JP2713403B2 - 倍率変換可能な光学装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は倍率可変の光学装置、特に所定の倍率とは異
なる倍率にて物体像を形成することによって被検物体の
種々の計測を行うための光学装置に関する。 〔従来の技術〕 従来この種の装置としては、顕微鏡の鏡筒を一部改造
し、CCDカメラ等の撮像装置を取り付けて、被検物体を
計測するものが知られている。CCD素子の画素は十数μ
の大きさを有するため測定精度の非常に厳しい被検物で
は、分解能を高めるため光学系の倍率を上げることが必
要である。ところが、倍率を高めると視野が狭くなり、
一度に計測を行うことのできる領域が小さくなる。従っ
て、光学系の倍率は被検物の要求精度を維持出来る範囲
で最も低い倍率が測定能率向上のためには適当である。
このため従来の装置では対物レンズの交換が可能な様に
構成されていて、異なる倍率の対物レンズを装着したタ
ーレットマウントを回転することによって変倍を行って
いる。また、他の例では、特にターレットマウント等を
設けず、単一のマウントで対物レンズの交換を行なうも
のも存在する。 〔発明が解決しようとする問題点〕 被検物体についての測定に要求される精度が全領域で
一様な場合であれば、光学系の倍率は特に変更する必要
はない。しかしながら、実際には測定に要求される精度
が場所ごとに異なっている場合の方が一般的であり、測
定能率を向上させるためには、要求される精度に応じて
光学系の倍率を変更する必要が生じる。このような時、
従来の装置で測定能率を向上させるために、測定途中で
ターレットマウントを回転する等によって対物レンズを
交換して倍率を変更すると、光学系の光軸が変動して、
倍率変換の前後で測定位置の関連がなくなり精度が保証
できなくなる。従って、従来の装置では全般的には精度
がラフである場合でも一部に要求精度の高い部分があれ
ば、測定領域全体を高倍率の対物レンズを用いて測定せ
ざるを得ないため、測定時間が非常に長くなり、能率の
悪い作業が避けられなかった。 本発明の目的は、これらの問題を解消し、倍率変換に
よっても光学系の光軸変動を生じて測定精度の低下をき
たすことがなく、必要に応じて適宜倍率変換が可能で優
れた精度の測定を行い得る光学装置を提供することにあ
る。 〔問題点を解決する為の手段〕 本発明による倍率変換可能な光学装置は、対物レンズ
と、該対物レンズと該対物レンズによる像面との間に配
置され第１の光路と第２の光路とに光路を分岐する光路
分岐部材と、該第１光路と第２光路とを互いの光軸が一
致するように合成する光路合成部材と、前記光路分岐部
材と前記光路合成部材との間の第２光路中に形成される
前記対物レンズによる像を前記第１光路による像面と同
一面上に異なる倍率で再結像するためのリレーレンズと
を有し、これらの２つの光路により異なる倍率の像を同
一面上に形成するものである。そして、前記光路分岐部
材と前記光路合成部材との間の前記第１光路及び前記第
２光路のそれぞれを遮断するために各光路中に挿脱可能
に配置された遮断部材が設けられたものである。 〔作用〕 上記の如き本発明の構成においては、第１光路と第２
光路とにより同一平面上にそれぞれ形成される異なる倍
率の像が、各光路に配置された光路遮断部材の挿脱によ
り、交互に切り換えて形成される。そして、光路合成部
材により各光路の光軸が一致して構成されているので、
倍率の異なる各像の中心は常に一致しており、このよう
な光路の切換による倍率変換によっては、光軸の変化を
生ずる恐れは全く無い。 そして、前記第２光路中のリレーレンズは前記対物レ
ンズによる像をさらに拡大して再結像し、前記光路分岐
部材は前記第１光路よりも前記第２光路により多くの光
量を分岐すると共に、前記光路合成部材は前記第１光路
よりも前記第２光路からの光量をより多く合成する構成
とすれば、一般に暗くなりがちな高倍率の像を相対的に
明るくすることができ、低倍率の像との明るさの差を小
さくすることが可能となる。 〔実施例〕 以下、図示した実施例に基づいて本発明を説明する。 第１図は本発明による一実施例の光学構成を示す側面
図であり、第２図及び第３図はそれぞれ第１図における
II及びIII矢視部分側面図である。 ２つの正レンズ群1a,1bで構成される対物レンズ１の
像側に光路分割部材としての半透過プリズム２が配置さ
れ、ここでの反射によって第１光路が、また透過によっ
て第２光路が分岐される。光路分岐部材２で反射された
第１光路は光路合成部材としての半透過プリズム３に入
射してここでさらに反射され、ここを透過する第２光路
と合成され、像面10上に第１光路による物体像I₁を形成
する。他方、光路分岐部材としての半透過プリズム２を
透過して構成される第２光路の光束は、第２図に示す如
く、第１の光路変位部材としての四辺形プリズム４の互
いに平行な２つの反射面4a,4bで反射されて、１次像面
上に物体像I₀を形成する。１次像I₀からの光束はさら
に、２つの反射部材５と７での反射、及びこれらの間に
配置されたリレーレンズ６を介して第２の光路変位部材
としての台形プリズム８に入射し、ここで第３図に示す
如く、互いに直交する２つの反射面8a,8bで反射され
て、光路合成部材としての半透過プリズム３に達し、こ
れを透過して前記第１光路と合成されて前記第１光路に
よる像面と同一面10上に拡大された物体像I₂を形成す
る。 ここで、光路分岐部材としての半透過プリズム２と光
路合成部材としての半透過プリズム３との間の第１光路
中及び第２光路中には、それぞれの光路を遮断する第１
及び第２の遮断部材としての遮光板S₁,S₂が各光路中に
挿脱可能に配置されている。第１光路による所定倍率
（対物レンズ１による倍率）の物体像I₁と、第２光路に
よる倍率（対物レンズによる倍率とリレーレンズによる
倍率との積）のより拡大された物体像I₂とが、同一像面
10上に形成され、各遮光板S₁,S₂を交互に光路中に挿入
することによって、像面10上の像倍率を切換ることが可
能となる。 そして、第２光路におけるリレーレンズによって反転
される物体像は、第２光路中の４つの反射面によって成
立に戻され、像面10上では、第１の光路による物体像と
第２の光路による拡大された物体像とが同一姿勢で形成
される。即ち、第２光路において拡大される物体像I₂の
姿勢は、まず第１図の紙面内において２つの反射部材５
及び７によってこの紙面内で反転され、また第１図の紙
面（第１光路の光軸を含む面）に垂直な方向については
第３図に示す如く、台形プリズム８の互いに直交する２
つの反射面8a,8bでの反射によって反転され、これら４
回の反射によってリレーレンズによる像の反転を戻して
いる。 上記の実施例においては、物体面Ｏへの照明光は、対
物レンズ１を構成する２つの正レンズ群1a,1bの間に配
置された半透過鏡17を介して供給されている、光源15か
らの光束はコンデンサーレンズ16によって集光され、半
透過鏡17で反射され対物レンズ１の物体側の正レンズ群
1aの像側焦点近傍に集光され、落射型の所謂ケーラー照
明により物体面上が均一に照明される。 第４図は第２光路中に第２遮光板S₂を挿入することに
よって、第１光路による物体像I₁が形成されている場合
の光路の様子を示す斜視図である。また、第５図は第１
光路中に第１遮光板S₁を挿入することによって、第２光
路による物体の拡大像I₂が形成されている場合の光路の
様子を示す斜視図である。 第４図に示す如く、比較的倍率の低い像I₁は光路分岐
部材２及び光路合成部材３で反射される第１光路によっ
て形成される。また、比較的倍率の高い像I₂は、第５図
に示す如く、光路分岐部材２を透過し、第１の光路変位
部材としての四辺形プリズム４を経て１次像I₀を形成し
た後、２つの反射鏡5,7及びリレーレンズ６を介して第
２の光路変位部材としての台形プリズム８を経て光路合
成部材としての半透過プリズム３を透過する第２光路に
よって形成される。 ところで、倍率変換可能な光学装置では、低倍は高倍
に比較して一般に明る過ぎる。CCD等のテレビカメラ用
撮像素子はある一定光量以上の強い光が入射すると飽和
してしまうため、NDフィルター等で光量を調節する必要
が生じるが、これは操作上手間を要する。上記本発明に
よる実施例の構成においては、光束分岐部材及び光束合
成部材としての各半透過プリズム2,3の透過率を反射率
より大きくし、かつ、その値を適当に選択することによ
って、高倍の明るさをそれ程減ずることなく、低倍と高
倍の明るさをほとんど同じに出来る。 例えば、リレーレンズ６の倍率を10倍とすると、同じ
光量が半透過プリズム２で第１光路と第２光路とに分割
されるとそれぞれの像の明るさは倍率の二乗に反比例す
るため、高倍側の明るさは低倍側に比較して1/100とな
る。ここで、光束分岐部材及び光束合成部材の各半透過
プリズム2,3の透過率（Ｔ）と反射率（Ｒ）の比をそれ
ぞれ、T:R＝0.9:0.1とすると、第１の光路では0.1×0.1
＝0.01つまり全光量の１％を使用し、第２の光路につい
ては0.9×0.9＝0.81つまり81％を使用する。このような
構成にすれば、前述したように高倍側の第２光路では全
光量に対する損失が非常に少なく、かつ第１光路の80倍
の光量を使用するため、倍率による明るさの減少を考え
ると像面上の明るさはほぼ等しくなる。光学系の吸収等
の光量損失を考慮する場合には、光路分岐プリズム及び
光路合成プリズムの透過率と反射率との比を若干修正す
ることによって上記と同様に倍率変化によっても像の明
るさの変化を小さくすることが可能である。さらに、半
透過プリズムの反射膜は透過率の大きい場合には単層誘
電体で構成でき、吸収もなく製作も容易で低コストであ
るので、この点でも上記の構成は有利である。 上記のように構成した状態では、低倍の明るさは減小
するが前記したようにあまり問題とならず、むしろ低倍
率の像と高倍率の像とが同じ明るさになったことによ
り、倍率を変更しても格別の光量調節を行う必要がなく
なり、操作上及び信号処理上の利点が大きい。 また、遮断部材としては簡単な遮蔽板を使用すること
ができ、これの挿脱はターレットの回転等により簡単に
行うことができ、従来の如くレンズの交換を行う場合に
比べて精度を要しないため、簡単な構成で迅速な倍率変
換が可能となる。 さて、第６図の斜視図に示した本発明による第２実施
例は、比較的高倍率の物体像を形成するための第２光路
の構成を異にしたものである。第６図中では、前記第１
実施例の構成を示した第５図との比較をし易くするため
に、実質的に同一の機能を有する部材には同一の符号を
付した。図示のとおり、光路分岐部材としての半透過プ
リズム２を透過する第２光路の光束は、第１の光路変位
部材としての台形プリズム40の互いに直交する反射面40
a,40bで反射された後、リレーレンズ70、反射鏡50及び6
0での反射を受けて第２の光路変位部材としての四辺系
プリズム80に入射し、この互いに平行な反射面80a,80b
で反射されて光路合成部材としての半透過プリズム３に
入射する。この構成では、第１の光路変位部材としての
台形プリズム40における２つの反射面によりまず第２光
路を物体側へ（図中、下側へ）折り曲げることとしたた
め、第２光路の高さが低くなり、光学装置全体の高さも
低くできる。しかも、この実施例では、光源15、コンデ
ンサーレンズ16及び半透過鏡17で構成される照明系の光
軸を、光路分岐部材２での反射によって分岐された第１
光路の水平光軸と同じ側で平行になるように配置したこ
とによって、光学構成を一層小型にすることが可能とな
っている。 上記第２実施例の構成におていは、第１と第２の光路
変位部材のうち、第１の光路変位部材としての台形プリ
ズム40の互いに直交する反射面40a,40bでの反射によ
り、第１光路の光軸を含む面に垂直な面内での像の反転
がなされ、２つの反射鏡50,60によって第１光路の光軸
を含む面内での像の反転がなされている。そして、光路
分岐部材２と光路合成部材３との間に第１光路の遮断を
行うために挿脱可能な遮断部材S₁が配置され、第２光路
変位部材としての４辺形プリズム80と光路合成部材３と
の間に第２光路の遮断を行うための遮断部材S₂が挿脱可
能に配置されている。第６図では、第１遮断部材S₁によ
り第１光路を遮断して、第２光路による拡大像I₂が像面
上に形成されている状態を示している。 ところで、本発明はCCD等の２次元撮像素子を使用し
た光学装置だけでなく、従来、測定中は精度維持の為に
倍率変換を行なうことが出来なかった工場顕微鏡等の測
定機においても、そのまま採用され得る。第７図は工場
顕微鏡に本発明を適用した場合の構成を示す側面図であ
る。第８図は第７図におけるVII矢視部分側面図であ
り、第９図は第７図におけるIX矢視部分側面図である。
これらの図においても第１図〜第３図に示した第１実施
例の構成と同様の機能を有する部材に同一の符号を付し
た。 光路合成部材３と像面10との間に配置された俯視プリ
ズム20で光路を曲げ、接眼レンズ21で物体像Ｉを観察す
る。この様な構成によれば、測定中に細部の認識が必要
となった時、第１遮断部材S₁と第２遮断部材S₂とを切り
換えることによって第１光路と第２光路とによる像を切
換え、適宜倍率を変更することが可能となる。そして、
単に一方の光路を遮断するだけであるため異なる倍率に
おいても光軸の変動がなく、ズーム等の変倍手段では不
可避の光軸変動を無くすことができ、測定精度に支障を
きたすことがない。 〔発明の効果〕 以上の様に本発明によれば、被検物体の測定場所の要
求精度に応じて、倍率を変更しても光軸ズレが生じるこ
とがなく、軸ズレによる測定誤差は発生しない。そし
て、測定場所の要求精度に応じて倍率を変えて測定する
ことができるので、測定能率を大幅に向上させることが
可能である。 また、変倍によって像の姿勢が不変であることも必要
であるが、その点に関しても上記実施例の構成では十分
満たされている。 従って、本発明によればCCD等の２次元撮像素子を使
用して物体の形状を自動測定する測定機を構成すること
が可能であり、遮断部材の挿脱という極めて簡単な操作
により倍率変換ができるため、測定個所の要求精度に応
じて倍率を簡単迅速に変換できるので、高速の自動測定
装置とすることも可能である。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による第１図の光学構成を示す側面図、
第２図及び第３図はそれぞれ第１図におけるII及びIII
矢視部分側面図、第４図は第１実施例の比較的低倍率の
物体像を形成する状態の構成を示す斜視図、第５図は第
１実施例の比較的高倍率の物体像を形成する状態の構成
を示す斜視図、第６図は本発明による第２実施例の光学
構成を示す斜視図、第７図は本発明による第３実施例の
光学構成を示す側面図、第８図は第７図におけるVII矢
視部分側面図、第９図は第７図におけるIX矢視部分側面
図である。 〔主要部分の符号の説明〕 １……対物レンズ ２……光路分岐部材 ３……光路合成部材 6,70……リレーレンズ S₁,S₂……光路遮断部材

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．対物レンズと、該対物レンズと該対物レンズによる
   像面との間に配置され第１の光路と第２の光路とに光路
   を分岐する光路分岐部材と、該第１光路と第２光路とを
   互いの光軸が一致するように合成する光路合成部材と、
   前記光路分岐部材と前記光路合成部材との間の第２光路
   中に形成される前記対物レンズによる像を前記第１光路
   による像面と同一面上に異なる倍率で再結像するための
   リレーレンズと、前記光路分岐部材と前記光路合成部材
   との間の前記第１光路及び前記第２光路のそれぞれを遮
   断するために各光路中に挿脱可能に配置された遮断部材
   とを有し、前記第２光路中のリレーレンズは、前記対物
   レンズによる像をさらに拡大して再結像し、前記光路分
   岐部材は前記第１光路よりも前記第２光路により多く光
   量を分岐すると共に、前記光路合成部材は前記第１光路
   よりも前記第２光路からの光量をより多く合成すること
   を特徴とする倍率変換可能な光学装置。 ２．前記光路分岐部材は前記第１光路を反射し且つ前記
   第２光路を透過することによって両光路を分岐し、前記
   光路合成部材は前記第１光路を反射し、且つ前記第２光
   路を透過することによって両光路を合成し、前記光路分
   岐部材と前記光路合成部材とは共に反射率より透過率の
   方が高いことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   倍率変換可能な光学装置。 ３．前記第２光路は、前記第１光路の光軸を含む平面と
   平行で所定距離隔たった平面上に該第２光路の一部の光
   軸が位置するように第２光路を変位させる第１の光路変
   位部材と、該第１の光路変換部材によって変位された第
   ２光路の光軸を前記第１光路の光軸を含む平面と同一平
   面上に戻して前記光路合成部材に導く第２の光路変位部
   材とを有することを特徴とする特許請求の範囲第２項記
   載の倍率変換可能な光学装置。 ４．前記第１及び第２の光路変位部材のうちの一方は該
   変位方向における物体像の向きを反転するための互いに
   直交する２つの反射面を有し、他方は互いに平行な反射
   面を有し、前記第２光路は前記一方の光路変位部材にお
   ける互いに直交する２つの反射面による像の反転方向と
   直交する方向で物体像の向きを反転するための２つの反
   射部材を有することを特徴とする特許請求の範囲第３項
   記載の倍率変換可能な光学装置。