撮像光学系
【課題】 ホログラフィック光学素子を用いた撮像光学系において、作製時と同じ波長の照明光によらず、白色光照明を利用して明瞭な像を取得できる撮像光学系を提供する。
【解決手段】 撮像光学系１００は、白色光照明下における背景光がホログラフィック光学素子１を透過して撮像手段３に入射することを妨げるための手段として、波長選択反射フィルタ４がホログラフィック光学素子１の前にあるとともに、波長選択透過フィルタ５がホログラフィック光学素子１と撮像手段３との間にある。
【解決手段】 撮像光学系１００は、白色光照明下における背景光がホログラフィック光学素子１を透過して撮像手段３に入射することを妨げるための手段として、波長選択反射フィルタ４がホログラフィック光学素子１の前にあるとともに、波長選択透過フィルタ５がホログラフィック光学素子１と撮像手段３との間にある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
請求項に係る発明は、ホログラフィック光学素子を用いた撮像光学系に関し、より詳しくは、白色光照明下で利用可能な撮像光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報技術の進歩に伴って、あらゆる状況でコンピュータやネットワークを利用できるユビキタス環境を構築する技術が注目されている。その一つとして、ウェアラブルコンピュータと呼ばれるような装着型機器の利用が期待されている。
発明者らは、ハンズフリー入力可能な、新たなウェアラブル型視線入力装置に応用するための視線検出方法と、目の像と視線がとらえている対象の像との両方のシーンを一つの光学系で撮像可能な多重シーン撮像用光学素子を考案した（特許文献１）。
【０００３】
図９に、特許文献１で開示した視線入力装置の基本構成を示す。視線入力装置１００’の多重シーン撮像用光学素子１’は、一つの素子で反射型レンズと透過型レンズとを有する。目からの反射光が反射型レンズによってカメラｃ’へ達し、視線がとらえている対象物からの反射光が透過型レンズによってカメラｃ’へ達する。このように、多重シーン撮像用光学素子１’には、目の像ｅと視線がとらえている対象物の像ｍの両方をカメラｃ’の撮像面に結像する二重焦点機能がある。したがって、カメラの画像には目の像ｅ’と、視線がとらえている対象物の像ｍ’との両方を得ることができる。この多重シーン撮像用光学素子１’において、反射型レンズおよび透過型レンズとして、ホログラフィックレンズを適用している。
なお、ホログラフィックレンズはレーザー光源から発散光と収束光をつくり、それらの干渉縞を記録して作製される。そして、ホログラフィックレンズの使用時には、明瞭な像を取得するために、作製時と同じ波長の単色光源照明を用いることを前提としている。
【特許文献１】特開２００６−２６７５２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の視線検出装置において、ホログラフィックレンズの作製時と同じ波長の光を照明することは必ずしも容易ではない。しかし、一般的な照明光である白色光源を使用すると下記のような不都合がある。すなわち、図１０に示すように、透過型ホログラフィック光学素子１ａ’を用いて撮像手段３’に物体Ａの像を得る撮像光学系１００ａ’を構成する場合、白色光照明下で透過型ホログラフィック光学素子１ａ’を透過してくる背景光が、光学素子１ａ’により回折されて結像する物体Ａの像に重なって悪影響を及ぼすことになり、画像を得ようとしている物体Ａの明瞭な像が得られなくなる。一方、図１１に示す反射型ホログラフィック光学素子１ｂ’を用いた撮像光学系１００ｂ’の場合にも、白色光照明下では、反射型ホログラフィック光学素子１ｂ’で反射してカメラ３’で結像した物体Ｂの像に、光学素子１ｂ’を透過した背景光が重なり、物体Ｂの明瞭な像が得られない。したがって、一般的な照明光である白色光源照明環境下で使用できるホログラフィック光学素子の開発が技術的課題となっていた。
【０００５】
このような点を考慮し、請求項に係る本発明は、ホログラフィック光学素子の作製時と同じ波長の照明光に限らず、白色光照明によっても明瞭な像を取得できる撮像光学系を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の撮像光学系は、撮像手段（カメラ等）を、反射型または透過型のホログラフィック光学素子とともに使用する撮像光学系であって、白色光照明下における背景光が上記（反射型または透過型の）ホログラフィック光学素子を透過して上記撮像手段に入射することを妨げるための手段が付加されていることを特徴とする。
【０００７】
このような撮像光学系によれば、白色光照明下における背景光が撮像手段に入射しないため、ホログラフィック光学素子が反射または透過した物体の明瞭な像を撮像手段に取得できる。ホログラフィック光学素子の作製時と同じ波長の照明光のみにはよらず白色光照明下でも明瞭な像が得られることは、この撮像光学系が視線検出入力の手段として日常的な環境で使用できることを意味し、利用範囲が広がる。
【０００８】
請求項２に記載の撮像光学系は、背景光の入射を妨げるための上記手段として、特定の波長であって特定の方向から入射する光に限って反射する波長選択反射フィルタが上記ホログラフィック光学素子の前（撮像手段から見て前方。すなわちホログラフィック光学素子における、撮像手段がある側と反対の側）にあるとともに、上記特定の波長の光のみを透過する波長選択透過フィルタが上記ホログラフィック光学素子と上記撮像手段との間にあることを特徴とする。なお、ここでいう「特定の波長」は、撮像手段の感度と要求される像の明瞭さとによって決まる幅（最大で±１０ｎｍ程度）を有するものであり、発明の撮像光学系は、その幅の範囲内で当該波長間に僅かなズレがある場合を含む。
【０００９】
この撮像光学系によれば、特定の方向（撮像手段の光軸方向）から撮像手段に向かう背景光のうち、特定の波長（ホログラフィック光学素子が回折する波長（ホログラフィック光学素子の作製時の使用波長で、以下、波長λ１とする））の光は、波長選択反射フィルタによって反射され、ホログラフィック光学素子を通過することができない。背景光のうち残りの波長の光はホログラフィック光学素子を透過するが、ホログラフィック光学素子と撮像手段の間に設けた、上記特定の波長（波長λ１）のみを透過する波長選択透過フィルタによって除去される。したがって、白色光照明下で使用した場合に撮像手段に入射する光から、背景光をすべて除去することができる。
【００１０】
ホログラフィック光学素子として、透過型ホログラフィック光学素子を用いた場合（図３参照）、ホログラフィック光学素子１ａに対して撮像手段の反対側にある物体Ａからの光は、特定の方向（撮像手段の光軸方向）からずれているため、すべての波長の光が波長選択反射フィルタ４を透過して、透過型ホログラフィック光学素子１ａに入射する。そして波長λ１の光のみが透過型ホログラフィック光学素子１ａにより回折して撮像手段に向かい、さらに撮像手段３と透過型ホログラフィック光学素子１ａとの間に置かれた波長選択透過フィルタ５も透過して撮像手段３に到達し、像を結ぶ。この物体Ａの像は、背景光の影響を受けない明瞭な像である。
【００１１】
一方、ホログラフィック光学素子として、反射型ホログラフィック光学素子１ｂを用いた場合（図４参照）、ホログラフィック光学素子１ｂに対して撮像手段３と同じ側にある物体Ｂからの光のうち、反射型ホログラフィック光学素子１ｂにより回折されて撮像手段に向かうのは波長λ１の光のみであり、この光は、撮像手段３と反射型ホログラフィック光学素子１ｂとの間に置かれた波長選択透過フィルタ５を透過して撮像手段３に到達し、像を結ぶ。この物体Ｂの像も背景光の影響を受けない明瞭な像である。
したがって、この撮像光学系は、ホログラフィック光学素子が透過型であっても反射型であっても背景光の影響を受けることなく、得ようとする物体の明瞭な像を取得できる。
【００１２】
請求項３に記載の撮像光学系は、上記のホログラフィック光学素子が反射型と透過型とを集積したものであり、その素子をはさむ両側のシーンを、一方の側にある１台の撮像手段に同時に取得させるものであることを特徴とする。
ホログラフィック光学素子として、反射と透過の両方の機能をもつものを用いた場合でも、波長選択反射フィルタと波長選択透過フィルタの組み合わせで背景光をすべて除去することができる。上述のとおり、波長選択反射フィルタおよび波長選択透過フィルタの配置は、ホログラフィック光学素子が反射型であるか透過型であるかを問わず、同じでよいからである。そのため、ホログラフィック光学素子をはさむ両側にあるシーンの明瞭な像（反射像および透過像）を撮像手段で得ることが可能である。この撮像光学系によれば、２つのシーンを観察者の眼やカメラなどに同時に導きたい場合に広く利用できる。単一のホログラフィック光学素子から構成したものであるため、コンパクト化および軽量化することができる。
【００１３】
請求項４に記載の撮像光学系は、上記ホログラフィック光学素子をはさむ両側のシーンとして、人の視線が捉えている対象の光景とその人の目の像とを、上記撮像手段に同時に取得させることを特徴とする。
このような撮像光学系によれば、１台の撮像手段により、観察者の目（黒目とその周辺）とその人の視野にある光景との両方が撮像される。そのため、他の光学系機器は不要であり、シンプルかつ小型に装置を構成することができる。また、双方の像が明瞭に得られるうえ、別々の撮像手段に取り込まれるのではないため、計測機器を用いて特殊な演算やキャリブレーション等をしなくとも、視線が捉えている対象を正確かつ容易に把握することができる。
【００１４】
上記の撮像光学系においては、上記ホログラフィック光学素子がメガネフレームのレンズ部相当箇所に取り付けられ、上記の撮像手段が、同じメガネフレームの耳かけ部付近に取り付けられていることが好ましい。
そのようにすれば、使用者がこの撮像光学系をメガネのように頭部に装着し、従来のパーソナルコンピュータ用マウス等に代わる、視線検出により信号を入力する装置として使用することができる。メガネフレーム上にホログラフィック光学素子と撮像手段とを取り付けるのであるから、ハンズフリーの新しい入力デバイスとなる。なお、前方の光景と後方の目の像とを、単一のホログラフィック光学素子が共通の撮像手段に結像させることから、コンパクトかつ軽量に構成することが可能である。
【００１５】
請求項の撮像光学系は、上記の波長選択反射フィルタまたは波長選択透過フィルタが、干渉フィルタによって構成され、またはホログラフィック光学素子によって構成されていることが好ましい。干渉フィルタまたはホログラフィック光学素子以外のもので構成された場合、選択されて反射または透過する特定波長の幅が大きくなり、シャープで明瞭な像が得られがたくなるからである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ホログラフィック光学素子の作製時と同じ波長の照明光によらず、白色光照明を利用する場合にも明瞭な像を取得できる撮像光学系を得ることが出来る。
請求項１の撮像光学系は、ホログラフィック光学素子を透過して撮像手段に入射する背景光を除去できるので、観察対象となる物体の明瞭な像が得られる。
請求項２の撮像光学系は、波長選択反射フィルタと波長選択透過フィルタの２つの要素を付加するだけの簡単な構成で、請求項１の撮像光学系を実現できる。
請求項３の撮像光学系は、ホログラフィック光学素子をはさむ両側のシーンを、背景光の影響を受けない明瞭な像として得ることができる。
請求項４の撮像光学系は、特に、人の視線が捉えている対象の光景とその人の目の像とを、背景光の影響を受けない明瞭な像として得ることができる。しかも、それらの像を１台の撮像手段で同時に取得するので、キャリブレーションをしなくても、また特殊な演算をしなくても、視線が捉えている対象を正確かつ容易に把握することができる。
請求項５の撮像光学系は、メガネのように装着でき、パーソナルコンピュータのマウス等の入力手段に代わるハンズフリーの視線検出入力手段としての、軽量かつコンパクトな装置を構成できる。
請求項６の撮像光学系は、不要な背景光を確実に遮断することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明に係る撮像光学系の一実施形態について説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係る、集積型ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）１を用いた撮像光学系１００を示す概念図である。撮像光学系１００は、集積型ホログラフィック光学素子１とカメラ（撮像手段）３、集積型ホログラフィック光学素子１の前方に配置した波長選択反射フィルタ４、およびカメラ３と集積型ホログラフィック光学素子１との間に配置した波長選択透過フィルタ５とからなる。
【００１９】
集積型ホログラフィック光学素子１は、透過型と反射型の機能を併せ持つホログラフィック光学素子で、図２（ａ）〜（ｃ）にその作成手順を示す。
【００２０】
まず図２（ａ）は、透過型ホログラフィック光学素子（ホログラム）１ａの作製要領を示す図である。入力面１の位置Ｐ１にある光源Ｏ1からの光と、光学素子１ａに対して入力面１の光源Ｏ1からの光と同じ側から入射し、かつ観測面の位置Ｐ２に結像する光との干渉縞を、光学素子１ａに記録する。そうすると、光学素子１ａにおける干渉縞による光の干渉・回折作用によって、入力面１の位置Ｐ１の光景が上記の観測面の位置Ｐ２上に結像する。
【００２１】
図２（ｂ）は反射型ホログラフィック光学素子（ホログラム）１ｂの作製要領を示すもので、入力面２の位置Ｐ3にある光源Ｏ3からの光と、光学素子１ｂに対して入力面の光源の反対側から入射し位置Ｐ4に結像する光との干渉縞を、位置Ｐ3と位置Ｐ4から同一の向きに離して置いた光学素子１ｂに記録する。こうした光学素子１ｂを用いると、入力面２の位置Ｐ3の光景が光学素子１ｂからみて同じ側にある観測面の位置Ｐ4上に結像する。
【００２２】
図２（ｃ）に示す集積型ホログラフィック光学素子１は、図２（ａ）・（ｂ）によって形成される透過型および反射型のホログラフィック光学素子１ａ・１ｂを集積することにより作製する。光学素子１ａ・１ｂを集積することは、たとえば、干渉縞を記録する一つの感光体に図２（ａ）・（ｂ）に示す双方の露光を行ったうえ当該感光体を現像処理することにより行えるが、コンピュータシミュレーションによる干渉縞情報に基づく屈折率分布を電子ビーム描画等によって作製するのもよい。いずれの場合も、集積型ホログラフィック光学素子１は、ホログラム等と呼ばれる単一のホログラフィック光学素子として構成される。
【００２３】
作製した光学素子１によると、入力面１の位置にある物ｍなどのシーンが上記観測面上に結像するとともに、入力面２の位置にある眼部ｅなどのシーンも同じ観測面上に結像する。つまり、この集積型ホログラフィック光学素子１には、物ｍなどの光を観測面上に結像するレンズ機能と、眼部ｅなどの光を反射して観測面上に結像させるミラー機能およびレンズ機能とが備わっている。したがって、その観測面に撮像面ｓの位置を合わせて撮像素子ｃを配置するなら、その撮像素子ｃには、二つのシーン（物ｍおよび眼部ｅ）が一つの画像として結像することになる。なお、上記した集積の数を増やせば、３以上のシーンを同じ画像として結像させることも可能である。なお、上述した作製方法において、入力面および観測面は平面に限らず任意の曲面であっても可能である。作製には、特定の波長λ１（通常は５３２ｎｍが使用されるが、これに限定されない）のレーザー光を使用している。
【００２４】
図１に示す波長選択反射フィルタ４は、干渉フィルタまたはホログラフィック光学素子で構成したもので、カメラ３の光軸方向から入射する波長λ１の光に限って反射させる機能を有する。一方、波長選択透過フィルタ５は、やはり干渉フィルタまたはホログラフィック光学素子で構成したものであるが、逆に波長λ１の光のみを透過させる機能を有する。このように構成された撮像光学系１００によれば、背景光は波長選択反射フィルタ４と波長選択透過フィルタ５とにより除去され、集積型ホログラフィック光学素子１の両側にある図示のシーンＣおよびシーンＤが、カメラ３に明瞭な像として結像する。その詳細を、透過型ホログラフィック光学素子１ａを用いた場合と、反射型ホログラフィック光学素子１ｂを用いた場合とに分けて、それぞれ図３・図４に基づき説明する。
【００２５】
まず、図３は、透過型ホログラフィック光学素子１ａを用いた撮像光学系１００ａを示す概念図である。撮像光学系１００ａは、上記の撮像光学系１００における集積型ホログラフィック光学素子１を、透過型ホログラフィック光学素子１ａに置き換えた構成であり、波長選択反射フィルタ４と波長選択透過フィルタ５とを同様に備えている。透過型ホログラフィック光学素子１ａは、上記のとおり、素子１ａに対してカメラ３とは反対側にある物体Ａの像がカメラ３に結像するよう作製している。
【００２６】
撮像光学系１００ａにおいて、白色光照明下でカメラ３の光軸方向に沿って透過型ホログラフィック光学素子１ａに向かう背景光（図中の点線）のうち、波長λ１の光は波長選択反射フィルタ４によって反射されて除去される。残りの波長の光は透過型ホログラフィック光学素子１ａを透過するが、カメラ３の前に配置された、波長λ１の光のみを透過させる波長選択透過フィルタ５により遮断される。したがって、カメラ３の光軸方向から入射する背景光はすべて除去されることになる。
【００２７】
一方、物体Ａから透過型ホログラフィック光学素子１ａに向かう光は、図３に示すようにカメラ３の光軸方向と異なるため、波長選択反射フィルタ４で除去されずに透過型ホログラフィック光学素子１ａに入射し、回折した波長λ１の光が波長選択透過フィルタ５を透過し、カメラ３に結像する。背景光が波長選択反射フィルタ４と波長選択透過フィルタ５とにより除去されているので、結像した物体Ａの像に影響せず、明瞭な像が得られる。
【００２８】
つぎに図４は、もう一つの機能に係る、反射型ホログラフィック光学素子１ｂを用いた撮像光学系１００ｂを示す概念図である。撮像光学系１００ｂは、上記の撮像光学系１００における集積型ホログラフィック光学素子１を、反射型ホログラフィック光学素子１ｂに置き換えた構成であり、波長選択反射フィルタ４と波長選択透過フィルタ５とを同様に備えている。反射型ホログラフィック光学素子１ｂは、上記のとおり、素子１ｂに対してカメラ３と同じ側にある物体Ｂの像がカメラ３に結像するよう作製している。
【００２９】
撮像光学系１００ｂにおいても、白色光照明下でカメラ３の光軸方向に沿って反射型ホログラフィック光学素子１ｂに向かう背景光（図中の波線）のうち、波長λ１の光は波長選択反射フィルタ４によって反射されて除去される。残りの波長の光は反射型ホログラフィック光学素子１ｂを透過するが、カメラ３の前に配置された、波長λ１の光のみを透過させる波長選択透過フィルタ５により遮断される。したがって、カメラ３の光軸方向から入射する背景光は、やはりすべて除去されることになる。
【００３０】
一方、物体Ｂからの光は、反射型ホログラフィック光学素子１ｂにより波長λ１の光が回折（反射）し、波長選択透過フィルタ５を透過してカメラ３に結像する。撮像光学系１００ａと同様に、背景光が影響しないのでカメラ３で取得される物体Ｂの像は明瞭なものとなる。
【００３１】
以上のとおり、ホログラフィック光学素子が透過型でも反射型でも、白色光照明下でカメラ３へ光軸方向から入射する背景光を、波長選択反射フィルタ４と波長選択透過フィルタ５とにより除去することができる。
【００３２】
透過型と反射型を集積した集積型ホログラフィック光学素子１を用いた、図１の撮像光学系１００においても、波長選択反射フィルタ４と波長選択透過フィルタ５とにより同様にして、カメラの光軸方向に沿って入射する背景光をすべて除去できる。一方、シーンＣから集積型ホログラフィック光学素子１に入射した光は、素子１により波長λ１の光が回折して波長選択透過フィルタ５を透過し、カメラ３に結像する。またシーンＤからの光は、カメラ３の光軸方向と異なる角度で素子１に入射するため、波長選択反射フィルタ４で除去されずにホログラフィック光学素子１に入射し、回折した波長λ１の光が波長選択透過フィルタ５をも透過し、同じくカメラ３に結像する。背景光が波長選択反射フィルタ４と波長選択透過フィルタ５とにより除去されているので、シーンＣ・Ｄの明瞭な像がカメラ３で取得できる。
【００３３】
ホログラフィック光学素子１を波長選択反射フィルタ４および波長選択透過フィルタ５とともに使用する場合の、背景光の除去に関する試験結果を図５に示す。
試験では、カメラの前に波長選択透過フィルタを取り付けておき、その前方に、透過型と反射型とを集積した集積型ホログラフィック光学素子を置いた。そして、白色光照明のもとで、そのカメラに、上記光学素子を透過回折させて「目」の文字を結像させるとともに、上記光学素子で反射回折させて義眼の像を結像させた。
図５（ａ）は、背景のない場合にカメラが検出・撮像した画像である。同（ｂ）は、カメラの正面（２０〜３０ｃｍ前方。上記光学素子よりも前）に背景としての英文印刷物を置き、波長選択反射フィルタを使用しなかった場合のカメラの検出画像である。さらに同（ｃ）は、同様に背景として英文印刷物を置きながら、上記光学素子の前面に波長選択反射フィルタを設けた場合のカメラの検出画像である。同（ｂ）において検出された背景の英文が、同（ｃ）では、背景のない同（ａ）と同様に検出されなくなっており、二つのフィルタの使用によって背景光の影響が除かれたことが分かる。
なお、図５の試験における諸条件はつぎのとおりである。
集積型ホログラフィック光学素子の作成条件：
１．二光束干渉法
２．YAGレーザ、波長532nm
３．フォトポリマー薄膜、加熱型
波長選択透過フィルター（干渉フィルター）：
中心波長532nm、半値幅10nm。（532±5nmの光を透過）
【００３４】
図６（ａ）・（ｂ）は、上述のような撮像光学系１００を用いて人の視線検出入力を行う方法を概念的に示す図である。上述のようにして作製した集積型ホログラフィック光学素子１を、図６（ａ）のとおり使用者の眼部ｅの前に置き、その使用者の頭の横などにＣＣＤカメラ等の撮像素子ｃを配置する。さらに、ホログラフィック光学素子１の前面には波長選択反射フィルタ４を、撮像素子ｃの前面には波長選択透過フィルタ５を配置する。そうすると、撮像素子ｃには、図６（ｂ）に示すように、使用者の前方にある物ｍの画像ｍ’とともに使用者の眼部ｅの画像ｅ’とが１枚の画像として撮り込まれる（画像の重なり方は任意に設定できる）。その画像には、前方に見えるシーンが映るとともに、使用者の黒目の位置が表示されるため、その使用者が視線をどこに向けて何をとらえているかをその画像から容易に知ることができる。撮像素子ｃの光軸方向に沿った背景光は、波長選択反射フィルタ４と波長選択透過フィルタ５とにより除去されているので、撮像素子ｃには明瞭な像として画像ｍ’および画像ｅ’が得られる。
【００３５】
そのような原理にしたがい、コンピュータ用のウェアラブルなメガネ型の視線検出入力装置として、図７に示す装置１０を構成することができる。図示の視線検出入力装置１０は、メガネフレーム１１の左右のレンズ部相当箇所に集積型ホログラフィック光学素子１を取り付け、同じフレーム１１のうち耳かけに近い左右の部分に撮像素子ｃを取り付けている。さらに、図示はしていないが、集積型ホログラフィック光学素子１の前面には上記の波長選択反射フィルタを、撮像素子ｃの前面には上記の波長選択透過フィルタを、それぞれ配置している。
【００３６】
こうした視線検出入力装置１０は、使用者がメガネと同じように頭部に装着したうえ、マウス等に代わるコンピュータ用入力装置として使用することができる。つまり、見ようとしているシーンが視野に入るように顔を向けて視線検出入力装置１０の向きを定めるとともに、その視野のうちの特定のシーン（物ｍなど）に視線を向ければ、撮像素子ｃの１画像中に撮り込まれる当該物ｍなどの画像ｍ’と使用者の眼部ｅの画像ｅ’とから、視線による使用者の意図を検知できる。波長選択反射フィルタと波長選択透過フィルタの作用により背景光が重ならない画像ｍ’・ｅ’（図６（ｂ）参照）が得られるので、白色光照明下でも正確に検知できる。一定時間以上凝視したことや特定回数の瞬きをしたこと等をその意図の確定信号として定めれば、マウス等と同様の入力機能を全くのハンズフリーで実現できることになる。使用者が動いても視線検出に支障がないことは言うまでもない。
左右のレンズ部相当箇所にホログラフィック光学素子１を取り付ければ、右目眼部の像と右目の視野を含む画像、および左目眼部の像と左目の視野を含む画像より、人の視野の３次元情報を取得できる。
【００３７】
図８には、メガネフレーム２１上に、上記した集積型ホログラフィック光学素子１や撮像素子ｃとともにディスプレイ６（つまり使用者に対して視覚的に情報を伝える情報提示手段）を取り付けたメガネ型の視線検出入力装置２０などを示している。上記の光学素子１は右側（または左側）のレンズ部相当箇所に取り付け、それと反対の側のレンズ部相当箇所にディスプレイ６を取り付けている。撮像素子ｃは、光学素子１の後面に向けて耳かけ部の付近に取り付けた。また、撮像素子ｃには、その画像情報を外部に伝える送信手段２を接続し、ディスプレイ６には、外部からの画像情報をディスプレイ６に取り込むための受信手段８を接続している。図示はしていないが、ホログラフィック光学素子１の前面には上記の波長選択反射フィルタを、撮像素子ｃの前面には上記の波長選択透過フィルタを、それぞれ配置している。
【００３８】
この視線検出入力装置２０によると、集積型ホログラフィック光学素子１と撮像素子ｃおよび送信手段２の作用により、使用者の視線による入力情報を外部へ送信することができるばかりでなく、受信手段８とディスプレイ６とを有することから、外部からの情報を使用者へ視覚的に提供することができる。つまり、この視線検出入力装置２０を用いれば、使用者は外部との間で双方向の情報伝達を行える。ディスプレイ６に代えて、またはディスプレイ６とともに、イヤフォン７のような聴覚的な情報提示手段を設けることも可能で、そうした場合にも同様の双方向情報伝達が可能である。
【００３９】
視線検出入力装置２０は、図８のようにネット（情報伝達網）３０に接続し、同様にネット３０に接続されたデータベース４１等との間で情報の送受信システムを形成するのもよい。視線検出入力装置２０の使用者は、送信手段２から送る信号（視線による入力情報）によってデータベース４１中の特定の情報にアクセスし、受信手段８を介して当該データベース４１中の情報につき提示を受ける。その場合、ディスプレイ６に表示される情報のうち何を見ているかについても、使用者の黒目の動きを撮像素子ｃで認識することにより視線検出入力装置２０が検知してデータベース４１へ送信することとすれば、情報の選択や収集がとくに容易に行える。
【００４０】
上記した送受信システムにおいて、視線検出入力装置２０が、エキスパート（特定の作業の熟練者であって作業指示や情報提供をなし得る者）の使用する端末機器４２に接続される場合にもメリットがある。たとえば、
1) 視線検出入力装置２０の使用者が見ているシーンとその使用者の視線がとらえている対象とを、遠隔地にいるエキスパートの端末機器４２に伝え、その画面に表示する、
2) そのエキスパートは、端末機器４２の画面を見て使用者の作業状況等を知り、作業対象部分や注目すべき箇所を教えたり必要なデータやマニュアルを提示したりするなど、ディスプレイ６やイヤフォン７などの情報提示手段を介して使用者に作業指示を出す
――といった使い方をすることも可能だからである。
同様にして、手術中の医師に対する情報提供システムや、遭遇状況に合ったルートを指示するなどの誘導ナビゲーションシステム、さらには、読んでいる箇所の外国語を翻訳する辞書システムなどとして送受信システムを構成し、好ましい使用をすることも可能である。用途によっては、情報提示手段を有しない視線検出入力装置（たとえば図７の装置１０など）を、図８の装置２０に代えて使用できる場合もある。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態にかかる、集積型ホログラフィック光学素子１を用いた撮像光学系１００を示す概念図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、集積型ホログラフィック光学素子１の作製手順を示す図である。
【図３】図３は、透過型ホログラフィック光学素子１ａを用いた撮像光学系１００ａを示す概念図である。
【図４】図４は、反射型ホログラフィック光学素子１ｂを用いた撮像光学系１００ｂを示す概念図である。
【図５】ホログラフィック光学素子を波長選択反射フィルタおよび波長選択透過フィルタとともに使用する場合の、背景光の除去に関する試験結果を示す図（写真）である。図５（ａ）は背景のない場合、同（ｂ）は背景があって波長選択反射フィルタを使用しな場合、同（ｃ）は背景があって波長選択反射フィルタを使用する場合の、カメラの検出画像を示す。
【図６】図６（ａ）・（ｂ）は、撮像光学系１００を用いて人の視線検出入力を行う方法を概念的に示す図である。
【図７】図７は、撮像光学系１００をメガネ型に構成した視線検出入力装置１０を示す斜視図である。
【図８】図８は、メガネ型の視線検出入力装置２０と、それを含む送受信システムを示す概念図である。
【図９】図９は、従来の、多重シーン撮像用光学素子１’を使用した視線入力装置１００’の基本構成を示す概要図である。
【図１０】図１０は、透過型ホログラフィック光学素子１ａ’を用いた従来の撮像光学系１００ａ’を示す概念図である。
【図１１】図１１は、反射型ホログラフィック光学素子１ｂ’を用いた従来の撮像光学系１００ｂ’を示す概念図である。
【符号の説明】
【００４２】
１ 集積型ホログラフィック光学素子
１ａ 透過型ホログラフィック光学素子
１ｂ 反射型ホログラフィック光学素子
３ カメラ（撮像手段）
４ 波長選択反射フィルタ
５ 波長選択透過フィルタ
１０ 視線検出入力装置
１１ メガネフレーム
２０ メガネ型視線検出入力装置
２１ メガネフレーム
１００・１００ａ・１００ｂ 撮像光学系
ｃ 撮像素子
ｍ 物
ｅ 眼部
【技術分野】
【０００１】
請求項に係る発明は、ホログラフィック光学素子を用いた撮像光学系に関し、より詳しくは、白色光照明下で利用可能な撮像光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報技術の進歩に伴って、あらゆる状況でコンピュータやネットワークを利用できるユビキタス環境を構築する技術が注目されている。その一つとして、ウェアラブルコンピュータと呼ばれるような装着型機器の利用が期待されている。
発明者らは、ハンズフリー入力可能な、新たなウェアラブル型視線入力装置に応用するための視線検出方法と、目の像と視線がとらえている対象の像との両方のシーンを一つの光学系で撮像可能な多重シーン撮像用光学素子を考案した（特許文献１）。
【０００３】
図９に、特許文献１で開示した視線入力装置の基本構成を示す。視線入力装置１００’の多重シーン撮像用光学素子１’は、一つの素子で反射型レンズと透過型レンズとを有する。目からの反射光が反射型レンズによってカメラｃ’へ達し、視線がとらえている対象物からの反射光が透過型レンズによってカメラｃ’へ達する。このように、多重シーン撮像用光学素子１’には、目の像ｅと視線がとらえている対象物の像ｍの両方をカメラｃ’の撮像面に結像する二重焦点機能がある。したがって、カメラの画像には目の像ｅ’と、視線がとらえている対象物の像ｍ’との両方を得ることができる。この多重シーン撮像用光学素子１’において、反射型レンズおよび透過型レンズとして、ホログラフィックレンズを適用している。
なお、ホログラフィックレンズはレーザー光源から発散光と収束光をつくり、それらの干渉縞を記録して作製される。そして、ホログラフィックレンズの使用時には、明瞭な像を取得するために、作製時と同じ波長の単色光源照明を用いることを前提としている。
【特許文献１】特開２００６−２６７５２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の視線検出装置において、ホログラフィックレンズの作製時と同じ波長の光を照明することは必ずしも容易ではない。しかし、一般的な照明光である白色光源を使用すると下記のような不都合がある。すなわち、図１０に示すように、透過型ホログラフィック光学素子１ａ’を用いて撮像手段３’に物体Ａの像を得る撮像光学系１００ａ’を構成する場合、白色光照明下で透過型ホログラフィック光学素子１ａ’を透過してくる背景光が、光学素子１ａ’により回折されて結像する物体Ａの像に重なって悪影響を及ぼすことになり、画像を得ようとしている物体Ａの明瞭な像が得られなくなる。一方、図１１に示す反射型ホログラフィック光学素子１ｂ’を用いた撮像光学系１００ｂ’の場合にも、白色光照明下では、反射型ホログラフィック光学素子１ｂ’で反射してカメラ３’で結像した物体Ｂの像に、光学素子１ｂ’を透過した背景光が重なり、物体Ｂの明瞭な像が得られない。したがって、一般的な照明光である白色光源照明環境下で使用できるホログラフィック光学素子の開発が技術的課題となっていた。
【０００５】
このような点を考慮し、請求項に係る本発明は、ホログラフィック光学素子の作製時と同じ波長の照明光に限らず、白色光照明によっても明瞭な像を取得できる撮像光学系を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の撮像光学系は、撮像手段（カメラ等）を、反射型または透過型のホログラフィック光学素子とともに使用する撮像光学系であって、白色光照明下における背景光が上記（反射型または透過型の）ホログラフィック光学素子を透過して上記撮像手段に入射することを妨げるための手段が付加されていることを特徴とする。
【０００７】
このような撮像光学系によれば、白色光照明下における背景光が撮像手段に入射しないため、ホログラフィック光学素子が反射または透過した物体の明瞭な像を撮像手段に取得できる。ホログラフィック光学素子の作製時と同じ波長の照明光のみにはよらず白色光照明下でも明瞭な像が得られることは、この撮像光学系が視線検出入力の手段として日常的な環境で使用できることを意味し、利用範囲が広がる。
【０００８】
請求項２に記載の撮像光学系は、背景光の入射を妨げるための上記手段として、特定の波長であって特定の方向から入射する光に限って反射する波長選択反射フィルタが上記ホログラフィック光学素子の前（撮像手段から見て前方。すなわちホログラフィック光学素子における、撮像手段がある側と反対の側）にあるとともに、上記特定の波長の光のみを透過する波長選択透過フィルタが上記ホログラフィック光学素子と上記撮像手段との間にあることを特徴とする。なお、ここでいう「特定の波長」は、撮像手段の感度と要求される像の明瞭さとによって決まる幅（最大で±１０ｎｍ程度）を有するものであり、発明の撮像光学系は、その幅の範囲内で当該波長間に僅かなズレがある場合を含む。
【０００９】
この撮像光学系によれば、特定の方向（撮像手段の光軸方向）から撮像手段に向かう背景光のうち、特定の波長（ホログラフィック光学素子が回折する波長（ホログラフィック光学素子の作製時の使用波長で、以下、波長λ１とする））の光は、波長選択反射フィルタによって反射され、ホログラフィック光学素子を通過することができない。背景光のうち残りの波長の光はホログラフィック光学素子を透過するが、ホログラフィック光学素子と撮像手段の間に設けた、上記特定の波長（波長λ１）のみを透過する波長選択透過フィルタによって除去される。したがって、白色光照明下で使用した場合に撮像手段に入射する光から、背景光をすべて除去することができる。
【００１０】
ホログラフィック光学素子として、透過型ホログラフィック光学素子を用いた場合（図３参照）、ホログラフィック光学素子１ａに対して撮像手段の反対側にある物体Ａからの光は、特定の方向（撮像手段の光軸方向）からずれているため、すべての波長の光が波長選択反射フィルタ４を透過して、透過型ホログラフィック光学素子１ａに入射する。そして波長λ１の光のみが透過型ホログラフィック光学素子１ａにより回折して撮像手段に向かい、さらに撮像手段３と透過型ホログラフィック光学素子１ａとの間に置かれた波長選択透過フィルタ５も透過して撮像手段３に到達し、像を結ぶ。この物体Ａの像は、背景光の影響を受けない明瞭な像である。
【００１１】
一方、ホログラフィック光学素子として、反射型ホログラフィック光学素子１ｂを用いた場合（図４参照）、ホログラフィック光学素子１ｂに対して撮像手段３と同じ側にある物体Ｂからの光のうち、反射型ホログラフィック光学素子１ｂにより回折されて撮像手段に向かうのは波長λ１の光のみであり、この光は、撮像手段３と反射型ホログラフィック光学素子１ｂとの間に置かれた波長選択透過フィルタ５を透過して撮像手段３に到達し、像を結ぶ。この物体Ｂの像も背景光の影響を受けない明瞭な像である。
したがって、この撮像光学系は、ホログラフィック光学素子が透過型であっても反射型であっても背景光の影響を受けることなく、得ようとする物体の明瞭な像を取得できる。
【００１２】
請求項３に記載の撮像光学系は、上記のホログラフィック光学素子が反射型と透過型とを集積したものであり、その素子をはさむ両側のシーンを、一方の側にある１台の撮像手段に同時に取得させるものであることを特徴とする。
ホログラフィック光学素子として、反射と透過の両方の機能をもつものを用いた場合でも、波長選択反射フィルタと波長選択透過フィルタの組み合わせで背景光をすべて除去することができる。上述のとおり、波長選択反射フィルタおよび波長選択透過フィルタの配置は、ホログラフィック光学素子が反射型であるか透過型であるかを問わず、同じでよいからである。そのため、ホログラフィック光学素子をはさむ両側にあるシーンの明瞭な像（反射像および透過像）を撮像手段で得ることが可能である。この撮像光学系によれば、２つのシーンを観察者の眼やカメラなどに同時に導きたい場合に広く利用できる。単一のホログラフィック光学素子から構成したものであるため、コンパクト化および軽量化することができる。
【００１３】
請求項４に記載の撮像光学系は、上記ホログラフィック光学素子をはさむ両側のシーンとして、人の視線が捉えている対象の光景とその人の目の像とを、上記撮像手段に同時に取得させることを特徴とする。
このような撮像光学系によれば、１台の撮像手段により、観察者の目（黒目とその周辺）とその人の視野にある光景との両方が撮像される。そのため、他の光学系機器は不要であり、シンプルかつ小型に装置を構成することができる。また、双方の像が明瞭に得られるうえ、別々の撮像手段に取り込まれるのではないため、計測機器を用いて特殊な演算やキャリブレーション等をしなくとも、視線が捉えている対象を正確かつ容易に把握することができる。
【００１４】
上記の撮像光学系においては、上記ホログラフィック光学素子がメガネフレームのレンズ部相当箇所に取り付けられ、上記の撮像手段が、同じメガネフレームの耳かけ部付近に取り付けられていることが好ましい。
そのようにすれば、使用者がこの撮像光学系をメガネのように頭部に装着し、従来のパーソナルコンピュータ用マウス等に代わる、視線検出により信号を入力する装置として使用することができる。メガネフレーム上にホログラフィック光学素子と撮像手段とを取り付けるのであるから、ハンズフリーの新しい入力デバイスとなる。なお、前方の光景と後方の目の像とを、単一のホログラフィック光学素子が共通の撮像手段に結像させることから、コンパクトかつ軽量に構成することが可能である。
【００１５】
請求項の撮像光学系は、上記の波長選択反射フィルタまたは波長選択透過フィルタが、干渉フィルタによって構成され、またはホログラフィック光学素子によって構成されていることが好ましい。干渉フィルタまたはホログラフィック光学素子以外のもので構成された場合、選択されて反射または透過する特定波長の幅が大きくなり、シャープで明瞭な像が得られがたくなるからである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ホログラフィック光学素子の作製時と同じ波長の照明光によらず、白色光照明を利用する場合にも明瞭な像を取得できる撮像光学系を得ることが出来る。
請求項１の撮像光学系は、ホログラフィック光学素子を透過して撮像手段に入射する背景光を除去できるので、観察対象となる物体の明瞭な像が得られる。
請求項２の撮像光学系は、波長選択反射フィルタと波長選択透過フィルタの２つの要素を付加するだけの簡単な構成で、請求項１の撮像光学系を実現できる。
請求項３の撮像光学系は、ホログラフィック光学素子をはさむ両側のシーンを、背景光の影響を受けない明瞭な像として得ることができる。
請求項４の撮像光学系は、特に、人の視線が捉えている対象の光景とその人の目の像とを、背景光の影響を受けない明瞭な像として得ることができる。しかも、それらの像を１台の撮像手段で同時に取得するので、キャリブレーションをしなくても、また特殊な演算をしなくても、視線が捉えている対象を正確かつ容易に把握することができる。
請求項５の撮像光学系は、メガネのように装着でき、パーソナルコンピュータのマウス等の入力手段に代わるハンズフリーの視線検出入力手段としての、軽量かつコンパクトな装置を構成できる。
請求項６の撮像光学系は、不要な背景光を確実に遮断することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明に係る撮像光学系の一実施形態について説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係る、集積型ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）１を用いた撮像光学系１００を示す概念図である。撮像光学系１００は、集積型ホログラフィック光学素子１とカメラ（撮像手段）３、集積型ホログラフィック光学素子１の前方に配置した波長選択反射フィルタ４、およびカメラ３と集積型ホログラフィック光学素子１との間に配置した波長選択透過フィルタ５とからなる。
【００１９】
集積型ホログラフィック光学素子１は、透過型と反射型の機能を併せ持つホログラフィック光学素子で、図２（ａ）〜（ｃ）にその作成手順を示す。
【００２０】
まず図２（ａ）は、透過型ホログラフィック光学素子（ホログラム）１ａの作製要領を示す図である。入力面１の位置Ｐ１にある光源Ｏ1からの光と、光学素子１ａに対して入力面１の光源Ｏ1からの光と同じ側から入射し、かつ観測面の位置Ｐ２に結像する光との干渉縞を、光学素子１ａに記録する。そうすると、光学素子１ａにおける干渉縞による光の干渉・回折作用によって、入力面１の位置Ｐ１の光景が上記の観測面の位置Ｐ２上に結像する。
【００２１】
図２（ｂ）は反射型ホログラフィック光学素子（ホログラム）１ｂの作製要領を示すもので、入力面２の位置Ｐ3にある光源Ｏ3からの光と、光学素子１ｂに対して入力面の光源の反対側から入射し位置Ｐ4に結像する光との干渉縞を、位置Ｐ3と位置Ｐ4から同一の向きに離して置いた光学素子１ｂに記録する。こうした光学素子１ｂを用いると、入力面２の位置Ｐ3の光景が光学素子１ｂからみて同じ側にある観測面の位置Ｐ4上に結像する。
【００２２】
図２（ｃ）に示す集積型ホログラフィック光学素子１は、図２（ａ）・（ｂ）によって形成される透過型および反射型のホログラフィック光学素子１ａ・１ｂを集積することにより作製する。光学素子１ａ・１ｂを集積することは、たとえば、干渉縞を記録する一つの感光体に図２（ａ）・（ｂ）に示す双方の露光を行ったうえ当該感光体を現像処理することにより行えるが、コンピュータシミュレーションによる干渉縞情報に基づく屈折率分布を電子ビーム描画等によって作製するのもよい。いずれの場合も、集積型ホログラフィック光学素子１は、ホログラム等と呼ばれる単一のホログラフィック光学素子として構成される。
【００２３】
作製した光学素子１によると、入力面１の位置にある物ｍなどのシーンが上記観測面上に結像するとともに、入力面２の位置にある眼部ｅなどのシーンも同じ観測面上に結像する。つまり、この集積型ホログラフィック光学素子１には、物ｍなどの光を観測面上に結像するレンズ機能と、眼部ｅなどの光を反射して観測面上に結像させるミラー機能およびレンズ機能とが備わっている。したがって、その観測面に撮像面ｓの位置を合わせて撮像素子ｃを配置するなら、その撮像素子ｃには、二つのシーン（物ｍおよび眼部ｅ）が一つの画像として結像することになる。なお、上記した集積の数を増やせば、３以上のシーンを同じ画像として結像させることも可能である。なお、上述した作製方法において、入力面および観測面は平面に限らず任意の曲面であっても可能である。作製には、特定の波長λ１（通常は５３２ｎｍが使用されるが、これに限定されない）のレーザー光を使用している。
【００２４】
図１に示す波長選択反射フィルタ４は、干渉フィルタまたはホログラフィック光学素子で構成したもので、カメラ３の光軸方向から入射する波長λ１の光に限って反射させる機能を有する。一方、波長選択透過フィルタ５は、やはり干渉フィルタまたはホログラフィック光学素子で構成したものであるが、逆に波長λ１の光のみを透過させる機能を有する。このように構成された撮像光学系１００によれば、背景光は波長選択反射フィルタ４と波長選択透過フィルタ５とにより除去され、集積型ホログラフィック光学素子１の両側にある図示のシーンＣおよびシーンＤが、カメラ３に明瞭な像として結像する。その詳細を、透過型ホログラフィック光学素子１ａを用いた場合と、反射型ホログラフィック光学素子１ｂを用いた場合とに分けて、それぞれ図３・図４に基づき説明する。
【００２５】
まず、図３は、透過型ホログラフィック光学素子１ａを用いた撮像光学系１００ａを示す概念図である。撮像光学系１００ａは、上記の撮像光学系１００における集積型ホログラフィック光学素子１を、透過型ホログラフィック光学素子１ａに置き換えた構成であり、波長選択反射フィルタ４と波長選択透過フィルタ５とを同様に備えている。透過型ホログラフィック光学素子１ａは、上記のとおり、素子１ａに対してカメラ３とは反対側にある物体Ａの像がカメラ３に結像するよう作製している。
【００２６】
撮像光学系１００ａにおいて、白色光照明下でカメラ３の光軸方向に沿って透過型ホログラフィック光学素子１ａに向かう背景光（図中の点線）のうち、波長λ１の光は波長選択反射フィルタ４によって反射されて除去される。残りの波長の光は透過型ホログラフィック光学素子１ａを透過するが、カメラ３の前に配置された、波長λ１の光のみを透過させる波長選択透過フィルタ５により遮断される。したがって、カメラ３の光軸方向から入射する背景光はすべて除去されることになる。
【００２７】
一方、物体Ａから透過型ホログラフィック光学素子１ａに向かう光は、図３に示すようにカメラ３の光軸方向と異なるため、波長選択反射フィルタ４で除去されずに透過型ホログラフィック光学素子１ａに入射し、回折した波長λ１の光が波長選択透過フィルタ５を透過し、カメラ３に結像する。背景光が波長選択反射フィルタ４と波長選択透過フィルタ５とにより除去されているので、結像した物体Ａの像に影響せず、明瞭な像が得られる。
【００２８】
つぎに図４は、もう一つの機能に係る、反射型ホログラフィック光学素子１ｂを用いた撮像光学系１００ｂを示す概念図である。撮像光学系１００ｂは、上記の撮像光学系１００における集積型ホログラフィック光学素子１を、反射型ホログラフィック光学素子１ｂに置き換えた構成であり、波長選択反射フィルタ４と波長選択透過フィルタ５とを同様に備えている。反射型ホログラフィック光学素子１ｂは、上記のとおり、素子１ｂに対してカメラ３と同じ側にある物体Ｂの像がカメラ３に結像するよう作製している。
【００２９】
撮像光学系１００ｂにおいても、白色光照明下でカメラ３の光軸方向に沿って反射型ホログラフィック光学素子１ｂに向かう背景光（図中の波線）のうち、波長λ１の光は波長選択反射フィルタ４によって反射されて除去される。残りの波長の光は反射型ホログラフィック光学素子１ｂを透過するが、カメラ３の前に配置された、波長λ１の光のみを透過させる波長選択透過フィルタ５により遮断される。したがって、カメラ３の光軸方向から入射する背景光は、やはりすべて除去されることになる。
【００３０】
一方、物体Ｂからの光は、反射型ホログラフィック光学素子１ｂにより波長λ１の光が回折（反射）し、波長選択透過フィルタ５を透過してカメラ３に結像する。撮像光学系１００ａと同様に、背景光が影響しないのでカメラ３で取得される物体Ｂの像は明瞭なものとなる。
【００３１】
以上のとおり、ホログラフィック光学素子が透過型でも反射型でも、白色光照明下でカメラ３へ光軸方向から入射する背景光を、波長選択反射フィルタ４と波長選択透過フィルタ５とにより除去することができる。
【００３２】
透過型と反射型を集積した集積型ホログラフィック光学素子１を用いた、図１の撮像光学系１００においても、波長選択反射フィルタ４と波長選択透過フィルタ５とにより同様にして、カメラの光軸方向に沿って入射する背景光をすべて除去できる。一方、シーンＣから集積型ホログラフィック光学素子１に入射した光は、素子１により波長λ１の光が回折して波長選択透過フィルタ５を透過し、カメラ３に結像する。またシーンＤからの光は、カメラ３の光軸方向と異なる角度で素子１に入射するため、波長選択反射フィルタ４で除去されずにホログラフィック光学素子１に入射し、回折した波長λ１の光が波長選択透過フィルタ５をも透過し、同じくカメラ３に結像する。背景光が波長選択反射フィルタ４と波長選択透過フィルタ５とにより除去されているので、シーンＣ・Ｄの明瞭な像がカメラ３で取得できる。
【００３３】
ホログラフィック光学素子１を波長選択反射フィルタ４および波長選択透過フィルタ５とともに使用する場合の、背景光の除去に関する試験結果を図５に示す。
試験では、カメラの前に波長選択透過フィルタを取り付けておき、その前方に、透過型と反射型とを集積した集積型ホログラフィック光学素子を置いた。そして、白色光照明のもとで、そのカメラに、上記光学素子を透過回折させて「目」の文字を結像させるとともに、上記光学素子で反射回折させて義眼の像を結像させた。
図５（ａ）は、背景のない場合にカメラが検出・撮像した画像である。同（ｂ）は、カメラの正面（２０〜３０ｃｍ前方。上記光学素子よりも前）に背景としての英文印刷物を置き、波長選択反射フィルタを使用しなかった場合のカメラの検出画像である。さらに同（ｃ）は、同様に背景として英文印刷物を置きながら、上記光学素子の前面に波長選択反射フィルタを設けた場合のカメラの検出画像である。同（ｂ）において検出された背景の英文が、同（ｃ）では、背景のない同（ａ）と同様に検出されなくなっており、二つのフィルタの使用によって背景光の影響が除かれたことが分かる。
なお、図５の試験における諸条件はつぎのとおりである。
集積型ホログラフィック光学素子の作成条件：
１．二光束干渉法
２．YAGレーザ、波長532nm
３．フォトポリマー薄膜、加熱型
波長選択透過フィルター（干渉フィルター）：
中心波長532nm、半値幅10nm。（532±5nmの光を透過）
【００３４】
図６（ａ）・（ｂ）は、上述のような撮像光学系１００を用いて人の視線検出入力を行う方法を概念的に示す図である。上述のようにして作製した集積型ホログラフィック光学素子１を、図６（ａ）のとおり使用者の眼部ｅの前に置き、その使用者の頭の横などにＣＣＤカメラ等の撮像素子ｃを配置する。さらに、ホログラフィック光学素子１の前面には波長選択反射フィルタ４を、撮像素子ｃの前面には波長選択透過フィルタ５を配置する。そうすると、撮像素子ｃには、図６（ｂ）に示すように、使用者の前方にある物ｍの画像ｍ’とともに使用者の眼部ｅの画像ｅ’とが１枚の画像として撮り込まれる（画像の重なり方は任意に設定できる）。その画像には、前方に見えるシーンが映るとともに、使用者の黒目の位置が表示されるため、その使用者が視線をどこに向けて何をとらえているかをその画像から容易に知ることができる。撮像素子ｃの光軸方向に沿った背景光は、波長選択反射フィルタ４と波長選択透過フィルタ５とにより除去されているので、撮像素子ｃには明瞭な像として画像ｍ’および画像ｅ’が得られる。
【００３５】
そのような原理にしたがい、コンピュータ用のウェアラブルなメガネ型の視線検出入力装置として、図７に示す装置１０を構成することができる。図示の視線検出入力装置１０は、メガネフレーム１１の左右のレンズ部相当箇所に集積型ホログラフィック光学素子１を取り付け、同じフレーム１１のうち耳かけに近い左右の部分に撮像素子ｃを取り付けている。さらに、図示はしていないが、集積型ホログラフィック光学素子１の前面には上記の波長選択反射フィルタを、撮像素子ｃの前面には上記の波長選択透過フィルタを、それぞれ配置している。
【００３６】
こうした視線検出入力装置１０は、使用者がメガネと同じように頭部に装着したうえ、マウス等に代わるコンピュータ用入力装置として使用することができる。つまり、見ようとしているシーンが視野に入るように顔を向けて視線検出入力装置１０の向きを定めるとともに、その視野のうちの特定のシーン（物ｍなど）に視線を向ければ、撮像素子ｃの１画像中に撮り込まれる当該物ｍなどの画像ｍ’と使用者の眼部ｅの画像ｅ’とから、視線による使用者の意図を検知できる。波長選択反射フィルタと波長選択透過フィルタの作用により背景光が重ならない画像ｍ’・ｅ’（図６（ｂ）参照）が得られるので、白色光照明下でも正確に検知できる。一定時間以上凝視したことや特定回数の瞬きをしたこと等をその意図の確定信号として定めれば、マウス等と同様の入力機能を全くのハンズフリーで実現できることになる。使用者が動いても視線検出に支障がないことは言うまでもない。
左右のレンズ部相当箇所にホログラフィック光学素子１を取り付ければ、右目眼部の像と右目の視野を含む画像、および左目眼部の像と左目の視野を含む画像より、人の視野の３次元情報を取得できる。
【００３７】
図８には、メガネフレーム２１上に、上記した集積型ホログラフィック光学素子１や撮像素子ｃとともにディスプレイ６（つまり使用者に対して視覚的に情報を伝える情報提示手段）を取り付けたメガネ型の視線検出入力装置２０などを示している。上記の光学素子１は右側（または左側）のレンズ部相当箇所に取り付け、それと反対の側のレンズ部相当箇所にディスプレイ６を取り付けている。撮像素子ｃは、光学素子１の後面に向けて耳かけ部の付近に取り付けた。また、撮像素子ｃには、その画像情報を外部に伝える送信手段２を接続し、ディスプレイ６には、外部からの画像情報をディスプレイ６に取り込むための受信手段８を接続している。図示はしていないが、ホログラフィック光学素子１の前面には上記の波長選択反射フィルタを、撮像素子ｃの前面には上記の波長選択透過フィルタを、それぞれ配置している。
【００３８】
この視線検出入力装置２０によると、集積型ホログラフィック光学素子１と撮像素子ｃおよび送信手段２の作用により、使用者の視線による入力情報を外部へ送信することができるばかりでなく、受信手段８とディスプレイ６とを有することから、外部からの情報を使用者へ視覚的に提供することができる。つまり、この視線検出入力装置２０を用いれば、使用者は外部との間で双方向の情報伝達を行える。ディスプレイ６に代えて、またはディスプレイ６とともに、イヤフォン７のような聴覚的な情報提示手段を設けることも可能で、そうした場合にも同様の双方向情報伝達が可能である。
【００３９】
視線検出入力装置２０は、図８のようにネット（情報伝達網）３０に接続し、同様にネット３０に接続されたデータベース４１等との間で情報の送受信システムを形成するのもよい。視線検出入力装置２０の使用者は、送信手段２から送る信号（視線による入力情報）によってデータベース４１中の特定の情報にアクセスし、受信手段８を介して当該データベース４１中の情報につき提示を受ける。その場合、ディスプレイ６に表示される情報のうち何を見ているかについても、使用者の黒目の動きを撮像素子ｃで認識することにより視線検出入力装置２０が検知してデータベース４１へ送信することとすれば、情報の選択や収集がとくに容易に行える。
【００４０】
上記した送受信システムにおいて、視線検出入力装置２０が、エキスパート（特定の作業の熟練者であって作業指示や情報提供をなし得る者）の使用する端末機器４２に接続される場合にもメリットがある。たとえば、
1) 視線検出入力装置２０の使用者が見ているシーンとその使用者の視線がとらえている対象とを、遠隔地にいるエキスパートの端末機器４２に伝え、その画面に表示する、
2) そのエキスパートは、端末機器４２の画面を見て使用者の作業状況等を知り、作業対象部分や注目すべき箇所を教えたり必要なデータやマニュアルを提示したりするなど、ディスプレイ６やイヤフォン７などの情報提示手段を介して使用者に作業指示を出す
――といった使い方をすることも可能だからである。
同様にして、手術中の医師に対する情報提供システムや、遭遇状況に合ったルートを指示するなどの誘導ナビゲーションシステム、さらには、読んでいる箇所の外国語を翻訳する辞書システムなどとして送受信システムを構成し、好ましい使用をすることも可能である。用途によっては、情報提示手段を有しない視線検出入力装置（たとえば図７の装置１０など）を、図８の装置２０に代えて使用できる場合もある。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態にかかる、集積型ホログラフィック光学素子１を用いた撮像光学系１００を示す概念図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、集積型ホログラフィック光学素子１の作製手順を示す図である。
【図３】図３は、透過型ホログラフィック光学素子１ａを用いた撮像光学系１００ａを示す概念図である。
【図４】図４は、反射型ホログラフィック光学素子１ｂを用いた撮像光学系１００ｂを示す概念図である。
【図５】ホログラフィック光学素子を波長選択反射フィルタおよび波長選択透過フィルタとともに使用する場合の、背景光の除去に関する試験結果を示す図（写真）である。図５（ａ）は背景のない場合、同（ｂ）は背景があって波長選択反射フィルタを使用しな場合、同（ｃ）は背景があって波長選択反射フィルタを使用する場合の、カメラの検出画像を示す。
【図６】図６（ａ）・（ｂ）は、撮像光学系１００を用いて人の視線検出入力を行う方法を概念的に示す図である。
【図７】図７は、撮像光学系１００をメガネ型に構成した視線検出入力装置１０を示す斜視図である。
【図８】図８は、メガネ型の視線検出入力装置２０と、それを含む送受信システムを示す概念図である。
【図９】図９は、従来の、多重シーン撮像用光学素子１’を使用した視線入力装置１００’の基本構成を示す概要図である。
【図１０】図１０は、透過型ホログラフィック光学素子１ａ’を用いた従来の撮像光学系１００ａ’を示す概念図である。
【図１１】図１１は、反射型ホログラフィック光学素子１ｂ’を用いた従来の撮像光学系１００ｂ’を示す概念図である。
【符号の説明】
【００４２】
１ 集積型ホログラフィック光学素子
１ａ 透過型ホログラフィック光学素子
１ｂ 反射型ホログラフィック光学素子
３ カメラ（撮像手段）
４ 波長選択反射フィルタ
５ 波長選択透過フィルタ
１０ 視線検出入力装置
１１ メガネフレーム
２０ メガネ型視線検出入力装置
２１ メガネフレーム
１００・１００ａ・１００ｂ 撮像光学系
ｃ 撮像素子
ｍ 物
ｅ 眼部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像手段を、反射型または透過型のホログラフィック光学素子とともに使用する撮像光学系であって、
白色光照明下における背景光が上記ホログラフィック光学素子を透過して上記撮像手段に入射することを妨げるための手段が付加されていることを特徴とする撮像光学系。
【請求項２】
背景光の入射を妨げるための上記手段として、特定の波長であって特定の方向から入射する光に限って反射する波長選択反射フィルタが上記ホログラフィック光学素子の前にあるとともに、上記特定の波長の光のみを透過する波長選択透過フィルタが上記ホログラフィック光学素子と上記撮像手段との間にあることを特徴とする請求項１に記載の撮像光学系。
【請求項３】
上記のホログラフィック光学素子が反射型と透過型とを集積したものであり、その素子をはさむ両側のシーンを、一方の側にある１台の撮像手段に同時に取得させるものであることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像光学系。
【請求項４】
上記ホログラフィック光学素子をはさむ両側のシーンとして、人の視線が捉えている対象の光景とその人の目の像とを、上記撮像手段に同時に取得させることを特徴とする請求項３に記載の撮像光学系。
【請求項５】
上記ホログラフィック光学素子がメガネフレームのレンズ部相当箇所に取り付けられ、上記の撮像手段が、同じメガネフレームの耳かけ部付近に取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載の撮像光学系。
【請求項６】
上記の波長選択反射フィルタまたは波長選択透過フィルタが、干渉フィルタによって構成され、またはホログラフィック光学素子によって構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の撮像光学系。
【請求項１】
撮像手段を、反射型または透過型のホログラフィック光学素子とともに使用する撮像光学系であって、
白色光照明下における背景光が上記ホログラフィック光学素子を透過して上記撮像手段に入射することを妨げるための手段が付加されていることを特徴とする撮像光学系。
【請求項２】
背景光の入射を妨げるための上記手段として、特定の波長であって特定の方向から入射する光に限って反射する波長選択反射フィルタが上記ホログラフィック光学素子の前にあるとともに、上記特定の波長の光のみを透過する波長選択透過フィルタが上記ホログラフィック光学素子と上記撮像手段との間にあることを特徴とする請求項１に記載の撮像光学系。
【請求項３】
上記のホログラフィック光学素子が反射型と透過型とを集積したものであり、その素子をはさむ両側のシーンを、一方の側にある１台の撮像手段に同時に取得させるものであることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像光学系。
【請求項４】
上記ホログラフィック光学素子をはさむ両側のシーンとして、人の視線が捉えている対象の光景とその人の目の像とを、上記撮像手段に同時に取得させることを特徴とする請求項３に記載の撮像光学系。
【請求項５】
上記ホログラフィック光学素子がメガネフレームのレンズ部相当箇所に取り付けられ、上記の撮像手段が、同じメガネフレームの耳かけ部付近に取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載の撮像光学系。
【請求項６】
上記の波長選択反射フィルタまたは波長選択透過フィルタが、干渉フィルタによって構成され、またはホログラフィック光学素子によって構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の撮像光学系。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１０７８２９（Ｐ２０１０−１０７８２９Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２８１１８８（Ｐ２００８−２８１１８８）
【出願日】平成２０年１０月３１日（２００８．１０．３１）
【出願人】（０００１０８９９３）ダイソー株式会社 (229)
【出願人】（５０８３２７６１８）株式会社共和電子製作所 (3)
【出願人】（５０４１５０４５０）国立大学法人神戸大学 (421)
【出願人】（８００００００５７）財団法人新産業創造研究機構 (99)
【出願人】（５９２２１６３８４）兵庫県 (258)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月３１日（２００８．１０．３１）
【出願人】（０００１０８９９３）ダイソー株式会社 (229)
【出願人】（５０８３２７６１８）株式会社共和電子製作所 (3)
【出願人】（５０４１５０４５０）国立大学法人神戸大学 (421)
【出願人】（８００００００５７）財団法人新産業創造研究機構 (99)
【出願人】（５９２２１６３８４）兵庫県 (258)
【Ｆターム（参考）】
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