JP5636587B2 - 両眼広視野映像提示及び視線計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、両眼に対し広視野の映像を提示するとともに、この映像を観察している状態の眼球運動の計測が同時に行える装置に関する。

従来、ＭＲＩ装置（核磁気共鳴画像撮影装置）内において被験者に映像を提示するとともに、被験者の眼球運動（視線の方向）を正面方向から監視し、提示された映像を観察している状態における被験者の脳機能を計測する装置が提案されている。

特許文献１及び特許文献２には、被験者の眼球に略正面方向から入射する光路上にダイクロイックミラーを設置し、このダイクロイックミラーにより反射される光路によりプロジェクタ・スクリーンを光源とする映像を提示し、一方、ダイクロイックミラーを透過する光路により、赤外光のランプにより照明しながら赤外光カメラによる眼球運動の監視を行うようにした装置が記載されている。

特開２００４−１６００８６号公報 特開２００４−０４１４１１号公報

ところで、前述した装置においては、被験者に対して広視野の映像を提示することは困難である。一方、広視野の映像を提示できる装置として、スクリーンや液晶表示デバイスに表示される映像の各点からの光を平行光束として眼球に入射させる映像提示光学系を有する装置が提案されている。この装置においては、両眼に対し両眼視差に対応した差異を有する映像を提示することにより、立体映像を提示することもできる。

しかしながら、被験者の眼前に設置した光学系により広視野の映像提示を行う場合においては、映像提示のための光学系が被験者の眼球前方を覆ってしまうため、眼球運動の計測のために被験者の正面から眼球（瞳孔）を撮影することは極めて困難である。

特に、ＭＲＩ装置内のような狭い空間内においては、映像提示を行う光学系の大きさ及び設置位置が制限されるため、被験者の眼球の撮影は一層困難となる。

そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、例えば、ＭＲＩ装置内のような狭い空間内においても、両眼に対し広視野の映像を提示し、立体映像も提示することができ、かつ、この映像を観察している状態の眼球運動の計測が同時に行える装置を提供することを目的とする。

本発明に係る両眼広視野映像提示及び視線計測装置は、表示映像全域にわたる眼球運動の測定が可能な角度で、被験者の眼球の下瞼側、または、上瞼側から瞳孔を撮影する装置であり、これを実現するための映像提示光学系のＷＤ（Working Distance：瞳孔から最近接レンズまでの距離）及び瞳孔撮影角度のそれぞれを特定したものである。

すなわち、本発明に係る両眼広視野映像提示及び視線計測装置は、上述の課題を解決するため、以下の構成のいずれか一を有するものである。

〔構成１〕
被験者の眼前に設置される右眼用及び左眼用の互いに独立した一対の映像提示光学系と、映像提示光学系により映像を提示されている眼球の瞳孔をこの眼球の下瞼側、または、上瞼側から撮影する撮影光学系とを備え、映像提示光学系の光軸から各映像提示光学系の光軸を通る提示映像の水平方向の端までの距離は、左右の眼幅の半分以下であり、各映像提示光学系のうち最も眼球に近い第１レンズは、映像提示光学系が提示する提示映像における水平方向については、眼球からの該第１レンズの有効径の視角度が、提示映像のアスペクト比によって定まる提示映像における水平視野角以上となっており、被験者が提示映像の水平視野角の限界にまで視線を向けた場合にも、被験者の瞳孔全体に、第１レンズからの光線が入射し、提示映像における垂直方向については、眼球からの該第１レンズの有効径の視角度が、提示映像のアスペクト比によって定まる提示映像における垂直視野角以上となっており、撮影光学系が瞳孔を撮影することができる眼球の正面からの傾き角の最大値以下となる範囲内に配置され、被験者が提示映像の上端及び下端の限界まで視線を向けた場合においても撮影光学系により瞳孔全体が撮影可能となっおり、提示映像全域にわたる眼球運動の測定が可能であることを特徴とするものである。

〔構成２〕
構成１を有する両眼広視野映像提示及び視線計測装置において、提示映像は、垂直視野角が、水平視野角より狭く、第１レンズは、提示映像における垂直方向についての有効径が、提示映像における水平方向についての有効径より小さいことを特徴とするものである。

この場合には、広視野の映像提示と眼球運動の計測との双方を同時に実現するために、要求される画角（水平視野角及びアスペクト比）での映像提示が可能な範囲で光学系の下瞼側、または、上瞼側を切削するものである。

〔構成３〕
構成１、または、構成２を有する両眼広視野映像提示及び視線計測装置において、提示映像は、水平視野角が、１００°以上であることを特徴とするものである。

〔構成４〕
構成１乃至構成３のいずれか一を有する両眼広視野映像提示及び視線計測装置において、ＭＲＩ装置内において用いて、被験者に映像を提示するとともに被験者の眼球運動を監視し、被験者の両眼に対し同一の映像を提示したときの脳機能の計測、被験者の両眼に対し両眼視差に対応した差異を有する映像を提示して立体映像を提示したときの脳機能の計測、または、被験者の両眼に対し全く異なる映像を提示したときの脳機能の計測のいずれをも行うことができることを特徴とするものである。

本発明に係る両眼広視野映像提示及び視線計測装置においては、被験者の眼前に設置される各映像提示光学系の光軸から各映像提示光学系の光軸を通る提示映像の水平方向の端までの距離は、左右の眼幅の半分以下であり、各映像提示光学系のうち最も眼球に近い第１レンズは、映像提示光学系が提示する提示映像における水平方向については、眼球からの該第１レンズの有効径の視角度が、提示映像のアスペクト比によって定まる提示映像における水平視野角以上となっており、被験者が提示映像の水平視野角の限界にまで視線を向けた場合にも、被験者の瞳孔全体に、第１レンズからの光線が入射し、提示映像における垂直方向については、眼球からの該第１レンズの有効径の視角度が、提示映像のアスペクト比によって定まる提示映像における垂直視野角以上となっており、撮影光学系が瞳孔を撮影することができる眼球の正面からの傾き角の最大値以下となる範囲内に配置され、被験者が提示映像の上端及び下端の限界まで視線を向けた場合においても撮影光学系により瞳孔全体が撮影可能となっており、提示映像全域にわたる眼球運動の測定が可能である。

すなわち、本発明は、例えば、ＭＲＩ装置内のような狭い空間内においても、両眼に対し広視野の映像を提示し、立体映像も提示することができ、かつ、この映像を観察している状態の眼球運動の計測が同時に行える装置を提供することができるものである。

本発明に係る両眼広視野映像提示及び視線計測装置の要部の構成を示す側面図である。 本発明に係る両眼広視野映像提示及び視線計測装置の構成を示すブロック図である。 本発明に係る両眼広視野映像提示及び視線計測装置における映像提示光学系の光軸及び眼球回転中心を通る提示映像水平方向の平面における断面図である。 本発明に係る両眼広視野映像提示及び視線計測装置における映像提示光学系の光軸及び眼球回転中心を通る提示映像垂直方向の平面における断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

本発明に係る両眼広視野映像提示及び視線計測装置は、例えば、ＭＲＩ装置内のような狭い空間内においても、両眼に対し広視野の映像を提示し、立体映像も提示することができ、かつ、この映像を観察している状態の眼球運動の計測が同時に行える装置である。

図１は、本発明に係る両眼広視野映像提示及び視線計測装置の要部の構成を示す側面図である。

この両眼広視野映像提示及び視線計測装置は、図１に示すように、スクリーン６や液晶表示デバイスに表示される映像の各点からの光を平行光束として眼球に入射させる映像提示光学系１を有して構成される。この映像提示光学系１は、右眼用の映像提示光学系及び左眼用の映像提示光学系が互いに独立して一対をなして設置されている。

そして、この両眼広視野映像提示及び視線計測装置は、映像提示光学系１により映像を提示されている眼球を、この眼球の下瞼側、または、上瞼側から撮影する撮影光学系２を有している。

この装置は、ＭＲＩ装置内において用いた場合には、被験者に映像を提示するとともに、被験者の眼球運動を監視し、提示された映像を観察している状態における被験者の脳機能を計測することができる。この場合においては、両眼に対し同一の映像を提示したときの脳機能の計測、両眼に対し両眼視差に対応した差異を有する映像を提示して立体映像を提示したときの脳機能の計測、または、両眼に対し全く異なる映像を提示したときの脳機能の計測のいずれをも行うことができる。

図２は、本発明に係る両眼広視野映像提示及び視線計測装置の構成を示すブロック図である。

この両眼広視野映像提示及び視線計測装置は、図２に示すように、提示映像貯蔵部３を有し、この提示映像貯蔵部３は、提示する左右各眼用の映像データを貯蔵している。提示映像貯蔵部３は、映像再生に応じて、順次的に映像データを提示映像再生部４へ転送する。

提示映像再生部４は、提示映像貯蔵部３から読み出された映像データを映像信号として再生し、映像投射部５に送信する。

映像投射部５は、望遠レンズが取り付けられたプロジェクタ２台からなる。提示映像再生部４から受信した映像信号に基づいて、左右各眼用の映像を後述の映像提示光学系スクリーン６上に横に並べて投影する。

映像提示光学系１は、被験者１０１の眼前に設置された一対のレンズ系と、その後方に位置するスクリーン６とからなる。被験者１０１は、レンズ系を介してスクリーン６上の映像を観察する。一対のレンズ系の光軸は互いに平行であり、その距離は、人の平均両眼間距離を基準として、５０ｍｍ乃至７０ｍｍとされている。

撮影光学系２は、望遠レンズが取り付けられたカメラと、撮影位置及び角度を調整するミラー系からなり、被験者の瞳孔を撮影する。撮影光学系２のカメラで撮影された眼球映像信号は、眼球運動解析部７に送信される。

眼球運動解析部７は、撮影光学系２から送られた映像信号を画像処理し、認識された映像中の瞳孔位置変化に基づいて眼球運動を算出し、この算出結果を示す眼球運動データを出力する。この眼球運動データは、眼球運動記録部８に送られる。眼球運動記録部８は、送られた眼球運動データを記録する。

図３は、本発明に係る両眼広視野映像提示及び視線計測装置における映像提示光学系の光軸及び眼球回転中心を通る提示映像水平方向の平面における断面図である。

なお、図２及び下記の図３において、映像提示光学系の光軸は、眼球回転中心を貫く位置関係に配置してある。

左右眼用の一対の映像提示光学系１を互いに横に並べて配置するためには、光軸間距離を左右の眼幅（平均両眼間距離）に保つ必要があり、したがって、映像提示光学系１の光軸から水平端までの距離は、最大でも、左右の眼幅の半分（ｄ／２）以下である必要がある。すなわち、各映像提示光学系１の最大径は、左右の眼幅ｄ以下である。

図３に示すように、仮に映像提示光学系１の系が最大であったとして、被験者１０１が提示映像の水平視野角θxの限界にまで視線を向けた場合に、被験者の瞳孔１０２全体に、各映像提示光学系のうち最も眼球に近い第１レンズ１ａ（最近接レンズ）からの光線が入射するためには、ＷＤが一定の距離以下である必要がある。この条件から、ＷＤの上限値Ｗmaxが特定される。

すなわち、各映像提示光学系１のうち最も眼球に近い第１レンズ１ａは、この映像提示光学系１が提示する提示映像における水平方向については、眼球１０３からの第１レンズ１ａの有効径の視角度αxが、提示映像における水平視野角θx以上となる範囲内に配置されている。なお、第１レンズ１ａの有効径の視角度αxは、瞳孔１０２の外縁を通る線で考える。提示映像の水平視野角は、例えば、１００°以上である。

図４は、本発明に係る両眼広視野映像提示及び視線計測装置における映像提示光学系の光軸及び眼球回転中心を通る提示映像垂直方向の平面における断面図である。

図４に示すように、水平方向の場合と同様に、提示映像のアスペクト比によって定まる垂直視野角にまで被験者１０１が視線を向けた場合を考えることにより、映像提示光学系１の下瞼側、または、上瞼側（この実施の形態においては下瞼側）の切削可能範囲が特定される。

すなわち、提示映像は、垂直視野角θyが水平視野角θxより狭く、第１レンズ１ａは、提示映像における垂直方向についての有効径が、提示映像における水平方向についての有効径より小さくなっている。

一方、被験者が提示映像の上端及び下端の限界まで視線を向けた場合においても瞳孔１０２全体が撮影可能な条件を考えると、これは、映像提示光学系１の下瞼側から瞳孔１０２の上端（または、映像提示光学系１の上瞼側から瞳孔１０２の下端）が撮影可能な場合と一致する。このことから、瞳孔撮影角度（映像提示光学系１の光軸に対する角度）の上限値γmaxが特定される。これは、第１レンズ１ａが最も眼球１０３に近づく条件でもあり、ここから、ＷＤの下限値ＷＤminが特定される。同様にして、図３で求めたＷＤの上限値に対応する瞳孔撮影角度の下限値γminが特定される。

すなわち、各映像提示光学系１のうち最も眼球に近い第１レンズ１ａは、提示映像における垂直方向については、眼球１０３からの第１レンズ１ａの有効径の視角度αyが、提示映像における垂直視野角θy以上となり、かつ、撮影光学系２が瞳孔１０２を撮影することができる眼球の正面からの傾き角の最大値γmax以下となる範囲内に配置されている。

以上により、要求する画角での立体映像提示と映像観察時の視線可動範囲での瞳孔撮影を両立するための必要条件が、ＷＤの範囲ＷＤmin≦ＷＤ≦ＷＤmax及び瞳孔撮影角度の範囲γmin≦γ≦γmaxとして特定された。これら上限値及び下限値とその算出に必要な距離ｌ１からｌ１０及び角度αx，αy，βは以下の各計算式により求まる。

なお、各式中のパラメータの定義は次の通りである。θxは、提示映像の水平視野角、θyは、提示映像の垂直視野角、ｄは、眼幅（両眼間距離）（５０ｍｍ〜７０ｍｍ）、φは、瞳孔径（２ｍｍ〜８ｍｍ）、Ｒは、眼球回転中心（回旋点）と瞳孔１０２との間の距離（９．４ｍｍ：グルストランドの模型眼に基づく）である。

αx＝θx／２
αy＝θy／２
β＝ａtan（（φ／２）／Ｒ）
ｌ１＝Ｒ／cosβ
ｌ２＝ｌ１・sin（αｘ＋β）
ｌ３＝Ｒ−ｌ１・cos（αｘ＋β）
ｌ４＝ｌ２＋ｌ３・tan（αｘ）
ｌ５＝ｌ１・sin（αｙ＋β）
ｌ６＝Ｒ−ｌ１・cos（αｙ＋β）
ｌ７＝（２・ｌ５）・tan（αｙ）／｛tan（９０°−αｙ）−tan（αｙ）｝
ｌ８＝ｌ７・tan（９０°−αｙ）
ｌ９＝ＷＤmax＋ｌ６
ｌ１０＝ｌ５＋ｌ９・cos（αｙ）
ＷＤmin＝ｌ８−ｌ６
ＷＤmax＝（ｄ／２−ｌ４）／tan（αｘ）
γmin＝ａtan（ｌ９／（ｌ５＋ｌ１０））
γmax＝９０°−αｙ

具体的には、水平視野角αx＝１００°、垂直視野角αy＝５６．２５°（アスペクト比１６：９に基づく）、両眼間距離ｄ＝６５ｍｍ、瞳孔径φ＝４ｍｍの場合を考えると、ＷＤ及び瞳孔撮影角度の範囲は、以下の通り算出される。

ＷＤmin＝７．２１９ｍｍ
ＷＤmax＝１５．２６ｍｍ
γmin＝３２．０４°
γmax＝６１．８８°

本発明は、両眼に対し広視野の映像を提示するとともに、この映像を観察している状態の眼球運動の計測が同時に行える装置に適用される。

１ 映像提示光学系
１ａ 第１レンズ
２ 撮影光学系
１０１ 被験者
１０２ 瞳孔
１０３ 眼球

Claims (4)

1. 被験者の眼前に設置される右眼用及び左眼用の互いに独立した一対の映像提示光学系と、
   前記映像提示光学系により映像を提示されている眼球の瞳孔を、この眼球の下瞼側、または、上瞼側から撮影する撮影光学系と
   を備え、
   前記映像提示光学系の光軸から、前記各映像提示光学系の光軸を通る提示映像の水平方向の端までの距離は、左右の眼幅の半分以下であり、
   前記各映像提示光学系のうち最も眼球に近い第１レンズは、
   前記映像提示光学系が提示する提示映像における水平方向については、前記眼球からの該第１レンズの有効径の視角度が、前記提示映像のアスペクト比によって定まる前記提示映像における水平視野角以上となっており、被験者が提示映像の水平視野角の限界にまで視線を向けた場合にも、被験者の瞳孔全体に、第１レンズからの光線が入射し、
   前記提示映像における垂直方向については、前記眼球からの該第１レンズの有効径の視角度が、前記提示映像のアスペクト比によって定まる前記提示映像における垂直視野角以上となっており、
   前記撮影光学系が前記瞳孔を撮影することができる前記眼球の正面からの傾き角の最大値以下となる範囲内に配置され、被験者が前記提示映像の上端及び下端の限界まで視線を向けた場合においても前記撮影光学系により瞳孔全体が撮影可能となっており、前記提示映像全域にわたる眼球運動の測定が可能である
   ことを特徴とする両眼広視野映像提示及び視線計測装置。
2. 前記提示映像は、垂直視野角が、水平視野角より狭く、
   前記第１レンズは、前記提示映像における垂直方向についての有効径が、前記提示映像における水平方向についての有効径より小さい
   ことを特徴とする請求項１記載の両眼広視野映像提示及び視線計測装置。
3. 前記提示映像は、水平視野角が、１００°以上である
   ことを特徴とする請求項１、または、請求項２記載の両眼広視野映像提示及び視線計測装置。
4. ＭＲＩ装置内において用いて、被験者に映像を提示するとともに前記被験者の眼球運動を監視し、前記被験者の両眼に対し同一の映像を提示したときの脳機能の計測、前記被験者の両眼に対し両眼視差に対応した差異を有する映像を提示して立体映像を提示したときの脳機能の計測、または、前記被験者の両眼に対し全く異なる映像を提示したときの脳機能の計測のいずれをも行うことができる
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の両眼広視野映像提示及び視線計測装置。

Images