JPH11118446A - ２次元配列型共焦点光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、走査機構を持たずに共焦点画像を
得ることができる全画素同時露光タイプの共焦点撮像系
である２次元配列型共焦点撮像系におけるスペックル発
生の防止を目的とする。 【解決手段】 従来必要であったピンホールアレイをな
くし、マイクロレンズアレイ６の集光能力と、結像レン
ズ１２の後ろ側焦点に設けた絞り１３により代替させる
ように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に３次元計測の
目的で共焦点画像を得るための光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】共焦点光学系により画像を得る光学シス
テムを共焦点撮像系と呼び、その共焦点撮像系によって
得られる画像を共焦点画像と呼ぶことにして以下従来技
術について説明する。共焦点撮像系として一般的なもの
としてレーザー走査顕微鏡とＮｉｐｋｏｗ ｄｉｓｋ走
査顕微鏡がある。のような走査機構をもたず、共焦点ピ
ンホールを２次元に配列して共焦点画像の各画素を同時
露光する２次元配列型共焦点撮像系がその高速性ゆえに
適しており、特開平４−２６５９１８号公報および特開
平７−１８１０２３号公報で開示されている。また本発
明と同一発明者により特願平８−９４６８２として出願
されている。これらの従来技術について特願平８−９４
６８２を例にとって説明する。

【０００３】特願平８−９４６８２による装置を図２を
用いて説明する。光源３よりでた照明光はピンホール２
を通過してコリメーターレンズ４により平行光となって
射出される。光路分岐光学素子５は偏光ビームスプリッ
ターであり照明光を直線偏光にして通過させる。光路分
岐光学素子５を通過した照明光はマイクロレンズアレイ
６に入射し各マイクロレンズの焦点に集光される。マイ
クロレンズアレイ６の焦点位置にはピンホールアレイ７
が設置され、各マイクロレンズにより集光された照明光
の焦点の位置に各ピンホールが存在する形となってい
る。このピンホールアレイ７により照明光は、いわば点
光源アレイ化されたことになる。ピンホールを通過した
照明光は対物レンズ８に入射し、対物レンズ８内部に設
けた１／４波長板１０により円偏光となって、ピンホー
ルの像を物体Ａに投影する。対物レンズ８は、内部にテ
レセントリック絞り９とレンズ８ａと８ｂとをもつ両側
テレセントリックなレンズであり、物体Ａあるいは光学
系を光軸方向に移動させても倍率変化が発生しないよう
になっている。物体Ａからの反射光は、再び対物レンズ
８に入射して、１／４波長板１０により照明光と直交す
る直線偏光となり、集光されて再びピンホールアレイ７
に到達する。ピンホールアレイ７のピンホールを通過し
た反射光は、マイクロレンズアレイ６により平行光束と
なって射出される。反射光は照明光とは直交する直線偏
光光であるから偏光ビームスプリッターである光路分岐
光学素子５により偏向されて結像レンズ１２に入射す
る。結像レンズ１２に入射した反射光は、絞り１３を通
過して２次元検出器１４に到達する。結像レンズ１２は
マイクロレンズアレイ６面と２次元検出器１４表面が共
役になっている。これにより２次元検出器１４上には共
焦点画像が得られ、２次元検出器１４により光電変換さ
れて電気信号として出力される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】２次元配列型共焦点光
学装置を特願平８−９４６８２の装置を例に取って説明
したが、本発明が解決しようとする課題は特願平８−９
４６８２の装置だけでなく特開平４−２６５９１８号公
報および特開平７−１８１０２３号公報の装置にも共通
して存在する。どの装置も２次元配列の点光源を作り出
す目的でピンホールアレイを持っており、この部分で問
題が発生する。

【０００５】２次元配列型共焦点撮像系の場合、照明光
はできるだけ可干渉性の低い光であることが要求され
る。それは、局所的な光の干渉により発生する粒状雑音
（以下スペックルと記す）ができるだけない画像を得る
ためである。走査型の共焦点撮像系では２次元検出器の
露光時間中も物体に投射されるスポットは移動している
ため、スペックルが発生しても移動によりスペックルの
状態が変化し平均化される。しかし、２次元配列型共焦
点撮像系ではスポットは２次元検出器の露光時間中全く
動かない。そのためスペックルがスポット内で発生した
場合そのまま画像に影響してしまう。とくに低倍率、低
開口数の対物レンズを用いた場合のスポットサイズが大
きい状態での粗面観察の場合に著しい。このため、２次
元配列型共焦点撮像系では光源はインコヒーレントなも
のを用いるか、または位相ランダマイザによりコヒーレ
ント光をインコヒーレント化して用いている。しかし、
インコヒーレントな光源を使ったとしてもピンホールア
レイのピンホールを通過させることにより結局可干渉性
が高くなり、スペックルの発生を招いている。

【０００６】また、数十万個に及ぶピンホールアレイの
作成は技術的に難しく、特に、光量増加のためにマイク
ロレンズをピンホールと同軸で配置する場合、位置決め
には特別な装置が必要となる。また、ピンホールの遮光
膜部分で反射する光が２次元検出器に届かないようにす
る対策も必要である（従来装置では偏光ビームスプリッ
ター、１／４波長板などの偏光光学素子がその対策であ
る）。

【０００７】そこで本発明は、構造が簡単で製作が容易
であり、インコヒーレントな光源からの照明光を可干渉
性を高めることなく物体に投射できる２次元配列型共焦
点撮像系を提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】目的達成のために、イン
コヒーレント光源１と、前記インコヒーレント光源１か
ら射出された照明光を平行光とするコリメーターレンズ
４と、前記コリメーターレンズ４から射出された照明光
を集光してインコヒーレント光源１の像を各マイクロレ
ンズ毎に結像するマイクロレンズアレイ６と、前記マイ
クロレンズアレイ６により結像されたインコヒーレント
光源１の像を物体Ａに投影する対物レンズ８と、物体Ａ
で反射し、再び対物レンズ８とマイクロレンズアレイ６
を通過した反射光を照明光の光路と分岐させる光路分岐
光学素子５と、マイクロレンズアレイ６の像を２次元検
出器１４上に結像させる結像レンズ１２と、結像レンズ
１２の後ろ側焦点位置に置かれた絞り１３と、結像され
たマイクロレンズアレイ６の像を光電変換する２次元検
出器１４とにより構成する。このように構成することに
よりピンホールアレイは必要なくなり、可干渉性が高ま
ることはない。しかも、より構造が単純である。マイク
ロレンズとの位置あわせを行う必要もなく、かつ、遮光
膜からの反射もない。

【０００９】また、コリメーターレンズ４の焦点距離は
マイクロレンズアレイ６の各マイクロレンズの焦点距離
の少なくとも１００倍であるように構成する。このよう
に構成することで、光源はある程度大きくてもよいこと
になり、高出力のインコヒーレント光源を得ることがで
きる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１に本発明の実施の形態
の例を示す。以下照明光の経路に従って本発明の構成を
説明する。インコヒーレント光源１よりでた照明光はコ
リメーターレンズ４によりほぼ平行光となって射出され
る。この照明光は光路分岐光学素子５を通過しマイクロ
レンズアレイ６に入射し各マイクロレンズの焦点に集光
される。集光点にはインコヒーレント光源１の像が各マ
イクロレンズ毎に結像する。結像倍率はコリメーターレ
ンズ４の焦点距離ｆ１とマイクロレンズの焦点距離ｆ２
の比ｆ２／ｆ１で決定される。この結像倍率を本実施形
態では数百分の１とする。このようにするとインコヒー
レント光源１が数ｍｍ程度の大きさを持っていてもその
像はせいぜい１０μm程度であり、十分点と見なすこと
ができる。集光され点となった照明光は再び発散光とな
って対物レンズ８に入射しマイクロレンズアレイ６によ
り得られた光点の像を物体Ａに投影する。対物レンズ８
は、内部にテレセントリック絞り９とレンズ８ａと８ｂ
とをもつ両側テレセントリックなレンズであり、物体Ａ
あるいは光学系を光軸方向に移動させても倍率変化が発
生しないようになっている。物体Ａからの反射光は、再
び対物レンズ８に入射して、マイクロレンズアレイ６に
到達する。マイクロレンズアレイ６を通過した反射光
は、光路分岐光学素子５により偏向されて結像レンズ１
２に入射し、絞り１３によって光束が制限され２次元検
出器１４に到達する。このとき２次元検出器１４上には
共焦点画像が得られている。

【００１１】照明系の部分（インコヒーレント光源１、
コリメーターレンズ４、マイクロレンズアレイ６）につ
いて詳しく説明する。２次元配列型共焦点撮像系では点
光源の像を対物レンズにより物体に投射する必要がある
ため、従来技術の解説で示したように点光源をつくるた
めに照明系にピンホール（ピンホールアレイ）を持つの
が一般的である。しかし、ピンホールからでた光は可干
渉性が高く、非走査型（２次元配列型）でかつ低倍率、
低開口数の共焦点撮像系では粗面観察においてスペック
ルが発生し画質の劣化、三次元計測精度の低下を招く。
光源が例えばハロゲンランプのような白色のインコヒー
レント光源であっても、ピンホールを通すことで可干渉
性が高くなってしまう。そこで、ピンホールを通すこと
なく、レンズによる光源の縮小投影により光源の持つ可
干渉性を高めることなく点光源化することを本発明では
提案している。以下に具体的に説明する。

【００１２】コリメーターレンズ４とマイクロレンズア
レイ６により、各マイクロレンズの焦点位置にインコヒ
ーレント光源１の像が倍率ｆ２／ｆ１で結像する。マイ
クロレンズアレイ６の画像複製能力により各マイクロレ
ンズ毎にインコヒーレント光源１の像が結像されること
になる。ｆ２＝０．５ｍｍ、ｆ１＝１００ｍｍとすれば
結像倍率は１／２００である。例えばインコヒーレント
光源１の大きさがφ２ｍｍであるとしてもその像はφ１
０μmである。（もちろんマイクロレンズの開口数とイ
ンコヒーレント光源１の波長で決まる光の回折による像
の広がりは発生する。）対物レンズ８が倍率５倍、開口
数０．１のものであるとした場合、物体に投射されるス
ポットのサイズは幾何光学的にはφ２μmであり、開口
数０．１の無収差レンズの点広がり関数（ＰＳＦ）の直
径が６μm以上あることから考えれば、インコヒーレン
ト光源１の大きさは十分無視できる程度である。つま
り、大きさをもつインコヒーレント光源１を用いてもこ
のような光学配置であれば十分共焦点光学系の照明とし
て機能し、点光源とするために従来必要であったピンホ
ールは、本発明の照明系では必要ないと言える。ピンホ
ールが無いことでインコヒーレント光源１の可干渉性の
低さがそのまま保たれるためスペックルの発生が抑制さ
れることになる。

【００１３】また、ピンホールが無いと言うことは、遮
光膜が無いと言うことで、従来装置で問題であった遮光
膜での反射を考慮しなくて良いことになる。遮光膜は酸
化クロム／クロム／酸化クロムの三層の膜を用いるが、
酸化クロムであっても５パーセント程度の反射は発生す
る。遮光膜が無い場合、多層ＡＲコートを施すことで反
射は０．２パーセント程度まで減らすことが可能であ
る。このため、従来装置では遮光膜での照明光の反射光
が２次元検出器に入射しないように、偏光ビームスプリ
ッターや１／４波長板といった偏光素子を用いて対策し
ているが、本発明では必ずしもこのような対策は必要な
い。もちろん同様の対策をすればよりノイズ光をカット
することができるため、従来装置と同様の構成としても
良い。

【００１４】次に、結像レンズ１２及び絞り１３の働き
を説明する。この光学配置ではマイクロレンズアレイ６
の各マイクロレンズの焦点位置と結像レンズ１２の後ろ
側焦点位置は共役関係にあり、マイクロレンズアレイ６
の各マイクロレンズの焦点位置を通過する光は全て結像
レンズ１２の光軸上の後ろ側焦点位置に集光される。こ
こに絞り１３を置くことにより各マイクロレンズの焦点
にピンホールが存在するのと同様な効果を得ることがで
きる。つまり、各マイクロレンズの焦点にピンホールが
あるとした場合にピンホールを通過する光はマイクロレ
ンズの焦点距離ｆ２と結像レンズ７の焦点距離ｆ３の比
で決まる倍率ｆ３／ｆ２で結像レンズ１２の後ろ側焦点
近傍に到達するため絞り１３を通過するが、各マイクロ
レンズの焦点にピンホールがあるとした場合に遮光され
る部分を通過する光は結像レンズ１２の後ろ側焦点近傍
からはずれた位置に到達することになるので絞り１３に
より遮光されてしまうことになる。

【００１５】この構造を図２で示した従来装置と比較し
てみると本質的な違いはピンホールアレイ７だけである
（１／４波長板１０等の偏光素子やピンホール２は本発
明にもあってもかまわない。最低限の構成要素ではな
い）。従来装置では絞り１３は迷光対策として入れてあ
り共焦点効果を得るための共焦点ピンホールの意味合い
では用いていなかったが、本発明では共焦点ピンホール
の役割もこの絞り１３に担わせている。これにより、ピ
ンホールアレイは必要なくなり、従来装置に比べ製造が
著しく容易になる。

【００１６】以上の実施の形態は本発明の例にすぎず、
これに限られるものではない。例えば、インコヒーレン
ト光源１はインコヒーレントであると言うことからかな
りの大きさを持ったものを想定して説明したが、ＬＥＤ
のように非常に大きさの小さいインコヒーレント光源で
も良いし、レーザー光源から射出されるビームを拡散板
に当てて拡散板を回転させ、位相をランダマイズしてイ
ンコヒーレント光とするような、位相ランダマイザ付き
コヒーレント光源であっても良い。この場合コリメータ
ーレンズ２はビームエキスパンダと呼ぶ方がふさわし
い。とにかくインコヒーレントな光出力をするものであ
れば何でも良い。単色、白色の別を問わない。

【００１７】例えば、インコヒーレント光源１として水
銀灯、あるいは紫外線レーザーを位相ランダマイザによ
りインコヒーレント化したものを用い、光路分岐光学素
子５としてダイクロイックビームスプリッターを用いれ
ば、蛍光画像を得ることが可能な光学系となる。

【００１８】

【発明の効果】本発明の２次元配列型共焦点光学装置
は、低倍率、低開口数の対物レンズを用いても粗面観察
時にスペックルが発生しないことが最大の特徴であっ
て、ファクトリーオートメーションにおける自動検査ラ
インでの三次元計測などの用途に置いては、粗面、低倍
率の計測が求められることが多いため著しく効果がある
と考えられる。また構造的には、微妙な位置合わせや調
整が必要となる部分がないため一般的な光学系の組立調
整だけで製作が可能であり、それ以上の技術、製造設備
を特に用意することもないためコスト的にも著しい改善
となると考える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の例を示した図である。

【図２】従来装置を説明するための図である。 0

【符号の説明】

１ インコヒーレント光源 ２ ピンホール ３ 光源 ４ コリメーターレンズ ５ 光路分岐光学素子 ６ マイクロレンズアレイ ７ ピンホールアレイ ８ 対物レンズ ８ａ レンズ ８ｂ レンズ ９ テレセントリック絞り １０ １／４波長板 １２ 結像レンズ １３ 絞り １４ ２次元検出器 1

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インコヒーレント光源１と、前記インコ
   ヒーレント光源１から射出された照明光を平行光とする
   コリメーターレンズ４と、前記コリメーターレンズ４か
   ら射出された照明光を集光してインコヒーレント光源１
   の像を各マイクロレンズ毎に結像するマイクロレンズア
   レイ６と、前記マイクロレンズアレイ６により結像され
   たインコヒーレント光源１の像を物体Ａに投影する対物
   レンズ８と、物体Ａで反射し、再び対物レンズ８とマイ
   クロレンズアレイ６を通過した反射光を照明光の光路と
   分岐させる光路分岐光学素子５と、マイクロレンズアレ
   イ６の像を２次元検出器１４上に結像させる結像レンズ
   １２と、結像レンズ１２の後ろ側焦点位置に置かれた絞
   り１３と、結像されたマイクロレンズアレイ６の像を光
   電変換する２次元検出器１４とにより構成されることを
   特徴とする２次元配列型共焦点光学装置。
2. 【請求項２】 コリメーターレンズ４の焦点距離はマイ
   クロレンズアレイ６の各マイクロレンズの焦点距離の少
   なくとも１００倍であることを特徴とする請求項１記載
   の２次元配列型共焦点光学装置。