JPH10509527A - コンパクトなケプラー望遠鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 望遠鏡装置が、接眼レンズ（６）、対物レンズ（７）、第１平面鏡（１）、第２平面鏡（２）、屋根型反射鏡（３）を含む。第１平面鏡（１）に沿って位置する第１光軸は、第２平面鏡に沿って位置する第２光軸と平行である。この装置は、偶然の像ジッタに対する補償装置を含み、それは、ピボット機構（１１）、慣性センサ（１４）および平面鏡を調整するためのサーボシステムを含む。

Description

【発明の詳細な説明】 コンパクトなケプラー望遠鏡発明の分野および背景 この発明は、視力を拡大するための光学装置および手段に関し、更に詳しくは 、望遠鏡、双眼鏡、望遠拡大鏡（近距離に焦点が合わせられ、収束する双眼鏡） 等に関する。ケプラー望遠鏡には、以後“対物レンズ”と称する、正の対物レン ズグループ、および以後“接眼レンズ”と称する、正の接眼レンズグループがあ る。典型的望遠鏡では、この対物レンズグループおよび接眼レンズグループが倒 立像を作り、それを正立像にするためには、付加的手段が必要である。この像を 正立させるための手段は、通常鏡、プリズム、または両者の組合わせのシステム を含んでいる。像正立系は、二つの垂直軸の各々に奇数回の反射を含むべきであ ることが当業者にはよく知られている。双眼鏡の分野で使われる、最も普通の像 正立系は、ポッロプリズムまたは米国特許明細書第４，４８８，７９０号に記載 されている、その軽量鏡同等物を使用する。上記両ポッロプリズムシステムには 、機械的左右対称性が無く、対称性を望み、典型的に対称面に偶数の平面反射鏡 を含む、この技術で知られる幾つかのプリズムシステムの一つを望むときは、通 常単一屋根型反射鏡を使用する。典型的な例は、第１ａ図に示すヘンスオルトプ リズム、および第１ｂ図に示すシュミットプリズムである。シュミットプリズム を使用する望遠鏡が米国特許明細書第４，７９５，２３５号に記載されている。 そのような望遠鏡は比較的コンパクトであるが、しかし、シュミットプリズムに 中空同等物が無いので、それは、与えられた対物レンズ直径に対して比較的重い 。この種の望遠鏡のもう一つの主な欠点は、接眼レンズと対物レンズがそれらの 間の相対角約４０°で取付けられるという事実である。更なる欠点は、対物レン ズの焦点距離が与えられた対物レンズ口径に対して厳しく制限され、Ｆナンバ（ レンズの焦点距離と直径の間の比率）が比較的小さくなる。この技術分野では、 与えられたシステムパラメータの組に対し、与えられたレベルの像収差補正を達 成するために必要な光学設計の複雑さがＦナンバに非常に強く依存することがよ く知 られている。その結果、小さいＦナンバの対物レンズおよび接眼レンズに対し必 要な光学素子の数は、益々大きくなり、それがコンパクトさを損ねる。 ケプラー望遠鏡の対物レンズから出る光束を、特にそのＦナンバが３に近いと き、それをヘンスオルトプリズムのそれに類似する方法で折返すことによって、 円錐形にするのが有利であることが分った。本質的に中実で、内部全反射に依存 するシュミットプリズムと対照的に、このレイアウトは、この装置の全重量を減 らすために、鏡だけによって実施することができる。その上、接眼レンズと対物 レンズの間の角度は、任意である。この光学構造を含むケプラー望遠鏡は、どの 性能パラメータをも妥協せずに、与えられた対物レンズ直径に対して可能な究極 のコンパクトさを達成すると思われる。この望遠鏡は、コンパクトな単眼鏡、双 眼鏡および、特に、頭に取付ける双眼鏡および望遠拡大鏡に使うことができる。 この発明の目的は、既存の従来技術の望遠鏡の大きさと重さの限界を、代替の 新規な、コンパクトで軽量の望遠鏡構造を提供することによって克服することで ある。 この発明の他の目的は、これらの望遠鏡をある新しい用途に使えるようにし、 他の既存の用途で、望遠鏡を容易且つより便利に使えるようにすることである。 この発明の他の目的は、どの性能要件をも妥協することなく、大きさをコンパ クトにし、重さを軽くすることである。 この発明の他の目的は、望遠鏡、単眼鏡、双眼鏡、および、頭に取付ける望遠 拡大鏡に対する上記適合を提供することである。発明の概要 この発明の好適実施例による像拡大用望遠鏡装置は、光学部品を適当な位置関 係に含み且つ支持するためのハウジングで、接眼レンズ開口および対物レンズ開 口、並びに折返し光路を含むための空間を有するハウジング、第１光軸に沿って 配置された接眼レンズグループ、第１軸に関してわずかに変位した第２光軸に沿 って配置された対物レンズグループ、ならびに第１平面鏡、第２平面鏡、および 屋根型反射鏡を含む像正立系、を含む。 この発明の好適実施例による装置は、第１光軸が第２光軸と平行である。この 発明の他の実施例によれば、この装置は、拡大視界と自然視界を同時に見るため に、第２光軸が第１光軸に関して約２０°傾斜している。 この発明の他の好適実施例によれば、これらの光学部品およびこの装置のハウ ジングが軽量材料で作られ、頭に取付けるのに適合している。 この発明のどの実施例によっても、これらの光学部品が回折素子を含み、この 装置の接眼レンズが実質的に矩形をしていてもよい。更に、合焦手段を備えても よい。上記合焦手段が少なくとも一つの横に動く反射鏡を含んでもよい。更に、 この合焦手段が気密密封されている。 この発明の更に他の好適実施例は、偶然の像ジッタを補償するための手段を含 んでもよく、その手段は、少なくとも一つの平面鏡用のピボット機構、この望遠 鏡の外被に取付けた少なくとも一つの角慣性センサ、および上記慣性センサから 受けたデータに従ってこの平面鏡を調整するためのサーボシステムを含み、上記 サーボシステムが、二つの電磁アクチュエータ、および二つの容量型撓み検知手 段を含む。図面の簡単な説明 - 第１ａ図は、従来技術の像成立系の典型であるヘンスオルトプリズムを示し ； - 第１ｂ図は、従来技術の像成立系のもう一つの典型であるシュミットプリズ ムを示し； - 第２図は、この発明による望遠鏡の断面側面図を示し； - 第２ａ図は、この発明による望遠鏡のもう一つの断面側面図を示し； - 第３図および第３ａ図は、接眼レンズが傾斜した、この発明の好適実施例の 二つの横断面図を示し； - 第４ａ図は、第３図の発明の好適実施例用にふさわしい合焦機構の二つの横 断面図を示し； - 第４ｂ図は、この合焦機構の部分底面図を示し； - 第５ａ図は、像安定化用に改作した、この発明の好適実施例を示し； - 第５ｂ図は、鏡２の底面図を示し；および - 第６図は、この発明の代替好適実施例である。発明の詳細な説明 第１ａ図および第１ｂ図は、ヘンスオルト型プリズムおよびシュミットプリズ ム型の二つの従来技術の正立系の構造を示す。上記プリズムは、必要に応じて偶 数回の反射を行うが、典型的には大きさが大きく、比較的重い。 この発明の好適実施例による望遠鏡を第２図に示す。この望遠鏡は、接眼レン ズ６、対物レンズ７および像正立系を含み、その成立系は、平面鏡１および２、 並びに、断面をこの図の右に示す屋根型反射鏡３を含む。この像正立系は、視野 絞り開口５のある像面に正立像を作る。屋根型反射鏡３は、“中空プリズム”型 で、二つの垂直な平面鏡を含む。もし望むなら、素子１と３を交換してもよい。 この屋根型反射器が中空でも、即ち平面鏡を含んでも、または中実で、これらの 反射平面がプリズムの全反射面であってもよいことは、当業者によく知られてい る。この屋根型反射器は、また、対称形のアミチ型で、二つの反射面が開口を対 等に共有しても、その代りに、二つの連続する反射面を含んでもよく、後者の場 合は、一つのプリズムと一つの平面反射鏡を組合わせることができる。この対象 形屋根型反射鏡は、よりコンパクトであるが、二重像を無くするためには、その 反射面が互いに非常に正確に垂直でなければならないこともよく知られている。 光束を折返して同じ空間を３回利用するので、この望遠鏡の対物レンズの光軸に 沿った全長が非常に短く、その体積が最小になることは明らかである。 第２図〜第２ａ図に示す望遠鏡は、対物レンズおよび接眼レンズに対し、従来 の平行な光軸を有する。第３図〜第３ａ図に、この発明のもう一つに実施例を示 し、そこでは接眼レンズの光軸が対物レンズの光軸に対して傾斜していて、これ と同じ出願人が１９９４年１０月２７日に出願したイスラエル国特許出願明細書 第１１１４２９号に記載されているように、拡大した像により自然像を掩蔽する ことを無くし、その明細書をここに参考までに援用する。 この発明の望遠鏡は、従来のガラス素子を使うことができるが、眼鏡枠に取付 けた双眼鏡のように、重量に敏感な用途では、典型的に２倍だけ軽いプラスチッ クレンズが好ましい。更に重量を軽減するためには、トーマスＷ．ストーン、“ ハイブリッド回折・屈折望遠鏡”、ＳＰＩＥ第１２１２巻実用的ホログラフィー ＩＶ（１９９０）、ｐｐ．２５７〜２６６に記載されているようなハイブリッド 屈折・回折光学素子を使ってもよい。この技術では、レンズの色補正を色消しダ ブレットに頼らずに、従って薄いレンズで得る。例えば、この発明による単眼 望遠鏡にガラスの光学素子を使用し、倍率がＸ６、対物レンズの直径が２５ｍｍ であるとき、この装置の全重量は約５０ｇである。ガラス素子をプラスチック素 子で置換えたとき、重量は約３０ｇに落ち、プラスチックの屈折・回折素子では 、重量が２０ｇに落ち、それはほぼガラスの処方レンズ１枚の重さである。 ケプラー望遠鏡の視界は、像面の視野絞り開口５によって決り、それは従来円 形である。ほぼ全ての実際的用途に対し、この発明による望遠鏡は、視界が円形 ではなく、横長四角であれが、幾つかの利点が増すことが分った： １- 視界の水平の広がりは、通常垂直の広がりより重要であり； ２- 拡大した視界の審美的魅力がより強く； ３- 望遠鏡の全長が短くすらあり； ４- 接眼レンズの輪郭を拡大した視界に適合させれば、接眼レンズによって掩 蔽される自然視界が最小になる。これは、接眼レンズの光軸が第３図〜第３ａ図 の装置に示すように、傾斜しているとき、有意義である。 この発明による望遠鏡は、典型的には、ねじ機構により接眼レンズ組立体６ま たはその一部をその光軸に沿って変位することによって焦点合せをすることがで きる。矩形接眼レンズに対しては、別の機構が望ましい。好適な合焦機構は、第 ４図〜第４ａ図に示すように反射鏡３を、その屋根角を２等分し、中点でその頂 点線に垂直な軸４に沿って変位することに基づく。反射鏡３をｆだけ並進するこ とは、像面をほぼ２ｆだけ軸方向に移動するだろうが、軸４が光軸に平行ではな いので、像の望ましくない横移動も生ずるだろう。そのような移動は、反射鏡３ に与えられる角並進成分によって補償することができる。必要な複合運動は、原 理的には、反射鏡３を非実用的にはこの望遠鏡の包被の外部に位置するピボット 軸に取付けることによって得ることができる。しかし、このピボットは、第４図 、第４ａ図、第４ｂ図に示すように望遠鏡の包被内でシミュレートすることがで き、合焦反射鏡３は、ばね常数が異なるように適切に選択した２対の板ばね７お よび１０によって構成される弾性取付装置に載っている。従って、軸４に沿って この反射鏡の中心に力を加えると、これらのばねが異なって撓み、角度変位と直 線変位の組合わせが生ずる。この発明の好適実施例では、この力を柔軟な封止膜 ９を介してねじ込みノブ８によって加える。この種の合焦機構は、屋根型反射鏡 が軸 斜交傾斜と無関係に光を反射することが知られているので、板ばねの公差から生 ずるかも知れない、中空屋根の横傾斜に鈍感である。 第５ａ図〜第５ｂ図に示す、この発明の更に他の実施例では、鏡２が、この反 射平面の中心近くに位置する２軸ピボット機構１１に取付けられている。この望 遠鏡ハウジングに対する鏡２の角度位置は、この望遠鏡ハウジングに固定された 半導体式ジャイロのような、二つの角度慣性センサ（図示せず）から得た指令信 号によって制御する。上記慣性センサは、慣性視線に対するこの望遠鏡の偶然の 角運動を、２軸位置サーボシステムを構成する電磁アクチュエータ１２および１ ３並びに容量型振れ検知手段１４および１５と協力して検出し、そのサーボシス テムは、もしそれがなければ生ずるであろう像の偶然のジッタを補償するような 方法で鏡の微少振れを制御する。更なる詳細は、イッシャイ・ネッザー、“視線 の操縦と安定化”、オプティカルエンジニヤリング、１９９２年１月／２月、ｐ ｐ．９６〜１０４にあるだろう。 この望遠鏡を、医療用のような、立体式の頭に取付ける拡大鏡に使用し、接眼 レンズを第３図のように傾斜するとき、個々の像のそれぞれに像の回転が生じ、 それがそれらの融合を困難にし、観察者を緊張させることが分った。この像の回 転の理由は、接眼レンズ光軸の傾斜角と対物レンズ光軸の収束角の複合効果であ ることにたどり着いた。像回転の補正は、第３図で屋根型反射鏡３を軸４の周り に回転することによって達成でき、ある角度の１／２だけの機械的回転で、その 角度の像回転が生じ、その大きさおよび方向を所望する補償に従って選択する。 第６図は、第２図の光学的レイアウトの変形を示し、そこでは、反射鏡１が中 実屋根型プリズムで置換えられ、反射鏡２は、開口を有し、光軸が反射鏡３に垂 直である。この垂直性が反射鏡３を、図示のように、凸形に作ることを可能にし 、バーロー素子として作用するようにする。 第６図の鏡２の開口部は、その入射開口（対物レンズ）の口径に対して効果的 に掩蔽となる。この掩蔽は、この望遠鏡によってその射出瞳上に結像され、もし その像がこの射出瞳領域のかなりの部分に亘るなら、問題を起すことがある。し かし、この開口部が光束の断面が最小である像面近くにあるので、その程度は最 小限である。幾何光学の基本的操作をすると、上の前提で、射出瞳での掩蔽の直 径が大体２Ｆに等しいことが分る。但し、Ｆおよびは、それぞれ、接眼レンズの 焦点距離、およびこの望遠鏡の視界である。この様に掩蔽は、比較的小さく、本 質的に観察者の瞳が望遠鏡の射出瞳に位置するので、それに辛うじて気づく程で ある。 この様にして、単眼鏡には勿論、携帯用および眼鏡に取付けた双眼鏡に理想的 に適合可能な、極端にコンパクトな望遠鏡が得られる

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，Ｕ Ｇ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ， ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 像拡大用望遠鏡装置であって： 光学部品を適当な位置関係に含み且つ支持するためのハウジングで、接眼レン ズ開口および対物レンズ開口、並びに折返し光路を含むための空間を有するハウ ジング； 第１光軸に沿って配置された接眼レンズグループ； 第１軸に関してわずかに変位した第２光軸に沿って配置された対物レンズグル ープ；ならびに 第１平面鏡、第２平面鏡、および屋根型反射鏡を含む像正立形； を含む装置。 ２． 請求項１による装置に於いて、第１光軸が第２光軸と平行である装置； ３． 請求項１による装置に於いて、拡大視界と自然視界を同時に見るために 、第２光軸が第１光軸に関して傾斜している装置。 ４． 請求項１から請求項３の何れか一つによる装置に於いて、これらの光学 部品およびこの装置のハウジングが軽量材料で作られ、頭に取付けるのに適合し ている装置。 ５． 請求項１から請求項４による装置に於いて、これらの光学部品が回折素 子を含む装置。 ６． 請求項１から請求項５の何れか一つによる装置に於いて、少なくとも接 眼レンズが実質的に矩形をしている装置。 ７． 請求項１から請求項６の何れか一つによる装置であって、更に合焦手段 を備える装置。 ８． 請求項７による装置に於いて、合焦手段が少なくとも一つの横に動く反 射鏡を含む装置。 ９． 請求項８による装置に於いて、合焦手段が気密密封されている装置。 １０． 請求項１ないし請求項７の何れか一つによる装置であって、更に偶然 の像ジッタを補償するための手段を含む装置。 １１． 請求項１０による装置に於いて、像ジッタを補償するための手段が： 少なくとも一つの平面鏡用のピボット機構； この望遠鏡の外被に取付けた少なくとも一つの角慣性センサ；および 上記慣性センサから受けたデータに従ってこの平面鏡を調整するためのサーボ システム； を含む装置。 １２． 請求項１１による装置に於いて、サーボシステムが： 二つの電磁アクチュエータ；および 二つの容量型振れ検知手段； を含む装置。 １３． 請求項１による装置であって、特に図面を参照して実質的に説明した 通である装置