(57)【要約】【課題】眼鏡型支持部のずれなどにロバストなアイトラッキング装置を提供すること。【解決手段】開示の技術の一態様に係る眼球の傾き位置検知装置は、眼球の傾き位置を検知する装置であって、レーザ光を射出する光源と、前記レーザ光から非回折光を生成する非回折光生成部と、前記非回折光の前記眼球からの反射光を検出する光検出素子と、を備える。【選択図】図１
2020081449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
眼球の傾き位置を検知する装置であって、
レーザ光を射出する光源と、
前記レーザ光から非回折光を生成する非回折光生成部と、
前記非回折光の前記眼球からの反射光を検出する光検出素子と、を備える
眼球の傾き位置検知装置。
【請求項２】
前記光検出素子による検出信号に基づいて取得される前記眼球の傾き位置情報を出力する処理部を備える
請求項１に記載の眼球の傾き位置検知装置。
【請求項３】
前記光源は、発光点が平面内に配列されている面発光レーザである
請求項１、又は２に記載の眼球の傾き位置検知装置。
【請求項４】
前記光源は、光射出面上に光学素子が形成されている面発光レーザである
請求項１乃至３の何れか１項に記載の眼球の傾き位置検知装置。
【請求項５】
前記非回折光生成部は、
リングスリット及びレンズ、
複数の円錐レンズが含まれる円錐レンズ群、
複数の回折光学素子が含まれる回折光学素子群、
円錐レンズ及び回折光学素子の組み合わせ、或いは、
円錐レンズ又は回折光学素子、及び結像プレートの組み合わせ、の何れか１つを備える
請求項１乃至４の何れか１項に記載の眼球の傾き位置検知装置。
【請求項６】
前記非回折光生成部は、異なる波数ベクトルを含み、前記眼球の表面上及び前記光検出素子上の少なくとも一方で、選択的に前記非回折光を生成する円環状の光を射出する
請求項１乃至５の何れか１項に記載の眼球の傾き位置検知装置。
【請求項７】
前記眼球の瞳孔に対向する方向に設けられた眼前光学系を備える
請求項１乃至６の何れか１項に記載の眼球の傾き位置検知装置。
【請求項８】
前記非回折光生成部は、自動焦点調節機能を備える
請求項１乃至７の何れか１項に記載の眼球の傾き位置検知装置。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか１項に記載の眼球の傾き位置検知装置を備える
表示装置。
【請求項１０】
請求項１乃至８の何れか１項に記載の眼球の傾き位置検知装置を備える
入力装置。
【請求項１１】
請求項１乃至８の何れか１項に記載の眼球の傾き位置検知装置を備える
検眼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、眼球の傾き位置検知装置、表示装置、入力装置及び検眼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）に関わる技術・製品が注目されている。特にＡＲ技術は、実空間においてデジタル情報を表示する手段として、産業分野への応用が期待されている。ＡＲ技術を活用する「人」は、認知情報の大部分を視覚から取得していることに鑑み、行動（作業）環境下において利用可能な眼鏡型映像表示装置が開発されている。また、このような眼鏡型映像表示装置として、レーザを用いて「人」の網膜上に直接映像を描画する網膜描画方式の眼鏡型映像表示装置が知られている。
【０００３】
ところで、レーザを用いた網膜描画方式の眼鏡型映像表示装置では、角膜や瞳孔の大きさの制限から眼球運動を伴う行動（作業）環境下において、角膜や瞳孔の外周部等でレーザのケラレが発生し、所定の位置に所定の映像を描画できなくなる場合がある。
【０００４】
このような課題に対し、角膜の位置を検知して映像の描画位置等にフィードバックするために、眼球上でレーザを走査するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーと、反射光強度を検出するための光検出器と、検出強度から眼球上の角膜位置を推定する電子回路を備えたアイトラッキング技術が開示されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら特許文献１及び非特許文献１の技術では、眼球も光学系の一部として含めた構成になっているため空間配置の微小な誤差影響を受けやすく、眼鏡型支持部のずれなどによる眼球とアイトラッキング装置との位置関係のずれにより眼球位置の検出精度が悪化してしまい、その補正も困難であるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、眼鏡型支持部のずれなどにロバストなアイトラッキング装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
開示の技術の一態様に係る眼球の傾き位置検知装置は、眼球の傾き位置を検知する装置であって、レーザ光を射出する光源と、前記レーザ光から非回折光を生成する非回折光生成部と、前記非回折光の前記眼球からの反射光を検出する光検出素子と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の実施形態によれば、眼鏡型支持部のずれなどにロバストなアイトラッキング装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係る瞳孔位置検知装置の構成の一例を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る瞳孔位置検知動作の一例を説明する図であり、（ａ）は眼球が正面を向いている時を示す図であり、（ｂ）は眼球が回旋している時を示す図である。
【図３】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示すブロック図である。
【図４】第１の実施形態に係る処理部の構成要素の一例を機能ブロックで示す図である。
【図５】第１の実施形態に係る瞳孔位置算出部による処理の一例を示すフローチャートである。
【図６】第１の実施形態に係る瞳孔位置検知装置の傾き位置検知の数値シミュレーションを説明する図であり、（ａ）は正視状態を基準角度とした場合の眼球の回旋角度の推定結果を表わすグラフであり、（ｂ）は瞳孔の位置が正視の状態から右上方にある場合の眼球の回旋角度の推定結果を表わすグラフである。
【図７】第１の実施形態に係る非回折光生成部の要部の構成の一例を説明する図であり、（ａ）はリングスリットによる光線の振る舞いを説明する図であり、（ｂ）はアレイ状のリングスリットによる光線の振る舞いを説明する図である。
【図８】第１の実施形態の変形例１に係る瞳孔位置検知装置の構成の一例を示す図である。
【図９】第１の実施形態の変形例２に係る瞳孔位置検知装置の構成の一例を示す図である。
【図１０】第１の実施形態の変形例３に係る瞳孔位置検知装置の非回折光生成部の要部の構成の一例を説明する図であり、（ａ）はアキシコンレンズによる光線の振る舞いを説明する図であり、（ｂ）はアレイ状のアキシコンレンズによる光線の振る舞いを説明する図である。
【図１１】第１の実施形態の変形例４に係る瞳孔位置検知装置の非回折光生成部の要部の構成の一例を説明する図であり、（ａ）はＤＯＥによる光線の振る舞いを説明する図であり、（ｂ）はアレイ状のＤＯＥによる光線の振る舞いを説明する図である。
【図１２】第１の実施形態の変形例５に係る瞳孔位置検知装置の非回折光生成部の要部の構成の一例を説明する図であり、（ａ）はアキシコンレンズ群による光線の振る舞いを説明する図であり、（ｂ）はアレイ状のアキシコンレンズ群による光線の振る舞いを説明する図であり、（ｃ）はアレイ状のアキシコンレンズと結像プレートによる光線の振る舞いを説明する図で、（ｄ）はアレイ光源とアキシコンレンズとの間隔を狭めた場合を説明する図である。
【図１３】第１の実施形態の変形例６に係る瞳孔位置検知装置の非回折光生成部の要部の構成の一例を説明する図であり、（ａ）はＤＯＥ群による光線の振る舞いを説明する図であり、（ｂ）はアレイ状のＤＯＥ群による光線の振る舞いを説明する図であり、（ｃ）はアレイ状のＤＯＥと結像プレートによる光線の振る舞いを説明する図であり、（ｄ）はアレイ光源とＤＯＥとの間隔を狭めた場合を説明する図である。
【図１４】第２の実施形態に係る眼球の傾き位置検知装置の構成の一例を示す図である。
【図１５】第３の実施形態に係るＶＣＳＥＬの構成の一例を説明する図であり、（ａ）は活性層側にレーザ光を射出する例を説明する図であり、（ｂ）は活性層側に光学素子を形成した例を説明する図であり、（ｃ）は基板側にレーザ光を射出する例を説明する図であり、（ｄ）は基板側に光学素子を形成した例を説明する図である。
【図１６】第３の実施形態に係る光学素子の構成の一例を説明する図であり、（ａ）はリングスリットをＶＣＳＥＬの光射出面上に形成した構成の一例を説明する斜視図であり、（ｂ）は断面図であり、（ｃ）はアレイ状のリングスリットの構成の一例を示す断面図であり、（ｄ）はＤＯＥをＶＣＳＥＬの光射出面上に形成した構成の一例を説明する斜視図であり、（ｅ）は断面図であり、（ｆ）はアレイ状のＤＯＥの構成の一例を説明する断面図である。
【図１７】第４の実施形態に係る表示装置の構成の一例を示す図である。
【図１８】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。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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、同一構成部分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。
【００１１】
実施形態における「眼球の傾き位置」は、眼球の瞳孔や角膜の傾き、又は位置である。実施形態では、眼球の傾き位置検知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。
【００１２】
尚、実施形態では、「人」の右目の眼球の傾き位置検知装置を一例として説明するが、左目の眼球に対しても同様である。また眼球の傾き位置検知装置を２つ備え、両目の眼球に対して適用することもできる。
【００１３】
［第１の実施形態］
第１の実施形態では、眼球の傾き位置検知装置の一例として、瞳孔位置検知装置１０を説明する。
【００１４】
＜瞳孔位置検知装置の構成＞
図１は、本実施形態に係る瞳孔位置検知装置の構成の一例を示す図である。尚、図中に示されている矢印は、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向を示している。
【００１５】
図１において、瞳孔位置検知装置１０は、非回折光生成部１と、ミラー２と、光位置検出素子３と、処理部１００とを有している。また非回折光生成部１は、アレイ光源４と、リングスリット５と、レンズ６とを有している。
【００１６】
非回折光生成部１は、眼鏡型支持体２０の眼鏡フレーム２１に設けられ、ミラー２と、光位置検出素子３は、眼鏡型支持体２０の眼鏡レンズ２２に固定されている。
【００１７】
アレイ光源４は、ＸＹ平面内の複数の位置から、正のＺ方向に指向性を有するレーザ光を射出するＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ；Vertical Cavity Surface Emitting LASER）である。アレイ光源４はレーザ光を射出する複数の発光部がＸＹ平面内に２次元アレイ状に配列された光源であり、発光部は制御信号に応じて変化させることができる。
【００１８】
但し、アレイ光源４はＶＣＳＥＬに限定されるものではなく、指向性を有する光源であれば、ＬＤ（半導体レーザ；Laser  Diode）等をＸＹ平面内に２次元アレイ状に配列させてアレイ光源４を構成してもよい。尚、アレイ光源４は「光源」の一例であり、ＶＣＳＥＬは「面発光レーザ」の一例である。
【００１９】
アレイ光源４から射出される光の波長は、瞳孔位置を検知される「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ましい。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。
【００２０】
アレイ光源４から射出されたレーザ光は、リングスリット５とレンズ６によって、異なる波数ベクトルをもつ円環状の光（以下、リング光という）であるリング光６１ａ及び６１ｂに変換される。そしてリング光６１ａ及び６１ｂが干渉することで非回折光が生成される。この非回折光生成部１の構成については別途詳述する。
【００２１】
非回折光生成部１から射出された非回折光は、レンズ６で偏向（屈折）され、ミラー２により眼球３０に向けて反射されて、正視時における眼球３０の瞳孔３１の中心に所定の角度で入射する。尚、ミラー２は眼球３０の瞳孔３１に対向する方向に設けられた光学系であり、「眼前光学系」の一例である。
【００２２】
ここで、非回折光生成部１から射出された非回折光を眼球３０に入射させるための光偏向手段は、レンズ６とミラー２に限定されない。アレイ光源４からの光を所定角度で眼球に入射させることが可能であれば、任意の部材又は任意の部材の組合せであってもよい。
【００２３】
光偏向手段として、凸レンズの他、マイクロレンズアレイ、凹型曲面ミラー、ホログラム回折素子、プリズムアレイ、又は回折格子の何れか１つ、又は何れか２つ以上の組合せを用いることで、瞳孔位置検知範囲の拡大、装置の小型化、瞳孔位置検知装置１０の組み立て負荷低減等の効果が得られる。
【００２４】
一方、角膜表面（瞳孔表面）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。瞳孔３１付近に入射した光は眼球３０の角膜表面で反射され、反射光は光位置検出素子３に入射する。ここで光位置検出素子３は、２次元ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）等であり、「光検出素子」の一例である。また角膜表面は「眼球の表面」の一例である。
【００２５】
眼球３０の傾きによって反射光の光位置検出素子３への入射位置が変わるため、光位置検出素子３による検出信号を座標情報に変換することで、眼球３０の瞳孔位置を検知することができる。尚、ＰＳＤが検出するのは、反射点の法線ベクトルの向き、すなわち３次元形状である。検出された３次元形状と眼球モデルとの対応により瞳孔中心位置が「推定」される。
【００２６】
二次元ＰＳＤは、直交２方向において、入射する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検出して検出信号を出力する。
【００２７】
ここで、二次元ＰＳＤは、入射光の光強度に依存せずに、入射光の位置を検出することができる。そのため、眼球３０における反射位置等に起因して反射光量に差が生じたとしても、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。
【００２８】
但し、光位置検出素子３は二次元ＰＳＤに限定はされない。Ｘ方向における入射光の位置を検出可能な１次元ＰＳＤをＹ方向に配列させたり、Ｙ方向における入射光の位置を検出可能な１次元ＰＳＤをＸ方向に配列させたりして、入射光のＸＹ平面内での位置を検出してもよい。ＣＣＤ（Charge  Coupled  Device）やＣＭＯＳ（Complementary  Metal-Oxide-Semiconductor）等の撮像素子を用いてもよい。
【００２９】
１次元ＰＳＤは２次元ＰＳＤ等と比較して安価であることから、瞳孔位置検知装置１０のコストを抑制できる等の効果が得られる。
【００３０】
また光位置検出素子３として１次元ＰＳＤ又は２次元ＰＳＤを用いると、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を用いた場合と比較して、位置検出に複雑な画像処理を要さないことから処理負荷を低減できる効果がある。
【００３１】
一方で、処理部１００は、発光制御部１１０と、瞳孔位置算出部１２０と、出力部１３０とを有している。
【００３２】
発光制御部１１０は、アレイ光源４に電気的に接続され、制御信号を送信する。発光制御部１１０は、制御信号によりアレイ光源４において発光させる発光部を変化させ、また発光のタイミングを制御する。発光制御部１１０は、複数の発光部間の発光タイミングを所定のタイミングで変化させ、眼球３０への光の入射角度を時系列に変化させることができる。
【００３３】
瞳孔位置算出部１２０は、光位置検出素子３に電気的に接続され、光位置検出素子３による検出信号を受信する。瞳孔位置算出部１２０は、検出信号に基づいて眼球３０の回旋角及び瞳孔中心位置を算出し、算出結果を、出力部１３０を介して表示装置等の外部装置に出力する。ここで、瞳孔位置算出部１２０が出力部１３０を介して出力する眼球３０の回旋角及び瞳孔中心位置は、「眼球の傾き位置情報」の一例である。
【００３４】
眼球３０の回旋等の眼球運動により眼球３０での反射光の方向が変わると、反射光が光位置検出素子３を外れてしまう場合がある。これを防ぐために発光制御部１１０は、アレイ光源４で発光させる発光部を順次、又は選択的に変更する。
【００３５】
発光部が変わると、アレイ光源４におけるＸＹ平面内での発光位置が変わり、レンズ６とミラー２を介して眼球３０に入射する光の入射角度が変化する。これにより眼球３０で反射され、光位置検出素子３に入射する光の位置を変化させることができる。従って眼球３０の眼球運動に応じてアレイ光源４で発光させる発光部を変化させることで、眼球３０での反射光が光位置検出素子３から外れることを防止できる。
【００３６】
＜瞳孔位置検知装置の動作＞
図２は、瞳孔位置検知装置１０による瞳孔位置検知の動作の一例を説明する図であり、（ａ）は眼球３０の正視時、つまり眼球３０が正面を向いている時を示し、（ｂ）は眼球３０が回旋している時を示している。図２では、アレイ光源４の２つの発光部から射出された光の振る舞いを示している。一方の発光部からの光４ａは点線で表され、他方の発光部からの光４ｂは一点鎖線で表されている。
【００３７】
図２（ａ）において、光４ａは眼球３０で反射され、光位置検出素子３の中央付近に入射している。光位置検出素子３は眼球３０の回旋に応じた光４ａの入射位置の変化を検出でき、瞳孔位置算出部１２０は光位置検出素子３の検出信号に基づいて眼球３０の瞳孔位置を算出することができる。
【００３８】
一方、一点鎖線で示されている光４ｂは、眼球３０で反射された後、光位置検出素子３に入射していない。そのため光位置検出素子３は光４ｂを検出することができず、瞳孔位置算出部１２０は眼球３０の瞳孔位置を算出することができない。
【００３９】
一方、図２（ｂ）に示されているように、図２（ａ）に対して眼球３０が大きく回旋すると、光４ａは光位置検出素子３から外れている。反対に光４ｂは光位置検出素子３の中央付近に入射しているため、光位置検出素子３は光４ｂを検出でき、瞳孔位置算出部１２０は眼球３０の瞳孔位置を算出することができる。
【００４０】
このように、一つの発光部からの光では、限られた角度範囲でしか眼球３０の眼球運動を検知できないのに対し、本実施形態ではアレイ光源４の発光部を変化させることで、眼球３０への入射角度を変化させることができる。これにより眼球３０の眼球運動及び瞳孔位置の検知範囲を拡大することができる。
【００４１】
アレイ光源４の発光部は、眼球３０の眼球運動に応じた発光制御部１１０からの制御信号に基づき、時系列に変化される。眼球３０の眼球運動に応じて（追従して）発光部を制御することで、光利用効率向上や推定時間の短縮を図ることができる。但し、必ずしも「眼球運動に応じる」必要はない。例えば、眼球運動とは独立に一定時間間隔で発光部位置をラスター走査し、眼球の粗動位置を取得してもよい。
【００４２】
図２では説明を簡略化するため、２つの発光部から射出された光のみを例示したが、アレイ光源４の備えるさらに多くの発光部を利用してもよい。この場合、光位置検出素子３の大きさと眼球の大きさに応じて、眼球３０の瞳孔位置が適切に検知されるように、アレイ光源４の発光部の数、及び位置は適正化される。
【００４３】
次に、図３は、本実施形態に係る処理部１００のハードウェア構成の一例を機能ブロックで示す図である。
【００４４】
処理部１００は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）１０１と、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）１０２と、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）１０３と、入出力Ｉ／Ｆ（Interface）１０４とを有している。これらは、システムバス１０５を介して相互に接続されている。
【００４５】
ＣＰＵ１０１は、処理部１００の動作を統括的に制御する。またＣＰＵ１０１は、光位置検出素子３の検出信号に基づき、眼球３０の瞳孔位置を算出する処理を実行する。
【００４６】
ＣＰＵ１０１は、ＲＡＭ１０３をワークエリア（作業領域）としてＲＯＭ１０２等に格納されたプログラムを実行することで、上記の制御及び処理を実行し、後述する各種機能を実現する。尚、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）といったワイヤードロジックによるハードウェアにより実現させてもよい。
【００４７】
また入出力Ｉ／Ｆ１０４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。
【００４８】
図４は、本実施形態に係る処理部１００が有する構成要素の一例を機能ブロックで示す図である。尚、図４に図示される各機能ブロックは概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。各機能ブロックの全部又は一部を、任意の単位で機能的又は物理的に分散・結合して構成してもよい。
【００４９】
上述のように、処理部１００は発光制御部１１０と、瞳孔位置算出部１２０と、出力部１３０とを有している。発光制御部１１０の機能は、上述した通りである。一方、瞳孔位置算出部１２０は、検出信号受信部１２１と、眼球回旋角度推定部１２２と、瞳孔中心位置算出部１２３とを有している。
【００５０】
検出信号受信部１２１は、光位置検出素子３が出力する検出信号を受信し、眼球回旋角度推定部１２２に出力する。
【００５１】
眼球回旋角度推定部１２２は、光位置検出素子３の検出信号に基づき、眼球３０の回旋角度を推定し、推定した回旋角度を瞳孔中心位置算出部１２３に出力する。
【００５２】
瞳孔中心位置算出部１２３は、眼球３０の回旋角度に基づき、瞳孔３１の中心位置を算出して出力部１３０に出力する。
【００５３】
出力部１３０は、瞳孔位置算出部１２０による算出結果を、入出力Ｉ／Ｆ１０４を介して表示装置等の外部装置に出力する。
【００５４】
図５は、本実施形態に係る瞳孔位置算出部１２０による処理の一例を示すフローチャートである。
【００５５】
先ずステップＳ５１に先立ち、瞳孔位置算出のための事前準備として、アレイ光源４から射出された光が眼球３０に入射する角度が設計され、眼球３０の回旋角度の算出式が決定される。
【００５６】
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、これに限定はされない。設計された光線入射角度と光位置検出素子３上の反射光線の着地位置から回旋角度が定ま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、シミュレーションでは２次関数による算出式を採用している。
【００５７】
光が眼球３０に入射する角度の設計には、眼球３０の表面形状のモデルが利用される。一般的な眼球表面形状のモデルとしては、略式模型眼などが古くから知られている（例えば、「眼の光学的機構」、精密機械２７−１１、１９６１参照）。
【００５８】
ミラー２（図１、及び図２参照）は、アレイ光源４から射出された光の集光点に配置されている。ミラー２で反射された光は、眼球３０に入射する。眼球３０への入射光は、所定の角度だけ回旋した眼球３０で反射され、光位置検出素子３に向けて伝搬する。この伝搬光が光位置検出素子３の中心位置に入射されるように、眼球３０に入射させる光の角度を予め光線追跡計算等により決めておく。
【００５９】
光位置検出素子３への光の入射位置は、眼球３０への光の入射角度、眼球３０での光の反射位置、及び眼球３０表面の接面の傾きに基づき、理論解析可能である。このような理論解析の解から、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。
【００６０】
以上が、図５のステップＳ５１に先立ち、瞳孔位置算出のために実施される事前準備である。眼球３０に入射させる光の角度と、眼球３０の回旋角度を推定する逆演算式は、処理部１００のＲＯＭ１０２等のメモリに記憶され、発光制御部１１０による発光制御や、瞳孔位置算出部１２０による瞳孔位置算出において参照される。
【００６１】
次に、ステップＳ５１において、発光制御部１１０は、事前に決定された光の入射角度に応じて、アレイ光源４の発光部の少なくとも１つを所定のタイミングで発光させる。光位置検出素子３は、アレイ光源４から射出され、眼球３０での反射された光を検出し、検出信号を処理部１００に出力する。処理部１００の検出信号受信部１２１は、受信した光位置検出素子３の検出信号を眼球回旋角度推定部１２２に出力する。
【００６２】
続いて、ステップＳ５３において、眼球回旋角度推定部１２２は入力した検出信号（位置データ）を、上述の逆演算式に代入し、眼球回旋角度を算出する。眼球回旋角度推定部１２２は、算出した眼球回旋角度を瞳孔中心位置算出部１２３に出力する。
【００６３】
続いて、ステップＳ５５において、瞳孔中心位置算出部１２３は、入力した眼球回旋角度に基づき、眼球表面形状のモデルを用いて瞳孔中心位置を算出し、出力部１３０を介して外部装置等に出力する。
【００６４】
このようにして瞳孔位置検知装置１０は眼球３０の瞳孔位置を検知することができる。
【００６５】
次に、図６は、瞳孔位置検知装置１０の原理検証のために実施した数値シミュレーションを説明する図である。
【００６６】
この数値シミュレーションでは、図１において、眼球３０から＋Ｚ軸方向に１０ｍｍ離れた平面内に配置されたミラー２及び光位置検出素子３を想定する。Ｘ方向に５点、Ｙ方向に３点、ともに５°刻みで回旋角度を変化させた時の眼球３０の角度を基準角度（θｘ，θｙ）とする。
【００６７】
図６の横軸はＸ方向の眼球回旋角度の変化量で、縦軸はＹ方向の眼球回旋角度の変化量である。回旋角度をＸ方向に５点、Ｙ方向に３点、ともに５°刻みで変化させたそれぞれの入射角を、基準（角度変化量（０、０））にした値である。
【００６８】
数値シミュレーションでは、眼球３０で反射され、光位置検出素子３の中央に入射する光のミラー２の位置での射出角度（ミラー２での反射角度）を、眼球３０の基準角度毎に数値演算により求めた。尚、光位置検出素子３の中央は、座標（０、０）として表現される。
【００６９】
また、射出角度毎の光と、眼球３０の基準角度（θｘ，θｙ）との差分（Δθｘ、Δθｙ）を、光位置検出素子３への入射位置（ｘ，ｙ）から推定する逆演算式を用いて２次関数により表現し、その係数をテイラー展開による方法で数値的に算出した。
【００７０】
図６（ａ）は、基準角度を（θｘ，θｙ）＝（０°，０°）とした場合、すなわち正視状態を基準角度とした場合の眼球３０の回旋角度の推定結果を表わすグラフである。図６（ａ）において、格子点は実際の眼球３０の回旋角度であり、ドットが推定位置である。眼球３０の回旋角度が小さい場合には、良好な一致が得られている。この場合、｜Δθｘ｜≦２．５°の範囲で、誤差は最大０．１°程度に収まっている。ここで２．５°という数値は、基準角度を５°刻みとした半分の値であり、光が検出されていない領域が生じないための条件を意味している。また、ミラー２と光位置検出素子３を平面内でＸ方向に配置した構成を想定したことから、Ｙ方向の誤差はＸ方向よりも小さな値となっている。
【００７１】
図６（ｂ）は、基準角度を（θｘ，θｙ）＝（１０°，５°）とした場合、すなわち瞳孔３１の位置が正視の状態から右上方にある場合の結果である。図６（ａ）の結果と同等の誤差範囲で、眼球３０の回旋角度が推定されている。
【００７２】
上記の数値シミュレーション結果は、眼球３０の回旋角度の推定値を示したものである。眼球３０の回旋角度は、正視の方向であるＺ軸に対し、眼球３０の中心、すなわち回旋の中心位置と角膜の中心位置とを結ぶ直線がなす角度と定義することができる。従って瞳孔３１の位置は、眼球３０の中心位置と角膜の中心位置との距離だけ、眼球３０の中心位置から眼球３０の回旋角度の方向に離れた座標として、算出可能である。尚、眼球３０の中心位置から角膜の中心位置までの距離は、予め眼球モデルで与えられる。
【００７３】
このように、図５に示した瞳孔位置算出部１２０の算出処理によって、十分な精度で眼球３０の瞳孔位置を算出できることが検証された。
【００７４】
尚、瞳孔位置検知装置１０では、変化させたアレイ光源４の発光部の位置に基づいて、眼球３０の大きな動き（粗動）を検知し、眼球３０で反射された光の光位置検出素子３への入射位置に基づいて、眼球の小さな動き（微動）を検知することで、眼球３０の瞳孔位置を広範囲かつ高精度に検知してもよい。
【００７５】
＜非回折光生成部の構成等＞
次に、非回折光生成部１の構成について説明する。
【００７６】
アレイ光源４は、ガウス型ビームのレーザ光を射出する。ここで、ガウス型ビームとは、ビーム断面の光強度分布をガウス分布とみなせる光ビームをいう。
【００７７】
ガウス型ビームのビーム径ｗ（ｚ）は、以下の（１）式で表される。
【００７８】
【数１】
2020081449.tif 000003
但し、（１）式において、ｗ０はレーザ光のビームウェスト径を表し、Ｚはビームウェストからの光軸方向の距離を表す。またＺＲは、ビームウェスト径ｗ０とレーザ光の波長λを用いて、次の（２）式で表される変数である。
【００７９】
【数２】
2020081449.tif 000004
（１）式は、ガウス型ビームのレーザ光は、焦点深度が浅く、ビームウエスト（集光位置）からのレーザ光の伝搬距離に応じて、ビーム径が大きくなる特性があることを示している。
【００８０】
図１において、アレイ光源４から射出されたガウス型ビームのレーザ光は、リングスリット５とレンズ６によって、異なる波数ベクトルをもつ円環状の光（以下、リング光という）であるリング光６１ａ及び６１ｂに変換される。そしてリング光６１ａ及び６１ｂが干渉することで非回折光が生成される。図１で、斜線ハッチングで示した非回折光領域７１ａは、生成された非回折光が伝搬する領域を示している。ここで、リング光は、「円環状の光」の一例である。また、「異なる波数ベクトルをもつ円環状の光」は、円環状の収束光、又は発散光等である。
【００８１】
ここで、非回折光は、上述の（１）式の特性を有さず、回折現象に伴ったビーム径の広がりが生じない光である。つまり焦点深度が深く、ビームウエスト（集光位置）からのレーザ光の伝搬距離に応じてビーム径が大きくならない特性を有する光である。
【００８２】
このような非回折光の特性は、以下の［１］〜［３］のように整理することができる。
［１］回折しない。
［２］長距離を伝播することができる。
［３］回折限界を超えた分解能で集光（結像）することができる。
【００８３】
非回折光には、ベッセルビーム、エアリービーム、ウェーバービーム、長距離伝搬非回折ビーム（ＬＲＮＢ；Long Range Nondiffracting Beam）等がある。
【００８４】
尚、完全な非回折光の生成には無限のエネルギーが必要となるため、実際には完全な非回折光を生成することはできず、近似された近似非回折光が生成されることになるが、説明を簡略にするため、以下では、便宜的に近似非回折光のことを非回折光と称する。
【００８５】
図７は、非回折光生成部１の要部の構成の一例を説明する図であり、（ａ）はリングスリット５による光線の振る舞いを説明する図であり、（ｂ）はアレイ状のリングスリット５による光線の振る舞いを説明する図である。
【００８６】
図７（ａ）において、図示を省略するアレイ光源４の１つの発光部から射出された光は、リングスリット５で回折され、レンズ６で偏向（屈折）されて、異なる波数ベクトルをもつリング光に変換される。リング光が非回折光領域７１で重ね合されて干渉することで、非回折光が生成される。生成される非回折光のビームウエスト径や、非回折光領域７１Ａの位置や大きさは、リングスリット５の半径、リングスリット５とレンズ６の距離、及びレンズ６の曲率等により決定される。
【００８７】
図７（ｂ）は、リングスリット５及びレンズ６をそれぞれアレイ状に並べて構成した非回折光生成部１の要部を示している。図示を省略するアレイ光源４の各発光部の配列間隔と、アレイ状のリングスリット５及びアレイ状のレンズ６のそれぞれの配列間隔を一致させることで、非回折光領域７１にアレイ状の非回折光を生成することができる。
【００８８】
図１に戻り、生成された非回折光は、非回折光領域７１ａを伝搬し、眼球３０の角膜表面で反射される。反射された非回折光は、非回折光領域７２ａを伝搬して光位置検出素子３に入射する。入射した光の光位置検出素子３による検出信号に基づき、眼球３０の瞳孔位置が検知される。
【００８９】
本実施形態では、非回折光を眼球３０の角膜表面及び光位置検出素子３の双方に入射させることで、眼球３０の角膜表面上及び光位置検出素子３上の双方でのレーザ光の集光分解能を向上させている。これにより、眼球３０の瞳孔位置の検知精度を向上させることができる。
【００９０】
ここで、比較例として、ガウス型ビームのレーザ光を眼球３０に入射させる場合を考える。眼鏡フレーム２１がずれる等してミラー２から眼球３０までの距離（光路長）が変化すると、入射光は角膜表面上で集光せず（ビームウエストの状態にならず）、角膜表面で異常な反射や散乱を生じさせ、角膜表面での反射光が光位置検出素子３に適切に入射しない場合がある。
【００９１】
尚、異常な反射とは、角膜表面で反射された後、光位置検出素子３に入射する光が大きく広がる発散光になる場合等であり、異常な散乱とは、角膜表面に入射する光が大きく広がり、角膜の縁部で散乱する場合等である。
【００９２】
また、同様に眼鏡フレーム２１がずれる等して眼球３０から光位置検出素子３までの距離が変化した場合にも、光位置検出素子３に入射する光は光位置検出素子３上でビームウエストの状態にならず、入射した光の位置を光位置検出素子３で適切に検出できない場合がある。
【００９３】
これらは眼球３０の瞳孔位置の検知精度低下の要因となる。
【００９４】
これに対し、本実施形態で眼球３０に入射させる非回折光はレーザ光の伝搬距離に応じてビーム径が大きくならない。そのため、眼鏡フレーム２１がずれる等してミラー２から眼球３０までの距離が変化しても、ビームウエストの状態で眼球３０の角膜表面にレーザ光を入射させることができ、入射光を眼球３０の角膜表面で適切に反射させることができる。
【００９５】
また光位置検出素子３に入射させるレーザ光も非回折光である。そのため、眼球３０と瞳孔位置検知装置１０の間隔が変化しても、ビームウエストの状態で光位置検出素子３にレーザ光を入射させることができ、入射光の位置を光位置検出素子３で適切に検出することができる。
【００９６】
このようにして、本実施形態では、非回折光を用いて眼球３０の角膜表面及び光位置検出素子３にビームウエストの状態でレーザ光を入射させることで、眼球３０の角膜表面からの反射光を光位置検出素子３で適切に検出することができる。そして、振動や外的衝撃に対する眼球の瞳孔位置検知のロバスト性を向上させることができる。
【００９７】
尚、非回折光生成部１の構成に自動位置調整手段を追加し、自動焦点調節機能を備えさせてもよい。自動焦点調節機能により、異なる波数ベクトルをもつリング光の伝搬角度を変化させられるため、非回折光の生成位置を調整することができる。そして、眼鏡フレーム２１のずれや、使用者の顔の形状又は眼球３０の形状等の個人差に対する瞳孔位置検知のロバスト性をさらに向上させることができる。
【００９８】
（変形例１）
図８は、本実施形態の変形例１に係る瞳孔位置検知装置１１の構成の一例を示す図である。瞳孔位置検知装置１１では、ミラー２と眼球３０の角膜表面との間の空間範囲に限定して非回折光を生成する。ここで、ミラー２と眼球３０の角膜表面との間の空間範囲とは、眼球角膜表面と入射光の法線上を通り、入射光の光線伝播面と垂直な面を境界面としたときに、光線が眼球角膜に向かって進行してくる領域と定義する。図８において、ミラー２と眼球３０の角膜表面との間の空間範囲は、非回折光領域７２として示している。
【００９９】
瞳孔位置検知装置１１では、空間範囲を限定して生成した非回折光を、眼球３０の角膜表面に入射させる。これにより眼球３０の角膜表面におけるレーザ光の集光分解能を向上させ、眼球３０の瞳孔位置の検知精度を向上させることができる。また眼鏡フレーム２１のずれ等に対する瞳孔位置検知のロバスト性を向上させることができる。
【０１００】
（変形例２）
図９は、本実施形態の変形例２に係る瞳孔位置検知装置１２の構成の一例を示す図である。瞳孔位置検知装置１２では、眼球３０の角膜表面と光位置検出素子３との間の空間範囲に限定して非回折光を生成する。図９において、非回折光領域７３は、非回折光が伝搬する領域を示している。
【０１０１】
ここで、瞳孔位置検知装置１０及び１１において、波数ベクトルが揃った光を眼球３０の角膜表面に入射させても、角膜表面の曲率によって反射光が光位置検出素子３に向けて広がる発散光となり、反射された非回折光の強度が減衰したり、反射後に波数ベクトルが揃わずに非回折光が生成されなかったりする場合がある。
【０１０２】
そこで、瞳孔位置検知装置１２では、角膜表面の曲率を測定する等して予め把握しておき、角膜表面で反射された後に波数ベクトルが揃うような収束光を眼球３０に入射させる。これにより、角膜表面での反射により波数ベクトルが揃ったレーザ光を干渉させて非回折光を生成し、非回折光領域７３を伝搬させて光位置検出素子３に入射させることができる。
【０１０３】
光位置検出素子３に入射する光を非回折光とすることで、上述したように集光分解能を向上させることができ、また眼球の瞳孔位置の検知精度を向上させることができる。また眼鏡フレーム２１のずれ等に対するロバスト性を向上させることができる。
【０１０４】
（変形例３）
図１０は、本実施形態の変形例３に係る瞳孔位置検知装置１３の非回折光生成部１ａの要部の構成の一例を説明する図であり、（ａ）はアキシコンレンズ５ａによる光線の振る舞いを説明する図で、（ｂ）はアレイ状のアキシコンレンズ５ａによる光線の振る舞いを説明する図である。
【０１０５】
尚、アキシコンレンズは、円錐状の表面形状を有するレンズであり、アキシコンレンズ５ａは「円錐レンズ」の一例である。
【０１０６】
図１０（ａ）において、図示を省略するアレイ光源４の１つの発光部から射出された平行光は、アキシコンレンズ５ａで偏向され、異なる波数ベクトルをもつ光に変換される。そしてこれらが非回折光領域７１で重ね合されて干渉することで、ベッセルビーム等の非回折光が生成される。生成される非回折光のビームウエスト径や、非回折光領域７１の位置や大きさは、アキシコンレンズ５ａの曲率や円錐定数等により決定される。
【０１０７】
図７（ｂ）は、アレイ状のアキシコンレンズ５ａをアレイ状に並べて構成した非回折光生成部１ａを示している。図示を省略するアレイ光源４の各発光部の配列間隔と、アレイ状のアキシコンレンズ５ａの配列間隔を一致させることで、アレイ状の非回折光を生成することができる。
【０１０８】
（変形例４）
図１１は、本実施形態の変形例４に係る瞳孔位置検知装置１４の非回折光生成部１ｂの要部の構成の一例を説明する図であり、（ａ）はＤＯＥ（回折光学素子；Diffractive Optical Element）５ｂによる光線の振る舞いを説明する図で、（ｂ）はアレイ状のＤＯＥ５ｂによる光線の振る舞いを説明する図である。尚、ＤＯＥは、平板上に周期構造が形成された光学素子であり、通過する光線を偏向（屈折）させる機能を有する光学素子である。またＤＯＥ５ｂは「回折光学素子」の一例である。
【０１０９】
図１１（ａ）において、図示を省略するアレイ光源４の１つの発光部から射出された平行光は、ＤＯＥ５ｂで偏向され、異なる波数ベクトルをもつ光に変換される。そしてこれらが非回折光領域７１で重ね合されて干渉することで、ベッセルビーム等の非回折光が生成される。生成される非回折光のビームウエスト径や、非回折光領域７１の位置や大きさは、ＤＯＥ５ｂの周期構造の間隔等により決定される。
【０１１０】
図１１（ｂ）は、ＤＯＥ５ｂをアレイ状に並べて構成した非回折光生成部１ｂを示している。図示を省略するアレイ光源４の各発光部の配列間隔と、ＤＯＥ５ｂの配列間隔を一致させることで、アレイ状の非回折光を生成することができる。
【０１１１】
（変形例５）
図１２は、本実施形態の変形例５に係る瞳孔位置検知装置１５の非回折光生成部１ｃの要部の構成の一例を説明する図であり、（ａ）は光軸方向に複数のアキシコンレンズを並べたアキシコンレンズ群５ｃによる光線の振る舞いを説明する図で、（ｂ）はアレイ状のアキシコンレンズ群５ｃによる光線の振る舞いを説明する図である。また（ｃ）はアレイ状のアキシコンレンズ５ｃａと結像プレート５ｃｃによる光線の振る舞いを説明する図で、（ｄ）はアレイ光源４とアキシコンレンズ５ｃａとの間隔を狭めた場合を説明する図である。
【０１１２】
図１２（ａ）において、アキシコンレンズ群５ｃは、凹面を備える凹アキシコンレンズ５ｃａと、２つの凸面を備える両凸アキシコンレンズ５ｃｂとを有する。ここで、アキシコンレンズ群５ｃは「円錐レンズ群」の一例である。
【０１１３】
図示を省略するアレイ光源４の１つの発光部から射出された平行光は、アキシコンレンズ群５ｃで偏向され、異なる波数ベクトルをもつ光に変換される。そしてこれらが非回折光領域７１で重ね合されて干渉することで、ベッセルビーム等の非回折光が生成される。
【０１１４】
尚、アキシコンレンズ群５ｃのうち、凹アキシコンレンズ５ｃａは入射光を広げる（発散させる）ように作用し、両凸アキシコンレンズ５ｃｂは入射光を収束させるように作用する。
【０１１５】
生成される非回折光のビームウエスト径や、非回折光領域７１の位置や大きさは、凹アキシコンレンズ５ｃａ及び両凸アキシコンレンズ５ｃｂの曲率や円錐定数等により決定される。
【０１１６】
図１２（ｂ）は、アキシコンレンズ群５ｃをアレイ状に並べて構成した非回折光生成部１ｃを示している。図示を省略するアレイ光源４の各発光部の配列間隔と、アレイ状のアキシコンレンズ群５ｃの配列間隔を一致させることで、アレイ状の非回折光を生成することができる。
【０１１７】
図１２（ｃ）は、両凸アキシコンレンズ５ｃｂに代えて結像プレート５ｃｃを設けた場合を示している。ここで、結像プレート５ｃｃは、短冊状のマイクロミラーをアレイ状に設けた透明平板を２枚備え、２枚の透明平板を、短冊状のマイクロミラーの長手方向が交差するように張り合わせて構成した光学素子である。
【０１１８】
結像プレート５ｃｃは、入射した光を一方のマイクロミラーで反射した後に、もう一方のマイクロミラーによって再度反射することで、光源と反対側に結像させることができる。
【０１１９】
また直交するマイクロミラーは、結像プレート５ｃｃ内で二次元アレイ状に分布しているため、結像プレート５ｃｃのどの面を利用しても同様の結像性能を得ることができる。このような特性を利用することで、図１２（ｄ）に示すように、入射光の結像プレート５ｃｃでの光線の重複を考慮することなく、アレイ光源４（図示を省略）及びアレイ状のアキシコンレンズ５ｃａの間隔を自由に狭くすることができる。
【０１２０】
（変形例６）
図１３は、本実施形態の変形例６に係る瞳孔位置検知装置１６の非回折光生成部１ｄの要部の構成の一例を説明する図であり、（ａ）は光軸方向に複数のＤＯＥを並べたＤＯＥ群５ｄによる光線の振る舞いを説明する図で、（ｂ）はアレイ状のＤＯＥ群５ｄによる光線の振る舞いを説明する図である。また（ｃ）はアレイ状のＤＯＥ５ｄａと結像プレート５ｄｃによる光線の振る舞いを説明する図で、（ｄ）はアレイ光源４とＤＯＥ５ｄａとの間隔を狭めた場合を説明する図である。
【０１２１】
図１３（ａ）において、ＤＯＥ群５ｄは、凹レンズとして作用するＤＯＥ５ｄａと、両凸レンズとして作用するＤＯＥ５ｄｂとを有する。ここでＤＯＥ群５ｄは「回折光学素子群」の一例である。
【０１２２】
図示を省略するアレイ光源４の１つの発光部から射出された平行光は、ＤＯＥ群５ｄで偏向され、異なる波数ベクトルをもつ光に変換される。そしてこれらが非回折光領域７１で重ね合されて干渉することで、ベッセルビーム等の非回折光が生成される。
【０１２３】
尚、ＤＯＥ群５ｄのうち、ＤＯＥ５ｄａは入射光を広げる（発散させる）ように作用し、ＤＯＥ５ｄｂは入射光を収束させるように作用する。
【０１２４】
生成される非回折光のビームウエスト径や、非回折光領域７１の位置や大きさは、ＤＯＥ５ｄａ及び５ｄｂの曲率や円錐定数等により決定される。
【０１２５】
図１３（ｂ）は、ＤＯＥ群５ｄをアレイ状に並べて構成した非回折光生成部１ｄを示している。図示を省略するアレイ光源４の各発光部の配列間隔と、アレイ状のアキシコンレンズ群５ｃの配列間隔を一致させることで、アレイ状の非回折光を生成することができる。
【０１２６】
図１３（ｃ）は、ＤＯＥ５ｄｂに代えて結像プレート５ｄｃを設けた場合を示している。結像プレート５ｄｃは、入射した光を一方のマイクロミラーで反射した後に、もう一方のマイクロミラーによって再度反射することで、光源と反対側に結像させることができる。
【０１２７】
また直交するマイクロミラーは、結像プレート５ｃｃ内で二次元アレイ状に分布しているため、結像プレート５ｄｃのどの面を利用しても同様の結像性能を得ることができる。このような特性を利用することで、図１３（ｄ）に示すように、入射光の結像プレート５ｄｃでの光線の重複を考慮することなく、アレイ光源４（図示を省略）及びアレイ状のＤＯＥ５ｄａの間隔を自由に狭くすることができる。
【０１２８】
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態に係る眼球の傾き位置検知装置１７を、図１４を参照して説明する。尚、既に説明した実施形態と同一構成部分についての説明は省略する。
【０１２９】
図１４は、本実施形態に係る眼球の傾き位置検知装置１７の構成の一例を示す図である。眼球の傾き位置検知装置１７は、非回折光生成部１と光位置検出素子３とを一体として、眼鏡型支持体２０の眼鏡フレーム２１に備えている。
【０１３０】
非回折光生成部１から射出された非回折光は、レンズ６で偏向（屈折）され、眼球３０に入射する。入射光は眼球３０で反射され、反射光は光位置検出素子３に入射する。
【０１３１】
眼球３０の傾きによって、反射光が光位置検出素子３に入射する位置が変わるため、光位置検出素子３による検出信号を座標情報に変換することで、眼球３０の瞳孔位置を検知することができる。
【０１３２】
このように、非回折光生成部１と光位置検出素子３とを一体化することで、眼球の傾き位置検知装置の構成を簡略化することができる。
【０１３３】
尚、これ以外の効果は、第１の実施形態で説明したものと同様である。
【０１３４】
［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態に係る眼球の傾き位置検知装置１８を、図１５及び１６を参照して説明する。尚、既に説明した実施形態と同一構成部分についての説明は省略する。
【０１３５】
ＶＣＳＥＬは、半導体製造技術により製造されるため、様々な機能を持つ光学素子をＶＣＳＥＬに積層させて形成することができる。そこで、本実施形態では、眼球の傾き位置検知装置の光源に、非回折光を生成するための光学素子を実装したＶＣＳＥＬを用い、非回折光生成部の小型化、薄型化、アライメント精度向上及び光量増大を図っている。
【０１３６】
図１５は、非回折光を生成するための光学素子を実装したＶＣＳＥＬの構成の一例を説明する図であり、（ａ）はＶＣＳＥＬが基板からみて活性層（表面）側にレーザ光を射出する例を説明する図であり、（ｂ）は活性層側に成膜した膜に光学素子を形成した例を説明する図である。また（ｃ）は活性層からみて基板（裏面）側からレーザ光を射出する例を説明する図であり、（ｄ）は基板の裏面側に成膜した膜に光学素子を形成した例を説明する図である。
【０１３７】
図１５（ａ）において、ＶＣＳＥＬ４ａでは、ｎ型半導体基板１５１上に、第１ＤＢＲ（分布ブラッグ反射器：Distributed Bragg Refletor）層１５２、ｎ型スペーサ層１５３、活性層１５４、ｐ型スペーサ層１５５、及び第２ＤＢＲ層１５６が順に形成されている。ここで、第１ＤＢＲ層１５２は高反射率の層であり、第２ＤＢＲ層１５６は低反射率の層である。
【０１３８】
ＶＣＳＥＬ４ａでは、駆動電流の供給により活性層１５４で放出された光が第１ＤＢＲ層１５２と第２ＤＢＲ層１５６との間を往復することで、活性層１５４で誘導放出が生じてレーザ発振し、上部の光射出面から射出される。
【０１３９】
この際、上部の光射出面上に光学素子を形成することによって、レーザ光のビームプロファイルやモードを任意に制御することができる。このような光学素子は、ｐ型のコンタクト電極の成膜にフォトリソグラフィーパターニングを施すことで形成される。或いは、図１５（ｂ）に示すＶＣＳＥＬ４ｂのように、第２ＤＢＲ層上に新たに成膜した遮光膜１５７に、フォトリソグラフィーパターニングを施すことで光学素子を形成してもよい。
【０１４０】
一方、図１５（ｃ）において、ＶＣＳＥＬ４ｃでは、第１ＤＢＲ層１５２が低反射率の層であり、第２ＤＢＲ層１５６が高反射率の層になっており、レーザ光はｎ型半導体基板１５１の下部を光射出面として射出される。
【０１４１】
この際、ｎ型半導体基板１５１の下部の光射出面上に光学素子を形成することによって、レーザ光のビームプロファイルやモードを任意に制御することができる。このような光学素子は、裏面のｎ型のコンタクト電極の成膜にフォトリソグラフィーパターニングを施すことで形成される。或いは、図１５（ｄ）に示すＶＣＳＥＬ４ｄのように、ｎ型半導体基板１５１の裏面側に新たに成膜した遮光膜１５８に、フォトリソグラフィーパターニングを施すことで光学素子を形成してもよい。
【０１４２】
次に図１６は、非回折光を生成するためにＶＣＳＥＬに実装する光学素子の構成の一例を説明する図であり、（ａ）はリングスリット５をＶＣＳＥＬ４の光射出面上に形成した構成の一例を説明する斜視図であり、（ｂ）は断面図であり、（ｃ）はアレイ状のリングスリット５の構成の一例を説明する断面図である。また（ｄ）はＤＯＥ５ｂをＶＣＳＥＬ４の光射出面上に形成した構成の一例を説明する斜視図であり、（ｅ）は断面図であり、（ｆ）はアレイ状のＤＯＥ５ｂの構成の一例を説明する断面図である。
【０１４３】
図１６（ａ）〜（ｃ）に示す構成により、アレイ光源４とリングスリット５を別々の構成にする場合と比較して、光量の増大を図ることができ、アレイ光源４とリングスリット５のアライメント精度を向上させることができる。
【０１４４】
また図１６（ｄ）〜（ｆ）に示す構成により、同様に、アレイ光源４とＤＯＥ５ｂを別々の構成にする場合と比較して、光量の増大を図ることができ、アレイ光源４とＤＯＥ５ｂのアライメント精度を向上させることができる。
【０１４５】
以上説明したように、非回折光を生成するための光学素子を実装したＶＣＳＥＬを用いることで、非回折光生成部及び非回折光生成部を備える眼球の傾き位置検知装置を小型化、及び／又は薄型化することができる。またアレイ光源と光学素子のアライメント精度の向上、及び／又は光量増大を図ることができ、これにより眼球の傾き位置検知装置の検知精度を向上させることができる。
【０１４６】
［第４の実施形態］
次に、第４の実施形態に係る表示装置を、図１７を参照して説明する。尚、既に説明した実施形態と同一構成部分についての説明は省略する。
【０１４７】
本実施形態では、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）を表示装置の一例として説明する。またヘッドマウントディスプレイに、眼球の傾き位置検知装置の一例である瞳孔位置検知装置１０を適用する例を説明する。
【０１４８】
図１７は、本実施形態に係る表示装置５０の構成の一例を示す図である。
【０１４９】
表示装置５０は、ＲＧＢ（Red、Green、Blue）レーザ光源５１と、走査ミラー５２と、ミラー５３と、ハーフミラー５４と、画像生成部５５と、瞳孔位置検知装置１０とを有している。
【０１５０】
ＲＧＢレーザ光源５１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５２は、ＲＧＢレーザ光源５１からの光を二次元的に走査する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、光を走査する反射面を有するものであれば良い。小型化・軽量化の点でＭＥＭＳミラーは有利である。尚、ＭＥＭＳミラーの駆動方式は、静電式、圧電式、電磁式などいずれであっても良い。
【０１５１】
ミラー５３は、走査ミラー５２による走査光を、ハーフミラー５４に向けて反射する。ハーフミラー５４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５４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の近傍に収束させ、網膜３２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３２に投影する。図中破線で示されている光５１ａは、網膜３２上に画像を形成する光を表している。尚、ハーフミラー５４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。
【０１５２】
瞳孔位置検知装置１０は、眼球運動に応じた瞳孔３１の位置を検知し、画像生成部５５に、瞳孔３１の位置を示すフィードバック信号を送信する。
【０１５３】
画像生成部５５は、走査ミラー５２の振れ角制御機能と、ＲＧＢレーザ光源５１の発光制御機能とを有している。また画像生成部５５は、瞳孔位置検知装置１０から瞳孔３１の位置を示すフィードバック信号を受信する。
【０１５４】
画像生成部５５は、瞳孔３１の位置に応じて、走査ミラー５２の振れ角、及びＲＧＢレーザ光源５１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３２上に形成することができる。
【０１５５】
尚、ヘッドマウントディスプレイとしての表示装置５０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であってもよい。また、左右眼用に一対の表示装置５０を設けた両眼式の表示装置としてもよい。
【０１５６】
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。
【０１５７】
例えば、眼球の傾きや瞳孔位置（角膜）の検知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知する際に、本実施形態に係る眼球の傾き位置検知装置が利用可能である。眼球の傾き位置検知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。眼球の傾き位置検知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。
【０１５８】
また瞳孔位置検知装置１０により検知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知装置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。
【０１５９】
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知装置１０〜１６及び眼球の傾き位置検知装置１７〜１８とを比較する。図１８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。
【０１６０】
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３０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アレイ光源４を光源とし、アレイ光源４の発光部の変更により、眼球３０への光の入射角度を変更している。また実施形態では、アレイ光源４と併せて光偏向手段（レンズ、平面ミラー、マイクロレンズアレイ、凹型曲面ミラー、ホログラム回折素子、プリズムアレイ、回折格子等）を用いることで、入射角度の変更の範囲を拡大している。実施形態では、このように眼球３０への光の入射角度を、可動部を用いずに変更するため、可動物を有する構成と比較して、振動や外的衝撃等に強くなる。
【０１６１】
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、２次元のＰＳＤ等の光位置検出素子３を用い、眼球３０による反射光の位置を検出する。ＰＳＤは、光強度に依存せずに入射光を検出できるため、眼球３０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、眼球の傾き位置を高精度に検出できる。
【０１６２】
実施形態では、発光制御部１１０を備え、発光制御部１１０によりアレイ光源４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３０の運動の粗動を捕らえて、光位置検出素子３に眼球３０からの反射光が収まるようにし、かつ光位置検出素子３による位置検出で眼球３０運動の微動を捉えることができる。
【０１６３】
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。そのためアレイ光源４と光位置検出素子３は、必ずしも対称位置になくともよい。実施形態では、光位置検出素子３を、眼球３０の正反射（鏡面反射）角近傍に配置せず、アレイ光源４と同じ側に配置してもよい。
【符号の説明】
【０１６４】
１  非回折光生成部
２  ミラー（眼前光学系の一例）
３  光位置検出素子（光検出素子の一例）
４  アレイ光源（光源の一例）
５  リングスリット
６  レンズ
１０〜１６  瞳孔位置検知装置
１７〜１８  眼球の傾き位置検知装置
２０  眼鏡型支持体
２１  眼鏡フレーム
２２  眼鏡レンズ
３０  眼球
３１  瞳孔
３２  網膜
５０  表示装置
５１  ＲＧＢレーザ光源
５２  走査ミラー
５３  ミラー
５４  ハーフミラー
５５  画像生成部
１００  処理部
１０１  ＣＰＵ
１０２  ＲＯＭ
１０３  ＲＡＭ
１０４  入出力Ｉ／Ｆ
１０５  システムバス
１１０  発光制御部
１２０  瞳孔位置算出部
１２１  検出信号受信部
１２２  眼球回旋角度推定部
１２３  瞳孔中心位置算出部
１３０  出力部
１５１  ｎ型半導体基板
１５２  第１ＤＢＲ層
１５３  ｎ型スペーサ層
１５４  活性層
１５５  ｐ型スペーサ層
１５６  第２ＤＢＲ層
１５７、１５８  遮光膜
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１６５】
【特許文献１】ＵＳ２０１６／０１６６１４６
【非特許文献】
【０１６６】
【非特許文献１】ＩＥＥＥ  ３０ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ）、Ｌａｓ  Ｖｅｇａｓ、２０１７、ｐｐ．３０４−３０７
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年10月30日(2019.10.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８０】
図１において、アレイ光源４から射出されたガウス型ビームのレーザ光は、リングスリット５とレンズ６によって、光伝播方向と平行な断面を見ると２本の平行光であり、異なる波数ベクトルをもつ円環状の光（以下、リング光という）であるリング光６１ａ及び６１ｂに変換される。そしてリング光６１ａ及び６１ｂが干渉することで非回折光が生成される。図１で、斜線ハッチングで示した非回折光領域７１ａは、生成された非回折光が伝搬する領域を示している。ここで、リング光は、「円環状の光」の一例である。また、「異なる波数ベクトルをもつ円環状の光」は、光伝播方向と平行な断面を見ると２本の平行光である円環状の収束光、又は発散光等である。