JP7418149B2 - 光学装置、網膜投影表示装置、頭部装着型表示装置、及び入力装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学装置、網膜投影表示装置、頭部装着型表示装置、及び入力装置に関する。

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。

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網膜投影表示装置が知られている。網膜描画方式によれば、焦点フリーの映像を視認情報に重畳させることで、外界に視点を置いた状態でデジタル情報を網膜上に表示し、「人」に認識させることができる。

ところで、レーザを用いた網膜投影表示装置では、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。

このような課題に対し、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーにより、眼球上で照射レーザ光を走査させ、眼球からの反射光の検出信号に基づき眼球の角膜位置を検出する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、特許文献２参照）。

しかしながら、特許文献１及び特許文献２の技術では、高精度に眼球の角膜位置等を検出するためには、太陽光や室内照明等の環境光と照射レーザ光の眼球からの反射光とを分離して検出する必要があり、そのために照射レーザ光の光強度を大きくしなければならない場合がある。一方で、特許文献１及び特許文献２の技術において光強度の大きいレーザ光にすることは、眼球に対する安全性の観点から検出精度を向上させることが困難になる場合があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、光強度が小さい光で対象物を高精度に検出することを課題とする。

開示の技術の一態様に係る光学装置は、少なくとも３つの発光部を備え、対象物に光を照射する光源部と、前記３つの発光部をそれぞれ異なる発光周期で発光駆動させる発光駆動部と、照射された光の前記対象物からの反射光に応じた検出信号を出力する位置検出部と、前記３つの発光部のそれぞれ異なる発光周期に対応する周期の参照信号を用いて、前記検出信号から抽出された直流成分又は低周波成分の少なくとも１つに該当する抽出信号を出力する抽出信号出力部と、前記抽出信号出力部から出力される前記発光周期の抽出信号に基づいて取得される前記対象物の表面形状データを出力する表面形状出力部と、を有し、前記位置検出部は、連続的な且つ画素分割されていない受光面を備えた単一の２次元ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）である。

本発明の実施形態によれば、光強度が小さい光で対象物を高精度に検出することができる。

実施形態に係る瞳孔位置検知装置の構成の一例を説明する図である。 眼球の回旋と信号光のＰＳＤへの入射位置との関係を説明する図であり、（ａ）は眼球が回旋していない場合を説明する図であり、（ｂ）は眼球が回旋している場合を説明する図である。 実施形態に係る処理部のハードウェア構成の一例を説明するブロック図である。 第１の実施形態に係る処理部の機能構成の一例を説明するブロック図である。 第１の実施形態に係る処理部の動作の一例を示すフローチャートである。 信号抽出処理の作用の検証実験結果の一例を説明する図であり、（ａ）は信号抽出処理を実行しなかった場合の結果を説明する図であり、（ｂ）は信号抽出処理を実行した場合の結果を説明する図である。 信号抽出処理の作用の検証実験を照射レーザ光の光強度を変化させて行った結果を説明する図である。 瞳孔位置取得処理のシミュレーション結果の一例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説明する図であり、（ｂ）は瞳孔位置が正視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説明する図である。 第２の実施形態に係る処理部の機能構成の一例を説明するブロック図である。 第２の実施形態に係る処理部の動作の一例を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係るＰＳＤの受光面上で形成される信号光のビームスポットの一例を説明する図である。 第３の実施形態に係る処理部の機能構成の一例を説明するブロック図である。 第３の実施形態に係る処理部の動作の一例を説明するフローチャートである。 第３の実施形態に係るＰＳＤの受光面上で形成される信号光のビームスポットの一例を説明する図である。 第４の実施形態に係る網膜投影表示装置の構成の一例を説明する図である。 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。

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、同一の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。

光学装置の一例として、第１の実施形態、及び第２の実施形態では眼球の瞳孔位置検知装置を説明し、第３の実施形態では眼球の表面形状測定装置を説明する。これらの実施形態では、瞳孔位置検知装置、又は眼球の表面形状測定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。

また、第４の実施形態では網膜投影表示装置の一例を説明する。

なお、各実施形態では、「人」の右目の眼球を例に説明するが、左目の眼球に対しても同様である。また光学装置、又は網膜投影表示装置をそれぞれ２つ備え、両目の眼球に対して適用することもできる。

＜実施形態に係る瞳孔位置検知装置の構成＞
図１は、実施形態に係る瞳孔位置検知装置の構成の一例を説明する図である。

図１に示すように、瞳孔位置検知装置１０は、光源部の一例であるＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ；Vertical Cavity Surface Emitting LASER）１と、平面ミラー２と、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）３と、処理部１００とを有している。ＶＣＳＥＬ１、平面ミラー２及びＰＳＤ３は、眼鏡フレーム２１及び眼鏡レンズ２２を備える眼鏡型支持体２０の眼鏡フレーム２１に設けられている。処理部１００は、任意の位置に配置してもよいが、一例として眼鏡フレーム２１等に設けられている。ここで、ＰＳＤ３は、「位置検出部」の一例である。

ＶＣＳＥＬ１は、平面内に２次元的に配列された複数の発光部を有している。ＶＣＳＥＬ１は複数の発光部から射出されるレーザ光を、眼球３０の複数の箇所に照射することができ、或いは眼球３０に複数の角度で照射することができる。なお、「複数の発光部」は、「複数の発光点」、又は「複数の発光素子」と同義である。各発光部は図中上向きに、指向性を有するレーザ光を射出する。ここで、ＶＣＳＥＬ１は「光源部」の一例であり、「面発光レーザ」の一例である。また、レーザ光は「光」の一例である。

但し、光源部は、眼球３０に光を照射することができれば、ＶＣＳＥＬに限定されるものではない。レーザ光を射出する複数のＬＤ（半導体レーザ；Laser Diode）やＬＥＤ（発光ダイオード；Light Emitting Diode）を平面内に２次元的に配列して光源部を構成してもよい。またパルスレーザ光を射出するパルスレーザでもよい。さらに、被検知対象に合わせ、複数の種類の光源を組み合わせて光源部を構成してもよい。

ＶＣＳＥＬ１から射出されるレーザ光の波長は、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適である。但し、これに限定されるものではなく、可視光であってもよい。

ＶＣＳＥＬ１から射出されたレーザ光は、平面ミラー２で眼球３０に向けて反射され、眼球３０の瞳孔３１近傍に入射する。眼球３０へのレーザ光の入射角度は、正視時における眼球３０の瞳孔３１の中心に所定角度で入射するように調整されている。

眼球３０の瞳孔表面（角膜表面）は水分を含む透明体であり、約２～４％の反射率を有するのが一般的である。そのため、眼球３０の瞳孔３１近傍に入射したレーザ光は、眼球３０の瞳孔表面の反射点Ｐで反射され、反射光はＰＳＤ３の受光面に入射してビームスポットを形成する。なお、説明を簡単にするため、眼球３０での反射光を以降では信号光という。

ＰＳＤ３は、受光面内で直交する２方向において、入射した光の電極までの距離に応じた電流値を検出し、直交２方向の電流値の比から入射光の位置を示す検出信号を出力する２次元の光位置検出素子である。ＰＳＤ３は、信号光によりＰＳＤ３の受光面に形成されたビームスポットの位置を示す検出信号を出力することができる。

より具体的には、ＰＳＤ３は４つの出力端子を備え、連続的な受光面（画素分割されていない）に抵抗膜が配され、また直交２方向の電極対が設けられている。ビームスポット位置で発生した光電流は、各出力端子との距離に応じて４つに分割される。このとき、抵抗膜による電気抵抗はビームスポット位置と出力端子との距離が長いほど電流が小さくなるよう作用する。ＰＳＤ３は抵抗膜を経た電気信号を４つの端子を介して検出し、電気的な後処理により得られる受光面内の位置を示す検出信号を出力することができる。また、ＰＳＤ３は光電変換で生じた電流をアナログ電圧信号に変換し、検出信号として４つの端子から出力することができる。つまり、ＰＳＤ３は表面抵抗を利用して各端子との距離を求めることで入射した位置を検出することができる。

ところで、ＰＳＤ３に代えてイメージセンサ（撮像素子）を光位置検出素子に適用した場合、イメージセンサは、各画素に入射される輝度値により出力結果が左右する。輝度が低いと出力電流が少なくなり、太陽光などの環境光の影響を受けなくするためには光源の出力を上げてイメージセンサに入射される輝度値を上げる必要がある。しかし、眼球３０に光源からの光を入射させる装置に適用する場合は、眼球への安全性の観点で好ましくない。

またイメージセンサの場合、位置検出するための画像処理工程を経るが、このときに位置精度誤差の発生や処理負荷が発生する。その点、ＰＳＤ３によれば、出力端子間で分割される電流分割比（割合）を使って位置を検出するため、輝度値に関係なく位置検出でき、また画像処理工程を行わない点で好適である。さらに後述する、発光周期に対応する周期の参照信号を用いて、検出信号から抽出された発光周期に対応する周期の抽出信号を出力する構成にする事で、より精度の高い位置検出を行うことができる。

但し、上記のＰＳＤ３の構成は一例であって、他の構成であってもよい。また、実施形態ではＰＳＤ３として受光面内の２次元的な位置を検出する２次元ＰＳＤの例を示すが、受光面内の１次元的な位置を検出する１次元ＰＳＤを用いてもよい。

眼球３０の傾きによって、信号光がＰＳＤ３の受光面に形成するビームスポットの位置が変わるため、瞳孔位置検知装置１０は、ＰＳＤ３の検出信号を座標情報に変換することで眼球３０の瞳孔位置を検知することができる。

ここで、ＰＳＤ３は、眼球３０での反射点の法線ベクトルの向き、すなわち３次元形状を検出する。瞳孔位置検知装置１０は、検出された３次元形状と眼球の表面形状モデルとの対応に基づき、瞳孔位置を「推定」することができる。

なお、ＶＣＳＥＬ１のレーザ光を眼球３０に入射させる手段は、平面ミラー２に限定されるものではない。ＶＣＳＥＬ１のレーザ光を眼球３０に直接入射させてもよいし、任意の部材、又は任意の部材の組合せにより入射させてもよい。

凸レンズ、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つ以上の組合せにより、ＶＣＳＥＬ１のレーザ光を偏向させて眼球３０に入射させることで、瞳孔検知範囲の拡大、装置の小型化、及び瞳孔位置検知装置１０の組み立て負荷低減等の効果が得られる。

図１では、光学系および処理部の保持機構としてメガネフレームを示したが、これに限定されるものではなく、ヘッドマウント型ディスプレイやヘッドギア型の保持構造体等を用いてもよい。

一方で、眼球３０は回旋等の眼球運動をするため、眼球運動により信号光の方向が変わると、信号光がＰＳＤ３の受光面から外れてしまう場合がある。これに対し、瞳孔位置検知装置１０は、ＶＣＳＥＬ１で発光させる発光部を順次、又は選択的に変更する制御を実行することで、信号光がＰＳＤ３の受光面から外れることを防止することができる。

ここで、図２は、眼球３０の回旋と信号光のＰＳＤ３への入射位置との関係を説明する図である。（ａ）は眼球が回旋していない場合（正視時）を説明する図であり、（ｂ）は眼球が回旋している場合を説明する図である。

図２は、ＶＣＳＥＬ１の異なる２つの発光部から射出されたレーザ光の伝搬を示している。一方の発光部から射出されたレーザ光１ａは点線で示され、他方の発光部から射出されたレーザ光１ｂは一点鎖線で示されている。

図２（ａ）において、レーザ光１ａは眼球３０で反射され、ＰＳＤ３の受光面の中央付近に入射している。従ってＰＳＤ３は、眼球３０の回旋に応じたレーザ光１ａの受光面への入射位置変化を検出することができ、瞳孔位置検知装置１０はＰＳＤ３の検出信号に基づき、瞳孔３１の位置を検知することができる。

一方、レーザ光１ｂは眼球３０で反射された後、ＰＳＤ３の受光面に入射していないため、ＰＳＤ３はレーザ光１ｂの位置を検出することができず、瞳孔位置検知装置１０は瞳孔３１の位置を検知することができない。

また、図２（ｂ）に示すように、眼球３０が大きく回旋した場合、レーザ光１ａはＰＳＤ３の受光面から外れ、瞳孔位置検知装置１０は瞳孔３１の位置を検知することができない。一方、レーザ光１ｂはＰＳＤ３の受光面の中央付近に入射するため、ＰＳＤ３は眼球３０の回旋に応じたレーザ光１ｂの受光面への入射位置変化を検出することができ、瞳孔位置検知装置１０はＰＳＤ３の検出信号に基づき、瞳孔３１の位置を検知することができる。

このように、１つの発光部のみからの光では、限られた角度範囲でしか眼球３０の瞳孔位置を検知できないのに対し、実施形態によれば、ＶＣＳＥＬ１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、瞳孔位置の検知範囲を拡大することができる。

ＶＣＳＥＬ１の発光部の変化は、眼球３０の眼球運動に応じて、処理部１００からの駆動信号により時系列に行われる。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、瞳孔位置検知装置１０は、眼球運動とは独立に所定の時間間隔でＶＣＳＥＬ１の発光部をラスター走査（順次発光）させ、その場合のＰＳＤ３の検出信号に基づき、眼球３０の粗動位置を取得するようにしてもよい。

なお、図２では説明を簡単にするため、２つの発光部から射出されたレーザ光のみを例示したが、眼球３０の眼球運動に応じて、ＶＣＳＥＬ１の備えるさらに多くの発光部を利用することができる。この場合、ＰＳＤ３の受光面の大きさと眼球の大きさに合わせて、瞳孔３１の位置が適切に検知されるように、ＶＣＳＥＬ１の発光部の数、及び位置を適正化することができる。

＜実施形態に係る処理部の構成＞
次に、実施形態に係る処理部１００のハードウェア構成について説明する。図３は、処理部１００のハードウェア構成の一例を説明するブロック図である。

処理部１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０３と、ＳＳＤ（Solid State Drive）１０４と、光源駆動回路１０５と、信号発生回路１０６と、Ａ／Ｄ（Analog／Digital）変換回路１０７と、入出力Ｉ／Ｆ（Interface）１０８とを有している。それぞれはシステムバスＢで相互に接続されている。

ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭ１０２やＳＳＤ１０４等の記憶装置からプログラムやデータをＲＡＭ１０３上に読み出し、処理を実行することで、処理部１００全体の制御や後述する機能を実現する演算装置である。なお、ＣＰＵ１０１の有する機能の一部、又は全部を、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）やＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）といったハードウェアにより実現させてもよい。

ＲＯＭ１０２は、電源を切ってもプログラムやデータを保持することが可能な不揮発性の半導体メモリ（記憶装置）である。ＲＯＭ１０２には、処理部１００の起動時に実行されるＢＩＯＳ（Basic Input／Output System）、ＯＳ設定、及びネットワーク設定等のプログラムやデータが格納されている。ＲＡＭ１０３は、プログラムやデータを一時保持する揮発性の半導体メモリ（記憶装置）である。

ＳＳＤ１０４は、処理部１００による処理を実行するプログラムや各種データが記憶された不揮発性メモリである。なお、ＳＳＤはＨＤＤ（Hard Disk Drive）であってもよい。

光源駆動回路１０５は、ＶＣＳＥＬ１に電気的に接続され、入力された制御信号に従ってＶＣＳＥＬ１に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。光源駆動回路１０５は、ＶＣＳＥＬ１の備える複数の発光部を同時、又は順次に発光駆動させることができ、また駆動電圧の周期を変調することで、異なる発光周期で発光駆動させることができる。

駆動電圧として矩形波や正弦波、又は所定の波形形状の電圧波形を用いることができ、光源駆動回路１０５は、これらの電圧波形の周期（周波数）を変化させて、駆動電圧信号の周期を変調することができる。

信号発生回路１０６は、所定の周期の電気信号を発生させる電気回路である。信号発生回路１０６として、周期の異なる複数の電気信号を発生させ、複数の出力先に並行して出力することができる多チャンネルの信号発生器を用いることができる。

Ａ／Ｄ変換回路１０７は、ＰＳＤ３に電気的に接続され、ＰＳＤ３の出力するアナログ電圧信号をＡ／Ｄ変換したデジタル電圧信号を出力する電気回路である。

入出力Ｉ／Ｆ１０８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。

［第１の実施形態］
＜第１の実施形態に係る処理部の機能構成＞
次に、第１の実施形態に係る処理部１００の機能構成について説明する。図４は、処理部１００の機能構成の一例を説明するブロック図である。なお、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。各機能ブロックの機能は、特に実現手段を示す場合を除き、ＣＰＵ１０１がプログラムを実行することで実現することができる。

図４に示すように、処理部１００は、発光駆動部１１０と、参照信号出力部１２０と、検出信号入力部１３０と、信号抽出部１４０と、演算部１５０と、瞳孔位置出力部１６０を有している。ここで、瞳孔位置出力部１６０は「出力部」の一例である。

発光駆動部１１０は、ＶＣＳＥＬ１に周期Ｔ_１の駆動信号を出力し、ＶＣＳＥＬ１の備える発光部を発光周期Ｔ_１で発光駆動させる機能を有する。発光駆動部１１０は、光源駆動回路１０５等で実現することができる。周期Ｔ_１は、「所定の周期」の一例である。

参照信号出力部１２０は、信号発生回路１０６等により実現され、信号抽出部１４０の備える参照信号入力部１４１に、周期Ｔ_Ｒの参照信号を出力する機能を有する。なお、信号発生回路１０６は、周期Ｔ_Ｒの参照信号を出力するとともに、周期Ｔ_１の信号を発光駆動部１１０に出力してもよい。そして、発光駆動部１１０は、信号発生回路１０６からの信号に応じて、ＶＣＳＥＬ１に周期Ｔ_１の駆動信号を出力してもよい。この場合の信号発生回路１０６は、「信号発生部」の一例である。

検出信号入力部１３０は、Ａ／Ｄ変換回路１０７等により実現され、ＰＳＤ３から入力したアナログ電圧信号をＡ／Ｄ変換したデジタル電圧信号を、信号抽出部１４０の備える位相差調整部１４２に出力する機能を有する。

ここで、眼球３０にはＶＣＳＥＬ１から発光周期Ｔ_１で変調されたレーザ光が照射されるため、信号光のＰＳＤ３による検出信号は周期Ｔ_１の電気信号である。但し、瞳孔位置検知装置１０を使用する環境に応じて太陽光や室内照明等の環境光（以降、ノイズ光という）が存在する場合があり、この場合、ＰＳＤ３の検出信号には、信号光である周期Ｔ_１の電気信号と、ノイズ光の両方が含まれることになる。

一方、信号抽出部１４０は、ＶＣＳＥＬ１の発光部の発光周期に対応する周期の参照信号を用いて、ＰＳＤ３の検出信号から発光周期に対応する周期の電気信号を抽出する機能を有する。このような機能を実現するために、信号抽出部１４０は、参照信号入力部１４１と、位相差調整部１４２と、乗算部１４３と、フィルタ部１４４と、信号増幅部１４５と、抽出信号出力部１４６とを有している。なお、「発光周期に対応する周期」とは、発光周期と同一の周期や、発光周期の倍数又は約数となる周期等である。

参照信号入力部１４１は、参照信号出力部１２０から参照信号を入力し、位相差調整部１４２に出力することができる。

位相差調整部１４２は、検出信号入力部１３０を介してＰＳＤ３の検出信号を入力し、また、参照信号入力部１４１を介して参照信号出力部１２０の出力する参照信号を入力する。そして、参照信号の位相φ_Ｒと検出信号の位相φ_１との位相差を調整し、各信号を乗算部１４３に出力する機能を有する。この調整により、後述するローパスフィルタリング後の直流信号の出力を最大化することができる。

乗算部１４３は、位相差調整部１４２から入力した検出信号と参照信号を掛け合わせる処理を実行する。

ここで、ＰＳＤ３の出力する検出信号Ｓｄ（ｔ）は以下の（１）式で表すことができ、また、参照信号Ｒ（ｔ）は次の（２）式で表すことができる。

Ｓｄ（ｔ）＝Ｎｂ（ｔ）＋Ｓ（ｔ）×ｓｉｎ（２π・ｔ／Ｔ_１＋φ_１） ・・・（１）
Ｒ（ｔ）＝Ａ×ｓｉｎ（２π・ｔ／Ｔ_Ｒ＋φ_Ｒ） ・・・（２）
但し、（１）式及び（２）式において、ｔは時間を表し、Ｎｂは検出信号におけるノイズ光成分を表し、φ_１は検出信号における信号光成分の位相を表し、Ａは参照信号の振幅を表し、φ_Ｒは参照信号の位相を表す。

乗算部１４３により乗算された信号は、次の（３）のように表すことができる。

Ｓｄ（ｔ）×Ｒ（ｔ）＝Ａ×Ｎｂ（ｔ）×ｓｉｎ（２π・ｔ／Ｔ_Ｒ＋φ_Ｒ）
＋Ａ×Ｓ（ｔ）×｛ｃｏｓ［（１／Ｔ_１－１／Ｔ_Ｒ）×ｔ＋（φ_１－φ_Ｒ）］
＋ｃｏｓ［（１／Ｔ_１＋１／Ｔ_Ｒ）×ｔ＋（φ_１＋φ_Ｒ）］｝ ・・・（３）
（３）式から分かるように、位相差調整部１４２で周期Ｔ_１と周期Ｔ_Ｒとを略一致させることで、検出信号における信号光成分と参照信号の差周波成分を直流信号にすることができ、信号光成分Ｓ（ｔ）とノイズ光成分Ｎｂ（ｔ）を周波数領域で分離させることができる。なお、「略一致」は、一般的に誤差と認識される程度の差異は許容される「一致」を意味する。この点は以下においても同様である。

乗算部１４３は、検出信号と参照信号を乗算した乗算信号を、フィルタ部１４４に出力することができる。

フィルタ部１４４は、入力した調整後の乗算信号に対し、ローパスフィルタ処理を実行し、抽出した直流成分又は低周波成分の少なくとも１つに該当する抽出信号を信号増幅部１４５に出力する機能を有する。また、信号増幅部１４５は、入力した抽出信号を瞳孔位置算出のために処理可能なレベルにまで増幅し、抽出信号出力部１４６に出力することができる。また、抽出信号出力部１４６は、増幅された抽出信号を演算部１５０に出力することができる。

なお、位相差調整部１４２は、位相を同期させる方法として、位相差調整により直流信号の最大値を探索する方法以外にも、０°と９０°の位相関係をもつ１対の参照信号を用いて振幅「Ａ×Ｓ（ｔ）」を同定する方法等を用いてもよい。

また、フィルタ部１４４によるローパスフィルタ処理後の直流信号を位相差調整部１４２に帰還させ、直流信号の出力を最大化するように位相差調整部１４２により位相差を調整するようなフィードバックループを構成してもよい。

また、上述の（１）～（３）式では、ＰＳＤ３の検出信号を周期Ｔ_１の正弦関数で表す例を示したが、周期Ｔ_１の矩形パルス関数として表してもよい。

光源駆動回路１０５でＶＣＳＥＬ１をパルス変調する場合、ＶＣＳＥＬ１に注入する電流の時間プロファイルを最適制御する方法や、外部位相変調器を設けてＶＣＳＥＬ１の共振器長を周期的に変化させる方法等を用いてもよい。

ＶＣＳＥＬ１から眼球３０に照射するレーザ光を狭帯化（短パルス化）することで、眼球３０に照射するレーザ光の平均的な光強度を低減させることができるため、眼の安全性を向上させることができる。また、ＶＣＳＥＬ１に代えて光源部にパルスレーザを用いることでも同様の効果が得られる。

また、処理部１００の機能の一部をＣＰＵ１０１によりソフトウェアで実現する例を示したが、処理の高速化のためには、アナログ電子回路を用いてハードウェアで実現することが好適である。一方で、処理部１００の機能の一部を光源駆動回路等によりハードウェアで実現する例を示したが、ＣＰＵ１０１によりソフトウェアで実現することもできる。

図４を参照して説明を続ける。演算部１５０は、抽出信号出力部１４６から入力した抽出信号に基づき、眼球３０の瞳孔位置を取得する演算処理を実行する機能を有する。このような機能を実現するために、演算部１５０は、眼球回旋角度推定部１５１と、瞳孔位置取得部１５２とを有している。

眼球回旋角度推定部１５１は、抽出信号出力部１４６から入力した抽出信号に基づき、眼球３０の回旋角度を推定し、推定した回旋角度データを瞳孔位置取得部１５２に出力することができる。また、瞳孔位置取得部１５２は、推定された眼球３０の回旋角度に基づき、瞳孔３１の位置を取得する演算処理を実行することができる。

＜第１の実施形態に係る処理部の動作＞
次に、本実施形態に係る処理部１００の動作について説明する。

ここで、瞳孔位置検知装置１０では、瞳孔位置検知の事前準備として、ＶＣＳＥＬ１による眼球３０への照射レーザ光が眼球３０に入射する入射角度と、眼球３０の回旋角度の算出式が予め決定されるため、先ず、これらについて説明する。

眼球３０の回旋角度の算出式は、１次関数、又は２次関数の算出式である。但し、これに限定はされるものではなく、レーザ光の入射角度とＰＳＤ３の受光面上のビームスポット位置から回旋角度を定めることができる算出式であれば、式の形式は問わない。簡単な近似式として、本実施形態では２次関数による算出式を採用している。

レーザ光が眼球３０に入射する角度の決定には、眼球３０の表面形状モデルを利用することができる。例えば、一般的な眼球の表面形状モデルとして古くから知られている略式模型眼（例えば、「眼の光学的機構」、精密機械２７－１１、１９６１参照）等を利用することができる。

一方、眼球３０へのレーザ光の入射角度は、ＰＳＤ３への信号光の入射位置が受光面の中心になるように、光線追跡計算等により予め決定することができる。

また、ＰＳＤ３の受光面への信号光の入射位置は、眼球３０へのレーザ光の入射角度、眼球３０でのレーザ光の反射位置、及び眼球３０表面の接面の傾きに基づき、理論解析することができる。そして、理論解析の解から、多項式近似により眼球３０の回旋角度を推定する逆演算式（近似式）を決定することができる。

眼球３０へのレーザ光の入射角度と、眼球３０の回旋角度を推定する逆演算式は、処理部１００のＲＯＭ１０２やＳＳＤ１０４等のメモリに記憶され、発光駆動部１１０による発光部の変更や、演算部１５０による瞳孔位置取得処理において参照されることができる。

次に、図５は、本実施形態に係る処理部の動作の一例を示すフローチャートである。

先ず、ステップＳ５１において、発光駆動部１１０は、ＶＣＳＥＬ１を発光周期Ｔ_１で発光駆動させる。

続いて、ステップＳ５３において、参照信号出力部１２０は、発光周期Ｔ_１と同じ周期の周期Ｔ_１で参照信号を出力し、信号抽出部１４０の備える参照信号入力部１４１は参照信号を入力する。

続いて、ステップＳ５５において、検出信号入力部１３０は、ＰＳＤ３の検出信号を入力する。

続いて、ステップＳ５７において、位相差調整部１４２は、検出信号入力部１３０を介して検出信号を入力し、また、参照信号入力部１４１を介して参照信号を入力する。そして、参照信号の位相φ_Ｒと検出信号の位相φ_１との位相差を調整し、調整後の各信号を乗算部１４３に出力する。

続いて、ステップＳ５９において、乗算部１４３は、入力した検出信号と参照信号を掛け合わせる処理を実行し、掛け合わせた信号である乗算信号をフィルタ部１４４に出力する。

続いて、ステップＳ６１において、フィルタ部１４４は、入力した調整後の乗算信号に対してローパスフィルタ処理を実行し、抽出された直流成分又は低周波成分の少なくとも１つに該当する抽出信号を信号増幅部１４５に出力する。

続いて、ステップＳ６３において、信号増幅部１４５は、入力した抽出信号を、瞳孔位置算出のために処理可能なレベルにまで増幅して抽出信号出力部１４６に出力する。

続いて、ステップＳ６５において、抽出信号出力部１４６は、増幅された抽出信号を演算部１５０に出力する。

続いて、ステップＳ６７において、眼球回旋角度推定部１５１は、入力した抽出信号を、回旋角度を推定する逆演算式に代入して眼球回旋角度を算出し、眼球回旋角度データを瞳孔位置取得部１５２に出力する。

続いて、ステップＳ６９において、瞳孔位置取得部１５２は、入力した眼球回旋角度データに基づき、眼球の表面形状モデルを用いて取得した瞳孔位置データを瞳孔位置出力部１６０に出力する。

続いて、ステップＳ７１において、瞳孔位置出力部１６０は、入力した瞳孔位置データを出力する。

このようにして、処理部１００は、ＰＳＤ３の出力する検出信号に基づいて取得された眼球３０の瞳孔３１の位置データを出力することができる。

＜第１の実施形態に係る瞳孔位置検知装置の作用＞
次に、本実施形態に係る瞳孔位置検知装置の作用について説明する。

（信号抽出処理の作用）
先ず、信号抽出処理の作用の検証結果を説明する。この検証結果は、具体的には、ＶＣＳＥＬ１による照射レーザ光の光強度を小さくした場合に、信号抽出部１４０による処理で照射レーザ光の位置を高精度に検出できるかの検証実験結果である。

実験では、オプティカルチョッパー装置により照射レーザ光を変調周波数２００Ｈｚ（周期５ｍｓ）で機械的に変調し、照射レーザ光のＰＳＤ３による検出信号をＡ／Ｄ変換したデジタル電圧信号を、ＰＣ（Personal Computer）に入力した。そして、ＰＣによるソフトウェア処理により信号抽出部１４０の処理を実行し、信号抽出部１４０による信号抽出処理を行った場合と行わなかった場合で、ＰＳＤ３によるビームスポット位置の検出結果を比較した。なお、ローパスフィルタ処理におけるカットオフ周波数は４０Ｈｚとした。

図６は、信号抽出処理の作用の検証実験結果の一例を説明する図である。（ａ）は信号抽出処理を実行しなかった場合の結果を説明する図であり、（ｂ）は信号抽出部処理を実行した場合の結果を説明する図である。

図６（ａ）では、位置の検出結果がばらついており、信号光以外のノイズ光による光スポットがＰＳＤ３の受光面上に形成されていることが分かる。これに対し、図６（ｂ）では、位置の検出結果が中央の一点のみに集中し、信号光のビームスポット位置を安定して検出できている。このように、信号抽出部１４０による信号抽出処理により、ＶＣＳＥＬ１による照射レーザ光の光強度を小さくしても、ＰＳＤ３により信号光のビームスポットの位置を高精度に検出できることが分かった。

また、ＰＳＤ受光面に到達する信号光の光量は、パワーメータによる計測値で２．６μＷであった。従って、約６０μＷの室内照明下においても、信号光を高感度に検出できることが分かった。

一方、図７は、上述の信号抽出処理の作用の検証実験を照射レーザ光の光強度を変化させて行った結果を説明する図である。横軸は照射レーザ光の光強度を示し、縦軸はＰＳＤ３により検出したビームスポット位置の標準偏差を示している。

黒塗り潰しの四角ドット７１は、信号抽出処理を行わなかった場合のＸ方向位置の検出値を示し、白抜きの四角ドット７２は、信号抽出処理を行わなかった場合のＹ方向位置の検出値を示している。

また、黒塗り潰しの丸ドット７３は、信号抽出処理を行った場合のＸ方向位置の検出値を示し、白抜きの丸ドット７４は、信号抽出処理を行った場合のＹ方向位置の検出値を示している。

図７に示すように、信号抽出処理により、およそ一桁の検出精度の向上を図ることができた。また、Ｘ方向とＹ方向における検出精度の異方性が解消されることが分かった。

（瞳孔位置取得処理の作用）
次に、瞳孔位置取得処理の作用のシミュレーションによる検証結果について説明する。

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平面ミラー２及びＰＳＤ３を想定した。眼球３０の回旋角度をＸ方向に５点、Ｙ方向に３点、ともに５°刻みで変化させた場合を、眼球３０の基準角度（θｘ，θｙ）とした。

図８は、瞳孔位置取得処理のシミュレーション結果の一例を説明する図である。（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説明する図であり、（ｂ）は瞳孔位置が正視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説明する図である。

図８の横軸はＸ方向の眼球回旋角度の変化量を示し、縦軸はＹ方向の眼球回旋角度の変化量を示している。回旋角度をＸ方向に５点、Ｙ方向に３点、ともに５度刻みで変化させたそれぞれの入射角度を基準（角度変化量（０、０））にした値である。

シミュレーションでは、眼球３０で反射され、ＰＳＤ３の中央に入射する信号光の平面ミラー２の位置での射出角度（平面ミラー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、ＰＳＤ３の中央は、座標（０、０）として表現されている。

また、射出角度毎の信号光と、眼球３０の基準角度（θｘ，θｙ）との差分（Δθｘ、Δθｙ）を、ＰＳＤ３の受光面への入射位置（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。

図８（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度の範囲で、誤差は最大０．１度程度に収まっている。ここで、２．５度という数値は、基準角度を５度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、平面ミラー２とＰＳＤ３を平面内でＸ方向に配置した構成を想定したため、Ｙ方向の誤差はＸ方向よりも小さい値となっている。

図８（ｂ）においても、図８（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。

この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と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することができる。なお、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ている。

このように、瞳孔位置取得部１５２の処理によって、十分な精度で瞳孔３１の位置を算出できることがわかった。

＜第１の実施形態に係る瞳孔位置検知装置の効果＞
以上説明してきたように、本実施形態では、眼球３０の瞳孔３１等の対象物に照射する光を所定の発光周期で変調し、発光周期に対応する周期の参照信号を用いて、ＰＳＤ３の検出信号から発光周期に対応する周期の信号を抽出する。

これにより、対象物からの反射光を太陽光等のノイズ光から分離して抽出することができる。そして、対象物からの反射光の光強度が小さい場合でも、反射光のＰＳＤ３の受光面上での位置を高精度に検出することができる。

また、本実施形態によれば、対象物が眼球３０の瞳孔３１等の生体であって、光強度が大きい光を照射することが好ましくない場合に、光強度が小さい光で対象物からの反射光の位置を高精度に検出できるため、安全に、眼球３０の瞳孔３１の位置を正確に検出することができる。

さらに、本実施形態では、ＶＣＳＥＬ１の発光部を所定のタイミングで変化させることで、眼球３０への入射角度を変化させ、瞳孔３１の位置の検知範囲を拡大することができる。これにより、ＭＥＭＳミラー等の可動構造を用いずに非機械式の構成で、眼球３０の瞳孔３１等の対象物の位置を検知することができ、振動や外的衝撃に強い瞳孔位置の検知を実現することができる。

なお、本実施形態では、瞳孔位置検知装置１０の例を説明したが、これに限定されるものではなく、さまざまな対象物に対して、光強度が小さい光を用いて対象物の位置や傾きを高精度に検出することができる。

また、本実施形態では、発光周期Ｔ_１と参照信号の周期Ｔ_Ｒを一致させる例を説明したが、必ずしも一致が求められるものではなく、両者が対応する周期であればよい。例えば、発光周期Ｔ_１に対して倍数や約数となる周期Ｔ_Ｒ等を用いてもよい。また両者の周期が近い場合でもノイズ光の低減効果が得られるため、使用用途に応じて、求められるＳＮ（Signal to Noise）比が得られるように、発光周期Ｔ_１に対する周期Ｔ_Ｒを決定してもよい。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態に係る瞳孔位置検知装置１０ａについて説明する。尚、既に説明した実施形態と同一の構成部分についての説明は省略する場合がある。

図２を用いて説明したように、実施形態に係る瞳孔位置検知装置は、眼球３０が回旋した際に、信号光がＰＳＤ３の受光面から外れて見失われることで、瞳孔位置の検知をできなくなる場合がある。

そこで、本実施形態では、ＶＣＳＥＬ１の複数の発光部から発光周期の異なる複数のレーザ光を眼球３０に向けて同時に（並行して）照射し、また、複数の照射レーザ光による信号光のビームスポットをＰＳＤ３により同時、又はＰＳＤ３の処理時間内で受光する。なお、ＰＳＤ３の処理時間とは、ＰＳＤ３がビームスポットを受光後、電気回路による処理を実行し、ビームスポットの位置を示す検出信号を出力するまでの時間を意味する。

このようにして得られるＰＳＤ３の検出信号を用いて信号光が見失われることを低減している。以下に、ＶＣＳＥＬ１の「２つ」の発光部から眼球３０に向けて同時にレーザ光を照射する場合を例として、上記の機能について詳細に説明する。

＜第２の実施形態に係る処理部の機能構成＞
図９は、本実施形態に係る瞳孔位置検知装置の備える処理部の機能構成の一例を説明するブロック図である。

処理部１００ａは、発光駆動部１１０ａと、参照信号出力部１２０ａと、信号抽出部１４０ａとを有している。

発光駆動部１１０ａは、ＶＣＳＥＬ１の２つの発光部にそれぞれ異なる周期Ｔ_１、Ｔ_２の駆動信号を出力し、ＶＣＳＥＬ１の備える２つの発光部を、それぞれ発光周期Ｔ_１、Ｔ_２で同時に発光駆動させる機能を有する。発光駆動部１１０ａは、光源駆動回路１０５等で実現することができる。

また、参照信号出力部１２０ａは、信号発生回路１０６等により実現され、信号抽出部１４０の備える参照信号入力部１４１に周期Ｔ_Ｒ１、Ｔ_Ｒ２の参照信号を同時に出力する機能を有する。

ここで、眼球３０に照射された発光周期Ｔ_１、Ｔ_２のレーザ光は、眼球３０の複数の箇所で同時に反射され、ＰＳＤ３の受光面に同時に入射する。ＰＳＤ３はそれらを同時、或いはＰＳＤ３の処理時間内において検出した１つの検出信号を出力する。このような検出信号は、検出信号入力部１３０を介して位相差調整部１４２ａに入力される。

次に、信号抽出部１４０ａは、ＶＣＳＥＬ１の発光部の発光周期Ｔ_１、Ｔ_２にそれぞれ対応する周期Ｔ_Ｒ１、Ｔ_Ｒ２の参照信号を用いて、ＰＳＤ３の出力する検出信号から発光周期に対応する周期Ｔ_１、Ｔ_２の抽出信号を同時に抽出する機能を有する。このような機能を実現するために、信号抽出部１４０ａは、参照信号入力部１４１ａと、位相差調整部１４２ａと、乗算部１４３ａと、フィルタ部１４４ａと、信号増幅部１４５ａと、抽出信号出力部１４６ａとを有している。尚、以下の各機能部の処理は、周期Ｔ_Ｒ１、Ｔ_Ｒ２の参照信号において同時に実行されるものとする。

参照信号入力部１４１ａは、参照信号出力部１２０の出力する周期Ｔ_Ｒ１、Ｔ_Ｒ２の参照信号を入力し、位相差調整部１４２ａに出力する。

位相差調整部１４２ａは、検出信号の位相φ_１と参照信号の位相φ_Ｒ１の位相差、及び検出信号の位相φ_１と参照信号の位相φ_Ｒ２の位相差をそれぞれ調整し、調整後の乗算信号ＳＲ_１、ＳＲ_２を乗算部１４３ａに出力する機能を有する。

この調整によりそれぞれの直流信号の出力を最大化することができる。

乗算部１４３ａは、入力した検出信号と周期Ｔ_Ｒ１の参照信号、及び検出信号と周期Ｔ_Ｒ２の参照信号を、それぞれ掛け合わせる処理を実行する。

位相差調整部１４２ａで周期Ｔ_１と周期Ｔ_Ｒ１とを略一致させることで、検出信号における信号光成分と参照信号の差周波成分を直流信号にすることができ、周期Ｔ_１の信号光成分Ｓ_１（ｔ）とノイズ光成分Ｎｂ（ｔ）を周波数領域で分離させることができる。同様に、位相差調整部１４２ａで周期Ｔ_２と周期Ｔ_Ｒ２とを略一致させることで、周期Ｔ_２の信号光成分Ｓ_２（ｔ）とノイズ光成分Ｎｂ（ｔ）を周波数領域で分離させることができる。

乗算部１４３ａは、検出信号と周期Ｔ_Ｒ１の参照信号を乗算した乗算信号ＳＲ_１、及び検出信号と周期Ｔ_Ｒ２の参照信号を乗算した乗算信号ＳＲ_２を、フィルタ部１４４ａに出力することができる。

フィルタ部１４４ａは、入力した調整後の乗算信号ＳＲ_１、ＳＲ_２に対し、それぞれローパスフィルタ処理を実行し、抽出したそれぞれの直流成分又は低周波成分の少なくとも１つに該当する抽出信号を信号増幅部１４５に出力する機能を有する。また、信号増幅部１４５ａは入力した各抽出信号を瞳孔位置算出のために処理可能なレベルにまで増幅して抽出信号出力部１４６ａに出力することができる。また、抽出信号出力部１４６ａは、増幅された各抽出信号を演算部１５０に出力することができる。

＜第２の実施形態に係る処理部の動作＞
次に、本実施形態に係る処理部１００ａの動作について説明する。

図１０は、本実施形態に係る処理部の動作の一例を示すフローチャートである。

先ず、ステップＳ１０１において、発光駆動部１１０ａは、ＶＣＳＥＬ１を発光周期Ｔ_１、Ｔ_１で発光駆動させる。

続いて、ステップＳ１０３において、参照信号出力部１２０ａは、発光周期Ｔ_１と同じ周期Ｔ_１の参照信号と、発光周期Ｔ_２と同じ周期Ｔ_２の参照信号を同時に出力する。信号抽出部１４０ａの備える参照信号入力部１４１ａは、各参照信号を入力する。

続いて、ステップＳ１０５において、検出信号入力部１３０はＰＳＤ３の検出信号を入力する。

続いて、ステップＳ１０７において、位相差調整部１４２ａは、検出信号入力部１３０から検出信号を入力し、また、参照信号入力部１４１ａから周期Ｔ_Ｒ１、Ｔ_Ｒ２の参照信号を入力する。位相差調整部１４２ａは、検出信号の位相φ_１と参照信号の位相φ_Ｒ１の位相差、及び検出信号の位相φ_１と参照信号の位相φ_Ｒ２の位相差をそれぞれ調整し、調整後の乗算信号ＳＲ_１、ＳＲ_２を位相差調整部１４３ａに出力する。

続いて、ステップＳ１０９において、乗算部１４３ａは、検出信号と周期Ｔ_Ｒ１の参照信号、及び検出信号と周期Ｔ_Ｒ２の参照信号のそれぞれを掛け合わせる処理を実行する。また、乗算部１４３ａは、検出信号と周期Ｔ_Ｒ１の参照信号を乗算した乗算信号ＳＲ_１と、検出信号と周期Ｔ_Ｒ２の参照信号を乗算した乗算信号ＳＲ_２とを、フィルタ部１４４ａに出力する。

続いて、ステップＳ１１１において、フィルタ部１４４ａは、入力した調整後の乗算信号ＳＲ_１、ＳＲ_２に対し、それぞれローパスフィルタ処理を実行し、抽出したそれぞれの直流成分又は低周波成分の少なくとも１つに該当する抽出信号を信号増幅部１４５に出力する。

続いて、ステップＳ１１３において、信号増幅部１４５ａは入力した各抽出信号を瞳孔位置算出のために処理可能なレベルにまで増幅し、抽出信号出力部１４６ａに出力する。

続いて、ステップＳ１１５において、抽出信号出力部１４６ａは、入力した各抽出信号を演算部１５０に出力する。

続いて、ステップＳ１１７において、眼球回旋角度推定部１５１は、回旋角度を推定する逆演算式に入力した各抽出信号を代入し、それぞれ眼球回旋角度を算出して瞳孔位置取得部１５２に出力する。

続いて、ステップＳ１１９において、瞳孔位置取得部１５２は、入力した各眼球回旋角度に基づき、眼球表面形状のモデルを用いて取得されるそれぞれの瞳孔位置データを瞳孔位置出力部１６０に出力する。

続いて、ステップＳ１２１において、瞳孔位置出力部１６０は、入力した各瞳孔位置データを出力する。

このようにして、処理部１００ａは、ＰＳＤ３の出力する検出信号に基づいて取得される眼球３０の瞳孔３１の位置データを出力することができる。

＜第２の実施形態に係る瞳孔位置検知装置の作用効果＞
次に、本実施形態に係る瞳孔位置検知装置の作用効果について説明する。

図１１は、本実施形態に係るＰＳＤの受光面上で形成される信号光のビームスポットの一例を説明する図である。

図１１に示すように、ＰＳＤ３の受光面３ａ上には、周期Ｔ_１の信号光のビームスポット１１１、及び周期Ｔ_２の信号光のビームスポット１１２が形成されている。ビームスポット１１１及び１１２は、同時、又はＰＳＤ３の処理時間内において、受光面３ａ上に形成されたビームスポットである。

一般に、ＰＳＤは、受光面上に形成された１つのビームスポットの位置を検出し、図１１に示すような受光面３ａ上に形成された２つのビームスポットのそれぞれの位置を検出することはできない。

これに対し、本実施形態では、各発光周期に対応する周期の参照信号を用いて、ＰＳＤ３の検出信号から各発光周期に対応する信号を分離して抽出する。そして抽出信号から受光面３ａ上に形成された２つのビームスポットのそれぞれの位置を検出する。

１つのビームスポットを用いる場合に対し、２つのビームスポットを用いると、受光面３ａ上にビームスポットが形成される確率が高くなるため、信号光が見失われることを低減することができる。

なお、本実施形態では受光面３ａ上に２つのビームスポットが形成される場合を例として説明したが、ビームスポットの数をさらに増やしてもよい。ビームスポット数の増加に伴い、受光面３ａ上にビームスポットが形成される確率がより高くなるため、信号光が見失われることをさらに低減することができる。

この場合、５つのビームスポットが中央と四隅に形成されるようにすると、眼球３０の回旋により、図１１の±Ｘ方向及び±Ｙ方向の何れの方向にビームスポットが移動しても、何れかのビームスポットを受光することができる。このようにして受光面３ａ上にビームスポットが形成される確率を上げることができるため、さらに好適である。

また、本実施形態では、信号抽出部１４０ａにおける乗算部１４３ａ等の処理を、各周期の参照信号に対して同時（パラレル）に実行する例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、時系列（シリアル）に参照信号の周期を切り替えながら、周期毎に時系列に処理を行ってもよい。つまり、先ず周期Ｔ_Ｒ１の参照信号を用いた信号抽出処理を実行し、その後、周期Ｔ_Ｒ２の参照信号を用いた信号抽出処理を実行するようにしてもよい。

高速で処理を実行するために、信号抽出部１４０ａの処理をハードウェアの電子回路で実行する場合、各周期の参照信号に対する同時処理を行うと高速処理が実現できる。しかしその一方で、同じ処理を実行する電子回路が周期の数だけ必要になるため、電子回路の規模が大きくなる。電子回路規模に伴い装置コストが増大し、また電子回路サイズに応じて装置が大型化する場合がある。

信号抽出処理を時系列で実行することで、電子回路を共通化できるため、電子回路の規模の大型化を防ぐことができる。これにより装置コストの低減、及び装置の小型化を図ることができる。

なお、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。

［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態に係る眼球の表面形状測定装置について説明する。

本実施形態では、ＶＣＳＥＬ１の３つ以上の発光部から発光周期の異なる３つ以上のレーザ光を眼球３０に向けて同時に照射し、複数の照射レーザ光による信号光のビームスポットをＰＳＤ３により同時、又はＰＳＤ３の処理時間内で受光する。このようにして得られるＰＳＤ３の検出信号を用いて、眼球３０の表面形状を測定する。以下に、ＶＣＳＥＬ１の「３つ」の発光部から眼球３０に向けて同時にレーザ光を照射する場合を一例として、上記の機能について詳細に説明する。

＜第３の実施形態に係る処理部の機能構成＞
図１２は、本実施形態に係る眼球の表面形状測定装置の備える処理部の機能構成の一例を説明するブロック図である。

図１２に示すように、処理部１００ｂは、発光駆動部１１０ｂと、参照信号出力部１２０ｂと、信号抽出部１４０ｂと、演算部１５０ｂと、表面形状出力部１７０とを有している。ここで、表面形状出力部１７０は、「出力部」の一例である。

発光駆動部１１０ｂ、参照信号出力部１２０ｂ、及び信号抽出部１４０ｂの各機能は、それぞれ発光駆動部１１０ａ、参照信号出力部１２０ａ、及び信号抽出部１４０ａ（図９参照）における各周期の信号の数を、２つから３つにした点のみが異なり、他は同様であるため、ここでは説明を省略する。

図１２を参照して説明を続ける。演算部１５０ｂは、信号抽出部１４０ｂから入力した抽出信号に基づき、眼球３０の曲率半径を取得する演算処理を実行する機能を有する。このような機能を実現するために、演算部１５０ｂは表面形状取得部１５３を有している。

表面形状取得部１５３は、抽出信号出力部１４６ｂから３つの抽出信号を入力する。３つの抽出信号の示すデータを球面にフィッティングすることで、眼球３０の曲率半径を取得することができる。そして、曲率半径に基づいて取得される眼球の表面形状データを、表面形状出力部１７０に出力することができる。

表面形状出力部１７０は、表面形状取得部１５３から入力した表面形状データを出力することができる。

＜第３の実施形態に係る処理部の動作＞
図１３は、本実施形態に係る眼球の表面形状測定装置の備える処理部の動作の一例を説明するフローチャートである。

ここで、ステップＳ１３１～Ｓ１４９の処理は、図１０で説明したステップＳ１０１～１１９の処理に対し、各周期の信号の数を、２つから３つにした点のみが異なり、他は同様であるため、ここでは説明を省略する。

図１３のステップＳ１５１において、表面形状取得部１５３は、３つの抽出信号を入力し、球面にフィッティングすることで、球面の曲率半径を取得する。そして、曲率半径に基づいて取得される眼球の表面形状データを表面形状出力部１７０に出力する。

続いて、ステップＳ１５３において、表面形状出力部１７０は、表面形状取得部１５３から入力した表面形状データを出力する。

このようにして、処理部１００ｂは、ＰＳＤ３の出力する検出信号に基づき、眼球３０の表面形状データを取得し、出力することができる。なお、表面形状測定装置１０ｂは、曲率半径データを出力してもよい。

＜第３の実施形態に係る処理部の作用効果＞
ここで、図１４は、本実施形態に係るＰＳＤの受光面上で形成される信号光のビームスポットの一例を説明する図である。

図１４に示すように、ＰＳＤ３の受光面３ａ上には、周期Ｔ_１の信号光のビームスポット２４１、周期Ｔ_２の信号光のビームスポット２４２、及び周期Ｔ_３の信号光のビームスポット２４３が形成されている。ビームスポット２４１～２４３は、同時、又はＰＳＤ３の処理時間内において、受光面３ａ上に形成されたビームスポットである。

第２の実施形態で説明したものと同様に、本実施形態では、各発光周期に対応する周期の参照信号を用いて、ＰＳＤ３の検出信号から各発光周期に対応する抽出信号を分離して抽出する。表面形状取得部１５３は、３つの抽出信号に基づき、眼球３０の曲率半径及び表面形状を取得することができる。

ここで、上述したように、眼球３０の表面形状のモデルは、レーザ光が眼球３０に入射する角度、及び眼球３０の回旋角度を推定する逆演算式（近似式）の決定に利用されるものである。しかし、眼球の表面形状には、個人差や年齢、性別による差異があり、一意的な眼球３０の表面形状のモデルを利用すると、眼球３０の瞳孔位置検知に誤差が生じる場合がある。

本実施形態によれば、取得された表面形状に基づき、眼球３０の表面形状のモデルを構築することができる。従って、実測値に基づき構築された眼球３０の表面形状のモデルを利用できるため、表面形状モデルの個人差や年齢、性別による差異を補正し、レーザ光が眼球３０に入射する角度、及び眼球３０の回旋角度を推定する逆演算式（近似式）を適切に決定することができる。これにより、瞳孔位置検知装置１０等により瞳孔位置を正確に検知することができる。

なお、眼球３０に照射するレーザ光の数が増えるほど眼球３０の表面形状を正確に測定できるため、照射レーザ光の数はできるだけ多い方が好適である。

［第４の実施形態］
次に、第４の実施形態に係る網膜投影表示装置を、図１５を参照して説明する。

図１５は、本実施形態に係る網膜投影表示装置の構成の一例を説明する図である。

網膜投影表示装置５０は、ＲＧＢ（Red、Green、Blue）レーザ光源５１と、走査ミラー５２と、平面ミラー５３と、ハーフミラー５４と、画像生成手段５５と、瞳孔位置検知装置１０とを有している。

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。走査ミラー５２は、例えばＭＥＭＳミラーである。但し、これに限定されるものではなく、ポリゴンミラー、ガルバノミラー等、光を走査する反射部を有するものであれば良い。小型化・軽量化の点でＭＥＭＳミラーが有利となる。なお、ＭＥＭＳミラーの駆動方式は、静電式、圧電式、電磁式などいずれであっても良い。

平面ミラー５３は、ハーフミラー５４に向けて走査ミラー５２による走査光を反射する。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。

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、画像生成手段５５に、瞳孔３１の位置のフィードバック信号を送信する。

画像生成手段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。また画像生成手段５５は、瞳孔位置検知装置１０から瞳孔３１の位置のフィードバック信号を受信する。瞳孔位置検知装置１０により検知された瞳孔３１の位置に応じて、走査ミラー５２の振れ角と、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。

上述では、網膜投影表示装置５０をウェアラブル端末であるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ；Head Mount Display）とした一例を示した。但し、ヘッドマウントディスプレイとしての網膜投影表示装置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（頭部装着型表示装置）であってもよい。また、左右眼用に一対の網膜投影表示装置５０を設けた両眼式の網膜投影表示装置としてもよい。

［実施形態に係る瞳孔位置検知装置と特許文献１に記載の装置との比較］
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とを比較する。図１６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。

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、眼球への光の入射角度を変更している。これに対し、実施形態では、複数の発光部を有するＶＣＳＥＬを光源とし、ＶＣＳＥＬの発光部の変更により、眼球への光の入射角度を変更している。また実施形態では、ＶＣＳＥＬ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、このように眼球への光の入射角度を、可動部を用いずに変更する。そのため、可動部を有する構成と比較して、振動や外的衝撃等に強くなる。

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、ＰＳＤを用い、眼球で反射され、ＰＳＤの受光面に入射する光の位置を検出する。ＰＳＤは、光強度に依存せずに入射光の位置を検出するため、眼球における光の反射位置等に起因して反射光量に差が生じても、反射光量の差の影響を受けずに高感度の位置検出が可能である。その結果、瞳孔等の眼球の傾き位置を高精度に検知できる。

実施形態では、発光駆動部１１０を備え、発光駆動部１１０によりＶＣＳＥＬの発光部の位置と、発光部間の発光タイミングをずらして個別点灯する。これにより、眼球の運動の粗動を捕らえて、ＰＳＤの受光面に眼球からの反射光が収まるようにし、かつＰＳＤによる位置検出で眼球運動の微動を捉えることができる。

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ＶＣＳＥＬとＰＳＤは、必ずしも対称位置になくともよい。実施形態では、ＰＳＤを、眼球の正反射（鏡面反射）角近傍に配置せず、ＶＣＳＥＬと同じ側に配置してもよい。

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。

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。

例えば、 眼球の傾きや瞳孔位置（角膜）の検出する機能を有する検眼装置にも採用する事ができる。検眼装置とは、視力検査、眼屈折力検査、眼圧検査、眼軸長検査など種々の検査を行う事が出来る装置を指す。検眼装置は、眼球に非接触で検査可能な装置であって、被験者の顔を支持する支持部と、検眼窓と、検眼に際し被検者の眼球の向き（視線の向き）を一定にする表示を行う表示部と、制御部と、測定部とを有している。測定部の測定精度を上げるために眼球（視線）を動かさず一点を見つめる事が求められ、被検者は支持部に顔を固定し、検眼窓から表示部に表示される表示物を凝視する。このとき、眼球の傾き位置を検出する際に、本実施形態の眼球の傾き位置検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。

１ ＶＣＳＥＬ（光源部の一例）
１ａ、１ｂ レーザ光
２ 平面ミラー
３ ＰＳＤ
１０、１０ａ 瞳孔位置検知装置
１０ｂ 表面形状測定装置
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 網膜投影表示装置
５１ ＲＧＢレーザ光源
５２ 走査ミラー
５３ 平面ミラー
５４ ハーフミラー
５５ 画像生成手段
１００ 処理部
１０１ ＣＰＵ
１０２ ＲＯＭ
１０３ ＲＡＭ
１０４ ＳＳＤ
１０５ 光源駆動回路
１０６ 信号発生回路
１０７ Ａ／Ｄ変換回路
１０８ 入出力Ｉ／Ｆ
１１０、１１０ａ、１１０ｂ 発光駆動部
１２０、１２０ａ、１２０ｂ 参照信号出力部
１３０ 検出信号入力部
１４０、１４０ａ、１４０ｂ 信号抽出部
１４１、１４１ａ、１４１ｂ 参照信号入力部
１４２、１４２ａ、１４２ｂ 位相差調整部
１４３、１４３ａ、１４３ｂ 乗算部
１４４、１４４ａ、１４４ｂ フィルタ部
１４５、１４５ａ、１４５ｂ 信号増幅部
１４６、１４６ａ、１４６ｂ 抽出信号出力部
１５０ 演算部
１５１ 眼球回旋角度推定部
１５２ 瞳孔位置取得部
１５３ 表面形状取得部
１６０ 瞳孔位置出力部
１７０ 表面形状出力部
Ｂ システムバス
Ｐ 反射点
Ｓｄ 検出信号
Ｒ 参照信号
ＳＲ 乗算信号
Ｎｂ ノイズ光成分
φ_１ 信号光成分の位相
φ_Ｒ 参照信号の位相
Ａ 参照信号の振幅

ＵＳ２０１６／０１６６１４６ ＵＳ２０１７／０２７６９３４

Claims (12)

1. 少なくとも３つの発光部を備え、対象物に光を照射する光源部と、
   前記３つの発光部をそれぞれ異なる発光周期で発光駆動させる発光駆動部と、
   照射された光の前記対象物からの反射光に応じた検出信号を出力する位置検出部と、
   前記３つの発光部のそれぞれ異なる発光周期に対応する周期の参照信号を用いて、前記検出信号から抽出された直流成分又は低周波成分の少なくとも１つに該当する抽出信号を出力する抽出信号出力部と、
   前記抽出信号出力部から出力される前記発光周期の抽出信号に基づいて取得される前記対象物の表面形状データを出力する表面形状出力部と、を有し、
   前記位置検出部は、連続的な且つ画素分割されていない受光面を備えた単一の２次元ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）である
   光学装置。
2. 前記光源部は、前記対象物に前記少なくとも３つの発光部のそれぞれから並行して光を照射する
   請求項１に記載の光学装置。
3. 前記抽出信号出力部は、
   前記検出信号と、前記参照信号とを乗算する乗算部と、
   前記検出信号と、前記参照信号との位相差を調整する位相差調整部と、
   前記乗算部により乗算された乗算信号から直流成分及び低周波成分の少なくとも１つを抽出するフィルタ部と、を有する
   請求項１又は２に記載の光学装置。
4. 前記抽出信号出力部は、前記発光周期と同じ周期の前記参照信号を用いて前記検出信号から抽出された直流成分又は低周波成分の少なくとも１つに該当する前記抽出信号を出力する
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の光学装置。
5. 前記参照信号を出力する参照信号出力部を有する
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の光学装置。
6. 前記発光駆動部と、前記参照信号出力部と、に所定周期の電気信号を出力する信号発生部を有する
   請求項５の何れか１項に記載の光学装置。
7. 前記対象物は眼球に含まれ、
   前記抽出信号に基づき取得される前記対象物の位置、傾き、曲率半径及び表面形状の少なくとも１つを示すデータを出力する出力部を有する
   請求項１乃至６の何れか１項に記載の光学装置。
8. 前記光源部は、面発光レーザを含む
   請求項１乃至７の何れか１項に記載の光学装置。
9. 前記光源部は、パルスレーザを含む
   請求項１乃至７の何れか１項に記載の光学装置。
10. 請求項１乃至９の何れか１項に記載の光学装置を有する
    網膜投影表示装置。
11. 請求項１乃至９の何れか１項に記載の光学装置を有する
    頭部装着型表示装置。
12. 請求項１乃至９の何れか１項に記載の光学装置を有する
    入力装置。

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