JP6567542B2 - テレセントリックレンズ - Google Patents

Description

本発明は、人工視覚用の、特に、物体の寸法測定を行うための装置で使用されるテレセントリックレンズに関する。

知られているように、人工視覚は、通例、寸法測定アプリケーション用のテレセントリックレンズを使用する。図１は、従来技術によるテレセントリックレンズを示す光学的な図である。

テレセントリックレンズ１０は、主光学機械軸Ｘを有し、観察される物体からくる光線を受けるように構成された前方光学群１２と、視覚装置のセンサに向かって前記光線を伝達するように構成された後方光学群１４とを有する。テレセントリックレンズ１０は、観察される物体から、その重心光線（すなわち、主光線）が主光学機械軸Ｘに平行なこれらの円錐形の光線Ｒのみを受光する点で、従来の、すなわち「エントセントリック」レンズとは異なっている。この理由のために、テレセントリックレンズは、合焦するために物体の対角線と少なくとも同じくらい幅広いフロントレンズＦＬを有しなければならない。テレセントリックレンズでは、アパーチャ１６が前方群の焦点に置かれ、これは、入射瞳が、光学系に入る光線によって、それがあたかも無限遠にあるかのように見られることを意味する。実際には、入射瞳（すなわち、光学系の「中心」）が実質的に無限遠にあるので、このタイプのレンズは正確にテレセントリックであると呼ばれる。

テレセントリックレンズは、視差、すなわち観察者に近い物体が比較的大きく見える現象を光学的に補正することを可能にするので、主として使用される。作動距離に関係なく、実際には、テレセントリックレンズに関して、フレームの物体の寸法は同じである。

現在使用されているアパーチャ１６の寸法によって、また、テレセントリックレンズの光学収差を補正するために、テレセントリックレンズは、かなりの数のレンズを必要とし、通常、各々のレンズが他のものとは異なる形状であり、特に、例えば図１に示されるように、「フリント」ガラスとも呼ばれる高分散ガラスを使用して通常製造される１以上の負の焦点レンズ３０、３２である。負の焦点レンズの製造は、光学面の少なくとも１つが凹形状であるように作られることを必要とするので、通常、正の焦点レンズの製造よりも複雑で高価であることが注目される。さらに、フリントガラスは、通常、「クラウン」ガラスとも呼ばれるより一般的な低分散ガラスよりも高価であり、コストのこの差はレンズの製造において重要である。

色収差を補正するために、フリントガラスの使用は、可視スペクトル領域で、あるいは、このような収差の補正を与えるのに通常十分でないクラウンガラスのみが使用されると同じテレセントリックレンズの分解能のかなりの損失を引き起こすほど大きいスペクトル領域での場合に、各テレセントリックレンズを動作させるために必要とされる。

必要とされるさまざまな形状と組み合わせた、このような負のレンズ３０、３２の製造の高度な複雑さ、及び、テレセントリックレンズの製造のために必要とされる光学部品全体の数は、コストが高くなることに加えて、これらの建設的な態様がレンズアセンブリの最適なアラインメントを得る際にかなりの困難さをもたらすので、これらの製造を複雑にする。

本発明の目的は、従来技術を参照して上に述べられた欠点をうまく回避することができるテレセントリックレンズを提案することである。

本発明の他の目的は、より簡単な構造を有し、それ故、得られるデジタル画像の質に影響を及ぼすことなく、現在知られているテレセントリックレンズと比較して、より信頼でき、それほど高価でなく、それほどかさばらないテレセントリックレンズを提案することである。

前記目的は、請求項１に記載のテレセントリックレンズで達成される。従属請求項が、本発明の好ましい実施形態を記載する。

本発明によるテレセントリックレンズの特徴及び効果は、添付図面を参照して、非限定的な例によって単に与えられる好ましい実施形態の以下の説明から容易に明らかとなる。

図１は、従来技術によって作られたテレセントリックレンズを示す光学的な図である。 図２は、本発明によるテレセントリックレンズを示す光学的な図である。 図３は、図２のテレセントリックレンズを有する視覚装置を示す光学的な図である。

図２を参照すると、本発明によるテレセントリックレンズ１００は、主光学機械軸Ｘを有し、観察される物体２からくる光線を受けるように構成された前方光学群１１２と、視覚装置のセンサ３０に向かって前記光線を伝達するように構成された後方光学群１１４とを有する。参照符号１６で示されるテレセントリックレンズのアパーチャが、前方光学群１１２と後方光学群１１４との間に位置されている。

前方光学群１１２は、光線の各円錐形の軸が前方光学群１１２自体の焦点面にあるアパーチャ１６の位置によって主光学機械軸Ｘと平行であるようにして、物体２からくる光線を集めることを意図している。他方、後方光学群１１４は、アパーチャ１６を通過した光線を集めて、結像を可能にするためにセンサ３０上にこれらを合焦する。この光学スキームの好ましい実施形態によれば、後方光学群１１４は、アパーチャ１６もレンズがバイテレセントリックであることを確実にするようにして、後方光学群１１４の焦点面上に配置されるように位置決めされている。バイテレセントリックレンズでは、物体２から生じて前方光学群１１２によって集められた円錐形の光線は、アパーチャ１６及び後方光学群１１４を横切られて、光線の前記円錐形の軸がセンサ３０自体の平面に対して垂直であるようにしてセンサ３０に到達する。

テレセントリックレンズと組み合わせて採用される照明装置及びカメラの最近の改良は、テレセントリックレンズが集めることができる、したがって、カメラのセンサ上に伝達することができる光の量と、照明レベルの低いセンサであるときでさえもテレセントリックレンズによってセンサに生成された画像をノイズの少ないデジタル信号に変換する際のカメラの効率との両方を高めることを可能にしている。

本発明の一態様によれば、前方光学群１１２と後方光学群１１４との一方が、２つの正の焦点レンズ１１２’、１１４’のみからなる。

より好ましくは、前方光学群と後方光学群との両方が、２つの正の焦点レンズ１１２’、１１４’からなる。

好ましい一実施形態では、前方光学群１１２のレンズと後方光学群１１４のレンズとの少なくとも一方が互いに等しい。

好ましい一実施形態では、前方光学群１１２のレンズと後方光学群１１４のレンズとの少なくとも一方が平凸レンズである。

好ましい一実施形態では、前方光学群１１２のレンズと後方光学群１１４のレンズとの少なくとも一方がクラウンガラスでできている。

図３に示される好ましい一実施形態では、前方光学群１１２のフロントレンズ１１２’は、平凸レンズであり、観察される物体に凸面が向いているように配置され、また、後方光学群１１４のリアレンズ１１４’は、平凸レンズであり、それぞれの凸面が互いに向き合っている。テレセントリックレンズのこの実施形態の特有の形態は、レンズの形状及び配置において、フリントガラスでできたレンズなしでさえ、色収差の補正によって特徴付けられる画像を得ることを可能にする。

実際の一実施形態では、クラウンガラスでできた複数のフロントレンズ１１２’は、互いに同一であり、１８７ｍｍの第１の曲率半径Ｒ１と、８．２ｍｍの第１の最大厚さＴ１とを有する。クラウンガラスでできた複数のリアレンズ１１４’は、互いに同一であり、３２.４ｍｍの第２の曲率半径Ｒ２と、８.５ｍｍの第２の最大厚さＴ２とを有する。

それ故、効果的には、テレセントリックレンズ１００には、負の焦点距離の光学素子が全くなく、フリントガラスでできた光学素子が全くない。

この設計は、非常にコンパクトで現在市場に出ているものよりかなり安いテレセントリック照明のテレセントリックレンズの製造を確実にする。

一実施形態では、テレセントリックレンズのこのような簡略化された設計は、ｆ／１２以下のテレセントリックレンズのアパーチャ１６と関連付けられ、これによって可能となる。

上に説明されたテレセントリックレンズ１００は、以下で説明されるような照明装置２０との相乗効果の組合せで、特に、物体の寸法測定を行うための視覚装置１で効果的に使用されることができる。それ故、このような視覚装置１は、テレセントリックレンズ１００と、観察される物体２を照らすように構成された照明装置２０とを有する。

本発明の他の態様によれば、照明装置２０は、観察される物体２の方向において前方光学群１１２の向こうに置かれた、「ビームスプリッタ」との用語によって専門用語でも知られた半反射要素２２を有する。この半反射要素２２は、実質的に、放物面の表面の一部の形状を有する。照明装置２０はまた、前記放物面の焦点に配置された光源２４を有する。

このようにして、図３に示されるように、光源２４からくる光線は、半反射要素２２で反射されて、観察される物体に向かって、互いに平行に、主光学機械軸Ｘに送られる。それ故、物体の照明はコリメートされ、したがって、テレセントリックな視覚に適している。

これらの経路前方における光線は、テレセントリックレンズ１００の光学系を通過せず、特に、これらは前方光学群１１２を通過しないことが注目される。

光線は、いったん物体に到達すると、それにより反射され、テレセントリックレンズ１００に向かって戻り、半反射要素２２を通過する。

これにより、以下の効果が得られる。
光学系内の迷光をなくす。
迷光現象を低減させるために光学系が偏光子／アナライザー対を必要としない。
半反射要素がテレセントリック光学系の外部に置かれるので、画像の非点収差の影響が低減される。

一実施形態では、半反射要素２２は、ガラス又は透明プラスチックでできている。そして、その表面には、部分的に反射性のコーティング処理が施されていることができる。

好ましい一実施形態では、半反射要素２２の表面は、テレセントリックレンズ１００の前方光学群１１２（又はフロントレンズ）のうち最も大きな光学素子と少なくとも等しい長さを有する。

さらに、半反射要素２２の光に対する受光角度βは、前方光学群１１２の光線に対する受光角度αよりも大きい。それ故、半反射要素２２が、光源２４によって出射される光を集めて物体２に反射し、この光量は、半反射要素が前方群とテレセントリックレンズのアパーチャとの間に配置されたならば前方群が集めることができる光量よりも多い。

このような照明系のおかげで、視覚装置の性能は、テレセントリックレンズ１００が上に説明されたかなり簡略化された光学設計で作られるという事実により影響されない。

特に、照明装置がテレセントリックレンズの前方光学群の下流に位置されているので、前方群のレンズのレンズ自体によって引き起こされる内部反射を防ぐことはもはや必要としない。

さらに、輝度の損失を補正するために幅広いアパーチャを備えたレンズを用いる必要はない。

本発明のさらなる態様によれば、半反射要素２２は、正面から見たとき、矩形形状であるように形成されていることができる。言い換えれば、放物面の表面部分は、２×２で平行に向き合っている４つの側面で定められている。これにより、以下の効果が得られる。
照明装置の機械的なサイズを小さくする。
半反射要素の製造コストを下げる。
矩形であるセンサとカメラを統合し、テレセントリックレンズの観察対象を明確に示す矩形照明領域への観察される物体の投影。

照明装置２０は、テレセントリックレンズ１００の光学系を収容する同じケーシング内に設けられる、したがって、同じテレセントリックレンズと単一体を形成するか、テレセントリックレンズ１００に必要な場合のみ結合されるアクセサリーの形態であることができる。

それ故、本発明の対象は、実質的に、放物面の表面の一部の形状を有する半反射要素と、楕円放物面の焦点に配置された光源とを有する、テレセントリックレンズのための照明装置を具備する視覚装置である。照明装置には、テレセントリックレンズの前方群に結合するためのインターフェースが設けられ、光源からきて半反射面で反射される光線は、互いに平行で、かつ、テレセントリックレンズの主光学機械軸と平行である。

当業者は、以下の特許請求の範囲から逸脱することなく、付帯的な必要性を満たすために、本発明によるテレセントリックレンズの実施形態に対する変形、変更及び他の機能的に等価なものとの要素の置き換えをすることができる。可能な実施形態に含まれると説明される特徴の各々が、説明される他の実施形態と関係なく得られることができる。
出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を以下に付記する。
［１］観察される物体からくる光線を受けるように構成された前方光学群（１１２）と、センサ（３０）に向かって前記光線を伝達するように構成された後方光学群（１１４）とを具備するテレセントリックレンズ（１００）において、前記前方光学群（１１２）と前記後方光学群（１１４）との少なくとも一方が、２つの正の焦点レンズ（１１２'，１１４’）からなることを特徴とするテレセントリックレンズ（１００）。
［２］前記前方光学群と前記後方光学群との両方が２つの正の焦点レンズ（１１２’，１１４’）からなる［１］に記載のテレセントリックレンズ。
［３］前記前方光学群のレンズと前記後方光学群のレンズとの少なくとも一方が互いに等しい［１］又は［２］に記載のテレセントリックレンズ。
［４］前記前方光学群のレンズと前記後方光学群のレンズとの少なくとも一方が凸レンズである［１］ないし［３］のいずれか１に記載のテレセントリックレンズ。
［５］前記前方光学群のレンズと前記後方光学群のレンズとの少なくとも一方が平凸レンズである［１］ないし［４］のいずれか１に記載のテレセントリックレンズ。
［６］前記前方光学群のレンズと前記後方光学群のレンズとの少なくとも一方がクラウンガラスでできている［１］ないし［５］のいずれか１に記載のテレセントリックレンズ。
［７］前記前方光学群のレンズは、平凸状であり、観察される物体に凸面が向いているように配置され、前記後方光学群のレンズは、平凸状であり、それぞれの凸面が互いに向き合っている［１］ないし［６］のいずれか１に記載のテレセントリックレンズ。
［８］ｆ／１２以下のアパーチャ（１６）を有する［１］ないし［７］のいずれか１に記載のテレセントリックレンズ。
［９］前記アパーチャは、前記後方光学群（１１４）の焦点面にある［１］ないし［８］のいずれか１に記載のテレセントリックレンズ。
［１０］人工視覚用の、特に、物体の寸法測定を行うための装置であって、［１］ないし［９］のいずれか１に記載のテレセントリックレンズ（１０）と、観察される物体を照らすのに適した照明装置（２０）とを具備し、前記テレセントリックレンズは、主光学機械軸（Ｘ）を有し、前記照明装置（２０）は、観察される物体の方向において前記前方光学群（１２）の向こうに置かれ、実質的に、放物面の表面の一部の形状を有する半反射要素（２２）を有し、前記照明装置は、光源（２４）を有し、前記光源は、前記光源からきて前記半反射要素で反射された光線が互いに、かつ、前記主光学機械軸（Ｘ）に平行であるようにして、前記放物面の焦点に配置されている装置。
［１１］前記半反射要素（２２）は、前記テレセントリックレンズの前記前方光学群（１２）の最も大きな光学素子と少なくとも等しい長さを有する［１０］に記載の装置。
［１２］前記半反射要素の光に対する受光角度は、前記前方光学群の光線に対する受光角度よりも大きい［１０］又は［１１］に記載の装置。
［１３］前記半反射要素（２２）は、正面から見たとき、矩形形状である［１０］ないし［１２］のいずれか１に記載の装置。

Claims (9)

1. 観察される物体からくる光線を受けるように構成された前方光学群（１１２）と、センサ（３０）に向かって前記光線を伝達するように構成された後方光学群（１１４）とを具備し、前記前方光学群（１１２）と前記後方光学群（１１４）との各々が２つの正の焦点レンズ（１１２’，１１４’）からなるテレセントリックレンズ（１００）において、
   前記前方光学群のレンズは、平凸状であり、観察される物体に凸面が向いているように配置され、前記後方光学群のレンズは、平凸状であり、それぞれの凸面が互いに向き合っていることを特徴とするテレセントリックレンズ（１００）。
2. 前記前方光学群のレンズと前記後方光学群のレンズとの少なくとも一方が互いに等しい請求項１に記載のテレセントリックレンズ。
3. 前記前方光学群のレンズと前記後方光学群のレンズとの少なくとも一方がクラウンガラスでできている請求項１又は２に記載のテレセントリックレンズ。
4. 前記後方光学群（１１４）の焦点面にあるアパーチャを有する、請求項１ないし３のいずれか１に記載のテレセントリックレンズ。
5. 人工視覚用の装置であって、
   請求項１ないし４のいずれか１に記載のテレセントリックレンズ（１００）と、
   観察される物体を照らすのに適した照明装置（２０）とを具備し、
   前記テレセントリックレンズは、主光学機械軸（Ｘ）を有し、
   前記照明装置（２０）は、観察される物体の方向において前記前方光学群（１２）の向こうに置かれ、実質的に、放物面の表面の一部の形状を有する半反射要素（２２）を有し、
   前記照明装置は、光源（２４）を有し、前記光源は、前記光源からきて前記半反射要素で反射された光線が互いに、かつ、前記主光学機械軸（Ｘ）に平行であるようにして、前記放物面の焦点に配置されている装置。
6. 前記人工視覚用の装置は、物体の寸法測定を行うための装置である、請求項５に記載の装置。
7. 前記半反射要素（２２）は、前記テレセントリックレンズの前記前方光学群（１２）の最も大きな光学素子と少なくとも等しい長さを有する、請求項５又は６に記載の装置。
8. 前記半反射要素の光に対する受光角度は、前記前方光学群の光線に対する受光角度よりも大きい、請求項５ないし７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記半反射要素（２２）は、正面から見たとき、矩形形状である、請求項５ないし８のいずれか１に記載の装置。

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