JP6223952B2 - テレセントリックレンズ及びそれを用いた撮像装置 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特開２０１２−５８４３５号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明に係る両側テレセントリックレンズを示す説明図。 その光線図。 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。 オートフォーカスモードの処理手順を示すフローチャート。 プリセットフォーカスモードの処理手順を示すフローチャート。 温度補正モードの処理手順を示すフローチャート。 本発明に係る物体側テレセントリックレンズを示す説明図。 本発明に係る像側テレセントリックレンズを示す説明図。 従来の両側テレセントリックレンズを示す説明図。 液体レンズを用いた従来の両側テレセントリックレンズを示す説明図。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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、

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。

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。

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。

＜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ＣＶ_Ｎ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ＭＧ_Ｎ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Ａ_Ｎ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。

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ＣＶ_Ｎ（＝Ｖ0＋Ｎ・ΔＶ）を液体レンズ７に出力して画像ＭＧ_Ｎを撮像し、ステップＳＴＰ１３に移行する。
ステップＳＴＰ１３では、画像ＭＧ_Ｎについて合焦評価値Ａ_Ｎ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Ａ_Ｎの最大値ＭＸ（Ａ_Ｎ）を算出し、最大値ＭＸ（Ａ_Ｎ）に対応するＮの値Ｎ_ＭＸを最大値インデックスＸとして記憶する。

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Ａ_Ｎ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Ａ_Ｎ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。

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ＣＶ_Ｎ（＝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ＭＧ_Ｎについて合焦評価値Ａ_Ｎを算出すると共に、合焦評価値Ａ_Ｎの最大値ＭＸ（Ａ_Ｎ）、最大値インデックスＸを記憶する。

次いで、ステップＳＴＰ２０では、合焦評価値Ａ_Ｎ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（Ａ_Ｎ）より小さな合焦評価値Ａ_Ｎ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（Ａ_Ｎ）を出力した時点の制御電圧ＣＶ_Ｘを合焦電圧ＦＶとして出力する。

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ＣＶ_Ｎ（＝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ＭＧ_Ｎについて合焦評価値Ａ_Ｎを算出すると共に、今まで記憶された合焦評価値Ａ_Ｎの最大値ＭＡＸ（Ａ_Ｎ）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。

次いで、ステップＳＴＰ２５では、合焦評価値Ａ_Ｎ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（Ａ_Ｎ）より小さな合焦評価値Ａ_Ｎ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（Ａ_Ｎ）を出力した時点の制御電圧ＣＶ_Ｘを合焦電圧ＦＶとして出力して処理を終了する。

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ＣＶ_３を合焦電圧ＦＶとして出力し、処理を終了する。

＜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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (7)

1. 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双方を備えた両側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、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、前記液体レンズを通過する光束の収束角または発散角を変化させ、その光束を前記像面位置に結像させることにより、ワーキングディスタンスに応じたピント調整を可能にすることで、ピントの合う深度を深くすることができるワーキングディスタンス調整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。
2. 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を備えた物体側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、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、前記液体レンズを通過する光束の収束角または発散角を変化させ、その光束を前記像面位置に結像させることにより、ワーキングディスタンスに応じたピント調整を可能にすることで、ピントの合う深度を深くすることができるワーキングディスタンス調整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。
3. 前記ワーキングディスタンス調整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合焦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を備えた請求項１または２記載の撮像装置。
4. 前記ワーキングディスタンス調整フォーカスシステムは、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を備えた請求項３載の撮像装置。
5. 前記ワーキングディスタンス調整フォーカスシステムは、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た請求項１乃至４いずれか記載の撮像装置。
6. 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、
   前記各モードを実行させるフォーカスモード設定手段を備え、
   前記フォーカスモード設定手段は、
   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、
   を備えたことを特徴とする撮像装置。
7. 前記絞りが開口径可変絞りである請求項１乃至６いずれか記載の撮像装置。
   

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