WO2024121941A1 - 干渉縞投影光学系、形状測定装置、及び形状測定方法 - Google Patents
干渉縞投影光学系、形状測定装置、及び形状測定方法 Download PDFInfo
- Publication number
- WO2024121941A1 WO2024121941A1 PCT/JP2022/044936 JP2022044936W WO2024121941A1 WO 2024121941 A1 WO2024121941 A1 WO 2024121941A1 JP 2022044936 W JP2022044936 W JP 2022044936W WO 2024121941 A1 WO2024121941 A1 WO 2024121941A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- lens group
- light
- optical system
- exit
- side lens
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 133
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 title claims description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title description 11
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims abstract description 60
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 60
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 37
- 239000005357 flat glass Substances 0.000 claims description 34
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 5
- 230000005499 meniscus Effects 0.000 claims description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 5
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 24
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 24
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 19
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 19
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 17
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 14
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 11
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 description 6
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 6
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 5
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 5
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 3
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000012277 endoscopic treatment Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 206010010071 Coma Diseases 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000004043 dyeing Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000010422 painting Methods 0.000 description 1
- 238000001782 photodegradation Methods 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
- A61B1/06—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor with illuminating arrangements
- A61B1/07—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor with illuminating arrangements using light-conductive means, e.g. optical fibres
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
- G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B23/00—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices
- G02B23/24—Instruments or systems for viewing the inside of hollow bodies, e.g. fibrescopes
- G02B23/26—Instruments or systems for viewing the inside of hollow bodies, e.g. fibrescopes using light guides
Definitions
- the present invention relates to an interference fringe projection optical system, a shape measurement device, and a shape measurement method.
- a shape measuring device equipped with an interference fringe projection optical system, an imaging unit, and a calculation unit has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
- the shape measuring device projects interference fringes onto the surface of the object to be measured using the interference fringe projection optical system, captures the projected interference fringes with the imaging unit, and analyzes the captured interference fringes with the calculation unit to measure the three-dimensional shape of the object surface.
- the two light beams In an enlargement optical system in which two divergent light beams with parallel principal rays emitted from a light source are projected, the two light beams have coherence.
- the focal length of the entrance side lens group is f1 and the focal length of the exit side lens group is f2
- the distance from the exit side principal point of the entrance side lens group to the entrance side principal point of the exit side lens group is xd
- the principal rays of the two light beams emitted from the optical system cannot be kept parallel (the image side is no longer telecentric), and the entrance pupil becomes small. Therefore, the difference in wavefront aberration of the two light beams on the pupil plane becomes large, and the interference fringes become distorted.
- Patent Document 1 discloses a range of surface spacing between lens groups and focal lengths in which the decrease in contrast caused by the above-mentioned chief rays no longer being parallel to each other is relatively unlikely to occur, but does not disclose a configuration for suppressing distortion of interference fringes caused by the chief rays no longer being parallel to each other.
- the present invention has been made in consideration of these circumstances, and aims to provide an interference fringe projection optical system, a shape measuring device, and a shape measuring method that can suppress the occurrence of distortion in interference fringes even when the optical system is made compact.
- the interference fringe projection optical system comprises a light source that generates interference fringes and a magnifying optical system that magnifies the interference fringes and projects them onto an object surface, the light source having two light emission sections positioned side by side on the incident side of the magnifying optical system.
- the magnifying optical system is composed of a light distribution correction lens which is a single lens having positive power and into which the light flux emitted from the light emission section is incident, an entrance-side lens group on the side into which the light flux emitted from the light distribution correction lens is incident, and an exit-side lens group on the side from which the light flux is emitted and which projects the interference fringes toward the object surface.
- the light distribution correction lens is disposed at a position where the distance to the light exit portion is shorter than the distance to the incident side lens group.
- the focal length of the entrance side lens group is f1 and the focal length of the exit side lens group is f2, f1/f2>3.
- the entrance side lens group and the exit side lens group each have positive refractive power, and when a distance from an exit side principal point of the entrance side lens group to an entrance side principal point of the exit side lens group is xd, xd ⁇ f1+f2 is satisfied.
- a shape measuring device comprises a light source which generates interference fringes, and a magnifying optical system which magnifies and projects the interference fringes onto an object surface, the light source having two light emitting sections positioned side by side on the entrance side of the magnifying optical system, the magnifying optical system being composed of a light distribution correction lens which is a single lens having positive power and on which the light flux emitted from the light emitting section is incident, an entrance side lens group on the side on which the light flux emitted from the light distribution correction lens is incident, and an exit side lens group on the side from which the light flux is emitted and which projects the interference fringes towards the object surface, the light distribution correction lens being arranged such that the distance from the light emission side to the entrance side lens group is greater than the distance to the entrance side lens group.
- the optical system is provided with an interference fringe projection optical system that is arranged at a position where the distance to the light exit section is shorter, where f1/f2>3 is satisfied when the focal length of the entrance side lens group is f1 and f2 is the focal length of the exit side lens group, the entrance side lens group and the exit side lens group each have positive refractive power, and where xd is the distance from the exit side principal point of the entrance side lens group to the entrance side principal point of the exit side lens group, xd ⁇ f1+f2 is satisfied, an imaging section that captures as an image the interference fringes projected onto the object surface on the exit side of the image of the light exit section, and a calculation section that calculates unevenness information of the object surface based on an image signal from the imaging section.
- a shape measurement method includes a light source that generates interference fringes and a magnifying optical system that magnifies and projects the interference fringes onto an object surface, the light source having two light emitting sections positioned side by side on the entrance side of the magnifying optical system, the magnifying optical system being composed of a light distribution correction lens which is a single lens having positive power and into which the light flux emitted from the light emitting section is incident, an entrance side lens group on the side into which the light flux emitted from the light distribution correction lens is incident, and an exit side lens group on the side from which the light flux is emitted and which projects the interference fringes toward the object surface, the light distribution correction lens being arranged such that the distance from the light emission lens to the entrance side lens group is greater than the distance to the entrance side lens group.
- a shape measurement method using an interference fringe projection optical system that is arranged at a position where the distance to the exit part is shorter, where f1 is the focal length of the entrance side lens group and f2 is the focal length of the exit side lens group, satisfies f1/f2>3, where the entrance side lens group and the exit side lens group each have positive refractive power, and where xd is the distance from the exit side principal point of the entrance side lens group to the entrance side principal point of the exit side lens group, satisfies xd ⁇ f1+f2, where the interference fringes projected onto the object surface on the exit side of the image of the light exit part are captured as an image, and unevenness information of the object surface is calculated based on the image signal of the captured image.
- the above aspect makes it possible to suppress distortion of the interference fringes even if the interference fringe projection optical system is made compact.
- FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a main part of a shape measuring device according to a first embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a diagram showing a light source of the interference fringe projection optical system of FIG. 1;
- FIG. 13 is a diagram showing a first modified example of the interference fringe projection optical system of the present invention.
- FIG. 13 is a diagram showing a second modified example of the interference fringe projection optical system of the present invention.
- FIG. 13 is a diagram showing a third modified example of the interference fringe projection optical system of the present invention.
- FIG. 13 is a diagram showing a fourth modified example of the interference fringe projection optical system of the present invention.
- 7 is a diagram showing a holding form of a plano-convex lens in the interference fringe projection optical system of FIG. 6.
- FIG. 13 is a diagram showing a fifth modified example of the interference fringe projection optical system of the present invention.
- FIG. 13 is a diagram showing a sixth modified example of the interference fringe projection optical system of the present invention.
- FIG. 13 is a diagram showing a seventh modified example of the interference fringe projection optical system of the present invention.
- FIG. 11 is a schematic configuration diagram of an endoscope using a shape measuring device according to a second embodiment of the present invention.
- FIG. 11 is a schematic configuration diagram of an endoscope system using a shape measuring device according to a third embodiment of the present invention.
- FIG. 13 is a diagram showing a projection probe used in the endoscope system of FIG. 12.
- 14 is a cross-sectional view of a main portion showing a state in which the projection probe of FIG.
- 13 is inserted into an endoscope.
- 13 is a cross-sectional view of a main portion of an endoscope system using a shape measuring device according to a fourth embodiment of the present invention, showing a state in which a projection probe is inserted into an endoscope.
- FIG. 13 is a cross-sectional view of a main portion of an endoscope system using a shape measuring device according to a fourth embodiment of the present invention, showing a state in which a projection probe is inserted into an endoscope.
- FIGS. 1 is a schematic diagram of the main parts of a shape measuring apparatus according to the first embodiment.
- the shape measuring apparatus 1 includes an interference fringe projection optical system 10, an imaging unit 2, and an arithmetic and control unit 3 including a computer or the like.
- the interference fringe projection optical system 10 includes a light source 20 and a magnification optical system 40.
- a PLC Planar Lightwave Circuit
- the PLC has a waveguide structure formed on a silicon substrate 21 using a quartz-based material.
- the configuration of the light source 20 is not particularly limited, but for example, an input waveguide 22, a first waveguide 23, a second waveguide 24, and an optical coupler 25 are formed on the silicon substrate 21.
- the first waveguide 23 and the second waveguide 24 are formed in parallel.
- the light input to the input waveguide 22 is branched by the optical coupler 25 into the first waveguide (light output section) 23 and the second waveguide (light output section) 24, and coherent light is output from the first waveguide 23 and the second waveguide 24.
- the light input to the input waveguide 22 is, for example, a single-wavelength laser light.
- a heater (not shown) is disposed near the first waveguide 23, and the heater changes the phase difference between the two light beams emitted from the first waveguide 23 and the second waveguide 24.
- the configuration for changing the phase difference between the two light beams emitted from the first waveguide 23 and the second waveguide 24 is not limited to a heater, and for example, a movable reflecting mirror may be used to change the path length difference between the two light beams to be interfered with, and various known configurations are applicable.
- the distance between the first waveguide 23 and the second waveguide 24 in the arrangement direction is about 50 ⁇ m.
- the number of chief rays of the light beams emitted from the first waveguide 23 and the second waveguide 24 is actually two. However, since the chief rays of the two light beams are very close to each other, only one of the chief rays of the two light beams is shown in the following description.
- the magnifying optical system 40 has the light distribution correction lens 30, an incident-side lens group 41, and an exit-side lens group 42.
- the incident-side lens group 41 is composed of a single lens 41a having a positive refractive power.
- the exit-side lens group 42 is composed of a single lens 42a having a positive refractive power.
- two light beams emitted from light distribution correction lens 30 are magnified by magnifying optical system 40 and projected onto object surface 70.
- magnifying optical system 40 sets focal length f1 of lens 41a to be greater than focal length f2 of lens 42a.
- the relationship between focal length f1 and focal length f2 satisfies the following mathematical formula (1).
- the light distribution correction lens 30 is disposed between the light source 20 and the entrance lens group 41 of the magnifying optical system 40.
- the distance between the light distribution correction lens 30 and the light source (first waveguide 23 and second waveguide 24) 20 is shorter than the distance between the light distribution correction lens 30 and the entrance lens group 41. In other words, the light distribution correction lens 30 is disposed close to the light source 20.
- the light distribution correction lens 30 is a single lens that receives the light beam emitted from the light source 20 and has positive power (it is a convex lens).
- the function of the light distribution correction lens 30 is to focus the chief ray of the light beam emitted from the light source 20 forward, and this focus coincides with the front focus of the emission-side lens group 42.
- the chief ray of the light beam emitted from the light distribution correction lens 30 and passed through the magnifying optical system 40 becomes parallel (telecentric).
- the light distribution correction lens 30 is a single lens, the overall length of the interference fringe projection optical system 10 in the direction of the optical axis O is short. Because a single-wavelength laser is used as the light source 20, the influence of chromatic aberration caused by the light distribution correction lens 30 can be suppressed as much as possible. In addition, since the distance between the first waveguide 23 and the second waveguide 24 is very narrow (approximately 50 ⁇ m), the chief rays of the two light beams emitted from the light source 20 pass near the optical axis O, and therefore, even if the light distribution correction lens 30 is a single lens, the occurrence of aberration can be suppressed.
- the incident side lens group 41 is disposed so as to receive the light flux emitted from the light distribution correction lens 30.
- the incident side lens group 41 converts the light flux emitted from the light distribution correction lens 30 into approximately collimated light.
- the exit-side lens group 42 is disposed so that the light beam emitted from the entrance-side lens group 41 is incident on the exit-side lens group 42.
- the exit-side lens group 42 condenses the light beam emitted from the entrance-side lens group 41.
- the light beam once condensed by the exit-side lens group 42 then diverges, illuminating a wide area.
- the entrance lens group 41 and the exit lens group 42 are arranged so as to satisfy the above formula (4).
- the imaging unit 2 captures, as an image, interference fringes projected onto the surface of an object on the exit side of the image of the light exit portion.
- the arithmetic and control unit 3 calculates unevenness information (three-dimensional shape) of the object surface based on the image signal from the imaging unit 2 .
- Light input to the input waveguide 22 of the light source 20 is branched by the optical coupler 25.
- the branched light passes through a first waveguide 23 and a second waveguide 24. Since the phase of the light passing through the first waveguide 23 is controlled by a heater, two light beams with different phases are emitted substantially parallel from the first waveguide 23 and the second waveguide 24.
- the light beam emitted from the light source 20 is magnified by the entrance lens group 41 and the exit lens group 42 that constitute the magnifying optical system 40, and interference fringes are projected onto the object surface 70 to be measured.
- the shape measuring device projects interference fringes onto the object surface 70 using the interference fringe projection optical system 10, and while scanning the interference fringes using an interference fringe scanning unit (not shown), captures the interference fringes on the object surface 70 using the imaging unit 2.
- the image signal is then input to the calculation and control unit 3.
- the calculation and control unit 3 then calculates unevenness information on the object surface 70 based on the image signal of the interference fringes to measure the three-dimensional shape.
- the light distribution correction lens 30 is a single lens having positive power into which the light beams emitted from the first waveguide 23 and the second waveguide 24 are incident, and is disposed at a position where the distance to the first waveguide 23 and the second waveguide 24 is shorter than the distance to the entrance-side lens group 41.
- the entrance pupil becomes substantially infinite. This improves the robustness of the distortion of the interference fringes against the wavefront aberration on the object surface 70. Furthermore, even if the object surface 70 is located at a position away from the shape measuring device 1, the distance between the principal rays of the two light beams can be maintained, so that the contrast of the interference fringes can be kept high even at a distance.
- a concave lens 50 is disposed between the light distribution correction lens 30 and the entrance side lens group 41.
- the concave lens 50 is a meniscus lens with its convex surface facing the entrance lens group 41. This configuration forms a retrofocus optical system.
- the concave lens 50 is disposed so as to be aplanatic.
- the concave lens 50 has a curved surface 50a on the side of the incident-side lens group 41 and a curved surface 50b on the side of the light distribution correction lens 30.
- the curved surface 50b of the concave lens 50 is an arc with the point P as the center.
- the light refracted by the curved surface 50b of the concave lens 50 coincides with point P' on the optical axis O, i.e., with the output end surface 26 of the light source 20.
- the concave lens 50 at a position that satisfies the aplanatic condition (the condition under which neither spherical aberration nor coma aberration occurs), it is possible to suppress aberration.
- the concave lens (meniscus lens) 50 is disposed between the light distribution correction lens 30 and the incident-side lens group 41, thereby forming a retrofocus optical system, and it is possible to shorten the overall length of the interference fringe projection optical system 10A.
- the concave lens 50 does not necessarily have to be arranged so that it is aplanatic, but by arranging the concave lens 50 so that it is aplanatic, it is possible to provide an interference fringe projection optical system 10A that suppresses distortion of the interference fringes while making the interference fringe projection optical system 10A compact.
- the concave lens 50 by arranging the concave lens 50 so that it is aplanatic, wavefront aberration can be suppressed. In other words, there is almost no change in aberration between an optical system with a concave lens 50 and an optical system without a concave lens 50. Therefore, when the total length of the optical system is approximately the same between an optical system with a concave lens 50 and an optical system without a concave lens 50, the imaging magnification can be changed. Therefore, it is possible to realize an optical system with a different illumination angle of view while sharing the optical system other than the concave lens 50. For example, in general endoscopes, the angle of view (140 degrees) in an upper endoscope is smaller than the angle of view (170 degrees) in a lower endoscope.
- the imaging magnification can be changed, and the optical system other than the concave lens 50 can be shared. As a result, the manufacturing cost can be reduced.
- an interference fringe projection optical system 10B of this modified example differs from that of the first embodiment in the configuration of an exit-side lens group 42A.
- the exit side lens group 42A has a lens 42b and a plano-convex lens 42c.
- the lens 42b is disposed so that the light beam emitted from the incident side lens group 41 is incident thereon, and is a plano-convex lens with a convex surface facing the incident side lens group 41 side.
- the plano-convex lens 42c has a shape obtained by cutting a part of a ball lens.
- the plano-convex lens 42c is disposed so that the light beam emitted from the lens 42b is incident on the plano-convex lens 42c, and is a lens with a convex surface facing the lens 42b.
- the plano-convex lens 42c is disposed so as to be aplanatic.
- the plano-convex lens 42c is formed so as to collect the incident light beam on the exit end surface (flat surface) 42d. In other words, the focal point of the plano-convex lens 42c is located on the exit end surface 42d.
- a ball lens which can be manufactured inexpensively, can be used as the plano-convex lens 42c, thereby reducing manufacturing costs. Furthermore, by arranging the plano-convex lens 42c so as to be aplanatic, it is possible to provide an interference fringe projection optical system 10B in which distortion of the interference fringes is suppressed. As in the first modified example, a concave lens 50 may be disposed between the light distribution correction lens 30 and the entrance side lens group 41 .
- a concave lens (meniscus lens) 50 is disposed between the light distribution correction lens 30 and the entrance side lens group 41.
- the plano-convex lens 42e has a shape obtained by cutting a part of a ball lens.
- the plano-convex lens 42e is formed by cutting a ball lens so that the focal position does not coincide with the exit end face 42f.
- the radius of curvature, the refractive index, and the lens thickness of the plano-convex lens 42e are specified so that the focal position is located on the optical axis O inside the plano-convex lens 42e.
- the flat glass 43 is provided in contact with the exit end surface 42f of the plano-convex lens 42e.
- the flat glass 43 is disposed so that the light beam emitted from the exit-side lens group 42A is incident on the flat glass 43.
- the plano-convex lens 42e and the flat glass 43 are bonded together with an adhesive.
- the refractive index of the plano-convex lens 42e and the refractive index of the flat glass 43 are the same.
- flat glass 43 is placed on the exit end surface 42f. This flat glass 43 makes it possible to increase the outer diameter of the light beam exiting from the flat glass 43, thereby making it possible to reduce the energy density at the exit end surface 43a of the flat glass 43.
- the plano-convex lens 42e is formed so that the focal position of the plano-convex lens 42e does not coincide with the exit end face 42f, but the focal point is located on the optical axis O inside the plano-convex lens 42e.
- the light beam is not focused at the position of the adhesive between the plano-convex lens 42e and the flat glass 43, photodegradation of the adhesive can be prevented.
- spherical aberration occurs due to the placement of the flat glass 43, the entrance pupil can be made larger because the light distribution correction lens 30 is placed, so that the influence of the distortion of the interference fringes on the aberration caused by the flat glass 43 can be suppressed.
- the concave lens 50 is disposed between the light distribution correction lens 30 and the entrance-side lens group 41, the overall length in the optical axis direction of the interference fringe projection optical system 10C can be made shorter than that of the second modified example. Due to the effect of improving robustness provided by the light distribution correction lens 30, the effect of the spherical aberration occurring in the flat glass 43 can be ignored.
- the plano-convex lens 42e and the flat glass 44 have different refractive indices. If the refractive index of the plano-convex lens 42e is n1 and the refractive index of the flat glass 44 is n2, n1>n2 holds. With this configuration, the light beam emitted from the plano-convex lens 42e is refracted by the flat glass 44. As a result, even if the thickness of the flat glass 44 in the optical axis O direction is reduced, the spread angle of the light emitted from the flat glass 44 can be maintained. 5, the length dimension in the optical axis O direction of the flat glass 44 can be made shorter. Therefore, the overall length in the optical axis O direction of the interference fringe projection optical system 10D can be made shorter, and further miniaturization can be achieved.
- the outer diameter of the flat glass 44 is larger than the outer diameter of the plano-convex lens 42e.
- the flat glass 44 and the plano-convex lens 42e are bonded together with an adhesive AD.
- the bonding between the flat glass 44 and the plano-convex lens 42e is not limited to the adhesive, and may be, for example, optical contact.
- a spacer ring 60 is provided between the lens 42b and the flat glass 44.
- the spacer ring 60 is formed in a cylindrical shape, and the plano-convex lens 42e is disposed therein.
- a first end of the spacer ring 60 is bonded to the exit end surface 42g of the lens 42b, and a second end of the spacer ring 60 is bonded to the entrance end surface 44a of the flat glass 44.
- Lens frame 61 is formed in a cylindrical shape, and spacer ring 60 is held inside lens frame 61.
- lens frame 61 and spacer ring 60 are separate bodies, but they may be configured as an integrated unit.
- plano-convex lens ball lens
- the flat glass 44 to which the plano-convex lens 42e is bonded is held by the spacing ring 60, making the mounting process easier.
- the axis of the plano-convex lens 42e is misaligned, the light beam will be emitted at an angle, but because the axis of the plano-convex lens 42e can be suppressed, the deviation in the projection position of the interference fringes projected onto the object surface 70 can be reduced.
- the interference fringe projection optical system 10E of this modified example includes a light blocking plate 51. 8, an opening 51a is formed in the center of the light shielding plate 51.
- the light shielding plate 51 is disposed between the light distribution correction lens 30 and the concave lens 50.
- the light shielding plate 51 is bonded to an end face 50c on the incident side of the concave lens 50.
- the end face 50c of the concave lens 50 which is located outside the effective diameter of the incident surface, is made flat, and the light blocking plate 51 is abutted against this flat surface. With this configuration, the light blocking plate 51 can be easily mounted on the concave lens 50.
- plano-convex lens 42c is used in which the light beam emitted from the light source 20 is focused on the exit end surface 42f of the plano-convex lens 42c.
- a plano-convex lens 42e may be used in which the light beam emitted from the light source 20 is not focused on the exit end surface 42f of the plano-convex lens 42c.
- the mirror frame and the spacing ring may be subjected to an anti-reflection treatment.
- the anti-reflection treatment include black painting, black plating, and black dyeing.
- This modified example includes a lens frame and a spacing ring that hold the interference fringe projection optical system 10D of the fourth modified example.
- a cylindrical spacing ring 81 is provided between the light distribution correction lens 30 and the concave lens 50
- a cylindrical spacing ring 82 is provided between the concave lens 50 and the incident-side lens group 41
- a cylindrical spacing ring 83 is provided between the incident-side lens group 41 and lens 42 b
- a cylindrical spacing ring 84 is provided between the lens 42 b and the flat glass 44.
- the spacing rings 81 to 84 hold the optical elements (light distribution correction lens 30, concave lens 50, incident-side lens group 41, lens 42b, and plano-convex lens 42c) while maintaining a predetermined distance between them in the direction of the optical axis O.
- Examples of materials for the spacing rings 81 to 84 include glass and ceramics.
- Lens frame 85 is formed in a cylindrical shape, and spacing rings 81 to 84 are held inside lens frame 85. In this modified example, lens frame 85 and spacing rings 81 to 84 are separate bodies, but they may be configured as an integrated unit.
- the spacing rings were made of metal, the light L1 that reaches the spacing rings would become scattered light.
- the spacing rings 81-84 are made of glass or ceramics, so the light that reaches the spacing rings 81-84 becomes reflected light, not scattered light. This makes it easier to control the light beam through design. Furthermore, it becomes possible for only the intended light beam to pass through the focusing point preferentially.
- a light-shielding mask 52 is provided between the plano-convex lens 42c and the flat glass 44.
- An opening 52a is formed in the center of the light-shielding mask 52.
- the light-shielding mask 52 is arranged so that the focal point of the light beam is located within the opening 52a. In other words, it is preferable to arrange the light-shielding mask 52 near the focal point. With this configuration, the light L1 reflected by the spacing ring 82 is blocked by the light-shielding mask 52, thereby suppressing the occurrence of uneven illumination (disintegration of the stripe pattern).
- the method for forming the light-shielding mask 52 is not particularly limited, but a pinhole mask may be formed on the exit end surface of the plano-convex lens 42c by Cr deposition or the like. Alternatively, a pinhole mask may be formed on the entrance end surface 44a of the flat glass 44 on the plano-convex lens 42c side by Cr deposition or the like. As shown in FIG. 6, a plano-convex lens 42e may be used in which the light beam emitted from the light source 20 is not focused on an exit end surface 42f of the plano-convex lens 42c.
- the light emitted from the light source 20 and reflected, for example, by the spacing ring 82 passes through the entrance lens group 41 and the exit lens group 42A, and is blocked by the light-shielding mask 52. Therefore, unnecessary light (other than the intended light beam) can be removed, and distortion of the interference fringes can be further suppressed.
- the light distribution correction lens 30 and the lens 41b of the entrance-side lens group 41 are lenses having the same shape and material.
- the light distribution correction lens 30 and the lens 42b of the exit-side lens group 42A may also be lenses having the same shape and material.
- this modified example by sharing the light distribution correction lens 30 and the lens 41b of the entrance-side lens group 41, the number of types of molds and jigs for forming the light distribution correction lens 30 and the lens 41b can be reduced and batch processing can be performed, thereby reducing costs.
- the endoscope 110 is a device for observing and treating the inside of the body of a patient lying on, for example, an operating table. As shown in Fig. 11, the endoscope 110 includes an elongated insertion section 111 to be inserted into the body of the patient, an operation section 112 connected to the base end of the insertion section 111, and a universal cord 113 extending from the operation section 112.
- a treatment tool insertion port 110a is formed on the proximal end side of the insertion portion 111.
- the treatment tool insertion port 110a is connected to a proximal end of a treatment tool insertion channel (not shown) inside the insertion portion 111.
- the treatment tool insertion port 110a is an insertion port for inserting an endoscopic treatment tool (not shown) into the treatment tool insertion channel.
- the operation unit 112 accepts operations for the endoscope 110.
- the universal cord 113 connects the endoscope 110 and the arithmetic and control unit 3.
- the tip of the insertion section 111 of the endoscope 110 is provided with an interference fringe projection optical system 10D of the sixth modified example and an imaging section 2.
- the exit end surface 44b of the flat glass 44 of the interference fringe projection optical system 10D is located at the tip opening of the insertion section 111.
- interference fringes are projected from the interference fringe projection optical system 10D toward the measurement object from the exit end surface 44b of the flat glass 44 arranged at the tip of the insertion section 111.
- the interference fringes are photographed by the imaging section 2.
- the imaging unit 2 captures, as an image, interference fringes projected onto an object surface on the emission side of the images of the first waveguide 23 and the second waveguide 24.
- the imaging unit 2 may be provided outside the endoscope 110, not at the tip of the insertion unit 111.
- the arithmetic and control unit 3 calculates unevenness information (three-dimensional shape) of the object surface based on the image signal from the imaging unit 2 .
- the operation of the endoscope 110 configured as above will be described.
- light is emitted from the interference fringe projection optical system 10D, and interference fringes are projected onto the uneven shape from the tip of the insertion section 111 of the endoscope 110.
- the interference fringes are imaged in the imaging section 2, and the image signal is input to the calculation and control section 3.
- the calculation and control section 3 calculates unevenness information on the surface of the measurement object based on the image signal of the interference fringes, and measures the three-dimensional shape.
- an interference fringe projection optical system 10D is used that suppresses distortion of interference fringes even though it is compact, making it possible to accurately measure the uneven shape of the measurement target without increasing the outer diameter of the endoscope.
- the endoscope system 100 includes an endoscope 110, a projection probe 120, and an arithmetic and control unit 3.
- the projection probe 120 includes the interference fringe projection optical system 10E of the fifth modified example described above.
- an endoscope 110 includes a long and thin insertion portion 111, an operation portion 112, and a universal cord 113, similar to the second embodiment.
- the treatment tool insertion port 110a is an insertion port for inserting the projection probe 120 of FIG. 13 in addition to an endoscopic treatment tool (not shown) into the treatment tool insertion channel.
- the projection probe 120 projects interference fringes toward a measurement target.
- the projection probe 120 is provided with an interference fringe projection optical system 10E of a fifth modified example and an imaging unit 2. With this configuration, the interference fringes projected from the projection probe 120 are captured by the imaging unit 2.
- an endoscope imaging section 2A is provided at the tip of the insertion section 11 of the endoscope 110.
- the imaging unit 2 captures, as an image, interference fringes projected onto the object surface on the exit side of the images of the first waveguide 23 and the second waveguide 24 .
- the arithmetic and control unit 3 calculates unevenness information (three-dimensional shape) of the object surface based on the image signal from the imaging unit 2 .
- the projection probe 120 When measuring the uneven shape inside a body, as shown in Fig. 14, the projection probe 120 is inserted from the treatment tool insertion port 110a and pushed into the tip of the insertion section 111. After the projection probe 120 is protruded from the tip of the insertion section 111, it projects interference fringes toward the measurement object.
- the imaging section 2 captures an image of the interference fringes, and the image signal is input to the calculation and control section 3.
- the calculation and control section 3 then calculates unevenness information on the surface of the measurement object based on the image signal of the interference fringes to measure the three-dimensional shape.
- a projection probe 120 is used that suppresses distortion of interference fringes even though it is small, making it possible to accurately measure the uneven shape of the measurement target without increasing the outer diameter of the endoscope.
- the projection probe 130 is provided with an interference fringe projection optical system 10E of the fifth modified example.
- the imaging unit 2 is provided at the tip of the insertion section 111 of the endoscope 110. With this configuration, the interference fringes projected from the projection probe 130 are photographed by the imaging unit 2.
- the imaging unit 2 also serves as the endoscopic imaging unit 2A of the third embodiment. The other configurations are the same as those of the third embodiment.
- the outer diameter of the projection probe 130 can be made smaller than the outer diameter of a projection probe that includes an imaging unit.
- the imaging section 2 is configured to also function as the endoscopic imaging section 2A of the third embodiment, but the endoscope 110 may be provided with an endoscopic imaging section 2A separate from the imaging section 2.
- an endoscope equipped with a shape measuring device having an interference fringe projection optical system 10D of the sixth variant was described, but the endoscope may also be equipped with a shape measuring device using an interference fringe projection optical system of the first embodiment, the first to fifth variants, or the seventh variant.
- an endoscopic system equipped with a shape measuring device of the fifth variant was described, but the endoscopic system may also be equipped with a shape measuring device using an interference fringe projection optical system of the first to fourth, sixth, or seventh variants.
- the interference fringe projection optical system, shape measurement device, and shape measurement method of the present invention can suppress distortion of interference fringes even if the interference fringe projection optical system is made compact.
- f1 focal length f2 focal length xd distance shape measuring device 2 imaging unit 3 calculation control unit 10, 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F interference fringe projection optical system 20 light source 23 first waveguide (light emission unit) 24 Second waveguide (light emission section) 30 Light distribution correction lens (convex lens) 40 Magnifying optical system 41 Incident side lens group 42, 42A Exit side lens group 43, 44 Flat glass 50 Concave lens (meniscus lens) 51 Light shielding plate 70 Object surface 100 Endoscope system
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Surgery (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Astronomy & Astrophysics (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
干渉縞投影光学系において、干渉縞を生成する光源は、前記拡大光学系の入射側に並んで位置する2つの光射出部を有し、前記光射出部から射出された光束が入射し、正のパワーを有する単レンズである配光補正レンズは、入射側レンズ群までの距離よりも前記光射出部までの距離の方が小さい位置に配置される。 前記入射側レンズ群の焦点距離をf1、射出側レンズ群の焦点距離をf2、とするとき、f1/f2>3、を満たし、前記入射側レンズ群及び前記射出側レンズ群はそれぞれ正屈折力を有し、前記入射側レンズ群の射出側主点から前記射出側レンズ群の入射側主点までの距離をxdとしたとき、xd<f1+f2、を満たす。
Description
本発明は、干渉縞投影光学系、形状測定装置、及び形状測定方法に関する。
干渉縞を投影する装置として、例えば、干渉縞投影光学系と、撮像部と、演算部とを備えた形状測定装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。形状測定装置は、干渉縞投影光学系により測定対象の物体表面に干渉縞を投影し、投影された干渉縞を撮像部で撮影し、その撮影した干渉縞を演算部で解析して物体表面の三次元形状を計測する。
光源から射出される主光線が平行する2つの発散光束を投影する拡大光学系において、2つの光束は可干渉性を有している。入射側レンズ群の焦点距離をf1とし、射出側レンズ群の焦点距離をf2としたとき、入射側レンズ群の射出側主点から射出側レンズ群の入射側主点までの距離をxdとすると、xd/(f1+f2)=1を満たさない場合、光学系から射出される2つの光束の主光線が平行を保てなくなる(像側テレセントリックでなくなる)ことにより、入射瞳が小さくなる。このため、瞳面における2光束の波面収差の差異が大きくなり干渉縞が歪んでしまう。特に、拡大光学系を小型化しようとする場合、xd/(f1+f2)<1とする必要があるため、テレセントリック性が保たれなくなり干渉縞が歪んでしまう。
特許文献1では、上記のような主光線同士が平行を保てなくなることに起因するコントラストの低下が比較的生じにくいレンズ群の間の面間隔や焦点距離の範囲ついての開示がなされている。しかしながら、主光線同士が平行でなくなることに起因する干渉縞の歪みを抑制する構成については開示されていない。
特許文献1では、上記のような主光線同士が平行を保てなくなることに起因するコントラストの低下が比較的生じにくいレンズ群の間の面間隔や焦点距離の範囲ついての開示がなされている。しかしながら、主光線同士が平行でなくなることに起因する干渉縞の歪みを抑制する構成については開示されていない。
本発明はこのような事情を考慮してなされ、光学系を小型にしたとしても干渉縞の歪みの発生を抑制することができる干渉縞投影光学系、形状測定装置、及び形状測定方法を提供することを目的とする。
本発明の第一態様に係る干渉縞投影光学系は、干渉縞を生成する光源と、前記干渉縞を拡大して物体表面上に投影する拡大光学系と、を備え、前記光源は、前記拡大光学系の入射側に並んで位置する2つの光射出部を有している。
前記拡大光学系は、前記光射出部から射出された光束が入射し、正のパワーを有する単レンズである配光補正レンズと、前記配光補正レンズから射出された光束が入射する側の入射側レンズ群と、前記光束を射出して前記物体表面に向けて前記干渉縞を投影する側の射出側レンズ群とから構成されている。
前記配光補正レンズは、前記入射側レンズ群までの距離よりも前記光射出部までの距離の方が小さい位置に配置されている。
前記入射側レンズ群の焦点距離をf1、前記射出側レンズ群の焦点距離をf2、とするとき、f1/f2>3、である。
前記入射側レンズ群及び前記射出側レンズ群はそれぞれ正屈折力を有し、前記入射側レンズ群の射出側主点から前記射出側レンズ群の入射側主点までの距離をxdとしたとき、xd<f1+f2、を満たす。
前記拡大光学系は、前記光射出部から射出された光束が入射し、正のパワーを有する単レンズである配光補正レンズと、前記配光補正レンズから射出された光束が入射する側の入射側レンズ群と、前記光束を射出して前記物体表面に向けて前記干渉縞を投影する側の射出側レンズ群とから構成されている。
前記配光補正レンズは、前記入射側レンズ群までの距離よりも前記光射出部までの距離の方が小さい位置に配置されている。
前記入射側レンズ群の焦点距離をf1、前記射出側レンズ群の焦点距離をf2、とするとき、f1/f2>3、である。
前記入射側レンズ群及び前記射出側レンズ群はそれぞれ正屈折力を有し、前記入射側レンズ群の射出側主点から前記射出側レンズ群の入射側主点までの距離をxdとしたとき、xd<f1+f2、を満たす。
本発明の第二態様に係る形状測定装置は、干渉縞を生成する光源と、前記干渉縞を拡大して物体表面上に投影する拡大光学系と、を備え、前記光源は、前記拡大光学系の入射側に並んで位置する2つの光射出部を有し、前記拡大光学系は、前記光射出部から射出された光束が入射し、正のパワーを有する単レンズである配光補正レンズと、前記配光補正レンズから射出された光束が入射する側の入射側レンズ群と、前記光束を射出して前記物体表面に向けて前記干渉縞を投影する側の射出側レンズ群とから構成され、前記配光補正レンズは、前記入射側レンズ群までの距離よりも前記光射出部までの距離の方が小さい位置に配置され、前記入射側レンズ群の焦点距離をf1、前記射出側レンズ群の焦点距離をf2、とするとき、f1/f2>3を満たし、前記入射側レンズ群及び前記射出側レンズ群はそれぞれ正屈折力を有し、前記入射側レンズ群の射出側主点から前記射出側レンズ群の入射側主点までの距離をxdとしたとき、xd<f1+f2、を満たす干渉縞投影光学系と、前記光射出部の像よりも射出側の前記物体表面に投影される前記干渉縞を画像として撮像する撮像部と、前記撮像部からの画像信号に基づいて前記物体表面の凹凸情報を演算する演算部と、を備える。
本発明の第三態様に係る形状測定方法は、干渉縞を生成する光源と、前記干渉縞を拡大して物体表面上に投影する拡大光学系と、を備え、前記光源は、前記拡大光学系の入射側に並んで位置する2つの光射出部を有し、前記拡大光学系は、前記光射出部から射出された光束が入射し、正のパワーを有する単レンズである配光補正レンズと、前記配光補正レンズから射出された光束が入射する側の入射側レンズ群と、前記光束を射出して前記物体表面に向けて前記干渉縞を投影する側の射出側レンズ群とから構成され、前記配光補正レンズは、前記入射側レンズ群までの距離よりも前記光射出部までの距離の方が小さい位置に配置され、前記入射側レンズ群の焦点距離をf1、前記射出側レンズ群の焦点距離をf2、とするとき、f1/f2>3を満たし、前記入射側レンズ群及び前記射出側レンズ群はそれぞれ正屈折力を有し、前記入射側レンズ群の射出側主点から前記射出側レンズ群の入射側主点までの距離をxdとしたとき、xd<f1+f2、を満たす干渉縞投影光学系を用いた形状測定方法であって、前記光射出部の像よりも射出側の前記物体表面に投影される前記干渉縞を画像として撮像し、撮像された画像の画像信号に基づいて前記物体表面の凹凸情報を演算する。
上記態様によれば、干渉縞投影光学系を小型にしたとしても干渉縞の歪みの発生を抑制することができる。
(第1実施形態)
以下、第1実施形態に係る干渉縞投影光学系を用いた形状測定装置の構成を、図1及び図2を参照しながら説明する。
図1は、第1実施形態に係る形状測定装置の要部の概略構成図である。形状測定装置1は、干渉縞投影光学系10と、撮像部2と、コンピュータ等からなる演算制御部3とを備えている。
以下、第1実施形態に係る干渉縞投影光学系を用いた形状測定装置の構成を、図1及び図2を参照しながら説明する。
図1は、第1実施形態に係る形状測定装置の要部の概略構成図である。形状測定装置1は、干渉縞投影光学系10と、撮像部2と、コンピュータ等からなる演算制御部3とを備えている。
干渉縞投影光学系10は、光源20と、拡大光学系40とを備えている。
光源20として、本実施形態では、PLC(Planar Lightwave Circuit,平面光回路)を用いている。図2に示すように、PLCは、例えば、シリコン基板21上に石英系の材料を用いて導波路構造が形成されている。光源20の構成は特に限定されないが、例えば、シリコン基板21上に、入力導波路22と、第1導波路23と、第2導波路24と、光カプラ25とが形成されている。第1導波路23と、第2導波路24とは平行に形成されている。入力導波路22に入力された光は、光カプラ25により第1導波路(光射出部)23と第2導波路(光射出部)24とに分岐されて、第1導波路23及び第2導波路24から可干渉光が射出される。入力導波路22に入力させる光は、例えば、単波長のレーザ光である。
第1導波路23の近傍には、例えば、ヒーター(図示略)が配置されており、ヒーターにより第1導波路23と第2導波路24とから射出される2つの光束の位相差が変更される。第1導波路23と第2導波路24とから射出される2つの光束の位相差を変更させる構成はヒーターに限らず、例えば、可動反射鏡を用いて干渉させる2つの光束の走路長差を変化させてもよく、公知の種々の構成が適用可能である。
第1導波路23と第2導波路24との配列方向の間隔は、約50μmである。
図1では、2つの第1導波路23、第2導波路24から射出された光束の主光線は、実際は2本であるが、2つの光束の主光線は非常に近いため、以下の説明において、2つの光束の主光線うち1本のみを示す。
第1導波路23と第2導波路24との配列方向の間隔は、約50μmである。
図1では、2つの第1導波路23、第2導波路24から射出された光束の主光線は、実際は2本であるが、2つの光束の主光線は非常に近いため、以下の説明において、2つの光束の主光線うち1本のみを示す。
図1に示すように、拡大光学系40は、配光補正レンズ30と、入射側レンズ群41と、射出側レンズ群42とを有する。入射側レンズ群41は、正の屈折力を有する単一のレンズ41aから構成されている。同様に、射出側レンズ群42も、正の屈折力を有する単一のレンズ42aから構成されている。
図1に示すように、配光補正レンズ30から射出された2つの光束が、拡大光学系40により拡大されて物体表面70に投影される。光源20から射出された光束を拡大させるために、拡大光学系40は、レンズ41aの焦点距離f1をレンズ42aの焦点距離f2よりも大きくする。本実施形態では、焦点距離f1と焦点距離f2との関係は以下の数式(1)を満たす。
図1に示すように、配光補正レンズ30から射出された2つの光束が、拡大光学系40により拡大されて物体表面70に投影される。光源20から射出された光束を拡大させるために、拡大光学系40は、レンズ41aの焦点距離f1をレンズ42aの焦点距離f2よりも大きくする。本実施形態では、焦点距離f1と焦点距離f2との関係は以下の数式(1)を満たす。
物体表面70の広い範囲に亘って形状測定を行うには、広い範囲に光束を広げる必要があり、光束を広げるには、f1/f2が3を上回るのが好ましい。光源20の導波路端面から射出される光束のビーム半径(エネルギーが1/e2となる半径)w0を1.5μm、波長を520nmとすると、発散角は下記の式(2)より求められ、NA=sinθからNA=0.110となる。撮像系の半画角を70deg(NA=0.940)とする場合、投影光学系の倍率は8.5倍(0.940/0.110)とする必要があるため、f1/f2が8.5を上回るとよい。さらにエネルギーが1/eとなる領域で照明したい場合は、下記の式(3)を用いて、同様に計算することでf1/f2が12を上回るとよいことが分かる。これにより、測定範囲を撮像系の視野角に適合させることができるため、好適である。
配光補正レンズ30は、光源20と、拡大光学系40の入射側レンズ群41との間に配置されている。配光補正レンズ30と光源(第1導波路23及び第2導波路24)20との距離は、配光補正レンズ30と入射側レンズ群41までの距離よりも短い。すなわち、配光補正レンズ30は、光源20に近づけて配置されている。
配光補正レンズ30は、光源20から射出された光束が入射し、正のパワー(凸レンズである)を有する単レンズである。配光補正レンズ30の作用は、光源20から射出された光束の主光線が前方に焦点を結び、その焦点が射出側レンズ群42の前側焦点に一致する。これにより、配光補正レンズ30から射出され、拡大光学系40を通過後の光束の主光線が平行(テレセントリック)になる。つまり、前方に焦点を結ばせるために、正のパワー(凸レンズである)を有することが好ましい。
配光補正レンズ30は、単レンズであるため、干渉縞投影光学系10の光軸O方向の全長が短くなる。光源20として単波長レーザを用いているため、配光補正レンズ30による色収差の影響を極力を抑えることができる。
また、第1導波路23と第2導波路24との間隔が非常に狭い(約50μm)ため、光源20から射出された2つの光束の主光線が光軸O近傍を通るため、配光補正レンズ30を単レンズとしても収差の発生を抑えることができる。
また、第1導波路23と第2導波路24との間隔が非常に狭い(約50μm)ため、光源20から射出された2つの光束の主光線が光軸O近傍を通るため、配光補正レンズ30を単レンズとしても収差の発生を抑えることができる。
入射側レンズ群41は、配光補正レンズ30から射出された光束が入射するように配置されている。入射側レンズ群41は、配光補正レンズ30から射出された光束を略コリメート光に変換する。
射出側レンズ群42は、入射側レンズ群41から射出された光束が入射するように配置されている。射出側レンズ群42は、入射側レンズ群41から射出された光束を集光させる。射出側レンズ群42により一度集光した光束は、その後、発散するため広い領域を照明する。
射出側レンズ群42は、入射側レンズ群41から射出された光束が入射するように配置されている。射出側レンズ群42は、入射側レンズ群41から射出された光束を集光させる。射出側レンズ群42により一度集光した光束は、その後、発散するため広い領域を照明する。
入射側レンズ群41及び射出側レンズ群42のそれぞれの主点位置の間隔、つまり入射側レンズ群41の射出側主点から射出側レンズ群42の入射側主点までの距離をxdとしたとき、以下の数式(4)を満たす。
上記数式(4)を満たすように、入射側レンズ群41及び射出側レンズ群42が配置されている。
撮像部2は、光射出部の像よりも射出側の物体表面に投影される干渉縞を画像として撮像する。
演算制御部3は、撮像部2からの画像信号に基づいて物体表面の凹凸情報(三次元形状)を演算する。
演算制御部3は、撮像部2からの画像信号に基づいて物体表面の凹凸情報(三次元形状)を演算する。
次に、以上のように構成された干渉縞投影光学系を用いた形状測定装置の作用について説明する。
光源20の入力導波路22に入力される光は、光カプラ25によって分岐される。分岐された光は、第1導波路23及び第2導波路24を通る。第1導波路23を通る光束の位相は、ヒーターにより制御されているため、第1導波路23及び第2導波路24から位相の異なる2つの光束が略平行に射出される。
光源20から射出された光束は、拡大光学系40を構成する入射側レンズ群41及び射出側レンズ群42により拡大され、測定対象の物体表面70に干渉縞が投影される。
光源20の入力導波路22に入力される光は、光カプラ25によって分岐される。分岐された光は、第1導波路23及び第2導波路24を通る。第1導波路23を通る光束の位相は、ヒーターにより制御されているため、第1導波路23及び第2導波路24から位相の異なる2つの光束が略平行に射出される。
光源20から射出された光束は、拡大光学系40を構成する入射側レンズ群41及び射出側レンズ群42により拡大され、測定対象の物体表面70に干渉縞が投影される。
本実施形態に係る形状測定装置は、干渉縞投影光学系10により物体表面70に干渉縞を投影し、その干渉縞を干渉縞走査部(図示略)により走査しながら、物体表面70上の干渉縞を撮像部2で撮像する。その画像信号を演算制御部3に取り込む。そして、演算制御部3において、干渉縞の画像信号に基づいて物体表面70の凹凸情報を演算して三次元形状を計測する。
本実施形態によれば、配光補正レンズ30は、第1導波路23及び第2導波路24から射出された光束が入射する正のパワーを有する単レンズであり、入射側レンズ群41までの距離よりも第1導波路23及び第2導波路24までの距離の方が小さい位置に配置されている。この構成により、光源20から射出され、拡大光学系40を通過後の2つの光束は、略平行となるため、入射瞳が略無限大になり、瞳面における2つの光束の主光線のシフト量は無視することができる。このため、2つの光束の波面形状は略同一と見なすことができる。したがって、波面収差の差異がほとんどなくなり、波面収差の影響を抑えることができるため、干渉縞の歪みの発生を抑制することができる。
また、入射側レンズ群41と射出側レンズ群42との距離xdを小さくしても、言い換えると、入射側レンズ群41と射出側レンズ群42とを近づけたとしても、干渉縞の歪みの発生を抑制することができる。したがって、干渉縞投影光学系10を小型にしつつ、物体表面70に投影される干渉縞の歪みを抑えることができる。
また、入射側レンズ群41と射出側レンズ群42との距離xdを小さくしても、言い換えると、入射側レンズ群41と射出側レンズ群42とを近づけたとしても、干渉縞の歪みの発生を抑制することができる。したがって、干渉縞投影光学系10を小型にしつつ、物体表面70に投影される干渉縞の歪みを抑えることができる。
また、射出側レンズ群42から射出される光束の主光線が、光軸Oと略平行となるため、入射瞳が略無限となる。これにより、物体表面70における波面収差に対する干渉縞の歪みのロバスト性が向上する。
さらには、形状測定装置1から離れた位置に物体表面70が位置する場合でも、2光束の主光線の間隔が維持できるため、遠方でも干渉縞のコントラストを高いまま維持することができる。
さらには、形状測定装置1から離れた位置に物体表面70が位置する場合でも、2光束の主光線の間隔が維持できるため、遠方でも干渉縞のコントラストを高いまま維持することができる。
(第一変形例)
次に、本発明に係る第一変形例について説明するが、第1実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
次に、本発明に係る第一変形例について説明するが、第1実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図3に示すように、本変形例の干渉縞投影光学系10Aでは、配光補正レンズ30と入射側レンズ群41との間に凹レンズ50が配置されている。
凹レンズ50は、入射側レンズ群41側に凸面を向けたメニスカスレンズである。この構成により、レトロフォーカス光学系となる。
凹レンズ50は、入射側レンズ群41側に凸面を向けたメニスカスレンズである。この構成により、レトロフォーカス光学系となる。
凹レンズ50は、アプラナティックとなるように配置されている。凹レンズ50は、入射側レンズ群41側の曲面50aと、配光補正レンズ30側の曲面50bとを有する。凹レンズ50の曲面50bは、点Pを中心にした円弧である。
また、凹レンズ50の曲面50bによって屈折した光は、光軸O上の点P’、すなわち、光源20の出射端面26に一致している。このように、アプラナティック条件(球面収差及びコマ収差が生じない条件)を満たす位置に、凹レンズ50を配置させることにより、収差を抑制することができる。
また、凹レンズ50の曲面50bによって屈折した光は、光軸O上の点P’、すなわち、光源20の出射端面26に一致している。このように、アプラナティック条件(球面収差及びコマ収差が生じない条件)を満たす位置に、凹レンズ50を配置させることにより、収差を抑制することができる。
本変形例によれば、凹レンズ(メニスカスレンズ)50が、配光補正レンズ30と入射側レンズ群41との間に配置されているため、レトロフォーカス光学系となり、干渉縞投影光学系10Aの全長を短くすることができる。
また、凹レンズ50は、必ずしもアプラナティックとなるように配置されている必要はないが、凹レンズ50をアプラナティックとなるように配置されることにより、干渉縞投影光学系10Aを小型にしつつ、干渉縞の歪みを抑えた干渉縞投影光学系10Aを提供することができる。
また、凹レンズ50は、必ずしもアプラナティックとなるように配置されている必要はないが、凹レンズ50をアプラナティックとなるように配置されることにより、干渉縞投影光学系10Aを小型にしつつ、干渉縞の歪みを抑えた干渉縞投影光学系10Aを提供することができる。
さらに、凹レンズ50をアプラナティックとなるように配置されることにより、波面収差を抑えることができる。つまり、凹レンズ50を配置した光学系と、凹レンズ50を配置しない光学系との収差の変化はほとんどない。このため、凹レンズ50を配置する光学系と、凹レンズ50を配置しない光学系とで、光学系の全長を略同一とした場合、結像倍率を変更することができる。したがって、凹レンズ50以外の光学系を共通化した状態で、照明画角の異なる光学系を実現することできる。例えば、一般的に内視鏡では、上部内視鏡での画角(140degree)が、下部内視鏡での画角(170degree)より小さい。このため、上部内視鏡では、凹レンズ50を配置せず、下部内視鏡では、凹レンズ50を配置することにより、結像倍率を変更することができるため、凹レンズ50以外の光学系を共通化できる。その結果、製造コストを低減することができる。
(第二変形例)
次に、本発明に係る第二変形例について説明するが、第1実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
次に、本発明に係る第二変形例について説明するが、第1実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図4に示すように、本変形例の干渉縞投影光学系10Bでは、射出側レンズ群42Aの構成において、第1実施形態と異なる。
射出側レンズ群42Aは、レンズ42bと平凸レンズ42cとを有している。
レンズ42bは、入射側レンズ群41から射出された光束が入射するように配置されており、入射側レンズ群41側に凸面を向けた平凸レンズである。
平凸レンズ42cは、ボールレンズの一部をカットした形状である。平凸レンズ42cは、レンズ42bから射出された光束が入射するように配置されており、レンズ42bに凸面を向けたレンズである。
平凸レンズ42cは、アプラナティックとなるように配置されている。平凸レンズ42cは、入射した光束が射出端面(平面)42dにて集光するように形成されている。すなわち、平凸レンズ42cの焦点が射出端面42dに位置している。
射出側レンズ群42Aは、レンズ42bと平凸レンズ42cとを有している。
レンズ42bは、入射側レンズ群41から射出された光束が入射するように配置されており、入射側レンズ群41側に凸面を向けた平凸レンズである。
平凸レンズ42cは、ボールレンズの一部をカットした形状である。平凸レンズ42cは、レンズ42bから射出された光束が入射するように配置されており、レンズ42bに凸面を向けたレンズである。
平凸レンズ42cは、アプラナティックとなるように配置されている。平凸レンズ42cは、入射した光束が射出端面(平面)42dにて集光するように形成されている。すなわち、平凸レンズ42cの焦点が射出端面42dに位置している。
本変形例によれば、平凸レンズ42cとして安価に製造可能なボールレンズを使用することができるため、製造コストを抑えることができる。さらに、平凸レンズ42cをアプラナティックとなるように配置されることにより、干渉縞の歪みを抑えた干渉縞投影光学系10Bを提供することができる。
なお、第一変形例と同様に、配光補正レンズ30と入射側レンズ群41との間に凹レンズ50が配置されていてもよい。
なお、第一変形例と同様に、配光補正レンズ30と入射側レンズ群41との間に凹レンズ50が配置されていてもよい。
(第三変形例)
次に、本発明に係る第三変形例について説明するが、第二変形例と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
次に、本発明に係る第三変形例について説明するが、第二変形例と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図5に示すように、本変形例の干渉縞投影光学系10Cでは、配光補正レンズ30と入射側レンズ群41との間に凹レンズ(メニスカスレンズ)50が配置されている。
平凸レンズ42eは、ボールレンズの一部をカットした形状である。平凸レンズ42eは、焦点位置が射出端面42fに一致しないように、ボールレンズをカットして形成されている。本変形例では、平凸レンズ42eの内部の光軸O上に焦点が位置するように、平凸レンズ42eの曲率半径、屈折率、レンズの厚みが規定されている。
平凸レンズ42eは、ボールレンズの一部をカットした形状である。平凸レンズ42eは、焦点位置が射出端面42fに一致しないように、ボールレンズをカットして形成されている。本変形例では、平凸レンズ42eの内部の光軸O上に焦点が位置するように、平凸レンズ42eの曲率半径、屈折率、レンズの厚みが規定されている。
平板ガラス43は、平凸レンズ42eの射出端面42fに接触して設けられている。平板ガラス43は、射出側レンズ群42Aから射出された光束が入射するように配置されている。本変形例では、平凸レンズ42eと平板ガラス43とは接着剤により接着されている。
平凸レンズ42eの屈折率と平板ガラス43の屈折率とは同じである。
平凸レンズ42eの屈折率と平板ガラス43の屈折率とは同じである。
例えば、平凸レンズ42eの射出端面42fに平板ガラス43を用いない場合、射出端面42fにエネルギーが集中しているため、射出端面42fに液体が付着すると、射出端面42fに液体の焼き付きが起こってしまう。これを防ぐために、本変形例では、射出端面42fに平板ガラス43が配置されている。この平板ガラス43により、平板ガラス43から射出する光束の外径を大きくすることができるので、平板ガラス43の射出端面43aにおけるエネルギー密度を下げることが可能となる。
本変形例によれば、平凸レンズ42eの焦点位置が、射出端面42fに一致せず、平凸レンズ42eの内部の光軸O上に焦点が位置するように、平凸レンズ42eが形成されている。すなわち、光束が、平凸レンズ42eと平板ガラス43との間の接着剤の位置に集光しないため、接着剤の光劣化を防止することができる。
また、平板ガラス43を配置することにより、球面収差が発生するが、配光補正レンズ30が配置されているため、入射瞳を大きくすることができる。これにより、平板ガラス43による収差に対する干渉縞の歪みの影響を抑えることができる。
さらに、凹レンズ50が配光補正レンズ30と入射側レンズ群41との間に配置されているため、干渉縞投影光学系10Cの光軸方向の全長を第二変形例に比べて短くすることができる。
配光補正レンズ30によるロバスト性向上の効果により、平板ガラス43で生じた球面収差の影響を無視することができる。
また、平板ガラス43を配置することにより、球面収差が発生するが、配光補正レンズ30が配置されているため、入射瞳を大きくすることができる。これにより、平板ガラス43による収差に対する干渉縞の歪みの影響を抑えることができる。
さらに、凹レンズ50が配光補正レンズ30と入射側レンズ群41との間に配置されているため、干渉縞投影光学系10Cの光軸方向の全長を第二変形例に比べて短くすることができる。
配光補正レンズ30によるロバスト性向上の効果により、平板ガラス43で生じた球面収差の影響を無視することができる。
(第四変形例)
次に、本発明に係る第四変形例について説明するが、第三変形例と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
次に、本発明に係る第四変形例について説明するが、第三変形例と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図6に示すように、本変形例の干渉縞投影光学系10Dでは、平凸レンズ42eと平板ガラス44との屈折率が異なっている。
平凸レンズ42eの屈折率をn1とし、平板ガラス44の屈折率をn2とした場合、n1>n2が成り立つ。
この構成により、平凸レンズ42eから射出された光束は、平板ガラス44で屈折する。その結果、平板ガラス44の光軸O方向の厚みを薄くしても、平板ガラス44から射出される光の拡がり角を維持することができる。
また、図5に示す第三変形例の干渉縞投影光学系10Cに比べて、平板ガラス44の光軸O方向の長さ寸法を短くすることができる。したがって、干渉縞投影光学系10Dの光軸O方向の全長をより短くできるため、更なる小型化を図ることができる。
平凸レンズ42eの屈折率をn1とし、平板ガラス44の屈折率をn2とした場合、n1>n2が成り立つ。
この構成により、平凸レンズ42eから射出された光束は、平板ガラス44で屈折する。その結果、平板ガラス44の光軸O方向の厚みを薄くしても、平板ガラス44から射出される光の拡がり角を維持することができる。
また、図5に示す第三変形例の干渉縞投影光学系10Cに比べて、平板ガラス44の光軸O方向の長さ寸法を短くすることができる。したがって、干渉縞投影光学系10Dの光軸O方向の全長をより短くできるため、更なる小型化を図ることができる。
次に、干渉縞投影光学系10Dにおける平凸レンズ42eの保持の形態について説明する。
図7に示すように、平板ガラス44の外径は、平凸レンズ42eの外径よりも大きい。平板ガラス44と平凸レンズ42eとは、接着剤ADにより接合されている。平板ガラス44と平凸レンズ42eとの接合は、接着剤に限らず、例えば、オプティカルコンタクトであってもよい。
図7に示すように、平板ガラス44の外径は、平凸レンズ42eの外径よりも大きい。平板ガラス44と平凸レンズ42eとは、接着剤ADにより接合されている。平板ガラス44と平凸レンズ42eとの接合は、接着剤に限らず、例えば、オプティカルコンタクトであってもよい。
レンズ42bと平板ガラス44との間には、間隔環60が設けられている。間隔環60は筒状に形成されており、内部に平凸レンズ42eが配置されている。間隔環60の第一端がレンズ42bの射出端面42gに接合し、間隔環60の第二端が平板ガラス44の入射端面44aに接合している。
鏡枠61は筒状に形成されており、鏡枠61の内部に間隔環60が保持されている。本変形例では、鏡枠61と間隔環60とが、別体である例を挙げて説明したが、一体に構成されていてもよい。
鏡枠61は筒状に形成されており、鏡枠61の内部に間隔環60が保持されている。本変形例では、鏡枠61と間隔環60とが、別体である例を挙げて説明したが、一体に構成されていてもよい。
通常、平凸レンズ(ボールレンズ)を保持するのは困難であるが、本変形例では、平凸レンズ42eが接合された平板ガラス44が間隔環60により保持されているため、実装作業が容易になる。さらに、平凸レンズ42eの軸ズレが起きると、光束が斜めに射出されてしまうが、平凸レンズ42eの軸ズレを抑えられることができるため、物体表面70に投影される干渉縞の投影位置のズレを低減することができる。
(第五変形例)
次に、本発明に係る第五変形例について説明するが、第四変形例と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
次に、本発明に係る第五変形例について説明するが、第四変形例と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
本変形例の干渉縞投影光学系10Eは、遮光板51を備えている。
図8に示すように、遮光板51は、中央に開口部51aが形成されている。遮光板51は、配光補正レンズ30と凹レンズ50との間に配置されている。本変形例では、遮光板51は、凹レンズ50の入射側の端面50cに接合されている。
凹レンズ50の入射面の有効径より外側の端面50cを平面とし、この平面に遮光板51を当接させている。この構成により、遮光板51を凹レンズ50に容易に実装することができる。
また、光源20から射出された光束が、平凸レンズ42cの射出端面42fに集光する平凸レンズ42cを用いている。なお、図6に示すように、光源20から射出された光束が、平凸レンズ42cの射出端面42fに集光しない平凸レンズ42eを用いてもよい。
図8に示すように、遮光板51は、中央に開口部51aが形成されている。遮光板51は、配光補正レンズ30と凹レンズ50との間に配置されている。本変形例では、遮光板51は、凹レンズ50の入射側の端面50cに接合されている。
凹レンズ50の入射面の有効径より外側の端面50cを平面とし、この平面に遮光板51を当接させている。この構成により、遮光板51を凹レンズ50に容易に実装することができる。
また、光源20から射出された光束が、平凸レンズ42cの射出端面42fに集光する平凸レンズ42cを用いている。なお、図6に示すように、光源20から射出された光束が、平凸レンズ42cの射出端面42fに集光しない平凸レンズ42eを用いてもよい。
本変形例によれば、配光補正レンズ30から射出された光のうち、不要な光は遮光板51により遮光され、必要な光は遮光板51の開口部51aを通過し、凹レンズ50に入射する。これにより、所望の光束よりも外側の光束を遮光することで、迷光の発生を防ぎ、意図しない照明ムラ(縞パターンの崩れ)の発生を抑制することができる。さらに、遮光板51は、配光補正レンズ30と凹レンズ50との間に配置されているため、光束が多くの光学素子を通過する前に、迷光の発生を抑えることができる。これにより、不要な(意図しない)迷光の発生要因を早い段階で除去することできる。
また、上述した第四変形例に示したように、干渉縞投影光学系を鏡枠及び間隔環を用いて保持する場合は、鏡枠及び間隔環は、反射防止処理が施されていてもよい。反射防止処理としては、例えば、黒塗り、黒メッキ、黒染めなどが挙げられる。このように、鏡枠及び間隔環を反射防止処理することにより、鏡枠、間隔環で反射した意図しない光が吸収されるため、迷光の発生を抑制することができる。
なお、遮光板51は、配光補正レンズ30と凹レンズ50との間に配置されている構成としたが、遮光板51は、配光補正レンズ30と入射側レンズ群41との間に配置されていればよい。
なお、遮光板51は、配光補正レンズ30と凹レンズ50との間に配置されている構成としたが、遮光板51は、配光補正レンズ30と入射側レンズ群41との間に配置されていればよい。
(第六変形例)
次に、本発明に係る第六変形例について説明するが、第四変形例と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
次に、本発明に係る第六変形例について説明するが、第四変形例と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
本変形例は、第四変形例の干渉縞投影光学系10Dを保持する鏡枠及び間隔環を備えている。
図9に示すように、配光補正レンズ30と凹レンズ50との間には、筒状の間隔環81が設けられ、凹レンズ50と入射側レンズ群41との間には、筒状の間隔環82が設けられ、入射側レンズ群41とレンズ42bとの間には、筒状の間隔環83が設けられ、レンズ42bと平板ガラス44との間には、筒状の間隔環84が設けられている。
間隔環81~84により、各光学素子(配光補正レンズ30、凹レンズ50、入射側レンズ群41、レンズ42b、平凸レンズ42c)の光軸O方向に所定の間隔を保ちつつ、光学素子が保持されている。間隔環81~84の材料としては、ガラス、セラミックスが挙げられる。
鏡枠85は筒状に形成されており、鏡枠85の内部に間隔環81~84が保持されている。本変形例では、鏡枠85と間隔環81~84とが、別体である例を挙げて説明したが、一体に構成されていてもよい。
図9に示すように、配光補正レンズ30と凹レンズ50との間には、筒状の間隔環81が設けられ、凹レンズ50と入射側レンズ群41との間には、筒状の間隔環82が設けられ、入射側レンズ群41とレンズ42bとの間には、筒状の間隔環83が設けられ、レンズ42bと平板ガラス44との間には、筒状の間隔環84が設けられている。
間隔環81~84により、各光学素子(配光補正レンズ30、凹レンズ50、入射側レンズ群41、レンズ42b、平凸レンズ42c)の光軸O方向に所定の間隔を保ちつつ、光学素子が保持されている。間隔環81~84の材料としては、ガラス、セラミックスが挙げられる。
鏡枠85は筒状に形成されており、鏡枠85の内部に間隔環81~84が保持されている。本変形例では、鏡枠85と間隔環81~84とが、別体である例を挙げて説明したが、一体に構成されていてもよい。
ここで、間隔環の材料を金属で形成した場合は、間隔環に到達した光L1は、散乱光になってしまうが、本変形例では、間隔環81~84の材料は、ガラス、または、セラミックスにより形成されているため、間隔環81~84に到達した光は、散乱光ではなく反射光となる。これにより、光線を設計により制御しやすくなる。さらには、意図した光束のみが優先的に集光点を通過することが可能となる。
また、平凸レンズ42cと平板ガラス44との間に、遮光マスク52が設けられている。遮光マスク52の中央には開口部52aが形成されている。開口部52a内に光束の集光点が位置するように、遮光マスク52が配置されている。すなわち、遮光マスク52は、集光点の近傍に配置させることが好ましい。この構成により、間隔環82において反射した光L1は、遮光マスク52により遮光されるため、照明ムラ(縞パターンの崩れ)の発生を抑制することができる。
遮光マスク52の形成方法は特に限定されないが、平凸レンズ42cの射出端面にCr蒸着などによりピンホールマスクを形成してもよい。あるいは、平板ガラス44の平凸レンズ42c側の入射端面44aにCr蒸着などによりピンホールマスクを形成してもよい。
なお、図6に示すように、光源20から射出された光束が、平凸レンズ42cの射出端面42fに集光しない平凸レンズ42eを用いてもよい。
なお、図6に示すように、光源20から射出された光束が、平凸レンズ42cの射出端面42fに集光しない平凸レンズ42eを用いてもよい。
本変形例によれば、光源20から射出され、例えば間隔環82で反射した光は、入射側レンズ群41及び射出側レンズ群42Aを通過し、遮光マスク52により遮光される。したがって、不要な光(意図した光束以外)を取り除くことができるため、干渉縞の歪みをより抑えることができる。
(第七変形例)
次に、本発明に係る第七変形例について説明するが、第五変形例と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
次に、本発明に係る第七変形例について説明するが、第五変形例と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図10に示すように、本変形例の干渉縞投影光学系10Fでは、配光補正レンズ30と入射側レンズ群41のレンズ41bとの形状及び材質が同一のレンズである。なお、配光補正レンズ30と射出側レンズ群42Aのレンズ42bとの形状及び材質が同一のレンズであってもよい。
本変形例によれば、配光補正レンズ30と入射側レンズ群41のレンズ41bとを共通化することにより、配光補正レンズ30及びレンズ41bを形成する型や治具の種類を削減してバッチ処理することができるため、コストを低減することできる。
本変形例によれば、配光補正レンズ30と入射側レンズ群41のレンズ41bとを共通化することにより、配光補正レンズ30及びレンズ41bを形成する型や治具の種類を削減してバッチ処理することができるため、コストを低減することできる。
(第二実施形態)
次に、本発明に係る第二実施形態について説明する。第二実施形態では、図9に示す第六変形例の干渉縞投影光学系10Dを有する形状測定装置1を備えた内視鏡について説明する。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
次に、本発明に係る第二実施形態について説明する。第二実施形態では、図9に示す第六変形例の干渉縞投影光学系10Dを有する形状測定装置1を備えた内視鏡について説明する。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
内視鏡110は、例えば手術台に横たわる患者の体内を観察および処置する装置である。図11に示すように、内視鏡110は、患者の体内に挿入される細長い挿入部111と、挿入部111の基端に接続された操作部112と、操作部112から延出するユニバーサルコード113と、を備えている。
挿入部111は、基端側に処置具挿入口110aが形成されている。処置具挿入口110aは、挿入部111内において図示しない処置具挿通チャンネルの基端部に連結している。
処置具挿入口110aは、内視鏡用処置具(図示略)を処置具挿通チャンネルに挿入するための挿入口である。
操作部112は、内視鏡110に対する操作を受け付ける。ユニバーサルコード113は、内視鏡110と演算制御部3とを接続する。
挿入部111は、基端側に処置具挿入口110aが形成されている。処置具挿入口110aは、挿入部111内において図示しない処置具挿通チャンネルの基端部に連結している。
処置具挿入口110aは、内視鏡用処置具(図示略)を処置具挿通チャンネルに挿入するための挿入口である。
操作部112は、内視鏡110に対する操作を受け付ける。ユニバーサルコード113は、内視鏡110と演算制御部3とを接続する。
内視鏡110の挿入部111の先端には、第六変形例の干渉縞投影光学系10D及び撮像部2が設けられている。干渉縞投影光学系10Dの平板ガラス44の射出端面44bが挿入部111の先端開口に位置している。この構成により、挿入部111の先端に配置された平板ガラス44の射出端面44bから測定対象に向かって、干渉縞投影光学系10Dから投影された干渉縞が投影される。この干渉縞は撮像部2により撮影される。
撮像部2は、第1導波路23及び第2導波路24の像よりも射出側の物体表面に投影される干渉縞を画像として撮像する。なお、撮像部2の位置は、挿入部111の先端ではなく、内視鏡110の外側に設けられていてもよい。
演算制御部3は、撮像部2からの画像信号に基づいて物体表面の凹凸情報(三次元形状)を演算する。
演算制御部3は、撮像部2からの画像信号に基づいて物体表面の凹凸情報(三次元形状)を演算する。
次に、以上のように構成された内視鏡110の作用について説明する。
体内の凹凸形状を測定する際、干渉縞投影光学系10Dから光を射出し、内視鏡110の挿入部111の先端から干渉縞を凹凸形状に投影する。撮像部2において、干渉縞を撮像し、その画像信号を演算制御部3に取り込む。そして、演算制御部3において、干渉縞の画像信号に基づいて測定対象の表面の凹凸情報を演算して三次元形状を計測する。
体内の凹凸形状を測定する際、干渉縞投影光学系10Dから光を射出し、内視鏡110の挿入部111の先端から干渉縞を凹凸形状に投影する。撮像部2において、干渉縞を撮像し、その画像信号を演算制御部3に取り込む。そして、演算制御部3において、干渉縞の画像信号に基づいて測定対象の表面の凹凸情報を演算して三次元形状を計測する。
本実施形態によれば、小型にしても干渉縞の歪みを抑えた干渉縞投影光学系10Dを用いているため、内視鏡の外径の寸法を大きくすることなく、測定対象の凹凸形状を精度よく計測することが可能となる。
(第三実施形態)
次に、本発明に係る第三実施形態について説明する。第三実施形態では、第五変形例の干渉縞投影光学系10Eを有する形状測定装置を備えた内視鏡システムについて説明する。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
次に、本発明に係る第三実施形態について説明する。第三実施形態では、第五変形例の干渉縞投影光学系10Eを有する形状測定装置を備えた内視鏡システムについて説明する。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
内視鏡システム100は、図12及び図13に示すように、内視鏡110と、投影プローブ120と、演算制御部3とを備えている。投影プローブ120は、上述した第五変形例の干渉縞投影光学系10Eを備えている。
図12に示すように、内視鏡110は、第二実施形態と同様に、細長い挿入部111と、操作部112と、ユニバーサルコード113と、を備えている。
処置具挿入口110aは、内視鏡用処置具(図示略)の他に図13の投影プローブ120を処置具挿通チャンネルに挿入するための挿入口である。
処置具挿入口110aは、内視鏡用処置具(図示略)の他に図13の投影プローブ120を処置具挿通チャンネルに挿入するための挿入口である。
投影プローブ120は、測定対象に向かって干渉縞を投影する。図14に示すように、投影プローブ120には、第五変形例の干渉縞投影光学系10E及び撮像部2が設けられている。この構成により、投影プローブ120から投影された干渉縞が撮像部2により撮影される。
また、図14に示すように、内視鏡110の挿入部11の先端には、内視鏡用撮像部2Aが設けられている。
また、図14に示すように、内視鏡110の挿入部11の先端には、内視鏡用撮像部2Aが設けられている。
撮像部2は、第1導波路23及び第2導波路24の像よりも射出側の物体表面に投影される干渉縞を画像として撮像する。
演算制御部3は、撮像部2からの画像信号に基づいて物体表面の凹凸情報(三次元形状)を演算する。
演算制御部3は、撮像部2からの画像信号に基づいて物体表面の凹凸情報(三次元形状)を演算する。
次に、以上のように構成された内視鏡システム100の作用について説明する。
体内の凹凸形状を測定する際、図14に示すように、投影プローブ120を処置具挿入口110aから挿入し、挿入部111の先端まで押し込む。投影プローブ120が挿入部111の先端から突出された後、測定対象に向かって、干渉縞を投影する。撮像部2において、干渉縞を撮像し、その画像信号を演算制御部3に取り込む。そして、演算制御部3において、干渉縞の画像信号に基づいて測定対象の表面の凹凸情報を演算して三次元形状を計測する。
体内の凹凸形状を測定する際、図14に示すように、投影プローブ120を処置具挿入口110aから挿入し、挿入部111の先端まで押し込む。投影プローブ120が挿入部111の先端から突出された後、測定対象に向かって、干渉縞を投影する。撮像部2において、干渉縞を撮像し、その画像信号を演算制御部3に取り込む。そして、演算制御部3において、干渉縞の画像信号に基づいて測定対象の表面の凹凸情報を演算して三次元形状を計測する。
本実施形態によれば、小型にしても干渉縞の歪みを抑えた投影プローブ120を用いているため、内視鏡の外径を大きくすることなく、測定対象の凹凸形状を精度よく計測することが可能となる。
(第四実施形態)
次に、本発明に係る第四実施形態について説明する。第四実施形態では、第五変形例の干渉縞投影光学系10Eを有する形状測定装置を備えた内視鏡システムについて説明する。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
次に、本発明に係る第四実施形態について説明する。第四実施形態では、第五変形例の干渉縞投影光学系10Eを有する形状測定装置を備えた内視鏡システムについて説明する。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図15に示すように、本第四実施形態では、投影プローブ130には、第五変形例の干渉縞投影光学系10Eが設けられている。撮像部2は、内視鏡110の挿入部111の先端に設けられている。この構成により、投影プローブ130から投影された干渉縞が撮像部2により撮影される。撮像部2は、第三実施形態の内視鏡用撮像部2Aを兼ねている。
その他の構成においては、第三実施形態と同様である。
その他の構成においては、第三実施形態と同様である。
本実施形態によれば、投影プローブ130は、撮像部2を備えていないため、撮像部を備えた投影プローブの外径に比べて、投影プローブ130の外径を小さくすることができる。
なお、撮像部2は、第三実施形態の内視鏡用撮像部2Aを兼ねている構成としたが、内視鏡110に、撮像部2とは別に内視鏡用撮像部2Aが設けられていてもよい。
なお、撮像部2は、第三実施形態の内視鏡用撮像部2Aを兼ねている構成としたが、内視鏡110に、撮像部2とは別に内視鏡用撮像部2Aが設けられていてもよい。
なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記第二実施形態では、第六変形例の干渉縞投影光学系10Dを有する形状測定装置を備えた内視鏡について説明したが、内視鏡は、第一実施形態、第一変形例から第五変形例、第七変形例の干渉縞投影光学系を用いた形状測定装置を備えていてもよい。
上記第三実施形態、第四実施形態では、第五変形例の形状測定装置を備えた内視鏡システムについて説明したが、内視鏡システムは、第一変形例から第四変形例、第六変形例、第七変形例の干渉縞投影光学系を用いた形状測定装置を備えていてもよい。
上記第三実施形態、第四実施形態では、第五変形例の形状測定装置を備えた内視鏡システムについて説明したが、内視鏡システムは、第一変形例から第四変形例、第六変形例、第七変形例の干渉縞投影光学系を用いた形状測定装置を備えていてもよい。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した各実施形態及び変形例における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは
可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。
可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。
本発明の干渉縞投影光学系、形状測定装置、及び形状測定方法によれば、干渉縞投影光学系を小型にしたとしても干渉縞の歪みの発生を抑制することができる。
f1 焦点距離
f2 焦点距離
xd 距離
1 形状測定装置
2 撮像部
3 演算制御部
10,10A,10B,10C,10D,10E,10F 干渉縞投影光学系
20 光源
23 第1導波路(光射出部)
24 第2導波路(光射出部)
30 配光補正レンズ(凸レンズ)
40 拡大光学系
41 入射側レンズ群
42,42A 射出側レンズ群
43,44 平板ガラス
50 凹レンズ(メニスカスレンズ)
51 遮光板
70 物体表面
100 内視鏡システム
f2 焦点距離
xd 距離
1 形状測定装置
2 撮像部
3 演算制御部
10,10A,10B,10C,10D,10E,10F 干渉縞投影光学系
20 光源
23 第1導波路(光射出部)
24 第2導波路(光射出部)
30 配光補正レンズ(凸レンズ)
40 拡大光学系
41 入射側レンズ群
42,42A 射出側レンズ群
43,44 平板ガラス
50 凹レンズ(メニスカスレンズ)
51 遮光板
70 物体表面
100 内視鏡システム
Claims (13)
- 干渉縞を生成する光源と、前記干渉縞を拡大して物体表面上に投影する拡大光学系と、を備え、
前記光源は、前記拡大光学系の入射側に並んで位置する2つの光射出部を有し、
前記拡大光学系は、
前記光射出部から射出された光束が入射し、正のパワーを有する単レンズである配光補正レンズと、
前記配光補正レンズから射出された光束が入射する側の入射側レンズ群と、
前記光束を射出して前記物体表面に向けて前記干渉縞を投影する側の射出側レンズ群とから構成され、
前記配光補正レンズは、前記配光補正レンズから前記入射側レンズ群までの距離よりも前記配光補正レンズから前記光射出部までの距離の方が小さい位置に配置され、
前記入射側レンズ群の焦点距離をf1、前記射出側レンズ群の焦点距離をf2とするとき、f1/f2>3、を満たし、
前記入射側レンズ群及び前記射出側レンズ群はそれぞれ正屈折力を有し、前記入射側レンズ群の射出側主点から前記射出側レンズ群の入射側主点までの距離をxdとしたとき、xd<f1+f2、を満たす干渉縞投影光学系。 - 前記配光補正レンズと前記入射側レンズ群との間に凹レンズが配置されている
請求項1に記載の干渉縞投影光学系。 - 前記凹レンズは、メニスカスレンズであり、かつ、アプラナティックとなるように配置されている
請求項2に記載の干渉縞投影光学系。 - 前記射出側レンズ群を構成するレンズのうち、最も射出側に配置されるレンズは、アプラナティックとなるように配置されている
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の干渉縞投影光学系。 - 前記入射側レンズ群の焦点距離をf1、前記射出側レンズ群の焦点距離をf2とするとき、
f1/f2>8を満たす
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の干渉縞投影光学系。 - 前記入射側レンズ群の焦点距離をf1、前記射出側レンズ群の焦点距離をf2とするとき、
f1/f2>12を満たす
請求項5に記載の干渉縞投影光学系。 - 前記射出側レンズ群の射出端面に、平板ガラスが接合されている
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の干渉縞投影光学系。 - 前記射出側レンズ群の屈折率は、前記平板ガラスの屈折率より大きい
請求項7に記載に記載の干渉縞投影光学系。 - 前記配光補正レンズと前記入射側レンズ群との間に、開口部を有する遮光板が配置され、
前記開口部は、前記配光補正レンズから射出された光束を通過させる
請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の干渉縞投影光学系。 - 前記射出側レンズ群の射出側の前記光源から射出された光束の集光位置近傍に、開口部を有する遮光マスクが配置され、
前記開口部は、前記光源から射出された光束を通過させる
請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の干渉縞投影光学系。 - 前記配光補正レンズと、前記入射側レンズ群を構成するレンズとの材質、形状が同一である
請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の干渉縞投影光学系。 - 干渉縞を生成する光源と、前記干渉縞を拡大して物体表面上に投影する拡大光学系と、を備え、
前記光源は、前記拡大光学系の入射側に並んで位置する2つの光射出部を有し、
前記拡大光学系は、
前記光射出部から射出された光束が入射し、正のパワーを有する単レンズである配光補正レンズと、
前記配光補正レンズから射出された光束が入射する側の入射側レンズ群と、
前記光束を射出して前記物体表面に向けて前記干渉縞を投影する側の射出側レンズ群とから構成され、
前記配光補正レンズは、前記入射側レンズ群までの距離よりも前記光射出部までの距離の方が小さい位置に配置され、
前記入射側レンズ群の焦点距離をf1、前記射出側レンズ群の焦点距離をf2、とするとき、f1/f2>3を満たし、
前記入射側レンズ群及び前記射出側レンズ群はそれぞれ正屈折力を有し、前記入射側レンズ群の射出側主点から前記射出側レンズ群の入射側主点までの距離をxdとしたとき、xd<f1+f2、を満たす干渉縞投影光学系と、
前記光射出部の像よりも射出側の前記物体表面に投影される前記干渉縞を画像として撮像する撮像部と、
前記撮像部からの画像信号に基づいて前記物体表面の凹凸情報を演算する演算部と、
を備える形状測定装置。 - 干渉縞を生成する光源と、前記干渉縞を拡大して物体表面上に投影する拡大光学系と、を備え、
前記光源は、前記拡大光学系の入射側に並んで位置する2つの光射出部を有し、
前記拡大光学系は、
前記光射出部から射出された光束が入射し、正のパワーを有する単レンズである配光補正レンズと、
前記配光補正レンズから射出された光束が入射する側の入射側レンズ群と、
前記光束を射出して前記物体表面に向けて前記干渉縞を投影する側の射出側レンズ群とから構成され、
前記配光補正レンズは、前記入射側レンズ群までの距離よりも前記光射出部までの距離の方が小さい位置に配置され、
前記入射側レンズ群の焦点距離をf1、前記射出側レンズ群の焦点距離をf2、とするとき、f1/f2>3を満たし、
前記入射側レンズ群及び前記射出側レンズ群はそれぞれ正屈折力を有し、前記入射側レンズ群の射出側主点から前記射出側レンズ群の入射側主点までの距離をxdとしたとき、xd<f1+f2、を満たす干渉縞投影光学系を用いた形状測定方法であって、
前記光射出部の像よりも射出側の前記物体表面に投影される前記干渉縞を画像として撮像し、
撮像された画像の画像信号に基づいて前記物体表面の凹凸情報を演算する
形状測定方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/JP2022/044936 WO2024121941A1 (ja) | 2022-12-06 | 2022-12-06 | 干渉縞投影光学系、形状測定装置、及び形状測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/JP2022/044936 WO2024121941A1 (ja) | 2022-12-06 | 2022-12-06 | 干渉縞投影光学系、形状測定装置、及び形状測定方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2024121941A1 true WO2024121941A1 (ja) | 2024-06-13 |
Family
ID=91378867
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/JP2022/044936 WO2024121941A1 (ja) | 2022-12-06 | 2022-12-06 | 干渉縞投影光学系、形状測定装置、及び形状測定方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
WO (1) | WO2024121941A1 (ja) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0587543A (ja) * | 1990-10-23 | 1993-04-06 | Olympus Optical Co Ltd | 計測内視鏡 |
JPH05211988A (ja) * | 1991-12-09 | 1993-08-24 | Olympus Optical Co Ltd | 計測用内視鏡装置 |
JPH07280535A (ja) * | 1994-04-04 | 1995-10-27 | Seiko Epson Corp | 三次元形状測定装置 |
WO2016185618A1 (ja) * | 2015-05-18 | 2016-11-24 | オリンパス株式会社 | 干渉縞投影光学系及び形状測定装置 |
WO2018139512A1 (ja) * | 2017-01-25 | 2018-08-02 | オリンパス株式会社 | 光計測装置 |
-
2022
- 2022-12-06 WO PCT/JP2022/044936 patent/WO2024121941A1/ja unknown
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0587543A (ja) * | 1990-10-23 | 1993-04-06 | Olympus Optical Co Ltd | 計測内視鏡 |
JPH05211988A (ja) * | 1991-12-09 | 1993-08-24 | Olympus Optical Co Ltd | 計測用内視鏡装置 |
JPH07280535A (ja) * | 1994-04-04 | 1995-10-27 | Seiko Epson Corp | 三次元形状測定装置 |
WO2016185618A1 (ja) * | 2015-05-18 | 2016-11-24 | オリンパス株式会社 | 干渉縞投影光学系及び形状測定装置 |
WO2018139512A1 (ja) * | 2017-01-25 | 2018-08-02 | オリンパス株式会社 | 光計測装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20070010711A1 (en) | Endoscope image pickup unit for picking up magnified images of an object, a focus adjustment apparatus and method, and a focus range check apparatus and method for the same | |
JP4248771B2 (ja) | 内視鏡装置 | |
US9389418B2 (en) | Objective for a dental camera and method for creating an image | |
JP2015215618A (ja) | 光コヒーレンス断層法機構を有する外科用顕微鏡システム | |
TWI665512B (zh) | 光學系統及使用此系統校正光罩缺陷的方法 | |
JPH07117648B2 (ja) | 反射屈折縮小光学系,該光学系を有するリソグラフィー装置及びその操作方法 | |
JP6394071B2 (ja) | 照明装置、照明方法及び内視鏡 | |
JP4192279B2 (ja) | 投影光学系の製造方法、該製造方法によって製造された投影光学系、投影露光装置および方法、並びに半導体装置の製造方法 | |
JP4348574B2 (ja) | 暗視野照明装置および暗視野照明方法 | |
JP2015223463A (ja) | 照明装置、照明方法及び内視鏡 | |
US6115175A (en) | UV image forming optical system | |
JP2011085432A (ja) | 軸上色収差光学系および三次元形状測定装置 | |
TW499576B (en) | Illumination device, and coordinate measuring instrument having an illumination device | |
JP4582762B2 (ja) | 顕微鏡観察方法及びそれを用いるための顕微鏡 | |
WO2024121941A1 (ja) | 干渉縞投影光学系、形状測定装置、及び形状測定方法 | |
JP2009180554A (ja) | 干渉計、測定方法及び光学素子の製造方法 | |
JPWO2017221333A1 (ja) | 顕微鏡用瞳リレー光学系および顕微鏡装置 | |
JP2008032991A (ja) | 干渉計用基準レンズ | |
JP2004170869A (ja) | 結像光学系、露光装置および露光方法 | |
JP2009042519A (ja) | 対物レンズ | |
JP6642654B2 (ja) | 照明装置、照明方法、内視鏡システム及び医療用観察システム | |
US10976151B2 (en) | Optical interferometer with reference arm longer than sample arm | |
JP2020086406A (ja) | 対物レンズ系、観察装置、露光装置、及びデバイス製造方法 | |
CN113660897A (zh) | 一种用光波导产生光分布的装置 | |
Brunner et al. | New solutions to realize complex optical systems by a combination of diffractive and refractive optical components |