section, and a measurement section. In order to improve the measurement accuracy of the measurement unit, the patient is required to stare at a single point without moving their eyes (line of sight), and the test subject fixes his or her face on the support and stares at the object displayed on the display through the optometry window. . At this time, when detecting the tilted position of the eyeball, the eyeball tilted position detection device according to this embodiment can be used. The eyeball tilt position detection device is placed on the side of the measurement unit so as not to interfere with the measurement. The eyeball tilt position (line of sight) information obtained by the eyeball tilt position detection device can be fed back to the control unit, and measurements can be made in accordance with the eyeball tilt position information.

また瞳孔位置検知装置10により検知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知装置10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。これにより頭部位置ずれ等にロバストなアイトラッキングを実現することができる。 Further, information on the pupil position detected by the pupil position detection device 10 can also be used for eye tracking in an input device of an electronic device. For example, the output of the pupil position detection device 10 shown in FIG. 1 may be used for eye tracking as input information to an electronic device. This makes it possible to realize eye tracking that is robust against head position deviations and the like.

ここで、特許文献1に記載の装置と、実施形態に係る瞳孔位置検知装置10~16及び眼球の傾き位置検知装置17~18とを比較する。図18は、特許文献1に記載されたアイトラッキング装置の構成を示す図である。 Here, the device described in Patent Document 1 will be compared with the pupil position detection devices 10 to 16 and the eyeball tilt position detection devices 17 to 18 according to the embodiments. FIG. 18 is a diagram showing the configuration of an eye tracking device described in Patent Document 1.

特許文献1に記載の装置では、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30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アレイ光源4を光源とし、アレイ光源4の発光部の変更により、眼球30への光の入射角度を変更している。また実施形態では、アレイ光源4と併せて光偏向手段(レンズ、平面ミラー、マイクロレンズアレイ、凹型曲面ミラー、ホログラム回折素子、プリズムアレイ、回折格子等)を用いることで、入射角度の変更の範囲を拡大している。実施形態では、このように眼球30への光の入射角度を、可動部を用いずに変更するため、可動物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 device described in Patent Document 1, a laser light source is used, the laser light is scanned by a MEMS mirror, and the incident angle of the light to the eyeball 30 is changed. In contrast, in the embodiment, an array light source 4 having a plurality of light emitting sections is used as a light source, and by changing the light emitting sections of the array light source 4, the incident angle of light to the eyeball 30 is changed. Furthermore, in the embodiment, by using a light deflecting means (lens, plane mirror, microlens array, concave curved mirror, hologram diffraction element, prism array, diffraction grating, etc.) in conjunction with the array light source 4, the range of change of the incident angle can be changed. is expanding. In the embodiment, since the angle of incidence of light on the eyeball 30 is changed without using a movable part in this way, the structure is more resistant to vibrations, external shocks, etc. compared to a configuration including a movable part.

特許文献1に記載の装置では、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、2次元のPSD等の光位置検出素子3を用い、眼球30による反射光の位置を検出する。PSDは、光強度に依存せずに入射光を検出できるため、眼球30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、眼球の傾き位置を高精度に検出できる。 In the device described in Patent Document 1, the reflected light intensity of the light irradiated to the cornea is detected by a photodetector, whereas in the embodiment, an optical position detection element 3 such as a two-dimensional PSD is used to detect the intensity of the reflected light by the eyeball 30. Detect the position of reflected light. Since the PSD can detect incident light without depending on the light intensity, even if there is a difference in the amount of reflected light due to the position of light reflection on the eyeball 30, etc., the PSD has high sensitivity without being affected by the difference in the amount of reflected light. It is possible to detect the position of As a result, the tilted position of the eyeball can be detected with high precision.

実施形態では、発光制御部110を備え、発光制御部110によりアレイ光源4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30の運動の粗動を捕らえて、光位置検出素子3に眼球30からの反射光が収まるようにし、かつ光位置検出素子3による位置検出で眼球30運動の微動を捉えることができる。 In the embodiment, a light emission control section 110 is provided, and the light emission control section 110 shifts the positions of the light emitting sections of the array light source 4 and the light emission timings between the light emitting sections and lights them up individually. This allows coarse movements of the eyeball 30 to be captured so that the light reflected from the eyeball 30 is contained in the optical position detection element 3, and fine movements of the eyeball 30 can be captured by position detection by the optical position detection element 3. can.

特許文献1に記載の装置では、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。そのためアレイ光源4と光位置検出素子3は、必ずしも対称位置になくともよい。実施形態では、光位置検出素子3を、眼球30の正反射(鏡面反射)角近傍に配置せず、アレイ光源4と同じ側に配置してもよい。 In the device described in Patent Document 1, the eyeball position is estimated from two peak intensities (reflection positions on the cornea at two points) on the time axis of light reflected by the eyeball. In the embodiment, the eyeball position is estimated based on the reflection position of one point on the eyeball, such as the cornea. Therefore, the array light source 4 and the optical position detection element 3 do not necessarily have to be in symmetrical positions. In the embodiment, the optical position detection element 3 may not be placed near the regular reflection (specular reflection) angle of the eyeball 30, but may be placed on the same side as the array light source 4.

1 非回折光生成部
2 ミラー(眼前光学系の一例)
3 光位置検出素子(光検出素子の一例)
4 アレイ光源(光源の一例)
5 リングスリット
6 レンズ
10~16 瞳孔位置検知装置
17~18 眼球の傾き位置検知装置
20 眼鏡型支持体
21 眼鏡フレーム
22 眼鏡レンズ
30 眼球
31 瞳孔
32 網膜
50 表示装置
51 RGBレーザ光源
52 走査ミラー
53 ミラー
54 ハーフミラー
55 画像生成部
100 処理部
101 CPU
102 ROM
103 RAM
104 入出力I/F
105 システムバス
110 発光制御部
120 瞳孔位置算出部
121 検出信号受信部
122 眼球回旋角度推定部
123 瞳孔中心位置算出部
130 出力部
151 n型半導体基板
152 第1DBR層
153 n型スペーサ層
154 活性層
155 p型スペーサ層
156 第2DBR層
157、158 遮光膜
1 Non-diffracted light generating section 2 Mirror (an example of a front optical system)
3 Optical position detection element (an example of a photodetection element)
4 Array light source (an example of a light source)
5 Ring slit 6 Lenses 10 to 16 Pupil position detection devices 17 to 18 Eyeball tilt position detection device 20 Spectacle-type support 21 Spectacle frame 22 Spectacle lens 30 Eyeball 31 Pupil 32 Retina 50 Display device 51 RGB laser light source 52 Scanning mirror 53 Mirror 54 Half mirror 55 Image generation section 100 Processing section 101 CPU
102 ROM
103 RAM
104 Input/output I/F
105 System bus 110 Light emission control section 120 Pupil position calculation section 121 Detection signal reception section 122 Eyeball rotation angle estimation section 123 Pupil center position calculation section 130 Output section 151 N-type semiconductor substrate 152 First DBR layer 153 N-type spacer layer 154 Active layer 155 P-type spacer layer 156 Second DBR layer 157, 158 Light shielding film

US2016/0166146US2016/0166146

IEEE 30th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems(MEMS)、Las Vegas、2017、pp.304-307IEEE 30th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Las Vegas, 2017, pp. 304-307

Claims (11)

活性層と反射鏡によって光を発振させ光射出面から光学素子を介して射出する瞳孔又は角膜の位置検知装置用面発光レーザであって、
前記光学素子から射出された光は、前記光射出面に対し垂直な方向から見て円環状である
ことを特徴とする瞳孔又は角膜の位置検知装置用面発光レーザ。
A surface emitting laser for a pupil or cornea position detection device that oscillates light using an active layer and a reflecting mirror and emits light from a light exit surface via an optical element,
A surface emitting laser for a pupil or cornea position detection device , wherein the light emitted from the optical element has an annular shape when viewed from a direction perpendicular to the light exit surface.
活性層と反射鏡によって光を発振させ光射出面から光学素子を介して射出する瞳孔又は角膜の位置検知装置用面発光レーザであって、
前記光学素子は、前記光射出面の第1領域を覆う遮光部を含み、該第1領域の外側の第2領域から光を射出する
ことを特徴とする瞳孔又は角膜の位置検知装置用面発光レーザ。
A surface emitting laser for a pupil or cornea position detection device that oscillates light using an active layer and a reflecting mirror and emits light from a light exit surface via an optical element,
The optical element includes a light shielding part that covers a first region of the light exit surface, and emits light from a second region outside the first region. laser.
前記光学素子は前記光射出面上に形成される
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の瞳孔又は角膜の位置検知装置用面発光レーザ。
The surface emitting laser for a pupil or cornea position detection device according to claim 1 or 2, wherein the optical element is formed on the light exit surface.
前記活性層に電流を供給する電極対を有し、
前記電極対のうち一方は、前記光学素子と同一面上に形成されている
ことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の瞳孔又は角膜の位置検知装置用面発光レーザ。
comprising an electrode pair for supplying current to the active layer,
The surface emitting laser for a pupil or corneal position detection device according to any one of claims 1 to 3, wherein one of the electrode pairs is formed on the same surface as the optical element.
前記光射出面は、前記瞳孔又は角膜の位置検知装置用面発光レーザが形成される基板側に位置する
ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の瞳孔又は角膜の位置検知装置用面発光レーザ。
The position of the pupil or cornea according to any one of claims 1 to 4, wherein the light exit surface is located on the substrate side on which the surface emitting laser for the pupil or cornea position detection device is formed. Surface emitting laser for detection equipment .
前記光射出面は、前記活性層に対し前記瞳孔又は角膜の位置検知装置用面発光レーザが形成される基板と反対側に位置する
ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の瞳孔又は角膜の位置検知装置用面発光レーザ。
5. The light emitting surface is located on the opposite side of the active layer to the substrate on which the surface emitting laser for the pupil or corneal position detection device is formed. The surface emitting laser for a pupil or corneal position detection device as described above.
前記光学素子は回折光学素子であり、
前記回折光学素子で回折された光は、前記光射出面に対し垂直な方向で重ね合う
ことを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の瞳孔又は角膜の位置検知装置用面発光レーザ。
The optical element is a diffractive optical element,
The surface emitting device for detecting the position of a pupil or cornea according to any one of claims 1 to 6, wherein the light diffracted by the diffractive optical element overlaps in a direction perpendicular to the light exit surface. laser.
前記回折光学素子で回折された光が、前記光射出面に対し垂直な方向で重ね合されることで、非回折光が生成される
ことを特徴とする請求項7に記載の瞳孔又は角膜の位置検知装置用面発光レーザ。
The pupil or cornea according to claim 7, wherein the light diffracted by the diffractive optical element is superimposed in a direction perpendicular to the light exit surface to generate undiffracted light. Surface emitting laser for position detection equipment .
請求項1乃至6の何れか1項に記載の瞳孔又は角膜の位置検知装置用面発光レーザと、
レンズと、を有し、
前記光学素子はリングスリットであり、
前記レンズは、前記リングスリットを介した光を前記光射出面に対し垂直な方向で重ね合せる
ことを特徴とする光源装置。
A surface emitting laser for a pupil or corneal position detection device according to any one of claims 1 to 6;
having a lens;
the optical element is a ring slit;
The light source device, wherein the lens superimposes the light passing through the ring slit in a direction perpendicular to the light exit surface.
前記レンズを通過した光が、前記光射出面に対し垂直な方向で重ね合されることで、非回折光が生成される
ことを特徴とする請求項9に記載の光源装置。
The light source device according to claim 9, wherein the light that has passed through the lens is superimposed in a direction perpendicular to the light exit surface to generate undiffracted light.
請求項1乃至8の何れか1項に記載の瞳孔又は角膜の位置検知装置用面発光レーザ又は請求項9又は10に記載の光源装置を有する
ことを特徴とする眼球の傾き位置検出装置。
An eyeball tilt position detecting device comprising: the surface emitting laser for a pupil or corneal position detecting device according to any one of claims 1 to 8; or the light source device according to claim 9 or 10.
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