KR20160042874A

KR20160042874A - 접안 렌즈계 및 화상 관찰 장치

Info

Publication number: KR20160042874A
Application number: KR1020167002036A
Authority: KR
Inventors: 겐이치 이시즈카; 가몬 우에무라
Original assignee: 리코 인더스트리얼 솔루션즈 가부시키가이샤; 소니 주식회사
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2014-08-05
Publication date: 2016-04-20
Also published as: WO2015019605A1; EP3032313A4; JP6185787B2; CN105452933B; EP3032313A1; JP2015034925A; US20160195707A1; CN105452933A; EP3032313B1

Abstract

허용 편심량이 큰 접안 렌즈계의 실현을 과제로 한다. 관찰 물체의 상을, 허상(虛像)으로서 확대 결상하는 접안 렌즈계로서, 수평 화각(horizontal angle of view)이 40도 이상이고, 광축(Ax)과 관찰자의 안구 사이의 편심량: S ㎜에 대한, 탄젠셜(tangential) 방향의 상면(像面) 만곡의 변화량: Δ ㎜가, 모든 상 높이에 있어서, 조건: (1) -0.25<Δ/S<0을 만족하는 편심량: S의 최대값이 3 ㎜ 이상인 것을 특징으로 한다.

Description

접안 렌즈계 및 화상 관찰 장치{OCULAR LENS SYSTEM, AND IMAGE OBSERVATION DEVICE}

본 발명은 접안 렌즈계 및 화상 관찰 장치에 관한 것이다.

관찰 물체의 상을, 허상(虛像)으로서 확대 결상하는 접안 렌즈계는 종래부터 확대경이나, 현미경 등의 여러 가지 광학 기기에 널리 이용되고 있다.

또한, 내시경의 「광파이버 다발에 의한 상 전송체」의 대물측 단부면에 결상시킨 관찰 대상 부위의 상을 상 전송체의 접안측 단부면에 전송하고, 전송된 상을 관찰 물체로서, 접안 렌즈계에 의해 허상으로서 확대하여 관찰하는 것도 행해지고 있다.

또한, 액정 표시 소자나 EL 표시 소자 등의 「소형의 화상 표시 소자」에 2차원적으로 표시된 화상을, 접안 렌즈계에 의해 허상으로서 확대하여 관찰하는 것도 행해지고 있다.

출원인은 앞서 소형의 화상 표시 소자에 2차원적으로 표시된 화상을, 허상으로서 확대하여 관찰하기에 적합한 접안 렌즈계를 제안하였다(특허문헌 1).

허상으로서 확대된 상을 이하에 있어서 「확대 허상」이라고도 말한다.

접안 렌즈계를 사용하는 경우에는, 확대 허상을, 관찰자가 관찰하기 쉬운 것이 중요하다.

소형의 화상 표시 소자에 2차원적으로 표시된 화상을, 허상으로서 확대하여 관찰하는 경우, 허상으로서 확대된 화상을 이하에 있어서 「확대 화상」이라고도 말한다.

확대 화상의 확대 배율은 일반적으로 매우 크다.

확대 화상이 「동화상」인 경우, 관찰자의 시선은 화상의 움직임을 쫓아, 확대 화상 위를 이동한다.

확대 화상의 화각(畵角; angle of view)을 크게 하여 결상 배율을 크게 하면, 확대 화상 위에서 이동하는 시선의 이동 범위도 커진다.

관찰자의 시선이 확대 화상 위를 이동하면, 관찰자의 안구는 「접안 렌즈계의 광축에 대해 편심」된다.

접안 렌즈계의 광축에 대한 안구의 편심의 크기를 「편심량」이라고 말한다.

즉, 관찰자의 안구의 눈동자의 중심이 접안 렌즈계의 광축 위에 있고, 시선이 광축에 합치하고 있는 경우를 「안구의 기준 위치」라고 한다.

관찰자가, 이 기준 위치로부터 안구를 움직여 「시선을 수평 방향의 좌우」로 돌린 상태에서, 눈동자의 중심과 접안 렌즈계의 광축 사이의 거리가 「편심량」이다.

편심량이 커지면, 관찰되는 확대 화상(이하 「관찰 화상」이라고도 말함)의 상질(像質)의 열화가 발생한다.

관찰 화상의 상질이 실용상 열화하지 않는 편심량의 범위를 「허용 편심량」이라고 한다.

허용 편심량이 좁으면, 관찰의 용이함이 손상된다.

따라서, 접안 렌즈계는 「허용 편심량이 큰」 것이 바람직하다.

특허문헌 1에는, 접안 렌즈계와 화상 표시 소자의 쌍을 「좌우의 눈에 대해 각각 이용하는 헤드 마운트형의 화상 관찰 장치」가 개시되어 있다.

이러한 타입의 헤드 마운트형의 화상 관찰 장치를, 이하 「HMD(헤드·마운트·디스플레이)」라고 약기한다.

이러한 HMD에 있어서는, 관찰자의 동공간 거리(눈 폭)와 「좌우의 접안 렌즈계의 간격」 사이의 어긋남이나, 「동공과 접안 렌즈계 사이의 상하 방향의 위치의 어긋남」도 편심을 발생시킨다.

이러한 편심에 의해서도 관찰 화상은 열화한다.

통상, HMD의 장착시에는, 관찰자의 눈 폭에 따라 「좌우의 접안 렌즈계의 간격」을 조정하여, 관찰자의 머리부에 대한 HMD의 장착 위치를 조정한다.

이때 「좌우의 접안 렌즈계의 간격의 조정」이나, 장착 위치의 조정이 불충분한 경우나, 장착 후에 조정 상태가 변화하여 상기와 같은 「어긋남」이 발생한 경우에도 관찰 화상의 열화가 발생한다.

이 때문에, 편심 허용량이 작으면, HMD의 장착시의 조정에 고정밀도가 요구되어, 장착시의 조정이 번거롭고, 장착 후의 「경시적인 어긋남」에 대한 조정도 번거롭다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2013-45020호 공보

본 발명은 허용 편심량이 큰 접안 렌즈계의 실현을 과제로 한다.

본 발명의 접안 렌즈계는, 관찰 물체의 상을, 허상(虛像)으로서 확대 결상하는 접안 렌즈계로서, 수평 화각(horizontal angle of view)이 40도 이상이고, 광축과 관찰자의 안구 사이의 편심량: S ㎜에 대한, 탄젠셜(tangential) 방향의 상면(像面) 만곡의 변화량: Δ ㎜가, 모든 상 높이에 있어서, 조건:

(1) -0.25<Δ/S<0

을 만족하는 편심량: S의 최대값이 3 ㎜ 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 허용 편심량이 ±3 ㎜ 이상으로 크며, 확대 화상을 관찰하기 쉬운 신규의 접안 렌즈계를 실현할 수 있다.

본 발명의 접안 렌즈계를 HMD형의 화상 관찰 장치에 이용함으로써, HMD에 대한 「장착시나 장착 후의 조정」이 대폭적으로 용이해져, HMD 장착시의 쾌적성·장착 후의 어긋남에 대한 내성이 향상된다.

도 1은 접안 렌즈계의 실시의 1형태를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 실시형태의 구체적인 실시예의 세로 수차(收差)를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 실시형태의 구체적인 실시예의 가로 수차를 도시한 도면이다.
도 4는 실시예 1에 있어서의, 편심량: S에 의한 탄젠셜 방향의 상면 만곡의 변화를 설명하는 도면이다.
도 5는 비교예에 있어서의, 편심량: S에 의한 탄젠셜 방향의 상면 만곡의 변화를 설명하는 도면이다.
도 6은 접안 렌즈계의 사용의 1양태로서의 접안 렌즈계를 이용한 헤드 마운트형의 화상 관찰 장치의 1형태를 도시한 도면이다.
도 7은 실시예 1에 있어서의, 편심량: S=1, 2, 3, 4 ㎜일 때의 상면 위치, 상면 만곡의 변화: Δ, 파라미터: Δ/S를 도시한 도면이다.
도 8은 비교예에 있어서의, 편심량: S=1, 2, 3, 4 ㎜일 때의 상면 위치, 상면 만곡의 변화: Δ, 파라미터: Δ/S를 도시한 도면이다.

이하, 실시형태를 설명한다.

도 1은 접안 렌즈계의 실시의 1형태를 도시한 도면이다.

도 1에 도시한 접안 렌즈계는, 액정 표시 소자나 유기 EL 표시 소자 등의 「화상 표시 소자」에 표시되는 2차원 화상을 관찰 물체로서 관찰하는 데 이용하는 것을 상정하고 있다.

즉, 상기 2차원 화상을 허상으로서 확대 결상시킨 「확대 화상」을 관찰한다.

도 1에 있어서, 도면의 좌측을 「화상 표시 소자측」, 즉 「물체측」이라고 하고, 우측을 「안구측」, 즉 「관찰측」이라고 한다.

도 1에 있어서, 부호 IS는 「화상 표시 소자의 화상 표시면」을 나타낸다. 화상은 화상 표시면(IS)에 2차원 화상으로서 표시된다. 부호 CG는 「화상 표시 소자의 커버 글라스」를 나타낸다.

부호 G1에 의해 「제1 군」, 부호 G2에 의해 「제2 군」을 나타낸다. 또한, 부호 E는 안구에 있어서의 「눈동자」를 나타낸다. 또한, 부호 Im은 「결상면」을 나타낸다.

접안 렌즈계를 구성하는 렌즈에는, 화상 표시면(IS)측으로부터 관찰측을 향해 「일련 번호」를 붙여, 렌즈 L1∼L6이라 한다.

도 1에 실시형태를 도시한 접안 렌즈계는, 도시하는 바와 같이, 6장의 렌즈(L1∼L6)로 구성되어 있다.

화상 표시면(IS)측의 2장의 렌즈(L2, L3)는, 부(負)의 굴절력의 제1 군(G1)을 구성한다.

렌즈(L2)는 「화상 표시면(IS)측의 곡률이 큰 양 오목 렌즈」, 렌즈(L3)는 「양 볼록 렌즈」이고, 이들 렌즈(L2, L3)는 접합되어 「접합 렌즈」로 되어 있다.

렌즈(L4∼L6)는, 정(正)의 굴절력의 제2 군(G2)을 구성한다.

렌즈(L4∼L6)는 모두 정 렌즈(positive lens)이다.

즉, 렌즈(L4)는 「볼록면을 관찰측으로 향하게 한 정 메니스커스 렌즈(positive meniscus lens)」이고, 렌즈(L5)는 「양 볼록 렌즈」이다.

렌즈(L6)는 「볼록면을 관찰측으로 향하게 한 정 메니스커스 렌즈」이다.

한편, 도 1에 있어서 렌즈(L6)는, 외관상 「양 볼록 렌즈」와 같은 형상이지만, 근축(近軸) 형상은 「볼록면을 관찰측으로 향하게 한 정 메니스커스 렌즈」이다.

제1 군(G1)의 화상 표시면(IS)측에 부가적으로 배치된 렌즈(L1)는 「오목면을 물체측으로 향하게 하고, 양면이 비구면인 정 메니스커스 렌즈」이고 「상면 만곡 보정용 렌즈」이다.

상면 만곡 보정용 렌즈(L1)는, 제1 군(G1)과 제2 군(G2)에 의한 상면 만곡을 경감하여, 결상면을 평탄화하는 소위 「필드 플래트너 렌즈(Field flattener lens)」이다.

따라서, 상면 만곡 보정용 렌즈(L1) 자체의 파워는 약하다.

도 1에 도시한 바와 같이, 화상 표시면(IS)에 표시된 2차원 화상은, 접안 렌즈계에 의해 상면(Im)의 위치에 결상한다.

즉, 화상 표시면(IS)에 표시된 2차원 화상은, 관찰자의 안구가 없다고 한다면, 접안 렌즈계에 의해 상면(Im)의 위치에 결상한다.

관찰자가 2차원 화상을 관찰할 때에는, 접안 렌즈계에 의한 결상 광선은, 결상하기 이전의 상태로 관찰자의 눈동자(E)에 입사되고, 수정체의 렌즈에 의해 굴절된다.

즉, 도면과 같이, 관찰자의 안구의 눈동자(E)는, 상면(Im)보다 물체측에 있으며, 따라서, 관찰자가 관찰하는 확대 화상은 「확대된 허상」이다.

환언하면, 허상으로서 결상하는 확대 화상과 관찰자의 안구의 망막 위의 상이, 접안 렌즈계와 수정체의 렌즈에 의해 결상 관계로 맺어지게 된다.

후술하는 상면 만곡은 「상면(Im)의 만곡」이다.

본 발명의 접안 렌즈계는, 전술한 바와 같이, 수평 화각이 40도 이상이다.

접안 렌즈계의 광축(도 1에 부호 AX로 나타냄)과 관찰자의 안구 사이의 편심량: S ㎜에 대한 「탄젠셜 방향의 상면 만곡」의 변화량을 Δ ㎜라고 한다.

이때, 모든 상 높이에 있어서 「Δ/S」가, 조건:

(1) -0.25<Δ/S<0

을 만족하는 편심량: S의 최대값이 3 ㎜ 이상이다.

확대 화상을 관찰하는 경우, 관찰자가 「확대 화상 위의 보고 싶은 화상 위치」로 시선을 돌렸을 때, 이 화상 위치에서 핀트가 맞지 않으면, 관찰 화상이 열화되어, 양호한 화상을 볼 수 없다.

관찰자가, 확대 화상의 주변부로 시선을 돌릴 때, 편심량: S는 커진다.

발명자는, 편심량과 「관찰 화상의 열화」에 대해 연구를 거듭하였다.

그 결과, 관찰 화상의 열화가 「편심량에 의해 접안 렌즈계의 상면 만곡이 마이너스측으로 변화하는」 것에 기인한다고 하는 지견을 얻었다.

조건 (1)에서의 파라미터: Δ/S는 상기 「상면 만곡의 변화량」을 편심량: S에 의해 규격화한 것이다.

「편심량: S에 의한 상면 만곡의 변화」에서, 문제가 되는 것은 「탄젠셜 방향의 상면 만곡」이다.

「사지탈(sagital) 방향의 상면 만곡」은, 일반적으로, 탄젠셜 방향의 상면 만곡보다 작고, 편심량: S의 증대에 따르는 변화량도 작기 때문에, 실제상 도외시할 수 있다.

탄젠셜 방향의 상면 만곡의 「정(+) 영역」에서는, 관찰 화상이 「관찰자가 핀트를 맞춘 상태로 관찰할 수 있는 허상」이며, 양호한 관찰 화상을 관찰할 수 있다.

탄젠셜 방향의 상면 만곡이 마이너스 방향으로 변화하여 「부(-) 영역」이 되면, 이 영역은 실상(實像) 영역이 되어, 관찰자는 핀트를 맞출 수 없다.

이것이 관찰 화상 열화의 원인이다.

「탄젠셜 방향의 상면 만곡의 마이너스 방향으로의 변화」를, 이하에 있어서 「탄젠셜 방향의 상면 만곡의 감소」라고도 말한다.

조건 (1)은, 편심량: S에 대한 「탄젠셜 방향의 상면 만곡의 변화: Δ」의 비: Δ/S의 범위를 나타내고 있다.

조건 (1)의 상한은 「0」이다. 상한인 「0」을 초과해도, 확대상은 허상 영역에 있으며, 따라서, 관찰자가 눈의 핀트를 맞추는 것은 가능하다.

그러나, 상면 만곡이 「+측으로 증대」하면, 관찰 화상의 상면이 변화하고, 화상에 일그러짐이 발생하여 관찰하기 어려워진다. 따라서, 조건 (1)의 상한은 「0」이 좋다.

「확대 허상을 관측하기 쉬운 수평 화각」은 40도 이상이고, 예컨대, 수평 화각: 40도∼45도의 범위가 좋다.

일반적으로, 수평 화각이 커짐에 따라, 조건 (1)의 파라미터: Δ/S는 마이너스측으로 변화하여 감소한다.

수평 화각: 40도 이상의 접안 렌즈계에서, 조건 (1)의 하한값인 「-0.25」를 초과하면 「편심량: S의 단위 변화당의 상면 만곡의 감소량」이 과대해져, 확대 화상의 화상 영역에 실상 영역이 나타난다.

이 때문에, 핀트가 맞은 상태로 관찰 화상을 관찰할 수 있는 「허용 편심량」이 작아져, 관찰의 용이함이 손상된다.

본 발명에서는, 조건 (1)을 만족하는 편심량: S의 최대값이 3 ㎜ 이상이다.

즉, 편심 허용량이 ±3 ㎜ 이상이기 때문에, 편심량: S가 3 ㎜ 이상이어도 관찰의 용이함이 손상되지 않는다.

「S ㎜의 편심에 대해, 탄젠셜 방향의 상면이 허상 영역에 남아 있는지」의 여부는, 허상을 관측하는 접안 렌즈계에 있어서의 물체 위치에도 의한다.

본 발명의 접안 렌즈계는, 이러한 「물체 위치에 의한 조건」도 포함하여, 수평 화각: 40도 이상의 조건이고, 편심량: S ㎜와 탄젠셜 방향의 상면 만곡의 변화량: Δ ㎜가, 편심량이 3 ㎜ 이상이 되는 경우에도, 모든 상 높이에 있어서 조건 (1)을 만족한다.

접안 렌즈계는 물론 광학 성능도 양호한 것이 바람직하다.

광학 성능을 양호하게 하고, 또한, 경량·컴팩트성도 감안하면, 도 1에 도시한 바와 같은 렌즈 구성이며, 이하의 조건 (2), (3)을 만족하는 것이 바람직하다.

(2) -5<F1/F<-1

(3) 0.5<F2/F<3

조건 (2), (3)에 있어서, 「F」는 전계(全系)의 초점 거리(>0), 「F1」은 제1 군의 초점 거리(<0), 「F2」는 제2 군의 초점 거리(>0)이다.

또한, 접안 렌즈계는, 물체측이 텔레센트릭이며, 아이 릴리프(eye relief)가 20 ㎜ 이상 확보되어 있는 것이 바람직하다.

「아이 릴리프」는, 관찰자의 안구[도 1의 눈동자(E)]와, 안구에 가장 가까운 렌즈면[렌즈(L6)의 관찰측면] 사이의 거리이다.

도 1의 실시형태에 도시한 바와 같이, 「부의 굴절력을 갖는 제1 군(G1)」은, 관찰 물체로부터의 광을 「안구측을 향해 발산」시키는 작용을 갖는다.

이러한 발산 작용을 제1 군(G1)에 갖게 함으로써, 「작은 관찰 물체」를 관찰하는 경우에도 화각을 넓힐 수 있다.

따라서, 관찰 물체를 「넓은 화각의 확대 허상」으로서 결상시킬 수 있어, 확대 허상을 관찰하기 쉬워진다.

조건 (2)의 파라미터: F1/F(<0)의 절대값이 작을수록, 제1 군(G1)의 부의 굴절력은 강하여, 물체광을 안구측을 향해 발산시키는 효과는 크다.

그러나, 조건 (2)의 상한값(=-1)을 초과하면, 상기 발산 효과가 과잉이 된다.

이 때문에, 관찰 물체로부터의 광속(光束)을 안구를 향해 집광하는 제2 군(G2)의 「렌즈 직경」을 크게 할 필요가 발생한다.

그 결과, 접안 렌즈계가 「전체로서 대형화」하기 쉽고, 비용도 비싸지기 쉽다.

또한, 「물체측의 텔레센트릭성」을 확보하는 것이 곤란해진다.

조건 (2)의 하한값(=-5)을 초과하면, 제1 군(G1)에 있어서의 상기 발산 효과가 불충분해진다.

이 때문에, 관찰하기 쉬운 범위로서, 예컨대, 수평 화각: 40도∼45도의 범위를 실현하고자 하면, 제2 군(G2)에 큰 정(正)의 굴절력이 필요해진다.

이 때문에, 제2 군(G2)의 정의 굴절력의 증대에 따라, 여러 가지 수차가 발생하기 쉽고, 그 보정이 곤란해지기 쉽다.

제2 군(G2)은 「정의 굴절력」을 갖기 때문에, 제1 군(G1)에 의해 발산 경향이 부여된 광속을, 안구를 향해 수속시킨다.

수차 보정의 관점에서, 제2 군(G2)을 「1장의 정 렌즈」로 구성하는 것은 곤란하고, 제2 군에 「2장∼3장의 정 렌즈」를 이용하여, 이들에 수차 보정 기능을 분산하는 것이 좋다.

조건 (3)의 파라미터: F2/F(>0)가 작을수록, 제2 군(G2)이 갖는 「정의 굴절력」은 커진다.

조건 (3)의 하한을 초과하면, 정의 굴절력이 과잉이 되어 큰 수차가 발생하기 쉽고, 수차 보정이 곤란해지기 쉽다.

조건 (3)의 상한을 초과하면, 제2 군(G2)이 갖는 「정의 굴절력」이 부족 기미가 되어, 접안 렌즈계와 눈동자(E)와의 간격(상기 「아이 릴리프」)이 작아지기 쉽다.

아이 릴리프가 작은 경우, 수평 화각이 커지면, 눈동자의 좌우 방향으로의 「요동각」이 커져, 확대 화상을 관찰하기 어려워진다.

이 때문에, 수평 화각: 40도∼45도를 실현하는 것이 곤란해진다.

물체측이 텔레센트릭인 것은, 실시형태에 나타낸 「화상 표시 소자에 2차원적으로 표시된 화상을 관찰 물체」로 하는 경우에 바람직하다.

액정 표시 소자나 유기 EL 표시 소자 등의 「화상 표시 소자」로부터의 광은 지향성을 갖는다.

따라서, 접안 렌즈계의 물체측을 텔레센트릭으로 함으로써 화상 표시 소자로부터의 광을, 균일하게 또한 충분히 받아들일 수 있다.

따라서 「화각에 따라 관찰 화상의 밝기나 색이 상이한 문제」를 유효하게 회피할 수 있다.

또한, 접안 렌즈계를, 후술하는 「헤드 마운트형의 화상 관찰 장치」에 이용하는 경우, 아이 릴리프가 작으면, 관찰자의 안구와 접안 렌즈계가 근접한다.

따라서, 아이 릴리프가 지나치게 작으면, 관찰자에게 압박감을 주어, 관찰자가 피로해지기 쉬워져, 예컨대 「장시간의 관찰」이 곤란해지기 쉽다.

쾌적한 화상 관찰을 실현할 수 있기 위해서는, 아이 릴리프는 20 ㎜ 이상 확보되어 있는 것이 바람직하다.

도 6에, 접안 렌즈계의 사용의 1양태로서 「접안 렌즈계를 이용한 헤드 마운트형의 화상 관찰 장치」의 1형태를 도시한다.

도 6에 있어서, 부호 10은 화상 관찰 장치, 부호 20은 「관찰자의 머리부」를 나타내고 있다.

화상 관찰 장치(10)는, 그 주요부인 한 쌍의 접안 렌즈계(11L, 11R)와 화상 표시 소자(12L, 12R)가 케이싱(13) 내에 소정의 위치 관계로 수납되어 있다.

그리고, 케이싱(13)이 관찰자의 머리부(20)에, 밴드나 프레임 등의 적절한 장착 수단(도시되지 않음)에 의해 장착되도록 되어 있다.

접안 렌즈계(11L), 화상 표시 소자(12L)는 「좌안용」이고, 접안 렌즈(11R), 화상 표시 소자(12R)는 「우안용」이다.

접안 렌즈계(11L, 11R)로서는 청구항 1∼4 중 어느 하나에 기재된 것, 구체적으로는 후술하는 실시예 1에 기재된 것이 이용된다.

화상 표시 소자(12L, 12R)로서는, 액정 표시 소자나 EL 표시 소자 등이 이용된다.

화상 표시 소자(12L, 12R)에 2차원 화상으로서 표시되는 화상이, 접안 렌즈계(11L, 11R)에 대한 「관찰 물체」가 된다.

화상 표시 소자(12L)에 표시되는 「좌안용의 2차원 화상」과, 화상 표시 소자(12R)에 표시되는 「우안용의 2차원 화상」을 소정의 주기로 전환함으로써 3차원 화상을 관찰할 수 있다.

실시예

이하, 도 1에 실시형태를 도시한 접안 렌즈계의 구체적인 실시예를 든다.

이하에 드는 실시예 1에 있어서, 「면 번호」는, 물체측으로부터 센 렌즈면의 번호이고, 「R」은 각 렌즈면의 곡률 반경을 나타내며, 「D」는 「인접 렌즈면의 렌즈면 사이 거리」를 나타낸다.

「N」은 렌즈 재질의 d선의 굴절률, 「v」는 아베수를 나타낸다.

「비구면」은, 이하의 주지의 식으로 표시된다.

X=(H²/R)/[1+{1-k(H/r)²}^1/2]

+A·H⁴+B·H⁶+C·H⁸+D·H¹⁰+E·H¹²+…

이 식에 있어서, 「X」는 면의 정점을 기준으로 했을 때의 광축으로부터의 높이: H의 위치에서의 광축 방향의 변위이다.

또한, 「k」는 원추(圓錐) 계수, A∼E…는 고차의 비구면 계수, 「R」은 근축 곡률 반경이다. 한편, 길이의 차원을 갖는 양의 단위는 「㎜」이다.

「실시예 1」

실시예 1의 렌즈 데이터를 표 1에, 비구면 데이터를 표 2에 나타낸다.

표 2에 나타낸 데이터에 있어서, 예컨대 「-3.7E-06」은 「-3.7×10^- ⁶」을 의미한다.

실시예 1의 접안 렌즈계에 있어서,

전계의 초점 거리: F=18.9 ㎜

제1 군(G1)의 초점 거리: F1=-63.2 ㎜

제2 군(G2)의 초점 거리: F2=27.4 ㎜

이다.

따라서, 조건 (2)의 파라미터: F1/F=-3.3, 조건 (3)의 파라미터: F2/F=1.4이다.

눈동자(E)의 직경(눈동자 직경): 4 ㎜, 아이 릴리프: 25 ㎜, 관찰 화상의 관찰 거리: 20 m, 수평 화각: 45도이다.

도 2, 도 3에, 실시예 1의 접안 렌즈계에 관한 수차도를 도시한다.

도 2는 세로 수차, 도 3은 가로 수차를 도시한다.

이들 수차도로부터 명백한 바와 같이, 실시예 1의 접안 렌즈계는, 여러 수차가 양호하게 보정되어, 성능이 양호하다.

실시예 1의 접안 렌즈계는, 도 6의 화상 관찰 장치에 접안 렌즈계(11L, 11R)로서 이용할 수 있다.

이 경우, 이들 접안 렌즈계(11L, 11R)의 광축이 이루는 「폭주각(輻輳角)」은, 관찰 거리: 20 m의 위치에서, 좌안용과 우안용의 관찰 화상이 중첩되도록 설정된다.

실시예 1의 접안 렌즈계는, 눈동자 직경을 4 ㎜(통상의 눈동자 직경의 평균값)로 동일하게 취하고, 축 위의 해상도보다, 눈동자의 시프트·틸트에 의한 관찰 화상의 열화의 저감을 중시하고 있다.

도 4는 실시예 1에 있어서의, 편심량: S에 의한 탄젠셜 방향의 상면 만곡의 변화를 설명하는 도면이다.

도 4에 있어서, 횡축은 상 높이이며, 최대 상 높이를 1로 규격화하고 있다.

종축은 「디포커스」, 즉, 상면 만곡량을 「㎜ 단위」로 나타내고 있다.

곡선 4-1은, 도 2의 세로 수차도의 「상면 만곡·비점수차(非點收差)의 도면」에 있어서, 파선으로 나타낸 탄젠셜 방향의 상면 만곡 중에서 「538 ㎚의 파장의 광에 대한 상면 만곡(3개의 상면 만곡 중 한가운데의 곡선)」을 나타낸다.

곡선 4-1은, 538 ㎚의 광에 대한 「탄젠셜 방향의 상면 만곡」을, 종축에 대해 대칭적으로 나타내고 있다. 이때, 편심량: S=0이다.

곡선 4-2, 4-3, 4-4, 4-5는 각각, 조건 (1)의 파라미터: Δ/S에 있어서의 편심량: S가 +방향으로, 1 ㎜, 2 ㎜, 3 ㎜, 4 ㎜ 어긋난 경우의 탄젠셜 방향의 상면 만곡을 나타낸다.

편심량: S의 증가에 따라, 곡선 4-2∼4-5로 나타낸 「탄젠셜 방향의 상면 만곡」이 순차, 종축의 「마이너스측(실상 영역측)」으로 감소하는 것을 알 수 있다.

S=0인 경우의 곡선 4-1, S=1 ㎜일 때의 곡선 4-2에서는, 거의 모든 상 높이에서 상면 만곡은 「+」이고 확대 화상은 허상 영역에 있어, 양호하게 핀트를 맞춰 관찰할 수 있다.

S=2 ㎜일 때의 곡선 4-3에서도, +측의 상 높이 영역의 0.15 이상의 상 높이에서 확대 화상은 허상 영역에 있어, 양호하게 핀트를 맞춰 관찰할 수 있다.

S=3 ㎜일 때의 곡선 4-4에서도, +측의 상 높이 영역의 0.4∼0.6의 상 높이에서 확대 화상은 허상 영역에 있어, 양호하게 핀트를 맞춰 관찰할 수 있다.

S=4 ㎜일 때의 곡선 4-5에서는, +측의 상 높이의 대부분의 영역에서 확대 화상은 「정(正)의 실상 영역」에 있어, 양호한 핀트 맞춤은 불가능하다.

즉, 실시예 1의 접안 렌즈계는 「±3 ㎜의 허용 편심량」을 갖는다.

한편, 편심량: S가 +측일 때, 관찰자의 시선은 「확대 화상의 우측」으로 향하기 때문에, -측의 상 높이의 상면 만곡은 문제가 되지 않는다.

편심량: S가 -측일 때에는, 도 4의 각 곡선 4-1∼4-5를, 종축을 축으로 하여 반전한 곡선이 된다.

이하, 비교예를 든다.

「비교예」

비교예의 접안 렌즈계는, 특허문헌 1에 「실시예 3」으로서 기재된 것이며, 구성 렌즈 매수가 5장인 점에서, 도 1의 실시형태의 것과 렌즈 구성이 상이하다.

비교예의 렌즈 데이터를 표 3에, 비구면 데이터를 표 4에 나타낸다.

비교예의 접안 렌즈계에 있어서,

전계의 초점 거리: F=18.9 ㎜

제1 군(G1)의 초점 거리: F1=-55.0 ㎜

제2 군의 초점 거리: F2=26.9 ㎜

이다.

따라서, 조건 (2)의 파라미터: F1/F=-2.9, 조건 (3)의 파라미터: F2/F=1.4이다.

눈동자(E)의 직경: 4 ㎜, 아이 릴리프: 25 ㎜, 허상의 관찰 거리: 20 m, 수평 화각: 45도이다.

비교예의 접안 렌즈계도, 눈동자 직경을 「통상의 눈동자 직경의 평균값」인 4 ㎜로 동일하게 취하고, 축 위의 해상도보다, 눈동자의 시프트·틸트에 의한 관찰 화상의 열화의 저감을 중시하고 있다.

또한, 비교예의 접안 렌즈계의 수차 곡선은, 특허문헌 1의 도 7에 도시된 바와 같으며, 성능이 양호하다.

도 5는 비교예에 있어서의, 편심량: S에 의한 탄젠셜 방향의 상면 만곡의 변화를 설명하는 도면이며, 도 4를 본따 그리고 있다.

곡선 5-1은, 파장: 538 ㎚의 광에 대한 탄젠셜 방향의 상면 만곡을, 종축에 대해 대칭적으로 나타내고 있다.

곡선 5-2, 5-3, 5-4, 5-5는, 파라미터인 편심량: S가 +방향으로, 1 ㎜, 2 ㎜, 3 ㎜, 4 ㎜ 어긋난 경우의 탄젠셜 방향의 상면 만곡을 나타낸다.

편심량: S의 증가에 따라, 곡선 5-2∼5-5로 나타낸 탄젠셜 방향의 상면 만곡이, 순차 종축의 「마이너스측(실상 영역측)」으로 감소하는 것을 알 수 있다.

S=0인 경우의 곡선 5-1, S=1 ㎜일 때의 곡선 5-2에서는, 거의 모든 상 높이에서 상면 만곡은 「+」이고 확대 화상은 허상 영역에 있어, 양호하게 핀트를 맞춰 관찰할 수 있다.

S=2 ㎜일 때의 곡선 5-3에서도, +측의 상 높이 영역의 0.3 이상의 상 높이에서 확대 화상은 허상 영역에 있어, 양호하게 핀트를 맞춰 관찰할 수 있다.

S=3 ㎜일 때의 곡선 5-4, S=4 ㎜일 때의 곡선 5-5에서는, +측의 상 높이의 대부분의 영역에서 확대 화상은 「정의 실상 영역」에 있어, 양호한 핀트 맞춤은 불가능하다.

따라서, 비교예의 접안 렌즈계의 「허용 편심량」은 ±2 ㎜이다.

즉, 실시예 1과 비교예의 접안 렌즈계는 모두 성능이 양호하며, 물체측이 텔레센트릭이고, 20 ㎜ 이상의 아이 릴리프가 확보되어 있다.

그러나, 실시예 1의 접안 렌즈계는, 비교예의 접안 렌즈보다 허용 편심량을 ±1 ㎜ 확대하고 있어, 실시예 1의 접안 렌즈계는, 확대 화상을 「보다 관찰」하기 쉽다.

실시예 1 및 비교예의 각 접안 렌즈계에 있어서의, 편심량: S=1, 2, 3, 4 ㎜일 때의 상면 위치, 상면 만곡의 변화: Δ, 파라미터: Δ/S를 도 7 및 도 8에 도시한다.

도 7은 실시예 1에 관한 것, 도 8은 비교예에 관한 것이다. 최대 상 높이가 1로 규격화된 각 상 높이는, 0.0으로부터 1.0이며, 0.1마다 나타내고 있다.

실시예 1에서는, 파라미터: Δ/S가, 편심량: S=0∼3까지, 모든 상 높이에서, 조건 (1)의 범위이다.

이에 비해, 비교예에서는, 파라미터: Δ/S가, 모든 상 높이에서, 조건 (1)의 범위에 있는 것은, 편심량: S=0∼2까지이다.

IS: 화상 표시면 CG: 화상 표시 소자의 커버 글라스
L1: 상면 만곡 보정용 렌즈 G1: 제1 군
G2: 제2 군 E: 눈동자
Im: 결상면 AX: 광축

Claims

관찰 물체의 상을, 허상(虛像)으로서 확대 결상하는 접안 렌즈계로서,
수평 화각(horizontal angle of view)이 40도 이상이고,
설계상의 아이 릴리프(eye relief)의 위치에서, 광축에 직교하는 방향에 있어서의 상기 광축으로부터의 편심량: S ㎜에 대한, 탄젠셜(tangential) 방향의 상면(像面) 만곡의 변화량: Δ ㎜가, 모든 상 높이에 있어서, 조건:
(1) -0.25<Δ/S<0
을 만족하는 편심량: S의 최대값이 3 ㎜ 이상인 것을 특징으로 하는 접안 렌즈계.
제1항에 있어서, 물체측으로부터 관찰측을 향해 순차, 부(負)의 굴절력의 제1 군, 정(正)의 굴절력의 제2 군을 배치하여 이루어지고,
제1 군은, 양 오목 렌즈와 양 볼록 렌즈의 접합 렌즈를 배치하여 이루어지며,
제2 군은, 2장 혹은 3장의 정 렌즈(positive lens)로 구성되고,
물체측이 텔레센트릭이며,
전계(全系)의 초점 거리: F(>0), 제1 군의 초점 거리: F1(<0), 제2 군의 초점 거리: F2(>0)가, 조건:
(2) -5 <F1/F<-1
(3) 0.5<F2/F<3
을 만족하는 것을 특징으로 하는 접안 렌즈계.
제2항에 있어서, 제1 군의 물체측에, 오목면을 화상 표시 소자측으로 향하게 하고, 양면이 비구면인 정 메니스커스 렌즈(positive meniscus lens)인 상면 만곡 보정용 렌즈가 더 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 접안 렌즈계.
제2항 또는 제3항에 있어서, 관찰자의 안구와, 상기 안구에 가장 가까운 렌즈면 사이의 거리인 아이 릴리프가 20 ㎜ 이상 확보되어 있는 것을 특징으로 하는 접안 렌즈계.
화상 표시 소자에 2차원적으로 표시된 화상을 관찰 물체로 하고, 그 허상을 확대하여 관찰하는 화상 관찰 장치로서,
상기 화상의 허상을 형성하는 광학계로서 제1항 내지 제4항의 임의의 하나에 기재된 접안 렌즈계를 이용하는 것을 특징으로 하는 화상 관찰 장치.
제5항에 있어서, 2차원의 화상을 표시하는 화상 표시 소자를 한 쌍과, 제1항 내지 제4항의 임의의 하나에 기재된 접안 렌즈계를 한 쌍 이용하는 헤드 마운트형의 화상 관찰 장치.