CN108802870B - 可变焦距透镜装置和可变焦距透镜控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的可变焦距透镜装置(1)具有：折射率根据输入的驱动信号(Cf)变化的透镜系统(3)；配置在与透镜系统(3)相同的光轴上的物镜；通过透镜系统(3)和物镜来检测测量对象物的图像的图像检测单元(4)；使驱动信号(Cf)跟随透镜系统(3)的谐振频率的谐振锁定控制单元(611)；以及切换谐振锁定控制单元(611)的动作或停止的谐振锁定操作单元(711)。

Description

可变焦距透镜装置和可变焦距透镜控制方法
技术领域
本发明涉及可变焦距透镜装置和可变焦距透镜控制方法。
背景技术
作为可变焦距透镜装置，开发了例如利用了文献1(美国专利申请公开第2010/0177376号说明书)中记载的原理的液体透镜系统(以下简称为透镜系统)的装置。
透镜系统通过在透明的液体中浸渍由压电材料形成的圆筒状的振动构件而形成。在透镜系统中，若对振动构件的内周面和外周面施加交流电压，则振动构件在厚度方向伸缩，使振动构件内侧的液体振动。通过根据液体的固有振动频率调整施加电压的频率，在液体中形成同心圆状的驻波，以振动构件的中心轴线为中心形成折射率不同的同心圆状的区域。因此，在透镜系统中，如果沿振动构件的中心轴线通过光，则该光按照每个同心圆状的区域的折射率，在发散或聚光的路径上追寻。
可变焦距透镜装置通过将前述的透镜系统和用于聚焦的物镜(例如普通的凸透镜或者透镜组)配置在同一光轴上而构成。
若使平行光入射普通的物镜，则通过了透镜的光聚焦在位于规定的焦距的焦点位置。相对于此，若使平行光入射到与物镜同轴地配置的透镜系统，则该光在透镜系统中发散或聚光，通过了物镜的光聚焦在偏离到远于或近于原来的(没有透镜系统的状态的)焦点位置的位置。
因此，在可变焦距透镜装置中，通过施加输入到透镜系统的驱动信号(使内部的液体产生驻波的频率的交流电压)，并增减该驱动信号的振幅，能够在一定的范围内(以物镜的焦距为基准，能够通过透镜系统增减的规定的变化幅度)任意地控制作为可变焦距透镜装置的焦点位置。
在可变焦距透镜装置中，作为输入到透镜系统的驱动信号，例如使用正弦波状的交流信号。如果输入这样的驱动信号，则可变焦距透镜装置的焦距(焦点位置)正弦波状地变化。此时，在驱动信号的振幅为0时，通过透镜系统的光不发生折射，可变焦距透镜装置的焦距成为物镜的焦距。在驱动信号的振幅处于正负的峰时，通过透镜系统的光被最大地折射，可变焦距透镜装置的焦距成为离物镜的焦距变化最大的状态。
在使用这样的可变焦距透镜装置获取图像时，与驱动信号的正弦波的相位同步地输出发光信号进行脉冲照明。由此，通过在处于正弦波状地变化的焦距中的、规定的焦距的状态下进行脉冲照明，检测位于该焦距的对象物的图像。在一周期中的多个相位中进行脉冲照明，如果与各相位对应地进行图像检测，则也能够同时得到多个焦距的图像。
在前述的可变焦距透镜装置中，因外部气温的影响或者伴随运转的发热等，透镜系统的内部的液体和振动构件的温度发生变化。并且，根据温度变化，固有频率发生变化，可得到驻波的交流信号的频率(谐振频率)也变动。若输入到透镜系统的驱动信号仍然与变动前相同，则驱动信号会偏离谐振频率的峰，无法有效地得到驻波。
对于这样的谐振频率的变动，一直采用自动地使驱动信号追踪的谐振锁定功能。例如，假设将规定频率的驱动信号输入到透镜系统，驻波的强度级别(leve1)为最大。这里，在驻波的级别降低时，判定为驱动信号的频率偏离在透镜系统中可得到驻波的谐振的峰，使驱动信号的频率增减而捕捉新的峰值位置。如果驱动信号的频率到达新的峰值位置，则驻波的级别也恢复到最大强度。通过连续地进行对该峰值位置的追踪动作，能够实现向可得到驻波的谐振频率的自动跟踪(谐振锁定)。
在所述可变焦距透镜装置中，通过对于驱动信号，进行向得到驻波的频率的自动跟踪(谐振锁定)，可以始终得到有效的驻波。
但是，在带有谐振锁定的可变焦距透镜装置中，例如若在图像测量动作中有谐振锁定造成的频率的变化，则得到相同的焦距的定时变化，有可以获取的图像精度下降的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供可以高效率地生成驻波，并且可以获取高精度的图像的可变焦距透镜装置和可变焦距透镜控制方法。
本发明的可变焦距透镜装置的特征在于，包括：折射率根据输入的驱动信号变化的透镜系统；配置在与所述透镜系统相同的光轴上的物镜；通过所述透镜系统和所述物镜来检测测量对象物的图像的图像检测单元；使所述驱动信号跟随所述透镜系统的谐振频率的谐振锁定控制单元；以及切换所述谐振锁定控制单元的动作或停止的谐振锁定操作单元。
在本发明中，通过由谐振锁定操作单元使谐振锁定控制单元为动作状态，驱动信号可以自动跟踪透镜系统的当前的谐振频率的峰值，有效地生成驻波。
另一方面，在由图像检测单元检测图像时，通过谐振锁定操作单元使谐振锁定控制单元的自动跟踪暂时地停止，驱动信号的频率被维持为固定状态。其结果，将图像检测的期间可以作为透镜系统的焦距维持为固定，获取高精度的图像。
再者，作为谐振锁定动作，可以使用现有的谐振锁定动作。
在本发明的可变焦距透镜装置中，优选所述谐振锁定操作单元与所述图像检测单元中的图像检测动作同步地使所述谐振锁定控制单元停止。
在本发明中，可以使谐振锁定与图像检测动作同步地自动地停止，省略用户的操作，并且可以避免忘记操作等错误。
在本发明的可变焦距透镜装置中，优选所述谐振锁定操作单元可选择锁定停止模式和锁定继续模式，所述锁定停止模式与所述图像检测单元中的图像检测动作同步地使所述谐振锁定控制单元停止，所述锁定继续模式不进行与所述图像检测单元中的图像检测动作同步的所述谐振锁定控制单元的停止。
在本发明中，通过设为锁定停止模式，可进行所述高精度图像的获取，并且通过设为锁定继续模式，可以应对不需要谐振锁定控制单元的自动停止的状况。
在本发明的可变焦距透镜装置中，优选所述谐振锁定控制单元在解除了所述谐振锁定操作单元的自动跟踪的停止时，进行使所述驱动信号跟随所述透镜系统的谐振频率的复原动作。
在本发明中，在谐振锁定控制单元停止而驱动信号的频率维持为固定的期间，即使透镜系统的谐振频率进一步变动，也可以通过复原动作将驱动信号一致锁定到当前的谐振频率，可以适当地进行基于随后的谐振锁定的自动跟踪。作为复原动作，如果停止时间短、谐振频率的变动小，则仅用通常的谐振锁定功能就可以复原为自动跟踪状态。另一方面，如果存在停止时间比较长、谐振频率的变动较大的可能性，则也可以通过以停止时的谐振频率为中心的规定频率范围的扫描等，检测当前的谐振频率，将检测出的当前的谐振频率作为基准而复原为自动跟踪状态。
本发明的可变焦距透镜控制方法，使用可变焦距透镜装置，该可变焦距透镜装置具有：折射率根据输入的驱动信号变化的透镜系统；配置在与所述透镜系统相同的光轴上的物镜；通过所述透镜系统和所述物镜来检测测量对象物的图像的图像检测单元；以及使所述驱动信号跟随所述透镜系统的谐振频率的谐振锁定控制单元，其特征在于，该方法包括以下步骤：
在不进行所述图像检测单元中的图像检测的状态下使所述谐振锁定控制单元动作，
在进行所述图像检测单元的图像检测时，使所述谐振锁定控制单元停止。
根据本发明，能够提供可以高效率地生成驻波，同时可以获取高精度的图像的可变焦距透镜装置和可变焦距透镜控制方法。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的示意图。
图2是表示所述实施方式的透镜系统的结构的示意图。
图3的(A)～(C)是表示所述实施方式的透镜系统的振动状态的示意图。
图4的(A)～(E)是表示所述实施方式的透镜系统的焦距的示意图。
图5是表示所述实施方式的主要部分的框图。
图6是表示所述实施方式的谐振频率的变动的曲线图。
图7是表示所述实施方式的谐振锁定功能的曲线图。
图8是表示所述实施方式的谐振锁定动作中的图像检测的曲线图。
图9是表示所述实施方式的谐振锁定停止中的图像检测的曲线图。
具体实施方式
以下，基于附图说明本发明的一实施方式。
在图1中，可变焦距透镜装置1包括：为了一边使焦距可变一边检测测量目标物9的表面的图像而配置在与该表面交叉的相同的光轴A上的物镜2、透镜系统3和图像检测单元4。
而且，可变焦距透镜装置1包括：对测量目标物9的表面进行脉冲照明的脉冲照明单元5；控制透镜系统3和脉冲照明单元5的动作的透镜控制单元6；以及用于对透镜控制单元6进行操作的控制用PC7。
控制用PC7由现有的个人计算机构成，通过执行规定的控制用软件而实现期待的功能。在控制用PC7中，还包含从图像检测单元4取入图像进行处理的功能。
物镜2由现有的凸透镜构成。
图像检测单元4由现有的CCD(Charge Coupled Device；电荷耦合器件)图像传感器或者其他的形式的摄像机等构成，能够将入射的图像Lg作为规定的信号格式的检测图像Im，输出到控制用PC7。
脉冲照明单元5由LED(Light Emitting Diode；发光二极管)等的发光元件构成，在从透镜控制单元6被输入了发光信号Ci时，使照明光Li只发光规定时间，能够进行对测定对象物9的表面的脉冲照明。照明光Li被测定对象物9的表面反射，来自测定对象物9的表面的反射光Lr通过物镜2以及透镜系统3形成图像Lg。
透镜系统3中，根据从透镜控制单元6输入的驱动信号Cf，折射率发生变化。驱动信号Cf是使透镜系统3发生驻波的频率的交流电，是正弦波状的交流信号。
在可变焦距透镜装置1中，至焦点位置Pf的焦距Df通过一边以物镜2的焦距为基础，一边使透镜系统3的折射率变化，从而能够任意地变化。
在图2中，透镜系统3具有圆筒形的外壳31，在外壳31的内部设置了圆筒状的振动构件32。振动构件32由插入到其外周面33和外壳31的内周面之间的弹性体制成的隔离物39支承。
振动构件32是将压电材料形成为圆筒状的构件，通过在外周面33和内周面34之间施加驱动信号Cf的交流电压，在厚度方向上振动。
在外壳31的内部，填充了透过性高的液体35，振动构件32将整体浸渍在液体35中，圆筒状的振动构件32的内侧被液体35充满。驱动信号Cf的交流电压被调整为使处于振动构件32的内侧的液体35产生驻波的频率。
如图3所示，在透镜系统3中，若使振动构件32振动，在内部的液体35中产生驻波，产生折射率交替的同心圆状的区域(参照图3的(A)部分以及图3的(B)部分)。
此时，距离透镜系统3的中心轴线的距离(半径)和液体35的折射率的关系如图3的(C)部分所示的折射率分布W那样。
在图4中，由于驱动信号Cf是正弦波状的交流信号，所以在透镜系统3中的液体35的折射率分布W的变动幅度也根据该信号而变化。并且，液体35中产生的同心圆状的区域的折射率正弦波状地变化，由此，至焦点位置Pf的焦距Df正弦波状地变动。
在图4的(A)的状态中，折射率分布W的振幅为最大，透镜系统3聚光通过的光，焦点位置Pf近，焦距Df变为最短。
在图4的(B)的状态中，折射率分布W为平坦，透镜系统3使通过的光直接通过，焦点位置Pf以及焦距Df成为标准的值。
在图4的(C)的状态中，折射率分布W与图4的(A)为相反极性，振幅为最大，透镜系统3使通过的光扩散，焦点位置Pf远，焦距Df为最大。
图4的(D)的状态中，折射率分布W再次为平坦，透镜系统3使通过的光直接通过，焦点位置Pf以及焦距Df成为标准的值。
图4的(E)的状态中，再次返回图4的(A)的状态，以下反复同样的变动。
这样，在可变焦距透镜装置1中，驱动信号Cf为正弦波状的交流信号，焦点位置Pf以及焦距Df也如图4的焦点变动波形Mf那样正弦波状地变动。
此时，在焦点变动波形Mf的任意的时点，对位于焦点位置Pf的测定对象物9进行脉冲照明，如果检测在该时点被照明的图像，则可得到任意的照明时点的位于任意的焦距Df的焦点位置Pf的图像。
返回图1，在可变焦距透镜装置1中，透镜系统3的振动、脉冲照明单元5的发光以及图像检测单元4的图像检测，通过来自透镜控制单元6的驱动信号Cf、发光信号Ci以及图像检测信号Cc来控制。为了操作控制它们的透镜控制单元6的设定等，连接了控制用PC7。
在图5中，透镜控制单元6具有：对透镜系统3输出驱动信号Cf的驱动控制单元61、对脉冲照明单元5输出发光信号Ci的发光控制单元62、以及对图像检测单元4输出图像检测信号Cc的图像检测控制单元63。
驱动控制单元61具有谐振锁定控制单元611。
在透镜系统3基于输入的驱动信号Cf振动时，谐振锁定控制单元611从加在透镜系统3上的有效功率Rp或者驱动电流Ri，检测透镜系统3的振动状态Vf。并且，通过参照透镜系统3的振动状态Vf，调整驱动信号Cf的频率，能够锁定为透镜系统3的当前的谐振频率。再有，振动状态Vf也可以由设置在透镜系统3中的振动传感器检测。
在图6中，假设透镜系统3的振动特性为S1，则驱动信号Cf被设定为振动特性S1的峰值。如果透镜系统3没有温度变化等，则由谐振锁定控制单元611检测的透镜系统3的振动特性表示与驱动信号Cf相同的振动特性S1的峰值位置频率。
这里，假设因温度变化等，透镜系统3的振动特性变化为了S2。由谐振锁定控制单元611检测的透镜系统3的振动特性变动为振动特性S2的峰值，偏离了驱动信号Cf。在对为振动特性S2的透镜系统3输入了驱动信号Cf的情况下，驱动信号Cf的频率在振动特性S2中不是峰值位置，不能对透镜系统3提供充分的有效功率，效率降低。
在图7中，谐振锁定控制单元611检测从透镜系统3检测的振动状态Vf、和从驱动控制单元61输入到透镜系统3的驱动信号Cf之间的偏差，检索透镜系统3的当前的峰值位置，捕捉之后，将从驱动控制单元61输出的驱动信号Cf的频率变更为当前的峰值位置。
其结果，从驱动控制单元61输入到透镜系统3的驱动信号Cf的频率与当前的透镜系统3的振动特性S2中谐振频率的峰匹配，由此，进行频率的自动追踪。
返回图5，控制用PC7具有：用于对透镜控制单元6进行设定等的操作的透镜操作单元71；从图像检测单元4取入检测图像Im进行处理的图像处理单元72；以及接受对可变焦距透镜装置1的用户的操作的操作接口73。
透镜操作单元71具有谐振锁定操作单元711。
谐振锁定操作单元711能够切换驱动控制单元61中的谐振锁定控制单元611的有效和无效。
具体而言，谐振锁定操作单元711参照图像处理单元72从图像检测单元4取入检测图像Im的动作的定时，与图像的取入开始同步地停止谐振锁定控制单元611的锁定动作，与图像的取入结束同步地再开始谐振锁定控制单元611的锁定动作。
在图8中，例如，谐振频率F因透镜系统3的内部温度变化等而处于逐渐下降的状态。
假设图像处理单元72从图像检测单元4取入检测图像Im的动作在开始时刻T1至结束时刻T2为止的期间T中进行。
若进行谐振锁定控制单元611的谐振锁定控制，则在期间T之内谐振频率F也继续变化，相对在开始时刻T1为谐振频率F1，在结束时刻T2为谐振频率F2。
由于谐振锁定控制使施加到驱动控制单元61上的驱动信号Cf的频率时时变化，所以透镜系统3中的驻波不稳定，检测图像Im的精度会下降。因此，暂停谐振锁定。
如图9所示，在本实施方式中，在取入检测图像Im的期间T，通过谐振锁定操作单元711，停止谐振锁定控制单元611的谐振锁定控制。
在期间T的开始时刻T1中，停止谐振锁定控制单元611的谐振锁定控制，谐振频率F维持为开始时刻T1的谐振频率F1。通过在该状态下取入检测图像Im，可在谐振频率F固定的状态、即驻波稳定的状态下进行图像取入。
在期间T的结束时刻T2中，通过来自谐振锁定操作单元711的控制，进行谐振锁定控制单元611的复原动作，再开始谐振锁定控制。
谐振锁定操作单元711可选择锁定停止模式和锁定继续模式。用户可以使用操作接口73切换这些模式的每个模式。
在锁定停止模式中，图像处理单元72与从图像检测单元4取入检测图像Im的动作同步地停止谐振锁定控制单元611。
在锁定继续模式中，图像处理单元72不进行与从图像检测单元4取入检测图像Im的动作同步的停止谐振锁定控制单元。
因此，通过设为锁定停止模式，防止因谐振锁定控制单元611的自动停止造成谐振频率F的变化，可进行高精度图像的获取。另一方面，通过设为锁定继续模式，还可以应对不需要谐振锁定控制单元611的自动停止的状况。
在以上的本实施方式中，通过来自透镜控制单元6的驱动控制单元61的驱动信号Cf，在透镜系统3中形成驻波，使透镜系统3的折射率变动，可以使作为可变焦距透镜装置1的焦点位置Pf(焦距Df)在测量目标物9的表面变动。
而且，通过来自透镜控制单元6的发光控制单元62的发光信号Ci，以规定的定时使脉冲照明单元5发光，发光时刻的焦距Df中的测量目标物9的表面的图像Lg通过物镜2和透镜系统3导入到图像检测单元4，可以由控制用PC7的图像处理单元72作为检测图像Im进行检测。
在本实施方式中，通过操作接口73对透镜操作单元71进行操作，可以通过谐振锁定操作单元711将谐振锁定控制单元611设为动作状态。如果谐振锁定控制单元611被设为动作状态，则驱动信号Cf自动跟踪透镜系统3的当前的谐振频率的峰值，可以高效地生成驻波。
另一方面，在图像处理单元72检测到图像时，通过谐振锁定操作单元711使谐振锁定控制单元611的自动跟踪暂时地停止，在图像检测动作的期间，驱动信号Cf的频率维持为固定状态。其结果，在图像检测的期间，通过稳定引起透镜系统3的折射率变动的驻波，可以获取高精度的图像。
在本实施方式中，谐振锁定操作单元711与图像处理单元72中的图像检测动作同步地使谐振锁定控制单元611停止。因此，谐振锁定与图像检测动作同步地自动地停止，可以省略用户的操作，并且可以避免忘记操作等的错误。
在本实施方式中，谐振锁定操作单元711可选择锁定停止模式和锁定继续模式，锁定停止模式中与图像处理单元72中的图像检测动作同步地使谐振锁定控制单元611停止，而锁定继续模式中，不进行与图像处理单元72中的图像检测动作同步的谐振锁定控制单元611的停止。因此，通过设为锁定停止模式，可获取所述高精度图像，并且通过设为锁定继续模式，还可以应对不需要谐振锁定控制单元611的自动停止的状况。
再有，本发明并不限于前述的实施方式，在能够实现本发明的目的的范围内的变形等包含在本发明中。
在所述各实施方式中，为了进行透镜系统3的驱动以及控制，使用了透镜控制单元6和控制用PC7的组合，但是，它们也可以设为将透镜系统3的驱动、控制到操作都合在一起进行的一体的装置。但是，如所述各实施方式那样，通过设为透镜控制单元6和控制用PC7的组合，能够使透镜系统3的驱动以及控制所需的硬件独立作为专用的透镜控制装置。另外，能够将透镜控制单元6操作、设定调整、进而至图像的取入，使用通用性高的个人计算机来实现。
在所述各实施方式中，将驱动信号Cf以及焦点变动波形Mf设为了正弦波，但该波形也可以是三角波、锯齿波、矩形波和其他的波形。
透镜系统3的具体的结构可以适当变更，外壳31以及振动构件32除了圆筒状的之外，也可以是六边形筒状等，也能够适当选择它们的尺寸和液体35的属性。

Claims (4)

1.一种可变焦距透镜装置，其特征在于，包括：
透镜系统，其折射率根据输入的驱动信号变化；
物镜，配置在与所述透镜系统相同的光轴上；
图像检测单元，通过所述透镜系统和所述物镜来检测测量对象物的图像；
谐振锁定控制单元，使所述驱动信号跟随所述透镜系统的谐振频率；以及
谐振锁定操作单元，切换所述谐振锁定控制单元的动作或停止，
所述谐振锁定操作单元可选择锁定停止模式和锁定继续模式，所述锁定停止模式与所述图像检测单元中的图像检测动作同步地使所述谐振锁定控制单元停止，所述锁定继续模式不进行与所述图像检测单元中的图像检测动作同步的所述谐振锁定控制单元的停止。
2.如权利要求1所述的可变焦距透镜装置，其特征在于，
所述谐振锁定操作单元与所述图像检测单元中的图像检测动作同步地使所述谐振锁定控制单元停止。
3.如权利要求1或2所述的可变焦距透镜装置，其特征在于，
所述谐振锁定控制单元进行使所述驱动信号跟随所述透镜系统的谐振频率的复原动作。
4.一种可变焦距透镜控制方法，使用可变焦距透镜装置，所述可变焦距透镜装置包括：折射率根据输入的驱动信号变化的透镜系统；配置在与所述透镜系统相同的光轴上的物镜；通过所述透镜系统和所述物镜来检测测量对象物的图像的图像检测单元；使所述驱动信号跟随所述透镜系统的谐振频率的谐振锁定控制单元；以及切换所述谐振锁定控制单元的动作或停止的谐振锁定操作单元，其特征在于，该方法包括以下步骤：
在不进行所述图像检测单元中的图像检测的状态下，使所述谐振锁定控制单元动作，
在进行所述图像检测单元的图像检测时，使所述谐振锁定控制单元停止，
所述谐振锁定操作单元可选择锁定停止模式和锁定继续模式，所述锁定停止模式与所述图像检测单元中的图像检测动作同步地使所述谐振锁定控制单元停止，所述锁定继续模式不进行与所述图像检测单元中的图像检测动作同步的所述谐振锁定控制单元的停止。
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