JP4538611B2

JP4538611B2 - 多焦点画像を撮像する方法及び多焦点撮像装置

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Publication number: JP4538611B2
Application number: JP2006233345A
Authority: JP
Inventors: 一文坂井
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2026-08-30
Also published as: JP2008059120A

Description

本発明は、撮像装置に関するものであり、より詳細には、被撮像体における複数の遠近位置に合焦した画像を一連の撮像操作により取得できる多焦点撮像装置に関する。

現在、撮像装置は、画像認識装置と組み合わせて用いることを含めて、製品の検査、品質の管理、製造工程の管理のような製造業分野をはじめ、情報提示のための画像取得、建造物の管理等、さまざまな形で利用されている。

例えば製造工程において利用するものにおいて、一般に製品は３次元形状をもっているが、微細な部品の検査を行う場合に、より正確な検査を行うために、撮像レンズとして高いＮＡをもったものを使用するようになってきている。高いＮＡの撮像レンズを用いることにより、光量が多く取り込まれて、微細な部品の状況がより鮮明になるのであるが、一方において、被写界深度が浅くなり、被写体の合焦点以外の遠近位置ではぼけてくる。そのため、部品の特定の遠近位置だけでなく、全体的な状況を見ようとすると、他の遠近位置に再度合焦させる必要があり、一つの合焦位置における一度の撮像では、微細な部品の検査を的確に行うことは難しい。

顕微鏡で立体画像を得るためには複数の焦点位置における画像を合成する必要があり、何回かに分けて異なる焦点位置の画像をそれぞれ取得し合成するということになり、１回の撮像操作でこのような画像を取得することはできない。画像処理により、デコンボリューションを用いて行う手法もあるが、それによっても、点応答関数を求める必要があり、複雑な画像処理過程になり、処理時間が長くなるため、簡易に３次元画像が求められるというわけではない。

多焦点画像形成について、次のような文献に開示されている。
特開平６−７０２１２号公報特開平４−３２９７７５号公報特開平１１−３１１８３２号公報特開平１０−２５４０５５号公報特開平１０−２６０４７１号公報

特許文献１は、同一画枠内でフォーカス位置の相異なる複数枚の原画像について、画素または領域毎に画像データの変化量を検出し、この変化量を基準にしてフォーカスの合った画像データを選択し、この画像データを用いて画面全体としてフォーカスの合った合成画像を生成する画像処理装置に関するものである。しかしながら、撮像装置としてフォーカス位置の異なる複数枚の画像をどのように取得するかということについて特に開示してはおらず、一般的な撮像手段としてみれば、複数回の撮像を行うことになり、それに基づいた画像処理の手法を示したものであって、多焦点の複数の画像を取得するための撮像装置として新たな特徴を与えるものではない。

特許文献２は、同一被写体からの光を光学系を介して導き、その光を分光手段により複数に分光し、各分光された光に対して露光量や焦点位置等の撮影条件を互いに異ならせて同時に撮影し、各分光路に配置された固体撮像素子により得られた画像を記憶した上で、複数の画像を撮影条件に応じて合成するようにした固体撮像装置に関するものである。しかしながら、この撮影条件のうち、露光量については各分光路について条件を異ならせ、同時に撮像を行うことができるにしても、光学系（対物レンズ）としては共通のものを用いているので、焦点位置を異ならせた複数の画像を同時に撮像することはできず、一般的な撮像の手法を用いたとすれば、焦点位置毎に対物レンズを調整する等により、複数回の撮像を行わざるを得ないものである。

さらに、複数の遠近位置に合焦した画像を取得するための多焦点撮像装置として、特許文献３〜５に開示されるようなものがあるが、いずれも異なる遠近位置の画像を得るために、複数の対物レンズを備え、各撮像レンズ毎に焦点位置を異ならせて撮像するものであり、複数の対物レンズからいずれかを選択して、所望の対物レンズによる撮像を行うのである。そのため、撮像装置としては、対物レンズを複数備えるという構成になり、また異なる遠近位置の画像を同時に撮像するものでもない。

如上のように、従来の異なる遠近位置の画像を取得する撮像装置ないし画像形成装置は、通常の撮像装置を用い、異なる遠近位置について複数回の撮像を行い、それをもとに画像の合成を行うというように画像処理を行うもの、あるいは、１つの撮像装置内に異なる遠近位置の画像を得るための対物レンズを複数備え、撮像レンズを選択的に用いて所望の遠近位置の画像を得るというものなどがあった。

画像処理によるものでは、複数回の撮像を行った上で画像処理を行うというように、複数の遠近位置の画像を得るために時間と人手を要するのに加え、画像処理のためのハードウェア及びソフトウェアの手段を備えることが必要とされる。

特許文献３〜５のように、１つの撮像装置内に複数の対物レンズを備えるものは、実質的に複数の撮像装置を合わせたものに近くなり、装置が大規模なものになるとともに、遠近位置の異なる複数の画像を得るには、複数回の撮像を行う必要があった。
特許文献２のように、１つの対物レンズからの光を分光するものにおいても、対物レンズが１つであれば、異なる遠近位置の画像を選るには、複数回の撮像を行う必要があった。

このように、従来の多焦点画像を得るための手法、装置は、１回の撮像により異なる遠近位置の画像を得ることができず、また、撮像装置や画像処理装置の規模が大きくなるものであったため、１回の撮像操作により異なる遠近位置の複数の画像が得られ、かつ簡易な構成で、コストが少なくてすむ撮像装置を提供することが求められていた。

また、本発明者は、１つの対物レンズを有し異なる遠近位置の複数の画像を同時に撮像する多焦点撮像装置の発明について特願２００６−１２１４９７号として出願した。この発明では対物レンズを透過した光をビームスプリッタで分光し、分光されたそれぞれの光路中に光路長変更手段に備えて、異なる遠近位置の複数の画像を同時に撮像することができるが、複数の分光された光路での画像を１つの撮像素子に結像させる場合にはそれぞれの光路での光の波長を異ならせることが必要であり、１つのモノクローム（白黒）型撮像素子で異なる遠近位置の複数の画像を１回の撮像操作により撮像することはできなかった。

本発明は、前述した課題を解決すべくなしたものであり、本発明による多焦点画像を撮像する方法は、対物レンズと、入射光がビームスプリッタで二分されそれぞれ透過する光の偏光方向が異なる第１及び第２の光路で導かれさらに合一する分離光学系とを有する光学系により被撮像体からの光を結像し、前記第１の光路の光路長と第２の光路の光路長とが異なるように設定できるようにした撮像装置を用いて被撮像体を撮像する方法であって、第１の時点において前記第１の光路を透過する偏光方向の光で被撮像体を照明することにより第１の光路での撮像を行うことと、前記第１の時点より所定の時間だけ後の第２の時点において前記第２の光路を透過する偏光方向の光で被検査体を照明することにより前記第２の光路での撮像を行うことと、からなり、前記第１の光路の光路長と前記第２の光路の光路長とが異なることにより前記第１の時点と前記第２の時点とで前記被撮像体の異なる位置に焦点が合った画像を一連の撮像操作で撮像できるようにしたものである。

前記第１の時点と前記第２の時点とでそれぞれ得られた前記被撮像体の異なる位置に焦点の合った画像を合成する画像処理を行い、前記被撮像体の異なる位置に焦点の合った１つの画像を得るようにしてもよい。

本発明による多焦点撮像装置は、対物レンズと；該対物レンズを通った光を第１の光路の光と第２の光路の光とに分光する第１のビームスプリッタと、該第１及び第２の光路の光を合一させる第２のビームスプリッタと、を有していて、該第２のビームスプリッタにより合一した光が同一の結像面に結像するようにした分離光学系と；偏光方向がそれぞれ異なる第１及び第２の偏光方向の光で所定の時間をおいて被撮像体を順次照明する発光手段と；撮像制御部と；を備えてなり、前記第１のビームスプリッタから前記第２のビームスプリッタに至る第１の光路の光路長と第２の光路の光路長とが異なるように前記分離光学系における少なくとも一方の光路に光路長変更手段が備えられており、前記分離光学系における第１の光路は前記発光手段による第１の偏光方向の光を通過させるとともに前記第２の光路は前記第１の偏光方向に直角の偏光方向の光を通過させるものであり、前記撮像制御部は前記第１の光路の光路長と第２の光路の光路長とが異なるように設定した状態で前記発光手段による１回目の発光により前記第１及び第２の光路のうちの一方の光路を通る光での撮像を行い、前記発光手段の２回目の発光に同期して前記第１及び第２の光路のうちの他方の光路を通る光での撮像を行うように制御し、それによって一連の撮像操作で前記被撮像体の異なる位置に焦点が合った画像を撮像するようにしたものである。

また、本発明による多焦点撮像装置は、被撮像体からの入射光を第１の光路の光と第２の光路の光とに分光する第１のビームスプリッタと、該第１及び第２の光路の光を合一させる第２のビームスプリッタとを有する分離光学系と；該分離光学系の第２のビームスプリッタにより合一した光が入射し前記第１の光路及び第２の光路の光を同一の結像面に結像する対物レンズと；偏光方向がそれぞれ異なる第１及び第２の偏光方向の光で所定の時間をおいて被撮像体を順次照明する発光手段と；撮像制御部と；を備えてなり、前記第１のビームスプリッタから前記第２のビームスプリッタに至る第１の光路の光路長と第２の光路の光路長とが異なるように前記分離光学系における少なくとも一方の光路に光路長変更手段が備えられており、前記分離光学系における第１の光路は前記発光手段による第１の偏光方向の光を通過させるとともに前記第２の光路は前記第１の偏光方向に直角の偏光方向の光を通過させるものであり、前記撮像制御部は前記第１の光路の光路長と第２の光路の光路長とが異なるように設定した状態で前記発光手段による１回目の発光により前記第１及び第２の光路のうちの一方の光路を通る光での撮像を行い、前記発光手段の２回目の発光により前記第１及び第２の光路のうちの他方の光路を通る光で撮像を行うように制御し、それによって一連の撮像操作で前記被撮像体の異なる位置に焦点が合った画像を撮像するようにしたものとしてもよい。

前記第１のビームスプリッタが入射した光を１つの偏光方向の光と、これと偏光方向が直角な他の光とに分離する偏光ビームスプリッタであるようにしてもよく、あるいは、前記分離光学系における前記第１の光路中に第１の偏光板が配設されるとともに前記第２の光路中に第２の偏光板が配設され、前記第１の偏光板の透過する光の偏光方向と前記第２の偏光板の透過する光の方向とが直交するものとしてもよい。

前記光路長変更手段が前記第１及び第２の光路の少なくとも一方において光路長変更用の光学素子を挿入しまたは取り出すことにより光路長を変更するものとしてもよく、あるいは、前記光路長変更手段が第１及び第２の光路の少なくとも一方における光路中のミラーを光路の方向と交差する方向に移動させることにより光路長を変更するものであるようにしてもよい。

前記ミラーを前記光路の方向と交差する方向に移動させる駆動源としてのモータを備え、前記撮像制御部において前記モータの回転角から前記ミラーの移動による光路長の変化量を求め、該光路長の変化量から前記光路長が変化する前と後とでの被撮像体における位置の差としての高さを求める演算を行い、前記被撮像体の異なる位置に焦点が合った画像の撮像を一連の撮像操作で行うとともに被撮像体における高さを測定できるようにしてもよい。

また、一連の撮像操作で撮像された前記被撮像体の異なる位置に焦点の合った画像を外部の画像処理装置により合成する処理を行って前記被撮像体の異なる位置に焦点の合った１つの画像を得るようにしてもよく、あるいは、前記撮像制御部が、一連の撮像操作で撮像された前記被撮像体の異なる位置に焦点の合った画像を合成する処理を行って前記被撮像体の異なる位置に焦点が合った１つの画像を得るための画像処理回路を備えるようにしてもよい。

本発明の多焦点撮像装置では、ビームスプリッタにより分光された２つの光路中において光路長を互いに異なるようにするとともに、それぞれの光路における偏光の方向を異ならせた上で１つの撮像素子に結像させることにより、一連の撮像操作により２つの異なる遠近位置の画像が得られ、また、異なる遠近位置の２つの画像を合成して１つの画像とすることができる。撮像素子としてモノクローム型のものを用いた簡易な構成とすることができ、さらに、光路長の変化量から被撮像体における高さを測定することができる。

図１は、本発明による多焦点撮像装置の１つの形態を示すものであり、多焦点撮像装置Ａは、対物レンズを通った光を二分し、それぞれの光路の光路長を異なるようにした上で合成し同じ撮像素子に結像させる光学系を有する撮像部と、照明手段と、制御部とを備えている。

撮像部の光学系は対物レンズ１と、対物レンズを通った光を二分するビームスプリッタ２ａと、ビームスプリッタ２ａを透過した一方の光を屈曲した光路で導くミラー３ａ、３ｂ、３ｃと、ビームスプリッタ２ａで反射した他方の光を屈曲した光路で導くミラー３ｄ、３ｅ、３ｆと、両方の光路の光を１つに光路に合一させるビームスプリッタ２ｂと、合一した光を結像位置において受ける撮像素子７とを有している。一方の光路におけるミラー３ｂとミラー３ｃとの間に偏光板４ａが配設されている。他方の光路におけるミラー３ｄとミラー３ｅとの間に偏光板４ｂが配設されており、ミラー３ｄとミラー３ｅとの間に光路長変更用光学素子５が挿脱可能に設けられており、偏光板４ａと４ｂとは透過する光の偏光の方向が直交する関係のものである。偏光板４ａ、４ｂを配設する位置は、２つの光で別個の経路をたどる部分の他の箇所としてもよく、挿脱可能な光路長変更用光学素子５の位置もミラー３ｄとミラー３ｅとの間には限られない。また、撮像部の光学系では対物レンズ１から撮像素子７までの固定した距離を基本的に考え、撮像部と被撮像体との間隔を変えることにより焦点位置合わせを行う顕微鏡型の結像光学系になっている。

光路長変更用光学素子５は屈折率の大きい透明な板状部材からなるものであり、その厚さをそれぞれｄ、屈折率をｎとした場合に光路長はｎｄであり、光路長変更用光学素子５がない場合と比較すると（ｎ−１）ｄだけ光路長が長くなる。光路長変更用光学素子５がない場合の図での左右の光路の光路長が等しく設定されているとすれば、右側の光路中に光路長変更用光学素子５が介在することによりそれだけ光路長が長くなり、この左右の光路における光路長の違いにより、撮像装置側から見て被撮像体の遠近位置が異なる部分の像が撮像素子７に結像することになる。この遠近位置の差がどの程度になるかというのは、光路長変更用光学素子５の厚さｄ及び屈折率ｎによるものであり、光路長変更用光学素子の特性として適宜このｄとｎの値のものを選択すればよい。また、光路長変更用光学素子をいずれか一方の光路中に備えるもののほか、両方の光路中にそれぞれｎ及び／またはｄが異なる光路長変更用光学素子を配設してもよく、異なる厚さｄ及び／または屈折率ｎの光路長変更用光学素子を交換可能に備えておくようにしてもよい。

図１の撮像装置Ａの撮像部においては、光路長変更用光学素子５を挿入しない状態で左側の光路と右側の光路との光路長が等しくされていて、光路長変更用光学素子５を右側の光路中に挿入することにより左側の光路より右側の光路の光路長が長くなっており、被撮像体Ｂからの光のうち撮像レンズから左側の光路を通った光により被撮像体Ｂの例えばＰ_１の位置の部分が撮像素子７に結像し、右側の光路を通った光により被撮像体ＢのＰ_２の位置の部分が結像する。

一連の撮像操作の過程で被撮像体の異なる遠近位置Ｐ_１及びＰ_２の部分を撮像するには、左側の光路を通る光と、右側の光路を通る光とを時間差をおいて撮像素子に結像させるようにする。そのために、図１の撮像装置は被撮像体に対して偏光方向が異なる照明光を時間差をおいて与える照明装置１０を備えている。照明装置は２つの同等の発光素子１１ａ、１１ｂと発光駆動部１２を有し、発光素子１１ａには偏光板１３ａが付設され、また、発光素子１１ｂには偏光板１３ｂが付設されており、偏光板１３ａと１３ｂとは透過する光の偏光方向が直交する関係にあり、被検査体に対してそれぞれ偏光方向の異なる照明光を与える。発光駆動部１３は撮像装置の撮像動作を撮像制御部１４からの信号に応じて発光素子１１ａ、１１ｂが時間差をおいてパルス発光を行うように駆動制御する。この時間差は、少なくとも撮像素子７での前後する撮像動作に必要とされる時間間隔より大きくとるものとする。

撮像制御部１４は撮像装置における発光駆動部１３による発光素子１１ａ、１１ｂの発光の制御を行い、発光駆動部１３による発光素子１１ａ、１１ｂの発光に応じて撮像素子７で得られた画像データをメモリーにシフトする等の制御を行う。１５は画像データを保持するメモリー、１６は画像を表示するモニター部である。

発光素子１１ａと発光素子１１ｂとの発光は、前述したように所定の時間間隔をおいて行われるように撮像制御部１４において設定されており、撮像装置としては撮像指令とともに１回目の撮像と、それに所定の時間をおいて続く２回目の撮像とが一連の動作としてなされる。また発光素子１１ａ、１１ｂによりパルス発光を行う場合には、撮像操作において画像データを取得する際にそれぞれ発光素子１１ａ、１１ｂの発光に同期して行うように制御する。

図１のように、光路長変更用光学素子５により光路長を変更するものでは、その光学素子により規定される光路長に応じた位置に焦点が合った画像が得られるのであり、このような光学素子でｎ、ｄによる光路長の異なるものを用意しておいて、選択的に光路中に挿入できるようにすれば、被撮像体の複数の遠近位置についての画像が得られる。

撮像前に画像の状態を確認するためには、発光素子１１ａまたは１１ｂを発光させて、それに応じた光路による画像をモニター１６により表示し画像の状態を確認した後に、撮像の際に再度発光素子１１ａ、１１ｂを順次発光させて撮像するという形になる。

図２は、光路長を連続的に調整可能にした光路長変更手段を備える多焦点撮像装置の例を示すものである。この撮像装置の光学系は、対物レンズ１を通った光はビームスプリッタ２ａで二分され、図で左側の光路の光がミラー３ａ、３ｂ、３ｃで順次反射する屈曲路を進み、右側の光路の光がミラー３ｄ、３ｅ、３ｆで順次反射する屈曲路を進み、ビームスプリッタ２ｂで合一して同じ撮像素子７で結像すること、また両方の光路中にそれぞれ偏光板４ａ、４ｂが介在することでは、図１の場合と同様であるが、図２の例の場合、ミラー３ｂ、３ｃ及び偏光板４ａが一体的に基台８ａに取り付けられ、ミラー３ｄ、３ｅが一体的に他の基台８ｂに取り付けられており、基台８ａは固定され、基台８ｂは外部からねじ６を回動操作することにより図で左右方向に調整可能になるようにしてある。

被撮像体の異なる遠近位置に焦点が合った画像を撮像する際に、例えば被撮像体のＰ_１の位置を基準位置として考え、初めに両方の光路長によってＰ_１の位置に焦点が合うように被撮像体と撮像装置の位置関係を設定する。図２のものでは、左側の光路長は固定されているので、左側の光路での画像がＰ_１の位置に焦点が合ったものにし、続いてねじ６の操作により右側の光路長を調整し、同じＰ_１の位置に焦点が合うようにする。この場合の右側の光路での光変長を基準として、さらにねじ６の操作により光路長が長くなるように基台８ｂを移動させていくと、右側の光路での画像で焦点が合う位置は順次撮像装置側に移り、Ｐ_２の位置に焦点が合った段階でねじ６の操作を停止する。これらの操作は照明手段１０によりそれぞれの光路を通過する光の偏光方向に応じた光で被撮像体Ｂを照明しモニター１６で画像の状態を見ながら行う。両方の光路の光路長が異なるように調整した後に、発光素子１１ａ、１１ｂの時間差をおいた発光により被撮像体を偏光方向の異なる光で順次照明して被撮像体の異なる遠近位置に焦点が合った画像を撮像することは図１の例の場合と同様になされる。

このようにそれぞれの光路の要素となるミラーの組を取り付けた基台８ｂを左右方向に変位させることによりビームスプリッタから結像面までの光路長が調整可能になる。図２の例では基台８ｂのみを調整可能としているが、両方の基台８ａ、８ｂを別個に調整可能にし、各光路の光路長を外部操作により調節するようにしてもよい。両方の光路の光路長が可変な場合に、被撮像体について基準位置を考え、両方の光路でこの基準位置に焦点が合うように光路長を調整し、その基準位置に対し一方または両方の光路の光路長を変更して他の位置に焦点が合うように設定した後に撮像を行うというような手順になる。

図１、図２の撮像部の構成で、対物レンズからの光をビームスプリッタ２ａで二分しており、このビームスプリッタ２ａは入射光をそのまま二分する機能のものであるが、これに代えて一方の偏光方向の光を透過し、偏光方向が直角な他方の偏光方向の光を反射する偏光分離面を有する偏光ビームスプリッタとしてもよい。この場合、図１、図２における二分された光路中には偏光板を配設しないことになる。

被撮像体を偏光方向の異なる光で順次照明し、それに同期して撮像することにより得られた被撮像体の異なる位置に焦点が合った画像のデータは逐次メモリー１５に蓄積保持され、この異なる位置に焦点の合った画像を別個のものとして取り出すことができる。さらに、別個に取り出された画像に対して、画像処理、画像合成を行い、１つの画像として合成することができる。撮像装置としては、そのための複数の画像を合成する画像処理回路を撮像制御部が有する構成としてもよく、あるいはメモリー１５に保持された画像データを送出可能にし、外部装置としての汎用パーソナルコンピュータにより画像処理を行うようにしてもよい。

撮像装置に関して、対物レンズ及び分離光学系からなる撮像部の光学系において被撮像体からの光の結像面に撮像素子を配設した形態のものとして説明している。ここで、撮像素子は、結像した画像を画像データに変換し、モニター画面を見ながら焦点位置合わせや、光路長の調整等を行い、さらに画像データをメモリーに記憶保持する等のために用いられる要素であるが、焦点位置合わせや光路長の調整等の操作のためには結像している画像を確認できればよいのであり、例えば結像面と共役な位置にマット面等による表示面を有する光学的ファインダーによってもなされる。それゆえ、本発明としては、結像面に撮像素子を配設することは実施形態として考慮するものであり、不可欠なものではない。

図３（ａ）、（ｂ）は撮像部の光学系の形態を示すものである。図１、２に示す撮像装置の撮像部では、対物レンズからの光がビームスプリッタ２ａで二分され、ビームスプリッタ２ｂで合一してから撮像素子７に至るという形であり、ビームスプリッタ２ａからビームスプリッタ２ｂまでの部分を分離光学系ＳＰとして、図３（ａ）のようになっている。この場合に分離光学系の光路中の光路長変更手段により像空間での光路長を調整することになる。図３（ｂ）では、光が分離光学系ＳＰで分離、合一した後に対物レンズを通って撮像素子に至るという形になっている。この場合に分離光学系の光路中の光路長変更手段により物空間での光路長を調整することになる。

撮像部の構成として、図３（ａ）、（ｂ）のように対物レンズ１、分離光学系ＳＰ、撮像素子、制御部を含めて一体的な装置なものとして形成する場合と、例えば図３（ｃ）のように対物レンズ１と分離光学系ＳＰとをユニットとして形成し、撮像素子、制御部を含む一眼レフ型撮像カメラのボディに取り付けるという構成としてもよい。またそのほかに、分離光学系ＳＰの要素だけのユニットとして、対物レンズを備える撮像カメラのねじマウントに装着するアタッチメント型の構成としてもよい。これらの場合に照明装置はケーブルを介してボディ側の端子と接続されるようにする。

図４は、図２の光学系を有する撮像装置において、被撮像体における高さを測定する機能を備えるようにした例を示すものである。図４の構成で図２の場合と異なるのは、基台８ｂを図で左右方向に移動させるためにねじ６によるのでなく、基台８ｂを左右方向に駆動するためのパルスモータ９を備えており、パルスモータ９に付随するエンコーダ９ａからの信号を制御部１４に移送し、制御部１４でエンコーダ９ａからの信号に基づきパルスモータ９の回転量から基台８ｂの移動距離から光路長の変化量を演算し求めるようにしたことである。

図４の構成の撮像装置により被撮像体Ｂの異なる遠近位置に焦点が合った画像を撮像するとともにその高さを測定する場合、初めに図４の左右のそれぞれの光路での画像が被撮像体ＢのＰ_１の位置に焦点が合ったものになるように対物レンズ１の焦点調節を行い、このＰ_１の位置を高さの基準とする。この操作はそれぞれの光路を通る光の偏光方向に対応する照明光を被撮像体に照射し、モニター１６で確認しながら行う。

その後に、パルスモータ９を回転させることにより基台８ｂを移動させ右側の光路の光路長を変化させ、右側の光路での画像がＰ_２の位置に焦点があったものになったとする。この時のパルスモータ９の回転量から光路長の変化量を求め、さらに光路長の変化量から被撮像体ＢにおけるＰ_１からＰ_２までの距離が高さとして計算される。この高さの計算は、対物レンズ１の焦点距離ｆ、被撮像体Ｂ上の点から対物レンズ１までの距離ａ、対物レンズ１から結像面（撮像素子７の面）までの距離ｂとの間の関係式を

とし、光路長の変化量を±ｃ（ｃ＞０）とした時にａが（ａ＋Δａ）になったとすると、

の関係式になる（＋ｃは光路長が長くなる場合、−ｃは光路長が短くなる場合）。ｆ、ｂは撮像装置において既定の値であるので、式（１）、（２）から光路長の変化ｃに対する被撮像体における位置の差Δａが求められる。Δａが＋の値であれば図でＰ_２はＰ_１より上側、Δａが−の値であればＰ_２はＰ_１より下側の位置である。ｂの値は最初に被撮像体に基準の位置に焦点を合わせる時の光路長を基準としてｂの値とし、図４の場合のように左側の光路の光路長を固定とした場合、固定された左側の光路で対物レンズから撮像素子に至る光路長であるが、左右両方の光路の光路長を可変とした場合には、パルスモータの回転角により対物レンズから撮像素子までの距離が割り出せる形にしておき、最初に被撮像体の基準位置に焦点を合わせた時の対物レンズから撮像素子までの距離をｂとする。制御部１４では式（１）、（２）とパルスモータの回転角から得られたｃの値とからΔａの値を求める計算をし、結果をモニター１５に表示する。一方で、撮像装置としては、一方の光路が被撮像体のＰ_１の位置に、他方の光路がＰ_２の位置に焦点が合う状態になっており、１回の撮像操作でそれぞれ異なる位置に焦点が合った画像が撮像される。このように、図４に示す構成とすることにより、被撮像体の異なる遠近位置に焦点が合った画像が撮像されるとともに、その位置間の距離としての高さが求められる。

式（２）は、図３（ａ）の形の撮像光学系の場合であり、像空間における光路長を調整して被撮像体における高さを測定するものであるが、図３（ｂ）の形の撮像光学系の場合にも同様に被撮像体における高さを測定することがてきる。この場合、図４の撮像光学系と異なるのは、対物レンズが分離光学系の後側に配設されていることだけであり、分離光学系では物空間における光路長の調整を行うことになる。その際、結像関係を表すのは、

の形になり、光路長がｃだけ変化したとすれば、この変化分は被撮像体における高さΔａになっている。パルスモータの回転角に応じて求められた光路長の変化量±ｃに対して、制御部において式（１）、（３）を用いて被撮像体における位置の差としての高さΔａを求める演算がなされ、モニターでの表示がなされる。

本発明による多焦点撮像装置の１つの形態を示す図である。本発明による多焦点撮像装置の他の形態を示す図である。撮像部の光学系の形態を主に示す図である。被撮像体における高さを測定する機能を備える撮像装置の例を示す図である。

符号の説明

Ａ撮像装置
Ｂ被撮像体
１対物レンズ
２ａ，２ｂビームスプリッタ
３ａ〜３ｆミラー
４ａ、４ｂ偏光板
５光路長変更用光学素子
６ねじ
７撮像素子
８ａ、８ｂ基台
１０照明装置
１１ａ、１１ｂ発光素子
１２発光駆動部
１３ａ、１３ｂ偏光板
１４撮像制御部
１５メモリー
１６モニター

Claims

対物レンズと、入射光がビームスプリッタで二分されそれぞれ透過する光の偏光方向が異なる第１及び第２の光路で導かれさらに合一する分離光学系とを有する光学系により被撮像体からの光を結像し、前記第１の光路の光路長と第２の光路の光路長とが異なるように設定できるようにした撮像装置を用いて被撮像体を撮像する方法であって、
第１の時点において前記第１の光路を透過する偏光方向の光で被撮像体を照明することにより第１の光路での撮像を行うことと、
前記第１の時点より所定の時間だけ後の第２の時点において前記第２の光路を透過する偏光方向の光で被検査体を照明することにより前記第２の光路での撮像を行うことと、
からなり、前記第１の光路の光路長と前記第２の光路の光路長とが異なることにより前記第１の時点と前記第２の時点とで前記被撮像体の異なる位置に焦点が合った画像を一連の撮像操作で撮像できるようにしたことを特徴とする多焦点画像を撮像する方法。
前記第１の時点と前記第２の時点とでそれぞれ得られた前記被撮像体の異なる位置に焦点が合った画像を合成する画像処理を行い、前記被撮像体の異なる位置に焦点の合った１つの画像を得るようにしたことを特徴とする請求項１に記載の多焦点画像を撮像する方法。
対物レンズと、
該対物レンズを通った光を第１の光路の光と第２の光路の光とに分光する第１のビームスプリッタと、該第１及び第２の光路の光を合一させる第２のビームスプリッタと、を有していて、該第２のビームスプリッタにより合一した光が同一の結像面に結像するようにした分離光学系と、
偏光方向がそれぞれ異なる第１及び第２の偏光方向の光で所定の時間をおいて被撮像体を順次照明する発光手段と、
撮像制御部と、
を備えてなり、前記第１のビームスプリッタから前記第２のビームスプリッタに至る第１の光路の光路長と第２の光路の光路長とが異なるように前記分離光学系における少なくとも一方の光路に光路長変更手段が備えられており、前記分離光学系における第１の光路は前記発光手段による第１の偏光方向の光を通過させるとともに前記第２の光路は前記第１の偏光方向に直角の偏光方向の光を通過させるものであり、前記撮像制御部は前記第１の光路の光路長と第２の光路の光路長とが異なるように設定した状態で前記発光手段による１回目の発光により前記第１及び第２の光路のうちの一方の光路を通る光での撮像を行い、前記発光手段の２回目の発光に同期して前記第１及び第２の光路のうちの他方の光路を通る光での撮像を行うように制御し、それによって一連の撮像操作で前記被撮像体の異なる位置に焦点が合った画像を撮像するようにしたことを特徴とする多焦点撮像装置。
被撮像体からの入射光を第１の光路の光と第２の光路の光とに分光する第１のビームスプリッタと、該第１及び第２の光路の光を合一させる第２のビームスプリッタとを有する分離光学系と、
該分離光学系の第２のビームスプリッタにより合一した光が入射し前記第１の光路及び第２の光路の光を同一の結像面に結像する対物レンズと、
偏光方向がそれぞれ異なる第１及び第２の偏光方向の光で所定の時間をおいて被撮像体を順次照明する発光手段と、
撮像制御部と、
を備えてなり、前記第１のビームスプリッタから前記第２のビームスプリッタに至る第１の光路の光路長と第２の光路の光路長とが異なるように前記分離光学系における少なくとも一方の光路に光路長変更手段が備えられており、前記分離光学系における第１の光路は前記発光手段による第１の偏光方向の光を通過させるとともに前記第２の光路は前記第１の偏光方向に直角の偏光方向の光を通過させるものであり、前記撮像制御部は前記第１の光路の光路長と第２の光路の光路長とが異なるように設定した状態で前記発光手段による１回目の発光により前記第１及び第２の光路のうちの一方の光路を通る光での撮像を行い、前記発光手段の２回目の発光により前記第１及び第２の光路のうちの他方の光路を通る光で撮像を行うように制御し、それによって一連の撮像操作で前記被撮像体の異なる位置に焦点が合った画像を撮像するようにしたことを特徴とする多焦点撮像装置。
前記第１のビームスプリッタが入射した光を１つの偏光方向の光と、これと偏光方向が直角な他の光とに分離する偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項３または４のいずれか１項に記載の多焦点撮像装置。
前記分離光学系における前記第１の光路中に第１の偏光板が配設されるとともに前記第２の光路中に第２の偏光板が配設され、前記第１の偏光板の透過する光の偏光方向と前記第２の偏光板の透過する光の方向とが直交するものであることを特徴とする請求項３または４のいずれか１項に記載の多焦点撮像装置。
前記光路長変更手段が前記第１及び第２の光路の少なくとも一方において光路長変更用の光学素子を挿入しまたは取り出すことにより光路長を変更するものであることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の多焦点撮像装置。
前記光路長変更手段が第１及び第２の光路の少なくとも一方における光路中のミラーを光路の方向と交差する方向に移動させることにより光路長を変更するものであることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の多焦点撮像装置。
前記ミラーを前記光路の方向と交差する方向に移動させる駆動源としてのモータを備え、前記撮像制御部において前記モータの回転角から前記ミラーの移動による光路長の変化量を求め、該光路長の変化量から前記光路長が変化する前と後とでの被撮像体における位置の差としての高さを求める演算を行い、前記被撮像体の異なる位置に焦点が合った画像の撮像を一連の撮像操作で行うとともに被撮像体における高さを測定できるようにしたことを特徴とする請求項８に記載の多焦点撮像装置。
一連の撮像操作で撮像された前記被撮像体の異なる位置に焦点が合った画像を外部の画像処理装置により合成する処理を行って前記被撮像体の異なる位置に焦点が合った１つの画像を得るようにしたことを特徴とする請求項３〜９のいずれか１項に記載の多焦点撮像装置。
前記撮像制御部が、一連の撮像操作で撮像された前記被撮像体の異なる位置に焦点が合った画像を合成する処理を行って前記被撮像体の異なる位置に焦点が合った１つの画像を得るための画像処理回路を備えていることを特徴とする請求項３〜９のいずれか１項に記載の多焦点撮像装置。