JP2006065141A

JP2006065141A - テレセントリックレンズ

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Publication number: JP2006065141A
Application number: JP2004249504A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hirokawa; 武志廣川
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Copal Corp
Priority date: 2004-08-30
Filing date: 2004-08-30
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2024-08-30
Also published as: JP4689212B2

Abstract

【課題】実装機の認識用カメラに適用されるレンズの低コスト化を図る。
【解決手段】正の屈折力をもつ両凸形状の第１レンズ１、物体側に凸面を向けた正の屈折力をもつ平凸形状の第２レンズ２、正の屈折力をもつ両凸形状の第３レンズ３、第３レンズ３に接合された負の屈折力をもつ両凹形状の第４レンズ４、開口絞り９、負の屈折力をもつ両凹形状の第５レンズ５、第５レンズ５に接合された正の屈折力をもつ両凸形状の第６レンズ６、正の屈折力をもつ両凸形状の第７レンズ７、物体側に凸面を向けた正の屈折力をもつメニスカス形状の第８レンズ８が、物体側から像面側に向けて順に配列される。これにより、全体として安価な物体側にテレセントリック性をもつレンズが得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダブルガウス型レンズを変形させた物体側にテレセントリック性をもつテレセントリックレンズに関し、特に、基板に電子部品等を実装する実装機に搭載されて部品等の認識用カメラに用いられるテレセントリックレンズに関する。

基板に電子部品を実装する工程においては、各々の電子部品を所定位置に正確に位置決めするために、吸着ノズルで吸着した電子部品の像を認識用カメラで撮像し、得られた画像データを演算処理して吸着ノズルの位置を微調整することで、電子部品の僅かな位置ずれをも補正することが行われている。
この認識用カメラに用いられるレンズとしては、物体（電子部品）を認識する際に、物体が光軸方向に移動（変動）しても撮影画像のサイズが変化しないように、物体側のテレセントリック性を高めておく必要がある。

このように、物体側にテレセントリック性をもつ従来のテレセントリックレンズは、一般的に次の３つの部分（イ），（ロ），（ハ）、
（イ）物体から到達したテレセントリックな光線を取り込むと共に開口絞りの方へ屈曲させるための第１レンズ群、
（ロ）開口絞りの前後に配置されて諸収差を補正するための第２レンズ群、
（ハ）被写体光を像面の所定位置に結像させるための第３レンズ群、
により構成されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４）。

これらのレンズ群において、第１レンズ群の最も被写体（物体）寄りに配置される第１レンズには、被写体の寸法と同等又はそれ以上のレンズ径が要求される。また、第１レンズ以外のレンズでも、同等のレンズ径が必要であり、特に縮小撮影の場合には、第２レンズ群及び第３レンズ群に比べて、レンズ径が格段に大きくなる。

特開平９−３３８０４号公報特開平９−８０３０６号公報特開２００２−１４２８１号公報特開２００３−５０６８号公報

ところで、上記従来のテレセントリックレンズにおいては、第１レンズ群のレンズ径が大きいことから、第１レンズ群において、安価に製造できる形状を採用し、又は、安価なガラス材料を用いて製造すれば、大きなコスト削減効果が期待できる。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、諸収差を良好に補正しつつ、撮像範囲がφ６０ｍｍ程度、撮像倍率が×０．４程度で、しかも共役長が２４０ｍｍ以下の適度な長さに抑えられて、コストの低減を図れる、物体側にテレセントリック性をもつテレセントリックレンズを提供することにある。

本発明のテレセントリックレンズは、物体側から像面側に向けて順に、物体側及び像面側に凸面を向けた正の屈折力をもつ両凸形状の第１レンズと、物体側に凸面及び像面側に平面を向けた正の屈折力をもつ平凸形状の第２レンズと、物体側及び像面側に凸面を向けた正の屈折力をもつ両凸形状の第３レンズと、物体側及び像面側に凹面を向けて第３レンズに接合された負の屈折力をもつ両凹形状の第４レンズと、所定の口径をもつ開口絞りと、物体側及び像面側に凹面を向けた負の屈折力をもつ両凹形状の第５レンズと、物体側及び像面側に凸面を向けて第５レンズに接合された正の屈折力をもつ両凸形状の第６レンズと、物体側及び像面側に凸面を向けた正の屈折力をもつ両凸形状の第７レンズと、物体側に凸面及び像面側に凹面を向けた正の屈折力をもつメニスカス形状の第８レンズと、を有することを特徴としている。

この構成によれば、被写体（物体）から発せられた主光線は、光軸と平行に進行して第１レンズに入射し、第１レンズ及び第２レンズをそれぞれ通過する際に収斂方向に屈折し、第３レンズ及び第４レンズを通過したのち、開口絞りにより所定の光束に制限されると共に光軸を対称軸として反転する。さらに、第５レンズ及び第６レンズを通過したのち、第７レンズ及び第８レンズを通過する際に収斂方向に屈折して、撮像面に入射する。
すなわち、諸収差が良好に補正されて、撮像範囲がφ６０ｍｍ程度、撮像倍率が×０．４程度で、しかも共役長が２４０ｍｍ以下の適度な長さに抑えられた物体側にテレセントリック性をもつテレセントリックレンズが得られる。ここで、第２レンズは、その像面側の面が平面に形成された平凸レンズであるため、平面を採用した分だけ加工コストを低減することができ、レンズ全体のコストを低減することができる。

上記構成において、第１レンズの屈折率をＮ１、第２レンズの屈折率をＮ２とするとき、次の条件式（１），（２）、
（１）１．６０＜Ｎ１＜１．６５
（２）１．６０＜Ｎ２＜１．６５
を満足する、構成を採用することができる。
この構成によれば、第１レンズ及び第２レンズとして、上記の条件式（１），（２）を満たすように比較的低価格のガラス材料を用いることにより、諸収差を良好に補正しつつ、コストを低減することができる。

上記構成において、第１レンズ及び第２レンズは、同一のガラス材料により形成されている、構成を採用することができる。
この構成によれば、少なくとも２つのレンズ（第１レンズ及び第２レンズ）に同一のガラス材料を用いることにより、ガラス材料費を低減することができ、全体としてのコストをさらに低減することができる。

上記構成において、第３レンズ及び第７レンズは、同一のガラス材料により形成されている、構成を採用することができる。
この構成によれば、少なくとも２つのレンズ（第３レンズ及び第７レンズ）に同一のガラス材料を用いることにより、ガラス材料費を低減することができ、全体としてのコストをさらに低減することができる。

上記構成において、第４レンズ、第５レンズ、及び第８レンズは、同一のガラス材料により形成されている、構成を採用することができる。
この構成によれば、少なくとも３つのレンズ（第４レンズ、第５レンズ、及び第８レンズ）に同一のガラス材料を用いることにより、ガラス材料費を低減することができ、全体としてのコストをさらに低減することができる。

上記のように、本発明のテレセントリックレンズによれば、諸収差が良好に補正された安価なレンズが得られる。具体的には、撮像範囲がφ６０ｍｍ程度、撮像倍率が×０．４程度で、しかも共役長が２４０ｍｍ以下の適度な長さに抑えられた物体側にテレセントリック性をもつ、認識用カメラ等のレンズ光学系に適したテレセントリックレンズが得られる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。図１及び図２は、本発明に係るテレセントリックレンズの一実施形態を示す基本構成図及び光路図である。
このテレセントリックレンズでは、図１に示すように、物体側から像面側に向けて、物体側及び像面側に凸面を向けた正の屈折力をもつ両凸形状の第１レンズ１、物体側に凸面及び像面側に平面を向けた正の屈折力をもつ平凸形状の第２レンズ２、物体側及び像面側に凸面を向けた正の屈折力をもつ両凸形状の第３レンズ３、物体側及び像面側に凹面を向けて第３レンズ３に接合された負の屈折力をもつ両凹形状の第４レンズ４、物体側及び像面側に凹面を向けた負の屈折力をもつ両凹形状の第５レンズ５、物体側及び像面側に凸面を向けて第５レンズ５に接合された正の屈折力をもつ両凸形状の第６レンズ６、物体側及び像面側に凸面を向けた正の屈折力をもつ両凸形状の第７レンズ７、物体側に凸面及び像面側に凹面を向けた正の屈折力をもつメニスカス形状の第８レンズ８が、光軸Ｌに沿って順次に配列されている。そして、第４レンズ４と第５レンズ５との間でかつ第５レンズ５に隣接するように、所定の口径をもつ開口絞り９が配置されている。

尚、この配列構成において、第１レンズ１の前方（物体側）には、防塵用の平行平板からなるガラスプレート（不図示）が配置され、第８レンズ８の後方（像面側）には、ＣＣＤ等の撮像素子を防護あるいは入射する光量を規制するＮＤフィルター、ハーフミラー等の平行平板からなるガラスプレート（不図示）が配置され、このガラスプレートの後方に撮像素子としてのＣＣＤの撮像面（像面）Ｐが配置される。

すなわち、このテレセントリックレンズは、第１レンズ１及び第２レンズ２が第１レンズ群、第３レンズ３及び第４レンズ４（接合レンズ）が第２レンズ群、第５レンズ５及び第６レンズ６（接合レンズ）が第３レンズ群、第７レンズ７及び第８レンズ８が第４レンズ群をなす４群８枚構成からなり、４群６枚構成のダブルガウス型レンズに対して、その前方及び後方にそれぞれ一つずつレンズを追加したものである。したがって、基本的に球面収差、歪曲収差等の諸収差を良好に補正することができる。

ここで、第１レンズ１、第２レンズ２、第３レンズ３及び第４レンズ４、開口絞り９、第５レンズ５及び第６レンズ６、第７レンズ７、第８レンズ８においては、図１に示すように、各々の面をＳｉ（ｉ＝１〜１５）、各々の面Ｓｉの曲率半径をＲｉ（ｉ＝１〜１５）、ｄ線に対する第１レンズ１〜第８レンズ８の屈折率をＮｉ（ｉ＝１〜８）及びアッベ数をνｉ（ｉ＝１〜８）で表す。また、第１レンズ１〜撮像面Ｐまでの光軸Ｌ上におけるそれぞれの面間隔（厚さ、空気間隔）をＤｉ（ｉ＝１〜１４）、バックフォーカスをＢＦで表す。

上記構成のテレセントリックレンズにおいては、図２に示すように、物体ＯＢから発せられた主光線Ｌ１は、光軸Ｌと平行に進んで防塵用のガラスプレート（不図示）を通過した後、第１レンズ１に入射する。
そして、第１レンズ１は、その光線を前面（凸面）Ｓ１及び後面（凸面）Ｓ２にて収斂させる方向に屈折させて射出し、第２レンズ２に導く。
第２レンズ２は、その光線を前面（凸面）Ｓ３及び後面（平面）Ｓ４にてさらに収斂させる方向に屈折させて射出し、第３レンズ３に導く。
第３レンズ３及び第４レンズ４は、その光線を前面（凸面）Ｓ５、接合面（第３レンズ３の凸面かつ第４レンズ４の凹面）Ｓ６、及び後面（凹面）Ｓ７を通過させたのち、開口絞り９に導く。開口絞り９は、その光線を所定の光束に制限すると共に光軸を対称軸として反転させ、第５レンズ５に導く。
第５レンズ５及び第６レンズ６は、その光線を前面（凹面）Ｓ９、接合面（第５レンズ５の凹面かつ第６レンズ６の凸面）Ｓ１０、後面（凸面）Ｓ１１を通過させたのち、第７レンズ７に導く。
第７レンズ７は、その光線を前面（凸面）Ｓ１２及び後面（凸面）Ｓ１３にて収斂させる方向に屈折させて射出し、第８レンズ８に導く。
第８レンズ８は、その光線を光軸Ｌと平行になるように像面側のテレセントリック性を高めつつ射出して、ガラスプレート（不図示）を通過させた後、ＣＣＤの撮像面Ｐに結像させる。

第１レンズ１は、ガラス材料により形成されて、物体側に凸面Ｓ１を向けかつ像面側に凸面Ｓ２を向けた正の屈折力をもつ両凸形状のレンズである。第１レンズ１を両凸形状としたことにより、物体ＯＢの主光線Ｌ１が光軸Ｌと平行に入射するようにして、物体側にテレセントリック性をもたせることができる。

第２レンズ２は、ガラス材料により形成されて、物体側に凸面Ｓ３を向けかつ像面側に平面Ｓ４を向けた正の屈折力をもつ平凸形状のレンズである。第２レンズ２は、第１レンズ１で収斂方向に曲げきれなかった分を補正して、さらに収斂方向に屈折させるものである。ここで、第２レンズ２を平凸形状としたことにより、加工コストを低減でき、レンズ全体としてのコストを低減できる。

上記第１レンズ１及び第２レンズ２は、被写体（物体）から到達したテレセントリックな光線を取り込むと共に、その光線を開口絞り９の方向へ屈折させる役割をなすものであり、その性質上、第１レンズ１には、被写体寸法と同等又はそれ以上のレンズ径が必要であり、ここでは、被写体寸法以上のレンズ径が設定されている。
そして、諸収差の増大を防止しつつ上記屈折作用を得るために、第１レンズ群を、第１レンズ１及び第２レンズ２の２枚構成として、各々のレンズが負担する役割を軽減している。

第３レンズ３は、ガラス材料により形成されて、物体側に凸面Ｓ５を向けかつ像面側に凸面Ｓ６を向けた正の屈折力をもつ両凸形状のレンズである。
第４レンズ４は、ガラス材料により形成されて、物体側に凹面Ｓ６を向けかつ像面側に凹面Ｓ７を向けた負の屈折力をもつ両凹形状のレンズである。
そして、第３レンズ３と第４レンズ４とは、全体として負の屈折力をもつように、同一の曲率半径をなす凹面及び凸面Ｓ６にて、お互いに接合された接合レンズとして形成されている。

第５レンズ５は、ガラス材料により形成されて、物体側に凹面Ｓ９を向けかつ像面側に凹面Ｓ１０を向けた負の屈折力をもつ両凹形状のレンズである。
第６レンズ６は、ガラス材料により形成されて、物体側に凸面Ｓ１０を向けかつ像面側に凸面Ｓ１１を向けた正の屈折力をもつ両凸形状のレンズである。
そして、第５レンズ５と第６レンズ６とは、全体として正の屈折力をもつように、同一の曲率半径をなす凹面及び凸面Ｓ１０にて、お互いに接合された接合レンズとして形成されている。
上記第３レンズ３〜第６レンズ６は、基礎となるダブルガウス型レンズと同様に、開口絞り９の前後に配置されて、主として諸収差を補正する役割をなすものである。

第７レンズ７は、ガラス材料により形成されて、物体側に凸面Ｓ１２を向けかつ像面側に凸面Ｓ１３を向けた正の屈折力をもつ両凸形状のレンズである。この第７レンズ７により、コマ収差を良好に補正することができる。
第８レンズ８は、ガラス材料により形成されて、物体側に凸面Ｓ１４を向けかつ像面側に凹面Ｓ１５を向けた正の屈折力をもつメニスカス形状のレンズである。
ここで、第７レンズ７及び第８レンズ８は、撮像面Ｐの所定位置に結像させるためのものであり、第７レンズ７が主として光線を収斂させる役割をなし、第８レンズ８が主として像面側のテレセントリック性を調整する役割をなすものである。

上記の構成をなすテレセントリックレンズにおいては、第１レンズ１の屈折率Ｎ１及び第２レンズ２の屈折率Ｎ２が、次の条件式（１），（２）、
（１）１．６０＜Ｎ１＜１．６５
（２）１．６０＜Ｎ２＜１．６５
を満足するように形成されてもよい。
これによれば、第１レンズ及び第２レンズとして、条件式（１），（２）を満たすように比較的低価格のガラス材料を用いることにより、諸収差を良好に補正しつつ、コストを低減することができる。

すなわち、第１レンズ１の屈折率Ｎ１及び第２レンズ２の屈折率Ｎ２が、それぞれ下限値以下になると、コストは増加しないものの、それぞれの面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の曲率半径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が小さくなって、結果的に諸収差が増大し、画像の劣化を招くことになり、一方、それぞれ上限値以上になると、コストの増加を招くことになる。
したがって、屈折率Ｎ１，Ｎ２が条件式（１），（２）をそれぞれ満足するように設定することで、諸収差を良好に補正しつつ、コストを低減することができる。

また、第１レンズ１と第２レンズ２とを、同一のガラス材料により形成することで、全体としてのコストを低減することができる。
また、第３レンズ３と第７レンズ７とを、同一のガラス材料により形成することで、全体としてのコストをさらに低減でき、より安価なテレセントリックレンズを提供することができる。
さらに、第４レンズ４と第５レンズ５と第８レンズ８とを、同一のガラス材料により形成することで、全体としてのコストをさらに低減でき、一層安価なテレセントリックレンズを提供することができる。

以上の構成からなるテレセントリックレンズの具体的な数値による実施例を、実施例１、実施例２として以下に示す。尚、実施例１及び実施例２において、照明光としては波長８５０ｎｍの単色光を使用する。また、屈折率Ｎｉ及びアッベ数νｉは、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）での値（Ｎｄ，νｄ）である。

実施例１では、第１レンズ１及び第２レンズ２が条件式（１），（２）をそれぞれ満たすように形成され、主な仕様諸元は表１に、種々の数値データ（設定値）は表２にそれぞれ示される。また、実施例１における球面収差、非点収差、歪曲収差に関する収差線図は図３に示す結果となる。尚、図３の非点収差において、Ｓはサジタル平面での収差、Ｍはメリジオナル平面での収差を示す。

以上の実施例１においては、撮影範囲がφ６０ｍｍ、撮像倍率が×０．４、共役長が２３６．５ｍｍ、歪曲収差が±０．１パーセント以内で、球面収差、非点収差等のその他の諸収差も良好に補正された安価なテレセントリックレンズが得られる。

実施例２では、第１レンズ１及び第２レンズ２が条件式（１），（２）をそれぞれ満たすように形成され、主な仕様諸元は表３に、種々の数値データ（設定値）は表４にそれぞれ示される。また、実施例２における球面収差、非点収差、歪曲収差に関する収差線図は図４に示す結果となる。尚、図４の非点収差において、Ｓはサジタル平面での収差、Ｍはメリジオナル平面での収差を示す。

以上の実施例２においては、撮影範囲がφ６０ｍｍ、撮像倍率が×０．４、共役長が２３６．５ｍｍ、歪曲収差が±０．１パーセント以内で、球面収差、非点収差等のその他の諸収差も良好に補正された安価なテレセントリックレンズが得られる。

以上述べたように、本発明のテレセントリックレンズは、基板に電子部品等を実装する実装機に搭載される認識用カメラに適用されるのは勿論のこと、その他の物体を撮像するためのレンズとして、あるいは、その他の用途においても好適に使用することができる。

本発明に係るテレセントリックレンズの一実施形態を示す基本構成図である。図１に示すテレセントリックレンズにおける光路図である。実施例１に係るテレセントリックレンズでの球面収差、非点収差、歪曲収差の各収差線図である。実施例２に係るテレセントリックレンズでの球面収差、非点収差、歪曲収差の各収差線図である。

符号の説明

１第１レンズ
２第２レンズ
３第３レンズ
４第４レンズ
５第５レンズ
６第６レンズ
７第７レンズ
８第８レンズ
９開口絞り
Ｐ撮像面
Ｌ光軸
Ｎ１第１レンズの屈折率
Ｎ２第２レンズの屈折率

Claims

物体側から像面側に向けて順に、
物体側及び像面側に凸面を向けた正の屈折力をもつ両凸形状の第１レンズと、
物体側に凸面及び像面側に平面を向けた正の屈折力をもつ平凸形状の第２レンズと、
物体側及び像面側に凸面を向けた正の屈折力をもつ両凸形状の第３レンズと、
物体側及び像面側に凹面を向けて前記第３レンズに接合された負の屈折力をもつ両凹形状の第４レンズと、
所定の口径をもつ開口絞りと、
物体側及び像面側に凹面を向けた負の屈折力をもつ両凹形状の第５レンズと、
物体側及び像面側に凸面を向けて前記第５レンズに接合された正の屈折力をもつ両凸形状の第６レンズと、
物体側及び像面側に凸面を向けた正の屈折力をもつ両凸形状の第７レンズと、
物体側に凸面及び像面側に凹面を向けた正の屈折力をもつメニスカス形状の第８レンズと、
を有する、ことを特徴とするテレセントリックレンズ。
前記第１レンズの屈折率をＮ１、前記第２レンズの屈折率をＮ２とするとき、次の条件式（１），（２）を満足する、ことを特徴とする請求項１記載のテレセントリックレンズ。
（１）１．６０＜Ｎ１＜１．６５
（２）１．６０＜Ｎ２＜１．６５
前記第１レンズ及び前記第２レンズは、同一のガラス材料により形成されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のテレセントリックレンズ。
前記第３レンズ及び前記第７レンズは、同一のガラス材料により形成されている、
ことを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載のテレセントリックレンズ。
前記第４レンズ、前記第５レンズ、及び前記第８レンズは、同一のガラス材料により形成されている、
ことを特徴とする請求項１ないし４いずれかに記載のテレセントリックレンズ。