(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズ面に基準パターンが印刷され、前記基準パターンを撮像素子上に結像する小型レンズユニットと、
前記基準パターンの投影像を撮影するための照明手段および前記照明手段を配設する配設手段と、
前記撮像素子が撮影した基準パターン画像の時間変化を検出する検出手段と、
前記時間変化の時間変化情報に基づいて物理量を算出する算出手段と、
前記物理量の算出値を表示する表示手段と、
を備えることを特徴とする小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項２】
前記基準パターンは、同心円状のパターンからなることを特徴とする請求項１に記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項３】
前記基準パターンは、格子状のパターンからなることを特徴とする請求項１に記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項４】
前記検出手段は、前記基準パターン画像の暈けを検出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項５】
前記検出手段は、前記基準パターン画像の歪曲を検出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項６】
前記暈けの時間変化情報から前記物理量を算出することを特徴とする請求項４に記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項７】
前記歪曲の時間変化情報から前記物理量を検出することを特徴とする請求項５に記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項８】
前記小型レンズユニットおよび前記撮像素子は、密閉構造を備え、さらに前記小型レンズユニットおよび前記配設手段は、通気構造を備えることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項９】
前記物理量は、圧力であることを特徴とする請求項８に記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項１０】
前記小型レンズユニットは、熱膨張率の異なる２枚の貼り合わせレンズを有することを特徴とする請求項１ないし７に記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項１１】
前記小型レンズユニットおよび前記撮像素子、並びに、前記小型レンズユニットおよび前記配設手段は、密閉構造を備えることを特徴とする請求項１０に記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項１２】
前記物理量は、温度であることを特徴とする請求項１１に記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項１３】
前記小型レンズユニットは、レンズが吸湿性プラスチックからなることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項１４】
前記小型レンズユニットおよび前記撮像素子、並びに、前記小型レンズユニットおよび前記配設手段は、通気構造を備えることを特徴とする請求項１３に記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項１５】
前記物理量は、湿度であることを特徴とする請求項１４に記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項１６】
前記物理量は、振動であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項１７】
前記物理量は、加速度であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項１８】
スポット光を撮像素子上に結像する小型レンズユニットと、
前記小型レンズユニットのレンズと前記レンズの台座部とが可撓性の材料で接続される接続部と、
前記撮像素子が撮影したスポット光画像の時間変化を検出する検出手段と、
前記時間変化の時間変化情報に基づいて物理量を算出する算出手段と、
前記物理量の算出値を表示する表示手段と、
を備えることを特徴とする小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項１９】
前記小型レンズユニットは、被写体である前記スポット光の光源を小型レンズユニットが撮影できる位置に配設する配設手段を備えることを特徴とする請求項１８に記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項２０】
前記検出手段は、前記スポット光画像の暈けを検出することを特徴とする請求項１８または１９に記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項２１】
前記検出手段は、前記スポット光画像の位置を検出することを特徴とする請求項１８または１９に記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項２２】
前記暈けの時間変化情報から前記物理量を算出することを特徴とする請求項２０に記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項２３】
前記位置の時間変化情報から前記物理量を検出することを特徴とする請求項２１に記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項２４】
前記小型レンズユニットは、前記レンズおよび前記台座部が前記接続部と同一材料からなり、前記接続部の形状処理および熱処理の少なくとも一つの処理により可撓性を備えることを特徴とする請求項１８ないし２３のいずれか１つに記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項２５】
前記物理量は、振動であることを特徴とする請求項１８ないし２４のいずれか１つに記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項２６】
前記物理量は、加速度であることを特徴とする請求項１８ないし２４のいずれか１つに記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項２７】
前記物理量は、温度であることを特徴とする請求項２３に記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項２８】
前記小型レンズユニットおよび前記撮像素子は、密閉構造を備え、さらに前記小型レンズユニットおよび前記配設手段は、通気構造を備えることを特徴とする請求項１８ないし２２のいずれか１つに記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【請求項２９】
前記物理量は、圧力であることを特徴とする請求項２８に記載の小型レンズユニットを有する物理量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、物理的な諸量を計測するための小型センサに関し、特に小型レンズユニットを有する物理量測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、温度、圧力、振動と言った物理的な諸量を測定するための小型センサが開発されている。これらセンサは、各物理量を感度良く測定するために、様々なセンサ材料および検出回路を用いて制作される。一方、温度、圧力等の基礎的な物理量は、同時に、しかも多くの場所で多点測定されることも多く、その場合には、測定する物理量ごとにセンサおよび検出回路を準備する必要があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術によれば、測定する物理量の数および測定点の数に比例してセンサの数および検出回路の数が多くなった。
【０００４】
特に、これらは、複数の物理量の多点測定を行う場合に、ハードウェアを大掛かりで高価なものとする要因となっていた。
これらのことから、複数の物理量を共通のセンサおよび検出部で測定することができる物理量測定装置をいかに実現するかが極めて重要となる。
【０００５】
この発明は、上述した従来技術による課題を解決するためになされたものであり、複数の物理量を共通のセンサおよび検出部で測定することができる、小型レンズユニットを有する物理量測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置は、レンズ面に基準パターンが印刷され、前記基準パターンを撮像素子上に結像する小型レンズユニットと、前記基準パターンの投影像を撮影するための照明手段および前記照明手段を配設する配設手段と、前記撮像素子が撮影した基準パターン画像の時間変化を検出する検出手段と、前記時間変化の時間変化情報に基づいて物理量を算出する算出手段と、前記物理量の算出値を表示する表示手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この請求項１に記載の発明によれば、レンズ面に基準パターンが印刷された小型レンズユニットを用いて基準パターンを撮像素子上に結像し、照明手段により、基準パターンの投影像を撮影し、配設手段により、前記照明手段を配設し、検出手段により撮像素子が撮影した基準パターン画像の時間変化を検出し、算出手段によりこの時間変化の時間変化情報に基づいて物理量を算出し、表示手段によりこの物理量の算出値を表示することとしているので、基準パターンの変化から小型レンズユニットが置かれている環境の物理的な諸量を測定することができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記基準パターンは、同心円状のパターンからなることを特徴とする。
【０００９】
この請求項２に記載の発明によれば、基準パターンは、同心円状のパターンからなることとしているので、小型レンズユニットが持つレンズの同心円状の変化を検出することができる。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記基準パターンは、格子状のパターンからなることを特徴とする。
【００１１】
この請求項３に記載の発明によれば、基準パターンは、格子状のパターンからなることとしているので、小型レンズユニットが持つレンズの格子状の変化を検出することができる。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記検出手段は、前記基準パターン画像の暈けを検出することを特徴とする。
【００１３】
この請求項４に記載の発明によれば、検出手段は、基準パターン画像の暈けを検出することとしているので、暈け情報に基づいて小型レンズユニットの物理的状態を測定することができる。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記検出手段は、前記基準パターン画像の歪曲を検出することを特徴とする。
【００１５】
この請求項５に記載の発明によれば、検出手段は、基準パターン画像の歪曲を検出することとしているので、歪曲情報に基づいて小型レンズユニットの物理的状態を測定することができる。
【００１６】
また、請求項６に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記暈けの時間変化情報から前記物理量を算出することを特徴とする。
【００１７】
この請求項６に記載の発明によれば、暈けの時間変化情報から物理量を算出することとしているので、暈けの原因となる物理量の時間変化を計測することができる。
【００１８】
また、請求項７に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記歪曲の時間変化情報から前記物理量を検出することを特徴とする。
【００１９】
この請求項７に記載の発明によれば、歪曲の時間変化情報から物理量を検出することとしているので、歪曲の原因となる物理量の時間変化を計測することができる。
【００２４】
また、請求項８に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記小型レンズユニットおよび前記撮像素子は、密閉構造を備え、さらに前記小型レンズユニットおよび前記配設手段は、通気構造を備えることを特徴とする。
【００２５】
この請求項８に記載の発明によれば、小型レンズユニットおよび撮像素子は、密閉構造を備え、さらに小型レンズユニットおよび配設手段は、通気構造を備えることとしているので、小型レンズユニットのレンズを境界として、異なる圧力状態にすることができる。
【００２６】
また、請求項９に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記物理量は、圧力であることを特徴とする。
この請求項９に記載の発明によれば、物理量は、圧力であることとしているので、小型レンズユニットが置かれた環境の圧力変化を測定することができる。
【００２７】
また、請求項１０に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記小型レンズユニットは、熱膨張率の異なる２枚の貼り合わせレンズを有することを特徴とする。
【００２８】
この請求項１０に記載の発明によれば、小型レンズユニットは、熱膨張率の異なる２枚の貼り合わせレンズを有することとしているので、温度変化があった場合に、レンズの変形を大きくして、温度を検出する感度を良くすることができる。
【００２９】
また、請求項１１に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記小型レンズユニットおよび前記撮像素子、並びに、前記小型レンズユニットおよび前記配設手段は、密閉構造を備えることを特徴とする。
【００３０】
この請求項１１に記載の発明によれば、小型レンズユニットおよび撮像素子、並びに、小型レンズユニットおよび配設手段は、密閉構造を備えることとしているので、小型レンズユニットのレンズを境界として、圧力状態を同じものとすることができる。
【００３１】
また、請求項１２に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記物理量は、温度であることを特徴とする。
この請求項１２に記載の発明によれば、物理量は、温度であることとしているので、小型レンズユニットが置かれた環境の温度変化のみを測定することができる。
【００３２】
また、請求項１３に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記小型レンズユニットは、レンズが吸湿性プラスチックからなることを特徴とする。
【００３３】
この請求項１３に記載の発明によれば、小型レンズユニットは、レンズが吸湿性プラスチックからなることとしているので、レンズの置かれている環境の湿度によりレンズを変形させることができる。
【００３４】
また、請求項１４に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記小型レンズユニットおよび前記撮像素子、並びに、前記小型レンズユニットおよび前記配設手段は、通気構造を備えることを特徴とする。
【００３５】
この請求項１４に記載の発明によれば、小型レンズユニットおよび撮像素子、並びに、小型レンズユニットおよび配設手段は、通気構造を備えることとしているので、小型レンズユニットの置かれている環境と、小型レンズユニットのレンズの環境を同一の湿度に保つことができる。
【００３６】
また、請求項１５に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記物理量は、湿度であることを特徴とする。
この請求項１５に記載の発明によれば、物理量は、湿度であることとしているので、小型レンズユニットが置かれた環境の湿度変化を測定することができる。
【００３７】
また、請求項１６に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記物理量は、振動であることを特徴とする。
この請求項１６に記載の発明によれば、物理量は、振動であることとしているので、小型レンズユニットが置かれた環境の振動を測定することができる。
【００３８】
また、請求項１７に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記物理量は、加速度であることを特徴とする。
この請求項１７に記載の発明によれば、物理量は、加速度であることとしているので、小型レンズユニットが置かれた環境の加速度を測定することができる。
【００４３】
また、請求項１８に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、スポット光を撮像素子上に結像する小型レンズユニットと、前記小型レンズユニットのレンズと前記レンズの台座部とが可撓性の材料で接続される接続部と、前記撮像素子が撮影したスポット光画像の時間変化を検出する検出手段と、前記時間変化の時間変化情報に基づいて物理量を算出する算出手段と、前記物理量の算出値を表示する表示手段と、を備えることを特徴とする。
【００４４】
この請求項１８に記載の発明によれば、小型レンズユニットを用いてスポット光を撮像素子上に結像し、接続部により、この小型レンズユニットのレンズとレンズの台座部とを可撓性の材料で接続し、検出手段により前記撮像素子が撮影したスポット光画像の時間変化を検出し、算出手段によりこの時間変化の時間変化情報に基づいて物理量を算出し、表示手段により物理量の算出値を表示することとしているので、スポット光画像の変化から小型レンズユニットが置かれている環境の物理的な諸量を測定することができる。
【００４５】
また、請求項１９に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記小型レンズユニットは、被写体である前記スポット光の光源を小型レンズユニットが撮影できる位置に配設する配設手段を備えることを特徴とする。
【００４６】
この請求項１９に記載の発明によれば、小型レンズユニットは、配設手段により、被写体であるスポット光の光源を小型レンズユニットが撮影できる位置に配設することとしているので、スポット光の光源をケースの中に収め、その画像からレンズの方向および位置を測定することができる。
【００４７】
また、請求項２０に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記検出手段は、前記スポット光の暈けを検出することを特徴とする。
【００４８】
この請求項２０に記載の発明によれば、検出手段は、スポット光画像の暈けを検出することとしているので、暈け情報に基づいて小型レンズユニットの物理的状態を測定することができる。
【００４９】
また、請求項２１に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記検出手段は、前記スポット光画像の位置を検出することを特徴とする。
【００５０】
この請求項２１に記載の発明によれば、検出手段は、スポット光画像の位置を検出することとしているので、位置情報に基づいて小型レンズユニットの物理的状態を測定することができる。
【００５１】
また、請求項２２に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記暈けの時間変化情報から前記物理量を算出することを特徴とする。
【００５２】
この請求項２２に記載の発明によれば、暈けの時間変化情報から物理量を算出することとしているので、スポット光画像の暈けの原因となる物理量の時間変化を測定することができる。
【００５３】
また、請求項２３に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記位置の時間変化情報から前記物理量を検出することを特徴とする。
【００５４】
この請求項２３に記載の発明によれば、位置の時間変化情報から前記物理量を検出することとしているので、スポット光画像の位置変化の原因となる物理量の時間変化を測定することができる。
【００５７】
また、請求項２４に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記小型レンズユニットは、前記レンズおよび前記台座部が前記接続部と同一材料からなり、前記接続部の形状処理および熱処理の少なくとも一つの処理により可撓性を備えることを特徴とする。
【００５８】
この請求項２４に記載の発明によれば、小型レンズユニットは、レンズおよび台座部が接続部と同一材料からなり、接続部の形状処理および熱処理の少なくとも一つの処理により可撓性を備えることとしているので、同一材料からなる小型レンズユニットでもレンズを振動させることができる。
【００５９】
また、請求項２５に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記物理量は、振動であることを特徴とする。
この請求項２５に記載の発明によれば、物理量は、振動であることとしているので、小型レンズユニットが置かれた環境の振動を測定することができる。
【００６０】
また、請求項２６に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記物理量は、加速度であることを特徴とする。
この請求項２６に記載の発明によれば、物理量は、加速度であることとしているので、小型レンズユニットが置かれた環境の加速度を測定することができる。
【００６１】
また、請求項２７に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記物理量は、温度であることを特徴とする。
この請求項２７に記載の発明によれば、物理量は、温度であることとしているので、小型レンズユニットが置かれた環境の温度を測定することができる。
【００６２】
また、請求項２８に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記小型レンズユニットおよび前記撮像素子は、密閉構造を備え、さらに前記小型レンズユニットおよび前記配設手段は、通気構造を備えることを特徴とする。
【００６３】
この請求項２８に記載の発明によれば、小型レンズユニットおよび撮像素子は、密閉構造を備え、さらに小型レンズユニットおよび配設手段は、通気構造を備えることとしているので、小型レンズユニットのレンズを境界として、異なる圧力状態にすることができる。
【００６４】
また、請求項２９に記載の発明に係る小型レンズユニットを有する物理量測定装置によれば、前記物理量は、圧力であることを特徴とする。
この請求項２９に記載の発明によれば、物理量は、圧力であることとしているので、小型レンズユニットが置かれた環境の圧力変化を測定することができる。
【００６９】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる小型レンズユニットを有する物理量測定装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
まず、本実施の形態１にかかる小型レンズユニットを有する物理量測定装置の全体構成について説明する。図１は、小型レンズユニットを用いた物理量測定装置の全体構成を示す図である。物理量測定装置は、センサ部１００、インターフェース部１０５、ケーブル部１１０、および表示部１２０よりなる。
【００７０】
センサ部１００は、対象とする物理量を検出し、数値化を行う。このセンサ部は、概ね７ｍｍ四方の大きさを持っている。
インターフェース部１０５は、センサ部１００で測定され、数値化された物理量を表示部１２０へ送信するための通信インターフェースである。このインターフェース部１０５と表示部１２０とはケーブル部１１０により接続され、センサ部１００で測定された物理量の数値情報が表示部１２０へ送信される。
【００７１】
表示部１２０は、表示画面を備えており、センサ部１００で測定、数値化された物理量を、表示画面上に表示する。この表示画面は、液晶あるいはプラズマディスプレイ等で構成される。また、この表示部１２０は、ケーブル部１１０との接続端子を複数備え、対象とする物理量の多点測定を行うこともできる。その際には、表示部１２０の表示画面上に、複数の測定データが、例えば、並列に列記される。
【００７２】
次に、センサ部１００の具体的な構成について説明する。センサ部１００は円筒形の形状を有する。図２はこのセンサ部１００のｙｚ断面を図示したものである。センサ部１００は、プリント板２５０と、このプリント板２５０に装着されたケース２００と、からなり、このケース２００には、基準パターン２１０、発光素子２６０、小型レンズユニット、撮像素子２４０、が内蔵されている。また、小型レンズユニットは、基準パターン２１０を撮像素子２４０上に結像するレンズ部２３０と、このレンズ部２３０を支える台座部２３５からなる。
【００７３】
基準パターン２１０は、格子状のパターンが印刷されたもので、ケース２００の内側の天井部に貼り付けられる。そして、基準パターン２１０は、発光素子２６０により照明され、レンズ部２３０を介して撮像素子２４０で撮影される。発光素子２６０の電源は、図示しない配線により、プリント板２５０から供給される。発光素子２６０には、例えば発光ダイオードが用いられるが、発光特性の安定した経時変化の少ない、小型で低消費電力のものが望まれる。
【００７４】
ここで、レンズ部２３０と台座部２３５とは、小型レンズユニットを構成し、被写体を撮像素子２４０上に結像する機能を持っている。レンズ部２３０と台座部２３５は、射出成形されるプラスチックで形成された一体型のものである。その頭頂部は、レンズ部２３０を形成しており格子状の基準パターン２１０の映像を撮像素子２４０上に結像する。
【００７５】
撮像素子２４０は、２次元的に受光素子が配列されたＭＯＳ型あるいはＣＣＤのエリアセンサで一つのシリコン基盤上に生成されている。また、基準パターン２１０の撮像に続く画像処理および演算処理も、このシリコン基盤上に生成される。
【００７６】
図３は、撮像素子２４０のブロック図である。レンズ部２３０により撮像素子２４０上に投影された基準パターン２１０は、撮像素子部３００で電気信号に変換され、画像処理部３１０に転送される。画像処理部３１０では、この基準パターン情報の暈けおよび歪曲を、数値化する。そして、この数値化された暈けおよび歪曲に基づいて演算部３２０において対象とする物理量の算出が行われる。この算出には、例えばすでに確立されたオートフォーカス技術を用いて算出することができる。その後、この物理量情報は、インターフェース部１０５を介して表示部１２０に送信され、表示画面上に表示される。なお、この撮像素子２４０は、プリント板２５０に表面実装され、プリント板上の導体パターンとボンディングその他の方法で電気的に接続される。
【００７７】
次に、小型レンズユニットを用いた物理量測定装置の動作の概要について図を用いて説明する。まず、格子状の基準パターン２１０の例を図４に示す。格子状に縦横の線が均等間隔で入れられており碁盤目をなしている。このパターンが物理量を測定する上での基準となり、標準状態（例えば１気圧、２３℃）で撮像素子２４０で観測される基準パターン画像である。
【００７８】
ここで、センサ部１００の温度が変化して、レンズ部２３０が変形を起こした場合に、レンズ部２３０のレンズ焦点位置が変化して、暈けた像が撮像素子２４０に生じる。この暈けた標準パターン画像の例を図５に示す。この暈けは、例えば図５の例では線幅の変化と定義され、図３の画像処理部３１０において求められる。演算部３２０は、この暈けから焦点位置の変化を算出し、ひいてはレンズの温度を測定することができる。
【００７９】
ここで、レンズ部２３０および台座部２３５の変形による暈けの変化と、温度との関係は、あらかじめ実験により求められ、演算部３２０に実験データとして保存されている。レンズ部２３０により撮像素子２４０上に写し込まれたパターンに暈けを生じさせる要因として、球面収差、コマ収差、および非点収差等があげられるが、実験データを用いることにより、これらの要因による総合効果としての暈けと、温度との関係を正確に求めることができる。
【００８０】
また、センサ部１００の温度が変化して、レンズ部２３０が変形を起こした場合に、レンズ部２３０のレンズに歪曲収差が発生し、基準パターン２１０の格子状パターン全体が変形する。この状態を図６および図７に示す。図６は、負の歪曲を有し、基準パターン２１０が樽型に変形した例である。また、図７は、正の歪曲を有し、基準パターン２１０が糸巻き型に変形した例である。
【００８１】
ここで、レンズ部２３０の変形による歪曲の変化と、温度との関係は、あらかじめ実験により求められ、図３の演算部３２０に実験データとして保存されている。歪曲収差は、レンズ中心部とレンズ周辺部とでの光の屈折の過不足から生じる収差であるため、レンズ全体の変形の大きさがわかり、ひいてはその変形に応じた温度とは関数関係が存在するので、温度を測定することができる。
【００８２】
また、図２では、ケース２００並びにレンズ部２３０と台座部２３５とからなる小型レンズユニットは、密閉構造としたが、ケース２００および小型レンズユニットに通気孔を設けることにより、温度を測定することもできる。
【００８３】
また、図２では、ケース２００および小型レンズユニットは、密閉構造としたが、ケース２００に通気孔を設け、小型レンズユニットを密閉構造とすることにより、小型レンズユニットに圧力変化による変形を生じさせ、この変形による暈けあるいは歪曲を測定することにより圧力を測定することもできる。この際、演算部３２０には、小型レンズユニットの変形による暈けあるいは歪曲と、温度との関係があらかじめ測定された実験データとして保存されている。
【００８４】
また、センサ部１００に振動が加えられた場合に、小型レンズユニットのレンズ部２３０にも同様の振動を生じる。この振動によりレンズ部２３０は変形するので、この変形に起因する標準パターン画像の暈けあるいは歪曲を検出することにより、センサ部１００は、レンズ部２３０の振動、ひいてはセンサ部１００の振動を検出することができる。この際、演算部３２０には、小型レンズユニットの変形による暈けあるいは歪曲と、振動との関係があらかじめ測定された実験データとして保存されている。
【００８５】
さらに、前記振動情報の２階時間微分情報からレンズ部２３０の加速度、ひいてはセンサ部１００の加速度を測定することができる。
上述してきたように、本実施の形態１では、小型レンズユニットで基準パターン２１０を撮影して、その基準パターン画像の暈けおよび歪曲の変化を画像処理部３１０で測定して、この暈けおよび歪曲の変化から、演算部３２０の実験データを用いて、センサ部１００が置かれている環境の温度、圧力、振動、加速度を測定することができる。
【００８６】
また、基準パターン２１０をケース２００の内側の天井部に貼り付ける代わりに、レンズ部２３０に基準パターンをメッキその他の方法により形成することもできる。この場合には、台座部２３５を低くして、レンズ部２３０と撮像素子２４０を近接して配置する。さらにレンズ部２３０は、平板に近いものとし、基準パターン２１０の代わりに光の反射板を設け、概ね平行光線がレンズ部２３０に入射するようにする。これにより、レンズ部２３０上の基準パターンが、撮像素子２４０に投影され、撮像素子２４０上に基準パターン画像が生成される。
【００８７】
また、小型レンズユニットのレンズ部２３０を吸湿性のプラスチック、例えばポリアミド等で成型することにより、湿度によりレンズ部２３０が変形し、これによる暈けあるいは歪曲の変化から、センサ部１００が置かれている環境の湿度を測定することができる。この際、ケース２００および小型レンズユニットには、通気孔が設けられており、ケース２００の周囲環境と内部環境とは同じ状態にされている。
【００８８】
また、小型レンズユニットのレンズ部２３０を熱膨張率の異なる２種類のプラスチックレンズの貼り合わせとすることにより、温度変化が生じた場合のレンズ部２３０の変形を大きくすることができる。これにより、温度センサとしての小型レンズユニットの感度を向上することができる。
【００８９】
また、多色成形により、レンズ部２３０を部分的に色付きのものとし、撮像素子２４０としてカラーの撮像素子を用い、レンズ部２３０の色の付いた部分を選択的に撮影することができる。これにより、レンズ部２３０の暈けあるいは歪曲を部分的に抽出し、最適と思われる複数の物理量、例えば温度および圧力を同時に測定することができる。例えば、図８に示した標準パターンの変形例では、標準パターンの中心部では、負の歪曲を有し、樽型の標準パターンになり、また標準パターンの周辺部では、正の歪曲を有し、糸巻き型の標準パターンになる。この場合に、中心部と周辺部で２色の色分けを行い、歪曲を部分的に抽出することにより、２つの歪曲のパラメータ値を取得し、各パラメータごとに一つの物理量を測定することができる。
（実施の形態２）
ところで、上記実施の形態１では、格子状の標準パターンを小型レンズユニットで撮影したが、標準パターンの代わりにスポット光を小型レンズユニットで撮影し、物理量の測定装置として機能させることもできる。そこで本実施の形態では、スポット光を用いて振動を測定する場合を示すことにする。
【００９０】
図９は、実施の形態２にかかるセンサ部８００の具体的な構造を示している。なお、センサ部８００は、図１のセンサ部１００に対応するものであり、他の部分は、図１と全く同様であるので、ここでの詳細な説明は省略する。
【００９１】
センサ部８００は円筒形の形状を有する。図９は、センサ部８００のｙｚ断面を図示したものである。センサ部８００は、プリント板９５０と、このプリント板９５０に装着されたケース９００と、からなり、このケース９００には、発光素子９６０、カバー９７０、小型レンズユニット、撮像素子９４０、が内蔵されている。
【００９２】
発光素子９６０は、例えば発光ダイオードが用いられ、スポット状の穴のあるカバー９７０で被われており、スポット光を生成する。この発光素子９６０およびカバー９７０は、ケース９００の内側の天井部に設置されている。発光素子９６０の電源は、図示しない配線によりプリント板９５０から供給される。
【００９３】
小型レンズユニットは、スポット光を撮像素子９４０上に結像するレンズ部９３０と、このレンズ部９３０を支える台座部９３５と、レンズ部９３０と台座部９３５を接続する接続部９３２からなる。
【００９４】
レンズ部９３０と、接続部９３２と、台座部９３５とは、プラスチックの射出成形により製作される一体型の構造を持っている。ここで、レンズ部９３０と台座部９３５を接続する接続部９３２は、薄いプラスチックで形成される構造を有し、レンズ部９３０を大きく可動可能としている。従って、センサ部８００が振動する際に、レンズ部９３０も同期して大きく振動する。
【００９５】
撮像素子９４０は、２次元的に受光素子が配列されたＭＯＳ型あるいはＣＣＤのエリアセンサで一枚のシリコン基盤上に生成されている。ここで、撮像素子９４０のブロック図を図１０に示す。レンズ部９３０により撮像素子上に結像されたスポット光は、撮像素子部５００で電気信号に変換され、画像処理部５１０に転送される。画像処理部５１０では、このスポット光画像の暈け、画像位置を、数値化する。そして、この数値化された暈け、画像位置に基づいて演算部５２０において対象とする振動の算出が行われる。その後、この振動情報は、インターフェース部１０５を介して表示部１２０に送信され、表示画面上に表示される。なお、この撮像素子９４０は、プリント板９５０に表面実装され、プリント板上の導体パターンとボンディングその他の方法で電気的に接続される。
【００９６】
次に、本実施の形態２にかかる小型レンズユニットを用いた振動測定装置の動作の概要について図１１を用いて説明する。図１１は、撮像素子部５００で観測されるスポット光画像を示した。このスポット光６００は、標準状態（例えば１気圧、２３℃、振動なし）で撮像素子９４０に観測されるスポットである。この時、レンズ部９３０は静止しており、振動していない状態にあるので、撮像領域の中心にスポット光６００が観測される。
【００９７】
ここで、センサ部８００が振動の外乱を加えられ、振動すると、レンズ部９３０もそれに同期して振動する。その際、レンズ部９３０が振動するので、スポット光６００も振動して、測定するごとに、スポット光画像は撮像領域の異なる位置に観測される。
【００９８】
スポット光６１０は、センサ部８００に振動を加えた場合に観測されるスポットの一例である。スポット光６１０は、スポット光６００と比較して、スポットの位置およびスポットの径が変化している。概ね、スポットの位置は、レンズ部９３０のｘｙ平面内の運動を反映し、スポットの径は、レンズ部９３０のｚ方向への運動を反映している。画像処理部５１０により、これらスポットの位置および径からレンズ部９３０の変位が決定される。
【００９９】
例えば、ある特定の振幅および周波数を有する振動の場合には、スポット光６１０の位置および径は、撮像領域６２０中を特定の軌跡を描いて周期運動する。演算部５２０は、実験的に求められたスポットの軌跡とレンズ部９３０の振動との対応テーブルを有し、この対応テーブルから振動の周期および振幅の方向および大きさを算出する。
【０１００】
また、演算部５２０において、撮像領域６２０に存在するスポット光６１０の軌跡から、その２階時間微分を求めることにより、センサ部８００に加わる加速度を求めることもできる。
【０１０１】
また、レンズ部９３０の質量およびレンズ部９３０が変位する際に台座部９３５との間に発生する張力等によりレンズ部９３０で測定できる上限周波数がきまる。なお、レンズ部９３０の質量およびレンズ部９３０と台座部９３５との接続部９３２の厚さを制御することにより、この上限周波数を変化させ、測定可能な周波数範囲を変更することもできる。
【０１０２】
上述してきたように、本実施の形態２では、接続部９３２を、薄いプラスチックで形成して、レンズ部９３０をセンサ部９００と同期して大きく可動可能とし、また、スポット光源がレンズ部９３０により撮像素子９４０上に結像するようにしているので、スポット光６００の位置および径の時間変化を計測することにより、レンズ部９３０の振動周波数および振動の方向さらに大きさを計測することができ、ひいてはレンズ部９３０を内蔵したセンサ部８００の振動周波数、振動の方向および大きさを計測することができる。
【０１０３】
また、センサ部８００に振動が加えられていない場合には、スポット光６００のスポット径の変化から、レンズ部９３０の温度変化、ひいてはセンサ部８００の温度変化を測定することができる。
【０１０４】
また、図９では、ケース９００および小型レンズユニットは、密閉構造としたが、ケース９００に通気孔を設け、小型レンズユニットを密閉構造とすることにより、小型レンズユニットのレンズ部９３０に圧力変化による変位を生じさせ、この変位によるスポット光６００の径の変化を測定することにより高感度に圧力を測定することもできる。この際、演算部５２０には、スポット光６００の径の変化と、圧力との関係があらかじめ測定された実験データとして保存されている。
【０１０５】
また、以上の物理量測定という目的上、較正（キャリブレーション）は、随時行えることが望ましい。較正（キャリブレーション）のため、同じ物理量の測定のために、複数の測定手段あるいはレンズユニットを持ち、比較修正しながら用いることが望ましい。
【０１０６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、レンズ面に基準パターンが印刷された小型レンズユニットを用いて基準パターンを撮像素子上に結像し、照明手段により、基準パターンの投影像を撮影し、配設手段により、前記照明手段を配設し、検出手段により撮像素子が撮影した基準パターン画像の時間変化を検出し、算出手段によりこの時間変化情報に基づいて物理量を算出し、表示手段によりこの物理量の算出値を表示することとしているので、基準パターンの変化から小型レンズユニットが置かれている環境の物理的な諸量を測定することができるという効果を奏する。
【０１０７】
また、請求項２に記載の発明によれば、基準パターンは、同心円状のパターンからなることとしているので、小型レンズユニットが持つレンズの同心状の変化を検出することができる。
【０１０８】
また、請求項３に記載の発明によれば、基準パターンは、格子状のパターンからなることとしているので、小型レンズユニットが持つレンズの格子状の変化を検出することができる。
【０１０９】
また、請求項４に記載の発明によれば、検出手段は、基準パターン画像の暈けを検出することとしているので、暈け情報に基づいて小型レンズユニットの物理的状態を測定することができる。
【０１１０】
また、請求項５に記載の発明によれば、検出手段は、基準パターン画像の歪曲を検出することとしているので、歪曲情報に基づいて小型レンズユニットの物理的状態を測定することができる。
【０１１１】
また、請求項６に記載の発明によれば、暈けの時間変化情報から物理量を算出することとしているので、暈けの原因となる物理量の時間変化を測定することができる。
【０１１２】
また、請求項７に記載の発明によれば、歪曲の時間変化情報から物理量を検出することとしているので、歪曲の原因となる物理量の時間変化を測定することができる。
【０１１５】
また、請求項８に記載の発明によれば、小型レンズユニットおよび撮像素子は、密閉構造を備え、さらに小型レンズユニットおよび配設手段は、通気構造を備えることとしているので、小型レンズユニットのレンズを境界として、異なる圧力状態にすることができる。
【０１１６】
また、請求項９に記載の発明によれば、物理量は、圧力であることとしているので、小型レンズユニットが置かれた環境の圧力変化を測定することができる。
【０１１７】
また、請求項１０に記載の発明によれば、小型レンズユニットは、熱膨張率の異なる２枚の貼り合わせレンズを有することとしているので、温度変化があった場合に、レンズの変形を大きくして、温度を検出する感度を良くすることができる。
【０１１８】
また、請求項１１に記載の発明によれば、小型レンズユニットおよび撮像素子、並びに、小型レンズユニットおよび配設手段は、密閉構造を備えることとしているので、小型レンズユニットのレンズを境界として、圧力状態を同じものとすることができる。
【０１１９】
また、請求項１２に記載の発明によれば、物理量は、温度であることとしているので、小型レンズユニットが置かれた環境の温度変化のみを測定することができる。
【０１２０】
また、請求項１３に記載の発明によれば、小型レンズユニットは、レンズが吸湿性プラスチックからなることとしているので、レンズの置かれている環境の湿度によりレンズを変形させることができる。
【０１２１】
また、請求項１４に記載の発明によれば、小型レンズユニットおよび撮像素子、並びに、小型レンズユニットおよび配設手段は、通気構造を備えることとしているので、小型レンズユニットの置かれている環境と、小型レンズユニットのレンズの環境を同一の湿度に保つことができる。
【０１２２】
また、請求項１５に記載の発明によれば、物理量は、湿度であることとしているので、小型レンズユニットが置かれた環境の湿度変化を測定することができる。
【０１２３】
また、請求項１６に記載の発明によれば、物理量は、振動であることとしているので、小型レンズユニットが置かれた環境の振動を測定することができる。
また、請求項１７に記載の発明によれば、物理量は、加速度であることとしているので、小型レンズユニットが置かれた環境の加速度を測定することができる。
【０１２６】
また、請求項１８に記載の発明によれば、小型レンズユニットを用いてスポット光を撮像素子上に結像し、接続部により、この小型レンズユニットのレンズとレンズの台座部とを可撓性の材料で接続し、検出手段により前記撮像素子が撮影したスポット光画像の時間変化を検出し、算出手段によりこの時間変化の時間変化情報に基づいて物理量を算出し、表示手段により物理量の算出値を表示することとしているので、スポット光画像の変化から小型レンズユニットが置かれている環境の物理的な諸量を測定することができる。
【０１２７】
また、請求項１９に記載の発明によれば、小型レンズユニットは、配設手段により、被写体であるスポット光の光源を小型レンズユニットが撮影できる位置に配設することとしているので、スポット光の光源をケースの中に収め、その画像からレンズの方向および位置を測定することができる。
【０１２８】
また、請求項２０に記載の発明によれば、検出手段は、スポット光画像の暈けを検出することとしているので、暈け情報に基づいて小型レンズユニットの物理的状態を測定することができる。
【０１２９】
また、請求項２１に記載の発明によれば、検出手段は、スポット光画像の位置を検出することとしているので、位置情報に基づいて小型レンズユニットの物理的状態を測定することができる。
【０１３０】
また、請求項２２に記載の発明によれば、暈けの時間変化情報から物理量を算出することとしているので、スポット光画像の暈けの原因となる物理量の時間変化を測定することができる。
【０１３１】
また、請求項２３に記載の発明によれば、位置の時間変化情報から前記物理量を検出することとしているので、スポット光画像の位置変化の原因となる物理量の時間変化を測定することができる。
【０１３３】
また、請求項２４に記載の発明によれば、小型レンズユニットは、レンズおよび台座部が接続部と同一材料からなり、接続部の形状処理および熱処理の少なくとも一つの処理により可撓性を備えることとしているので、同一材料からなる小型レンズユニットでもレンズを振動させることができる。
【０１３４】
また、請求項２５に記載の発明によれば、物理量は、振動であることとしているので、小型レンズユニットが置かれた環境の振動を測定することができる。
また、請求項２６に記載の発明によれば、物理量は、加速度であることとしているので、小型レンズユニットが置かれた環境の加速度を測定することができる。
【０１３５】
また、請求項２７に記載の発明によれば、物理量は、温度であることとしているので、小型レンズユニットが置かれた環境の温度を測定することができる。
また、請求項２８に記載の発明によれば、小型レンズユニットおよび撮像素子は、密閉構造を備え、さらに小型レンズユニットおよび配設手段は、通気構造を備えることとしているので、小型レンズユニットのレンズを境界として、異なる圧力状態にすることができる。
【０１３６】
また、請求項２９に記載の発明によれば、物理量は、圧力であることとしているので、小型レンズユニットが置かれた環境の圧力変化を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】小型レンズユニットを有する物理量測定装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１のセンサ部の断面を示す図である。
【図３】実施の形態１の撮像素子のブロック図である。
【図４】基準パターンを示す図である。
【図５】基準パターンが暈けた例を示す図である。
【図６】基準パターンが負の歪曲を起こした例を示す図である。
【図７】基準パターンが正の歪曲を起こした例を示す図である。
【図８】基準パターンが正と負の歪曲を同時に起こした例を示す図である。
【図９】実施の形態２のセンサ部の断面を示す図である。
【図１０】実施の形態２の撮像素子のブロック図である。
【図１１】撮像素子上のスポット光の変化を示す図である。
【符号の説明】
１００、８００  センサ部
１０５  インターフェース部
１１０  ケーブル部
１２０  表示部
２００、９００  ケース
２１０  基準パターン
２３０、９３０  レンズ部
２３５、９３５  台座部
２４０、９４０  撮像素子
２５０、９５０  プリント板
２６０、９６０  発光素子
３００、５００  撮像素子部
３１０、５１０  画像処理部
３２０、５２０  演算部
６００、６１０  スポット光
６２０  撮像領域
９３２  接続部
９７０  カバー
【図１】
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【図２】
0003797207.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003797207.tif 000007
【図７】
0003797207.tif 000008
【図８】
0003797207.tif 000009
【図９】
0003797207.tif 000010
【図１０】
0003797207.tif 000011
【図１１】
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