JP7424099B2 - Optical devices, retinal projection display devices, head-mounted display devices, and optometry devices - Google Patents

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本発明は、光学装置、網膜投影表示装置、頭部装着型表示装置、及び検眼装置に関する。 The present invention relates to an optical device, a retinal projection display device, a head-mounted display device, and an optometry device.

瞳孔位置(視線)の検出技術の開発が進み、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。瞳孔位置検出装置では、検出の応答性や検出装置の小型・軽量化が要求される。 The development of detection technology for pupil position (line of sight) is progressing, and it is now being used in a variety of applications such as interfaces for controlling electronic devices, image formation support for wearable display devices such as head-mounted displays, collection of gaze data from skilled engineers, and analysis of product attention. It is expected that it will be applied to various uses. Pupil position detection devices are required to have high detection responsiveness and to be compact and lightweight.

このような要求に対し、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(例えば、特許文献1及び2参照)。 In response to these demands, a technology has been disclosed that detects the temporal change in the reflected light intensity of a laser beam scanned at high speed on the eyeball surface, and detects the pupil position at high speed using a non-imaging method that does not use an imaging system (for example, , see Patent Documents 1 and 2).

しかしながら、特許文献1及び2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。 However, with the techniques of Patent Documents 1 and 2, 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, and the pupil position may not be detected properly. .

開示の技術は、瞳孔位置を適切に検出することを課題とする。 The disclosed technology aims to appropriately detect the pupil position.

開示の技術の一態様に係る光学装置は、光を出す光源手段と、前記光源手段からの光を集束し、眼球に向けて反射する集束反射手段と、前記眼球からの反射光の位置を検出する位置検出手段と、を有し、前記集束反射手段は、前記眼球からの前記反射光の発散を相殺するように曲率が定められている
An optical device according to one aspect of the disclosed technology includes a light source unit that emits light, a focusing and reflecting unit that focuses light from the light source unit and reflects it toward an eyeball , and detects the position of the reflected light from the eyeball . and a position detection means , and the focusing reflection means has a curvature determined so as to offset the divergence of the reflected light from the eyeball .

開示の技術によれば、瞳孔位置を適切に検出することができる。 According to the disclosed technology, the pupil position can be appropriately detected.

第1の実施形態に係る瞳孔位置検出装置の構成の一例を説明する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the configuration of a pupil position detection device according to a first embodiment. 眼球の回旋とPSDへのレーザ光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. 4 is a diagram illustrating the relationship between rotation of the eyeball and the incident position of the laser beam on the PSD, in which (a) is a diagram illustrating a state in which the eyeball is not rotated, and (b) is a diagram illustrating a state in which the eyeball is rotated. FIG. 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 illustrating conditions that an off-axis optical system should satisfy, in which (a) is a diagram illustrating distances between elements, and (b) is a diagram illustrating geometric distance relationships expressed in a coaxial optical system. 凹面ミラーの有効領域直径とPSD受光面でのレーザ光のビーム半径との関係の一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between the effective area diameter of a concave mirror and the beam radius of a laser beam on a PSD light receiving surface. 第1の実施形態に係る処理部のハードウェア構成の一例を説明するブロック図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating an example of the hardware configuration of a processing unit according to the first embodiment. 第1の実施形態に係る処理部の機能構成の一例を説明するブロック図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating an example of the functional configuration of a processing section according to the first embodiment. 第1の実施形態に係る瞳孔位置検出装置による処理の一例を示すフローチャートである。7 is a flowchart illustrating an example of processing by the pupil position detection device according to the first embodiment. 第1変形例に係る瞳孔位置検出装置の要部の構成の一例を説明する図(その1)であり、(a)はVCSELから凹面ミラーまでの光路と眼球からPSDまでの光路が交差する配置を示す図、(b)はVCSELから凹面ミラーまでの光路と眼球からPSDまでの光路が交差しない配置を示す図である。FIG. 3 is a diagram (part 1) illustrating an example of the configuration of the main parts of the pupil position detection device according to the first modification, in which (a) is an arrangement where the optical path from the VCSEL to the concave mirror and the optical path from the eyeball to the PSD intersect; (b) is a diagram showing an arrangement in which the optical path from the VCSEL to the concave mirror and the optical path from the eyeball to the PSD do not intersect. 第2変形例に係る瞳孔位置検出装置の要部の構成の一例を説明する図(その2)である。FIG. 7 is a diagram (part 2) illustrating an example of the configuration of the main parts of the pupil position detection device according to the second modification. 第3変形例に係る瞳孔位置検出装置の要部の構成の一例を説明する図(その3)である。FIG. 7 is a diagram (part 3) illustrating an example of the configuration of a main part of a pupil position detection device according to a third modification. 第4A変形例に係る瞳孔位置検出装置の要部の構成の一例を説明する図(その4A)であり、(a)は要部を上方から見た図、(b)は(a)の部分Bを眼球側から見た図である。FIG. 4A is a diagram (part 4A) illustrating an example of the configuration of a main part of a pupil position detection device according to a modification 4A, in which (a) is a view of the main part seen from above, and (b) is a part of (a). It is a figure which looked at B from the eyeball side. 第4B変形例に係る瞳孔位置検出装置の要部の構成の一例を説明する図(その4B)であり、(a)は要部を上方から見た図、(b)は(a)の部分Bを眼球側から見た図、(c)は(a)の部分Bを眼球と反対側から見た図である。FIG. 4B is a diagram (part 4B) illustrating an example of the configuration of the main part of the pupil position detection device according to the 4B modification, in which (a) is a view of the main part seen from above, and (b) is the part in (a). Part B is seen from the eyeball side, and (c) is a diagram of part B in (a) seen from the side opposite to the eyeball. 第5変形例に係る瞳孔位置検出装置の要部の構成の一例を説明する図(その5)である。FIG. 12 is a diagram (part 5) illustrating an example of the configuration of a main part of a pupil position detection device according to a fifth modification. 第6変形例に係る瞳孔位置検出装置の要部の構成の一例を説明する図(その6)であり、(a)は凹面ミラーを凹面に対向する方向から見た図、(b)は(a)のA-A'断面を示す図である。FIG. 6 is a diagram (part 6) illustrating an example of the configuration of a main part of a pupil position detection device according to a sixth modification, in which (a) is a diagram of a concave mirror viewed from the direction facing the concave surface, and (b) is It is a figure which shows the AA' cross section of a). 第7変形例に係る瞳孔位置検出装置の要部の構成の一例を説明する図(その7)であり、(a)は要部を上方から見た図、(b)は(a)の部分Cを眼球側から見た図である。FIG. 7 is a diagram (part 7) illustrating an example of the configuration of the main part of the pupil position detection device according to the seventh modification, in which (a) is a view of the main part seen from above, and (b) is the part in (a). It is a figure which looked at C from the eyeball side. 非同軸凹面ミラーの構成の一例を説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the configuration of a non-coaxial concave mirror. 非回折ビームの一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of a undiffracted beam. HOEを用いた軸外し光学系の構成の一例を説明する図であり、(a)はHOEが1つの集束レーザ光を生成する場合を説明する図、(b)はHOEが複数の集束レーザ光を生成する場合を説明する図である。2A and 2B are diagrams illustrating an example of the configuration of an off-axis optical system using an HOE, in which (a) is a diagram illustrating a case in which the HOE generates one focused laser beam, and (b) is a diagram illustrating a case in which the HOE generates a plurality of focused laser beams. FIG. 液晶反射型集光構造を含む集束反射手段について説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a focusing reflection means including a liquid crystal reflective light focusing structure. 液晶反射型集光構造内の液晶分子配向状態について説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating the alignment 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および出射光線の偏光状態を説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating the polarization states of incident and outgoing 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手段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 guiding means coupling optical system using a liquid crystal reflection type condensing structure. 第2の実施形態に係る網膜投影表示装置の構成の一例を説明する図である。FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the configuration of a retinal projection display device according to a second embodiment. 特許文献1に記載されたアイトラッキング装置の構成を示す図である。1 is a diagram showing the configuration of an eye tracking device described in Patent Document 1. FIG.

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一の構成部には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same components are designated by the same reference numerals, and redundant explanations may be omitted.

光学装置の一例として、実施形態では眼球の瞳孔位置検出装置を説明し、また、瞳孔位置検出装置を眼鏡型支持体に実装した場合を一例として説明する。 As an example of an optical device, a pupil position detecting device of an eyeball will be described in the embodiment, 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.

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

本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 present 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. After that, the eyeball 30 is reached.

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. 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、曲率を有する三次元物体であれば、本実施形態を適用可能である。 Furthermore, the irradiated surface is not limited to the eyeball 30, and the present embodiment can be applied to any three-dimensional object having a curvature.

「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 "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 current value of the incident light from the ratio of the current values in the two orthogonal directions. This is a two-dimensional optical position detecting element that calculates and outputs a detection signal indicating the position of the object. 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 position detection means instead of the PSD 3, 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 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. This method 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.

<第1の実施形態に係る瞳孔位置検出装置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 according to the first embodiment 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 is not incident on 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 section, but by changing the light emitting section of the VCSEL 1, it is possible to detect the position of the pupil of the eyeball 30 using light emitted from any one of the light emitting sections. 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 0007424099000001

・・・(1)
(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 0007424099000001

...(1)
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 0007424099000002

・・・(2)
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 0007424099000002

...(2)
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.

<第1の実施形態に係る瞳孔位置検出装置の処理部の構成>
次に、本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 of processing section of pupil position detection device according to first embodiment>
Next, the hardware configuration of the processing unit 100 according to this embodiment will be explained. 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、本実施形態に係る処理部100の機能構成について説明する。図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、演算手段の一例としての演算部120と、瞳孔位置出力部130とを有する。 Next, the functional configuration of the processing unit 100 according to this embodiment 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 as an example of calculation means, 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 eyeball 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.

<第1の実施形態に係る瞳孔位置検出装置による処理>
次に、本実施形態に係る瞳孔位置検出装置による処理について説明する。
<Processing by the pupil position detection device according to the first embodiment>
Next, processing by the pupil position detection device according to this embodiment 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. Can be done. 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、本実施形態に係る瞳孔位置検出装置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 according to this embodiment.

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.

<効果等>
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, etc.>
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。 Further, 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 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, and the pupil position may not be detected properly.

本実施形態では、光を射出するVCSEL1、光を集束光に変換し、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 this 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 concave mirror 2 that converts the reflected light of the focused light from the irradiated surface. An off-axis optical system including a PSD 3 that receives 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、(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。 Furthermore, 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 large aperture allows the laser beam to be emitted. Since the beam can be focused, 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. .

ここで、本実施形態に係る瞳孔位置検出装置は様々な変形が可能であるため、以下にこの変形例について説明する。 Here, since the pupil position detection device according to the present embodiment can be modified in various ways, these modifications will be described below.

(第1変形例)
図8は、第1変形例に係る瞳孔位置検出装置の要部の構成の一例を説明する図(その1)である。(a)はVCSEL1から凹面ミラー2までのレーザ光の光路と、眼球30からPSD3までの光路が交差する配置を示す図、(b)はVCSEL1から凹面ミラー2までのレーザ光の光路と、眼球30からPSD3までの光路が交差しない配置を示す図である。
(First modification)
FIG. 8 is a diagram (part 1) illustrating an example of the configuration of a main part of the pupil position detection device according to the first modification. (a) is a diagram showing the arrangement where the optical path of the laser beam from the VCSEL 1 to the concave mirror 2 and the optical path from the eyeball 30 to the PSD 3 intersect, and (b) is the optical path of the laser beam from the VCSEL 1 to the concave mirror 2 and the eyeball. 30 is a diagram showing an arrangement in which optical paths from PSD 30 to PSD 3 do not intersect. FIG.

図8(a)の軸外し光学系は、VCSEL1から凹面ミラー2までのレーザ光の光路81(破線で示す光路)と、凹面ミラー2から眼球30、又は角膜32までの光路82(一点鎖線で示す光路)と、角膜32からPSD3までの光路83(二点鎖線で示す光路)とを含む。 The off-axis optical system in FIG. 8(a) has an optical path 81 (indicated by a broken line) of the laser beam from the VCSEL 1 to the concave mirror 2, and an optical path 82 (indicated by a dashed line) from the concave mirror 2 to the eyeball 30 or cornea 32. and an optical path 83 from the cornea 32 to the PSD 3 (the optical path shown by a two-dot chain line).

眼球30が正視状態にある場合、光路81、光路82及び光路83は同一平面内にあり光路81と光路83は交差する。なお、VCSEL1の発光部の位置により同一平面からずれる場合があるが、このような場合も「同一平面内」に含まれるものとする。 When the eyeball 30 is in a normal vision state, the optical path 81, the optical path 82, and the optical path 83 are in the same plane, and the optical path 81 and the optical path 83 intersect. Note that although there are cases where the light emitting portion of the VCSEL 1 deviates from the same plane depending on the position, such a case is also included in "within the same plane."

図8(a)では、VCSEL1は光路81に対して垂直に配置され、PSD3は光路83に対して垂直に配置されている。このようにすることで、各光路長を長くすることができ、また、PSD3の受光面でのレーザ光のビームスポットの楕円化を防ぐことができる。これにより、ビームの直径を微小化し、PSD3による位置検出分解能を向上させることができる。 In FIG. 8A, the VCSEL 1 is arranged perpendicularly to the optical path 81, and the PSD 3 is arranged perpendicularly to the optical path 83. By doing so, the length of each optical path can be increased, and the beam spot of the laser beam on the light receiving surface of the PSD 3 can be prevented from becoming oval. Thereby, the diameter of the beam can be miniaturized and the position detection resolution by the PSD 3 can be improved.

一方、図8(b)の軸外し光学系は、VCSEL1から凹面ミラー2までのレーザ光の光路84(破線で示す光路)と、凹面ミラー2から眼球30、又は角膜32までの光路85(一点鎖線で示す光路)と、角膜32からPSD3までの光路86(二点鎖線で示す光路)とを含む。光路84、85及び86が同一平面内にある点は、図8(a)と同様である。 On the other hand, the off-axis optical system in FIG. 8(b) has an optical path 84 (the optical path indicated by a broken line) of the laser beam from the VCSEL 1 to the concave mirror 2, and an optical path 85 (one point) from the concave mirror 2 to the eyeball 30 or cornea 32. and an optical path 86 from the cornea 32 to the PSD 3 (an optical path indicated by a two-dot chain line). The point that optical paths 84, 85, and 86 are in the same plane is the same as in FIG. 8(a).

光路84は、正視状態にある眼球30の傾きがゼロの接平面である基準被照射面90に対し、平行に配置されている。ここで、基準被照射面90は「基準平面」の一例である。このようにすることで、VCSEL1の射出面を基準被照射面90に直交させることができ、また、PSD3の受光面とVCSEL1の射出面を同一平面内に配置することができる。これにより、VCSEL1とPSD3を同一基板上に配置することが可能となり、両者の実装を容易にすることができる。 The optical path 84 is arranged parallel to the reference illuminated surface 90, which is a tangential plane on which the inclination of the eyeball 30 in the emmetropic state is zero. Here, the reference irradiated surface 90 is an example of a "reference plane." By doing so, the exit surface of the VCSEL 1 can be made perpendicular to the reference irradiated surface 90, and the light receiving surface of the PSD 3 and the exit surface of the VCSEL 1 can be arranged in the same plane. This makes it possible to arrange the VCSEL 1 and PSD 3 on the same substrate, making it easy to mount both.

(第2変形例)
図9は、第2変形例に係る瞳孔位置検出装置の要部の構成の一例を説明する図(その2)である。
(Second modification)
FIG. 9 is a diagram (part 2) illustrating an example of the configuration of main parts of the pupil position detection device according to the second modification.

図9において、軸外し光学系は、VCSEL1から凹面ミラー2までのレーザ光の光路91(破線で示す光路)と、凹面ミラー2から眼球30、又は角膜32までの光路92(一点鎖線で示す光路)と、角膜32からPSD3までの光路93(二点鎖線で示す光路)とを含む。光路91と光路93が交差することで、光路長を長くすることができる。 In FIG. 9, the off-axis optical system includes an optical path 91 of the laser beam from the VCSEL 1 to the concave mirror 2 (the optical path indicated by a broken line), and an optical path 92 from the concave mirror 2 to the eyeball 30 or the cornea 32 (the optical path indicated by the dashed line). ), and an optical path 93 from the cornea 32 to the PSD 3 (the optical path indicated by a two-dot chain line). By intersecting the optical path 91 and the optical path 93, the optical path length can be increased.

VCSEL1は、射出面に対して垂直に射出されたレーザ光が凹面ミラー2の中心付近に入射するように、白抜き矢印80で示した眼球30の正視方向に対し、傾けて配置されている。 The VCSEL 1 is arranged at an angle with respect to the normal viewing direction of the eyeball 30 indicated by the white arrow 80 so that the laser light emitted perpendicularly to the exit surface is incident near the center of the concave mirror 2.

また、VCSEL1とPSD3は、素子支持体50に固定されたFFC(フレキシブルフラットケーブル)52上に実装されている。VCSEL1とPSD3とを同一のFFC52上に実装することで、電源供給線や信号線を効率的に配置することができる。ここで、FFC52は「電装基板」の一例である。 Further, the VCSEL 1 and the PSD 3 are mounted on an FFC (flexible flat cable) 52 fixed to the element support 50. By mounting the VCSEL 1 and PSD 3 on the same FFC 52, power supply lines and signal lines can be efficiently arranged. Here, the FFC 52 is an example of an "electronic board."

さらに、VCSEL1及びPSD3を駆動するための電池53、及び回路群55等の駆動部は、FPC(フレキシブル基板)51上に固定されている。FPC51は、素子支持体50のVCSEL1及びPSD3の実装面とは反対側の面に固定されている。FPC51にコネクタ54を介してFFC51を配線することで、駆動部を省スペース化することができる。 Further, a battery 53 for driving the VCSEL 1 and the PSD 3, a circuit group 55, and other driving units are fixed on an FPC (flexible substrate) 51. The FPC 51 is fixed to the surface of the element support 50 opposite to the mounting surface of the VCSEL 1 and PSD 3. By wiring the FFC 51 to the FPC 51 via the connector 54, the drive section can save space.

ここで、回路群は、トランスインピーダンスアンプ(TIA)等を用いたIV変換回路、AD変換回路、瞳孔位置推定回路、四則演算回路、FPGA回路、及び無線伝送回路等を含む。 Here, the circuit group includes an IV conversion circuit using a transimpedance amplifier (TIA) or the like, an AD conversion circuit, a pupil position estimation circuit, an arithmetic operation circuit, an FPGA circuit, a wireless transmission circuit, and the like.

また、PSD3は、眼球30の正視方向に平行な方向に配置されることで、容易に実装できるようになっている。但し、受光面が光路93に直交するようにPSD3を配置しても良い。これにより、PSD3の受光面上でのレーザ光のビームスポットの楕円化を防ぎ、ビームの直径を微小化して、PSD3による位置検出分解能を向上させることができる。 Further, the PSD 3 can be easily mounted by being arranged in a direction parallel to the normal viewing direction of the eyeball 30. However, the PSD 3 may be arranged so that the light receiving surface is perpendicular to the optical path 93. This prevents the beam spot of the laser beam on the light receiving surface of the PSD 3 from becoming elliptical, reduces the beam diameter, and improves the position detection resolution of the PSD 3.

(第3変形例)
図10は、第3変形例に係る瞳孔位置検出装置の要部の構成の一例を説明する図(その3)である。
(Third modification)
FIG. 10 is a diagram (Part 3) illustrating an example of the configuration of the main parts of the pupil position detection device according to the third modification.

図10において、軸外し光学系は、VCSEL1から凹面ミラー2までのレーザ光の光路94(破線で示す光路)と、凹面ミラー2から眼球30、又は角膜32までの光路95(一点鎖線で示す光路)と、角膜32からPSD3までの光路96(二点鎖線で示す光路)とを含む。光路94と光路96が交差することで、光路長を長くすることができる。 In FIG. 10, the off-axis optical system includes an optical path 94 of the laser beam from the VCSEL 1 to the concave mirror 2 (the optical path indicated by a broken line), and an optical path 95 from the concave mirror 2 to the eyeball 30 or the cornea 32 (the optical path indicated by the dashed line). ), and an optical path 96 from the cornea 32 to the PSD 3 (the optical path indicated by a two-dot chain line). By intersecting the optical path 94 and the optical path 96, the optical path length can be increased.

第2変形例では、射出面に対して垂直に射出されたレーザ光が凹面ミラー2の中心付近に入射するように、眼球30の正視方向に対し、VCSEL1を傾けて配置した例を示した。本変形例では、VCSEL1と凹面ミラー2の間に三角プリズム56を設け、VCSEL1から射出されたレーザ光を偏向させることで、射出面に対して垂直に射出されたレーザ光を凹面ミラー2の中心付近に入射させている。ここで、三角プリズム56は「偏向手段」の一例である。但し、偏向手段は三角プリズム56に限定されるものではなく、回折格子等であっても良い。 In the second modification, an example is shown in which the VCSEL 1 is tilted with respect to the normal viewing direction of the eyeball 30 so that the laser beam emitted perpendicularly to the exit surface is incident near the center of the concave mirror 2. In this modification, a triangular prism 56 is provided between the VCSEL 1 and the concave mirror 2, and by deflecting the laser beam emitted from the VCSEL 1, the laser beam emitted perpendicularly to the exit surface is directed to the center of the concave mirror 2. It is injected into the vicinity. Here, the triangular prism 56 is an example of a "deflection means". However, the deflection means is not limited to the triangular prism 56, but may be a diffraction grating or the like.

また、第2変形例では、FFC52上にVCSEL1及びPSD3を実装する例を示したが、本変形例では、VCSEL1とPSD3を同一平面内に配置できるため、素子支持体50に固定されたFPC57上にVCSEL1とPSD3を実装している。これにより、電力供給や周辺回路実装を容易にすることができる。図10では、素子支持体50の一方の面にFPC57を固定し、素子支持体50のFPC57を固定した面とは反対側の面に、電池53と回路群55を実装したFPC51を固定している。FPC51とFPC57とはFFC52により電気的に接続されている。FPC51及び57は、それぞれ「電装基板」の一例である。 Furthermore, in the second modification example, an example was shown in which the VCSEL 1 and PSD 3 are mounted on the FFC 52, but in this modification example, since the VCSEL 1 and the PSD 3 can be arranged in the same plane, the FPC 57 fixed to the element support 50 can be mounted. VCSEL1 and PSD3 are mounted on the . This facilitates power supply and peripheral circuit mounting. In FIG. 10, an FPC 57 is fixed to one side of the element support 50, and an FPC 51 on which a battery 53 and a circuit group 55 are mounted is fixed to the opposite side of the element support 50 to the side to which the FPC 57 is fixed. There is. FPC51 and FPC57 are electrically connected by FFC52. The FPCs 51 and 57 are each an example of an "electronic board".

(第4変形例)
図11Aは、第4A変形例に係る瞳孔位置検出装置の要部の構成の一例を説明する図(その4A)である。(a)は要部を上方(正のY方向)から見た図、(b)は(a)における部分B(一点鎖線で囲った部分)を眼球側(正のX方向)から見た図である。
(Fourth modification)
FIG. 11A is a diagram (part 4A) illustrating an example of the configuration of a main part of the pupil position detection device according to the fourth modification. (a) is a view of the main part viewed from above (positive Y direction), (b) is a view of part B (encircled by a dashed line) in (a) viewed from the eyeball side (positive X direction) It is.

本変形例では、眼鏡フレーム22に固定された回路基板58上に、パッケージ59と、電池53と、回路群55とが実装されている。また、パッケージ59は、カバーガラス59aと支持枠59bとを備え、内部にVCSEL1及びPSD3を収容して封止している。 In this modification, a package 59, a battery 53, and a circuit group 55 are mounted on a circuit board 58 fixed to the eyeglass frame 22. Moreover, the package 59 includes a cover glass 59a and a support frame 59b, and houses and seals the VCSEL 1 and PSD 3 therein.

VCSEL1及びPSD3を1つのパッケージ59内に収容することで、VCSEL1とPSD3とを近接配置することが可能となる。また、パッケージ59と、電池53と、回路群55とを1つの回路基板58に実装することで、パッケージ59と、電池53と、回路群55とからなるモジュールを小型化することができる。 By accommodating the VCSEL 1 and the PSD 3 in one package 59, it becomes possible to arrange the VCSEL 1 and the PSD 3 in close proximity. Further, by mounting the package 59, the battery 53, and the circuit group 55 on one circuit board 58, the module including the package 59, the battery 53, and the circuit group 55 can be downsized.

さらに、無線伝送回路を回路群55に含め、上記モジュールとスマートフォンやタブレット等の外部端末と無線接続させることも可能である。これにより、PSD3の検出信号を外部端末に無線伝送し、外部端末を操作したり、瞳孔位置データを収集したりすることができる。 Furthermore, it is also possible to include a wireless transmission circuit in the circuit group 55 to wirelessly connect the module to an external terminal such as a smartphone or a tablet. Thereby, the detection signal of the PSD 3 can be wirelessly transmitted to an external terminal, and the external terminal can be operated and pupil position data can be collected.

図11Aにおいて、回路群55は、図6の機能構成を実現するために、発光駆動回路、検出信号増幅および抽出回路、瞳孔位置演算回路、無線伝送回路、などにより構成される。また、外部ハードウェアとのインターフェース回路や、メモリへの記録回路、被照射面の方位を定める加速度センサなどのセンサ回路、発光駆動回路の動作を制御するフィードバック回路など、一体化可能な様々な機能を実装する。ここで、図11AにおけるY方向は「眼鏡型支持体の長手方向」の一例である。また、「眼鏡型支持体の長手方向」の一例として、人間が眼鏡型支持体を装着したときの、耳と鼻とを結ぶ方向ということもできる。 In FIG. 11A, the circuit group 55 includes a light emission drive circuit, a detection signal amplification and extraction circuit, a pupil position calculation circuit, a wireless transmission circuit, and the like in order to realize the functional configuration of FIG. In addition, there are various functions that can be integrated, such as an interface circuit with external hardware, a memory recording circuit, a sensor circuit such as an acceleration sensor that determines the direction of the irradiated surface, and a feedback circuit that controls the operation of the light emission drive circuit. Implement. Here, the Y direction in FIG. 11A is an example of the "longitudinal direction of the glasses-shaped support". Further, as an example of the "longitudinal direction of the spectacle-shaped support", it can also be referred to as the direction connecting the ear and nose when a human wears the spectacle-shaped support.

図11Bは、第4B変形例に係る瞳孔位置検出装置の要部の構成の一例を説明する図(その4B)である。(a)は要部を上方(正のY方向)から見た図、(b)は(a)における部分B(一点鎖線で囲った部分)を眼球側(正のX方向)から見た図、(c)は(a)における部分Bを眼球と反対側(負のX方向)から見た図である。 FIG. 11B is a diagram (4B) illustrating an example of the configuration of a main part of the pupil position detection device according to the 4B modification. (a) is a view of the main part viewed from above (positive Y direction), (b) is a view of part B (encircled by a dashed line) in (a) viewed from the eyeball side (positive X direction) , (c) are views of portion B in (a) viewed from the side opposite to the eyeball (negative X direction).

本変形例では、眼鏡フレーム22の内部に回路基板58を固定し、眼球側にVCSEL1とPSD3を収容したパッケージ59を配置し、眼球と反対側に電池53と回路群55とを配置している。すなわち、両面回路基板の構成を有している。また、パッケージ59は、カバーガラス59aと支持枠59bとを備え、内部にVCSEL1及びPSD3を収容して封止している。また、外界側の開口部には、眼鏡フレーム22と同系色の樹脂材料によるカバー構造を設けている。ここで、図11BにおけるX方向は「眼鏡型支持体の厚み方向」の一例である。また、「眼鏡型支持体の厚み方向」の一例として、人間が眼鏡型支持体を装着したときの、耳と鼻とを結ぶ方向と正視方向とに垂直な方向ということもできる。 In this modification, a circuit board 58 is fixed inside the eyeglass frame 22, a package 59 containing the VCSEL 1 and PSD 3 is arranged on the eyeball side, and a battery 53 and a circuit group 55 are arranged on the opposite side from the eyeball. . That is, it has the structure of a double-sided circuit board. Moreover, the package 59 includes a cover glass 59a and a support frame 59b, and houses and seals the VCSEL 1 and PSD 3 therein. Further, the opening on the outside side is provided with a cover structure made of a resin material of the same color as the eyeglass frame 22. Here, the X direction in FIG. 11B is an example of the "thickness direction of the glasses-shaped support". Further, as an example of the "thickness direction of the glasses-type support", it can also be referred to as a direction perpendicular to the direction connecting the ears and nose and the normal viewing direction when a person wears the glasses-type support.

図11Bでは回路基板58およびパッケージ59、回路群55、電池53を眼鏡フレーム22内に完全に埋め込んだ一例を説明したが、これらは、部分的に埋め込まれたものであってもよい。また、パッケージ59の完全に裏面側に回路群55が構成されていなくともよい。 Although FIG. 11B describes an example in which the circuit board 58, package 59, circuit group 55, and battery 53 are completely embedded in the eyeglass frame 22, these may be partially embedded. Furthermore, the circuit group 55 does not have to be configured completely on the back side of the package 59.

このような構成を用いることで、パッケージ59部分の出っ張りや回路基板設置部の凹みをなくし、通常の眼鏡フレームと遜色のない見た目を実現できる。また、両面基板構成をとることで、本瞳孔位置検出装置の設置スペースの縮小化を図ることができる。 By using such a configuration, it is possible to eliminate the protrusion of the package 59 portion and the dent of the circuit board installation portion, and to achieve an appearance comparable to that of a normal eyeglass frame. Further, by adopting a double-sided substrate configuration, the installation space of the present pupil position detection device can be reduced.

(第5変形例)
図12は、第5変形例に係る瞳孔位置検出装置の要部の構成の一例を説明する図(その5)である。
(Fifth modification)
FIG. 12 is a diagram (part 5) illustrating an example of the configuration of main parts of the pupil position detection device according to the fifth modification.

本変形例に係る瞳孔位置検出装置は、VCSEL1から射出されたレーザ光を凹面ミラー2に向けて反射する平面ミラー2aを有する。軸外し光学系は、VCSEL1から凹面ミラー2までのレーザ光の光路97a及び97b(破線で示す光路)と、凹面ミラー2から眼球30、又は角膜32までの光路98(一点鎖線で示す光路)と、角膜32からPSD3までの光路99(二点鎖線で示す光路)とを含む。VCSEL1から射出されたレーザ光は、眼前の空間を往復した後、眼球30に入射される。 The pupil position detection device according to this modification includes a plane mirror 2 a that reflects the laser beam emitted from the VCSEL 1 toward the concave mirror 2 . The off-axis optical system includes optical paths 97a and 97b of the laser beam from the VCSEL 1 to the concave mirror 2 (the optical path indicated by the broken line), and an optical path 98 from the concave mirror 2 to the eyeball 30 or the cornea 32 (the optical path indicated by the dashed-dotted line). , and an optical path 99 from the cornea 32 to the PSD 3 (the optical path indicated by a two-dot chain line). The laser light emitted from the VCSEL 1 is incident on the eyeball 30 after reciprocating in the space in front of the eye.

平面ミラー2aを設けることで、VCSEL1から凹面ミラー2までの光路長を長くすることができる。光路長を長くすることによる幾つかの利点について説明する。第一は、集束反射手段に到達するレーザ光のビーム直径を広げることができることである。ビームの直径を広げた状態でレーザ光の波面制御を行うことで、非球面形状や非等方形状(アナモルフィック非球面等)の採用といった光学系及び光学素子の設計自由度を向上させることができる。第二は、折り返し光学系の最終段に設けた集束反射手段から被照射面である眼球までの距離を短くすることができることである。言い換えると、集束反射手段へ入射するレーザ光の角度が小さい場合であっても、集束反射手段へ到達するまでの光路長を調整することで、被照射面およびPSD受光面において小さなビーム直径を得ることができる。第三は眼球回線角度に依存するPSD受光面でのビームスポットの位置変化を光路長により制御できることである。PSD受光面サイズと眼球回線角度の計測範囲が適合するように光路長を設計することで、所望の視野角および角度分解能を有する瞳孔位置検出装置が実現可能となる。 By providing the plane mirror 2a, the optical path length from the VCSEL 1 to the concave mirror 2 can be increased. Some advantages of increasing the optical path length will be explained. First, it is possible to widen the beam diameter of the laser light reaching the focusing and reflecting means. By controlling the wavefront of laser light with the beam diameter widened, the degree of freedom in designing optical systems and optical elements, such as the adoption of aspherical shapes and anisotropic shapes (anamorphic aspherical surfaces, etc.), can be improved. Can be done. Second, it is possible to shorten the distance from the focusing reflection means provided at the final stage of the folded optical system to the eyeball, which is the irradiated surface. In other words, even if the angle of the laser beam incident on the focusing and reflecting means is small, by adjusting the optical path length until it reaches the focusing and reflecting means, a small beam diameter can be obtained at the irradiated surface and the PSD receiving surface. be able to. Thirdly, the change in the position of the beam spot on the PSD light receiving surface, which depends on the eyeball line angle, can be controlled by the optical path length. By designing the optical path length so that the size of the PSD light-receiving surface matches the measurement range of the eyeball line angle, a pupil position detection device having a desired viewing angle and angular resolution can be realized.

なお、平面ミラー2aと凹面ミラー2は配置が逆であっても良い。また、平面ミラー2aに代えて、第2の凹面ミラーを設けても良い。但し、図3で説明したように、眼球30、又は角膜32で反射後のレーザ光が平行光になるように、凹面ミラー2との曲率半径と、平面ミラー2a及び凹面ミラー2の配置を適切にすることが好適である。 Note that the planar mirror 2a and the concave mirror 2 may be arranged in reverse. Further, a second concave mirror may be provided in place of the plane mirror 2a. However, as explained in FIG. 3, the radius of curvature of the concave mirror 2 and the arrangement of the plane mirror 2a and the concave mirror 2 should be adjusted appropriately so that the laser beam after being reflected by the eyeball 30 or cornea 32 becomes parallel light. It is preferable to

(第6変形例)
第6変形例に係る瞳孔位置検出装置は、凹面ミラー2の位置を調整する位置調整手段131と、傾きを調整する傾き調整手段132とを有する。
(Sixth variation)
The pupil position detection device according to the sixth modification includes a position adjustment means 131 that adjusts the position of the concave mirror 2, and an inclination adjustment means 132 that adjusts the inclination.

図13は、本変形例に係る瞳孔位置検出装置の要部の構成の一例を説明する図(その6)であり、(a)は凹面ミラー2を凹面に対向する方向から見た図、(b)は(a)のA-A'断面を示す図である。 FIG. 13 is a diagram (part 6) illustrating an example of the configuration of the main parts of the pupil position detection device according to the present modification, in which (a) is a diagram of the concave mirror 2 viewed from the direction facing the concave surface; b) is a diagram showing a cross section taken along line AA' in (a).

図13(a)に示すように、位置調整手段131は、押しネジ131a、131b及び131cと、枠部131dとを有し、押しネジ131a~131cのそれぞれが凹面ミラー2の側面部の3点を支持する3点支持機構を構成している。押しネジ131a~131cのそれぞれを独立して進退させることで、YZ平面内での位置と、YZ平面内での傾きを変化させることができる。 As shown in FIG. 13(a), the position adjustment means 131 has push screws 131a, 131b, and 131c, and a frame portion 131d, and each of the push screws 131a to 131c has three points on the side surface of the concave mirror 2. It constitutes a three-point support mechanism that supports the By moving each of the push screws 131a to 131c back and forth independently, the position in the YZ plane and the inclination in the YZ plane can be changed.

また、図13(b)に示すように、傾き調整手段132は、基板132aと、バネ132bと、押しネジ132cとを有する。基板132aはYZ平面を平面部とする板状部材であり、平面部の中心に突起部133が形成されている。突起部133の負のX方向における先端は、位置調整手段131の枠部131dに含まれる負のX方向側の面に接触している。 Further, as shown in FIG. 13(b), the inclination adjusting means 132 includes a substrate 132a, a spring 132b, and a push screw 132c. The substrate 132a is a plate-like member having a flat portion along the YZ plane, and a protrusion 133 is formed at the center of the flat portion. The tip of the protrusion 133 in the negative X direction is in contact with a surface included in the frame 131d of the position adjustment means 131 on the negative X direction side.

バネ132bは、基板132aのY方向における2箇所に設けられ、それぞれが凹面ミラー2に負のX方向への付勢力を与える。また、基板132aと枠部131dは、バネ132bにより接続されている。 The springs 132b are provided at two locations on the substrate 132a in the Y direction, and each applies a negative biasing force to the concave mirror 2 in the X direction. Further, the substrate 132a and the frame portion 131d are connected by a spring 132b.

押しネジ132cは、Y方向における1箇所に設けられている。押しネジ132cが負のX方向に進退し、枠部131dを介して凹面ミラー2を押すことで、突起部133の先端を支点にして、テコの原理で凹面ミラー2をYZ平面の面外方向に傾ける(仰らせる)ことができる。 The push screw 132c is provided at one location in the Y direction. By moving the push screw 132c back and forth in the negative X direction and pushing the concave mirror 2 through the frame 131d, the concave mirror 2 is moved in the out-of-plane direction of the YZ plane using the lever principle using the tip of the projection 133 as a fulcrum. It can be tilted (made to speak).

凹面ミラー2のYZ平面の面外方向への傾きの調整をより細かく行うため、バネ132bが設けられる2箇所は、Y方向においてできるだけ離れた位置が好適である。同様に、押しネジ132cが設けられる箇所はY方向における基板132aの端部に近い位置が好適である。 In order to more finely adjust the inclination of the concave mirror 2 in the out-of-plane direction of the YZ plane, the two locations where the springs 132b are provided are preferably located as far apart as possible in the Y direction. Similarly, the location where the push screw 132c is provided is preferably close to the end of the substrate 132a in the Y direction.

なお、ここでは押しネジ132cをY方向における1箇所に設け、凹面ミラー2をZ軸回りに傾ける機構を説明したが、Z方向における1箇所にも押しネジを設け、凹面ミラー2をY軸回りに傾けられるようにしても良い。 Here, a mechanism has been described in which a push screw 132c is provided at one location in the Y direction to tilt the concave mirror 2 around the Z axis. However, a push screw 132c is also provided at one location in the Z direction to tilt the concave mirror 2 around the Y axis. It may also be possible to tilt it.

本変形例では、位置調整手段131及び傾き調整手段132を用い、凹面ミラー2から眼球30、又は角膜32に向けて照射されるレーザ光の位置、及び傾きを調整することができる。 In this modification, the position and inclination of the laser beam irradiated from the concave mirror 2 toward the eyeball 30 or the cornea 32 can be adjusted using the position adjustment means 131 and the inclination adjustment means 132.

なお、図13では凹面ミラー2の位置及び傾きの調整手段を示したが、凹面ミラー2に代えて回折素子等の光学素子を設けた場合でも、同様の調整手段で光学素子の位置及び傾きを調整することができる。 Although FIG. 13 shows means for adjusting the position and inclination of the concave mirror 2, even when an optical element such as a diffraction element is provided in place of the concave mirror 2, the position and inclination of the optical element can be adjusted using the same adjustment means. Can be adjusted.

(第7変形例)
図14は、第7変形例に係る瞳孔位置検出装置の要部の構成の一例を説明する図(その7)である。(a)は要部を上方(正のY方向)から見た図、(b)は(a)における部分C(一点鎖線で囲った部分)を眼球側(正のX方向)から見た図である。
(Seventh modification)
FIG. 14 is a diagram (Part 7) illustrating an example of the configuration of the main parts of the pupil position detection device according to the seventh modification. (a) is a view of the main part viewed from above (positive Y direction), (b) is a view of part C (encircled by a dashed line) in (a) viewed from the eyeball side (positive X direction) It is.

図14に示すように、本変形例に係る瞳孔位置検出装置は、眼鏡型支持体20を装着した人の眼前で、VCSEL1と凹面ミラー2との間に配置された導光手段150を有する。導光手段150は、内部を光伝搬させることで、VCSEL1から射出されたレーザ光を凹面ミラー2に導光することができる。 As shown in FIG. 14, the pupil position detection device according to this modification includes a light guiding means 150 arranged between the VCSEL 1 and the concave mirror 2 in front of the eyes of a person wearing the glasses-type support 20. The light guiding means 150 can guide the laser beam emitted from the VCSEL 1 to the concave mirror 2 by causing light to propagate inside.

導光手段150は、一例として、透明な円柱部材である。VCSEL1から射出された光は、導光手段150の負のX方向における端面から導光手段150の内部に入射し、内部を通過して導光手段150の正のX方向における端面に形成された反射曲面150aに入射する。反射曲面150aは、凹面ミラーとして機能する面であり、入射するレーザ光を反射し、眼球30に向けて集束レーザ光を照射することができる。 The light guiding means 150 is, for example, a transparent cylindrical member. The light emitted from the VCSEL 1 enters the inside of the light guiding means 150 from the end surface of the light guiding means 150 in the negative X direction, passes through the inside, and is formed at the end surface of the light guiding means 150 in the positive X direction. The light is incident on the reflective curved surface 150a. The reflective curved surface 150a is a surface that functions as a concave mirror, and can reflect the incident laser light and irradiate the eyeball 30 with a focused laser light.

なお、導光手段150の「透明」は、可視光、及びVCSEL1から射出された光に対して透明であることを意味する。可視光に対して透明とすることで、眼鏡型支持体20を装着した人は、導光手段150で視界を遮られることなく、前方を視認できる。また、VCSEL1から射出された光に対して透明とすることで、光吸収による損失を低減して内部を伝搬させることができる。なお、導光手段150は円柱部材に限定されるものではなく、柱状部材であれば、任意の断面形状であっても良い。 Note that "transparent" of the light guiding means 150 means that it is transparent to visible light and light emitted from the VCSEL 1. By making it transparent to visible light, a person wearing the glasses-type support 20 can see what is ahead without being obstructed by the light guiding means 150. Furthermore, by making the light emitted from the VCSEL 1 transparent, it is possible to reduce loss due to light absorption and propagate the light inside. Note that the light guiding means 150 is not limited to a cylindrical member, and may have any cross-sectional shape as long as it is a columnar member.

図14に示すように、導光手段150は、導光手段支持体151に支持されている。また、導光手段支持体151は、VCSEL1及びPSD3等が実装された回路基板58を支持する回路基板支持体58aに固定されている。従って、VCSEL1、凹面ミラー2、及びPSD3は、L字型の構造体として位置関係が固定された状態で支持されている。 As shown in FIG. 14, the light guiding means 150 is supported by a light guiding means support 151. Further, the light guide means support 151 is fixed to a circuit board support 58a that supports a circuit board 58 on which the VCSEL 1, PSD 3, etc. are mounted. Therefore, the VCSEL 1, the concave mirror 2, and the PSD 3 are supported as an L-shaped structure in a fixed positional relationship.

導光手段支持体151と、回路基板支持体58aは、円柱形状の外周方向に回転でき、また、光軸方向に進退できるようになっている。これにより、導光手段150の端部の反射曲面150aで反射されたレーザ光が眼球30、又は角膜32に入射する位置を調整することが可能となる。 The light guiding means support 151 and the circuit board support 58a can rotate in the direction of the outer periphery of the cylindrical shape, and can also move forward and backward in the direction of the optical axis. This makes it possible to adjust the position at which the laser beam reflected by the reflective curved surface 150a at the end of the light guiding means 150 enters the eyeball 30 or the cornea 32.

なお、回路基板58上に実装されたVCSEL1、及びPSD3が、導光手段支持体151の位置調整に伴って位置変動しないように、導光手段支持体151には開口部が設けられている。 Note that an opening is provided in the light guiding means support 151 so that the positions of the VCSEL 1 and the PSD 3 mounted on the circuit board 58 do not change as the position of the light guiding means supporting body 151 is adjusted.

本変形例に係る瞳孔位置検出装置では、VCSEL1、導光手段150及びPSD3等の光学素子を一体にして構成できるため、瞳孔位置検出装置を小型化することができる。 In the pupil position detecting device according to this modification, the optical elements such as the VCSEL 1, the light guiding means 150, and the PSD 3 can be integrated, so that the pupil position detecting device can be downsized.

(第8変形例)
第8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、非同軸凹面ミラー2bを有する。
(Eighth modification)
The pupil position detection device according to the eighth modification includes a non-coaxial concave mirror 2b instead of the concave mirror 2.

図15は、非同軸凹面ミラー2bの構成の一例を説明する図である。非同軸凹面ミラー2bは、図15に破線で示されている中心軸Dに対して軸対称の形状を含み、中心軸Dを挟んで対称となる位置に、曲率中心の位置が異なる2つの曲面形状を含む。 FIG. 15 is a diagram illustrating an example of the configuration of the non-coaxial concave mirror 2b. The non-coaxial concave mirror 2b includes a shape that is axially symmetrical with respect to the central axis D shown by a broken line in FIG. Including shape.

より具体的には、図15に示すように、非同軸凹面ミラー2bは、中心軸Dを挟んで対称となる位置に、曲面2b1と曲面2b2とを含み、曲面2b1の曲率中心2b21と曲面2b2の曲率中心2b22は、中心軸Dと交差する方向にずれた位置にある。なお、曲面2b1と曲面2b2は、それぞれ球面であっても非球面であっても良い。 More specifically, as shown in FIG. 15, the non-coaxial concave mirror 2b includes a curved surface 2b1 and a curved surface 2b2 at symmetrical positions across the central axis D, and a center of curvature 2b21 of the curved surface 2b1 and a curved surface 2b2. The center of curvature 2b22 of is located at a position shifted in the direction intersecting the central axis D. Note that the curved surface 2b1 and the curved surface 2b2 may each be a spherical surface or an aspherical surface.

非同軸凹面ミラー2bの曲面2b1及び2b2の形状を適正化することで、眼球30、又は角膜32で反射されたレーザ光を非回折ビームに変換し、PSD3に伝搬させることができる。非回折ビームは、一例として、同心円状のビームプロファイルを有するベッセルビーム等である。 By optimizing the shapes of the curved surfaces 2b1 and 2b2 of the non-coaxial concave mirror 2b, the laser beam reflected by the eyeball 30 or the cornea 32 can be converted into a non-diffracted beam and propagated to the PSD 3. An example of the non-diffracted beam is a Bessel beam having a concentric beam profile.

図16は、非回折ビームの一例を説明する図である。VCSEL1から射出された発散レーザ光は、非同軸凹面ミラー2bにより集束レーザ光に変換され、眼球30、又は角膜32に入射する。 FIG. 16 is a diagram illustrating an example of a undiffracted beam. The diverging laser beam emitted from the VCSEL 1 is converted into a focused laser beam by the non-coaxial concave mirror 2b, and enters the eyeball 30 or cornea 32.

図16の非同軸凹面ミラー2bでは、実線で示すレーザ光L3と、破線で示すレーザ光L4は、2次元平面内で見ると、眼球30、又は角膜32での反射後にわずかに角度の異なる2つの平行レーザ光として伝搬する(実際の3次元空間では、光軸への射影成分の大きさが等しく、かつ同径方向の内側に向かう同じ大きさの波数ベクトルを有する光線となる)。 In the non-coaxial concave mirror 2b of FIG. 16, the laser beam L3 shown by a solid line and the laser beam L4 shown by a broken line are two beams having slightly different angles after being reflected by the eyeball 30 or the cornea 32 when viewed in a two-dimensional plane. They propagate as two parallel laser beams (in an actual three-dimensional space, the projected components on the optical axis have the same size, and the light rays have wave number vectors of the same size pointing inward in the same radial direction).

このようなレーザ光は、図16の斜線ハッチングの領域で、光軸に対し対向する波数ベクトル成分の光による干渉の結果、そのビームプロファイルがベッセル関数形状となる。また、ビームの直径を変えることなく光軸方向を長い距離伝搬することができる。 Such a laser beam has a beam profile in the shape of a Bessel function in the diagonally hatched area of FIG. 16 as a result of interference by light of wave number vector components opposite to the optical axis. Furthermore, the beam can be propagated over a long distance in the optical axis direction without changing its diameter.

PSD3の受光面に入射するレーザ光L5(斜線ハッチングの部分)を非回折ビームとすることで、PSD3の実装位置をロバストにすることができる。なお、非回折ビームの形成領域は、眼球30でレーザ光が反射する前の位置であっても良い。この場合、眼鏡型支持体20の位置に対するロバスト性を向上させることができる。 The mounting position of the PSD 3 can be made robust by making the laser beam L5 (hatched portion) incident on the light receiving surface of the PSD 3 a non-diffracted beam. Note that the formation region of the non-diffracted beam may be a position before the laser beam is reflected by the eyeball 30. In this case, robustness with respect to the position of the spectacle-shaped support 20 can be improved.

(第9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、HOE(Holographic Optical Device)2bを有する。ここで、HOE2bは、「回折型反射光学素子」の一例である。
(9th modification)
The pupil position detection device according to this modification includes a HOE (Holographic Optical Device) 2b instead of the concave mirror 2. Here, the HOE2b is an example of a "diffractive reflective optical element."

図17Aは、HOEを用いた軸外し光学系の構成の一例を説明する図であり、(a)はHOE2bが1つの集束レーザ光を生成する場合を説明する図、(b)はHOE2cが複数の集束レーザ光を生成する場合を説明する図である。ここで、HOE2b及び2cは、それぞれ「集束反射手段」の一例であり、また、「回折型反射手段」の一例である。 FIG. 17A is a diagram illustrating an example of the configuration of an off-axis optical system using an HOE. FIG. 2 is a diagram illustrating a case in which a focused laser beam is generated. Here, the HOEs 2b and 2c are each an example of a "focusing reflection means" and an example of a "diffraction type reflection means."

HOEは面に垂直に入射した光を傾いた方向に反射できる。そのため、図17A(a)に示すように、眼球30にレーザ光を照射させながら、VCSEL1の射出面に平面部を対向させてHOE2bを配置することができる。これにより、実装時の位置合わせが容易となる。また、HOE2bを薄く作製することができるため、瞳孔位置検出装置を小型化することができる。 The HOE can reflect light incident perpendicularly to the surface in an inclined direction. Therefore, as shown in FIG. 17A(a), the HOE 2b can be placed with its plane portion facing the exit surface of the VCSEL 1 while irradiating the eyeball 30 with laser light. This facilitates positioning during mounting. Furthermore, since the HOE 2b can be made thin, the pupil position detection device can be downsized.

また、VCSEL1の1つの発光部で射出されたレーザ光から、複数の集束レーザ光を生成することができ、眼球30の複数の位置に同時に集束レーザ光を照射することができる。図17A(b)は、HOE2dによる0次光L90と、+1次回折光L91と、-1次回折光L92により、3つの集束レーザ光が生成された例を示している。 Moreover, a plurality of focused laser beams can be generated from the laser beam emitted by one light emitting part of the VCSEL 1, and a plurality of positions of the eyeball 30 can be irradiated with the focused laser beams at the same time. FIG. 17A(b) shows an example in which three focused laser beams are generated by the 0th-order light L90, +1st-order diffracted light L91, and −1st-order diffracted light L92 by the HOE 2d.

図2において、眼球30の大きな回旋運動に対し、VCSEL1の発光部をシフトさせて検出範囲を拡大することを説明したが、本変形例ではVCSEL1の1つの発光部による集束位置を3つにすることができる。これにより、眼球30がさらに大きく回旋運動しても、眼球30、又は角膜32で反射されたレーザ光がPSD3の受光面から外れることを防ぐことができ、回旋角度の検出範囲を広げることができる。 In FIG. 2, it has been explained that the detection range is expanded by shifting the light emitting part of the VCSEL 1 in response to a large rotational movement of the eyeball 30, but in this modification, the number of focusing positions by one light emitting part of the VCSEL 1 is set to three. be able to. Thereby, even if the eyeball 30 makes a larger rotational movement, the laser beam reflected by the eyeball 30 or the cornea 32 can be prevented from deviating from the light receiving surface of the PSD 3, and the detection range of the rotational angle can be expanded. .

なお、HOE以外にも、回折光学素子(DOE)素子やフレネルレンズを用いることができる。 Note that in addition to the HOE, a diffractive optical element (DOE) element or a Fresnel lens can be used.

(第10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。
(10th 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17B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17B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. 17B 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. 17B, 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17C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. 17C, 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17C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. 17C, 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17C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17B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. 17C, by adjusting the orientation 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, further detailed explanation will be omitted here. Note that in FIG. 17B, 2027 indicated by a dashed dotted line indicates light that enters the liquid crystal section 202, and 2028 indicated by a dashed double dotted line indicates light reflected by the liquid crystal section 202 and condensed.

次に、図17Dを参照して、液晶部202の光学特性をさらに説明する。図17D(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 described with reference to FIG. 17D. FIGS. 17D (a) and (b) 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17D(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. 17D(a), light that has been converted into circularly polarized light by the quarter wavelength shifter 203 is incident on the 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17D(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. 17D(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11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。
(11th modification)
The pupil position detection device according to this modification includes a second reflective condensing element 210 containing an anisotropic molecular material.

図17E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17E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. 17E 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. 17E, the second reflective condensing element 210 includes a liquid crystal section 211, a light guiding 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、図14と同様の筐体の構成にすることで、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, by using the same casing configuration as in FIG. 14, the VCSEL 1, the light guiding means 212, the PSD 3, etc. can be configured integrally.

[第2の実施形態]
次に、第2の実施形態に係る網膜投影表示装置を、図18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. 18.

図18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. 18 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10とを有する。 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 10.

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からの光を二次元的に走査する。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良い。小型化・軽量化の点でMEMSミラーが有利となる。なお、MEMSミラーの駆動方式は、静電式、圧電式、電磁式等の何れであっても良い。 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10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 10 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10から瞳孔31の位置のフィードバック信号を受信する。瞳孔位置検出装置10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 10. According to the position of the pupil 31 detected by the pupil position detection device 10, the deflection angle of the scanning mirror 62 and the light emission of the RGB laser light source 61 are controlled, 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)とした一例を示した。但し、ヘッドマウントディスプレイとしての網膜投影表示装置60は、「人」の頭部に直接装着させるだけでなく、固定部等の部材を介して間接的に「人」の頭部に装着させるもの(頭部装着型表示装置)であってもよい。また、左右眼用に一対の網膜投影表示装置60を設けた両眼式の網膜投影表示装置としてもよい。 In the above description, an example is shown in which the retinal projection display device 60 is a head mounted display (HMD), which is a wearable terminal. However, the retinal projection display device 60 as a head-mounted display is one that is not only attached directly to a person's head, but also one that is indirectly attached to a person's head via a member such as a fixing part. It may also be a head-mounted 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.

[実施形態に係る瞳孔位置検出装置と特許文献1に記載の装置との比較]
ここで、特許文献1に記載の装置と、実施形態に係る瞳孔位置検出装置10とを比較する。図19は、特許文献1に記載されたアイトラッキング装置の構成を示す図である。
[Comparison between the pupil position detection device according to the embodiment and the device described in Patent Document 1]
Here, the device described in Patent Document 1 and the pupil position detection device 10 according to the embodiment will be compared. FIG. 19 is a diagram showing the configuration of an eye tracking device described in Patent Document 1.

特許文献1に記載の装置では、レーザ光源を用い、レーザ光をMEMSミラーにより走査し、眼球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 described in Patent Document 1, a laser light source is used, the laser light is scanned by a MEMS mirror, and the incident angle of the light to the eyeball 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 stronger against vibrations, external shocks, etc.

特許文献1に記載の装置では、角膜に照射した光の反射光強度を光検出器により検出するのに対し、実施形態では、PSDを用い、眼球で反射され、PSDの受光面に入射する光の位置を検出する。PSDは、光強度に依存せずに入射光の位置を検出するため、眼球における光の反射位置等に起因して反射光量に差が生じても、反射光量の差の影響を受けずに高感度の位置検出が可能である。その結果、瞳孔等の眼球の傾き位置を高精度に検出できる。 In the device described in Patent Document 1, a photodetector detects the reflected light intensity of the light irradiated to the cornea, whereas in the embodiment, a PSD is used to detect the light reflected by the eyeball and incident on the light receiving surface of the PSD. Detect the position of. 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.

特許文献1に記載の装置では、眼球での反射光の時間軸上の2つのピーク強度(2点の角膜上の反射位置)から眼球位置を推定している。実施形態では、角膜等の眼球上の1点の反射位置により眼球位置を推定する。そのためVCSELとPSDは、必ずしも対称位置になくともよい。実施形態では、PSDを、眼球の正反射(鏡面反射)角近傍に配置せず、VCSELと同じ側に配置してもよい。 In the device described in Patent Document 1, the eyeball position is estimated from two peak intensities (reflection positions on the cornea at two points) on the time axis of light reflected by the eyeball. In the embodiment, the eyeball position is estimated based on the reflection position of one point on the eyeball, such as the cornea. Therefore, the 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10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10の出力を、電子機器への入力情報としてアイトラッキングに利用する場合等である。これにより頭部位置ずれ等にロバストなアイトラッキングを実現することができる。 Further, information on the pupil position detected by the pupil position detection device 10 can also be used for eye tracking in an input device of an electronic device. For example, the output of the pupil position detection device 10 shown in FIG. 1 may be used for eye tracking as input information to an electronic device. This makes it possible to realize eye tracking that is robust against head position deviations and the like.

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 optometry 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 test subject is required to stare at a single point without moving his or her eyes (line of sight), and the 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 tilt position of the eyeball, the eyeball tilt 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.

1 VCSEL(光源手段の一例)
2 凹面ミラー(集束反射手段の一例)
2a 平面ミラー
2b 非同軸凹面ミラー(集束反射手段の一例)
2c、2d HOE(集束反射手段の一例、回折型反射手段の一例)
3 PSD(位置検出手段の一例)
10 瞳孔位置検出装置
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)
31 瞳孔
32 角膜
33 網膜
50 素子支持体
51 FPC(駆動基板の一例)
52 FFC(駆動基板の一例)
53 電池
54 コネクタ
55 回路群
56 三角プリズム(偏向手段の一例)
57 FPC
58 回路基板
59 パッケージ
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
90 基準被照射面
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(演算手段の一例)
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
131 位置調整手段
132 傾き調整手段
150 導光手段
151 導光手段支持体
1 VCSEL (an example of light source means)
2 Concave mirror (an example of focusing reflection means)
2a Plane mirror 2b Non-coaxial concave mirror (an example of focusing reflection means)
2c, 2d HOE (an example of a focusing reflection means, an example of a diffractive reflection means)
3 PSD (an example of position detection means)
10 Pupil position detection device 20 Eyeglass type support 21 Eyeglass lens 22 Eyeglass frame 30 Eyeball (an example of irradiated surface)
31 Pupil 32 Cornea 33 Retina 50 Element support 51 FPC (an example of a drive board)
52 FFC (an example of a drive board)
53 Battery 54 Connector 55 Circuit group 56 Triangular prism (an example of deflection means)
57 FPC
58 Circuit board 59 Package 60 Retinal projection display device 61 RGB laser light source 62 Scanning mirror 63 Plane mirror 64 Half mirror 65 Image generation unit 90 Reference illuminated surface 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 (an example of calculation means)
121 Eyeball rotation angle estimation section 122 Pupil position acquisition section 130 Pupil position output section 131 Position adjustment means 132 Tilt adjustment means 150 Light guide means 151 Light guide means support

US2016/0166146US2016/0166146 US2017/0276934US2017/0276934

Claims (26)

光を出す光源手段と、
前記光源手段からの光を集束し、眼球に向けて反射する集束反射手段と、
前記眼球からの反射光の位置を検出する位置検出手段と、を有し、
前記集束反射手段は、前記眼球からの前記反射光の発散を相殺するように曲率が定められている
光学装置。
a light source means for emitting light;
a focusing and reflecting means that focuses the light from the light source means and reflects it toward the eyeball ;
a position detection means for detecting the position of the reflected light from the eyeball ,
The focusing reflection means has a curvature determined to offset the divergence of the reflected light from the eyeball.
optical equipment.
前記眼球に到達する前の光は、少なくとも一回以上折り返して伝搬した後、前記眼球に到達する
請求項1に記載の光学装置。
2. The optical device according to claim 1, wherein the light before reaching the eyeball is propagated by being propagated at least once before reaching the eyeball .
前記集束反射手段と前記眼球との距離をd1とし、
前記集束反射手段の有効領域の直径をDmとし、
前記眼球における曲率半径をrcとし、
前記光源手段からの光の波長をλとし、
前記位置検出手段の受光面での光のビームの半径をhULとした場合に、次式を満足する
Figure 0007424099000003
請求項1、又は2に記載の光学装置。
The distance between the focusing reflection means and the eyeball is d1,
The diameter of the effective area of the focusing reflection means is Dm,
The radius of curvature in the eyeball is rc,
The wavelength of the light from the light source means is λ,
When the radius of the light beam on the light receiving surface of the position detection means is hUL, the following formula is satisfied.
Figure 0007424099000003
The optical device according to claim 1 or 2.
前記光源手段から前記集束反射手段までの光路は、前記眼球から前記位置検出手段までの光路に交差する
請求項1乃至3の何れか1項に記載の光学装置。
4. The optical device according to claim 1, wherein the optical path from the light source means to the focusing and reflecting means intersects the optical path from the eyeball to the position detecting means.
前記光源手段から前記集束反射手段までの光路に、前記光源手段からの光を偏向させる偏向手段が設けられている
請求項4に記載の光学装置。
5. The optical device according to claim 4, further comprising a deflecting means for deflecting the light from the light source means on the optical path from the light source means to the focusing and reflecting means.
前記光源手段から前記集束反射手段までの光路は、前記眼球に接する予め定められた基準平面に対し、平行である
請求項1乃至3の何れか1項に記載の光学装置。
4. The optical device according to claim 1, wherein the optical path from the light source means to the focusing and reflecting means is parallel to a predetermined reference plane in contact with the eyeball .
前記光源手段と、
前記位置検出手段と、
前記光源手段を駆動する光源駆動回路が実装された電装基板と、を支持する支持体を有する
請求項1乃至6の何れか1項に記載の光学装置。
the light source means;
the position detection means;
7. The optical device according to claim 1, further comprising a support body that supports an electrical equipment board on which a light source driving circuit for driving the light source means is mounted.
前記集束反射手段は、
前記集束反射手段から前記眼球まで伝搬する光の光軸と、前記眼球から前記位置検出手段まで伝搬する光の光軸と、を含む平面に平行な方向と、前記平面に直交する方向の2つの方向で、曲率が異なる面を含む
請求項1乃至7の何れか1項に記載の光学装置。
The focusing reflection means includes:
A direction parallel to a plane including an optical axis of light propagating from the focusing reflection means to the eyeball and an optical axis of light propagating from the eyeball to the position detection means, and a direction perpendicular to the plane. The optical device according to any one of claims 1 to 7, comprising surfaces having different curvatures in different directions.
前記集束反射手段の位置を調整する位置調整手段、又は前記集束反射手段の傾きを調整する傾き調整手段の少なくとも一方を有する
請求項1乃至8の何れか1項に記載の光学装置。
9. The optical device according to claim 1, further comprising at least one of a position adjusting means for adjusting the position of the focusing and reflecting means, and an inclination adjusting means for adjusting the inclination of the focusing and reflecting means.
前記光源手段と前記集束反射手段との間に配置され、内部を伝搬させて、前記光源手段からの光を前記集束反射手段に導光する導光手段を有する
請求項1乃至9の何れか1項に記載の光学装置。
10. Any one of claims 1 to 9, further comprising a light guiding means disposed between the light source means and the focusing/reflecting means to propagate the light from the light source means to the focusing/reflecting means. Optical device as described in section.
前記集束反射手段は、前記導光手段の一方の端面に形成されている
請求項10に記載の光学装置。
11. The optical device according to claim 10, wherein the focusing and reflecting means is formed on one end surface of the light guiding means.
前記集束反射手段は、非同軸凹面ミラーを含む
請求項1乃至11の何れか1項に記載の光学装置。
12. The optical device according to claim 1, wherein the focusing and reflecting means includes a non-coaxial concave mirror.
前記集束反射手段は、回折型反射手段を含む
請求項1乃至11の何れか1項に記載の光学装置。
12. The optical device according to claim 1, wherein the focusing reflection means includes a diffractive reflection means.
前記回折型反射手段は、前記眼球上の複数の位置に光を照射する
請求項13に記載の光学装置。
14. The optical device according to claim 13, wherein the diffractive reflecting means irradiates light to a plurality of positions on the eyeball .
前記光源手段から前記眼球に入射するまでの光路は、前記眼球で反射されてから前記位置検出手段に入射するまでの光路よりも長いThe optical path from the light source means to the eyeball is longer than the optical path from the time it is reflected by the eyeball to the time the optical path is incident on the position detection means.
請求項1乃至14の何れか1項に記載の光学装置。The optical device according to any one of claims 1 to 14.
光を出す光源手段と、a light source means for emitting light;
前記光源手段からの光を集束し、眼球に向けて反射する集束反射手段と、a focusing and reflecting means that focuses the light from the light source means and reflects it toward the eyeball;
前記眼球からの反射光の位置を検出する位置検出手段と、を有し、a position detection means for detecting the position of the reflected light from the eyeball,
前記位置検出手段に入射する光の直径は、前記集束反射手段に入射する光の直径以下であるThe diameter of the light incident on the position detection means is less than or equal to the diameter of the light incident on the focusing reflection means.
光学装置。optical equipment.
請求項1乃至16の何れか1項に記載の光学装置を有する
網膜投影表示装置。
A retinal projection display device comprising the optical device according to any one of claims 1 to 16 .
請求項1乃至16の何れか1項に記載の光学装置を有する
頭部装着型表示装置。
A head-mounted display device comprising the optical device according to claim 1 .
請求項1乃至16の何れか1項に記載の光学装置を有する
検眼装置。
An optometry device comprising the optical device according to any one of claims 1 to 16 .
前記集束反射手段は、異方性分子材料が封入された封入部を備え、
前記異方性分子材料は、前記封入部の内部で、三次元的な準周期構造を形成するように配向している
請求項1乃至11のいずれか1項に記載の光学装置。
The focusing reflection means includes an enclosure in which an anisotropic molecular material is enclosed,
12. The optical device according to claim 1, wherein the anisotropic molecular material is oriented to form a three-dimensional quasi-periodic structure inside the enclosure.
前記集束反射手段は、
前記光源手段からの光を内部伝搬させる導光手段と、前記導光手段の導光領域界面に接触して設けられ、異方性分子材料が封入された封入部と、を備え、
前記異方性分子材料は、前記封入部の内部で、三次元的な準周期構造を形成するように配向している
請求項1乃至10のいずれか1項に記載の光学装置。
The focusing reflection means includes:
comprising: a light guiding means for internally propagating light from the light source means; and an enclosing part provided in contact with a light guiding region interface of the light guiding means and encapsulating an anisotropic molecular material;
11. The optical device according to claim 1, wherein the anisotropic molecular material is oriented to form a three-dimensional quasi-periodic structure inside the enclosure.
前記集束反射手段と前記位置検出手段は、前記眼球の法線方向に対して対称な角度方向に配置されている
請求項1乃至14、20、又は21の何れか1項に記載の光学装置。
22. The optical device according to claim 1, wherein the focusing and reflecting means and the position detecting means are arranged in angular directions that are symmetrical with respect to the normal direction of the eyeball .
前記光源手段、前記集束反射手段、及び前記位置検出手段は、何れも前記集束反射手段から前記眼球まで伝搬する光の光軸と、前記眼球から前記位置検出手段まで伝搬する光の光軸と、を含む面内に配置され、
前記光源手段と前記集束反射手段は、前記眼球の法線方向に対して、一方の側に近接して配置され、
前記集束反射手段は、前記眼球の法線方向に対して、他方の側に配置されている
請求項1乃至14、20、又は21の何れか1項に記載の光学装置。
The light source means, the focusing reflection means, and the position detection means each have an optical axis of light propagating from the focusing reflection means to the eyeball , and an optical axis of light propagating from the eyeball to the position detection means, is placed in a plane containing
The light source means and the focusing reflection means are arranged close to one side with respect to the normal direction of the eyeball ,
22. The optical device according to claim 1, wherein the focusing and reflecting means is arranged on the other side with respect to the normal direction of the eyeball .
前記光源手段、前記集束反射手段、及び前記位置検出手段は、何れも眼鏡型支持体の厚み方向に配列して、前記眼鏡型支持体に配置されている
請求項1乃至14、20、又は21の何れか1項に記載の光学装置。
The light source means, the focusing reflection means , and the position detection means are all arranged in the thickness direction of the eyeglass-type support and arranged on the eyeglass-type support . The optical device according to any one of the above.
前記光源手段、前記集束反射手段、及び前記位置検出手段は、何れも鏡型支持体の長手方向に配列して、前記眼鏡型支持体に配置されている
請求項1乃至14、20、又は21の何れか1項に記載の光学装置。
20. The light source means, the focusing reflection means, and the position detection means are all arranged in the longitudinal direction of the spectacle- shaped support and arranged on the spectacle-shaped support. 22. The optical device according to any one of Item 21 .
前記電装基板の一方の面に、前記光源手段と前記位置検出手段を備え、
前記電装基板の他方の面に、前記光源手段を駆動する光源駆動回路と、前記位置検出手段による出力を処理する演算手段の少なくとも1つを有する
請求項7に記載の光学装置。
The light source means and the position detection means are provided on one surface of the electrical equipment board,
8. The optical device according to claim 7, further comprising, on the other surface of the electrical equipment board, at least one of a light source driving circuit for driving the light source means and an arithmetic means for processing the output from the position detecting means.
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