JP2007156252A - 観察光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 レンズ群を回動させて像ブレを補正するときの、偏心に基づく諸収差の発生が少なく、又、所定の防振敏感度が得られ、小さな駆動力でレンズ群を容易に回動することができ、静止像を容易に観察することができる観察光学系を得ること。
【解決手段】 物体側より観察側へ順に、対物レンズ、像反転部、接眼レンズとを有する観察光学系において、該対物レンズは、物体側より観察側へ順に、第１レンズ群と、正の屈折力の第２レンズ群と、負の屈折力の第３レンズ群から構成され、
該第３レンズ群は、光軸に垂直な軸を回転軸として回動することにより、該対物レンズの結像位置を変位させること。
【選択図】 図１

Description

本発明は観察光学系に関する。特に観察光学系が振動したときの観察画像のブレを補正する防振手段を有した望遠鏡、双眼鏡、カメラのファインダー系等の光学機器に好適なものである。

望遠鏡、双眼鏡等の光学機器における観察光学系では観察像の倍率（観察倍率）が高いことが望まれている。観察倍率が高いと手持ちの観察では像（観察像）がぶれやすくなる。このため、従来静止した像を観察するのに熟練を要していた。

近年、手持ちでも静止像が得られるように防振手段を有する観察光学系が提案されている（特許文献１〜７）。

特許文献１では、防振手段としてプリズム頂角が可変の頂角可変プリズムを用いている。

特許文献２〜４では、防振手段として、光軸と垂直方向に偏心可能な防振レンズ群を用い、防振レンズを光軸と垂直方向に偏心させて像ブレを補正している。

特許文献５では、防振手段として光軸に垂直な軸を回転軸として回動可能な防振レンズ群を用いている。そして該防振レンズ群を回転軸を回転中心としてテイルトして防振を行っている。

特許文献６の観察光学系では、物体側から観察側へ順番に、正の屈折力の第１レンズ群と、負の屈折力の第２レンズ群からなる対物レンズ（対物光学系）によって形成した像を像反転手段を介して接眼レンズ（接眼光学系）で観察している。そして対物レンズの第２レンズ群を光軸と直交する方向に駆動することで観察像のブレを補正している。

特許文献７の観察光学系では、物体側から観察側へ順番に、正の屈折力の第１レンズ群と、正の屈折力の第２レンズ群からなる対物レンズによって形成した像を像反転手段を介して接眼レンズで観察している。

そして該対物レンズの第２レンズ群を光軸と直交する方向に駆動することで観察像のブレを補正している。
特開平０６−０４３３６５号公報 特開平１０−１４２５１８号公報 特開平１１−１９４２６２号公報 特開２００１−１１６９８９号公報 特開２００２−２６７９４７号公報 特開平１１−２６４９４２号公報 特開２００１−１８８１８４号公報

特許文献１では、頂角可変プリズムを用いて防振を行っている。このため光束がプリズム内を通過するために、色収差が発生しやすくなる。

特許文献２〜４では、レンズ群を光軸に対し垂直方向にシフトするシフト方式を用いている。このシフト方式はシフトに大きな駆動力を必要とする。このため例えば双眼鏡に適用するのが難しい。

特許文献５では、防振レンズ群が前玉に近い位置にある。この為防振レンズ群が大型化する傾向があった。

特許文献６では、対物レンズが正、負の屈折力の第１、第２レンズ群より成り、第２レンズ群で防振を行っている。このレンズ構成では、第２レンズ群の倍率を大きな値にすることで、高敏感度化は可能である。しかしながら正、負の屈折力のレンズ群の屈折力比がきつくなるために、収差補正的には多くのレンズ枚数を必要とし、レンズ系全体が大型化してくる。

特許文献７では、対物レンズが正、正の屈折力のレンズ群より成り、第２レンズ群で防振を行っている。このレンズ構成では、第２レンズ群を駆動する際の防振敏感度は、第２レンズ群の倍率βが０＜β＜１の範囲となるので防振敏感度を１以上高くすることが理論的にできない。

本発明は、レンズ群を回動させて像ブレを補正するときの、偏心に基づく諸収差の発生が少なく、又、所定の防振敏感度が得られ、小さな駆動力でレンズ群を容易に回動することができ、静止像を容易に観察することができる観察光学系の提供を目的とする。

本発明の観察光学系は、物体側より観察側へ順に、対物レンズ、像反転部、接眼レンズとを有する観察光学系において、該対物レンズは、物体側より観察側へ順に、第１レンズ群と、正の屈折力の第２レンズ群と、負の屈折力の第３レンズ群から構成されている。該第３レンズ群は、光軸に垂直な軸を回転軸として回動することにより、該対物レンズの結像位置を変位させることを特徴としている。

本発明によれば、レンズ群を回動させて像ブレを補正するときの、偏心に基づく諸収差の発生が少なく、又、所定の防振敏感度が得られ、小さな駆動力でレンズ群を容易に回動することができ、静止像を容易に観察することができる観察光学系が得られる。

図１は、本発明の観察光学系の実施例１のレンズ断面図、図２は本発明の観察光学系の実施例１の収差図である。

実施例１の観察光学系は、観察倍率１０倍、見掛け視界６４度、瞳径４．１、アイレリーフ１５ｍｍである。

図１（Ａ）は防振用の第３レンズ群Ｌ３が偏心していないとき、図１（Ｂ）は第３レンズ群Ｌ３が偏心しているときを示している。

図２（Ａ）は、第３レンズ群Ｌ３が偏心していないときの縦収差図である。

図２（Ｂ）は、第３レンズ群Ｌ３が偏心していないときの像中心における横収差図である。

図２（Ｃ）は、第３レンズ群Ｌ３が偏心しているときの像中心における横収差図である。

図３は、本発明の観察光学系の実施例２のレンズ断面図、図４は本発明の観察光学系の実施例２の収差図である。

実施例２の観察光学系は、観察倍率１５倍、見掛視界６６度、瞳径３．３、アイレリーフ１５ｍｍを実現している。

図２（Ａ）は防振用のレンズＬ３が偏心していないとき、図２（Ｂ）は第３レンズ群Ｌ３が偏心しているときを示している。

図４（Ａ）は、第３レンズ群Ｌ３が偏心していないときの縦収差図である。

図４（Ｂ）は、第３レンズ群Ｌ３が偏心していないときの像中心における横収差図である。

図４（Ｃ）は、第３レンズ群Ｌ３が偏心しているときの像中心における横収差図である。

なお実施例１、２において、第３レンズ群Ｌ３が偏心したときの物体側の光線振れ角は０．３度である。

このとき、第３レンズ群Ｌ３の回動角は１．４度である。

レンズ断面図において左方が物体側（光入射側）、右方が観察側（光出射側）である。

レンズ断面図において、ＯＢＪは対物レンズであり、第１レンズ群Ｌ１、第２レンズ群Ｌ２、第３レンズ群Ｌ３より成っており、物体像を形成している。

尚、対物レンズＯＢＪは、３つのレンズ群Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の他に物体側又は／及び観察側に、レンズ群やフィルター等を有していても良い。

Ｐは像反転手段としての正立プリズムであり、対物レンズＯＢＪで形成される倒立像を正立像に変換する機能を有する。図では展開系で示したがガラスブロックで示している。

ＯＣＬは接眼レンズであり、正立プリズムＰで正立像に変換した物体像を観察している。

ＩＰはアイポイント（観察位置）であり、観察者の瞳位置に相当している。

観察光学系は、対物レンズＯＢＪで結像された物体像を正立プリズムＰで反転して正立像にし、その正立像を接眼レンズＯＣＬでアイポイントＩＰより観察する構成より成っている。

第３レンズ群Ｌ３は光軸上の点を含み、光軸と垂直な軸を回転軸Ｏとして自動的に回動して、手ブレによる観察像のブレを補正する防振機能を有している。

このときの回動軸は、光軸上の同一又は僅かに離れた２つの点を通り互いに直交して２つ存在している。

図１（Ｂ）、図３（Ｂ）は第３レンズ群Ｌ３が回転軸Ｏを回転中心として、一方向に回動した状態を示している。

望遠鏡等の光学系を手持ちで覗くと手ブレで観察像がゆれて観察しにくい場合がある。

特に観察光学系の観察倍率が大きくなると手ブレにより観察像の揺れが拡大されて、観察しにくい状態になる。そのため対物レンズＯＢＪで結像される物体像をできるだけ静止させることが望まれる。

各実施例は対物レンズＯＢＪを構成する第３レンズ群Ｌ３を防振レンズとして前述の如く回動することによって手ブレによる像ブレを補正している。

なお各縦収差図の単位は、球面収差と像面湾曲はデイオプトリー、歪曲は％、倍率色収差は度である。横収差図の単位は度である。図中、ｄ、Ｆ，Ｃは波長ｄ線、Ｆ線、Ｃ線の収差を、Ｍ、Ｓはメリデイオナル像面、サジタル像面の収差を表す。

対物レンズＯＢＪのレンズ構成を簡単にするため対物レンズＯＢＪを全体として、前群と後群の２群構成として、後群を偏心させて防振を行うこともできる。

しかし、２群構成の場合、レンズ全長を定めてしまうと前群、後群の屈折力および防振レンズ群の像シフトに関する偏心敏感度が一義的にきまり、設計の自由度がなくなる。

そこで各実施例では対物レンズＯＢＪを３群構成とし、像シフトに関する防振レンズ群に偏心敏感度の自由度があるようにしている。これによって良好なる光学性能が得られるようにしている。

また、第３レンズ群Ｌ３を回動させる回動方式の代わりに光軸に対し垂直方向にシフトして像シフトを行うこともできる。しかしながら回動方式の方がカウンターバランスを設けることができて、小さい駆動力で駆動できるメリットがある。

この為各実施例では回動方式を用いている。

対物レンズＯＢＪは入射面側から順に正の屈折力の第１レンズ群Ｌ１，正の屈折力の第２レンズ群Ｌ２、負の屈折力の第３レンズ群Ｌ３より構成している。このうち第１レンズ群Ｌ１は、物体側と観察側の面が凸形状の正レンズと、物体側の面が凹形状の負レンズとを接合した接合レンズより成っている。

第２レンズ群Ｌ２は、物体側の面が凸形状の負レンズと、物体側の面が凸で、メニスカス形状の正レンズとを接合した接合レンズより成っている。

第３レンズ群Ｌ３は、物体側の面が凸で、メニスカス形状の負レンズと、物体側の面が凸でメニスカス形状の正レンズとを接合した接合レンズより成っている。

尚、第３レンズ群Ｌ３は、接合レンズの他に、他のレンズを有していても良い。

第１レンズ群Ｌ１と第２レンズ群Ｌ２の間隔は各レンズ群の中心厚より大きいのが望ましい。この場合、対物レンズＯＢＪは望遠タイプとなるので、全長を短縮することができる。

第３レンズ群Ｌ３を光軸上の位置を通り、光軸と垂直な軸を回転軸Ｏとして回動することにより、光軸に垂直方向に対物レンズＯＢＪによる像をシフトしている。手ブレによる対物レンズＯＢＪで形成される像のブレ量を公知のブレ検出手段で検知することによって像シフト量を求めている。このときの像シフト量を相殺するように第３レンズ群Ｌ３の回動量をコントロールして静止像を得ている。

各実施例の３群構成の対物レンズＯＢＪでは、第３レンズ群Ｌ３のレンズ外径が対物レンズＯＢＪの中で最も小さい。このため軽量のレンズ群の移動で手ブレに対する像シフトの補正が容易となる。更に応答の速い像シフトの補正が可能となる。

対物レンズＯＢＪは、第３レンズ群Ｌ３が偏心しない通常のレンズ構成のときと同様、光軸と垂直方向に回動されたときも光学性能が劣化しないことが条件となる。

そのため特に、第２レンズ群Ｌ２、第３レンズ群Ｌ３を前述の如く適切なレンズ形状としている。第２レンズ群Ｌ２、第３レンズ群Ｌ３の各面は、対物レンズＯＢＪの結像面に対し凹形状としている。この形状にすると軸上光線、軸外光線がレンズ面で大きく屈折することがないため収差の発生が少なく、第３レンズ群Ｌ３を防振のため回動させても収差の発生が少なくなる。

各実施例において回転軸は対物レンズＯＢＪの観察側に位置している。

第３レンズ群Ｌ３の物体側の面から回転軸までの光軸方向の距離をＬ３ｃ，対物レンズＯＢＪの焦点距離をｆｏとする。

このとき
０．１５ ＜ Ｌ３ｃ／ｆｏ＜０．２５・・・・（１）
なる条件を満足している。

なお、回転軸が複数あるときは、そのうちの１つの回転軸の位置である。

条件式（１）は防振機構の実現を容易にし、かつ像シフト量を確保した上で第３レンズ群Ｌ３の回動による光学性能の劣化を抑えるためのものである。条件式（１）の上限を越えると鏡筒構造上、回転軸の位置が確保しにくくなり、下限を越えると回動による収差変化が大きくなる。

更に好ましくは、条件式（１）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

０．１６＜Ｌ３ｃ／ｆｏ＜０．２２・・・・（１ａ）
対物レンズＯＢＪの画角変化による結像面上の像シフト量をΔｙｏとし、第３レンズ群Ｌ３の偏心量をΔｙ３とする。このとき偏心量Δｙ３と像シフト量Δｙｏは次の関係式で表現される。

Δｙ３＝ｆ３*Δｙｏ／L３p
第３レンズ群Ｌ３の偏心敏感度は ｆ３／Ｌ３ｐである。なおｆ３は第３レンズ群Ｌ３の焦点距離、L３pは第３レンズ群Ｌ３の後群主点位置から対物レンズＯＢＪの像面までの距離の空気換算値である。

各実施例では、第３レンズ群Ｌ３で手ブレによる像ブレを補正するため次の条件式（２）を満足している。

０．６５ ＜ ｜f３/ L３p｜＜ ０．９５・・・・（２）
この条件式（２）の上限を越えると第３レンズ群Ｌ３のシフト量が大きくなる。この結果鏡筒が大きくなるので良くない。又下限を越えるとシフト量が小さくなり手ブレに対応する像ブレの補正量が小さくなるので良くない。

更に好ましくは、条件式（２）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

０．７＜｜ｆ３／Ｌ３ｐ｜＜０．９２・・・（２ａ）
各実施例のレンズ構成は、第１レンズ群Ｌ１を正の屈折力のレンズ群として全系をコンパクトにしている。このとき第１レンズ群Ｌ１の屈折力は次の条件式（３）を満足している。

即ち第１レンズ群Ｌ１の焦点距離をｆ１とするとき
０．７５＜ｆ１／ｆｏ＜０．９５・・・（３）
この条件式（３）の上限を越えると全系をコンパクトにするのが難しくなる。又下限を越えると球面収差等の収差が発生し、光学性能が劣化する。

更に好ましくは、条件式（３）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

０．８０＜ｆ１／ｆｏ＜０．９３・・・（３ａ）
各実施例において、第３レンズ群Ｌ３は物体側から観察側へ順に、負レンズと正レンズの接合レンズから構成され、接合面は対物レンズＯＢＪの像面に対し凹形状である。

そして第３レンズ群Ｌ３の負レンズと、正レンズの材料の屈折力を各々Ｎ３ｎ、Ｎ３ｐ、第３レンズ群Ｌ３の任意の面の曲率半径をＲ３ｉとする。

このとき
Ｎ３ｐ＜Ｎ３ｎ・・・・（４）
０．４＜Ｒ３ｉ／Ｌ３ｃ＜２・・・・（５）
なる条件を満足している。

条件式（４）は、第３レンズ群Ｌ３において接合面にも負の屈折力をもたせて、各面の負の屈折力を弱くして収差の発生を少なくするためのものである。

条件式（４）を満足しないと、諸収差の発生が多くなるので良くない。

条件式（５）は、第３レンズ群Ｌ３の任意の面が回転軸Ｏに対し凹面を成すことを意味している。この条件式（５）を満たすことにより第３レンズ群Ｌ３により発生する収差が小さくなるようにしている。

更に好ましくは、条件式（５）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

０．５＜Ｒ３ｉ／Ｌ３ｃ＜１．８・・・・（５ａ）
以上のように各構成を特定することによって、各実施例では、倍率１０倍、見掛け視界６４度、あるいは倍率１５倍、見掛視界６６度と高倍、広視界にもかかわらず高性能の光学性能を実現している。また各縦収差図に示すように防振レンズの偏心時の性能劣化も少なく高い光学性能を維持している。

特に、対物レンズを順に、正、正、負の屈折力の３つのレンズ群を有する３群構成とし第３レンズ群を光軸に垂直な軸を回転軸にして回動させている。これによって防振時も光学性能の変化が少なくかつ、駆動力が小さくすむ手ぶれ補正に好適な観察光学系を達成している。

図５は、本発明の観察光学系を、１対有する双眼鏡の実施例３の要部概略図である。

図５では左右の対物レンズＯＢＪＬ、ＯＢＪＲに対し左右に配置された正立プリズムである左右のポロII型プリズムＰＬ，ＰＲと、左右の接眼レンズＯＣＬＬ、ＯＣＬＲを有している。接眼レンズＯＣＬＬ、ＯＣＬＲを対物レンズＯＢＪＬ、ＯＢＪＲの光軸ＯＡＬ、ＯＡＲを回転軸にして左右それぞれ一体的に回動することによって眼幅調整を行っている。

防振を機能させるとき、左右の防振レンズＬ３Ｌ、Ｌ３Ｒは左右方向及び垂直方向に連動して同量、同方向に回動する。この機構をもたせることによって双眼鏡として常に静止画像を得ている。

図２の縦収差図で示したように図５の双眼鏡は観察倍率１０倍、観察視野６４度の広視界において良好な性能を確保している。

本実施例では、観察倍率が１０-２０倍程度の望遠鏡あるいは双眼鏡において、防振レンズ（第３レンズ群）が偏心したときでも良好なる光学性能が維持され、かつ小さい駆動力で静止像が得られる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

図６は本発明の観察光学系を望遠鏡に適用したときの実施例４の要部概略図である。

図６においてブレセンサー１は振動ジャイロセンサーであって、縦ブレを検出するピッチ用のブレセンサーと、横ブレを検出する用のブレセンサーから成り、２つのセンサーは感度軸を直交させて構成している。そしてこのブレセンサー１は角加速度を検出して、その情報を信号としてマイクロコンピュータ２に出力する。

マイクロコンピュータ２がブレセンサー１からブレ（角加速度）を情報として受け取ると、第３レンズ群Ｌ３の回動角度を演算して求めてレンズアクチュエーター３に出力する。

レンズアクチュエーター３は、マイクロコンピュータ２からの信号に基づいて第３レンズ群Ｌ３を回動駆動若しくは光軸と垂直方向の成分を持つように駆動させている。

角度センサー４は第３レンズ群Ｌ３の回動角度を計測してマイクロコンピュータ２に出力し、この出力が演算でも求められた値に一致するとき、マイクロコンピュータ２はレンズアクチュエーター３の駆動を停止するように制御する。以上によって防振を行っている。

次に実施例１、２に各々対応する数値実施例１，２の数値データを示す。

各数値実施例においてｉは物体側からの光学面の順序を示し、Ｒｉは第ｉ番目の光学面(第ｉ面)の曲率半径、ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面との間の間隔、Ｎｉとνｉはそれぞれｄ線に対する第ｉ番目の光学部材の材料の屈折率、アッベ数を示す。

面番号１〜９が対物レンズ、面番号１０〜１３は像反転プリズムであり、プリズム面は全て平面である為、曲率半径は無限大となっている。面番号１４〜２５は接眼レンズである。面番号２６はアイポイントを示している。

又、各数値実施例における上述した条件式との対応を表１に示す。

本発明の実施例１のレンズ断面図 本発明の実施例１の収差図 本発明の実施例２のレンズ断面図 本発明の実施例２の収差図 本発明の観察光学系を一対用いた双眼鏡の光学系の実施例３の概略図 本発明の観察光学系を有する望遠鏡の実施例４の概略図

符号の説明

Ｌ１ 第１レンズ群
Ｌ２ 第２レンズ群
Ｌ３,Ｌ３Ｒ,Ｌ３Ｌ 第３レンズ群
Ｏ 第３レンズ群の回転軸位置
ＯＢＪ，ＯＢＪＲ，ＯＢＪＬ 対物レンズ
Ｐ、ＰＲ，ＰＬ 正立プリズム
ＯＣＬ，ＯＣＬＲ，ＯＣＬＬ 接眼レンズ
ＯＡＲ，ＯＡＬ 対物レンズ光軸
ＩＰ 瞳位置

Claims (5)

1. 物体側より観察側へ順に、対物レンズ、像反転部、接眼レンズとを有する観察光学系において、該対物レンズは、物体側より観察側へ順に、第１レンズ群と、正の屈折力の第２レンズ群と、負の屈折力の第３レンズ群から構成され、
   該第３レンズ群は、光軸に垂直な軸を回転軸として回動することにより、該対物レンズの結像位置を変位させることを特徴とする観察光学系。
2. 前記回転軸は前記第３レンズ群よりも観察側に位置しており、前記第３レンズ群の物体側の面から前記中心までの光軸上の距離をＬ３ｃ、該対物レンズの焦点距離をｆｏとするとき、
   ０．１５ ＜ Ｌ３ｃ／ｆｏ＜０．２５
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１の観察光学系。
3. 前記第１レンズ群と前記第３レンズ群の焦点距離を各々ｆ１，ｆ３、該第３レンズ群の後側主点より前記対物レンズの像面までの距離の空気換算値をＬ３ｐとするとき、
   ０．６５ ＜|ｆ３／Ｌ３ｐ|＜０．９５
   ０．７５ ＜ｆ１／ｆｏ ＜ ０．９５
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２の観察光学系。
4. 前記第３レンズ群は、負レンズと、その観察側に配置された正レンズとの接合レンズから構成され、接合面は前記対物レンズの像面に対し凹形状であり、該負レンズと正レンズの材料の屈折率を各々Ｎ３ｎ，Ｎ３ｐ、該第３レンズ群の任意の面の曲率半径をＲ３ｉ、該第３レンズ群の物体側の面から前記回転軸までの光軸方向の距離をＬ３ｃとするとき、
   Ｎ３ｐ＜Ｎ３ｎ
   ０．４＜Ｒ３ｉ/Ｌ３ｃ＜２
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１、２又は３の観察光学系。
5. 前記回転軸は、互いに直交して２つ存在することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項の観察光学系。