CN101233386B - 透镜表背面的光轴偏心量的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非球面透镜表背面的光轴偏心量的测定方法。利用激光探针测定在非球面透镜表背两面的各顶点的第一方向及第二方向的截面形状，以基于所测定针孔(共通基准点)的三维位置所决定的共通坐标系记述所测定的非球面透镜表背两面的截面形状。基于所测定的截面形状检测各顶点位置，以微米以下水平定量求出非球面透镜表背两面的相对偏心量。

Description

透镜表背面的光轴偏心量的测定方法

技术领域

本发明特别涉及一种非球面透镜表背面的光轴偏心量的测定方法。

背景技术

大多数非球面透镜是通过利用模的成型技术所大量生产。两面由球面-平面或球面-球面所构成的透镜，由于在任何表面的任意点，都具有对该点法向量旋转对称的形状，在任何面存在对其周围旋转对称的轴，且该轴为光轴。但是，在非球面透镜中，因可旋转对称的轴的唯一性，在非球面-非球面或球面-非球面透镜的情况下，在成型时必须将两面的旋转对称轴加工成一致。因此，为提高加工精度，定量测定非球面透镜的偏心成为必需的操作。

根据利用模的成型技术，可将光轴的偏心抑制在数十微米的精度。非球面透镜的偏心测定，如现有日本发明专利公开公报特开平5-340838号中所公布的那样，通过利用自动照准仪光学评价焦点图像对外周的偏移来进行。

但是，这种利用现有自动照准仪的方法，不能定量评价形状误差，从而不能从所得到结果加工修正模。并且，随着近年来非球面透镜的小型化、高NA化的趋势，偏心允许值也要求数微米以下的水平，而利用自动照准仪的方法中仅精度也不能达到要求。因此，有必要实际精密测定非球面透镜的表面形状，从所获得形状数据求出非球面透镜表背两面的光轴中心和倾斜，以微米以下水平定量求出两面的相对偏心量。

发明内容

本发明是着眼于上述现有技术而提出的方案，提供一种通过精密测定非球面透镜的表背两面的形状，能以微米以下水平定量求出非球面透镜两面的相对偏心量的测定方法。

根据本发明的第一技术方案，非球面透镜表背两面的光轴偏心量的测定方法，包括如下步骤：在具有相互定位的三个以上基准点的支架上，定位具有第一面及第二面的非球面透镜；对于所述第一面，在所述支架的第一方向及第二方向以规定间距测定所述第一面的一维表面形状；在测定所述第一面的一维表面形状时的所述支架位置，测定所述第一面侧的所述基准点的第一位置；对于所述第二面，在所述支架的第一方向及第二方向，以规定间距测定所述第二面的一维表面形状；在测定所述第二面的一维表面形状时的所述支架位置，测定所述第二面侧的所述基准点的第二位置；基于所测定的第一位置及第二位置，以同一三维坐标系记述所述非球面透镜的第一面的表面形状及所述非球面透镜的第二面的表面形状；以及，以规定的表面形状对所述第一面的表面形状及所述第二面的表面形状进行非球面拟合，由最佳拟合时的顶点位置和光轴的倾斜算出光轴偏心量。

根据本发明的第二技术特征，非球面透镜表背两面的光轴偏心量的测定方法，包括如下步骤：准备具有相互定位的第一基准点、第二基准点、第三基准点及第四基准点的支架，所述第一基准点及第二基准点沿第一方向排列，所述第三基准点及第四基准点沿与所述第一方向正交的第二方向排列；在所述支架上定位具有第一面及第二面的非球面透镜；检测所述第一面侧的所述各基准点的第一位置，基于所述第一方向及第二方向设定共用基准坐标；检测所述第一面的第一顶点位置，通过所述共用基准坐标记述；反转所述支架；检测所述第二面侧的所述各基准点的第二位置，并与所述共用基准坐标相对应；检测所述第二面的第二顶点位置，与所述基准坐标相对应进行记述；以及，由所述第一顶点位置及第二顶点位置算出偏心量。

附图说明

图1表示用于测定非球面透镜的激光探针式非接触三维测定装置结构的示意图。

图2表示保持有非球面透镜的透镜支架的立体图。

图3表示沿图2中SA-SA线的剖视图。

图4是非球面透镜的放大剖视图。

图5是非球面透镜的俯视图。

图6是用于表示非球面透镜表面的测定状态的透镜支架的剖视图。

图7是表示非球面透镜表面的顶点检测的示意图。

图8是表示非球面透镜的光轴倾斜的放大剖视图。

图9是表示保持第二实施例中非球面透镜的透镜支架的立体图。

图10是表示测定第二实施例中非球面透镜表面的示意图。

图11是表示第二实施例中非球面透镜表面的顶点检测的示意图。

图12是表示变更实施例中非球面透镜表面的顶点检测的示意图。

具体实施方式

以下参照附图对有关本发明开关电源装置的实施方式进行详细说明。

本发明可提供一种测定方法，其通过精密测定非球面透镜的表背表面，能以微米以下水平定量求出非球面透镜两面的相对偏心量。以下基于本发明的实施例和附图进行说明。

实施例1

图1～图7是表示本发明的一实施例的图。图1是表示根据本实施方式的激光探针式形状测定器结构的图。在图1中，X、Y分别表示在水平面上正交的两个方向，Z表示垂直方向。并且，图1是概略示意图。

<共通基准点及共通基准面>

作为测定对象的非球面透镜1具有表面(第一面)1a及背面(第二面)1b，且形成非球面形状。该非球面透镜1被具有一定厚度且由热膨胀率低的金属所形成的透镜支架2所支持。透镜支架2进一步被固定在扫描仪等的夹具上的基准针21所定位。在透镜支架2的中心形成有保持孔3。保持孔3形成有与非球面透镜1的直径相当的凹部4，在其底部搭载有非球面透镜1的周缘的状态下，被环盖5所固定。

如图2～3所示，在透镜支架2的三个位置设置有作为“共通基准点”的针孔6，所述针孔6形成可从透镜支架2的表面1a穿过表面1b的结构，并规定共同基准面Sc。针孔6容易形成，也容易进行通过图像处理的三维位置检测。即，各针孔以相互定位而形成在透镜支架上，通过光学系统由二维摄像装置检测透过针孔6的光，并由所取得的二维图像检测出各针孔6的水平方向的位置。并且，可从对物光学系统的聚焦点位置检测出各针孔的垂直方向的位置。其结果，可测定出针孔6的三维位置。各针孔的尺寸，例如直径、长度均约为10μm。可通过上述方法从各针孔的位置在三维空间规定第一基准坐标。为固定在透镜支架上，作为被测定透镜的非球面透镜与共同基准点6形成相互定位的结构。从而，在后叙述的非球面透镜表面的三维测定的测定结果，可由第一基准坐标记述。并且，将透镜支架倒置，同样地进行上述各针孔的三维位置测定而规定第二基准坐标，可由第二基准坐标记述非球面透镜的相反面的表面的三维测定结果。

在该情况下，同一针孔可用于第一面(表面)及第二面(背面)的位置检测的任一方。因此，由于与各第一基准坐标对应的第二基准坐标为与同一点相关的坐标，可由同一三维坐标系(X，Y，Z)记述非球面透镜两面的三维测定数据。并且，垂直方向的位置检测也可采用在后叙述的激光探测法。

<根据激光探测法进行透镜表面的三维测定>

透镜支架2，是在XY方向精密移动的扫描级7上将表面1a或背面1b为上方的状态设置而成。通过自动聚焦光学系统，对保持在透镜支架2的非球面透镜1的表面1a及背面1b，照射来自激光照射装置8的半导体激光光束L。

具体为，来自激光照射装置8的半导体激光光束L，通过反射镜9反射，通过物镜10照射到非球面透镜1的例如表面1a。照射到该非球面物镜1的激光光束L实际上为仅通过光轴L上的无分散的光束。激光光束L斜向(与光轴L0非平行)入射非球面透镜，该非球面透镜是指在与Z-Y平面平行的面内通过与物镜10的光轴L0分离的位置。激光光束L在无障碍物的状态下，在物镜10的焦点面与物镜的光轴L0交叉。从而，因激光光束L斜向照射非球面物镜1的表面1a的实际上的1点，如能检测出在X-Y面内(图中的水平面)的该1点的位置，则可通过三角测量的原理测定Z方向的位置(图中的高度)。即，被激光光束L照射的被测定物的表面的1点(反射点)如位于物镜10的焦点位置，则该1点位于物镜光轴L0上，如位于从焦点位置偏移的位置，则1点的位置对应地位于向Y方向偏移。从而，可通过将Z方向的表面位置向Y方向的反射点的位置变换，可检测从被测定物表面的焦点位置的偏移。这种激光光束L是所谓的“激光探针”。

照射到非球面物镜1的一点的激光L，在那里被散射、反射后的一部分成分L’再通过物镜10，由2个反射镜9，11反射，经由成像透镜12到达光位置检测装置13。光位置检测装置13具备用于检测光学中心位置的光检测器，光检测器的中心13s的位置对应于物镜10的焦点面位置。且散射、反射成分L’一般为具有分散特性的光束，但在图中以反射光表示。

由物镜10、成像透镜12、光位置检测装置13、伺服机构14等构成自动聚焦光学系统。即，在来自非球面透镜表面的反射光L’从光位置检测装置13的中心13s偏移的情况下，为校正该偏移而进行反馈控制而实现自动聚焦，所述反馈控制是指利用伺服机构14将物镜10移向焦点方向(Z方向)。其结果可从该物镜10的光轴方向(Z轴)的移动量，测定出非球面透镜1的表面1a或者背面1b的高度尺寸。

通过相对激光光束L或者物镜10使扫描级7向X方向及Y方向扫描，激光光束L在Y-Z平面内对包含非球面透镜1的顶点Pa的表面1a照射并反射。

反射镜9为半透明反射镜，通过该反射镜9及成像透镜15，可利用二维摄像装置(CCD摄像机)16拍摄透镜支架2的全体图像。在二维摄像装置16上连接有图像处理部17和监视器18。并且，图像处理部17也与伺服机构14连接，从透镜支架2表面的图像识别设定于透镜支架2的三个位置的针孔6，从而可测定其三维位置。

其次，基于图3～图8对实际测定顺序进行说明。首先，在将非球面透镜1的表面1a设定为上方的状态下，将透镜支架2设置在扫描级7上，使扫描级7在X轴方向扫描，测定出包含非球面透镜1的表面1a的顶点Pa的、在X轴的截面形状(截面形状能以微米以下精度测定)。利用向X方向扫描的截面形状测定，通过在Y方向反复移动规定间距而实现。

其次，同样地，使扫描级在X方向移动规定间距的同时反复进行向Y方向的扫描，测定出包含非球面透镜1表面1a的顶点Pa的、在Y轴的一维截面形状。这等价于对图4所示的作为被测定对象的非球面透镜，相对地利用激光探针进行扫描测定。

最后，通过图像处理部17从利用CCD摄像机16获得的图像及聚焦方向的物镜10的移动量，计算并求出透镜支架2中的三个位置的针孔6的三维位置。

而后，将透镜支架2的上下倒置，在使非球面透镜1的背面1b为上方的状态下，与前述同样地测定包含非球面透镜1的背面1b的顶点Pb的、在X轴及Y轴上的截面形状。并且，同样地通过图像处理部17从利用CCD摄像机16获得的图像等，计算并求出使透镜支架2为背面侧的状态下的三个位置的针孔6的三维位置。

<非球面拟合>

通过如上所述方法求出的非球面透镜1的表面1a和背面1b的形状测定数据，可视为在基于针孔6的三维位置所决定的XY坐标系中将Z轴坐标系反转的同一坐标系的数据。

从而，在该共通的XY坐标系中，相对于通过计算式所求出的完整的非球面形状，对所测定的非球面形状进行拟合处理。非球面形状一般用以下非球面式表示，

[式1]

$z=\frac{c{x}^2}{1+\sqrt{1-(k+1)c^2{x}^2}}+\mathrm{\&Sigma;}{A}_i{x}^i$

在上式中，C为以R作为曲率半径的C＝1/R的曲率，K为锥形常数，Ai为非球面系数(I＝1，2，...)。

假设被测定透镜的设计值为已知，则测定表面形状，通过以最小二乘方等对上式进行拟合，从而获得顶点位置和光轴的倾斜。在拟合中对误差曲线相对Z轴对称的点进行探查。

首先，在图7(a)中，在通过y方向的扫描测定表面形状的情况下，一般可获得不通过非球面的顶点的截面S2，S3的表面形状。因为是轴对称的表面形状的截面，所以如图7(b)所示，在截面S2，S3也存在共通的对称轴Ls，与y轴垂直且通过对称轴Ls的平面通过光轴Sa。因此，通过沿包括作为非球面形状的对称轴的光轴Sa及对称轴Ls的平面在x方向进行扫描，可获得通过顶点Pa的x轴方向的截面形状。也可以同样地取得y轴方向的截面形状。另外，背面(第二面)1b的截面形状也可通过同样的方法测定。

通过以上操作，可从最佳拟合时的顶点Pa，Pb和光轴Sa，Sb，以微米以下精度定量地求出光轴Sa，Sb之间的角度偏移(θx，θy)和顶点Pa，Pb之间的位置偏移(D)。另外，图8中扩大表示了光轴Sb的倾斜。实际上具有不能图示的大小。

根据本实施方式，将有关所求得的角度偏移(θx，θy)或/和位置偏移(D)的偏心量，反馈到用于制造非球面透镜1的模设计中，能够制造出可成型更为完整的非球面透镜1的模。

第二实施例

在本发明第二实施例的光轴偏心量测定装置中，由于利用激光探针法的形状测定器或其动作与实施例1相同，故省略相同部分的说明。

如图9所示，本实施例的透镜支架22具备4点共通基准点，基准点6b，6d相对于2个基准点6a，6c的排列方向呈正交地排列。

由基准点6b，6d的三维位置测定规定通过此2点的x轴，由基准点6a，6c的三维位置测定规定通过此2点且与x轴正交的y轴，规定与这些正交的z轴，从而通过正交坐标系(x，y，z)记述位置。由x轴及y轴所规定的假想面为共通基准面Sc。通过有这种共通基准点6设定正交坐标系，在将透镜及透镜支架倒装时也可以相同基准坐标系记述位置。例如，绕x轴将透镜及透镜支架倒装时，基准点6b，6d位置不变，基准点6a，6c的位置完全变换，因此可使位置对应变得容易。

<检测顶点位置>

在本实施例中，其特征是基于非球面透镜的顶点位置估算偏心量。由于在非球面透镜中作为轴对称的顶点只存在1点，从而可特定顶点位置，并可由顶点位置特定光轴位置。并且，随着近年来模加工技术的提高，非球面透镜两面的光轴角度偏移，大多改善到不影响偏心量测定的程度，在此情况下可基于非球面透镜的各顶点位置求出偏心量，从而可进行更为迅速的测定。

在图10中，在实际顶点P0附近设置假想中心点P’，在x轴方向及y轴方向分别进行一维形状测定(截面形状测定)。如将假想中心点P’投影到共通基准面的坐标系设为(x’，y’)，则如图11所示，在x轴方向的截面形状的x’＝Δx及y轴方向的截面形状的y’＝Δy的位置，外观上能看到截面的顶点。从而，特定从各轴顶点位置投影到基准面的顶点位置(Δx，Δy)。如果在假想中心点P’从实际顶点分离的情况下，可通过重复进行上述操作会聚到实际顶点，从而能以更高精度测定顶点位置。

通过对非球面透镜的第一面及第二面进行上述操作，可通过基准面内的顶点位置的偏移求出偏心量。

<变更实施例>

同时加工非球面透镜的非球面部分和凸缘部分的情况下，这些边界线相对非球面透镜的光轴呈同心圆。从而，通过在非球面透镜的两面检测出非球面部分和凸缘部分的边界线，可求出基准面内同心圆的中心位置作为顶点的投影位置。

如图12所示，在实际同心圆C0中心附近设置假想中心点，取得包括远离假想中心点相当于所设计的半径的点的区域e1的二维图像，从该图像的亮度变化(空间微分)检测出同心圆的边缘位置31并读取该位置。在其他区域e2，e3也能够通过同样地进行边缘检测求出同心圆的中心C0的坐标。边缘检测是在三个以上区域进行。

由于中心C0的坐标与非球面透镜的顶点位置相对应，所以通过对非球面透镜的两面进行上述操作，可根据在共通基准面内的顶点位置的偏移求出偏心量。

根据本发明的第一技术方案，能够以比微米更小的精度定量求出非球面透镜的表背两面的相对偏心量。其结果，将所求出的偏心量反馈到用于制造非球面透镜的模设计中，从而能够制造可成型更完整的非球面透镜的模。

根据本发明的第二技术方案，通过迅速检测表面形状的顶点求出非球面透镜的表背两面的相对的偏心量，从而使操作变得更简单而且可立即定量评价，能够迅速地反馈到用于制造非球面透镜的模设计中。

在上述实施例中，作为共通基准点虽然举了的针孔6，但并不限于此。另外，虽然示出了通过图像处理测定针孔6的三维位置的例子，但是也可采用用于测定非球面透镜1的激光探针进行检测。

本申请有关美国指定，基于美国专利法第119条(a)对2005年8月5日申请的日本国专利申请第2005-228760(2005年8月5日申请)享有优先权，并引用了相应的公开内容。

Claims (8)

1.一种测定方法，测定非球面透镜的表背两面的光轴偏心量，其特征在于，

包括如下步骤：

在具有相互定位的三个以上基准点的支架上，定位具有第一面及第二面的非球面透镜，各所述基准点为形成于所述支架上的针孔，使所述支架从所述第一面侧贯通到所述第二面侧，

对于所述第一面，在所述支架的第一方向及第二方向分别以规定间距测定所述第一面的一维表面形状；

在测定所述第一面的一维表面形状时的所述支架的位置，获取上述基准点的针孔的二维图像，测定所述第一面侧的所述基准点的第一位置；

对于所述第二面，在所述支架的第一方向及第二方向分别以规定间距测定所述第二面的一维表面形状；

在测定所述第二面的一维表面形状时的所述支架的位置，获取上述基准点的针孔的二维图像，测定所述第二面侧的所述基准点的第二位置；

基于所测定的所述第一位置及第二位置，以同一三维坐标系记述所述非球面透镜的第一面的表面形状及所述非球面透镜的第二面的表面形状；以及，

利用规定的表面形状对所述第一面的表面形状及所述第二面的表面形状进行拟合处理，由最佳拟合时的顶点位置和光轴的倾斜算出光轴偏心量。

2.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，

测定所述第一面的一维表面形状包括如下步骤：

在所述第一方向计测所述第一面的一维表面形状并检测第一顶点位置；

在通过所述第一顶点位置的假想平面内，在所述第二方向测定所述第一面的一维表面形状并检测第二顶点位置；以及，

基于所述第一顶点位置及第二顶点位置决定测定位置。

3.根据权利要求1或权利要求2中所述的测定方法，其特征在于，

测定所述第一面以及第二面的一维表面形状是根据激光探测法进行的三维测定。

4.根据权利要求1或权利要求2中所述的测定方法，其特征在于，

测定所述基准点的第一位置及第二位置包括如下步骤：

从与所述第一方向及第二方向正交的第三方向(Z轴)，通过光学系统拍摄透过各所述基准点的针孔的照明光，测定所述第一方向及第二方向上的所述针孔位置；以及，

基于与所述光学系统的所述针孔相关的对焦位置，测定所述基准点的所述第三方向的位置。

5.一种测定方法，测定非球面透镜的表背两面的光轴偏心量，其特征在于，

包括如下步骤：

准备具有相互定位的第一基准点(6b)、第二基准点(6d)、第三基准点(6a)及第四基准点(6c)的支架，所述第一基准点至第四基准点为形成于所述支架上的针孔，贯通所述支架，所述第一基准点及第二基准点沿第一方向(x轴)排列，所述第三基准点及第四基准点沿与所述第一方向正交的第二方向(y轴)排列；

在所述支架上定位具有第一面(1a)及第二面(1b)的非球面透镜；

获取上述第一基准点至第四基准点的针孔的二维图像，检测所述第一面侧的所述各基准点的第一位置，基于所述第一方向及第二方向设定共用基准坐标；

检测所述第一面的第一顶点位置并通过所述共用基准坐标记述；

反转所述支架；

获取上述第一基准点至第四基准点的针孔的二维图像，检测所述第二面侧的所述各基准点的第二位置，并与所述共用基准坐标相对应；

检测所述第二面的第二顶点位置，并与所述共用基准坐标相对应而记述；以及，

由所述第一顶点位置及第二顶点位置算出偏心量。

6.根据权利要求5所述的测定方法，其特征在于，

测定所述基准点的第一位置及第二位置包括如下步骤：

从与所述第一方向及第二方向正交的第三方向，通过光学系统拍摄透过各所述基准点的针孔的照明光，测定所述第一方向及第二方向上的所述针孔位置；以及，

基于与所述光学系统的所述针孔相关的对焦位置，测定所述基准点的所述第三方向的位置。

7.根据权利要求5或6所述的测定方法，其特征在于，

检测所述第一顶点位置包括如下步骤：

在所述第一方向计测所述第一面的一维表面形状，检测第一对称中心位置；

在所述第二方向测定所述第一面的一维表面形状，检测第二对称中心位置；以及，

由所述第一对称中心位置及第二对称中心位置算出所述第一顶点位置。

8.根据权利要求5或6所述的测定方法，其特征在于，

在与所述非球面透镜的凸缘部的边界相对于光轴形成同心圆状的情况下，

检测所述第一顶点位置是指检测所述同心圆状的边界，由该同心圆的中心位置求出所述第一顶点位置。

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