JP2011244357A - Imaging apparatus, relay optical system, and measurement system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自然界等において不規則に発生する事象を高速で検知し、その事象を記録できる撮像装置、並びに、この撮像装置に用いられるリレー光学系、及びこの撮像装置を用いる計測システムに関する。 The present invention relates to an imaging device that can detect an event that occurs irregularly in the natural world at high speed and record the event, a relay optical system that is used in the imaging device, and a measurement system that uses the imaging device.
撮像対象となる事象を蛍光像に変換し、その蛍光像を光分配部により2つの蛍光像に分配した一方を用いて、残りの一方の蛍光像を撮像する撮像部のためのシャッター信号等を得ることで、撮像対象の事象を、高いS/Nで撮像可能である光分配型撮像装置が、本願の発明者によって提案されている(特許文献1)。 An event to be imaged is converted into a fluorescent image, and the fluorescence image is distributed to two fluorescent images by the light distribution unit, and the shutter signal for the imaging unit that captures the other fluorescent image is used. Thus, an inventor of the present application has proposed an optical distribution type imaging device capable of imaging an event to be imaged with a high S / N (Patent Document 1).
上記のような光分配型撮像装置は、不規則に発生する事象、例えば微弱な電磁波の到来、微弱な光の発生等をナノ秒オーダーで撮像可能にする技術であるが、光量、速度、分解能等に関する検出限界の更なる向上が望まれている。 The light distribution type imaging device as described above is a technology that enables imaging of irregular events such as the arrival of weak electromagnetic waves, the generation of weak light, etc. in nanosecond order. Further improvement of the detection limit regarding etc. is desired.
本発明者は、上記のような検出限界に大きな影響を及ぼす要因について検討した結果、微弱な蛍光像を高いS/N比でより確実に検出するためには、イメージ増倍管の蛍光面に形成された蛍光像を固体撮像素子に少ないロスで正確に伝送する必要があることに着目し、イメージ増倍管の蛍光像を高精度かつ高効率で固体撮像素子の撮像面に結像できるリレー光学系について検討した。 As a result of examining the factors that have a large influence on the detection limit as described above, the present inventor has found that the fluorescent screen of the image intensifier tube is more reliably detected in order to detect a weak fluorescent image with a high S / N ratio. Focusing on the need to accurately transmit the formed fluorescent image to the solid-state image sensor with little loss, a relay that can form the fluorescence image of the image intensifier tube on the imaging surface of the solid-state image sensor with high accuracy and high efficiency The optical system was examined.
なお、結像用のレンズとして、例えば液晶パネルの像を投射するための様々な投射レンズが存在するが(特開2001−116990号公報、特開2009−186790号公報、特開2009−258395号公報等参照)、いずれのレンズもかなりな高倍率での拡大投射を前提としており、等倍に近い結像を前提とするリレー光学系にそのまま適用することはできない。また、上記のような投射レンズは、一般に可視光全域で一様に収差を抑えるものであり、特有の分光輝度分布を有する蛍光像を固体撮像素子の撮像面に高精度で結像するような事態について配慮されていない。 Note that there are various projection lenses for projecting an image on a liquid crystal panel, for example (Japanese Patent Laid-Open Nos. 2001-116990, 2009-186790, and 2009-258395). All the lenses are premised on a magnified projection at a considerably high magnification, and cannot be applied as they are to a relay optical system premised on image formation close to the same magnification. In addition, the projection lens as described above generally suppresses aberration uniformly in the entire visible light range, and forms a fluorescent image having a specific spectral luminance distribution on the imaging surface of the solid-state imaging device with high accuracy. The situation is not considered.
本発明の目的は、微弱な蛍光像を高速かつ高精度でより確実に検出できる撮像装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide an imaging apparatus that can detect a weak fluorescent image with high speed and high accuracy.
また、本発明の目的は、上記のような撮像装置に用いられ、イメージ増倍装置の蛍光像を高精度かつ高効率で固体撮像素子等の撮像面に結像できるリレー光学系を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a relay optical system that is used in the imaging apparatus as described above and can form a fluorescent image of the image intensifier on an imaging surface of a solid-state imaging device with high accuracy and high efficiency. It is.
また、本発明の目的は、上記のような撮像装置を用いて、不規則に発生する事象等を高速かつ高精度で確実に計測可能な計測システムを提供することである。 Another object of the present invention is to provide a measurement system that can reliably measure irregularly occurring events and the like at high speed with high accuracy using the above-described imaging apparatus.
上記課題を解決するため、本発明に係る撮像装置は、微弱な事象を蛍光像に変換するイメージ増倍装置と、イメージ増倍装置から出力された蛍光像を電気的な画像信号に変換する信号変換装置と、イメージ増倍装置の出力面における蛍光像を信号変換装置の撮像面に投射するともに、出力面側でテレセントリックであるリレー光学系とを備える。 In order to solve the above problems, an imaging device according to the present invention includes an image intensifier that converts a weak event into a fluorescent image, and a signal that converts the fluorescent image output from the image intensifier into an electrical image signal. A conversion device and a relay optical system that projects a fluorescent image on the output surface of the image intensifier on the imaging surface of the signal conversion device and is telecentric on the output surface side.
上記撮像装置によれば、リレー光学系が出力面側すなわち物体側でテレセントリックであるので、出力面から射出される光束が中心集中性を示す配光分布であることと相まって、出力面における蛍光像を、撮像面上において歪等の収差を低減した高精度な状態かつ明るい状態で再結像させることができ、イメージ増倍装置によって形成された微弱な蛍光像を高精度で確実に検出することができる。 According to the imaging apparatus, since the relay optical system is telecentric on the output surface side, that is, on the object side, the fluorescence image on the output surface is coupled with the light distribution emitted from the output surface having a light distribution showing central concentration. Can be re-imaged on the imaging surface in a highly accurate and bright state with reduced aberrations such as distortion, and the weak fluorescent image formed by the image intensifier can be detected accurately and reliably. Can do.
本発明の具体的な側面又は態様では、上記撮像装置において、リレー光学系が、イメージ増倍装置の出力面を信号変換装置の撮像面に略等倍で投射する。この場合、出力面の蛍光像を少ない歪で効率良く信号変換装置の撮像面上に結像させることができる。 In a specific aspect or aspect of the present invention, in the imaging device, the relay optical system projects the output surface of the image intensifier on the imaging surface of the signal converter at approximately the same magnification. In this case, the fluorescent image on the output surface can be efficiently formed on the imaging surface of the signal conversion device with little distortion.
本発明の別の側面では、リレー光学系が、出力面から順に第1レンズ群と第2レンズ群とを備え、第1レンズ群と第2レンズ群との間隔を調整することによって結像倍率を修正可能である。この場合、イメージ増倍装置の出力面上の蛍光像を撮像面上に適正な倍率で結像させることができ、高精度の撮像が可能になる。 In another aspect of the present invention, the relay optical system includes a first lens group and a second lens group in order from the output surface, and an imaging magnification is obtained by adjusting a distance between the first lens group and the second lens group. Can be corrected. In this case, the fluorescent image on the output surface of the image intensifier can be formed on the imaging surface at an appropriate magnification, and high-accuracy imaging is possible.
本発明のさらに別の側面では、リレー光学系が、イメージ増倍装置の出力面に対向して設けられ、イメージ増倍装置から出力された蛍光像を、第1蛍光像と第2蛍光像とに分離するとともに、第1蛍光像を信号変換装置に向かう光路に導くディストリビューターを有し、ディストリビューターにより分離された第2蛍光像から信号変換装置を動作させるための撮像タイミングを規定するタイミング設定装置とをさらに備える。この場合、タイミング設定装置によって撮像すべき像(事象)を検出した際に、信号変換装置を動作させることができ、不規則に発生する事象に同期又は予測させてその事象の撮像を行うことができ、高速の事象を的確に記録することが可能になる。 In still another aspect of the present invention, the relay optical system is provided to face the output surface of the image intensifier, and the fluorescent image output from the image intensifier is converted into a first fluorescent image and a second fluorescent image. And having a distributor for guiding the first fluorescent image to the optical path toward the signal converter, and setting the timing for defining the imaging timing for operating the signal converter from the second fluorescent image separated by the distributor And a device. In this case, when an image (event) to be imaged is detected by the timing setting device, the signal conversion device can be operated, and imaging of the event can be performed in synchronization with or predicting an irregularly generated event. It is possible to record high-speed events accurately.
本発明のさらに別の側面では、タイミング設定装置が、イメージ増倍装置の出力面を構成する区分領域からの第2蛍光像を個別に検出する光電子増倍装置を含む。この場合、出力面を構成する区分領域のうちいずれの区分領域で蛍光像が形成されているかを特定することができ、信号変換装置を適切に動作させることができる。 In still another aspect of the present invention, the timing setting device includes a photomultiplier that individually detects a second fluorescent image from a segmented region that constitutes an output surface of the image multiplier. In this case, it is possible to specify in which divided region of the divided regions constituting the output surface the fluorescent image is formed, and the signal conversion device can be operated appropriately.
本発明のさらに別の側面では、タイミング設定装置は、光電子増倍装置から出力される区分領域に対応する検出信号に基づいて、光電子増倍装置の区分領域に対応する信号変換装置の局所領域を選択的に動作させる駆動信号を出力する。この場合、駆動信号に基づいて信号変換装置の局所領域を選択的に動作させることができるので、イメージ増倍装置の出力面のうち蛍光像が形成されている現出領域に対応する信号変換装置の局所領域における撮像を、出力面のうち上記現出領域の蛍光像の状態に適合させた高感度で高精細なものとすることができる。 In yet another aspect of the present invention, the timing setting device determines the local region of the signal conversion device corresponding to the segmented region of the photomultiplier based on the detection signal corresponding to the segmented region output from the photomultiplier. A drive signal for selectively operating is output. In this case, since the local region of the signal conversion device can be selectively operated based on the drive signal, the signal conversion device corresponding to the appearing region where the fluorescent image is formed on the output surface of the image intensifier. Imaging in the local region of the image sensor can be made with high sensitivity and high definition adapted to the state of the fluorescent image in the appearing region of the output surface.
本発明のさらに別の側面では、イメージ増倍装置は、入力段に配置される光電変換部と、光電変換部の後段に配置される近接型増倍素子と、近接型増倍素子の後段に配置される出力面とを有する。この場合、光電変換部の検出出力を近接型増倍素子で増倍した高輝度の蛍光像を計測することができる。 In still another aspect of the present invention, an image intensifier includes a photoelectric conversion unit disposed in an input stage, a proximity multiplication element disposed in a subsequent stage of the photoelectric conversion unit, and a stage subsequent to the proximity multiplication element. And an output surface to be arranged. In this case, it is possible to measure a high-intensity fluorescent image obtained by multiplying the detection output of the photoelectric conversion unit with a proximity multiplication element.
本発明のさらに別の側面では、信号変換装置は、CMOS型撮像素子及びCCD型撮像素子のいずれか一方である固体撮像素子を含み、タイミング設定装置から出力されるタイミング信号に基づいて固体撮像素子を動作させる。この場合、タイミング設定装置を介してイメージ増倍装置と固体撮像素子とを高速で同期させて動作させることができる。 In still another aspect of the present invention, the signal conversion device includes a solid-state image sensor that is one of a CMOS image sensor and a CCD image sensor, and is based on a timing signal output from the timing setting device. To work. In this case, the image intensifier and the solid-state imaging device can be operated in synchronization at high speed via the timing setting device.
上記課題を解決するため、本発明に係るリレー光学系は、検出装置の出力面に形成された像を電気的な画像信号に変換する信号変換装置を有する撮像装置に組み込まれるリレー光学系であって、検出装置の出力面に形成された像を信号変換装置の撮像面に略等倍で投射するともに、対象像側でテレセントリックである。 In order to solve the above problems, a relay optical system according to the present invention is a relay optical system incorporated in an imaging apparatus having a signal conversion apparatus that converts an image formed on the output surface of the detection apparatus into an electrical image signal. Thus, the image formed on the output surface of the detection device is projected on the imaging surface of the signal conversion device at approximately the same magnification, and is telecentric on the target image side.
上記リレー光学系によれば、検出装置の出力面すなわち物体側に形成された像を信号変換装置の撮像面に略等倍で投射するともに、出力面側でテレセントリックであるので、出力面に形成された像を、撮像面上において歪等の収差を低減した高精度かつ明るい状態で効率良く再結像させることができ、出力面に形成された像が微弱な像であっても、高精度で確実に検出することができる。 According to the relay optical system, the image formed on the output surface of the detection device, that is, the object side is projected onto the imaging surface of the signal conversion device at substantially the same magnification, and is telecentric on the output surface side, so that it is formed on the output surface. The image can be re-imaged efficiently in a highly accurate and bright state with reduced distortion and other aberrations on the imaging surface, and even if the image formed on the output surface is weak, it is highly accurate. Can be reliably detected.
本発明の具体的な側面では、検出装置は、微弱な事象を出力面において蛍光像に変換するイメージ増倍装置である。この場合、イメージ増倍装置によって形成された微弱な蛍光像を高精度で確実に検出することができる。 In a specific aspect of the present invention, the detection device is an image intensifier that converts a weak event into a fluorescent image on the output surface. In this case, the weak fluorescent image formed by the image intensifier can be reliably detected with high accuracy.
本発明の別の側面では、上記リレー光学系において、イメージ増倍装置の出力面に対向して設けられ、イメージ増倍装置から出力された蛍光像を、第1蛍光像と第2蛍光像とに分離するとともに、第1蛍光像を信号変換装置に向かう光路に導き、第2蛍光像を信号変換装置を動作させるための撮像タイミングを規定するタイミング設定装置に向かう光路に導くディストリビューターをさらに備える。この場合、ディストリビューターで分岐した第2蛍光像をトリガーとして信号変換装置を動作させることができ、高速の事象を的確に記録することが可能になる。 In another aspect of the present invention, in the relay optical system, a fluorescent image that is provided facing the output surface of the image intensifier and is output from the image intensifier is a first fluorescent image and a second fluorescent image. And a distributor that guides the first fluorescent image to the optical path toward the signal conversion device and guides the second fluorescent image to the optical path toward the timing setting device that defines the imaging timing for operating the signal conversion device. . In this case, the signal converter can be operated using the second fluorescent image branched by the distributor as a trigger, and a high-speed event can be accurately recorded.
本発明のさらに別の側面では、イメージ増倍装置の出力面を構成する蛍光体の分光輝度分布特性に合わせて信号変換装置の撮像面におけるスポット特性を調整した。この場合、イメージ増倍装置の蛍光体に適合した色収差のリレー光学系によって撮像面におけるスポット特性を最適化することができる。 In still another aspect of the present invention, the spot characteristic on the imaging surface of the signal converter is adjusted in accordance with the spectral luminance distribution characteristic of the phosphor constituting the output surface of the image intensifier. In this case, the spot characteristic on the imaging surface can be optimized by a chromatic aberration relay optical system suitable for the phosphor of the image intensifier.
本発明のさらに別の側面では、出力面から順に第1レンズ群と第2レンズ群とを備え、第1レンズ群と第2レンズ群との間隔を調整することによって結像倍率を修正可能である。この場合、この場合、出力面上の像を撮像面上に適正な倍率で結像させることができ、高精度の撮像が可能になる。 In still another aspect of the present invention, the first lens group and the second lens group are provided in order from the output surface, and the imaging magnification can be corrected by adjusting the distance between the first lens group and the second lens group. is there. In this case, in this case, the image on the output surface can be formed on the imaging surface with an appropriate magnification, and high-accuracy imaging is possible.
本発明のさらに別の側面では、第1レンズ群の開口数をNA1とし、第2レンズ群の開口数をNA2とした場合に、以下の条件式(1)
1.15≦NA2/NA1≦1.8 … (1)
を満足する。この条件式(1)の範囲内とすることで、イメージ増倍装置の出力面を信号変換装置の撮像面に略等倍で投射する際の光損失を抑えることができる。
In still another aspect of the present invention, when the numerical aperture of the first lens group is NA1 and the numerical aperture of the second lens group is NA2, the following conditional expression (1)
1.15 ≦ NA2 / NA1 ≦ 1.8 (1)
Satisfied. By setting it within the range of the conditional expression (1), it is possible to suppress light loss when projecting the output surface of the image intensifier on the imaging surface of the signal converter at substantially the same magnification.
本発明のさらに別の側面では、第1レンズ群の焦点距離をf1とし、第2レンズ群の焦点距離をf2とした場合に、以下の条件式(2)
0.5≦f2/f1≦2.0 … (2)
を満足し、より好ましくは
0.5≦f2/f1≦0.9 … (2)'
を満足する。この条件式(2)の範囲内とすることで、イメージ増倍装置の出力面を信号変換装置の撮像面に略等倍で歪を抑えて投射することができる。
In still another aspect of the present invention, when the focal length of the first lens group is f1, and the focal length of the second lens group is f2, the following conditional expression (2)
0.5 ≦ f2 / f1 ≦ 2.0 (2)
Is satisfied, more preferably 0.5 ≦ f2 / f1 ≦ 0.9 (2) ′.
Satisfied. By setting the conditional expression (2) within the range, it is possible to project the output surface of the image intensifier on the image pickup surface of the signal converter with substantially equal magnification while suppressing distortion.
本発明のさらに別の側面では、結像倍率は、結像特性を略維持した状態で±1.5%の範囲で調整される。この場合、リレー光学系を構成する光学素子等の製造誤差を吸収できる仕上の調整が可能になる。 In still another aspect of the present invention, the imaging magnification is adjusted in a range of ± 1.5% while substantially maintaining the imaging characteristics. In this case, it is possible to adjust the finish so that manufacturing errors of the optical elements and the like constituting the relay optical system can be absorbed.
上記課題を解決するため、本発明に係る計測システムは、レーザー光を出力する照明部と、照明部を動作させる照明駆動部と、上述の撮像装置と、照明部と同期して撮像装置を動作させる撮像駆動部とを備える。 In order to solve the above problems, a measurement system according to the present invention operates an imaging device in synchronization with an illumination unit that outputs laser light, an illumination drive unit that operates the illumination unit, the above-described imaging device, and the illumination unit. And an imaging drive unit.
上記計測システムによれば、レーザー光の照射に応答する微弱で受動的な現象を空間的に特定して計測することができる。 According to the measurement system, it is possible to spatially identify and measure a weak and passive phenomenon that responds to laser light irradiation.
〔1.撮像装置の構造等〕
以下、本発明の一実施形態に係る撮像装置の構造等について説明する。図1に示す撮像装置10は、微弱な事象を蛍光像に変換するイメージ増倍装置11と、イメージ増倍装置11からの蛍光像出力(以下、単に蛍光像と表記する)を電気的な画像信号に変換する信号変換装置12と、イメージ増倍装置11の出力面11bにおける蛍光像を信号変換装置12の撮像面12aに投射するリレー光学系13と、リレー光学系13に設けたディストリビューター15により分離された第2蛍光像から信号変換装置12を動作させるための撮像タイミングを規定するタイミング設定装置17とを備える。
[1. Imaging device structure, etc.)
Hereinafter, the structure and the like of an imaging apparatus according to an embodiment of the present invention will be described. An
イメージ増倍装置11は、例えば自然界でランダムに発生する事象、すなわち微弱な電磁波の到来又は光の発生及び消失、或いはそれらの移動等を、蛍光およびその集合体である蛍光像に変換する。つまり、イメージ増倍装置11は、所定波長の電磁波の到来(光電変換部21への電磁波の入射)や移動(主要な成分が光電変換部21とは異なる方向に定義されている電磁波の時間的な変位)を検出し、検出した電磁波の強度分布に対応する蛍光像を出力面11bから出力する。このため、イメージ増倍装置11は、入力段に配置される光電変換部21と、その後段に配置される近接型増倍素子23と、出力段に配置されるファイバーオプティックプレート24とを有する。
The
イメージ増倍装置11において、光電変換部21は、電磁波が到来する入力側に配置され、入射した電磁波を光電変換する光電子変換面21aと、光電子変換面21aから射出される電子を加速しつつ収束させる電極部21bとを有する。近接型増倍素子23は、光電変換部21で加速等された電子を増倍するマイクロチャネルプレート(MCP)であり、MCPを複数段に重ねたものとすることもできる。ファイバーオプティックプレート24は、入力側に設けられて近接型増倍素子23で増倍された電子を蛍光像に変換する蛍光面24aと、蛍光面24aから射出され溶融によって一体化されたファイバ束の一端から入射した蛍光像をそのまま他端から射出する出力面11bとを備える。
In the
なお、光電変換部21に設けた光電子変換面21aは、例えば直径10cmとされ、ファイバーオプティックプレート24に設けた出力面11bは、例えば直径2.5cmとされる。この場合、イメージ増倍装置11の倍率は0.25となる。
The
信号変換装置12は、例えばCMOS型撮像素子である固体撮像素子31と、固体撮像素子31に撮像動作を行わせる駆動回路32とを有し、タイミング設定装置17から出力されるタイミング信号に基づいて固体撮像素子31に撮像動作を行わせることができる。固体撮像素子31は、撮像面12aを有しており、撮像面12aを格子状に分割するように、Y方向にm(例えば12)行で、X方向にn(例えば12)列で、全体としてm行×n列=A(例えば144)チャンネルの局所領域AR1を有する。各局所領域AR1は、単独でCMOS型撮像素子として機能し、2次元的な画像検出がそれぞれ可能になっている。各局所領域AR1は、個別の異なるタイミングで撮像動作を行うことができ、上記のタイミング設定装置17から出力される個別のタイミング信号に基づいて独立して撮像動作を行う。つまり、イメージ増倍装置11の出力面11bは、固体撮像素子31を構成する局所領域AR1によって、仮想的にm行×n列=Aチャンネルに区分して個別に観察可能になっている。
The
リレー光学系13は、光軸OAに沿った光路上流側に配置されるディストリビューター15と、ディストリビューター15よりも光路下流側に配置される本体光学系14とを備える。リレー光学系13は、イメージ増倍装置11の出力面11bの像を、信号変換装置12の撮像面12a上に略等倍で投射する。リレー光学系13は、イメージ増倍装置11の出力面11bすなわち物体側でテレセントリックであり、信号変換装置12の撮像面12aすなわち像側で非テレセントリックである。
The relay
ディストリビューター15は、一種のハーフミラーであるビームスプリットミラー15cを内蔵するプリズムである。ディストリビューター15は、イメージ増倍装置11の出力面11bにおける蛍光像を所定強度の2つの蛍光像すなわち第1及び第2蛍光像に分配する。ディストリビューター15のビームスプリットミラー15cを透過して直進する第1蛍光像の光束は、第1光路OP1に導かれ、本体光学系14を通過して信号変換装置12の撮像面12aに入射する。ディストリビューター15のビームスプリットミラー15cで反射されて折り曲げられた第2蛍光像の光束は、第2光路OP2に導かれ、タイミング設定装置17の光電撮像管41の撮像面41aに入射する。ディストリビューター15は、ビームスプリットミラー15cを透過する光の強度と、透過されずに反射される光の強度とが、α(透過率)対β(反射率)となるように設定されている。具体的には、ディストリビューター15自身の吸収による透過率の低下を考慮しない場合、例えば透過率α=70%、反射率β=30%に設定されている。なお、α/βの比は、信号変換装置12の撮像面12aに入射する第1蛍光像の光束の光量を多くする観点で、1よりも大きくすることが一般に望ましい。
The
本体光学系14は、ディストリビューター15を介してイメージ増倍装置11の出力面11bに対向する第1レンズ群14aと、第1レンズ群14aよりも光路下流側に配置される第2レンズ群14bとを備える。第1レンズ群14aと第2レンズ群14bとの間には、間隔調整部材14cが設けられている。間隔調整部材14cは、第1レンズ群14aと第2レンズ群14bとの間隔を調整することで、リレー光学系13の投射倍率を例えば±1.5%程度の範囲で微調整する。具体的には、第1レンズ群14aの鏡筒と第2レンズ群14bの鏡筒とを互いに接続する際に、接続面間に挿入するシート状の部材(例えば金属製箔)の厚みを変更することで、第1レンズ群14aと第2レンズ群14bとの距離をミクロンオーダーで調整することができ、上記のような倍率調整が可能になる。倍率調整により、ディストリビューター15や本体光学系14を構成する各光学要素の公差又は製造誤差を吸収させることができ、精密な倍率等での結像が可能になると考えられる。
The main
本体光学系14を構成する第1レンズ群14aは、後に詳述するが、物体側から像側への順で、例えば正屈折力のレンズと、物体側に凸の正屈折力のメニスカスレンズと、負屈折力のレンズと、像側に凸の接合レンズと、2つの正屈折力のレンズとで構成される。第2レンズ群14bは、物体側から像側への順で、物体側に凸の接合レンズと、負屈折力のレンズと、正屈折力のレンズと、物体側に凸の正屈折力のレンズとで構成される。
The
本体光学系14を構成する第1レンズ群14aの具体的な焦点距離f1は、例えば50mm〜90mm程度の範囲に設定され、第2レンズ群14bの具体的な焦点距離f2は、例えば16mm〜59mm程度の範囲に設定された。また、第1レンズ群14aの具体的な瞳径は、例えば26mm〜43mm程度の範囲に設定され、第2レンズ群14bの具体的な瞳径は、例えば26mm〜43mm程度の範囲に設定された。
The specific focal length f1 of the
結果的に、第1レンズ群14aの開口数をNA1とし、第2レンズ群14bの開口数14bをNA2とした場合、開口数の比NA2/NA1は、1.15〜1.8程度の範囲内に収まり、特に高性能を達成した本体光学系14では、NA2/NA1が1.15〜1.45程度の範囲内に収まった。つまり、本体光学系14は、以下の条件式(1)
1.15≦NA2/NA1≦1.8 … (1)
を満足する。この条件式(1)の範囲内とすることで、イメージ増倍装置11の出力面11bを信号変換装置12の撮像面12aに略等倍で投射する際の歪及び光損失を抑えることができる。つまり、NA2/NA1が上記のような下限や上限を超えると、本体光学系14の光軸OAに沿った対称性が低下する。具体的には、本体光学系14の集光率を保存するならば、物体面である出力面11bから像面である撮像面12aまでの距離が長くなってしまい、出力面11bから撮像面12aまでの距離を保存するならば、レンズ径が小さくなってしまい、本体光学系14の集光率を下げることになる。
As a result, when the numerical aperture of the
1.15 ≦ NA2 / NA1 ≦ 1.8 (1)
Satisfied. By setting the conditional expression (1) within the range, it is possible to suppress distortion and light loss when the
一方、本体光学系14では、第1レンズ群14aに対する第2レンズ群14bの焦点距離の比f2/f1が0.55〜0.9程度の範囲内に収まり、特に高性能を達成した本体光学系14では、f2/f1が0.7〜0.9程度の範囲内に収まった。ここで、本体光学系14は、仕様の関係上幾分の縮小系になっているが、幾分の拡大系となる場合や厳密な等倍系となる場合も考慮すると、f2/f1の範囲は、その逆数を含めた範囲とすることが考えられる。つまり、本体光学系14は、以下の条件式(2)
0.5≦f2/f1≦2.0 … (2)
を満足し、より好ましくは
0.5≦f2/f1≦0.9 … (2) '
を満足する。以上の条件式(2)の範囲内とすることで、イメージ増倍装置11の出力面11bを信号変換装置12の撮像面12aに略等倍で歪及び光損失を抑えて投射することができる。つまり、f2/f1が上記のような下限や上限を超えると、本体光学系14の光軸OAに沿った対称性が低下する。
On the other hand, in the main body
0.5 ≦ f2 / f1 ≦ 2.0 (2)
Is satisfied, more preferably 0.5 ≦ f2 / f1 ≦ 0.9 (2) ′
Satisfied. By making it within the range of the above conditional expression (2), the
タイミング設定装置17は、ディストリビューター15で反射されることにより第2光路OP2に導かれた第2蛍光像の光束が入射する光電撮像管41と、第2光路OP2に導かれた第2蛍光像を光電撮像管41の撮像面41a上に投射するトリガー用光学系42と、光電撮像管41の検出信号に基づいて動作する論理回路部43と、論理回路部43の出力に基づいて動作する位置/タイミング制御回路44とを備える。タイミング設定装置17は、リレー光学系13のディストリビューター15で分配された第2蛍光像の光束を監視して、信号変換装置12の固体撮像素子31による第1蛍光像の撮影を適切なものとする。
The
光電撮像管41は、マルチアノードフォトマルチプライヤであり、その撮像面41aは、Y方向にm(例えば12)行で、X方向にn(例えば12)列で、全体としてm行×n列=A(例えば144)チャンネルの区分領域AR2を有する。つまり、光電撮像管41は、Aチャンネルの区分領域AR2に対応してメッシュダイノードを有し、第2蛍光像が所定以上の強度で入力されたダイノードのアノードからのみ、撮像面41a上の第2蛍光像を光電変換して得られた電流が出力される。なお、撮像面41a上に第2蛍光像の光束が入射して電流が出力されるまでに要する時間は、1ナノ秒程度である。光電撮像管41は、各アノードから出力された電流に基づいて、いずれの区分領域AR2に第2蛍光像の光束が入射したかを、その現出タイミングとともに特定できるようになっている。つまり、イメージ増倍装置11の出力面11bは、光電撮像管41の撮像面41aを構成する区分領域AR2によって、仮想的にm行×n列=Aチャンネルに区分されて個別に監視可能になっている。なお、このような区分領域AR2に対応するイメージ増倍装置11の出力面11b上の仮想的な区分領域は、固体撮像素子31の局所領域AR1にも対応するものとなっている。ここで、出力面11bのうち微弱な事象が現出した区分領域を現出領域と呼ぶものとする。
The
トリガー用光学系42は、イメージ増倍装置11の出力面11bの像を、光電撮像管41の撮像面41a上に略等倍で投射する。トリガー用光学系42は、明るさを最も重視しており、物体側にも像側にも非テレセントリックである。なお、ディストリビューター15は、トリガー用光学系42の一部にもなっている。
The trigger
論理回路部43は、例えば波高弁別器を備えており、光電撮像管41の各アノードから出力される電流が所定の閾値を超えたか否か、すなわち微弱な事象の現出タイミングを例えば2値的な情報として検出する。具体的には、論理回路部43は、光電撮像管41を構成する任意の行のアノードから出力される電流と、任意の列のアノードから出力される電流とをスレショルドしており、光電撮像管41によって検出した第2蛍光像を、Y方向(m行)とX方向(n列)とのそれぞれに関する位置情報及びタイミング情報に変換する。つまり、光電撮像管41の特定の区分領域AR2に第2蛍光像の光束が入射した場合、論理回路部43は、その時間、位置等に関する情報を出力することにより、イメージ増倍装置11によって検出した微弱な事象について、この事象が現出している時間、位置、移動方向等を求めることを可能にする。
The
位置/タイミング制御回路44は、例えばフィルター、遅延回路等を備えており、論理回路部43から出力された情報、すなわち微弱な事象の現出に関する位置情報及びタイミング情報に基づいて信号変換装置12を動作させる。具体的には、光電撮像管41の区分領域AR2と、固体撮像素子31の局所領域AR1との相関がとられており、位置/タイミング制御回路44は、区分領域AR2のうち第2蛍光像が検出された現出領域に対応する固体撮像素子31の局所領域AR1等において選択的に同期して第1蛍光像の撮像を行わせるべく、信号変換装置12の駆動回路32駆動信号を出力する。つまり、光電撮像管41によって検出された微弱な事象が現出している時間、位置、移動方向等に応じて、信号変換装置12による撮像動作を必要最小限に制限することができるので、イメージ増倍装置11の出力から高速で微弱な事象のみを抽出して高いS/N比で撮像することを可能にする。この際、位置/タイミング制御回路44は、光電撮像管41の出力に基づいて、固体撮像素子31による撮像の露光時間を調整することもできる。
The position /
以上の説明から明らかなように、本実施形態の撮像装置10によれば、イメージ増倍装置11と信号変換装置12との間に配置されるリレー光学系13がイメージ増倍装置11の出力面11b側すなわち物体側でテレセントリックであるので、出力面11bから射出される光束が中心集中性を示す配光分布であることと相まって、出力面11bにおける蛍光像を、撮像面12a上において歪等の収差を低減した高精度な状態かつ明るい状態で再結像させることができ、イメージ増倍装置11によって形成された微弱な蛍光像を高精度で確実に検出することができる。
As is apparent from the above description, according to the
〔2.リレー光学系〕
〔2a.リレー光学系の第1実施例〕
以下、図2を参照して、第1実施例のリレー光学系13の具体的なレンズ構成等について説明する。第1実施例のリレー光学系13は、入射側のディストリビューター15と、全体として正の屈折力を有する第1レンズ群14aと、全体として正の屈折力を有する第2レンズ群14bと、出射側のプリズム部14dとを備える。ディストリビューター15と、第1レンズ群14aと、第2レンズ群14bと、プリズム部14dとは、イメージ増倍装置11のある物体側から信号変換装置12のある像側に向けて光軸OAに沿って順に設けられている。これらのうち、第1及び第2レンズ群14a,14bとプリズム部14dとは、本体光学系14を構成している。
[2. Relay optical system)
[2a. First Example of Relay Optical System]
Hereinafter, a specific lens configuration and the like of the relay
以下、リレー光学系13の具体的なレンズ構成等について説明する。まず、ディストリビューター15は、厚い平行平板と同様に機能する。また、第1レンズ群14aは、物体側から順に、第1レンズL1と、第2レンズL2と、第3レンズL3と、第4レンズL4と、第5レンズL5と、第6レンズL6と、第7レンズL7とで構成される。第2レンズ群14bは、物体側から順に、第8レンズL8と、第9レンズL9と、第10レンズL10と、第11レンズL11と、第12レンズL12とで構成される。プリズム部14dは、厚い平行平板と同様に機能する。なお、第1レンズ群14aにおいて、第6レンズL6と第7レンズL7との間には、絞りSTが配置されている。
Hereinafter, a specific lens configuration and the like of the relay
リレー光学系13の第1レンズ群14aにおいて、第1レンズL1は、両凸レンズである。また、第2レンズL2は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第3レンズL3は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第4レンズL4は、両凹レンズである。第5レンズL5は、両凸レンズであり、入射側で第4レンズL4に接合されており、第4レンズL4とともに接合レンズを構成している。第6レンズL6は、入射側が凹で出射側が凸のメニスカスレンズである。第7レンズL7は、両凸レンズである。
In the
リレー光学系13の第2レンズ群14bにおいて、第8レンズL8は、両凸レンズである。また、第9レンズL9は、両凹レンズであり、入射側で第8レンズL8に接合されており、第8レンズL8とともに接合レンズを構成している。第10レンズL10は、両凹レンズである。第11レンズL11は、両凸レンズである。第12レンズL12は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。
In the
表1に、第1実施例のリレー光学系13のレンズデータ等を示す。この表1の上欄において、「面番号」は、出力面(OBJ)11b側から順に各レンズの面に付した番号である。また、「RDY」は、曲率半径を示し、「THI」は、次の面との間のレンズ厚み或いは空気空間を表している。さらに、「材質」は、レンズ材料(記号は、株式会社オハラの硝種名)を示し、「光線有効径」は、レンズを通る光束の最大径を意味する。
表2に、第1実施例のリレー光学系13の近軸諸量を示す。表2の列を構成する3区分は、低倍率(−1.5%)、標準倍率、高倍率(+1.5%)の場合をそれぞれ示している。
図2に示す第1実施例のリレー光学系13の設計に際しては、物体側でテレセントリックとなるようにして、イメージ増倍装置11の出力面11bの蛍光像が信号変換装置12の撮像面12a上に少ない収差で投射されるようにしている。リレー光学系13による投射倍率は、厳密には等倍でないが、出力面11bと撮像面41aとが1対1で対応するように配慮している。以上のようにリレー光学系13を物体側でテレセントリックとすることにより、撮像面41a上に結像される蛍光像が歪みやボケの少ないものとなる。ただし、撮像面41a上に結像される蛍光像の輝度を確保するため、リレー光学系13を像側で非テレセントリックとしている。なお、出力面11bから射出される光束は、中心集中性の配光分布又は角度分布を示すため、出力面11bの蛍光像を物体側でテレセントリックなリレー光学系13に比較的高率良く取り込める。
In designing the relay
リレー光学系13の結果的な仕様は、共役長が250mmとなっており、投射倍率が18/25倍であり、物体側NAが0.24であり、解像度(スポットRMS直径)が14μmであり、ディストーションが0.1%であり、波長重み付きの積分値としての透過率が72%であり、±1.5%の倍率調整を可能にしている。なお、第1レンズ群14aと第2レンズ群14bの開口数の比NA2/NA1は、1.37となっており、第1レンズ群14aと第2レンズ群14bの焦点距離の比は、0.74となっている。
The resulting specification of the relay
図3は、リレー光学系13の仕様決定に利用した入射光特性を説明するためのグラフであり、イメージ増倍装置11の蛍光面24aを構成する蛍光体の分光輝度分布を示している。図2に示すリレー光学系13は、蛍光体P47を使用することを前提として設計されている。具体的には、以下の表3に示すように、蛍光体P47の分光輝度分布を細かく読み取るとともに複数のバンドに分割し、各バンド毎に重心波長を求めた(表3参照)。
図4(A)は、低倍率(−1.5%)にした場合における第1実施例のリレー光学系の諸収差(球面収差と非点収差と歪みと)を示しており、図4(B)は、標準倍率(±0%)にした場合における諸収差(球面収差と非点収差と歪みと)を示しており、図5は、高倍率(+1.5%)にした場合における諸収差(球面収差と非点収差と歪みと)を示している。 FIG. 4A shows various aberrations (spherical aberration, astigmatism, and distortion) of the relay optical system of Example 1 when the magnification is low (−1.5%). B) shows various aberrations (spherical aberration, astigmatism and distortion) at the standard magnification (± 0%), and FIG. 5 shows various aberrations at the high magnification (+ 1.5%). Aberrations (spherical aberration, astigmatism and distortion) are shown.
図6(A)及び6(B)は、第1実施例のリレー光学系の低倍率(−1.5%)にした場合における横収差を示しており、図7(A)及び7(B)は、標準倍率(±0%)にした場合における横収差を示しており、図8(A)及び8(B)は、高倍率(+1.5%)にした場合における横収差を示している。 FIGS. 6 (A) and 6 (B) show lateral aberrations when the relay optical system of the first example has a low magnification (−1.5%), and FIGS. 7 (A) and 7 (B). ) Shows the lateral aberration when the standard magnification (± 0%) is used, and FIGS. 8A and 8B show the lateral aberration when the magnification is high (+ 1.5%). Yes.
図9(A)〜9(C)は、第1実施例のリレー光学系の低倍率(−1.5%)、標準倍率、高倍率(+1.5%)におけるスポットダイアグラムを示す。以下の表4は、標準倍率でのRMSスポット直径を示している。
図10(A)及び10(B)は、低倍率(−1.5%)にした場合における第1実施例のエンサークルドエネルギーダイアグラム(encircled energy diagram)を示しており、図11(A)及び11(B)は、標準倍率(±0%)にした場合におけるエンサークルドエネルギーダイアグラムを示しており、図12(A)及び12(B)は、高倍率(+1.5%)にした場合におけるエンサークルドエネルギーダイアグラムを示している。各倍率のスポットにおいて、横軸の半径が増大した場合に滑らかにエネルギー分布が減少していることが分かり、第1実施例のリレー光学系によって信号変換装置12の撮像面12a上に回折等によるボケの少ないシャープな蛍光像が投射されていることが分かる。
10 (A) and 10 (B) show an encircled energy diagram of the first example when the magnification is low (−1.5%). FIG. 11 (A) And 11 (B) show the encircled energy diagram when the standard magnification (± 0%) is used, and FIGS. 12 (A) and 12 (B) show the high magnification (+ 1.5%). The encircled energy diagram in the case is shown. It can be seen that the energy distribution smoothly decreases when the abscissa radius increases at each magnification spot. The relay optical system of the first embodiment causes diffraction or the like on the
〔2b.リレー光学系の第2実施例〕
以下、図13を参照して、第2実施例のリレー光学系13の具体的なレンズ構成等について説明する。第2実施例のリレー光学系13は、物体側から順に、入射側のディストリビューター15と、全体として正の屈折力を有する第1レンズ群14aと、全体として正の屈折力を有する第2レンズ群14bと、出射側のプリズム部14dとを備える。
[2b. Second embodiment of relay optical system]
Hereinafter, a specific lens configuration and the like of the relay
以下、リレー光学系13の具体的なレンズ構成等について説明する。第1レンズ群14aは、物体側から順に、第1レンズL1と、第2レンズL2と、第3レンズL3と、第4レンズL4と、第5レンズL5と、第6レンズL6と、第7レンズL7とで構成される。第2レンズ群14bは、物体側から順に、第8レンズL8と、第9レンズL9と、第10レンズL10と、第11レンズL11と、第12レンズL12とで構成される。図示のリレー光学系13において、物体側のディストリビューター15と、像側のプリズム部14dとは、厚い平行平板と同様に機能する。なお、第1レンズ群14aにおいて、第6レンズL6と第7レンズL7との間には、絞りSTが配置されている。
Hereinafter, a specific lens configuration and the like of the relay
リレー光学系13の第1レンズ群14aにおいて、第1レンズL1は、両凸レンズである。また、第2レンズL2は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第3レンズL3は、両凹レンズである。第4レンズL4は、両凹レンズである。第5レンズL5は、両凸レンズであり、入射側で第4レンズL4に接合されており、第4レンズL4とともに接合レンズを構成している。第6レンズL6は、入射側が凹で出射側が凸のメニスカスレンズである。第7レンズL7は、両凸レンズである。
In the
リレー光学系13の第2レンズ群14bにおいて、第8レンズL8は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。また、第9レンズL9は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズであり、入射側で第8レンズL8に接合されており、第8レンズL8とともに接合レンズを構成している。第10レンズL10は、両凹レンズである。第11レンズL11は、両凸レンズである。第12レンズL12は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。
In the
表5に、第2実施例のリレー光学系13のレンズデータ等を示す。この表5の上欄において、「面番号」は、出力面(OBJ)11b側から順に各レンズの面に付した番号である。また、「RDY」は、曲率半径を示し、「THI」は、次の面との間のレンズ厚み或いは空気空間を表している。さらに、「材質」は、レンズ材料を示し、「光線有効半径」は、レンズを通る光束の最大半径を意味する。
図13に示す第2実施例のリレー光学系13の設計に際しては、物体側でテレセントリックとなるようにして、イメージ増倍装置11の出力面11bの蛍光像が信号変換装置12の撮像面12a上に少ない収差で投射されるようにしている。ただし、撮像面41a上に結像される蛍光像の輝度を確保するため、リレー光学系13を像側で非テレセントリックとしている。なお、出力面11bから射出される光束は、中心集中性の配光分布又は角度分布を示すため、出力面11bの蛍光像を物体側でテレセントリックなリレー光学系13に比較的高率良く取り込める。
In designing the relay
第2実施例のリレー光学系13の場合、第1レンズ群14aと第2レンズ群14bの開口数の比NA2/NA1は、1.30となっており、第1レンズ群14aと第2レンズ群14bの焦点距離の比f2/f1は、0.77となっている。
In the case of the relay
〔2c.リレー光学系の第3実施例〕
以下、図14を参照して、第3実施例のリレー光学系13の具体的なレンズ構成等について説明する。第3実施例のリレー光学系13は、物体側から順に、入射側のディストリビューター15と、全体として正の屈折力を有する第1レンズ群14aと、全体として正の屈折力を有する第2レンズ群14bと、出射側のプリズム部14dとを備える。
[2c. Third embodiment of relay optical system]
Hereinafter, a specific lens configuration and the like of the relay
以下、リレー光学系13の具体的なレンズ構成等について説明する。第1レンズ群14aは、物体側から順に、第1レンズL1と、第2レンズL2と、第3レンズL3と、第4レンズL4と、第5レンズL5と、第6レンズL6と、第7レンズL7とで構成される。第2レンズ群14bは、物体側から順に、第8レンズL8と、第9レンズL9と、第10レンズL10と、第11レンズL11と、第12レンズL12とで構成される。図示のリレー光学系13において、物体側のディストリビューター15と、像側のプリズム部14dとは、厚い平行平板と同様に機能する。なお、第1レンズ群14aにおいて、第6レンズL6と第7レンズL7との間には、絞りSTが配置されている。
Hereinafter, a specific lens configuration and the like of the relay
リレー光学系13の第1レンズ群14aにおいて、第1レンズL1は、両凸レンズである。また、第2レンズL2は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第3レンズL3は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第4レンズL4は、両凹レンズである。第5レンズL5は、両凸レンズであり、入射側で第4レンズL4に接合されており、第4レンズL4とともに接合レンズを構成している。第6レンズL6は、入射側が凹で出射側が凸のメニスカスレンズである。第7レンズL7は、両凸レンズである。
In the
リレー光学系13の第2レンズ群14bにおいて、第8レンズL8は、両凸レンズである。また、第9レンズL9は、両凹レンズであり、入射側で第8レンズL8に接合されており、第8レンズL8とともに接合レンズを構成している。第10レンズL10は、両凹レンズである。第11レンズL11は、両凸レンズである。第12レンズL12は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。
In the
表6に、第3実施例のリレー光学系13のレンズデータ等を示す。この表6の上欄において、「面番号」は、出力面(OBJ)11b側から順に各レンズの面に付した番号である。また、「RDY」は、曲率半径を示し、「THI」は、次の面との間のレンズ厚み或いは空気空間を表している。さらに、「材質」は、レンズ材料を示し、「光線有効半径」は、レンズを通る光束の最大半径を意味する。
図14に示す第3実施例のリレー光学系13の設計に際しては、物体側でテレセントリックとなるようにして、イメージ増倍装置11の出力面11bの蛍光像が信号変換装置12の撮像面12a上に少ない収差で投射されるようにしている。ただし、撮像面41a上に結像される蛍光像の輝度を確保するため、リレー光学系13を像側で非テレセントリックとしている。なお、出力面11bから射出される光束は、中心集中性の配光分布又は角度分布を示すため、出力面11bの蛍光像を物体側でテレセントリックなリレー光学系13に比較的高率良く取り込める。
When designing the relay
第3実施例のリレー光学系13の場合、第1レンズ群14aと第2レンズ群14bの開口数の比NA2/NA1は、1.40となっており、第1レンズ群14aと第2レンズ群14bの焦点距離の比f2/f1は、0.72となっている。
In the case of the relay
〔2d.リレー光学系の第4実施例〕
以下、図15を参照して、第4実施例のリレー光学系13の具体的なレンズ構成等について説明する。第4実施例のリレー光学系13は、物体側から順に、ディストリビューター15と、第1レンズ群14aと、第2レンズ群14bと、プリズム部14dと、第3レンズ群114aと、ミラー13rと、第4レンズ群114bとを備える。
[2d. Fourth embodiment of relay optical system]
Hereinafter, a specific lens configuration and the like of the relay
以下、リレー光学系13の具体的なレンズ構成等について説明する。第1レンズ群14aは、物体側から順に、第1レンズL1と、第2レンズL2と、第3レンズL3と、第4レンズL4と、第5レンズL5と、第6レンズL6と、第7レンズL7とで構成される。第2レンズ群14bは、物体側から順に、第8レンズL8と、第9レンズL9と、第10レンズL10と、第11レンズL11と、第12レンズL12とで構成される。第3レンズ群114aは、物体側から順に、第13レンズL13と、第14レンズL14と、第15レンズL15と、第16レンズL16とで構成される。第4レンズ群114bは、物体側から順に、第17レンズL17と、第18レンズL18と、第19レンズL19と、第20レンズL20と、第21レンズL21と、第22レンズL22と、第23レンズL23と、第24レンズL24と、第25レンズL25と、第26レンズL26とで構成される。図示のリレー光学系13において、物体側のディストリビューター15と、中間位置のプリズム部14dとは、厚い平行平板と同様に機能する。なお、第4レンズ群114bにおいて、第20レンズL20と第21レンズL21との間には、絞りSTが配置されている。
Hereinafter, a specific lens configuration and the like of the relay
リレー光学系13の第1レンズ群14aにおいて、第1レンズL1は、両凸レンズである。また、第2レンズL2は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第3レンズL3は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第4レンズL4は、両凹レンズである。第5レンズL5は、両凸レンズであり、入射側で第4レンズL4に接合されており、第4レンズL4とともに接合レンズを構成している。第6レンズL6は、入射側が凹で出射側が凸のメニスカスレンズである。第7レンズL7は、両凸レンズである。
In the
第2レンズ群14bにおいて、第8レンズL8は、両凸レンズである。また、第9レンズL9は、両凹レンズであり、入射側で第8レンズL8に接合されており、第8レンズL8とともに接合レンズを構成している。第10レンズL10は、両凹レンズである。第11レンズL11は、両凸レンズである。第12レンズL12は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。
In the
第3レンズ群114aにおいて、第13レンズL13は、両凹レンズである。また、第14レンズL14は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズであり、入射側で第13レンズL13に接合されており、第13レンズL13とともに接合レンズを構成している。第15レンズL15は、入射側が凹で出射側が凸のメニスカスレンズである。第16レンズL16は、両凸レンズである。
In the
第4レンズ群114bにおいて、第17レンズL17は、両凹レンズである。また、第18レンズL18は、両凹レンズである。第19レンズL19は、両凸レンズであり、入射側で第18レンズL18に接合されており、第18レンズL18とともに接合レンズを構成している。第20レンズL20は、両凸レンズである。第21レンズL21は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第22レンズL22は、両凸レンズである。第23レンズL23は、両凹レンズであり、入射側で第22レンズL22に接合されており、第22レンズL22とともに接合レンズを構成している。第24レンズL24は、両凹レンズである。第25レンズL25は、入射側が凹で出射側が凸のメニスカスレンズである。第26レンズL26は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。
In the
表7に、第4実施例のリレー光学系13のレンズデータ等を示す。この表7の上欄において、「面番号」は、出力面(OBJ)11b側から順に各レンズの面に付した番号である。また、「RDY」は、曲率半径を示し、「THI」は、次の面との間のレンズ厚み或いは空気空間を表している。さらに、「材質」は、レンズ材料を示し、「光線有効半径」は、レンズを通る光束の最大半径を意味する。
図15に示す第4実施例のリレー光学系13の設計に際しては、物体側でテレセントリックとなるようにして、イメージ増倍装置11の出力面11bの蛍光像が信号変換装置12の撮像面12a上に少ない収差で投射されるようにしている。ただし、撮像面41a上に結像される蛍光像の輝度を確保するため、リレー光学系13を像側で非テレセントリックとしている。なお、出力面11bから射出される光束は、中心集中性の配光分布又は角度分布を示すため、出力面11bの蛍光像を物体側でテレセントリックなリレー光学系13に比較的高率良く取り込める。
In designing the relay
第4実施例のリレー光学系13の場合、第1レンズ群14aと第2レンズ群14bの開口数の比NA2/NA1は、1.15となっており、第1レンズ群14aと第2レンズ群14bの焦点距離の比f2/f1は、0.87となっている。
In the relay
以下の表8は、第1〜第4実施例等に関して、第1レンズ群14aと第2レンズ群14bとについて、焦点距離の比f2/f1と開口数の比NA2/NA1とをまとめたものである。なお、表9中の第5〜第8実施例については、具体的なレンズ構成の説明を省略したが、第1〜第4実施例と類似するレンズ構成を有する。
〔3.計測システムの構造等〕
以下、図16を参照して、本発明の一実施形態に係る計測システムの構造等について説明する。
[3. Measurement system structure etc.)
Hereinafter, the structure and the like of the measurement system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
この計測システム100は、レーザー光を出力する照明部81と、照明部81を動作させる照明駆動部82と、計測対象からの電磁波を集光して結像させる結像光学系83と、照明部81の動作を制御する照明制御部85と、結像光学系83によって集光された電磁波を撮影する撮像装置10と、撮像装置10に付随する可視化・記憶装置84とを備える。
The
照明部81は、照明用のレーザー光を発生するパルスレーザーを有するレーザー光源81aと、レーザー光を2次元的に走査する2つのポリゴンミラーを有する照射光学系81bとを備える。なお、照射光学系81bには、ポリゴンミラーを回転させるためのモーター81dが付随して設けられており、モーター81dには、モーター81dの回転角を検出するエンコーダー81eが付随して設けられている。
The
照明駆動部82は、レーザー光源81aをパルス発光させるトリガー回路等を有しており、制御部85からの参照信号に基づいてレーザー光源81aから射出させる照明用のレーザー光の射出タイミングを調整する。
The
照明部81等に付随する照明制御部85は、照明駆動部82の動作を制御しており、照明駆動部82のトリガー回路に参照信号を出力するパルスジェネレーター等を有する。また、照明制御部85は、パルスジェネレーターからの参照信号に基づいて、照明部81に設けたエンコーダー81eを監視しつつモーター81dの動作を制御しており、照明駆動部82を介して照明部81にレーザー光の走査を行わせている。
The
撮像装置10は、計測対象からの電磁波を結像光学系83を介して撮影するものであるが、図1等に示した構造を有しており、詳細な説明は省略する。
The
可視化・記憶装置84は、撮像装置10の信号変換装置12から不定期に出力される画像信号をその強度等に応じて可視化したデータに変換するとともに、このように可視化したデータを随時記憶装置に保管する。また、可視化・記憶装置84は、撮像装置10の動作状態を制御しており、結像光学系83を介して撮像装置10によって撮影すべき対象の撮影方向等を調整する。なお、撮像装置10による撮像領域は、照明部81によるレーザー光の照射範囲をカバーするものとなっている。
The visualization /
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。 Although the present invention has been described based on the above embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. Such modifications are also possible.
すなわち、イメージ増倍装置11の構成は、図1に例示するものに限らず、様々なものとすることができる。
That is, the configuration of the
また、信号変換装置12を構成する固体撮像素子31としては、CMOS型撮像素子に限らず、CCD型撮像素子を用いることができる。CCD型撮像素子を用いる場合、そのシャッター機能を活用することができる。
Further, the solid-
タイミング設定装置17を構成する光電撮像管41、トリガー用光学系42、論理回路部43、制御回路44等も単なる例示であり、様々な変形が可能である。例えば、光電撮像管41は、ハイブリッド光検出器とすることができる。ハイブリッド光検出器とは、真空管中にCCD、CMOSといったシリコン多画素センサーを封入したものであり、光電撮像管のように真空管表面で光電子への変換を行い、その光電子を真空中の静電レンズで伝播させ、直接シリコン多画素センサーに入射させることで光検出信号を得るものである。
The
上記計測システム100において、照明部81の動作と撮像装置10の動作とを統括的に制御する制御部を設けることができる。このような制御部により、撮像装置10による観察方向と、照明部81によるレーザー光の照射方向とを一致させて正確な関連付けを行うことができ、また、撮像装置10による観察タイミングと、照明部81によるレーザー光のタイミングとの差すなわち遅延を検出することもできる。
In the
上記実施形態の撮像装置10は、その仕様を適宜修正することにより、各種用途、例えば検査、監視、医療等の各種分野に適用可能である。
The
AR1…局所領域、 AR2…区分領域、 L1〜L12…レンズ、 OA…光軸、 OP1…光路、 OP2…光路、 10…撮像装置、 11…イメージ増倍装置、 11b…出力面、 12…信号変換装置、 12a…撮像面、 13…リレー光学系、 14…本体光学系、 14a,14b…第1及び第2レンズ群、 14c…間隔調整部材、 14d…プリズム部、 15…ディストリビューター、 15c…ビームスプリットミラー、 17…タイミング設定装置、 21…光電変換部、 21a…光電子変換面、 21b…電極部、 23…近接型増倍素子、 24…ファイバーオプティックプレート、 24a…蛍光面、 31…固体撮像素子、 32…駆動回路、 41…光電撮像管、 41a…撮像面、 42…トリガー用光学系 43…論理回路部、 44…タイミング制御回路、 44…制御回路
AR1 ... local region, AR2 ... segmented region, L1 to L12 ... lens, OA ... optical axis, OP1 ... optical path, OP2 ... optical path, 10 ... imaging device, 11 ... image intensifier, 11b ... output surface, 12 ... signal conversion Device: 12a ... Imaging surface, 13 ... Relay optical system, 14 ... Main body optical system, 14a, 14b ... First and second lens groups, 14c ... Spacing adjustment member, 14d ... Prism section, 15 ... Distributor, 15c ... Beam Split mirror, 17 ... Timing setting device, 21 ... Photoelectric conversion unit, 21a ... Photoelectron conversion surface, 21b ... Electrode unit, 23 ... Proximity multiplier, 24 ... Fiber optic plate, 24a ... Phosphor screen, 31 ... Solid-
Claims (17)
前記イメージ増倍装置から出力された蛍光像を電気的な画像信号に変換する信号変換装置と、
前記イメージ増倍装置の出力面における前記蛍光像を前記信号変換装置の撮像面に投射するともに、前記出力面側でテレセントリックであるリレー光学系と
を備える撮像装置。 An image intensifier that converts weak events into fluorescent images;
A signal converter for converting the fluorescent image output from the image intensifier into an electrical image signal;
An imaging apparatus comprising a relay optical system that projects the fluorescent image on the output surface of the image intensifier on the imaging surface of the signal converter and is telecentric on the output surface side.
前記ディストリビューターにより分離された前記第2蛍光像から前記信号変換装置を動作させるための撮像タイミングを規定するタイミング設定装置をさらに備える、請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の撮像装置。 The relay optical system is provided to face the output surface of the image intensifier and separates the fluorescent image output from the image intensifier into a first fluorescent image and a second fluorescent image. A distributor for guiding the first fluorescent image to an optical path toward the signal converter,
4. The apparatus according to claim 1, further comprising a timing setting device that defines an imaging timing for operating the signal converter from the second fluorescent image separated by the distributor. 5. Imaging device.
前記検出装置の出力面に形成された像を前記信号変換装置の撮像面に略等倍で投射するともに、前記対象像側でテレセントリックであるリレー光学系。 A relay optical system incorporated in an imaging device having a signal conversion device that converts an image formed on the output surface of the detection device into an electrical image signal,
A relay optical system that projects an image formed on the output surface of the detection device onto the imaging surface of the signal conversion device at substantially the same magnification and is telecentric on the target image side.
1.15≦NA2/NA1≦1.8 … (1)
を満足する、請求項13に記載のリレー光学系。 When the numerical aperture of the first lens group is NA1 and the numerical aperture of the second lens group is NA2, the following conditional expression (1)
1.15 ≦ NA2 / NA1 ≦ 1.8 (1)
The relay optical system according to claim 13, wherein:
0.5≦f2/f1≦2.0 … (2)
を満足する、請求項13に記載のリレー光学系。 When the focal length of the first lens group is f1, and the focal length of the second lens group is f2, the following conditional expression (2)
0.5 ≦ f2 / f1 ≦ 2.0 (2)
The relay optical system according to claim 13, wherein:
前記照明部を動作させる照明駆動部と、
請求項1から請求項8までのいずれか一項に記載の撮像装置と、
前記照明部と同期して前記撮像装置を動作させる撮像駆動部と
を備える計測システム。 An illumination unit that outputs laser light;
An illumination driving unit for operating the illumination unit;
The imaging device according to any one of claims 1 to 8,
A measurement system comprising: an imaging drive unit that operates the imaging device in synchronization with the illumination unit.
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