光源とイメージ・センサを使用する焦点合せシステム
光軸を有し、１つまたは複数の焦点合せ要素を含む可動光学要素と、光軸に沿って位置決めされ、実質的に光軸に垂直なイメージ・センサと、可動光学要素に取り付けられた放射源であって、光軸に対する相対的な選択された角度でセンサに放射ビームを向ける放射源とを含む装置。可動光学要素の光軸に沿って、これに垂直にセンサを位置決めすることと、可動光学要素に取り付けられた放射源から光軸に対して相対的に選択された角度でセンサに放射ビームを投影することと、放射ビームがセンサに当たる位置が、可動光学要素に焦点が合っている時に放射ビームがセンサに当たると期待される位置に対応するまで、可動光学要素の位置を調整することとを含む方法。他の実施形態が開示され請求される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的には結像デバイスの焦点合せに関し、具体的には、それだけには限らないが、イメージング・センサと光源を使用するフォーカス・フィードバック装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に、レンズ１０２が物体１０４の像を像平面１０６に焦点合せする単純なレンズ系１００を示す。物体１０４は、レンズからの前側焦点距離ｆfであり、像平面１０６は、レンズからの後側焦点距離ｆbである。レンズ１０２が像平面１０６上の最適に焦点合せされた像を維持するために、光学の法則は、ｆfとｆbとの間のある関係を規定する、言い換えると、所与のｆfについて、像が像平面１０６上に正しく焦点合せされるために維持されなければならないｆbの特定の値がある。
【０００３】
非常に単純なレンズ系１００にあてはまることは、より複雑な焦点合せ系にもあてはまる。例えば、あるｆfに対して、維持されなければならないｆbの特定の値がある。しかし、より複雑な焦点合せ要素を含むデバイスでは、熱膨張、機械部分の公差、類似物などの様々な要因が、焦点合せ要素を移動させ、したがって、ｆfとｆbの値を変え、焦点を合わされる像の品質に影響する。焦点合せ要素のこれらの動きを訂正するために、一部のデバイスには、その位置が制御システムによって制御される可動光学要素が組み込まれる。制御システムは、像が焦点外れになる時を感知し、ｆfとｆbがその正しい値に戻され、その結果、像が最適焦点に戻されるまで、可動光学要素の位置を調整する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、制御システムは、正しく働けるようになる前に、可動光学要素の位置を検出する何らかの方法を有しなければならない。可動光学要素の位置を検出する最も一般的な方法では、機械式センサが使用される。しかし、機械式センサは、かさばり、高価であり、小さいシステムに一体化するのが難しい。これらのセンサは、機械式なので、その正確さは、センサ内の機械的公差のゆえに制限されてもおり、さらに、これらのセンサには、熱膨張などの要因によってもたらされる不正確さもある。光学ベースの位置センサが開発されてきたが、これらも、かさばり、高価であり、主として、例えば信号を送り、受け取り、距離を計算するために遅延を測定することによる前側焦点距離ｆfの測定に頼る。したがって、当技術分野には、安価で、コンパクトで、光学系に組み込むのが簡単であると同時に、可動焦点合せ要素の位置を正確に測定する装置と方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願は、光軸を有し、１つまたは複数の焦点合せ要素を含む可動光学要素と、光軸に沿って位置決めされ、実質的に光軸に垂直なイメージ・センサと、可動光学要素に取り付けられた放射源であって、光軸に対する相対的な選択された角度でセンサに放射ビームを向ける放射源とを含む装置の実施態様を開示する。本願は、可動光学要素の光軸に沿って、これに垂直にセンサを位置決めし、可動光学要素に取り付けられた放射源から光軸に対して相対的に選択された角度でセンサに放射ビームを投影し、放射ビームがセンサに当たる位置が、可動光学要素に焦点が合っている時に放射ビームがセンサに当たると期待される位置に対応するまで、可動光学要素の位置を調整することを含む方法の実施態様を開示する。上記ならびに他の実施形態が、開示され請求される。
【０００６】
本発明の非限定的かつ非網羅的な実施形態を、図面に関して説明するが、図面では、そうでないと指定されない限り、類似する符号が、様々な図にまたがって類似する部分を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
光源とセンサを使用して結像デバイスの焦点を合わせる装置と方法の実施形態を、本明細書で説明する。次の説明では、本発明の実施形態の完全な理解をもたらすために、多数の具体的な詳細を説明する。しかし、当業者は、１つまたは複数の特定の詳細なしで、あるいは他の方法、構成要素、材料などを用いて、本発明を実現できることを認めるであろう。他の場合には、周知の構造、材料、または動作は、詳細には図示されず、または説明されないが、それでも、本発明の範囲に含まれる。
【０００８】
本明細書全体を通じて、「一実施形態」または「実施形態」への言及は、その実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書での句「一実施形態で」または「実施形態で」の出現は、必ずしもすべてが同一の実施形態に言及するのではない。さらに、その特定の特徴、構造、または特性が、１つまたは複数の実施形態で、任意の適切な形で組み合わされる場合がある。
【０００９】
図２に、フォーカス・フィードバック・システム２００を含む本発明の実施形態を概略的に示す。システム２００は、ハウジングまたは支持体２１４内に取り付けられた可動光学要素２０２を含む。ステップ・モータ２１８が、動き伝達機構２２０を介して可動光学要素２０２に結合されている。可動光学要素２０２は、物体（図示せず）の像をイメージ・センサ２２２上に焦点合せする。物体と可動光学要素との間の各前側焦点距離ｆfは、可動光学要素とイメージ・センサ２２２との間の対応する後側焦点距離ｆbを有する。放射源２１２が、放射ビーム２１３を光軸２１０に対して相対的な選択された角度αでイメージ・センサ２２２に向けるように、可動光学要素２０２に取り付けられる。コントローラ２２４が、イメージ・センサ２２２の出力とステップ・モータ２１８に結合され、コントローラ２２４は、放射ビーム２１３がイメージ・センサ２２２に当たる位置に応答してステップ・モータ２１８の動きを制御できるようになっている。
【００１０】
可動光学要素２０２の主機能は、物体（この図には図示せず）の像をイメージ・センサ２２２に焦点合せすることである。正しく焦点合せされた像を、可動光学要素２０２から可変前側焦点距離にある物体についてセンサ上で作成できることを確実にするために、可動光学要素は、矢印２０９によって示されるように、実質的にそれ自体の光軸２１０に沿って前後に動くことができる。図示の実施形態では、可動光学要素２０２は、光軸２１０に沿って整列された３つの焦点合せ要素２０４、２０６、２０８を含む複合光学要素である。他の実施形態では、可動光学要素２０２に、より多数またはより少数の焦点合せ要素を含めることができ、焦点合せ要素を、可動光学要素内で異なって配置することができる。さらに、焦点合せ要素２０４、２０６、２０８は、これらの図では、屈折焦点合せ要素として図示されるが、他の実施形態では、焦点合せ要素を回折要素または反射要素とすることもできる。さらに他の実施形態では、屈折焦点合せ要素、回折焦点合せ要素、反射焦点合せ要素の組合せを使用することができる。
【００１１】
放射源２１２は、可動光学要素２０２に取り付けられる。放射源２１２は、可動光学要素の光軸２１０に対する相対的な選択された角度αで放射ビーム２１３を放つように位置決めされる。放射源２１２には、放たれるビームを焦点合せするかコリメートする要素をその中に含めることができる。したがって、放たれるビームがコリメートされる場合には、実質的に楕円形の放射スポットが、その放射がセンサに当たるところに作成される。最大の感度のために、選択された角度αは、可動光学要素２０２がその動きの範囲を通って移動する時のセンサを横切る放射スポットの移動を最大にする（図３Ａ〜３Ｂを参照されたい）ように選択することができ、したがって、センサのサイズ、可動光学要素とセンサとの間の距離、および可動光学要素がその軸に沿ってどれほど移動できるかなどのパラメータに依存する。一実施形態で、αは、６２．５°の値を有するが、他の実施形態では、もちろん、αの値を異なるものにすることができる。
【００１２】
図示の実施形態では、放射源２１２は、可動光学要素２０２の外面で、実質的にこの光学要素のセンサに最も近い端に取り付けられる。しかし、他の実施形態では、放射源を、可動光学要素の他の場所に位置決めすることができ、あるいは、放射源によって放たれる放射ビームがセンサに達することができる限り、センサ平面上で可動光学要素２０２に向けて位置決めし、イメージ・センサ２２２に戻って反射させることができる。一実施形態で、放射源２１２によって放たれる放射は、スペクトルの可視部分とすることができ、放射源の例が、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。しかし、他の実施形態では、放たれる放射を、スペクトルの赤外範囲または紫外範囲など、スペクトルのうちで可視範囲の外の部分にあるものとすることができる。
【００１３】
光学要素２０２がその軸２１０に沿って移動できるように、光学要素２０２は、光軸２１０に沿った動きを可能にしながら可動光学要素２０２を支持する要素によってハウジング２１４内の開口内に保持される。図示の実施形態では、可動光学要素は、ハウジング２１４内でローラー２１６によって支持されるが、他の実施形態では、可動光学要素を、ハウジング内で他の手段によって支持することができ、あるいは、ハウジング２１４に取り付けられてはいない手段によって支持することができる。
【００１４】
ステップ・モータ２１８は、動き伝達機構２２０に結合され、動き伝達機構２２０は可動光学要素２２０に結合される。ステップ・モータ２１８がアクティブ化される時に、その動きは、動き伝達機構２２０を駆動し、動き伝達機構は、矢印２０９によって示されるように、モータの動きを可動光学要素２０２の、実質的にその光軸２１０に沿った前後の直線運動に変換する。ステップ・モータ２１８の動きが回転である実施形態では、動き伝達機構２２０を、モータの回転運動を可動光学要素２０２の直線運動に変換する要素とすることができ、適切な動き伝達機構の例には、カム、歯車、摩擦車、ウォーム歯車、ラック・アンド・ピニオン・アセンブリ、または上記および／もしくは他のそのような機構の組合せが含まれる。モータ２１８の動きが直線である代替実施形態では、動き伝達機構を、モータを可動光学要素に接続する堅い要素などの単純なものとすることができ、あるいは、カム、歯車、摩擦車、ウォーム歯車、ラック・アンド・ピニオン・アセンブリ、または上記および／もしくは他のそのような機構の組合せをも含むより複雑な機構とすることができる。
【００１５】
イメージ・センサ２２２は、可動光学要素２０２によってその上で焦点合せされる像を取り込むことができる任意のセンサとすることができる。一実施形態で、イメージ・センサ２２２は、２次元像を取り込むことができる、例えば１．３メガ画素アレイなどの画素のアレイを含むデジタル・センサである。適切なセンサの例には、電荷結合素子（ＣＣＤ）アレイ、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）センサ、光検出器、その類似物が含まれる。しかし、他の実施形態では、他のタイプのセンサを使用することができる。
【００１６】
コントローラ２２４がイメージ・センサ２２２の出力に結合され、ステップ・モータ２１８にも結合され、したがって、閉ループ制御をもたらす。下で図５Ａ〜５Ｂに関してさらに説明するように、コントローラ２２４は、放射源２１２によって作成されるスポットの位置を含むセンサの出力を分析し、この情報を使用して、ステップ・モータ２１８を制御する。したがって、コントローラ２２４は、可動光学要素を正しい後側焦点距離まで移動させること、および正しい後側焦点距離が見つかった後にそれを維持することなどの機能にスポット位置情報を使用する。図示の実施形態では、コントローラは、イメージ・センサ２２２とは物理的に別々のユニットであるが、他の実施形態では、この２つの両方を同一ユニットの一部とすることができる。例えば、一体化されたセンサを有するプロセッサにおいて、コントローラをそのプロセッサ内に実装することができる。さらに、コントローラは、ハードウェアまたはソフトウェアのいずれかで実装することができる。
【００１７】
図３Ａ〜３Ｃに、可動光学要素２０２の動きと放射源２１２によって作成されるスポットのイメージ・センサ２２２を横切る対応する移動の実施形態を示す。図面に示された寸法は、図を明瞭にするために誇張されており、多数の実用的応用例では、ΔｆbとΔｘなどの距離は、実際には非常に小さい。図３Ａは、スポットの中央が矢印３０２によってマークされた位置ｘRになる、引っ込められた位置での可動光学要素２０２を示す。図３Ｂは、延ばされた位置での可動光学要素２０２を示し、可動光学要素は、引っ込められた位置から距離Δｆbだけ移動している。可動光学要素２０２が延ばされた位置にある状態で、スポットは、センサを横切って、この図では矢印３０４によってマークされる位置ｘEまで移動している。したがって、距離Δｆbの可動光学要素の移動は、スポットを、イメージ・センサ２２２を横切って距離Δｘ＝ｘE−ｘRだけ移動させる。角度αが一定のままである限り、ΔｆbとΔｘとの間の関係は、線形である。
【００１８】
図３Ｃに、イメージ・センサ２２２を横切るスポットの動きを示す。可動光学要素２０２が引っ込められた位置にある時に、スポット３０６は、センサ上で位置ｘRにある。可動光学要素２０２がイメージ・センサ２２２から離れて移動すると、スポットが移動し、位置ｘEのスポット３０８になる。スポット３０８は、スポット３０６より大きいものとして図示されており、スポットが増大する（すなわち、面積を変化させる）この傾向は、放射源２１２によって放たれるビームが、コリメートされないまたは不完全にコリメートされるのいずれかである場合に発生する。スポット３０８とスポット３０６との間の面積の変化は、コントローラ２２４によって使用できる追加のスポット移動情報をもたらすことができるので、有用である。この図に示されたもう１つの特徴は、スポットがセンサを横切って移動する時のスポットの位置とサイズが確立されたならば、センサのうちでスポットが移動した部分だけを分析する必要があることである。この図に関して、コントローラは、センサ全体からの情報を分析する必要があるのではなく、センサのうちでスポットの経路とサイズの境界を示す部分３１０だけを分析することによって、労力を節約することができる。
【００１９】
図４に、図２に示されたフォーカス・フィードバック・システム２００を較正する方法４００の実施形態を示す。この方法は、ボックス４０２で開始される。ボックス４０４で、ステップ・モータをホーム・ポジションに位置決めし、ボックス４０６で、イメージ・センサ２２２上のスポットの対応するホーム・ポジション（ｘH，ｙH）を記録する。スポットの位置は、通常はイメージ・センサ２２２の指定された原点から画素単位で測定される、その中央のｘ座標とｙ座標を使用して特徴を表すことができる。ボックス４０８で、ターゲットを、可動光学要素の前で、このシステムが焦点を合わせることのできる最小前側焦点距離ｆfに位置決めする。これを、開始位置ｆsと呼称する。ボックス４１０で、可動光学要素２０２を、ターゲットに焦点が合うまで移動させて、後側焦点距離ｆbを調整し、ボックス４１２で、スポット開始位置（ｘS，ｙS）、開始面積Ａs、ｆfを記録する。スポット面積は、通常、画素単位で測定される。
【００２０】
ボックス４１４で、ターゲットを、較正で使用される次の焦点位置ｆfに置く。ボックス４１６で、可動光学要素２０２を移動させて、ターゲットに焦点が合うまで後側焦点距離ｆbを調整し、その点で、ボックス４１８でｆfの値を記録する。ボックス４２０で、センサ上のスポットの位置と面積を記録し、ボックス４２２で、ステップ・モータ２１８が開始位置と現在位置との間で要したステップ数を記録する。開始位置と現在位置との間でステップ・モータが要したステップ数は、現在スポット位置での後側焦点距離ｆbの測定値として働く。ボックス４２４で、この方法は、較正に含めなければならない焦点位置がまだあるかどうかを検査する。通常、正しい較正を行うためには、最小限３つのフォーカス距離がなければならない。較正に関するフォーカス距離がまだある場合には、この方法は、ボックス４１４に戻り、そのフォーカス位置に関してボックス４１４〜４２２を繰り返す。
【００２１】
較正に関するフォーカス位置がもうない場合には、この方法は、ボックス４２４からボックス４２６に継続し、ここで、例えばｆfとｆbの記録された値に曲線をあてはめることによって、前側焦点距離と後側焦点距離を相関させ、ｆbは、開始位置に対するモータ・ステップ数単位で参照される。曲線をあてはめたならば、正しいｆb値を、較正中に収集されたｆfの特定の値だけではなく、ｆfの任意の値について見つけることができる。しかし、他の実施形態では、他の手段を使用して、ｆfとｆbを相関させることができる。例えば、ｆfとｆbの収集された値をテーブルに格納することができ、任意のｆfに関するｆbの値を、このテーブル内の値の間の補間によって計算することができる。同様に、スポット位置を、較正された物体距離ごとに記録し、ｆfに相関させ、上で説明したものと同一の形で曲線にあてはめることができる。
【００２２】
ボックス４２８で、スポット位置に関して収集されたデータとモータ位置に関して収集されたデータを使用して、モータ・ステップあたりのスポット位置の平均変化、言い換えると、ステップ・モータの移動ごとに、平均してスポットがどれほど移動するかを計算する。この値を、ボックス４３０で格納し、この方法は、ボックス４３２に継続し、ここで、スポット面積に関して収集されたデータと、Ａsに関して収集されたデータとを使用して、モータ・ステップあたりのスポット面積の平均変化、言い換えると、ステップ・モータの移動ごとに、平均してスポット面積がどれほど変化するかを計算する。ボックス４３４でこの値を格納し、較正方法は、ボックス４３６で完了する。
【００２３】
図５Ａと５Ｂに、フォーカス・フィードバック・システム２００の動作の実施形態を示す。図５Ａは、センサ２２２上のスポットの動きを示す。この図のすべての寸法は、図を明瞭にするために誇張されており、実際には、寸法とスポットの動きは、図示されたものよりはるかに小さい。システム２００が始動されると、システム２００は、較正中に収集された情報を使用して、可動光学要素２０２を正しい後側焦点距離に位置決めする。これは、まず、センサ上のスポットが記録された開始位置（ｘS，ｙS）に関する正しい位置に来るまで光学要素２０２を移動させることによって行われる。次に、較正中に生成された曲線を使用することによって、正しい後側焦点距離を設定するのに必要なステップ数が決定され、光学要素２０２が、所望の位置まで移動される。その後、スポットの位置と面積が記録される。これが、「期待される」スポット位置５０４である。
【００２４】
このシステムの動作中に、熱膨張、機械的な移動、様々な他の要因が、可動光学要素２０２を移動させ、したがって、後側焦点距離を変化させ、スポットを、期待されるスポット位置５０４からスポット位置５０２または５０６などの「現在」スポット位置にドリフトさせる場合がある。このフィードバック・システムの主要な目標は、可動光学要素２０２に関して正しい後側焦点距離を維持することである。このフィードバック・システムは、現在スポット５０２または５０６の位置と面積が期待されるスポット位置５０４と実質的に一致するまで光学要素の位置を調整することによって、これを行う。
【００２５】
スポットが期待されるスポット位置５０４にある時に、そのスポットは、座標（ｘEXP，ｙEXP）で突き止められ、期待される面積ＡEXPを有する。例として現在スポット位置５０２を使用すると、可動光学要素が動作中にドリフトする場合に、スポットは、座標（ｘCUR，ｙCUR）の現在スポット位置５０２に移動し、この位置で、スポットは、面積ＡCURを有する。したがって、スポットは、その期待される位置から水平に距離Δｘ、垂直に距離Δｙだけドリフトしており、その面積は、期待される面積から量ΔＡだけ異なる。較正中に収集された情報と共に図５Ｂに示されたものなどの方法の実施形態を使用することによって、このフィードバック・システムは、スポットがその現在位置５０２から期待される位置５０４に移動するまで、可動光学要素２０２を移動する。
【００２６】
図５Ｂに、図５Ａに関して、フォーカス・フィードバック・システム２００の動作の実施形態５５０を示す。この方法は、ボックス５５１で開始され、ボックス５５２に進み、ここで、可動光学要素２０２を、その開始位置になるまで移動させる。ボックス５５３で、この方法は、較正に基づいて、光学要素２０２を開始位置から焦点位置まで移動させるのに必要なモータ・ステップ数を判定する。光学要素２０２が、焦点位置に移動され、スポットの位置と面積が記録される。これは、座標（ｘEXP，ｙEXP）および面積ＡEXPを有する「期待される」スポット位置５０４である。
【００２７】
指定された遅延の後に、ボックス５５５で、スポットの現在位置５０２の座標（ｘCUR，ｙCUR）を判定し、記録する。上で説明したように、スポットの位置は、通常はセンサ上の指定された原点からの画素数単位で測定される、その中央の位置によって判定される。ボックス５５６で、スポット５０２の現在面積ＡCURを判定し、やはり記録する。ボックス５５８で、システムが動作しているフォーカス距離について、スポットの期待される位置５０４の座標（ｘEXP，ｙEXP）と、スポット５０４の期待される面積ＡEXPとを取り出す。ボックス５６０で、この方法は、スポットの実際の位置がその期待される位置と異なる距離を定量化するオフセットΔｘとΔｙを計算する。
【００２８】
オフセットΔｘとΔｙを計算したので、この方法は、次に、これらの値を使用して、スポット５０２が有効であるかどうかを検査する。ボックス５６２で、この方法は、Δｙの値を指定された許容範囲と比較する。Δｙの値が指定された許容範囲を超える場合には、この方法は、ボックス５７０で、スポットが無効であると判定し、ボックス５６６で停止する。Δｙの値が指定された許容範囲内である場合には、この方法は、ボックス５６８に継続し、ここで、Δｘの値を指定された許容範囲と比較する。Δｘの値が指定された許容範囲を超える場合には、この方法は、ボックス５７０で、スポットが無効であると判定し、ボックス５６６で停止する。
【００２９】
ΔｘとΔｙの値を使用して、スポット５０２が有効であることがわかった場合に、この方法は、ボックス５７２に進み、ここで、ΔＡすなわち所与の焦点位置に関する実際のスポット面積と期待されるスポット面積との間の差値を計算する。ボックス５７４で、この方法は、正規化係数ΔｘFを使用してΔｘの値を正規化し、ボックス５７６では、異なる正規化係数ΔＡFを使用して、ΔＡの値を正規化する。ボックス５７８で、この方法は、ΔｘとΔＡの正規化された値を比較する。正規化された値が等しくない場合には、この方法は、ボックス５６４で、スポットが無効であると判定し、この方法は、ボックス５６６で停止する。正規化された値ΔｘとΔＡが等しい場合には、スポットは有効であり、この方法は、ボックス５８０に進み、ここで、較正に基づいて、スポット５０２をその期待される位置５０４に移動させるために、距離Δｘだけスポット５０２を移動させるのに要するモータ・ステップ数を判定する。必要なモータ・ステップ数を判定した後に、ボックス５８２で、この方法は、適当なステップ数だけモータをステップして、スポットをその期待される位置５０４に戻す。最後に、この方法は、ボックス５８４に継続し、ここで、指定された時間だけ待った後に、ボックス５５５に戻り、ボックス５５５〜５８２を通ってもう一度進行する。
【００３０】
図６に、フォーカス・フィードバック・システム６００の代替実施形態を示す。フォーカス・フィードバック・システム６００は、図２に関連して説明したフォーカス・フィードバック・システム２００に類似する。この２つの間の主要な相違は、放射源からの放射がセンサ２２２に向けられる形にある。システム６００では、放射源６０４が、センサの像平面に沿って位置決めされ、可動光学要素２０２に取り付けられた反射器６０２に向かって向けられる。放射源６０４は、放射ビーム６０６を反射器６０２に向け、反射器６０２は、ビーム６０６をビーム６０８に方向変更し、このビーム６０８は、可動光学要素の光軸２１０に対して相対的に選択された角度αになっている。ビーム６０８は、センサ２２２に向けられる。他の実施形態では、可動光学要素２０２の動きの範囲全体を通じて、ビーム６０６が反射器６０２に当たり、ビーム６０８がセンサ２２２に当たる限り、放射源を異なる形で位置決めすることができる。フォーカス・フィードバック・システム６００は、実質的にフォーカス・フィードバック・システム２００に関して上で説明した通りに較正し、動作させることができる。
【００３１】
要約で説明されるものを含む、本発明の図示の実施形態の上の説明は、網羅的であることまたは本発明を開示された正確な形態に限定することが意図されたものではない。本発明の特定の実施形態およびそれに関する例は、本明細書で、例示のために説明されるが、当業者が認める通り、本発明の範囲内で様々な同等の変更が可能である。これらの変更は、上の詳細な説明に鑑みて、本発明に対して行われる。
【００３２】
添付の特許請求の範囲で使用される用語は、本発明を、本明細書で開示された特定の実施形態に限定するものと解釈されてはならない。そうではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲のみによって決定されなければならず、添付の特許請求の範囲は請求項解釈の確立された原則に従って解釈されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】前側焦点距離および後側焦点距離を示す、焦点合せ要素を示す単純化された概略図である。
【図２】本発明の実施形態を示す概略図である。
【図３】図２の実施形態の可動光学要素の動きならびに放射ビームが光学センサに当たるところに作成されるスポットの対応する動きを示す図である。
【図４】図２に示された本発明の実施形態を較正する方法の実施形態を示す流れ図である。
【図５Ａ】図２に示された実施形態の動作の実施形態を示す図で、光学センサ上のスポットの動きを示す。
【図５Ｂ】図２に示された実施形態の動作の実施形態を示す図で、後側焦点距離を維持する方法を示す流れ図である。
【図６】本発明の代替実施形態を示す概略図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的には結像デバイスの焦点合せに関し、具体的には、それだけには限らないが、イメージング・センサと光源を使用するフォーカス・フィードバック装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に、レンズ１０２が物体１０４の像を像平面１０６に焦点合せする単純なレンズ系１００を示す。物体１０４は、レンズからの前側焦点距離ｆfであり、像平面１０６は、レンズからの後側焦点距離ｆbである。レンズ１０２が像平面１０６上の最適に焦点合せされた像を維持するために、光学の法則は、ｆfとｆbとの間のある関係を規定する、言い換えると、所与のｆfについて、像が像平面１０６上に正しく焦点合せされるために維持されなければならないｆbの特定の値がある。
【０００３】
非常に単純なレンズ系１００にあてはまることは、より複雑な焦点合せ系にもあてはまる。例えば、あるｆfに対して、維持されなければならないｆbの特定の値がある。しかし、より複雑な焦点合せ要素を含むデバイスでは、熱膨張、機械部分の公差、類似物などの様々な要因が、焦点合せ要素を移動させ、したがって、ｆfとｆbの値を変え、焦点を合わされる像の品質に影響する。焦点合せ要素のこれらの動きを訂正するために、一部のデバイスには、その位置が制御システムによって制御される可動光学要素が組み込まれる。制御システムは、像が焦点外れになる時を感知し、ｆfとｆbがその正しい値に戻され、その結果、像が最適焦点に戻されるまで、可動光学要素の位置を調整する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、制御システムは、正しく働けるようになる前に、可動光学要素の位置を検出する何らかの方法を有しなければならない。可動光学要素の位置を検出する最も一般的な方法では、機械式センサが使用される。しかし、機械式センサは、かさばり、高価であり、小さいシステムに一体化するのが難しい。これらのセンサは、機械式なので、その正確さは、センサ内の機械的公差のゆえに制限されてもおり、さらに、これらのセンサには、熱膨張などの要因によってもたらされる不正確さもある。光学ベースの位置センサが開発されてきたが、これらも、かさばり、高価であり、主として、例えば信号を送り、受け取り、距離を計算するために遅延を測定することによる前側焦点距離ｆfの測定に頼る。したがって、当技術分野には、安価で、コンパクトで、光学系に組み込むのが簡単であると同時に、可動焦点合せ要素の位置を正確に測定する装置と方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願は、光軸を有し、１つまたは複数の焦点合せ要素を含む可動光学要素と、光軸に沿って位置決めされ、実質的に光軸に垂直なイメージ・センサと、可動光学要素に取り付けられた放射源であって、光軸に対する相対的な選択された角度でセンサに放射ビームを向ける放射源とを含む装置の実施態様を開示する。本願は、可動光学要素の光軸に沿って、これに垂直にセンサを位置決めし、可動光学要素に取り付けられた放射源から光軸に対して相対的に選択された角度でセンサに放射ビームを投影し、放射ビームがセンサに当たる位置が、可動光学要素に焦点が合っている時に放射ビームがセンサに当たると期待される位置に対応するまで、可動光学要素の位置を調整することを含む方法の実施態様を開示する。上記ならびに他の実施形態が、開示され請求される。
【０００６】
本発明の非限定的かつ非網羅的な実施形態を、図面に関して説明するが、図面では、そうでないと指定されない限り、類似する符号が、様々な図にまたがって類似する部分を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
光源とセンサを使用して結像デバイスの焦点を合わせる装置と方法の実施形態を、本明細書で説明する。次の説明では、本発明の実施形態の完全な理解をもたらすために、多数の具体的な詳細を説明する。しかし、当業者は、１つまたは複数の特定の詳細なしで、あるいは他の方法、構成要素、材料などを用いて、本発明を実現できることを認めるであろう。他の場合には、周知の構造、材料、または動作は、詳細には図示されず、または説明されないが、それでも、本発明の範囲に含まれる。
【０００８】
本明細書全体を通じて、「一実施形態」または「実施形態」への言及は、その実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書での句「一実施形態で」または「実施形態で」の出現は、必ずしもすべてが同一の実施形態に言及するのではない。さらに、その特定の特徴、構造、または特性が、１つまたは複数の実施形態で、任意の適切な形で組み合わされる場合がある。
【０００９】
図２に、フォーカス・フィードバック・システム２００を含む本発明の実施形態を概略的に示す。システム２００は、ハウジングまたは支持体２１４内に取り付けられた可動光学要素２０２を含む。ステップ・モータ２１８が、動き伝達機構２２０を介して可動光学要素２０２に結合されている。可動光学要素２０２は、物体（図示せず）の像をイメージ・センサ２２２上に焦点合せする。物体と可動光学要素との間の各前側焦点距離ｆfは、可動光学要素とイメージ・センサ２２２との間の対応する後側焦点距離ｆbを有する。放射源２１２が、放射ビーム２１３を光軸２１０に対して相対的な選択された角度αでイメージ・センサ２２２に向けるように、可動光学要素２０２に取り付けられる。コントローラ２２４が、イメージ・センサ２２２の出力とステップ・モータ２１８に結合され、コントローラ２２４は、放射ビーム２１３がイメージ・センサ２２２に当たる位置に応答してステップ・モータ２１８の動きを制御できるようになっている。
【００１０】
可動光学要素２０２の主機能は、物体（この図には図示せず）の像をイメージ・センサ２２２に焦点合せすることである。正しく焦点合せされた像を、可動光学要素２０２から可変前側焦点距離にある物体についてセンサ上で作成できることを確実にするために、可動光学要素は、矢印２０９によって示されるように、実質的にそれ自体の光軸２１０に沿って前後に動くことができる。図示の実施形態では、可動光学要素２０２は、光軸２１０に沿って整列された３つの焦点合せ要素２０４、２０６、２０８を含む複合光学要素である。他の実施形態では、可動光学要素２０２に、より多数またはより少数の焦点合せ要素を含めることができ、焦点合せ要素を、可動光学要素内で異なって配置することができる。さらに、焦点合せ要素２０４、２０６、２０８は、これらの図では、屈折焦点合せ要素として図示されるが、他の実施形態では、焦点合せ要素を回折要素または反射要素とすることもできる。さらに他の実施形態では、屈折焦点合せ要素、回折焦点合せ要素、反射焦点合せ要素の組合せを使用することができる。
【００１１】
放射源２１２は、可動光学要素２０２に取り付けられる。放射源２１２は、可動光学要素の光軸２１０に対する相対的な選択された角度αで放射ビーム２１３を放つように位置決めされる。放射源２１２には、放たれるビームを焦点合せするかコリメートする要素をその中に含めることができる。したがって、放たれるビームがコリメートされる場合には、実質的に楕円形の放射スポットが、その放射がセンサに当たるところに作成される。最大の感度のために、選択された角度αは、可動光学要素２０２がその動きの範囲を通って移動する時のセンサを横切る放射スポットの移動を最大にする（図３Ａ〜３Ｂを参照されたい）ように選択することができ、したがって、センサのサイズ、可動光学要素とセンサとの間の距離、および可動光学要素がその軸に沿ってどれほど移動できるかなどのパラメータに依存する。一実施形態で、αは、６２．５°の値を有するが、他の実施形態では、もちろん、αの値を異なるものにすることができる。
【００１２】
図示の実施形態では、放射源２１２は、可動光学要素２０２の外面で、実質的にこの光学要素のセンサに最も近い端に取り付けられる。しかし、他の実施形態では、放射源を、可動光学要素の他の場所に位置決めすることができ、あるいは、放射源によって放たれる放射ビームがセンサに達することができる限り、センサ平面上で可動光学要素２０２に向けて位置決めし、イメージ・センサ２２２に戻って反射させることができる。一実施形態で、放射源２１２によって放たれる放射は、スペクトルの可視部分とすることができ、放射源の例が、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。しかし、他の実施形態では、放たれる放射を、スペクトルの赤外範囲または紫外範囲など、スペクトルのうちで可視範囲の外の部分にあるものとすることができる。
【００１３】
光学要素２０２がその軸２１０に沿って移動できるように、光学要素２０２は、光軸２１０に沿った動きを可能にしながら可動光学要素２０２を支持する要素によってハウジング２１４内の開口内に保持される。図示の実施形態では、可動光学要素は、ハウジング２１４内でローラー２１６によって支持されるが、他の実施形態では、可動光学要素を、ハウジング内で他の手段によって支持することができ、あるいは、ハウジング２１４に取り付けられてはいない手段によって支持することができる。
【００１４】
ステップ・モータ２１８は、動き伝達機構２２０に結合され、動き伝達機構２２０は可動光学要素２２０に結合される。ステップ・モータ２１８がアクティブ化される時に、その動きは、動き伝達機構２２０を駆動し、動き伝達機構は、矢印２０９によって示されるように、モータの動きを可動光学要素２０２の、実質的にその光軸２１０に沿った前後の直線運動に変換する。ステップ・モータ２１８の動きが回転である実施形態では、動き伝達機構２２０を、モータの回転運動を可動光学要素２０２の直線運動に変換する要素とすることができ、適切な動き伝達機構の例には、カム、歯車、摩擦車、ウォーム歯車、ラック・アンド・ピニオン・アセンブリ、または上記および／もしくは他のそのような機構の組合せが含まれる。モータ２１８の動きが直線である代替実施形態では、動き伝達機構を、モータを可動光学要素に接続する堅い要素などの単純なものとすることができ、あるいは、カム、歯車、摩擦車、ウォーム歯車、ラック・アンド・ピニオン・アセンブリ、または上記および／もしくは他のそのような機構の組合せをも含むより複雑な機構とすることができる。
【００１５】
イメージ・センサ２２２は、可動光学要素２０２によってその上で焦点合せされる像を取り込むことができる任意のセンサとすることができる。一実施形態で、イメージ・センサ２２２は、２次元像を取り込むことができる、例えば１．３メガ画素アレイなどの画素のアレイを含むデジタル・センサである。適切なセンサの例には、電荷結合素子（ＣＣＤ）アレイ、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）センサ、光検出器、その類似物が含まれる。しかし、他の実施形態では、他のタイプのセンサを使用することができる。
【００１６】
コントローラ２２４がイメージ・センサ２２２の出力に結合され、ステップ・モータ２１８にも結合され、したがって、閉ループ制御をもたらす。下で図５Ａ〜５Ｂに関してさらに説明するように、コントローラ２２４は、放射源２１２によって作成されるスポットの位置を含むセンサの出力を分析し、この情報を使用して、ステップ・モータ２１８を制御する。したがって、コントローラ２２４は、可動光学要素を正しい後側焦点距離まで移動させること、および正しい後側焦点距離が見つかった後にそれを維持することなどの機能にスポット位置情報を使用する。図示の実施形態では、コントローラは、イメージ・センサ２２２とは物理的に別々のユニットであるが、他の実施形態では、この２つの両方を同一ユニットの一部とすることができる。例えば、一体化されたセンサを有するプロセッサにおいて、コントローラをそのプロセッサ内に実装することができる。さらに、コントローラは、ハードウェアまたはソフトウェアのいずれかで実装することができる。
【００１７】
図３Ａ〜３Ｃに、可動光学要素２０２の動きと放射源２１２によって作成されるスポットのイメージ・センサ２２２を横切る対応する移動の実施形態を示す。図面に示された寸法は、図を明瞭にするために誇張されており、多数の実用的応用例では、ΔｆbとΔｘなどの距離は、実際には非常に小さい。図３Ａは、スポットの中央が矢印３０２によってマークされた位置ｘRになる、引っ込められた位置での可動光学要素２０２を示す。図３Ｂは、延ばされた位置での可動光学要素２０２を示し、可動光学要素は、引っ込められた位置から距離Δｆbだけ移動している。可動光学要素２０２が延ばされた位置にある状態で、スポットは、センサを横切って、この図では矢印３０４によってマークされる位置ｘEまで移動している。したがって、距離Δｆbの可動光学要素の移動は、スポットを、イメージ・センサ２２２を横切って距離Δｘ＝ｘE−ｘRだけ移動させる。角度αが一定のままである限り、ΔｆbとΔｘとの間の関係は、線形である。
【００１８】
図３Ｃに、イメージ・センサ２２２を横切るスポットの動きを示す。可動光学要素２０２が引っ込められた位置にある時に、スポット３０６は、センサ上で位置ｘRにある。可動光学要素２０２がイメージ・センサ２２２から離れて移動すると、スポットが移動し、位置ｘEのスポット３０８になる。スポット３０８は、スポット３０６より大きいものとして図示されており、スポットが増大する（すなわち、面積を変化させる）この傾向は、放射源２１２によって放たれるビームが、コリメートされないまたは不完全にコリメートされるのいずれかである場合に発生する。スポット３０８とスポット３０６との間の面積の変化は、コントローラ２２４によって使用できる追加のスポット移動情報をもたらすことができるので、有用である。この図に示されたもう１つの特徴は、スポットがセンサを横切って移動する時のスポットの位置とサイズが確立されたならば、センサのうちでスポットが移動した部分だけを分析する必要があることである。この図に関して、コントローラは、センサ全体からの情報を分析する必要があるのではなく、センサのうちでスポットの経路とサイズの境界を示す部分３１０だけを分析することによって、労力を節約することができる。
【００１９】
図４に、図２に示されたフォーカス・フィードバック・システム２００を較正する方法４００の実施形態を示す。この方法は、ボックス４０２で開始される。ボックス４０４で、ステップ・モータをホーム・ポジションに位置決めし、ボックス４０６で、イメージ・センサ２２２上のスポットの対応するホーム・ポジション（ｘH，ｙH）を記録する。スポットの位置は、通常はイメージ・センサ２２２の指定された原点から画素単位で測定される、その中央のｘ座標とｙ座標を使用して特徴を表すことができる。ボックス４０８で、ターゲットを、可動光学要素の前で、このシステムが焦点を合わせることのできる最小前側焦点距離ｆfに位置決めする。これを、開始位置ｆsと呼称する。ボックス４１０で、可動光学要素２０２を、ターゲットに焦点が合うまで移動させて、後側焦点距離ｆbを調整し、ボックス４１２で、スポット開始位置（ｘS，ｙS）、開始面積Ａs、ｆfを記録する。スポット面積は、通常、画素単位で測定される。
【００２０】
ボックス４１４で、ターゲットを、較正で使用される次の焦点位置ｆfに置く。ボックス４１６で、可動光学要素２０２を移動させて、ターゲットに焦点が合うまで後側焦点距離ｆbを調整し、その点で、ボックス４１８でｆfの値を記録する。ボックス４２０で、センサ上のスポットの位置と面積を記録し、ボックス４２２で、ステップ・モータ２１８が開始位置と現在位置との間で要したステップ数を記録する。開始位置と現在位置との間でステップ・モータが要したステップ数は、現在スポット位置での後側焦点距離ｆbの測定値として働く。ボックス４２４で、この方法は、較正に含めなければならない焦点位置がまだあるかどうかを検査する。通常、正しい較正を行うためには、最小限３つのフォーカス距離がなければならない。較正に関するフォーカス距離がまだある場合には、この方法は、ボックス４１４に戻り、そのフォーカス位置に関してボックス４１４〜４２２を繰り返す。
【００２１】
較正に関するフォーカス位置がもうない場合には、この方法は、ボックス４２４からボックス４２６に継続し、ここで、例えばｆfとｆbの記録された値に曲線をあてはめることによって、前側焦点距離と後側焦点距離を相関させ、ｆbは、開始位置に対するモータ・ステップ数単位で参照される。曲線をあてはめたならば、正しいｆb値を、較正中に収集されたｆfの特定の値だけではなく、ｆfの任意の値について見つけることができる。しかし、他の実施形態では、他の手段を使用して、ｆfとｆbを相関させることができる。例えば、ｆfとｆbの収集された値をテーブルに格納することができ、任意のｆfに関するｆbの値を、このテーブル内の値の間の補間によって計算することができる。同様に、スポット位置を、較正された物体距離ごとに記録し、ｆfに相関させ、上で説明したものと同一の形で曲線にあてはめることができる。
【００２２】
ボックス４２８で、スポット位置に関して収集されたデータとモータ位置に関して収集されたデータを使用して、モータ・ステップあたりのスポット位置の平均変化、言い換えると、ステップ・モータの移動ごとに、平均してスポットがどれほど移動するかを計算する。この値を、ボックス４３０で格納し、この方法は、ボックス４３２に継続し、ここで、スポット面積に関して収集されたデータと、Ａsに関して収集されたデータとを使用して、モータ・ステップあたりのスポット面積の平均変化、言い換えると、ステップ・モータの移動ごとに、平均してスポット面積がどれほど変化するかを計算する。ボックス４３４でこの値を格納し、較正方法は、ボックス４３６で完了する。
【００２３】
図５Ａと５Ｂに、フォーカス・フィードバック・システム２００の動作の実施形態を示す。図５Ａは、センサ２２２上のスポットの動きを示す。この図のすべての寸法は、図を明瞭にするために誇張されており、実際には、寸法とスポットの動きは、図示されたものよりはるかに小さい。システム２００が始動されると、システム２００は、較正中に収集された情報を使用して、可動光学要素２０２を正しい後側焦点距離に位置決めする。これは、まず、センサ上のスポットが記録された開始位置（ｘS，ｙS）に関する正しい位置に来るまで光学要素２０２を移動させることによって行われる。次に、較正中に生成された曲線を使用することによって、正しい後側焦点距離を設定するのに必要なステップ数が決定され、光学要素２０２が、所望の位置まで移動される。その後、スポットの位置と面積が記録される。これが、「期待される」スポット位置５０４である。
【００２４】
このシステムの動作中に、熱膨張、機械的な移動、様々な他の要因が、可動光学要素２０２を移動させ、したがって、後側焦点距離を変化させ、スポットを、期待されるスポット位置５０４からスポット位置５０２または５０６などの「現在」スポット位置にドリフトさせる場合がある。このフィードバック・システムの主要な目標は、可動光学要素２０２に関して正しい後側焦点距離を維持することである。このフィードバック・システムは、現在スポット５０２または５０６の位置と面積が期待されるスポット位置５０４と実質的に一致するまで光学要素の位置を調整することによって、これを行う。
【００２５】
スポットが期待されるスポット位置５０４にある時に、そのスポットは、座標（ｘEXP，ｙEXP）で突き止められ、期待される面積ＡEXPを有する。例として現在スポット位置５０２を使用すると、可動光学要素が動作中にドリフトする場合に、スポットは、座標（ｘCUR，ｙCUR）の現在スポット位置５０２に移動し、この位置で、スポットは、面積ＡCURを有する。したがって、スポットは、その期待される位置から水平に距離Δｘ、垂直に距離Δｙだけドリフトしており、その面積は、期待される面積から量ΔＡだけ異なる。較正中に収集された情報と共に図５Ｂに示されたものなどの方法の実施形態を使用することによって、このフィードバック・システムは、スポットがその現在位置５０２から期待される位置５０４に移動するまで、可動光学要素２０２を移動する。
【００２６】
図５Ｂに、図５Ａに関して、フォーカス・フィードバック・システム２００の動作の実施形態５５０を示す。この方法は、ボックス５５１で開始され、ボックス５５２に進み、ここで、可動光学要素２０２を、その開始位置になるまで移動させる。ボックス５５３で、この方法は、較正に基づいて、光学要素２０２を開始位置から焦点位置まで移動させるのに必要なモータ・ステップ数を判定する。光学要素２０２が、焦点位置に移動され、スポットの位置と面積が記録される。これは、座標（ｘEXP，ｙEXP）および面積ＡEXPを有する「期待される」スポット位置５０４である。
【００２７】
指定された遅延の後に、ボックス５５５で、スポットの現在位置５０２の座標（ｘCUR，ｙCUR）を判定し、記録する。上で説明したように、スポットの位置は、通常はセンサ上の指定された原点からの画素数単位で測定される、その中央の位置によって判定される。ボックス５５６で、スポット５０２の現在面積ＡCURを判定し、やはり記録する。ボックス５５８で、システムが動作しているフォーカス距離について、スポットの期待される位置５０４の座標（ｘEXP，ｙEXP）と、スポット５０４の期待される面積ＡEXPとを取り出す。ボックス５６０で、この方法は、スポットの実際の位置がその期待される位置と異なる距離を定量化するオフセットΔｘとΔｙを計算する。
【００２８】
オフセットΔｘとΔｙを計算したので、この方法は、次に、これらの値を使用して、スポット５０２が有効であるかどうかを検査する。ボックス５６２で、この方法は、Δｙの値を指定された許容範囲と比較する。Δｙの値が指定された許容範囲を超える場合には、この方法は、ボックス５７０で、スポットが無効であると判定し、ボックス５６６で停止する。Δｙの値が指定された許容範囲内である場合には、この方法は、ボックス５６８に継続し、ここで、Δｘの値を指定された許容範囲と比較する。Δｘの値が指定された許容範囲を超える場合には、この方法は、ボックス５７０で、スポットが無効であると判定し、ボックス５６６で停止する。
【００２９】
ΔｘとΔｙの値を使用して、スポット５０２が有効であることがわかった場合に、この方法は、ボックス５７２に進み、ここで、ΔＡすなわち所与の焦点位置に関する実際のスポット面積と期待されるスポット面積との間の差値を計算する。ボックス５７４で、この方法は、正規化係数ΔｘFを使用してΔｘの値を正規化し、ボックス５７６では、異なる正規化係数ΔＡFを使用して、ΔＡの値を正規化する。ボックス５７８で、この方法は、ΔｘとΔＡの正規化された値を比較する。正規化された値が等しくない場合には、この方法は、ボックス５６４で、スポットが無効であると判定し、この方法は、ボックス５６６で停止する。正規化された値ΔｘとΔＡが等しい場合には、スポットは有効であり、この方法は、ボックス５８０に進み、ここで、較正に基づいて、スポット５０２をその期待される位置５０４に移動させるために、距離Δｘだけスポット５０２を移動させるのに要するモータ・ステップ数を判定する。必要なモータ・ステップ数を判定した後に、ボックス５８２で、この方法は、適当なステップ数だけモータをステップして、スポットをその期待される位置５０４に戻す。最後に、この方法は、ボックス５８４に継続し、ここで、指定された時間だけ待った後に、ボックス５５５に戻り、ボックス５５５〜５８２を通ってもう一度進行する。
【００３０】
図６に、フォーカス・フィードバック・システム６００の代替実施形態を示す。フォーカス・フィードバック・システム６００は、図２に関連して説明したフォーカス・フィードバック・システム２００に類似する。この２つの間の主要な相違は、放射源からの放射がセンサ２２２に向けられる形にある。システム６００では、放射源６０４が、センサの像平面に沿って位置決めされ、可動光学要素２０２に取り付けられた反射器６０２に向かって向けられる。放射源６０４は、放射ビーム６０６を反射器６０２に向け、反射器６０２は、ビーム６０６をビーム６０８に方向変更し、このビーム６０８は、可動光学要素の光軸２１０に対して相対的に選択された角度αになっている。ビーム６０８は、センサ２２２に向けられる。他の実施形態では、可動光学要素２０２の動きの範囲全体を通じて、ビーム６０６が反射器６０２に当たり、ビーム６０８がセンサ２２２に当たる限り、放射源を異なる形で位置決めすることができる。フォーカス・フィードバック・システム６００は、実質的にフォーカス・フィードバック・システム２００に関して上で説明した通りに較正し、動作させることができる。
【００３１】
要約で説明されるものを含む、本発明の図示の実施形態の上の説明は、網羅的であることまたは本発明を開示された正確な形態に限定することが意図されたものではない。本発明の特定の実施形態およびそれに関する例は、本明細書で、例示のために説明されるが、当業者が認める通り、本発明の範囲内で様々な同等の変更が可能である。これらの変更は、上の詳細な説明に鑑みて、本発明に対して行われる。
【００３２】
添付の特許請求の範囲で使用される用語は、本発明を、本明細書で開示された特定の実施形態に限定するものと解釈されてはならない。そうではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲のみによって決定されなければならず、添付の特許請求の範囲は請求項解釈の確立された原則に従って解釈されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】前側焦点距離および後側焦点距離を示す、焦点合せ要素を示す単純化された概略図である。
【図２】本発明の実施形態を示す概略図である。
【図３】図２の実施形態の可動光学要素の動きならびに放射ビームが光学センサに当たるところに作成されるスポットの対応する動きを示す図である。
【図４】図２に示された本発明の実施形態を較正する方法の実施形態を示す流れ図である。
【図５Ａ】図２に示された実施形態の動作の実施形態を示す図で、光学センサ上のスポットの動きを示す。
【図５Ｂ】図２に示された実施形態の動作の実施形態を示す図で、後側焦点距離を維持する方法を示す流れ図である。
【図６】本発明の代替実施形態を示す概略図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸を有し、１つまたは複数の焦点合せ要素を含む可動光学要素と、
前記光軸に沿って位置決めされ、実質的に前記光軸に垂直なイメージ・センサと、
前記可動光学要素に取り付けられ、前記光軸に対する相対的な選択された角度で前記センサに放射ビームを向ける放射源と
を含む装置。
【請求項２】
前記可動光学要素を前記光軸に沿って移動させるために前記可動光学要素に結合された駆動機構をさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記センサと前記駆動機構に結合されたコントローラをさらに含み、前記コントローラが、前記ビームまたは放射が前記センサに当たる位置に基づいてモータの動きを制御する請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記駆動機構が、
モータと、
前記モータおよび前記可動光学要素に結合された動き伝達機構であって、前記モータの動きを前記光軸に沿った前記可動光学要素の直線運動に変換する動き伝達機構と
を含む請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記動き伝達機構が、摩擦車、ウォーム歯車、歯車、カムのうちの１つまたは複数を含む請求項４に記載の装置。
【請求項６】
放射の前記ビームが実質的にコリメートされる請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記１つまたは複数の焦点合せ要素が、屈折焦点合せ要素、回折焦点合せ要素、もしくは反射焦点合せ要素、またはこれらの組合せを含むことができる請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記放射源が、スペクトルの可視部分のビームを発する請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記放射源が、発光ダイオード（ＬＥＤ）である請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
可動光学要素の光軸に沿って、これに垂直にセンサを位置決めするステップと、
前記可動光学要素から前記センサに放射ビームを投影するステップであって、前記放射ビームは、前記光軸に対して相対的に選択された角度である、投影するステップと、
前記放射ビームが前記センサに当たる位置が、前記可動光学要素に焦点が合っている時に前記放射ビームが前記センサに当たると期待される位置に対応するまで、前記可動光学要素の位置を調整するステップと
を含む方法。
【請求項１１】
前記可動光学要素から前記センサに放射ビームを投影するステップが、前記可動光学要素に取り付けられた放射源から放射ビームを投影することを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記可動光学要素から前記センサに放射ビームを投影するステップが、前記放射ビームを前記センサに反射するのに前記可動光学要素に取り付けられた反射器を使用することを含む項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記可動光学要素の位置を調整するステップが、
前記放射ビームが前記センサに当たる現在位置を判定するステップと、
前記可動光学要素に焦点が合っている時に前記放射ビームが前記センサに当たる前記期待される位置を判定するステップと、
前記現在位置と前記期待される位置との間の差に基づいて、前記放射ビームが当たる前記位置を前記現在位置から前記期待される位置に移動するのに必要なステップ数だけ、前記可動光学要素に結合されたステップ・モータをアクティブ化するステップと
を含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記放射ビームが、前記センサ上にスポットを作成し、前記可動光学要素に結合された前記ステップ・モータの前記アクティブ化が、前記現在位置にある前記スポットの面積と前記期待される位置にある前記スポットの面積との間の差にも基づく請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記可動光学要素に結合されたステップ・モータのアクティブ化が、
動き伝達機構の動きを引き起こすのに前記ステップ・モータを使用するステップと、
前記動き伝達機構の前記動きを前記可動光学要素に伝達するステップと
を含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記放射ビームが前記センサに当たる前記位置のモータのステップあたりの平均移動を判定するステップをさらに含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記放射ビームを実質的にコリメートするステップをさらに含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記放射ビームが前記センサに当たる前記現在位置を判定するステップが、前記センサの一部だけを分析することを含む項１０に記載の方法。
【請求項１９】
可動光学要素からセンサに放射ビームを投影するステップであって、前記放射ビームが、前記可動光学要素の光軸に対して相対的に選択された角度である、投影するステップと、
複数のターゲットを前記可動光学要素から既知の前側焦点距離に位置決めするステップと、
前側焦点距離ごとに、前記可動光学要素の後側焦点距離と、放射の前記ビームが前記センサに当たる位置を判定し、記録するステップと
を含む方法。
【請求項２０】
前記可動光学要素から前記センサに放射ビームを投影するステップが、前記可動光学要素に取り付けられた放射源から放射ビームを投影することを含む項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記可動光学要素から前記センサに放射ビームを投影するステップが、前記放射ビームを前記センサに反射するのに前記可動光学要素に取り付けられた反射器を使用することを含む項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記後側焦点距離を判定するステップが、
前記センサ上の前記ターゲットの像に焦点が合うまで前記可動光学要素の前記位置を調整するステップと、
前記可動光学要素と前記センサとの間の距離を判定するステップと
を含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記放射ビームが、それが前記センサに当たるところにスポットを作成する請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記放射ビームが前記センサに当たる位置が、前記スポットの中央の位置である請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記スポットの面積を判定し、記録するステップをさらに含む請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前焦点位置を後焦点位置に相関させるステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２７】
前記前焦点位置を前記後焦点位置に相関させるステップが、前側焦点位置と後側焦点位置の前記記録された値に曲線をあてはめることを含む項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記可動光学要素が、動き伝達機構によってそれに結合されたステップ・モータを有し、さらに、前側焦点位置ごとにステップ・モータの位置を記録することを含む項１９に記載の方法。
【請求項２９】
前記ステップ・モータの前記位置を前記放射ビームが前記センサに当たる前記位置に相関させるステップをさらに含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記ステップ・モータの前記位置を前記放射ビームが前記センサに当たる前記位置に相関させるステップが、前記放射ビームが前記センサに当たる前記位置のモータのステップあたりの平均移動を計算することを含む項２９に記載の方法。
【請求項３１】
光軸を有し、１つまたは複数の焦点合せ要素を含む可動光学要素と、
前記光軸に沿って位置決めされ、実質的に前記光軸に垂直なイメージ・センサと、
前記可動光学要素に取り付けられ、放射源からの放射ビームを、前記光軸に対する相対的な選択された角度で前記センサに向ける反射器と
を含む装置。
【請求項３２】
前記可動光学要素を前記光軸に沿って移動させるために前記可動光学要素に結合された駆動機構をさらに含む請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記センサと前記駆動機構に結合されたコントローラをさらに含み、前記コントローラが、前記ビームまたは放射が前記センサに当たる位置に基づいてモータの動きを制御する請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記駆動機構が、
モータと、
前記モータおよび前記可動光学要素に結合された動き伝達機構であって、前記モータの動きを前記光軸に沿った前記可動光学要素の直線運動に変換する動き伝達機構と
を含む請求項３２に記載の装置。
【請求項３５】
前記動き伝達機構が、摩擦車、ウォーム歯車、歯車、カムのうちの１つまたは複数を含む請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
放射の前記ビームが、実質的にコリメートされる請求項３１に記載の装置。
【請求項３７】
前記１つまたは複数の焦点合せ要素が、屈折焦点合せ要素、回折焦点合せ要素、もしくは反射焦点合せ要素、またはこれらの組合せを含むステップができる請求項３１に記載の装置。
【請求項３８】
前記放射源が、スペクトルの可視部分のビームを発する請求項３１に記載の装置。
【請求項３９】
前記放射源が、発光ダイオード（ＬＥＤ）である請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
前記放射源が、前記センサの平面内に位置決めされる請求項２１に記載の装置。
【請求項１】
光軸を有し、１つまたは複数の焦点合せ要素を含む可動光学要素と、
前記光軸に沿って位置決めされ、実質的に前記光軸に垂直なイメージ・センサと、
前記可動光学要素に取り付けられ、前記光軸に対する相対的な選択された角度で前記センサに放射ビームを向ける放射源と
を含む装置。
【請求項２】
前記可動光学要素を前記光軸に沿って移動させるために前記可動光学要素に結合された駆動機構をさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記センサと前記駆動機構に結合されたコントローラをさらに含み、前記コントローラが、前記ビームまたは放射が前記センサに当たる位置に基づいてモータの動きを制御する請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記駆動機構が、
モータと、
前記モータおよび前記可動光学要素に結合された動き伝達機構であって、前記モータの動きを前記光軸に沿った前記可動光学要素の直線運動に変換する動き伝達機構と
を含む請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記動き伝達機構が、摩擦車、ウォーム歯車、歯車、カムのうちの１つまたは複数を含む請求項４に記載の装置。
【請求項６】
放射の前記ビームが実質的にコリメートされる請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記１つまたは複数の焦点合せ要素が、屈折焦点合せ要素、回折焦点合せ要素、もしくは反射焦点合せ要素、またはこれらの組合せを含むことができる請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記放射源が、スペクトルの可視部分のビームを発する請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記放射源が、発光ダイオード（ＬＥＤ）である請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
可動光学要素の光軸に沿って、これに垂直にセンサを位置決めするステップと、
前記可動光学要素から前記センサに放射ビームを投影するステップであって、前記放射ビームは、前記光軸に対して相対的に選択された角度である、投影するステップと、
前記放射ビームが前記センサに当たる位置が、前記可動光学要素に焦点が合っている時に前記放射ビームが前記センサに当たると期待される位置に対応するまで、前記可動光学要素の位置を調整するステップと
を含む方法。
【請求項１１】
前記可動光学要素から前記センサに放射ビームを投影するステップが、前記可動光学要素に取り付けられた放射源から放射ビームを投影することを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記可動光学要素から前記センサに放射ビームを投影するステップが、前記放射ビームを前記センサに反射するのに前記可動光学要素に取り付けられた反射器を使用することを含む項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記可動光学要素の位置を調整するステップが、
前記放射ビームが前記センサに当たる現在位置を判定するステップと、
前記可動光学要素に焦点が合っている時に前記放射ビームが前記センサに当たる前記期待される位置を判定するステップと、
前記現在位置と前記期待される位置との間の差に基づいて、前記放射ビームが当たる前記位置を前記現在位置から前記期待される位置に移動するのに必要なステップ数だけ、前記可動光学要素に結合されたステップ・モータをアクティブ化するステップと
を含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記放射ビームが、前記センサ上にスポットを作成し、前記可動光学要素に結合された前記ステップ・モータの前記アクティブ化が、前記現在位置にある前記スポットの面積と前記期待される位置にある前記スポットの面積との間の差にも基づく請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記可動光学要素に結合されたステップ・モータのアクティブ化が、
動き伝達機構の動きを引き起こすのに前記ステップ・モータを使用するステップと、
前記動き伝達機構の前記動きを前記可動光学要素に伝達するステップと
を含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記放射ビームが前記センサに当たる前記位置のモータのステップあたりの平均移動を判定するステップをさらに含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記放射ビームを実質的にコリメートするステップをさらに含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記放射ビームが前記センサに当たる前記現在位置を判定するステップが、前記センサの一部だけを分析することを含む項１０に記載の方法。
【請求項１９】
可動光学要素からセンサに放射ビームを投影するステップであって、前記放射ビームが、前記可動光学要素の光軸に対して相対的に選択された角度である、投影するステップと、
複数のターゲットを前記可動光学要素から既知の前側焦点距離に位置決めするステップと、
前側焦点距離ごとに、前記可動光学要素の後側焦点距離と、放射の前記ビームが前記センサに当たる位置を判定し、記録するステップと
を含む方法。
【請求項２０】
前記可動光学要素から前記センサに放射ビームを投影するステップが、前記可動光学要素に取り付けられた放射源から放射ビームを投影することを含む項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記可動光学要素から前記センサに放射ビームを投影するステップが、前記放射ビームを前記センサに反射するのに前記可動光学要素に取り付けられた反射器を使用することを含む項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記後側焦点距離を判定するステップが、
前記センサ上の前記ターゲットの像に焦点が合うまで前記可動光学要素の前記位置を調整するステップと、
前記可動光学要素と前記センサとの間の距離を判定するステップと
を含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記放射ビームが、それが前記センサに当たるところにスポットを作成する請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記放射ビームが前記センサに当たる位置が、前記スポットの中央の位置である請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記スポットの面積を判定し、記録するステップをさらに含む請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前焦点位置を後焦点位置に相関させるステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２７】
前記前焦点位置を前記後焦点位置に相関させるステップが、前側焦点位置と後側焦点位置の前記記録された値に曲線をあてはめることを含む項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記可動光学要素が、動き伝達機構によってそれに結合されたステップ・モータを有し、さらに、前側焦点位置ごとにステップ・モータの位置を記録することを含む項１９に記載の方法。
【請求項２９】
前記ステップ・モータの前記位置を前記放射ビームが前記センサに当たる前記位置に相関させるステップをさらに含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記ステップ・モータの前記位置を前記放射ビームが前記センサに当たる前記位置に相関させるステップが、前記放射ビームが前記センサに当たる前記位置のモータのステップあたりの平均移動を計算することを含む項２９に記載の方法。
【請求項３１】
光軸を有し、１つまたは複数の焦点合せ要素を含む可動光学要素と、
前記光軸に沿って位置決めされ、実質的に前記光軸に垂直なイメージ・センサと、
前記可動光学要素に取り付けられ、放射源からの放射ビームを、前記光軸に対する相対的な選択された角度で前記センサに向ける反射器と
を含む装置。
【請求項３２】
前記可動光学要素を前記光軸に沿って移動させるために前記可動光学要素に結合された駆動機構をさらに含む請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記センサと前記駆動機構に結合されたコントローラをさらに含み、前記コントローラが、前記ビームまたは放射が前記センサに当たる位置に基づいてモータの動きを制御する請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記駆動機構が、
モータと、
前記モータおよび前記可動光学要素に結合された動き伝達機構であって、前記モータの動きを前記光軸に沿った前記可動光学要素の直線運動に変換する動き伝達機構と
を含む請求項３２に記載の装置。
【請求項３５】
前記動き伝達機構が、摩擦車、ウォーム歯車、歯車、カムのうちの１つまたは複数を含む請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
放射の前記ビームが、実質的にコリメートされる請求項３１に記載の装置。
【請求項３７】
前記１つまたは複数の焦点合せ要素が、屈折焦点合せ要素、回折焦点合せ要素、もしくは反射焦点合せ要素、またはこれらの組合せを含むステップができる請求項３１に記載の装置。
【請求項３８】
前記放射源が、スペクトルの可視部分のビームを発する請求項３１に記載の装置。
【請求項３９】
前記放射源が、発光ダイオード（ＬＥＤ）である請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
前記放射源が、前記センサの平面内に位置決めされる請求項２１に記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【公表番号】特表２００８−５３５０００（Ｐ２００８−５３５０００Ａ）
【公表日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５０３０４６（Ｐ２００８−５０３０４６）
【出願日】平成１８年３月１７日（２００６．３．１７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／００９６３２
【国際公開番号】ＷＯ２００６／１０２０２６
【国際公開日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【出願人】（５０２４３５６８３）マイクロスキャン・システムズ・インコーポレーテッド (6)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月１７日（２００６．３．１７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／００９６３２
【国際公開番号】ＷＯ２００６／１０２０２６
【国際公開日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【出願人】（５０２４３５６８３）マイクロスキャン・システムズ・インコーポレーテッド (6)
【Ｆターム（参考）】
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