JP2015184255A - 焦点距離の測定方法および測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本願は、可変焦点レンズの焦点変更中の焦点距離を測定することが可能な焦点距離の測定方法および測定装置を提供する。
【解決手段】焦点距離の測定方法であり、焦点距離が既知の固定レンズの焦点に配置された既定の大きさを有する被写体の像を、前記固定レンズ及び前記固定レンズに正対する可変焦点レンズを通じて、前記可変焦点レンズの焦点変更を行いながら、前記被写体に対して相対的に移動または回転する撮像素子で撮像し、前記撮像素子で撮像された像の大きさに基づき、前記可変焦点レンズの焦点距離を算出する。
【選択図】図７

Description

本願は、焦点距離の測定方法および測定装置に関する。

レンズは、様々な光学機器に用いられている（例えば、特許文献１−３を参照）。レンズには、焦点距離が固定されている一般的なレンズの他に、焦点距離を変化させることが可能な可変焦点レンズがある。可変焦点レンズは、レンズそのものの位置を動かす焦点変更よりも高速で焦点を合わせることができるため、例えば、自動機器類や検査機器類、医療機器類への応用が進められている。例えば、液体をレンズに用いると、レンズの屈折面となる液体界面の電気的な制御で焦点を変更できるため、焦点変更の高速化を図ることができる。

特開平１０−３２０５５８号公報 特開２００２−９０１１７号公報 特開平６−１０２０２５号公報

可変焦点レンズを各種機器に適用する場合、焦点変更の制御量と焦点距離との関係を予め把握することが求められる。しかし、倍率法やノーダルスライド法に代表される従来の焦点距離の測定手法は、焦点距離が一定のレンズを想定した測定手法であり、静的な焦点距離の測定を想定している。よって、従来の測定手法では、焦点距離を変更可能な可変焦点レンズについて、焦点変更中の焦点距離の変化特性を測定することは困難である。

そこで、本願は、可変焦点レンズの焦点変更中の焦点距離を測定することが可能な焦点距離の測定方法および測定装置を提供する。

本願は、次のような焦点距離の測定方法を開示する。
焦点距離が既知の固定レンズの焦点に配置された既定の大きさを有する被写体の像を、前記固定レンズ及び前記固定レンズに正対する可変焦点レンズを通じて、前記可変焦点レンズの焦点変更を行いながら、前記被写体に対して相対的に移動または回転する撮像素子で撮像し、
前記撮像素子で撮像された像の大きさに基づき、前記可変焦点レンズの焦点距離を算出する、
焦点距離の測定方法。

また、本願は、次のような焦点距離の測定装置を開示する。
焦点距離が既知の固定レンズの焦点に配置された既定の大きさを有する被写体の像を、前記固定レンズ及び前記固定レンズに正対する可変焦点レンズを通じて、前記可変焦点レンズの焦点変更を行いながら、前記被写体に対して相対的に移動または回転する撮像素子で撮像する撮像部と、
前記撮像素子で撮像された像の大きさに基づき、前記可変焦点レンズの焦点距離を算出する演算部と、を備える、
焦点距離の測定装置。

上記焦点距離の測定方法および測定装置であれば、可変焦点レンズの焦点変更中の焦点距離を測定することが可能である。

図１は、実施形態に係る焦点距離の測定装置を示した図の一例である。 図２は、焦点距離の測定方法のフローチャートを示した図の一例である。 図３は、撮像素子に結像される２つのピンホールの像の、可変焦点レンズの焦点を変更する前後の状態変化を示した図の一例である。 図４は、実施形態に係る測定装置によって得られる２つのピンホールの像の光の強度分布を示したグラフの一例である。 図５は、撮像素子を移動させて焦点距離を測定する場合に用いることが可能な測定装置の一例を示した図である。 図６は、第１実施例に係る測定装置を用いる場合の焦点距離の測定方法のフローチャートを示した図の一例である。 図７は、第１実施例に係る測定方法によって撮像素子に結像される被写体の像の一例を示した図である。 図８は、可変焦点レンズの焦点距離の計算結果の一例を示した図である。 図９は、可変焦点レンズの焦点距離の変化特性を示したグラフの一例である。 図１０は、撮像素子を移動させて焦点距離を測定する場合に用いることが可能な測定装置の一例を示した図である。 図１１は、第２実施例に係る測定方法によって撮像素子に結像される被写体の像の一例を示した図である。

以下、実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、単なる例示であり、本開示の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。

図１は、実施形態に係る焦点距離の測定装置を示した図の一例である。レンズの焦点距離を測定する測定装置１は、被写体２や固定レンズ３、撮像素子４を備える。測定装置１は、固定レンズ３に正対する位置にセットされる可変焦点レンズＴの焦点距離を測定する。

被写体２は、固定レンズ３の焦点に配置されており、例えば、図１に示されるように、２つのピンホール５，６を有している。ピンホール５，６は、固定レンズ３の特性や撮像素子４（本願でいう「撮像部」の一例である）の大きさ等に応じて任意に決定された既定の距離（本願でいう「既定の大きさ」の一例である）を空けて配置されている。

固定レンズ３は、焦点距離が既知のレンズである。固定レンズ３は、焦点に配置されている被写体２のピンホール５，６の通過光を、レンズの光軸と平行になるように調整する。

撮像素子４は、固定レンズ３及び可変焦点レンズＴを通過する光を受ける素子であり、固定レンズ３の焦点に配置された被写体２を撮像する。撮像素子４は、撮像面に結像される像の大きさを測ることができるものであれば如何なるものであってもよい。結像される像の大きさを測ることができるものとしては、例えば、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）イメージセンサといった各種の撮像素子を挙げることができる。

以下、焦点距離の測定方法について説明する。図２は、焦点距離の測定方法のフローチャートを示した図の一例である。可変焦点レンズＴの焦点距離を測定する場合は、図２のフローチャートに示されるように、被写体２の像を、可変焦点レンズＴを焦点変更を行いながら、被写体２に対して相対的に移動または回転する撮像素子４で撮像する（Ｓ１０１）。次に、撮像素子４で撮像された像の大きさに基づき、可変焦点レンズＴの焦点距離を算出する（Ｓ１０２）。

本測定方法の適用にあたり、上記実施形態に例示される測定装置１を用いる場合、被写体２に設けられた２つのピンホール５，６を通過した光が撮像素子４に照射される。よって、上記実施形態に係る測定装置１を使って可変焦点レンズＴの焦点距離を算出する際（Ｓ１０２）は、撮像素子４に撮像された２つのピンホール５，６の像の間の距離に基づき、可変焦点レンズＴの焦点距離を算出することができる。

本測定方法における可変焦点レンズＴの焦点距離の算出方法について、以下に説明する。固定レンズ３の焦点距離をｆ１、可変焦点レンズＴの焦点距離をｆ２、被写体２に設けられている２つのピンホール５，６の間の距離をｄ１、撮像素子４に結像される２つのピンホール５，６の像の間の距離をｄ２とした場合、以下の式（１）が成り立つ。

したがって、測定対象である可変焦点レンズＴの焦点距離ｆ２は、以下の式（２）から求めることができる。

図３は、撮像素子に結像される２つのピンホールの像の、可変焦点レンズの焦点変更の前後の状態変化を示した図の一例である。可変焦点レンズＴの焦点変更後の可変焦点レンズＴの焦点距離をｆ３、撮像素子４に結像される２つのピンホール５，６の像の間の距離をｄ’とすると、焦点距離ｆ３は、以下の式（３）から求めることができる。

本測定方法によれば、上記の式（３）によって特定される可変焦点レンズＴの焦点距離の算出結果や、可変焦点レンズＴの焦点変更の際の制御量に基づき、可変焦点レンズＴの焦点距離の制御に有用な可変焦点レンズＴの特性を把握することができる。

なお、本測定方法では、可変焦点レンズの焦点距離の算出に用いる被写体の像が、可変焦点レンズを焦点変更しながら撮像素子に結像されるものであるため、被写体の像は焦点の合っていない不鮮明な像となる。図４は、実施形態に係る測定装置によって得られる２つのピンホールの像の光の強度分布を示したグラフの一例である。可変焦点レンズを焦点
変更しながら撮像素子に結像される像は不鮮明であるため、図４に示されるように、２つのピンホールの各々の像は臨界部分が定かでない。しかし、２つのピンホール５，６を通過した光を撮像素子４に結像しているので、撮像素子４に映し出される像が不鮮明であっても、図４のグラフに示すように、像の中で光の強度が比較的高い位置を特定することで、２つのピンホール５，６の像の間の距離の大きさを把握することができる。例えば、ＰＳＤは、スポット状の光の位置を検出する目的のセンサであるため、撮像素子４として用いれば、ＰＳＤに結像される２つのピンホール５，６の像が不鮮明であっても、光の強度が比較的高い位置を容易に特定することができる。

以下、測定方法の具体例について説明する。

＜第１実施例：撮像素子または被写体を移動させる場合の例＞
図５は、撮像素子４を移動させて焦点距離を測定する場合に用いることが可能な測定装置の一例を示した図である。本第１実施例に用いることが可能な測定装置１Ａは、上記した実施形態に係る測定装置１に、撮像素子４を移動させる移動装置８、及び移動装置８と可変焦点レンズＴを制御するコンピュータ７（本願でいう「演算部」の一例である）を加えた点を除き、実施形態に係る測定装置１と同様である。移動装置８は、少なくとも、撮像素子４を被写体２に対して平行であり且つ２つのピンホール５，６を結ぶ線の垂直二等分線と平行（図５に示すＹ軸方向）に移動することが可能な装置である。移動装置８としては、例えば、１軸ステージ、２軸ステージ、３軸ステージ、その他各種の移動装置を適用可能である。移動装置８は、コンピュータ７からの指令信号に応じて撮像素子４を移動する。

図６は、第１実施例に係る測定装置１Ａを用いる場合の焦点距離の測定方法のフローチャートを示した図の一例である。本第１実施例に係る測定装置１Ａを用いて可変焦点レンズＴの焦点距離を測定する場合は、図６のフローチャートに示されるように、移動装置８を動かして撮像素子４の移動を開始し（Ｓ２０１）、被写体２を撮像素子４で撮像し（Ｓ２０２）、可変焦点レンズＴの焦点を連続的に変更させる（Ｓ２０３）。これにより、撮像素子４には、可変焦点レンズＴの焦点変更に応じて大きさが増減する像が結像される。そして、例えば、可変焦点レンズＴの焦点距離が可動範囲の上限または下限に達した場合、可変焦点レンズＴの焦点変更を止め（Ｓ２０４）、被写体２の撮像を終了し（Ｓ２０５）、移動装置８を止めて撮像素子４の移動を停止する（Ｓ２０６）。

図７は、第１実施例に係る測定方法によって撮像素子に撮像された被写体の像の一例を示した図である。上記ステップＳ２０１〜Ｓ２０６の一連の処理を経ると、撮像素子４は、例えば、図７に示されるような画像を取得する。よって、取得された画像に描かれている２つのピンホール５，６の像の間の距離から可変焦点レンズＴの焦点距離の算出を行い、焦点変更の制御量と焦点距離との関係を把握することができる。

図８は、可変焦点レンズの焦点距離の計算結果の一例を示した図である。例えば、２つのピンホール５，６の間の距離ｄ１が１ｍｍ、固定レンズ３の焦点距離ｆ１が１００ｍｍであるとき、可変焦点レンズＴの焦点距離ｆ２が１００ｍｍであれば撮像素子４に結像される２つのピンホール５，６の像の間の距離ｄ２は１ｍｍである。ここで、可変焦点レンズＴを焦点変更させたときの２つのピンホール５，６の像の間の距離ｄ’が１．２ｍｍである場合、焦点距離ｆ３は式（３）から１２５ｍｍと求めることができる。

以上のように、本測定方法であれば、可変焦点レンズＴの焦点変更中の焦点距離を特定することができるので、可変焦点レンズＴの動的な焦点距離の変化特性を把握することが可能である。

なお、本第１実施例では、撮像素子４を移動させているが、撮像素子４の代わりに被写体２を移動させてもよい。被写体２を移動させる場合、移動装置８を撮像素子４ではなく被写体２に設ける。

ところで、可変焦点レンズＴは、撮像素子４の１フレーム分の走査中に焦点変更を開始して終了してもよい。撮像素子４の１フレーム分の走査中に焦点変更を開始して終了すれば、焦点変更中の被写体２の像の大きさの変化を１フレームの画像に全て記録することができる。例えば、撮像素子４に３０ｆｐｓで走査させる場合、可変焦点レンズＴの焦点変更を３０分の１秒以内に完了させれば、焦点距離の動的な変化を１枚のフレームで漏れなく捉えることができる。また、例えば、イメージセンサの画素が、移動装置８の移動方向に沿って１２８０個ある場合、３０分の１秒以内で焦点変更が行われる時のピンホール５，６の像の変化を、１２８０の分解能で捉えることができる。

可変焦点レンズＴの焦点距離の変化を捉える際の分解能が高いと、例えば、次のような焦点距離の変化特性を把握することもできる。図９は、可変焦点レンズＴの焦点距離の変化特性を示したグラフの一例である。一般的に、動的な機器類は、制御量を変更すると過渡的な挙動を示す。可変焦点レンズＴについても同様であり、焦点距離の変更を開始した際や変更を終了した際には、例えば、図９において破線の囲み線で示されるように、焦点距離が過渡的に変動する場合があり得る。本測定方法であれば、可変焦点レンズＴの焦点変更中の焦点距離の変化を測定できるため、可変焦点レンズＴの焦点変更を行った際の過渡的な挙動についても把握することができる。

＜第２実施例：撮像素子または被写体を回転させる場合の例＞
図１０は、撮像素子４を移動させて焦点距離を測定する場合に用いることが可能な測定装置の一例を示した図である。本第２実施例に用いることが可能な測定装置１Ｂは、上記した実施形態に係る測定装置１に、被写体２を回転させる回転装置９、及び回転装置９と可変焦点レンズＴを制御するコンピュータ７を加えた点を除き、実施形態に係る測定装置１と同様である。回転装置９は、少なくとも、２つのピンホール５，６の間の中心点を通過し、固定レンズ３や可変焦点レンズＴによって形成される光学系の光軸を回転軸とする回転装置である。回転装置９は、コンピュータ７からの指令信号に応じて被写体２を回転する。

本第２実施例に係る測定装置１Ｂを用いる場合の焦点距離の測定方法は、第１実施例に係る測定装置１Ａを用いる場合の測定方法のうち、撮像素子４の移動を被写体２の回転に置き換えたものである。よって、第２実施例に係る測定装置１Ｂを用いる場合の焦点距離の測定方法について、図６に示したフローチャートに準じて説明する。本第２実施例に係る測定装置１Ｂを用いて可変焦点レンズＴの焦点距離を測定する場合は、回転装置９を動かして被写体２の回転を開始し（Ｓ２０１）、被写体２を撮像素子４で撮像し（Ｓ２０２）、可変焦点レンズＴの焦点を連続的に変更させる（Ｓ２０３）。これにより、撮像素子４には、可変焦点レンズＴの焦点変更に応じて大きさが増減する像が結像される。そして、例えば、可変焦点レンズＴの焦点距離が可動範囲の上限または下限に達した場合、可変焦点レンズＴの焦点変更を止め（Ｓ２０４）、被写体２の撮像を終了し（Ｓ２０５）、回転装置９を止めて被写体２の回転を停止する（Ｓ２０６）。

図１１は、第２実施例に係る測定方法によって撮像素子に結像される被写体の像の一例を示した図である。上記ステップＳ２０１〜Ｓ２０６の一連の処理を経ると、撮像素子４には、例えば、図１１に示されるような像が結像される。よって、撮像素子４に結像された２つのピンホール５，６の像の径の変化から可変焦点レンズＴの焦点距離の算出を行い、焦点変更の制御量と焦点距離との関係を把握することができる。なお、本第２実施例に係る測定方法によって得られる像は、第１実施例に係る測定方法によって得られる像のよ
うな線形の像ではない。よって、例えば、２つのピンホール５，６の像の径の極大値や極小値を使って焦点距離の算出を行うと、計算が容易である。

なお、本第２実施例では、被写体２を回転させているが、被写体２の代わりに撮像素子４を回転させてもよい。撮像素子４を回転させる場合、回転装置９を被写体２ではなく撮像素子４に設ける。

なお、本願は、以下の付記的事項を含む。
（付記１）
焦点距離が既知の固定レンズの焦点に配置された既定の大きさを有する被写体の像を、前記固定レンズ及び前記固定レンズに正対する可変焦点レンズを通じて、前記可変焦点レンズの焦点変更を行いながら、前記被写体に対して相対的に移動または回転する撮像素子で撮像し、
前記撮像素子で撮像された像の大きさに基づき、前記可変焦点レンズの焦点距離を算出する、
焦点距離の測定方法。
（付記２）
前記算出の際は、前記焦点変更に応じて増減する前記撮像された像の大きさと、前記被写体の大きさ及び前記固定レンズの焦点距離との相関に基づき、前記可変焦点レンズの焦点距離を算出する、
付記１に記載の焦点距離の測定方法。
（付記３）
前記被写体は、既定の距離を空けて配置された２つのピンホールを有しており、
前記撮像の際は、前記撮像素子に結像される前記２つのピンホールを撮像し、
前記算出の際は、前記撮像素子で撮像された前記２つのピンホールの像の間の距離の大きさに基づき、前記可変焦点レンズの焦点距離を算出する、
付記１または２に記載の焦点距離の測定方法。
（付記４）
前記撮像の際は、前記撮像素子の１フレーム分の走査中に焦点変更を開始して終了する、
付記１から３の何れかに記載の焦点距離の測定方法。
（付記５）
焦点距離が既知の固定レンズの焦点に配置された既定の大きさを有する被写体の像を、前記固定レンズ及び前記固定レンズに正対する可変焦点レンズを通じて、前記可変焦点レンズの焦点変更を行いながら、前記被写体に対して相対的に移動または回転する撮像素子で撮像する撮像部と、
前記撮像素子で撮像された像の大きさに基づき、前記可変焦点レンズの焦点距離を算出する演算部と、を備える、
焦点距離の測定装置。
（付記６）
前記演算部は、前記算出の際、前記焦点変更に応じて増減する前記撮像された像の大きさと、前記被写体の大きさ及び前記固定レンズの焦点距離との相関に基づき、前記可変焦点レンズの焦点距離を算出する、
付記５に記載の焦点距離の測定装置。
（付記７）
前記被写体は、既定の距離を空けて配置された２つのピンホールを有しており、
前記撮像部は、前記撮像の際、前記撮像素子に結像される前記２つのピンホールを撮像し、
前記算出部は、前記撮像素子で撮像された前記２つのピンホールの像の間の距離の大きさに基づき、前記可変焦点レンズの焦点距離を算出する、
付記５または６に記載の焦点距離の測定装置。
（付記８）
前記撮像部は、前記撮像の際、前記撮像素子の１フレーム分の走査中に焦点変更を開始して終了する、
付記５から７の何れかに記載の焦点距離の測定装置。

１，１Ａ，１Ｂ・・測定装置：２・・被写体：３・・固定レンズ：４・・撮像素子：５，６・・ピンホール：７・・コンピュータ：８・・移動装置：９・・回転装置
Ｔ・・可変焦点レンズ

Claims (5)

1. 焦点距離が既知の固定レンズの焦点に配置された既定の大きさを有する被写体の像を、前記固定レンズ及び前記固定レンズに正対する可変焦点レンズを通じて、前記可変焦点レンズの焦点変更を行いながら、前記被写体に対して相対的に移動または回転する撮像素子で撮像し、
   前記撮像素子で撮像された像の大きさに基づき、前記可変焦点レンズの焦点距離を算出する、
   焦点距離の測定方法。
2. 前記算出の際は、前記焦点変更に応じて増減する前記撮像された像の大きさと、前記被写体の大きさ及び前記固定レンズの焦点距離との相関に基づき、前記可変焦点レンズの焦点距離を算出する、
   請求項１に記載の焦点距離の測定方法。
3. 前記被写体は、既定の距離を空けて配置された２つのピンホールを有しており、
   前記撮像の際は、前記撮像素子に結像される前記２つのピンホールを撮像し、
   前記算出の際は、前記撮像素子で撮像された前記２つのピンホールの像の間の距離の大きさに基づき、前記可変焦点レンズの焦点距離を算出する、
   請求項１または２に記載の焦点距離の測定方法。
4. 前記撮像の際は、前記撮像素子の１フレーム分の走査中に焦点変更を開始して終了する、
   請求項１から３の何れか一項に記載の焦点距離の測定方法。
5. 焦点距離が既知の固定レンズの焦点に配置された既定の大きさを有する被写体の像を、前記固定レンズ及び前記固定レンズに正対する可変焦点レンズを通じて、前記可変焦点レンズの焦点変更を行いながら、前記被写体に対して相対的に移動または回転する撮像素子で撮像する撮像部と、
   前記撮像素子で撮像された像の大きさに基づき、前記可変焦点レンズの焦点距離を算出する演算部と、を備える、
   焦点距離の測定装置。

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