(57)【要約】    【課題】  被撮像物体をローアングルで撮像する場合、アオリ角をあまり大きくせずに広い領域に渡り、合焦が容易で高い光学性能の像が得られる撮像光学系を得ること。    【解決手段】  共軸系より成る第１の光学系と、該第１の光学系が形成した像を拡大して再結像する、共軸系より成る第２光学系とを有する撮像光学系において、該第１の光学系の主平面は第２の光学系の像面に対してチルトしていること。【選択図】図２
2007316385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共軸系より成る第１の光学系と、該第１の光学系が形成した像を拡大して再結像する、共軸系より成る第２光学系とを有する撮像光学系において、
該第１の光学系の主平面は、該第２の光学系の像面に対してチルトしていることを特徴とする撮像光学系。
【請求項２】
前記第１の光学系は、物体を縮小して結像することを特徴とする請求項１の撮像光学系。
【請求項３】
前記第１の光学系が形成する像面と前記第２の光学系の主平面と、該第２の光学系が再結像する像面とは、シャインプルーフ条件を満足することを特徴とする請求項１又は２の撮像光学系。
【請求項４】
前記第２の光学系の像面と該第２の光学系の物体面が平行となるように前記第１の光学系の主平面がチルトしていることを特徴とする請求項１、２又は３の撮像光学系。
【請求項５】
前記第１の光学系の主平面と前記第２の光学系の主平面は該第２の光学系の像面に対して互いに異なった方向にチルトしていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項の撮像光学系。
【請求項６】
前記第１の光学系の前側主点又は後側主点と前記第２の光学系の前側主点又は後側主点とを結ぶ線は、該第２の光学系の像面に垂直であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項の撮像光学系。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の撮像光学系と、前記撮像光学系によって形成された像を受光する固体撮像素子とを有していることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被撮像物体（観察物体）をローアングルで撮像する際に好適な撮像光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
被撮像物体を、その面に近いローアングルで即ち斜め方向から撮像すると表面状態の凹凸を精度良く撮像することができる。
【０００３】
これは、被撮像物体を斜め方向から見ると、偏光の状態等が原因となって物体を構成している物質や凹凸の大きさの影響が拡大されて観察されるためである。
【０００４】
撮像系の光軸方向に傾いた被撮像面を全面的にピントを合わせて撮像するのに好適な撮像系としてアオリ撮像光学系が知られている。その撮像原理はシャインプルーフにより発見され、この光学系はシャインプルーフ光学系とも言われている。
【０００５】
従来、シャインプルーフ光学系の技術を利用した撮像装置が提案されている（特許文献１）。
【０００６】
一方、シャインプルーフ光学系を適用した光学機器として、リアプロジェクターに代表されるような、斜め方向から画像を投影する投影光学系を用いた投射装置が知られている。このうち装置の薄型化の為にできるだけ大きな角度で斜め方向から投影するようにした投射装置が知られている（特許文献２、３）。
【０００７】
以下に、シャインプルーフ光学系について簡単に説明する。
【０００８】
図１１は、アオリ撮像の原理であるシャインプルーフの法則を説明するための光学系の概略図である。
【０００９】
一般に、撮像系１０１の主平面１０１ａと撮像素子が位置する像面１０２が平行であれば、被撮像物体１２０が光軸１０１ｂに対し斜めになっている場合は、被撮像物体１２０の全域（ある大きさの面である）に焦点が合うことはない。
【００１０】
被撮像物体１２０の全域に焦点を合わせるためには、撮像素子１０２が位置する延長面１０２ａと被撮像物体１２０の延長面１２０ａとの交線Ｐが、撮像系１０１の主平面１０１ａと交わるように構成すればよい。これがシャインプルーフの法則である。
【００１１】
図１１は、このシャインプルーフの法則を実際に撮像系１０１に応用した場合の被撮像物体１２０、撮像系１０１の主平面１０１ａ、撮像面１０２との位置関係を示している。
【００１２】
ここで被撮像物体１２０の延長面１２０ａと、像面１０２の延長面１０２ａと像面１０２に垂直で撮像系１０１の主点を通る軸１０１ｃで囲まれる３角形より成る面を基準面とする。
【００１３】
基準面内の３角形内において、被撮像物体面１２０と軸１０１ｃとのなす角αは撮影角である。ローアングルとは撮影角αが小さいこと、例えば20°以下のときをいう。
【００１４】
像面（再結像する光学系を用いたときは最終像面）１０２と撮影系１０１の主平面とのなす角θはアオリ角である。
【００１５】
被撮像物体面１２０と像面１０２とのなす角βはシャインプルーフ角である。
【特許文献１】特開平１１−１９０８６４号公報
【特許文献２】特開平６−２６５８１４号公報
【特許文献３】特開平２−７９０３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
通常、シャインプルーフの条件を満足する光学系を用いて被撮像物体を斜方向から撮影するときの見込む角度（撮像角）はせいぜい20°程度までである。多くのシャインプルーフの条件を満足する光学系では撮影角20°以下で撮像する事は想定していない。
【００１７】
撮像角αが20°以下のローアングルでの撮像を可能にするには角度に対応してアオリ角（像面と撮影系の主平面とのなす角度）θを大きくすれば良い。
【００１８】
しかしながら、アオリ角θを大きくする事は撮影レンズ径の拡大や収差の影響等、設計や製作が難しく、実際にはアオリ角としては10°程度までが限界であった。
【００１９】
又、シャインプルーフ光学系を利用したリアプロジェクション光学系はそもそも斜めに投影する為のもので、光軸に対し斜めになっている被写体を撮像する為のものでない。このため、最終投影面と投影用の光束の光路は大きく角度が付いており、後述する中心光束が像面に垂直に近い状態で入射する撮像光学系に用いると被写体の広い範囲で合焦した像を得るのが難しくなる。
【００２０】
本発明は、被撮像物体をローアングルで撮像する場合、アオリ角をあまり大きくせずに広い領域に渡り、合焦が容易で高い光学性能の像が得られる撮像光学系の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の撮像光学系は、
・共軸系より成る第１の光学系と、該第１の光学系が形成した像を拡大して再結像する、共軸系より成る第２光学系とを有する撮像光学系において、
該第１の光学系の主平面は第２の光学系の像面に対してチルトしていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、被撮像物体をローアングルで撮像する場合、アオリ角をあまり大きくせずに広い領域に渡り、合焦が容易で高い光学性能の像が得られる撮像光学系が達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
【実施例】
【００２４】
以下、本発明の撮像光学系及びそれを有する撮像装置の実施例について説明する。
【００２５】
まず図１、図２の本発明の撮像光学系の実施例１、２について説明する。
【００２６】
図１の撮像光学系ＰＬでは被撮像物体２を共軸系より成る第１の光学系１により、結像面３に縮小倍率で中間結像している。この結像面３に結像した中間像を共軸系より成る第２の光学系５により撮像面（最終像面）６に拡大結像（再結像）している。撮像面６にはＣＣＤ等の固体撮像素子が配置される。固体撮像素子は、第２の光学系５によって形成される像を受光して、電気信号に変換する。
【００２７】
ここで共軸系とは、それを構成する各レンズの光軸が同一直線上にある系をいう。
【００２８】
図１の実施例１は、被撮像物体２の被撮像物体面（表面）２ａの所定範囲を撮像光学系ＰＬにより撮像角αで撮像する場合を示している。
【００２９】
ここで、撮影角αは被撮像物体面２ａと、最終像面６に垂直な軸４とのなす角である。
【００３０】
実施例１において、撮像角αは20°以下のローアングルである。
【００３１】
実施例１の撮像光学系ＰＬにおいて、第１の光学系１の主平面１ａは最終像面６に対してチルトしている。即ち第１の光学系１の主平面１ａは第２の光学系５の像面６と物体面３が平行となるように像面６に対してチルトしている。
【００３２】
θ２は最終像面６と第１の光学系１の主平面１ａとのなすアオリ角である。
【００３３】
実施例１では、被撮像物体２の物体面２ａと第１の光学系１の主平面１ａと中間像面３とが１つの軸Ｐで交差するようにシャインプルーフ条件を満たすように設定している。β１はこのときのシャインプルーフ角である。第２の光学系５の主平面５ａと中間像面３と撮像面６は互いに平行である。
【００３４】
ここで第１の光学系１の物体側又は像側の主点及び第２の光学系２の物体側又は像側の主点を通る軸を中心軸という。
【００３５】
ここで中心軸は軸４に相当している。以下、軸４を中心軸ともいう。中心軸を通る光線を中心光線４ａという。
【００３６】
図１の実施例１では、中心軸４と中心光線４ａは最終像面６に対して垂直又は略垂直（90°±10°）である。
【００３７】
実施例１では、被撮像物体２の中心２ｂと中間像面３の中心３ａと撮像面６の中心６ａが直線上に並ぶ構成を取っている。
【００３８】
次に図２の本発明の実施例２の要部概略図について説明する。実施例２の撮像光学系ＰＬは、撮像面６に対して主平面１ａがチルトした第１の光学系１と、第１の光学系１が結像面３に形成する被撮像物体２の中間像を撮像面６に再結像（拡大結像）する第２の光学系５を有している。
【００３９】
αは撮影角、θ３は第１の光学系のアオリ角、θ４は第２の光学系５のアオリ角である。
【００４０】
第１の光学系１は物体面２ａと第１の光学系１の主平面１ａと中間像面３ａとがシャインプルーフ条件を満たすように構成している。β３は、このときのシャインプルーフ角である。
【００４１】
第２の光学系５は、第１の光学系１が形成する中間像の中間像面３ａと、第２の光学系５の主平面５ａと、撮像面６とがシャインプルーフ条件を満たすように構成している。
【００４２】
β２はこのときのシャインプルーフ角である。また、第１の光学系１は結像倍率が縮小である縮小光学系、第２の光学系５は結像倍率が拡大である拡大光学系である。
【００４３】
第１の光学系１の主平面１ａと第２の光学系５の主平面５ａは、第２の光学系５の像面（ここでは最終像面）６に対して互いに異なった方向にチルトしている。
【００４４】
実施例２では、第１の光学系１の主平面１ａと第１の光学系１の像面（中間像面）３とが交わる軸Ｐと第２の光学系５の主平面５ａと第２の光学系５の像面６とが交わる軸Ｑが中心軸４に対して異なる側に位置する構成となっている。
【００４５】
中心光線４ａは最終像面６に対して垂直又は略垂直に入射している。
【００４６】
尚、図１、図２の実施例１、２は、同じ結像倍率で結像させる場合である。図２の実施例２では被撮像物体２を一度第１の光学系１でシャインプルーフ条件で結像面３に縮小中間像を形成している。
【００４７】
その後、中間像を第２の光学系５で撮像面６にシャインプルーフの条件で拡大像を結像させている。ここで縮小倍率×拡大倍率＝１（尚、この値は等倍でなくても良い）に設定することにより、図１の撮像光学系ＰＬと同じ結像倍率としている。
【００４８】
本発明の撮像光学系ＰＬは、共軸系より成る第１の光学系１と第１の光学系１が形成した像を再結像する共軸系より成る第２光学系５とを有している。
【００４９】
これに対して１つの光学系を用い、該光学系をその主平面が最終像面に対してチルトして配置した撮像系について本発明と対比して説明する。
【００５０】
図３は１つの光学系を用い、該光学系をその主平面が最終像面６に対してチルトして配置した撮像系の説明図である。
【００５１】
図３の撮像光学系ＰＬは被撮像面２ａと光学系１０の主平面１０ａと撮像面となる最終像面６とが１つの軸Ｐで交差し、シャインプルーフ条件を満足している。
【００５２】
被撮像物体２の中心と、光学系１０の物体側又は像側の主点を結ぶ軸４０は撮像面６に垂直になっている。
【００５３】
図３の撮像光学系ＰＬでは撮影角α、アオリ角θ１、シャインプルーフ角β１０で被撮像物体２を撮像面６に結像する状態を示している。
【００５４】
図３に示すように、１つの光学系１０のみを用いて撮像面６に軸４０上の光線４０ａが略垂直に入射するような状態で撮像を行うには、光学系１０の主平面１０ａと撮像面６とのなす角であるアオリ角θ１を大きくする必要がある。
【００５５】
これに対して図１、図２の実施例１、２では、中心光線４ａが撮像面６に垂直又は略垂直に入射しているのにもかかわらず、いずれの場合も図３の一つの光学系で構成したときのアオリ角θ１よりもアオリ角θ２、θ３を小さく設定可能である。
【００５６】
これによって小さな撮影角αにおいてもアオリ角を大きくすることがないので、良好な光学性能を容易に得ている。
【００５７】
図１では、中間結像面３は最終像面６に対して平行である。これに対して図２では中間結像面３ａを最終像面６に対してチルトするようにしている。
【００５８】
これによって図１のアオリ角θ２に比べてアオリ角θ３が更に小さくなるようにしている。
【００５９】
一般に、撮影角αを小さくして、ローアングルでの撮像を可能にするには角度に対応してアオリ角θを大きくすれば良い。しかしながら、アオリ角θを大きくすることはレンズ径の拡大や収差の影響等、設計や製作が難しく、実際にはアオリ角θとしては10°程度までが限界であった。
【００６０】
その為撮像可能なローアングル角αも20°程度が限界であった。
【００６１】
これに対して各実施例によれば、前述の如く構成をとることにより、ローアングル角αを20°以下とし、かつアオリ角θをあまり大きくせずに被撮像物体を高い光学性能で撮像することができる。
【００６２】
次に実施例１、２の撮像光学系ＰＬと図３の撮像光学系ＰＬとの対比を数式を用いて説明する。
【００６３】
図４は、図１の第１の光学系１と、その近傍を抽出したときの説明図である。
【００６４】
図４において像側距離（第１の光学系１の後側主点から結像面３までの距離）を１としたときの物体距離（被撮像物体２の中心２ｂから第１の光学系１の前側主点までの距離）をｍとする。
【００６５】
ｍ：１倍の結像関係とすればアオリ角θは以下の式で表わされる。
【００６６】
尚、図４では撮像角αを被撮像面２ａと像面３の法線４とのなす角で示している。
【００６７】
θ=90°-tan-1{(m+1)tanα}
第１の光学系１が等倍結像であればｍ＝１で、アオリ角θβ１は
θβ1=90°-tan-1{2tanα}
となる。又、
１／２倍結像であればｍ＝２で、でアオリ角θβ１／２は
θβ 1/2=90°-tan-1{3tanα}<θ1=90°-tan-1{2tanα}
となる。アオリ角θβ１／２はアオリ角θβ１に比べて小さくできる。
【００６８】
同様に任意の倍率の結像系、例えば総合でｐ：１の光学系の場合すなわち、１／ｐの縮小光学系を一つのシャインプルーフ光学系で実現しようとすれば、アオリ角θ１は、以下のような式になる。
【００６９】
θ1=90°-tan-1{(p+1)tanα}
これをｑ：１の縮小を掛けてｐｑ：１の第一の光学系とｐ：ｑの第二の光学系との組み合わせとして構成すればアオリ角θ２は、
θ2=90°-tan-1{(pq+1)tanα}
となる。
【００７０】
ｑ＞１
であれば、即ち第２の光学系が拡大系であれば
θ２＜θ１
となり、アオリ角を小さくできる。
【００７１】
例えば物体面の長さが３００ｍｍの被検物体を撮影角α＝１０°で撮像するとする。
【００７２】
第１の光学系のみとし、撮像系の倍率１０／１倍としたときのアオリ角は約２７．３°となる。これに５倍の拡大系の第２の光学系を加えて撮像するときは第一の光学系のアオリ角は約６．３°となる。
【００７３】
以上のような構成は図１や図２に示すように物体面２の中心２ｂと第１光学系１の主平面１ａの中心（主点）１ｂと中間結像面３の中心３ｂと第２光学系５の主平面５ａの中心（主点）５ｂと撮像面６の中心６ａとが一直線上に並ぶ配置とする事ができる。
【００７４】
次に第１の光学系１の主平面１ａを撮像面６に対してチルトする（傾ける）事により形成される像面３について図１、図２を用いて説明する。
【００７５】
説明を簡単にする為に、第１の光学系１の結像倍率を１／2倍とし、第２の光学系５の結像倍率を２倍とし、総合で等倍の結像の場合について説明する。
【００７６】
図２では中間像面３ａと撮像面６の交わる軸をＱとする。両者のなすシャインプルーフ角をβ２で表す。
【００７７】
図１に示すように物体面２ａと像面３とのなす角度（シャインプルーフ角）をβ１とした時の図１と図２の関係について説明する。図２に示すように像面３を傾ける角度をシャインプルーフ角β２と同じに設定するとβ２＜β１なる条件であれば、第２の光学系５のアオリ角θ４は第１の像面３を傾ける前に設定した第１の光学系１のアオリ角θ２よりも小さくできる。
【００７８】
この時、第１の光学系１のアオリ角θ３もアオリ角θ２より小さくなっているので、結局、第１、第２の光学系１、５、のアオリ角θ３、θ４は図１の像面３を傾ける前の時のアオリ角θ２よりも小さくする事ができる。
【００７９】
図４、図５はアオリ角θ２とアオリ角θ４の比較を説明する為にそれぞれ図１、図２から必要な部分を抽出したものである。
【００８０】
図６は物体面６１、シャインプルーフ条件を満足する光学系６２の主平面、像面６３をｍ：１に分割する配置図である。
【００８１】
すなわち、図６はｍ：１又は１：ｍになるばあいのアオリ角θの違いをシャインプルーフ角βとの関係を示した図である。
【００８２】
シャインプルーフ角βが大きければアオリ角θも大きなる事を図示してある。
【００８３】
以下、アオリ角θとシャインプルーフ角βとｍに関して式を使って示せば次のようになる。
【００８４】
tanθ=1／{(m+1)tan(90°-β)}
すなわち、シャインプルーフ角βが小さくなればアオリ角θは小さくなる（ここで物面距離と像面距離をm:1としている）。
【００８５】
先に示した、β２＜β１なる条件であれば、第２の光学系５のアオリ角θ４は第１の像面３を傾ける前に設定した第１の光学系１のアオリ角θ２よりも小さくできる事が分かる。
【００８６】
以上の説明した光学系全体の構成としては物体面２の中心２ｂ、第１の光学系１の主平面１ａの中心１ｂ、中間結像面３の中心３ｂ、第２の光学系５の主平面５ａの中心５ｂ、及び撮像面６の中心６ａを一直線上に並べる配置とする事ができる。
【００８７】
図７は図２の２つのシャインプルーフ条件を満足する光学系１及び５を用いた撮像光学系ＰＬを用い、被撮像物体２を撮像する場合に、被撮像物体２を照明する照明方法について示した説明図である。
【００８８】
照明光７で被撮像物体２を照明する。このとき被撮像物体２上で照明光７が正反射する角度（明視野照明）より撮像しても良い。又、照明光７ａの照明角度より少し角度をずらせて、直接反射光が撮像光学系ＰＬに入らないように設定した暗視野照明を用いて撮像しても良い。
【００８９】
更に照明光７ｂのように被撮像面２から生ずるバック散乱光を利用して撮像するようにしても良い。照明の選択は被撮像物体２の何を観察したいかにより適宜選択すればよい。
【００９０】
図８は各実施例で適用可能な撮像物体の形状の説明図である。図８（Ａ）は平面物体、図８（Ｂ）は円筒物体の場合である。
【００９１】
左側の図が被撮像物体面２と中心軸４を含む平面、右側の図がそれと直交する平面での形状を表している。
【００９２】
円筒物体の場合は曲率の影響が小さい領域では軸方向に長い領域の表面画像が得られる。この他、円筒の内部であっても軸方向に長い領域での画像が得られる。
【００９３】
以上は最終像面に入射する中心光束４ａが垂直となる前提で説明してきたが、実際の撮像光学系では多少傾いた構成をとっても良い。その分アオリ角θを小さくするように設計の自由度をあげる事も可能である。
【００９４】
図９は本発明を撮像装置に適用したときの概略図である。同図では第２の光学系５のみを示している。
【００９５】
図９では撮像面８に入射する光束の最大傾きの光線のうちがカメラ（撮像装置）９の撮像面８の端８ａにくる光線の主光線４ｐと傾きの両端の光線４ｕ，４ｄの全てが、カメラのレンズ取り付け部１０の端１０ａにかからなければ良い事を示している。この傾き角を考慮して、設計し、アオリ角θを多少小さくする事もできる。
【００９６】
図１０は本発明の撮像光学系を設計するにあたって行う設計フロー例を示す。先ず、ステップ１で撮像角αをどこまで取るかを決める。
【００９７】
次に、ステップ２で撮像倍率1／ｐをどの程度とするか決める。そして、ステップ３で最大のアオリ角θmaxはどこまで大きくするかを決める。ここまで決まった段階で、ステップ４で第１の光学系1の縮小倍率1／ｍ及び、第2の光学系５の拡大倍率ｍを決める。最後にステップ５で収差を取る為の一般のレンズ設計に移る。
【００９８】
本実施例は以上のステップから成っている。
【００９９】
以上説明したように、各実施例では、撮像面に対して主平面１ａがチルトした第１の光学系１と、第１の光学系１が形成する中間像を撮像面６に再結像する第２の光学系５を有している。
【０１００】
これにより、被撮像物体２の広域にわたる詳細なローアングルの撮像を行う事を容易にしている。特に20°以下のローアングル撮影でも撮像系のレンズ有効径をそれほど大きくする事がない。
【０１０１】
特に、第２の光学系２は、第１の光学系１が形成する中間像の面と、第２の光学系５の主平面５ａと、撮像面６とがシャインプルーフ条件を満足するように構成するのが良い。
【０１０２】
これによれば、アオリ角を大きくすることなく更に小さな撮影角で撮影することができ、被撮像物体の表面状態を良好に撮像し、観察することができる。
【０１０３】
又、撮像面６に形成される第２の中間像を単一又は複数の図１や図２に示す形態の光学系５を用いて再結像するようにしても良い。これによれば、更にアオリ角を小さくすることができ、高い光学性能で被撮像物体面の画像情報が得られる。
【０１０４】
又、各実施例の撮像光学系において、撮像面６に固体撮像素子を設ければ、それより得られる画像情報を解析し、被撮像物体２の凹凸やキズ等の表面状態を高精度に検査することができる検査装置を構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】実施例１の要部概略図
【図２】実施例２の要部概略図
【図３】シャインプルーフの条件を満たす光学系の説明図
【図４】図１の一部分の説明図
【図５】図２の一部分の説明図
【図６】アオリ角とシャインプルーフ角との関係を示す説明図
【図７】本発明の撮像光学系を用い被検物体を撮像する場合の照明に関する説明図
【図８】本発明に適用可能な被撮像物体の外形状の説明図
【図９】本発明の撮像装置の実施例の説明図
【図１０】本発明の撮像光学系を設計するにあたって行う設計フロー図
【図１１】従来のシャインプルーフの条件を満足する光学系の概念図
【符号の説明】
【０１０６】
１  第1の光学系
２  被撮像物体
３  第１の光学系の結像面
４  中心軸
５  第２の光学系
６  撮像面（像面）
７  照明光
８  撮像素子
９  カメラボディー
１０  レンズマウント
１０１  撮影レンズ
１０２  像面
１２０  物体面
１０１ｂ  光軸
α        撮影角
θ１〜θ４    アオリ角
β１〜β３    シャインプルーフ角
【図３】
2007316385.tif 000003
【図４】
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【図５】
2007316385.tif 000005
【図６】
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【図７】
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【図８】
2007316385.tif 000008
【図９】
2007316385.tif 000009
【図１０】
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【図１１】
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【図１】
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【図２】
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