JP4189798B2 - 可変焦点レンズを用いた定倍率結像方法と装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、種々の監視システム、交通計測システム、自動走行車、製品の外観形状を自動検査する装置などの画像応用の分野で利用されるもので、各システムあるいは各装置が対象とする物体に焦点を合わせてその像を得るための方法と装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
焦点合わせを行う方法は、一般のカメラに見られるように、物体の位置に応じてレンズを前後させる方法がこれまで一般的であった。しかし、近年、透明液体をガラス製の円形薄板で挟んでレンズ作用をもつ構造体を形成し、ピエゾアクチュエータによりこのレンズ構造体に圧力を加えてガラス面の曲率を変え、レンズ構造体の焦点距離を高速度に変化させることができる可変焦点レンズが実現された。そして、このような電気的制御可能な可変焦点レンズを観察顕微鏡の対物レンズと組み合わせて用い、眼の残像時間の間に焦点距離を高速度で変化させ、奥行きのある物体の各部に高速に順次焦点を合わせることによって、焦点深度の深い、立体製品外観検査装置を実現しようとする研究が報告されている（金子卓、大矢信之、川原伸章、可変焦点レンズを用いた長焦点深度視覚機構、デンソーテクニカルレビュー、Ｖｏｌ．３、Ｎｏ．１、５２頁乃至５８頁、１９９８）。また積層型ピエゾアクチュエータによる高速制御に適したレンズ構造体の設計を行い、１ｋＨｚの周期で焦点距離を変えることができる高速可変焦点レンズの製作例が報告されている（奥寛雅、石川正俊、ｋＨｚオーダで応答可能な可変焦点レンズの試作、日本機械学会Ｎｏ．０２−６ロボティクス・メカトロニクス講演会論文集、２Ｐ２−Ｊ０９（１）−（２）、２００２年６月）。一方、レンズの替わりに、ミラー面の曲率を流体圧や静電気力などの外力によって制御することにより焦点距離を変えることができる可変焦点ミラーを焦点調節要素とする焦点合わせ方法が考案されている（公開特許公報：特開２００２−１２２７７９）。可変焦点ミラーを結像用収束レンズの像焦点に設置することにより結像倍率を一定に保ったままで異なる物体位置に焦点を合わせることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の技術には以下のような問題点がある。まずレンズを移動して焦点を合わせる方法では、レンズの質量が大きいためＴＶカメラ画像の更新周期あるいは眼の残像時間に匹敵する３０〜６０Ｈｚ程度の高速の繰り返し焦点合わせ動作が困難である。
【０００４】
可変焦点レンズを用いる焦点合わせ方法では、レンズの焦点距離が変わるため焦点を合わせることはできても結像倍率も変化し、像の大きさが変わる。このため、寸法や形状の測定を行う分野では、得られた画像データの寸法補正を行う必要があり、画像データの計算機処理に多大の時間を要し、高速化に不利である。
【０００５】
可変焦点ミラーを用いた焦点合わせ方法では、焦点調節光学系への入射光とミラーにより反射されて得られる焦点合わせを行った出射光とを分離するための半透鏡や偏光ビームスプリッタなどの光学的分離手段が必要になるため、光学系全体が複雑になるという欠点がある。
【０００６】
本発明は、このような事情のもとでなされたものであって、奥行きをもつ立体に対して、テレビジョン方式における画像取得速度と同様な高速度で、しかも結像倍率を一定に保った状態で立体の各部に焦点合わせを行うことができる簡素な焦点合わせ方法を実現することを発明の課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、収束レンズの物体焦点（前側焦点とも言う）を基準とし、この焦点から任意の距離に配置された物体に対して物体の各点から生じる光を前記収束レンズに入射させ、この収束レンズの出射光を収束レンズの像焦点（後側焦点とも言う）に設置された可変焦点レンズに入射させる。そして焦点を合わせる物体位置の距離に応じて前記可変焦点レンズの焦点距離を設定することによって、焦点を合わせる物体の位置に関わらず、物体の像を一定倍率で一定した位置に結像するようにしたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。
【０００９】
図１は、本発明にかかる、定倍率で焦点合わせを行い物体の像を得る方法と装置の構成を示すために、結像光学系の断面図を模式的に表現したものである。１は焦点合わせの対象となる物体、２は収束レンズ、３は収束レンズ２により生ずる物体１の像、４は可変焦点レンズ、５は収束レンズ２と可変焦点レンズ４により得られる物体の像である。６は光学系の中心軸となる光軸である。Ｆ１とＦ２は、それぞれ収束レンズ２の物体焦点（前側焦点ということもある）と像焦点（後側焦点ということもある）である。Ｓは物体像５の光軸上の位置を示す。可変焦点レンズ４の焦点距離は符号つきとし、凸レンズのとき正の値、凹レンズのとき負の値をとるものとすると、同じレンズの結像公式を凸レンズと凹レンズの両方に適用できる。
【００１０】
物体１が、収束レンズ２の物体空間（物空間とも言う）において、物体焦点Ｆ１から距離ｐの位置にあるとき、その像３は収束レンズ２の像焦点Ｆ２から距離ｑの位置に生じ、その距離関係は、収束レンズ２の焦点距離をｆとすると、レンズの結像公式によりｆ／ｐ＝ｑ／ｆとして与えられる。ここで、記号／は除算を表している。またｐ＞０は焦点合わせ位置が物体焦点Ｆ１から前方（収束レンズ２から離れる方向）に、ｐ＜０は物体焦点Ｆ１から後方にあることを表す。物体像３を形成する光は可変焦点レンズ４により再結像され、最終的に物体像５を形成する。ここで可変焦点レンズ４の焦点距離をｆｃ、可変焦点レンズ４の図には示されていない物体主点（前側主点ともいう）と収束レンズ２の図には示されていない像主点との間の距離をｄ、可変焦点レンズ４の図には示されていない像主点（後側主点ともいう）から物体像５の位置Ｓに至る光路長をｓとすると、物体像５の位置Ｓを決定する光路長ｓは、レンズの結像公式から、方程式１／（ｄ−ｆ−ｑ）＋１／ｓ＝１／ｆｃを満たす値として与えられる。そこで光路長ｓが一定になるように、物体の焦点合わせ面の位置ｐ（＝ｆ×ｆ／ｑ）に応じて上式を満たすように可変焦点レンズ４の焦点距離ｆｃを設定することにより、定位置Ｓに物体像を結像させることができる。このとき結像倍率ｍは、収束レンズ２の結像倍率（−ｆ）／ｐと可変焦点レンズ４の結像倍率（−ｓ）／（ｄ−ｆ−ｑ）の積から、ｍ＝（−ｓ／ｆ）／｛１−（ｄ−ｆ）／ｑ｝として与えられる。ここでｄ＝ｆのとき、すなわち可変焦点レンズ４の物体主点を収束レンズ２の像焦点Ｆ２に一致させることにより、結像倍率ｍは、物体位置ｐ（＝ｆ×ｆ／ｑ）に関わらず、一定値（−ｓ）／ｆとすることができる。負号は倒立像を示す。実際には、可変焦点レンズ４の物体主点と収束レンズ２の像焦点を一致させるときの許容設定誤差は、結像倍率ｍの許容される変動量の限界値で定められる。本発明では、一致させるとは、許容誤差の範囲で一致させることを意味する。可変焦点レンズ４が焦点距離ｆｃを変えるときは、一般的には主点位置も変わるが、主点位置の変動が収束レンズ２の焦点距離ｆに比べて十分小さければ、倍率の変動は実用上無視できる。一定倍率の条件において、可変焦点レンズ４の物体主点と収束レンズ２の像焦点が一致し、ｄ＝ｆであるとき、焦点合わせのために、可変焦点レンズ４の焦点距離ｆｃはｑ×ｓ／（ｑ−ｓ）またはｆ／｛（ｆ／ｓ）−（ｐ／ｆ）｝で表される値に設定する。ここで、ｐ×ｓ＜ｆ×ｆの関係が成立しているときは、焦点距離ｆｃは正の値となるので可変焦点レンズ４は凸レンズ（一般に収束レンズ）とし、ｐ×ｓ＞ｆ×ｆの関係が成立しているときは、焦点距離ｆｃは負の値となるので可変焦点レンズ４は凹レンズ（一般に発散レンズ）とし、ｐ×ｓ＝ｆ×ｆであれば焦点距離ｆｃは無限大になるので、可変焦点レンズ４は屈折力のない平行平面板と等価な光学媒体とする。
【００１１】
図１に示した発明の実施の形態では、物体像５は可変焦点レンズ４の像主点から有限の光路長ｓだけ隔たったところに生じるとした。第二の実施の形態として、収束レンズ２と可変焦点レンズ４による物体像が無限遠に生じるようにした実施の形態を図２について説明する。前記の結像距離ｓと可変焦点レンズ４の焦点距離ｆｃの関係を与える関係式で、結像距離ｓを無限大とし、可変焦点レンズ４の像主点が収束レンズ２の像焦点位置にあってｄ＝ｆとすると、収束レンズ２と可変焦点レンズ４による物体像を無限遠に生ずるようにするために必要な焦点距離ｆｃの値は、前記結像式から−ｑまたは−ｆ×ｆ／ｐとなる。このとき焦点合わせを行う物体の位置が収束レンズ２の物体焦点の前方にあればｐ＞０であるのでは焦点距離ｆｃは負の値をとり、可変焦点レンズ４は凹レンズ（発散レンズ）とする。逆に焦点を合わせる物体の位置が収束レンズ２の物体焦点の後方にあればｐ＜０であるので焦点距離ｆｃは正の値をとり、可変焦点レンズ４は凸レンズ（収束レンズ）とする。またｐ＝０のとき、すなわち焦点合わせ位置が収束レンズ２の物体焦点面にあれば、焦点距離ｆｃは無限大に設定され、可変焦点レンズ４は屈折力がない平行平面板と等価な光学媒体に設定する。図２で示した実施の形態は、ｐ＞０の場合を示している。図１で示した実施の形態との違いは、無限遠にできた物体の像を利用するために有限の距離内に再結像させる必要があり、収束レンズ７を加えて、その焦点面に物体像５１を得ている。物体の位置ｐに関わらず、収束レンズ２と可変焦点レンズ４により無限遠にできた像は収束レンズ７の焦点面の位置に再結像し、しかも収束レンズ７の焦点距離をｆｒとすると、結像倍率ｍは焦点距離の比（−ｆｒ）／ｆとして一定の値となる。
【００１２】
第一の実施形態では基準距離をｐ＝ｆ×ｆ／ｓとし、第二の実施形態では基準距離をｐ＝０とすれば、焦点合わせに必要な可変焦点レンズの焦点距離を無限大から、すなわち屈折力を零から増減すことで焦点合わせを行えば良いので、可変焦点レンズの構成が容易となる。ことにレンズ面の曲率変化により焦点距離を変える可変焦点レンズでは、レンズ面を平面から僅か球面に変形するだけで良いので、好ましい動作条件となる。
【００１３】
これまで前記の実施の形態において、焦点距離の調節が可能な可変焦点レンズ４の具体的な構成については述べていないが種々の構成で実現できる。実施形態の一つの例としては、図３に断面図を、図４に正面図を示すような、前記において従来の技術について言及した際に引用したものと類似の構成が考えられる。シリコンオイルのような透明な液体８を充填して密閉したレンズ容器９の対向する二つの円形開口部１０をそれぞれガラス薄板１１で覆い、それらガラス薄板１１を円形開口部１０の周辺で固定しレンズ構造体を構成する。１２は円形開口部１０の中心を通るレンズの光軸である。１３は金属あるいはガラス製の弾性板で、積層型ピエゾアクチュエータ１４により加圧され、封入された透明液体８の内圧を制御する。この内圧と大気圧との差圧によりガラス薄板１１は球面状に弾性変形を起こし、陽圧であれば凸レンズを、負圧であれば凹レンズを形成し、変形の程度により種々の焦点距離の値を実現する。差圧が零であれば焦点距離無限大の透明な平行平面板となる。１５は積層型ピエゾアクチュエータ１４にガラス薄板１１の変形に必要な電圧を加えるための電圧増幅器で、１６は電圧信号を電圧増幅器１５に送り、ガラス薄板１１の変形により可変焦点レンズの焦点距離を制御するためのコントローラである。
【００１４】
可変焦点レンズ４の他の実施形態を図５に示す。１７と１８は、互いに大きさが等しく、符合が逆の焦点距離を有する凸レンズと凹レンズで、光軸１９を一致させ間隔ｇだけ隔てて設置され、１つの組合せレンズとして可変焦点レンズを構成している。この可変焦点レンズの焦点距離ｆｃは、両レンズの焦点距離の大きさをｆｏとするとｆｏ×ｆｏ／ｇとなる。ただし、間隔ｇは、凸レンズ１７の後側主点と凹レンズ１８の前側主点の間の距離で、凸レンズの後側主点が凹レンズの前側主点の前側にあるときに正の符号をとり、逆の場合は負の符号をとる。ｇ＝０のとき焦点距離は無限大を示し、軽量の凹凸レンズの僅かな間隔の増減により大きく焦点距離を増減することができるので、従来のレンズ移動による可変焦点レンズに比し、高速の焦点調節が可能となる。図示していないが、間隔ｇの調節は、片方または両方のレンズをピエゾアクチュエータやボイスコイルアクチュエータを用いて直線軌道に沿って移動させることにより行うことができ、従来技術により容易に実現できる。上記実施形態の説明では、凸レンズと凹レンズの焦点距離の大きさを同じであるとしたが、わずか異なっても、ほとんど大きさの差相当の量だけ間隙ｇの値を増減して調節すれば上記と同じ効果を上げることができる。また凸レンズ、凹レンズとも、それぞれ複数のレンズを組合わせて構成したものであっても、機能上同じ効果を上げることができる。しかし、レンズの収差補正の点から問題がなければ、単レンズを用いた方が質量を最小化できるので、レンズの高速移動による間隙ｇの制御には有利である。なお凸レンズと凹レンズの材質を選択して組合わせることにより、色収差の低減を図ることができる。
【００１５】
図３と図４について説明した、透明液体を充填してレンズ構造体となし使用時にレンズを変形制御する前記可変焦点レンズと比較すると、図５で説明した凹凸レンズ間の間隙を制御する可変焦点レンズは、レンズ表面形状を予め精密加工技術により精巧に作製しておくことができるので、収差の少ない高品質の可変焦点レンズを実現する上で有利である。
【００１６】
液晶は電圧をかけることによって屈折率を変化させることができるので、この性質を利用して、電圧分布を液晶パネルに加えて屈折率分布を作り出し、レンズ機能を発揮させることができる。現在のところ、応答速度が遅く、透過波長域が限られるという欠点があるが、低電圧による電気的制御が可能で小型に作れるという特長を有するので、本発明の可変焦点レンズの将来の有力候補の一つである。
【００１７】
前記の実施の形態の説明においては対象を物体としたが、他の光学装置により形成された光学像に対しても本発明が適用できることは光学的に明らかである。この場合、収束レンズ２の物体空間に生じる光学像が、収束レンズ２と可変焦点レンズ４により再結像され、再結像倍率は光学像の焦点合わせ位置によらず一定となる。
【００１８】
また前記の実施の形態の説明で、収束レンズ２は、一般的には、複数のレンズの組合せからなる複合レンズであり、また全体として単一の収束レンズと同様な正の焦点距離をもつ、複数のレンズや鏡からなる、より複雑な複合的な収束レンズ系であってもよい。このとき、可変焦点レンズ４の物体主点は、前記の実施の形態において述べたのと同様に、複合レンズ系の像焦点に設置され、複合レンズ系の合成焦点距離が前記の収束レンズ２の焦点距離ｆとして扱われる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施されるとき、以下に記載されるような効果を奏する。
【００２０】
収束レンズの像焦点に可変焦点レンズの物体主点を一致させるようにして焦点合わせを行うので、可変焦点レンズの焦点距離を制御することにより、像を得ようとする物体の任意の位置に焦点を合わせることができると同時に、物体の像を一定の倍率で得ることができる。
【００２１】
したがって、本発明の応用システムとして、焦点合わせされた物体の像をＣＣＤカメラで受像し、画像情報を計算機処理して物体の形状計測や形状欠陥検査を行う画像計測システムにおいて、物体の位置による像の大きさの変化を補正する必要がなく、物体の形状計測を高速に効率良く行うことができる。また倍率補正に伴う補正誤差の発生を避けることができるから、高精度の形状計測を行うことができる。
【００２２】
可変焦点レンズに要求されることは、焦点距離が無限大から有限の値まで変化することであるから、構造上のわずかな変化でよく、曲率の大きな変形を必要とされないので、光学的に高品質な可変焦点レンズを実現し易い。特にレンズの移動に基づく焦点合わせにおいて動作の高速化が図れる。
【００２３】
透過光を利用するので、入出力光の分離手段が必要な反射光を利用する可変焦点ミラーを用いた焦点合わせ方法に比べ、光学システム全体が簡素になる。
【００２４】
また望遠レンズなど他の光学装置の像を対象にして本発明を適用するとき、再結像倍率が一定で、その像の形を歪ませることがないので、遠方にある物体の計測や監視にも応用することができ、本発明によれば、製造分野のみならず、交通計測、施設監視など産業の多くの分野の画像応用システムにおいて、有用な定倍率可変焦点結像方法および装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における定倍率可変焦点結像方法および装置の光学系の実施形態を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明における定倍率可変焦点結像方法および装置の光学系において、収束レンズと可変焦点レンズによる像が無限遠に生じるように構成した他の実施形態を示す模式的な断面図である。
【図３】透明な液体をレンズ媒質とする可変焦点レンズの実施形態を示す断面図である。
【図４】透明な液体をレンズ媒質とする可変焦点レンズの実施形態を示すレンズ開口部の正面図である。
【図５】凸レンズと凹レンズからなり、両レンズの間隙を制御する可変焦点レンズの実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 焦点合わせの対象となる物体
２ 収束レンズ
３ 収束レンズ２により生ずる物体１の像
４ 焦点距離を変えることができる可変焦点レンズ
５ 収束レンズ２と可変焦点レンズ４により得られる物体の像
６ 光学系の中心軸となる光軸
７ 収束レンズ
８ 透明な液体
９ レンズ容器
１０ 円形開口部
１１ ガラス薄板
１２ レンズの光軸
１３ 弾性板
１４ 積層型ピエゾアクチュエータ
１５ 電圧増幅器
１６ コントローラ
１７ 凸レンズ
１８ 凹レンズ
１９ 光軸

Claims (3)

1. 焦点合わせを行って定位置に物体の像を結ばせる結像方法であって、物体あるいは他の光学手段により得られた物体像を収束レンズの物体空間に配置し、可変焦点レンズをその物体主点が前記収束レンズの像焦点に一致するように配置して、この可変焦点レンズの焦点距離を変化させて前記物体あるいは前記物体像に焦点を合わせることにより、一定の倍率で前記物体の結像あるいは前記物体像の再結像を行うことを特徴とする、定倍率可変焦点結像方法。
2. 焦点合わせを行って定位置に物体の像を結ばせる結像装置であって、収束レンズと、この収束レンズの像焦点に物体主点を一致させて配置した可変焦点レンズとを備え、この可変焦点レンズの焦点距離を変えることにより一定の倍率で焦点合わせを行うことを特徴とする、定倍率可変焦点結像装置。
3. 前記可変焦点レンズを大きさの近い焦点距離をもつ凸レンズと凹レンズからなる組合せレンズとして構成し、これらの凸レンズと凹レンズの主点間の距離を調節することにより、可変焦点レンズの焦点距離を設定することを特徴とする請求項１に記載の定倍率可変焦点結像方法。

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