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JP7532094B2 - Observation device and imaging device - Google Patents

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JP7532094B2
JP7532094B2 JP2020093879A JP2020093879A JP7532094B2 JP 7532094 B2 JP7532094 B2 JP 7532094B2 JP 2020093879 A JP2020093879 A JP 2020093879A JP 2020093879 A JP2020093879 A JP 2020093879A JP 7532094 B2 JP7532094 B2 JP 7532094B2
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eyeball
eyepiece optical
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史弘 信夫
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Description

本発明は、観察者の眼球を撮像する撮像系を備えた観察装置に関する。 The present invention relates to an observation device equipped with an imaging system that captures an image of an observer's eyeball.

デジタルカメラ等の撮像装置には、観察装置としての光学ファインダまたは電子ビューファインダの接眼光学系を覗く観察者の眼球の向き、すなわち視線方向を検出し、該視線方向に応じて撮像画面内にてオートフォーカスや自動露出等を行う領域を選択する視線検出機能を有するものがある。このような視線検出機能は、接眼光学系とは別に、観察者の眼球を撮像する撮像系を設けることによって実現される。
特許文献1には、接眼光学系内にプリズムを配置して光路を分岐し、分岐光路からの光を撮像系に導く撮像装置が開示されている。また、特許文献2には、接眼光学系の外部から該接眼光学系の光軸に対して傾斜した方向から眼球を撮像する撮像系を有する撮像装置が開示されている。
Some imaging devices such as digital cameras have a gaze detection function that detects the direction of the eyeball of an observer looking into the eyepiece optical system of an optical finder or electronic viewfinder as an observation device, that is, the gaze direction, and selects an area within the imaging screen for performing autofocus, autoexposure, etc., in accordance with the gaze direction. Such a gaze detection function is realized by providing an imaging system that images the observer's eyeball, separate from the eyepiece optical system.
Patent Literature 1 discloses an imaging device that arranges a prism in an eyepiece optical system to branch an optical path and guides light from the branched optical path to an imaging system. Patent Literature 2 discloses an imaging device having an imaging system that images an eyeball from outside the eyepiece optical system in a direction tilted with respect to the optical axis of the eyepiece optical system.

特開平05-188430号公報Japanese Patent Application Publication No. 05-188430 特開平05-313057号公報Japanese Patent Application Publication No. 05-313057

しかしながら、接眼光学系内に光路を分岐するプリズム等の光学部材を配置すると、観察装置および撮像装置が大型化する。また、接眼光学系内に接眼光学系としては不要な光学部材を配置することで、接眼光学系の設計自由度が低下する。 However, placing an optical component such as a prism that branches the optical path within the eyepiece optical system increases the size of the observation device and the imaging device. In addition, placing an optical component that is not necessary for the eyepiece optical system within the eyepiece optical system reduces the design freedom of the eyepiece optical system.

さらに、接眼光学系の光軸に対して傾斜した方向から眼球を撮像すると、接眼光学系から眼球までの距離が変動することによって撮像倍率の変動が大きくなる。例えば、観察者が裸眼の場合と眼鏡をかけている場合とで同等の視線検出精度を維持することが難しくなる。 Furthermore, when the eyeball is imaged from a direction tilted relative to the optical axis of the eyepiece optical system, the image magnification fluctuates greatly due to the variation in the distance from the eyepiece optical system to the eyeball. For example, it becomes difficult to maintain the same gaze detection accuracy when the observer is wearing glasses as when the observer is wearing naked eyes.

本発明は、眼球の位置が変動しても眼球を良好に撮像することができるようにした小型の観察装置およびこれを備えた撮像装置を提供する。 The present invention provides a small observation device that can capture good images of the eyeball even if the position of the eyeball changes, and an imaging device equipped with the same.

本発明の一側面としての観察装置は、画像を表示する画像表示素子と、該画像表示素子からの光を観察者の眼球に導く接眼光学系と、それぞれ眼球の光学像を形成する撮像レンズと光学像を撮像する撮像センサを含む複数の撮像系とを有する。複数の撮像系のそれぞれの撮像レンズの光軸は、接眼光学系の光軸に対して、該光軸上の互いに異なる位置にて互いに異なる傾斜角度で交差する。複数の撮像系のそれぞれにおける撮像レンズの光軸と撮像センサの撮像面の法線とがなす角度が互いに異なることを特徴とする。 An observation device according to one aspect of the present invention has an image display element that displays an image, an eyepiece optical system that directs light from the image display element to the eyeball of an observer, and a plurality of imaging systems each including an imaging lens that forms an optical image of the eyeball and an imaging sensor that captures the optical image. The optical axis of each of the imaging lenses of the plurality of imaging systems intersects with the optical axis of the eyepiece optical system at different positions on the optical axis and at different inclination angles. The observation device is characterized in that the angles between the optical axis of the imaging lens in each of the plurality of imaging systems and the normal to the imaging surface of the imaging sensor are different from each other.

また本発明の他の一側面としての観察装置は、画像を表示する画像表示素子と、該画像表示素子からの光を観察者の眼球に導く接眼光学系と、それぞれ眼球を撮像する複数の撮像系とを有する。複数の撮像系のそれぞれの撮像方向は、接眼光学系の光軸に対して、該光軸上の互いに異なる位置にて互いに異なる傾斜角度をなす方向である。複数の撮像系はそれぞれ、該撮像系の撮像センサ側のピント面の接眼光学系の光軸に対する傾きが撮像方向に直交する面の接眼光学系の光軸に対する傾きよりも小さくなるように構成されている。 An observation device according to another aspect of the present invention has an image display element that displays an image, an eyepiece optical system that guides light from the image display element to the observer's eyeball, and a number of imaging systems that each image the eyeball. The imaging directions of the multiple imaging systems are directions that form different inclination angles with respect to the optical axis of the eyepiece optical system at different positions on the optical axis. Each of the multiple imaging systems is configured so that the inclination of the focal plane of the imaging system on the imaging sensor side with respect to the optical axis of the eyepiece optical system is smaller than the inclination of a plane perpendicular to the imaging direction with respect to the optical axis of the eyepiece optical system.

本発明によれば、小型の観察装置でありながらも、眼球の位置が変動しても良好に眼球を撮像することができる。 The present invention allows for a compact observation device that can capture good images of the eyeball even if the eyeball position changes.

本発明の実施例1である観察装置の構成を示す図。FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an observation device according to a first embodiment of the present invention. 実施例1における撮像系の構成を示す図。FIG. 2 is a diagram showing the configuration of an imaging system in the first embodiment. 実施例1における他の撮像系の構成を示す図。FIG. 4 is a diagram showing the configuration of another imaging system in the first embodiment. 本発明の実施例2である観察装置の構成を示す図。FIG. 11 is a diagram showing the configuration of an observation device according to a second embodiment of the present invention. 実施例2における撮像系の構成を示す図。FIG. 11 is a diagram showing the configuration of an imaging system in a second embodiment. 実施例2における他の撮像系の構成を示す図。FIG. 11 is a diagram showing the configuration of another imaging system in the second embodiment. 実施例2におけるさらに別の撮像系の構成を示す図。FIG. 13 is a diagram showing the configuration of yet another imaging system in the second embodiment. 本発明の実施例3である観察装置の構成を示す図。FIG. 11 is a diagram showing the configuration of an observation device according to a third embodiment of the present invention. 実施例1~3の観察装置を備えた撮像装置を示す図。FIG. 2 is a diagram showing an imaging device equipped with the observation device according to the first to third embodiments.

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の実施例1である観察装置1Aの構成を示している。観察装置1Aは、画像表示素子3と、接眼光学系2と、複数の撮像系4、5とを有する。図4は、本発明の実施例2である観察装置1Bの構成を示している。観察装置1Bは、画像表示素子3と、接眼光学系2と、複数の撮像系6、7、8とを有する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Fig. 1 shows the configuration of observation device 1A, which is embodiment 1 of the present invention. Observation device 1A has an image display element 3, an eyepiece optical system 2, and multiple imaging systems 4, 5. Fig. 4 shows the configuration of observation device 1B, which is embodiment 2 of the present invention. Observation device 1B has an image display element 3, an eyepiece optical system 2, and multiple imaging systems 6, 7, 8.

図2および図3はそれぞれ、観察装置1Aに設けられた撮像系4および撮像系5の構成を示している。図5、図6および図7はそれぞれ、観察装置1Bに設けられる撮像系6、撮像系7および撮像系8の構成を示している。各撮像系(4~8)は、物体側から像側に順に、絞り(11、14、17、20、23)撮像レンズ(12、15、18、21、24)および撮像センサ(13、16、19、22、25)により構成されている。 Figures 2 and 3 respectively show the configurations of imaging systems 4 and 5 provided in observation device 1A. Figures 5, 6 and 7 respectively show the configurations of imaging systems 6, 7 and 8 provided in observation device 1B. Each imaging system (4-8) is composed of, from the object side to the image side, an aperture (11, 14, 17, 20, 23), imaging lenses (12, 15, 18, 21, 24) and an imaging sensor (13, 16, 19, 22, 25).

表1~5はそれぞれ、撮像系4~8の数値例を示す。各数値例における全体諸元のうち「焦点距離」は撮像レンズの焦点距(mm)、「撮像面対角長」は撮像センサの矩形の撮像面の対角長(mm)、「画角」は撮像レンズの画角(°)を示す。 Tables 1 to 5 show examples of values for imaging systems 4 to 8, respectively. Among the overall specifications in each example, "focal length" refers to the focal length of the imaging lens (mm), "imaging surface diagonal length" refers to the diagonal length (mm) of the rectangular imaging surface of the imaging sensor, and "angle of view" refers to the angle of view (°) of the imaging lens.

また、面データにおいて、iを物体側から数えた面番号とすると、rはi番目の面の曲率半径(mm)、zとyはそれぞれi番目の面の図1と図4に示すz方向とy方向での座標を示す。θは撮像レンズの光軸および撮像センサの撮像面の法線が接眼光学系の光軸に対してなす傾斜角度(°)、ndとνdはそれぞれ、i番目のレンズのd線(587.6nm)に対する屈折率およびd線を基準とするアッベ数を示す。アッベ数νdは、フラウンホーファ線のd線(587.6nm)、F線(486.1nm)、C線(656.3nm)における屈折率をNd、NF、NCとするとき、νd=(Nd-1)/(NF-NC)で表される。「有効径」は、i番目の面のうち撮像面に到達する光が通過する領域の直径を示す。 In the surface data, if i is the surface number counted from the object side, r is the radius of curvature (mm) of the i-th surface, z and y are the coordinates of the i-th surface in the z and y directions shown in Figures 1 and 4, respectively. θ is the inclination angle (°) of the optical axis of the imaging lens and the normal to the imaging surface of the imaging sensor with respect to the optical axis of the eyepiece optical system, and nd and νd are the refractive index of the i-th lens with respect to the d-line (587.6 nm) and the Abbe number based on the d-line, respectively. The Abbe number νd is expressed as νd = (Nd-1)/(NF-NC), where Nd, NF, and NC are the refractive indices of the Fraunhofer lines at the d-line (587.6 nm), F-line (486.1 nm), and C-line (656.3 nm). The "effective diameter" is the diameter of the area of the i-th surface through which light that reaches the imaging surface passes.

また、面番号の横に*が付されたレンズ面は非球面形状を有する。非球面形状は、レンズ面の頂点からの撮像レンズの光軸上の位置をx、該光軸に直交する方向での高さをh、光の進行方向を正とし、rを近軸曲率半径、Kを円錐定数、A4,A6,A8を非球面係数とするとき、以下の式で表される。円錐定数と非球面係数における「E±M」は×10±Mを意味する。 Additionally, lens surfaces with an * next to the surface number have an aspheric shape. The aspheric shape is expressed by the following formula, where the position on the optical axis of the imaging lens from the vertex of the lens surface is x, the height in a direction perpendicular to the optical axis is h, the traveling direction of light is positive, r is the paraxial radius of curvature, K is the conic constant, and A4, A6, and A8 are aspheric coefficients. "E±M" in the conic constant and aspheric coefficients means ×10 ±M .

図1に示す実施例1の観察装置1Aにおいて、画像表示素子3は、液晶素子や有機EL素子等により構成されて観察画像を表示する。接眼光学系2は、画像表示素子3からの光を観察者の眼球10に導く。観察装置1Aは、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置に搭載され、該撮像装置により被写体を撮像して得られた撮像画像を観察画像として表示する電子ビューファインダ(EVF)として機能する。 In the observation device 1A of Example 1 shown in FIG. 1, the image display element 3 is composed of a liquid crystal element, an organic EL element, or the like, and displays an observation image. The eyepiece optical system 2 guides light from the image display element 3 to the observer's eyeball 10. The observation device 1A is mounted on an imaging device such as a digital still camera or a video camera, and functions as an electronic viewfinder (EVF) that displays an image obtained by imaging a subject with the imaging device as an observation image.

また観察装置1Aは、撮像系4、5を有する。撮像系4、5はそれぞれ、図2および図3に示すように、絞り11、14と、該絞り11、14の開口を通過した光を結像させる撮像レンズ12、15と、撮像レンズ12、15により形成された光学像を撮像(光電変換)する光電変換素子としての撮像センサ13、16とにより構成されており、接眼光学系2を覗く眼球10を撮像する。撮像系4、5により眼球10を撮像して得られた撮像データ(画像データ)は、眼球10の向き、すなわち観察者の視線を検出するために用いられる。 The observation device 1A also has imaging systems 4 and 5. As shown in Figures 2 and 3, the imaging systems 4 and 5 are each composed of an aperture 11, 14, an imaging lens 12, 15 that forms an image of light that has passed through the aperture of the aperture 11, 14, and an imaging sensor 13, 16 as a photoelectric conversion element that captures (photoelectrically converts) the optical image formed by the imaging lens 12, 15, and capture an image of the eyeball 10 looking into the eyepiece optical system 2. The imaging data (image data) obtained by capturing an image of the eyeball 10 by the imaging systems 4 and 5 is used to detect the direction of the eyeball 10, i.e., the line of sight of the observer.

撮像系4はその撮像方向(撮像レンズ12の光軸12aが延びる方向)が接眼光学系2の光軸2a上での接眼光学系2からの距離が遠い位置を向いており、撮像系5はその撮像方向(撮像レンズ15の光軸15aが延びる方向)が接眼光学系2からの距離が近い位置を向いている。すなわち、撮像系4、5は、接眼光学系2からの距離が互いに異なる位置にある眼球10を撮像するために設けられている。 The imaging direction of the imaging system 4 (the direction in which the optical axis 12a of the imaging lens 12 extends) faces a position on the optical axis 2a of the eyepiece optical system 2 that is far from the eyepiece optical system 2, and the imaging direction of the imaging system 5 (the direction in which the optical axis 15a of the imaging lens 15 extends) faces a position close to the eyepiece optical system 2. In other words, the imaging systems 4 and 5 are provided to capture images of the eyeball 10 that are at positions that are different distances from the eyepiece optical system 2.

具体的には、撮像系4の撮像レンズ12の光軸12aと撮像系5の撮像レンズ15の光軸15aは、接眼光学系2の光軸2aに対して、該光軸2a上の互いに異なる位置(接眼光学系2からの距離が異なる位置)において互いに異なる傾斜角度θ4、θ5で交差する。 Specifically, the optical axis 12a of the imaging lens 12 of the imaging system 4 and the optical axis 15a of the imaging lens 15 of the imaging system 5 intersect with the optical axis 2a of the eyepiece optical system 2 at different positions on the optical axis 2a (positions at different distances from the eyepiece optical system 2) at different inclination angles θ4 and θ5.

このように撮像系4、5は、接眼光学系2の光軸2aに対して傾斜した撮像方向から眼球10を撮像する構成を有するため、従来のように接眼光学系にプリズムやミラー等の光学部材を設けることによる不要な光路長の増加を防止することができる。特に本実施例のようなEVFでは、接眼光学系に求められる拡大倍率が大きく、接眼光学系の焦点距離が短くなるため、接眼光学系の光路長の増加は好ましくない。 In this way, the imaging systems 4 and 5 are configured to image the eyeball 10 from an imaging direction inclined with respect to the optical axis 2a of the eyepiece optical system 2, which makes it possible to prevent unnecessary increases in the optical path length caused by providing optical components such as prisms and mirrors in the eyepiece optical system as in the conventional art. In particular, with an EVF such as that in this embodiment, a large magnification is required for the eyepiece optical system, which shortens the focal length of the eyepiece optical system, so an increase in the optical path length of the eyepiece optical system is not desirable.

また、眼球を正面からではなく斜め方向から撮像する場合、接眼光学系から眼球までの距離によって撮像センサ上において眼球が撮像される像高が変化する。さらに接眼光学系から眼球までの距離によって撮像系から眼球までの距離も変化するため、撮像系のピント位置が変化するとともに、眼球に対する撮像倍率も変化する。これらの影響は、眼鏡型端末やヘッドマウントディスプレイのように接眼光学系から眼球までの距離がほぼ固定される場合は無視できるが、撮像装置のEVFのように接眼光学系から眼球までの距離が大きく変化し得る場合は、眼球までの距離によっては視線検出が困難になる。 Furthermore, when the eyeball is imaged from an oblique direction rather than from the front, the image height at which the eyeball is imaged on the imaging sensor changes depending on the distance from the eyepiece optical system to the eyeball. Furthermore, the distance from the imaging system to the eyeball also changes depending on the distance from the eyepiece optical system to the eyeball, so the focus position of the imaging system changes and the imaging magnification for the eyeball also changes. These effects can be ignored when the distance from the eyepiece optical system to the eyeball is almost fixed, such as in glasses-type terminals and head-mounted displays, but when the distance from the eyepiece optical system to the eyeball can change significantly, such as in the EVF of an imaging device, gaze detection becomes difficult depending on the distance to the eyeball.

このため本実施例では、接眼光学系2から眼球10までの距離に応じた撮像系4、5を設け、上述した像高、ピント位置および撮像倍率の変化を緩和することで、眼球10までの距離が変化してもが眼球10を良好に撮像することができ、高精度な視線検出を行えるようにしている。具体的には、撮像系4、5の撮像レンズ12、15の光軸12a、15aが接眼光学系2の光軸2aに交差する位置を互いに異ならせることで、眼球10の光学像が撮像センサ13、16の中心に形成される距離を変化させている。 For this reason, in this embodiment, imaging systems 4 and 5 are provided according to the distance from the eyepiece optical system 2 to the eyeball 10, and by mitigating the changes in image height, focal position, and imaging magnification described above, the eyeball 10 can be imaged well even if the distance to the eyeball 10 changes, enabling highly accurate gaze detection. Specifically, the positions at which the optical axes 12a and 15a of the imaging lenses 12 and 15 of the imaging systems 4 and 5 intersect with the optical axis 2a of the eyepiece optical system 2 are made different from each other, thereby changing the distance at which the optical image of the eyeball 10 is formed at the center of the imaging sensors 13 and 16.

また、各撮像系に対応する眼球10の位置に応じて撮像レンズの画角(以下、撮像系の画角ともいう)および焦点距離を異ならせることで、眼球10までの距離の変化に対するピント位置や撮像倍率の変化を抑制している。具体的には、接眼光学系2からの距離が近い眼球10を撮像する撮像系5に比べて、距離が遠い眼球10を撮像する撮像系4の画角を狭くしている。 In addition, by varying the angle of view of the imaging lens (hereinafter also referred to as the angle of view of the imaging system) and focal length according to the position of the eyeball 10 corresponding to each imaging system, changes in the focus position and imaging magnification due to changes in the distance to the eyeball 10 are suppressed. Specifically, the angle of view of imaging system 4, which images the eyeball 10 at a far distance from the eyepiece optical system 2, is narrower than that of imaging system 5, which images the eyeball 10 at a close distance from the eyepiece optical system 2.

また、各撮像系において、撮像レンズの光軸が接眼光学系2の光軸2aに対してなす傾斜角度(以下、レンズ光軸角度という)と撮像センサの撮像面の法線(13a、16a)が接眼光学系2の光軸2aに対してなす傾斜角度(以下、センサ法線角度という)とは互いに異なる。レンズ光軸角度に対するセンサ法線角度の差(=センサ法線角度-レンズ光軸角度)を、センサチルト角度Δθという。さらに本実施例では、撮像系4のセンサチルト角度Δθ4と撮像系5のセンサチルト角度Δθ5も互いに異なる。 In addition, in each imaging system, the tilt angle that the optical axis of the imaging lens makes with respect to the optical axis 2a of the eyepiece optical system 2 (hereinafter referred to as the lens optical axis angle) and the tilt angle that the normal (13a, 16a) of the imaging surface of the imaging sensor makes with respect to the optical axis 2a of the eyepiece optical system 2 (hereinafter referred to as the sensor normal angle) are different from each other. The difference between the sensor normal angle and the lens optical axis angle (= sensor normal angle - lens optical axis angle) is called the sensor tilt angle Δθ. Furthermore, in this embodiment, the sensor tilt angle Δθ4 of imaging system 4 and the sensor tilt angle Δθ5 of imaging system 5 are also different from each other.

接眼光学系2の光軸2aに対して傾いた撮像方向から眼球10を撮像する場合において、レンズ光軸角度とセンサ法線角度が一致する(すなわちセンサチルト角が0である)と、撮像系のピントが合う平面であるピント面は、撮像レンズの光軸に直交し、接眼光学系2の光軸2aに直交する面から大きく傾いた面となる。しかし、眼球10のうち角膜だけでなく、強膜、瞳孔、さらには瞼にもピントが合うように撮像するためには、撮像系のピント面が接眼光学系2の光軸2aに直交する面(眼球10に正対する面)に対する傾きができるだけ小さい面であることが望ましい。このため本実施例では、各撮像系において撮像センサを撮像レンズに対してチルトさせてセンサチルト角度を適切に設定することで、該撮像系のピント面の接眼光学系2の光軸2aに直交する面に対する傾きを撮像レンズの光軸(撮像方向)に直交する面よりも小さくしている。 When the eyeball 10 is imaged from an imaging direction tilted with respect to the optical axis 2a of the eyepiece optical system 2, if the lens optical axis angle and the sensor normal angle are the same (i.e., the sensor tilt angle is 0), the focal plane, which is the plane on which the imaging system is focused, is a plane that is perpendicular to the optical axis of the imaging lens and is greatly tilted from the plane perpendicular to the optical axis 2a of the eyepiece optical system 2. However, in order to image not only the cornea of the eyeball 10 but also the sclera, pupil, and even eyelids so that they are in focus, it is desirable for the focal plane of the imaging system to be a plane that has as small an inclination as possible with respect to the plane perpendicular to the optical axis 2a of the eyepiece optical system 2 (the plane directly facing the eyeball 10). For this reason, in this embodiment, the imaging sensor in each imaging system is tilted with respect to the imaging lens to appropriately set the sensor tilt angle, so that the inclination of the focal plane of the imaging system with respect to the plane perpendicular to the optical axis 2a of the eyepiece optical system 2 is smaller than the plane perpendicular to the optical axis (imaging direction) of the imaging lens.

具体例として、図2に示す撮像系4では、センサチルト角度Δθ4を撮像系4の観察者側のピント面12cの接眼光学系2の光軸2aに直交する面2bに対する傾きが撮像レンズ12の光軸12aに直交する面12bよりも小さくなるように設定されている。なお、このとき、撮像系4の撮像センサ側のピント面の接眼光学系2の光軸2aに対する傾きは、撮像レンズ12の光軸12aに直交する面12bの前記接眼光学系の光軸に対する傾きよりも小さくなる。 As a specific example, in the imaging system 4 shown in FIG. 2, the sensor tilt angle Δθ4 is set so that the inclination of the focal plane 12c on the observer side of the imaging system 4 with respect to the plane 2b perpendicular to the optical axis 2a of the eyepiece optical system 2 is smaller than the inclination of the plane 12b perpendicular to the optical axis 12a of the imaging lens 12. Note that at this time, the inclination of the focal plane on the imaging sensor side of the imaging system 4 with respect to the optical axis 2a of the eyepiece optical system 2 is smaller than the inclination of the plane 12b perpendicular to the optical axis 12a of the imaging lens 12 with respect to the optical axis of the eyepiece optical system.

以下、本実施例および後述する他の実施例において、複数の撮像系が満足することが望ましい条件について説明する。 The following describes the conditions that are desirably satisfied by multiple imaging systems in this embodiment and other embodiments described below.

複数の撮像系の画角のうち最も広い画角をω1、最も狭い画角をω2とするとき、以下の条件式(1)を満足することが望ましい。
-0.30≦tan(ω2)/tan(ω1)≦0.80 (1)
条件式(1)は、接眼光学系と眼球との距離の変化に十分に対応可能な複数の撮像系を設けるための画角に関する条件を示す。tan(ω2)/tan(ω1)が条件式(1)の下限を下回ると、いずれかの撮像系の結像性能が低くなって歪曲等が発生するとともに、眼球に対する撮像倍率が小さくなるため、好ましくない。tan(ω2)/tan(ω1)は条件式(1)の上限を上回ると、複数の撮像系の画角が互いに近づきすぎて眼球の距離の変化に対する影響を十分に軽減することができなくなるため、好ましくない。
When the widest angle of view among the angles of view of a plurality of imaging systems is ω1 and the narrowest angle of view is ω2, it is desirable to satisfy the following conditional expression (1).
-0.30≦tan(ω2)/tan(ω1)≦0.80 (1)
Conditional formula (1) shows a condition regarding the angle of view for providing a plurality of imaging systems that can sufficiently respond to changes in the distance between the eyepiece optical system and the eyeball. If tan(ω2)/tan(ω1) is below the lower limit of conditional formula (1), the imaging performance of one of the imaging systems will be reduced, causing distortion and the like, and the imaging magnification for the eyeball will be reduced, which is undesirable. If tan(ω2)/tan(ω1) is above the upper limit of conditional formula (1), the angles of view of the plurality of imaging systems will be too close to each other, making it impossible to sufficiently reduce the effect of changes in the distance between the eyeball, which is undesirable.

条件式(1)の数値範囲を、以下のようにすることがより好ましい。
-0.20≦tan(ω2)/tan(ω1)≦0.70 (1a)
条件式(1)の数値範囲を、以下のようにすることがさらに好ましい。
-0.10≦tan(ω2)/tan(ω1)≦0.60 (1b)
また、複数の撮像系のレンズ光軸角度の絶対値のうち最も大きいレンズ光軸角度をθ1、最も小さいレンズ光軸角度をθ2とするとき、以下の条件式(2)を満足することが望ましい。
1.1≦tan(θ1)/tan(θ2)≦8.0 (2)
条件式(2)は、接眼光学系と眼球との距離の変化に十分に対応可能な複数の撮像系を設けるためのレンズ光軸角度に関する条件を示す。tan(θ1)/tan(θ2)が条件式(2)の下限を下回ると、眼球の距離の変動による影響を軽減できなくなるため、好ましくない。tan(θ1)/tan(θ2)が条件式(2)の上限を上回ると、撮像系の光路が接眼光学系の光路に干渉するおそれが生じるため、好ましくない。
It is more preferable that the numerical range of conditional expression (1) is as follows:
-0.20≦tan(ω2)/tan(ω1)≦0.70 (1a)
It is more preferable that the numerical range of conditional expression (1) is as follows:
-0.10≦tan(ω2)/tan(ω1)≦0.60 (1b)
Furthermore, when the largest lens optical axis angle among the absolute values of the lens optical axis angles of a plurality of imaging systems is θ1 and the smallest lens optical axis angle is θ2, it is desirable to satisfy the following conditional expression (2).
1.1≦tan(θ1)/tan(θ2)≦8.0 (2)
Conditional formula (2) shows a condition related to the lens optical axis angle for providing a plurality of imaging systems that can sufficiently respond to changes in the distance between the eyepiece optical system and the eyeball. If tan(θ1)/tan(θ2) is below the lower limit of conditional formula (2), it is not preferable because it is not possible to reduce the influence of changes in the distance of the eyeball. If tan(θ1)/tan(θ2) is above the upper limit of conditional formula (2), it is not preferable because the optical path of the imaging system may interfere with the optical path of the eyepiece optical system.

条件式(2)の数値範囲を、以下のようにすることがより好ましい。
1.5≦tan(θ1)/tan(θ2)≦6.0 (2a)
条件式(2)の数値範囲を、以下のようにすることがさらに好ましい。
1.7≦tan(θ1)/tan(θ2)≦5.0 (2b)
また、各撮像系のレンズ光軸角度の絶対値をθa、センサ法線角度の絶対値をθbとするとき、以下の条件式(3)を満足することが望ましい。
0.70≦tan(θa)/tan(θb)<1.00 (3)
条件式(3)は、撮像系のピント面の接眼光学系の光軸に直交する面に近づけるための条件を示す。tan(θa)/tan(θb)が条件式(3)の下限値を下回ると、撮像系が大型化するため、好ましくない。tan(θa)/tan(θb)が条件式(3)の上限を上回ると、撮像系の観察者側のピント面の傾きを接眼光学系の光軸に直交する面に近づけるために撮像系の全長が長くなるので、好ましくない。
It is more preferable that the numerical range of conditional expression (2) is as follows:
1.5≦tan(θ1)/tan(θ2)≦6.0 (2a)
It is more preferable that the numerical range of conditional expression (2) is as follows:
1.7≦tan(θ1)/tan(θ2)≦5.0 (2b)
In addition, when the absolute value of the lens optical axis angle of each imaging system is θa and the absolute value of the sensor normal angle is θb, it is desirable to satisfy the following conditional expression (3).
0.70≦tan(θa)/tan(θb)<1.00 (3)
Conditional formula (3) shows a condition for bringing the focal plane of the imaging system closer to a plane perpendicular to the optical axis of the eyepiece optical system. If tan(θa)/tan(θb) is below the lower limit of conditional formula (3), the imaging system becomes large, which is not preferable. If tan(θa)/tan(θb) is above the upper limit of conditional formula (3), the total length of the imaging system becomes long in order to bring the inclination of the focal plane on the observer side of the imaging system closer to a plane perpendicular to the optical axis of the eyepiece optical system, which is not preferable.

条件式(3)の数値範囲を、以下のようにすることがより好ましい。
0.75≦tan(θa)/tan(θb)<1.00 (3a)
条件式(3)の数値範囲を、以下のようにすることがさらに好ましい。
0.80≦tan(θa)/tan(θb)<1.00 (3b)
また、各撮像系のレンズ光軸角度の絶対値をθnとするとき、以下の条件式(4)を満足することが望ましい。
10°≦θn≦70° (4)
条件式(4)は、接眼光学系に対する影響を抑えつつ撮像系の光学性能を確保するための条件を示す。θnが条件式(4)の下限値を下回ると、撮像系の位置が接眼光学系に近つなりすぎて接眼光学系の光学性能に影響するおそれがあるため、好ましくない。θnが条件式(4)の上限を上回ると、撮像系が接眼光学系に対する傾きが大きくなりすぎて撮像系の光学性能を確保することが難しくなるため、好ましくない。
It is more preferable that the numerical range of conditional expression (3) is as follows:
0.75≦tan(θa)/tan(θb)<1.00 (3a)
It is more preferable that the numerical range of conditional expression (3) is as follows:
0.80≦tan(θa)/tan(θb)<1.00 (3b)
Furthermore, when the absolute value of the lens optical axis angle of each imaging system is θn, it is desirable to satisfy the following conditional expression (4).
10°≦θn≦70° (4)
Conditional expression (4) shows a condition for ensuring the optical performance of the imaging system while suppressing the influence on the eyepiece optical system. If θn is below the lower limit of conditional expression (4), the position of the imaging system becomes too close to the eyepiece optical system, which may affect the optical performance of the eyepiece optical system, which is not preferable. If θn is above the upper limit of conditional expression (4), the inclination of the imaging system with respect to the eyepiece optical system becomes too large, which makes it difficult to ensure the optical performance of the imaging system, which is also not preferable.

条件式(4)の数値範囲を、以下のようにすることがより好ましい。
10°≦θn≦65° (4a)
条件式(4)の数値範囲を、以下のようにすることがさらに好ましい。
10°≦θn≦60° (4b)
また、各撮像系の撮像レンズの焦点距離をf、撮像センサの撮像面の対角長をHとし、複数の撮像系のH/fのうち最大値をH1/f1、最小値をH2/f2とするとき、以下の条件式(5)を満足することが望ましい。
1.1≦(H1/f1)/(H2/f2)≦2.5 (5)
条件式(5)は、接眼光学系と眼球との距離が変動しても複数の撮像系による視線検出精度を良好にするための条件を示す。(H1/f1)/(H2/f2)が条件式(5)の下限を下回ると、複数の撮像系の特性が近過ぎて、眼球の距離の変動による視線検出精度の変化が大きくなるため、好ましくない。(H1/f1)/(H2/f2)が条件式(5)の上限を上回ると、複数の撮像系の特性の違いが大き過ぎて、撮像系の数が増加するおそれがあるため、好ましくない。
It is more preferable that the numerical range of conditional expression (4) is as follows:
10°≦θn≦65° (4a)
It is more preferable that the numerical range of conditional expression (4) is as follows:
10°≦θn≦60° (4b)
Furthermore, when the focal length of the imaging lens of each imaging system is f, the diagonal length of the imaging surface of the image sensor is H, and the maximum value of H/f of the multiple imaging systems is H1/f1 and the minimum value is H2/f2, it is desirable to satisfy the following conditional expression (5):
1.1≦(H1/f1)/(H2/f2)≦2.5 (5)
Conditional formula (5) shows a condition for improving the gaze detection accuracy by the multiple imaging systems even if the distance between the eyepiece optical system and the eyeball varies. If (H1/f1)/(H2/f2) is below the lower limit of conditional formula (5), the characteristics of the multiple imaging systems are too close, and the change in the gaze detection accuracy due to the variation in the distance of the eyeball increases, which is not preferable. If (H1/f1)/(H2/f2) is above the upper limit of conditional formula (5), the difference in the characteristics of the multiple imaging systems is too large, and there is a risk of the number of imaging systems increasing, which is not preferable.

条件式(5)の数値範囲を、以下のようにすることがより好ましい。
1.1≦(H1/f1)/(H2/f2)≦2.1 (5a)
条件式(5)の数値範囲を、以下のようにすることがさらに好ましい。
1.1≦(H1/f1)/(H2/f2)≦1.9 (5b)
また、各撮像系の撮像レンズのうち眼球側の曲率をR1、撮像センサ側の曲率をR2とするとき、各撮像系は以下の条件式(6)を満足する少なくとも1つの撮像レンズを含むことが望ましい。
-4.00≦(R1+R2)/(R1-R2)<1.00 (6)
条件式(6)は、各撮像系において視線検出のための光学性能と小型化を両立するために撮像レンズが満足することが望ましい条件を示す。(R1+R2)/(R1-R2)が条件式(6)の下限を下回ると、撮像レンズが大型化するため、好ましくない。(R1+R2)/(R1-R2)が条件式(6)の上限を上回ると、撮像レンズの像面湾曲やコマ収差等が増加して撮像レンズの光学性能が低下するため、好ましくない。
It is more preferable that the numerical range of conditional expression (5) is as follows:
1.1≦(H1/f1)/(H2/f2)≦2.1 (5a)
It is more preferable that the numerical range of conditional expression (5) is as follows:
1.1≦(H1/f1)/(H2/f2)≦1.9 (5b)
Furthermore, when the curvature of the imaging lens on the eyeball side of each imaging system is R1 and the curvature of the imaging lens on the imaging sensor side is R2, it is desirable that each imaging system includes at least one imaging lens that satisfies the following conditional expression (6):
-4.00≦(R1+R2)/(R1-R2)<1.00 (6)
Conditional formula (6) indicates a condition that is desirably satisfied by the imaging lens in order to achieve both optical performance for line of sight detection and compactness in each imaging system. If (R1+R2)/(R1-R2) is below the lower limit of conditional formula (6), the imaging lens will become large, which is undesirable. If (R1+R2)/(R1-R2) is above the upper limit of conditional formula (6), the image surface curvature, coma aberration, etc. of the imaging lens will increase, which is undesirable, and the optical performance of the imaging lens will deteriorate.

条件式(6)の数値範囲を、以下のようにすることがより好ましい。
-3.50≦(R1+R2)/(R1-R2)<1.00 (6a)
条件式(5)の数値範囲を、以下のようにすることがさらに好ましい。
It is more preferable that the numerical range of conditional expression (6) is set as follows:
-3.50≦(R1+R2)/(R1-R2)<1.00 (6a)
It is more preferable that the numerical range of conditional expression (5) is as follows:

-3.30≦(R1+R2)/(R1-R2)<1.00 (6b)
実施例1の数値例における条件式(2)のtan(θa)/tan(θb)、条件式(5)のH/fおよび条件式(6)の(R1+R2)/(R1-R2)を表1、2に示す。また、条件式(1)のtan(ω2)/tan(ω1)、条件式(2)のtan(θ1)/tan(θ2)および条件式(5)の(H1/f1)/(H2/f2)を表6にまとめて示す。
-3.30≦(R1+R2)/(R1-R2)<1.00 (6b)
In the numerical example of the first embodiment, tan(θa)/tan(θb) in the conditional expression (2), H/f in the conditional expression (5), and (R1+R2)/(R1-R2) in the conditional expression (6) are shown. 1 and 2. In addition, tan(ω2)/tan(ω1) in conditional expression (1), tan(θ1)/tan(θ2) in conditional expression (2), and (H1/f1 )/(H2/f2) are summarized in Table 6.

図4は、本発明の実施例2である観察装置1Bの構成を示している。観察装置1Bにおける画像表示素子3と接眼光学系2は、実施例1における画像表示素子3と接眼光学系2と同じものである。本実施例では、撮像系4、5の数が2つである実施例1に比べて撮像系6~8の数を3つに増やすことで、接眼光学系2からの眼球10までの距離の変化に対してより高い視線検出精度を得ることができる。 Figure 4 shows the configuration of observation device 1B, which is Example 2 of the present invention. The image display element 3 and eyepiece optical system 2 in observation device 1B are the same as the image display element 3 and eyepiece optical system 2 in Example 1. In this example, by increasing the number of imaging systems 6 to 8 to three compared to Example 1, which has two imaging systems 4 and 5, it is possible to obtain higher line of sight detection accuracy in response to changes in the distance from the eyepiece optical system 2 to the eyeball 10.

撮像系6、7、8はそれぞれ、図5、図6および図7に示すように、絞り17、20、23と、該絞り17、20、23の開口を通過した光を結像させる撮像レンズ18、21、24、撮像レンズ18、21、24により形成された光学像を撮像する光電変換素子としての撮像センサ19、22、25とにより構成されており、接眼光学系2を覗く眼球10を撮像する。実施例1と同様に、撮像系6~8により眼球10を撮像して得られた撮像データは、眼球10の向き、すなわち観察者の視線を検出するために用いられる。 As shown in Figures 5, 6 and 7, the imaging systems 6, 7 and 8 are each composed of an aperture 17, 20 and 23, imaging lenses 18, 21 and 24 that form an image using light that has passed through the apertures of the apertures 17, 20 and 23, and imaging sensors 19, 22 and 25 as photoelectric conversion elements that capture the optical image formed by the imaging lenses 18, 21 and 24, and capture an image of the eyeball 10 looking into the eyepiece optical system 2. As in Example 1, the imaging data obtained by capturing an image of the eyeball 10 using the imaging systems 6 to 8 is used to detect the direction of the eyeball 10, i.e., the line of sight of the observer.

撮像系6はその撮像方向が接眼光学系2からの距離が遠い位置を向いており、撮像系7はその撮像方向が接眼光学系2からの距離が近い位置を向いている。撮像系8はその撮像方向が接眼光学系2からの距離が中間の位置を向いている。すなわち、撮像系6~8は、接眼光学系2からの距離が互いに異なる位置にある眼球10を撮像するために設けられている。 The imaging direction of imaging system 6 faces a position far away from the eyepiece optical system 2, and the imaging direction of imaging system 7 faces a position close to the eyepiece optical system 2. The imaging direction of imaging system 8 faces a position at an intermediate distance from the eyepiece optical system 2. In other words, imaging systems 6 to 8 are provided to capture images of the eyeball 10 at positions that are different distances from the eyepiece optical system 2.

具体的には、撮像系6の撮像レンズ18の光軸18aと撮像系7の撮像レンズ21の光軸21aと撮像系8の撮像レンズ24の光軸24aは、接眼光学系2の光軸2aに対して互いに異なる位置(接眼光学系2からの距離が異なる位置)において互いに異なる傾斜角度θ6、θ7、θ8で交差する。 Specifically, the optical axis 18a of the imaging lens 18 of the imaging system 6, the optical axis 21a of the imaging lens 21 of the imaging system 7, and the optical axis 24a of the imaging lens 24 of the imaging system 8 intersect with the optical axis 2a of the eyepiece optical system 2 at different positions (positions at different distances from the eyepiece optical system 2) and at different inclination angles θ6, θ7, and θ8.

また本実施例でも、撮像系6~8の画角を互いに異ならせている。具体的には、接眼光学系2からの距離が近い眼球10を撮像する撮像系6の画角、距離が中間の眼球10を撮像する撮像系8の画角、距離が遠い眼球10を撮像する撮像系7の画角の順で狭くしている。 In this embodiment, the angles of view of the imaging systems 6 to 8 are also different from one another. Specifically, the angles of view of the imaging system 6, which images the eyeball 10 at a close distance from the eyepiece optical system 2, are narrower in this order than the imaging system 8, which images the eyeball 10 at an intermediate distance, and the imaging system 7, which images the eyeball 10 at a far distance.

さらに本実施例でも、図5~7に示すように、撮像系6~8のそれぞれにおいて撮像センサ19、22、25の撮像面の法線19a、22a、25aを撮像レンズ18、21、24の光軸18a、21a、24aに対してチルトさせてセンサチルト角度Δθ6、Δθ7、Δθ8を適切に設定することで、各撮像系の観察者側のピント面の接眼光学系2の光軸2aに直交する面に対する傾きを撮像レンズの光軸に直交する面よりも小さくしている。 Furthermore, in this embodiment, as shown in Figures 5 to 7, the normals 19a, 22a, and 25a of the imaging surfaces of the imaging sensors 19, 22, and 25 in the imaging systems 6 to 8 are tilted relative to the optical axes 18a, 21a, and 24a of the imaging lenses 18, 21, and 24, respectively, to appropriately set the sensor tilt angles Δθ6, Δθ7, and Δθ8, so that the inclination of the focal surface on the observer side of each imaging system relative to the plane perpendicular to the optical axis 2a of the eyepiece optical system 2 is made smaller than the plane perpendicular to the optical axis of the imaging lens.

実施例2の数値例における条件式(2)のtan(θa)/tan(θb)、条件式(5)のH/fおよび条件式(6)の(R1+R2)/(R1-R2)を表3~5に示す。また、条件式(1)のtan(ω2)/tan(ω1)、条件式(2)のtan(θ1)/tan(θ2)および条件式(5)の(H1/f1)/(H2/f2)を表6にまとめて示す。
なお、本実施例では3つの撮像系を設けたが、撮像系の数を4つ以上としてもよい。
In the numerical example of Example 2, tan(θa)/tan(θb) in conditional formula (2), H/f in conditional formula (5), and (R1+R2)/(R1-R2) in conditional formula (6) are shown in Tables 3 to 5. In addition, tan(ω2)/tan(ω1) in conditional formula (1), tan(θ1)/tan(θ2) in conditional formula (2), and (H1/f1)/(H2/f2) in conditional formula (5) are shown in Table 6.
Although three imaging systems are provided in this embodiment, the number of imaging systems may be four or more.

Figure 0007532094000005
Figure 0007532094000005

Figure 0007532094000006
Figure 0007532094000006

以上説明した実施例1、2では、各撮像系において撮像レンズの光軸に対して撮像センサの撮像面の法線をチルトする構成により、撮像系の撮像センサ側のピント面の接眼光学系の光軸に対する傾きを撮像レンズの光軸(撮像方向)に直交する面の接眼光学系の光軸に対する傾きよりも小さくする場合について説明した。しかし、撮像系の撮像センサ側のピント面の接眼光学系の光軸に対する傾きが撮像方向に直交する面の接眼光学系の光軸に対する傾きよりも小さくなれば、上述した実施例の構成と異なる構成であってもよい。例えば撮像系を構成する撮像レンズは複数枚から構成されていても構わない。また、観察装置の大きさを抑制するために、撮像系の中にミラーを配置する等して光路を折り曲げる構成を採ってもよい。この場合はミラーを展開した状態において、本実施例の条件を満たせればよい。 In the above-described first and second embodiments, the normal of the imaging surface of the imaging sensor is tilted with respect to the optical axis of the imaging lens in each imaging system, so that the inclination of the focal plane of the imaging system on the imaging sensor side with respect to the optical axis of the eyepiece optical system is smaller than the inclination of the surface perpendicular to the optical axis of the imaging lens (imaging direction) with respect to the optical axis of the eyepiece optical system. However, as long as the inclination of the focal plane of the imaging system on the imaging sensor side with respect to the optical axis of the eyepiece optical system is smaller than the inclination of the surface perpendicular to the imaging direction with respect to the optical axis of the eyepiece optical system. For example, the imaging lens constituting the imaging system may be composed of multiple lenses. In addition, in order to reduce the size of the observation device, a configuration in which the optical path is bent by disposing a mirror in the imaging system, etc., may be adopted. In this case, it is sufficient that the conditions of this embodiment are satisfied when the mirror is unfolded.

図8は、本発明の実施例3である観察装置101の構成を示している。観察装置101は、画像表示素子103と、接眼光学系102と、観察者の眼球109を撮像する撮像系104、105とを有する。画像表示素子103と接眼光学系102は実施例1における画像表示素子3と接眼光学系2と同じものである。 Figure 8 shows the configuration of an observation device 101 according to a third embodiment of the present invention. The observation device 101 has an image display element 103, an eyepiece optical system 102, and imaging systems 104 and 105 that capture an image of an observer's eyeball 109. The image display element 103 and the eyepiece optical system 102 are the same as the image display element 3 and the eyepiece optical system 2 in the first embodiment.

また観察装置101は、撮像系104により眼球109を撮像する際に眼球109に対して赤外光を照射する照明系106と、撮像系104により眼球109を撮像する際に眼球109に対して赤外光を照射する照明系107を有する。照明系106、107は、接眼光学系102からの距離が異なる眼球109に対して接眼光学系102の光軸に対して互いに異なる角度だけ傾斜した方向から赤外光を照射する。赤外光を用いるのは、その照射を観察者に視認されないようにするためである。 The observation device 101 also has an illumination system 106 that irradiates the eyeball 109 with infrared light when the eyeball 109 is imaged by the imaging system 104, and an illumination system 107 that irradiates the eyeball 109 with infrared light when the eyeball 109 is imaged by the imaging system 104. The illumination systems 106 and 107 irradiate the eyeball 109 at different distances from the eyepiece optical system 102 with infrared light from directions tilted at different angles with respect to the optical axis of the eyepiece optical system 102. Infrared light is used so that the irradiation is not visible to the observer.

観察装置101は、処理回路(処理手段)108に接続されている。処理回路108は、撮像系104、105で得られた撮像データを用いて観察者の視線方向を算出する。この際、処理回路108は、接眼光学系102から眼球109までの距離に応じて、撮像系104、105のうち主として視線検出に用いる撮像データ(メイン撮像データ)を得る撮像系を切り替える。これは、眼球109までの距離に応じて、最も視線検出精度が高くなる撮像系が異なるためである。眼球109までの距離は、撮像系104、105から得られる撮像データの視差等を用いて算出すればよい。視線方向の演算方法は、照明系106、107から眼球109に照射された赤外光の反射像の座標から算出する方法や、眼球109を中心とする顔の広い範囲の撮像データから算出する方法等がある。 The observation device 101 is connected to a processing circuit (processing means) 108. The processing circuit 108 calculates the gaze direction of the observer using the imaging data obtained by the imaging systems 104 and 105. In this case, the processing circuit 108 switches between the imaging systems 104 and 105 that obtain imaging data (main imaging data) mainly used for gaze detection depending on the distance from the eyepiece optical system 102 to the eyeball 109. This is because the imaging system that provides the highest gaze detection accuracy differs depending on the distance to the eyeball 109. The distance to the eyeball 109 may be calculated using the parallax of the imaging data obtained from the imaging systems 104 and 105. The gaze direction can be calculated from the coordinates of the reflected image of infrared light irradiated from the illumination systems 106 and 107 to the eyeball 109, or from imaging data of a wide area of the face centered on the eyeball 109.

また処理回路108は、メイン撮像データを得る撮像系とは別の撮像系から得られた撮像データ(サブ撮像データ)を用いて、メイン撮像データから得られる視線方向を補正してもよい。例えば、メイン撮像データを得る撮像系より画角が広い別の撮像系からのサブ撮像データには、顔のうち眼球109以外の範囲の画像が含まれていることがあるので、このサブ撮像データを利用してメイン撮像データを用いて算出された視線方向を補正することで、メイン撮像データのみを用いる場合よりも視線方向の視線精度を向上させることができる。 The processing circuit 108 may also correct the gaze direction obtained from the main imaging data using imaging data (sub-imaging data) obtained from an imaging system other than the imaging system that obtains the main imaging data. For example, sub-imaging data from another imaging system that has a wider angle of view than the imaging system that obtains the main imaging data may include images of areas of the face other than the eyeballs 109. By using this sub-imaging data to correct the gaze direction calculated using the main imaging data, the gaze accuracy of the gaze direction can be improved compared to when only the main imaging data is used.

以上説明した実施例1~3によれば、小型でありながらも、眼球の位置が変動しても眼球を良好に撮像することができ、良好な視線検出精度を維持することが可能な観察装置を実現することができる。 According to the above-described first to third embodiments, it is possible to realize an observation device that is compact, yet capable of capturing good images of the eyeball even when the eyeball position changes, and that can maintain good gaze detection accuracy.

上記実施例1~3では、複数の撮像系を接眼光学系の上下に配置した場合について説明した。これは、通常の接眼光学系の有効領域は上下方向の方が水平方向より狭いので、複数の撮像系を接眼光学系の上下に配置する方が観察装置の大型化を抑えやすいためである。ただし、複数の撮像系は、接眼光学系の光軸を中心する円周上であればどの位置に配置されてもよい。 In the above embodiments 1 to 3, the case where multiple imaging systems are arranged above and below the eyepiece optical system has been described. This is because the effective area of a typical eyepiece optical system is narrower in the vertical direction than in the horizontal direction, so arranging multiple imaging systems above and below the eyepiece optical system makes it easier to prevent the observation device from becoming larger. However, the multiple imaging systems may be arranged anywhere on a circumference centered on the optical axis of the eyepiece optical system.

また実施例1~3では、撮像系の光学系が撮像レンズと絞りにより構成されている場合について説明したが、絞りの前面にカバーガラスを配置してもよいし、撮像レンズの前後のいずれかにプリズム等の光学部材を配置してもよい。 In addition, in the first to third embodiments, the optical system of the imaging system is described as being composed of an imaging lens and an aperture, but a cover glass may be placed in front of the aperture, or an optical member such as a prism may be placed either in front of or behind the imaging lens.

図9は、実施例1~3の観察装置1A、1B、101のうちいずれかを搭載したデジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置200を示している。 Figure 9 shows an imaging device 200 such as a digital still camera or video camera equipped with any one of the observation devices 1A, 1B, and 101 of Examples 1 to 3.

撮像装置200は、撮像レンズ201により形成された被写体像をCCDセンサやCMOSセンサ等の撮像センサ202により撮像する。撮像センサ202から出力された撮像信号は、演算処理回路(処理手段)203に入力される。演算処理回路203は、撮像信号に対して各種画像処理を行って撮像画像データを生成する。撮像画像データは、EFVとしての観察装置に出力され、観察装置内の画像表示素子(3、103)に表示される。ユーザは、その眼球(10、109)により観察装置内の接眼光学系(2、102)を覗くことで画像表示素子に表示された画像を観察することができる。 The imaging device 200 captures an image of a subject formed by an imaging lens 201 using an imaging sensor 202 such as a CCD sensor or CMOS sensor. The imaging signal output from the imaging sensor 202 is input to an arithmetic processing circuit (processing means) 203. The arithmetic processing circuit 203 performs various image processes on the imaging signal to generate captured image data. The captured image data is output to an observation device as an EFV and displayed on an image display element (3, 103) in the observation device. The user can view the image displayed on the image display element by looking into the eyepiece optical system (2, 102) in the observation device with his/her eyeball (10, 109).

この際、演算処理回路203は、観察装置の撮像系(4~8、104、105)から得られる撮像データを用いて、上記処理回路108のようにユーザ(観察者)の視線方向を算出(取得)する。そしてこの視線方向から撮像画面内におけるユーザの注視位置を算出する。さらに演算処理回路203は、撮像画面内から注視位置を含む領域を選択し、該選択した領域の撮像画像データを用いて自動露出やオートフォーカス等の処理を行う。 At this time, the arithmetic processing circuit 203 uses the imaging data obtained from the imaging system (4-8, 104, 105) of the observation device to calculate (acquire) the line of sight of the user (observer) like the processing circuit 108 described above. Then, from this line of sight direction, it calculates the user's gaze position on the imaging screen. Furthermore, the arithmetic processing circuit 203 selects an area including the gaze position from within the imaging screen, and performs processes such as automatic exposure and autofocus using the imaging image data of the selected area.

このように小型で視線検出精度が高い観察装置を用いることで、小型でありながらも自動露出やオートフォーカス等の処理を良好に行える撮像装置を実現することができる。 By using such a small observation device with high gaze detection accuracy, it is possible to realize an imaging device that is small yet capable of performing processes such as auto exposure and auto focus well.

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。 The above-described embodiments are merely representative examples, and various modifications and variations are possible when implementing the present invention.

1A,1B,101 観察装置
2,102 接眼光学系
3,103 画像表示素子
4,5,6,7,8,104,105 撮像系
12,15,18,21,24 撮像レンズ
13,16,19,22,25 撮像センサ
1A, 1B, 101 Observation device 2, 102 Eyepiece optical system 3, 103 Image display element 4, 5, 6, 7, 8, 104, 105 Imaging system 12, 15, 18, 21, 24 Imaging lens 13, 16, 19, 22, 25 Imaging sensor

Claims (13)

画像を表示する画像表示素子と、
該画像表示素子からの光を観察者の眼球に導く接眼光学系と、
それぞれ前記眼球の光学像を形成する撮像レンズと前記光学像を撮像する撮像センサを含む複数の撮像系とを有し、
前記複数の撮像系のそれぞれの前記撮像レンズの光軸は、前記接眼光学系の光軸に対して、該光軸上の互いに異なる位置にて互いに異なる傾斜角度で交差し、
前記複数の撮像系のそれぞれにおける前記撮像レンズの光軸と前記撮像センサの撮像面の法線とがなす角度が互いに異なることを特徴とする観察装置。
an image display element for displaying an image;
an eyepiece optical system that guides light from the image display element to an observer's eye;
a plurality of imaging systems each including an imaging lens for forming an optical image of the eyeball and an imaging sensor for capturing the optical image;
an optical axis of each of the imaging lenses of the plurality of imaging systems intersects with an optical axis of the eyepiece optical system at different positions on the optical axis and at different inclination angles;
an imaging system in which the optical axis of the imaging lens in each of the plurality of imaging systems and the normal to the imaging surface of the imaging sensor form angles different from one another;
前記撮像レンズの光軸と前記撮像面の法線とがなす角度は、前記撮像系の前記撮像センサ側のピント面の前記接眼光学系の光軸に対する傾きが前記撮像レンズの光軸に直交する面の前記接眼光学系の光軸に対する傾きよりも小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項1に記載の観察装置。 The observation device according to claim 1, characterized in that the angle between the optical axis of the imaging lens and the normal to the imaging surface is set so that the inclination of the focal plane on the imaging sensor side of the imaging system with respect to the optical axis of the eyepiece optical system is smaller than the inclination of a plane perpendicular to the optical axis of the imaging lens with respect to the optical axis of the eyepiece optical system. 前記複数の撮像系は、互いに異なる画角を有し、
前記複数の撮像系のそれぞれの前記画角のうち最も広い画角をω1、最も狭い画角をω2とするとき、
-0.30≦tan(ω2)/tan(ω1)≦0.80
なる条件を満足することを特徴とする請求項1または2に記載の観察装置。
the plurality of imaging systems have different angles of view;
Among the angles of view of each of the plurality of imaging systems, the widest angle of view is ω1 and the narrowest angle of view is ω2.
-0.30≦tan(ω2)/tan(ω1)≦0.80
3. The observation apparatus according to claim 1, wherein the following conditions are satisfied:
前記複数の撮像系のそれぞれの前記傾斜角度のうち絶対値が最も大きい傾斜角度をθ1、絶対値が最も小さい傾斜角度をθ2とするとき、
1.1≦tan(θ1)/tan(θ2)≦8.0
なる条件を満足することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の観察装置。
Among the tilt angles of each of the plurality of imaging systems, the tilt angle with the largest absolute value is θ1, and the tilt angle with the smallest absolute value is θ2.
1.1≦tan(θ1)/tan(θ2)≦8.0
4. The observation apparatus according to claim 1, wherein the following conditions are satisfied:
前記複数の撮像系のそれぞれにおける前記傾斜角度の絶対値をθa、前記撮像面の法線と前記接眼光学系の光軸とがなす角度の絶対値をθbとするとき、
0.70≦tan(θa)/tan(θb)<1.00
なる条件を満足することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の観察装置。
Let θa be the absolute value of the tilt angle in each of the plurality of imaging systems, and θb be the absolute value of the angle between the normal to the imaging surface and the optical axis of the eyepiece optical system.
0.70≦tan(θa)/tan(θb)<1.00
5. The observation apparatus according to claim 1, wherein the following condition is satisfied:
前記複数の撮像系のそれぞれにおける前記傾斜角度の絶対値をθnとするとき、
10°≦θn≦70°
なる条件を満足することを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の観察装置。
When the absolute value of the tilt angle in each of the plurality of imaging systems is θn,
10°≦θn≦70°
6. The observation apparatus according to claim 1, wherein the following conditions are satisfied:
前記複数の撮像系のそれぞれにおける前記撮像レンズの焦点距離をf、前記撮像センサの撮像面の対角長をHとし、前記複数の撮像系のそれぞれのH/fのうち最大値をH1/f1、最小値のH2/f2とするとき、
1.1≦(H1/f1)/(H2/f2)≦2.5
なる条件を満足することを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の観察装置。
Let f be the focal length of the imaging lens in each of the multiple imaging systems, H be the diagonal length of the imaging surface of the imaging sensor, and let H1/f1 be the maximum value of H/f for each of the multiple imaging systems and H2/f be the minimum value.
1.1≦(H1/f1)/(H2/f2)≦2.5
7. The observation apparatus according to claim 1, wherein the following conditions are satisfied:
前記複数の撮像系のそれぞれにおける前記撮像レンズの眼球側の曲率をR1、撮像センサ側の曲率をR2とするとき、
-4.00≦(R1+R2)/(R1-R2)<1.00
なる条件を満足する撮像系を少なくとも1つ含むことを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の観察装置。
In each of the plurality of imaging systems, the curvature of the imaging lens on the eyeball side is R1, and the curvature of the imaging lens on the imaging sensor side is R2.
-4.00≦(R1+R2)/(R1-R2)<1.00
8. The observation apparatus according to claim 1, further comprising at least one imaging system which satisfies the following condition:
画像を表示する画像表示素子と、
該画像表示素子からの光を観察者の眼球に導く接眼光学系と、
それぞれ前記眼球を撮像する複数の撮像系とを有し、
前記複数の撮像系のそれぞれの撮像方向は、前記接眼光学系の光軸に対して、該光軸上の互いに異なる位置にて互いに異なる傾斜角度をなす方向であり、
前記複数の撮像系はそれぞれ、該撮像系の撮像センサ側のピント面の前記接眼光学系の光軸に対する傾きが前記撮像方向に直交する面の前記接眼光学系の光軸に対する傾きよりも小さくなるように構成されていることを特徴とする観察装置。
an image display element for displaying an image;
an eyepiece optical system that guides light from the image display element to an observer's eye;
a plurality of imaging systems each capturing an image of the eyeball;
imaging directions of the plurality of imaging systems are directions that form different inclination angles with respect to an optical axis of the eyepiece optical system at different positions on the optical axis,
An observation device characterized in that each of the multiple imaging systems is configured so that the inclination of the focal plane of the imaging system on the imaging sensor side with respect to the optical axis of the eyepiece optical system is smaller than the inclination of a plane perpendicular to the imaging direction with respect to the optical axis of the eyepiece optical system.
前記複数の撮像系のうち1つの撮像系から得られたメイン撮像データを用いて、前記接眼光学系からの距離が互いに異なる前記眼球の向きを取得する処理手段を有することを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載の観察装置。 The observation device according to any one of claims 1 to 9, characterized in that it has a processing means for acquiring the orientations of the eyeballs at different distances from the eyepiece optical system using main imaging data obtained from one of the multiple imaging systems. 前記処理手段は、前記接眼光学系から前記眼球までの距離に応じて、前記メイン撮像データを得る前記撮像系を切り替えることを特徴とする請求項10に記載の観察装置。 The observation device according to claim 10, characterized in that the processing means switches the imaging system for obtaining the main imaging data depending on the distance from the eyepiece optical system to the eyeball. 前記処理手段は、
前記メイン撮像データを得る前記撮像系とは異なる前記撮像系からのサブ撮像データを用いて、前記メイン撮像データを用いて取得した前記眼球の向きを補正することを特徴とする請求項10または11に記載の観察装置。
The processing means includes:
12. The observation device according to claim 10, wherein the direction of the eyeball acquired using the main imaging data is corrected using sub-imaging data from an imaging system different from the imaging system that obtains the main imaging data.
請求項10から12のいずれか一項に記載の観察装置を有し、
前記処理手段により得られた前記眼球の向きに応じて撮像画面内で領域を選択することを特徴とする撮像装置。
The observation device according to any one of claims 10 to 12,
An imaging device comprising: an imaging unit that selects an area within an imaging screen in accordance with the direction of the eyeball obtained by the processing means.
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