JP6344977B2 - 光学系及び画像測定装置 - Google Patents

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。

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。）。

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Ｇ_Ｆとレンズ後郡Ｇ_Ｒの間の平行光束部分（ｄ_８）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（ｄ_８）にビームスプリッタを挿入した場合には、レンズＬ_１〜Ｌ_５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。

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Ｇ_１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。

そこで、接合レンズＧ_１とレンズ群Ｇ_２との間（ｄ_３）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（ｄ_３）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Ｌ_１及びＬ_２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。

特許３７０８８４５号

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。

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。

（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。

（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。

（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。

（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。

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。 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。 光源部１２２からの照明光が拡散する光学系１２０と撮像素子１３０の構成を示す。 コンピュータ本体１４１の構成を示すブロック図である。 第１実施形態の光学系１２０の構成において、薄膜フィルム１２８の反射特性に入射角依存性がある場合の照明光量分布を示す模式図である。 第２実施形態に係る光学系１２０の構成を示す。 光量調整フィルタ１２５の外観を模式的に示す。 光量調整フィルタ１２５の他の例を模式的に示す。 従来の両側テレセントリック対物レンズの構成を示す。 ビームスプリッタＢＳにより二重像が生じる原理を示す模式的な光路図である。

〔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。

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。

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。

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Ｇ_Ｆ及び全体として正の屈折率を持つ後群Ｇ_Ｒ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。

レンズ群Ｇにおいて各レンズは、前群Ｇ_Ｆの後側焦点と後群Ｇ_Ｒ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。

前群Ｇ_Ｆは、第１群Ｇ_１と第２群Ｇ_２とからなる。第１群Ｇ_１は、凸レンズＬ_１および凹レンズＬ_２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Ｇ_２は、物体側より近い順に凸レンズＬ_３および凹レンズＬ_４の接合レンズと凹レンズＬ_５とからなり、全体として正の屈折力をもつ。

後群Ｇ_Ｒは、第３群Ｇ_３と第４群Ｇ_４とからなる。第３群Ｇ_３は、凹レンズＬ_６と凹レンズＬ_７および凸レンズＬ_８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Ｇ_４は、凹レンズＬ_９および凸レンズＬ_１０の接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ。

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。

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。

薄膜フィルム１２８は、前群Ｇ_Ｆにおける第１群Ｇ_１と第２群Ｇ_２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Ｇ_１を介して入射する光を透過して、第２群Ｇ_２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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

〔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。

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。

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Ｇ_１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。

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。

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。

〔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。

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。

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）

Claims (7)

1. 拡散光線を出射する光源部と、
   前記光源部からの拡散光線を反射し、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、
   前記光源部と前記薄膜フィルムとの間に配され、前記光源部が出射する拡散光の光束のうち前記薄膜フィルムへの入射角度が光軸方向と前記薄膜フィルムの成す角よりも大きくなる光束内の領域を通過する光の光量を、他の部分における光量より減少させるフィルタと
   を備える光学系。
2. 前記フィルタは、前記光源からの光の一部を拡散する拡散フィルタであることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記フィルタは、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であることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
4. 前記フィルタは、欠円形に形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学系。
5. 前記フィルタは、半円形に形成されることを特徴とする請求項４に記載の光学系。
6. 前記第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し、
   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５のいずれか１項に記載の光学系。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の光学系と、
   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。

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