JP2662593B2 - Variable focus lens and its focus control device - Google Patents
Variable focus lens and its focus control deviceInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、高速で焦点制御するこ
とができると共に縦型に配置しても偏心の影響をほとん
ど受けない焦点可変レンズ及びその焦点制御装置に関す
るものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a variable focus lens which can control focus at high speed and is hardly affected by eccentricity even when it is arranged vertically, and a focus control device therefor.
【０００２】[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。この焦点可変
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。2. Description of the Related Art When imaging an object, it is necessary to move the lens system in the optical axis direction to form an image of the object on a photosensitive surface. On the other hand, as a method of imaging by fixing the lens, a method of imaging using a variable focus lens is known, for example, a polymer gel lens described in JP-A-1-260401 proposed by the present applicant is Is known. Since the focal length of the variable focus lens is controlled in accordance with an external drive signal, the movable lens can capture an image of a moving object with the lens fixed, and can be used, for example, as a visual sensor of an industrial robot. Can be. This variable focus lens system changes the focal length by causing a non-uniform phase transition of a polymer gel in response to an electric field, for example, and has a great advantage that it can be used as, for example, a visual sensor of an industrial robot.
【０００３】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。この不具合を解消する方法として、２個
のレンズ面間に液体材料を封入し、封入された液体材料
の充填量に基づいて焦点距離を変化させる焦点可変レン
ズがある。However, the polymer gel lens system has a problem that the response of the polymer gel lens to the control signal is slow, and it is difficult to adapt to a system that requires high-speed control. As a method of solving this problem, there is a variable focus lens in which a liquid material is sealed between two lens surfaces, and a focal length is changed based on a filling amount of the sealed liquid material.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】液体材料を用いた焦点
可変レンズは応答性に優れる利点があるものの、封入さ
れた液体材料の重量による影響を受け易く、例えば封入
された液体材料に作用する重力に起因して偏心が生じて
しまう。すなわち、２個のレンズ面間に単に液体材料を
封入しただけでは、レンズを水平方向に配置して使用す
る場合には偏心による影響を受けず良好なレンズ性能を
発揮できるが、垂直に配置して使用する場合封入した液
体材料の重力の作用に起因する偏心による影響が生じて
しまい良好なレンズ性能を発揮することができなかっ
た。Although a variable focus lens using a liquid material has an advantage of excellent responsiveness, it is easily affected by the weight of the enclosed liquid material, and for example, gravity acting on the enclosed liquid material. Causes eccentricity. In other words, simply enclosing the liquid material between the two lens surfaces can provide good lens performance without being affected by eccentricity when the lens is used in the horizontal direction. In the case of using the liquid material, the influence of the eccentricity caused by the action of gravity of the enclosed liquid material occurs, and it is not possible to exhibit good lens performance.
【０００５】従って、本発明の目的は上述した欠点を除
去し、垂直に配置して使用しても重力の影響が大幅に軽
減され、良好なレンズ性能を発揮できる焦点可変レンズ
及びその制御方法を提供することにある。Accordingly, it is an object of the present invention to eliminate the above-mentioned disadvantages, and to provide a variable focus lens and a control method therefor which can exert a good lens performance by greatly reducing the influence of gravity even when used vertically. To provide.
【０００６】[0006]
【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、及び第１及び第２の光透過性面間に
密封充填した光学的に透明な液体材料を有し、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た焦点可変レンズ素子と、前記
液体材料の充填量を制御する制御機構とを具え、前記焦
点可変レンズ素子が、その光軸と直交する面が鉛直方向
に延在するように配置して使用される焦点可変レンズに
おいて、ρを前記液体材料の密度とし、ｇを重力係数と
し、γをレンズ半径とし、２ρｇγを最大圧力差とし、
Ｗを液体材料に作用する単位面積当りの力とし、ＫをＷ
に対する最大圧力差の比（Ｋ＝Ｗ／２ρｇγ）とした場
合に、前記比Ｋがほぼ３０になるように設定し、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。SUMMARY OF THE INVENTION A variable focus lens according to the present invention comprises a first and a second light transmissive surface disposed so as to face each other, and a space between the first and the second light transmissive surfaces. An optically transparent liquid material that is hermetically filled;
And a control mechanism for controlling a filling amount of the liquid material, wherein the variable-focus lens element includes a variable-focus lens element having at least one surface of a second light-transmitting surface formed of an elastically deformable polymer film. However, in a variable focus lens that is used by being arranged so that a plane perpendicular to the optical axis extends in the vertical direction, ρ is the density of the liquid material, g is the gravity coefficient, γ is the lens radius, Let 2ρgγ be the maximum pressure difference,
W is the force acting on the liquid material per unit area, and K is W
When the ratio of the maximum pressure difference to (K = W / 2ρgγ) is set, the ratio K is set to be approximately 30, and the focal length changes based on the filling amount of the liquid material. It is characterized by.
【０００７】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の光透過性面と、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とを有し、ρ
を前記液体材料の密度とし、ｇを重力係数とし、γをレ
ンズ半径とし、２ρｇγを最大圧力差とし、Ｗを液体材
料に作用する単位面積当りの力とし、ＫをＷに対する最
大圧力差の比（Ｋ＝Ｗ／２ρｇγ）とした場合に、前記
比Ｋがほぼ３０になるように設定され、前記液体材料の
充填量に応じて焦点距離が変化すると共に、光軸と直交
する面が鉛直方向に延在するように配置して使用される
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。Further, the focus control devices of the variable focus lens according to the present invention are disposed so as to face each other, and at least one surface is formed of an elastically deformable polymer film. Having a transparent surface and an optically transparent liquid material hermetically filled between the first and second surfaces,
Is the density of the liquid material, g is the gravity coefficient, γ is the lens radius, 2ρgγ is the maximum pressure difference, W is the force per unit area acting on the liquid material, and K is the ratio of the maximum pressure difference to W. When (K = W / 2ρgγ), the ratio K is set to be approximately 30, the focal length changes according to the filling amount of the liquid material, and the plane orthogonal to the optical axis is in the vertical direction. A focus control device for a variable focus lens which is disposed and used so as to extend, and a control mechanism for controlling a filling amount of the liquid material, and an imaging device for imaging a subject via the variable focus lens. A differential circuit for generating a distance differential signal based on a video signal generated from the imaging device, and controlling a filling amount of the liquid material based on the differential signal output from the differential circuit. .
【０００８】[0008]
【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
て理論計算を行なった結果、レンズを水平に配置した場
合、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。従って、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
液体材料を封入してレンズを水平に配置すれば、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。
一方、レンズを垂直に配置した場合液体材料に作用する
重力の影響が顕著になる。このため、たわみの方程式に
基づいて重力の影響について検討した結果、重力の影響
がほとんど生じない条件を見出すことができた。すなわ
ち、ρを前記液体材料の密度とし、ｇを重力係数とし、
γをレンズ半径とし、２ρｇγを最大圧力差とし、Ｗを
液体材料に作用する単位面積当りの力とし、ＫをＷに対
する最大圧力差の比（Ｋ＝Ｗ／２ρｇγ）とした場合
に、前記比Ｋがほぼ３０になるように条件設定すると、
重力に起因する偏心がほとんどない理想的な焦点可変レ
ンズを実現できることが判明した。この条件に適合する
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、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。When an optically transparent liquid material is sealed between an elastically deformable polymer film and a transparent plate, the polymer film is elastically deformed into a convex shape. As a result of theoretical calculations on the shape of the polymer film at this time, it was found that when the lens was arranged horizontally, the polymer film was a paraboloid centered on an axis passing through the center. Therefore, if a transparent liquid material is sealed in the space defined between the transparent plate and the optically transparent polymer elastic film and the lens is placed horizontally, an ideal lens with almost no aberration is realized. can do.
On the other hand, when the lens is arranged vertically, the influence of gravity acting on the liquid material becomes significant. For this reason, as a result of examining the influence of gravity based on the equation of deflection, it was possible to find a condition under which the influence of gravity hardly occurs. That is, ρ is the density of the liquid material, g is the gravity coefficient,
When γ is the lens radius, 2ρgγ is the maximum pressure difference, W is the force per unit area acting on the liquid material, and K is the ratio of the maximum pressure difference to W (K = W / 2ρgγ), If we set the conditions so that K is almost 30,
It has been found that an ideal variable focus lens with almost no eccentricity due to gravity can be realized. By using a transparent film that has an appropriate elastic tension that meets this condition, it is possible to realize a lens that is hardly affected by gravity even if the lens is arranged vertically, and that it can be used in accordance with the amount of liquid material enclosed. Since the radius of curvature of the polymer film changes, a focus variable lens having almost no aberration can be realized by appropriately controlling the amount of sealing.
【０００９】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。In controlling the focus of the variable focus lens, a control signal is generated based on the contrast of an image picked up by the lens, and the amount of liquid material sealed is controlled based on the control signal, thereby achieving high-speed focus control. Can do it.
【００１０】[0010]
【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。FIG. 1 is a sectional view showing the structure of an example of a variable focus lens according to the present invention. In this example, a variable focus lens called a back type lens will be described. FIG. 1 (a) shows a state of acting as a convex lens, and FIG. 1 (b)
Indicates a state of acting as a concave lens. A transparent plate 1 which is an optically transparent parallel plate is used, and an O-ring 2 serving as a spacer is bonded and fixed on the transparent plate. An optically transparent and elastically deformable polymer film 3 is bonded and fixed to the spacer 2. As the polymer film 3, for example, a polystyrene film having a thickness of 30 μm can be used.
Two fine holes 2a and 2b are formed in the spacer 2, and the tubes 4a and 4b are connected to these fine holes, respectively. Tube 4a
And 4b and an optically transparent liquid material such as dimethyl silicone oil 5 through the pores 2a and 2b is inserted into the space defined by the transparent plate 1, the elastic polymer film 3 and the spacer 2. Here, the refractive index of each member is about 1.5 for the transparent substrate 1 and the polystyrene film, and the refractive index of the dimethyl silicone oil 5 is about 1.6. As the amount of silicone oil 5 as a transparent liquid material gradually increases, the polymer film 3 undergoes elastic deformation, and as shown in FIG. 1 (a), the polymer film 3 has a convex paraboloid or spherical shape. Deform to. As a result, the transparent plate 1, the polymer film 3, and the silicone oil 5
Thereby, a plano-convex lens is formed. Since the radius of curvature of the polymer film 3 changes in accordance with the filling amount of the silicon oil 5, the focal length as a lens changes in accordance with the change in the radius of curvature. As a result, a variable focus lens whose focal length changes according to the filling amount of the silicone oil is configured. Further, as shown in FIG. 1B, when the filling amount of the silicon oil 5 decreases, the polymer film 3 becomes concave, and as a result, the variable focus lens according to the present invention can also function as a concave lens.
【００１１】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。FIG. 2 is a diagram showing an example of a focus control system for a variable focus lens according to the present invention. The object 11 is imaged by the imaging device 12 via the variable focus lens 10. As the imaging device 12, a CCD camera (built-in 1/2 inch CCD element, effective pixel 376H × 488V) can be used. A video signal from the imaging device 12 is input to a central processing unit (CPU) 13 via a pixel acquisition board. The CPU 13 processes the video signal to generate a lens drive signal. still,
The detailed operation will be described later. The variable focus lens 10 has 2
The conduits 14a and 14b are connected, and the conduit 14a is connected to a gear pump 16 and an oil tank 17 through a first solenoid valve (three-way valve) 15, respectively. Similarly, the conduit 14b is connected to the gear pump 16 and the oil tank 17 via a second solenoid valve (three-way valve) 18, respectively. A step motor 19 is connected to the gear pump 16, and the gear pump 16 is driven by the step motor.
Is controlled by a drive signal supplied from the CPU 13 via the drive circuit 20. When the radius of curvature of the lens surface of the variable focus lens 10 is reduced to have a short focal length, the gear pump 16
Is a gear pump that uses silicone oil from the oil tank 17
16. Drive so as to be supplied to the variable focus lens via the first solenoid valve 15 and the conduit 14a. On the other hand, when the long focal length is set, the lens 10 is driven so that the silicone oil of the lens 10 is discharged to the oil tank 17 via the second solenoid valve 18, the gear pump 16, and the first solenoid valve 15.
【００１２】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Ｄf 、約70％
の値をＤt として、Ｄt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、Ｄt に到
達した後0.1cc づつ供給するように制御し、Ｄf 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。Next, a focus control method will be described. In this example, a method of controlling the contrast of the video signal to be the maximum is used as the focus detection method. As shown in the figure, an object which is divided into white and black at the center is used as the object 11 to be imaged. In the present invention, the intensity of the video signal from the imaging device 12 is differentiated by a function of the position, and the focus error is detected based on the obtained differential value. For this reason, in this example,
Five image signals in the horizontal direction, that is, 5H at the center of the screen
Signal processing is performed using signals from 50V pixels and averaging these pixel signals. Note that, for example, a differential differentiation method can be used as the differentiation processing. In actual focus control, 90% of the differential value at the time of focusing is D f , about 70%
The values as D t, until it reaches the D t gear pump 16
Supplied once per 1cc of silicone oil from the controls to 0.1cc increments supply after reaching the D t, it can be determined that focused upon reaching the D f. CPU
A flip-flop switch 21 is connected to 13, and a relay 22 is connected to the flip-flop switch. The relay 22 generates a control signal for controlling the first and second solenoid valves 15 and 18, respectively. And lens 10
Oil tank 17 → second solenoid valve 18 → gear pump 16 → first
When the filling amount is reduced by controlling the solenoid valve 15 → the flow path of the lens 10 to be formed, the flow path of the lens 10 → the second solenoid valve 18 → the gear pump 16 → the first solenoid valve 15 → the tank 17 Is controlled so as to be formed.
【００１３】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Ｄf 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Ｄf 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。Next, the operation of the focus control will be described.
First, it is assumed that the object 11 moves from the in-focus position so as to approach the lens, and the focal length of the lens 10 is too long. The CPU 13 obtains a differential value at the current position from the video signal and stores it in a memory. Next, a very small amount of silicone oil is supplied to the lens 10, a differential value is obtained again, and the value is stored in the memory. Then, the previously stored differential value is compared with the obtained differential value, and the difference is obtained (the current differential value is subtracted from the previous differential value). In this case, the supply of silicone oil shortens the focal length of the lens, so that the lens shifts to the focusing direction, the differential value increases, and the difference between the differential values becomes negative. When the comparison result is negative, the CPU 13 generates a control signal to the step motor 19 so as to supply the silicone oil to the lens 10.
Next, the differential value is obtained again, stored, and compared with the previous differential value. If the difference is negative, control is performed so that silicon oil is further supplied. Repeat this operation,
Obtained differential value determines that become focus state upon reaching the D f. On the other hand, similarly, when the object 11 moves far from the lens 10, first, a minute amount of silicon oil is supplied to the lens 10 to obtain a differential value from the video signal and perform a comparison process. When the object 11 moves far from the in-focus position, the focal length of the lens 10 is short, and thus the supply distance of the silicone oil further shortens the focal length of the lens 10, and as a result, the difference between the differential values becomes positive. If the comparison result is positive, the CPU
A control signal for reducing the amount of silicon oil filled in 10 is generated. In response to this control signal, the flow paths of the first and second solenoid valves 15 and 18 are switched, and the lens 10
The silicon oil inside is reduced by one step. Next, a differential value is obtained again and a comparison process is performed. Comparison result further effective operation for positive, or determines that the differential value has reached the focus when it reaches the D f. With this configuration, it is possible to automatically control the focus of the variable focus lens by a simple operation. In this example, since the supply and discharge of the silicon oil are performed using the gear pump and the two solenoid valves, the response may be slightly delayed. However, the supply and discharge of the silicon oil can be performed at a higher speed. In this case, sufficient high-speed response can be achieved.
【００１４】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。FIG. 3 is a diagram showing a modification of the focus control system of the variable focus lens according to the present invention. The same members as those used in FIG. 2 are described with the same reference numerals. In this example, supply and discharge of silicon oil are performed using one syringe 30 and one linear pulse motor 31. A control signal is supplied from the CPU 13 to the drive circuit 20, and the drive circuit 20 supplies a drive pulse to the linear pulse motor 31. Then, the syringe 30 moves in the direction of the arrow a or b according to the operation of the linear pulse motor, and increases or decreases the amount of silicone oil filled in the lens 10. In this example,
The maximum filling amount and the minimum filling amount of the silicone oil in the lens 10 are determined in advance, and the filling amount of the silicone oil is controlled between the maximum filling amount and the minimum filling amount. In focus control, first, a differential value is obtained and stored in a memory. And
A minute amount of silicone oil is supplied to the lens 10 to obtain a differential value, the obtained differential value is compared with the differential value stored in the memory, and the difference is obtained (the current differential value is obtained from the previous differential value). Subtract). From the sign of the obtained difference, it is determined whether to supply or reduce the silicone oil. If the difference is positive, the supply of silicone oil increases the amount of defocus, so the CPU 13 supplies a control signal for reducing the amount of silicon oil in the lens 10 to the drive circuit 20. Then, the drive circuit 20 drives the linear pulse motor 31 continuously until it reaches the minimum filling amount. On the other hand, CPU
During this time, the differential signal is obtained from the video signal for each pulse, and is sequentially stored in the memory. Since the maximum differential value (in the focused state) exists in the sequentially stored differential signals, the position when the maximum differential value occurs, that is, the number of pulses is obtained. Next, silicon oil is supplied in reverse to the position where the maximum differential value is generated, and the lens 10 is focused. On the other hand, if a negative differential value difference occurs in the first differential value comparison determination, the CPU increases the silicon oil filling amount of the lens 10 because the amount of defocus has decreased due to the supply of silicon oil. The signal is supplied to the drive circuit 20 and driven until the maximum filling amount is reached. With this configuration, it is possible to respond to the movement of the object at a very high speed.
【００１５】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。FIG. 4 shows the relationship between the supply amount of silicon oil and the measured differential value and time when focus control is actually performed using the focus control system shown in FIG. FIG.
(a) focuses on L = 67 cm from the long focal position, and further focuses on L
The experimental result when focusing on an object at a position of = 37 cm is shown. FIG. 4B shows an experimental result when focusing on an object at L = 37 cm from the long focal position and further focusing on an object at L = 67 cm. As is clear from the experimental results, it takes about one second to focus at a position L = 37 cm from the position L = 67 cm, and L = 67 cm from the position L = 37 cm.
It takes about 2 seconds to focus at the position. From these experimental results, it is possible to perform the focus control at extremely high speed by using the variable focus lens and the focus control method according to the present invention.
【００１６】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。Next, the performance of the back type lens according to the present invention will be evaluated. When a liquid is injected into the back type lens, the film surface is deformed into a convex shape. Therefore, the lens surface shape is determined by calculation assuming that the pressure acting on the liquid and the drag due to the tension on the film surface are balanced. The evaluation will be described with reference to the schematic diagram shown in FIG. Here, FIG. 5 (a) shows the deflection of a circular polymer film which is uniformly stretched under a uniformly distributed load, and FIG. 5 (b) shows the tension acting on the polymer film in a cross section parallel to the rz plane. Show. Let the center of the lens surface be O, and consider a fan-shaped region defined by Oabcd.
【００１７】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。Here, Oa = Ob = r and ab = bc
= Dr, the angle between Oa and Ob is a small angle dθ,
W is the pressure acting per unit area of the liquid, T is the surface tension of the polymer film, and z is the displacement in the optical axis direction.
The equation for the balance on the lens surface is given by the following equation.
【００１８】[0018]
【数１】 (1) 式を整理すると、次式が成立する。(Equation 1) (1) By rearranging the equation, the following equation holds.
【００１９】[0019]
【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。(Equation 2) Equation (2) is the differential equation of the deflection of the polymer film. (2) When the equation is solved for Z, the following equation is established.
【００２０】[0020]
【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。(Equation 3) Here, C 1 and C 2 are integration constants. In a back type lens, Z becomes a finite value when r = 0,
C 1 = 0. In addition, when r = R, Z = 0, so that C 2 = −WR 2 / 4T. Therefore, the displacement Z of the polymer film in the optical axis direction is given by the following equation.
【００２１】[0021]
【数４】 ここで，γはレンズ半径を表わし、(Equation 4) Here, γ represents the lens radius,
【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) ＝−ｄ2 ｚ／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。[Outside 1] Needs to be satisfied. As is clear from equation (4),
The lens surface defined by the polymer film is a paraboloid rotated around the optical axis. Assuming that the curvature in the radial direction and the curvature in the circumferential direction near the center of the polymer film (parabolic surface) are R (r) and R (θ), respectively, the following equation is established. 1 / R (r) = − d 2 z / dr 2 = W / 2T (5) 1 / R (θ) = − 1 / r · dz / dr = W / 2T (6) To establish. R (r) = R (θ) = 2T / W (7) As is apparent from the equation (7), the area near the center of the polymer film can be approximated to a spherical surface.
【００２２】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。Next, the effect of gravity when the lenses are arranged so that the lens surfaces are vertical will be discussed. As shown in FIG. 6, a lens in which the vertical cross section of the lens was extended to infinity was studied. The equation of the lens deflection in this case is defined by the following equation. Here, a distance in the optical axis direction is x, and a plane orthogonal to the optical axis is a yz plane.
【００２３】[0023]
【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 ｒのときｚ＝０という境界条件で
(8) 式をｚについて解くと、(Equation 5) Here, ρ is the density of the liquid material to be enclosed, and g is the gravitational constant. Under the boundary condition of z = 0 when y = 0,2 r
Solving equation (8) for z gives
【００２４】[0024]
【数６】 ここで、液体材料の注入による圧力Ｗと重力による最大
圧力差２ρｇγとの比をＫ（＝Ｗ／２ρｇγ）とおく
と、次式が成立する。(Equation 6) Here, if the ratio between the pressure W due to the injection of the liquid material and the maximum pressure difference 2ρgγ due to gravity is K (= W / 2ρgγ), the following equation is established.
【００２５】[0025]
【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
膜の頂部の位置を黒丸で示す。ここで、重要なことは、
レンズ面の頂部の光軸からの偏心率である。高分子膜の
頂部が光軸上に位置しない場合、高分子膜は放物面に維
持されていないことになり、一方頂部が光軸上に維持で
きれば高分子膜は放物面に維持され収差のない理想的な
レンズが構成されることになる。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。このシュミレーショ
ン結果に基き、本発明では、Ｋがほぼ３０に等しくなる
ように高分子膜の弾性力を設定する。(Equation 7) FIG. 7 shows the result of calculating the lens surface shape in consideration of the influence of gravity on various values of K. In FIG. 7, the position of the top of the polymer film is indicated by a black circle. The important thing here is that
The eccentricity of the top of the lens surface from the optical axis. If the top of the polymer film is not located on the optical axis, the polymer film is not maintained on the parabolic surface, while if the top can be maintained on the optical axis, the polymer film is maintained on the paraboloid and aberration Thus, an ideal lens having no lens is constructed. As is clear from FIG. 7, when K = 30, the influence of gravity becomes almost zero, and an ideal lens surface can be formed. Based on this simulation result, in the present invention, the elastic force of the polymer film is set so that K is substantially equal to 30.
【００２６】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。The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications and changes are possible. For example, in the above-described embodiment, a transparent liquid material is sealed between the transparent plate and the polymer film to form a plano-convex lens or a plano-concave lens.
A biconvex lens can also be formed by using a plurality of polymer films and sealing a transparent liquid material between these films.
【００２７】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。Further, in the above-described embodiment, a parallel plane plate is used as the transparent plate. However, a transparent lens in the form of a convex lens or a concave lens may be used to form a two-unit convex lens system or a concave lens system. is there.
【００２８】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。Further, in the above-described embodiment, silicon oil is used as the liquid material, but a polymer gel such as PMMA can be used. When a polymer gel is used, for example, the polymer gel may be once shaped into a spherical surface or a parabolic surface, and then the lens surface may be covered with an elastically deformable polymer film.
【００２９】[0029]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レンズを垂直に配置しても弾性変形可能な高分子膜が放
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。As described above, according to the present invention,
Even if the lens is arranged vertically, the elastically deformable polymer film is elastically deformed in a parabolic shape, so that an ideal focus-variable lens with almost no aberration can be realized. Further, according to the present invention, the focal length can be freely controlled by merely changing the filling amount of the transparent liquid material to be filled, so that the focus control can be performed at high speed.
【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。FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of an example of a variable focus lens according to the present invention.
【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。FIG. 2 is a diagram showing a control system of a variable focus lens according to the present invention.
【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。FIG. 3 is a diagram showing a modification of the control system of the variable focus lens according to the present invention.
【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。FIG. 4 is a graph showing a relationship between time, a differential value, and a supply amount of a liquid material in the control system shown in FIG. 3;
【図５】図５はレンズ性能評価における模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram in lens performance evaluation.
【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。FIG. 6 is a schematic diagram in lens performance evaluation when a lens is vertically arranged.
【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。FIG. 7 is a graph showing a relationship between a factor K and a lens center displacement amount.
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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transparent plate 2 Spacer 3 Polymer film 4a, 4b Tube 10 Variable focus lens 11 Object 12 Imaging device 13 CPU 15, 18 Solenoid valve 16 Gear pump 17 Tank 19 Step motor 20 Drive circuit
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−225901（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−192038（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−6901（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−57308（ＪＰ，Ａ) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-1-225901 (JP, A) JP-A-58-192038 (JP, A) JP-A-60-6901 (JP, A) JP-A-60-1985 57308 (JP, A)
Claims (3)
１及び第２の光透過性面、及び第１及び第２の光透過性
面間に密封充填した光学的に透明な液体材料を有し、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た焦点可変レンズ素子
と、前記液体材料の充填量を制御する制御機構とを具
え、前記焦点可変レンズ素子が、その光軸と直交する面
が鉛直方向に延在するように配置されて使用される焦点
可変レンズにおいて、 ρを前記液体材料の密度とし、ｇを重力係数とし、γを
レンズ半径とし、２ρｇγを最大圧力差とし、Ｗを液体
材料に作用する単位面積当りの力とし、ＫをＷに対する
最大圧力差の比（Ｋ＝Ｗ／２ρｇγ）とした場合に、前
記比Ｋがほぼ３０になるように設定し、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。A first light-transmitting surface disposed opposite to the first light-transmitting surface; and an optically transparent liquid material hermetically sealed between the first and second light-transmitting surfaces. A variable-focus lens element in which at least one of the first and second light-transmitting surfaces is formed of an elastically deformable polymer film, and a control mechanism that controls a filling amount of the liquid material; In the variable focus lens, wherein the variable focus lens element is disposed so that a surface orthogonal to the optical axis extends in a vertical direction, ρ is a density of the liquid material, g is a gravity coefficient, γ Is the lens radius, 2ρgγ is the maximum pressure difference, W is the force per unit area acting on the liquid material, and K is the ratio of the maximum pressure difference to W (K = W / 2ρgγ). Is set to be approximately 30 and the liquid material is filled. Variable focus lens, characterized by being configured such that the focal length changes based on.
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。2. The variable focus according to claim 1, wherein said first surface is formed of an optically transparent plate, and said second surface is formed of an elastically deformable polymer film. lens.
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の光透過性面と、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とを有し、
ρを前記液体材料の密度とし、ｇを重力係数とし、γを
レンズ半径とし、２ρｇγを最大圧力差とし、Ｗを液体
材料に作用する単位面積当りの力とし、ＫをＷに対する
最大圧力差の比（Ｋ＝Ｗ／２ρｇγ）とした場合に、前
記比Ｋがほぼ３０になるように設定され、前記液体材料
の充填量に応じて焦点距離が変化すると共に、光軸と直
交する面が鉛直方向に延在するように配置して使用され
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。3. First and second light-transmitting surfaces which are arranged so as to face each other and at least one surface of which is formed of an elastically deformable polymer film, and the first and second surfaces. Having an optically transparent liquid material that is sealed and filled in between,
ρ is the density of the liquid material, g is the gravity coefficient, γ is the lens radius, 2ρgγ is the maximum pressure difference, W is the force per unit area acting on the liquid material, and K is the maximum pressure difference with respect to W. When the ratio (K = W / 2ρgγ), the ratio K is set to be approximately 30, the focal length changes according to the filling amount of the liquid material, and the plane perpendicular to the optical axis is vertical. A focus control device for a variable focus lens arranged and used so as to extend in a direction, a control mechanism for controlling a filling amount of the liquid material, and an imaging device for imaging a subject via the variable focus lens And a differentiating circuit for generating a distance differential signal based on a video signal generated from the imaging device, wherein the filling amount of the liquid material is controlled based on the differential signal output from the differentiating circuit. Variable focus lens Focus control apparatus.
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