JP6831698B2 - 焦点距離可変レンズ装置 - Google Patents

Description

本発明は焦点距離可変レンズ装置に関する。

焦点距離可変レンズ装置として、例えば特許文献１に記載された原理の液体レンズシステム（以下単にレンズシステムと呼ぶ）を利用した装置が開発されている。
レンズシステムは、圧電材料で形成された円筒状の振動部材を、透明な液体に浸漬して形成される。レンズシステムにおいて、振動部材の内周面と外周面とに交流電圧を印加すると、振動部材が厚み方向に伸縮し、振動部材の内側の液体を振動させる。液体の固有振動数に応じて印加電圧の周波数を調整することで、液体には同心円状の定在波が形成され、振動部材の中心軸線を中心として屈折率が異なる同心円状の領域が形成される。このため、レンズシステムにおいて、振動部材の中心軸線に沿って光を通せば、この光は同心円状の領域ごとの屈折率に従って、拡大または縮小する経路を辿ることになる。

焦点距離可変レンズ装置は、前述したレンズシステムと、例えば通常の凸レンズを用いた対物レンズとを、同じ光軸上に配置して構成される。
通常の凸レンズに平行光を入射させると、レンズを通過した光は所定の焦点距離にある焦点位置に焦点を結ぶ。これに対し、凸レンズと同軸に配置されたレンズシステムに平行光を入射させると、この光はレンズシステムで拡大または縮小され、凸レンズを通過した光は元の（レンズシステムがなかった状態の）焦点位置よりも遠くまたは近くにずれた位置に焦点を結ぶ。
従って、焦点距離可変レンズ装置においては、レンズシステムに入力される駆動信号（内部の液体に定在波を発生させる周波数の交流電圧）を印加し、この駆動信号の振幅を増減させることで、焦点距離可変レンズ装置としての焦点位置を一定の範囲内（対物レンズの焦点距離を基準としてレンズシステムにより増減できる所定の変化幅）で任意に制御することができる。

焦点距離可変レンズ装置において、レンズシステムに入力される駆動信号としては、例えば正弦波状の交流信号が用いられる。このような駆動信号が入力されると、焦点距離可変レンズ装置の焦点距離（焦点位置）は正弦波状に変化する。この際、駆動信号の振幅が０のとき、レンズシステムを通る光は屈折されず、焦点距離可変レンズ装置の焦点距離は対物レンズの焦点距離となる。駆動信号の振幅が正負のピークにあるとき、レンズシステムを通る光は最も大きく屈折され、焦点距離可変レンズ装置の焦点距離は対物レンズの焦点距離から最も変化した状態となる。
このような焦点距離可変レンズ装置を用いて画像を取得する際には、駆動信号の正弦波の位相に同期して発光信号を出力してパルス照明を行う。これにより、正弦波状に変化する焦点距離のうち、所定の焦点距離にある状態でパルス照明を行うことで、この焦点距離にある対象物の画像が検出される。一周期のうち複数の位相でパルス照明を行い、各位相に対応して画像検出を行えば、同時に複数の焦点距離の画像を得ることもできる。

米国特許出願公開第２０１０／０１７７３７６号明細書

前述した焦点距離可変レンズ装置においては、外気温の影響あるいは稼働に伴う発熱などにより、内部の液体や振動部材の温度が変化する。
そのような変化は内部の振動状態に影響を与え、焦点距離が描く波形も変化してしまう。その結果、パルス照明のタイミングが同一であっても、異なる焦点距離の画像が検出されるという問題がある。
また、内部の液体の温度や、振動部材の温度の変化により、定在波が得られる交流信号の周波数も変化してしまい、同じ条件でパルス照明を行っても得られる画像の焦点距離が異なるものになるという問題もある。

本発明の目的は、液体の温度が変化しても所期の焦点距離の検出画像が得られる焦点距離可変レンズ装置を提供することにある。

本発明の焦点距離可変レンズ装置は、入力される駆動信号に応じて屈折率が変化するレンズシステムと、前記レンズシステムと同じ光軸上に配置された対物レンズと、前記レンズシステムおよび前記対物レンズを通して測定対象物の画像を検出する画像検出部と、入力される発光信号に基づいて前記測定対象物をパルス照明するパルス照明部と、前記レンズシステムの内部の温度情報を検出する温度検出部と、前記駆動信号および前記発光信号を出力するとともに前記温度情報に基づいて前記発光信号のタイミングを補正する制御部と、を有することを特徴とする。

本発明では、駆動信号として例えば正弦波状の交流信号（レンズシステムに定在波を発生させる周波数）を制御部からレンズシステムに入力し、レンズシステムの屈折率を変動させることで、焦点距離可変レンズ装置としての焦点位置を測定対象物の表面で変動させる。そして、制御部により、駆動信号を基準とした特定の位相で発光信号を出力し、この発光信号に基づいてパルス照明部を発光させることで、発光時点の焦点距離での測定対象物の表面の画像が対物レンズおよびレンズシステムを通して画像検出部へと導入され、画像として検出することができる。

ここで、レンズシステムの内部の液体の温度が変化し、入力される駆動信号に対応する焦点距離が変化した場合、駆動信号の位相つまり発光信号のタイミングが同じでも、異なる焦点距離で測定対象物が照明され、その画像が検出されてしまう。
しかし、本発明では、制御部が温度検出部からの温度情報に基づいて、発光信号のタイミングを補正するため、入力される駆動信号に対応する焦点距離の変化分を解消することができ、常に駆動信号で指定される所期の焦点距離の画像を検出することができる。

本発明の焦点距離可変レンズ装置において、前記温度検出部は、前記レンズシステムの内部の液体に浸漬された温度センサ、前記レンズシステムの振動部材に装着された温度センサ、または前記レンズシステムのケースに装着された温度センサのいずれかを含むことが好ましい。

本発明では、温度センサによりレンズシステムの内部の液体の温度を直接検出することができ、温度情報として液体の温度そのものを用いることができるので、制御部による焦点距離の補正をより正確かつ簡素な構成で確実に行うことができる。
なお、温度検出部は、例えばレンズシステムのインピーダンスなどの電気的なパラメータを基に温度を間接的に検出する構成としてもよい。

本発明の焦点距離可変レンズ装置において、前記制御部は、予め前記レンズシステムの内部の液体の温度と前記焦点距離可変レンズ装置としての焦点距離の補正値との対応関係を記録した補正値テーブルまたは補正関数を有することが好ましい。

本発明では、予めレンズシステムの内部の液体の温度と焦点距離の変化量との対応関係を測定しておき、これを液体温度と焦点距離の補正値とのデータテーブルとして記憶しておくか、あるいは焦点距離の補正値を液体温度の関数として準備しておくことができる。これらの補正値テーブルまたは補正関数を用いることで、レンズシステムの内部の液体の温度と焦点距離の変化量を解消するための補正値を簡単に取得することができる。
なお、補正値の元になるデータは、必ずしも焦点距離可変レンズ装置で個々に実測されたものに限らず、別途測定した補正値データを他の焦点距離可変レンズ装置に組み込むようにしてもよい。

本発明によれば、液体の温度が変化しても所期の焦点距離の検出画像が得られる焦点距離可変レンズ装置を提供することができる。

本発明の焦点距離可変レンズ装置の第１実施形態を示すブロック図。 前記第１実施形態のレンズシステムを示す斜視図。 前記第１実施形態のレンズシステムの動作を示す模式図。 前記第１実施形態のレンズシステムの焦点距離を示す模式図。 前記第１実施形態の温度変化による駆動信号の変動を示すグラフ。 前記第１実施形態の制御部の要部を示すブロック図。 本発明の第２実施形態の制御部の要部を示すブロック図。

〔第１実施形態〕
図１において、焦点距離可変レンズ装置１は、焦点距離を可変しつつ測定対象物９の表面の画像を検出するために、当該表面に交差する同じ光軸Ａ上に配置された対物レンズ２、レンズシステム３および画像検出部４を備えている。
さらに、焦点距離可変レンズ装置１は、測定対象物９の表面をパルス照明するパルス照明部５と、パルス照明部５、画像検出部４、レンズシステム３を制御する制御部６と、レンズシステム３に設置された温度センサ７とを備えている。

対物レンズ２は、既存の凸レンズで構成される。
画像検出部４は、既存のＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサあるいは他の形式のカメラ等で構成され、入射される画像Ｌｇを所定の信号形式の検出画像Ｉｍとして制御部６へ出力することができる。
パルス照明部５は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などの発光素子で構成され、制御部６から発光信号Ｃｉが入力された際に、所定時間だけ照明光Ｌｉを発光させ、測定対象物９の表面に対するパルス照明を行うことができる。

レンズシステム３は、制御部６から入力される駆動信号Ｃｆに応じて屈折率が変化する。駆動信号Ｃｆは、レンズシステム３に定在波を発生させる周波数の交流であって、正弦波状の交流信号である。
焦点距離可変レンズ装置１において、焦点位置Ｐｆまでの焦点距離Ｄｆは、対物レンズ２の焦点距離を基本としつつ、レンズシステム３の屈折率を変化させることで、任意に変化させることができる。

図２において、レンズシステム３は、円筒形のケース３１を有し、ケース３１の内部には円筒状の振動部材３２が設置されている。振動部材３２は、その外周面３３とケース３１の内周面との間に介装されたエラストマ製のスペーサ３９で支持されている。
振動部材３２は、圧電材料を円筒状に形成したものであり、外周面３３と内周面３４との間に駆動信号Ｃｆの交流電圧が印加されることで、厚み方向に振動する。
ケース３１の内部には、透過性の高い液体３５が充填されており、振動部材３２は全体を液体３５に浸漬され、円筒状の振動部材３２の内側は液体３５で満たされている。駆動信号Ｃｆの交流電圧は、振動部材３２の内側にある液体３５に定在波を発生させる周波数に調整されている。

図３に示すように、レンズシステム３においては、振動部材３２を振動させると、内部の液体３５に定在波が生じ、屈折率が交替する同心円状の領域が生じる（図３（Ａ）部および図３（Ｂ）部参照）。
このとき、レンズシステム３の中心軸線からの距離（半径）と液体３５の屈折率との関係は、図３（Ｃ）部に示す屈折率分布Ｗのようになる。

図４において、駆動信号Ｃｆは正弦波状の交流信号であるため、レンズシステム３における液体３５の屈折率分布Ｗの変動幅もこれに従って変化する。そして、液体３５に生じる同心円状の領域の屈折率が正弦波状に変化し、これにより焦点位置Ｐｆまでの焦点距離Ｄｆが正弦波状に変動する。
図４（Ａ）の状態では、屈折率分布Ｗの振れ幅が最大となり、レンズシステム３は通過する光を収束させ、焦点位置Ｐｆは近く、焦点距離Ｄｆは最短となっている。
図４（Ｂ）の状態では、屈折率分布Ｗが平坦となり、レンズシステム３は通過する光をそのまま通過させ、焦点位置Ｐｆおよび焦点距離Ｄｆは標準的な値となっている。
図４（Ｃ）の状態では、屈折率分布Ｗが図４（Ａ）と逆極性で振れ幅が最大となり、レンズシステム３は通過する光を拡散させ、焦点位置Ｐｆは遠く、焦点距離Ｄｆは最大となっている。
図４（Ｄ）の状態では、再び屈折率分布Ｗが平坦となり、レンズシステム３は通過する光をそのまま通過させ、焦点位置Ｐｆおよび焦点距離Ｄｆは標準的な値となっている。
図４（Ｅ）の状態では、再び図４（Ａ）の状態に戻っており、以下同様の変動を繰り返すことになる。

このように、焦点距離可変レンズ装置１においては、駆動信号Ｃｆは正弦波状の交流信号であり、焦点位置Ｐｆおよび焦点距離Ｄｆも図４の焦点変動波形Ｍｆのように正弦波状に変動する。
この際、焦点変動波形Ｍｆの任意の時点で焦点位置Ｐｆにある測定対象物９をパルス照明すれば、照明時点での焦点距離Ｄｆにある焦点位置Ｐｆの画像が得られることになる。

図１に戻って、焦点距離可変レンズ装置１においては、制御部６から入力される発光信号Ｃｉに基づいて、パルス照明部５からの照明光Ｌｉで測定対象物９の表面を照明することで、測定対象物９からの反射光Ｌｒが対物レンズ２およびレンズシステム３を通して画像検出部４に送られ、画像として検出される。
図５において、制御部６からパルス照明部５に入力される発光信号Ｃｉが、焦点変動波形Ｍｆｒに対して位相角θｒに設定されているとすると、パルス照明で得られる画像は焦点距離Ｄｆｒにおける測定対象物９の表面の画像となる。

ここで、レンズシステム３の液体３５が温度変化が生じ、焦点変動波形Ｍｆｍに変化したとする。元の焦点変動波形Ｍｆｒがピーク値Ｐｒだったのに対し、変化した焦点変動波形Ｍｆｍはピーク値Ｐｍと振幅が小さくなっていたとする。
このような変化した焦点変動波形Ｍｆｍに対し、発光信号Ｃｉを位相角θｒのままであると、焦点距離Ｄｆｍとなり、元の焦点距離Ｄｆｒとはずれてしまう。その結果、焦点距離Ｄｆｒにおける測定対象物９の表面の画像が正しく得られなくなる。
このような変化に対し、発光信号Ｃｉの焦点変動波形Ｍｆｍに対する位相角θｍに調整することで、元の焦点距離Ｄｆｒに戻すことができる。このような調整により、焦点距離Ｄｆｒにおける測定対象物９の表面の画像を正しく得ることができる。

本実施形態では、このような調整を実現するために、レンズシステム３に前述した温度センサ７（図２参照）が設置されているとともに、制御部６には温度センサ７からの温度情報に基づいて発光信号のタイミングを補正する構成が備えられている。

図２において、温度センサ７は、ケース３１に一つまたは複数が設置される。
温度センサ７は、検出した温度情報Ｔｄを制御部６に送るものであり、振動部材３２の外周面またはケース３１の内周面に装着されたもの、あるいは振動部材３２の外周面とケース３１の内周面との間に支持されたものとされ、いずれも液体３５に浸漬されて液体３５の温度を検出可能である。
温度センサ７は、振動部材３２による液体３５の振動を妨害しないように、振動部材３２の内側に設置することは避けられる。

図６において、制御部６には、温度検出部６１、補正演算部６２、補正値テーブル６３および発光信号制御部６４が設置されている。
温度検出部６１は、温度センサ７からの温度情報Ｔｄを処理し、液体３５の温度情報として取り出す。
補正演算部６２は、補正値テーブル６３を参照し、温度情報に応じて発光信号Ｃｉの位相角θを補正する。
補正値テーブル６３は、液体３５の温度と発光信号Ｃｉの位相角θの補正値との対応関係を示すデータを記憶している。
発光信号制御部６４は、補正演算部６２で位相角θを補正された発光信号Ｃｉを、パルス照明部５に出力する。

以上のような本実施形態では、駆動信号Ｃｆとして例えば正弦波を制御部６からレンズシステム３に入力し、レンズシステム３の屈折率を変動させることで、焦点距離可変レンズ装置１としての焦点位置Ｐｆ（焦点距離Ｄｆ）を測定対象物９の表面で正弦波状に変動させることができる。
そして、制御部６により、駆動信号Ｃｆを基準とした特定の位相角θで発光信号Ｃｉを出力し、この発光信号Ｃｉに基づいてパルス照明部５を発光させることで、発光時点の焦点距離Ｄｆでの測定対象物９の表面の画像Ｌｇが、対物レンズ２およびレンズシステム３を通して画像検出部４へと導入され、検出画像Ｉｍとして検出することができる。

ここで、レンズシステム３の内部の液体３５の温度が変化し、入力される駆動信号Ｃｆに対応する焦点距離Ｄｆが変化した場合（図５の焦点変動波形Ｍｆｒ，Ｍｆｍおよび焦点距離Ｄｆｒ，Ｄｆｍ）、発光信号Ｃｉのタイミングつまり焦点変動波形Ｍｆｒに対する位相角θｒが同じままでは、異なる焦点距離Ｄｆｍで測定対象物９が照明され、その画像が検出されてしまう。
しかし、本実施形態では、制御部６が温度センサ７からの温度情報Ｔｄに基づいて、発光信号Ｃｉのタイミングを適切なタイミング（焦点変動波形Ｍｆｍに対して位相角θｍ）に補正するため、入力される駆動信号Ｃｆに対応する焦点距離Ｄｆｍの変化分を解消することができ、常に駆動信号Ｃｆで指定される所期の焦点距離Ｄｆの画像を検出することができる。

本実施形態では、レンズシステム３の内部に温度センサ７を設けたので、この温度センサ７によりレンズシステム３の内部の液体３５の温度情報Ｔｄとして液体３５の温度そのものを直接検出することができる。このため、制御部６によって、液体３５の温度に起因する焦点距離Ｄｆの誤差の補正をより正確かつ簡素な構成で確実に行うことができる。

本実施形態では、予めレンズシステム３の内部の液体３５の温度と焦点距離Ｄｆの変化量との対応関係を測定しておき、これを液体３５の温度と焦点距離Ｄｆの補正値とのデータテーブルとして、補正値テーブル６３に記憶しておくようにした。このため、レンズシステム３の内部の液体３５の温度と焦点距離Ｄｆの変化量を解消するための補正値を、簡単に取得することができる。

〔第２実施形態〕
本実施形態は、前述した第１実施形態と基本的な構成は共通し、一部の構成が異なる。このため、以下共通する部分についての重複する説明は省略し、相違する部分について説明する。
前述した第１実施形態においては、レンズシステム３の内部に温度センサ７を設置するとともに、図６に示すような制御部６を用い、温度情報Ｔｄに応じた焦点距離Ｄｆの補正のうえ、パルス照明部５に適正なタイミングの発光信号Ｃｉを出力した。
本実施形態では、図７に示すような制御部６Ａを用い、レンズシステム３に入力される駆動信号Ｃｆの波形を検出し、その周波数からレンズシステム３の内部の液体３５の密度を演算し、これにより温度を間接的に検出する。

図７において、制御部６Ａは、駆動信号制御部６０Ａ、温度演算部６１Ａ、補正演算部６２Ａ、補正関数６３Ａおよび発光信号制御部６４を有する。
駆動信号制御部６０Ａは、レンズシステム３の駆動電極３６Ａに駆動信号Ｃｆを出力するものである。駆動電極３６Ａは、前述した第１実施形態における円筒状の振動部材３２の外周面３３および内周面３４に形成される正負一対の電極である。

駆動信号制御部６０Ａが駆動信号Ｃｆを生成する手順は、既存のレンズシステムと同様であるが、例えばレンズシステム３に所定の初期周波数の交流電圧を印加し、そのインピーダンスを監視しつつ周波数を変化させ、インピーダンスが最小となる周波数をレンズシステム３の固有振動数として検出し、この周波数の交流電圧を駆動信号Ｃｆとする。このような周波数の設定は、動作中の駆動信号制御部６０Ａにおいて常時自動的に行われる。
ここで、レンズシステム３の液体３５の温度変化により、レンズシステム３の固有振動数が変化すると、駆動信号制御部６０Ａは駆動信号Ｃｆとする交流電圧の周波数を追従させる。従って、駆動信号制御部６０Ａが設定する駆動信号Ｃｆの周波数に基づいて、レンズシステム３の液体３５の温度変化を検出することができる。

温度演算部６１Ａは、前述した駆動信号制御部６０Ａを監視し、駆動信号制御部６０Ａが設定する駆動信号Ｃｆの周波数に基づいて、レンズシステム３の液体３５の温度変化を検出する。
補正演算部６２Ａは、補正関数６３Ａを参照し、温度演算部６１Ａで得た温度情報に応じて発光信号Ｃｉの位相角θを補正する。
補正関数６３Ａは、液体３５の温度と発光信号Ｃｉの位相角θの補正値との対応関係を示す関数を記憶したものである。
発光信号制御部６４は、補正演算部６２Ａで位相角θを補正された発光信号Ｃｉを、パルス照明部５に出力する。

このような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様な効果を得ることができる。
第２実施形態においては、前述した第１実施形態のような温度センサ７を用いないでよいため、構成を簡素にすることができる。とくに、レンズシステム３に関しては機器の追加などが必要なく、周辺との干渉を生じることもない。

〔他の実施形態〕
前記各実施形態では、予めレンズシステム３の内部の液体３５の温度と焦点距離Ｄｆの変化量との対応関係を測定しておき、これを液体３５の温度と焦点距離Ｄｆの補正値との関係を示す補正値テーブル６３または補正関数６３Ａとして準備しておいた。
これに対し、補正値の元になるデータは、必ずしも焦点距離可変レンズ装置１で個々に実測されたものに限らず、別途測定した補正値データを他の焦点距離可変レンズ装置１に組み込むようにしてもよい。
また、補正データは制御部６または図示しない記憶装置にソフトウェア（またはその一部）として格納しても良い。

さらに、前記各実施形態では、駆動信号Ｃｆおよび焦点変動波形Ｍｆを正弦波としたが、これは三角波、鋸歯状波、矩形波その他の波形であってもよい。
レンズシステム３の具体的構成は適宜変更してよく、ケース３１および振動部材３２は円筒状のほか六角筒状などであってもよく、制御部６，６Ａの具体的構成も実施にあたって適宜選択することができる。

本発明は焦点距離可変レンズ装置に利用できる。

１…焦点距離可変レンズ装置、２…対物レンズ、３…レンズシステム、３１…ケース、３２…振動部材、３３…外周面、３４…内周面、３５…液体、３６Ａ…レンズシステム電極、３９…スペーサ、４…画像検出部、５…パルス照明部、６，６Ａ…制御部、６０Ａ…駆動信号制御部、６１…温度検出部、６１Ａ…温度演算部、６２，６２Ａ…補正演算部、６３…補正値テーブル、６３Ａ…補正関数、６４…発光信号制御部、７…温度センサ、９…測定対象物、Ｃｆ…駆動信号、Ｃｉ…発光信号、Ｄｆ，Ｄｆｍ，Ｄｆｒ…焦点距離、Ｉｍ…検出画像、Ｌｇ…画像、Ｌｉ…照明光、Ｌｒ…反射光、Ｍｆ，Ｍｆｍ，Ｍｆｒ…焦点変動波形、Ｐｆ…焦点位置、Ｐｍ，Ｐｒ…ピーク値、Ｔｄ…温度情報、Ｗ…屈折率分布、θ，θｍ，θｒ…位相角。

Claims (3)

1. 液体が充填されたケースと、前記液体に浸漬されかつ圧電材料で形成された円筒状の振動部材と、を備え、交流電圧の駆動信号を前記振動部材に印加して、前記振動部材の内側の前記液体に同心円状の定在波を形成することで、屈折率が異なる領域を形成するレンズシステムと、
   前記レンズシステムと同じ光軸上に配置された対物レンズと、
   前記レンズシステムおよび前記対物レンズを通して測定対象物の画像を検出する画像検出部と、
   入力される発光信号に基づいて前記測定対象物をパルス照明するパルス照明部と、
   前記レンズシステムの内部の温度情報を検出する温度検出部と、
   前記駆動信号および前記発光信号を出力するとともに前記温度情報に基づいて前記発光信号のタイミングを補正する制御部と、を有することを特徴とする焦点距離可変レンズ装置。
2. 請求項１に記載の焦点距離可変レンズ装置において、
   前記温度検出部は、前記ケースの内部の液体に浸漬された温度センサ、前記振動部材に装着された温度センサ、または前記ケースに装着された温度センサのいずれかを含むことを特徴とする焦点距離可変レンズ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の焦点距離可変レンズ装置において、
   前記制御部は、予め前記ケースの内部の液体の温度と前記焦点距離可変レンズ装置としての焦点距離の補正値との対応関係を記録した補正値テーブルまたは補正関数を有することを特徴とする焦点距離可変レンズ装置。

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