JP7057217B2 - 焦点距離可変レンズの校正方法および焦点距離可変レンズ装置 - Google Patents
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Description
液体レンズシステムは、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。振動部材には、駆動信号として、70KHz程度の高周波数の交流電圧(通常は正弦波)が印加される。
液体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駆動信号を印加すると、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駆動信号の周波数を調整すると、液体に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。
この状態で、振動部材の中心軸線に沿って光を通すと、この光は透明な液体に生じている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、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、所定の焦点距離に合焦した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。
EDOF画像は、連続照明のもとで焦点距離を高速で可変しつつ撮像を行い、焦点距離可変範囲のいずれかの焦点距離に合焦した画像を全焦点範囲にわたり重ね合わせ、それにより取得された画像に対して、焦点距離の可変範囲から推定されるボケ成分の逆演算処理を行った画像であり、測定対象物の表面に高さが異なる凹凸がある場合でも、各凹凸の輪郭を検出することができる。
光学において屈折力とは、レンズなどの(軸まわりに回転対称な)光学系の屈折の度合いのことであり、レンズパワーとも呼ばれる。
屈折力φは、媒質の屈折率n、焦点距離fとして、φ=-n/fとなる。すなわち、空気中(n=1.000)では、屈折力φは焦点距離fの逆数に等しい。そして、焦点距離可変レンズにおいては、屈折力φが大きいほど、焦点距離fの可変範囲が広くなる。従って、屈折力φの大小は、焦点距離fの最長から最短までの可変範囲(最遠の合焦位置から最近の合焦位置までの距離)つまり焦点深度で表すことができる。
理想的な状態、つまり駆動信号の振幅と液体レンズシステムの屈折力φとが比例関係にあれば、駆動信号の電圧制御により、液体レンズシステムの屈折力φを正確に調整することができる。
しかし、液体レンズシステムにおいて、その構造上、実際の屈折力φと印加電圧との関係は正確な比例関係にはならない。さらに、屈折力φと印加電圧との関係は、液体レンズシステムの個体差があり、駆動信号の周波数によっても異なる。このため、液体レンズシステムにおいて、駆動信号の調整を行っても所望の屈折力φを得ることは難しかった。
焦点距離可変レンズを所望の焦点深度に設定する際には、先に作成しておいた校正テーブルを参照し、所望の焦点深度に対応する電圧を読み出し、得られた電圧に駆動信号を調整することで、所望の焦点深度が得られる状態に調整することができる。このような駆動信号の調整により、所望の屈折力を得ることができる。
なお、校正ツールとしては、例えば表面が傾斜面とされたブロックなどでもよく、傾斜面のうち同じ高さの部分をそれぞれ同じ焦点距離に対応する部分となる。しかし、本発明のように、表面が段差状とされることで、各段差面が所定の広さをもって同じ焦点距離に対応するようにでき、反射光量を確保してコントラストの計算を容易かつ確実にできる点で有効である。
さらに、本発明によれば、連続照明を用いつつ、駆動信号の正負のピークに対応する画像データを取得でき、例えばパルス照明装置のような高価な要素を必要とせず、容易に実施することができる。
従って、駆動信号の正負のピークでパルス照明を行うことで、最長および最短の焦点距離を容易かつ確実に取得できる。
〔焦点距離可変レンズ装置1〕
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ものである。
このために、焦点距離可変レンズ装置1は、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および液体レンズユニット3と、対物レンズ2および液体レンズユニット3を通して得られる測定対象物9の画像を検出する画像検出部4と、測定対象物9の表面を照明する照明部5と、を備えている。
焦点距離可変レンズ装置1においては、対物レンズ2および液体レンズユニット3により焦点距離可変レンズが構成される。
制御用PC7は、既存のパーソナルコンピュータにより構成され、所定の制御用ソフトウェアを実行することで所期の機能が実現される。制御用PC7には、画像検出部4から画像を取り込んで処理する機能も含まれている。
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。
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からの発光信号Ciに応じて照明光Liを発光させ、測定対象物9の表面に対する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および液体レンズユニット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、液体レンズユニット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。
図2において、液体レンズユニット3は、円筒形のケース31を有し、ケース31の内部には円筒状の振動部材32が設置されている。振動部材32は、その外周面33とケース31の内周面との間に介装されたエラストマ製のスペーサ39で支持されている。
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(例えば70KHz)に調整されている。
このとき、液体レンズユニット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、液体レンズユニット3は通過する光を収束させ、焦点位置Pfは最近、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、液体レンズユニット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、液体レンズユニット3は通過する光を拡散させ、焦点位置Pfは最遠、焦点距離Dfは最長となる。
図4(D)の状態では、再び屈折率分布Wが平坦となり、液体レンズユニット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(任意の位相)で焦点位置Pfにある測定対象物9をパルス照明すれば、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。
一方、焦点変動波形Mfのように焦点位置Pfを変動させつつ、パルス照明ではなく連続的な照明を行って、連続的に測定対象物9の画像を検出することで、焦点距離Dfが最短(図4(A)の状態)から最長(図4(C)の状態)までの範囲の合焦画像を重ね合わせた測定対象物9のEDOF画像が得られる。
図5に示すように、焦点距離可変レンズ装置1において、液体レンズユニット3の振動、照明部5の発光および画像検出部4の画像検出は、レンズ制御部6からの駆動信号Cfおよび発光信号Ciおよび画像検出信号Ccにより制御される。この際、レンズ制御部6には、液体レンズユニット3の振動状態Vfとして、液体レンズユニット3に加えられる有効電力あるいは駆動電流などが返される。
レンズ制御部6は、液体レンズユニット3に駆動信号Cfを出力する駆動制御部61と、照明部5に発光信号Ciを出力する発光制御部62と、画像検出部4に画像検出信号Ccを出力する画像検出制御部63とを有する。
レンズ制御部6の設定などの画像検出条件を操作するために、制御用PC7が接続されている。
制御用PC7は、画像検出条件の設定などのレンズ制御部6に対する操作を行うレンズ操作部71と、画像検出部4から検出画像Imを取り込んで処理する画像処理部72と、焦点距離可変レンズ装置1に対するユーザの操作を受け付ける操作インターフェイス73と、を有する。
このうち、レンズ操作部71は、本発明に基づく校正動作制御部711および校正テーブル712を有する。
校正テーブル712が作成された制御用PC7においては、測定すべき測定対象物9を設置するとともに、所望の屈折力となる電圧を校正テーブル712から読み出し、レンズ制御部6が出力する駆動信号Cfの電圧を調整することで、液体レンズユニット3で所望の屈折力を得ることができる。
図6には、本実施形態で用いる校正ツール91が示されている。図6の(A)部は校正ツール91の側面形状を示し、図6の(B)部は平面形状を示す。
図6において、校正ツール91は、金属ほかの無機材料や合成樹脂で形成されたブロック状の本体92を有し、その上面には多数の段差面93が形成されている。段差面93は、それぞれ隣接する段差面93に対して全て同じ段差高dhとされている。
表面画像94に撮像される段差面93について、以下の説明では、表面画像94の中央にある段差面93を基準段差面P0とし、基準段差面P0より高い段差面93は順に段差面P1,P2,P3とし、基準段差面P0より低い段差面93は順に段差面P-1,P-2,P-3とする。なお、表面画像94により多くの段差面93が含まれる場合、順にP4,P5あるいはP-4,P-5となる。
つまり、表面画像94の画像データは、前述した基準段差面P0、段差面P1~P3および段差面P-1~P-3の各々に合焦した画像データを全て重ね合わせたものとされ、焦点距離最小の段差面P3から最大の段差面P-3に至る範囲内で、任意の段差面Pnに合焦した画像データとして利用可能である。ただし、任意の段差面(例えば段差面P1)に合焦した画像データは、他の段差面(例えば段差面P2)に対しては合焦しておらず、いわゆるぼけた画像データも含んでいることになる。
図7には、校正テーブル712の作成手順が示されている。
図7において、作業者が、制御用PC7の操作インターフェイス73から校正動作制御部711を起動すると、校正動作制御部711は、画面表示などにより校正ツール91の設置を案内する(処理S1)。
作業者が、焦点距離可変レンズ装置1に校正ツール91を設置し、設置したことを操作インターフェイス73から入力すると、校正動作制御部711は、画面表示などにより電圧初期値Voおよび間隔(変化幅dV)の入力を案内する(処理S2)。
作業者が、操作インターフェイス73により電圧初期値Voおよび変化幅dVを入力すると、校正動作制御部711は、電圧Vi=Vo+idV(i=0~n)の各々について、その電圧Viに対応する焦点深度の測定を繰り返し(処理S3~S8)、これにより校正テーブル712(図9参照)を作成する。
図8において、液体レンズユニット3に印加される駆動信号Cfの電圧V(図7の処理S3)は、図8の(A)部のV=0から(B)部のV=V1、(C)部のV=V2と、徐々に増加していくとする。
駆動信号Cfの電圧V=0のとき、液体レンズユニット3は駆動されず、焦点距離可変レンズ(液体レンズユニット3と対物レンズ2)の焦点距離Df(図4参照)は変化幅の中央で変化せず、焦点位置Pf(図4参照)は図8の(G)部の基準段差面P0から変動しない。
駆動信号Cfの電圧VがV1,V2と増加した段階では、焦点距離Dfの変動幅は正負にそれぞれdh未満であり、(G)部の段差高dhの範囲内(隣接する段差面P1,P-1までの範囲内)に留まっている。
駆動信号Cfの電圧Vがさらに増加し、電圧V=V3に達したときに、焦点距離Dfの変動幅は(G)部の段差高dhの範囲を超え、隣接する段差面P1,P-1にも合焦する。このとき、駆動信号Cfの電圧V=V3であれば、焦点深度E=dh×2=2dhとなる。
同様に、駆動信号Cfの電圧V=V4,V5に達したときに、焦点距離Dfの変動幅が(G)部の段差高2dh,3dhを超え、段差面P2,P-2あるいは段差面P3,P-3に合焦したならば、駆動信号Cfの電圧V=V4のとき焦点深度E=2dh×2=4dhとなり、駆動信号Cfの電圧V=V5のとき焦点深度E=3dh×2=6dhとなる。
以上のように、焦点深度Eiと駆動信号Cfの電圧Viとを対応させて記録すること(図7の処理S7)により、校正テーブル712が作成できる。
図9において、駆動信号Cfの電圧V=0のとき、焦点は基準段差面P0にあり、焦点深度E=0、屈折力φ=1である。
駆動信号Cfの電圧V=V3のとき、焦点は段差面P1~P-1にあり、焦点深度E=2dh、屈折力φ=di1となる。
駆動信号Cfの電圧V=V4のとき、焦点は段差面P2~P-2にあり、焦点深度E=4dh、屈折力φ=di2となる。
駆動信号Cfの電圧V=V5のとき、焦点は段差面P3~P-3にあり、焦点深度E=6dh、屈折力φ=di3となる。
本実施形態では、校正ツール91を用いて画像検出および演算処理(図7の処理S3~S7)を繰り返すことで、駆動信号Cfの電圧Vと焦点距離可変レンズ(液体レンズユニット3と対物レンズ2)の焦点深度Eとの関係を校正テーブル712(図9参照)に記録することができる。
とくに、焦点深度Eについては、校正ツール91の表面画像においてコントラストが最大となる2位置を検出すること(図7の処理S5)とともに、校正ツール91の段差面93の段差高dhを合算することで、駆動信号Cfの波形における正負のピークに対応する2つの焦点距離(最長および最短の焦点距離)の差から焦点深度Eを計算できる。
そして、このような処理を繰り返すことにより、焦点距離可変レンズの焦点深度Eおよび屈折力φと、対応する駆動信号電圧Vを示す校正テーブル712の作成を容易かつ確実に行うことができる。
焦点距離可変レンズを所望の焦点深度に設定する際には、先に作成しておいた校正テーブル712を参照し、所望の焦点深度Eに対応する電圧Vを読み出し、得られた電圧Vに駆動信号Cfを調整することで、所望の焦点深度Eが得られる状態に調整することができる。このような駆動信号Cfの調整により、所望の屈折力φを得ることができる。
さらに、校正ツール91の表面が段差状とされることで、各段差面93が同じ焦点距離(同じ焦点距離となる一定高さ)で所定の広さをもつようにでき、反射光量を確保してコントラストの計算を容易かつ確実にできる。
EDOF画像においては、駆動信号Cfに応じて変動する焦点位置Pfに合焦する画像データが重ね合わせられる。駆動信号Cfは、通常の正弦波であれば、増減が反転する正負のピーク近傍での値の変動が小さく、このためEDOF画像には駆動信号Cfの正負のピーク近傍の画像データの成分比率が多くなる。このような状況で、EDOF画像のコントラストを計算すると、含まれる画像データの比率が大きな駆動信号Cfの正負のピーク近傍がコントラストの上位2つとして表れる。従って、上位2つの位置を選択することで、最長および最短の焦点距離Dfが選択され、その変動幅(焦点距離として設定しうる範囲)により焦点深度Eを得ることができる。
このように、本実施形態では、連続照明を用いつつ、駆動信号Cfの正負のピークに対応する画像データを取得でき、例えばパルス照明装置のような高価な要素を必要とせず、容易に実施することができる。
図10には、本発明の他の実施形態による校正テーブル712の作成手順が示されている。
本実施形態は、基本的な構成が前述した焦点距離可変レンズ装置1と同様である。このため、図1~図6、図8、図9に示される共通の構成に関しては説明を省略し、以下には異なる構成について説明する。
また、制御用PC7の校正動作制御部711で実行される校正テーブル712の作成手順が、前述した図7の手順と異なる。
このようなパルス照明により、処理S14で得られる画像が駆動信号Cfの正負のピーク位置での画像となるため、次の処理S15におけるコントラスト計算に基づく2つの段差面93の判定(最短および最長の焦点位置の検出)が、他の期間の画像データを含むEDOF画像を用いる前記実施形態に比べて容易かつ高精度にできる。
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは本発明に含まれる。
例えば、前述した実施形態では、段差高dhが等しい複数の段差面93を有する校正ツール91を用いたが、基準段差面近くでは段差高が小さく、離れるに従って段差高が大きくなるような段差状の校正ツールを用いてもよい、また、校正ツールは、表面に高さが異なる多数の部分があればよく、例えば表面が傾斜面とされたブロックなどでもよい。
しかし、前述した実施形態のように、表面が段差状とされることで、各段差面93が所定の広さをもって同じ焦点距離に対応するようにでき、反射光量を確保してコントラストの計算を容易かつ確実にできる点で有効である。さらに、段差高dhが一定であることで焦点距離の計算が容易であり、校正ツール91の製造も容易にできる。
Claims (5)
- 周期的な駆動信号により焦点距離が周期的に変化する焦点距離可変レンズの校正方法であって、
前記焦点距離可変レンズと、測定対象物を照明する照明部と、前記焦点距離可変レンズを通して前記測定対象物の画像を検出可能な画像検出部と、前記焦点距離可変レンズに前記駆動信号を出力するとともに前記照明部および前記画像検出部を制御するレンズ制御部と、を有する焦点距離可変レンズ装置を用い、
前記測定対象物として、表面に高さが異なる多数の部分を有する校正ツールを設置した後、
前記レンズ制御部から前記焦点距離可変レンズに所定電圧の前記駆動信号を出力し、前記画像検出部で前記校正ツールの表面画像を検出し、前記表面画像でコントラストが最大となる2位置を検出し、前記2位置の焦点距離の差から焦点深度を計算し、前記焦点深度と前記駆動信号の電圧と対応させて記録する、という操作を繰り返して校正テーブルを作成し、
前記焦点距離可変レンズを所望の焦点深度に設定する際に、前記校正テーブルから所望の前記焦点深度に対応する前記電圧の値を読み出し、読み出した値に基づいて前記焦点距離可変レンズに出力する前記駆動信号の前記電圧を調整することを特徴とする焦点距離可変レンズの校正方法。 - 請求項1に記載した焦点距離可変レンズの校正方法において、
前記校正ツールは、表面に所定高さの多数の段差面を有することを特徴とする焦点距離可変レンズの校正方法。 - 請求項1または請求項2に記載した焦点距離可変レンズの校正方法において、
前記照明部で前記測定対象物を連続的に照明しつつ、前記画像検出部によりEDOF画像を検出し、
前記EDOF画像を、前記校正テーブルを作成する際の前記校正ツールの表面画像として用いることを特徴とする焦点距離可変レンズの校正方法。 - 請求項1または請求項2に記載した焦点距離可変レンズの校正方法において、
前記駆動信号の正負のピークに対応するタイミングで、前記照明部により前記測定対象物をパルス照明し、前記パルス照明された前記校正ツールの表面画像を前記画像検出部で検出することを特徴とする焦点距離可変レンズの校正方法。 - 周期的な駆動信号により焦点距離が周期的に変化する焦点距離可変レンズと、測定対象物を照明する照明部と、前記焦点距離可変レンズを通して前記測定対象物の画像を検出可能な画像検出部と、前記焦点距離可変レンズに前記駆動信号を出力するとともに前記照明部および前記画像検出部を制御するレンズ制御部と、前記レンズ制御部が出力する前記駆動信号の電圧を調整する校正動作制御部と、を有し、
前記校正動作制御部は、前記レンズ制御部から前記焦点距離可変レンズに所定電圧の前記駆動信号を出力し、前記画像検出部で前記測定対象物の表面画像を検出し、前記表面画像でコントラストが最大となる2位置を検出し、前記2位置の焦点距離の差から焦点深度を計算し、前記焦点深度と前記駆動信号の電圧と対応させて記録する、という操作を繰り返して校正テーブルを作成し、前記焦点距離可変レンズを所望の焦点深度に設定する際に、前記校正テーブルから所望の前記焦点深度に対応する前記電圧の値を読み出し、読み出した値に基づいて前記焦点距離可変レンズに出力する前記駆動信号の電圧を調整することを特徴とする焦点距離可変レンズ装置。
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