KR100249965B1 - 광학계와, 이것을 사용한 화상관찰장치 및 촬상장치(otpical system, and image observing apparatus and image pickup apparatus usionit) - Google Patents

광학계와, 이것을 사용한 화상관찰장치 및 촬상장치(otpical system, and image observing apparatus and image pickup apparatus usionit) Download PDF

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Abstract

본 발명은, 1개의 대칭면에 대해서만 대칭인 제1면과 상기 대칭면에 대해서만 대칭인 제2면을 지닌 광학계장치에 관한 것으로, 상기 제1면은 상기 대칭면내에 출사하는 기준축광선에 대해서 경사진 오목한 반사면이고, 제2면의 부분적인 영역의 파워는 정에서 부로 변화한다.

Description

광학계와, 이것을 사용한 화상관찰장치 및 촬상장치(OTPICAL SYSTEM, AND IMAGE OBSERVING APPARATUS AND IMAGE PICKUP APPARATUS USIONIT)
제1도는 본 발명의 광학작용을 설명하는 도면.
제2도는 본 발명의 광학작용을 설명하는 도면.
제3도(a) 및 제3도(b)는 본 발명에 의한 화상관찰장치의 제1실시예의 주요부분을 도시한 개략도.
제4도(a)∼제4도(d)는 제1실시예의 광학계의 수차를 도시한 수차도.
제5도는 제1실시예의 광학계에 의한 화상의 왜곡을 도시한 도면.
제6도는 본 발명에 의한 화상관찰장치의 제2실시예의 주요부분을 도시한 개략도.
제7도(a)∼제7도(d)는 제2실시예의 광학계의 수차를 도시한 수차도.
제8도는 제2실시예의 광학계에 의한 화상의 왜곡을 도시한 도면.
제9도는 본 발명에 의한 화상관찰장치의 제3실시예의 주요부분을 도시한 개략도.
제10도(a)∼제10도(d)는 제3실시예의 광학계의 수차를 도시한 수차도.
제11도는 제3실시예의 광학계에 의한 화상의 왜곡을 도시한 도면.
제12도는 본 발명에 의한 화상관찰장치의 제4실시예의 주요부분을 도시한 개략도.
제13도(a)∼제13도(d)는 제4실시예의 광학계의 수차를 도시한 수차도.
제14도는 제4실시예의 광학계에 의한 화상의 왜곡을 도시한 도면.
제15도는 본 발명에 의한 화상관찰장치의 제5실시예의 주요부분을 도시한 개략도.
제16도(a)∼제16도(d)는 제5실시예의 광학계의 수차를 도시한 수차도.
제17도는 제5실시예의 광학계에 의한 화상의 왜곡을 도시한 도면.
제18도는 각 실시예의 절대좌표계와 로컬좌표계의 설명도.
제19도(a) 및 제19도(b)는 국소적인 곡률반경rLx및 rLy의 설명도.
제20도(a) 및 제20도(b)는 본 발명의 촬상장치의 주요부분을 도시한 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
B1 : 광학소자 Lo : 기준축광선
P : 표시면 Po : 표시면의 중심
S : 동공 S1 : 제1반사면(제1광학작용면)
S2 : 제2반사면(제2광학작용면) S3 : 제3반사면(제3광학작용면)
본 발명은 광학계에 관한 것으로, 특히, 카메라의 파인더나 소위 헤드장착디스플레이 등의 화상관찰장치 및 카메라 등의 촬상장치의 용도에 적합한 광학계에 관한 것이다.
종래, 헤드장착디스플레이등에 있어서는, 장치 전체를 소형화하기 위한 각종 광학계가 고안되어 왔다.
예를들면, 일본국 특개소 58-78116호 공보에는, 관찰자의 눈에 대해서 경사지게 설치된 오목한 구면반사면을 지닌 프리즘형상의 광학소자를 통해, 촬영광학계에 의해 얻어진 1차결상면상의 물체상을 관찰하는 광학장치가 개시되어 있다.
이 종래예에 있어서는, 반사면이 경사진 구면이므로, 거기서 발생하는, 비점수차를 포함한 광학수차를 양호하게 보정하는 것이 어렵다. 상기 공보에는 상기 수차보정을 개선하기 위하여 새렌즈계를 추가할 필요가 있다고 기재되어 있다.
일본국 특개평 5-303055호 공보에는 상기 형의 렌즈계(릴레이렌즈계)를 추가한 광학계가 개시되어 있다. 하지만, 그와 같은 릴레이렌즈계를 추가하는 것은 광학계의 전체길이를 길어지게 하므로 광학계의 콤팩트화를 손상시키는 결점이 있다.
일본국 특개평 5-303054호 공보, 일본국특개평 5-303056호 공보 및 일본국 특개평 5-323229호 공보등에는, 콤팩트화 및 광학계의 수차를 개선하기 위해: 고차의 비구면항을 지닌 일반적인 회전비구면; 원뿔계수로 정의된 원뿔함수에 의한 회전포물면 및 회전타원면; 직교하는 좌표축에 있어서 서로 다른 비구면함수로 표현된 토릭비구면(또는 아나모르픽비구면)중에서 1개의 반사면을 관찰자의 눈의 광축에 대해서 경사지게 설치한 광학계가 개시되어 있다.
하지만, 이들 광학계는 화상의 왜곡, 상면만곡 및 직교하는 방향의 포커스차(즉, 비점수차)가 보정될 필요가 있다. 또, 경사진 반사면과 소위 편심광학계와의 포커싱(시도조정)방법으로서는, 광학계를 이동시키면 광학성능의 변화가 커지므로, 광학계의 초점면(화상표시소자 또는 촬상소자)을 이동시키는 것이 바람직하다. 이를 실현시키기 위해서는, 광학계가 초점면에 대해서 텔레센트릭한 것이 바람직하다.
이와같은 관점으로부터 상기 종래예를 보면, 일본국 특개평 5-303054호 공보의 광학계는 상면 만곡과 화상의 왜곡은 보정하지만, 비점수차는 여전히 보정되지 않고 남아 있다.
또, 일본국특개평 5-303056호 공보의 광학계는 비점수차와 화상의 왜곡은 보정하지만, 상면만곡은 여전히 보정되지 않고 남아있다.
또, 일본국특개평 5-323229호 공보의 광하계는 상면만곡, 비점수차 및 화상의 왜곡은 보정하지만, 초점면에 대해서 광선의 각도가 크게경사져 있고, 액정패널 등의 표시소자 또는 CCD등의 촬상소자를 초점면에 배치한 경우는, 상기 소자의 특성의 각도의존성에 의해 성능이 대폭 열화한다는 결점이 있다.
또, 상기 공보에 제안되어 있는 광학계는 화상의 왜곡을 보정하지만, 화상의 왜곡이 한번에 판별될 수 있는 정도이므로 보정이 불충분하다.
상술한 바와 같이, 1개의 비구면의 반사면의 구성에서는 전체 수차를 충분하게 보정할 수 없었다고 하는 결점이 있었다.
일본국 특개평 3-180810호 공보에는, 관찰자의 시점을 멀리 설정하여 광학계에 대한 F넘버를 증가시키고, 광학계의 초점심도를 크게 함으로써 상면의 만곡과 비점수차를 보정하며, 화상의 왜곡을 직교하는 좌표계(x,y,z)의 크로스텀(예를들면, xy)을 지닌 비구면에 의해 보정하도록 구성한 광학계가 개시되어 있다.
하지만, 이 광학계는 멀리 설정된 시점으로부터 화상을 관찰하는 방법에 의거한 것이므로, 광각화나 대화면화를 행할 수 없다. 또, 광학계를 블록거울과 오목거울을 조합한 망원형으로 구성하여도, 전체로서의 사이즈가 커서 콤팩트화가 어렵다고 하는 결점이 있었다.
본 발명의 목적은, 매우 간단한 구성으로 형성됨과 동시에 각종 수차가 양호하게 보정된 광학계를 제공하는 것이다.
본 발명의 광학계는 각각 1개의 대칭면에 대해서만 대칭인 제1면과 제2면을 지니고, 상기 제1면은 상기 대칭면내에 출사하는 기준축광선에 대해서 경사진 오목한 반사면이고, 상기 제2면의 국소적인 파워는 정(+)에서 부(-)로 변화한다.
본 발명의 광학계의 일실시예에 있어서, 상기 대칭면의 광선에 대한 상기 제2면의 국소적인 파워 및/또는 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 국소적인 파워는, 상기 대칭면이 상기 제2면을 절단하는 절단선을 따라서 정에서 부로 변화한다.
본 발명의 광학계에 있어서, 상기 제2면의 국소적인 파워는 상기 절단선을 따라서 상기 제1면과 제2면사이에서 보다 짧은 광로길이에서 보다 긴 광로길이의 방향으로 정에서 부로 바람직하게 변화한다.
본 발명의 화상관찰장치 및 촬상장치는 본 발명의 광학계를 사용한 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
먼저, 제1도 및 제2도를 참조하여 본 발명에 의한 광학계의 기본구성의 광학적 작용에 대해서 설명한다. 동도에 있어서, (S)는 조리개, (S1)은 제1반사면(광학작용면), (S2)는 제2반사면(광학작용면), (P)는 초점면이다. 이하의 설명에서는 광학계를, 편의상 광이 조리개(S)측으로부터 출사하여 초점면(P)에 이르는 계로서 설명하지만, 실제의 화상관찰광학계의 경우는, 광이 초점면(P)(화상표시장치)으로부터 출사하여 조리개(S)(관찰자의 동공)로 입사하는 계로서 구성되어 있다.
제1도 및 제2도의 광학계에 있어서는, 조리개(S)의 중심으로부터 출사하여 초점면(P)의 중심(Po)에 대략 수직으로 충돌하는 광선을 기준축광선(Lo)이라 정의하고, 또, 조리개(S)의 중심으로부터 출사하여 초점면(P)상의 각 점에 대략 수직으로 충돌하는 광선을 주광선(L)이라 정의하자.
제1도에 도시된 바와 같이, 제1반사면(S1)은 조리개(S)로부터의 주광선(L)이 제1반사면(S1)에 의해 반사된 후 화상측을 향해 대략 텔레센트릭하고, 평균상면이 기준축광선(Lo)과 수직인 평면(H)상에 거의 겹쳐지는 형상으로 결정되어 있다.
여기서, 대략 무한대의 원거리에 있는 물체로부터 출사하여 조리개(S)를 통과하는 광속을, 지면에 평행하고 기준축광선(Lo)을 포함하는 단면(후술의 YZ단면)과 지면에 수직이고 기준축 광선(Lo)을 포함하는 단면(후술의 XZ단면)으로 나누어서 고려하면, 평균상면은 각 단면의 광선의 결상위치사이의 중간점을 포함하는 평면이다. 제1도에 있어서는, 어떤 화각의 광속에 있어서 점(Me)이 YZ단면의 광선내의 결상점이고, 점(Sa)이 XZ단면내의 광선의 결상점이다.
이 경우에 주광선(L)에 있어서의 점(Me)과 점(Sa)과의 중점(Q)이 평균상면상의 점이고, 점(Me)과 점(Sa)과의 차은 비점수차이다. 주광선의 텔레센트릭성과 상의 왜곡은 반사면의 전체적인 형상에 영향을 받고 각 광속의 결상상태(화면만곡, 비점수차)는 면의 국소적인 형상에 영향을 받는다.
종래예에서 설명한 바와 같이, 이들 수차의 보정을 1개의 반사면에 의해 달성하는 것은 곤란한다. 그러므로, 본 발명에 있어서 제1반사면(S1)은, 주로 주광선의 텔레센트릭성을 유지함과 동시에 상기 왜곡을 보정하며 평균상면이 평면(H)와 얼라인하도록 구성하고, 제2반사면(S2)은 잔존하는 비점수차를 보정한다.
제2반사면(S2)은 제2도에 도시한 바와 같이, 주로 광속의 비점수차를 보정하는 형상으로 형성되어 있고, 구체적으로는 YZ단면의 광선의 국소적인 결상배율이 제1반사면(S1)에 대해서 가까운 쪽(A)으로부터 먼쪽(B)을 향해 증가하고, XZ단면의 광속의 국소적인 결상배율이 제1반사면(S1)에 대해서 가까운 쪽(A)으로부터 먼쪽(B)을 향해 감소하도록 결정하는 것이좋다. 국소적인 면의 배율은 제2도에 도시한 바와 같이, 해당 면의 물체거리(b')에 대한 상거리(b")의 비(b"/b')이다.
제2반사면(S2)은, YZ단면에서는 제1반사면에 대해서 가까운 쪽(A)으로부터 먼쪽(B)을 향해 국소적인 파워(pL=-2N/rL)가 정에서 강한 부로 변화하고, XZ단면에서는 제1반사면에 대해서 가까운 쪽(A)으로부터 먼 쪽(B)을 향해 국소적인 파워가 정 또는 약한 부에서 강한 부로 변화하는 형상으로 형성되어 있다.
이상 설명한 형상을 지닌 2개의 반사면은 상의 왜곡, 화면만곡 및 비점수차에 대해서 보정하여, 텔레센트릭성을 유지하는 것이 가능하다. 제2반사면(S2)과 초점면(P)사이의 초점면 근방에 제3광학작용면(S3)(도시생략)을 배치하면, 광학계는 제2반사면(S2)의 형상에 의해 야기되는 약간의 상의 왜곡 및 텔레센트릭성의 일탈을 보정할 수 있으므로 부분적인 상면의 변동을 더욱 개선시킬 수 있다.
제3광학작용면(S3)은 굴절면 또는 반사면이어도 된다. 제3광학작용면(S3)을 초점면(P)근방에 설치하면, 초점면(P)의 각 점(상점)에 도달하는 광속의 오버랩을 감소시킬 수 있고, 면의 부분적인 형상의 변화에 의해 상점의 부분적인 보정이 가능하므로 상술한 바와 같이 제1반사면(S1)과 제2반사면(S2)에 의해 보정할 수 없는 수차를 용이하게 보정할 수 있다.
또, 유리 또는 플라스틱 등의 매질상에 제1반사면(S1), 제2반사면(S2) 및 제3광학작용면(S3)을 형성하면, 본 발명의 광학계를 1개의 광학소자로 실현할 수 있어서 콤팩트화 및 저코스트화에 있어서 매우 유리하다.
제3도(a) 및 제3도(b)는 본 발명에 의한 화상관찰장치의 제1실시예의 주요부분을 도시한 개략도이다. 동도에 있어서, (B1)은 제1, 제2 및 제3광학작용면(S1),(S2),(S3)을 지닌 광학소자이다. 각각의 3개의 광학작용면을 1개 평면(YZ평면)에 대해서만 대칭인 형상으로 형상되어 있다. (S)는 관찰자의 바람직한 동공위치이고, (P)는 화상표시장치의 표시면이다.
제3광학작용면(S3)은 대칭면에 대해서만 대칭인 비구면형상이고, 표시면(P)의 중심으로부터 표시면(P)에 대해서 대략 수직으로 출사하는 기준축광선(Lo)에 대해서 대략 수직으로 배치되어 있다. 제2광학작용면(S2)은 대칭면에 대해서만 대칭인 비구면형상이고, 제3광학작용면(S3)에 의해 굴절된 기준축광선(Lo)을 전반사하는 각도로 경사져 배치되어 있다. 제1광학작용면(S1)은 대칭면에 대해서만 대칭인, 전체적으로 강한 오목면의 비구면반사면(면상에 반사막을 부착하여 얻음)이고, 제2광학작용면(S2)에 의해 전반사된 기준축광선(Lo)에 대해서 경사져 배치되어 있다. 제1광학작용면(S1)에 의해 반사된 기준축광선(Lo)은 제2광학작용면(S2)을 통과하여 동공(S)에 도달하고 있다.
이하, 본 실시예의 광학작용을 설명한다. 표시면(P)상에 표시된 화상으로부터 출사한 광속은 먼저, 제3광학작용면(S3)을 통과하여 제2광학작용면(S2)을 향해 진행한 다음, 상기 면(S2)에 의해 전반사되어 제1광학작용면(S1)으로 향한다. 그후, 광속은 상기 면(S1)에 의해 반사되어 수속광이 되고, 다시 제2광학작용면(S2)으로 진행한다. 이번에는 광속이이면(S2)을 통과하여 화상의 허상을 형성함과 동시에 관찰자의 동공(S)에 도달하므로, 관찰자는 허상을 시인할 수 있다.
본 실시예의 광학계는 편심면으로 구성되어 있으므로, 광학계의 형상을 표현하기 위해 절대 좌표계와 로컬좌표계를 설정한다. 제18도는 절대좌표계와 로컬좌표계의 설명도이다. 이하에 이것에 대해서 설명한다.
절대좌표계의 원점은 관찰자의 바람직한 동공위치(S)의 중심(0)에 설정하고, Z축은 점(0)을 통해 동공면에 수직인 직선으로 대칭면상에 있다. Y축은 원점(0)을 통해 상기 대칭면상의 Z축에 대해서 반시계방향으로 90°의 각도를 이루는 직선이고, X축은 원점(0)을 통해 Y축 및 Z축에 수직인 직선이다. Z축은 화상표시장치의 표시면(P)의 중심으로부터 표시면(P)에 대해서 대략 수직으로 출사하여 동공(S)의 중심에 도달하는 기준축광선(Lo)과 겹쳐진다.
각 로컬좌표계의 원점(0i)을 절대좌표(SXi, SYi, SZi)에 설정한다. 각 로컬좌표계의 z축은 YZ평면내의 원점(0i)을 통해 절대좌표계의 Z축과 각도 Ai를 이루는 직선이고, y축은 원점(0i)을 통해 대칭면상의 z축에 대해서 반시계방향으로 90°의 각도를 이루는 직선이다. x축은 원점(0i)을 통해 y축 및 x축에 직교하는 직선이다.
각 면의 형상은 로컬좌표로 표시한다. 본 발명의 각 실시예에 있어서 각 광학작용면의 형상은 원뿔계수로 정의된 원뿔함수와 제르니케다항식을 지닌 이하의 함수로 정의된 형상이다.
z = c(x2+ y2)/[1 + {1 - (1 + k)c2(x2+ y2)}1/2]
+ c1(x2+ y2)
+ c2(-1 + 2x2+ 2y2)
+ c3(-2y + 3x2y + 3y2)
+ c4(3x2y - y3)
+ c5(x4- 6x2y2+ y4)
+ c6(-3x2- 4x4+ 3y2- 4y4)
+ c7(1 - 6x2+ 6x4- 6y2+ 12x2y2+ 6y4)
+ c8(3y - 12x2y + 10x4y + 12y3+ 20x2y3+ 10y5)
+ c9(-12x2y + 15x4y + 4y3+ 10x2y3- 5y5)
+ c10(5x4y - 10x2y3+ y5)
상기 식에 있어서 c는 c=1/r로 정의도는 곡률이고, 식중 r은 각 면의 기본곡률반경이다.
또, k는 각 면의 원뿔계수이고, Cj는 각면에 있어서의 j번째의 제르니케다항식의 비구면계수이다.
표 1은 제1실시예의 구성데이터를 표시한 것이다. 표중, f는 광학소자(B1)의 초점거리에 상당하는 값으로, 이하의 식으로 산출된다:
f=ym/tan(e)
식중 θ는 무한대의 원거리에 있는 물체로부터의 입사광의 입사각도이고, ym은 표시면(P)상의 입사광의 광선으로부터 결상된 상의 높이로, 여기서는 f를 간단히 초점거리라고 칭한다.
[표 1]
표 2는 제2광학작용면(S2)의 국소적인 곡률반경(rLx) 및 (rLy)을 해당 작용면의 6점에 대해서 표시한 것이다.
표중의 좌표는 해당 면의 로컬좌표이다.
[표 2]
이하, 국소적인 곡률반경(rLx) 및 (rLy)에 대해서 설명한다. 제19도(a) 및 제19도(b)는 국소적인 곡귤반경(rLx) 및 (rLy)의 설명도이다.
국소적인 곡률반경(rLx)은 제19도(a)에 도시한 바와 같이, 면(Si)과 xz평면에 평행한 평면(도면에서는 y=yT만큼 떨어져 있음)과의 교선상에 있어서의 국소적인 곡률반경이다.
또, 국소적인 곡률반경(rLy)은 제19도(b)에 도시한 바와 같이, 면(Si)과 yz평면(도면에서는 x=xT만큼 떨어져 있음)에 평행한 평면과의 교선상에 있어서의 국소적인 곡률반경이다. 여기서, 국소적인 곡률반경(rLx) 또는 (rLy)은 해당 광학작용면이 광입사측에 대해 오목할 때 부의값을 취한다.
xz평면상의 국소적인 광학파워(pLx)는, 국소적인 곡률반경(rLx)과 광이 진행하는 매질의 굴절률(N)에 의해 이하의 식으로부터 얻어진다:
pLx=2N/rLx
또, yz평면의 국소적인 광학파워(pLy)는 국소적인 곡률반경(rLy)과 광이 진행하는 매질의 굴절률(N)에 의해 이하의 식으로부터 얻어진다:
pLy=2N/rLy
제4도(a)∼제4도(d)는 제1실시예의 수차도이다. 이 수차도는 기준축광선(Lo)상의 상점, 기준축광선(Lo)에 대해서 y방향으로 ±ω의 상점 및 기준축광선(Lo)에 대해서 x방향으로 +η의 상점에 있어서의 횡수차를 나타낸다.
제5도는 본 실시예의 화상관찰장치에 있어서 동공(S)으로부터 표시면(P)으로 광선추적한 때의 격자형상의 물체의 상의 왜곡을 도시한 것이다. 표시면(P)에 있어서의 상의 왜곡이 실패형상일 때, 광학계를 표시면(P)으로부터 동공(S)으로 광선추적하면, 상의 왜곡은 반대형상의 배럴형이 된다.
제6도는 본 발명에 의한 화상관찰장치의 제2실시예의 주요부분을 도시한 개략도이다.
본 실시예는 제1실시예보다도 전체계의 초점거리를 짧게하여 광각화를 도모하고 있다. 표 3은 제2실시예의 구성데이터를 표시한 것이다.
[표 3]
표 4는 본 실시예의 제2광학작용면(S2)의 국소적인 곡률반경(rL)을 해당 작용면의 6점에 대해서 표시한 것이다.
[표 4]
제7도(a)∼제7도(d)는 제2실시예의 수차도이다. 이 수차도는 기준축광선(Lo)상의 상점, 기준축광선(Lo)에 대해서 y방향으로 ±ω의 상점 및 기준축광선(Lo)에 대해서 x방향으로 +η의 상점에 있어서의 횡수차를 나타낸다.
또, 제8도는 본 실시예에 있어서 동공(S)으로부터 표시면(P)으로 광선추적한 때의 격자형상의 물체의 상의 왜곡을 도시한 것이다.
제9도는 본 발명의 제3실시예의 주요부분을 도시한 개략도이다. 본 실시예는 제1실시예 보다도 광학소자(B1)의 굴절률을 높게 하고 있다. 표 5는 제3실시예의 구성데이터를 표시한 것이다.
[표 5]
표 6은 본 실시예의 제2광학작용면(S2)의 국소적인 곡률반경(rL)을 해당 작용면의 6점에 대해서 표시한 것이다.
[표 6]
제10도(a)∼제10도(d)는 제3실시예의 수차도이다. 이 수차도는 기준축광선(Lo)상의 상점, 기준축광선(Lo)에 대해서 y방향으로 ±ω의 상점 및 기준축광선(Lo)에 대해서 x방향으로 +η의 상점에 있어서의 횡수차를 나타낸다.
또, 제11도는 본 실시예에 있어서 동공(S)으로부터 표시면(P)으로 광선추적한 때의 격자형상의 물체의 상의 왜곡을 도시한 것이다.
제12도는 본 발명의 화상관찰장치의 제4실시예의 주요부분을 도시한 개략도이다. 본 실시예는 zx평면내의 초점거리(fx)와 zy평면내의 초점거리(fy)를 다르도록 설정한 소위 일그러져보이는 상의 광학계이다. 표 7은 본 실시예의 구성데이터를 표시한 것이다.
[표 7]
표 8은 본 실시예의 제2광학작용면(S2)의 국소적인 곡률반경(rL)을 해당 작용면의 6점에 대해서 표시한 것이다.
[표 8]
제13도(a)∼제13도(d)는 제4실시예의 수차도이다. 이 수차도는 기준축광선(Lo)상의 상점, 기준축광선(Lo)에 대해서 방향으로 ±ω의 상점 및 기준축광선(Lo)에 대해서 x방향으로 +η의 상점에 있어서의 횡수차를 나타낸다.
또, 제14도는 본 실시예에 있어서 동공(S)으로부터 표시면(P)으로 광선추적한 때의 격자형상의 물체의 상의 왜곡을 도시한 것이다. zx평면내의 초점거리(fx)가 zy평면내의 초점거리(fy)보다도 짧으므로, 표시면(P)에 표시된 화상의 허상은 y방향보다도 x방향으로 1.32배 신장된다.
제15도는 본 발명에 의한 화상관찰장치의 제5실시예의 주요부분을 도시한 개략도이다.
본 실시예는 이제까지의 실시예와는 다른 구성으로, 광학계를 제1부재(C1)와 제2부재(C2)로 구성하는데, 상기 제1부재(C1)는 1개의 대칭면에 대해서만 대칭인 비구면의 제1반사면(제1광학작용면)(S1)을 지니고, 그면을 기준축광선(Lo)에 대해서 경사지게 설정하고 있다.
제2부재(C2)는 상기 대칭면에 대해서만 대칭인 비구면의 제2반사면(제2광학작용면)(S2)을 지니고, 그 면을 제1반사면(S1)에 의해 반사된 기준축광선(Lo)에 대해서 경사지게 설정하고 있다.
이하, 본 실시예의 작용에 대해서 설명한다. 화상표시장치의 표시면(P)에 표시된 화상으로부터 출사한 광속은 제2반사면(S2)에 의해 반사되어 제1반사면(S1)으로 향한 다음이면(S1)에 의해 반사 및 수속되어 화상의 확대허상을 형상함과 동시에 관찰자의 동공(S)으로 입사하므로 관찰자는 화상의 확대허상을 시인할 수 있다. 표 9는 본 실시예의 구성데이터를 표시한 것이다.
[표 9]
표 10은 본 실시예의 제2광학작용면(S2)의 국소적인 파워를 해당 작용면의 6점에 대해서 표시한 것이다.
[표 10]
제16(a)∼제16(d)는 제5실시예의 수차도이다. 이 수차도는 기준축광선(Lo)상의 상점, 기준축광선(Lo)에 대해서 y방향으로 ±ω의 상점 및 기준축광선(Lo)에 대해서 x방향으로 +η의 상점에 있어서의 횡수차를 나타낸다.
또, 제17도는 본 실시예에 있어서 동공(S)으로부터 표시면(P)으로 광선추적한 때의 격자형상의 물체의 상의 왜곡을 도시한 것이다.
이와같이해서, 본 실시예는 특히 간단한 구조로 구성되어 상의 왜곡, 상면만곡 및 비점수차를 양호하게 보정하여, 표시면에 대해서 텔레센트릭조건을 대략 만족하는 광학계를 얻고 있다.
이상의 각 실시예는 화상관찰장치의 광학계에 대해서 도시했지만, 제20도(a) 및 제20도(b)에 도시한 바와 같이, 동공(S)의 위치에 조리개(S')를 설치하고, 화상표시장치의 표시면(P)대신에 CCD등의 촬상수단의 기록면 또는 CCD등의 광전변환소자(R)를 설치하여 촬상장치를 구성할 수도 있다. 이 구성에 의해 각종 수차가 양호하게 보정되어 광화각에서 촬상면에 대해서 텔레센트릭조건을 만족하는 촬상장치를 달성할 수 있다.
본 실시예의 광학소자(B1)의 구성은 제1실시예와 동일하므로, 그 설명은 생략한다. 하지만, 제2실시예∼제5실시예에 도시한 광학소자 및 광학계를 사용할 수도 있다.
본 발명은 이상의 구성에 의거해서, 구조가 간단하고 양호한 광학성능을 입증하는 광학계를 달성할 수 있다.
특히, 유리 또는 플라스틱 등의 매질에 제1광학작용면, 제2광학작용면 및 제3광학작용면을 형성하면, 1개의 광학소자로 광학계를 구성할 수 있으므로 고성능의 광학계를 저가FH 제조하는 것이 가능하다.

Claims (49)

  1. 조리개와 초점면사이의 광로에, 1개의 대칭면에 대해서만 대칭인 제1면과; 상기 대칭면에 대해서만 대칭인 제2면을 구비한 광학계에 있어서, 상기 제1면은 상기 대칭면내에 존재하는 기준축광선에 대해서 경사진 오목한 반사면이고, 상기 기준축광선은 (i)조리개의 중심으로부터 출사하고 초점면의 중심에 수직으로 입사하는 광선 및 (ii)상기 초점면의 중심으로부터 수직으로 출사하고 조리개의 중심에 입사하는 광선중의 하나이며, 상기 제2면은, 이 제2면의 부분적인 영역의 파워가 그 각각의 위치에 대응해서 정에서 부로 변화하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광학계,
  2. 제1항에 있어서, 상기 대칭면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 대칭면이 상기 제2면을 절단하는 절단선을 따라서 정에서 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 광학계.
  3. 제2항에 있어서, 상기 대칭면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 절단선을 따라서 상기 제1면과 제2면사이에서 보다 짧은 광로길이로부터 보다 긴광로길이의 방향으로 정에서 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 광학계.
  4. 제2항에 있어서, 상기 대칭면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 제1면에 발생하는 비점수차를 보정하는 것을 특징으로 하는 광학계.
  5. 제2항에 있어서, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 절단선을 따라 정에서 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 광학계.
  6. 제5항에 있어서, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 절단선을 따라 상기 제1면과 제2면사이에서 보다 짧은 광로길이로부터 보다 긴 광로길이방향으로 정에서 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 광학계.
  7. 제5항에 있어서, 상기 대칭면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워와, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 제1면에 발생하는 비점수차를 보정하는 것을 특징으로 하는 광학계.
  8. 제2항에 있어서, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 절단선을 따라서 약한 부에서 강한 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 광학계.
  9. 제8항에 있어서, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 절단선을 따라서 상기 제1면과 제2면사이에서 보다 짧은 광로길이로부터 보다 긴 광로길이방향으로 약한 부에서 강한 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 광학계.
  10. 제8항에 있어서, 상기 대칭면 및 상기 대칭면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워와, 상기 대칭면에 수직인 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 제1면에 발생하는 비점수차를 보정하는 것을 특징으로 하는 광학계.
  11. 제1항에 있어서, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 대칭면이 상기 제2면을 절단하는 절단선을 따라서 정에서 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 광학계.
  12. 제11항에 있어서, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 절단선을 따라서 상기 제1면과 제2면사이에서 보다 짧은 광로길이로부터 보다 긴 광로길이방향으로 정에서 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 광학계.
  13. 제11항에 있어서, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 제1면에 발생하는 비점수차를 보정하는 것을 특징으로 하는 광학계.
  14. 화상을 표시하는 화상표시수단과; 1개의 대칭면에 대해서만 대칭인 제1면과 제2면을 지닌 광학계를 구비한 화상관찰장치에 있어서, 상기 제2면은 화상으로부터의 광을 상기 제1면으로 안내하고, 상기 제1면을 상기 대칭면내에 존재하는 기준축광선에 대해서 경사진 오목한 반사면이고, 상기 기준축광선은 상의 중심으로부터 수직으로 출사하고 조리개의 중심에 입사하는 광선이며, 상기 제2면은, 이 제2면의 부분적인 영역의 파워가 각각의 위치에 대응해서 정에서 부로 변화하도록 구성된 것을 특징으로 하는 화상관찰장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 대칭면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 대칭면이 상기 제2면을 절단하는 절단선을 따라서 정에서 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 화상관찰장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 대칭면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 절단선을 따라서 상기 제1면과 제2면사이에서 보다 짧은 광로길이로부터 보다 긴 광로길이의 방향으로 정에서 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 화상관찰장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 대칭면의광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 제1면에 발생하는 비점수차를 보정하는 것을 특징으로 하는 화상관찰장치.
  18. 제15항에 있어서, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 절단선을 따라 정에서 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 화상관찰장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 절단선을 따라 상기 제1면과 제2면사이에서 보다 짧은 광로길이로부터 보다 긴 광로길이방향으로 정에서 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 화상관찰장치.
  20. 제18항에 있어서, 상기 대칭면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워와, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 제1면에 발생하는 비점수차를 보정하는 것을 특징으로 하는 화상관찰장치.
  21. 제15항에 있어서, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 절단선을 따라 약한 부에서 강한 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 화상관찰장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 절단선을 따라서 상기 제1면과 제2면사이에서 보다 짧은 광로길이로부터 보다 긴 광로길이방향으로 약한 부에서 강한 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 화상관찰장치.
  23. 제21항에 있어서, 상기 대칭면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워와, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 제1면에 발생하는 비점수차를 보정하는 것을 특징으로 하는 화상관찰장치.
  24. 제14항에 있어서, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 대칭면이 상기 제2면을 절단하는 절단선을 따라서 정에서 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 화상관찰장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 절단선을 따라서 상기 제1면과 제2면사이에서 보다 짧은 광로길이로부터 보다 긴 광로길이방향으로 정에서 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 화상관찰장치.
  26. 제24항에 있어서, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 제1면에 발생하는 비점수차를 보정하는 것을 특징으로 하는 화상관찰장치.
  27. 제14항에 있어서, 상기 광학계는 제3면을 지니고, 상기 화상으로부터의 광은 상기 제3면으로 입사하여 상기 제2면으로 향한 다음, 상기 제2면에 의해 반사되어 상기 제1면으로 향하고, 상기 제1면에 의해 수속 및 반사되어 다시 상기 제2면으로 향한 후, 상기 제2면으로부터 출사하여 관찰자로 향하는 것을 특징으로 하는 화상관찰장치.
  28. 제27항에 있어서, 상기 광학계는 상기 제1, 제2 및 제3면을 지닌 프리즘인 것을 특징으로 하는 화상관찰장치.
  29. 물체로부터 광을 수광하는 촬상수단과; 1개의 대칭면에 대해서만 대칭인 제1면과 제2면을 지닌 광학계를 구비한 촬상장치에 있어서, 상기 제1면은 상기 물체로부터의 광을 상기 제2면으로 안내하고, 상기 제1면은 상기 대칭면내에 존재하는 기준축광선에 대해서 경사진 오목한 반사면이고, 상기 기준축광선은 조리개의 중심으로부터 출사하고 상면의 중심에 수직으로 입사하는 광선이며, 상기 제2면은, 해당 제2면의 부분적인 영역의 파워가 각각의 위치에 대응해서 정에서 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 촬상장치.
  30. 제29항에 있어서, 상기 대칭면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 대칭면이 상기 제2면을 절단하는 절단선을 따라서 정에서 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 촬상장치.
  31. 제30항에 있어서, 상기 대칭면의 광서넹 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 절단선을 따라서 상기 제1면과 제2면사이에서 보다 짧은 광로길이로부터 보다 긴 광로길이의 방향으로 정에서 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 촬상장치.
  32. 제30항에 있어서, 상기 대칭면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 제1면에 발생하는 비점수차를 보정하는 것을 특징으로 하는 촬상장치.
  33. 제30항에 있어서, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 절단선을 따라 정에서 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 촬상장치.
  34. 제33항에 있어서, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 절단선을 따라 상기 제1면과 제2면사이에서 보다 짧은 광로길이로부터 보다 긴 광로길이방향으로 정에서 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 촬상장치.
  35. 제33항에 있어서, 상기 대칭면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워와, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 제1면에 발생하는 비점수차를 보정하는 것을 특징으로 하는 촬상장치.
  36. 제30항에 있어서, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 절단선을 따라서 약한 부에서 강한 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 촬상장치.
  37. 제36항에 있어서, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 절단선을 따라서 상기 제1면과 제2면사이에서 보다 짧은 광로길이로부터 보다 긴 광로길이방향으로 약한 부에서 강한 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 촬상장치.
  38. 제36항에 있어서, 상기 대칭면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워와, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 제1면에 발생하는 비점수차를 보정하는 것을 특징으로 하는 촬상장치.
  39. 제29항에 있어서, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 대칭면이 상기 제2면을 절단하는 절단선을 따라서 정에서 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 촬상장치.
  40. 제39항에 있어서, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 절단선을 따라서 상기 제1면과 제2면사이에서 보다 짧은 광로길이로부터 보다 긴 광로길이방향으로 정에서 부로 변화하는 것을 특징으로 하는 촬상장치.
  41. 제39항에 있어서, 상기 기준축광선을 포함함과 동시에 상기 대칭면에 직교하는 평면 및 상기 평면에 평행한 평면의 광선에 대한 상기 제2면의 부분적인 영역의 파워는 상기 제1면에 발생하는 비점수차를 보정하는 것을 특징으로 하는 촬상장치.
  42. 제29항에 있어서, 상기 광학계는 제3면을 지니고, 상기 물체로부터의 광은 상기 제2면으로 입사하여 상기 제1면으로 향한 다음, 상기 제1면에 의해 다시 반사되어 상기 제2면으로 향하고, 상기 제2면에 의해 전반사되어 상기 제3면으로 향한 후, 상기 제3면으로부터 출사하여 촬상수단으로 향하는 것을 특징으로 하는 촬상장치.
  43. 제42항에 있어서, 상기 광학계는 상기 제1, 제2 및 제3면을 지닌 프리즘인 것을 특징으로 하는 촬상장치.
  44. 제29항에 있어서, 상기 광학계는 상기 제1면과 상기 제2면이 형성된 솔리드광학요소를 구비한 것을 특징으로 하는 촬상장치.
  45. 제1항에 있어서, 상기 제1면과 상기 제2면이 형성된 솔리드광학요소를 또 구비한 것을 특징으로 하는 광학계.
  46. 제14항에 있어서, 상기 조리개는 관찰자의 동공으로 이루어진 것을 특징으로 하는 화상관찰장치.
  47. 조리개와 초점면사이의 광로에, 1개의 대칭면에 대해서만 대칭인 제1면과; 상기 대칭면에 대해서만 대칭인 제2면을 구비한 광학계에 있어서, 상기 제1면은 상기 대칭면내에 존재하는 기준축광선을 대해서 경사진 오목한 반사면이고, 상기 기준축광선은 (i)조리개의 중심으로부터 출사하고 초점면의 중심에 수직으로 입사하는 광선 및 (ii)상기 초점면의 중심으로부터 수직으로 출사하고 조리개의 중심에 입사하는 광선중의 하나이며, 상기 제2면은, 국소적인 파워 ρL[식중, ρL= -2N/rL(N은 광이 진행하는 매질의 굴절률, rL은 상기 제2면의 위치에서의 국소적인 곡률반경)]이 그 각각의 위치에 대응해서 정에서 부로 변화하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광학계.
  48. 화상을 표시하는 화상표시수단과; 1개의 대칭면에 대해서만 대칭인 제1면과 제2면을 지닌 광학계를 구비한 화상관찰장치에 있어서, 상기 제2면은 화상으로부터의 광을 상기 제1면으로 안내하고, 상기 제1면은 상기 대칭면내에 존재하는 기준축광선에 대해서 경사진 오목한 반사면이고, 상기 기준축광선은 상의 중심으로부터 수직으로 출사하고 조리개의 중심에 입사하는 광선이며, 상기 제2면은, 국소적인 파워 ρL[식중, ρL= -2N/rL(N은 광이 진행하는 매질의 굴절률, rL은 상기 제2면의 위치에서의 국소적인 곡률반경)]이 그 각각의 위치에 대응해서 정에서 부로 변화하도록 구성된 것을 특징으로 하는 화상관찰장치.
  49. 물체로부터 광을 수광하는 촬상수단과; 1개의 대칭면에 대해서만 대칭인 제1면과 제2면을 지닌 광학계를 구비한 촬상장치에 있어서, 상기 제1면은 상기 물체로부터의 광을 상기 제2면으로 안내하고, 상기 제1면은 상기 대칭면내에 존재하는 기준축광선에 대해서 경사진 오목한 반사면이고, 상기 기준축광선은 조리개의 중심으로부터 출사하고 상면의 중심에 수직으로 입사하는 광선이며, 상기 제2면은, 국소적인 파워ρL[식중, ρL= -2N/rL(N은 광이 진행하는 매질의 굴절률, rL은 상기 제2면의 위치에서의 곡률의 국소적인 곡률반경)]이 그 각각의 위치에 대응해서 정에서 부로 변화하도록 구성된 것을 특징으로 하는 촬상장치.
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