JP2024064312A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型・軽量化が図れる光学装置を提供する。【解決手段】光学装置は、対物レンズと撮像装置との間の光路に設けられ、対物レンズを介して入射した光を撮像装置の撮像面に結像する結像レンズと、対物レンズと結像レンズとの間の光路に設けられたビームスプリッタと、対物レンズとビームスプリッタとの間の光路に設けられ正の屈折力を有する第１レンズ群と、ビームスプリッタ、第１レンズ群及び対物レンズを介して撮像対象を照明可能に構成され、結像レンズが配置された光路とは異なる光路に配置された同軸落射照明光学系と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、顕微鏡、画像測定装置、画像測定プローブ等で用いられる光学装置に関する。

対物レンズと撮像装置との間の光路に設けられた結像レンズと、対物レンズと結像レンズとの間の光路に設けられたビームスプリッタと、ビームスプリッタ及び対物レンズを介して撮像対象を照明する同軸落射照明光学系と、を備える光学装置が知られている（例えば、特許文献１，２及び３）。この様な光学装置は、例えば、加工装置の傍らで加工後の部品を検査・測定する用途で、持ち運んだり、加工装置に着脱・吊り下げて利用したりする場合があるため、小型・軽量化が望まれている。しかしながら、対物レンズの内側に射出瞳が設けられる場合、大きい物体高に対応する位置からの主光線、すなわち光軸から離れた位置からの主光線は、対物レンズから遠ざかるほど光軸から離れる。このため、ビームスプリッタが大型化し、ひいては、ビームスプリッタと撮像装置との間の光学系、及び、同軸落射照明光学系のいずれもが大型・重量化する。

特開２０２０－８６２９８号公報 特開２０１５－１２７７７６号公報 特開２０００－１８６９９９号公報

本発明は、小型・軽量化が図れる光学装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る光学装置は、対物レンズと撮像装置との間の光路に設けられ、前記対物レンズを介して入射した光を前記撮像装置の撮像面に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の光路に設けられたビームスプリッタと、前記対物レンズと前記ビームスプリッタとの間の光路に設けられ正の屈折力を有する第１レンズ群と、前記ビームスプリッタ、前記第１レンズ群及び前記対物レンズを介して撮像対象を照明可能に構成され、前記結像レンズが配置された光路とは異なる光路に配置された同軸落射照明光学系と、を備える。

本発明によれば、光学装置の小型・軽量化を図ることが出来る。

本発明の第１の実施形態に係る光学装置の断面図である。 同光学装置の模式図である。 同光学装置のビームスプリッタの側面図である。 同光学装置のビームスプリッタの一部を拡大した側面図である。 同光学装置の撮像装置側から見た模式図である。 第１の実施形態に係る光学装置の他の構成例の模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る光学装置の模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る光学装置の模式図である。 本発明の第４の実施形態に係る光学装置の模式図である。 本発明の第５の実施形態に係る光学装置の模式図である。

以下、本発明の実施形態に係る光学装置について説明する。

尚、本明細書において「レンズ」と言った場合、特に断りがない場合には、１枚のレンズを意味していても良いし、複数枚のレンズの組み合わせを意味していても良い。また、「レンズ」が複数枚のレンズの組み合わせを意味する場合、これら複数枚のレンズの少なくとも一部は、接合レンズを構成していても良いし、お互いに離間していても良い。例えば、「対物レンズ」及び「結像レンズ」は、１枚のレンズを意味していても良いし、複数枚のレンズの組み合わせを意味していても良い。ただし、両凸レンズ、平凸レンズ、平凹レンズ、メニスカスレンズ等、曲面が規定されたものについては、１枚のレンズを意味することとする。

また、本明細書において「レンズ群」と言った場合には、複数枚のレンズの組み合わせを意味することとする。これら複数枚のレンズの少なくとも一部は、接合レンズを構成していても良いし、お互いに離間していても良い。

［第１の実施形態］
次に、図１～図５を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。尚、以下の実施形態はあくまでも一例であり、本発明を限定する意図で示されるものではない。また、以下の図面は模式的なものであり、説明の都合上、一部の構成等が省略される場合がある。また、複数の実施形態について共通する部分には同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。

図１に示すように、本実施形態に係る光学装置１００は、対物レンズ１０を着脱可能に構成されている。また、光学装置１００は、対物レンズ１０に近い側から、対物レンズ１０の光軸Ａ１に沿って順に配置された第１レンズ群２０、ビームスプリッタ３０、第２レンズ群４０及び撮像装置５０を備える。第１レンズ群２０は、例えば接合レンズ２１によって構成されている。接合レンズ２１は、例えば両凸レンズからなる第１レンズ２１１と、メニスカス凹レンズからなる第２レンズ２１２とから構成されている。

また、光学装置１００は、同軸落射照明光学系ＥＰを備える。同軸落射照明光学系ＥＰの光軸Ａ２は、光軸Ａ１と直交する。光軸Ａ１と光軸Ａ２とは、ビームスプリッタ３０の反射面において交わる。同軸落射照明光学系ＥＰは、光軸Ａ２に沿って、ビームスプリッタ３０から遠い側から順に配置された光源６０及び照明レンズ群７０を備える。照明レンズ群７０は、例えばコンデンサレンズ７１と平凸レンズ７２とから構成されている。同軸落射照明光学系ＥＰは、ビームスプリッタ３０、第１レンズ群２０及び対物レンズ１０を介して、撮像対象を照明可能に構成されている。同軸落射照明光学系ＥＰの光軸Ａ２（照明レンズ群７０の光軸Ａ２）に沿って、ビームスプリッタ３０に対し、光源６０及び照明レンズ群７０と反対側の位置には、光ダンパ８０が設けられている。

対物レンズ１０、第１レンズ群２０、ビームスプリッタ３０及び第２レンズ群４０は、円筒状の筐体９１に取り付けられている。倍率の異なる対物レンズ１０を任意に交換可能とするため、対物レンズ１０は、筐体９１の下端に着脱可能に取り付けられている。筐体９１の上端には、撮像装置５０を筐体９１に固定する固定部材９２が取り付けられている。尚、図示はしないが、適宜ローパスフィルタや色補正フィルタ（ＮＤフィルタ、ＩＲカットフィルタなど）、波長板や検光子などの偏光フィルタ、撮像装置５０のセンサ面の保護目的のカバーガラスなどの平行平板が光学系内に含まれていてもよい。

光源６０及び照明レンズ群７０は、筐体９１の一方の側面に固定部材９３によって固定されている。光ダンパ８０は、筐体９１の他方の側面に固定部材９４によって固定されている。筐体９１の下端には、対物レンズ１０を取り囲むように、リング照明１１０が装着されている。リング照明１１０は、対物レンズ１０の下端を取り囲むように環状に配置され、下方内側に向けて照明光を照射するＬＥＤ等からなる複数の光源１１１と、これら光源１１１を支持し、光源１１１の上方を覆うカバー１１２と、を備える。

図２は、図１の光学装置１００の光線を含めた模式的な構成を示す図である。以下、対物レンズ１０、第１レンズ群２０、ビームスプリッタ３０及び第２レンズ群４０については、撮像対象１２０側を前段、撮像装置５０側を後段とし、同軸落射照明光学系ＥＰについては、光源６０側を前段、撮像対象１２０側を後段として、各部を説明する。

対物レンズ１０は、例えば内側に射出瞳を有する。対物レンズ１０の後端から出射される、各物体高における主光線は、対物レンズ１０から遠ざかるほど光軸から離れる。第１レンズ群２０は、対物レンズ１０の後段に配置される。第１レンズ群２０は、全体として正の屈折力を有する接合レンズ２１を有する。接合レンズ２１は、例えば正の屈折力を有する第１レンズ２１１と、負の屈折力を有する第２レンズ２１２とを組み合わせて構成されている。

ビームスプリッタ３０は、第１レンズ群２０の後段に設けられる。ビームスプリッタ３０は、この実施形態では、例えば、図３に示すように、樹脂フィルム又は薄型ガラスからなるフィルム基材３１からなる。フィルム基材３１には、一方又は両方にコーティング膜３２，３３が設けられていても良い。

第２レンズ群４０（図２）は、ビームスプリッタ３０の後段に設けられる。第２レンズ群４０は、対物レンズ１０、第１レンズ群２０及びビームスプリッタ３０を介して入射した光を撮像装置５０の受光面に所望の大きさで結像させる結像レンズとして機能する。第２レンズ群４０は、負の屈折力を有するレンズ及び正の屈折力を有するレンズを含んでいても良い。また、第２レンズ群４０は、撮像装置５０の受光面に形成される像を拡大又は縮小するためのチューブレンズを含んでいても良い。

撮像装置５０は、第２レンズ群４０の後段に設けられる。撮像装置５０は、例えば、所定の画素数を有するＣＭＯＳ、ＣＣＤ等の撮像素子である。撮像装置５０は、例えばＰＹＴＨＯＮ1300（画素サイズ4.8μm）（オン・セミコンダクター（株）製）等を用いることが出来る。

光源６０は、この実施形態では、チップＬＥＤ等の小型の光源を有する。照明レンズ群７０は、例えば光源６０のフーリエ変換像を生成するコンデンサレンズ７１（平凸レンズ）及びこのフーリエ変換像を伝達する平凸レンズ７２を有する。

光ダンパ８０は、ダンパ面８１を有する。同軸落射照明光学系ＥＰからビームスプリッタ３０を透過した不要光の一部は、光ダンパ８０のダンパ面８１で吸収される。また、この様な不要光の、ダンパ面８１で吸収しきれなかった部分は、ダンパ面８１で、第１レンズ群２０にも第２レンズ群４０にも進入しない方向（例えば、光軸Ａ１と直交する方向）に散乱される。

［作用と効果］
次に、この光学装置１００の作用と効果を説明する。対物レンズ１０の内部に射出瞳が設けられる場合、大きい物体高に対応する位置からの主光線、すなわち光軸から離れた位置からの軸外主光線は、対物レンズから遠ざかるほど光軸から離れる。特許文献１～３のように、対物レンズ１０からビームスプリッタ３０に直に軸外主光線が入射する場合、ビームスプリッタ３０に入射する光の光束径が大きくなるため、必要径および把持機構（ビームスプリッタ３０を把持する機構。上記特許文献２、図４の、偏光ビームスプリッタ２８を把持する機構を参照。）が大きくなり、光学系全体の大型化の要因となっていた。ビームスプリッタ面（ビームスプリッタ３０の反射面）が光軸Ａ１に対して４５°の傾きを持つ場合、必要径が大きいことは同時に光軸Ａ１方向へも光学系が長尺化することを意味し、この意味でも光学系が大型であった。しかしながら、本実施形態では、対物レンズ１０の後段に正の屈折力を有する第１レンズ群２０が設けられているので、主光線が光軸に近づく方向に屈折されてビームスプリッタ３０に入射する。このため、ビームスプリッタ３０に入射する光の光束径が小さくなり、ビームスプリッタ３０に必要な面積を、第１レンズ群２０が無い場合よりも縮小することが出来る。これにより、ビームスプリッタ３０を小型化することが出来る。尚、ビームスプリッタ面が光軸Ａ１に対して４５°の傾きを持つ場合、ビームスプリッタ３０の径が小さいことは、光軸Ａ１方向にも光学系が短縮されることと同義であり、この意味でも光学系全体の小型化に効果が大きい。

同様の理由で、ビームスプリッタ３０を透過した光が入射する第２レンズ群４０の必要径も大きくする必要がなく、小型・軽量化を行うことが出来る。

また、収差補正の観点からも、第２レンズ群４０の構成レンズ枚数が少なくてよく、小型・軽量化に寄与する。撮像装置５０の受光面に像を形成する際に、第２レンズ群４０によって光を大きく屈折させることは大きな収差の発生を伴う。一般に、像高の変化と、主光線角度変化がそれぞれ大きいほど大きく屈折させる必要があり、伴って収差も大きくなる。これは、小型の撮像装置５０を用いるほど、顕著である。

特許文献１～３のように、対物レンズ１０からビームスプリッタ３０に第１レンズ群２０を介さず軸外主光線が入射する場合、光束は主光線が対物レンズ１０から遠ざかるほど光軸から離れ、大きな像（無限遠に像を形成する場合も含む）を形成するものとなる。従って、撮像装置５０が小型である場合、第２レンズ群４０は径が大きくなるばかりでなく、受光面に像を形成する際に像高を大きく変化させ、かつ、主光線の角度も大きく変化させねばならない。これにより収差が大きく発生することになるので、収差の補正のためにより多くのレンズ枚数を必要とし、第２レンズ群が更に大型化する。特に、軸外収差である、歪曲、コマ収差、非点収差、倍率色収差を抑制することが難しい。従って、収差補正に多くのレンズ枚数を必要とし、撮像装置５０を含めた小型・軽量化が困難である。

一方、本発明においては第１レンズ群２０で主光線方向を光軸に近づける方向に屈折させ、また像高の小さい像を形成するために、小型の撮像装置５０を用いる場合でも像高の変化と、主光線角度変化が小さくなる。すなわち第２レンズ群４０において、光線を大きく屈折させる必要がないため、収差発生が小さいことで収差補正に要するレンズ枚数も少なく出来る。ひいては、第２レンズ群４０を小さくでき、撮像装置５０を含めた光学系の小型・軽量化を行うことが出来る。

更に、第１レンズ群２０により光束が集束されているため、同軸落射照明光学系ＥＰについても、小型化を図ることが出来る。通常、同軸落射照明は被写体面に光源像または光源のフーリエ変換像をリレーすることで一様な照明を得るが、特許文献１～３のように、対物レンズ１０とビームスプリッタ３０と同軸落射照明光学系ＥＰとが第１レンズ群を介さずに配置されている場合、リレーすべき光源像は像高の大きなものを必要とする。従って、大きな光源を用いるか、同軸落射照明光学系ＥＰが光源像を大きく拡大するものとする必要があり、いずれの場合も同軸落射照明光学系ＥＰが大径化する。

一方、本発明によれば、第１レンズ群２０によりリレーすべき光源像が縮小されているので、同軸落射照明光学系ＥＰも小さくすることが出来る。

また、対物レンズ１０の内部に射出瞳が設けられる場合、対物レンズ１０からビームスプリッタ３０に向けて出射される主光束は拡がる。従って、対物レンズ１０から出射された光線は、物体高に応じて、様々な入射角でビームスプリッタ３０に入射することが考えられる。ここで、ビームスプリッタ３０の光学特性（例えば、透過率、反射率又はその他の光学特性）は、光線の入射角に応じて異なる。従って、ビームスプリッタ３０の光学特性が物体高によって変わってしまう場合がある。

ここで、図２に太線矢印で示すように、本実施形態において、各物体高の主光線について着目すると、対物レンズ１０の後段で一端拡がったのち、第１レンズ群２０によって光軸に平行な状態へと近づけられるので、ビームスプリッタ３０に対する各物体高の主光線の入射角をほぼ一定とすることが出来る。これにより、ビームスプリッタ３０の光学特性が物体高によって変わることを抑制することが出来る。

また、対物レンズ１０を筐体９１から取り外すと、筐体９１の内部に埃等が入り込み易い。特に薄型のビームスプリッタ３０を使用した場合は、これを破損させずに埃等を除去することは困難である。しかしながら、本実施形態によれば、ビームスプリッタ３０の前段に第１レンズ群２０が配置されているので、対物レンズ１０を筐体９１から取り外した場合でも、第１レンズ群２０によって、埃等が筐体９１の内部に入り込むのを防止することが出来る。更に、埃の除去も容易であるという効果がある。

次に、各部を更に詳細に説明する。

［第１レンズ群２０］
第１レンズ群２０は、対物レンズ１０からの出射光に加え、同軸落射照明光学系ＥＰからの出射光を透過させる。以下、同軸落射照明光学系ＥＰから第１レンズ群２０へ照明光が照射されることによる第１レンズ群２０の色収差及び反射の影響について考察する。

第１レンズ群２０は、ビームスプリッタ３０を配置するスペースを確保するため、比較的大きなバックフォーカスを必要とする。このため、第１レンズ群２０の焦点距離は、ある程度長くする必要がある。この場合、焦点距離に比例した大きさの色収差が発生する。これによって、例えば同軸落射照明が色の滲んだ照明となったり、平面を照明した場合でも位置毎に色が異なる、いわゆる色ムラが発生したりするなどの不具合が生じ易い。従って、第１レンズ群２０はこれを抑えられるよう、低分散硝材の凸レンズと、高分散硝材のメニスカス凹レンズからなる接合レンズで構成されていることが好ましい。

色収差の一般則（例えば、https://en.wikipedia.org/wiki/Achromatic_lens）から、両凸レンズはクラウンガラス、メニスカス凹レンズはフリントガラスから選ばれると良い。アッベ数の条件としては、両凸レンズのアッベ数ν（フラウンホーファーｄ線におけるものとして、以下逐一断わらない）はν≧50、メニスカス凹レンズのアッベ数νはν≦50となるように、選ばれることが望ましい。

また、本実施形態では、対物レンズ１０とビームスプリッタ３０の間に第１レンズ群２０を配置しているので、同軸落射照明光学系ＥＰからの照明光が第１レンズ群２０で反射することにより発生するフレアを抑制することが望ましい。このためには、接合レンズ２１の表面に反射防止コーティングを施し、第１レンズ２１１と第２レンズ２１２の接合面のフレネル反射を低減させることが有効である。

一般に、屈折率の異なるレンズの境界で発生するフレネル反射の反射率Ｒは、ｎ_１を第１レンズ２１１の屈折率、ｎ_２を第２レンズ２１２の屈折率とすると、下記数１で示される。

ここで、通常の反射防止コーティングは、反射率Ｒを0.25％程度まで低減可能である。反射率Ｒをこの程度の大きさとするためには、ｎ_１及びｎ_２が、下記数２で示される条件を満たす様に構成されていると良い。

数２から、「ｎ_１－ｎ_２が0.1×（ｎ_１とｎ_２の平均）以下である」という条件が導かれる。

本実施形態では、例えば、第１レンズ２１１が、屈折率1.516、アッベ数64.1のガラスからなる両凸レンズ、第２レンズ２１２が、屈折率1.593、アッベ数35.3のガラスからなるメニスカス凹レンズとすることが出来る。この場合、両凸レンズのアッベ数νはν≧50、平凹レンズのアッベ数νはν≦50なので、色収差に関する条件を満たす。また、第１レンズ２１１と第２レンズ２１２の屈折率の差（ｎ_１－ｎ_２）が、0.077、平均値の0.1倍が0.155となるので、上述した反射率の条件を満たす。

［ビームスプリッタ３０］
本実施形態では、図３に示す様に、ビームスプリッタ３０としてフィルム基材３１を使用している。ビームスプリッタ３０にフィルム基材３１を使用することで、プレート型およびキューブ型のものを使用するよりも軽量化及び小型化を図ることが可能である。しかしながら、フィルム基材３１を使用した場合、表裏面の反射によるゴースト像が発生する可能性がある。すなわち、図４に示すように、ビームスプリッタ３０に入射する光線は、Ａ点で入射して、フィルム基材３１で屈折し、Ｂ点から出射すると共に、Ｂ点で反射した一部の光がＣで反射してＤ点から出射される。Ｂ点から出射される光が実像、Ｄ点から出射される光線がゴースト像となる。Ｂ点から出射される実像の光線と、Ｄ点から出射されるゴースト像の光線との距離ＱＤは、フィルム基材３１の厚みをｔ、屈折率をｎ、フィルム基材３１への入射角を45°、屈折角をθとすると、下記の式で表される。

ここで、撮像装置５０の各画素から得られた信号は、ノイズの影響を除去したり、ジャギーの発生を防ぐ目的で、複数画素を単位として補間処理される。例えば、バイキュービック補間を考えると、白黒画像の場合には、周囲３×３画素から補間処理され、カラーベイヤーの場合には、周囲４×４画素から補間処理される。例えば、画素ピッチｐ＝4.8μmのカラーＣＭＯＳセンサの場合、補間処理の範囲は、（4×4.8）×（4×4.8）＝19.2μm×19.2μmとなる。従って、実像とゴースト像の距離ＱＤが、この補間処理の範囲内に収まっていれば、実像とゴースト像とは平均化されて、実質的に二重画像の発生はなくなる。そこで、撮像装置５０の画素ピッチをｐ、画素値の補間処理の単位画素数をＮ×Ｎとすると、フィルム基材３１の厚みｔ及び屈折率ｎは、下記数４の条件を満たす様に設定することが望ましい。

本実施形態では、例えば、屈折率ｎ＝1.51、厚みｔ＝20μmのガラスリボン（日本電気硝子(株)製）を使用すると、0.74951×20μm＝14.99μmとなるので、数４の条件を満たし、ゴースト像の発生を防止することが出来る。

ビームスプリッタ３０のフィルム基材３１としては、アクリル、ポリスチレン、セロファン、ニトロセルロース、ポリプロピレン、ポリエステル等の樹脂フィルム、又は10μm～30μmのガラスリボン（日本電気硝子（株）製）からなる薄板ガラス等を用いることが出来る。

ここで、ビームスプリッタ３０を構成するフィルム基材３１の一面又は両面にコーティング処理を施すことにより、フィルム基材３１の光学特性等を変化させることが考えられる。しかしながら、上述の通り、対物レンズ１０の内部に射出瞳が設けられる場合、物体高によりコーティング処理面への入射角が異なることで、ビームスプリッタ３０の光学特性が物体高によって変わってしまう。この様な場合、コーティング処理によって視野全体に均一な光学特性等を得ることが困難になってしまう。

しかしながら、本実施形態では、第１レンズ群２０によって主光線が光軸に近づく方向へ屈折を受けることで、ビームスプリッタ３０に対する各物体高の主光線の入射角をほぼ一定とすることが出来る。これにより、ビームスプリッタ３０の光学特性が物体高によって変わることを抑制することが出来る。この様な構成では、例えば図３に示すように、フィルム基材３１の一面又は両面にコーティング処理を施す場合には特に、フィルム基材３１の光学特性及び環境耐性を好適に制御可能である。

例えば、フィルム基材３１の同軸落射照明光学系ＥＰ側の面に形成されるコーティング膜３２は、ビームスプリッタコート膜としても良い。ビームスプリッタコート膜は、例えばフィルム基材３１の屈折率と比較して高屈折率材料の１／４波長厚みを持った単層膜であっても良い。高屈折材料としては、例えば、ＮｂＯ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＳ等の誘電体材料を使用することが出来る。また、フィルム基材３１の同軸落射照明光学系ＥＰとは反対側の面に形成されるコーティング膜３３は、例えば増透膜としても良い。増透膜は、例えばフィルム基材３１の屈折率と比較して低屈折材料の１／４波長厚みを持った単層膜であっても良い。低屈折率材料としては、例えば、ＭｇＦ_２、ＳｉＯ_２等の誘電体材料を使用することが出来る。

ここで、フィルム基材３１に真空蒸着等のコーティング処理によって、コーティング膜３２，３３を形成した場合、熱膨張率の差に伴う応力等の影響により、フィルム基材３１に反り、しわ等が発生してしまう可能性がある。反りやしわがあると、完成時の光学特性を悪化させるばかりでなく、組立性が著しく悪化する。フィルム基材３１が薄くなるほど剛性がなくなるので、その影響は特に顕著である。従ってコーティング膜３２，３３の材料は、この様な影響を抑制可能となる様に選択することが望ましい。表１は、両面とも単層膜でコーティング処理を行う場合に、コーティング処理に適した材料と応力との関係の例を示している。

例えば、フィルム基材３１の一方の面に、ビームスプリッタコート膜として、引張応力が生じるＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等の高屈折率膜をコーティングした場合には、フィルム基材３１の他方の面にも、引張応力が生じる、ＭｇＦ_２等の低屈折率膜をコーティングする。また、例えば、フィルム基材３１の一方の面に、ビームスプリッタコート膜として、圧縮応力が生じるＴａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、ＺｎＳ等の高屈折率膜をコーティングした場合には、フィルム基材３１の他方の面にも、圧縮応力が生じる、ＳｉＯ_２等の低屈折率膜をコーティングする。

尚、これらは一例であり、コーティング時の条件によって発生する応力の符号が変わる場合は、応力の符号に応じて他方の面にコーティングする最適な物質も変わりうる。例えば、高屈折率材料のＮb_２Ｏ_５はイオンアシスト法を用いる場合は引張応力、イオンアシスト法を用いない場合は圧縮応力を生じることが知られている。前者をビームスプリッタコートに用いる場合には、他方の面に増透膜としてＭｇＦ_２の単層膜を、後者をビームスプリッタコートに用いる場合には、他方の面に増透膜としてＳｉＯ_２の単層膜を、コーティングするようにしても良い。

これにより、両面のコーティング膜３２，３３の応力同士が相殺されて、フィルム基材３１の反り、及びしわを防止することが出来る。また、樹脂のフィルム基材３１の表面が露出していると、静電気を帯びて埃が付きやすく、湿気吸収により変形・変質しやすいという問題がある。コーティングによって、そのような問題を防止する効果も得られる。尚、コーティング膜は、単層で形成する他に、多層膜で形成するようにしても良い。この場合、更に光学性能及び環境耐性を高めることが出来る。また、コーティング膜３２，３３は、ハードコート膜、金属膜等であっても良い。上記、多層膜、ハードコート膜、金属膜などの場合も、発生する応力の符号に応じて、両面で同符号の応力が発生するように、コーティングの種類および方法が選ばれていれば、更に良い。多層膜においては、積層する材質をそれぞれ逆符号の応力を発生するようなものとして、片面ごとに応力低減を図るのも良い。例えば、引張応力を生じるＡｌ_２Ｏ_３を１層目に蒸着し、圧縮応力を生じるＴａ_２Ｏ_５を２層目、引張応力を生じるＭｇＦ_２を３層目に蒸着するなどの方法でも、応力低減を図り、反りやしわの発生を防ぐことが出来る。

［同軸落射照明光学系ＥＰ］
本実施形態では、同軸落射照明光学系ＥＰとして、チップＬＥＤからなる光源６０（図２）と、コンデンサレンズ７１及び平凸レンズ７２を含む照明レンズ群７０と、を使用している。コンデンサレンズ７１は、光源６０からの光を集光し、そのフーリエ変換像を形成する。フーリエ変換像は、後段の平凸レンズ７２を通して伝達され、ビームスプリッタ３０にて反射したのち、第１レンズ群２０と対物レンズ１０を経て、被写体面にリレーされる。一般にチップＬＥＤは位置によるムラが大きいが、そのフーリエ変換像にはムラが小さいため、上記のように構成することで、被写体面でムラを低減した照明光を生成することが出来る。

尚、照明レンズ群７０には、拡散板、マイクロレンズアレイ（フライアイレンズ）等が含まれていても良いし、ムラの低減のためにコンデンサレンズ７１と平凸レンズ７２との面間を変更しフーリエ変換像の被写体面へのリレー関係を崩す（デフォーカス）のも良い。

［光ダンパ８０］
図５は、光ダンパ８０を撮像装置５０側から光軸Ａ１方向に見た模式図である。光ダンパ８０は、図５に示すように、ダンパ面８１を有する。ダンパ面８１の法線方向ＮＲは、対物レンズ１０の光軸Ａ１と直交している。また、ダンパ面８１の法線方向ＮＲは、同軸落射照明光学系ＥＰの光軸Ａ２に対して傾斜し、光軸Ａ２と直交していない。これにより、同軸落射照明光学系ＥＰからビームスプリッタ３０を透過した不要光が、ダンパ面８１を介して第１レンズ群２０又は第２レンズ群４０に進入するのを防止することが出来る。この結果、対物レンズ１０側での照明ムラの発生、及び撮像装置５０側でのフレアの発生を防止することが出来る。ダンパ面８１の表面は、例えば反射率を低下させる処理が施されていると良い。このような処理としては、例えば、黒色塗料を塗布したり、ブラスト処理によるマット化、又は酸・アルカリ等による化学的な表面改質、レーザによる粗面化処理、植毛布等の光を吸収しやすい材料を取り付ける等の処理が可能である。

尚、上述したダンパ面８１の法線方向ＮＲは、適宜調整可能である。また、光ダンパ８０の代わりに、不要光を筐体９１の外に逃がす光学系を設けても良い。このような光学系としては、例えばミラーコートされたプリズム等を用いることが出来る。例えば、図６に例示する光学装置１００´は、光ダンパ８０のかわりに、プリズム８２を備える。プリズム８２は、ミラーコートされた反射面８３を有する。反射面８３の法線方向ＮＲ´は、同軸落射照明光学系ＥＰの光軸Ａ２に対して傾斜し、光軸Ａ２と直交していない。プリズム８２はミラーコートされた反射面８３のみが作用し、屈折作用をする面は介在させないように配置される。屈折作用をする面は同時に部分的な反射光を生じるので、それが再び光路に入り照明ムラ、フレアなどの現象に繋がりやすいためである。

［第２の実施形態］
次に、図７を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。以下の説明において、第１の実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、説明を省略する。

第２の実施形態に係る光学装置１００Ａは、基本的には、第１の実施形態に係る光学装置１００と同様に構成されている。ただし、光学装置１００Ａは、同軸落射照明光学系ＥＰの光源６０Ａとして、例えばＣＯＢ（Chip-on-Board）ＬＥＤ等の面発光光源を使用している。また、光学装置１００Ａでは、同軸落射照明光学系ＥＰが、照明レンズ群７０を備えていない。この様な構成によれば、照明レンズ群７０を省略して、更なる小型化を図ることが出来る。尚、光源６０Ａとして、有機ＥＬ等の他の面発光素子を使用するようにしても良い。

尚、図７には光ダンパ８０を図示していないが、全ての実施形態を通じて、光ダンパ８０は、あってもなくても良い。

［第３の実施形態］
次に、図８を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。以下の説明において、第１及び第２の実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、説明を省略する。

第３の実施形態に係る光学装置１００Ｂは、基本的には、第１の実施形態に係る光学装置１００と同様に構成されている。ただし、光学装置１００Ｂでは、ビームスプリッタ３０の反射側に第２レンズ群４０及び撮像装置５０を配置し、ビームスプリッタ３０の透過側に同軸落射照明光学系ＥＰを配置している。即ち、光学装置１００Ｂでは、対物レンズ１０に近い側から、対物レンズ１０の光軸Ａ１に沿って、第１レンズ群２０、ビームスプリッタ３０、照明レンズ群７０及び光源６０が設けられている。また、光学装置１００Ｂでは、第２レンズ群４０の光軸Ａ３が、光軸Ａ１と直交する。光軸Ａ１と光軸Ａ３とは、ビームスプリッタ３０の反射面において交わる。また、光軸Ａ３に沿って、ビームスプリッタ３０から遠い側から順に、撮像装置５０及び第２レンズ群４０が設けられている。第２レンズ群４０の光軸Ａ３に沿って、ビームスプリッタ３０に対し、撮像装置５０及び第２レンズ群４０と反対側の位置には、光ダンパ８０が設けられている。

この様な構成において、光ダンパ８０は、ビームスプリッタ３０で反射した光源６０からの不要光を散乱又は吸収する。

一般に、ビームスプリッタ３０は、製造上、透過特性を制御し易いので、同軸落射照明光学系ＥＰの光源光量が少ない場合等には、本実施形態は有用である。

尚、第３の実施形態に係る光学装置１００Ｂは、第２の実施形態に係る光学装置１００Ａと同様に、同軸落射照明光学系ＥＰの光源６０として、ＣＯＢＬＥＤ等の面発光光源を備えていても良い。

［第４の実施形態］
次に、図９を参照して、本発明の第４の実施形態について説明する。以下の説明において、第１乃至第３の実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、説明を省略する。

第４の実施形態に係る光学装置１００Ｃは、基本的には、第２の実施形態に係る光学装置１００Ａと同様に構成されている。ただし、光学装置１００Ｃは、フィルム基材３１からなるビームスプリッタ３０のかわりに、ビームスプリッタ３０Ａを備える。ビームスプリッタ３０Ａは、キューブ型のガラスで構成されている。キューブ型ガラスの接合面には、コーティングによって半透膜を形成している。ビームスプリッタ３０Ａを構成するキューブ型のガラスの重量は、一辺の長さの三乗に比例する。従って、キューブ型のガラスは、フィルム基材よりも重くなる。ただし、第４実施形態に係る光学装置１００Ｃは、第１レンズ群２０を備えるため、ビームスプリッタ３０Ａは、比較的小型に構成することが出来る。従って、ビームスプリッタ３０Ａは、比較的軽量に構成することが出来る。また、本実施形態によれば、フィルム基材を用いた場合のような、ゴースト像の発生が抑えられる。

尚、この実施形態では、ビームスプリッタ３０Ａを構成するガラスの分散によっても、色収差が発生する。そのため、実施例１と比べて第１レンズ群２０が補正すべき色収差が大きくなり、第１レンズ群２０を構成するガラスのアッベ数の差は大きくする必要がある。また、第１レンズ群２０の後段がガラスに置き換わることは、空気換算したバックフォーカスが短くなるのと同義なので、対応して凸レンズを先行させ、凸レンズのパワーを強めることで、バックフォーカスを短くしている。

ビームスプリッタ３０Ａは屈折率1.516、アッベ数64.1のガラスで構成され、第１レンズ群２０Ａが、屈折率1.516、アッベ数64.1のガラスから成る両凸レンズ（第１レンズ２２１）と、屈折率1.673、アッベ数32.1のガラスから成るメニスカス凹レンズ（第２レンズ２２２）による接合レンズ２２で構成されている。この場合にも、前述した色収差の低減条件、及び屈折率差の条件を満足する。また、フレネル反射の反射率は、0.24％と、反射防止マルチコートと同様のレベルで低減される。

尚、第１の実施形態に係る光学装置１００及び第３の実施形態に係る光学装置１００Ｂも、第４の実施形態に係る光学装置１００Ｃと同様に、フィルム基材３１からなるビームスプリッタ３０のかわりに、キューブ型のガラスからなるビームスプリッタ３０Ａを備えていても良い。但しその場合、ビームスプリッタ３０Ａを構成するガラスの分散によっても、色収差が発生する。第１レンズ群２０で補正する色収差は大きくなり、第１レンズ群２０を構成するガラスのアッベ数の差は大きくする必要がある。

［第５の実施形態］
次に、図１０を参照して、本発明の第５の実施形態について説明する。以下の説明において、第１乃至第４の実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、説明を省略する。

第５の実施形態に係る光学装置１００Ｄは、基本的には、第４の実施形態に係る光学装置１００Ｃと同様に構成されている。この場合にも、第４の実施形態と同様、キューブ型のビームスプリッタ３０Ａを使用している。第１レンズ群のバックフォーカスが更に大きくなるよう、凹レンズ先行としている。ただし、第１レンズ群の焦点距離が長くなることで先述の通り色収差が発生しやすくなる上、ビームスプリッタ３０Ａを構成するガラスの分散によっても、色収差が発生する。そのため、補正する色収差は大きくなり、第１レンズ群２０を構成するガラスの屈折率差、アッベ数の差は大きくする必要がある。

光学装置１００Ｄでは、第１レンズ群２０Ｂが、屈折率1.883、アッベ数40.8のガラスから成るメニスカス凹レンズ（第１レンズ２３１）と、屈折率1.487、アッベ数70.2のガラスから成る平凸レンズ（第２レンズ２３２）と、を含む接合レンズ２３で構成されている。

第１レンズ群２０Ｂと、第２レンズ群４０との間の間隔、すなわちビームスプリッタ３０Ａを配置するスペースは比較的大きく確保したい場合に、この構成が有用である。この実施形態では、ビームスプリッタを配置するスペースを確保しつつ、色収差を、比較的好適に低減することが可能である。

尚、第１乃至第３の実施形態においても、第５の実施形態に係る光学装置１００Ｄと同様に、第１レンズ群２０が、メニスカス凹レンズと、平凸レンズと、を含む接合レンズで構成されていても良い。

［その他］
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、第１乃至第５の実施形態に係る光学装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄは、対物レンズ１０を含んでいない。即ち、対物レンズ１０は、光学装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄの構成要素ではない。しかしながら、第１乃至第５の実施形態に係る光学装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄは、対物レンズ１０を含んでいても良い。

ＥＰ…同軸落射照明光学系、１０…対物レンズ、２０…第１レンズ群、３０，３０Ａ…ビームスプリッタ、４０…第２レンズ群、５０…撮像装置。６０，６０Ａ…光源、７０…照明レンズ群、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ…光学装置。

Claims (10)

1. 対物レンズと撮像装置との間の光路に設けられ、前記対物レンズを介して入射した光を前記撮像装置の撮像面に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の光路に設けられたビームスプリッタと、
   前記対物レンズと前記ビームスプリッタとの間の光路に設けられ正の屈折力を有する第１レンズ群と、
   前記ビームスプリッタ、前記第１レンズ群及び前記対物レンズを介して撮像対象を照明可能に構成され、前記結像レンズが配置された光路とは異なる光路に配置された同軸落射照明光学系と
   を備える光学装置。
2. 前記結像レンズと、前記ビームスプリッタと、前記第１レンズ群と、前記同軸落射照明光学系と、を収容する筐体を備え、
   前記筐体は、前記対物レンズを着脱可能に構成されている
   請求項１記載の光学装置。
3. 前記第１レンズ群は、
   正の屈折力を有する第１レンズと、
   負の屈折力を有する第２レンズと、を備える
   請求項１記載の光学装置。
4. 前記第１レンズと前記第２レンズは接合され、
   前記第１レンズと前記第２レンズの屈折率差は、前記第１レンズと前記第２レンズの屈折率の平均値の１０％以下である
   請求項３記載の光学装置。
5. 前記ビームスプリッタは、
   樹脂フィルム又は薄板ガラスからなるフィルム基材からなる
   請求項１記載の光学装置。
6. 前記フィルム基材の屈折率をｎ、厚みをｔ、前記撮像装置の画素ピッチをｐ、前記撮像装置の画素値の補間処理の単位画素数をＮ×Ｎとすると、
   

   

   である
   請求項５記載の光学装置。
7. 前記ビームスプリッタは、前記フィルム基材の少なくとも一方の面に設けられたコーティング膜を有する
   請求項５記載の光学装置。
8. 前記コーティング膜は、前記フィルム基材の両面に設けられ、
   前記フィルム基材の一方の面に設けられたコーティング膜と、前記フィルム基材の他方の面に設けられたコーティング膜とは、コーティングの結果生じる応力の符号が同じである
   請求項７記載の光学装置。
9. ダンパ面を有する光ダンパを備え、
   前記第１レンズ群、前記ビームスプリッタ、前記結像レンズ及び前記撮像装置は、前記対物レンズの光軸に沿って配置され、
   前記同軸落射照明光学系の光軸は、前記対物レンズの光軸と直交し、
   前記ビームスプリッタ及び前記光ダンパは、前記同軸落射照明光学系の光軸に沿って配置され、
   前記ダンパ面の法線方向は、前記対物レンズの光軸と直交し、前記同軸落射照明光学系の光軸に対して傾斜し、前記同軸落射照明光学系の光軸に対して直交しない
   請求項１記載の光学装置。
10. ダンパ面を有する光ダンパを備え、
    前記第１レンズ群、前記ビームスプリッタ及び前記同軸落射照明光学系は、前記対物レンズの光軸に沿って配置され、
    前記結像レンズの光軸は、前記対物レンズの光軸と直交し、
    前記撮像装置、前記結像レンズ、前記ビームスプリッタ及び前記光ダンパは、前記結像レンズの光軸に沿って配置され、
    前記ダンパ面の法線方向は、前記対物レンズの光軸と直交し、前記結像レンズの光軸に対して傾斜し、前記結像レンズの光軸に対して直交しない
    請求項１記載の光学装置。

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