CN108254814B - 可变焦距透镜设备 - Google Patents

Abstract

一种可变焦距透镜设备，包括透镜系统，其中折射率响应于输入驱动信号而改变；场透镜，其布置在与所述透镜系统相同的光轴上；图像检测器，其通过所述透镜系统和所述场透镜来检测被测对象的图像；脉冲照明器，其基于输入发光信号来提供所述被测对象的脉冲照明；温度传感器，其检测所述透镜系统内部的温度信息；以及控制器，其在基于所述温度信息校正所述发光信息的定时之外，还输出所述驱动信号和所述发光信号。

Description

可变焦距透镜设备

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119要求2016年12月28日提交的日本申请No.2016-255846的优先权，其全部内容通过引用被明确地并入本文。

技术领域

本发明涉及可变焦距透镜设备。

背景技术

作为可变焦距透镜设备，已经开发了使用例如根据美国公开专利申请No.2010/0177376的说明书描述的原理操作的流体透镜系统(以下简称为“透镜系统”)的设备。透镜系统通过将由压电材料形成的中空圆筒形振动构件浸入透明流体中而形成。在透镜系统中，当AC电压被施加到振动构件的内周表面和外周表面时，振动构件在厚度方向上膨胀和收缩，并使振动构件的内侧上的流体振动。通过响应于流体的固有频率调整所施加电压的频率，在流体中形成具有同心圆的驻波，并且以振动构件的中心轴线为中心形成具有不同折射率的同心圆区。因此，在透镜系统中，当光沿着振动构件的中心轴线经过时，光沿着根据每个同心圆形区域的折射率放大或缩小光的路径传播。

通过将上述透镜系统和例如使用普通凸透镜的场透镜布置在同一光轴上来构造可变焦距透镜设备。当平行光照到普通的凸透镜时，穿过透镜的光在处于预定的焦距处的交点位置处。相反，当平行光照到与凸透镜同轴布置的透镜系统时，光被透镜系统放大或缩小，并且穿过凸透镜的光在比原(没有透镜系统的状态)焦点位置更远或更近的位置偏移处聚焦。因此，在可变焦距透镜设备中，施加输入到透镜系统的驱动信号(具有在内部流体中产生驻波的频率的AC电压)，并且通过增大或减小驱动信号的幅度，可变焦距透镜设备的焦点位置可以在设定的范围内(以透镜系统的焦距作为参考，允许通过透镜系统增加或减小的预定变化量)来按需要进行控制。

在可变焦距透镜设备中，使用正弦AC信号作为输入到透镜系统的示例性驱动信号。当输入这样的驱动信号时，可变焦距透镜设备的焦距(焦点位置)正弦地变化。在这种情况下，当驱动信号的幅度为0时，经过透镜系统的光不被折射，并且可变焦距透镜设备的焦距是场透镜的焦距。当驱动信号的幅度处于正峰值或负峰值时，经过透镜系统的光被最大程度地折射，并且可变焦距透镜设备的焦距处于从场透镜的焦距变化最大的状态。当使用这种可变焦距透镜设备获得图像时，发光信号被输出以提供与驱动信号的正弦波的相位同步的脉冲照明。因此，通过在处于从正弦变化的焦距之中的预定焦距的状态中提供脉冲照明，检测焦距处的被测对象的图像。脉冲照明是在构成一个周期的多个相位处执行的，并且当根据每个相位执行图像检测时，可以同时获得多个焦距处的图像。

构造在上述可变焦距透镜设备中，内部流体或振动构件的温度由于外部空气温度的影响、伴随着操作而产生的热量等而变化。这样的改变可能影响内部振动状态并且也改变由焦距描述的波形。结果，即使脉冲照明的定时是相同的，也存在检测到焦距长度异常的图像的问题。另外，由于内部流体或振动构件的温度的变化，产生驻波的交流信号的频率改变，因此，即使在相同的条件下提供脉冲照明，也存在这样的问题：所获得的图像的焦距可能异常。

发明内容

本发明提出一种可变焦距透镜设备，其即使当流体的温度改变时也可以获得具有期望焦距的检测图像。

根据本发明的可变焦距透镜设备包括：透镜系统，其中折射率响应于输入驱动信号而改变；场透镜，其布置在与透镜系统相同的光轴上；图像检测器，其通过透镜系统和场透镜来检测被测对象的图像；脉冲照明器，其基于输入发光信号来提供被测对象的脉冲照明；温度检测器，其检测透镜系统内部的温度信息；以及控制器，其除了基于温度信息校正发光信号的定时之外，还输出驱动信号和发光信号。

在本发明中，例如正弦AC信号(在透镜系统中产生驻波的频率)作为驱动信号从控制器输入到透镜系统，导致透镜系统的折射率波动。由此，使可变焦距透镜设备的焦点位置在被测对象的表面处波动。另外，发光信号由控制器以驱动信号为基准而以规定相位角输出，使得脉冲照明器基于发光信号发光。由此，可将照明时在焦距处的被测对象的表面的图像通过场透镜以及透镜系统朝向图像检测器被引导，且可被检测为检测图像。

在该示例中，当透镜系统的内部流体的温度改变并且与输入驱动信号对应的焦距改变时，即使驱动信号的相位(换句话说，发光信号的定时)相同，被测对象也在异常焦距处被照明，并且以不意图的方式检测到在该异常焦距处的图像。然而，在本发明中，控制器基于来自温度检测器的温度信息来校正发光信号的定时，因此可以消除与输入驱动信号相对应的焦距的变化，并且总是能够检测到具有由驱动信号指定的期望焦距的图像。

根据本发明的可变焦距透镜设备，温度检测器包括以下中的一个：浸入透镜系统的内部流体中的温度传感器，附接到透镜系统的振动构件的温度传感器，或附接到透镜系统的壳体的温度传感器。

在本发明中，透镜系统的内部流体的温度可以直接由温度传感器检测，并且流体本身的温度可以用作温度信息。因此，控制器能够以更简单且且更精确的构造可靠地校正焦距。此外，例如，温度检测器可以被构造为基于诸如透镜系统的阻抗等的电参数来间接检测温度。

根据本发明的可变焦距透镜设备，控制器优选地包括校正函数或校正值表，在校正函数或校正值表中，预先记录有透镜系统的内部流体的温度与可变焦距透镜设备的焦距的校正值之间的对应关系。

在本发明中，预先测量透镜系统的内部流体的温度与焦距Df的变化之间的对应关系，然后该关系可以被存储为流体温度和焦距的校正值的数据表，或者焦距的校正值可以被设置为流体温度的函数。通过使用校正值表或校正函数，可以简单地获得透镜系统的内部流体的温度和用以消除焦距的变化的校正值。此外，校正值所基于的数据不一定限于使用可变焦距透镜设备逐个测量的数据，并且可以将已经单独测得的校正值数据并入到另一个可变焦距透镜设备中。

根据本发明，可提供一种可变焦距透镜设备，其即使当流体的温度改变时也可以获得具有期望焦距的检测图像。

附图说明

在下面的详细描述中，通过本发明的示例性实施例的非限制性示例，参照所示出的多个附图进一步描述了本发明，其中相同的附图标记贯穿附图的多个视图表示相似的部分，并且其中：

图1是示出本发明的可变焦距透镜设备的第一实施例的框图；

图2是示出根据第一实施例的透镜系统的透视图；

图3A至3C是示出根据第一实施例的透镜系统的操作的示意图；

图4A至图4E是示出根据第一实施例的透镜系统的焦距的示意图；

图5是示出第一实施例的由于温度变化引起的驱动信号的变动的曲线图；

图6是示出第一实施例的控制器的相关部分的框图；和

图7是示出根据本发明的第二实施例的控制器相关部分的框图。

具体实施方式

这里所示的细节只是作为例子，仅用于对本发明的实施例的说明性讨论，并且是为了提供被认为是本发明的原理和概念方面的最有用和容易理解的描述而提出的。在这方面，不试图比本发明的基本理解所需要的更详细地显示本发明的结构细节，结合附图的描述使得本领域技术人员明白如何在实践中实施本发明的形式。

第一实施例

在图1中，为了在改变焦距的同时检测被测对象(例如，待测对象或可被测对象)9的表面的图像，可变焦距透镜设备1设置有场透镜2、透镜系统3和图像检测器4，它们全都布置在与表面相交的同一光轴A上。可变焦距透镜设备1还包括：脉冲照明器5，其提供被测对象9的表面的脉冲照明；控制器6，该控制器6控制脉冲照明器5、图像检测器4和透镜系统3；和温度传感器7，其被安装在透镜系统3上。

场透镜2由已知的凸透镜构成。图像检测器4由已知的电荷耦合装置(CCD)图像传感器或其他形式的相机构成，并且可以将入射图像Lg作为具有预定信号形式的检测图像Im输出到控制器6。脉冲照明器5由诸如发光二极管(LED)等的发光元件构成，并且在从控制器6输入发光信号Ci的情况下，可以以预定时间量发射照明光Li并且可以提供被测对象9的表面的脉冲照明。

透镜系统3的折射率响应于从控制器6输入的驱动信号Cf而改变。驱动信号Cf是具有在透镜系统3中产生驻波的频率的正弦AC信号。在可变焦距透镜设备1中，通过以场透镜2的焦距作为基准来改变透镜系统3的折射率，可以根据需要改变到焦点位置Pf的焦距Df。

在图2中，透镜系统3包括中空圆筒形壳体31，并且在壳体31的内部安装有中空圆筒形振动构件(也称为“振动器”)32。振动构件32由设置在振动构件32的外周表面33与壳体31的内周表面之间的由弹性体构成的垫片39支撑。振动构件32是具有形成为中空圆筒形状的压电材料的构件。由于施加在外周表面33与内周表面34之间的驱动信号Cf的AC电压，振动构件32在厚度方向上振动。壳体31的内部填充有具有高透明度的流体35，整个振动构件32浸没在流体35中，并且在中空圆筒形振动构件32的内侧填充有流体35。驱动信号Cf的AC电压被调整到这样的频率，该频率在振动构件32的内侧的流体35中产生驻波。

构造如图3A至图3C所示，在透镜系统3中，当振动构件32振动时，在内部流体35中产生驻波，并且在折射率交替的地方出现同心圆区域(参见图3A和3B)。此时，到透镜系统3的中心轴线的距离(半径)与流体35的折射率之间的关系如图3C所示的折射率分布W所示。

在图4A至4E中，因为驱动信号Cf是正弦AC信号，透镜系统3中的流体35的折射率分布W中的频带也根据驱动信号Cf而变化。而且，在流体35中出现的同心圆区域的折射率正弦地变化，并且因此到焦点位置Pf的焦距Df正弦地变化。在图4A所示的状态下，折射率分布W的振幅最大，透镜系统3致使经过的光线会聚，焦点位置Pf更近，且焦距Df最短。在图4B所示的状态下，折射率分布W是平坦的，透镜系统3允许经过的光线不受影响地经过，并且焦点位置Pf和焦距Df处于标准值。在图4C所示的状态下，折射率分布W的振幅在与图4A相反的极处最大，透镜系统3致使经过的光线散射，焦点位置Pf更远，并且焦距Df处于其最大值。在图4D所示的状态下，再一次地，折射率分布W是平坦的，透镜系统3允许经过的光线不受影响地经过，并且焦点位置Pf和焦距Df处于标准值。图4E中描绘的状态再次返回到图4A中描绘的状态，并且之后重复类似的波动。

以这种方式，在可变焦距透镜设备1中，驱动信号Cf是正弦AC信号，并且焦点位置Pf和焦距Df也正弦地波动，如图4A至4E所示的焦点波动波形Mf。此时，当在焦点波动波形Mf上的期望的时间点向位于焦点位置Pf处的被测对象9提供脉冲照明时，在照明时获得焦距Df处的焦点位置Pf的图像。

返回到图1，在可变焦距透镜设备1中，基于从控制器6输入的发光信号Ci，通过用来自脉冲照明器5的照明光Li对被测对象9的表面照明，来自被测对象9的反射光Lr通过场透镜2和透镜系统3被发送到图像检测器4，并且被检测为图像。在图5中，当从控制器6输入到脉冲照明器5的发光信号Ci相对于焦点波动波形Mfr以相位角θr被设置时，使用脉冲照明获得的图像是焦距Dfr处的被测对象9的表面的图像。

在这个示例中，透镜系统3的流体35的温度改变，从而变成焦点波动波形Mfm。原始焦点波动波形Mfr具有峰值Pr，改变的焦点波动波形Mfm具有幅值较小的峰值Pm。当发光信号Ci相对于该改变的焦点波动波形Mfm保持在相位角θr时，产生偏离原始焦距Dfr的焦距Dfm。结果，不能获得焦距Dfr处的被测对象9的表面的适当图像。响应于这种改变，通过将发光信号Ci调整到相对于焦点波动波形Mfm的相位角θm，焦距Dfm可以返回到原始焦距Dfr。利用这种类型的调整，可以适当地获得焦距Dfr处的被测对象9的表面的图像。

在本实施例中，为了实现这种调整，在透镜系统3上安装上述的温度传感器7(参照图2)，另外，控制器6设置有基于来自温度传感器7的温度信息来校正发光信号的定时的构造。

在图2中，一个或多个温度传感器7安装在壳体31上。温度传感器7将检测到的温度信息Td发送到控制器6，并且被附接到振动构件32的外周表面或者壳体31的内周表面，或者支撑在振动构件32的外周表面与壳体31的内周表面之间。在这两种情况下，温度传感器7浸入流体35中并能够检测流体35的温度。避免了在振动构件32的内侧上安装温度传感器7，以免干扰由振动构件32引起的流体35的振动。

在图6中，控制器6设置有温度检测器61、校正计算器62、校正值表63和发光信号控制器64。温度检测器61处理来自温度传感器7的温度信息Td，并提取温度信息Td作为流体35的温度信息。校正计算器62参照校正值表63，并根据温度信息校正发光信号Ci的相位角θ。校正值表63存储有指示流体35的温度与发光信号Ci的相位角θ的校正值之间的对应关系的数据。发光信号控制器64将具有由校正计算器62校正后的相位角θ的发光信号Ci输出到脉冲照明器5。

在如上所述的本实施例中，例如正弦波作为驱动信号Cf从控制器6输入到透镜系统3，导致透镜系统3的折射率波动。由此，可使可变焦距透镜设备1的焦点位置Pf(焦距Df)在被测对象9的表面处正弦地波动。另外，发光信号Ci由控制器6以驱动信号Cf为基准而以规定相位角θ输出，使得脉冲照明器5基于发光信号Ci发光。由此，可将照明时在焦距Df处的被测对象9的表面的图像Lg通过场透镜2以及透镜系统3朝向图像检测器4引导，且可被检测为检测图像Im。

在该示例中，当透镜系统3的内部流体35的温度改变并且与输入驱动信号Cf相对应的焦距Df改变时(图5中的焦点波动波形Mfr和Mfm以及焦距Dfr和Dfm)，只要发光信号Ci的定时(换句话说，相对于焦点波动波形Mfr的相位角θr)保持不变，被测对象9在不同焦距Dfm处被照亮，并且以不意图的方式检测到在该异常焦距处的图像。但是，在本实施例中，基于来自温度传感器7的温度信息Td，控制器6将发光信号Ci的定时校正为适当的定时(相对于焦点波动波形Mfm的相位角θm)，因此可以消除与输入驱动信号Cf相对应的焦距Dfm的变化，并且总是能够检测到具有由驱动信号Cf指定的期望焦距Df的图像。

在本实施例中，温度传感器7设置在透镜系统3的内部，因此，流体35本身的温度可以通过温度传感器7被直接检测为透镜系统3的内部流体35的温度信息Td。因此，控制器6能够以更简单且更精确的构造可靠地校正由流体35的温度引起的焦距Df中的误差。

在本发明中，预先测量透镜系统3的内部流体35的温度与焦距Df的变化之间的对应关系，并将其作为流体35的温度和焦距Df的校正值的数据表存储在校正值表63中。因此，可以简单地获得透镜系统3的内部流体35的温度和用以消除焦距Df的变化的校正值。

第二实施例

本实施例共享上述第一实施例的基本构造，但是一部分构造不同。因此，以下省略重复的公共部分的描述，而描述不同的部分。在上述第一实施例中，温度传感器7安装在透镜系统3的内部，并且利用图6所示的控制器6，对应于温度信息Td的焦距Df被校正，此后适当定时的发光信号Ci被输出到脉冲照明器5。在本实施例中，通过使用图7所示的控制器6A，检测输入到透镜系统3的驱动信号Cf的波形，并且从驱动信号Cf的频率计算透镜系统3的内部流体35的密度，从而间接检测温度。

在图7中，控制器6A包括驱动信号控制器60A、温度计算器61A、校正计算器62A、校正函数63A和发光信号控制器64。驱动信号控制器60A将驱动信号Cf输出到透镜系统3的驱动电极36A。驱动电极36A是形成在根据上述第一实施例的中空圆筒形振动构件32的内周表面34和外周表面33上的一对正负电极。

产生驱动信号Cf的驱动信号控制器60A的处理类似于现有的透镜系统。例如，具有预定初始频率的AC电压被施加到透镜系统3；在监视其阻抗的同时改变频率；检测阻抗最小时所处于的频率作为透镜系统3的固有频率；具有该频率的AC电压成为驱动信号Cf。在操作中，这种频率设定总是由驱动信号控制器60A自动执行。在该示例中，当透镜系统3的固有频率由于透镜系统3的流体35的温度变化而改变时，驱动信号控制器60A使AC电压(驱动信号Cf)的频率跟随。因此，根据由驱动信号控制器60A设定的驱动信号Cf的频率，能够检测到透镜系统3的流体35的温度变化。

温度计算器61A监视上述驱动信号控制器60A，并基于由驱动信号控制器60A设定的驱动信号Cf的频率来检测透镜系统3的流体35的温度变化。校正计算器62A参考校正函数63A，并且响应于由温度计算器61A获得的温度信息来校正发光信号Ci的相位角θ。校正函数存储有指示流体35的温度与发光信号Ci的相位角θ的校正值之间的对应关系的函数。发光信号控制器64将具有由校正计算器62校正后的相位角θ的发光信号Ci输出到脉冲照明器5。

根据上述第二实施例，可以获得与上述第一实施例相似的效果。在第二实施例中，不使用上述第一实施例中描述的温度传感器7，因此可以简化构造。特别地，不需要在透镜系统3中增加设备等，也不会与周围环境产生干涉。

其他实施例

在上述各个实施例中，预先测量透镜系统3的内部流体35的温度与焦距Df的变化之间的对应关系，并将其提供为校正函数63A，或提供为指示流体35的温度与焦距Df的校正值之间的关系的校正值表63。相反，校正值所基于的数据不一定限于使用可变焦距透镜设备1逐个测量的数据，并且可以将已经单独测量的校正值数据并入到另一个可变焦距透镜设备1中。另外，校正数据可以作为软件(或其一部分)存储在控制器6或存储装置(未示出)中。

此外，在上述各个实施例中，驱动信号Cf和焦点波动波形Mf被构造为正弦波。然而，驱动信号Cf和焦点波动波形Mf也可以是三角波、锯齿波、矩形波或其他波形。透镜系统3的具体构造可以适当地修改。例如，壳体31和振动构件32可以具有中空的六边形形状，而不是具有中空的圆筒形状。控制器6和6A的具体结构可以根据应用适当选择。

本发明可以用在可变焦距透镜设备中。

应当注意的是，前述实施例仅仅是为了解释的目的而提供的，并且决不构成对本发明的限制。虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，这里使用的词语是描述和说明性词语，而不是限制性的词语。在所附权利要求的范围内，可以在不背离本发明的各个方面的范围和精神的情况下，如目前所陈述和修改的那样进行改变。尽管本文已经参考特定的结构、材料和实施例描述了本发明，但是本发明并不限于这里公开的细节；相反，本发明扩展到所有功能上等同的结构、方法和用途，例如在所附权利要求的范围内。

本发明不限于上述实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种变化和修改。

Claims (5)

1.一种可变焦距透镜设备，包括：

透镜系统，其中，折射率响应于输入驱动信号而改变；

场透镜，其布置在与所述透镜系统相同的光轴上；

图像检测器，其通过所述透镜系统和所述场透镜来检测可被测对象的图像；

脉冲照明器，其基于输入发光信号来提供所述可被测对象的脉冲照明，

温度检测器，其检测所述透镜系统内部的温度信息；和

控制器，其输出驱动信号和发光信号，并且其基于所述温度信息校正所述发光信号的定时和相对于焦点波动波形的相位角。

2.根据权利要求1所述的可变焦距透镜设备，其中，所述温度检测器包括以下中的一个：浸入所述透镜系统的内部流体中的温度传感器，附接到所述透镜系统的振动器的温度传感器，和附接到所述透镜系统的壳体的温度传感器。

3.根据权利要求1所述的可变焦距透镜设备，其中，所述控制器包括校正函数和校正值表中的一个，在改变所述透镜系统的折射率之前，所述透镜系统的内部流体的温度与所述可变焦距透镜设备的焦距的校正值之间的对应关系被记录在校正函数和校正值表中。

4.根据权利要求2所述的可变焦距透镜设备，其中，所述控制器包括校正函数和校正值表中的一个，在改变所述透镜系统的折射率之前，所述透镜系统的内部流体的温度与所述可变焦距透镜设备的焦距的校正值之间的对应关系被记录在校正函数和校正值表中。

5.根据权利要求1所述的可变焦距透镜设备，其中，消除了与输入驱动信号相对应的焦距的变化，并且检测到具有由驱动信号指定的期望焦距的图像。

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