(57)【要約】【課題】  小型でありながら波長ごとに異なる収差を良好に補正することができる光学系、それを備える撮像装置及び撮像システムの提供。【解決手段】  物体側から像側へ順に配置された前群１１、遮光部材４、後群１２から成る光学系１０であって、遮光部材４には第１の方向に長い開口が設けられており、後群１２は、第１の方向に垂直な第１の断面において開口を通過した光束を互いに波長が異なる複数の光束に分光する回折面５と、回折面５よりも像側に配置された非球面６とを有し、第１の断面における非球面６の形状は非円弧であり、第１の断面における回折面５の格子間隔は、中心部において極値を含むように中心部から周辺部に向かって変化しており、第１の断面において、回折面５のベース面及び回折面５よりも物体側に配置された光学面の少なくとも一方の形状は、その頂点における法線に対して非対称である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体側から像側へ順に配置された前群、遮光部材、後群から成る光学系であって、
前記遮光部材には第１の方向に長い開口が設けられており、
前記後群は、前記第１の方向に垂直な第１の断面において前記開口を通過した光束を互いに波長が異なる複数の光束に分光する回折面と、該回折面よりも像側に配置された非球面とを有し、
前記第１の断面における前記非球面の形状は非円弧であり、
前記第１の断面における前記回折面の格子間隔は、中心部において極値を含むように該中心部から周辺部に向かって変化しており、
前記第１の断面において、前記回折面のベース面及び該回折面よりも物体側に配置された光学面の少なくとも一方の形状は、その頂点における法線に対して非対称であることを特徴とする光学系。
【請求項２】
前記第１の断面における前記回折面のベース面の形状は、その頂点における法線に対して非対称であることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
前記回折面の格子間隔は、中心部から周辺部に向かって広くなることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
【請求項４】
前記前群は、前記第１の断面においては前記開口上に前記物体の中間像を形成し、前記第１の方向に平行な第２の断面においては前記開口上に物体を結像しないことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学系。
【請求項５】
前記回折面は、反射面であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の光学系。
【請求項６】
前記回折面のベース面は、アナモフィック面であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の光学系。
【請求項７】
前記前群は、アナモフィック反射面を有することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の光学系。
【請求項８】
前記第１の方向に平行な第２の断面において、前記前群は負のパワーを有し、前記後群は正のパワーを有することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の光学系。
【請求項９】
前記遮光部材は、前記物体からの光束の前記第１の方向における幅を規制することを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の光学系。
【請求項１０】
前記前群は、前記物体からの光束の前記第１の方向に垂直な第２の方向における幅を規制する絞りを有することを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の光学系。
【請求項１１】
前記前群及び前記後群に含まれる全ての光学面は反射面であることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の光学系。
【請求項１２】
請求項１乃至１１の何れか一項に記載の光学系と、該光学系からの光を受光する撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の撮像装置と、該撮像装置及び前記物体の相対位置を変更する搬送部とを備えることを特徴とする撮像システム。
【請求項１４】
光学系を介して物体を撮像することで該物体の画像情報を取得する第１のステップと、
前記画像情報に基づいて前記物体の検査を行うステップ第２のステップとを有し、
前記光学系は、物体側から像側へ順に配置された前群、遮光部材、後群から成り、
前記遮光部材には第１の方向に長い開口が設けられており、
前記後群は、前記第１の方向に垂直な第１の断面において前記開口を通過した光束を互いに波長が異なる複数の光束に分光する回折面と、該回折面よりも像側に配置された非球面とを有し、
前記第１の断面における前記非球面の形状は非円弧であり、
前記第１の断面における前記回折面の格子間隔は、中心部において極値を含むように該中心部から周辺部に向かって変化しており、
前記第１の断面において、前記回折面のベース面及び該回折面よりも物体側に配置された光学面の少なくとも一方の形状は、その頂点における法線に対して非対称であることを特徴とする検査方法。
【請求項１５】
前記第１のステップは、前記物体を前記第１の方向に垂直な方向へ移動させながら前記物体を撮像する工程を含むことを特徴とする請求項１４に記載の検査方法。
【請求項１６】
前記第１のステップは、前記複数の光束の波長の夫々に対応する複数の画像情報を取得する工程を含むことを特徴とする請求項１４又は１５に記載の検査方法。
【請求項１７】
前記第２のステップは、前記複数の画像情報を用いて取得された前記物体のスペクトル分布に基づいて前記物体の検査を行う工程を含むことを特徴とする請求項１４乃至１６の何れか一項に記載の検査方法。
【請求項１８】
前記第２のステップは、前記物体における異物の有無を判定する工程を含むことを特徴とする請求項１４乃至１７の何れか一項に記載の検査方法。
【請求項１９】
請求項１４乃至１８の何れか一項に記載の検査方法により前記物体を検査するステップと、
該ステップにより検査された前記物体を用いて物品を製造するステップとを有することを特徴とする製造方法。
【請求項２０】
前記物品を製造するステップは、前記物体における異物を除去する工程を含むことを特徴とする請求項１９に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体からの光束を分光して画像情報を取得する撮像装置に用いられる光学系に関し、例えば製造業、農業、医療などの産業分野における検査や評価に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、被検物（物体）からの光束を互いに波長が異なる複数の光束に分光する回折格子と、各光束を撮像素子の受光面に集光するレンズとを有する光学系が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７１９９８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の光学系においては、各光束のレンズに対する入射角が互いに異なるため、波長ごとに異なる収差が発生してしまう。レンズの枚数を増やすことで収差を補正する方法も考えられるが、その場合は光学系の全系が大型化してしまう。
【０００５】
本発明は、小型でありながら波長ごとに異なる収差を良好に補正することができる光学系、それを備える撮像装置及び撮像システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための、本発明の一側面としての光学系は、物体側から像側へ順に配置された前群、遮光部材、後群から成り、前記遮光部材には第１の方向に長い開口が設けられており、前記後群は、前記第１の方向に垂直な第１の断面において前記開口を通過した光束を互いに波長が異なる複数の光束に分光する回折面と、該回折面よりも像側に配置された非球面とを有し、前記第１の断面における前記非球面の形状は非円弧であり、前記第１の断面における前記回折面の格子間隔は、中心部において極値を含むように該中心部から周辺部に向かって変化しており、前記第１の断面において、前記回折面のベース面及び該回折面よりも物体側に配置された光学面の少なくとも一方の形状は、その頂点における法線に対して非対称であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、小型でありながら波長ごとに異なる収差を良好に補正することができる光学系、それを備える撮像装置及び撮像システムの提供が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係る光学系のＺＸ断面における要部概略図。
【図２】実施形態に係る光学系のＸＹ断面における要部概略図。
【図３】光学系における像面湾曲の発生及び補正を説明するための図。
【図４】光学系におけるコマ収差の発生及び補正を説明するための図。
【図５】実施例１及び比較例に係る回折面の格子間隔の変化を示す図。
【図６】実施例１に係る光学系のＭＴＦを示す図。
【図７】実施例１に係る光学系の深度曲線を示す図。
【図８】比較例１に係る光学系のＭＴＦを示す図。
【図９】比較例１に係る光学系の深度曲線を示す図。
【図１０】実施例２及び比較例２に係る回折面の格子間隔の変化を示す図。
【図１１】実施例２に係る光学系のＭＴＦを示す図。
【図１２】実施例２に係る光学系の深度曲線を示す図。
【図１３】比較例２に係る光学系のＭＴＦを示す図。
【図１４】比較例２に係る光学系の深度曲線を示す図。
【図１５】実施形態に係る光学系の使用例１としての撮像システムの要部概略図。
【図１６】実施形態に係る光学系の使用例２としての撮像システムの要部概略図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。各図面は、便宜的に実際とは異なる縮尺で描かれている場合がある。また、各図面において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明を省略する。
【００１０】
以下の説明においては、絶対座標系としてＸＹＺ座標系を定め、光学面ごとのローカル座標系としてｘｙｚ座標系を定めている。ローカル座標系において、ｘ軸は各光学面の頂点（原点）における法線方向の軸（法線に平行な軸）、ｙ軸はＹ軸に平行かつ原点においてｘ軸と直交する軸、ｚ軸はｘ軸及びｙ軸に直交する軸である。また、Ｙ方向及びｙ方向を第１の方向（読取方向）、Ｚ方向及びｚ方向を第２の方向（分光方向）、ＺＸ断面及びｚｘ断面を第１の断面（分光断面）、ＸＹ断面及びｘｙ断面を第２の断面（読取断面）とも呼ぶ。
【００１１】
図１及び図２は、本発明の実施形態に係る光学系１０の要部概略図であり、図１は第１の断面を示し、図２は第２の断面を示している。なお、図１及び図２においては、各部材の光軸を含む断面での形状を示しており、図２では便宜的に各部材を同一の紙面内に示している。ただし、ここでの光軸とは、後述する絞り１の開口の中心を通る主光線（軸上主光線）の光路上の軸を示している。
【００１２】
また、図１及び図２では、便宜的に回折面における回折格子を省略している。本実施形態では、ＹＺ平面に平行な物体面におけるＺ＝０の近傍の位置に被検物が配置されており、光学系１０の像面に撮像素子の受光面７が配置されているものとする。また、被検物は、太陽光などの白色光（複数の波長成分を有する光）により照明されているものとする。
【００１３】
本実施形態に係る光学系１０は、物体側から像側へ順に配置された前群１１、遮光部材（スリット部材）４、及び後群１２で構成される。光学系１０は、−Ｘ側に位置する不図示の被検物からの光束を集光することで、受光面（像面）７に被検物の像を形成している。前群１１は、絞り１、第１反射面２、及び第２反射面３を有する。また、後群１２は、第３反射面（回折面）５及び第４反射面６を有する。
【００１４】
なお、絞り１の直前には防塵ガラスＧ１が配置され、受光面７の直前には光学フィルタＦ及びカバーガラスＧ２が配置されているが、これらは結像に寄与しないものとして扱う。防塵ガラスＧ１やカバーガラスＧ２については、光学系１０や受光面７を保護することができる透光部材であればよく、ガラス以外の材料で構成されていてもよい。また、光学フィルタＦとしては、例えば２次回折光などの不要光をカットするものなどを採用することができる。
【００１５】
絞り１は、被検物からの光束の第２の方向における幅を規制するための部材であり、その開口面がＸ方向に垂直になるように配置されている。ただし、絞り１は光学系１０の外部に設けられていてもよい。なお、図１及び図２に示すように、光学系１０における光束の入射口（絞り１）と出射口（受光面７）を、各光学面を挟んで互いに反対側に配置することが望ましい。これにより、光学系１０を撮像装置に適用した際に、被検物からの光束が撮像素子や配線等によって遮られることを回避し易くすることができる。
【００１６】
遮光部材４には、第１の方向に長い開口（スリット）が設けられている。遮光部材４は、光学系１０の第１の断面における画角を制限して不要光を遮光しつつ、光束の第１の方向における幅を規制する絞りとしての役割を果たしている。なお、遮光部材４の開口の幅は、求められる光量や解像度などに応じて決定される。遮光部材４の開口の第２の方向における幅は、第１の方向における幅（数ｍｍ）よりも短く、数μｍ〜数１００μｍであることが望ましい。遮光部材４の開口の第２の方向における幅について、大き過ぎる場合は受光面７での解像度が低下してしまい、小さすぎる場合は結像に寄与する有効光束が遮光され易くなってしまうため、１０μｍ以上０．２ｍｍ以下であることがより好ましい。
【００１７】
絞り１及び遮光部材４における開口以外の領域は、少なくとも光学系１０の使用波長帯域（設計波長帯域）の光が透過しない遮光面となっている。絞り１及び遮光部材４としては、板金に穴を開けたものや、ガラス板の表面にクロム蒸着を施したものなどを採用することができる。このような遮光部材４を採用することにより、光学系１０は第１の方向に長いライン状の読取領域（被検領域）の像を形成することができる。
【００１８】
第１反射面２、第２反射面３、及び第４反射面６は、自由曲面形状を有するベース面に反射コーティングを施すことで得られる反射面である。各反射面のベース面は、ガラス、樹脂、金属などから成るブロック材を加工（切削、研磨、型によるモールド成形など）することによって形成される。反射コーティングは、使用波長帯域において十分なエネルギー効率（光利用効率）を実現することができる分光反射特性を有していることが望ましい。なお、ベース面が使用波長帯域において十分な反射率を有する場合は、反射コーティングを省略してもよい。
【００１９】
本実施形態において、第１反射面２、第２反射面３、及び第４反射面６の夫々は非球面であり、具体的には第１の断面と第２の断面とで曲率（パワー）が異なるアナモフィック光学面（アナモフィック反射面）である。これにより、第１の断面と第２の断面とで異なる光学的作用を生じさせることができる。なお、前群１１の各反射面はアナモフィック光学面でなくてもよく、例えば各反射面を球面として、代わりにアナモフィック屈折面を設けてもよい。ただし、前群１１における光学面の数を減らすためには、第１反射面２及び第２反射面３の少なくとも一方をアナモフィック光学面とすることが望ましい。
【００２０】
また、後群１２は少なくとも一つの回折面と、該回折面よりも像側に配置された少なくとも一つの非球面を有していればよい。例えば、回折面５の前後に他の光学面を設けたり、第４反射面６を球面として他の非球面を設けたりしてもよい。なお、回折面５を前群１１に設けた場合、一部の波長の光束しか遮光部材４の開口を通過できなくなってしまう。よって、回折面５は後群１２に設けることが必要である。
【００２１】
また、光学系１０において、光学面同士でパワーを分担することで収差の発生を抑制するためには、前群１１及び後群１２の全ての光学面をアナモフィック光学面とすることがより好ましい。前群１１及び後群１２の構成は上述したものに限らず、各群における光学面を増減させてもよい。ただし、全系の小型化と部品点数の削減を実現するためには、本実施形態のように前群１１及び後群１２の夫々を二つの反射面で構成することが望ましい。
【００２２】
本実施形態においては、全ての光学面を反射面とすることで、光路を折り曲げて光学系１０の小型化を実現しつつ、色収差の発生を抑制している。このとき、光学系１０の小型化のためには、図１に示すように、前群１１及び後群１２の夫々において光路が交差するように（４の字になるように）各反射面を配置することが望ましい。なお、必要に応じて反射面を含む反射部材としてプリズムや内面反射ミラーを用いてもよいが、上述したように色収差の発生を抑制するためには、反射部材を外面反射ミラーとし、反射面が空気に隣接するように構成することが望ましい。また、必要に応じて少なくとも一つの光学面を屈折面（透過面）としてもよい。
【００２３】
ただし、特に後群１２においては、不図示の保持部材や配線などが遮光部材４や受光面７の周りに配置されるため、屈折光学素子を配置するための十分なスペースを確保することが難しい。仮に十分なスペースを確保できたとしても、色収差を良好に補正するためには複数の屈折光学素子を配置することが必要になるため、全系が大型化してしまう。よって、少なくとも後群１２に含まれる全ての光学面を反射面とすることが望ましい。さらに、前群１１に含まれる全ての光学面を反射面とすることがより好ましい。
【００２４】
第３反射面５は、ベース面と、ベース面に設けられた回折格子とで構成される回折面５である。回折面５におけるベース面は、他の反射面と同様に自由曲面形状を有している。回折格子は、サブミクロンからミクロンのオーダのピッチで配置された複数の格子（凸部）から成り、その各格子の高さもサブミクロンからミクロンのオーダとなっている。回折格子としては、ｚｘ断面での形状が、階段形状、矩形凹凸形状、ブレーズ形状、ＳＩＮ波形状であるものなどを採用することができる。回折格子の形状は、求められる回折効率及び製造の容易性を考慮して選択される。
【００２５】
本実施形態では回折効率の向上及び製造の容易化の両立が比較的容易であるブレーズ形状を採用している。ブレーズ形状の回折格子において、ベース面に対してｘ方向に最も離れた部分を格子頂点、入射光を反射させる（回折させる）部分をブレーズ面（格子面）、ブレーズ面に隣接する回折に寄与しない部分を格子壁面と呼ぶ。本実施形態に係る回折面５は、受光面７の側（像側）にブレーズ面が向かい、物体側に格子壁面が向かうように配置されている。これにより、図１における受光面７の＋Ｚ側に短波長の光束が入射し、−Ｚ側に長波長の光束が入射することになる。
【００２６】
ベース面は、上述した他の反射面と同様の方法で形成される。回折格子は、ベース面を切削や研磨などによって加工することで形成することができるが、ベース面を形成する際に同時に回折格子を形成してもよい。例えば、金型を構成する鏡面駒の表面に微細な凹凸構造を設け、その金型を用いたモールド成形によって回折格子が設けられた回折光学素子を製造してもよい。
【００２７】
回折面５の回折効率を向上させるために、回折格子の表面に反射コーティングを施してもよい。また、回折面５のベース面は、ｘｙ断面とｚｘ断面とで曲率が異なるアナモフィック面であることが望ましい。これにより、他のアナモフィック光学面とともにパワーを分担することができるため、収差の補正が容易になる。本実施形態においては、回折面５のベース面をアナモフィック面としているが、回折格子の製造の容易性を重視する場合はこれに限られない。
【００２８】
図１及び図２を用いて、光学系１０の作用について説明する。
【００２９】
被検物から出射した光束は、絞り１の開口を通過した後、第１反射面２及び第２反射面３で反射されて遮光部材４に到達する。このとき、前群１１は、第２の断面（ＸＹ断面）においては遮光部材４の開口上に被検物を結像せず、第１の断面（ＺＸ断面）においては遮光部材４の開口上に被検物の中間像を形成している。すなわち、前群１１はＸＹ断面において焦点位置が物体面と一致しないように構成されている。これにより、遮光部材４の開口上には、第１の方向に長いライン状の中間像（線像）が形成されることになる。なお、ここでの「開口上」とは、厳密な開口の位置に限らず、開口の位置から光軸方向に微小に離れた開口の近傍（略開口上）も含むものとする。
【００３０】
遮光部材４の開口を通過した光束は、ＺＸ断面において回折面５によって互いに波長が異なる複数の光束に分光される。このとき、回折面５における回折格子はｚ方向に配列された複数の格子（稜線）から成るため、回折面５に入射した光束はｚ方向においてのみ分光作用を受け、ｙ方向においては分光作用を受けない。
【００３１】
そして、回折面５からの複数の光束は、第４反射面６で反射されて像面に配置された受光面７に入射する。このとき、互いに波長が異なる複数の光束は、ＺＸ断面において受光面７における互いに異なる位置に集光される。すなわち、本実施形態に係る光学系１０によれば、受光面７に波長ごとの複数の像を形成することができるため、受光面７は波長ごとの複数の画像情報を取得することができる。
【００３２】
このように、本実施形態に係る光学系１０は、読取方向を含むＸＹ断面と分光方向を含むＺＸ断面とで異なる光学的作用を生じている。具体的には、ＸＹ断面では被検物を遮光部材４の開口上に一旦結像せずに受光面７に結像しているが、ＺＸ断面では被検物を遮光部材４の開口上に一旦結像してから受光面７に再結像している。すなわち、ＸＹ断面では被検物を１回結像する一方で、ＺＸ断面では被検物を２回結像している。
【００３３】
この構成によれば、ＸＹ断面においては遮光部材４の開口を通過する際の光束（開口に入射する光束）の収束状態が制限されないため、光学系１０の設計自由度を向上させることができる。よって、前群１１と後群１２とでパワーを適切に分担して受光面７に被検物を結像することができ、諸収差の補正が容易になるため、広画角化（読取領域の広域化）と撮像画像の高精細化を両立することができる。
【００３４】
具体的には、ＸＹ断面における焦点位置が物体面と一致しないように前群１１を構成することで、遮光部材４の開口を通過する際の光束を非平行光とすることができる。これにより、ＸＹ断面における広画角化を実現することが容易になる。仮に、遮光部材４の開口を通過する際の光束が平行光である場合、光学系１０を広画角化するためには後群１２に多数の光学素子を配置することが必要になり、全系が大型化してしまう。本実施形態においては、遮光部材４の開口を通過する際の光束を発散光とすることで広画角化を実現しているが、必要に応じて遮光部材４の開口を通過する際の光束を収束光としてもよい。
【００３５】
また、ＸＹ断面においても遮光部材４の開口上に被検物を一旦結像する場合は、前群１１及び後群１２の夫々が単独で収差を補正しなくてはならない。よって、各光学面のパワーを大きくすることが必要になるなど、各光学面の設計自由度が低下し、光学系１０の広画角化が難しくなる。一方、ＺＸ断面においては、広画角化の必要がないため、遮光部材４の開口上に被検物を一旦結像することで高ＮＡ化が可能になる。
【００３６】
上述した構成において、前群１１及び後群１２の夫々は、ＸＹ断面とＺＸ断面とで互いに異なるパワーを有することになる。よって、この構成を実現するために、前群１１及び後群１２の夫々にアナモフィック光学面を設けることが望ましい。このとき、前群１１に含まれるアナモフィック光学面には、ＺＸ断面だけでなくＸＹ断面にも積極的にパワーを持たせること（曲率の絶対値を０よりも大きくすること）が望ましい。そして、前群１１のパワーの符号と後群１２のパワーの符号とを互いに異ならせることがより好ましい。
【００３７】
具体的に、ＺＸ断面においては、被検物を遮光部材４の開口上に一旦結像してから受光面７に再結像するために、前群１１及び後群１２に正のパワーを持たせることが望ましい。一方、ＸＹ断面では、被検物を遮光部材４の開口上に一旦結像する必要がないため、更なる広画角化を実現するために、前群１１に負のパワーを持たせ、後群１２に正のパワーを持たせることが望ましい。これにより、ＸＹ断面においては光学系１０がレトロフォーカスタイプになるため、全系の焦点距離が短くなり広画角化を実現することができる。ただし、被検物が光学系１０から十分に離れている場合は、前群１１に正のパワーを持たせ、後群１２に負のパワーを持たせることで、光学系１０を望遠光学系としてもよい。
【００３８】
図１を用いて、回折面５によって光束が分光される様子を説明する。ここでは、被検物の１点から発された白色光束が、λ１［ｎｍ］、λ２［ｎｍ］、λ３［ｎｍ］（λ２＜λ１＜λ３）の各波長の光束に分光される場合を考える。ただし、図１においては各光束のうち主光線及びマージナル光線のみを示している。
【００３９】
被検物から発された白色光束における主光線Ｌ１Ｐ及びマージナル光線Ｌ１Ｕ，Ｌ１Ｌは、絞り１、第１反射面２、及び第２反射面３を介して遮光部材４の開口上にライン状の中間像を形成する。遮光部材４の開口を通過した主光線Ｌ２Ｐ及びマージナル光線Ｌ２Ｕ，Ｌ２Ｌは、回折面５によって、波長λ１の光線Ｌ３Ｐ，Ｌ３Ｕ，Ｌ３Ｌと、波長λ２の光線Ｌ４Ｐ，Ｌ４Ｕ，Ｌ４Ｌと、波長λ３の光線Ｌ５Ｐ，Ｌ５Ｕ，Ｌ５Ｌに分光される。そして、波長λ１、波長λ２、及びの波長λ３の各光線の夫々は、第４反射面６を介して受光面７における第１の位置７３、第２の位置７４、及び第３の位置７５に集光される。
【００４０】
ここで、回折面５からの互いに波長が異なる複数の光束は、回折面５よりも像側に配置された光学面に対して互いに異なる入射角で入射するため、波長ごとに異なる収差が生じてしまう。このような収差は、特に光学系１０の分光分解能を向上させるために、すなわち受光面７において各光束を波長ごとに大きく離間させるために、回折面５における回折角が光束の波長に応じて互いに大きく異なるように設計した場合に顕著になる。
【００４１】
図３（ａ）は、本実施形態に係る光学系１０における回折面５の代わりに回折面５０を設け、第４反射面６の代わりに反射面６０を設けた場合の比較形態を示している。図３（ａ）に示すように、各波長の光束は回折面５０を基点として等距離の箇所で集光されるため、回折面５０における波長ごとの回折角の違いに起因して各波長の光束の集光位置（集光点）が光軸方向（Ｘ方向）にずれる収差（像面湾曲）が生じてしまう。具体的には、波長λ１の光束の集光位置７３Ｍは理想的な集光位置７３と一致しているのに対して、波長λ２，λ３の光束の集光位置７４Ｍ，７５Ｍは理想的な集光位置７４，７５に対して物体側（アンダー側）にずれてしまっている。
【００４２】
このような収差が生じると、全ての波長を考慮した焦点深度（共通深度）の幅が狭くなってしまい、被検物の光軸方向の高さが第１の方向において大きく変化する場合や製造誤差が生じた場合などに良好な像を得ることができなくなってしまう。収差を補正するために新たな光学面を設ける方法が考えられるが、この場合は光学系の全系が大型化してしまう。そこで、本実施形態においては、回折面５の形状及び格子間隔と第４反射面６の形状を工夫することにより、全系を小型化しつつ波長ごとに異なる収差を良好に補正している。このことについて以下で詳細に説明する。
【００４３】
まず、第１段階として、波長ごとの光軸方向の集光位置のずれを補正する手段について説明する。
【００４４】
図３（ｂ）は、図３（ａ）における反射面６０を、本実施形態に係る第４反射面６と同様の形状を有する反射面６１に置換した構成を示している。反射面６１のＺＸ断面における形状は非円弧となっている。このように、回折面５０よりも像側にＺＸ断面において非円弧形状である非球面を設けることで、意図的に球面収差を発生させて各波長の光束の集光位置を光軸方向において揃えることができる。
【００４５】
回折面よりも物体側に配置された光学面に対しては、全ての波長の光束が全く同じ光路で入射するため、これらの光学面を非円弧形状にしたとしても波長ごとに異なる球面収差を発生させることができない。よって、波長ごとに異なる球面収差を発生させるためには、各波長の光束の入射位置が互いに異なる、回折面５０よりも像側に配置された光学面を非円弧形状とする必要がある。
【００４６】
図３（ａ）に示したように、反射面６０においては、波長λ１のマージナル光線Ｌ３Ｌ，Ｌ３Ｕよりも、波長λ２のマージナル光線Ｌ４Ｌ及び波長λ３のマージナル光線Ｌ５Ｕの方が周辺側に入射している。そして、図３（ａ）におけるアンダー側にずれた集光位置７４Ｍ，７５Ｍを補正するためには、波長λ１の光束と比較して、波長λ２，λ３の光束に対してオーバー側の球面収差を発生させることが必要になる。よって、反射面６１のＺＸ断面での形状を、光軸上と比較して周辺部において凸形状となる（負のパワーを持つ）非円弧形状とすることが望ましい。
【００４７】
また、反射面６１のＺＸ断面における形状は、４次以上の関数で表される非円弧（４次以上の曲線）であることが望ましい。このとき、偶数次の曲線とすることが好ましい。これらの構成により、波長λ１の光束の集光位置の変動を抑制しつつ、波長λ２，λ３の光束の集光位置を同様に補正することができる。図３（ｂ）では、反射面６１のＺＸ断面における形状を４次曲線としているが、必要に応じて６次以上の曲線としてもよい。ただし、像面湾曲をより良好に補正するためには４次曲線を採用することが好ましい。
【００４８】
なお、本実施形態においては、回折面５よりも像側に配置された第４反射面６を非円弧形状としているが、必要に応じて回折面５よりも像側に非円弧形状の新たな非球面を設けてもよい。このとき、レンズなどの屈折素子を設ける場合は、光軸上と比較して周辺部において厚くなる（凹形状となる）形状とすればよい。ただし、全系をより小型化するためには、他の光学面を設けずに第４反射面６を非円弧形状とすることが望ましい。
【００４９】
次に、第２段階として、波長ごとに異なるコマ収差を制御する手段について説明する。
【００５０】
図３（ｂ）に示したように、集光位置７３Ｍ，７４Ｍ，７５Ｍの光軸方向における相対的なずれ（受光面７における像面湾曲）を補正することはできるが、依然として波長ごとに異なるコマ収差が残存している。具体的には、波長λ２の光束の集光位置７４Ｍが理想的な集光位置７４に対して＋Ｚ側にずれ、波長λ３の光束の集光位置７５Ｍが理想的な集光位置７５に対して−Ｚ側にずれている。一方、波長λ１の光束の集光位置７３Ｍは理想的な集光位置７３と一致している。すなわち、「波長λ２のコマ収差量」＞「波長λ１のコマ収差量（＝０）」＞「波長λ３のコマ収差量」という関係になっている。
【００５１】
そこで、本実施形態では、ＺＸ断面における回折面５の格子間隔（回折格子の格子頂点間の距離）を、中心部において極値（最小値又は最大値）を含むように該中心部から周辺部（端部）に向かって変化させている。ここでの中心部とは、ＺＸ断面において、回折面５における軸上主光線が入射する位置（光軸上の位置）に対して、回折面５の幅の１０％以内の範囲の領域を指している。このとき、波長λ１の光束の集光位置の変動を抑制するためには、回折面５の格子間隔を光軸上（面中心）において極値を含むように変化させることがより好ましい。
【００５２】
図４（ａ）は、図３（ｂ）における回折面５０を、格子間隔が面中心から周辺部に向かうに従い広がっている回折面５１に置換した構成を示している。すなわち、回折面５１の格子間隔は、面中心の付近では最小であり回折面５０と同じであるのに対して、周辺部においては回折面５０よりも広くなっている。一般的に、回折面における回折角は、入射する光束の波長が長いほど、かつ格子間隔が狭いほど大きくなる。よって、回折面５１において中心部と比較して周辺部の格子間隔を広げることで、周辺部における回折角を回折面５０よりも小さくすることができる。
【００５３】
図３（ｂ）と比較して図４（ａ）では、回折面５１の周辺部からのマージナル光線Ｌ３Ｕ，Ｌ４Ｕ，Ｌ５Ｕ及びＬ３Ｌ，Ｌ４Ｌ，Ｌ５Ｌの進行方向がより短波長側へ変化し、受光面７における各マージナル光線の入射位置は＋Ｚ側へ移動している。このとき、回折角の変化は長波長側の方が大きくなるため、「波長λ２のコマ収差変化量」＜「波長λ１のコマ収差変化量」＜「波長λ３のコマ収差変化量」という関係になる。このように、ＺＸ断面における回折面５１の格子間隔を変化させることで、波長に応じて異なる量のコマ収差を発生させることが可能になる。
【００５４】
具体的には、波長λ３のコマ収差量がアンダーからオーバー（過補正）となるように変化させると、波長λ２のコマ収差量もオーバーとなる。このとき、波長λ２のコマ収差変化量よりも波長λ３のコマ収差変化量の方が大きいため、波長λ２のコマ収差量と波長λ３のコマ収差量が略同量になるように制御することができる。なお、図４（ａ）に示すように、コマ収差量が元々ゼロであった波長λ１についても短波長側のコマ収差が発生してしまうが、そのコマ収差量は波長λ２，λ３と略同量となる。よって、結果的に残存するコマ収差の方向及び量を全ての波長に対して略同等にすることができる。
【００５５】
最後に、第３段階として、全ての波長に対して同様に残存しているコマ収差を補正する手段について説明する。
【００５６】
図４（ｂ）は、図４（ａ）における回折面５１を、本実施形態に係る回折面５と同様の形状を有する回折面５２に置換した構成を示している。図４（ａ）においては全ての波長で同様のコマ収差が残存しているため、それをキャンセルするようなコマ収差を全ての波長に対して同様に発生させればよい。よって、全ての波長の光束が同一の光路で入射する光学面の形状を、ＺＸ断面において非対称に変化させればよい。
【００５７】
そこで、図４（ｂ）では、全ての波長の光束が同一の光路で入射する回折面５２のベース面を、ＺＸ断面においてその頂点（原点）における法線に対して非対称な形状としている。具体的には、回折面５２のベース面の頂点における法線に対して、マージナル光線Ｌ２Ｕが入射する側をより大きな負のパワーを持つ凸形状とし、マージナル光線Ｌ２Ｌが入射する側をより大きな正のパワーを持つ凹形状としている。
【００５８】
これにより、マージナル光線Ｌ３Ｕ，Ｌ４Ｕ，Ｌ５Ｕの進行方向を主光線Ｌ３Ｐ，Ｌ４Ｐ，Ｌ５Ｐに近づく方向へ変化させ、マージナル光線Ｌ３Ｌ，Ｌ４Ｌ，Ｌ５Ｌの進行方向を主光線Ｌ３Ｐ，Ｌ４Ｐ，Ｌ５Ｐから遠ざかる方向へ変化させることができる。この結果、全ての波長に対して長波長側のコマ収差が発生するため、図４（ａ）において残存していた短波長側のコマ収差をキャンセルすることが可能になる。
【００５９】
なお、回折面５のベース面は、ＺＸ断面において主光線Ｌ３Ｐ，Ｌ４Ｐ，Ｌ５Ｐの進行方向を極力変化させない形状とすることが望ましい。よって、回折面５のベース面をＺＸ断面において３次以上の奇数次の関数で表される非円弧（３次以上の曲線）とすることが望ましい。図４（ｂ）では、回折面５２のベース面のＺＸ断面における形状を３次曲線としているが、必要に応じて５次以上の曲線としてもよい。ただし、コマ収差をより良好に補正するためには３次曲線を採用することが好ましい。
【００６０】
本実施形態においては回折面５のベース面の非対称形状としているが、全ての波長の光束が同一の光路で入射する光学面であれば他の光学面を非対称形状としてもよい。すなわち、回折面５のベース面及び回折面５よりも物体側に配置された光学面のうちの少なくとも一つの光学面を非対称形状とすればよい。例えば、本実施形態に係る第１反射面２や第２反射面３を非対称形状としたり、回折面５よりも物体側に新たな非対称形状の光学面を設けたりしてもよい。
【００６１】
ただし、遮光部材４よりも物体側の光学面によってコマ収差を大きく発生させてしまうと、遮光部材４における集光状態が変化して分光性能に影響が出てしまう可能性がある。よって、残存するコマ収差が大きい場合は、遮光部材４よりも像側にある光学面を非対称形状とすることが望ましく、全系の小型化のためには本実施形態のように回折面５のベース面を非対称形状とすることがより好ましい。あるいは、遮光部材４よりも物体側の複数の光学面を非対称形状とすることで発生させるコマ収差を分担させてもよい。
【００６２】
以上、本実施形態に係る光学系１０によれば、全系の小型化と波長ごとに異なる収差の良好な補正を両立することができる。
【００６３】
［実施例１］
以下、本発明の実施例１に係る光学系１０について説明する。本実施例に係る光学系１０は、上述した実施形態に係る光学系１０と同等の構成を採っている。
【００６４】
本実施例において、被検物から絞り１までの距離（物体距離）は４５０ｍｍ、読取領域の第１の方向における幅は４５０ｍｍ、ＸＹ断面での画角は±２４．１７°である。また、本実施例において、使用波長帯域は３８０ｎｍ〜１１２０ｎｍであり、受光面７における光束の結像領域（入射領域）の第２の方向での幅は３．５５ｍｍである。
【００６５】
本実施例に係る前群１１及び後群１２のＸＹ断面での合成焦点距離は各々−１８．８６ｍｍ、３１．６３ｍｍであり、前群１１及び後群１２のＺＸ断面での合成焦点距離は各々２７．１１ｍｍ、２８．０６ｍｍである。このように、本実施例に係る光学系１０は、ＺＸ断面では中間結像を行うことで結像性能を向上させつつ、ＸＹ断面ではレトロフォーカスタイプを採ることで広画角化（読取領域の広域化）を実現している。
【００６６】
ここで、本実施例に係る光学系１０の各光学面の面形状の表現式について説明する。なお、各光学面の面形状の表現式は後述のものに限られず、必要に応じて他の表現式を用いて各光学面を設計してもよい。
【００６７】
本実施例に係る第１反射面２、第２反射面３、第３反射面（回折面）５、及び第４反射面６の夫々のベース面のＸＹ断面での形状（母線形状）は、夫々のローカル座標系において以下の式で表される。
【００６８】
【数１】
2020194010.tif 000003
【００６９】
但し、Ｒｙはｘｙ断面での曲率半径（母線曲率半径）であり、Ｋｙ，Ｂ２，Ｂ４，Ｂ６はｘｙ断面での非球面係数である。非球面係数Ｂ２，Ｂ４，Ｂ６について、必要に応じてｘ軸の両側（−ｙ側と＋ｙ側）で互いに数値を異ならせてもよい。これにより、母線形状をｘ軸に対してｙ方向に非対称な形状とすることができる。なお、本実施例では２次〜６次の非球面係数を用いているが、必要に応じてより高次の非球面係数を用いてもよい。
【００７０】
また、本実施例に係る各光学面の夫々のベース面の、ｙ方向における任意の位置のＺＸ断面での形状（子線形状）は、以下の式で表される。
【００７１】
【数２】
2020194010.tif 000004
【００７２】
但し、Ｋｚ，Ｍｊｋはｚｘ断面での非球面係数である。また、ｒ´は、ｙ方向において光軸からｙだけ離れた位置におけるｚｘ断面での曲率半径（子線曲率半径）であり、以下の式で表される。
【００７３】
【数３】
2020194010.tif 000005
【００７４】
但し、ｒは光軸上での子線曲率半径であり、Ｅ２，Ｅ４は子線変化係数である。式（数３）においてｒ＝０である場合は、式（数２）の右辺の第１項はゼロとして扱うものとする。なお、子線変化係数Ｅ２，Ｅ４について、必要に応じて−ｙ側と＋ｙ側で互いに数値を異ならせてもよい。これにより、子線形状の非球面量をｙ方向において非対称にすることができる。また、式（数３）は偶数項のみを含んでいるが、必要に応じて奇数項を加えてもよい。また、必要に応じてより高次の子線変化係数を用いてもよい。
【００７５】
なお、式（数２）におけるｚの１次の項は、ｚｘ断面での光学面のチルト量（子線チルト量）に寄与する項である。よって、Ｍｊｋを−ｙ側と＋ｙ側で互いに異なる数値とすることで、子線チルト量をｙ方向において非対称に変化させることができる。ただし、奇数項用いることで子線チルト量を非対称に変化させてもよい。また、式（数２）におけるｚの２次の項は、光学面の子線曲率半径に寄与する項である。よって、各光学面の設計を簡単にするために、式（数３）ではなく式（数２）におけるｚの２次の項のみを用いて光学面に子線曲率半径を与えてもよい。
【００７６】
また、回折面５における回折格子の形状は、既知の回折光学理論に基づく位相関数で表されるものであれば、特に限定されるものではない。本実施例では、基本波長（設計波長）をλ［ｍｍ］、ｚｘ断面における位相係数をＣ１，Ｃ２，Ｃ３とするとき、回折面５における回折格子の形状を以下の位相関数φで定義している。但し、本実施形態では回折格子の回折次数が１であるとする。
φ＝（２π／λ）×（Ｃ１×ｚ＋Ｃ２×ｚ２＋Ｃ３×ｚ３）
【００７７】
位相係数Ｃ１が値を有する場合は回折格子の格子間隔（格子ピッチ）が等間隔となり、位相係数Ｃ２が値を有する場合は格子間隔が一次元的に変化し、位相係数Ｃ３が値を有する場合は格子間隔が２次元的に変化することを表す。
【００７８】
なお、ここでの基本波長は、回折格子の高さを決めるための波長であり、被検物に対する照明光の分光特性、回折面５以外の反射面の分光反射率、受光面７を含む撮像素子の分光受光感度、要求される回折効率などに基づいて決定される。すなわち、基本波長は、受光面７による検知の際に重視したい波長に対応する。本実施例においては、基本波長λを５４２ｎｍとすることで、使用波長帯域における可視域を重点的に観察できるようにしている。ただし、例えば基本波長を８５０ｎｍ程度とすることで近赤外域を重点的に観察できるようにしたり、基本波長を７００ｎｍ程度とすることで可視域から近赤外域をバランス良く観察できるようにしたりしてもよい。
【００７９】
表１に、本実施例に係る光学系１０の各光学面の頂点の位置、頂点における法線の方向、及び各断面での曲率半径を示す。表１において、各光学面の頂点の位置は絶対座標系における原点からの距離Ｘ，Ｙ，Ｚ［ｍｍ］で示し、法線（ｘ軸）の方向は光軸を含むＺＸ断面でのＸ軸に対する角度θ［ｄｅｇ］で示している。また、ｄ［ｍｍ］は各光学面同士の間隔（面間隔）を示し、ｄ´［ｍｍ］は各光学面における主光線の反射点同士の間隔を示し、Ｒｙ，Ｒｚの夫々は主光線の反射点におけるＸＹ断面及びＺＸ断面での曲率半径を示している。各反射面の曲率半径の値が正のときは凹面を示し、負のときは凸面を示す。
【００８０】
【表１】
2020194010.tif 000006
【００８１】
表２に、本実施例に係る光学系１０の各光学面の面形状を示す。表２において「Ｅ±＊」は「×１０±＊」を示している。
【００８２】
【表２】
2020194010.tif 000007
【００８３】
表３に、絞り１の開口、遮光部材４の開口、及び受光面７のｙ方向及びｚ方向における径［ｍｍ］を示す。本実施例においては、絞り１の開口、遮光部材４の開口、及び受光面７の何れもが矩形である。
【００８４】
【表３】
2020194010.tif 000008
【００８５】
次に、本実施例の光学性能を説明するために、比較例１に係る光学系を考える。比較例１に係る光学系において、表１及び表３に記載の各値は実施例１と同じであるが、回折面５及び第４反射面６の非球面係数や位相係数の値は実施例１とは異なっている。表４に、表２と同様に比較例１に係る光学系の各光学面の面形状を示す。
【００８６】
【表４】
2020194010.tif 000009
【００８７】
本実施例では、上述した第１段階として、ＺＸ断面における第４反射面６の形状を非円弧としている。具体的には、第４反射面６に係るＺＸ断面での４次の非球面係数Ｍ０４の値を、比較例１における４．１７７×１０−７に対して−１．１７４×１０−６としている。これにより、第４反射面６を周辺部において凸形状となるようにして、波長ごとの光軸方向の集光位置のずれを補正している。
【００８８】
また、本実施例では、上述した第２段階として、ＺＸ断面における回折面５の格子間隔を光軸上において極値を含むように光軸上から周辺部に向かって変化させている。図５は、本実施例及び比較例１における回折面５の格子間隔の変化の様子を示したものである。図５では、光軸上における格子頂点の番号（格子番号）を０としている。
【００８９】
比較例１においては、位相関数φにおける３次の位相係数Ｃ３の値は０であり、回折面５の格子間隔は位置に依らず一定となるため、各波長のコマ収差を略同等となるように制御することはできない。一方、本実施例においては、位相係数Ｃ３の値を−６．７０７×１０−６としている。これにより、回折面５の格子間隔を光軸上における１０．２２８μｍから周辺部（ｚ＝６ｍｍ）における１０．３６３μｍまで約１．３％広がるようにして、各波長のコマ収差を略同等となるように制御することが可能になる。
【００９０】
さらに、本実施例では、上述した第３段階として、ＺＸ断面における回折面５のベース面の形状を、頂点での法線に対して非対称となるように構成している。具体的には、回折面５に係るＺＸ断面での３次の非球面係数Ｍ０３の値を、比較例１における４．８６３×１０−６に対して−４．７１６×１０−７としている。これにより、回折面５における受光面７に近い側をより大きな負のパワーを持つ凸形状とし、受光面７から遠い側をより大きな正のパワーを持つ凹形状とすることで、各波長のコマ収差を良好に補正している。
【００９１】
なお、第１乃至第３段階によって波長ごとに異なる収差を補正した際に、各波長の光束の集光位置（ベストピント位置）が受光面７に対して一律にオーバー側にずれてしまう。このずれは受光面７の光軸方向の位置を調整することで解消されるが、本実施例では敢えて受光面７を固定したまま回折面５の形状を工夫することで対応している。具体的には、回折面５に係るＺＸ断面での２次の非球面係数Ｍ０２の値を、比較例１における８．５５９Ｅ×１０−３に対して８．５６２Ｅ×１０−３としている。これにより、回折面５のＺＸ断面での形状を全体的に湾曲させ、各光束の集光位置をアンダー側に移動させて受光面７に対するずれを補正している。
【００９２】
図６は、本実施例に係る光学系１０のＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を示す。図６では、λ１＝７５０ｎｍ、λ２＝３８０ｎｍ、λ３＝１１２０ｎｍの各波長に関するＭＴＦを、読取領域における物体高［ｍｍ］がＹ＝０，４５，９０，１３５，１８０，２２５である場合の夫々について示している。受光面７を含む撮像素子の空間周波数［本／ｍｍ］は２７．８本／ｍｍである。
【００９３】
また、図７は、光学系１０の各波長に関するＭＴＦを４０％でスライスしたときの、各物体高とデフォーカス量［ｍｍ］との関係（深度曲線）を示す。図７（ａ）はＸＹ断面における深度曲線を示し、図７（ｂ）はＺＸ断面における深度曲線を示している。図７における縦軸のプラス側の曲線は深度幅の上限を示し、マイナス側の曲線は深度幅の下限を示している。
【００９４】
図６及び図７と同様に、比較例１に係る光学系のＭＴＦ及び光学系の深度曲線を図８及び図９に示す。図６及び図７と図８及び図９とを比較すると、本実施例においては読取領域の全域にわたって波長ごとに異なる収差が良好に補正され、焦点深度が十分に確保されていることがわかる。特に、比較例１に係る図９（ｂ）においては各波長の深度曲線が大きく離間しているのに対して、本実施例に係る図７（ｂ）においては各波長の深度曲線同士の差が低減されていることがわかる。
【００９５】
［実施例２］
以下、本発明の実施例２に係る光学系１０について説明する。本実施例に係る光学系１０において、上述した実施例１に係る光学系１０と同等の構成については説明を省略する。
【００９６】
本実施例において、被検物から絞り１までの距離は３００ｍｍ、読取領域の第１の方向における幅は３００ｍｍ、ＸＹ断面での画角は±２４．１７°である。また、本実施例においては、使用波長帯域が４００ｎｍ〜１０００ｎｍであり、受光面７における第２の方向での結像領域の幅は２．７ｍｍである。
【００９７】
実施例１と同様に、表５に本実施例に係る光学系１０の各光学面の頂点の位置、頂点における法線の方向、及び各断面での曲率半径を示し、表６に各光学面の面形状を示し、表７に絞り１の開口、遮光部材４の開口、及び受光面７の径を示す。
【００９８】
【表５】
2020194010.tif 000010
【００９９】
【表６】
2020194010.tif 000011
【０１００】
【表７】
2020194010.tif 000012
【０１０１】
次に、本実施例の光学性能を説明するために、比較例２に係る光学系を考える。比較例２に係る光学系において、表５及び表７に記載の各値は実施例２と同じであるが、回折面５及び第４反射面６の非球面係数や位相係数の値は実施例２とは異なっている。表８に、表６と同様に比較例２に係る光学系の各光学面の面形状を示す。
【０１０２】
【表８】
2020194010.tif 000013
【０１０３】
本実施例では、上述した第１段階として、第４反射面６に係るＺＸ断面での４次の非球面係数Ｍ０４の値を、比較例２における１．３５３×１０−６に対して−１．３２７×１０−６としている。これにより、第４反射面６を周辺部において凸形状となるようにして、波長ごとの光軸方向の集光位置のずれを補正している。
【０１０４】
また、本実施例では、上述した第２段階として、位相関数φにおける３次の位相係数Ｃ３の値を、比較例２における０に対して−１．３１３４×１０−５としている。これにより、回折面５の格子間隔を光軸上における８．５６２μｍから周辺部（ｚ＝６．８ｍｍ）における８．８０４μｍまで約２．８％広がるようにして、各波長のコマ収差を略同等となるように制御している。図１０は、図５と同様に本実施例及び比較例２における回折面５の格子間隔の変化の様子を示したものである。
【０１０５】
さらに、本実施例では、上述した第３段階として、回折面５に係るＺＸ断面での３次の非球面係数Ｍ０３の値を、比較例２における１．３７０×１０−５に対して４．６７７×１０−６としている。これにより、回折面５における受光面７に近い側をより大きな負のパワーを持つ凸形状とし、受光面７から遠い側をより大きな正のパワーを持つ凹形状とすることで、各波長のコマ収差を良好に補正している。
【０１０６】
なお、本実施例においては、回折面５に係るＺＸ断面での２次の非球面係数Ｍ０２の値を、比較例２における８．７５２Ｅ×１０−３に対して８．７４６Ｅ×１０−３としている。これにより、回折面５のＺＸ断面での形状を全体的に湾曲させ、各光束の集光位置をアンダー側に移動させて受光面７に対するずれを補正している。
【０１０７】
図６及び図７と同様に、本実施例に係る光学系のＭＴＦ及び光学系の深度曲線を図１１及び図１２に示す。図１１では、λ１＝７００ｎｍ、λ２＝４００ｎｍ、λ３＝１０００ｎｍの各波長に関するＭＴＦを、読取領域における物体高［ｍｍ］がＹ＝０，３０，６０，９０，１２０，１５０である場合の夫々について示している。受光面７を含む撮像素子の空間周波数［本／ｍｍ］は２７．８本／ｍｍである。
【０１０８】
図１１及び図１２と同様に、比較例２に係る光学系のＭＴＦ及び光学系の深度曲線を図１３及び図１４に示す。図１１及び図１２と図１３及び図１４とを比較すると、本実施例においては読取領域の全域にわたって波長ごとに異なる収差が良好に補正され、焦点深度が十分に確保されていることがわかる。特に、比較例２に係る図１４（ｂ）においては各波長の深度曲線が大きく離間しているのに対して、本実施例に係る図１２（ｂ）においては各波長の深度曲線同士の差が低減されていることがわかる。
【０１０９】
［撮像装置及び撮像システム］
以下、上述した実施形態に係る光学系１０の使用例としての撮像装置（分光読取装置）及び撮像システム（分光読取システム）について説明する。
【０１１０】
図１５及び図１６は、本発明の実施形態に係る撮像システム１００，２００の要部概略図である。撮像システム１００，２００は、光学系１０及び光学系１０により形成された像を受光する撮像素子を有する撮像装置１０１，２０１と、各撮像装置及び被検物１０３，２０３の相対位置を変更する搬送部１０２，２０２とを備える。なお、各撮像システムは、撮像素子から得られる画像情報に基づいて画像を生成する画像処理部を有することが望ましい。画像処理部は、例えばＣＰＵなどのプロセッサであり、各撮像装置の内部又は外部の何れに設けられていてもよい。
【０１１１】
撮像装置１０１，２０１によれば、第１の方向（Ｙ方向）に長いライン状の読取領域１０４，２０４を１回撮像することで、複数の波長に対応する複数の画像情報（一次元画像）を取得することができる。このとき、各撮像装置を、一般的なカメラよりも多い４種類以上の波長に対応する画像情報を取得できるマルチスペクトルカメラとして構成することが望ましい。さらに、各撮像装置を、１００種類以上の波長に対応する画像情報を取得できるハイパースペクトルカメラとして構成することがより好ましい。
【０１１２】
各撮像装置における撮像素子としては、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）センサやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサなどを採用することができる。撮像素子は、可視光に限らず赤外光（近赤外光や遠赤外線光）などを光電変換できるように構成されていてもよい。具体的には、使用波長帯域に応じてＩｎＧａＡｓやＩｎＡｓＳｂなどの材料を用いた撮像素子を採用してもよい。また、撮像素子の画素数は、読取方向及び分光方向において求められる分解能に基づいて決定することが望ましい。
【０１１３】
図１５に示す通り、撮像システム１００における搬送部１０２は、被検物１０３を第２の方向（Ｚ方向）へ移動させる手段である。搬送部１０２としてはベルトコンベアなどを採用することができる。一方、図１６に示す通り、撮像システム２００における搬送部２０２は、撮像装置２０１を第２の方向へ移動させる手段である。搬送部２０２としては、マルチコプタ、飛行機、人工衛星等を採用することができる。搬送部２０２を用いることで、ベルトコンベアなどでは搬送できない大型の被検物や、移動が困難な被検物などに対しても、第２の方向における複数の位置での撮像を行うことができる。
【０１１４】
撮像システム１００，２００によれば、各搬送部に各撮像装置及び各被検物の相対位置を変更させながら、各撮像装置に読取領域を順次撮像させることで、第２の方向における複数の位置に対応する複数の画像情報を取得することができる。画像処理部によってこの複数の撮像画像の並び替えや演算処理などを行うことで、特定の波長に対応する二次元画像を生成することができる。なお、各画像情報は第１の方向における濃淡情報を表すため、第２の方向における特定の位置での波長ごとの濃淡情報に基づいて、画像処理部によりスペクトル分布（スペクトル情報）を生成してもよい。
【０１１５】
なお、各搬送部を、各撮像装置及び各被検物の両方を移動させるように構成してもよい。また、各搬送部によって各撮像装置と各被検物との光軸方向（Ｘ方向）における相対位置を調整することができるようにしてもよい。あるいは、光学系１０の内部又は外部に駆動可能な光学部材（フォーカス部材）を配置し、その光学部材の位置を調整することで、被検物に対するフォーカシングを行うことができるようにしてもよい。
【０１１６】
［検査方法及び製造方法］
以下、上述した実施形態に係る光学系１０を用いた物体（被検物）の検査方法及び物品の製造方法について説明する。光学系１０は、例えば製造業や農業、医療などの産業分野における検査（評価）に好適なものである。
【０１１７】
本実施形態に係る検査方法における第１のステップ（撮像ステップ）では、光学系１０を介して物体を撮像することで物体の画像情報を取得する。このとき、上述したような撮像装置や撮像システムを用いることができる。すなわち、物体及び撮像装置の相対位置を変更させながら物体を撮像することで、物体の全体の画像情報を取得することができる。また、複数の物体の画像情報を順次（連続的に）取得することもできる。なお、第１のステップでは、光学系１０から出射する複数の光束の波長の夫々に対応する複数の画像情報を取得してもよい。
【０１１８】
次の第２のステップ（検査ステップ）では、第１のステップで取得された画像情報に基づいて物体の検査を行う。このとき、例えばユーザ（検査者）が画像情報における異物やキズなどの有無を確認（判定）したり、制御部（画像処理部）により画像情報における異物やキズを検出してユーザに通知したりしてもよい。あるいは、異物やキズの有無の判定結果に応じて、後述する物品の製造装置を制御する制御部を採用してもよい。
【０１１９】
また、第２のステップでは、波長ごとの複数の画像情報を用いて取得された物体のスペクトル分布に基づいて物体の検査を行ってもよい。光学系１０を介して取得された画像情報を用いることで、検査対象の物体の固有のスペクトル情報を検知することができ、これにより物体の成分を特定することが可能になる。例えば、画像処理部によりスペクトル分布ごとに着色などの強調を行った画像情報を生成し、その画像情報に基づいてユーザが検査を行ってもよい。
【０１２０】
本実施形態に係る検査方法は、食品、医薬品、化粧品などの物品の製造方法に適用することができる。具体的には、物品を製造するための材料（物体）を上述した検査方法により検査し、検査された材料を用いて物品を製造することができる。例えば、上述した第２のステップにおいて材料に異物やキズがあると判定された場合、ユーザ（製造者）又は製造装置は、材料から異物を除去したり、異物やキズがある材料を廃棄したりすることができる。
【０１２１】
また、上記検査方法を製造装置の異常の検知に用いてもよい。例えば、製造装置の画像情報に基づいて異常の有無を判定し、その判定結果に応じて製造装置の駆動を停止させたり異常を修正したりしてもよい。
【０１２２】
［変形例］
以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の組合せ、変形及び変更が可能である。
【０１２３】
例えば、図３（ａ）においては集光位置７４Ｍ，７５Ｍがアンダー側にずれているが、光学系１０を構成する各光学面のパワーやレイアウトなどによっては集光位置７４Ｍ，７５Ｍがオーバー側にずれることも考えられる。よって、その場合は、光軸上と比較して周辺部において凹形状となる（正のパワーを持つ）反射面や、周辺部において薄くなる（凸形状となる）屈折素子を採用すればよい。同様に、光学系１０を構成する各光学面のパワーやレイアウトなどに応じて、回折面５の格子間隔を中心部で最大となり周辺部に向かって狭くなるように変化させたり、回折面５のベース面の形状を各実施例とは逆方向に変形させたりしてもよい。
【符号の説明】
【０１２４】
４  遮光部材
５  第３反射面（回折面）
６  第４反射面（非球面）
７  受光面（像面）
１０  光学系
１１  前群
１２  後群
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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