JPH05119277A - 対象物体結像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】互に直交した２つの回転軸をもつ２つの走査ミ
ラーを使って立体対象物を走査して光学的に結像し、３
次元的に誘導するコンパクトな走査システムを提供す
る。 【構成】対象物体を直交する２方向に走査する２つのミ
ラー３，４を備え、第１のスキャナ１のミラー３は回転
軸５から一定距離７を置いて配置し、第２のスキャナ２
のミラー４の回転中心は回転軸５とミラー３との中間に
配置する。またミラー３は最大１０°、好ましくは５°
までの僅かな角度しか回転しない。また走査プロセスで
対象物体の表面に走査ビームが常に焦点を結ぶように走
査システム全体をスライドさせる自動合焦機構を備えて
いる。そのためにもこの走査システムはコンパクトに作
ってある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特に立体的な対象物体
を結像する装置であって、対象物体を２方向、特に互い
に直交する２方向に走査するべく、各々１つのミラーを
具備した第１及び第２のスキャナを含む装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】上記のような装置はＰＣＴ出願第ＷＯ
９０／０００２５号から公知であり、この出願に開示さ
れた装置は結像されるべき対象物体上に集束され得る光
線を発する光源を含む。光線の集束点は走査装置によっ
て対象物体の全体にわたって三次元的に誘導され得、個
々の地点で対象物体により反射された光が検出装置によ
って感知され得る。走査を２方向に行なうために、２つ
のスキャナもしくは光線偏向要素が設置されている。光
路内で上記２つの光線偏向手段間に、少なくとも２つの
光学結像要素から成るアセンブリが配置されており、こ
のアセンブリは水平偏向角度を変更するべく交換され得
る。２つの光線偏向要素間に配置される上記のような光
学要素はかなりの占有スペースを要する。その時々の構
成に関わりなく、２方向走査が２つの光線偏向要素（以
後“スキャナ”と呼称）によって行なわれる場合に光学
的に問題の無い走査を実現するためには原則として上記
のような付加的な光学要素が必要となる。念のために付
言するなら、２方向走査は２軸線方向に運動可能なスキ
ャナによっても行なわれ得よう。しかし、このような走
査は、例えば共振スキャナや多面鏡によって高速走査が
行なわれる場合の大きい走査速度の下では実現不可能で
ある。

【０００３】更に、米国特許第４，３１８，５８２号か
ら、第１のミラーとして多面鏡を含む二次元走査装置が
公知である。光源から多面鏡に入射し、かつ該多面鏡に
よって反射された光はレンズ系を経て、多面鏡の回転軸
線に垂直な軸線の周囲にやはり回転もしくは回動可能で
ある第２のミラーに達する。この第２のミラーによって
光線は対象物体へと反射され、かつ対象物体によって反
射し返される。対象物体は、第１のミラーである多面鏡
の軸線と直交し、かつ第２のミラーの軸線に対して実質
的に平行である平面内に配置されている。上記２つのミ
ラーは適当なプロセッサ及び制御装置によって同期化さ
れて、平面的な対象物体を互いに垂直な２方向において
線状に走査する。第１及び第２のミラーの２方向走査の
ための回転運動の中心が空間的に互いに分離されている
ので、第１のミラーで反射された光線は原則として必ず
しも正確に第２のミラーの同じ箇所に当たらない。従っ
て、両回転ミラー間には上記レンズ系が不可欠であり、
レンズ系は第１のミラーの像を第２のミラー上に結び、
それによって第２のミラー上での光線の移動を低減す
る。このレンズ系の適用によって必然的に構成上の手間
が増し、かつ装置が大型化することを別にしても、レン
ズ系自体が結像エラーを招く。特に走査角度が比較的大
きい場合は、走査システムは比較的大型となる。

【０００４】最後に、東独特許第２６６ ６５４号から
は２つのミラーを含む光学的走査装置が公知であり、こ
の装置の２つのミラーは対象物体照射の際、または対象
物体によって反射され、もしくは発せられた光線の検出
の際に共働する。２つのミラーのうち、第１のミラーは
装置の瞳付近に配置されている。第２のミラーは、透過
光を第１のミラーの方へ向ける位置か、または第１のミ
ラーによって反射され、もしくは発せられた光を受ける
位置に配置されている。２つのミラーのこのような配置
は走査装置を構成するべく実現され得、その際第１のミ
ラーは装置の対称軸に垂直な軸線の周囲に回転する。第
２のミラーの軸線は第１のミラーの軸線に対して垂直に
伸長し、その際互いに交叉しない両軸線の間隔は２つの
ミラーの中心同士の平均間隔に等しい。２つのミラー間
に光学レンズ系は存在しないが、両ミラー上で光線が移
動するので、対応してミラーが大型となる。特に第１の
ミラー上での光線の移動が比較的甚だしい場合は、不都
合な結像エラーが起こる。光線がミラー上で移動するこ
とによって惹起されるエラーは走査プロセスにとって不
都合であり、しかもこのエラーは光線の前記移動が甚だ
しいほど、また走査角度が大きいほど増大する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従って本発明は、冒頭
に述べたような装置を改良して、コンパクトな構造なが
ら光学的に問題の無い走査プロセスを保証する装置を提
供することを目的とする。２つの走査ミラー間でレンズ
による光学的結像が行なわれることを必要としないと同
時に光学的結像エラーを免れる二次元走査システムが創
出されるべきである。本発明による装置は、単純でかつ
確実に機能する構造を有するべきであり、また特に共振
スキャナ及び多面鏡の適用によって大きい走査速度を実
現し得るべきである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明の、
特許請求の範囲第１項に記した諸特徴によって達成され
る。

【０００７】本発明による装置は、構造がコンパクトで
ある点で優れており、光学的に単純な走査プロセスを保
証する。本発明の装置において２つのスキャナは、第１
のスキャナのミラー即ち第１のミラーが第１のスキャナ
の回転軸線に対して一定の距離を有し、かつ第２のスキ
ャナのミラー即ち第２のミラーの回転中心及び／または
中心が第１のスキャナの回転軸線と第１のミラーとの間
の上記距離の中間に位置するように設置されている。共
焦点レーザ走査システムが創出され、このシステムにお
いて第１のミラーは第１のスキャナの回転軸線から横方
向に離隔して配置されている。第１のミラーは好ましく
は、実質的に第１のスキャナの回転軸線に対して平行に
配置されており、その際光源、特にレーザによって発せ
られる光線は第１のミラーの中心を取り囲む所与の領域
内に入射する。この領域は第１のミラーの回転の程度に
従属して変化する。光源と第１のミラーとの間に部分光
透過性の偏向要素、例えば半透鏡が配置されており、こ
の偏向要素は、対象物体により第２のミラーを介して第
１のミラーへと反射された光線を評価装置に送る。第２
のミラーによって第１のミラーへと反射された光線も、
第１のミラーの中心を取り囲む上記領域内に入射する。
対応して、第２のミラーは該ミラーの中心付近の領域内
で光線が入射し、または反射されるように配置されてい
る。第１のミラーの回転に対応して第１の方向での対象
物体走査が実現し、第２のミラーの回転に対応して第２
の方向での対象物体走査が実現する。第１及び第２のミ
ラーとその回転軸線とは、２つの走査方向が好ましくは
実質的に互いに直交するように配置されている。本発明
の範囲内で、走査方向は必要であればここに示したのと
異なる角度位置も取り得る。第１及び第２のスキャナの
回転軸線は、実質的に互いに直交する２平面内にそれぞ
れ位置する。第１のスキャナの回転軸線と第２のスキャ
ナの回転軸線とは、実質的に互いに垂直であるが交叉は
しない。第２のスキャナの回転軸線は実質的に第２のミ
ラーの中心を通り、その際第２のミラーの平面は実質的
に第２のスキャナの回転軸線に対して平行に配置されて
いる。必要であれば、対象物体を走査する２方向を互い
に直交する以外の方向に設定するべく第１及び第２のミ
ラーを、それぞれのスキャナの回転軸線に対して僅かな
角度だけ傾斜している平面内に配置することも可能であ
る。第１及び第２のミラーが関連する回転軸線に対して
平行に位置すること、及び第１のスキャナの回転軸線と
第２のスキャナの回転軸線とが互いに対して垂直である
ことによって、対象物体は互いに直交する２方向に好ま
しく走査される。

【０００８】第１のスキャナが具備する第１のミラーは
第１のスキャナの回転軸線からずらして配置されてお
り、一方第２のスキャナが具備する第２のミラーの中心
は第１のスキャナの回転軸線と第１のミラーとの中間に
位置決めされている。本発明の構成によって光線の、第
１のミラー上でのミラー中心からの移動も第２のミラー
上でのミラー中心からの移動も最小限にまで低減され
る。従って、第１及び第２のミラーは非常に小さい寸法
を有し得、また走査の際に光線がミラー上で移動するこ
とによって生起するエラーは光学的中間結像を行なわず
にきわめて僅かに留められる。本発明によるこの特別の
構成によって先に述べた光学的中間結像が不要となり、
構造体積は従来公知の装置に比べて著しく減小され得
る。構成上の手間は最小限にまで減少され、２つのスキ
ャナを機械的に結合する必要は無い。

【０００９】本発明による共焦点走査システムでは、走
査プロセスの焦平面を対象物体に関して、特に対象物体
中で変位させ得、それによって全体として三次元走査が
可能となる。光源、特にレーザ光源は結像されるべき対
象物体上に集束され得る光線を発し、その際走査運動の
回転中心が、対象物体と例えば１つのレンズとに関連す
る入射瞳内に結像される。本発明の構成によって、光線
は、走査角度から十分独立に２つのミラーのその時々の
中心領域に入射する。このようにして対象物体が鮮鋭に
結像されることによって、大きい信号密度が得られる。

【００１０】本発明の特定例では、結像レンズを不動に
配置し、それ以外の走査システム部分はスライド可能と
することによって第３の方向用の走査ユニットが構成さ
れている。この構成によって、走査プロセスの焦平面を
対象物体中で変位させることができる。この特定例では
中間像平面が変位する。付加的な光学要素を用いること
なく、焦点が合わない状態でも光学的に問題の無い光路
が実現される。

【００１１】

【作用】本発明による装置は、結像されるべき対象物体
上に集束され得る光線を発する光源と、光線の集束点を
対象物体の全体にわたって三次元的に誘導する走査装置
と、個々の地点で対象物体により反射された光を感知す
る検出装置とを含む。共焦点構成によって、光軸に平行
な方向においても高い解像度が保証される。２つのミラ
ーもしくは二重スキャナによって、実質的に直交する２
方向での走査が行なわれる。２方向走査が行なわれる走
査平面と直交する第３の方向での走査には、中間像平面
の変位が適用される。

【００１２】特別の一例において、本発明による装置は
距離の測定に適用される。その際、本発明により対象物
体が鮮鋭に結像されることによって大きい信号密度が得
られるという事実が利用される。対象物体の前方または
後方では、信号密度は甚だしく減小する。本発明の構成
がもたらす光学的データから、焦点距離との関連で対象
物体までの距離が計算される。本発明の装置は、コンパ
クトな構造ながら確実な距離測定を可能にし、その際評
価装置において検出される、結像された対象物体の最大
信号密度が、調節された焦点距離に基づいての距離算出
のための基準値とされる。

【００１３】本発明の、他の特定構成例及び長所は特許
請求の範囲第２項〜第１０項に記してあり、また以下の
実施例の説明にも述べてある。

【００１４】

【実施例】本発明を、添付図面に基づき以下に詳述す
る。

【００１５】図１に、第１のスキャナ１及び第２のスキ
ャナ２を概略的に示す。第１のスキャナ１に第１のミラ
ー３が機械的に結合されており、このミラー３は図平面
に垂直な軸線５の周囲に回動し得るように配置されてい
る。第２のスキャナ２には第２のミラー４が付属し、ミ
ラー４は図平面に平行な軸線６の周囲に回動し得る。軸
線５及び６は、互いに直交する２平面内にそれぞれ位置
し、かつ互いに対して垂直である。重要であるのは、ミ
ラー３がスキャナ１に対して距離７を置いて配置されて
おり、そのうえスキャナ２の回転軸線６がスキャナ１の
回転軸線５とミラー３との中間に位置することである。
ミラー４の中心は本発明によれば、ミラー３の中心とス
キャナ１の回転軸線５との間の距離７の１／２のところ
に位置する。ミラー３の回転軸線５は実質的にミラー３
の平面に平行に伸長するが、ミラー３の中心と回転軸線
５との間には距離７が存在する。ミラー４の回転軸線６
も実質的にミラー４に平行に伸長する。回転軸線６はま
た実質的にミラー４の中心を通るが、必要であれば間隔
を設けることも可能である。ミラー４の中心が回転軸線
５から距離７の１／２だけ離隔していることが重要であ
る。ミラー３と４との間にレンズもしくは光学的結像手
段は存在せず、従って装置内部で光線９はミラー３及び
４の一方から他方に直接到達する。概略的に図示した光
線８は、光分割装置２２から射出され、または該装置２
２に入射する光線である。特にレーザである光源２４が
発する光線はまず上記装置２２に達し、その後図１に示
した本発明装置を経て対象物体に達する。対象物体によ
って反射された光線も本発明による装置を経て光分割装
置２２に達し、この時は装置２２は入射光線を、その後
の評価のために評価装置もしくは検出器２６に送る。対
象物体へと射出され、または対象物体によって反射され
た光線１０は実質的に、光線８と９との両方がその内を
進む平面に対して直角に進む。

【００１６】従って、ミラー４の中心をその原点とする
直交座標系が存在すると考えられ、この座標系のＸＹ平
面は図平面に一致する。光線８はＹ方向に対して平行に
進み、光線９はミラー３と４との間をＸ方向に沿って進
む。スキャナ２の回転軸線６はＹ方向に伸長し、一方回
転軸線５はＸＹ平面に直角である。

【００１７】図２に、図１の装置を矢印ＩＩの方向から
見たところを示す。この図では、軸線５は図平面内に位
置し、また軸線６は図平面に垂直である。ミラー３はス
キャナ１とアーム１１を介して結合されており、それに
よって回転軸線５に対して距離７を有する。図２の平面
は、ミラー４の中心を原点とする座標系のＸＺ平面に相
当する。ミラー４によって反射され、または対象物体に
よってミラー４へと送り返される光線１０はＺ方向に進
む。ミラー４もしくはスキャナ２の回転軸線６もしくは
回転中心は、回転軸線５とミラー３の回転中心との中間
に位置する。図２にも、ミラー４から対象物体へと射出
され、または対象物体によって反射し返された光線１０
を示す。光分割装置２２からスキャナ１のミラー３に達
し、またはミラー３によって反射された光線８は、図平
面手前で該平面に直角に進む。

【００１８】図３を参照して、図１に示した装置の機能
方法の原理を説明する。スキャナ１が角度ｗだけ回転さ
れると、本発明による構成に基づき、光線９はスキャナ
２のミラー４の回転中心に角度２ｗを成して入射する。
このことは、角度ｗが数度程度と比較的小さく、最大で
も１０または５度である場合に該当する。光線９がミラ
ー４に入射する地点は通常ミラー４の中心であるべきで
あろうし、走査角度ｗからは独立であるべきであろう。
本発明による装置の場合、光線９の入射地点は角度ｗの
変化と共に、次の式 ｇ＝（ｓ／２）×ｗ²（１−ｗ） によって得られる量ｇだけ走査軸線沿いに変化する。上
記式中、変数ｓは距離７に対応する。本発明の範囲内
で、距離７もしくは変数ｓは約２０ｍｍとされ、それに
よって走査角度ｗ＝±５°の場合、入射地点の変化は０
〜０．０８ｍｍと非常に僅かとなる。本発明によりミラ
ー４がスキャナ１とミラー３との中間に配置されること
によって２つの走査運動は同じ回転中心を有し、即ちス
キャナ２のミラー４の回転中心が両走査運動の回転中心
となる。その際、光学的中間結像も２つのスキャナの機
械的結合も不要である。

【００１９】本発明の、特にＺ方向とも呼称される第３
の方向での走査に有用な特別の構成を図４を参照して説
明する。最初に、走査プロセスの焦平面を対象物体中で
変位させるためには走査システムと対象物体との間隔
を、特に対象物体を走査システムのレンズ下で移動させ
ることによって変更し得るか、または走査光線の発散を
変更し得ることが留意されよう。例えば眼底検査でのよ
うに最後方のレンズと対象物体との間隔が変化しない場
合は、走査光線の発散が変更され得る。この変更は通
常、付加的なレンズ系を用いることによってか、または
走査運動の回転中心をレンズ１４及び対象物体２０から
成る系の入射瞳内に結像する２つのレンズの一方を変位
させることによって行なわれる。付加的なレンズ系は付
加的な光学要素と対応する占有スペースとを必要とし、
また結像レンズの変位は、走査プロセスの回転中心即ち
走査瞳が変位することになるので結像エラーを招く。図
４に示した本発明の構成によれば、最後方の２つのレン
ズ１３及び１４が互いに対しても対象物体２０に対して
も不動に保持される一方、走査システム１６のレンズ１
３及び１４以外の部分は軸線１２に沿って第３の方向に
スライドされる。上記レンズ１３及び１４によって、走
査運動の回転中心はレンズ１４及び対象物体２０から成
る系の入射瞳内に結像される。それによって中間像平面
１８が変位し、焦点が合わない状態でも光学的に問題の
無い光路が付加的な要素を用いずに保証される。レンズ
１３及び１４の互いとの間隔も対象物体２０との間隔も
不変のままである。単純化のため、図４には先に述べた
走査システムのミラー４のみを示す。走査システムの構
造がコンパクトであることによって、走査システムを変
位させること、及びそれと共に本発明により最後方の２
つのレンズ及び対象物体を互いに対して不動の関係に組
み合わせることが特に好ましく可能となることが留意さ
れよう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置の基本構造を示す説明図である。

【図２】図１の装置を矢印ＩＩの方向から見たところを
示す説明図である。

【図３】本発明装置の機能方法の説明図である。

【図４】焦平面を対象物体中で変位させる方法の概略的
説明図である。

【符号の説明】

１，２ スキャナ ３，４ ミラー ２０ 対象物体

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 特に立体的な対象物体を結像する装置で
   あって、対象物体を２方向、特に互いに直交する２方向
   に走査するべく、各々１つのミラーを具備した第１及び
   第２のスキャナを含み、第１のスキャナのミラー即ち第
   １のミラーが第１のスキャナの回転軸線に対して一定の
   距離を置いて配置されており、第２のスキャナの回転軸
   線、特に第２のスキャナのミラー即ち第２のミラーの中
   心は第１のスキャナの回転軸線と第１のミラー、特に該
   ミラーの中心との中間に配置されていることを特徴とす
   る対象物体結像装置。
2. 【請求項２】 第１のミラーからの光線が第２のミラー
   に直接、特に光学的偏向手段を経ずに到達することを特
   徴とする請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】 第１のミラーが数度程度、即ち最大で１
   ０度まで、好ましくは５度までの僅かな角度しか回転さ
   れないことを特徴とする請求項１または２に記載の装
   置。
4. 【請求項４】 第１のミラーが第１のスキャナにアーム
   を介して取り付けられており、このアームの長さは実質
   的に第１のミラーと第１のスキャナの回転軸線との間の
   前記距離に等しいことを特徴とする請求項１から３のい
   ずれか一項に記載の装置。
5. 【請求項５】 光分割装置から第１のミラーに入射し、
   または第１のミラーにおいて反射された光線が実質的
   に、対象物体へと反射され、または対象物体から反射さ
   れた光線に対して垂直であることを特徴とする請求項１
   から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 【請求項６】 走査プロセスの焦平面を変位させるため
   に走査システム全体がスライドされ、その際最後方の２
   つのレンズは互いに対しても対象物体に対しても不動の
   ままであることを特徴とする請求項１から５のいずれか
   一項に記載の装置。
7. 【請求項７】 好ましくはレーザとして構成された光源
   から発せられた光線が部分光透過性の偏向装置を透過し
   て第１のミラーの中心に達し、第１のミラーによって反
   射された光線は部分光透過性の前記偏向装置を経て評価
   装置に達することを特徴とする請求項１から６のいずれ
   か一項に記載の装置。
8. 【請求項８】 第１のスキャナの回転軸線が実質的に第
   １のミラーの平面に対して平行に配置されており、及び
   ／または第２のスキャナの回転軸線は実質的に第２のミ
   ラーの平面に対して平行に配置されていることを特徴と
   する請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 【請求項９】 第１及び第２のスキャナの回転軸線が互
   いに直交する２平面内にそれぞれ配置されており、及び
   ／または互いに直交する２方向にそれぞれ伸長すること
   を特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の装
   置。
10. 【請求項１０】 第２のスキャナの回転軸線が実質的に
    第２のミラーの中心を通ることを特徴とする請求項１か
    ら９のいずれか一項に記載の装置。