JPH0588004A

JPH0588004A - 焦点可変レンズ及びその焦点制御装置

Info

Publication number: JPH0588004A
Application number: JP25165991A
Authority: JP
Inventors: Shinzo Morita; 慎三森田; Norio Sugiura; 規夫杉浦
Original assignee: Nagoya University NUC
Current assignee: Nagoya University NUC
Priority date: 1991-09-30
Filing date: 1991-09-30
Publication date: 1993-04-09
Anticipated expiration: 2012-10-15
Also published as: JP2662593B2

Abstract

(57)【要約】【目的】収差のほとんどない理想的な焦点可変レンズ
及び高速で応答することのできる制御方法を実現する。【構成】２枚の弾性変形可能な高分子膜の間に又は高
分子膜と透明プレートとの間に光学的に透明な液体材料
を封入する。高分子膜は放物面状に弾性変形するため、
収差のない理想的なレンズが構成される。また、高分子
膜は、液体材料の充填量に応じてその曲率半径が変化す
るので、液体材料の充填量に応じて焦点距離が変化する
焦点可変レンズを実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高速で焦点制御するこ
とができる焦点可変レンズ及びその制御方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】物体を撮像する場合レンズ系を光軸方向
に移動させて物体の像を感光面上に結像させる必要があ
る。一方、レンズを固定して撮像する方法として、焦点
可変レンズを用いて撮像する方法が既知であり、例えば
本願人から提案されている特開平１−260401号公報に記
載されている高分子ゲルレンズが既知である。この焦点
可変レンズは外部からの駆動信号に応じてレンズの焦点
距離が制御されるため、移動する物体をレンズを固定し
た状態で撮像することができ、例えば産業用ロボットの
視覚センサとして利用することができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本願人が提案している
焦点可変レンズシステムは、例えば電界に応じて高分子
ゲルを不均一相転移させて焦点距離を変化させており、
例えば産業用ロボットの視覚センサとして利用できる大
きな利点を有している。

【０００４】しかしながら、高分子ゲルのレンズシステ
ムでは、高分子ゲルレンズの制御信号に対する応答性が
遅く、高速制御が要求されるシステムには適合しにく
い、難点があった。また、画像取り込み用ビデオカメラ
の焦点合わせ操作は、距離を測定する方法と、取り込ん
だ画像信号の処理によって行う方法があるが、一般的な
方法としては後者が採用されている。画像信号処理法で
は、画像信号ノイズの低減を図るために、複数の操作信
号の加算処理が必要であるため、合焦時間が長くなる。
また、焦点制御の方向を定めるためには、焦点距離をず
らせた少なくとも３枚の画像信号を比較する必要があ
り、画像信号処理方法による合焦時間を増加させる原因
になっている。

【０００５】さらに、従来のビデオカメラでは、撮像レ
ンズの収差を低減するため、多数のレンズを組み合せて
使用しなければならず、レンズ系が大型化する欠点もあ
った。

【０００６】従って、本発明の目的は上述した欠点を除
去し、焦点制御を高速で行うことができ、特に物体が移
動する場合でも、移動物体を高速で撮像することがで
き、しかも小形軽量化された焦点可変レンズ及びその焦
点制御方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による焦点可変レ
ンズは、互いに対向するように配置されている第１及び
第２の光透過性面と、これら第１及び第２の光透過性面
間に密封充填され光学的に透明な液体材料と、この液体
材料の充填量を制御する制御機構とを有し、前記第１及
び第２の光透過性面の少なくとも一方の面を弾性変形可
能な高分子膜で構成し、前記液体材料の充填量に基いて
焦点距離が変化するように構成したことを特徴とする。

【０００８】また、本発明による焦点可変レンズの焦点
制御装置は、互いに対向するように配置され、少なくと
も一方の面が弾性変形可能な高分子膜で構成されている
第１及び第２の面、及びこれら第１及び第２の面間に密
封充填され光学的に透明な液体材料を有し、この液体材
料の充填量に応じて焦点距離が変化する焦点可変レンズ
の焦点制御装置であって、前記液体材料の充填量を制御
する制御機構と、前記焦点可変レンズを介して被写体を
撮像する撮像装置と、この撮像装置から発生するビデオ
信号に基いて距離微分信号を発生させる微分回路とを具
え、前記微分回路から出力される微分信号に基いて前記
液体材料の充填量を制御することを特徴とする。

【０００９】

【作用】弾性変形可能な高分子膜と透明プレートとの間
に光学的に透明な液体材料を封入すると、高分子膜は凸
面状に弾性変形する。このときの高分子膜の形状につい
てシュミレーションを行なった結果、高分子膜は、その
中心を通る軸線を中心とする放物面であることが判明し
た。この結果より、透明プレートと光学的に透明な高分
子弾性膜との間に画成される空間内に透明液体材料を封
入すれば、ほとんど収差のない理想的なレンズを実現す
ることができる。しかも、高分子膜として適切な弾性張
力を有する透明膜を用いれば、レンズを垂直に配置して
も重力の影響をほとんど受けないレンズを実現すること
ができる。また、液体材料の封入量に応じて高分子膜の
曲率半径が変化するため、封入量を適切に制御すること
によりほとんど収差のない焦点可変レンズを実現するこ
とができる。

【００１０】焦点可変レンズの焦点制御に際し、該レン
ズで撮像した像のコントラストに基いて制御信号を発生
させ、この制御信号に基いて液体材料の封入量を制御す
ることにより、高速で焦点制御を行なうことができる。

【００１１】

【実施例】図１は本発明による焦点可変レンズの一例の
構成を示す断面図である。本例ではバックタイプレンズ
と称せられている焦点可変レンズについて説明する。図
１(a) は凸レンズとして作用する状態を示し、図１(b)
は凹レンズとして作用する状態を示す。光学的に透明な
平行平板である透明プレート１を用い、この透明プレー
ト上にスペーサとして作用するＯリング２を接着固定す
る。このスペーサ２に光学的に透明で弾性変形可能な高
分子膜３を接着固定する。この高分子膜３として、例え
ば厚さ30μm のポリスチレン膜を用いることができる。
スペーサ２には２個の細孔2a及び2bを形成し、これら細
孔にチューブ4a及び4bをそれぞれ連結する。チューブ4a
及び4b並びに細孔2a及び2bを介して光学的に透明な液体
材料例えばジメチルシリコンオイル５を、透明プレート
１、弾性高分子膜３及びスペーサ２によって画成される
空間内に挿入する。ここで、各部材の屈折率は、透明基
板１及びポリスチレン膜は約1.5 であり、ジメチルシリ
コンオイル５の屈折率は約1.6 である。透明液体材料で
あるシリコンオイル５の封入量を除々に増加すると、高
分子膜３が弾性変形をおこし、図１(a) に示すように高
分子膜３が凸状の放物面又は球面状に変形する。この結
果、透明プレート１、高分子膜３及びシリコンオイル５
により平凸レンズが形成される。そして、シリコンオイ
ル５の充填量に応じて高分子膜３の曲率半径が変化する
ため、この曲率半径の変化に応じてレンズとしての焦点
距離が変化する。この結果、シリコンオイルの充填量に
応じて焦点距離が変化する焦点可変レンズが構成され
る。また、図１(b) に示すように、シリコンオイル５の
充填量が減少すると高分子膜３は凹面となり、この結
果、本発明による焦点可変レンズは凹レンズとしても機
能することができる。

【００１２】図２は本発明による焦点可変レンズの焦点
制御システムの一例を構成する線図である。焦点可変レ
ンズ10を介して物体11を撮像装置12により撮像する。撮
像装置12として、ＣＣＤカメラ（1/2 インチＣＣＤ素子
内蔵、有効画素376H×488V)を用いることができる。撮
像装置12からのビデオ信号は画素取込用ボードを介して
中央処理装置（ＣＰＵ）13に入力する。ＣＰＵ13はビデ
オ信号を信号処理してレンズ駆動信号を発生する。尚、
その詳細な作用は後述する。焦点可変レンズ10には、２
本の導管14a 及び14b を結合し、導管14a は第１のソレ
ノイドバルブ（三方弁）15を介してギヤポンプ16及びオ
イルタンク17にそれぞれ接続する。また、導管14b も同
様に第２のソレノイドバルブ（三方弁）18を介してギヤ
ポンプ16及びオイルタンク17にそれぞれ接続する。ギヤ
ポンプ16にはステップモータ19を連結し、このステップ
モータによりギヤポンプ16を駆動し、ステップモータ19
は駆動回路20を介してＣＰＵ13から供給される駆動信号
により制御する。焦点可変レンズ10のレンズ面の曲率半
径を小さくして短焦点距離とする場合、ギヤポンプ16
は、オイルタンク17からのシリコンオイルがギヤポンプ
16、第１ソレノイドバルブ15及び導管14a を経て焦点可
変レンズに供給されるように駆動する。一方、長焦点距
離に設定する場合には、レンズ10のシリコンオイルが第
２のソレノイドバルブ18、ギヤポンプ16、第１のソレノ
イドバルブ15を経てオイルタンク17に排出されるように
駆動する。

【００１３】次に、焦点制御方法について説明する。本
例では、焦点検出方式としてビデオ信号のコントラスト
が最大になるように制御する方法を用いる。撮像すべき
物体11として、図示のように、中央部で白と黒に分割さ
れた対象物を用いる。本発明では、撮像装置12からのビ
デオ信号強度を位置の関数で微分処理し、求めた微分値
に基いて焦点誤差検出を行なう。このため、本例では、
水平方向の５本の画像信号、すなわち画面中央の５H ×
50V 個の画素からの信号を用い、これら画素信号を平均
したものを用いて信号処理を行なう。尚、微分処理とし
て例えば差分微分法を用いることができる。実際の焦点
制御に際し、合焦時の微分値の90％の値をＤ_f、約70％
の値をＤ_tとして、Ｄ_tに到達するまではギヤポンプ16
から１回当り１ccのシリコンオイルを供給し、Ｄ _tに到
達した後0.1cc づつ供給するように制御し、Ｄ_fに到達
したとき合焦したものと判定することができる。ＣＰＵ
13にはプリップフロップスイッチ21を接続し、このプリ
ップフロップスイッチにはリレー22を接続し、このリレ
ー22から第１及び第２のソレノイドバルブ15及び18をそ
れぞれ制御する制御信号を発生する。そして、レンズ10
のシリコンオイルの充填量を増加させる場合オイルタン
ク17→第２のソレノイドバルブ18→ギヤポンプ16→第１
のソレノイドバルブ15→レンズ10の流路が形成されるよ
うに制御し、充填量を減少させる場合レンズ10→第２の
ソレノイドバルブ18→ギヤポンプ16→第１のソレノイド
バルブ15→タンク17の流路が形成されるように制御す
る。

【００１４】つぎ、焦点制御の操作について説明する。
はじめに、物体11が合焦位置からレンズに接近するよう
に移動し、レンズ10の焦点距離が長くなり過ぎた状態に
あるものとする。ＣＰＵ13はビデオ信号から現在の位置
における微分値を求めメモリに記憶する。次に微小量の
シリコンオイルをレンズ10に供給し、再び微分値を求め
その値をメモリに記憶する。そして、既に記憶されてい
る前回の微分値と求めた微分値とを比較し、その差を求
める（前回の微分値から当回の微分値を減算する）。こ
の場合、シリコンオイルを供給することによりレンズの
焦点距離が短くなるから、合焦方向に移行し、微分値は
大きくなり、微分値の差は負となる。そして、比較結果
が負の場合、ＣＰＵ13からレンズ10にシリコンオイルを
供給するようステップモータ19に制御信号を発生する。
次に、再び微分値を求めその値を記憶すると共に前回の
微分値と比較し、その差が負の場合さらにシリコンオイ
ルが供給されるように制御する。この操作を繰り返し、
求めた微分値がＤ_fに到達したとき合焦状態になったも
のと判定する。一方、物体11がレンズ10から遠方に移動
した場合同様に、はじめに微小量のシリコンオイルをレ
ンズ10に供給しビデオ信号から微分値を求め比較処理を
行なう。物体11が合焦位置から遠方に移動すると、レン
ズ10の焦点距離が短いため、シリコンオイルの供給によ
りレンズ10の焦点距離が一層短くなり、この結果微分値
の差は正になる。比較結果が正の場合、ＣＰＵはレンズ
10に充填されているシリコンオイルを減少させる制御信
号を発生させる。この制御信号を受け、第１及び第２の
ソレノイドバルブ15及び18の流路が切換わり、レンズ10
内のシリコンオイルが１ステップ量だけ減少する。次
に、再び微分値を求め比較処理を行ない。比較結果が正
の場合さらに操作を実効し、又は微分値がＤ_fに到達し
た場合合焦に到達したものと判定する。このように構成
することにより、簡単な操作により焦点可変レンズを自
動的に焦点制御することができる。尚、本例では、ギヤ
ポンプと２個のソレノイドバルブを用いてシリコンオイ
ルの供給及び排出を行なっているため、応答性が若干遅
くなるおそれがあるが、シリコンオイルの供給及び排出
を一層高速に行なえば、十分な高速応答性を達成するこ
とができる。

【００１５】図３は本発明による焦点可変レンズの焦点
制御システムの変形例を示す線図である。図２で用いた
部材と同一の部材には同一符号を付して説明する。本例
では１個のシリンジ30及びリニアパルスモータ31を用い
てシリコンオイルの供給及び排出を行なう。ＣＰＵ13か
ら駆動回路20に制御信号を供給し、駆動回路20はリニア
パルスモータ31に駆動パルスを供給する。そして、シリ
ンジ30はリニアパルスモータの動作に応じて矢印ａ又は
ｂ方向に移動し、レンズ10内に充填されているシリコン
オイルの充填量を増大させ又は減少させる。本例では、
レンズ10へのシリコンオイルの最大充填量及び最小充填
量を予め定めておき、最大充填量と最小充填量との間で
シリコンオイルの充填量を制御する。焦点制御に当た
り、はじめに微分値を求めメモリに記憶する。そして、
微小量のシリコンオイルをレンズ10に供給し微分値を求
め、求めた微分値とメモリに記憶されている微分値とを
比較し、その差を求める（前の微分値から当回の微分値
を減算する）。求めた差の符号からシリコンオイルを供
給すべきか減少させるべきかを判定する。その差が正の
場合、シリコンオイルを供給することによりディフォー
カス量が大きくなるため、ＣＰＵ13は、レンズ10のシリ
コンオイルを減少させる制御信号を駆動回路20に供給す
る。そして、駆動回路20はリニアパルスモータ31を最小
充填量に到達するまで連続駆動させる。一方、ＣＰＵ
は、この間にビデオ信号から微分信号を１パルス毎に求
めメモリに順次記憶する。順次記憶した微分信号中には
最大微分値（合焦状態にある）が存在するから、最大微
分値が発生した時の位置すなわちパルス数を求める。次
に、最大微分値が生じた位置まで逆にシリコンオイルを
供給し、レンズ10を合焦させる。一方、最初の微分値の
比較判定において、負の微分値差が発生した場合、シリ
コンオイルの供給によりディフォーカス量が減少してい
るから、ＣＰＵはレンズ10のシリコンオイルの充填量を
増加させる制御信号を駆動回路20に供給し、最大充填量
に達するまで駆動させる。このように構成すれば、物体
の移動に対して極めて高速に応答することができる。

【００１６】図４は図３に示す焦点制御システムを用い
て焦点制御を実際に行なったときのシリコンオイルの供
給量及び計測した微分値と時間との関係を示す。図４
(a) は、長焦点位置からＬ＝67cmに合焦させ、さらにＬ
＝37cmの位置の物体に対して合焦させたときの実験結果
を示す。また、図４(b) は長焦点位置からＬ＝37cmの物
体に合焦させ、さらにＬ＝67cmに位置の物体に対して合
焦させたときの実験結果を示す。この実験結果から明ら
かなように、Ｌ＝67cmに位置からＬ＝37cmの位置で合焦
させるのに約１秒ですみ、Ｌ＝37cmの位置からＬ＝67cm
の位置で合焦させるのに約２秒ですむ。この実験結果か
ら、本発明による焦点可変レンズ及びその焦点制御方法
を用いれば極めて高速に焦点制御を行なうことができ
る。

【００１７】次に、本発明によるバックタイプレンズに
ついて性能評価を行なう。バックタイプレンズに液体を
注入すると膜面は凸面状に変形する。従って、液体に作
用する圧力と膜面上の張力による抗力が釣り合うとして
レンズ面形状が計算により求められる。評価に際し、図
５に示す模式図を用いて説明する。ここで、図５(a)は
等分布荷重を受け一様に引っ張られた円形高分子膜のた
わみを示し、図５(b)はｒｚ面に平行な断面における高
分子膜に作用する張力を示す。レンズ面の中心をＯと
し、Ｏａｂｃｄで規定する扇形の領域について考える。

【００１８】ここで、Ｏａ＝Ｏｂ＝ｒとし、ａｂ＝ｂｃ
＝ｄｒとし、ＯａとＯｂとのなす角を微小角ｄθとし、
Ｗを液体の単位面積当たりに作用する圧力とし、Ｔを高
分子膜の表面張力とし、ｚを光軸方向の変位量とする。
レンズ面における釣合の方程式は次式で与えられる。

【００１９】

【数１】 (1) 式を整理すると、次式が成立する。

【００２０】

【数２】 (2) 式が高分子膜のたわみの微分方程式である。(2) 式
をＺについて解くと、次式が成立する。

【００２１】

【数３】ここで、Ｃ₁及びＣ₂は積分定数である。バックタイプ
レンズにおいて、ｒ＝０の場合Ｚは有限値となるから、
Ｃ₁＝０となる。また、ｒ＝Ｒのとき、Ｚ＝０であるか
ら、Ｃ₂＝−ＷＲ²／４Ｔとなる。従って、高分子膜の
光軸方向の変位Ｚは次式で与えられる。

【００２２】

【数４】ここで，γはレンズ半径を表わし、

【外１】を満たす必要がある。この(4) 式より明らかなように、
高分子膜により規定されるレンズ面は光軸を中心にして
回転させた放物面となる。今、高分子膜（放物面）の中
心付近における半径方向の曲率及び円周方向の曲率をそ
れぞれＲ(r) 及びＲ（θ）とすると次式が成立する。１／Ｒ(r) ＝−ｄ²ｚ／ｄｒ²＝Ｗ／２Ｔ … (5) １／Ｒ（θ）＝−1/r ・ｄｚ／ｄｒ＝Ｗ／２Ｔ … (6) となり、次式が成立する。Ｒ(r) ＝Ｒ（θ) ＝２Ｔ／Ｗ … (7) この(7) 式より明らかなように、高分子膜の中心付近の
領域は球面に近似することができる。

【００２３】次に、レンズをレンズ面が垂直になるよう
に配置したときの重力の影響について検討する。図６に
示すように、レンズの垂直方向の断面を無限大に延長し
たレンズについて検討した。この場合のレンズのたわみ
の方程式は次式で規定される。ここで、光軸方向の距離
をｘとし、光軸と直交する面をｙｚ面とする。

【００２４】

【数５】ここで、ρは封入される液体材料の密度、ｇは重力定数
である。ｙ＝０，2 のときｚ＝０という境界条件で(8)
式をｚについて解くと、

【００２５】

【数６】ここで、液体材料の注入による圧力Ｗと重量による最大
圧力差２ρｇγの比をＫ（＝Ｗ／２ρｇγ）とおくと、
次式が成立する。

【００２６】

【数７】Ｋの様々な値に対する重力の影響を考慮してレンズ面形
状を計算した結果を図７に示す。図７において、高分子
膜の中心の位置を黒丸で示す。図７から明らかなよう
に、Ｋ＝30の場合重力の影響がほぼ零となり、理想的な
レンズ面を形成することができる。

【００２７】本発明は上述した実施例だけに限定され
ず、種々の変形や変更が可能である。例えば、上述した
実施例では透明プレートと高分子膜との間に透明液体材
料を封入し平凸レンズ又は平凹レンズを構成したが、２
個の高分子膜を用い、これら膜間に透明液体材料を封入
して両凸レンズを構成することもできる。

【００２８】さらに、上述した実施例では透明プレート
として平行平面板を用いたが、凸レンズ又は凹レンズの
形態をした透明プレートを用い、２枚組みの凸レンズ
系、又は凹レンズ系を構成することも可能である。

【００２９】さらに、上述した実施例では、液体材料と
してシリコンオイルを用いたが、ＰＭＭＡのような高分
子ゲルを用いることも可能である。高分子ゲルを用いる
場合、例えば一旦高分子ゲルを球面又は放物面状に整形
その後そのレンズ面を弾性変形可能な高分子膜で被覆し
て用いることができる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば弾
性変形可能な高分子が放物面状に弾性変形するので、収
差のほとんどない理想的な焦点可変レンズを実現するこ
とができる。さらに本発明によれば、充填される透明液
体材料の充填量を変化させるだけで焦点距離を自在に制
御することができるので、高速で焦点制御を行なうこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明による焦点可変レンズの一例の構
成を示す断面図である。

【図２】図２は本発明による焦点可変レンズの制御シス
テムを示す線図である。

【図３】図３は本発明による焦点可変レンズの制御シス
テムの変形例を示す線図である。

【図４】図３に示す制御システムにおける時間と微分値
及び液体材料の供給量との関係を示すグラフである。

【図５】図５はレンズ性能評価における模式図である。

【図６】図６はレンズを垂直配置した場合のレンズ性能
評価における模式図である。

【図７】図７は因子Ｋとレンズ中心変位量との関係を示
すグラフである。

【符号の説明】

１透明プレート２スペーサ３高分子膜 4a, 4b チューブ 10 焦点可変レンズ 11 物体 12 撮像装置 13 ＣＰＵ 15, 18 ソレノイドバルブ 16 ギヤポンプ 17 タンク 19 ステップモータ 20 駆動回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに対向するように配置されている第
１及び第２の光透過性面と、これら第１及び第２の光透
過性面間に密封充填され光学的に透明な液体材料と、こ
の液体材料の充填量を制御する制御機構とを有し、前記
第１及び第２の光透過性面の少なくとも一方の面を弾性
変形可能な高分子膜で構成し、前記液体材料の充填量に
基いて焦点距離が変化するように構成したことを特徴と
する焦点可変レンズ。
【請求項２】前記第１の面を光学的に透明なプレート
で構成し、前記第２の面を弾性変形可能な高分子膜で構
成したことを特徴とする請求項１に記載の焦点可変レン
ズ。
【請求項３】互いに対向するように配置され、少なく
とも一方の面が弾性変形可能な高分子膜で構成されてい
る第１及び第２の面、及びこれら第１及び第２の面間に
密封充填され光学的に透明な液体材料を有し、この液体
材料の充填量に応じて焦点距離が変化する焦点可変レン
ズの焦点制御装置であって、前記液体材料の充填量を制
御する制御機構と、前記焦点可変レンズを介して被写体
を撮像する撮像装置と、この撮像装置から発生するビデ
オ信号に基いて距離微分信号を発生させる微分回路とを
具え、前記微分回路から出力される微分信号に基いて前
記液体材料の充填量を制御することを特徴とする焦点可
変レンズの焦点制御装置。