JP7249748B2 - 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においては、定在波が得られる周波数に対して駆動信号を自動追尾する制御（共振ロック）を行うことで、液体レンズシステムとして最も効率よく定在波を形成できる。
しかし、共振ロック付きの焦点距離可変レンズ装置においては、例えば画像測定動作中に共振ロックによる周波数の変化があると、同じ焦点距離が得られるタイミングが変化し、取得できる画像精度が低下するという問題があった。
具体的には、オペレータが画像測定中に、共振ロックによる周波数変化が大きいと、表示画像にちらつきのような瞬間的な変化が生じ、オペレータが視覚的に違和感を受けて船酔いのような負担を強いられることがあった。
そこで、焦点距離可変レンズ装置において、共振ロックに起因する視覚的な違和感を低減ないし解消した高品質な画像が得られるようにすることが求められていた。

本発明の目的は、定在波を効率的に生成できるとともに、高品質な画像を取得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液体レンズシステムと、前記液体レンズシステムに前記駆動信号を出力する駆動制御部とを有し、前記駆動制御部は、前記液体レンズシステムの共振周波数に追従して前記駆動信号の周波数を変化させる共振ロック制御部と、前記共振ロック制御部による前記駆動信号の周波数の変化を遅延させる追従遅延部と、を有することを特徴とする。

本発明において、追従遅延部としては、例えば、共振ロック制御部による駆動信号の周波数の変化を遅らせる時間遅延要素を用いることができる。または、駆動信号の周波数の時間あたりの変化量や変化率を制限するリミッタ要素を用いて変化を遅延させてもよい。
このような本発明によれば、共振ロック制御部による駆動信号の周波数の変化量や変化率が大きい場合でも、変化を遅延させることで緩やかな変化に抑えることができ、周波数の過大な変化による測定画像のちらつき等の品質低下を回避できる。その結果、焦点距離可変レンズ装置において、定在波を効率的に生成しつつ、高品質な画像を得ることができる。
なお、駆動制御部に処理能力が高いコンピュータシステムを用いることで、共振ロック制御部における処理サイクルを高速化することができ、その結果、１サイクルあたりの周波数の変化量や変化率を小さくでき、画像のちらつき等を回避できる。しかし、処理能力が高いコンピュータシステムは高価であり、容易に利用することができない。しかし、本発明によれば、追従遅延部により、共振ロック制御のサイクルを高速化することなしに画像のちらつき等を回避でき、処理能力が高いコンピュータシステムの必要性を解消でき、安価な焦点距離可変レンズ装置が容易に得られる。

本発明の焦点距離可変レンズ装置において、前記追従遅延部は、ローパスフィルタであることが好ましい。
このような本発明では、共振ロック制御部で周波数が変更された駆動信号に対して、周波数変化の高周波成分（変化挙動が高速な成分）が除外され、駆動信号の低周波成分（変化挙動が低速な成分）だけが液体レンズシステムに入力される。周波数変化の低周波成分に限定された結果、液体レンズシステムの共振周波数に追従して変化される駆動信号は、元が急峻な変化であっても緩やかな変化に抑制される。これにより、ローパスフィルタを用いて駆動信号の変化の遅延機能が得られる。
また、追従遅延部として、共振ロック制御部から出力される駆動信号にローパスフィルタを適用するという簡単な構成でよく、安定した機能を安価に得ることができる。

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の有効または無効の切り替え、および、前記追従遅延部の有効または無効を切り替える共振ロック操作部を有することが好ましい。
このような本発明では、共振ロック制御部の有効または無効を随時選択できるとともに、共振ロック制御部の有効時に追従遅延部の有効または無効を随時選択でき、オペレータが画像品質を見ながら所望の表示を得ることができる。

本発明の焦点距離可変レンズ装置の制御方法は、入力される駆動信号に応じて屈折率が変化する液体レンズシステムと、前記液体レンズシステムに前記駆動信号を出力する駆動制御部とを用い、前記駆動信号を前記液体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を行うとともに、前記共振ロック制御による前記駆動信号の周波数の変化量が所定の制限値を超えた際に前記駆動信号の周波数の変化を遅延させることを特徴とする。
このような本発明では、前述した本発明の焦点距離可変レンズ装置で説明した通りの効果を得ることができる。

本発明によれば、定在波を効率的に生成できるとともに、高品質な画像を取得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ができる。

本発明の焦点距離可変レンズ装置の一実施形態を示す模式図。 前記実施形態の液体レンズユニットの構成を示す模式図。 前記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。 前記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。 前記実施形態の制御部分を示すブロック図。 前記実施形態で遅延された駆動信号の周波数の変化を示すグラフ。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
〔焦点距離可変レンズ装置１〕
図１において、焦点距離可変レンズ装置１は、焦点距離を可変しつつ測定対象物９の表面の画像を検出するものである。
このために、焦点距離可変レンズ装置１は、当該表面に交差する同じ光軸Ａ上に配置された対物レンズ２および液体レンズユニット３と、対物レンズ２および液体レンズユニット３を通して得られる測定対象物９の画像を検出する画像検出部４と、測定対象物９の表面を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、内部に液体レンズシステムが構成され、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６〕
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および発光信号Ｃｉおよび画像検出信号Ｃｃにより制御される。この際、レンズ制御部６には、液体レンズユニット３の振動状態Ｖｆとして、液体レンズユニット３に加えられる有効電力あるいは駆動電流などが返される。
レンズ制御部６は、液体レンズユニット３に駆動信号Ｃｆを出力する駆動制御部６１と、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、共振ロック制御部６１１および追従遅延部６１２を有する。

〔共振ロック制御部６１１〕
共振ロック制御部６１１は、入力される駆動信号Ｃｆに基づいて液体レンズユニット３が振動した際に、液体レンズユニット３に加えられる有効電力あるいは駆動電流から、液体レンズユニット３の振動状態Ｖｆを検出する。そして、液体レンズユニット３の振動状態Ｖｆを参照して駆動信号Ｃｆの周波数を変化させることで、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ことができる。なお、振動状態Ｖｆは、液体レンズユニット３に設置した振動センサで検出してもよい。

〔追従遅延部６１２〕
追従遅延部６１２は、共振ロック制御部６１１の出力段に接続されたローパスフィルタであり、共振ロック制御部６１１による駆動信号Ｃｆの周波数の変化を遅延させる機能を有する。
すなわち、ローパスフィルタにより、共振ロック制御部６１１で変更された駆動信号Ｃｆの周波数変化から高周波成分が除外され、挙動が低速な低周波成分だけが液体レンズユニット３に入力される。駆動信号Ｃｆの周波数変化が低周波成分に限定された結果、液体レンズユニット３の共振周波数に追従して変更される駆動信号Ｃｆの周波数は、元が急峻な変化であっても緩やかな変化に抑制される。これにより、ローパスフィルタを用いて駆動信号Ｃｆの変化の遅延機能が得られる。

図６において、駆動信号Ｃｆは、共振ロック制御部６１１による共振ロック制御により、時刻Ｔ１までの区間では周波数が緩やかに減少し、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの区間では急に減少し、時刻Ｔ２からは再び緩やかに減少したとする。追従遅延部６１２がない場合には、図６の駆動信号Ｃｆがそのまま液体レンズユニット３に出力される。
これに対し、追従遅延部６１２は、時刻Ｔ１からの急な減少を遅延時間ｄＴだけ遅らせ、その結果、駆動信号Ｃｆは時刻Ｔ３から急な減少状態に達する。また、追従遅延部６１２は、時刻Ｔ２からの急な減少を遅延時間ｄＴだけ遅らせ、その結果、駆動信号Ｃｆは時刻Ｔ４から緩やかな減少状態に戻る。
従って、追従遅延部６１２により、駆動信号Ｃｆの周波数の変化状態が急激であっても、この変化を遅延させて、緩やかな変化に制限することができる。

〔制御用ＰＣ７〕
駆動制御部６１には、レンズ制御部６の設定などの画像検出条件を操作するために、制御用ＰＣ７が接続されている。
制御用ＰＣ７は、画像検出条件の設定などのレンズ制御部６に対する操作を行うレンズ操作部７１と、画像検出部４から検出画像Ｉｍを取り込んで処理する画像処理部７２と、焦点距離可変レンズ装置１に対するユーザの操作を受け付ける操作インターフェイス７３と、を有する。
レンズ操作部７１は、共振ロック操作部７１１を有する。
共振ロック操作部７１１は、駆動制御部６１における共振ロック制御部６１１の有効または無効を切り換えることができる。
また、共振ロック操作部７１１は、共振ロック制御部６１１が有効な状態で、追従遅延部６１２の有効または無効を切り替えることができる。

〔実施形態の効果〕
本実施形態によれば、共振ロック制御部６１１による駆動信号Ｃｆの周波数の変化量や変化率が大きい場合でも、変化を遅延させることで緩やかな変化に抑えることができ、周波数の過大な変化による測定画像のちらつき等の品質低下を回避できる。その結果、焦点距離可変レンズ装置１において、定在波を効率的に生成しつつ、高品質な画像を得ることができる。
また、追従遅延部６１２により画像のちらつき等を回避できるため、共振ロック制御のサイクルを高速化するための処理能力が高いコンピュータシステムの必要性を解消でき、安価な焦点距離可変レンズ装置１が容易に得られる。

前記実施形態では、追従遅延部６１２としてローパスフィルタを用いたため、追従遅延部６１２を簡単な構成とすることができ、安定した機能を安価に得ることができる。
前記実施形態では、共振ロック操作部７１１により、共振ロック制御部６１１の有効または無効の切り替え、および、追従遅延部６１２の有効または無効を切り替えるようにしたため、オペレータが画像品質を見ながら所望の表示を得ることができる。

なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは本発明に含まれる。
前記実施形態では、追従遅延部６１２として、共振ロック制御部６１１の出力段に接続されたローパスフィルタを用い、駆動信号Ｃｆの周波数の変化を遅らせるようにした。これに対し、時間遅延要素を用いて駆動信号Ｃｆの周波数の変化を遅らせるようにしてもよく、あるいは、駆動信号Ｃｆの周波数の時間あたりの変化量や変化率を制限するリミッタ要素を用いて変化を遅延させてもよい。

前記実施形態では、共振ロック操作部７１１により、共振ロック制御部６１１の有効または無効の切り替え、および、追従遅延部６１２の有効または無効を切り替えるようにしたが、切り替えなしに追従遅延部６１２を常時有効にしてもよく、同様に共振ロック制御部６１１を常時有効にしてもよい。

前記実施形態では、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…共振ロック制御部、６１２…追従遅延部、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、ｄＴ…遅延時間、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、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４…時刻、Ｖｆ…振動状態、Ｗ…屈折率分布。

Claims (4)

1. 入力される駆動信号に応じて屈折率が変化する液体レンズシステムと、前記液体レンズシステムに前記駆動信号を出力する駆動制御部とを有し、
   前記駆動制御部は、前記液体レンズシステムで定在波が得られる前記液体レンズシステムの現在の共振周波数に追従して前記駆動信号の周波数を変化させる共振ロック制御部と、前記共振ロック制御部による前記駆動信号の周波数の変化を遅延させる追従遅延部と、を有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に記載の焦点距離可変レンズ装置において、
   前記追従遅延部は、ローパスフィルタであることを特徴とする焦点距離可変レンズ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載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の有効または無効の切り替え、および、前記追従遅延部の有効または無効を切り替える共振ロック操作部を有することを特徴とする焦点距離可変レンズ装置。
4. 入力される駆動信号に応じて屈折率が変化する液体レンズシステムと、前記液体レンズシステムに前記駆動信号を出力する駆動制御部とを用い、
   前記駆動信号を前記液体レンズシステムで定在波が得られる前記液体レンズシステムの現在の共振周波数に追従させる共振ロック制御を行うとともに、前記共振ロック制御による前記駆動信号の周波数の変化量が所定の制限値を超えた際に前記駆動信号の周波数の変化を遅延させ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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