KR20180039711A - 광학 유닛을 구비한 장치 - Google Patents

Abstract

근거리로부터 피사체인 입형 등의 물체를 촬상하면서 그 전체 상을 포착할 수 있는 소형이며 고정밀도의 광학 유닛을 구비한 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 광학 유닛 내에 구비하는 오목 곡면경으로서, 예를 들면, 오프셋 파라볼라 오목면경을 사용하는 경우, 오프셋 파라볼라 오목면경의 기하학적인 초점 위치에 입사동을 가지는 집광 광학계를 배치하면, 오프셋 파라볼라 오목면경의 광축과 평행하게 입사하는 광선군은, 오프셋 파라볼라 오목면경의 광축과 직교하는 물체면에 대하여 텔리센트릭 주광선으로 되므로, 대상물 체면상의 각각의 물점으로부터의 발산광을 오프셋 파라볼라 오목면경의 초점 위치에 있는 집광 광학계가 만드는 2차 상면 상에서 사각없이 검출할 수 있다. 또한, 오프셋 파라볼라 오목면경에 의해 반사된 광속을 반사 미러에서 절곡한 후에 집광 광학계에 입사시키고나서 대상물의 상을 검출하므로, 현저하게 장치의 컴팩트화 및 저가격화를 실현하는 것을 가능하게 했다.

Description

광학 유닛을 구비한 장치

본 발명은, 예를 들면, 곡물이나 수지 펠릿(resin pellet) 등의 입형물(粒型物; granular material), 또는 김 등의 시트형(sheet type) 제품의 종별(種別)이나 양호 또는 불량을 판정하는 장치에 관한 것이며, 특히, 불량품 또는 이물질의 혼입을 광학적으로 판정하는 광학 유닛의 구조에 관한 기술이다.

종래부터, 쌀이나 대두 등의 곡물, 수지 펠릿, 커피 원두, 그 외의 입형의 대상물(對象物)이 색채나 형상 등에 관하여 소정의 기준 내의 것과 기준 외의 것을 분별(分別)하거나, 혼입되어 있는 이물질을 선별하여 제거하는 선별기(sorting machine)가 알려져 있다(하기의 특허문헌 1 참조).

선별기의 구조는, 대상물을 위쪽으로부터 경사 슈트(inclined chute)에 흘려넣어 낙하시키고, 낙하 도중에 다운로드 궤적(downward trajectory)을 협지(sandwich)하여 설치한 한 쌍 또는 한쪽의 광학 유닛에 의해 입형의 대상물을 촬상(撮像)한다. 광학 유닛의 검사 결과에 따라 기준 외나 이물질인 것으로 판정된 대상물은, 이젝터 노즐(ejector nozzle)로부터 분출되는 에어의 힘으로 기준 내의 대상물이 낙하하여 수납되는 저류(貯留) 탱크와는 다른 저류 탱크로 반송(搬送)되게 된다. 컨베이어 상의 대상물에 대하여도 마찬가지이며, 광학 유닛에 의해 기준 외나 이물질인 것으로 판정된 물체는, 컨베이어 상의 반로(搬路) 변경 수단에 의해, 기준 내의 대상물과는 구별되도록 반송된다.

또한, 계측 대상 영역으로부터의 광을 반사체로 반사하고, 다른 반사체에 의해 광을 절곡하여 수광 장치가 수광하는 입상체(粒狀體) 선별 장치가 개시되어 있다(하기의 특허문헌 2 참조).

일본국 특허공개 제2007―283204호 공보 일본국 특허공개 제2006―234744호 공보

특허문헌 1의 도 2에 기재된 선별기의 단면도(斷面圖)에 나타낸 바와 같이, 종래의 광학 유닛은, 입형의 대상물의 한쪽 면 및 다른 쪽 면을 촬상하기 위해, 다운로드 궤적을 협지하고 대향하여 설치되는 한 쌍의 카메라나, 한 쌍의 광원 등이 필요하다. 이와 같은 광학계를 사용하여 대상물의 촬상 시에 사각(死角)을 가져오지 않고 분별 효율을 올리려면, 대상물의 물체면 상의 각각의 물점(物点; object point)을 빠짐없이 촬상하는 것이 바람직하다. 따라서, 물체면 상의 각각의 물점이 흘러내리는 면에 직교 또는 대략 직교하는 방향으로부터 촬상하는 「바로 아래에서 볼 때(direct downward view)」일수록 바람직하고, 그러므로, 종래의 선별기의 경우, 다운로드 궤적으로부터 멀리 떨어진 위치에 카메라를 배치하고 있었다. 그 결과, 광학 유닛이 확대하여 가, 선별기 전체로서도 대형화되는 경향을 피하지 못하고, 또한 크게 이격된 위치로부터의 촬상에 기초하여 검출되면, 검출 정밀도가 저하되어 버리는 문제도 안고 있었다.

이와 같은 문제에 대처하여, 계측 대상 영역을 넓게 유지한 채 시야각을 좁게 함으로써, 바로 아래에서 볼 때 가까운 구성을 실현하려고 하는 방법, 즉 계측 대상 영역(J)과 수광 수단(5)을 크게 이격시키는 방법이 특허문헌 2에 나타나 있다. 그러나, 이 방법에서는 장치가 대형화된다. 그래서, 특허문헌 2에서는 또한, 계측 대상 영역(J)과 수광 수단(5)과의 사이의 광로 중에 반사체(10, 10A)를 삽입하여 계측 대상 영역으로부터의 광을 반사하고, 그 후, 제2 반사체(11, 11A)가 수광 장치(5)를 향하고 또한 반사함으로써 광로를 광축 방향으로 절곡하고, 장치 전체를 소형화하는 것을 나타내고 있다.

여기서, 특허문헌 2의 도 15, 도 16으로부터 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 제2 반사체(11, 11A)의 존재는, 계측 대상 영역(J)으로부터의 광 중 제2 반사체 부분에 대응하는 후방으로부터의 광을 차단하여 버리게 된다. 그래서, 특허문헌 2의 도 2는, 계측 대상 영역(J)으로부터의 광이 반사체 부분에서 차단되지 않도록 반사면을 기울이고, 계측 대상 영역에 대하여 직교 방향으로 광로를 절곡하는 것을 시사하고 있다.

이와 같은 배치는, 반사체가 평면인 한 광학적인 수차를 따르지 않고, 광로를 광축 방향으로 절곡하는 효과를 제공한다. 그러나, 평면 반사경은 광로와 광축이 이루는 각에는 작용할 수 없기 때문에, 반사체를 삽입함으로써 장치의 소형화를 계획하는 것의 효과는 한정적인 범위에 머문다.

한편, 반사체가 오목면의 경우에는, 광축 그 자체를 절곡할뿐만아니라, 광로와 광축이 이루는 각에도 작용 가능하므로, 평면 반사체의 경우와 비교하여, 한층 더 장치의 컴팩트화에 기여하는 것이다. 그러나, 일반적으로, 오목면경(concave mirror) 특유의 광로 흐릿함(blurring)이나 기하학적 변형(geometric distortion)등의 광학적 수차가 부작용으로서 수반하게 되어, 취득 화상의 열화(劣化)가 야기된다는 새로운 문제가 나타난다.

이들을 감안하여, 본 발명은, 근거리로부터 대상물의 광학적 정보를 확실하게 취득하여 소정의 기준과 비교함으로써, 대상물에 포함되는 소정의 기준을 일탈한 이물질 등의 혼입을 광학적으로 검출하기 위한 소형이며 고정밀도의 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 관한 장치는, 대상물의 광학적 정보를 취득하기 위한 광학 유닛의 요소(要素)인 오프셋 오목 곡면경에 대향하여 집광 광학계를 배치하고, 대상물 면 상의 각각의 물점을 출사하여, 상기 오프셋 오목 곡면경에 의해 반사된 후에, 주광선(chief ray)으로서 상기 집광 광학계의 입사동(etrance pupil)의 중심을 통과하는 각각의 광선의 상기 오프셋 오목 곡면경의 반사점으로부터 상기 입사동까지의 광로를, 상기 반사점에서의 상기 오프셋 오목 곡면경의 곡률 반경에 의해 상기 집광 광학계의 입사동의 중심점과 대응한 공역점(共役点; conjugate point)을 기점(起点)으로 하여 출사한 광선이 상기 오프셋 오목 곡면경에 의해 반사되어 상기 입사동까지 전반(傳搬)하는 일련의 광로 중, 상기 오프셋 오목 곡면경의 반사점으로부터 상기 입사동까지의 광로와 일치하도록 취하고, 이로써, 각각의 상기 물점으로부터 상기 오프셋 오목 곡면경을 향하는 각각의 주광선의 각각의 물점으로부터의 사출 방향을 결정하고, 상기 각각의 주광선에 대응하는 상기 집광 광학계의 각각의 결상점(結像点)의 공역점이, 상기 대상물의 물체면 상의 각각의 물점에 대응하도록 상기 대상물을 배치하는 것을 특징으로 한다. 이 특징때문에, 오프셋 오목면경의 원뿔 계수(conical constant)[또는 이심률(離心率; eccentricity)]를 조정하여, 오프셋 오목면경의 면 형상을 2차 오목면경, 특히, 구면(球面), 타원면, 방물면(放物面), 쌍곡면 중 어느 하나로 선택함으로써, 각각의 상기 물점으로부터 오목 곡면경을 향하는 주광선의 오목 곡면경의 기하학적(geometric) 대칭축(광축)에 대한 경사각을, 평행, 또는 발산성(發散性; diverging) 또는 수속성(收束性; convergent)으로 제어할 수 있는 것이다.

본 발명에 관한 장치의 광학 유닛은, 국소적인 곡률 반경이 면 상의 위치나 방위에 의해 변화하는 것을 허용한 오프셋 오목 곡면경에 대향하여 집광 광학계가 배치되고, 이 집광 광학계의 입사동이 오프셋 오목 곡면경을 반사하는 광속(光束)의 사출동(exit pupil)으로 되도록 구성되므로, 대상물의 물체면 상의 각각의 물점으로부터 오프셋 오목 곡면경을 향해 출사하는 광속에 속하는 각각의 주광선은, 오프셋 오목 곡면경 상의 각 반사점의 국소적인 면 형상을 통하여 정의되는 오프셋 오목 곡면경의 입사동 위치를 향하는 광로를 따라 전반하여, 상기 오프셋 오목 곡면에서 반사한 후에는, 집광 광학계의 입사동의 중심을 향하는 광로를 취하게 된다.

그러므로, 대개구(大開口) 직경의 1차 결상 광학계를 사용하지 않거나, 또는 종래의 선별기에 도시된 바와 같이 대상물로부터 이격된 먼 곳에 집광 광학계를 배치하지 않고, 대상물의 물체면 상의 각각의 물점으로부터의 광속의 반사에 제공하는 오프셋 부분만을 잘라낸 오프셋 오목 곡면경에 의해, 넓은 시야 내로부터의 발산광(diverging light)과 광학 부품과의 광로 간섭이 생기지 않아, 대상물로부터의 광을 소경(小徑)의 집광 광학계에 효율적으로 집합시키는 것이 가능한 광학 유닛은, 장치 전체의 소형화 및 저가격화를 실현한다.

또한, 본 발명에 관한 장치는, 오프셋 오목 곡면경과 집광 광학계와의 사이에 1개 이상의 광로 벤딩 미러(light path-bending mirror)를 배치하고, 오프셋 오목 곡면경에 의해 반사된 반사광선군을 소정 방향으로 절곡하고 있다. 특히, 복수의 광로 벤딩 미러를 사용함으로써, 반사광선군을 복수 회 절곡하는 구성에 광학 설계하고 있다. 이로써, 장치 내의 광학 유닛의 포락(包絡) 사이즈가 축소되어, 장치 전체를 더욱 한층 소형화하는 것에 공헌할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 장치의 광학 유닛의 일례를 나타낸 단면(斷面) 개략도이다.
도 2는 광학 유닛 및 조명 수단을 케이싱에 수납했을 때의 단면 개략도이다.
도 3은 본 발명을 볼록 렌즈로 실현할 때의 광학 원리를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명을 파라볼라경(parabolic mirror)으로 실현할 때의 광학 원리를 나타낸 도면이다.
도 5는 파라볼라경에서의 광의 반사의 모양을 나타낸 도면이다.
도 6은 대상물로부터의 발산광의 광학 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 직선 상에 배치된 복수의 대상물로부터의 광속군(光束群)이 입사되었을 때, 광학 경로가 반복하는 모양을 나타낸 도면이다.
도 8은 집광 광학계에 의한 집광상이 왜곡되어 있는 것을 나타낸 도면이다.
도 9는 2차 오목 곡면경의 종류를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 각각의 원뿔면(圓錐面)에서의 기하학상의 초점을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 각각의 2차 오목 곡면경에서의 광로를 나타낸 도면이다.
도 12는 오목 곡면경 전체가 복수의 부분 2차 오목 곡면에 의해 구성된 일례를 나타낸 도면이다.
도 13은 종래의 선별기의 외관 구성예를 나타낸 도면이다.
도 14는 도 13에 나타낸 선별기의 단면도이다.

이하에 도면을 참조하면서, 본 발명에 관한 장치를 선별기에 적용했을 때의 실시형태에 대하여 설명한다. 선별기에 의해 선별되는 대상물은 미립(米粒)으로 하고, 이 미립의 광학적 정보를 취득한다. 수확되는 쌀에는, 불량 쌀이나 돌 등의 이물질이 일정 정도 포함되어 있으므로, 이들을 제거할 필요가 있어, 본 실시형태의 선별기는, 취득한 광학적 정보에 기초하여, 기준을 만족시키는 쌀과 그 이외의 것으로 분별한다.

그리고, 본 발명은, 선별기가 구비하는 구성 중에서 특히 광학 유닛(100)에 관한 기술이므로, 선별기에서의 광학 유닛 이외의 구성 및 기능에 대한 자세한 것은 생략한다.

본 발명에 관한 장치의 광학 유닛이 구비하는 오목 곡면경은, 반드시 오목 곡면경 전체가 단일의 2차 오목 곡면 형상으로서 정의되어 있는 것을 필요로 하고 있지 않고, 오목 곡면을 형성하는 원뿔 곡선이나 곡률 반경이 면 상의 위치나 방위에 따라 변화하는 임의 오목 곡면경을 사용하는 것을 포함한다. 단, 후술하는 바와 같이, 제1 실시형태 내지 제3 실시형태에서 사용하는 광학 유닛은, 임의 오목 곡면경이 2차 오목 곡면경이며, 그중에서도 파라볼라 오목면경의 타입, 타원 오목면경의 타입, 쌍곡 오목면경의 타입을 사용하는 경우에 대하여 각각 설명한다.

먼저, 2차 오목 곡면경과 원뿔 곡선과의 관계에 대하여 설명한다. 원뿔 곡선은, 원뿔을 임의의 평면(arbitrary plane)에 의해 절단했을 때의 단면의 윤곽 형상으로서 얻어지는 곡선군의 총칭이다. 이 원뿔 곡선은, 원·타원·포물선·쌍곡선으로 분류되고, 도 9에 나타낸 바와 같이, 원뿔의 축에 대하여 수직인 평면(경사각 90°)으로 절단한 단면의 윤곽 형상이 (a)원, 원뿔의 반꼭지각(semi-apex angle)보다도 큰 경사각의 평면에 의해 절단한 단면의 윤곽 형상이 (b)타원, 원뿔의 반꼭지각과 평행한 경사각의 평면[즉, 모선(母線)에 평행한 평면]에서 절단한 단면의 윤곽 형상이 (c)포물선, 원뿔의 반꼭지각보다도 작은 경사각의 평면에 의해 절단한 단면의 윤곽 형상이 (d)쌍곡선으로 된다.

원·타원·포물선·쌍곡선은 어느 쪽도 2차 곡선이며, 이들 모두 유클리드(Euclid) 기하학상의 초점 f₁, f₂라고 하는 특이점이 2개 존재한다. 구체적으로는, 「타원」의 2개의 독립된 초점은 모두 곡선으로 에워싸인 폐쇄 공간의 내측에 존재하고[도 10의 (a)], 「원」은 특수한 타원이며, 2개의 초점 f₁, f₂이 동일 점을 공유하고 있고, 외관 상, 1개의 초점(즉, 원의 중심)만이 존재하고 있는 것으로 보인다. 「포물선」은, 2개의 초점 중 한쪽이, 무한 원방(遠方)에 존재하는 타원이다. 「쌍곡선」은, 2개의 초점 중 한쪽 f₁이, 곡선으로 에워싸인 폐쇄 공간의 외측에 존재하는 타원이다[도 10의 (b)]. 이들 2차 곡선의 2개의 초점을 연결하는 축 주위에 그 윤곽 형상을 회전시켰을 때 구면·타원면·방물면·쌍곡면을 형성하고, 각 면의 내측으로부터 보면 2차 오목 곡면에 속하는 볼 오목면, 타원 오목면, 포물 오목면, 쌍곡 요면으로 된다.

예를 들면, 도 10의 (a)의 타원 곡선을 보면, 한쪽의 초점 f₁으로부터 타원 곡선 상의 1점 P를 경유하여, 다른 한쪽의 초점 f₂를 향하는 직선의 길이의 합계는, 타원 곡선의 어떤 점 P를 선택했다고 해도 일정값으로 된다(f₁P＋f₂P).

이와 같은 기하학적인 내용을 광학적 사상(事象)과 대응시켜 보면, 한쪽의 초점 f₁을 사출한 광선이 그 2차 오목 곡면의 임의의 점 P에서 반사하면, 반드시 다른 쪽의 초점 f₂에 무수차로 도달한 것으로 이해할 수 있다. 이것은, 출사측의 초점을 도달 측의 초점과 교체해도 마찬가지로 성립한다. 2차 오목 곡면의 2개의 초점 f₁, f₂는 가환(可換; commutative)이며, 공역 관계(conjugate relationship)에 있는 것이다.

단, 전술한 2차 오목 곡면의 초점 f₁, f₂는, 기하학상의 초점으로서, 광학 상의 초점과 일치하다고는 할 수 없다는 점에 유의(留意)할 수 있다. 기하학적 초점 중 한쪽 f₁을, 광학적 정의에 기초한 광선의 기점인 「물점」에 대응시켰을 때, 다른 한쪽의 기하학적 초점 f₂는 광학적 정의 상으로는 「상점(像点)image point」에 대응하는데 지나지 않는다. 즉, 광학적 정의에 기초한 「초점」을 의미하고 있지 않기 때문이다. 광학적 정의의 「초점」이란, 2차 오목 곡면의 기하학적 대칭축에 평행한 근축 광속을 입사시켰을 때, 2차 오목 곡면에서 반사한 후의 광속이 집광하는 점이다. 여기서, 물점으로부터의 광속이 2차 오목 곡면의 기하학적 대칭축에 평행하다는 것은, 그 물점이 무한 원방에 놓여져 있는 경우에 상당하는 것에 다름이 없으므로, 이와 같은 물점을 초점 f₁으로서 가지는 것은, 2차 오목 곡면 중 포물 오목면만인 것은 명백하다. 그리고, 이 경우, 상점은, 기하학적 초점 f₂에 일치한다.

한편, 2차 오목 곡면이 구면인 경우에는 전술한 바와 같이 2개의 초점이 일치하고, 볼의 중심에 존재하는 한쪽의 초점 f₁에 물점이 배치되었을 때, 역시 볼의 중심에 존재하는 다른 쪽의 기하학적 초점 f₂이 상점에 대응한다. 따라서, 필연으로서, 물점이 무한 원방에 배치되고, 즉 물점으로부터 구면에 입사하는 광선군이 평행속(平行束; parallel bundle)인 경우에는, 이미 기하학적 초점 f₂에 구면으로부터의 반사광이 집광하지 않고, 반사광은 오히려, 기하학적 초점 f₂보다도 구면 가까이의 위치를 향하게 된다. 즉, 광학적인 정의에 기초한 초점 위치가, 기하학적 초점 f₂에 일치하지 않게 되는 것이다.

잘 알려진 파라볼라(parabola) 안테나의 면 형상은, 포물선을 그 기하학적 대칭축을 중심으로 하여 회전시킨 곡면으로서 정의되는 방물면에 일치하므로, 포물 오목면의 형상을 한 포물 오목면경은 파라볼라 오목면경이라고도 한다. 광학적 초점과 기하학적 초점이 일치하는, 이 특수하다고도 할 방물면을 가지는 파라볼라 오목면경[협의(狹義)로는, 파라볼라 오목면경을 오프셋시킨 「오프셋 파라볼라 오목면경」]을 사용한 광학 유닛을, 제1 실시형태로서 설명한다.

(제1 실시형태)

제1 실시형태에 있어서의 선별기의 광학 유닛(100)에 대하여 설명을 하기 위해, 먼저, 물체측 텔리센트릭(telecentric) 광학계의 개념에 대하여 설명을 한다.

(1) 물체측 텔리센트릭 광학계

도 3에 나타낸 바와 같이, 렌즈(1)의 광축에 평행하게 입사하는 광선은, 당연하게 렌즈(1)의 사출 측의 초점 위치 P_f에서 광축과 교차한다. 이 성질이기 때문에, 초점 위치 P_f에 조리개를 두면, 조리개의 중심을 지나는 광선(주광선)은 렌즈(1)에 대한 입사 전에는 렌즈(1)의 광축과 평행하게 진행하게 된다. 이른바 물체측 텔리센트릭 광학계가 구성되게 되는 것이다.

도 3에 있어서는 볼록 렌즈(1)를 사용하여 텔리센트릭 광학계의 원리를 나타냈으나, 이것을 반사 미러에서 설명한 것이 도 4이다. 도면 부호 "2'"는 파라볼라 오목면경이며, 도면 부호 "6"은 대상물 면 상의 물체면이다. 대상물(X)의 각각의 물점으로부터 방사되는 각각의 광선 중, 파라볼라 오목면경(2’)의 광축(기하학적 대칭축)과 평행한 평행광 선군은, 파라볼라 오목면경(2’)에서 반사되면, 파라볼라 오목면경의 광학 특성에 의해, 모두 파라볼라 오목면경의 초점 P_f에서 서로 교차하도록 진행한다. 이 성질때문에, 초점 위치 P_f에 조리개를 두면, 조리개의 중심을 지나는 광선(주광선)은 파라볼라 오목면경으로의 입사 전에는 파라볼라 오목면경의 광축과 평행하게 진행하게 된다. 즉, 물체측 텔리센트릭 광학계가 구성되는 것이다.

전술한 초점 위치 P_f 상의 조리개를, 물체면 상의 각각의 물점으로부터의 발산광속(發散光束)을 반사하는 2차 오목 곡면경의 사출동으로 하고, 그 동형상(瞳形狀; pupil shape)이 예를 들면, 원형이라면, 각각의 물점으로부터의 발산광은, 각각의 각각의 주광선을 축으로 하는 원뿔형(발산각 θ)의 발산광속군으로 되어 파라볼라 오목면경(2’)에 도달하는 것이며, 이 때, 파라볼라 오목면경에 관한 입사동은 무한 원방에 형성되게 된다. 이 원리는, 물체면 상의 각각의 물점으로부터의 발산광속을 반사하는 2차 오목 곡면경의 입사동 및 사출동과, 기하학적 초점 위치와의 관계로서 이미 설명한 광학적 원리에 그대로 대응되는 것이다.

또한, 도 4에 나타낸 단면 내에 있어서 파라볼라 오목면경(2’)의 광축과 직교하는 물체면(6)이 파라볼라 오목면경(2’)의 광학적인 초점을 포함할(물체 거리 L와 초점 거리 f가 일치함) 때, 파라볼라 오목면경(2’)의 광축과 평행한 평행광 선군을 축으로 하는 원뿔형(발산각 θ)의 발산광속군은, 파라볼라 오목면경(2’)에서 반사한 후, 집광 광학계(3)에 도달할 때까지, 그 반사한 주광선에 따른 평행 광속으로서 진행한다.

본 실시형태의 광학 유닛(100)은, 대상물로부터의 광을 파라볼라 오목면경에 의해 반사시킨 후, 집광 광학계에 의해 광검출기로 안내하도록 구성되어 있다. 대상물의 물체면 상의 각각의 물점을 출사하여, 파라볼라 오목면경을 반사한 후에 집광 광학계의 입사동의 중심을 통과하는 각각의 주광선은, 모두 대상물 면 상으로부터 파라볼라 오목면경의 기하학적 대칭축과 평행하게 사출하고 있고, 파라볼라 오목면경을 향하는 광선군의 입사동은 무한 원방에 배치되어 있다.

구체적으로는 도 11의 (b)와 같이, 물체면 상의 각각의 물점 X_b로부터의 발산광속은, 파라볼라 오목면경(2b)에서 반사하고, 파라볼라 오목면경(2b)의 기하학적 초점 f₂의 위치에 입사동을 가지는 집광 광학계(3b)를 향해 진행되고, 집광 광학계(3b)에 도달한 광속은 그 후, 집광 광학계(3b)의 상점 I_b에 집광하는 것이다. 이 때, 특히 물체 거리가 파라볼라 오목면경(2b)의 방물면의 광학적인 정의에 기초한 초점 거리에 일치하면, 파라볼라 오목면경(2b)에 의해 반사하고 집광 광학계(3b)를 향하는 광속은 평행 광속으로 된다.

전술한 바와 같이, 파라볼라 오목면경의 기하학적 대칭축과 평행하게 상기 파라볼라 오목면경에 입사하는 각각의 광선은, 모두 파라볼라 오목면경의 기하학적 또한 광학적인 초점을 통과하므로, 이 초점 위치에 입사동을 가지는 집광 렌즈(3)를 배치하여, 파라볼라 오목면경(2’)을 반사한 후에 상기 입사동의 중심을 통과하는 광선을 주광선으로 하면, 그것은 파라볼라 오목면경의 기하학적 대칭축에 수직인 물체면의 각 점을 기점으로 하여 상기 물체면의 법선 방향으로 사출하는 광선을 주광선으로 하는 것과 동의(同義)로 된다. 파라볼라 오목면경(2’)을 반사한 후, 집광 광학계(3)를 통과하는 광속은, 대상물(X)의 물체면(6) 상의 각각의 물점으로부터 상기 주광선의 주위에 원뿔형의 발산성(diverging)(발산각 θ)을 이루면서 그 각각의 물점을 출사하는 것을 감안한다면, 파라볼라 오목면경을 사용한 광학 유닛(100)이, 대상물의 물체면(6)을 바로 아래로 보는 성질(direct downward view; 즉, 물체면에 직교 또는 대략 직교하는 방향으로부터 촬상하는 것)을 가지는 것은 용이하게 이해될 것이다. 개구가 큰 굴절형 렌즈는 고액이며, 만일 그와 같은 렌즈를 사용하는 광학 유닛(100)을 선별기에 내장하는 것으로 하면, 선별기의 제조 비용을 대폭 상승시켜 버리는 것으로 이어진다. 그러나, 본 실시형태에 있어서는 고가의 렌즈에 대신해 비교적 염가로 넓은 시야를 확보할 수 있는 파라볼라 오목면경(실제로는, 후술하는 오프셋 파라볼라 오목면경)을 사용함으로써, 선별기의 제조 비용을 현저하게 삭감하면서, 대상물의 광학적 정보를 취득할 수 있는 것이다.

그리고, 본 실시형태의 광학 유닛(100)이 물체측 텔리센트릭 광학계의 광학 원리를 기초로 하고 있는 이상, 파라볼라 오목면경(2’)의 기하학적 대칭축에 평행한 주광선군이 이 파라볼라 오목면경에 입사하는 것이 전제이다. 단, 파라볼라 오목면경에 입사하는 주광선이 파라볼라 오목면경의 광축과 완전히 평행이 아니면, 즉시 대상물(X)의 물체면을 바로 아래로 볼 수 없도록 된다는 것으로는 되지 않는 점에는 유의가 필요하다. 파라볼라 오목면경(2’)에 의해 반사한 후에 집광 렌즈(3)의 입사동을 통과하는 대상물로부터의 발산광속 중에 포함되는 임의의 1개의 광선이, 파라볼라 오목면경의 기하학적 대칭축과 직교하는 대상물(X)의 물체면 상의 물점에서의 법선을 따라 파라볼라 오목면경을 향해 진행하는 것이면, 그 광선이 주광선이 아니라도 사실상, 파라볼라 오목면경을 사용한 광학 유닛(100)은, 대상물(X)의 물체면(6)을 바로 아래를 볼 수 있는 성질을 계속 가지는 것으로 이해할 수 있다. 이와 같은 주광선의 치환의 필요성은, 집광 렌즈(3)에 의해 정해지는 입사동의 배치 위치가, 파라볼라 오목면경(2’)의 기하학적 초점 위치와 엄밀하게 일치하도록은 배치되지 않은 경우나, 파라볼라 오목면경(2’)이 수학상 또는 기하학상의 파라볼라면으로서 엄밀하게 형성되어 있지 않은 경우 등에 특히 생기는 것이라고 할 것이다. 본 실시형태에 있어서의 파라볼라 오목면경(실제로는, 후술하는 오프셋 파라볼라 오목면경)을 사용한 광학 유닛(100)은, 이와 같은 필요성을 배려하여, 주광선의 치환이 생기는 케이스를 포함하고 있는 것이며, 파라볼라 오목면경에 입사하는 "주광선"이 파라볼라 오목면경의 광축과 완전히 평행하다는 요건을 엄밀하게 요구하고 있는 것은 아니다.

(2) 오프셋 파라볼라 오목면경

도 1은, 본 실시형태의 선별기에서 사용하는 광학 유닛(100)의 단면 개략도이며, 오프셋 파라볼라 오목면경(2)을 내장한 광학 유닛의 일례를 나타내고 있다. 도 13 및 도 14에 나타낸 바와 같이, 대량의 미립을 광학 유닛(100)에 의해 검출하기 위해서는, 슈트(52)라고 하는 일정한 폭을 가지는 가이드판에 미립을 투입시키고 선별기의 위쪽으로부터 단번에 낙하시킨다.

도 2는, 광학 유닛(100) 및 조명 수단(30)을 케이싱에 수납했을 때의 단면 개략도이다. 광학 유닛(100)에서는, 자가 발광하는 대상물은 물론, 자가 발광하지 않는 대상물의 경우에는 선별기 내의 조명 수단(30)에 의한 조명광으로 조사함으로써 대상물 그 자체가 광원인 것으로 간주할 수 있도록 하고, 슈트에 흘려넣어진 미립이 물체면(6)에서 위쪽으로부터 낙하하면, 대상물(X)의 물체면 상의 각각의 물점으로부터 출사하는 광선군을 오프셋 파라볼라 오목면경(2)에서 반사시킨다.

그리고, 1테이블의 광학 유닛(100)이, 오프셋 파라볼라 오목면경(2)을 향해 입사하는 미립의 한쪽 절반으로부터의 광을 검출하여, 미립의 반대측의 절반으로부터의 발산광은 동일 구조인 쌍의 광학 유닛을 사용하여 같은 검출 원리에 의해 검출된다.

전술한 바와 같이, 본 실시형태의 광학 유닛(100)은, 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같은, 파라볼라 오목면경의 방물면의 광축으로부터 오프셋한 부분 방물면을 가지는 오프셋 파라볼라 오목면경(2)을 사용한다. 도 7은, 도 6에 나타낸 파라볼라 오목면경(2)에 입사광이 들어가 반사하는 모양을 위로부터 보았을 때의 도면이다. 광의 반복 반사에 대하여는 후술하지만, 도 7에 나타낸 바와 같이, 오프셋 파라볼라 오목면경(2)의 길이 방향(도 7의 상하 방향)은, 슈트의 폭에 맞추어, 예를 들면, 수십cm 폭의 방물면이다. 이와 같이, 제1 실시형태의 광학 유닛(100)에 배치되는 오프셋 파라볼라 오목면경(2)은, 방물면 전체 중, 상하 방향의 폭을 좁게 잘라내어 형성되어 있고, 슈트 상을 활주 후에 낙하하는 복수의 미립으로부터의 각각의 발산광을 모아서 반사한다.

전술한 바와 같이, 이 광학 유닛(100)의 특징은, 파라볼라 오목면경(2’)의 방물면의 광축으로부터 오프셋한 부분 방물면인 오프셋 파라볼라 오목면경(2)을 사용하는 것이다. 파라볼라 오목면경 중앙부의 기하학적 대칭축(광축)을 포함하지 않는 방물면에서 입사광을 반사시키고 있다. 만일, 파라볼라 오목면경의 방물면이 광축을 끼워 대칭으로 되는 통상의 파라볼라 오목면경(2’)을 사용하여, 파라볼라 오목면경의 광축을 포함하는 면 내에 물체로부터의 주광선군을 배치한 것으로 하면, 특허문헌 2와 마찬가지로, 파라볼라 오목면경(2’)의 초점 위치에 배치하는 집광 광학계(3)가, 미립의 각각의 물점으로부터 파라볼라 오목면경(2’)을 향해 입사하려고 하는 광의 진행을 차단하여 버리게 된다[도 5의 (a) 참조]. 이에 대하여, 오프셋 파라볼라 오목면경(2)을 사용한 경우에는 이 문제를 회피할 수 있다. 즉, 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이, 미립으로부터의 발산광이 오프셋 파라볼라 오목면경(2)에서 반사한 경우, 주광선군의 반사광이 집광하는 오프셋 파라볼라 오목면경의 초점 위치는, 대상물(X)로부터 오프셋 파라볼라 오목면경(2)을 향하는 광로에 간섭하지 않는 위치에 존재한다. 따라서, 오프셋 파라볼라 오목면경(2)의 초점 위치에 입사동을 가지는 집광 광학계(3)는, 오프셋 파라볼라 오목면경(2)에 입사하려고 하는 광의 광로 도중에 존재하지 않으므로, 미립으로부터의 광을 확실하게 검출할 수 있는 것이다. 이것은, 전술한 특허문헌 2의 도 15 및 도 16에 나타낸 바와 같은, 제2 반사체 부분(11, 11A)의 후방으로부터 제1 반사체(10, 10A)를 향해 진행하는 물체로부터의 입사광을, 제2 반사체(11, 11A) 및 수광 수단(5)이 차단되는 배치와는 상이하게 되어 있다.

그리고, 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같은 오프셋 파라볼라 오목면경(2)을 사용하지 않고, 도 5의 (a)에 나타낸 통상의 파라볼라 오목면경(2’)을 경사짐으로써 오프셋 파라볼라 오목면경(2)과 마찬가지의 기능이 생기게 하도록 해도, 미립으로부터의 주광선군은, 경사진 후의 파라볼라 오목면경(2’’)으로부터 보면 광축에 평행이 아닌 입사각 θ으로 광이 입사하는 것에 상당한다[도 5의 (c) 참조]. 그러므로, 발생하는 수차가 주광선군의 동일 점에서의 수속성(convergent)을 저하시키므로, 반사광의 집광 위치에 집광 광학계(3)를 배치한 것으로 해도, 광검출기의 2차 상면에 수차가 전반하여 흐릿함(blurring) 등의 상 열화가 생겨, 미립으로부터의 고정밀도의 광 정보를 검출할 수 없게 된다. 본 실시형태의 광학 유닛(100)은 이것을 회피하기 위해, 통상의 파라볼라 오목면경(2’)이 아닌, 오프셋 파라볼라 오목면경(2)을 향해, 그 광축에 평행한 주광선군을 입사시킨 후, 그 초점 위치에 배치한 집광 광학계(3)에 의해 광검출을 행하는 구성이다.

(3) 광로의 절곡

전술한 바와 같이, 본 발명의 목적으로 하는 하나는 장치의 소형화를 실현하는 것이며, 그러므로, 내장되는 광학 유닛(100)에 대하여도 가능한 한 작게 할 필요가 있다. 그래서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 도중에 광로를 절곡하여 광학 유닛의 사이즈를 작게 하는 연구를 하고 있다.

광학 유닛(100)에 의한 광로의 절곡을 나타낸 것이 도 6 및 도 7이다. 미립 상의 각각의 점을 물점으로 하는 발산광속이 오프셋 파라볼라 오목면경(2)에서 반사한 후, 각 광속에 속하는 주광선이 서로 교차하는 오프셋 파라볼라 오목면경(2)의 초점 위치까지의 도중에, 반사 미러(4)가, 오프셋 파라볼라 오목면경 측으로 광로를 리턴하여, 반사 미러(5)를 향하도록 한다. 반사 미러(5)는, 되돌려진 광선군을 다시 반사 미러(4)를 향해 반사시킨다. 특히, 이 때의 광선군을 받는 것은 오프셋 파라볼라 오목면경(2)에서 반사된 광을 받았을 때의 같은 반사 미러(4)이며, 반사 미러(4)가 2회째의 반사를 행하게 된다. 그 후, 광선군은, 집광 광학계(3’)에 입사하여, 배후의 결상면(結象面)(10’) 상에서 상을 형성하여 미립을 검출한다. 그리고, 본 실시형태의 광학 유닛(100)은, 반사 미러(4)에 의해 2회째의 반사를 행한 후, 배후의 결상면(10’)에 놓여진 근적외선용 이미지 센서(7’), 및 결상면(10)에 놓여진 가시용 이미지 센서(7)의 양쪽으로 광이 안내되도록 하기 위해, 광로 분기(branching) 소자로서 다이크로익 미러(9)를 사용하고 있다. 오프셋 파라볼라 오목면경(2)에서 반사한 후의 집광 광학계(3)까지의 광로 길이가, 복수 회의 벤트 광로(bent optical path)를 총계한 전체 광로 길이에 상당한다. 다이크로익 미러(9) 등의 광로 분기 소자는, 광선군의 파장에 따라 광로가 분기되는 외에, 낙하하는 복수의 미립에 대한 넓은 시야를 복수의 이미지 센서가 각각의 담당 영역을 처리할 수 있도록 하기 위해 사용하는 것도 있을 수 있다. 또한, 넓은 시야를 일정한 분해능으로 처리하는 것이 아니고, 예를 들면, 시야 중앙이 고분해능의 검출 영역이라는 관찰되는 대상 영역의 공간 분해능에 변화를 갖게 하기 위해 광로 분기 소자에 의해 특정한 광선군의 광로를 제어하도록 해도 된다.

전술한 바와 같이, 본 실시형태의 경우, 다이크로익 미러(9)에 의한 반사를 제외하면, 합계 4회의 반사[오프셋 파라볼라 오목면경(2)에 의한 반사를 포함함]를 행한다. 이 때, 광로의 면밀한 설계에 기초하여, 1개의 반사 미러(4)가 2회의 반사를 형성하도록 미러면의 치수 및 경사각을 조정하고 있다. 복수 회 광로를 절곡하는 것이, 오프셋 파라볼라 오목면경(2)에서 반사한 후의 집광 광학계(3)까지의 광로 길이에 상당하게 하면서, 가능한 한 오프셋 파라볼라 오목면경(2)으로부터 멀지 않은 위치에 집광 광학계(3)를 배치하는 것을 가능하게 했다. 따라서, 본 발명에 관한 장치를 적용한 선별기의 광학 유닛(100)을 종래의 것과 비교하여 현저하게 소형화할 수 있고, 또한 사용하는 반사 미러 수를 적게 하는 것에 성공하고, 광선의 전체 길이를 컴팩트하게 억제하면서 선별기의 제조 비용의 삭감을 도모한다는 효과도 상주하고 있다.

그리고, 반드시 광로를 절곡하지 않으면 안되는 것은 아닌 것으로 하고, 본 실시형태와 같이 반드시 합계 4회의 반사가 아니면 안된다는 것은 아니다. 또한, 반사 미러(4)에 의한 반사는 1회만, 또는 3회 이상의 경우에도 포함한다. 선별기 또는 광학 유닛의 크기나, 집광 광학계(3)를 배치하는 위치 등에 대응하여, 광로의 절곡의 여부 및 그 절곡 횟수를 적절히 결정하면 된다.

또한, 광학 유닛(100)을 실제로 선별기 등의 장치 내에 실장(實裝)할 때는, 엄밀하게 오프셋 파라볼라 오목면경(2)의 초점 위치 f에 물체면(6)이 있는 것(물체 거리 L와 초점 거리 f가 일치)을 반드시 요구하고 있지 않다. 선별기의 소형화, 즉 광학 유닛(100)의 컴팩트화를 실현할 목적으로, 초점 위치 f보다도 오프셋 파라볼라 오목면경 가까이에 물체면(6)이 있는 것을 허용한다. 물체면(6)이 오프셋 파라볼라 오목면경(2)에 가까워질수록, 오프셋 파라볼라 오목면경(2)을 반사한 광선군은 평행하게 되지 않고 발산각이 커져 버리지만, 이것은 집광 광학계(3)에 사용하는 렌즈의 입사동을 크게 함으로써 대응한다. 또한, 오프셋 파라볼라 오목면경(2)을 반사한 광선군이 평행이 아닌 것에 의한 상의 흐릿함이나 왜곡 등은, 집광 광학계(3)에서 수차 보정을 행함으로써 대처한다. 마찬가지로, 광학 유닛(100)에 포함되는 다양한 구성 부품과의 위치 관계로부터, 물체 거리 L이 오프셋 파라볼라 오목면경(2)의 초점 거리 f보다도 큰 거리로 되어 버리는 경우도 있을 수 있다. 이 경우에도, 오프셋 파라볼라 오목면경(2)을 반사한 광선군이 평행되지 않는 것에 의한 수차는 집광 광학계(3)로 보정하면 된다.

(4) 집광상의 왜곡 수정

오프셋 파라볼라 오목면경(2)을 사용하여 반사된 광을 복수 회 굴절시키고, 집광 광학계(3)에 의해 결상면에서 형성되는 광학상은 흐릿함이 없어 선명하다. 그러나, 통상의 파라볼라 오목면경(2’)이 아니고, 오프셋 파라볼라 오목면경(2)을 사용하고 있기 때문에 오프셋의 영향으로 상이 변형되어 검출되어 버리는 것은 피할 수 없다. 가시용 이미지 센서(7)가 1차 원래의 라인 센서일 때는 수광 소자 센서의 직선형의 수광 소자 배열에 대응하는 광학 화상은, 도 8과 같이 왜곡되어, 직선형 물체의 전체를 순간 화상으로서 파악할 수가 없다.

따라서, 이 왜곡된 변형을 보정할 필요가 있다. 그래서, 본 실시형태의 광학 유닛(100)은, 집광 광학계(3)의 광축을 의도적으로 경사지게 하는 것에 의해 검출 상의 변형을 해소시키는 것으로 하였다. 즉, 집광 광학계(3)에 입사하는 오프셋 파라볼라 오목면경으로부터의 입사광이, 집광 광학계(3)의 광축에 대하여 경사 입사로 되도록 집광 광학계(3)의 광축을 경사지게 하는 것에 의해, 오프셋 파라볼라 오목면경이 발생시킨 것과는 역방향으로 같은 양의 왜곡을 집광 광학계(3)에 발생시켰다. 이 결과, 검출상의 변형이 없어지게 되고, 근적외선용 이미지 센서(7’) 및 가시용 이미지 센서(7)가 직선형의 수광 소자 배열이 되어 있어도 직선형 물체의 전체를 순간 시야로서 검출하는 것이 가능하게 된다.

또한, 전술한 왜곡의 정도는, 제조 오차 등에 대응하여 변형될 수 있다. 이 변형은, 집광 광학계(3)의 광축 그 자체를 경사지게 함으로써 해소하는 방법 외에, 반사 미러(4), (5)의 경사각 조정에 의해 집광 광학계(3)에 대한 주광선 경사각을 변화시킴으로써 보상해도 된다.

사용하는 오프셋 파라볼라 오목면경(2)의 반사면의 곡률 반경이나 원뿔 계수의 허용 오차량을 고도로 제약함으로써 이상적(理想的)인 방물면에 충분히 일치하고 있는 것으로 간주할 수 있을 정도의 면 형상을 실현하고, 또한 필요한 사이즈로 오프셋하여 잘라낼 때도 정확을 기하고, 또한 광학 유닛(100) 내에 대한 조립 오차도 극소로 하면, 미립 표면의 각각의 물점에 대응한 주광선은, 충분한 정밀도로 텔리센트릭 광선을 구성하게 된다.

그러나, 현실적으로는 오목 곡면을 이상적인 파라볼라경에 만들어 넣고, 커팅 오차(cutting error)나 조립 오차를 영(零; zero)으로 규명하는 것은 매우 높은 제조 비용을 생기게 하게 될뿐아니라, 원래 제조 기술적으로도 곤란을 수반한다. 그러므로, 현실적인 정밀도로 제조된 오목면경을 그대로 조립했을 뿐인 불완전한 광학계에 있어서는, 물점으로부터 오목면경을 향하는 주광선군이 텔리센트릭 광선군으로 되는 것에 한정되지 않는다.

이와 같은 경우에는, 오프셋 파라볼라면과, 집광 렌즈의 입사동면의 이상적인 기하 관계의 붕괴가 보상되도록 복수의 반사 미러(4), (5)의 배치 각도를 조정함으로써 광학계의 제조 상의 불완전성을 보상하여, 주광선이 텔리센트릭 광선인 것으로 충분히 간주할 수 있도록 유지하는 것이 바람직하다.

전술한 광학 유닛(100)에 의해 각각의 미립의 광학적 정보를 취득하면, 선별기는, 소정의 기준 정보와 비교하여, 기준 외나 이물질이 포함되어 있는지의 여부를 판단한다. 그리고, 이젝터 노즐로부터 분출되는 에어의 힘을 이용한 분별 수단(도시하지 않음)에 의해, 기준 외나 이물질인 것으로 판정된 미립을 날려 버려, 기준 내의 미립이 낙하하여 수납되는 저류 탱크와는 다른 저류 탱크로 반송한다.

(제2 실시형태)

다음에, 제1 실시형태에서 사용한 오프셋 파라볼라 오목면경에 대신하여, 오프셋 타원 오목면경을 사용한 광학 유닛에 대하여 설명한다.

그리고, 제1 실시형태에서 설명한, 오프셋 파라볼라 오목면경을 사용하고 있다는 「오프셋」의 기술적 의의(意義), 1개 이상의 반사 미러를 사용한 광로의 절곡에 의한 작용 효과, 집광상의 왜곡 수정의 방법 등은, 제2 실시형태에 대하여도 동일하게 적용되므로, 반복의 설명은 생략하는 것으로 한다(후술하는 제3 실시형태 및 제4 실시형태에 대하여도 마찬가지이다).

도 11의 (a)에 나타낸 바와 같이, 제2 실시형태의 경우, 통상의 타원 오목면경을 오프셋시킨 오프셋 타원 오목면경(2a)을 사용하므로, 물체면의 각각의 물점 Xa로부터 출사하는 주광선군은 오프셋 타원 오목면경의 기하학적 대칭축(즉, 광축 O)에 대하여 발산성을 가지는 것이, 제1 실시형태의 오프셋 파라볼라 오목면경에서의 주광선군의 광축에 대한 평행성과 다르다.

물체면의 각각의 물점 Xa로부터 오프셋 타원 오목면경(2a)을 향하는 주광선군이, 오프셋 타원 오목면경(2a)의 광축 O에 대하여 발산성을 이루는 것은, 이하의 이유에 의한다.

이 오프셋 타원 오목면경(2a)에 대향하여 오프셋 타원 오목면경(2a)의 한쪽의 기하학적 초점 f₂에 입사동을 가지는 집광 광학계(3a)를 배치하는 본 광학 유닛은, 오프셋 타원 오목면경(2a)을 반사한 주광선군에서의 사출동을 기하학적 초점 f₂의 위치에 배치한 광학계로서 기능한다. 따라서, 오프셋 타원 오목면경(2a)의 다른 쪽의 기하학적 초점 f₁은 필연적으로 오프셋 타원 오목면경(2a)에서 반사하는 주광선군에서의 입사동으로 된다. 한편, 오프셋 타원 오목면경(2a)의 이들 2개의 기하학적 초점 f₁, f₂는, 타원체에 의해 형성되는 폐쇄 공간의 내측에 내포되어 있는 것이기 때문에, 대상물의 물체면(6) 상의 각각의 물점 Xa로부터 오프셋 타원 오목면경(2a) 상의 임의의 반사점 Pi(i=1, 2, …, n)을 향하는 각각의 주광선의 광로는, 반드시 오프셋 타원 오목면경(2a)의 광축 O 상의 한쪽의 기하학적 초점 f₁으로부터 반사점 Pi(i=1, 2, …, n)을 향하는 발산성의 광로 상에 취해지는 것이다.

이와 같이 하여, 오프셋 타원 오목면경(2a)의 한쪽의 기하학적인 초점 f₂의 위치에, 오프셋 타원 오목면경(2a)을 반사한 광속에 대한 사출동을 배치함으로써, 대상물의 물체면 상의 각각의 물점 Xa로부터 오프셋 타원 오목면경(2a)을 향하는 각각의 출사 광속은, 오프셋 타원 오목면경(2a)의 다른 쪽의 기하학적 초점 f₁을 입사동으로 하여 전반하는 광로 상의 일부를 취하면서 진행하게 된다. 즉, 대상물의 물체면 상의 각각의 물점 Xa로부터의 각각의 출사 광속에 속하는 각각의 주광선은, 오프셋 타원 오목면경(2a)에 의한 반사 전에는 기하학적 초점 f₁으로부터 오프셋 타원 오목면경(2a)을 향해 사출하고 광로 상을 서로 발산성을 이루면서 전반하여, 오프셋 타원 오목면경(2a)에 의한 반사 후에는, 오프셋 타원 오목면경의 다른 기하학적 초점 f₂을 향해 무수차로 집광하게 되는 것이다.

따라서, 관찰하는 대상물이 예를 들면, 구형(球形)의 경우, 오프셋 타원 오목면경(2a)은 볼의 에지에 따른 최상부(북극 부분)를 내려다 보는 광로(optical path looking down)와 동시에 볼의 최하부(남극 부분)를 올려보는 광로(optical path looking up)를 관리하는 것이 가능해져, 물체면의 광학 정보를 빠짐없이 확실하게 취득하기 용이하다는 장점이 있다.

그리고, 발산성을 이루면서 물체면(6) 상의 각각의 물점 Xa를 사출하고 각각의 주광선을 따라 Xa로부터 사출하는 각각의 발산광속은, 오프셋 타원 오목면경(2a)에서 반사하고, 오프셋 타원 오목면경(2a)의 기하학적 초점 f₂의 위치에 입사동을 가지는 집광 광학계(3a)를 향해 집합하고, 그 후, 각각 집광 광학계(3a)의 각각의 상점 Ia에 집광하는 것이지만, 이 때, 특히 물체 거리가 오프셋 타원 오목면경(2a)의 초점 거리에 일치하고 있는 경우에는, 오프셋 타원 오목면경(2a)에 의해 반사한 후에 집광 광학계(3a)를 향하는 광속이 평행속(parallel bundle)으로 되는 것은 물론이다.

(제3 실시형태)

다음에, 오프셋 쌍곡 오목면경을 사용한 광학 유닛에 대하여 설명한다.

도 11의 (c)에 나타낸 바와 같이, 오프셋 쌍곡 오목면경(2c)을 사용했을 때의 특징은, 오프셋 쌍곡 오목면경(2c)에 입사하는 물체면의 각각의 물점 Xc로부터의 주광선군이 오프셋 쌍곡 오목면경(2c)의 기하학적 대칭축(즉, 광축 O)에 대하여 수속성을 가지는 것이다.

대상물의 물체면 상의 각각의 물점 Xc로부터 오프셋 쌍곡 오목면경(2c)을 향하는 주광선군이 광축 O에 대하여 수속성을 이루는 것은, 이하의 이유에 의한다.

이 오프셋 쌍곡 오목면경(2c)에 대향하여 오프셋 쌍곡 오목면경(2c)의 한쪽의 기하학적 초점 f₂에 입사동을 가지는 집광 광학계(3c)를 배치하는 본 광학 유닛은, 오프셋 쌍곡 오목면경(2c)을 반사한 주광선군에서의 사출동을 기하학적 초점 f₂ 위치에 배치한 광학계인 것을 의미하고 있다. 따라서, 오프셋 쌍곡 오목면경(2c)의 다른 쪽의 기하학적 초점 f₁는, 필연적으로 대상물의 물체면 상의 각각의 물점을 출사하여 오프셋 쌍곡 오목면경(2c)에서 반사하는 주광선군에서의 입사동으로 된다. 한편, 기하학적 초점 f₁의 위치에 형성되는 이 입사동은, 오프셋 쌍곡 오목면경(2c)의 볼록부 측 공간(즉, 쌍곡면체에 의해 형성되는 폐쇄 공간의 외측)에 존재하므로, 오프셋 쌍곡 오목면경(2c)의 오목부 공간에 존재하는 물체면 상의 각각의 물점 Xc로부터 사출하는 각각의 주광선은, 다른 쪽의 기하학적 초점 f₁을 향해 수속성을 가지고 진행할 수 밖에 없다.

이와 같이, 오프셋 쌍곡 오목면경(2c)의 오목면 측 공간에 위치하는 오프셋 쌍곡 오목면경의 기하학적 초점 f₂의 위치에, 이 오프셋 쌍곡 오목면경(2c)을 반사한 광속에 대한 사출동을 배치함으로써, 대상물의 물체면 상의 각각의 물점 Xc로부터 오프셋 쌍곡 오목면경(2c)을 향하는 각각의 광속은, 오프셋 쌍곡 오목면경(2c)의 볼록면 측 공간에 위치하는 오프셋 쌍곡 오목면경의 다른 쪽의 기하학적 초점 f₁을 입사동으로 하여 전반하는 광로 상의 일부를 취하면서 진행하게 된다. 즉, 대상물의 물체면 상의 각각의 물점 Xc로부터의 각각의 출사 광속에 속하는 각각의 주광선은, 오프셋 쌍곡 오목면경(2c)에 의한 반사 전에는 다른 쪽의 기하학적 초점 f₁을 향해 서로 수속성을 이루면서 전반하여, 오프셋 쌍곡 오목면경(2c)에 의한 반사 후에는 한쪽의 기하학적 초점 f₂을 향해 무수차로 집광하게 되는 것이다.

따라서, 관찰하는 대상물이 예를 들면, 구형의 경우, 볼의 최상부(북극 부분) 및 최하부(남극 부분)로부터의 주광선이 대상물 자체에 차단되어 버려 오프셋 쌍곡 오목면경(2c)에 도달하지 않게 되고, 대상물인 구면 상의 반구면(半球面)을 관찰하는 1개의 본 광학 유닛(나머지의 반구면에 대하여는, 한 쌍 중 다른 본 광학 유닛이 관찰함)이 반구면 전역(全域)에 걸친 광학 정보를 취득할 수 있으면 된다는 것을 의미한다. 그러나, 이 광학적 성질은 대상물의 물체면 상의 각각의 물점 Xc를 출사하여, 집광 광학계(3c)의 입사동을 통과하는 각각의 광속을 반사시키는 데 필요로 하는 오목 곡면경의 사이즈를 작게 억제하는 것에 관해서는 유리하게 기능하므로, 장치 전체의 컴팩트화를 실현하는 데 있어서는 오프셋 쌍곡 오목면경(2c)의 사용은 장점으로 된다.

그리고, 수속성을 가지고 물체면(6) 상의 각각의 물점 Xc를 사출하고 각각의 주광선을 따라서, Xc를 사출하는 각각의 발산광속은, 오프셋 쌍곡 오목면경(2c)에서 반사하고, 오프셋 쌍곡 오목면경의 기하학적 초점 f₂의 위치에 입사동을 가지는 집광 광학계(3c)를 향해 집합하고, 그 후, 각각 집광 광학계(3c)의 각각의 상점 I_c에 집광하는 것이지만, 이 때, 특히 물체 거리가 오프셋 쌍곡 오목면경(2c)의 초점 거리에 일치하고 있는 경우에는, 오프셋 쌍곡 오목면경(2c)에 의해 반사한 후에 집광 광학계(3c)를 향하는 광속이 평행속으로 되는 것은 물론이다.

(제4 실시형태)

또한, 제4 실시형태로서, 제1 실시형태 내지 제3 실시형태 각각에 나타낸 2차 오목 곡면경을 임의로 조합함으로써, 국소적인 곡률 반경과 원뿔 계수(또는 이심률)가 오목 곡면경의 위치나 방위에 따라 연속하여 변화하는 것을 허용한 임의 오목 곡면경[일반적인 호칭으로 예를 들면, 자유 곡면, 회전 대칭성을 가지지 않는 애너모픽(anamorphic) 비구면 거울, 또는 고차(高次) 회전 비구면 거울]을 사용해도 된다. 그 일례를 도 12에 나타낸다

도 12에 나타낸 임의 오목 곡면경의 경우, 광축 부근은 타원 오목면 형상, 그 외측은 파라볼라(포물) 오목 곡면 형상, 또한 그 외측이 쌍곡 오목면 형상이다. 단, 도 12는 어디까지나 일례로서, 오목 곡면경의 어떤 국소 부분이 어느 곡면 형상에 대응할 것인가는, 임의로 조합시켜도 된다.

단, 면 상의 위치나 방향을 따라서 상이한 원뿔 계수를 가지는 임의 오목 곡면경을 사용한 것으로 해도, 이 임의 오목 곡면경에 대향하여 배치되는 집광 렌즈(3)의 입사동이, 임의 오목 곡면경에 의해 반사하는 대상물의 물체면(6) 상의 각각의 물점을 사출하고 각각의 광속에서의 사출동에 대응하는 것은, 제1∼제3 실시형태와 완전히 마찬가지이다. 따라서, 임의 오목 곡면경에 의해 사출동과 공역 관계를 연결하는 대상물의 물체면으로부터의 광속에서의 입사동은, 각각의 광속의 주광선이 임의 오목 곡면경의 어떤 개소에서 반사할 것인지에 따라 상이한 위치에 형성되게 된다. 이것을 이용하여, 대상물의 물체면의 각각의 물점으로부터 임의 오목 곡면경을 향하는 주광선의, 임의 오목 곡면경의 기하학적 대칭축(광축)에 대한 경사각 제어의 자유도를 향상시킬 수 있다. 이 경사각 제어의 자유도를 사용하여, 예를 들면, 임의 오목면경의 광축의 일 단면 내에서는, 각각의 주광선이 서로 수속성을 이루도록 정돈하면서도, 상기 일 단면에 직교하는 단면에 있어서는 각각의 주광선이 서로 발산성을 이루도록, 광학 유닛 내의 광학 부품의 종류 및 배치를 결정해도 된다.

주광선과 대상물의 법선이 이루는 각은, 오목 곡면경의 면 형상에 의해서만 제어되는 것이 아니라, 오목 곡면경에 대한 대상물의 배치 상태에 따라서 제어할 수도 있다. 그 일례가, 오프셋 파라볼라경(2)을 사용한 제1 실시형태의 광학 유닛으로 실현되고 있다. 재차 제1 실시형태의 광학 유닛(100)의 구성을 나타낸 도 7을 참조하면, 도 7은 오프셋 파라볼라경을 향해 직선 상에 배치된 복수의 대상물(예를 들면, 미립)로부터의 광속군이 입사하는 모양을 나타낸 일 단면도이다. 이 단면도 내에서는, 각각의 광속에 속하는 각각의 주광선은 광축과 평행하게 전반하여 오프셋 파라볼라경(2)에 입사하고 있다. 즉, 도 7의 단면에 있어서, 물체면(6)은 오프셋 파라볼라경의 광축과 직교하도록 배치되어 있으므로, 각각의 주광선과 물체면의 관계는 당연하게 직교 관계가 성립하고 있는 것으로 된다.

이에 대하여, 도 6도 광학 유닛(100)의 일 단면도이며, 도 7의 직교 단면이라고 하는 관계이다. 도 7에서의 물체면(6)과 오프셋 파라볼라경 광축과의 직교성과 달리, 도 6에 있어서는 오프셋 파라볼라경의 광축과 물체면(6)은 직교하고 있지 않고, 그 결과, 대상물의 물체면(6)은 각각의 주광선과 직교하지 않고 있다. 이와 같은 물체면의 3차원적인 법선의 방향과 주광선의 방향을 일치시키지 않는 조작은, 일례로서 다음과 같은 경우에 행해진다. 즉, 도 14에 나타낸 종래의 선별기의 광학 유닛과 마찬가지로, 제1 실시형태의 선별기는, 도 6에 나타낸 오프셋 파라볼라경을 포함하는 광학 유닛(100)의 2조를 한 쌍으로 하여 대상물을 협지하도록 대향하여 배치하고, 대상물의 표리(表裏)(좌우)를 각각의 광학 유닛(100)이 촬상하는 경우이다. 만일, 대상물의 표면측의 절반을 촬상하는 광학 유닛에 있어서, 대상물의 물체면 상의 각각의 물점으로부터의 주광선이 각각의 물체면(6)와 직교하도록 배치가 되어 있으므로, 한쪽의 광학 유닛(100) 내에 있는 대상물을 조명하기 위한 조명 수단(30)(도 2 참조)의 일부가, 대향하여 배치된 대상물의 이면측(裏面側)의 절반을 촬상하는 다른 쪽의 광학 유닛의 배경판으로 되고, 상기 배경판이 한쪽의 광학 유닛(100)의 시야에 중첩되어 버리는 경우가 있다. 그래서, 의도적으로 대상물의 물체면을 오프셋 파라볼라경(2)의 광축에 직교시키지 않고, 물체면(6)에 대하여 경사 방향으로부터 촬상하는 도 6에 나타낸 바와 같은 위치 관계로 해두면, 한 쌍 중 한쪽의 광학 유닛 내에 있고, 또 다른 쪽의 광학 유닛의 배경판으로 되는 조명 수단(30)의 일부가, 한쪽의 광학 유닛의 시야에 중첩되는 것을 회피할 수 있는 것이다. 그리고, 이와 같은 배치는, 제1 실시형태에 있어서만 의의가 있는 것이 아니라, 제2 실시형태 내지 제4 실시형태로서 나타낸 각각의 배치에 있어서도 마찬가지이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 장치의 광학 유닛이 구비하는 오목 곡면경은, 오목 곡면을 형성하는 원뿔 곡선이나 곡률 반경이 면 상의 위치나 방위에 따라 변화하는 임의 오목 곡면경을 포함하지만, 오목 곡면경의 제조 용이성이나 제조 비용 등을 고려하여, 일반적으로 사용되는 경우가 많은 2차 오목 곡면경을 사용하는 경우가 있다. 이 경우, 2차 오목 곡면경을 반사한 후의 광속에 대한 사출동을 2차 오목 곡면경의 한쪽의 기하학적인 초점에 배치함으로써 대상물의 물체면을 사출하여 상기 사출동의 중심을 통과하는 주광선에 관한 것이며, 대상물의 물체면 상의 각각의 물점으로부터 2차 오목 곡면경을 향하는 광로는, 2차 오목 곡면경의 유형에 따라 상이한 전반 방향을 이룬다. 구체적으로는, 2차 오목 곡면경이 파라볼라 오목면경의 경우, 상기 광로는 파라볼라 오목면경의 대칭축과 평행하게 된다. 2차 오목 곡면경이 쌍곡 오목면경의 경우, 상기 광로는 쌍곡 오목면경의 대칭축에 대하여 수속성을 이루고, 또한 2차 오목 곡면경이 타원 오목면경인 경우, 상기 광로는 타원 오목면경의 대칭축에 대하여 발산성을 이루는 것이다. 이것은 오프셋 2차 오목 곡면경에 대하여도 같다.

2차 오목 곡면경의 유형에 따른 물체면 상의 각각의 물점으로부터 2차 오목 곡면경을 향하는 주광선의 광로 전반 특성에 의해, 2차 오목 곡면경으로서 오프셋 파라볼라 오목면경을 사용하는 경우에는, 오프셋 파라볼라경의 기하학적 대칭축과 직교하는 물체면에 대하여 바로 아래로 볼 수있는 광학 유닛을 구성할 수 있다. 따라서, 각각의 물점을 기점으로 하는 발산광속은 주광선을 포함하는 각각의 반사 광속으로서, 오프셋 파라볼라경의 기하학적이고 광학적인 초점 위치에 배치된 집광 광학계에 각각 집합하고, 사각이 없는 완전한 대상물의 상 형성을 하기 위한 대상물 면 상의 광학 정보가 검출되게 된다.

또한, 2차 오목 곡면경으로서 오프셋 쌍곡 오목면경을 사용하는 경우에는, 텔리센트리시티(telecentricity)의 저하에 대한 대가로 시야 사이즈보다도 작은 오목면경에 의해 광학계를 구성할 수 있으므로, 대상물의 물체면의 에지(북극 및 남극) 부분에서의 사각의 정도와, 광학 유닛의 소형화의 정도와의 트레이드 오프(trade- off)를 자유롭게 행할 수 있다는 우위성(優位性)이 발휘되는 것이다.

또한, 2차 오목 곡면경으로서 오프셋 타원 오목면경을 사용하는 경우에는, 대상물의 물체면의 에지를, 오프셋 파라볼라 오목면경의 경우보다도 큰 복각(伏角; dip angle)으로 촬상 가능한 광학 유닛을 구성할 수 있다는 장점을 제공 가능하므로, 대상물의 광학 정보의 치밀화에 공헌할 수 있다.

2차 오목 곡면경이 파라볼라면인가, 쌍곡 또는 타원면인가는, 2차 오목 곡면경의 원뿔 계수(또는 이심률)에 의해 규정된다. 일반화된 오목 곡면경에 있어서는, 원뿔 계수는, 오목 곡면경에 도달하는 대상물의 물체면 상의 각각의 물점으로부터의 주광선을 포함하는 단면마다 상이한 값인 것이 허용되고, 예를 들면, 어떤 일 단면에서는 오목 곡면경이 타원 오목면경의 절단면 형상에 상당하고 있고, 다른 일 단면에서는 쌍곡 오목면경의 절단면 형상에 상당하고 있어도 된다. 이와 같은 면 형상은, 특히 애너모픽면, 또는 자유 곡면이라고 호칭되지만, 이 경우라도, 물체면 상의 각각의 물점으로부터의 발산광속에 대한 입사동 및 사출동의 관계 및 효과는, 2차 오목 곡면경의 기하학적 초점 위치에 입사동 및 사출동을 배치했을 때 얻어지는 관계 및 효과와 마찬가지로 유지되는 것에 유의할 수 있다.

특히, 본 발명에 관한 장치가, 오프셋한 2차 오목 곡면경을 사용한 광학 유닛을 사용하여 구성하고 있는 것에 의해, 오목 곡면경이 가지는 광로의 집합의 기능과, 오프셋 단면 내에 광로를 무수차로 굴곡(벤드)시키는 기능이 동시에 구체화하고, 장치 내의 광학 유닛의 포락 사이즈를 더 축소시키는 것이 가능하게 되어 있다. 이 때, 2차 오목 곡면경에 의한 광로의 굴곡을 오프셋 2차 오목 곡면경 자체의 굴곡 벤드(경사각 조정)가 아니고, 오프셋(시프트)에 의해 이루고 있는 점에 유의할 수 있다. 이것에 의해, 오프셋 2차 오목 곡면경에 의해 반사된 후의 반사 광로의 벤드 방향이나 벤드량을, 2차 오목면경에 입사하는 광로와 간섭하지 않는 모양으로 선택한 것으로 해도, 수차의 발생은 변함없이 억제되게 되고, 대상물의 물체면 상의 광학 정보의 열화를 어떠한 것도 수반하지 않는다는 특필될 기술적 우위성이 실현되는 것이다.

(산업 상의 이용 가능성)

제1 실시형태 내지 제4 실시형태에 있어서는, 미립을 대상으로 한 선별기의 예를 설명하였으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들면, 쌀 이외의 대두 등의 곡물이나 커피 원두나 씨앗 등의 입형 고체는 물론이거니와, 차잎이나 태블릿(tablet), 또한 자동차의 범퍼 등의 합성 수지는 리사이클 공정에서 펠릿상으로 가공되지만, 색도료를 포함하는 수지 펠릿을 본 발명의 선별기에 의한 선별의 대상으로 하여 사용할 수 있다.

또한, 대상물이 미립 등의 입형의 대상물이 아니고, 예를 들면, 컨베이어 상에 적치한 시트 또는 필름형의 대상물인 경우에는, 그 시트형 등의 대상물을 연직(沿直) 방향으로부터 광학 유닛(100)에 의해 관찰하고, 시트형의 대상물 내에서 이물질을 검출하면 컨베이어 상의 반로 변경 수단이 구동하여, 이물질을 포함한 시트형의 대상물만이 규격외 대상물용의 저류 케이스로 반송되도록 할 수 있다.

Claims (13)

1. 국소적인 곡률 반경이 면 상의 위치나 방위에 의해 변화되는 것을 허용한 오프셋 오목 곡면경(offset concaved mirror)에 대향하여 집광 광학계를 배치한 광학 유닛을 포함하고, 대상물면(對象物面) 상의 각각의 물점(object point)으로부터의 광을 수광하는 장치로서,
   상기 대상물면 상의 각각의 물점을 출사하고, 상기 오프셋 오목 곡면경에 의해 반사된 후에, 주광선(chief ray)으로서 상기 집광 광학계의 입사동(etrance pupil)의 중심을 통과하는 각각의 광선의 상기 오프셋 오목 곡면경의 반사점으로부터 상기 집광 광학계의 입사동까지의 광로를,
   상기 반사점에서의 상기 오프셋 오목 곡면경의 곡률 반경에 의해 상기 집광 광학계의 입사동의 중심점에 대응한 공역점(共役点)을 기점(起点)으로 하여 출사한 광선이 상기 오프셋 오목 곡면경에 의해 반사되어 상기 집광 광학계의 입사동까지 전반(傳搬)하는 일련의 광로 중, 상기 오프셋 오목 곡면경의 반사점으로부터 상기 집광 광학계의 입사동까지의 광로와 일치하도록 취하고,
   이로써, 각각의 상기 물점으로부터 상기 오프셋 오목 곡면경을 향하는 각각의 주광선의 각각의 물점으로부터의 사출 방향을 결정하고, 또한
   상기 각각의 주광선 주위의 발산광(diverging light)을 통과시키도록 조정한 동경(pupil diameter)의 상기 입사동을 포함하고,
   상기 각각의 주광선에 대응하는 상기 집광 광학계의 각각의 결상점(結像点)의 공역점(conjugate point)이, 상기 대상물의 물체면 상의 각각의 물점에 대응하도록 상기 대상물을 배치한,
   장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 광학 유닛에서의 상기 오프셋 오목 곡면경은 중심 곡률 반경 및 원뿔 계수(conical constant)에 의해 면 형상이 정의되는 오프셋 2차 오목 곡면이며,
   상기 오프셋 2차 오목 곡면의 복수의 기하학적인 초점의 한쪽의 위치에 상기 집광 광학계의 입사동을 배치함으로써,
   상기 집광 광학계의 입사동의 중심점과 광학적인 공역 관계를 가지는 공역점은, 상기 오프셋 2차 오목 곡면의 다른 쪽의 기하학적 초점에 위치하고,
   상기 대상물의 물체면 상의 각각의 물점을 출사한 상기 각각의 주광선이 상기 오프셋 2차 오목 경면경 상의 점에서 반사되어 상기 집광 광학계를 향할 때의 상기 반사 후의 광로를,
   다른 쪽의 기하학적인 초점 위치로부터 출사한 광선군의 각각의 광선이 상기 오프셋 2차 오목 곡면경 상의 점에서 반사하여 상기 집광 광학계의 입사동이 배치된 상기 오프셋 2차 오목 곡면경의 한쪽의 기하학적인 초점 위치를 향할 때의 상기 반사 후의 광로와 일치시키는, 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 오프셋 2차 오목 곡면경이 오프셋 파라볼라 오목면경(offset-parabolic concaved mirror)의 경우, 상기 오프셋 파라볼라 오목면경의 한쪽의 기하학적인 초점 위치가 상기 오프셋 파라볼라 오목면경의 광학적인 실초점(optically focal point) 위치에 대응하고,
   상기 오프셋 파라볼라 오목면경의 광축과 평행하게 상기 오프셋 파라볼라 오목면경에 입사하는 상기 대상물의 물체면 상의 각각의 물점으로부터의 광선군이, 상기 오프셋 파라볼라 오목면경의 실초점 위치에 무수차(無收差)로 집광하고,
   이로써, 상기 오프셋 파라볼라 오목면경의 광축과 평행하게 상기 오프셋 파라볼라 오목면경에 입사하는 각각의 광선은, 상기 대상물의 물체면 상의 각각의 물점에 대응하는 주광선으로 되고, 또한 상기 주광선을 포함하는 1개 이상의 단면(斷面) 내에 있어서, 상기 대상물의 물체면과 직교 관계를 이루는, 장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 오프셋 2차 오목 곡면경이 오프셋 쌍곡 오목면경인 경우, 상기 오프셋 쌍곡 오목면경의 한쪽의 기하학적인 초점 위치가 광학적으로는 상기 오프셋 쌍곡 오목면경의 상계(像界) 측의 축 상의 상점(image point)에 대응하고, 상기 오프셋 2차 오목 곡면경의 다른 쪽의 기하학적인 초점 위치가, 광학적으로 상기 오프셋 쌍곡 오목면경을 향하는 광선군의 입사동 위치에 대응하고,
   이로써, 상기 대상물의 물체면 상의 각각의 물점을 출사하여 상기 오프셋 쌍곡 오목면경의 다른 쪽의 기하학적인 초점 위치를 향하는 상기 광선군은 상기 대상물의 물체면 상의 각각의 물점에 대응한 주광선군을 구성하고, 또한 상기 대상물로부터 상기 오프셋 2차 오목 곡면경을 향하는 상기 주광선군이 수속성(convergent)을 이루는, 장치.
5. 제2항에 있어서,
   상기 오프셋 2차 오목 곡면경이 오프셋 타원 오목면경인 경우, 상기 오프셋 타원 오목면경의 한쪽의 기하학적인 초점 위치가 광학적으로는 상기 오프셋 타원 오목면경의 상계 측의 축 상의 초점에 대응하고, 상기 오프셋 2차 오목 곡면경의 다른 쪽의 기하학적인 초점 위치가, 광학적으로 상기 오프셋 타원 오목면경을 향하는 광선군의 입사동 위치에 대응하고,
   이로써, 상기 대상물의 물체면 상의 각각의 물점을 출사하여 상기 오프셋 타원 오목면경의 다른 쪽의 기하학적인 초점 위치를 향하는 상기 광선군은 대상물의 물체면 상의 각각의 물점에 대응한 주광선군을 구성하고, 또한 상기 대상물로부터 상기 오프셋 2차 오목 곡면경을 향하는 상기 주광선군이 발산성(diverging)을 이루는, 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 오프셋 오목 곡면경에 의해 반사된 상기 광선군이 상기 집광 광학계의 입사동에 도달할 때까지의 광로 중에 1개 이상의 광로 절곡경(light path-bending mirror)를 배치한, 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 오프셋 오목 곡면경에 의해 반사된 상기 광선군이 상기 집광 광학계의 입사동에 도달할 때까지의 광로 중에 배치한 상기 1개 이상의 광로 절곡경이, 상기 오프셋 오목 곡면경에 의해 반사된 광로의 2회 이상의 절곡면으로서 작용하는, 장치.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
   상기 오프셋 오목 곡면경의 반사면 형상이 이론적인 이상(理想) 곡면이 아닌 것, 또는 상기 반사면이 이상적으로 배치되지 않은 것에 기인하여 생기는 상기 주광선의 사출 방향의 어긋남을, 상기 광로 벤딩 미러의 경사각을 조정함으로써 보상하는, 장치.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   직선 상에 배치된 상기 대상물의 각각을 상기 광학 유닛이 검출하는 경우에 생기는 검출 화상의 왜곡(anamorphosis)은, 상기 오프셋 오목 곡면경으로부터의 사출 주광선에 대하여 상기 왜곡을 상쇄시키는 방향으로 상기 집광 광학계의 광축을 경사지게 하여 교정하는, 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 왜곡을, 복수의 상기 광로 벤딩 미러의 상호의 경사각으로 조정하는, 장치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대상물의 물체면 상의 각각의 물점으로부터 출사하는 광속(光束)에 포함되는 1개 이상의 광선이 상기 주광선 대신에 상기 오프셋 오목 곡면경에 의해 반사된 후, 상기 집광 광학계의 입사동을 통과하여 각각의 상기 결상점에 도달하는, 장치.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 장치를 사용하여 취득되는 검출 화상을 소정의 기준과 비교함으로써 상기 대상물의 양호 또는 불량을 판정하는,
    검사 장치.
13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 장치를 사용하여 취득되는 검출 화상을 소정의 기준과 비교함으로써 상기 대상물의 양호 또는 불량을 판정하고, 상기 양호 또는 불량의 판정 결과에 기초하여 상기 대상물을 분별(分別)하는 수단을 포함하는 선별 장치.

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