JPH0990265A - 像反転光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ダハミラーを利用した系では、ダハ面の加工
精度が高く要求されるためコストが高くつく。また、ポ
ロプリズムを利用した系では、必要な配置スペースが比
較的大きくなる。 【解決手段】 第１、第２、第３の反射面１，２，３
は、三角柱Ａの３つの側面の内面の一部をそれぞれなす
ような位置関係で配置されている。三角柱Ａの側面に垂
直な断面は二等辺三角形であり、したがって、第１、第
３の反射面１，３が第２の反射面２に対してなす角度は
互いに等しい。第２の反射面２と平行に第１の反射面１
に入射した基準光線Ｌは、３つの反射面で順に反射され
て螺旋状に進み、入射時と平行に射出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、カメラのファイ
ンダーや双眼鏡、望遠鏡等の正立光学系に用いられる像
反転光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えばカメラの実像式ファインダーに
は、対物レンズ系により形成される像を正立させるため
に、ダハミラーとペンタプリズムとを組み合せた光学
系、あるいはポロプリズム等の正立光学系が設けられて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ダハミラーを利用した
系では、ダハミラー、プリズムの配置スペースがダハミ
ラーによる像の反転方向に関しては光束径とほぼ等しい
幅があれば足りるため、この方向の配置スペースは小さ
くともよいが、ダハ面の加工精度が特に稜線近傍で高く
要求されるためコストが高くつく。また、ダハミラーで
の反射時に稜線を境としてダハ面のいずれの側に先に入
射するかによって反射後の光束の偏光状態が異なり、表
示器としてＬＣＤ等の偏光を利用した素子を利用する場
合に表示に支障をきたす場合がある。

【０００４】一方、ポロプリズムを利用した系ではダハ
面を用いないために上記のような不具合はないが、入射
面(光軸と反射面の法線とを含む面)が直交する２つの反
射面を２組設ける必要があるため、配置スペースが大き
いという問題がある。

【０００５】ポロプリズムは、図１４に示されるよう
に、２つの直角プリズムを互いの斜面の１／２を重ねる
ように縦横に組み合わせて構成されており、この斜面の
１／２の面積が光束の最大入射領域となる。したがっ
て、入射光束の径をＤとすると、光束Ｌの入射方向に対
して垂直な面内における全体のサイズが、縦横いずれの
方向についても光束径Ｄの少なくとも２倍である２Ｄ必
要となり、ダハミラーを利用した系と比較して必要な配
置スペースが大きくなる。

【０００６】この種の正立光学系がいわゆるコンパクト
カメラの実像式ファインダーとして用いられる場合に
は、一般にフィルムの短辺方向に相当する高さ方向のス
ペースが、長辺方向に相当する幅方向のスペースより厳
しい制約を受けるが、上記のポロプリズムを利用した場
合には高さ方向のスペースを抑えることができず、カメ
ラのコンパクト化を妨げる原因の一つとなる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するため、三角柱の３側面の内面の一部をそれぞ
れなし、主光線の入射面が互いに非平行となる位置関係
で第１、第２、第３の反射面を配置したことを特徴とす
る。入射した光束をは、１、第２、第３の反射面で順に
反射されて螺旋状の光路を形成し、３回の反射によって
光束により伝達される像を一次元方向について反転させ
る。

【０００８】各反射面のなす角度は、主光線を第２の反
射面と平行に第１の反射面に入射させた際に、主光線が
第３の反射面から入射方向と平行に射出されるよう設定
することが望ましい。この場合、第１、第３の反射面を
第２の反射面に対して等しい角度をなして配置すれば、
構成が容易である。また、像の向きは、第２の反射面と
平行に第１の反射面に入射する主光線に垂直な面内で第
２の反射面と垂直な方向について反転される。

【０００９】像を二次元方向についても反転させる場合
には、第１、第２、第３の反射面に加え、入射面が第２
の反射面と平行になる奇数の反射面を設ければよい。こ
れにより、例えば第１、第２、第３の反射面により像の
上下を反転させ、他の奇数の反射面により像の左右を反
転させることができる。

【００１０】反射面の面積を有効に利用するためには、
第１、第２、第３の反射面を平行四辺形とすることが望
ましい。また、これらの平行四辺形の面積を最小にする
ためには、各反射面に入射した光束の断面に外接するよ
う設定すればよい。

【００１１】さらに、この発明の反射光学系は、三角柱
の３側面の内面の一部をそれぞれなす位置関係で配置さ
れた第１、第２、第３の反射面と、第２の反射面に対し
て垂直な入射側端面と、入射側端面に対して平行な射出
側端面とを有しするプリズムとして形成することもでき
る。入射側端面に対して垂直に入射した光束は、第１、
第２、第３の反射面で順に内面反射されて射出側端面か
ら垂直に射出する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、この発明にかかる像反転光
学系の実施の形態を説明する。この発明にかかる像反転
光学系は、基本的に３つの反射面から構成される。

【００１３】図１および図２は、これらの反射面の位置
関係を示す。第１、第２、第３の反射面１，２，３は、
図中破線で示した三角柱Ａの３つの側面の内面の一部を
それぞれなすような位置関係で配置されている。三角柱
Ａの側面に垂直な断面は二等辺三角形であり、したがっ
て、第１、第３の反射面１，３が第２の反射面２に対し
てなす角度は互いに等しい。

【００１４】図中一点鎖線で示したように第２の反射面
２と平行に第１の反射面１に入射した基準光線(主光線)
Ｌは、３つの反射面で順に反射されて螺旋状に進み、入
射時と平行に射出する。

【００１５】反射面は、像情報を含む光束を反射させる
際に、入射面(入射光束の中心軸、あるいは光学系の光
軸と反射面の法線とを含む面)と平行な方向について像
の方向を反転させる。この発明の像反転光学系では、第
２の反射面２により、第２の反射面と垂直な方向につい
て像の向きが反転される。第１、第３の反射面１，３
は、基準光線Ｌに対して対称に配置されているため、入
射光と射出光との方向を平行にするためにのみ作用し、
像の反転については互いに打ち消し合うよう作用する。

【００１６】第２の反射面２は、光の進行方向に合わせ
て平行四辺形として形成されている。そして、第１、第
３の反射面１，３は、それぞれの一辺を第２の反射面２
の向かい合う辺と一致させ、互い違いとなるよう異なる
方向に傾斜する平行四辺形として形成されている。各反
射面の形状およびサイズは、第１の反射面１に対して第
２の反射面２と平行に入射する光が第３の反射面３で遮
られないように、そして、第３の反射面３で反射されて
射出する光を第１の反射面１が遮らないよう設定され
る。

【００１７】ここで、光線Ｌの入射方向から見て第２の
反射面２と平行な方向を水平方向、第２の反射面２と垂
直な方向を垂直方向と定義すると、この像反転光学系
は、垂直方向に関する像の向きを反転させる機能を有し
ている。したがって、この像反転光学系は、像反転機能
に関しては従来のダハミラーと同様の機能を持ち、これ
に奇数枚のミラーを組み合わせて像の左右を反転させる
ことにより、従来のダブルポロプリズムと同様の正立光
学系を構成することができる。カメラのファインダーと
して用いられる場合には、水平方向をフィルムの長手方
向に一致させるよう配置すれば、フィルムの短辺方向に
相当するカメラの高さをダハミラーを用いた系と同等に
抑えることができる。

【００１８】次に、発明の原理について行列式を用いて
説明する。一般に、１つの反射面の反射回転行列Ｒは、
反射面の法線ベクトルを(ｋ，ｍ，ｎ)として、以下の式
(１)で表される。

【００１９】

【数１】

【００２０】反射面が１面である場合、その反射回転行
列をＲ、反射面に入射する像のベクトルをＰとすると、
反射後の像のベクトルＰ'は式(２)で表される。像が複
数の反射面で反射される場合には、それぞれの反射回転
行列をＲ1，Ｒ2，…，Ｒnとして、像のベクトルＰ'は式
(３)で表される。

【００２１】

【数２】Ｐ'＝Ｒ・Ｐ …(２) Ｐ'＝Ｒn・…・Ｒ2・Ｒ1・Ｐ …(３)

【００２２】ここで、この発明にかかる像反転光学系の
第１、第２、第３の反射面１，２，３をｘ−ｙ−ｚ座標
を用いて説明する。図３に示されるように、第２の反射
面２はｘ−ｙ平面に一致しており、第１、第３の反射面
１，３はｘ−ｙ平面をｘ軸と平行な軸回りに角度±θ回
転させて得られる面である。各反射面の法線ベクトルｎ
1，ｎ2，ｎ3は式(４)に示すとおりとなり、それらの反
射回転行列は式(５)に示すとおりとなる。

【００２３】

【数３】

【００２４】よって、これらの合成行列は、式(６)に示
すとおりとなる。

【００２５】

【数４】

【００２６】式(６)に示されるように、この像反転光学
系は、入射する像のベクトルをｘ，ｙ方向については変
化させず、ｚ方向についてのみ反転して射出させる。

【００２７】次に、上記の像反転光学系の設計条件を図
４に基づいて説明する。入射する光束は、基準光線Ｌを
中心として反射面が形成する平行四辺形に内接する円、
または楕円形状の平行光束である。光束の入射角度α
(ｙ軸に対する角度)は、基準光線Ｌを中心としたｙ−ｚ
平面内での光束径Ｄxとｙ−ｚ平面内での光束径Ｄy、第
１、第３の反射面がｙ−ｚ平面内で第２の反射面に対し
てなす角度をθとして、以下の式(７)により決定され
る。

【００２８】また、各反射面のｘ方向の幅ｗは、入射角
度αを用いて式(８)により求められる。ｙ−ｚ平面内で
の第２の反射面の幅Ｌ1、第１、第３の反射面１，３の
幅Ｌ2は、それぞれ式(９)(１０)により求められ、第２
の反射面２のｘ方向に平行な２辺のｘ方向のズレ量ａ
1、第１、第３の反射面１，３のｘ方向に平行な２辺の
ｘ方向のズレ量ａ2は、それぞれ式(１１)(１２)により
求められる。

【００２９】

【数５】

【００３０】図１〜図４に示した実施例は、光束径をＤ
y＝Ｄ、Ｄx＝１．５Ｄとし、入射角度αを３０°に設定
した場合の設計例である。具体的な数値構成は以下の表
１に示す通りとなる。

【００３１】

【表１】 Ｌ1＝１．６６７Ｄ ｗ＝１．７３２Ｄ Ｌ2＝１．０５４Ｄ ａ1＝４ｗ／９ θ＝７１．６５° ａ2＝ｗ／９

【００３２】図５〜図７は、この発明にかかる像反転光
学系をプリズムとして形成した例を示す。図５は平面
図、図６、図７はそれぞれ異なる方向から見た斜視図で
ある。第１、第２、第３の反射面Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3は、プ
リズムの内面として三角柱の３側面の一部内面を構成す
る位置関係で配置されており、基準光線Ｌと垂直になる
ように入射側端面Ｔ1が形成されると共に、これと平行
に射出側端面Ｔ2が形成されている。入射側端面Ｔ1に垂
直に入射した基準光線Ｌは、この端面を透過して反射面
Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3で順に内面反射され、射出側端面Ｔ2から
垂直に射出する。

【００３３】この例では、光束径をＤy＝Ｄx＝Ｄとし、
反射面の角度θ＝６０°に設定した場合を想定して設計
されている。具体的な数値は表２に示される。

【００３４】

【表２】 Ｌ1＝Ｌ2＝１．１５５Ｄ ｗ＝１．２２５Ｄ ａ1＝ａ2＝ｗ／３＝０．４０８Ｄ α＝３５．２６°

【００３５】図８〜図１０は、上記の像反転プリズムを
利用した正立光学系の一例を示す。図８は平面図、図
９、図１０はそれぞれ異なる方向から見た斜視図であ
る。この正立光学系は、図５〜図７に示した像反転プリ
ズムＰ1、光束を９０°偏向するペンタプリズムＰ2、そ
してミラーＭ1から構成される。カメラのファインダー
系や望遠鏡として利用される場合には、像反転プリズム
Ｐ1の前段に対物レンズ系、ミラーＭ1の後段に接眼レン
ズ系が配置される。

【００３６】像反転プリズムＰ1から射出した基準光線
Ｌは、入射側端面Ｔ3からペンタプリズムＰ2に入射して
反射面Ｒ4，Ｒ5により内面反射され、射出側端面Ｔ4か
ら入射時とは垂直な方向に射出する。そして、ミラーＭ
1の反射面Ｒ6により、像反転プリズムＰ1への入射方向
と平行に反射される。

【００３７】像は、像反転プリズムＰ1により垂直方向
に反転され、入射面が全て水平方向となるペンタプリズ
ムＰ2の２つの反射面Ｒ4，Ｒ5とミラーＭ1の反射面Ｒ6
とにより３回反射されて水平方向にも反転される。これ
により、例えば対物レンズ系により形成される倒立像を
反転させて正立像を形成することができる。

【００３８】この構成によれば、図９に示されるよう
に、図中の高さ方向の幅を光束径Ｄと等しいサイズに抑
えることができるため、ポロプリズムを利用した従来例
と比較すると、ファインダー系の高さを約１／２に抑え
ることができる。また、ダハミラーのように反射面内に
稜線が存在しないため、ダハミラーによって生じる不具
合を避けつつ、ダハミラーを用いた場合と同様にカメラ
のコンパクト化を図ることができる。

【００３９】図１１〜図１３は、上記の像反転プリズム
を利用した正立光学系の他の例を示す。図１１は平面
図、図１２、図１３はそれぞれ異なる方向から見た斜視
図である。この正立光学系は、図５〜図７に示した像反
転プリズムＰ1と、２枚鏡Ｍ2、そしてミラーＭ3とを備
え、入射光と射出光の光軸が一直線となる直視型の正立
光学系として構成されている。

【００４０】像反転に関する原理は図８〜図１０の例と
同様であり、像反転プリズムＰ1により垂直方向、入射
面が全て水平方向となる３枚の反射面Ｒ7，Ｒ8，Ｒ9に
より水平方向にそれぞれ反転される。ただし、この例で
は、各反射面Ｒ7，Ｒ8，Ｒ9を基準光線Ｌの入射角度が
３０°となるよう配置することにより、基準光線Ｌの像
反転プリズムＰ1に対する入射軸と、ミラーＭ3による反
射後の射出軸とが一直線となるよう構成されている。

【００４１】直視型の正立光学系を用いると、対物レン
ズ系と接眼レンズ系とを一直線上に配置することができ
るため、目標に対して光学系の方向を決定し易いという
利点がある。そのため、特に望遠鏡の分野では、シュミ
ットプリズムを利用した直視型の正立光学系がしばしば
用いられていた。ただし、シュミットプリズムはポロプ
リズム等と比較すると形状がかなり複雑であり、かつ、
ダハ面を持つために加工が難しい。

【００４２】この発明の像反転プリズムＰ1を用いれ
ば、図１１〜図１３に示されるように、ダハ面を使用せ
ずに比較的加工が容易な形状で直視型の正立光学系を構
成することができる。

【００４３】なお、一般にプリズムはミラーより容易に
高精度な加工ができるため、この発明の像反転光学系を
プリズムを利用して構成すれば、複数のミラーを組み合
わせるより精度の高い光学系を構成することができる。
また、プリズムを利用すれば３つの反射面の位置関係は
固定されるため、ミラーを用いてそれぞれの反射面を位
置決めするより組立が容易である。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、ダハ面を使用せずに小さな配置スペースで像の方向
を反転させることができる光学系を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明にかかる像反転光学系の反射面の配
置を示す斜視図である。

【図２】 図１の像反転光学系を他の方向から見た斜視
図である。

【図３】 図１の像反転光学系を座標軸を用いて示した
平面図である。

【図４】 図１の像反転光学系のサイズを示す図３と同
様の平面図である。

【図５】 この発明にかかる像反転光学系の実施形態で
ある像反転プリズムを示す平面図である。

【図６】 図５の像反転プリズムの斜視図である。

【図７】 図５の像反転プリズムを他の方向から見た斜
視図である。

【図８】 図５の像反転プリズムを適用した正立光学系
の一例を示す平面図である。

【図９】 図８の正立光学系の斜視図である。

【図１０】 図８の正立光学系を他の方向から見た斜視
図である。

【図１１】 図５の像反転プリズムを適用した正立光学
系の他の例を示す平面図である。

【図１２】 図１１の正立光学系の斜視図である。

【図１３】 図１１の正立光学系を他の方向から見た斜
視図である。

【図１４】 従来の正立光学系であるポロプリズムの斜
視図である。

【符号の説明】

Ａ 三角柱 １，Ｒ1 第１の反射面 ２，Ｒ2 第２の反射面 ３，Ｒ3 第３の反射面

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】三角柱の３側面の内面の一部をそれぞれな
   し、主光線の入射面が互いに非平行となる位置関係で配
   置された第１、第２、第３の反射面を有し、入射した光
   束を前記第１、第２、第３の反射面で順に反射させるこ
   とにより、前記光束により伝達される像を一次元方向に
   ついて反転させることを特徴とする像反転光学系。
2. 【請求項２】第１、第３の反射面は、それぞれ第２の反
   射面に対して等しい角度をなして配置されていることを
   特徴とする請求項１に記載の像反転光学系。
3. 【請求項３】前記主光線は、前記第２の反射面と平行に
   前記第１の反射面に入射し、該入射方向に垂直な面内で
   像の向きを前記第２の反射面と垂直な方向について反転
   させることを特徴とする請求項１に記載の像反転光学
   系。
4. 【請求項４】前記第１、第２、第３の反射面に加え、入
   射面が前記第２の反射面と平行になる奇数の反射面を備
   えることを特徴とする請求項１に記載の像反転光学系。
5. 【請求項５】前記第１、第３の反射面は、平行四辺形で
   あることを特徴とする請求項１に記載の像反転光学系。
6. 【請求項６】三角柱の３側面の内面の一部をそれぞれな
   す位置関係で配置された第１、第２、第３の反射面と、
   前記第２の反射面に対して垂直な入射側端面と、該入射
   側端面に対して平行な射出側端面とを有し、前記入射側
   端面に対して垂直に入射した光束を、前記第１、第２、
   第３の反射面で順に内面反射して前記射出側端面から垂
   直に射出させることを特徴とする像反転プリズム。
7. 【請求項７】第１、第３の反射面は、それぞれ第２の反
   射面に対して等しい角度をなして配置されていることを
   特徴とする請求項６に記載の像反転プリズム。
8. 【請求項８】前記入射側端面は長方形であり、前記第
   １、第３の反射面は、平行四辺形であることを特徴とす
   る請求項６に記載の像反転プリズム。