JP2008064933A - 光学ユニット - Google Patents
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Abstract
【課題】
顕微鏡などの光学系に交換レンズと干渉フィルタのような中間物を装着し、CCDなどの受光部に物体像を投影するとき、交換レンズと中間物の特性、特徴を生かしたままで投影する。
【解決手段】
物体からの像を交換レンズ3、コンバータレンズ、中間物7を経て受光部5に向かわせる。コンバータレンズはフィールドレンズ14、第1結像レンズ15、絞り16、第2結像レンズ17を順に配置してテレセントリック光学系を形成する。フィールドレンズ14は交換レンズの焦点距離位置近傍に位置するよう位置決めし、このフィールドレンズが受けた交換レンズからの入射光を前記コンバータレンズの通過によって光軸にほぼ平行な光束に変更する。変更された平行光束中の第2結像レンズ17と受光部5間に中間物7を装着自在に設置し、その通過光を受光部5に投影する。
【選択図】 図4
顕微鏡などの光学系に交換レンズと干渉フィルタのような中間物を装着し、CCDなどの受光部に物体像を投影するとき、交換レンズと中間物の特性、特徴を生かしたままで投影する。
【解決手段】
物体からの像を交換レンズ3、コンバータレンズ、中間物7を経て受光部5に向かわせる。コンバータレンズはフィールドレンズ14、第1結像レンズ15、絞り16、第2結像レンズ17を順に配置してテレセントリック光学系を形成する。フィールドレンズ14は交換レンズの焦点距離位置近傍に位置するよう位置決めし、このフィールドレンズが受けた交換レンズからの入射光を前記コンバータレンズの通過によって光軸にほぼ平行な光束に変更する。変更された平行光束中の第2結像レンズ17と受光部5間に中間物7を装着自在に設置し、その通過光を受光部5に投影する。
【選択図】 図4
Description
本発明は写真撮影用の交換レンズを取り付けた光学系にデジタルカメラなどを装着した時、その受光部に一定品質の像が投影できるようにした光学ユニットを提供しようとするもので、特にテレセントリック光学系を備えた光学ユニットを用意する事で、干渉フィルタのような平行光束で使用する光学素子のような中間物や交換レンズなどの特性、特徴をそのまま利用できるようにしたものである。
試料を拡大して寸法や形状を精密測定する光学顕微鏡や投影機は、非接触で高精度の測定が容易に行えるため各種の分野で広く利用されている。一方、近年は通常の風景や人物、生物などの撮影でもデジタルカメラが多用され、画像のデータ化が進行している。
デジタルカメラの場合、CCDやC−MOSなどの受光部に投影された画像をデジタルデータとしてメモリに保存し、それを必要に応じてモニタに表示する事ができる。そのため前記顕微鏡や測定器にもデジタルカメラが取り付けられ、画像データの記録装置として利用されてきている。ところでカメラや顕微鏡などを用いて風景や各種の試料を撮影する場合、受光部全体での像品質を一定化するため均一濃度にするための工夫や、物体(被写体)全体を一定の波長で撮影するための工夫が求められる。このようなことに対処するため光調整用としての干渉フィルタ(波長可変液晶フィルタなど)や拡散板、波長板、マイクロレンズなどが中間物として光学系中に設置されることが行われている。
しかしこれら各種の中間物を設置したとしても、入射角が大きなものはその性能だけでは処理しきれないケースが発生し、撮影した画像中の中央部と周辺部とでは品質が変わってしまうという場合が生じる。例えば撮影用の交換レンズとして広角レンズを使用し、更に前記中間物を光学系中に装着したような時、広角レンズを経て中間物に入射する光束には光軸外からの斜光線も生じる。この斜光線が生じると中間物としてマイクロレンズを使用したような時はマイクロレンズを通過する事ができず、干渉フィルタを使用した時は干渉フィルタの中心光軸に沿って進行する光と光軸外からの斜光線として進行する光の間に色の違いが発生してしまう。拡散板を使用としたときも、中心光軸に沿って進行した光と斜光線とでは拡散率が変化してしまう。波長板を使用する時も波長の特性に差が生じてしまう。このように平行光束で使用する各種光学素子のような中間物に対して斜光線が入射すると、例えば広角レンズを用いて空を撮影するような時、干渉フィルタの中心光軸に沿って進んだ光と斜光線として進行した光とでは空の色に違いが生じてしまう。これは空を撮影するような時だけでなく、海上での海の色、地上での植物分布状況などを撮影して温暖化や大気の汚れなどを把握し、地球環境の変化や予測を行うような時に重要な問題となる。
このようにこれまでは中間物を光学系中に設置するという手段だけでは像品質を安定させることは出来なかった。
しかしこれら各種の中間物を設置したとしても、入射角が大きなものはその性能だけでは処理しきれないケースが発生し、撮影した画像中の中央部と周辺部とでは品質が変わってしまうという場合が生じる。例えば撮影用の交換レンズとして広角レンズを使用し、更に前記中間物を光学系中に装着したような時、広角レンズを経て中間物に入射する光束には光軸外からの斜光線も生じる。この斜光線が生じると中間物としてマイクロレンズを使用したような時はマイクロレンズを通過する事ができず、干渉フィルタを使用した時は干渉フィルタの中心光軸に沿って進行する光と光軸外からの斜光線として進行する光の間に色の違いが発生してしまう。拡散板を使用としたときも、中心光軸に沿って進行した光と斜光線とでは拡散率が変化してしまう。波長板を使用する時も波長の特性に差が生じてしまう。このように平行光束で使用する各種光学素子のような中間物に対して斜光線が入射すると、例えば広角レンズを用いて空を撮影するような時、干渉フィルタの中心光軸に沿って進んだ光と斜光線として進行した光とでは空の色に違いが生じてしまう。これは空を撮影するような時だけでなく、海上での海の色、地上での植物分布状況などを撮影して温暖化や大気の汚れなどを把握し、地球環境の変化や予測を行うような時に重要な問題となる。
このようにこれまでは中間物を光学系中に設置するという手段だけでは像品質を安定させることは出来なかった。
図1を用いて更に説明する。この図は従来例を説明するための光学系概略図であるが、図Aにおいて物体1Aの像は鏡筒2に収容した交換レンズ3によってデジタルカメラ等の筐体4内に設置した受光部5に投影される。受光部5はCCDやC−MOSなどで構成され、鏡筒2はねじ込み方式などによって筐体4に装着自在に連結されている。6は交換レンズ3の光軸を示し、この交換レンズ3に対して物体1Aの光軸外に位置する先端部1aからの光は角α1で入射する。この角α1で入射した光軸外の斜光線は交換レンズ3を通過後、そのまま直進して鏡筒2内を通過し受光部5に向かう。したがってこの図Aでは入射角α1以内の角度の光であれば、交換レンズ3の特性、特徴に応じた物体像を受光部5上に投影することができる。
図Bは図Aの鏡筒2を別種の鏡筒2aに交換した時の例で、この鏡筒2aには交換レンズ3に対して更に広角とした特性の交換レンズ3aが収容されている。そのため物体1B(1B>1A)の光軸外先端部1bからの斜光線は角α2(α2>α1)で入射し受光部5に向かう。したがってこの図Bでは入射角α2以内の角度の光であれば、交換レンズ3の特性、特徴に応じた物体像を受光部5上に投影することができる。
図Cは特定波長だけを選択して撮影するようなときの例で、交換レンズ3の鏡筒2と筐体4間に干渉フィルタや位相板などの中間物7を収容した鏡筒8を装着して連結したものである。このような中間物7を交換レンズ3と受光部5間に設置した光学系に角αの斜光線が入射したとすると、中間物7は平行光束の入射角を前提として設計されているから、前記したような中間物7通過時の障害が発生し、受光部5に投影される像の品質を変化させてしまう。例えば図Aのように光学系中に中間物7を設置しない時と、図Cのように光学系中に中間物7を設置したときとでは、受光部5に得られる像は斜光線による影響が発生し、例えば図Dのように中心光軸6近域の投影像9aと光軸外の投影像9b、9cとに、色違いが発生してしまう。
これは中間物7に要求される垂直入射が、使用する交換レンズの種類によって例えば図AとBのように入射角αに差が生じるためであり、受光部での検出濃度が不均一になったり色が変化したりする因となる。さらに設置する中間物の種類、例えば材質や厚さ等によっても受光部での検出濃度や色に差が出てしまう。結局画像が劣化することになって中間物や交換レンズの特性、特長を生かした撮影が自由に行えないということになる。
一方、特許文献1、2などにはテレセントリックレンズや光学系が紹介されている。このようなレンズや光学系を光学顕微鏡や投影機に導入すれば、例えば被写体を平行光束で照明することができる。そのため照明系にピント合わせの誤差が生じていたような時でも像倍率は変化しないという効果が得られる。しかしこのような光学系は被写体の照明や、照明された物体からの像を受光部に導くための光学系であって、交換レンズや中間物を光学系中に装着した時に、斜光線の問題や中間物の種類による前記問題をクリアして、その交換レンズや中間物の特性、特徴を生かした像を安定した状態の品質で受光部に送り出すものではない。
また特許文献3にはレーザ光源11から出射された光が瞳投影レンズ14、第1結像レンズ15、対物レンズの瞳17、対物レンズ18、観察試料Sが配置された光学系が示されている(図1)。この光学系はテレセントリック光学系を形成し、そして第1結像レンズ15と瞳17間には1/4波長板16が設置されている。この1/4波長板16はレーザ光源11が通過するとき、直線偏向を円偏向に変換するものであるが、これは受光部での像品質を安定化するものとみなせるから、前記した中間物7に相当する。しかしこの1/4波長板16が設置される位置は、テレセントリック光学系中の第1結像レンズ15と対物レンズ18間であり、第1結像レンズ15から1/4波長板16に向かう光束は光軸に対して平行になっていない斜光線も含まれる箇所である。従って前記した中間物に対する斜光線の問題は何も解決されず、本願発明の前記目的を達成することは出来ない。
特開2006−65141号公報
特開2004−361651号公報
特開2006−23371号公報
また特許文献3にはレーザ光源11から出射された光が瞳投影レンズ14、第1結像レンズ15、対物レンズの瞳17、対物レンズ18、観察試料Sが配置された光学系が示されている(図1)。この光学系はテレセントリック光学系を形成し、そして第1結像レンズ15と瞳17間には1/4波長板16が設置されている。この1/4波長板16はレーザ光源11が通過するとき、直線偏向を円偏向に変換するものであるが、これは受光部での像品質を安定化するものとみなせるから、前記した中間物7に相当する。しかしこの1/4波長板16が設置される位置は、テレセントリック光学系中の第1結像レンズ15と対物レンズ18間であり、第1結像レンズ15から1/4波長板16に向かう光束は光軸に対して平行になっていない斜光線も含まれる箇所である。従って前記した中間物に対する斜光線の問題は何も解決されず、本願発明の前記目的を達成することは出来ない。
従って本発明の課題は、顕微鏡やデジタルカメラなどの光学系に各種の交換レンズや中間物を装着自在とし、装着した交換レンズ、中間物の特性、特徴を生かしたままCCDなどの受光部に一定品質の鮮明な像を投影できるようにする事である。そして交換レンズ通過後の像を更に倍率変換できるようにする事である。これらによって顕微鏡やカメラなどの光学系機能を高め、汎用性を向上できるようにする事である。
上記課題を解決するため本発明は、入射光に対してフィールドレンズ、第1結像レンズ、絞り、第2結像レンズを順に配置してテレセントリックな光学系として作用するよう形成したコンバータレンズと、このコンバータレンズの前段に装着自在に連結され、前記フィールドレンズ位置が焦点距離位置近傍となるよう位置決めされる交換レンズと、前記コンバーレンズの後段に装着自在に連結され、コンバータレンズからの光を光軸にほぼ平行な光束として受ける中間物を収容した中間物鏡筒と、この中間物鏡筒の後段に装着自在に連結される受光部を収容した筐体と、で構成した事を特徴とする。
請求項2の発明によるものは、入射光に対してフィールドレンズ、第1結像レンズ、絞り、第2結像レンズを順に配置してテレセントリックな光学系として作用するよう形成したコンバータレンズと、このコンバータレンズの前段に装着自在に連結され、前記フィールドレンズ位置が焦点距離位置近傍となるよう位置決めされる交換レンズと、前記コンバーレンズのフィールドレンズと第1結像レンズ間に装着自在に連結され、フィールドレンズからの光を光軸にほぼ平行な光束として受ける中間物を収容した中間物鏡筒と、前記コンバーレンズの後段に装着自在に連結される受光部を収容した筐体と、で構成した事を特徴とする。
請求項3の発明によるものは、前記請求項1、2記載の光学ユニットにおいてフィールドレンズを交換レンズの入射角に応じて光軸上で移動自在にして位置決めするようにしたことを特徴とする。
請求項4の発明によるものは、前記請求項1、2記載の光学ユニットにおいてフィールドレンズをズームレンズとし、交換レンズの焦点距離位置に応じて光軸上で移動自在にしてフィールドレンズの自動位置決めを行うようにしたことを特徴とする。
請求項5の発明によるものは前記請求項1、2記載の光学ユニットにおいて交換レンズと、その焦点距離位置近傍に位置決めしたフィールドレンズを1つの鏡筒内に収容し、この鏡筒を交換レンズの種類ごとに用意してコンバータレンズの前段に装着自在に連結するようにしたことを特徴とする。
請求項6の発明によるものは、前記請求項1、2記載の光学ユニットにおいて第2結像レンズをズームレンズとし、この第2結像レンズと受光部間の距離を変化させて交換レンズからの入射光倍率を変換するようにしたことを特徴とする。
請求項7の発明によるものは、前記請求項1、2記載の光学ユニットにおいて第2結像レンズをピント調整可能とし、受光部を収容した筐体とコンバータレンズ間に装着自在に連結される中間物鏡筒内の収容中間物の種類に応じてピント位置を光軸上で移動し、中間物装着後の光路長を自動補正するようにしたことを特徴とする。
請求項8の発明によるものは、前記請求項1記載の光学ユニットにおいて第2結像レンズと中間物を1つの中間物鏡筒内に収容し、収容する中間物の種類に応じて前記第2結像レンズに色収差の補正を施し、この中間物鏡筒を中間物の種類ごとに用意してコンバータレンズの後段に装着自在に連結するようにしたことを特徴とする。
請求項2の発明によるものは、入射光に対してフィールドレンズ、第1結像レンズ、絞り、第2結像レンズを順に配置してテレセントリックな光学系として作用するよう形成したコンバータレンズと、このコンバータレンズの前段に装着自在に連結され、前記フィールドレンズ位置が焦点距離位置近傍となるよう位置決めされる交換レンズと、前記コンバーレンズのフィールドレンズと第1結像レンズ間に装着自在に連結され、フィールドレンズからの光を光軸にほぼ平行な光束として受ける中間物を収容した中間物鏡筒と、前記コンバーレンズの後段に装着自在に連結される受光部を収容した筐体と、で構成した事を特徴とする。
請求項3の発明によるものは、前記請求項1、2記載の光学ユニットにおいてフィールドレンズを交換レンズの入射角に応じて光軸上で移動自在にして位置決めするようにしたことを特徴とする。
請求項4の発明によるものは、前記請求項1、2記載の光学ユニットにおいてフィールドレンズをズームレンズとし、交換レンズの焦点距離位置に応じて光軸上で移動自在にしてフィールドレンズの自動位置決めを行うようにしたことを特徴とする。
請求項5の発明によるものは前記請求項1、2記載の光学ユニットにおいて交換レンズと、その焦点距離位置近傍に位置決めしたフィールドレンズを1つの鏡筒内に収容し、この鏡筒を交換レンズの種類ごとに用意してコンバータレンズの前段に装着自在に連結するようにしたことを特徴とする。
請求項6の発明によるものは、前記請求項1、2記載の光学ユニットにおいて第2結像レンズをズームレンズとし、この第2結像レンズと受光部間の距離を変化させて交換レンズからの入射光倍率を変換するようにしたことを特徴とする。
請求項7の発明によるものは、前記請求項1、2記載の光学ユニットにおいて第2結像レンズをピント調整可能とし、受光部を収容した筐体とコンバータレンズ間に装着自在に連結される中間物鏡筒内の収容中間物の種類に応じてピント位置を光軸上で移動し、中間物装着後の光路長を自動補正するようにしたことを特徴とする。
請求項8の発明によるものは、前記請求項1記載の光学ユニットにおいて第2結像レンズと中間物を1つの中間物鏡筒内に収容し、収容する中間物の種類に応じて前記第2結像レンズに色収差の補正を施し、この中間物鏡筒を中間物の種類ごとに用意してコンバータレンズの後段に装着自在に連結するようにしたことを特徴とする。
この発明はテレセントリックな光学系としたコンバータレンズを交換レンズの後段に装着自在に連結し、さらにコンバータレンズの後段に中間物を装着自在に連結し、この中間物の後段にCCDなどの受光部を装着自在に連結して構成した事を特徴とする。それによって交換レンズからの光は先ずコンバータレンズに入射し、その光が、たとえ光軸外からの斜光線であっとしても光軸にほぼ平行な光束に変換されて中間物に送り出される。これは交換レンズをどのような特性、特徴のものに交換したとしてもコンバータレンズ内で平行光束に変換されるということになるから、中間物に向かう光束の品質を常に一定に保つ事ができる。そしてこのことは中間物に入射する光束を光軸にほぼ平行な光束として扱えることになるから、中間物の特性、特徴などを生かした像を受光部に投影する事ができる。
またコンバータレンズの最前列にはフィールドレンズが位置するよう構成し、このフィールドレンズを光軸上で移動自在にして、あるいはズームレンズとしてその位置を変えられるようにしたので、交換レンズの特性,特長などによって変化する交換レンズの焦点距離位置近傍にフィールドレンズを位置決めする事ができる。それによって交換レンズをどのような特性、特徴のものに交換したとしても、その焦点距離位置近傍にフィールドレンズを位置させることができる。
更にコンバータレンズの最後列には第2結像レンズが位置するよう構成し、この第2結像レンズを光軸上で移動自在にして、あるいはピント調整可能としてその位置を変えられるようにしたので、中間物を光学系中に設置したとき、その中間物の設置によって変化する受光部までの焦点距離の変化(光学的な伸び量)を補正したり、交換レンズからの入射光の倍率をさらに変換する事ができる。また第2結像レンズに中間物の種類に応じた色収差の補正を施し、この色収差の補正をした第2結像レンズをその中間物と共に1つの鏡筒内に収容し、この鏡筒を中間物の種類ごとに用意して受光部に対して装着自在に連結するようにした。これによって中間物をどのような材質、厚みや、特性、特徴といった種類に交換したとしても、色収差による光学的な伸び量の補正を行うことが出来る。
これらによって交換レンズと中間物の特性、特徴を活かしての撮影ができるようになり、光学系としての機能や汎用性を高める事ができる。また1つのコンバータレンズに対して各種の交換レンズや中間物を連結することになるが、その連結や交換作業などの取り扱いはこれまでの光学系と同様に扱う事ができる。
これらによって交換レンズと中間物の特性、特徴を活かしての撮影ができるようになり、光学系としての機能や汎用性を高める事ができる。また1つのコンバータレンズに対して各種の交換レンズや中間物を連結することになるが、その連結や交換作業などの取り扱いはこれまでの光学系と同様に扱う事ができる。
以下にこの発明による光学ユニットUについて添付図面に基づいて説明する。
図2はこの発明になる光学ユニットUの全体的な構成について説明する概略図である。図において左側に示した物体1の像は、鏡筒2に収容した交換レンズ3によってこの鏡筒2の後段に装着自在に連結したコンバータレンズ鏡筒10に送られる。コンバータレンズ鏡筒10にはコンバータレンズが収容され、その入射光を中間物7を収容した鏡筒8に送り出し、中間物7を通過した光束は筐体4内に保持されている受光部5に向かう。受光部5の像はパソコン11を経由してモニタ12に送り出されて表示される。パソコン11にはキーボードやマウスなどの入力部13が接続され、さらにCD−ROMやMOなどの記憶装置も収容される。デジタルカメラの場合、パソコン11やモニタ12、入力部13などの相当品は筐体4の内外部に取り付けられる。交換レンズ鏡筒3とコンバータレンズ鏡筒10、コンバータレンズ鏡筒10とその後段の中間物鏡筒8、及び中間物鏡筒8と筐体4の夫々は、ねじ込み方式などによって装着自在に連結され一体に構成される。
コンバータレンズ鏡筒10の具体的な内部形成については後に図3を用いて説明するが、この鏡筒10は交換レンズ3が仮に広角レンズのように斜光線を利用するものであったとしてもテレセントリックな光学系として作用し、その主光線を光軸にほぼ平行な光束に変更して中間物鏡筒8に送り出す。中間物鏡筒8には前記のように中間物7が収容されるが、光軸にほぼ平行な光束に変更された光束がこの中間物7を通過する。以下詳しく説明する。
コンバータレンズ鏡筒10の具体的な内部形成については後に図3を用いて説明するが、この鏡筒10は交換レンズ3が仮に広角レンズのように斜光線を利用するものであったとしてもテレセントリックな光学系として作用し、その主光線を光軸にほぼ平行な光束に変更して中間物鏡筒8に送り出す。中間物鏡筒8には前記のように中間物7が収容されるが、光軸にほぼ平行な光束に変更された光束がこの中間物7を通過する。以下詳しく説明する。
図3はコンバータレンズ鏡筒10の内部具体例を示した説明用の一部断面図である。コンバータレンズの全体はコンバータレンズ鏡筒10に収容され、鏡筒2内の交換レンズ3からの入射光に対しフィールドレンズ14、第1結像レンズ15、絞り16、第2結像レンズ17が順に同一光軸線上に配置され形成される。フィールドレンズ14は鏡筒10内の内筒18に収容され、交換レンズ3の焦点距離位置近傍に位置するよう位置決めされる。この位置決めは例えば内筒18の外側面に施したねじを鏡筒10の内側面に設けたねじを螺合して、内筒18に植立したピン19などを外部から手動で操作するなどして光軸6上で移動して行う。顕微鏡などではパルスモータを顕微鏡本体に取り付け、このモータを回転することで内筒18を光軸6に沿って移動させるという方法が採用されている。このように光軸6上で内筒18を移動してフィールドレンズ14を位置決めしていくが、この移動は交換レンズ3を他種のものに交換した時に変化する焦点距離位置の変化時にもその調整用位置決めの手段として使用される。
第1と第2の結像レンズ15、17と絞り16は1つの内筒20に収容され、内筒20は鏡筒10内部に収容される。第2結像レンズ17はその焦点距離位置が筐体4内の受光部5となるよう位置決めされる。これらレンズ群14、15、17や絞り16が鏡筒10に収容されてコンバータレンズが形成されるが、図では便宜上、各レンズは単眼として示してある。
第1と第2の結像レンズ15、17と絞り16は1つの内筒20に収容され、内筒20は鏡筒10内部に収容される。第2結像レンズ17はその焦点距離位置が筐体4内の受光部5となるよう位置決めされる。これらレンズ群14、15、17や絞り16が鏡筒10に収容されてコンバータレンズが形成されるが、図では便宜上、各レンズは単眼として示してある。
図3において、交換レンズ鏡筒2からその後段に装着自在に連結されるコンバータレンズ鏡筒10に向かう光束のうち、光軸6近域からフィールドレンズ14の光軸近域に進んだ光束は、そのまま光軸6に沿って直進し、第1結像レンズ15、絞り16、第2結像レンズ17を通過して受光部5の光軸6近域に投影される。また交換レンズ3の光軸6外から角αでフィールドレンズ14に入射した斜光線は、フィールドレンズ14によってその主光線が光軸6にほぼ平行な光に変更され、第1結像レンズ15、絞り16、第2結像レンズ17を経て光軸6にほぼ平行な光束として受光部5の光軸外の位置に投影される。この受光部5は前記のように筐体4に保持され、筐体4はコンバータレンズ鏡筒10の後段に装着自在に連結される。以上のように光軸6外から角αでフィールドレンズ14に入射した斜光線は、コンバータレンズ鏡筒10内でテレセントリック光学系としての作用を受けて通過し、受光部5に対し光軸にほぼ平行な光束として進んで行く。それによって光軸外の外周部像も含めた全体像が一定品質の像として受光部5に投影される。尚、図では光軸6に対して1つの斜光線だけを示したものとなっており、また図2で示した中間物鏡筒8は省略されている。
図4はコンバータレンズ鏡筒10の後段に中間物鏡筒8を連結したときの説明図である。図Aにおいて中間物7を収容した中間物鏡筒8は、コンバーレンズ鏡筒10の後段に装着自在に連結され、さらに中間物鏡筒8は受光部5を収容した筐体4の前段に装着自在に連結される。またコンバータレンズ鏡筒10の前段には、交換レンズ3とフィールドレンズ14を一体に収容した鏡筒2aが装着自在に連結されている。このように構成された光学ユニットUにおいて交換レンズ3、フィールドレンズ14を通過した光束はコンバータレンズ鏡筒10内でその主光線が光軸6にほぼ平行な光束に変更され、中間物鏡筒8に収容した中間物7をほぼ垂直方向から通過して受光部5に向かう。中間物7はその材質、厚さ、特性、特徴などの種類ごとに用意されて鏡筒8内に収容され、鏡筒8の交換が中間物7の交換となるよう筐体4とコンバータレンズ鏡筒10間に設置される。
この中間物7が光学系中に装着自在に設置される位置は、コンバータレンズでほぼ平行光束に変更された後の光束が受光部5に向かう光路上の途中となる。そのため受光部5に向かう光束はみな中間物7に対してほぼ垂直方向に通過した光束となり、同じ条件で中間物7を通過することになる。それによって中間物7の中心光軸6近域を通過して受光部5に向かう光束も、光軸5近域から離れた位置を通過して受光部5に向かう光束も同じ条件で受光部5に向かうことになる。従ってたとえば干渉フィルタや波長板を中間物7として設置したとしても、受光部5に投影される像は光軸近域と周辺部とで色違いや波長の変化が生じることがなく、中間物7の特性、特長を活かした像を受光部5に投影することが出来る。このような光学ユニットUとしたことによって各種の交換レンズ3と中間物7を自在に使用することが出来る。
この中間物7が光学系中に装着自在に設置される位置は、コンバータレンズでほぼ平行光束に変更された後の光束が受光部5に向かう光路上の途中となる。そのため受光部5に向かう光束はみな中間物7に対してほぼ垂直方向に通過した光束となり、同じ条件で中間物7を通過することになる。それによって中間物7の中心光軸6近域を通過して受光部5に向かう光束も、光軸5近域から離れた位置を通過して受光部5に向かう光束も同じ条件で受光部5に向かうことになる。従ってたとえば干渉フィルタや波長板を中間物7として設置したとしても、受光部5に投影される像は光軸近域と周辺部とで色違いや波長の変化が生じることがなく、中間物7の特性、特長を活かした像を受光部5に投影することが出来る。このような光学ユニットUとしたことによって各種の交換レンズ3と中間物7を自在に使用することが出来る。
但し、図4Aの場合、中間物7を光学系中に設置するため光路長が図3に比して中間物7の厚さ相当分だけ変化する。これは中間物7の厚さだけでなく、材質や特性といった種類によっても光学的な伸びが発生し、それが光路長を変化させることになる。そのため図Bに示したように内筒20を2つに分離し、第1結像レンズ15側の内筒20aと第2結像レンズ17側の内筒20bとして独立させ、第2結像レンズ17側の内筒20bを光軸方向に移動できるようにしておく。この移動機構についての詳細は省略するが、例えば内筒20bを図3の内筒18と同じように鏡筒10内で移動できるようにしておけばよい。
上記のように第2結像レンズ17を光軸方向に移動できるような構成としておけば、各種の中間物7を光学系中に装着したとしても光路長の補正をして対処することが出来る。そしてこのことは中間物7の種類に応じて位置決めをした第2結像レンズ17を予め用意し、それをその対応させた中間物7と1つにして中間物鏡筒8内に収容しておくことができるようになる。つまり内筒20bと中間物鏡筒8を1つの鏡筒として準備することが出来る。それによって中間物の交換ごとに、その中間物に対応して位置決めされた第2結像レンズ17を使用することが出来る。
この図4で説明したような中間物鏡筒8をコンバータレンズと連結した光学ユニットUとすることで、中間物7の特性、特徴などの種類を利用した像を受光部で求めることが出来る。
尚、図4Aでは交換レンズ3とフィールドレンズ14を1つの鏡筒2aに収容したものとしてある。つまり図3の鏡筒2と内筒18を一体にして鏡筒2aとしてある。この一体型の鏡筒2aでは交換レンズ3の種類ごとに、その交換レンズの焦点距離位置近傍にフィールドレンズ14を予め対応させて位置決めして配置しておくことができる。そのため交換レンズ3の交換がフィールドレンズ14の交換となり、同時にフィールドレンズ14の位置決めが実施される。この場合、フィールドレンズ14は鏡筒2a側に収容されるから、コンバータレンズは第1結像レンズ15、絞り16、第2結像レンズ17という構成となる。
上記のように第2結像レンズ17を光軸方向に移動できるような構成としておけば、各種の中間物7を光学系中に装着したとしても光路長の補正をして対処することが出来る。そしてこのことは中間物7の種類に応じて位置決めをした第2結像レンズ17を予め用意し、それをその対応させた中間物7と1つにして中間物鏡筒8内に収容しておくことができるようになる。つまり内筒20bと中間物鏡筒8を1つの鏡筒として準備することが出来る。それによって中間物の交換ごとに、その中間物に対応して位置決めされた第2結像レンズ17を使用することが出来る。
この図4で説明したような中間物鏡筒8をコンバータレンズと連結した光学ユニットUとすることで、中間物7の特性、特徴などの種類を利用した像を受光部で求めることが出来る。
尚、図4Aでは交換レンズ3とフィールドレンズ14を1つの鏡筒2aに収容したものとしてある。つまり図3の鏡筒2と内筒18を一体にして鏡筒2aとしてある。この一体型の鏡筒2aでは交換レンズ3の種類ごとに、その交換レンズの焦点距離位置近傍にフィールドレンズ14を予め対応させて位置決めして配置しておくことができる。そのため交換レンズ3の交換がフィールドレンズ14の交換となり、同時にフィールドレンズ14の位置決めが実施される。この場合、フィールドレンズ14は鏡筒2a側に収容されるから、コンバータレンズは第1結像レンズ15、絞り16、第2結像レンズ17という構成となる。
図5は図4で説明したコンバータレンズの応用例を示した説明用の一部断面図で、図4Bの内筒20bに収容する第2結像レンズ17をズームレンズなどを利用してピント調整可能としてある。図においてフィールドレンズ14と第1結像レンズ15間の距離をf1とし、ピント調整可能とした第2結像レンズ17aと受光部5間の距離をf2としたとき、受光部5で得られる倍率Mはf1/f2で求められる。従ってズームレンズ化などによってピント調整可能とした第2結像レンズ17aを移動してf2の値を変化すれば、交換レンズ3から伝えられる入射光束をさらに倍率変換した像を得ることが出来る。
第2結像レンズ17によるピント調整は前記図4Bで述べた光学的な光路長の補正にも対処することが出来る。つまり内筒20b自身を光軸方向に移動する代わりに第2結像レンズ17aを移動してピント調整するようにすれば、伸び量相当分の光路長補正をオートフォーカス化することが出来る。ただしその場合、倍率Mは等倍となるよう配慮が必要である。さらにこの第2結像レンズ17aの移動は受光部5のサイズを選択出来るようになる。受光部5のサイズは使用目的によって制限される場合が多い。たとえば顕微鏡で試料の撮影を行う場合、静止画であればそのカメラに合わせたサイズとしてあるC−MOSやCCDで確認するこができる。しかし試料を動画として確認するときは動画用のカメラに合わせたサイズとてしてあるCCDなどで確認することになる。通常静止画用のCCDと動画用のCCDを1つの光学系で使い分けることは出来ないが、移動自在とした第2結像レンズ17aを使用すると、図5のf2距離を長くしたときの大サイズCCDの光学系と、f2の距離を短くしたときの小サイズCCD光学系を使い分けることが出来る。
図6は実施例2を説明するもので、中間物7を収容した鏡筒8aをフィールドレンズ14と第1結像レンズ15a間に装着自在にして連結したもので、第1結像レンズ15aはズームレンズとしてある。図において交換レンズ3とフィールドレンズ14は図4Aと同じように1つの鏡筒2aに収容され、この鏡筒2aの後段に中間物7を収容した中間物鏡筒8aが装着自在に連結される。中間物鏡筒8aはコンバータレンズ鏡筒10と装着自在に連結され、コンバータレンズ鏡筒10は受光部5を収容した筐体4と装着自在に連結される。コンバータレンズ鏡筒10には図4Bと同じように2つに分割された内筒20a、20bが収容され、内筒20aにはズーム化した第1結像レンズ15aが収容され、他方の内筒20bには第2結像レンズ17が収容される。これで光軸6上には交換レンズ3からの入射光に対してフィールドレンズ14、中間物7、第1結像レンズ15a、絞り16、第2結像レンズ17が順に配置され、光学ユニットUが形成される。中間物7を必要としない撮影のときは中間物鏡筒8aを外して、交換レンズ鏡筒2aとコンバータレンズ鏡筒10を連結することになる。
交換レンズ3からフィールドレンズ14に入射した光は、その全ての主光線が光軸6にほぼ平行な光束に変更されて中間物7を通過し第1結像レンズ15aに向かう。中間物7を通過する光束は光軸6に平行な光束として通過するので、即ち中間物に対してほぼ垂直方向に入射するので中間物7通過による障害は発生しない。ただし、光路長としては中間物7の厚さなどに相当する分だけ変化するから、ピント調整が出来るようにした第1結像レンズ15aによってそれを補正する。つまりf1間の距離を変化させることで補正する。第1結像レンズ15aを通過した光は絞り16、第2結像レンズ17を経て筐体4内の受光部5に向かう。
交換レンズ3からフィールドレンズ14に入射した光は、その全ての主光線が光軸6にほぼ平行な光束に変更されて中間物7を通過し第1結像レンズ15aに向かう。中間物7を通過する光束は光軸6に平行な光束として通過するので、即ち中間物に対してほぼ垂直方向に入射するので中間物7通過による障害は発生しない。ただし、光路長としては中間物7の厚さなどに相当する分だけ変化するから、ピント調整が出来るようにした第1結像レンズ15aによってそれを補正する。つまりf1間の距離を変化させることで補正する。第1結像レンズ15aを通過した光は絞り16、第2結像レンズ17を経て筐体4内の受光部5に向かう。
上記のようにこの例では、中間物7をフィールドレンズ14とピント調整が出来るようにした第1結像レンズ15a間に設置する。前記した図2、4の例では第2結像レンズ17と受光部5間に設置するようにしているが、その位置はどちらも光軸に対してほぼ平行な光束中であり光学的には等価である。
図7は実施例3の説明図で色収差の補正について示している。図Aはコンバータレンズから光軸6に沿って進んできた光束21が第2結像レンズ17bによって光軸6上の位置22に結像した状態を示している。この位置22は受光部5の設置位置に相当するが、光束21は例えばR、G、Bの合成光である。R、G、Bの各光は波長が異なるにもかかわらず、光軸上の同一位置22に結像するよう第2結像レンズ17bで調整される。つまり色収差補正の加工が第2結像レンズ17bに施される。図3、4、6などに示したコンバータレンズの第2結像レンズ17はこのように色収差補正の加工がされたものであり、それによって受光部5にはR、G、Bの各光が収差補正された状態で投影される。
このような第2結像レンズ17bを使用し、或る特定波長による画像を求めようとすると、図4のようにその波長に適する中間物7を選択して光学系中に設置する。すると第2結像レンズ17b(図4では17)に向かった光束21は中間物7を通過するとき、第2結像レンズ17bに施された色収差補正のための加工条件のまま通過しようとする。しかし中間物7を通過するとき、その厚さやR、G、Bごとの屈折率の差などによって光学的な結像位置が変化して、図7Aの同一位置22にR、G、Bの光を向かわせることが出来なくなる。
このような第2結像レンズ17bを使用し、或る特定波長による画像を求めようとすると、図4のようにその波長に適する中間物7を選択して光学系中に設置する。すると第2結像レンズ17b(図4では17)に向かった光束21は中間物7を通過するとき、第2結像レンズ17bに施された色収差補正のための加工条件のまま通過しようとする。しかし中間物7を通過するとき、その厚さやR、G、Bごとの屈折率の差などによって光学的な結像位置が変化して、図7Aの同一位置22にR、G、Bの光を向かわせることが出来なくなる。
図7Bはこの状態を示したもので、中間物7を通過したR、G、Bの光はそれぞれの波長によって光軸6上の異なる位置22r、22g、22bに結像する。この位置22r、22g、22bは前記したように中間物7の種類、例えば材質、厚さやR、G、Bごとの屈折率の差などによって異なってくるが、中間物7を光学系中に設置したことによって変化する光学的な伸び量は下記の式によって求められる。
d(1−1/n)
これを図7Cで説明すると、dは中間物7の厚さで、nは中間物7の屈折率である。図において光束21中のB光は中間物7を通過するとき高い屈折率で屈折して21bとして射出し、図Bの位置22bに結像する。光束21中のR光は中間物7を通過するとき低い屈折率で屈折して21rとして射出し、図Bの位置22rに結像する。同様に光束21中のG光は中間物7を通過するとき中程度の屈折率で屈折して21gとして射出し、図Bの位置22gに結像する。
d(1−1/n)
これを図7Cで説明すると、dは中間物7の厚さで、nは中間物7の屈折率である。図において光束21中のB光は中間物7を通過するとき高い屈折率で屈折して21bとして射出し、図Bの位置22bに結像する。光束21中のR光は中間物7を通過するとき低い屈折率で屈折して21rとして射出し、図Bの位置22rに結像する。同様に光束21中のG光は中間物7を通過するとき中程度の屈折率で屈折して21gとして射出し、図Bの位置22gに結像する。
図8は上記のように中間物7を設置したことによって生じる光学的な伸び量の変化を補正するようにした中間物鏡筒8bの説明図である。図においてコンバータレンズ鏡筒10には図5と同様に第1結像レンズ15や絞り16が内筒20aに収容される。このコンバータレンズ鏡筒10は中間物鏡筒8bと装着自在に連結され、中間物鏡筒8bは筐体4と装着自在に連結される。中間物鏡筒8bには第2結像レンズ17cを収容した内筒20bと中間物7が収容される。第2結像レンズ17cは図7Aで示した第2結像レンズ17bをさらに加工し、同時に収容される中間物7に相当する分の色収差補正が施される。つまり中間物鏡筒8b内に収容する中間物7の種類、例えば材質、厚さやR、G、B毎の屈折率の差などに対応する光学的伸び量分の色収差補正が加えられたものとなっている。従って中間物鏡筒8bは収容される中間物7の種類ごとに用意され、それを必要に応じて選択し、コンバータレンズ鏡筒10と筐体4間に設置して使用する。
このような中間物鏡筒8bを選択的に使用することで、図7Bで説明した色収差の補正をした像を受光部5で得ることが出来る。
このような中間物鏡筒8bを選択的に使用することで、図7Bで説明した色収差の補正をした像を受光部5で得ることが出来る。
以上、実施例1、2、3として本発明の光学ユニットuについて説明してきた。これら実施例において交換レンズ鏡筒2、コンバータレンズ鏡筒10、中間物鏡筒8、筐体4間の連結方法や手段については特に詳しく説明していない。同様に各鏡筒2、10、8や筐体4の具体的構造についても詳しく説明していない。これらは既存のものの組み合わせや許容範囲内での設計品を使用することで解決することが出来る。
1・・・物体 2・・・交換レンズ鏡筒 3・・・交換レンズ 4・・・筐体 5・・・受光部 6・・・光軸 7・・・中間物 8・・・中間物鏡筒 10・・・コンバータレンズ鏡筒 11・・・パソコン 12・・・モニタ 14・・・フィールドレンズ 15・・・第1結像レンズ 16・・・絞り 17・・・第2結像レンズ 18・・・内筒 20・・・内筒 21・・・光束 U・・・光学ユニット
Claims (8)
- 入射光に対してフィールドレンズ、第1結像レンズ、絞り、第2結像レンズを順に配置してテレセントリックな光学系として作用するよう形成したコンバータレンズと、このコンバータレンズの前段に装着自在に連結され、前記フィールドレンズ位置が焦点距離位置近傍となるよう位置決めされる交換レンズと、前記コンバーレンズの後段に装着自在に連結され、コンバータレンズからの光を光軸にほぼ平行な光束として受ける中間物を収容した中間物鏡筒と、この中間物鏡筒の後段に装着自在に連結される受光部を収容した筐体と、で構成した事を特徴とする光学ユニット。
- 入射光に対してフィールドレンズ、第1結像レンズ、絞り、第2結像レンズを順に配置してテレセントリックな光学系として作用するよう形成したコンバータレンズと、
このコンバータレンズの前段に装着自在に連結され、前記フィールドレンズ位置が焦点距離位置近傍となるよう位置決めされる交換レンズと、
前記コンバーレンズのフィールドレンズと第1結像レンズ間に装着自在に連結され、フィールドレンズからの光を光軸にほぼ平行な光束として受ける中間物を収容した中間物鏡筒と、
前記コンバーレンズの後段に装着自在に連結される受光部を収容した筐体と、で構成した事を特徴とする光学ユニット。 - フィールドレンズを交換レンズの入射角に応じて光軸上で移動自在にして位置決めするようにしたことを特徴とする前記請求項1、2記載の光学ユニット。
- フィールドレンズをズームレンズとし、交換レンズの焦点距離位置に応じて光軸上で移動自在にしてフィールドレンズの自動位置決めを行うようにしたことを特徴とする前記請求項1、2記載の光学ユニット。
- 交換レンズと、その焦点距離位置近傍に位置決めしたフィールドレンズを1つの鏡筒内に収容し、この鏡筒を交換レンズの種類ごとに用意してコンバータレンズの前段に装着自在に連結するようにしたことを特徴とする前記請求項1、2記載の光学ユニット。
- 第2結像レンズをズームレンズとし、この第2結像レンズと受光部間の距離を変化させて交換レンズからの入射光倍率を変換するようにしたことを特徴とする前記請求項1、2記載の光学ユニット。
- 第2結像レンズをピント調整可能とし、受光部を収容した筐体とコンバータレンズ間に装着自在に連結される中間物鏡筒内の収容中間物の種類に応じてピント位置を光軸上で移動し、中間物装着後の光路長を自動補正するようにしたことを特徴とする前記請求項1、2記載の光学ユニット。
- 第2結像レンズと中間物を1つの中間物鏡筒内に収容し、収容する中間物の種類に応じて前記第2結像レンズに色収差の補正を施し、この中間物鏡筒を中間物の種類ごとに用意してコンバータレンズの後段に装着自在に連結するようにしたことを特徴とする前記請求項1記載の光学ユニット。
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- 2006-09-06 JP JP2006241208A patent/JP2008064933A/ja active Pending
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