(57)【要約】【課題】駆動信号の調整により所望の屈折力が得られる焦点距離可変レンズの校正方法および焦点距離可変レンズ装置を提供する。【解決手段】周期的な駆動信号により焦点距離が周期的に変化する液体レンズユニット３を含む焦点距離可変レンズの校正方法であって、表面に高さが異なる多数の部分を有する校正ツール９１を用い、焦点距離可変レンズに所定電圧の駆動信号Ｃｆを出力し、画像検出部４で校正ツール９１の表面画像を検出し、表面画像でコントラストが最大となる２位置を検出し、２位置の焦点距離の差から焦点深度を計算し、焦点深度と駆動信号Ｃｆの電圧と対応させて記録する操作を繰り返して校正テーブル７１２を作成しておき、焦点距離可変レンズを所望の焦点深度に設定する際に、校正テーブル７１２から所望の焦点深度に対応する電圧の値を読み出し、読み出した値に基づいて焦点距離可変レンズに出力する駆動信号Ｃｆの電圧を調整する。【選択図】図５
2019203928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的な駆動信号により焦点距離が周期的に変化する焦点距離可変レンズの校正方法であって、
前記焦点距離可変レンズと、測定対象物を照明する照明部と、前記焦点距離可変レンズを通して前記測定対象物の画像を検出可能な画像検出部と、前記焦点距離可変レンズに前記駆動信号を出力するとともに前記照明部および前記画像検出部を制御するレンズ制御部と、を有する焦点距離可変レンズ装置を用い、
前記測定対象物として、表面に高さが異なる多数の部分を有する校正ツールを設置した後、
前記レンズ制御部から前記焦点距離可変レンズに所定電圧の前記駆動信号を出力し、前記画像検出部で前記校正ツールの表面画像を検出し、前記表面画像でコントラストが最大となる２位置を検出し、前記２位置の焦点距離の差から焦点深度を計算し、前記焦点深度と前記駆動信号の電圧と対応させて記録する、という操作を繰り返して校正テーブルを作成し、
前記焦点距離可変レンズを所望の焦点深度に設定する際に、前記校正テーブルから所望の前記焦点深度に対応する前記電圧の値を読み出し、読み出した値に基づいて前記焦点距離可変レンズに出力する前記駆動信号の前記電圧を調整することを特徴とする焦点距離可変レンズの校正方法。
【請求項２】
請求項１に記載した焦点距離可変レンズの校正方法において、
前記校正ツールは、表面に所定高さの多数の段差面を有することを特徴とする焦点距離可変レンズの校正方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載した焦点距離可変レンズの校正方法において、
前記照明部で前記測定対象物を連続的に照明しつつ、前記画像検出部によりＥＤＯＦ画像を検出し、
前記ＥＤＯＦ画像を、前記校正テーブルを作成する際の前記校正ツールの表面画像として用いることを特徴とする焦点距離可変レンズの校正方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載した焦点距離可変レンズの校正方法において、
前記駆動信号の正負のピークに対応するタイミングで、前記照明部により前記測定対象物をパルス照明し、前記パルス照明された前記校正ツールの表面画像を前記画像検出部で検出することを特徴とする焦点距離可変レンズの校正方法。
【請求項５】
周期的な駆動信号により焦点距離が周期的に変化する焦点距離可変レンズと、測定対象物を照明する照明部と、前記焦点距離可変レンズを通して前記測定対象物の画像を検出可能な画像検出部と、前記焦点距離可変レンズに前記駆動信号を出力するとともに前記照明部および前記画像検出部を制御するレンズ制御部と、前記レンズ制御部が出力する前記駆動信号の電圧を調整する校正動作制御部と、を有し、
前記校正動作制御部は、前記レンズ制御部から前記焦点距離可変レンズに所定電圧の前記駆動信号を出力し、前記画像検出部で前記測定対象物の表面画像を検出し、前記表面画像でコントラストが最大となる２位置を検出し、前記２位置の焦点距離の差から焦点深度を計算し、前記焦点深度と前記駆動信号の電圧と対応させて記録する、という操作を繰り返して校正テーブルを作成し、前記焦点距離可変レンズを所望の焦点深度に設定する際に、前記校正テーブルから所望の前記焦点深度に対応する前記電圧の値を読み出し、読み出した値に基づいて前記焦点距離可変レンズに出力する前記駆動信号の電圧を調整することを特徴とする焦点距離可変レンズ装置。
【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の校正方法および焦点距離可変レンズ装置に関し、とくに焦点距離が高速で変化する焦点距離可変レンズを校正する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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も呼ぶ）を利用した光学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。振動部材には、駆動信号として、７０ＫＨｚ程度の高周波数の交流電圧（通常は正弦波）が印加される。
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駆動信号を印加すると、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駆動信号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、この光は透明な液体に生じている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、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。
【０００４】
焦点距離可変レンズ装置において、駆動信号が正弦波であれば、焦点距離可変レンズ装置の焦点距離（焦点位置）も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。
【０００５】
一方、パルス照明ではなく連続照明を行うことで、焦点距離の可変範囲全体に合焦したＥＤＯＦ画像（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  Ｄｅｐｔｈ  ｏｆ  Ｆｏｃｕｓ画像、拡張焦点深度画像）を得ることができる。
ＥＤＯＦ画像は、連続照明のもとで焦点距離を高速で可変しつつ撮像を行い、焦点距離可変範囲のいずれかの焦点距離に合焦した画像を全焦点範囲にわたり重ね合わせ、それにより取得された画像に対して、焦点距離の可変範囲から推定されるボケ成分の逆演算処理を行った画像であり、測定対象物の表面に高さが異なる凹凸がある場合でも、各凹凸の輪郭を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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】
【０００７】
前述した液体レンズシステムによる焦点距離可変レンズにおいて、その光学性能として重要なのは、屈折力（Ｄｉｏｐｔｅｒ）である。
光学において屈折力とは、レンズなどの（軸まわりに回転対称な）光学系の屈折の度合いのことであり、レンズパワーとも呼ばれる。
屈折力φは、媒質の屈折率ｎ、焦点距離ｆとして、φ＝−ｎ／ｆとなる。すなわち、空気中（ｎ＝１．０００）では、屈折力φは焦点距離ｆの逆数に等しい。そして、焦点距離可変レンズにおいては、屈折力φが大きいほど、焦点距離ｆの可変範囲が広くなる。従って、屈折力φの大小は、焦点距離ｆの最長から最短までの可変範囲（最遠の合焦位置から最近の合焦位置までの距離）つまり焦点深度で表すことができる。
【０００８】
液体レンズシステムによる焦点距離可変レンズでは、原理上、印加される駆動信号（正弦波電圧）の振幅を調節することで、屈折力φを調節することができる。
理想的な状態、つまり駆動信号の振幅と液体レンズシステムの屈折力φとが比例関係にあれば、駆動信号の電圧制御により、液体レンズシステムの屈折力φを正確に調整することができる。
しかし、液体レンズシステムにおいて、その構造上、実際の屈折力φと印加電圧との関係は正確な比例関係にはならない。さらに、屈折力φと印加電圧との関係は、液体レンズシステムの個体差があり、駆動信号の周波数によっても異なる。このため、液体レンズシステムにおいて、駆動信号の調整を行っても所望の屈折力φを得ることは難しかった。
【０００９】
本発明の目的は、駆動信号の調整により所望の屈折力が得られる焦点距離可変レンズの校正方法および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】
本発明の焦点距離可変レンズの校正方法は、周期的な駆動信号により焦点距離が周期的に変化する焦点距離可変レンズの校正方法であって、前記焦点距離可変レンズと、測定対象物を照明する照明部と、前記焦点距離可変レンズを通して前記測定対象物の画像を検出可能な画像検出部と、前記焦点距離可変レンズに前記駆動信号を出力するとともに前記照明部および前記画像検出部を制御するレンズ制御部と、を有する焦点距離可変レンズ装置を用い、前記測定対象物として、表面に高さが異なる多数の部分を有する校正ツールを設置した後、前記レンズ制御部から前記焦点距離可変レンズに所定電圧の前記駆動信号を出力し、前記画像検出部で前記校正ツールの表面画像を検出し、前記表面画像でコントラストが最大となる２位置を検出し、前記２位置の焦点距離の差から焦点深度を計算し、前記焦点深度と前記駆動信号の電圧と対応させて記録する、という操作を繰り返して校正テーブルを作成し、前記焦点距離可変レンズを所望の焦点深度に設定する際に、前記校正テーブルから所望の前記焦点深度に対応する前記電圧の値を読み出し、読み出した値に基づいて前記焦点距離可変レンズに出力する前記駆動信号の前記電圧を調整することを特徴とする。
【００１１】
このような本発明では、校正ツールを用いて画像検出および演算処理を繰り返すことで、駆動信号の電圧と焦点距離可変レンズの焦点深度との関係を校正テーブルに記録することができる。とくに、焦点深度については、校正ツールの表面画像においてコントラストが最大となる２位置を検出することで、駆動信号の波形における正負のピークに対応する２つの焦点距離（最長および最短の焦点距離）を得ることができ、２つの焦点距離の差から焦点深度を計算できる。このような処理を繰り返すことにより、焦点距離可変レンズの焦点深度つまり屈折力と、対応する駆動信号電圧を示す校正テーブルの作成を容易かつ確実に行うことができる。
焦点距離可変レンズを所望の焦点深度に設定する際には、先に作成しておいた校正テーブルを参照し、所望の焦点深度に対応する電圧を読み出し、得られた電圧に駆動信号を調整することで、所望の焦点深度が得られる状態に調整することができる。このような駆動信号の調整により、所望の屈折力を得ることができる。
【００１２】
本発明の焦点距離可変レンズの校正方法において、前記校正ツールは、表面に所定高さの多数の段差面を有することが好ましい。
【００１３】
このような本発明では、多数の段差面が校正ツールの高さが異なる多数の部分となり、表面画像のコントラストの計算に利用される。ここで、段差面とすることで、校正ツールの表面画像の際に所定の広さを確保でき、コントラストの計算を容易かつ確実にできる。
なお、校正ツールとしては、例えば表面が傾斜面とされたブロックなどでもよく、傾斜面のうち同じ高さの部分をそれぞれ同じ焦点距離に対応する部分となる。しかし、本発明のように、表面が段差状とされることで、各段差面が所定の広さをもって同じ焦点距離に対応するようにでき、反射光量を確保してコントラストの計算を容易かつ確実にできる点で有効である。
【００１４】
本発明の焦点距離可変レンズの校正方法において、前記照明部で前記測定対象物を連続的に照明しつつ、前記画像検出部によりＥＤＯＦ画像を検出し、前記ＥＤＯＦ画像を、前記校正テーブルを作成する際の前記校正ツールの表面画像として用いることが好ましい。
【００１５】
このような本発明では、検出されるＥＤＯＦ画像には、駆動信号に応じて変動する焦点位置に合焦する画像データが重ね合わせられる。駆動信号は、通常の正弦波など、増減が反転する正負のピーク近傍での値の変動が小さく、このためＥＤＯＦ画像には駆動信号の正負のピーク近傍の画像データが多く含まれる。このような状況で、ＥＤＯＦ画像のコントラストを計算すると、含まれる画像データの比率が大きな駆動信号の正負のピーク近傍がコントラストの上位２つとして表れる。従って、上位２つの位置を選択することで、最長および最短の焦点距離が選択され、その変動幅（焦点距離として設定しうる範囲）により焦点深度を得ることができる。
さらに、本発明によれば、連続照明を用いつつ、駆動信号の正負のピークに対応する画像データを取得でき、例えばパルス照明装置のような高価な要素を必要とせず、容易に実施することができる。
【００１６】
本発明の焦点距離可変レンズの校正方法において、前記駆動信号の正負のピークに対応するタイミングで、前記照明部により前記測定対象物をパルス照明し、前記パルス照明された前記校正ツールの表面画像を前記画像検出部で検出することが好ましい。
【００１７】
このような本発明では、検出される校正ツールの表面画像は、駆動信号の正負のピークでパルス照明された２つの画像データが重ね合わせられたものであり、表面画像をコントラスト計算することで各々の焦点距離が得られ、その差から焦点深度が得られる。
従って、駆動信号の正負のピークでパルス照明を行うことで、最長および最短の焦点距離を容易かつ確実に取得できる。
【００１８】
本発明の焦点距離可変レンズ装置は、周期的な駆動信号により焦点距離が周期的に変化する焦点距離可変レンズと、測定対象物を照明する照明部と、前記焦点距離可変レンズを通して前記測定対象物の画像を検出可能な画像検出部と、前記焦点距離可変レンズに前記駆動信号を出力するとともに前記照明部および前記画像検出部を制御するレンズ制御部と、前記レンズ制御部が出力する前記駆動信号の前記電圧を調整する校正動作制御部と、を有し、前記校正動作制御部は、前記レンズ制御部から前記焦点距離可変レンズに所定電圧の前記駆動信号を出力し、前記画像検出部で前記測定対象物の表面画像を検出し、前記表面画像でコントラストが最大となる２位置を検出し、前記２位置の焦点距離の差から焦点深度を計算し、前記焦点深度と前記駆動信号の電圧と対応させて記録する、という操作を繰り返して校正テーブルを作成し、前記焦点距離可変レンズを所望の焦点深度に設定する際に、前記校正テーブルから所望の前記焦点深度に対応する前記電圧の値を読み出し、読み出した値に基づいて前記焦点距離可変レンズに出力する前記駆動信号の前記電圧を調整することを特徴とする。
【００１９】
このような本発明の焦点距離可変レンズ装置によれば、測定対象物として表面に高さが異なる多数の部分を有する校正ツールを設置したうえで校正動作制御部を動作させることで、前述した本発明の焦点距離可変レンズの校正方法で説明した通りの効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、駆動信号の調整により所望の屈折力が得られる焦点距離可変レンズの校正方法および焦点距離可変レンズ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態を示す模式図。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】前記実施形態の制御部分を示すブロック図。
【図６】前記実施形態の校正ツールの側面形状（Ａ）と平面形状（Ｂ）を示す図。
【図７】前記実施形態の校正手順を示すフローチャート。
【図８】前記実施形態の校正処理を示す模式図。
【図９】前記実施形態の校正処理で得られる校正テーブルを示す図。
【図１０】本発明の他の実施形態の校正手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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の表面を照明する照明部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。
【００２３】
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、画像検出部４および照明部５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。
【００２４】
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。
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からの発光信号Ｃｉに応じて照明光Ｌｉを発光させ、測定対象物９の表面に対する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。
【００２５】
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。
【００２６】
〔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（例えば７０ＫＨｚ）に調整されている。
【００２７】
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。
【００２８】
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は最近、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は最遠、焦点距離Ｄｆは最長となる。
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。
【００２９】
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（任意の位相）で焦点位置Ｐｆにある測定対象物９をパルス照明すれば、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。
一方、焦点変動波形Ｍｆのように焦点位置Ｐｆを変動させつつ、パルス照明ではなく連続的な照明を行って、連続的に測定対象物９の画像を検出することで、焦点距離Ｄｆが最短（図４（Ａ）の状態）から最長（図４（Ｃ）の状態）までの範囲の合焦画像を重ね合わせた測定対象物９のＥＤＯＦ画像が得られる。
【００３０】
〔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、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、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。
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。
【００３１】
〔制御用ＰＣ７〕
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。
このうち、レンズ操作部７１は、本発明に基づく校正動作制御部７１１および校正テーブル７１２を有する。
【００３２】
校正動作制御部７１１は、焦点距離可変レンズ装置１の測定対象物９として校正ツール９１を設置した状態で起動されることで、所望の屈折力（焦点深度）と対応する駆動信号Ｃｆの電圧とを記録した校正テーブル７１２（図９参照）を作成する。
校正テーブル７１２が作成された制御用ＰＣ７においては、測定すべき測定対象物９を設置するとともに、所望の屈折力となる電圧を校正テーブル７１２から読み出し、レンズ制御部６が出力する駆動信号Ｃｆの電圧を調整することで、液体レンズユニット３で所望の屈折力を得ることができる。
【００３３】
〔校正ツール９１〕
図６には、本実施形態で用いる校正ツール９１が示されている。図６の（Ａ）部は校正ツール９１の側面形状を示し、図６の（Ｂ）部は平面形状を示す。
図６において、校正ツール９１は、金属ほかの無機材料や合成樹脂で形成されたブロック状の本体９２を有し、その上面には多数の段差面９３が形成されている。段差面９３は、それぞれ隣接する段差面９３に対して全て同じ段差高ｄｈとされている。
【００３４】
校正ツール９１を焦点距離可変レンズ装置１に設置し、画像検出部４で校正ツール９１の画像を検出した場合、例えば表面画像９４のように複数の段差面９３が含まれる画像が検出可能である。
表面画像９４に撮像される段差面９３について、以下の説明では、表面画像９４の中央にある段差面９３を基準段差面Ｐ０とし、基準段差面Ｐ０より高い段差面９３は順に段差面Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３とし、基準段差面Ｐ０より低い段差面９３は順に段差面Ｐ−１，Ｐ−２，Ｐ−３とする。なお、表面画像９４により多くの段差面９３が含まれる場合、順にＰ４，Ｐ５あるいはＰ−４，Ｐ−５となる。
【００３５】
本実施形態では、照明部５により校正ツール９１を連続的に照明することで、画像検出部４で検出される校正ツール９１の画像はＥＤＯＦ画像となる。
つまり、表面画像９４の画像データは、前述した基準段差面Ｐ０、段差面Ｐ１〜Ｐ３および段差面Ｐ−１〜Ｐ−３の各々に合焦した画像データを全て重ね合わせたものとされ、焦点距離最小の段差面Ｐ３から最大の段差面Ｐ−３に至る範囲内で、任意の段差面Ｐｎに合焦した画像データとして利用可能である。ただし、任意の段差面（例えば段差面Ｐ１）に合焦した画像データは、他の段差面（例えば段差面Ｐ２）に対しては合焦しておらず、いわゆるぼけた画像データも含んでいることになる。
【００３６】
〔校正テーブル７１２の作成手順〕
図７には、校正テーブル７１２の作成手順が示されている。
図７において、作業者が、制御用ＰＣ７の操作インターフェイス７３から校正動作制御部７１１を起動すると、校正動作制御部７１１は、画面表示などにより校正ツール９１の設置を案内する（処理Ｓ１）。
作業者が、焦点距離可変レンズ装置１に校正ツール９１を設置し、設置したことを操作インターフェイス７３から入力すると、校正動作制御部７１１は、画面表示などにより電圧初期値Ｖｏおよび間隔（変化幅ｄＶ）の入力を案内する（処理Ｓ２）。
作業者が、操作インターフェイス７３により電圧初期値Ｖｏおよび変化幅ｄＶを入力すると、校正動作制御部７１１は、電圧Ｖｉ＝Ｖｏ＋ｉｄＶ（ｉ＝０〜ｎ）の各々について、その電圧Ｖｉに対応する焦点深度の測定を繰り返し（処理Ｓ３〜Ｓ８）、これにより校正テーブル７１２（図９参照）を作成する。
【００３７】
すなわち、校正動作制御部７１１は、レンズ制御部６から液体レンズユニット３に電圧Ｖｉの駆動信号Ｃｆを印加し（処理Ｓ３）、画像検出部４で校正ツール９１の表面画像９４（ＥＤＯＦ画像）を検出する（処理Ｓ４）。そして、表面画像９４でコントラストが最大となる２位置（２つの段差面９３）を検出し（処理Ｓ５）、各々の焦点距離の差から焦点深度Ｅｉを計算し（処理Ｓ６）、この焦点深度Ｅｉと駆動信号Ｃｆの電圧Ｖｉとを対応させて記録する（処理Ｓ７）。このような処理Ｓ３〜Ｓ７を、ｉ＝１〜ｎまで繰り返す（処理Ｓ８）ことで、校正テーブル７１２が作成できる。
【００３８】
図８には、校正テーブル７１２を作成する際の駆動信号Ｃｆの電圧Ｖと、検出される２つの段差面９３との関係が示されている。
図８において、液体レンズユニット３に印加される駆動信号Ｃｆの電圧Ｖ（図７の処理Ｓ３）は、図８の（Ａ）部のＶ＝０から（Ｂ）部のＶ＝Ｖ１、（Ｃ）部のＶ＝Ｖ２と、徐々に増加していくとする。
駆動信号Ｃｆの電圧Ｖ＝０のとき、液体レンズユニット３は駆動されず、焦点距離可変レンズ（液体レンズユニット３と対物レンズ２）の焦点距離Ｄｆ（図４参照）は変化幅の中央で変化せず、焦点位置Ｐｆ（図４参照）は図８の（Ｇ）部の基準段差面Ｐ０から変動しない。
駆動信号Ｃｆの電圧ＶがＶ１，Ｖ２と増加した段階では、焦点距離Ｄｆの変動幅は正負にそれぞれｄｈ未満であり、（Ｇ）部の段差高ｄｈの範囲内（隣接する段差面Ｐ１，Ｐ−１までの範囲内）に留まっている。
駆動信号Ｃｆの電圧Ｖがさらに増加し、電圧Ｖ＝Ｖ３に達したときに、焦点距離Ｄｆの変動幅は（Ｇ）部の段差高ｄｈの範囲を超え、隣接する段差面Ｐ１，Ｐ−１にも合焦する。このとき、駆動信号Ｃｆの電圧Ｖ＝Ｖ３であれば、焦点深度Ｅ＝ｄｈ×２＝２ｄｈとなる。
同様に、駆動信号Ｃｆの電圧Ｖ＝Ｖ４，Ｖ５に達したときに、焦点距離Ｄｆの変動幅が（Ｇ）部の段差高２ｄｈ，３ｄｈを超え、段差面Ｐ２，Ｐ−２あるいは段差面Ｐ３，Ｐ−３に合焦したならば、駆動信号Ｃｆの電圧Ｖ＝Ｖ４のとき焦点深度Ｅ＝２ｄｈ×２＝４ｄｈとなり、駆動信号Ｃｆの電圧Ｖ＝Ｖ５のとき焦点深度Ｅ＝３ｄｈ×２＝６ｄｈとなる。
以上のように、焦点深度Ｅｉと駆動信号Ｃｆの電圧Ｖｉとを対応させて記録すること（図７の処理Ｓ７）により、校正テーブル７１２が作成できる。
【００３９】
図９には、図８の例により作成された校正テーブル７１２の一例が示されている。
図９において、駆動信号Ｃｆの電圧Ｖ＝０のとき、焦点は基準段差面Ｐ０にあり、焦点深度Ｅ＝０、屈折力φ＝１である。
駆動信号Ｃｆの電圧Ｖ＝Ｖ３のとき、焦点は段差面Ｐ１〜Ｐ−１にあり、焦点深度Ｅ＝２ｄｈ、屈折力φ＝ｄｉ１となる。
駆動信号Ｃｆの電圧Ｖ＝Ｖ４のとき、焦点は段差面Ｐ２〜Ｐ−２にあり、焦点深度Ｅ＝４ｄｈ、屈折力φ＝ｄｉ２となる。
駆動信号Ｃｆの電圧Ｖ＝Ｖ５のとき、焦点は段差面Ｐ３〜Ｐ−３にあり、焦点深度Ｅ＝６ｄｈ、屈折力φ＝ｄｉ３となる。
【００４０】
校正テーブル７１２が作成されていれば、焦点距離可変レンズ装置１に求められる焦点深度Ｅまたは屈折力φが与えられた際には、該当する焦点深度Ｅまたは屈折力φを検索し、対応する駆動信号電圧Ｖを読み出し、その電圧Ｖをレンズ制御部６の駆動信号Ｃｆに設定することで、焦点距離可変レンズ装置１を所望の焦点深度Ｅまたは屈折力φに調整することができる。
【００４１】
本実施形態によれば、以下のような効果が得られる。
本実施形態では、校正ツール９１を用いて画像検出および演算処理（図７の処理Ｓ３〜Ｓ７）を繰り返すことで、駆動信号Ｃｆの電圧Ｖと焦点距離可変レンズ（液体レンズユニット３と対物レンズ２）の焦点深度Ｅとの関係を校正テーブル７１２（図９参照）に記録することができる。
とくに、焦点深度Ｅについては、校正ツール９１の表面画像においてコントラストが最大となる２位置を検出すること（図７の処理Ｓ５）とともに、校正ツール９１の段差面９３の段差高ｄｈを合算することで、駆動信号Ｃｆの波形における正負のピークに対応する２つの焦点距離（最長および最短の焦点距離）の差から焦点深度Ｅを計算できる。
そして、このような処理を繰り返すことにより、焦点距離可変レンズの焦点深度Ｅおよび屈折力φと、対応する駆動信号電圧Ｖを示す校正テーブル７１２の作成を容易かつ確実に行うことができる。
焦点距離可変レンズを所望の焦点深度に設定する際には、先に作成しておいた校正テーブル７１２を参照し、所望の焦点深度Ｅに対応する電圧Ｖを読み出し、得られた電圧Ｖに駆動信号Ｃｆを調整することで、所望の焦点深度Ｅが得られる状態に調整することができる。このような駆動信号Ｃｆの調整により、所望の屈折力φを得ることができる。
【００４２】
本実施形態では、校正ツール９１として、互いに段差高ｄｈである所定高さの多数の段差面９３を表面に有するものを用いた。このため、多数の段差面９３が校正ツール９１の高さが異なる多数の部分となり、表面画像のコントラストの計算に利用される。ここで、段差面９３とすることで、校正ツール９１の表面画像の際に所定の広さを確保でき、コントラストの計算を容易かつ確実にできる。
さらに、校正ツール９１の表面が段差状とされることで、各段差面９３が同じ焦点距離（同じ焦点距離となる一定高さ）で所定の広さをもつようにでき、反射光量を確保してコントラストの計算を容易かつ確実にできる。
【００４３】
本実施形態では、画像検出（図７の処理Ｓ４）において、照明部５で校正ツール９１を連続的に照明しつつ、画像検出部４によりＥＤＯＦ画像を検出するものとし、このＥＤＯＦ画像を、校正テーブル７１２を作成する際の校正ツール９１の表面画像として用いるとした。
ＥＤＯＦ画像においては、駆動信号Ｃｆに応じて変動する焦点位置Ｐｆに合焦する画像データが重ね合わせられる。駆動信号Ｃｆは、通常の正弦波であれば、増減が反転する正負のピーク近傍での値の変動が小さく、このためＥＤＯＦ画像には駆動信号Ｃｆの正負のピーク近傍の画像データの成分比率が多くなる。このような状況で、ＥＤＯＦ画像のコントラストを計算すると、含まれる画像データの比率が大きな駆動信号Ｃｆの正負のピーク近傍がコントラストの上位２つとして表れる。従って、上位２つの位置を選択することで、最長および最短の焦点距離Ｄｆが選択され、その変動幅（焦点距離として設定しうる範囲）により焦点深度Ｅを得ることができる。
このように、本実施形態では、連続照明を用いつつ、駆動信号Ｃｆの正負のピークに対応する画像データを取得でき、例えばパルス照明装置のような高価な要素を必要とせず、容易に実施することができる。
【００４４】
〔他の実施形態〕
図１０には、本発明の他の実施形態による校正テーブル７１２の作成手順が示されている。
本実施形態は、基本的な構成が前述した焦点距離可変レンズ装置１と同様である。このため、図１〜図６、図８、図９に示される共通の構成に関しては説明を省略し、以下には異なる構成について説明する。
【００４５】
前述した実施形態において、照明部５は連続照明を行う通常の照明装置であるとしたが、本実施形態において、照明部５は駆動信号Ｃｆの信号波形における任意の位相でパルス発光が可能なパルス照明装置とされている。
また、制御用ＰＣ７の校正動作制御部７１１で実行される校正テーブル７１２の作成手順が、前述した図７の手順と異なる。
【００４６】
図１０において、処理Ｓ１１〜Ｓ１３は図７の処理Ｓ１〜Ｓ３と同じである。また、処理Ｓ１５〜Ｓ１８は図７の処理Ｓ５〜Ｓ８と同じである。すなわち、本実施形態の作成手順では、処理Ｓ１４の画像検出がパルス照明のもとで実行され、駆動信号Ｃｆの正負のピーク位置での画像のみが検出される点が異なる。
このようなパルス照明により、処理Ｓ１４で得られる画像が駆動信号Ｃｆの正負のピーク位置での画像となるため、次の処理Ｓ１５におけるコントラスト計算に基づく２つの段差面９３の判定（最短および最長の焦点位置の検出）が、他の期間の画像データを含むＥＤＯＦ画像を用いる前記実施形態に比べて容易かつ高精度にできる。
【００４７】
〔変形例〕
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。
例えば、前述した実施形態では、段差高ｄｈが等しい複数の段差面９３を有する校正ツール９１を用いたが、基準段差面近くでは段差高が小さく、離れるに従って段差高が大きくなるような段差状の校正ツールを用いてもよい、また、校正ツールは、表面に高さが異なる多数の部分があればよく、例えば表面が傾斜面とされたブロックなどでもよい。
しかし、前述した実施形態のように、表面が段差状とされることで、各段差面９３が所定の広さをもって同じ焦点距離に対応するようにでき、反射光量を確保してコントラストの計算を容易かつ確実にできる点で有効である。さらに、段差高ｄｈが一定であることで焦点距離の計算が容易であり、校正ツール９１の製造も容易にできる。
【００４８】
本発明で用いる焦点距離可変レンズ装置１としては、図１および図５に示す構成のものに限らず、焦点距離可変レンズ（液体レンズユニット３および対物レンズ２）、画像検出部４、照明部５、レンズ制御部６に相当する構成を有するものであればよい。焦点距離可変レンズは、液体レンズシステムを利用したものに限らず、他の原理に基づく焦点距離可変レンズであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、焦点距離可変レンズの校正方法および焦点距離可変レンズ装置、とくに焦点距離が高速で変化する焦点距離可変レンズを校正する方法に利用できる。
【符号の説明】
【００５０】
１…焦点距離可変レンズ装置、２…対物レンズ、３…焦点距離可変レンズである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…照明部、６…レンズ制御部、６１…駆動制御部、６２…発光制御部、６３…画像検出制御部、７…制御用ＰＣ、７１…レンズ操作部、７１１…校正動作制御部、７１２…校正テーブル、７２…画像処理部、７３…操作インターフェイス、９…測定対象物、９１…校正ツール、９２…本体、９３…段差面、９４…表面画像、Ａ…光軸、Ｃｃ…画像検出信号、Ｃｆ…駆動信号、Ｃｉ…発光信号、Ｄｆ，ｆ…焦点距離、ｄｈ，２ｄｈ，３ｄｈ…段差高、ｄＶ…変化幅、Ｅ，Ｅｉ…焦点深度、Ｉｍ…検出画像、Ｌｇ…画像、Ｌｉ…照明光、Ｌｒ…反射光、Ｍｆ…焦点変動波形、ｎ…屈折率、Ｐ０…基準段差面、Ｐ１，Ｐ−１，Ｐ２，Ｐ−２，Ｐ３，Ｐ−３…段差面、Ｐｆ…焦点位置、Ｖ…駆動信号電圧、Ｖｉ…電圧、Ｖｏ…電圧初期値、Ｖｆ…振動状態、Ｗ…屈折率分布、φ…屈折力。
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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