JP2007327771A - 偏芯量測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オートコリメーション法を適用した偏芯測定手法において、簡易な構成により測定精度の大幅な向上を図る。
【解決手段】被検レンズを所定の回転角度位置に設定し（Ｓ３）、レチクルの像縦線と交差する横線Ｐ１、Ｐ２を設定し（Ｓ４）、レチクルの像横線と交差する縦線Ｑ１、Ｑ２を設定し（Ｓ５）、横線Ｐ１、Ｐ２上における光強度ピーク位置Ａ点、Ｂ点、および縦線Ｑ１、Ｑ２上における光強度ピーク位置Ｃ点、Ｄ点を特定し（Ｓ６、７）、Ａ点、Ｂ点を結んだ十字縦線、およびＣ点、Ｄ点を結んだ十字横線を決定する（Ｓ８、９）。この後、十字縦線と十字横線の交点を特定し（Ｓ１０）、交点を中心とした正方形領域内の光強度重心位置を特定し、これを十字形状のレチクルの像の中心点Ｒとする（Ｓ１１）。複数の回転位置における各中心点Ｒに基づき像中心軌跡円を求め（Ｓ１４）、この像中心軌跡円の半径を被検面の偏芯量Ｅｃとする（Ｓ１５）。
【選択図】 図１

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に示す偏芯測定装置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方法に供されるものであって、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とみなせるから、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は上方被検面とは逆側の下方被検面（設置面）が基台上に支持されている。この下方被検面も球面であるから、基本的には被検レンズ１１０を基台１２２上でずらしても下方被検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、上記手法によって被検レンズ１１０の偏芯量を求めるにはピンホールの像の軌跡による円の半径を特定しなければならないが、このピンホールの像はある程度の面積を有することから、正確な円の半径を特定することが難しい。例えば図９は、上記上方被検面あるいは上記下方被検面からの反射光による撮像面上のピンホールの像が円形に形成される様子を示すものであるが、ピンホールの像のどの位置がその中心であるのかを特定することが難しいので、偏芯量測定の精度の向上を図ることが難しかった。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、オートコリメーション法を適用した偏芯測定手法を用い、被検光学素子を回転させた場合に指標の像の中心点が形成する円に基づいて被検面の偏芯量を測定する偏芯量測定方法において、簡易な構成により測定精度の大幅な向上を図りう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、前記所定の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、
前記所定形状の指標は、略十字形状のレチクルとし、
前記被検光学素子を前記基台に設置し、
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し、
前記結像面上に結像された略十字形状の像に対して、互いに略同一方向に延びる２本の第１線上における光強度分布を求めて、該第１線の各線上における最大強度位置をＡ点およびＢ点とするとともに、該２本の第１線と交差し、互いに略同一方向に延びる２本の第２線上における光強度分布を求めて、該第２線の各線上における最大強度位置をＣ点およびＤ点とし、
次に、前記Ａ点と前記Ｂ点を結んだ直線を第３線とするとともに、前記Ｃ点と前記Ｄ点を結んだ直線を第４線とし、
前記第３線と前記第４線の交点を特定し、
この交点に基づいて前記レチクルの像の中心点Ｒを決定し、
この後、前記基台を所定角度だけ回転させることで前記被検光学素子を前記軸を中心として回転せしめるたびに、その回転位置における前記レチクルの像の中心点Ｒを決定し、
続いて、決定されたこれら複数の中心点Ｒに基づき中心点軌跡円を特定し、
該中心点軌跡円の径を求め、
この求めた径に基づいて、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。

また、前記レチクルの像の中心点Ｒを前記交点の位置としてもよいが、前記レチクルの像の中心点Ｒは、前記交点の位置を中心とした所定の領域内の各画素点の光強度重み付け平均処理により特定された重心位置とすることがより好ましい。

なお、上記「略十字形状」とは、２つの線分が直交するもののみを意味するものではなく、２つの線分の交差角が９０°以外の角度、例えば４５°となるような、X字形状のものを含むものである。また、交差する２つの線分の太さおよび長さは互いに等しくなくともよい。

本発明に係る偏芯量測定方法においては、測定用光学系内に略十字形状のレチクルを挿入し、前記略十字形状のレチクルの像が結像面上に結像されるようにし、次に、このレチクルの像に対して幾何学的な処理を施して、レチクルの像の中心点Ｒを特定するようにしているから、極めて簡易に、かつ高精度にレチクルの像の中心位置を特定することができ、簡易かつ精度の高い偏芯量測定を行うことが可能となる。

なお、上記幾何学的な処理により得られたレチクルの像の幾何学的中心位置をそのまま上記レチクルの像の中心位置としてもよいが、幾何学的中心位置を中心とした所定領域の各画素に光強度重み付け平均処理を施して得られた重心位置を上記レチクルの像の中心位置とすれば、より測定精度を向上させることが可能となる。

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２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の偏芯量を測定するものであり、被検面となる上面１０Ａおよび下面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、十字形状のスリットを有するレチクル板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では、上面１０Ａおよび下面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では、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。

なお、偏芯がある場合には、上記レチクルの像の軌跡が円を描くので、この円の半径を計測することで被検レンズ１０の偏芯量を求めることができる。

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３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と一致させるように位置調整を行うことが望ましい。

ここで、図４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（上面１０Ａ、下面１０Ｂ）がともに球面であるとすると、上面１０Ａの曲率中心Ｃ_１は上面１０Ａの光軸上に位置し、下面１０Ｂの曲率中心Ｃ_２は下面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が下面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と下面１０Ｂの光軸とが角度をもって交差している場合、上面１０Ａの曲率中心Ｃ_１から下面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が下面１０Ｂの光軸に一致していない場合は、上面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。

ところで、上記上面１０Ａあるいは下面１０Ｂからの反射光による撮像面上の指標の像が円形に形成された場合には、指標の像のどの位置が中心であるのかを特定することが難しく、偏芯量測定の精度の向上を図ることが難しかった。

そこで、本実施形態のものでは、上述したようにレチクル板１２のレチクルは、十字形状のスリットにより構成されている。したがって、結像面上に結像されたレチクルの像も、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すような十字形状のレチクルの像７０となる。

これにより、レチクルの像７０の幾何学的中心の特定が容易となる。具体的には、ＣＣＤカメラ２１によって取り込まれた画像（十字形状のレチクルの像７０を含む画像）に対して以下のような画像解析処理を施すことによりレチクルの像７０の幾何学的中心の特定を行う。また、本実施形態においては、レチクルの像７０の幾何学的中心位置を求めた後、この幾何学的中心位置を中心としたn画素×n画素の領域内において、各画素に光強度重み付け平均処理を施して得られた重心位置を上記レチクルの像７０の中心位置とするようにしているので、より測定精度を向上させることができる。

以下、図１のフローチャートを用いて、本実施形態方法の要部を具体的に説明する。

まず、初期設定として、後述するステップ１１（Ｓ１１）において光強度重み付け平均処理を行う領域のサイズが設定される（Ｓ１）。この領域は、ｎ画素×ｎ画素のサイズとされることから、正方形領域の一辺の長さをこのステップ１（Ｓ１）において設定しておくことになる。このｎの数としては、ユーザが適宜選択することができるが、一般的に、十字形状のレチクルの像７０が鮮明であるほど（ピントが合っているものほど）設定する上記ｎの数は少なくすることが可能となる。なお、像の中心点を十字形状のレチクルの像７０の幾何学的中心とする場合（光強度重み付け平均処理を行わない場合）には、このステップ１（Ｓ１）は不要となる。

次に、初期設定として、測定回数Ｎが設定される（Ｓ２）。すなわち、各被検レンズ１０を所定角度回転させる回転操作の度に、十字形状のレチクルの像７０の中心位置が測定されるが、この測定回数Ｎを設定するものである。このＮの数としても、ユーザが適宜選択できるが、具体的には、少なくとも２以上、望ましくは３以上であるが、測定精度の高さに応じて数十とすることも可能である。

なお、上記初期設定のステップ（Ｓ１）、（Ｓ２）を実行する段階において、光源１１の光量調整、および十字形状のレチクルの像７０のピント調整等を行っておく。
次に、被検レンズ回転駆動手段２３を回転駆動することにより被検レンズ１０を所定の回転角度位置に設定する（Ｓ３）。

次に、図５（Ａ）に示すように、十字形状のレチクルの像７０の像縦線７０Ａと交差するように、図中横方向に延びる２本の横線Ｐ１、Ｐ２を設定する（Ｓ４）。
続いて、図５（Ｂ）に示すように、十字形状のレチクルの像７０の像横線７０Ｂと交差するように、図中縦方向に延びる２本の縦線Ｑ１、Ｑ２を設定する（Ｓ５）。

この後、上記２本の横線Ｐ１、Ｐ２上における光強度のピーク位置を特定し、図５（Ａ）に示すように、特定した点をＡ点およびＢ点とする（Ｓ６）。
続いて、上記２本の縦線Ｑ１、Ｑ２上における光強度のピーク位置を特定し、図５（Ｂ）に示すように、特定した点をＣ点およびＤ点とする（Ｓ７）。

次に、ステップ６（Ｓ６）で特定したＡ点およびＢ点を結び、十字縦線（図６中の線８０Ａ）を決定する（Ｓ８）。
続いて、ステップ７（Ｓ７）で特定したＣ点およびＤ点を結び、十字横線（図６中の線８０Ｂ）を決定する（Ｓ９）。
なお、図６は、図５（Ａ）、（Ｂ）の中心領域を拡大して示すものである。

この後、ステップ８（Ｓ８）で求めた十字縦線８０Ａと、ステップ９（Ｓ９）で求めた十字横線８０Ｂの交点８０Ｃを特定する（Ｓ１０）。

前述したように、ステップ１０（Ｓ１０）で求めた交点８０Ｃを十字形状のレチクルの像７０の中心点Ｒとして決定しても良いが、本実施形態においては、より精度を高めるため、次のような光強度重み付け平均処理を行って十字形状のレチクルの像７０の光強度重心位置を求め、これを十字形状のレチクルの像７０の中心点Ｒとして特定している。

すなわち、ステップ１０（Ｓ１０）で求めた交点８０Ｃを中心とした、ｎ画素×ｎ画素の正方形領域９０を設定し、この正方形領域９０内の各画素についての光強度を考慮して、正方形領域９０内の光強度重心位置を特定し、これを十字形状のレチクルの像７０の中心点Ｒとする（Ｓ１１）。すなわち、例えば、正方形領域９０内の各画素の座標とその画素の光強度を乗じ、それぞれの積の加算平均により重心位置の座標を求め、これを像７０の中心点Ｒの位置とする。

次に、ステップ２（Ｓ２）の初期設定において設定した測定回数Ｎを１だけ減算し（Ｓ１２）、測定回数Ｎが０となっているか否かを判断する（Ｓ１３）。Ｎが０となっていなければ（ＮＯ）、ステップ３（Ｓ３）に戻り、Ｓ３〜Ｓ１３の処理を繰り返して行う。一方、Ｎが０となっていれば（ＹＥＳ）、次のステップ１４（Ｓ１４）に進む。

ステップ１４（Ｓ１４）においては、各中心点Ｒに基づき、周知の最小二乗法等の近似手法を用いて、図７に示す如き、像中心軌跡円９５を求める。
この後、ステップ１４（Ｓ１４）において求めた像中心軌跡円９５の半径を、上面１０Ａの偏芯量Ｅｃとする（Ｓ１５）。

このように、本実施形態においては、十字形状のレチクルの像７０が結像面上に結像されるようにし、次に、このレチクルの像７０に対して幾何学的な処理、さらには光強度重み付け平均処理を施して、レチクルの像７０の中心点Ｒを特定するようにしているから、極めて簡易に、かつ高精度にレチクルの像７０の中心位置を特定することができ、簡易かつ精度の高い偏芯量測定を行うことが可能となる。

また、本実施形態においてはレチクルとして十字形状のものを用いているため、初期設定時においてピント調整等する際に、十字像を構成する各線分の太さの変化に基づいて、光学系の傾き微調整等を容易に行うことができる。

なお、上述したように、初期設定の段階において光源１１の光量調整を行うことになるが、この光量調整は自動的に行われるように設定することが望ましい。すなわち、レンズのパラメータに応じて、被検レンズ面毎に、レチクルの像７０の中心位置に収束する光量が異なることになるから、上記ステップ１１（Ｓ１１）において求めた光強度重心位置における光強度を測定し、この光強度が所定の値となるように光源１１の駆動電圧を調整するようにフィードバック制御を行うことが望ましい。

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、上記実施形態においてはレチクルおよびその像形状を十字形状のものとしているが、これに替えて、２つの線分の交差角が９０°以外の角度、例えば４５°となるような、Ｘ字形状のレチクルおよびその像形状とすることが可能である。また、その形状として、交差する２つの線分の太さおよび長さが互いに異なるものを用いることも可能である。

また、上記実施形態においては、ステップ４において、図５（Ａ）中横方向に延びる２本の横線Ｐ１、Ｐ２を設定しており、また、ステップ５において、図５（Ｂ）中縦方向に延びる２本の縦線Ｑ１、Ｑ２を設定しているが、これら２本の横線および２本の縦線は、各々互いに平行でなくともよく、また、横線と縦線は互いに直交している必要はない。

また、観察対象としての被検面は被検レンズの上面のみならず下面とされていてもよく、この場合は被検レンズの上面が設置面となる。

また、上記では、本実施形態方法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。

本発明の一実施形態に係る偏芯量測定方法を説明するためのフローチャート 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 本実施形態方法において光強度ピークＡ点、Ｂ点を特定する手順を説明するための図（Ａ）、および光強度ピークＣ点、Ｄ点を特定する手順を説明するための図（Ｂ） 本実施形態において、十字縦線と十字横線の交点を特定する手順を説明するための図 本実施形態方法を用いて形成された像中心軌跡円を示す図 従来の偏芯量測定装置を示す概略構成図 従来の像中心軌跡円を求める手法を説明するための図

符号の説明

１ 偏芯量測定装置
１０、１１０ 被検レンズ
１０Ａ、１０Ｂ 被検面
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、１２１ ＣＣＤカメラ
２２ レンズ載置部材
２３ 被検レンズ回転駆動手段
２４ Ｚ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
５１ Ｖブロック
５２ 回転円板
７０ レチクルの像
７０Ａ 像縦線
７０Ｂ 像横線
８０Ａ 十字縦線
８０Ｂ 十字横線
８０Ｃ 交点
９０ 正方形領域
９５ 像中心軌跡円
１１２ 指標板（ピンホール板）
１２２ 基台
Ｒ 中心点
Ｐ１、Ｐ２ 横線
Ｑ１、Ｑ２ 縦線

Claims (3)

1. 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、前記所定の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、
   前記所定形状の指標は、略十字形状のレチクルとし、
   前記被検光学素子を前記基台に設置し、
   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し、
   前記結像面上に結像された略十字形状の像に対して、互いに略同一方向に延びる２本の第１線上における光強度分布を求めて、該第１線の各線上における最大強度位置をＡ点およびＢ点とするとともに、該２本の第１線と交差し、互いに略同一方向に延びる２本の第２線上における光強度分布を求めて、該第２線の各線上における最大強度位置をＣ点およびＤ点とし、
   次に、前記Ａ点と前記Ｂ点を結んだ直線を第３線とするとともに、前記Ｃ点と前記Ｄ点を結んだ直線を第４線とし、
   前記第３線と前記第４線の交点を特定し、
   この交点に基づいて前記レチクルの像の中心点Ｒを決定し、
   この後、前記基台を所定角度だけ回転させることで前記被検光学素子を前記軸を中心として回転せしめるたびに、その回転位置における前記レチクルの像の中心点Ｒを決定し、
   続いて、決定されたこれら複数の中心点Ｒに基づき中心点軌跡円を特定し、
   該中心点軌跡円の径を求め、
   この求めた径に基づいて、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。
2. 前記レチクルの像の中心点Ｒは前記交点の位置とすることを特徴とする請求項１記載の偏芯量測定方法。
3. 前記レチクルの像の中心点Ｒは、前記交点の位置を中心とした所定の領域内の各画素点の光強度重み付け平均処理により特定された重心位置とすることを特徴とする請求項１記載の偏芯量測定方法。
   

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