JP2011242702A - 結像光学系及び形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ズームレンズの変倍動作により移動する入射瞳の位置に対物レンズの射出瞳の位置を略一致させるように構成された結像光学系、及び、この結像光学系を有する形状測定装置を提供する。
【解決手段】形状測定装置１００に用いられる結像光学系３０は、測定物体の像を結像する対物レンズ２５と、この像を変倍するズームレンズ３２と、変倍動作により光軸に沿って移動するズームレンズ３２の入射瞳の位置に、対物レンズ２５の射出瞳の位置を略一致させる瞳移動光学系としてのリレーレンズ３１と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、結像光学系及び形状測定装置に関する。

形状測定装置による測定物体の寸法測定において、特に重要な性能として測定精度が挙げられる。形状測定装置での測定精度を悪化させる要因のうち光学系に起因したものとしては、歪曲収差やテレセントリック性がある（例えば、特許文献１参照）。このような形状測定装置においては、測定物体の大きさに応じてズームレンズの倍率を切り換えることにより、適宜適当な倍率を選択をしてこの測定物体の測定を行う。このとき、ズームレンズの変倍動作に応じてこのズームレンズの入射瞳の位置が移動するが、この瞳位置の移動が結像光学系のテレセントリック性（対物レンズの物体側テレセントリック性）の悪化要因となっている。特に、テレセントリック性の悪化はズームレンズの低倍側で顕著に出る傾向がある。

特開２００５−３３７９３５号公報

形状測定を行うための画像撮影においては、まず、結像光学系の焦点位置に測定対象物を移動させて焦点合わせをしてから観察、及び、画像の取得が行われる。しかしながら、焦点位置は結像光学系の焦点深度以内の間で変化するため、テレセントリック性が良好でない場合、焦点位置の変化に応じて測定物体の測定値が変化してしまうという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、ズームレンズの変倍動作により移動する入射瞳の位置に対物レンズの射出瞳の位置を略一致させるように構成された結像光学系、及び、この結像光学系を有する形状測定装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る結像光学系は、測定物体の像を結像する対物レンズと、この像を変倍するズームレンズと、変倍により光軸に沿って移動するズームレンズの入射瞳の位置に、対物レンズの射出瞳の位置を略一致させる瞳移動光学系と、を有することを特徴とする。

このような結像光学系において、瞳移動光学系は、ズームレンズの変倍動作に応じて、像側の焦点距離を略一定に保ちながら、像側の主点が光軸に沿って移動することが好ましい。

また、このような結像光学系において、瞳移動光学系は、測定物体側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、負の屈折力を有する第２レンズ群と、正の屈折力を有する第３レンズ群と、を有し、第１レンズ群は光軸上に固定され、第２レンズ群及び第３レンズ群は、ズームレンズの変倍動作に応じて、光軸方向に互いに逆方向に移動することが好ましい。

また、このような結像光学系は、焦点距離の異なる瞳移動光学系を２以上有し、変倍により移動するズームレンズの入射瞳の移動範囲に応じて、瞳移動光学系を切り換えることが好ましい。

また、本発明に係る形状測定装置は、上述の結像光学系のいずれかを有し、この結像光学系で結像された測定物体の像から当該測定物体の寸法を測定することを特徴とする。

本発明に係る結像光学系を以上のように構成すると、ズームレンズの変倍動作により移動する入射瞳の位置に対物レンズの射出瞳の位置を略一致させることができるので、テレセントリック性を良好に保つことができ、また、この結像光学系を備える形状測定装置は、変倍しても高い測定精度を得ることができる。

形状測定装置の構成を示す説明図である。 ズームレンズ及びリレーレンズの構成を説明する説明図であって、（ａ）は変倍により移動するズームレンズの入射光束を示し、（ｂ）はズームレンズの変倍に対応して移動するリレーレンズの主点及び焦点を示す。 リレーレンズの一実施例を示す説明図であって、レンズ群の移動により移動する主点及び焦点を示す。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて、本実施形態に係る形状測定装置１００の構成について説明する。この形状測定装置１００は、光源１０と、この光源１０から放射されファイバ１０ａで導かれた光をステージ４０上の測定物体に照射する照明光学系２０と、測定物体の像を結像する結像光学系３０と、結像光学系３０で結像された測定物体の像を検出する撮像素子５０と、撮像素子５０から出力された画像を処理することにより測定物体の寸法を測定する画像処理部６０と、から構成されている。ここで、ステージ４０は、測定物体を載せた状態で、上下、左右、前後に移動可能である。また、必要に応じてチルトも可能である。そのため、ステージ４０上に載置された測定物体は、このステージ４０により、図示しないオートフォーカス光学系の機構に応じて結像光学系３０に対して光軸方向に上下に移動することにより、焦点合わせが可能である。また、ステージ４０を左右、前後方向に移動させることにより、測定物体の所望の位置に結像光学系３０の視野を合わせて撮像することが可能である。

照明光学系２０は、光源１０の光を導くファイバ１０ａの射出端側から順に、照度均一化素子２１と、コンデンサレンズ２２と、ハーフミラー２３と、第２対物レンズ２４と、対物レンズ２５と、から構成されている。また、結像光学系３０は、照明光学系２０と対物レンズ２５及び第２対物レンズ２４を共通に使用するものであり、ステージ４０側から順に、対物レンズ２５と、第２対物レンズ２４と、ハーフミラー２３と、瞳移動光学系としてのリレーレンズ３１と、ズームレンズ３２と、結像レンズ３３と、から構成されている。

このような形状測定装置１００において、光源１０から放射された光はファイバ１０ａに導かれてこのファイバ１０ａの射出端から放射され、照度均一化素子２１を透過して均一化され、コンデンサレンズ２２で集光される。そして、ハーフミラー２３で物体側に反射された後、第２対物レンズ２４及び対物レンズ２５で集光されてステージ４０上の測定物体に照射される。

ここで、光源１０はハロゲン、メタハラランプ、ＬＥＤなどであり、ここではハロゲンとする。ハロゲンは従来から使用されており、使用実績のある光源である。また、近年、ＬＥＤは急速に普及してきており低効率な発光が可能であり、低電力、低発熱であるなどの利点があるため、このようなＬＥＤを光源１０として用いることも比較的容易である。この場合、ＬＥＤを光源１０とするとファイバ１０ａが不要となるため、装置構成の簡素化が可能となる。また、照度均一化素子２１としては、乳白色板やフライアイインテグレータが用いられる。なお、本実施形態においては、図１に示すように、落射照明によりステージ４０上の測定物体を照明する場合について説明するが、ステージ４０の下方から測定物に照明光を照射する透過照明としても良い。

照明光学系２０により照明された測定物体から出た光は、対物レンズ２５及び第２対物レンズ２４で集光され、ハーフミラー２３を透過した後、第２対物レンズ２４による中間像Ｉが結像される。そして、この中間像Ｉはリレーレンズ３１により略平行光に変換されてズームレンズ３２にリレーされる。ズームレンズ３２はアフォーカル変倍光学系であって、入射した略平行光を所定の倍率で変倍した後、略平行光として射出させる機能を有している。このズームレンズ３２から射出した略平行光は、結像レンズ３３により撮像素子５０上に再度結像される。

画像処理部６０は、撮像素子５０で検出された画像に基づいて、測定物体の寸法を自動で求めることができる。例えば、画像を輝度プロファイルつまりグレースケールから測定物体のエッジ位置を自動で検出し、検出したエッジ位置を管理することにより測定物体の寸法を自動で得ることが可能となる。あるいは、画像処理部６０により取得した画像を図示しないディスプレイ上に表示することにより、観察者の目で画像を確認することができる。このとき、例えばディスプレイ上に目盛を表示することにより、この目盛を測定物体の画像に合わせて測定物体の寸法が規定以内に入っているか否かを確認することもできる。

ところで、このような形状測定装置１００において、測定物体の寸法を測定するときの測定精度は特に重要な性能である。この測定精度を悪化させる要因のうち、光学系に起因したものとして主にディストーションとテレセントリック性（対物レンズ２５の物体側テレセントリック性）が挙げられる。

ディストーションは光学系の収差の一種であり、像が歪んで結像されてしまう。像の歪みは元の測定物体の形状を変えてしまい、測定精度に大きな影響を与えてしまう。従って、通常はディストーションが問題ないレベルとなるような結像光学系３０として設計する。また、近年の画像処理の急速な進歩により、ディストーションはこの画像処理による補正が可能になってきている。これは予め結像光学系３０のディストーションの情報を測定するか、若しくは、設計時の情報に基づいて画像処理によりディストーションを補正するものである。

一方、テレセントリック性とは、主光線が光軸と平行であることを意味している。このようなテレセントリック性を備えた光学系によると、物体が光軸上に前後に移動しても、主光線の高さが変わらないため、物体の像の大きさは変わらない。通常、画像取得に当たり、合焦するために、ステージ４０を光軸に沿って上下方向に移動させるが、合焦は理論上、測定物体側の焦点深度の範囲内で変動してしまう。このため、光学系がテレセントリック光学系でない場合、焦点位置の変動に応じて測定物体の大きさが変わってしまうという課題がある。

上述のように、結像光学系３０は、被検査面（測定物体面）からの光を第２対物レンズ２４により中間像Ｉとして結像させる。そして、この中間像Ｉはリレーレンズ３１によりズームレンズ３２にリレーされる。このとき、ズームレンズ３２へどのように中間像Ｉをリレーするかによって結像光学系３０全体のテレセントリック性が決まってくる。すなわち、テレセントリック性を保持するためには、対物レンズ２５及び第２対物レンズ２４により形成される射出瞳（以下、「対物レンズ２５の射出瞳」と呼ぶ）の位置をズームレンズ３２の入射瞳の位置にほぼ一致させる必要がある。しかし、ズームレンズ３２は、変倍に伴いその入射瞳の位置が大きく移動してしまう。図２（ａ）には、ズームレンズ３２が変倍動作をすることにより入射瞳の位置が移動している様子を示している。すなわち、ズームレンズ３２の瞳位置が変倍により移動した結果として、変倍前は実線で示す入射光束であったものが変倍後は下方に移動して破線で示す光束となってしまう。この場合、入射瞳の位置は物体側に移動していることが分かる。なお、図２（ａ）とは反対に変倍により入射光束が上方に移動する（入射瞳の位置が像側に移動する）場合もある。

このように、変倍動作によりズームレンズ３２の入射瞳の位置がずれてしまい、対物レンズ２５の射出瞳の位置と一致しなくなる変倍域ができるため、全変倍域でのテレセントリック性の保持は極めて困難であった。このテレセントリック性は低倍時に大きく影響を受けやすい。このため、低倍時には合焦毎に測定物体の測定値の変化が問題になることがあった。従来は、瞳位置の不一致によるテレセントリック性への影響が最も大きい最低倍時に最適となるように、設計若しくは調整して瞳位置を合わせていた。しかし、その結果としてその他の変倍域、特に低倍率、中間倍率でのテレセントリック性が良好ではないため、合焦毎に測定値が変化してしまう問題がある。

このようなズームレンズ３２の変倍による入射瞳の位置の移動に対応して、本実施形態に係る形状測定装置１００では、リレーレンズ３１により、対物レンズ２５の射出瞳の位置を移動させ、この射出瞳の位置をズームレンズ３２の入射瞳の移動に追随させて略一致させるように構成されている。このように、ズームレンズ３２の変倍による入射瞳の位置の変動に応答して、リレーレンズ３１により対物レンズ２５の射出瞳の位置を略一致させるように移動させれば、変倍してもテレセントリック性を保持することが可能となる。

以上のように、リレーレンズ３１は、ズームレンズ３２の変倍動作に同期して対物レンズ２５の射出瞳の位置を移動させる瞳移動光学系としての機能を備えている。図２（ｂ）を用いてリレーレンズ３１について説明すると、このリレーレンズ３１は、例えば、上述のようにズームレンズ３２の入射瞳の位置が変倍により物体側に移動するときは、これに合わせてこのリレーレンズ３１の像側の主点Ｈを物体側（Ｈ′）に移動させることにより、対物レンズ２５の射出瞳を物体側に移動させるように構成されている。このように像側の主点Ｈを位置Ｈ′に移動させると、リレーレンズ３１から射出される光線ＸはＸ′に移動するため、図２（ａ）に示すように、変倍によりズームレンズ３２に入射する光線の移動に対応してこのズームレンズ３２に入射させることができる。

ここで、本実施形態に係るリレーレンズ３１は、像側の主点Ｈを移動させても像側の焦点距離は変化しないように構成されている。すなわち、図２（ｂ）において、像側の主点ＨがＨ′の位置に移動すると、像側の焦点ＦもＦ′に移動する。このようにリレーレンズ３１の焦点距離を一定にすることにより、主点の移動による全体の倍率への影響をなくす構成とすることが可能となる。なお、リレーレンズ３１の焦点距離が、主点Ｈの移動により変化する場合には、総合倍率がズームレンズ３２による変倍倍率以上、若しくは以下の倍率になることに注意が必要である。

以上のようなリレーレンズ３１の一つの実施例を図３に示す。この図３に示すリレーレンズ３１は、物体側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群３１１と、負の屈折力を有する第２レンズ群３１２と、正の屈折力を有する第３レンズ群３１３と、から構成されたトリプレットタイプである。また、第１レンズ群３１１は光軸上に固定され、第２レンズ群３１２及び第３レンズ群３１３は、ズームレンズ３２の変倍動作に応じて光軸上を互いに反対方向に移動するように構成されている。このような構成とすると、図３（ａ）の状態から第２レンズ群３１２を物体側に移動させ、第３レンズ群３１３を像側に移動させることにより、図３（ｂ）に示すように、焦点距離を一定に維持したまま、主点Ｈ（及び、その結果として焦点Ｆ）を像側の位置Ｈ′（Ｆ′）に移動させることができる。この図３に示すリレーレンズ３１の構成は、変倍倍率が１倍のズームレンズと同じである。ズームレンズの場合、倍率毎に収差が変動し易く、特に歪曲収差は大きく変動し易いため、少ないレンズ枚数での設計は難しい。しかしながら、焦点距離を一定にして光学系全体の総合倍率を変えないことにより、変倍を行うバリエータに相当するレンズが不要となるため、このリレーレンズ３１は比較的簡単な構成で済み、レンズ枚数も最小限で実現できる。

なお、第１〜第３レンズ群３１１〜３１３は、単レンズである必要はなく、各レンズ群が複数枚のレンズから構成されていても良い。また、このリレーレンズ３１のレンズ構成は、収差や瞳移動量などの設計仕様に応じて適宜設定することができる。

本実施形態に係る結像光学系３０及びこの結像光学系３０を有する形状測定装置１００を以上のように構成すれば、ズームレンズ３２の変倍による瞳位置移動の影響をリレーレンズ３１により解消することが可能となる。また、例えば焦点距離の異なるリレーレンズ３１を用意することにより、ズームレンズ３２の入射瞳の移動範囲に応じてこのリレーレンズ３１を適宜切り替え若しくは交換によって、より広範囲の倍率での測定が可能となり、対物レンズ２５の解像度、ＮＡが許す範囲でより高倍域での測定も最小限の構成で行うことができる。この際、対物レンズ２５の作動距離に依存する測定物の大きさ制限に注意を払う必要がある。

２５ 対物レンズ ３０ 結像光学系 ３１ リレーレンズ（瞳移動光学系）
３２ ズームレンズ １００ 形状測定装置

Claims (5)

1. 測定物体の像を結像する対物レンズと、
   前記像を変倍するズームレンズと、
   変倍により光軸に沿って移動する前記ズームレンズの入射瞳の位置に、前記対物レンズの射出瞳の位置を略一致させる瞳移動光学系と、を有することを特徴とする結像光学系。
2. 前記瞳移動光学系は、前記ズームレンズの変倍動作に応じて、像側の焦点距離を略一定に保ちながら、像側の主点が光軸に沿って移動することを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
3. 前記瞳移動光学系は、前記測定物体側から順に、
   正の屈折力を有する第１レンズ群と、
   負の屈折力を有する第２レンズ群と、
   正の屈折力を有する第３レンズ群と、を有し、
   前記第１レンズ群は光軸上に固定され、
   前記第２レンズ群及び前記第３レンズ群は、前記ズームレンズの変倍動作に応じて、光軸方向に互いに逆方向に移動することを特徴とする請求項１または２に記載の結像光学系。
4. 前記焦点距離の異なる前記瞳移動光学系を２以上有し、
   変倍により移動する前記ズームレンズの前記入射瞳の移動範囲に応じて、前記瞳移動光学系を切り換えることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載の結像光学系。
5. 請求項１〜４いずれか一項に記載の結像光学系を有し、前記結像光学系で結像された測定物体の像から当該測定物体の寸法を測定することを特徴とする形状測定装置。

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