(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察対象物からの光線を受け、前方光軸（ｋ）を規定するのに適した前方光学群（２０）と、前記光線をセンサ（６０）に向かわせ、後方光軸（ｋ´）を規定するのに適した少なくとも１つの後方光学群（４０）と、前記前方光学群と対応する後方光学群との間に配置された少なくとも１つのレンズ開口部（３０）とを備え、前記レンズ開口部は、観察対象物からの各円錐状の光線の軸が前記前方光軸に平行になるように、少なくとも前方光学群の焦点面上に配置されたテレセントリックレンズであって、前方光学群（２０）とレンズ開口部（３０）の間の空気空間（ＡＳ）において、前方光学群からの光線の少なくとも一部が後方光学群（４０）に到達する前に少なくとも１回の二重反射を受けるように配置された少なくとも反射又は半反射素子が挿入され、
前記反射素子は、第１の反射素子（７０）及び第２の反射素子（７１）を備え、前記第１の反射素子（７０）は、前記前方光学群（２０）からの光線を、前方光学群（２０）からの光線と交差する方向に反射させるのに適し、
前記第１の反射素子（７０）によって反射された光線が、前記前方光学群（２０）に干渉することなく前記前方光学群（２０）からの光線と交差するように、前記第１の反射素子が配置され、
前記第１の反射素子（７０）の反射面と前記前方光軸は、１５°と７５°の間の第１の反射角（α）を形成する、テレセントリックレンズ。
【請求項２】
前記反射又は半反射素子は、前記二重反射が、そのような要素をもたないテレセントリックレンズに比べて、前記前方光学群と前記後方光学群との間の距離を減少させるように配置される、請求項１に記載のテレセントリックレンズ。
【請求項３】
前記第２の反射素子（７１）の反射面と前記前方光軸（ｋ）は、３０°と９０°の間の第２の反射角（β）を形成する、請求項１又は２に記載のテレセントリックレンズ。
【請求項４】
前記反射又は半反射素子は、前記後方光軸（ｋ´）が前記前方光軸（ｋ）に対してほぼ垂直になるように配置される、請求項１に記載のテレセントリックレンズ。
【請求項５】
前記前方光軸と前記後方光軸は同一平面上にある、請求項１から４のいずれか１項に記載のテレセントリックレンズ。
【請求項６】
前記反射又は半反射素子（７２）及び（７３）は、前記第２の反射素子（７１）又は半反射素子（７３）によって形成された反射により、前方光軸（ｋ）に一致する光線を前記前方光学群（２０）の近傍で遮断できるように配置されている、請求項１から５のいずれか１項に記載のテレセントリックレンズ。
【請求項７】
前記第１の反射又は半反射素子（７２）の反射面は、前記前方光軸（ｋ）に対して絶対値が１５°と７５°の間の第１の反射角（α）を形成し、前記第２の反射又は半反射素子（７３）の反射面は、前記前方光軸（ｋ）に対して絶対値が０°と３０°の間の第２の反射角（β）を形成する、請求項１に記載のテレセントリックレンズ。
【請求項８】
前記前方光軸（ｋ）及び前記後方光軸（ｋ´）は、異なる平面に属する、請求項４に記載のテレセントリックレンズ。
【請求項９】
前記第１の反射又は半反射素子（７４）の反射面は、前記光軸（ｋ）に対する絶対値が２５°と７５°の間の第１の反射角（α）を形成し、前記第２の反射又は半反射素子（７５）の反射面は、前記第１の反射の後、前記前方光軸（ｋ）に対する絶対値が２５°と７５°の間の第２の反射角（β）を形成する、請求項１に記載のテレセントリックレンズ。
【請求項１０】
反射前に、主光軸（ｋ）の方向に対する反射面の絶対値が２５°と７５°との間にある第１の反射角（α）を有する第１の反射または半反射素子（７６）と、前記第１の反射又は半反射素子（７６）による反射後、前記主光軸（ｋ）に対する反射面の絶対値が２５°と７５°の間にある第２の反射角（β）を有する第２の反射または半反射素子（７７）と、第２の反射又は半反射素子（７７）による反射後、前記主光軸（ｋ）に対する反射面の絶対値が１０°と４５°の間にある第３の反射角（γ）を有する第３の反射又は半反射素子（７８）とからなる３つの反射又は半反射素子を備え、前記第２の反射又は半反射素子（７７）による反射により、前記第１の反射素子（７６）による第１の反射の前後に前記前方光軸が位置する平面の外に前方光軸（ｋ）を偏位させる、請求項１に記載のテレセントリックレンズ。
【請求項１１】
前記第１の反射角（α）は４５°であり、前記第２の反射角（β）は６０°であり、前記第３の反射角（γ）は１５°である、請求項１０に記載のテレセントリックレンズ。
【請求項１２】
前記反射又は半反射素子の１以上が、前記光学系又は焦点の残存収差を補正するため、球面、非球面又は不規則な曲面の反射光学面（８１）を備える、請求項１から１１のいずれか１項に記載のテレセントリックレンズ。
【請求項１３】
前記反射又は半反射素子の１以上が、機械的に変形可能な反射光学面（８３）を備える、請求項１から１２のいずれか１項に記載のテレセントリックレンズ。
【請求項１４】
前記反射又は半反射素子の少なくとも１つが半反射素子（８９）であり、少なくとも第２の後方光学群（４１）を備え、少なくとも前記前方光学群と前記第２の後方光学グループとの間に配置された第２のレンズ開口部が前記前方光学群からの光線の一部を第２のセンサ（６１）に伝達するのに適している、請求項１から１３のいずれか１項に記載のテレセントリックレンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工視覚装置に使用するためのテレセントリックレンズ、特に、物体の寸法測定を行うためのテレセントリックレンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
テレセントリックレンズは、軸すなわち主半径が光学システム自身の軸と平行である照射物体からの円錐状の光線を収集する特性があるため、物体の非接触測定に対する人工視覚の分野で広く使用されている。このように、実際には、レンズによって生成される画像のサイズは、観察される物体が置かれる距離とは無関係であり、画像をより正確に測定することができる。
【０００３】
公知のように、このテレセントリック性と呼ばれる特性は、レンズの開口瞳孔が、観察される物体に対して光学的に無限遠に配置されるレンズによって達成される。この特性は、レンズの絞り（すなわちレンズ開口）と観察される物体との間に配置された光学要素が全体として、焦点位置が一致する正の焦点距離の光学群を生成することによって可能になる。
【０００４】
図１は、光学系で使用されている表記法に従う、主光軸ｋのテレセントリックレンズ１００の図である。このレンズは、前方光学群２０の寸法ｙ１、正の焦点長さｆ１及び直径ｄ１の物体１０の画像５０を生成する。正の焦点長さｆ１は、絞り３０の位置と一致するように配置され、第２の後方光学群４０は、絞り３０と画像５０の間に配置されている。
【０００５】
実際には、２つの光学群、すなわち前方光学群２０と後方光学群４０は、いくつかの光学素子（図１ａ）からそれぞれ構成され、厚さがあり、２つの主平面を有し、同じ２つの群とシステムの他の要素との間の光学距離の計算のための基準面を規定する。
【０００６】
図１において、前方光学群２０及び後方光学群４０は、理想的な表現である両方向の矢印で示されている。２つの光学群は厚さがなく、各群の２つの主平面の位置は同じ両方向の矢印の位置と一致している。したがって、この表現では、距離ｆ１は、最も絞り３０に近い前方光学群２０の要素と、絞り３０自体との間の空気間隔ＡＳと一致すると共に、前方寸法Ｌ１すなわち物体１０に最も近い前記群の要素と、絞り位置３０との間の距離と一致する。
【０００７】
この機構の特定の実施形態によれば、それらの軸すなわち主光軸ｋに平行な主半径を有する双テレセントリックレンズ、すなわち、円錐の光線が画像平面５０に入射するレンズを得ることができる。
【０００８】
テレセントリックレンズの実現は、前方光学群２０の一部を形成する少なくとも１つの光学素子の直径ｄ１が、観察される物体１０の最大寸法ｙ１よりも大きい場合にのみ可能である。この条件は、前方光学群２０が物体１０から来る光線を集めることができるようにするために必要である。通常、ｄ１は、前方光学群１０の一部である１つ以上のレンズの最大直径と考えることができる。
【０００９】
物体１０の寸法ｙ１が増加すると、寸法ｄ１だけでなく焦点距離ｆ１も増加する。 焦点距離ｆ１の増加は前方寸法Ｌ１の増加を伴うので、結果として、観察される物体のサイズが増加するにつれて、レンズはより大きな直径になるだけでなく、ますます長くなる。
【００１０】
テレセントリックレンズの長さ及び全体の寸法を縮小することは、人工視覚システムの製造業者に繰り返し要求されている。特にこの問題は、上述のように、ｙ１の増加が前方光学群２０の焦点距離ｆ１、正面寸法Ｌ１、従って光学系の全長Ｌ１＋Ｌ２（Ｌ２は絞り３０又はレンズ開口と画像平面５０との間の距離である）の結果としての増加をもたらすので、観察される物体１０が有意な寸法ｙ１を有するときに特に感じられる。
【００１１】
これには、後方光学群４０近傍のテレセントリックレンズの終端部分と画像５０が形成される平面とが通常、カメラ６０に接続されていることが追加されなければならず、そのためにアセンブリの全長がさらに増加してしまう。
【００１２】
この全長を包含する１つの方法は、例えば、図１ｂに示すように、焦点距離ｆ１の寸法を包含し、結果として前面寸法Ｌ１を包含することである。しかしながら、テレセントリックレンズの実現は、値ｄ１とｆ１の比ｆ１／ｄ１、焦点距離、及び、前方光学群２０の直径が小さくなればなるほど複雑になる。寸法ｄ１は、物体１０の寸法ｙ１によって決定されるため、同一寸法ｙ１でのテレセントリックレンズの製造は、値ｆ１が小さくなればなるほど複雑になる。実際、比ｆ１／ｄ１の減少は、光学系において数が増えた光学部品の使用を伴い、コストの増加をもたらす。
【００１３】
光学部品数の増加によるコストの上昇に加えて、テレセントリックレンズの全体的な寸法を抑制するためのツールとして、焦点距離ｆ１の減少は、テレセントリックレンズの前方光学群２０の個々の光学構成要素が、必然的に、不可能ではないにしても、十分な光学性能の維持を複雑にするより大きな出力と大きな曲率とを有していなければならないため、テレセントリックレンズ自体の性能の低下を伴う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、フロント光学系の光学素子数を増やさずに、レンズの光学性能を悪化させることなく、テレセントリックレンズの全体的な寸法、特に、光学系の全長Ｌ１＋Ｌ２によって表される最大寸法を大幅に低減することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この目的は、後述するように、請求項１によれば、テレセントリックレンズ自体の光路内に、特に前方光学群とレンズ開口との間に反射性又は半反射性の光学素子を導入することによって達成され、前方光学群からの光線の少なくとも一部が後方光学群に到達する前に少なくとも１回の二重反射を受けるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来技術に係るテレセントリックレンズの光学方式を示す。
【図１ａ】従来技術によるテレセントリックレンズの実施形態を示す。
【図１ｂ】図１ａの光学群に対して、前方光学群２０が最も外側の要素とレンズ開口との間の距離Ｌ１を減少させる追加の光学要素を備えるテレセントリックレンズを示す。
【図２】本発明に係る第１実施形態のテレセントリックレンズの光学方式を示す。
【図３】本発明に係る第２実施形態のテレセントリックレンズの光学方式を示す。
【図４】本発明に係る第３実施形態のテレセントリックレンズの光学方式の２面図を示す。
【図５】本発明に係る第４実施形態でのテレセントリックレンズの光学方式の２面図である。
【図６】本発明によるテレセントリックレンズの他の実施形態に係る光学方式を示す。
【図７】本発明によるテレセントリックレンズの他の実施形態に係る光学方式を示す。
【図８】本発明によるテレセントリックレンズの他の実施形態に係る光学方式を示す。
【図９】本発明によるテレセントリックレンズの他の実施形態に係る光学方式を示す。
【図１０】本発明によるテレセントリックレンズの他の実施形態に係る光学方式を示す。
【図１１】本発明に係るテレセントリックレンズの光学方式を使用する、コリメートされた光源の光学方式である。
【図１２】本発明に係るコリメートされた光源を備えたテレセントリックレンズの光学図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明に係るテレセントリックレンズは、一般的な実施形態によれば、観察される物体１０からの光線を受光し、前方光軸ｋを規定するのに適した前方光学群２０と、少なくとも前記光線をセンサ６０に向かって伝達し、後方光軸ｋ´を規定するのに適した第１後方光学群４０と、前方光学群２０と各後方光学群４０との間に配置された少なくとも１つのレンズ開口３０とを備える。
【００１８】
レンズ開口３０は、観察される対象物１０から来る各円錐の光軸が前方光軸ｋと平行となるように、少なくとも前方光学群２０の焦点面上にある。
【００１９】
対象物１０の画像は、センサ６０の画像面５０上に形成される。
【００２０】
図示される好ましい実施形態では、テレセントリックレンズは、双テレセントリックレンズ、すなわち、画像面５０に入射する光線の円錐が主光軸ｋ´'に平行な軸又は主半径を有するレンズである。
【００２１】
本発明の一態様によれば、前方光学群２０とレンズ開口３０の間の空気空間（ＡＳＤ）には、少なくとも２つの反射性又は半反射性要素７０，７１が挿入され、前方光学群２０から来る光線の少なくとも１つは、後方光学群４０に到達する前に少なくとも１回の二重反射を受ける。
【００２２】
特に、反射素子又は半反射素子７０，７１は、そのような素子のないテレセントリックレンズに対し、それらによって発生される前記二重反射が、前方光学群２０と後方光学群４０の間の距離を減少させるように配置される。
【００２３】
図２に示す実施形態では、テレセントリックレンズ１４０は、２つの反射素子７０、７１を備える。第１の反射素子７０は、前方光学群２０からの光線を反射するのに適しており、これらの反射光線は、前方光学群２０からの光線と交差する。
【００２４】
第１の反射素子７０は、それによって反射された光線が、前方光学群２０からの光線と干渉することなく交差するように配置されるのが好ましい。本実施形態は、第１の反射素子７０の反射面と、前方光軸ｋの方向との間に２５°より大きく、７５°より小さい第１の反射角（α）を採用することにより得られる。
【００２５】
第２の反射素子７１は、第１の反射素子７０からの光線を、この方式に従って実現されるテレセントリックレンズ１４０の全体寸法を最小化できる方向に反射する。第１の反射素子７１の反射面と前方光軸ｋとの間の第１の反射角（α）は、３０°より大きく、９０°より小さい絶対値であるのが好ましい。
【００２６】
この構成の特定の実施形態によれば、第２の反射素子７１による反射後、後方光軸ｋ´は前方光軸ｋの方向と平行である。
【００２７】
図３は、本発明に係るテレセントリックレンズ１５０の別の実施形態を示しており、光学系の全体寸法は、後述するように配向され配置された２つの反射素子７２、７３の使用により抑制される。
【００２８】
第１の反射素子７２は反射面を有し、前方光軸ｋの方向に対して１５°と７５°の間の絶対値を有する第１の反射角（α）を形成する。第２の反射素子７３は、前方光軸ｋの方向に対して０°と３０°の間の絶対値を有する第２の反射角（β）を有する。反射素子７２、７３は、第２の反射素子７３による反射によって後方光軸ｋ´と一致する光線が前方光学群２０の近傍で前方光軸ｋと一致する光線を遮ることができるように空間内に位置決めされる。
【００２９】
反射素子７２、７３はまた、光学素子が画像５０の形成に必要な反射及び屈折を除いて光線の経路と干渉しないように配置される。
【００３０】
図示された実施形態では、反射素子７２、７３の角度は、最後の反射の後で、後方光軸ｋ´が正面光軸ｋに対して垂直であるように選択される。
【００３１】
説明した図２及び図３の実施形態では、後方光軸ｋ´及び前方光軸ｋは同一平面上にある。
【００３２】
図４及び図４ａに示す実施形態では、後方光軸ｋ´及び前方光軸ｋは異なる平面である。
【００３３】
図４及び図４ａのテレセントリックレンズ１６０では、以下のように配向されて配置された２つの反射素子７４及び７５を使用することにより寸法が縮小されている。第１の反射素子７４は反射面を有し、各反射の前に、前方光軸ｋの方向に対して２５°と７５°の間の絶対値を有する第１の反射角（α）を形成する。第２の反射素子７５は、第１の反射素子７４による反射後の方向を考慮して、前方光軸ｋに対して２５°と７５°の間の絶対値を有する第２の反射角（β）を形成する。第２の反射素子７５による反射は、物体１０と第１の反射素子７４の間の経路、及び、第１の反射素子７４と第２の反射素子７５との間の経路によってそれぞれ規定された２つのセグメントＳ１、Ｓ２が存在する平面の外側に前方光軸ｋのずれを生じるようなものである。
【００３４】
図５、図５ａ及び図５ｂに示すさらなる実施形態では、３つの反射素子７６、７７、７８によってテレセントリックレンズ１７０の全体的な寸法が縮小されている。
【００３５】
第１の反射素子７６は反射面を有し、前方光軸ｋに対して２５°と７５°の間の絶対値を有する第１の反射角（α）を形成する。第２の反射素子７７は反射面を有し、第１の反射素子７６によって反射された後の前方光軸ｋに対して２５°と７５°の間の絶対値を有する第２の反射角（β）を形成する。第２反射素子７７による反射は、物体１０と第１の反射素子７６の間の経路、及び、第１の反射素子７６と第２の反射素子７７の間の経路によってそれぞれ規定された２つのセグメントＳ１、Ｓ２が存在する平面の外側の前方光軸ｋのずれを生じるようなものである。第３の反射素子７８は、第２の反射素子７７による反射の後、主光軸ｋに対して１０°と４５°の間の絶対値を有する第３の反射角（γ）を形成する。
【００３６】
第３反射素子７８による反射の後、前方光軸Ｋは、後方光軸Ｋ´と一致するので、第１の反射素子７６による反射の前に、前方光軸のセグメントｓ１とは同一平面上にない。
【００３７】
図５ｂの斜視図に示すように、この解決策により、特にコンパクトなテレセントリックレンズ１７０を得ることができる。
【００３８】
この図の好ましい実施形態によれば、反射角αは４５°に等しく、第２の反射角βは６０°に等しく、第３の反射角γは１５°に等しい。このように、後方光軸ｋ´は、第１の反射素子７６による反射の前に、前方光軸ｋと直交するが、同一平面上にはなく、３つの反射素子の使用により、前方光学群２０及び後方光学群４０は、図３及び図４に示される２つの反射素子を有する実施形態に比べてさらに縮小される。
【００３９】
上述の実施形態では、前方光学群とレンズ開口との間に挿入される光学素子は、反射光学素子である。いくつかのさらなる実施形態では、１以上の光学素子は、反射性又は半反射性ミラーなどの平坦、球面、非球面又は不規則な反射光学素子、又はそれらの反射面又は半反射面のうちの１つを有する光学プリズムによって実現される。
【００４０】
図６を参照すると、テレセントリックレンズ１８０は、湾曲した反射光学面８１を備えた反射光学素子８０を有しており、屈折力がある。この構成では、同じ光学系の他の光学素子、特に前方光学群２０及び後方光学群４０内の光を屈折させる要素（レンズ）の能力及び数量を低減できるという利点がある。反射素子が様々な波長に対して中立するように挙動するので、よりコンパクトで色収差に敏感ではない光学系を得ることができる。このような湾曲面は、光学系の残留収差を最良の方法で補正することができ、又はその焦点合わせを補正することができるように、任意の形状、すなわち球面、非球面又は凹凸形状であってもよい。
【００４１】
図７に示すテレセントリックレンズ１９０の一実施形態では、光学システムの少なくとも１つの反射光学素子８２は、反射配置を、例えば、最小の光学収差の補正や、レンズ自体の他の光学要素の分散の補償等、特定の光学的要求に適合させるか、あるいは、光学システム全体の焦点の補正をさらに確実に行えるように、機械的に変形可能な反射光学面８３を備えている。
【００４２】
図８は、テレセントリックレンズ２００を示す。前方光学群２０の全体は、テレセントリックレンズを特別にコンパクトで簡略化して実現でき、前方部に色収差がないように、球面、非球面、又は不規則な湾曲形状などの１以上の反射光学素子８４、８５に置き換えられている。レンズのテレセントリック性は、前方光学群２０の特性に依存しているので、使用される波長に拘わらず、テレセントリック性に関して同様な光学的な性能を保証するために、色効果の欠如が最も重要である。
【００４３】
図９に示す実施形態では、テレセントリックレンズ２１０の前方光学群２０の全体が、球面、非球面又は不規則な湾曲形状の１以上の反射光学素子８６、８７で置き換えられるだけでなく、後部光学群４０も、球面、非球面又は不規則な湾曲形状の１以上の反射光学素子８８によって置き換えられる。このようにして、屈折素子を全く含まないテレセントリックレンズの実施形態が得られ、同じ性能を有する任意の波長範囲の光において使用可能となる。
【００４４】
図１０に示すテレセントリックレンズ２００の実施形態では、反射光学素子の少なくとも１つは、ビームスプリッタとしても公知の半反射ミラー８９によって実現される。この半反射ミラー８９は、入射光線の一部を反射させ、他の一部を透過させるようになっている。このようにして実現された各半反射ミラー８９に対応して１以上の後方光学群４１を追加することができ、観察される物体１０の１以上の追加画像５１を得るため、同じ前方光学群２０を使用することができる。
【００４５】
図１１は、本発明の教示を用いて、これまでに示された構成のいずれかによって実現されたテレセントリックレンズの後部光学群４０を置き換えることによって、光源３５を備え、前記光源３５の発光領域の中心が前記レンズ開口３０の位置と一致するようにして、特にコンパクトな平行光源３１０を得ることができる方法を示す。
【００４６】
図１２は、１つが半反射性であるように実現された２以上の反射光学素子９０の組み合わせから、上述の図示された構成のいずれかにより、特に小型のテレセントリックレンズ３２０を得ることができる方法を示す。これにより、物体１０に向かって光線を照射するために同じ前方光学群２０を使用する平行な照明を同時に得ることができる。
【００４７】
本発明によるテレセントリックレンズの実施形態には、以下の特許請求の範囲から逸脱することなく、偶発的な要件を満たす技術者が、機能的に等価な他のものを用いて部材の改変、改変及び置換を行うことができる。可能な実施形態に属すると説明された特性のそれぞれは、説明した他の実施形態とは独立して達成することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０…物体
２０…前方光学群
３０…レンズ開口
４０…後方光学群
５０…画像面
５１…追加画像
７０、７２、７４、７６…第１の反射素子
７１、７３、７５、７７…第２の反射素子
７８…第３の反射素子
８２、８４、８５、８６、８７、８８、９０…反射光学素子
８３…反射光学面
８９…半反射ミラー
１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００…テレセントリックレンズ
【図１】
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【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図４ａ】
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【図５】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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