JPH0566133B2

JPH0566133B2 -

Info

Publication number: JPH0566133B2
Application number: JP60014072A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Hideshima; Fumio Ootomo
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 1985-01-28
Filing date: 1985-01-28
Publication date: 1993-09-21
Also published as: JPS61172552A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野この発明は視線の方向を検出する視線方向検出
装置に関するものである。

発明の背景手術用顕微鏡を使用する場合、手術中に加えら
れる力や患者自身の動きなどにより観察している
部位が顕微鏡の視野から外れたり、視野周辺に移
動したりする。また、観察対象部位が広いため、
一度に観察できないなどの理由により手術中に顕
微鏡鏡体の位置を修正、変更する必要があつた。
このアライメント調整のため、従来鏡筒部分をモ
ータにより微動する装置が使われているが、その
入力手段としてはフツトスイツチ等が用いられて
おり、これらはいずれも足により操作するもので
あつた。また、一部には音声を入力手段とするも
のもあるが、あくまで観察者の操作により動作す
るものであり自動追従するものではない。

従来技術の解決すべき問題点このような従来の技術では、観察者が観察対象
部位の変更の必要を感じ、何らかの操作を行なつ
て手術用顕微鏡（光学機器）を動かして初めて観
察対象部位の変更が開始される。したがつて、観
察対象から一時たりとも注意をそらし、顕微鏡の
位置調整のような操作を行なうということは、手
術のように微細な作業や迅速な処置が要求される
場合においてはきわめて煩わしい操作で、手術に
支障を来たすという問題がある。

このような場合に、観察者の視線の方向を検出
できれば、この検出結果を利用して、顕微鏡体の
位置を観察者の視線の動きに自動追従させること
ができる。この観察者の視線の方向を検出する視
線方向検出装置としては、観察者の顔部に発光体
を固定し、発光体から観察者の眼の瞳に向けて照
明光を投影し、瞳孔と紅彩との反射率の差を利用
し、反射光のレベルにより瞳の動きを検出して、
観察者の眼の視線の方向を検出するものが知られ
ている。

しかしながら、この従来の装置は、瞳孔と紅彩
との境界を検出するものであり、観察者の視線の
方向を高い精度で検出することができないという
欠点を有している。また、観察者の眼の周辺に発
光体と受光体とを設けなければならず、観察対象
を接眼レンズを通して観察する観察者の眼の視線
の方向を検出することが極めて困難である。

目的そこで、この発明は、観察対象を接眼レンズを
通して観察する観察者の眼の視線の方向を高精度
で検出することのできる視線方向検出装置を提供
することを目的とする。

構成この発明に係わる視線方向検出装置は、上記の
目的を達成するため、対物レンズ部と接眼レンズ
部とを有して該接眼レンズ部を通して観察対象物
を見る観察光学系と、前記観察対象物を見る人の
眼に向けて照明光を投影する投影系と、前記照明
光の前記眼による反射像と前記眼の瞳の像とを前
記接眼レンズ部を介して受光素子に導いて該受光
素子により得られる前記反射像の位置と前記瞳の
中心位置とから前記眼の視線の方向を検出する検
出系とを備えている。

以下、この発明の基本的原理及びその一実施例
を具体的に説明する。

第４図は手術用顕微鏡の基本光学系である。観
察対象部位からの光は、観察光学系の光軸０₁に
沿つて対物レンズ部１およびレンズ２，３，４に
より構成されるズーム光学系５を経て結像レンズ
６によつて直角プリズム７，８により構成される
正立光学系９を経て焦点面１０で結像する。観察
者眼Ｅは接眼レンズ部１１により、この像を拡大
観察する。

第５図は観察光学系の光軸上にない点ａ，ｃお
よび光軸上の点ｂを観察した場合の光路図であつ
て、点ａ，ｂ，ｃはそれぞれa′，b′，c′に結像さ
れることを示す。a′，b′，c′からの光は接眼レン
ズ部１１で平行光束となり、射出瞳EPで交わる。
射出瞳EPは視野が最も明るくかつ広くなる場所
であつて、通常、観察者眼Ｅの瞳をこの位置に置
く。

次に、視線の検出の原理を説明する。第６図Ａ
に示すように、凸面鏡を平行な光束で照明する
と、光学的に無限の距離にある光源の像が、曲率
中心と表面との中点に、光る点となつてあらわれ
る。第６図Ｂに示すように人眼の角膜において
も、平行光線を照射すると、その形状及び角膜表
面の鏡面反射により光点PIを形成する。これを
プルキンエ効果像と呼ぶ（第１プルキンエ効果
像）。

角膜を照明する光束の光軸Ｏと眼の視線である
視軸O′が一致している場合、第６図Ｂに示すよ
うに、瞳孔の中心PC、プルキンエ効果像PI、角
膜の曲率中心CC、眼球の回転中心CRは光軸Ｏ上
にある。今、第６図Ｃに示したように、瞳孔中心
PCを中心として眼球を回転させ、上方へ視線を
向けると、プルキンエ効果像PIは光軸Ｏの下側
に移動し、瞳孔中心PCと第６図ｃのようにずれ
た相対関係となる。

ところで、先に第５図で示したように最も良好
な視野を得られるのは射出瞳であるアイポイント
EPと瞳を一致させた時であるから、接眼レンズ
部１１を用いて視野周辺（例えば点ａ，ｃ）を観
察する場合も、最良の視野を得ようとするなら
ば、眼球Ｅは瞳孔中心PCとアイポイントEPとを
一致させたまま、すなわち瞳孔中心PCを中心と
して回転されなければならない。

このことは、接眼レンズ部１１の対物側から、
何らかの手段で眼球Ｅの角膜を平行光束で照明
し、それによつてできたプルキンエ効果像PIの
位置の変位をとらえれば、視線の方向を知ること
ができることを示唆するものである。

しかしながら、プルキンエ効果像PIは視軸の
角度変化に対する移動量がごくわずかな量であつ
て、頭のわずかな移動などがあると、これに埋れ
てしまう。また、大きく視線を変更した場合は第
６図Ｃの考え方で良いのだが、ごくわずかな視線
の移動に対しては頭の移動を伴わないで眼球の回
転で視線を変更する。すなわち第６図Ｄに示すよ
うに、眼球の回転中心CRを回転中心として視線
を変更すると考えられる。この場合、第６図ｃと
比較してわかるように、光軸Ｏに対するプルキン
エ効果像PIの動きは第６図Ｃの動きと逆になり、
第６図ｄに示すように光軸Ｏの上側に位置するよ
うになる。

これらの障害を除去する方法として、水晶体後
面の反射によつてできる第４プルキンエ効果像を
利用する方法、強膜と角膜（いわゆる白目と黒
目）の反射率の差を利用する方法などが考えられ
るが、前者は複雑な機構を要し、後者は眼瞼によ
り角膜がおおわれるため、上下方向で制限があ
る。

以上のようなことから、この発明では虹彩と瞳
の境を検出し、瞳孔中心を求めて瞳孔中心PCと
プルキンエ効果像PIの関係から視線を求めるも
のである。すなわち、第６図Ｂ，Ｃ，Ｄ，ｂ，ｃ
及びｄから明らかなように、光軸Ｏに対する視軸
O′の角度は瞳孔中心PCに対するプルキンエ効果
像PIの位置関係に対応し、これにより、眼の視
線の方向を検出することができる。また、瞳孔中
心PCとプルキンエ効果像PIとが鏡筒光軸に一致
するように鏡筒部を移動させれば、この眼の視線
の動きに鏡筒部部を自動追従させることができる
ことになる。

なお、射出瞳EPでの光束径は一般に数mmと接
眼レンズ径に対して十分小さく、また観察するに
は瞳孔をその光束が通過しなければならない。よ
つて光軸と視軸とを合致させた状態での観察は、
視軸がほぼ視野の中心を向いていることになる。

第１図〜第３図はこの発明の一実施例を示す図
である。図中、第４図〜第６図の基本的原理にお
いて使用した部材と同一ないし均等な部材には同
一符号を付し、重複した説明を省略する。観察光
学系Ｒは対物レンズ部１、ズーム光学系５、正立
光学系２１および接眼レンズ部１１からなり、観
察対象部位を観察者眼Ｅで接眼レンズ部１１を介
して観察する構成となつている。正立光学系２１
は第４図の正立光学系９のプリズム８に替えて一
反射面を赤外透過、可視反射のダイクロイツクミ
ラー２０ａとしたプリズム２０が光路に挿入され
ている。

次に投影系Ｓは、観察光学系Ｒの接眼レンズ部
１１を介して観察者眼Ｅの角膜に平行光線を照射
するもので、近赤外光を発する発光素子２２から
の光はレンズ２３により絞り２４上に結像し、レ
ンズ２５，２６、反射鏡２７により観察光学系Ｒ
の光軸に合成され、接眼レンズ部１１により平行
光線とされ、観察者眼Ｅの角膜を照明し、プルキ
ンエ効果像PIを形成する。この発光素子２２は、
センサ側のアンプに交流結合を用い、不要なノイ
ズを低減させることを可能とするために、交流点
灯されることが望ましく、ゆえに半導体発光素子
で構成されることが望ましい。また、絞り２４は
発光素子２２の実効サイズを決定する。

検出系Ｔは、投影系Ｓからの平行光線が観察者
眼Ｅにより反射された光でプルキンエ効果像PI
位置および瞳孔中心PC位置を検出するもので、
接眼光学系１１の光軸上、ダイクロイツクミララ
ー２０ａの後方にレンズ２８、ハーフミラー２
９，３０を置き、観察者眼Ｅからの反射光を分割
させて受光素子３１，３２，３３に至らすもので
ある。受光素子３１は４分割素子あるいは半導体
位置検出素子のような受光面上の光点の位置を知
ることができる素子で構成され、プルキンエ効果
像PIと光学的に共役な位置に置かれ、プルキン
エ効果像PIの位置を検出する。受光素子３２，
３３は、半導体一次元撮像素子であつて、それぞ
れ観察光学系光軸を原点とする直交２軸上の観察
者眼Ｅの虹彩部分と共役の位置に置かれている。
すなわち、虹彩上の互いに直交する部分を観察
し、その交点は観察光学系光軸と一致するよう構
成されている。

第２図には、受光素子３１の４分割素子あるい
は半導体位置検出素子を用いた検出系Ｔのセンサ
周辺の回路４０が示されている。受光素子３１に
プルキンエ効果像PIを結像させ、観察光学系Ｒ
の光軸に一致させた中心からのずれを測定する。
各半導体位置検出素子の出力は、各主増幅器U₁，
U₂，U₃，U₄で電流−電圧変換され、増幅器U₅，
U₇を主構成要素とする差分回路でΔx，Δyが求め
られ、増幅器U₆，U₈を主構成要素とする加算回
路でΣx，Σyが求められる。なお、本例では、発
光素子２２を交流点灯した場合に増幅器U₅，U₆，
U₇，U₈をそれぞれ主構成要素とする回路を交流
結合とし、周数数帯域を適切なものとすることで
ノイズ成分を除去する例を示してある。増幅器
U₅，U₆，U₇，U₈の出力は増幅器U₉，U₁₀，U₁₁，
U₁₂もそれぞれ主構成要素とする回路で検波さ
れ、アナログ除算器D1V1、D1V2によりｘ＝
Δx／Σx、ｙ＝Δy／Σyの計算が行なわれ、中心
からの移動量信号Δx，Δyが輝度信号Σx，Σyに
より正規化される。この値は図示しないＡ／Ｄ変
換器により、デジタル化され、制御回路４７に入
力される。

第３図には本装置の制御手段の構成が示されて
いる。受光素子３１の出力は第２図で示した回路
４０を経て、また半導体一次元撮像素子３２，３
３の出力は、それぞれの撮像素子に対するドライ
ブ／信号処理回路４１，４２を経て制御回路４７
に入力される。ここでドライブ／信号処理回路４
１，４２は半導体一次元撮像素子を駆動するとと
もに、その出力を２値化もしくはＡ／Ｄ変換す
る。また、４４は観察者が接眼鏡を観察している
か否かを判定する回路であり、接眼鏡筒に取付け
られたアイカツプ内又はアイカツプ周辺の明るさ
の変化をセンサ４３で検出している。センサ４３
は専用のものでも回路４０内のΣx，Σy信号など
を利用するもの、あるいは超音波距離センサでも
よく、顔の有無を検出するなどして観察中か否か
を判断する。４５は駆動系を可動範囲の中央に戻
す指示を入力するセンタリング装置であり、４６
は自動追従させるか否かの指示を入力する装置で
ある。これらの信号は制御回路４７に入力され、
これらの信号に基づいてプルキンエ効果像位置と
瞳孔中心位置との相対関係を判定し、その結果に
基づいて観察光学系Ｒを駆動する駆動回路４８を
動作させ、観察対象部位の変更を行なう。上述の
各種回路４３ないし４６及び制御回路４７等は公
知のアナログ、デジタル及びマイクロプロセツサ
技術で構成されるものである。

次に作用について説明する。まず、発光素子２
２がドライブ回路４９により交流点灯されると、
４分割素子または半導体位置検出素子３１と、第
２図に示す回路４０によりプルキンエ効果像PI
の位置が測定され図示しないＡ／Ｄ変換器により
デジタル化されて制御回路４７に入力される。

プルキンエ効果像の位置が測定されると、発光
素子２２が連続点灯され半導体一次元撮像素子３
２，３３が各々ドライブ回路４１，４２により駆
動され、信号が読み出される。この信号は各画素
ごとにＡ／Ｄ変換されて制御回路４７に入力され
る。

ここで制御回路４７が、２つの半導体一次元撮
像素子３１，３２の出力を基に瞳孔中心PCを求
める方法について述べる。第７図は一つの半導体
一次元撮像素子（ここでは３１）のセンサアレイ
部３１ａ上に、観察者眼Ｅの瞳孔５０、虹彩５１
が結像した状態を、第８図はその時の半導体一次
元撮像素子３１のセンサアレイ３１ａ上の像の明
るさの分布を表わしている。虹彩５１は瞳孔５０
より反射率が高いので、像として明るくなる。第
８図において明るさの大きく変化する点５３，５
４は従つて瞳孔５０と虹彩５１の境界５２がセン
サアレイ部３１ａと交差する２つの点５３ａ，５
４ａに対応する。なお、５５はプルキンエ効果像
PIに対応する出力である。例えば各画素ごとに
Ａ／Ｄ変換器によりデジタル化されたデータを、
半導体一次元撮像素子の両端それぞれから調べ、
それぞれ初めに明るいレベル５６から暗いレベル
５７へ変化した点を求めれば、瞳孔５０と虹彩５
１の境界５２がセンサアレイ部３１ａと交差する
２つの点５３ａ，５４ａを求めることができる。

２つの半導体一次元撮像素子３１，３２のセン
サアレイ部３１ａ，３２ａと虹彩と瞳孔の境界５
２の像が、光学的に重ね合わされている様子を第
９図に示す。接眼鏡をのぞく瞳の視線の変化は、
通常、片側20〜30度程度であるので、虹彩と瞳孔
の境界５２の像は、ほぼ円であると考えてさしつ
かえない。図に見るように、各センサアレイと境
界５２が交差する位置の、それぞれ中点を通る
各々のセンサアレイに対する垂線の交点が瞳孔中
心PCとなる。なお、これらの操作はマイクロプ
ロセツサ技術を利用すれば容易に実現できる。

以上の様にして求めた瞳孔中心PCの位置と、
先に測定したプルキンエ効果像PIの位置とから、
制御回路４７はその相対的な位置関係を求める。
観察者眼Ｅの視線は、第６図Ｂ，Ｃ，Ｄ及びｂ，
ｃ，ｄに示すようにプルキンエ効果像PIから瞳
孔中心PCを見た方向を注視しているのであるか
ら、制御回路４７はこの方向を求めて視野の移動
方向とし、駆動回路４８へ出力する。駆動回路４
８は観察光学系Ｒすなわち鏡筒全体、又は対物レ
ンズ１のみを移動させて観察対象部位の変更を行
う。プルキンエ効果像PIと、瞳孔中心PCの位置
のへだたりがあらかじめ設定されている値以下と
なつた場合、制御回路４７は注視方向すなわち観
察部位が視野中央にあるものと判断し、駆動回路
４８へ出力し、観察体象部位の変更を中止させ
る。

この動作中、装置４４からの入力を監視し、非
観察である時には停止させて外光等による誤動作
を防止する。また、センターリングや追従停止の
指示が装置４５，４６から入力された場合、対応
する動作をする。

勿論、ある一定期間の視線の集中の度合を求
め、それを判断材料として駆動装置４８への指令
を出すなどという条件を制御回路４７に組み込む
ことできるのは言うままでもない。

なお、この発明において、角膜は平行光線で照
明されているとしたが、わずかに拡散又は収束す
る光線も含むものである。その場合、光路の選択
によつては視線変化に対するプルキンエ効果像の
動きを大きくすることができる。また、３つの受
光素子３１，３２，３３の動きを１つの半導体二
次元撮像素子で行なわせることができる。

また、プルキンエ効果像の変位を調べる原点と
して、瞳孔中心の他、目尻などを用いることもで
きる。

また、観察対象部位を変更する手段として対物
レンズ、又は鏡筒全体を平面内で動かすのみでな
く、必要に応じて首振り動作をさせるなど三次元
的な動きをさせることができる。

また、観察者眼Ｅが光軸に沿つた方向へ移動し
た場合、ピントボケを生ずるが、２つの半導体一
次元撮像素子３２，３３を光軸に沿つた方向にわ
ずかにずらせて虹彩と共役の位置の前後に配置す
れば、各々の半導体一次元撮像素子上の像の鮮鋭
度を検出することで、前ピン、後ピンを検出する
ことができ、例えばレンズ２８を移動させればそ
れに対する補正ができる。

また、瞳孔位置が射出瞳から大きく外れた場
合、視線を検出して動作するのではなく、瞳孔と
射出瞳とを一致させる方向へ比較的高速に鏡筒を
移動させる機能を制御回路に組み込めば、比較的
離れた観察を対象とする部位への移動を迅速にす
ることができる。

また、投影系及び検出系の光路は必ずしも接眼
レンズ部を光路に用いる必要はなく、専用の光学
系を用いてもよい。

さらに、発光素子を点灯した状態と消灯した状
態で、半導体一次元センサでデータをとり、２つ
のデータを比較することで外乱光によるノイズを
取り除くことができる。

効果本発明に係わる視線方向検出装置は、以上説明
したように構成したので、観察対象を接眼レンズ
を通して見る人の眼の視線の方向を高精度で検出
できる。従つて、この装置により検出された視線
の方向から各種の制御を行うことができる。例え
ば、観察者の視線と観察対象部位との位置ずれに
対し、観察者の視線に観察光学系の光軸、すなわ
ち視野の中心を一致させるように観察光学系を駆
動手段で移動させることができ、観察者の所望す
る部位を注視するだけで、所望の部位を最も観察
しやすい視野中央に自動追従して移動、維持でき
るようになり、よつて観察者は装置の調整に注意
をそがれることなく本来の作業に専念できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図はこの発明に係る一実施例を示
す図で、第１図は手術用顕微鏡を例にとつた光学
系を示す図、第２図は半導体位置検出素子の信号
処理回路図、第３図は制御回路のブロツク図、第
４図〜第６図はこの発明の基本原理を示すもの
で、第４図は手術用顕微鏡の基本的光学系を示す
図、第５図は第４図の光学系での観察例を示す
図、第６図は眼球の移動とプルキンエ効果像との
関係を示す図、第７図ないし第９図は瞳孔中心を
求める方法を示す図である。Ｅ…観察者眼、Ｒ…観察光学系、Ｓ…投影系、
Ｔ…検出系、PI…プルキンエ効果像、PC…瞳孔
中心、Ｘ…判定回路、１１…接眼レンズ部、３
１，３２，３３…受光素子、４７…制御回路、４
８…駆動回路。

Claims

【特許請求の範囲】１対物レンズ部と接眼レンズ部とを有して該接
眼レンズ部を通して観察対象物を見る観察光学系
と、前記観察対象物を見る人の眼に向けて照明光
を投影する投影系と、前記照明光の前記眼による
反射像と前記眼の瞳の像とを前記接眼レンズ部を
介して受光素子に導いて該受光素子により得られ
る前記反射像の位置と前記瞳の中心位置とから前
記眼の視線の方向を検出する検出系とを備えてい
ることを特徴とする視線方向検出装置。２前記投影系は前記接眼レンズ部を介して照明
光を前記観察対象物を見る人の眼に投影すること
を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の視線
方向検出装置。３前記反射像は前記眼の角膜反射により形成さ
れるプルキンエ像であることを特徴とする特許請
求の範囲第１項に記載の視線方向検出装置。