JP2012510089A - 改良型双眼観察装置 - Google Patents

Abstract

遠方の被観察体を観察する光学装置。前記装置は、対物光学系、少なくとも一つの接眼光学系を含み、射出瞳が少なくとも2mmであって、入射瞳径の0.6mm^-1 倍以上の倍率を達成する。対物光学系からの像は、センサーにより検出され、処理され、記憶される。像は、使用者により一つまたは、それ以上の接眼光学系により、観察される画像表示装置上に表示される。光学装置は、低照明下でも良く機能する。前記装置は、また接眼光学系間の眼幅調整をするスライド機構を有している。

Description

本開示は、遠方の被観察体を観察する光学装置、特に高解像力小型双眼鏡に関する。

被観察体の拡大像を観察する光学装置には、双眼鏡、望遠鏡、顕微鏡など多様な形式のものがある。双眼望遠鏡の設計は、1600年代まで遡るが、双眼鏡装置が、高倍率、高解像および小型化への要求特性を組み合わせて実現ならしめたのは1854年のイグナチオ・ポロによる近代的なプリズム双眼鏡の発明に端を発すると言える。多くの開発設計を経て、その諸特性について最適化した提案があるが、小型化するには、高解像、高倍率、および低照度下での被観察体の観察能力を犠牲とすることによってのみ実現が可能な機能上のトレードオフを必要としている。

これらの設計上の制約は、通常、対物レンズユニットの直径を双眼鏡の観察光学系の倍率で割ることで射出瞳径が、決められるという事実によって生ずる。双眼鏡の小型化を保つためには、対物レンズユニットを、相対的に小型としなければならないが、それにより解像度と実倍率が制約を受けるのである。解像度と倍率の低下は、望ましくない。その理由は、双眼鏡の目的が、高倍率により遠方の被観察体の細部を識別することにあるからである。小型の対物光学系（例えば直径20mm以下）で高い理論倍率（例えば10倍以上）の条件でレンズ設計が可能である一方で、その光学系の射出瞳径は、光学機器としての設計限界とされる２mm以下となってしまう。射出瞳径が2mmに満たないと、回折、不鮮明、低コントラストによる性能低下となる。この種の光学系は、通常、“空“倍率を有するとして分類され、観察者は、人間の眼の解像力（本発明の目的は、120秒と定義する）を超えた時に、高倍率は、観察者にとって意味を成さない。従って使用者に利用できる射出瞳径と倍率値間に妥協がなされている。

この設計上の妥協は、一般に入手可能な、双眼鏡の調査から明らかである。固定倍率が10倍かそれ以上で、最小対物光学系の外径は、少なくとも21mmであり、より高倍率になると、その対物光学系外径が、かなり増大する。例えば、典型的な12倍の高解像力双眼鏡では、十分な解像力と低照度下の性能を実現するために、対物光学系外径は、少なくとも32mmとなる。これらの双眼鏡は、大きな対物光学系の外径ゆえに、非常に大きく小型とは見なせない。比較として、小型と称し販売促進された最近のBushnell（登録商標）社のIMAGE VIEW（商標）デジタル撮像双眼鏡では、単に8倍で対物光学系外径21mmが製造されている。

近年、既に述べたIMAGE VIEWのようにデジタル撮像機能を有する光学装置の開発への試みが成されている。これらの試みは、独立したデジタルカメラを観察光学系（例えば、双眼鏡）に組み合わせている。この組み合わせには、一定の限界がある。最も重要なことに前記装置は、観察光学系において観察者が、観察する像に関するデジタル撮像を可能とするが、その設計は、観察者が、前記装置を用いて実際に観察する内容を変えず、よっていかなる双眼鏡による観察体験をも改善するものではない。更にデジタルカメラは、それ自体の光学系を持つので、観察光学系とカメラとで、その解像力が異なり得る。この解像力の違いは、使用者が、もしカメラで記録中の実際の像を見るのであれば、使用者が画像記録することになると思われる前記カメラによらぬ像記録を選択する結果になり得る。

双眼鏡装置に、デジタル撮像機能を結合するために行われてきた、他の取り組みとして、光学装置のセンサーに入力された像を記録し、使用者が観察する画像表示装置に、それらを再表示するものがある。この方法の解決課題の一つは、ポケットサイズ化を実現するために、光学系をメカ機構と電気系統の構成要素と統合することにある。更に、この既存の取り組みだけでは、高倍率そして高解像、高倍率双眼鏡の観察特性を実現しない。

一つの特徴において本開示は、遠方の被観察体を観察する光学装置を提供するものである。この光学装置は、入射瞳径Φmmを有する少なくとも一つの対物光学系と、少なくとも一つの対物光学系による共役像を観察するための射出瞳を有する少なくとも一つの接眼光学系を含む。この光学装置は、0.6mm^-1 × Φよりも大きい倍率を有し、前記装置の射出瞳径は、少なくとも2 mmである。

本光学装置は、少なくとも一つの対物光学系により入力される遠方の被観察体の像を検出する少なくとも一つの対物光学系と隣接する少なくとも一つのセンサー、センサーと接続される処理装置、像処理並びに第一記憶媒体に像を記録するための処理装置を含み得る。少なくとも一つの画像表示装置が、第一記憶媒体に記録される像を表示するために使用される。少なくとも一つの接眼光学系は、少なくとも一つの画像表示装置に接続し得る。少なくとも一つの画像表示装置の像を観察するために、使用者は、少なくとも一つの接眼光学系に少なくとも一方の眼を合わせる。

もう一つの特徴に、本開示は、広波長域のセンサーを採用することにより、低照度下で遠方の被観察体を観察するのに最適化した光学装置を提供する。この光学装置は、少なくとも一つの入射瞳径24 mm>Φ>10 mmを有する対物光学系と少なくとも一つの対物光学系による像を観察するための接眼光学系を有する。少なくとも一つの接眼光学系は、φ>2 mmを満足する射出瞳径φを有し得る。この構成で、光学装置の倍率は、12以上と成し得る。

更にもう一つの特徴において、本開示は、光学装置の少なくとも2つの接眼光学系間の眼幅調整をするのに、スライド機構を具備する。前記スライド機構は、少なくとも一つのレールと少なくとも一つのレールに沿ってスライドする移動部材を含む。前記移動部材は、少なくとも2つの接眼光学系の一つに付属または組み込まれる。

さらにもう一つの特徴に、本開示は、光学系の光路に単一の対物レンズ系を使用して、付加的に小型化にとって最小となる折り曲げ光路を用いる。

更に本開示の別の特徴において、視野を広げるためにズームレンズが使用される。

本開示の更なる特徴と特性は、後述する詳細記述と一つまたは、複数の実施形態を示した図面の光の分野における通常の技法により明らかにされる。

実施形態は、添付の図面を参照し、実施例を通して説明される。

図1は、光学装置のブロック図である。

図2Aは、使用位置における可変の外部形状を有する光学装置の斜視図である。

図2Bは、収納位置の可変の外部形状を有する光学装置の斜視図である。

図2Cは、小型収納用に沈胴するレンズ鏡胴に関する別の対物光学系の断面図である。

図3Aは、図1の光学装置の斜視図である。

図3Bは、接眼光学系と画像表示装置を示す光学装置の内部の斜視図である。

図4は、2つの接眼光学系の眼幅調整用のスライド機構を示す光学装置の内部の斜視図である。

図5は、2つの接眼光学系の眼幅調整用のスライド機構を示す、図4の光学装置の内部の別の斜視図である。

図6は、図4と図5のスライド機構のロックボタン機構を示す、図4の光学装置の別の斜視図である。

図7は、調整可能な焦点距離を有する対物光学系のレンズ断面図である。

図8は、調整可能な焦点距離を有する別の対物光学系のレンズ断面図である。

図9は、固定焦点を有する対物光学系のレンズ断面図である。

図10は、固定焦点を有する別の対物光学系のレンズ断面図である。

図11は、接眼光学系のレンズ断面図である。

類似の参照番号は、同一の諸要素と特性を記載する諸図を通して引用される。

本発明が、図示される実施形態と結び付けて具体的に説明されるにも関わらず、本発明は、そうした実施形態による、制約を受けない。それに反して、付加された特許請求の範囲により定義する発明の意図、領域の範囲に含まれ得るので、全ての選択肢、修正や等価なものを含有するよう意図している。

図1は、ここに記述される実施形態にて応用され得る遠方の被観察体を観察する光学装置10のブロック図を示す。前記光学装置10は、少なくとも一つの対物光学系12と、少なくとも一つの対物光学系12によって結像される遠方の被観察体の像を連続的に検出する少なくとも一つの対物光学系12に隣接する少なくとも一つのセンサー14により構成する。光学装置12は、更に連続的に像を処理し、第一記憶媒体に像を記録する処理装置16から構成する。処理装置16は、また選択的に、デジタル式手ぶれ補正機能を組み込むこともあり得る。処理装置16は、第一記憶媒体18に記録される像を連続的に表示するために、一対の画像表示装置20と接続される。画像表示装置20は、連続的像観察をするために、一対の接眼光学系22と結合される。連続的に、画像表示装置20上で像を観察するために、使用者は、一対の接眼光学系22に、両眼を合わせる。（然るに双眼鏡観察を実現する。）画像表示装置20に表示される像は、更に後に詳細説明をするように遠方の被観察体に対して（使用者に受け入れられるように）実質上、実時間で対応する。

その像は、フラッシュメモリー24とし得る第2記憶媒体に永久的に記録され得る。使用者は、記録ボタン28を使用して、記録機能を稼動とし得る。光学装置10は、またUSBポート30または、別の適したインターフェースを介して、外部装置（画像表示装置またはラップトップコンピューター）と接続し得る。

対物光学系12は、可変焦点距離の対物光学系であり得る。対物光学系12の焦点距離f₀ は、モーター駆動部32、ズームモーター34、そしてオートフォーカス(“AF”)部36から構成するズーム構成部30を使って調整し得る。焦点距離f₀ は、ズームボタン38を使って、使用者により調整され得る。可変焦点距離の対物光学系の構成は、下記に更に詳述する。モーター駆動部32とオートフォーカス部36は、処理装置16と統合され得る。

光学装置10は、さらにオンオフ切換ボタン39と様々な入出力ボタン（例えばグラフィックボタン42）で構成され得る。

図1の光学装置が双眼鏡であると同時に、ここに記載される実施形態は、望遠鏡や顕微鏡のような他の形式の光学装置に対しても適用可能とされ得る。

図2Aおよび 2Bに図示されるように、光学装置10は、可変の外装形状の筐体50を有し得えて、対物光学系および（または）接眼光学系の外装面部分は、可動式カバー52で保護され得る。図2Aは、可動式カバー52の開いた位置で、使用位置の光学装置10の概略図である。図2Bは、可動式カバー52の閉じた位置で収納位置の光学装置10の概略図である。可動式カバー52の構成により、光学装置10は、使用位置よりも収納位置で、より小型の外装形状を有し得る。任意的に、光学装置10は、収納位置へ移行する際、すぐに電源停止する設計とし得る。筐体50は、使用者がシャツやズボンのポケットに光学装置10を入れて持ち運ぶのに容易なように丸みを持たせた隅54を有し得る。

筐体50は、固定の外装形状を有し得る。そのような筐体は、一般により強靭で、全体としてより頑強で、機械的観点において、さほど複雑にはならない。（然るに、製造、組み立てに要する構成要素の数に関して、より安価である）固定の外装形状を有する筐体50の全天候対応機能は、筐体50が、外部環境からシールされる必要がある開き部分が典型的に少ないので、より容易である。

図2Bに示したように、筐体50の寸法は、長さL1(最長辺の幅)、長さL2（2番目の長辺、奥行き）そして長さL3（最短辺、高さ）で参照される。筐体50が光学装置10の構成により任意の大きさとなる得る限り（下記に詳述するように）、筐体50は、ポケットに収納し得るのに十分なほど小さくし得る。つまりズボンの両方のポケット、シャツなどのポケットに合うだけの、小ささである。特に、ポケット収納のために、筐体50の幅、奥行き、高さの比（L1:L2:L3）は、約1.0 : 0.6≦0.1 : 0.25≦0.1（L1を、100から120mmと想定）とすべきである。

L1の値は、使用者の眼幅を合わせるために十分の長さをとるべきである。例えば、64mmの眼幅に対して（例えば、大人の平均眼幅）目当ての寸法を考慮して、筐体は、84mm長辺L1を有するものとする。しかしながら、大きな眼幅を持つ使用者に合わせるために、L1は、上記のように、約100 から120mmとし得る。更に、光学装置10の実際の使用者により、筐体50の深さは、片手または両手で容易に掴める大きさとし得る。

図2Cは、沈胴式のレンズ鏡胴のポケット収納型双眼鏡の別の実施形態を示す。

図3Aは、本発明の光学装置の斜視図である。対物光学系12の最も外側の部分は、鏡胴60に収納され得る。プリント回路基板（“PCB”）62、64、66は、処理装置16、第一記憶媒体18（図示せず）など、電気系を保持し得る。筐体に加えて、種々の電気系の構成要素、PCB即ち62、64、66は、光学装置10に対する支持構造をとり得る。センサー14（図1）をプリント回路基板PCB 66に装着するのは、便宜上良く、その結果、センサー14は、対物レンズ系の光軸に調整される。PCBの62，64，66は、また柔軟にし得る。センサー14は、また適切な調整と位置にセンサー14を、保障するために内部構造の中68に取り付けられ、迷光からセンサー14を遮蔽し得る。

図3Aの断面部分において、対物光学系12の諸レンズエレメントが、示されている。それらのレンズエレメントは、鏡胴60、70、72に保持される。前述したように、それらのレンズエレメントは、レンズ鏡胴70と72間で、ズーム構成部30を使用して調整され、可変焦点距離系を構成し得る。ズーム構成部30は、ズームモーター34、ズームモーター駆動部32、および選択肢的にオートフォーカス部36（図1）で構成し得る。

眼幅調整機構
接眼光学系22の眼幅は、調整可能とし得て、この眼幅調整は、接眼光学系を回動せずに、スライド機構78によって成される。図4において、スライド機構78は、別の接眼光学系28Bについて一つの接眼光学系22Aを移動するように操作し得る。

図5に示すように、可動の接眼光学系22Aは、移動部材80に固定するか、一体化し得る。接眼光学系22Aは、また画像表示装置20（図1）の一つに固定し得る、その結果、眼幅調整の目的で一緒に移動し得る。移動部材80は、少なくとも一つのレール82（2つのレールが図示）に沿って移動し得る。接眼光学系22Aは、光学装置10の非可動部に合うように固定されるロック機構88に噛合する歯車列を有するラチェットアーム86に接続し得る。そして、ロックボタン90を使用して、使用者は、ロック機構88を作動させ得る、また特別の眼幅調整を具備し、ラチェットアーム86をロックし得る。図6に図示するように、筐体50は、使用者による操作のためのスライド機構に接続して、スライド可能な突起92を構成し得る。接眼光学系22Aの移動は、図5と図6の矢印により示されている。

対物光学系
対物光学系12は、いくつかの異なる構成をとることが可能で、図7、図8、図9、図10に基づいて説明する。図7と図8は、可変焦点距離（ズーム）系である。ズームは、画角を増すのに用いられる。対物光学系12の実効焦点距離(“f₀”)が、低い値へとズームして減る時、その倍率もまた減少する。図9と図10は、固定焦点系である。対物光学系12の構成は、固定焦点か可変焦点が用いられるかに依存する。レンズ構成は、要求に応じて、簡単な構成からより複雑な構成を取り得る。さらに、諸レンズエレメントは、色収差補正をするために異なる分散を有し得る。種々のフィルター、偏光フィルター、コーティングなどが含まれ得る。

対物光学系12および（または）接眼光学系22の接眼レンズを構成する単体または複数のレンズエレメントは、1面または、2面の非球面を含むことが可能である。非球面レンズは、光学樹脂材料または、光学ガラス材料からなり得る。構成するレンズエレメントは、コーティング処理を施されて、標準的な諸技術と材質を使用して対物光学系12に保持される。

図7において、対物光学系12Aは、調整可能な焦点距離と、少なくとも4つのレンズサブユニットSU1,SU2,SU3およびSU4を有する。第１レンズサブユニットSU1は、対物光学系12A（センサー14の像から最も遠い）の長い共役側に位置する。第3レンズサブユニットSU3は、第2レンズサブユニットSU2 と第4レンズサブユニット SU4の間で可動であり、然るに画角を小さくするか、大きくするために、対物光学系12Aの実効焦点距離f₀ を調整する。水平方向の光学的折り曲げ100は、光学装置のより小型化のために、第１レンズサブユニットSU1と第2レンズサブユニットSU2の間に位置し得る。更に、対物光学系の第一レンズの光軸は、一つの接眼光学系により概ね光軸調整をされ配置し得る。

対物光学系12Aのレンズ構成要素を、表1（空気間隔は、f₀ = 48 mm, f₀ = 70 mm と f₀ = 96 mmに対して与えられる）に記載されている。表1と後続する表で、第一欄は、面番号 (SRF), 第二欄は、第一欄の面番号に（R1,R2,…R17,R18）対応するmm単位の曲率半径、第三欄は、光軸上を交接するレンズ面頂点のmm単位の肉厚（または、隣接する面間隔）(T1,T2,….T13,T14)を示す。第四欄は、mm単位の有効半径。第五欄は、媒質である。（光学硝子または、光学樹脂 、空気）諸レンズエレメントは、種々の光学材料を選択できることに留意すべきである。表1 から5に媒質と表記している光学硝子材料は、、北米ショット硝子カタログの参照番号で指定されている。光学樹脂材料は、ラムダ・リサーチ社（www.lambdares.com）の光学ソフトウエアOSLO(登録商標)で使用されている参照系に指定されている。表1から 5の非球面データも、光学ソフトウエアOSLOに準じている。

非球面データ

AST¹は、非球面

図8において、対物光学系12Bは、焦点距離が調整可能であり、少なくとも3つのレンズサブユニット、SU1, SU2, とSU3を有する。第1レンズサブユニットSU1は、対物光学系12Aの（センサーの像から最も遠い）長い共役側にある。第2レンズサブユニットSU2は、第1レンズサブユニットSU1と第3レンズサブユニットSU3の間を可動であり、然るに画角を大きくするか、小さくするかのために対物系12Bの実効焦点距離 f₀を調整する。光学的折り曲げ102は、光学装置のより小型化を意図して、第3レンズサブユニットSU3と画像表示装置14の間に位置する。

対物光学系12Bのレンズ構成要素は、表2に記載される。（データは、f₀ = 48 mm, f₀ = 70 mm と f₀ = 96 mmに対応する）

対称型一般非球面データ

図9において、対物光学系12Cは、固定焦点で、2つのサブユニットSU1, SU2のみを有する。第1レンズサブユニットは、対物光学系12C（センサー14の像からからもっと遠い）の長い共役側に位置する。図示のように、第2レンズサブユニットSU2は、センサー14に近く位置し得て、比率として（1）第2レンズサブユニットの短い共役頂点とセンサー14（センサーの像位置）の受光面位置の間の距離T4（2）対物レンズ系の実効焦点距離f₀は、0.25以下である。この比率は、また0.10以下または、0.05となり得る。そうした短い距離は、センサー14に透過される光のビーム径が小さく、その代わりに、第2レンズサブユニットSU2に対する高精度に製造する必要度を下げることを意味している。もし製造精度の要求を下げるなら、サブユニットSU2の製造コストも下がる。

第2レンズサブユニットは、図示のように、一つのレンズエレメントで構成し得る。このように、全体の対物系12Cは、低価格、軽量、容易な組み立て性を成す3つのレンズエレメントのみで構成できる。

対物光学系12Cの実効焦点距離f₀は、30から 90mmの範囲とし得る。第1レンズサブユニットSU1は、条件式 0.75≦f_SU1/f₀≦1.2 を満たす実効焦点距離f_SU1を有し得る。第2レンズサブユニットSU2は、条件式 |f_SU2|/f₀≧3 を満たす実効焦点距離 f_SU2 を有し得る。

対物光学系12Cの別の構成は、必要に応じて使用される。例えば、第1レンズサブユニットSU1は、負の屈折力、または正の屈折力を有し得る。第1レンズサブユニットSU1が負の屈折力とすると、対物光学系12Cの長い共役頂点とセンサー14の像面との間の光路は、典型的により長い。筐体50の小さい全長が求められる場合、光学的折り曲げは、第1レンズサブユニットSU1と第2レンズサブユニットSU2間に位置し得る。

対物光学系12Cのレンズ構成要素を、表3に記載する。

離心率と多項式非球面データ

図10において、対物光学系12Dは、固定焦点距離を有し、2つのレンズサブユニットSU1と SU2のみを有する。対物光学系12Eと構成が同じである。対物光学系12Dのレンズ構成要素を、表4に示す。

多項式非球面データ

上記対物光学系12の各構成は、ポケット収納可能な筐体50（上記）に収納される。それを実現するために、対物光学系12の実効焦点距離は、2.4 μm≦D_CC≦2 μmのセンサー14の中央と中央のピクセル間隔に対して40 mm≦f₀≦100 mmとし得る。択一的に対物系12の実効焦点距離は、12 D_CC < 2 μmのセンサーの中央と中央のピクセル間隔に対して、30 mm≦f₀≦90 mmとし得る。可変焦点距離を有するレンズ系で、実効焦点距離 f₀は、最大実効焦点距離 f₀に対応することに留意すべきである。

使用者に、最大画角とポケット収納可能な大きさの筐体を提供するために、センサー14は、十分なピクセル数を有し、また（あるいは）対物光学系12は、可変焦点距離（構成12Aおよび12B）を提供しなければならない。センサー14で対物光学系12の解像力は、入射瞳の大きさ（直径）および対物光学系の焦点距離f₀に依存する。ピクセル開口率を100％と仮定すると（即ち、ピクセル表面の大きさに対する、そのピクセルの光電素子の大きさ）、対物系12の入射瞳径Φと系の焦点距離f₀は、センサーの下式のレイリー限界の結像を満たす必要がある。
f'₀ = Φ・D_CC/ 1.22λ
λは、光の波長で、可視像の0.550μmと仮定する。然るに、1.75と2.2μmの間のD_CCの値に対して、1から5メガピクセルを有する典型的なセンサーで、対物光学系12の実効焦点距離f₀は、1.75μmの場合で65mm、2.2μmの場合で82mm以下である。もちろん、実施形態では、1.75 と 2.2 μm間のD_CCの数値に制限されない。

f'₀の特定の値に対して、画角θは、以下のように定義される。
f'₀ = h'₀ / tan θ
ここで、h'₀は、像高である。然るに、特定のセンサーの画角と最大解像力を、決めることが可能である。画角を増す必要があれば、ズーム対物レンズを使用可能で、焦点距離を短くすれば、画角は、より要望値となるように増える。

対物光学系12の入射瞳径Φは、10mmから24mmの間とし得る。ポケット収納可能な装置については、入射瞳径Φは、22mm以下となり得る。対物レンズの実際の直径を縮小するには、（然るに、対物光学系12のレンズの最大有効径CA_maxを最小とする）入射瞳は、対物光学系12の前方近くに位置される。また、対物光学系12の一つまたは、それ以上のレンズエレメントの角は、光学装置10の入射瞳と射出瞳が、連結されないので、角を加工により切り取り得る。然るに、使用者は、入射瞳が長方形開口であっても、丸い射出瞳が、得られる。レンズの一つまたは、それ以上の角の切り取り加工は、センサーに到達する光量低下の点で大きな問題にはならない。

f₀を、選ぶことにより対物レンズは、1メガピクセル以上を有する像センサーに対してレイリーの標準を満たし、使用者は、1メガピクセル以下の典型的な画像表示装置を使用するとき、像センサー・ピクセルの全てを見ることはできない。しかしながら、対物光学系の解像力は、デジタルズームを用いることで、完全に活用できる。要求される倍率を実現するために、対物レンズの焦点距離f₀は、以下のように決定される。
f'₀= f'_d・MP / DR

f'_dは、接眼レンズの焦点距離、DRは、量的表示比率（画像センサーの幅に対する表示装置の幅の比率）、MPは、倍率（使用者の眼で、像がどれだけ大きくなるかの倍率の尺度）。上述した構成について、0.6Φの倍率は、光学装置10に対して成し得る。

センサー
センサー14（図1）は、CCDまたは CMOSセンサー、もしくは他の適切な撮像素子とし得る。典型的なセンサーは、入射する光子を、電荷に光電変換する受光面を有し、かつ個々のピクセルへの荷電量を測定する受光面をスキャンするに適した電気系を有する。そのセンサーは、受光面への主光線を誘導し個々のピクセル開口率を向上する受光面の入射側のマイクロレンズ列を含み得る。センサーは、電源40を含む他の構成要素に接続するための、自在ケーブルで提供され得る。

ポケット収納可能な光学系10（図1）に対し、センサーの射影は、10 mm × 12 mmの程度であり、基板の厚みと搭載したセンサーと、関連した電気系と任意のマイクロレンズ列は、1.5mmの程度となり得る、従って、センサーにより占められる全体の体積は、200 mm³の程度とし得る。筐体50のサイズ縮小に関して、ピクセルサイズは、制約を受ける。大型のピクセルは、より多くの光を集光し、低ノイズを実現するが、比較的大きなセンサーと大きな対物光学系となる。同様に、より多くのピクセルは、高解像と（または）大きい画角を供するが、より多くのピクセルの要求は、一般に大型センサーと大型の対物光学系を意味する。画像表示装置20の解像度の要求は、ピクセルサイズとピクセル数の要求が制約されないので、比較的に小さくすることができる。例えば、1.7から2.2μmの範囲のピクセルサイズ（中央から中央の測定）と3から5メガピクセルの範囲を有するセンサー14は、第2記憶媒体24に記憶する高品位のJPEG とMPEG出力と同様にセンサー14よりも少ないピクセル数を有する画像表示装置20でビデオを観察するのに十分な解像度を与える。

センサーからの電気出力は、種々の形態をとる。典型的には、出力は、第1記憶媒体18（例えばDRAM）に一時的に記憶されるフレーム列を構成する。第1記憶媒体18に記憶されるフレームは、観察される遠方の被観察体の像（すなわち、ビデオ）の連続したストリームを生成する画像表示装置に読み出される。表示される像は、僅かにより早い点を表す限り、時間遅れは、使用者に感じられない。また、ビデオの一連の動きは、観察される遠方の被観察体の実時間の一連のストリームとして現れる。

毎秒表示されるフレーム数は、使用者が像のちらつきや動画の断続モーションを感じない十分な高さを必要とする。歴史的に、映画のフレームレートは、毎秒24であり、テレビで毎秒25であった。これらのフレームレートは、十分な照度下で3から5メガピクセルのレベルを有するCCDセンサーやCMOSセンサーで実現し得る。フレームレートは、受光面が減ると入射光量につれて低下する。（また、フレームレートの低下は、ピクセル数が増えるにつれて大きくなる。）一般に、毎秒18フレームのレベルのフレームレートは、大抵の使用者にまだ受け入れられる。非常に低い照度条件の下で、フレームレートは、可視域よりも赤外帯域で光を検出することによって、増すことができる。

後に使用するため、特定の像や連続した像の撮像を可能とするために、光学装置10は、そうした機能が要望される処理装置16に信号を送るための（録画ボタン26）使用者の入力手段を有する。前記処理装置16は、そのとき第1記憶媒体18に第2記憶媒体24に受信したフレームを記憶するために信号を送る。その記憶動作は、同時に画像表示装置で像の表示をすることができ、使用者による遠方の被観察体の観察は、遮断されない。

第1記憶媒体18へのフレームの読み込みと、画像表示装置20上の像の表示の遅れにより、選択した像や像の列は、幾分か遅れが生ずる。一度、撮像信号が送られると、処理装置16は、次のフレームまたは、第1記憶媒体18に記録されたフレームを第2記憶媒体24（処理装置16は、第2記憶媒体24に表示されるフレームを送らない）に送る。この構成により、遅れは、比較的短く、高速に変化する場面を除いて、第2記憶媒体24に記録された像は、撮像信号が処理装置16に送られた時間に画像表示装置20に表示された像として同じになる。像の表示と記憶に対して別の構成は、使用され得る。

画像表示装置
前記、図1および図3Bにおいて、画像表示装置20は、パネル後部に光源のある液晶パネルからなる反射型または、透過型超小型画像表示装置（透過型は、より小型）であり得る。画像表示装置（超小型画像表示装置）の製造業社は、一般に液晶パネル、光源、と液晶の作動を掌る適宜の電気系を有する完全なシステムを供給している。構成要素は、集積回路部を形成するプリント基板66上に取り付けられる。自在ケーブルは、プリント基板66から画像表示装置20を処理装置16と電源部40に接続するよう延長し得る。択一的配置には、筐体50に取り付けられる適宜のソケットに結合された複数のピンをプリント基板66に具備することを含める。

各画像表示装置20は、10〜15 mm × 15 mm程度の射影を有するプリント基板69に装着される。プリント基板69、画像表示装置20、関連する電気系と光源の厚みは7mm程度である。従って、単独の画像表示装置が占める全体の体積は、1000-1500 mm³程度である。このように、画像表示装置20は、筐体50（2つの画像表示装置は、筐体50の体積の2〜4％程度を占める）の全体の2〜4％程度を占める。

超小型画像表示装置は、SXGA, SVGA, WVGA, VGA, WQVGA, および QVGA画像表示装置など様々なフォーマットと解像度の程度に応じて利用できる。一般にQVGA と WQVGAの画像表示装置は、他のフォーマットよりも小型で安価であり、光学装置10に使用するのにQVGA表示装置を用いて、小型、安価、適合性を満たす。しかしながら、他のフォーマットは、要求があれば使用可能で、いくらかの応用で、意図的に使われる。例えば、WQVGA とWVGAは、スポーツなどのイベントを観察するような特定の用途向けに設計される光学装置10に対して利点があり得る。処理装置16から画像表示装置への出力は、全解像ではないVGAフォーマットとし得る、なぜなら解像は、その画像表示装置で損なわれる。しかしながら、全解像は、第2記憶媒体24に記憶し得る。

接眼光学系
図11において、接眼光学系22の各々は、肉眼で表示された像を観察するための小さな接眼レンズ110で構成し得る。接眼レンズ110は、少なくとも3つのレンズエレメント116,118および120で構成する。接眼レンズ110は、各々の眼に対して、異なる焦点調整をし得る。

接眼レンズのレンズ構成要素を、表5に記載する。

離心率と多項式非球面データ

前記 図3Aと3Bにおいて、接眼光学系22は、また表示される像を観察するのに適した位置に使用者の眼を快適に合わせる目当て114を各々具備し得る。目当て114は、使用者が観察する像の周り込む光の効果を低減する。目当て114は、また使用中の参照位置となる、その結果、使用者の眼は、観察される像に十分に調整される。更に、目当て114によって、観察中に幾分安定させることができる。

目当て114は、筋肉組織および（または）眼窩に関係する骨に接して機能する使用者の角膜より十分に大きい外径を持つ必要がある。従って、各々の目当て114は、使用者の接触表面において約30mm外径を有する。目当て114は、光学装置10の外部形状を減らすために折り畳返し得る。

接眼光学系22は、使用者の眼の特性と同様に、画像表示装置20の特性を考慮する関連した設計上の制約条件を有する。画像表示装置20に関する主要な変数は、（1）接眼光学系22が、使用者の眼に対して全体の画像表示装置の像を提供するために接眼光学系22が必要とする画角を設定する幅と高さ（2）接眼光学系22の入射瞳がどこに位置すべきで、どのくらい大きな角度的な広がりを、その入射瞳が包含すべきかを決定する画像表示装置から射出する光の方向と角度的広がり。

典型的な超小型画像表示装置に対して、接眼光学系22の入射瞳は、テレセントリックもしくは、ほぼテレセントリックであることが要求される。テレセントリックもしくは、ほぼテレセントリックである入射瞳に対して、入射瞳と画像表示装置20に最も近いレンズの頂点間の距離は、接眼光学系22の実効焦点距離の少なくとも5倍となることが必要である。（接眼光学系22の実効焦点距離の少なくとも10倍であれば、更に良い。）

また、典型的な超小型画像表示装置に対して、個々のピクセルから、おおよそ±6度（F値で5に対応する）で射出する光の角度の広がりと、然るに接眼光学系22の入射瞳は、使用者に供される光を最大とするために対応する角度的広がりを有する。接眼光学系22の入射瞳に対するより大きな角度的広がりは、意味がない。接眼光学系22に対するより小さい角度の広がりを有することは、接眼光学系22に対するより小さい射出瞳となることに留意するべきである。より小さい射出瞳は、特に、使用者の瞳を縮小する原因となる十分に高い照度を持つ、超小型画像表示装置に対して、ある程度の拡張性を許容する。しかしながら、使用者にとってより小さい射出瞳に自分の瞳を調整することは、より困難である。

接眼光学系22は、アイレリーフ（即ち、眼と最も近いレンズの頂点から接眼光学系22の射出瞳までの距離）を与え、使用者は、使用者の睫毛または、眼鏡と光学装置10の筐体の間を、好ましくない連結なしに、接眼光学系22の射出瞳に、使用者の入射瞳（即ち、必然的に使用者の角膜の表面）に位置することができる。例えば、目当てを取り付けた光学装置10に対して、接眼光学系22の射出瞳は、目当てが適切に使用者の眼鏡または、眼窩に、接して合う位置になければならない。即ち、目当てが、使用者の顔に関して光学装置10の安定させるのに十分近く、しかし観察中に、使用者に、身体的に不快感を感じるほど近くない。

画像表示装置20の高コントラスの像を得るために、接眼光学系22による収差は補正され得る。しかしながら収差補正の程度は、ピクセルサイズよりも良くする必要はない。MTFは、1/2 D_CCで、20％、1/D_CCで、60％以上とし得る。

接眼光学系22は、屈折系もしくは、屈折系と回折素子の組み合わせを使用し得る。例えば、接眼光学系22は、標準の望遠鏡で使用される接眼光学系と同様の構成を持ち得る。しかしながら、その接眼光学系は、典型的に複数のレンズエレメント、限られたアイレリーフ、不十分な像面湾曲補正そして（または）低画質を有することに留意すべきである。

図11に示すように、接眼レンズ110は、3枚構成のレンズエレメントのみとし得る。そのような構成は、レンズが正負正の配置を持つことで（即ち、第1と第3レンズが、正屈折力と第2レンズが負屈折力を持つ）優れた画質、像面湾曲が少なく、長いアイレリーフを有することを可能とする。使用者の眼に最も近い正レンズ116は、主として倍率を与え、負レンズ118は、主として色収差と像面湾曲の補正をする、そして画像表示装置20に最も近い正レンズ120は、主にアイレリーフと接眼レンズ110から遠く位置する（即ち、実質上テレセントリックな入射瞳）接眼光学系22に対する入射瞳を与える。画像表示装置20に最も近い正レンズ120は、接眼光学系22を通過する光がこのレンズに小光束径を持つので、安価なレンズとなし得る。接眼レンズ110は、正屈折力を持つならば、画像表示装置20の実像が、形成される。接眼レンズ110は、また少なくとも色収差と像面湾曲を補正するために、いくつかの負の屈折力を持ち得る。

3つのレンズ116、118、120の6つの面の少なくとも1面は、非球面となし得る。更に、3つのレンズ116、118、120の6つの面の少なくとも3つの面または、それ以上を非球面となし得る。接眼光学系22のコストを低減するために、少なくとも3つのレンズエレメントのうち2つは、光学樹脂材料にて構成し得る。樹脂レンズエレメントの使用で、非球面モールドの利用による非球面の成型を容易にする。使用者の眼に最も近い正レンズ116は、掻き傷による損傷の機会を減らすために、光学硝子で構成し得るが、このレンズは、掻き傷に強い材質のコートを施した樹脂ともなし得る。使用者の眼に最も近い正レンズ116が樹脂であるとき、全部のレンズエレメントは、光学樹脂とし得るし、各々のレンズエレメントは、少なくとも一つの非球面を有し得る。

接眼レンズ110を構成する各々のレンズエレメントは、次の特性を有し得る。
f3/fe≦0.5 または、 f3/fe≦0.4
|f2|/fe≦0.5 または|f2|/fe≦0.4
|f2|≦f3
f1/fe≧0.5 または f1/fe≧0.75 または f1/fe > 1.0
d23/fe≦0.1 または d23/fe≦0.05)
(ddisplay + d12 + d23)/f0≦1.0 または (ddisplay + d12 + d23)/f0≦0.8 または
(ddisplay + d12 + d23)/f0≦0.6
ここでddisplay, d12 とd23は、使用者の眼が無限遠に焦点が合わせられると仮定して評価され、feは、接眼レンズ110の実効焦点距離であり、f1は、正レンズエレメント120の実効焦点距離、f2は、負レンズエレメント118の実効焦点距離、f3は、正レンズエレメント116の実効焦点距離、d12は、レンズエレメント120と118の間隔、d23は、118と116の間隔、ddisplayは、画像表示装置と第1レンズエレメント120の間隔である。

視度調整をするために、ddisplayと（もしくは）d12が可変となる。例えば、ddisplayは、接眼レンズ110位置と相対的に画像表示装置を移動して可変とし得る。他には、接眼光学系22が、画像表示装置14に相対的に移動することもあり得る。d12は、第2、第3レンズエレメントに対して第1レンズエレメントを移動するか、それぞれに対して第1レンズエレメントと第2レンズエレメントもしくは、第3レンズエレメントの両方を互いに移動して可変とすることもあり得る。間隔d23は、狭くかつ接眼レンズ110の性能に効き易いので視度調整中、固定とし得る。

視度調整は、片方の眼ごとで行い得る。例えば、使用者が、各々の眼で連続的に画像表示装置上のテストパターンを見たり、同時に各々の眼で別々に焦点合わせをして両眼でテストパターンを見る。その視度調整は、使用者が各々の画像表示装置に対して適度な位置を定めたら、固定とし得るものである。

量的に、接眼レンズ110の実効焦点距離feに対する正レンズサブユニットfPUの焦点距離の比は、次の関係を満たし得る。
fPU/fe > 1.0 または fPU/fe >1.5

接眼レンズ110が比較的に長い実効焦点距離（例えば、25mm以上）を持つ場合、正レンズサブユニットは必要とし得ないことに留意すべきである。その場合、２枚構成のレンズエレメントの接眼レンズ110が使用可能であり、コスト低減となるが、接眼光学系の鏡胴長が長くなり一般に低性能となる。

本開示の上記の諸実施形態は、単に実施例であることを意図する。変更、修正、バリエーションは、開示の範囲を離れずに、その技術に裏打ちされる特別の実施形態で効果があり得る。ここに記載された特許請求の範囲により定義される。

Claims (30)

1. 遠方の被観察体を観察するための光学装置であって、入射瞳径Φを有する少なくとも一つの対物光学系と、少なくとも一つの対物光学系による像を観察するための射出瞳を有する少なくとも一つの接眼光学系により構成し、且つ前記光学装置は、0.6mm^-1×Φ以上の倍率を有し、前記光学装置の射出瞳が、少なくとも2mmであることを特徴とする光学装置。
2. さらに、少なくとも一つの対物光学系によって受信される遠方の被観察体の像検出のために、少なくとも一つの対物光学系に隣接する少なくとも一つのセンサーと、少なくとも一つのセンサーに接続される処理装置、像処理をし、第1記憶媒体への像記録をする前記処理装置、そして第1記憶媒体に記録された像を表示するための少なくとも一つの画像表示装置により構成することを特徴とする特許請求の範囲1の光学装置。
3. 少なくとも一つの対物光学系が可変焦点距離を有することを特徴とする特許請求の範囲1の光学装置。
4. 前記光学装置が、可動式蓋を有する筐体に包含されていることを特徴とする特許請求の範囲1の光学装置。
5. 前記入射瞳径Φが24mmと10mmの間にあることを特徴とする特許請求の範囲1の光学装置。
6. 少なくとも一つの画像表示装置に表示される像が、実質的に前記遠方の被観察体に実時間で対応することを特徴とする特許請求の範囲2の光学装置。
7. 前記光学装置の筐体が、ポケットに収納可能であることを特徴とする特許請求の範囲1の光学装置。
8. 前記光学装置の筐体が、100mmと120mmの間の長さで、奥行きと高さの長さの比が1.0 : 0.6≦0.1 : 0.25≦0.1であることを特徴とする特許請求の範囲1の光学装置。
9. 前記対物光学系がズームレンズからなり、第1レンズサブユニットと第2レンズサブユニットの間に光学的折り曲げのあることを特徴とする特許請求の範囲1の光学装置。
10. 低照度下で、遠方の被観察体を観察するために最適化された光学装置であって、前記光学装置は、入射瞳径Φが24mmと10mmの間を有する少なくとも一つの対物光学系と、少なくとも一つの対物光学系により結像される像を観察するための射出瞳を有する少なくとも一つの接眼光学系と、射出瞳径φが2mm以上を有する少なくとも一つの接眼光学系から構成し、前記光学装置の倍率が12以上であることを特徴とする光学装置。
11. さらに、少なくとも一つの対物光学系により受信された遠方の被観察体の像を連続的に検出するための少なくとも一つの対物光学系に隣接する少なくとも一つのセンサーと、連続的に像を処理し、第一記憶媒体に像を記録するための少なくとも一つのセンサーに接続された処理装置と、第一記憶媒体に記録された像を連続的に表示するための少なくとも一つの画像表示装置とで構成し、少なくとも一つの接眼光学系は少なくとも一つの画像表示装置に結合し、使用者は少なくとも一つの画像表示装置の像を連続的に観察するために少なくとも一つの接眼光学系に少なくとも片方の目を合わせることを特徴とする特許請求の範囲10の光学装置。
12. 少なくとも一つの対物光学系は、可変焦点距離を有することを特徴とする特許請求の範囲10の光学装置。
13. 少なくとも一つの対物光学装置は、一つの固定焦点を有することを特徴とする特許請求の範囲10の光学装置。
14. さらに眼幅調整機構から構成することを特徴とする特許請求の範囲10の光学装置。
15. 光学装置が可動式蓋を筐体に含むことを特徴とする特許請求の範囲10の光学装置。
16. 前記装置の倍率が、0.6Φ以上であることを特徴とする特許請求の範囲10の光学装置。
17. 少なくとも一つの画像表示装置に表示される像が、前記遠方の被観察体に実時間で対応することを特徴とする特許請求の範囲11の光学装置。
18. 前記光学装置の筐体がポケットに収納可能であることを特徴とする特許請求範囲10の光学装置。
19. 前記光学装置の筐体が、100mmと120mmの間の長さで、奥行きと高さの長さの比が1.0 : 0.6≦0.1 : 0.25≦0.1であることを特徴とする特許請求の範囲10の光学装置。
20. 前記対物光学系が、少なくとも4つのレンズサブユニット、前記対物光学系の焦点距離を調整するために第2および第4レンズサブユニット間を可動とする第3サブレンズユニットから構成することを特徴とする特許請求の範囲10の光学装置。
21. 光学的折り曲げが、第1レンズサブユニットと第2レンズサブユニットの間にあることを特徴とする特許請求の範囲20の光学装置。
22. 光学装置の少なくとも2つの接眼光学系の間の眼幅調整のためのスライド機構であって、前記スライド機構は、少なくとも一つのレール、少なくとも一つのレールに沿ってスライドする移動子から構成し、前記移動子は、少なくとも2つの接眼光学系の最初の一つに付属するか、一体化することを特徴とするスライド機構。
23. 少なくとも2つの接眼光学系の前記最初の一つは、前記光学装置の本体に付属するロック機構に噛合する歯車列を有するラチェットアームに接続されることを特徴とする特許請求の範囲22のスライド機構。
24. さらには、前記ロック機構に噛合するロックボタンから構成し、ロックボタンの押し下げ時に、ロック機構は、少なくとも２つの接眼光学系の特定の眼幅の位置にラチェットアームをロックすることを特徴とする特許請求の範囲23のスライド機構。
25. 一つの電子的表示から眼に像を結像する遠方の入射瞳を有する接眼レンズユニットであって、一つの正の第1レンズエレメント、一つの負の第2レンズエレメント、および一つの正の第3レンズエレメントで構成し、以下の関係を満たすことを特徴とする接眼レンズユニット。
    f3/fe≦0.5
    |f2|/fe≦0.5
    |f2|≦f3
    f1/fe≧0.5 および
    d23/fe≦0.1
26. 以下の関係を満たすことを特徴とする特許請求の範囲25の接眼レンズユニット。
    f3/fe≦0.4
    |f2|/fe≦0.4
    f1/fe＞1.0
    d23/fe≦0.05
27. (ddisplay + d12 + d23)/f0≦1.0の関係を満たすことを特徴とする特許請求の範囲1の接眼レンズユニット。
28. fPU/fe >1.5の関係を満たすことを特徴とする特許請求の範囲1の接眼レンズユニット。
29. 第3レンズエレメントがガラス材質であることを特徴とする特許請求の範囲1の接眼レンズユニット。
30. 第3レンズエレメントから前記眼の瞳までの距離が、0.8feよりも大きいことを特徴とする特許請求の範囲１の接眼レンズユニット。

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