(57)【要約】【課題】色素増感素子光センサを用いた瞳検出方法、瞳位置検出装置及び透過型視線検出装置を用いた瞳検出方法、瞳位置検出装置及び透過型視線検出装置において、透過する光の透過度を向上させる。【解決手段】色素増感素子光センサを構成する遷移エネルギーの大きい金属酸化物半導体膜をこの金属酸化物半導体膜を形成する基板上に形成した透明電極に対して垂直方向に伸びた柱状構造とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験者の眼の直前に透明な透過型の光センサアレイとして色素増感素子を配置し、該色素増感素子により、眼球の反射光を検出して、反射光が小さいことから瞳を検出することを特徴とする瞳検出方法、および、被験者の眼の直前に配置される透明な色素増感素子光センサアレイと、該色素増感素子光センサアレイにより検出される眼球の反射光が小さいことから瞳位置を検出する手段と、を備えた瞳位置検出装置、および、眼鏡のレンズ上に配置された透明な透過型の色素増感素子アレイと、眼鏡に配設された視界撮影用のカメラと、前記色素増感素子アレイにより検出される反射光が小さいことから瞳位置を検出する手段と、検出された瞳位置と前記カメラによる視界の映像から視線を検出する手段と、を備えた透過型視線検出装置において、
前記色素増感素子を構成する遷移エネルギーの大きい金属酸化物半導体膜がこの金属酸化物半導体膜を形成する基板上に形成した透明電極に対して垂直方向に伸びた柱状構造となっていることを特徴とする瞳位置検出装置。
【請求項２】
前記金属酸化物半導体膜が物理的蒸着法であるスパッタ法により形成されたことを特徴とする請求項１に記載の瞳位置検出装置。
【請求項３】
前記金属酸化物半導体膜の原子組成比の２０％以上がチタンで、４０％以上が酸素で構成されることを特徴とする請求項１に記載の瞳位置検出装置。
【請求項４】
前記色素増感素子アレイを構成する遷移エネルギーの大きい金属酸化物半導体膜がこの金属酸化物半導体膜を形成する基板がガラス基板であり、スパッタ法により形成された遷移エネルギーの大きい金属酸化物半導体膜が、スパッタガス圧０．５Ｐａ以上５Ｐａ未満で、かつ、成膜するガラス基板温度が８００℃以下で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の瞳位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、瞳検出方法、瞳位置検出装置及び透過型視線検出装置に関し、特に、被験者の視界を遮ることなく瞳を検出可能な瞳検出方法、これを利用した瞳位置検出装置及び透過型視線検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
視線検出は被験者の視線の動きを検知して、その視線方向データを用いて、被験者の動作の補助、コンピュータやロボットと被験者とのインターフェイスとして用いられるものである。例えば、特許文献１記載のように赤外線を瞳に照射させ撮影し、眼球における角膜の位置より視線を検出するようなものがある。しかしながら、このような装置による視線検出は測定開始毎にキャリブレーション作業が必要となり、被験者の動きを拘束しなければ視線検出が困難になるといった問題点があった。この問題点を解決した視線検出手法が特許文献２に記載されているような瞳検出方法、瞳位置検出装置及び透過型視線検出装置がある。
この瞳位置検出装置は、図３（Ａ）に示すように、被験者１０の眼１２の直前に配置される、眼鏡２０のレンズ上に配置された透明な光センサアレイ２２と、該光センサアレイ２２により検出される眼球における黒目（瞳）１４の反射光が白目１６の反射光より小さいことから瞳位置を検出する瞳位置検出回路４０とを備えている。
また、この光センサアレイ２２は照射される光に応じて電圧を出力する色素増感素子を用い、これを眼鏡２０の上にアレイ状に配列されており、被験者１０の眼の直前に配置される透明な光センサアレイと、該光センサアレイにより検出される眼球の反射光が小さいことから瞳位置を検出する手段を備えている。従って、瞳１４の上部にある素子は反射光が小さく、それ故、出力も小さい。一方、白目１６の上部にある素子の出力は大きい。従って、光センサアレイの出力により、瞳の位置を検出して、眼球運動を検出することができる。
よって、透過型視線検出装置としては図３（Ｂ）に示すように、瞳の動きと眼鏡２０に取付けた小型カメラ５０による視界の映像を表示する視界映像表示装置５２と、前記瞳位置検出回路４０で検出された瞳位置と前記視界映像表示装置５２に表示される視界の映像から視線を検出する視線検出回路５４映像から視線を検出できる。
このように、例えば眼鏡のレンズ上に光センサアレイを配置することによって、眼鏡のように装着可能で、被験者への負担を小さくすることができ、被験者の行動を妨げたり、視線を遮ったり、心理的な圧迫を与えることなく被験者の視線を検出できる。
【特許文献１】特開２００７−１３６０００号公報（第７〜８頁、第１〜３図）
【特許文献２】特開２００７−１９５７７５号公報（第３頁、第１〜３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記光センサアレイの各素子としては、前述のとおり照射される光に応じて電圧を出力する色素増感素子を用いるが、この色素増感素子は、図２に示すように、酸化チタン等の遷移エネルギーの大きい金属酸化物半導体の多孔質膜２８ａを透明導電性ガラス基板２６ 上に成膜し、この多孔質膜２８ａに色素３０を吸着させた半導体電極２４と、もう一つの電極（ 対向電極と称する）３４を対向して貼り合わせ、その間にヨウ素を含む電解質溶液（電解液とも称する）３６を封入した構造になっている。図において、３２はＩＴＯ膜からなる透明電極である。この色素増感素子の酸化チタンを成膜した半導体電極２４側に光を照射すると、色素３０内の電子が励起され電子を放出する。この電子は、色素３０から半導体多孔質膜２８ａに移動し、半導体多孔質膜２８ａが電子を透明電極３２へ伝導する。半導体電極２４から対向電極３４側に移動した電子は、電解質溶液３６内に放出され、電解質溶液は酸化反応を起こす。色素３０は電解質溶液３６の還元反応によって電子を得て、基底状態に戻る。これを繰り返すことで発電する。半導体多孔質膜２８ａ表面に色素３０を修飾するのは、主に紫外域しか吸収できない半導体多孔質膜２８ａの代わりに、可視光をほぼ全域吸収できる色素３０に電子の励起を行なわせることによって、光に対する応答波長領域を拡大するためである。更に、半導体多孔質膜２８ａは数十ｎｍサイズの粒子の凝集集合体にし、その表面を色素３０で覆う形状にすることで、半導体電極２４の表面積が大きくなり、光吸収によるフォトンの生成量を増やすことができる。このために金属酸化物半導体の多孔質膜として透明導電性ガラス基板上にゾルゲル法などの湿式法により成膜することが一般的である。このようにして効率を上げた湿式の光電池が、色素増感素子である。この色素増感素子では、照射光強度に比例して電圧値が変化する。なお、この際使用される代表的な半導体多孔質膜２８ａの構成物質はアナターゼ型二酸化チタンである。
しかしながらこの遷移エネルギーの大きい金属酸化物半導体である酸化チタン等で形成された多孔質膜はその一次構造として数十ｎｍの粒径を持つ粉末であるため、この多孔質膜は光に対する反射係数が大きく、色素増感能を大きくするため孔径を大きくしたり膜内における孔の比率を大きくすると光が透過する際に乱反射を起こし可視光域の透明度が下がるという問題があった。また、多孔質膜への色素の吸着量が制御できず多くなることによる透明度低下、さらには、多孔質膜を構成する粉末が点接触のため、透明電極への電子の移動効率が悪く光−電圧出力値も小さいという問題点もある。
【０００４】
本発明はこのような問題点を鑑みてなされたものであり、色素増感素子光センサアレイを透過する光の透過度を向上し、出力を向上させた瞳検出方法、瞳位置検出装置及び透過型視線検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１記載の発明は、被験者の眼の直前に透明な透過型の光センサアレイとして色素増感素子を配置し、該色素増感素子により、眼球の反射光を検出して、反射光が小さいことから瞳を検出することを特徴とする瞳検出方法、および、被験者の眼の直前に配置される透明な色素増感素子光センサアレイと、該色素増感素子光センサアレイにより検出される眼球の反射光が小さいことから瞳位置を検出する手段と、を備えた瞳位置検出装置、および、眼鏡のレンズ上に配置された透明な透過型の色素増感素子アレイと、眼鏡に配設された視界撮影用のカメラと、前記色素増感素子アレイにより検出される反射光が小さいことから瞳位置を検出する手段と、検出された瞳位置と前記カメラによる視界の映像から視線を検出する手段と、を備えた透過型視線検出装置において、前記色素増感素子を構成する遷移エネルギーの大きい金属酸化物半導体膜がこの金属酸化物半導体膜を形成する基板上に形成した透明電極に対して垂直方向に伸びた柱状構造としたものである。
請求項２記載の発明は、前記柱状構造となった遷移エネルギーの大きい金属酸化物半導体膜が物理的蒸着法であるスパッタ法により形成するものである。
請求項３記載の発明は、遷移エネルギーの大きい金属酸化物半導体膜の原子組成比の２０％以上がチタンで、４０％以上が酸素で構成されることを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、前記色素増感素子アレイを構成する遷移エネルギーの大きい金属酸化物半導体膜がこの金属酸化物半導体膜を形成する基板がガラス基板であり、スパッタ法により形成された遷移エネルギーの大きい金属酸化物半導体膜が、スパッタ条件（１）スパッタガス圧０．５Ｐａ以上５Ｐａ未満で、かつ、（２）成膜するガラス基板温度が８００℃以下で形成されたことを特徴としたものである。
【発明の効果】
【０００６】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１の発明によると、色素増感素子を構成する遷移エネルギーの大きい金属酸化物半導体膜が柱状構造なので、金属酸化物半導体膜に効率よくかつ可視光線を阻止しないレベルで色素が吸着でき、透明電極への電子の移動効率も高く、かつ、透過光がほとんど散乱されることなく透過するため、被験者の視界を遮ることなく瞳を検出可能な瞳検出方法、瞳位置検出装置及び透過型視線検出装置が実現できる。
また、請求項２の発明によると、遷移エネルギーの大きい金属酸化物半導体膜が容易に柱状構造を形成することができ、かつ量産可能となり、また効率よく、かつ、可視光線を阻害しないレベルで色素が吸着でき、透過光がほとんど散乱されることなく透過する色素増感素子光センサアレイを有する、瞳検出方法、瞳位置検出装置及び透過型視線検出装置が実現できる。
また、請求項３の発明によると、効率よく色素が吸着でき、かつ、透過光がほとんど散乱されることなく透過する色素増感素子光センサアレイが光−出力変換効率が高いためノイズに強く再現性の高い、瞳検出方法、瞳位置検出装置及び透過型視線検出装置が実現できる。
また、請求項４の発明によると、制御性よく、効率よく色素が吸着でき、かつ、透過光がほとんど散乱されることなく透過する色素増感素子光センサアレイを有する、瞳検出方法、瞳位置検出装置及び透過型視線検出装置が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施形態につき図面を示して説明する。
【実施例】
【０００８】
図１は図３に示される本発明の瞳検出方法、瞳位置検出装置及び透過型視線検出装置の一部である光センサアレイ２２として使用する色素増感型素子の断面図である。
【０００９】
前記光センサアレイ２２の各素子としては、照射される光に応じて電圧を出力する色素増感素子を用いるが、この色素増感素子は、酸化チタンのように遷移エネルギーの大きい金属酸化物半導体の柱状構造膜２８ｂを透明導電性ガラス基板２６上に物理的蒸着法であるスパッタ法にて成膜したものである。なお、スパッタ法は物理蒸着法の一種で広く利用されるため詳細は述べないが、成膜の際にプラズマが発生するようにガスを導入する。このガス圧力のことをスパッタガス圧という。また、スパッタ法における成膜の際、膜をつける基板（本発明例においてはガラス基板）の温度を変化させることにより膜の特性が大きく変化する。従って、基板温度が重要なパラメータとなる。上記柱状構造膜２８ｂに色素３０を吸着させた半導体電極２４と、もう一つの電極（対向電極と称する）３４を対向して貼り合わせ、その間に例えばヨウ素を含む電解質溶液（電解液とも称する）３６を封入した構造になっている。
【００１０】
上記、スパッタ法で成膜する際には、スパッタガス圧を０．１、０．５、１、３、４、５Ｐａ、基板温度を非加熱、２００、４００、６００、８００、１０００℃にして成膜した。この際、作製された膜のチタンと酸素の組成比が原子組成比でほぼ２：１となるように調整した。
【００１１】
このようにして作製した色素増感型光センサアレイ２２を光を照射した際の照射光と透過光の比を光センサの透過度として評価した。また、光を照射した際の光に応じた出力を光−電圧変換値として評価した。さらに、図３（Ａ）に示すように色素増感素子光センサを眼鏡２０の上にアレイ状に配置し、光検出素子として、白目１６と黒目１ ４に反射した光の違いを光の強度の差を出力電圧の差として読み取ることによって、瞳位置検出能を評価した。
なお、比較のために柱状構造膜の形成に従来の湿式法、パルスレーザデポジション法、エアロゾルデポジション法を用いたもので成膜した色素増感型素子を作製した。
【００１２】
本発明によると光センサの透過度は従来の湿式法で作製した光センサに比べてスパッタガス圧０．５〜４Ｐａでかつ基板温度が非加熱から８００℃の範囲で１．５倍以上大きくなり、装着した際にも被験者は前面風景の濁りを感じることがなくなった。
また、光―電圧変換値は従来例の１．２倍程度と向上した。一方，比較例として膜をパルスレーザデポジション法あるいはエアロゾルデポジション法により成膜して構成した光センサの場合は、本発明例および従来例に比べ透過度は１．５倍以上大きくなったが、光−電圧変換値が１０分の１以下となった。なお、本発明例においてもスパッタガス圧を５Ｐａおよび基板非加熱あるいは１０００℃ではパルスレーザデポジション法やエアロゾルデポジション法で成膜した際と同様、光―電圧変換値が低下した。これら、光−電圧変換値の低下は膜が柱状構造ではなく平坦な構造となっており、色素が膜表面の吸着しかなく、内部に達していないためである。
【００１３】
また、スパッタガス圧力が５Ｐａで基板加熱温度が８００℃以下あるいはスパッタガス圧０．５〜４Ｐａで基板温度が１０００℃の場合には光−電圧変換値も実施例に比べ低下する上、白目と黒目との差分電圧すなわち瞳位置検出能が従来例の半分以下となった。これは膜の構造が粒状になっており、膜内部のへの色素浸透が十分でないためである。
なお、以上の実施例では遷移エネルギーの大きい金属酸化物半導体の柱状構造膜２８ｂとしてチタンと酸素の組成比が原子組成比でほぼ２：１となるように調整した場合で説明したが、酸素の多少の過不足による組成変動では光センサとしての機能を損なうことはない。また、酸素の一部を窒素、炭素あるいは水素で置換した組成でも同様な機能を得ることができる。特に一部を窒素にすることは主に紫外域しか吸収できない二酸化チタンが可視光域も吸収できるようになり、可視光領域での光センサ機能が向上するため好ましい。また、チタンの一部を鉄、クロム、ニッケル、コバルトで置換した組成でも光センサとしての機能を損なうことはない。ただし、全体の組成比に対して原子組成比のチタンが２０％未満で、酸素が４０％未満となると光センサとしての機能を得ることができなくなる。
【００１４】
以上、本発明の色素増感型素子により構成した光センサアレイによる瞳検出方法を図３（Ａ）に示すように、被験者１０の眼１２の直前に配置される、眼鏡２０のレンズ上に配置された透明な光センサアレイ２２ と、該光センサアレイ２２により検出される眼球における黒目 （瞳）１４の反射光が白目１６の反射光より小さいことから瞳位置を検出する瞳位置検出回路４０とにより構成することにより、従来より、被験者の視線をほとんど遮ることなく瞳位置を検出できる瞳位置検出装置ができた。また、図３（Ｂ）により示されるような、前記瞳位置検出装置に、更に、眼鏡２０上に視界撮影用のカメラ５０を配設し、該カメラ５０による視界の映像を表示する視界映像表示装置５２と、前記瞳位置検出回路４０で検出された瞳位置と前記視界映像表示装置５２ に表示される視界の映像から視線を検出する視線検出回路５４ とを備えた透過型視線位置検出を構成したところ、光センサアレイの透過度が向上したため、被験者の視線をほとんど遮ることなく被験者の視線を検出できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明で用いられている色素増感素子の構成を示す断面図
【図２】従来例で用いられている色素増感素子の構成を示す断面図
【図３】本発明および従来例における（Ａ）瞳位置検出装置及び（Ｂ）透過型視線検出装置の実施形態を示す、一部ブロック図を含む（Ａ）正面図又は（Ｂ）平面図
【符号の説明】
【００１６】
１０  被験者
１２  眼
１４  黒目（瞳）
１６  白目
２０  眼鏡
２２  光センサアレイ
２４  半導体電極
２６  透明導電性ガラス基板
２８ａ  （遷移エネルギーの大きい金属酸化物半導体）半導体柱状構造膜
２８ｂ  （遷移エネルギーの大きい金属酸化物半導体）半導体多孔質膜
３０  色素
３２  透明電極
３４  対向電極
３６  電解質
４０  瞳位置検出回路
５０  カメラ
５２  視界映像表示装置
５４  視線検出回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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