JP2008505351A

JP2008505351A - 測定装置

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Publication number: JP2008505351A
Application number: JP2007518788A
Authority: JP
Inventors: カイペル，ステイン; ハーウェーヘンドリクス，ベルナルデュス; センペル，アドリアニュス
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2008-02-21
Also published as: EP1771761A1; WO2006003610A1; CN100437187C; US20080055425A1; CN1981229A

Abstract

本発明は、画像センサと、画像センサにおいて画像の焦点を合わせるよう配置されたエレクトロウェッティングレンズと、制御ユニットとを有する測定装置に関する。制御ユニットは、エレクトロウェッティングレンズの状態と、画像センサにより供給された画像信号から得られた焦点情報とに基づいて対象までの距離を決定するよう動作する。

Description

本発明は、離れたところにある対象の位置、速度及び／又は加速度を測定するための手段に関する。

自動焦点合わせ（ＡＦ型）カメラでは、カメラから撮影されるべき対象までの距離は、一般に、三角測定法に従って測定される。この方法では、遠赤外線ビームが光投写素子から対象に向かって投写され、対象からの反射光が受光素子により受光され、対象までの距離は、対象から受けた光の受光素子での位置に基づいて計算される。

しかし、米国特許５，２３１，４４３号明細書（特許文献１）は、カメラシステムからの対象の距離を決定するための画像デフォーカス（ｄｅｆｏｃｕｓ）情報に基づく方法を記載する。この方法は、連続的に異なるレンズ設定の下で捕捉された少なくとも２つの異なる画像を比較する信号処理技術を使用する。この目的のために、２つの画像は、特定の方向に沿ってそれらを加算することにより、１次元の信号に変換される。一次元信号のフーリエ変換、及びρの平方による対数の除算（ｌｏｇ−ｂｙ−ｒｏｈ−ｓｑｕａｒｅｄ）変換は、計算された表を得るために使用される。記憶される表は、ｌｏｇ−ｂｙ−ｒｏｈ−ｓｑｕａｒｅｄ変換と、カメラシステムの変調伝達関数（ＭＴＦ）とにより計算される。計算された表及び記憶された表に基づいて、所望の対象の距離が決定される。

米国特許５，２３１，４４３号明細書に従って、レンズ設定は、４つの調節可能なカメラパラメータ、即ち、カメラ内部の画像検出器の位置、カメラの光学システムの焦点距離、カメラの開口サイズ、及びカメラの光フィルタの特性により決定される。実質的に、変調伝達関数、及び画像信号の周波数成分は、対象の画像が焦点を合わせられているか否かを決定するために使用され、対象までの距離は、画像が実際に焦点を合わせられる場合にレンズ設定に基づいて決定される。
米国特許５，２３１，４４３号明細書

画像信号処理に基づく測距は、多数の用途にとって有利である。しかし、既存の製品は、極めて複雑であり、且つ多数の構成要素間の相互作用を必要とする。具体的には、必要とされるレンズシステムは、焦点距離及び開口を制御するための多数の可動部品を有する。従って、結果として得られる装置は、一般的に極めて高価である。更に、多数の用途がほぼ瞬時の測定を必要とする。これは、特に、移動中の物体までの距離を測定する場合である。既存の装置は、特に、法外な費用及び複雑性を伴わずには、この要求を満足することができない。

従って、それ程複雑ではなく、且つ製造費用の安い改善された距離測定器が求められる。更に、高速な対象を測定できるほど十分に速い距離測定器が求められる。

従って、本発明の目的は、上記要求を満足することである。この目的は、請求項１で定義される測定装置により達成される。当該測定装置の有利な実施例は、従属請求項により定義される。

本願出願人による近年の発展は、従来のレンズが所謂エレクトロウェッティングレンズと交換されうることを示してきた。このようなレンズの光出力は、異なる屈折率を有する２つの不混和性の流動体の空間的な相互関係を制御することにより調節可能である。基本的に、夫々の流動体の位置は、槽内の疎水性／親水性の接触表面の組み合わされた相互作用と、電極両端に印加された静電気力とによって決定される。夫々の流動体は、疎水性／親水性及び静電気力により違うように且つ予想通りに影響を及ぼされ、それにより流動体の空間的な相互関係は制御可能である。

典型的なエレクトロウェッティングレンズは、２つの流動体を含み、疎水性及び親水性の内部表面を有する閉じられた槽を有するので、流動体は、明確な空間的相互関係にあり、レンズ形状のメニスカス（ｍｅｎｉｓｃｕｓ）を定める。異なる屈折率により、メニスカスは、そのメニスカスを横切って移動する光に作用する屈折力を有する。エレクトロウェッティングレンズの利点は、製造費用が安く、可動部分を有さず、消費電力が低く、且つ小型化が可能である点である。

本発明の目的のために、エレクトロウェッティングレンズは、画像解析手法と組み合わせて、距離計での使用のために適切にされる。小型、ロバスト性、及び低コストであることに加えて、エレクトロウェッティングレンズは、非常に高速な応答時間（通常１０ｍｓのオーダー）を有する。これは、距離測定装置において極めて有利である。

従って、本発明の一態様に従って、画像センサと、該画像センサにおいて画像の焦点を合わせるよう配置されたエレクトロウェッティングレンズと、制御ユニットとを有する測定装置が提供される。前記制御ユニットは、前記エレクトロウェッティングレンズの状態と、前記画像センサにより供給された画像信号から得られた焦点情報とに基づいて対象までの距離を決定するよう動作する。

原理上は、全てのレンズ状態は、対象が焦点を合わせられる範囲（即ち、焦点深度）に関連する。従って、レンズ状態と、画像が実際に焦点を合わせられたこととを知った場合には、対象までの距離がその範囲内にあると知られる。

非常に正確な距離が要求される場合には、対象が焦点を合わせられる範囲（即ち、レンズシステムの焦点深度）を低減することが望ましい。焦点深度は、レンズシステムの特性であり、従来の光線追跡ソフトウェアにより計算されうる。焦点深度を低減する１つの方法は、例えば、幅広い開口を使用することである。

更に、動いている対象（例えば、オートバイ又はマラソン走者）までの距離の正確な測定は、非常に高速な測定プロセスに依存する。測定プロセスの高速性のために２つの重要な要素、即ち、前記制御ユニットの計算能力及び前記レンズの制御性がある。従って、前記エレクトロウェッティングレンズは、この点で特に有用であると知られる。

対象までの距離を測定する可能性は、多数の用途にとって非常に魅力がある。更に、距離の連続的な測定によって、カメラの方向に向かう対象又はカメラから離れていく対象の速度を決定することさえ可能である。例えば、時間Ｔ１での距離Ｄ１及び時間Ｔ２での距離Ｄ２を測定することは：
Ｖ＝（Ｄ２−Ｄ１）／（Ｔ２−Ｔ１）（１）
として速度Ｖを与える。

対象が可変な速度を有する場合には、正確な速度測定は、連続的な距離測定の間の短時間の間隔（即ち、Ｔ２−Ｔ１は小さくなるべきである。）に依存する。言い換えると、これは、装置の距離測定の高速性に特に高い必要性を置く。

更に、時間Ｔ１での距離Ｄ１、時間Ｔ２での距離Ｄ２、及び時間Ｔ３での距離Ｄ３を測定する場合には、対象の加速度ａを計算することが可能となる：
ａ＝−((Ｄ２−Ｄ１)／(Ｔ２−Ｔ１)−(Ｄ３−Ｄ２)／(Ｔ３−Ｔ２))／((Ｔ３−Ｔ１)／２)
（２）。

基本構成において、前記制御ユニットは、レンズシステムの光軸にある画像、即ち、画像センサの中央にある対象を解析する。このような場合に、当該装置は所望の対象に向けられて、測定は、前記所望の対象が向けられる場合に、ユーザコマンドで実行される。

しかし、一実施例に従って、前記制御ユニットは、前記光軸から離れて置かれた対象への角度方向を決定するよう動作する。それによって、例えば、画像内の任意の位置にある対象を解析することが可能である。これは、当該測定装置が固定されて、離れたところで監視される場合に（例えば監視カメラ）、特に有利であり得る。このような場合に、当該装置は、ユーザ入力インターフェースを有するシステムの一部を形成しても良い。前記ユーザ入力インターフェースは、例えば、操縦者が測定されるべき対象を指し示すようスクリーン上でポインタを制御することを可能にするジョイスティックであっても良い。その場合に、焦点情報は、画像のその特定の部分に基づいて決定される。

他の代替案は、１つの極限状態から他の極限状態までレンズを掃引して、（焦点が合った多数の範囲に対応する）多数の中間状態にある画像を解析することである。それによって、異なる距離及び角度で画像内の対象を識別すること、即ち、画像内の異なる対象の位置を決定することが可能である。

更に、対象の画像センサにおける時間変位から、その距離とともに、カメラの光軸に対して垂直な方向でも速度成分（及び加速度成分）を決定することが可能である。

本発明に従って、特定の対象が焦点を合わせられているか否かの情報（ここでは、「焦点情報」と呼ばれる。）は、画像信号から得られる。これは、多数の異なる方法で実行可能である。１つのアプローチは、前記画像信号の周波数成分を解析することである。一般的に、信号における高周波は、鮮明な焦点の合った画像に対応し、主に低周波は、焦点が合っていない不鮮明な画像に対応する。前記周波数成分はフーリエ変換により解析されても良い。

前記周波数成分の解析に代わる案は、前記画像信号のエッジ検出を用いることである。このアプローチは、隣り合う画素間のコントラストの測定を含む。即ち、コントラスが高ければ高いほど、画像はますます鮮明である。

当該測定装置は、ロバスト且つ低コストの距離計が必要とされるところの多種多様な用途に適用可能である。このような用途は、例えば乗用車及びトラック等の車両におけるオートパイロット及び安全システム（例えば、他の車両までの距離の測定）を含む。例えば、当該測定装置は、予め設定された間隔の自動保持を容易にするなど、障害物及び／又は同じ道路ユーザまでの距離を測定するために使用されても良い。

他の用途範囲は、例えば、当該測定装置により測定される特定の対象に対してロボットアームを制御するなど、自動制御において知られる。

更なる用途は、カメラ配置において知られる。例えば、自動焦点カメラでは、前記距離計は、自動焦点機能を制御するために使用されうる。このような用途において、望ましくは、当該測定装置はカメラシステムに組み込まれるので、同じレンズシステム及び画像センサが距離計及び写真撮影のためのカメラとして使用される。従って、本発明の一態様に従って、上述されたような測定装置を有するカメラ配置が提供され、前記エレクトロウェッティングレンズ及び前記画像センサは写真撮影のためにも用いられる。更に、このようなカメラ配置では、距離を定めて、焦点を制御することは関連問題である。従って、望ましくは、前記制御ユニットは、自動焦点制御ユニットとしても動作可能であるべきである。

なお、用語「制御ユニット」は、幅広く解釈されるべきであり、制御が当該「制御ユニット」を共に形成する相互接続されたユニットのシステムで実行される場合のみならず、全ての制御が１つの物理ユニットで実行される場合を含む。

１つの単一ユニットでカメラ機能及び測距機能を有することにより、低コスト、ロバスト性、及び小型化を含む多数の利点がもたらされる。更に、前記制御ユニットは、画像において対象の距離、速度、及び／又は加速度のうち少なくとも１つを出力するよう動作しても良い。それにより、距離／速度／加速度に関する情報は、画像自体と同じメモリ空間に自動的に保存される。

上記利点（低コスト、ロバスト性、小型化）は、例えば、携帯電話用途等に適したカメラ配置を可能にする。従って、本発明の一態様は、上述されたようなカメラ配置を有する携帯電話を提供する。従って、このような携帯電話は、カメラにより照準を合わせられた対象の距離、速度、及び／又は加速度を測定することができる。

上述されたように、監視カメラは、他の適切な用途範囲である。従って、本発明の一態様は、上述されたようなカメラ配置を有する監視カメラを提供する。

本発明のレンズ配置は、１よりも多いエレクトロウェッティングレンズを有しても良い。具体的には、レンズ配置は従来の静的なレンズを有しても良く、更に、用途に依存して更なるエレクトロウェッティングレンズを有しても良い。例えば、カメラ配置が設けられる場合に、前記レンズ配置は、カメラの自動焦点機能及びズーム機能を共に提供する少なくとも２つのエレクトロウェッティングレンズを有しても良い。

本発明は、更に、距離計から対象までの距離を測定する方法を提供する。この方法に従って、前記距離は、エレクトロウェッティングレンズの状態と、画像信号の焦点状態とに基づいて決定される。

以下、本発明について、添付の、例としての図面を参照して更に説明する。

本発明に従う測定装置は、２つの必須部分を有する。即ち、それは、画像センサを有するレンズシステムと、レンズ状態及び焦点情報を決定する制御ユニットとである。以下で、エレクトロウェッティングレンズについて最初に説明する。次に、制御ユニットの動作について更に詳細に説明する。最後に、測定装置の想定される適用範囲の形で様々な実施例を説明する。

図１〜３は、導管を形成する円筒形の第１の電極２を有し、２つの流動体Ａ及びＢを有する流動体槽を形成するよう透明な正面要素４と透明な背面要素６とによって密閉された様々な焦点エレクトロウェッティングレンズ１００を示す。第２の透明な電極１２は、流動体槽の方に向かって、透明な背面要素６に配置される。

２つの流動体は、例えばシリコン又はアルカン等の絶縁材である第１の液体Ａ、及び例えば食塩水を含む水等の導電材である第２の液体Ｂの形をした２つの不混和性の液体を有する。望ましくは、２つの液体は等しい濃度を有するよう配置されるので、レンズはレンズの方向とは無関係に、即ち、２つの液体の間の重力効果に依存せずに機能する。これは、第１の液体成分の適切な選択により達成されうる。例えば、アルカン又はシリコン油の濃度は、それらの濃度を増大させて食塩水の濃度と一致させるよう分子成分の追加により変更されうる。

用いられる油の選択に依存して、油の屈折率は、例えば１．２５から１．７の間で変化しうる。同様に、加えられる塩の量に依存して、食塩水は、例えば１．３３から１．５の間で屈折率が変化しうる。後述される特定のレンズにおける流動体は、第１の流動体Ａが第２の流動体Ｂよりも高い屈折率を有するように選択される。しかし、他の実施例では、この関係は逆であっても良い。

第１の電極２は、一般的に１ｍｍから２０ｍｍの間の内側半径の円筒でありうる。電極２は、例えば金属物質から形成されても良く、そのような場合に、パリレンから形成された絶縁層８によって表面を覆われても良い。絶縁層８は、一般的に５０ｎｍから１００μｍの間であり、望ましくは、１μｍから１０μｍの間である。絶縁層８は、流動体接触層１０により表面を覆われている。流動体接触層１０は、流動体槽の円筒形の壁面によるメニスカス（ｍｅｎｉｓｃｕｓ）の接触角におけるヒステリシスを低減する。望ましくは、流動体接触層１０は、例えばデュポン（登録商標）社製のテフロン（登録商標）ＡＦ１６００等の非結晶の過フッ化炭化水素から形成される。流動体接触層１０は、５ｎｍから５０μｍの間の厚さを有しており、電極２の連続的な浸漬被覆により作られても良い。パリレン被覆は、化学蒸着により加えられても良い。第２の流動体による流動体接触層の湿潤性は、第１及び第２の電極間に電圧が印加されない場合には、流動体接触層１０とメニスカス１４との両側の交点で実質的に等しくなる。

第２の環状電極１２は、流動体槽５の一端に、この場合には背面要素６に隣接して配置される。第２の電極１２は、電極が第２の流動体Ｂで作動するように、流動体槽５の少なくとも一部とともに配置される。

２つの流動体Ａ及びＢは、メニスカス１４によって分けられた２つの流動体に分けられるように、混合することができない。第１及び第２の電極間に電圧が印加されない場合に、流動体接触層１０は、第２の流動体Ｂよりも第１の流動体Ａに関して高い湿潤性を有する。エレクトロウェッティングにより、第２の流動体Ｂによる湿潤性は、第１の電極と第２の電極との間に電圧が印加された状態で変化する。これにより、３つの統制線（流動体接触層１０と２つの流動体Ａ及びＢとの間の接触線）においてメニスカス１４の接触角を変更することができる。従って、メニスカス１４の形状は、印加電圧に依存して変えられる。

ここで図１を参照する。例えば０Ｖから２０Ｖの間といった低い電圧Ｖ１が電極間に印加される場合に、メニスカス１４は第１の凹面メニスカス形状となる。この形状では、メニスカス１４と流動体接触層１０との間の初期接触角θ１は、流動体Ｂで測定されて、例えば約１４０度である。第２の流動体Ｂよりも高い第１の流動体Ａの屈折率により、メニスカスにより形成されるレンズ（ここでは、メニスカスレンズと呼ばれる。）は、この形状で比較的高い負の出力を有する。

メニスカス形状の凹面を低減するよう、より高い電圧が第１及び第２の電極間に印加される。ここで図２を参照する。例えば２０Ｖから１５０Ｖの間の中間の電圧Ｖ２が絶縁層の厚さに依存して電極間に印加される場合に、メニスカスは、図１のメニスカスと比較して増大した曲率の半径を有する第２の凹面メニスカス形状となる。この形状では、第１の流動体Ａと流動体接触層１０との間の中間接触角θ２は、例えば約１００度である。第２の流動体Ｂよりも高い第１の流動体Ａの屈折率により、この構成におけるメニスカスレンズは、比較的低い負の出力を有する。

凸面メニスカス形状を作るよう、より一層高い電圧が第１及び第２の電極間に印加される。ここで、図３を参照する。例えば１５０Ｖから２００Ｖの間の比較的高い電圧Ｖ３が電極間に印加される場合に、メニスカスは、そのメニスカスが凸面であるところのメニスカス形状となる。この形状では、第１の流動体Ａと流動体接触層１０との間の最大接触角θ３は、例えば約６０度である。第２の流動体Ｂよりも高い第１の流動体Ａの屈折率により、この構成におけるメニスカスレンズは、正の出力を有する。

メニスカス形状、ひいてはレンズ出力は、２つの電極間に印加された電圧の適切な選択により、如何なる中間のレンズ状態としても容易に選択されうる。

流動体Ａは上記例では流動体Ｂよりも高い屈折率を有するが、流動体Ａは、また、流動体Ｂよりも低い屈折率を有しても良い。例えば、流動体Ａは、水よりも低い屈折率を有する（ペル）フルオロ油であっても良い。この場合には、望ましくは、非結晶のフッ素重合体層は、フルオロ油を溶解しうるので使用されない。代わりの流動体接触層は、例えばパラフィン膜である。

図４は、本発明の実施例に従って、レンズスタック１０２〜１１８と、画像センサ１２０と、制御ユニット５００とを有する距離計を表す。図１から３に関して説明された要素と類似する要素は、１００だけ増分された同じ参照番号を付与されており、これらの類似する要素に関する上記説明はここでも適用されるべきである。

装置は、円筒形の第１の電極１０２と、固定した正面レンズ１０４と、固定した背面レンズ１０６とを有する、複数の部分から成る様々な焦点レンズを有する。２つのレンズ及び第１の電極により取り囲まれた空間は、円筒形の流動体槽１０５を形成する。流動体槽１０５は、第１及び第２の流動体Ａ及びＢを保持する。２つの流動体はメニスカス１１４に沿って接する。メニスカスは、第１の電極１０２と第２の電極１１２との間に印加された電圧に依存して、上述されたように、可変な出力のメニスカスレンズを形成する。代わりの実施例では、２つの流動体Ａ及びＢは位置を変更されても良い。正面レンズ１０４は、例えばポリカーボネート又は環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）等の高い屈折作用を有するプラスチックの凸−凸レンズであり、正の出力を有する。正面レンズ１０４の表面の少なくとも一方は非球面であって、所望の初期焦点特性を提供する。後部レンズ要素１０６は、例えばＣＯＣ等の低い分散性を有するプラスチックから形成され、フィールド・フラッタナーとして作動する非球面のレンズ表面を有する。後部レンズ要素１０６の他の表面は、平面、球面又は非球面であっても良い。第２の電極１１２は、後部レンズ要素１０６の屈折作用を有する表面の周囲に置かれた環状電極である。従って、この複数の部分から成るレンズは、２つの従来の静的レンズと、中間にあるエレクトロウェッティングレンズとを有する。

眩光絞り１１６及び開口絞り１１８はレンズの正面に加えられおり、例えばＣＭＯＳセンサ配列又はＣＣＤセンサ配列等の画像分解センサ１２０は、レンズの後ろのセンサ面に置かれている。

電子制御回路５００は、無限長から１０ｃｍの間の対象範囲を提供するように、画像信号の焦点制御処理によって得られる焦点制御信号に従ってメニスカスを駆動する。制御回路５００は、無限長に焦点を合わせることが達成されるところの低い電圧レベルと、より近い対象が焦点を合わせられるべき場合のより高い電圧レベルとの間で印加電圧を制御する。無限長に焦点を合わせる場合に、約１４０度の接触角を有する凹面メニスカスが作られ、一方、１０ｃｍに焦点を合わせる場合には、約１００度の接触角を有する凹面メニスカスが作られる。

距離計からの正確な測定値は、正確な焦点情報と、正確なレンズ状態情報とに依存する。正確なレンズ状態情報、即ち、エレクトロウェッティングレンズの状態に関する情報は、対象がその特定のレンズ状態の画像センサにはっきりと現れるところの距離に関する、例えばルックアップテーブルからの情報と組み合わされており、画像センサにはっきりと焦点を合わせられた対象までの距離の測定を与える。ルックアップテーブルは、レンズシステムでの光線追跡計算に基づいて、１度限り形成されうる。しかし、レンズ状態は、連続的に決定されるべきである。レンズ状態を測定する直接的な方法は、エレクトロウェッティングレンズへ印加された電圧を測定することである。電圧が高くなればなるほど、ますますレンズはその最初の基底状態から変化する。エレクトロウェッティングレンズは、直流電圧（ＤＣ）又は交流電圧（ＡＣ）によって駆動されうる。直流電圧によるレンズの連続動作は、一般的に、印加電圧とレンズ状態との間の最初の関係を悪化させうるレンズでの残留電圧の発生をもたらしうる。この残留電圧効果は、交流の駆動電圧によりある程度軽減されうる。しかし、使用される電圧に関わらず、印加電圧と結果として得られるレンズ状態との間の関係を悪化させる残留電圧の発生が起こり得る。

レンズ状態を測定する他の方法は、キャパシタとしてエレクトロウェッティングレンズを解釈することである。基本的に、導電材である第２の流動体、絶縁層、及び第２の電極は、メニスカスの位置に依存する静電容量を有するキャパシタを形成する。容量は、従来の容量計により測定可能であり、メニスカスレンズの光度は、静電容量の測定値から決定可能である。言い換えると、夫々及び全てのレンズ状態に関して、その特定のレンズ状態に対応する唯一の容量が存在する。従って、エレクトロウェッティングセルの容量の測定は、レンズ状態を決定するための代わりのアプローチである。

容量を測定するための１つのアプローチは、米国特許出願２００２／０１７６１４８号に記載される。その説明に関する記載で、エレクトロウェッティングレンズの容量は、直列ＬＣ共振回路により決定されうる。図５を参照する。所定の周波数ｆ_０を有する交流駆動電圧Ｅ_０は、インピーダンスＺ_０を有する電源手段５０１から光学素子４００の１つの電極１１２へ印加される。結果として得られる電流ｉ_０は、光学素子４００の電極１１２に流れ込み、電極１０２から流れ出て、インピーダンスＺ_Ｓを有する直列共振回路５０２に供給され、直列ＬＣ共振回路５０２の中点で検出電圧Ｅ_Ｓを生じさせる。検出電圧Ｅ_Ｓは、電流ｉ_０に比例する。

検出電圧Ｅ_Ｓは増幅器５０３により増幅され、増幅された電圧は、ＣＰＵ５０５に供給される前にＡＣ／ＤＣ変換手段５０４で直流電圧に変換される。

共振回路の代わりとして、ＬＣＲメータと並行して用いられ、容量検出器又は他の代わりのアプローチとして知られるブリッジが同じくよく用いられうる。

光学素子の容量は、印加電圧に対して変化する。印加電圧が高くなればなるほど、容量はますます大きくなる。駆動電圧Ｅ_０１が電源手段５０１により供給される場合に、光学素子４００のメニスカス形状は変形し、その容量は、検出電圧Ｅ_Ｓ１を生じさせるようＣ１となる。駆動信号をＥ_０２＞Ｅ_０１まで増大させることにより、光学素子のメニスカス形状は更に変形され、光学素子４００の容量はＣ２となる（Ｃ２＞Ｃ１）。結果として得られる検出電圧は、Ｅ_Ｓ１よりも大きいＥ_Ｓ２となる。

レンズの容量に関する正確な情報に基づいて、レンズ状態は決定されうる。これは、例えば、夫々の容量レベルに関して対応するレンズ状態を一覧にするルックアップテーブルを用いて実行可能である。代替的に、レンズ状態（即ち、焦点が合った対象までの距離）と容量との関係は、所定のモデルで推定され、プロセッサユニットで計算されうる。

焦点合わせは、空間領域又は周波数領域のいずれかで画像の高周波成分を最大化することにより実行されうる。周波数領域では、フーリエ変換が焦点基準として普通に使用され、一方、空間領域では、エッジ検出が一般的に使用される。エッジ検出は、隣り合う画素間のコントランスにおける差の評価に基づく。コントラスト差が大きいと鮮明な画像を示し、一方、不鮮明な画像ではコントラスト差が小さい。エッジ検出は、一般的に、対象の境界で通常は見つけられる光度の顕著な変化を強調する高域通過空間フィルタにより実行される。高域通過フィルタは線形又は非線形であり、非線形フィルタの例としては、ロバート、ソーベル・プルウィット、グラディエント、及び微分フィルタ等がある。これらのフィルタは、画像のエッジ及び輪郭を検出するために有効である。

周波数成分がフーリエ変換により解析される場合に、カメラシステム全体は、一組の対象距離Ｕ＝（ｕ１，ｕ２，．．．，ｕｍ）及び一組の離散周波数Ｖ＝（ρ１，ρ２，．．．，ρｎ）で変調伝達関数（ＭＴＦ）により最初に特性を示される。

対象距離は、夫々の対象距離での対象の焦点が合った一組の関連するレンズ状態に対応する。

ＭＴＦは、一組のカメラパラメータと、カメラシステムにより画像化される対象の距離Ｕとによって決定される。使用されるレンズ構成に依存して、カメラパラメータの組は（ｉ）レンズ状態（ｓ）を有する。レンズ状態は、例えば駆動電圧又は静電容量により決定されるメニスカスの形状を参照する。カメラパラメータは、また、（ｉｉ）カメラ開口の直径（Ｄ）及び／又は（ｉｉｉ）カメラシステム内の光学システムの焦点距離（ｆ）を有しても良い。

カメラシステムは、少なくとも２つの区別可能なカメラ設定に設定可能であるべきである。第１のカメラ設定は、カメラパラメータＥ１＝（ｓ１，ｆ１，Ｄ１）の第１の組に対応し、第２のカメラ設定は、カメラパラメータＥ２＝（ｓ２，ｆ２，Ｄ２）の第２の組に対応する。カメラパラメータの第２の組は、少なくとも１つのカメラパラメータ値において、カメラパラメータの第１の組とは異なるべきである。望ましくは、全てのパラメータは、レンズ状態を別にすれば、一定に保たれる。レンズ状態の変化は、その場合に、画像解析アルゴリズムにより得られた焦点値の変化をもたらしうる。

基本的に、カメラパラメータの各組は、焦点が合った１つの距離範囲と、焦点が合わない（焦点が合った距離範囲よりも近い及び／又は遠い）１又は２の範囲とを提供する。従って、ほとんどのアプリケーションで、更に正確な距離測定値を提供するカメラパラメータのより大きな組を有することが望ましい。しかし、離散的な距離範囲の数が増大すると、計算負荷も増大し、ひいては、測定速度が遅くなる。また、距離範囲の数が増大すると、制御ユニットがより高価な装置となるだけではなく、レンズスタックにはより高い精度要求が求められる。

周波数領域での周波数成分解析は、一般的に、多数の連続したステップで実行される。２つのカメラ設定のみを用いる１つのアプローチは、米国特許５，２３１，４４３号明細書に記載される。最初に、そこに記載されるように、比率表が、対象距離Ｕの組と離散周波数Ｖの組とで計算される。比率表の項目は、第２のカメラ設定におけるＭＴＦ値に対して第１のカメラ設定におけるＭＴＦ値の比を計算することにより得られる。次に、ρの平方による対数の除算（ｌｏｇ−ｂｙ−ｒｏｈ−ｓｑｕａｒｅｄ）変換と名付けられた変換が、記憶されるルックアップテーブルＴ_Ｓを得るために比率表に適用される。如何なる周波数ρでの比率表の値のｌｏｇ−ｂｙ−ｒｏｈ−ｓｑｕａｒｅｄ変換も、最初に値の自然対数を取って、ρの平方により割ることにより計算される。

記憶されるルックアップテーブルが整えられると、カメラはカメラパラメータの第１の組Ｅ_１により特定される第１のカメラ設定に設定される。対象の第１の画像ｇ_１は、画像検出器で形成されて、第１のデジタル画像として画像プロセッサに記録される。次に、第１のデジタル画像は、２次元である第１のデジタル画像とは対照的に単なる１次元である第１の信号を得るよう、特定の方向に沿って加算される。しかし、デジタル画像の加算は、実際には随意であるが、雑音の影響、更にはその後の計算の数を著しく低減しうる。次に、第１の信号は、第１の正規化信号を供給するよう、その平均値に関して正規化され、第１の正規化信号のフーリエ係数の第１の組は、一組の離散周波数Ｖで計算される。

第１のカメラ設定に関する計算が実行されると、カメラシステムはカメラパラメータの第２の組Ｅ_２により特定される第２のカメラ設定に設定される。対象の第２の画像ｇ_２は、画像検出器で焦点を合わせられて、第２のデジタル画像として画像プロセッサに記録される。第１のデジタル画像が特定の方向に沿って加算された場合に、第２のデジタル画像は同じ特定の方向に沿って加算されるべきである。次に、第２の信号は、第２の正規化信号を供給するよう、その平均値に関して正規化され、第２の正規化信号のフーリエ係数の第２の組は、一組の離散周波数Ｖで計算される。

２つのカメラ設定に関する計算が実行されると、フーリエ係数の第１の組及びフーリエ係数の第２の組の対応する要素は、ｌｏｇ−ｂｙ−ｒｏｈ−ｓｑｕａｒｅｄ変換が計算された表Ｔ_Ｃを得るために適用されるところの一組の比率値を供給するよう割られる。ここで、また、如何なる周波数ρでの比率表の値のｌｏｇ−ｂｙ−ｒｏｈ−ｓｑｕａｒｅｄ変換も、最初に比率値の自然対数を取って、次にρの平方により割ることにより計算される。

最後のステップで、対象の距離は、計算された表Ｔ_Ｃ及び記憶された表Ｔ_Ｓに基づいて計算される。

上記方法は、全ての形式のＭＴＦにとって一般的であり且つ適用可能である。特に、それは、ガウス関数であるＭＴＦに適用可能であり、それは、また、画像形成の近軸の幾何学的な光学モデルに従って決定されるｓｉｎｃ状ＭＴＦにも適用可能である。記憶されるＴ_Ｓは、幾つかの可能な形の中の１つで表されうる。特に、それは、二次関数に対応する一組の３つのパラメータ、又は一次関数に対応する一組の２つのパラメータによって表されうる。これらの２つの場合のいずれであっても、対象の距離は、計算された表Ｔ_Ｃの平均値を計算することにより、又は計算された表と記憶された表との間の平均平方誤差を計算することにより計算される。

本発明に従う測定装置は、多種多様な用途で使用可能である。例えば、警官は、車両の速度を測定するためにこの測定装置を使用することができる。この目的のために、測定装置は、車両に焦点が合う時を決定して、ナンバープレートを含む車両の写真を撮る自動焦点カメラに組み込まれても良い。写真撮影時のレンズ位置から、車両の距離が決定される。この手順は、その後短時間に繰り返される。２つのレンズ位置及び対応する車両距離から、車両の速度が決定される。速度が法定速度を上回る場合には、その写真は速度値とともにメモリに記憶される。レンズ位置は、レンズの静電容量を測定することにより決定され、ルックアップテーブルは対応する距離を決定する。

代わりの実施例では、測定装置は、カメラモジュールを搭載した携帯電話に含まれる。それによって、携帯電話は、携帯電話から離れたところの対象の距離、速度、及び場合よりに加速度を測定する機能を与えられる。その情報は携帯電話のスクリーンに表示され、且つ／あるいは、スクリーンには、実行される測定とともに並行してカメラモジュールによって撮影された画像が表示される。

更なる１つの実施例では、測定装置は、監視カメラに用いられる。監視カメラでは、侵入者が検出されると、測定装置は、侵入者の距離及び接近速度を最初に測定しうる。この情報に基づいて、装置は侵入者の接近時間を推定しても良い。接近時間がある値よりも小さい場合には、自動アラームが警備担当者に警告するよう作動しうる。

更なる１つの実施例では、測定装置は、自動車のオートパイロットで使用される。それは、自動車の速度を測定するために、又は接近中の障害物までの距離を測定するために使用されうる。特定の実施例に従って、オートパイロットは、障害物がある領域範囲内にある場合及び／又は障害物がある速度で接近する場合に、自動車の速度と、場合により更に方向とを選ぶよう配置される。正面の他の車に対して所定の距離を保つようオートパイロットを配置することも可能である。

更なる１つの実施例では、測定装置は、ロボットアームを制御するために用いられる。基本的に、測定装置は、例えば対象を持ち上げる場合にロボットアームを制御するために、上記オートパイロットと似た方法で使用されうる。この目的のために、測定装置は、ロボットアームと対象との距離及び方向を決定しうる。ロボットアームが対象に近づく場合に、測定装置は、距離だけでなく、ロボットアームに対する対象の相対運動に関しても情報を与えうる。

第１の状態におけるエレクトロウェッティングレンズの概要図である。第２の状態におけるエレクトロウェッティングレンズの概要図である。第３の状態におけるエレクトロウェッティングレンズの概要図である。レンズスタック、画像センサ、及び制御ユニットを有する距離計の実施例を表す。制御ユニットの実施例を表す。

Claims

画像センサと、
該画像センサにおいて画像の焦点を合わせるよう配置されたエレクトロウェッティングレンズと、
制御ユニットとを有し、
前記制御ユニットは、前記エレクトロウェッティングレンズの状態と、前記画像センサにより供給された画像信号から得られた焦点情報とに基づいて対象までの距離を決定するよう動作する、ことを特徴とする測定装置。
前記制御ユニットは、前記対象までの距離の少なくとも２つの連続した測定に基づいて前記対象の速度を決定するよう動作する、ことを特徴とする請求項１記載の測定装置。
前記制御ユニットは、前記対象までの距離の少なくとも３つの連続した測定に基づいて前記対象の加速度を決定するよう動作する、ことを特徴とする請求項１記載の測定装置。
前記エレクトロウェッティングレンズは、光軸を有し、
前記制御ユニットは、前記光軸から離れて置かれた対象への角度方向を決定するよう動作する、ことを特徴とする請求項１記載の測定装置。
前記制御ユニットでの前記焦点情報の抽出は、前記画像信号の周波数成分の解析を含む、ことを特徴とする請求項１記載の測定装置。
前記制御ユニットでの前記焦点情報の抽出は、前記画像信号のエッジ検出を含む、ことを特徴とする請求項１記載の測定装置。
前記エレクトロウェッティングレンズ及び前記画像センサは、写真撮影のためにも用いられることを特徴とする、請求項１記載の測定装置を有するカメラ配置。
前記制御ユニットは、自動焦点制御ユニットとしても動作する、ことを特徴とする請求項７記載のカメラ配置。
前記制御ユニットは、画像において対象の距離、速度、及び加速度のうち少なくとも１つを出力するよう動作する、ことを特徴とする請求項７記載のカメラ配置。
請求項７記載のカメラ配置を有する携帯電話。
請求項７記載のカメラ配置を有する監視カメラ。
請求項１記載の測定装置を有する、可動ロボットアームを制御するための自動制御システム。
請求項１記載の測定装置を有する車両制御装置。
対象までの距離を測定する方法であって、
前記距離は、エレクトロウェッティングレンズの状態と、画像信号の焦点状態とに基づいて測定される、ことを特徴とする方法。