JP2009229547A - 光学ユニットおよび測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】経済的負担を伴うことなく、倍率切替時に生じる光軸のずれによる影響を極力低減し、高精度な測定を実現できる光学ユニットおよび測定装置を提供する。
【解決手段】対物レンズ１と、この対物レンズ１の光軸上に配置され対物レンズ１から出射された光束を結像する結像レンズ２と、対物レンズ１と結像レンズ２との間に配置されアフォーカル倍率α１，α２が異なる複数のアフォーカル光学系１１，１２と、この複数のアフォーカル光学系１１，１２のいずれかを対物レンズ１の光軸上に切替える切替手段２１とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学ユニットおよび測定装置に関する。詳しくは、光学倍率を可変できる光学ユニットおよび測定装置に関する。

画像測定機や光学機器などにおいて、光学倍率を変える手法として、従来から様々な手法が用いられている。
図３に示すように、対物レンズ１と結像レンズ２とを使って像を作る光学系を無限遠補正光学系という。ここで、対物レンズ１の焦点距離をｆ１、結像レンズ２の焦点距離をｆ２とすると、光学倍率βは、
β＝ｆ２／ｆ１
で表される。対物レンズ１の焦点距離ｆ１を固定とした場合、結像レンズ２の焦点距離ｆ２を変えれば、光学倍率βを変えることができる。

結像レンズ２の焦点距離ｆ２を変えるには、結像レンズ２を切り替えるレンズ切替方式と、対物レンズ１からの光路を切り替える光路切替方式が知られている。
前者のレンズ切替方式は、図４に示すように、対物レンズ１の光軸に対して直交する方向へスライドするスライド機構３を用いて、焦点距離ｆ２，ｆ３が異なる結像レンズ２Ａ，２Ｂを対物レンズ１の光軸上に切り替える構成、あるいは、ターレット機構を用いて、焦点距離が異なる結像レンズを対物レンズ１の光軸上に切り替える構成（例えば、特許文献１など参照）である。

後者の光路切替方式は、図５に示すように、対物レンズ１からの光束を２つのハーフミラー４，５を使って２つの光路に分岐し、各分岐光路に焦点距離ｆ２，ｆ３が異なる結像レンズ２Ａ，２Ｂを配置した構成である。各分岐光路にメカニカルシャッタ６，７を配置し、このメカニカルシャッタ６，７の切替によって光路を切り替え、倍率切替を行う。

特開平９−３０４６８２号公報

しかし、従来の倍率切替方式では、次のような課題がある。
前者のレンズ切替方式の場合、スライド機構やターレット機構の機構精度（再現性なども含む）に限界があるため、倍率切替時に対物レンズ１の光軸に対して結像レンズ２Ａ，２Ｂの光軸がずれる。すると、像側焦点位置の中心がずれてしまうため、高精度な測定が望めないという課題がある。

後者の光路切替方式の場合、結像レンズ２Ａ，２Ｂが移動しないので、倍率切替時に対物レンズ１の光軸に対して結像レンズ２Ａ，２Ｂの光軸がずれることはない。しかし、ハーフミラー４，５による光路分岐が必要なため、光量低下が生じるほか、結像レンズ２Ａ，２Ｂに対応してそれぞれにカメラなどの撮像手段を配置しなければならないため、経済的負担が大きいという課題がある。

本発明の目的は、これらの課題を解消し、経済的負担を伴うことなく、倍率切替時に生じる光軸のずれによる影響を極力低減し、高精度な測定を実現できる光学ユニットおよび測定装置を提供することにある。

本発明の光学ユニットは、対物レンズと、この対物レンズの光軸上に配置され対物レンズから出射された光束を結像する結像レンズと、前記対物レンズと前記結像レンズとの間に配置されアフォーカル倍率が異なる複数のアフォーカル光学系と、この複数のアフォーカル光学系のいずれかを前記対物レンズの光軸上に切替える切替手段とを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、倍率切替にあたっては、切替手段の切替動作によって、複数のアフォーカル光学系のいずれかを対物レンズの光軸上に切替える。
対物レンズの焦点距離をｆ１、結像レンズの焦点距離をｆ２、アフォーカル光学系のアフォーカル倍率をαとすると、光学ユニットの光学倍率βは、
β＝（ｆ２／ｆ１）×α
で表される。従って、切替手段の切替動作によって、倍率の異なるアフォーカル光学系を対物レンズの光軸上に切り替えれば、光学倍率を切り替えることができる。

この倍率切替動作時に、アフォーカル光学系の光軸が対物レンズおよび結像レンズの光軸に対してずれたとしても、アフォーカル光学系からの平行光束は必ず結像レンズの光軸中心に結像するため、像側焦点の中心ずれを極力少なくできる。従って、高精度な測定を実現できる。
もとより、光路を分岐する方式ではないため、光量低下などの問題も生じることがなく、また、カメラなどの撮像手段の増設に伴う経済的負担も少ない。

本発明の光学ユニットにおいて、前記切替手段は、前記複数のアフォーカル光学系を前記対物レンズの光軸に対して略直交する方向へ直線移動させるスライド機構、および、前記複数のアフォーカル光学系を円弧移動させるターレット機構のいずれかによって構成されていることが好ましい。
この構成によれば、スライド機構やターレット機構の機構精度や繰返精度を高精度に仕上げなくても、光軸のずれによる影響を低減できるため、これらスライド機構やターレット機構を簡易にかつ安価に製造できる。従って、光学ユニット全体としてもコスト低減が図れる。

本発明の測定装置は、上述したいずれかの光学ユニットを備えることを特徴とする。
ここで、測定装置としては、画像測定機や光学測定顕微鏡などを含む意味である。
このような構成であれば、上述した効果が期待できる画像測定機や光学測定顕微鏡などを提供できる。

＜全体構成の説明（図１および図２参照）＞
図１は、本実施形態に係る光学ユニットを示す図、図２は、倍率切替後の状態を示す図である。
本実施形態に光学ユニットは、対物レンズ１と、この対物レンズ１の光軸上に配置され対物レンズ１から出射された光束を結像する結像レンズ２と、対物レンズ１と結像レンズ２との間に配置された複数のアフォーカル光学系１１，１２と、この複数のアフォーカル光学系１１，１２のいずれかを対物レンズ１の光軸上に切替える切替手段２１とを備えている。

対物レンズ１と結像レンズ２とは、光軸が互いに一致して、かつ、間隔を隔てて配置されている。つまり、対物レンズ１の光軸上に結像レンズ２の光軸が一致するように、対物レンズ１と結像レンズ２とが間隔を隔てて配置されている。

アフォーカル光学系１１，１２は、アフォーカル倍率が異なる第１アフォーカル光学系１１と第２アフォーカル光学系１２とを備える。
第１アフォーカル光学系１１は、対物レンズ１側に配置され焦点距離がｆ３の凸レンズ１１Ａと、結像レンズ２側に配置され焦点距離がｆ４の凸レンズ１１Ｂとによって構成されている。つまり、２つの凸レンズからなるケプラータイプのアフォーカル光学系によって構成されている。凸レンズ１１Ａの後側焦点位置に、凸レンズ１１Ｂの前側焦点位置が一致するように、凸レンズ１１Ａおよび凸レンズ１１Ｂが配置されている。従って、第１アフォーカル光学系１１のアフォーカル倍率α１は、
α１＝ｆ３／ｆ４
で表される。

第２アフォーカル光学系１２は、対物レンズ１側に配置され焦点距離がｆ５の凸レンズ１２Ａと、結像レンズ２側に配置され焦点距離がｆ６の凸レンズ１２Ｂとによって構成されている。つまり、２つの凸レンズからなるケプラータイプのアフォーカル光学系によって構成されている。凸レンズ１２Ａの後側焦点位置に、凸レンズ１２Ｂの前側焦点位置が一致するように、凸レンズ１２Ａおよび凸レンズ１２Ｂが配置されている。従って、第２アフォーカル光学系１２のアフォーカル倍率α２は、
α２＝ｆ５／ｆ６
で表される。

切替手段２１は、第１アフォーカル光学系１１および第２アフォーカル光学系１２を、対物レンズ１の光軸に対して略直交する方向へ直線的にスライドするスライド機構３によって構成されている。
スライド機構３は、公知の機構を利用することができる。例えば、対物レンズ１の光軸に対して直交する方向へスライドするスライダと、このスライダをガイドするガイド機構とを備え、スライダのスライド方向に間隔を隔てて第１アフォーカル光学系１１および第２アフォーカル光学系１２が配置された構成である。従って、スライダを対物レンズ１の光軸に対して直交する方向へスライドさせると、いずれかのアフォーカル光学系１１，１２が対物レンズ１の光軸上に切り替えられる。

なお、図１〜図２では表されていないが、照明光については、例えば、対物レンズ１とアフォーカル光学系１１，１２との間にハーフミラーを挿入し、このハーフミラーに対物レンズ１の光軸に対して直交する方向から照明光を入射するようにしてもよい。
また、結像レンズ２の結像位置にＣＣＤカメラなどの撮像手段を配置すれば、画像測定機として構成することができる。

＜倍率切替動作＞
図１の状態では、第１アフォーカル光学系１１のアフォーカル倍率がα１であるから、光学ユニットの倍率β１は、
β１＝（ｆ２／ｆ１）×α１
で表される。
この状態から、スライド機構３をスライドさせて、第２アフォーカル光学系１２を対物レンズ１の光軸上に切り替える。

すると、図２に示すように、第２アフォーカル光学系１２の光軸が対物レンズ１の光軸に対してずれる場合が生じる。第２アフォーカル光学系１２の光軸が対物レンズ１の光軸に対してずれても、第２アフォーカル光学系１２からの平行光束は必ず結像レンズ２の光軸中心に結像するため、像側焦点の中心ずれを極力少なくできる。
図２の状態では、第２アフォーカル光学系１２のアフォーカル倍率がα２であるから、光学ユニットの倍率β２は、
β２＝（ｆ２／ｆ１）×α２
で表される。

＜実施形態の効果＞
本実施形態によれば、対物レンズ１と結像レンズ２との間に倍率の異なる第１アフォーカル光学系１１および第２アフォーカル光学系１２を配置し、これらの第１アフォーカル光学系１１および第２アフォーカル光学系１２のいずれかを対物レンズ１の光軸上に切替える切替手段２１を設けたので、切替手段２１の切替動作によって、アフォーカル光学系１１，１２のいずれかを対物レンズ１の光軸上に切替えれば、倍率を切り替えることができる。
この際、アフォーカル光学系１１，１２の光軸が対物レンズ１および結像レンズ２の光軸に対してずれたとしても、アフォーカル光学系１１，１２からの平行光束は必ず結像レンズ２の光軸中心に結像するため、像側焦点の中心ずれを極力少なくできる。従って、高精度な測定を実現できる。

また、本実施形態の光学ユニットは、光路を分岐する方式ではないため、光量低下などの問題も生じることがなく、また、カメラなどの撮像手段の増設に伴う経済的負担も少ない。
また、上述した光学ユニットを備えた画像測定装置を構成すれば、高精度な測定装置を経済的に構成することができる。

＜変形例＞
本発明は、前述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれる。
前記実施形態では、アフォーカル光学系１１，１２を、２つの凸レンズ１１Ａ，１１Ｂ、１２Ａ，１２Ｂからなるケプラータイプによって構成したが、これに限られない。例えば、凹レンズと凸レンズからなるガリレオタイプのアフォーカル光学系であってもよい。
また、アフォーカル光学系１１，１２を２つのレンズによって構成するものに限らず、ズーム光学系で構成してもよく、あるいは、対物レンズ１や結像レンズ２内に作るようにしてもよい。

前記実施形態では、２つのアフォーカル光学系１１，１２を備え、いずれか１つを対物レンズ１の光軸上に切り替えるように構成したが、アフォーカル光学系の個数については、３つ以上であってもよい。

前記実施形態では、切替手段２１をスライド機構３によって構成したが、これに限られない。例えば、ターレット機構によって、アフォーカル光学系１１，１２を円弧移動させて切り替えるようにしてもよい。特に、アフォーカル光学系の数が多くなる程、ターレット機構によって切り替えるようにすれば、狭いスペースでもより多くのアフォーカル光学系を装備することができる。

本発明は、光学倍率を切替できる光学ユニットおよび測定装置に利用できる。

本発明に係る光学ユニットの実施形態を示す図。 同上実施形態において、倍率切替後の状態を示す図。 無限遠補正光学系を示す図。 倍率切替時において、従来のレンズ切替方式を示す図。 倍率切替時において、従来の光路切替方式を示す図。

符号の説明

１…対物レンズ、
２…結像レンズ、
３…スライド機構、
１１…アフォーカル光学系、
１２…アフォーカル光学系、
２１…切替手段。

Claims (3)

1. 対物レンズと、
   この対物レンズの光軸上に配置され対物レンズから出射された光束を結像する結像レンズと、
   前記対物レンズと前記結像レンズとの間に配置されアフォーカル倍率が異なる複数のアフォーカル光学系と、
   この複数のアフォーカル光学系のいずれかを前記対物レンズの光軸上に切替える切替手段とを備えたことを特徴とする光学ユニット。
2. 請求項１に記載の光学ユニットにおいて、
   前記切替手段は、前記複数のアフォーカル光学系を前記対物レンズの光軸に対して略直交する方向へ直線移動させるスライド機構、および、前記複数のアフォーカル光学系を円弧移動させるターレット機構のいずれかによって構成されていることを特徴とする光学ユニット。
3. 請求項１または請求項２に記載の光学ユニットを備えたことを特徴とする測定装置。

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