JP7389987B2

JP7389987B2 - ガリレオ式広角中心窩望遠鏡

Info

Publication number: JP7389987B2
Application number: JP2019152285A
Authority: JP
Inventors: 創太清水
Original assignee: Shibaura Institute of Technology
Current assignee: Shibaura Institute of Technology
Priority date: 2019-08-22
Filing date: 2019-08-22
Publication date: 2023-12-01
Anticipated expiration: 2039-08-22
Also published as: JP2021033024A

Description

本発明は、ガリレオ式広角中心窩望遠鏡に関するものである。

遠くの物を拡大して見るための双眼鏡や単眼鏡等の望遠鏡として、対物レンズと接眼レンズに凸レンズを用いたケプラー式のレンズ構成と、対物レンズに凸レンズを接眼レンズに凹レンズを用いたガリレオ式のレンズ構成とが知られている。ガリレオ式のレンズ構成は、正立像となるが、ケプラー式のレンズ構成では、倒立像となる。このため、双眼鏡や単眼鏡をケプラー式のレンズ構成とする場合には、対物レンズと接眼レンズとの間にリレーレンズやプリズム等の像を反転するためのレンズ系を設けている。

一方、人の眼をモデルにして、視野が広く、しかも中心部では高い解像度が得られる広角中心窩光学系と称される撮像レンズ（結像系）が特許文献１により知られている。このような広角中心窩光学系では、視野の中央部の光学倍率を周辺よりも高くすることにより、中央部から注目する物体に関する多くの画像情報を得、周辺部から広範囲な情報が得られるようにしている。

特開２００５－１０５２１号公報

ところで、広角中心窩光学系を望遠鏡（アフォーカル系）で実現する場合では、ケプラー式のものが有利である。これは、倍率の上昇にともなう視野の広さの低下の程度がケプラー式に比べてガリレオ式のレンズ構成によるものが顕著であるからである。しかしながら、ケプラー式の望遠鏡では、正立像とするために、上記のようにリレーレンズやプリズム等のレンズ系が必要になるため、望遠鏡の全長、重量が大きくなってしまい、使用者にとって取り扱いや持ち運びといった利便性を損ねるという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、広角中心窩光学系であって全長を短くするうえで有利なガリレオ式広角中心窩望遠鏡を提供することを目的とする。

本発明のガリレオ式広角中心窩望遠鏡は、アフォーカル系の光学系であり、物体側から順に、１枚以上のレンズで構成され、中央部が正の屈折力を有し、周辺部が負の屈折力を有する前群と、１枚以上のレンズで構成され、中央部が負の屈折力を有し、周辺部が正の屈折力を有する後群とからなるものである。

本発明のガリレオ式広角中心窩望遠鏡によれば、中央部が正の屈折力を有し周辺部が負の屈折力を有する前群と、中央部が負の屈折力を有し周辺部が正の屈折力を有する後群とからなるレンズ構成としたので、視野が広くかつ中心部では高い倍率が得られる広角中心窩光学系の望遠鏡の全長を短くすることができる。

数値実施例１の望遠鏡のレンズ構成を示す断面図である。数値実施例２の望遠鏡のレンズ構成を示す断面図である。望遠鏡と瞳への各入射角を説明する説明図である。望遠鏡の観察像のシミュレーション画像を示す画像である。従来の望遠鏡による観察範囲及び像の大きさを示す画像である。数値実施例１の望遠鏡についての入射角θ_１と瞳への入射角θ_２との関係を示すグラフである。数値実施例１の望遠鏡の収差を示す収差図である。数値実施例２の望遠鏡についての入射角θ_１と瞳への入射角θ_２との関係を示すグラフである。数値実施例２の望遠鏡の収差を示す収差図である。

本発明の実施形態に係るガリレオ式広角中心窩望遠鏡のレンズ構成例を図１及び図２に示す。図１及び図２は、それぞれ後述する数値実施例１及び数値実施例２のガリレオ式広角中心窩望遠鏡（以下、単に望遠鏡という）１０にそれぞれ対応しており、基本的な構成は同様である。以下では、図１の構成を参照しながら本発明の実施形態に係る望遠鏡１０について説明する。

望遠鏡１０は、広角すなわち広い視野（実視界）、かつ視野の中央部で周辺部よりも高い倍率が得られる広角中心窩光学系である。この望遠鏡１０は、単眼鏡として、あるいは一対の望遠鏡１０により双眼鏡として利用することができる。この望遠鏡１０を用いた場合、視野の中央部で観察対象を捉えて詳細に観察することができるとともに、例えば観測対象が移動したり望遠鏡１０の向きが変化したりすることで、望遠鏡１０に対する観察対象の方向が大きく変化してしまう場合でも、観察対象を望遠鏡１０の視野内に留めておくことが可能であり、観察対象を視野の中央に容易に戻して詳細な観察を継続することができる。

望遠鏡１０では、視野の中央部では歪曲を小さくしつつ、中央部から周辺部に向けて歪曲収差の係数を大きく変化させ、周辺部において大きな負の歪曲収差を発生させる。これにより、望遠鏡１０を広角とし、かつその視野の中央部の倍率をより高いものとしている。

望遠鏡１０は、物体側から順に、前群Ｇｆと後群Ｇｒとから構成されるアフォーカル系レンズであり、アイポイントＥＰに位置する観察眼により望遠鏡１０を通した好ましい観察が可能である。前群Ｇｆは、１枚の第１レンズＬ１からなる。後群Ｇｒは、物体側から順に、第１レンズ群Ｇｒ１と第２レンズ群Ｇｒ２とから構成され、第１レンズ群Ｇｒ１は、１枚の第２レンズＬ２からなり、第２レンズ群Ｇｒ２は、１枚の第３レンズＬ３からなる。

前群Ｇｆとしての第１レンズＬ１は、中央部の屈折力（レンズパワー）Ｐ１ｃが正であり、周辺部の屈折力Ｐ１ｐが負である。後群Ｇｒは、その後群Ｇｒ全体について、中央部の屈折力Ｐｒｃが負であり、周辺部の屈折力Ｐｒｐが正である。

この例では、第２レンズＬ２は、中央部の屈折力Ｐ２ｃが負、周辺部の屈折力Ｐ２ｐが正となっており、この第２レンズＬ２が主として、中央部が負、周辺部が正となる後群Ｇｒの屈折力をコントロールしている。一方の第３レンズＬ３は、主として、アイポイントにおける各入射方向からの光束の径を均一にしながらアイレリーフ（射出ひとみ距離）を短くして見掛け視界（＝倍率×実視界）を大きくしている。このように、見掛け視界を大きくすなわち視野内の像を網膜上に広く投影することで、網膜上での像倍率を高くしながらも広い視野を確保する上で有利にしている。

すなわち、望遠鏡１０は、下記条件（１）～（３）を満たす。
（１）Ｐ１ｃ＞０、Ｐ１ｐ＜０
（２）Ｐｒｃ＜０、Ｐｒｐ＞０
（３）Ｐ２ｃ＜０、Ｐ２ｐ＞０

上記条件（１）と条件（２）は、視野の中央部の倍率をより高くしながらより広い視野を得るための条件であり、これらの条件により、望遠鏡１０は、視野の中央部がガリレオ式であって周辺部が逆ガリレオ式のレンズ構成となる。

図１及び図２に示す例では、前群Ｇｆ、第１レンズ群Ｇｒ１及び第２レンズ群Ｇｒ２を、それぞれ１枚のレンズで構成しているが、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３と同等の機能を有するように、前群Ｇｆ、第１レンズ群Ｇｒ１及び第２レンズ群Ｇｒ２のそれぞれを、またはそれらの一部を複数枚のレンズで構成してもよい。また、後群Ｇｒを１枚のレンズで構成してもよい。上記条件（１）、（２）に対応する前群Ｇｆ及び後群Ｇｒの各屈折力の関係は、前群Ｇｆの中央部の屈折力をＰｆｃ、周辺部の屈折力をＰｆｐとして、次の各条件（１ａ）、（２ａ）のようになる。なお、図１及び図２に示す例のように、後群Ｇｒを複数枚のレンズで構成することは、それによって後群Ｇｒの各レンズの面形状の自由度を高くすることができるので、レンズ加工を容易にする観点から好ましい態様である。
（１ａ）Ｐｆｃ＞０、Ｐｆｐ＜０
（２ａ）Ｐｒｃ＜０、Ｐｒｐ＞０

上記のようなレンズ構成により、望遠鏡１０は、その全長を短くすることが可能である。また、望遠鏡１０を構成するレンズの枚数を少なくできるので、望遠鏡１０の重量を低減する上で有利である。

望遠鏡１０は、視野の中央部で高い倍率を得ながら十分な広い視野を得るという観点から、その視野中心の倍率α_１の視野外周の倍率α_２に対する倍率比が３以上（α_１／α_２≧３）であることが好ましい。ここでいう倍率α_１、α_２は、図３に示すように、肉眼で見た物体の角度（望遠鏡への入射角）θ_１（°）に対する、望遠鏡１０を通して見たときの同じ物体のみかけの像の角度（瞳または網膜への入射角）θ_２（°）の比（＝θ_２/θ_１）であって、光軸上の共役点を通る共役な光線の光軸に対する角度の比（角倍率）である。

なお、視野中心の倍率α_１に対応する入射角θ_１、θ_２は、いずれも「０°」になるが、この場合に、視野中心の倍率α_１は、例えば、後述する図６及び図８のように、入射角θ_１と入射角θ_２との関係を示す像高カーブの傾きによって求めることができる。

図４に望遠鏡１０によって観察される観察像をシミュレーションしたシミュレーション画像を示す。このシミュレーション画像は、図５に示す広角画像から作成したものである。広角画像は、望遠鏡１０の実視界と同等の広視野の望遠鏡によって観察される観察像の範囲と像の大きさを示すものであるが、実際にはシミュレーション画像が想定する望遠鏡１０による観察位置から、対角画角が望遠鏡１０の実視界と同程度となる広角レンズを用いて撮影した画像である。図５の広角画像からわかるように、一般的に、望遠鏡の実視界を広くすると、望遠鏡の向き（光軸の方向）を変化させなくても広い範囲を観察できるが、倍率が低く視野内の観察対象を十分に認識するのが難しい。これに対して、望遠鏡１０では、図４のシミュレーション画像からわかるように、広角画像と同様な広い範囲を観察しながら、中央部の観察対象を高い倍率で観察できる。

次に、望遠鏡１０の数値実施例について説明する。

［数値実施例１］
図１に示されるように、数値実施例１の望遠鏡１０は、物体側から順に、前群Ｇｆとしての第１レンズＬ１と、後群Ｇｒの第１レンズ群Ｇｒ１としての第２レンズＬ２及び第２レンズ群Ｇｒ２としての第３レンズＬ３とから構成される３枚構成である。第１レンズＬ１は、中央部の屈折力Ｐ１ｃが正、周辺部の屈折力Ｐ１ｐが負である。後群Ｇｒは、その全体で中央部の屈折力Ｐｒｃが負であり、周辺部の屈折力Ｐｒｐが正である。また、第２レンズＬ２は、中央部の屈折力Ｐ２ｃが負、周辺部の屈折力Ｐ２ｐが正である。

数値実施例１の望遠鏡１０のレンズデータを表１に示す。表１中の「面番号」は、物体側から順にレンズ面に付した番号である。面番号に付した「＊」は、その面が非球面であることを示している。「曲率半径」の欄には、各レンズ面の曲率半径を、「面間隔」の欄には、各レンズ面の光軸上における次のレンズ面との間のレンズ厚みあるいは空気間隔をそれぞれ示している。面番号「６」の「面間隔」の欄には、望遠鏡１０のアイレリーフを示してある。曲率半径及び面間隔の単位は「ｍｍ」である。「ｎｄ」の欄には、各光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率を示し、「νｄ」の欄には、各光学要素のｄ線に対するアッベ数を示す。「Materials」の欄には、各光学要素の材料（この例では樹脂の種類）を示しており、「PMMA」は、ポリメタクリル酸メチル樹脂である。なお、空気間隔に対応する「Materials」の欄には「空気」を記してある。アイレリーフは、光軸上における第３レンズＬ３の瞳側の最後面から射出瞳（アイポイント）までの距離である。

レンズの非球面形状は、表２に示される円錐係数ｋ、非球面係数Ａ_２、Ａ_４、Ａ_６・・・を用いて次の非球面式で表される。

上記式中の各値は次の通りである。
Ｚ：光軸方向のサグ量（ｍｍ）
ｓ:光軸からの距離（ｍｍ）
Ｃ：曲率（近軸曲率半径の逆数）
ｋ：円錐定数
Ａ_４、Ａ_６、Ａ_８・・・：４次、６次、８次・・・の非球面係数

上記レンズデータに示される数値実施例１の望遠鏡１０の主要な諸元は、下記の通りである。レンズ全長は、光軸上におけるレンズ最前面からレンズ最後面までの距離である。また、数値実施例１の望遠鏡１０についての、上述の入射角θ_１と入射角θ_２との関係（像高カーブ）を図６に示す。図６の像高カーブの傾きは、望遠鏡１０の倍率を示している。
レンズ全長：２９．９７ｍｍ
射出瞳径：２．０ｍｍ
実視界（２ω）：３０°
倍率比（α_１／α_２）：２０（倍率α_１：５．０倍、倍率α_２：０．２５）

上記のように数値実施例１の望遠鏡１０は、全長が約３０ｍｍと短いながらも、３０°という広い視界と、視野の中央部で５倍という高い倍率が得られている。また、図６のグラフから、望遠鏡１０の視野の中央部では、大きな倍率が得られ、そして視野の中央部から周辺部に向かって倍率が急激に低下して、広い視野が得られていることがわかる。

上記望遠鏡１０の像面湾曲と歪曲収差を図７にそれぞれ示す。図７では、Ｆ線（波長４８６．１ｎｍ）、ｄ線、Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ）についての像面湾曲を示してあり、実線がタンジェンシャル像面の像面湾曲を、破線がサジタル像面における像面湾曲を示している。また、図７に示される像面湾曲と歪曲収差からわかるように、望遠鏡１０は、視野全体に渡って良い結像が得られる。中でも０．５°以下の小さな入射角度に対応した視野中心部分において歪みの少ない特に非常に良い結像を得ることが出来る。さらに１．５°から１０°までの視野範囲において，徐々にひずみが大きくなりながら特に良い結像を得ることが出来る。

[数値実施例２]
数値実施例２の望遠鏡１０は、図２に示されるように、数値実施例１の望遠鏡１０と同じく、物体側から順に、前群Ｇｆとしての第１レンズＬ１と、後群Ｇｒの第１レンズ群Ｇｒ１としての第２レンズＬ２及び第２レンズ群Ｇｒ２としての第３レンズＬ３とから構成される３枚構成である。第１レンズＬ１は、中央部の屈折力Ｐ１ｃが正、周辺部の屈折力Ｐ１ｐが負である。後群Ｇｒは、その全体で中央部の屈折力Ｐｒｃが負であり、周辺部の屈折力Ｐｒｐが正である。また、第２レンズＬ２は、中央部の屈折力Ｐ２ｃが負、周辺部の屈折力Ｐ２ｐが正である。

数値実施例２の望遠鏡１０のレンズデータを次の表３に示す。また、望遠鏡１０の各レンズの非球面形状は、表４に示される円錐係数ｋ、非球面係数Ａ_２、Ａ_４、Ａ_６・・・を用いて上述の非球面式で表される。図８に望遠鏡１０についての入射角θ_１と入射角θ_２との関係を示す像高カーブを、また図９に望遠鏡１０についての像面湾曲と歪曲収差をそれぞれ示す。表３、表４の項目、図９の像面湾曲と歪曲収差は、数値実施例１のものと同様に示してある。

上記レンズデータに示される数値実施例２の望遠鏡１０の主要な諸元は、下記の通りである。
レンズ全長：２３．５７ｍｍ
射出瞳径：４ｍｍ
実視界（２ω）：３０°
倍率比（α_１／α_２）：３．０（倍率α_１：１．５、倍率α_２：０．５）

数値実施例２の望遠鏡１０についても、全長を約２０ｍｍと短くしながらも、３０°という広い視界と、視野の中央部での１．５倍という高い倍率が得られている。また、図８のグラフからわかるように、数値実施例２の望遠鏡１０についても、視野の中央部で大きな倍率が得られ、そして視野の中央部から周辺部に向かって倍率が急激に低下して、広い視野が得られていることがわかる。さらに、図９に示される像面湾曲と歪曲収差からわかるように、望遠鏡１０は、視野全体に渡って特に良い結像が得られる。

１０望遠鏡
Ｇｆ前群
Ｇｒ後群
Ｇｒ１第１レンズ群
Ｇｒ２第２レンズ群
Ｌ１～Ｌ３レンズ

Claims

アフォーカル系の光学系であり、
物体側から順に、１枚の第１レンズで構成され、中央部が入射する平行光束を狭めるような正の屈折力を有し、周辺部が入射する平行光束を広げるような負の屈折力を有する前群と、物体側から順に１枚の第２レンズと１枚の第３レンズとから構成され、全体として、中央部が入射する平行光束を広げるような負の屈折力を有し、周辺部が入射する平行光束を狭めるような正の屈折力を有する後群とからなる
ことを特徴とするガリレオ式広角中心窩望遠鏡。
前記第２レンズは、中央部が負の屈折力を有し周辺部が正の屈折力を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のガリレオ式広角中心窩望遠鏡。
視野中心の倍率をα１、視野外周の倍率をα２としたときに、倍率比α１／α２が３以
上であることを特徴とする請求項１または２に記載のガリレオ式広角中心窩望遠鏡。