JP7189702B2 - 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

Description

本発明は、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に関する。

焦点距離可変レンズ装置として、例えば特許文献１に記載された原理の液体レンズシステム（以下単にレンズシステムと呼ぶことがある）を利用した装置が開発されている。
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。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。

焦点距離可変レンズ装置は、前述した液体レンズシステムと、焦点を結ぶための対物レンズ（例えば通常の凸レンズあるいはレンズ群）とを、同じ光軸上に配置して構成される。液体レンズシステムは、液体レンズユニットとしてパッケージ化され、焦点距離可変レンズ装置に組み込まれる。
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。

焦点距離可変レンズ装置において、レンズシステムに入力される駆動信号としては、例えば正弦波状の交流信号が用いられる。このような駆動信号が入力されると、焦点距離可変レンズ装置の焦点距離（焦点位置）は正弦波状に変化する。この際、駆動信号の振幅が０のとき、レンズシステムを通る光は屈折されず、焦点距離可変レンズ装置の焦点距離は対物レンズの焦点距離となる。駆動信号の振幅が正負のピークにあるとき、レンズシステムを通る光は最も大きく屈折され、焦点距離可変レンズ装置の焦点距離は対物レンズの焦点距離から最も変化した状態となる。
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。

米国特許出願公開第２０１０／０１７７３７６号明細書

前述した焦点距離可変レンズ装置では、外気温の影響あるいは稼働に伴う発熱などにより、レンズシステムの内部の液体や振動部材の温度が変化する。レンズシステムでは、温度変化により固有振動数が変化し、定在波が得られる交流信号の周波数（共振周波数）も変動する。レンズシステムに入力される駆動信号が変動前と同じままであると、駆動信号が共振周波数のピークからずれてしまい、定在波を効率的に得ることができない。そこで、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を採用することが検討されている（例えば特願２０１７－８９５７６参照）。

しかし、共振ロック機能によってレンズシステムに定在波が得られたとしても、上述の温度変化の影響により、レンズシステムの最大屈折力（屈折率のピーク）が変動してしまうことがある。レンズシステムの屈折力は光学的特性であるため、当該屈折力を直接的に検出して補正することは困難である。

本発明の目的は、レンズシステムの最大屈折力を制御できる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を提供することにある。

本発明の焦点距離可変レンズ装置は、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の屈折力を制御する屈折力制御部と、を有し、前記屈折力制御部は、前記レンズシステムに供給される有効電力に応じて、前記駆動信号の電圧を調整することを特徴とする。

本発明において、レンズシステムの最大屈折力は、レンズシステムに供給される有効電力と相関関係を有している。また、レンズシステムの有効電力は、駆動信号の電圧（駆動電圧）と相関関係を有している。そこで、本発明では、レンズシステムの現在の有効電力に応じて駆動電圧を調整することにより、レンズシステムに所望の有効電力を供給できる。これにより、レンズシステムの最大屈折力を所望の値に制御できる。

本発明の焦点距離可変レンズ装置において、前記屈折力制御部は、目標有効電力に対する前記有効電力の増減に基づいて、前記駆動電圧を調整することが好ましい。
本発明によれば、レンズシステムの有効電力が目標有効電力を保つように駆動電圧を調整することができる。これにより、レンズシステムの最大屈折力を安定化させることができる。

本発明の焦点距離可変レンズ装置は、前記レンズシステムに供給される駆動電流、前記駆動電圧、および、前記駆動電流と前記駆動電圧との位相差である電圧電流位相差を検出し、前記駆動電流または前記電圧電流位相差に基づいて前記駆動信号の周波数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をさらに有し、前記屈折力制御部は、前記共振ロック制御部から取得した前記駆動電流、前記駆動電圧および前記電圧電流位相差に基づいて、前記有効電力を算出することが好ましい。
本発明によれば、レンズシステムに安定した定在波を発生させつつ、レンズシステムの最大屈折力を好適に制御することができる。

本発明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、目標電圧電流位相差に対する前記電圧電流位相差の増減に基づいて、前記駆動信号の周波数を調整することが好ましい。
本発明において、共振ロック制御部は、電圧電流位相差が目標電圧電流位相差で安定化するように駆動信号の周波数を調整することにより、駆動信号の周波数をレンズシステムの共振周波数に追従させる。なお、目標電圧電流位相差は、予め設定された値であり、例えば電圧電流位相差のピーク値よりも低い値である。
このような本発明において、共振ロック制御部および屈折力制御部は、互いの制御対象や参照対象が異なるため、それぞれに好適なタイミングで独立した制御を行うことができる。

本発明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、基準駆動電流に対する前記駆動電流の増減に基づいて前記駆動信号の周波数を調整し、前記屈折力制御部が前記駆動信号の電圧を増減させる間、前記共振ロック制御部は待機状態になることが好ましい。
本発明において、共振ロック制御部は、駆動電流が基準駆動電流で安定化するように駆動信号の周波数を調整することにより、駆動信号の周波数をレンズシステムの共振周波数に追従させる。ここで、基準駆動電流は、予め設定された値であり、例えば電圧電流位相差にピーク値を与えるときの駆動電流値である。
本発明では、屈折力制御部が駆動電圧を増減させることにより、共振ロック制御部が参照する対象の駆動電流が変動する。このため、本発明では、屈折力制御部が駆動電圧を増減させる間、共振ロック制御部が待機状態になることにより、共振ロック制御部の制御中にその参照対象が変動することが回避される。これにより、屈折力制御部が共振ロック制御部に与える影響を低減できる。

本発明の焦点距離可変レンズ装置において、前記屈折力制御部は、前記駆動信号の電圧を調整した際、前記基準駆動電流を更新することが好ましい。
本発明では、基準駆動電流を更新することにより、変動後の駆動電流を参照する共振ロック制御部の制御において、適切な制御が行われる。

本発明の焦点距離可変レンズ制御方法は、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の屈折力を制御する屈折力制御部と、を有する焦点距離可変レンズ装置において、前記屈折力制御部は、前記レンズシステムに供給される有効電力に応じて、前記駆動信号の電圧を調整する処理を実施することを特徴とする。
本発明によれば、上述した焦点距離可変レンズ装置と同様の効果を奏することができる。

本発明によれば、レンズシステムの最大屈折力を制御できる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を提供できる。

本発明の第１実施形態を示す模式図。 第１実施形態の液体レンズユニットの構成を示す模式図。 第１実施形態の液体レンズユニットの振動状態を示す模式図。 第１実施形態の液体レンズユニットの焦点距離を示す模式図。 第１実施形態のレンズ制御部および制御用ＰＣを示すブロック図。 第１実施形態の初期設定の概要を説明するためのグラフ。 第１実施形態の共振ロック制御の処理手順を示すフローチャート。 第１実施形態の共振ロック制御の動作を説明するためのグラフ。 第１実施形態の屈折力制御の処理手順を示すフローチャート。 第１実施形態の屈折力制御の動作を説明するためのグラフ。 本発明の第２実施形態の初期設定の概要を説明するためのグラフ。 第２実施形態の共振ロック制御の処理手順を示すフローチャート。 第２実施形態の共振ロック制御の動作を説明するためのグラフ。 第２実施形態の屈折力制御の処理手順を示すフローチャート。 第２実施形態の屈折力制御の動作を説明するためのグラフ。 第１実施形態の共振ロック制御および屈折力制御の各動作のタイミングを説明するためのタイムチャート。

〔第１実施形態〕
（全体構成）
図１において、焦点距離可変レンズ装置１は、焦点距離Ｄｆ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の表面をパルス照明するパルス照明部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。

さらに、焦点距離可変レンズ装置１は、液体レンズユニット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。
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。

対物レンズ２は、既存の凸レンズで構成される。
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および液体レンズユニット３を通して画像Ｌｇを形成する。

液体レンズユニット３は、本発明のレンズシステムを内部に構成するものであり、レンズ制御部６から入力される駆動信号Ｃｆに応じて屈折率が変化する。駆動信号Ｃｆは、液体レンズユニット３に定在波を発生させる周波数の交流であって、正弦波状の交流信号である。
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。

〔液体レンズユニット３〕
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に調整されている。

図３に示すように、液体レンズユニット３においては、振動部材３２を振動させると、内部の液体３５に定在波が生じ、屈折率が交替する同心円状の領域が生じる（図３（Ａ）部および図３（Ｂ）部参照）。
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において、駆動信号Ｃｆは正弦波状の交流信号であるため、液体レンズユニット３における液体３５の屈折率分布Ｗの変動幅もこれに従って変化する。そして、液体３５に生じる同心円状の領域の屈折率が正弦波状に変化し、これにより焦点位置Ｐｆまでの焦点距離Ｄｆが正弦波状に変動する。
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、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、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、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。

このように、焦点距離可変レンズ装置１においては、駆動信号Ｃｆは正弦波状の交流信号であり、焦点位置Ｐｆおよび焦点距離Ｄｆも図４の焦点変動波形Ｍｆのように正弦波状に変動する。
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。

（レンズ制御部および制御用ＰＣ）
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、パルス照明部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、発光信号Ｃｉおよび画像検出信号Ｃｃにより制御される。
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、パルス照明部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。

駆動制御部６１は、初期設定部６１１と、共振ロック制御部６１２と、屈折力制御部６１３とを有する。
初期設定部６１１は、目標電圧電流位相差ｈｔや目標有効電力ｐｔの各初期設定を行う。
共振ロック制御部６１２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の振動状態Ｖｆの指標となる駆動信号Ｃｆの電圧電流位相差Ｒｈを検出する。そして、液体レンズユニット３に加えられる駆動信号Ｃｆの電圧電流位相差Ｒｈに基づいて駆動信号Ｃｆの周波数（駆動周波数）を調整し、この駆動周波数を液体レンズユニット３の現在の共振周波数にロックする。なお、共振ロック制御部６１２の詳細については、特願２０１７－８９５７６号を参照できる。

屈折力制御部６１３は、駆動信号Ｃｆに基づいて液体レンズユニット３が動作した際、液体レンズユニット３に加えられる有効電力Ｒｐに基づいて駆動信号Ｃｆの電圧（駆動電圧）を調整し、液体レンズユニット３の最大屈折力を制御する。また、屈折力制御部６１３は、駆動電圧、駆動電流Ｒｉおよび電圧電流位相差Ｒｈなど、制御のための参照値を共振ロック制御部６１２から取得する。

なお、駆動制御部６１と液体レンズユニット３との間には、液体レンズユニット３に供給される駆動電圧および駆動電流Ｒｉを検出する各計測器が設けられており、各検出値は駆動制御部６１に入力される。

制御用ＰＣ７は、レンズ制御部６および画像検出部４にそれぞれ接続されている。
制御用ＰＣ７は、レンズ制御部６に設定などの操作を行うためのレンズ操作部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、を備えている。
レンズ操作部７１は、駆動制御部６１における共振ロック制御部６１２の有効・無効を切り換えるための共振ロック操作部７１１を有する。

（初期設定）
焦点距離可変レンズ装置１における初期設定について説明する。
まず、初期設定部６１１が、電圧電流位相差Ｒｈピークスキャンを行う。
図６に示すように、ピークスキャンでは、液体レンズユニット３に駆動信号Ｃｆを印加するとともに、駆動周波数を所定の下限値ｆｍｉｎから上限値ｆｍａｘまで徐々に増加させ、各周波数での液体レンズユニット３における電圧電流位相差Ｒｈを記録する。

なお、電圧電流位相差Ｒｈは、駆動信号Ｃｆの電圧波形と、液体レンズユニット３から検出される駆動電流の波形と、から得ることができる。

次に、初期設定部６１１は、液体レンズユニット３から検出される電圧電流位相差Ｒｈについて、そのピーク値ｈｐよりも低い所定値を目標電圧電流位相差ｈｔとして設定する。そして、電圧電流位相差Ｒｈが目標電圧電流位相差ｈｔとなる２つの周波数を検出し、この２つの周波数のうちのいずれか一方の周波数（本実施形態では低い方の周波数ｆｈｔ）を駆動周波数に設定する。
すなわち、本実施形態では、電圧電流位相差Ｒｈが目標電圧電流位相差ｈｔとなる２つの周波数のうち、低い方の周波数ｆｈｔを、液体レンズユニット３の共振周波数として扱う。

ここで、目標電圧電流位相差ｈｔは、電圧電流位相差Ｒｈのピーク値ｈｐに対して所定の比率（例えば７０％）を有する値とすることができる。あるいは、目標電圧電流位相差ｈｔは、電圧電流位相差Ｒｈのピーク値ｈｐよりも所定の値だけ小さい値としてもよい。
また、電圧電流位相差Ｒｈが目標電圧電流位相差ｈｔとなる２つの周波数のうち、高い方の周波数を駆動周波数に設定してもよい。

なお、図６では、ピークスキャン時、液体レンズユニット３に与えられる有効電力Ｒｐを、電圧電流位相差Ｒｈと共に示している。有効電力Ｒｐは、駆動電圧の実効値をＶｅ、駆動電流の実効値をＩｅ、電圧電流位相差Ｒｈをφとするとき、以下の式（１）によって算出される。
Ｒｐ＝Ｖｅ・Ｉｅ・ｃｏｓφ ・・・式（１）
図６に示すように、ピークスキャン時、液体レンズユニット３に与えられる有効電力Ｒｐは、電圧電流位相差Ｒｈのピーク周波数ｆｈｐより若干低い周波数ｆｐｐにてピークを示し、駆動周波数に設定される周波数ｆｈｔでは有効電力Ｒｐのピークに近い値となる。

初期設定部６１１は、液体レンズユニット３に与えられる有効電力Ｒｐについて、任意の目標有効電力ｐｔ（図１０参照）を設定する。例えば、目標有効電力ｐｔは、ユーザが所望する液体レンズユニット３の最大屈折力から算出される値であってもよい。

（共振ロック制御）
初期設定後、駆動制御部６１は、設定された駆動周波数および目標有効電力ｐｔに基づいて、駆動信号Ｃｆを液体レンズユニット３に供給する。これにより、液体レンズユニット３に定在波が形成され、液体レンズユニット３は稼働状態となる。
液体レンズユニット３の稼働開始後、共振ロック制御部６１２は、共振ロック制御を開始する。なお、本実施形態の共振ロック制御部６１２は、電圧電流位相差Ｒｈが所定値（目標電圧電流位相差ｈｔ）で安定化するように駆動周波数を調整するものであり、これにより、駆動周波数を液体レンズユニット３の共振周波数に追従させる「位相差一定共振周波数追従式」の制御を行うものである。

具体的には、共振ロック制御部６１２は、図７に示す共振ロック制御を行う。
図７において、共振ロック制御部６１２は、所定周期で電圧電流位相差Ｒｈを取得し（処理Ｓ１１）、目標電圧電流位相差ｈｔに対する電圧電流位相差Ｒｈの変化（低下または上昇）を監視する（処理Ｓ１２）。
電圧電流位相差Ｒｈの変化がない場合、液体レンズユニット３の共振周波数の変動がないとして、処理Ｓ１１～Ｓ１２の監視を継続する。

一方、電圧電流位相差Ｒｈが変化した場合、液体レンズユニット３の共振周波数の変動があったとして、共振ロック制御部６１２は、電圧電流位相差Ｒｈの変化の方向（低下か上昇か）を判定する（処理Ｓ１３）。
そして、電圧電流位相差Ｒｈが低下した場合には、駆動周波数を周波数ｆｈｔから上昇させ（処理Ｓ１４）、電圧電流位相差Ｒｈが上昇した場合には、駆動周波数を周波数ｆｈｔから低下させる（処理Ｓ１５）。具体的には、共振ロック制御部６１２は、電圧電流位相差Ｒｈの現在値と目標電圧電流位相差ｈｔとの差に対応する周波数変化量を算出し、現在の周波数に当該周波数変化量を反映させた周波数を、駆動周波数として新たに設定（更新）する。

例えば、図８において、温度上昇などにより、液体レンズユニット３の共振周波数が周波数ｆｈｔから周波数ｆｈｕへと上昇したとき、電圧電流位相差Ｒｈの波形は、図８の実線から図中右側へ移動し、破線で示す状態になる。このとき、共振ロック制御部６１２に取得される電圧電流位相差Ｒｈは、目標電圧電流位相差ｈｔから値ｈｕに低下する。
このような場合、共振ロック制御部６１２は、上述の処理Ｓ１３において、電圧電流位相差Ｒｈが低下していると判定し、上述の処理Ｓ１４により、駆動周波数を周波数ｆｈｔからｆｈｕに上昇させる。これにより、値ｈｕに低下していた電圧電流位相差Ｒｈを、目標電圧電流位相差ｈｔに上昇させることができる。

一方、図８に示す場合とは逆に、液体レンズユニット３の共振周波数が周波数ｆｈｔから低下した場合、電圧電流位相差Ｒｈの波形は、図８の実線から図中左方へ移動し、共振ロック制御部６１２に取得される電圧電流位相差Ｒｈの値は上昇する。
このような場合、共振ロック制御部６１２は、上述の処理Ｓ１３において電圧電流位相差Ｒｈが上昇していると判定し、上述の処理Ｓ１５により駆動周波数を周波数ｆｈｔから低下させる。これにより、上昇していた電圧電流位相差Ｒｈを、目標電圧電流位相差ｈｔにまで低下させることができる。

以上の処理では、液体レンズユニット３の共振周波数が上昇した場合には、駆動周波数が上昇され、液体レンズユニット３の共振周波数が低下した場合には、駆動周波数が低下される。このような処理によれば、駆動周波数を、液体レンズユニット３の共振周波数に対して追従させることができる。

（屈折力制御）
液体レンズユニット３の稼働開始後、屈折力制御部６１３は、図９に示す屈折力制御を開始する。なお、本実施形態では、上述の共振ロック制御が１ｍｓ毎に行われるのに対し、屈折力制御は２００ｍｓ毎に行われる。

図９において、屈折力制御部６１３は、所定周期で有効電力Ｒｐを取得し（処理Ｓ２１）、有効電力Ｒｐの変化（減少または増加）を監視する（処理Ｓ２２）。
有効電力Ｒｐの変化がない場合、液体レンズユニット３の共振周波数の変動がないとして、処理Ｓ２１～Ｓ２２の監視を継続する。

一方、有効電力Ｒｐが変化した場合、液体レンズユニット３の共振周波数の変動があったとして、屈折力制御部６１３は、有効電力Ｒｐの変化の方向（減少か増加か）を判定する（処理Ｓ２３）。
そして、有効電力Ｒｐが減少した際には、駆動電圧を現在値より増加させ（処理Ｓ２４）、有効電力Ｒｐが増加した際には、駆動電圧を現在値より減少させる（処理Ｓ２５）。具体的には、屈折力制御部６１３は、有効電力Ｒｐの現在値と目標有効電力ｐｔとの差に対応する電圧変化量を算出し、現在値に当該電圧変化量を加えた電圧値を、駆動電圧として新たに設定（更新）する。

例えば、図１０において、液体レンズユニット３内部温度の変化等により、液体レンズユニット３の最大屈折力が減少した場合、有効電力Ｒｐの波形は、図中の実線から点線で示すようにピークが下側にずれる。このとき、液体レンズユニット３に供給される有効電力Ｒｐは、目標有効電力ｐｔからｐｕに減少する。
このような場合、屈折力制御部６１３は、上述の処理Ｓ２３において有効電力Ｒｐが減少していると判定し、上述の処理Ｓ２４により駆動電圧を増加させる。これにより、値ｐｕに減少していた有効電力Ｒｐを、目標有効電力ｐｔにまで増加させることができる。

一方、図１０に示す場合とは逆に、液体レンズユニット３の最大屈折力が増加した場合、有効電力Ｒｐの波形はピークが上側にずれる。このような場合、屈折力制御部６１３は、上述の処理Ｓ２３において、有効電力Ｒｐが増加していると判定し、上述の処理Ｓ２５により駆動電圧を減少させる。これにより、増加していた有効電力Ｒｐを、目標有効電力ｐｔまで減少させることができる。

以上の処理では、液体レンズユニット３の有効電力Ｒｐが減少した場合、駆動電圧が増加され、液体レンズユニット３の有効電力Ｒｐが減少した場合、駆動電圧が増加される。このような処理によれば、液体レンズユニット３の有効電力Ｒｐを一定に調整することができる。その結果、液体レンズユニット３の最大屈折力を安定化させることができる。

（第１実施形態の効果）
本実施形態の焦点距離可変レンズ装置１では、屈折力制御部６１３が、液体レンズユニット３の現在の有効電力Ｒｐに応じて駆動電圧を調整することにより、液体レンズユニット３に所望の有効電力Ｒｐを供給できる。これにより、液体レンズユニット３の最大屈折力を所望の値に制御できる。

また、本実施形態において、屈折力制御部６１３は、目標有効電力ｐｔに対する有効電力Ｒｐの増減に基づいて、駆動電圧を増減させる。このため、有効電力Ｒｐが目標有効電力ｐｔを保つように駆動電圧を調整することができ、これにより、液体レンズユニット３の最大屈折力を安定化させることができる。換言すると、焦点距離可変レンズ装置１における焦点可変範囲を安定化させることができる。

本実施形態において、共振ロック制御部６１２が駆動周波数を制御すると共に、屈折力制御部６１３が駆動電圧を制御する。また、屈折力制御部６１３は、共振ロック制御部６１２から取得した駆動電流Ｒｉ、駆動電圧および電圧電流位相差Ｒｈに基づいて、有効電力Ｒｐを算出する。
これにより、液体レンズユニット３に安定した定在波を発生させつつ、液体レンズユニット３の最大屈折力を好適に制御することができる。

本実施形態において、共振ロック制御部６１２は、電圧電流位相差Ｒｈが目標電圧電流位相差ｈｔで安定化するように駆動周波数を調整することにより、駆動周波数を液体レンズユニット３の共振周波数に追従させる制御を行っている。
このような構成において、共振ロック制御部６１２および屈折力制御部６１３は、互いの制御対象や参照対象が異なるため、それぞれに好適なタイミングで独立した制御を行うことができる。例えば、共振ロック制御部６１２による共振ロック制御を行う期間と、屈折力制御部６１３による屈折力制御を行う期間とが、重なっていてもよい。

さらに本実施形態は、後述する第２実施形態に対して、以下の効果を奏する。
すなわち、本実施形態では、共振ロック制御部６１２および屈折力制御部６１３は、制御対象や参照対象が異なるため、第２実施形態において必要とする共振ロック制御部６１２の待機時間を必要としない。このため、共振ロック制御を継続的に安定して行うことができる。

〔第２実施形態〕
図１１から図１３には、本発明の第２実施形態が示されている。
第２実施形態は、前述した第１実施形態の焦点距離可変レンズ装置１と同じ構成において、主に共振ロック制御の方法が異なるものである。以下では、第１実施形態と同様の構成についての説明を省略し、第１実施形態とは異なる制御の内容について説明する。

（初期設定）
焦点距離可変レンズ装置１における初期設定について説明する。
図１１に示すように、初期設定部６１１は、第１実施形態と同様に、電圧電流位相差Ｒｈのピークスキャンを行う。なお、図１１では、ピークスキャン時、液体レンズユニット３から検出される駆動電流Ｒｉをおよび有効電力Ｒｐを、電圧電流位相差Ｒｈと共に示している。

次に、初期設定部６１１は、液体レンズユニット３から検出される電圧電流位相差Ｒｈについて、電圧電流位相差Ｒｈがピーク値ｈｐを示す周波数ｆｈｐを検出し、この周波数ｆｈｐを駆動周波数に設定する。
すなわち、第２実施形態では、電圧電流位相差Ｒｈがピーク値ｈｐとなる周波数ｆｈｐを液体レンズユニット３の共振周波数として扱う。

また、初期設定部６１１は、駆動周波数に設定された周波数ｆｈｐにおいて、液体レンズユニット３から検出される駆動電流Ｒｉを、基準駆動電流ｉｔに設定する。
また、初期設定部６１１は、第１実施形態と同様、液体レンズユニット３に与える有効電力Ｒｐについて、任意の目標有効電力ｐｔ（図１５参照）を設定する。

（共振ロック制御）
液体レンズユニット３の稼働開始後、共振ロック制御部６１２は、共振ロック制御を開始する。なお、本実施形態の共振ロック制御部６１２は、駆動電流Ｒｉを参照して電圧電流位相差Ｒｈがピーク値ｈｐで安定化するように駆動周波数を調整するものであり、これにより、駆動周波数を液体レンズユニット３の共振周波数に追従させる「位相差ピーク共振周波数追従式」の制御を行うものである。

具体的には、共振ロック制御部６１２は、図１２に示す共振ロック制御を行う。
図１２において、共振ロック制御部６１２は、所定周期で電圧電流位相差Ｒｈおよび駆動電流Ｒｉを取得し（処理Ｓ３１）、電圧電流位相差Ｒｈの低下を監視する（処理Ｓ３２）。
電圧電流位相差Ｒｈが低下していなければ、液体レンズユニット３の共振周波数の変動がないとして、処理Ｓ３１～Ｓ３２の監視を継続する。

一方、電圧電流位相差Ｒｈが低下した場合、液体レンズユニット３の共振周波数の変動があったとして、液体レンズユニット３から検出される駆動電流Ｒｉが減少したか否かを判定する（処理Ｓ３３）。そして、駆動電流Ｒｉが減少した場合には、駆動周波数を周波数ｆｈｐから低下させ（処理Ｓ３４）、駆動電流Ｒｉが増加した際には、駆動周波数を周波数ｆｈｐから上昇させる（処理Ｓ３５）。具体的には、共振ロック制御部６１２は、駆動電流Ｒｉの現在値と基準駆動電流ｉｔとの差に対応する周波数変化量を算出し、現在の周波数に当該周波数変化量を反映させた周波数を、駆動周波数として新たに設定（更新）する。

例えば、図１３において、温度上昇などにより、液体レンズユニット３の共振周波数が周波数ｆｈｐから周波数ｆｈｕへと上昇したとき、電圧電流位相差Ｒｈの波形は、図中右側へ移動し、破線で示す状態になる。このとき、共振ロック制御部６１２に取得される電圧電流位相差Ｒｈの値は、ピーク値ｈｐよりも低い値ｈｕに低下する。よって、上述の処理Ｓ３２において、電圧電流位相差Ｒｈが低下していると判定される。

また、図１３において、液体レンズユニット３の共振周波数が周波数ｆｈｐから周波数ｆｈｕへと増加したとき、駆動電流Ｒｉの波形は、図中右側へ移動し、破線で示す状態になる。このとき、共振ロック制御部６１２に取得される駆動電流Ｒｉの値は、基準駆動電流ｉｔより大きい値ｉｔｕへと増加する。よって、上述の処理Ｓ３３で駆動電流Ｒｉが増加と判定され、処理Ｓ３５において駆動周波数が周波数ｆｈｐから周波数ｆｈｕに上げられる。これにより、値ｉｔｕに増加していた駆動電流Ｒｉを、基準駆動電流ｉｔに減少させることができる。

一方、図１３に示す場合とは逆に、液体レンズユニット３の共振周波数が周波数ｆｈｐより低下した場合、駆動電流Ｒｉは周波数ｆｈｐの周辺で右下がりの区間であるため、駆動電流Ｒｉの値が下降する。よって、上述の処理Ｓ３３において駆動電流Ｒｉが低下したと判定され、処理Ｓ３４において駆動周波数が周波数ｆｈｐから下げられる。これにより、減少していた駆動電流Ｒｉを、基準駆動電流ｉｔに増加させることができる。

以上の処理によっても、第１実施形態と同様、液体レンズユニット３の共振周波数が上昇した場合には、駆動周波数が上昇され、液体レンズユニット３の共振周波数が低下した場合には、駆動周波数が低下される。このような処理によれば、駆動周波数を、液体レンズユニット３の共振周波数に対して追従させることができる。

また、第２実施形態では、処理Ｓ３４または処理Ｓ３５の後、処理Ｓ３６に移行する。処理Ｓ３６では、例えば処理Ｓ３１～Ｓ３５のループ回数や液体レンズユニット３開始後の経過時間等に基づいて、現在が待機開始タイミングであるか否かを判断する（処理Ｓ３６）。ＹＥＳの場合、処理Ｓ３７に移行し、ＮＯの場合、処理Ｓ３１に戻ってループを繰り返す。

処理Ｓ３７では、所定の待機時間が経過したか否かを判断する。ＹＥＳの場合、処理Ｓ３１に戻ってループを繰り返し、ＮＯの場合、ＹＥＳと判断するまで待機する。
なお、共振ロック制御部６１２の待機時間において、後述する屈折力制御部６１３の屈折力制御が行われる。

（屈折力制御）
液体レンズユニット３の稼働開始後、屈折力制御部６１３は、液体レンズユニット３の屈折力制御を行う。屈折力制御部６１３の具体的な処理内容は、第１実施形態で説明した内容とほぼ同様である。

ただし、第２実施形態では、屈折力制御部６１３が屈折力制御のために駆動電圧を変更すると、共振ロック制御部６１２が共振ロック制御のために参照する駆動電流Ｒｉが変化してしまう。そこで、第２実施形態では、図１４に示すように、第１実施形態の処理Ｓ２１～Ｓ２５に加え、処理Ｓ４１～４３を実施する。

具体的には、液体レンズユニット３の稼働開始後、屈折力制御部６１３は、まず、現在が屈折力制御の開始タイミングか否かを判断する（処理Ｓ４１）。ここで、屈折力制御の開始タイミングは、例えば、共振ロック制御部６１２が待機を開始してから所定の第１ポーズ時間が経過したか否かに基づいて判断できる。処理Ｓ４１でＹＥＳの場合、処理Ｓ２１に進み、ＮＯの場合、ＹＥＳと判断するまで待機する。

その後、屈折力制御部６１３は、第１実施形態と同様に、処理Ｓ２１から処理Ｓ２４または処理Ｓ２５までを実施する。
例えば、図１５において、液体レンズユニット３の最大屈折力が減少した場合、有効電力Ｒｐの波形は、図中の実線から点線で示すようにピークが下側にずれる。このとき、液体レンズユニット３に供給される有効電力Ｒｐは、目標有効電力ｐｔからｐｕに減少する。
このような場合、屈折力制御部６１３は、有効電力Ｒｐが減少していると判定し（処理Ｓ２３）、駆動電圧を増加させる（処理Ｓ２４）。これにより、減少していた有効電力Ｒｐを、目標有効電力ｐｔにまで増加させることができる。

一方、図１５に示す場合とは逆に、液体レンズユニット３の最大屈折力が増加した場合、有効電力Ｒｐの波形はピークが上側にずれる。このような場合、屈折力制御部６１３は、有効電力Ｒｐが増加していると判定し（処理Ｓ２３）、駆動電圧を減少させる（処理Ｓ２５）。これにより、増加していた有効電力Ｒｐを、目標有効電力ｐｔにまで減少させることができる。

その後、処理Ｓ４２では、処理Ｓ２４または処理Ｓ２５から所定時間（第２ポーズ時間）が経過したか否かを判断する。処理Ｓ４２でＹＥＳの場合、処理Ｓ４３に進み、ＮＯの場合、ＹＥＳと判断するまで待機する。

なお、処理Ｓ４１，Ｓ４２における第１，第２ポーズ時間は、レンズ制御部６の回路状態や液体レンズユニット３の振動状態などが、駆動周波数または駆動電圧を調整したことの影響を受けた後に安定化するまでの時間であり、任意に設定可能である。

処理Ｓ４３において、屈折力制御部６１３は、共振ロック制御に用いる駆動電流Ｒｉの基準駆動電流ｉｔを現在値に更新する。これにより、駆動電圧の変更に伴う駆動電流Ｒｉの変化の影響を抑制できる。
処理Ｓ４３の後、処理Ｓ４１に戻り、次の開始タイミングまで待機する。

以上の処理によれば、第１実施形態と同様、液体レンズユニット３の有効電力Ｒｐが一定になるように駆動電圧を増減させ、液体レンズユニット３の最大屈折力を安定化させることができる。

（共振ロック制御と屈折力制御との関係）
図１６のタイムチャートは、共振ロック制御部６１２および屈折力制御部６１３の動作例を示している。
なお、図１６では、共振ロック制御における処理Ｓ３１を実施する（電圧電流位相差Ｒｈおよび駆動電流Ｒｉを取得する）タイミングをＴ１、屈折力制御において処理Ｓ２１を実施する（有効電力Ｒｐを取得する）タイミングをＴ２、屈折力制御において処理Ｓ４３を実施する（駆動電流Ｒｉの基準駆動電流ｉｔを更新する）タイミングをＴ３として示している。

図１６に示すように、共振ロック制御部６１２は、５０００ｍｓのうち、前半４０００ｍｓにおいて１ｍｓ毎のタイミングＴ１にて共振ロック制御を開始し、後半１０００ｍｓにおいて待機状態になる。
一方、屈折力制御部６１３は、共振ロック制御部６１２の待機開始から第１ポーズ時間（約５００ｍｓ弱）が経過したタイミングＴ２にて、有効電力Ｒｐの安定化制御を開始する。その後、第２ポーズ時間（約５００ｍｓ弱）が経過したタイミングＴ３にて、基準駆動電流ｉｔの更新処理を開始する。

このような動作例では、屈折力制御部６１３が駆動電圧を増減させる間、共振ロック制御部６１２が待機状態になることにより、共振ロック制御部６１２の制御中にその参照対象が変動することが回避される。これにより、屈折力制御部６１３が共振ロック制御部６１２に与える影響を低減できる。

ただし、このような動作例では、共振ロック制御部６１２の待機時間中に共振周波数が変化する恐れがある。このため、実際の共振周波数と駆動周波数との間にずれが生じ、基準駆動電流ｉｔの更新値は、実際の共振周波数における駆動電流とは異なる可能性がある。
そこで、共振ロック制御を安定して継続するためには、定期的に、初期設定と同様のピークスキャンを実施し、共振周波数と駆動周波数とのずれを解消することが好ましい。

〔他の実施形態〕
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。

前記第１実施形態および前記第２実施形態における各制御は、組み合わせ可能である。
例えば、第２実施形態よりも第１実施形態の方が、屈折力制御を行う周期を短くできる。よって、液体レンズユニット３の温度変化が所定値より小さい場合には、第２実施形態による共振ロック制御および屈折力制御を行い、液体レンズユニット３の温度変化が所定値以上である場合には、第１実施形態による共振ロック制御および屈折力制御を行ってもよい。

前記各実施形態において、屈折力制御部６１３は、液体レンズユニット３の有効電力Ｒｐが目標有効電力ｐｔを保つように駆動電圧を調整するが、これに限られない。例えば、液体レンズユニット３の最大屈折力を変化させる目的で、有効電力Ｒｐが変化するように駆動電圧を調整してもよい。

前記各実施形態では、屈折力制御部６１３による屈折力制御は、共振ロック制御部６１２による共振ロック制御と共に実施されるものであるが、これに限られない。すなわち、温度制御など、他の方法により液体レンズユニット３に安定した定在波を発生させることができれば、共振ロック制御部６１２による共振ロック制御は行われずともよい。

共振ロック制御部６１２による制御方法は、前記各実施形態で説明した方法に限定されない。例えば、共振ロック制御部６１２は、液体レンズユニット３に設置した振動センサにより液体レンズユニット３の振動状態Ｖｆを検出してもよい。そして、検出した液体レンズユニット３の振動状態Ｖｆを参照することにより、駆動周波数を液体レンズユニット３の共振周波数に追従させてもよい。

前記各実施形態では、液体レンズユニット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、これらは液体レンズユニット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、前記各実施形態のように、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、液体レンズユニット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。

前記各実施形態では、駆動信号Ｃｆおよび焦点変動波形Ｍｆを正弦波としたが、これは三角波、鋸歯状波、矩形波その他の波形であってもよい。
液体レンズユニット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。

本発明は、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に利用できる。

１…焦点距離可変レンズ装置、２…対物レンズ、３…液体レンズユニット、３１…ケース、３２…振動部材、３３…外周面、３４…内周面、３５…液体、３９…スペーサ、４…画像検出部、５…パルス照明部、６…レンズ制御部、６１…駆動制御部、６１１…初期設定部、６１２…共振ロック制御部、６１３…屈折力制御部、６２…発光制御部、６３…画像検出制御部、７…制御用ＰＣ、７１…レンズ操作部、７１１…共振ロック操作部、７２…画像処理部、７３…操作インターフェイス、９…測定対象物、Ｃｃ…画像検出信号、Ｃｆ…駆動信号、Ｃｉ…発光信号、Ｄｆ…焦点距離、Ｉｍ…検出画像、Ｌｇ…画像、Ｌｉ…照明光、Ｌｒ…反射光、Ｍｆ…焦点変動波形、Ｐｆ…焦点位置、Ｒｈ…電圧電流位相差、ｈｔ…目標電圧電流位相差、Ｒｉ…駆動電流、ｉｔ…基準駆動電流、Ｒｐ…有効電力、ｐｔ…目標有効電力。

Claims (7)

1. 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の屈折力を制御する屈折力制御部と、を有し、
   前記屈折力制御部は、前記レンズシステムに供給される駆動電流、前記駆動信号の電圧である駆動電圧、および、前記駆動電流と前記駆動電圧との位相差である電圧電流位相差の各検出値に基づいて、前記レンズシステムに供給される有効電力を算出し、算出された前記有効電力に応じて、前記駆動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。
2. 請求項１に記載した焦点距離可変レンズ装置において、
   前記屈折力制御部は、目標有効電力に対する前記有効電力の増減に基づいて、前記駆動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。
3. 請求項２に記載した焦点距離可変レンズ装置において、
   前記駆動電流、前記駆動電圧、および、前記電圧電流位相差を検出し、前記駆動電流または前記電圧電流位相差に基づいて前記駆動信号の周波数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をさらに有することを特徴とする焦点距離可変レンズ装置。
4. 請求項３に記載した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、目標電圧電流位相差に対する前記電圧電流位相差の増減に基づいて、前記駆動信号の周波数を調整することを特徴する焦点距離可変レンズ装置。
5. 請求項３に記載した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、基準駆動電流に対する前記駆動電流の増減に基づいて前記駆動信号の周波数を調整し、
   前記屈折力制御部が前記駆動信号の電圧を増減させる間、前記共振ロック制御部は待機状態になることを特徴する焦点距離可変レンズ装置。
6. 請求項５に記載した焦点距離可変レンズ装置において、
   前記屈折力制御部は、前記駆動信号の電圧を調整した際、前記基準駆動電流を更新することを特徴する焦点距離可変レンズ装置。
7. 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の屈折力を制御する屈折力制御部と、を有する焦点距離可変レンズ装置において、
   前記屈折力制御部は、前記レンズシステムに供給される駆動電流、前記駆動信号の電圧である駆動電圧、および、前記駆動電流と前記駆動電圧との位相差である電圧電流位相差の各検出値に基づいて、前記レンズシステムに供給される有効電力を算出し、算出された前記有効電力に応じて、前記駆動電圧を調整する処理を実施す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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