JP4042170B2 - 防振望遠鏡 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、望遠鏡、双眼鏡等の観察機器に関し、特に手ブレ又は他の装置の振動による影響を補正し、安定した観察を可能とする防振望遠鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりカメラの撮影時の手ブレによる影響を排除するために、数多くの防振技術が開示されている。また測量器の分野では、本体が傾いても水平線が常にレチクルの中心に来るように補正する機構が開発されている。
これらは全て、対物レンズの光軸が傾くことにより、像が元の結像位置からずれたときに、何らかの光学的補正手段を用いて、ずれた像を元の結像位置に引き戻すという制御を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の制御技術を望遠鏡や双眼鏡に応用した場合には、次のような問題を生じる。すなわちこれらの観察機器における最終的な結像面は網膜であるから、従来の防振制御のように対物レンズの像面で像が揺れることなく完全に止まっていたとしても、対物レンズの像面と眼との間に接眼レンズが存在するために、網膜上の像は必ずしも十分には静止しない。
従って、対物レンズと接眼レンズからなる観察用の機器では、手ブレ等による像の揺れを止めるには従来の防振制御技術は不完全であった。
本発明は、この問題を解決し、像ブレを補正するための防振光学手段を備えた対物レンズと、対物レンズによって形成される像を観察するための接眼レンズとを備えた望遠鏡において、望遠鏡が傾いたときに、網膜上での像をより静止させることができる防振望遠鏡を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明は、像ブレを補正するための防振光学手段を備えた対物レンズと、対物レンズによって形成される像を観察するための接眼レンズと、像よりも物体側に配置され、接眼レンズによって観察される像を正立化するための正立化手段とを備えた防振望遠鏡において、静止状態から望遠鏡がεだけ傾いたときに、対物レンズの焦点面上における像の移動量δが次式の範囲内となるように、防振光学手段を制御することを特徴とした。
（ｆ_ｏ−２ｆ_ｅ）ε＜δ＜ｆ_ｏε
但し、ｆ_ｏ：対物レンズの焦点距離
ｆ_ｅ：接眼レンズの焦点距離である。
【０００５】
本発明の原理を図７〜図９によって説明する。図７及び図８は、望遠鏡光学系に正立プリズムがない場合の説明図を示し、図７は望遠鏡が静止しているとき、図８は静止状態から望遠鏡がεだけ傾いたときを示す。
両図において望遠鏡は光軸Ａ上に配置された対物レンズ１と接眼レンズ２とを有し、図７に示す静止状態では、望遠鏡の光軸Ａと観察眼３の光軸Ａ′とは平行ないしは一致している。対物レンズ１による像は対物レンズの後側焦点Ｆを含む像面に形成され、また対物レンズ１の後側焦点Ｆが接眼レンズ２の前側焦点位置となっている。
いま静止状態における望遠鏡の光軸Ａ上の前方の１点に物体がある場合を考えると、物体から発した光線は、対物レンズ１を通過後、対物レンズ１の後側焦点Ｆで結像し、接眼レンズ２で屈折されることなく射出し、観察眼３に入射する。
【０００６】
次いで図８に示すように、望遠鏡の光軸Ａが静止状態より（すなわち観察眼の光軸Ａ′より）εだけが傾いたとすると、同じ物体から発した光線は、対物レンズ１が傾いたために、対物レンズの焦点面上の焦点位置Ｆとは異なる位置Ｐで結像する。焦点位置Ｆと結像位置Ｐとの間隔ＦＰは、図８より明らかに、
ＦＰ＝ｆ_oε （１）
となる。
点Ｐで結像した光線は、更に接眼レンズ２により屈折され、光軸Ａに対して角度（ｆ_o／ｆ_e）εにて射出する。なお望遠鏡の倍率（ｆ_o／ｆ_e）をγとすれば、この射出角度はγεである。この射出角度γεは望遠鏡の光軸Ａに対する角度であり、望遠鏡の光軸Ａは観察眼の光軸Ａ′に対してεだけ傾いている。したがって観察眼３には、観察眼の光軸Ａ′より角度（γ＋１）εだけ傾いた光線が入射する。この結果、網膜上では、角度（γ＋１）εに対応した量だけ像が移動し、これが像ブレとして感じられることになる。
【０００７】
このように観察眼３に対する光線の傾きは、（γ＋１）εで表されるので、望遠鏡光学系の倍率γが大きいほど、また傾き角度εが大きいほど、像ブレは大きくなる。また傾き角度εが小さく、倍率γが大きな場合には、像ブレはほぼγεで近似される。しかし、傾き角度εが大きく、倍率γが比較的低い場合には、像ブレはγεではなく、正確に（γ＋１）ε、すなわちγε＋εで表されなければならない。
【０００８】
しかして従来の防振望遠鏡においては、望遠鏡の光軸Ａが傾いたときの結像位置Ｐを、望遠鏡の光軸Ａが傾いていないときの結像位置Ｆに戻すように、防振補正をしていた。この結果、望遠鏡の光軸Ａが傾いているときも傾いていないときも、対物レンズによる物体の像は、常に対物レンズの後側焦点Ｆに形成されることとなる。
しかるに対物レンズ１の結像面に撮像素子を配置するカメラ等の場合には、このように防振補正をすることによって、対物レンズ１のブレを補償することができるが、望遠鏡等の観察装置では、更に観察眼の光軸Ａ′に対する望遠鏡の光軸Ａの傾きεをも補正する必要がある。
【０００９】
すなわち従来の防振光学系では、防振補正前の結像位置Ｐを焦点位置Ｆに戻すように補正しているから、補正すべき接眼レンズからの射出角度γε＋εに対して、望遠鏡の光軸Ａを基準とした角度γεだけ補正しており、補正量が過少であった。
本発明は、更に観察眼の光軸Ａ′を基準とした望遠鏡の光軸Ａの傾きεをも補正することにより、観察眼による像ブレを解消しようとするものである。そのためには防振補正前の結像位置Ｐを、接眼レンズ２からの射出角がちょうど望遠鏡の光軸Ａの傾きεと等しくなるような結像面上での位置Ｐ′に移動するように補正する必要がある。
焦点位置Ｆと防振補正後の結像位置Ｐ′との間隔ＦＰ′は、図８より明らかに、
ＦＰ′＝ｆ_eε （２）
となる。（１）、（２）式より、必要な像の移動量δは、
δ＝ＰＰ′＝（ｆ_o＋ｆ_e）ε （３）
となる。
【００１０】
なお像の移動量δは、
δ＝（ｆ_o＋ｆ_e±ｆ_e）ε
の範囲、すなわち、
ｆ_oε＜δ＜（ｆ_o＋２ｆ_e）ε （３ａ）
の範囲内であれば、観察眼による像ブレを従来例よりも軽減することができる。（３ａ）式の下限を越えても上限を越えても、観察眼による像ブレは、従来例と同等あるいは悪化する。
【００１１】
次に、図９は、望遠鏡光学系に正立光学系４がある場合の説明図である。図８と同様に望遠鏡系が角度εだけ傾いているので、物体からの光線は、図８と同様に、対物レンズ１の焦点面上の焦点位置Ｆからｆ_oε離れた位置Ｐに結像する。但し正立光学系４があるため、結像位置Ｐは図８の場合とは光軸Ａを挟んで対称な位置となっている。
従って、観察眼３には観察眼の光軸Ａ′より角度（γ−１）ε、すなわちγε−εだけ傾いた光線が入射する。
【００１２】
従来の防振光学系では、防振補正前の結像位置Ｐを焦点位置Ｆに戻すように補正しているから、補正すべき接眼レンズからの射出角度γε−εに対して、望遠鏡の光軸Ａを基準とした角度γεだけ補正しており、補正量が過剰であった。
本発明は、観察眼の光軸Ａ′を基準とした望遠鏡の光軸Ａの傾きεを除外することにより、観察眼による像ブレを解消しようとするものである。そのためには防振補正前の結像位置Ｐを、接眼レンズ２からの射出角がちょうど望遠鏡の光軸Ａの傾きεと等しくなるような結像面上での位置Ｐ′に移動するように補正する必要がある。
必要な像の移動量δは、図８より明らかに、
δ＝ＰＰ′＝（ｆ_o−ｆ_e）ε （４）
となる。
【００１３】
なお像の移動量δは、
δ＝（ｆ_o−ｆ_e±ｆ_e）ε
の範囲、すなわち、
（ｆ_o−２ｆ_e）ε＜δ＜ｆ_oε （４ａ）
の範囲内であれば、観察眼による像ブレを従来例よりも軽減することができる。（４ａ）式の下限を越えても上限を越えても、観察眼による像ブレは、従来例と同等あるいは悪化する。
以上のように、望遠鏡光学系に正立光学系がある場合とない場合で、観察眼３に入射する光線の傾きが異なり、像ブレに対する影響も異なることになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を説明する。図１は、レンズの移動により像ブレを補正した本発明の第１実施例を示す。
レンズ５は、対物レンズ光学系の一部のレンズであり、像ブレ補正用のレンズである。この光学系の光軸が観察眼３の光軸Ａ′に対しεだけ傾いた場合、図８で説明したように、像ブレをなくすには、像ブレ補正レンズ５によって、対物レンズの焦点面で距離ＰＰ′（＝ｆ_oε＋ｆ_eε）だけの像変位が引き起こされる必要がある。これにより点Ｐ′からから発する光線は、すべて観察眼の光軸Ａ′に平行な光線となり、観察眼３で観察される像ブレを解消することができる。
なおここで、ｆ_oは像ブレ補正レンズ５を含んだ対物レンズ光学系全体の焦点距離である。
【００１５】
対物レンズの焦点面で、距離ＰＰ′だけの像変位が引き起こされるために必要な像ブレ補正レンズ５の移動量は、次のようにして求められる。図２は、像ブレ補正レンズ５の働きを説明した図である。像ブレ補正レンズ５を含んだ対物レンズ光学系の像点がその光軸上にあるとして、像ブレ補正レンズ５がΔだけ変位した場合、対物レンズ光学系の焦点面での変位量ＰＰ′は、
ＰＰ′＝ΔＬ／ｆ_z （５）
で表される。
但し、Ｌ：像ブレ補正レンズ５から対物レンズ光学系の焦点面までの距離
ｆ_z：像ブレ補正レンズ５の焦点距離
である。
【００１６】
従って、必要な像ブレ補正レンズ５の移動量Δは、（３）式と（５）式より、

となる。つまり、望遠鏡光学系が観察眼３の光軸Ａ′に対してε傾いた場合、対物レンズ光学系内の像ブレ補正レンズ５が（６）式で表される量だけ変位すれば、観察眼３は、常に像ブレの補正された安定した像を観察できることになる。
なお像ブレ補正レンズの移動量Δは、
Δ＝（ｆ_o＋ｆ_e±ｆ_e）εｆ_z／Ｌ
の範囲、すなわち、
ｆ_oεｆ_z／Ｌ＜Δ＜（ｆ_o＋２ｆ_e）εｆ_z／Ｌ （６ａ）
の範囲内であれば、観察眼による像ブレを従来例よりも軽減することができる。
【００１７】
また、第９図に示されるように、望遠鏡光学系内に正立光学系４がある場合には、必要な像ブレ補正レンズ５の移動量Δは、（４）式と（５）式より、

となる。像ブレ補正レンズの移動量Δは、
Δ＝（ｆ_o−ｆ_e±ｆ_e）εｆ_z／Ｌ
の範囲、すなわち、
（ｆ_o−２ｆ_e）εｆ_z／Ｌ＜Δ＜ｆ_oεｆ_z／Ｌ （７ａ）
の範囲内であれば、観察眼による像ブレを従来例よりも軽減することができる。
【００１８】
次に図３は、頂角可変プリズム６を用いて像ブレの影響を抑えた本発明の第２実施例を示す。この場合、頂角可変プリズム６の頂角がαのとき、対物レンズ光学系の焦点面での変位量ＰＰ′は、
ＰＰ′＝（ｎ−１）αＬ （８）
で表されるから、
α＝ＰＰ′／｛（ｎ−１）Ｌ｝ （９）
となる。
但し、ｎ：頂角可変プリズム６の屈折率
ｎ：頂角可変プリズム６から対物レンズ光学系の焦点面までの距離
である。
【００１９】
従って、正立光学系がない場合には、頂角可変プリズム６の頂角αが、
α＝（ｆ_o＋ｆ_e）ε／｛（ｎ−１）Ｌ｝ （１０）
となるように制御すれば良い。頂角可変プリズム６の頂角αは、
α＝（ｆ_o＋ｆ_e±ｆ_e）ε／｛（ｎ−１）Ｌ｝
の範囲、すなわち、

の範囲内であれば、観察眼による像ブレを従来例よりも軽減することができる。
【００２０】
また対物レンズの像面よりも物側に正立光学系４がある場合には、頂角可変プリズム６の頂角αが、
α＝（ｆ_o−ｆ_e）ε／｛（ｎ−１）Ｌ｝ （１１）
となるように制御すれば良い。頂角可変プリズム６の頂角αは、
α＝（ｆ_o−ｆ_e±ｆ_e）ε／｛（ｎ−１）Ｌ｝
の範囲、すなわち、

の範囲内であれば、観察眼による像ブレを従来例よりも軽減することができる。
【００２１】
次に図４は、ペチャンプリズム７を用いて対物レンズ１の像を正立化し、同時にペチャンプリズム７の移動により、像ブレの影響を抑えた本発明の第３実施例を示す。
例えば、紙面を含む方向の像ブレに対しては、ペチャンプリズム７を紙面内でΔだけ変位させることにより、
ＰＰ′＝２Δ （１２）
の光軸変位量を生じさせることができる。従って、
Δ＝ＰＰ′／２ （１３）
であるから、ペチャンプリズム７の変位量Δを、
Δ＝（ｆ_o−ｆ_e）ε／２ （１４）
となるように制御すれば良い。ペチャンプリズム７の変位量Δは、
Δ＝（ｆ_o−ｆ_e±ｆ_e）ε／２
の範囲、すなわち、
（ｆ_o−２ｆ_e）ε／２＜Δ＜ｆ_oε／２ （１４ａ）
の範囲内であれば、観察眼による像ブレを従来例よりも軽減することができる。
【００２２】
次に図５は、ポロプリズム８を用いて対物レンズの像を正立化し、同時にポロプリズム８の移動により、像ブレの影響を抑えた本発明の第４実施例を示す。この場合には、第３実施例のようにペチャンプリズム７全体を変位させないで、ポロプリズム８を構成する個々のプリズム８ａ、８ｂを、それぞれの稜線と直交する方向に移動することにより、駆動重量を軽くして駆動装置への負担を減らし、素早い制御を行うことが可能となる。
【００２３】
次に図６は本発明の第５実施例を示し、この第５実施例では以上説明した望遠鏡光学系を２本平行に並べて、双眼鏡としたものである。この実施例では、双眼鏡の姿勢の変化を検知手段１１によって検出し、検知した信号に基づいて、制御手段１０が、像ブレ補正光学系を駆動する駆動手段９を制御している。
このとき、像ブレの補正は各望遠鏡光学系ごとに単独で制御してもよい。しかし倍率が高い場合は、双方の光軸の平行度に高い精度が要求されるため、像ブレ補正部分を一体化して駆動制御した方が精度上から、また構造上から、さらにはコスト上からも有利であると考えられる。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように本発明による観察光学系によれば、倍率や傾き角度に拘らず、像ブレの正確な補正が可能となる。
特に望遠鏡光学系の傾き角度が大きく、倍率が比較的低い場合にも、像ブレの正確な制御が可能となる。
さらにこの防振望遠鏡を例えばカメラやビデオカメラの固定レンズの前方に取り付けることにより、像ブレのない光学系とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す概略構成図
【図２】第１実施例の像ブレ補正レンズの働きを示す説明図
【図３】本発明の第２実施例を示す概略構成図
【図４】本発明の第３実施例を示す概略構成図
【図５】本発明の第４実施例を示す概略構成図
【図６】本発明の第５実施例を示す概略構成図
【図７】正立プリズムがない場合の望遠鏡光学系を示す概略構成図
【図８】正立プリズムがない場合の本発明による像ブレ補正の原理を示す説明図
【図９】正立プリズムがある場合の本発明による像ブレ補正の原理を示す説明図
【符号の説明】
１…対物レンズ ２…接眼レンズ
３…観察眼 ４…正立光学系
５…像ブレ補正レンズ ６…頂角可変プリズム
７…ペチャンプリズム ８…正立ポロプリズム
９…駆動手段 １０…制御手段
１１…検知手段

Claims (5)

1. 像ブレを補正するための防振光学手段を備えた対物レンズと、対物レンズによって形成される像を観察するための接眼レンズと、前記像よりも物体側に配置され、接眼レンズによって観察される前記像を正立化するための正立化手段とを備えた防振望遠鏡において、
   静止状態から望遠鏡がεだけ傾いたときに、対物レンズの焦点面上における像の移動量δが次式の範囲内となるように、前記防振光学手段を制御したことを特徴とする防振望遠鏡。
   （ｆ_ｏ−２ｆ_ｅ）ε＜δ＜ｆ_ｏε
   但し、ｆ_ｏ：前記対物レンズの焦点距離
   ｆ_ｅ：前記接眼レンズの焦点距離
   である。
2. 前記防振光学手段が光軸に対してほぼ直交する方向に移動可能に配置された防振用レンズであり、該防振用レンズの移動量Δが次式の範囲内となるように制御したことを特徴とする請求項１記載の防振望遠鏡。
   （ｆ_ｏ−２ｆ_ｅ）εｆ_ｚ／Ｌ＜Δ＜ｆ_ｏεｆ_ｚ／Ｌ
   但し、ｆ_ｚ：前記防振用レンズの焦点距離
   Ｌ：前記防振用レンズから対物レンズの焦点面までの距離
   である。
3. 前記防振光学手段が頂角可変プリズムであり、該頂角可変プリズムの頂角αが次式の範囲内となるように制御したことを特徴とする請求項１記載の防振望遠鏡。
   （ｆ_ｏ−２ｆ_ｅ）ε／｛（ｎ−１）Ｌ｝＜α＜ｆ_ｏε／｛（ｎ−１）Ｌ｝
   但し、ｎ：前記頂角可変プリズムの屈折率
   Ｌ：前記頂角可変プリズムから対物レンズの焦点面までの距離
   である。
4. 望遠鏡の姿勢の変化を検出する検知手段と、前記防振光学手段を駆動する駆動手段と、前記検知手段によって検知された信号に基づいて前記駆動手段を制御する制御手段とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の防振望遠鏡。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の防振望遠鏡を２本平行に設けた防振双眼鏡であって、該双眼鏡の姿勢の変化に基づいて、前記各望遠鏡の防振光学手段を一体として制御したことを特徴とする防振双眼鏡。

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