(57)【要約】【課題】撮像対象物との距離が変化しても、一定の拡大率のまま画像を合焦した状態に維持できる撮像装置を提供すること。【解決手段】撮像装置は、第１焦点距離を有する第１光学素子１１０と、可変の焦点距離を有する第２光学素子１２０とを備えた撮像装置を提供する。前記第２光学素子１２０は、前記第１光学素子１１０からほぼ前記第１焦点距離だけ離れた第１固定距離Ｓ１２に配置される。したがって、上述の撮像装置の光学系は、様々な距離におかれる対象物について、部品を移動させることなく一定の拡大率で焦点をあわせることができる。【選択図】図１
2007256956.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変焦点距離を有する撮像装置であって、
第１焦点距離を有する第１光学素子と、
可変の第２焦点距離を有し、前記第１光学素子から前記第１焦点距離と略同距離である第１固定距離だけ離れた位置に配置される第２光学素子と、
前記第２光学素子から第２固定距離だけ離れた位置に配置される画像検出手段とを備えた撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像装置であって、
前記第２焦点距離は、その可変範囲内で複数の値に変更可能であり、
前記複数の値に変更可能な第２焦点距離により、前記撮像装置の焦点距離が複数の値に設定可能であることを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項２に記載の撮像装置において、
前記第２焦点距離は、前記撮像装置がその焦点距離の可変範囲内において任意の値で合焦されるように、その可変範囲内で連続的に変更可能であることを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求項１に記載の撮像装置において、
前記第１固定距離は、前記第１焦点距離の少なくとも０．８５倍であり、最大でも１．１５倍であることを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
請求項１に記載の撮像装置において、
前記撮像装置の拡大率は、前記撮像装置のどの焦点距離においても略等しいことを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
請求項１に記載の撮像装置において、
前記第１光学素子が単レンズ、複合レンズおよびリフレクタを備えていることを特徴とする撮像装置。
【請求項７】
請求項１に記載の撮像装置において、
前記第２光学素子が可変焦点距離レンズおよび可変焦点距離リフレクタを備えていることを特徴とする撮像装置。
【請求項８】
請求項７に記載の撮像装置において、
前記第２光学素子は、前記第２光学素子への少なくとも１つの電気的な入力により形状が制御される要素を備えていることを特徴とする撮像装置。
【請求項９】
請求項８に記載の撮像装置において、
前記画像検出手段は、受光素子アレイを備え、
前記撮像装置は制御システムを備え、
前記制御システムは、前記受光素子アレイからの画像データを入力し、前記画像データを解析し、前記第２光学要素への前記電気的な入力を設定して得られた前記撮像装置の焦点距離で、前記撮像装置の焦点距離の範囲内に配置された対象物の焦点画像を提供する
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の撮像装置において、
前記画像検出手段が写真用フィルムまたは受光素子アレイのうちいずれか一方を備えていることを特徴とする撮像装置。 
【請求項１１】
請求項１に記載の撮像装置において、
前記第２固定距離が前記第１固定距離と略等しいことを特徴とする撮像装置。
【請求項１２】
請求項１の撮像装置において、
前記第１光学素子、前記第２光学素子および前記画像検出手段が、直線の光路または非直線の光路のいずれかに沿って配置されていることを特徴とする撮像装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の撮像装置において、
前記第２光学素子近傍に位置する制限開口を備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項１４】
可変焦点距離を有する撮像装置であって、
第１焦点距離を有し、光路に沿って第１光学素子位置に配置された第１光学素子と、
複数の値に変更可能な第２焦点距離を有し、光路に沿って第２光学素子位置に配置される光学素子を有する第２焦点距離提供手段と、
前記光路に沿った画像検出面位置に配置された画像検出手段とを備え、
前記第２光学素子位置は前記第１光学素子位置から第１固定距離離れた位置に配置され、前記第１固定距離は前記第１焦点距離とほぼ同じ距離であり、
前記画像検出面位置は、前記第２光学素子位置から第２固定距離だけ離れた位置に配置され、
前記第２焦点距離の複数の値により前記撮像装置の焦点距離が複数の値に設定される
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の撮像装置において、
前記撮像装置の拡大率が、前記複数の焦点距離のいずれとも略等しいことを特徴とする撮像装置。
【請求項１６】
請求項１４に記載の撮像装置において、
前記第２焦点距離提供手段は、前記第２光学素子位置に固定された単一の光学素子を有し、
前記単一の光学素子は可変焦点距離レンズまたは可変焦点距離リフレクタのいずれか一方である
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項１７】
請求項１４に記載の撮像装置において、
前記第２焦点距離提供手段が、
ａ）一次元方向への回転、ｂ）一次元方向への移動、および、ｃ）前記光路に略交差する面内で二次元方向への移動のいずれかにより移動可能とされた可動部材と、
前記可動部材に固定された複数の光学素子とを備え、
前記複数の光学素子はそれぞれ異なる焦点距離を有し、
前記可動部材を移動させることにより、前記複数の光学素子の何れかを前記光路に沿った前記第２光学素子位置に配置する
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の撮像装置において、
前記複数の光学素子の少なくとも１つが、焦点距離の範囲内で連続的に可変焦点距離を変更するように制御可能な可変焦点距離レンズを備えていることを特徴とする撮像装置。
【請求項１９】
撮像装置を用いてシーンの複数の画像を取得する画像取得方法であって、
前記撮像装置を制御する工程を備え、
前記撮像装置は、
第１焦点距離を有し、光路に沿って第１光学素子位置に配置された第１光学素子と、
前記光路に沿った第２光学素子位置に位置する光学素子により提供され、対応する複数の焦点距離を提供する第２焦点距離提供手段と、
画像検出手段とを備え、
前記第２光学素子位置は前記第１光学素子位置から第１固定距離離れた位置に配置され、前記第１固定距離は前記第１焦点距離とほぼ同じ距離であり、
前記画像検出手段は、前記光路に沿った画像検出面位置に配置され、
前記画像検出面位置は、前記第２光学素子位置から第２固定距離離れた位置に配置され、
前記撮像装置を制御する工程には、
前記第２光学素子位置に配置された光学素子により提供される前記複数の第２焦点距離のうち第１距離を提供し、前記第２焦点距離のうち前記第１距離は、前記撮像装置に対して第１焦点距離離れた位置に配置されたシーンにおける素子の合焦された第１合焦画像を提供する工程と、
、前記第２光学素子位置に配置された光学素子により提供される前記複数の第２焦点距離のうち第２距離を提供し、
前記第２焦点距離のうち前記第２距離は、前記撮像装置に対して第２焦点距離離れた位置に配置されたシーンにおける素子の合焦された第２合焦画像を提供する工程とを有し、
前記撮像装置の拡大率は、前記第１合焦画像および第２合焦画像と略同一であることを特徴とする画像取得方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の画像取得方法において、
前記撮像装置制御工程における、前記第２焦点距離の前記第１距離の提供工程と、前記第２焦点距離の前記第２距離の提供工程とがそれぞれ、前記第２光学素子位置に固定されている単独の可変焦点距離光学素子を制御する工程を含んでいることを特徴とする画像取得方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物との距離が変化しても、一定の拡大率のまま画像を合焦した状態に維持できる可変焦点距離レンズアセンブリを備えた撮像装置、およびこの撮像装置を用いた撮像方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学系から撮像対象物までの距離が変化しても、対象物画像の拡大率を一定に維持できる光学系は有用である。このような光学系は、対物距離範囲にわたり対象物を認識または測定する必要がある撮像用途において利点を有する。
【０００３】
このような機能を備えた光学系は、相互間に物理的距離を設けて配置される２以上の光学素子を備え、この物理的距離を機械的に変化させることにより対象物の画像を提供する。例えば、特許文献１は、広範な距離範囲に配置される対象物を、一定の拡大率で撮影するズームレンズ系を開示する。このズームレンズ系は複雑で、第１レンズユニット、第２レンズユニット、第１機構および第２機構を備えている。第１機構により、第１レンズユニットの焦点距離および第２レンズユニットの拡大率が変更され、第２機構により２つのレンズユニット間の間隔が変更される。第１レンズユニットの焦点距離と第２レンズユニットの横方向拡大率との間の比率を一定に維持するよう、第１機構を操作して光軸に沿ってレンズユニットを物理的に移動させることで、拡大率が一定レベルに維持される。対物距離範囲にわたり一定の拡大率を提供できる光学系の他の例としては、固定焦点距離のテレセントリック光学系がある。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，０９５，３８８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、テレセントリック光学系には欠点がある。つまり、テレセントリック光学系は一般に、少なくとも１つの対物レンズと開口絞り等の制限開口とを備えている。対物レンズおよび制限開口は、光軸に沿って配置され、制限開口が対物レンズから対物レンズの焦点距離だけ離れた位置に設けられるよう構成されている。テレセントリック光学系は、この光学系から対物距離範囲にわたり略一定の拡大率を提供するが、テレセントリック光学系により得られる画像は、その焦点深度の範囲外では合焦点状態を維持できない。このように、テレセントリック光学系の利用には限度がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、撮像対象物と可変焦点距離レンズアセンブリとの間の距離が変化しても、一定の拡大率のまま画像を合焦した状態に維持できる可変焦点距離レンズアセンブリを提供する。可変焦点距離レンズアセンブリは、一定の焦点距離を有する対物レンズと、焦点距離を変更可能な可変焦点距離レンズ（ＶＦＬＬ）とを備える。対物レンズとＶＦＬＬのいずれも、可変焦点距離レンズアセンブリの光軸に沿って固定配置され、ＶＦＬＬは対物レンズの焦点距離とほぼ同じ距離だけ対物レンズから離れた位置に配置される。ＶＦＬＬを対物レンズから焦点距離の分だけ離して配置することにより、可変焦点距離レンズアセンブリは、対象物までの距離が変化しても、ある固定画像面において一定の拡大率で焦点画像を得られる可変焦点距離を提供できる。このように、様々な実施形態において、可変焦点距離レンズアセンブリは、要素を移動させることなく一定の拡大率を維持したまま、様々な焦点または対物距離において合焦（または、自動合焦）されるレンズを提供する。様々な実施形態において、詳しくは後述するが、ＶＦＬＬはエレクトロウェッティング技術、圧力制御技術、その他の適する技術による装置を備える。
【０００７】
本発明の他の側面として、可変焦点距離リフレクタ（ＶＦＬＲ）を備えた可変焦点距離レンズアセンブリを提供する。このような構成においては、対物レンズおよびＶＦＬＲの両方を可変焦点距離レンズアセンブリの光路に沿って固定配置してもよい。ＶＦＬＲを対物レンズから焦点距離の分だけ離れた距離に配置することにより、可変焦点距離レンズアセンブリは、対象物までの距離が変化しても、ある固定画像面において一定の拡大率で焦点画像を提供する。様々な実施形態において、詳しくは後述するが、ＶＦＬＲは反射膜の静電制御または圧力制御、その他の適する技術による装置を備える。
【０００８】
比較的広い焦点距離範囲にわたり拡大率を一定に維持できると、多くの用途において簡易化が可能となる。一例として、アセンブリライン検査において、対象物またはシーンとカメラ系との距離を厳密に制御しなくとも、その対象物またはシーンの画像から、正確な横方向測定結果を得ることができる。他の実施形態として、様々な異なる焦点距離で得た複数の画像から、対象物またはシーンのパノラマ画像を形成したり、継ぎはぎして画像を形成してもよく、また、同様の拡大率または横方向スケールであれば、より簡単に複合画像として結合させることができる。他の例としては、このような系が十分に合焦されている場合は、ＶＦＬＬまたはＶＦＬＲへの制御信号が対象物への範囲を示す。このような系は、距離測定や画像から横方向の立体計測を行うのに利用され、三次元の測定器として利用できる。
【０００９】
広範な焦点距離範囲にわたり一定の拡大率を提供できることで、従来のテレセントリックレンズ系よりはるかに優れて有用である。光学要素および／または画像検出面との間の距離を光軸（または、光路）に沿って調節することなく上述の特徴を提供できることにより、コスト、信頼性、小型化、駆動力、利便性の面で、例えば特許文献１に記載の従来の可変焦点定拡大率系より優れている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図中、同じものには同じ符号を付している。
図１は、一実施形態における可変焦点距離レンズアセンブリ１００の近軸薄レンズ配置図である。撮像装置としての可変焦点距離レンズアセンブリ１００は、第１光学素子としての対物レンズ１１０と、第２光学素子としての可変焦点距離レンズ（ＶＦＬＬ）１２０とを備える。対物レンズ１１０および可変焦点距離レンズ１２０は、光軸ＯＡに直交するよう、かつレンズの径方向中心が光軸ＯＡ上に沿うよう配設される。対物レンズ１１０の焦点距離は固定であり、一方、ＶＦＬＬ１２０の焦点距離は変更可能である。図１に示すように、対象となる対象物は可変焦点距離アセンブリ１００の前方側の対物焦点面１０１内に位置し、画像検出面１０４は可変焦点距離アセンブリ１００の後方側に位置する。画像検出手段１０５も画像検出面１０４に配置されてもよい。画像検出手段は、写真用フィルム、受光素子アレイなどを備えてもよく、また、現在知られている、または今後開発される画像検出媒体を備えていてもよい。
【００１１】
ＶＦＬＬ１２０は、焦点距離を変更するために電気的に制御可能な装置を備えてもよい。例えば、ＶＦＬＬ１２０は、エレクトロウェッティング技術、圧力制御技術などによる装置を備えてもよく、エレクトロウェッティング技術によるものには、バリオプティック社（フランス  リヨン）のバリオプティックレンズ、ロイヤル フィリップスエレクトロニクスのフィリップリサーチ社（オランダ アムステルダム）のＦｌｕｉｄＦｏｃｕｓレンズなどがある。エレクトロウェッティング現象に基づく可変焦点距離レンズは一般的に、同密度であるが伝導率と屈折指数の異なる二種類の非混和液からなり、これらの非混和液は薄絶縁層をコーティングした金属基板上に蒸着される。この基板に制御電圧がかかると、液体／液体インターフェースのメニスカスの屈曲が変化し、その結果、レンズの焦点距離が変化する。このようなレンズとして、その全体を参照することにより本明細書中に引用される米国特許第６，３６９，９５４号（ＢｅｒｇｅおよびＰｅｓｅｕｘ）に記載のレンズがある。
【００１２】
圧力制御可変焦点距離レンズは、物理的圧力を利用して表面形状を変化させ、レンズの焦点距離を変化させる。このようなレンズとして、その全体を参照することにより本明細書中に引用される米国特許第５，９７３，８５２号（Ｔａｓｋ）および米国特許第３，１６１，７１８号（Ｄｅ Ｌｕｃａ）に記載のレンズがある。
【００１３】
動作時においては、対象物からの光が可変焦点距離レンズアセンブリ１００を通過するまでＶＦＬＬ１２０を制御することにより、可変焦点距離レンズアセンブリ１００が調節され、画像検出面１０４に明瞭なイメージが形成される。図１に示すように、このような焦点調節をした後、対物レンズ１１０の有効対物面１０２から焦点距離Ｓ０１だけ離れた光軸ＯＡ上の対物焦点面１０１に、対象物が配置される。尚、対物焦点面１０１と有効対物面１０２との間の距離Ｓ０１は固定ではなく、可変焦点距離レンズアセンブリ１００の調節に合わせて変更可能である。可変焦点距離レンズアセンブリ１００の中では、ＶＦＬＬ１２０の有効ＶＦＬＬ面１０３が、有効対物面１０２から固定距離Ｓ１２だけ離れた、光軸ＯＡ上の位置に配置される。この第１固定距離としての固定距離Ｓ１２は、対物レンズ１１０の焦点距離（ｆｏｂｊ）とほぼ等しい。実際には、対物レンズは多素子レンズまたは複合レンズであってもよい。その場合は、固定距離Ｓ１２は、レンズの後方焦点距離とほぼ等しくなる。最後に、画像検出手段１０５を有効ＶＦＬＬ面１０３から固定距離Ｓ２３分だけ離れた画像検出面１０４に配置する。この第２固定距離としての固定距離Ｓ２３は通常、所望の実用設計値に固定されるが、一実施形態では、固定距離Ｓ２３を対物レンズ１１０の焦点距離（ｆｏｂｊ）に設定してもよく、それにより、アセンブリ１００の対象物対画像の倒立拡大率が１対１となるようにしてもよい。これについては、式５および式６を参照しながら後述する。ＶＦＬＬ１２０の可変焦点距離（ｆv）は必要に応じて変更してもよく、その結果、可変焦点距離レンズアセンブリ１００から対象物までの焦点距離Ｓ０１が変化しても、対象物の画像は画像検出面１０４に合焦されたままであり、拡大率を一定に維持することができる。
【００１４】
図１からわかるように、ＶＦＬＬ１２０が光学系の制限開口として機能する場合、ＶＦＬＬ１２０は光軸ＯＡと対物レンズ１１０に入射する最も外側の光線との間の角度ν0'を決定する。対象物からの光が対物レンズ１１０を通過するとき、対物レンズ１１０は通過する光を光軸ＯＡに向けて集光し、ＶＦＬＬ１２０に入射させる。対物レンズ１１０は、固定焦点距離の凸レンズまたは複合レンズである。よって、対象物が対物レンズ１１０に近づくほど、つまり、距離Ｓ０１が小さくなるほど、対物レンズ１１０を通過した光は収束されなくなる。一方、対象物が対物レンズ１１０から遠ざかるにつれ、つまり、距離Ｓ０１が大きくなるほど、対物レンズ１１０を通過した光はより収束されるようになる。この結果、対物レンズ１１０を通過した画像光がＶＦＬＬ１２０に入射する角度は、有効対物面１０２と対象物との間の焦点距離Ｓ０１の関数として変化する。入射光の角度の変化を補正するために、ＶＦＬＬ１２０の焦点距離を必要に応じて変更すると、対象物の画像を画像検出面１０４に合焦させることができる。その結果、いずれの合焦された画像においても、部品を動かすことなく、画像検出面に入射する光の収束角度Ｖ３を一定にでき、可変焦点距離レンズアセンブリ１００の拡大率が一定となる。ここで、「部品を動かすことなく」とは、一般的に、系の光路に沿って配置される光学要素間の距離を変える必要がない、つまり光学要素を再配置する必要がないことを意味する。ＶＦＬＬの焦点距離を変更するためにＶＦＬＬを変形させる場合、ＶＦＬＬを光路上で配置し直す必要がないため、ここで言う部品の移動には含まれない。
【００１５】
図１に示す光学関係は、図１の変数を一般に知られている薄レンズの式に代入してモデル化することができる。例えば、式（１）は、ＶＦＬＬの屈折力φｖ≡１／ｆｖに基づき、画像を画像検出面１０４で合焦できる可変焦点距離Ｓ０１（Ｖ）を表す。式（２）は、可変焦点距離レンズアセンブリ１００の可変横断拡大率Ｍ（Ｖ）がＶＦＬＬの屈折力φｖにより変化する一般的な場合を表す。
【００１６】
【数１】
2007256956.tif 000003
【００１７】
【数２】
2007256956.tif 000004
【００１８】
上記式（１）および（２）中、対物レンズ１１０屈折力はφｏｂｊ≡１／ｆｏｂｊ、ＶＦＬＬ１２０の可変屈折力はφｖ≡１／ｆｖである。
【００１９】
図１の特殊な場合として、ＶＦＬＬ１２０が対物レンズ１１０から対物レンズ１１０の焦点距離の分だけ、つまり距離Ｓ１２＝ｆｏｂｊ＝１／φｏｂｊ分だけ、離れた位置に配置されている状態では、一般式（１）および（２）が以下の式（３）および（４）に減少される。
【００２０】
【数３】
2007256956.tif 000005
【００２１】
式（３）からわかるように、Ｓ１２＝ｆｏｂｊ＝１／φｏｂｊであるとき、画像検出面１０４で合焦された画像に対応する距離Ｓ０１（Ｖ）は、ＶＦＬＬ１２０の屈折力φｖとともに直線的に変化する。さらに、式（４）からわかるように、これらの条件下では、ＭはＶＦＬＬ１２０の屈折力φｖから独立している。
【００２２】
さらに、Ｓ２３＝１／φｏｂｊであるとき、式（３）および（４）は、式（５）および（６）となる。式（６）に示すように、これらの条件下では、「１対１」の拡大倒立系が得られる。
【００２３】
【数４】
2007256956.tif 000006
【００２４】
可変焦点距離レンズアセンブリを備えた撮像システム２００の分解図を図２に示し、その組立図を図３に示す。図示のように、撮像システム２００は、画像アレイ回路基板アセンブリ２１０を囲むカメラハウジング２０５など、一般に光軸ＯＡに沿って配列される種々の要素を備えている。画像アレイ回路基板アセンブリ２１０はその他の電子部品（図示せず）と接続されてもよく、必要に応じて、画像取得および／または画像保存などの制御をしてもよい。撮像システム２００はさらにカメラアダプタプレート２１５を備えてもよく、このカメラアダプタプレート２１５は、一方側が画像アレイ回路基板アセンブリ２１０および／またはカメラハウジング２０５に取り付けられ、他方側がＶＦＬＬ保持ブロック２２０を支持してもよい。保持ブロック２２０はまた、ＶＦＬＬユニット２２５に当接するよう構成されたスレッド保持リング２２１（図３）を支持する内部スレッドを備えてもよい。図２および図３に示す実施形態では、ＶＦＬＬユニット２２５はＶＦＬＬ２２６を備えており、これはバリオプティックレンズ（登録商標）であってもよい。電子制御ライン２２８の一部は、ＶＦＬＬユニット２２５から突出するように図示されている。制御ライン２２８を用いて、必要に応じて、ＶＦＬＬユニット２２５を、撮像システム２００から離れた位置にある制御系に接続してもよい。図３に示すように、ＶＦＬＬユニット２２５は、ＶＦＬＬ２２６の周辺に制限開口である開口絞り２２７を形成するように構成されてもよい。この開口絞りは追加可能であるが、不可欠ではない。しかし、焦点の合っていない特徴が画像に含まれているとき、一定のテレセントリック画像作用効果が得られる場合がある。このような作用は、本明細書中で開示する実施形態によって得られる他の作用効果に加えて得られるものである。
【００２５】
さらに、第１スペーサ素子２３０がＶＦＬＬユニット２２５を受け止めるよう設けられ、この第１スペーサ素子により、ＶＦＬＬユニット２２５は、アレイ回路基板アセンブリ２１０に含まれる受光素子アレイの画像検出面２０４から所望の距離だけ離れた位置に配置される。ＶＦＬＬユニット２２５は、組立時において（図３）、保持ブロック２２０のスレッド保持リング２２１を調節することにより、第１スペーサ素子２３０の段に対し保持されてもよい。アイリス２３５は、図３に示すように、第１スペーサ素子２３０または第２スペーサ素子２４０に羅合その他の方法で取り付けられてもよい。第２スペーサ素子２４０内では、対物レンズ２４５が前方保持リング２５０と後方保持リング２５０との間の位置に配置される。また、図２および図３では、撮像対象となる対象物２５５は撮像システム２００の前方の位置に配置されている。
【００２６】
画像アレイ回路基板アセンブリ２１０の対象物２５５、対物レンズ２４５、ＶＦＬＬ２２６および画像アレイ回路基板アセンブリ２１０の画像検出面２０４の関係は、図１に示すものと同様である。例えば、介在機械要素の寸法により、ＶＦＬＬ２２６の有効面は、対物レンズ２４５の対物面からおよそ対物レンズ２４５の焦点距離の分だけ離れた位置におかれ、これは図１の距離Ｓ１２に該当する。同様に、ＶＦＬＬ２２６は、画像アレイプリント回路基板アセンブリ２１０の画像検出面２０４から、図１の距離Ｓ２３に対応する固定距離分だけ離れた位置におかれる。さらに、対象物２５５は、図１の距離Ｓ０１に対応する距離で撮像システム２００から離れるように撮像システム２００の前方に配置されている。このように、対象物２５５の撮像システム２００からの距離が変わっても、焦点距離の範囲にわたって、撮像システム２００は対象物２５５の焦点画像を画像アレイプリント回路基板アセンブリ２１０の画像検出面２０４に一定の拡大率で示すことができる。
【００２７】
以上のような議論から、ＶＦＬＬが理想的な位置にある場合、つまり対物レンズから対物レンズの焦点距離の分だけ離れた位置にある場合、焦点距離が多岐にわたっても、略一定の拡大率が維持されることがわかる。しかしながら、焦点距離の変化に伴う拡大率の変化は、ＶＦＬＬが対物レンズからおよそ対物レンズ焦点距離の範囲に固定されてさえいれば、多くの撮像用途において必須ではなく、必ずしも理想的な位置にある必要はない。例えば、ＶＦＬＬは対物レンズから対物レンズ焦点距離の０．８５〜１．１５倍の距離で固定されてもよく、その場合でも、それぞれの焦点距離の拡大率の差は小さく、多くの用途で実質的に同様の利点を享受することができる。例えば、ある用途において、精密な測定ではなく対象物の自動認識が必要である場合には、対象物のある特徴の寸法が、小さく設定された所定の画像サイズ範囲内にあることを有効な対象物認識とする基準としてもよい。つまり、サイズ範囲を小さく設定して、ＶＦＬＬが対物レンズから対物レンズの焦点距離の０．８５倍または１．１５倍の距離で固定されている場合、予想される焦点距離範囲でのわずかな拡大率の変化を許容するようにしてもよい。このような基準により、対象物認識の信頼性は大幅に向上され、対象物のサイズの差が一定以上ある場合には、同様の対象物を分別できるようになる。本発明の撮像装置では、撮像対象となる対象物への距離をそれほど厳密に制御しなくても、また、撮像装置内またはその周辺で部品を複雑に移動させなくても、このような基準を採用できる。
【００２８】
図４は、図１と同様の可変焦点距離レンズアセンブリでの光学系シミュレーションの結果を示すグラフである。このシミュレーションは、対物面から明瞭な画像を形成する焦点面までの焦点距離Ｓ０１が、バリオプティックＶＦＬＬの焦点距離を制御するために加えられる圧力との関係でどのように変化するかを、対物レンズ焦点距離（ｆｏｂｊ）ごとに示したものである。このシミュレーションは、距離Ｓ２３を２５ｍｍとし、焦点距離ｆｏｂｊ（Ｓ１２）を１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍとする５種類の対物レンズを用いて行った。それぞれの結果は、結果４２５、４２０、４１５、４１０、４０５である。
【００２９】
各対物レンズについて、制御電圧がおよそ０〜３０Ｖの間では、距離Ｓ０１が略一定であることがわかる。これは、バリオプティックレンズがこの範囲の制御電圧に対しては比較的低反応だからである。しかし、およそ３０〜６０Ｖの範囲では、ＶＦＬＬは制御電圧に対し敏感である。この種類のレンズでは、圧力が増加すると、Ｓ０１が減少する。例えば、ｆｏｂｊが１００ｍｍである対物レンズの場合、制御電圧が３０Ｖから６０Ｖに増加すると、Ｓ０１がおよそ７５ｍｍから３９ｍｍに減少する。Ｓ０１の反応は、すべての対物レンズ４０５、４１０、４１５、４２０、４２５において質的に同等である。しかし、グラフ４００に示すように、対物レンズの焦点距離（ｆｏｂｊ）が減少すると、Ｓ０１の最大値および制御可能範囲が減少する。したがって、可変焦点距離アセンブリの稼働距離および制御可能範囲は、対物レンズ焦点距離（ｆｏｂｊ）が増加するとともに増加する。
【００３０】
図５に、手動または自動動作可能な可変焦点距離レンズアセンブリ５２０を備えた画像取得系５００の一例を示す。
図５に示すように、レンズアセンブリ５２０は、電源５４５から電力供給を受ける受光素子アレイタイプカメラ５４０に接続され、ピクセル強度データなどの画像信号を出力する。この画像信号は、双方向信号制御バス５７５を介して送信され、コンピュータシステム５６０のフレーム取り込み器５７０に受信される。フレーム取り込み器５７０は、カメラから画像信号を受信し、このデジタル画像データを保存および／または解析のためにコンピュータシステム５６０に送信するのに加えて、カメラ５４０の画像取得タイミングなどを制御し、画像をビデオモニタ５５０に出力する。コンピュータ５６０は、ユーザ入力装置５７５に接続されていてもよく、コンピュータシステム５６０からデジタル制御信号を受信し、必要に応じて、アナログ制御信号に変換する多機能ＤＡＱ５６５を備えてもよい。多機能ＤＡＱ５６５は、ＶＦＬＬコントローラ５１０と接続され、ＶＦＬＬコントローラ５１０にアナログ制御信号５０５を送信してもよい。ＶＦＬＬコントローラ５１０は、アナログ制御信号５０５に基づいて、ＶＦＬＬ制御信号５１５をＶＦＬＬ５２５に送信してもよい。ＶＦＬＬ制御信号５１５により、ＶＦＬＬ５２５が駆動され、ＶＦＬＬ５２５の焦点距離が変更される。これにより、上述のように、可変焦点距離レンズアセンブリ５２０の焦点距離（Ｓ０１）が変更される。
【００３１】
一実施形態では、ＶＦＬＬ５２５は、バリオプティックＶＦＬＬであってもよく、ＶＦＬＬコントローラ５１０はバリオプティックコントローラまたはＩＣであってもよい（いずれもバリオプティック社（フランス・リオン）製）。バリオプティックコントローラまたはＩＣは、多機能ＤＡＱ５６５からの低圧力信号を受信し、適宜対応する制御電圧（例えば、図４に示すように３０〜６０Ｖ）をバリオプティックＶＦＬＬに供給する。カメラ５４０は、Ｓｏｎｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ニューヨーク州ニューヨーク）製のＣＣＤカメラ（製品番号ＸＣ−７５）であってもよい。フレーム取り込み器５６５は製品番号ＰＣＩ−１４０７、多機能ＤＡＱは製品番号ＰＣＩ−６０５２Ｅのものでもよい（いずれも、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社（テキサス州オースティン）製）。コンピュータ５７０は、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社（テキサス州オースティン）製のＬａｂＶＩＥＷソフトウェアで記述され、ＭａｔｈＷｏｒｋｓ社（マサチューセッツ州ナティック）製のＭＡＴＬＡＢソフトウェア画像解析ルーチンと協働するルーチンを備えていてもよい。
【００３２】
可変焦点距離レンズアセンブリ５２０の構成は、図１に示すレンズアセンブリ１００と同様であり、対物レンズ５３０と、対物レンズ５３０の有効面から焦点距離の分だけ離れ、カメラ５４０の画像アレイ５４２から固定距離だけ離れたＶＦＬＬ５２５とを備える。よって、レンズアセンブリ５２０は、部品を移動させることなく拡大率を一定に維持し、様々な焦点距離で合焦（または自動合焦）可能な光学撮像システムを提供する。
【００３３】
画像取得系５００の合焦は、手動または自動のいずれで行ってもよい。手動合焦の場合は、ユーザはモニタ５５０上に表示されている画像を見ながら、入力装置５７５を用いて、コンピュータ５６０および／または多機能ＤＡＱ５６５および／またはＶＦＬＬコントローラ５１０に対し、ＶＦＬＬ５２５への制御信号を増減させる操作を行い、これにより、モニタ５５０に表示される画像を適宜合焦させる。自動合焦の場合は、画像アレイカメラ５４０がレンズアセンブリ５２０の前方に配置される対象物の画像を受ける。対象物の位置およびＶＦＬＬ５２５の焦点距離の現設定によっては、画像アレイカメラ５４０が受ける画像の焦点が合っていないことがある。フィードバック構成を使用して、受け取られた画像は継続してコンピュータ５６０で解析され、画像の焦点が合うまでＶＦＬＬ５２５の焦点距離が自動調整される。
【００３４】
例えば、画像アレイカメラ５４０により受領された画像はフレーム取り込み器５７０に入力されてもよく、その後、入力されたデジタル画像データは解析のためコンピュータ５６０に送信される。コンピュータ５６０は画像データを解析し、画像焦点測定値（例えば、コントラスト測定基準、ローカル勾配測定基準、空間周波数測定基準など）を、一般に知られる画像処理方法を用いて評価し、画像焦点が要件を満たしているかどうかを決定する。要件を満たしていない場合、コンピュータは、多機能ＤＡＱに送信される制御信号を自動的に増加させる。そして、ＤＡＱ５６５はＶＦＬＬコントローラ５１０に送信される制御信号を増加して、これにより、ＶＦＬＬ５２５に送信される制御信号を変更して、焦点距離を変更する。このように、焦点距離および画像焦点は上述した原理のように変更される。形成された画像は、前の画像と同様に処理される。焦点測定基準が改善されると、コンピュータ５６０はＤＡＱ５６５への制御信号を再度増加させ、ＶＦＬＬ５２５の焦点距離を変更するなどの処理をする。これは、焦点測定基準が横ばいになるか、低下を始めるまで継続される。このように、ＶＦＬＬ５２５は、最良の画像焦点を実現するために、最良の焦点測定基準となるよう制御される。しかし、当然のことながら、ＤＡＱ５２５への制御信号が増加された結果、焦点測定基準が悪化した場合は、その後、制御信号は最良の焦点設定に近づくよう減少される。
【００３５】
用途によっては、制御信号値とこれに対応する対物レンズ５３０からの「最良焦点」距離との関係を、図４の曲線４０５に示すように予め決定しておいてもよく、また、制御信号を用いて、画像の特徴または表面が十分に合焦するまで、距離測定、高さ調整などを行ってもよい。
【００３６】
以上、汎用コンピュータ、関連ソフトウェアのルーチン、その他のディスクリート回路や素子などの動作を説明したが、ソフトウェアルーチンの動作はアナログまたはデジタルのハードウェアデバイスの動作としてもよいことは言うまでもない。また、種々のハードウェアデバイスの動作を適切なコンピュータデバイスのソフトウェアの動作としてもよい。このように、図５を参照して説明する素子および動作の形態は、設計上の選択にすぎず、当業者にとって、これらに種々の変更を行うことは自明であり、想到可能である。
【００３７】
図６に、他の実施形態として、可変焦点距離光学アセンブリ６００の近軸薄レンズの配置例を示す。
可変焦点距離光学アセンブリ６００の設計および機能は前述の可変焦点距離レンズアセンブリ１００と同様であるが、ＶＦＬＬの代わりに可変焦点距離リフレクタ（ＶＦＬＲ）が設けられており、光路がＶＦＬＲとの適合性のために折り返されている点で異なる。面に付されている符号６０１、６０２、６０４はそれぞれ、前述の面１０１、１０２、１０４と同じものを意味する。有効ＶＦＬＲ面６０３は、有効ＶＦＬＬ面１０３と類似である。図６に示す、種々の寸法Ｓ０１、Ｓ１２、Ｓ２３は前述のものと同様のものを意味しており、それぞれの値は同様の設計上の原理および式に基づいて決定および理解してよい。つまり、可変焦点距離光学アセンブリ６００は、固定焦点距離ｆｏｂｊを有する対物レンズ６１０を備えてもよい。ＶＦＬＲ６２０は、対物レンズ６１０から距離Ｓ１２がｆｏｂｊと略等しくなる分だけ離れて、光軸ＯＡに沿って配置してもよい。画像検出手段６０５は、ＶＦＬＲ６２０から光路に沿って固定距離Ｓ２３だけ離れた画像検出面６０４に配置され、ＶＦＬＲ６２０から反射された光を受光してもよい。対物レンズ６１０の焦点距離は固定であり、ＶＦＬＲ６２０の焦点距離は変更可能である。このような光学構成において、前述した原理により、可変焦点距離光学アセンブリ６００は、様々な焦点、つまり対物距離Ｓ０１の焦点距離の範囲にわたり、部品を移動させることなく、一定の拡大率を維持し、合焦（または自動合焦）できる光学撮像システムを提供する。
【００３８】
対物レンズ６１０からの画像光を遮らない位置に配置された画像検出手段６０５に画像光を照射するためには、ＶＦＬＲ６２０に光軸ＯＡに対して角度を設けたり、および／または、光軸ＯＡの中心から外す必要がある。画像の歪みや収差を最小限に抑えるために、ＶＦＬＲ６２０の角度および／または中心からのずれを最小限に抑える構成を採用してもよい。さらに、画像取得手段６０５および画像検出面６０４は、最良の画像にし、画像の歪みを最小限にするために方向を持たせてもよい。このような構成は、実験および／または解析によって決定してもよい。このような種類のＶＦＬＲは、１またはそれ以上の電子入力により制御される対称的な形状である。しかしながら、他の種類のＶＦＬＲは、ＶＦＬＲの表面に沿って複数の制御点を提供する制御方法を含んでいてもよい。このような種類のＶＦＬＲ（例えば、複数の制御電極を有する静電駆動制御ＶＦＬＲなど）では、焦点距離が変化するだけでなく、ＶＦＬＲの表面形状も画像の歪みおよび／または収差をさらに軽減するための複数の電子入力により制御されてもよい。
【００３９】
ＶＦＬＬ６２０は、焦点距離を変更制御可能な装置を備えてもよい。例えば、ＶＦＬＲ６２０は、反射膜の静電制御に基づく装置を備えてもよい。静電制御反射膜装置の原理や設計は、その全体を参照することにより本明細書中に引用される米国特許第６，６１８，２０９号（Ｎｉｓｈｉｏｋａその他）に記載のとおりである。他の例として、ＶＦＬＲ６２０は圧力制御反射膜を備えてもよい。圧力制御反射膜装置の原理や設計は、その全体を参照することにより本明細書中に引用される米国特許第６，６３１，０２０号（ＰａｒｉｓおよびＲｏｕａｎｎｅｔ）に記載のとおりである。
【００４０】
図７に、さらに他の実施形態として、可変焦点距離光学アセンブリ７００の近軸薄レンズの配置例を示す。
可変焦点距離光学アセンブリ７００の設計および機能は、前述の可変焦点距離光学アセンブリ６００と同様であるが、対物レンズの代わりに固定焦点距離リフレクタ（ＦＦＬＲ）が設けられており、光路がＦＦＬＲとの適合性のために二重に折り返されている点で異なる。面に付されている符号７０１、７０３、７０４はそれぞれ、前述の面６０１、６０３、６０４と同じものを意味する。有効ＦＦＬＲ面７０２は、有効対物面６０２と類似である。図７に示す種々の寸法Ｓ０１、Ｓ０２、Ｓ２３は前述のものと同様のものを意味しており、それぞれの値は同様の設計上の原則および式に基づいて決定および理解してよい。つまり、可変焦点距離光学アセンブリ７００は、固定焦点距離ｆobjを有するＦＦＬＲ７１０を備えてもよい。ＶＦＬＲ７２０は、ＦＦＬＲ７１０から光軸ＯＡに沿って距離Ｓ１２がｆｏｂｊと略等しくなる分だけ離れた位置に配置され、ＦＦＬＲ７１０から反射された光を受光してもよい。画像検出手段７０５は、ＶＦＬＲ７２０から光路に沿って固定距離Ｓ２３だけ離れた画像検出面７０４に、ＶＦＬＲ７２０から反射された光を受光するように配置されてもよい。ＦＦＬＲ７１０の焦点距離は固定であり、ＶＦＬＲ７２０の焦点距離は変更可能である。このような光学構成により、前述した原則により、可変焦点距離光学アセンブリ７００は、様々な焦点距離、つまり対物距離Ｓ０１の焦点距離の範囲にわたり、部品を移動させることなく、一定の拡大率を維持し、画像検出面で合焦（または自動合焦）可能な光学撮像システムを提供できる。
【００４１】
可変焦点距離レンズアセンブリ６００と同様に、画像の歪みや収差を最小限にするために、ＦＦＬＲ７１０および／またはＶＦＬＲ７２０の角度および／または中心からのずれを最小限にする構成を採用してもよい。すべての要素を、画像の歪みを最小限にし最良の画像を提供できるよう、互いに調整して方向を持たせてもよい。このような構成は、実験および／または解析によって決定してもよい。また、ＦＦＬＲの表面形状は、画像の歪みおよび／または収差をさらに減少させるように構成されてもよい。また、ＦＦＬＲの表面形状の制御は、必要に応じて、画像をさらに向上させるように構成されてもよい。
【００４２】
図８は、可変焦点距離レンズアセンブリに使用される他の構成を示す図である。
可変焦点距離レンズアセンブリ８００は、対物レンズ８１０、画像検出手段８０５、回転タレット８３０を備えていてもよく、この回転タレット８３０は、図８に示すように、異なる焦点距離を有するレンズ（レンズ８２０ａ、８２０ｂ、８２０ｃ）から構成されてもよい。図示のように、タレットは、ある一種の自由度をもってのみ移動可能なように構成され、光軸ＯＡからオフセットされるタレット軸ＴＡを中心に回転してもよく、その結果、レンズ８２０ａ、８２０ｂ、８２０ｃのいずれかひとつが、光軸ＯＡに沿う位置に回転して配置され、このように複数のレンズを備えるタレットを回転させることで、光軸に沿って複数の焦点距離を提供し、また可変焦点距離レンズアセンブリ８００に対応した複数の焦点距離を提供できる。例えば、タレットの回転はステッピングモータ制御システムにより制御してもよい。各レンズは、光軸ＯＡに沿って配置されるとき、各レンズの有効面が同じ有効レンズ面８０３となるようにタレット８３０上に配置される。有効レンズ面８０３は、上述の有効ＶＦＬＬ面１０３と同様の面である。
【００４３】
もしくは、可変焦点距離レンズアセンブリ８００の光学的な設計および機能は、上述の可変焦点距離レンズアセンブリ１００と同様であってもよい。面に付されている符号８０１、８０２、８０４の意義はそれぞれ、上述の面１０１、１０２、１０４と同じものを意味する。図８に示す、種々の寸法Ｓ０１、Ｓ０２、Ｓ２３は前述のものと同様のものを意味しており、それぞれの値は同様の設計上の原則および式に基づいて決定および理解してもよい。つまり、可変焦点距離光学アセンブリ８００は、固定焦点距離ｆｏｂｊを有する対物レンズ８１０を備えてもよい。レンズ８２０ａ〜８２０ｃの全てが、対物レンズ８１０から距離Ｓ１２がｆｏｂｊと略等しくなる分だけ離れ、かつ光軸ＯＡに沿った位置に回転配置されてもよい。画像検出手段８０５はレンズ８０３から光軸に沿って固定距離Ｓ２３にある画像検出面８０４に配置されてもよい。この光学構成により、上述した原則により、可変焦点距離レンズアセンブリ８００は、様々な焦点または対物距離Ｓ０１で、一定の拡大率を維持したまま、光軸沿線上の各光学要素間距離を変更させることなく、合焦（または自動合焦）させ、画像検出面８０４で対応する合焦画像を提供することができる。尚、動作中の光学要素の距離を光軸に沿って変更する必要がないため、可変焦点距離レンズアセンブリ８００は、従来の可変焦点距離定拡大率システムよりも、簡単な構成とでき、コストを軽減しつつ、より高い確実性を提供することができる。
【００４４】
なお、図示しないものの、本発明の変形例として、タレットの代わりに、光路または光軸に略直交する直線軸に沿って一次元方向に移動可能な部材、もしくは、光路または光軸に略交差する面内で二次元方向に移動可能な部材を用いてもよい。この場合でも同様の作用効果を得ることができる。各レンズをこのような部材上に設け、各レンズが、動作中の光学要素間距離を光軸に沿って変更することなく、光軸に沿った適位置に移動配置されるようしてもよい。
【００４５】
レンズ８２０ａ、８２０ｂ、８３０ｃはそれぞれ独立したレンズであり、その全てが固定焦点距離レンズ、または可変焦点距離レンズであってもよいし、もしくは、一部のレンズを固定焦点距離レンズとし、その他のレンズを可変焦点距離レンズとするよう組み合わせてもよい。例えば、レンズ８２０ａ、８２０ｂなどが異なる固定焦点距離を有するレンズセットである場合、それぞれのレンズに対応する個々の焦点距離Ｓ０１が焦点距離セットを組み、これにより、一定の拡大率で画像検出面８０４に合焦する画像もまた画像セットを組む。固定焦点距離を有するレンズ８２０ａ〜８２０ｎを、タレット８３０上に多数（ｎ個）設けてもよい。実施形態によっては、レンズのフィールド深度は重なっていてもよく、一連のレンズを使用することによって、拡張された焦点距離つまり対物距離範囲において十分に合焦された画像を得ることができる。そのような実施形態では、上述のＶＦＬＬを備えた系と同程度の距離測定解像度が得られるとは限らない。しかし、焦点距離セットまたは範囲において、一定の拡大率を維持することによる作用効果を得ることができる。
【００４６】
また、タレット８３０は、単数または複数のＶＦＬＬを備えていてもよく、図８では一例としてＶＦＬＬ８２０ｃが用いられている。ＶＦＬＬ８２０ｃは、可変焦点距離の範囲が異なるなど、それぞれ異なる可変光学特性を有していてもよい。このような構成では、可変焦点距離レンズアセンブリ８００の動作範囲を拡張することができる。例えば、異なる焦点距離範囲を有するＶＦＬＬ８２０ｃ間で切り替えることにより、可変焦点距離レンズアセンブリ８００はこれらの異なる焦点距離範囲内のいずれにおいても合焦可能になる。上述の異なる焦点距離範囲は重なっていてもよく、必要な場合には、連続した拡張焦点範囲を提供できる。
【００４７】
本発明を上記の実施形態をもとに説明したが、種々の光学要素の選択、種々の光路の構成、光路に沿った制限開口やアイリスなどは、改良および変更が可能であることは言うまでもなく、当業者にとって自明である。したがって、上述した本発明の実施形態の例示は、理解を容易にするためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。よって、本発明の思想および範囲から逸脱しない、種々の変更または改良は本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態に係る可変焦点距離レンズアセンブリの近軸薄レンズの配置例を示す図である。
【図２】本発明の前記一実施形態に係る可変焦点距離レンズアセンブリを備えた装置の分解図である。
【図３】図２に示す可変焦点距離レンズアセンブリの組立図である。
【図４】本発明の可変焦点距離レンズアセンブリに用いられる可変焦点距離レンズ装置における対物距離と電圧との関係を示す図である。
【図５】本発明の可変焦点距離レンズアセンブリを備えた画像取得系のブロック図の一例である。
【図６】本発明の他の実施形態に係る可変焦点距離光学アセンブリの配置例を示す図である。
【図７】本発明のさらに他の実施形態に係る可変焦点距離光学アセンブリの配置例を示す図である。
【図８】本発明の可変焦点距離アセンブリに使用される他の要素を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１００…可変焦点距離レンズアセンブリ、１０５…画像検出手段、１１０…第１光学素子としての対物レンズ、１２０…第２光学素子としての可変焦点距離レンズ（ＶＦＬＬ）、２００…撮像装置としての撮像システム、２２７…制限開口としての開口絞り、８３０…第２焦点距離提供手段の可動部材としての回転タレット、８２０ａ〜８２０ｃ…第２焦点距離提供手段の複数の光学素子としてのレンズ。
【図１】
2007256956.tif 000007
【図２】
2007256956.tif 000008
【図３】
2007256956.tif 000009
【図４】
2007256956.tif 000010
【図５】
2007256956.tif 000011
【図６】
2007256956.tif 000012
【図７】
2007256956.tif 000013
【図８】
2007256956.tif 000014