JP2016095353A - Telecentric lens and image capturing device having the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、画像処理などにより被測定物の寸法測定を行う場合に用いられるテレセントリックレンズ及びそれを用いた撮像装置に関する。 The present invention relates to a telecentric lens used when measuring a dimension of an object to be measured by image processing or the like, and an imaging apparatus using the telecentric lens.
テレセントリックレンズは、レンズの焦点に小さな絞りを置き、主光線が光軸と平行にみなせるようにした光学系であって、物体側レンズの像側焦点に絞りを置くことにより物体側のみ主光線が光軸と平行になる物体側テレセントリックレンズと、像側レンズの物体側焦点に絞りを置くことにより像側のみ主光線が光軸と平行になる像側テレセントリックレンズと、物体側レンズの像側焦点と像側レンズの物体側焦点を合致させた共通焦点に絞りを置くことにより物体側及び像側双方で主光線が光軸と平行になる両側テレセントリックレンズがある。 A telecentric lens is an optical system in which a small aperture is placed at the focal point of the lens so that the principal ray can be regarded as parallel to the optical axis. An object-side telecentric lens that is parallel to the optical axis, an image-side telecentric lens whose chief ray is parallel to the optical axis only on the image side by placing a stop at the object-side focal point of the image-side lens, and the image-side focal point of the object-side lens There is a double-sided telecentric lens in which the principal ray is parallel to the optical axis on both the object side and the image side by placing a stop at a common focal point where the object side focus of the image side lens coincides with that of the image side lens.
物体側テレセントリックレンズは、ワーキングディスタンスが変わっても像の大きさが変わらないので、寸法測定系の撮像装置に用いられる。
像側テレセントリックレンズは、光学系から像面に達する光束が像面のどこでも光軸に平行になるため、分光透過特性が入射角に影響される色分解プリズムを有する3版式カメラ等に用いられる。
また、両側テレセントリックレンズは、物体側の位置決めが不安定な場合でも、力メラ側の取り付けがラフな場合でも何れもテレセントリック効果があるため片側構造のテレセントリックレンズに比べて、より高精度な測定をする場合に用いられる。
The object-side telecentric lens is used in an image pickup apparatus of a dimension measurement system because the size of an image does not change even when the working distance changes.
The image-side telecentric lens is used for a three-plate camera or the like having a color separation prism whose spectral transmission characteristics are affected by the incident angle because the light beam reaching the image plane from the optical system is parallel to the optical axis everywhere on the image plane.
Both-side telecentric lenses have a telecentric effect even when the object side positioning is unstable or the force lens side is loosely mounted. Used when
図9はこのような従来の両側テレセントリックレンズを用いた撮像装置において、ワーキングディスタンスが異なる場合のそれぞれの光線図の例を示す。
撮像装置51は、物体側レンズ52の像側焦点と像側レンズ53の物体側焦点を合致させた共通焦点Fに絞り54を配し、それぞれのレンズ52及び53を光軸Z上に沿って配した両側テレセントリックレンズ55と、その像面M上に配された撮像素子56とからなる。
FIG. 9 shows an example of each ray diagram when the working distance is different in such an imaging apparatus using the conventional double-side telecentric lens.
The
被写体となる物体BまでのワーキングディスタンスWDが設計値WD0に等しいWD=WD0の場合、図9(a)に示すように、物体Bから出た光は、物体側レンズ52で屈折され、共通焦点Fを通った光のみが像側レンズ53に達し、像面Mに配された撮像素子56上に結像する。
When WD = WD0 where the working distance WD to the object B, which is the subject, is equal to the design value WD0, the light emitted from the object B is refracted by the object-
このとき、主光線CRは、物体Bから物体側レンズ52に至るまでは光軸Zと平行に進行し、物体側レンズ52から像側レンズ53まで共通焦点Fで光軸Zと交差するように斜めに進行し、像側レンズ53から像面Mに至るまで光軸Zと並行に進行する。
物体光BRは、主光線CRに沿って、物体Bから物体側レンズ52に至るまで拡散し、物体側レンズ52から像側レンズ53まで主光線CRと平行に進行し、像側レンズ53から像面M上の結像点Kに収束するため、ピントの合った画像が得られる。
At this time, the principal ray CR travels in parallel with the optical axis Z from the object B to the
The object light BR is diffused along the principal ray CR from the object B to the
しかしながら、テレセントリックレンズ55は、被写界深度や焦点深度(以下単に「深度」という。)が深くなるわけではないので、物体Bまでのワーキングディスタンスや、像側レンズ53から撮像素子54までの距離が深度を超えて変化する場合は、ピンボケを起こすという問題がある。
However, since the
図9(b)及び(c)はワーキングディスタンスWDが変化した場合の光路変化を示す光線図である。
なお、光路変化の説明上、WD=WD0の物体光を点線で残し、WD<WD0及びWD>WD0の物体光BRを破線で示す。
FIGS. 9B and 9C are light ray diagrams showing optical path changes when the working distance WD changes.
For the explanation of the optical path change, the object light with WD = WD0 is left with a dotted line, and the object light BR with WD <WD0 and WD> WD0 is shown with a broken line.
図9(b)に示すWD<WD0の場合、主光線CRは図9(a)と同様に進行するものの、物体光BRは、物体Bから物体側レンズ52に至るまでの拡散角が大きく、物体側レンズ52から像側レンズ53まで主光線CRに沿って拡散しながら進行し、像側レンズ53により収束されるものの、像面Mが撮像素子56の位置から後方にずれ、そのずれた像面M上の結像点Kで結像する。
したがって、物体Bまでのワーキングディスタンスが小さくなって深度を超えた場合、像面M上の画像はピンボケとなる。
In the case of WD <WD0 shown in FIG. 9B, the principal ray CR proceeds in the same manner as in FIG. 9A, but the object light BR has a large diffusion angle from the object B to the
Therefore, when the working distance to the object B is small and exceeds the depth, the image on the image plane M is out of focus.
図9(c)に示すWD>WD0の場合、主光線CRは図9(a)と同様に進行するものの、物体光BRは、物体Bから物体側レンズ52に至るまでの拡散角が小さく、物体側レンズ52から像側レンズ53まで主光線CRに沿って収束しながら進行し、像側レンズ53により収束されるものの、像面Mが撮像素子56の位置から前方にずれ、そのずれた像面M上の結像点Kで結像する。
したがって、物体Bまでのワーキングディスタンスが大きくなって深度を超えた場合、像面M上の画像はピンボケとなる。
When WD> WD0 shown in FIG. 9C, the principal ray CR travels in the same manner as in FIG. 9A, but the object light BR has a small diffusion angle from the object B to the
Therefore, when the working distance to the object B increases and exceeds the depth, the image on the image plane M is out of focus.
このため、像側レンズ及び物体側レンズの外側(主光線と光軸が平行になっている側)の屈折力(=1/焦点距離、絞りの反対側の屈折力)を変化させる屈折力可変機構を設け、ピント調整可能にしたものも提案されている。
しかし、そのためには像側レンズ又は物体側レンズを複数枚のレンズで構成し、そのうちの特定のレンズをZ方向(光軸方向)に個別に移動させるステージが必要となり、構造が複雑となるだけでなく、収差、ガタツキを生じやすく、テレセントリックレンズ全体が大型化するという問題があった。
For this reason, the refractive power is variable to change the refractive power (= 1 / focal length, refractive power on the opposite side of the stop) outside the image side lens and object side lens (side where the principal ray and the optical axis are parallel). There has also been proposed a mechanism in which a focus adjustment is possible.
However, for that purpose, an image side lens or an object side lens is composed of a plurality of lenses, and a stage for individually moving a specific lens in the Z direction (optical axis direction) is required, which only complicates the structure. In addition, there is a problem that aberration and backlash tend to occur, and the entire telecentric lens becomes large.
そこで、最近では、レンズの位置を変えることなく屈折力を変えることができる液体レンズを用いて、テレセントリックレンズのピント合わせを実現したものも提案されている(特許文献1)。
図10の撮像装置61は、光軸Z上に配された物体側レンズ62と像側レンズ63の共通焦点Fに液体レンズ64を配したテレセントリックレンズ65と、その像面M上に配された撮像素子66とからなる。
Therefore, recently, a lens that achieves focusing of a telecentric lens using a liquid lens that can change the refractive power without changing the position of the lens has been proposed (Patent Document 1).
The
物体BまでのワーキングディスタンスWDが設計値WD0に等しいWD=WD0の場合、液体レンズ64の屈折力(P)=0とすることにより、図10(a)に示すように、物体Bから出た光は、物体側レンズ62で屈折され、液体レンズ64を通過した光が像側レンズ63に達し、像面M上に結像する。
When WD = WD0 where the working distance WD to the object B is equal to the design value WD0, the refractive power (P) of the
このとき、主光線CRは、物体Bから物体側レンズ62に至るまでは光軸Zと平行に進行し、物体側レンズ62から液体レンズ64を透過し像側レンズ63に至る間に、共通焦点Fで光軸Zと交差するように斜めに進行し、像側レンズ63から像面Mに至るまで光軸Zと平行に進行する。
物体光BRは、主光線CRに沿って、物体Bから物体側レンズ62に至るまで拡散し、物体側レンズ62から像側レンズ63まで主光線CRと平行に進行し、像側レンズ63から像面M上の結像点Kに収束するため、ピントの合った画像が得られる。
At this time, the principal ray CR travels in parallel with the optical axis Z from the object B to the
The object light BR diffuses along the principal ray CR from the object B to the
図10(b)及び(c)はワーキングディスタンスWDが変化した場合の光路変化を示す光線図である。
なお、液体レンズ64の有無による光路の違いを示すため、液体レンズ64から出射された光について、液体レンズ64が設けられていなかったとした場合の物体光の光路を点線で示し、液体レンズ64により屈折された物体光BRの光路を破線で示す。
FIGS. 10B and 10C are ray diagrams showing changes in the optical path when the working distance WD changes.
In order to show the difference in the optical path depending on the presence or absence of the
図10(b)に示すWD<WD0の場合、液体レンズ64の屈折力をプラス側に振ることにより、撮像素子66上に結像させることができる。
このとき、主光線CRは図10(a)と同様に進行するものの、物体光BRは、物体Bから物体側レンズ62に至るまでの拡散角が大きく、物体側レンズ62から液体レンズ64まで主光線CRに沿って拡散しながら進行する。
液体レンズ64で屈折力がプラス側に振られているので、液体レンズ64に入射された拡散光が屈折平行化され、像側レンズ63により撮像素子66上の結像点Kに収束して結像するため、像面Mを撮像素子66の撮像面と一致させることができ、ピントの合った画像が形成される。
In the case of WD <WD0 shown in FIG. 10B, an image can be formed on the
At this time, although the chief ray CR travels in the same manner as in FIG. 10A, the object light BR has a large diffusion angle from the object B to the
Since the refracting power is swung to the plus side by the
図10(c)に示すWD>WD0の場合、液体レンズ64の屈折力をマイナス側に振ることにより、撮像素子66上に結像させることができる。
このとき、主光線CRは図10(a)と同様に進行するものの、物体光BRは、物体Bから物体側レンズ62に至るまでの拡散角が小さく、物体側レンズ62から液体レンズ64まで主光線CRに沿って収束しながら進行する。
液体レンズ64は屈折力がマイナス側に振られているので、液体レンズ64に入射された収束光が屈折平行化され、像側レンズ63により撮像素子66上の結像点Kに収束して結像するため、像面Mを撮像素子66の撮像面と一致させることができ、ピントの合った画像が形成される。
In the case of WD> WD0 shown in FIG. 10C, an image can be formed on the
At this time, although the chief ray CR travels in the same manner as in FIG. 10A, the object light BR has a small diffusion angle from the object B to the
Since the refractive power of the
しかしながら、この光学系においては、焦点Fの位置に液体レンズ64が配されているため、絞りを配することができない。
テレセントリックレンズにおいて、ある程度の深度を確保するために、絞り口径を小さく設定する必要があるが、絞りを用いずに液体レンズ64を用いる場合は、液体レンズ64が絞りを兼用することとなるので、絞り口径は液体レンズ64の口径に依存することとなる。
したがって、絞りの口径を液体レンズ64の口径と関係なく自由に選定したい場合に、そのような光学設計を行うことができない。
また、液体レンズを用いることにより、ピント調整可能としても深度が浅くなるため、表面に大きな凹凸のある物体を観察する場合に、部分的にピントがずれる可能性がある。
However, in this optical system, since the
In the telecentric lens, it is necessary to set the aperture diameter small in order to ensure a certain depth, but when the
Therefore, such an optical design cannot be performed when it is desired to freely select the aperture of the diaphragm regardless of the aperture of the
In addition, by using a liquid lens, the depth becomes shallow even if the focus can be adjusted. Therefore, when an object having large irregularities on the surface is observed, there is a possibility that the focus is partially shifted.
さらに、この種の撮像装置は、温湿度管理された工場のクリーンルームなどに設置される精密機器の生産ラインに組み込まれて使用されることが多いが、一日のうちで稼働開始直後と、ある程度時間が経過した時点では、撮像装置内部の温度が変化し、これにより、液体レンズの屈折率が変化してピントがボケてしまう場合もある。 In addition, this type of imaging device is often used by being incorporated into a production line for precision equipment installed in a clean room of a factory where temperature and humidity are controlled. When the time elapses, the temperature inside the imaging apparatus changes, which may cause the refractive index of the liquid lens to change and blur the focus.
そこで本発明は、ワーキングディスタンスの変化に対応してピント調整することができるだけでなく、深度を深くして表面に大きな凹凸のある物体でも全体的にピントを合わせることができるようにし、さらに好ましくは、温度変化に伴い液体レンズの屈折率が変化する場合でも適正かつ迅速にピント合わせできるようにすることを技術的課題としている。 Therefore, the present invention can not only adjust the focus in response to changes in the working distance, but also increase the depth so that an object with large unevenness on the surface can be focused as a whole, and more preferably Therefore, it is a technical subject to enable proper and quick focusing even when the refractive index of the liquid lens changes with temperature change.
この課題を解決するために、本発明は、像側焦点に絞りを配することにより物体側の主光線を光軸と平行に入射させて前記焦点に集光させる物体側レンズ群、及び、物体側焦点に絞りを配することにより当該絞りを通過してきた主光線を像側で光軸と平行に出射させる像側レンズ群のいずれか一方又は双方を備え、前記レンズ群を透過した光を予め設定された位置の像面上に結像させるテレセントリックレンズにおいて、前記光軸上には、前記絞りの物体側あるいは像側で主光線が光軸に対して斜めに進行する領域に、屈折力(=1/焦点距離)の調整可能な液体レンズが配され、前記絞りの開口径が前記液体レンズの開口径よりも小さく選定されたことを特徴とする。 In order to solve this problem, the present invention provides an object-side lens group that causes a principal ray on the object side to be incident parallel to the optical axis by focusing on the image-side focus, and to focus on the focus. Provided with one or both of image side lens groups that emit principal rays that have passed through the diaphragm in parallel to the optical axis on the image side by disposing a stop at the side focal point, the light transmitted through the lens group in advance In the telecentric lens that forms an image on the image plane at a set position, a refractive power (in the region where the chief ray travels obliquely with respect to the optical axis on the object side or the image side of the stop is formed on the optical axis. = 1 / focal length), and an aperture diameter of the diaphragm is selected to be smaller than an aperture diameter of the liquid lens.
また、上記テレセントリックレンズの像面位置に撮像素子が配されてなる撮像装置において、テレセントリックレンズの光軸上には、前記絞りの物体側あるいは像側で主光線が光軸に対して斜めに進行する領域に屈折力の調整可能な液体レンズが配され、
当該液体レンズを駆動する制御電圧を変化させて、液体レンズの屈折力を調整し、ワーキングディスタンスの異なる被写体を前記像面位置に結像させるフォーカスシステムを備えたことを特徴とする。
In the imaging device in which an imaging element is arranged at the image plane position of the telecentric lens, the principal ray travels obliquely with respect to the optical axis on the object side or the image side of the diaphragm on the optical axis of the telecentric lens. A liquid lens with adjustable refractive power is arranged in the area to be
A focus system is provided that adjusts the refractive power of the liquid lens by changing a control voltage for driving the liquid lens to form an object with a different working distance at the image plane position.
このフォーカスシステムは、予め設定された1以上のワーキングディスタンスに応じて、基準温度における液体レンズの屈折力―制御電圧の関係に基づき、被写体を前記像面位置に結像させる制御電圧を出力するプリセットフォーカスモードと、前記プリセットフォーカスモードで制御電圧を出力する際に、液体レンズ温度−屈折力の関係に基づき、温度センサで検出された液体レンズ温度に応じて変化した屈折力を基準温度における屈折力に一致させる補正制御電圧を出力する温度補正モードと、前記制御電圧を変化させて画像を連続的に撮像しながら、各画像ごとに各画素の出力信号に基づいて合焦状態を表す数値を算出し、その数値が最大又は最小となった時に出力された制御電圧を合焦電圧として出力するオートフォーカスモードとを備えている。 This focus system outputs a control voltage for imaging a subject at the image plane position based on the relationship between the refractive power of the liquid lens at a reference temperature and the control voltage according to one or more preset working distances. When the control voltage is output in the focus mode and the preset focus mode, the refractive power changed according to the liquid lens temperature detected by the temperature sensor based on the relationship between the liquid lens temperature and the refractive power is used as the refractive power at the reference temperature. A temperature correction mode that outputs a correction control voltage to match the image and a numerical value that represents the in-focus state for each image based on the output signal of each pixel while continuously taking images by changing the control voltage Auto focus mode that outputs the control voltage output when the value reaches the maximum or minimum as the focus voltage; It is provided.
本発明に係るテレセントリックレンズは、絞りの物体側また像側の光軸上に屈折力調整可能な液体レンズが配されているので、ワーキングディスタンスに応じて液体レンズの屈折力を調整することにより、液体レンズを通過する光束の収束角/発散角が変化し、その光束を像面位置に結像させることができる。 In the telecentric lens according to the present invention, since the liquid lens capable of adjusting the refractive power is disposed on the optical axis on the object side or the image side of the diaphragm, by adjusting the refractive power of the liquid lens according to the working distance, The convergence angle / divergence angle of the light beam passing through the liquid lens changes, and the light beam can be imaged at the image plane position.
また、物体光は、液体レンズより開口径の小さい絞りを通過するので、絞り位置に液体レンズを配する場合に比して深度を深くすることができる。すなわち、液体レンズによりピント合わせされたワーキングディスタンスを中心にその前後にピントの合う深度を深くすることができるので、表面に大きな凹凸の形成された物体を観察する場合でも、部分的なピンボケを生じ難く、全体的にピントを合わせることができる。 Further, since the object light passes through a diaphragm having an aperture diameter smaller than that of the liquid lens, the depth of the object light can be increased as compared with the case where the liquid lens is disposed at the diaphragm position. In other words, since the working depth focused by the liquid lens can be centered, the depth of focus can be increased before and after that, even when observing an object with large irregularities on the surface, partial defocusing occurs. It is difficult and can focus on the whole.
さらに、このようなテレセントリックレンズの像面位置に撮像素子を配した撮像装置として使用する場合に、液体レンズを駆動する制御電圧を変化させて、液体レンズの屈折力を調整し、ワーキングディスタンスの異なる被写体を前記像面位置に結像させるフォーカスシステムを備えているので、自動的にピント合わせを行うことが出できる。 Furthermore, when used as an image pickup apparatus in which an image pickup element is arranged at the image plane position of such a telecentric lens, the control voltage for driving the liquid lens is changed, the refractive power of the liquid lens is adjusted, and the working distance is different. Since a focus system for focusing the subject on the image plane position is provided, it is possible to automatically focus.
この場合に、プリセットフォーカスモードに設定すれば、予め設定された1以上のワーキングディスタンスに応じて、基準温度における液体レンズの屈折力―制御電圧の関係に基づき、物体光を前記像面位置に結像させる制御電圧が出力されるので、予め物体までのワーキングディスタンスが定まっている場合に、像面に配された撮像素子のピントを合わせることができる。
また同時に、温度補正モードを実行させると、液体レンズ温度−屈折力の関係に基づき、温度センサで検出された液体レンズ温度に応じて変化した屈折力を基準温度における屈折力に一致させる補正制御電圧が出力されるので、液体レンズの温度変化に伴うピンボケを生ずることがない。
In this case, if the preset focus mode is set, the object light is coupled to the image plane position based on the relationship between the refractive power of the liquid lens at the reference temperature and the control voltage according to one or more preset working distances. Since the control voltage for imaging is output, the focus of the image sensor arranged on the image plane can be adjusted when the working distance to the object is determined in advance.
At the same time, when the temperature correction mode is executed, a correction control voltage that matches the refractive power changed according to the liquid lens temperature detected by the temperature sensor with the refractive power at the reference temperature based on the relationship between the liquid lens temperature and the refractive power. Is output, so there is no occurrence of blurring due to the temperature change of the liquid lens.
さらに、オートフォーカスモードにすれば、各画素の出力信号に基づいて、合焦状態を表す数値を算出し、その数値が最大又は最小となった時に出力された制御電圧が合焦電圧として出力されるので、物体までのワーキングディスタンスが不明な場合でもオートフォーカスされる。 Furthermore, if the auto focus mode is set, a numerical value indicating the in-focus state is calculated based on the output signal of each pixel, and the control voltage output when the numerical value becomes maximum or minimum is output as the in-focus voltage. Therefore, even if the working distance to the object is unknown, autofocus is performed.
このオートフォーカスモードは、プリセットフォーカスモードであらかじめ設定されたワーキングディスタンスに設定した後に実行させることもでき、この場合、プリセットフォーカスモードによる大まかなピント合わせと、オートフォーカスモードによる微細なピント合わせの二段階でピント合わせを行うことができ、最初からオートフォーカスモードでピント合わせを行う場合に比して合焦状態となるまでの処理時間を短縮することができる。 This autofocus mode can also be executed after setting a preset working distance in the preset focus mode. The focusing time can be adjusted by this, and the processing time until the focusing state is achieved can be shortened compared with the case where the focusing is performed in the autofocus mode from the beginning.
本例では、ワーキングディスタンスの変化に対応してピント調整することができるだけでなく、深度を深くして表面に凹凸のある物体でも全体的にピントを合わせることができるようにし、さらに好ましくは、温度変化に伴い液体レンズの屈折率が変化する場合でも適正かつ迅速にピント合わせできるようにするという目的を達成するために、
像側焦点に絞りを配することにより物体側の主光線を光軸と平行に入射させて前記焦点に集光させる物体側レンズ群、及び、物体側焦点に絞りを配することにより当該絞りを通過してきた主光線を像側で光軸と平行に出射させる像側レンズ群のいずれか一方又は双方を備えたテレセントリックレンズと、
前記レンズ群を透過した光を撮像する撮像素子が前記光軸上の予め設定された像面位置に配されてなる撮像装置において、
前記テレセントリックレンズの光軸上には、前記絞りの物体側あるいは像側で主光線が光軸に対して斜めに進行する領域に屈折力(=1/焦点距離)の調整可能な液体レンズが配され、
当該液体レンズを駆動する制御電圧を変化させて、液体レンズの屈折力を調整し、ワーキングディスタンスの異なる被写体を前記像面位置に結像させるフォーカスシステムを備え、
当該フォーカスシステムは、
予め設定された1以上のワーキングディスタンスに応じて、基準温度における液体レンズの屈折力―制御電圧の関係に基づき、被写体を前記像面位置に結像させる制御電圧を出力するプリセットフォーカスモードと、
前記プリセットフォーカスモードで制御電圧を出力する際に、液体レンズ温度−屈折力の関係に基づき、温度センサで検出された液体レンズ温度に応じて変化した屈折力を基準温度における屈折力に一致させる補正制御電圧を出力する温度補正モードと、
前記制御電圧を変化させて画像を連続的に撮像しながら、各画像ごとに各画素の出力信号に基づいて合焦状態を表す数値を算出し、その数値が最大又は最小となった時に出力された制御電圧を合焦電圧として出力するオートフォーカスモードとを備えると共に、
前記各モードを単独でまたは組み合わせてフォーカシングを行うフォーカスモード設定手段を備えた。
In this example, not only can the focus be adjusted in response to a change in the working distance, but the depth can be increased so that the entire surface can be focused even on an object with irregularities on the surface. In order to achieve the purpose of being able to focus properly and quickly even when the refractive index of the liquid lens changes with the change,
An object side lens group that makes the principal ray on the object side incident parallel to the optical axis by concentrating the stop on the image side focal point and condensing on the focal point, and the aperture on the object side focal point A telecentric lens provided with either one or both of the image side lens group for emitting the principal ray that has passed through the image side in parallel with the optical axis;
In an imaging apparatus in which an imaging element that images light transmitted through the lens group is arranged at a preset image plane position on the optical axis,
On the optical axis of the telecentric lens, a liquid lens having an adjustable refractive power (= 1 / focal length) is arranged in a region where the chief ray travels obliquely with respect to the optical axis on the object side or the image side of the stop. And
A focusing system that changes the control voltage for driving the liquid lens, adjusts the refractive power of the liquid lens, and forms an object with a different working distance at the image plane position;
The focus system
A preset focus mode for outputting a control voltage for forming an image of the subject at the image plane position based on the relationship between the refractive power of the liquid lens at the reference temperature and the control voltage in accordance with one or more preset working distances;
When outputting the control voltage in the preset focus mode, based on the relationship between the liquid lens temperature and the refractive power, a correction for matching the refractive power changed according to the liquid lens temperature detected by the temperature sensor with the refractive power at the reference temperature. Temperature compensation mode for outputting control voltage,
While the image is continuously picked up by changing the control voltage, a numerical value representing the in-focus state is calculated for each image based on the output signal of each pixel, and is output when the numerical value becomes maximum or minimum. And an autofocus mode that outputs the control voltage as a focusing voltage,
Focus mode setting means for performing focusing individually or in combination with each mode is provided.
図1に示す撮像装置1は、両側テレセントリックレンズ2と、その像面Mの位置に配された撮像素子3とを備えている。
両側テレセントリックレンズ2は、物体側レンズ(物体側レンズ群)4の像側焦点と、像側レンズ(像側レンズ群)5の物体側焦点を合致させた共通焦点Fに絞り6が配され、それぞれのレンズ4及び5が同一光軸Z上に沿って配されている。
An
The bilateral telecentric lens 2 is provided with a
物体側レンズ4の像側焦点である共通焦点Fに絞り6が配されているので、物体側の主光線CRは当該レンズ4に対して光軸Zと平行に入射され、その焦点Fに集光される。
また、像側レンズ5の物体側焦点である共通焦点Fに絞り6が配されているので、その絞り6を通過してきた主光線CRは当該レンズ5で屈折され、像側へ光軸Zと平行に出射されることとなる。
これにより、物体側の主光線CRは、光軸Zと平行になるように物体側レンズ4に入射し、共通焦点Fで光軸Zと交差するように屈折して光軸Zに対して斜めに進行し、さらに、像側レンズ5で再度屈折して像側で光軸Zと平行に出射される。
Since the
In addition, since the
Thus, the principal ray CR on the object side is incident on the
前記光軸Z上には、絞り6に近接して、絞り6の物体側又は像側(本例では物体側)で、主光線CRが光軸Zに対して斜めに進行する領域Sに屈折力(=1/焦点距離)の調整可能な液体レンズ7が配されている。
絞り6は、液体レンズ7の開口径より小さいものが用いられ、本例では、開口径可変調整できるものが用いられており、その開口径を調整することにより深度を深くすることができるようになっている。
なお、物体側レンズ4と液体レンズ7の間には、同軸落射照明を行うためのビームスプリッタ8が配され、その分岐光軸上に光源9が配されている。
On the optical axis Z, the principal ray CR is refracted into a region S where the principal ray CR travels obliquely with respect to the optical axis Z on the object side or the image side (in this example, the object side) of the
The
A beam splitter 8 for performing coaxial epi-illumination is disposed between the
液体レンズ7は、上底面及び下底面が光の入出射面とされた円筒ディスク状容器に、屈折率の異なる非混合性の二種類の液体を封入し、二つの環状電極間に印加する制御電圧を例えば30〜55Vの間で変化させることにより、液界面と容器内周面の接触位置を変化させ、その結果、液界面の凹凸形状が変化して屈折力が調整できるようになっている。
The
図2(a)は、ワーキングディスタンスWDとテレセントリックレンズ2の設計値WD0の関係がWD=WD0の場合の光線図を示す。この場合、液体レンズ7の屈折力(P)=0(例えば制御電圧=42V)に設定されている。
物体Bからの光は、物体側レンズ4で屈折され、液体レンズ7を通った光のみが像側レンズ5に達し、像面M上に結像する。
このとき、主光線CRは、物体Bから物体側レンズ4に至るまでは光軸Zと平行に進行し、物体側レンズ4から液体レンズ7を透過し像側レンズ5に至る間に、共通焦点Fで光軸Zと交差するように斜めに進行し、像側レンズ5から像面Mに至るまで光軸Zと平行に進行する。
一方、物体光BRは、主光線CRに沿って、物体Bから物体側レンズ4に至るまで拡散し、物体側レンズ4から液体レンズ7を通り像側レンズ5まで主光線CRと平行に進行し、像側レンズ5から像面M上の結像点Kに収束するため、像面Mにおかれた撮像素子3でピントの合った画像が得られる。
FIG. 2A shows a ray diagram when the relationship between the working distance WD and the design value WD0 of the telecentric lens 2 is WD = WD0. In this case, the refractive power (P) of the
The light from the object B is refracted by the
At this time, the chief ray CR travels in parallel with the optical axis Z from the object B to the
On the other hand, the object light BR diffuses along the principal ray CR from the object B to the
図2(b)及び(c)はワーキングディスタンスWDが変化した場合の光路変化を示す光線図である。
なお、液体レンズ7の有無による光路の違いを示すため、液体レンズ7から出射された光について、液体レンズ7が設けられていなかったとした場合の物体光の光路を点線で示し、液体レンズ7により屈折された物体光BRの光路を破線で示す。
FIGS. 2B and 2C are ray diagrams showing changes in the optical path when the working distance WD changes.
In order to show the difference in the optical path depending on the presence or absence of the
図2(b)に示すWD<WD0の場合、液体レンズ7の屈折力をプラス側に振ることにより、像面M上に結像させることができる。
このとき、主光線CRは図2(a)と同様に進行するものの、物体光BRは、物体Bから物体側レンズ4に至るまでの拡散角が大きく、物体側レンズ4から液体レンズ7まで主光線CRに沿って拡散しながら進行する。
液体レンズ7は屈折力がプラス側に振られているので、液体レンズ7に入射された拡散光が屈折平行化され、像側レンズ5により撮像素子3上の結像点Kに収束するように結像されるため、像面Mと撮像素子3が一致した状態に維持され、ピントの合った画像が形成される。
In the case of WD <WD0 shown in FIG. 2B, an image can be formed on the image plane M by swinging the refractive power of the
At this time, the chief ray CR travels in the same manner as in FIG. 2A, but the object light BR has a large diffusion angle from the object B to the
Since the refractive power of the
図2(c)に示すWD>WD0の場合、液体レンズ7の屈折力をマイナス側に振ることにより、図2(c)に示すように、像面M上に結像させることができる。
このとき、主光線CRは図2(a)及び(b)と同様に進行するものの、物体光BRは、物体Bから物体側レンズ4に至るまでの拡散角が小さく、物体側レンズ4から液体レンズ7まで主光線CRに沿って収束しながら進行する。
液体レンズ7は屈折力がマイナス側に振られているので、液体レンズ7に入射された収束光が屈折平行化され、像側レンズ5により撮像素子3上の結像点Kに収束するように結像されるため、像面Mと撮像素子3が一致した状態に維持され、ピントの合った画像が形成される。
When WD> WD0 shown in FIG. 2C, the image can be formed on the image plane M as shown in FIG. 2C by swinging the refractive power of the
At this time, the chief ray CR travels in the same manner as in FIGS. 2A and 2B, but the object light BR has a small diffusion angle from the object B to the
Since the refractive power of the
しかも、絞り6の開口径が液体レンズ7の開口径よりも小さく選定されているため、液体レンズ7を通過させるのみでは深度が浅いテレセントリックレンズ2でも、絞り6の開口径を液体レンズ7の開口径よりも小さい任意の大きさに設定することにより、深度の深いピント調整可能なテレセントリックレンズ2を構成することができる。
In addition, since the aperture diameter of the
液体レンズ7を駆動してその屈折力を調整するフォーカスシステム10は、撮像装置1に組み込まれたマイクロコンピュータ11などで構成されており、予め必要なプログラムやデータを記憶すると共に演算結果を一時記憶するメモリ12と、入力データに基づいて必要なデータ処理を行う演算装置13を備えている。
また、マイクロコンピュータ11には、I/Oポート14を介して、その入力側に液体レンズ7の温度を測定する温度センサ15と、撮像素子3と、各スイッチSW0〜SW3が接続され、出力側には液体レンズ7のドライバ16が接続されている。
温度センサ15は、液体レンズ7に組み込んでその内部温度あるいは表面温度を測定することが精度上望ましいが、外部から液体レンズ14の温度を非接触に、あるいは、周囲温度を測定する場合であってもよい。
なお、液体レンズ7のドライバを環状基板などで形成し液体レンズ7の光入出射側端面に一体形成する場合に、その環状基板に温度センサ15を設けてもよく、また、環状基板に形成される光透過孔の開口径を液体レンズ7の開口径より小さい適当な大きさとし、これを絞り6として用いる場合であってもよい。
A
The
The
When the driver of the
このフォーカスシステム10は、物体までのワーキングディスタンスに応じて最適のピント位置を自動的に設定するオートフォーカスモードM1と、予め設定されたワーキングディスタンスに応じた屈折力に設定するプリセットフォーカスモードM2と、プリセットフォーカスモードM2を実行する際に温度変化によるピントずれを調整する温度補正モードM3とを、単独でまたは組み合わせて実行させるフォーカスモード設定手段を備えている。
The
<フォーカスモード設定手段>
図3はフォーカスモード設定手段の処理手順を示すフローチャートである。
メインスイッチSW0をオンした後、各モードM1〜M3に対応するスイッチSW1〜SW3を操作する、
<Focus mode setting means>
FIG. 3 is a flowchart showing the processing procedure of the focus mode setting means.
After turning on the main switch SW0, the switches SW1 to SW3 corresponding to the respective modes M1 to M3 are operated.
まず、ステップSTP1でスイッチSW1の状態が判断され、オンの場合はステップSTP2へ、オフの場合はステップSTP7へ移行する。
ステップSTP2ではスイッチSW2の状態が判断され、オフの場合はステップSTP3へ移行してオートフォーカスモードM1が決定され、オンの場合はステップSTP4へ移行する。
First, in step STP1, the state of the switch SW1 is determined. If it is on, the process proceeds to step STP2, and if it is off, the process proceeds to step STP7.
In step STP2, the state of the switch SW2 is determined. If it is off, the process proceeds to step STP3 to determine the autofocus mode M1, and if it is on, the process proceeds to step STP4.
ステップSTP4では、スイッチSW3の状態が判断され、オフの場合はステップSTP5でプリセットフォーカスモードM2及びオートフォーカスモードM1の連続実行が決定され、オンの場合はステップSTP6で、温度補正モードM3を伴ったプリセットモードM2及びオートフォーカスモードM1の連続実行が決定される。 In step STP4, the state of the switch SW3 is determined. If the switch SW3 is off, the preset focus mode M2 and the autofocus mode M1 are continuously executed in step STP5. If the switch SW3 is on, the temperature correction mode M3 is accompanied in step STP6. Continuous execution of the preset mode M2 and the autofocus mode M1 is determined.
また、ステップSTP1からステップSTP7に移行すると、スイッチSW2の状態が判断され、オフの場合はステップSTP1へ戻り、オンの場合はステップSTP8に移行する。
ステップSTP8では、スイッチSW3の状態が判断され、オフの場合はステップSTP9でプリセットフォーカスモードM2が決定され、オンの場合はステップSTP10で、温度補正モードM3を伴ったプリセットモードM2に決定される。
When the process proceeds from step STP1 to step STP7, the state of the switch SW2 is determined. If it is off, the process returns to step STP1, and if it is on, the process proceeds to step STP8.
In step STP8, the state of the switch SW3 is determined. If it is off, the preset focus mode M2 is determined in step STP9. If it is on, the preset mode M2 with the temperature correction mode M3 is determined in step STP10.
<オートフォーカスモードM1>
図4は、オートフォーカスモードM1の処理手順を示す説明図である。このオートフォーカスモードM1は、制御電圧CVNを初期値V0から所定の単位ステップΔVずつ変化させながら、撮像素子3で撮像された画像MGNを撮像し、その全ての画素について隣接する8画素との輝度差の絶対値の総和Siを計算し、Siの総和ΣSiを合焦評価値ANとして計算し、この値が最大となった時の制御電圧を合焦電圧として出力するものである。
<Auto focus mode M1>
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a processing procedure in the autofocus mode M1. The autofocus mode M1, while the control voltage CV N is changed from the initial value V0 by a predetermined unit step [Delta] V, and captures an image MG N pickup element 3, and 8 pixels adjacent the all pixels the sum Si of the absolute value of luminance difference calculated in, calculates the sum ΣSi of Si as the in-focus evaluation value a N, and outputs the control voltage when the value becomes the maximum as the focus voltage.
具体的には、ステップSTP11でインデックスN=0とリセットし、ステップSTP12で制御電圧CVN(=V0+N・ΔV)を液体レンズ7に出力して画像MGNを撮像し、ステップSTP13に移行する。
ステップSTP13では、画像MGNについて合焦評価値ANを算出して所定の記憶領域に記憶すると共に、今まで記憶された合焦評価値ANの最大値MX(AN)を算出し、最大値MX(AN)に対応するNの値NMXを最大値インデックスXとして記憶する。
Specifically, resetting the index N = 0 in step STP11, the control voltage CV N (= V0 + N · ΔV) at step STP12 captures an image MG N is output to the
In step STP13, the focus evaluation value A N is calculated for the image MG N and stored in a predetermined storage area, and the maximum value MX (A N ) of the focus evaluation value A N stored so far is calculated. The value N MX of N corresponding to the maximum value MX (A N ) is stored as the maximum value index X.
次いで、ステップSTP14で所要数(例えばN=0〜6の計7個)の合焦評価値ANを算出されるまで、ステップSTP15でN=N+1としてステップSTP11に戻り、N=6に達した時点で、ステップSTP16に移行する。
ステップSTP16では、合焦評価値ANの変化傾向が判断され、X>3であれば増加傾向であると判断してステップSTP17に移行し、X<3であれば減少傾向であると判断してステップSTP22に移行し、X=3であればステップステップSTP28に移行する。
Then, until the calculated focus evaluation value A N of the required number (e.g. seven pieces of N = Less than six) at
At step STP16, it is determined that the change trend of the focus evaluation value A N, the process proceeds to step STP17 it is determined that the increase, if X> 3, determines that the downward trend if X <3 Then, the process proceeds to step STP22. If X = 3, the process proceeds to step STP28.
ステップSTP16で増加傾向と判断され、ステップSTP17に移行されるとN=N+1とし、ステップSTP18で制御電圧CVN(=V0+N・ΔV)を液体レンズ7に出力する。
ステップSTP19では、撮像された画像MGNについて合焦評価値ANを算出すると共に、合焦評価値ANの最大値MX(AN)、最大値インデックスXを記憶する。
If it is determined in step STP16 that there is an increasing tendency and the process proceeds to step STP17, N = N + 1 is set, and in step STP18, the control voltage CV N (= V0 + N · ΔV) is output to the
In step STP19, the focus evaluation value A N is calculated for the captured image MG N , and the maximum value MX (A N ) and the maximum value index X of the focus evaluation value A N are stored.
次いで、ステップSTP20では、合焦評価値ANがピークを越えたか否かを判断するため、N=X+3となったか否か判断される。すなわち、最大値MAX(AN)より小さな合焦評価値ANが三つ続けて出力されたかによって判断される。
まだ増加傾向にある場合は、Noと判断されるので、ステップSTP17に戻って処理を継続し、Yesの場合は、ステップSTP21に移行してそのときの最大値MAX(AN)を出力した時点の制御電圧CVXを合焦電圧FVとして出力する。
Then, at step STP20, the focus evaluation value A N is to determine whether the peaked, it is determined whether or not a N = X + 3. That is, the determination is made based on whether three focus evaluation values A N smaller than the maximum value MAX (A N ) are output in succession.
If it is still in an increasing trend, it is determined No, so the process returns to step STP17 to continue the process. If Yes, the process proceeds to step STP21 and the maximum value MAX (A N ) at that time is output. The control voltage CV X is output as the focusing voltage FV.
また、ステップSTP16で減少傾向と判断されたときは、ステップSTP22でN=−1とし、ステップSTP23で制御電圧CVN(=V0+N・ΔV)を液体レンズ7に出力する。
ステップSTP24では、撮像された画像MGNについて合焦評価値ANを算出すると共に、今まで記憶された合焦評価値ANの最大値MAX(AN)を算出し、そのときのNの値を最大値インデックスXとして記憶する。
On the other hand, when it is determined in step STP16 that the rate is decreasing, N = −1 is set in step STP22, and the control voltage CV N (= V0 + N · ΔV) is output to the
In step STP24, calculates a focus evaluation value A N for captured image MG N, until now calculates the maximum value MAX (A N) of the stored focus evaluation value A N, the N at that time The value is stored as the maximum value index X.
次いで、ステップSTP25では、合焦評価値ANがピークを越えたか否かを判断するため、N=X-3となったか否か判断される。すなわち、最大値MAX(AN)より小さな合焦評価値ANが三つ続けて出力されたかによって判断される。
まだ増加傾向にある場合は、Noと判断されるので、ステップSTP26でN=N−1としてステップSTP23に戻り、Yesの場合は、ステップSTP27に移行してそのときの最大値MAX(AN)を出力した時点の制御電圧CVXを合焦電圧FVとして出力して処理を終了する。
Then, at step STP25, the focus evaluation value A N is to determine whether the peaked, it is determined whether or not a N = X-3. That is, the determination is made based on whether three focus evaluation values A N smaller than the maximum value MAX (A N ) are output in succession.
If it is still in an increasing trend, it is determined No, so that N = N−1 in Step STP26 and the process returns to Step STP23. If Yes, the process proceeds to Step STP27 and the maximum value MAX (A N ) at that time is returned. The control voltage CV X at the time of outputting is output as the focusing voltage FV, and the process is terminated.
なお、ステップSTP16で、X=3と判断された場合は、中央の合焦評価値A3よりも、その両側の三つの合焦評価値A0〜A2及びA4〜A6の値が低いことになるので、ステップSTP28で、最大値となる合焦評価値A3のN値に基づき最大値インデックスX=3として、制御電圧CV3を合焦電圧FVとして出力し、処理を終了する。 If it is determined in step STP16 that X = 3, the three focus evaluation values A0 to A2 and A4 to A6 on both sides thereof are lower than the central focus evaluation value A3. in step STP28, the maximal value-related index X = 3 on the basis of the N values of the focus evaluation value A3 as a maximum value, and outputs a control voltage CV 3 as an in-focus voltage FV, the process ends.
<プリセットフォーカスモードM2>
図5は、プリセットフォーカスモードM2の処理手順を示す説明図である。
このプリセットフォーカスモードM2は、予め設定された1以上のワーキングディスタンスに応じて、基準温度における液体レンズの屈折力―制御電圧の関係に基づき、被写体を前記像面位置に結像させる制御電圧を出力するものである。
<Preset focus mode M2>
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a processing procedure in the preset focus mode M2.
This preset focus mode M2 outputs a control voltage for imaging the subject at the image plane position based on the relationship between the refractive power of the liquid lens at the reference temperature and the control voltage according to one or more preset working distances. To do.
方法としては、個々のワークのワーキングディスタンスを何らかの方法で特定して制御電圧を出力する場合と、前記オートフォーカスモードM1で得られた合焦電圧FVを予め記憶させることにより特定の屈折力における制御電圧を出力する場合であってもよいが、図4は前者の処理手順を示す。 As a method, the working distance of each workpiece is specified by some method and a control voltage is output, and the focusing voltage FV obtained in the autofocus mode M1 is stored in advance to control at a specific refractive power. Although the voltage may be output, FIG. 4 shows the former processing procedure.
この場合、予めワーキングディスタンスWDに応じて像面Mに結像する制御電圧CVの関係を記録したWD−CV変換テーブルをメモリ12に設定しておく。
ワークが撮像位置に到来すると、図4に示す処理が実行開始され、ステップSTP31で、制御記号読取専用カメラによりワークの特定位置に記録された制御記号CCが読み取られ、ステップSTP32に移行する。
In this case, a WD-CV conversion table in which the relationship of the control voltage CV imaged on the image plane M is previously set in the
When the work arrives at the imaging position, the processing shown in FIG. 4 is started. In step STP31, the control symbol CC recorded at the specific position of the work is read by the control symbol reading-only camera, and the process proceeds to step STP32.
ステップSTP32では、読み取られた制御記号CCに対応させて、予め設定されたCC−WD変換テーブルを参照して、そのワークのワーキングディスタンスWDを特定し、ステップSTP33に移行する。
ステップSTP33では、特定されたワーキングディスタンスWDに対応させて、WD−CV変換テーブルを参照して制御電圧CVを決定し、ステップSTP34で、その制御電圧CVを出力し処理を終了する。
In step STP32, the working distance WD of the work is specified with reference to a preset CC-WD conversion table corresponding to the read control symbol CC, and the process proceeds to step STP33.
In step STP33, the control voltage CV is determined with reference to the WD-CV conversion table in correspondence with the specified working distance WD, and in step STP34, the control voltage CV is output and the process is terminated.
なお、オートフォーカスモードM1で得られた合焦電圧FVを記憶させることにより特定の屈折力における制御電圧を出力する場合は、ワークの特定位置に記録された制御記号と合焦電圧FVの関係を記憶し、当該制御記号が読み取られたときにその制御電圧FVを出力すればよい。 When a control voltage at a specific refractive power is output by storing the focus voltage FV obtained in the autofocus mode M1, the relationship between the control symbol recorded at a specific position of the workpiece and the focus voltage FV is obtained. What is necessary is just to memorize | store and output the control voltage FV when the said control symbol is read.
<温度補正モードM3>
図6は温度補正モードM3の処理手順を示す。
温度補正モードM3は、プリセットフォーカスモードM2を実行する際に出力される制御電圧CVを液体レンズ7の温度に応じて補正するモードであり、必ずプリセットフォーカスモードM2に付随して実行される。
プリセットフォーカスモードM2は、ワーキングディスタンスWDに応じて制御電圧CVが特定されるが、液体レンズ7は、制御電圧が一定でも温度によって屈折力が変化してしまうため、ワーキングディスタンスWDに対応する制御電圧CVは厳密には温度によって異なる。
<Temperature correction mode M3>
FIG. 6 shows a processing procedure in the temperature correction mode M3.
The temperature correction mode M3 is a mode in which the control voltage CV output when the preset focus mode M2 is executed is corrected according to the temperature of the
In the preset focus mode M2, the control voltage CV is specified according to the working distance WD. However, since the refractive power of the
そこで、予め温度を変化させ、各温度Tごとに、ワーキングディスタンスWDに対応する制御電圧CV(T)を実験で求め、その関係をWD−CV(T)変換テーブルとしてメモリ12に記憶させておく。
温度補正モードM3が実行開始されると、ステップSTP41で温度センサ15により液体レンズ7の温度Tが検出され、ステップSTP42でその温度Tに対応するWD−CV(T)変換テーブルがメモリ12から読み出される。
次いで、ステップSTP43でプリセットフォーカスモードM2のステップSTP33で参照されるWD−CV変換テーブルとして設定し、ステップSTP41へ戻り、温度変化した場合には、ステップSTP41〜43の処理を繰り返す。
Therefore, the temperature is changed in advance, and for each temperature T, a control voltage CV (T) corresponding to the working distance WD is obtained by experiment, and the relationship is stored in the
When the temperature correction mode M3 is started, the temperature T of the
Next, in step STP43, the WD-CV conversion table referred to in step STP33 of the preset focus mode M2 is set, and the process returns to step STP41. When the temperature changes, the processes in steps STP41 to S43 are repeated.
以上が本発明の一構成例であって、次にその作用を、撮像装置1が組み込まれた生産ラインを搬送されてくるワークの寸法を測定する場合について説明する。
The above is an example of the configuration of the present invention, and the operation thereof will be described next in the case of measuring the dimensions of the workpiece conveyed on the production line in which the
メインスイッチSW0をオンした状態で、全スイッチSW1〜SW3をオンすることにより、温度補正モードM3を伴ったプリセットモードM2及びオートフォーカスモードM1が連続実行される。
まず、温度補正モードM3が実行され、温度センサ15で検出された温度Tに応じたWD−CV(T)変換テーブルが設定される。
この状態で、プリセットモードM2が実行され、ワークが到来する撮像位置に到来するたびに、ワークの特定位置に記録された制御記号CCが読み取られ、その制御記号に応じたワーキングディスタンスWDが特定され、ワーキングディスタンスWDに応じた制御電圧CVが出力される。
したがって、到来したワークのワーキングディスタンスWDに応じて、その時点の温度に対応した制御電圧CV(T)が出力されるので、基準温度T0からの温度差にかかわらず、液体レンズ7の屈折力が最適値に設定される。
By turning on all the switches SW1 to SW3 with the main switch SW0 turned on, the preset mode M2 and the autofocus mode M1 accompanied by the temperature correction mode M3 are continuously executed.
First, the temperature correction mode M3 is executed, and a WD-CV (T) conversion table corresponding to the temperature T detected by the
In this state, the preset mode M2 is executed, and every time the imaging position where the workpiece arrives is reached, the control symbol CC recorded at the specific position of the workpiece is read, and the working distance WD corresponding to the control symbol is specified. A control voltage CV corresponding to the working distance WD is output.
Therefore, since the control voltage CV (T) corresponding to the temperature at that time is output according to the working distance WD of the arrived work, the refractive power of the
次いで、オートフォーカスモードM1により、実際にピントが合っているか確認され、あっていない場合は、画像信号に基づきさらに微修正されるので、確実にピントが合った状態の画像が得られる。
なお、このようにプリセットフォーカスモードM2とオートフォーカスモードM1を組み合わせることにより、プリセットフォーカスモードM2でおおよそのピントが合うので、オートフォーカスモードM1のみでピントを合わす場合に比較して合焦時間が早いというメリットがある。
Next, the autofocus mode M1 confirms whether or not the subject is actually in focus. If not, the image is further finely corrected based on the image signal, so that an image in focus can be obtained with certainty.
By combining the preset focus mode M2 and the autofocus mode M1 in this way, the approximate focus is achieved in the preset focus mode M2, so that the in-focus time is faster than when focusing is performed only in the autofocus mode M1. There is a merit.
なお、上記実施例の説明では、物体側レンズ4を単レンズ構成とし、像側レンズ5を複数レンズ構成とした場合について説明したが、それぞれ構成するレンズの枚数は任意である。
In the description of the above embodiment, the case where the
図7は本発明に係る第2実施例を示す。なお、図1と共通する部分については、同一符号を付して詳細説明を省略する。
本例に係る撮像装置21は、物体側テレセントリックレンズ22と、その像面Mの位置に配された撮像素子3とを備えている。
物体側テレセントリックレンズ22は、光軸Zに沿って物体側レンズ(物体側レンズ群)23と結像レンズ24が配され、前記物体側レンズ23の像側焦点Fに絞り6が配されて、当該絞り6を通過した光が結像レンズ24により像面M上に結像されるようになっている。
FIG. 7 shows a second embodiment according to the present invention. In addition, about the part which is common in FIG. 1, the same code | symbol is attached | subjected and detailed description is abbreviate | omitted.
The
The object side
これにより、物体側の主光線CRは、光軸Zと平行になるように物体側レンズ23に入射し、焦点Fで光軸Zと交差するように屈折されて光軸Zに対して斜めに進行し、絞り6を通過した後、結像レンズ24で再度屈折されて撮像素子3と一致する像面M上の結像点Kに達する。
Thus, the principal ray CR on the object side is incident on the
前記光軸Z上には、絞り6に近接して、絞り6の物体側あるいは像側(本例では物体側)で、主光線CRが光軸Zに対して斜めに進行する領域Sに屈折力の調整可能な液体レンズ7が配されている。
なお、絞り6は、液体レンズ7の開口径より小さいものが用いられ、本例では、開口径可変調整できるものが用いられている。
また、物体側レンズ4と液体レンズ7の間には、同軸落射照明を行うためのビームスプリッタ8が配され、その分岐光軸上に光源9が配されている。
On the optical axis Z, close to the
The
A beam splitter 8 for performing coaxial epi-illumination is disposed between the
これによれば、実施例1と同様の手順により、ワーキングディスタンスWDが変化した場合でも、撮像素子3と像面Mを一致させて当該像面M上に結像させるように液体レンズ7の屈折力を調整することができるので、撮像素子3で撮像される画像のピントがボケることがない。
According to this, even when the working distance WD is changed by the same procedure as in the first embodiment, the refraction of the
図8は本発明の第3実施例を示す。なお、図1と共通する部分については、同一符号を付して詳細説明を省略する。
本例に係る撮像装置31は、像側テレセントリックレンズ32と、その像面Mの位置に配された撮像素子3を備えている。
像側テレセントリックレンズ32は、光軸Zに沿って、対物レンズ33と像側レンズ(像側レンズ群)34が配され、前記像側レンズ34の物体側焦点Fに絞り6が配されて、対物レンズ33及び絞り6を通過した光が像側レンズ34により屈折されて、像面M上に結像されるようになっている。
FIG. 8 shows a third embodiment of the present invention. In addition, about the part which is common in FIG. 1, the same code | symbol is attached | subjected and detailed description is abbreviate | omitted.
The
The image
これにより、対物レンズ33に入射された物体側の主光線CRは、焦点Fで光軸Zと交差するように屈折されて光軸Zに対して斜めに進行し、絞り6を通過した後、像側レンズ34で再度屈折されて光軸Zと平行に進行し、像面M上の結像点Kに達する。
As a result, the principal ray CR on the object side incident on the
前記光軸Z上には、絞り6に近接して、その物体側あるいは像側(本例では像側)で、主光線CRが光軸Zに対して斜めに進行する領域Sに屈折力の調整可能な液体レンズ7が配されている。
なお、絞り6は、液体レンズ7の開口径より小さいものが用いられ、本例では、開口径可変調整できるものが用いられている。
また、物体側レンズ4と液体レンズ7の間には、同軸落射照明を行うためのビームスプリッタ8が配され、その分岐光軸上に光源9が配されている。
On the optical axis Z, in the vicinity of the
The
A beam splitter 8 for performing coaxial epi-illumination is disposed between the
これによれば、実施例1と同様の手順により、ワーキングディスタンスWDが変化した時でも像面M上に結像させるように液体レンズ7の屈折力を調整することができるので、撮像素子3で撮像する際にピンボケを生ずることがない。
According to this, the refractive power of the
ワーキングディスタンスが変化する物体を撮像する撮像装置及びこれに用いるテレセントリックレンズの用途に適用し得る。 The present invention can be applied to an imaging apparatus for imaging an object whose working distance changes and a telecentric lens used for the imaging apparatus.
1 撮像装置
2 テレセントリックレンズ
3 撮像素子
4 物体側レンズ
5 像側レンズ
6 絞り
7 液体レンズ
B 物体
M 像面
F 共通焦点
Z 光軸
CR 主光線
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記光軸上には、前記絞りの物体側あるいは像側で主光線が光軸に対して斜めに進行する領域に、屈折力の調整可能な液体レンズが配され、
前記絞りの開口径が前記液体レンズの開口径よりも小さく選定されたことを特徴とするテレセントリックレンズ。 An object side lens group that makes the principal ray on the object side incident parallel to the optical axis by concentrating the stop on the image side focal point and condensing on the focal point, and the aperture on the object side focal point One or both of image side lens groups that emit the principal ray that has passed through the image side in parallel with the optical axis are provided, and the light transmitted through the lens group is imaged on an image plane at a preset position. In telecentric lenses,
On the optical axis, a liquid lens whose refractive power can be adjusted is disposed in a region where the principal ray travels obliquely with respect to the optical axis on the object side or the image side of the stop,
A telecentric lens, wherein an aperture diameter of the diaphragm is selected to be smaller than an aperture diameter of the liquid lens.
前記レンズ群を透過した光を撮像する撮像素子が前記光軸上の予め設定された像面位置に配されてなる撮像装置において、
前記テレセントリックレンズの光軸上には、前記絞りの物体側あるいは像側で主光線が光軸に対して斜めに進行する領域に屈折力の調整可能な液体レンズが配され、
前記絞りの開口径が前記液体レンズの開口径よりも小さく選定されており、
前記液体レンズを駆動する制御電圧を変化させて、液体レンズの屈折力を調整し、ワーキングディスタンスの異なる被写体を前記像面位置に結像させるフォーカスシステムを備えたことを特徴とする撮像装置。 An object side lens group that makes the principal ray on the object side incident parallel to the optical axis by concentrating the stop on the image side focal point and condensing on the focal point, and the aperture on the object side focal point A telecentric lens provided with either one or both of the image side lens group for emitting the principal ray that has passed through the image side in parallel with the optical axis;
In an imaging apparatus in which an imaging element that images light transmitted through the lens group is arranged at a preset image plane position on the optical axis,
On the optical axis of the telecentric lens, a liquid lens whose refractive power can be adjusted is arranged in a region where the principal ray travels obliquely with respect to the optical axis on the object side or the image side of the stop,
The aperture diameter of the diaphragm is selected to be smaller than the aperture diameter of the liquid lens,
An imaging apparatus comprising: a focus system that changes a control voltage for driving the liquid lens to adjust a refractive power of the liquid lens to form an object with a different working distance at the image plane position.
前記レンズ群を透過した光を撮像する撮像素子が前記光軸上の予め設定された像面位置に配されてなる撮像装置において、
前記テレセントリックレンズの光軸上には、前記絞りの物体側あるいは像側で主光線が光軸に対して斜めに進行する領域に屈折力の調整可能な液体レンズが配され、
前記絞りの開口径が前記液体レンズの開口径よりも小さく選定されており、
前記液体レンズを駆動する制御電圧を変化させて、液体レンズの屈折力を調整し、ワーキングディスタンスの異なる被写体を前記像面位置に結像させるフォーカスシステムを備え、
当該フォーカスシステムは、
予め設定された1以上のワーキングディスタンスに応じて、基準温度における液体レンズの屈折力―制御電圧の関係に基づき、被写体を前記像面位置に結像させる制御電圧を出力するプリセットフォーカスモードと、
前記プリセットフォーカスモードで制御電圧を出力する際に、液体レンズ温度−屈折力の関係に基づき、温度センサで検出された液体レンズ温度に応じて変化した屈折力を基準温度における屈折力に一致させる補正制御電圧を出力する温度補正モードと、
前記制御電圧を変化させて画像を連続的に撮像しながら、各画像ごとに各画素の出力信号に基づいて合焦状態を表す数値を算出し、その数値が最大又は最小となった時に出力された制御電圧を合焦電圧として出力するオートフォーカスモードとを備えると共に、
前記各モードを単独でまたは組み合わせて実行させるフォーカスモード設定手段を備えたことを特徴とする撮像装置。 An object side lens group that makes the principal ray on the object side incident parallel to the optical axis by concentrating the stop on the image side focal point and condensing on the focal point, and the aperture on the object side focal point A telecentric lens provided with either one or both of the image side lens group for emitting the principal ray that has passed through the image side in parallel with the optical axis;
In an imaging apparatus in which an imaging element that images light transmitted through the lens group is arranged at a preset image plane position on the optical axis,
On the optical axis of the telecentric lens, a liquid lens whose refractive power can be adjusted is arranged in a region where the principal ray travels obliquely with respect to the optical axis on the object side or the image side of the stop,
The aperture diameter of the diaphragm is selected to be smaller than the aperture diameter of the liquid lens,
A focus system that changes the control voltage for driving the liquid lens, adjusts the refractive power of the liquid lens, and forms an object with a different working distance at the image plane position;
The focus system
A preset focus mode for outputting a control voltage for forming an image of the subject at the image plane position based on the relationship between the refractive power of the liquid lens at the reference temperature and the control voltage in accordance with one or more preset working distances;
When outputting the control voltage in the preset focus mode, based on the relationship between the liquid lens temperature and the refractive power, a correction for matching the refractive power changed according to the liquid lens temperature detected by the temperature sensor with the refractive power at the reference temperature. Temperature compensation mode for outputting control voltage,
While the image is continuously picked up by changing the control voltage, a numerical value representing the in-focus state is calculated for each image based on the output signal of each pixel, and is output when the numerical value becomes maximum or minimum. And an autofocus mode that outputs the control voltage as a focusing voltage,
An imaging apparatus comprising: a focus mode setting unit that executes each of the modes independently or in combination.
前記プリセットフォーカスモード又は前記オートフォーカスモードを選択的に実行する単一モード設定手段と、
前記プリセットフォーカスモード及び前記オートフォーカスモードを連続して実行する連続モード設定手段と、
前記単一モード設定手段あるいは前記連続モード設定手段でプリセットフォーカスモードを実行する際に温度補正モードの実行要否を選択する温度補正モード設定手段と、
を備えた請求項7記載の撮像装置。 The focus mode setting means includes
Single mode setting means for selectively executing the preset focus mode or the autofocus mode;
Continuous mode setting means for continuously executing the preset focus mode and the autofocus mode;
Temperature correction mode setting means for selecting whether or not to execute the temperature correction mode when the preset focus mode is executed by the single mode setting means or the continuous mode setting means;
The imaging apparatus according to claim 7, further comprising:
The imaging apparatus according to claim 3, wherein the diaphragm is a variable aperture diaphragm.
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