(57)【要約】【課題】焦点合わせを行って定位置に物体の像を結ばせる光学装置であって、中心投影方式の像生成において投影の中心を固定したまま焦点合わせを行うことができる光学装置を得る。【解決手段】可変焦点光学要素である可変焦点ミラー２と撮像レンズ４により可変焦点光学装置を構成し、可変焦点ミラー２を、その主点を撮像レンズ４の前側焦点Ｆに一致させて配置し、可変焦点ミラー２の焦点距離を調節することにより中心投影方式における投影の中心を前記可変焦点ミラーの主点に一致させて焦点合わせを行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
焦点合わせを行って定位置に物体の像を結ばせる光学装置であって、撮像レンズと、この撮像レンズの前側焦点に後側主点を一致させて配置した可変焦点光学要素とを備え、この可変焦点光学要素の焦点距離を調節することにより中心投影方式の像生成において投影の中心を前記可変焦点光学要素の前側主点に一致させて焦点合わせを行うことを特徴とする、可変焦点光学装置。
【請求項２】
前記可変焦点光学要素として可変焦点ミラーを備えていることを特徴とする請求項１に記載の可変焦点光学装置。
【請求項３】
前記可変焦点光学要素として可変焦点レンズを備えていることを特徴とする請求項１に記載の可変焦点光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
可変焦点機構を有するカメラの光学装置に関するものである。特に物点と像点の関係が中心投影の関係にあって、投影の中心点を固定したまま焦点合わせを行うことができる可変焦点機構を有する光学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
通常のカメラにおいては、物体に焦点を合わせて写真フィルム面あるいは光電変換撮像素子面上に物体の像を得るために、撮像レンズをその光軸に沿って移動させて行う。そして、ステレオカメラでは、２台のカメラによって得られた同一の物体の２つの画像から物体像の視差を検出し、物体上の各点までの距離を求める。このとき、物体上の各点（以下、物点という）とその像（以下、像点という）の関係を、近似的な関係として、いわゆる中心投影の関係にあるものと仮定し、物点の距離を求める。このような仮定は、本来、焦点を合わせた１つの面上にある物点とその対応する像点の間にのみ成立することである。しかし、従来のステレオビジョンの実用例では、カメラから物点に至る距離が撮像レンズの焦点距離に比較して十分大きいときは、一定の範囲の奥行きを持つ物体については、焦点はずれの影響が無視できるので、このような近似で実用上十分であり、距離の計算効率から見て有益であるとされてきた。しかし、比較的近距離の場合、測定精度上、焦点はずれの影響が無視できなくなってくる。そのような場合、測定面の距離に応じて撮像レンズを移動して焦点合わせを行えば、投影中心となる撮像レンズの中心（厳密には主点）が移動し、もはや単一の中心投影モデルでは扱えず、投影中心の移動に対処するための倍率の補正を含む複雑な距離解析を行う必要が生じ、測定効率を低下させるという問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の三次元位置測定用光学装置における焦点合わせに伴う投影中心の移動の問題と、固定焦点における測定対象の物点の焦点はずれの問題を解決し、近距離における物点の三次元位置測定精度の向上を図ることを課題とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
投影中心の移動を生ぜずに焦点合わせを行うことができれば、中心投影に基づく三次元位置測定を正確に、かつ効率的に行うことができる。そこで本発明にかかる可変焦点光学装置では、投影の中心となる前側主点の位置が実質的に不変とみなせる可変焦点光学要素をその後側主点位置が撮像レンズの前側焦点位置に一致するように設置して、可変焦点光学要素の焦点距離を制御することによって焦点合わせを行い、撮像レンズの後側焦点位置から光軸に沿って一定の距離に像を形成するようにしたものである。前側主点の位置が実質的に不変と見なせる可変焦点光学要素としては、曲率が可変な反射面を有する可変焦点ミラーあるいは曲率が可変な屈折面を有し、厚みが屈折面の曲率半径に比べて十分薄く主点の移動が無視できる可変焦点レンズを用いることができる。可変焦点ミラーにおいては、可変曲率の反射鏡が、その周辺部で固定されている場合は、鏡面の変形により曲率を変えるとき、その頂点、すなわち主点が僅かに移動するが、焦点合わせ距離に比して十分小さな移動量であるため無視することができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。
【０００６】
図１は、本発明にかかる、可変焦点ミラーと撮像レンズからなる可変焦点光学装置の実施の一形態を模式的に表現したものである。１は焦点合わせの対象となる物体、２は可変焦点ミラー、３は半透明ミラー、４は撮像レンズ、５は物体１の像である。記号と実線で示した経路Ｔ−Ｈ−Ｆ−Ｈ−Ｏ−Ｓは光軸を示す。Ｔは光軸上の物点、Ｈは半透明ミラー３の反射面と光軸の交点である。Ｆは撮像レンズ４の前側焦点で、可変焦点ミラー２の頂点すなわち主点と一致させてある。可変焦点ミラーでは前側主点と後側主点は一致している。したがって、以下の記述では、特に区別する必要があるとき以外、可変焦点ミラーでは主点とのみ表現することにする。Ｏは撮像レンズ４の主点である。前方から入射する光線に対しては前側主点、後方に射出する光線に対しては後側主点を表すものとし、図面の簡略表現上、両主点を同一位置、同一記号で示している。Ｓは物体の像５の光軸上の像点を示す。像点Ｓの位置には、図示されていないが、感光フィルム面または撮像カメラの受像面が配置される。ｐはＴＦ間の距離を示す。撮像レンズ４の焦点距離をｆとし、撮像レンズ４の後側焦点から像点Ｓまでの距離をｑとすると、撮像レンズ４の主点Ｏ（後側主点）から像点Ｓまでの距離は、図１に示すように、ｆ＋ｑとなる。
【０００７】
レンズおよびミラーの結像公式にしたがって、以下、本発明の動作を説明する。可変焦点ミラー２の曲率半径をＲとすると、その焦点距離ｆｍは−Ｒ／２で表される。光学の慣例により、凹面ミラーではＲは負数に、凸面ミラーでは正数にとる。したがって、凹面ミラーは正の焦点距離を持ち、凸レンズと等価な結像作用を示す。ただし、反射により像を結ぶ光線はミラーへの入射光線と逆方向に進む。距離ｐにある物点の可変焦点ミラー２による像点は、同ミラーの前方の距離ｑｍの位置に生ずるとすると、ミラーの結像公式から、式１／ｐ＋１／ｑｍ＝１／ｆｍが成立する。ただし、１／ｐ、１／ｑｍ、および１／ｆｍは、それぞれｐ、ｑｍ、およびｆｍの逆数を表している。以下、同様である。その像を形成する光線は、半透明ミラー３により反射された後、さらに撮像レンズ４に進み、同レンズの後方、距離ｆ＋ｑの位置Ｓに、最終的に像を結ぶ。このとき式１／（ｆ＋ｑｍ）＋１／（ｆ＋ｑ）＝１／ｆが成立する。まず可変焦点ミラー２と撮像レンズ４による像の総合横倍率Ｍは、それぞれの倍率を相乗して式Ｍ＝（−ｑｍ／ｐ）×（−（ｆ＋ｑ））／（ｆ＋ｑｍ）から求められ、上の二つの式を代入すると、結局、倍率はＭ＝−ｆ／ｐとして求められる。この式は、撮像レンズ４の前側焦点Ｆすなわち可変焦点ミラー２の主点を投影中心とする中心投影における倍率を表している。一方、像のできる距離、すなわち撮像レンズ４の後側焦点から結像位置までの距離ｑは、倍率と同様に上の二つの結像公式を用いて求められ、式ｑ＝ｆ×ｆ×（１／ｐ−１／ｆｍ）により与えられる。ここで、物点の位置ｐに応じて焦点合わせを行うためには、可変焦点ミラー２の焦点距離ｆｍを調節して、距離ｑを一定に保てばよい。焦点距離ｆｍの調節は、反射面を変形させて、その曲率半径Ｒを調節して行う。
【０００８】
調節方法の一つは、可変焦点ミラー２の焦点距離ｆｍを物体までの距離ｐに等しくなるように、ｆｍ＝ｐの関係を実現することである。このときｑ＝０となり、常に、撮像レンズ４の後側焦点に結像させることになる。換言すれば、無限遠を基準距離として、無限遠にある物体（ｐ＝∞）の結像位置に、任意の距離ｐにある物体の像を結像させる調節方法である。具体的な数値を挙げると、ｐ＝３００（ｍｍ）では、凹面ミラーの曲率半径Ｒは、−６００（ｍｍ）に調節すれば良い。このとき、直径１０（ｍｍ）の周辺を固定された薄板円板状の凹面ミラーでは、ミラー全体に均等加重をかけて微小弾性変形を起こす場合、ミラーの頂点の撓み量はわずかに約０．０１（ｍｍ）である。したがって、調節過程において、ミラーの頂点すなわち主点を撮像レンズ４の前側焦点に一致させるという設置条件は実質的に満たされている。この誤差が、倍率および像距離に与える影響は、撓みによる頂点の移動量と物体の距離ｐの比に等しい誤差率として現れる。上記の数値例では、誤差率０．００３．３％に相当し、レンズ収差など、他の光学装置構成要素の製作誤差に対して無視できる誤差となっている。本発明では、可変焦点光学要素の主点、詳しくは後側主点を撮像レンズの前側焦点に一致させて配置するという構成条件を必要とするが、許容誤差の範囲で一致が達成されていれば良く、そのような許容誤差内の一致を含めて単に一致と表現する。
【０００９】
他の調節方法は、基準距離を有限距離ｐｏにとり、可変焦点ミラー２の焦点距離をｆｍｏとして得られる結像位置の距離ｑｏに、任意の距離ｐにある物体の像を結像させる調節方法である。このとき、可変焦点ミラー２の焦点距離ｆｍを式１／ｐｏ−１／ｆｍｏ＝１／ｐ−１／ｆｍを満たすように調節する。例えば、基準距離ｐｏについては反射面を変形させず平面ミラーとして、曲率Ｒを無限大、すなわち焦点距離ｆｍｏを無限大として、式１／ｐｏ＝１／ｐ−１／ｆｍから、距離ｐに対しては焦点距離ｆｍを式ｆｍ＝ｐｏ×ｐ／（ｐｏ−ｐ）により、または曲率半径Ｒを式Ｒ＝−２ｐｏ×ｐ／（ｐｏ−ｐ）により設定して、距離ｐに対する像の距離ｑを基準距離ｐｏに対する像の距離ｑｏに等しくすることができ、焦点合わせを行うことができる。具体的な数値例を挙げると、ｐｏ＝３００（ｍｍ）、ｐ＝２００（ｍｍ）では、可変焦点ミラーは凹面ミラーとし、その曲率半径を−１２００（ｍｍ）に調節すればよい。このとき、直径１０（ｍｍ）の可変焦点ミラーでは、前記の変形条件と同じ変形条件の場合、ミラー頂点における撓み量は約０．００５（ｍｍ）で、無視できる大きさであり、可変焦点ミラーの頂点を撮像レンズの前側焦点位置に配置するという条件は実質的に保たれている。またｐｏ＝２００（ｍｍ）、ｐ＝３００（ｍｍ）とした場合、可変焦点ミラーは凸面ミラーとし、その曲率半径を１２００（ｍｍ）に調節すればよい。
【００１０】
可変焦点ミラー２は種々の方法で実現することができる。半導体微細加工技術を適用して製作した可変焦点ミラーの例を、その断面図により図２に示す。この技術は、平成元年電気学会全国大会予稿集第６冊１６３頁から１６４頁に掲載された、原田昌信、畑澤康善、佐藤一雄、藤田博之および生駒俊明の研究報告（講演番号７１５、講演題目「単結晶シリコン薄膜を用いた可変焦点凹面鏡」）により既に公知になっている。２ａは焦点距離可変の凹面ミラーとなるシリコン薄板で、単結晶シリコン基板６の中央部をエッチングして形成した厚み１６乃至５０ミクロン、直径１０（ｍｍ）程度の円形の薄板である。入射光７に対して反射率を高めるためにアルミニウムの薄膜を蒸着することができる。８はガラス基板で、ミラーを形成するシリコン薄板２ａに対向する位置にエッチングにより深さ３０ミクロンの溝が掘られ、その底にはスパッタ蒸着により電極９が形成されている。この電極９とシリコン基板６の間に可変直流電源１０により電圧を印加すると、静電気力によりシリコン薄板２ａが電極９に引き付けられて撓み、入射光７に対して焦点距離が可変の凹面ミラーとなる。したがって、このシリコン薄板２ａは、図１において説明した本発明の実施の形態における可変焦点ミラーとして用いることができる。前記の原田昌信、畑澤康善、佐藤一雄、藤田博之および生駒俊明の研究報告によれば、４０（Ｖ）から４００（Ｖ）程度の印加電圧によって焦点距離を０．１（ｍ）から５（ｍ）程度まで変化させることができる。
【００１１】
可変焦点距離の凸面ミラーも既存技術を利用して実現することができる。図３を用いて、可変焦点凸面ミラーの実現形態の一つを説明する。１１は焦点距離可変の凸面ミラーを構成するガラス薄板で、厚みが３００ミクロン、直径が１５（ｍｍ）で、入射光７を受ける面には反射率を高めるためにＡｌ薄膜が蒸着されている。１２は外径が１５（ｍｍ）、内径が１０（ｍｍ）、長さが１５（ｍｍ）のガラス管である。１３は１１と同様なガラス薄板であるが、Ａｌ薄膜は蒸着されていない。ガラス薄板１１、１３は、それぞれ図示するようにガラス管１２の端面に固着されていて、ガラス管１２の内部を満たすシリコンオイル１４を密封している。以上の構成要素は、ガラス管１２の中心軸を含む断面図として描かれている。１５は積層型ピエゾアクチュエータで、先端部に球面状の端面を有する金属製接触子１６を介してガラス薄板１３を押し、外部からの電圧信号に応じた変位をガラス薄板１３の中央部に起させる。図には外部電圧信号源および信号源から積層型ピエゾアクチュエータ１５への配線は示されていない。積層型ピエゾアクチュエータ１５の具体例としては、ドイツ国フィジーク・インストルメンテ社（Ｐｈｙｓｉｋ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅ  ＧｍｂＨ＆Ｃｏ．）の商品名プリローデッド・クローズドループ  ＬＶＰＺＴトランスレータ  Ｐ−８４１．２０を挙げることができる。１００Ｖの電圧を加えることで、３０ミクロンの変位をガラス薄板１３の中央部に起させることができ、その結果、シリコンオイル１４を介してガラス薄板１１に同程度の撓みを生ぜしめて、同薄板１１の曲率を変化させる。この曲率変化は凸面ミラーとしての薄板１１の焦点距離を変化させることとなり、上記の本発明における焦点距離が可変の可変焦点ミラーとして動作することができる。シリコンオイル１４は不必要な外力がガラス薄板２に加わることを避けるための緩衝材として用いられているが、これを省略して接触子１６を直接、ガラス薄板１１に押し当てるようにしても良い。この場合、必要な力以外の外力がガラス薄板１１に加わらないように、使用上の注意が必要になる。また上記動作が適切に行われるためには、ガラス管１２と積層型ピエゾアクチュエータ１５のそれぞれの基点の間の相対距離が変化しないように互いに強固に固定しておく必要がある。そのための固定具は図３には表示されていないが、従来技術で容易に実現可能なものである。
【００１２】
図１により説明した実施の形態では、本発明の構成要素として必要な焦点距離可変の光学要素として、可変焦点ミラーを使用する例を示したが、可変焦点レンズを用いた実施の形態を図４を用いて説明する。可変焦点ミラー２の換わりに可変焦点レンズ１７が配置され、そして半透明ミラー３が取り除かれて光学系は簡素になっている。可変焦点ミラーでは、一般に前側主点（物体主点ともいう）と後側主点（像主点ともいう）は一致しているが、可変焦点レンズでは前側主点と後側主点の位置は一般に異なる。したがって、可変焦点レンズを用いる場合には、可変焦点レンズの後側主点を撮像レンズ４の前側焦点Ｆに一致させるように配置する。この配置において、可変焦点レンズ１７の焦点距離ｆｍを制御することにより、可変焦点レンズ１７の前方、前側主点から距離ｐにある物体１の像を撮像レンズ４の後側主点から一定距離ｆ＋ｑに結ばせ、かつ倍率をｆ／ｐとすることができる。このことは、反射光学系か透過光学系かの違いを除き、図１について説明した結像公式がそのまま成り立つので、自明である。この場合、投影中心は可変焦点レンズ１７の前側主点となる。
【００１３】
図４で説明した実施の形態の例における焦点距離の調節が可能な可変焦点レンズ１７については種々の実施形態が可能である。一つの実施例を図５の可変焦点レンズの光軸を含む断面図と図６の可変焦点レンズの正面図により説明する。シリコンオイルのような透明な液体１８をレンズ媒質として充填して密閉したレンズ容器１９の対向する二つの円形開口部２０をそれぞれガラス薄板２１で覆い、それらガラス薄板２１を円形開口部２０の周辺で固定しレンズ構造体を構成する。２２は円形開口部２０の中心を通るレンズの光軸である。２３は金属あるいはガラス製の弾性板で、積層型ピエゾアクチュエータ１５により加圧され、封入された透明液体１８の内圧を制御する。この内圧と大気圧との差圧によりガラス薄板２１は球面状に弾性変形を起こし、陽圧であれば凸レンズを、負圧であれば凹レンズを形成し、変形の程度により種々の焦点距離の値を実現する。差圧が零であれば焦点距離無限大の透明な平行平面板となる。２４は積層型ピエゾアクチュエータ１５にガラス薄板２１の変形に必要な電圧を加えるための電圧増幅器で、２５は電圧信号を電圧増幅器２４に送り、ガラス薄板２１の変形により可変焦点レンズの焦点距離を制御するためのコントローラである。図５と図６において示したような可変焦点レンズは従来技術により容易に実現可能なものであり、同様な動作原理に基づく可変焦点レンズの試作報告がある（奥寛雅、石川正俊、ｋＨｚオーダで応答可能な可変焦点レンズの試作、Ｎｏ．０２−６日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会論文集、２Ｐ２−Ｊ０９（１）−（２）、２００２年６月）。
【００１４】
液晶は電圧をかけることによって屈折率を変化させることができるので、この性質を利用して、電圧分布を液晶パネルに加えて屈折率分布を作り出し、レンズ機能を発揮させることができる。現在のところ、応答速度が遅く、透過波長域が限られるという欠点があるが、低電圧による電気的制御が可能で小型に作れるという特長を有するので、本発明の可変焦点レンズの将来の有力候補の一つである。
【００１５】
前記の実施の形態の説明で、撮像レンズ４は、一般的には、複数のレンズの組合せからなる収束レンズであり、全体として単一の収束レンズと同様な正の焦点距離をもつ、複数のレンズや鏡からなる、より複雑な複合的な収束レンズ系であってもよい。このとき、可変焦点ミラー２および可変焦点レンズ１７の後側主点（像主点ともいう）は、前記の実施の形態において述べたのと同様に、複合レンズ系の前側焦点（物体焦点ともいう）に設置され、複合レンズ系の焦点距離が前記の撮像レンズ４の焦点距離ｆとして扱われる。
【００１６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施されるとき、以下に記載されるような効果を奏する。
【００１７】
撮像レンズの前側焦点（物体焦点）に可変焦点ミラーあるいは可変焦点レンズの後側主点（像主点）を一致させて焦点合わせを行うので、可変焦点ミラーあるいは可変焦点レンズの焦点距離を制御することにより、像を得ようとする物体の上の任意の点（物点）に焦点を合わせることができると同時に、可変焦点ミラーあるいは可変焦点レンズの前側主点（物体主点）からの物点の距離に反比例する結像倍率が得られる。その結果、投影中心の移動が極めて小さく抑えられ、中心投影の条件が焦点合わせにより変動しないという利点が生じる。
【００１８】
したがって、本発明の応用システムとして、焦点合わせされた物体の像をＣＣＤカメラで受像し、画像情報を計算機処理して物体の形状計測や形状欠陥検査を行う画像計測システムにおいて、物体の位置による像の大きさの変化を一定した中心投影の倍率の式から捉えることができるので、複雑な倍率変動の補正を行う必要がなく、物体の形状計測を高速に効率的に行うことができる。また倍率補正に伴う補正誤差の発生を避けることができるから、高精度の形状計測を行うことができる。
【００１９】
また可変焦点ミラーおよび可変焦点レンズに要求されることは、焦点距離が無限大から有限の値まで変化することであるから、構造上のわずかな変化でよく、可変焦点ミラーおよび可変焦点レンズには曲率の大きな変化は要求されない。したがって、本発明によれば、収差の少ない光学的に高品質な可変焦点ミラーおよび可変焦点レンズを実現することが容易で、それらの低慣性の可変焦点機構を利用して、安定した中心投影による高速焦点調節を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる、可変焦点ミラーと撮像レンズからなる可変焦点光学装置の実施の一形態を示す模式的な断面図である。
【図２】印加する直流電圧により焦点距離を変えることができる可変焦点ミラーで、特に凹面ミラーを実現するのに適した可変焦点ミラーの垂直断面図である。
【図３】積層型ピエゾアクチュエータが加える圧力により焦点距離を変えることができる可変焦点凸面ミラーの実施形態の一つを示す模式的な側面図である。
【図４】本発明にかかる、可変焦点レンズと撮像レンズからなる可変焦点光学装置の実施の一形態を示す模式的な断面図である。
【図５】透明な液体をレンズ媒質とする可変焦点レンズの実施形態を示す光軸を含む断面図である。
【図６】透明な液体をレンズ媒質とする可変焦点レンズの実施形態を示すレンズ開口部の正面図である。
【符号の説明】
１  焦点合わせの対象となる物体
２  可変焦点ミラー
３  半透明ミラー
４  撮像レンズ
５  物体１の像
２ａ  焦点距離可変の凹面ミラーとなるシリコン薄板
６  単結晶シリコン基板
７  入射光
８  ガラス基板
９  電極
１０  可変直流電源
１１  焦点距離可変の凸面ミラーとなるガラス薄板
１２  ガラス管
１３  ガラス薄板
１４  シリコンオイル
１５  積層型ピエゾアクチュエータ
１６  金属製接触子
１７  可変焦点レンズ
１８  透明な液体
１９  レンズ容器
２０  円形開口部
２１  ガラス薄板
２２  レンズの光軸
２３  金属あるいはガラス製の弾性板
２４  電圧増幅器
２５  コントローラ
【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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