JP2010026114A - 光源装置及び検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ファイバーバンドルの出射端面の照度を均一化する光源装置を提供する。
【解決手段】 光源装置(２０)は、フィラメントが配置された光源（２１）と、光源から射出された光束を導く第１集光光学系（２３）及び第２集光光学系（２５）からなる導光光学系と、多数のファイバー素線を束ねて構成され第２集光光学系の集光位置（ＢＦ）の近傍に位置決めされる入射端（２９Ａ）を有するファイバーバンドル（２９）と、を備え、光源（２１）が第１集光光学系の前側焦点位置（ＦＦ）よりも前方に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ランプのフィラメントの像をファイバーバンドル（又は光ファイバーともいう）に導く光学系を有する光源装置に関する。

ハロゲンランプ等の光源から発する光をファイバーバンドルに導く光源装置では、ランプフィラメントを物体としてその像をファイバーバンドル端面に結像する光学系が用いられる場合がある。そのような光学系の例として、数枚で構成されるレンズなどが挙げられる。

ファイバーバンドルを用いた光源装置では、コサイン４乗則にしたがって被照射面の中心部から周辺部に向かって照度が減少し、中心部に対して周辺部が暗いものとなってしまって被照射面において均一な照度分布を得ることができなかった。

このため、特許文献１は、ファイバーバンドルを用いた光源装置においてファイバーバンドルの出射端と被照射面とが近接している前提において、コサイン４乗則にしたがって被照射面の中心部から周辺部に向かって照度が減少する照度分布を補正するための外方性コマ収差を有する集光光学系を用いて問題を解決しようとしている。また、特許文献２に示されるように、ファイバーバンドルをランダムに組み合わせることでより一層の照度分布の均一化を図かる場合も多い。
特開平１０−１８６１７１号公報 特開２００２−０９０６８６号公報

しかし、ハロゲンランプのフィラメント自体はタングステンをコイル状に巻いたものであるから、光源自体に輝度ムラがあることになる。また特許文献１に開示される集光光学系では、特に光軸外では諸収差が残存するのでフィラメント像は焦点が合わないことになるが、それによって輝度ムラが完全に解消されるわけではない。また、ファイバーバンドルの入射端面に結像したフィラメントのムラはファイバーバンドルの出射端面においても輝度の異なるファイバーバンドルの各素線が目立ったりする。このようにファイバーバンドルの出射端面の照度の均一化は不十分であった。

本発明は、上記課題を解決するため、ファイバーバンドルの出射端面の照度を均一化する光源装置及び検査装置を提供する。
第１の観点の光源装置は、フィラメントが配置された光源と、光源から射出された光束を導く第１集光光学系及び第２集光光学系からなる導光光学系と、多数のファイバー素線を束ねて構成され、第２集光光学系の集光位置の近傍に位置決めされる入射端を有するファイバーバンドルと、を備え、光源が第１集光光学系の前側焦点位置よりも前方に配置される。
この構成により、フィラメントの光源からの光がファイバーバンドルの入射端面の全体で取り込める配置であるため、ファイバーバンドルの出射端面で照度を均一化することができる。

第２の観点の検査装置は、被検レンズの光学特性を検査する検査装置である。この検査装置は、フィラメントが配置された光源と、光源から射出された光束を導く第１集光光学系及び第２集光光学系からなる導光光学系と、多数のファイバー素線を束ねて構成され、導光光学系の集光位置の近傍に位置決めされる入射端を有するファイバーバンドルと、ファイバーバンドルの出射端で照明されるチャート板と、を備え、被検レンズがチャート板の後方に配置され、光源が第１集光光学系の前側焦点位置よりも前方に配置される。
この構成により、フィラメントの光源からの光がファイバーバンドルの入射端面の全体で取り込める配置であるため、ファイバーバンドルの出射端面の照度が均一になりチャート板を均一に照明することが可能となる。

本発明によれば、フィラメントが配置された光源の配置される位置を調整することでファイバーバンドル出射端面の照度分布の均一性を向上できる。また、本発明によれば、フィラメントが配置された光源の光量を無駄にすることなくバンドル出射面での光量を増やすことができる。

以下、添付図面に基づいて、実施の形態を説明する。
＜光学特性の検査装置の構成＞
図１は、被検レンズＥＬのＭＴＦなど光学特性を検査する検査装置１００の概念断面図である。

この検査装置１００は、図１に示すように、光源装置２０およびチャート板３０を有し、被検レンズＥＬを保持する。検査装置１００は、この被検レンズＥＬに対して相対移動可能な測定部１０を有している。

光源装置２０、チャート板３０、および、被検レンズＥＬは、光軸ＯＡ上に並んで配置されている。光源装置２０はハロゲンランプなどのフィラメント光源２１、導光光学系（第１レンズ２３、第２レンズ２５）及びファイバーバンドル２９から構成される。ファイバーバンドル２９の出射端側にチャート板３０が配置される。チャート板３０の光軸ＯＡ方向の後方に被検レンズＥＬが配置される。測定部１０は、被検レンズＥＬを挟んで光源装置２０の反対側に配置され、光軸ＯＡに対して垂直なＸＺ平面を有する平板状の受け部１８が設けられている。この受け部１８の光源装置２０側には、この受け部１８に対してＸＺ面上で相対移動可能な２軸の２軸プレート１９が設けられる。さらに、その２軸プレート１９の光源装置２０側のＸＺ面上で相対移動可能な１軸プレート１７が設けられている。なお、１軸プレート１７は２軸プレート１９上に複数設けられる。この場合１軸プレート１７は、２軸プレート１９の中心部から放射状に相対移動可能に構成される。

この２軸プレート１９の測定側の原点には、軸上用受光センサー１３が設けられており、また、各々の１軸プレート１７には、軸外用受光センサー１４が設けられている。軸上用受光センサー１３は、検査装置１００の設置面（地面）に対して垂直方向に延びた縦ラインセンサー水平方向に延びた横ラインセンサーおよびこの横ラインセンサーの延長方向に並んで配置された倍率測定用ラインセンサーとから構成される。一方、軸外用受光センサー１４は、２軸プレート１９の中央から放射状に延びた縦ラインセンサーと横ラインセンサー１４ｂとから構成される。

受け部１８には、測定部１０を光軸ＯＡに沿って移動させる測定駆動部１５が設けられている。軸上用受光センサー１３、軸外用受光センサー１４及び測定駆動部１５は制御装置１６に電気的に接続されており、制御装置１６は、測定駆動部１５を制御して測定部１０の光軸ＯＡ方向の位置、並びに１軸プレート１７及び２軸プレート１９を制御する。また、制御装置１６は、軸上用受光センサー１３及び軸外用受光センサー１４からの検出信号を処理する。

この検査装置１００による被検レンズＥＬの検査は、チャート板３０に対して測定部１０を光軸ＯＡに多少前後させてデフォーカスし、最良像面とその前後の領域を軸上用受光センサー１３及び軸外用受光センサー１４で測定し、この測定値から被検レンズＥＬのＭＴＦなどの光学特性を算出する。この検査装置１００においては、軸上像と軸外像とは同時に検出することができるので、短時間で被検レンズＥＬの光学特性を検査することができる。

なお、この実施例においては、フィラメント光源２１から射出された光線は、第１レンズ２３及び第２レンズ２５からなる導光光学系並びにファイバーバンドル２９を経由して光軸ＯＡ上に放射され、チャート板３０に照射される。光源は熱を発するので、チャート板３０や被検レンズＥＬに熱的な歪を生じさせないために、ファイババンドル２９が配置される。以下、このようなフィラメント光源２１及びファイバーバンドル２９を有する光源装置２０の詳細について説明する。

＜光源装置２０の第１構成＞
図２は、実施例１の光源装置２０の拡大図であり、ハロゲンランプなどのフィラメントコイルによるフィラメント光源２１からファイバーバンドル２９の入射端２９Ａまでを描いた図である。

第１実施例の光源装置２０は、フィラメント光源２１、第１レンズ２３、第２レンズ２５及びファイバーバンドル２９の順番に配置されている。第１レンズ２３の焦点距離をｆ１、第２レンズ２５の焦点距離をｆ２とする。第１レンズ２３と第２レンズ２５との主点間隔はｆ１＋ｆ２とする。第２レンズ２５の後側焦点の位置ＢＦにファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａが配置される。なお、フィラメント光源２１のコイル長をφｓで、ファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａは直径をφｆとする。

レンズ２３の前側の焦点位置ＦＦはファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａと共役関係にある。第１レンズ２３の前側の焦点位置ＦＦにフィラメント光源２１が配置されると、フィラメント光源２１の共役像がファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａに形成される。ファイバーバンドル２９は一本一本の素線の開口数ＮＡで光を取り込める開口数ＮＡが決まる。したがって、フィラメント光源２１が第１レンズ２３の前側の焦点位置ＦＦにあるとき、ファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａの形状と一致させないと有効にファイバーバンドルに光を導くことができない。この内容は図３を使って説明される。

図３は、フィラメント光源２１の共役像がファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａに映し出された平面図である。
図３（ａ）に示されるように、ファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａは円形の入射面でありその直径がφｆとする。一方、フィラメント光源２１のコイル長がφｓとする。レンズ２３の前側の焦点位置ＦＦとファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａとが共役関係であるため、フィラメント光源２１の共役像の長さはコイル長φｓと同じになる。このため、フィラメント光源２１のコイル長φｓが、ファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａの直径φｆより小さいと、ファイバーバンドル２９にフィラメント光源２１の光が入らない暗部領域ＤＲが生じてしまう。

また、図３（ｂ）に示されるように、ファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａが矩形の入射面であり長さがφｆであり、フィラメント光源２１のコイル長がφｓとする。一般にフィラメント光源２１のフィラメントコイルの投影形状は、円形よりも矩形が多い。このため、ファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａを矩形にしても、フィラメント光源２１からの光はファイバーバンドル２９にすべて入射するが、ファイバーバンドル２９の素線の一部には光が入射せず、光を取り込めない暗部領域ＤＲが生じてしまう。

再び図２に戻り、フィラメント光源２１の配置位置について説明する。ファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａ内の照度均一性を向上するためには、少なくとも入射端面２９Ａの全体で光が取り込める配置である必要がある。このため、フィラメント光源２１を配置する最適な光軸ＯＡ方向の位置を考える。

まず説明を簡単にするため、第１レンズ２３の焦点距離ｆ１と２レンズ２５の焦点距離ｆ２とが同一距離として考えることにする。
ファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａ内全体でフィラメント光源２１の光を取り込めるための条件は、以下の数式１となる。
…（数式１）
ここで、ＮＡｆは、ファイバーバンドル２９の開口数を示す。ｘは、第１レンズ２３の前側の焦点位置ＦＦから前側の距離である。この数式１は、フィラメント光源２１のコイル長の半分（φｓ／２）が、ファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａ半径（φｆ／２）より小さい場合には、ファイバーバンドル２９の開口数ＮＡｆで割った分だけ、共役面である前側の焦点位置ＦＦから距離ｘだけ離れれば、ファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａ全体にフィラメント光源２１の光が入ることを意味する。

但し、フィラメント光源２１が第１レンズ２３の前側の焦点位置ＦＦよりも前方に配置されており、フィラメント光源２１とファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａとが共役関係の位置に配置されていない。

第１レンズ２３の焦点距離ｆ１と２レンズ２５の焦点距離ｆ２とが異なる距離の場合、すなわち、ｆ１≠ｆ２では以下の数式２の関係を満たすことが望ましい。
…（数式２）

フィラメントコイルの形状はハロゲンランプなどの種類によって異なるが、フィラメントの像がファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａより小さく結像させた場合には、導光光学系に収差があって像が結像しなくてもフィラメントコイルの像がまったくない無駄領域があると、ファイバーバンドル２９の出射端面では輝度ムラが多く残留してしまう。しかし、上記のようにフィラメント光源２１を第１レンズ２３の前側の焦点位置ＦＦから前側に距離ｘで配置するとファイバーバンドル２９の出射端面で輝度ムラが小さくなる。

逆に、ファイバーバンドル２９の出射端面で輝度ムラを小さくしようとして、フィラメント光源２１の像がファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａよりできるだけ大きくなるようにすると、ファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａからはみ出る光が多くなる。このはみ出た光は使用されず無駄になる。

フィラメント光源２１の出射広がり（ＮＡｏ）よりもファイバーバンドル２９の開口数ＮＡｆの方が小さくなると、ファイバーバンドル２９から出射する開口数ＮＡｆが足らなくなるので、ｆ１＝ｆ２のときは少なくとも下記の数式３を満たすことが好ましい。この数式３を満たすことでフィラメント光源２１の光のうち使用されず捨てられる光が少なくなる。
…（数式３）

第１レンズ２３の焦点距離ｆ１と２レンズ２５の焦点距離ｆ２とが異なる距離の場合、すなわち、ｆ１≠ｆ２では以下の数式４の関係を満たすことが望ましい。
…（数式４）

なお、これら数式３、数式４は、フィラメント光源２１のコイル長φｓが、ファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａの直径φｆより大きい場合にも有効である。つまり、フィラメント光源２１の光のうち使用されず捨てられる光が少なくなるからである。

＜光源装置２０の第２構成＞
図４は、実施例２の光源装置２０の拡大図であり、ハロゲンランプなどのフィラメントコイルによるフィラメント光源２１からファイバーバンドル２９の入射端２９Ａまでを描いた図である。

実施例１では、ファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａの照度ムラを改善することができたが、フィラメント光源２１からファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａまでの距離が長くなってしまう。そこで、図４に示されるように、第１レンズ２３の前側の焦点位置ＦＦに第３レンズ２７を配置する。第３レンズ２７は第１レンズ２３の前側の焦点位置ＦＦに配置されるフィールドレンズである。これによりフィラメント光源２１からファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａまでの距離を短くすることができ、ファイバーバンドルの軸外まで無駄なく光を導くことができる。

フィラメント光源２１のコイル長φは決まっているので、上述した数式３又は数式４が同様に適用される。また、第１レンズ２３、第２レンズ２５及び第３レンズ２７からなる導光光学系の入射瞳位置にフィラメント光源２１を配置すると、ファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａにはフィラメント光源２１から生じた光が無駄なく導かれる。

＜光源装置２０の第３構成＞
図５は、実施例３の光源装置２０の拡大図であり、フィラメント光源２１からファイバーバンドル２９の入射端２９Ａまでを描いた図である。

第３実施例では、フィラメント光源２１からファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａまでの距離を短くするため、図５に示されるように第１レンズ２３と第２レンズ２５との主点間隔を狭めてもいる。
また、特に図示しないが第１レンズ２３と第２レンズ２５とを１つのレンズで構成してもよい。

被検レンズＥＬのＭＴＦなど光学特性を検査する検査装置１００の概念断面図である。 実施例２の光源装置２０の拡大図である。 フィラメント光源２１の共役像がファイバーバンドル２９の入射端面２９Ａに映し出された平面図である。 実施例２の光源装置２０の拡大図である。 実施例３の光源装置２０の拡大図である。

符号の説明

１０ … 測定部
１３ … 軸上用受光センサー
１４ … 軸外用受光センサー
１５ … 測定駆動部
１６ … 制御装置
１７ … １軸プレート
１８ … 受け部
１９ … ２軸プレート
２０ … 光源装置
３０ … チャート板
２３ … 第１レンズ
２５ … 第２レンズ
２７ … 第３レンズ
２９ … ファイバーバンドル（２９Ａ … 入射端面）
１００ … 検査装置
ＥＬ … 被検レンズ
ＯＡ … 光軸

Claims (7)

1. フィラメントが配置された光源と、
   前記光源から射出された光束を導く第１集光光学系及び第２集光光学系からなる導光光学系と、
   多数のファイバー素線を束ねて構成され、前記第２集光光学系の集光位置の近傍に位置決めされる入射端を有するファイバーバンドルと、を備え、
   前記光源が前記第１集光光学系の前側焦点位置よりも前方に配置されることを特徴とする光源装置。
2. 前記導光光学系の光軸に対して前記フィラメントは交差する方向に伸びており、前記フィラメントの長さが前記ファイバーバンドルの入射端の前記交差する方向の長さより小さいことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記ファイバーバンドルの入射端の形状は円形又は矩形であることを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
4. 前記光源の光軸方向の位置と前記第１集光光学系の前側焦点位置との距離ｘは、以下の関係を満たすことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の光源装置。
   但し、前記フィラメントの長さをφｓ、前記ファイバーバンドルの入射端の長さをφｆ、前記ファイバーバンドルの開口数をＮＡｆ、前記第１集光光学系の焦点距離をｆ１、前記第２集光光学系の焦点距離をｆ２、とする。
5. フィラメントが配置された光源と、
   前記光源から射出された光束を導く第１集光光学系、第２集光光学系及び第３集光光学系からなる導光光学系と、
   多数のファイバー素線を束ねて構成され、前記第２集光光学系の集光位置の近傍に位置決めされる入射端を有するファイバーバンドルと、を備え、
   前記第３集光光学系が前記第１集光光学系の前側焦点位置に配置され、
   前記光源が前記第３集光光学系よりも前方に配置されることを特徴とする光源装置。
6. 前記フィラメントの光軸方向の位置と前記第３集光光学系との距離ｘは、以下の関係を満たすことを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
   但し、前記フィラメントの長さをφｓ、前記ファイバーバンドルの入射端の長さをφｆ、前記ファイバーバンドルの開口数をＮＡｆ、前記第１集光光学系の焦点距離をｆ１、前記第２集光光学系の焦点距離をｆ２、とする。
7. 被検レンズの光学特性を検査する検査装置において、
   フィラメントが配置された光源と、
   前記光源から射出された光束を導く第１集光光学系及び第２集光光学系からなる導光光学系と、
   多数のファイバー素線を束ねて構成され、前記導光光学系の集光位置の近傍に位置決めされる入射端を有するファイバーバンドルと、
   前記ファイバーバンドルの出射端で照明されるチャート板と、を備え、
   前記被検レンズが前記チャート板の後方に配置され、前記光源が前記第１集光光学系の前側焦点位置よりも前方に配置されることを特徴とする検査装置。