CN111427137A - 远心光学装置 - Google Patents

Abstract

提供能够抑制部件数量的增加并且能够实现高精度光轴对准的远心光学装置。本发明的远心光学装置的特征在于其设置有：第一远心透镜面，其设置在物体侧；第二远心透镜面，其设置在像侧并且与所述第一远心透镜面共用焦点位置；和光路变更部，其在所述第一远心透镜面和所述第二远心透镜面之间设置在位于中心定位在所述焦点位置的光通过区域的外侧的外侧区域，所述光路变更部改变光路，从而防止入射至所述外侧区域的光束用于成像。

Description

远心光学装置

本申请是申请日为2016年5月23日、国家申请号为201610344887.5、发明名称为“远心光学装置”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及具有设置在物体侧和像侧这两侧的远心透镜的远心光学装置(telecentric optical apparatus)。

背景技术

具有设置在物体侧和像侧这两侧的远心透镜的远心光学装置具有产生如下效果的特征：即使当物体沿光轴方向(Z方向)移动时，像的尺寸在与Z方向垂直的X、Y方向上也保持不变。为此，远心光学装置被用作线性标尺和像测量装置用的光学系统，并且广泛用于例如具有台阶的物体的广角一次性测量(wide-field one-time measurement)等。

日本特许第3708845号公报公开了设置有前组和后组的双远心光学系统，前组整体上具有正折射力，后组整体上具有正折射力，其中前组的后侧焦点和后组的前侧焦点配置为彼此重合，并且光圈配置在焦点重合位置。由于各种光行差(aberration)和轴外光束(off-axis luminous flux)的主光线的远心度(主光线角度(the angle of principleray))受到了良好地修正，所以此双远心光学系统合适用作像处理测量设备的物镜。

发明内容

发明要解决的问题

但是，在远心透镜设置在物体侧和像侧这两侧并且光圈(远心光圈)设置在焦点位置的构造的情况下，部件的数量增加且各部分需要高精度光学对准。未能实现高精度对准会产生诸如远心度的劣化和图像锐度降低等问题。

本发明的目的在于提供能够抑制部件数量的增加并且能够实现高精度光轴对准的远心光学装置。

用于解决问题的方案

为了实现上述目的，本发明的远心光学装置的特征在于其设置有：第一远心透镜面，其设置在物体侧；第二远心透镜面，其设置在像侧并且与所述第一远心透镜面共用焦点位置；和光路变更部，其在所述第一远心透镜面和所述第二远心透镜面之间设置在位于中心定位在所述焦点位置的光通过区域的外侧的外侧区域，所述光路变更部改变光路，从而防止入射至所述外侧区域的光束用于成像。

根据此构造，由于光路变更部设置在位于中心定位在焦点位置的光通过区域的外侧的外侧区域，所以在远心光圈与焦点位置不重合的情况下，能够防止入射在外侧区域的光束用于成像。这使得通过防止光通过区域外侧的不需要的光束混入而获得具有良好的远心度的光束。

在本发明的远心光学装置中，所述光路变更部可以包括将所述光路折射至外侧的折射面。这使得入射在外侧区域的光束被折射至外侧并且使得防止光通过区域外侧的不需要的光束混入。

在本发明的远心光学装置中，所述折射面可以包括透镜曲面。这使得通过光路变更部的光束被沿透镜曲面的光轴方向聚集并且使得防止光通过区域外侧的不需要的光束混入。

在本发明的远心光学装置中，所述光路变更部可以包括使入射至所述外侧区域的光束扩散的粗糙面。这使得入射在外侧区域的光束被扩散并且使得防止光通过区域外侧的不需要的光束混入。

本发明的远心光学装置可以包括：前段透镜部，其包括所述第一远心透镜面；和后段透镜部，其包括所述第二远心透镜面，其中，所述光路变更部可以设置于所述前段透镜部和所述后段透镜部中的至少一者。这使得光路变更部设置在前段透镜部和后段透镜部之间并且使得光学装置被构成为简单地通过组合两个透镜部使两侧均具有远心透镜面。

本发明的远心光学装置还可以设置有嵌合部，所述嵌合部设置在所述前段透镜部和所述后段透镜部之间，并且所述嵌合部通过嵌合将所述前段透镜部和所述后段透镜部连接在一起。这使得前段透镜部和后段透镜部通过嵌合定位，并且即使在前段透镜部和后段透镜部为分离的部件的情况下也允许执行容易且精确的光轴对准。

在本发明的远心光学装置中，所述嵌合部包括平面，所述平面设置于所述光通过区域并且与所述前段透镜部和所述后段透镜部的光轴垂直。这使得通过嵌合部的光束在不被折射的情况下前进。

在本发明的远心光学装置中，所述前段透镜部和所述后段透镜部之间设置有中间区域，并且所述光路变更部可以取决于构成所述前段透镜部或所述后段透镜部的区域的折射率与所述中间区域的折射率之间的差折射所述光路。这使得通过光路变更部的光束取决于折射率差被折射至外侧。

在本发明的远心光学装置中，所述中间区域的透光率可以比构成所述前段透镜部或所述后段透镜部的区域的透光率低。这使得通过光路变更部的光的量减少。

在本发明的远心光学装置中，在所述光通过区域中在所述前段透镜部和所述后段透镜部之间可以设置有间隙。这使得在前段透镜部和后段透镜部之间的光通过区域中不会形成产生干涉条纹(interference fringe)的微小的间隙。

本发明的远心光学装置还设置有定位机构，所述定位机构包括设置在所述前段透镜部和所述后段透镜部的各自的所述外侧区域的基准孔，其中，借助于所述定位机构可以实现所述前段透镜部和所述后段透镜部在光轴方向上和与所述光轴方向垂直的方向上的定位。这允许执行前段透镜部和后段透镜部在光轴方向和与光轴方向垂直的方向上的可靠的定位。

附图说明

图1A和图1B是示出根据第一实施方式的远心光学装置的示意性截面图。

图2A和图2B分别是前段透镜部和后段透镜部的正面图。

图3A和图3B是示出根据第二实施方式的远心光学装置的示意性截面图。

图4A和图4B是示出根据第三实施方式的远心光学装置的示意性截面图。

图5A至图5C是示出根据第四实施方式的远心光学装置的示意性立体图。

图6是示出根据第五实施方式的远心光学装置的示意性立体图。

图7A和图7B是示出根据第六实施方式的远心光学装置的示意性截面图。

图8是示出根据第七实施方式的远心光学装置的示意性截面图。

图9是示出根据第七实施方式的远心光学装置的示意性截面图。

图10是示出根据第七实施方式的远心光学装置的示意性截面图。

图11是示出了适用例的示意图。

图12是示出了适用例的示意图。

具体实施方式

以下，将基于附图说明本发明的实施方式。应该注意，相同的构件采用相同的附图标记，当适用于后面的说明时将省略对已经说明过的构件的说明。

[第一实施方式]

图1A和图1B是示出根据第一实施方式的远心光学装置的示意性截面图。

图1A表示组装状态，图1B表示分离状态。

如图1A所示，根据本实施方式的远心光学装置1设置有配置在物体侧的前段透镜部10和配置在像侧的后段透镜部20。前段透镜部10和后段透镜部20均为大致圆筒形。第一远心透镜面11设置在前段透镜部10的物体侧，第二远心透镜面21设置在后段透镜部20的像侧。前段透镜部10和后段透镜部20沿着光轴AX连接在一起。

在远心光学装置1中，设置在前段透镜部10的第一远心透镜面11的焦点位置f1和设置在后段透镜部20的第二远心透镜面21的焦点位置f2彼此重合。这样，获得了如下光学系统：即使在相对于物体的距离在光轴AX的方向上改变的情况下，像的尺寸在与光轴AX垂直的方向上也保持不变。

在根据本实施方式的远心光学装置1中，光通过区域TR设置在第一远心透镜面11和第二远心透镜面21之间，其中光通过区域TR的中心定位在焦点位置f1、f2。光通过区域TR是中心定位在光轴AX上的焦点位置f1、f2且具有预定半径的区域。在从第一远心透镜面11入射的光束之中，通过光通过区域TR的光束C1从第二远心透镜面21射出。

在远心光学装置1中，光路变更部30设置在外侧区域OR，外侧区域OR定位在第一远心透镜面11和第二远心透镜面21之间的光通过区域TR的外侧。光路变更部30起到改变光路的作用，从而防止入射至外侧区域OR的光束用于成像。在本实施方式中，光路变更部30具有将光路折射至外侧的折射面31。

这样，在从第一远心透镜面11入射的光束之中，借助于折射面31使从光路变更部30射出的光束C2被折射至外侧(朝向远离光轴AX的一侧)。

此处，只要折射面31能够变更光路，则折射面31的形状可以采用诸如透镜形状(包括球面透镜形状、非球面透镜形状和菲涅尔透镜形状等)、平面形状(包括相对于光轴AX倾斜的平面等)或粗糙面形状等的各种形式。

在远心光学装置1中，中间区域15设置在前段透镜部10和后段透镜部20之间，更具体地，设置在折射面31和后段透镜部20之间。在图1A所示的示例中，中间区域15包括空间。由于设置有空间，所以取决于折射面31和空间之间的光的折射率差使光路被折射。

因此，取决于折射面31的形状或折射面31和中间区域15之间的折射率差使光路被折射至外侧，因而在从第一远心透镜面11入射的光束之中，朝向光路变更部30前进的光束C2被折射远离光轴AX，并且仅有朝向光通过区域TR前进的光束C1从第二远心透镜面21射出。

在远心光学装置1中，嵌合部40设置在前段透镜部10和后段透镜部20之间。如图1B所示，嵌合部40是凹部45和凸部46彼此嵌合的部分。凹部45设置于前段透镜部10，凸部46设置于后段透镜部20；但是，应该注意，凹部45可以设置于后段透镜部20，凸部46可以设置于前段透镜部10。

前段透镜部10和后段透镜部20之间的对准通过凹部45和凸部46彼此嵌合来进行。嵌合部40的位置与远心光学装置1中的光通过区域TR的位置对应。平面45a和46a设置在凹部45和凸部46嵌合在一起且彼此接触的部分。平面45a和46a是垂直于光轴AX的面。平面45a是凹部45的底面，平面46a是凸部46的突出面。凹部45和凸部46彼此嵌合直至平面45a和46a彼此抵接的位置。

图2A和图2B分别是前段透镜部和后段透镜部的正面图。

图2A表示前段透镜部10的从凹部45侧沿着光轴AX看的正面图。图2B表示后段透镜部20的从凸部46侧沿着光轴AX看的正面图。

如图2A所示，凹部45设置在前段透镜部10的中央。凹部45具有内径D1。光路变更部30的折射面31围绕凹部45设置。

如图2B所示，凸部46设置在后段透镜部20的中央。凸部46具有外径D2。凸部46的外径D2和凹部45的内径D1设定为如下嵌合尺寸：借助于该嵌合尺寸，凸部46和凹部45的对准相对于彼此被固定。

前段透镜部10和后段透镜部20由例如玻璃模具或塑料模具形成。前段透镜部10的凹部45和后段透镜部20的凸部46通过模具成型制造。因此，在以光轴AX作为基准的情况下，能够通过嵌合使凹部45和凸部46组合在一起容易地进行前段透镜部10和后段透镜部20的精确对准。

根据设有上述构造的远心光学装置1，由于光路变更部30设置在外侧区域OR中，其中外侧区域OR位于中心定位在焦点位置f1、f2的光通过区域TR的外侧，所以在远心光圈不与焦点位置f1、f2重合的情况下，能够将光通过区域TR外侧的光束折射至光路外侧。更具体地，能够在不设置远心光圈的情况下，仅通过嵌合使前段透镜部10和后段透镜部20连接在一起而去除光通过区域TR外侧的不需要的光束并且获得具有良好远心度的光束。

[第二实施方式]

图3A和图3B是示出根据第二实施方式的远心光学装置的示意性截面图。

在图3A所示的远心光学装置1B中，粗糙化表面(粗糙面32)设置于光路变更部30。粗糙面32是光路变更部30的与后段透镜部20相对且使入射在光路变更部30的光束C2扩散的表面。这样，能够防止光通过区域TR外侧的不需要的光束混入后段透镜部20。

应该注意，在图3A的图示中，通过使与光轴AX垂直的平面粗糙化获得粗糙面32并且粗糙面32取决于入射位置将光束C2折射至不同方向。因此，在具有上述折射面31的情况下，粗糙面32被制为不只是向外侧折射光路。但是，可以使向外侧折射光路的折射面31自身粗糙化。

在图3B所示的远心光学装置1C中，埋入部50设置在前段透镜部10和后段透镜部20之间。通过在中间区域15中埋入透光率比前段透镜部10的透光率低的材料(即，低透光率材料)获得埋入部50。通过埋入具有非常低的透光率的材料使埋入部50作为遮光膜。在此情况下，通过光路变更部30的光的量减少，能够防止光通过区域TR外侧的不需要的光束混入后段透镜部20。

应该注意，在图3B的图示中，以直线方式(即，平面)表示了光路变更部30和埋入部50之间的边界面33；但是，边界面33可以是折射面31或粗糙面32。

[第三实施方式]

图4A和图4B是示出根据第三实施方式的远心光学装置的示意性截面图。

根据第三实施方式的远心光学装置1D和1E具有前段透镜部10和后段透镜部20一体化的构造。

在图4A所示的远心光学装置1D中，光路变更部30设置在一体化的前段透镜部10和后段透镜部20之间。光路变更部30的在前段透镜部10侧的表面被粗糙化。另外，光路变更部30的在后段透镜部20侧的表面也被粗糙化。

为了制造远心光学装置1D，由玻璃模具或塑料模具形成在一端设置有第一远心透镜面11且在另一端设置有第二远心透镜面21的大致圆筒形的构件，然后在此构件的中央部的外周制出狭缝。通过制出狭缝形成中间区域15和光路变更部30，其中中间区域15是空间。借助于用于制出狭缝的刀片的表面粗糙度使光路变更部30的两个面粗糙化。

在图4B所示的远心光学装置1E中，埋入部50设置在一体化的前段透镜部10和后段透镜部20之间。通过在中间区域15中埋入透光率比前段透镜部10的透光率低的材料(即，低透光率材料)获得埋入部50。在此情况下，通过光路变更部30的光的量减少。

为了制造远心光学装置1E，由玻璃模具或塑料模具形成在一端设置有第一远心透镜面11且在另一端设置有第二远心透镜面21的大致圆筒形的构件，然后在此构件的中央部的外周的中部(halfway)制出狭缝。通过制出狭缝形成中间区域15，其中中间区域15是空间。然后，通过将低透光率材料埋入中间区域15形成埋入部50。

在图4A和图4B所示的两个远心光学装置1D和1E中，由于前段透镜部10和后段透镜部20一体化，所以不需要对准它们的光轴。另外，能够减少部件的数量。

[第四实施方式]

图5A至图5C是示出根据第四实施方式的远心光学装置的示意性立体图。

根据本实施方式的远心光学装置1F是配置有多个透镜部的双面凸型(lenticulartype)。远心光学装置1F具有配置有四个筒形透镜的构造。

四个第一远心透镜面11以与四个筒形透镜对应的方式设置于前段透镜部10，四个第二远心透镜面21以与四个筒形透镜对应的方式设置于后段透镜部20。

图5A至图5C按顺序示出了远心光学装置1F的制造方法。

首先，如图5A所示，分别由玻璃模具或塑料模具形成前段透镜部10和后段透镜部20。沿透镜的长度方向延伸的凸部12和22设置在前段透镜部10和后段透镜部20的与各筒形透镜对应的部分。

接着，如图5B所示，前段透镜部10和后段透镜部20彼此重合，使得彼此的凸部12和22相互抵接。前段透镜部10和后段透镜部20借助于粘结剂或未示出的保持部固定。前段透镜部10和后段透镜部20相对于彼此的对准能够通过凸部12和22的位置关系确定。应该注意，也可以利用未示出的标记和凹凸进行对准。

由于前段透镜部10和后段透镜部20彼此的凸部12和22相互抵接，所以在前段透镜部10和后段透镜部20之间产生中间区域15，其中中间区域15为间隙。

接着，如图5C所示，通过在作为中间区域15的间隙中埋入低透光率材料形成埋入部50。这样，完成远心光学装置1F。

在双面凸型的远心光学装置1F的情况下，能够在不提供远心光圈的情况下提供具有简单构造和良好远心度的光学装置。

应该注意，尽管以图5A至图5C所示的前段透镜部10和后段透镜部20的形式说明了设置有凸部12和22的示例，但是如图1所示，前段透镜部10和后段透镜部20也可以借助于包括凹部45和凸部46的嵌合部40彼此嵌合。

[第五实施方式]

图6是示出根据第五实施方式的远心光学装置的示意性立体图。

如图6所示，根据第五实施方式的远心光学装置1G是配置有多个透镜部的双面凸型。远心光学装置1G具有配置有四个筒形透镜的构造。

在远心光学装置1G中，在多个第一远心透镜面11之间以及在多个第二远心透镜面21之间设置光吸收部51。另外，设置于多个光路变更部30中的各光路变更部30的折射面31是适于将已经通过了折射面31的光束聚集至光吸收部51的透镜面。在此构造中，被各光路变更部30改变了路线的光束被光吸收部51吸收。结果，这样的光束不会重新进入相邻的第二远心透镜面21。

[第六实施方式]

图7A和图7B是示出根据第六实施方式的远心光学装置的示意性截面图。

图7A表示组装状态，图7B表示分离状态。

在远心光学装置1H中，作为前段透镜部10和后段透镜部20之间的嵌合部40，凹部451/452和凸部461/462均分别设置于前段透镜部10和后段透镜部20。

设置于前段透镜部10的凹部451和设置于后段透镜部20的凹部452具有相同的形状和相同的尺寸。另外，设置于前段透镜部10的凸部461和设置于后段透镜部20的凸部462也具有相同的形状和相同的尺寸。即，前段透镜部10和后段透镜部20具有相同的形状。当前段透镜部10和后段透镜部20彼此嵌合时，前段透镜部10和后段透镜部20中的任意一者相对于另一者关于作为中心的光轴AX转动180度，使得凹部451和凸部462彼此面对并且凹部452和凸部461彼此面对，然后，凹部451和凸部462彼此嵌合并且凹部452和凸部461彼此嵌合。这样，构成了远心光学装置1H。

在根据本实施方式的远心光学装置1H中，由于前段透镜部10和后段透镜部20具有相同的形状，所以能够借助于一个成型模具形成前段透镜部10和后段透镜部20。

[第七实施方式]

图8至图10是示出根据第七实施方式的远心光学装置的示意性截面图。

根据第七实施方式的远心光学装置1I、1J和1K具有前段透镜部10和后段透镜部20在不使用嵌合部40的情况下组合的构造。

当形成具有凹部45的前段透镜部10和具有凸部46的后段透镜部20时，可能会存在如下情况：凹部45的平面45a和凸部46的平面46a不完全是平面并且在各面产生彼此形状不同的微小凹凸。当这样的平面45a和平面46a彼此抵接时，在抵接面之间形成微小间隙。由于这样的抵接面也包括在光通过区域TR中，所以当光束C1通过光通过区域TR时，由于微小间隙而产生干涉条纹，因此存在光束C1的光强度衰减的可能性。因此，在图8至图10所示的远心光学装置1I、1J和1K中，前段透镜部10和后段透镜部20在不使用嵌合部40的情况下组合在一起。

图8所示的远心光学装置1I具有未设置如图1A和图1B所示的远心光学装置1的嵌合部40的构造。图9所示的远心光学装置1J具有未设置如图3A所示的远心光学装置1B的嵌合部40的构造。图10所示的远心光学装置1K具有粗糙面32也设置于如图9所示的远心光学装置1J的后段透镜部20的构造。

在这些远心光学装置1I、1J和1K中，为了在不依赖嵌合部40的情况下组合前段透镜部10和后段透镜部20，使用如下所述的定位机构。更具体地，在前段透镜部10的外侧区域OR的外侧设置基准孔α1，在后段透镜部20的外侧区域OR的外侧设置基准孔α2，基准杆β插入这些基准孔α1和α2中。这样，构成了用于前段透镜部10和后段透镜部20的定位机构。借助于此定位机构，实现前段透镜部10和后段透镜部20在沿着光轴AX的方向上和与光轴AX垂直的方向上的定位，并且在光通过区域TR中的前段透镜部10和后段透镜部20之间设置一定的间隙。

另外，直径大于基准孔α1和α2的直径的部分P设置在基准杆β的大约中间(midway)。取决于此部分P的厚度，确定前段透镜部10和后段透镜部20之间的距离(在光轴AX的方向上定位)。以前段透镜部10和后段透镜部20的焦点位置彼此重合的方式确定此部分P的厚度。

根据这样的定位机构，在前段透镜部10和后段透镜部20之间的光通过区域TR中不会形成产生干涉条纹的微小间隙，能够借助于设置在外侧区域OR中的光路变更部30的折射面31去除不需要的光束。

[适用例]

图11和图12是示出了适用例的示意图。

图11和图12示出根据本实施方式的远心光学装置1应用于线性标尺100的示例。如图11所示，线性标尺100设置有检测单元110和标尺120。标尺120设置有沿着测量基准线ML配置的多个测量栅格121。测量栅格121例如为狭缝。控制部130连接于检测单元110。线性标尺100检测检测单元110和标尺120的沿着测量基准线ML的相对位置关系。检测单元110获得的信号被发送至控制部130并且进行检测单元110相对于测量基准线ML的位置的演算。

图12示出了检测单元110的构造。光接收部112和根据本实施方式的远心光学装置1设置于检测单元110。在线性标尺100中，从发光部111射出并且已经透过测量栅格121的光经由远心光学装置1在光接收部112处被接收，通过检测接收到的光量的变化测量位移量。

通过将根据本实施方式的远心光学装置1用作这种线性标尺100的检测单元110的光学系统，能够简化检测单元110的光学系统的构造，并且由于良好的远心度能够进行高精度测量。

如上所述，根据本实施方式，可以提供能够抑制部件数量的增加且实现高精度光轴对准的远心光学装置。

应该注意，尽管以上已经说明了实施方式，但是本发明不限于这些示例。例如，已经示出了光路变更部30设置于前段透镜部10的示例；但是，光路变更部30可以设置于后段透镜部20或可以设置于前段透镜部10和后段透镜部20两者。另外，只要具备本发明的要旨，本领域技术人员以合适的方式对上述各实施方式增加或删减部件或使其设计改变的实施方式和以合适的方式组合各实施方式的特征的实施方式也包含在本发明的范围内。

产业上的可利用性

除了线性标尺，本发明也能够适当地用作用于诸如图像测量装置等的其他测量装置和诸如显微镜等的光学装置的光学系统。

Claims (7)

1.一种远心光学装置，其包括：

前段透镜部，其包括设置在物体侧的第一远心透镜面；

后段透镜部，其包括设置在像侧的第二远心透镜面，所述第二远心透镜面与所述第一远心透镜面共用焦点位置；和

光路变更部，其在所述第一远心透镜面和所述第二远心透镜面之间设置在位于中心定位在所述焦点位置的光通过区域的外侧的外侧区域，所述光路变更部改变光路，从而防止入射至所述外侧区域的光束用于成像，

其中，所述光路变更部设置于所述前段透镜部和所述后段透镜部中的至少一者，并且

在所述光通过区域中在所述前段透镜部和所述后段透镜部之间设置有间隙。

2.根据权利要求1所述的远心光学装置，其特征在于，所述光路变更部包括将所述光路折射至外侧的折射面。

3.根据权利要求2所述的远心光学装置，其特征在于，所述折射面包括透镜曲面。

4.根据权利要求1所述的远心光学装置，其特征在于，所述光路变更部包括使入射至所述外侧区域的光束扩散的粗糙面。

5.根据权利要求1所述的远心光学装置，其特征在于，

所述前段透镜部和所述后段透镜部之间设置有中间区域，并且

所述光路变更部取决于构成所述前段透镜部或所述后段透镜部的区域的折射率与所述中间区域的折射率之间的差折射所述光路。

6.根据权利要求5所述的远心光学装置，其特征在于，所述中间区域的透光率比构成所述前段透镜部或所述后段透镜部的区域的透光率低。

7.根据权利要求1所述的远心光学装置，其特征在于，所述远心光学装置还包括定位机构，所述定位机构包括设置在所述前段透镜部和所述后段透镜部的各自的所述外侧区域的基准孔，其中，借助于所述定位机构实现所述前段透镜部和所述后段透镜部在光轴方向上和与所述光轴方向垂直的方向上的定位。

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