JPWO2016063600A1 - 視覚検査装置およびヘッドマウント型表示装置 - Google Patents

Abstract

平面型表示素子に視標を表示して視覚検査を行う場合に、視標を表示する位置によって、被検者から見える視標の大きさが変わってしまう。本発明の視覚検査装置１は、視覚検査の被検者に対して視標を表示する平面型表示素子１２と、被検者の眼球８が配置される眼球位置と平面型表示素子１２の表示面１２ａとの間の光軸１８上に設けられた表示光学系１１（１９，２０，２１）と、を備える。表示光学系１１は、被検者が眼球位置から表示光学系１１を通して視標を見るときの主光線の入射角度θと、平面型表示素子１２の表示面１２ａにおける像高との関係が比例関係となる、ｆ−θ光学系によって構成されている。

Description

本発明は、視覚検査装置およびヘッドマウント型表示装置に関する。

眼の検査の一つに、眼の視覚機能を検査する「視覚検査」がある。また、視覚検査の代表的なものに「視野検査」がある。視野検査は、たとえば緑内障や網膜剥離などが原因で起こる視野狭窄、視野欠損などの診断のために行われるもので、そのための検査装置が種々提案されている。

従来の視野検査装置には、ドーム型のスクリーンに視標を表示（呈示）して被検者の視野を検査するものがある（たとえば、特許文献１を参照）。この種の視野検査装置では、被検者の眼球（以下、「被検眼」ともいう。）をドームの球心に配置し、そこから被検者がスクリーンを見たときに、たとえば、どの程度の範囲まで視標が見えるか、あるいは、どの位置に表示した視標が見えないか、などを検査する。

一方、特許文献２には、平面型表示素子を用いて被検者に視標を表示する視野検査装置（視野計）が記載されている。この視野検査装置では、外光などの影響を受けないように大型のケースの中に平面型表示素子を設置している。そして、被検者の顎を下から支えて被検者の頭部を固定し、その状態で被検者がケース側面の覗き孔を通して平面型表示素子の表示面を見られるようにしている。

特開２０１２−２０１９６号公報 特許第４５１８０７７号公報

ドーム型のスクリーンに視標を表示して視野検査を行う場合は、スクリーンのどの位置に視標を表示しても、同じ大きさの視標であれば、被検者からの視標の見え方は基本的に変わらない。これに対して、平面型表示素子の表示面に視標を表示して視野検査を行う場合は、同じ大きさの視標であっても、その視標を表示面のどの位置に表示するかによって、被検者からの視標の見え方が変わってしまう。

具体的には、同じ大きさの視標であっても、表示面の中央部に表示したときと周辺部に表示したときでは、後者のほうが被検者から見える視標の大きさが小さくなってしまう。その理由は次のとおりである。まず、平面型表示素子の表示面に視標を表示し、この視標を被検者がレンズを通して見る場合、入射角度θと像高Ｙとの関係は、Ｙ＝ｆ・ｔａｎθ（式中、ｆは焦点距離）の関係になる。この関係式は、入射角度θが一定の割合で増加したときに、像高Ｙがｔａｎθ曲線にしたがって増加することを意味する。

これを視野検査に置き換えて考えると、次のようになる。すなわち、平面型表示素子の表示面が、マトリクス状に配置された多数のピクセルで構成され、その表示面に規定のピクセル数の大きさで視標を表示する場合、表示面に表示した視標の大きさが同じでも、被検者から見える視標の大きさが視標の表示位置によって変わってしまう。具体的には、表示面の中央部に表示した視標の方が、周辺部に表示した視標よりも大きく見えてしまう。特に視野検査の場合は、被検者の視野の広さが正常なレベルであるか否かを診断するために、十分に広い視野角を確保する必要がある。このため、ｔａｎθ曲線に基づく像高の増量分の影響をより強く受けてしまう。
なお、被検者から見える視標の大きさとは、被検者がレンズを通して視標を見たときに、被検者の網膜上に結像する視標像の大きさを意味する。

本発明の主な目的は、平面型表示素子に視標を表示して視覚検査を行う場合に、平面型表示素子の表示面に表示した視標の大きさが同じであれば、その視標の表示位置にかかわらず、被検者の網膜上に同じ大きさで視標像を結像させることができる視覚検査装置を提供することにある。

本発明の第１の態様は、視覚検査の被検者に対して視標を表示する平面型表示素子と、 前記被検者の眼球が配置される眼球位置と前記平面型表示素子の表示面との間の光軸上に設けられた表示光学系と、を備え、
前記表示光学系は、前記被検者が前記眼球位置から当該表示光学系を通して視標を見るときの主光線の入射角度と、前記平面型表示素子の表示面における像高との関係が比例関係となる、ｆ−θ光学系によって構成されている
ことを特徴とする視覚検査装置である。

本発明の第２の態様は、前記表示光学系は、前記眼球位置から順に配置された複数のレンズを備えるとともに、前記複数のレンズのうち少なくとも前記眼球位置に最も近いレンズが非球面レンズによって構成されている
ことを特徴とする上記第１の態様に記載の視覚検査装置である。

本発明の第３の態様は、前記表示光学系の最大視野角が、半画角で３０度以上、６０度以下の範囲に設定されている
ことを特徴とする上記第１または第２の態様に記載の視覚検査装置である。

本発明の第４の態様は、使用者の頭部に装着して用いられるヘッドマウント型表示装置であって、
前記使用者に対して画像を表示する平面型表示素子と、
前記使用者の眼球が配置される眼球位置と前記平面型表示素子の表示面との間の光軸上に設けられた表示光学系と、を備え、
前記表示光学系は、前記使用者が前記眼球位置から当該表示光学系を通して画像を見るときの主光線の入射角度と、前記平面型表示素子の表示面における像高との関係が比例関係となる、ｆ−θ光学系によって構成されている
ことを特徴とするヘッドマウント型表示装置である。

本発明によれば、平面型表示素子に視標を表示して視覚検査を行う場合に、平面型表示素子の表示面に表示した視標の大きさが同じであれば、その視標の表示位置にかかわらず、被検者の網膜上に同じ大きさで視標像を結像させることができる。

本発明の実施の形態に係る視覚検査装置の構成例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る視覚検査装置の光学構成の一例を示す図である。 表示光学系の特性を説明するための図である。 入射角度θと像高Ｙとの関係を示す図である。 表示光学系の他の構成例を示す概略図（その１）である。 表示光学系の他の構成例を示す概略図（その２）である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
本実施の形態においては、本発明をヘッドマウント型の視覚検査装置に適用した場合を例に挙げて説明する。
また、本発明の実施の形態においては、次の順序で説明を行う。
１．視覚検査装置の構成
２．表示光学系の特性
３．視覚検査方法
４．実施の形態の効果
５．他の実施の形態
６．変形例等

＜１．視覚検査装置の構成＞
図１は本発明の実施の形態に係る視覚検査装置の構成例を示す概略図である。
図示した視覚検査装置１は、被検者２の頭部３に装着して用いられるヘッドマウント型の視覚検査装置である。視覚検査装置１は、大きくは、装置本体５と、この装置本体５に機械的に接続された装着具６と、を備えている。

装置本体５は、内部に空間を有する筐体７を備えている。筐体７の内部空間は、左右に分かれている。その理由は、被検者２の左眼８Ｌと右眼８Ｒで別々に視覚検査を行うためである。この視覚検査において、左眼８Ｌを被検眼とする場合は、被検者２が左眼８Ｌの瞳孔９Ｌを通して視標を見ることになり、右眼８Ｒを被検眼とする場合は、被検者２が右眼８Ｒの瞳孔９Ｒを通して視標を見ることになる。

ここで記述する「視標」とは、被検者の視覚を検査するにあたって、被検者の眼球に光による刺激を与えるために表示されるものである。視標に関しては、特に大きさ、形状等の制限はない。たとえば、緑内障検査の際には、所定の大きさで光の点を視標として表示するとともに、その光の点の位置を変化させることにより、欠損した視野の有無や欠損場所を検査（特定）することができる。

筐体７の一方の空間には、表示光学系１１Ｌと平面型表示素子１２Ｌが設けられている。筐体７の他方の内部空間には、表示光学系１１Ｒと平面型表示素子１２Ｒが設けられている。表示光学系１１Ｌと平面型表示素子１２Ｌは、被検者２の左眼８Ｌの視覚検査を行うために設けられたものである。表示光学系１１Ｒと平面型表示素子１２Ｒは、被検者２の右眼８Ｒの視覚検査を行うために設けられたものである。

装着具６は、装置本体５を被検者２の頭部３に装着し固定するためのものである。装着具６は、被検者２の両側頭部から後頭部にかけてＵ字形に掛け渡されるベルト１３と、被検者２の頭頂部に掛け渡されるベルト１４とを備えている。そして、ベルト１４の長さを適度に調整した状態で、ベルト１３を後頭部側から引っ張って締め付けることにより、被検者２の頭部３に装置本体５を装着可能な機構になっている。

なお、以降の説明では、被検者２の左眼８Ｌと右眼８Ｒを左右の区別なく記載する場合は、符号Ｌ，Ｒを省略して眼球８、瞳孔９と総称する。これと同様に、上述した表示光学系１１Ｌ，１１Ｒと平面型表示素子１２Ｌ，１２Ｒについても左眼用と右眼用の区別なく記載する場合は、それぞれ符号Ｌ，Ｒを省略して表示光学系１１、平面型表示素子１２と総称する。

図２は本発明の実施の形態に係る視覚検査装置の光学構成の一例を示す図である。
図示のように、視覚検査装置１は、上述した表示光学系１１と平面型表示素子１２の他に、被検者の眼球８を観察するための観察光学系１５と、この観察光学系１５を通して被検者の眼球８を撮像する撮像素子１６と、被検者の眼球８に赤外線を照射する赤外光源１７と、制御部３０と、応答スイッチ３１と、を備えている。観察光学系１５、撮像素子１６および赤外光源１７は、上述した表示光学系１１や平面型表示素子１２と同様に、被検者の左眼用と右眼用でそれぞれ別々に設けられ、制御部３０および応答スイッチ３１は、１つの視覚検査装置１につき一つずつ設けられるものである。

表示光学系１１は、被検者の眼球８が配置される眼球位置と平面型表示素子１２の表示面１２ａとの間の光軸１８上に設けられている。具体的には、表示光学系１１は、被検者の眼球位置側から順に、第１レンズ１９と、ミラー２０と、第２レンズ群２１とを配置した構成になっている。以下、各構成要素について説明する。なお、以降の説明では、被検者の眼球位置から平面型表示素子１２までの光軸１８のうち、眼球位置からミラー２０までの光軸を光軸１８ａとし、ミラー２０から平面型表示素子１２までの光軸を光軸１８ｂとする。

第１レンズ１９は、眼球位置からミラー２０までの光軸１８ａ上に配置されている。第１レンズ１９は、正のパワーを有する非球面のレンズ（凸レンズ）を用いて構成されている。第１レンズ１９は、ミラー２０で反射して第１レンズ１９に入射した光を被検者の瞳孔９に収束させる一方、被検者が瞳孔９を通して広角に物を見るときの光の発散を抑制するものである。図２においては、平面型表示素子１２の表示面１２ａに視標となる光の点を表示し、この視標を被検者が眼球位置から表示光学系１１を通して見るときに、被検者の瞳孔中心から第１レンズ１９へと入射する主光線の入射角度を符号θで表している。この入射角度θは、光軸１８ａを基準とする角度（瞳孔中心を通る主光線と光軸１８ａとがなす角度）である。光軸１８ａ上における第１レンズ１９の外径（直径）や位置は、少なくとも視覚検査に必要な視野角を確保し得る条件で設定されている。具体的には、第１レンズ１９を用いた表示光学系１１の最大視野角（θの最大値）は、好ましくは、半画角で３０度以上、６０度以下（全画角では６０度以上、１２０度以下）の範囲に設定するとよい。

ミラー２０は、眼球位置からミラー２０までの光軸１８ａ上において、第１レンズ１９を間に挟んで眼球位置とは反対側に配置されている。ミラー２０は、波長選択性を有するミラーを用いて構成されている。具体的には、ミラー２０は、可視光を反射し、赤外線を透過するコールドミラーを用いて構成されている。光軸１８ａに対するミラー２０の反射面の傾きは、このミラー２０によって屈曲される光軸１８ａと光軸１８ｂとのなす角度αが、好ましくは９０度以下、より好ましくは８０度以下、さらに好ましくは「４０度＜α＜７０度」の範囲となるように設定されている。

ここで、α≦４０°である場合は、平面型表示素子１２や第２レンズ群２１が被検者の頭部に接近しすぎて、それらが頭部と干渉してしまうおそれがある。これに対して、α＞４０°である場合は、平面型表示素子１２や第２レンズ群２１が頭部と干渉することを回避することができる。一方、α≧９０°である場合は、被検者が頭部を前方に傾けた際に、視覚検査装置１が頭部からずれ落ちやすくなる。これに対して、α＜９０°である場合は、被検者が頭部を前方に傾けた際に、視覚検査装置１が頭部からずれ落ちにくくなる。

第２レンズ群２１は、ミラー２０から平面型表示素子１２までの光軸１８ｂ上に配置されている。第２レンズ群２１は、３つのレンズ２１ａ，２１ｂ，２１ｃを用いて構成されている。３つのレンズ２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、ミラー２０側から平面型表示素子１２側に向かって順に配置されている。すなわち、レンズ２１ａは、光軸１８ｂ上でミラー２０に最も近い位置に配置され、レンズ２１ｃは、光軸１８ｂ上で平面型表示素子１２に最も近い位置に配置されている。そして、これら２つのレンズ２１ａ、２１ｃの間にレンズ２１ｂが配置されている。レンズ２１ｂは、レンズ２１ａから離間した状態で、レンズ２１ｃの近くに配置されている。

レンズ２１ａは、正のパワーを有する非球面のレンズ（凸レンズ）を用いて構成されている。また、レンズ２１ｂは、負のパワーを有する非球面のレンズ（凹レンズ）を用いて構成され、レンズ２１ｃは、正のパワーを有する非球面のレンズ（凸メニスカスレンズ）を用いて構成されている。また、レンズ２１ａの外径（直径）は他のレンズ２１ｂ，２１ｃの外径よりも大きく、レンズ２１ｂ，２１ｃの外径は互いにほぼ等しくなっている。

ここで、上記第１レンズ１９を構成する材料のアッベ数をｖ１とすると、第１レンズ１９は、「４５＜ｖ１＜８０」の関係式を満たす材料（ガラス、プラスチックなど）で構成されている。一方、第２レンズ群２１を構成するレンズ２１ａ〜２１ｃのうち、正のパワーを有するレンズ２１ａ，２１ｃのアッベ数を共にｖ２とすると、各々のレンズ２１ａ，２１ｃは、「４５＜ｖ２＜８０」の関係式を満たす材料で構成されている。また、負のパワーを有するレンズ２１ｂのアッベ数をｖ３とすると、レンズ２１ｂは、「１５＜ｖ３＜３０」の関係式を満たす材料で構成されている。
また、第１レンズ１９の焦点距離をｆ１とし、第２レンズ群２１の焦点距離をｆ２とすると、これらは「０＜ｆ１／ｆ２＜１．０」の関係を満たしている。さらに、第１レンズ１９の焦点距離ｆ１は、第１レンズ１９からミラー２０までの光学距離ａと、ミラー２０から第２レンズ群２１（レンズ２１ａ）までの光学距離ｂとの和（ａ+ｂ）に比べて、それよりも短くなっている。

平面型表示素子１２は、ミラー２０から平面型表示素子１２までの光軸１８ｂ上で、第２レンズ群２１のレンズ２１ｃと対向するように配置されている。平面型表示素子１２は、たとえば、バックライトを備える液晶表示素子を用いて構成されている。平面型表示素子１２の表示面１２ａは、多数のピクセルをマトリクス状に配置した構成になっている。そして、実際に表示面１２ａに画像（視標を含む）を表示するときには、ピクセル単位で画像の表示と非表示（オン／オフ）を制御できるようになっている。また、平面型表示素子１２の表示面１２ａは、好ましくは、対角長が１．５インチ以下の表示サイズ、より好ましくは対角長が１インチ以下の表示サイズになっており、この表示面１２ａの中心に光軸１８ｂが位置合わせされている。

上記構成からなる表示光学系１１および平面型表示素子１２においては、平面型表示素子１２の表示面１２ａに視標を表示したときに、被検者２が眼球位置から第１レンズ１９、ミラー２０および第２レンズ群２１を介して視標を見ることになる。その場合、眼球位置に最も近い第１レンズ１９の外径を大きくすれば、より広い範囲で視覚検査を行うことができる。ただし、第１レンズ１９の外径を大きくすると、そのレンズ端を通る主光線が光軸１８（１８ａ）に対して大きく傾くことになる。そのため、第１レンズ１９のパワーが低いと、レンズ端を通る主光線が発散してしまう。

そこで本実施の形態においては、第１レンズ１９に高いパワー（好ましくは、パワーが２０Ｄ（dioptre）以上、６０Ｄ以下）のレンズを用いることにより、第１レンズ１９のレンズ端を通る主光線を大きく屈折させてミラー２０の反射面に収めている。ただし、このように高パワーの第１レンズ１９を用いると、第１レンズ１９から第２レンズ群２１に至る光路の途中で主光線の光束が集光し焦点を結んでしまう。このため、光路の途中で焦点を結んだ主光線の光束を、平面型表示素子１２の表示面１２ａで再度集光（結像）させるために、光軸１８ｂ上に第２レンズ群２１を配置している。また、色収差や像倍率を補正するために、第２レンズ群２１を３つのレンズ２１ａ，２１ｂ，２１ｃで構成している。

観察光学系１５は、被検者の眼球８を観察対象として、たとえば、瞳孔９、虹彩、強膜などを含む眼前部、あるいは網膜１０を含む眼底部などを観察するためのものである。観察光学系１５は、被検者の眼球位置から撮像素子１６までの光軸１８上に設けられている。具体的には、観察光学系１５は、被検者の眼球位置側から順に、第１レンズ１９と、ミラー２０と、第３レンズ２２とを配置した構成になっている。このうち、第１レンズ１９とミラー２０は、光軸１８ａを含めて、上述した表示光学系１１と共通（共用）になっている。また、ミラー２０から撮像素子１６までの光軸を光軸１８ｃとすると、この光軸１８ｃは、上述した光軸１８ａと略平行になっている。

第３レンズ２２は、ミラー２０から撮像素子１６までの光軸１８ｃ上に配置されている。第３レンズ２２は、正のパワーを有する非球面のレンズ（凸レンズ）を用いて構成されている。第３レンズ２２は、第１レンズ１９を対物レンズとして眼球８を観察する場合に、眼球８から第１レンズ１９に入射し、かつミラー２０を透過する光を、撮像素子１６の撮像面１６ａに結像させるものである。

撮像素子１６は、被検眼となる眼球（前眼部、眼底部など）８を撮像するものである。撮像素子１６は、赤外線に対して感度を有するＣＣＤ（Charge Coupled Device）撮像素子、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）撮像素子などを用いて構成されている。撮像素子１６の撮像面１６ａは、光軸１８ｃ上で眼球８に正対する向きに配置され、この撮像面１６ａの中心に光軸１８ｃが位置合わせされている。

赤外光源１７は、被検者の眼球位置に向けて赤外線を照射するものである。赤外光源１７は、一対の赤外線発光ダイオード１７ａ，１７ｂを用いて構成されている。一対の赤外線発光ダイオード１７ａ，１７ｂは、被検者の視野を妨げないように、被検者の眼球位置に対して斜め上方と斜め下方に分けて配置されている。そして、一方の赤外線発光ダイオード１７ａは、被検者の眼球８に対して斜め上方から赤外線を照射し、他方の赤外線発光ダイオード１７ｂは、被検者の眼球８に対して斜め下方から赤外線を照射する構成になっている。

上記構成からなる観察光学系１５および撮像素子１６においては、被検者の眼球８に赤外光源１７から赤外線を照射しつつ、第１レンズ１９、ミラー２０および第３レンズ２２を介して眼球８の画像を撮像素子１６で撮像することになる。

制御部３０は、視覚検査に際して各種の機能（手段）を実現するものである。制御部３０は、たとえば、装置本体５よりも小さい筐体構造を有するもので、装着具６の後頭部側に装着して配置される。これにより、装置本体５と制御部３０との前後の重量バランスを保つことができる。

制御部３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard disk drive）、各種インタフェース等の組み合わせからなるコンピュータによって構成される。そして、制御部３０は、ＣＰＵがＲＯＭまたはＨＤＤに格納された所定のプログラムを実行することにより、各種の機能を実現するように構成されている。制御部３０は、プログラムの実行によって実現される機能（手段）の一例として、装置本体５に内蔵された表示素子１２や撮像素子１６、赤外光源１７などの各部の動作を制御する機能を有する。各機能を実現するための所定のプログラムは、コンピュータにインストールして用いられるが、そのインストールに先立ち、コンピュータで読み取り可能な記憶媒体に格納して提供されるものであってもよいし、あるいはコンピュータと接続する通信回線を通じて提供されるものであってもよい。

応答スイッチ３１は、被検者がスイッチング操作するものである。この応答スイッチ３１を被検者が押下操作すると、その瞬間に応答スイッチ３１からオン信号が出力される。このオン信号は制御部３０に取り込まれる。応答スイッチ３１は、被検者が手に持って操作する手動式とする。ただし、これに限らず、足踏み式のスイッチでもよい。

＜２．表示光学系の特性＞
本実施の形態に係る表示光学系１１は、ｆ−θ特性を有する光学系になっている。ここで記述する「ｆ−θ特性」とは、被検者が眼球位置から表示光学系１１を通して視標を見るときの主光線の入射角度θと、平面型表示素子１２の表示面１２ａにおける像高Ｙとの関係が比例関係となる光学的特性をいう。

本実施の形態においては、第１レンズ１９と第２レンズ群２１の各レンズ２１ａ，２１ｂ，２１ｃをそれぞれ所定の屈折率を有する非球面レンズとし、これら複数のレンズを組み合わせることにより、表示光学系１１全体でｆ−θ特性を実現している。ただし、表示光学系１１にｆ−θ特性を持たせるためには、表示光学系１１を構成するすべてのレンズを非球面レンズとする必要はなく、たとえば、複数の球面レンズの組み合わせ、あるいは球面レンズと非球面レンズの組み合わせによって実現することも可能である。その場合、表示光学系１１を構成する複数のレンズのなかで、少なくとも眼球位置に最も近いレンズ（本形態例であれば、第１レンズ１９）を非球面レンズによって構成することが好ましい。その理由は、眼球位置に最も近いレンズを非球面レンズによって構成した場合は、これを球面レンズで構成した場合に比べて光学設計の自由度が増すことでレンズ枚数の削減が見込め、視覚検査装置１の小型化および軽量化を図ることが可能になるためである。特に眼球位置からミラー２０までの光路が長くなることは、装置本体５が被検者の前方に長くなることに相当し、重量バランスが確保しづらくなるという問題が発生する。このため、眼球位置に最も近いレンズを非球面レンズとし前方への突出量を出来るだけ小さくすることが好ましい。

＜３．視覚検査方法＞
上記構成からなる視覚検査装置１を使用すれば、動的量的視野検査（ゴールドマン視野検査）、静的量的視野検査、眼底視野検査（マイクロペリメトリー）、網膜電図検査（ＥＲＧ）その他の検査を行うことが可能である。ここでは一例として、静的量的視野検査を行う場合について説明する。

静的量的視野検査は、次のように行われる。まず、視野内の一点に視標を呈示し、その明るさを徐々に増していく。すると、視標がある明るさになると、被検者から視標が見えるようになる。そこで、被検者が視標を見えるようになったときの明るさに対応する値を、そのときに視標を呈示している点での網膜感度とする。そして、視野内の各点について同様の測定を行うことにより、視野内の網膜感度の相違を量的に調べ、マップを作成する。このような静的量的視野検査には、自覚式検査と他覚式検査がある。本実施の形態の視覚検査装置１を使用すれば、いずれの方式の検査も行うことができる。以下、説明する。

自覚式検査は、次のように行われる。まず、ヘッドマウント型の視覚検査装置１を被検者の頭部に装着する。また、被検者の手に応答スイッチ３１を持たせる。次に、制御部３０の指令に基づき、平面型表示素子１２の表示面１２ａの一点に視野検査用の視標を表示する。このとき、最初は視標の明るさを暗くしておき、その後、徐々に視標の明るさを増していく。そうすると、最初のうちは暗くて被検者から視標が見えなくても、視標がある明るさになると被検者の網膜が光の刺激に反応し、被検者から視標が見えるようになる。このため、被検者から視標が見えるようになったときに、被検者に応答スイッチ３１を押してもらう。被検者が応答スイッチ３１を押すと、制御部３０にオン信号が送られる。このオン信号を受けて、制御部３０は、所定の処理を行い、そのときの視標の点の明るさに対応する値をその点の網膜の感度とする。以降は、視野内の各点について同様の測定を行うことにより、視野内の網膜感度の相違を量的に調べ、網膜の感度マップを作成する。

他覚式検査は、次のように行われる。まず、ヘッドマウント型の視覚検査装置１を被検者の頭部に装着する。この場合は、被検者に応答スイッチ３１を持たせる必要はない。次に、制御部３０の指令に基づき、平面型表示素子１２の表示面１２ａの一点に視野検査用の視標を表示する。このとき、最初は視標の明るさを暗くしておき、その後、徐々に視標の明るさを増していく。そうすると、最初のうちは暗くて被検者から視標が見えなくても、視標がある明るさになると被検者の網膜が光の刺激に反応し、被検者から視標が見えるようになる。

その際、被検者の瞳孔９の大きさ（瞳孔径）が視標の明るさに応じて変化する。具体的には、被検者の瞳孔９の径が縮小する。このときの眼球８の状態変化を撮像する。眼球８の撮像は、赤外光源１７から眼球８に向けて赤外線を照射し、これによって得られる眼球８の像光を、観察光学系１５（１９，２０，２２）を介して撮像素子１６の撮像面１６ａに結像させることにより行う。眼球８の撮像を開始するタイミングは、たとえば、表示面１２ａに視標を表示する前のタイミング、あるいは、視標の表示と同時に設定すればよい。ちなみに、人間の網膜は、赤外線に対して感度を持たないため、眼球８の状態変化に影響を与えることはない。

撮像素子１６を用いて撮像された眼球８の画像データは、制御部３０に取り込まれる。制御部３０は、視標の明るさを徐々に増やす過程で、被検者の瞳孔径が視標の明るさに反応して変化（縮小）したかどうかを、撮像素子１６から送り込まれる画像データに基づいて判断する。そして、被検者の瞳孔径が変化したと判断すると、そのときの視標の点の明るさに対応する値をその点の網膜上の感度とする。以降は、視野内の各点について同様の測定を自動的に次々と行うことにより、視野内の網膜上の感度の相違を量的に調べ、網膜上の感度マップを自動的に作成する。

また他覚式検査は、平面型表示素子１２の表示面１２ａの一点に明るい視標を表示し、瞳孔径の縮小の度合いを観察することにより感度マップを作成する単一閾上刺激法を用いても良い。

＜４．実施の形態の効果＞
上述したような視野検査を含む視覚検査を行うにあたって、本実施の形態に係る視覚検査装置１によれば、以下のような効果が得られる。

まず、効果の説明に先立ち、表示光学系１１の光学特性について、図３を用いて説明する。
図３においては、眼球８の瞳孔９を射出瞳とし、この射出瞳の中心（瞳孔中心）を主光線が通過する一方、その主光線の光束が平面型表示素子１２の表示面１２ａに焦点を結んで結像し、その表示面１２ａを各主光線の光束の結像面として、被検者２が表示面１２ａを見る場合を想定している。また、表示光学系１１を構成する第１レンズ１９、ミラー２０および第２レンズ群２１を、一つの仮想的なレンズ（ｆ−θレンズ）１１ｖに置き換えて表示している。そして、レンズ１１ｖの焦点距離をｆ、レンズ１１ｖに対する主光線の入射角度をθ、表示面１２ａにおける像高をＹとしている。この場合、レンズ１１ｖの焦点距離ｆは、第１レンズ１９および第２レンズ群２１を含むレンズ全体の焦点距離に相当する。

図４は縦軸に像高Ｙ、横軸に入射角度θをとって両者の関係をグラフで示したものである。図中の実線は、入射角度θと像高Ｙとの関係が比例関係（Ｙ＝ｆ・θ）となる場合を示し、図中の点線は、Ｙ＝ｆ・ｔａｎθの関係となる場合を示している。
本実施の形態においては、表示光学系１１をｆ−θ光学系で構成しているため、入射角度θと像高Ｙとの関係が比例関係になる。したがって、たとえば、レンズ１１ｖへの入射角度θが０度から６０度まで変化したと仮定すると、平面型表示素子１２の表示面１２ａにおける像高Ｙは、入射角度θの変化にともなって、入射角度θと同じ割合（倍率）で変化することになる。

これにより、平面型表示素子１２の表示面１２ａに表示する視標の大きさをピクセル数で規定する場合に、視標の位置が光軸上、光軸外のいずれであっても、被検者に与える１ピクセルあたりの視覚効果が同じになる。つまり、入射角度θが変わっても、表示面１２ａに表示した視標の大きさが同じであれば、その視標の表示位置にかかわらず、被検者の網膜１０上に同じ大きさで視標像を結像させることができる。したがって、平面型表示素子１２の表示面１２ａに規定のピクセル数の大きさで視標を表示する場合、表示面１２ａに表示される視標の大きさが同じであれば、被検者から見える視標の大きさも視標の表示位置にかかわらず同じになる。その結果、視標の表示に平面型表示素子１２を使用する場合でも、視覚検査の検査範囲全般にわたって規定通りの大きさで被検者に視標を視認させることが可能となる。

ちなみに、表示光学系１１として、仮にＹ＝ｆ・ｔａｎθの関係を満たす光学系を採用した場合は、入射角度θがある値以上に大きくなると、入射角度θと像高Ｙの比例関係が崩れる（図４の点線を参照）。そして、入射角度θが大きくなるほど像高Ｙの増量が大きくなる。したがって、仮に同じ大きさの視標を平面型表示素子１２の表示面１２ａに表示したとしても、その表示位置が光軸光であるか光軸外であるかによって、被検者に与える１ピクセルあたりの視覚効果が変わってしまう。こうした傾向は、入射角度θが大きくなるほど顕著になる。

また、ヘッドマウント型の視覚検査装置１に上記特性の光学系を適用した場合は、平面型表示素子１２の表示面１２ａ全体を被検者に対して観察可能とすると、表示面１２ａの周縁部に糸巻き型の変形が知覚される。
ただし、本実施の形態では、被検者が眼球位置から表示面１２ａを見るときの視野を表示光学系１１のレンズ（１９，２１）によって絞る構成を採用している。このため、各々のレンズ（１９，２１）の外形が光軸方向から見て円形であれば、このレンズ枠による視野絞りの効果により、視野が円形となる。その場合には表示面１２ａの周縁部で糸巻き型の変形は知覚されない。

＜５．他の実施の形態＞
本発明は、視覚検査装置として具現化するだけでなく、ヘッドマウント型表示装置（Head Mounted Display）として具現化することも可能である。その場合、ヘッドマウント型表示装置の構成としては、「被検者」を「使用者」に置き換えたものになるとともに、上述した視覚検査装置１の各構成要素のうち、視覚検査に特化した構成要素（撮像素子１６、赤外光源１７、第３レンズ２２）は不要となる。すなわち、眼球位置には、ヘッドマウント型表示装置を使用する使用者の眼球８が配置され、この眼球位置側から順に、第１レンズ１９、ミラー２０、第２レンズ群２１および平面型表示素子１２を光軸１８（１８ａ，１８ｂ）上に配置した構成となる。

また、表示光学系１１の構成に関して、ミラー２０は必須ではなく、必要に応じて設けるようにすればよい。ミラー２０を設けない場合は、眼球位置から平面型表示素子１２の表示面１２ａまでの光軸を一直線状とし、この光軸上に第１レンズ１９や第２レンズ群２１を配置すればよい。また、平面型表示素子１２の表示面１２ａに表示する画像は、特に制限はなく、静止画、動画（ゲームや映画の映像など）のいずれであってもよい。また、表示する画像は、２次元の画像にかぎらず、左右に視差を設けた３次元用の画像でもよい。

ヘッドマウント型表示装置の表示光学系１１をｆ−θ光学系とした場合は、ｆ−θ光学系による歪曲特性によって、平面型表示素子１２の表示面１２ａに表示される画像（映像）の周辺部が若干歪むことが懸念される。ただし、上述した視野絞り相当の効果を有し平面型表示素子１２の表示面１２ａの全てが視認できない光学系であれば、周辺部の歪みは感知されない。特に使用者に仮想現実を体感させるヘッドマウント型表示装置などの場合は、視野角を非常に広く確保して使用者に映像を見せることが多い。そのような場合は、ｆ−θ特性による視覚効果によって、より緻密な映像を表示できるメリットが非常に大きくなる。特に、表示光学系１１の最大視野角θmaxを３０度以上、６０度以下の範囲に設定するとよい。

＜６．変形例等＞
本発明の技術的範囲は上述した実施の形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。

たとえば、上記実施の形態においては、視覚検査装置１の装着具６をベルト１３，１４を用いて構成したが、被検者２の頭部３に装置本体５を装着可能な構成であれば、どのような構成の装着具６を採用してもかまわない。ただし、視覚検査中に装置本体５の位置が動いてしまうと、正しい検査結果が得られなくなる。このため、装着具６の構成としては、被検者２の頭部３に装置本体５をきちんと固定できる構成であることが好ましい。

また、上記実施の形態においては、本発明をヘッドマウント型の視覚検査装置に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ヘッドマウント型以外の視覚検査装置に適用してもよい。

また、上記実施の形態においては、液晶表示素子を用いて平面型表示素子１２を構成するとしたが、本発明はこれに限らず、有機ＥＬ（Electro Luminescence）表示素子を用いてもよい。

また、上記実施の形態においては、表示光学系１１を合計４つのレンズで構成するとともに、観察光学系１５を合計２つのレンズ（そのうちの一つは表示光学系１１と共用）で構成したが、各々の光学系を構成するレンズの個数や形状、光軸方向のレンズ間隔などは、必要に応じて変更可能である。ただし、第２レンズ群２１については、正のパワーを有するレンズと負のパワーを有するレンズを組み合わせて色収差や像倍率を補正するため、複数個のレンズで構成することが好ましい。また、ミラー２０をダイクロイックミラーで構成してもよい。

一例として、表示光学系の他の構成例を図５および図６に示す。
図５においては、表示光学系１１の第２レンズ群２１に属するレンズ２１ｃを、図示しないレンズ移動機構により光軸方向に移動可能とした点が、上記実施の形態と異なっている。この構成を採用した場合は、被検者の視力に合わせて視度を調整することが可能となる。
一方、図６においては、表示光学系１１の第２レンズ群２１をレンズ（凸レンズ）２１ｄの追加により計４つのレンズ２１ａ〜２１ｄを用いて構成した点と、平面型表示素子１２の表示面１２ａの大きさを小さくした点が、上記実施の形態と異なっている。この構成を採用した場合は、被検者に対して、より鮮明に視標を表示することが可能となる。また、この構成においても、レンズ２１cを光軸方向に移動可能な構成とすることにより、被検者の視力に合わせて視度を調整することが可能となる。

１…視覚検査装置
２…被検者
３…頭部
５…装置本体
６…装着具
７…筐体
８…眼球
９…瞳孔
１１…表示光学系
１２…平面型表示素子
１２ａ…表示面
１５…観察光学系
１６…撮像素子
１７…赤外光源
１８…光軸（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）
１９…第１レンズ
２０…ミラー
２１…第２レンズ群
２２…第３レンズ

Claims (4)

1. 視覚検査の被検者に対して視標を表示する平面型表示素子と、
   前記被検者の眼球が配置される眼球位置と前記平面型表示素子の表示面との間の光軸上に設けられた表示光学系と、を備え、
   前記表示光学系は、前記被検者が前記眼球位置から当該表示光学系を通して視標を見るときの主光線の入射角度と、前記平面型表示素子の表示面における像高との関係が比例関係となる、ｆ−θ光学系によって構成されている
   ことを特徴とする視覚検査装置。
2. 前記表示光学系は、前記眼球位置から順に配置された複数のレンズを備えるとともに、前記複数のレンズのうち少なくとも前記眼球位置に最も近いレンズが非球面レンズによって構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の視覚検査装置。
3. 前記表示光学系の最大視野角が、半画角で３０度以上、６０度以下の範囲に設定されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の視覚検査装置。
4. 使用者の頭部に装着して用いられるヘッドマウント型表示装置であって、
   前記使用者に対して画像を表示する平面型表示素子と、
   前記使用者の眼球が配置される眼球位置と前記平面型表示素子の表示面との間の光軸上に設けられた表示光学系と、を備え、
   前記表示光学系は、前記使用者が前記眼球位置から当該表示光学系を通して画像を見るときの主光線の入射角度と、前記平面型表示素子の表示面における像高との関係が比例関係となる、ｆ−θ光学系によって構成されている
   ことを特徴とするヘッドマウント型表示装置。