JP2004069314A

JP2004069314A - 焦点距離測定装置

Info

Publication number: JP2004069314A
Application number: JP2002224734A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Namiki; 雙木　満
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2002-08-01
Filing date: 2002-08-01
Publication date: 2004-03-04
Also published as: US20040021851A1; US7106428B2

Abstract

【課題】焦点深度と収差の影響を抑えて焦点距離を正確且つ容易に測定する。
【解決手段】コリメート光を発生する光源ユニット２と、コリメート光を偏向角θで偏向させる回折格子３と、偏向した光が被検レンズＴＬを通して結像するスポット光の位置を検出する撮像素子４とを備えている。回折格子３は被検レンズの前側焦平面近傍に配置し、撮像素子４は後側焦平面近傍に配置する。撮像素子４で得た１つのスポット位置と光軸との距離を像高ｈとして測定する。式（１）ｈ＝ｆｔａｎθから焦点距離ｆを得る。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学系の焦点距離を測定するための焦点距離測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レンズ等の光学系の焦点距離を測定する装置として、例えば特開平７−５５６３８号公報に記載された焦点距離測定装置が提案されている。
この焦点距離測定装置の概略を図１３を用いて説明する。図において、被検レンズＴＬの光軸Ｌ上の両側の一方を物点Ｏとすると、他方は被検レンズＴＬによる像点Ｉとなる。被検レンズの前側焦点位置をＦ、後側焦点位置をＦ’として、ＯＦ間距離をＺ、Ｆ’Ｉ間距離をＺ′とすると、次の関係式が成り立つ。
ＺＺ′＝ｆ^２
ここで、ｆは被検レンズＴＬの焦点距離であり、上式はニュートンの式として知られている。ニュートンの式からわかるように、被検レンズＴＬの光軸に沿ってＺ及びＺ′を精密に測定することで被検レンズＴＬの焦点距離を算出することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような焦点距離測定装置は、以下のような欠点がある。
この焦点距離測定装置では、物点Ｏと前側焦点位置Ｆとの間の距離Ｚや後側焦点位置Ｆ’と像点Ｉとの間の距離Ｚ′といったように光軸に沿った量を測定する必要がある。ところが、被検レンズの開口数（ＮＡ）が小さいと収差は小さいが焦点深度（或いは被写界深度）が深くなってしまい、集光点を厳密に検出することができなくなってしまう。そのために距離Ｚ′の測定に誤差を生じてしまう。他方、被検レンズの開口数が大きいと収差の影響が大きくなってしまい、集光点を厳密に検出できない欠点がある。
そのため、上記従来技術では、開口数を小さく設定して３箇所以上の集光点や被検レンズの位置等を測定することで焦点距離ｆを算出するようにしている。しかしながら、このような焦点距離測定装置では、焦点距離の測定が煩雑になる上に、焦点距離の厳密な測定が非常に困難であった。
本発明は、このような実情に鑑みて、焦点深度や収差の影響を抑えて被検レンズの焦点距離を正確且つ簡便に測定できるようにした焦点距離測定装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明による焦点距離測定装置は、被検レンズの焦点距離を測定する焦点距離測定装置であって、コリメート光を発生する光源ユニットと、被検レンズに向けてコリメート光を偏向する光線偏向手段と、被検レンズを通過した後に形成されるスポットの位置を検出するスポット位置読み取り手段とを備えていて、スポット位置読み取り手段は被検レンズの後側焦平面近傍に配置されていて偏向した光のスポット位置に基づいて被検レンズの焦点距離を得るようにしたことを特徴とする。
光源ユニットから射出したコリメート光は光線偏向手段で偏向角θを与えられる。そして被検レンズを通過して、スポット位置読み取り手段に集光する。スポット位置読み取り手段でのスポット位置と光軸との間の距離ｈと、被検レンズの焦点距離ｆとは、基本的に次式
ｈ＝ｆｔａｎθ　　　　　　　（１）
という関係に従う。よって偏向角θが既知で、距離ｈをスポット位置読み取り手段によって求めれば、式（１）から被検レンズの焦点距離ｆを測定できる。このとき、距離ｈは光軸方向に直交する方向の距離であるから、焦点深度の影響を受けずに焦点距離ｆを正確に算出できる。
【０００５】
また、本発明による焦点距離測定装置は、被検レンズの焦点距離を測定する焦点距離測定装置であって、コリメート光を発生する光源ユニットと、被検レンズに向けてコリメート光を偏向する光線偏向手段と、被検レンズを通過した後に形成されるスポットの位置を検出するスポット位置読み取り手段とを備えていて、光線偏向手段は被検レンズの前側焦平面近傍に配置されていて、スポットの位置に基づいて被検レンズの焦点距離を得るようにしたことを特徴とする。
被検レンズの前側焦平面近傍から偏向角θで射出するコリメート光の主光線は、被検レンズを透過した後に被検レンズの光軸と平行になる。そのため、スポット位置読み取り手段が被検レンズの後側焦平面近傍で光軸方向の前後にずれた位置に配設されても、スポット光の中心位置はほとんど変化しない。即ち、スポットの距離ｈはほとんど変化することがない。よって光軸方向におけるスポット位置読み取り手段の配設位置を厳密に位置決めしなくてもよいので、位置設定が非常に容易である。
例えば、光線偏向手段が被検レンズの前側焦平面位置から±３０％の範囲で前後にずれて配置されていても、スポットの距離ｈのズレは１％以内に収めることができる。そのため、前側焦平面近傍とは前側焦平面位置に対して±３０％ずれた位置を含んでいる。
【０００６】
スポットの距離ｈは、被検レンズの中心軸からスポット位置までの間隔になる。通常、被検レンズの中心軸は測定装置の光学系の光軸と一致する。よって、光軸位置とスポット位置が求まれば、スポットの距離ｈが得られる。ここで、光軸の位置は、光線偏向手段を光路中から取り除き、その状態でスポット位置読み取り手段上に形成されるスポット光の位置で求めることができる。
また、異なる偏向角で偏向した複数の光のスポット位置間の距離を測定して、被検レンズの焦点距離を得るようにしてもよい。この場合には、偏向角θｍおよびスポット位置ｈｍと、偏向角θｎおよびスポット位置ｈｎとから、焦点距離ｆは次式で得られる。
ｆ＝｜ｈｍ−ｈｎ｜／ｔａｎ（θｍ−θｎ）　　　（１ｂ）
【０００７】
また、光線偏向手段は、一定周期の格子溝または格子突起を有する回折格子で構成されていてもよい。
回折格子にコリメート光が入射すると複数の回折光が発生し、その回折光のｍ次（ｍ＝０，１，２…）の回折角は
ｓｉｎθｍ＝ｍλ　（但し、λ：光の波長）　　（２）
に厳密に従うので偏向方向（回折方向）を厳密に設定することが容易である。
この場合、偏向光がｍ次の回折光であると、偏向角はθｍ、スポット位置はｈｍであるから、
ｆ＝ｈｍ／ｔａｎθｍ　　　　　　　（１ａ）
により得られる。
またｍ次の回折光（偏向角θｍ、スポット位置ｈｍ）とｎ次の回折光（偏向角θｎ、スポット位置ｈｎ）を用いれば、（１ｂ）式より焦点距離ｆを求めることができる。
また、被検レンズを保持する保持手段が備えられていて、この保持手段とスポット位置読み取り手段の間に両側テレセントリック光学系が配設されていてもよい。
被検レンズによってその焦点距離は長いものから短いものまで様々であるため、（１）式で求められるスポット位置の距離（像高）ｈが、スポット位置読み取り手段の測定可能な分解能と比較して、必ずしも測定時に適当な値であるとは限らない。そのため、両側テレセントリック光学系を光路に配設することでスポット位置読み取り手段で集光するスポットの距離ｈを拡大または縮小することで適切に設定することができ、しかも被検レンズの後側焦平面とスポット位置読み取り手段との間の倍率はほとんど変化しないので正確なスポット位置を測定できる。
【０００８】
また、スポット位置読み取り手段は撮像素子であってもよい。
撮像素子を利用することで、スポット位置読み取り手段上におけるスポット光の座標や位置の特定が容易になる。
また、スポット位置読み取り手段は、光軸に直交する方向に移動可能な受光素子を備えていてもよい。或いは移動可能なステージ上に受光素子が設けられていてもよい。
撮像素子によるスポット位置の測定精度は単一のピクセルサイズで限定されてしまうが、受光素子を微小移動させることでピクセルサイズよりも高い分解能でスポット位置を測定することができ、より高精度な焦点距離の測定が可能になる。
また、受光素子の前にピンホールが配設されていてもよい。
ピンホールによって受光素子に入射する光からノイズ、迷光が排除され、スポット光のみを受光素子に集光できるからスポット光の読み取り精度が向上する。特にスポット光近傍をピンホールがスキャンすることでスポット光の中心位置が容易に識別できる。
また、ピンホールと受光素子との間にレンズが配設され、このレンズはピンホールと受光素子とが共役となる位置に配設されていてもよい。
【０００９】
また、光線偏向手段による偏向角度θは、
ｓｉｎθ＜０．１　　　　　　　　（３）
を満足するようにしてもよい。
偏向角θが上記の範囲内の角度であれば、レンズの収差の影響を受けずに近軸量である焦点距離の測定を正確に行える。また偏向角θが上記の範囲を超えるとレンズを通過する際の収差の影響が大きくなり、スポット光の精密な測定に悪影響を与える。
また、光源ユニットは、コリメート光学系を含んでいてもよい。
半導体レーザ以外のレーザ等を含む指向性の高い光源は光源ユニット内にコリメート光学系を配設する必要はないが、指向性の低い光源を用いる場合にはコリメート光学系を配設することでコリメート光を生成できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図１は本発明の第一の実施の形態による焦点距離測定装置を示すものであり、（ａ）は光学系の構成を示す図、（ｂ）は光学系において回折格子で偏向する光の拡大図、（ｃ）は同じく撮像素子で集光する光の拡大図である。
図１において、第一の実施形態による焦点距離測定装置１は、コリメート光を射出するコリメート光源２（光源ユニット）と、回折格子３或いは周期構造体（光線偏向手段）と、被検レンズＴＬを保持する保持部材５と、撮像素子４（スポット位置読み取り手段）とによって概略構成されている。
被検レンズＴＬはその中心軸が光軸Ｌと一致するように保持部材５で保持されている。また、回折格子３は被検レンズＴＬの前側焦平面ＦＦ近傍に配置され、撮像素子４の受光面４ａは被検レンズＴＬの後側焦平面ＦＢ近傍に配置されている。
尚、被検レンズＴＬの焦点距離ｆは測定前は不明であるので、最初は被検レンズＴＬを光路中の任意の位置に配置することになる。しかしながら、被検レンズＴＬの設計値が既知の場合には、その設計値に基づいて保持部材５によって被検レンズＴＬを光路上の所定位置に保持することは容易である。
一方、被検レンズＴＬの設計値が全く不明の場合にも次のようにして所定位置に配置することができる。先ず、被検レンズＴＬの後側焦平面ＦＢ近傍に撮像素子４の受光面４ａを配置することに関しては、目視によって被検レンズＴＬを通過して集光するスポット位置に撮像素子４の受光面４ａを一致させるだけで容易に行える。次に、回折格子３を被検レンズＴＬの前側焦平面ＦＦ近傍に配置することに関しては、撮像素子４を光軸Ｌに沿って前後させたときに、撮像素子４の受光面４ａで得られる回折光のスポット間隔が変化しなくなる位置に回折格子３を配設するだけでよい。
尚、被検レンズＴＬとなるレンズは、例えばｆ＝３０ｍｍであったり、ｆ＝１００ｍｍというように様々な焦点距離を有している。よって、光線偏向手段、保持部材、スポット位置読み取り手段のうち少なくとも一つは、光軸に沿って移動可能となっていることが好ましい。このようにしておけば、前側焦平面ＦＦおよび後側焦平面ＦＢに回折格子３と撮像素子４をそれぞれ配置することができる。尚、移動手段としては、公知のスライダー機構（図示せず）を用いるとよい。
【００１１】
また回折格子３は、一定の周期間隔ｄ（ｍｍ）を有する格子溝（または格子突起）をしている。そのため、コリメート光が入射すると、図１（ｂ）に示すように多数の次数の回折光が発生することになる。この時、その回折角（偏向角）θは以下の式（４）によって厳密に求めることができる。
ｄｓｉｎθｍ＝ｍλ　　　　　（４）
ここで、θｍはｍ次（ｍ＝０，１，２…）の回折次数の回折角、λは光の波長である。
図１（ｂ）では、０次と士１次の回折光のみを示しているが、実際には、より高次数での回折光も被検レンズＴＬに入射し、撮像素子４上に集光する（図１（ｃ）参照）。このとき、収差の影響が小さければ、被検レンズＴＬの焦点距離ｆは以下の式（１ａ）によって求められる。
ｆ＝ｈｍ／ｔａｎθｍ　　　　　（１ａ）
ここで、ｈｍはｍ次の回折光が撮像素子４の受光面４ａに集光したスポットの光軸Ｌに直交する方向の距離である。
従って、既知の回折角θｍに対して、ｍ次の回折光の像高ｈｍを得ることで式（１ａ）から被検レンズＴＬの焦点距離ｆを求めることが可能となる。
尚、光線偏向手段が回折格子の場合、スポット位置に相当する±１次光の他に、光軸位置に相当する０次光が発生する。よって、回折光を光路から取り除かなくても光軸位置を得ることができる。
【００１２】
尚、ここでは、ｍ次の回折光と光軸Ｌ（０次回折光）との間隔およびｍ次の回折光の回折角θｍによって焦点距離ｆを求めたが、０次以外の異なる２つの次数ｍ、ｎの回折光のなす角度θｍ−θｎと、次数ｍ、ｎの回折次数のスポット間隔ｈｍ−ｈｎを求めることにより被検レンズＴＬの焦点距離を求めることも可能である。この場合、（１ａ）式のθｍを｜θｍ−θｎ｜、ｈｍを｜ｈｍ−ｈｎ｜に置き換えるだけでよく、次式（１ｂ）となる。
ｆ＝｜ｈｍ−ｈｎ｜／ｔａｎ（θｍ−θｎ）　　　（１ｂ）
しかし、焦点距離ｆが近軸量であることを考えると、±１次の回折光と０次の回折光のなす角度を用いることが望ましい。この場合には回折光が被検レンズＴＬの中心部を通過することになるので、被検レンズＴＬの収差等に影響されない厳密な焦点距離ｆを求めることができる。
またなるべく近軸量に近い焦点距離ｆを求めるには、偏向した光線の被検レンズＴＬの光軸となす角度θが、
ｓｉｎθ＜０．１　　　　　　　（３）
を満足することが望ましい。このような非常に小さい角度であれば、被検レンズＴＬの中心軸（光軸Ｌ）にできるだけ近い領域を通るため、近軸量として定義される焦点距離ｆを厳密に測定することが可能となる。
【００１３】
また、回折格子３は、被検レンズＴＬの前側焦平面ＦＦ近傍に配置されることが望ましい。この場合、回折格子３によって偏向した光線の主光線が、被検レンズＴＬを透過後に被検レンズＴＬの光軸に平行になる（像側にテレセントリックになる）。このようにすると、撮像素子４が被検レンズＴＬの後側焦平面ＦＢに厳密に配置されなくても、受光面４ａに集光したスポットの中心位置は厳密に配置したときと比べてもあまり変化しない。従って、測定時の位置調整に厳密さが要求されないので、容易に焦点距離ｆを求めることが可能である。しかも、撮像素子４が光軸Ｌに沿って多少前後しても、スポット像がボケるだけで各回折光のスポット間隔は変わらない。この結果、集光点からずれた位置に撮像素子４を配設してもスポット位置ｈｍはほとんど変わらないので、焦点深度の影響を受けない。またアライメントに神経質にならなくてもよい。
また回折次数ｍが０次と１次である各回折光のスポット間隔は厳密に式（４）に従うため、仮に被検レンズＴＬの収差量が大きくてもスポットはサイズが大きくなるなど変形するだけである。即ちスポット間隔はほとんど変わらないので、測定結果は収差の影響を受けにくい。
【００１４】
上述のように本実施の形態によれば、撮像素子４の受光面４ａで光軸Ｌに直交する方向のスポットの距離（像高）ｈまたはｈｍを測定することにより、式（１）または（１ａ）から被検レンズＴＬの焦点距離ｆを厳密に求めることができる。しかも、回折格子３は被検レンズＴＬの前側焦平面ＦＦ近傍に配設されているから、偏向した光の主光線は像側にテレセントリックになり、撮像素子４の配設位置が後側焦平面ＦＢ位置から光軸方向にずれても焦点深度や収差の影響を受けずに精密な焦点距離ｆの測定を行える。特に、偏向角θを（３）式を満足する程度に小さく設定することで、収差の影響を抑えて厳密な測定ができる。
【００１５】
次に、第一の実施の形態による焦点距離測定装置１と図１３に示す従来の焦点距離測定装置との測定精度について比較説明する。
先ず図１３に示す従来の焦点距離測定装置の測定精度について説明する。
従来の焦点距離測定装置では、被検レンズＴＬの焦点距離ｆをｆ^２＝ＺＺ′の関係式から求める。ところが、距離Ｚ、Ｚ′の測定においてそれぞれ△Ｚ、△Ｚ′の測定誤差が生じるので、焦点距離ｆの測定誤差を△ｆとすると、
ｆ＋Δｆ＝√｛（Ｚ＋ΔＺ）（Ｚ′＋ΔＺ′）｝　　　　（ｊ１）
という関係式が成り立つ。ここで、距離Ｚ、Ｚ′の測定誤差△Ｚ、△Ｚ′は何れも等しいとして△Ｚ＝△Ｚ′＝εと表すと、（ｊ１）式は更に次のように変形できる。
【００１６】
【数１】

【００１７】
つまり焦点距離ｆの測定誤差△ｆと、測定誤差Δｆと焦点距離ｆの比△ｆ／ｆはそれぞれ、
Δｆ＝ε（Ｚ＋Ｚ′）／｛Ｚ√（ＺＺ′）｝≧ε　　（ｊ３）
Δｆ／ｆ≧ε／ｆ　　　　　　　　　　　　　　　　（ｊ４）
となる。但し、（ｊ３）式では相加相乗平均を利用した。これより、従来の手法では焦点距離の測定精度を高めるためには、測定誤差εを小さくする必要があり、光軸Ｌ方向の位置精度を十分高めなければいけないことがわかる。
【００１８】
次に、本実施形態による焦点距離測定装置１の測定精度を、図２に示す模式図を用いて説明する。まず角度の符号について説明する。光の角度の正負は図２（ａ）において、光軸方向をｚとして光軸Ｌから光線へ鋭角をたどって回る向きが時計回りなら正、反時計回りなら負とする。
これに従うと図２（ｂ）の光線の角度θは負の値である。図中、簡単のため被検レンズＴＬを焦点距離ｆの薄肉レンズとする。測定時において、被検レンズＴＬの前側焦平面ＦＦからの回折格子３の光軸方向のズレ量を△ｚ、被検レンズＴＬの後側焦平面ＦＢからの撮像素子４の光軸方向のズレ量を△ｚ’とおく。回折格子３での光線位置をｙ、回折格子３による回折角をθとすると、撮像素子４での光線位置ｙ’、光線角度θ’は次のように表すことができる。
【００１９】
【数２】

【００２０】
ここで、Ｔは回折格子３のズレを表す移行行列、Ｐは被検レンズＴＬの屈折行列、Ｔ’は撮像素子４の移行行列を表す。また、λはコリメート光源１から射出する光の波長、１／ｄは回折格子３の空間周波数である。回折格子３上での（ｙ，θ）として（０，θ）とすると、撮像素子４上での光線位置ｙ’は次式のようになる。
【００２１】
【数３】

【００２２】
回折格子３と撮像素子４がそれぞれ被検レンズＴＬの前側焦平面ＦＦおよび後側焦平面ＦＢに配置できたときの光線位置ｙ’をｙ’ｏとすると、（１１）式において△Ｚ、△Ｚ’を０とすればよいから、
ｙ’ｏ＝−ｆθ　　　　　　（１２）
となるので、撮像素子４上での光線位置のズレ量△ｙ′は、
Δｙ′＝ｙ′−ｙ′ｏ＝−ΔｚΔｚ′θ／ｆ　　　　（１３）
となる。ここで、撮像素子４のズレ量△ｚ’は、従来例における距離Ｚを測定する際の誤差△Ｚ、△Ｚ′に相当するから△ｚ’＝εと置くと、（１３）式は、
Δｙ′＝−εθΔｚ／ｆ　　　　（１３′）
と表すことができる。焦点距離ｆを測定する際に（１３′）式内のεθ／ｆがεθ／ｆ＜＜１を満足するように条件を選ぶのは容易である。つまり、△ｚと比較して光線位置のズレ量△ｙ’を十分小さくすることは可能である。
また、回折格子３が被検レンズＴＬの前側焦平面ＦＦに対して△ｚだけズレて配置されたときに被検レンズＴＬの焦点距離ｆの測定誤差△ｆと焦点距離ｆとの比は式（１１）〜（１３）、（１３’）式より、
Δｆ／ｆ＝（ｙ′−ｙ′ｏ）／ｆ＝Δｙ′／ｆ＝−εθΔｚ／ｆ^{２　　（１４）}
となる。（１４）式を、従来手法の計算式である（ｊ４）式と比較すると、従来手法の測定精度と比較して精度は△ｚθ／ｆ倍となる。
一例として、設計値が１５ｍｍの被検レンズＴＬの焦点距離ｆを測定する場合を考える。回折格子３のズレ量△Ｚを１５ｍｍ、回折格子３の空間周波数１／ｄを１００１ｐ／ｍｍ、波長を６３２．８ｎｍとする。
回折角θは、θ＝λ／ｄ＝０．０６３２８であるから（１４）式より△ｆ／ｆ＝４．２×１０^−３εとなる。ここで比較として、従来の手法の精度を示すと、式（ｊ４）より６．７×１０^−２εとなる。つまり、回折格子３を置く位置が、被検レンズＴＬの前側焦平面ＦＦの前後で±１５ｍｍズレても、従来の手法と比較して１桁以上高い精度で被検レンズＴＬの焦点距離ｆを測定できる。また、回折格子３を被検レンズＴＬの前側焦平面ＦＦに近づける程、つまり△ｚを０に近づければ、一層精度が向上することが（１４）式から分かる
【００２３】
次に本発明の測定精度を確認するために行った試験について説明する。
焦点距離測定装置として、図１及び図２に示す第一の実施の形態による焦点距離測定装置１の構成を採用した。コリメート光源２は波長６３２．８ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザ、回折格子３の空間周波数は２０本／ｍｍとし、回折格子３の位置を被検レンズＴＬの前側焦平面ＦＦ近傍で、△ｚ／ｆを±０．３の範囲で変化させた。また被検レンズＴＬとして回折型レンズ（設計値：１５．２６６ｍｍ）を用いて焦点距離ｆの測定を行った。
その結果を表１に示す。
【００２４】
【表１】

【００２５】
表１に示す結果から、△ｚ／ｆが（−０．３）〜（＋０．３）の範囲で非常に大きく変動しても、焦点距離ｆの測定誤差の割合△ｆ／ｆは１％以下の精度が得られていることが分かる。
このように本発明による焦点距離測定装置では、被検レンズＴＬに対して回折格子３を、正確な前側焦平面ＦＦ位置からそれぞれ少なくとも−３０％から＋３０％の範囲でずれた位置に配設して焦点距離の測定を行ったとしても、高精度な測定を行えることを確認できる。そのため、本発明で言う前側焦平面近傍とは焦点距離ｆに対して少なくとも±３０％の範囲を示している。
【００２６】
次に本発明の他の実施の形態や変形例について説明するが、上述の実施の形態と同一または同様の部分、部材には同一の符号を用いてその説明を省略する。
図３は本発明の第二の実施の形態を示すものである。本実施の形態による焦点距離測定装置１０では、被検レンズＴＬと撮像素子４との間に、倍率Ｍの拡大光学系からなる両側テレセントリック光学系６が配設されている。被検レンズＴＬの焦点距離ｆが短い場合、第一の実施の形態による焦点距離測定装置１では１次回折光の像高ｈまたはｈｍが小さく、撮像素子４のスケールサイズまたは分解能と比較して適当でないために精度のよい測定はできない。そこで、倍率Ｍ（＞１）の両側テレセントリック光学系６を配設することにより、像高ｈまたはｈｍをＭ倍にして撮像素子４の受光面４ａに結像できる。
【００２７】
図４は第三の実施の形態による焦点距離測定装置を示すものである。
本実施の形態による焦点距離測定装置２０は、被検レンズＴＬと撮像素子４との間に倍率Ｍ（＜１）の縮小光学系からなる両側テレセントリック光学系７が配設されている。被検レンズＴＬの焦点距離ｆが長い場合、第一の実施の形態による焦点距離測定装置１では１次回折光の像高ｈまたはｈｍが大きく、撮像素子４のスケールサイズまたは分解能と比較して精度のよい測定はできない。そこで、倍率Ｍ（＜１）の両側テレセントリック光学系７を配設することにより、像高ｈまたはｈｍをＭ倍にして撮像素子４の受光面４ａ内に収まるように結像させることができる。
これら第二および第三の実施の形態のように倍率Ｍの両側テレセントリック光学系６または７を用いる場合には、式（１）及び式（１ａ）は、以下のように変形される。
ｆ≡ｈ／（Ｍｔａｎθ）　　　　　　　（１ｃ）
或いは　　　ｆ＝ｈｍ／（Ｍｔａｎθｍ）　　　　（１ｄ）
【００２８】
次に、本発明の第四の実施の形態による焦点距離測定装置を図５により説明する。尚、第一乃至第三の実施の形態ではスポット位置読み取り手段としてＣＣＤ等の撮像素子４を用いたが、本実施形態におけるスポット位置読み取り手段はフォトダイオード等の受光素子である。
図５に示す焦点距離測定装置３０では、上述の第一の実施形態と同様にコリメート光源２、回折格子３が順次配設され、回折格子３の後方に被検レンズＴＬが配設され、さらにその後方にスポット測定ユニット３２（スポット読み取り手段）が配設されている。このスポット測定ユニット３２は、受光素子３３が自動精密ステージ３４上に固定保持されている。自動精密ステージ３４は制御装置３５によって移動可能とされ、これによって受光素子３３が光軸Ｌに対して直交する方向、即ち光が回折格子３によってｍ次の回折光として分布される方向に移動することになる。
そのため、被検レンズＴＬによって集光した光は受光素子３３に入射し、その光強度が得られる。この光強度は制御装置３５に送られて記録される。また、受光素子３３の移動に応じて、回折格子３でｍ次に回折された光がそれぞれスポット光として受光素子３３に集光することになる。従って、図６に示すように、光強度の分布データが得られる。図６で横軸は自動精密ステージ３４の移動量、縦軸は検出された各スポットの光強度分布である。図６の光強度分布図において、横軸で示す移動量の中央のピークは０次回折光の光強度、その両側のピークは士１次の回折光の光強度である。
【００２９】
従って、図６の光強度分布図において、異なる回折次数の回折光のピーク間隔を像高ｈｍとして検出することで、式（１ａ）から焦点距離ｆを算出できる。特に上述の第一乃至第三の実施の形態のようにＣＣＤなどの撮像素子４を用いた場合には、撮像素子４のピクセル単体は例えば５μｍ角であるから、それ以上の分解能で焦点距離ｆの検出はできない。これに対して、本第四の実施の形態によれば、自動精密ステージ３４の最小移動量を５μｍ未満、例えば１μｍ以下とすることもできるので、撮像素子４を用いた場合よりも高い分解能でより高精度な測定ができる。
【００３０】
次に本発明の第五の実施の形態による焦点距離測定装置を図７により説明する。図７（ａ）は光学系の構成図、（ｂ）は光学系においてプリズムで偏向する光の拡大図、（ｃ）は同じく撮像素子で集光する光の拡大図である。
第五の実施形態による焦点距離測定装置４０において、例えばＨｅ−Ｎｅレーザからなるコリメータ光源２と例えばＣＣＤからなる撮像素子４（スポット位置読み取り手段）は、上述の第一の実施の形態と同一構成である。また、コリメータ光源２と撮像素子４との間には保持手段５に保持された被検レンズＴＬが配設されている。撮像素子４は被検レンズＴＬの後側焦平面ＦＢ近傍に配設されている。また被検レンズＴＬの前側焦平面ＦＦ近傍には、プリズム４１が挿脱可能に配設されている。このプリズム４１は、コリメータ光源２から出射されるコリメート光を偏向させるときのみ、光路中に挿入される。
そしてプリズム４１が光路中に挿入された状態では、コリメート光源２から射出された光はプリズム４１で偏向角度θで偏向させるようになっている。
上述のように構成された焦点距離測定装置４０によれば、まず、プリズム４１を光路から外した状態で、コリメート光源２から出射されるコリメート光を被検レンズＴＬに入射させ、スポット位置を撮像素子４上に結像させて、その基準座標を予め記録する。
次にプリズム４１を被検レンズＴＬの前側焦平面ＦＦ近傍に挿入して、プリズム４１に入射するコリメート光を角度θで偏向させる。この偏向したコリメート光は、被検レンズＴＬを通過して撮像素子４上で集光する。ここでスポット位置の座標ｙ’を撮像素子４上で求めれば、基準座標とスポット位置の座標との差によりスポットの距離ｈを求めることができる。次いで式（１）を用いて被検レンズＴＬの焦点距離ｆを算出できる。
本実施の形態によれば、プリズム４１を用いて被検レンズＴＬの焦点距離ｆを厳密に測定でき、構造が一層簡単で低廉な焦点距離測定装置４０を得られる。
尚、光線偏向手段として、プリズムに代えてミラーを配設してもよい。
【００３１】
【実施例】
次に本発明の上述の各実施の形態をより具体化した実施例について説明する。実施例１
図８に示す実施例１は第一の実施の形態をより具体化した焦点距離測定装置１Ａを示すものである。この焦点距離測定装置１Ａは、コリメート光源２としてレーザ２Ａ、回折格子３としてロンキールーリング３Ａ、撮像素子４としてＣＣＤ４Ａを採用して光学系が構成されている。ロンキールーリング３Ａは被検レンズＴＬの前側焦平面ＦＦ近傍に配置し、ＣＣＤ４Ａを被検レンズＴＬの後側焦平面ＦＢ近傍に配置する。ロンキールーリング３Ａを被検レンズＴＬの前側焦平面ＦＦ近傍に配置したことで、像側テレセントリックな光学配置になる。
このような焦点距離測定装置１Ａにおいて、レーザ２Ａから射出したコリメート光はロンキールーリング３Ａに入射し、ロンキールーリング３Ａを通過して多数の回折光として射出される。各回折光の主光線は被検レンズＴＬを透過後にそれぞれほぼ平行となってＣＣＤ４上に集光する。このＣＣＤ４Ａ上で得られる画像を各ピクセルの光強度に基づく光強度分布に変換すると図９に示すようなグラフになる。このグラフ上で、異なる回折次数の光のピーク間のピクセル数を数えて、実際の距離に変換して式（１ａ）に当てはめれば、被検レンズＴＬの焦点距離ｆが求められる。
【００３２】
実施例２
次に図１０は第二の実施の形態をより具体化した実施例２を示すものである。図１０に示す焦点距離測定装置１０Ａにおいて、コリメート光源２Ｂは半導体レーザ１１とコリメータレンズ１２とで構成される。半導体レーザ２Ｂは射出光の平行度が小さいのでコリメータレンズ１２を通過させることで平行光として射出させるようにしている。回折格子３はロンキールーリング３Ａ、撮像素子４はＣＣＤ４Ａで構成されている。
またロンキールーリング３ＡとＣＣＤ４Ａとの間に被検レンズＴＬが配設され、更に被検レンズＴＬとＣＣＤ４Ａとの間に配設された両側テレセントリック光学系６は対物レンズ１３と結像レンズ１４とで構成されている。ロンキールーリング３Ａは被検レンズＴＬの前側焦平面ＦＦ近傍に置き、ＣＣＤ４Ａは被検レンズＴＬの後側焦平面ＦＢ近傍に配置させる。ロンキールーリング３Ａを被検レンズＴＬの前側焦平面ＦＦ近傍に配置したことで、像側テレセントリックな光学配置になる。
そして、コリメート光源２Ｂから射出したコリメート光はロンキールーリング３Ａを通過することで多数の回折光となり、各回折光の主光線は被検レンズＴＬを透過後にそれぞれほぼ平行となって集光する。そして、両側テレセントリック光学系６を構成する対物レンズ１３と結像レンズ１４によって各スポットは拡大されてＣＣＤ４Ａに集光する。そのため、実施例１の図９と同様なグラフが得られるので、各回折光のスポット間隔を測定し、２つのスポット間隔を両側テレセントリック光学系６の倍率Ｍで割れば実施例１と同様に被検レンズＴＬの焦点距離ｆを算出できる。
【００３３】
実施例３
図１１に示す実施例３は第四の実施の形態の具体例である。
図１１に示す焦点距離測定装置３０Ａにおいて、コリメート光源２は、レーザ２１、集光レンズ２２、コリメータレンズ２３とで構成され、これらの光学系によってコリメータ光を出射する。回折格子３としてロンキールーリング３Ａを用いた。スポット測定ユニット３２は、制御装置３５で光軸Ｌに直交する方向に移動可能な自動精密ステージ３４上にピンホール３６、結像レンズ３７、受光素子３３が配設されている。ここでピンホール３６は被検レンズＴＬを通過した平行光の集光位置近傍に配設され、結像レンズ３７に対してピンホール３６と受光素子３３とは共役な位置に配設されている。
制御装置３５はコンピュータであり、自動精密ステージ３４の移動を高精度に制御すると共に受光素子３３で得られた光強度を図６に示すように受光素子３３の移動量に沿って光強度分布図として記録する。
本実施例３による焦点距離測定装置３０Ａによれば、迷光等のノイズはピンホール３６で排除できるために迷光等による測定に対する悪影響を極力防止できる。そして自動精密ステージ３４の最小移動量は１μｍ以下とすることができるので、ＣＣＤを用いた場合よりも精密な焦点距離測定が可能になる。
【００３４】
実施例４
図１２に示す実施例４は第四の実施の形態の具体例である。
図１２に示す焦点距離測定装置３０Ｂは、実施例３と同一の構成を備えており、レーザ２１、集光レンズ２２、コリメータレンズ２３からなるコリメート光源２、ロンキールーリング３Ａ、更に自動精密ステージ３４と制御装置３５とピンホール３６と結像レンズ３７と受光素子３３とを備えたスポット測定ユニット３２を備えている。そして、更に本実施例では、被検レンズＴＬとスポット測定ユニット３２との間に拡大光学系からなる両側テレセントリック光学系６が配設され、この光学系６は実施例２と同様に対物レンズ１３と結像レンズ１４とで構成されている。
本実施例４によれば、実施例３と同様にコリメート光源２から射出したコリメート光は被検レンズＴＬを透過後に各回折光の主光線がほぼ平行となって集光する。そして、両側テレセントリック光学系６を構成する対物レンズ１３と結像レンズ１４によって各スポットは拡大されてスポット測定ユニット３２の受光素子３３で受光する。そのため、図６に示す光強度分布図から得たスポット間隔を両側テレセントリック光学系６の倍率で割れば、他の実施例と同様に被検レンズＴＬの焦点距離ｆを算出できる。
上述のように、両側テレセントリック光学系６を用いれば、被検レンズＴＬの焦点距離ｆが非常に短い場合でも高い精度で焦点距離ｆを求めることができる。
尚、実施例３と４では、受光素子３３とピンホール３６との間に結像レンズ３７を配設したが、これに代えて変形例として受光素子３３の光入射方向の直前にピンホール３６を配設してもよい。このような構成を採用すれば、レンズ３７を設けることなく迷光を排除できる。
【００３５】
【発明の効果】
上述のように本発明によれば、焦点深度や収差にかかわらず被検レンズの焦点距離の測定を正確且つ簡便に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態による焦点距離測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】第一の実施の形態による焦点距離測定装置において、測定精度を説明するための図である。
【図３】第二の実施の形態による焦点距離測定装置の概略構成図である。
【図４】第三の実施の形態による焦点距離測定装置の概略構成図である。
【図５】第四の実施の形態による焦点距離測定装置の概略構成図である。
【図６】図５に示す焦点距離測定装置の受光素子で測定したスポットの光強度分布図である。
【図７】第五の実施の形態による焦点距離測定装置の概略構成図である。
【図８】実施例１による焦点距離測定装置の概略構成図である。
【図９】図８に示す焦点距離測定装置のＣＣＤで測定したスポットの光強度分布図である。
【図１０】実施例２による焦点距離測定装置の概略構成図である。
【図１１】実施例３による焦点距離測定装置の概略構成図である。
【図１２】実施例４による焦点距離測定装置の概略構成図である。
【図１３】従来の焦点距離測定装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１、１Ａ、１０、１０Ａ、２０、３０、３０Ａ、３０Ｂ、４０　焦点距離測定装置
２　光源ユニット
３　回折格子（光線偏向手段）
３Ａ　ロンキールーリング（光線偏向手段）
４　撮像素子（スポット位置読み取り手段）
４Ａ　ＣＣＤ（スポット位置読み取り手段）
５　保持部材
６、７　両面テレセントリック光学系
１１　半導体レーザ
１２、２３　コリメータレンズ
１３　対物レンズ
１４、３７　結像レンズ
２１　レーザ
２２　集光レンズ
３２　スポット測定ユニット（スポット位置読み取り手段）
３３　受光素子
３４　自動精密ステージ
３５　制御装置
３６　ピンホール
４１　プリズム（光線偏向手段）
ＴＬ　被検レンズ

Claims

被検レンズの焦点距離を測定する焦点距離測定装置であって、コリメート光を発生する光源ユニットと、前記被検レンズに向けてコリメート光を偏向する光線偏向手段と、前記被検レンズを通過した後に形成されるスポットの位置を検出するスポット位置読み取り手段とを備えていて、該スポット位置読み取り手段は被検レンズの後側焦平面近傍に配置されていて、前記スポットの位置に基づいて被検レンズの焦点距離を得るようにしたことを特徴とする焦点距離測定装置。
前記光線偏向手段は、被検レンズの前側焦平面近傍に配置されていることを特徴とする請求項１記載の焦点距離測定装置。
被検レンズの焦点距離を測定する焦点距離測定装置であって、コリメート光を発生する光源ユニットと、前記被検レンズに向けてコリメート光を偏向する光線偏向手段と、前記被検レンズを通過した後に形成されるスポットの位置を検出するスポット位置読み取り手段とを備えていて、前記光線偏向手段は被検レンズの前側焦平面近傍に配置されていて、前記スポットの位置に基づいて被検レンズの焦点距離を得るようにしたことを特徴とする焦点距離測定装置。
前記スポット位置読み取り手段で得られたスポットの位置と被検レンズの光軸との距離を測定して、被検レンズの焦点距離を得るようにしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の焦点距離測定装置。
前記スポット位置読み取り手段で得られた、異なる偏向角で偏向した複数のスポットの位置間の距離を測定して、前記被検レンズの焦点距離を得るようにしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の焦点距離測定装置。
前記光線偏向手段は、一定の周期を有する回折格子で構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の焦点距離測定装置。
前記被検レンズを保持する保持手段が備えられていて、該保持手段とスポット位置読み取り手段の間に両側テレセントリック光学系が配設されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の焦点距離測定装置。
前記スポット位置読み取り手段は、撮像素子であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の焦点距離測定装置。
前記スポット位置読み取り手段は、光軸に直交する方向に移動可能な受光素子を備えていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の焦点距離測定装置。
前記受光素子の前にピンホールが配設されていることを特徴とする請求項９に記載の焦点距離測定装置。
前記ピンホールと受光素子との間にレンズが配設され、該レンズはピンホールと受光素子とが共役となる位置に配設されていることを特徴とする請求項１０に記載の焦点距離測定装置。
前記光線偏向手段による偏向角度θは、
ｓｉｎθ＜０．１
を満足することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の焦点距離測定装置。
前記光源ユニットは、コリメート光学系を含むことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の焦点距離測定装置。