特許 7428028 立体物の回旋角度検出装置、網膜投影表示装置、頭部装着型表示装置、検眼装置、及び入力装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-29

(45)【発行日】2024-02-06

(54)【発明の名称】立体物の回旋角度検出装置、網膜投影表示装置、頭部装着型表示装置、検眼装置、及び入力装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20240130BHJP

   G01B 11/26 20060101ALI20240130BHJP

   H04N 5/64 20060101ALI20240130BHJP

   G02B 27/00 20060101ALI20240130BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

G01B11/26 Z

H04N5/64 511A

G02B27/00 P

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2020046926

(22)【出願日】2020-03-17

(65)【公開番号】P2021148884

(43)【公開日】2021-09-27

【審査請求日】2023-01-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】三宮 俊

【審査官】近藤 幸浩

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１５４８１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－２１１７０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１２２７７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１９－５０６０１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／００５００５１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０１０９８８０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ２７／０２

Ｇ０２Ｂ２７／０１

Ａ６１Ｂ３／００ － ３／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の発光部を備える光源手段と、
前記複数の発光部から射出された光を、立体物における曲率を有する被照射面に向けて反射して集束させる集束反射手段と、
前記光の前記被照射面により反射された反射光を受光し、前記反射光の受光位置を検出する受光位置検出手段と、を備え、
前記受光位置検出手段は、前記複数の発光部のうちの第１発光部から射出された光に由来する前記反射光の中心部が前記受光位置検出手段の一端に重なるような位置関係で、前記第１発光部から射出された光に由来する前記反射光を受光する際に、前記複数の発光部のうちの前記第１発光部とは異なる第２発光部から射出された光に由来する前記反射光の中心部が前記受光位置検出手段の他端に重なるような位置関係で、前記第２発光部から射出された光に由来する前記反射光を受光し、
前記第１発光部と前記第２発光部は隣接しており、
前記立体物は、回転中心で回転可能な回転体と、曲率中心を有する曲面体とを含んで構成されている
立体物の回旋角度検出装置。

【請求項2】

前記複数の発光部は、非等間隔に配置されている
請求項１に記載の立体物の回旋角度検出装置。

【請求項3】

前記複数の発光部は、隣接する前記発光部同士の間隔が徐々に異なるように配置されている
請求項２に記載の立体物の回旋角度検出装置。

【請求項4】

前記複数の発光部のそれぞれが射出する光を偏向する偏向手段を備える
請求項１乃至３の何れか１項に記載の立体物の回旋角度検出装置。

【請求項5】

前記複数の発光部は２次元に配置され、
前記受光位置検出手段は、
前記第１発光部から射出された光に由来する前記反射光の中心部が、所定方向における前記受光位置検出手段の一端、又は前記所定方向と交差する交差方向における前記受光位置検出手段の一端の何れか一方に重なるような位置関係で、前記第１発光部から射出された光に由来する前記反射光を受光する際に、
前記第１発光部から前記所定方向に離れて配置された前記第２発光部から射出された光に由来する前記反射光の中心部が、前記所定方向における前記受光位置検出手段の他端に重なるような位置関係、前記第２発光部から射出された光に由来する前記反射光を受光する請求項１乃至４の何れか１項に記載の立体物の回旋角度検出装置。

【請求項6】

前記第１発光部から前記交差方向に離れて配置された第３発光部から射出された光に由来する前記反射光を、前記交差方向における前記受光位置検出手段の他端で受光する
請求項５に記載の立体物の回旋角度検出装置。

【請求項7】

前記光源手段は、垂直共振器面発光レーザである
請求項１乃至６の何れか１項に記載の立体物の回旋角度検出装置。

【請求項8】

前記回転体の前記回転中心の位置と前記曲面体の前記曲率中心の位置は異なっている
請求項１乃至７の何れか１項に記載の立体物の回旋角度検出装置。

【請求項9】

前記立体物は、眼球である
請求項８に記載の立体物の回旋角度検出装置。

【請求項10】

請求項１乃至９の何れか１項に記載の立体物の回旋角度検出装置を有する
網膜投影表示装置。

【請求項11】

請求項１乃至９の何れか１項に記載の立体物の回旋角度検出装置を有する
頭部装着型表示装置。

【請求項12】

請求項１乃至９の何れか１項に記載の立体物の回旋角度検出装置を有する
検眼装置。

【請求項13】

請求項１乃至９の何れか１項に記載の立体物の回旋角度検出装置を有する
入力装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、立体物の回旋角度検出装置、網膜投影表示装置、頭部装着型表示装置、検眼装置、及び入力装置に関する。

【背景技術】

【0002】

眼球等の曲率を有する立体物の回旋角度を検出する技術の開発が進み、回旋角度に基づく眼球の瞳孔位置（視線）等を用いて、電子機器制御のインターフェースや、ヘッドマウントディスプレイ等のウェアラブル表示機器の映像形成支援、熟練技術者等の視線データ収集、商品の注目度分析等の多様な用途への応用が期待されている。

【0003】

また、指向性を有する光を射出する発光部を複数備える光源手段から眼球に光を照射し、眼球による反射光の受光位置を検出することで、眼球の傾き位置を検出する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１の構成では、複数の発光部毎で回旋角度の検出範囲が重複すること等によって、眼球等の回旋角度を広い範囲で検出できない場合がある。

【0005】

本発明は、曲率を有する立体物の回旋角度を少数の発光部で広範囲に検出することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様に係る立体物の回旋角度検出装置は、複数の発光部を備える光源手段と、 前記複数の発光部から射出された光を、立体物における曲率を有する被照射面に向けて反射して集束させる集束反射手段と、前記光の前記被照射面により反射された反射光を受光し、前記反射光の受光位置を検出する受光位置検出手段と、を備え、前記受光位置検出手段は、前記複数の発光部のうちの第１発光部から射出された光に由来する前記反射光の中心部が前記受光位置検出手段の一端に重なるような位置関係で、前記第１発光部から射出された光に由来する前記反射光を受光する際に、前記複数の発光部のうちの前記第１発光部とは異なる第２発光部から射出された光に由来する前記反射光の中心部が前記受光位置検出手段の他端に重なるような位置関係で、前記第２発光部から射出された光に由来する前記反射光を受光し、前記第１発光部と前記第２発光部は隣接しており、前記立体物は、回転中心で回転可能な回転体と、曲率中心を有する曲面体とを含んで構成されている。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、曲率を有する立体物の回旋角度を少数の発光部で広範囲に検出できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施形態に係る瞳孔位置検出装置の構成例を示す図である。

【図2】眼球の回旋とＰＳＤへのレーザ光の入射位置との関係例を示す図であり、（ａ）は眼球が回旋していない状態の図、（ｂ）は眼球が回旋している状態の図である。

【図3】軸外し光学系が満たすべき条件例を示す図であり、（ａ）は素子間の距離を示す図、（ｂ）は同軸光学系で表した幾何学的距離関係を示す図である。

【図4】凹面ミラー有効領域直径とＰＳＤ受光面でのビーム半径の関係例の図である。

【図5】実施形態に係る処理部のハードウェア構成例を示すブロック図である。

【図6】実施形態に係る処理部の機能構成例を示すブロック図である。

【図7】実施形態に係る瞳孔位置検出装置による処理例のフローチャートである。

【図8】第１実施形態に係る瞳孔位置検出装置の構成例を示す図である。

【図9】眼球の回旋角度とＰＳＤによる受光位置との関係例の図であり、（ａ）は眼球の回旋角度に応じた受光位置変化の図、（ｂ）はＰＳＤにおける位置の図である。

【図10】複数の発光部の配置例を示す図であり、（ａ）はアンカー位置と発光部の位置との関係を示す図、（ｂ）はＶＣＳＥＬにおける各発光部の位置を示す図である。

【図11】眼球が２軸方向に回旋する場合のＰＳＤの受光領域例を示す図である。

【図12】受光位置調整手段の他の例の図であり、（ａ）はプリズム構造体を用いる場合の断面図、（ｂ）は回折構造体を用いる場合の断面図、（ｃ）はレンズアレイを用いる場合の断面図、（ｄ）は２次元配列のレンズアレイを用いる場合の平面図である。

【図13】液晶反射型集光構造を含む反射型集光素子について説明する図である。

【図14】液晶反射型集光構造内の液晶分子配光状態について説明する図である。

【図15】液晶反射型集光構造による入射及び出射光線の配光状態を説明する図である。

【図16】液晶反射型集光構造を用いた導光部材結合光学系について説明する図である。

【図17】第２実施形態に係る網膜投影表示装置の構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部には同一符号を付し、重複した説明を適宜省略する。

【0010】

立体物の回旋角度検出装置の一例として、実施形態では眼球の瞳孔位置検出装置を説明し、また、瞳孔位置検出装置を眼鏡型支持体に実装した場合を一例として説明する。

【0011】

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。

【0012】

［実施形態］
＜瞳孔位置検出装置１０の構成例＞
図１は、実施形態に係る瞳孔位置検出装置１０の構成の一例を説明する図である。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

「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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

また、凹面ミラーの凹面として、集束レーザ光Ｌ１の光軸に交差する平面内における直交２方向で、曲率の異なるアナモフィックな非球面を用いると、レーザ光Ｌ２のビームの直径を更に微小化し、また等方な状態にビームを整形することができて好適である。

【0028】

さらに、被照射面は眼球３０に限定されるものではなく、曲率を有する立体物であれば、実施形態を適用可能である。例えば、回転中心で回転可能な回転体と、曲率中心を有する曲面体とを含んで構成され、回転中心の位置と曲率中心の位置は異なっている立体物に対して実施形態を適用できる。

【0029】

「受光位置検出手段」の一例としてのＰＳＤ３は、受光面内で直交する２方向において、入射した光の電極までの距離に応じた電流値を検出し、直交２方向の電流値の比から入射光の位置を示す検出信号を算出し、出力する２次元の光位置検出素子である。ＰＳＤ３は、ＰＳＤ３の受光面に形成されたビームスポットの位置を示す検出信号を出力することができる。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

ところで、ＰＳＤ３に代えてイメージセンサ（撮像素子）を受光位置検出手段に適用した場合、イメージセンサは、各画素への入射光の強度により出力結果が変化し、強度が低いと出力電流が少なくなる。太陽光等のノイズ光の影響を低減するためには、光源の出力を上げてイメージセンサへの入射光の強度を上げる必要があるが、眼球３０に光源からの光を入射させる装置に適用する場合、入射光の強度を上げることは、眼球への安全性の観点で好ましくない。

【0033】

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。

【0034】

ＰＳＤ３を受光位置検出手段に用いることで、出力端子間で分割される電流分割比（割合）を使って位置を検出するため、入射光の強度に依存せず入射光の位置を検出でき、また、画像処理を必要としない点で好適である。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

＜瞳孔位置検出装置１０の眼球運動への追従動作＞
次に、瞳孔位置検出装置１０の眼球運動への追従動作について説明する。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

＜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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

【数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。

【0060】

（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。

【0061】

【数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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

＜処理部１００の構成例＞
次に、実施形態に係る処理部１００のハードウェア構成について説明する。図５は、処理部１００のハードウェア構成の一例を説明するブロック図である。

【0067】

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。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

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。

【0072】

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。

【0073】

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。

【0074】

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。

【0075】

次に、処理部１００の機能構成について説明する。図６は、処理部１００の機能構成の一例を説明するブロック図である。図６に示すように、処理部１００は、発光駆動部１１０と、検出信号入力部１１１と、演算部１２０と、瞳孔位置出力部１３０とを有する。

【0076】

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。

【0077】

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。

【0078】

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。

【0079】

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。

【0080】

＜瞳孔位置検出装置１０による処理＞
次に、瞳孔位置検出装置１０による処理について説明する。

【0081】

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。

【0082】

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。

【0083】

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。

【0084】

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。

【0085】

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。

【0086】

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。

【0087】

次に、図７は、瞳孔位置検出装置１０による処理の一例を示すフローチャートである。

【0088】

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。

【0089】

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。

【0090】

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。

【0091】

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。

【0092】

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。

【0093】

＜瞳孔位置検出装置１０の作用効果＞
瞳孔位置（視線）の検出技術の開発が進み、視線による電子機器制御のインターフェース、ヘッドマウントディスプレイ又は眼前（ニア・アイ）ディスプレイといったウェアラブル映像表示機器における映像形成支援、工場等における熟練技術者の視線データ収集、商品の注目度分析（ロギング）など、多様な用途への応用が期待されている。特に電子機器と人とのインターフェースとして機能する瞳孔位置検出装置では、リアルタイム性と装置の小型・軽量化が要求される。

【0094】

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。

【0095】

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。

【0096】

実施形態では、光を射出するＶＣＳＥＬ１、光を集束光に変換し、この集束光を、曲率を有した被照射面に向けて折り返す凹面ミラー２、及び、集束光の前記被照射面による反射光を受光し、前記反射光の位置を検出するＰＳＤ３を含む軸外し光学系を眼前に配置する。

【0097】

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。

【0098】

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。

【0099】

また、ＶＣＳＥＬ１から凹面ミラー２までの距離ｄ０（図３参照）を調整して凹面ミラー２に対するレーザ光の照射範囲の直径を変化させることで凹面ミラー２の有効領域の直径（開口）Ｄｍを制御することが可能である。（２）式の条件を満足するように凹面ミラー２の有効領域の直径（開口）Ｄｍを決定することで、凹面ミラー２の有効領域の直径Ｄｍを大きくでき、大きな開口でレーザ光を集束させることができるため、ＰＳＤ３の受光面でのビームの直径を小さくすることができる。

【0100】

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。

【0101】

［第１実施形態］
次に、第１実施形態に係る瞳孔位置検出装置１０ａについて説明する。

【0102】

瞳孔位置検出装置では、複数の発光部毎で回旋角度の検出範囲が重複すること等によって、回旋角度を広い範囲で検出できない場合がある。

【0103】

本実施形態では、受光位置検出手段は、複数の発光部のうちの第１発光部から射出された光に由来する反射光を受光位置検出手段の一端で受光する際に、複数の発光部のうちの第１発光部とは異なる第２発光部から射出された光に由来する反射光を受光位置検出手段の他端で受光する。これにより、複数の発光部毎で回旋角度の検出範囲が重複することを防ぎ、曲率を有する立体物の回旋角度を少数の発光部で広範囲に検出可能にする。

【0104】

＜瞳孔位置検出装置１０ａの構成例＞
図８は、瞳孔位置検出装置１０ａの構成の一例を説明する図である。図８に示したＸ方向は水平方向を示し、Ｙ方向は垂直方向を示し、Ｚ方向は眼球が回旋していない状態での正視方向を示している。Ｚ方向はＸ方向及びＹ方向の両方に直交する方向であり、また眼鏡型支持体２０を装着した人にとっての前方に対応する方向である。

【0105】

図８に示すように、瞳孔位置検出装置１０ａは、ＶＣＳＥＬ１ａを備えている。ＶＣＳＥＬ１ａはＰＳＤ３の＋Ｚ方向側に配置され、凹面ミラー２に向けてレーザ光Ｌ０を照射する。ＶＣＳＥＬ１ａは、ＶＣＳＥＬ１と同様に複数の発光部ｃｈ１～ｃｈ７（以下、区別しない場合は発光部ｃｈと表記する。また図８では図示を省略する。）を有し、各発光部ｃｈから指向性と有限の広がり角を有するレーザ光Ｌ０を射出する。但し、次述するように複数の発光部ｃｈにおける発光部ｃｈ間の間隔は、非等間隔になるように構成されている。

【0106】

レーザ光Ｌ０は凹面ミラー２で反射され、集束レーザ光Ｌ１として眼球３０に向けて照射される。眼球３０で反射されたレーザ光Ｌ２は、ＰＳＤ３の受光面に到達する。ＰＳＤ３によりレーザ光Ｌ２の受光位置が検出される。ここで、レーザ光Ｌ２は「発光部から射出された光に由来する反射光」に対応する。

【0107】

なお、瞳孔位置検出装置１０ａは球継手４ａを備えていないが、球継手４ａを備えるように構成することもできる。

【0108】

＜眼球３０の回旋角度とＰＳＤ３による受光位置との関係＞
次に、眼球３０の回旋角度とＰＳＤ３によるレーザ光Ｌ２の受光位置との関係について、図９を参照して説明する。ここで、図９は、眼球３０の回旋角度とＰＳＤ３による受光位置との関係の一例を説明する図であり、（ａ）は眼球３０の回旋角度に応じた受光位置の変化を示す図、（ｂ）はＰＳＤ３における位置を説明する図である。

【0109】

図９（ａ）における横軸は、水平方向（図８のＸ方向）における眼球３０の回旋角度θｘを示し、縦軸はＰＳＤ３によるＺ方向の受光位置ｚを示している。またグラフＧ１～Ｇ８は、ＶＣＳＥＬ１ａにおける７つの発光部ｃｈ１～ｃｈ７がそれぞれ射出したレーザ光Ｌ０に由来する反射光の、ＰＳＤ３による受光位置のシミュレーション結果をプロットしたものである。

【0110】

発光部ｃｈ１～ｃｈ７は、ＶＣＳＥＬ１内でＺ方向に配列する発光部であり、発光部ｃｈ１～ｃｈ７毎で眼球３０に対する相対位置が異なっている。

【0111】

図９（ａ）におけるグラフＧ１は発光部ｃｈ１に、グラフＧ２は発光部ｃｈ２に、グラフＧ３は発光部ｃｈ３に、グラフＧ４は発光部ｃｈ４に、グラフＧ５は発光部ｃｈ５に、グラフＧ６は発光部ｃｈ６に、グラフＧ７は発光部ｃｈ７にそれぞれ対応する。

【0112】

また領域Ａ１～Ａ７は、発光部ｃｈ１～ｃｈ７に対応するＰＳＤ３でのレーザ光Ｌ２の受光領域を表している。図９（ａ）では４隅にＬ字図形を配した破線の長方形により、領域Ａ１～Ａ７のそれぞれを表している。なお、領域Ａ１～Ａ７におけるグラフの横軸に沿う長さは、眼球３０の回旋角度θｘに応じた長さである。

【0113】

図９（ａ）における領域Ａ１は発光部ｃｈ１に、領域Ａ２は発光部ｃｈ２に、領域Ａ３は発光部ｃｈ３に、領域Ａ４は発光部ｃｈ４に、領域Ａ５は発光部ｃｈ５に、領域Ａ６は発光部ｃｈ６に、領域Ａ７は発光部ｃｈ７にそれぞれ対応する。

【0114】

また図９（ａ）における端部位置Ｃ１～Ｃ７は、発光部ｃｈ１～ｃｈ７から射出した光がＰＳＤ３の端部位置（ｚ＝－２ｍｍ）に着地する際の眼球３０の回旋角度θｘに対応している。また端部位置Ｆ１～Ｆ７は、発光部ｃｈ１～ｃｈ７から射出した光がＰＳＤ３の端部位置Ｃ１～Ｃ７とは反対の端部位置（ｚ＝２ｍｍ）に着地する際の眼球３０の回旋角度θｘに対応している。

【0115】

なお、Ｚ方向におけるＰＳＤ３の受光領域の長さは±２ｍｍである。また、図９（ａ）では、眼球３０の回旋は水平方向の１次元方向に限定してシミュレーションを行っている。

【0116】

図９（ａ）に示すように、眼球３０の回旋角度θｘのマイナス側とプラス側で、眼球３０の回旋角度θｘに応じたＰＳＤ３での受光位置の変化の様子が相違している。また領域Ａ１～Ａ８の水平方向の長さも相違している。またグラフＧ１～Ｇ７に示すように、発光部ｃｈ１～ｃｈ７毎で眼球３０の回旋角度θｘに応じたＰＳＤ３での受光位置の変化の様子が異なっている。

【0117】

一方、図９（ｂ）はＰＳＤ３の受光面３ａを示している。受光面３ａはＹＺ平面に沿う平面である。眼球３０が水平方向に回旋すると、レーザ光Ｌ２の位置はＺ方向に変化する。

【0118】

図９（ｂ）において、レーザ光Ｌ２_５は、発光部ｃｈ１～ｃｈ７のうちの発光部ｃｈ５が射出したレーザ光Ｌ０に由来するレーザ光Ｌ２である。またレーザ光Ｌ２_６は、発光部ｃｈ１～ｃｈ７のうちの発光部ｃｈ６が射出したレーザ光Ｌ０に由来するレーザ光Ｌ２である。

【0119】

本実施形態では、ＰＳＤ３が＋Ｚ方向側の端部３ｂでレーザ光Ｌ２_５を受光する際に、ＰＳＤ３が－Ｚ方向側の端部３ｄでもレーザ光Ｌ２_６を受光するように、発光部ｃｈの配置が予め定められている。

【0120】

ここで、端部３ｂでレーザ光Ｌ２_５を受光するとは、図９（ｂ）に示すように、レーザ光Ｌ２_５の中心部Ｌ２_５ａが端部３ｂに重なるような位置関係で、ＰＳＤ３がレーザ光Ｌ２_５を受光することをいう。同様に、端部３ｄでレーザ光Ｌ２_６を受光するとは、レーザ光Ｌ２_６の中心部Ｌ２_６ａが端部３ｄに重なるような位置関係で、ＰＳＤ３がレーザ光Ｌ２_６を受光することをいう。この定義は、他の発光部ｃｈに由来するレーザ光Ｌ２を、ＰＳＤ３の端部で受光する場合においても同様である。

【0121】

端部３ｂにおけるレーザ光Ｌ２_５は図９（ａ）における端部位置Ｆ５に対応し、端部３ｄにおけるレーザ光Ｌ２_６は、図９（ａ）における端部位置Ｃ５に対応する。

【0122】

ここで、発光部ｃｈ５は「第１発光部」の一例であり、発光部ｃｈ６は「第２発光部」の一例である。但し、「第１発光部」は発光部ｃｈ１～ｃｈ７の何れであってもよいし、「第２発光部」は発光部ｃｈ１～ｃｈ７の何れであってもよい。「第１発光部」と「第２発光部」とが隣接している方が、発光部ｃｈの配置を容易に定めることができるため、より好適である。

【0123】

また、端部３ｂは「受光位置検出手段の一端」に対応し、端部３ｄは「受光位置検出手段の他端」に対応する。

【0124】

＜ＶＣＳＥＬ１ａにおける複数の発光部の配置例＞
次に、ＰＳＤ３が第１発光部に由来するレーザ光Ｌ２をＰＳＤ３の端部３ｂで受光する際に、ＰＳＤ３が第２発光部に由来するレーザ光Ｌ２をＰＳＤ３の端部３ｄで受光するための、ＶＣＳＥＬ１ａにおける発光部ｃｈ１～ｃｈ７の配置について説明する。

【0125】

図１０は、ＶＣＳＥＬ１ａにおける複数の発光部ｃｈの配置の一例を説明する図であり、（ａ）はアンカー位置とＶＣＳＥＬ１ａの発光部ｃｈの位置との関係を示す図、（ｂ）はＶＣＳＥＬ１ａにおける各発光部ｃｈの位置を示す図である。

【0126】

ここで、アンカーとはＶＣＳＥＬ１ａの発光部ｃｈの位置を決めるための目標をいう。図１０では眼球３０の所定の回旋角度をアンカーとしている。図１０（ａ）におけるアンカーθ_ｘ，１～θ_ｘ，７は、図９（ａ）における端部位置Ｃ１～Ｃ７に対応する眼球３０の回旋角度を意味する。

【0127】

図１０（ａ）の「発光部の位置」はアンカーに対応する目標を達成するためのＶＣＳＥＬ１ａの発光部の位置を示している。この位置はシミュレーションにより算出されるものであり、ＶＣＳＥＬ１ａの中心（重心）からの距離に該当する。

【0128】

図１０（ａ）に示すように、アンカーθ_ｘ，１が－２１．８１度の場合には、発光部ｃｈを位置ΔＺ_１に配置すればよく、アンカーθ_ｘ，２が－１７．８０度の場合には、発光部ｃｈを位置ΔＺ_２に配置すればよい。同様に、アンカーθ_ｘ，３～θ_ｘ，７が－１３．５０～＋１４．２４度の場合には、それぞれ発光部ｃｈを位置ΔＺ_３～ΔＺ_７に配置すればよい。

【0129】

本実施形態では、位置ΔＺ_１に発光部ｃｈ１を配置し、位置ΔＺ_２に発光部ｃｈ２を配置し、位置ΔＺ_３に発光部ｃｈ３を配置し、位置ΔＺ_４に発光部ｃｈ４を配置する。また位置ΔＺ_５に発光部ｃｈ５を配置し、位置ΔＺ_６に発光部ｃｈ６を配置し、位置ΔＺ_７に発光部ｃｈ７を配置する。

【0130】

図１０（ｂ）は、位置ΔＺ_１～ΔＺ_７に対応するように、ＶＣＳＥＬ１ａに配置された発光部ｃｈ１～ｃｈ７を示している。図１０（ｂ）に示すように、発光部ｃｈ１～ｃｈ７は、隣接する発光部ｃｈ同士の間隔が隣接する発光部ｃｈ毎で異なるように配置されている。換言すると、発光部ｃｈ１～ｃｈ７は非等間隔に配置されている。

【0131】

ここで、ＶＣＳＥＬ１ａの発光部ｃｈの位置を決定するための演算方法について、発光部ｃｈ５及びｃｈ６を一例として説明する。

【0132】

光線追跡の原理に基づき、ＰＳＤ３の受光面３ａにおけるレーザ光Ｌ２の受光位置ｚと、ＶＣＳＥＬ１ａの発光部ｃｈの位置Δｚの関係がＺ＝ｆ（Δｚ；θｘ）として予め定められているとする。関数ｆは、ＶＣＳＥＬ１ａ、凹面ミラー２、ＰＳＤ３及び眼球３０（角膜部）の位置関係と、眼球形状のモデルとに基づき数式化できる。

【0133】

まず、基準となる発光部ｃｈを求めるために、｛ｆ（Δｚ５；θｘ,５）＝－２、ｆ（Δｚ５；－θｘ，５）＝２｝を満たすΔｚ５およびθｘ，５を数値的に求解する。すなわち、θｘ，６＝－θｘ，５となる対称角度に調整する。

【0134】

次いで、眼球３０の回旋角度θｘの正の方向へ、｛ｆ（Δｚ６；θｘ，６）＝－２、ｆ（Δｚ６；θｘ，７）＝２｝を満たすΔｚ６及びθｘ，７を数値的に求解する。また、眼球３０の回旋角度θｘの負の方向へ、｛ｆ（Δｚ４；θｘ，４）＝－２、ｆ（Δｚ４；θｘ，５）＝２｝を満たすようなΔｚ４およびθｘ，４を数値的に求解する。

【0135】

Δｚ１～Δｚ３及びθｘ，１～θｘ，３についても、上記の演算を逐次繰り返すことで、ＶＣＳＥＬ１ａの発光部ｃｈの位置を算出することができる。

【0136】

図１０（ｂ）に示すように発光部ｃｈ１～ｃｈ７を配置すると、ＰＳＤ３は第１発光部に由来するレーザ光Ｌ２を端部３ｂで受光する際に、ＰＳＤ３は第２発光部に由来するレーザ光Ｌ２を端部３ｄで受光することができる。

【0137】

これにより、レーザ光Ｌ２による眼球３０の回旋角度の検出範囲を無駄に使うことなく、少数の発光部ｃｈの数で、眼球３０の回旋角度を広範囲に検出可能になっている。

【0138】

なお上述した例では、隣接する発光部ｃｈ５及びｃｈ６を第１発光部及び第２発光部の一例として説明したが、これに限定されるものではなく、第１発光部と第２発光部は隣接する発光部でなくてもよい。

【0139】

＜眼球３０の２軸方向への回旋への対応例＞
上述した例では、眼球３０が水平方向に沿って回旋する場合を説明したが、眼球３０が２軸方向に回旋する場合にも実施形態を適用可能である。

【0140】

図１１は、眼球３０が２軸方向に回旋する場合のＰＳＤの受光領域の一例を説明する図である。図１１では、図８におけるＸ及びＹ方向への眼球３０の回旋に対し、ＶＣＳＥＬ１ａの各発光部ｃｈに由来するレーザ光Ｌ２を、ＰＳＤ３が受光面３ａ上で受光する受光領域を示している。この場合、ＶＣＳＥＬ１ａにおける複数の発光部ｃｈは、ΔｙΔｚ平面（図１０（ｂ）参照）内に２次元的に配置される。ここで、図８のＸ方向は「所定方向」に対応し、図８のＹ方向は「交差方向」に対応する。

【0141】

図９（ａ）と同様に、図１１における４隅にＬ字図形を配した破線の長方形は、領域Ａを示している。領域Ａにおける図１１の横軸に沿う長さは、眼球３０のＸ方向への回旋角度に応じた長さである。また領域Ａにおける図１１の縦軸に沿う長さは、眼球３０のＹ方向への回旋角度に応じた長さである。

【0142】

ＰＳＤ３の受光面３ａ上の四隅においてレーザ光Ｌ２が切断され、隣接する４つの受光面３ａ上の上下左右対称位置で、１つのレーザ光Ｌ２が切断されて共有されるように、ＶＣＳＥＬ１ａにおける複数の発光部ｃｈの位置が予め定められている。

【0143】

＜レーザ光Ｌ２の受光位置調整手段の他の例＞
上述した例では、ＰＳＤ３が第１発光部に由来するレーザ光Ｌ２を端部３ｂで受光する際に、ＰＳＤ３が第２発光部に由来するレーザ光Ｌ２を端部３ｄで受光するための受光位置調整手段として、ＶＣＳＥＬ１ａにおける発光部ｃｈ１～ｃｈ７を非等間隔に配置する例を示した。但し、受光位置調整手段は、発光部ｃｈ１～ｃｈ７の配置を調整することに限定されるものではない。

【0144】

図１２は、レーザ光Ｌ２の受光位置調整手段の他の例を説明する図であり、（ａ）はプリズム構造体１５ａを用いる場合の構成例を示す断面図、（ｂ）は回折構造体１５ｂを用いる場合の構成例を示す断面図、（ｃ）はレンズアレイ１５ｃを用いる場合の構成例を示す断面図、（ｄ）は２次元配列のレンズアレイ１５ｄを用いる場合の構成例を示す平面図である。

【0145】

プリズム構造体１５ａは、複数の微小なプリズムが設けられた光学素子である。プリズム構造体１５ａでは、複数のプリズムがＶＣＳＥＬ１ａの発光部ｃｈに１対１で対応するように配置されている。プリズムにおける斜面部の傾きをプリズム毎で異ならせることで、発光部ｃｈ毎で射出されたレーザ光１の伝搬方向を、発光部ｃｈ毎に異ならせることができる。

【0146】

これにより、ＶＣＳＥＬ１ａにおける発光部ｃｈを等間隔に配置した場合に受光位置調整手段の機能を実現でき、ＶＣＳＥＬ１ａにおける発光部ｃｈの配置を調整することと同様の作用効果が得られる。

【0147】

回折構造体１５ｂは、レーザ光Ｌ１を回折させるための微細な周期構造が形成された光学素子である。発光部ｃｈに１対１で対応して周期構造の周期を異ならせることで、発光部ｃｈ毎で射出されたレーザ光１の伝搬方向を、発光部ｃｈ毎に異ならせることができる。

【0148】

これにより、ＶＣＳＥＬ１ａにおける発光部ｃｈを等間隔に配置した場合に受光位置調整手段の機能を実現でき、ＶＣＳＥＬ１ａにおける発光部ｃｈの配置を調整することと同様の作用効果が得られる。

【0149】

レンズアレイ１５ｃは、複数の微小レンズが設けられた光学素子である。レンズアレイ１５ｃでは、複数のレンズがＶＣＳＥＬ１ａの発光部ｃｈに１対１で対応するように配置されている。レンズの発光部ｃｈに対する偏心量をレンズ毎で異ならせることで、発光部ｃｈ毎で射出されたレーザ光１の伝搬方向を、発光部ｃｈ毎に異ならせることができる。

【0150】

これにより、ＶＣＳＥＬ１ａにおける発光部ｃｈを等間隔に配置した場合に受光位置調整手段の機能を実現でき、ＶＣＳＥＬ１ａにおける発光部ｃｈの配置を調整することと同様の作用効果が得られる。

【0151】

プリズム構造体１５ａ、回折構造体１５ｂ及びレンズアレイ１５ｃは何れも、複数の発光部ｃｈのそれぞれが射出する光を偏向する偏向手段に対応する。

【0152】

また図１２（ｄ）に示すように、ＶＣＳＥＬ１ａの発光部ｃｈが２次元に配置されている場合にも適用可能である。複数の微小レンズが２次元方向に配置されたレンズアレイ１５ｄを用いて、発光部ｃｈ毎で射出されたレーザ光１の伝搬方向を発光部ｃｈ毎に２次元方向に異ならせることができる。

【0153】

同様に、複数の微小なプリズムが２次元方向に配置されたプリズム構造体や、周期構造の周期が２次元方向に異なる回折構造体を用いて、発光部ｃｈ毎で射出されたレーザ光１の伝搬方向を発光部ｃｈ毎に異ならせることも可能である。

【0154】

＜瞳孔位置検出装置１０ａの作用効果＞
以上説明したように、本実施形態では、ＰＳＤ３は、第１発光部から射出された光に由来するレーザ光Ｌ２をＰＳＤ３の端部３ｂで受光する際に、第２発光部から射出された光に由来するレーザ光Ｌ２をＰＳＤ３の端部３ｄで受光する。

【0155】

これにより、レーザ光Ｌ２による眼球３０の回旋角度の検出範囲を無駄に使うことがなくなるため、複数の発光部毎で回旋角度の検出範囲が重複することを防ぎ、曲率を有する眼球３０の回旋角度を少数の発光部で広範囲に検出することができる。

【0156】

また本実施形態では、ＰＳＤ３が第１発光部に由来するレーザ光Ｌ２をＰＳＤ３の端部３ｂで受光する際に、ＰＳＤ３が第２発光部に由来するレーザ光Ｌ２をＰＳＤ３の端部３ｄで受光するための受光位置調整手段の機能を、ＶＣＳＥＬ１ａにおける複数の発光部ｃｈを非等間隔に配置することで実現する。

【0157】

ＶＣＳＥＬ１ａは半導体プロセスで製造されるため、発光部ｃｈの間隔は容易に調整可能である。そのため、受光位置調整手段の機能を容易に実現することができる。また、ＶＣＳＥＬ１ａにおける複数の発光部ｃｈで、隣接する発光部ｃｈ同士の間隔が徐々に異なるように配置すると、発光部ｃｈ同士の間隔をより容易に調整できるため、さらに好適である。

【0158】

ここで、隣接する発光部ｃｈ同士の間隔が徐々に異なるとは、隣接する発光部ｃｈ同士の間隔が少しずつ小さくなるように配置されること、或いは隣接する発光部ｃｈ同士の間隔が少しずつ大きくなるように配置されることをいう。具体的には、発光部ｃｈ１と発光部ｃｈ２とが間隔ｅ１で配置され、これに隣接する発光部ｃｈ２と発光部ｃｈ３は間隔ｅ１より少し小さい間隔ｅ２で配置され、これに隣接する発光部ｃｈ３と発光部ｃｈ４は間隔ｅ２より少し小さい間隔ｅ３で配置される場合である。或いは間隔ｅ２は間隔ｅ１より少し大きく、間隔ｅ２は間隔ｅ１より少し大きくしてもよい。

【0159】

また、上記の受光位置調整手段は、ＶＣＳＥＬ１ａにおける発光部ｃｈ１～ｃｈ７の配置を調整することに限定されるものではない。複数の発光部ｃｈのそれぞれが射出する光を偏向する偏向手段によっても受光位置調整手段の作用効果を得ることができる。このような受光位置調整手段として、プリズム構造体１５ａ、回折構造体１５ｂ及びレンズアレイ１５ｃ等が挙げられる。

【0160】

また複数の発光部ｃｈを２次元に配置し、ＰＳＤ３は、第１発光部に由来するレーザ光Ｌ２を、Ｘ方向におけるＰＳＤ３の一端、又はＹ方向におけるＰＳＤ３の一端の何れか一方で受光する際に、第１発光部からＸ方向に離れて配置された第２発光部に由来するレーザ光Ｌ２を、Ｘ方向におけるＰＳＤ３の他端で受光し、第１発光部からＹ方向に離れて配置された第３発光部に由来するレーザ光Ｌ２を、Ｙ方向におけるＰＳＤ３の他端で受光することもできる。

【0161】

この構成により、曲率を有する眼球３０の２軸方向への回旋角度及び瞳孔位置を広範囲に検出することができる。

【0162】

また本実施形態では、眼球３０の回旋角度を検出し、この回旋角度に基づき、眼球３０の瞳孔位置を検出する瞳孔位置検出装置１０ａの例を示したが、これに限定されるものではない。

【0163】

実施形態に係る立体物の回旋角度検出装置は、例えば、回転中心で回転可能な回転体と、曲率中心を有する曲面体とを含んで構成される立体物であって、回転中心の位置と曲率中心の位置が異なっている立体物においても、立体物の回旋角度を広範囲に検出することが可能である。

【0164】

以下、実施形態に係る瞳孔位置検出装置の変形例を説明する。

【0165】

（第１変形例）
本変形例に係る瞳孔位置検出装置は、凹面ミラー２に代えて、異方性分子材料が封入された液晶部２０２を有する第１反射型集光素子２００を備える。ここで、異方性分子材料とは液晶材料等をいう。

【0166】

図１３は、第１反射型集光素子２００を用いた軸外し光学系の構成の一例を説明する図である。図１３に示すように、第１反射型集光素子２００は、支持基板２０１と、液晶部２０２と、１／４波長シフト部２０３とを含む。ここで、第１反射型集光素子２００は、「集束反射手段」の一例であり、液晶部２０２は、「封入部」の一例である。

【0167】

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。

【0168】

また、図１４に示すように、液晶部２０２は、支持基板２０２１と、配向膜２０２２と、配向膜２０２３と、光を透過させる透過支持基板２０２４とを備えている。

【0169】

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。

【0170】

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。

【0171】

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。

【0172】

図１４の右から左の方向に、液晶部２０２に入射する光は、透過支持基板２０２４、配向膜２０２３を通過し、液晶分子２０２５の作用により反射されて、配向膜２０２３、及び透過支持基板２０２４を往きとは逆向きに通過して、液晶部２０２から出射する。

【0173】

図１４の例では、液晶分子２０２５によるらせん構造の開始位置に該当する配向膜２０２２、又は２０２３の面上における配向方向の調整により、らせん構造を示す曲線の等位相面２０２６が光の入射方向に対して凹面状に湾曲している。これにより、液晶分子２０２５をレンズとして機能させ、液晶分子２０２５の作用により反射されて図の右方向に進む光を、集光させることができる。液晶分子を、レンズ等の光学素子として機能させる技術には、公知の技術（例えば、Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｖｏｌ．１０ （２０１６） ｐ．３８９参照）を適用できるため、ここでは更に詳細な説明を省略する。なお、図１３において、一点鎖線で示した２０２７は、液晶部２０２に入射する光を示し、二点鎖線で示した２０２８は、液晶部２０２で反射され、集光される光を示している。

【0174】

次に、図１５を参照して、液晶部２０２の光学特性をさらに説明する。図１５（ａ）及び（ｂ）は、右回り円偏光の光を集光させる液晶部２０２について示している。液晶部２０２は、液晶分子２０２５の回旋方向に依存して、右回り偏光と左回り偏光のそれぞれに対して異なる反射または透過特性を備えている。

【0175】

図１５（ａ）において、液晶部２０２には、１／４波長シフト部２０３により円偏光に変換された光が入射する。液晶部２０２で反射された光は、再度１／４波長板を往きとは逆向きに通過することで直線偏光に戻され、眼球３０に照射される。眼球３０へのレーザ光の侵入を極力低減するために、直線偏光は紙面垂直方向に電場振動面を有するＳ偏光とすることが好ましい。

【0176】

一方、図１５（ｂ）は、ＶＣＳＥＬ１からの光線が偏光制御されていないランダム偏光の場合の例を示している。液晶部２０２に入射するランダム偏光のうち、右回り円偏光のみが、支持基板２０２１で反射して集光され、１／４波長シフト部２０３を通過して、直線偏光に変換される。一方、左回り偏光成分は支持基板２０１をそのまま透過し、角膜表面には照射されない。

【0177】

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。

【0178】

（第２変形例）
本変形例に係る瞳孔位置検出装置は、異方性分子材料を含む第２反射型集光素子２１０を備える。

【0179】

図１６は、第２反射型集光素子２１０を用いた軸外し光学系の構成の一例を説明する図である。図１６に示すように、第２反射型集光素子２１０は、液晶部２１１と、導光手段２１２と、１／４波長シフト部２１３とを備える。ここで、第２反射型集光素子２１０は、「集束反射手段」の一例であり、液晶部２１１は、「異方性分子材料部」の一例である。

【0180】

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。

【0181】

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。

【0182】

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。

【0183】

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。

【0184】

本変形例に係る瞳孔位置検出装置では、ＶＣＳＥＬ１から出射された光を導光手段２１２内で光路長を確保した上で角膜表面へ照射できるため、装置を小型化できる。またＶＣＳＥＬ１、導光手段２１２、及びＰＳＤ３等を一体に構成することができる。

【0185】

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る網膜投影表示装置を、図１７を参照して説明する。

【0186】

図１７は、本実施形態に係る網膜投影表示装置の構成の一例を説明する図である。

【0187】

網膜投影表示装置６０は、ＲＧＢ（Red、Green、Blue）レーザ光源６１と、走査ミラー６２と、平面ミラー６３と、ハーフミラー６４と、画像生成部６５と、瞳孔位置検出装置１０ａとを備えている。

【0188】

ＲＧＢレーザ光源６１は、ＲＧＢ３色のレーザ光を時間的に変調して出力する。走査ミラー６２は、ＲＧＢレーザ光源６１からの光を２次元的に走査する。走査ミラー６２は、ＭＥＭＳミラー等である。但し、これに限定されるものではなく、ポリゴンミラー、ガルバノミラー等、光を走査する反射部を有するものであればよい。小型化・軽量化の点でＭＥＭＳミラーが有利となる。なお、ＭＥＭＳミラーの駆動方式は、静電式、圧電式、電磁式等の何れであってもよい。

【0189】

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。

【0190】

瞳孔位置検出装置１０ａは、眼球運動に応じた瞳孔３１の位置を検出し、瞳孔３１の位置のフィードバック信号を画像生成部６５に送信する。

【0191】

画像生成部６５は、走査ミラー６２の振れ角制御機能と、ＲＧＢレーザ光源６１の発光制御機能とを有している。また、画像生成部６５は、瞳孔位置検出装置１０ａから瞳孔３１の位置のフィードバック信号を受信する。瞳孔位置検出装置１０ａにより検出された瞳孔３１の位置に応じて、走査ミラー６２の振れ角と、ＲＧＢレーザ光源６１の発光を制御し、画像の投影角度、又は画像内容を書き換える。これにより、眼球運動に伴う瞳孔３１の位置の変化に追従（アイトラッキング）した画像を、網膜３３上に形成することができる。

【0192】

上述した例では、網膜投影表示装置６０をウェアラブル端末であるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ；Head Mount Display）とする場合を示したが、これに限定されるものではない。ヘッドマウントディスプレイとしての網膜投影表示装置６０は、「人」の頭部に直接装着させるだけでなく、固定部等の部材を介して間接的に「人」の頭部に装着させるもの（頭部装着型表示装置）であってもよい。また、左右眼用に一対の網膜投影表示装置６０を設けた両眼式の網膜投影表示装置としてもよい。

【0193】

［比較例」
ここで、比較例に係るＵＳ２０１６／０１６６１４６に記載の装置と、実施形態に係る瞳孔位置検出装置１０ａとを比較する。

【0194】

比較例に係る装置では、レーザ光源を用い、レーザ光をＭＥＭＳミラーにより走査し、眼球への光の入射角度を変更している。これに対し、実施形態では、複数の発光部を有するＶＣＳＥＬを光源とし、ＶＣＳＥＬの発光部の変更により、眼球への光の入射角度を変更している。実施形態では、このように眼球への光の入射角度を、可動部を用いずに変更する。そのため、可動部を有する構成と比較して、振動や外的衝撃等に強くなる。

【0195】

比較例に係る装置では、角膜に照射した光の反射光強度を光検出器により検出するのに対し、実施形態では、ＰＳＤを用い、眼球で反射され、ＰＳＤの受光面に入射する光の位置を検出する。ＰＳＤは、光強度に依存せずに入射光の位置を検出するため、眼球における光の反射位置等に起因して反射光量に差が生じても、反射光量の差の影響を受けずに高感度の位置検出が可能である。その結果、瞳孔等の眼球の傾き位置を高精度に検出できる。

【0196】

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。

【0197】

比較例に係る装置では、眼球での反射光の時間軸上の２つのピーク強度（２点の角膜上の反射位置）から眼球位置を推定している。実施形態では、角膜等の眼球上の１点の反射位置により眼球位置を推定する。そのためＶＣＳＥＬとＰＳＤは、必ずしも対称位置になくともよい。実施形態では、ＰＳＤを、眼球の正反射（鏡面反射）角近傍に配置せず、ＶＣＳＥＬと同じ側に配置してもよい。

【0198】

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。

【0199】

また、瞳孔位置検出装置１０ａにより検出された瞳孔位置の情報を、電子機器の入力装置におけるアイトラッキングに利用することもできる。例えば、図１に示した瞳孔位置検出装置１０ａの出力を、電子機器への入力情報としてアイトラッキングに利用する場合等である。換言すると、瞳孔位置検出装置１０ａを備える入力装置を構成することができる。これにより頭部位置ずれ等にロバストな電子機器の入力を実現することができる。

【0200】

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。

【符号の説明】

【0201】

１ａ ＶＣＳＥＬ（光源手段の一例）
２ 凹面ミラー（集束反射手段の一例）
３ ＰＳＤ（受光位置検出手段の一例）
３ａ 受光面
３ｂ 端部（一端の一例）
３ｄ 端部（他端の一例）
１０ａ 瞳孔位置検出装置（立体物の回旋角度検出装置の一例）
１５ａ プリズム構造体（偏向手段の一例）
１５ｂ 回折構造体（偏向手段の一例）
１５ｃ レンズアレイ（偏向手段の一例）
２０ 眼鏡型支持体
２１ 眼鏡レンズ
２２ 眼鏡フレーム
３０ 眼球（被照射面の一例、立体物の一例）
３１ 瞳孔
３２ 角膜
３３ 網膜
６０ 網膜投影表示装置
６１ ＲＧＢレーザ光源
６２ 走査ミラー
６３ 平面ミラー
６４ ハーフミラー
６５ 画像生成部
１００ 処理部
１０１ ＣＰＵ
１０２ ＲＯＭ
１０３ ＲＡＭ
１０４ ＳＳＤ
１０５ 光源駆動回路
１０６ Ａ／Ｄ変換回路
１０７ 入出力Ｉ／Ｆ
１１０ 発光駆動部
１１１ 検出信号入力部
１２０ 演算部
１２１ 眼球回旋角度推定部
１２２ 瞳孔位置取得部
１３０ 瞳孔位置出力部
ｃｈ 発光部
Ｘ方向 水平方向（所定方向の一例）
Ｙ方向 垂直方向（交差方向の一例）
Ｚ方向 眼球が回旋していない状態での正視方向
θｘ，θｙ 回旋角度
ｄ 距離（所定距離の一例）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0202】

【文献】特開２０１９－１５４８１５号公報

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】