JP2015225215A - Optical system and image measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、同軸落射照明を備える光学系及び画像測定装置に関する。 The present invention relates to an optical system and an image measurement apparatus that include coaxial epi-illumination.
近年、画像処理技術の発展を背景に、多彩な画像測定装置が商品化されている。ワーク(測定対象物)も多様化、複雑化が進み、比較的大きく、厚みのある機械部品、刃工具、電子部品なども画像測定装置にて測定したいというニーズがある。このようなニーズに応えるべく、物体視野が広く、厚く段差のあるワークを測定できるような焦点深度が深く、テレセントリシティ(軸外光束の主光線と光軸の平行度)がよく補正された光学系として、例えば、図9に示したような両側テレセントリック対物レンズが提案されている(詳細は例えば特許文献1を参照。)。
In recent years, various image measuring apparatuses have been commercialized against the background of development of image processing technology. The work (measuring object) has also been diversified and complicated, and there is a need to measure relatively large and thick mechanical parts, blade tools, electronic parts, and the like with an image measuring apparatus. In order to meet these needs, the object has a wide field of view, a depth of focus that enables measurement of thick and stepped workpieces, and telecentricity (parallelism between the principal ray of the off-axis light beam and the optical axis) is well corrected. As an optical system, for example, a double-sided telecentric objective lens as shown in FIG. 9 has been proposed (see, for example,
このような光学系を利用して同軸落射照明光学系を構築する場合、レンズ前群GFとレンズ後郡GRの間の平行光束部分(d8)にビームスプリッタを挿入するのが通常である。しかし、光学系の倍率が低い場合には、フレア光が発生し易くなるところ、平行光束部分(d8)にビームスプリッタを挿入した場合には、レンズL1〜L5までの表面反射光がフレアになって観察像の品質を低下させる。 When building a coaxial incident illumination optical system using such an optical system, the parallel light beam portion between the front group lenses G F and the lens rear gun G R (d 8) to insert a beam splitter in the usual is there. However, when the magnification of the optical system is low, flare light is likely to be generated. However, when a beam splitter is inserted into the parallel light beam portion (d 8 ), the surface reflected light from the lenses L 1 to L 5 is not reflected. It becomes flare and deteriorates the quality of the observed image.
フレアを最も低減することができるのは、図9において接合レンズG1の左にビームスプリッタを挿入する構成であるが、この構成では作動距離が短くなるという不都合が生じる。 The can best reduce flare is a structure for inserting the beam splitter to the left of the cemented lens G 1 in FIG. 9, resulting a disadvantage that the working distance in this configuration is shortened.
そこで、接合レンズG1とレンズ群G2との間(d3)にビームスプリッタBSを挿入するのに十分な距離を確保して、フレアを抑制するべくこの位置(d3)に、図9中に破線で示したように、ビームスプリッタBSを配置することが考えられる。このような構成によれば、フレアに寄与する表面反射光は、レンズL1及びL2によるもののみとなるので、作動距離を確保しながらフレアを低減することができる。 Therefore, a sufficient distance for inserting the beam splitter BS between the cemented lens G 1 and the lens group G 2 (d 3 ) is secured, and this position (d 3 ) is set to this position (d 3 ) to suppress flare. It is conceivable to arrange the beam splitter BS as indicated by a broken line inside. According to such a configuration, the surface reflected light contributing to the flare is only due to the lenses L 1 and L 2, so that the flare can be reduced while ensuring the working distance.
しかし、このような平行光束でない部分にビームスプリッタBSを挿入する構成では、図10に示したように、ビームスプリッタBSの裏面での反射と厚みが、二重像や収差が発生する要因となることがある。 However, in the configuration in which the beam splitter BS is inserted in such a portion that is not a parallel light beam, the reflection and the thickness on the back surface of the beam splitter BS cause double images and aberrations as shown in FIG. Sometimes.
本発明の目的は、非平行光束部分にビームスプリッタを挿入することによる二重像や収差の発生を抑制できる同軸照明を備えた光学系を提供することである。 An object of the present invention is to provide an optical system provided with a coaxial illumination that can suppress the generation of double images and aberrations by inserting a beam splitter into a non-parallel light beam portion.
(1)本発明の光学系は、拡散光線を出射する光源部と、光源部からの拡散光線を反射する薄膜フィルムと、薄膜フィルムにより反射された光を平行光として照射する第1レンズ群とを備える。このような構成により、フレアを防ぎ、作動距離を確保しながら、平行光束ではない部分にビームスプリッタを挿入ことによる二重像の発生を防ぐことができる。 (1) The optical system of the present invention includes a light source unit that emits diffused light, a thin film that reflects diffused light from the light source, and a first lens group that irradiates light reflected by the thin film as parallel light. Is provided. With such a configuration, it is possible to prevent generation of a double image due to insertion of a beam splitter in a portion that is not a parallel light flux while preventing flare and ensuring a working distance.
(2)本発明では、光源部と薄膜フィルムとの間に配され、光源部が出射する拡散光の光束の一部における光量を他の部分における光量より減少させるフィルタをさらに備えるとよい。(3)フィルタは、例えば、光源からの光の一部を拡散する拡散フィルタとするとよい。(4)他の例としては、フィルタを光学濃度が連続的に変化するコーティングを施したフィルタとしてもよい。(5)フィルタは欠円形に形成するとよく、(6)例えば、欠円形に形成してもよい。このようなフィルタを備える構成により、フレアを抑え、作動距離を確保した上で、照度に斑の少ない同軸落射照明を実現することができる。 (2) In this invention, it is good to further provide the filter which is distribute | arranged between the light source part and the thin film film, and reduces the light quantity in one part of the light beam of the diffused light which a light source part radiate | emits from the light quantity in another part. (3) The filter may be a diffusion filter that diffuses part of light from the light source, for example. (4) As another example, the filter may be a filter provided with a coating whose optical density continuously changes. (5) The filter may be formed in an oval shape. (6) For example, the filter may be formed in an oval shape. With the configuration including such a filter, it is possible to realize coaxial epi-illumination with less unevenness in illuminance while suppressing flare and ensuring a working distance.
(7)本発明では、第1レンズ群は、他のレンズ群とともに両側テレセントリック光学系を構成するとよく、この場合、両側テレセントリック光学系において第1レンズ群は測定対象物(ワーク)に最も近い位置に配置されるレンズ群とするとよい。このような構成により、フレアを抑え、作動距離を確保した上で、照度に斑の少ない同軸落射照明を両側テレセントリック光学系に導入することができる。 (7) In the present invention, the first lens group may constitute a double-sided telecentric optical system together with other lens groups. In this case, in the double-sided telecentric optical system, the first lens group is closest to the measurement object (workpiece). It is good to use a lens group arranged in With such a configuration, it is possible to introduce coaxial epi-illumination with less unevenness in illuminance into a bilateral telecentric optical system while suppressing flare and ensuring a working distance.
(8)本発明の画像測定装置は、上述のいずれかの光学系と、測定対象物を配置するステージと、光学系により結像された測定対象物の像を撮像する撮像素子とを備える。このような構成により、フレアを抑え、作動距離も確保した上で、同軸照明を備えた画像測定装置を提供することができる。 (8) An image measurement apparatus according to the present invention includes any one of the optical systems described above, a stage on which a measurement object is arranged, and an imaging element that captures an image of the measurement object formed by the optical system. With such a configuration, it is possible to provide an image measuring apparatus including coaxial illumination while suppressing flare and ensuring a working distance.
〔第1実施形態〕
以下、本発明の第1実施形態を図面に基づいて説明する。
[First Embodiment]
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, a first embodiment of the invention will be described with reference to the drawings.
図1は、第1実施形態に係る光学系が組み込まれた画像測定装置1の構成を示す斜視図である。画像測定装置1は、ステージ100と、筐体110と、コンピュータシステム140とを備える。
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an
ステージ100は、その上面が水平面と一致するように配置され、当該上面にワーク(測定対象物)Wが載置される。ステージ100は、ハンドル101及び102の回転操作により、X軸方向及びY軸方向に移動可能とされる。筐体110は、光学系120と撮像素子130を内包するとともに、ハンドル112の回転操作により筐体110自身を光学系120及び撮像素子130とともにZ軸方向に移動可能とする。
The
図2は、筐体110に内包される光学系120と撮像素子130の構成を示す。光学系120は、ステージ100上に載置されたワークWに照明光を照射するとともに、ワークWの像を撮像素子130の受光面に結像する。図2に示したように、光学系120は、全体として正の屈折率を持つ前群GF及び全体として正の屈折率を持つ後群GRを備えるレンズ群Gと、光源部122、薄膜フィルム128とを備える。
FIG. 2 shows a configuration of the
レンズ群Gにおいて各レンズは、前群GFの後側焦点と後群GRの前側焦点とが一致するように配置される。すなわち、レンズ群Gを備える光学系120は、両側テレセントリック光学系を構成する。
Each lens in the lens group G includes a front focal point of the rear focal and the rear group G R a front group G F are arranged to coincide. That is, the
前群GFは、第1群G1と第2群G2とからなる。第1群G1は、凸レンズL1および凹レンズL2の接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ。第2群G2は、物体側より近い順に凸レンズL3および凹レンズL4の接合レンズと凹レンズL5とからなり、全体として正の屈折力をもつ。 Front group G F comprises a first group G 1 and second group G 2 Prefecture. The first group G 1 is composed of a cemented lens convex L 1 and a concave lens L 2, having a positive refractive power as a whole. The second group G 2 is composed of a cemented lens and a concave lens L 5 Metropolitan convex lens L 3 and a concave lens L 4 in the order of distance from the object side, having positive refractive power overall.
後群GRは、第3群G3と第4群G4とからなる。第3群G3は、凹レンズL6と凹レンズL7および凸レンズL8の接合レンズとからなり、全体として正の屈折力をもつ。第4群G4は、凹レンズL9および凸レンズL10の接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ。 The rear group G R consists third group G 3 and the fourth group G 4 Prefecture. Third group G 3 is composed of a cemented lens of a concave lens L 6 and a concave lens L 7 and a convex lens L 8, with an overall positive refractive power. The fourth group G 4 is composed of a cemented lens of a concave lens L 9 and a convex lens L 10, with an overall positive refractive power.
本実施形態の光学系120では、上述のようなレンズ群Gに、光源部122と、薄膜フィルム128とにより、同軸落射照明が導入される。
In the
光源部122は、例えば発光ダイオード等の発光素子123と、発光素子123が出射する拡散光の拡散方向を制限するためのレンズ124とを組み合わせて構成するとよい。発光素子123が出射した拡散光は、レンズ124を介して薄膜フィルム128に入射する。
The
薄膜フィルム128は、前群GFにおける第1群G1と第2群G2の間に配置され、ビームスプリッタとして機能する。すなわち、図3に示したように、薄膜フィルム128は、光源部122からの光をワークWが配置されるステージ100の方向にレンズ群Gの光軸に沿って反射する。また、薄膜フィルム128は、ステージ100側から第1群G1を介して入射する光を透過して、第2群G2に入射させる。薄膜フィルム128として、例えば適当な透過率・反射率を有するポリエステル等のフィルムを用いるとよい。
撮像素子130は、例えばCCD、CMOS等の二次元イメージセンサである。撮像素子130の受光面上には、光学系120によってワークWの像が結像される。撮像素子130は、当該結像された像を撮像して、画像信号を出力する。撮像素子130が出力する画像信号は、コンピュータシステム140に取り込まれる。
The
図1に戻ると、コンピュータシステム140は、コンピュータ本体141、キーボード142、マウス143及びディスプレイ144を備える。図4は、コンピュータ本体141の構成を示すブロック図である。図3に示すように、コンピュータ本体141は、制御の中心をなすCPU40と、記憶部41と、ワークメモリ42と、インタフェース(図3において「IF」と示す。)43、44と、ディスプレイ144での表示を制御する表示制御部45とを備える。
Returning to FIG. 1, the
キーボード142又はマウス143から入力されるオペレータの指示情報は、インタフェース43を介してCPU30に入力される。インタフェース44は、光学系120及び撮像素子130と接続され、光学系120及び撮像素子130に対しCPU40からの各種制御信号を供給し、光学系120及び撮像素子130から各種のステータス情報や測定結果を受信してCPU40に入力する。
Operator instruction information input from the
表示制御部45は、ディスプレイ144に撮像素子130から供給された画像信号による画像を表示する。また、表示制御部45は、撮像素子130により撮像した画像の他、画像測定装置1への制御指示を入力するためのインタフェース、撮像した画像を解析するためのツールのインタフェース等をディスプレイ144に表示する。
The
ワークメモリ42は、CPU40の各種処理のための作業領域を提供する。記憶部41は、例えばハードディスクドライブやRAM等により構成され、CPU40により実行されるプログラム、撮像素子130が撮像して得られた画像データ等を格納する。
The
CPU40は、各インタフェースを介した各種入力情報、オペレータの指示及び記憶部41に格納されたプログラム等に基づいて、光源部122及び撮像素子130の制御、撮像素子130による二次元画像の撮像、撮像して得られた画像データの解析等の各種の処理を実行する。
The
以上で説明した構成により、フレアを防ぎ、作動距離を確保しながら、平行光束ではない部分にビームスプリッタを挿入することによる二重像の発生を防ぐことができる。 With the configuration described above, it is possible to prevent generation of a double image by inserting a beam splitter in a portion that is not a parallel light flux while preventing flare and ensuring a working distance.
〔第2実施形態〕
図5(a)は、光源部122からの拡散光が薄膜フィルム128に入射する角度が位置に応じて異なることを示す模式図である。薄膜フィルム128は、その素材の特性等により、入射角度に依存した反射特性を有する場合がある。本実施形態では、薄膜フィルム128として、入射角度が大きいほど反射光の強度が強くなる(反射率の大きい)フィルムが用いられる場合を想定する。薄膜フィルム128がこのような入射角度に依存した反射特性を有すると、第1実施形態の光学系120の構成では、ステージ100上のワークWに照射される同軸落射照明の照明光は、図5(b)に示したように、薄膜フィルム128での入射角度・反射角度が大きい位置ほど明るく(図5(b)において位置C、B、Aの順で明るい)なり、ワークWに対して均一な照明が得られなくなる。その結果、画像測定装置1により撮影したワークWの画像の明るさに斑(ムラ)ができてしまう。
[Second Embodiment]
FIG. 5A is a schematic diagram showing that the angle at which the diffused light from the
このような照明光の強度が不均一となることによる問題を解消すべく、本発明の第2実施形態に係る光学系は、光源部に、光量調整フィルタ125を設けたことを特徴とする。なお、それ以外については、第1実施形態の光学系と同様であり、例えば第1実施形態において説明した画像測定装置1に組み込まれて利用される。冗長な説明を避けるべく、第1実施形態との共通部分について、ここでの説明は省略する。
The optical system according to the second embodiment of the present invention is characterized in that the light
図6(a)は、第2実施形態に係る光学系120における、光源部122、薄膜フィルム128、及びレンズ群Gのうちの第1群G1の構成を示している。光量調整フィルタ125は、発光素子123から薄膜フィルム128までの光路内に配置される。本実施形態では、光量調整フィルタ125は発光素子123とレンズ124との間に配置される。光量調整フィルタ125は、発光素子123から薄膜フィルム128までの光路において、光束の位置に応じて光量に差を生じさせる。光源部122からの光は、薄膜フィルム128により反射されてステージ100上のワークWに照射される。
FIGS. 6 (a) shows the
図7は、光量調整フィルタ125の外観を示す模式図である。本実施形態の光量調整フィルタ125は、欠円形(すなわち、円を円弧上の二点を結ぶ直線により切断して得られる形状)の拡散フィルムにより構成される。例えば光量調整フィルタ125は、図7に示したように、半円形に形成される。本実施形態の光量調整フィルタ125は、薄膜フィルム128への入射角度が光軸方向と薄膜フィルム128の成す角よりも大きくなる光束内の領域に挿入され、当該領域を通過する光(すなわち、図6(a)において発光素子123からの出射光のうち左側半分)の光量を、他の領域の光(すなわち、図6(a)において発光素子123からの出射光のうち右側半分)の光量よりも減少させる。
FIG. 7 is a schematic diagram showing the appearance of the light
上述のような光量調整フィルタ125を設けることで、薄膜フィルム128に入射する照明光は、入射角度が比較的大きい部分の光量が他の部分と比べて相対的に小さくなる。一方、薄膜フィルム128は、入射角度が大きいほど反射光の強度が強くなる反射特性を有するため、入射光の差異を反射特性により相殺する。これにより、図6(b)に示したように、ステージ100上のワークWに照射される照明光強度を略均一とすることができる。このように、本発明の第2実施形態に係る光学系では、フレアを抑え、作動距離を確保した上で、同軸照明においても、照度に斑の少ない画像システムを構築することができる。
By providing the light
〔実施形態の変形〕
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
例えば、上記の第2実施形態では、光量調整フィルタ125として拡散フィルムを用いる場合を例に説明したが、これに代えて、拡散板や光学濃度が連続的に変化するコーティングを施したフィルタを用いてもよい。例えば、連続的に変化するコーティングを施したフィルタとして、図8に示したように、半円形の透明ガラス基板における半円の弦(直線部分)から離れるほど光学濃度が大きくなるようにコーティングを施したフィルタを用いるとよい。にまた、上記の第2実施形態において、光量調整フィルタ125の形状が半円形である場合を例に説明したが、光量調整フィルタ125の形状は欠円形や半円形に限らず、円形、扇形、長方形等であってもよい。
[Modification of Embodiment]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications, improvements, etc. within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
For example, in the second embodiment, the case where a diffusion film is used as the light
以上で説明したように、本発明に係る光学系は画像測定装置に好適に利用できるが、同軸落射照明を利用するその他の光学装置にも適用することができる。 As described above, the optical system according to the present invention can be suitably used for an image measuring device, but can also be applied to other optical devices using coaxial epi-illumination.
1 画像測定装置
100 ステージ
110 筐体
120 光学系
122 光源部
125 光量調整フィルタ
128 薄膜フィルム
130 撮像素子
140 コンピュータシステム
G レンズ群
W ワーク(測定対象物)
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記光源部からの拡散光線を反射する薄膜フィルムと、
前記薄膜フィルムにより反射された光を平行光として照射する第1レンズ群と
を備える光学系。 A light source that emits diffused light;
A thin film that reflects diffused light from the light source, and
An optical system comprising: a first lens group that irradiates light reflected by the thin film as parallel light.
前記両側テレセントリック光学系において前記第1レンズ群は測定対象物に最も近い位置に配置されるレンズ群であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の光学系。 The first lens group constitutes a both-side telecentric optical system together with other lens groups,
7. The optical system according to claim 1, wherein in the double-sided telecentric optical system, the first lens group is a lens group disposed at a position closest to an object to be measured.
測定対象物を配置するステージと、
前記光学系により結像された前記測定対象物の像を撮像する撮像素子と
を備える画像測定装置。 The optical system according to any one of claims 1 to 7,
A stage for placing an object to be measured;
An image measurement apparatus comprising: an image pickup device that picks up an image of the measurement object formed by the optical system.
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