(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源によって出射された光束から輪帯光を形成する輪帯光形成用光学素子であって、
光源から出射された光束が入射する入射面、及び、前記入射面に平行に設けられた輪帯光を出射する出射面を有し、前記入射面は前記出射面よりも小さい直径を有する円錐台形状の透光部材と、
前記透光部材の入射面に設けられた遮光膜とを備え、
前記透光部材は、その中心軸線を中心軸とする円錐形状の凹部を前記出射面に有し、前記入射面と出射面とを接続する第１円周面を備え、前記凹部は前記第１円周面に平行な第２円周面を備え、前記入射面から前記透光部材に入射した光源の光束が前記第２円周面と前記第１円周面とで反射され前記出射面から出射して輪帯光を形成し、
前記入射面から前記透光部材に入射した光源の光が前記凹部の頂点部分に入射するのを防止するために前記入射面の中心に前記遮光膜が設けられていることを特徴とする輪帯光形成用光学素子。
【請求項２】
前記透光部材は前記入射面に反射防止膜が形成されてなる請求項１記載の輪帯光形成用光学素子。
【請求項３】
前記中心軸線を含む前記透光部材の断面における前記凹部の頂点部分のなす角度は９０度である請求項１又は２に記載の輪帯光形成用光学素子。
【請求項４】
前記遮光膜は、中心に孔を有するマスクで入射面を覆い、マスクの孔を介して遮光性材料の膜を入射面に設けることにより形成される請求項１〜３のいずれか１項に記載の輪帯光形成用光学素子。
【請求項５】
前記円錐形状の凹部の頂点部分が半球状の形状を有し、前記遮光膜は円形で直径が頂点部分の直径に等しいかそれよりも大きい請求項１〜４のいずれか１項に記載の輪帯光形成用光学素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の輪帯光形成用光学素子と、前記光学素子に光束を入射する光源と、前記光学素子により形成された輪帯光を検出対象に導いて検出対象を限外照明する環状ミラーと、限外照明された前記検出対象を検出する検出素子とを備える検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は輪帯光形成用光学素子とそれを用いた撮像装置に関し、とくに輪帯光を用いた限外照明（暗視野照明）による撮像技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこのような撮像装置においては、入射するレーザビームを垂直に放射状に反射する円錐状の外面反射体と、放射状に反射されたレーザビームを反射してリング状のビーム（輪帯光）を形成する円錐状の内面反射体からなる光学素子を使用し、その光学素子で形成した輪帯光を対物レンズの外側から対象物に照射し、対物レンズを介して対象物を撮像するようにしたものが知られている。
【０００３】
そして、このような輪帯光を形成する光学素子としては、それぞれ独立して製作した外面反射体と内面反射体とを組合わせたものや、外面反射体と内面反射体とを一体に有するプリズムなどを使用し、入射ビームを放射状に反射する円錐状の外面反射体の後方にそれと同軸に配置した遮光板を設け、それによって輪帯光の形成時に生じる迷光を除去するようにしている（例えば、特開平６−１６０７２３号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような光学素子では、入射するビームから効率よく輪帯光を形成するために、円錐状の外面反射体の頂点部分が面積を持たない完全な一点であることが求められるが、実際には、外面反射体は機械加工又は成形加工によって製作されるため、その頂点部分は不完全な半球状又は多面体状となる。従って、このような不完全な半球状又は多面体状の頂点部分は入射したビームをその入射方向に垂直に、かつ、３６０度にわたって均一に分散して反射できないため、形成する輪帯光の強度分布にムラが生じる。そして、この強度分布のムラの発生は、外面反射体の後方に配置した遮光板では防止できないという問題点がある。
【０００５】
この発明はこのような事情を考慮してなされたもので、外面反射体の頂点部分に入射するビームを、入射する前に遮光することにより、ムラのない輪帯光を形成することが可能な輪帯光形成用光学素子と、それを用いた撮像装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、光源によって出射された光束から輪帯光を形成する輪帯光形成用光学素子であって、光源から出射された光束が入射する入射面、及び、前記入射面に平行に設けられた輪帯光を出射する出射面を有し、前記入射面は前記出射面よりも小さい直径を有する円錐台形状の透光部材と、前記透光部材の入射面に設けられた遮光膜とを備え、前記透光部材は、その中心軸線を中心軸とする円錐形状の凹部を前記出射面に有し、前記入射面と出射面とを接続する第１円周面を備え、前記凹部は前記第１円周面に平行な第２円周面を備え、前記入射面から前記透光部材に入射した光源の光束が前記第２円周面と前記第１円周面とで反射され前記出射面から出射して輪帯光を形成し、前記入射面から前記透光部材に入射した光源の光が前記凹部の頂点部分に入射するのを防止するために前記入射面の中心に前記遮光膜が設けられていることを特徴とする輪帯光形成用光学素子を提供するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
この発明の透光部材の材料としては、例えばアクリル樹脂が挙げられる。これは透明性と光学的性質に優れるためである。特に、ＰＭＭＡ樹脂は光学特性以外に成形加工性にも優れ、射出成形、押出成形、注型成形などが可能であるため、その材料として好ましい。
透光部材は、円錐台形で、かつ、その下面に同軸に円錐形状の凹部を有するように加工されるが、その加工には、例えば射出成形を用いることができる。
【０００８】
また、透光部材は凹部の周面から光軸に直角に３６０度わたって放射するビームを下面方向へ反射する円周面を少なくとも備えることが必要であるが、その形状は、必ずしも完全な円錐台形状である必要はない。従って、その仕上がり形状は加工性やその設置治具などを考慮して部分的に変形したものであってもよい。
【０００９】
透光部材の円錐形凹部の加工に際しては、精密な機械加工又は成形加工を用いても、その頂点部分を完全に面積を持たない尖頭に加工することは困難であるため、この発明ではその頂点部分が半球形状、多面体形状平面状又はその他の形状となる加工方法を採用する。この不完全に加工された頂点部分に入射する光ビームは輪帯光の強度分布にばらつき生じさせるので、この発明では入射ビームを予め遮光する遮光部材を備えるようにしている。
【００１０】
従って、不完全に加工された頂点部分の光ビーム入射側（透光部材の上面側）から見た面積が小さいほど、遮光部材の面積を小さく設定でき、入射ビームエネルギーの利用効率を高くすることができる。つまり、頂点部分に入射するビームは遮光部材により遮光されるので、その形状はどのようなものであってもよく、要はビーム入射側から見た頂点部分（不完全加工部分）の面積が最小となるような形状に加工されることが好ましい。
【００１１】
この発明では、頂点部分が半球状の形状を有する場合には、遮光部材は円形で、頂点部分の直径に等しいかそれより大きい直径を有するようにしている。
また、遮光部材は金属や、樹脂など不透明な材料を用いて形成される。遮光部材は、円錐台形の上面に直接形成又は接着されてもよく、他の透明板の一部に形成又は設置されてもよい。遮光部材が形成又は接着された透明板は、円錐台形の上面に密着又は離して設置される。
【００１２】
そこで、遮光部材は、中心に孔を有するマスクで円錐台の上面又は他の透明板を覆い、遮光性材料を塗布又は蒸着することにより形成することができる。
円錐形状の凹部はその中心角が９０度であり、その透明部材の凹部と円錐台形部分の円周面とが互いに平行な状態であることが好ましいが、必ずしもそれに限定されるものではなく、相互の反射面の関係が全反射条件を満たしていればよい。
また、円錐形状の凹部の中心角が全反射条件を満たせない場合は、その透明部材の凹部と円錐台形部分の円周面とが互いに平行な状態であってもその面に透明部材外部よりアルミ蒸着などの反射膜が必要となる。
【００１３】
また、この発明は、上記輪帯光形成用光学素子と、前記光学素子に光束を入射する光源と、前記光学素子により形成された輪帯光を検出対象に導いて検出対象を限外照明する環状ミラーと、限外照明された検出対象を検出する検出素子とを備える検出装置を提供するものである。
ここで、検出素子には撮像素子や散乱光検出素子が使用できる。
【００１４】
実施例
以下、図面に示す実施例に基づいてこの発明を詳述する。これによってこの発明が限定されるものではない。
【００１５】
図１はこの発明の輪帯光形成用光学素子の実施例を示す断面図である。同図において、光学素子１は、互いに平行な上面２と下面３を有し上面２は下面よりも小さい直径を有する円錐台形状の透光部材４と、遮光部材５とを備える。透光部材４は下面３に同軸に形成された円錐形状の凹部６を有する。透明部材４の円周面７と凹部６の円周面８とが互いに平行である。光学素子１はＰＭＭＡ樹脂を材料として射出成形によって加工される。
【００１６】
光学素子１の寸法は次の通りである。
上面２の直径Ａ＝３０ｍｍ
下面３の直径Ｂ＝５０ｍｍ
厚さＴ＝１５ｍｍ
凹部６の最大直径Ｃ＝２０ｍｍ
凹部６の中心角θ＝９０°
【００１７】
また、凹部６の頂点部分９は、図２に示すようにほぼ半球状であり矢印Ｋ方向（ビーム入射方向）から見た半球状部分の直径Ｄは６０μｍである。
図１の遮光部材５は、上面２の中心に蒸着された直径Ｅ＝１００μｍ、厚さ１μｍのアルミニウム箔であり、上面２の表面をマスクで覆い上面２の外周を基準としてその中心に直径１００μｍの孔を形成しその孔を介してアルミニウムを蒸着することによって得られる。
【００１８】
図３に示すように、光学素子１の上面の中心２へ矢印Ｌ方向からビーム径Ｆ＝８ｍｍの光ビームが入射されると、その光ビームは円周面８によって反射され入射ビームの光軸に直交して３６０度方向に一様に分散される。分散されたビームは円周面７で反射され輪帯光に変換されて下面３から出射される。この場合、入射ビームの中心において直径１００μｍの光束は遮光部材５によって遮光され、凹部６の頂点部分９（直径６０μｍ）に入射する光は存在しないので、頂点部分９で不規則に光が反射して輪帯光中に混じることがない。従って、強度分布の一様な輪帯光が得られる。なお、上面２の表面には反射防止膜としてＭｇＦ2膜が成膜されている。
【００１９】
なお、図２に示す頂点部分９の直径Ｄは６０μｍであり、この値が小さいほど入射ビームの輪帯光への変換効率が向上することは、すでに述べた通りであるが、この発明において直径Ｄは頂点部分９に対応する射出成形用の型の形状を工夫することにより、さらに小さくできることが確認されている。例えば、図６に示すように頂点部分９が円筒形になる型を用いるとＤ＝１７μｍ、図７に示すように頂点部分が平坦面になる型を用いると、Ｄ＝２０μｍとなる。直径Ｄが小さくなると、当然遮光部材５のサイズも小さくすることができる。
【００２０】
図４は、図３に示す遮光部材５を透明板（例えばアクリル樹脂板）１０の上に設けた場合を示すが、この場合も図３の場合と同様の遮光効果を得ることができる。なお、図４において透明板１０を上面２に密着させてもよい。
【００２１】
図５は光学素子１を用いた検出装置を示す構成説明図である。筺体３０には、側面に光源（レーザ光源）２１と散乱光検出部２９とが取付けられ、内部に平面ミラー２２、輪帯光形成用光学素子１、リング状平面ミラー２３、ハーフミラー２７，平面ミラー２８が設けられている。筺体３０から突出した鏡筒３１には、内部に対物レンズ２６、先端に収束用ミラー２４が設置されている。同図において、光源２１から出射された光ビーム（ビーム径８ｍｍ）Ｌ１はミラー２２で直角に反射され輪帯光形成用光学素子１に入射される。光学素子１は入射された光ビームＬ１から輪帯光Ｌ２を形成する。輪帯光Ｌ２はリング状平面ミラー２３で直角に反射され収束用ミラー２４へ導かれる。
【００２２】
収束用ミラー２４は輪帯光Ｌ２を対物レンズ２６の外側から対象物２５上に収束させ対象物２５を限外照明する。照明された対象物２５からの散乱光は対物レンズ２６、ハーフミラー２７，平面ミラー２８を介して散乱光検出部２９へ導かれ、対象物２５の散乱光が検出される。
また、照明された対象物２５からの画像光は対物レンズ２６、ハーフミラー２７を介してＣＣＤカメラ３１へ導かれ、対象物２５の画像がＣＣＤカメラ３１によって撮像される。
輪帯光形成用光学素子１によって形成される輪帯光Ｌ２には輝度分布にムラがないので、対象物２５が好適に照明され品質の高い画像が得られる。
【００２３】
【発明の効果】
この発明によれば、入射ビームを反射して光軸に直角に３６０度に分散する円錐状の反射面において、その頂点部分に入るビームを遮光するようにしたので、頂点部分で不規則に反射して輪帯光に混入する光成分が除去され、強度分布が均一な輪帯光を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例の輪帯光形成用光学素子の断面図である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】実施例の作用を示す説明図である。
【図４】この発明の変形例の構成と作用を示す説明図である。
【図５】この発明の輪帯光形成用光学素子を用いた撮像装置の構成説明図である。
【図６】図１の輪帯光形成用光学素子の凹部の頂点部分の他の例を示す断面図である。
【図７】図１の輪帯光形成用光学素子の凹部の頂点部分のさらに他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１  輪帯光形成用光学素子
２  上面
３  下面
４  透光部材
５  遮光部材
６  凹部
７  円周面
８  円周面
９  頂点部分
【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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