JP3396744B2 - 光ビームスプリッタ及びこれを内蔵する電子式高速カメラ - Google Patents

光ビームスプリッタ及びこれを内蔵する電子式高速カメラ

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Description

【発明の詳細な説明】 本願発明は光ビームスプリッタに関し、特に、光ビー
ムスプリッタを内蔵する電子式高速カメラに関するもの
である。
関連文献としてはDE−Ｃ−4212271があり、これはビ
ームスプリッタとしてピラミッド型ミラーを内蔵する電
子式高速カメラを開示している。物体からの光は、カメ
ラの対物レンズにより結像されるが、この像はピラミッ
ド型ミラーの面を経由し、当該ピラミッド型ミラーの周
囲に配置された複数の電子式イメージセンサ上に映し出
される。前記カメラの対物レンズは各イメージセンサに
共通のものである。短時間の出来事を高速写真に撮るに
は、高速で作動する電子式シャッタにより、イメージセ
ンサを次々に露出させることが必要である。
上記特許に開示された構成にはいくつかの固有の欠点
がある。まず、ビームスプリッタにより形成される複数
の像の各々をその全体にわたって均等に映し出すことが
難しい。さらに、上記ドイツ明細書にはカメラの対物レ
ンズの焦点あるいは開口をいかにして調節するかが示さ
れておらず、また、このようなカメラの対物レンズの調
節により、ピラミッド型ミラーにより形成される複数の
像の照度がどのような影響を受けるのかが開示されてい
ない。
本願発明は、上記ドイツ明細書に示された装置に対す
る実質的な改良を提供するものである。より一般的に
は、本願発明は改良を加えた光ビームスプリッタ構造を
提供し、当該構造は上記ドイツ明細書に開示された電子
式高速カメラの形態以外にも適用できるものである。
本願発明に基づく光ビームスプリッタは、単一の光学
軸を有する結像レンズアセンブリと、当該結像レンズア
センブリの像側に位置し且つ前記光学軸の横切り方向に
おける異なる位置に配置された複数の角度付けられた反
射面を有する反射手段とを含んでおり、前記結像レンズ
アセンブリによって像を形成される物体の対応する実像
は前記各反射面において反射させるように構成されてお
り、前記光学軸上に設置可能であり且つ前記実像の前記
物体側にある距離だけ離間されて位置する射出瞳を有す
る選択されたカメラレンズアセンブリによって形成され
る前記物体の実像を映し出すように前記結像レンズアセ
ンブリが構成されており、前記結像レンズアセンブリは
前記カメラレンズアセンブリの前記射出瞳を前記反射手
段近傍に位置する開口面へ映し出すように構成されてい
る。
このような構成により、上記光ビームスプリッタは標
準的な選択されたカメラレンズと組み合わせて使用する
ことが可能となる。カメラレンズアセンブリによって
は、当該アセンブリの射出瞳を当該アセンブリの結像面
から物体側に、当該アセンブリの有効焦点距離にほぼ等
しい分だけ離間して配置する必要が生ずることがある。
本願発明のビームスプリッタは、このような標準的なカ
メラレンズアセンブリと組み合わせて作動するように構
成されており、当該カメラレンズアセンブリによって形
成される実像を各反射面で反射させることにより複数の
像を提供している。同時に、前記光ビームスプリッタの
結像レンズアセンブリは、カメラレンズアセンブリの射
出瞳を前記反射面近傍の平面に結像する。その結果、前
記反射面による光ビームの分割は、前記結像レンズアセ
ンブリ及びカメラレンズアセンブリの双方からなる全レ
ンズ系の射出瞳において行われることになる。このよう
にして、前記反射面によって反射される像において、不
均一な映し出し箇所及び陰影の発生を防止することが可
能となる。さらに、ビームスプリッタの残りの部分の光
学的特性に影響を与えることなく、前記カメラレンズア
センブリの通常の結像機能を利用することも可能であ
る。開口の調節は、選択されたカメラレンズアセンブリ
内の開口面の位置か、あるいは、前記反射手段近傍に設
けられた開口面の位置のいずれかで行うことが可能であ
る。以下で明らかとなるが、前記反射手段近傍の開口面
における絞りの利用により、反射像に生ずる陰影を最小
限に抑えることが効果的に行える。
前記反射手段は、軸心が前記光学軸上に位置するピラ
ミッド型ミラーを含んでいると都合がよい。この場合、
当該ピラミッド型ミラーの頂点は、実質的に前記開口面
にあるように設けてもよい。
好適な実施例では、前記光ビームスプリッタは前記開
口面に調節可能な絞りを含んでいる。
さらに本願発明により提供される電子式高速カメラ
は、複数の電子イメージセンサ及び当該各センサと協働
する電子シャッタ装置を含むカメラハウジングと、前記
各イメージセンサに対して前記実像を投影するべく前記
反射面を有する上で定義された光ビームスプリッタとを
具備しており、前記カメラハウジングは前記選択された
カメラレンズアセンブリとしてのカメラレンズアセンブ
リを前記光学軸上に設けるための手段を含んでいる。
以下においてより詳細に説明するが、このような高速
カメラは標準的なカメラレンズアセンブリと共に使用可
能である。一般に、ビームスプリッタの結像レンズアセ
ンブリは、所定の焦点距離を有する或る一つのカメラレ
ンズアセンブリに対して最適化される。しかしながら以
下で示すように、本願の光ビームスプリッタは、異なる
焦点距離を有する或る一定範囲のカメラレンズアセンブ
リに対して良好な作動特性が発揮されるように設計され
ている。
以下において、本願発明の実施例を添付の図面を参照
しつつ説明する。
図１は、本願発明に基づく、光ビームスプリッタを内
蔵する電子式高速カメラの概略説明図である。
図２は、好適な実施例に基づくカメラの詳細断面図で
ある。
図３は、光学軸に沿う方向から見た図２のカメラの一
端面部分図であり、イメージセンサの配置を示すもので
ある。
図４は、或る特定の焦点距離を有するカメラレンズア
センブリのための前記好適な実施例に基づくカメラの最
適化態様を説明する光線図である。
図１の電子式高速カメラは、概略的に描かれた結像レ
ンズアセンブリ11を内蔵するカメラハウジング10と、一
対の電子式イメージセンサ装置12及び13と、当該２つの
イメージセンサ装置12及び13用の電子式シャッタ14及び
15と、光ビーム分割ミラー16及び17とを具備しており、
当該分割ミラーは、前記シャッタ14及び15のそれぞれに
像20及び21を投影するための平面ミラー18及び19に協働
するように構成されている。
さらに前記ハウジング10は、その前端に取付部材22を
備えているので、仮想線で描かれたカメラレンズアセン
ブリ22を当該ハウジング前端に取り付けることが可能で
ある。
前記高速カメラの使用時において、図１の光学軸24に
沿う左方向の或る距離だけ隔たった位置における物体又
は出来事から来る光は、カメラレンズアセンブリ23及び
結像レンズアセンブリ11によって集束され、イメージセ
ンサ12及び13の前方にある各シャッタ14及び15上に、前
記物体又は出来事に実質的に対応する像20及び21を形成
する。そして、前記物体又は出来事の連続的な像を記録
するために、図１には示されていない制御電子装置によ
り、必要に応じてシャッタ14及び15を操作するように構
成されている。２つ以上のイメージセンサ及びこれに協
働するシャッタを設けることにより、連続する記録像間
のタイムディレイを小さくすることができる。イメージ
センサ12及び13は典型的には、電子ビデオカメラ等に使
用される固体CCDセンサである。通常、CCDセンサに蓄え
られた像を出力するには30ミリ秒程の時間が必要であ
り、このような像の出力前に行われる最大10ミリ秒の露
出時間を加えると、典型的なCCDセンサの最大フレーム
率は約25Hzとなる。図１に示されているように２つ（あ
るいはより多く）のセンサを設けることにより、同一物
体の連続像を、それらの間のタイムディレイを著しく短
縮して記録することが可能となる。
図１に示された実施例の光学的配列をさらに詳しく説
明する。仮想線により描かれたカメラレンズアセンブリ
23としては、所定の有効焦点距離及び最大開口を有する
標準的なカメラレンズを用いればよい。以下において明
らかとなるように、カメラハウジング10内の結像レンズ
アセンブリ11は、或る特定の有効焦点距離を有するカメ
ラレンズアセンブリ23の利用に際し最適化される。例え
ば結像レンズアセンブリ11は、300mmの焦点距離を有す
るカメラレンズアセンブリに対して最適となるように調
節される。
通常のカメラ本体に相互に交換可能に搭載されるカメ
ラレンズアセンブリは、典型的には、レンズをカメラ本
体に取り付けるための取付部材から見て像側（右側）に
或る所定距離だけ離れて位置する結像面25上に像を結ぶ
ように設計されている。そのときの光束が図１に描かれ
ており、光はカメラレンズアセンブリ23から出て実像26
を形成している。同図に示された光束は、カメラレンズ
アセンブリ23の射出瞳27からの円錐光束として描かれて
いる。カメラレンズアセンブリ23の射出瞳27の結像面25
からの距離は、大抵の場合に前記レンズの有効焦点距離
に実質的に等くなっていると仮定してもよい。実際、コ
ンパクトな複数要素からなるカメラレンズアセンブリで
は、射出瞳27は、当該レンズアセンブリの実質的に左側
（物体側）である。
カメラ本体10内部の結像レンズアセンブリ11は、２つ
の基準を満たすように設計される。一つには、結像レン
ズアセンブリ11はカメラレンズアセンブリ23により形成
された実像26を電子シャッタ14及び15の前面に送らなけ
ればならない。ここでは、シャッタ14及び15はチャンネ
ルプレート映像増幅装置であってもよく、図に示すよう
に各シャッタ14又は15の前面に形成された像は、前記増
幅装置にパルスが送られると（即ちシャッタが開かれる
と）、イメージセンサ12又は13のすぐ前方にある蛍光ス
クリーンに転送（及び増幅）されることになる。
シャッタ14及び15上に物体の像の焦点を合わせること
に加えて、結像レンズアセンブリ11は、カメラレンズア
センブリ23の射出瞳27の像を、分割ミラー16及び17に直
接に隣接している結像レンズアセンブリ11の右手側に転
送するように設計されている。その結果、カメラレンズ
アセンブリ23と組み合わされたときの結像レンズアセン
ブリ11に対する射出瞳は、当該結像レンズアセンブリ11
のすぐ右にある開口面28である。これは、結像レンズア
センブリが最適化された場合のカメラレンズアセンブリ
23の特定の焦点距離に対して当てはまることである。
理想的には、反射面16及び17の交点は開口面28上に位
置しており、被写体からの光はここで２つのミラー16及
び17によって分割されて２つの像20及び21を形成する。
この際、像に問題となるような陰影や照度のばらつきが
生じることはない（分割ミラー16及び17は十分大きいも
のであることを前提とする）。これは、射出瞳の面すな
わち開口面28において、被写体表面の各点からの光によ
る円錐が、前記射出瞳をちょうど満たしているからであ
る。従って、当該射出瞳の一部分のみからの光が集光さ
れて像を結ぶ場合には、この像は均等な明るさをもって
映し出される。これに対し反射面16及び17が前記射出瞳
から実質的に離間した位置に設けられると、各反射面に
より反射された光の量は、像の各点において異なったも
のとなる。このため、前記反射面によって反射された像
には照度のばらつきが生じ、極端な場合には、像のある
部分が完全に影となって現れることになる。
図１に示された設計を実施する場合、ある範囲の異な
る焦点距離のカメラレンズアセンブリに対して良好な成
果を得ることができる。結像レンズアセンブリ11が最適
化されたカメラレンズ焦点距離の場合には、当該カメラ
レンズの最大口径値を利用することが可能であるが、こ
れは、射出瞳がレンズアセンブリ11によって光ビーム分
割・反射面16及び17の頂点を含むように移動するからで
ある。理想的な焦点距離ではないカメラレンズアセンブ
リの場合には、反射像における照度のばらつきを防止す
るために、開口面28の開口を小さくすることが必要であ
る。このために調節可能な絞り29が開口面28に設けられ
る。
図２は、光ビーム分割機能を有する反射面と共に使用
する結像レンズアセンブリ11の実際に即した光学的設計
を示している。カメラレンズアセンブリ（図２には示さ
ず）により形成される対象物の実像は、同図の左側の結
像面30に示されている。この結像レンズアセンブリは全
部で９個のレンズ要素を含んでおり、これらは光学軸31
に沿って、結像面30と右端レンズのすぐ右に位置する開
口面34との間に配置されている。光学軸上にピラミッド
型ミラーが設けられており、その頂点は前記開口面内に
ある。この実施例では、ピラミッド型ミラーは８つの平
坦面を有し、対象物の８つの像を反射して、各イメージ
センサ装置のための８つの映像増幅装置（図示せず）の
表面33に転送する。いずれの場合においても、各像は中
間ミラー33で反射される。前記ピラミッド型ミラーとの
関係における映像増幅装置及びイメージセンサ装置の配
置は図３から明らかである。同図は光学軸に沿ってピラ
ミッド型ミラー32の頂点方向に見たものである。
図２では、５つの円錐光束が、結像面30の実像から延
びるように描かれている。これらの円錐の各々は開口面
34をちょうど満たしており、各円錐の中央の光線は前記
ピラミッド型ミラー32の頂点と交わる。図２に描かれた
レンズアセンブリは、これら円錐光束が左方向に投影さ
れたとき、結像レンズアセンブリが最適化されたカメラ
レンズアセンブリの射出瞳を対称的に満たすように設計
されている。この様子を図４に示す。同図では結像面30
が右手に描かれており、円錐光束は、前記結像面の左方
向300mmの位置にある射出瞳を対称的に満たしている。
これは、前記結像レンズアセンブリが、300mmの有効焦
点距離を有するカメラレンズアセンブリに対して最適化
されていることを意味している。
図４に示された光線図には、或る範囲の異なるカメラ
レンズにおける最大開口及び有効焦点距離が共に描かれ
ている。これによると、300mmの焦点距離を有するレン
ズの場合には、２つの開口値はf/2.8及びf/4.0である。
明らかに、高速カメラ本体内の結像レンズアセンブリの
開口面34において実現可能な最大開口からの円錐光束
は、完全にそして対称的に300mmの焦点距離にある大き
い方の開口を含んでいる。これから明らかなように、30
0mmの焦点距離を有するf/2.8のカメラレンズアセンブリ
を用いると、ピラミッド型ミラー52によって反射される
複数の像には照度のばらつきや濃淡の差が生じないこと
になる。
他方、これよりも長い焦点距離、例えば500mm、f/4.0
を有するカメラレンズの場合には、異なる円錐光束はカ
メラレンズの開口を対称的には満たさない。結像面30に
おける像の下端を通る「主光線」すなわち、300mmの位
置にある射出瞳の中心を通過する光線について考える
と、500mmに位置するカメラレンズ開口からの円錐光束
がピラミッド型ミラー32の頂部の両側を均等に照らすよ
うにするために、主光線42の両側に対称的に延びている
光線401と41の間に円錐光束があるように制限すること
が必要である。したがって、これ以外の措置を何らとら
ない場合には、500mmの位置にある開口からの円錐光束
全体は前記ピラミッド型ミラーの一つの側面（実際には
図２の上面）を他方よりもより広く照らすことになる。
この結果、ピラミッド型ミラーにより反射される像の前
記下端の照度は、上方のイメージセンサにおける像の方
が、下方のイメージセンサにおける像よりも強くなる。
このような影響を除去するために、図２に示された高
速カメラは開口面34において絞りを含んでいる。これを
用いてカメラの開口を小さくすることで、ピラミッド型
ミラーを照らす円錐光束を制限し、使用するカメラレン
ズアセンブリの開口を前記円錐が対称的に通過するサイ
ズとなるように調節している。この実施例では、開口面
34の前記絞りの径を小さくして、前記開口を通ってピラ
ミッド型ミラーに達する円錐光束が、図４の光線40及び
41によって示されるサイズの間に含まれるようにする必
要がある。これは図２の結像レンズアセンブリの最大開
口能力を大幅に低減するものであるが、前記カメラレン
ズアセンブリにより得られる有効口径の制限としては僅
かなものである。像が均等に映し出されるよにすべく結
像レンズアセンブリの開口を小さくすると、前記カメラ
レンズの有効開口がf/4.0からf/4.4に減少することが計
算により分かる。
このように、高速カメラにおいて絞りにより開口を減
少させることで、広い範囲のカメラレンズアセンブリに
対してカメラを使用することが可能となり、カメラレン
ズの有効開口の減少量を様々に変化させることができ
る。各場合の開口縮小の態様が図４に示されているが、
300mmのカメラレンズに対しては結像レンズアセンブリ
が最適化されているので、さらに縮小する必要はない。
図４に示されたカメラレンズの開口縮小の最も悪いケー
スは、焦点距離が60mmで開口f/2.8のカメラレンズの場
合であるが、このときは高速カメラの絞りによってf/6.
7まで小さくしなければ効果がない。
図２に示された結像レンズアセンブリの詳細な設計様
式は光学技師の通常能力の範囲内である。光学装置を設
計する際に考慮すべき事柄の中には、色調及び他の要素
の異常を最小にすることが含まれている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特表 平６−511126（ＪＰ，Ａ) 独国特許発明4212271（ＤＥ，Ｃ２) 欧州特許出願公開589002（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G03B 39/00 - 39/06

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】複数の電子式イメージセンサ（12,13）及
    びこれらイメージセンサと協働する電子式シャッタ装置
    （14,15）を収容するカメラハウジング（10）と、光ビ
    ームスプリッタと、を具備する電子式高速カメラであっ
    て、前記光ビームスプリッタは、単一の光学軸（24）を
    有する結像レンズアセンブリ（11）と、この結像レンズ
    アセンブリの結像側に位置し且つ前記光学軸の横切り方
    向における異なる位置に配置された複数の角度付けられ
    た反射面（16,17）を有する反射手段と、を含んでお
    り、前記各反射面は、被写体の実像（20,21）を前記イ
    メージセンサに投影すべく、前記結像レンズアセンブリ
    から来た光を反射するように設けられており、前記カメ
    ラハウジングは、選択されたカメラレンズアセンブリ
    （23）を前記光学軸上に設置するための設置手段（22）
    を備えており、前記結像レンズアセンブリは、前記設置
    手段に設置された前記カメラレンズアセンブリによって
    生成された前記被写体の実像（26）を結像するように構
    成されており、前記カメラレンズアセンブリは、このカ
    メラレンズアセンブリによって生成された前記実像の位
    置から前記被写体側に所定距離だけ離間した射出瞳（2
    7）を有しており、前記結像レンズアセンブリは、前記
    カメラレンズアセンブリの前記出射瞳を、前記反射手段
    近傍に位置する開口面（28）上に結像するように構成さ
    れている、電子式高速カメラ。
  2. 【請求項２】前記反射手段は前記光学軸上に軸心が位置
    するピラミッド型ミラー（32）を含んでいる、請求項１
    に記載の電子式高速カメラ。
  3. 【請求項３】前記ピラミッド型ミラーは実質的に前記開
    口面内に位置する頂点を有している、請求項２に記載の
    電子式高速カメラ。
  4. 【請求項４】前記光ビームスプリッタが、前記開口面に
    おいて調節可能な絞り（29）を含んでいる、請求項１〜
    ３のいずれか１つに記載の電子式高速カメラ。
JP51492895A 1993-11-29 1994-11-29 光ビームスプリッタ及びこれを内蔵する電子式高速カメラ Expired - Fee Related JP3396744B2 (ja)

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