带有数码摄像机的地面望远镜 【技术领域】
本发明涉及使用摄像元件和进行通向观察光学系统的光路分割的快速返回式半透明反射镜的带有数码摄像机的望远镜。
背景技术
为了观察野外岛屿等自然物，广泛采用倍率为倍率为20～60倍左右的地面望远镜。一般，作为地面望远镜的结构，以由正(凸)透镜和作为正系功能的负(凹)透镜构成的伽利略式望远镜为基本地结构；或在只由正(凸)透镜构成的开普勒式望远镜的基本结构上，加上作为正系的棱镜等。通常，利用上述结构，地面望远镜的使用者可以观察正像。
在利用地面望远镜用于观察自然动植物的情况下，不仅只观察对像物还需要保留在记录中，因此现有提出了在地面望远镜中加上数码摄像机的带有数码摄像机的地面望远镜的结构。
在带有数码摄像机的地面望远镜中，除了观察光学系统的结构外，主光学系统的结构与一眼反射式数码摄像机的结构类似。即：在主光学系统(起摄影光学系统作用)的光路中，插入快速返回(以下记为QR)镜作为光路分割装置，在观察光学系统中导入像。
上述的QR镜，有用全反射镜构成的情况，但在使用数码摄像系统的情况下，已知是使用半透明反射镜(QR半透明反射镜)。即：利用QR半透明反射镜的反射光，通过正光学系统成像的空中像，可通过观察光学系统的目镜，由使用者观察到；同时，使QR半透明反射镜的透镜入射至摄像元件上。另外，摄影时，由于要使QR半透明反射镜退出光轴，分割的光全部入射至摄像元件上。采用这种结构，可在观察期间中，通过半透明反射镜，根据摄像元件取得的图像信号，进行自动聚焦控制和曝光控制，这是优点。
然而，当用单纯的平面玻璃制成的QR半透明反射镜时，从光学系统入射的光，透过QR半透明反射镜成像的成像位置；和QR半透明反射镜从光轴退出时成像的成像位置，在光轴方向上偏移。另外，由于光轴也偏移，观察时和摄影时由摄像元件得出的两者的像不一致。这种差别使自动聚焦处理时的图像和实际摄影的图像有差别，结果，使用者希望的聚焦位置和摄影视野不同，这样来摄影，是一个问题。另外，透过倾斜45°配置的半透明反射镜的像，在垂直面方向和水平面方向上，产生因光路长的差别引起的焦点差(通常称为非点像差(アス)：像散)。这样由于图像的清晰度变坏，自动聚焦处理会受到不好的影响，这也是问题。
在上述问题中，申请人提出了，特别是为了进行在成像位置的光轴方向上的修正，而将平面玻璃垂直插入光轴中(下述的专利文献1)的结构；另外还提出了为了修正成像位置的偏移，而将平面玻璃插入光轴中的结构(下述的专利文献2)。
专利文献1：2002-340426号(图1)，
专利文献2：2003-12953号(图1)。
然而，上述的像差结构，因为光学零件的数目增加，另外，除了QR半透明反射镜以外，还必需有用于进行修正用的平面玻璃的插入/脱开的机构，因此机构复杂，成本不可避免地增加。这是一个问题。另外，摄影时，由于插入平面玻璃，入射在摄像元件上的光量减少，与本来的光学性能比较，摄影的像暗，这也是问题。
【发明内容】
本发明的目的是为解决上述问题，利用不插入修正用的光学零件的简单结构，可以进行QR半透明反射镜的成像位置的修正。
为解决上述问题，本发明涉及一种带有数码摄像机的地面望远镜，其具有：
物镜组；
配置在上述物镜组的后方，可插入物镜组的光轴中或退出该光轴的快速返回式半透明反射镜；
配置在上述快速返回式半透明反射镜后方的摄像元件；和
观察由上述快速返回式半透明反射镜反射的像的观察光学系统；
其特征在于，构成修正面，修正上述快速返回式半透明反射镜的透过面，使得在上述快速返回式半透明反射镜插入和脱开时相对于上述摄像元件的成像位置大致相等。
【附图说明】
图1表示包含采用本发明的带数码报像机的地面望远镜的光轴的垂直截面和控制系统的结构的说明图。
图2表示包含图1所示的带数码摄像机的地面望远镜的光轴的水平截面的说明图。
图3表示包含由现有的平面玻璃构成的QR半透明反射镜的光轴的垂直截面的说明图。
图4表示包含由现有的平面玻璃构成的QR半透明反射镜的光轴的水平截面的说明图。
图5表示在由现有的平面玻璃构成的QR半透明反射镜中产生的非点像差(アス)(像散)的说明图。
图6表示图1所示的带有数码摄像机的地面望远镜的QR半透明反射镜的成像位置偏移修正的说明图。
图7表示图1所示的带数码摄像机的地面望远镜的QR半透明反射镜的成像光轴偏移修正的说明图。
符号说明：1固定透镜组；2可动聚焦透镜组；3，10快速返回式半透明反射镜；4 AF用电机；5摄像元件；6反射镜；7转像透镜；8焦点板；9目镜。
【具体实施方式】
以下，参照附图说明本发明的实施例。
在以下的各个实施例中，展示了这样一种结构：在观察期间，使透过光入射在摄像元件上的快速返回式半透明反射镜的透过面构成修正面，以便快速返回式半透明反射镜插入和脱开时的成像位置大致相等。
在本实施例中，展示了如下结构：在修正的快速返回式半透明反射镜的修正面上使用规定的曲面形状使快速返回式半透明反射镜插入和脱开时的成像位置大致相等。
图1表示从侧面看采用本发明的带数码机的地面望远镜的光学系统和控制系统的结构。图2表示从上方看的图1的结构。图1表示作为包含光学系统的光轴的垂直面的截面的图，图2表示作为包含光学系统的光轴的水平面的截面的图。
在图1和图2中，透过由固定透镜组1和可动聚焦透镜组2构成的物镜组的光束入射在与主光轴配置成(物镜组的光轴)交叉45°的快速返回式半透明反射镜(以下简称为QR半透明反射镜)3上。可动聚集透镜组2可以由AF用电机4驱动在主光轴方向移动。
本实施例的QR半透明反射镜3不是现有的平面玻璃，而成为图1和图2所示的形状。关于QR半透明反射镜3的形状的详细情况在后面详述，这里首先说明光学系统的基本结构。
透过QR半透明反射镜3的光束，入射在放置在焦点面上的摄像元件(CCD，CMOS摄像元件等)5上。另一方面，由QR半透明反射镜3反射的光束入射在观察光学系统中。通过组合五角形棱镜(ペンタダハプリズ)(图中没有示出)，或图中所示的反射镜6和转像透镜7组合的正光学系统，在预置在与焦点面共轭的位置上的焦点板8的位置上形成空中像。使用者可通过目镜9作为正像来观察该像。QR半透明反射镜3的反射率为任意的(例如80％-90％左右)。当向着观察光学系统的光量多时，使用者容易观察。
图1的QR半透明反射镜3为使用者通过目镜9观察像的观察时的位置。QR半透明反射镜3通过轴3a可以转动支承。特别是，在摄影时根据图中没有示出的快门释放按钮等的操作进行图中没有示出的快速返回机构动作，如箭头所示转动脱离主光学系统。这样，从物镜光学系统入射的全部的光，入射在摄像元件5上。
摄像元件5由CCD驱动器13驱动，摄像元件5的摄像输出通过CCD驱动器13输入至由微处理器和存储器等构成的控制回路14中。
摄影时，控制回路14将从摄像元件5得到的图像数据，记录在图中没有示出的记录媒体(存储器卡等)上。另外，在本实施例中，由于在观察期间中，被照体的光速通过QR半透明反射镜3，入射在摄像元件5上，因此可根据与它相应得出的摄像元件5发出的摄像信息进行在图中没有示出的显示器的监视显示，而进行自动聚焦处理(通过AF用电机的可动聚焦透镜组2的控制)，曝光运算(通过半压紧释放按钮等进行曝光量控制)等的处理。
现在来说明QR半透明反射镜3的结构。
QR半透明反射镜3的物镜侧的半透过面为平面，摄像元件5一侧作成图1和图2所示的三维形状(非球面的曲面形状)。这样，在观察时，当在插入QR半透明反射镜3的状态下产生成像位置偏移即成像位置的光轴方向的偏移时，可以修正与成像位置的光轴垂直的方向上的偏移(所谓的像偏移)。
为了考虑是否利用QR半透明反射镜3进行修正，在图3和图4中示出在QR半透明反射镜为与现有结构同样的平面玻璃的情况下产生的成像位置偏移。
图3表示在平面玻璃构成的现有的QR半反射镜3配置在光学系统中的状态下在垂直面切开的截面的图；图4表示在水平面上切开同样的现有的QR半透明反射镜10的截面的图。
如图4(和图3)所示，当QR半透明反射镜10的表面和背面两侧都作成平面时，插入QR半透明反射镜10时的成像位置(实线)，与不插入QR半透明反射镜时的成像位置(虚线)比较，在光轴上向后方移动。
又如图3所示，由于QR半透明反射镜10与光轴倾斜配置，当插入QR半透明反射镜10时的成像位置(实线)，与不插入QR半透明反射镜10时的成像位置(虚线)比较，在图3中是向光轴的下方移动(偏移成像)。
由于这样，摄像元件5必需配置在图3和图4的实线位置上，但当摄影时，要使QR半透明反射镜退出，成像位置分别如图3和图4的虚线那样移动。该实线和虚线所示的成像位置的误差的影响，产生自动聚焦控制的误差和摄影图像的偏移。
另外，如图1和图2所示，在本实施例中，通过使QR半透明反射镜3的透过侧(背面：摄像元件5一侧)具有曲率，不论有无QR半透明反射镜3，都可使被照体像在摄像元件5的配置位置上成像。
即：在本实施例中，QR半透明反射镜3的透过面，由在水平面内具有曲率，同时在垂直面内具有偏心曲率的单侧偏心复曲面构成。
如本实施例那样，在使用QR半透明反射镜的反射结构的光学系统中，在利用透过对于光轴倾斜插入的QR半透明反射镜的像的情况下应该考虑的成像偏移严格地说来为：
(1)光轴方向的成像位置偏移；
(2)由于QR半透明反射镜倾斜插入产生的非点像差(アス)(像散)；
(3)与光轴交叉(直角的)方向的成像位置偏移(像偏移)。上述问题中的(1)和(3)如图3和图4说明；(2)的非点像差(アス)(像散)为图5那样的现像。在此，参照图5，来说明由于相对于光轴倾斜插入的QR半透明反射镜产生的非点像差(アス)(像散)。
如图5所示，当平面玻璃的(QR)半透明反射镜10以相对于光轴成45°的角度插入时，由通过半透明反射镜内的光路长(图中的粗线)的差引起在垂直面内和水平面内产生焦点位置偏移。
该QR半透明反射镜10产生的垂直面的成像位置的偏移量δ1，如果着眼于光轴上的中心光和周边光引起的成像位置的移动，该几何学关系，可用下述的式(1)表示。这时，QR半透明反射镜10的玻璃(或其他适当的材质)的折射率为n，中心光向QR半透明反射镜10的入射角为45°，周边光向QR半透明反射镜10的入射角为Φ。
δ1=dcosφ-sinφ{2n2-1-14n2-2(cosφ+sinφ)-2(sinφ-cosφsinφn2-sin2φ)}---(1)]]>
另一方面，在水平面产生的成像位置的偏移量δ2，根据QR半透明反射镜10的厚度d′和折射率n，可用下述的式(2)近似表示。
δ2=d′(1-1n)---(2)]]>
与周边光的入射角关连的项为微小项，可以忽略，因此像的偏移量δ2只与厚度d′和折射率n有关。
另外，在求后述的修正用的成像位置的修正量δ1和δ2时，图5所示的周边光采用入射角非常接近45°的近轴的周边光(特别是上述的式(1))。例如，在厚度为1mm，折射率为1.51633的QR半透明反射镜10的情况下，光轴方向的焦点偏移量δ1在垂直面方向约为0.60mm，水平面方向的焦点偏移量δ2约为0.38mm。
由于该垂直面方向和水平面方向上的焦点差，产生非点像差(アス)(像散)，根据定义，其量为0.60-0.38＝0.22mm。即：非点像差(アス)(像散)是由于半透明反射镜对光轴倾斜插入产生的光轴方向的成像位置偏移(上述的(1))在垂直面内和水平面内不同引起的。这种非点像差(アス)(像散)损害像的清晰度，对AF控制等有不好影响。
另外，如上述的图5的垂直面内所示，由于QR半透明反射镜10倾斜45°插入，在与光轴垂直的方向上产生Δy的成像光轴偏移。
因此，在本实施例中，如图1所示，在QR半透明反射镜3的透过面上设有用于修正的修正面，使得在QR半透明反射镜3插入和脱开时相对于摄像元件5的成像位置大致相等。该修正面可以作成特别的曲面进行修正：
(1′)分别修正在垂直面内和水平面内不同的光轴方向上的成像位置偏移；
(2′)利用(1′)，同时修正非点像差(アス)(像散)；
(3′) 修正由于曲面的偏心造成的与光轴交叉(直角的)方向上的成像位置偏移(像偏移)。
其中，由于(1′)，QR半透明反射镜3的垂直截面和水平截面上使用分别具有不同曲率的复曲面。另外，由于(3′)，在垂直面内，使曲面的(主点)偏心(平行移动)。
以下，说明偏心的复曲面的工作原理。
图6示意性地表示本实施例的光学系统，各个光学零件只展示了其位置。在同一个图中，F2表示QR半透明反射镜(图1的QR半透明反射镜3)，F1表示在达到QR半透明反射镜F2之前的摄影光学系统(图1的物镜组)。
QR半透明反射镜F2具有摄影光学系统F1的半透过(反射)面F2a和其背面的透过面F2b，还具有厚度d(不是一定的)。这些面在图6中用与光轴垂直的直线表示。
符号F在本实施例的光学系统的成像位置上，摄像元件(5)配置在其上。在本实施例中，由于进行后述的修正，摄像元件(5)的配置位置F为在退出QR半透明反射镜F2的状态下计算的位置。符号F1表示本实施例的全部光学系统的焦点距离(F1～F)。
符号F′为现有平面半透明反射镜插入时的成像位置。如图5等所示，从成像位置F向后方焦点偏移δ1(与图5中的δ1相同)。该焦点偏移量δ1与QR半透明反射镜F2的厚度d成比例。
在本实施例中，将QR半透明反射镜F2的透过面F2b作成曲面，该曲面由垂直截面和水平截面分别具有不同的曲率的复曲面构成。
垂直截面和水平截面分别具有不同的曲率，因此要分别个别地修正图5所示的光轴方向上的焦点偏移量δ1和δ2。
以下，分别说明QR半透明反射镜F2的透过面F2b的曲面的垂直截面和水平截面的作用。
首先考察垂直面的曲面必要的折射能力(功率)。给与QR半透明反射镜F2的透过面F2b垂直面内的曲率。当考虑QR半透明反射镜F2的透过面F2b构成的薄壁透镜时，插入该薄壁透镜时的成像位置(与F1光学系统的合成焦点位置)，成为离开薄壁透镜主点一个距离S的F″。该QR半透明反射镜F2的透过面F2b构成的薄壁透镜的折射能力，可用1/f2(f2为QR半透明反射镜F2的焦点距离)表示。
当令从F1光学系统的主点至QR半透明反射镜F2的透过面F2b构成的薄壁透镜的主点的距离为X时，因为QR半透明反射镜F2的透过面F2b在垂直面内构成的曲面为圆弧形状，因此，上述距离S，如图1那样，即使45°插入QR半透明反射镜F2也不变，可用
S=f2(f1-χ)(f1+f2-χ)---(3)]]>
表示。
另外，实际上，由于QR半透明反射镜F2的厚度d的影响，产生焦点偏移量δ1，为使最终的成像位置与退出QR半透明反射镜F2时相同，为F，上述的距离δ必需满足下列条件：
S＝f1-X-δ1 …………(4)
在式(4)中，由QR半透明反射镜F2的厚度d产生的焦点偏移量δ1，根据上述的式(1)计算，这时，QR半透明反射镜F2的厚度d使用光轴附近的数值。
因此，由式(3)，(4)，QR半透明反射镜F2的透过面F2b在垂直面内构成的薄壁透镜的焦点距离可用下式求出：
f2=(f1-X)2δ1-f1+X---(5)]]>
例如，当f1＝100mm，X＝70mm，d＝1mm时，从δ1＝0.60mm，求出f2＝1461mm。
由该焦点距离f2和QR半透明反射镜F2的材质的折射率，可以计算QR半透明反射镜F2的透过面F2b在垂直面内构成的曲率。通过将满足式(5)的曲率给予QR半透明反射镜F2的透过面F2b的垂直面内，垂直面内的焦点偏移为0。即使在插入QR半透明反射镜F2的状态下，或退出的状态下，可以将成像位置都置于F上。
QR半透明反射镜F2的透过面F2b在水平面内构成的曲率也可以同样计算。即：如果将式(5)的焦点偏移量δ1，置换成在水平面内修正的焦点偏移量δ2，则QR半透明反射镜F2的透过面F2b在水平面内构成的曲面的焦点距离f2′可用下式求出：
(公式)f2′=(f1-X)2δ2-f1+X---(6)]]>
例如，当f1＝100mm，X＝70mm，d＝1mm时，由δ2＝0.38mm，可得出f2′＝2417mm。
这样，QR半透明反射镜F2的透过面F2b的曲面为具有在垂直面内分别具有不同折射能力1/f2和1/f2′的不同曲率的曲面，即：由复曲面(圆环体)构成。通过采用复曲面(圆环体)，即环形室那样的圆环体的外周形状，可以给出本实施例中必要的垂直面内和水平面内分别不同的曲率。
如上所述，在上述问题中：
(1)可以分别个别地修正光轴方向上的成像位置偏移(在垂直面内和水平面内分别不同)；同时，
(2)可以消除由倾斜插入QR半透明反射镜产生的(垂直面内和水平面内各不相同的焦点偏移量引起的)非点像差(アス)(像散)。
另外，在本实施例中，剩下的
(3)可通过产生偏心(QR半透明反射镜F2的中心从光轴通过位置平行移动)来修正在QR半透明反射镜F2的透过面F2b上形成的曲面。
即：如图7所示，使主点在QR半透明反射镜F2的透过面F2b的曲面的垂直方向上错开Δy′，可以消除光轴偏移量Δy。该光轴偏移量Δy与图5的Δy相同，可根据斯内尔法则，由QR半透明反射镜F2的折射率和厚度d(与上述同样，采用光轴附近的值)计算。
在图7中，产生修正光轴偏移Δy的光轴倾斜角为θ，因此，在QR半透明反射镜F2的透过面F2b形成的曲面的偏心量Δy′可用下式求出：
Δy′=f2tanθ=f2Δy(f1-χ)---(7)]]>
例如，当f1＝100mm，x＝70mm，d＝1mm时，由计算的f1＝1461mm，Δy＝0.33mm，可求出Δy′＝16.3mm。在这种情况下，如果使在QR半透明反射镜F2的透过面F2b上形成的曲面的主点相对于光轴，在垂直下方向上错开偏心16.3mm，则可以消除成像光轴偏移。
如上所述，通过在QR半透明反射镜F2的透过面F2b上构成具有下列形状的曲面：
(1′)分别修正在垂直面内和水平面内不同光轴方向上的成像位置偏移，
(2′)利用(1′)，同时修正非点像差(アス)(像散)，
(3′)修正由曲面的偏心产生的与光轴交叉(直角的)方向上的成像位置偏移(像偏移)
由此，可完全消除
(1)光轴方向上的成像位置偏移；
(2)由倾斜插入QR半透明反射镜产生的非点像差(アス)(像散)，
(3)与光轴交叉(直角的)方向上的成像位置偏移(像偏移)。利用摄影元件5，即使在插入QR半透明反射镜时也可以拍摄与退出时同样的图像，消除使用者所希望的焦点位置和摄影视野不同进行摄影的问题。另外，还可排除对自动聚焦处理的不好影响。
其次，说明上述结构的带有数码摄像机的地面望远镜的动作。
在观察状态下，QR半透明反射镜3处在图1实线位置的状态下，当使用者半压下释放按钮(图中没有示出)时，控制回路14利用通过QR半透明反射镜3入射在摄像元件5上的被照体光束的光电变换输出，检测其亮度，再利用众所周知的对比度检测方法，检测其对比度。
这样，控制回路14根据检测的被照体光束的亮度，决定摄像元件5的电子快门的开放时间。另外，可根据检测的对比度信息，驱动AF用电机4，在光轴方向移动可动聚焦透镜组2，进行自动聚焦控制。即：根据在摄像元件5上成像的被照体的对比度的变化，控制回路14可驱动AF用电机4，将可动聚焦透镜2移动至合焦位置(或者，以半压下释按钮的操作作为契机，不进行这种自动聚焦控制的通常的结构也可以)，使摄像元件5的摄影图像的对比度最大。
然后，当决定摄影的时间时(全部压下释放按钮的操作)，控制回路14驱动图中没有示出的快速返回机构，使QR半透明反射镜3在箭头方向移动，从主光学系统退出后，使摄像元件5开放一个上述这样决定的电子快门开放时间，拍摄被照体像。被照体像有电子数据，除了记录在图中没有示出的记录媒体(各种形式的存储器卡等)上以外，还可通过网络送至外部。摄影结束时，控制回路14驱动图中没有示出的快速返回机构，使QR半透明反射镜3回归图1的观察。
在以上的观察和摄影动作中，在本实施例的带有数码摄像机的地面望远镜中，由于具有光路分割装置功能的QR半透明反射镜3的透过面由在水平面内具有曲率，同时在垂直面内具有偏心曲率的单侧偏心复曲面构成，可修正成像位置在光轴方向的偏移还可以修正成像位置在与光轴垂直的方向上两种偏移(所谓像偏移)。
根据本实施例，由于在观察时，将QR半透明反射镜3插入光路中的状态下，另外，摄影时使QR半透明反射镜3从光路退出的状态下，成像位置都不变化，都是同一个位置，因此可以消除观察时和摄影时的自动聚焦控制误差和摄影像的偏移。
另外，采用本实施例，由于可以只有QR半透明反射镜3，不需要重新设置现有的修正玻璃和插入脱开玻璃用的驱动机构，因此结构简单，这是优点。另外，由于没有修正玻璃引起的光量损失，不会损害本来的光学性能，可以得到高品质的摄影图像。
即：利用本实施例，除了QR半透明反射镜以外，不需要其他修正用的光学零件，可以利用极简单的结构，进行QR半透明反射镜的成像位置的修正，不会产生自动聚焦控制误差和由它引起的图像清晰度的降低等图像质量降低和摄影像偏移，可以得到高品位的摄像图像，这是很好的效果。
另外，以上为了容易进行说明，说明了QR半透明反射镜3以45°角插入主光学射光的情况，但这个条件是为了方便起见，根据其他的设计条件，QR半透明反射镜3的零件对于主光学系统的角度可以适当改变。
根据本发明，具有：物镜组；配置在上述物镜组的后方，可插入物镜组的光轴中或退出该光轴的快速返回式半透明反射镜；配置在上述快速返回式半透明反射镜后方的摄像元件；和观察由上述快速返回式半透明反射镜反射的像的观察光学系统；构成修正面，修正上述快速返回式半透明反射镜的透过面，使得在上述快速返回式半透明反射镜插入和脱开时相对于上述摄像元件的成像位置大致相等。因此除了快速成返回式半透明反射镜以外，不需要其他修正用的光学零件，可以用极简单的结构，进行快速返回式半透明反射镜的成像位置的修正，没有自动聚焦控制误差和由它引起的图像清晰度降低等图像质量降低和摄影像的偏移，可以得到高品质的摄影图像的好的效果。