JP4671082B2 - 定倍率可変焦点結像方法および装置 - 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、微細加工技術と微小アクチュエータ技術の適用により、透明液体をガラスの薄板で挟んだ形状可変の、したがって焦点距離可変のレンズが作製された。これを観察顕微鏡の対物レンズに組み合わせて用い、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）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
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】
一方、高速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。この問題を解決するには可変焦点レンズを焦点合わせ位置に応じて移動させる必要があるが、これも高速動作を必要とする分野では、これまでの焦点合わせ方法と同様に実用的ではない。
【０００５】
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ようにすることを発明の課題としている。
【０００６】
【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）を基準として、この焦点から任意の距離に物体を配置し、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）に設置された結像機能を有する焦点距離可変の鏡面に入射させる。このとき、焦点を合わせる物体面の距離に応じて前記鏡面の焦点距離を設定することによって、像が鏡面から一定の距離に生じるようにする。
【０００７】
焦点距離が可変の鏡面を含む可変焦点結像光学系を上記のように構成し、焦点合わせを行うことによって、焦点を合わせる物体の位置に関わらず結像倍率を一定にすることができる。
【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記号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は鏡面の形状変化により焦点距離を変えることができる曲面鏡、５は半透明の平面鏡、６は収束レンズ２と曲面鏡４により得られる物体の像である。７は光学系の中心軸となる光軸である。Ｆは収束レンズ２の物体焦点である。Ｏは半透明の平面鏡５の光軸７との交点、Ｍは曲面鏡４の鏡面の頂点で光軸上にある。Ｓは物体像６の光軸上の位置を示す。曲面鏡４は、その鏡面が入射光側から見て凹面であれば、通常、凹面鏡と呼ばれ、凸面であれば凸面鏡と呼ばれるもので、ここではこれらを総称して曲面鏡と呼ぶこととする。また鏡面の曲率半径が無限大であれば通常の平面鏡と同一のものとなるが、ここでいう曲面鏡は、その特別の形態として平面鏡を含むものとする。通常、光学では、凸面と凹面の向きを曲率半径の正負に対応させ、符号つきの曲率半径を用いて、光軸近傍の近軸領域における物体とその像の位置関係を示す鏡面の結像式を導いている。従って、曲率半径の表現を用いれば、曲面鏡４は、その近軸領域の鏡面の曲率半径の大きさと正負により、曲率半径が有限の大きさで正のときは凸面鏡、負のときは凹面鏡、曲率半径が無限大のときは平面鏡である。
【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Ｆ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、レンズの公式により一般に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Ｆから前方に、ｐ＜０は物体焦点Ｆから後方にあることを表す。物体像３を形成する光は曲面鏡４により反射され、平面鏡５により光路の変更を受けて最終的に物体像６を形成する。平面鏡５は曲面鏡４の入射光と反射光を分離するために用いられている。従って、半透明の平面鏡５の代わりに、曲面鏡４への入射光が著しく妨げられない程度の大きさをもつ全反射鏡を用いてもよい。ここで曲面鏡４の鏡面の近軸領域の曲率半径をＲ、この鏡面の頂点Ｍと収束レンズ２の中心（厳密には像主点）との間の距離をｄ、この鏡面の頂点Ｍから平面鏡５の光軸点Ｏを経て物体像６の位置Ｓに至る光路長をｓとし、光軸近傍の近軸光線を扱う近軸光学を適用すると、物体像６の位置Ｓを決定する曲面鏡４の結像式は、１／（ｄ−ｆ−ｑ）＋１／ｓ＝−２／Ｒとして与えられる。そこで光路長ｓを一定として、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曲面鏡４の曲率半径Ｒ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と曲面鏡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、すなわち曲面鏡４の鏡面の頂点Ｍを収束レンズ２の像焦点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、鏡面の頂点Ｍ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。一定倍率の条件として鏡面の頂点Ｍ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、曲率半径Ｒは２×ｑ×ｓ／（ｓ−ｑ）または２×ｆ／｛（ｐ／ｆ）−（ｆ／ｓ）｝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、曲率半径Ｒは負の値となるので曲面鏡４は凹面鏡とし、ｐ×ｓ＞ｆ×ｆの関係が成立しているときは、曲率半径Ｒは正の値となるので曲面鏡４は凸面鏡とし、ｐ×ｓ＝ｆ×ｆであれば曲率半径Ｒは無限大になるので、曲面鏡４は平面鏡とする。さらに近軸光学によれば、曲面鏡４の結像作用を表す焦点距離ｆｍは、ｆｍ＝−Ｒ／２で与えられる。そこで、この関係式を使い、一定の曲率半径で表現できる球面鏡の外に、放物面鏡、双曲面鏡などの非球面鏡を含めた曲面鏡を広く対象とするため、上記近軸領域の曲率半径による焦点合わせ条件を焦点距離による焦点合わせ条件に一般化して表現すると、定倍率で定位置に像を得るための焦点距離の設定値は、ｑ×ｓ／（ｑ−ｓ）またはｆ／｛（ｆ／ｓ）−（ｐ／ｆ）｝であるとすることができる。
【００１１】
前記の第一の実施の形態では、曲面鏡４の入射光と反射光を分離するために半透明の平面鏡５を用いたが、曲面鏡４自身を収束レンズ２の光軸に対して傾けることによって反射光の向きを変えることができる。この場合の実施の形態を図２に示す。この第二の実施の形態における本発明の作用は、曲面鏡４自身が平面鏡５の作用を兼ねていることを除けば第一の実施の形態と同様であり、半透明の平面鏡５がない分、光の透過損失が少ない。しかし曲面鏡４を収束レンズ２の光軸に対して傾けた場合、前記の近軸光学の適用範囲から大きくはずれてくるため、像の品質を重視するときは、曲面鏡４の鏡面に非球面による低収差設計を適用するとともに、収差補正レンズを併用するなど収差の極小化を図る必要がある。
【００１２】
図１に示した発明の実施の形態では、物体像６は曲面鏡４の頂点Ｍ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。第三の実施の形態として、収束レンズ２と曲面鏡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３について説明する。前記の結像距離ｓと曲面鏡４の曲率半径Ｒの関係を与える関係式で、結像距離ｓを無限大とし、曲面鏡４の鏡面の頂点が収束レンズ２の像焦点位置にあってｄ＝ｆとすると、収束レンズ２と曲面鏡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曲率半径Ｒの値は、前記結像式から２ｑまたは２×ｆ×ｆ／ｐとなる。また焦点距離ｆｍでは、−ｑまたは−ｆ×ｆ／ｐに設定しなければならない。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であるので曲率半径Ｒは正の値をとり、曲面鏡４は凸面鏡の形をなすことになる。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であるので曲率半径Ｒは負の値をとり、曲面鏡４は凹面鏡の形をなすことになる。図３で示した実施の形態は、前者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８を加えて、その焦点面に物体像６を得ている。この場合も、物体の位置ｐに関わらず、無限遠にできた像は収束レンズ８の焦点面の位置に再結像していて、しかも結像倍率ｍは一定の値となり、収束レンズ８の焦点距離をｆｒとすると、焦点距離の比（−ｆｒ）／ｆとなる。
【００１３】
収束レンズ２と曲面鏡４による物体像が無限遠に生じるようにした他の実施の形態を図４に示す。この実施の形態は、図２に示した実施の形態に対応し、図３に示した実施の形態との違いは、半透明鏡５を用いる代わりに曲面鏡４自身によって光路変更を行うようにしたものである。この場合も焦点合わせを行う位置ｐに関わらず、物体像６を収束レンズ８の焦点面の位置に一定倍率（−ｆｒ）／ｆで得ることができる。
【００１４】
これまで前記の実施の形態において、曲率半径可変あるいは焦点距離可変の曲面鏡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。例えば、空洞をもつ構造物（空洞構造物）の円形開口を有する平坦な端面部をガラス薄板で覆い、そのガラス薄板を円形開口の周辺部で固定して空洞内部を外部に対して密閉し、空洞構造物内外の流体の圧力差により、空洞の内外をしきるガラス薄板に弾性変形を起こさせ、変形量に応じた曲率半径を有する鏡面を形成することができる。このとき、ガラス薄板の外側表面にアルミニウム蒸着を施しておけばガラス薄板は高い反射率を示し、本発明の実施に必要な焦点距離可変の曲面鏡４として利用できる。変形させるためにガラス薄板に加える差圧を作り出すには、空洞構造物内にシリコン油等の流体を導入し、コンプレッサによる流体の加圧と電磁弁による流体の流量制御を行って、外部の大気と空洞構造物内の流体との間に差圧の変化ができるようにすればよい。
【００１５】
一方、近年進歩の著しい半導体微細加工技術を適用すれば、流体による薄板の加圧変形に比べより高速に動作する、軽量、小形の可変焦点距離の曲面鏡を構成することができる。本発明の実施に有用な、半導体微細加工技術を適用して製作した可変焦点距離曲面鏡の例をその断面図により図５に示す。この技術は、平成元年電気学会全国大会予稿集第６冊１６３頁から１６４頁に掲載された、原田昌信、畑澤康善、佐藤一雄、藤田博之および生駒俊明の研究報告（講演番号７１５、講演題目「単結晶シリコン薄膜を用いた可変焦点凹面鏡」）により既に公知になっている。４ａは焦点距離可変の凹面鏡を構成するシリコン薄板で、単結晶シリコン基板９の中央部をエッチングして形成した厚さ１６乃至５０ミクロン、直径１０ｍｍ程度の円形の薄板である。光の反射面には反射率を高めるためにアルミニウムの薄膜を蒸着することができる。１０はガラス基板で、曲面鏡を形成するシリコン薄板４ａに対向する位置にエッチングにより深さ３０ミクロンの溝が掘られ、その底にはスパッタ蒸着により電極１１が形成されている。この電極１１とシリコン基板９の間に可変直流電源１２により電圧を印加すると、静電気力によりシリコン薄板４ａが電極１１に引き付けられてたわみ、入射光１３に対して焦点距離が可変の凹面鏡となる。したがって、このシリコン薄板４ａは、図１と図２において説明した本発明の実施の形態の構成要素として用いることができる。前記の原田昌信、畑澤康善、佐藤一雄、藤田博之および生駒俊明の研究報告によれば、４０Ｖから４００Ｖ程度の印加電圧によって焦点距離を０．１ｍから５ｍ程度まで変化させることができる。これは、収束レンズ２の焦点距離ｆおよび曲面鏡と結像位置Ｓとの間の光学長ｓをそれぞれ１００ｍｍとしたとき、物体位置ｐ＝０ｍｍからｐ＝９８ｍｍまでに対して、定倍率で焦点合わせできることを意味しており、工業製品の部品検査などに十分な焦点合わせ範囲である。また江刺正喜、藤田博之、五十嵐伊勢美、杉山進著「マイクロマシーニングとマイクロメカトロニクス」培風館、１９９２年発行、１３７頁に記載の報告によれば、図５と同様な構造をもつシリコン薄板の印加パルス電圧による変位動作の立上り時間は約１ｍｓで、シリコン薄板による曲面鏡はテレビジョン方式における３０Ｈｚ乃至６０Ｈｚのフレーム周波数に十分追従できる高速動作性能を有している。
【００１６】
図３と図４の実施例では凸面鏡を必要とする。この場合の曲面鏡は、図５に示した曲面鏡に変更を加えることにより実現可能である。すなわち図５に示した構造物を入射光の向きを逆向きにして使用すればよい。すなわち図６において、入射光１３を、透明なガラス基板１４とその上に設けられた透明電極１５を通過させた後に、静電気力により引き付けられて変形し凸面鏡を構成するシリコン薄板４ｂに入射させるようにして使用すればよい。
【００１７】
なお、図５に示した構造物を図１および図２に示した本発明の実施形態の曲面鏡４として、あるいは図６に示した構造物を図３および図４に示した本発明の実施形態の曲面鏡４として使用し、焦点合わせ動作をさせるためには、焦点合わせ位置に対応する変形をシリコン薄板に起こさせる電圧信号を送って可変直流電源１２を制御する制御装置が必要になるが、これは通常の技術をもってすれば直ちに実現できるので、ここでは説明のため改めて図示することはしていない。
【００１８】
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と曲面鏡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。
【００１９】
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、より複雑な複合光学系であってもよい。このとき、曲面鏡４の鏡面は、前記の実施の形態において述べたのと同様に、複合光学系の像焦点に設置され、複合光学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。
【００２０】
【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。
【００２１】
収束レンズの像焦点に曲面鏡の鏡面を設置して焦点合わせを行うので、曲面鏡の曲率半径あるいは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。
【００２２】
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。
【００２３】
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垂直断面図である。
【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、光路変更を平面鏡の代わりに曲面鏡により行うようにした他の実施形態を示す垂直断面図である。
【図３】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垂直断面図である。
【図４】収束レンズによる像が無限遠に生じるように構成した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、光路変更を平面鏡の代わりに曲面鏡により行うようにした他の実施形態を示す垂直断面図である。
【図５】印加する直流電圧により焦点距離を変えることができる曲面鏡で、特に凹面鏡を実現するのに適した曲面鏡の垂直断面図である。
【図６】印加する直流電圧により焦点距離を変えることができる曲面鏡で、特に凸面鏡を実現するのに適した曲面鏡の垂直断面図である。
【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曲面鏡
４ａ 可変焦点距離の凹面鏡を構成するシリコン薄板
４ｂ 可変焦点距離の凸面鏡を構成するシリコン薄板
５ 半透明の平面鏡
６ 収束レンズ２と曲面鏡４により得られる物体の像
７ 光学系の中心軸となる光軸
８ 収束レンズ
９ 単結晶シリコン基板
１０ ガラス基板
１１ 電極
１２ 可変直流電源
１３ 入射光
１４ 透明なガラス基板
１５ 透明電極

Claims (2)

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、鏡面の変形により焦点距離を変えることができる曲面鏡をその頂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、この曲面鏡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わせることを特徴とする、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頂点を一致させて配置した鏡面の変形により焦点距離を変えることができる曲面鏡とを備え、この曲面鏡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えることを特徴とする、定倍率可変焦点結像装置。

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