JPH09505672A - 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

Abstract

(57)【要約】 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レンズの像側に位置し且つ当該レンズにより映し出される物体の実像を複数個形成する反射部材とを具備している。前記結像レンズアセンブリは、光学軸上に設けられたカメラレンズアセンブリによって形成された実像を映し出すように設計されており、前記カメラレンズアセンブリは前記実像の前記物体側に或る長さ離間した位置に射出瞳を有している。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射出瞳を前記反射部材に隣接する開口面に映し出すように調節されている。前記光ビームスプリッタは、特に、電子式高速カメラにおける用途に関連して説明し、ここでは物体の複数の像が高速写真用に形成される。

Description

【発明の詳細な説明】 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 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１ ５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２３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ＣＣ Ｄ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２ ３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１ １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３４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、３００mm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５ ２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は、主光線４２の両側に対称的に延びている光線４０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の能 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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．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、が設けられており、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を前記各反射面にお いて反射させるように構成した光ビームスプリッタにおいて、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は構成されており、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 位置する開口面に結像するように構成されている、光ビームスプリッタ。 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を含んで いる、請求項１に記載の光ビームスプリッタ。 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に記載の光ビームスプリッタ。 ４．前記開口面において調節可能な絞りを含んでいる、先行する請求項のいずれ か１つに記載の光ビームスプリッタ。 ５．複数の電子式イメージセンサ及び当該各センサと協働する電子式シャッタ装 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先行する請求項のいずれかに記載の光ビームスプリッ 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、電子式高速カメラ。