JP7419900B2 - Rotation angle detection device for three-dimensional objects, retinal projection display device, head-mounted display device, optometry device, and input device - Google Patents

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本発明は、立体物の回旋角度検出装置、網膜投影表示装置、頭部装着型表示装置、検眼装置、及び入力装置に関する。 The present invention relates to a rotation angle detection device for a three-dimensional object, a retinal projection display device, a head-mounted display device, an optometry device, and an input device.

眼球等の曲率を有する立体物の回旋角度を検出する技術の開発が進み、回旋角度に基づく眼球の瞳孔位置(視線)等を用いて、電子機器制御のインターフェースや、ヘッドマウントディスプレイ等のウェアラブル表示機器の映像形成支援、熟練技術者等の視線データ収集、商品の注目度分析等の多様な用途への応用が期待されている。 The development of technology to detect the angle of rotation of three-dimensional objects with curvature, such as eyeballs, is progressing, and the position of the pupil of the eyeball (line of sight) based on the angle of rotation is used to create interfaces for controlling electronic devices and wearable displays such as head-mounted displays. It is expected to be applied to a variety of applications, including supporting image formation for devices, collecting gaze data from skilled engineers, and analyzing product attention.

また、指向性を有する光を射出する発光部を複数備える光源手段から眼球に光を照射し、眼球による反射光の受光位置を検出することで、眼球の傾き位置を検出する構成が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 Further, a configuration is disclosed in which the tilt position of the eyeball is detected by irradiating light onto the eyeball from a light source unit including a plurality of light emitting units that emit light with directionality, and detecting the receiving position of the reflected light by the eyeball. (For example, see Patent Document 1).

しかしながら、特許文献1の構成では、受光位置検出手段の端部で反射光の一部分のみの受光位置が検出されること等によって、眼球の回旋角度等を高精度に検出できない場合がある。 However, with the configuration of Patent Document 1, the rotation angle of the eyeball, etc. may not be detected with high accuracy because the light receiving position of only a portion of the reflected light is detected at the end of the light receiving position detecting means.

本発明は、曲率を有する立体物の回旋角度の検出精度を向上させることを課題とする。 An object of the present invention is to improve the detection accuracy of the rotation angle of a three-dimensional object having curvature.

本発明の一態様に係る立体物の回旋角度検出装置は、複数の発光部を備える光源手段と、前記複数の発光部から射出された光を、立体物における曲率を有する被照射面に向けて反射して集束させる集束反射手段と、前記光の前記被照射面により反射された反射光を受光し、前記反射光の受光位置を検出する受光位置検出手段と、を備え、前記複数の発光部は、非等間隔に配置されており、前記受光位置検出手段は、前記複数の発光部のうちの第1発光部から射出された光に由来する前記反射光を前記受光位置検出手段の一端より所定距離だけ前記受光位置検出手段の中央側で受光する際に、前記複数の発光部のうちの前記第1発光部とは異なる第2発光部から射出された光に由来する前記反射光を前記受光位置検出手段の他端より前記所定距離だけ前記受光位置検出手段の中央側で受光する。
A rotation angle detection device for a three-dimensional object according to one aspect of the present invention includes a light source means including a plurality of light emitting sections, and a light source means that directs light emitted from the plurality of light emitting sections toward an illuminated surface having a curvature of the three-dimensional object. The plurality of light emitting parts includes a focusing reflection means for reflecting and focusing the light, and a light receiving position detecting means for receiving the reflected light reflected by the irradiated surface of the light and detecting a light receiving position of the reflected light. are arranged at non-uniform intervals, and the light receiving position detecting means detects the reflected light derived from the light emitted from the first light emitting part of the plurality of light emitting parts from one end of the light receiving position detecting means. When receiving light by a predetermined distance at the center side of the light receiving position detection means, the reflected light originating from a second light emitting section different from the first light emitting section among the plurality of light emitting sections is The light is received at the center of the light receiving position detecting means by the predetermined distance from the other end of the light receiving position detecting means.

本発明によれば、曲率を有する立体物の回旋角度の検出精度を向上できる。 According to the present invention, the detection accuracy of the rotation angle of a three-dimensional object having curvature can be improved.

実施形態に係る瞳孔位置検出装置の構成例を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a pupil position detection device according to an embodiment. 眼球の回旋とPSDへのレーザ光の入射位置との関係例を示す図であり、(a)は眼球が回旋していない状態の図、(b)は眼球が回旋している状態の図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between rotation of the eyeball and the incident position of the laser beam on the PSD, where (a) is a diagram with the eyeball not rotating, and (b) is a diagram with the eyeball being rotated. be. 軸外し光学系が満たすべき条件例を示す図であり、(a)は素子間の距離を示す図、(b)は同軸光学系で表した幾何学的距離関係を示す図である。It is a figure which shows the example of the condition which an off-axis optical system should satisfy|fill, (a) is a figure which shows the distance between elements, (b) is a figure which shows the geometric distance relationship expressed with a coaxial optical system. 凹面ミラー有効領域直径とPSD受光面でのビーム半径の関係例の図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the relationship between the effective area diameter of the concave mirror and the beam radius on the PSD light receiving surface. 実施形態に係る処理部のハードウェア構成例を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing an example of a hardware configuration of a processing unit according to an embodiment. 実施形態に係る処理部の機能構成例を示すブロック図である。It is a block diagram showing an example of functional composition of a processing part concerning an embodiment. 実施形態に係る瞳孔位置検出装置による処理例のフローチャートである。7 is a flowchart of an example of processing by the pupil position detection device according to the embodiment. 第1実施形態に係る瞳孔位置検出装置の構成例を示す図である。1 is a diagram illustrating a configuration example of a pupil position detection device according to a first embodiment. 眼球の回旋角度とPSDによる受光位置との関係例の図であり、(a)は眼球の回旋角度に応じた受光位置変化の図、(b)はPSDにおける位置の図である。It is a figure of the example of the relationship between the rotation angle of an eyeball and the light receiving position by PSD, (a) is a figure of a light receiving position change according to the rotation angle of an eyeball, and (b) is a figure of a position in PSD. 複数の発光部の配置例を示す図であり、(a)はアンカー位置と発光部の位置との関係を示す図、(b)はVCSELにおける各発光部の位置を示す図である。2A and 2B are diagrams showing an example of arrangement of a plurality of light emitting units, in which (a) is a diagram showing a relationship between an anchor position and a position of a light emitting unit, and (b) is a diagram showing a position of each light emitting unit in a VCSEL. 眼球が2軸方向に回旋する場合のPSDの受光領域例を示す図である。It is a figure which shows the example of the light-receiving area of PSD when an eyeball rotates in two axial directions. 受光位置調整手段の他の例の図であり、(a)はプリズム構造体を用いる場合の断面図、(b)は回折構造体を用いる場合の断面図、(c)はレンズアレイを用いる場合の断面図、(d)は2次元配列のレンズアレイを用いる場合の平面図である。3A and 3B are diagrams of other examples of light receiving position adjusting means, in which (a) is a cross-sectional view when a prism structure is used, (b) is a cross-sectional view when a diffraction structure is used, and (c) is a cross-sectional view when a lens array is used. (d) is a plan view when a two-dimensional lens array is used. 液晶反射型集光構造を含む反射型集光素子について説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a reflective condensing element including a liquid crystal reflective condensing structure. 液晶反射型集光構造内の液晶分子配光状態について説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a light distribution state of liquid crystal molecules within a liquid crystal reflective light condensing structure. 液晶反射型集光構造による入射及び出射光線の配光状態を説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating the light distribution state of incident and output light rays by a liquid crystal reflective light condensing structure. 液晶反射型集光構造を用いた導光部材結合光学系について説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a light guide member coupling optical system using a liquid crystal reflective light condensing structure. 第2実施形態に係る網膜投影表示装置の構成例を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example of a retinal projection display device according to a second embodiment.

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部には同一符号を付し、重複した説明を適宜省略する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant explanations will be omitted as appropriate.

立体物の回旋角度検出装置の一例として、実施形態では眼球の瞳孔位置検出装置を説明し、また、瞳孔位置検出装置を眼鏡型支持体に実装した場合を一例として説明する。 In the embodiment, a pupil position detecting device of an eyeball will be described as an example of a rotation angle detecting device for a three-dimensional object, and a case where the pupil position detecting device is mounted on a glasses-type support will be described as an example.

なお、各実施形態では、「人」の右目の眼球を例に説明するが、左目の眼球に対しても同様である。また光学装置、又は網膜投影表示装置をそれぞれ2つ備え、両目の眼球に対して適用することもできる。 In each embodiment, the 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 optical devices or two retinal projection display devices and apply them to the eyeballs of both eyes.

[実施形態]
<瞳孔位置検出装置10の構成例>
図1は、実施形態に係る瞳孔位置検出装置10の構成の一例を説明する図である。
[Embodiment]
<Configuration example of pupil position detection device 10>
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the configuration of a pupil position detection device 10 according to an embodiment.

図1に示すように、瞳孔位置検出装置10は、VCSEL(垂直共振器面発光レーザ;Vertical Cavity Surface Emitting LASER)1と、凹面ミラー2と、PSD(Position Sensitive Detector)3と、処理部100とを有する。 As shown in FIG. 1, the pupil position detection device 10 includes a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 1, a concave mirror 2, a PSD (Position Sensitive Detector) 3, and a processing unit 100. has.

VCSEL1、凹面ミラー2、及びPSD3は、光学系支持体4に配置されている。光学系支持体4は、眼鏡レンズ21と眼鏡フレーム22を含む眼鏡型支持体20の眼鏡フレーム22に、球継手4aを介して傾斜可能に固定されている。球継手4aを介することで、光学系支持体4の傾きを調整することができる。設置微調整機構を構成する球継手4aとしては、球体構造とその外殻構造の間に働く機械的な圧力を用いて固定する方式のほか、着磁した球体構造と金属開口構造との間に働く磁力を用いた固定する方式等が利用できる。 The VCSEL 1, concave mirror 2, and PSD 3 are arranged on an optical system support 4. The optical system support 4 is tiltably fixed to a spectacle frame 22 of a spectacle-type support 20 including a spectacle lens 21 and a spectacle frame 22 via a ball joint 4a. The inclination of the optical system support 4 can be adjusted via the ball joint 4a. The ball joint 4a constituting the installation fine adjustment mechanism can be fixed by using mechanical pressure between the spherical structure and its outer shell structure, or by fixing the ball joint 4a between the magnetized spherical structure and the metal opening structure. A fixing method using magnetic force can be used.

眼鏡型支持体20は人の頭部に装着可能である。眼鏡型支持体20が装着されると、VCSEL1、凹面ミラー2、及びPSD3を含む光学系は、眼球30に近接した位置(眼前)に配置された状態になる。 The glasses-type support 20 can be worn on a person's head. When the glasses-type support 20 is attached, the optical system including the VCSEL 1, the concave mirror 2, and the PSD 3 is placed close to the eyeball 30 (in front of the eye).

「光源手段」の一例としてのVCSEL1は、平面内に2次元的に配列された複数の発光部を有する。各発光部は、指向性と有限の広がり角を有するレーザ光を射出する。ここで、射出されたレーザ光は「光」の一例である。また、「複数の発光部」は、「複数の発光点」、又は「複数の発光素子」と同義である。 The VCSEL 1 as an example of "light source means" has a plurality of light emitting parts arranged two-dimensionally within a plane. Each light emitting section emits laser light having directivity and a finite spread angle. Here, the emitted laser light is an example of "light". Moreover, "a plurality of light emitting parts" is synonymous with "a plurality of light emitting points" or "a plurality of light emitting elements".

但し、光源手段は、光を射出することができれば、VCSELに限定されるものではない。レーザ光を射出する複数のLD(半導体レーザ;Laser Diode)やLED(発光ダイオード;Light Emitting Diode)を平面内に2次元的に配列して光源手段を構成してもよい。またパルスレーザ光を射出するパルスレーザでもよい。さらに、複数の種類の光源を組み合わせて光源手段を構成してもよい。 However, the light source means is not limited to a VCSEL as long as it can emit light. The light source means may be configured by two-dimensionally arranging a plurality of LDs (laser diodes) or LEDs (light emitting diodes) in a plane that emit laser light. Alternatively, a pulsed laser that emits pulsed laser light may be used. Furthermore, the light source means may be configured by combining a plurality of types of light sources.

また、VCSEL1から射出されるレーザ光の波長は、瞳孔位置を検出される「人」の視認を阻害しないように、非可視光である近赤外光の波長であることが好適である。但し、これに限定されるものではなく、可視光であってもよい。 Further, the wavelength of the laser light emitted from the VCSEL 1 is preferably the wavelength of near-infrared light, which is invisible 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.

VCSEL1から射出されたレーザ光L0は、眼前の空間を、眼鏡型支持体20を装着した人の顔面、又は装着された眼鏡レンズ21のレンズ面に略平行な方向に、凹面ミラー2に向けて伝搬する。また、レーザ光L0は、VCSEL1の射出部開口での回折により、ビームの直径を広げながら伝搬する発散光である。発散光の発散角は射出部の開口の形状によって制御可能である。レーザ光L0は、発散しながら伝搬し、凹面ミラー2に入射する。 The laser beam L0 emitted from the VCSEL 1 directs the space in front of the eyes toward the concave mirror 2 in a direction substantially parallel to the face of the person wearing the spectacle-type support 20 or the lens surface of the spectacle lens 21 worn. propagate. Further, the laser beam L0 is a diverging beam that propagates while expanding the beam diameter due to diffraction at the exit opening of the VCSEL 1. The divergence angle of the diverging light can be controlled by the shape of the aperture of the exit section. The laser beam L0 propagates while diverging and enters the concave mirror 2.

集束反射手段の一例としての凹面ミラー2は、曲率を有する反射面を有し、入射したレーザ光L0を反射して、眼球30に集束レーザ光(集束光とも表現する)L1を照射する。集束レーザ光L1は、眼球30の瞳孔31近傍に入射する。凹面ミラー2の凹面の曲率中心は、VCSEL1から凹面ミラー2までの光路の光軸から外れた位置にあり、VCSEL1、凹面ミラー2、及びPSD3を含む光学系は、いわゆる軸外し光学系を構成している。 The concave mirror 2, which is an example of a focusing and reflecting means, has a reflecting surface with curvature, reflects the incident laser beam L0, and irradiates the eyeball 30 with a focused laser beam (also expressed as focused light) L1. The focused laser beam L1 enters the vicinity of the pupil 31 of the eyeball 30. The center of curvature of the concave surface of the concave mirror 2 is located off the optical axis of the optical path from the VCSEL 1 to the concave mirror 2, and the optical system including the VCSEL 1, the concave mirror 2, and the PSD 3 constitutes a so-called off-axis optical system. ing.

実施形態に係る軸外し光学系では、眼球30に到達する前の光は、眼球30に隣接する眼前の空間を、眼球30による反射や散乱を受けることなく、少なくとも一回以上折り返して伝搬した後、眼球30に到達している。 In the off-axis optical system according to the embodiment, the light before reaching the eyeball 30 propagates through the space in front of the eye adjacent to the eyeball 30 by turning around at least once or more without being reflected or scattered by the eyeball 30. , has reached the eyeball 30.

眼球30への集束レーザ光L1の入射角度は、正視時における眼球30の瞳孔31の中心に所定角度で入射するように調整されている。また、VCSEL1は複数の発光部からレーザ光を射出することができ、複数の発光部から射出されたレーザ光は、眼球30の複数の箇所に照射され、或いは眼球30に複数の角度で照射される。 The angle of incidence of the focused laser beam L1 on the eyeball 30 is adjusted so that it enters the center of the pupil 31 of the eyeball 30 at a predetermined angle during normal vision. Further, the VCSEL 1 can emit laser light from a plurality of light emitting parts, and the laser light emitted from the plurality of light emitting parts is irradiated to a plurality of places on the eyeball 30 or irradiated to the eyeball 30 at a plurality of angles. Ru.

VCSEL1は上述したように複数の発光部を有することに加え、高速変調が可能である。眼球30に照射するレーザ光を時間変調し、PSD3により得られる出力信号から入射レーザ光に適合した変調周波数を有する成分を抽出することで、(変調を伴わない)外部環境からの光の影響を取り除くことができる。この結果、SN比を向上することができ、明るい環境下での瞳孔位置検出において有利となる。また、眼球に照射するレーザ光の光量を低減することもできる。 In addition to having a plurality of light emitting sections as described above, the VCSEL 1 is capable of high-speed modulation. By time-modulating the laser light irradiated to the eyeball 30 and extracting a component with a modulation frequency that matches the incident laser light from the output signal obtained by the PSD 3, the influence of light from the external environment (without modulation) can be eliminated. can be removed. As a result, the SN ratio can be improved, which is advantageous in detecting the pupil position in a bright environment. Furthermore, the amount of laser light irradiated onto the eyeball can also be reduced.

被照射面の一例としての眼球30の瞳孔表面(角膜表面)は、水分を含む透明体であり、約2~4%の反射率を有するのが一般的である。眼球30の瞳孔31近傍に入射した集束レーザ光L1は、眼球30の瞳孔31の表面で反射(反射光とも表現する)され、反射光はPSD3に向けて伝搬する。なお、以下では、説明を簡単にするため、眼球30の表面を眼球30と称し、瞳孔31の表面を瞳孔31と称し、角膜32の表面を角膜32と称する場合がある。 The pupil surface (corneal surface) of the eyeball 30, which is an example of the irradiated surface, is a transparent body containing water and generally has a reflectance of about 2 to 4%. The focused laser beam L1 that has entered the vicinity of the pupil 31 of the eyeball 30 is reflected (also expressed as reflected light) on the surface of the pupil 31 of the eyeball 30, and the reflected light propagates toward the PSD 3. In addition, below, in order to simplify description, the surface of the eyeball 30 may be called the eyeball 30, the surface of the pupil 31 may be called the pupil 31, and the surface of the cornea 32 may be called the cornea 32.

ここで、凹面ミラー2の反射面の曲率は、眼球30、又は角膜32の曲率による反射レーザ光の発散を相殺するように定められている。このようにすることで、PSD3に向けて伝搬するレーザ光L2のビームの直径がPSD素子の受光面において広がらないようにすることができる。 Here, the curvature of the reflective surface of the concave mirror 2 is determined so as to offset the divergence of the reflected laser light due to the curvature of the eyeball 30 or the cornea 32. By doing so, it is possible to prevent the beam diameter of the laser light L2 propagating toward the PSD 3 from expanding on the light receiving surface of the PSD element.

なお、集束反射手段の一例として凹面ミラーを示したが、光を集束(集光)させられるものであれば、これに限定されるものではなく、凸面レンズと平面ミラーを合わせた構成や、ホログラムを用いた波面制御素子、回折光学素子等を用いても良い。 Although a concave mirror is shown as an example of a focusing/reflecting means, it is not limited to this as long as it can focus (converge) light; A wavefront control element using a diffractive optical element, a diffractive optical element, etc. may also be used.

また、凹面ミラーの凹面として、集束レーザ光L1の光軸に交差する平面内における直交2方向で、曲率の異なるアナモフィックな非球面を用いると、レーザ光L2のビームの直径を更に微小化し、また等方な状態にビームを整形することができて好適である。 Furthermore, if an anamorphic aspheric surface with different curvatures in two orthogonal directions within a plane intersecting the optical axis of the focused laser beam L1 is used as the concave surface of the concave mirror, the beam diameter of the laser beam L2 can be further miniaturized. This is preferable because the beam can be shaped into an isotropic state.

さらに、被照射面は眼球30に限定されるものではなく、曲率を有する立体物であれば、実施形態を適用可能である。例えば、回転中心で回転可能な回転体と、曲率中心を有する曲面体とを含んで構成され、回転中心の位置と曲率中心の位置は異なっている立体物に対して実施形態を適用できる。 Furthermore, the irradiated surface is not limited to the eyeball 30, and the embodiment can be applied to any three-dimensional object having a curvature. For example, the embodiment can be applied to a three-dimensional object that includes a rotating body that is rotatable around a rotation center and a curved body that has a center of curvature, and the position of the center of rotation and the position of the center of curvature are different.

「受光位置検出手段」の一例としてのPSD3は、受光面内で直交する2方向において、入射した光の電極までの距離に応じた電流値を検出し、直交2方向の電流値の比から入射光の位置を示す検出信号を算出し、出力する2次元の光位置検出素子である。PSD3は、PSD3の受光面に形成されたビームスポットの位置を示す検出信号を出力することができる。 The PSD 3, which is an example of a "light receiving position detection means", detects the current value according to the distance of the incident light to the electrode in two orthogonal directions within the light receiving surface, and calculates the incident light from the ratio of the current values in the two orthogonal directions. It is a two-dimensional optical position detection element that calculates and outputs a detection signal indicating the position of light. The PSD 3 can output a detection signal indicating the position of a beam spot formed on the light receiving surface of the PSD 3.

より具体的には、PSD3は4つの出力端子を備え、連続的な受光面(画素分割されていない受光面)に抵抗膜が配され、また直交2方向の電極対が設けられている。ビームスポット位置で発生した光電流は、各出力端子との距離に応じて4つに分割される。このとき、抵抗膜による電気抵抗はビームスポット位置と出力端子との距離が長いほど電流が小さくなるよう作用する。PSD3は抵抗膜を経た電気信号を4つの端子を介して検出し、電気的な後処理により得られる受光面内の位置を示す検出信号を出力することができる。 More specifically, the PSD 3 includes four output terminals, a resistive film is disposed on a continuous light receiving surface (a light receiving surface not divided into pixels), and electrode pairs are provided in two orthogonal directions. The photocurrent generated at the beam spot position is divided into four parts depending on the distance from each output terminal. At this time, the electrical resistance caused by the resistive film acts so that the longer the distance between the beam spot position and the output terminal, the smaller the current. The PSD 3 can detect the electrical signal that has passed through the resistive film through four terminals, and can output a detection signal indicating the position within the light receiving surface obtained by electrical post-processing.

また、PSD3は光電変換で生じた電流をアナログ電圧信号に変換し、検出信号として4つの端子から出力することができる。つまり、PSD3は表面抵抗を利用して各端子との距離を求めることで入射した位置を検出することができる。 Further, the PSD 3 can convert the current generated by photoelectric conversion into an analog voltage signal and output it as a detection signal from four terminals. In other words, the PSD 3 can detect the position of incidence by determining the distance to each terminal using surface resistance.

ところで、PSD3に代えてイメージセンサ(撮像素子)を受光位置検出手段に適用した場合、イメージセンサは、各画素への入射光の強度により出力結果が変化し、強度が低いと出力電流が少なくなる。太陽光等のノイズ光の影響を低減するためには、光源の出力を上げてイメージセンサへの入射光の強度を上げる必要があるが、眼球30に光源からの光を入射させる装置に適用する場合、入射光の強度を上げることは、眼球への安全性の観点で好ましくない。 By the way, when an image sensor (imaging device) is used as a light receiving position detection means instead of PSD3, the output result of the image sensor changes depending on the intensity of light incident on each pixel, and when the intensity is low, the output current decreases. . In order to reduce the influence of noise light such as sunlight, it is necessary to increase the output of the light source to increase the intensity of the light incident on the image sensor. In this case, increasing the intensity of the incident light is not preferable from the viewpoint of safety for the eyes.

また、イメージセンサの場合、位置検出するための画像処理が必要となるが、処理時に位置精度誤差が生じる場合があり、また、処理負荷も大きくなる。 Furthermore, in the case of an image sensor, image processing is required to detect the position, but a positional accuracy error may occur during the processing, and the processing load also increases.

PSD3を受光位置検出手段に用いることで、出力端子間で分割される電流分割比(割合)を使って位置を検出するため、入射光の強度に依存せず入射光の位置を検出でき、また、画像処理を必要としない点で好適である。 By using PSD3 as a light receiving position detection means, the position is detected using the current division ratio (ratio) divided between the output terminals, so the position of the incident light can be detected without depending on the intensity of the incident light. , which is suitable because it does not require image processing.

但し、上記のPSD3の構成は一例であって、他の構成であってもよい。また、PSD3として受光面内の2次元的な位置を検出する2次元PSDの例を示すが、受光面内の1次元的な位置を検出する1次元PSDを用いても良い。 However, the configuration of the PSD 3 described above is just an example, and other configurations may be used. Although an example of a two-dimensional PSD that detects a two-dimensional position within the light-receiving surface is shown as the PSD 3, a one-dimensional PSD that detects a one-dimensional position within the light-receiving surface may also be used.

処理部100は、制御信号を出力して、VCSEL1を発光駆動させる。また、処理部100は、PSD3による検出信号を入力し、後述するように、眼球30の瞳孔31の位置を検出する処理を実行する。処理部100は、一例として眼鏡フレーム22等に配置することができる。 The processing unit 100 outputs a control signal to drive the VCSEL 1 to emit light. Furthermore, the processing unit 100 receives a detection signal from the PSD 3 and executes a process of detecting the position of the pupil 31 of the eyeball 30, as described later. For example, the processing unit 100 can be placed in the eyeglass frame 22 or the like.

眼球30の傾きによって、レーザ光L2によりPSD3の受光面に形成されるビームスポットの位置が変わるため、処理部100は、PSD3の検出信号を座標情報に変換することで眼球30の瞳孔位置を検出することができる。 Since the position of the beam spot formed by the laser beam L2 on the light receiving surface of the PSD 3 changes depending on the inclination of the eyeball 30, the processing unit 100 detects the pupil position of the eyeball 30 by converting the detection signal of the PSD 3 into coordinate information. can do.

PSD3は、眼球30での反射点の位置と法線ベクトルの向きを検出することができ、瞳孔位置検出装置10は、検出された反射点の位置と法線ベクトルと眼球の表面形状モデルとの対応に基づき、瞳孔位置を「推定」することができる。 The PSD 3 can detect the position of the reflection point and the direction of the normal vector on the eyeball 30, and the pupil position detection device 10 can detect the position and normal vector of the detected reflection point and the surface shape model of the eyeball. Based on the correspondence, the pupil position can be "estimated".

図1では、光学系および処理部を眼鏡フレーム22に配置する例を示したが、これに限定されるものではなく、ヘッドマウントディスプレイやヘッドギア型の保持構造体等を用いてもよい。 Although FIG. 1 shows an example in which the optical system and the processing unit are arranged in the eyeglass frame 22, the present invention is not limited to this, and a head-mounted display, a headgear-type holding structure, or the like may be used.

<瞳孔位置検出装置10の眼球運動への追従動作>
次に、瞳孔位置検出装置10の眼球運動への追従動作について説明する。
<Following operation of the pupil position detection device 10 to eye movement>
Next, the operation of the pupil position detection device 10 to follow eyeball movements will be described.

眼球30は回旋等の眼球運動をするため、回旋によりレーザ光L2の方向が変わることで、レーザ光L2がPSD3の受光面から外れる場合がある。これに対し、瞳孔位置検出装置10は、VCSEL1で発光させる発光部を順次、又は選択的に変更する制御を行うことで、レーザ光L2がPSD3の受光面から外れることを防止することができる。 Since the eyeball 30 makes eyeball movements such as rotation, the direction of the laser light L2 changes due to the rotation, which may cause the laser light L2 to deviate from the light receiving surface of the PSD 3. In contrast, the pupil position detection device 10 can prevent the laser beam L2 from deviating from the light receiving surface of the PSD 3 by performing control to sequentially or selectively change the light emitting portion that causes the VCSEL 1 to emit light.

図2は、眼球30の回旋とレーザ光L2のPSD3への入射位置との関係を説明する図であり、(a)は眼球が回旋していない状態(正視時)を説明する図、(b)は眼球が回旋している状態を説明する図である。 FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between the rotation of the eyeball 30 and the incident position of the laser beam L2 on the PSD 3, in which (a) is a diagram illustrating a state where the eyeball is not rotated (during normal vision), and (b) ) is a diagram illustrating a state in which the eyeball is rotating.

図2は、VCSEL1の2つの発光部から射出されたレーザ光の伝搬を示している。一方の発光部から射出されたレーザ光11は実線で示され、他方の発光部から射出されたレーザ光12は破線で示されている。 FIG. 2 shows the propagation of laser light emitted from the two light emitting parts of the VCSEL 1. Laser light 11 emitted from one light emitting part is shown by a solid line, and laser light 12 emitted from the other light emitting part is shown by a broken line.

図2(a)において、眼球30で反射されたレーザ光11は、PSD3の受光面の中央付近に入射している。そのため、PSD3は受光面上でのレーザ光11の位置を検出することができ、瞳孔位置検出装置10はPSD3の検出信号に基づいて、瞳孔31の位置を検出することができる。 In FIG. 2A, the laser beam 11 reflected by the eyeball 30 is incident near the center of the light receiving surface of the PSD 3. In FIG. Therefore, the PSD 3 can detect the position of the laser beam 11 on the light receiving surface, and the pupil position detection device 10 can detect the position of the pupil 31 based on the detection signal of the PSD 3.

一方、眼球30で反射されたレーザ光12は、PSD3の受光面に入射していないため、PSD3は受光面上でのレーザ光12の位置を検出できず、瞳孔位置検出装置10は瞳孔31の位置を検出することができない。 On the other hand, since the laser beam 12 reflected by the eyeball 30 does not enter the light receiving surface of the PSD 3, the PSD 3 cannot detect the position of the laser beam 12 on the light receiving surface, and the pupil position detection device 10 detects the position of the pupil 31. Unable to detect location.

また、眼球30が大きく回旋した場合、図2(b)に示すように、眼球30で反射されたレーザ光11はPSD3の受光面に入射していない。そのため、PSD3は受光面上でのレーザ光11の位置を検出できず、瞳孔位置検出装置10は瞳孔31の位置を検出することができない。 Moreover, when the eyeball 30 rotates significantly, the laser beam 11 reflected by the eyeball 30 does not enter the light receiving surface of the PSD 3, as shown in FIG. 2(b). Therefore, the PSD 3 cannot detect the position of the laser beam 11 on the light receiving surface, and the pupil position detection device 10 cannot detect the position of the pupil 31.

一方、眼球30で反射されたレーザ光12は、PSD3の受光面の中央付近に入射しているため、PSD3は受光面上でのレーザ光12の位置を検出することができ、瞳孔位置検出装置10はPSD3の検出信号に基づき、瞳孔31の位置を検出することができる。 On the other hand, since the laser beam 12 reflected by the eyeball 30 is incident near the center of the light receiving surface of the PSD 3, the PSD 3 can detect the position of the laser beam 12 on the light receiving surface, and the pupil position detection device 10 can detect the position of the pupil 31 based on the detection signal of the PSD 3.

このように、1つの発光部のみからの光では、限られた角度範囲でしか眼球30の瞳孔位置を検出できないが、VCSEL1の発光部を変化させることで、何れかの発光部から射出されたレーザ光をPSD3の受光面上に入射させることができる。これにより、眼球30が回旋しても、眼球30で反射されたレーザ光がPSD3の受光面に入射しない状態を減らし、瞳孔位置を検出可能な範囲を拡大することができる。 In this way, the pupil position of the eyeball 30 can only be detected in a limited angular range with light from only one light emitting part, but by changing the light emitting part of the VCSEL 1, it is possible to detect the position of the pupil of the eyeball 30 using light emitted from one of the light emitting parts. Laser light can be made incident on the light receiving surface of the PSD 3. Thereby, even if the eyeball 30 rotates, it is possible to reduce the situation in which the laser light reflected by the eyeball 30 does not enter the light receiving surface of the PSD 3, and to expand the range in which the pupil position can be detected.

換言すると、PSD3が眼球30の回旋運動に基づくレーザ光12の微動を検出し、VCSEL1の複数の発光部の配列が眼球30の回旋運動に基づくレーザ光12の粗動を検出することで、眼球30の回旋運動の回旋角度検出において、高い検出分解能と広い検出範囲を両立することが可能となる。 In other words, the PSD 3 detects the slight movement of the laser beam 12 based on the rotational movement of the eyeball 30, and the array of the plurality of light emitting parts of the VCSEL 1 detects the coarse movement of the laser beam 12 based on the rotational movement of the eyeball 30. In detecting the rotational angle of the rotational movement of 30, it is possible to achieve both high detection resolution and a wide detection range.

VCSEL1の発光部の変化は、眼球30の眼球運動に応じて(追従して)、処理部100からの駆動信号により時系列に行うことができる。また、眼球30の回旋運動に応じて発光部を制御することで、光の利用効率向上や推定時間の短縮を図ることができる。 The light emitting section of the VCSEL 1 can be changed in time series according to (following) the eye movement of the eyeball 30 using a drive signal from the processing section 100. Furthermore, by controlling the light emitting section according to the rotational movement of the eyeball 30, it is possible to improve the efficiency of light use and shorten the estimation time.

但し、必ずしも眼球の回旋運動に応じてVCSEL1の発光部を変化させる必要はない。例えば、瞳孔位置検出装置10は、眼球運動とは独立に所定の時間間隔でVCSEL1の発光部をラスター走査(順次発光)させ、その場合のPSD3の検出信号に基づいて、眼球30の粗動位置を検出するようにしても良い。 However, it is not necessarily necessary to change the light emitting part of the VCSEL 1 according to the rotational movement of the eyeball. For example, the pupil position detection device 10 causes the light emitting part of the VCSEL 1 to raster scan (sequentially emit light) at predetermined time intervals independently of eye movement, and determines the coarse movement position of the eyeball 30 based on the detection signal of the PSD 3 in that case. It may also be possible to detect.

なお、図2では説明を簡単にするため、2つの発光部から射出されたレーザ光のみを例示したが、眼球30の回旋に応じて、VCSEL1の更に多くの発光部を利用可能である。この場合は、瞳孔31の位置が適切に検出されるように、PSD3の受光面サイズ及び眼球30のサイズに合わせ、VCSEL1の発光部の数、及び位置を適正化することが好適である。 In addition, in FIG. 2, in order to simplify the explanation, only the laser light emitted from two light emitting parts is illustrated, but more light emitting parts of the VCSEL 1 can be used according to the rotation of the eyeball 30. In this case, it is preferable to optimize the number and position of the light emitting parts of the VCSEL 1 according to the size of the light receiving surface of the PSD 3 and the size of the eyeball 30 so that the position of the pupil 31 can be detected appropriately.

<軸外し光学系の条件について>
次に、VCSEL1、凹面ミラー2、及びPSD3を含む軸外し光学系が満たすべき条件について説明する。
<Conditions for off-axis optical system>
Next, conditions to be satisfied by the off-axis optical system including the VCSEL 1, concave mirror 2, and PSD 3 will be described.

本実施形態では、VCSEL1から射出されたレーザ光がPSD3の受光面に入射するための条件、また、集束レーザ光L1が角膜32での反射後に平行光に変換されるための条件として、凹面ミラー2の有効領域の直径(レーザ光を反射可能な領域。有効径)を定めている。 In this embodiment, a concave mirror is used as a condition for the laser beam emitted from the VCSEL 1 to enter the light receiving surface of the PSD 3, and as a condition for the focused laser beam L1 to be converted into parallel light after being reflected by the cornea 32. The diameter of the effective area (area that can reflect laser light; effective diameter) of No. 2 is determined.

図3は、軸外し光学系が満たすべき条件について説明する図であり、(a)は素子間の距離を説明する図、(b)は同軸光学系で表した幾何学的距離関係を説明する図である。 FIG. 3 is a diagram explaining the conditions that an off-axis optical system should satisfy, where (a) is a diagram explaining the distance between elements, and (b) is a diagram explaining the geometric distance relationship expressed in a coaxial optical system. It is a diagram.

図3(a)に示すように、VCSEL1から凹面ミラー2までの距離をd0、凹面ミラー2から角膜32までの距離をd1、角膜32からPSD3までの距離をd2とする。また、凹面ミラー2の曲率と有効領域に注目し、簡単のため、VCSEL1、凹面ミラー2、及びPSD3を同軸に配置した同軸光学系を想定する。 As shown in FIG. 3A, the distance from the VCSEL 1 to the concave mirror 2 is d0, the distance from the concave mirror 2 to the cornea 32 is d1, and the distance from the cornea 32 to the PSD 3 is d2. Further, focusing on the curvature and effective area of the concave mirror 2, for simplicity, a coaxial optical system in which the VCSEL 1, the concave mirror 2, and the PSD 3 are coaxially arranged is assumed.

図3(b)は、VCSEL1からの発散レーザ光が凹面ミラー2に入射し、凹面ミラー2で反射されたレーザ光が集束しながら角膜32に入射し、その後、角膜32で反射されたレーザ光がPSD3に入射する様子を示している。位置41はVCSEL1の発光部の位置、位置42は角膜32の表面の位置、位置43は凹面ミラー2の表面の位置をそれぞれ示している。 FIG. 3(b) shows that the diverging laser beam from the VCSEL 1 enters the concave mirror 2, the laser beam reflected by the concave mirror 2 enters the cornea 32 while converging, and then the laser beam reflected by the cornea 32 The figure shows how the light enters the PSD3. A position 41 indicates the position of the light emitting part of the VCSEL 1, a position 42 indicates the position of the surface of the cornea 32, and a position 43 indicates the position of the surface of the concave mirror 2.

ビームの半径hPSDは、ABCD行列を用いた光線追跡で導出された次の(1)式により算出することができる。 The beam radius hPSD can be calculated using the following equation (1) derived by ray tracing using the ABCD matrix.

Figure 0007419900000001
(1)式において、rcは角膜32の曲率半径、hPSDはPSD3の受光面でのレーザ光のビームの半径、Dmは凹面ミラー2の有効領域の直径、λはVCSEL1の波長、hULはPSD3の受光面でのレーザ光の、設計者が決定するビームの半径の上限値である。また、中央の式の第2項で、凹面ミラー2で反射後のレーザ光の回折によるレーザ光の広がりの効果が重畳されている。
Figure 0007419900000001
In equation (1), rc is the radius of curvature of the cornea 32, hPSD is the radius of the laser beam on the light receiving surface of the PSD 3, Dm is the diameter of the effective area of the concave mirror 2, λ is the wavelength of the VCSEL 1, and hUL is the radius of the PSD 3. This is the upper limit value of the radius of the laser beam on the light receiving surface, determined by the designer. Furthermore, in the second term of the central equation, the effect of the spread of the laser beam due to the diffraction of the laser beam after being reflected by the concave mirror 2 is superimposed.

(1)式に基づき、凹面ミラー2の有効領域の直径Dmは、(2)式から定めることができる。 Based on equation (1), the diameter Dm of the effective area of the concave mirror 2 can be determined from equation (2).

Figure 0007419900000002
ここで、図4は、(2)式に基づき取得された、凹面ミラー2の有効領域の直径Dmと、PSD3の受光面でのレーザ光のビームの半径hPSDとの関係の一例を示す図である。
Figure 0007419900000002
Here, FIG. 4 is a diagram showing an example of the relationship between the diameter Dm of the effective area of the concave mirror 2 and the radius hPSD of the laser beam on the light receiving surface of the PSD 3, obtained based on equation (2). be.

図4に示す関係において、PSD3の受光面でのレーザ光のビームの半径hPSDの上限値はhUL=200um、凹面ミラー2から角膜32までの距離d1は24mm、角膜32の曲率半径rcは8mm、レーザ光の波長λは940nmである。これらの値は、眼鏡型支持体20を想定した値であるが、用途や使用環境に応じて任意の値を設定しても良い。 In the relationships shown in FIG. 4, the upper limit of the radius hPSD of the laser beam on the light receiving surface of the PSD 3 is hUL = 200 um, the distance d1 from the concave mirror 2 to the cornea 32 is 24 mm, the radius of curvature rc of the cornea 32 is 8 mm, The wavelength λ of the laser light is 940 nm. Although these values are values assuming the glasses-type support body 20, arbitrary values may be set depending on the purpose and environment of use.

図4において、凹面ミラー2の有効領域の直径Dmが小さくなると、回折に起因してPSD3の受光面のビームの半径hPSDが急激に拡大している。また、凹面ミラー2の有効領域の直径Dmが大きくなるにつれ、PSD3の受光面のビームの半径hPSDが徐々に拡大している。ビームの半径hPSDの拡大に応じて、PSD3によるレーザ光の位置検出分解能は低下する。 In FIG. 4, as the diameter Dm of the effective area of the concave mirror 2 becomes smaller, the radius hPSD of the beam on the light receiving surface of the PSD 3 rapidly expands due to diffraction. Furthermore, as the diameter Dm of the effective area of the concave mirror 2 increases, the radius hPSD of the beam on the light receiving surface of the PSD 3 gradually increases. As the beam radius hPSD increases, the position detection resolution of the laser beam by the PSD 3 decreases.

図4に示すように、PSD3の受光面でのビームの半径hPSDを最小化するために、凹面ミラー2の有効領域の直径Dmには適切な範囲が存在する。灰色でハッチングした領域は適切な範囲であり、(2)式を満足する凹面ミラー2の有効領域の直径Dmの範囲である。(2)式に当てはめると、凹面ミラー2の有効領域の直径Dmは、0.225mm≦Dm≦2.574mmで定められる。この条件を満足することで、PSD3の受光面上のビームの半径hPSDを200μm以下にすることができ、PSD3によるレーザ光の位置検出分解能を適切にすることができる。 As shown in FIG. 4, the diameter Dm of the effective area of the concave mirror 2 has an appropriate range in order to minimize the radius hPSD of the beam on the light receiving surface of the PSD 3. The gray hatched area is an appropriate range, which is the range of the diameter Dm of the effective area of the concave mirror 2 that satisfies equation (2). Applying equation (2), the diameter Dm of the effective area of the concave mirror 2 is determined by 0.225 mm≦Dm≦2.574 mm. By satisfying this condition, the radius hPSD of the beam on the light receiving surface of the PSD 3 can be set to 200 μm or less, and the position detection resolution of the laser beam by the PSD 3 can be made appropriate.

なお、レーザ光が眼球30に60°の入射角で入射する条件として、d0=24√3(mm)とすると、VCSEL1から射出されたレーザ光は全角で約7.1°以下の発散角が必要になるが、この発散角はVCSEL1の開口の制御により実現可能である。 If d0 = 24√3 (mm) as a condition for the laser beam to enter the eyeball 30 at an incident angle of 60°, then the laser beam emitted from the VCSEL 1 has a divergence angle of approximately 7.1° or less in full width. Although necessary, this divergence angle can be realized by controlling the aperture of the VCSEL 1.

<処理部100の構成例>
次に、実施形態に係る処理部100のハードウェア構成について説明する。図5は、処理部100のハードウェア構成の一例を説明するブロック図である。
<Configuration example of processing unit 100>
Next, the hardware configuration of the processing unit 100 according to the embodiment will be described. FIG. 5 is a block diagram illustrating an example of the hardware configuration of the processing unit 100.

処理部100は、CPU(Central Processing Unit)101と、ROM(Read Only Memory)102と、RAM(Random Access Memory)103と、SSD(Solid State Drive)104と、光源駆動回路105と、A/D(Analog/Digital)変換回路106と、入出力I/F(Interface)107とを有している。それぞれはシステムバス108で相互に接続されている。 The processing unit 100 includes a CPU (Central Processing Unit) 101, a ROM (Read Only Memory) 102, a RAM (Random Access Memory) 103, an SSD (Solid State Drive) 104, a light source drive circuit 105, and an A/D. It has an (Analog/Digital) conversion circuit 106 and an input/output I/F (Interface) 107. Each of them is interconnected by a system bus 108.

CPU101は、ROM102やSSD104等の記憶装置からプログラムやデータをRAM103上に読み出し、処理を実行することで、処理部100全体の制御や後述する機能を実現する。なお、CPU101の有する機能の一部、又は全部を、ASIC(application specific integrated circuit)やFPGA(Field-Programmable Gate Array)といったハードウェアにより実現させてもよい。 The CPU 101 reads programs and data from a storage device such as the ROM 102 and the SSD 104 onto the RAM 103 and executes processing, thereby controlling the entire processing unit 100 and realizing functions described below. Note that some or all of the functions of the CPU 101 may be realized by hardware such as an ASIC (application specific integrated circuit) or an FPGA (field-programmable gate array).

ROM102は、電源を切ってもプログラムやデータを保持することが可能な不揮発性の半導体メモリ(記憶装置)である。ROM102には、処理部100の起動時に実行されるBIOS(Basic Input/Output System)、OS設定等のプログラムやデータが格納されている。RAM103は、プログラムやデータを一時保持する揮発性の半導体メモリ(記憶装置)である。 The ROM 102 is a nonvolatile semiconductor memory (storage device) that can retain programs and data even when the power is turned off. The ROM 102 stores programs and data such as a BIOS (Basic Input/Output System) and OS settings that are executed when the processing unit 100 is started. The RAM 103 is a volatile semiconductor memory (storage device) that temporarily holds programs and data.

SSD104は、処理部100による処理を実行するプログラムや各種データが記憶された不揮発性メモリである。なお、SSDはHDD(Hard Disk Drive)であっても良い。 The SSD 104 is a nonvolatile memory that stores programs for executing processing by the processing unit 100 and various data. Note that the SSD may be an HDD (Hard Disk Drive).

光源駆動回路105は、VCSEL1に電気的に接続され、入力された制御信号に従ってVCSEL1に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。光源駆動回路105は、VCSEL1の備える複数の発光部を同時、又は順次に発光駆動させることができる。また、駆動電圧の周期を変調することで、異なる発光周期で発光駆動させることができる。 The light source drive circuit 105 is an electric circuit that is electrically connected to the VCSEL 1 and outputs a drive signal such as a drive voltage to the VCSEL 1 according to an input control signal. The light source drive circuit 105 can drive a plurality of light emitting parts included in the VCSEL 1 to emit light simultaneously or sequentially. Furthermore, by modulating the cycle of the drive voltage, it is possible to drive the light emission with different light emission cycles.

駆動電圧として矩形波や正弦波、又は所定の波形形状の電圧波形を用いることができる。光源駆動回路105は、電圧波形の周期(周波数)を変化させて、駆動電圧信号の周期を変調することができる。 As the drive voltage, a voltage waveform of a rectangular wave, a sine wave, or a predetermined waveform can be used. The light source drive circuit 105 can modulate the cycle of the drive voltage signal by changing the cycle (frequency) of the voltage waveform.

A/D変換回路106は、PSD3に電気的に接続され、PSD3の出力するアナログ電圧信号をA/D変換したデジタル電圧信号を出力する電気回路である。 The A/D conversion circuit 106 is an electric circuit that is electrically connected to the PSD 3 and outputs a digital voltage signal obtained by A/D converting the analog voltage signal output from the PSD 3.

入出力I/F107は、PC(Personal Computer)や映像機器等の外部機器と接続するためのインターフェースである。 The input/output I/F 107 is an interface for connecting to external devices such as a PC (Personal Computer) and video equipment.

次に、処理部100の機能構成について説明する。図6は、処理部100の機能構成の一例を説明するブロック図である。図6に示すように、処理部100は、発光駆動部110と、検出信号入力部111と、演算部120と、瞳孔位置出力部130とを有する。 Next, the functional configuration of the processing section 100 will be explained. FIG. 6 is a block diagram illustrating an example of the functional configuration of the processing unit 100. As shown in FIG. 6, the processing section 100 includes a light emission driving section 110, a detection signal input section 111, a calculation section 120, and a pupil position output section 130.

発光駆動部110は、VCSEL1に周期T1の駆動信号を出力し、VCSEL1の備える発光部を周期T1で発光駆動させる。発光駆動部110は、光源駆動回路105等で実現することができる。 The light emitting drive unit 110 outputs a drive signal with a cycle T1 to the VCSEL1, and drives the light emitting unit included in the VCSEL1 to emit light with a cycle T1. The light emission driving section 110 can be realized by the light source driving circuit 105 or the like.

検出信号入力部111は、A/D変換回路106等により実現され、PSD3から入力したアナログ電圧信号をA/D変換したデジタル電圧信号を、演算部120の備える眼球回旋角度推定部121に出力する。 The detection signal input unit 111 is realized by the A/D conversion circuit 106 and the like, and outputs a digital voltage signal obtained by A/D converting the analog voltage signal input from the PSD 3 to the eye rotation angle estimation unit 121 included in the calculation unit 120. .

演算部120は、眼球回旋角度推定部121と、瞳孔位置取得部122とを有し、検出信号入力部111からの入力信号に基づき、眼球30の瞳孔位置を取得する演算処理を実行する。 The calculation unit 120 includes an eye rotation angle estimation unit 121 and a pupil position acquisition unit 122, and executes calculation processing to acquire the pupil position of the eyeball 30 based on the input signal from the detection signal input unit 111.

眼球回旋角度推定部121は、検出信号入力部111からの入力信号に基づき、眼球30の回旋角度を推定し、推定した回旋角度データを瞳孔位置取得部122に出力する。瞳孔位置取得部122は、推定された眼球30の回旋角度に基づき、瞳孔31の位置を取得する処理を実行する。取得された瞳孔31の位置データは、入出力I/F107等により実現される瞳孔位置出力部130を介して、外部装置等に向けて出力される。 The eyeball rotation angle estimation section 121 estimates the rotation angle of the eyeball 30 based on the input signal from the detection signal input section 111 and outputs the estimated rotation angle data to the pupil position acquisition section 122. The pupil position acquisition unit 122 executes a process of acquiring the position of the pupil 31 based on the estimated rotation angle of the eyeball 30. The acquired position data of the pupil 31 is output to an external device or the like via the pupil position output unit 130 realized by the input/output I/F 107 or the like.

<瞳孔位置検出装置10による処理>
次に、瞳孔位置検出装置10による処理について説明する。
<Processing by pupil position detection device 10>
Next, processing by the pupil position detection device 10 will be explained.

ここで、瞳孔位置検出装置10では、瞳孔位置検出の事前準備として、VCSEL1による眼球30への照射レーザ光が眼球30に入射する入射角度と、眼球30の回旋角度の算出式が予め決定されるため、先ず、これらについて説明する。 Here, in the pupil position detection device 10, as a preliminary preparation for pupil position detection, calculation formulas for the incident angle at which the laser beam irradiated onto the eyeball 30 by the VCSEL 1 enters the eyeball 30 and the rotation angle of the eyeball 30 are determined in advance. Therefore, these will be explained first.

眼球30の回旋角度の算出式は、1次関数、又は2次関数の算出式である。但し、これに限定はされるものではなく、レーザ光の入射角度とPSD3の受光面での位置から回旋角度を定めることができる算出式であれば、式の形式は問わない。簡単な近似式として、本実施形態では2次関数による算出式を採用している。 The formula for calculating the rotation angle of the eyeball 30 is a linear function or a quadratic function. However, the formula is not limited to this, and the format of the formula is not limited as long as it can determine the rotation angle from the incident angle of the laser beam and the position on the light receiving surface of the PSD 3. As a simple approximation formula, this embodiment employs a calculation formula using a quadratic function.

レーザ光が眼球30に入射する角度の決定には、眼球30の表面形状モデルを利用することができる。例えば、一般的な眼球の表面形状モデルとして古くから知られている略式模型眼(例えば、「眼の光学的機構」、精密機械27-11、1961参照)等を利用できる。 A surface shape model of the eyeball 30 can be used to determine the angle at which the laser beam enters the eyeball 30. For example, a schematic model of the eye that has been known for a long time as a general eyeball surface shape model (see, for example, "Optical Mechanism of the Eye", Precision Instruments 27-11, 1961), etc. can be used.

一方、眼球30へのレーザ光の入射角度は、PSD3へのレーザ光の入射位置が受光面の中心になるように、光線追跡計算等により予め決定される。 On the other hand, the angle of incidence of the laser light on the eyeball 30 is determined in advance by ray tracing calculation or the like so that the position of incidence of the laser light on the PSD 3 is at the center of the light receiving surface.

また、PSD3の受光面へのレーザ光の入射位置は、眼球30へのレーザ光の入射角度、眼球30でのレーザ光の反射位置、及び眼球30の接面の傾きに基づき、理論解析することができる。そして、理論解析の解から、多項式近似により眼球30の回旋角度を推定する逆演算式(近似式)を決定することができる。 In addition, the incident position of the laser beam on the light receiving surface of the PSD 3 should be theoretically analyzed based on the incident angle of the laser beam on the eyeball 30, the reflection position of the laser beam on the eyeball 30, and the inclination of the contact surface of the eyeball 30. I can do it. Then, from the solution of the theoretical analysis, it is possible to determine an inverse calculation formula (approximate formula) for estimating the rotation angle of the eyeball 30 by polynomial approximation.

眼球30へのレーザ光の入射角度と、眼球30の回旋角度を推定する逆演算式は、処理部100のROM102やSSD104等のメモリに記憶され、発光駆動部110による発光部の変更や、演算部120による瞳孔位置取得処理において参照される。 The inverse calculation formula for estimating the incident angle of the laser beam on the eyeball 30 and the rotation angle of the eyeball 30 is stored in a memory such as the ROM 102 or the SSD 104 of the processing unit 100, and is used to change the light emitting unit by the light emission driving unit 110 or perform calculations. It is referred to in the pupil position acquisition processing performed by the unit 120.

次に、図7は、瞳孔位置検出装置10による処理の一例を示すフローチャートである。 Next, FIG. 7 is a flowchart showing an example of processing by the pupil position detection device 10.

先ず、ステップS71において、発光駆動部110は、VCSEL1を発光周期T1で発光駆動させる。 First, in step S71, the light emission driving section 110 drives the VCSEL 1 to emit light at the light emission period T1.

続いて、ステップS72において、検出信号入力部111は、PSD3の検出信号を入力し、演算部120の備える眼球回旋角度推定部121に出力する。 Subsequently, in step S72, the detection signal input unit 111 inputs the detection signal of the PSD 3 and outputs it to the eyeball rotation angle estimation unit 121 included in the calculation unit 120.

続いて、ステップS73において、眼球回旋角度推定部121は、検出信号入力部111からの入力信号を、回旋角度を推定する逆演算式に代入して眼球回旋角度を算出する。そして、算出した眼球回旋角度データを瞳孔位置取得部122に出力する。 Subsequently, in step S73, the eyeball rotation angle estimation unit 121 calculates the eyeball rotation angle by substituting the input signal from the detection signal input unit 111 into an inverse calculation formula for estimating the rotation angle. Then, the calculated eyeball rotation angle data is output to the pupil position acquisition unit 122.

続いて、ステップS74において、瞳孔位置取得部122は、入力した眼球回旋角度データに基づき、眼球の表面形状モデルを用いて取得する。取得された瞳孔位置データは瞳孔位置出力部130を介して外部装置に出力される。 Subsequently, in step S74, the pupil position acquisition unit 122 acquires the pupil position using the eyeball surface shape model based on the input eyeball rotation angle data. The acquired pupil position data is output to an external device via the pupil position output unit 130.

このようにして、処理部100は、PSD3の出力する検出信号に基づいて眼球30の瞳孔31の位置を取得し、取得された位置データを外部装置に出力することができる。 In this way, the processing unit 100 can acquire the position of the pupil 31 of the eyeball 30 based on the detection signal output by the PSD 3, and can output the acquired position data to an external device.

<瞳孔位置検出装置10の作用効果>
瞳孔位置(視線)の検出技術の開発が進み、視線による電子機器制御のインターフェース、ヘッドマウントディスプレイ又は眼前(ニア・アイ)ディスプレイといったウェアラブル映像表示機器における映像形成支援、工場等における熟練技術者の視線データ収集、商品の注目度分析(ロギング)など、多様な用途への応用が期待されている。特に電子機器と人とのインターフェースとして機能する瞳孔位置検出装置では、リアルタイム性と装置の小型・軽量化が要求される。
<Effects of the pupil position detection device 10>
The development of technology to detect pupil position (line of sight) has progressed, and it has become useful as an interface for controlling electronic devices using line of sight, image formation support in wearable video display devices such as head-mounted displays or near-eye displays, and line of sight for skilled engineers in factories, etc. It is expected to be applied to a variety of applications, including data collection and product attention analysis (logging). In particular, pupil position detection devices that function as an interface between electronic devices and people require real-time performance and a reduction in size and weight.

従来技術では、照明環境下において眼球の反射像を取得し、パターンマッチングを基本とした画像処理部により瞳孔位置を検出するため、画像処理の負荷が大きく、また、リアルタイム性と瞳孔位置の検出分解能との間にトレードオフの関係があった。また、撮像装置やプロセッサ、駆動電源等を搭載する必要があり、装置の小型・軽量化が困難だった。 With conventional technology, the reflected image of the eyeball is acquired under a lighting environment, and the pupil position is detected by an image processing unit based on pattern matching, which requires a large image processing load.Also, real-time performance and detection resolution of the pupil position are insufficient. There was a trade-off relationship between the two. Furthermore, it was necessary to install an imaging device, a processor, a driving power source, etc., making it difficult to make the device smaller and lighter.

また、従来技術として、眼球表面で高速走査したレーザ光の反射光強度の時間変化を検出し、撮像システムを使わない非画像方式で、瞳孔位置を高速検出する技術が開示されている。しかし、この技術では、曲率が大きい眼球や角膜での反射により、光検出器の受光面でレーザ光のビームの直径が広がり、瞳孔位置を適切に検出できなくなる場合があった。 Furthermore, as a conventional technique, a technique has been disclosed in which the pupil position is detected at high speed by a non-imaging method that does not use an imaging system by detecting the temporal change in the reflected light intensity of a laser beam that is scanned at high speed on the eyeball surface. However, with this technique, the diameter of the laser beam expands on the light-receiving surface of the photodetector due to reflection from the eyeball or cornea, which has a large curvature, making it impossible to appropriately detect the pupil position.

実施形態では、光を射出するVCSEL1、光を集束光に変換し、この集束光を、曲率を有した被照射面に向けて折り返す凹面ミラー2、及び、集束光の前記被照射面による反射光を受光し、前記反射光の位置を検出するPSD3を含む軸外し光学系を眼前に配置する。 In the embodiment, a VCSEL 1 that emits light, a concave mirror 2 that converts the light into focused light and returns the focused light toward an irradiated surface having a curvature, and a reflected light of the focused light by the irradiated surface. An off-axis optical system including a PSD 3 that receives the reflected light and detects the position of the reflected light is placed in front of the eye.

より詳しくは、眼球30に到達する前の光は、眼球30に隣接する眼前の空間を、眼球30による反射や散乱を受けることなく、少なくとも一回以上折り返して伝搬した後、眼球30に到達する。また、凹面ミラー2は眼球30に向けて集束レーザ光を照射する。 More specifically, before reaching the eyeball 30, the light propagates through the space in front of the eye adjacent to the eyeball 30, turning around at least once or more without being reflected or scattered by the eyeball 30, and then reaches the eyeball 30. . Further, the concave mirror 2 emits focused laser light toward the eyeball 30.

これにより、集束レーザ光の曲率により眼球30、又は角膜32の曲率を相殺できるため、眼球30や角膜32で反射されたレーザ光が広がらないようにすることができる。 Thereby, the curvature of the eyeball 30 or the cornea 32 can be offset by the curvature of the focused laser beam, so that the laser light reflected by the eyeball 30 or the cornea 32 can be prevented from spreading.

また、VCSEL1から凹面ミラー2までの距離d0(図3参照)を調整して凹面ミラー2に対するレーザ光の照射範囲の直径を変化させることで凹面ミラー2の有効領域の直径(開口)Dmを制御することが可能である。(2)式の条件を満足するように凹面ミラー2の有効領域の直径(開口)Dmを決定することで、凹面ミラー2の有効領域の直径Dmを大きくでき、大きな開口でレーザ光を集束させることができるため、PSD3の受光面でのビームの直径を小さくすることができる。 In addition, the diameter (aperture) Dm of the effective area of the concave mirror 2 is controlled by adjusting the distance d0 (see Figure 3) from the VCSEL 1 to the concave mirror 2 and changing the diameter of the laser beam irradiation range on the concave mirror 2. It is possible to do so. By determining the diameter (aperture) Dm of the effective area of the concave mirror 2 so as to satisfy the condition of equation (2), the diameter Dm of the effective area of the concave mirror 2 can be increased, and the laser beam can be focused with a large aperture. Therefore, the diameter of the beam at the light receiving surface of the PSD 3 can be reduced.

このようにして、PSD3の受光面でのレーザ光のビームの直径を微小化することで、PSD3による位置検出分解能、及び瞳孔位置の検出精度を確保でき、瞳孔位置を適切に検出することができる。 In this way, by miniaturizing the diameter of the laser beam on the light receiving surface of the PSD 3, the position detection resolution of the PSD 3 and the detection accuracy of the pupil position can be ensured, and the pupil position can be detected appropriately. .

[第1実施形態]
次に、第1実施形態に係る瞳孔位置検出装置10aについて説明する。
[First embodiment]
Next, the pupil position detection device 10a according to the first embodiment will be described.

瞳孔位置検出装置では、複数の発光部のそれぞれから射出され、眼球で反射されたレーザ光が受光位置検出手段上に到達する際に、受光位置検出手段の端部でレーザ光の一部分のみの受光位置が検出されること等によって、眼球の回旋角度及び瞳孔位置の検出結果に誤差が生じる場合がある。またこの誤差は、隣接する発光部毎で異なるために、眼球の回旋角度及び瞳孔位置を連続的且つ高精度に検出できない場合がある。 In the pupil position detection device, when the laser light emitted from each of the plurality of light emitting parts and reflected by the eyeball reaches the light receiving position detecting means, only a portion of the laser light is received at the end of the light receiving position detecting means. Errors may occur in the detection results of the rotation angle of the eyeball and the pupil position due to the position being detected. Furthermore, since this error differs between adjacent light emitting units, the rotation angle of the eyeball and the pupil position may not be detected continuously and with high precision.

本実施形態では、受光位置検出手段は、複数の発光部のうちの第1発光部から射出された光に由来する反射光を受光位置検出手段の一端より所定距離だけ受光位置検出手段の中央側で受光する際に、複数の発光部のうちの第1発光部とは異なる第2発光部から射出された光に由来する反射光を受光位置検出手段の他端より上記所定距離だけ受光位置検出手段の中央側で受光する。 In this embodiment, the light receiving position detecting means detects reflected light originating from the first light emitting part of the plurality of light emitting parts by a predetermined distance from one end of the light receiving position detecting means toward the center of the light receiving position detecting means. When receiving light, the light receiving position is detected by the predetermined distance from the other end of the light receiving position detection means for reflected light originating from a second light emitting part different from the first light emitting part of the plurality of light emitting parts. Light is received at the center of the means.

換言すると、第1発光部から射出された光に由来する反射光を受光位置検出手段の一端で受光する際には、受光位置検出手段の他端側でも第2発光部から射出された光に由来する反射光を、所定距離だけ重複して受光する。これにより、受光位置検出手段の端部でレーザ光の一部分のみを受光することを防ぎ、眼球の回旋角度及び瞳孔位置を高精度に検出可能にする。 In other words, when the reflected light originating from the light emitted from the first light emitting section is received at one end of the light receiving position detecting means, the light emitted from the second light emitting section is also reflected at the other end of the light receiving position detecting means. The reflected light beams are received overlappingly by a predetermined distance. This prevents only a portion of the laser beam from being received at the end of the light receiving position detection means, and enables highly accurate detection of the rotation angle and pupil position of the eyeball.

<瞳孔位置検出装置10aの構成例>
図8は、瞳孔位置検出装置10aの構成の一例を説明する図である。図8に示したX方向は水平方向を示し、Y方向は垂直方向を示し、Z方向は眼球が回旋していない状態での正視方向を示している。Z方向はX方向及びY方向の両方に直交する方向であり、また眼鏡型支持体20を装着した人にとっての前方に対応する方向である。
<Configuration example of pupil position detection device 10a>
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of the configuration of the pupil position detection device 10a. The X direction shown in FIG. 8 indicates the horizontal direction, the Y direction indicates the vertical direction, and the Z direction indicates the normal viewing direction in a state where the eyeball is not rotated. The Z direction is a direction perpendicular to both the X direction and the Y direction, and is a direction corresponding to the front of the person wearing the glasses-shaped support 20.

図8に示すように、瞳孔位置検出装置10aは、VCSEL1aを備えている。VCSEL1aはPSD3の+Z方向側に配置され、凹面ミラー2に向けてレーザ光L0を照射する。VCSEL1aは、VCSEL1と同様に複数の発光部ch1~ch8(以下、区別しない場合は発光部chと表記する。また図8では図示を省略する。)を有し、各発光部chから指向性と有限の広がり角を有するレーザ光L0を射出する。但し、次述するように複数の発光部chにおける発光部ch間の間隔は、非等間隔になるように構成されている。 As shown in FIG. 8, the pupil position detection device 10a includes a VCSEL 1a. The VCSEL 1a is arranged on the +Z direction side of the PSD 3 and irradiates the concave mirror 2 with a laser beam L0. Like the VCSEL 1, the VCSEL 1a has a plurality of light emitting sections ch1 to ch8 (hereinafter referred to as light emitting sections ch if not distinguished. Also, illustrations are omitted in FIG. 8), and each light emitting section ch has a directivity. A laser beam L0 having a finite spread angle is emitted. However, as described below, the intervals between the light emitting parts channels in the plurality of light emitting parts channels are configured to be non-uniform.

レーザ光L0は凹面ミラー2で反射され、集束レーザ光L1として眼球30に向けて照射される。眼球30で反射されたレーザ光L2は、PSD3の受光面に到達する。PSD3によりレーザ光L2の受光位置が検出される。ここで、レーザ光L2は「発光部から射出された光に由来する反射光」に対応する。 The laser beam L0 is reflected by the concave mirror 2 and is irradiated toward the eyeball 30 as a focused laser beam L1. The laser beam L2 reflected by the eyeball 30 reaches the light receiving surface of the PSD 3. The PSD 3 detects the receiving position of the laser beam L2. Here, the laser beam L2 corresponds to "reflected light originating from the light emitted from the light emitting section."

なお、瞳孔位置検出装置10aは球継手4aを備えていないが、球継手4aを備えるように構成することもできる。 Although the pupil position detection device 10a does not include the ball joint 4a, it can also be configured to include the ball joint 4a.

<眼球30の回旋角度とPSD3による受光位置との関係>
次に、眼球30の回旋角度とPSD3によるレーザ光L2の受光位置との関係について、図9を参照して説明する。ここで、図9は、眼球30の回旋角度とPSD3による受光位置との関係の一例を説明する図であり、(a)は眼球30の回旋角度に応じた受光位置の変化を示す図、(b)はPSD3における位置を説明する図である。
<Relationship between the rotation angle of the eyeball 30 and the light receiving position by the PSD 3>
Next, the relationship between the rotation angle of the eyeball 30 and the receiving position of the laser beam L2 by the PSD 3 will be described with reference to FIG. 9. Here, FIG. 9 is a diagram illustrating an example of the relationship between the rotation angle of the eyeball 30 and the light receiving position by the PSD 3, and (a) is a diagram showing a change in the light receiving position according to the rotation angle of the eyeball 30. b) is a diagram explaining the position in PSD3.

図9(a)における横軸は、水平方向(図8のX方向)における眼球30の回旋角度θxを示し、縦軸はPSD3によるZ方向の受光位置zを示している。またグラフG1~G8は、VCSEL1aにおける8つの発光部ch1~ch8がそれぞれ射出したレーザ光L0に由来する反射光の、PSD3による受光位置のシミュレーション結果をプロットしたものである。 The horizontal axis in FIG. 9A indicates the rotation angle θx of the eyeball 30 in the horizontal direction (X direction in FIG. 8), and the vertical axis indicates the light receiving position z in the Z direction by the PSD 3. Further, graphs G1 to G8 are plots of simulation results of light receiving positions by the PSD 3 of reflected light originating from the laser light L0 emitted by the eight light emitting units ch1 to ch8 in the VCSEL 1a.

発光部ch1~ch8は、VCSEL1内でZ方向に配列する発光部であり、発光部ch1~ch8毎で眼球30に対する相対位置が異なっている。 The light emitting parts ch1 to ch8 are light emitting parts arranged in the Z direction within the VCSEL 1, and the relative positions with respect to the eyeball 30 are different for each of the light emitting parts ch1 to ch8.

図9(a)におけるグラフG1は発光部ch1に、グラフG2は発光部ch2に、グラフG3は発光部ch3に、グラフG4は発光部ch4に、グラフG5は発光部ch5に、グラフG6は発光部ch6に、グラフG7は発光部ch7に、グラフG8は発光部ch8に、それぞれ対応する。 Graph G1 in FIG. 9(a) is for light emitting part ch1, graph G2 is for light emitting part ch2, graph G3 is for light emitting part ch3, graph G4 is for light emitting part ch4, graph G5 is for light emitting part ch5, and graph G6 is for light emitting part ch5. The graph G7 corresponds to the light emitting part ch6, the graph G8 corresponds to the light emitting part ch8, and the graph G8 corresponds to the light emitting part ch8.

また領域A1~A8は、発光部ch1~ch8に対応するPSD3でのレーザ光L2の受光領域を表している。図9(a)では4隅にL字図形を配した破線の長方形により、領域A1~A8のそれぞれを表している。なお、領域A1~A8におけるグラフの横軸に沿う長さは、眼球30の回旋角度θxに応じた長さである。 Further, areas A1 to A8 represent light receiving areas of the laser beam L2 in the PSD 3 corresponding to the light emitting sections ch1 to ch8. In FIG. 9(a), each of the areas A1 to A8 is represented by a rectangle with a broken line and L-shaped figures arranged at the four corners. Note that the length along the horizontal axis of the graph in areas A1 to A8 is a length corresponding to the rotation angle θx of the eyeball 30.

図9(a)における領域A1は発光部ch1に、領域A2は発光部ch2に、領域A3は発光部ch3に、領域A4は発光部ch4に、領域A5は発光部ch5に、領域A6は発光部ch6に、領域A7は発光部ch7に、領域A8は発光部ch8に、それぞれ対応する。 In FIG. 9(a), area A1 is for light emitting part ch1, area A2 is for light emitting part ch2, area A3 is for light emitting part ch3, area A4 is for light emitting part ch4, area A5 is for light emitting part ch5, and area A6 is for light emitting part ch5. The area A7 corresponds to the light emitting part ch6, the area A7 corresponds to the light emitting part ch8, and the area A8 corresponds to the light emitting part ch8.

また図9(a)における端部位置C1~C8は、発光部ch1~ch8から射出した光がPSD3の端部位置(z=-2mm)に着地する際の眼球30の回旋角度θxに対応している。 Furthermore, the end positions C1 to C8 in FIG. 9(a) correspond to the rotation angle θx of the eyeball 30 when the light emitted from the light emitting parts ch1 to ch8 lands on the end position (z=-2 mm) of the PSD 3. ing.

なお、Z方向におけるPSD3の受光領域の長さは±2mmである。また、図9(a)では、眼球30の回旋は水平方向の1次元方向に限定してシミュレーションを行っている。 Note that the length of the light receiving area of the PSD 3 in the Z direction is ±2 mm. Furthermore, in FIG. 9A, the simulation is performed by limiting the rotation of the eyeball 30 to a one-dimensional horizontal direction.

図9(a)に示すように、眼球30の回旋角度θxのマイナス側とプラス側で、眼球30の回旋角度θxに応じたPSD3での受光位置の変化の様子が相違している。また領域A1~A8の水平方向の長さも相違している。またグラフG1~G8に示すように、発光部ch1~ch8毎で眼球30の回旋角度θxに応じたPSD3での受光位置の変化の様子が異なっている。 As shown in FIG. 9A, the manner in which the light receiving position changes in the PSD 3 according to the rotation angle θx of the eyeball 30 is different between the minus side and the plus side of the rotation angle θx of the eyeball 30. Furthermore, the horizontal lengths of the areas A1 to A8 are also different. Further, as shown in the graphs G1 to G8, the state of change in the light receiving position in the PSD 3 depending on the rotation angle θx of the eyeball 30 is different for each of the light emitting units ch1 to ch8.

一方、図9(b)はPSD3の受光面3aを示している。受光面3aはYZ平面に沿う平面である。眼球30が水平方向に回旋すると、レーザ光L2の位置はZ方向に変化する。 On the other hand, FIG. 9(b) shows the light receiving surface 3a of the PSD 3. The light receiving surface 3a is a plane along the YZ plane. When the eyeball 30 rotates in the horizontal direction, the position of the laser beam L2 changes in the Z direction.

図9(b)において、レーザ光L2は、発光部ch1~ch8のうちの発光部ch6が射出したレーザ光L0に由来するレーザ光L2である。またレーザ光L2は、発光部ch1~ch8のうちの発光部ch7が射出したレーザ光L0に由来するレーザ光L2である。 In FIG. 9(b), the laser light L26 is the laser light L2 derived from the laser light L0 emitted by the light emitting part ch6 of the light emitting parts ch1 to ch8. Further, the laser light L27 is the laser light L2 derived from the laser light L0 emitted by the light emitting part ch7 of the light emitting parts ch1 to ch8.

本実施形態では、PSD3は、受光面3aの+Z方向側の端部3bより距離dだけ中央位置3c側でレーザ光L2を受光する際に、受光面3aの-Z方向側の端部3dより距離dだけ中央位置3c側でレーザ光L2を受光するように、発光部chの配置が予め定められている。 In this embodiment, when the PSD 3 receives the laser beam L26 at the center position 3c by a distance d from the end 3b of the light receiving surface 3a on the +Z direction side, the PSD 3 moves the end 3d of the light receiving surface 3a on the −Z direction side The arrangement of the light emitting unit ch is predetermined so that the laser beam L27 is received closer to the center position 3c by a distance d.

換言すると、PSD3は、発光部ch6に由来するレーザ光L2をPSD3の端部3bで受光する際には、端部3d側でも発光部ch7に由来するレーザ光L2を距離dの分だけ重複して受光できるようになっている。この距離dはレーザ光L2の直径より大きいことが好ましい。またPSD3が重複して受光する領域を、以下では重複領域と称する。 In other words, when the PSD 3 receives the laser light L2 6 originating from the light emitting part ch6 at the end 3b of the PSD 3, the PSD 3 also receives the laser light L2 7 originating from the light emitting part ch7 by the distance d on the end 3d side. Duplicate light reception is possible. This distance d is preferably larger than the diameter of the laser beam L2. Further, the area where the PSD 3 receives light in duplicate is hereinafter referred to as an overlapping area.

図9では、距離dを眼球30の回旋角度θxの1度に対応する距離に定めた例を示している。図9(a)に斜線で示した重複領域B1~B7は、回旋角度θxの1度に対応する重複領域である。 FIG. 9 shows an example in which the distance d is set to a distance corresponding to 1 degree of the rotation angle θx of the eyeball 30. Overlapping regions B1 to B7 indicated by diagonal lines in FIG. 9(a) are overlapping regions corresponding to a rotation angle θx of 1 degree.

より具体的には、重複領域B1は発光部ch1に由来するレーザ光L2と発光部ch2に由来するレーザ光L2による重複領域であり、重複領域B2は発光部ch2に由来するレーザ光L2と発光部ch3に由来するレーザ光L2による重複領域であり、重複領域B3は発光部ch3に由来するレーザ光L2と発光部ch4に由来するレーザ光L2による重複領域である。以下同様に、重複領域B4~B7は、発光部ch4~ch7に由来するレーザ光L2と発光部ch5~ch8に由来するレーザ光L2による重複領域である。 More specifically, the overlapping region B1 is an overlapping region between the laser light L2 originating from the light emitting section ch1 and the laser light L2 originating from the light emitting section ch2, and the overlapping region B2 is an overlapping region between the laser light L2 originating from the light emitting section ch2 and the emitted light. The overlapping region B3 is an overlapping region between the laser beam L2 originating from the light emitting section ch3 and the laser light L2 originating from the light emitting section ch4. Similarly, the overlapping regions B4 to B7 are overlapping regions between the laser beams L2 originating from the light emitting sections ch4 to ch7 and the laser beams L2 originating from the light emitting sections ch5 to ch8.

ここで、発光部ch6は「第1発光部」の一例であり、発光部ch7は「第2発光部」の一例である。但し、「第1発光部」は発光部ch1~ch8の何れであってもよいし、「第2発光部」は発光部ch1~ch8の何れであってもよい。「第1発光部」と「第2発光部」とが隣接している方が、発光部chの配置を容易に定めることができるため、より好適である。 Here, the light emitting section ch6 is an example of a "first light emitting section", and the light emitting section ch7 is an example of a "second light emitting section". However, the "first light emitting section" may be any of the light emitting sections ch1 to ch8, and the "second light emitting section" may be any of the light emitting sections ch1 to ch8. It is more preferable that the "first light emitting section" and the "second light emitting section" are adjacent to each other because the arrangement of the light emitting sections ch can be easily determined.

また、端部3bは「受光位置検出手段の一端」に対応し、端部3dは「受光位置検出手段の他端」に対応する。中央位置3c側は「受光位置検出手段の中央側」に対応する。 Further, the end 3b corresponds to "one end of the light receiving position detecting means", and the end 3d corresponds to "the other end of the light receiving position detecting means". The center position 3c side corresponds to "the center side of the light receiving position detection means".

<VCSEL1aにおける複数の発光部の配置例>
次に、第1発光部に由来するレーザ光L2を、PSD3が端部3bより距離dだけPSD3の中央側で受光する際に、第2発光部に由来するレーザ光L2を、PSD3が端部3dより距離dだけPSD3の中央側で受光するための、VCSEL1aにおける発光部ch1~ch8の配置について説明する。
<Example of arrangement of multiple light emitting parts in VCSEL 1a>
Next, when the PSD 3 receives the laser beam L2 originating from the first light emitting section at the center side of the PSD 3 by a distance d from the end 3b, the PSD 3 receives the laser light L2 originating from the second light emitting section from the end 3b. The arrangement of the light emitting parts ch1 to ch8 in the VCSEL 1a to receive light at the center side of the PSD 3 by a distance d from 3d will be explained.

図10は、VCSEL1aにおける複数の発光部chの配置の一例を説明する図であり、(a)はアンカー位置とVCSEL1aの発光部chの位置との関係を示す図、(b)はVCSEL1aにおける各発光部chの位置を示す図である。 FIG. 10 is a diagram illustrating an example of the arrangement of a plurality of light emitting sections channels in the VCSEL 1a. It is a figure showing the position of light emitting part ch.

ここで、アンカーとはVCSEL1aの発光部chの位置を決めるための目標をいう。図10では眼球30の所定の回旋角度をアンカーとしている。図10(a)におけるアンカーθx,1~θx,8は、図9(a)における端部位置C1~C9に対応する眼球30の回旋角度を意味する。 Here, the anchor refers to a target for determining the position of the light emitting section ch of the VCSEL 1a. In FIG. 10, a predetermined rotation angle of the eyeball 30 is used as an anchor. Anchors θ x,1 to θ x,8 in FIG. 10(a) mean rotation angles of the eyeball 30 corresponding to the end positions C1 to C9 in FIG. 9(a).

図10(a)の「発光部の位置」はアンカーに対応する目標を達成するためのVCSEL1aの発光部の位置を示している。この位置はシミュレーションにより算出されるものであり、VCSEL1aの中心(重心)からの距離に該当する。 "Position of light emitting part" in FIG. 10(a) indicates the position of the light emitting part of the VCSEL 1a for achieving the target corresponding to the anchor. This position is calculated by simulation, and corresponds to the distance from the center (center of gravity) of the VCSEL 1a.

図10(a)に示すように、アンカーθx,1が-21.64度の場合には、発光部chを位置ΔZに配置すればよく、アンカーθx,2が-18.61度の場合には、発光部chを位置ΔZに配置すればよい。同様に、アンカーθx,3~θx,8が-15.38~+12.19度の場合には、それぞれ発光部chを位置ΔZ~ΔZに配置すればよい。 As shown in FIG. 10(a), when the anchor θ x,1 is -21.64 degrees, the light emitting part ch should be placed at the position ΔZ 1 , and the anchor θ x,2 is -18.61 degrees. In this case, the light emitting section ch may be placed at the position ΔZ2 . Similarly, when the anchors θ x,3 to θ x,8 are −15.38 to +12.19 degrees, the light emitting parts ch may be arranged at positions ΔZ 3 to ΔZ 8 , respectively.

本実施形態では、位置ΔZに発光部ch1を配置し、位置ΔZに発光部ch2を配置し、位置ΔZに発光部ch3を配置し、位置ΔZに発光部ch4を配置し、位置ΔZに発光部ch5を配置する。また位置ΔZに発光部ch6を配置し、位置ΔZに発光部ch7を配置し、位置ΔZに発光部ch8を配置する。 In this embodiment, the light emitting part ch1 is arranged at the position ΔZ 1 , the light emitting part ch2 is arranged at the position ΔZ 2 , the light emitting part ch3 is arranged at the position ΔZ 3 , the light emitting part ch4 is arranged at the position ΔZ 4, and the light emitting part ch 4 is arranged at the position ΔZ 4 . The light emitting part ch5 is arranged at ΔZ5 . Further, a light emitting part ch6 is arranged at a position ΔZ 6 , a light emitting part ch7 is arranged at a position ΔZ 7 , and a light emitting part ch8 is arranged at a position ΔZ 8 .

図10(b)は、位置ΔZ~ΔZに対応するように、VCSEL1aに配置された発光部ch1~ch8を示している。図10(b)に示すように、発光部ch1~ch8は、隣接する発光部ch同士の間隔が隣接する発光部ch毎で異なるように配置されている。換言すると、発光部ch1~ch8は非等間隔に配置されている。 FIG. 10(b) shows light emitting parts ch1 to ch8 arranged in the VCSEL 1a so as to correspond to positions ΔZ 1 to ΔZ 8 . As shown in FIG. 10(b), the light emitting parts ch1 to ch8 are arranged such that the distance between adjacent light emitting parts ch is different for each adjacent light emitting part ch. In other words, the light emitting parts ch1 to ch8 are arranged at non-uniform intervals.

ここで、VCSEL1aの発光部chの位置を決定するための演算方法について、発光部ch6及びch7を一例として説明する。 Here, a calculation method for determining the positions of the light emitting sections ch of the VCSEL 1a will be explained using the light emitting sections ch6 and ch7 as an example.

光線追跡の原理に基づき、PSD3の受光面3aにおけるレーザ光L2の受光位置zと、VCSEL1aの発光部chの位置Δzの関係がZ=f(Δz;θx)として予め定められているとする。関数fは、VCSEL1a、凹面ミラー2、PSD3及び眼球30(角膜部)の位置関係と、眼球形状のモデルとに基づき数式化できる。 Based on the principle of ray tracing, it is assumed that the relationship between the light receiving position z of the laser beam L2 on the light receiving surface 3a of the PSD 3 and the position Δz of the light emitting part ch of the VCSEL 1a is determined in advance as Z=f(Δz; θx). The function f can be expressed mathematically based on the positional relationship among the VCSEL 1a, the concave mirror 2, the PSD 3, and the eyeball 30 (corneal part), and a model of the eyeball shape.

まず、基準となる発光部chを求めるために、{f(Δz6;θx,6)=-2、f(Δz6;-θx,6)=2}を満たすΔz6およびθx,6を数値的に求解する。すなわち、θx,7=-θx,6となる対称角度に調整する。 First, in order to find the reference light emitting part ch, numerically solve Δz6 and θx,6 that satisfy {f(Δz6;θx,6)=-2, f(Δz6;-θx,6)=2} do. That is, it is adjusted to a symmetrical angle such that θx,7=-θx,6.

次いで、眼球30の回旋角度θxの正の方向へ、{f(Δz7;θx,7-1°)=-2、f(Δz7;θx,8)=2}を満たすΔz7およびθx,8を数値的に求解する。また、眼球30の回旋角度θxの負の方向へ、{f(Δz5;θx,5)=-2、f(Δz5;θx,6+1°)=2}を満たすようなΔz5およびθx,5を数値的に求解する。 Next, in the positive direction of the rotation angle θx of the eyeball 30, Δz7 and θx,8 that satisfy {f(Δz7; θx, 7-1°)=-2, f(Δz7; θx, 8)=2} are numerically determined. to solve the problem. In addition, in the negative direction of the rotation angle θx of the eyeball 30, Δz5 and θx,5 are numerically set so as to satisfy {f(Δz5; θx,5)=-2, f(Δz5;θx,6+1°)=2}. to solve the problem.

Δz1~Δz4、Δz8およびθx,1~θx,4についても、上記の演算を逐次繰り返すことで、VCSEL1aの発光部chの位置を算出することができる。 By sequentially repeating the above calculation for Δz1 to Δz4, Δz8, and θx,1 to θx,4, the position of the light emitting part ch of the VCSEL 1a can be calculated.

図10(b)に示すように発光部ch1~ch8を配置すると、第1発光部に由来するレーザ光L2を、PSD3が、端部3bより距離dだけPSD3の中央側で受光する際に、第2発光部に由来するレーザ光L2を、PSD3が、端部3dより距離dだけPSD3の中央側で受光することができる。 When the light emitting parts ch1 to ch8 are arranged as shown in FIG. 10(b), when the PSD 3 receives the laser beam L2 originating from the first light emitting part at the center side of the PSD 3 by a distance d from the end part 3b, The PSD 3 can receive the laser light L2 originating from the second light emitting section at the center of the PSD 3 by a distance d from the end 3d.

これにより、第1発光部に由来するレーザ光L2をPSD3の一端で受光する際に、第2発光部に由来するレーザ光L2をPDS3の他端でも受光できるため、レーザ光L2を見失うことなく、眼球30の回旋角度θxを検出することができる。 With this, when the laser light L2 originating from the first light emitting part is received at one end of the PSD 3, the laser light L2 originating from the second light emitting part can also be received at the other end of the PDS3, so that the laser light L2 is not lost. , the rotation angle θx of the eyeball 30 can be detected.

なお上述した例では、隣接する発光部ch6及びch7を第1発光部及び第2発光部の一例として説明したが、これに限定されるものではなく、第1発光部と第2発光部は隣接する発光部でなくてもよい。 In the above example, the adjacent light emitting parts ch6 and ch7 were described as an example of the first light emitting part and the second light emitting part, but the invention is not limited to this, and the first light emitting part and the second light emitting part are adjacent to each other. It does not have to be a light emitting part.

<眼球30の2軸方向への回旋への対応例>
上述した例では、眼球30が水平方向に沿って回旋する場合を説明したが、眼球30が2軸方向に回旋する場合にも実施形態を適用可能である。
<Example of correspondence to rotation of the eyeball 30 in two axis directions>
In the example described above, the case where the eyeball 30 rotates along the horizontal direction has been described, but the embodiment is also applicable to the case where the eyeball 30 rotates in two axial directions.

図11は、眼球30が2軸方向に回旋する場合のPSDの受光領域の一例を説明する図である。図11では、図8におけるX及びY方向への眼球30の回旋に対し、VCSEL1aの各発光部chに由来するレーザ光L2を、PSD3が受光面3a上で受光する受光領域を示している。この場合、VCSEL1aにおける複数の発光部chは、ΔyΔz平面(図10(b)参照)内に2次元的に配置される。ここで、図8のX方向は「所定方向」に対応し、図8のY方向は「交差方向」に対応する。 FIG. 11 is a diagram illustrating an example of the light receiving area of the PSD when the eyeball 30 rotates in two axial directions. FIG. 11 shows a light receiving area where the PSD 3 receives the laser beam L2 originating from each light emitting unit channel of the VCSEL 1a on the light receiving surface 3a with respect to the rotation of the eyeball 30 in the X and Y directions in FIG. In this case, the plurality of light emitting sections ch in the VCSEL 1a are two-dimensionally arranged within the ΔyΔz plane (see FIG. 10(b)). Here, the X direction in FIG. 8 corresponds to a "predetermined direction," and the Y direction in FIG. 8 corresponds to a "crossing direction."

図9(a)と同様に、図11における4隅にL字図形を配した破線の長方形は、領域Aを示している。領域Aにおける図11の横軸に沿う長さは、眼球30のX方向への回旋角度に応じた長さである。また領域Aにおける図11の縦軸に沿う長さは、眼球30のY方向への回旋角度に応じた長さである。 Similarly to FIG. 9(a), a broken-line rectangle with L-shaped figures arranged at the four corners in FIG. 11 indicates area A. The length of region A along the horizontal axis in FIG. 11 is a length corresponding to the rotation angle of the eyeball 30 in the X direction. Further, the length of region A along the vertical axis in FIG. 11 is a length corresponding to the rotation angle of the eyeball 30 in the Y direction.

斜線で示した重複領域Bは、眼球30の回旋角度θxの1度に対応するX方向の重複領域と、眼球30の回旋角度θyの1度に対応するY方向の重複領域とを示している。眼球30の2軸方向への回旋角度を検出する場合、領域Aの四方に重複領域Bが設けられるようにVCSEL1aにおける複数の発光部chの位置が予め定められている。 The overlapping area B indicated by diagonal lines indicates an overlapping area in the X direction corresponding to 1 degree of the rotation angle θx of the eyeball 30 and an overlapping area in the Y direction corresponding to 1 degree of the rotation angle θy of the eyeball 30. . When detecting the rotation angle of the eyeball 30 in the two-axis directions, the positions of the plurality of light emitting sections ch in the VCSEL 1a are determined in advance so that an overlapping region B is provided on all sides of the region A.

<レーザ光L2の受光位置調整手段の他の例>
上述した例では、第1発光部に由来するレーザ光L2をPSD3が端部3bより距離dだけPSD3の中央側で受光する際に、第2発光部に由来するレーザ光L2を、PSD3が端部3dより距離dだけPSD3の中央側で受光するための受光位置調整手段として、VCSEL1aにおける発光部ch1~ch8を非等間隔に配置する例を示した。但し、受光位置調整手段は、発光部ch1~ch8の配置を調整することに限定されるものではない。
<Other examples of light receiving position adjusting means for laser beam L2>
In the example described above, when the PSD 3 receives the laser beam L2 originating from the first light emitting section at the center side of the PSD 3 by a distance d from the end 3b, the PSD 3 receives the laser light L2 originating from the second light emitting section from the end 3b. An example is shown in which the light emitting parts ch1 to ch8 in the VCSEL 1a are arranged at non-uniform intervals as a light receiving position adjusting means for receiving light at the center of the PSD 3 by a distance d from the part 3d. However, the light receiving position adjusting means is not limited to adjusting the arrangement of the light emitting sections ch1 to ch8.

図12は、レーザ光L2の受光位置調整手段の他の例を説明する図であり、(a)はプリズム構造体15aを用いる場合の構成例を示す断面図、(b)は回折構造体15bを用いる場合の構成例を示す断面図、(c)はレンズアレイ15cを用いる場合の構成例を示す断面図、(d)は2次元配列のレンズアレイ15dを用いる場合の構成例を示す平面図である。 FIG. 12 is a diagram illustrating another example of the light receiving position adjusting means for the laser beam L2, in which (a) is a cross-sectional view showing a configuration example when using the prism structure 15a, and (b) is a diffraction structure 15b. (c) is a cross-sectional view showing an example of the configuration when using a lens array 15c; (d) is a plan view showing an example of the configuration when using a two-dimensional array of lens arrays 15d. It is.

プリズム構造体15aは、複数の微小なプリズムが設けられた光学素子である。プリズム構造体15aでは、複数のプリズムがVCSEL1aの発光部chに1対1で対応するように配置されている。プリズムにおける斜面部の傾きをプリズム毎で異ならせることで、発光部ch毎で射出されたレーザ光1の伝搬方向を、発光部ch毎に異ならせることができる。 The prism structure 15a is an optical element provided with a plurality of minute prisms. In the prism structure 15a, a plurality of prisms are arranged in one-to-one correspondence with the light emitting sections channels of the VCSEL 1a. By making the slopes of the prisms different for each prism, the propagation direction of the laser beam 1 emitted from each light emitting section channel can be made different for each light emitting section channel.

これにより、VCSEL1aにおける発光部chを等間隔に配置した場合に受光位置調整手段の機能を実現でき、VCSEL1aにおける発光部chの配置を調整することと同様の作用効果が得られる。 As a result, when the light emitting sections channels in the VCSEL 1a are arranged at regular intervals, the function of the light receiving position adjusting means can be realized, and the same effect as adjusting the arrangement of the light emitting sections channels in the VCSEL 1a can be obtained.

回折構造体15bは、レーザ光L1を回折させるための微細な周期構造が形成された光学素子である。発光部chに1対1で対応して周期構造の周期を異ならせることで、発光部ch毎で射出されたレーザ光1の伝搬方向を、発光部ch毎に異ならせることができる。 The diffraction structure 15b is an optical element in which a fine periodic structure for diffracting the laser beam L1 is formed. By varying the period of the periodic structure in one-to-one correspondence with the light-emitting sections channels, the propagation direction of the laser beam 1 emitted from each light-emitting section channel can be made different for each light-emitting section channel.

これにより、VCSEL1aにおける発光部chを等間隔に配置した場合に受光位置調整手段の機能を実現でき、VCSEL1aにおける発光部chの配置を調整することと同様の作用効果が得られる。 As a result, when the light emitting sections channels in the VCSEL 1a are arranged at equal intervals, the function of the light receiving position adjusting means can be realized, and the same effect as adjusting the arrangement of the light emitting sections channels in the VCSEL 1a can be obtained.

レンズアレイ15cは、複数の微小レンズが設けられた光学素子である。レンズアレイ15cでは、複数のレンズがVCSEL1aの発光部chに1対1で対応するように配置されている。レンズの発光部chに対する偏心量をレンズ毎で異ならせることで、発光部ch毎で射出されたレーザ光1の伝搬方向を、発光部ch毎に異ならせることができる。 The lens array 15c is an optical element provided with a plurality of microlenses. In the lens array 15c, a plurality of lenses are arranged in one-to-one correspondence with the light emitting sections channels of the VCSEL 1a. By varying the amount of eccentricity of the lens with respect to the light emitting section ch for each lens, the propagation direction of the laser beam 1 emitted from each light emitting section ch can be made different for each light emitting section ch.

これにより、VCSEL1aにおける発光部chを等間隔に配置した場合に受光位置調整手段の機能を実現でき、VCSEL1aにおける発光部chの配置を調整することと同様の作用効果が得られる。 As a result, when the light emitting sections channels in the VCSEL 1a are arranged at regular intervals, the function of the light receiving position adjusting means can be realized, and the same effect as adjusting the arrangement of the light emitting sections channels in the VCSEL 1a can be obtained.

プリズム構造体15a、回折構造体15b及びレンズアレイ15cは何れも、複数の発光部chのそれぞれが射出する光を偏向する偏向手段に対応する。 The prism structure 15a, the diffraction structure 15b, and the lens array 15c all correspond to deflection means that deflects the light emitted from each of the plurality of light emitting sections ch.

また図12(d)に示すように、VCSEL1aの発光部chが2次元に配置されている場合にも適用可能である。複数の微小レンズが2次元方向に配置されたレンズアレイ15dを用いて、発光部ch毎で射出されたレーザ光1の伝搬方向を発光部ch毎に2次元方向に異ならせることができる。 Further, as shown in FIG. 12(d), the present invention can also be applied to a case where the light emitting parts channels of the VCSEL 1a are arranged two-dimensionally. By using the lens array 15d in which a plurality of microlenses are arranged in two dimensions, the propagation direction of the laser beam 1 emitted from each light emitting section channel can be made different in two dimensions for each light emitting section channel.

同様に、複数の微小なプリズムが2次元方向に配置されたプリズム構造体や、周期構造の周期が2次元方向に異なる回折構造体を用いて、発光部ch毎で射出されたレーザ光1の伝搬方向を発光部ch毎に異ならせることも可能である。 Similarly, by using a prism structure in which a plurality of minute prisms are arranged in two dimensions or a diffraction structure in which the period of the periodic structure is different in two dimensions, the laser beam 1 emitted from each light emitting section channel can be It is also possible to make the propagation direction different for each light emitting unit channel.

<瞳孔位置検出装置10aの作用効果>
以上説明したように、本実施形態では、PSD3は、第1発光部から射出された光に由来するレーザ光L2をPSD3の端部3bより距離dだけPSD3の中央側で受光する際に、第2発光部から射出された光に由来するレーザ光L2をPSD3の端部3dより距離dだけPSD3の中央側で受光する。
<Operations and effects of the pupil position detection device 10a>
As explained above, in this embodiment, when the PSD 3 receives the laser beam L2 derived from the light emitted from the first light emitting section at the center side of the PSD 3 by a distance d from the end 3b of the PSD 3, the PSD 3 The laser beam L2 originating from the light emitted from the two light emitting parts is received at the center of the PSD 3 by a distance d from the end 3d of the PSD 3.

これにより、第1発光部に由来するレーザ光L2をPSD3の一端で受光する際に、第2発光部に由来するレーザ光L2をPDS3の他端でも受光できるため、レーザ光L2を見失うことなく、眼球30の回旋角度θxを検出することができる。そしてPSD3の端部でレーザ光L2の一部分のみを受光することを防ぎ、曲率を有する眼球30の回旋角度及び瞳孔位置を高精度に検出することができる。 As a result, when the laser beam L2 originating from the first light emitting section is received at one end of the PSD 3, the laser light L2 originating from the second light emitting section can also be received at the other end of the PDS 3, so that the laser light L2 is not lost. , the rotation angle θx of the eyeball 30 can be detected. This prevents only a portion of the laser beam L2 from being received at the end of the PSD 3, and the rotation angle and pupil position of the eyeball 30 having a curvature can be detected with high precision.

また本実施形態では、PSD3が第1発光部に由来するレーザ光L2をPSD3の端部3bより距離dだけPSD3の中央側で受光する際に、第2発光部に由来するレーザ光L2をPSD3の端部3dより距離dだけPSD3の中央側で受光するための受光位置調整手段の機能を、VCSEL1aにおける複数の発光部chを非等間隔に配置することで実現する。 Further, in this embodiment, when the PSD 3 receives the laser light L2 originating from the first light emitting part at the center side of the PSD 3 by a distance d from the end 3b of the PSD 3, the laser light L2 originating from the second light emitting part is transmitted to the PSD 3. The function of a light receiving position adjusting means for receiving light at the center of the PSD 3 by a distance d from the end 3d is realized by arranging a plurality of light emitting parts channels in the VCSEL 1a at non-uniform intervals.

VCSEL1aは半導体プロセスで製造されるため、発光部chの間隔は容易に調整可能である。そのため、受光位置調整手段の機能を容易に実現することができる。また、VCSEL1aにおける複数の発光部chで、隣接する発光部ch同士の間隔が徐々に異なるように配置すると、発光部ch同士の間隔をより容易に調整できるため、さらに好適である。 Since the VCSEL 1a is manufactured using a semiconductor process, the spacing between the light emitting parts channels can be easily adjusted. Therefore, the function of the light receiving position adjusting means can be easily realized. Further, it is more preferable to arrange the plurality of light emitting sections in the VCSEL 1a so that the intervals between adjacent light emitting sections are gradually different, since the intervals between the light emitting sections can be adjusted more easily.

ここで、隣接する発光部ch同士の間隔が徐々に異なるとは、隣接する発光部ch同士の間隔が少しずつ小さくなるように配置されること、或いは隣接する発光部ch同士の間隔が少しずつ大きくなるように配置されることをいう。具体的には、発光部ch1と発光部ch2とが間隔e1で配置され、これに隣接する発光部ch2と発光部ch3は間隔e1より少し小さい間隔e2で配置され、これに隣接する発光部ch3と発光部ch4は間隔e2より少し小さい間隔e3で配置される場合である。或いは間隔e2は間隔e1より少し大きく、間隔e2は間隔e1より少し大きくしてもよい。 Here, the term "the spacing between adjacent light emitting sections channels gradually differing" means that the spacing between adjacent light emitting sections channels gradually decreases, or the spacing between adjacent light emitting sections channels gradually changes. It means to be arranged so that it becomes larger. Specifically, a light emitting part ch1 and a light emitting part ch2 are arranged with an interval e1, an adjacent light emitting part ch2 and a light emitting part ch3 are arranged with an interval e2 slightly smaller than the interval e1, and an adjacent light emitting part ch3 This is a case where the light emitting parts ch4 are arranged at an interval e3 slightly smaller than the interval e2. Alternatively, the interval e2 may be slightly larger than the interval e1, and the interval e2 may be slightly larger than the interval e1.

また、上記の受光位置調整手段は、VCSEL1aにおける発光部ch1~ch8の配置を調整することに限定されるものではない。複数の発光部chのそれぞれが射出する光を偏向する偏向手段によっても受光位置調整手段の作用効果を得ることができる。このような受光位置調整手段として、プリズム構造体15a、回折構造体15b及びレンズアレイ15c等が挙げられる。 Further, the light receiving position adjusting means described above is not limited to adjusting the arrangement of the light emitting sections ch1 to ch8 in the VCSEL 1a. The effect of the light receiving position adjusting means can also be obtained by a deflection means that deflects the light emitted from each of the plurality of light emitting sections ch. Examples of such light receiving position adjusting means include the prism structure 15a, the diffraction structure 15b, and the lens array 15c.

また複数の発光部chを2次元に配置し、PSD3は、第1発光部に由来するレーザ光L2を、X方向におけるPSD3の一端より距離dだけPSD3の中央側、又はY方向におけるPSD3の一端より距離dだけPSD3の中央側の何れか一方で受光する際に、第1発光部からX方向に離れて配置された第2発光部に由来するレーザ光L2を、X方向におけるPSD3の他端より距離dだけPSD3の中央側で受光し、第1発光部からY方向に離れて配置された第3発光部に由来するレーザ光L2を、Y方向におけるPSD3の他端より距離dだけPSD3の中央側で受光することもできる。 Further, a plurality of light emitting units channels are arranged two-dimensionally, and the PSD 3 directs the laser beam L2 originating from the first light emitting unit to the center side of the PSD 3 by a distance d from one end of the PSD 3 in the X direction, or to one end of the PSD 3 in the Y direction. When receiving light from one side of the center of the PSD 3 by a distance d, the laser beam L2 originating from the second light emitting part disposed away from the first light emitting part in the X direction is transferred to the other end of the PSD 3 in the X direction. The laser beam L2 originating from the third light emitting section, which is disposed at a distance d from the first light emitting section in the Y direction, is received at the center of the PSD 3 by a distance d from the other end of the PSD 3 in the Y direction. It is also possible to receive light at the center.

この構成により、曲率を有する眼球30の2軸方向への回旋角度及び瞳孔位置を広い範囲で精度よく検出することができる。 With this configuration, the rotation angle in the two-axis directions and the pupil position of the eyeball 30 having curvature can be detected accurately over a wide range.

また本実施形態では、眼球30の回旋角度を検出し、この回旋角度に基づき、眼球30の瞳孔位置を検出する瞳孔位置検出装置10aの例を示したが、これに限定されるものではない。 Further, in this embodiment, an example of the pupil position detection device 10a that detects the rotation angle of the eyeball 30 and detects the pupil position of the eyeball 30 based on this rotation angle is shown, but the present invention is not limited to this.

実施形態に係る立体物の回旋角度検出装置は、例えば、回転中心で回転可能な回転体と、曲率中心を有する曲面体とを含んで構成される立体物であって、回転中心の位置と曲率中心の位置が異なっている立体物においても、立体物の回旋角度を広い範囲で精度よく検出することが可能である。 The rotation angle detection device of a three-dimensional object according to the embodiment is, for example, a three-dimensional object that includes a rotating body that is rotatable about a rotation center and a curved surface body that has a center of curvature, and that detects the position of the rotation center and the curvature. Even for three-dimensional objects having different center positions, it is possible to accurately detect the rotation angle of the three-dimensional object over a wide range.

以下、実施形態に係る瞳孔位置検出装置の変形例を説明する。 Hereinafter, a modification of the pupil position detection device according to the embodiment will be described.

(第1変形例)
本変形例に係る瞳孔位置検出装置は、凹面ミラー2に代えて、異方性分子材料が封入された液晶部202を有する第1反射型集光素子200を備える。ここで、異方性分子材料とは液晶材料等をいう。
(First modification)
The pupil position detection device according to this modification includes, in place of the concave mirror 2, a first reflective condensing element 200 having a liquid crystal part 202 filled with an anisotropic molecular material. Here, the anisotropic molecular material refers to a liquid crystal material and the like.

図13は、第1反射型集光素子200を用いた軸外し光学系の構成の一例を説明する図である。図13に示すように、第1反射型集光素子200は、支持基板201と、液晶部202と、1/4波長シフト部203とを含む。ここで、第1反射型集光素子200は、「集束反射手段」の一例であり、液晶部202は、「封入部」の一例である。 FIG. 13 is a diagram illustrating an example of the configuration of an off-axis optical system using the first reflective condensing element 200. As shown in FIG. 13, the first reflective condensing element 200 includes a support substrate 201, a liquid crystal section 202, and a quarter wavelength shift section 203. Here, the first reflective condensing element 200 is an example of a "focusing reflection means", and the liquid crystal section 202 is an example of an "encapsulating section".

VCSEL1から出射された直線偏光の光は、1/4波長シフト部203により円偏光に変換され、液晶部202に入射する。液晶部202で眼球30に向けて反射された光は、1/4波長シフト部203を往きとは逆向きに通過して再び直線偏光に変換され、眼球30の角膜表面に入射する。その後、角膜表面で反射された光はPSD3に入射する。 The linearly polarized light emitted from the VCSEL 1 is converted into circularly polarized light by the quarter wavelength shift section 203 and enters the liquid crystal section 202 . The light reflected by the liquid crystal section 202 toward the eyeball 30 passes through the quarter wavelength shift section 203 in the opposite direction, is converted into linearly polarized light again, and enters the corneal surface of the eyeball 30 . Thereafter, the light reflected on the corneal surface enters the PSD 3.

また、図14に示すように、液晶部202は、支持基板2021と、配向膜2022と、配向膜2023と、光を透過させる透過支持基板2024とを備えている。 Further, as shown in FIG. 14, the liquid crystal section 202 includes a support substrate 2021, an alignment film 2022, an alignment film 2023, and a transmission support substrate 2024 that transmits light.

配向膜2022と配向膜2023で形成される膜内部の空間には、液晶分子2025が含まれている。液晶分子2025は、配向膜2022及び2023の面に垂直な方向にらせん状に旋回して配列している。 The space inside the film formed by the alignment film 2022 and the alignment film 2023 contains liquid crystal molecules 2025. The liquid crystal molecules 2025 are spirally arranged in a direction perpendicular to the planes of the alignment films 2022 and 2023.

液晶分子2025の配向は、配向膜2022及び2023により空間的に制御されている。具体的には、配向膜2022及び2023のそれぞれの面内が微小な空間領域に分割され、それぞれの領域に対して特定方向に偏光したUV光が照射され、光配向が施されることで、微小な空間領域毎での液晶分子2025の配向が制御されている。 The alignment of liquid crystal molecules 2025 is spatially controlled by alignment films 2022 and 2023. Specifically, the inside of each of the alignment films 2022 and 2023 is divided into minute spatial regions, and each region is irradiated with UV light polarized in a specific direction to perform optical alignment. The alignment of liquid crystal molecules 2025 in each minute spatial region is controlled.

換言すると、液晶分子2025は、液晶部202の内部において三次元的な準周期構造を形成するように配向している。ここで、準周期構造とは、集光特性を発現するように構造周期またはその位相が空間的に調整されている構造をいう。 In other words, the liquid crystal molecules 2025 are oriented to form a three-dimensional quasi-periodic structure inside the liquid crystal section 202. Here, the quasi-periodic structure refers to a structure in which the structural period or its phase is spatially adjusted so as to exhibit light-gathering properties.

図14の右から左の方向に、液晶部202に入射する光は、透過支持基板2024、配向膜2023を通過し、液晶分子2025の作用により反射されて、配向膜2023、及び透過支持基板2024を往きとは逆向きに通過して、液晶部202から出射する。 From the right to the left in FIG. 14, the light incident on the liquid crystal section 202 passes through the transparent support substrate 2024 and the alignment film 2023, is reflected by the action of the liquid crystal molecules 2025, and then passes through the alignment film 2023 and the transmission support substrate 2024. The light passes through in the opposite direction to the forward direction and is emitted from the liquid crystal section 202.

図14の例では、液晶分子2025によるらせん構造の開始位置に該当する配向膜2022、又は2023の面上における配向方向の調整により、らせん構造を示す曲線の等位相面2026が光の入射方向に対して凹面状に湾曲している。これにより、液晶分子2025をレンズとして機能させ、液晶分子2025の作用により反射されて図の右方向に進む光を、集光させることができる。液晶分子を、レンズ等の光学素子として機能させる技術には、公知の技術(例えば、Nature Photonics Vol.10 (2016) p.389参照)を適用できるため、ここでは更に詳細な説明を省略する。なお、図13において、一点鎖線で示した2027は、液晶部202に入射する光を示し、二点鎖線で示した2028は、液晶部202で反射され、集光される光を示している。 In the example of FIG. 14, by adjusting the alignment direction on the surface of the alignment film 2022 or 2023 corresponding to the starting position of the helical structure by the liquid crystal molecules 2025, the equiphase plane 2026 of the curve representing the helical structure is aligned with the incident direction of light. It is curved in a concave shape. Thereby, the liquid crystal molecules 2025 function as a lens, and the light reflected by the action of the liquid crystal molecules 2025 and traveling to the right in the figure can be focused. Since a known technique (for example, see Nature Photonics Vol. 10 (2016) p. 389) can be applied to the technique of making liquid crystal molecules function as an optical element such as a lens, a more detailed explanation will be omitted here. Note that in FIG. 13, 2027 indicated by a dashed-dotted line indicates light that enters the liquid crystal section 202, and 2028 indicated by a dashed-two dotted line indicates light reflected by the liquid crystal section 202 and condensed.

次に、図15を参照して、液晶部202の光学特性をさらに説明する。図15(a)及び(b)は、右回り円偏光の光を集光させる液晶部202について示している。液晶部202は、液晶分子2025の回旋方向に依存して、右回り偏光と左回り偏光のそれぞれに対して異なる反射または透過特性を備えている。 Next, the optical characteristics of the liquid crystal section 202 will be further explained with reference to FIG. 15. FIGS. 15A and 15B show a liquid crystal section 202 that focuses right-handed circularly polarized light. The liquid crystal section 202 has different reflection or transmission characteristics for right-handed polarized light and left-handed polarized light, depending on the rotation direction of the liquid crystal molecules 2025.

図15(a)において、液晶部202には、1/4波長シフト部203により円偏光に変換された光が入射する。液晶部202で反射された光は、再度1/4波長板を往きとは逆向きに通過することで直線偏光に戻され、眼球30に照射される。眼球30へのレーザ光の侵入を極力低減するために、直線偏光は紙面垂直方向に電場振動面を有するS偏光とすることが好ましい。 In FIG. 15A, light that has been converted into circularly polarized light by a quarter wavelength shifter 203 enters a liquid crystal section 202. In FIG. The light reflected by the liquid crystal section 202 is returned to linearly polarized light by passing through the quarter-wave plate again in the opposite direction, and is irradiated onto the eyeball 30. In order to reduce the penetration of laser light into the eyeball 30 as much as possible, the linearly polarized light is preferably S-polarized light having an electric field vibration plane in a direction perpendicular to the plane of the drawing.

一方、図15(b)は、VCSEL1からの光線が偏光制御されていないランダム偏光の場合の例を示している。液晶部202に入射するランダム偏光のうち、右回り円偏光のみが、支持基板2021で反射して集光され、1/4波長シフト部203を通過して、直線偏光に変換される。一方、左回り偏光成分は支持基板201をそのまま透過し、角膜表面には照射されない。 On the other hand, FIG. 15(b) shows an example in which the light beam from the VCSEL 1 is randomly polarized light without polarization control. Of the randomly polarized light incident on the liquid crystal section 202, only the right-handed circularly polarized light is reflected by the support substrate 2021 and collected, passes through the quarter wavelength shift section 203, and is converted into linearly polarized light. On the other hand, the left-handed polarized light component passes through the support substrate 201 as it is and is not irradiated onto the corneal surface.

本変形例に係る瞳孔位置検出装置では、液晶分子2025の三次元的な配向分布を、配向膜2022及び2023の2次元的な配向制御により制御でき、これにより、反射および回折効率が高く、薄型の第1反射型集光素子200を提供できる。また、第1反射型集光素子200に偏光選択性を付与することが可能であり、光学部品点数の低減とレーザ光に対する目の安全性確保を両立した瞳孔位置検出装置を提供できる。 In the pupil position detection device according to this modification, the three-dimensional alignment distribution of the liquid crystal molecules 2025 can be controlled by two-dimensional alignment control of the alignment films 2022 and 2023, and as a result, the reflection and diffraction efficiency is high, and the thin The first reflective condensing element 200 can be provided. Further, it is possible to impart polarization selectivity to the first reflective condensing element 200, and it is possible to provide a pupil position detection device that reduces the number of optical components and ensures eye safety against laser light.

(第2変形例)
本変形例に係る瞳孔位置検出装置は、異方性分子材料を含む第2反射型集光素子210を備える。
(Second modification)
The pupil position detection device according to this modification includes a second reflective condensing element 210 containing an anisotropic molecular material.

図16は、第2反射型集光素子210を用いた軸外し光学系の構成の一例を説明する図である。図16に示すように、第2反射型集光素子210は、液晶部211と、導光手段212と、1/4波長シフト部213とを備える。ここで、第2反射型集光素子210は、「集束反射手段」の一例であり、液晶部211は、「異方性分子材料部」の一例である。 FIG. 16 is a diagram illustrating an example of the configuration of an off-axis optical system using the second reflective condensing element 210. As shown in FIG. 16, the second reflective condensing element 210 includes a liquid crystal section 211, a light guide means 212, and a quarter wavelength shift section 213. Here, the second reflective condensing element 210 is an example of a "focusing reflection means", and the liquid crystal section 211 is an example of an "anisotropic molecular material section".

液晶部211は、導光手段212における導光領域界面に接触するように設けられている。液晶部211の内部では、上述した液晶部202と同様に、液晶分子が、液晶部211の内部において三次元的な準周期構造を形成するように配向している。 The liquid crystal section 211 is provided so as to be in contact with the light guiding region interface of the light guiding means 212. Inside the liquid crystal section 211, like the liquid crystal section 202 described above, liquid crystal molecules are oriented to form a three-dimensional quasi-periodic structure inside the liquid crystal section 211.

VCSEL1から出射された光は、導光手段212の入射端の斜面を介して導光手段212内に結合される。なお、グレーティングを介して導光手段212内に結合される形態でも良いが、実装の簡便性および精度を考慮して、VCSEL1の実装基板面と導光手段212が直交した配置を取る構成が好ましい。 The light emitted from the VCSEL 1 is coupled into the light guiding means 212 via the slope of the incident end of the light guiding means 212. Although it may be coupled into the light guiding means 212 via a grating, in consideration of the simplicity and accuracy of mounting, it is preferable to arrange the mounting board surface of the VCSEL 1 and the light guiding means 212 at right angles. .

導光手段212内に結合された光は、導光手段212の界面で全反射を繰り返し、導光手段212の内部を眼前付近まで伝搬する。導光手段212を内部伝搬した光のうちの右回り円偏光、又は左回り円偏光の光が液晶部211により選択的に反射され、液晶部211のレンズ機能により集光され、1/4波長シフト部213により直線偏光(S偏光)に変換された後、眼球30の角膜表面に照射される。 The light coupled into the light guiding means 212 undergoes repeated total reflection at the interface of the light guiding means 212 and propagates inside the light guiding means 212 to the vicinity in front of the eyes. Of the light internally propagated through the light guiding means 212, right-handed circularly polarized light or left-handed circularly polarized light is selectively reflected by the liquid crystal section 211 and condensed by the lens function of the liquid crystal section 211, and the light is focused at 1/4 wavelength. After being converted into linearly polarized light (S-polarized light) by the shift unit 213, the corneal surface of the eyeball 30 is irradiated with the light.

なお、導光手段212を用いる場合、角膜表面に対して浅い角度で光を照射することは困難であるため、眼球30の正面近傍で、液晶部211により光を反射するようにしている。この場合、PSD3に光を入射させるためには、角膜上の瞳孔中心位置よりPSD3側にシフトした位置(鏡面反射位置)に光を集光させる必要がある。 Note that when using the light guiding means 212, it is difficult to irradiate the corneal surface with light at a shallow angle, so the light is reflected by the liquid crystal section 211 near the front of the eyeball 30. In this case, in order to make the light enter the PSD 3, it is necessary to condense the light at a position (specular reflection position) shifted toward the PSD 3 from the pupil center position on the cornea.

本変形例に係る瞳孔位置検出装置では、VCSEL1から出射された光を導光手段212内で光路長を確保した上で角膜表面へ照射できるため、装置を小型化できる。またVCSEL1、導光手段212、及びPSD3等を一体に構成することができる。 In the pupil position detection device according to this modification, the light emitted from the VCSEL 1 can be irradiated onto the corneal surface after securing the optical path length within the light guiding means 212, so that the device can be miniaturized. Further, the VCSEL 1, the light guiding means 212, the PSD 3, etc. can be configured integrally.

[第2実施形態]
次に、第2実施形態に係る網膜投影表示装置を、図17を参照して説明する。
[Second embodiment]
Next, a retinal projection display device according to a second embodiment will be described with reference to FIG. 17.

図17は、本実施形態に係る網膜投影表示装置の構成の一例を説明する図である。 FIG. 17 is a diagram illustrating an example of the configuration of a retinal projection display device according to this embodiment.

網膜投影表示装置60は、RGB(Red、Green、Blue)レーザ光源61と、走査ミラー62と、平面ミラー63と、ハーフミラー64と、画像生成部65と、瞳孔位置検出装置10aとを備えている。 The retinal projection display device 60 includes an RGB (Red, Green, Blue) laser light source 61, a scanning mirror 62, a plane mirror 63, a half mirror 64, an image generation section 65, and a pupil position detection device 10a. There is.

RGBレーザ光源61は、RGB3色のレーザ光を時間的に変調して出力する。走査ミラー62は、RGBレーザ光源61からの光を2次元的に走査する。走査ミラー62は、MEMSミラー等である。但し、これに限定されるものではなく、ポリゴンミラー、ガルバノミラー等、光を走査する反射部を有するものであればよい。小型化・軽量化の点でMEMSミラーが有利となる。なお、MEMSミラーの駆動方式は、静電式、圧電式、電磁式等の何れであってもよい。 The RGB laser light source 61 temporally modulates and outputs laser light of three colors of RGB. The scanning mirror 62 two-dimensionally scans the light from the RGB laser light source 61. The scanning mirror 62 is a MEMS mirror or the like. However, the present invention is not limited to this, and any mirror that has a reflecting part 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 driving method of the MEMS mirror may be any of electrostatic, piezoelectric, electromagnetic, and the like.

平面ミラー63は、ハーフミラー64に向けて走査ミラー62による走査光を反射する。ハーフミラー64は、入射する光の一部を透過し、一部を眼球30に向けて反射する。ハーフミラー64は、凹型の曲面形状を有しており、反射した光を眼球30の瞳孔31の近傍に集束させ、網膜33の位置で結像させる。これにより、走査光で形成される画像を網膜33に投影する。図中破線で示されている光61aは、網膜33上に画像を形成する光を表している。なお、ハーフミラー64は、必ずしも反射光と透過光の光量が1対1にならなくてもよい。 The plane mirror 63 reflects the scanning light from the scanning mirror 62 toward the half mirror 64 . The half mirror 64 transmits a portion of the incident light and reflects a portion toward the eyeball 30 . The half mirror 64 has a concave curved shape, focuses the reflected light near the pupil 31 of the eyeball 30, and forms an image at the position of the retina 33. As a result, an image formed by the scanning light is projected onto the retina 33. Light 61a indicated by a broken line in the figure represents light that forms an image on the retina 33. Note that in the half mirror 64, the amount of reflected light and transmitted light does not necessarily have to be one to one.

瞳孔位置検出装置10aは、眼球運動に応じた瞳孔31の位置を検出し、瞳孔31の位置のフィードバック信号を画像生成部65に送信する。 The pupil position detection device 10a detects the position of the pupil 31 according to eye movement, and transmits a feedback signal of the position of the pupil 31 to the image generation unit 65.

画像生成部65は、走査ミラー62の振れ角制御機能と、RGBレーザ光源61の発光制御機能とを有している。また、画像生成部65は、瞳孔位置検出装置10aから瞳孔31の位置のフィードバック信号を受信する。瞳孔位置検出装置10aにより検出された瞳孔31の位置に応じて、走査ミラー62の振れ角と、RGBレーザ光源61の発光を制御し、画像の投影角度、又は画像内容を書き換える。これにより、眼球運動に伴う瞳孔31の位置の変化に追従(アイトラッキング)した画像を、網膜33上に形成することができる。 The image generation unit 65 has a deflection angle control function of the scanning mirror 62 and a light emission control function of the RGB laser light source 61. The image generation unit 65 also receives a feedback signal of the position of the pupil 31 from the pupil position detection device 10a. The deflection angle of the scanning mirror 62 and the light emission of the RGB laser light source 61 are controlled according to the position of the pupil 31 detected by the pupil position detection device 10a, and the projection angle of the image or the image content is rewritten. Thereby, it is possible to form an image on the retina 33 that follows (eye tracking) the change in the position of the pupil 31 due to eyeball movement.

上述した例では、網膜投影表示装置60をウェアラブル端末であるヘッドマウントディスプレイ(HMD;Head Mount Display)とする場合を示したが、これに限定されるものではない。ヘッドマウントディスプレイとしての網膜投影表示装置60は、「人」の頭部に直接装着させるだけでなく、固定部等の部材を介して間接的に「人」の頭部に装着させるもの(頭部装着型表示装置)であってもよい。また、左右眼用に一対の網膜投影表示装置60を設けた両眼式の網膜投影表示装置としてもよい。 In the example described above, the retinal projection display device 60 is a head mounted display (HMD), which is a wearable terminal, but the present invention is not limited to this. The retinal projection display device 60 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 (head mounted display). (a wearable display device). Alternatively, a binocular retinal projection display device may be used, in which a pair of retinal projection display devices 60 are provided for left and right eyes.

[比較例]
ここで、比較例に係るUS2016/0166146と、実施形態に係る瞳孔位置検出装置10aとを比較する。
[Comparative example]
Here, US2016/0166146 according to a comparative example and the pupil position detection device 10a according to the embodiment will be compared.

比較例に係る装置では、レーザ光源を用い、レーザ光をMEMSミラーにより走査し、眼球への光の入射角度を変更している。これに対し、実施形態では、複数の発光部を有するVCSELを光源とし、VCSELの発光部の変更により、眼球への光の入射角度を変更している。実施形態では、このように眼球への光の入射角度を、可動部を用いずに変更する。そのため、可動部を有する構成と比較して、振動や外的衝撃等に強くなる。 In the device according to the comparative example, 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 is changed. In contrast, in the embodiment, a VCSEL having a plurality of light emitting parts is used as a light source, and the incident angle of light to the eyeball is changed by changing the light emitting parts of the VCSEL. In the embodiment, the angle of incidence of light on the eyeball is changed in this way without using a movable part. Therefore, compared to a structure having a movable part, it is more resistant to vibrations, external shocks, etc.

比較例に係る装置では、角膜に照射した光の反射光強度を光検出器により検出するのに対し、実施形態では、PSDを用い、眼球で反射され、PSDの受光面に入射する光の位置を検出する。PSDは、光強度に依存せずに入射光の位置を検出するため、眼球における光の反射位置等に起因して反射光量に差が生じても、反射光量の差の影響を受けずに高感度の位置検出が可能である。その結果、瞳孔等の眼球の傾き位置を高精度に検出できる。 In the device according to the comparative example, the reflected light intensity of the light irradiated to the cornea is detected by a photodetector, whereas in the embodiment, a PSD is used to detect the position of the light reflected by the eyeball and incident on the light receiving surface of the PSD. Detect. PSD detects the position of the incident light without depending on the light intensity, so even if there is a difference in the amount of reflected light due to the position of light reflection on the eyeball, etc., the PSD can detect the position of the incident light without being affected by the difference in the amount of reflected light. Sensitive position detection is possible. As a result, the tilted position of the eyeball, such as the pupil, can be detected with high precision.

実施形態では、発光駆動部110を備え、発光駆動部110によりVCSELの発光部の位置と、発光部間の発光タイミングをずらして個別点灯する。これにより、眼球の運動の粗動を捕らえて、PSDの受光面に眼球からの反射光が収まるようにし、かつPSDによる位置検出で眼球運動の微動を捉えることができる。 In the embodiment, a light emitting drive unit 110 is provided, and the light emitting drive unit 110 shifts the positions of the light emitting parts of the VCSEL and the light emission timing between the light emitting parts and lights them up individually. This allows coarse movements of the eyeballs to be captured so that reflected light from the eyeballs falls on the light-receiving surface of the PSD, and minute movements of the eyeballs can be captured by position detection using the PSD.

比較例に係る装置では、眼球での反射光の時間軸上の2つのピーク強度(2点の角膜上の反射位置)から眼球位置を推定している。実施形態では、角膜等の眼球上の1点の反射位置により眼球位置を推定する。そのためVCSELとPSDは、必ずしも対称位置になくともよい。実施形態では、PSDを、眼球の正反射(鏡面反射)角近傍に配置せず、VCSELと同じ側に配置してもよい。 In the device according to the comparative example, the eyeball position is estimated from two peak intensities (reflection positions on the cornea at two points) on the time axis of the 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 VCSEL and PSD do not necessarily have to be in symmetrical positions. In embodiments, the PSD may not be placed near the specular (specular) angle of the eye, but may be placed on the same side as the VCSEL.

以上、本発明の実施形態の例について記述したが、本発明は斯かる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although examples of embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various 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.

また、瞳孔位置検出装置10aにより検出された瞳孔位置の情報を、電子機器の入力装置におけるアイトラッキングに利用することもできる。例えば、図1に示した瞳孔位置検出装置10aの出力を、電子機器への入力情報としてアイトラッキングに利用する場合等である。換言すると、瞳孔位置検出装置10aを備える入力装置を構成することができる。これにより頭部位置ずれ等にロバストな電子機器への入力を実現することができる。 Further, information on the pupil position detected by the pupil position detection device 10a 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 10a shown in FIG. 1 may be used for eye tracking as input information to an electronic device. In other words, it is possible to configure an input device including the pupil position detection device 10a. This makes it possible to realize input to electronic equipment that is robust against head position deviations and the like.

また、 眼球の傾きや瞳孔位置(角膜)の検出する機能を有する検眼装置にも採用する事ができる。検眼装置とは、視力検査、眼屈折力検査、眼圧検査、眼軸長検査など種々の検査を行う事が出来る装置を指す。検眼装置は、眼球に非接触で検査可能な装置であって、被験者の顔を支持する支持部と、検眼窓と、検眼に際し被検者の眼球の向き(視線の向き)を一定にする表示を行う表示部と、制御部と、測定部とを有している。測定部の測定精度を上げるために眼球(視線)を動かさず一点を見つめる事が求められ、被検者は支持部に顔を固定し、検眼窓から表示部に表示される表示物を凝視する。このとき、眼球の傾き位置を検出する際に、本実施形態の眼球の傾き位置検出装置が利用可能である。眼球の傾き位置検出装置は測定の妨げにならないよう、測定部の側方に配置される。眼球の傾き位置検出装置で得られた眼球の傾き位置(視線)情報は、制御部にフィードバックする事が可能で、眼球の傾き位置情報に応じた測定をする事ができる。 It can also be used in optometric equipment that has the 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 of 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.

1a VCSEL(光源手段の一例)
2 凹面ミラー(集束反射手段の一例)
3 PSD(受光位置検出手段の一例)
3a 受光面
3b 端部(一端の一例)
3c 中央位置(中央の一例)
3d 端部(他端の一例)
10a 瞳孔位置検出装置(立体物の回旋角度検出装置の一例)
15a プリズム構造体(偏向手段の一例)
15b 回折構造体(偏向手段の一例)
15c レンズアレイ(偏向手段の一例)
20 眼鏡型支持体
21 眼鏡レンズ
22 眼鏡フレーム
30 眼球(被照射面の一例、立体物の一例)
31 瞳孔
32 角膜
33 網膜
60 網膜投影表示装置
61 RGBレーザ光源
62 走査ミラー
63 平面ミラー
64 ハーフミラー
65 画像生成部
100 処理部
101 CPU
102 ROM
103 RAM
104 SSD
105 光源駆動回路
106 A/D変換回路
107 入出力I/F
110 発光駆動部
111 検出信号入力部
120 演算部
121 眼球回旋角度推定部
122 瞳孔位置取得部
130 瞳孔位置出力部
ch 発光部
X方向 水平方向(所定方向の一例)
Y方向 垂直方向(交差方向の一例)
Z方向 眼球が回旋していない状態での正視方向
θx,θy 回旋角度
d 距離(所定距離の一例)
1a VCSEL (an example of light source means)
2 Concave mirror (an example of focusing reflection means)
3 PSD (an example of light receiving position detection means)
3a Light receiving surface 3b End (an example of one end)
3c Center position (an example of center)
3d End (an example of the other end)
10a Pupil position detection device (an example of a rotation angle detection device for a three-dimensional object)
15a Prism structure (an example of deflection means)
15b Diffraction structure (an example of deflection means)
15c Lens array (an example of deflection means)
20 Spectacle type support 21 Spectacle lens 22 Spectacle frame 30 Eyeball (an example of an irradiated surface, an example of a three-dimensional object)
31 Pupil 32 Cornea 33 Retina 60 Retinal projection display device 61 RGB laser light source 62 Scanning mirror 63 Plane mirror 64 Half mirror 65 Image generation unit 100 Processing unit 101 CPU
102 ROM
103 RAM
104 SSD
105 Light source drive circuit 106 A/D conversion circuit 107 Input/output I/F
110 Light emission drive unit 111 Detection signal input unit 120 Calculation unit 121 Eyeball rotation angle estimation unit 122 Pupil position acquisition unit 130 Pupil position output unit ch Light emission unit X direction Horizontal direction (an example of a predetermined direction)
Y direction Vertical direction (an example of cross direction)
Z direction Normal viewing direction θx, θy when the eyeball is not rotated Rotation angle d Distance (an example of a predetermined distance)

特開2019-154815号公報JP 2019-154815 Publication

Claims (13)

複数の発光部を備える光源手段と、
前記複数の発光部から射出された光を、立体物における曲率を有する被照射面に向けて反射して集束させる集束反射手段と、
前記光の前記被照射面により反射された反射光を受光し、前記反射光の受光位置を検出する受光位置検出手段と、を備え、
前記複数の発光部は、非等間隔に配置されており、
前記受光位置検出手段は、前記複数の発光部のうちの第1発光部から射出された光に由来する前記反射光を前記受光位置検出手段の一端より所定距離だけ前記受光位置検出手段の中央側で受光する際に、前記複数の発光部のうちの前記第1発光部とは異なる第2発光部から射出された光に由来する前記反射光を前記受光位置検出手段の他端より前記所定距離だけ前記受光位置検出手段の中央側で受光する
立体物の回旋角度検出装置。
a light source means comprising a plurality of light emitting parts;
a focusing reflector that reflects and focuses the light emitted from the plurality of light emitting units toward an irradiated surface having a curvature of a three-dimensional object;
light receiving position detection means for receiving the reflected light reflected by the irradiated surface of the light and detecting the light receiving position of the reflected light,
The plurality of light emitting parts are arranged at non-uniform intervals,
The light receiving position detecting means detects the reflected light derived from the light emitted from the first light emitting part of the plurality of light emitting parts by a predetermined distance from one end of the light receiving position detecting means toward the center of the light receiving position detecting means. When receiving light, the reflected light originating from a second light emitting section different from the first light emitting section among the plurality of light emitting sections is transmitted at the predetermined distance from the other end of the light receiving position detecting means. A rotation angle detecting device for a three-dimensional object that receives light only at the center of the light receiving position detecting means.
前記第1発光部と前記第2発光部は隣接している
請求項1に記載の立体物の回旋角度検出装置。
The rotation angle detection device for a three-dimensional object according to claim 1, wherein the first light emitting section and the second light emitting section are adjacent to each other.
前記複数の発光部は、隣接する前記発光部同士の間隔が徐々に異なるように配置されている
請求項に記載の立体物の回旋角度検出装置。
The rotation angle detection device for a three-dimensional object according to claim 1 , wherein the plurality of light emitting units are arranged such that intervals between adjacent light emitting units gradually differ.
前記複数の発光部のそれぞれが射出する光を偏向する偏向手段を備える
請求項1乃至の何れか1項に記載の立体物の回旋角度検出装置。
The rotation angle detection device for a three-dimensional object according to any one of claims 1 to 3 , further comprising deflection means for deflecting light emitted from each of the plurality of light emitting units.
前記複数の発光部は2次元に配置され、
前記受光位置検出手段は、
前記第1発光部から射出された光に由来する前記反射光を、所定方向における前記受光位置検出手段の一端より前記所定距離だけ前記受光位置検出手段の中央側、又は前記所定方向と交差する交差方向における前記受光位置検出手段の一端より前記所定距離だけ前記受光位置検出手段の中央側の何れか一方で受光する際に、
前記第1発光部から前記所定方向に離れて配置された前記第2発光部から射出された光に由来する前記反射光を、前記所定方向における前記受光位置検出手段の他端より前記所定距離だけ前記受光位置検出手段の中央側で受光する請求項1乃至の何れか1項に記載の立体物の回旋角度検出装置。
The plurality of light emitting parts are arranged two-dimensionally,
The light receiving position detection means includes:
The reflected light originating from the light emitted from the first light emitting section is directed toward the center of the light receiving position detecting means by the predetermined distance from one end of the light receiving position detecting means in a predetermined direction, or at an intersection that intersects with the predetermined direction. When receiving light on either side of the center of the light receiving position detecting means by the predetermined distance from one end of the light receiving position detecting means in the direction,
The reflected light derived from the light emitted from the second light emitting section, which is disposed away from the first light emitting section in the predetermined direction, is transmitted by the predetermined distance from the other end of the light receiving position detection means in the predetermined direction. 5. The rotation angle detection device for a three -dimensional object according to claim 1, wherein the light is received at the center of the light receiving position detection means.
前記第1発光部から前記交差方向に離れて配置された第3発光部から射出された光に由来する前記反射光を、前記交差方向における前記受光位置検出手段の他端より前記所定距離だけ前記受光位置検出手段の中央側で受光する
請求項に記載の立体物の回旋角度検出装置。
The reflected light derived from the light emitted from the third light emitting section disposed apart from the first light emitting section in the intersecting direction is transmitted by the predetermined distance from the other end of the light receiving position detecting means in the intersecting direction. 6. The rotation angle detecting device for a three-dimensional object according to claim 5 , wherein the light is received at the center of the light receiving position detecting means.
前記光源手段は、垂直共振器面発光レーザである
請求項1乃至の何れか1項に記載の立体物の回旋角度検出装置。
7. The rotation angle detection device for a three- dimensional object according to claim 1, wherein the light source means is a vertical cavity surface emitting laser.
前記立体物は、回転中心で回転可能な回転体と、曲率中心を有する曲面体とを含んで構成され、
前記回転中心の位置と前記曲率中心の位置は異なっている
請求項1乃至の何れか1項に記載の立体物の回旋角度検出装置。
The three-dimensional object includes a rotating body rotatable around a rotation center and a curved body having a center of curvature,
The rotation angle detection device for a three-dimensional object according to any one of claims 1 to 7 , wherein the position of the center of rotation and the position of the center of curvature are different.
前記立体物は、眼球である
請求項に記載の立体物の回旋角度検出装置。
The rotation angle detection device for a three-dimensional object according to claim 8 , wherein the three-dimensional object is an eyeball.
請求項1乃至の何れか1項に記載の立体物の回旋角度検出装置を有する
網膜投影表示装置。
A retinal projection display device comprising the rotation angle detection device for a three-dimensional object according to any one of claims 1 to 9 .
請求項1乃至の何れか1項に記載の立体物の回旋角度検出装置を有する
頭部装着型表示装置。
A head-mounted display device comprising the rotation angle detection device for a three-dimensional object according to claim 1 .
請求項1乃至の何れか1項に記載の立体物の回旋角度検出装置を有する
検眼装置。
An optometry apparatus comprising the rotation angle detection device for a three- dimensional object according to claim 1 .
請求項1乃至の何れか1項に記載の立体物の回旋角度検出装置を有する
入力装置。
An input device comprising the rotation angle detection device for a three-dimensional object according to any one of claims 1 to 9 .
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