JP2007017431A

JP2007017431A - 偏芯量測定方法

Info

Publication number: JP2007017431A
Application number: JP2006158487A
Authority: JP
Inventors: Hei Son; 萍孫
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2006-06-07
Publication date: 2007-01-25

Abstract

【課題】被検レンズが設置される基台の回転軸と被検レンズの光軸との間、あるいは基台の回転軸と被検レンズに光を照射する測定用光学系の光軸との間等にずれが存在する場合であっても、被検レンズ面の偏芯測定を簡易かつ高精度に行うことができる偏芯量測定方法を提供する。
【解決手段】撮像面上に形成される、被検面１０Ａおよび設置面１０Ｂからの各反射像の円形軌跡の半径ｒ_１および半径ｒ_２の差であるΔｒを求め、このΔｒに、結像面上の距離に対する、実際の空間位置における距離の比に応じた所定の係数Ｋを乗じることで、被検面１０Ａの正確な偏芯量を求める。
【選択図】図５

Description

本発明は、レンズ等の光学素子における被検面の偏芯量を測定する偏芯量測定方法に関するものである。

レンズの評価や検査の重要項目として、レンズ面の偏芯量の測定がある。
レンズ面の偏芯量は、このレンズ面の曲率中心とレンズの中心軸とのずれ量によって表される。

このような偏芯量の測定手法として、下記特許文献１等に示されたオートコリメーション法と称される手法が知られている。例えば、図８に示す偏芯測定手法はオートコリメーション法を適用した反射式の偏芯測定装置を用いるものであって、被検レンズ（球面レンズ）１１０を、その中心軸を中心として回転可能に設置される基台１２２と、光源１１１と、光源１１１からの光を通過させる指標板（ピンホール板）１１２と、光軸に沿って被検レンズ１１０に光を照射する測定用光学系１３１と、被検レンズ１１０からの光を観測するための撮像手段を備えている。

上記測定用光学系１３１は、光源１１１から射出され指標板１１２を通過した光を略直角に反射するビームスプリッタ１１３と、ビームスプリッタ１１３からの光を平行光束とするコリメータレンズ１１４と、この平行光束を被検レンズ１１０の近軸焦点に収束せしめる対物レンズ１１５とを備えている。また、上記撮像手段は、上記ビームスプリッタ１１３を透過した被検レンズ１１０からの光を観測する撮像面を備えたＣＣＤカメラ１２１からなる。

上記偏芯測定装置を用いて偏芯量測定を行う際には、指標板１１２を通過した光源１１１からの光を測定用光学系１３１により被検レンズ１１０に照射する。
このとき、対物レンズ１１５の光収束位置Ｐを移動することにより、被検レンズ１１０の被検面（上面）の曲率中心に光収束位置Ｐを一致させる。被検レンズ１１０の被検面に入射した光は、この被検面の曲率中心から発せられた光と同等にみなせるから、被検面から、入射経路を逆進するように反射される。この反射光について、ビームスプリッタ１１３を透過せしめてＣＣＤカメラ１２１に入射させる。この後、基台１２２を回転させながら被検レンズ１１０からの反射像を観測すると、偏芯がある場合には、ピンホールの像の軌跡が円を描き、この円の半径を計測することで被検レンズ１１０の偏芯量を求めることができる。

ここで、被検レンズ１１０は被検面とは逆側の面（設置面）が基台上に支持されている。この設置面も球面であるから、基本的には被検レンズ１１０を基台１２２上でずらしても設置面の曲率中心の位置は変化しない。そこで、このような偏芯測定装置では、得られた偏芯量測定値をそのまま、被検面についての最終的な偏芯量とするようにしていた。

特開２００５−５５２０２号公報

しかしながら、被検レンズ１１０が設置される基台１２２や測定用光学系１３１を光軸方向に移動させる機構には、実際には機械加工上の誤差が存在する。したがって、基台１２２の回転軸と被検レンズ１１０の光軸との間、あるいは基台１２２の回転軸と該測定用光学系１３１の光軸との間等には微小なずれが存在し、このずれの存在により偏芯量の測定精度を向上させることが困難となっている。特に、光学機器が高性能化するにしたがって、偏芯量の測定精度の向上を阻害する上記微小なずれの存在が大きな問題となりつつある。

勿論、設置面の曲率中心がレンズ回転軸上に位置するように光学調整を行うようにすれば、測定精度を向上させることができるが、このような光学調整は多大な労力を要し、煩に耐えない。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、被検レンズが設置される基台の回転軸と被検レンズの光軸との間、あるいは該基台の回転軸と測定用光学系の光軸との間等にずれが存在する場合であっても、被検レンズ面の偏芯量測定を簡易かつ高精度に行うことができる偏芯量測定方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するため本発明に係る偏芯量測定方法は、
所定の軸を中心として回転可能な基台に被検光学素子を設置し、該設置された被検光学素子の被検面に対して光源からの光を所定形状の指標を含む測定用光学系を介して照射し、該被検面からの反射光または透過光を結像面上に導くとともに該基台に設置された被検光学素子を、所定の回転軸を中心として回転せしめ、該反射光または該透過光により該結像面上に形成された前記指標の像の移動軌跡を観察して前記被検面の偏芯量を測定する偏芯量測定方法において、
前記被検光学素子を、前記被検面とは逆側の面を設置面として前記基台に設置し、
前記測定用光学系と前記被検面とを該測定用光学系の光軸方向に相対的に移動して、前記被検面からの反射光または透過光が前記結像面上に結像されるように調整するとともに、前記基台を回転させることで前記被検光学素子を前記回転軸を中心として回転せしめ、該反射光または該透過光により該結像面上に形成された前記指標の像の移動軌跡の半径ｒ_１を測定し、
前記測定用光学系と前記設置面とを該測定用光学系の光軸方向に相対的に移動して、前記設置面からの反射光または透過光が前記結像面上に結像されるように調整するとともに、前記基台に設置された前記被検光学素子を回転せしめ、該反射光または該透過光により該結像面上に形成された前記指標の像の移動軌跡の半径ｒ_２を測定し、
測定された前記半径ｒ_１と前記半径ｒ_２との差Δｒを演算し、求められたΔｒに基づき、前記被検面の偏芯量を求めることを特徴とするものである。

なお、前記半径ｒ_１の測定と前記半径ｒ_２の測定の順序は、いずれを先に行ってもよいものである。

本発明に係る偏芯量測定方法は、結像面上に形成される、被検面からの反射光による指標の像（レチクル像）の円形状軌跡の半径ｒ_１と、結像面上に形成される、設置面（裏面）からの反射光による指標の像（レチクル像）の円形状軌跡の半径ｒ_２との差であるΔｒを求め、このΔｒに、結像面上の距離に対する、実際の空間位置における距離の比に応じた所定の係数を乗じることで、被検面の偏芯量を高精度で求めることができる、という着想に基づくものである。

すなわち、本発明の偏芯量測定方法によれば、被検面の曲率中心位置に関する情報のみならず、設置面の曲率中心位置に関する情報をも考慮して演算を行うことにより、被検レンズが設置される基台等に機械加工上の誤差等が存在し、基台の回転軸と被検レンズの光軸との間、あるいは基台の回転軸と該測定用光学系の光軸との間等にずれが存在する場合であっても、被検面の偏芯測定を簡易かつ高精度に行うことができる。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず図１に基づいて、本発明の一実施形態に係る偏芯量測定方法を実施するための反射タイプの偏芯量測定装置の概略構成について説明する。

この偏芯量測定装置１は、被検レンズ１０の被検面（上面）１０Ａの偏芯量を測定するものであり、被検面１０Ａおよび設置面（下面）１０Ｂに光を照射する光源１１と、光源１１からの光束を通過させるレチクル板１２と、測定用光学系３１とを有し、この測定用光学系３１は、レチクル板１２からの光を略直角に反射するビームスプリッタ１３と、入射された光を平行光束とするコリメータレンズ１４と、平行光束を所定位置（光収束点）Ｐに収束せしめる対物レンズ１５とを備えている。

また、この偏芯量測定装置１は、被検面１０Ａおよび設置面１０Ｂからの反射光が、対物レンズ１５、コリメータレンズ１４およびビームスプリッタ１３を介して入射され、レチクル板１２のレチクルの像を撮像するＣＣＤカメラ２１を有している。

また、この偏芯量測定装置１は、被検レンズ１０を載置するレンズ載置部材２２と、このレンズ載置部材２２を所定の回転軸を中心として回転させる被検レンズ回転駆動手段２３と、上記測定用光学系３１および上記ＣＣＤカメラ２１を一体的に保持しつつ、該測定用光学系３１の光軸Ｚの方向に移動せしめるＺ軸移動ステージ２４と、被検レンズ回転駆動手段２３およびＺ軸移動ステージ２４を一体的に載設固定せしめる固定台２５とを有している。
また、ＣＣＤカメラ２１で得られた像情報を解析し、演算する解析演算部３２が設けられている。

ここで、上記レンズ載置部材２２は、その上方端面縁部において被検レンズ１０を支持する円筒形状の載置部材を用いてもよいが、例えば図２に示すような、Ｖブロック５１と回転円板５２よりなるチャック機構により被検レンズ１０をその側方において挟持し、該回転円板５２を回転駆動することにより、被検レンズ１０を回転させるようにすれば、被検レンズ１０の位置決めを高精度で行うことができる。

なお、いずれの方法により被検レンズ１０を載置する場合にも、被検レンズ１０の回転軸Ｗを被検レンズ１０の光軸ｚと一致するように位置調整を行うことが望ましい。

また、上記レチクル板１２のレチクルは、十字形状のものとすることが望ましいが、円形のピンホール等とすることも可能である。また、このレチクル板１２の配設位置は、コリメータレンズ１４の光源側の焦点位置に一致させることが望ましい。

また、上記測定用光学系３１と上記ＣＣＤカメラ２１としては、オートコリメータ装置を用いて一体的に構成することが可能である。

ここで、図３を用いて偏芯量Ｅｃの定義をしておく。
すなわち、被検レンズ１０の両面（被検面１０Ａ、設置面１０Ｂ）がともに球面であるとすると、被検面１０Ａの曲率中心Ｃ_１は被検面１０Ａの光軸上に位置し、設置面１０Ｂの曲率中心Ｃ_２は設置面１０Ｂの光軸上に位置する。２つの曲率中心Ｃ_１、Ｃ_２を結ぶ直線が被検レンズ１０の光軸ｚであり、被検レンズ１０の回転軸Ｗが設置面１０Ｂの光軸に一致しているものとすると、この被検レンズ１０の光軸ｚと設置面１０Ｂの光軸とが角度をもって交差している場合、被検面１０Ａの曲率中心Ｃ_１から設置面１０Ｂの光軸に下ろした垂線の長さを偏芯量Ｅｃと定義する。被検レンズ１０の回転軸Ｗが設置面１０Ｂの光軸に一致していない場合は、被検面１０Ａの曲率中心Ｃ_１から被検レンズ１０の回転軸Ｗに下ろした垂線の長さを偏芯量Ｅｃとする。

以下、上記偏芯量測定装置１を用いた本実施形態に係る偏芯量測定方法について説明する。

（１）まず、被検レンズ１０を、その設置面１０Ｂがレンズ載置部材２２上に確実に設置されるように載置する。
（２）次に、光源１１からの光を被検レンズ１０に照射する。
（３）次に、Ｚ軸移動ステージ２４を駆動し、被検レンズ１０の被検面１０Ａからの反射光に担持されたレチクルの像がＣＣＤカメラ２１の撮像面上に結像されるように調整する。調整が完了した状態では、被検面１０Ａの曲率中心Ｃ_１と上記所定位置（光収束点）Ｐとが一致する。

（４）次に、被検レンズ回転駆動手段２３を回転駆動して、被検レンズ１０を回転させ、被検面１０Ａからの反射光によるレチクルの像により撮像面上に円形の軌跡が描かれるようにする。
（５）該撮像面上に描かれた円の半径ｒ_１を解析演算部３２で解析し、被検面１０Ａの偏芯量情報とする。
（６）次に、再びＺ軸移動ステージ２４を駆動し、被検レンズ１０の設置面１０Ｂからの反射光に担持されたレチクルの像がＣＣＤカメラ２１の撮像面上に結像されるように調整する。調整が完了した状態では、設置面１０Ｂの曲率中心Ｃ_２と上記所定位置（光収束点）Ｐとが一致する。

（７）次に、被検レンズ回転駆動手段２３を回転駆動して、被検レンズ１０を回転させ、設置面１０Ｂからの反射光によるレチクルの像により撮像面上に円の軌跡が描かれるようにする。
（８）該撮像面上に描かれた円の半径ｒ_２を解析演算部３２で解析し、設置面１０Ｂの偏芯量情報とする。
（９）次に、解析演算部３２において上記半径ｒ_１と上記半径ｒ_２との差を演算し、Δｒを求める。
（１０）解析演算部３２において、Δｒに所定の係数Ｋを乗じる演算を行うことで、偏芯量Ｅｃを求める。

以上に説明したように、本実施形態に係る偏芯量測定方法は、撮像面上に形成される被検面１０Ａおよび設置面１０Ｂからの各反射像の円形軌跡の半径ｒ_１および半径ｒ_２の差であるΔｒを求め、このΔｒに、結像面上の距離に対する、実際に偏芯量を求めたい空間位置における距離の比に応じた所定の係数Ｋを乗じることで、被検面１０Ａの正確な偏芯量を求めることができる。

ここで、上記所定の係数Ｋとは、例えば下式（１）で表される。

なお、上式（１）で表される係数Ｋは、装置が図１に示すような反射タイプのものの場合であり、透過タイプの装置の場合における係数Ｋは、下式（２）で表される。

次に、上記被検面１０Ａあるいは設置面１０Ｂからの反射光による撮像面上のレチクルの像の軌跡が円形に形成される様子を図４（Ａ）に示す。この場合のレチクルは円形のピンホール状のものが用いられている。すなわち、撮像面のピクセルメッシュ上に形成された像軌跡によるドーナッツ帯の中心線がつくる円の半径を、ピクセル数で計数することになる。なお、図４（Ｂ）に示すように、各レチクルの像の重み付き中心の軌跡により、上記円の半径を求めるようにすれば、分解能を向上させることができる。

以下、図５〜７を用い、本実施形態を、各軸間の関係に応じた各態様毎に検証する。
なお、図５〜７の各図面において、左方には、実際の空間上における各位置の関係を示す模式図が表されており、右方には、左方の模式図に表された位置関係にある場合における、撮像面上のレチクル像の移動軌跡が表されている。

≪１≫ 測定用光学系３１の光軸とレンズ１０の回転軸との間、および測定用光学系３１のＺ軸方向の移動軸とレンズ１０の回転軸との間に、ずれが生じていない場合（図５（Ａ）〜（Ｄ））。

＜ａ＞
図５（Ａ）は、設置面１０Ｂの光軸（以下、設置軸と称する：レンズ載置部材２２の中心軸に相当する）とレンズ回転軸が一致するとともに、偏芯が生じていない状態を表すものであり、この場合の偏芯量Ｅｃは０となる。
＜ｂ＞
図５（Ｂ）は、設置軸とレンズ回転軸が一致するとともに、偏芯が生じている状態を表すものであり、この場合の偏芯量Ｅｃはｄ_１であり、Ｋ・ｒ_１により求められる。
＜ｃ＞
図５（Ｃ）は、設置軸とレンズ回転軸が互いに平行にずれるとともに、偏芯が生じていない状態を表すものであり、この場合の偏芯量Ｅｃは０となる。
＜ｄ＞
図５（Ｄ）は、設置軸とレンズ回転軸が互いに平行にずれるとともに、偏芯が生じている状態を表すものであり、この場合の偏芯量Ｅｃはｄ_１−ｄ_２であり、Ｋ・（ｒ_１−ｒ_２）により求められる。

≪２≫ 測定用光学系３１の光軸とレンズ１０の回転軸との間にずれが生じている場合（図６（Ａ）〜（Ｄ））。

＜ａ＞
図６（Ａ）は、設置軸とレンズ回転軸が一致するとともに、偏芯が生じていない状態を表すものであり、この場合の偏芯量Ｅｃは０となる。
＜ｂ＞
図６（Ｂ）は、設置軸とレンズ回転軸が一致するとともに、偏芯が生じている状態を表すものであり、この場合の偏芯量Ｅｃはｄ_１であり、Ｋ・ｒ_１により求められる。
＜ｃ＞
図６（Ｃ）は、設置軸とレンズ回転軸が互いに平行にずれるとともに、偏芯が生じていない状態を表すものであり、この場合の偏芯量Ｅｃは０となる。
＜ｄ＞
図６（Ｄ）は、設置軸とレンズ回転軸が互いに平行にずれるとともに、偏芯が生じている状態を表すものであり、この場合の偏芯量Ｅｃはｄ_１−ｄ_２であり、Ｋ・（ｒ_１−ｒ_２）により求められる。

≪３≫ 測定用光学系３１のＺ軸方向の移動軸とレンズ１０の回転軸との間に傾きが生じている場合（図７（Ａ）〜（Ｄ））。
なお、図７（Ａ）〜（Ｄ）において、Ｃ_１、Ｃ_２、およびｅ_Ｚは各々、実際の空間上における被検面１０Ａの曲率中心、設置面１０Ｂの曲率中心、および測定用光学系３１のＺ軸方向の移動軸とレンズ１０の回転軸との間のずれを示すものであり、一方、Ｃ′_１、Ｃ′_２、およびｅ′_Ｚは、撮像面上における、Ｃ_１、Ｃ_２、およびｅ_Ｚに対応する位置を示すものである。

＜ａ＞
図７（Ａ）は、設置軸とレンズ回転軸が一致するとともに、偏芯が生じていない状態を表すものであり、この場合の偏芯量Ｅｃは０となる。
＜ｂ＞
図７（Ｂ）は、設置軸とレンズ回転軸が一致するとともに、偏芯が生じている状態を表すものであり、この場合の偏芯量Ｅｃはｄ_１であり、Ｋ・ｒ_１により求められる。
＜ｃ＞
図７（Ｃ）は、設置軸とレンズ回転軸が互いに平行にずれるとともに、偏芯が生じていない状態を表すものであり、この場合の偏芯量Ｅｃは０となる。
＜ｄ＞
図７（Ｄ）は、設置軸とレンズ回転軸が互いに平行にずれるとともに、偏芯が生じている状態を表すものであり、この場合の偏芯量Ｅｃはｄ_１−ｄ_２であり、Ｋ・（ｒ_１−ｒ_２）により求められる。

上記、図５〜７を用いた検証結果からも明らかなように、本実施形態によれば、測定用光学系３１の光軸とレンズ１０の回転軸との間にずれが生じていたり、測定用光学系３１のＺ軸方向の移動軸とレンズ１０の回転軸との間に傾きが生じていたりしても、偏芯量Ｅｃを良好に求めることができる。

なお、本発明の偏芯量測定方法としては、上記実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能である。
例えば、被検面は被検レンズの下面とされていてもよく、この場合は被検レンズの上面を設置面とする。

また、上記では、本実施形態に用いられる装置として、主に光反射タイプのものについて説明しているが、これに替えて光透過タイプの装置を用いてもよい。

また、上記実施形態のものでは、測定用光学系を移動させて、光収束点Ｐを、被検面や設置面の曲率中心Ｃ_１、Ｃ_２に一致させるようにしているが、被検レンズを移動させて、被検面や設置面の曲率中心Ｃ_１、Ｃ_２を、光収束点Ｐに一致させるようにしてもよい。

また、係数Ｋの決定手法としては、上述したもの以外に種々の決定手法を用いることができる。

本発明の一実施形態に係る偏芯量測定方法を実施するための偏芯量測定装置の概略構成図Ｖブロックと回転円板よりなるチャック機構を示す概略斜視図偏芯量Ｅｃの定義を説明するための図被検面あるいは設置面からの反射光による撮像面上のレチクルの像の軌跡を示す図本実施形態を、各軸間の関係に応じた各態様毎に検証するに際し、各態様の状態を視覚的に表した模式図（測定用光学系の光軸とレンズの回転軸との間、および測定用光学系のＺ軸方向の移動軸とレンズの回転軸との間に、ずれが生じていない場合）。本実施形態を、各軸間の関係に応じた各態様毎に検証するに際し、各態様の状態を視覚的に表した模式図（測定用光学系の光軸とレンズの回転軸との間にずれが生じている場合）。本実施形態を、各軸間の関係に応じた各態様毎に検証するに際し、各態様の状態を視覚的に表した模式図（測定用光学系のＺ軸方向の移動軸とレンズの回転軸との間に傾きが生じている場合）。従来の偏芯量測定装置を示す概略構成図

符号の説明

１偏芯量測定装置
１０、１１０被検レンズ
１０Ａ被検面
１０Ｂ設置面
１１、１１１光源
１２レチクル板
１３、１１３ビームスプリッタ
１４、１１４コリメータレンズ
１５、１１５対物レンズ
２１、１２１ＣＣＤカメラ
２２レンズ載置部材
２３被検レンズ回転駆動手段
２４Ｚ軸移動ステージ
２５固定台
３１、１３１測定用光学系
３２解析演算部
５１Ｖブロック
５２回転円板
１１２指標板（ピンホール板）
１２２基台

Claims

所定の軸を中心として回転可能な基台に被検光学素子を設置し、該設置された被検光学素子の被検面に対して光源からの光を所定形状の指標を含む測定用光学系を介して照射し、該被検面からの反射光または透過光を結像面上に導くとともに該基台に設置された被検光学素子を、所定の回転軸を中心として回転せしめ、該反射光または該透過光により該結像面上に形成された前記指標の像の移動軌跡を観察して前記被検面の偏芯量を測定する偏芯量測定方法において、
前記被検光学素子を、前記被検面とは逆側の面を設置面として前記基台に設置し、
前記測定用光学系と前記被検面とを該測定用光学系の光軸方向に相対的に移動して、前記被検面からの反射光または透過光が前記結像面上に結像されるように調整するとともに、前記基台を回転させることで前記被検光学素子を前記回転軸を中心として回転せしめ、該反射光または該透過光により該結像面上に形成された前記指標の像の移動軌跡の半径ｒ_１を測定し、
前記測定用光学系と前記設置面とを該測定用光学系の光軸方向に相対的に移動して、前記設置面からの反射光または透過光が前記結像面上に結像されるように調整するとともに、前記基台に設置された前記被検光学素子を回転せしめ、該反射光または該透過光により該結像面上に形成された前記指標の像の移動軌跡の半径ｒ_２を測定し、
測定された前記半径ｒ_１と前記半径ｒ_２との差Δｒを演算し、求められたΔｒに基づき、前記被検面の偏芯量を求めることを特徴とする偏芯量測定方法。