JP6639718B2 - 光学系、それを備える撮像装置及び撮像システム - Google Patents

光学系、それを備える撮像装置及び撮像システム Download PDF

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Description

本発明は、物体からの光束を分光して画像情報を取得する撮像装置に用いられる光学系に関し、例えば製造業、農業、医療などの産業分野における検査や評価に好適なものである。
従来、被検物（物体）からの光束を互いに波長が異なる複数の光束に分光し、各光束を互いに異なる位置に集光する光学系が知られている。特許文献１には、一方向に長いスリットの両側に配置されたシリンドリカルミラーと、シリンドリカルミラーからの光束を分光する回折格子とを有する光学系が記載されている。
米国特許第７１９９８７７号公報
しかしながら、特許文献１に記載の光学系は、シリンドリカルミラーを採用しているため、スリットに入射するときの光束及び回折格子で分光された光束は、スリットの長手方向を含む断面において平行光となっている。よって、その断面において光束を集光するためには、回折格子の像側にレンズを配置する必要がある。さらに、広画角化を実現するためには、より多くの光学素子を配置することが必要になり、全系が大型化してしまう。
本発明は、小型でありながら広画角化を実現することができる光学系、それを備える撮像装置及び撮像システムの提供を目的とする。
上記目的を達成するための、本発明の一側面としての光学系は、物体側から像側へ順に配置された前群、遮光部材、後群から成る光学系であって、前記遮光部材には、第１の方向に長い開口が設けられており、前記前群は、前記第１の方向に平行な第１の断面においては前記開口上に物体を結像せず、前記第１の方向に垂直な第２の断面においては前記開口上に前記物体の中間像を形成しており、前記後群は、前記第２の断面において前記開口を通過した光束を互いに波長が異なる複数の光束に分光する回折面を有し、前記第２の断面において前記複数の光束を互いに異なる位置に集光しており、前記第１の断面において、前記前群から出射して前記開口に入射する光束は非平行光であり、前記第２の断面において、前記前群及び前記後群は正のパワーを有することを特徴とする光学系。
本発明によれば、小型でありながら広画角化を実現することができる光学系、それを備える撮像装置及び撮像システムの提供が可能になる。
実施形態に係る光学系のＸＹ断面における要部概略図。 実施形態に係る光学系のＺＸ断面における要部概略図。 実施例１に係る光学系のＭＴＦを示す図。 実施例２に係る光学系の要部概略図。 実施例２に係る光学系のＭＴＦを示す図。 実施例３に係る光学系の要部概略図。 実施例３に係る光学系のＭＴＦを示す図。 実施例４に係る光学系の要部概略図。 実施例４に係る光学系のＭＴＦを示す図。 実施形態に係る光学系の使用例１としての撮像システムの要部概略図。 実施形態に係る光学系の使用例２としての撮像システムの要部概略図。
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。各図面は、便宜的に実際とは異なる縮尺で描かれている場合がある。また、各図面において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明を省略する。
以下の説明においては、絶対座標系としてＸＹＺ座標系を定め、光学面ごとのローカル座標系としてｘｙｚ座標系を定めている。ローカル座標系において、ｘ軸は各光学面の頂点（原点）における法線方向の軸（光軸）、ｙ軸はＹ軸に平行かつ原点においてｘ軸と直交する軸、ｚ軸はｘ軸及びｙ軸に直交する軸である。また、Ｙ方向及びｙ方向を第１の方向（読取方向）、Ｚ方向及びｚ方向を第２の方向（分光方向）、ＸＹ断面及びｘｙ断面を第１の断面（読取断面）、ＺＸ断面及びｚｘ断面を第２の断面（分光断面）とも呼ぶ。
図１及び図２は、本発明の実施形態に係る光学系１０の要部概略図であり、図１は第１の断面を示し、図２は第２の断面を示している。なお、図１及び図２においては、各部材の光軸を含む断面での形状を示しており、図１では便宜的に各部材を同一の紙面内に示している。また、図１及び図２では、便宜的に回折面における回折格子を省略している。本実施形態では、ＹＺ平面に平行な物体面におけるＺ＝０の近傍の位置に被検物が配置されており、光学系１０の像面に撮像素子の受光面７が配置されているものとする。また、被検物は、太陽光などの白色光（複数の波長成分を有する光）により照明されているものとする。
本実施形態に係る光学系１０は、物体側から像側へ順に配置された前群１１、遮光部材（スリット部材）４、及び後群１２で構成される。光学系１０は、−Ｘ側に位置する不図示の被検物からの光束を集光することで、受光面（像面）７に被検物の像を形成している。前群１１は、絞り１、第１反射面２、及び第２反射面３を有する。また、後群１２は、第３反射面（回折面）５及び第４反射面６を有する。なお、受光面７の直前にはカバーガラスＧが配置されているが、これは結像に寄与しないものとして扱う。
絞り１は、被検物からの光束の第２の方向における幅を規制するための部材であり、その開口面がＸ方向に垂直になるように配置されている。ただし、絞り１は光学系１０の外部に設けられていてもよい。なお、図１及び図２に示すように、光学系１０における光束の入射口（絞り１）と出射口（受光面７）を、各光学面を挟んで互いに反対側に配置することが望ましい。これにより、光学系１０を撮像装置に適用した際に、被検物からの光束が撮像素子や配線等によって遮られることを回避し易くすることができる。
遮光部材４には、第１の方向に長い開口（スリット）が設けられている。遮光部材４は、光学系１０の第２の断面における画角を制限して不要光を遮光しつつ、光束の第１の方向における幅を規制する絞りとしての役割を果たしている。なお、遮光部材４の開口の幅は、求められる光量や解像度などに応じて決定される。遮光部材４の開口の第２の方向における幅は、第１の方向における幅（数ｍｍ）よりも短く、数μｍ〜数１００μｍであることが望ましい。遮光部材４の開口の第２の方向における幅について、大き過ぎる場合は受光面７での解像度が低下してしまい、小さすぎる場合は結像に寄与する有効光束が遮光され易くなってしまうため、１０μｍ以上０．２ｍｍ以下であることがより好ましい。
絞り１及び遮光部材４における開口以外の領域は、少なくとも光学系１０の使用波長帯域（設計波長帯域）の光が透過しない遮光面となっている。絞り１及び遮光部材４としては、板金に穴を開けたものや、ガラス板の表面にクロム蒸着を施したものなどを採用することができる。このような遮光部材４を採用することにより、光学系１０は第１の方向に長いライン状の読取領域（被検領域）の像を形成することができる。
第１反射面２、第２反射面３、及び第４反射面６は、自由曲面形状を有するベース面に反射コーティングを施すことで得られる反射面である。各反射面のベース面は、ガラス、樹脂、金属などから成るブロック材を加工（切削、研磨、型によるモールド成形など）することによって形成される。反射コーティングは、使用波長帯域において十分なエネルギー効率（光利用効率）を実現することができる分光反射特性を有していることが望ましい。なお、ベース面が使用波長帯域において十分な反射率を有する場合は、反射コーティングを省略してもよい。
本実施形態において、第１反射面２、第２反射面３、及び第４反射面６の夫々は非球面であり、具体的には第１の断面と第２の断面とで曲率（パワー）が異なるアナモフィック光学面（アナモフィック反射面）である。これにより、第１の断面と第２の断面とで異なる光学的作用を生じさせることができる。なお、前群１１の各反射面はアナモフィック光学面でなくてもよく、例えば各反射面を球面として、代わりにアナモフィック屈折面を設けてもよい。ただし、前群１１における光学面の数を減らすためには、第１反射面２及び第２反射面３の少なくとも一方をアナモフィック光学面とすることが望ましい。
また、後群１２は少なくとも一つの回折面を有していればよく、例えば回折面５のベース面を非球面（アナモフィック面）とした上で、第４反射面６を球面としたり取り除いたりしてもよい。ただし、回折面５により生じる波長ごとに異なるコマ収差などを良好に補正するためには、後群１２において回折面５以外にも光学面を設けることが望ましく、本実施形態のように回折面５の像側にアナモフィック光学面を配置することがより好ましい。なお、回折面５を前群１１に設けた場合、一部の波長の光束しか遮光部材４の開口を通過できなくなってしまう。よって、回折面５は後群１２に設けることが必要である。
また、光学系１０において、光学面同士でパワーを分担することで収差の発生を抑制するためには、前群１１及び後群１２の全ての光学面をアナモフィック光学面とすることがより好ましい。前群１１及び後群１２の構成は上述したものに限らず、各群における光学面を増減させてもよい。ただし、全系の小型化と部品点数の削減を実現するためには、本実施形態のように前群１１及び後群１２の夫々を二つの反射面で構成することが望ましい。
本実施形態においては、全ての光学面を反射面とすることで、光路を折り曲げて光学系１０の小型化を実現しつつ、色収差の発生を抑制している。このとき、光学系１０の小型化のためには、図２に示すように、前群１１及び後群１２の夫々において光路が交差するように（４の字になるように）各反射面を配置することが望ましい。なお、必要に応じて反射面を含む反射部材としてプリズムや内面反射ミラーを用いてもよいが、上述したように色収差の発生を抑制するためには、反射部材を外面反射ミラーとし、反射面が空気に隣接するように構成することが望ましい。また、必要に応じて少なくとも一つの光学面を屈折面（透過面）としてもよい。
ただし、特に後群１２においては、不図示の保持部材や配線などが遮光部材４や受光面７の周りに配置されるため、屈折光学素子を配置するための十分なスペースを確保することが難しい。仮に十分なスペースを確保できたとしても、色収差を良好に補正するためには複数の屈折光学素子を配置することが必要になるため、全系が大型化してしまう。よって、少なくとも後群１２に含まれる全ての光学面を反射面とすることが望ましい。さらに、前群１１に含まれる全ての光学面を反射面とすることがより好ましい。
第３反射面５は、ベース面と、ベース面に設けられた回折格子とで構成される回折面５である。回折面５におけるベース面は、他の反射面と同様に自由曲面形状を有している。回折格子は、サブミクロンからミクロンのオーダのピッチで配置された複数の格子（凸部）から成り、その各格子の高さもサブミクロンからミクロンのオーダとなっている。回折格子としては、ｚｘ断面での形状が、階段形状、矩形凹凸形状、ブレーズ形状、ＳＩＮ波形状であるものなどを採用することができる。回折格子の形状は、求められる回折効率及び製造の容易性を考慮して選択される。
本実施形態では回折効率の向上及び製造の容易化の両立が比較的容易であるブレーズ形状を採用している。ブレーズ形状の回折格子において、ベース面に対してｘ方向に最も離れた部分を格子頂点、入射光を反射させる（回折させる）部分をブレーズ面（格子面）、ブレーズ面に隣接する回折に寄与しない部分を格子壁面と呼ぶ。本実施形態に係る回折面５は、受光面７の側（像側）にブレーズ面が向かい、物体側に格子壁面が向かうように配置されている。これにより、図２における受光面７の＋Ｚ側に短波長の光束が入射し、−Ｚ側に長波長の光束が入射することになる。
ベース面は、上述した他の反射面と同様の方法で形成される。回折格子は、ベース面を切削や研磨などによって加工することで形成することができるが、ベース面を形成する際に同時に回折格子を形成してもよい。例えば、金型を構成する鏡面駒の表面に微細な凹凸構造を設け、その金型を用いたモールド成形によって回折格子が設けられた回折光学素子を製造してもよい。
回折面５の回折効率を向上させるために、回折格子の表面に反射コーティングを施してもよい。また、回折面５のベース面は、ｘｙ断面とｚｘ断面とで曲率が異なるアナモフィック面であることが望ましい。これにより、他のアナモフィック光学面とともにパワーを分担することができるため、収差の補正が容易になる。本実施形態においては、回折面５のベース面をアナモフィック面としているが、回折格子の製造の容易性を重視して、ベース面を平面や球面で構成してもよい。
図１及び図２を用いて、光学系１０の作用について説明する。
被検物から出射した光束は、絞り１の開口を通過した後、第１反射面２及び第２反射面３で反射されて遮光部材４に到達する。このとき、前群１１は、第１の断面（ＸＹ断面）においては遮光部材４の開口上に被検物を結像せず、第２の断面（ＺＸ断面）においては遮光部材４の開口上に被検物の中間像を形成している。すなわち、前群１１は第１の断面において焦点位置が物体面と一致しないように構成されている。これにより、遮光部材４の開口上には、第１の方向に長いライン状の中間像（線像）が形成されることになる。なお、ここでの「開口上」とは、厳密な開口の位置に限らず、開口の位置から光軸方向に微小に離れた開口の近傍（略開口上）も含むものとする。
遮光部材４の開口を通過した光束は、第２の断面において回折面５によって互いに波長が異なる複数の光束に分光される。このとき、回折面５における回折格子はｚ方向に配列された複数の格子（稜線）から成るため、回折面５に入射した光束はｚ方向においてのみ分光作用を受け、ｙ方向においては分光作用を受けない。
そして、回折面５からの複数の光束は、第４反射面６で反射されて像面に配置された受光面７に入射する。このとき、互いに波長が異なる複数の光束は、第２の断面において受光面７における互いに異なる位置に集光される。すなわち、本実施形態に係る光学系１０によれば、受光面７に波長ごとの複数の像を形成することができるため、受光面７は波長ごとの複数の画像情報を取得することができる。
このように、本実施形態に係る光学系１０は、読取方向を含む第１の断面と分光方向を含む第２の断面とで異なる光学的作用を生じている。具体的には、第１の断面では被検物を遮光部材４の開口上に一旦結像せずに受光面７に結像しているが、第２の断面では被検物を遮光部材４の開口上に一旦結像してから受光面７に再結像している。すなわち、第１の断面では被検物を１回結像する一方で、第２の断面では被検物を２回結像している。
この構成によれば、第１の断面においては遮光部材４の開口を通過する際の光束（開口に入射する光束）の収束状態が制限されないため、光学系１０の設計自由度を向上させることができる。よって、前群１１と後群１２とでパワーを適切に分担して受光面７に被検物を結像することができ、諸収差の補正が容易になるため、広画角化（読取領域の広域化）と撮像画像の高精細化を両立することができる。
具体的には、第１の断面における焦点位置が物体面と一致しないように前群１１を構成することで、遮光部材４の開口を通過する際の光束を非平行光とすることができる。これにより、第１の断面における広画角化を実現することが容易になる。仮に、遮光部材４の開口を通過する際の光束が平行光である場合、光学系１０を広画角化するためには後群１２に多数の光学素子を配置することが必要になり、全系が大型化してしまう。本実施形態においては、遮光部材４の開口を通過する際の光束を発散光とすることで広画角化を実現しているが、必要に応じて遮光部材４の開口を通過する際の光束を収束光としてもよい。
また、第１の断面においても遮光部材４の開口上に被検物を一旦結像する場合は、前群１１及び後群１２の夫々が単独で収差を補正しなくてはならない。よって、各光学面のパワーを大きくすることが必要になるなど、各光学面の設計自由度が低下し、光学系１０の広画角化が難しくなる。一方、第２の断面においては、広画角化の必要がないため、遮光部材４の開口上に被検物を一旦結像することで高ＮＡ化が可能になる。
上述した構成において、前群１１及び後群１２の夫々は、第１の断面と第２の断面とで互いに異なるパワーを有することになる。この構成を実現するためには、前群１１及び後群１２の夫々にアナモフィック光学面を設けることが必要になる。このとき、前群１１に含まれるアナモフィック光学面には、第２の断面だけでなく第１の断面にも積極的にパワーを持たせること（曲率の絶対値を０よりも大きくすること）が望ましい。そして、前群１１のパワーの符号と後群１２のパワーの符号とを互いに異ならせることがより好ましい。
具体的に、第２の断面においては、被検物を遮光部材４の開口上に一旦結像してから受光面７に再結像するために、前群１１及び後群１２に正のパワーを持たせる必要がある。一方、第１の断面では、被検物を遮光部材４の開口上に一旦結像する必要がないため、更なる広画角化を実現するために、前群１１に負のパワーを持たせ、後群１２に正のパワーを持たせることが望ましい。これにより、第１の断面においては光学系１０がレトロフォーカスタイプになるため、全系の焦点距離が短くなり広画角化を実現することができる。ただし、被検物が光学系１０から十分に離れている場合は、前群１１に正のパワーを持たせ、後群１２に負のパワーを持たせることで、光学系１０を望遠光学系としてもよい。
図２を用いて、回折面５によって光束が分光される様子を説明する。ここでは、被検物の１点から発された白色光束が、λ１［ｎｍ］、λ２［ｎｍ］、λ３［ｎｍ］（λ２＜λ１＜λ３）の各波長の光束に分光される場合を考える。ただし、図２においては各光束のうち主光線及びマージナル光線のみを示している。
被検物から発された白色光束における主光線Ｌ１Ｐ及びマージナル光線Ｌ１Ｕ，Ｌ１Ｌは、絞り１、第１反射面２、及び第２反射面３を介して遮光部材４の開口上にライン状の中間像を形成する。遮光部材４の開口を通過した主光線Ｌ２Ｐ及びマージナル光線Ｌ２Ｕ，Ｌ２Ｌは、回折面５によって、波長λ１の光線Ｌ３Ｐ，Ｌ３Ｕ，Ｌ３Ｌと、波長λ２の光線Ｌ４Ｐ，Ｌ４Ｕ，Ｌ４Ｌと、波長λ３の光線Ｌ５Ｐ，Ｌ５Ｕ，Ｌ５Ｌに分光される。そして、波長λ１、波長λ２、及びの波長λ３の各光線の夫々は、受光面７における第１の位置７３、第２の位置７４、及び第３の位置７５に集光される。
以上、本実施形態に係る光学系１０によれば、全系の小型化と広画角化を両立することができる。
［実施例１］
以下、本発明の実施例１に係る光学系１０について説明する。本実施例に係る光学系１０は、上述した実施形態に係る光学系１０と同等の構成を採っている。
本実施例において、被検物から絞り１までの距離（物体距離）は３００ｍｍ、読取領域の第１の方向における幅は３００ｍｍ、第１の断面での画角は±２４．１７°である。また、本実施例において、使用波長帯域は４００ｎｍ〜１０００ｎｍであり、受光面７における光束の結像領域（入射領域）の第２の方向での幅は２．７ｍｍである。
本実施例に係る前群１１及び後群１２の第１の断面での合成焦点距離は各々−１６．２７ｍｍ、２８．３０ｍｍであり、前群１１及び後群１２の第２の断面での合成焦点距離は各々１９．９９ｍｍ、２５．７６ｍｍである。このように、本実施例に係る光学系１０は、第２の断面では中間を行うことで結像性能を向上させつつ、第１の断面ではレトロフォーカスタイプを採ることで広画角化（読取領域の広域化）を実現している。
ここで、本実施例に係る光学系１０の各光学面の面形状の表現式について説明する。なお、各光学面の面形状の表現式は後述のものに限られず、必要に応じて他の表現式を用いて各光学面を設計してもよい。
本実施例に係る第１反射面２、第２反射面３、第３反射面（回折面）５、及び第４反射面６の夫々のベース面の第１の断面での形状（母線形状）は、夫々のローカル座標系において以下の式で表される。
Figure 0006639718
但し、Ｒｙはｘｙ断面での曲率半径（母線曲率半径）であり、Ｋｙ，Ｂ２，Ｂ４，Ｂ６はｘｙ断面での非球面係数である。非球面係数Ｂ２，Ｂ４，Ｂ６について、必要に応じてｘ軸の両側（−ｙ側と＋ｙ側）で互いに数値を異ならせてもよい。これにより、母線形状をｘ軸に対してｙ方向に非対称な形状とすることができる。なお、本実施例では２次〜６次の非球面係数を用いているが、必要に応じてより高次の非球面係数を用いてもよい。
また、本実施例に係る各光学面の夫々のベース面の、ｙ方向における任意の位置の第２の断面での形状（子線形状）は、以下の式で表される。
Figure 0006639718
但し、Ｋｚ，Ｍｊｋはｚｘ断面での非球面係数である。また、ｒ´は、ｙ方向において光軸からｙだけ離れた位置におけるｚｘ断面での曲率半径（子線曲率半径）であり、以下の式で表される。
Figure 0006639718
但し、ｒは光軸上での子線曲率半径であり、Ｅ２，Ｅ４は子線変化係数である。式（数３）においてｒ＝０である場合は、式（数２）の右辺の第１項はゼロとして扱うものとする。なお、子線変化係数Ｅ２，Ｅ４について、必要に応じて−ｙ側と＋ｙ側で互いに数値を異ならせてもよい。これにより、子線形状の非球面量をｙ方向において非対称にすることができる。また、式（数３）は偶数項のみを含んでいるが、必要に応じて奇数項を加えてもよい。また、必要に応じてより高次の子線変化係数を用いてもよい。
なお、式（数２）におけるｚの１次の項は、ｚｘ断面での光学面のチルト量（子線チルト量）に寄与する項である。よって、Ｍｊｋを−ｙ側と＋ｙ側で互いに異なる数値とすることで、子線チルト量をｙ方向において非対称に変化させることができる。ただし、奇数項用いることで子線チルト量を非対称に変化させてもよい。また、式（数２）におけるｚの２次の項は、光学面の子線曲率半径に寄与する項である。よって、各光学面の設計を簡単にするために、式（数３）ではなく式（数２）におけるｚの２次の項のみを用いて光学面に子線曲率半径を与えてもよい。
また、回折面５における回折格子の形状は、既知の回折光学理論に基づく位相関数で表されるものであれば、特に限定されるものではない。本実施例では、基本波長（設計波長）をλ［ｍｍ］、ｚｘ断面における位相係数をＣ１とするとき、回折面５における回折格子の形状を以下の位相関数φで定義している。但し、本実施形態では回折格子の回折次数が１であるとする。
φ＝（２π／λ）×（Ｃ１×ｚ）
なお、ここでの基本波長は、回折格子の高さを決めるための波長であり、被検物に対する照明光の分光特性、回折面５以外の反射面の分光反射率、受光面７を含む撮像素子の分光受光感度、要求される回折効率などに基づいて決定される。すなわち、基本波長は、受光面７による検知の際に重視したい波長に対応する。本実施例においては、基本波長λを５４２ｎｍとすることで、使用波長帯域における可視域を重点的に観察できるようにしている。ただし、例えば基本波長を８５０ｎｍ程度とすることで近赤外域を重点的に観察できるようにしたり、基本波長を７００ｎｍ程度とすることで可視域から近赤外域をバランス良く観察できるようにしたりしてもよい。
表１に、本実施例に係る光学系１０の各光学面の頂点の位置、頂点における法線の方向、及び各断面での曲率半径を示す。表１において、各光学面の頂点の位置は絶対座標系における原点からの距離Ｘ，Ｙ，Ｚ［ｍｍ］で示し、法線（ｘ軸）の方向は光軸を含むＺＸ断面でのＸ軸に対する角度θ［ｄｅｇ］で示している。また、ｄ［ｍｍ］は各光学面同士の間隔（面間隔）を示し、ｄ´［ｍｍ］は各光学面における主光線の反射点同士の間隔を示し、Ｒｙ，Ｒｚの夫々は主光線の反射点におけるＸＹ断面及びＺＸ断面での曲率半径を示している。なお、各反射面の曲率半径の値が正のときは凹面を示し、負のときは凸面を示す。
Figure 0006639718
表２に、本実施例に係る光学系１０の各光学面の面形状を示す。
Figure 0006639718
表３に、絞り１の開口、遮光部材４の開口、及び受光面７のｙ方向及びｚ方向における径［ｍｍ］を示す。本実施例においては、絞り１の開口、遮光部材４の開口、及び受光面７の何れもが矩形である。
Figure 0006639718
図３は、本実施例に係る光学系１０のＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を示す。図３では、７００ｎｍ（ｆｒｑ１），４００ｎｍ（ｆｒｑ２），１０００ｎｍ（ｆｒｑ３）の各波長に対するＭＴＦを、読取領域における物体高［ｍｍ］がＹ＝０，３０，６０，９０，１２０，１５０である場合の夫々について示している。図３に示すように、受光面７を含む撮像素子の各波長に対する空間周波数［本／ｍｍ］は、２７．８，４１．７，５５．６である。図３を見てわかるように、読取領域の全域にわたって収差が良好に補正され、焦点深度が十分に確保されている。
［実施例２］
以下、本発明の実施例２に係る光学系１０について説明する。本実施例に係る光学系１０において、上述した実施例１に係る光学系１０と同等の構成については説明を省略する。
図４は、本発明の実施形態に係る光学系１０の要部概略図であり、図４（ａ）は第１の断面を示し、図４（ｂ）は第２の断面を示している。本実施例に係る光学系１０は、実施例１に係る光学系１０に対して、絞り１から受光面７に至る光路長が短く、全系の更なる小型化を実現している。
本実施例において、被検物から絞り１までの距離は３００ｍｍ、読取領域の第１の方向における幅は３００ｍｍ、第１の断面での画角は±２４．４６°である。また、本実施例においては、使用波長帯域が４００ｎｍ〜１０００ｎｍであり、受光面７における第２の方向での結像領域の幅は２．７ｍｍである。本実施例に係る前群１１及び後群１２の第１の断面での合成焦点距離は各々−１４．２１ｍｍ、１６．６９ｍｍであり、前群１１及び後群１２の第２の断面での合成焦点距離は各々１９．３３ｍｍ、１１．０１ｍｍである。
実施例１と同様に、表４に本実施例に係る光学系１０の各光学面の頂点の位置、頂点における法線の方向、及び各断面での曲率半径を示し、表５に各光学面の面形状を示し、表６に絞り１の開口、遮光部材４の開口、及び受光面７の径を示す。但し、第３反射面５の第２の断面における形状については、式（数１）で表される母線上の各位置での法線とｘ軸とが一致するように、位置ごとに異なるローカル座標系を定めた上で、上述の式（数２）で表している。なお、表４と表５とで曲率半径Ｒｙの値が一致していないのは、表４における曲率半径の値が第２の断面におけるチルト角を考慮したものであるためである。
Figure 0006639718
Figure 0006639718
Figure 0006639718
図５は、図３と同様に本実施例に係る光学系１０のＭＴＦを示したものである。図５を見てわかるように、読取領域の全域にわたって収差が良好に補正され、焦点深度が十分に確保されている。
［実施例３］
以下、本発明の実施例３に係る光学系１０について説明する。本実施例に係る光学系１０において、上述した実施例１に係る光学系１０と同等の構成については説明を省略する。
図６は、本発明の実施形態に係る光学系１０の要部概略図であり、図６（ａ）は第１の断面を示し、図６（ｂ）は第２の断面を示している。本実施例に係る光学系１０は、実施例１に係る光学系１０に対して、像側（射出側）のＦ値が小さい（明るい）構成となっている。具体的には、実施例１に係る光学系１０の像側のＦ値が、第１及び第２の断面において各々４．７及び４．０であるのに対して、本実施例に係る光学系１０の像側のＦ値は、第１及び第２の断面において各々４．１及び３．５となっている。
本実施例において、被検物から絞り１までの距離は３００ｍｍ、読取領域の第１の方向における幅は３００ｍｍ、第１の断面での画角は±２４．４４°である。また、本実施例においては、使用波長帯域が４００ｎｍ〜１０００ｎｍであり、受光面７における第２の方向での結像領域の幅は２．６４ｍｍである。本実施例に係る前群１１及び後群１２の第１の断面での合成焦点距離は各々−１４．４６ｍｍ、２６．８５ｍｍであり、前群１１及び後群１２の第２の断面での合成焦点距離は各々１９．３４ｍｍ、２４．９８ｍｍである。
実施例１と同様に、表７に本実施例に係る光学系１０の各光学面の頂点の位置、頂点における法線の方向、及び各断面での曲率半径を示し、表８に各光学面の面形状を示し、表９に絞り１の開口、遮光部材４の開口、及び受光面７の径を示す。
Figure 0006639718
Figure 0006639718
Figure 0006639718
図７は、図３と同様に本実施例に係る光学系１０のＭＴＦを示したものである。図７を見てわかるように、読取領域の全域にわたって収差が良好に補正され、焦点深度が十分に確保されている。
［実施例４］
以下、本発明の実施例４に係る光学系１０について説明する。本実施例に係る光学系１０において、上述した実施例１に係る光学系１０と同等の構成については説明を省略する。
図８は、本発明の実施形態に係る光学系１０の要部概略図であり、図８（ａ）は第１の断面を示し、図８（ｂ）は第２の断面を示している。本実施例に係る光学系１０は、実施例１に係る光学系１０に対して、絞り１から受光面７に至る光路長が短く、全系の更なる小型化を実現している。
本実施例において、被検物から絞り１までの距離は３００ｍｍ、読取領域の第１の方向における幅は３００ｍｍ、第１の断面での画角は±２４．４９°である。また、本実施例においては、使用波長帯域が４００ｎｍ〜１０００ｎｍであり、受光面７における第２の方向での結像領域の幅は２．３７ｍｍである。本実施例に係る前群１１及び後群１２の第１の断面での合成焦点距離は各々−１３．２３ｍｍ、１６．７８ｍｍであり、前群１１及び後群１２の第２の断面での合成焦点距離は各々１７．５３ｍｍ、１１．２５ｍｍである。
実施例１と同様に、表１０に本実施例に係る光学系１０の各光学面の頂点の位置、頂点における法線の方向、及び各断面での曲率半径を示し、表１１に各光学面の面形状を示し、表１２に絞り１の開口、遮光部材４の開口、及び受光面７の径を示す。なお、表１０と表１１とで曲率半径Ｒｙの値が一致していないのは、表１０における曲率半径の値が第２の断面におけるチルト角を考慮したものであるためである。
Figure 0006639718
Figure 0006639718
Figure 0006639718
なお、本実施例において、第１反射面２、第２反射面３、第３反射面５、及び第４反射面６の子線形状は、上述した式（数３）の代わりに以下の式を用いて表される。また、第３反射面５の子線形状については、実施例２と同様に母線上の位置ごとに異なるローカル座標系を定めた上で、上述の式（数２）で表している。
Figure 0006639718
図９は、図３と同様に本実施例に係る光学系１０のＭＴＦを示したものである。図９を見てわかるように、読取領域の全域にわたって収差が良好に補正され、焦点深度が十分に確保されている。
［撮像装置及び撮像システム］
以下、上述した実施形態に係る光学系１０の使用例としての撮像装置（分光読取装置）及び撮像システム（分光読取システム）について説明する。
図１０及び図１１は、本発明の実施形態に係る撮像システム１００，２００の要部概略図である。撮像システム１００，２００は、光学系１０及び光学系１０により形成された像を受光する撮像素子を有する撮像装置１０１，２０１と、各撮像装置及び被検物１０３，２０３の相対位置を変更する搬送部１０２，２０２とを備える。なお、各撮像システムは、撮像素子から得られる画像情報に基づいて画像を生成する画像処理部を有することが望ましい。画像処理部は、例えばＣＰＵなどのプロセッサであり、各撮像装置の内部又は外部の何れに設けられていてもよい。
撮像装置１０１，２０１によれば、第１の方向（Ｙ方向）に長いライン状の読取領域１０４，２０４を１回撮像することで、複数の波長に対応する複数の画像情報（一次元画像）を取得することができる。このとき、各撮像装置を、一般的なカメラよりも多い４種類以上の波長に対応する画像情報を取得できるマルチスペクトルカメラとして構成することが望ましい。さらに、各撮像装置を、１００種類以上の波長に対応する画像情報を取得できるハイパースペクトルカメラとして構成することがより好ましい。
各撮像装置における撮像素子としては、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサなどを採用することができる。撮像素子は、可視光に限らず赤外光（近赤外光や遠赤外線光）などを光電変換できるように構成されていてもよい。具体的には、使用波長帯域に応じてＩｎＧａＡｓやＩｎＡｓＳｂなどの材料を用いた撮像素子を採用してもよい。また、撮像素子の画素数は、読取方向及び分光方向において求められる分解能に基づいて決定することが望ましい。
図１０に示す通り、撮像システム１００における搬送部１０２は、被検物１０３を第２の方向（Ｚ方向）へ移動させる手段である。搬送部１０２としてはベルトコンベアなどを採用することができる。一方、図１１に示す通り、撮像システム２００における搬送部２０２は、撮像装置２０１を第２の方向へ移動させる手段である。搬送部２０２としては、マルチコプタ、飛行機、人工衛星等を採用することができる。搬送部２０２を用いることで、ベルトコンベアなどでは搬送できない大型の被検物や、移動が困難な被検物などに対しても、第２の方向における複数の位置での撮像を行うことができる。
撮像システム１００，２００によれば、各搬送部に各撮像装置及び各被検物の相対位置を変更させながら、各撮像装置に読取領域を順次撮像させることで、第２の方向における複数の位置に対応する複数の画像情報を取得することができる。画像処理部によってこの複数の撮像画像の並び替えや演算処理などを行うことで、特定の波長に対応する二次元画像を生成することができる。なお、各画像情報は第１の方向における濃淡情報を表すため、第２の方向における特定の位置での波長ごとの濃淡情報に基づいて、画像処理部によりスペクトル分布（スペクトル情報）を生成してもよい。
なお、各搬送部を、各撮像装置及び各被検物の両方を移動させるように構成してもよい。また、各搬送部によって各撮像装置と各被検物との光軸方向（Ｘ方向）における相対位置を調整することができるようにしてもよい。あるいは、光学系１０の内部又は外部に駆動可能な光学部材（フォーカス部材）を配置し、その光学部材の位置を調整することで、被検物に対するフォーカシングを行うことができるようにしてもよい。
［検査方法及び製造方法］
以下、上述した実施形態に係る光学系１０を用いた物体（被検物）の検査方法及び物品の製造方法について説明する。光学系１０は、例えば製造業や農業、医療などの産業分野における検査（評価）に好適なものである。
本実施形態に係る検査方法における第１のステップ（撮像ステップ）では、光学系１０を介して物体を撮像することで物体の画像情報を取得する。このとき、上述したような撮像装置や撮像システムを用いることができる。すなわち、物体及び撮像装置の相対位置を変更させながら物体を撮像することで、物体の全体の画像情報を取得することができる。また、複数の物体の画像情報を順次（連続的に）取得することもできる。なお、第１のステップでは、光学系１０から出射する複数の光束の波長の夫々に対応する複数の画像情報を取得してもよい。
次の第２のステップ（検査ステップ）では、第１のステップで取得された画像情報に基づいて物体の検査を行う。このとき、例えばユーザ（検査者）が画像情報における異物やキズなどの有無を確認（判定）したり、制御部（画像処理部）により画像情報における異物やキズを検出してユーザに通知したりしてもよい。あるいは、異物やキズの有無の判定結果に応じて、後述する物品の製造装置を制御する制御部を採用してもよい。
また、第２のステップでは、波長ごとの複数の画像情報を用いて取得された物体のスペクトル分布に基づいて物体の検査を行ってもよい。光学系１０を介して取得された画像情報を用いることで、検査対象の物体の固有のスペクトル情報を検知することができ、これにより物体の成分を特定することが可能になる。例えば、画像処理部によりスペクトル分布ごとに着色などの強調を行った画像情報を生成し、その画像情報に基づいてユーザが検査を行ってもよい。
本実施形態に係る検査方法は、食品、医薬品、化粧品などの物品の製造方法に適用することができる。具体的には、物品を製造するための材料（物体）を上述した検査方法により検査し、検査された材料を用いて物品を製造することができる。例えば、上述した第２のステップにおいて材料に異物やキズがあると判定された場合、ユーザ（製造者）又は製造装置は、材料から異物を除去したり、異物やキズがある材料を廃棄したりすることができる。
また、上記検査方法を製造装置の異常の検知に用いてもよい。例えば、製造装置の画像情報に基づいて異常の有無を判定し、その判定結果に応じて製造装置の駆動を停止させたり異常を修正したりしてもよい。
以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の組合せ、変形及び変更が可能である。
４ 遮光部材
５ 第３反射面（回折面）
７ 受光面（像面）
１０ 光学系
１１ 前群
１２ 後群

Claims (22)

  1. 物体側から像側へ順に配置された前群、遮光部材、後群から成る光学系であって、
    前記遮光部材には、第１の方向に長い開口が設けられており、
    前記前群は、前記第１の方向に平行な第１の断面においては前記開口上に物体を結像せず、前記第１の方向に垂直な第２の断面においては前記開口上に前記物体の中間像を形成しており、
    前記後群は、前記第２の断面において前記開口を通過した光束を互いに波長が異なる複数の光束に分光する回折面を有し、前記第２の断面において前記複数の光束を互いに異なる位置に集光しており、
    前記第１の断面において、前記前群から出射して前記開口に入射する光束は非平行光であり、
    前記第２の断面において、前記前群及び前記後群は正のパワーを有することを特徴とする光学系。
  2. 前記前群の前記第１の断面でのパワーの符号と前記第２の断面でのパワーの符号は互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
  3. 物体側から像側へ順に配置された前群、遮光部材、後群から成る光学系であって、
    前記遮光部材には、第１の方向に長い開口が設けられており、
    前記前群は、前記第１の方向に平行な第１の断面においては前記開口上に物体を結像せず、前記第１の方向に垂直な第２の断面においては前記開口上に前記物体の中間像を形成しており、
    前記後群は、前記第２の断面において前記開口を通過した光束を互いに波長が異なる複数の光束に分光する回折面を有し、前記第２の断面において前記複数の光束を互いに異なる位置に集光しており、
    前記第１の断面において、前記前群から出射して前記開口に入射する光束は非平行光であり、
    前記前群の前記第１の断面でのパワーの符号と前記第２の断面でのパワーの符号は互いに異なることを特徴とする光学系。
  4. 前記第１の断面において、前記前群のパワーの符号と前記後群のパワーの符号は互いに異なることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学系。
  5. 物体側から像側へ順に配置された前群、遮光部材、後群から成る光学系であって、
    前記遮光部材には、第１の方向に長い開口が設けられており、
    前記前群は、前記第１の方向に平行な第１の断面においては前記開口上に物体を結像せず、前記第１の方向に垂直な第２の断面においては前記開口上に前記物体の中間像を形成しており、
    前記後群は、前記第２の断面において前記開口を通過した光束を互いに波長が異なる複数の光束に分光する回折面を有し、前記第２の断面において前記複数の光束を互いに異なる位置に集光しており、
    前記第１の断面において、前記前群から出射して前記開口に入射する光束は非平行光であり、
    前記第１の断面において、前記前群のパワーの符号と前記後群のパワーの符号は互いに異なることを特徴とする光学系。
  6. 前記第１の断面において、前記前群は負のパワーを有し、前記後群は正のパワーを有することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の光学系。
  7. 前記第１の断面において、前記前群から出射して前記開口に入射する光束は発散光であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の光学系。
  8. 前記回折面のベース面は、非球面であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の光学系。
  9. 前記遮光部材は、前記物体からの光束の前記第１の方向における幅を規制することを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の光学系。
  10. 前記前群は、前記物体からの光束の前記第１の方向に垂直な第２の方向における幅を規制する絞りを有することを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の光学系。
  11. 前記前群及び前記後群に含まれる全ての光学面は反射面であることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の光学系。
  12. 請求項１乃至１１の何れか一項に記載の光学系と、該光学系により形成された像を受光する撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。
  13. 請求項１２に記載の撮像装置と、該撮像装置及び前記物体の相対位置を変更する搬送部とを備えることを特徴とする撮像システム。
  14. 光学系を介して物体を撮像することで該物体の画像情報を取得する第１のステップと、
    前記画像情報に基づいて前記物体の検査を行う第２のステップとを有し、
    前記光学系は、物体側から像側へ順に配置された前群、遮光部材、後群から成り、
    前記遮光部材には、第１の方向に長い開口が設けられており、
    前記前群は、前記第１の方向に平行な第１の断面においては前記開口上に物体を結像せず、前記第１の方向に垂直な第２の断面においては前記開口上に前記物体の中間像を形成しており、
    前記後群は、前記第２の断面において前記開口を通過した光束を互いに波長が異なる複数の光束に分光する回折面を有し、前記第２の断面において前記複数の光束を互いに異なる位置に集光しており、
    前記第１の断面において、前記前群から出射して前記開口に入射する光束は非平行光であり、
    前記第２の断面において、前記前群及び前記後群は正のパワーを有することを特徴とする検査方法。
  15. 光学系を介して物体を撮像することで該物体の画像情報を取得する第１のステップと、
    前記画像情報に基づいて前記物体の検査を行う第２のステップとを有し、
    前記光学系は、物体側から像側へ順に配置された前群、遮光部材、後群から成り、
    前記遮光部材には、第１の方向に長い開口が設けられており、
    前記前群は、前記第１の方向に平行な第１の断面においては前記開口上に物体を結像せず、前記第１の方向に垂直な第２の断面においては前記開口上に前記物体の中間像を形成しており、
    前記後群は、前記第２の断面において前記開口を通過した光束を互いに波長が異なる複数の光束に分光する回折面を有し、前記第２の断面において前記複数の光束を互いに異なる位置に集光しており、
    前記第１の断面において、前記前群から出射して前記開口に入射する光束は非平行光であり、
    前記前群の前記第１の断面でのパワーの符号と前記第２の断面でのパワーの符号は互いに異なることを特徴とする検査方法。
  16. 光学系を介して物体を撮像することで該物体の画像情報を取得する第１のステップと、
    前記画像情報に基づいて前記物体の検査を行う第２のステップとを有し、
    前記光学系は、物体側から像側へ順に配置された前群、遮光部材、後群から成り、
    前記遮光部材には、第１の方向に長い開口が設けられており、
    前記前群は、前記第１の方向に平行な第１の断面においては前記開口上に物体を結像せず、前記第１の方向に垂直な第２の断面においては前記開口上に前記物体の中間像を形成しており、
    前記後群は、前記第２の断面において前記開口を通過した光束を互いに波長が異なる複数の光束に分光する回折面を有し、前記第２の断面において前記複数の光束を互いに異なる位置に集光しており、
    前記第１の断面において、前記前群から出射して前記開口に入射する光束は非平行光であり、
    前記第１の断面において、前記前群のパワーの符号と前記後群のパワーの符号は互いに異なることを特徴とする検査方法。
  17. 前記第１のステップは、前記物体を前記第１の方向に垂直な方向へ移動させながら前記物体を撮像する工程を含むことを特徴とする請求項１４乃至１６の何れか一項に記載の検査方法。
  18. 前記第１のステップは、前記複数の光束の波長の夫々に対応する複数の画像情報を取得する工程を含むことを特徴とする請求項１４乃至１７の何れか一項に記載の検査方法。
  19. 前記第２のステップは、前記複数の画像情報を用いて取得された前記物体のスペクトル分布に基づいて前記物体の検査を行う工程を含むことを特徴とする請求項１４乃至１８の何れか一項に記載の検査方法。
  20. 前記第２のステップは、前記物体における異物の有無を判定する工程を含むことを特徴とする請求項１４乃至１９の何れか一項に記載の検査方法。
  21. 請求項１４乃至２０の何れか一項に記載の検査方法により前記物体を検査するステップと、
    該ステップにより検査された前記物体を用いて物品を製造するステップとを有することを特徴とする製造方法。
  22. 前記物品を製造するステップは、前記物体における異物を除去する工程を含むことを特徴とする請求項２１に記載の製造方法。
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