WO2020059777A1 - 光学装置、撮像装置、および測定装置 - Google Patents

光学装置、撮像装置、および測定装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2020059777A1
WO2020059777A1 PCT/JP2019/036694 JP2019036694W WO2020059777A1 WO 2020059777 A1 WO2020059777 A1 WO 2020059777A1 JP 2019036694 W JP2019036694 W JP 2019036694W WO 2020059777 A1 WO2020059777 A1 WO 2020059777A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
lens
light
optical device
polarization direction
focal length
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/036694
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
圭介 岩脇
Original Assignee
パイオニア株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by パイオニア株式会社 filed Critical パイオニア株式会社
Publication of WO2020059777A1 publication Critical patent/WO2020059777A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
    • G01C3/02—Details
    • G01C3/06—Use of electric means to obtain final indication
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/12—Fluid-filled or evacuated lenses
    • G02B3/14—Fluid-filled or evacuated lenses of variable focal length

Definitions

  • the present invention relates to an optical device, an imaging device, and a measurement device.
  • a stereo camera as a camera that can obtain depth information (distance information) of an object in an image.
  • a stereo camera needs to include a plurality of cameras, and it is difficult to reduce the size and cost.
  • Patent Document 1 describes a monocular motion stereo distance measuring device.
  • a distance to an object in an image is estimated using a plurality of images taken in time series from a moving object and the speed of the moving object.
  • Patent Document 2 describes a technique for simultaneously capturing images at two positions having different optical axis directions using a liquid crystal lens.
  • the liquid crystal lens has a pair of liquid crystal units whose polarization directions are orthogonal to each other.
  • Patent Document 3 describes an imaging device that can switch between a normal imaging mode and an imaging mode based on light field photography technology using a microlens array.
  • Patent Document 3 discloses that a microlens array unit and an image sensor function as a kind of stereo camera.
  • One example of the problem to be solved by the present invention is to realize a distance measuring device that can be reduced in size.
  • the invention described in claim 1 is A polarizing plate that transmits light in a first polarization direction or a second polarization direction;
  • Optical rotation unit that can change the amount of rotation of the polarization direction of light that has passed through the polarizing plate,
  • a first lens through which the light passing through the optical rotation unit passes, and which converges or diverges the light in the first polarization direction more strongly than the light in the second polarization direction;
  • An optical device comprising: a second lens through which light after passing through the first lens or light before passing through the first lens passes.
  • the invention according to claim 11 is An optical device according to any one of claims 1 to 10, An image pickup apparatus comprising: the polarizing plate; the optical rotation unit; the first lens; and an image pickup device that receives light that has passed through the second lens.
  • the invention according to claim 12 is An imaging device according to claim 11, A control unit that controls the rotation amount of the optical rotation unit; A measurement unit that calculates a distance by processing an image obtained by the imaging element.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an optical device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of an optical device, an imaging device, and a measurement device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a first lens and a second lens according to Example 1.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a difference in a focus position between a first state and a second state in the optical device according to the first embodiment.
  • FIG. 2A is a diagram illustrating a positional relationship between an imaging device including an optical device and an object to be imaged, and FIG. It is.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a method in which a calculation unit calculates a distance.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a method in which a calculation unit calculates a distance.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a method in which a calculation unit calculates a distance.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a computer for realizing an image generation unit, a control unit, and a calculation unit.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of an optical device according to a second embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a first example of an optical device according to a third embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a second example of the optical device according to the third embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of an optical device, an imaging device, and a measurement device according to a fourth embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of a measuring device according to a fifth embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a computer for realizing an image generation unit, a control unit, and a calculation unit.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of an optical device according to a second embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an environment in which a measurement device according to a fifth embodiment is used.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of a measuring device according to a sixth embodiment.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating an environment in which a measuring device according to a sixth embodiment is used.
  • each component of the optical device 10, the imaging device 20, and the measuring device 30 is not a configuration in a hardware unit, but a block in a functional unit, unless otherwise specified.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an optical device 10 according to the embodiment.
  • the optical device 10 according to the present embodiment includes a polarizing plate 110, an optical rotation unit 120, a first lens 130, and a second lens 140.
  • the polarizing plate 110 transmits light in the first polarization direction or the second polarization direction.
  • the optical rotation unit 120 can change the amount of rotation of the polarization direction of the light that has passed through the polarizing plate 110.
  • the first lens 130 is a lens that allows light that has passed through the optical rotation unit 120 to pass through and converges or diverges light in the first polarization direction more strongly than light in the second polarization direction.
  • the second lens 140 is a lens through which light after passing through the first lens 130 or light before passing through the first lens 130 passes. This will be described in detail below.
  • the first lens 130 is, for example, a liquid crystal lens or a calcite lens, and selectively converges or diverges light in the first polarization direction.
  • the focal length of the first lens 130 is a finite value for light in the first polarization direction.
  • the focal length of the first lens 130 is almost infinite for light in the second polarization direction. That is, even if the light in the second polarization direction passes through the first lens 130, it is hardly converged or diverged by the first lens 130.
  • the focal length of the first lens 130 for light in the second polarization direction is 10 times or more the focal length for light in the first polarization direction.
  • the first polarization direction and the second polarization direction are orthogonal to each other.
  • the focal length f 1 of the first lens 130 shows a focal length for the first polarization direction of the first lens 130.
  • the optical rotation unit 120 is, for example, a twisted nematic (TN) liquid crystal, and whether or not to rotate the polarization direction of light passing through the optical rotation unit 120 can be electrically controlled. Specifically, when power is applied to the optical rotation unit 120, the polarization direction of light passing through the optical rotation unit 120 does not change (the rotation amount is 0 °). On the other hand, when no power is applied to the optical rotation unit 120, the polarization direction of light passing through the optical rotation unit 120 changes (rotates) by 90 °.
  • TN twisted nematic
  • the light passing through the first lens 130 is converged or diverged by the first lens 130 by controlling the polarization direction of the light incident on the first lens 130 by the optical rotation unit 120.
  • the light is converged or diverged by the second lens 140 at least in the second state.
  • the focus position (focus position) of the optical device 10 in the second state does not depend on the focal length f1 of the first lens 130, but is determined by the focal length of the second lens 140.
  • the light in the first state, the light may not be converged or diverged by the second lens 140, or may be converged or diverged by the second lens 140.
  • Both the in-focus position of the optical device 10 in the first state is a focal length of the focal length f 1 and a second lens 140 having a focal length f 1 only or the first lens 130, the first lens 130 Depends on it. In this way, the focus position of the optical device 10 can be different between the first state and the second state.
  • Example 1 describes an example in which light is neither converged nor diverged by the second lens 140 in the first state
  • Example 2 describes an example in which light is converged or diverged by the second lens 140 in the first state. Will be described.
  • images can be obtained in each of the first state and the second state where the in-focus positions are different from each other. Then, the distance between the optical device 10 and the object in the image can be calculated by using, for example, the depth-from-defocus (DFD) method using the obtained images.
  • DMD depth-from-defocus
  • the first lens 130 is a lens that transmits light that has passed through the optical rotation unit 120 and that converges or diverges light in the first polarization direction more strongly than light in the second polarization direction. It is. Therefore, a plurality of images can be obtained by switching the focus position of the optical device 10. As a result, the size of the distance measuring device can be reduced.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the optical device 10, the imaging device 20, and the measurement device 30 according to the first embodiment.
  • the optical device 10 according to the present example has the same configuration as the optical device 10 according to the embodiment.
  • the configuration of the optical device 10 according to the present embodiment is exemplified by FIG.
  • the light that has passed through the optical rotation unit 120 passes through the second lens 140, and the second lens 140 makes the light in the second polarization direction stronger than the light in the first polarization direction. Let it converge or diverge.
  • the second lens 140 is, for example, a liquid crystal lens or a calcite lens, and selectively converges or diverges light in the second polarization direction.
  • the focal length of the second lens 140 has a finite value for light in the second polarization direction and is almost infinite for light in the first polarization direction.
  • the focal length of the second lens 140 for light in the first polarization direction is at least 10 times the focal length for light in the second polarization direction.
  • FIG. 3 shows an example in which light passes through the optical rotation unit 120, the first lens 130, and the second lens 140 in this order, but the light is transmitted through the optical rotation unit 120, the second lens 140, and the first lens 140.
  • the light may pass through the lens 130 in this order.
  • the optical device 10 may further include a lens or the like for correcting aberration.
  • the first lens 130 and the second lens 140 may each be a convex lens or a concave lens.
  • the imaging device 20 includes the optical device 10 and the imaging device 210.
  • the imaging element 210 receives light that has passed through the polarizing plate 110, the optical rotation unit 120, the first lens 130, and the second lens 140.
  • the image sensor 210 is, for example, an image sensor.
  • the measurement device 30 includes the imaging device 20, the control unit 310, and the calculation unit 320.
  • the control unit 310 controls the rotation amount of the polarization direction in the optical rotation unit 120.
  • the calculation unit 320 calculates a distance by processing an image obtained by the image sensor 210.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of the first lens 130 and the second lens 140 according to the first embodiment.
  • the first lens 130 and the second lens 140 are liquid crystal lenses.
  • the lens 500 is a lens in which the first lens 130 and the second lens 140 are integrated.
  • the lens 500 includes a first substrate 511, a second substrate 512, and a third substrate 513.
  • the first substrate 511, the second substrate 512, and the third substrate 513 are each a transparent substrate, for example, a glass substrate.
  • the first substrate 511, the second substrate 512, and the third substrate 513 are stacked in this order.
  • the first lens 130 is realized by the first substrate 511, the second substrate 512, and the structure provided therebetween, and the second substrate 512, the third substrate 513, and the first lens 130 are provided therebetween.
  • a second lens 140 is realized by the structure.
  • a first electrode 521 and a second electrode 522 are formed on one surface of the first substrate 511, and a third electrode 523 is formed on a surface of the second substrate 512 on the first substrate 511 side. Are formed. Further, a fourth electrode 524 and a fifth electrode 525 are formed on a surface of the second substrate 512 opposite to the first substrate 511 side, and the second substrate 512 of the third substrate 513 is formed. A sixth electrode 526 is formed on the side surface.
  • the first electrode 521, the second electrode 522, the third electrode 523, the fourth electrode 524, the fifth electrode 525, and the sixth electrode 526 are each a transparent electrode such as ITO.
  • the second electrode 522 and the fifth electrode 525 are provided at the center of the lens 500 when viewed from a direction perpendicular to the main surface of the first substrate 511, and the first electrode 521 and the fourth electrode 524 Is provided on the outer peripheral portion of the lens 500 when viewed from a direction perpendicular to the main surface of the first substrate 511.
  • a first liquid crystal layer 561 is located between the first electrode 521, the second electrode 522, and the third electrode 523, and the fourth electrode 524, the fifth electrode 525, and the sixth electrode 526
  • the second liquid crystal layer 562 is located between them.
  • the third electrode 523 is provided between the first electrode 521 a voltage V a1 is applied, the voltage V b1 is applied between the third electrode 523 and the second electrode 522.
  • a first alignment film 551 is provided on both sides of the first liquid crystal layer 561 so as to be in contact with the first liquid crystal layer 561, and a second alignment film is provided on both sides of the second liquid crystal layer 562.
  • the film 552 is provided so as to be in contact with the second liquid crystal layer 562.
  • the first alignment film 551 and the second alignment film 552 are each made of, for example, polyimide, and are subjected to rubbing in directions orthogonal to each other. When a voltage is applied, the alignment directions of the liquid crystals of the first liquid crystal layer 561 and the second liquid crystal layer 562 are determined by the rubbing directions of the first alignment film 551 and the second alignment film 552, respectively.
  • the direction of the liquid crystal alignment of the first liquid crystal layer 561 and the direction of the liquid crystal alignment of the second liquid crystal layer 562 are orthogonal to each other.
  • the first liquid crystal layer 561 and the second liquid crystal layer 562 produce a lens effect with respect to light having polarization directions orthogonal to each other.
  • an insulating layer 530 and a transparent high-resistance layer 540 are further laminated in this order between the first electrode 521 and the second electrode 522 and the first alignment film 551.
  • An insulating layer 530 and a transparent high-resistance layer 540 are stacked in this order between the fourth electrode 524 and the fifth electrode 525 and the second alignment film 552.
  • the first liquid crystal layer 561 and the second liquid crystal layer 562 are, for example, nematic liquid crystals, and the alignment direction of the liquid crystal is determined by the rubbing directions of the first alignment film 551 and the second alignment film 552, respectively.
  • a lens effect occurs only for the polarized light component that matches the direction of the liquid crystal alignment, and the polarized light component that is orthogonal to the liquid crystal alignment direction passes through as it is. That is, the liquid crystal lens has polarization dependency.
  • the first lens 130 and the second lens 140 whose liquid crystal alignment directions are orthogonal to each other are used.
  • the focal length of the liquid crystal lens changes according to the applied voltage. In the present embodiment, when different voltages are applied to the first lens 130 and the second lens 140, they have different focal lengths.
  • the structure of the liquid crystal lens is not limited to the example in this drawing.
  • the second electrode 522 and the fifth electrode 525 are further divided into a plurality of electrodes, and a voltage is independently applied to each of the divided electrodes. Is also good.
  • the first lens 130 and the second lens 140 are configured integrally, but the first lens 130 and the second lens 140 may be configured independently of each other.
  • the first lens 130 and the second lens 140 are configured independently, for example, instead of the second substrate 512, the substrate on which the third electrode 523 is formed, the fourth electrode 524, and the And a substrate on which five electrodes 525 are formed.
  • the first lens 130 does not form a compound eye optical system using a lens array.
  • the second lens 140 does not constitute a compound eye optical system using a lens array. That is, the first lens 130 and the second lens 140 constitute a monocular optical system.
  • the diameter of the first lens 130 is preferably 1 mm or more.
  • the diameter of the second lens 140 is preferably 1 mm or more.
  • first lens 130 and the second lens 140 need not be liquid crystal lenses as long as they have polarization dependence.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a difference in a focus position between the first state and the second state in the optical device 10 according to the first embodiment.
  • the x-axis direction and the z-axis direction are orthogonal to each other.
  • the direction of the liquid crystal alignment of the first lens 130 is parallel to the z-axis direction
  • the direction of the liquid crystal alignment of the second lens 140 is parallel to the x-axis.
  • the polarization in the z-axis direction is hereinafter also referred to as vertical polarization
  • the polarization in the x-axis direction is hereinafter also referred to as horizontal polarization.
  • FIG. 2 shows an example in which the focal length of the first lens 130 is shorter than the focal length of the second lens 140.
  • FIG. 5A is a diagram illustrating a positional relationship between the imaging device 20 including the optical device 10 and an object to be imaged.
  • FIG. 5B is obtained by the imaging device 20 including the optical device 10. It is a figure showing an example of a plurality of images. Switching of the TN liquid crystal between ON and OFF, that is, switching between the first state and the second state, is synchronized with the shutter (image generation) timing of the image sensor 210. Then, imaging is performed alternately in the first state and the second state. In this way, a plurality of images can be obtained with different focus positions as shown in FIG. 5B.
  • the imaging device 20 alternately captures a plurality of images from the Nth frame to the (N + 3) th frame.
  • N is a positive integer.
  • the Nth frame and the (N + 2) th frame are imaged in the first state. That is, light is converged by the first lens and is imaged.
  • the (N + 1) th frame and the (N + 3) th frame are imaged in the second state. That is, the light is converged by the second lens and captured.
  • in the first state an image in which the object 90 closer to the imaging device 20 is more focused is obtained, and in the second state, the object 90 farther from the imaging device 20 is more focused. Image is obtained.
  • the optical rotation unit 120 is not limited to the TN liquid crystal used in this example, but the optical rotation unit 120 is preferably a TN liquid crystal. This is because the TN liquid crystal has a thinner liquid crystal layer than the liquid crystal lens, and ON / OFF of the TN liquid crystal can be switched at high speed.
  • the switching speed between the first state and the second state is not particularly limited, but is, for example, 15 Hz or more, and preferably 60 Hz or more. As an example, when the optical rotation unit 120 operates at 60 Hz, the image in the first state and the image in the second state are considered as one set, and a moving image can be captured at 60 fps.
  • FIGS. 6 and 7 are diagrams for explaining a method in which the calculation unit 320 calculates the distance.
  • the calculation unit 320 calculates a distance from two images obtained in different in-focus positions using, for example, the DFD method.
  • the DFD method is a method of calculating a distance between the optical device 10 and each object 90 shown in an image based on a defocus characteristic of a lens and a blur amount of two images. As shown in Figure 6, the distance from the optical device 10 to the in-focus position in the first state and a 1, a distance from the optical device 10 to the in-focus position in the second state and a 2.
  • a 1 is the distance to the focus position of the first lens 130
  • a 2 is the distance to the focal position of the second lens 140.
  • the size of the blur (the size of the circle of confusion) of the image formed on the imaging surface that is, the image formed on the light receiving surface of the image sensor 210 is represented by c 1 and c 2 , respectively. I do.
  • the relationship between the distance between the object 90 and the imaging device 20 and the size of the circle of confusion is illustrated in FIG.
  • the relationship in the first state is shown by a solid line
  • the relationship in the second state is shown by a broken line.
  • FIG. 7B illustrates the relationship between the distance between the object 90 and the imaging device 20 and ⁇ c that is the value of c 2 ⁇ c 1 .
  • the distance from the imaging device 20 to the object 90 is a one can guess which of distance from a 1 to a 2.
  • the measurement range of the distance measuring device 30 is in the range of less than a 1 exceeded a 2. Therefore, by adjusting the focal lengths of the first lens 130 and the second lens 140, the measurable range of the distance can be determined. However, if the measurable range is widened, the resolution of the distance measurement decreases. Therefore, the measurable range of the distance is set according to the use or the like.
  • the imaging device 20 further includes an image generation unit 230.
  • the image generation unit 230 generates an image based on the output of the image sensor 210.
  • the generated image is output to calculation section 320.
  • the image generation timing of the image generation unit 230 (for example, the shutter timing of the imaging device 20) is controlled by the control unit 310.
  • the control unit 310 switches the rotation amount of the polarization direction in the optical rotation unit 120. Specifically, control unit 310 switches the rotation amount between 0 ° and 90 °. Then, the image generation unit 230 is controlled to generate an image based on the switching timing. That is, the control unit 310 controls the image generation unit 230 so that an image is generated each time switching is performed. By doing so, the image in the first state and the image in the second state are alternately generated in the image generation unit 230.
  • the control unit 310 may further include a driving unit that applies a voltage to the liquid crystal lens.
  • the calculation unit 320 calculates the distance using the image when the rotation amount of the polarization direction in the optical rotation unit 120 is the first value and the image when the rotation amount is the second value.
  • the first value is, for example, 0 °
  • the second value is, for example, 90 °.
  • calculation section 320 acquires an image in the first state and an image in the second state from image generation section 230.
  • the image generation unit 230 extracts the object 90 in each image, and obtains the size of the blur of each object 90.
  • the image generation unit 230 calculates the distance of each object 90 from the imaging device 20 based on the size of the blur in the first state and the size of the blur in the second state.
  • the image generation unit 230 calculates a difference ⁇ c between the size of the blur in the first state and the size of the blur in the second state. Further, the image generation unit 230 reads, from the storage unit 340, first reference information indicating a relationship between the distance between the object 90 and the imaging device 20 and ⁇ c.
  • the first reference information is, for example, a graph, a table, or a mathematical expression. Then, the image generation unit 230 derives and outputs the distance between the object 90 and the imaging device 20 using the first reference information and the calculated ⁇ c.
  • the storage unit 340 may be provided in the measuring device 30 or may be provided outside the measuring device 30. When the storage unit 340 is provided inside the measurement apparatus 30, for example, the storage unit 340 is realized using a storage device 1080 described later.
  • the storage unit 340 holds first reference information in advance.
  • the imaging by the imaging device 20 and the distance calculation by the measurement device 30 are continuously and repeatedly performed.
  • the calculating unit 320 calculates one distance for each object 90 with respect to a set of images including the first image obtained in the first state and the second image obtained in the second state. I do.
  • the first image and the second image are images acquired continuously.
  • the relationship between the timing of acquiring the first image and the timing of acquiring the second image is not particularly limited.
  • one image may form a pair with two images before and after, and a distance may be calculated for each pair. That is, in the example of FIG. 5B, the distance is calculated using the Nth frame image and the N + 1th frame image, and further, the distance is calculated using the N + 1th frame image and the N + 2th frame image. May be.
  • Calculating section 320 outputs, for example, information in which an ID indicating object 90 is associated with the distance of object 90.
  • the calculation unit 320 may assign a common ID to the object 90 that appears in common in a plurality of continuous sets of images.
  • the calculation unit 320 generates, for example, image data of the first image, the second image, or an image obtained by another camera or a sensor, which is displayed at a distance from the imaged object 90. Is also good.
  • the image generation unit 230, the control unit 310, and the calculation unit 320 may be realized by hardware (for example, a hard-wired electronic circuit or the like) or a combination of hardware and software (for example, Or a combination of programs for controlling the same).
  • hardware for example, a hard-wired electronic circuit or the like
  • software for example, Or a combination of programs for controlling the same.
  • a case where the image generation unit 230, the control unit 310, and the calculation unit 320 are realized by a combination of hardware and software will be further described.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a computer 1000 for implementing the image generation unit 230, the control unit 310, and the calculation unit 320.
  • the computer 1000 is an arbitrary computer.
  • the computer 1000 is a system-on-chip (SoC), a personal computer (PC), a server machine, a tablet terminal, a smartphone, or the like.
  • SoC system-on-chip
  • PC personal computer
  • server machine server machine
  • tablet terminal a smartphone
  • smartphone smartphone
  • the computer 1000 may be a dedicated computer designed to realize the image generation unit 230, the control unit 310, and the calculation unit 320, or may be a general-purpose computer.
  • the computer 1000 has a bus 1020, a processor 1040, a memory 1060, a storage device 1080, an input / output interface 1100, and a network interface 1120.
  • the bus 1020 is a data transmission path through which the processor 1040, the memory 1060, the storage device 1080, the input / output interface 1100, and the network interface 1120 mutually transmit and receive data.
  • a method for connecting the processors 1040 and the like to each other is not limited to a bus connection.
  • the processor 1040 is various processors such as a CPU (Central Processing Unit), a GPU (Graphics Processing Unit), or a FPGA (Field-Programmable Gate Array).
  • the memory 1060 is a main storage device realized using a RAM (Random Access Memory) or the like.
  • the storage device 1080 is an auxiliary storage device realized using a hard disk, an SSD (Solid State Drive), a memory card, or a ROM (Read Only Memory).
  • the input / output interface 1100 is an interface for connecting the computer 1000 and an input / output device.
  • an input device such as a keyboard and an output device such as a display device are connected to the input / output interface 1100.
  • the image sensor 210 is connected to the input / output interface 1100.
  • each drive device of the optical rotation unit 120, the first lens 130, and the second lens 140 is connected to the input / output interface 1100.
  • the network interface 1120 is an interface for connecting the computer 1000 to a network.
  • the communication network is, for example, a LAN (Local Area Network) or a WAN (Wide Area Network).
  • the method by which the network interface 1120 connects to the network may be a wireless connection or a wired connection.
  • the storage device 1080 stores a program module that implements the image generation unit 230, the control unit 310, and the calculation unit 320.
  • the processor 1040 realizes a function corresponding to each program module by reading out each of these program modules into the memory 1060 and executing them.
  • the computer 1000 for realizing the image generation unit 230 and the computer 1000 for realizing the control unit 310 and the calculation unit 320 may be integrated or may be provided separately.
  • the imaging device 20 may be mounted on a moving object such as a vehicle or a drone. Further, the measuring device 30 may be further mounted on the moving body. Further, when imaging for distance measurement is performed by the imaging device 20, the moving body may be moving or may be stationary. The measuring device 30 can be used, for example, for automatic driving and driving support of a moving object. Further, the measuring device 30 can be used for an endoscope or the like capable of acquiring three-dimensional information.
  • the optical device 10 can switch between two focus positions. Therefore, the imaging device 20 needs to include only one optical device 10 and the imaging element 210, and the measurement device 30 needs to include only one imaging device 20.
  • the first lens 130 allows the light that has passed through the optical rotation unit 120 to pass, and makes the light in the first polarization direction stronger than the light in the second polarization direction. It is a lens that converges or diverges. Therefore, a plurality of images can be obtained by switching the focus position of the optical device 10. As a result, the size of the distance measuring device can be reduced.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the configuration of the optical device 10 according to the second embodiment. This figure corresponds to FIG. 1 of the embodiment.
  • the optical device 10, the imaging device 20, and the measurement device 30 according to the first embodiment include the optical device 10, the imaging device 20, and the measurement device 30 except that the focal length of the second lens 140 does not depend on the polarization direction. Each is the same as the device 30.
  • the second lens 140 is, for example, a lens that does not include a liquid crystal, and is a glass lens or a plastic lens.
  • the focal length of the second lens 140 for light in the first polarization direction is substantially the same as the focal length for light in the second polarization direction.
  • the focal length of the second lens 140 for light in the first polarization direction is 0.9 times or more and 1.1 times or less of the focal length of the second lens 140 for light in the second polarization direction. It is.
  • the position of the second lens 140 is not particularly limited.
  • the second lens 140 may pass light before passing through the polarizing plate 110 or may pass light after passing therethrough.
  • the second lens 140 may pass light before passing through the optical rotation unit 120 or may pass light after passing therethrough.
  • the second lens 140 may pass light before passing through the first lens 130, or may pass light after passing through the first lens 130.
  • the distance a 1 from the optical device 10 to the in-focus position in the first state is dependent on both the focal length of the focal length and a second lens 140 of the first lens 130.
  • the light is neither converged nor diverged by the first lens 130, but is converged or diverged by the second lens 140.
  • the distance a 2 from the optical device 10 to the in-focus position in the second state depends only on the focal length of the second lens 140.
  • the distance from the optical device 10 to the focus position can be switched between the first state and the second state.
  • the focal length of the first lens 130 and f 1, the focal length of the second lens 140 and f 0, the first lens 130 a distance between the second lens 140 is d
  • f t f 0 .
  • the first lens 130 allows the light that has passed through the optical rotation unit 120 to pass, and makes the light in the first polarization direction stronger than the light in the second polarization direction. It is a lens that converges or diverges. Therefore, a plurality of images can be obtained by switching the focus position of the optical device 10. As a result, the size of the distance measuring device can be reduced.
  • the focal length of the second lens 140 does not depend on the polarization direction. Therefore, the optical device 10 can be manufactured at low cost.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a first example of the optical device 10 according to the third embodiment
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a second example of the optical device 10 according to the third embodiment.
  • the optical device 10, the imaging device 20, and the measurement device 30 according to the present embodiment include the optical device 10, the imaging device, and the imaging device according to the first embodiment except that light after passing through the second lens 140 passes through the optical rotation unit 120. It is the same as the device 20 and the measuring device 30, respectively.
  • the second lens 140 has polarization dependency. That is, the second lens 140 causes the light in the first polarization direction to converge or diverge more strongly than the light in the second polarization direction, or the light in the second polarization direction to be higher than the light in the first polarization direction. Strongly converge or diverge. However, the second lens 140 converges or diverges one of the light in the first polarization direction and the light in the second polarization direction that can be transmitted through the polarizing plate 110 more strongly than the other light. In the first example shown in FIG. 10, light after passing through the polarizing plate 110 passes through the second lens 140. In the second example shown in FIG. 11, the light before passing through the polarizing plate 110 passes through the second lens 140.
  • the distance a 1 from the optical device 10 to the in-focus position in the first state is dependent on both the focal length of the focal length and a second lens 140 of the first lens 130.
  • the second state the light is converged or diverged by the second lens 140 and neither converged nor diverged by the first lens 130.
  • the distance a 2 from the optical device 10 to the in-focus position in the second state depends only on the focal length of the second lens 140.
  • the distance from the optical device 10 to the focus position can be switched between the first state and the second state.
  • the first lens 130 allows the light that has passed through the optical rotation unit 120 to pass, and makes the light in the first polarization direction stronger than the light in the second polarization direction. It is a lens that converges or diverges. Therefore, a plurality of images can be obtained by switching the focus position of the optical device 10. As a result, the size of the distance measuring device can be reduced.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration of the optical device 10, the imaging device 20, and the measurement device 30 according to the fourth embodiment.
  • the optical device 10 and the imaging device 20 are the same as the optical device 10 and the imaging device 20 according to any of the first to third embodiments, respectively, except as described below.
  • the measurement device 30 according to the present embodiment is different from the measurement devices 30 according to the first to third embodiments except that the control unit 310 controls at least one of the focal length of the first lens 130 and the focal length of the second lens 140. This is the same as the measuring device 30 according to any of them.
  • the calculator 320 calculates the distance using the focal length of the first lens 130 and the focal length of the second lens 140.
  • the first lens 130 is a liquid crystal lens. That is, the focal length of the first lens 130 can be electrically controlled.
  • the second lens 140 may be a liquid crystal lens. That is, the focal length of the second lens 140 may be electrically controllable. The focal length of the liquid crystal lens changes according to the applied driving voltage.
  • the measurable range of the measuring device 30 can be changed by adjusting the focal length of at least one of the first lens 130 and the second lens 140.
  • the measurement device 30 includes, for example, an input unit 330, and receives an input operation from a user regarding a measurable range. Then, control unit 310 controls the focal length of first lens 130 and second lens 140 based on the content of the input operation. For example, the user may be presented with a plurality of options indicating the measurable range, and one option may be selected by an input operation. Further, the user may input an arbitrary measurable range.
  • the input unit 330 is, for example, an input device connected to the input / output interface 1100.
  • Image generation unit 230 calculates the distance using a 1 and a 2 based on the measurement range of input.
  • a 1 is specifically is one of a upper and lower limits of the measurement range
  • a 2 is the other of the upper and lower limits of the measuring range.
  • the image generation unit 230 may obtain information indicating the focal length of the optical device 10 in the first state and the second state from the control unit 310.
  • the calculation unit 320 uses the first reference indicating the relationship between the distance between the object 90 and the imaging device 20 and ⁇ c based on the information indicating the focal length of the first lens 130 and the second lens 140. Generate information. Then, the calculation unit 320 calculates and outputs the distance using the generated first reference information and the calculated ⁇ c, as in the first embodiment.
  • the first reference information is stored in the storage unit 340 in advance for each of the plurality of pieces of information presented to the user, and the control unit 310 reads out the first reference information corresponding to the selected measurable range and uses the first reference information. Is also good.
  • the calculation unit 320 may acquire the voltage value applied to the lens from the control unit 310.
  • the calculation unit 320 can derive the focal length using, for example, the second reference information indicating the relationship between the applied voltage and the focal length of the lens.
  • the second reference information can be stored in the storage unit 340 in advance, and the calculation unit 320 can read and use it.
  • the control unit 310 may control the focal length of both the first lens 130 and the second lens 140, or may control only one of them. When only one focal length is controlled, the calculating unit 320 may read and acquire the other focal length from the storage unit 340. When both the first lens 130 and the second lens 140 are liquid crystal lenses, the control unit 310 may control the focal length of the first lens 130 or the focal length of the second lens 140 May be controlled.
  • the first lens 130 allows the light that has passed through the optical rotation unit 120 to pass, and makes the light in the first polarization direction stronger than the light in the second polarization direction. It is a lens that converges or diverges. Therefore, a plurality of images can be obtained by switching the focus position of the optical device 10. As a result, the size of the distance measuring device can be reduced.
  • control unit 310 controls at least one of the focal length of the first lens 130 and the focal length of the second lens 140. Therefore, distance measurement can be performed in a desired measurement range.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of the measuring device 30 according to the fifth embodiment
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a use environment of the measuring device 30 according to the fifth embodiment. Note that FIG. 14 illustrates two states in which the height of the moving body 40 is different.
  • the measurement apparatus 30 according to the present embodiment is different from the measurement apparatus 30 in that the control unit 310 controls at least one of the focal length of the first lens 130 and the focal length of the second lens 140 based on the height of the optical device 10. And the same as the measuring apparatus 30 according to the fourth embodiment.
  • the imaging device 20 is attached to the moving body 40.
  • the moving object 40 is a flying object such as a drone. According to the present embodiment, for example, three-dimensional measurement of terrain, structures, and the like is possible by imaging the ground surface from the sky.
  • the control unit 310 acquires the altitude of the optical device 10 from the altitude detection unit 410 and uses it for control.
  • the altitude detection unit 410 is, for example, a barometer or an altimeter.
  • the altitude detection unit 410 is attached to the optical device 10.
  • the altitude detection unit 410 may be attached to the moving body 40 on which the optical device 10 is mounted.
  • the control unit 310 controls at least one of the focal length of the first lens 130 and the focal length of the second lens 140 will be described in detail below.
  • the altitude of the moving body 40 that is, the altitude of the optical device 10 is h
  • the measurement range is ⁇ .
  • ⁇ is the height from the ground surface, for example, the width of the measurable range input to the input unit 330 by the user.
  • h is the output of the altitude detection unit 410.
  • the control unit 310 derives a drive voltage for the liquid crystal lens based on h and ⁇ .
  • the distance from the focus position of the optical device 10 to the optical device 10 is represented by a, and the distance from the optical device 10 to the image sensor 210 is represented by b.
  • a f is a longer one of a 1 and a 2
  • a n is the shorter of the a 1 and a 2.
  • the storage section 340 holds in advance third reference information indicating the relationship between the focal length and the drive voltage of the liquid crystal lens.
  • the third reference information is, for example, an equation, a graph, or a table.
  • the third reference information may be common to the first lens 130 and the second lens 140, or may be provided separately.
  • the voltage v obtained in this manner is applied to the liquid crystal lens as Va1 or Va2 . Further, the voltage value of Vb1 or Vb2 may be further derived using third reference information separately provided.
  • the control unit 310 calculates a 1 and a 2 based on ⁇ input to the input unit 330 and h obtained from the altitude detection unit 410. Then, two focal lengths are calculated as described above. Also, the driving voltage of at least one of the first lens 130 and the second lens 140 is set so that one of the two calculated focal lengths is realized in the first state and the other is realized in the second state. calculate. A first image and a second image are acquired with the calculated drive voltage applied. Calculating unit 320, a first image, the second image, calculates the distance using the a 2 when a 1 when these images are obtained, and these images were obtained. By doing so, the distance measurement can be performed while controlling the focal length of the optical device 10 according to the altitude.
  • the first lens 130 allows the light that has passed through the optical rotation unit 120 to pass, and makes the light in the first polarization direction stronger than the light in the second polarization direction. It is a lens that converges or diverges. Therefore, a plurality of images can be obtained by switching the focus position of the optical device 10. As a result, the size of the distance measuring device can be reduced.
  • control unit 310 controls at least one of the focal length of the first lens 130 and the focal length of the second lens 140 based on the height of the optical device 10. Therefore, three-dimensional measurement of terrain, structures, and the like is possible by imaging the ground from above.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration of the measuring device 30 according to the sixth embodiment
  • FIG. 16 is a diagram illustrating a use environment of the measuring device 30 according to the sixth embodiment.
  • the moving body 40 is shown in conjunction with an example of a n and a f during low-speed running, and examples of a n and a f at high speeds.
  • a f is a longer one of a 1 and a 2
  • a n is the shorter of the a 1 and a 2.
  • the measuring device 30 according to the present embodiment is different from the measuring device 30 except that the control unit 310 controls at least one of the focal length of the first lens 130 and the focal length of the second lens 140 based on the speed of the optical device 10. This is the same as the measuring device 30 according to the fourth embodiment.
  • the imaging device 20 is attached to the moving body 40.
  • the moving body 40 is a vehicle or the like, and the distance between the object in the traveling direction of the moving body 40 and the imaging device 20 and the moving body 40 is measured by the measuring device 30.
  • the measuring device 30 For example, when the moving body 40 is an automobile, it is preferable to reduce the resolution of the distance measurement and measure the distance to a distant place when traveling at high speed. On the other hand, when traveling at low speed, it is preferable to increase the resolution by narrowing the measurement range.
  • the optical device 10 according to the present embodiment can be realized by using the second lens 140 having no polarization dependence as in the second embodiment.
  • the first lens 130 operates as a concave lens, take a n in the second state, and thus take a f in the first state.
  • the control unit 310 acquires information indicating the speed of the optical device 10 from the speed signal output unit 420 and uses the information for control.
  • the speed signal output unit 420 may be, for example, a measuring device that measures the speed of the moving body 40 or a control device that controls the speed of the moving body 40.
  • the speed signal output unit 420 outputs, for example, a speed pulse indicating the speed of the moving body 40, and the control unit 310 acquires the speed pulse.
  • the control unit 310 can derive the speed of the moving body 40 based on the cycle of the speed pulse.
  • the storage unit 340 stores in advance fourth reference information indicating the relationship between the speed range of the moving body 40 and the drive voltage of the first lens 130.
  • the fourth reference information is, for example, an equation, a graph, or a table.
  • the control unit 310 reads the fourth reference information from the storage unit 340 and determines the drive voltage associated with the speed range in which the speed of the moving object 40 falls as the voltage to be applied to the first lens 130.
  • the determined voltage is applied to the liquid crystal lens as, for example, vb1 .
  • v the fourth reference information voltage value of a1 is separately provided may be further derived using.
  • the drive voltage is set in the fourth reference information.
  • the driving voltage so that a n is constant is set in the fourth reference information.
  • the first image and the second image are acquired with the determined drive voltage applied.
  • Calculating unit 320 a first image, the second image, calculates the distance using the a 2 when a 1 when these images are obtained, and these images were obtained. Regardless of the speed of the moving body 40, if it is a n is constant, the storage unit 340, the value of the advance a n is held. Then, calculating unit 320 from the storage unit 340 reads the value of a n, a value shorter of a 1 and a 2. Further, calculation section 320, the longer the value of a 1 and a 2, may be calculated based on the drive voltage of the first lens 130.
  • the fourth reference information, and the speed range of the moving body 40, the driving voltage of the first lens 130, indicating a relationship between a f, calculating unit 320, a 1 and a basis of the fourth reference information The longer one of the two may be derived.
  • the first lens 130 and the second lens 140 are not limited to the example in this drawing, and may be both convex lenses. Also, both the first lens 130 and the second lens 140 are liquid crystal lenses. It may be.
  • the control unit 310 uses the fourth reference information indicating the relationship between the speed range of the moving body 40 of the second lens 140 and the drive voltage of the second lens 140 to control the drive voltage of the second lens 140. Is calculated.
  • the first lens 130 allows the light that has passed through the optical rotation unit 120 to pass, and makes the light in the first polarization direction stronger than the light in the second polarization direction. It is a lens that converges or diverges. Therefore, a plurality of images can be obtained by switching the focus position of the optical device 10. As a result, the size of the distance measuring device can be reduced.
  • control unit 310 controls at least one of the focal length of the first lens 130 and the focal length of the second lens 140 based on the speed of the optical device 10. Therefore, the measurement range and resolution of the distance are adjusted according to the speed.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Studio Devices (AREA)

Abstract

光学装置（１０）は、偏光板（１１０）、旋光部（１２０）、第１のレンズ（１３０）、および第２のレンズ（１４０）を備える。偏光板（１１０）は、第１の偏光方向または第２の偏光方向の光を透過させる。旋光部（１２０）は、偏光板（１１０）を通過した光の偏光方向の回転量を変更可能である。第１のレンズ（１３０）は、旋光部（１２０）を通過した光が通過し、第１の偏光方向の光を第２の偏光方向の光よりも強く収束または発散させるレンズである。第２のレンズ（１４０）は、第１のレンズ（１３０）を通過した後の光または通過する前の光が通過するレンズである。

Description

光学装置、撮像装置、および測定装置
　本発明は、光学装置、撮像装置、および測定装置に関する。
　画像内の物体の奥行き情報（距離情報）を得られるカメラとしてステレオカメラがある。しかし、ステレオカメラは複数のカメラを備える必要があり、小型化や低価格化が難しい。
　特許文献１には、単眼モーションステレオ距離測定装置について記載されている。特許文献１の技術では、移動体から、時系列に撮影された複数の画像と、移動体の速度とを用いて、画像中の物体までの距離が推定される。
　特許文献２には、液晶レンズを用いて光軸の方向が異なる２つの位置の画像を同時に撮像する技術が記載されている。特許文献２の技術では、液晶レンズが、偏光方向が相互に直交する一対の液晶部を有する。
　特許文献３には、マイクロレンズアレイを用いて、通常の撮像モードと、ライト・フィールド・フォトグラフィー技術に基づく撮像モードとを切り替え可能な撮像装置が記載されている。また、特許文献３には、マイクロレンズアレイ部および撮像素子を一種のステレオ・カメラとして機能させることが記載されている。
特開２０１６－１４８５１２号公報 特開２０１７－３７３１号公報 特開２００８－１６７３９５号公報
　しかし、特許文献１の技術では、カメラが静止している状態では距離測定ができない。また、特許文献２の技術では、複数の撮像手段が必要であり、小型化が難しい。そして、特許文献３の技術では、距離を測定する際、レンズアレイによって投影像を分割するため、解像度が大幅に低下する。
　本発明が解決しようとする課題としては、小型化が可能な距離測定装置を実現することが一例として挙げられる。
　請求項１に記載の発明は、
　第１の偏光方向または第２の偏光方向の光を透過させる偏光板と、
　前記偏光板を通過した光の偏光方向の回転量を変更可能な旋光部と、
　前記旋光部を通過した光が通過し、前記第１の偏光方向の光を前記第２の偏光方向の光よりも強く収束または発散させる第１のレンズと、
　前記第１のレンズを通過した後の光または通過する前の光が通過する第２のレンズとを備える光学装置である。
　請求項１１に記載の発明は、
　請求項１から１０のいずれか一項に記載の光学装置と、
　前記偏光板、前記旋光部、前記第１のレンズ、および前記第２のレンズを通過した光を受光する撮像素子とを備える撮像装置である。
　請求項１２に記載の発明は、
　請求項１１に記載の撮像装置と、
　前記旋光部の前記回転量を制御する制御部と、
前記撮像素子で得られる画像を処理することにより距離を算出する算出部とを備える測定装置である。
　上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
実施形態に係る光学装置の構成を例示する図である。 実施例１に係る光学装置、撮像装置、および測定装置の構成を例示する図である。 実施例１に係る第１のレンズおよび第２のレンズの構成を例示する図である。 実施例１に係る光学装置について、第１の状態と第２の状態とにおける合焦位置の違いを説明するための図である。 （ａ）は、光学装置を備える撮像装置と、撮像される物体との位置関係を例示する図であり、（ｂ）は、光学装置を備える撮像装置で得られる複数の画像の例を示す図である。 算出部が距離を算出する方法を説明するための図である。 算出部が距離を算出する方法を説明するための図である。 画像生成部、制御部、および算出部を実現するための計算機を例示する図である。 実施例２に係る光学装置の構成を例示する図である。 実施例３に係る光学装置の第１の例を示す図である。 実施例３に係る光学装置の第２の例を示す図である。 実施例４に係る光学装置、撮像装置、および測定装置の構成を例示する図である。 実施例５に係る測定装置の構成を例示する図である。 実施例５に係る測定装置の使用環境を例示する図である。 実施例６に係る測定装置の構成を例示する図である。 実施例６に係る測定装置の使用環境を例示する図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
　以下に示す説明において、光学装置１０、撮像装置２０および測定装置３０の各構成要素は、特に説明する場合を除きハードウエア単位の構成ではなく、機能単位のブロックを示している。
（実施形態）
　図１は、実施形態に係る光学装置１０の構成を例示する図である。本実施形態に係る光学装置１０は、偏光板１１０、旋光部１２０、第１のレンズ１３０、および第２のレンズ１４０を備える。偏光板１１０は、第１の偏光方向または第２の偏光方向の光を透過させる。旋光部１２０は、偏光板１１０を通過した光の偏光方向の回転量を変更可能である。第１のレンズ１３０は、旋光部１２０を通過した光が通過し、第１の偏光方向の光を第２の偏光方向の光よりも強く収束または発散させるレンズである。第２のレンズ１４０は、第１のレンズ１３０を通過した後の光または通過する前の光が通過するレンズである。以下に詳しく説明する。
　本実施形態において、第１のレンズ１３０はたとえば液晶レンズまたは方解石レンズであり、第１の偏光方向の光を選択的に収束または発散させる。たとえば、第１のレンズ１３０の焦点距離は、第１の偏光方向の光に対し有限の値である。一方、第１のレンズ１３０の焦点距離は、第２の偏光方向の光に対しほぼ無限大である。すなわち、第２の偏光方向の光は、第１のレンズ１３０を通過しても、第１のレンズ１３０によってほとんど収束も発散もされない。具体的には、第１のレンズ１３０の第２の偏光方向の光に対する焦点距離は、第１の偏光方向の光に対する焦点距離の１０倍以上である。なお、第１の偏光方向と第２の偏光方向とは互いに直交する。以下において、第１のレンズ１３０の焦点距離ｆ１は、第１のレンズ１３０の第１の偏光方向の光に対する焦点距離を示す。
　旋光部１２０はたとえばツイスト・ネマティック（ＴＮ）液晶であり、旋光部１２０を通過する光の偏光方向を回転させるか否かは、電気的に制御可能である。具体的には、旋光部１２０に電源を印加した状態では、旋光部１２０を通過する光の偏光方向は変化しない（回転量が０°）。一方、旋光部１２０に電源を印加しない状態では、旋光部１２０を通過する光の偏光方向が９０°変化（回転）する。
　光学装置１０においては、旋光部１２０により、第１のレンズ１３０に入射する光の偏光方向を制御することにより、第１のレンズ１３０を通過する光を、第１のレンズ１３０によって収束または発散させるか否かを変更できる。たとえば、旋光部１２０における旋光の有無を切り替えることにより、第１のレンズ１３０に第１の偏光方向の光が入射する第１の状態と第２の偏光方向が入射する第２の状態とを切り替えることができる。第１の状態では第１のレンズ１３０によって光が収束または発散し、第２の状態では第１のレンズ１３０によって光が収束も発散もしない。
　光は、少なくとも第２の状態において、第２のレンズ１４０により収束または発散される。第２の状態における光学装置１０の合焦位置（ピント位置）は第１のレンズ１３０の焦点距離ｆ１には依存せず、第２のレンズ１４０の焦点距離により決まる。一方、第１の状態において、光は、第２のレンズ１４０により収束も発散もされなくてもよいし、第２のレンズ１４０により収束または発散されてもよい。第１の状態における光学装置１０の合焦位置は第１のレンズ１３０の焦点距離ｆ１のみに、または第１のレンズ１３０の焦点距離ｆ１と第２のレンズ１４０の焦点距離との両方に依存して決まる。このように、光学装置１０の合焦位置を、第１の状態と第２の状態とで異なる位置とすることができる。
　第１の状態において光が第２のレンズ１４０により収束も発散もされない例について実施例１で説明し、第１の状態において光が第２のレンズ１４０により収束または発散される例について実施例２で説明する。
　光学装置１０を通過した光を撮像素子２１０で検出することで、互いに合焦位置が異なる第１の状態と第２の状態とのそれぞれで、画像を得ることができる。そして、得られた複数の画像を用いて、たとえば、Depth from Defocus（ＤＦＤ）法により、光学装置１０と画像中の物体との距離を算出することができる。
　光学装置１０の構成および距離の算出方法については以下の各実施例において詳しく説明する。
　以上、本実施形態によれば、第１のレンズ１３０は、旋光部１２０を通過した光が通過し、第１の偏光方向の光を第２の偏光方向の光よりも強く収束または発散させるレンズである。したがって、光学装置１０の合焦位置を切り替えて複数の画像を得ることができる。ひいては、距離測定装置の小型化が可能となる。
（実施例１）
　図２は、実施例１に係る光学装置１０、撮像装置２０、および測定装置３０の構成を例示する図である。本実施例に係る光学装置１０は、実施形態に係る光学装置１０と同様の構成を有する。また、本実施例に係る光学装置１０の構成は、図１により例示される。本実施例においては、旋光部１２０を通過した後の光が第２のレンズ１４０を通過し、第２のレンズ１４０が、第２の偏光方向の光を第１の偏光方向の光よりも強く収束または発散させる。
　本図の例において、第２のレンズ１４０はたとえば液晶レンズまたは方解石レンズであり、第２の偏光方向の光を選択的に収束または発散させる。たとえば、第２のレンズ１４０の焦点距離は、第２の偏光方向の光に対し有限の値であり、第１の偏光方向の光に対しほぼ無限大である。具体的には、第２のレンズ１４０の第１の偏光方向の光に対する焦点距離は、第２の偏光方向の光に対する焦点距離の１０倍以上である。
　本図では、光が旋光部１２０、第１のレンズ１３０、および第２のレンズ１４０をこの順に通過する例を示しているが、光は旋光部１２０、第２のレンズ１４０、および第１のレンズ１３０をこの順に通過してもよい。また、光学装置１０は、収差補正のためのレンズ等をさらに含んでもよい。
　なお、第１のレンズ１３０および第２のレンズ１４０はそれぞれ、凸レンズであっても良いし、凹レンズであっても良い。
　本実施例に係る撮像装置２０は、光学装置１０と、撮像素子２１０とを備える。撮像素子２１０は、偏光板１１０、旋光部１２０、第１のレンズ１３０、および第２のレンズ１４０を通過した光を受光する。撮像素子２１０はたとえばイメージセンサである。
　本実施例に係る測定装置３０は、撮像装置２０、制御部３１０、および算出部３２０を備える。制御部３１０は旋光部１２０における偏光方向の回転量を制御する。算出部３２０は、撮像素子２１０で得られる画像を処理することにより距離を算出する。
　図３は、実施例１に係る第１のレンズ１３０および第２のレンズ１４０の構成を例示する図である。本図の例において、第１のレンズ１３０および第２のレンズ１４０は液晶レンズである。
　レンズ５００は、第１のレンズ１３０および第２のレンズ１４０を一体化したレンズである。レンズ５００は、第１の基板５１１、第２の基板５１２、および第３の基板５１３を含む。第１の基板５１１、第２の基板５１２、および第３の基板５１３はそれぞれ透明基板であり、たとえば、ガラス基板である。第１の基板５１１、第２の基板５１２、および第３の基板５１３はこの順に積層されている。第１の基板５１１、第２の基板５１２、およびこれらの間に設けられた構造により第１のレンズ１３０が実現され、第２の基板５１２、第３の基板５１３およびこれらの間に設けられた構造により第２のレンズ１４０が実現される。
　第１の基板５１１の一方の面には、第１の電極５２１および第２の電極５２２が形成されており、第２の基板５１２の第１の基板５１１側の面には第３の電極５２３が形成されている。また、第２の基板５１２の第１の基板５１１側とは反対側の面には第４の電極５２４および第５の電極５２５が形成されており、第３の基板５１３の第２の基板５１２側の面には第６の電極５２６が形成されている。第１の電極５２１、第２の電極５２２、第３の電極５２３、第４の電極５２４、第５の電極５２５、および第６の電極５２６はそれぞれＩＴＯ等の透明電極である。第２の電極５２２および第５の電極５２５は第１の基板５１１の主面に垂直な方向から見て、レンズ５００の中央部に設けられており、第１の電極５２１および第４の電極５２４は、第１の基板５１１の主面に垂直な方向から見て、レンズ５００の外周部に設けられている。
　第１の電極５２１および第２の電極５２２と第３の電極５２３との間には第１の液晶層５６１が位置し、第４の電極５２４および第５の電極５２５と第６の電極５２６との間には第２の液晶層５６２が位置する。第３の電極５２３と第１の電極５２１との間には電圧Ｖａ１が印加され、第３の電極５２３と第２の電極５２２との間には電圧Ｖｂ１が印加される。これらの電圧の印加により第１の液晶層５６１における液晶が配向し、特定の偏光方向の光に対し、レンズ効果が生じる。また、第６の電極５２６と第４の電極５２４との間には電圧Ｖａ２が印加され、第６の電極５２６と第５の電極５２５との間には電圧Ｖｂ２が印加される。これらの電圧の印加により第２の液晶層５６２における液晶が配向し、特定の偏光方向の光に対し、レンズ効果が生じる。
　ここで、第１の液晶層５６１の両側の面には第１の配向膜５５１が第１の液晶層５６１に接するよう設けられ、第２の液晶層５６２の両側の面には第２の配向膜５５２が第２の液晶層５６２に接するよう設けられている。そして、第１の配向膜５５１および第２の配向膜５５２はそれぞれたとえばポリイミドであり、互いに直交する方向にラビング処理が施されている。電圧印加時における、第１の液晶層５６１および第２の液晶層５６２の液晶の配向方向はそれぞれ第１の配向膜５５１、および第２の配向膜５５２のラビング方向により決まる。すなわち、第１の液晶層５６１の液晶配向の向きと、第２の液晶層５６２の液晶配向の向きとは、互いに直交する。ひいては、第１の液晶層５６１と第２の液晶層５６２とで、互いに直交する偏光方向の光に対しレンズ効果が生じる。
　本図の例において、第１の電極５２１および第２の電極５２２と、第１の配向膜５５１との間にはさらに、絶縁層５３０、および透明な高抵抗層５４０がこの順に積層されており、第４の電極５２４および第５の電極５２５と第２の配向膜５５２との間には絶縁層５３０および透明な高抵抗層５４０がこの順に積層されている。絶縁層５３０を設けることにより、高抵抗層５４０の電圧を滑らかにすることができる。
　第１の液晶層５６１および第２の液晶層５６２はたとえばネマティック液晶であり、それぞれ第１の配向膜５５１および第２の配向膜５５２のラビング方向により液晶の配向方向が決定される。レンズ５００への入射光のうち、液晶配向の方向と一致する偏光成分のみに対してレンズ効果が生じ、液晶配向の方向と直交する偏光成分はそのまま通過する。つまり、液晶レンズは偏光依存性を有する。
　本実施例に係る光学装置１０では、液晶配向の方向が互いに直交する第１のレンズ１３０および第２のレンズ１４０が用いられる。液晶レンズは印加される電圧により焦点距離が変化する。本実施例において、第１のレンズ１３０と第２のレンズ１４０とは互いに異なる電圧が印加されることにより、互いに異なる焦点距離を有する。
　なお、液晶レンズの構造は本図の例に限定されない、たとえば、第２の電極５２２や第５の電極５２５がさらに複数の電極に分割され、分割された電極にそれぞれ独立に電圧が印加されてもよい。
　本図の例において、第１のレンズ１３０と第２のレンズ１４０は一体に構成されているが、第１のレンズ１３０と第２のレンズ１４０とは互いに独立に構成されていてもよい。第１のレンズ１３０と第２のレンズ１４０とが独立に構成される場合、たとえば、第２の基板５１２の代わりに、第３の電極５２３が形成された基板と、第４の電極５２４および第５の電極５２５が形成された基板とが設けられる。
　なお、第１のレンズ１３０はレンズアレイによる複眼光学系を構成しない。また、第２のレンズ１４０もレンズアレイによる複眼光学系を構成しない。すなわち、第１のレンズ１３０および第２のレンズ１４０は、単眼光学系を構成する。また、たとえば第１のレンズ１３０の直径は１ｍｍ以上であることが好ましい。同様に、第２のレンズ１４０の直径は１ｍｍ以上であることが好ましい。第１のレンズ１３０や第２のレンズ１４０の直径が１ｍｍ以上であることにより、焦点深度が浅く、ボケ量の大きな画像を撮像することができる。
　なお、第１のレンズ１３０および第２のレンズ１４０はそれぞれ偏光依存性があれば、液晶レンズでなくてもよい。
　図４は、実施例１に係る光学装置１０について、第１の状態と第２の状態とにおける合焦位置の違いを説明するための図である。本図の例において、ｘ軸方向とｚ軸方向とは互いに直交する。第１のレンズ１３０の液晶配向の方向はｚ軸方向に平行であり、第２のレンズ１４０の液晶配向の方向はｘ軸に平行である。ｚ軸方向の偏光を以下では垂直偏光とも呼び、ｘ軸方向の偏光を以下では水平偏光とも呼ぶ。本図では、第１のレンズ１３０の焦点距離が第２のレンズ１４０の焦点距離よりも短い例を示している。
　光学装置１０へ入射した光のうち、直線偏光、特に本例では水平偏光のみが偏光板１１０を通過する。そして、ＴＮ液晶がＯＦＦの場合、すなわち、旋光部１２０で偏光が物体９０°旋回する場合、旋光部１２０に入射した水平偏光は、垂直偏光に変換される。そして、旋光部１２０を通過した後の光は、液晶配向が垂直方向（本図中、ｚ軸方向）の第１のレンズ１３０のみによって収束し、結像する。この状態が上記した第１の状態に相当する。一方、ＴＮ液晶がＯＮの場合、すなわち、旋光部１２０で偏光が旋回しない場合、偏光は水平のまま進行し、第２のレンズ１４０のみによって収束し、結像する。この状態が上記した第２の状態に相当する。
　図５（ａ）は、光学装置１０を備える撮像装置２０と、撮像される物体との位置関係を例示する図であり、図５（ｂ）は、光学装置１０を備える撮像装置２０で得られる複数の画像の例を示す図である。ＴＮ液晶のＯＮとＯＦＦとの切り替え、すなわち、第１の状態と第２の状態との切り替えを、撮像素子２１０のシャッター（画像生成）タイミングと同期する。そして、第１の状態と、第２の状態とで交互に撮像を行う。こうすることで、図５（ｂ）のように互いに合焦位置の異なる状態で、複数の画像を得ることができる。
　具体的には、撮像装置２０でＮフレーム目からＮ＋３フレーム目までの複数の画像が交互に撮像される。なお、Ｎは正の整数である。Ｎフレーム目およびＮ＋２フレーム目は、第１の状態で撮像される。すなわち、光が第１のレンズによって収束され、撮像される。一方、Ｎ＋１フレーム目およびＮ＋３フレーム目は、第２の状態で撮像される。すなわち、光が第２のレンズによって収束され、撮像される。本図の例において、第１の状態では、撮像装置２０に近い物体９０に、よりピントが合った画像が得られ、第２の状態では、撮像装置２０から遠い物体９０に、よりピントが合った画像が得られる。
　旋光部１２０は本例で用いられているＴＮ液晶に限定されないが、旋光部１２０はＴＮ液晶であることが好ましい。ＴＮ液晶は液晶レンズよりも液晶層が薄く、ＴＮ液晶のＯＮとＯＦＦは、高速で切り替えが可能であるからである。第１の状態と第２の状態との切り替え速度は特に限定されないが、たとえば１５Ｈｚ以上であり、好ましくは６０Ｈｚ以上である。一例として、旋光部１２０が６０Ｈｚで動作する場合、第１の状態における画像と、第２の状態における画像とを一組として考え、６０ｆｐｓで動画撮影が可能である。
　図６および図７はそれぞれ、算出部３２０が距離を算出する方法を説明するための図である。算出部３２０は、合焦位置が異なる状態で得られた二つの画像から、たとえばＤＦＤ法を用いて距離を算出する。ＤＦＤ法は、レンズのデフォーカス特性と２つの画像のボケ量に基づいて、光学装置１０と画像に写った各物体９０との距離を算出する方法である。図６で示すように、光学装置１０から第１の状態における合焦位置までの距離をａ１とし、光学装置１０から第２の状態における合焦位置までの距離をａ２とする。本図の例において、ａ１は第１のレンズ１３０の合焦位置までの距離であり、ａ２は第２のレンズ１４０の合焦位置までの距離である。そして、第１の状態および第２の状態において、結像面、すなわち撮像素子２１０の受光面で結像した画像のボケの大きさ（錯乱円の大きさ）を、それぞれｃ１およびｃ２とする。すると、物体９０と撮像装置２０との間の距離と、錯乱円の大きさとの関係は図７（ａ）で例示される。なお、本図中、第１の状態における関係が実線で示され、第２の状態における関係が破線で示されている。また、物体９０と撮像装置２０との間の距離と、ｃ２－ｃ１の値であるΔｃとの関係は図７（ｂ）で例示される。本図から分かるように、二つの画像のボケの大きさの差に基づいて、撮像装置２０から物体９０までの距離が、ａ１からａ２までのいずれの距離であるか推測可能である。
　以上のとおり、測定装置３０の距離の測定可能範囲は、ａ１超過ａ２未満の範囲である。よって第１のレンズ１３０および第２のレンズ１４０の焦点距離を調節することにより、距離の測定可能範囲を定めることができる。ただし、測定可能範囲を広くすると、距離測定の分解能が低下する。したがって、距離の測定可能範囲は、用途等に応じて設定される。
　図２に戻り、撮像装置２０および測定装置３０の構成について詳しく説明する。本図の例において、撮像装置２０は画像生成部２３０をさらに備える。画像生成部２３０は、撮像素子２１０の出力に基づいて画像を生成する。生成された画像は、算出部３２０に出力される。画像生成部２３０における画像の生成タイミング（たとえば撮像装置２０のシャッタータイミング）は制御部３１０により制御される。
　制御部３１０は、旋光部１２０における偏光方向の回転量を切り替える。具体的には、制御部３１０は、回転量を０°と９０°とに切り替える。そして、この切り替えのタイミングに基づき画像生成を行うよう、画像生成部２３０を制御する。すなわち、制御部３１０は切り替えの毎に画像が生成されるよう、画像生成部２３０を制御する。こうすることにより、画像生成部２３０では、第１の状態における画像と、第２の状態における画像とが交互に生成される。なお、第１のレンズ１３０および第２のレンズ１４０の少なくとも一方が液晶レンズである場合、制御部３１０は、液晶レンズに電圧を印加する駆動部をさらに備えてもよい。
　算出部３２０は、旋光部１２０における偏光方向の回転量が第１の値であるときの画像と、回転量が第２の値であるときの画像とを用いて距離を算出する。第１の値はたとえば０°であり、第２の値はたとえば９０°である。具体的には、算出部３２０は、画像生成部２３０から第１の状態における画像と、第２の状態における画像とを取得する。そして、画像生成部２３０は各画像において物体９０を抽出し、各物体９０のボケの大きさを求める。そして画像生成部２３０は、第１の状態におけるボケの大きさと、第２の状態におけるボケの大きさとに基づいて、各物体９０の撮像装置２０からの距離を算出する。詳しくは、画像生成部２３０は、第１の状態におけるボケの大きさと、第２の状態におけるボケの大きさとの差Δｃを算出する。また、画像生成部２３０は、物体９０と撮像装置２０との間の距離と、Δｃとの関係を示す第１参照情報を記憶部３４０から読み出す。第１参照情報はたとえばグラフ、表、または数式である。そして画像生成部２３０は、第１参照情報と、算出したΔｃを用いて、物体９０と撮像装置２０との間の距離を導出し、出力する。記憶部３４０は、測定装置３０に備えられていても良いし、測定装置３０の外部に設けられていても良い。記憶部３４０が測定装置３０の内部に設けられる場合、例えば記憶部３４０は、後述するストレージデバイス１０８０を用いて実現される。記憶部３４０には予め第１参照情報が保持されている。
　撮像装置２０における撮像、および測定装置３０における距離算出は連続して繰り返し行われる。算出部３２０は、第１の状態で得られた第１の画像と、第２の状態で得られた第２の画像とからなる一組の画像に対し、各物体９０について一の距離を算出する。なお、第１の画像と第２の画像は連続して取得された画像である。ただし、第１の画像の取得タイミングと第２の画像の取得タイミングの前後関係は特に限定されない。たとえば、１つの画像が、前後の２つの画像と、それぞれ組を構成し、各組に対し距離が算出されても良い。すなわち、図５（ｂ）の例において、Ｎフレーム目の画像とＮ＋１フレーム目の画像とを用いて距離が算出され、さらにＮ＋１フレーム目の画像とＮ＋２フレーム目の画像とを用いて距離が算出さてもよい。
　算出部３２０はたとえば、物体９０を示すＩＤと、その物体９０の距離とを紐付けた情報を出力する。また、算出部３２０は、連続する複数の組の画像に共通して写る物体９０に、共通のＩＤを付しても良い。また、算出部３２０はたとえば、第１の画像、第２の画像、または他のカメラやセンサ等で得られた画像において、撮像された物体９０に距離を合わせて表示した画像データを生成してもよい。
　画像生成部２３０、制御部３１０、および算出部３２０は、ハードウエア（例：ハードワイヤードされた電子回路など）で実現されてもよいし、ハードウエアとソフトウエアとの組み合わせ（例：電子回路とそれを制御するプログラムの組み合わせなど）で実現されてもよい。以下、画像生成部２３０、制御部３１０、および算出部３２０がハードウエアとソフトウエアとの組み合わせで実現される場合について、さらに説明する。
　図８は、画像生成部２３０、制御部３１０、および算出部３２０を実現するための計算機１０００を例示する図である。計算機１０００は任意の計算機である。例えば計算機１０００は、SoC（System On Chip）、Personal Computer（PC）、サーバマシン、タブレット端末、又はスマートフォンなどである。計算機１０００は、画像生成部２３０、制御部３１０、および算出部３２０を実現するために設計された専用の計算機であってもよいし、汎用の計算機であってもよい。
　計算機１０００は、バス１０２０、プロセッサ１０４０、メモリ１０６０、ストレージデバイス１０８０、入出力インタフェース１１００、及びネットワークインタフェース１１２０を有する。バス１０２０は、プロセッサ１０４０、メモリ１０６０、ストレージデバイス１０８０、入出力インタフェース１１００、及びネットワークインタフェース１１２０が、相互にデータを送受信するためのデータ伝送路である。ただし、プロセッサ１０４０などを互いに接続する方法は、バス接続に限定されない。プロセッサ１０４０は、CPU（Central Processing Unit）、GPU（Graphics Processing Unit）、又は FPGA（Field-Programmable Gate Array）などの種々のプロセッサである。メモリ１０６０は、RAM（Random Access Memory）などを用いて実現される主記憶装置である。ストレージデバイス１０８０は、ハードディスク、SSD（Solid State Drive）、メモリカード、又は ROM（Read Only Memory）などを用いて実現される補助記憶装置である。
　入出力インタフェース１１００は、計算機１０００と入出力デバイスとを接続するためのインタフェースである。例えば入出力インタフェース１１００には、キーボードなどの入力装置や、ディスプレイ装置などの出力装置が接続される。また、入出力インタフェース１１００には撮像素子２１０が接続される。さらに、入出力インタフェース１１００には旋光部１２０、第１のレンズ１３０、および第２のレンズ１４０の各駆動装置が接続される。
　ネットワークインタフェース１１２０は、計算機１０００をネットワークに接続するためのインタフェースである。この通信網は、例えば LAN（Local Area Network）や WAN（Wide Area Network）である。ネットワークインタフェース１１２０がネットワークに接続する方法は、無線接続であってもよいし、有線接続であってもよい。
　ストレージデバイス１０８０は、画像生成部２３０、制御部３１０、および算出部３２０を実現するプログラムモジュールを記憶している。プロセッサ１０４０は、これら各プログラムモジュールをメモリ１０６０に読み出して実行することで、各プログラムモジュールに対応する機能を実現する。
　画像生成部２３０を実現するための計算機１０００と、制御部３１０および算出部３２０を実現するための計算機１０００とは一体であっても良いし、別々に設けられていても良い。
　撮像装置２０は、車両やドローン等の移動体に搭載されていても良い。また、測定装置３０もさらに移動体に搭載されていても良い。また、距離測定のための撮像が撮像装置２０で行われるとき、移動体は動いていても良いし、静止していても良い。測定装置３０は、たとえば移動体の自動運転や運転支援に用いることができる。また、測定装置３０は、三次元情報を取得可能な内視鏡等に用いることができる。
　上記した通り、光学装置１０では二つの合焦位置が切り替え可能である。したがって、撮像装置２０は光学装置１０および撮像素子２１０を一つのみ備えればよく、測定装置３０は撮像装置２０を一つのみ備えればよい。
　以上、本実施例によれば、実施形態と同様、第１のレンズ１３０は、旋光部１２０を通過した光が通過し、第１の偏光方向の光を第２の偏光方向の光よりも強く収束または発散させるレンズである。したがって、光学装置１０の合焦位置を切り替えて複数の画像を得ることができる。ひいては、距離測定装置の小型化が可能となる。
（実施例２）
　図９は、実施例２に係る光学装置１０の構成を例示する図である。本図は、実施形態の図１に対応する。本実施例に係る光学装置１０、撮像装置２０および測定装置３０は、第２のレンズ１４０の焦点距離が偏光方向に依存しない点を除いて実施例１に係る光学装置１０、撮像装置２０および測定装置３０とそれぞれ同じである。
　第２のレンズ１４０はたとえば液晶を含まないレンズであり、ガラスレンズやプラスチックレンズである。たとえば第２のレンズ１４０の第１の偏光方向の光に対する焦点距離と第２の偏光方向の光に対する焦点距離とはほぼ同じである。具体的には、第２のレンズ１４０の第１の偏光方向の光に対する焦点距離は、第２のレンズ１４０の第２の偏光方向の光に対する焦点距離の０．９倍以上１．１倍以下である。
　本実施例において、第２のレンズ１４０の位置は特に限定されない。たとえば、第２のレンズ１４０は、偏光板１１０を通過する前の光が通過しても良いし、後の光が通過しても良い。第２のレンズ１４０は、旋光部１２０を通過する前の光が通過しても良いし、後の光が通過しても良い。また、第２のレンズ１４０は、第１のレンズ１３０を通過する前の光が通過しても良いし、後の光が通過しても良い。
　本実施例に係る光学装置１０では、第１の状態において、光は第１のレンズ１３０と第２のレンズ１４０の両方によって収束または発散する。したがって光学装置１０から第１の状態における合焦位置までの距離ａ１は第１のレンズ１３０の焦点距離および第２のレンズ１４０の焦点距離の両方に依存する。一方、第２の状態においては、光は第１のレンズ１３０によって収束も発散もされず、第２のレンズ１４０により収束または発散される。したがって光学装置１０から第２の状態における合焦位置までの距離ａ２は第２のレンズ１４０の焦点距離のみに依存する。本実施例においても、第１の状態と第２の状態とで、光学装置１０から合焦位置までの距離を切り替えることができる。
　本実施例において、第１のレンズ１３０の焦点距離をｆ１とし、第２のレンズ１４０の焦点距離をｆ０とし、第１のレンズ１３０と第２のレンズ１４０との距離をｄとすると、第１の状態において、光学装置１０の焦点距離ｆｔは、第１のレンズ１３０と第２のレンズ１４０の合成により、ｆｔ＝ｆ１ｆ０／（ｆ１＋ｆ０－ｄ）で表される。また、第２の状態において、ｆｔ＝ｆ０で表される。
　以上、本実施例によれば、実施形態と同様、第１のレンズ１３０は、旋光部１２０を通過した光が通過し、第１の偏光方向の光を第２の偏光方向の光よりも強く収束または発散させるレンズである。したがって、光学装置１０の合焦位置を切り替えて複数の画像を得ることができる。ひいては、距離測定装置の小型化が可能となる。
　くわえて、本実施例に係る光学装置１０は、第２のレンズ１４０の焦点距離が偏光方向に依存しない。したがって、光学装置１０を安価に製造できる。
（実施例３）
　図１０は、実施例３に係る光学装置１０の第１の例を示す図であり、図１１は、実施例３に係る光学装置１０の第２の例を示す図である。これらの図は実施形態の図１に対応する。本実施例に係る光学装置１０、撮像装置２０および測定装置３０は、第２のレンズ１４０を通過した後の光が旋光部１２０を通過する点を除いて実施例１に係る光学装置１０、撮像装置２０および測定装置３０とそれぞれ同じである。
　本実施例に係る光学装置１０において、第２のレンズ１４０は、偏光依存性を有する。すなわち第２のレンズ１４０は、第１の偏光方向の光を第２の偏光方向の光よりも強く収束または発散させる、または、第２の偏光方向の光を第１の偏光方向の光よりも強く収束または発散させる。ただし、第２のレンズ１４０は、第１の偏光方向の光と第２の偏光方向の光のうち、偏光板１１０を透過可能な一方の光を、他方の光よりも強く収束または発散させる。図１０に示された第１の例では、偏光板１１０を通過した後の光が第２のレンズ１４０を通過する。図１１に示された第２の例では、偏光板１１０を通過する前の光が第２のレンズ１４０を通過する。
　本実施例に係る光学装置１０では、第１の状態において、光は第２のレンズ１４０と第１のレンズ１３０の両方により収束または発散する。したがって光学装置１０から第１の状態における合焦位置までの距離ａ１は第１のレンズ１３０の焦点距離および第２のレンズ１４０の焦点距離の両方に依存する。一方、第２の状態において、光は第２のレンズ１４０によって収束または発散され、第１のレンズ１３０によっては収束も発散もされない。したがって光学装置１０から第２の状態における合焦位置までの距離ａ２は第２のレンズ１４０の焦点距離のみに依存する。本実施例においても、第１の状態と第２の状態とで、光学装置１０から合焦位置までの距離を切り替えることができる。
　以上、本実施例によれば、実施形態と同様、第１のレンズ１３０は、旋光部１２０を通過した光が通過し、第１の偏光方向の光を第２の偏光方向の光よりも強く収束または発散させるレンズである。したがって、光学装置１０の合焦位置を切り替えて複数の画像を得ることができる。ひいては、距離測定装置の小型化が可能となる。
（実施例４）
　図１２は、実施例４に係る光学装置１０、撮像装置２０、および測定装置３０の構成を例示する図である。光学装置１０および撮像装置２０は、以下に説明する点を除いて、実施例１から実施例３のいずれかに係る光学装置１０および撮像装置２０とそれぞれ同じである。本実施例に係る測定装置３０は、制御部３１０が、第１のレンズ１３０の焦点距離および第２のレンズ１４０の焦点距離の少なくとも一方を制御する点を除いて実施例１から実施例３のいずれかに係る測定装置３０と同じである。本実施例に係る測定装置３０では、算出部３２０が、第１のレンズ１３０の焦点距離および第２のレンズ１４０の焦点距離を用いて距離を算出する。
　本実施例において、第１のレンズ１３０は液晶レンズである。すなわち、第１のレンズ１３０は第１のレンズ１３０の焦点距離は電気的に制御可能である。また、本実施例において、第２のレンズ１４０も液晶レンズであってもよい。すなわち、第２のレンズ１４０の焦点距離も電気的に制御可能であってもよい。液晶レンズは、印加される駆動電圧に応じて、焦点距離が変化する。
　実施例１で説明したように、測定装置３０の測定可能範囲は第１のレンズ１３０および第２のレンズ１４０の少なくとも一方の焦点距離を調整することにより、変化させることができる。測定装置３０はたとえば、入力部３３０を備え、測定可能範囲に関するユーザからの入力操作を受け付ける。そして、制御部３１０は、入力操作の内容に基づき、第１のレンズ１３０および第２のレンズ１４０の焦点距離を制御する。たとえばユーザには測定可能範囲を示す複数の選択肢が示され、入力操作により一の選択肢が選択されても良い。また、ユーザが任意の測定可能範囲を入力してもよい。入力部３３０はたとえば入出力インタフェース１１００に接続された入力装置である。
　画像生成部２３０は、入力された測定可能範囲に基づくａ１およびａ２を用いて距離を算出する。具体的にはａ１は、測定可能範囲の上限および下限の一方であり、ａ２は測定可能範囲の上限および下限の他方である。
　また、画像生成部２３０は距離の算出にあたり、第１の状態および第２の状態における光学装置１０の焦点距離を示す情報を制御部３１０から取得してもよい。この場合、算出部３２０は、第１のレンズ１３０および第２のレンズ１４０の焦点距離を示す情報に基づき、物体９０と撮像装置２０との間の距離と、Δｃとの関係を示す第１参照情報を生成する。そして、算出部３２０は、実施例１と同様に、生成した第１参照情報と算出したΔｃとを用いて距離を算出および出力する。なお、第１参照情報は、ユーザに提示された複数のそれぞれについて予め記憶部３４０に保持されており、制御部３１０が選択された測定可能範囲に対応する第１参照情報を読み出して、用いてもよい。
　また、算出部３２０は、レンズへの印加電圧値を制御部３１０から取得してもよい。この場合、算出部３２０は、たとえば印加電圧とレンズの焦点距離との関係を示す第２参照情報を用いて、焦点距離を導出することができる。第２参照情報は、予め記憶部３４０に保持させておき、算出部３２０がそれを読み出して用いることができる。
　なお、制御部３１０は第１のレンズ１３０および第２のレンズ１４０の両方の焦点距離を制御しても良いし、どちらか一方のみの焦点距離を制御しても良い。一方のみの焦点距離が制御される場合、算出部３２０は、他方の焦点距離を記憶部３４０から読み出して取得してもよい。また、第１のレンズ１３０および第２のレンズ１４０の両方が液晶レンズである場合、制御部３１０は第１のレンズ１３０の焦点距離を制御しても良いし、第２のレンズ１４０の焦点距離を制御しても良い。
　以上、本実施例によれば、実施形態と同様、第１のレンズ１３０は、旋光部１２０を通過した光が通過し、第１の偏光方向の光を第２の偏光方向の光よりも強く収束または発散させるレンズである。したがって、光学装置１０の合焦位置を切り替えて複数の画像を得ることができる。ひいては、距離測定装置の小型化が可能となる。
　くわえて、本実施例によれば、制御部３１０が、第１のレンズ１３０の焦点距離および第２のレンズ１４０の焦点距離の少なくとも一方を制御する。したがって、所望の測定範囲で距離測定が可能である。
（実施例５）
　図１３は、実施例５に係る測定装置３０の構成を例示する図であり、図１４は、実施例５に係る測定装置３０の使用環境を例示する図である。なお、図１４では、移動体４０の高度が異なる２つの状態が示されている。本実施例に係る測定装置３０は、制御部３１０が、光学装置１０の高さに基づいて第１のレンズ１３０の焦点距離および第２のレンズ１４０の焦点距離の少なくとも一方を制御する点を除いて実施例４に係る測定装置３０と同じである。
　本実施例において、撮像装置２０は移動体４０に取り付けられている。移動体４０はドローン等の飛行体である。本実施例によれば、たとえば上空から地表を撮像することにより、地形や構造物等の三次元測定が可能である。
　本実施例において、制御部３１０は高度検出部４１０から光学装置１０の高度を取得し、制御に用いる。高度検出部４１０はたとえば気圧計や高度計である。高度検出部４１０は光学装置１０に取り付けられている。または、高度検出部４１０は、光学装置１０が搭載された移動体４０に取り付けられていても良い。
　制御部３１０が第１のレンズ１３０の焦点距離および第２のレンズ１４０の焦点距離の少なくとも一方を制御する方法について、以下に詳しく説明する。図１４に示すように、移動体４０の高度、すなわち光学装置１０の高度をｈとし、測定範囲をαとする。αは地表からの高さであり、たとえばユーザにより入力部３３０へ入力される測定可能範囲の幅である。ｈは、高度検出部４１０の出力である。制御部３１０は、ｈおよびαに基づいて液晶レンズの駆動電圧を導出する。
　光学装置１０の合焦位置から光学装置１０までの距離をａとし、光学装置１０から撮像素子２１０までの距離をｂとする。すると、焦点距離ｆはレンズの公式に基づき１／ｆ＝１／ａ＋１／ｂの関係を満たす。したがって、ｆ＝ａｂ／（ａ＋ｂ）が成り立つ。ここで、光学装置１０の第１の状態における合焦位置と、第２の状態における合焦位置のうち、光学装置１０から遠い方の合焦位置と、光学装置１０との距離をａｆとし、近い方の合焦位置と光学装置１０との距離をａｎとする。すなわち、ａｆはａ１とａ２とのうち長い方であり、ａｎは、ａ１とａ２とのうち短い方である。また、光学装置１０から遠い方の合焦位置を地表とすると、ａｆ＝ｈが成り立つ。また、ａｎ＝ａｆ－α＝ｈ－αが成り立つ。よって、ａｆを採るときの光学装置１０の焦点距離ｆｆは、ｆｆ＝ａｆｂ／（ａｆ＋ｂ）を満たし、ａｎを採るときの光学装置１０の焦点距離ｆｎは、ｆｎ＝（ｈ－α）ｂ／（ｈ－α＋ｂ）を満たす。
　記憶部３４０には予め焦点距離と液晶レンズの駆動電圧との関係を示す第３参照情報が保持されている。第３参照情報はたとえば式、グラフ、または表である。なお、第３参照情報は第１のレンズ１３０と第２のレンズ１４０とで共通であっても良いし、別々に設けられていても良い。第３参照情報はたとえば、焦点距離ｆの関数ｖ（ｆ）であり、ｖ（ｆ）＝５０００ｅ－０．８ｆである。このようにして求められる電圧ｖがＶａ１またはＶａ２として液晶レンズに印加される。また、Ｖｂ１またはＶｂ２の電圧値が別途設けられた第３参照情報を用いてさらに導出されても良い。
　本実施例において、制御部３１０は、入力部３３０に入力されたαおよび高度検出部４１０から取得したｈに基づいてａ１およびａ２を算出する。そして、さらに上記のように二つの焦点距離を算出する。また、算出された二つの焦点距離の一方を第１の状態で実現し、他方を第２の状態で実現するように、第１のレンズ１３０および第２のレンズ１４０の少なくとも一方の駆動電圧を算出する。算出された駆動電圧が印加された状態で、第１の画像および第２の画像が取得される。算出部３２０は、第１の画像、第２の画像、これらの画像が得られた時のａ１、およびこれらの画像が得られた時のａ２を用いて距離を算出する。そうすることにより、高度に応じて光学装置１０の焦点距離を制御しつつ、距離測定を行うことができる。
　以上、本実施例によれば、実施形態と同様、第１のレンズ１３０は、旋光部１２０を通過した光が通過し、第１の偏光方向の光を第２の偏光方向の光よりも強く収束または発散させるレンズである。したがって、光学装置１０の合焦位置を切り替えて複数の画像を得ることができる。ひいては、距離測定装置の小型化が可能となる。
　くわえて、本実施例によれば、制御部３１０が、光学装置１０の高さに基づいて第１のレンズ１３０の焦点距離および第２のレンズ１４０の焦点距離の少なくとも一方を制御する。したがって、上空から地表を撮像することにより、地形や構造物等の三次元測定が可能である。
（実施例６）
　図１５は、実施例６に係る測定装置３０の構成を例示する図であり、図１６は、実施例６に係る測定装置３０の使用環境を例示する図である。なお、図１６は、移動体４０が低速走行時のａｎおよびａｆの例と、高速走行時のａｎおよびａｆの例とを合わせて示している。なお、ａｆはａ１とａ２とのうち長い方であり、ａｎは、ａ１とａ２とのうち短い方である。本実施例に係る測定装置３０は、制御部３１０が、光学装置１０の速度に基づいて第１のレンズ１３０の焦点距離および第２のレンズ１４０の焦点距離の少なくとも一方を制御する点を除いて実施例４に係る測定装置３０と同じである。
　本実施例において、撮像装置２０は移動体４０に取り付けられている。移動体４０は車両等であり、移動体４０の進行方向にある物体と撮像装置２０と移動体４０との距離が測定装置３０で測定される。たとえば移動体４０が自動車の場合、高速走行時は距離測定の分解能を落として遠方まで測定を行うことが好ましい。一方、低速走行時は、測定範囲を狭めて分解能を上げることが好ましい。
　本実施例において、ａｎは変化させる必要が無い。したがって、本実施例に係る光学装置１０は、実施例２のように、偏光依存性を有さない第２のレンズ１４０を用いて実現できる。ここで、第１のレンズ１３０が凹レンズとして動作する場合、第２の状態でａｎを採り、第１の状態でａｆを採ることとなる。
　本実施例において、制御部３１０は速度信号出力部４２０から光学装置１０の速度を示す情報を取得し、制御に用いる。また、速度信号出力部４２０はたとえば、移動体４０の速度を測定する計測器または移動体４０の速度を制御する制御装置であっても良い。速度信号出力部４２０はたとえば移動体４０の速度を示す速度パルスを出力し、制御部３１０がそれを取得する。制御部３１０は、速度パルスの周期に基づき、移動体４０の速度を導出することができる。
　記憶部３４０には、移動体４０の速度範囲と、第１のレンズ１３０の駆動電圧との関係を示す第４参照情報が予め保持されている。第４参照情報はたとえば式、グラフ、または表である。制御部３１０は、記憶部３４０から第４参照情報を読み出し、移動体４０の速度が該当する速度範囲に関連づけられた駆動電圧を、第１のレンズ１３０に印加する電圧として決定する。決定された電圧は、たとえばｖｂ１として液晶レンズに印加される。なお、ｖａ１の電圧値が別途設けられた第４参照情報を用いてさらに導出されても良い。
　たとえば第４参照情報では、移動体４０の速度が早いほどａｆが大きくなるよう、駆動電圧が設定されている。また、第４参照情報では、移動体４０の速度によらず、ａｎが一定となるよう駆動電圧が設定されている。
　測定装置３０では、決定された駆動電圧が印加された状態で、第１の画像および第２の画像が取得される。算出部３２０は、第１の画像、第２の画像、これらの画像が得られた時のａ１、およびこれらの画像が得られた時のａ２を用いて距離を算出する。移動体４０の速度によらず、ａｎが一定である場合、記憶部３４０には、予めａｎの値が保持されている。そして、算出部３２０は、記憶部３４０からａｎの値を読み出し、ａ１およびａ２のうち短い方の値とする。また、算出部３２０は、ａ１およびａ２のうち長い方の値を、第１のレンズ１３０の駆動電圧に基づき算出しても良い。また、第４参照情報が、移動体４０の速度範囲と、第１のレンズ１３０の駆動電圧と、ａｆとの関係を示す場合、算出部３２０は、第４参照情報に基づきａ１およびａ２のうち長い方の値を導出しても良い。
　なお、第１のレンズ１３０および第２のレンズ１４０は本図の例に限定されず、いずれも凸レンズであっても良い、また、第１のレンズ１３０および第２のレンズ１４０はいずれも液晶レンズであっても良い。その場合、制御部３１０は、第２のレンズ１４０の移動体４０の速度範囲と、第２のレンズ１４０の駆動電圧との関係を示す第４参照情報を用いて第２のレンズ１４０の駆動電圧を算出する。
　以上、本実施例によれば、実施形態と同様、第１のレンズ１３０は、旋光部１２０を通過した光が通過し、第１の偏光方向の光を第２の偏光方向の光よりも強く収束または発散させるレンズである。したがって、光学装置１０の合焦位置を切り替えて複数の画像を得ることができる。ひいては、距離測定装置の小型化が可能となる。
　くわえて、本実施例によれば、制御部３１０が、光学装置１０の速度に基づいて第１のレンズ１３０の焦点距離および第２のレンズ１４０の焦点距離の少なくとも一方を制御する。したがって、速度に応じて距離の測定範囲や分解能が調整される。
　以上、図面を参照して実施形態及び実施例について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
　この出願は、２０１８年９月２０日に出願された日本出願特願２０１８－１７５６７６号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (16)

  1. 　第１の偏光方向または第２の偏光方向の光を透過させる偏光板と、
    　前記偏光板を通過した光の偏光方向の回転量を変更可能な旋光部と、
    　前記旋光部を通過した光が通過し、前記第１の偏光方向の光を前記第２の偏光方向の光よりも強く収束または発散させる第１のレンズと、
    　前記第１のレンズを通過した後の光または通過する前の光が通過する第２のレンズとを備える光学装置。
  2. 　請求項１に記載の光学装置において、
    　前記第１のレンズはレンズアレイによる複眼光学系を構成しない光学装置。
  3. 　請求項１または２に記載の光学装置において、
    　前記第１のレンズの直径は１ｍｍ以上である光学装置。
  4. 　請求項１から３のいずれか一項に記載の光学装置において、
    　前記第２のレンズは、前記第１の偏光方向の光を前記第２の偏光方向の光よりも強く収束または発散させる、または前記第２の偏光方向の光を前記第１の偏光方向の光よりも強く収束または発散させる光学装置。
  5. 　請求項４に記載の光学装置において、
    　前記第２のレンズは液晶レンズである光学装置。
  6. 　請求項４または５に記載の光学装置において、
    　前記第２のレンズの焦点距離を電気的に制御可能である光学装置。
  7. 　請求項４から６のいずれか一項に記載の光学装置において、
    　前記旋光部を通過した後の光が前記第２のレンズを通過し、
    　前記第２のレンズは、前記第２の偏光方向の光を前記第１の偏光方向の光よりも強く収束または発散させる光学装置。
  8. 　請求項１から３のいずれか一項に記載の光学装置において、
    　前記第２のレンズの焦点距離は偏光方向に依存しない光学装置。
  9. 　請求項１から８のいずれか一項に記載の光学装置において、
    　前記第１のレンズは液晶レンズである光学装置。
  10. 　請求項１から９のいずれか一項に記載の光学装置において、
    　前記第１のレンズの焦点距離を電気的に制御可能である光学装置。
  11. 　請求項１から１０のいずれか一項に記載の光学装置と、
    　前記偏光板、前記旋光部、前記第１のレンズ、および前記第２のレンズを通過した光を受光する撮像素子とを備える撮像装置。
  12. 　請求項１１に記載の撮像装置と、
    　前記旋光部の前記回転量を制御する制御部と、
    　前記撮像素子で得られる画像を処理することにより距離を算出する算出部とを備える測定装置。
  13. 　請求項１２に記載の測定装置において、
    　前記算出部は、前記回転量が第１の値であるときの前記画像と、前記回転量が第２の値であるときの前記画像とを用いて前記距離を算出する測定装置。
  14. 　請求項１２または１３に記載の測定装置において、
    　前記制御部は、前記第１のレンズの焦点距離および前記第２のレンズの焦点距離の少なくとも一方を制御し、
    　前記算出部は、前記第１のレンズの焦点距離および前記第２のレンズの焦点距離を用いて前記距離を算出する測定装置。
  15. 　請求項１４に記載の測定装置において、
    　前記制御部は、前記光学装置の高さに基づいて前記第１のレンズの焦点距離および前記第２のレンズの焦点距離の少なくとも一方を制御する測定装置。
  16. 　請求項１４に記載の測定装置において、
    　前記制御部は、前記光学装置の速度に基づいて前記第１のレンズの焦点距離および前記第２のレンズの焦点距離の少なくとも一方を制御する測定装置。
PCT/JP2019/036694 2018-09-20 2019-09-19 光学装置、撮像装置、および測定装置 WO2020059777A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018175676 2018-09-20
JP2018-175676 2018-09-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020059777A1 true WO2020059777A1 (ja) 2020-03-26

Family

ID=69887774

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2019/036694 WO2020059777A1 (ja) 2018-09-20 2019-09-19 光学装置、撮像装置、および測定装置

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2020059777A1 (ja)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005128518A (ja) * 2003-10-02 2005-05-19 Citizen Watch Co Ltd 可変焦点レンズ
JP2006107650A (ja) * 2004-10-06 2006-04-20 Sharp Corp 偏光レンズ素子及びそれを備えた光ピックアップ装置
JP2008309900A (ja) * 2007-06-12 2008-12-25 Olympus Corp 液晶光学素子、液晶光学素子を備えた光学系、液晶光学素子を備えた光学系を備えた画像取得装置
JP2013535018A (ja) * 2010-05-19 2013-09-09 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー 偏光投影光照射器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005128518A (ja) * 2003-10-02 2005-05-19 Citizen Watch Co Ltd 可変焦点レンズ
JP2006107650A (ja) * 2004-10-06 2006-04-20 Sharp Corp 偏光レンズ素子及びそれを備えた光ピックアップ装置
JP2008309900A (ja) * 2007-06-12 2008-12-25 Olympus Corp 液晶光学素子、液晶光学素子を備えた光学系、液晶光学素子を備えた光学系を備えた画像取得装置
JP2013535018A (ja) * 2010-05-19 2013-09-09 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー 偏光投影光照射器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107924104B (zh) 深度感测自动聚焦多相机系统
US9317114B2 (en) Display property determination
JP4673202B2 (ja) 画像入力装置
US10261345B2 (en) Imaging adjustment device and imaging adjustment method
JP2018523149A5 (ja)
JP2017003981A (ja) 表示装置及び表示装置の動作方法
KR102639757B1 (ko) 카메라 모듈 및 이를 포함하는 광학기기
CN113196141B (zh) 使用分段相位剖面液晶透镜的光学系统
JP2008026802A (ja) 撮像装置
KR102179981B1 (ko) 곡면 광학 센서에 대한 흔들림 방지 보정 시스템
US9462254B2 (en) Light field image capture device and image sensor
TW201213854A (en) Display device
CN101813867A (zh) 半通过镜头无反光镜相位比较对焦数码相机系统
US10043275B2 (en) Image processing apparatus, imaging apparatus, and image processing method
US20090027544A1 (en) Solid state optical motion compensation
WO2020059777A1 (ja) 光学装置、撮像装置、および測定装置
WO2013069279A1 (ja) 撮像装置
KR20200014204A (ko) 제어장치, 촬상장치, 및 기억매체
US20140139427A1 (en) Display device
KR20220086457A (ko) 가변 성능을 가지는 메타 광학 소자 및 이를 포함하는 전자 장치
US11506680B2 (en) Speed sensor, device for measuring speed and method thereof
KR102062765B1 (ko) 이미지 변환 메커니즘을 갖춘 3ｄ 이미지 캡쳐 시스템과 그 사용 방법
JP2012042869A (ja) 撮像装置、フォーカスレンズ位置決定方法およびプログラム
JP2012053197A (ja) 撮影システム
US9225958B2 (en) Video signal processor and method of processing video signal

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19863432

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19863432

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP