JP2000507415A

JP2000507415A - 工業用途のための光電式結像システム

Info

Publication number: JP2000507415A
Application number: JP9533943A
Authority: JP
Inventors: ヴィードル，アンドレアス
Original assignee: マンネスマン・アクチエンゲゼルシャフト
Priority date: 1996-03-26
Filing date: 1997-03-25
Publication date: 2000-06-13
Also published as: DE59701885D1; EP0890118A1; EP0890118B1; US6081388A; AU2692097A; WO1997036193A1

Abstract

(57)【要約】本発明は、画像センサ（８）上での結像鮮鋭度および結像ズームが制御装置により機械的に調整設定されることが可能である、少なくとも２つの互いに間隔を置いて配置されている光学レンズ（１，２）と電子式画像センサ（８）とを有する工業用途のための光電式結像システムに関する。本発明では、少なくとも２つのレンズの表面湾曲が外部からの力の作用（アクチュエータ１５）により作用され、可逆的に変化可能である可撓性レンズ（１）として形成され、光軸の方向に互いに変位不可能に配置され、画像センサ（８）が信号技術的にデータ処理装置（１４）に接続され、そのデータ処理装置（１４）は信号技術的に可撓性レンズ（１）のアクチュエータ（１５）に接続され、自動焦点（オートフォーカス）機能のための信号を供給し、ズーム機能のために可撓性レンズ（１）の焦点距離を調整するためのアクチュエータ（１５）を調整するための値が保管されるメモリ装置をデータ処理装置（１４）が有し、可撓性レンズ（１）がアクチュエータ（１５）および画像センサ（８）およびデータ処理装置（１４）と共働してコンパクトな機器技術的単一装置（１６）を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】工業用途のための光電式結像システム本発明は、少なくとも２つの互いに間隔を置いて配置されている光学レンズと電子式画像センサとを有する工業用途のための光電式結像システムに関し、画像センサ上の結像鮮鋭度および結像ズームは制御装置により機械的に調整設定可能である。このような結像システムはいずれのビデオカメラにも収容されている。このようなカメラの対物レンズは通常は、手動および自動焦点調節（オートフォーカス）のためと結像ズームの電動機による調整のためとの装置を具備している。対物光学レンズは中実のガラス体から形成されている。焦点調節およびズームを可能にするために、対物レンズの中の個々のレンズまたはレンズ群の間の軸方向の間隔が光軸に沿って電動機により相互に調整される。このためのコストは精密機械工学的駆動装置技術の面だけでなく、対物レンズのためのスペース（構造体積）の必要面でも大きい。ズーム機能のための測定値を得るために通常は赤外線センサが使用されている。特に工業用途のためにできるだけ小さく、かつ安価に製造可能な機器を使用できることに関心が寄せられている。このような機器は例えば安全技術およびプロセス制御工学において施設保護、またはプロセス観察のために使用される。搬送技術的、交通技術的および製造技術的な作業（例えば取付け）のためにも光電式結像システムは重要である。その際多数の用途用に画像再生の精度および分解能に対する要求は例えば市販の写真機およびビデオ機器の場合に比して低い。焦点距離をレンズ体の可撓性変形により、すなわちレンズ表面湾曲度を調整することにより調整可能である光学レンズの製造が可能であることは数年来公知である。例えば米国特許第３１６１７１８号明細書が開示する可撓性レンズは、２つの互いに直接接触し、かつ透光性ディスクによってのみ相互に離されている中空体から成る。双方の中空体の外表面はそれぞれ１つの透光性の可撓性膜により形成されている。双方の中空体の内部も透光性液体により充填されている。液体充填体積を小さくするまたは大きくすることにより、外部から膜表面に作用する周囲圧力を考慮の下に異なる表面湾曲度が得られ、ひいてはレンズの異なる焦点距離が得られる。湾曲形状を更に調整するために、この文書では、膜壁のバイアス緊張を充填液体の圧力とは無関係に調整することが出来る配置が開示されている。英国特許第１２０９２３４号明細書からは眼鏡として設計されている機器が公知であり、充填液体を調整することにより可変焦点距離を有する可撓性レンズの形に眼鏡のガラスが形成されている。更にＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ誌に記載の論文「目の中に装着されたシリコーンゴム：予備研究」（１９７９年５月１日，Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．９，１３０５〜１３１０頁）には肉眼レンズの代用品として肉眼中への移植を想定した可撓性レンズの医学的使用の可能性が説明されている。この場合にはレンズは液体を充填されず、中実の弾性のある合成物質から成る。更にＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ誌に記載の論文「可変焦点距離式液体充填光学レンズ」（１９９３年８月１日，Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．２２，４１８１〜４１８６頁）には液体充填可撓性レンズの結像特性に関する研究結果が記載されている。フランス特許第２６３４２８７号明細書に開示されている対物レンズは２つ以上の液体充填式レンズを有し、これらのレンズの表面湾曲は、調整ねじにより調整可能な液体用の量調整棒により手動で調整できる。本発明の課題は、できるだけ安価に製造可能であり、比較的小さい構造体積を有し、需要に適した結像品質を可能とする冒頭に記載したタイプの工業用途に適した光電式結像システムを提供することにある。区分けに応じた結像システム用のこの課題は、請求項１の特徴部分に記載の特徴により解決される。従属項２〜１７の特徴によりこの結像システムは更に有利な方法で仕上げることができる。本発明では、電子式画像センサ上での結像を充分な鮮鋭度と所望の結像ズームとで確実に実現する対物レンズに、相互に間隔を置いて対物レンズの光軸に沿って配置されている少なくとも２つの可撓性レンズを設けている。外部から惹起される機械的力作用による可撓性レンズの表面湾曲を調整することにより可撓性レンズの焦点距離をその都度所望のように調整できる。この変形は制御可能であり、レンズ材料の可撓性故に可逆的である。焦点距離が調整可能であることにより、従来の対物レンズではこれまで必要であった個々のレンズまたはレンズ群を光軸に沿ってシフトすることは全く不要となる。このことは、このシフトに必要な機器技術的コストが除去されることを意味する。従って可撓性レンズは相互に固定した軸方向間隔を有する。本発明の１つの重要な特徴は一方ではアクチュエータが、他方では画像センサが電子式データ処理装置に接続され、その際にデータ処理装置のプログラミングは、画像センサからデータ処理装置に供給された信号がオートフォーカス機能のために測定されることである。従って例えば鮮鋭度が低いエッジおよび線は勾配画像解析（例えば重心測定法による）により補正できる。一般的には特にエッジ量およびエッジ鮮鋭度の灰色値画像（Grauwertbild）の解析から対象物距離の調整のための操作量を導出でき、これにより少なくとも対象物距離の変化が小さい場合には簡単に画像鮮鋭度の自動調節（オートフォーカス）が可能となる。従って本発明の結像システムはオートフォーカス機能のための付加的なセンサ装置（例えば赤外線センサ）が不要である。本発明の別の１つの特徴では電子式データ処理装置が相応の操作信号を通じてアクチュエータに可撓性レンズの表面湾曲とひいては焦点距離とを的確に所望の結像ズーム（ズーム機能）を達成するように調整する。このことは比較的少ないコストで、異なる所望のズーム段階のためのデータ処理装置のメモリの中で可撓性レンズのその都度に必要な表面湾曲度のための調整値の組合せ、すなわちその都度にアクチュエータに供給する操作信号のための調整値の組合せを行なうことにより実現できる。これらの調整値は実際の試験および／または数学的シミュレーションにより、すなわち一度のアクションで求め、更に記憶できる。勿論、調整値は数値表としてではなく、機能的な形でデータ処理装置のメモリの中で行なわれる。最後に、本発明の本質の特徴は結像システムが全体としてコンパクトな機器技術的な単一体として形成され、この単一体は可撓性レンズ系および画像センサの系を包含するだけでなく、電子式データ処理装置およびアクチュエータも包含することにある。これにより、極めて高性能の光電式「センサ」が得られ、このセンサはその内在的なインテリジェンス（集積データ電子式処理装置）を基礎にして充分に良好な画像信号を供給し、しかも従来の技術では対応する装置に必要なスペースの需要に比して僅かなスペースしか必要としない。この構造体積の大幅な減少により製造コストも明らかに低下する。マイクロコンピュータとして形成されているデータ処理装置を画像センサと一緒に１つの共通の電子チップに配置すると、特に有利である。このことは、製造コスト（取付け）をできるかぎり小さくする面でも、また本発明の結像システムの信頼性および処理速度の面でも好適である。電子式データ処理装置のプログラミングを、電子式画像補正装置の意味で拡張すると特に有利である。適当な画像補正は例えばいわゆる画素操作により、可撓性レンズの表面湾曲度の不充分な調整設定に起因する歪みを補償できるかまたは少なくとも最小化できる。電子式画像処理の公知の方法により画像補正装置を簡単に校正できる。すなわちこの補正装置は、例えば画像上で湾曲されて表示されている偶数のエッジを有する対象物の場合には、所与の条件での結像が、相応する比でオリジナルに非常に忠実に偶数のエッジを示すように調整設定できる。既に冒頭で説明したように結像精度に対する要求はそれほど高くないから大部分の場合には、このために必要なコストは非常に小さい。歪みの種類は前もって知られているので、相応する補正値を可撓性レンズの調整値に依存して電子式データ処理装置のメモリの中で行うこともできる。鮮鋭な画像を画像加算により形成することも可能である。この場合、可撓性レンズの焦点距離を異なって調整設定する際には（結像システムのズーム段階を維持しながら）個々の画像領域が交互に鮮鋭であるまたは鮮鋭でないという効果が利用される。例えば中心領域の調整設定において第２の調整設定で、中心のまわりに位置する中間領域と第３の調整設定において生成画像の端縁領域とが鮮鋭である場合にはそれぞれの鮮鋭な領域すなわち３つの画像から１つの全体として充分に鮮鋭な画像を電子式データ処理装置により合成できる。本発明のコンパクトな結像システムの中での電子式画像補正の可能性により妥当な価格のズーム対物レンズが使用可能となり、この対物レンズは必要な場合には極度の広角特性を提供でき、しかもその際、画像後加工のための高価な特殊計算装置を必要とせずに、このような広角特性に必然的に伴う画像歪みが大幅に補償される。本発明の別の有利な発展形態では電子式輝度調整のために電子式データ処理装置が利用される。例えば２つの可撓性レンズ間に配置されている固定絞りを有するこの２つの可撓性レンズから成る結像システムではレンズの表面湾曲度が異なるとレンズアパーチュア（開口）の効果が異なり、ひいては画像センサに到達する光量が異なる。従って画像輝度が相応して変化する。例えばこのようなズーム対物レンズのコンピュータシミュレーションにより、アクチュエータのその都度の調整値（すなわちその都度のレンズ湾曲度）と画像センサ上の光強度との間の相関性を求めることができる。これから導出される画像輝度のこのような変動を補償するための補正値は、画像歪みの場合と同様に、レンズ調整値に依存して電子式データ処理装置のメモリの中で行われる。その際に画像輝度の補正は画像センサにおける露光時間の変更により、しかも画像センサ信号を適切に増幅することにより調整できる。少なくとも２つの可撓性レンズの外に本発明の結像システムはなお固定焦点距離を有する１つ以上の従来のレンズをも備えることもできる。このことは焦点距離調整の可能な領域および／またはズーム領域を大きくするために有益である。更に必要な場合には収差の程度を低下できる。基本的には湾曲度が機械的に制御されて調整可能である可撓性表面を有する鏡を本発明において「可撓性レンズ」として使用することも可能である。しかしこの場合に画像センサは、透光性光学レンズを有する対物レンズの場合と同様に光学軸上に配置できず、側方へずらして、反射により偏向した光ビーム路の中に取付けなければならないので、湾曲した鏡表面の結像特性に起因する強い収差が発生し、これにより例えば結像の歪みが大きくなる。従って本発明では、光ビーム路のために利用される部分の中で一体をなしている可撓性の透光性材料から成るか、または液体を充填された中空体として形成されている可撓性レンズが好ましく、その際に少なくとも１つの、好ましくは双方の外表面が透光性であって、かつ可撓性材料の膜壁により形成されている。液体充填式可撓性レンズの場合にその液体としては特に、小さい分散率を有し、色収差を最小化する液体が問題となる。とりあげるに値する程度の望ましい、しかも制御困難な変形を最初から除去できるために、液体の静水圧は、比較的薄肉の膜壁の変形に作用するので、液体体積は全体としてできるだけ小さく維持しなければならない。液体充填式レンズの１つの有利な実施形態では膜壁が均一の厚さで形成されず、半径方向で光軸からレンズの周辺へ向かって異なる大きさに選択するように形成されている。結像誤差を補償するために、可撓性レンズの表面上に例えば屈折素子と共に色収差を低減する回折構造を設け、単色収差を軽減するために更にレンズの屈折率は曲率半径に依存して調整可能に形成できる（勾配屈折率レンズ）。液体充填式可撓性レンズでは表面形状すなわちレンズの湾曲度の変化は公知の方法で充填体積の変化により行うことが可能である。このために相応の液体供給装置、例えばディジタル制御式調量調節ポンプを設ける。大部分の用途では可撓性レンズの直径は小さく保持できるので、焦点距離を調整するためにレンズ内に供給し、またはレンズ内から取出す液体体積は非常に小さい。従ってこのためにマイクロアクチュエータ式ポンプ（例えば圧電式ポンプ）を使用できる。可撓性レンズのばね力に抗する外部力の作用のみにより液体貯蔵器の容積を調整する、完全に閉じた系の液体システムを使用することも可能である。液体としては例えばジメチルシリコン油が適する。中実の一体をなしている可撓性材料から形成された可撓性レンズの場合には、所望の焦点距離を調整設定する際にレンズ表面を変形するために必要な機械的な力は圧電式アクチュエータにより印加できる。制御するためにこれらのアクチュエータは、液体充填式可撓性レンズの場合の液体供給手段の場合と同様に信号技術的に焦点距離調整を制御する電子式データ処理装置に接続される。発生する収差の程度を低く維持するために、１つ以上の絞りを本発明の結像システムの光ビーム路の途中に配置することができる。しかもその際、機械的調整機構のための望ましくないコストはかけることなく、絞りの開口部の調整を可能にするために、本発明の発展形態ではこのような絞りは液体充填式可撓性レンズの場合と同様の形状に設計される。このことは絞りも同様に液体充填式中空体として形成され、この中空体の外表面は透光性膜壁により形成されていることを意味する。しかしこの場合に透光性充填液体の代りに非透光性充填液体を使用することも可能である。更に、双方の互いに対向して位置する膜壁間の軸方向間隔は比較的短い。液体を中空空間から取出すことにより、外部から作用する周囲圧力に起因して双方の膜壁は内方へ向かって凹状に湾曲され、光軸の周りの円形面の領域内で膜壁が互いに直接に接する。中空体から取出された液体体積の大きさに応じて、膜壁の面接触が発生する円形面は異なる大きさを有する。接触面の領域内では、分離する液体がもはや存在しないので、この領域内には絞り開口が形成される。以下に本発明を、図に概略的に示されている実施例を用いて詳細に説明する。図１は異なる変形段階の可撓性レンズを示す。図２は２つの可撓性レンズと１つの従来のレンズとを有する光学装置を示す。図３は可撓性レンズのための異なる膜形状を示す。図４はプロファイル化し、かつ、一様な厚さの膜壁とを有する可撓性レンズを示す。図５および６は異なる動作状態における本発明の結像システムを示す。図７および８は閉鎖状態および開放状態での絞りを示す。図９は本発明の結像システムを示すブロック回路図である。図１に示されている可撓性レンズは、一体となっている可撓性のある変形可能である弾性材料から成り、しかもこの材料は透光性であり、屈折特性を有する。基本的にはこのために、良好な変形能力の外にできるかぎり分散率が小さく、屈折力が強い材料（例えばポリマー）を選択する。更にこれらの材料特性はできるだけ非常に長い時間にわたり保持されなければならない。外部からレンズの周辺に印加される押圧力または引張り力により、このようなレンズの表面湾曲を変化でき、ひいてはレンズの焦点距離を異なる値に調整設定できる。左側の図半部には、側面で示されているレンズが半径方向で外方へ作用する引張り力により比較的偏平な形状にひっぱられ、これに対して右側の図半部に示されている状態では外部の押圧力によりレンズ体の直径が短縮され、厚さとひいては表面曲率が大きくなる。図２では１つの簡単な実施例の形で本発明の結像系のための光学装置が示され、この結像系は軸方向に相互に間隔を置いて光軸に沿って配置されている２つの可撓性レンズ１を有し、レンズが収容されているケーシングが参照番号４により示されている。双方の可撓性レンズ１の間に両側に凹状湾曲を有する従来のガラスレンズ２が配置され、固定した焦点距離を有するこのようなレンズ２は、レンズアパーチュア（開口）が小さく、レンズ焦点距離値の変化が小さく、対象物迄の距離が大きい場合には特に有利である。多くの場合、付加的な従来のレンズにより、可撓性レンズ１を凹状領域から凸状領域へまたはその逆に切換えることの必要性を回避できる。双方の可撓性レンズ１の湾曲度を調整するために、レンズ周縁の領域内にそれぞれ圧電式アクチュエータ３が配置されており、その圧電形アクチュエータ３は図に概略的に示されている。液体を充填している可撓性レンズを製造するために異なる横断面形状を有する膜壁を使用できる。このことは特に光学的収差を低減することに関連して有利である。図３には多数の異なって形成されている膜５ａおよび５ｅが示されている。図４は２種の異なる膜壁５ｅ，５ａが使用される実施例を示している。膜壁５ａは最も簡単なタイプのものであり、横断面全体にわたり均一の厚さを有する。これに対して膜壁５ｅの厚さは光軸から出発して半径方向に外方へ向かって連続的に減少する。更に膜壁は無負荷状態でも完全に平らには形成されておらず、既に外方へ向かって凸状の湾曲を有する。２つの可撓性の液体充填式レンズを有する結像系は図５および６に異なる動作状態で示されている。光入射側では光学装置が収容されているケーシング４は透光性である剛性のディスク１１により外部に対して閉鎖されている。互いに軸方向に間隔を置いて２つの可撓性レンズが配置され、そのレンズはそれぞれ２つの膜壁５および周縁領域内ではケーシング４により取り囲まれている中空空間６を有する。供給管９を介して透光性液体が双方の中空空間６の中に導入されまたは中空空間６から導出され、これにより膜壁５の両側に圧力差が発生する。双方の可撓性レンズの間およびこれらのレンズの左側または右側には好ましくはガス（例えば空気）を充填している、それぞれ１つの中空空間７が設けられている。ケーシング４の中の開口１０を介してこれらの中空空間７の中で周囲との圧力補償が行われる。ケーシング４の右側端面に電子式画像センサ８が概略的に示されている。動作中は双方の可撓性レンズは湾曲状外形をとり、これは図６に例示されている。付加的な液体を左側の可撓性レンズの中に充填することによりレンズの膜壁５は外方へ向かって湾曲し、その結果凸状のレンズ形状が形成される。双方の直接に隣接する中間空間７の中の充填ガスは部分的に圧力補償のために開口１０を介して外部へ流出させる。右側の可撓性レンズの場合には、最初は無負荷状態で存在した液体の一部が内部空間６から排出される。液体体積の減少に起因する圧力差により双方の所属の膜壁５は凹状に湾曲される。可撓性レンズに直接に隣接して配置されている中間空間７の中での単純な圧力補償の代りにこれらの中間空間７の中の内圧を的確に調整して（正圧または負圧）その都度の膜壁の変形を支援できる。原理的には、量調節が困難であることゆえにそれほど目的に適しているのではないが、可撓性レンズの充填液体のためにその都度単に圧力補償だけを行い、その都度の充填体積を中間空間７の中で調整設定される媒体圧力によってのみ調整することも可能である。図示されていない電子式データ処理装置により制御されて調整設定される可撓性レンズの湾曲度の変化により双方の可撓性レンズの焦点距離を的確に調整設定して、その都度の対象物を画像センサ８の上に鮮明に表示できる。更に焦点距離を適切に調整設定して画像センサ８の上の結像目盛りを所望のように調整することも可能である。このために双方のレンズを軸方向でスライドすることは不要である。本発明の結像系は光ビーム路の途中に、可能な限り可変の絞り開口を有する絞りを間に配置することにより更に改善できる。適切な絞りの実施例が概略的に図７および８に示されている。図７は閉鎖状態の絞りを示す。絞りも双方の端面に例えば剛性の透光性被覆ディスク１１が設けられているケーシング４の中に収容されている。実際の絞りは、液体充填式可撓性レンズの場合と同様に、ケーシング４と２つの互いに僅かな間隔を置いて配置されている透光性の弾性膜５の間に取り囲まれている、液体１２を充填されている中空空間からなる。液体１２は非透光性である。液体供給装置１３により液体が絞りの中空空間から外部へ排出されると、双方の膜壁５は互いに向かって湾曲し、膜壁５に作用する外圧に起因する光軸を中心とする円形面に接触する。変形を支援するために可撓性レンズの場合と同様に的確に中間空間７の中の圧力を増加できる。双方の膜壁５の円形の接触面には非透光性液体が存在しないので、この領域内では光ビームが透過できる。従って絞りの光軸を中心とする円形面は絞り開口を形成する。弾性膜壁５の変形度の強さに応じて絞り開口は異なる大きさの値に調整設定できる。図９には本発明の結像系１６がブロック回路図として示されている。結像系１６は可撓性レンズ１の系（場合に応じて１つ以上の中間に配置されている絞り）と画像センサ８と電子式データ処理装置１４とアクチュエータ１５とから成る。この結像系により結像される対象物Ａは面状矢印により示されているように光を可撓性レンズ１の系の中に入射し、この系を透過して画像センサ８に入射する。画像センサ８により形成される画像信号はデータ処理装置１４に伝送され、この中で場合に応じて輝度および歪みを（実時間で）補正される。本発明の結像系１６により外部へ、例えば図示されていない装置に送り出された画像信号が矢印Ｂにより示されている。画像ズームの目標値すなわち所望のズーム段階は外部からデータ処理装置１４に相応してデータ入力することによりプリセットできる（矢印ｘ）。このようなプリセットに相応してデータ処理装置１４の図示されていないメモリから、可撓性レンズ１の調整設定に必要なプリセット値が読出され、アクチュエータ１５に伝送される。これに次いでアクチュエータ１５はレンズ１を所望のような方法で調整設定する。本発明の１つの重要な利点は、光学レンズまたはレンズ群の焦点距離を変更するために何らの軸方向での間隔変更を必要とせず、絞りを使用する場合には、セラミック技術から公知のような通常の機械的調整機構は不要となることである。これにより非常にコンパクトに構成され、従って僅かな組込みスペースしか必要としない結像システムを設計できる。必要な場合には、電子的画像補正の手段により、この面でのより厳しい要求を持つ工業的用途に適する画像精度を容易に達成することが可能である。通常の精密機械工学的駆動装置が不要となることにより自動的に製造コストが大幅に減少する。これにより例えば充分な性能を有するディジタルドキュメントアーカイビングのためのミニチュア撮影装置を非常に低コストで開発でき、このような装置はその小さい構造体故に例えば卓上ランプの機構の中に組込むことも出来る。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】１９９８年３月２６日（１９９８．３．２６）【補正内容】ある。例えば米国特許第３１６１７１８号明細書が開示する可撓性レンズは、２つの互いに直接接触し、かつ透光性ディスクによってのみ相互に離されている中空体から成る。双方の中空体の外表面はそれぞれ１つの透光性の可撓性膜により形成されている。双方の中空体の内部も透光性液体により充填されている。液体充填体積を小さくするまたは大きくすることにより、外部から膜表面に作用する周囲圧力を考慮の下に異なる表面湾曲度が得られ、ひいてはレンズの異なる焦点距離が得られる。湾曲形状を更に調整するために、この文書では、膜壁のバイアス緊張を充填液体の圧力とは無関係に調整することが出来る配置が開示されている。英国特許第１２０９２３４号明細書からは眼鏡として設計されている機器が公知であり、充填液体を調整することにより可変焦点距離を有する可撓性レンズの形に眼鏡のガラスが形成されている。更にＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ誌に記載の論文「目の中に装着されたシリコーンゴム：予備研究」（１９７９年５月１日，Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．９，１３０５〜１３１０頁）には肉眼レンズの代用品として肉眼中への移植を想定した可撓性レンズの医学的使用の可能性が説明されている。この場合にはレンズは液体を充填されず、中実の弾性のある合成物質から成る。更にＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ誌に記載の論文「可変焦点距離式液体充填光学レンズ」（１９９３年８月１日，Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．２２，４１８１〜４１８６頁）には液体充填可撓性レンズの結像特性に関する研究結果が記載されている。フランス特許第２６３４２８７号明細書には２つ以上の液体充填式レンズを有する対物レンズが記載されており、これらのレンズの表面湾曲度は、調整ねじにより調整可能な液体用の量調整棒により手動で調整できる。米国特許第４４０７５６７号明細書からは固定した間隔で光軸に沿って配置されている３つの可撓性レンズを有する光電式結像システムが開示されている。可撓性レンズの表面湾曲度は圧電式アクチュエータにより制御され、かつ可逆的に調整できる。このために、特定の表面湾曲度に調整設定するためにそれぞれ１つの相応の電圧を圧電式アクチュエータに印加するデータ処理装置が設けられている。データ処理装置には２つの入力装置が設けられ、これらの入力装置により結像システムのユーザは結像ズームを調整設定するためのおよび鮮鋭化のための操作値を入力できる。可撓性レンズとアクチュエータとはデータ処理装置と共働して機器技術的単一装置を形成する。可撓性中空鏡を有する可撓性レンズに対する代替として機能する実施例における詳細な指摘により分かるように、最外側の中空鏡と中空鏡との間の間隔が０．４〜３ｍｍと記載されているから、この光電式結像システムは非常に大きい寸法をとることもある。米国特許第４８０２７４６号明細書には電子式画像センサ上に結像が行われる光電式結像システムが開示されている。この結像システムの光学装置は２つの従来のレンズと１つの可撓性レンズとから成り、その可撓性レンズの表面湾曲度はこの場合にも圧電式アクチュエータにより制御され、かつ可逆的に調整可能である。圧電式アクチュエータを調整設定するための電圧はマイクロプロセッサを介して制御される。このマイクロプロセッサは電圧供給のための操作情報を画像鮮鋭度検出装置の検出結果を用いて選択し、この検出装置は可撓性レンズの表面湾曲度が短時間変化する際に個々の画像部分を比較することにより画像鮮鋭度を検出する。ズーム機能は、ただ１つの可撓性レンズしか設けられていないこのシステムでは、従来のレンズを軸方向にシフトせずには不可能である。本発明の課題は、できるだけ安価に製造可能であり、比較的小さい構造体積を有し、需要に適した結像品質を可能とする冒頭に記載したタイプの工業用途に適請求の範囲（補正）１．少なくとも２つの互いに間隔を置いて配置されている光学レンズ（１，２）を具備し、その光学レンズ（１，２）のうちの少なくとも２つが、可撓性レンズ（１）として形成され、かつ光軸の方向に互いに変位不可能に配置され、その湾曲度が外部からのアクチュエータ（１５）により惹起される力作用により制御され、かつ可逆的に調整可能であり、その際に結像鮮鋭度および結像ズームが、信号技術的に前記可撓性レンズ（１）のアクチュエータ（１５）に接続されているデータ処理装置（１４）により機械的に調整可能であり、前記データ処理装置（１４）は、ズーム機能の意味で可撓性レンズ（１）の焦点距離を調整設定するためにアクチュエータ（１５）を調整設定するための値が保管されているメモリ装置を有する工業用途のための光電式結像システムにおいて、電子式画像センサ（８）が結像画像の検出のために設けられ、画像センサ（８）は信号技術的にデータ処理装置（１４）に接続され、データ処理装置（１４）はオートフォーカス機能のための信号を提供し、データ処理装置（１４）と画像センサ（８）とは１つの共通の電子チップ上に集積され、可撓性レンズ（１）はアクチュエータ（１５）、画像センサ（８）およびデータ処理装置（１４）と共働してコンパクトな機器技術的単一装置（１６）を形成することを特徴とする工業用途のための光電式結像システム。２．データ処理装置（１４）が、可撓性レンズ（１）の表面湾曲が不充分に調整設定されていることに起因する歪み等の光学的結像エラーを補償するための画像補正装置としてプログラミングされていることを特徴とする請求項１に記載の結像システム。３．データ処理装置（１４）のプログラミングが、画像センサ（８）により撮影された画像の画像輝度を、アクチュエータ（１５）のその都度の調整設定値（すなわち可撓性レンズ（１）の表面湾曲度）に応じて調整するように設定されることを特徴とする請求項１から２までのいずれか１項に記載の結像システム。４．輝度調整が、露光時間の調整、画像センサ（８）から供給される信号の増幅により行われることを特徴とする請求項３に記載の結像システム。５．可撓性レンズ（１）の光ビーム路のために利用される部分が、一体的であり可撓性であり透光性である材料から形成されていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の結像システム。６．可撓性レンズが液体が充填されている中空体（６）として形成され、その際に光ビーム路の途中に配置されているレンズ外面のうちの少なくとも１つのレンズ外面がそれぞれ、可撓性膜壁（５，５ａ〜５ｅ）として透光性で可撓性の材料から形成されていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の結像システム。７．可撓性レンズの双方の外面が可撓性膜壁（５，５ａ〜５ｅ）として形成されていることを特徴とする請求項６に記載の結像システム。８．中空体（６）の内部の液体が小さい分散率を有することを特徴とする請求項６から７までのいずれか１項に記載の結像システム。９．中空体（６）の内部体積が液体の静水圧を小さく制限するために小さいことを特徴とする請求項６から８までのいずれか１項に記載の結像システム。１０. 膜壁（５，５ａ〜５ｅ）の厚さが光軸からレンズ周辺へ向かって異なった大きさであることを特徴とする請求項６から９までのいずれか１項に記載の結像システム。１１．収差を補償するために回折構造が可撓性レンズの表面に配置されていることを特徴とする請求項１から１０までのいずれか１項に記載の結像システム。１２．可撓性レンズ（１）の表面湾曲度を調整するためのアクチュエータ（１５）が、可撓性レンズの周辺に配置されている圧電式アクチュエータ（３）により形成されていることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか１項に記載の結像システム。１３．可撓性レンズの表面湾曲度が、液体供給装置（１３）として形成されているアクチュエータ（１５）により中空体（６）の充填体積を調整することにより調整可能であることを特徴とする請求項２から１１までのいずれか１項に記載の結像システム。１４．少なくとも１つの従来のレンズ（２）が、可撓性レンズから不変の軸方向間隔を置いて光ビーム路の途中に配置されていることを特徴とする請求項１から１３までのいずれか１項に記載の結像システム。１５．光ビーム路の途中に少なくとも１つの絞りが配置されていることを特徴とする請求項１から１４までのいずれか１項に記載の結像システム。１６．絞りが中空体から成り、その中空体は、２つの可撓性であり、僅かな間隔を置いて配置され透光性である膜壁（５）の間に形成され、非透光性液体（１２）が充填され、膜壁の外面と中空体の内部との間の圧力差を調整することにより、互いに対向して位置する膜壁が所望の直径を有する円形面の形で互いに直接に接触することが可能であることを特徴とする請求項１４に記載の結像システム。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ【要約の続き】技術的単一装置（１６）を形成する。

Claims

【特許請求の範囲】１．画像センサ（８）上で結像鮮鋭度および結像ズームが制御装置により機械的に調整設定されることが可能であり、少なくとも２つの互いに間隔を置いて配置されている光学レンズ（１，２）と電子式画像センサ（８）とを有する工業用途のための光電式結像システムにおいて、少なくとも２つのレンズの表面湾曲が外部からの力の作用（アクチュエータ１５）により作用され、可逆的に変化可能である可撓性レンズ（１）として形成され、光軸の方向に互いに変位不可能に配置され、画像センサ（８）が信号技術的にデータ処理装置（１４）に接続され、そのデータ処理装置（１４）は信号技術的に可撓性レンズ（１）のアクチュエータ（１５）に接続され、自動焦点（オートフォーカス）機能のための信号を供給し、ズーム機能のために可撓性レンズ（１）の焦点距離を調整するためのアクチュエータ（１５）を調整するための値が保管されるメモリ装置をデータ処理装置（１４）が有し、可撓性レンズ（１）がアクチュエータ（１５）、画像センサ（８）およびデータ処理装置（１４）と共働してコンパクトな機器技術的単一装置（１６）を形成することを特徴とする工業用途のための光電式結像システム。２．データ処理装置（１４）と画像センサ（８）とが共通の電子チップ上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の結像システム。３．データ処理装置（１４）が、可撓性レンズ（１）の表面湾曲が不充分に調整設定されていることに起因する歪み等の光学的結像エラーを補償するための画像補正装置としてプログラミングされていることを特徴とする請求項１から２までいずれか１項に記載の結像システム。４．データ処理装置（１４）のプログラミングが、画像センサ（８）により撮影された画像の画像輝度を、アクチュエータ（１５）のその都度の調整設定値（すなわち可撓性レンズ（１）の表面湾曲度）に応じて調整するように設定されることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の結像システム。５．輝度調整が、露光時間の調整、画像センサ（８）から供給される信号の増幅により行われることを特徴とする請求項４に記載の結像システム。６．可撓性レンズ（１）の光ビーム路のために利用される部分が、一体的であり可撓性であり透光性である材料から形成されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の結像システム。７．可撓性レンズが液体が充填されている中空体（６）として形成され、その際に光ビーム路の途中に配置されているレンズ外面のうちの少なくとも１つのレンズ外面がそれぞれ、可撓性膜壁（５，５ａ〜５ｅ）として透光性で可撓性の材料から形成されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の結像システム。８．可撓性レンズの双方の外面が可撓性膜壁（５，５ａ〜５ｅ）として形成されていることを特徴とする請求項７に記載の結像システム。９．中空体（６）の内部の液体が小さい分散率を有することを特徴とする請求項７から８までのいずれか１項に記載の結像システム。１０．中空体（６）の内部体積が液体の静水圧を小さく制限するために小さいことを特徴とする請求項７から９までのいずれか１項に記載の結像システム。１１．膜壁（５，５ａ〜５ｅ）の厚さが光軸からレンズ周辺へ向かって異なった大きさであることを特徴とする請求項７から１０までのいずれか１項に記載の結像システム。１２．収差を補償するために回折構造が可撓性レンズの表面に配置されていることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか１項に記載の結像システム。１３．可撓性レンズ（１）の表面湾曲度を調整するためのアクチュエータ（１５）が、可撓性レンズの周辺に配置されている圧電式アクチュエータ（３）により形成されていることを特徴とする請求項１から１２までのいずれか１項に記載の結像システム。１４．可撓性レンズの表面湾曲度が、液体供給装置（１３）として形成されているアクチュエータ（１５）により中空体（６）の充填体積を調整することにより調整可能であることを特徴とする請求項３から１２までのいずれか１項に記載の結像システム。１５．少なくとも１つの従来のレンズ（２）が、可撓性レンズから不変の軸方向間隔を置いて光ビーム路の途中に配置されていることを特徴とする請求項１から１４までのいずれか１項に記載の結像システム。１６．光ビーム路の途中に少なくとも１つの絞りが配置されていることを特徴とする請求項１から１５までのいずれか１項に記載の結像システム。１７．絞りが中空体から成り、その中空体は、２つの可撓性であり、僅かな間隔を置いて配置され透光性である膜壁（５）の間に形成され、非透光性液体（１２）が充填され、膜壁の外面と中空体の内部との間の圧力差を調整することにより、互いに対向して位置する膜壁が所望の直径を有する円形面の形で互いに直接に接触することが可能であることを特徴とする請求項１５に記載の結像システム。