(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
顕微鏡レンズ（１０１）の位置を制御する方法であって、
ａ．前記顕微鏡レンズ（１０１）の基準位置に対応する基準信号（３０３）を受け取り（４０１）、
ｂ．前記顕微鏡レンズ（１０１）の実際の位置に対応する計測信号（３０５）を受け取り（４０２）、
ｃ．前記基準信号（３０３）及び前記計測信号（３０５）を使用して閉じたフィードバック制御ループ（３０１）内で前記顕微鏡レンズ（１０１）の位置を設定する際に使用される位置制御信号を生成し、
ｄ．位置成分（３１４）と駆動成分（３１３）とを有し、前記基準位置からの前記顕微鏡レンズ（１０１）の位置逸脱の特徴を示す信号データを受け取り（４０３）、
ｅ．前記位置成分（３１４）を使用して前記計測信号（３０５）を修正して修正された計測信号を生成し、
ｆ．前記制御ループ（３０１）が前記位置逸脱を補償することを防止すべく前記修正された計測信号を前記基準信号（３０３）と比較することによって前記位置制御信号を生成し（４０４）、
ｇ．前記駆動成分（３１３）と前記位置制御信号とを使用して前記顕微鏡レンズ（１０１）の前記位置逸脱を達成することを具備することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記位置成分（３１４）は前記駆動成分（３１３）から計算される予測変位信号を具備する請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記位置成分（３１４）は、それから前記駆動成分（３１３）が計算される変位信号を具備する請求項１記載の方法。
【請求項４】
ステップｇ）は、結果として生じた位置制御信号を、前記顕微鏡レンズ（１０１）に結合されたリニアアクチュエータ（３０８）に送ることを具備する請求項１〜３のいずれか一項記載の方法。
【請求項５】
前記基準位置（３０３）からの前記位置逸脱は、前記顕微鏡レンズ（１０１）の位置における一時的な変化である請求項１〜４のいずれか一項記載の方法。
【請求項６】
ステップｇ）は、ループ補償フィルタ（３０４）を使用して前記位置制御信号の１つ又は複数の成分を処理して駆動制御信号を生成し、
前記駆動成分と前記駆動制御信号とを加算して前記顕微鏡レンズ（１０１）の前記位置逸脱を達成することを具備する請求項１〜５のいずれか一項記載の方法。
【請求項７】
顕微鏡レンズ（１０１）の位置を制御するシステムであって、
基準信号（３０３）、計測信号（３０５）、及び位置制御信号とを具備する閉じたフィードバック制御ループ（３０１）であって、前記基準信号（３０３）は、前記顕微鏡レンズ（１０１）の基準位置に対応し、前記計測信号は、前記顕微鏡レンズ（１０１）の実際の位置に対応し、前記位置制御信号は、前記顕微鏡レンズ（１０１）の位置を設定する際の使用のために構成され、前記基準信号（３０３）および前記計測信号（３０５）は、前記制御ループ内で使用されて前記位置制御信号を生成する、閉じたフィードバック制御ループ（３０１）と、
位置成分（３１４）と駆動成分（３１３）とを有し、前記基準位置からの前記顕微鏡レンズの位置逸脱の特徴を示す信号データを受け取り、
前記位置成分（３１４）を使用して前記計測信号（３０５）を修正して修正された計測信号を生成し、
前記制御ループ（３０１）が前記位置逸脱を補償することを防止すべく前記修正された計測信号を前記基準信号（３０３）と比較することによって前記位置制御信号を生成し（４０４）、
前記駆動成分（３１３）と前記位置制御信号とを使用して前記顕微鏡レンズ（１０１）の前記位置逸脱を達成するよう構成されたコントローラと、
を具備するシステム。
【請求項８】
前記閉じたフィードバック制御ループ（３０１）は、
前記修正された計測信号と前記基準信号とを比較して前記位置制御信号を生成する比較器（３１１）を更に具備する請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記閉じたフィードバック制御ループ（３０１）は、
前記位置制御信号を処理して駆動制御信号を生成するループ補償フィルタ（３０４）と、
前記駆動成分と前記駆動制御信号とを加算して前記顕微鏡レンズ（１０１）の前記位置逸脱を達成するための信号を生成する加算要素（３１０）とを更に具備する請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
変位信号を生成すべく適合された変位信号生成器を更に具備し、前記位置成分（３１４）は前記変位信号を具備する請求項７〜９の中のいずれか一項記載のシステム。
【請求項１１】
前記駆動成分（３１３）を生成する駆動信号生成器を更に具備する請求項７〜９の中のいずれか一項記載のシステム。
【請求項１２】
前記駆動成分（３１３）は周期信号及びインパルの中の１つを具備する請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
結果として生じた位置制御信号に応答し、直線軸に沿って前記顕微鏡レンズ（１０１）の位置を制御するリニアアクチュエータを更に具備し、前記直線軸は、前記顕微鏡レンズ（１０１）の光学軸と同軸状態にある請求項７〜１２の中のいずれか一項記載のシステム。
【請求項１４】
レンズマウント（１０８）内に取り付けられた顕微鏡レンズ（１０１）であって、前記レンズマウント（１０８）は、前記リニアアクチュエータ（３０８，１０３）に動作可能に接続された顕微鏡レンズ（１０１）と、
前記計測信号（３０５）を生成するエンコーダ（３０６）とを更に具備する請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
前記位置制御信号は、変調された電流信号を具備する請求項１３又は１４記載のシステム。
【請求項１６】
前記リニアアクチュエータ（３０８）は、ボイスコイルアクチュエータ（１０３）を具備する請求項１３〜１５の中のいずれか一項記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡レンズの位置を制御する方法及びシステムに関する。更に詳しくは、本発明は、顕微鏡対物レンズの基準位置に対する小さな既定の位置逸脱の適用に関する。
【背景技術】
【０００２】
生物学的サンプル及びこれらに類似したものを走査すべく使用される顕微鏡の分野においては、検査対象の生物学的サンプルの厚さの変動を補償すべく、対物レンズの迅速な再合焦がしばしば必要である。これは、対物レンズとサンプルの間の距離を調節すべく、支持部材との関係において顕微鏡対物レンズを動かすことによって実行される。大部分の場合に、これらの再合焦運動は、対象の生物学的サンプルの平均焦点面を表す基準レンズの位置の周辺におけるレンズの小さな動きを意味する。
【０００３】
通常、このようなレンズの運動を構成する成分には、最適な焦点の位置におけるレンズの相対的に低速又は静的な位置決め、合焦プロセスの一部として使用される空間及び時間において限られた迅速な運動、及び深さを有するサンプルの画像を生成するための最適な焦点位置の周辺におけるレンズの中速の運動という３つのものが存在する。例えば、相対的に低速の又は静的な位置決めは、数十秒のタイムスケールにおける数ミリメートルのレベルの運動を伴う可能性があり、迅速な運動は、約２００マイクロ秒のタイムスケールにおける１マイクロメートルのレベルの運動を伴う可能性があり、且つ、中速の運動は、約数ミリ秒〜１秒の期間にわたる数十マイクロメートルのレベルの運動を伴う可能性がある。これらの運動スケールは、顕微鏡装置のサイズ及びセットアップに応じて変化可能である。これらの運動のそれぞれのものは、個別に適用することも可能であり、或いは、複合制御信号を使用して適用することも可能である。運動のそれぞれのものは、サンプルの画像の正確な合焦を実行すべく、マイクロメートルスケールにおいて高精度でなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これらの運動成分の制御は、通常、当技術分野において問題を提起する。高品質画像の生成に必要なレンズ運動のそれぞれの成分は、時間及び空間において異なる特性を有しており、従って、１つの成分を制御すべく適合された制御システムは、通常、別の成分の制御に適してはいない。例えば、静的な位置を維持するためには、より迅速な限られた運動を制御するのに通常は適していない制御方式が必要である。従って、前述の運動を正確に実行できるようにする顕微鏡レンズの位置を制御する方法及びシステムが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様によれば、顕微鏡レンズの位置を制御する方法は、ａ．顕微鏡レンズの基準位置に対応する基準信号を受け取り、ｂ．顕微鏡レンズの実際の位置に対応する計測信号を受け取り、ｃ．基準位置からの既定の位置逸脱の特徴を示す逸脱信号を受け取り、ｄ．計測信号、逸脱信号、及び基準信号を使用して顕微鏡レンズの位置を設定する際に使用される位置制御信号を生成すること、を具備する。
【０００６】
中速又は高速の位置変更を実質的に静的な基準位置に対して適用する際に顕微鏡対物レンズの位置を正確に制御すべく、計測信号及び逸脱信号との組み合わせにおいて基準信号を使用することによって位置制御信号を生成可能であり、この場合に、中速又は高速の位置変更が、それぞれ、約数ミリ秒〜１秒の期間にわたる数十マイクロメートルのレベルの運動及び約２００マイクロ秒のタイムスケールにおける１マイクロメートルのレベルの運動を伴う可能性がある際に、実質的に静的な位置決めは、数十秒のタイムスケールにおける数ミリメートルのレベルの小さな運動を伴う可能性がある。一般に、このような変更は、時間的空間的に制限される。
【０００７】
特定の実施例においては、位置制御信号の生成は、計測信号と基準信号を比較することを伴う。このような比較は、加算又は減算を伴い得る。逸脱信号によって提供される既定の位置逸脱の特定の効果の特性を示す信号、即ち、逸脱信号の変位要素に基づいて計測信号に変更が加えられる場合には、基準位置に対する中速〜高速の逸脱が適用される場合にも、顕微鏡レンズを基準位置に維持するためのフィードバック制御を依然として使用可能である。通常、このような方法は、計測信号と基準信号の比較が完了した後に逸脱制御信号を使用して位置制御信号を生成することをも伴うことになる。
【０００８】
最も一般的なフィードバック回路は、基準位置を維持すべく設計されており、且つ、小さなランダムインパルス妨害に応答して前述の基準位置を維持することに適した制御特性しか有していないことから、望ましくない非線形の動力学の生成を伴うことなしに、この基準位置からの高速又は中速の逸脱を適用することは、一般的に不可能である。しかしながら、本発明を使用すれば、入力計測信号及び出力位置信号が、制御処理のアプリケーションの外部において変更されることになり、従って、望ましくない動力学を生成することなしに、これらの逸脱を適用可能である。
【０００９】
一実施例においては、本方法は、逸脱信号を使用して計測信号を変更し、変更済みの計測信号を生成することを具備し得、この場合に、計測信号は、逸脱信号から算出された予測変位信号に基づいて変更可能である。又、このような方法は、変更済みの計測信号と基準信号を比較して比較信号を生成することと、比較信号と逸脱信号を加算して位置制御信号を生成することと、を具備することもできる。
【００１０】
代替実施例においては、逸脱信号を変位信号から算出可能であり、この場合に、本方法は、変位信号を使用して計測信号を変更し、変更済みの計測信号を生成することを具備し得る。特定の実施例においては、変更済みの計測信号と基準信号を比較して比較信号を生成することができ、この場合に、前述の比較信号と逸脱信号を加算して位置制御信号を生成することができる。
【００１１】
別の好適な実施例においては、顕微鏡レンズは、直線軸に沿った運動を生成するリニアアクチュエータに結合されている。このリニアアクチュエータは、ボイスコイルアクチュエータ、圧電アクチュエータ、又はラックピニオンシステムの中の１つのものであってよい。レンズの光学軸は、リニアアクチュエータの運動軸と同一直線上にあってよい。通常、位置制御信号は、リニアアクチュエータに送信されるアナログ電流信号であるが、この信号は、この代わりに、アナログ電圧信号又はデジタル電流又は電圧信号であってもよい。
【００１２】
ボイスコイルアクチュエータの形態のリニアアクチュエータを使用する際には、本発明によって提供される制御は、更に重要になる。このようなリニアアクチュエータが静的な位置を維持するためには、一定の電流を供給しなければならない。リニアアクチュエータに供給される電流信号における自然な統計的変動の存在及び／又は顕微鏡レンズを収容するアセンブリの運動に起因し、静的な位置を維持すべく総合的且つ正確な制御システムが必要である。本発明によれば、このようなシステムを使用する際には、静的な位置を維持するために使用される制御システムの精度を低下させることなしに、中速〜高速の運動を伴う走査動作を適用可能である。レンズ位置の中速の変化は、深さを有するサンプルの画像を生成するための近距離走査動作の代表である。このような場合には、逸脱信号は、鋸歯波形などの周期的信号を具備する。このような中速の走査パターンを使用する際に信号を供給可能であるその他のケースにおいては、本発明の方法は、漸進的な運動を正確に制御すると共にレンズの実際の動きを逸脱波形の中速成分と整合した状態に維持することにより、シナジー効果を提供する。高速の逸脱が必要とされるその他の状況においては、逸脱信号は、インパルス信号を具備することも可能である。
【００１３】
本発明の第２の態様によれば、顕微鏡レンズの位置を制御するシステムは、基準信号、計測信号、及び逸脱信号を受け取るレシーバであって、基準信号は、顕微鏡レンズの基準位置に対応し、計測信号は、顕微鏡レンズの実際の位置に対応し、逸脱信号は、基準位置からの顕微鏡レンズの既定の位置逸脱の特性を示す、レシーバと、レシーバによって受け取られた信号に基づいて、顕微鏡レンズの位置を設定する際に使用される位置制御信号を生成するコントローラと、を具備する。
【００１４】
このシステムは、先程規定したように構成されたレシーバ及びコントローラを使用することにより、本明細書に記述された本発明の第１の態様の方法又は前述の方法の任意の変形を実行すべく適合可能であり、制御システムは、本発明の第１の態様との関係において記述された有益な効果を提供可能である。いくつかの実施例においては、コントローラは、計測信号と基準信号の間の比較を実行する比較器を更に有することができる。この比較により、位置制御信号を生成可能であり、且つ、この位置制御信号は、コントローラの一部として提供されるループ補償フィルタを通じて更にフィルタリング可能である。
【００１５】
好適な実施例においては、コントローラは、逸脱信号を使用して計測信号を変更し、位置信号を生成すべく構成されており、この変更は、既定の位置逸脱の予測された効果の特徴を示す信号に基づいたものであってよく、この信号は、位置制御信号を生成する前に計測信号から減算可能であり、且つ、コントローラは、顕微鏡レンズの位置を設定すべく位置制御信号を送信する前に、既定の位置逸脱を生成すべく使用される信号を位置制御信号に加算することにより、逸脱信号を使用して位置制御信号を生成すべく構成することも可能である。
【００１６】
いくつかの実施例においては、レシーバ及びコントローラは、フィードバック制御システムの一部を形成可能である。その他の実施例においては、これらは、付加的なスタンドアロン制御システムとして使用可能である。又、フィードバック制御システムは、逸脱信号を生成する逸脱信号生成器及び顕微鏡レンズの実際の位置を反映した計測信号を生成するエンコーダと一体化することも可能である。その他の実施例においては、本システムは、変位信号を生成すべく適合された変位信号生成器を有することが可能であり、この場合に、逸脱信号は、変位信号に基づいて生成される。この装置を使用することにより、制御システムは、生物学的サンプルの画像を生成すべく使用されるソフトウェア及び顕微鏡レンズアセンブリのハードウェアとインターフェイス可能である。
【００１７】
好適な実施例においては、本システムは、位置制御信号に応答し、直線軸に沿って顕微鏡レンズの位置を制御するリニアアクチュエータを更に具備する。代表的なケースにおいては、顕微鏡レンズは、レンズマウント内に取り付けられており、且つ、レンズマウントは、リニアアクチュエータに対して動作可能に接続されている。リニアアクチュエータの直線軸が顕微鏡レンズの光学軸と同軸状態にある場合には、リニアアクチュエータによるレンズマウントの運動により、顕微鏡レンズが合焦状態と非合焦状態の間で変化することになる。特定の状況においては、リニアアクチュエータは、ボイスコイルアクチュエータを具備することが可能であり、この場合には、位置制御信号は、変調された電流信号を有することができる。
【００１８】
以下、添付図面を参照し、本発明による顕微鏡レンズの位置を制御する方法の一例及びこれを実行するシステムの一例について説明することとする。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明との関連において使用可能なボイスコイルを備えた例示用の顕微鏡レンズ支持アセンブリの一側からの斜視図である。
【図２】本発明との関連において使用可能な同一の例示用の顕微鏡レンズ支持アセンブリの断面である。
【図３Ａ】本発明の制御システムに統合可能な静的なレンズ位置を維持する例示用の制御システムを示す。
【図３Ｂ】本発明を実施すべく使用可能な例示用の制御システムを示す。
【図３Ｃ】図３Ｂの制御システムの変形を示す。
【図４】本発明による例示用の方法を示すフローチャートである。
【図５】レンズ位置を計測すべく使用可能な例示用の位置エンコーダの斜視図である。
【図６】逸脱信号を生成すべく使用可能な波形の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の方法及びシステムと共に使用される顕微鏡対物レンズ支持アセンブリの一例が図１に示されている。このようなシステムは、例示を目的としてのみ示されており、異なるタイプの顕微鏡レンズ及び／又は異なる駆動メカニズムを有する異なる構成を使用することも可能である。図１の対物レンズ支持アセンブリ１００は、アセンブリの底部に取り付けられた対物レンズ１０１を有する。対物レンズ１０１は、バレル１０８内において支持されており、且つ、通常、ねじ山によってバレル１０８内の位置に保持されている。そして、バレル１０８も、図２において観察できるように、第２のねじ山１１０を使用してレンズアセンブリの本体１０２の内部に取り付けられている。本体１０２は、対物顕微鏡レンズ１０１の上方に配置されており、且つ、ミラー１０７を収容している。ミラーは、本体１０２から、適切に構成された受光装置（図示されてはいない）内に光を反射すべく角度設定されている。本体１０２は、本体１０２が、垂直線によって定義された直線軸１１５に沿って実質的に運動できるようにする曲がることができる２つのリーフスプリング１０４の間に取り付けられている。この直線軸は、図２において観察可能である。
【００２１】
本体１０２の上方には、ボイスコイルアクチュエータ１０３の形態のリニアアクチュエータが取り付けられている。このボイスコイルアクチュエータは、通常、標準的な「規格品」であり、この例においては、ＢＥＩ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｉｎｃ．社によって製造されたものである。ボイスコイルアクチュエータ１０３は、本体１０２、レンズ１０１、及びボイスコイルアクチュエータ１０３の重心が同一直線上に位置するように、本体１０２の直接上方に取り付けられている。この結果、すべてのコンポーネントの重心が、直接的に、ボイスコイルアクチュエータが運動を提供する直線軸１１５上に配置されている。ボイスコイルアクチュエータ１０３の上方には、ボイスコイルアクチュエータ調節ブロック１０６が取り付けられている。この調節ブロック１０６により、ボイスコイルアクチュエータの機械的及び動的特性を特定のレンズアセンブリに対して適合させることができる。リーフスプリング１０４及びボイスコイル調節ブロック１０６は、いずれも、ボイスコイル取付ブラケット１０５に取り付けられている。このブラケットは、通常、望ましくない振動を減衰させると共にボイスコイルアクチュエータ１０３によって生成される上向きの又は反動の力による圧縮に耐えるための高密度材料を提供する稠密粒子のねずみ鋳鉄から製造されている。
【００２２】
同一のアセンブリ１００の断面が図２に示されている。図２においては、バレル１０２内において対物レンズ１０１を取り付けるために使用されるねじ山アセンブリ１１０を観察可能である。又、ボイスコイルアクチュエータ１０３が運動すべく構成された直線軸１１５も観察可能である。図２からわかるように、リーフスプリング１０４は、曲げベース１１１を介してボイスコイル取り付けブラケット１０５に取り付けられている。ミラー１０７も、この同一の曲げベース１１１に接続されている。
【００２３】
ボイスコイルアクチュエータ１０３は、アクチュエータに供給される電流に比例した既知の力を印加する能力を有する。但し、これは、静的な位置を保持する能力を有してはいない。ボイスコイルアクチュエータ１０３が静的な位置を維持できるようにすべく、位置制御フィードバックループを確立できるように、位置エンコーダを使用して使用中の対物レンズの位置を計測する。適切な位置エンコーダの一例が図５に示されている。エンコーダアセンブリ５００は、エンコーダストリップ５０１、エンコーダ５０２、エンコーダハウジング５０３、及びエンコーダ取付ブラケット５０４を有する。正確な位置計測を提供すべく、ハウジング５０３により、エンコーダに対する適切なアライメント調節を実行可能である。エンコーダアセンブリ５００は、Ｒｅｎｉｓｈａｗシステムによって提供可能である。
【００２４】
対物レンズの固定位置を維持するための位置制御フィードバックループを確立すべく使用されるコントローラが図３Ａに示されている。フィードバックループは、基準位置３０３によって始まり、これは、通常、撮像制御ソフトウェアによって提供される。これは、ループ補償フィルタ３０４及び増幅器３０９を通じてボイスアクチュエータコイル１０３の駆動ユニット３０８に適切な制御信号を送信すべく使用される。ループ補償フィルタは、位置に関係する信号を駆動ユニットの制御に適した信号に変換する。増幅器３０９及びループ補償フィルタ３０４は、大部分のフィードバック制御ループの標準的なコンポーネントであり、増幅器３０９は、小さな誤差により、補正運動を実行するための十分なパワーを有する制御信号を生成できるように、ループ利得を提供し、且つ、ループ補償フィルタ３０４は、ループ応答を変更し、フィードバックループ内における安定性を保持する。使用の際には、駆動ユニット３０８により、ボイスコイルアクチュエータ１０３が、直線軸１１５に沿って運動することになり、この結果、図には物品３０７として総合的に示されているレンズ及びマウントが運動することになる。レンズ及びマウント制御ブロック３０７は、アセンブリ１００の動力学に対するレンズ１０１、バレル１０８、及び本体１０２の効果を表している。レンズ及びマウント３０７の運動は、エンコーダアセンブリ５００の一部を形成するエンコーダ電子回路３０６によって記録される。次いで、これにより、対物顕微鏡レンズの実際の位置３０５を算出可能である。次いで、ボイスコイルアクチュエータ１０３の駆動ユニット３０８に供給される電流を調節して必要な位置に対物レンズ１０１を維持すべく、実際の位置を基準位置３０３と比較する。通常、この比較は、比較器３１１において基準位置３０３から実際の位置３０５を減算し、次いで、基準位置３０３と実際の位置３０５の差を使用して駆動ユニット３０８を制御することによって実行される。
【００２５】
図３Ａに示されている制御ループは、低速において正しいレンズ位置を維持すべく正確な制御を提供するが、これは、中速〜高速の運動の際にレンズ位置を制御すべく十分高速に応答することはできない。前述のように、低速における正しいレンズ位置の維持は、数十秒のタイムスケールにおける数ミリメートルのレベルの運動を伴う可能性があり、迅速な又は高速の運動は、約２００マイクロ秒のタイムスケールにおける１マイクロメートルのレベルの運動を伴う可能性があり、且つ、中速の運動は、約数ミリ秒〜１秒の期間にわたる数十マイクロメートルのレベルの運動を伴う可能性がある。これらのより高速の運動を基準位置３０３に単純に加算することにより、これらを生成することは可能ではない。理由は、これを実行した場合には、より高速の運動の形状が制御ループのコンポーネントによって歪むことになり、この結果、正確な制御が失われることになるからである。又、これらの高速の運動を、静的な位置を維持すべく設計された制御ループ内に加算した場合には、望ましくない非線形動力学を生成する可能性があり、これにより、対物レンズ１０１の位置が混乱すると共に、従って、レンズ下方のサンプルの画像が非合焦状態となる可能性がある。
【００２６】
図３Ａの制御ループによって制御された低速運動の場合には、ボイスコイルアクチュエータからの力が存在しない状態におけるレンズ及びそのマウント３０７の動作は、重力と、マウント用の支持システム内の残存する力と、によって主に決定される。これらの残存する力は、リーフスプリング又は「曲げ」取付支持部の構造を検討することによって算出可能である。しかしながら、空間及び時間において限られたより高速の運動の場合には、レンズ及びレンズマウント３０７の動作は、これらの質量及び印加された力の動力学によって主に決定される。これらの動力学は、ボイスコイルアクチュエータ１０３の駆動ユニット３０８への正しいパターンの電流の形で正しいパターンの力を適用することにより、妥当な精度で十分に制御可能である。この電流パターンは、基準位置からの既定の位置逸脱の特徴を示す逸脱信号の形態において提供可能である。通常、位置逸脱は、例えば、時間と共に変化するレンズの基準位置から離れる方向における小さな変位などのように、時間と共に変化し、且つ、最終的には、基準位置に戻る。従って、逸脱信号は、動的な信号である。
【００２７】
この逸脱信号を、駆動ユニット３０８に供給すべく使用される電流信号に単純に加算することは、可能ではない。この理由は、この結果、逸脱信号によって導入された混乱として自身が見なすものを補正すべく、制御ループが、なんからの部分的な試みを実行することになるためである。従って、最適な焦点位置を見出すと共に深さを有する画像を生成するのに必要なより高速の運動を適用するには、図３Ｂの制御システムが必要である。
【００２８】
図３Ａの制御要素に加えて、図３Ｂの制御システムは、逸脱信号源３１３、レンズの位置に対する予測された逸脱信号の効果を算出するための計算手段３１４、並びに、加算又は比較要素３１０及び３１２を更に有する。逸脱信号源３１３は、逸脱信号の形で駆動信号の成分を出力し、これは、最終的に、駆動ユニット３０８を駆動すべく使用される。この信号成分は、逸脱信号源３１３から加算要素３１０に送信される。又、逸脱信号源３１３によって生成された信号成分は、計算手段３１４にも送信され、この計算手段は、制御ループ内において使用される位置的変位を算出すべく適合されている。この変位は、信号成分が駆動ユニット３０８に適用された場合に予想されるレンズ及びレンズマウント３０７の運動に基づいて算出される。特定の実施例においては、計算手段３１４は、複数の特定の信号成分の範囲で参照される予測変位計測値を有する参照テーブルを使用する。このようなテーブルは、設計段階において予め算出可能である。その他の実施例においては、計算手段３１４は、リアルタイムで電気機械的方程式を解いて予測変位計測値を生成する。従って、図３Ｂの場合には、逸脱信号は、結果的に得られた位置逸脱と相関するか又はこの特徴を示すことになるが、逸脱信号を構成する波形は、結果的に得られる運動の波形に似る必要はない。逸脱信号は、電圧信号又は電流信号であってよい。
【００２９】
適用された逸脱信号を図３Ａのフィードバックループが補償することを防止すべく、加算点３１２において、計算手段３１４によって算出された予測された逸脱の効果をレンズの実際の位置３０５を表す信号から減算する。次いで、加算点３１１において、実際の位置３１５からの予測された逸脱の効果の減算を反映した変更済みの計測信号を基準信号３０３と比較する。この結果がループ補償フィルタ３０４を通過した後に、加算点３１０において、この比較の結果に逸脱信号自体を加算し、結果的に得られる位置制御信号を生成し、これが、増幅器３０９に伝達され、ボイスコイルアクチュエータ１０３の駆動ユニット３０８を駆動すべく使用される。従って、動作の際には、図４のステップが実行される。即ち、まず、レンズ及びレンズマウントを安定した位置に保持すべく、基準信号３０３を供給し、次いで、ステップ４０２において、実際の位置３０５を表す計測信号を受け取り、逸脱を適用する場合には、ステップ４０３において、逸脱信号を適用し、次いで、ステップ４０４において、図３Ｂの制御回路を使用して最終的な位置制御信号を生成する。
【００３０】
図３Ｂの制御システムの一変形が図３Ｃに示されている。この変形においては、要素３１３及び３１４以外のすべてのコンポーネントは、図３Ｂに示され、且つ、前述されたものと同一である。但し、図３Ｃの変形においては、逸脱信号の代わりに、予測された逸脱の効果、即ち、変位信号が、システムへの入力として供給されている。変位信号源３１４は、レンズ及びレンズマウント３０７の必要な位置逸脱に対応する変位信号を生成する。次いで、変位信号源３１４は、この変位信号を逸脱信号計算手段３１３に送信し、この逸脱信号計算手段が、必要な変位を駆動ユニット３０８が変位信号から生成するのに必要な逸脱信号、即ち、変位に必要な予測された逸脱を算出する。次いで、逸脱信号計算手段３１３は、この逸脱信号を加算要素３１０に送信し、ここで、この信号は、その他の駆動信号成分と合成され、駆動ユニット３０８を駆動すべく使用される駆動信号が生成される。図３Ｂの以前のシステムと同様に、逸脱信号は、電圧又は電流信号であってよく、且つ、逸脱信号計算手段３１３によって実行される計算は、参照テーブルの使用又は電気機械的方程式の解を伴うものであってよい。通常は、図３Ｂの制御システムと図３Ｃの制御システムの間において選択が行われるが、実際には、特定の実施要件に応じて、いずれかを使用して本発明を実施可能である。
【００３１】
逸脱信号が、時間及び空間において限られた高速運動の特徴を示す際には、図３Ｂ又は図３Ｃの制御システムにより、高速運動を動的に適用可能であり、且つ、高速運動が適用された後に、図３Ａのエンコーダ及びフィードバック機能を使用することにより、基準又はベース位置を維持可能である。図３Ｂ又は図３Ｃの制御システムは、２つの運動を独立的に生成すべく機能する。従って、静的な位置及びフィードバックループによって保持されたオリジナルの最適な最良の焦点位置を損なうことなしに、高速運動を使用して最良の焦点位置を見出すことが可能である。
【００３２】
又、図３Ｂ又は図３Ｃのシステムは、固定焦点位置の周りにおいて近距離位置走査を実行する際に、更なる驚くべきシナジー効果をも提供する。図６は、このような近距離走査を生成すべく使用可能な波形の一例を示す。図６の波形６００は、鋸歯様の波形を有しており、この場合に、水平軸は、時間を表し、垂直軸は、直線軸１１５に沿った基準位置からの逸脱を表す。波形は、高速成分６０３と、中速成分６０４と、を有しており、１つの方向における高速又は迅速な成分は、フライバック手順を表しており、次いで、これに、反対方向の更に漸進的な運動が後続している。この波形は、レンズの運動を表しているが、このような運動を生成すべく使用される逸脱信号は、形態が異なるものであってよく、例えば、逸脱信号は、波形の二重微分に似たものであってよい。
【００３３】
静的な制御システムとは独立に機能する別個の動的な制御システムを使用し、このような運動を適用することができる。但し、別個の動的な制御システムを使用する際には、波の部分６０４によって示された相対的に低速の運動を制御することが困難になる。質量を小さな距離において迅速に移動させた後に、再度停止させるには、大きな力が必要であるが、これは、別個の動的な制御システム内において印加することができる。レンズの質量及び印加される力について入手可能な唯一の値が粗い近似値である場合にも、必要とされる力が大きければ、必要な距離だけレンズを迅速に移動させることができる。これは、通常、重力及び支持システムなどのその他の制御されていない力によって導入される誤差は、印加された力の大きさと比較した場合に、無視可能であるからである。より長く、且つ、より低速の運動を提供するには、通常、静的な制御システムが、より小さな一連の力をレンズに対して印加する必要がある。これらのより小さな力は、重力及び支持システムによって生成されるものなどの制御されていない力に匹敵するか、又はこれよりも小さく、これは、制御されていない力が、より長く且つより低速の運動に不確定性を導入する可能性があるということを意味している。従って、組み合わせにおいて使用された場合に、別個の動的制御システムに必要とされることが、別個の静的制御システムに必要とされることと調和しないということが明らかである。本発明は、単純な力及び加速度の計算にのみ依存した開ループプロセスによって小さな高速の運動を生成及び制御することを可能にし、且つ、閉ループプロセスを使用するより低速のより長い運動の制御をも許容している。様々な運動のための開及び閉ループ制御の組み合わせは、設定された動作点から離れる方向にシステムが低速でドリフトすることを防止しつつ、レンズの正確な制御を可能にする。
【００３４】
図３Ｂ又は図３Ｃの制御システムを使用する際には、フィードバックループが、低速運動６０４における誤差を補正することになる。逸脱による予測される位置的効果３１４が、エンコーダ３００によって提供されるレンズ位置の計測値３０５から減算されることに伴って、波形６０４の走査部分におけるレンズの位置決めの誤差により、結果的に、加算点３１１によって実行される比較の結果として誤差信号が生成されることになる。この結果、図３Ａに示されている静的運動フィードバックループの機能が、この誤差を低減すべく機能する。これは、結果的に、必要とされる逸脱に応じたレンズ及びマウント３０７の運動をもたらす。従って、図３Ｂ又は図３Ｃにおいては、図３Ａのフィードバックループの要素は、生成された誤差が、中速〜低速の運動ではなく静的な位置を維持すべく補正されるものと考えて、逸脱信号を知ることなしに、中速〜低速の運動を制御する。従って、本発明は、高速のインパルス様の運動のための正確な制御を提供すると共に、固定基準位置の周辺におけるより低速の運動の制御をも許容する。
【００３５】
本発明の利点は、本発明が、空間及び時間において限られた高速運動の開ループ動的制御の組み合わせを許容すると共に、より長い期間の「静的」な位置決め用の閉ループフィードバック制御をも保持するという点にある。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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