JP2022515386A

JP2022515386A - フレネルレンズを有する照光式レチクルシステム

Info

Publication number: JP2022515386A
Application number: JP2021535084A
Authority: JP
Inventors: コーンニーフマーティン
Original assignee: Leupold and Stevens Inc
Current assignee: Leupold and Stevens Inc
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2039-12-18
Also published as: WO2020132106A1; JP7414826B2; US20200192075A1

Abstract

ライフルスコープ等の光学観察装置と共に使用するための照光式レチクルシステム（１００）は、光源（１１０）、回折格子等のレチクル（２００）を支持する透明基板（１３０）、及び光源と光源からの光が収束ビーム経路（１６０）に沿ってレチクルに向かって伝播する透明基板への入射面（１４０）との間に挿入されるフレネルレンズ（１２０）を含む。フレネルレンズは、非常に小さく、軽量で、安価なパッケージにおいて、強い正の光パワーを提供し、それにより光源から発散する光をレチクルに向けて収束させ、次いで、光の少なくとも一部を、出力光（２４０）の発散束として、光学観察装置の出射瞳を満たすように、光学観察装置の光路に沿って観察者の方へ再指向する。【選択図】図４

Description

本開示の分野は、照光式レチクル又は照準マークを生成するための光学システム、照光式レチクルシステム、並びに当該照光式レチクルシステムを含むライフルスコープ、観察光学系、及び他の光学システムに関する。

照光式レチクルは、ライフルスコープに一般的に使用され、他の種類の光学照準装置、スポッティングスコープ、双眼鏡、並びに他のスポーツ光学系及び観察光学系にも使用され得る。いくつかの異なる装置、システム、及び方法がレチクルフィーチャを照射するために使用されてきた。出力効率の程度は何れも様々である。

図１は、対物レンズ１６とそのエレクタレンズシステム１８との間のライフルスコープ１０の前方焦点面１４に位置する、従来技術による照光式レチクルシステム１２を有する例示的なライフルスコープ１０の光学システムを示す断面立面図である。図２に、照光式レチクルシステム１２の拡大断面詳細図が示される。

ライフルスコープ用の最も一般的な照光式レチクルは、エッチング及びフィリング方法で作成される。このシステムは、スコープの内部焦点面の１つに取付けられるガラス基板ディスクの表面においてエッチングされたレチクルフィーチャを含む。エッチングされたレチクルフィーチャは、白色の拡散反射材料（酸化チタン）で充填される。フィーチャを照らす光源の散乱光は、ライフルスコープの射出瞳を満たし、適度に明るい照準フィーチャを生成するが、明るい背景に対して目立つほど十分に明るくはない。

明るさを増加させる１つの公知の方法は、特許文献１（欧州特許出願公開第０８８６１６３Ａ１号）によって教示されているように、「エッチング及びフィリング」レチクルフィーチャを、入射光を異なる次数に回折する周期構造からなる回折格子で置き換えることである。規定された波長で回折格子を照射し、特定の角度で、次数の１つがライフルスコープの光軸下に進み、明るい照準機能を作り出し得る。

回折格子の重要な特性の一つは、回折光の出力角度が入力角度と光の波長とに依存することである。これは、単一波長の光源からの光の発散コーンから、ごく一部のみがライフルスコープを下ってユーザに向かって進むことを意味する。また、光線の回折束は、光の集束が格子に提示されないので、発散しない。この状況は、図２の光学素子の拡大図である図３に示される。図３を参照して、光源３２から発する光３０の発散コーンは、互いに光学的に接合されるか又は光学的に結合される２つのガラスレチクルディスク３８、４０の１つの表面上に形成された格子３４に向けられる。小さなプリズム４２は、レチクルディスク３８、４０の側辺に光学的に接合されるか又は光学的に結合されて、光源３２からの光３０のための入射面４４を提供する。光３０は、全内部反射（ＴＩＲ）を介してレチクルディスク４０の裏面４６から回折格子３４に向かって反射される。入力光が発散しているため、格子３４は、非常に狭い出射ビーム経路４８に沿って照明をライフルスコープ１０の接眼レンズ５０（図１）に向けて回折させる。これにより、ライフルスコープの射出瞳がレチクル照明によって満たされなくなり、ユーザの目が射出瞳の中心から離れるように動く際に照明が遮断されているかのようにユーザに見えることになる。この状況は、低い光強度（低倍率）及び大きな射出瞳を有するライフルスコープを使用する場合に問題であり、明るい照準ドット又は他の照明された照準レチクルがターゲットの迅速な捕捉のために使用される。ユーザが眼を射出瞳の中心に置き、照光式レチクルを視覚的に再取得するのに要する時間は、低い強度のスコープを使用する場合（例えば、隊舎近くの戦術的使用）には受け入れられず、大きな射出瞳を有する利点を損なう。

特許文献２（米国特許出願公開第２００６／００９２５０７Ａ１号）は、レチクルディスクの縁部に接合された楕円体ミラー鏡を含む照光式レチクルを記載している。楕円体ミラーは２つの焦点を有し、一方は光源が配置される場所に、他方は回折格子に位置し、光は格子に向かって収束する。楕円体ミラーはコストが高く、光源がレチクルシリンダー（及びライフルスコープの光軸に平行）に軸方向に取り付けられているにもかかわらず、パッケージ全体は比較的大きい。このタイプのレチクルシステムがライフルスコープの前方焦点面で使用され、ライフルスコープの旋回エレクタチューブの遠位端に取り付けられる場合、照明システムパッケージのサイズは、仰角及び偏流調整のための旋回エレクタチューブの移動を望ましくないほど制限することがある。

特許文献３（欧州特許出願公開第２５４８０７３Ａ１号）は、ガラスレチクル基板上に形成された格子に向けて収束する光ビームを生成するために、単純な結合プリズムを有する非球面レンズを使用することを記載している。この設計は、楕円体ミラーの使用を回避するが、レチクル基板と正確に整列させなければならない追加の精密光学素子を必要とし、その結果、特許文献２（米国特許出願公開第２００６／００９２５０７Ａ１号）によって開示されたものよりも更に大きく重いパッケージとなる。

特許文献４（米国特許出願公開第２０１７／０２４８７９８Ａ１号）は、特許文献２（米国特許出願公開第２００６／００９２５０７Ａ１号）の照光式レチクルシステムの変形例を記載しており、レチクルを形成する回折格子に迷光を反射させるためにガラスレチクル基板の光出射面に沿って配置された再帰反射器を含む。特許文献４の図９及び図１２には、ガラスレチクル基板ディスクの横方向のマージン内に研削され、光源の光軸に垂直であり、他の実施形態の楕円体ミラーの代わりに使用されるレンズであって、回折格子上に光を集束させる角度を有する光入射面が開示されている。

欧州特許出願公開第０８８６１６３Ａ１号米国特許出願公開第２００６／００９２５０７Ａ１号欧州特許出願公開第２５４８０７３Ａ１号米国特許出願公開第２０１７／０２４８７９８Ａ１号

本発明者は、照明強度又は品質を犠牲にすることなく、照光式レチクルシステムのサイズ、重量、及びコストを更に低減する必要性を認識し、本明細書に記載の改善を発明した。

本開示による光学観察装置においてレチクルを表示するための光学システムは、光源と、レチクルを支持する透明基板と、前記光源からの光が照射ビーム経路に沿って前記透明基板内及び前記レチクル上に伝播する入射面であって、前記光の少なくとも一部を、前記基板の第１の主表面を通って前記光学観察装置の光路に沿って観察者に再指向する入射面と、を含む。正の光パワーを有するフレネルレンズは、前記光源と前記透明基板との間の前記照射ビーム経路に挿入され、これにより前記光源から発散する光を前記レチクルに向かって収束させる。

レチクルは、好ましくは前記透明レチクル基板の表面上の回折格子によって形成されるが、エッチング及びフィリング型のレチクル等の他の方法で形成されてもよい。前記レチクルに向けられる照明ビームの前記収束は、好ましくは前記フレネルレンズの慎重な処方によって調整され、その結果、前記第１の主表面を通って前記レチクルによって再指向される光は、発散して前記光学観察装置の射出瞳を満たす。

前記透明基板は、可視光に対して透明であり、平行な主表面を有する材料でできた１つ又は複数の板を含んでもよく、そのうちの１つは前記第１の主表面であって、前記レチクル照明はそれを通って出る。前記透明基板の前記主表面は、前記光学観察装置の前記光路によって交差され、それに対して実質的に垂直に配向されることが好ましい。前記入射面は、好ましくは前記光学観察装置と共に観察可能な前記基板の一部の外側に位置するように、前記光学観察装置の前記光路からオフセットされ、前記主表面に対して斜角で前記透明基板に直接形成された研磨された平坦面から成ってもよい。代替的に、前記入射面は、前記平行な主表面を接続する前記透明基板の側面に形成された平坦な表面に光学的に接合される結合プリズムに形成されてもよい。前記透明基板の前記平行な主表面は、前記平行な主表面の表面積の合計よりも小さい表面積を有する略円筒形の側面によって接続されてもよい。

前記透明基板は、互いに光学的に接合されたガラス又は他の透明材料のうちの２つの透明板を含んでもよい。このような実施形態では、回折格子等の前記レチクルは、前記板が互いに接合される前に、前記板の２つの向かい合う主表面のうちの１つに形成されてもよい。２つの透明板が使用される場合、前記入射面は、前記ガラス板の何れか一方、又は前記ガラス板の両方に形成されてもよい。

前記フレネルレンズは、好ましくは前記光源及び前記レチクルまでの前記経路距離に固定共役を有する集光レンズとして構成される。前記フレネルレンズは、その光軸が前記入射面に垂直であり、且つ前記光源の中心に位置するように配置されてもよい。代替的に、前記フレネルレンズは、前記光が前記レチクルに到達する前に前記透明基板の前記第１の主表面からの全内部反射（ＴＩＲ）及び前記レチクルにおける入射角によって与えられる成形効果を少なくとも部分的に相殺する成形ビームを達成するために、前記光源の前記放出軸に対して光軸がオフセットされた状態で、或いは前記入射面に対して斜角の状態で、或いはその両方で配置されてもよく、それによって、前記レチクルにおける前記照明スポットのサイズ及び形状を改善する。

前記フレネルレンズは、前記光源に向いている第１のフレネルレンズ表面と、前記入射面に向いている第２のフレネルレンズ表面とを含み、前記第１及び第２のフレネル表面上に異なる数の溝を有してもよい。典型的なライフルスコープレチクルの実施態様では、前記フレネルレンズは、約１ｍｍ～約５ｍｍの有効焦点距離、約３ｍｍ超えの直径、及び、約３ｍｍ未満又は約１．５ｍｍ未満、好ましくは０．５ｍｍ～１．０ｍｍの厚さを有してもよい。前記フレネルレンズは、好ましくはｆ／１．０未満、より好ましくはｆ／０．３とｆ／０．８との間、又は約ｆ／０．５未満のｆ値を有し、非常に「高速」なレンズとなる。前記フレネルレンズは、球面収差を減少させるために非球面であってもよい。

追加の態様及び利点は、好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明から明らかになり、添付図面を参照して説明される。

前方焦点面に位置するレチクルを含むライフルスコープの側面断面図であり、本発明の１つの可能な使用環境を示す。図１の細部２-２として識別される図１のライフルスコープの照光式レチクルシステムの拡大詳細断面図である。照光式レチクルシステム及び光路を示す断面概略図であり、システムのレチクルを形成する回折格子に向けられた発散照明の効果を示す図である。図５の切断線４-４に沿った、本発明の一実施形態による照光式レチクルシステムを示す概略断面図である。照光式レチクルが取付けられるライフルスコープの光軸に沿ってレチクルシステムの対物面側から見た図４の照光式レチクルシステムの概略立面図である。図４及び図５の照光式レチクルの例示的なフレネルレンズコンポーネントの断面図である。

図１は、ライフルスコープの対物レンズ１６とエレクタレンズシステム１８との間の前方焦点面１４に位置するレチクル１２を有する例示的なライフルスコープ１０の側面断面図を示す。幾つかの他のライフルスコープ（図示せず）では、レチクル１２は、エレクタレンズシステム１８とライフルスコープ１０の接眼レンズ５０との間の後方焦点面２２に配置されてもよい。更に他のライフルスコープ（図示せず）では、第１のレチクルが前方焦点面１４に位置されてもよく、第２のレチクルが後方焦点面２２に位置されてもよく、代替目的のために又は組合せ／調整で使用されてもよい。エレクタレンズシステム１８は、ライフルスコープ１０の管状ハウジング２０に旋回自在に取り付けられ、当技術分野で周知のように、焦点面に形成された遠方のターゲットの画像に対して、レチクル１２の垂直及び／又は水平位置を調整するために、仰角調整ノブ２１及び偏流調整ノブ（図示しないが、ページの平面内に軸に沿って延在するであろう）の調整に応じて移動可能である。

図１を参照して、ライフルスコープ１０の光路２５に沿って伝搬する光線２４の軸上の束は、上及び下の周辺光線２６並びに対物レンズ１６の光軸と一致する中心光線２８として表される。遠くの物体（図示せず）からの光は、対物レンズ１６によって屈折され、第１の焦点面（前方焦点面１４）で焦点に達する光線２４のコリメートされた束として右からライフルスコープ１０に入り、次いで、エレクタレンズシステム１８を通って進み、第２の焦点面（後方焦点面２２）で再び焦点に達する。その後、後方焦点面２２から発散する光は、接眼レンズ５０によってコリメートされ、スコープから出て、接眼レンズ５０の後方に離間する射出瞳５２を形成する。

前述したように、レチクル１２は、前方及び後方焦点面１４、２２の何れに位置されてもよく、ユーザは、レチクルマーク及び焦点面に形成された遠方の物体の画像を同時に観察することができる。レチクルマーキングは、ライフルスコープ１０が従来通りに取り付けられている武器（図示せず）を照準するために、所望のターゲット位置上に重ね合わせるための照準点として機能してもよい。照準装置ではない光学観察装置等のいくつかの光学装置では、照光式レチクルは、範囲推定等の他の目的のために、又はターゲットに対するヒットの偏差をスポットするために利用されてもよい。レチクルマーキングは、単純な中心ドット又は十字線から、線、ドット、グラフィックス、及び、弾丸降下補正、風ホールド（wind hold）補正、情報表示、又は範囲推定等の機能に使用される他の特徴といったより複雑な範囲に及び得る。

ライフルスコープ１０の出射瞳５２を満たすために、照光式レチクルフィーチャから出力される光束の発散は、レチクル１２を出射する際に、光線２４の束の発散と略一致するか、或いはそれを超える必要がある。回折格子から出力された光の発散を達成し、出射瞳５２を満たすために、回折格子に向けられた光は、以下に詳細に説明する図４に示されるように、収束しなければならない。

しかしながら、照光式レチクルシステムにおいて典型的に利用される発光ダイオード（ＬＥＤ）光源は、上述した図３に例示されているように、光の発散ビームを生成する。このようなＬＥＤ光源からの発散光を収集し、それらをレチクルにおける焦点に向けて収束させるためには、強い正の表面及び比較的大きな直径を有するレンズ又はミラーシステムの使用を必要とする。このような従来のレンズ又はミラーのサイズ及びコストは、先に述べた理由のため禁止的である。

本発明者は、集光レンズシステムのリレー光学系を単一のフレネルレンズに折り畳む（collapse）ことが有利であることを発見した。これにより、比較的大きな直径を有する非常に強力な正のレンズを非常に小さな空間に嵌め込むことが可能になり、それにより、より小さな直径を有する、及び／又は光源からより遠くに離間されたレンズ又はミラーを使用する場合に可能であるよりも、光源から発する光の束の量をより多く使用することが可能になる。

図４は、図５の切断線４－４に沿った好ましい実施形態による照光式レチクルシステム１００の概略断面図であり、レチクルシステム１００の対物面側から見た照光式レチクルシステム１００の概略立面図であり、照光式レチクルシステム１００が内部に取付けられ得るライフルスコープ１０の光軸２８（図１）に沿って現れる。図４及び図５を参照して、照光式レチクルシステム１００は、単色若しくは狭帯域ＬＥＤ、アイセーフ・レーザ・ダイオード、又はライフルスコープ１０のハウジング２０内でほとんど体積を占有しない他の適切な光源等の光源１１０を含む。図示の実施形態では、光源１１０は、ダイオードからの光を収集し、光源１１０とレチクルシステム１００の透明基板１３０との間のビーム経路内に挿入されたフレネルレンズ１２０に向けて光の発散ビーム１１８を向けるためのドームレンズ１１４を有するＬＥＤを含む。他の実施形態では、ＬＥＤは、表面実装LＥＤ（ＳＭＤＬＥＤ）、チップオンボード（ＣＯＢＬＥＤ）、又はドームレンズを欠いた他の光源であってもよく、これにより、光源をフレネルレンズ１２０のより近くに配置し、パッケージ全体のサイズを更に小さくすることができる。光源１１０は、電動発光装置を構成する必要はない。例えば、光源１１０は、代替的にライフルスコープ１０の外側に位置するライトパイプ又はコイルと、フレネルレンズ１２０に向けられた光ファイバの端部と共にハウジング２０を通って延在するセグメントとを含むファイバ光コレクタ等の受動的な周囲光コレクタから本質的に成ってもよい。ファイバ光コレクタによって集められた周囲光は、光ファイバの下方に伝搬され、フレネルレンズ１２０に近接する光ファイバの端部で放射される。

光源１１０から発する光の発散ビーム１１８は、光源１１０に面しているフレネルレンズ１２０の第１のフレネルレンズ表面１３４に入射し、透明基板１３０の入射面１４０に面している第２のフレネルレンズ表面１３６に向けて屈折される。フレネルレンズ１２０は、光源１１０からの光がフレネルレンズ１２０を出て入射面１４０を通って透明基板１３０に入る照明ビーム経路１６０に沿って伝搬するにつれて、光源１１０からの光を収束させる。

透明基板１３０は、ガラス、プラスチック、又は他の透明材料の１つ又は複数の板を含んでもよく、用語「透明」は、材料が可視光に対して透明であり、有意な散乱又は拡散を引き起こさないことを意味する。図４に示す実施形態では、透明基板１３０は、平行な第１及び第２の主表面１７２、１７４をそれぞれ有する第１のガラス板１７０と、平行な第３及び第４の主表面１８２、１８４を有する第２のガラス板１８０とを含む。第１のガラス板１７０の第２の主表面１７４は、好ましくは第１及び第２のガラス板１７０、１８０と実質的に同一又は類似の屈折率を有する光学接合材料で、第２のガラス板１８０の第３の主表面１８２に光学的に接合される。好適な光学接合材料は、第１及び第２のガラス板１７０、１８０をそれぞれ第２及び第３の主表面１７４及び１８２において光学的に結合する接着剤、接合剤、又は他の手段を含んでもよい。

第１及び第２の主表面１７２、１７４は、第１の側面１７６によって結合され、第３及び第４の主表面１８２、１８４は、第２の側面１８６によって結合される。第１及び第２の側面１７６、１８６は、好ましくは略円筒形であり、一方又は両方が透明基板１３０への照明の透過を容易にするために、平面入射面１４０又はその中に形成された別の平坦な表面によって中断されてもよいことが理解される。第１の側面１７６は、好ましくは第１及び第２の主表面１７２、１７４の表面積の合計よりも実質的に小さい表面積を有する。同様に、第２の側面１８６は、好ましくは第３及び第４の主表面１８２、１８４の表面積の合計よりも実質的に小さい表面積を有する。第１及び第２の側面１７６、１８６は、２つのレチクル板が利用され、且つ同じ大きさの主表面を有する場合には、共に透明基板１３０の組み合わされた側面１９０を形成してもよく、組み合わされた側面１９０の全表面積は、第１及び第４の主表面１７２及び１８４の合計よりも小さくてもよい。透明基板１３０の主表面１７２、１７４、１８２、及び１８４は、ライフルスコープ１０又は他の光学観察装置の光路（図１では光線２４によって示される）によって交差されることが好ましく、主表面１７２、１７４、１８２、及び１８４は、光路に対して実質的に垂直に配向され、図１に例示されるように、照光式レチクルシステム１００が取付けられてもよい旋回エレクタレンズシステム１８のピボットチューブと共に照光式レチクルシステム１００の旋回運動による垂直偏差を可能にする。

回折格子（例えば、反射格子、ルールド格子、又はブレーズド格子）、エッチング及びフィリングレチクル構造、ホログラフィック回折格子、又は他の構造を含んでもよいレチクル２００は、第２の主表面１７４上又は第３の主表面１８２上に形成されてもよく、或いはその両方に形成されてもよく、或いは透明材料の単一のキャリア板内等の透明基板１３０内に埋め込まれてもよい。本明細書で使用される用語「レチクル」は、照明された時（及びいくつかの実施形態では照明されていない時も）、ライフルスコープ１０又は他の光学観察装置のユーザによって見ることができる１つ又は複数のマークの表示を生成し、レチクル照明を反射させるか、回折させるか、そうでなければ再指向させるかして、観察者の眼にマークの画像を形成する要素を含んでもよい様々な構造又は光学素子の何れかを包含するものとして広く理解されたい。したがって、用語「レチクル」は、透明基板１３０の表面上で直接見ることができるフィーチャに限定されない。図５に示されているように、照光式レチクル２００は、不透明レチクルの十字線又はスタジア線等の１つ又は複数の非照明レチクルマーク２１０と整列されてもよく、その結果、照光式レチクル２００及び非照明レチクル２１０は、共に明るい昼光状態及び低光状態の両方で良好な可視性を得るための複合レチクルを形成する。図４及び図５のレチクル２００のサイズ、及び図５のレチクル２００を描く格子線は、説明のために大きく誇張されている。

照明の収束ビーム１６０は、ＴＩＲを介して第１の主表面１７２で反射し、レチクル２００における又は非常に近い焦点に収束する。入射角、照明の波長、回折格子の周期、及び設計の潜在的な他の態様は、回折格子に関連する周知の光学原理を利用して選択され、ライフルスコープ１０又は別の光学装置（例えば、接眼レンズ５０を通る）を介して見るための出力光２４０の束によって表される出力経路に沿って伝播する出力角度を有する格子から１次回折を生成し、それによって照光式レチクル又は照準マークとして現れる。１次回折を含む出力光２４０の束は、好ましくは第１の主表面１７２に対して実質的に垂直であり、ライフルスコープ１０の射出瞳５２（図１）を満たす発散角θを有する発散ビーム経路を有するか、そうでなければ、例えば、接眼レンズ５０等のレチクルシステム１００と視聴者の眼との間に位置する場合、ライフルスコープ１０の絞りを満たすのに十分な大きさである。ユーザによって知覚されるレチクルフィーチャの輝度を最大化するために、照光式レチクル２００によって生成される出力光２４０の束の発散は、レチクルシステム１００と視聴者の目との間に位置する場合、光線２４の発散又は絞りのサイズを大きく超えてはならない。出力光２４０の出力発散角θは、入力照明ビーム１６０の収束角度の関数である。例えば、出力発散角θは、入力照明ビーム１６０の収束角度αと同じであってもよい。出力光２４０の発散束は、それが設計された射出瞳５２を満たすのに十分な大きさであるため、（例えば、射出瞳５２内の眼の中心を合わせることによって）射出瞳５２内の照光式フィーチャを視覚的に取得する必要性を排除し、ターゲットの取得をより迅速にする。

入射面１４０は、ライフルスコープ１０を介して見ることができる透明基板１３０の領域の外側に配置されるように、光路２５からオフセットされることが好ましい。入射面１４０は、例えば米国特許出願公開第２０１７／０２４８７９８Ａ１号に教示されているように、様々な方法で形成されてもよく、透明基板１３０上の様々な場所に配置されてもよい。例えば、入射面１４０は、主表面に対して斜角で透明基板１３０内に直接形成された研磨された平坦な表面からなってもよい。入射面１４０は、第２のガラス板１８０の第２の側面１８６の頂部に沿って研削及び研磨された平坦な表面であってもよい。別の実施形態（図示せず）では、入射面１４０は、第１の主表面１７２に対して斜角で第１の側面１７６に形成され、レチクル２００に直接向けられ、主表面１７２、１７４、１８２、１８４の何れにも反射しない照明ビーム経路に対して角度が付けられた平坦な表面であってもよい。代替的に、入射面は、透明基板１３０の側面１７６、１８６、又は１９０に形成された平坦部に光学的に接合された結合プリズム（図３の結合プリズム４２等）に形成されてもよい。

フレネルレンズ１２０は、好ましくは光源１１０において、且つレチクル２００までの経路距離において、固定共役を有する集光レンズとして構成される。例示的なフレネルレンズ１２０は、図６に示されており、同心溝のセットを含む対向する第１及び第２のフレネルレンズ表面１３４、１３６を有する。対向する第１及び第２のフレネルレンズ表面１３４、１３６は、（溝及び隆起の形状を除いては）互いに略平行であってもよく、フレネルレンズ１２０の光軸１５０によって示される、一致する光軸を有してもよい。代替的に、第１及び第２のフレネルレンズ表面１３４、１３６は、例えば、照明のビーム１６０を整形するために、例えばくさびとして角度を付ける等、非平行であってもよく、その結果、レチクル２００での所望の照明スポットのサイズ及び形状を達成し、第１の主表面１７２でのＴＩＲ反射及びレチクル２００での照明の入射角のスポット成形効果を少なくとも部分的に相殺することを含んでもよい。

フレネルレンズ１２０は、ガラス、プラスチック、他の透明な材料から形成されてもよく、種々の方法の何れかによって作成されてもよい。例えば、フレネルレンズ１２０は、ポリカーボネート、アクリル、又は他のポリマー、及びそれらの組合せ等の光学材料のブランク材をダイヤモンド旋削又は成形することによって形成されてもよい。他の製造方法も可能である。フレネルレンズ１２０は、形状が円形であってもよく、或いは、光源１１０又は照光式レチクルシステム１００の他の要素に対してレンズホルダ（図示せず）内にフレネルレンズ１２０を正確に配向及び位置するのに役立ってもよい正方形又は台形等のノッチ、平坦部、又は多角形形状を含むように、形成、切断、研削、又は他の方法で成形されてもよい。

フレネルレンズ１２０は、その光軸１５０が入射面１４０に対して垂直であり、光源の中心に位置するように配置されてもよい。しかしながら、図４に示すように、フレネルレンズ１２０は、その光軸１５０が入射面１４０に対して１～１０度の傾斜角Ａになるように位置決めされて、レチクル２００における照明スポットのサイズ及び／又は形状の形状（本質的に光源１１０の投影像の形状）を調整して、照光式レチクルフィーチャの明度を最大化してもよい。レチクル２００における照明スポットのサイズ及び形状を改善するために、フレネルレンズ１２０の光軸１５０は、第１の主表面１７２からのＴＩＲ及びレチクル２００が形成される主表面１７４又は１８２の平面に対するレチクル２００上への光の入射の結果として生じる角度によって与えられる伸長又は成形効果を補償及び／又は少なくとも部分的に相殺する僅かに楕円の形をした照明ビーム１６０を達成するために、光源１１０の放射軸に対して僅かにオフセットされてもよい。

図４及び図６に示されているように、フレネルレンズ１２０は、光源１１０の方に面している第１のフレネルレンズ表面１３４と、入射面１４０の方に面している第２のフレネルレンズ表面１３６とを含んでもよい。フレネルレンズ１２０は、第１及び第２のフレネルレンズ表面１３４及び１３６上に異なる数の溝を有してもよい。いくつかの実施形態では、第１のフレネルレンズ表面１３４よりも多数の溝が第２のフレネルレンズ表面１３６に形成され、又はその逆も同様である。例えば、フレネルレンズ１２０は、第１のフレネルレンズ表面１３４上に１３個の溝を有してもよく、第２のフレネルレンズ表面１３６内に３９個の溝を有してもよい。一実施形態では、第２のフレネルレンズ表面１３６上の溝の数は、第１のフレネルレンズ表面１３４上の溝の数よりも多くてもよい。いくつかの代替的な実施形態では、拡散器（図示せず）が、光源１１０とフレネルレンズ１２０との間に配置されてもよく、レチクル２００で結像される光のスポットを拡散し、均質化し、拡大し、これは、Ｕ字型レチクル等の比較的大きな照光式レチクルで有用であり得る。更に他の代替的な実施形態（図示せず）では、フレネルレンズ構造は、フレネルレンズ１２０の一方の表面のみに形成されてもよく、他方の表面は平坦な表面であってもよい。更に別の実施形態では、フレネルレンズ１２０は、入射面１４０に直接形成されてもよい。

典型的なライフルスコープの実施態様では、フレネルレンズ１２０は、約１ｍｍ～約５ｍｍの有効焦点距離、約３ｍｍ超えの直径、及び、約３ｍｍ未満又は約１．５ｍｍ未満、好ましくは０．５ｍｍ～１．０ｍｍの厚さを有してもよい。フレネルレンズ１２０は、例えば、約ｆ／１．０未満、より好ましくはｆ／０．３とｆ／０．８との間のｆ値を有する、比較的大きな直径の非常に短いパッケージ内の非常に「高速」なレンズとして設計されてもよい。フレネルレンズ１２０は、球面収差を相殺するために非球面を有するように設計されてもよい。フレネルレンズ１２０の高速設計は、光収集を改善し、レチクル２００又はその近傍で光を集束させながら、光源１１０をフレネルレンズ１２０に非常に近接して（例えば、第１のフレネルレンズ表面１３６から約５ｍｍ未満、より好ましくは、第１のフレネルレンズ表面１３６から約１ｍｍ～約４ｍｍの間）配置することを可能にする。

当業者にとって、多くの変更が本発明の根本原理から逸脱することなく上述した実施形態の細部に行われてもよいことが自明であろう。従って、本発明の範囲は、以下の請求項によってのみ規定されるべきである。

Claims

光学観察装置においてレチクルを表示するための光学システムであって、
光源と、
レチクルを支持する透明基板と、前記光源からの光が照射ビーム経路に沿って前記透明基板内及び前記レチクル上に伝播する入射面であって、前記光の少なくとも一部を、前記基板の第１の主表面を通って前記光学観察装置の光路に沿って観察者に再指向する入射面と、
前記光源と前記透明基板との間の前記ビーム経路に挿入されるフレネルレンズであって、前記フレネルレンズは、前記光源からの光が前記レチクルに向かって収束するように正の光パワーを有する、フレネルレンズと、
を備える、光学システム。
前記レチクルは、回折格子を含む、請求項１に記載の光学システム。
前記第１の主表面を通る前記回折格子によって再指向された光は、発散して前記光学観察装置の出射瞳を満たす、請求項２に記載の光学システム。
前記入射面は、前記第１の主表面に対して斜角で前記透明基板に直接形成された研磨された平坦面である、請求項１に記載の光学システム。
前記入射面は、前記透明基板の側面に光学的に接合される結合プリズムに形成される、請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学システム。
前記透明基板の前記第１の主表面は、前記光学観察装置の前記光路と交差し、前記入射面は、前記光学観察装置で観察可能な前記基板の一部の外側に配置されるように、前記光学観察装置の前記光路からオフセットされる、請求項１乃至５の何れか一項に記載の光学システム。
前記透明基板は、平行な主表面を有する第１のガラス板を含み、一方は前記第１の主表面であり、他方は第２の主表面であり、前記第１及び第２の主表面は、前記第１及び第２の主表面の表面積の合計よりも小さい表面積を有する略円筒形の側面によって接続され、前記第１及び第２の主表面は、前記光学観察装置の前記光路に実質的に垂直に配向され、前記光学観察装置の前記光路と交差する、請求項１乃至６の何れか一項に記載の光学システム。
前記透明基板は、前記第１のガラス板に光学的に接合された第２のガラス板を含み、前記第２のガラス板は、平行な第３及び第４の主表面を有し、前記第３の主表面は、前記第１のガラス板の前記第２の主表面に光学的に接合され、前記レチクルは、前記第２の主表面又は前記第３の主表面に形成される、請求項７に記載の光学システム。
前記レチクルは、前記第２の主表面に形成された回折格子を含む、請求項７又は８に記載の光学システム。
前記レチクルは、前記第３の主表面に形成された回折格子を含む、請求項８に記載の光学システム。
前記入射面は、前記第２のガラス板に形成される、請求項８に記載の光学システム。
前記入射面は、前記第１のガラス板に少なくとも部分的に形成される、請求項７又は８に記載の光学システム。
前記入射面は、前記フレネルレンズの光軸に垂直である、請求項１乃至１２の何れか一項に記載の光学システム。
前記入射面は、前記フレネルレンズの光軸に対して垂直ではない、請求項１乃至１２の何れか一項に記載の光学システム。
前記光源は、前記フレネルレンズの光軸から外れて配置される、請求項１乃至１４の何れか一項に記載の光学システム。
前記透明基板に入射する前記光は、前記レチクルに向かって収束する前に、ＴＩＲを介して前記透明基板の前記第１の主表面から反射される、請求項１乃至１５の何れか一項に記載の光学システム。
前記フレネルレンズは、１ｍｍと５ｍｍとの間の有効焦点距離を有する、請求項１乃至１６の何れか一項に記載の光学システム。
前記フレネルレンズは、固定共役を有する、請求項１乃至１７の何れか一項に記載の光学システム。
前記フレネルレンズは、直径が３ｍｍ超えであり、厚さが３ｍｍ未満である、請求項１乃至１８の何れか一項に記載の光学システム。
前記フレネルレンズは、ｆ／１．０未満のｆ値を有する、請求項１乃至１９の何れか一項に記載の光学システム。
前記フレネルレンズは、集光レンズである、請求項１乃至２０の何れか一項に記載の光学システム。
前記フレネルレンズは、前記レチクルに前記光を集束させる、請求項１乃至２１の何れか一項に記載の光学システム。
前記フレネルレンズは、非球面である、請求項１乃至２２の何れか一項に記載の光学システム。
前記フレネルレンズは、前記光源に向かって面する第１のフレネルレンズ表面と、前記入射面に向かって面する第２のフレネルレンズ表面とを含む、請求項１乃至２３の何れか一項に記載の光学システム。
前記第１及び第２のフレネルレンズ表面のそれぞれは、複数の円形溝を含み、前記第１のフレネルレンズ表面の円形溝の量は、前記第２のフレネルレンズ表面の円形溝の量とは異なる、請求項２４に記載の光学システム。
前記第２のフレネル表面の円形溝の前記量は、前記第１のフレネル表面の円形溝の前記量よりも大きい、請求項２５に記載の光学システム。
前記光学観察装置は、ライフルスコープであり、前記レチクルは、前記ライフルスコープが取り付けられる武器を照準するための可視照準マークを提供する、請求項１乃至２６の何れか一項に記載の光学システム。