(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個のレンズから構成されている少なくとも一つのレンズ群と、対物レンズの光線入射面または光線射出面にあるウェッジからなる光線偏向構造とを有する距離測定用対物レンズにおいて、
前記レンズ群はテレセントリックな結像を行うように構成されているとともに、
前記ウェッジは中心の屈曲部が前記対物レンズを通る光の光軸にアライメントされているとともに、この屈曲部を挟んで上下に対称のくさび形状部分を有しており、
さらにこれらの各くさび状部分は対物レンズ側に傾斜した第１のウェッジ面とそれと反対側に傾斜した第２のウェッジ面の２つのウェッジ面を備えるとともに該第１のウェッジ面の前記光軸に直角の方向に対する傾斜角度を第２のウェッジ面の該光軸に直角の方向に対する傾斜角度より大きくして当該ウェッジを全体として対物レンズ側に凸形状に構成した
ことを特徴とする対物レンズ。
【請求項２】
前記ウェッジを対物レンズの両側に設けたことを特徴とする請求項１に記載の対物レンズ。
【請求項３】
前記２つのウェッジの前記第１、第２のウェッジ面の傾斜角度は、光軸に関して対称であることを特徴とする請求項２に記載の対物レンズ。
【請求項４】
第１のウェッジと第１のレンズ群と、第２のレンズ群と第２のウェッジとが設けられており、該第１のウェッジと第１のレンズ群と、第２のレンズ群と第２のウェッジとが内側ダイヤフラムを挟んで対称に設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の対物レンズ。
【請求項５】
対物レンズの結像は１：１であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の対物レンズ。
【請求項６】
ウェッジは平坦な光線通過面のみを有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の対物レンズ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、複数個のレンズから構成されている少なくとも一つのレンズ群と、対物レンズの光線入射位置又は光線射出位置にあり、少なくとも一つの要素から構成されている少なくとも一つの光線偏向構造とによって距離を測定するための対物レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
そのような測定用対物レンズは、光源の光を少なくとも一つの測定表面に結像するか又は少なくとも一つの測定表面から来た光を像平面に結像し、そこで、適切な測定値受信装置により光をその後に処理可能な信号に変換するという目的のために使用される。その際、測定すべき距離と受信される信号との間にできる限りに容易に評価しうる関係が成立していること、並びに苛酷な計算による測定値の修正を回避し且つ迅速，正確に再現性のある結果を得るために、測定すべき対象の光学的結像誤差が広い分解能範囲にわたり測定結果を可能な限り変動させないことが重要である。
そのような測定用対物レンズのもう一つの本質的な特徴は、測定面と対物レンズとの間の自由動作領域をできる限り広く設定できるようにすべきであるという点である。測定用対物レンズによって広い自由動作領域を実現できる場合に限って、測定用対物レンズを含めて構成される測定装置を操作時にも測定表面の領域に設置したままにしておくことや、近づきにくい領域を越えた方まで測定することが可能になる。
【０００３】
欧州公開特許公報第０２９７３６１号には、可変倍率のテレセントリック像形成装置が記載されている。そこに記載されている装置は照明装置用として説明されているのではあるが、測定装置に利用することもできるであろう。レンズが対称に配列されているこの対物レンズの場合、主光線の光路は平行である（特に、図９及び図１３ａ〜図１３ｄを参照）。レンズが対称に配列されている同様の対物レンズは、欧州公開特許公報第０２９９４７２号にも記載されている（特に、図１，図１７，図１９，図２１，図２３及び図２９を参照）。
それらの対物レンズが距離の測定に適する光線偏向構造を全く有していないことは欠点とみなすべきである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、コマ収差，非点収差及びゆがみに関して結像誤差が可能な限り少なく、主光線が対物レンズの少なくとも一方の側で一つの方向づけ構成要素の中では互いに傾いており、それに対して垂直である方向づけ構成要素の中では互いに平行であるような自由動作空間の広い測定対物レンズを実現することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記の課題は対物レンズの光線入射位置（面）又は光線射出位置（面）にウェッジすなわちプリズムからなる光線偏向構造を設けたことにより解決される。前記ウェッジは中心の屈曲部を挟んで上下に対称のくさび形状部分を有しており、さらにこれらの各くさび状部分は対物レンズ側に傾斜した第１のウェッジ面とそれと反対側に傾斜した第２のウェッジ面の２つのウェッジ面を備え、かつ前記第１のウェッジ面の傾斜角度を第２のウェッジ面の傾斜角度より大きくして当該ウェッジが全体として対物レンズ側に凸形状に成るよう構成している。さらにこのウェッジの前記屈曲部を光軸にアライメントしている。
このような構成を有する本願対物レンズによって、構造（たとえば、線，格子，正方形など）を測定すべき表面に結像することができる。この対物レンズは、投影のみならず、構造を伴う表面を適切な検出器に結像するのにも適している。光線偏向構造を含まない対物レンズがテレセントリック結像を行う場合、入射する主光線と射出する主光線は全て平行である。たとえば、光線を偏向するウェッジを対物レンズの背後に挿入すると、主光線は対物レンズとウェッジとの間ではまだ平行であるが、ウェッジの背後では、一つの方向成分においては平行に進み、それとは垂直な方向においては光軸に対して傾いている。ところが、そこで、コマ収差を生み出す光の量は非常に多くなる。このコマ収差に関わる量を少なくするために、対物レンズの前方にも第２の屈折ウェッジを配置する。
【０００６】
任意の開口光束の各光線の全光路は、総じて、少なくとも全ての光線偏向構造を通して等しい長さであると有利である。そのようにすれば、光線入射位置と光線射出位置で光線偏向構造によりさらに大きなコマ収差が発生することはない。
ところが、一般に、プリズム形のウェッジは相当に大きな非点収差を発生させる。これに対して、本願のウェッジ（プリズム）は任意の所定の偏向に対して、各ウェッジの二つのウェッジ面で部分偏向の組合わせが厳密に起こるので、非点収差は全く発生しない。非点収差を全てのウェッジを合わせて排除すれば、同じ作用が得られる。主光線が平行である場合、この組合わせはあらゆる主光線について同一である。
【０００７】
対称形の対物レンズを１：１の結像倍率をもって利用すると、その結像は、ゆがみ，コマ収差及び色変化に関する誤差が最小限であるという顕著な特徴を示す。さらに、二つの光線偏向構造も対物レンズの中心に対して対称に配置すると、（その場合、偏向は屈曲部の上方と下方とで全く異なっていても良い）先に述べた光学的特性は総じて維持されたままである。
ウェッジをその屈曲部を通る平面に関して対称に構成すると、屈曲部の上下で対称な光学的関係が得られる。
二つのウェッジは二つの分離した測定領域を発生させる。光軸を含む平面においてウェッジの屈曲部をアライメントすると、それら二つの測定領域は最適の大きさになる。ウェッジの光線通過面が平坦であると、その製造が容易になるという利点が得られる。
以下、図面の図１〜図３を参照して本発明を例示しながらさらに詳細に説明する。以下の説明には、本発明のその他の本質的特徴、並びに本発明の思想をより良く理解するのに役立つ説明及び本発明の思想の実現形態が含まれている。
【０００８】
【実施例】
図１Ａに示す対物レンズ１は複数の独立レンズ６ａ〜６ｃ，７ａ〜７ｃをそれぞれ含む二つのレンズ群６，７と、二つの光線偏向構造８，９とから構成され、それらの構成要素は内側ダイアフラム１０に対して対称に配置されている。光軸２は、対物レンズ１の中心に位置する丸形のダイアフラム１０の厳密に中心を通っている。
【０００９】
各レンズ群６，７は一つの正レンズ６ａ；７ａと、色消しレンズ６ｂ，６ｃ；７ｂ，７ｃとから構成されている。色消しレンズ６ｂ，６ｃ；７ｂ，７ｃは正レンズ６ｂ；７ｂと、負レンズ６ｃ；７ｃとから構成され、色消しレンズ６ｂ，６ｃ；７ｂ，７ｃのそれぞれの二つのレンズ６ｂ，６ｃ；７ｂ，７ｃは互いにぴったりとつくように配置されており、周知の通り、接合剤層１１によって互いに固着されている。ここで、色消しレンズ６ｂ，６ｃ；７ｂ，７ｃの負のレンズの表面はダイアフラム１０の方を向くようになっている。二つの色消しレンズ６ｂ，６ｃ；７ｂ，７ｃは内側ダイアフラム１０を囲んで位置し、二つの追加正レンズ６ａ，７ａは光線入射位置と、光線射出位置とに配置されている。二つの正レンズ６ａ，７ａと、二つの色消しレンズ６ｂ，６ｃ；７ｂ，７ｃとは互いに鏡像関係で位置しており、ダイアフラム１０はその鏡の平面にある。双方のレンズ群は全く同一の構造である。図１Ａに示す対物レンズ１の場合、光線偏向構造８，９は、単に一つのウェッジ、すなわち、ウェッジ（ダブルプリズム）８ａ，９ａから構成されている。各ウェッジ８ａ，９ａは光軸２に対して対称の構造であり、図１Ｂに示すように、その光軸２の上下に、それぞれ、鋭角βを成して交わる二つの平面（第１のウェッジ面と第２のウェッジ面）を有する。ウェッジ８ａ，９ａのとがった末端を結ぶと、総角度βのうち、対物レンズの内側に近いほうの部分角度β２  は末端を結ぶ線と、ウェッジ８ａ，９ａの光線入射位置又は射出位置に向いた面とが成す部分角度β１  の何倍かになる。二つのウェッジ８ａ，９ａは対物レンズの中心点、ここでは特に内側ダイアフラム１０に対して対称に配置されている。さらに、図１（Ａ）の２つのウェッジ８ａ、９ａのそれぞれの右側面及び左側面と光軸２と交わる部分にエッジ（屈曲部でもある）が形成される。同図に示されているように、この両サイドのエッジはそれぞれのウェッジにおいて光軸２に実質上垂直であり、かつ両ウェッジとともに互いに実質上平行と成っている。
【００１０】
入射ひとみと射出ひとみは無限遠に位置しているので、対物レンズ１はテレセントリックな結像を行う。レンズ群に入射し、レンズ群から射出してゆく全ての主光線は光軸に対して平行であり、ウェッジ８ａ，９ａに関して等しい入射角を有することになる。角度β１及びβ２は、βによって決まる総体的な偏向に際して非点収差が発生しないように選択されている。テレセントリックという性質があるため、あらゆる高さの像について「非点収差ゼロの位置」は同一である。すなわち、非点収差も小さく抑えられる。
二つのレンズ群６，７並びに物体位置と像位置は内側ダイアフラム１０に対して対称に配置されている。従って、対物レンズの結像倍率は１：１である。そこで、対物レンズ１のレンズ群６，７によって非対称の結像誤差が起こらないことは確実である。すなわち、この対物レンズにはコマ収差，ゆがみ，そして、ゆがみの色変動は全くないのである。
【００１１】
ウェッジを一つしか使用しないと、大きなコマ収差が生じる。測定という目的それ自体には不可欠ではないのであるが、像の側に対応する（ここでは、対物レンズの中心に対して、さらには屈曲平面に対して対称である）ウェッジを使用して始めて、一つの光束の全ての光線が同一の光路をとるようになるので、コマ収差は補正される。
像空間では、主光線は一つの方向成分の中においては互いに平行に進むが、別の方向成分の中においては互いに傾いて進んでゆく。
この対物レンズの大きな利点は、結像誤差が最小限に抑えられていることである。ただし、そこで、二つの像平面が互いにわずかに傾いていることを忘れてはならない。しかし、そのことは測定課題の大半については全く問題にならない。また、焦点深度の大きな対物レンズではそれは不必要である。
【００１２】
図面では、光線の進みかたをより明瞭に把握できるように、そのような関係を幾分か誇張して示してある。実際に利用する構成においては、レンズ群のレンズの個数や、光線偏向構造のウェッジの数をそれぞれ設定される条件に従って変えることができる。
図２（Ａ）には、本発明の変形例を示す。この対物レンズ２１は複数の独立レンズ２７ａ〜２７ｃから成るレンズ群２７と、ウェッジ２９ａから成る光線偏向構造２９とから構成される。さらに、対物レンズ２１の中にはミラー２０があり、そのミラーは中心の円形領域２０ｂでのみ光を反射し、この領域の外では当たった光線を吸収する。このダイアフラムとして作用するミラー２０，３０を図２（Ｂ）に正面図として示した。図２（Ｂ）には、円形の中心反射領域３０ｂをさらに明瞭に見て取ることができる。
【００１３】
図１の場合と同様に、レンズ群２７は正レンズ２７ａと、色消しレンズ２７ｂ，２７ｃとから構成されている。色消しレンズ２７ｂ，２７ｃは正レンズ２７ｂと、負レンズ２７ｃとから構成され、それら二つのレンズ２７ｂ，２７ｃは互いにぴったりとつくように配置されており、周知のように、接合剤層３１によって互いに固着されている。ここで、色消しレンズ２７ｂ，２７ｃの負レンズの表面はダイアフラムとして作用するミラーの方を向くようになっている。
光線の入射位置でもあり、射出位置でもある場所には光線偏向構造２９があり、図２（Ａ）に示す実施例では、その構造は一つの要素、すなわち、ウェッジ２９ａから構成されている。このウェッジ２９ａは光軸２２に対して対称の構造であり、光軸２の上と下に角度βを成して交わる二つの平面をそれぞれ有する。ウェッジ２９ａのとがった末端を結ぶと、総角度βのうち、対物レンズの内側に近いほうの部分角度β２  は、末端を結ぶ線と、ウェッジ２９ａの光線入射位置又は光線射出位置に向いた面とが成す部分角度β１  の何倍かになる。
【００１４】
この対物レンズ２１においても、入射ひとみと射出ひとみは無限遠に位置しているので、結像はテレセントリックである。入射光線と射出光線は全て等しい入射角度を有し、従って、あらゆる主光線はウェッジの中を同じように進んでゆく。
対物レンズ２１の場合には線状測定領域は一つしかないので、図１に関して説明した光学的特性は図２（Ａ）に示す対物レンズ２１についても、図１では測定領域が二つあるという点を除いて全て同じように現われる。
【００１５】
図３には、距離測定に使用される対物レンズ３５を示す。構成の上では、この対物レンズ３５は図１の対物レンズ１に対応している。
対物レンズ３５によって、構造を伴う物体−その構造は投影されたものでも良いが、物体そのものに付いていても良い−の表面４５，４６をセンサ像平面３６に結像する。センサ像平面３６にあるセンサは測定を行うためにその像平面３６で動く必要がないように、センサは線状又は面状の像を受取ることができるようなものとすべきであろう（たとえばＣＣＤセンサ）。
物体の点４１，４１′から発する傾斜した主光線４８，４８′は、ウェッジとして構成されている光線偏向構造３９の外側境界面４０に当たる。内側ダイアフラム３７に対して対称に配置される二つのレンズ群４４，４３と、同様に内側ダイアフラム３７に対して対称に配置される二つの光線偏向構造３８，３９とを有する結像倍率１：１のテレセントリック対物レンズ３５は、傾斜して入射した主光線４８，４８′が対物レンズ３５を通ってセンサ像平面３６に向かって再び傾斜して射出してゆくように作用する。像側に配置されている光線偏向構造３８とセンサ像平面３６との間隔Ｄは一定に保たれるので、像側の主光線４９，４９′がセンサ像平面に当たる点５１，５１′の距離は、対物レンズ３５から測定すべき表面４５までの距離Ｅ１を与える。
【００１６】
物体の距離Ｅ１をΔＥだけ大きくすると、物体は対物レンズ３５から距離Ｅ２だけ離れることになる。そのとき、同時に、測定すべき表面４５は対物レンズ３５から４６へと離れる。そこで、物体の点４２，４２′から発する主光線４７，４７′は、ウェッジとして構成されている光線偏向構造３９の外側境界面４０のさらに外側の位置に入射する。対物レンズ３５から射出した主光線５０，５０′はセンサ像平面３６の、先の場合と比べて互いにより近接する位置にある別の点５２，５２′に当たることになる。光が当たる点５１，５１′；５２，５２′の互いの位置ずれは、測定すべき物体の対物レンズ３５に対する距離変化ΔＥと直線的な関係にある。
距離の測定に当たっては、十分に規定できる放射重心がセンサ像平面３６に達するだけで良いので、対物レンズ３５は十分な焦点深度をもつ領域の中で距離計として使用可能である。ΔＥの測定をｍｍ範囲で実現させるために、対物レンズ３５は距離調整を安定化するのに特に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】光線入射位置と光線射出位置にそれぞれウェッジを有する測定用対物レンズの概略図。
【図２】屈折ウェッジを一つしかもたない本発明による別の測定用対物レンズの概略図（Ａ）とその（Ａ）の測定用対物レンズにある内部ミラーを示す図（Ｂ）。
【図３】図１の測定用対物レンズを含む測定構成を示す図。
【符号の説明】
１  対物レンズ
２  光軸
６，７  レンズ群
６ａ，７ａ  正レンズ
６ｂ，６ｃ，７ｂ，７ｃ  色消しレンズ
８，９  光線偏向構造
８ａ，９ａ  ウェッジ
１０  内側ダイアフラム
２０  ミラー
２１  対物レンズ
２２  光軸
２７  レンズ群
２７ａ  正レンズ
２７ｂ，２７ｃ  色消しレンズ
２９  光線偏向構造
２９ａ  ウェッジ
３５  対物レンズ
３８，３９  光線偏向構造
４３，４４  レンズ群
５３  光軸
【図１】
0003573351.tif 000002
【図２】
0003573351.tif 000003
【図３】
0003573351.tif 000004