JP2018189701A - 焦点距離可変レンズ装置および焦点距離可変レンズ制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】焦点距離可変レンズ装置1は、入力される駆動信号Cfに応じて屈折率が変化するレンズシステム3と、レンズシステム3と同じ光軸上に配置された対物レンズと、レンズシステム3および対物レンズを通して測定対象物の画像を検出する画像検出部4と、駆動信号Cfをレンズシステム3の共振周波数に追従させる共振ロック制御部611と、共振ロック制御部611の動作または停止を切り換える共振ロック操作部711と、を有する。
【選択図】図5
Description
レンズシステムは、圧電材料で形成された円筒状の振動部材を、透明な液体に浸漬して形成される。レンズシステムにおいて、振動部材の内周面と外周面とに交流電圧を印加すると、振動部材が厚み方向に伸縮し、振動部材の内側の液体を振動させる。液体の固有振動数に応じて印加電圧の周波数を調整することで、液体には同心円状の定在波が形成され、振動部材の中心軸線を中心として屈折率が異なる同心円状の領域が形成される。このため、レンズシステムにおいて、振動部材の中心軸線に沿って光を通せば、この光は同心円状の領域ごとの屈折率に従って、発散または収束する経路を辿ることになる。
通常の対物レンズに平行光を入射させると、レンズを通過した光は所定の焦点距離にある焦点位置に焦点を結ぶ。これに対し、対物レンズと同軸に配置されたレンズシステムに平行光を入射させると、この光はレンズシステムで発散または収束され、対物レンズを通過した光は元の(レンズシステムがなかった状態の)焦点位置よりも遠くまたは近くにずれた位置に焦点を結ぶ。
従って、焦点距離可変レンズ装置においては、レンズシステムに入力される駆動信号(内部の液体に定在波を発生させる周波数の交流電圧)を印加し、この駆動信号の振幅を増減させることで、焦点距離可変レンズ装置としての焦点位置を一定の範囲内(対物レンズの焦点距離を基準としてレンズシステムにより増減できる所定の変化幅)で任意に制御することができる。
このような焦点距離可変レンズ装置を用いて画像を取得する際には、駆動信号の正弦波の位相に同期して発光信号を出力してパルス照明を行う。これにより、正弦波状に変化する焦点距離のうち、所定の焦点距離にある状態でパルス照明を行うことで、この焦点距離にある対象物の画像が検出される。一周期のうち複数の位相でパルス照明を行い、各位相に対応して画像検出を行えば、同時に複数の焦点距離の画像を得ることもできる。
このような共振周波数の変動に対し、駆動信号を自動的に追従させる共振ロック機能が採用されている。例えば、所定周波数の駆動信号をレンズシステムに入力し、定在波の強度レベルが最大であったとする。ここで、定在波のレベルが低下した際には、駆動信号の周波数がレンズシステムで定在波が得られる共振のピークから外れたと判定し、駆動信号の周波数を増減させて新たなピーク位置を捕捉する。駆動信号の周波数が新たなピーク位置に到達すれば、定在波のレベルも最大強度に復帰できる。このようなピーク位置に対する追従動作を連続的に行うことで、定在波が得られる共振周波数への自動追尾(共振ロック)を実現することができる。
しかし、共振ロック付きの焦点距離可変レンズ装置においては、例えば画像測定動作中に共振ロックによる周波数の変化があると、同じ焦点距離が得られるタイミングが変化し、取得できる画像精度が低下するという問題があった。
一方、画像検出部で画像を検出する際には、共振ロック操作部により共振ロック制御部による自動追尾を一時的に停止させることで、駆動信号の周波数が一定状態に維持される。その結果、画像検出の間はレンズシステムとしての焦点距離が一定に維持され、高精度な画像を取得することができる。
なお、共振ロック動作としては、既存の共振ロック動作を用いることができる。
本発明では、画像検出動作に同期して共振ロックが自動的に停止され、ユーザによる操作を省略することができ、かつ操作忘れなどのミスも回避できる。
本発明では、ロック停止モードとすることで、前述した高精度画像の取得が可能となるとともに、ロック継続モードとすることで、共振ロック制御部の自動停止が必要ない状況にも対応することができる。
本発明では、共振ロック制御部が停止されて駆動信号の周波数が一定に維持されている間に、レンズシステムの共振周波数がさらに変動していたとしても、復帰動作により現在の共振周波数に駆動信号を合わせてロックさせることができ、その後の共振ロックによる自動追尾を適切に行うことができる。復帰動作としては、停止時間が短く共振周波数の変動が小さければ、通常の共振ロック機能だけで自動追尾状態に復帰できる。一方、停止時間が比較的長く、共振周波数の変動が大きく可能性があれば、停止時の共振周波数を中心とした所定周波数範囲の走査などにより現在の共振周波数を検出し、検出した現在の共振周波数を基準として自動追尾状態に復帰することもできる。
前記画像検出部での画像検出を行わない状態では前記共振ロック制御部を動作させ、
前記画像検出部の画像検出を行う際に、前記共振ロック制御部を停止させる、ことを特徴とする。
図1において、焦点距離可変レンズ装置1は、焦点距離を可変しつつ測定対象物9の表面の画像を検出するために、当該表面に交差する同じ光軸A上に配置された対物レンズ2、レンズシステム3および画像検出部4を備えている。
さらに、焦点距離可変レンズ装置1は、測定対象物9の表面をパルス照明するパルス照明部5と、レンズシステム3およびパルス照明部5の動作を制御するレンズ制御部6と、レンズ制御部6を操作するための制御用PC7とを備えている。
画像検出部4は、既存のCCD(Charge Coupled Device)イメージセンサあるいは他の形式のカメラ等で構成され、入射される画像Lgを所定の信号形式の検出画像Imとして制御用PC7へ出力することができる。
パルス照明部5は、LED(Light Emitting Diode)などの発光素子で構成され、レンズ制御部6から発光信号Ciが入力された際に、所定時間だけ照明光Liを発光させ、測定対象物9の表面に対するパルス照明を行うことができる。照明光Liは測定対象物9の表面で反射され、測定対象物9の表面からの反射光Lrが対物レンズ2およびレンズシステム3を通して画像Lgを形成する。
焦点距離可変レンズ装置1において、焦点位置Pfまでの焦点距離Dfは、対物レンズ2の焦点距離を基本としつつ、レンズシステム3の屈折率を変化させることで、任意に変化させることができる。
振動部材32は、圧電材料を円筒状に形成したものであり、外周面33と内周面34との間に駆動信号Cfの交流電圧が印加されることで、厚み方向に振動する。
ケース31の内部には、透過性の高い液体35が充填されており、振動部材32は全体を液体35に浸漬され、円筒状の振動部材32の内側は液体35で満たされている。駆動信号Cfの交流電圧は、振動部材32の内側にある液体35に定在波を発生させる周波数に調整されている。
このとき、レンズシステム3の中心軸線からの距離(半径)と液体35の屈折率との関係は、図3(C)部に示す屈折率分布Wのようになる。
図4(A)の状態では、屈折率分布Wの振れ幅が最大となり、レンズシステム3は通過する光を収束させ、焦点位置Pfは近く、焦点距離Dfは最短となっている。
図4(B)の状態では、屈折率分布Wが平坦となり、レンズシステム3は通過する光をそのまま通過させ、焦点位置Pfおよび焦点距離Dfは標準的な値となっている。
図4(C)の状態では、屈折率分布Wが図4(A)と逆極性で振れ幅が最大となり、レンズシステム3は通過する光を拡散させ、焦点位置Pfは遠く、焦点距離Dfは最大となっている。
図4(D)の状態では、再び屈折率分布Wが平坦となり、レンズシステム3は通過する光をそのまま通過させ、焦点位置Pfおよび焦点距離Dfは標準的な値となっている。
図4(E)の状態では、再び図4(A)の状態に戻っており、以下同様の変動を繰り返すことになる。
この際、焦点変動波形Mfの任意の時点で焦点位置Pfにある測定対象物9をパルス照明し、その時点で照明された画像を検出すれば、任意の照明時点での焦点距離Dfにある焦点位置Pfの画像が得られることになる。
駆動制御部61は、共振ロック制御部611を有する。
共振ロック制御部611は、入力される駆動信号Cfに基づいてレンズシステム3が振動した際に、レンズシステム3に加えられる有効電力Rpあるいは駆動電流Riから、レンズシステム3の振動状態Vfを検出する。そして、レンズシステム3の振動状態Vfを参照して駆動信号Cfの周波数を調整することで、レンズシステム3の現在の共振周波数にロックすることができる。なお、振動状態Vfは、レンズシステム3に設置した振動センサで検出してもよい。
ここで、温度変化などにより、レンズシステム3の振動特性がS2に変化したとする。共振ロック制御部611で検出されるレンズシステム3の振動特性は振動特性S2のピークへ変動し、駆動信号Cfとはずれることになる。振動特性S2であるレンズシステム3に駆動信号Cfを入力した場合、駆動信号Cfの周波数は振動特性S2においてピーク位置でなく、十分な有効電力をレンズシステム3に与えることができず、効率が低下することになる。
その結果、駆動制御部61からレンズシステム3に入力される駆動信号Cfの周波数は、現在のレンズシステム3の振動特性S2における共振周波数のピークに合わせられ、これにより周波数の自動追従が行われる。
レンズ操作部71は、共振ロック操作部711を有する。
共振ロック操作部711は、駆動制御部61における共振ロック制御部611の有効・無効を切り換えることができる。
画像処理部72が画像検出部4から検出画像Imを取り込む動作が、開始時点T1から終了時点T2までの期間Tにおいて行われるとする。
共振ロック制御部611による共振ロック制御が行われたとすると、期間Tの間にも共振周波数Fが変化し続け、開始時点T1では共振周波数F1であるのに対し、終了時点T2では共振周波数F2となる。
共振ロック制御は、時々刻々と駆動制御部61に印加される駆動信号Cfの周波数を変化させるため、レンズシステム3における定在波が安定せず、検出画像Imの精度が低下してしまう。このため、共振ロックの一時停止を行う。
期間Tの開始時点T1において、共振ロック制御部611による共振ロック制御が停止され、共振周波数Fは開始時点T1の共振周波数F1に維持される。この状態で検出画像Imを取り込むことで、共振周波数Fが一定の状態、つまり定在波が安定した状態での画像取り込みが可能となる。
期間Tの終了時点T2において、共振ロック操作部711からの制御により、共振ロック制御部611による復帰動作が行われ、共振ロック制御が再開される。
ロック停止モードでは、画像処理部72が画像検出部4から検出画像Imを取り込む動作に同期して共振ロック制御部611を停止させる。
ロック継続モードでは、画像処理部72が画像検出部4から検出画像Imを取り込む動作に同期した共振ロック制御部の停止を行わない。
従って、ロック停止モードとすることで、共振ロック制御部611の自動停止により共振周波数Fの変化を防止し、高精度画像の取得が可能となる。一方、ロック継続モードとすることで、共振ロック制御部611の自動停止が必要ない状況にも対応することができる。
そして、レンズ制御部6の発光制御部62からの発光信号Ciにより、所定のタイミングでパルス照明部5を発光させることで、発光時点の焦点距離Dfでの測定対象物9の表面の画像Lgが、対物レンズ2およびレンズシステム3を通して画像検出部4へと導入され、制御用PC7の画像処理部72で検出画像Imとして検出することができる。
一方、画像処理部72で画像を検出する際には、共振ロック操作部711により共振ロック制御部611による自動追尾を一時的に停止させることで、画像検出動作の間、駆動信号Cfの周波数が一定状態に維持される。その結果、画像検出の間はレンズシステム3の屈折率変動を起こさせている定在波が安定することにより、高精度な画像を取得することができる。
前記実施形態では、レンズシステム3の駆動および制御を行うために、レンズ制御部6と制御用PC7との組み合わせを用いたが、これらはレンズシステム3の駆動、制御ないし操作までを一括して行う一体の装置としてもよい。しかし、前記実施形態のように、レンズ制御部6と制御用PC7との組み合わせとすることで、レンズシステム3の駆動および制御に必要なハードウェアを専用のレンズ制御装置として独立させることができる。また、レンズ制御部6操作や設定調整、さらには画像の取り込みまでを汎用性の高いパーソナルコンピュータを用いて実現することができる。
レンズシステム3の具体的構成は適宜変更してよく、ケース31および振動部材32は円筒状のほか六角筒状などであってもよく、これらの寸法や液体35の属性も適宜選択することができる。
Claims (5)
- 入力される駆動信号に応じて屈折率が変化するレンズシステムと、
前記レンズシステムと同じ光軸上に配置された対物レンズと、
前記レンズシステムおよび前記対物レンズを通して測定対象物の画像を検出する画像検出部と、
前記駆動信号を前記レンズシステムの共振周波数に追従させる共振ロック制御部と、
前記共振ロック制御部の動作または停止を切り換える共振ロック操作部と、を有することを特徴とする焦点距離可変レンズ装置。 - 請求項1に記載の焦点距離可変レンズ装置において、
前記共振ロック操作部は、前記画像検出部での画像検出動作に同期して前記共振ロック制御部を停止させることを特徴とする焦点距離可変レンズ装置。 - 請求項2に記載の焦点距離可変レンズ装置において、
前記共振ロック操作部は、前記画像検出部での画像検出動作に同期して前記共振ロック制御部を停止させるロック停止モードと、前記画像検出部での画像検出動作に同期した前記共振ロック制御部の停止を行わないロック継続モードとが選択可能であることを特徴とする焦点距離可変レンズ装置。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の焦点距離可変レンズ装置において、
前記共振ロック制御部は、前記駆動信号を前記レンズシステムの共振周波数に追従させる復帰動作を行うことを特徴とする焦点距離可変レンズ装置。 - 入力される駆動信号に応じて屈折率が変化するレンズシステムと、前記レンズシステムと同じ光軸上に配置された対物レンズと、前記レンズシステムおよび前記対物レンズを通して測定対象物の画像を検出する画像検出部と、前記駆動信号を前記レンズシステムの共振周波数に追従させる共振ロック制御部と、を有する焦点距離可変レンズ装置を用い、
前記画像検出部での画像検出を行わない状態では前記共振ロック制御部を動作させ、
前記画像検出部の画像検出を行う際に、前記共振ロック制御部を停止させる、ことを特徴とする焦点距離可変レンズ制御方法。
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