JP2015219034A - 測定装置、測定方法および測定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】可変焦点レンズの焦点距離の変化特性を測定することができる測定装置、測定方法および測定プログラムを提供する。
【解決手段】測定装置１００は、焦点距離が既知のレンズによって得られる被写体２の像を、焦点距離が既知の第１可変焦点レンズＴ１および測定対象の第２可変焦点レンズＴ２を通じて撮像する撮像素子４と、前記撮像素子による撮像の際に、前記第１可変焦点レンズの焦点距離と前記第２可変焦点レンズの焦点距離の設計値との合成焦点距離が規定範囲に収まるように前記第１可変焦点レンズおよび前記第２可変焦点レンズの焦点を制御する制御部７と、前記撮像素子によって得られた像に基づいて、前記第２可変焦点レンズの焦点距離を算出する算出部９と、を備える。
【選択図】図５

Description

本件は、測定装置、測定方法および測定プログラムに関する。

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。しかしながら、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。

１つの側面では、本件は、可変焦点レンズの焦点距離の変化特性を測定することができる測定装置、測定方法および測定プログラムを提供することを目的とする。

１つの態様では、測定装置は、焦点距離が既知のレンズによって得られる被写体の像を、焦点距離が既知の第１可変焦点レンズおよび測定対象の第２可変焦点レンズを通じて撮像する撮像素子と、前記撮像素子による撮像の際に、前記第１可変焦点レンズの焦点距離と前記第２可変焦点レンズの焦点距離の設計値との合成焦点距離が規定範囲に収まるように前記第１可変焦点レンズおよび前記第２可変焦点レンズの焦点を制御する制御部と、前記撮像素子によって得られた像に基づいて、前記第２可変焦点レンズの焦点距離を算出する算出部と、を備える。

可変焦点レンズの焦点距離の変化特性を測定することができる。

比較例に係る測定装置を例示する図である。 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。 比較例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強度分布を表したグラフの一例である。 ピンホール像のボケを説明する図である。 （ａ）は実施例１に係る測定装置の全体構成を例示する図であり、（ｂ）は合成焦点距離の誤差を例示する図である。 測定装置の動作の一例を表すフローチャートである。 焦点距離の具体例である。 焦点距離の具体例である。 ピンホール像を例示する図である。 ハードウェア構成を例示する図である。

実施例の説明に先立って、比較例について説明する。図１は、比較例に係る測定装置１を例示する図である。測定装置１は、被写体２、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に正対する位置に配置される可変焦点レンズＴ１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で例示されるように、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の大きさ等に応じて任意に決定された既定の距離を空けて配置されている。固定レンズ３は、焦点距離が固定され、当該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および可変焦点レンズＴ１を通過する光を受光する素子であり、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。

可変焦点レンズＴ１の焦点距離を測定する場合は、被写体２の像を、可変焦点レンズＴ１の焦点を変化させながら、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。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Ｔ１の焦点距離を算出する。可変焦点レンズＴ１の焦点距離を算出する際には、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Ｔ１の焦点距離を算出することができる。

固定レンズ３の焦点距離をｆ１、可変焦点レンズＴ１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とする。この場合、下記式（１）が成立する。

したがって、測定対象である可変焦点レンズＴ１の焦点距離ｆ２は、下記式（２）から求めることができる。

図２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Ｔ１の焦点変更後の可変焦点レンズＴ１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、下記式（３）から求めることができる。

比較例に係る測定装置１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Ｔ１の焦点距離の算出結果や、可変焦点レンズＴ１の焦点変更の際の制御量に基づき、可変焦点レンズＴ１の焦点距離の制御に有用な可変焦点レンズＴ１の特性を把握することができる。

なお、比較例では、可変焦点レンズＴ１の焦点距離の算出に用いる被写体２の像が、可変焦点レンズＴ１の焦点を変更しながら撮像素子４に結像されるものであるため、被写体２の像は焦点が合っていない不鮮明な像となる。図３は、比較例に係る測定装置によって得られる２つのピンホール５，６の像の光強度分布を表したグラフの一例である。可変焦点レンズＴ１の焦点を変更しながら撮像素子４に結像される像は不鮮明であるため、図３で例示されるように、２つのピンホール５，６の各々の像は臨界部分が定かではない。そこで、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の像の間の距離を把握することができる。

しかしながら、可変焦点レンズＴ１の焦点距離を変化させるにしたがって、ピンホール像がボケてしまい、図４のように、ピンホール像の極大値間距離を算出することが困難になる。したがって、測定可能な焦点距離の範囲が限られてしまい、焦点距離の変化特性を測定することが困難である。そこで、以下の実施例では、可変焦点レンズの焦点距離の変化特性を測定することができる測定装置および測定方法について説明する。

図５（ａ）は、実施例１に係る測定装置１００の全体構成を例示する図である。測定装置１００が図１の測定装置１と異なる点は、新たに可変焦点レンズＴ２が配置されている点である。可変焦点レンズＴ２は、図５（ａ）の例では可変焦点レンズＴ１と固定レンズ３との間に配置されているが、可変焦点レンズＴ１と撮像素子４との間に配置されていてもよい。可変焦点レンズＴ１は、焦点距離の測定対象の可変焦点レンズである。可変焦点レンズＴ２は、焦点距離が既知の可変焦点レンズである。また、測定装置１００は、撮像素子４を移動させる移動装置８、移動装置８および可変焦点レンズＴ１，Ｔ２を制御する制御部７、ならびに可変焦点レンズＴ１の焦点距離を算出する算出部９を備えている。なお、制御部７および算出部９は、パーソナルコンピュータなどの１台の装置で代用してもよい。

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かつ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（ａ）の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、制御部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、測定装置１００の動作の一例を表すフローチャートである。まず、制御部７は、ピンホール５，６を有する被写体２が撮像素子４で結像するように、可変焦点レンズＴ１，Ｔ２を制御しておく。このとき、固定レンズ３の焦点距離（ｆ１）と、可変焦点レンズＴ１，Ｔ２の合成焦点距離（ｆ３）と、ピンホール５，６間の距離（ｄ０）と、ピンホール５，６像の極大値間の距離（ｄ３）との間に、下記式（４）が成立する。

次に、制御部７は、移動装置８を制御して、撮像素子４の移動を開始する（ステップＳ１）。次に、制御部７は、撮像素子４に撮像を開始させる（ステップＳ２）。次に、制御部７は、撮像素子４による撮像を継続させながら、測定対象の可変焦点レンズＴ１の焦点距離（ｆ２）を測定したい範囲で変化させる（ステップＳ３）。この際に、制御部７は、合成焦点距離（ｆ３）が変化しないように（一定値を維持するように）、可変焦点レンズＴ２の焦点距離（ｆ１）を制御する。この場合の合成焦点距離（ｆ３）は、可変焦点レンズＴ１の焦点距離の設計値と可変焦点レンズＴ２の既知の焦点距離との合成焦点距離を意味する。焦点距離（ｆ１）は、下記式（５）から求めることができる。

可変焦点レンズＴ１の焦点距離の測定が終了すると、制御部７は、可変焦点レンズＴ２の焦点距離の変更を終了する（ステップＳ４）。次に、制御部７は、撮像素子４による撮像を終了する（ステップＳ５）。次に、制御部７は、移動装置８による撮像素子４の移動を終了する（ステップＳ６）。

設計値の焦点距離（ｆ３）にΔｆの誤差がある場合、図５（ｂ）で例示するように、結像位置が撮像面から同様にΔｆだけずれる。その結果、ピンホール５，６の像の極大値間距離はｄ´となる。算出部９は、このｄ´を用いて、実測に基づく焦点距離（ｆ３＋Δｆ）を、下記式（６）から求める（ステップＳ７）。なお、ｄ３は、上記式（４）から得ることができる。

次に、具体例を用いて説明する。図７で例示するように、焦点距離が既知の可変焦点レンズＴ２と、焦点距離の測定対象である可変焦点レンズＴ１との距離Ｌを８０ｍｍ、合成焦点距離（ｆ３）を１００ｍｍとする。なお、距離Ｌは、可変焦点レンズＴ２の後側主点から可変焦点レンズＴ１の前側主点との距離と表現することもできる。

このとき、測定対象の可変焦点レンズＴ１の焦点距離（ｆ２）を、設計値で５ｍｍ〜２００ｍｍに変化させた場合、上記式（５）を用いて、既知の可変焦点レンズＴ２の焦点距離（ｆ１）を図８のように変化させる。ただし、この場合、ｆ２＝１００のときは、上記式（６）の分母が「０」となるため、測定不可となる。

以上のように、２枚の可変焦点レンズＴ１，Ｔ２の焦点距離を変化させながらピンホール５，６の像の極大値間距離を測定したとき、可変焦点レンズＴ２の焦点距離（ｆ２）が６０ｍｍのタイミングで、実測値が１．１ｍｍであったとする。なお、設計上は、１ｍｍであったとする。このとき、上記式（６）から、合成焦点距離（ｆ３＋Δｆ）は１１１．１１ｍｍと求まる。さらに、上記式（５）のｆ１とｆ２とを入れ替えた式を用いて、測定対象の可変焦点レンズの焦点距離（ｆ２）が５５．５６ｍｍと求めることができる。例えば、上記条件において、比較例に係る測定装置では、焦点距離の測定範囲が約９２〜１１０ｍｍであるのに対し、実施例１に係る測定装置１００では、図８で例示するように、焦点距離の測定範囲を拡大することができる。

本実施例によれば、可変焦点レンズＴ１，Ｔ２の合成焦点距離が、被写体２が撮像素子４で結像するように、一定値に制御される。それにより、被写体２の像が撮像素子４で鮮明に撮像される。その結果、可変焦点レンズＴ１の焦点距離を大きく変動させたとしても、焦点距離の変化特性を精度良く測定することができる。

なお、本実施例においては、可変焦点レンズＴ１の焦点距離を変更する際に、撮像素子４を被写体２に対して相対的に移動させたが、それに限られない。例えば、可変焦点レンズＴ１，Ｔ２の合成焦点距離が変動しないことが前提であれば、可変焦点レンズＴ１の焦点距離を変動させても、ピンホール５，６像の極大値間の距離ｄ´は変動しない。したがって、得られる距離ｄ´を用いて、上記式（６）から可変焦点レンズＴ１の焦点距離を測定することができる。

また、本実施例においては、可変焦点レンズＴ１，Ｔ２の合成焦点距離が、被写体２が撮像素子４で結像するように一定値に制御されたが、それに限られない。例えば、可変焦点レンズＴ１，Ｔ２の合成焦点距離が規定の範囲内に収まるように可変焦点レンズＴ２の焦点距離を制御してもよい。この場合、当該合成焦点距離が小さくなり過ぎることや大きくなり過ぎることが抑制される。それにより、被写体２の像を撮像素子４で鮮明に撮像することができる。図９で例示するように、合成焦点距離ｆ３の変化に応じてピンホール５，６像の極大値間の距離ｄ´が変動するが、撮像素子４が得る像における当該距離ｄ´と、そのタイミングにおける可変焦点レンズＴ２の焦点距離および合成焦点距離の制御値とから、可変焦点レンズＴ１の焦点距離を求めることができる。

また、本実施例では、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。また、撮像素子４による撮像の際に、回転装置を用いて被写体２を回転させてもよく、被写体２の代わりに撮像素子４を回転させてもよい。

また、被写体２は、固定レンズ３から、固定レンズ３の焦点距離分離れた位置に配置することが好ましい。また、固定レンズ３の代わりに、焦点距離が既知であり、所定の焦点距離に制御された焦点可変レンズを用いてもよい。

（他の例）
図１０は、制御部７および算出部９のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。図１０で例示するように、制御部７および算出部９は、ＣＰＵ１０１、ＲＡＭ１０２、記憶装置１０３、インタフェース１０４などを備える。これらの各機器は、バスなどによって接続されている。ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１０１は、中央演算処理装置である。ＣＰＵ１０１は、１以上のコアを含む。ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１０２は、ＣＰＵ１０１が実行するプログラム、ＣＰＵ１０１が処理するデータなどを一時的に記憶する揮発性メモリである。記憶装置１０３は、不揮発性記憶装置である。記憶装置１０３として、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリなどのソリッド・ステート・ドライブ（ＳＳＤ）、ハードディスクドライブに駆動されるハードディスクなどを用いることができる。ＣＰＵ１０１が測定プログラムを実行することによって、測定装置１００内に、制御部７および算出部９が実現される。または、制御部７および算出部９は、専用の回路などのハードウェアであってもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

２ 被写体
３ 固定レンズ
４ 撮像素子
５，６ ピンホール
７ 制御部
８ 移動装置
９ 算出部
１００ 測定装置
Ｔ１，Ｔ２ 可変焦点レンズ

Claims (6)

1. 焦点距離が既知のレンズによって得られる被写体の像を、焦点距離が既知の第１可変焦点レンズおよび測定対象の第２可変焦点レンズを通じて撮像する撮像素子と、
   前記撮像素子による撮像の際に、前記第１可変焦点レンズの焦点距離と前記第２可変焦点レンズの焦点距離の設計値との合成焦点距離が規定範囲に収まるように前記第１可変焦点レンズおよび前記第２可変焦点レンズの焦点を制御する制御部と、
   前記撮像素子によって得られた像に基づいて、前記第２可変焦点レンズの焦点距離を算出する算出部と、を備えることを特徴とする測定装置。
2. 前記規定範囲は、前記撮像素子で前記被写体が結像する範囲であることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
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、
   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に基づいて、前記第２可変焦点レンズの焦点距離を算出することを特徴とする請求項１または２記載の測定装置。
4. 前記撮像素子による撮像の際に、前記撮像素子を前記被写体に対して相対的に移動または回転する装置を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の測定装置。
5. 焦点距離が既知のレンズによって得られる被写体の像を、焦点距離が既知の第１可変焦点レンズおよび測定対象の第２可変焦点レンズを通じて撮像素子で撮像し、
   前記撮像素子による撮像の際に、前記第１可変焦点レンズの焦点距離と前記第２可変焦点レンズの焦点距離の設計値との合成焦点距離が規定範囲に収まるように前記第１可変焦点レンズおよび前記第２可変焦点レンズの焦点を制御し、
   前記撮像素子によって得られた像に基づいて、前記第２可変焦点レンズの焦点距離を算出する、ことを特徴とする測定方法。
6. 焦点距離が既知のレンズによって得られる被写体の像を、焦点距離が既知の第１可変焦点レンズおよび測定対象の第２可変焦点レンズを通じて撮像素子で撮像する処理と、
   前記撮像素子による撮像の際に、前記第１可変焦点レンズの焦点距離と前記第２可変焦点レンズの焦点距離の設計値との合成焦点距離が規定範囲に収まるように前記第１可変焦点レンズおよび前記第２可変焦点レンズの焦点を制御する処理と、
   前記撮像素子によって得られた像に基づいて、前記第２可変焦点レンズの焦点距離を算出する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする測定プログラム。

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