(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体（１０）の周辺に広がる外側面（９）を結像面に結像させるための結像光学系であって、
反射素子である反射面（６）と、
光線方向の前記反射素子の下流に配列され、被写体（１０）から発せられる光線と光軸（１２）との角度を減少させる第１角度減少素子である円錐ミラー体（３）又は円錐台の形の中央凹部（１７）と、
光線方向の前記反射素子の上流に配置され、被写体（１０）から発せられる光線と光軸（１２）との角度を減少させ、光線が透明体を通過するときの光線の屈折により角度減少がもたらせるよう、透明体の境界面（１３）により形成される第２角度減少素子とを具備し、
前記反射素子の反射面及び第２角度減少素子を形成する前記透明体の境界面（６，１３）は、同一の透明体（４）の境界面であり、
前記第１角度減少素子（３、１７）の反射面、又は屈折面（７、２１）は、円錐形、又は円錐台形の外周面であり、角度減少が光線の反射又は屈折によりもたらされることを特徴とする結像光学系。
【請求項２】
前記反射素子の反射面（６）は、光軸（１２）に対し直角に広がる平面において、回転対称であることを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
【請求項３】
少なくとも１つの角度減少素子（３、１３）又は（１７、１３）は、光軸（１２）に対し直角に広がる平面において、回転対称であることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の結像光学系。
【請求項４】
２つの角度減少素子（３，１３）又は（１７，１３）は、光軸（１２）に対し直角に広がる平面において、回転対称であることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の結像光学系。
【請求項５】
前記屈折境界面（１３）は、光軸（１２）に対して、６０°から１２０°の角度を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の結像光学系。
【請求項６】
前記反射素子の反射面は、透明体の境界面（６）により形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに１項に記載の結像光学系。
【請求項７】
反射は、光線の全反射に基づいて境界面において生じることを特徴とする請求項６に記載の結像光学系。
【請求項８】
前記透明体（４）は、透明な円筒であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の結像光学系。
【請求項９】
透明体（４）の外周面（６）は、鏡面であることを特徴とする請求項１乃至６又は８のいずれか１項に記載の結像光学系。
【請求項１０】
透明体（４）は、ガラスを含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の結像光学系。
【請求項１１】
前記透明体（４）は、透明プラスチック素材、ポリメチルペンテン（ＴＰＸ）又はポリエチレン（ＰＥ）を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の結像光学系。
【請求項１２】
前記第１角度減少素子（３）は、金属、アルミニウムを含み、その反射面（７）は、研磨されていることを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
【請求項１３】
第１角度減少素子（３）は、ガラス又はプラスチック素材を含み、その反射面（７）が鏡面であることを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
【請求項１４】
前記第１角度減少素子は、円錐台（１５）の形状であり、その外周面が反射面（７）を形成し、前記円錐台は、そのカバー面から基面に伸びる連続中心穴（１６）を有することを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
【請求項１５】
前記透明体（４）は、前記第１角度減少素子（３）の中心穴（１６）に関して略同心状に配列される略中心穴を有することを特徴とする請求項１４に記載の結像光学系。
【請求項１６】
光線が前記透明体（４）を出るとき、光線の屈折により角度減少がもたらされるよう、第１角度減少素子（１７）は、透明体（４）の境界面（２１）により形成されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の結像光学系。
【請求項１７】
反射素子と第１及び第２角度減少素子を形成する透明体の境界面（６、１３、２１）は、同一の透明体（４）の境界面であることを特徴とする、請求項１に付随する範囲における請求項１６に記載の結像光学系。
【請求項１８】
円錐形又は円錐台形であることが第１角度減少素子（３、１５、１７）の基面（５）の直径の、円筒形であることが透明体（４）の直径に対する比率は、１未満であることを特徴とする請求項４〜１７のいずれか１項に記載の結像光学系。
【請求項１９】
測定すべき被写体の直径の、透明体（４）の直径に対する比率は、１未満であることを特徴とする請求項２〜１８のいずれか１項に記載の結像光学系。
【請求項２０】
前記透明体（４）の高さは、１０ｍｍと１００ｍｍとの間であることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項に記載の結像光学系。
【請求項２１】
前記第１角度減少素子（３、１７）の高さは、５ｍｍと３５ｍｍとの間であることを特徴とする請求項１〜２０のいずれか１項に記載の結像光学系。
【請求項２２】
イメージセンサと、請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の結像光学系とを有する、被写体（１０）の周辺に広がる側面（９）を検出する外周面センサ。
【請求項２３】
閃光を生成するように備えられた、環状照明手段を有することを特徴とする請求項２２に記載の外周面センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被写体の周辺に広がる外側面の映像を像面に結像させる結像光学系であって、反射素子及び、反射素子の光線方向の下流側に配列され、被写体から発する光線と光軸との間の角度を減少する第１角度減少素子を含む結像レンズ系に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種の製造工程は、回転対称形状の被写体の周辺に広がる側面の検査を必要とする。例えば、飲料瓶のボトルネックは、瓶が充填された後、汚染の検査をする必要がある。その点で、被写体は全ての面から検出されることが重要であり、側面に配列される単一のカメラでは不十分である。
【０００３】
例えば、日付印等のマークを、回転対称を含む被写体の側面上で検出する場合、製造中に、例えばコンベアベルト上で、被写体の押印が確実に１台のカメラの方向を向くようにすることは、高額の出費をして初めて可能なことである。
【０００４】
対照的に、例えば、それぞれが９０゜の周辺角度を検出する４台のカメラを設けて、被写体の周囲全体を観察しようとする場合、とりわけ、例えば、その上に印刷された文字が、異なるカメラにより部分的に検出されるような位置にある場合、映像の評価が困難になる。４台のカメラにより得た情報の項目の評価は、特に重複領域において非常に複雑でコスト高であるが、それは、個別の映像が大きな歪みを含むのが、正にこの領域であるためである。
【０００５】
したがって、従来技術は、被写体の上に配列されるカメラを用い、対称レンズ系又はミラー光学系により、被写体の周辺に広がる外側面および内側面の双方の検出を可能にする検査システムを開示している。
【０００６】
例えば、ＤＥ ３１ ０９ ２７０号は、単一テレビカメラを用いて、ボトルネックの汚染と不純物及び破損を点検する検査システムを示している。この配列においては、瓶の外壁の映像を生成する光学系は、別の方法として、直径の大きい収束レンズ、又は少なくとも部分的にボトルネックを覆って押し込めることのできる内面がミラー状の管を含む。
【０００７】
ＤＥ ４２ ０９ ４１７号が開示する雌ねじ用の光学検査装置では、雌ねじの映像が、カメラのセンサ表面上に、ねじの対称軸に対し直角に配列される円錐ミラーを用いて作成される。
【０００８】
ＤＥ ３０ ３５ ０８２号は、また、テレビカメラの視野方向の近くにある表面領域の検出を可能にすることを意図した検査システムを開示している。その目的のため、被写体表面で反射する光線を、最初に被写体の回転軸に対して対称に、異なる角度で２度反射させ、２度目の反射において、回転軸に対し直角の平面に投影する。反射は、それ自体及び被写体の回転軸に関し回転対称形状のミラー系により行なわれるが、これには円錐ミラーと円錐台形の中空鏡を含む。この配列において、２つのミラーは、被写体の回転軸の周りに同心状に配列される。円錐ミラーの鏡映表面はテレビカメラの方向を向いており、回転対称形状の被写体の方向を向く円錐台形の中空鏡の鏡映表面よりも、被写体の回転軸に対して大きく傾斜している。
【０００９】
ＤＥ ３０ ３５ ０８２号を基にＤＥ １９７ ２６ ９６７号が記述する検査システムは、その偏向光学配置を、外向きに配置される反射面が光軸の周りに略管状の構成で伸び、光路を残して、内向きに配置される反射面を同心状に囲むように変更している。このとき、内向きに配置される反射面は、外向きに配置される反射面に対応して、断面が光軸に対して直角であり、光軸に対し被写体に向かって開くように鋭角に伸び、光軸に対し平行に伸びる光線が、内向きに配置される反射面から外向きに配置される反射面上に反射し、そこで周辺に広がる側面に対し鋭い視角で反射するようになっている。
【００１０】
上述の従来技術では、２つの同心ミラーを互いに固定しなければならず、複雑でコスト高であるという共通の難点がある。加えて、被写体から放射する光線に関するミラー光学装置の受光角は、外側の鏡と内側の鏡との間の距離により制限される。受光角に関する制限は、ＤＥ １９７ ２６ ９６７号に記述する配列において、被写体から発せられる光線は、外向きに配置される反射面に浅い角度で衝突することを意味する。被写体と偏向光学配置の対称軸が一致する対称位置からの被写体の位置の少々の偏向は、したがって既に、側面の映像がもはやカメラに作成されないことを意味する。
【００１１】
ＤＥ １９７ ２６ ９６７号は、光線偏向装置が、円筒形又は多角形プリズム体により形成される装置の実施例についても記述している。外向きに配置される反射面は、プリズム体の全反射外側境界面により形成され、内向きに配置される反射面は、プリズム体の中で、被写体に向かって開く、円錐形又は円錐台形、若しくは多角錐形又は多角錐台形の凹部の、全反射境界面により形成される。この凹部は、被写体から発する光線が、凹部の外側面に直角に衝突するような構成となっている。従来技術のこの実施例において、入射光線に関する偏向光学配置の受光角は、全反射の入射臨界角により制限される。角度は、プリズム体の外側境界面における全反射に際しても、又は凹部における全反射に際しても、何れにおいてもその角度を下回ることはない。プリズム体の境界面に極めて浅い角度で衝突する光線は、全反射される。しかしながら、この光路では、結像光学系の光軸に対する被写体の僅かなずれであっても、被写体の外側面全体の映像は、もはやカメラ上に作成されないという効果をすでに有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来技術に比較して、本発明の目的は、被写体の周辺に広がる側面を結像させる結像光学系を提供することにあるが、それにより、製造は簡潔かつ低廉になり、入射光に対する受光角も大きく、被写体の不正確な位置に関しても対応可能になる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の目的は、被写体の周辺に広がる側面を像面に結像させる結像光学系が、反射素子、及び光線の方向の反射素子の下流に配列され、被写体から発する光線と光軸との角度を減少する第１角度減少素子、および光線の方向の反射素子の上流に、被写体から発する光線と光軸との角度を減少する第２角度減少素子を含むことにより達成される。結像光学系のこの構成は、結像光学系に入射する光線が、先ず第２角度減少素子において偏向され、それにより光軸に対するそれらの角度が減少するので好適である。したがって、この光学系に浅い角度で入射する光線でも結像させることができる。
【００１４】
好適実施例において、反射素子の反射面は回転対称であり、好適には光軸に対し直角に伸びる平面において、円形断面を有する。これは、このような対称性は周辺に広がる側面の対称性に適合するので好都合である。これは、本体が円形又は楕円形の断面を持つ場合にも、本体の底面が無方向性の多角形である場合にも当て嵌まる。その点で、角度減少素子のうち少なくとも１つは、回転対称、好適には光軸に直角に伸びる平面内において円形断面を有することが望ましい。しかしながら、２つの角度減少素子が、光軸に直角に伸びる平面内において回転対称断面を持つものであれば、特に好都合である。
【００１５】
本発明のさらなる実施例においては、光線は、透明体を通過するときの光線の屈折により角度減少がもたらされるよう、第２角度減少素子が、透明体の境界面により形成される。これにより、平面は、すでに光軸の方向に屈折をもたらしているので、第２角度減少素子の構成を単純にすることが可能になる。
【００１６】
屈折境界面は、光軸との角度が、６０゜〜１２０゜の間、好適には８０゜〜１００゜の間、特に好適には８５゜〜９５゜の間、最適には約９０゜であると有利である。透明体の境界面と光軸との角度を規定範囲内で選択することにより、結像光学系のための最適な受光角が可能になる。
【００１７】
本発明の好適実施例において、反射素子の反射面は、透明体の境界面により形成される。このような透明体は、廉価かつ高水準の表面品質で製造することができる。境界面における反射は、内部全反射によって生じるので、境界面におけるミラーリングを必要としない。対照的に、境界面を付加的に鏡面にすると、全反射の限界角度を守る必要がないので、結像光学系の受光角は増加する。
【００１８】
反射素子と第２角度減少素子を形成する境界面が、同一透明体の境界面であれば好適である。そうであれば、必要とされるのは、両方のタスクを実行する要素１つのみである。その点で、特に好適な実施例は、透明体が透明な円筒である実施例である。このような要素は、大量であっても容易に製造することが可能で、その高い対称性によって、回転対称形状の被写体を結像するのに極めて良く適合しており、さらに任意の別の対称性の被写体を結像するため有利に使用することができる。
【００１９】
本発明の好適実施例は、透明体がガラスを含む実施例である。適切な屈折率を有するガラスを選択することにより、角度減少効果を適応させることができる。結像光学系の重量を軽減するように、透明体を透明なプラスチック素材から作成することも望ましい。
【００２０】
本発明の有利な実施例は、第１角度減少素子が、光線の反射又は屈折により角度減少がもたらされるような方向を向く反射面又は屈折面を有する実施例である。
【００２１】
本発明の特に好適な実施例は、第１角度減少素子の反射面又は屈折面が、円錐形又は円錐台形の外周面である実施例である。このような形状は、回転対称形状の被写体に対するその対称性のために採用され、入射光線全てを均一に偏向することができる。
【００２２】
第１角度減少素子が、金属、好適にはアルミニウムを含み、その反射面が、好適には研磨されていることが望ましい。このような要素は、製造が容易であり、無収差の結像を得るために適切なレベルの表面品質を既に備えている。特に高水準の表面品質を実現するため、第１角度減少素子は、プラスチック素材又はガラスから、鏡反射面をもたせて作成するのが望ましい。この要素をプラスチック素材から作成する場合は、さらに重量を効果的に減少することができる。
【００２３】
本発明の特に好適な実施例は、第１角度減少素子の表面が円錐台の外周面であり、円錐台のカバー上面は中心穴を有する実施例である。この構成は、結像光学系を用いて被写体の側面を結像する他に、円錐台の中の穴を通過する直接光線を用いて被写体のカバー面をカメラ上に結像させることができる。この実施例で、ガラス体も鏡本体の中心穴と一直線になる中心穴を有すると好都合である。これにより、被写体のカバー面からカメラまでの直接光路が、ガラス体の反射面における損出を防ぐことが可能になる。
【００２４】
光線が透明体から発せられるとき、光線の屈折により角度減少がもたらされるように、第１角度減少素子が、透明体の境界面により形成されることが望ましい。このような構成は、反射素子と、第１角度減少素子および第２角度減少素子を形成する透明体の境界面が、同一の透明体の境界面である場合に特に好都合である。結像光学系はこのとき、搭載が容易な単一の要素のみを含み、製造後さらに調整をする必要がない。
【００２５】
本発明の好適な実施例は、第１角度減少素子の直径の、第２角度減少素子の直径に対する比率が、１未満、好適には１／２〜１／４の間である。このような構成により、特に、典型的な約３０ｍｍの最大直径のカバーキャップの結像を最適化することができる。
【００２６】
透明体の高さが１０ｍｍ〜１００ｍｍの間、好適には２０ｍｍ〜９０ｍｍの間、特に好適には３０ｍｍ〜８０ｍｍの間、最適には約４５ｍｍであれば、さらに有利である。
【００２７】
本発明の特に好適な実施例は、第１角度減少素子の高さが５ｍｍ〜３５ｍｍの間、好適には１０ｍｍ〜３０ｍｍの間、特に好適には１５ｍｍ〜２５ｍｍの間、最適には約２０ｍｍである。
【００２８】
本発明の好適な実施例において、結像光学系は、イメージセンサ、好適にはカメラを用いて被写体の周辺に広がる外周面を検出する外周面センサに統合される。このような配列は、回転対称形状の被写体の側面を検出して評価するため、連続製造工程に統合することができる。
【００２９】
特に好適な実施例において、外周面センサは、結像光学系下にある被写体を検出する遮光配置を有する。それにより、例えばコンベヤベルト上に置かれた被写体は、録画の瞬間に結像光学系の下に、結像光学系と被写体の対称軸が一致するよう配列されるようにして、録画する瞬間の制御が可能になる。
【発明の効果】
【００３０】
外周面センサが、好適には閃光を生じることを意図する、好適には環状の閃光状照明装置を装備することも望ましい。それは、カメラが録画する映像の輝度は確実に均一にすることができる。閃光を使用する照明装置の代わりに、カメラを短い露光時間で作動させることができると効果的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明に関する上記以外の利点、特徴及び可能な用途は、以下の好適実施例の記述及び添付図面から明らかとなるであろう。
【００３２】
図１は、円錐ミラー体３及び透明な円筒形のガラス体４を有する結像光学系の実施例を示す。これらの構成要素は、その光軸１２が、同様に円筒形の被写体１０の対称軸と一致するように配列される。円筒形のガラス体４および円錐ミラー体３は、被写体１０の上に配列されている。被写体１０の側面９から出射される光線１１は、垂直の入射に対して測定される大きな入射角でガラス体に入射される。光線１１は、ガラス体のカバー底面１３において屈折する。それらは直ぐにガラス体４の外周面６上まで極めて浅く通過する。これらは、外周面に対する法線との関係で臨界角を超えるので、光学的に密な媒体と光学的に疎な媒体との間の境界面において全反射する。その状態で光線１１は、装置の対称軸１２に向って偏向する。光線１１は、ガラス体４のカバー上面１４から発せられる。その場合、これらは対称軸１２に向ってさらに屈折する。円錐ミラー体３は、ガラス体４のカバー上面１４の上に直接配置されており、好適には接着剤を使用してそこに接合される。そして、光線１１は、ミラー体３の円錐形外周面７において、鋭角にカメラ１に衝突するように反射する。直径約３３ｍｍの被写体には、ガラス体４の直径は１００ｍｍが好適で、円錐形ガラス体３の基面５の径は、３０ｍｍが好適である。この場合、被写体１０の外周面９を完全に結像させることができるためには、その面が高さ約７ｍｍであり、関係する解像度を完全に利用する場合、ガラス体の高さは４５ｍｍであるのが好適で、円錐形ミラー体３の高さは２０ｍｍであるのが好適である。結像光学系の受光角は、被写体１０の側面９から出射される光線に関し、この装置を用いると、約６３．２°である。
【００３３】
図２は、図１に略図を示す結像光学系を装備する外周面センサを通る側面断面図を示す。図示する実施例において、周期的に配列される発光ダイオードを含む照明手段２が、環状構成でガラス体４の周りに取付けられる。このダイオードは、これらが主として被写体１０の外周面９を照明する方向に向けられる。被写体が結像光学系の下を高速で動く場合は、ダイオードは閃光を生成するように作動させるのが望ましい。図２は、ハウジング１９の中の凹部１８を明確に示しているが、これはガラス体４を環状に囲む。凹部１８は、ガラス体４の外周面６の領域が、ハウジング１９と接触するのを防止する。このようにして、内部の全反射に必要な、光学的に密な媒体から光学的に疎な媒体への屈折率遷移が、なお保証される。加えて、凹部１８により外周面センサの重量を軽減することができる。対物レンズ２０を取付けたカメラ１を、図２で、円錐形ミラー体３の上に、明確に示してある。カメラ１は、高さを調節可能な状態でホルダ８に固定されている。カメラの高さ調節を用いて、映像の大きさを保持したまま、被写体１０の異なる各種の直径に適合させることが出来る。被写体１０の直径が小さいほど、カメラ１と円錐形ミラー体３との間に、それに対応したとり大きい距離を採用しなければならない。
【００３４】
図示した実施例において、透明体４はガラスを含む。これは、しかしながら、外周面センサの質量を軽減するため、透明なプラスチック素材からも作成することができるが、ＴＰＸ又はＰＥが好適である。ミラー体３は、好適にはアルミニウムから作成され、次いで円錐形外周面７を研磨する。
【００３５】
図２に示すように、器具全体は、被写体１０の対称軸１２に直角な平面内を、好適にはモータにより、動けるように取付けられるが、それは偏向軸を被写体１０上の中心で調節することができるようにするためである。その場合、使用する光学手段は、軽量のものが望ましい。
【００３６】
図３は、本発明の第２実施例を示す。ここでは、円錐形ミラー体３は、円錐台形ミラー体１５に置換えられている。円錐台の中央には中心穴１５が設けられている。光路は、光軸１２の近くの穴１６を通って開くので、その光路は、被写体１０のカバー面１４から出る光路が、被写体１０の側面９から発する偏向された光路に加えて、カメラ１に直接到達することも可能にする。加えて（図３には不図示）ガラス体４には、円錐台形ミラー体１５の穴１６と同心円の関係の穴を設けることが出来る。これは、ガラス円筒４の上面で起こるかも知れない反射損出を低減する。
【００３７】
図４は、本発明の第３実施例を示す。ここでは、結像光学系は円筒形ガラス体４のみを含んでおり、このガラス体は、カバー上面１４から始まり円錐台の形の中央凹部１７を有する。被写体１０の側面９から発する光線は、ガラス体４に入射するのに際して、ガラス体４の外周面６に衝突する際に全反射し対称軸１２の方向に偏向されるように、カバー底面１３により屈折される。光線は、ガラス体４のカバー面１４にある円錐台形凹部１７の外周面２１を通って、ガラス体４の外に出る。この場合、光線１１は、カメラ１に鋭角で衝突するように屈折される。同時に、被写体１０のカバー面から出発して、円錐台形の凹部１１のカバー面２２を通過する光路が可能で、これは、被写体１０のカバー面１４の映像を直接カメラ１の上に生成する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１実施例の概略図である。
【図２】第１実施例の断面の側面図である。
【図３】第２実施例の概略図である。
【図４】第３実施例の概略図である。
【符号の説明】
【００３９】
１    カメラ
２    環状照明手段
３    円錐形ミラー体
４    円筒形ガラス体
５    ミラー体の基面
６    ガラス体の外周面
７    ミラー体の外周面
８    保持手段
９    周辺に広がる側面
１０  被写体
１１  光線
１２  光軸
１３  ガラス体のカバー底面
１４  ガラス体のカバー上面
１５  円錐台形ミラー体
１６  中心穴
１７  中央凹部
１８  凹部
１９  ハウジング
２０  対物レンズ
２１  凹部の外周面
２２  凹部のカバー面
【図１】
0004695589.tif 000002
【図２】
0004695589.tif 000003
【図３】
0004695589.tif 000004
【図４】
0004695589.tif 000005