(57)【要約】【課題】合焦画像を簡単に取得できる焦点距離可変レンズ装置を提供する。【解決手段】焦点距離可変レンズ装置１は、入力される駆動信号に応じて合焦位置が周期的に変化する焦点距離可変レンズ１０と、焦点距離可変レンズ１０を介して観察対象物Ｗに検出光を照射する光源６と、観察対象物Ｗで反射された検出光を受光して受光信号Ｓｄを出力する受光部８と、入力される受光信号Ｓｄに基づき、検出光が観察対象物Ｗの表面で合焦した合焦タイミングに同期した発光信号Ｃｉを出力する信号処理部と、入力される発光信号Ｃｉに基づいて観察対象物Ｗに照明光をパルス照射する照明部４と、焦点距離可変レンズ１０を通して観察対象物Ｗを撮像する撮像部５と、を備える。【選択図】図１
2020021014.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力される駆動信号に応じて合焦位置が周期的に変化する焦点距離可変レンズと、
前記焦点距離可変レンズを介して観察対象物に検出光を照射する光源と、
前記観察対象物で反射された前記検出光を受光して受光信号を出力する受光部と、
入力される前記受光信号に基づき、前記検出光が前記観察対象物の表面で合焦した合焦タイミングに同期した発光信号を出力する信号処理部と、
入力される前記発光信号に基づいて前記観察対象物に照明光をパルス照射する照明部と、
前記焦点距離可変レンズを通して前記観察対象物を撮像する撮像部と、を備えることを特徴とする焦点距離可変レンズ装置。
【請求項２】
請求項１に記載された焦点距離可変レンズ装置において、
前記焦点距離可変レンズは、
入力される前記駆動信号に応じて屈折率が周期的に変化する液体レンズユニットと、
前記液体レンズユニットと同じ光軸上に配置された対物レンズと、
前記対物レンズの射出瞳と前記液体レンズユニットの主点位置とを共役にするよう配置された複数のリレーレンズと、を備えることを特徴とする焦点距離可変レンズ装置。
【請求項３】
入力される駆動信号に応じて合焦位置が周期的に変化する焦点距離可変レンズと、
前記焦点距離可変レンズを介して観察対象物に光を照射する光源と、
前記観察対象物で反射された後に前記焦点距離可変レンズによる合焦位置に対して共役関係をなす位置を通る光を導く導光部と、
前記導光部に導かれた光を前記観察対象物に照射する照明光学系と、
前記焦点距離可変レンズを通して前記観察対象物を撮像する撮像部と、
を備えることを特徴とする焦点距離可変レンズ装置。
【請求項４】
請求項３に記載された焦点距離可変レンズ装置において、
前記照明光学系は、前記導光部から出射した光を拡散させる拡散板を含んでいることを特徴とする焦点距離可変レンズ装置。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載された焦点距離可変レンズ装置において、
前記焦点距離可変レンズは、
前記駆動信号に応じて屈折率が周期的に変化する液体レンズユニットと、
前記液体レンズユニットと同じ光軸上に配置された対物レンズと、
前記対物レンズの射出瞳と前記液体レンズユニットの主点位置とを共役にするよう配置された複数のリレーレンズと、を備えることを特徴とする焦点距離可変レンズ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦点距離可変レンズ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、屈折率が周期的に変化する液体レンズシステム（以下、単にレンズシステムと呼ぶ）を利用した焦点距離可変レンズが開発されている（例えば特許文献１参照）。
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。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ことで、液体には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。このため、レンズシステムにおいて、振動部材の中心軸線に沿って光を通せば、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。
【０００３】
焦点距離可変レンズは、前述したレンズシステムと、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。
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、焦点距離可変レンズに平行光を入射させると、当該平行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。
【０００４】
焦点距離可変レンズを組み込んだ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の焦点位置を一定の範囲内（対物レンズの焦点位置を基準としてレンズシステムにより変化させることのできる所定の範囲内）で任意に制御することができる。
【０００５】
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の焦点位置は対物レンズの焦点位置と一致する。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位置は対物レンズの焦点位置から最も離れた状態となる。
【０００６】
このような焦点距離可変レンズ装置において、観察対象物の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た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位置のうち、所定の焦点位置にある状態でパルス照明を行うことで、この焦点位置にある観察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、同時に複数の焦点位置の画像を得ることもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０１７７３７６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述した焦点距離可変レンズ装置においては、パルス照明のタイミングを調整することにより、焦点位置が観察対象物の表面に一致した瞬間の画像（合焦画像）を取得することができる。しかし、パルス照明のタイミング調整は、画像のコントラスト情報などを元にして手動で行われるため、多くの手間と時間を必要とする。
【０００９】
本発明の目的は、合焦画像を簡単に取得できる焦点距離可変レンズ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様による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合焦位置が周期的に変化する焦点距離可変レンズと、前記焦点距離可変レンズを介して観察対象物に検出光を照射する光源と、前記観察対象物で反射された前記検出光を受光して受光信号を出力する受光部と、入力される前記受光信号に基づき、前記検出光が前記観察対象物の表面で合焦した合焦タイミングに同期した発光信号を出力する信号処理部と、入力される前記発光信号に基づいて前記観察対象物に照明光をパルス照射する照明部と、前記焦点距離可変レンズを通して前記観察対象物を撮像する撮像部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明では、焦点距離可変レンズによる合焦位置が、入力される駆動信号に応じて周期的に変化する。このため、光源から出射された検出光は、焦点距離可変レンズを通過することにより、光軸方向の集光位置を変化させながら観察対象物に照射される。
受光部は、観察対象物で反射された検出光を受光して受光信号を出力する。信号処理部は、受光部から入力された受光信号に基づき、検出光が観察対象物の表面で合焦した合焦タイミングに同期した発光信号を出力する。
なお、受光信号に基づいて合焦タイミングを求める方法は、共焦点法、ダブルピンホール法、非点収差法、ナイフエッジ法など、様々な焦点検出法を利用することができる。例えば、共焦点法を利用する場合、受光部は、焦点距離可変レンズによる合焦位置が観察対象物の表面に一致しているときに受光信号がピークとなるよう配置される。これにより、信号処理部は、受光信号のピークを合焦タイミングとして検出し、当該合焦タイミングに同期した発光信号を出力することができる。
【００１２】
照明部は、信号処理部から入力された発光信号に基づいて、観察対象物に照明光を照射する。すなわち、観察対象物は、合焦タイミングに合わせて照明光をパルス照射される。このため、撮像部は、焦点距離可変レンズによる合焦位置が観察対象物の表面に一致したときの画像（合焦画像）を取得することができる。
以上のように、本発明では、合焦画像を取得するためのパルス照明のタイミングが自動で調整され、従来技術のような手動での調整を必要としない。よって、観察対象物の合焦画像を簡単に取得することができる。
なお、本発明におけるパルス照射とは、撮像部が焦点ブレに問題のない画像を取得できる程度の極短い時間、照明光が照射されることを意味しており、当該パルス照射は、焦点距離可変レンズの駆動周期に合わせて繰り返されてもよいし、１回単独であってもよい。
【００１３】
本発明の焦点距離可変レンズ装置において、前記焦点距離可変レンズは、入力される前記駆動信号に応じて屈折率が周期的に変化する液体レンズユニットと、前液体レンズユニットと同じ光軸上に配置された対物レンズと、前記対物レンズの射出瞳と前記液体レンズユニットの主点位置とを共役にするよう配置された複数のリレーレンズと、を備えることが好ましい。
本発明では、焦点距離可変レンズによる合焦位置が変動しても、撮像部に入射する像の倍率は一定になるため、視野の変動がなく良好な観察が可能である。
【００１４】
本発明の他の態様による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合焦位置が周期的に変化する焦点距離可変レンズと、前記焦点距離可変レンズを介して観察対象物に光を照射する光源と、前記観察対象物で反射された後に前記焦点距離可変レンズによる合焦位置に対して共役関係をなす位置を通る光を導く導光部と、前記導光部に導かれた光を前記観察対象物に照射する照明光学系と、前記焦点距離可変レンズを通して前記観察対象物を撮像する撮像部と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明では、上述した一態様と同様、焦点距離可変レンズによる合焦位置は、入力される駆動信号に応じて周期的に変化する。このため、光源から出射された光は、焦点距離可変レンズを通過することにより、光軸方向の集光位置を変化させながら観察対象物に照射される。
ここで、光源からの光が観察対象物の表面で合焦した合焦タイミングのときのみ、当該観察対象物で反射された光は、焦点距離可変レンズの後側焦点位置で集光され、導光部に入射する。そして、導光部に導かれた光は、照明光学系を介して観察対象物に照射される。すなわち、本発明では、光源から出射して観察対象物で反射された光が、合焦タイミングにのみ、戻り光として観察対象物に照射される。このため、観察対象物は、合焦タイミングに合わせて光をパルス照射される。よって、撮像部は、合焦位置が観察対象物の表面に一致したときの画像（合焦画像）を取得することができる。
【００１６】
したがって、本発明では、合焦画像を取得するためのパルス照明のタイミングが自動で調整され、従来技術のような手動での調整を必要としない。よって、観察対象物の合焦画像を簡単に取得することができる。
また、本発明では、照明光源や発光信号の処理装置を必要せず、コストを削減することができる。
【００１７】
本発明の焦点距離可変レンズ装置において、前記照明光学系は、前記導光部から出射した光を拡散させる拡散板を含んでいることが好ましい。
本発明では、観察対象物に照射される光の開口数を高めることができるため、照明状態の選択肢を増やすことができる。
【００１８】
本発明の焦点距離可変レンズ装置において、前記焦点距離可変レンズは、前記駆動信号に応じて屈折率が周期的に変化する液体レンズユニットと、前記液体レンズユニットと同じ光軸上に配置された対物レンズと、前記対物レンズの射出瞳と前記液体レンズユニットの主点位置とを共役にするよう配置された複数のリレーレンズと、を備えることが好ましい。
本発明では、焦点距離可変レンズによる合焦位置が変動しても、撮像部に入射する像の倍率は一定になるため、視野の変動がなく良好な観察が可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、合焦画像を簡単に取得できる焦点距離可変レンズ装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る焦点距離可変レンズ装置を示す模式図。
【図２】前記第１実施形態の液体レンズユニットの構成を示す模式図。
【図３】前記第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。
【図４】前記第１実施形態の液体レンズユニットによる合焦位置を示す模式図。
【図５】前記第１実施形態の制御部の構成を模式的に示すブロック図。
【図６】前記第１実施形態の合焦位置、受光信号および発光信号を示すグラフ。
【図７】本発明の第２実施形態に係る焦点距離可変レンズ装置を示す模式図。
【図８】前記第２実施形態の照明光学系を示す模式図。
【図９】前記第２実施形態の変形例による照明光学系を示す模式図。
【図１０】前記第２実施形態の変形例による照明光学系の拡散板を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の各実施形態を図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
図１に示すように、焦点距離可変レンズ装置１は、周期的に合焦位置が変化する焦点距離可変レンズ１０を含んで構成され、焦点距離可変レンズ１０を通る光軸Ａに交差して配置された観察対象物Ｗの画像を取得するものである。
具体的には、焦点距離可変レンズ装置１は、検出光を出射する光源６と、検出光の光路を形成する光学系（導光部７およびコリメートレンズ７５）と、焦点距離可変レンズ１０を構成する対物レンズ２および液体レンズユニット３と、観察対象物Ｗで反射された検出光を受光する受光部８と、観察対象物Ｗに照明光をパルス照射する照明部４と、焦点距離可変レンズ１０を通して観察対象物Ｗを撮像する撮像部５と、を備えている。
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の動作を制御するレンズ制御部９５と、レンズ制御部９５を操作するための制御部９と、を備えている。制御部９は、受光信号Ｓｄを取り込んで処理し、照明部４に発光信号Ｃｉを出力する機能も含んでいる。
【００２２】
（焦点距離可変レンズ）
図１に示すように、焦点距離可変レンズ１０は、対物レンズ２および液体レンズユニット３を含んで構成される。
対物レンズ２は、既存の凸レンズあるいはレンズ群で構成される。対物レンズ２は、液体レンズユニット３と同じ光軸Ａ上に配置されている。
液体レンズユニット３は、内部にレンズシステムが構成され、レンズ制御部９５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１０を通過する光の合焦位置Ｐｆ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。
【００２３】
図２〜図４は、焦点距離可変レンズ１０の基本的構成を説明するためのものであり、図２および図４では、焦点距離可変レンズ１０のうち、対物レンズ２の射出瞳のリレー行うリレーレンズ５２，５３等の図示を省略している。
図２において、液体レンズユニット３は、円筒形のケース３１を有し、ケース３１の内部には円筒状の振動部材３２が設置されている。振動部材３２は、その外周面３３とケース３１の内周面との間に介装されたエラストマ製のスペーサ３９で支持されている。
振動部材３２は、圧電材料を円筒状に形成したものであり、外周面３３と内周面３４との間に駆動信号Ｃｆの交流電圧が印加されることで、厚み方向に振動する。
ケース３１の内部には、透過性の高い液体３５が充填されており、振動部材３２は全体を液体３５に浸漬され、円筒状の振動部材３２の内側は液体３５で満たされている。駆動信号Ｃｆの交流電圧は、振動部材３２の内側にある液体３５に定在波を発生させる周波数に調整されている。
【００２４】
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Ｒのようになる。
【００２５】
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Ｒ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、これにより合焦位置Ｐｆが正弦波状に変動する。なお、図４では、対物レンズ２の焦点位置から合焦位置Ｐｆまでの距離Ｄが示される。
図４（Ａ）の状態では、屈折率分布Ｒ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、合焦位置Ｐｆは対物レンズ２に最も近くなっている。
図４（Ｂ）の状態では、屈折率分布Ｒ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、合焦位置Ｐｆ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Ｒ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、合焦位置Ｐｆは対物レンズ２から最も遠くなっている。
図４（Ｄ）の状態では、再び屈折率分布Ｒ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、合焦位置Ｐｆ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１０においては、駆動信号Ｃｆは正弦波状の交流信号であり、合焦位置Ｐｆも、図４の焦点変動波形Ｍｆのように正弦波状に変動する。
なお、焦点距離可変レンズ１０では、焦点距離可変レンズ１０の主点が変動することで、焦点距離（焦点距離可変レンズ１０の主点から合焦位置Ｐｆまでの距離）が一定のまま、合焦位置Ｐｆが変化する場合も含む。
【００２６】
また、図１に示すように、焦点距離可変レンズ１０は、上述した対物レンズ２および液体レンズユニット３だけでなく、リレーレンズ５２，５３および絞り５４を含む。リレーレンズ５２，５３は、対物レンズ２の射出瞳と液体レンズユニット３の主点位置とを共役にするように、対物レンズ２および液体レンズユニット３の間に配置され、絞り５４は、リレーレンズ５２，５３間に配置される。リレーレンズ５２，５３および絞り５４は、テレセントリック光学系を保ちながら対物レンズ２の射出瞳のリレーを行うため、焦点距離可変レンズ１０による合焦位置Ｐｆが変動しても、撮像部５に入射する像の倍率は一定になる。
【００２７】
（撮像光学系）
焦点距離可変レンズ装置１において撮像を行うための撮像光学系について、図１を参照して説明する。
照明部４は、観察対象物Ｗに照明光Ｌｉをパルス照射するものであり、照明光Ｌｉを出射する照明光源４１、照明光源４１から出射した照明光Ｌｉを導くライトガイド４２、および、ライトガイド４２から出射した照明光Ｌｉを調整して対物レンズ２に入射させる照明光学系４３を有する。
照明光源４１は、ＬＥＤなどの発光素子を含んで構成され、入力されるパルス状の発光信号Ｃｉに基づいて照明光Ｌｉを出射する。具体的には、照明光源４１は、発光信号Ｃｉがハイレベルの間だけ照明光Ｌｉを出射し、発光信号Ｃｉがローレベルの間は照明光Ｌｉの出射を停止する。
ライトガイド４２は、光ファイバなどから構成され、照明光源４１に接続されている。ライトガイド４２は、照明光源４１から出射された照明光Ｌｉを、照明光学系４３に伝送する。
【００２８】
照明光学系４３は、コレクタレンズ４４、コンデンサレンズ４５、視野絞り４６および開口絞り４７を有しており、ライトガイド４２から伝搬された照明光Ｌｉを適宜調整して対物レンズ２に入射させる。
また、照明光学系４３は、対物レンズ２と後述のリレーレンズ５２との間に配置されたビームスプリッタ４８を有している。ビームスプリッタ４８は、コンデンサレンズ４５側から入射する照明光Ｌｉを対物レンズ２側に反射する。ビームスプリッタ４８で反射された照明光Ｌｉは、対物レンズ２を介して観察対象物Ｗに照射される。
また、ビームスプリッタ４８は、リレーレンズ５２側から入射する光（後述の検出光Ｌｓ）を対物レンズ２側に透過させると共に、観察対象物Ｗで反射して対物レンズ２側から入射する光（照明光Ｌｉ、検出光Ｌｓ）をリレーレンズ５２側に透過させる。
【００２９】
撮像光学系５１は、ビームスプリッタ５５、反射板５６および結像レンズ５７を備えている。
ビームスプリッタ５５は、焦点距離可変レンズ１０とコリメートレンズ７５との間に配置される。ビームスプリッタ５５は、焦点距離可変レンズ１０側から入射する光（照明光Ｌｉおよび検出光Ｌｓを含む光）を分離し、一方の光束を反射板５６側に反射すると共に、他方の光束をコリメートレンズ７５側に透過させる。また、ビームスプリッタ５５は、コリメートレンズ７５側から入射する光（検出光Ｌｓ）を焦点距離可変レンズ１０側に透過させる。
ビームスプリッタ５５で反射された一方の光束は、反射板５６で反射された後、結像レンズ５７によって撮像部５上で結像する。
【００３０】
撮像部５は、既存のＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサなどにより構成されている。撮像部５は、焦点距離可変レンズ１０を通して観察対象物Ｗを撮像し、撮像した画像Ｉｍを所定の信号形式で制御部９に出力する。
【００３１】
（検出光学系）
次に、焦点距離可変レンズ装置１において、受光信号Ｓｄを取得するための検出光学系について説明する。
光源６は、例えばレーザ光源であり、照明光Ｌｉとは異なる波長の検出光Ｌｓを連続的に出射する。
導光部７は、ファイバスプリッタ７１および光ファイバ７２〜７４を有する。ファイバスプリッタ７１は、光ファイバ７２〜７４のそれぞれの一端部が接合される光路を有しており、光ファイバ７３から入射される光を光ファイバ７２に導き、光ファイバ７２から入射される光を光ファイバ７４に導くように構成されている。
【００３２】
光ファイバ７３の他端部は、光源６に接続されている。このため、光源６から出射した検出光Ｌｓは、光ファイバ７３、ファイバスプリッタ７１、および光ファイバ７２を経由し、光ファイバ７２の端面７２０から出射する。ここで、光ファイバ７２の端面７２０は、点光源として機能する。
また、光ファイバ７４の他端部は、受光部８に接続されている。このため、光ファイバ７２の端面７２０に入射された検出光Ｌｓは、光ファイバ７２、ファイバスプリッタ７１および光ファイバ７４を経由して受光部８に入射される。
ここで、光ファイバ７２の端面７２０は、コリメートレンズ７５の後側焦点位置Ｐｃに配置されている。すなわち、光ファイバ７２の端面７２０は、焦点距離可変レンズ１０による合焦位置Ｐｆに対して共役関係を成す位置に配置されている。
【００３３】
コリメートレンズ７５は、光軸Ａ上において、光ファイバ７２の端面７２０と、焦点距離可変レンズ１０との間に配置される。
コリメートレンズ７５は、光ファイバ７２の端面７２０から出射した検出光Ｌｓを平行光に変換し、焦点距離可変レンズ１０に入射させる。また、コリメートレンズ７５は、観察対象物Ｗで反射して焦点距離可変レンズ１０を再通過した検出光Ｌｓを集光する。
【００３４】
受光部８は、例えば光電子倍増管やフォトダイオード等であり、光ファイバ７４の他端部に接続されている。受光部８は、光ファイバ７４を介して入射される検出光Ｌｓを受光し、受光した光の強度に応じた受光信号Ｓｄを出力する。
【００３５】
以上の構成において、光源６から出射した検出光Ｌｓは、導光部７を経由して光ファイバ７２の端面７２０から出射した後、コリメートレンズ７５によって光軸Ａに沿って平行化され、焦点距離可変レンズ１０を介して観察対象物Ｗに照射される。観察対象物Ｗの表面で反射された検出光Ｌｓは、焦点距離可変レンズ１０を再通過した後、コリメートレンズ７５により集光される。
ここで、焦点距離可変レンズ１０による合焦位置Ｐｆは、光軸Ａ方向に周期的に変化するものである。このため、合焦位置Ｐｆが観察対象物Ｗの表面に一致しているときのみ、当該表面で反射した検出光Ｌｓが、コリメートレンズ７５の後側焦点位置Ｐｃにスポットを形成し、光ファイバ７２の端面７２０に入射される。
よって、受光部８に入射される検出光Ｌｓは、合焦位置Ｐｆが観察対象物Ｗの表面に一致しているときに極大化する。すなわち、受光部８が出力する受光信号Ｓｄは、合焦位置Ｐｆが観察対象物Ｗの表面に一致したときにピークを示す。
【００３６】
（制御部）
図５に示すように、制御部９は、例えばＣＰＵ（Central Precessing Unit）およびメモリ等を有するパーソナルコンピュータ等により構成される。制御部９は、所定の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ものであり、レンズ制御部９５の設定を行うレンズ設定部９１と、入力される各種信号の処理を行う信号処理部９２と、画像処理部９３とを有する。
レンズ設定部９１は、レンズ制御部９５に対して、駆動信号Ｃｆの周波数、振幅、最大駆動電圧の設定などを行う。
なお、液体レンズユニット３は、周囲温度の変化等により共振変化数が変化する。このため、レンズ設定部９１は、フィードバック制御により駆動信号Ｃｆの周波数をリアルタイムに変化させ、液体レンズユニット３の安定した動作を実現する。
【００３７】
信号処理部９２は、入力される受光信号Ｓｄに基づいて照明光源４１に発光信号Ｃｉを出力する。
画像処理部９３は、撮像部５から画像Ｉｍを取り込んで所定の処理を行う。
レンズ制御部９５は、駆動信号Ｃｆを液体レンズユニット３に出力することにより、液体レンズユニット３の動作を制御する。
【００３８】
（パルス照明）
次に、本実施形態におけるパルス照明の方法について説明する。
焦点距離可変レンズ１０の動作開始後、信号処理部９２は、図６に示すような受光信号Ｓｄを取得する。
図６において、焦点距離可変レンズ１０による合焦位置Ｐｆは、駆動信号Ｃｆに同期して周期的に変化している。なお、図６には、光軸Ａ上の合焦位置Ｐｆの変化範囲における観察対象物Ｗの表面の位置（観察対象物位置Ｐｗを）を例示している。受光信号Ｓｄは、合焦位置Ｐｆが観察対象物位置Ｐｗに一致したタイミング（合焦タイミングＴ）でピークを示し、駆動信号Ｃｆの１周期当たりに２回のピークを示す。
【００３９】
図６に示すように、信号処理部９２は、受光信号Ｓｄが閾値Ｖｔ以上になったタイミングで発光信号Ｃｉをハイレベルにし、所定時間Δｔ経過後、発光信号Ｃｉをローレベルに切り替える。また、信号処理部９２は、受光信号Ｓｄの値が閾値Ｖｔより小さい間、発光信号Ｃｉをローレベルに維持している。
【００４０】
照明光源４１は、入力された発光信号Ｃｉがハイレベルの間、照明光Ｌｉの照射を継続する。ここで、発光信号Ｃｉがハイレベルを維持する所定時間Δｔは、撮像部５が焦点ブレに問題のない画像を取得できる程度の極短い時間に設定されており、照明光源４１は、照明光Ｌｉをパルス照射する。
なお、受光信号Ｓｄの閾値Ｖｔは、特に限定されないが、発光信号Ｃｉのハイレベル期間（照明光Ｌｉがパルス照射される期間）と、受光信号Ｓｄのピーク（合焦タイミングＴ）とが重なるように設定される。これにより、信号処理部９２は、合焦タイミングＴに同期した発光信号Ｃｉを照明光源４１に出力できる。
【００４１】
従って、焦点距離可変レンズ装置１では、照明部４が、発光信号Ｃｉに基づき、合焦タイミングＴを含む極短期間、照明光Ｌｉを観察対象物Ｗにパルス照射する。観察対象物Ｗに照射された照明光Ｌｉは、焦点距離可変レンズ１０および結像レンズ５７等を介して像を形成し、撮像部５に入射する。撮像部５は、照明光Ｌｉにより形成された観察対象物Ｗの像を撮像する。これにより、撮像部５は、合焦位置Ｐｆが観察対象物位置Ｐｗに一致したときの画像（合焦画像）を撮像することができる。
【００４２】
なお、受光部８に入射する光束には、検出光Ｌｓの他に照明光Ｌｉ由来の光が含まれてもよい。同様に、撮像部５に入射する光束には、照明光Ｌｉの他に検出光Ｌｓ由来の光が含まれていてもよい。本実施形態では、検出光Ｌｓおよび照明光Ｌｉの各波長が異なっており、かつ、受光部８の検出波長および撮像部５の撮像波長が互いに異なっているため、合焦画像における検出光Ｌｓ由来の光スポットの影響を抑制することができる。
また、照明部４によるパルス照射は、撮像部５が焦点ブレに問題のない画像を取得できる程度の極短い時間、照明光Ｌｉが照射されるものであればよく、当該パルス照射は、焦点距離可変レンズの駆動周期に合わせて合焦タイミングＴ毎に繰り返されてもよいし、任意の１回単独であってもよい。
【００４３】
〔第１実施形態の効果〕
以上のように、本実施形態の焦点距離可変レンズ装置１では、信号処理部９２が、入力される受光信号Ｓｄに基づき、合焦タイミングＴに同期した発光信号Ｃｉを出力する。そして、照明部４は、入力される発光信号Ｃｉに基づいて観察対象物Ｗに照明光Ｌｉをパルス照射する。このため、合焦画像を取得するためのパルス照明のタイミングが自動で調整され、従来技術のような手動での調整を必要としない。よって、観察対象物Ｗの合焦画像を簡単に取得することができる。
また、本実施形態の焦点距離可変レンズ装置１は、照明光源４１を利用して照明部４を構成しているため、照明光源４１の光量を調整することにより、任意の照明光量を実現することができる。
【００４４】
本実施形態に対する比較例として、焦点変動波形Ｍｆに対して所定の位相角に発光信号Ｃｉを設定することが考えられる。しかし、液体レンズユニット３における焦点変動波形Ｍｆの振幅やピーク値が何らかの原因により変化した場合、変化の前後で、発光信号Ｃｉの発光時点の合焦位置Ｐｆにずれが生じてしまい、ずれを解消するための補正を必要とする。
これに対し、本実施形態では、焦点変動波形Ｍｆの振幅やピーク値が変化した場合であっても、発光信号Ｃｉが受光信号Ｓｄのピークである合焦タイミングＴに同期しているため、補正を行わずとも、パルス照射時点の合焦位置Ｐｆは、観察対象物位置Ｐｗに自動的に調整される。このため、煩雑な処理を行うことなしに、合焦画像を常に正しく取得することができる。
【００４５】
本実施形態では、焦点距離可変レンズ１０は、対物レンズ２および液体レンズユニット３の間に、複数のリレーレンズ５２，５３を備えている。
リレーレンズ５２，５３は、対物レンズ２の射出瞳と液体レンズユニット３の主点位置とを共役にするように配置され、テレセントリック光学系を保ちながら対物レンズ２の射出瞳のリレーを行っている。これにより、合焦位置Ｐｆが変動しても、撮像部５に入射する像の倍率は一定になる。
【００４６】
本実施形態では、共焦点法によって合焦タイミングＴを検出している。このため、他の焦点検出方式を用いて合焦タイミングＴを検出する場合よりも、観察対象物Ｗの表面の傾斜や粗さ等の表面性状による測定精度やの影響を受け難く、合焦タイミングＴの検出精度を向上できる。
また、光ファイバ７２の端面７２０は、共焦点光学系の点光源および検出用ピンホールの両方の役割を果たしているため、製造時の調整工数を大幅に低減することができる。
【００４７】
〔第１実施形態の変形例〕
前記第１実施形態では、共焦点法によって合焦タイミングＴを検出しているが、本発明はこれに限定されない。具体的には、ダブルピンホール法、非点収差法、ナイフエッジ法など、他の様々な焦点検出法を利用することにより、合焦タイミングＴを検出してもよい。例えば、ダブルピンホール法を利用する場合、合焦位置Ｐｆと共役関係を成す集光位置の前後にそれぞれ受光部を設け、各受光部から出力される受光信号に基づいて演算を行うことにより、合焦タイミングＴを求めることができる。信号処理部９２は、このように求めた合焦タイミングＴに同期した発光信号Ｃｉを出力してもよい。
【００４８】
また、第１実施形態において、信号処理部９２は、発光信号Ｃｉをハイレベルにして所定時間Δｔが経過した後、発光信号Ｃｉをローレベルにしているが、本発明はこれに限られない。例えば、信号処理部９２は、受光信号Ｓｄが閾値Ｖｔを下回っている間常に発光信号Ｃｉをローレベルにし、受光信号Ｓｄが閾値Ｖｔ以上の間だけ発光信号Ｃｉをハイレベルにしてもよい。
【００４９】
また、第１実施形態において、合焦画像における検出光Ｌｓ由来の光スポットを問題にしない場合、受光部８の検出波長および撮像部５の撮像波長の各波長範囲が重なっていてもよい。
【００５０】
〔第２実施形態〕
第２実施形態の焦点距離可変レンズ装置１Ａについて、図７を参照して説明する。なお、第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明については省略する。
【００５１】
本実施形態の焦点距離可変レンズ装置１Ａは、光源６Ａから出射された検出光Ｌｓの戻り光を照明光Ｌｉとして利用する構成を備える。このため、焦点距離可変レンズ装置１Ａは、第１実施形態の受光部８を備えず、制御部９Ａは、第１実施形態の信号処理部９２を有さない。光源６Ａは、撮像部５が観察対象物Ｗを撮像するための照明光として使用可能な波長の光を連続的に出射する。
【００５２】
また、焦点距離可変レンズ装置１Ａは、観察対象物Ｗで反射された後にコリメートレンズ７５の後側焦点位置Ｐｃを通る光を導く導光部７Ａと、導光部７Ａに導かれた光を観察対象物Ｗに照射する照明光学系４３とを有している。
導光部７Ａは、第１実施形態の導光部７とは異なる構成を有し、第１実施形態では受光部８に接続されていた光ファイバ７４の替わりに、光ファイバ７６を有している。光ファイバ７６は、一端部がファイバスプリッタ７１に接続され、他端部が照明光学系４３の近傍に配置されている。
照明光学系４３は、第１実施形態と同様の構成を有しており、ファイバスプリッタ７１の他端部から出射された光を適宜調整し、照明光Ｌｉとして対物レンズ２を介して観察対象物Ｗに照射する。
【００５３】
以上の構成において、光源６Ａから出射した検出光Ｌｓは、導光部７Ａを経由して光ファイバ７２の端面７２０から出射した後、コリメートレンズ７５によって光軸Ａに沿って平行化され、焦点距離可変レンズ１０を介して観察対象物Ｗに照射される。観察対象物Ｗの表面で反射された検出光Ｌｓは、焦点距離可変レンズ１０を再通過した後、コリメートレンズ７５により集光される。
ここで、焦点距離可変レンズ１０による合焦位置Ｐｆは、光軸Ａ方向に周期的に変化するものである。このため、合焦位置Ｐｆが観察対象物Ｗの表面に一致しているときのみ、当該表面で反射した検出光Ｌｓが、コリメートレンズ７５の後側焦点位置Ｐｃにスポットを形成し、光ファイバ７２の端面７２０に入射される。光ファイバ７２の端面７２０に入射された検出光Ｌｓは、導光部７Ａおよび照明光学系４３を介して、照明光Ｌｉとして観察対象物Ｗに照射される。合焦位置Ｐｆが観察対象物Ｗの表面に一致しているときに、観察対象物Ｗに対して照明光Ｌｉがパルス照射される。
【００５４】
よって、第２実施形態においても、第１実施形態と同様、合焦画像を取得するためのパルス照明のタイミングが自動で調整され、従来技術のような手動での調整を必要としない。よって、観察対象物Ｗの合焦画像を簡単に取得することができる。
また、焦点変動波形Ｍｆの振幅やピーク値が変化した場合であっても、検出光Ｌｓは、合焦位置Ｐｆが観察対象物Ｗの表面に一致しているときのみ、戻り光として照明光Ｌｉになるため、補正を行わずとも、パルス照射時点の合焦位置Ｐｆは、観察対象物位置Ｐｗに自動的に調整される。このため、煩雑な処理を行うことなしに、合焦画像を常に正しく取得することができる。
さらに、第２実施形態によれば、第１実施形態における照明光源４１を使用しない分、コストを削減できる。また、第１実施形態における発光信号Ｃｉの処理を行わない分、制御部９Ａにおける処理が簡単になる。
【００５５】
〔第２実施形態の変形例〕
図８に示すように、第２実施形態の照明光学系４３では、光ファイバ７６のコア径（一般に直径１ｍｍ以下）がそのまま照明光Ｌｉのサイズになるため、観察対象物Ｗにおける照明光Ｌｉの開口数ＮＡはほぼゼロである。このため、第２実施形態では、照明光Ｌｉによるコヒーレント照明のみ実現される。なお、図８では、照明光学系４３のビームスプリッタ４８を省略し、かつ、照明光Ｌｉの光軸を直線状に直した状態を示している。
【００５６】
そこで、図９に示すように、第２実施形態の変形例として、照明光学系４３Ａは、光ファイバ７６の出射端７６０とコレクタレンズ４４との間に、コリメートレンズ４３１および拡散板４３２をさらに備えていてもよい。拡散板４３２は、例えばレンズアレイを設けたレンズ拡散板（図１０参照）であるが、他の形態による拡散板であってもよい。
【００５７】
この変形例では、光ファイバ７６の出射端７６０から出射された照明光Ｌｉは、コリメートレンズ４３１によって平行化された後、拡散板４３２によって拡散される。よって、観察対象物Ｗに照射される照明光Ｌｉのサイズは拡大され、観察対象物Ｗにおける照明光Ｌｉの開口数ＮＡは高められる。これにより、インコヒーレント照明やパーシャルコヒーレント照明を実現することができ、照明状態の選択肢が増える。
【００５８】
〔その他の変形例〕
本発明は、前述の各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、改良等は、本発明に含まれる。
【００５９】
前記各実施形態では、駆動信号Ｃｆおよび焦点変動波形Ｍｆは正弦波であるが、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。
【００６０】
前記各実施形態において、導光部７，７Ａの替わりにピンホールを利用した構成を採用してもよい。具体的には、点光源を構成するためのピンホールと、コリメートレンズ７５の後側焦点に配置されるピンホールとを利用することで、前記各実施形態と同様の効果を得ることができる。特に、第２実施形態の導光部７Ａは、このようなピンホールとミラー等の光学系とを組み合わせて構成されることにより、観察対象物Ｗで反射された後にコリメートレンズ７５の後側焦点位置Ｐｃを通る光を、照明光学系４３の付近にまで導くことができる。
【００６１】
前記各実施形態では、焦点距離可変レンズ１０は、コリメートレンズ７５と共に、無限遠補正光学系（コリメートレンズ７５による平行光が焦点距離可変レンズ１０に入射する光学系）を構成しているが、これに限定されない。例えば、コリメートレンズ７５が省略され、焦点距離可変レンズ１０が有限遠補正光学系を構成してもよい。このような構成によっても、前記各実施形態と同様の効果を奏する。
【００６２】
前記各実施形態では、信号処理部９２は、制御部９内に構成されているが、レンズ制御部９５内に構成されてもよい。また、レンズ制御部９５および制御部９が一体の制御装置として構成されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、合焦画像を簡単に取得できる焦点距離可変レンズ装置として利用できる。
【符号の説明】
【００６４】
１，１Ａ…焦点距離可変レンズ装置、１０…焦点距離可変レンズ、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…照明部、４１…照明光源、４２…ライトガイド、４３，４３Ａ…照明光学系、４３１…コリメートレンズ、４３２…拡散板、４４…コレクタレンズ、４５…コンデンサレンズ、４８…ビームスプリッタ、４９…光ファイバ、４９０…出射端、５…撮像部、５１…撮像光学系、５２，５３…リレーレンズ、５５…ビームスプリッタ、５６…反射板、５７…結像レンズ、６，６Ａ…光源、７，７Ａ…導光部、７１…ファイバスプリッタ、７２〜７３…光ファイバ、７２０…端面、７５…コリメートレンズ、８…受光部、９，９Ａ…制御部、９１…レンズ設定部、９２…信号処理部、９３…画像処理部、９５…レンズ制御部、Ａ…光軸、Ｃｆ…駆動信号、Ｃｉ…発光信号、Ｉｍ…画像、Ｌｉ…照明光、Ｌｓ…検出光、Ｐｆ…合焦位置、Ｐｗ…観察対象物位置、Ｓｄ…受光信号、Ｖｔ…閾値、Ｗ…観察対象物。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020021014.tif 000009
【図８】
2020021014.tif 000010
【図９】
2020021014.tif 000011
【図１０】
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