JP3350918B2 - Two-dimensional array confocal optical device - Google Patents

Two-dimensional array confocal optical device

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JP3350918B2
JP3350918B2 JP09468296A JP9468296A JP3350918B2 JP 3350918 B2 JP3350918 B2 JP 3350918B2 JP 09468296 A JP09468296 A JP 09468296A JP 9468296 A JP9468296 A JP 9468296A JP 3350918 B2 JP3350918 B2 JP 3350918B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、物体の3次元形状
計測を行うために用いられる光学装置であり、特に共焦
点光学系を用いた光学装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical device used for measuring a three-dimensional shape of an object, and more particularly to an optical device using a confocal optical system.

【0002】[0002]

【従来の技術】共焦点光学系を用いると、物体の3次元
形状が計測できることが知られている。従来技術の説明
に先立ち共焦点光学系による一般的な3次元形状計測の
方法を解説する。共焦点光学系の基本構成を図10に示
す。点光源101からでた光はハーフミラー102を透
して対物レンズ103により集光され、物体に投影され
る。物体から反射した光は再び対物レンズ103に入射
しハーフミラー102を介して点光源101と光学的に
同じ位置にあるピンホール104に入射し、ピンホール
104を通過した光の量が検出器105により計測され
る。これが共焦点光学系の基本的な構成である。このよ
うな光学系を用いると物体表面上の点のz方向の位置が
次のようにして計測できる。物体表面が点光源101に
共役な位置にある場合、反射光は同じく共役な位置であ
るピンホール104面に収束しほとんどの反射光がピン
ホール104を通過する。しかし物体表面が点光源に共
役な位置から離れるとピンホール104を通過する光量
は急速に減少する(図中に破線で光路を図示)。このこ
とから物体と対物レンズ103との距離を変化させて検
出器105が最大出力を示す点を見つければ物体表面の
z位置を特定できる。物体あるいは共焦点光学系を2次
元的(xy方向)に走査してこのようなz位置計測を行
えば物体の3次元形状が計測できる。これが共焦点光学
系による3次元形状計測の原理である。
2. Description of the Related Art It is known that a three-dimensional shape of an object can be measured by using a confocal optical system. Prior to the description of the prior art, a general three-dimensional shape measurement method using a confocal optical system will be described. FIG. 10 shows the basic configuration of the confocal optical system. Light emitted from the point light source 101 is condensed by the objective lens 103 through the half mirror 102, and is projected on an object. The light reflected from the object enters the objective lens 103 again, enters the pinhole 104 located at the same optical position as the point light source 101 via the half mirror 102, and the amount of light passing through the pinhole 104 is detected by the detector 105. Is measured by This is the basic configuration of the confocal optical system. Using such an optical system, the position of a point on the object surface in the z direction can be measured as follows. When the object surface is at a position conjugate to the point light source 101, the reflected light converges on the pinhole 104 surface, which is also at the conjugate position, and most of the reflected light passes through the pinhole 104. However, when the object surface moves away from a position conjugate to the point light source, the amount of light passing through the pinhole 104 rapidly decreases (the optical path is shown by a broken line in the figure). From this, if the distance between the object and the objective lens 103 is changed and the detector 105 finds a point showing the maximum output, the z position of the object surface can be specified. If such z-position measurement is performed by scanning the object or the confocal optical system two-dimensionally (in the xy directions), the three-dimensional shape of the object can be measured. This is the principle of three-dimensional shape measurement using a confocal optical system.

【0003】2次元的(xy方向)走査をして物体の3
次元形状を計測する場合、1点毎に物体と対物レンズ1
03の距離を変化させてz位置計測するのではなく、物
体と対物レンズ103の距離が一定の位置でxy方向に
2次元的に走査して面的な光量データを得て(以下この
ような面的な光量データを共焦点画像と呼ぶことにす
る)、物体と対物レンズ103の距離を変化させて同様
に共焦点画像を得るようにし、物体と対物レンズ103
の距離が互いに異なるこれらの多数の共焦点画像から、
画像の各点毎に光量が最大値を与える画像を見つける処
理を行うことで物体の3次元形状を求めることもでき
る。この方が原理的な方法より高速である。このように
共焦点画像を用いて3次元計測を行う場合、共焦点画像
を得る方法としては、レーザービームを光学偏向素子
(AO素子、EO素子、ガルバノミラー、ポリゴンミラ
ーなど)で走査する方法が一般的であるが、より高速に
共焦点画像を得るため、またはより簡単な構造とするた
めに共焦点光学系を2次元的に配列することで光学的な
走査をしないで共焦点画像を得る光学系(以下ではこの
ような光学系を2次元配列型共焦点光学系と呼ぶことに
する)が特開平4−265918号公報および特開平7
−181023号公報で開示されている。これらの従来
技術について以下説明する。
A two-dimensional (xy direction) scan is performed to
When measuring a dimensional shape, an object and an objective lens 1
Instead of changing the distance of the object 03 and measuring the z position, two-dimensional scanning is performed in the xy direction at a position where the distance between the object and the objective lens 103 is constant to obtain planar light amount data (hereinafter, such as The planar light quantity data is referred to as a confocal image), and the distance between the object and the objective lens 103 is changed to obtain a confocal image in the same manner.
From these many confocal images with different distances from each other,
The three-dimensional shape of the object can also be obtained by performing a process of finding an image that gives the maximum amount of light for each point of the image. This is faster than the principle method. When three-dimensional measurement is performed using a confocal image as described above, as a method of obtaining a confocal image, a method of scanning a laser beam with an optical deflection element (AO element, EO element, galvanometer mirror, polygon mirror, or the like) is used. Generally, a confocal image is obtained without optical scanning by arranging a confocal optical system two-dimensionally in order to obtain a confocal image faster or to have a simpler structure. An optical system (hereinafter, such an optical system is referred to as a two-dimensional confocal optical system) is disclosed in JP-A-4-265918 and JP-A-Hei-7.
No. -181023. These conventional techniques will be described below.

【0004】特開平4−265918号公報による装置
(以下従来技術Aとする)を図7に示す。白色光源1か
らでた光をコリメートレンズ4により平行光として、ピ
ンホールアレイ部7に照射する。ここにピンホールアレ
イ部7はピンホールを多数同一平面に配列したものであ
る。ピンホールアレイ部7の各ピンホールを通過した光
は個々が点光源とみなされ、点光源が配列されているの
と同等である。ピンホールを通過した光はハーフミラー
71を透過して後、レンズ8aと8bと絞り9とで構成
された対物レンズ8により物体Aに投影される。物体A
から反射してきた光は対物レンズ8で集光され、ハーフ
ミラー71により光路を偏向せられてCCDセンサ72
上に到達する。以上の構成はちょうど共焦点光学系を並
列に配列したのと同等である。一般に共焦点光学系を複
数並べる場合、共焦点光学系間の距離はピンホール径の
5から10倍必要であるが、この装置はピンホールの径
を非常に小さくすることで、全体として無理のない大き
さで共焦点光学系を並列に配列し、検出器部分に一般的
には必要となるピンホールを開口率の低い(画素に対す
る光電変換素子の比率が小さい)CCDセンサ72を用
いることで不要としている。
FIG. 7 shows an apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-265918 (hereinafter referred to as prior art A). Light emitted from the white light source 1 is radiated to the pinhole array unit 7 as parallel light by the collimating lens 4. Here, the pinhole array section 7 has a large number of pinholes arranged on the same plane. Light that has passed through each pinhole of the pinhole array unit 7 is regarded as a point light source, which is equivalent to the arrangement of point light sources. The light that has passed through the pinhole passes through the half mirror 71 and is projected onto the object A by the objective lens 8 including the lenses 8a and 8b and the stop 9. Object A
The light reflected from the CCD sensor 72 is condensed by the objective lens 8 and deflected in the optical path by the half mirror 71.
Reach the top. The above configuration is equivalent to a configuration in which confocal optical systems are arranged in parallel. Generally, when arranging a plurality of confocal optical systems, the distance between the confocal optical systems is required to be 5 to 10 times the pinhole diameter. By arranging confocal optical systems in parallel with no size and using a CCD sensor 72 with a low aperture ratio (a small ratio of photoelectric conversion elements to pixels) for a pinhole generally required in a detector portion. It is unnecessary.

【0005】特開平7−181023号公報による装置
(以下従来技術Bとする)を図8に示す。光源がレーザ
ー光源81であり径の大きい平行光を得るためにビーム
エキスパンダー82を用いている。この装置は、本来光
源側と検出器側に別々に必要となるピンホールアレイ部
7を共通化し、ハーフミラーをなくし、検出器アレイ部
83をピンホールアレイ部7とほぼ同一の平面に置くこ
とで従来技術Aと比べてコンパクトにしている。ピンホ
ールアレイ部7付近の詳細を図9に示し、より詳細に述
べる。上からマスク部61、反射型ホログラム部62、
マイクロレンズアレイ部6、検出器アレイ部83、ピン
ホールアレイ部7に分かれている。マスク部61を通過
した平行光は、反射型ホログラム部62に入射し、0次
回折光がマイクロレンズアレイ部6に入射して集光され
ピンホールアレイ部7を通過する。物体からの反射光が
戻ってきてピンホールアレイ部7を再び通過すると、マ
イクロレンズアレイ部6によって集光され平行光とな
り、反射型ホログラム部62に入射する。反射型ホログ
ラム部62は1次回折光を斜め方向に反射し、三たびマ
イクロレンズアレイ部6により集光されて、検出器アレ
イ部83に収束するようになっている。
FIG. 8 shows an apparatus according to Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-181023 (hereinafter referred to as prior art B). The light source is a laser light source 81, and a beam expander 82 is used to obtain parallel light having a large diameter. In this device, the pinhole array unit 7 originally required separately for the light source side and the detector side is shared, the half mirror is eliminated, and the detector array unit 83 is placed on the substantially same plane as the pinhole array unit 7. Therefore, it is more compact than the prior art A. FIG. 9 shows details of the vicinity of the pinhole array section 7 and will be described in more detail. From above, a mask section 61, a reflection type hologram section 62,
It is divided into a micro lens array section 6, a detector array section 83, and a pinhole array section 7. The parallel light that has passed through the mask part 61 is incident on the reflection type hologram part 62, and the zero-order diffracted light is incident on the microlens array part 6, is collected, and passes through the pinhole array part 7. When the reflected light from the object returns and passes through the pinhole array section 7 again, it is collected by the microlens array section 6 to become parallel light, and enters the reflection type hologram section 62. The reflection hologram unit 62 reflects the first-order diffracted light in an oblique direction, is condensed by the microlens array unit 6 three times, and converges on the detector array unit 83.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】従来技術Aおいてはピ
ンホールアレイ部7のピンホール位置と、それに対応す
る反射光の結像位置に対してCCDセンサ72の光電変
換素子の位置が正確にあっている必要があり、それらの
位置合わせが難しいという問題がある。CCDセンサ7
2の画素中の光電変換素子自体が検出器側のピンホール
の役目を果させる必要があり、非常に高いレベルの位置
決め(サブミクロンオーダー)が必要となる。また、ピ
ンホールアレイ部7のピンホール径やピンホールピッチ
はCCDセンサ72の光電変換素子(2μm程度)及び
画素ピッチ(10μm程度)と同じにする必要があるが
このように構成すると、照明光がピンホールを通過する
割合(照明光率)が著しく悪くなり計測に必要な光量を
得ることは難しい。特開平4−265918号公報では
照明光率をよくするためにマイクロレンズをピンホール
と同軸で配置することが述べられているが、10μm径
のマイクロレンズでスポット径2μm程度の集光は光の
回折を考慮すれば実際上不可能であり、スポット径が大
きいために十分な改善とはならない。
In the prior art A, the position of the photoelectric conversion element of the CCD sensor 72 is accurately determined with respect to the pinhole position of the pinhole array section 7 and the corresponding imaging position of the reflected light. There is a problem that they need to be aligned, and their alignment is difficult. CCD sensor 7
It is necessary that the photoelectric conversion elements in the two pixels themselves function as pinholes on the detector side, and a very high level of positioning (submicron order) is required. In addition, the pinhole diameter and the pinhole pitch of the pinhole array section 7 need to be the same as the photoelectric conversion element (about 2 μm) and the pixel pitch (about 10 μm) of the CCD sensor 72. The ratio of passing through the pinhole (illumination light rate) is significantly deteriorated, and it is difficult to obtain the amount of light required for measurement. Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-265918 describes that a microlens is arranged coaxially with a pinhole in order to improve the illumination light rate. However, a microlens having a diameter of 10 μm condenses light having a spot diameter of about 2 μm. Considering diffraction, it is practically impossible, and a large spot diameter does not provide a sufficient improvement.

【0007】従来技術Bは光源側、検出器側のピンホー
ルを共通化しているため従来技術Aの場合のように、ピ
ンホールと光電変換素子との位置合わせの問題はなく、
またCCDセンサによるマイクロレンズサイズの制約も
ないため光量不足の問題も回避できる。しかしながら構
造が非常に複雑であるため、製作には大規模な設備が必
要となる問題がある(ピンホールアレイ、検出器アレ
イ、それらの読み出し回路を一体的に製造する技術は半
導体プロセス技術であり専用の製造ラインが必要とな
る、マイクロレンズアレイや反射ホログラムを積層し、
ピンホールアレイと精密な位置合わせを行い張り合わせ
る工程も専用の製造設備が無くては製作できない)。ま
た、反射型ホログラムの効果を十分に発揮させる必要か
ら、光源は基本的にレーザーに限られるので、干渉が発
生しやすく3次元形状計測に不都合である。例えば、物
体の表面に波長オーダーの凹凸がある場合、ちょうど1
/2波長の凹凸があるところでは反射光が干渉により消
されてしまい計測できなくなる問題がある。また、カラ
ー観察もできない。さらに、バイオ分野で行われる蛍光
観察に用いるには、照明光と反射光をダイクロイックミ
ラーで分ける必要があるがこの構成では不可能である。
In the prior art B, since the pinholes on the light source side and the detector side are shared, there is no problem of alignment between the pinhole and the photoelectric conversion element as in the prior art A.
In addition, since there is no restriction on the size of the micro lens by the CCD sensor, the problem of insufficient light quantity can be avoided. However, since the structure is very complicated, there is a problem that large-scale equipment is required for manufacturing (the technology for integrally manufacturing a pinhole array, a detector array, and their readout circuit is a semiconductor process technology. Laminating micro lens arrays and reflection holograms that require a dedicated production line,
The process of performing precise alignment with the pinhole array and bonding them together cannot be manufactured without dedicated manufacturing equipment.) In addition, since the effect of the reflection hologram needs to be sufficiently exhibited, the light source is basically limited to a laser, so that interference is likely to occur, which is inconvenient for three-dimensional shape measurement. For example, if the surface of the object has irregularities on the order of wavelength, just 1
There is a problem that where there is unevenness with a wavelength of / 2, the reflected light is erased due to interference and measurement becomes impossible. Also, color observation is not possible. Furthermore, for use in fluorescence observation in the field of biotechnology, it is necessary to separate illumination light and reflected light with a dichroic mirror, but this is not possible with this configuration.

【0008】そこで本発明は、構造が簡単で製作が容易
であり、照明光率が高く、光源として白色光(単色光で
はない光)を用いることが可能で、カラー観察、蛍光観
察もできる2次元配列型共焦点光学系を提供することを
目的とするものである。
Therefore, the present invention has a simple structure, is easy to manufacture, has a high illumination light rate, can use white light (light other than monochromatic light) as a light source, and can perform color observation and fluorescence observation. It is an object of the present invention to provide a dimensional array type confocal optical system.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】目的達成のために、照明
光を射出する光源部と、照明光と反射光との光路を分岐
させる光路分岐光学素子と、前記光路分岐光学素子を通
過した照明光を複数の光点として集光させる2次元的に
配列された複数のマイクロレンズよりなるマイクロレン
ズアレイ部と、前記マイクロレンズアレイ部と同一配列
の配列をもつ、前記マイクロレンズアレイ部の焦点面に
位置させたピンホールアレイ部と、前記ピンホールアレ
イ部を通過した照明光を集光して物体に投影し、物体か
らの反射光を集光して前記ピンホールアレイ部に導く対
物レンズと、前記ピンホールアレイ部を通過して前記光
路分岐光学素子により分岐された物体からの反射光を受
光して電気信号に変換する2次元光電センサと、前記光
路分岐光学素子と前記2次元光電センサとの間に位置し
マイクロレンズアレイ部の像を前記2次元光電センサ上
に結像させる結像光学部とにより構成する。このように
構成すれば、投受光のピンホールアレイの位置合わせの
問題はなくなり、照明光を効率的に物体に照射すること
ができ、光源は白色光でもよく、構造も比較的簡単で実
現が容易である。
In order to achieve the object, a light source for emitting illumination light, an optical path splitting optical element for splitting an optical path between the illumination light and the reflected light, and an illumination having passed through the optical path splitting optical element. A microlens array unit including a plurality of two-dimensionally arrayed microlenses for condensing light as a plurality of light spots, and a focal plane of the microlens array unit having the same array as the microlens array unit And an objective lens that condenses the illumination light passing through the pinhole array portion and projects it on an object, condenses reflected light from the object, and guides the reflected light from the object to the pinhole array portion. A two-dimensional photoelectric sensor that receives reflected light from an object that has passed through the pinhole array unit and is branched by the optical path branching optical element, and converts the reflected light into an electric signal; Serial configured by an imaging optical unit for imaging the position to the image of the microlens array portion in the two-dimensional photoelectric on the sensor between the two-dimensional photoelectric sensor. With this configuration, the problem of alignment of the pinhole array for projecting and receiving light is eliminated, the object can be efficiently illuminated with illumination light, the light source may be white light, and the structure is relatively simple and realizable. Easy.

【0010】また、結像光学系により2次元光電センサ
上に結像するマイクロレンズアレイ部の像の空間周波数
を、2次元光電センサの画素配列の空間周波数の1/2
以下とする手段持つことでマイクロレンズと2次元光電
センサの画素との対応を厳密にとる必要が無くなる。
Further, the spatial frequency of the image of the microlens array section formed on the two-dimensional photoelectric sensor by the imaging optical system is を of the spatial frequency of the pixel array of the two-dimensional photoelectric sensor.
With the following means, it is not necessary to strictly correspond the microlenses to the pixels of the two-dimensional photoelectric sensor.

【0011】また、マイクロレンズ部のマイクロレンズ
の形状を六角形または四角形とすることにより、より効
率的に照明光伝達することができかつマイクロレンズア
レイ部の基板ガラスからの照明光の反射を低減すること
ができる。
Further, by making the shape of the microlenses in the microlens portion hexagonal or quadrangular, illumination light can be transmitted more efficiently and the reflection of illumination light from the substrate glass in the microlens array portion is reduced. can do.

【0012】また、光源部とマイクロレンズアレイ部の
間に位置し光源部から射出された照明光を直線偏光とす
る偏光子と、対物レンズの光路のうち、マイクロレンズ
アレイ部と物体との間の位置に配置された1/4波長板
と、マイクロレンズアレイ部と2次元光電センサの間に
位置し前記偏光子とは直交ニコルとなるように配置され
た検光子とを持つようにすることで、ピンホールアレイ
やマイクロレンズアレイの照明光の反射による迷光を低
減することができる。
A polarizer positioned between the light source unit and the microlens array unit and configured to linearly polarize the illumination light emitted from the light source unit, and a light path between the microlens array unit and the object in the optical path of the objective lens. And a analyzer located between the microlens array unit and the two-dimensional photoelectric sensor and arranged so as to be orthogonal to the polarizer. Thus, stray light due to reflection of illumination light from the pinhole array or the microlens array can be reduced.

【0013】また、光路分岐光学素子をダイクロイック
ミラーとすれば蛍光観察が可能となる。
Further, if the optical path branching optical element is a dichroic mirror, fluorescence observation becomes possible.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図1に本発明の実施の形態
の第一の例を示す。以下照明光の経路に従って本発明の
構成を説明する。光源部1よりでた照明光はピンホール
2で点光源となりコリメーターレンズ4により平行光と
なって偏光子3で直線偏光として射出される。光路分岐
光学素子5は偏光ビームスプリッターであり直線偏光の
照明光をそのまま通過させる。光路分岐光学素子5を通
過した照明光はマイクロレンズアレイ部6に入射し各マ
イクロレンズの焦点に集光される。マイクロレンズアレ
イ部6の焦点位置にはピンホールアレイ部7が設置さ
れ、各マイクロレンズにより集光された照明光の焦点の
位置に各ピンホールが存在する形となっている。ピンホ
ールを通過した照明光は対物レンズ8に入射し、対物レ
ンズ8内部に設けた1/4波長板10により円偏光とな
って、ピンホールの像を物体Aに投影する。対物レンズ
8は、内部にテレセントリック絞り9とレンズ8aと8
bとをもつ両側テレセントリックなレンズであり、物体
Aあるいは光学系を光軸方向に移動させても倍率変化が
発生しないようになっている。物体Aからの反射光は、
再び対物レンズ8に入射して、1/4波長板10により
照明光と直交する直線偏光となり、集光されて再びピン
ホールアレイ部7に到達する。ピンホールアレイ部7の
ピンホールを通過した反射光は、マイクロレンズアレイ
部6により平行光束となって射出される。反射光は照明
光とは直交する直線偏光光であるから偏光ビームスプリ
ッターである光路分岐光学素子5により偏向されて結像
光学部16に入射する。結像光学部16に入射した反射
光は、レンズ12aとレンズ12bと絞り13とより構
成される結像レンズ12によりマイクロレンズアレイ部
6の面を2次元光電センサ15上に結像させるように集
光され、ローパスフィルター14によりマイクロレンズ
アレイ部6の像の空間周波数が、2次元光電センサ15
の画素配列の空間周波数の1/2に帯域制限されて2次
元光電センサ15上に到達するようになっている。これ
により2次元光電センサ15上には共焦点画像が得ら
れ、2次元光電センサ15により光電変換されて電気信
号として出力される。ここで、絞り13はマイクロレン
ズ表面の反射光やピンホールのエッジ付近で散乱した
光、マイクロレンズの加工誤差によりピンホールを通過
できなかった光などの迷光をNAを制限することでカッ
トするために設けている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a first example of an embodiment of the present invention. Hereinafter, the configuration of the present invention will be described according to the path of illumination light. Illumination light from the light source unit 1 becomes a point light source at the pinhole 2, becomes parallel light by the collimator lens 4, and is emitted as linearly polarized light at the polarizer 3. The optical path branching optical element 5 is a polarizing beam splitter and passes linearly polarized illumination light as it is. The illumination light passing through the optical path branching optical element 5 enters the microlens array unit 6 and is collected at the focal point of each microlens. A pinhole array section 7 is provided at the focal position of the microlens array section 6, and each pinhole is present at the position of the focal point of the illumination light collected by each microlens. The illumination light having passed through the pinhole enters the objective lens 8, is converted into circularly polarized light by the 波長 wavelength plate 10 provided inside the objective lens 8, and projects the image of the pinhole onto the object A. The objective lens 8 has a telecentric stop 9 and lenses 8a and 8 inside.
b), so that the magnification does not change even if the object A or the optical system is moved in the optical axis direction. The reflected light from the object A is
The light again enters the objective lens 8, becomes linearly polarized light orthogonal to the illumination light by the 波長 wavelength plate 10, is collected, and reaches the pinhole array unit 7 again. The reflected light that has passed through the pinholes of the pinhole array unit 7 is emitted as a parallel light beam by the microlens array unit 6. Since the reflected light is linearly polarized light orthogonal to the illumination light, the reflected light is deflected by the optical path branching optical element 5 which is a polarizing beam splitter and enters the imaging optical unit 16. The reflected light that has entered the imaging optical unit 16 forms an image of the surface of the microlens array unit 6 on the two-dimensional photoelectric sensor 15 by the imaging lens 12 including the lenses 12a, 12b, and the aperture 13. The light is condensed and the spatial frequency of the image of the microlens array unit 6 is reduced by the low-pass filter 14 to the two-dimensional photoelectric sensor 15.
The band is limited to の of the spatial frequency of the pixel array described above and reaches the two-dimensional photoelectric sensor 15. As a result, a confocal image is obtained on the two-dimensional photoelectric sensor 15, photoelectrically converted by the two-dimensional photoelectric sensor 15, and output as an electric signal. Here, the aperture 13 cuts stray light such as light reflected on the surface of the microlens, light scattered near the edge of the pinhole, and light that could not pass through the pinhole due to a processing error of the microlens by limiting the NA. Is provided.

【0015】次に図2、図3を用いてマイクロレンズア
レイ部6とピンホールアレイ部7の構成を詳細に説明す
る。図2は側面図であり図3は上面図である。図2に示
すように、ガラス基板上面に多数のマイクロレンズが形
成され、そのマイクロレンズ表面には照明光に最適化さ
れた減反射コーティングがなされている。またガラス基
板下面には遮光膜が蒸着されフォトリソグラフィーの技
術によりピンホールパターンが形成されている。上面と
同様に下面も減反射コーティングが施してある。図3に
示すように、各マイクロレンズは六角形状であり、ピン
ホールは各マイクロレンズの中心部に位置するように形
成されている。この例ではマイクロレンズアレイ部6と
ピンホールアレイ部7とはガラス基板の上下面に一体に
形成してあるが、必ずしも一体化されている必要はな
い。以下本発明の第一の実施形態における作用の特徴的
な部分を詳述する。
Next, the configurations of the microlens array section 6 and the pinhole array section 7 will be described in detail with reference to FIGS. 2 is a side view and FIG. 3 is a top view. As shown in FIG. 2, a large number of microlenses are formed on the upper surface of a glass substrate, and the antireflection coating optimized for illumination light is formed on the surface of the microlenses. A light-shielding film is deposited on the lower surface of the glass substrate, and a pinhole pattern is formed by photolithography. The lower surface as well as the upper surface is provided with an anti-reflection coating. As shown in FIG. 3, each microlens has a hexagonal shape, and a pinhole is formed so as to be located at the center of each microlens. In this example, the microlens array section 6 and the pinhole array section 7 are formed integrally on the upper and lower surfaces of the glass substrate, but need not necessarily be integrated. Hereinafter, characteristic portions of the operation in the first embodiment of the present invention will be described in detail.

【0016】まず、本発明では、光路分岐光学素子5
を、対物レンズ8からみてピンホールアレイ7の後ろ側
に持ってきている(従来技術Aでは前側)。このため、
ピンホールアレイ部7のピンホールが照明光および反射
光の共用ピンホールとなり、従来技術Aのようにピンホ
ールアレイとCCDセンサの光電変換素子部との位置合
わせは必要としない。また、従来技術Bの反射ホログラ
ムのように単色光を前提とした光路分岐光学素子5を用
いる必要がないことから、光源として白色光源が使用で
きカラー観察が可能となる。また、本発明においてはマ
イクロレンズに入射した光はそのほとんどがピンホール
を通過することが可能であることから、高い照明効率を
得ることが可能である。マイクロレンズに入射した光の
ほとんどがピンホールを通過できるのはピンホールの大
きさとピッチについて従来技術Aのような制限がない
(図1の結像レンズ12の倍率で結像の大きさを自由に
変えることができる)ためである。例えば結像レンズ1
2の倍率を1/5とすればマイクロレンズ径(ピンホー
ルピッチ)は約50μm、ピンホール径は約10μmで
よく(2次元光電センサ15の画素ピッチが10μm
で、ピンホール径はピンホールピッチの1/5と考えた
場合)、このとき(マイクロレンズ径50μmの時)1
0μmのスポットを得ることは回折を考慮しても十分に
可能である。また、本発明の光源として従来技術Bと同
じようにレーザー光(直線偏光)を使用した場合、各光
学部品での光の損失を無視し、物体Aは理想的なミラー
面であって反射率100%であると仮定して従来技術B
と比較してみると、従来技術Bでは反射ホログラム部に
入射した光のうち検出器アレイ部に到達できる光は24
%(反射ホログラムの回折効率が40%のとき)である
のに対し、本発明ではほぼ100%であって非常に高い
照明効率となる。
First, in the present invention, the optical path branching optical element 5
Is brought behind the pinhole array 7 when viewed from the objective lens 8 (the front side in the prior art A). For this reason,
The pinholes of the pinhole array section 7 serve as shared pinholes for the illumination light and the reflected light, and the positioning between the pinhole array and the photoelectric conversion element section of the CCD sensor is not required unlike the related art A. Further, since there is no need to use the optical path branching optical element 5 that assumes monochromatic light as in the reflection hologram of the prior art B, a white light source can be used as a light source and color observation is possible. Further, in the present invention, since most of the light incident on the microlens can pass through the pinhole, high illumination efficiency can be obtained. Most of the light incident on the microlens can pass through the pinhole without the restriction of the size and pitch of the pinhole as in the prior art A (the size of the image can be freely adjusted by the magnification of the imaging lens 12 in FIG. 1). It can be changed to). For example, imaging lens 1
If the magnification of 2 is 1/5, the microlens diameter (pinhole pitch) may be about 50 μm, and the pinhole diameter may be about 10 μm (the pixel pitch of the two-dimensional photoelectric sensor 15 is 10 μm).
In this case, when the pinhole diameter is considered to be 1/5 of the pinhole pitch), then (when the microlens diameter is 50 μm)
Obtaining a spot of 0 μm is sufficiently possible even in consideration of diffraction. When laser light (linearly polarized light) is used as the light source of the present invention in the same manner as in the prior art B, the loss of light in each optical component is ignored, and the object A is an ideal mirror surface and has a high reflectance. Prior art B assuming 100%
In comparison with the conventional technology B, in the light incident on the reflection hologram part, the light that can reach the detector array part is 24%.
% (When the diffraction efficiency of the reflection hologram is 40%), whereas in the present invention it is almost 100%, which is a very high illumination efficiency.

【0017】マイクロレンズの形状を六角形としたのは
マイクロレンズ以外のガラス基板面をほとんど無くすた
めである。これにより、マイクロレンズに入射しない光
をできるだけ少なくなくし照明効率を高めている。四角
形でも同等の効果が得られる。例えば円形のマイクロレ
ンズの場合、マイクロレンズ間にガラス基板面がかなり
存在する。この部分に照射される光はピンホールを通過
しないから、六角形や四角形のマイクロレンズに比べ照
明効率が低いことになる。
The reason why the shape of the microlens is hexagonal is to substantially eliminate the glass substrate surface other than the microlens. As a result, the amount of light that does not enter the microlens is reduced as much as possible to enhance the illumination efficiency. The same effect can be obtained with a square. For example, in the case of a circular microlens, there is a considerable glass substrate surface between the microlenses. Since the light applied to this portion does not pass through the pinhole, the illumination efficiency is lower than that of a hexagonal or square microlens.

【0018】光路分岐光学素子5が、対物レンズ8から
みてピンホールアレイ部7の後ろ側にある構成の場合、
一般的に問題となるのは迷光である。図1からわかるよ
うに、マイクロレンズアレイ部6で照明光が反射する
と、反射光は迷光となって2次元光電センサ15に到達
して画像を劣化させる。六角形のマイクロレンズはこの
迷光を防ぐ作用もある。つまり、マイクロレンズに入射
した照明光のほとんどはピンホールを通過するから六角
形のマイクロレンズはマイクロレンズ表面の表面反射光
以外の反射成分は原理的には無い。表面反射は減反射コ
ーティングにより問題となら無い程度に減らすことがで
きる。四角形でも同様である。円形のマイクロレンズの
ようにマイクロレンズ以外のガラス基板面が多く存在す
る場合は、この部分を遮光膜でマスクする必要があり、
この遮光膜からの反射成分がまた問題となる。
In the case where the optical path branching optical element 5 is located behind the pinhole array section 7 when viewed from the objective lens 8,
A common problem is stray light. As can be seen from FIG. 1, when the illumination light is reflected by the microlens array section 6, the reflected light becomes stray light and reaches the two-dimensional photoelectric sensor 15 to deteriorate the image. Hexagonal microlenses also have the effect of preventing this stray light. That is, since most of the illumination light incident on the microlens passes through the pinhole, the hexagonal microlens has no reflection components other than the surface reflection light on the microlens surface in principle. Surface reflection can be reduced to a degree that is not problematic by the anti-reflection coating. The same applies to a square. If there are many glass substrate surfaces other than microlenses like circular microlenses, it is necessary to mask this part with a light shielding film,
The reflection component from the light-shielding film is another problem.

【0019】以上のように六角形又は四角形のマイクロ
レンズは原理的には非常に有効であるが、実際は、加工
誤差のためにマイクロレンズに入射した光がピンホール
に収束せず、ピンホール周辺の遮光膜で反射して迷光と
なる可能性がある。また、マイクロレンズ同志の境界で
の反射や光路分岐光学素子5で分岐された照明光が何か
に反射して迷光となって画像を劣化させる等の可能性が
ある。特に、物体Aの反射率が低い場合はこのような迷
光を無視できなくなるため除去が必要である。除去の方
法として本実施の形態の例では、図1に示すように偏光
子3により照明光を直線偏光とし、光路分岐光学素子5
として偏光ビームスプリッターを用い、1/4波長板1
0により照明光と物体Aからの反射光との偏光面を90
度異ならせている。これにより1/4波長板10に入射
する前で発生した迷光は光路分岐光学素子5で偏光され
ることはなく2次元光電センサ15には入射しないよう
にしている。この場合偏光ビームスプリッターが検光子
の役目をしていることになるもちろん偏光ビームスプ
リッターとはべつに検光子を設けても同様の効果を得る
ことができる。物体Aの反射率が高ければこのような対
策は必要ない。つまり、偏光子3、1/4波長板10、
は必要なく、光路分岐光学素子5も無偏光ビームスプリ
ッターでよい。
As described above, a hexagonal or quadrangular microlens is very effective in principle, but in practice, light incident on the microlens does not converge on the pinhole due to a processing error, and the periphery of the pinhole May be reflected by the light-shielding film and become stray light. Further, there is a possibility that the reflection at the boundary between the microlenses or the illumination light branched by the optical path branching optical element 5 is reflected to something and becomes stray light to deteriorate the image. In particular, when the reflectance of the object A is low, such stray light cannot be ignored and must be removed. In the example of the present embodiment, the illumination light is converted into linearly polarized light by the polarizer 3 as shown in FIG.
1/4 wavelength plate 1 using a polarizing beam splitter
By 0, the plane of polarization between the illumination light and the reflected light from the object A is 90.
They are different. Thus, the stray light generated before the light enters the quarter-wave plate 10 is not polarized by the optical path branching optical element 5 and does not enter the two-dimensional photoelectric sensor 15 . In this case, the polarizing beam splitter functions as an analyzer . Of course, the same effect can be obtained even if an analyzer is provided separately from the polarizing beam splitter. If the reflectance of the object A is high, such measures are not necessary. That is, the polarizer 3, the quarter-wave plate 10,
Is not necessary, and the optical path branching optical element 5 may be a non-polarizing beam splitter.

【0020】次に結像光学部16について図4を用いて
詳述する。図4では光路分岐光学素子5による90度偏
向は省略されている。また、図中faはレンズ12aの
焦点距離であり、fbはレンズ12bの焦点距離であ
る。この光学系はマイクロレンズアレイ6の面と2次元
光電センサ15のセンサ面が共役となっている。マイク
ロレンズから射出される物体Aからの反射光はピンホー
ルを理想的な点と考えれば平行光であるが、実際にはピ
ンホールは面積を持っているから光軸に対して角度を持
った光が存在する。またマイクロレンズの開口による回
折光も存在しておりこれも光軸に対して角度をもった光
である。結像レンズ12はこれら全ての光を含めて2次
元光電センサ15のセンサ面上にマイクロレンズアレイ
6の像を結像させる。絞り13はこの光軸に対して角度
を持った光を制御している。小さくしすぎると回折光が
通過できなくなりマイクロレンズから射出される平行光
成分のみが2次元光電センサ15上に到達することにな
るため解像度が低下する。逆に大きくしすぎると、光軸
に対して必要以上に大きく角度を持った光は迷光である
可能性が高いから、これもまた画像を劣化させる。
Next, the imaging optical section 16 will be described in detail with reference to FIG. In FIG. 4, 90-degree deflection by the optical path branching optical element 5 is omitted. In the drawing, fa is the focal length of the lens 12a, and fb is the focal length of the lens 12b. In this optical system, the surface of the microlens array 6 and the sensor surface of the two-dimensional photoelectric sensor 15 are conjugate. The reflected light from the object A emitted from the microlens is parallel light if the pinhole is considered to be an ideal point, but actually the pinhole has an area and therefore has an angle with respect to the optical axis. Light exists. There is also diffracted light due to the aperture of the microlens, which is also light having an angle with respect to the optical axis. The imaging lens 12 forms an image of the microlens array 6 on the sensor surface of the two-dimensional photoelectric sensor 15 including all these lights. The diaphragm 13 controls light having an angle with respect to the optical axis. If the size is too small, the diffracted light cannot pass through, and only the parallel light component emitted from the microlens reaches the two-dimensional photoelectric sensor 15, so that the resolution is reduced. Conversely, if it is too large, light having an angle larger than necessary with respect to the optical axis is likely to be stray light, and this also degrades the image.

【0021】図5に2次元光電センサ15上での像の強
度分布を示す。図中破線はローパスフィルタ14が無い
場合の強度分布である。この場合はマイクロレンズの像
(山の部分)と2次元光電センサ15の画素との位置を
厳密に合わせる必要がある。これらが合っていないとエ
イリアシングが発生して、正しい結果が得られない。こ
のような厳密な位置合わせを避ける方法としてローパス
フィルター14を通す方法が考えられる。ローパスフィ
ルター14を通すことにより空間周波数が帯域制限され
図5の実線で示すような平滑波形となり、マイクロレン
ズの像と画素との厳密な位置合わせの必要がなくなる。
帯域制限は、サンプリング定理から2次元光電センサ1
5の画素間隔がなす空間周波数の1/2以上をカットす
るようにする。この例ではローパスフィルター14を用
いて帯域制限しているが、結像レンズ12自体のMTF
を条件を満たすように設計しておくことも可能であり、
絞り13を絞って結像光学部16のNAを下げるように
しても実現できる。
FIG. 5 shows the intensity distribution of the image on the two-dimensional photoelectric sensor 15. The broken line in the figure is the intensity distribution when the low-pass filter 14 is not provided. In this case, it is necessary to exactly match the position of the image of the microlens (the peak) with the pixel of the two-dimensional photoelectric sensor 15. If they do not match, aliasing will occur and correct results will not be obtained. As a method of avoiding such strict alignment, a method of passing through a low-pass filter 14 is considered. By passing through the low-pass filter 14, the spatial frequency is band-limited, resulting in a smooth waveform as shown by the solid line in FIG. 5, eliminating the need for precise alignment between the microlens image and the pixel.
The band limitation is based on the sampling theorem.
At least one half of the spatial frequency formed by the pixel interval of 5 is cut. In this example, the band is limited using the low-pass filter 14, but the MTF of the imaging lens 12 itself is limited.
Can be designed to satisfy the condition,
It can also be realized by stopping down the stop 13 to lower the NA of the imaging optical unit 16.

【0022】図6に本発明の実施の形態の第二の例を示
す。第一の例との違いは光源部1が水銀ランプであり、
偏光部品(偏光子3、1/4波長板10)がなく、光路
分岐光学素子5がダイクロイックミラーであることだけ
であり、その他は第一の例と全く同じである。ダイクロ
イックミラーである光路分岐光学素子5は照明光である
紫外線を透過し、物体Aからの蛍光を反射する。このよ
うにして物体Aの蛍光観察が可能である。
FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention. The difference from the first example is that the light source unit 1 is a mercury lamp,
There is no polarizing component (polarizer 3, quarter-wave plate 10), the only difference is that the optical path branching optical element 5 is a dichroic mirror, and the rest is exactly the same as the first example. The optical path branching optical element 5 that is a dichroic mirror transmits ultraviolet light that is illumination light and reflects fluorescence from the object A. In this way, fluorescence observation of the object A is possible.

【0023】以上の実施の形態は本発明の例にすぎず、
これに限られるものではない。例えば、マイクロレンズ
アレイ部6とピンホールアレイ部7とは別々のガラス基
板上に形成されても良いし、ガラス基板でなくても良
い。例えば光学樹脂でも良い。また、マイクロレンズの
形状も必ずしも六角形、四角形である必要はなく、円形
や三角形であってもこれは本発明の範疇である。また、
光路分岐光学素子5で分岐される照明系の光学系と撮像
系の光学系との位置関係が逆であっても光学的には同等
である。照明光も白色光だけでなく、レーザー光も使用
できる。
The above embodiment is merely an example of the present invention.
However, it is not limited to this. For example, the microlens array section 6 and the pinhole array section 7 may be formed on separate glass substrates, or may not be glass substrates. For example, an optical resin may be used. Also, the shape of the microlens does not necessarily have to be hexagonal or quadrangular, and even a circular or triangular shape is within the scope of the present invention. Also,
Even if the positional relationship between the illumination system optical system and the imaging system optical system branched by the optical path branching optical element 5 is reversed, they are optically equivalent. The illumination light can use not only white light but also laser light.

【0024】[0024]

【発明の効果】本発明の2次元配列型共焦点光学装置
は、微妙な位置合わせや調整が必要となる部分がないた
め一般的な光学系の組立調整だけで製作が可能であり、
それ以上の技術、製造設備を特に用意することもないた
め、製造組立が非常に簡単になる。また照明効率が非常
に高く、かつ単色光を前提とした光学部品を使用する必
要がないため照明光に白色光を用いることができ、カラ
ー観察が可能である。またダイクロイックミラーを用い
れば蛍光観察も可能となる。また白色光の使用により3
次元計測における物体表面状態による反射光の干渉の問
題も回避できる。
The two-dimensional array type confocal optical device of the present invention can be manufactured only by assembling and adjusting a general optical system because there is no portion requiring fine positioning and adjustment.
Since there is no need to prepare any more technical and manufacturing equipment, the manufacturing and assembly becomes very simple. In addition, since the illumination efficiency is very high and there is no need to use optical components that assume monochromatic light, white light can be used as illumination light, and color observation is possible. If a dichroic mirror is used, fluorescence observation becomes possible. In addition, 3
The problem of interference of reflected light due to the state of the object surface in dimension measurement can also be avoided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態の第一の例を示した図であ
る。
FIG. 1 is a diagram showing a first example of an embodiment of the present invention.

【図2】本発明のマイクロレンズアレイ部とピンホール
アレイ部の側面図である。
FIG. 2 is a side view of a microlens array section and a pinhole array section of the present invention.

【図3】本発明のマイクロレンズアレイ部とピンホール
アレイ部の上面図である。
FIG. 3 is a top view of a microlens array section and a pinhole array section of the present invention.

【図4】本発明の結像光学系を説明するための図であ
る。
FIG. 4 is a diagram for explaining an imaging optical system of the present invention.

【図5】本発明のマイクロレンズの像と2次元光電セン
サの画素との対応を説明するための図である。
FIG. 5 is a diagram for explaining a correspondence between an image of a microlens of the present invention and a pixel of a two-dimensional photoelectric sensor.

【図6】本発明の実施の形態の第二の例を示した図であ
る。
FIG. 6 is a diagram showing a second example of the embodiment of the present invention.

【図7】従来技術Aを説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for explaining the prior art A.

【図8】従来技術Bを説明するための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining a conventional technique B;

【図9】従来技術Bのピンホールアレイ部付近を説明す
るための図である。
FIG. 9 is a diagram for explaining the vicinity of a pinhole array section according to a conventional technique B;

【図10】共焦点光学系の基本構成を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a basic configuration of a confocal optical system.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 光源部 2 ピンホール 3 偏光子 5 光路分岐光学素子 6 マイクロレンズアレイ部 7 ピンホールアレイ部 8a レンズ 8b レンズ 9 テレセントリック絞り 10 1/4波長板 12a レンズ 12b レンズ 13 絞り 14 ローパスフィルター 15 2次元光電センサ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source part 2 Pinhole 3 Polarizer 5 Optical path branching optical element 6 Micro lens array part 7 Pinhole array part 8a lens 8b lens 9 Telecentric diaphragm 10 1/4 wavelength plate 12a lens 12b lens 13 diaphragm 14 low-pass filter 15 two-dimensional photoelectric Sensor

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 照明光を射出する光源部と、照明光と反
射光との光路を分岐させる光路分岐光学素子と、前記光
路分岐光学素子を通過した照明光を複数の光点として集
光させる2次元的に配列された複数のマイクロレンズよ
りなるマイクロレンズアレイ部と、前記マイクロレンズ
アレイ部と同一配列の配列をもつ、前記マイクロレンズ
アレイ部の焦点面に位置させたピンホールアレイ部と、
前記ピンホールアレイ部を通過した照明光を集光して物
体に投影し、物体からの反射光を集光して前記ピンホー
ルアレイ部に導く対物レンズと、前記ピンホールアレイ
部を通過して前記光路分岐光学素子により分岐された物
体からの反射光を受光して電気信号に変換する2次元光
電センサと、前記光路分岐光学素子と前記2次元光電セ
ンサとの間に位置しマイクロレンズアレイ部の像を前記
2次元光電センサ上に結像させる結像光学部とにより構
成されることを特徴とする2次元配列型共焦点光学装
置。
A light source for emitting illumination light; an optical path branching optical element for branching an optical path between the illumination light and the reflected light; and an illumination light passing through the optical path branching optical element is collected as a plurality of light spots. A microlens array unit including a plurality of two-dimensionally arranged microlenses, a pinhole array unit having the same arrangement as the microlens array unit, and a pinhole array unit positioned on a focal plane of the microlens array unit;
The objective lens that condenses the illumination light passing through the pinhole array portion and projects it on an object, condenses reflected light from the object and guides the reflected light to the pinhole array portion, passes through the pinhole array portion, A two-dimensional photoelectric sensor that receives reflected light from an object branched by the optical path branching optical element and converts the reflected light into an electric signal; and a microlens array unit located between the optical path branching optical element and the two-dimensional photoelectric sensor. A two-dimensional array type confocal optical device, comprising: an image forming optical unit that forms the image of the image on the two-dimensional photoelectric sensor.
【請求項2】 結像光学系により2次元光電センサ上に
結像するマイクロレンズアレイ部の像の空間周波数を、
2次元光電センサの画素配列の空間周波数の1/2以下
とする手段を有することを特徴とする請求項1記載の2
次元配列型共焦点光学装置。
2. A spatial frequency of an image of a microlens array portion formed on a two-dimensional photoelectric sensor by an image forming optical system,
2. The device according to claim 1, further comprising means for reducing the spatial frequency of the pixel array of the two-dimensional photoelectric sensor to 1/2 or less.
Dimensional array type confocal optical device.
【請求項3】 マイクロレンズアレイ部のマイクロレン
ズの形状は六角形または四角形であることを特徴とする
請求項1又は請求項2記載の2次元配列型共焦点光学装
置。
3. The two-dimensional array type confocal optical device according to claim 1, wherein the shape of the microlenses in the microlens array section is hexagonal or quadrangular.
【請求項4】 光源部とマイクロレンズアレイ部の間に
位置し光源部から射出された照明光を直線偏光とする偏
光子と、対物レンズの光路のうち、マイクロレンズアレ
イ部と物体との間の位置に配置された1/4波長板と、
マイクロレンズアレイ部と2次元光電センサの間に位置
し前記偏光子とは直交ニコルとなるように配置された検
光子とを持つことを特徴とする請求項1又は請求項2又
は請求項3記載の2次元配列型共焦点光学装置。
4. A polarizer positioned between a light source unit and a microlens array unit and configured to linearly polarize illumination light emitted from the light source unit, and between a microlens array unit and an object in an optical path of an objective lens. A quarter-wave plate arranged at the position of
4. The analyzer according to claim 1, further comprising an analyzer located between the microlens array unit and the two-dimensional photoelectric sensor, wherein the analyzer is arranged so as to be orthogonal to the polarizer. Two-dimensional array type confocal optical device.
【請求項5】 光路分岐光学素子はダイクロイックミラ
ーであることを特徴とする請求項1又は請求項2又は請
求項3記載の2次元配列型共焦点光学装置。
5. The two-dimensional array type confocal optical device according to claim 1, wherein the optical path branching optical element is a dichroic mirror.
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