JPS61172552A

JPS61172552A - 視線方向検出装置

Info

Publication number: JPS61172552A
Application number: JP60014072A
Authority: JP
Inventors: 昌行秀島; 文夫大友
Original assignee: Tokyo Optical Co Ltd
Current assignee: Tokyo Optical Co Ltd
Priority date: 1985-01-28
Filing date: 1985-01-28
Publication date: 1986-08-04
Also published as: JPH0566133B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上立机■立互この発明は観察者の視線に追従して観察光学系を駆動さ
せ、観察対象部位を変更する視線自動追従装置に関する
ものである。

灸敦挟監従来、ｍ察者の視線に追従して観察対象部位を変更する
追従装置としては、例えば手術用顕微鏡のアライメント
調整手段等がある。手術用顕微鏡を使用する場合におい
ては、手術中に加えられる力や患者自身の動きなどによ
りｌ１ｌｔ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、変更する必要があった。この
アライメント調整の追従のため、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
してはフットスイッ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った。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　　の解　すべき。　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って手術用顕微鏡
（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。したがって、観察対象から一時たりとも注意
をそらし、顕微鏡位置を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。

目　　　的そこで、この発明は、上記間層点に鑑みて、ｖＡ祭者の
視線と観察対象部位との位置ずれに対し、ｗｔ祭者が操
作をすることなく光学機器をＩｌｔ察部位を注視してい
る視線に自動追従させ、所望の観察対象部位を視野中心
部に位置させる視線自動追従装置を提供することを目的
としている。

碧−戊上記目的を達成するため、この発明はプルキンエ効果像
位置と瞳孔中心位置とで視線を捉え、この視線に観察光
学系の光軸を合致させるように観察光学系制御回路で駆
動させる構成としたことを特徴としている。以下、この
発明の基本的原理および一実施例について具体的に説明
する。

まず、手術用顕微鏡の基本的構成を示すため、第４図に
は手術用顕微鏡の基本的な光学系を示している。観察対
象部位からの光は、観察光学系の光軸０１に沿って対物
レンズ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によって直角プリズム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
上の点すを観察した場合の光路図で卆って、点ａ、ｂ、
’はそれぞれａ′、ｂ′、ａ′に結像されることを示す
。ａ′、ｂ′、ａ′　からの光は接眼レンズ１１で平行
光束となり、射出瞳ＥＰで交わる。

射出１１ｉ１ＥＰは視野が最も明るくかつ広くなる場所
であって、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、光る点となってあられれる。

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０と眼の視線である視軸○′
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Ｃ
Ｃ１眼球の回転中心ＣＲは光軸０上にある。今、第６図
（Ｃ）に示したよう番４、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１１を用いて視野周辺
（例えば点ａ、ｅ）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、それによってで
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って、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
ＣＤ）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０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
によってできる第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ＣＢ）　、　（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○′の角度は瞳孔中心ＰＣに対するプルキンエ
効果像ＰＩの位置関係に対応する。従って、瞳孔中心Ｐ
Ｃ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。よって光軸と視軸とを
合致させた状態でのＩｌｔ祭は、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！！Ｉ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１重
複した説明を省略する。観察光学系Ｒは対物レンズ１、
ズーム光学系５、正立光学系２１および接眼光学系１１
からなり、ａｍ対象部位を観察者眼Ｅで接眼光学系１１
を介してｓｉｎする構成となっている。正立光学系２１
は第４図の王立光学系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ックミラー２０ａと
したプリズム２０が光路に挿入されている・次に照明光
学系Ｓは、ａ余光学系Ｒの接眼光学系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２
４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。

検出光学系Ｔは、照明光学系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１
１の光軸上、ダイクロイックミラ−２０ａの後方にレン
ズ２８、ハーフミラ−２９，３０を置き、１１１１！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
るいは半導体装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って、それぞれ観察光学集光軸を
原点とする直交２軸上の１！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Ｉｌ！察し、その交点はＩ！祭先光学系光軸
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
装置検出素子を用いた検出光学系Ｔのセン・す周辺の回
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。各半導体装置検出素子の出力
は、各主増幅器０１，０２　。

ｕ：＋　、Ｄ４で電流−電圧変換され、増幅器ｕｓ、Ｕ
ｙを主構成要素とする差分回路でΔＸ、Δｙが求められ
。

増幅器Ｌ１６．Ｕ日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１発光素子２２を交
流点灯した場合に増幅器Ｕ−，Ｕ６．Ｕ７．Ｕｓをそれ
ぞれ主構成要素とする回路を交流結合とし、周波数帯域
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
しである。増幅器Ｕｓ、ＵｓｒＵ’ｒＵ８の出力は増幅
器Ｕ　Ｓ）　ＨＵ　１０　Ｊ　Ｕ　１１Ｊ　Ｕ　１ｇを
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、ＤＩＶ２によりＸ＝ΔＸ／Σｘ、ｙ＝Δ
ｙ／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Σス、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３２．３３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　、４
２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４１．４２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ｍ
ａｔ、ているか否かを判定する回路であり、接眼鏡部に
取付けられたアイカップ内又はアイカップ周辺の明るさ
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ッサ技術で
構成されるものである。

次に作用について説明する。まず１発光素子２２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
は半導体装置検出素子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口＠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３２゜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。

ここで制御口ｗ！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５
０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５３．５４は従って
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。

５４ａ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５１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５２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２０〜３
０度程度であるので、虹彩と瞳孔の境界５２の像は、は
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
セッサ技術を利用すわ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Ｐ工の位置とから、制御回路４７
はその相対的な位置関係を求める。ｗｔｍ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４８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ｓｉｎ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
以下となった場合、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、観察対象部位の変更を中止させる。

この動作中、装！ｉ４４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４５．４
６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、光路の選択によっては視線変化に
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が光軸に沿っ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３
２，３３を光軸に沿っ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Ｉ！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、照明光学系及び検出光学系の光路は必ずしも接眼
光学系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
。

効果以上のように構成したので、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＊余光学系
を制御回路で駆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＊察じやすい
視野中央に自動追従して移動、維持できるようになり、
よっ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った光学系を示す図、第
２図は半導体装置検出素子の信号処理回路図、第３図は
制御回路のブロック図、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ｌｌＩ奈例
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・・・１１！察光学系
、Ｓ・・・照明光学系、　　　Ｔ・・・検出光学系、Ｐ
Ｉ・・・プルキンエ効果像、ＰＣ・・・瞳孔中心、Ｘ・
・・判定回路、　　１１・・・接眼光学系（接眼レンズ
）３１．３２．３３・・・受光素子、　４７・・・制御
回路。４８・・・駆動回路。第３図第６図第７図Ｓ１了第９図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）観察対象部位を観察者眼が接眼光学系を介して観
察する観察光学系と、該観察光学系の前記接眼光学系を介して前記観察者眼の
角膜に平行光線を照射する照明光学系と、前記観察光学
系を駆動する駆動手段と、前記照明光学系からの平行光線が前記観察者眼により反
射された光でプルキンエ効果像位置および瞳孔中心位置
を検出する検出光学系と、該検出光学系で検出された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する判定手段と、該判定手段の判定結果に基づいてプルキンエ効果像位置
および瞳孔中心位置から与えられる視線と前記観察光学
系の光軸とが合致するように前記駆動手段を制御する制
御手段とからなることを特徴とする視線自動追従装置。
（２）検出光学系は、プルキンエ効果像と共役な位置に
設けられた４分割素子あるいは半導体装置検出素子と、
観察光学系光軸を原点とする直交２軸上の観察者眼の虹
彩部分と共役な位置にそれぞれ設けられた半導体一次元
撮像素子とからなることを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の視線自動追従装置。