CN1834606B - 测量透镜的偏心的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够通过测量二维曲面形状来测量轴的偏心的测量方法。此方法包括：第一步骤，由探针从第一基准位置测量被检查表面的形状，其中该第一基准位置是从对象透镜的被检查表面上的预定位置分开预定量的位置；第二步骤，通过由探针从第二基准位置扫描被检查表面而测量被检查表面的形状，该第二基准位置是对象透镜旋转之后，在与第一步骤的扫描方向相反的路线中从所述预定位置分开预定量的位置；以及，通过使用在第一和第二步骤中获得的测量结果获得被检查表面的偏心量的步骤。

Description

测量透镜的偏心的方法

技术领域

本发明涉及一种测量透镜的偏心的方法，该方法适合于测量曲面的偏心量，例如球面或非球面的偏心量。

背景技术

近年来，在用于数字照相机、摄像机等的各种光学系统中，经常采用非球面透镜用于改善光学性能和使光学系统小型化。

与之相伴地，需要一种精确测量非球面透镜的光轴(非球面轴)的偏心量的方法。

作为测量非球面透镜的非球面轴的偏心量的方法，已知一种通过使用三维位置测量设备测量非球面透镜的形状数据的方法(日本专利公开No.H07-229811)。

根据日本专利申请公开No.H07-229811中公开的方法，可以高度精确地测量非球面轴的以透镜保持部件的位置作为基准的偏心，而不旋转透镜保持部件。也可能通过三维地测量透镜的外径部分来测量非球面轴相对于透镜外径的偏心。然而，此方法需要复杂的三维位置测量设备。并且，与二维形状测量相比，该方法包括以下缺点：因为使用庞大的数据，所以测量和处理数据需要很多时间。

如今，作为典型的非球面形状测量设备，已知TAYLOR-HOBSON公司生产的Form Talysurf。1984年发布的FormTalysurf是将表面形状测量功能赋予接触型表面粗糙度测量设备的二维形状测量设备。

该二维非球面形状测量设备计算并评价待测对象透镜的设计基准非球面的截面形状和实际测量的非球面的截面形状之间的误差量。

如果设计基准非球面形状的光轴的坐标轴和实际测量的非球面形状的光轴的坐标轴彼此一致，则简单的差异就是非球面形状误差。

然而在一般情况下，由于对象透镜的偏心分量、当对象透镜被保持在测量设备上时的位置误差、倾斜误差等的存在，实际测量的非球面形状的光轴的坐标轴与设计基准非球面形状的光轴的坐标轴并不一致。

因此，一般来说，非球面形状测量设备基于从实际测量的非球面数据中搜索(计算)的非球面轴数据来转换坐标，使得实际测量的非球面的光轴可以与设计基准非球面的光轴一致，并且计算非球面的误差量。

至此，已经从对象透镜的实际测量的形状计算出在测量扫描方向上非球面轴的位置和倾斜的搜索数据。然而，无法检测非球面轴相对于对象透镜的外径的偏心量。

为了测量非球面轴相对于透镜外径的偏心量，应该同时测量透镜的外径部分和非球面透镜的形状。然而，在常规二维形状测量方法中，很难在测量非球面形状的同时测量透镜的外径位置。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量透镜偏心的方法，该方法能够根据二维曲面形状的测量而测量出曲面轴的偏心。

根据本发明的示例性测量透镜偏心的方法包括：

第一步骤，通过由探针从第一基准位置扫描被检查表面来测量被检查表面的形状，该第一基准位置是从对象透镜的被检查表面上的预定位置分开预定量的位置；

第二步骤，通过由探针从第二基准位置扫描被检查表面来测量被检查表面的形状，该第二基准位置是对象透镜旋转之后，在与第一步骤的扫描方向相反的路线中从该预定位置分开预定量的位置；以及

通过使用在第一和第二步骤获得的测量结果，获得被检查表面的偏心量的步骤。

附图说明

图1是示出了实施例1中的第一测量状态的剖视图。

图2是示出了实施例1中的第二测量状态的剖视图。

图3示出了实施例1中第一非球面形状测量的结果。

图4示出了实施例1中第二非球面形状测量的结果。

图5示出了根据实施例1的透镜保持部件的透视图。

图6是当在实施例1中对象透镜表面是凹面时透镜保持部件的剖视图。

图7是当在实施例1中对象透镜表面是凹面时透镜保持部件的透视图。

图8是示出了实施例2中第一测量中的透镜对中保持状态的剖视图。

图9是实施例2的第一测量中在透镜对中之后的测量状态的图解。

图10是示出了实施例2的第二测量中的透镜对中保持状态的剖视图。

图11是实施例2的第二测量中在透镜对中之后的测量状态的图解。

图12是实施例2中的透镜保持部件的透视图。

图13是实施例1中非球面透镜的扫描测量方向的图解。

图14示出了实施例1中来自方向1和5的扫描测量数据。

图15示出了实施例1中来自方向3和7的扫描测量数据。

图16示出了实施例1中来自方向2和6的扫描测量数据。

图17示出了实施例1中来自方向4和8的扫描测量数据。

图18A是实施例1中的非球面轴的位移量的测量结果的图解。

图18B是实施例1中的非球面轴的倾斜量的测量结果的图解。

图19A、19B和19C是实施例1中求得透镜表面的偏心量的方法的图解。

图20是测量非球面轴的偏心的方法的流程图。

具体实施方式

实施例1

图1是本发明的偏心测量设备的实施例1的示意性剖视图。图5是图1的要点部分的透视图。

在图1中，附图标记1表示包含球面透镜或非球面透镜的对象透镜。附图标记2表示用于在对象透镜1的光轴方向上定位对象透镜1的接收夹具(透镜保持部件)。附图标记3表示用于在垂直于对象透镜1的光轴的方向(图1中的方向X和Y)上定位对象透镜1的定位夹具。附图标记4表示用于在对象透镜1的表面上扫描并且测量其表面形状的探针(扫描部件)。

在图1中，作为坐标系，X轴定义为该图纸平面中从左到右的方向，Y轴定义为该图纸平面中从这一侧到内部部分的方向(垂直于图纸平面的方向)，Z轴定义为该图纸平面中的垂直方向。

在图5中，在对象透镜1被放置于柱形接收夹具2上并靠在定位夹具3上的状态下，通过接收夹具2中的通孔2a抽出空气，从而降低内部压力，并且对象透镜1被吸附并固定到接收夹具2上。

定位夹具3是如图5所示的L型部件。定位夹具3被设置成使得对象透镜1的外围部分上的两个位置可以与之相靠，并且在方向X和Y上定位对象透镜1。

虽然在实施例1中，描述了其外径是圆的对象透镜1的实施例，但是在其外径是其他形状，例如矩形的对象透镜的情况下，测量也是同样可能的。

接收夹具2和定位夹具3固定在载置台5上。

载置台5具有四轴调整机构(未示出)。

在本实施例中，载置台5具有沿X轴和Y轴进行线性移动的双轴水平移动机构，和围绕X轴和Y轴进行旋转移动的双轴角度调整机构。

现在将描述实施例1中的偏心测量程序。虽然在实施例1中，将非球面透镜作为对象透镜的例子进行描述，但对象透镜也可以是球面透镜。

首先，在测量前设置测量夹具。

接收夹具2和定位夹具3被固定在载置台5上之前，载置台5相对于偏心测量设备水平地定位。具体地，使探针4与载置台5接触，并且在X轴方向上执行扫描测量，从而调整角度状态(angle stage)，以使得表面形状可以变为水平的。接着，载置台5在Y轴方向上水平地移动，从而调整角度以使得探针4的高度不会改变。

接着，透镜接收夹具2和定位夹具3被安装到载置台5上。

首先，固定透镜接收夹具2，然后对象透镜1被放置到接收夹具2上。

定位夹具3靠着对象透镜1的外围部分(边缘面)，并且在对象透镜1的中心和接收夹具2的中心彼此一致的状态下固定定位夹具3。

接着，通过通孔2a抽出空气，并且对象透镜1固定到接收夹具2上。

调整载置台5的位置，使得扫描并测量对象透镜1的非球面形状的探针4可以通过对象透镜1的外径的中心。

现在将参考图20所示的流程图描述用于测量非球面轴相对于透镜外径的偏心的方法。

在图1所示的状态下执行非球面形状的第一测量(步骤S101)。该测量是如下进行的：探针4在X方向上扫描和测量被检查表面的非球面形状保证范围内(有效直径范围内)的测量开始点S到测量结束点E。

接着，仅对象透镜1旋转180度，而透镜接收夹具2和定位夹具3保持固定，从而将对象透镜1保持并固定在图2所示的状态(步骤S102)。接着，执行第二测量(步骤S103)。如第一测量中那样，探针4在X方向上扫描测量开始点S到测量结束点E，从而扫描并测量非球面形状。在第二测量中，测量是在对象透镜1相对于第一测量旋转180度的情况下执行的，因而在与第一测量中的扫描方向相反的路线中测量被检查表面。

接着，从第一和第二测量的数据中计算非球面轴La相对于透镜的外径的偏心的信息(步骤S104)。

可以通过步骤S101到步骤S104获得某个截面中非球面轴La的偏心信息。当有必要获得其他截面中的偏心信息时(步骤105)，对象透镜1进一步旋转(S106)，从而在其他截面中重复形状测量和偏心信息的计算。

一般来说，非球面轴La的偏心方向不总与第一测量截面一致，因此，优选地应该至少在两个截面中执行形状测量。例如，如果执行某个截面中的形状测量以及与该截面正交的截面中的形状测量，则可以精确地掌握非球面轴La的偏心量。

虽然在图20中，在已经计算了一个截面的偏心信息之后(步骤S104)，判断在不同截面中测量的必要性(步骤S105)，但是步骤S105可先于步骤S104执行。即，在已经测量多个截面之后，可以集中地计算偏心信息(步骤S104)。

以下将描述在步骤104执行的用于计算偏心信息的方法。

图19A示出了通过探针4以被检查表面上的预定点作为测量坐标的原点的基准而扫描并测量的透镜表面形状。

横坐标轴代表扫描方向(方向X)，纵坐标轴代表表示形状的方向Z。

图19B示出了设计基准坐标系中的理想透镜形状(被检透镜表面的设计值的形状)。

在本实施例中，通过图19A的实际测量透镜形状的原始数据，不可能找到实际测量透镜表面形状的轴和形状误差。

因此，如图19C所示，进行坐标转换(拟合)，以使得图19A的实际测量透镜形状的原始数据和图19B的理想设定标准透镜形状之间的误差最小化。

图3和4示出了在图19C的状态下，设计基准透镜表面的形状和实际测量透镜表面的形状之间的差的计算结果。

图3示出了非球面形状误差的第一测量结果，图4示出了非球面形状误差的第二测量结果。

测量坐标系中实际测量透镜表面形状的透镜表面轴La的倾斜量ε是在使得实际测量透镜表面形状和设计基准透镜表面形状彼此一致的步骤中所搜索的值。图3和图4示出了在其中已经修正了倾斜量ε和ε′的新X′Z′坐标系中的形状误差量。

通过使用实际测量的非球面形状(测量数据)和设计基准非球面形状(设计数据)进行的计算来获得位置C和C′以及倾斜量ε和ε′。即，搜索实际测量的非球面形状的这种如前所述使得测量数据和设计数据之间的误差变得最小的最优非球面轴La的位置和倾斜(即，当测量数据和设计数据已经经过拟合时的倾斜量)，并且获得它们的值作为位置C和C′以及倾斜量ε和ε′

在第一和第二非球面形状测量中，测量作为对象透镜1的非球面形状保证范围内的同一测量范围的从测量开始点S到测量结束点E的截面形状。接着，通过计算从每个区域的非球面轴计算出第一测量中的最优非球面轴La的位置C和第二测量中的其第二位置C′。

通过计算，求得从第一测量开始点A到最优非球面轴的位置C的距离AC，以及从第二测量开始点A′到最优非球面轴的位置C′的距离A′C′。

如果从透镜的外径部分(预定位置)T到点C和点C′的距离是未知的，则不能获得最优非球面轴以透镜的最外径为基准的偏心量。

然而，由于第一和第二测量是从一个且同样的测量开始点S执行的，从第一测量的点T(预定位置)到点A(基准位置)的距离(预定量)TA，以及从第二测量的点T到点A′(基准位置)的距离(预定量)TA′是相同的。

在图1中，距离TC＝距离TA+距离AC，在图2中，距离TC′＝距离TA′+距离A′C′。

最优非球面轴La的位置相对于透镜的外径的中心的偏心量Δ＝(距离TC-距离TC′)/2，然而根据距离TA＝距离TA′的关系，可以通过最优非球面轴La的位置相对于透镜的外径的偏心量Δ＝(距离AC-距离A′C′)/2而获得。

当第一次测量的倾斜量被定义为ε，且第二次测量的倾斜量被定义为ε′时，可以通过相对于透镜保持部件2所接收的透镜表面的倾斜偏心量Δε＝(ε-ε′)/2而求得最优非球面轴La的倾斜偏心量Δε。

将在下面示出基于实施例1通过使用Form Talysurf进行实际测量的实际测量例子。这里示出了一个例子，如图13所示，其中旋转对象透镜1，对于从方向1到方向8的八个方向进行测量。

最优非球面轴的位置的偏心量被定义为位移量ΔS，并且最优非球面轴的倾斜偏心量被定义为倾斜量ΔT。

图14示出了从方向1和从自方向1反转180度的方向5测量的数据。计算从用于非球面形状的测量开始点到最优非球面轴的距离作为Xt。

而且，计算最优非球面轴的倾斜量作为倾斜。当在来自方向1和方向5的测量数据中位移量是1Xt和5Xt，且倾斜量为1倾斜量和5倾斜量时，

最优非球面轴的位移量是

ΔS15＝(1Xt-5Xt)/2

＝(2.6896-2.6955)/2

＝-0.003mm，并且

最优非球面轴的倾斜量是

ΔT15＝(1倾斜量-5倾斜量)/2

＝(0.0999-0.0026)/2

＝0.049度。

图15示出了与图14的扫描测量方向正交的方向3和7上的测量数据。

当在来自方向3和方向7的测量数据中位移量是3Xt和7Xt，且倾斜量是3倾斜量和7倾斜量时，

非球面轴的位移量是

ΔS37＝(3Xt-7Xt)/2

＝(2.6658-2.7217)/2

＝-0.028mm，以及

非球面轴的倾斜量是

ΔT37＝(3倾斜量-7倾斜量)/2

＝(0.4154-(-0.3706))/2

＝0.393度。

可以从方向1和5以及方向3和7的位移量ΔS15和ΔS37以及倾斜量ΔT15和ΔT37分别计算对象透镜1偏心的方向和量。

从两个正交的方向1-5和3-7所计算的位移量ΔS1537为

$\mathrm{\ΔS}1537=\sqrt{({(-0.003)}^2+{\left(0.028\right)}^2)}$ (1)

$=0.028\mathrm{mm}$

方向1和5以及方向3和7上的倾斜量ΔT1537为

$\mathrm{\ΔT}1537={\mathrm{Tan}}^{-1}\left(\sqrt{({\left(\mathrm{Tan}0.049\right)}^2+{\left(\mathrm{Tan}0.393\right)}^2)}\right)$

方向1和5以及方向3和7中的位移量ΔS1537和倾斜量ΔT1537的测量结果分别由图18A和18B中的记号“+”表示。

图16和17示出了其中为了确定此测量方法的可靠性，同样地对于两个正交的方向2和6以及方向4和8进行测量的例子。

当在来自方向2和方向6的测量数据中位移量是2Xt和6Xt，且倾斜量是2倾斜量和6倾斜量时，

非球面轴的位移量是

ΔS26＝(2Xt-6Xt)/2

＝(2.6713-2.7178)/2

＝-0.023mm，以及

非球面轴的倾斜量是

ΔT26＝(2倾斜量-6倾斜量)/2

＝(0.3451-(-0.2924))/2

＝0.319度。

当在来自方向4和方向8的测量数据中位移量是4Xt和8Xt，且倾斜量是4倾斜量和8倾斜量时，

非球面轴的位移量是

ΔS48＝(4Xt-8Xt)/2

＝(2.6772-2.7137)/2

＝-0.018mm，以及

非球面轴的倾斜量是

ΔT48＝(4倾斜量-8倾斜量)/2

＝(0.3050-(-0.2589))/2

＝0.282度。

从两个正交的方向2和6以及4和8所计算的位移量ΔS2648为

$\mathrm{\ΔS}2648=\sqrt{({(-0.023)}^2+{(-0.018)}^2)}---\left(3\right)$

$=0.029\mathrm{mm}$

方向2和6以及方向4和8上的倾斜量ΔT2648为

$\mathrm{\ΔT}2648={\mathrm{Tan}}^{-1}\left(\sqrt{({\left(\mathrm{Tan}0.319\right)}^2+{\left(\mathrm{Tan}0.282\right)}^2)}\right)$

方向2-6以及方向4-8中的位移量ΔS2468和倾斜量ΔT2468的测量结果由图18A和18B中的记号“×”表示。

从方向1和5以及方向3和7推导出的结果与从方向2和6以及方向4和8推导出的结果之间的差可以被认为是测量误差。

在图18A和18B中，由记号“+”和记号“×”表示的两种测量结果表示基本上相同的偏心量和方向，并且示出了非球面轴的偏心量可以仅通过两个正交方向上的测量而测量出。

虽然此实施例是在其中通过使用Form Talysurf执行形状测量的例子，但是该二维形状测量设备并不限于接触测量类型的FormTalysurf。只要测量设备可以扫描并测量非球面形状，并且具有通过计算来搜索和计算最优非球面轴的位置和倾斜度的功能就足够了。并且，通过使用具有三维测量功能的测量设备而重复测量二维非球面形状将获得类似效果。

当对象透镜的两个表面是非球面形状时，可首先通过上述方法测量作为正面的第一表面，此后翻转透镜，并同样地测量作为背面的第二表面。可从正面侧的非球面轴的偏心量和背面侧的非球面轴的偏心量来计算非球面轴的相对偏心量。

并且，在用于于光轴方向上定位的对象透镜的接收表面侧是凹面的情况下，光轴方向上的透镜接收夹具2可以被制成扁平形状，如图6所示。也可以将用于在垂直于光轴的方向上定位的定位夹具3制成如图7所示的那种双定位销。

实施例2

现在将描述本发明的实施例2。

存在希望测量其外径部分没有经受对中处理的对象透镜的非球面轴的偏心状态的情况。对中处理之前的对象透镜在透镜的外径部分的尺寸上是不稳定的，因此不能接受如实施例1中的这种以透镜的外径作为基准的测量。实施例2是用于在对中处理之前获得对象透镜的偏心信息的实施例。

在实施例2中，如图8和10所示，对象透镜11被固定并保持，其中通过bell clamp方法确定对象透镜11在光轴方向和与光轴垂直的方向上的位置。图9示出了第一测量的状态。图11示出了第二测量的状态。

图12是实施例2的透视图。

下面将描述根据本实施例定位对象透镜11的方法。

首先，对象透镜11被放置在固定的第一柱面透镜保持部件12上。接着，把被加工成与透镜保持部件12同轴的可移动的第二柱面透镜保持部件安装到透镜保持部件12上。此时，对象透镜11由透镜保持部件12和透镜保持部件13夹在中间，并且通过钟形夹持(bell clamp)方法进行对象透镜11的对中。钟形夹持方法是这样一种方法，其中由具有相同中心轴的两个圆柱体(钟)将透镜夹在中间，从而使圆柱体的中心轴和透镜的光轴一致，并且进行透镜对中。在透镜的两个表面与两个圆柱体紧密接触的状态下，圆柱体接触的透镜的部分的透镜厚度在透镜表面的整个外围变得相等，结果，透镜的光轴与圆柱体的旋转轴一致。

如果此时，将空气分别馈入到透镜保持部件12和13的通孔12a和13a中，则降低了对象透镜11和透镜保持部件12之间的接触部分的摩擦阻力，并且更精确的对中将变得可能。

在如图8所示已经完成了对中的状态下，抽取透镜保持部件12中的通孔12a中的空气，对象透镜11被吸附并且固定在透镜保持部件2上。接着，如图9所示，透镜保持部件13缩回。

在图8和9中，PK指示钟形夹持的中心轴(预定位置)。从中心轴PK到点A或点A′的距离(预定量)TA或T′A′对应于图1或图2中的预定量TA或TA′。

此后，如在实施例1中那样，在非球面形状保证范围中的同一测量范围内，用探针4测量非球面形状。

当第一测量完成时，对象透镜11相对于光轴被翻转180度，并且如图10所示，再次进行对象透镜11的对中。此后，进行非球面形状的第二测量，如图11所示。

从第一和第二非球面形状测量数据，如实施例1中那样获得非球面透镜的偏心量。

在实施例2的情况下，即使对象透镜的外径部分处于对中处理之前的状态下，也可能获得非球面轴相对于透镜的外径部分的基准的偏心量，如同经受了钟形夹持方法的对中处理一样。

在实际进行非球面透镜的加工的工作场所中，在对中处理之前可以测量非球面透镜的偏心量是很重要的优点。

并且，在对中处理之后的非球面透镜中，如果使用本实施例的方法，有可能分析非球面透镜的两个表面的非球面轴是否相对于彼此偏心，或者透镜是否由于对中处理误差而相对于透镜的外径偏心。

根据每一个实施例，可以通过使用用于在对象透镜的光轴方向上和垂直于光轴的方向上进行对象透镜定位的简单夹具，以及用于测量非球面截面形状的二维形状测量设备，高度精确地测量对象透镜的非球面轴相对于其外径的偏心量。

并且，根据实施例2，又是在对中处理之前的该对象透镜中，可以通过钟形夹持方法高度精确地测量非球面轴相对于将被进行额外的对中处理的所估计的外径的偏心量。

本申请要求2005年3月18日申请的日本专利申请No.2005-079725的优先权，在此引入该申请作为参考。

Claims (5)

1.一种测量透镜的偏心的方法，包含以下步骤：

第一步骤，用于通过由探针从第一基准位置扫描对象透镜的被检查表面而测量该被检查表面的形状，其中该第一基准位置是从被检查表面上的预定位置分开预定量的位置；

第二步骤，用于通过由探针从第二基准位置扫描被检查表面而测量该被检查表面的形状，其中该第二基准位置是对象透镜旋转之后，在与所述第一步骤的扫描方向相反的路线中从所述预定位置分开预定量的位置；以及

通过使用在第一和第二步骤中获得的测量结果来获得被检查表面的偏心量的步骤，

其中，在所述第一步骤和第二步骤中测量出的所述被检查表面的形状是包含对象透镜的外径中心的同一透镜截面的形状。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在多个包含对象透镜的外径中心的不同透镜截面的每一个中执行所述第一和第二步骤，并且通过使用这多个透镜截面中的测量结果来获得所述被检查表面的偏心量。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二步骤是在彼此正交的两个包含对象透镜的外径中心的透镜截面的每一个中执行的，并且通过使用彼此正交的这两个透镜截面中的测量结果来获得所述被检查表面的偏心量。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

通过夹具确定所述对象透镜的外围部分的位置的步骤；以及

其中所述第一和第二步骤是在已经由夹具确定了所述对象透镜的外围部分的位置的状态下执行的，并且所述预定位置是对应于由所述夹具确定的外围部分的位置。

5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

把所述对象透镜夹在两个具有柱形截面的保持部件中间，并且使所述对象透镜的轴和所述两个保持部件的中心轴彼此一致的步骤，以及

其中所述第一和第二步骤是在所述对象透镜的轴与所述保持部件的中心轴一致的状态下执行的，并且所述预定位置是对应于所述保持部件的中心轴的位置。

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