(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の結像光学系からの像を接眼光学系を通して重畳して観察する時、いずれかの結像光学系による観察像にも欠損が生じない光学装置を提供する。【解決手段】第１対物レンズ１２を有する第１光学系と、第１対物レンズ１２とは異なる第２対物レンズ１４を有する第２光学系と、第１光学系及び第２光学系による像を観察するための共通の接眼レンズ１６とを有し、第１光学系による像面と第２光学系による像面とが同一光軸上で重なるように構成されると共に、第１光学系による像についての接眼レンズ１６によるアイポイント位置ＥＰ１と、第２光学系による像についての接眼レンズ１６によるアイポイント位置ＥＰ２とが異なり、第１光学系によって像面上の像点に集光される第１光線束と、第２光学系によって像点に集光される第２光線束とが重なるように設けられる。【選択図】図１
2019174569.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１対物レンズを有する第１光学系と、前記第１対物レンズとは異なる第２対物レンズを有する第２光学系と、前記第１光学系及び第２光学系による像を観察するための共通の接眼レンズとを有する光学装置において、
前記第１光学系による像面と前記第２光学系による像面とが同一光軸上で重なるように構成されると共に、前記第１光学系による像についての前記接眼レンズによるアイポイント位置と、前記第２光学系による像についての前記接眼レンズによるアイポイント位置とが異なり、
前記第１光学系によって前記像面上の像点に集光される第１光線束と、前記第２光学系によって前記像点に集光される第２光線束とが重なるように設けられた光学装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光学装置において、
前記像面に形成される像の共通の高さの像高をｙ、前記第１光学系によって集光される第１光線束の第１角度範囲をθ１、前記第２光学系によって集光される第２光線束の第２角度範囲をθ２としたときに、式（１）及び式（２）で表されるθ１及びθ２が互いに重なる範囲を有するように、前記第１光学系および前記第２光学系が構成された光学装置。
【数１】
2019174569.tif 000027
【請求項３】
前記第１角度範囲θ１と前記第２角度範囲θ２との重なり範囲が、前記第１角度範囲θ１に対して少なくとも１０％以上である請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記第１光学系および前記第２光学系は、前記像面に形成される像のすべての像点で、前記第１光線束と前記第２光線束とが重なるように構成された請求項１から３のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項５】
前記第１光線束および前記第２光線束がそれぞれ前記接眼レンズを通過する際、
前記第１光学系と前記接眼レンズとによる第１アイポイントと、前記第２光学系と前記接眼レンズとによる第２アイポイントとの間において、前記第１光学系からの光線束と前記第２光学系からの光線束とが重複するように構成された請求項１から４のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項６】
前記第１光学系および前記第２光学系のそれぞれの像面を重ねるための合成光学素子を備える請求項１から５のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項７】
前記第１光学系は、ユーザが観察空間を観察するための光学系であり、
前記第２光学系は、ディスプレイによって表示される表示像を結像させるための光学系である請求項１から６のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項８】
前記観察空間からの光学像の少なくとも一部の位置に対応して前記表示像の表示位置を定める制御部をさらに備える請求項７に記載の光学装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記観察空間からの光学像の少なくとも一部の輪郭に対応する輪郭ラインを含む前記表示像を前記ディスプレイに表示させる請求項８に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記第１光学系の焦点距離が変更されたときに、前記ディスプレイの表示輝度を調整する調整部をさらに備える請求項７から９のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記第１光学系の焦点距離が変更されたときに、前記第２光学系の少なくとも一部のレンズを、移動させる移動機構を備える請求項１から１０のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項１２】
前記第１光学系の対物レンズと前記第２光学系の対物レンズとの少なくとも一方の対物レンズの焦点距離が可変であり、前記少なくとも一方の対物レンズの焦点距離の変化に伴って、共通像面上の像点についての前記第１光学系の第１光線束の角度範囲と前記第２光学系の前記第２光線束の角度範囲との重なりの割合が変化した場合に、前記制御部は当該割合に応じて前記ディスプレイに表示させる画像の輝度を調整する機能を備える請求項８または９に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被観察体像に地図画像を重畳する双眼鏡および単眼鏡が知られている（例えば、特許文献１参照）。
［特許文献１］  特開平９−１１３８１５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
複数の結像光学系からの像が重なった重畳像を、接眼光学系を通して観察する観察光学系において、いずれかの結像光学系からの光が瞳孔に取り込まれないため、観察像の少なくとも一部に欠損が生じていた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様における光学装置は、第１対物レンズを有する第１光学系と、第１対物レンズとは異なる第２対物レンズを有する第２光学系と、第１光学系及び第２光学系による像を観察するための共通の接眼レンズとを有する光学装置において、第１光学系による像面と第２光学系による像面とが同一光軸上で重なるように構成されると共に、第１光学系による像についての接眼レンズによるアイポイント位置と、第２光学系による像についての接眼レンズによるアイポイント位置とが異なり、第１光学系によって像面上の像点に集光される第１光線束と、第２光学系によって像点に集光される第２光線束とが重なるように設けられる。
【０００５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の実施形態に係る光学系の構成を示す模式図である。
【図２】本実施形態に係る光学系の中間像位置における光線束の重なりを説明する図である。
【図３】本実施形態に係る観察光学系について諸量の定義を説明する図である。
【図４】第１実施例における第１光学系および第２光学系の構成を示す図である。
【図５】第２実施例における第１光学系および第２光学系の構成を示す図である。
【図６】第３実施例における第１光学系および第２光学系の構成を示す図である。
【図７】本実施形態に係る光学装置の一例である望遠鏡のブロック図である。
【図８】各光学系における光学像の重なりを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００８】
図１は、本発明の実施形態に係る観察光学系の構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態に係る観察光学系１は、第１対物レンズ１２、第２対物レンズ１４、接眼レンズ１６、ビームスプリッター１８およびディスプレイ２０を有している。なお、以後の説明では、座標系３５にて方向を規定し、＋Ｚ軸方向を前方、＋Ｙ軸方向を上方と呼ぶ。
【０００９】
第１光学系は、第１対物レンズ１２とビームスプリッター１８から構成される。第１対物レンズ１２は、観察光学系１の前方に配置される。第１対物レンズ１２の後方には、ビームスプリッター１８、接眼レンズ１６が配置される。第１対物レンズ１２の光軸ＯＡ１は、接眼レンズ１６の光軸ＯＡ３と重なるように配置される。第１対物レンズ１２は、前方にある観察空間における被観察面からの光を取り込み、ビームスプリッター１８を介したのちに中間像２２を形成する結像光学系である。
【００１０】
第１光学系および第２光学系のそれぞれの像面を一致させるための合成光学素子としてのビームスプリッター１８は、一方の入射面が第１対物レンズ１２の光軸ＯＡ１と略直交するように配置される。また、ビームスプリッター１８は、他方の入射面が第２対物レンズ１４の光軸ＯＡ２と略直交するように配置される。そして、ビームスプリッター１８は、射出面が接眼レンズ１６の光軸ＯＡ３と略直交するように接眼レンズ１６と対向配置される。また、ビームスプリッター１８は、境界面１９を有する。境界面１９は、入射する光を入射方向に透過する透過光と、正反射方向に反射する反射光とに分離する。例えば、境界面では、透過光と反射光とが、強度比５０：５０、７０：３０等で分離される。
【００１１】
第２光学系は、第２対物レンズ１４とビームスプリッター１８から構成される。第２光学系は、第１光学系とビームスプリッター１８を共用する。第２対物レンズ１４は、ビームスプリッター１８の上方に配置される。第２対物レンズ１４は、ディスプレイ２０上の各表示画素からの光を取り込み、ビームスプリッター１８を介したのちに第１光学系による中間像２２と同一の軸上位置にディスプレイ２０の表示面の像を形成する結像光学系である。第２対物レンズ１４の光軸ＯＡ２は、光軸ＯＡ２の方向に対して４５度に傾いて配された境界面１９によって９０度折り曲げられ、第１対物レンズ１２の光軸ＯＡ１および接眼レンズ１６の光軸ＯＡ３と重なる。ディスプレイ２０は、２次元の画像を形成するマイクロディスプレイである。ディスプレイ２０には、例えばＬＣＤや、ＤＭＤ、ＬＣＯＳ（反射型液晶素子）などを用いることができる。ここで、第２光学系の第２対物レンズ１４は、第１光学系の第１対物レンズ１２とは焦点距離や結像倍率などで全く異なる対物レンズであるが、上記の光学系配置により、第１光学系による中間像２２の光軸上位置に第２光学系による中間像を一致するように構成されている。
【００１２】
ところが、共通の接眼レンズ１６を通して、上記の２つの中間像を見る場合には、第１対物レンズ１２と第２対物レンズ１４とは全くことなる光学系であるため、第１光学系による中間像の観察と第２光学系による中間像について、それぞれの瞳の共役関係が異なることが一般には避けられない。即ち、接眼レンズは、その前側焦点の近傍に中間像２２が位置するように、中間像２２の後方に配置される。そして、接眼レンズ１６は、第１対物レンズ１２、第２対物レンズ１４により一旦中間像２２上に結像した光線束を取り込んで、略平行光に変換するが、各平行光が光軸を交差する位置は異なる。これは第１対物レンズ１２を有する第１光学系による中間像に対する第１アイポイントＥＰ１と、第２対物レンズ１４を有する第２光学系による中間像に対する第２アイポイントＥＰ２とが異なることに対応する。
【００１３】
第１アイポイントＥＰ１は、第１光学系と接眼レンズ１６からなる光学系の射出瞳の位置である。第２アイポイントＥＰ２は、第２光学系と接眼レンズ１６からなる光学系の射出瞳の位置である。図１に示す通り、第１アイポイントＥＰ１、第２アイポイントＥＰ２における光線束の上下方向の幅は、観察眼３０の瞳孔径と略一致することが望ましい。なお、図１では、第１アイポントＥＰ１より、第２アイポイントＥＰ２が接眼レンズ１６からより遠い位置に形成されるが、両者の位置関係は各対物レンズの構成により逆転する場合もある。
【００１４】
ユーザは、例えば、第１アイポイントＥＰ１もしくは第２アイポイントＥＰ２に観察眼３０の瞳孔を置くことによって、第１光学系もしくは第２光学系によって形成される中間像２２の拡大された虚像を観察することができる。なお、観察眼３０の視度に合わせて接眼レンズ１６を光軸ＯＡ３に沿って前後に移動させて視度調整を行うことができる。
【００１５】
図１には、第１光学系の軸上像点及び軸外最大画角の像点についての光線束が接眼レンズ１６を介して第１アイポイントＥＰ１に入射する光路が実線で示されている。主光線１２ｃは、観察面上の軸外物点から射出して第１光学系の入射瞳中心を通り、中間像２２上の像点に到達する光線である。上光線１２ｕと下光線１２ｂは、当該物点から射出して第１光学系によって中間像２２上の当該像点に集光された円錐状の光のＹ−Ｚ断面における母線にあたる光線である。主光線１２ｃは、第１アイポイントＥＰ１の位置において光軸と交差し、観察眼３０の瞳孔が第１アイポイントＥＰ１に位置する場合には、瞳孔の中心を通過する。
【００１６】
また、図１の観察光学系１においては、第１アイポイントＥＰ１に観察眼３０の瞳孔を配置した場合に、予め定められた基準とする瞳孔径の上端を上光線１２ｕが通過し、下端を下光線１２ｂが通過するように第１光学系、接眼レンズ１６が配置されている。ここで、基準とする瞳孔径は、例えば、人間の最大瞳孔径φ７ｍｍである。また、当該基準とする瞳孔径に応じて、第１光学系の像側開口数は決定される。以降の説明において、上光線１２ｕ、主光線１２ｃ、下光線１２ｂによって代表される光線束を第１光学系の軸外光線束という場合がある。
【００１７】
また、図１には、第２光学系の軸外最大画角における光線束が接眼レンズ１６を介して第２アイポイントＥＰ２に入射する光路が破線で示されている。主光線１４ｃは、ディスプレイ２０上の軸外物点から射出して第２光学系の入射瞳中心を通り、中間像２２上の軸外像点に到達する光線である。上光線１４ｕと下光線１４ｂは、当該物点から射出して第１光学系によって中間像２２上の当該像点に集光された円錐状の光のＹ−Ｚ断面における母線にあたる光線である。主光線１４ｃは、第２アイポイントＥＰ２位置に観察眼３０の瞳孔が位置する場合には、観察眼３０の瞳孔の中心を通過する。
【００１８】
また、図１の観察光学系１においては、第２アイポイントＥＰ２に観察眼３０の瞳孔を配置した場合に、上述の予め定められた基準とする瞳孔径の上端を上光線１４ｕが通過し、下端を下光線１４ｂが通過するように第２光学系、接眼レンズ１６が配置されている。また、当該基準とする瞳孔径に応じて、第２光学系の像側開口数は決定される。以降の説明において、上光線１４ｕ、主光線１４ｃ、下光線１４ｂによって代表される光線束を第２光学系の軸外光線束という場合がある。
【００１９】
一般に、第１光学系と第２光学系との各像を共通の光軸上で同一位置に形成することは簡単である。しかしながら、各光学系の対物レンズは独立した異なる光学系であるため、共通の接眼レンズを用いたとしてもそれぞれのアイポイントＥＰ１及びＥＰ２を光軸上で一致させることは容易ではなく、通常の簡単なレンズ構成では異なる位置となることが避けられない。このことが、像面が一致してはいても第２の光学系にて適宜の追加情報を重複表示する際に、部分的に表示がなされずに欠落することの最大の原因である。図１に示した関係においては、例えば、観察眼３０の瞳孔を第１アイポイントＥＰ１に置いた場合には、第１光学系の軸外光線束のすべてが当該瞳孔から観察眼３０に取り込まれる。一方、第２光学系の軸外光線束の一部が当該瞳孔から観察眼３０に取り込まれる。また、観察眼３０の瞳孔を第２アイポイントＥＰ２に置いた場合には、第１光学系の軸外光線束の一部が当該瞳孔から観察眼３０に取り込まれる。一方、第２光学系の軸外光線束のすべてが当該瞳孔から観察眼３０に取り込まれる。
【００２０】
このように、接眼レンズ１６の光軸ＯＡ３上のある位置において、欠けのない観察像を得るためには、中間像２２の全域にわたって、第１光学系の軸外光線束と第２光学系の軸外光線束のいずれの光線束も、少なくともその一部が観察眼３０の瞳孔に入射していればよい。例えば、光軸ＯＡ３上の第１アイポイントＥＰ１と第２アイポイントＥＰ２の間における任意の位置において欠けのない観察像を得るためには、中間像２２上の任意の像点に結像する第１光学系の軸外光線束と第２光学系の軸外光線束とが重なりをもてばよい。第１光学系の軸外光線束と第２光学系の軸外光線束とが重なりをもたない場合には、第１アイポイントＥＰ１と第２アイポイントＥＰ２の間において、観察眼３０の瞳孔にいずれか一方の光線束を取り込むことができない位置が存在することになる。例えば、第１アイポイントＥＰ１に観察眼３０の瞳孔を配置した場合には、第２光学系からの軸外光線束は瞳孔に入射しない。この場合には、ユーザが観察する重畳像において、第２光学系が形成する像の一部が欠けてしまう。一般的には、最大画角の光線即ち最周縁の像点に対する考慮が重要となるが、光学系の収差によっては中間画角の像点についても考慮することが必要になる。
【００２１】
瞳孔径は、光刺激に応じて変化することが知られている。また、瞳孔径は、ユーザ間で個体差がある。そこで、第２光学系からの軸外光線束の少なくとも一部が第１アイポイントＥＰ１を通過するように、中間像２２上の共通像高の中での任意の像点に結像する第１光学系の軸外光線束と第２光学系の軸外光線束とに重なりをもたせる。このように構成すれば、第１アイポイントＥＰ１と第２アイポイントＥＰ２とに挟まれる範囲において、常に光軸ＯＡ３を第２光学系の軸外光線束が横切ることになる。これにより、ユーザの瞳孔径の大きさに依らず、第１アイポイントＥＰ１と第２アイポイントＥＰ２の間における任意の位置において、観察視野全体にわたって欠けの無い重畳像を観察することができる。
【００２２】
図２は、第１実施形態に係る光学系の中間像位置における光線束の重なりを説明する図である。図２は、第１光学系および第２光学系によって中間像２２上の像点４２へ集光する各光線束の様子を示す。
【００２３】
第１光学系の軸外光線束と第２光学系の軸外光線束は、中間像２２上の像点４２に一旦集光する。そして、第１光学系の軸外光線束と第２光学系の軸外光線束は、像点４２から後方に向かって、集光角と同じ角度で発散する。発散した両軸外光線束は、後方に配された接眼レンズ１６へ向かう。
【００２４】
図２では、第１光学系の上光線１２ｕおよび下光線１２ｂは実線で示される。像点４２を通り、第１光学系の上光線１２ｕと下光線１２ｂとによって挟まれる領域に含まれる光線束が第１光学系の軸外光線束である。また、第２光学系の上光線１４ｕおよび下光線１４ｂは破線で示される。像点４２を通り、第２光学系の上光線１４ｕと下光線１４ｂとによって挟まれる領域に含まれる光線束が第２光学系の軸外光線束である。
【００２５】
図２に示すように、第１光学系の軸外光線束と第２光学系の軸外光線束とは、重なり領域４０を有する。したがって、観察眼３０の瞳孔を配置することによって、両軸外光線束を検出することができる位置が光軸ＯＡ上に存在する。
【００２６】
観察像の背景の輝度Ｌに対して、人間の目で識別することができる輝度差ΔＬの関係についての実験則として、ウェーバー（Ｗｅｂｅｒ）の法則が知られている。当該法則によれば、背景の輝度Ｌに対する輝度差ΔＬの比は輝度Ｌによらず一定であり、人間の目で識別できる当該比の閾値は０．０１程度であることが知られている。すなわち、背景の輝度Ｌに対して輝度差ΔＬが１％以上であれば人間の目は当該輝度差を識別できる。なお、以降の説明において、当該比の閾値をウェーバー比の弁別閾という場合がある。
【００２７】
本実施形態では、中間像２２上の任意の像点において第１光学系の像に重畳した第２光学系の像を識別できるように、第１光学系の軸外光線束と第２対物レンズの軸外光線束の重なりの割合をウェーバー比の弁別閾に基づいて定める。
【００２８】
図２において、二点鎖線で示した線ＯＡ´は、像点４２を通り、光軸ＯＡに平行な線である。第１光学系からの上光線１２ｕ、下光線１２ｂが線ＯＡ´と成す角度、すなわち光軸ＯＡと成す角度をそれぞれθ１ｕ、θ１ｂとする。本実施形態において、第１光学系の第１角度範囲θ１は、θ１ｂからθ１ｕまでの角度範囲である。また、第２光学系からの上光線１４ｕ、下光線１４ｂが線ＯＡ´と成す角度、すなわち光軸ＯＡと成す角度をそれぞれθ２ｕ、θ２ｂとする。本実施形態において、第２光学系の第２角度範囲θ２は、θ２ｂからθ２ｕまでの角度範囲である。
【００２９】
図２において、第１光学系の軸外光線束の開き角に対する重なり領域４０の開き角の比θｒ（百分率）は、以下の式で表される。
【数１】
2019174569.tif 000003
【００３０】
なお、観察光学系１において、観察対象の像を観察視野内にわたって良好に観察することが優先される。このため、本実施形態においては、観察対象の光学像を形成する第１光学系における軸外光線束を基準としており、当該軸外光線束に対する第２光学系の軸外光線束の重なりの割合として条件式を定義する。
【００３１】
被観察面とディスプレイ２０の輝度が等しいと仮定すると、観察眼３０の網膜上における明るさは光線束の開き角の二乗に概ね比例する。したがって、上述のウェーバーの法則における閾値１％に対応するθｒの閾値は１０％となり、この値以上であれば人間の目で輝度差を識別することができ、重畳された像を認識することができる。
【００３２】
図３を参照しながら本実施形態における条件式を詳細に説明する。図３は、第１実施形態に係る光学系について諸量の定義を説明する図である。図３（ａ）は、第１光学系を１枚の薄肉レンズである第１薄肉レンズ２４で表現した光路図を示す。図３（ｂ）は、第２光学系を１枚の薄肉レンズである第２薄肉レンズ２６で表現した光路図を示す。なお、説明を簡略化するために、図３（ｂ）においては、第２光学系を光軸が折れ曲がらない系として表す。また、説明を簡略化するために、以後の条件式の説明において、第１光学系および第２光学系は、それぞれ１枚の薄肉レンズからなることを前提とする。
【００３３】
図３（ａ）において、第１薄肉レンズ２４の射出瞳ＥＸＰ１から中間像２２までの距離をｄ１とする。射出瞳中心ＥＰＯ１から射出し、中間像２２上の任意の像高ｙにおける像点を通過する主光線１２ｃが光軸ＯＡとなす角度θ１ｃは、以下の式で表される。
【数２】
2019174569.tif 000004
【００３４】
また、第１薄肉レンズ２４の像側開口数をＮＡ１、像空間における屈折率をｎとすると、第１光学系の主光線１２ｃと上光線１２ｕ、下光線１２ｂがなす角度φ１は、以下の式で表される。
【数３】
2019174569.tif 000005
したがって、上光線１２ｕ、下光線１２ｂが光軸ＯＡと成す角度θ１ｕ、θ１ｂは、以下の式で表される。
【数４】
2019174569.tif 000006
【数５】
2019174569.tif 000007
【００３５】
第１角度範囲θ１は、上式（４）、（５）を用いて以下の式で表される。
【数６】
2019174569.tif 000008
【００３６】
図３（ｂ）において、第２薄肉レンズ２６の射出瞳ＥＸＰ２から中間像２２までの距離をｄ２とする。射出瞳中心ＥＰＯ２から射出し、中間像２２の像高ｙにおける像点を通過する主光線１４ｃが光軸ＯＡとなす角度θ２ｃは、以下の式で表される。
【数７】
2019174569.tif 000009
【００３７】
また、第２薄肉レンズ２６の像側開口数をＮＡ２とすると、第２光学系の主光線１４ｃと上光線１４ｕ、下光線１４ｂがなす角度φ２は、以下の式で表される。なお、第２薄肉レンズ２６の像空間における屈折率は第１薄肉レンズ２４と等しいのでｎとする。
【数８】
2019174569.tif 000010
したがって、上光線１４ｕ、下光線１４ｂが光軸ＯＡと成す角度θ２ｕ、θ２ｂは、以下の式で表される。
【数９】
2019174569.tif 000011
【数１０】
2019174569.tif 000012
【００３８】
第２角度範囲θ２は、上式（９）、（１０）を用いて以下の式で表される。
【数１１】
2019174569.tif 000013
【００３９】
以上の関係式より、式（１）は、以下のように表すことができる。
【数１２】
2019174569.tif 000014
【００４０】
また、第１薄肉レンズ２４の焦点距離をｆ１、像倍率をβ１とすると、上式（２）は、以下のように書き換えることができる。
【数１３】
2019174569.tif 000015
第２薄肉レンズ２６の焦点距離をｆ２、像倍率をβ２とすると、上式（７）は、以下のように書き換えることができる。
【数１４】
2019174569.tif 000016
したがって、上式（１２）は、以下のように書き換えることができる。
【数１５】
2019174569.tif 000017
なお、無限共役系においては、式（１３）から（１５）において、像倍率を０とする。例えば、第１光学系が無限共役系である場合にはβ１＝０としてθ１ｃを算出する。
【００４１】
本実施形態において、中間像２２上の任意の像点においてθｒが１０％以上となる様に第１光学系、第２光学系の光学パラメータを制約することによって、観察視野全体にわたり、像に欠けが発生しない良好な観察像を得ることができる。
【００４２】
次に、具体的な第１光学系と第２光学系の実施例を示す。
（実施例１）
図４は、第１実施例における第１光学系（図４（ａ））および第２光学系（図４（ｂ））の構成を示す図である。以下の表１に、実施例１に係る第１光学系の諸元の値を示す。数値の単位はｍｍ（ミリメートル）である。なお、以降の実施例においても、数値の単位はｍｍである。
【表１】
2019174569.tif 000018
【００４３】
以下の表２に、実施例１に係る第２光学系の諸元の値を示す。
【表２】
2019174569.tif 000019
【００４４】
以下の表３に、中間像上の各像高（最大像高に対して、１０割、７割、５割の位置）における第１光学系の第１角度範囲θ１と第２光学系の第２角度範囲θ２および両光線束の重なりの割合θｒを示す。
【表３】
2019174569.tif 000020
【００４５】
（実施例２）
図５は、第２実施例における第１光学系（図５（ａ））および第２光学系（図５（ｂ））の構成を示す図である。以下の表４に、実施例２に係る第１光学系の諸元の値を示す。
【表４】
2019174569.tif 000021
【００４６】
以下の表５に、実施例２に係る第２光学系の諸元の値を示す。
【表５】
2019174569.tif 000022
【００４７】
以下の表６に、中間像上の各像高（最大像高に対して、１０割、７割、５割の位置）における第１光学系の第１角度範囲θ１と第２光学系の第２角度範囲θ２および両光線束の重なりの割合θｒを示す。
【表６】
2019174569.tif 000023
【００４８】
（実施例３）
図６は、第３実施例における第１光学系（図６（ａ））および第２光学系（図６（ｂ））の構成を示す図である。以下の表７に、実施例３に係る第１光学系の諸元の値を示す。
【表７】
2019174569.tif 000024
【００４９】
以下の表８に、実施例３に係る第２光学系の諸元の値を示す。
【表８】
2019174569.tif 000025
【００５０】
以下の表９に、中間像上の各像高（最大像高に対して、１０割、７割、５割の位置）における第１光学系の第１角度範囲θ１と第２光学系の第２角度範囲θ２および両光線束の重なりの割合θｒを示す。
【表９】
2019174569.tif 000026
【００５１】
図４から図６に示した実施例はいずれも球面レンズによって構成される軸対象光学系であり、中間像上の像点近傍における第１光学系および第２光学系の軸外光線束の重なりの割合θｒは、像高が高くなるにつれて単調に減少する。このため、表３、表６および表９では、代表値として５割像高、７割像高、および１０割像高における値を示した。表３、表６および表９より、最大像高である１０割像高において、いずれの実施例も１０％以上の値を示しており、他の像高においてもθｒは１０％以上の値が確保されている。
【００５２】
図７は、これまで説明した観察光学系１を含んで構成される実施形態に係る光学装置の一例である望遠鏡１０のブロック図である。望遠鏡１０は、第１フォーカスレンズ１２ｆ、第１変倍レンズ１２ｖ、第２フォーカスレンズ１４ｆ、第２変倍レンズ１４ｖ、接眼レンズ１６、ビームスプリッター１８、ディスプレイ２０を備える。更に、望遠鏡１０は、システム制御部１００、撮像素子１０４、Ａ／Ｄ変換器１０６、内部メモリ１０８、画像処理部１１０、表示制御部１１２および変倍制御部１１４を備える。図１と同じ部材には同じ符号を付して、説明を省略する。
【００５３】
望遠鏡１０において、第１光学系は、第１フォーカスレンズ１２ｆ、第１変倍レンズ１２ｖおよびビームスプリッター１８から構成される。第１フォーカスレンズ１２ｆと第１変倍レンズ１２ｖは、図１で説明した第１対物レンズ１２を構成する。望遠鏡１０において、第２光学系は、第２フォーカスレンズ１４ｆ、第２変倍レンズ１４ｖおよびビームスプリッター１８から構成される。第２フォーカスレンズ１４ｆと第２変倍レンズ１４ｖは、図１で説明した第２対物レンズ１４を構成する。第１光学系における集光光束の一部は、ビームスプリッター１８の境界面１９によって下方へ反射され撮像素子１０４上に結像する。
【００５４】
撮像素子１０４は、第１フォーカスレンズ１２ｆおよび第１変倍レンズ１２ｖを透過して入射する観察対象の光学像を光電変換する素子であり、例えば、ＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサが用いられる。撮像素子１０４で光電変換された当該光学像は、Ａ／Ｄ変換器１０６でアナログ信号からデジタル信号に変換される。撮像素子１０４の電荷読み出し制御およびＡ／Ｄ変換器１０６の変換制御は、同期制御を受けた不図示のタイミング発生部が供給するクロック信号により同期が計られる。
【００５５】
デジタル信号に変換された当該光学像は、一旦内部メモリ１０８に記憶される。内部メモリ１０８は、高速で読み書きのできるランダムアクセスメモリであり、例えばＤＲＡＭ、ＳＲＡＭなどが用いられる。内部メモリ１０８は、画像処理部１１０が行う画像処理、画像認識処理等の処理において、ワークメモリとしての役割を担う。したがって、内部メモリ１０８は、これらの役割を担うに相当する十分なメモリ容量を備える。
【００５６】
システム制御部１００は、望遠鏡１０を統括的に制御する。また、システム制御部１００は、システムメモリ１０２を有する。システムメモリ１０２は、電気的に消去・記録可能な不揮発性メモリであり、例えばＥＥＰＲＯＭ（登録商標）等により構成される。本実施形態において、システムメモリ１０２には、後述するパターンマッチング処理用のパターンサンプル画像データが予め記憶されている。
【００５７】
望遠鏡１０は、ユーザからの操作を受け付ける操作部材１１１を備えている。システム制御部１００は、操作部材１１１が操作されたことを検知し、当該操作に応じた動作を実行する。操作部材１１１は、ディスプレイ２０への表示を指示する表示指示ボタン、変倍操作を行う変倍ボタン等で構成される。システム制御部１００は、操作部材１１１で受け付けたユーザの入力に応じて各種処理を実行する。
【００５８】
本実施形態において、操作部材１１１を通じて、ユーザからのディスプレイ２０への表示指令を受け付けると、画像処理部１１０は、システムメモリ１０２に記憶されているパターンサンプル画像と、内部メモリ１０８に逐次記憶される観察対象の画像との間で周知のパターンマッチング処理を実行して、観察対象を認識する。例えば、望遠鏡１０での天体観測において、観察対象である惑星、星雲および星座等を取得画像より認識する。なお、望遠鏡１０が外部ネットワークに接続する通信部を備えるのであれば、パターンマッチング処理を、望遠鏡１０内で実行せずに、外部サーバに実行させても良い。この場合、外部サーバに接続されたデータベースがパターンサンプル画像を格納していても良い。
【００５９】
観察対象を認識すると、画像処理部１１０は、当該パターンサンプル画像に対応する画像を生成する。システム制御部１００は、画像処理部１１０が生成した画像を、表示制御部１１２を介してディスプレイ２０に表示させる。この場合、第２対物レンズ１４により形成される当該画像による像と第１対物レンズ１２により形成される観察対象の像の輪郭が重なるように、画像処理部１１０は、当該画像の画像データに対して拡大縮小処理、回転処理等の画像処理を行う。例えば、光学設計値等より予め取得された第１光学系および第２光学系の歪曲収差等の残存収差特性に応じて、収差補正処理を施しても良い。
【００６０】
本実施形態においては、中間像２２において、任意の像高ｙの像点に集光する第１光学系からの第１光線束と、第２光学系からの第２光線束とが重なる。したがって、ユーザは、第２光学系からの画像情報がいずれの位置に重畳されても、欠けることなく良好に視認できる。
【００６１】
また、望遠鏡１０において、第１光学系と第２光学系を構成する第１変倍レンズ１２ｖ、第２変倍レンズ１４ｖは、システム制御部１００の統括制御のもと変倍制御部１１４によって制御される。変倍制御部１１４は、ユーザの指示に応じて第１変倍レンズ１２ｖを駆動して、第１光学系の焦点距離を変更する。このとき、変倍制御部１１４は、当該指示に応じて、第１角度範囲θ１と第２角度範囲θ２が互いに重なるように、移動機構を駆動して第２光学系の第２変倍レンズ１４ｖを移動させる。このように、第１変倍レンズ１２ｖと第２変倍レンズ１４ｖを連動して移動させることにより、軸外光線束の重なりを維持する。このとき、重なり量の変動の許容幅を予め定めておき、重なり量がこの許容幅に収まるように、第２変倍レンズ１４ｖを移動させるように制御しても良い。また、変倍制御部１１４は、変倍レンズ１４ｖに限らず、重なりを維持させることができる限りにおいて、第２光学系を構成する少なくとも一部のレンズを移動させても良い。
【００６２】
図８は、各光学系における光学像の重なりを説明する図である。図８では、望遠鏡１０で天体観測をおこなう場合の例を示す。特に、観測対象として矢座を観測する例を示す。
【００６３】
図８（ａ）は、第１光学系および接眼レンズ１６を通して観察される外界の観察像である第１観察像２００を示している。図８（ａ）に示すように、第１観察像２００には、矢座を形成する４つの星２００ａ〜２００ｄが含まれている。図８（ｂ）は、第２光学系および接眼レンズ１６を通して観察されるディスプレイ２０の表示画像の観察像である第２観察像２０２を示している。図８（ｂ）に示すように、第２観察像２０２には、矢座の星座絵２０２ａと矢座を示す「Ｓａｇｉｔｔａ」という星座名２０２ｂおよび矢座を構成する星を繋ぐ星座線２０２ｃとが含まれている。図８（ｃ）は、図８（ａ）に示す第１観察像２００と図８（ｂ）に示す第２観察像２０２とを重畳した重畳観察像２０４を示す。
【００６４】
ユーザは、特定の星座を観察しようと、望遠鏡１０を当該星座の方角へ視準する。視準したのち、ユーザは、第１観察像２００に対応する情報を含む画像を第１観察像２００に重畳表示させるために、操作ボタンを操作して望遠鏡１０に表示指令を行う。
【００６５】
望遠鏡１０は、ユーザからの当該表示指令を受け付けて、第１観察像に対応する画像データをディスプレイ２０に表示させることによって、第２観察像２０２を形成する。このとき、本実施形態においては、システム制御部１００、画像処理部１１０および表示制御部１１２が協働して、制御部として機能して、観察空間からの光学像の少なくとも一部の位置に対応して、ディスプレイ上における表示像の表示位置を定める。図８において、制御部は、図８（ａ）に示す矢座を形成する星２００ａ〜２００ｄの位置に対応して、図８（ｂ）に示す星座絵２０２ａ、星座名２０２ｂおよび星座線２０２ｃが配置されるようにディスプレイ２０上の表示位置を定める。ユーザは、接眼レンズ１６を介して第１観察像２００と第２観察像２０２が重畳された重畳観察像２０４を観察することができる。
【００６６】
以上の説明では、観察光学系１を含む光学装置の一例として望遠鏡について説明したが、光学装置の他の例として、双眼鏡、単眼鏡、ファインダー、ライフルスコープおよび顕微鏡などを挙げることができる。
【００６７】
以上の説明では、第１対物レンズ１２、第２対物レンズ１４、接眼レンズ１６、第１フォーカスレンズ１２ｆ、第１変倍レンズ１２ｖ、第２フォーカスレンズ１４ｆ、および第２変倍レンズ１４ｖを一枚のレンズで代表して示したが、収差補正の観点等より複数のレンズから構成されてもよい。また、これらのレンズの光学面の形状は球面に限らず、非球面であってもよく、更に、位相変調作用をもたせた回折光学面であってもよい。
【００６８】
以上の説明では、第１フォーカスレンズ１２ｆおよび第２フォーカスレンズ１４ｆを凸レンズ、第１変倍レンズ１２ｖおよび第２変倍レンズ１４ｖを凹レンズで表したが、これらのレンズの屈折力はこの組み合わせに限られない。
【００６９】
以上の説明では、透過型光学系を取り上げて説明したが、反射型光学系で構成されていてもよい。また、透過型光学系と反射型光学系とを併用した光学系で構成されていてもよい。
【００７０】
以上の説明では、θｒの閾値を１０％としたが、製造誤差や観察者の輝度差の弁別能力の差等を考慮して、当該閾値を５０％としてもよい。更には、当該閾値を８０％としてもよい。当該閾値を高くすることにより、第１光学系における像に重畳する第２光学系における像の輝度差が大きくなるため、コントラストが向上して、当該重畳する第２光学系の像をより視認しやすくなる。
【００７１】
以上の説明では、第１光学系と第２光学系の光学像を重ね合わせるための合成光学素子としてキューブビームスプリッターを使用したが、キューブビームスプリッターの代わりにハーフミラーを使用してもよい。ハーフミラーを使用することにより、キューブビームスプリッターを使用した場合に比べて、光学系の軽量化を図ることができる。
【００７２】
以上の説明では、合成光学素子を有する光学装置について説明したが、実質的に光軸を重ねて各結合光学系における中間像を重畳させることができるのであれば、合成光学素子を有していなくてもよい。
【００７３】
以上の説明では、被観察物体の輝度とディスプレイ２０の表示画像の輝度とが等しいものとして説明したが、変倍操作による第１光学系の対物レンズおよび第２光学系の対物レンズの各焦点距離の変化に伴って、第１光学系の第１角度範囲θ１と第２光学系の第２角度範囲θ２が重なりの割合が変化した場合には、当該割合に応じてディスプレイ２０に表示させる画像の輝度を調整してもよい。また、被観察物体の輝度に応じて、ディスプレイ２０の表示画像の輝度を調整してもよい。この場合には、システム制御部１００、画像処理部１１０および表示制御部１１２が協働して、表示画像の輝度を調整する調整部として機能する。このように、変倍動作による光学系の構成の変化や対象物体の輝度に応じて、ディスプレイ２０の輝度を調整することによって、ディスプレイ２０における消費電力を削減することができる。
【００７４】
以上の説明では、天体観測の例を紹介したが、第２光学系によって形成される中間像が全面に亘って欠けること無く観察可能な特性を利用して、さまざまな利用形態に応用できる。特に、光学像の少なくとも一部の輪郭（エッジ）に対応して、ディスプレイ２０により輪郭ラインを重畳させるような応用に適している。例えば、特定の人物を認識した場合に、制御部は、その人物の顔のエッジに沿って赤色の輪郭ラインを重畳表示させるための画像をディスプレイ２０に表示してもよい。
【００７５】
輪郭ラインは、対象とする光学像のエッジに平行なラインに限らず、光学像のエッジに関連づけられたラインであっても良い。例えば、ＡＲ技術（拡張現実技術）において、光学像として観察される店舗外観に、その店舗情報をラインで結びつけつつ表示するような表示態様も採用し得る。
【００７６】
以上の説明では、第１光学系と第２光学系の２つの結像光学系を備える光学装置の例を紹介したが、３つ以上の結像光学系を備えるとしてもよい。例えば、３つの結像光学系を備えた光学装置とする場合には、第１光学系を観察空間における物体を対象とする結像光学系として、第２光学系および第３光学系を表示装置上に表示された画像を対象とする結像光学系としてもよい。そして、第１光学系が形成する像に対して、第２光学系および第３光学系が形成する像を重畳させるように制御してもよく、第１光学系が形成する像に対して、予め定められた条件に応じて、第２光学系もしくは第３光学系が形成する像のいずれかを重畳させるように制御してもよい。
【００７７】
以上の説明では、第１光学系は、観察空間における被観察物体の光学像を形成する結像光学系であり、第２光学系は、表示装置上に表示された画像の光学像を形成する結像光学系を一例とした。しかしながら、第１光学系、第２光学系のいずれも観察空間における物体を対象物体としてもよい。また、第１光学系、第２光学系のいずれも表示装置上に表示された画像を対象物体としてもよい。
【００７８】
以上の説明では、基準とする瞳孔径の例として人間の最大瞳孔径φ７ｍｍを挙げたが、本実施形態における光学装置を設計するにあたり、人間の最小瞳孔径φ２ｍｍとして第１光線束と第２光線束の重なりを制約してもよい。これにより、光刺激に応じて変化するユーザの瞳孔径の大きさに依らず、第１アイポイントＥＰ１と第２アイポイントＥＰ２の間の任意の位置において、観察視野全体にわたって欠けの無い重畳像を観察することができる。
【００７９】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００８０】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００８１】
１  観察光学系、１０  望遠鏡、１２  第１対物レンズ、１２ｃ  主光線、１２ｕ  上光線、１２ｂ  下光線、１４  第２対物レンズ、１４ｃ  主光線、１４ｕ  上光線、１４ｂ  下光線、１６  接眼レンズ、１８、１８ａ  ビームスプリッター、１９、１９ｂ  境界面、２０  ディスプレイ、２２  中間像、２４  第１薄肉レンズ、２６  第２薄肉レンズ、３０  観察眼、３５  座標系、４０  重なり領域、４２  像点、１００  システム制御部、１０２  システムメモリ、１０４  撮像素子、１０６  Ａ／Ｄ変換器、１０８  内部メモリ、１１０  画像処理部、１１１  操作部材、１１２  表示制御部、１１４  変倍制御部、２００  第１観察像、２０２  第２観察像、２０４  重畳観察像
【図１】
2019174569.tif 000028
【図２】
2019174569.tif 000029
【図３】
2019174569.tif 000030
【図４】
2019174569.tif 000031
【図５】
2019174569.tif 000032
【図６】
2019174569.tif 000033
【図７】
2019174569.tif 000034
【図８】
2019174569.tif 000035