JP2017512317A - 光学歪み補正を備えた光学撮像アセンブリおよびシステム - Google Patents

Abstract

光学撮像アセンブリを提案する。これは、光学軸と対象物軸を有し、対象物軸を囲む光透過スリーブがあり、対象物空間においてテレセントリックであり、少なくとも３つの屈折レンズエレメントがあり、この屈折レンズエレメントの内の２つが、少なくとも１つの面において、互いに円柱状面と近円柱状面のいずれかを有し、画像面があり、画像を作る対象物がスリーブの内部にある。【選択図】 図３

Description

本発明は、光学撮像及び測定システムに係り、より詳しくは、医療用注入ポンプへの液体の流れを較正するために使用される光学歪み補正を備えた光学撮像アセンブリおよびシステムに関する。

液体の流量を測定する１つの方法は、既知容量の液滴を連続的な流れの流体とし、次いで時間当たりの液滴数をカウントして流量を推定することである。この方法は、液滴の容量と共に粒子を測定し、液滴それぞれがオリフィスから離れるときに同じ容量であると仮定しているので、非常に粗いものである。確かに、“液滴計測”方法は、医療用注液など多くの用途には不充分な測定精度である。液滴の容量を、液滴がその取り付けたオリフィスから形成され、そして離れるときにリアルタイムに測定できれば、この粒状問題はなくなる。

容量を測定する１つの方法は、オリフィスから垂れ下った懸垂液滴を二次元画像により捕え、次いで、液滴の先端からオリフィス迄の間の数ポイントにおいてその幅を測定することである。回転対称であると仮定すると、液滴は、容量がＶ＝πＨ（幅／２）^２の円盤の一連の積み重ねにより表わすことができる。ここで、Ｈは回転軸に沿ったポイント間の距離である。液滴の容量は、全円盤の合計容量である。液滴容量を精度高く得るためには、液滴の幅を良く推定することが重要である。液体の流量は、例えば、一連のビデオ画像のように、画像を一連の迅速に連続的に集め、処理して、液滴容量の時間変化を測定することにより、より正確に決定できる。

撮像プロセスを複雑にするのは、一般に、注入チューブからの懸垂液滴が、円筒状のチャンバに囲まれて、液滴幅が測定される方向に大きな光学的歪を作るという事実である。さらに問題を複雑にするのは、ドリップチャンバの内表面に液滴の飛散及び凝集があって、液滴の端部を画像から消したり、あるいは部分的に消すことである。

結局、製作、組み立て、さらに使用プロセスにより、撮像アセンブリは、液滴容量の計算値を変えることなしに、懸垂液滴の軸とレンズの間の距離を変えることができるものでなくてはならない。

そこで、光学的に明るく、対象物の軸と同軸にあるスリーブにより生じた光学歪を修正し、対象物空間においてテレセントリック（ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃ）な光学撮像アセンブリを規定する。
このアセンブリは、円柱状（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ）あるいは近円柱状（ａｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ）レンズエレメントと球状あるいは近球状レンズエレメントの組み合わせを用い、光学歪およびその他の不具合を修正するものである。さらに、本発明は、注入チューブと一緒に使用する光学撮像アセンブリ、特に注入チューブ内の懸垂液滴を撮像する光学撮像アセンブリに関するものである。

この光学撮像アセンブリは、注入チューブによって引き起こされる光学歪を修正し、注入チューブ壁に存在する液滴およびその他異物が、焦点から外れて撮像システムにより画像に現れない程に光学的に明るく、また対象物の倍率が対象物と第１レンズエレメントの間の距離に実質的に依存しないようにテレセントリックである。

ここに挙げた実施形態によると、光学撮像アセンブリは、
対象物面と画像面を連結した光学軸と、
対象物面の内にあり、光学軸に対して垂直な対象物軸と、
実質的に平面の入射面と近円柱状の面の出射面を有し、近円柱の軸が光学軸と交差し、対象物軸と平行である第１光学エレメントと、
実質的に平面の入射面と近円柱状の面の出射面を有し、近円柱の軸が光学軸と交差し、対象物軸と平行であり、その近円柱状の出射面が、第１光学エレメントの近円柱状の出射面と間隔をおいている第２光学エレメントと、
回転対称の入射面及び出射面を有し、その中心が光学軸にある第３光学エレメントと、
絞り（ａｐｅｒｔｕｒｅ ｓｔｏｐ）と、
回転対称の入射面及び出射面を有し、その中心が光学軸にある第４光学エレメントと、を有するものである。

特に、光学撮像アセンブリは、光学軸と対象物軸を有し、対象物軸を囲む光透過スリーブがあり、対象物空間においてテレセントリックであり、少なくとも３つの屈折レンズエレメントを屈折レンズエレメントの２つが、少なくとも１つの面において円柱状と近円柱状の、画像面を有し、画像を作る前記対象物が前記スリーブの内部にあるものである。

１つの実施形態によれば、アセンブリは、大きな光学歪を補正できるように４つのレンズエレメントが配列され、対象物空間においてテレセントリックであり、Ｆ値が１．５あるいはそれ以下である。

レンズエレメントの２つが近球状の面、他の２つのレンズエレメントが近円柱状の面であり、その２つの近円柱状の面が互いに離れている。光学撮像アセンブリは、液体がドリップチャンバの中を一連の液滴となって流れる液体流量計システムにおける使用に良好に適応している。

別の実施形態において、撮像アセンブリは、光透過性スリーブ内にある対象物によって生成された画像から光学歪を除くように配置されている。このアセンブリは、第１光学エレメントが第２光学エレメントと共働し、両方の光学エレメントが、画像から光学歪を除く円柱状及び／あるいは近円柱状の面を有する。

この光学撮像アセンブリの略平面図である。 この光学撮像アセンブリの略側表面図である。 この光学撮像アセンブリの対象物、対象物周囲のスリーブ、対物レンズエレメントの等角投影図である。 対象物面の領域端部に発して、光学撮像アセンブリを通って画像面に進む扇状の光線を上から見た光線軌跡である。 光学撮像アセンブリが光学的に明るくないときに、内表面に液滴があるスリーブ内の懸垂液滴の代表的な画像である。 光学撮像アセンブリが光学的に明るいときに、内表面に液滴があるスリーブの内の懸垂液滴の代表的な画像である。 ゼーマックス（Ｚｅｍａｘ）レンズデザインプログラムによって作成された本発明の光学撮像アセンブリの一実施形態の仕様である。 ゼーマックス（Ｚｅｍａｘ）レンズデザインプログラムによって作成された本発明の光学撮像アセンブリの一実施形態の仕様である。 ゼーマックス（Ｚｅｍａｘ）レンズデザインプログラムによって作成された本発明の光学撮像アセンブリの一実施形態の仕様である。 ゼーマックスレンズデザインプログラムからのグラフであり、対象物の周囲に円柱状スリーブが位置している光学撮像アセンブリにおいて、対象物軸に対して平行の方向にある光学歪の量を説明している。 ゼーマックスレンズデザインプログラムからのグラフであり、対象物の周囲に円柱状スリーブが位置している光学撮像アセンブリにおいて、対象物軸に対して垂直の方向にある光学歪の量を説明している。 ゼーマックスレンズデザインプログラムによるスポットダイアグラムであり、この光学撮像アセンブリにより形成された画像の大きさおよび形を示している。この光学撮像アセンブリにおいては、対象物が対象物の周囲にあるスリーブの６つの位置におけるデルター関数になっている。 この光学撮像アセンブリを流量測定システムに用いる方法を説明するブロックダイヤグラムである。

最初に、異なる図面における符号について、本開示の同じあるいは機能的に同じエレメントは、同じにしている。
さらに、本開示は、記載した特別の方法、材料及び記述に限定するものではなく、これらのいずれも変更できると理解される。ここに用いた用語は、特別の態様のみを記述することを目的としたもので、本開示の技術的範囲を制限することを意図したものではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ制限されると理解される。

別に定義していなければ、ここに使用した技術的及び科学的用語は全て、この開示が属する技術における通常の熟練者に共通に理解されるのと同じ意味を有する。ここに記述したのと同様あるいは等価の如何なる方法、装置あるいは材料は、この開示の実施あるいは試験に使用できるが、ここには例としての方法、装置、あるいは材料を記述する。

図１は、光学撮像アセンブリ１００の平面図であり、光学軸１０２、入射面１３４と出射面１３６を有する第１レンズエレメント１１２、入射面１３８と出射面１４０を有する第２レンズエレメント１１４、入射面１４２と出射面１４４を有する第３レンズエレメント１１６、絞り１１８、及び入射面１４６と出射面１４８を有する第４レンズエレメント１２０を有している。

対象物面１０４は、光学軸１０２に対して垂直であり、図３に示した懸垂液滴１５２のように撮像される対象物の少なくとも一部分である。対象物空間１０１は、さらに回転軸１０８を有するスリーブ１１０を有し、この回転軸１０８は、実質的に、図３に示した懸垂液滴１５２のような回転対称物と一致する。スリーブ１１０は、好ましくは実質的に円筒状であり、成型プロセスを容易にするために略０．５°乃至５．０°の勾配により僅かに円錐形状になったものと考えられ、内表面１３０と外表面１３２がある。光学撮像アセンブリ１００によって作られた画像は、画像面１０６に結像する。

図１においてはさらに、Ｚ軸を光学軸１０２に、Ｙ軸を図面の平面にあるＺ軸に対して垂直に、Ｘ軸をＺ軸に対して垂直であって、図面の平面に対して垂直にした軸により示している。対象物面１０４は、Ｚ＝０のＸ−Ｙ平面にある。

上に挙げたそれぞれの構成要素を、図１、２および３を参照してより完全に記述する。
第１レンズエレメント１１２は、実質的に平面の入射面１３４と円柱状（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ）あるいは近円柱状（ａｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ）の面の出射面１３６を有する屈折光学エレメントである。平らな面は、平らでない面より製作するに価格的に高くならず、光学撮像アセンブリ１００の製作コストを下げようとするときに使用される。

更に、入射面１３４を平面にすることにより、光学撮像アセンブリ１００の前部にあるスリーブ１１０の設置及び取り換えが容易となり、その結果、必要に応じて光学撮像アセンブリ１００の前部に別の物を設置できるようになる。円柱状あるいは近円柱状の面の出射面１３６は、Ｙ軸方向にレンズのパワーを有し、Ｘ軸方向にはレンズのパワーが僅かになるか、あるいはなくなる。

第２レンズエレメント１１４は、実質的に平面の入射面１３８と円柱状あるいは近円柱状の面の出射面１４０を有する屈折光学エレメントである。
平らな面は、平らでない面より製作するにコストがかからず、光学撮像アセンブリ１００の製造原価を低減する場合は常に使用するべきである。円柱状あるいは近円柱状の面である出射面１４０は、Ｙ軸方向にレンズのパワーを有し、Ｘ軸方向へのレンズのパワーは僅かか、あるいはない。

図１、２および３には、円柱状／近円柱状の面が、出射面１３６および１４０にあることを示しているが、これらは、入射面１３４および１３８、あるいは入射面１３４と出射面１４０、あるいは出射面１３６と入射面１３８の組み合わせてあってもよい。

図１、２および３には、円柱状／近円柱状の面の両方が、Ｙ−方向（つまり、光学軸１０２に対して垂直、対象物軸１０８に対して垂直）にレンズのパワーを有する。しかし、レンズのパワーが、Ｘ方向（つまり、対象物軸１０８に対して平行方向）に代えてもよく、あるいは、１つの円柱状／近円柱状の面がＹ−方向にレンズのパワーを有し、他方の円柱状／近円柱状の面がＸ−方向にレンズのパワーを有することもできる。

第３レンズエレメント１１６は、球状あるいは近球状の入射面１４２を有する屈折光学エレメントであり、回転の中心が光学軸１０２と実質的に一致している。同様に、出射面１４４は、球状あるいは近球状であり、回転の中心が光学軸１０２と実質的に一致している。

絞り１１８は、第３レンズエレメント１１６と第４レンズエレメント１２０の間に置かれている。絞り１１８は、金属あるいはプラスチックシートなどの不透明な薄いシート材料により作ることができる。絞り１１８の開口は、名目上は円形であるが、正方形、長方形、六角形、八角形、あるいは不特定のライン部分と弧でなる他の形であってもよい。絞り１１８の開口は、その中心が名目上光学軸１０２にある。絞り１１８の開口の一側から反対側迄の距離は、光学軸１０２を貫通して測定したとき、１ｍｍと１００ｍｍの間である。

屈折レンズエレメント１１２、１１４、１１６および１２０は全て、ガラス、あるいはアクリル、ポリカーボネート、あるいはポリスチレンなどのポリマーにより作られると考えられるが、一般に、ポリカーボネートあるいはポリスチレンのような高屈折率の材料は、レンズのパワーが大きく、対象物面１０４から画像面１０６迄の距離を短くして、よりコンパクトにできる。

材料にポリマーを選択したとき、レンズエレメント１１２、１１４、１１６および１２０のいずれかあるいは全てを、射出成型プロセス、圧縮成型プロセス、射出−圧縮成型プロセス、あるいはダイヤモンド切削により作ることができる。

材料にガラスを選択したとき、レンズエレメント１１２、１１４、１１６および１２０のいずれかあるいは全てを、従来からのガラス研削及び研磨プロセス、ＭＲＦ（（ｍａｇｎｅｔｏ−ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ）、磁気レオロジー仕上げ）などの最新研磨プロセス、ダイヤモンド切削プロセス、あるいは成型プロセスにより作ることができる。

屈折レンズエレメント１１２、１１４、１１６および１２０それぞれの厚さは、光学軸に沿って入射面の先端から出射面の先端迄を測定して、１．０ｍｍと２５．０ｍｍの間である。屈折エレメント１１２、１１４、１１６および１２０の周囲は、例えば、図３の第１レンズエレメント１１２に示したような長方形、あるいは、図３の第３レンズエレメント１１６に示したような円形であり、あるいは、製造を容易にするために任意の数の曲線と端部を有するものであってもよい。屈折レンズエレメント１１２、１１４、１１６および１２０の一端から反対側迄の距離は、光学軸１０２を貫通して測定したとき、１０ｍｍと２００ｍｍの間である。

屈折のレンズエレメント１１２、１１４、１１６および１２０のうちのいずれかあるいは全ては、成型プロセスにより作られた後、組立てプロセスにおいて、レンズエレメントを、据え付け、配列、あるいは取り付けが組み入れられる。

フレネル反射により、屈折レンズエレメント１１２、１１４、１１６および１２０の各表面は、その上に照射された光の凡そ４％を後方反射し、その結果、光効率を下げ、画像中に閃光やその他の異質像を形成する迷光を生じ、画像処理プロセスに障害を招く。

屈折レンズエレメント１１２、１１４、１１６および１２０の表面の一部あるいは全てに反射防止コーティングし、フレネル表面反射率を１％以下に減らすことができる。反射防止コーティングは、広帯域反射防止コーティング、あるいはマルチ層干渉フィルムの積み重ねである。

更に、ドリップチャンバ３００は、注入毎に、その最初に取り換えが必要であるので、第１光学エレメント１１２の入射面１３４上のコーティングは、摩滅抵抗性でなければならない。また、ドリップチャンバ３００が、入射面１３４のすぐ近くにあり、ドリップチャンバ３００を取り付けるときに引掻いたり損傷することがあり得るので、摩滅抵抗性にするのは有益である。

対象物面１０４と対象物１５２を囲むスリーブ１１０がある。好ましい実施形態においては、実質的に円柱状のスリーブ１１０は、光学撮像アセンブリ１００の一部ではないが、その代り、対象物空間１０１に存在し、対象物１５２を囲んだり、カプセルにしたり、あるいはその他の方法により中に入れるために使用される。

スリーブ１１０は、対象物１５２を撮像するに使用する光に対して実質的に透明また半透明であり、アクリル、ポリカーボネート、ポリスチレンあるいはビニールなどのポリマーにより作ることができる。スリーブ１１０は、バクスター・インターナショナル社（Ｂａｘｔｅｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｃ．）によって製作されたもののような注入管理セットの一部である。

スリーブ１１０が注入管理セットの一部であるとき、このスリーブ１１０は、ドリップチャンバ３００として知られており、対象物１５２は、ドリップチャンバ３００内にあり、その中心あるいはほぼ中心が光学軸１０２にある懸垂液滴である。ドリップチャンバ３００は、名目上対象物軸１０８に中心があり、内半径が７．８ｍｍ、そして外半形が８．８ｍｍである。しかし、ドリップチャンバ３００は、半径が１．０ｍｍから１００ｍｍの範囲にあることができる。

ドリップチャンバ３００は、Ｙ軸に沿って大きく光学的歪を受けていて、対象物１５２の幅を正確に測定するには、光学撮像アセンブリ１００によって補正されなくてはならない。すなわち、最良の結果を出すには、画像面１０６における対象物１５２の画像は、実質的に光学歪のないものにしなければならない。

ドリップチャンバ３００は、典型的に、低コストの射出成形プロセスにより製作される。製作コストを低減すると、使用される型に表面欠陥があり、円柱状スリーブに表面欠陥を転写し、対象物１５２の画像に現われることがある。更に、ドリップチャンバ３００には、継目ライン、流れライン、及び粒子欠陥を有することがあり、これら全ては画像に現れることが予想される。

操作して液体がスリーブ１１０を通って流れるとき、つまり、ドリップチャンバ３００の内部の対象物１５２である液滴が形成されて離れるとき、ドリップチャンバ３００の底の液体溜めから飛散し、光学撮像アセンブリ１００の視界内のスリーブ１１０の内表面１３０に付着する。更に、長時間経ると、スリーブ１１０を流れる液体は、蒸発し、次いで光学撮像アセンブリ１００の視界内のスリーブ１１０の内表面１３０において凝縮する。この凝縮は、液滴の密な集合として現われ、スリーブ１１０の内部を撮像する従来の撮像アセンブリの能力を著しく損なう。上記した飛散と凝縮の両方を、図３には側壁液滴１５４として示している。

この光学撮像アセンブリ１００に直面する別の問題は、スリーブ１１０の配置、すなわち特にこの光学撮像アセンブリ１００の対象物軸１０８と対象物１５２の場所である。すなわち、ビニールのドリップチャンバ３００の不安定性と柔軟性により、対象物軸１０８と第１レンズエレメント１１２の入射面１３４の間の距離が、数ミリメートル変化することがあることである。典型的に、１つの注入が終了して別の注入を始めるときに起きるように、１つのドリップチャンバ３００を別の同様のものと取り替えるときに、この寸法問題は悪くなる。

レンズの倍率は、典型的に対象物との距離に応じて変わるので、倍率を変えることは、画像の大きさを変え、対象物１５２である懸垂液滴の容量計算値を不正確にし、強いては、コンピューターの流量計測値を不正確にすることになる。

前節では、次の特性を持つ光学撮像アセンブリ１００の必要性を説明した。
１）光学撮像アセンブリ１００は、倍率が対象物−入射面の距離により変わらないように、対象物空間においてテレセントリックでなければならない。
２）光学撮像アセンブリ１００は、ドリップチャンバ３００内の側壁液滴１５４とその他所望しない異質物が、焦点から外れて画像に現われないように、Ｆ／１．５あるいはそれより明るい規模により光学的に明るくなくてはならない。
３）スリーブ１１０によって起きる光学的歪は、光学撮像アセンブリ１００によって除かれる。

さらに追加の望ましい特性として、光学撮像アセンブリ１００は、できるだけコンパクトにすることであり、例えば、対象物面１０４と画像面１０６の間の距離を、１５０ｍｍ以下のように小さくする。この光学撮像アセンブリ１００は、これら４つの望ましい特徴を兼ね備えており、その機能を、以下に記載していく。

対象物空間１０１のテレセントリック性は、対象物１５２を出た光線が、光学軸１０２と平行に進み、絞り１１８の中心を通り抜ける状態である。

図４においては、主光線とも呼ばれる特別の光線を光線１６４Ｃとしていて、これは、位置１６０において対象物から実質的に光学軸１０２と平行に出て、位置１１９において絞り１１８を通り抜ける。位置１１９は、絞り１１８の実質的な中心であり、主光線１６４Ｃは、位置１１９において光学軸１０２と交差していることに注意されたい。

対象物空間のテレセントリック性は、第３レンズエレメント１１６のレンズのパワー、及び第３レンズエレメント１１６と対象物面１０４の間の光学距離、さらに第３レンズエレメント１１６と絞り１１８の間の光学距離によって決定される。

既に記載したように、スリーブ１１０は、光学撮像アセンブリ１００によって除かれる光学歪をもたらす。この光学的歪の補正は、第１光学エレメント１１２が第２光学エレメント１１４と共働して達成される。これら光学エレメントは両方とも、円柱状及び／あるいは近円柱状の面（つまり、出射面１３６と出射面１４０）を有して、共働して画像から光学的歪を除いている。

歪補正レンズアセンブリを設計する初期の試みは、１つあるいは２つの円柱状及び／あるいは近円柱状の面を有する光学エレメントを１つだけ用いるものであった。直観的にいって、この方法は、スリーブ１１０が１つの光学的要素（レンズ本体の外部）であるので、歪が円柱状及び／あるいは近円柱状の面を有する１つのレンズエレメントにより打ち消すので、理に叶ったものであるように見えた。しかしながら、円柱状及び／あるいは近円柱状の面を有するエレメントを１つだけ用いたデザインは全て、光学的に明るく及び／あるいはテレセントリックにすることができず、すなわち、画像品質に欠けていた。

光学歪みの補正に２つのレンズエレメント（すなわち、第１レンズエレメント１１２と第２レンズエレメント１１４）を必要としたのに加え、これらの２つのレンズエレメントの円柱状及び／あるいは近円柱状の面を、物理的に互いに４ｍｍあるいはそれ以上の相当距離に離して置くのが好ましい。

このように離すことにより、１つの円柱状及び／あるいは近円柱状の面の歪み補正特性が、第２の円柱状及び／あるいは近円柱状の面に対して影響を及ぼすようになる。すなわち、２つの円柱状及び／あるいは近円柱状の面（例えば、１３６と１４０）が離れているので、それらの収差補正効果が加算されるのみならず、互に作用し合って高次の歪補正効果を生み出している。この相互作用は、この装置１００の重要な構成の１つである。

前述したように、光学撮像アセンブリ１００は、光学的に明るいのが好ましく、したがって、スリーブ１１０のドリップチャンバ内に存在する不明瞭なもの、すなわち、内表面１３０あるいは外表面１３２のいずれかにある不明瞭なものは焦点から外れ、画像に現われてこない。これらの不明瞭なものは、光学撮像アセンブリが凡そＦ／２．０以下、あるいは好ましくはＦ／１．５以下の光学的な明るさであれば、画像に現われてこない。

Ｆ値が２．０あるいはそれ以下のレンズを設計するのは、対象物あるいは画像領域が大きいとき、あるいは実質的な収差があって除かなければならないときにはその設計が困難になるが、典型的には困難ではない。

これらの条件は両方ともこの操作環境に存在し、光学撮像アセンブリ１００は、所望の光学的明るさにより全領域にわたって良好な画像品質をもたらす。これは、第３光学エレメント１１６と第４光学エレメント１２０の両方が、放射状に対称なレンズのパワーを有する入射面と出射面を有することにより達成される。これらの４つの表面は、６次多項式のような低次多項式でもよいが、８次多項式により書けるような近球状の面であれば良好な画像品質を得られるが、本質的に球状の面である。

絞り１１８の開口径は、光学撮像アセンブリ１００の光学的明るさを定義する役割を担う。一般的に、開口が大きい程大きな収差光線となって画像品質を悪くするが、開口幅が大きい程レンズが明るい。

要約すると、第１レンズエレメント１１２と第２レンズエレメント１１４は、スリーブ１１０において生じた光学歪を修正するに使用される。第３レンズエレメント１１６と絞り１１８は、光学撮像アセンブリ１００の対象物空間テレセントリック性をコントロールするに使用される。そして、第３レンズエレメント１１６と第４レンズエレメント１２０は、絞り１１８と共働して、低いＦ値により良好な画像品質とするに使用される。

図３は、注入管理セットの液体流量を測定する光学撮像アセンブリ１００の１つの適用を示している。その設置において、対象物は、オリフィス１５０から垂れ下った懸垂液滴１５２であり、オリフィス１５０と懸垂液滴１５２の両方とも実質的に対象物軸１０８上にある。

操作しているとき、懸垂液滴１５２は、注入された液体の流れにより大きく成長し、最終重量になるとオリフィス１５０から離れ、所望の液体流量になるまでの成長と離脱を繰り返していく。液滴の容量は、１ミリリッター以下であるので、１つの注入の間に数千の液滴が成長し離脱していくことになる。

注入を行っている間、スリーブ１１０の内表面上に液滴１５４を形成していく。これらの液滴１５４は、ドリップチャンバの底の液溜めに着地した液滴からの飛散に起因している。注入は数時間続くことがあるので、懸垂液滴１５２とドリップチャンバの底の液溜めから液体が蒸発する。内表面１３０が充分低い温度であると、蒸発した液体の一部は内表面１３０において凝縮し、液滴１５４として現われる。

光学撮像アセンブリ１００の光学的明るさが比較的低い（つまり、Ｆ値が高い）と、液滴１５４は、画像面１０６において焦点が合い、あるいは部分的に焦点が合うことになる。

例えば、図５は、光学撮像アセンブリ１００の明るさがＦ／５．６であるとき、内表面１３０に液滴１５４がある状態における懸垂液滴１５２の画像を示している。液滴１５４の画像が容易に識別できることに注意されたい。

さらに悪いことに、液滴１５４のうちのいくつかが懸垂液滴１５２の画像端部にあることで、画像処理ソフトウェアには、懸垂液滴１５２の大きさが実際より大きく見え、液体の流量測定計算を不正確にしている。

図６は、図５の画像を作ったと同じく内表面１３０に液滴１５４がある同じ状態における懸垂液滴１５２の画像である。しかし、図６の画像は、Ｆ／１．４の光学的明るさを持つ光学撮像アセンブリ１００により得られたものである。液滴１５４の画像が、殆ど観測できない程であり、懸垂液滴１５２の画像端部がはっきりとしたコントラストであり、実際に則していることに注意してほしい。画像処理ソフトウェアは、懸垂液滴１５２の大きさを精度高く計算できるであろう。

光学撮像アセンブリ１００の１つの実施形態が、ゼーマックス〔Ｚｅｍａｘ（登録商標）（Ｒａｄｉａｎｔ Ｚｅｍａｘ，ＬＬＣ，Ｒｅｄｍｏｎｄ Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，ＵＳＡ）〕によりデザインされている。このアセンブリの仕様を、図７Ａ、７Ｂおよび７Ｃに挙げている。

図７Ａに示したデザインの主要点は、全長（対象物面１０４から画像面１０６までの距離）が１０８．１ｍｍ、絞り半径が７．５ｍｍ、作動Ｆ値が１．４０、対象物領域の最大幅が８．８ｍｍ、倍率が−０．５２６、そして光波長が８２５ｎｍである。

画像品質は、対象物領域の６つの位置、すなわち、ミリメーターで表すＸ、Ｙペアで、（０．０、０．０）、（４．０、０．０）、（０．０、３．０）、（０．０、５．５）、（８．８、０．０）、そして（６．０、３．５）において最適化した。

図７Ｂにおいて、この光学のモデルは、対象物“ＯＢＪ”面、画像“ＩＭＡ”面、絞り“ＳＴＯ”、及びその他１１の面からなっている。
面１は、テレセントリック性を最適にするためにゼーマックスが用いたダミー面である。面２および面３は、ＰＶＣから作られた透明スリーブ１１０の内表面１３０と外表面１３２である。面４と面５は、ポリスチレン（ＰＯＬＹＳＴＹＲ）から作られた第１レンズエレメント１１２の入射面１３４と出射面１３６である。面６と面７は、同様ポリスチレンから作られた第２レンズエレメント１１４の入射面１３８と出射面１４０である。面８と面９は、同様ポリスチレンから作られた第３レンズエレメント１１６の入射面１４２と出射面１４４である。最後に、面１１と面１２は、同様ポリスチレンから作られた第４レンズエレメント１２０の入射面１４６と出射面１４８である。

さらに、図７Ｂと図７Ｃを見ると、第１レンズエレメントの入射面１３４と第２レンズエレメントの入射面１３８は共に曲線でなく、平面になっているのがわかる。第１レンズエレメントの出射面１３６と第２レンズエレメントの出射面１４０は共に近円柱状仕様になっている。第３レンズエレメント１１６と第４レンズエレメント１２０の両方の面は、球状の面である。

図８Ａと８Ｂは、画像のＸ方向（対象物軸１０８と平行）およびＹ方向（対象物軸１０８に対して垂直）にある光学歪のプロットである。Ｘ方向には、歪は、５ｍｍの領域距離に対して外に数十ミクロン程度である。Ｙ方向には、歪は４ｍｍの放射状領域距離に対して外に数十ミクロン程度である。Ｙ方向において、歪は、スリーブ１１０の内表面１３０の径より大きい放射状領域距離において見られないことに注意してほしい。

図９は、先に記載した６つの対象物領域位置の画像スポットダイアグラムを集め、ゼーマックスによって最適化したものである。スケールが４００μｍであり、これは、６つのグラフそれぞれの高さと幅であることに注意してほしい。

６つのスポットそれぞれのＲＭＳ幅は、実質的に１００μｍ以下である。
ＣＣＤまたはＣＭＯＳ画像センサーのピクセルが典型的に１０μｍ、あるいはそれ以下であるから、対象物である懸垂液滴１５２の端が、約１０ピクセルにより撮像され、これは、最新の画像処理演算法を用いてサブピクセルの精度により対象物の画像端部を位置決めするに理想的である。

図１０は、注入する液体の流量を測定するための医療用注入装置の流量計２００の一部として、この光学撮像アセンブリ１００をどのように使用できるかを示している。この流量計は、注入される液体が入ったバッグ３１２、すなわち容器、流量が測定されて注入される液体の懸垂液滴１５２、出口ポート３１０と、注入液体を患者に送る出口チューブ３０８を備えたドリップチャンバ３００を有している。

図１０に見られるように、流量計２００は、さらに注入液体の懸垂液滴１５２を照らすに使用されるバックライト２０２、光学撮像アセンブリ１００、画像面１０６に設けられた画像センサー２０４、画像センサー２０４の出側にあって画像データをディジタル処理装置２０６に運ぶ通信母線２１２を有している。

ディジタル処理装置２０６はまた、通信母線２２０を通して記憶エレメント２０８に接続され、画像データ２１６、その他のデータ２１４、及び処理命令２１０を記憶するに使用される。

操作に際して、注入液体は、液体バッグ３１２からゆっくりと出て、ドリップチャンバ３００内において懸垂液滴を形成する。次いで、バックライト２０２を用いて、ドリップチャンバ３００のスリーブ１１０を通して懸垂液滴１５２を照らす。スリーブ１１０を通り抜けた光２０３は、光学撮像アセンブリ１００によって集められ、その後、画像センサー２０４上に懸垂液滴１５２の画像を形成する。

画像センサー２０４の出力は、整数データの二次元配列の形をしたピクセル化画像データであり、この整数データは、配列の各位置における画像の明るさに相当する。この明るさデータのディジタル配列は、通信母線２１２によりデータ処理装置２０６に送信され、データ処理装置２０６が、この画像配列データを処理し、
１）配列内の懸垂液滴１５２の画像端部を見つけ、
２）画像センサーにより捕えた画像の特定瞬間における懸垂液滴１５２の容量を計算する。
画像センサー２０４によって捕えた連続画像の正確な時間を知り、連続フレームそれぞれにおける懸垂液滴１５２の容量を正確に計算することにより、懸垂液滴１５２の時間変化率を計算でき、これは液体の流量となる。

光学撮像アセンブリ１００のコンパクトな実施形態は、コンパクトでない実施形態より望ましいことは前に述べた。

ある形態においては、よりコンパクトな実施形態が、第３レンズエレメント１１６と第４レンズエレメント１２０の間など、このアセンブリに折り曲げ用鏡を挿入することにより達成できる。典型的に、折り曲げ用鏡は、その中心を光学軸１０２に置き、光学軸１０２に対して４５°の角度に傾け、画像光路を９０°曲げるようにする。これにより、光学撮像アセンブリ１００が占める外装は、直角方向に対して長くはなるが、その幅を約３０％だけ縮小できる。しかし、直角方向に長くなるのは、直角方向にある他の流量計部材が、流量計２００の大きさをこの寸法に抑えるので、流量計２００全体の大きさを増加させない。

倍率は、−０．５２６であると、図７Ａに関して前述した。このマイナス記号は、画像が対象物に対して逆さまであることを意味している。確かに、図３において懸垂液滴１５２の頂点は、下に向かっているが、図５および６における懸垂液滴の画像は、上に向いていることが見られる。

倍率の大きさ０．５２６は、画像の大きさが、対象物の大きさの５２．６％であることを意味しており、小さく、かつ高価でない画像センサー２０４が、流量計２００の一部として使用できるので、望ましいことである。光学撮像アセンブリ１００の倍率の大きさは、画像センサー２０４の大きさに合わせ、０．１と１０．０の間とするが、倍率の符号は、通常マイナスである。

光の波長は、図７Ａに関して８２５ｎｍであると前述した。用いられる光の波長は、バックライト２０２によって発生でき、光学撮像アセンブリ１００の光学エレメントの全てにおいて伝送可能であり、スリーブ１１０において伝達可能であり、そして画像センサー２０４が応答できるものでなければならない。

画像センサー２０４は、一般にシリコンデバイスであり、４００ｎｍと１１００ｎｍの間の波長に反応する。バックライトは、１つ以上のＬＥＤ（発光ダイオード）光源であり、これは、４００ｎｍと９００ｎｍの間の光を放射する。そしてほとんどの屈折光学エレメントは、４００ｎｍから１１００ｎｍの波長を含む可視と近赤外スペクトル帯の光を伝送する。それ故、光学撮像アセンブリ１００に使用できる光波長の範囲は、４００ｎｍから９００ｎｍである。

図４に見られるように、第４レンズエレメント１２０の中心部の厚さはやや厚く、図７Ｂにおいて規定しているように厚さが８．３２ｍｍである。厚さが大きいポリマーレンズエレメントは、レンズエレメントの中央部分が、レンズが成型された後に冷却するときに周囲の比較的薄い経部分に比べて収縮が大きくなるので、厳格に成型するのが困難である。

これを改善するために、第４レンズエレメント１２０を２つの別個の比較的薄いレンズエレメントに分割できる。これは、材料コストと組み立てコストが増えて不利となるが、第５レンズエレメントの２つの表面を追加することにより、画像品質を改善するに使用できる２つの自由度を追加することになる。

本発明の基本的概念を記載したが、前記した詳細な開示は、例としてのみ示すことを意図し、限定するものではないことは、熟練者には明白であろう。ここに記載していなくとも、熟練者には、様々な変更、改良および修正ができ、意図することができる。これらの変更、改良および修正は、ここに示唆されていると意図され、本発明の精神および技術範囲内にある。さらに、加工エレメントまたはシーケンスの順番、あるいは数、文字あるいは他の指示の使用は、クレームしたプロセスを、クレームにより特定きる以外は如何なる順番にも制限するように意図していない。従って、本発明は、次のクレーム及び等価物によってのみ制限されるものである。

Claims (16)

1. 光学軸を有し、
   対象物軸を有し、
   前記対象物軸を囲む光透過スリーブを有し、
   対象物空間においてテレセントリック（ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃ）であり、
   少なくとも３つの屈折レンズエレメントを有し、
   前記屈折レンズエレメントの少なくとも１つが、円柱状（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ）と近円柱状（ａｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ）のうちの少なくとも１つの面を有し、
   画像面を有する、光学撮像アセンブリであって、 画像を作る対象物が、前記スリーブの内部にあることを特徴とする光学撮像アセンブリ。
2. 前記円柱状と近円柱状の面の間の距離が、１．０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の光学撮像アセンブリ。
3. 第１レンズエレメントの入射面が、平面であることを特徴とする請求項１に記載の光学撮像アセンブリ。
4. 前記屈折レンズエレメントの少なくとも１つが、放射相称の表面を有することを特徴とする請求項１に記載の光学撮像アセンブリ。
5. 前記放射相称の表面が、球状表面であることを特徴とする請求項４に記載の光学撮像アセンブリ。
6. 前記放射相称の表面が、近球状表面であることを特徴とする請求項４に記載の光学撮像アセンブリ。
7. 前記屈折レンズエレメントの少なくとも１つが、ポリマー材料により作られることを特徴とする請求項１に記載の光学撮像アセンブリ。
8. 前記屈折レンズエレメントの少なくとも１つが、成型プロセスにおいて製作されることを特徴とする請求項１に記載の光学撮像アセンブリ。
9. 前記画像を作る対象物が、液体であることを特徴とする請求項１に記載の光学撮像アセンブリ。
10. 前記液体の対象物が、懸垂液滴であることを特徴とする請求項９に記載の光学撮像アセンブリ。
11. システムが、対象物空間においてテレセントリックであることを特徴とする請求項１に記載の光学撮像アセンブリ。
12. システムのＦ値が２．０あるいはそれ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光学撮像アセンブリ。
13. 対象面から画像面までの距離が２００ｍｍあるいはそれ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光学撮像アセンブリ。
14. 倍率が、１．０あるいはそれ以下の大きさであることを特徴とする請求項１に記載の光学撮像アセンブリ。
15. ４つのレンズエレメントが、大きい光学的歪を修正できるように配列され、
    対象物空間においてテレセントリックであり、
    Ｆ値が１．５あるいはそれ以下であり、
    前記レンズエレメントの２つが近球状の面であり、他の２つが近円柱状の面を有し、
    前記２つの近円柱状の面が、互いに離れていることを特徴とする撮像アセンブリ。
16. 透明なスリーブ内に置かれた対象物により形成される画像から光学的歪を取り除くようにした撮像アセンブリであって、
    第１光学エレメントが第２光学エレメントと共働し、両方の光学エレメントが円柱状及び／あるいは近円柱状の面を有して、共働して画像から光学的歪を取り除くことを特徴とする光学撮像アセンブリ。
    
    
    

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