JP7059026B2 - 接眼光学系及びそれを有する観察装置、撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、接眼光学系及びそれを有する観察装置、撮像装置に関する。

従来、液晶パネルなど画像表示素子に表示された画像を観察するため、複数枚のレンズよりなる接眼光学系を用いた観察装置が知られている。これに用いる接眼光学系は視認性を高めるため、観察視野が十分に大きく（高倍率化）、アイレリーフが長く、諸収差が良好に補正されている高い光学性能を有すること等が求められている。更に、カメラなどの撮像装置は小型化され、これらの撮像装置に用いる観察装置は、画像表示素子の画像表示面の対角長が２０ｍｍ以下の比較的小型な画像表示素子を用いることが求められている。

従来、これらの要求を満足する観察装置に好適な接眼光学系が種々と提案されている（特許文献１乃至３）。特許文献１乃至３では、物体側（画像表示素子側）より射出側（観察者側）に向かって、順に配置された正の屈折力の第１レンズ、負の屈折力の第２レンズ、正の屈折力の第３レンズによって構成された接眼光学系を開示している。

特開２０１６－１６６９６９号公報 特開２０１４－２２８５８３号公報 特開２０１５－１３５４７１号公報

観察装置に用いられる接眼光学系において、観察倍率が高く（観察視野角が大きく）、しかもアイレリーフを長く確保しつつ良好な光学性能を得るには、接眼光学系のレンズ構成及び各レンズの屈折力等を適切に設定することが重要になってくる。この他、小型の画像表示面を有する画像表示素子を用いるときは、画像表示面の大きさに対する接眼光学系の屈折力の比等を適切に設定することが重要になってくる。

例えば、前述した３つのレンズよりなる接眼光学系において、全系の焦点距離と比較して第３レンズの焦点距離が長いと、観察視野角を大きくするのが困難になる。また第１レンズの焦点距離と比較して第２レンズの焦点距離が長いと、一定以上の高視野角を得るのが困難になる。また全系の小型化を図るために、高屈折材料よりレンズを構成すると各レンズの製造が難しくなってくる等の傾向がある。

本発明は、アイレリーフが長く、広視野角かつ全系が小型であり、高い光学性能を有する接眼光学系及びそれを有する観察装置、撮像装置の提供を目的とする。

本発明の接眼光学系は、画像表示面に表示された画像を観察するための接眼光学系であって、
前記画像表示面から観察側へ順に配置された、正の屈折力の第１レンズ、負の屈折力の第２レンズ、正の屈折力の第３レンズより構成され、
前記第１レンズと前記第２レンズと前記第３レンズの各材料の屈折率の平均値をｎｄ－ａｖｅ、前記第２レンズの焦点距離をｆ２、前記第３レンズの焦点距離をｆ３、前記接眼光学系の焦点距離をｆとするとき、
１．６２４≦ｎｄ－ａｖｅ＜１．６９９
－０．９３＜ｆ２／ｆ３＜－０．５０
０．７３＜ｆ３／ｆ＜１．１０
なる条件式を満たすことを特徴としている。

本発明によれば、アイレリーフが長く、広視野角かつ全系が小型であり、高い光学性能を有する接眼光学系及びそれを有する観察装置、撮像装置が得られる。

本発明の実施例１の接眼光学系を有する観察装置のレンズ断面図 本発明の実施例１の接眼光学系の各収差図 本発明の実施例２の接眼光学系を有する観察装置のレンズ断面図 本発明の実施例２の接眼光学系の各収差図 本発明の実施例３の接眼光学系を有する観察装置のレンズ断面図 本発明の実施例３の接眼光学系の各収差図 本発明の実施例４の接眼光学系を有する観察装置のレンズ断面図 本発明の実施例４の接眼光学系の各収差図 本発明の実施例５の接眼光学系を有する観察装置のレンズ断面図 本発明の実施例５の接眼光学系の各収差図 本発明の撮像装置の要部概略図

以下、本発明の接眼光学系及びそれを有する観察装置、撮像装置等について添付の図面に基づいて説明する。本発明の接眼光学系は、画像表示面に表示された画像を観察するためのものであり、画像表示面側より観察側（アイポイント側）へ順に配置された、正の屈折力の第１レンズＧ１、負の屈折力の第２レンズＧ２、正の屈折力の第３レンズＧ３から構成される。

図１は、視度－１．０ディオプター（基準状態）における、実施例１の接眼光学系を有する観察装置のレンズ断面図である。図２は、実施例１の接眼光学系の基準状態における収差図である。図３は、視度－１．０ディオプターにおける、実施例２の接眼光学系を有する観察装置のレンズ断面図である。図４は、実施例２の接眼光学系の基準状態における収差図である。図５は、視度－１．０ディオプターにおける、実施例３の接眼光学系を有する観察装置のレンズ断面図である。図６は、実施例３の接眼光学系の基準状態における収差図である。

図７は、視度－１．０ディオプターにおける、実施例４の接眼光学系を有する観察装置のレンズ断面図である。図８は、実施例４の接眼光学系の基準状態における収差図である。図９は、視度－１．０ディオプターにおける、実施例５の接眼光学系を有する観察装置のレンズ断面図である。図１０は、実施例５の接眼光学系の基準状態における収差図である。図１１は本発明の観察装置を有する撮像装置の要部概略図である。

レンズ断面図において、ＬＡは観察装置、Ｌ０は接眼光学系である。ＩＰは画像表示素子の画像表示面、ＧＡは画像表示面ＩＰの保護部材、Ｇ１は接眼光学系Ｌ０の第１レンズ、Ｇ２は接眼光学系Ｌ０の第２レンズ、Ｇ３は接眼光学系Ｌ０の第３レンズである。ＧＢは接眼光学系Ｌ０のカバーガラス、ＥＰは観察者のアイポイント位置（観察位置）を示す。第３レンズＧ３の観察側のレンズ面からアイポイントＥＰまでの距離がアイレリーフである。

また球面収差図において、実線のｄはｄ線（波長５８７．６ｎｍ）、二点鎖線のｇはｇ線（波長４３５．８ｎｍ）に対する球面収差を示している。非点収差図において、実線のΔＳはｄ線のサジタル像面、点線のΔＭはｄ線のメリディオナル像面である。歪曲収差はｄ線について示している。倍率色収差図ではｇ線における倍率色収差を示している。Ｈは画像表示面ＩＰの対角線長の半分である。

画像表示面ＩＰの対角長が約２０ｍｍ以下の小型の表示パネル（画像表示素子）を広視野角（視野角３０度以上）で観察するためには、接眼光学系Ｌ０全体で強い正の屈折力を持つ必要がある。一般に、各レンズを強い正の屈折力、または負の屈折力にすると、像面湾曲、倍率色収差等の諸収差の補正が難しくなる。

そこで本発明の各実施例の接眼光学系Ｌ０では、画像表示面ＩＰ側から順に配置した正の屈折力の第１レンズＧ１、負の屈折力の第２レンズＧ２、正の屈折力の第３レンズＧ３によって構成している。そして最適な屈折力配置を設定することで、アイレリーフが長く、広視野角で、かつ全系が小型であり、高い光学性能を有する接眼光学系を得ている。

そして第１レンズＧ１と第２レンズＧ２と第３レンズＧ３の各材料の屈折率の平均値をｎｄ－ａｖｅとする。第２レンズＧ２の焦点距離をｆ２、第３レンズＧ３の焦点距離をｆ３、接眼光学系Ｌ０の焦点距離をｆとする。このとき、
１．６２４≦ｎｄ－ａｖｅ＜１．６９９ ・・・（１）
－０．９３＜ｆ２／ｆ３＜－０．５０ ・・・（２）
０．７３＜ｆ３／ｆ＜１．１０ ・・・（３）
なる条件式を満たす。

次に前述の各条件式の技術的意味について説明する。条件式（１）は、接眼光学系Ｌ０が有するレンズの材料の屈折率の平均値を規定したものである。条件式（１）の下限値を下回ると広視野角化することが困難になり、好ましくない。また上限値を上回ると、各レンズの高精度な加工が困難になってくる。

条件式（２）は第２レンズＧ２と第３レンズＧ３の焦点距離の比を規定したものである。条件式（２）の下限値を下回ると広視野角化が困難になり、好ましくない。また上限値を上回ると色収差が増加して光学性能が低下してしまうため、好ましくない。

条件式（３）は接眼光学系Ｌ０全系の焦点距離と第３レンズＧ３の焦点距離の比を規定したものである。条件式（３）の下限値を下回ると、広視野角化が難しくなるため、好ましくない。上限値を上回ると光学性能が低下するため、好ましくない。

尚、各実施例において、好ましくは条件式（１）、（２）、（３）を数値範囲を次の如く設定するのが良い。

１．６２０＜ｎｄ－ａｖｅ＜１．６８５ ・・・（１ａ）
－０．９１＜ｆ２／ｆ３＜－０．５２ ・・・（２ａ）
０．７３２＜ｆ３／ｆ＜１．０９０ ・・・（３ａ）

各実施例において更に好ましくは次の条件式のうち１つ以上を満足するのが良い。第１レンズＧ１の画像表示面側のレンズ面の曲率半径をＲ１１、観察側のレンズ面の曲率半径をＲ１２とする。第２レンズＧ２の材料の屈折率とアッベ数を各々ｎｄ２、νｄ２とする。

各実施例の接眼光学系Ｌ０を画像表示素子の画像表示面ＩＰに表示される画像を観察するために用いるとき、画像表示素子の画像表示面ＩＰの対角線長の半分をＨとする。このとき次の条件式のうち１つ以上を満足するのが良い。

－０．２０＜（Ｒ１１＋Ｒ１２）／（Ｒ１１－Ｒ１２）＜１．２０ ・・・（４）
－１．１０＜ｆ２／ｆ＜－０．５０ ・・・（５）
１．５５＜ｎｄ２＜１．７５ ・・・（６）
１９．０＜νｄ２＜３２．０ ・・・（７）
０．２５＜Ｈ／ｆ＜０．４０ ・・・（８）

次に前述の各条件式の技術的意味について説明する。条件式（４）は第１レンズＧ１の画像表示面ＩＰ側と観察面ＥＰ側のレンズ面の曲率を規定したものである。条件式（４）の下限値を下回ると第１レンズＧ１の正の屈折力が弱まり、広視野角化が難しくなるため好ましくない。また上限値を上回ると軸外光束の光学性能が低下してしまうため、好ましくない。

条件式（５）は接眼光学系Ｌ０全系の焦点距離と第２レンズＧ２の焦点距離の比を規定したものである。条件式（５）の下限値を下回ると、第２レンズＧ２の各レンズ面の曲率が強くなり成形難易度が上がるため、好ましくない。上限値を上回ると色収差の補正が困難になるため、好ましくない。

条件式（６）は第２レンズＧ２の屈折率を規定したものである。条件式（６）の下限値を下回ると第２レンズＧ２の各レンズ面の曲率が強くなり過ぎ、成形難易度が上がるため好ましくない。上限値を上回ると接眼光学系Ｌ０のペッツバール和が増大し像面湾曲、非点収差が増加してしまうため、好ましくない。

条件式（７）は第２レンズＧ２の材料のアッベ数を規定したものである。条件式（７）の下限値を下回って第２レンズＧ２の材料のアッベ数νｄが小さくなると、色収差が過剰に補正されることになり好ましくない。また、上限値を上回ると色収差の補正が不十分になるため、好ましくない。

条件式（８）は、画像表示素子の画像表示面ＩＰの有効面の対角長さの半分と全系の焦点距離の比を規定している。条件式（８）は所定の長さのアイレリーフを確保しつつ、高倍率を確保するためのものである。この条件式（８）の上限を超えると全系の焦点距離が短くなる為、高倍率化には有利だが、高い光学性能の確保が難しくなる。下限値を下回ると、全系の屈折力（パワー）が弱くなり、高倍率を確保することが難しくなる。また好ましくは条件式（４）乃至（８）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

０．５０＜（Ｒ１１＋Ｒ１２）／（Ｒ１１－Ｒ１２）＜１．１０ ・・・（４ａ）
－０．９０＜ｆ２／ｆ＜－０．５２ ・・・（５ａ）
１．６０＜ｎｄ＜１．７０ ・・・（６ａ）
１９．０＜νｄ＜２５．０ ・・・（７ａ）
０．２８＜Ｈ／ｆ＜０．３８ ・・・（８ａ）

各実施例において接眼光学系Ｌ０として、第１レンズＧ１を硝子材料、第２レンズＧ２を樹脂材料、第３レンズＧ３を樹脂材料で構成することが好ましい。これは硝子材料の枚数を削減することで軽量化を図るとともに硝子材料を用いたレンズを小径化することが容易となる。３枚のレンズ構成の接眼光学系Ｌ０においては、通常第１レンズＧ１が最も小径であるため、第１レンズＧ１を硝子材料とすることが好ましい。接眼光学系Ｌ０として、第２レンズＧ２は少なくとも片面が非球面形状であるのが良い。

次に、各実施例に示した接眼光学系を用いた撮像装置の実施形態について、図１１を用いて説明する。撮像光学系１０１により形成された物体像は、光電変換素子である撮像素子１０２により電気信号に変換される。撮像素子１０２としては、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどが用いられる。

撮像素子１０２からの出力信号が画像処理回路１０３において処理され、画像が形成される。形成された画像は、半導体メモリ、磁気テープ、光ディスクなどの記録媒体１０４に記録される。また、画像処理回路１０３において形成された画像は、観察装置１０５に表示される。観察装置１０５は、画像表示素子１０５１及び各実施例の接眼光学系１０５２を備える。画像表示素子１０５１は、液晶表示素子ＬＣＤやＣＲＴ等から構成される。画像表示素子１０５１で表示された画像情報は接眼光学系１０５２を介してアイポイント１０６より観察される。

このように本発明の接眼光学系１０５２を、デジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置に適用することにより、広視野角かつ小型であり、高い光学性能を有する撮像装置を得ることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

以下に本発明の各実施例に対応する数値データを示す。数値データにおいて、画像表示面ＩＰから観察側ＥＰへ順に「ｒｉ」は第ｉ番目の面の近軸曲率半径を示す。ｒ１、ｒ２は画像表示素子の面であり、ｒ１は画像表示面である。ｒ３、ｒ４は保護部材の面である。ｒ１１、ｒ１２はカバーガラスの面である。ｄｉは画像表示面ＩＰから順に第ｉ番目の面と第ｉ＋１番目の面との間の軸上面間隔を示す。さらに、ｎｄｉは第ｉ番目の材料のｄ線（波長＝５７８．６ｎｍ）に対する屈折率を示し、νｄｉは第ｉ番目の材料のｄ線に対するアッベ数を示す。

なお、数値データでは、記載されている長さの単位は、特記の無い場合［ｍｍ］が使われている。ただし、接眼光学系は、比例拡大または比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、単位は［ｍｍ］に限定されることなく、他の適当な単位を用いることが出来る。なお、数値データにおいて近軸曲率半径の欄に「＊」の添え字が書かれている面は次の数１式によって定義される非球面形状である。

なお、数１において、ｘはレンズ面の頂点からの光軸方向の距離、ｈは光軸と垂直な方向の高さ、Ｒはレンズ面の頂点での近軸曲率半径、ｋは円錐定数、Ａ４、Ａ６、Ａ８は多項式係数である。非球面係数において、「Ｅ－ｉ」は１０を底とする指数表現、すなわち「１０^－ｉ」を表している。各数値データにおける前述の各条件式の計算結果を表１に示す。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

ＬＡ 観察装置 Ｌ０ 接眼光学系 Ｇ１ 第１レンズ
Ｇ２ 第２レンズ Ｇ３ 第３レンズ

Claims (8)

1. 画像表示面に表示された画像を観察するための接眼光学系であって、
   前記画像表示面から観察側へ順に配置された、正の屈折力の第１レンズ、負の屈折力の第２レンズ、正の屈折力の第３レンズより構成され、
   前記第１レンズと前記第２レンズと前記第３レンズの各材料の屈折率の平均値をｎｄ－ａｖｅ、前記第２レンズの焦点距離をｆ２、前記第３レンズの焦点距離をｆ３、前記接眼光学系の焦点距離をｆとするとき、
   １．６２４≦ｎｄ－ａｖｅ＜１．６９９
   －０．９３＜ｆ２／ｆ３＜－０．５０
   ０．７３＜ｆ３／ｆ＜１．１０
   なる条件式を満たすことを特徴とする接眼光学系。
2. 前記第１レンズの画像表示面側のレンズ面の曲率半径をＲ１１、観察側のレンズ面の曲率半径をＲ１２とするとき、
   －０．２０＜（Ｒ１１＋Ｒ１２）／（Ｒ１１－Ｒ１２）＜１．２０
   なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の接眼光学系。
3. 前記接眼光学系は、
   －１．１０＜ｆ２／ｆ＜－０．５０
   なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の接眼光学系。
4. 前記第１レンズは硝子材料によって構成され、前記第２レンズおよび前記第３レンズは樹脂材料によって構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の接眼光学系。
5. 前記第２レンズの材料の屈折率とアッベ数を各々ｎｄ２、νｄ２とするとき、
   １．５５＜ｎｄ２＜１．７５
   １９．０＜νｄ２＜３２．０
   なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の接眼光学系。
6. 画像を表示する画像表示素子と、該画像表示素子の画像表示面に表示される画像を観察するために用いられる請求項１乃至５のいずれか１項に記載の接眼光学系を有することを特徴とする観察装置。
7. 前記画像表示素子の画像表示面の対角線長の半分をＨとするとき、
   ０．２５＜Ｈ／ｆ＜０．４０
   なる条件式を満たすことを特徴とする請求項６に記載の観察装置。
8. 物体像を撮像する撮像光学系と、前記撮像光学系で撮像された物体像を表示する画像表示素子と、該画像表示素子で表示される画像を観察するための請求項６または７に記載の観察装置を有することを特徴とする撮像装置。

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