JP5073200B2

JP5073200B2 - 撮像装置用変倍レンズ

Info

Publication number: JP5073200B2
Application number: JP2005352360A
Authority: JP
Inventors: 達夫関; 崎信幸川; 橋隆久石; 口聡志瀧
Original assignee: Moritex Corp
Current assignee: Moritex Corp
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2025-12-06
Also published as: JP2007156175A

Description

本発明は、基準倍率より高倍側は画角を変化させて観察倍率を変化させるズーム機能を有すると共に、基準倍率に維持したまま被観察物までの距離を変化させてフォーカスを合わせることにより撮像範囲を変化させるフォーカス機能を有する撮像装置用変倍レンズに関する。

基板検査や精密寸法測定などに用いられる撮像装置に装着されるレンズは、検査対象に応じて倍率を変化させることができるズーム機能を有するものが普及しており、例えばシリコンウェハに形成された微細な回路基板などをディスプレイに映し出して観察する場合に、最高倍率として４０〜５０倍のものが用いられている。
一方、生産効率を向上させるため、基板１枚の大きさは直径３０〜４０ｃｍと大型化しているため、基板全体をディスプレイに映し出そうとすると、倍率は０.５〜１倍程度にしなければならない。

しかしながら、この種の検査や測定に用いられる工業用ズームレンズの低倍側と高倍側の倍率比はせいぜい５〜８倍程度が限度であるため、例えば、０.５〜５０倍のような倍率範囲を一本のズームレンズでカバーすることはできない。

このため従来より、基準倍率より高倍側は画角を変化させて観察倍率を変化させるズーム機能を有すると共に、基準倍率に維持したまま被観察物までの距離を変化させてピントを合わせることにより撮像範囲を変化させるフォーカス機能を有する撮像装置用変倍レンズが市販されており、画角を変化させるズームレンズ群及び焦点距離に応じてフォーカスを合わせるフォーカスレンズ群の夫々をレンズ鏡筒に外装されたズーム操作リングとフォーカス操作リングで個別に操作するようにしている。

したがって、基準倍率より高倍側では、任意の撮像距離でズーム操作リングにより画角を変化させて倍率を設定した後、フォーカス操作リングでピントを合わせて観察を行い、基準倍率においては、ズーム操作リングを基準倍率に設定した状態で撮像距離を離すことにより撮像範囲を変化させていきフォーカス操作リングでピントを合わせて観察するようにしている。

しかしながら、基準倍率より高倍側で検査対象を拡大して精密観察を行う場合に、ズーム操作リングにより画角を変化させて倍率を設定した後、フォーカス操作リングでピントを合わせると、ピントを合わせることにより倍率が変化するという問題を生ずる。
例えば、配線回路の太さやそのギャップを精密に寸法測定するために、ズーム操作リングの回転角に同期させて基準寸法のスケールを画面上に表示させる場合に、フォーカス操作により倍率が変化してしまうため測定結果に誤差を含むことになる。

また、二つの操作リングがあることにより、とっさにいずれのリングを回すべきか迷ってしまい、ズーム操作リングにより倍率を合わせた後にフォーカス操作リングを回すべきところ、誤ってズーム操作リングを再度動かしてしまい、せっかく合わせた倍率を合わせ直さなければならないという面倒も生ずる。

さらに、検査や測定に用いられる工業用ズームレンズでは、基準倍率より高倍側で検査対象を拡大観察する場合の観察距離はある程度限られるため、基準倍率より高倍側では低倍側に比してフォーカス操作リングの回転範囲が制限されている。
このため、フォーカス操作リングを高倍側の回転範囲を超えた角度に位置させて基準倍率より低倍側で観察している状態から、基準倍率より高倍に倍率変化させる場合は、フォーカス操作リングを元の位置に戻してからズーム操作リングを回転しなければならず、フォーカス操作リングを戻し忘れてズーム操作リングを無理に回転しようとすると、内部機構が壊れてしまうという問題があった。

そこで本発明は、ズーム操作及びフォーカス操作を混同したり、誤操作による故障を起こしたりせず、精密に寸法測定する場合でも誤差を含まないようにすることを技術的課題としている。

この課題を解決するために、本発明は、予め設定された基準倍率よりも高倍側は画角を変化させることにより撮像範囲を変化させるズーム機能を有すると共に、基準倍率に維持したまま被観察物までの距離を変化させてフォーカスを合わせることにより撮像範囲を変化させるフォーカス機能を有する撮像装置用変倍レンズであって、
レンズ鏡筒には、画角を変化させるズームレンズ群とフォーカスを合わせるフォーカスレンズ群が、それぞれズーム用カム及びフォーカスカムにより光軸方向である前後方向に移動可能に配されると共に、
前記各カムを回転させる操作リングが、光軸に沿ってズーム操作位置とフォーカス操作位置の間を前後方向に移動可能に、且つ、夫々の位置で回転可能に外装され、
前記操作リングがズーム操作位置に位置決めされたときに当該操作リングをズーム用カム及びフォーカス用カムの双方に係合させて回転を伝達し、フォーカス操作位置に位置決めされたときに当該操作リングとズーム用カムとの係合を解除してフォーカス用カムとの係合を維持して回転を伝達する係合溝を備えたリング部材を有する回転伝達機構を備え、
前記操作リングがズーム操作位置で回転されたときは予め設定された焦点距離でフォーカスを合わせ、前記フォーカス位置で操作リングが回転されたときは焦点距離に応じてフォーカスを合わせるように前記フォーカスレンズ群がフォーカスカムにより位置決めされるようになされたことを特徴としている。

本発明に係る撮像装置用変倍レンズによれば、例えば基準倍率１０倍に合わされた操作リングを例えば前方のズーム操作位置まで移動させると、ズーム用カム及びフォーカス用カムの双方が操作リングに係合され、操作リングを回転させることによりズームレンズ群及びフォーカスレンズ群が同時に移動され、予め設定された焦点距離でフォーカスを合わせた状態で画角を調整できる。
したがって、基準倍率より高倍側は、予め設定された一定の観察距離でフォーカスがあった状態で画角調整することにより撮像範囲を変化させて高倍率で観察することができる。
また、操作リングを後方のフォーカス操作位置まで移動させると、ズーム用カムとの係合が解除されてフォーカス用カムのみが操作リングに係合され、操作リングを回転させることによりズームレンズ群を固定したままフォーカスレンズ群のみを前後に移動させ、一定の画角を維持した状態でその焦点距離に応じてフォーカスが調整される。
したがって、基準倍率においては、観察距離を離すことにより撮像範囲を変化させて実質的に観察倍率を低くすることができる。

この場合において、操作リングはひとつしかなく、フォーカス操作位置ではフォーカス操作しか行うことができず、ズーム操作位置ではズーム操作しか行うことができないので、ズーム操作及びフォーカス操作を混同したり、誤操作による故障を起こしたりすることがなく、また、ズーム操作リングの回転角に同期させて基準寸法のスケールを画面上に表示させる場合も測定結果に誤差を生じることがない。

誤操作を起こしたりし難く、精密に寸法測定する場合でも誤差を含まないようにするという目的を達成するために、レンズ鏡筒に外装された操作リングを基準倍率に合わせた状態で前後に移動してズーム操作位置又はフォーカス操作位置に位置決めし、ズーム操作位置で回転させることにより、ズームレンズ群及びフォーカスレンズ群を同時に移動させ、予め設定された観察距離にフォーカスを合わせた状態で画角を変化させて基準倍率より高倍側で倍率調整を行い、フォーカス操作位置で回転させることにより、フォーカスレンズ群のみを移動させ、画角を一定に維持した状態でその観察距離に応じてフォーカスを合わせて、撮像範囲を変化させることができるようにした。

図１は本発明に係る撮像装置用変倍レンズの要部を示す説明図、図２はその全体外観図、図３はその平面図、図４は係合リングと各カムの係合状態を示す説明図、図５はレンズの位置関係を示す説明図である。

本例の撮像装置用変倍レンズ１は、図２に示すように、基準倍率より高倍側で画角を変化させることにより撮像範囲を変化させるズーム機能と、基準倍率に維持したまま被観察物までの距離を変化させてフォーカスを合わせることにより撮像範囲を変化させるフォーカス機能を有しており、本体２に取り付けられたレンズ鏡筒３に、ズーム操作及びフォーカス操作を切り換えて実質的に観察倍率を変化させるひとつの操作リング４が外装されている。

操作リング４は、その回転始端Ｒ_Ｓから回転終端Ｒ_Ｅに到る間に設定された切換位置Ｒ_Ｃが基準倍率（例えば１０倍）位置とされ、切換位置Ｒ_Ｃで基準倍率に合わせた状態で前後に移動されて（図２矢印Ａ_Ｃ図示）、前方のズーム操作位置Ｐ_Ｚ及び後方のフォーカス操作位置Ｐ_Ｆに位置決めされるように成されている。
すなわち、操作リング４は、回転始端Ｒ_Ｓと切換位置Ｒ_Ｃとの間は後方のフォーカス操作位置Ｐ_Ｆで回転され（図２矢印Ａ_Ｆ図示）、切換位置Ｒ_Ｃと回転終端Ｒ_Ｅとの間は前方のズーム操作位置Ｐ_Ｚで回転され（図２矢印Ａ_Ｚ図示）ることとなる。

レンズ鏡筒３の外周面には、図３（ａ）に示すように、操作リング４を前方のズーム操作位置Ｐ_Ｚに移動させたときにこの操作リング４で覆われ、且つ、操作リング４を後方のフォーカス操作位置Ｐ_Ｆに移動させたときに露出される部分に、フォーカス指標Ｍ_Ｆとして近距離を示す「Ｎ」と遠距離を示す「Ｆ」が表示されている。
また、図３（ｂ）に示すように、操作リング４を後方のフォーカス操作位置Ｐ_Ｆに移動させたときにこの操作リング４で覆われ、且つ、操作リング４を前方のフォーカス操作位置Ｐ_Ｆに移動させたときに露出される部分に、ズーム指標Ｍ_Ｚとして倍率数値(例えば、１０、２０、３０、４０、５０)が表示されている。
これにより、操作リング４をフォーカス操作位置Ｐ_Ｆで回転操作するときはフォーカス指標Ｍ_Ｆのみを視認することができ、ズーム操作位置Ｐ_Ｚで回転操作するときはズーム指標Ｍ_Ｚのみを視認することができ、フォーカス指標Ｍ_Ｆとズーム指標Ｍ_Ｚが同時に視認されることがない。

また、鏡筒３内には、図１に示すように、対物側から接眼側に向かって配された第１群〜第５群の各レンズＬ_１〜Ｌ_５と、基準倍率より高倍側で画角を変化させるズームレンズ群Ｌ_Ｚとなる第１群及び第２群のレンズＬ_１及びＬ_２を前後方向に移動させるズーム用カムＣ_Ｚと、画角が変化するときに予め設定された焦点距離でフォーカスを合わせると共に画角が変化しないときに焦点距離に応じてフォーカスを合わせるフォーカスレンズ群Ｌ_Ｆとなる第４群のレンズＬ_４を前後方向に移動させるフォーカス用カムＣ_Ｆが配され、第３群及び第５群のレンズＬ_３及びＬ_５は固定されている。

ズームレンズ群Ｌ_Ｚとなる第１群及び第２群のレンズＬ_１及びＬ_２は夫々のレンズホルダＨ_１及びＨ_２に装着され、各ホルダＨ_１及びＨ_２に形成された従動ピンＪ_１及びＪ_２が、スライドガイド８に形成されたガイド溝Ｓ_１及びＳ_２と、ズーム用カムＣ_Ｚのカム溝Ｇ_１及びＧ_２に係合されて、カムＣ_Ｚの回転に伴って前後に移動可能に配されている。
また、フォーカスレンズ群Ｌ_Ｆとなる第４群のレンズＬ_４はレンズホルダＨ_４に装着されて、その従動ピンＪ_４がスライドガイド８に形成されたガイド溝Ｓ_４と、フォーカス用カムＣ_Ｆのカム溝Ｇ_４に係合されて、カムＣ_Ｚの回転に伴って前後に移動可能に配されている。

また、各カムＣ_Ｚ及びＣ_Ｆは、基準倍率に合わせた状態で光軸方向に沿って前後に整列される係合ピンＫ_Ｚ及びＫ_Ｆが形成され、操作リング４と一体的に回転される係合リング５に形成された係合溝（回転伝達機構）６に係合されている。
この係合溝６は、レンズ鏡筒３の光軸方向に係合ピンＫ_Ｚ及びＫ_Ｆの間隔より長いスリットで形成され回転伝達溝７Ｒと、その前端側から回転伝達溝７Ｒと直交するように周方向に伸びる空転溝７Ｓとからなり、基準倍率に合わせた状態で各係合ピンＫ_Ｚ及びＫ_Ｆが回転伝達溝７Ｒに係合される。
これにより、操作リング４がズーム操作位置Ｐ_Ｚに移動したときにズーム用カムＣ_Ｚ及びフォーカス用カムＣ_Ｆの双方に操作リング４の回転を伝え、操作リング４がフォーカス操作位置Ｐ_Ｆに移動したときにフォーカス用カムＣ_Ｆのみに操作リング４の回転を伝えることができる。

すなわち、操作リング４を前方のズーム操作位置Ｐ_Ｚに移動させると、係合ピンＫ_Ｚ及びＫ_Ｆが回転操作溝７Ｒの後方に位置するので、操作リング４を回転させるときに係合ピンＫ_Ｚ及びＫ_Ｆが回転伝達溝７Ｒに拘束されて従動する（図４（ａ）〜（ｂ））。
その結果、各カムＣ_Ｚ及びＣ_Ｆは一体的に回転され、ズームレンズ群Ｌ_Ｚとなる第１群及び第２群のレンズＬ_１及びＬ_２と、フォーカスレンズ群Ｌ_Ｆとなる第４群のレンズＬ_４が、各カムＣ_Ｚ及びＣ_Ｆのカム溝Ｇ_１、Ｇ_２及びＧ_４に従動して前後方向に移動され、一定の観察距離（例えば１１ｃｍ）にフォーカスを合わせた状態で画角のみが変化して倍率調整されることとなる。

一方、操作リング４を後方のフォーカス操作位置Ｐ_Ｚに移動させると、ズーム用カムＣ_Ｚの係合ピンＫ_Ｚが回転伝達溝７Ｒと空転溝７Ｓとの交差点に位置し、フォーカス用カムＣ_Ｆの係合ピンＫ_Ｚのみ回転伝達溝７Ｒに係合するので、操作リング４を回転させるときにフォーカス用カムＣ_Ｆの係合ピンＫ_Ｆのみが回転伝達溝７Ｒに拘束されて従動し、ズーム用カムＣ_Ｚの係合ピンＫ_Ｚは周方向に伸びる空転溝７Ｓに係合しているので操作リング４の回転が伝達されることがない（図４（ｃ）〜（ｄ））。
その結果、ズーム用カムＣ_Ｚが停止されたままフォーカス用カムＣ_Ｆのみが回転され、ズームレンズ群Ｌ_Ｚとなる第１群及び第２群のレンズＬ_１及びＬ_２は動かずに画角が一定に維持された状態で、フォーカスレンズ群Ｌ_Ｆとなる第４群のレンズＬ_４が前後方向に移動され、撮像距離に応じてフォーカスが合わせられる。

なお、図示は省略するが、本体２には、操作リング４の回転角に応じた検出信号を出力するセンサと、その検出信号が入力されたときに予め設定された回転角−倍率変換データに基づいて倍率を算出し、その倍率に基づいて基準長さのスケールをディスプレイ上に表示させるスケールデータを出力する演算装置が配されている。

以上が本発明の一例構成であって、次にその作用について説明する。
本例の撮像装置用変倍レンズ１を撮像装置（図示せず）に装着して、直径３０〜４０ｃｍのシリコンウェハ基板などの検査対象物を観察する場合について説明する。
例えば、基準倍率が１０倍に設定され、最高倍率が５０倍に設定されている場合に、基準倍率では全体を撮像することができないので、観察距離を離して撮像範囲を広げることにより実質的に観察倍率の調整を行う。
まず、操作リング４を基準倍率となる切換位置Ｒ_Ｃに合わせた状態で後方のフォーカス操作位置Ｐ_Ｆまで移動させ、この状態で、観察距離を遠ざけていき基板全体が画面内に入ったところで、フォーカスが合うところまで操作リング４を回転始端Ｒ_Ｓ側へ回転させていく。

このとき、操作リング４の回転によってフォーカス用カムＣ_Ｆの係合ピンＫ_Ｆのみが回転伝達溝７Ｒに拘束されて従動し、ズーム用カムＣ_Ｚの係合ピンＫ_Ｚは周方向に伸びる空転溝７Ｓに係合しているので操作リング４の回転が伝達されることがない。
したがって、ズーム用カムＣ_Ｚが停止されたままフォーカス用カムＣ_Ｆのみが回転され、ズームレンズ群Ｌ_Ｚとなる第１群及び第２群のレンズＬ_１及びＬ_２は動かずに画角が一定に維持された状態で、フォーカスレンズ群Ｌ_Ｆとなる第４群のレンズＬ_４が前後方向に移動され、基準倍率による観察距離から無限遠点まで撮像距離に応じてフォーカスが合わせられる。
また、操作リング４をフォーカス操作位置Ｐ_Ｆに移動させると、ズーム指標Ｍ_Ｚが隠されてフォーカス指標Ｍ_Ｆのみを視認することができるので、無用な表示がなく、指標を誤読して誤操作することもない。

次いで、その基板の特定の観察部位を拡大観察する場合は、全体画像を見ながら観察部位が画面中央に位置するように撮像装置と基板を相対移動させる。
そして、操作リング４を回転終端Ｒ_Ｅ側に回転していき、切換位置Ｒ_Ｃに達したところで前方のズーム操作位置Ｐ_Ｚまで移動させると同時に、観察距離を１１ｃｍまで近づけることによりフォーカスを合わせた状態で、操作リング４を回転終端Ｒ_Ｅ側へ回転させ、任意の観察倍率で撮像する。

このとき、ズーム用カムＣ_Ｚ及びフォーカス用カムＣ_Ｆの係合ピンＫ_Ｚ及びＫ_Ｆが回転伝達溝７Ｒに拘束されているので、各カムＣ_Ｚ及びＣ_Ｆは一体的に回転され、ズームレンズ群Ｌ_Ｚとなる第１群及び第２群のレンズＬ_１及びＬ_２と、フォーカスレンズ群Ｌ_Ｆとなる第４群のレンズＬ_４が前後方向に移動され、一定の観察距離にフォーカスを合わせた状態で画角のみが変化して倍率調整される。
また、操作リング４をズーム操作位置Ｐ_Ｚに移動させると、フォーカス指標Ｍ_Ｆが隠されてズーム指標Ｍ_Ｚのみを視認することができ、無用な表示がなく、指標を誤読して誤操作することもない。

上述したように、基準倍率より高倍側でズーム操作するときも、基準倍率に維持したままフォーカス操作するときも、一つの操作リングを回転するだけで撮像範囲を変化させることができ、二つのリングを操作することによる誤操作により再調整の必要を生じたり、故障させることがない。
なお、本体２に内蔵されたセンサから操作リング４の回転角に応じた検出信号が演算装置に入力されると、予め設定された回転角−倍率変換データに基づいて倍率が算出され、その倍率に基づいて基準長さのスケールをディスプレイ上に表示される。
このとき、倍率は操作リング４の回転角により一義的に定まるので、画像に映し出された検査対象物の寸法を精密測定する場合も、誤差が含まれることがない。

以上述べたように、本発明は、基板検査や精密寸法測定などに用いられる撮像装置に装着して、観察対象に応じて倍率を変化させて観察する用途に適用することができる。

本発明に係る撮像装置用変倍レンズの要部を示す説明図。その全体外観図。その平面図。係合リングと各カムの係合状態を示す説明図。レンズの位置関係を示す説明図。

符号の説明

１撮像装置用変倍レンズ
２本体
３レンズ鏡筒
４操作リング
Ｐ_Ｚズーム操作位置
Ｐ_Ｆフォーカス操作位置
Ｃ_Ｚズーム用カム
Ｃ_Ｆフォーカス用カム
６係合溝（回転伝達機構）

Claims

予め設定された基準倍率よりも高倍側は画角を変化させることにより撮像範囲を変化させるズーム機能を有すると共に、基準倍率に維持したまま被観察物までの距離を変化させてフォーカスを合わせることにより撮像範囲を変化させるフォーカス機能を有する撮像装置用変倍レンズであって、
レンズ鏡筒には、画角を変化させるズームレンズ群とフォーカスを合わせるフォーカスレンズ群が、それぞれズーム用カム及びフォーカスカムにより光軸方向である前後方向に移動可能に配されると共に、
前記各カムを回転させる操作リングが、光軸に沿ってズーム操作位置とフォーカス操作位置の間を前後方向に移動可能に、且つ、夫々の位置で回転可能に外装され、
前記操作リングがズーム操作位置に位置決めされたときに当該操作リングをズーム用カム及びフォーカス用カムの双方に係合させて回転を伝達し、フォーカス操作位置に位置決めされたときに当該操作リングとズーム用カムとの係合を解除してフォーカス用カムとの係合を維持して回転を伝達する係合溝を備えたリング部材を有する回転伝達機構を備え、
前記操作リングがズーム操作位置で回転されたときは予め設定された焦点距離でフォーカスを合わせ、前記フォーカス位置で操作リングが回転されたときは焦点距離に応じてフォーカスを合わせるように前記フォーカスレンズ群がフォーカスカムにより位置決めされるようになされたことを特徴とする撮像装置用変倍レンズ。
前記操作リングをズーム操作位置に移動させたときに該操作リングで覆われるレンズ鏡筒の外周面に沿ってフォーカス指標が形成され、操作リングをフォーカス操作位置に移動させたときに該操作リングで覆われるレンズ鏡筒の外周面に沿ってズーム指標が形成された請求項１記載の撮像装置用変倍レンズ。