DE102019113247A1

DE102019113247A1 - Kalibrierungsverfahren für Linse mit variabler Brennweite und Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite

Info

Publication number: DE102019113247A1
Application number: DE102019113247.9A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Sakai; Yutaka Watanabe
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2018-05-21
Filing date: 2019-05-20
Publication date: 2019-11-21
Also published as: JP7057217B2; CN110515144A; JP2019203928A; US10986263B2; CN110515144B; US20190356860A1

Abstract

Ein Kalibrierungsverfahren für eine Linse mit variabler Brennweite, die eine Flüssiglinseneinheit (3) enthält, deren Brennweite als Antwort auf ein periodisches Ansteuersignal periodisch variiert wird, umfasst: Verwenden eines Kalibrierwerkzeugs (91) mit einer Mehrzahl von höhenunterschiedlichen Teilen auf einer Fläche bzw. Oberfläche; Erstellen einer Kalibrierungstabelle (712) durch Wiederholen der Ausgabe eines Ansteuersignals (Cf) mit einer vorbestimmten Spannung an die Linse mit variabler Brennweite, Erfassen eines Flächen- bzw. Oberflächenbildes des Kalibrierungswerkzeugs (91) unter Verwendung eines Bilddetektors (4), Erfassen zweier Punkte mit maximalem Bildkontrast in dem Oberflächenbild, Berechnen einer Schärfentiefe aus einer Differenz einer Brennweite zwischen den zwei Punkten; und Aufzeichnen der Schärfentiefe und der Spannung des Ansteuersignals (Cf) in einer entsprechenden Kombination und Abrufen eines Wertes der Spannung, der einer gewünschten Schärfentiefe entspricht, aus der Kalibrierungstabelle (712), um die Linse mit variabler Brennweite auf die gewünschte Schärfentiefe einzustellen, und Einstellen der Spannung des Ansteuersignals (Cf), das an die Linse mit variabler Brennweite ausgegeben wird, basierend auf dem abgerufenen Wert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kalibrierungsverfahren für eine Linse mit variabler Brennweite und eine Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite, insbesondere ein Verfahren zum Kalibrieren einer Linse mit variabler Brennweite, deren Brennweite mit hoher Geschwindigkeit variiert wird.
STAND DER TECHNIK
Eine optische Vorrichtung in Form einer Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite, die beispielsweise ein Flüssiglinsensystem (im Folgenden auch einfach als „Linsensystem“ bezeichnet) verwendet, das auf einem in Patentliteratur 1 (US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2010/0177376) offenbarten Prinzip basiert, wurde entwickelt.
Das Flüssiglinsensystem enthält einen zylindrischen Oszillator aus einem piezoelektrischen Material, der in eine transparente Flüssigkeit eingetaucht ist. Eine Wechselspannung (AC-Spannung; AC= Alternating Current) (gewöhnlich in einer Sinuswelle) mit einer hohen Frequenz von etwa 70 kHz wird als Ansteuersignal an einen Oszillator angelegt.
Wenn das Ansteuersignal an eine Innenumfangsfläche bzw. -oberfläche und eine Außenumfangsfläche bzw. -oberfläche des Oszillators des Flüssiglinsensystems angelegt wird, dehnt sich der Oszillator in seiner Dickenrichtung aus und zieht sich zusammen, um die Flüssigkeit im Inneren des Oszillators zu oszillieren. Wenn dann die Frequenz des angelegten Ansteuersignals auf eine Eigenfrequenz der Flüssigkeit abgestimmt wird, wird in der Flüssigkeit eine konzentrische stehende Welle erzeugt, um konzentrische Bereiche mit unterschiedlichen Brechungsindizes um eine Mittelachse des Oszillators herum zu bilden.
Wenn in diesem Zustand Licht in den Oszillator entlang seiner Mittelachse eingebracht wird, folgt das Licht einem Streu- oder Konvergenzweg, der von dem Brechungsindex jedes der in einer transparenten Flüssigkeit erzeugten konzentrischen Bereiche abhängt.
Die Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite umfasst das oben beschriebene Flüssiglinsensystem und eine fokussierende Objektivlinse (z. B. eine typische konvexe Linse oder Linsengruppe), die auf einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet sind. Das Flüssiglinsensystem, das eine verpackte Flüssiglinseneinheit ist, ist in der Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite installiert.
Wenn ein paralleles Licht in eine typische Objektivlinse eintritt, wird das Licht, das die Linse passiert hat, an einer Fokusposition fokussiert, die sich in einer vorbestimmten Brennweite von der Linse befindet. Wenn im Gegensatz dazu ein paralleles Licht in das Linsensystem eintritt, das koaxial zu der Objektivlinse angeordnet ist, wird das Licht durch das Linsensystem divergiert oder konvergiert, so dass das Licht, das die Objektivlinse passiert hat, an einer Position fokussiert wird, die näher oder weiter als die ursprüngliche Fokusposition (d.h. die Fokusposition ohne das Linsensystem) ist.
Dementsprechend wird eine Amplitude eines Antriebs- bzw. Ansteuersignals (eine AC-Spannung mit einer Frequenz, die eine stehende Welle in der Flüssigkeit innerhalb des Linsensystems bildet), das in das Linsensystem eingegeben wird, in der Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite erhöht oder verringert, wodurch die Fokusposition der Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite nach Wunsch innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (d.h. eines Bereichs mit einer vorbestimmten Variationsbreite, die zu der Brennweite der Objektivlinse unter Verwendung des Linsensystems addiert/von dieser subtrahiert werden kann) gesteuert bzw. geregelt wird. Ein sinusförmiges AC-Signal wird beispielhaft für das Ansteuersignal verwendet, das in das Linsensystem der Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite eingegeben wird. Wenn ein solches sinusförmiges Ansteuersignal eingegeben wird, ändert sich die Brennweite (Fokusposition) der Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite sinusförmig. Zu diesem Zeitpunkt, wenn die Amplitude des Ansteuersignals 0 ist, wird das durch das Linsensystem tretende Licht nicht gebrochen und die Brennweite der Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite wird gleich der Brennweite der Objektivlinse. Wenn die Amplitude des Ansteuersignals auf einer positiven oder negativen Spitze ist, wird das durch das Linsensystem tretende Licht am stärksten gebrochen und die Brennweite der Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite weicht am stärksten von der Brennweite der Objektivlinse ab.
Dementsprechend kann die Fokusposition der Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite wie gewünscht innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (d.h. eines Bereichs mit einer vorbestimmten Variationsbreite, die zu der Brennweite der Objektivlinse unter Verwendung des Linsensystems addiert/von dieser subtrahiert werden kann) durch Erhöhen oder Verringern einer Amplitude des Ansteuersignals gesteuert bzw. geregelt werden.
Wenn das Ansteuersignal bei der Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite eine Sinuswelle ist, ändert sich auch die Brennweite (Fokusposition) der Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite sinusförmig. Zu diesem Zeitpunkt, wenn die Amplitude des Ansteuersignals 0 ist, wird das durch das Linsensystem tretende Licht nicht gebrochen und die Brennweite der Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite wird gleich der Brennweite der Objektivlinse. Wenn die Amplitude des Ansteuersignals auf einer positiven oder negativen Spitze ist, wird das durch das Linsensystem tretende Licht am stärksten gebrochen und die Brennweite der Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite weicht am stärksten von der Brennweite der Objektivlinse ab.
Um ein Bild unter Verwendung der Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite zu erhalten, wird ein Beleuchtungssignal synchron mit einer Phase der Sinuswelle des Ansteuersignals ausgegeben, um eine gepulste Beleuchtung durchzuführen.
Durch Anwenden der gepulsten Beleuchtung auf ein Objekt, während die gepulste Beleuchtung auf eine vorbestimmte Brennweite unter den sich sinusförmig ändernden Brennweiten fokussiert ist, wird das Bild des Objekts bei dieser Brennweite erfasst. Wenn die gepulste Beleuchtung bei bzw. mit einer Mehrzahl von Phasen in einem Zyklus durchgeführt wird und Bilder zu Zeitpunkten erfasst werden, die den Phasen entsprechen, können die Bilder bei bzw. mit einer Mehrzahl von Werten der Brennweite gleichzeitig erhalten werden.
Währenddessen kann ein scharfes EDOF-Bild (Extended Depth of Focus-Bild bzw. Bild mit erweiterter Schärfentiefe) über einen gesamten variablen Bereich der Brennweite durch eine kontinuierliche Beleuchtung anstelle der gepulsten Beleuchtung erhalten werden.
Bilder werden aufgenommen, während die Brennweite bei kontinuierlicher Beleuchtung mit hoher Geschwindigkeit variiert wird. Die auf die jeweiligen Brennweiten fokussierten Bilder über den gesamten brennweitenvariablen Bereich werden zur Aufnahme eines Bildes überlagert. Eine inverse Berechnung wird auf eine unscharfe Komponente des aufgenommenen Bildes angewendet, die aus dem brennweitenvariablen Bereich geschätzt wird, um ein EDOF-Bild bereitzustellen. Selbst wenn ein Messobjekt eine unebene Fläche bzw. Oberfläche mit unterschiedlichen Höhen ist, kann ein Unebenheitsprofil erfasst werden.
Bei der Linse mit variabler Brennweite, die das oben beschriebene Flüssiglinsensystem verwendet, ist eine Brechkraft (Dioptrie) eine wichtige optische Eigenschaft.
Die Brechkraft in der Optik bedeutet einen Brechungsgrad in einem (axial rotationssymmetrischen) optischen System, wie einer Linse. Die Brechkraft wird auch als Linsenstärke bezeichnet.
Die Brechkraft φ wird durch φ=-n/f dargestellt, vorausgesetzt, ein Brechungsindex eines Mediums wird durch n dargestellt und eine Brennweite wird durch f dargestellt.
Mit anderen Worten ist die Brechkraft φ gleich einer Kehrzahl der Brennweite f in der Luft (n=1.000). Da die Linse mit variabler Brennweite die größere Brechkraft φ aufweist, wird ein variabler Bereich der Brennweite f erweitert. Dementsprechend kann eine Größe der Brechkraft φ durch den variablen Bereich der Brennweite f von der längsten bis zur kürzesten Länge (d.h. einem Abstand vom entferntesten Brennpunkt zum nächstgelegenen Brennpunkt), nämlich eine Schärfentiefe dargestellt werden.
Bei der Linse mit variabler Brennweite, die das Flüssiglinsensystem verwendet, kann die Brechkraft φ im Prinzip eingestellt werden, indem eine Amplitude des angelegten Ansteuersignals (sinusförmige Spannung) eingestellt wird.
In einem idealen Zustand, insbesondere in einer proportionalen Beziehung zwischen der Amplitude des Ansteuersignals und der Brechkraft φ des Flüssiglinsensystems, kann die Brechkraft φ des Flüssiglinsensystems durch Steuern bzw. Regeln der Spannung des Ansteuersignals präzise eingestellt werden.
In Anbetracht der Struktur des Flüssiglinsensystems ist die Beziehung zwischen der tatsächlichen Brechkraft φ und der angelegten Spannung jedoch nicht genau proportional. Ferner unterscheidet sich die Beziehung zwischen der Brechkraft φ und der angelegten Spannung in Abhängigkeit von einem einzelnen Flüssiglinsensystem und auch in Abhängigkeit von einer Frequenz des Ansteuersignals. Dies macht es schwierig, eine gewünschte Brechkraft φ in dem Flüssiglinsensystem zu erhalten, selbst wenn das Ansteuersignal eingestellt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Kalibrierungsverfahren für eine Linse mit variabler Brennweite und eine Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite bereitzustellen, die in der Lage sind, eine gewünschte Brechkraft durch Einstellen eines Ansteuersignals zu erhalten.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Kalibrierungsverfahren für eine Linse mit variabler Brennweite bereitgestellt, deren Brennweite als Antwort auf ein periodisches Ansteuersignal unter Verwendung einer Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite periodisch variiert wird, wobei die Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite enthält: die Linse mit variabler Brennweite; eine Beleuchtungseinrichtung, die konfiguriert ist, ein Messziel zu beleuchten; einen Bilddetektor, der konfiguriert ist, ein Bild des Messziels durch die Linse mit variabler Brennweite zu erfassen; und einen Linsencontroller, der konfiguriert ist, das Ansteuersignal an die Linse mit variabler Brennweite auszugeben und die Beleuchtungseinrichtung und den Bilddetektor zu steuern bzw. zu regeln, umfassend: Einstellen des Messziels in Form eines Kalibrierwerkzeugs mit einer Mehrzahl von höhenunterschiedlichen Teilen auf einer Fläche bzw. Oberfläche des Kalibrierwerkzeugs; anschließend Erstellen einer Kalibrierungstabelle durch Wiederholen der Ausgabe des Ansteuersignals mit einer vorbestimmten Spannung von dem Linsencontroller an die Linse mit variabler Brennweite, Erfassen eines Flächen- bzw. Oberflächenbildes des Kalibrierwerkzeugs unter Verwendung des Bilddetektors, Erfassen von zwei Punkten, deren Bildkontrast im Oberflächenbild maximal ist, Berechnen einer Schärfentiefe aus einer Differenz einer Brennweite zwischen den beiden Punkten und Aufzeichnen der Schärfentiefe und der Spannung des Ansteuersignals in einer entsprechenden Kombination; und Abrufen eines Werts der Spannung, der einer gewünschten Schärfentiefe entspricht, aus der Kalibrierungstabelle, um die Linse mit variabler Brennweite auf die gewünschte Schärfentiefe der Brennweite einzustellen, und Einstellen der Spannung des an die Linse mit variabler Brennweite auszugebenden Ansteuersignals auf Basis des abgerufenen Werts.
In dem obigen Aspekt werden die Bilderfassung und die Berechnung unter Verwendung des Kalibrierwerkzeugs wiederholt, wodurch die Beziehung zwischen der Spannung des Ansteuersignals und der Schärfentiefe der Linse mit variabler Brennweite in der Kalibrierungstabelle aufgezeichnet werden kann. Insbesondere durch Erfassen von zwei Punkten, deren Bildkontrast im Oberflächenbild des Kalibrierwerkzeugs maximal ist, um eine Differenz zwischen den zwei Punkten oder Brennweiten (der längsten Brennweite und der kürzesten Brennweite) zu erhalten, die den positiven und negativen Spitzen einer Wellenform des Ansteuersignals entsprechen, kann die Schärfentiefe basierend auf der Differenz zwischen den beiden Punkten oder Brennweiten berechnet werden. Das zuverlässige und einfache Wiederholen des obigen Vorgangs ermöglicht die Erstellung der Kalibrierungstabelle, die die Schärfentiefe oder die Brechkraft der Linse mit variabler Brennweite und die entsprechende Ansteuersignalspannung angibt.
Um die Linse mit variabler Brennweite auf eine gewünschte Schärfentiefe einzustellen, wird unter Bezugnahme auf die zuvor erstellte Kalibrierungstabelle die der gewünschten Schärfentiefe entsprechende Spannung abgerufen und das Ansteuersignal auf die erhaltene Spannung eingestellt. Dementsprechend kann die Linse mit variabler Brennweite so eingestellt werden, dass sie die gewünschte Schärfentiefe aufweist. Diese Einstellung des Ansteuersignals ermöglicht, dass die Linse mit variabler Brennweite die gewünschte Brechkraft φ aufweist.
Bei dem Kalibrierungsverfahren gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung umfasst das Kalibrierwerkzeug vorzugsweise eine Mehrzahl von abgestuften Flächen bzw. Oberflächen mit einer vorbestimmten Höhe auf der Oberfläche des Kalibrierwerkzeugs.
Bei dieser Anordnung definiert die Mehrzahl von abgestuften Flächen eine Mehrzahl von Teilen auf unterschiedlichen Höhen in dem Kalibrierwerkzeug, wodurch sie zur Berechnung des Bildkontrasts des Oberflächenbildes verwendbar sind. Dabei stellen die abgestuften Flächen zuverlässig einen vorbestimmten Bereich für das Oberflächenbild des Kalibrierwerkzeugs bereit und ermöglichen es zuverlässig und einfach, den Bildkontrast zu berechnen.
Es ist anzumerken, dass das Kalibrierwerkzeug beispielsweise in Form eines Blocks mit einer geneigten Fläche bzw. Oberfläche vorliegen kann, bei der Teile auf gleicher Höhe auf gleicher Brennweite sind. Wenn jedoch das Kalibrierwerkzeug so angeordnet ist, dass es abgestufte Oberflächen aufweist, wie bei der obigen Anordnung beschrieben, kann jede der abgestuften Flächen einen vorbestimmten Bereich bei derselben Brennweite aufweisen, was dahingehend wirksam ist, dass eine reflektierte Lichtmenge zuverlässig erhalten werden kann, den Bildkontrast zuverlässig und einfach zu berechnen.
Bei dem Kalibrierungsverfahren gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung erfasst der Bilddetektor vorzugsweise ein EDOF-Bild, während die Beleuchtungseinrichtung das Messziel kontinuierlich beleuchtet, und das EDOF-Bild wird als das Oberflächenbild des Kalibrierwerkzeugs zum Erstellen der Kalibrierungstabelle verwendet.
Bei der obigen Anordnung enthält das erfasste EDOF-Bild die überlagerten Bilddaten, die auf die Fokusposition fokussiert sind, die als Antwort auf das Ansteuersignal variiert. Wenn das Ansteuersignal eine typische Sinuswelle ist, ist eine Variation eines Wertes des Ansteuersignals Cf bei und nahe der positiven Spitze und der negativen Spitze gering, wo eine Zunahme oder Abnahme des Wertes umgekehrt wird. Dementsprechend enthält das EDOF-Bild viele Bilddaten des Ansteuersignals bei und nahe der positiven Spitze und der negativen Spitze. Wenn der Bildkontrast des EDOF-Bildes unter diesen Umständen berechnet wird, gehen zwei Punkte des Ansteuersignals Cf bei und nahe der positiven Spitze und der negativen Spitze, deren Bilddaten in dem EDOF-Bild mit dem hohen Verhältnis enthalten sind, als obere zwei Punkte jeweils mit dem höchsten und zweithöchsten Bildkontrast hervor. Dementsprechend werden die längste Brennweite und die kürzeste Brennweite durch Auswählen der oberen beiden Punkte ausgewählt, und die Schärfentiefe kann aus der Variationsbreite (dem Bereich, der als Brennweite eingestellt werden kann) zwischen den oberen beiden Punkten erhalten werden.
Ferner können bei der obigen Anordnung die Bilddaten, die der positiven Spitze und der negativen Spitze des Ansteuersignals entsprechen, leicht erhalten werden, während die kontinuierliche Beleuchtung verwendet wird, ohne eine teure Komponente wie eine gepulste Beleuchtungseinrichtung zu verwenden.
Bei dem Kalibrierungsverfahren gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung legt die Beleuchtungseinrichtung vorzugsweise eine gepulste Beleuchtung an das Messziel zu einem Zeitpunkt an, der jeweils einer positiven Spitze und einer negativen Spitze des Ansteuersignals entspricht; und der Bilddetektor erfasst ein Oberflächenbild des Kalibrierwerkzeugs als das Messziel, auf das die gepulste Beleuchtung angewendet wird.
Bei der obigen Anordnung ist das erfasste Oberflächenbild des Kalibrierwerkzeugs ein überlagertes der beiden Bilddaten, die durch Anwenden der gepulsten Beleuchtung an der positiven Spitze und der negativen Spitze des Ansteuersignals erhalten werden. Die Brennweite jeder der beiden Bilddaten wird erhalten, indem der Bildkontrast des Oberflächenbildes berechnet wird. Die Schärfentiefe ergibt sich aus einer Differenz zwischen den Brennweiten.
Dementsprechend können die längste Brennweite und die kürzeste Brennweite leicht und zuverlässig erhalten werden, indem die gepulste Beleuchtung an der positiven Spitze und der negativen Spitze des Ansteuersignals angewendet wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält eine Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite: eine Linse mit variabler Brennweite, deren Brennweite als Antwort auf ein periodisches Ansteuersignal periodisch variiert wird; eine Beleuchtungseinrichtung, die konfiguriert ist, ein Messziel zu beleuchten; einen Bilddetektor, der konfiguriert ist, ein Flächen- bzw. Oberflächenbild des Messziels durch die Linse mit variabler Brennweite zu erfassen; einen Linsencontroller, der konfiguriert ist, das Ansteuersignal an die Linse mit variabler Brennweite auszugeben und die Beleuchtungseinrichtung und den Bilddetektor zu steuern bzw. zu regeln; und einen Kalibrierungscontroller, der konfiguriert ist, eine Spannung des von dem Linsencontroller ausgegebenen Ansteuersignals einzustellen, wobei der Kalibrierungscontroller eine Kalibrierungstabelle erstellt durch Wiederholen der Ausgabe des Ansteuersignals mit einer vorbestimmten Spannung von dem Linsencontroller an die Linse mit variabler Brennweite, Erfassen des Flächen- bzw. Oberflächenbildes des Messziels unter Verwendung des Bilddetektors, Erfassen von zwei Punkten, deren Bildkontrast im Oberflächenbild maximal ist, Berechnen einer Schärfentiefe aus einer Differenz einer Brennweite zwischen den beiden Punkten und Aufzeichnen der Schärfentiefe und der Spannung des Ansteuersignals in einer entsprechenden Kombination; und wobei der Kalibrierungscontroller einen Werts der Spannung, der einer gewünschten Schärfentiefe entspricht, aus der Kalibrierungstabelle abruft, um die Linse mit variabler Brennweite auf die gewünschte Schärfentiefe der Brennweite einzustellen, und die Spannung des an die Linse mit variabler Brennweite auszugebenden Ansteuersignals auf Basis des abgerufenen Werts einstellt.
In dem obigen Aspekt der Erfindung können die gleichen Vorteile, wie sie oben für das Kalibrierungsverfahren der Linse mit variabler Brennweite beschrieben wurden, erhalten werden, indem das Messziel in einer Form des Kalibrierwerkzeugs eingestellt wird, das die Mehrzahl von Teilen unterschiedlicher Höhe auf einer Fläche bzw. Oberfläche des Kalibrierwerkzeugs aufweist, und der Kalibriercontroller bedient wird.
Gemäß den obigen Aspekten der Erfindung können ein Kalibrierungsverfahren für eine Linse mit variabler Brennweite und eine Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite bereitgestellt werden, die in der Lage sind, eine gewünschte Brechkraft durch Einstellen eines Ansteuersignals zu erhalten.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine exemplarische Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt schematisch eine Konfiguration einer Flüssiglinseneinheit in der exemplarischen Ausführungsform.
3 zeigt schematisch einen Oszillationszustand der Flüssiglinseneinheit in der exemplarischen Ausführungsform.
4 zeigt schematisch eine Brennweite der Flüssiglinseneinheit in der exemplarischen Ausführungsform.
5 ist ein Blockdiagramm, das eine Steuer- bzw. Regelkonfiguration in der exemplarischen Ausführungsform zeigt.
6 zeigt ein laterales Profil (A) und eine planare Form (B) eines Kalibrierwerkzeugs in der exemplarischen Ausführungsform.
7 ist ein Flussdiagramm, das einen Kalibrierungsprozess in der exemplarischen Ausführungsform zeigt.
8 zeigt schematisch einen Kalibrierungsprozess in der exemplarischen Ausführungsform.
9 zeigt eine Kalibrierungstabelle, die durch den Kalibrierungsprozess in der exemplarischen Ausführungsform erhalten wird.
10 ist ein Flussdiagramm, das einen Kalibrierungsprozess in einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der Erfindung zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
Eine exemplarische Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Linsenvorrichtung 1 mit variabler Brennweite
Wie in 1 gezeigt, ist eine Linsenvorrichtung 1 mit variabler Brennweite konfiguriert, ein Bild einer Oberfläche eines Messziels 9 zu erfassen, während eine Brennweite variiert wird.
Dementsprechend enthält die Linsenvorrichtung 1 mit variabler Brennweite: eine Objektivlinse 2 und eine Flüssiglinseneinheit 3, die auf einer gemeinsamen optischen Achse A angeordnet sind, die die Oberfläche des Messziels 9 schneidet; einen Bilddetektor 4, der konfiguriert ist, das Bild des Messziels 9 durch die Objektivlinse 2 und die Flüssiglinseneinheit 3 zu erfassen; und eine Gepulstes-Licht-Beleuchtungseinrichtung 5, die konfiguriert ist, eine gepulste Beleuchtung auf die Oberfläche des Messziels 9 aufzubringen.
Die Objektivlinse 2 und die Flüssiglinseneinheit 3 bilden eine Linse mit variabler Brennweite in der Linsenvorrichtung 1 mit variabler Brennweite.
Die Linsenvorrichtung 1 mit variabler Brennweite enthält ferner: einen Linsencontroller 6, der konfiguriert ist, die Flüssiglinseneinheit 3, den Bilddetektor und die Gepulstes-Licht-Beleuchtungseinrichtung 5 zu steuern bzw. zu regeln; und einen Steuer-PC 7, der zum Betreiben des Linsencontrollers 6 konfiguriert ist.
Ein vorhandener Personalcomputer wird als Steuer-PC 7 verwendet. Die gewünschte Funktion des Steuer-PC 7 wird durch Ausführen einer vorbestimmten Steuerungssoftware auf dem Steuer-PC 7 erreicht. Der Steuer-PC 7 ist zudem konfiguriert, ein Bild von dem Bilddetektor 4 aufzunehmen und zu verarbeiten
Eine vorhandene konvexe Linse wird als Objektivlinse 2 verwendet.
Der Bilddetektor 4 enthält einen vorhandenen Bildsensor mit ladungsgekoppelter Vorrichtung (CCD), einen anderen Typ von Kamera oder dergleichen, und ist konfiguriert, ein Bild Lg zu empfangen und das Bild Lg in Form eines erfassten Bilds Im eines vorgegebenes Format an den Steuer-PC 7 auszugeben.
Die Beleuchtungseinrichtung 5 enthält ein Licht emittierendes Element, wie beispielsweise eine Leuchtdiode (LED). Die Beleuchtungseinrichtung 5 ist konfiguriert, ein Beleuchtungslicht Li zu emittieren, um die Oberfläche des Messziels 9 als Antwort auf ein Beleuchtungssignal Ci von dem Linsencontroller 6 zu beleuchten. Das Beleuchtungslicht Li wird an der Oberfläche des Messziels 9 reflektiert. Ein reflektiertes Licht Lr von der Oberfläche des Messziels erzeugt das Bild Lg durch die Objektivlinse 2 und die Flüssiglinseneinheit 3.
Die Flüssiglinseneinheit 3, in der ein Flüssiglinsensystem bereitgestellt ist, ist konfiguriert, ihren Brechungsindex als Antwort auf ein von dem Linsencontroller 6 eingegebenes Antriebs- bzw. Ansteuersignal Cf zu ändern. Das Ansteuersignal Cf ist ein sinusförmiges AC-Signal mit einer Frequenz, die fähig ist zum Bilden einer stehenden Welle in der Flüssiglinseneinheit 3.
Eine Brennweite Df zu einer Fokusposition Pf der Linsenvorrichtung 1 mit variabler Brennweite kann wie gewünscht basierend auf einer Brennweite der Objektivlinse 2 geändert werden, indem der Brechungsindex der Flüssiglinseneinheit 3 geändert wird.
Flüssiglinseneinheit 3
Wie in 2 gezeigt, enthält die Flüssiglinseneinheit 3 ein zylindrisches Gehäuse 31 und einen zylindrischen Oszillator 32, der innerhalb des Gehäuses 31 angeordnet ist. Der Oszillator 32 enthält eine Außenumfangsfläche 33 und ist durch einen elastomeren Abstandshalter 39 gestützt bzw. getragen, der zwischen der Außenumfangsfläche 33 und einer Innenumfangsfläche des Gehäuses 31 angeordnet ist.
Der Oszillator 32 ist eine zylindrische Komponente aus einem piezoelektrischen Material. Der Oszillator 32 ist konfiguriert, in einer Dickenrichtung davon zu oszillieren, wenn die AC-Spannung des Ansteuersignals Cf zwischen der Außenumfangsfläche 33 und einer Innenumfangsfläche 34 des Oszillators 32 angelegt wird.
Ein Innenraum des Gehäuses 31 ist mit einer hochtransparenten Flüssigkeit 35 gefüllt. Der Oszillator 32 ist vollständig in die Flüssigkeit 35 eingetaucht und ein Innenraum des zylindrischen Oszillators 32 ist mit der Flüssigkeit 35 gefüllt. Die Frequenz der AC-Spannung des Ansteuersignals Cf ist auf eine Frequenz (z. B. 70 kHz) abgestimmt, die in der Flüssigkeit 35 im Inneren des Oszillators 32 eine stehende Welle bilden kann.
Wie in 3 gezeigt, wird, wenn der Oszillator 32 der Flüssiglinseneinheit 3 oszilliert, eine stehende Welle in der Flüssigkeit 35 gebildet, um konzentrische Bereiche mit alternierenden Brechungsindizes zu erzeugen (siehe 3(A) und 3(B)).
Eine Beziehung zwischen einem Abstand (Radius) von einer Mittelachse der Flüssiglinseneinheit 3 und dem Brechungsindex der Flüssigkeit 35 zu diesem Zeitpunkt wird durch eine Brechungsindexverteilung W dargestellt, die in 3(C) gezeigt ist.
Wie in 4 gezeigt, ändert sich, da das Ansteuersignal Cf ein sinusförmiges AC-Signal ist, auch eine Variationsbreite der Brechungsindexverteilung W der Flüssigkeit 35 in der Flüssiglinseneinheit 3 in Übereinstimmung mit dem Ansteuersignal Cf. Der Brechungsindex der konzentrischen Bereiche, die in der Flüssigkeit 35 gebildet sind, ändert sich sinusförmig, um eine sinusförmige Variation der Brennweite Df zu der Fokusposition Pf zu bewirken.
Eine Differenz zwischen den Maximal- und Minimalwerten bei der Brechungsindexverteilung W ist in dem in 4(A) gezeigten Zustand maximiert, wo das Flüssiglinsensystem 3 das hindurchtretende Licht konvergiert, die Fokusposition Pf sich nahe dem Linsensystem 3 befindet und die Brennweite Df am kürzesten ist.
Die Brechungsindexverteilung W ist in dem in 4(B) gezeigten Zustand flach, wo die Flüssiglinseneinheit 3 das Licht ohne Brechung durchlässt und die Fokusposition Pf und die Brennweite Df bei Referenzwerten sind.
Die Differenz zwischen den Maximal- und Minimalwerten bei der Brechungsindexverteilung W ist in dem in 4(C) gezeigten Zustand mit einer entgegengesetzten Polarität zu der in 4(A)) maximiert, wo das Flüssiglinsensystem 3 das hindurchtretende Licht streut, sich die Fokusposition Pf am entferntesten von dem Linsensystem 3 befindet und die Brennweite Df am größten ist.
Die Brechungsindexverteilung W ist in dem in 4(D) gezeigten Zustand wieder flach, wo die Flüssiglinseneinheit 3 das Licht ohne Brechung durchlässt und die Fokusposition Pf und die Brennweite Df bei den Referenzwerten liegen.
Die Brechungsindexverteilung W in 4(E) wird in den Zustand in 4(A) zurückgeführt, und die gleiche Variation in der Brechungsindexverteilung W wird danach wiederholt.
Wie oben beschrieben ist das Ansteuersignal Cf der Linsenvorrichtung 1 mit variabler Brennweite ein sinusförmiges AC-Signal, und die Fokusposition Pf und die Brennweite Df ändern sich ebenfalls sinusförmig, wie bei einer Brennpunktvariationswellenform Mf in 4 gezeigt.
Wenn die gepulste Beleuchtung auf das Messziel 9 an der Fokuspositionen Pf zu einem beliebigen Zeitpunkt (d.h. bei einer beliebigen Phase) in der Brennpunktvariationswellenform Mf angewandt wird, kann das Bild des beleuchteten Messziels 9 an der Fokusposition Pf mit bzw. bei einer gewünschten Brennweite Df zu einem beliebigen Zeitpunkt erhalten werden.
Währenddessen kann die kontinuierliche Beleuchtung anstelle der gepulsten Beleuchtung durchgeführt werden, während die Fokusposition Pf in Übereinstimmung mit der Brennpunktvariationswellenform Mf variiert wird und das Bild des Messziels 9 kontinuierlich erfasst wird, wodurch ein EDOF-Bild des Messziels 9 bereitgestellt wird, bei dem die scharfen Bilder des Messziels 9 bei der Brennweite Df, die von der kürzesten (Zustand von 4 (A)) bis zur längsten (Zustand von 4 (C) reichtt, überlagert sind.
Linsencontroller 6
Unter erneuter Bezugnahme auf 5 werden die Oszillation der Flüssiglinseneinheit 3, die Beleuchtung der Beleuchtungseinrichtung 5 und die Bilderfassung des Bilddetektors 4 der Linsenvorrichtung 1 mit variabler Brennweite basierend auf dem Ansteuersignal Cf, dem Beleuchtungssignal Ci und einem Bilderfassungssignal Cc von dem Linsencontroller 6 gesteuert bzw. geregelt. Zu diesem Zeitpunkt werden eine an die Flüssiglinseneinheit 3 angelegte Wirkleistung, ein Ansteuerstrom oder dergleichen als ein Oszillationszustand Vf an den Linsencontroller 6 zurückgegeben.
Der Linsencontroller 6 enthält: einen Antriebscontroller 61, der konfiguriert ist, das Antriebs- bzw. Ansteuersignal Cf an die Flüssiglinseneinheit 3 auszugeben; einen Beleuchtungscontroller 62, der konfiguriert ist, das Beleuchtungssignal Ci an die Beleuchtungseinrichtung 5 auszugeben; und einen Bilderfassungscontroller 63, der konfiguriert ist, das Bilderfassungssignal Cc an den Bilddetektor 4 auszugeben.
Der Steuer-PC 7 ist angeschlossen, um beispielsweise Bilderfassungsbedingungen wie die Einstellung des Linsencontrollers 6 zu konfigurieren.
Steuer-PC 7
Der Steuer-PC 7 enthält: eine Linsenbedieneinheit 71, die konfiguriert ist, den Linsencontroller 6 zu bedienen (z. B. um die Einstellung der Bilderfassungsbedingungen zu konfigurieren); einen Bildprozessor 72, der konfiguriert ist, das erfasste Bild Im von dem Bilddetektor 4 zu erfassen und zu verarbeiten; und eine Bedienschnittstelle 73, die konfiguriert ist, die Bedienung durch einen Benutzer an der Linsenvorrichtung 1 mit variabler Brennweite zu empfangen.
Die Linsenbedieneinheit 71 enthält einen Kalibrierungscontroller 711 und eine Kalibrierungstabelle 712 in der exemplarischen Ausführungsform.
Während ein Kalibrierwerkzeug 91 als das Messziel 9 der Linsenvorrichtung 1 mit variabler Brennweite eingestellt wird, wird der Kalibrierungscontroller 711 dahingehend angesteuert, die Kalibrierungstabelle 712 (siehe 9) zu erstellen, in der eine gewünschte Brechkraft (Schärfentiefe) und eine Spannung des entsprechenden Ansteuersignals Cf aufgezeichnet sind.
Ein zu messendes Messziel 9 wird eingestellt, und der Steuer-PC 7 mit der vorbereiteten Kalibrierungstabelle 712 ruft die der gewünschten Brechkraft entsprechende Spannung aus der Kalibrierungstabelle 712 ab und stellt die Spannung des Ansteuersignals Cf ein, das von dem Linsencontroller 6 auszugeben ist, so dass die gewünschte Brechkraft an der Flüssiglinseneinheit 3 erhalten werden kann.
Kalibrierwerkzeug 91
6 zeigt ein Kalibrierwerkzeug 91, das in der exemplarischen Ausführungsform verwendet wird. 6(A) zeigt ein laterales Profil (A) des Kalibrierwerkzeugs 91. 6(B) zeigt eine planare Form des Kalibrierwerkzeugs 91.
Wie in 6 gezeigt, enthält das Kalibrierwerkzeug 91: einen Hauptkörper 92, der in einem Block geformt ist, der aus einem anorganischen Material (z. B. Metall) oder einem Kunstharz besteht; und mehrere abgestufte Flächen bzw. Oberflächen 93, die an einer oberen Fläche bzw. Oberfläche des Hauptkörpers 92 ausgebildet sind. Eine Stufenhöhe dh zwischen den benachbarten abgestuften Flächen 93 ist fest.
Wenn das Kalibrierwerkzeug 91 bei der Linsenvorrichtung 1 mit variabler Brennweite eingestellt ist und der Bilddetektor 4 ein Bild des Kalibrierwerkzeugs 91 erfasst, kann der Bilddetektor 4 ein Bild (z. B. ein Oberflächenbild 94) erfassen, das Bilder mehrerer der abgestuften Flächen 93 enthält.
In der folgenden Beschreibung der abgestuften Flächen 93, deren Bilder als das Oberflächenbild 94 aufgenommen werden, ist die abgestufte Fläche 93 in der Mitte des Oberflächenbildes 94 als eine abgestufte Referenzfläche PO definiert, die abgestuften Flächen 93, die höher positioniert sind als die abgestufte Referenzfläche P0, sind sequentiell als abgestufte Flächen P1, P2, P3 etc. definiert, und die abgestuften Flächen 93, die niedriger als die abgestufte Referenzfläche P0 positioniert sind, sind sequentiell als abgestufte Flächen P-1, P-2, P-3 etc. definiert. Es sei angemerkt, dass, wenn mehr abgestufte Flächen 93 in dem Oberflächenbild 94 enthalten sind, die abgestuften Flächen 93 sequentiell als abgestufte Flächen P4, P5 etc. oder P-4, P-5 etc. definiert sind.
In der exemplarischen Ausführungsform beleuchtet die Beleuchtungseinrichtung 5 das Kalibrierwerkzeug 91 kontinuierlich, wobei das vom Bilddetektor 4 erfasste Bild des Kalibrierwerkzeugs 91 als EDOF-Bild bereitgestellt wird.
Insbesondere werden Bilddaten des Oberflächenbildes 94 erhalten, indem alle Bilddaten überlagert werden, die auf die jeweilige abgestufte Referenzfläche P0, die abgestuften Flächen P1 bis P3 und die abgestuften Flächen P-1 bis P-3 fokussiert sind. Die Bilddaten des Oberflächenbildes 94 sind als Bilddaten verwendbar, die auf irgendeine abgestufte Fläche Pn in einem Bereich von der abgestuften Fläche P3 mit der minimalen Brennweite bis zu der abgestuften Fläche P-3 mit der maximalen Brennweite fokussiert sind. Es ist anzumerken, dass Bilddaten, die auf eine der abgestuften Flächen (z. B. die abgestufte Fläche P1) fokussiert sind, nicht auf die anderen abgestuften Flächen (z. B. die abgestufte Fläche P2)fokussieren, mit anderen Worten, die Bilddaten enthalten auch sogenannte unscharfe Bilddaten.
Erstellungsprozess für die Kalibrierungstabelle 712
7 zeigt einen Erstellungsprozess für die Kalibrierungstabelle 712.
Wie in 7 gezeigt, wenn eine Bedienperson den Kalibrierungscontroller 711 unter Verwendung der Bedienschnittstelle 73 des Steuer-PC 7 startet, leitet der Kalibrierungscontroller 711 das Einstellen des Kalibrierwerkzeugs 91 durch eine Bildschirmanzeige oder dergleichen (Schritt S1).
Wenn die Bedienperson das Kalibrierwerkzeug 91 bei die Linsenvorrichtung 1 mit variabler Brennweite einstellt und die Einstellung des Kalibrierwerkzeugs 91 unter Verwendung der Bedienschnittstelle 73 eingibt, leitet der Kalibrierungscontroller 711 die Eingabe eines anfänglichen Spannungswerts Vo und eines Intervalls (Variationsbreite dV)) durch Bildschirmanzeige oder dergleichen (Schritt S2).
Wenn die Bedienperson den anfänglichen Spannungswert Vo und die Variationsbreite dV unter Verwendung der Bedienschnittstelle 73 eingibt, wiederholt der Kalibrierungscontroller 711 das Messen einer Schärfentiefe entsprechend einer Spannung Vi in Bezug auf jede der Spannungen, die durch die Spannung Vi=Vo+idV (i=0 bis n) erhalten werden (Schritte S3 bis S8), wodurch die Kalibrierungstabelle 712 erstellt wird (siehe 9).
Insbesondere steuert bzw. regelt der Kalibrierungscontroller 711 den Linsencontroller 6, um das Ansteuersignal Cf der Spannung Vi an die Flüssiglinseneinheit 3 anzulegen (Schritt S3), und steuert bzw. regelt den Bilddetektor 4, um das Oberflächenbild 94 (EDOF-Bild) des Kalibrierwerkzeugs 91 zu erfassen (Schritt S4). Anschließend erfasst der Kalibrierungscontroller 711 zwei Punkte (zwei abgestufte Flächen 93), deren Bildkontrast in dem Oberflächenbild 94 maximal ist (Schritt S5), berechnet eine Schärfentiefe Ei von jedem der zwei Punkte auf der Basis einer Differenz der Brennweite zwischen den beiden Punkten (Schritt S6) und zeichnet die erhaltenen Brennweiten Ei und die Spannungen Vi des Ansteuersignals Cf in einer entsprechenden Kombination auf (Schritt S7). Die obigen Schritte S3 bis S7 werden wiederholt, bis i=1 bis n erfüllt ist (Schritt S8), wodurch die Kalibrierungstabelle 712 erstellt werden kann.
8 zeigt eine Beziehung zwischen der Spannung V des Ansteuersignals Cf und den erfassten zwei abgestuften Flächen 93 beim Erstellen der Kalibrierungstabelle 712.
Wie in 8 gezeigt, wird die an die Flüssiglinseneinheit 3 angelegte Spannung V des Ansteuersignals Cf (Schritt S3 in 7) allmählich von V=0 in einem Teil (A) V=V1 in einem Teil (B) und V=V2 in einem Teil (C) in 8 erhöht.
Wenn die Spannung des Ansteuersignals Cf Null ist (V=0), wird die Flüssiglinseneinheit 3 nicht angesteuert und die Brennweite Df (siehe 4) der Linse mit variabler Brennweite (der Flüssiglinseneinheit 3 und der Objektivlinse 2) bleibt unverändert bei der zentralen Variationsbreite, so dass die Fokusposition Pf (siehe 4) auf der abgestuften Referenzfläche P0 an einem Teil (G) in 8 bleibt.
Wenn die Spannung V des Ansteuersignals Cf auf V1 und V2 erhöht wird, ist die Variationsbreite der Brennweite Df geringer als die Stufenhöhe dh (sowohl in positiver als auch in negativer Richtung) und bleibt in dem Bereich der Stufenhöhe dh (Bereich einschließlich der abgestuften Flächen P1 und P-1 benachbarten an die abgestufte Referenzfläche P0) an dem Teil (G).
Wenn die Spannung V des Ansteuersignals Cf weiter erhöht wird, um die Spannung V=V3 zu erreichen, überschreitet die Variationsbreite der Brennweite Df den Bereich der Stufenhöhe dh an dem Teil (G) und die Linse mit variabler Brennweite wird ebenfalls auf die benachbarten abgestuften Flächen P1 und P-1 fokussiert. Zu diesem Zeitpunkt führt die Spannung V=V3 des Ansteuersignals Cf zu der Schärfentiefe E=dhx2=2dh.
Wenn die Spannung des Ansteuersignals Cf V=V4 erreicht, überschreitet die Variationsbreite der Brennweite Df die Stufenhöhe 2dh an dem Teil (G) und die Linse mit variabler Brennweite wird auf die abgestuften Flächen P2, P-2 fokussiert, die Spannung V=V4 des Ansteuersignals Cf führt zu der Schärfentiefe E=2dh×2=4dh. Wenn die Spannung des Ansteuersignals Cf V=V5 erreicht, überschreitet die Variationsbreite der Brennweite Df die Stufenhöhe 3dh an dem Teil (G) und die Linse mit variabler Brennweite wird auf die abgestuften Flächen P3, P-3 fokussiert, die Spannung V=V5 des Ansteuersignals Cf führt zu der Schärfentiefe E=3dh×2=6dh.
Die Kalibrierungstabelle 712 kann erstellt werden, indem die Schärfentiefe Ei und die Spannung Vi des Ansteuersignals Cf in einer entsprechenden Kombination wie oben beschrieben aufgezeichnet werden (Schritt S7 in 7).
9 zeigt ein Beispiel der Kalibrierungstabelle 712, die gemäß einem in 8 gezeigten Beispiel erstellt wird.
Wie in 9 gezeigt, wird, wenn die Spannung des Ansteuersignals Cf V=0 ist, Licht auf die abgestufte Referenzfläche P0 fokussiert und die Schärfentiefe ist E=0 und die Brechkraft φ=1.
Wenn die Spannung des Ansteuersignals Cf V=V3 ist, wird Licht auf die abgestuften Flächen P1 bis P-1 fokussiert und die Schärfentiefe ist E=2dh und die Brechkraft φ=di1.
Wenn die Spannung des Ansteuersignals Cf V=V4 ist, wird Licht auf die abgestuften Flächen P2 bis P-2 fokussiert und die Schärfentiefe ist E=4dh und die Brechkraft φ=di2.
Wenn die Spannung des Ansteuersignals Cf V=V5 ist, wird Licht auf die abgestuften Flächen P3 bis P-3 fokussiert und die Schärfentiefe ist E=6dh und die Brechkraft φ=di3.
Vorausgesetzt, dass die Kalibrierungstabelle 712 erstellt ist, wenn die Schärfentiefe E oder die Brechkraft φ gegeben ist, die von der Linsenvorrichtung 1 mit variabler Brennweite benötigt wird, wird in der Kalibrierungstabelle 712 nach der Schärfentiefe E oder der Brechkraft φ gesucht, um die entsprechende Ansteuersignalspannung V abzurufen, und die Ansteuersignalspannung V wird als Ansteuersignal Cf des Linsencontrollers 6 eingestellt, wodurch die Linsenvorrichtung 1 mit variabler Brennweite auf eine gewünschte Schärfentiefe E oder Brechkraft φ eingestellt werden kann.
Gemäß der exemplarischen Ausführungsform können die folgenden Vorteile erzielt werden.
In der exemplarischen Ausführungsform kann die Beziehung zwischen der Spannung V des Ansteuersignals Cf und der Schärfentiefe E der Linse mit variabler Brennweite (der Flüssiglinseneinheit 3 und der Objektivlinse 2) in der Kalibrierungstabelle 712 aufgezeichnet werden (siehe 9), indem die Bilderfassung und die Berechnung unter Verwendung des Kalibrierwerkzeugs 91 wiederholt werden (Schritte S3 bis S7 in 7).
Insbesondere kann die Schärfentiefe E aus einer Differenz zwischen zwei Brennweiten (der längsten Brennweite und der kürzesten Brennweite) berechnet werden, die positiven und negativen Spitzen einer Wellenform des Ansteuersignals Cf entsprechen, indem die zwei Punkte erfasst werden, deren Bildkontrast ist in dem Oberflächenbild des Kalibrierwerkzeugs 91 maximal ist (Schritt S5 in 7), und die Stufenhöhen dh der abgestuften Flächen 93 des Kalibrierwerkzeugs 91 addiert werden.
Das zuverlässige und einfache Wiederholen des obigen Prozesses ermöglicht es, die Kalibrierungstabelle 712 zu erstellen, die die Schärfentiefe E und die Brechkraft φ der Linse mit variabler Brennweite und die entsprechende Ansteuersignalspannung V zeigt.
Um die Linse mit variabler Brennweite auf eine gewünschte Brennweite einzustellen, wird unter Bezugnahme auf die im Voraus erstellte Kalibrierungstabelle 712 die Spannung V entsprechend der gewünschten Schärfentiefe E abgerufen und das Ansteuersignal Cf wird auf die erhaltene Spannung V eingestellt. Dementsprechend kann die Linse mit variabler Brennweite eingestellt werden, um die gewünschte Schärfentiefe E bereitzustellen. Diese Einstellung des Ansteuersignals Cf ermöglicht, dass die Linse mit variabler Brennweite die gewünschte Brechkraft φ aufweist.
Das in der exemplarischen Ausführungsform verwendete Kalibrierwerkzeug 91 weist viele abgestufte Flächen 93 auf, die jeweils eine vorbestimmte Höhe (d.h. die Stufenhöhe dh) auf der Oberfläche des Kalibrierwerkzeugs 91 aufweisen. Dementsprechend bilden die mehreren abgestuften Flächen 93 mehrere Teile unterschiedlicher Höhe das Kalibrierwerkzeug 91, wodurch sie zur Berechnung des Bildkontrastes des Oberflächenbildes verwendbar sind. Dabei stellen die abgestuften Flächen 93 zuverlässig einen vorbestimmten Bereich für das Oberflächenbild des Kalibrierwerkzeugs 91 bereit und ermöglichen es zuverlässig und einfach, den Bildkontrast zu berechnen.
Da ferner die abgestufte Konfiguration des Kalibrierwerkzeugs 91 die abgestuften Flächen 93 definiert, von denen jede einen vorbestimmten Bereich bei derselben Brennweite (bei einer vorbestimmten Höhe, die dieselbe Brennweite sein soll) aufweisen kann, so dass eine reflektierte Lichtmenge zuverlässig erhalten werden kann, um den Bildkontrast zuverlässig und einfach zu berechnen.
Bei der Bilderfassung (Schritt S4 in 7) in der exemplarischen Ausführungsform erfasst der Bilddetektor 4 das EDOF-Bild, während die Beleuchtungseinrichtung 5 das Kalibrierwerkzeug 91 kontinuierlich beleuchtet, und das erfasste EDOF-Bild wird als das Oberflächenbild des Kalibrierwerkzeugs 91 zum Erstellen der Kalibrierungstabelle 712 verwendet.
Das EDOF-Bild enthält die überlagerten Bilddaten, die auf die Fokusposition Pf fokussiert sind, die als Antwort auf das Ansteuersignal Cf variiert. Wenn das Ansteuersignal Cf eine typische Sinuswelle ist, ist eine Variation eines Wertes des Ansteuersignals Cf bei und nahe der positiven Spitze und der negativen Spitze gering, wo eine Zunahme oder Abnahme des Wertes umgekehrt wird. Dementsprechend ist ein Komponentenverhältnis der Bilddaten des Ansteuersignals Cf bei und nahe der positiven Spitze und der negativen Spitze in dem EDOF-Bild hoch. Wenn der Bildkontrast des EDOF-Bildes unter diesen Umständen berechnet wird, gehen zwei Punkte des Ansteuersignals Cf bei und nahe der positiven Spitze und der negativen Spitze, deren Bilddaten in dem EDOF-Bild mit dem hohen Verhältnis enthalten sind, als obere zwei Punkte jeweils mit dem höchsten und zweithöchsten Bildkontrast hervor. Dementsprechend werden die längste Brennweite Df und die kürzeste Brennweite Df durch Auswählen der oberen beiden Punkte ausgewählt, und die Schärfentiefe E kann aus der Variationsbreite (dem Bereich, der als Brennweite eingestellt werden kann) zwischen den oberen beiden Punkten erhalten werden.
Wie in der exemplarischen Ausführungsform beschrieben, können die Bilddaten, die der positiven Spitze und der negativen Spitze des Ansteuersignals Cf entsprechen, leicht erhalten werden, während die kontinuierliche Beleuchtung verwendet wird, ohne eine teure Komponente wie eine Gepulstes-Licht-Beleuchtungseinrichtung zu verwenden.
Andere exemplarische Ausführungsform(en)
10 zeigt einen Erstellungsprozess für die Kalibrierungstabelle 712 gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der Erfindung.
Grundlegende Komponenten einer Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite in dieser exemplarischen Ausführungsform sind die gleichen wie die oben beschriebene Linsenvorrichtung 1 mit variabler Brennweite. Folglich wird die Beschreibung der gemeinsamen Komponenten, die in 1 bis 6, 8 und 9 gezeigt sind, weggelassen.
In der obigen exemplarischen Ausführungsform ist die Beleuchtungseinrichtung 5 eine typische Beleuchtungseinrichtung, die konfiguriert ist, eine kontinuierliche Beleuchtung durchzuführen. In dieser exemplarischen Ausführungsform ist die Beleuchtungseinrichtung 5 jedoch eine Gepulstes-Licht-Beleuchtungseinrichtung, die in der Lage ist, ein gepulstes Licht bei jeder Phase in einer Wellenform des Ansteuersignals Cf zu emittieren.
Der Erstellungsprozess für die Kalibrierungstabelle 712, der von dem Kalibrierungscontroller 711 des Steuer-PC 7 auszuführen ist, unterscheidet sich von dem in der obigen exemplarischen Ausführungsform beschriebenen Prozess.
Die Schritte S11 bis S13 in 10 sind dieselben wie die Schritte S1 bis S3 in 7. Darüber hinaus sind die Schritte S15 bis S18 in 10 dieselben wie die Schritte S5 bis S8 in 7. Mit anderen Worten unterscheidet sich der Erstellungsprozess in dieser exemplarischen Ausführungsform dahingehend, dass die Bilderfassung in Schritt S14 unter gepulster Beleuchtung durchgeführt wird und nur die Bilder bei der positiven Spitze und der negativen Spitze des Ansteuersignals Cf erfasst werden.
Da die in Schritt S14 erhaltenen Bilder aufgrund einer solchen gepulsten Beleuchtung Bilder bei der positiven Spitze und der negativen Spitze des Ansteuersignals Cf sind, kann eine Beurteilung (Erfassung der kürzesten Fokusposition und der längsten Fokusposition) zweier abgestufter Flächen 93 auf Basis der Bildkontrastberechnung im nächsten Schritt S15 im Vergleich zu der obigen exemplarischen Ausführungsform leicht und sehr genau unter Verwendung des EDOF-Bildes durchgeführt werden, das die Bilddaten in anderen Zeiträumen enthält.
Modifikation(en)
Es versteht sich, dass der Umfang der Erfindung nicht auf die oben beschriebene(n) exemplarische(n) Ausführungsform(en) beschränkt ist, sondern Modifikationen und Verbesserungen umfasst, die mit der Erfindung kompatibel sind.
In den obigen exemplarischen Ausführungsformen wird das Kalibrierwerkzeug 91 verwendet, das eine Mehrzahl abgestufter Flächen 93 mit der gleichen Stufenhöhe dh aufweist. In einigen Ausführungsformen wird jedoch zum Beispiel ein abgestuftes Kalibrierwerkzeug verwendet, bei dem die Stufenhöhe in der Nähe der abgestuften Referenzfläche klein ist und so erhöht wird, dass sie von der abgestuften Referenzfläche entfernt ist. Das abgestufte Kalibrierwerkzeug muss nur mehrere höhenunterschiedliche Teile auf einer Oberfläche aufweisen. Beispielsweise kann das abgestufte Kalibrierwerkzeug ein Block mit einer geneigten Fläche bzw. Oberfläche sein.
Wenn jedoch die Oberfläche des Kalibrierwerkzeugs abgestuft ist, wie in den obigen exemplarischen Ausführungsform beschrieben, kann jede der abgestuften Flächen 93 einen vorbestimmten Bereich bei derselben Brennweite aufweisen, was dahingehend effektiv ist, dass eine reflektierte Lichtmenge zuverlässig erhalten werden kann, um den Bildkontrast zuverlässig und einfach zu berechnen. Ferner erleichtert die feste Stufenhöhe dh das Berechnen der Brennweite, wodurch die Herstellung des Kalibrierwerkzeugs 91 erleichtert wird.
Die in der Erfindung verwendbare Linsenvorrichtung 1 mit variabler Brennweite ist nicht auf eine mit den in den 1 und 5 gezeigten Konfigurationen beschränkt, sondern jede Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite, einschließlich Konfigurationen, die der Linse mit variabler Brennweite (der Flüssiglinseneinheit 3 und der Objektivlinse 2), dem Bilddetektor 4, der Beleuchtungseinrichtung 5 und dem Linsencontroller 6 entsprechen, kann verwendet werden. Die Linse mit variabler Brennweite ist nicht auf eine Linse beschränkt, die das Flüssiglinsensystem verwendet, sondern jede Linse mit variabler Brennweite, die auf dem anderen Prinzip basiert, ist verwendbar.

Claims

Kalibrierungsverfahren für eine Linse (2, 3) mit variabler Brennweite, deren Brennweite (Df) als Antwort auf ein periodisches Ansteuersignal (Cf) unter Verwendung einer Linsenvorrichtung (1) mit variabler Brennweite periodisch variiert wird, wobei die Linsenvorrichtung (1) mit variabler Brennweite umfasst: die Linse (2, 3) mit variabler Brennweite; eine Beleuchtungseinrichtung (5), die konfiguriert ist, ein Messziel (9) zu beleuchten; einen Bilddetektor, der konfiguriert ist, ein Bild des Messziels (9) durch die Linse (2, 3) mit variabler Brennweite zu erfassen; und einen Linsencontroller (6), der konfiguriert ist, das Ansteuersignal (Cf) an die Linse (2, 3) mit variabler Brennweite auszugeben und die Beleuchtungseinrichtung (5) und den Bilddetektor (4) zu steuern bzw. zu regeln, wobei das Kalibrierungsverfahren umfasst: Einstellen des Messziels (9) in Form eines Kalibrierwerkzeugs (91) mit einer Mehrzahl von höhenunterschiedlichen Teilen (93) auf einer Fläche bzw. Oberfläche des Kalibrierwerkzeugs (91); anschließend Erstellen einer Kalibrierungstabelle (712) durch Wiederholen der Ausgabe des Ansteuersignals (Cf) mit einer vorbestimmten Spannung (V) von dem Linsencontroller (6) an die Linse (2, 3) mit variabler Brennweite, Erfassen eines Flächen- bzw. Oberflächenbildes (94) des Kalibrierwerkzeugs (91) unter Verwendung des Bilddetektors (4), Erfassen von zwei Punkten, deren Bildkontrast im Oberflächenbild (94) maximal ist, Berechnen einer Schärfentiefe (E) aus einer Differenz einer Brennweite (Df) zwischen den beiden Punkten und Aufzeichnen der Schärfentiefe (E) und der Spannung (V) des Ansteuersignals (Cf) in einer entsprechenden Kombination; und Abrufen eines Werts der Spannung, der einer gewünschten Schärfentiefe (E) entspricht, aus der Kalibrierungstabelle (712), um die Linse (2, 3) mit variabler Brennweite auf die gewünschte Schärfentiefe (E) der Brennweite einzustellen, und Einstellen der Spannung (V) des an die Linse (2, 3) mit variabler Brennweite auszugebenden Ansteuersignals (Cf) auf Basis des abgerufenen Werts.
Kalibrierungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das Kalibrierwerkezug (91) eine Mehrzahl von abgestuften Flächen bzw. Oberflächen (93) mit einer vorbestimmten Höhe auf der Fläche bzw. Oberfläche des Kalibrierwerkzeugs (91) umfasst.
Kalibrierungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Bilddetektor (4) ein EDOF-Bild erfasst, während die Beleuchtungseinrichtung (5) das Messziel (9) kontinuierlich beleuchtet, und das EDOF-Bild als das Oberflächenbild (94) des Kalibrierwerkzeugs (91) zum Erstellen der Kalibrierungstabelle (712) verwendet wird.
Kalibrierungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Beleuchtungseinrichtung (5) eine gepulste Beleuchtung an das Messziel (9) zu einem Zeitpunkt anlegt, der jeweils einer positiven Spitze und einer negativen Spitze des Ansteuersignals (Cf) entspricht; und der Bilddetektor (4) das Oberflächenbild (94) des Kalibrierwerkzeugs (91) als das Messziel (9) erfasst, auf das die gepulste Beleuchtung angewendet wird.
Linsenvorrichtung mit variabler Brennweite, umfassend: eine Linse (2, 3) mit variabler Brennweite, deren Brennweite (Df) als Antwort auf ein periodisches Ansteuersignal (Cf) periodisch variiert wird; eine Beleuchtungseinrichtung (5), die konfiguriert ist, ein Messziel (9) zu beleuchten; einen Bilddetektor (4), der konfiguriert ist, ein Flächen- bzw. Oberflächenbild des Messziels (9) durch die Linse (2, 3) mit variabler Brennweite zu erfassen; einen Linsencontroller (6), der konfiguriert ist, das Ansteuersignal (Cf) an die Linse (2, 3) mit variabler Brennweite auszugeben und die Beleuchtungseinrichtung (5) und den Bilddetektor (4) zu steuern bzw. zu regeln; und einen Kalibrierungscontroller (711), der konfiguriert ist, eine Spannung (V) des von dem Linsencontroller (6) ausgegebenen Ansteuersignals (Cf) einzustellen, wobei der Kalibrierungscontroller (711) eine Kalibrierungstabelle (712) erstellt durch Wiederholen der Ausgabe des Ansteuersignals (Cf) mit einer vorbestimmten Spannung (V) von dem Linsencontroller (6) an die Linse (2, 3) mit variabler Brennweite; Erfassen des Flächen- bzw. Oberflächenbildes (94) des Messziels (9) unter Verwendung des Bilddetektors (4), Erfassen von zwei Punkten (93), deren Bildkontrast im Oberflächenbild (94) maximal ist, Berechnen einer Schärfentiefe (E) aus einer Differenz einer Brennweite (Df) zwischen den beiden Punkten (93) und Aufzeichnen der Schärfentiefe (E) und der Spannung (V) des Ansteuersignals (Cf) in einer entsprechenden Kombination, und wobei der Kalibrierungscontroller (711) einen Werts der Spannung (V), der einer gewünschten Schärfentiefe (E) entspricht, aus der Kalibrierungstabelle (712) abruft, um die Linse (2, 3) mit variabler Brennweite auf die gewünschte Schärfentiefe der Brennweite einzustellen, und die Spannung (V) des an die Linse (2, 3) mit variabler Brennweite auszugebenden Ansteuersignals (Cf) auf Basis des abgerufenen Werts einstellt.