JPH0928727A - 視力補正装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 視線方向によらず焦点調節が可能な範囲を広
げることができる視力補正装置を提供すること。 【構成】 焦点距離や位置などの光学的条件を変化させ
ることのできる可変焦点レンズ１５０と、視線方向を検
知する視線方向検知部１１０と、視線方向に存在する視
対象物と眼球との距離を計測する視対象物距離計測部１
２０と、前記視対象物の距離と、予め計測した眼球の光
学的特性とから視対象物の実像を網膜上に結像させるた
めに必要なレンズの光学的条件を演算する光学的条件演
算部１４０を備え、前記演算結果をもとにレンズの光学
的条件を変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、焦点調節が可能な範囲
を広げることができる視力補正装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】日本人には近視が多い。若年齢者の半分
以上が視力１．０以下であり、かつ近視者の人口に対す
る割合は年々増加している。近視とは、眼球の奥行き方
向の長さ（眼軸長）が大きくなったり、水晶体の曲率が
小さくならなくなったりして生じる現象であり、視対象
物に対して焦点調節できる最大距離（遠点）および最小
距離（近点）がともに近づくことである。このため、眼
鏡もしくはコンタクトレンズなどの凹レンズを眼球光学
系前面に配置もしくは装着することにより、焦点調節で
きる距離範囲を遠ざける視力補正手段が、近視者の日常
生活および作業において不可欠である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこれら近
視者が老齢になると、焦点調節できる範囲が狭くなる。
このため、視対象物の距離に応じて、その距離に焦点調
節できるような視力補正の度合の異なる眼鏡もしくはコ
ンタクトレンズなどの装置を取り替える必要がある。

【０００４】このように近視者が老齢になった場合、複
数の視力補正装置を所持する必要がある。視力補正が必
要な度合は個人によって異なるため、費用も大きく、維
持管理する手間がかかり、そして目的に応じて取り替え
る煩わしさがある。

【０００５】この問題に対して、一部の眼鏡では焦点距
離が位置によって異なるレンズ（多焦点レンズ）が採用
され実用化されている。しかし、このレンズを用いる
と、ある視線方向に対して焦点調節できる視対象物との
距離が固定されるという問題があり、自由に視線を巡ら
した鑑賞が困難である。

【０００６】上記の事情は、老齢となった近視者だけで
なく、生来、焦点調節範囲の狭い特性を有する者、また
白内障治療のため水晶体を除去した後に焦点調節範囲が
狭くなった者にとっても同様である。

【０００７】本発明は、視線方向によらず焦点調節が可
能な範囲を広げることができる視力補正装置を提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第１の発明（請求項１）
は、焦点距離や位置などの光学的条件を変化させること
のできるレンズと、視線方向を検知する手段と、前記視
線方向に存在する視対象物と眼球との距離を計測する手
段と、前記視対象物の距離と、予め計測した眼球の光学
的特性とから視対象物の実像を網膜上に結像させるため
に必要なレンズの光学的条件を演算する手段を備え、前
記演算結果をもとにレンズの光学的条件を変化させる構
成である。

【０００９】また、第２の発明（請求項２）は、視線方
向を検知する手段と、前記視線方向にある視対象物に対
する画像を撮像する手段と、前記撮像された画像を表示
する手段と、前記表示された画像の実像を網膜上に結像
させる手段を備える構成である。

【００１０】

【作用】第１の発明の作用は、視線方向を検知すること
により視線方向に存在する視対象物を特定し、その視対
象物と眼球との距離を計測する。計測した距離と、予め
計測した眼球の光学的特性とから、光学的演算により視
対象物の実像を網膜上に明瞭に形成するような視力補正
の条件を見いだす。この条件に合うように、レンズの光
学的条件を変化させることである。

【００１１】第２の発明の作用は、視線方向に存在する
視対象物を一旦撮像したものを表示し、その視対象物の
画像を網膜上に結像させることである。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の第１の実施例について図面を
参照して説明する。図１は、本発明の視力補正装置にか
かる第１の実施例のブロック構成図である。

【００１３】図１において、１は眼球、２は視対象物、
１１０は視線方向検知部、１２０は視対象物距離計測
部、１３０は光学的特性記憶部、１４０は光学的条件演
算部、１５０は可変焦点レンズである。

【００１４】視線方向検知部１１０の構成例を図２に示
す。図２において、３は角膜、１１１は赤外線光源、１
１２は二次元イメージセンサである。赤外線光源１１１
から放射した赤外線ａは、角膜３により反射された赤外
線ｂとなり、イメージセンサ１１２に入射する。眼球１
が回転すると、角膜３の空間的位置が変化し、それによ
って、二次元イメージセンサ１１２が赤外線ｂを受光す
る位置が異なる。すなわち二次元イメージセンサ１１２
の出力信号強度分布と、眼球１の向きとは対応関係にあ
る。この対応関係をもとに眼球１の向き、すなわち視線
方向を推定することができる。

【００１５】視対象物距離計測部１２０の構成例を図３
に示す。図３において、１２１は超音波源、１２２は回
転台、１２３は超音波源制御部、１２４は集音部、１２
５は視対象物距離演算部である。超音波源１２１を、回
転台１２２に設置する。回転台１２２は駆動部を備える
ものとし、視線方向検知部１１０からの信号によって前
記駆動部を制御することにより、超音波源１２１からの
超音波放射方向を視線方向と一致させる。超音波源制御
部１２３では、たとえば超音波を間欠的に放射させるた
めの制御信号ｓ１を出力する。超音波源１２１は制御信
号ｓ１の期間内のみ超音波ｕ１を放射する。集音部１２
４では、前記放射された超音波ｕ１が視対象物２によっ
て反射された超音波ｕ２を集音し、その集音した時間を
表す計測信号ｓ２を出力する。これらの信号のタイムチ
ャートを図４に示す。視対象物距離演算部１２５では、
前記制御信号ｓ１と計測信号ｓ２の時間差と音速とを乗
じることにより、視対象物２の距離を演算する。

【００１６】光学的特性記憶部１３０では、網膜の結像
関係に影響する眼球の光学的諸特性を記憶する。眼球は
角膜、水晶体および硝子体から構成される組合せレンズ
である。したがって、厳密にいえば、結像光学系として
完全に記述するには、一対の焦点、主点および結節点の
位置を知る必要がある。本実施例の説明では、以下の説
明を簡単にするため眼球を１枚の薄いレンズと考える。
すなわち、図５に示すように眼球において、眼軸長Ｄ、
焦点距離ｆｅ、主点ｐｅ（眼球奥行き方向にある）の位
置ｄに着目する。眼球内にある水晶体の伸縮により焦点
調節作用がはたらいたときは、主として焦点距離ｆｅが
変化する。老齢になると、この焦点距離の変化幅が小さ
くなる。なお焦点調節によって主点の位置ｄも若干変化
するが、眼軸長は変化しない。これらの物理量を既存の
眼光学検査機器を用いて予め計測しておき、光学的特性
記憶部１３０に記憶しておく。

【００１７】次に光学的条件演算部１４０における演算
を図６に基づいて説明する。図６において、可変焦点レ
ンズ１５０を１枚の薄いレンズと想定し、焦点距離をｆ
ｘとする。可変焦点レンズ１５０を眼球１に対してδの
距離に設置すると、可変焦点レンズ１５０の主点ｐｘと
眼球ｐｅの主点とは距離ε＝δ＋ｄだけ離れている。距
離εが十分に小さい場合は、２枚のレンズで合成された
レンズの焦点距離ｆｃは、下記の（１）式で表される。

【００１８】 ｆｃ＝ｆｘ・ｆｅ／（ｆｘ＋ｆｅ） ・・・・・ （１） 上記の条件では主点ｐｘおよびｐｅは一致する。眼軸長
Ｄが主点ｐｅの距離ｄに比べて十分小さいとし、視対象
物が眼球１に対して距離Ｌにあるとき、その実像を網膜
上に結像させるには、 （１／Ｌ）＋（１／Ｄ）＝１／ｆｃ ・・・・・ （２） を満足させるようにｆｃを決める。たとえば、遠点が
Ｌ’の眼球の焦点距離は下記の（３）式のとおりであ
る。

【００１９】 ｆｅ＝Ｌ’・Ｄ／（Ｌ’＋Ｄ） ・・・・・ （３） この眼球に対して、Ｌ＝（無限大）の視対象物の実像を
網膜に結像させるため、光学的条件演算部１４０では、
上記（１）、（２）および（３）式を満足するようなｆ
ｘの値を演算する。以上、説明を簡単にするため、眼球
１および可変焦点レンズ１５０を薄いレンズを仮定し、
それらの距離も小さいとした。複数枚の厚いレンズを十
分な距離に離した場合の演算結果が必要であっても、よ
く知られたる結像系の公式（例えば、久保田広ほか編、
光学技術ハンドブック、朝倉書店、昭和４３年刊参照）
によって演算可能である。

【００２０】可変焦点レンズ１５０のブロック構成図を
図７に示す。１５１はレンズ群、１５２レンズ群駆動部
である。レンズ群１５１は、いわゆるズームレンズと称
されるように、レンズ群の全体もしくは一部を移動させ
ることにより、レンズ１５０の焦点距離を変化させるこ
とのできる構成とする。レンズ群駆動部１５２は、光学
的条件演算部１４０からの出力信号をもとに、レンズ１
５０の焦点距離を変化させるための機械的移動を行な
う。

【００２１】次に、本実施例の動作を図１をもとに説明
する。視線方向検知部１１０によって眼球１の向きを計
測することによって得られた視線方向に対応する信号を
もとに、その視線方向に存在する視対象物と眼球との距
離を視対象物距離計測部１２０により計測する。視対象
物距離計測部１２０から出力された視対象物距離Ｌに対
応する信号と、光学的特性記憶部１３０から出力された
光学的演算に必要な情報に対応する信号とをもとに、光
学的条件演算部１４０に入力する。光学的条件演算部１
４０では、視対象物の実像を網膜上に結像させるために
必要な可変焦点レンズ１５０の焦点距離ｆｘを演算す
る。光学的条件演算部１４０から出力された焦点距離ｆ
ｘに対応する信号をもとに可変焦点レンズ１５０の焦点
距離を変化させる。このように構成することにより、視
線方向に存在する視対象物の実像を常に網膜上に結像さ
せることができる。

【００２２】以下、本発明の第２の実施例について図面
を参照して説明する。図８は、本発明の視力補正装置に
かかる第２の実施例のブロック構成図である。

【００２３】図８において、１１０は視線方向検知部、
１２０は視対象物距離計測部、２１０は撮像部、２２０
は表示部である。視線方向検知部１１０および視対象物
距離計測部１２０は、第１の実施例と同じ構成および動
作であるため、詳細な説明は省略する。

【００２４】撮像部２１０の構成例を図９に示す。図９
において、２１１は撮像素子、２１２は撮像光学系、２
１３は光学系焦点調節部、２１４は映像信号出力部であ
る。撮像素子２１１および撮像光学系２１２は、視線方
向を含む視野の広い範囲にわたって撮像するよう配置す
る。任意の距離に存在する視対象物２の実像を撮像素子
２１１に結像するため、視対象物距離計測部１２０から
の信号をもとに光学系焦点調節部２１３によって撮像光
学系２１２の焦点調節を行なう。映像信号出力部２１４
は、撮像素子２１１からの出力信号を映像信号に変換す
る。映像信号の一例を図１０に示す。図１０ａは位置Ａ
の視対象物に視線が向いている場合であり、図１０ｂは
位置Ｂの視対象物に視線が向いている場合である。いず
れの場合においても、視野は同じで、視線が向いている
方向に存在する視対象物に対して明瞭な画像となる。

【００２５】なお、視対象物距離計測部１２０のかわり
に、図１１に示す第３の実施例のようにしてもよい。図
１１において、２１５は焦点調節量演算部であり、視線
方向検知部１１０からの信号と映像信号出力部２１４か
ら分岐した信号とを入力し、視線方向に対応する画像の
位置におけるボケ量を極小にするためのカメラ光学系２
１２の制御信号を出力するものである。

【００２６】表示部２２０の構成例を図１２に示す。２
２１は表示素子駆動部、２２２は表示素子、２２３は補
正レンズ系である。表示素子駆動部２２１は映像信号を
入力し、それをもとに表示素子２２２を駆動する。

【００２７】補正レンズ系２２３は、表示素子２２２に
表示された画像の実像を網膜上に結像するために配置す
る。図１２に示すように、表示素子２２２と補正レンズ
系２２３との距離をＥ、眼軸長をＤとする。以下、説明
のため、眼球１の光学系および補正レンズ系２２３の光
学系をいずれも薄いレンズと仮定し、かつ両者が十分近
くにあると仮定すると、表示素子２２２の画像が網膜上
に結像するには、下記の（４）式を満足すればよい。

【００２８】 （１／Ｅ）＋（１／Ｄ）＝（１／ｆｅ）＋（１／ｆｙ） ・・・・・ （４） ただし、ｆｅは眼球１の焦点距離であり、ｆｙは補正レ
ンズ系２２３の焦点距離である。第１の実施例で説明し
たように焦点距離ｆｅを眼光学的検査機器などで計測
し、それをもとに補正レンズ系２２３の焦点距離ｆｙを
決定する。

【００２９】次に、本実施例の動作を図８をもとに説明
する。視線方向検知部１１０によって眼球１の向きを計
測することによって得られた視線方向に対応する信号を
もとに、その視線方向に存在する視対象物と眼球との距
離を視対象物距離計測部１２０により計測する。撮像部
２１０では明瞭に撮影された視対象物２を含む視野の画
像に対応する映像信号を出力する。表示部２２０では、
前記画像を補正レンズ系２２３により、網膜上に結像さ
せる。このようにしてもまた、視線方向に存在する視対
象物を明瞭な画像として見ることができる。

【００３０】第２の実施例では、撮像素子２１１の感度
次第で、極端に明るい光環境や、極端に暗い光環境にあ
る視対象物でも見ることができる。したがって、視力補
正の用途以外にも、アーク溶接などの作業、暗黒中の監
視用装置としても使用することができる。

【００３１】第２の実施例では、視対象物距離計測部１
２０および撮像部２１０を、眼球に対して遠方に置いて
も動作に差し支えない。したがって、深海や超高空の遠
隔操作用のツールとしても使用することができる。

【００３２】第２の実施例において、表示部２２０への
映像信号を変調したり、他の映像信号を重畳もしくは一
部置換したりすることにより、仮想的な現実世界を視覚
的につくりだすことができる。

【００３３】本実施例ではレンズの光学的条件を変化さ
せる方法として、レンズ群１５１を機械的に移動させる
可変焦点レンズ１５０について説明したが、レンズの焦
点を他の方法であってもよい。例えば、屈折力が外部か
らの制御信号によって変化する材料を用いてレンズを構
成してもよいし、光透過性を有する可塑性材料でレンズ
を成形し機械的圧力により焦点距離を変化させる構成で
もかまわない。また、多焦点レンズを機械的に移動させ
る方法、固定焦点レンズを光軸上で移動させるなど、他
の方法で光学的条件を変化させても同様な効果が得られ
る。

【００３４】また、視線方向検知部１１０として赤外線
の角膜反射像をもとにした方法について説明したが、眼
球の方向を司る筋肉の電位を計測する方法や、誘導コイ
ル付のコンタクトレンズを装着して定方向から磁界を印
加することによって生じる誘導電流を計測する方法によ
っても、眼球の向き、すなわち視線方向を知ることがで
きる。

【００３５】視対象物距離計測部１２０として超音波に
よる方法について説明したが、赤外線を視対象物に照射
して得た反射像をイメージセンサで計測する方法や、二
つの異なる位置からみた視対象物の計測する方法によっ
ても、距離を計測することができる。

【００３６】光学的特性記憶部１３０では、例えば一対
の焦点、主点および結節点をそのまま記憶してもかまわ
ない。要するに、予め計測可能、かつ光学的条件演算部
１４０における眼球１とレンズ１５０との結像光学系と
しての演算ができればよい。

【００３７】光学的条件演算部１４０では、可変焦点レ
ンズ１５０が薄く（前主点と後主点が一致）、かつその
主点が眼球光学系に十分近接している場合について説明
したが、それ以外の場合についても、光学的に公知の演
算式により光学的条件を演算することが可能である。

【００３８】ここで補正レンズ系２２３の一例について
述べる。人間の眼球の焦点調節機構において、リラック
スしているときの焦点距離はある程度決まっている。こ
のとき、０．６〜１．５ｍ遠方の視対象物が網膜上で結
像する。補正レンズ系２２３により、実際の距離Ｄに配
置された表示素子２２２の画像の虚像を０．６〜１．５
ｍ遠方につくることにより、疲れの少ない視力補正装置
とすることが可能である。

【００３９】

【発明の効果】以上のように本発明は、視線方向によら
ず焦点調節が可能な範囲を広げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の視力補正装置にかかる第１の実施例の
ブロック構成図

【図２】本実施例の視線方向検知部の構成例を示す図

【図３】本実施例の視対象物距離計測部の構成例を示す
図

【図４】本実施例の視対象物距離計測部の動作を示すタ
イムチャート

【図５】本実施例の眼球における眼軸長、焦点距離、主
点の位置関係を示す図

【図６】本実施例の眼球と視対象物との位置関係を示す
図

【図７】本実施例の可変焦点レンズのブロック構成図

【図８】本発明の視力補正装置にかかる第２の実施例の
ブロック構成図

【図９】本実施例の撮像部の構成例を示す図

【図１０】(a),(b)は本実施例の映像信号出力部で変換
された映像信号の一例を示す図

【図１１】本発明の視力補正装置にかかる第３の実施例
のブロック構成図

【図１２】本実施例の表示部の構成を示す図

【符号の説明】

１ 眼球 ２ 視対象物 １１０ 視線方向検知部 １２０ 視対象物距離計測部 １３０ 光学的特性記憶部 １４０ 光学的条件演算部 １５０ 可変焦点レンズ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】焦点距離や位置などの光学的条件を変化さ
   せることのできるレンズと、視線方向を検知する手段
   と、前記視線方向に存在する視対象物と眼球との距離を
   計測する手段と、前記視対象物の距離と、予め計測した
   眼球の光学的特性とから視対象物の実像を網膜上に結像
   させるために必要なレンズの光学的条件を演算する手段
   を備え、前記演算結果をもとにレンズの光学的条件を変
   化させることを特徴とする視力補正装置。
2. 【請求項２】視線方向を検知する手段と、前記視線方向
   にある視対象物に対する画像を撮像する手段と、前記撮
   像された画像を表示する手段と、前記表示された画像の
   実像を網膜上に結像させる手段を備えることを特徴とす
   る視力補正装置。