JP2009294353A - レンズユニット光軸調整方法及びレンズユニット光軸調整装置 - Google Patents

レンズユニット光軸調整方法及びレンズユニット光軸調整装置 Download PDF

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Abstract

【課題】光軸調整して作製したレンズユニットを光学ユニットに組み付ける際に、位置調整を不用とし、レンズユニットを光学ユニットに組付調整する工程の短時間化、引いては、組付調整費用のコストダウンを達成する。
【解決手段】光学ユニットの位置基準に対応する位置基準をレンズ系の光軸調整の際に設け、対応する位置基準に対してレンズ系を光軸調整してレンズユニットを作製する。
【選択図】図1

Description

本発明は、レンズユニット光軸調整方法、及びレンズユニット光軸調整装置に関するものである。
光通信用レンズ等の光学素子のコンパクト化及び非球面レンズの多様化により、レンズ系を搭載したレンズユニットを光学ユニットに組み込む場合、光学ユニットの位置基準に対する光軸の厳密な位置調整が要求されている。特許文献1には、レンズ系間の偏心量を小さくするために、点光源からの光をレンズ系に透過させ、その点像の位置や形状を観察することで、レンズ系間の偏心量を計測し、レンズユニットの組立時に光軸調整を行う方法と装置が開示されている。
特開昭60−150016号公報
しかし、特許文献1に開示されている技術を用いれば、レンズ系間の光軸調整を行ってレンズユニットを作製することはできるが、光学ユニットの位置基準に対するレンズユニットの位置調整については、別途、行う必要がある。従って、2度の調整を各々別途行うこととなり、組付調整の長時間化をまねき、引いては、コストアップに繋がる問題がある。本発明は上記問題に鑑み、レンズユニットを光学ユニットに組付調整する工程の短時間化を促進し、引いては、組付調整費用のコストダウンを達成することを目的とするものである。
前述の目的は、下記に記載する発明により達成される。
1.第1レンズ系と第2レンズ系を、基準平面を有する光学ベース上に固定するレンズユニット光軸調整方法であって、
所定の位置に配置したセンサに、前記基準平面から所定の距離をなし且つ前記基準平面に平行な参照光、を投光する工程と、
前記センサの出力から前記参照光の第1の重心位置を求める工程と、
前記参照光の光路中に前記第1レンズ系を配置した後、前記センサに前記参照光を投光する工程と、
前記センサの出力から参照光の第2の重心位置を求める工程と、
前記第1の重心位置と前記第2の重心位置に基づいて前記第1レンズ系を移動させる工程と、
前記参照光の光路中に前記第2レンズ系を配置した後、前記センサに前記参照光を投光する工程と、
前記センサの出力に基づいて参照光の第3の重心位置を求める工程と、
前記第1の重心位置と前記第3の重心位置に基づいて前記第2レンズ系の位置を移動させる工程とを含むことを特徴とするレンズユニット光軸調整方法。
2.基準平面を有する光学ベース上に第1レンズ系と第2レンズ系の位置を調整するレンズユニット光軸調整装置であって、
前記基準平面から所定の距離をなし且つ前記基準平面に平行な参照光、を投光する投光手段と、
前記投光手段からの参照光を受光するセンサと、
前記センサの出力に基づいて、前記第1レンズ系及び、前記第2レンズ系を移動させる移動手段と、を有することを特徴とするレンズユニット光軸調整装置。
本発明によれば、レンズユニットを光学ユニットに組付調整する工程の短時間化を促進でき、引いては、組付調整費用のコストダウンを達成することができる。
本発明のレンズユニット光軸調整方法、及びそのレンズユニット光軸調整方法を実施するレンズユニット光軸調整装置の実施の形態を図面に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限定されるものではない。
最初に本発明に係るレンズユニット光軸調整装置500の概略構成を図1に示し説明する。レンズユニット光軸調整装置500は、光軸調整部100、CCD7(Charge Coupled Devise)、画像処理部8、演算処理部9、表示部10、駆動部11、アクチュエータ部200、紫外線露光装置16、光源部300などからなる。
光源部300は、赤色光を発する半導体レーザLDとレンズLとからなる。半導体レーザLDが発した参照光L1は、レンズLを透過して弱い収束光となり、光軸調整部100へ向かう。
光軸調整部100には、図2(a)に示すようなコの字状をしたコの字状調整冶具1が備えられている。コの字状調整冶具1の内部において、図2(b)で示すように、光学ベース19上にレンズホルダH1に固定された第1レンズ系LL1と、レンズホルダH2に固定された第2レンズ系LL2とを、光軸調整して組付固定し、レンズユニットLUを作製する。
コの字状調整冶具1は、互いに平行な二つの面、面M1と面M2を有し、面M1には円形開口2が設けられ、面M2には円形開口3が設けられている。面M1と面M2との間には、面M1と面M2に垂直な面である面M3が設けられている。
面M3は、レンズユニットLUの光学ベースの下面である面M7に相対して接触する面である。面M3と円形開口2とは、円形開口2の中心軸5と面M3との距離6が、所定の値をなすように作製する。レンズユニットの面M7と、光軸調整するレンズ系の光軸とが所定の距離をなすように光軸調整することで、レンズユニットLUを図示しない他の光学ユニットに組付調整する際に、他の光学ユニットの組付面に突き当てでレンズ系を組み付けることができる。
面M3と参照光L1の光軸とは平行になるように光源部300とコの字状調整冶具1との位置関係等を設定する。
半導体レーザLD、レンズLの位置関係、及びコの字状調整冶具1の位置関係については、半導体レーザLDからの参照光L1が、コの字状調整冶具の円形開口2を光断面内に含む状態で照射するように設定する。
第1レンズ系LL1、第2レンズ系LL2、及び光学ベース19は、コの字状調整冶具1の内部の図1中の点線で各々示す位置21、位置18、及び位置20に配置する。
円形開口2を通過した参照光L1は第1レンズ系LL1と第2レンズ系LL2を通過した後に、コの字状調整冶具の面M2に設けた円形開口3をケラレずに通過してCCD7の撮像面に入射するように、第1レンズ系LL1と第2レンズ系LL2の諸元との関係を考慮して円形開口3の大きさを決める。CCD7上には円形開口2の形状が相似形となった像(第1像と称す)が投影される。
第1レンズ系LL1はレンズ保持機構14を用いて保持し、第2レンズ系LL2はレンズ保持機構15を用いて保持する。第1レンズ系LL1と第2レンズ系LL2のホルダの光学ベース19側の面には図示しないディスペンサーを用いて予め紫外線硬化型接着剤を塗布しておく。
レンズ保持機構14とレンズ保持機構15とは各々アクチュエータ12とアクチュエータ13と連結されており、各アクチュエータが各レンズ系を移動させる。
CCD7は、受光した第1像の光強度分布に相当するビデオ信号を発生させ、画像処理部8に送信する。画像処理部8においては、受信したビデオ信号を画像信号に変換する。画像信号はマイクロコンピューターから構成される演算処理部9に送信され、演算により、光強度分布の重心などを求める。なお、CCDのかわりにPSD(Position Sensing Detector)を用いて光強度の重心を求めても良い。その場合、画像処理部8のかわりにPSDの出力信号を処理する信号処理部を用いる。
得られた画像や演算結果は表示部10に表示する。なお、表示部10には液晶ディスプレイやCRTディスプレイを採用する。
レンズ系の位置を後述する方法で光軸調整した後、紫外線露光装置16から紫外線照射プローブ17を通じて紫外線を照射させて紫外線硬化型接着剤を固めて光学ベース19上に各レンズ系を固定しレンズユニットを作製する。なお、紫外線照射プローブ17は、光軸調整継続中にはコの字状調整冶具から離れて待避させている。光軸調整が完了すると、演算処理部9から与えられる信号による指示で図示しないアクチュエータによりコの字状調整冶具の横に移動して紫外線硬化型接着剤に対し紫外線を照射する。
次にレンズユニット光軸調整装置500を用いて、本発明に係るレンズユニット調整方法を実施するフローについて説明する。本フローは演算処理部9におけるソフトウエアからの指示で実行される。ソフトウエアは図示しない記憶部に記憶されている。フローチャートを図3に示す。
最初に、ステップS10において、図1に示すように、調整対象の第1レンズ系LL1と第2レンズ系LL2とをコの字状調整冶具1内に配置する前の状態で、円形開口2を通過した参照光L1の光軸位置に相当するCCD7の撮像面上での光強度の重心位置を求める。
具体的には、まずコの字状調整冶具1に対して、円形開口2を通して半導体レーザLDから参照光L1を照射する。参照光L1は円形開口2の形状と相似的な光断面形状を保持しつつ進行し、CCD7の撮像面を照射する。参照光L1はレンズLからCCD7までの距離に応じて収束される。CCD7による像の解像度は、CCD7の撮像面内の像の大きさに比例することから、参照光L1の像を撮像面内に大きく捕らえるようにレンズLのパワーとCCD7の位置を設定する。
CCD上では、図4に示すように円形開口2の形状に相当する像I1が受光され、参照光の光軸は、像I1の光強度の重心位置と一致するのでその重心位置を次のような方法で、演算処理部のCPUなどの制御手段を用いて求める。CCD7は、x方向に640画素、y方向に480画素を有するとする。位置(x、y)における画素の光強度の出力値をp(x、y)とし、光軸の重心位置c0における画素x方向の光強度の重心位置をc0(x)、y方向の光強度の重心位置をc0(y)とすると、各重心位置は次のように求められる。
x方向の重心座標については、次式のように、各x方向において、yが1から480までの全てのp(x、y)を足し合わせてmy(x)を得る。
my(x)=SUM(p(x、1)〜p(x、480))
次に、各my(x)を重みとしてx方向の重心座標c0(x)を求める。
c0(x)=SUM(my(x)×x)/SUM(my(x))
同様にy方向の重心座標については、最初に、次式のように、各y方向において、xが1から640までの全てのp(x、y)を足し合わせてmx(y)を得る。
mx(y)=SUM(p(1、y)〜p(640、y))
次に、各mx(y)を重みとしてy方向の重心座標c0(y)を求める。
c0(y)=SUM(mx(y)×y)/SUM(mx(y))
2値画像を用いる場合、p(x、y)は1又は0の値となる。画素出力として8ビットの出力を用いると、p(x、y)は0から255までの値を示すこととなる。なお、CCD7の解像度を上げれば、光強度分布の重心位置の検出精度も向上する。また、8ビットの出力よりも16ビット、さらに32ビットとビット数を上げることでも検出精度を向上させることができる。CCD7の出力は環境温度によってバラつくため、時間平均をとるなどして検出値のバラツキを抑える。このような手法を用いて求めた参照光の重心位置は、演算処理部9に備えた図示しない記憶部に記憶させておく。
次にステップS11以降では、光学ベース19上に第1レンズ系LL1と第2レンズ系LL2との2個のレンズ系を調整して接着し、固定してレンズユニットを作製する工程に入る。なお、本実施形態では、各レンズ系は1個のレンズのみからなる場合を想定するが、各レンズ系は複数のレンズから構成されていてもよい。ステップS11においては、図5(a)に示すように、光学ベース19を面M3の上の配置し、第1レンズ系LL1を光学ベース19上に近接させて維持する。第1レンズ系LL1はレンズホルダH1に接着固定されている。レンズホルダH1の光学ベース19側の面には予め図示しないディスペンサーを用いて紫外線硬化型接着剤を塗布しておく。なお、第1レンズ系LL1は、図5(b)に示すように、レンズホルダH1の面M5からレンズ面が突出しないように設定する。
レンズホルダH1の保持は、レンズホルダH1の面M5がコの字状調整冶具1の面M1に接触するように行い、第1レンズ系LL1の光軸調整は、コの字状調整冶具の内側の面M1に接触させながら行う。光学ベース19には、コの字状調整冶具の面M3に合わせられる面M4を設け、面M3と面M4とを接触させて配置する。光学ベース19の厚みは所定の精度内に収まるように作製する。
次に、ステップS12において、第1レンズ系LL1の光軸位置を求める。CCD7上では図6(a)に示すように円形の像(像I2と称す)が受光されるので、上記と同じ手法を用いて像I2のCCD7上の位置を求める。
記憶しておいた像I1の重心位置c0と像I2の重心位置c1の画素上の距離を演算処理部が算出し、画素上の距離から参照光L1の光軸と、第1レンズ系LL1の光軸との実際の偏心量である第1レンズ系偏心量H1を求める。第1レンズ系偏心量H1は次の式で求められる。
H1=((c0(x)−c1(x))+(c0(y)−c1(y))1/2
次にステップS13において、求めた第1レンズ系偏心量が許容値内の値であるどうかを演算処理部9が判断する。第1レンズ系偏心量が許容値内に収まっていれば、次にステップS15へ進んで第2レンズをセットする。第1レンズ系偏心量が許容値内に収まっていなければ、再度光軸調整を行うためにステップS14へ移って第1レンズ系LL1を移動させて光軸調整する。
第1レンズ系LL1を使用者がコの字状調整冶具1内に初期設定した際には、参照光L1の光軸位置と第1レンズ系LL1の光軸位置とはずれている可能性が大きい。ステップS14において、第1レンズ系LL1を光軸調整する移動は、アクチュエータ12を用いて行う。図6(b)に示すように、参照光L1の光軸の位置と第1レンズ系LL1の光軸の位置とが重なったり、位置のずれが所定の許容値以内に収まれば光軸が合ったと判断する。
なお、参照光L1の光軸と、第1レンズ系の光軸の画素上の偏心量と、実際の偏心量である第1レンズ系偏心量との換算は次のように行う。最初に、予め第1レンズ系LL1を一定の距離をアクチュエータ12を用いて実際に移動させる。次に、CCD7上において形成された像I2と像I1の画素間の画素換算の距離を求め、1画素相当のCCD7上の距離が実空間においてどれだけの距離に相当するかを算出する。
ところで、第1レンズ系LL1を移動させるために動かしたアクチュエータ12の距離と、実際に第1レンズ系LL1が動いた距離とが異なる場合がある。例えば、第1レンズ系LL1を保持するレンズ保持機構14が第1レンズ系LL1と接触する部分に遊びが生じているような場合や、アクチュエータ12にバックラッシュやロストモーションを有している場合である。そのため、1回のレンズ系の移動だけでは、許容値内に収まらない場合がある。その場合はさらに同様の工程を繰り返して光軸調整を行う。なお、予めそのような遊びの量や、バックラッシュやロストモーションの量が判明している場合には、それらの量を考慮して第1レンズ系LL1を移動させれば、1度の移動で許容値内に光軸調整できるので、遊びの量や、バックラッシュやロストモーションの量を測定しておくことが望ましい。
レンズホルダH1についた第1レンズ系LL1を移動させるアクチュエータの種類としては、微調整と租調整とを併せ持つものが好適である。最初に所定の位置に速く移動させ、次に微調整することでレンズの精度よく位置決めする。アクチュエータはサーボモータ(図示せず)、パルスモータ(図示せず)、又はピエゾ素子などの動力で駆動する。レンズ保持機構14は、レンズホルダH1を真空吸引などの手段により保持する。
このようにして、参照光L1の光軸とコの字状調整冶具1の面M3との距離が予め所定の値になるように設定されているので、第1レンズ系LL1を光学ベース19に接着固定すると、光学ベースの下面M4から第1レンズ系LL1の光軸までの距離も所定の距離に調整されることとなる。従って、作製したレンズユニットを図示しない他の光学ユニットに搭載する際に、光学ベース19下面を基準としてレンズ系の光軸位置を位置出しすることができる。
次にステップS15以降では第2レンズ系LL2の光軸調整を行う。第2レンズ系LL2は、図7(a)に示すように、第1レンズ系LL1と同様にレンズホルダH2に接着固定しておく。第2レンズ系LL2はレンズホルダH2の面M6よりレンズ面が突出しないようにレンズホルダH2内に設定する。ステップS15においては、図7(b)に示すように、第2レンズ系LL2を光学ベース19に近接させて維持する。レンズホルダH2の光学ベース19側の面には予め図示しないディスペンサーを用いて紫外線硬化型接着剤を塗布しておく。
第2レンズ系LL2の光軸調整は、第1レンズ系LL1の光軸調整と同様に、コの字状調整冶具の内側の面M2に接触させながら行う。具体的には、図6(b)に示すように、第1レンズ系LL1をレンズ保持機構14で保持したまま、第2レンズ系LL2の取り付けられたレンズホルダH2を、レンズ保持機構15を用いて保持し、レンズホルダH2の面M6と面M2とを接触させつつ移動させる。CCD7上では図8に示したように、第1レンズ系LL1と第2レンズ系LL2の両方のレンズ系を合成した合成レンズ系を通過した参照光L1の像(像I3と称す)が受光される。
次に、ステップS16において、第2レンズ系LL2のCCD7上の像I3の重心位置を上記と同じ手法を用いて求める。記憶しておいた像I1の重心位置c0と像I3の重心位置c2の画素上の距離を演算処理部が算出し、画素上の距離から参照光L1の光軸と、合成レンズ系の光軸との実際の偏心量である第2レンズ系偏心量H2を求める。第2レンズ系偏心量H2は次の式で求められる。
H2=((c0(x)−c2(x))+(c0(y)−c2(y))1/2
次にステップS17において、求めた第2レンズ系偏心量が許容値内の値であるどうかを演算処理部9が判断する。
なお、第2レンズ系LL2を使用者がコの字状調整冶具1内に初期設定した際には、第1の光軸位置と第2レンズ系LL2の光軸位置とはずれている可能性が大きい。
第2レンズ系偏心量が許容値内に収まっていれば、次にステップS19へ進んで紫外線照射を行う。第2レンズ系偏心量が許容値内に収まっていなければ、再度光軸調整を行うためにステップS16へ移って第2レンズ系LL2を移動させて光軸調整する。
第2レンズ系偏心量は第1レンズLL1と第2レンズLL2の偏心量に相当し、許容値は、レンズユニットの使用例によるが、30μm以下が一般的である。
なお、参照光L1の光軸と、第2レンズ系の光軸の画素上の偏心量と、実際の偏心量である第2レンズ系偏心量との換算は次のように行う。最初に第2レンズ系LL2をアクチュエータ13を用いて一定の距離実際に移動させる。次に、CCD7上において形成された像I3と像I1の画素間の画素換算の距離を求め、1画素相当のCCD7上の距離が実空間においてどれだけの距離に相当するかを算出する。
このようにして、参照光L1の光軸とコの字状調整冶具1の面M3との距離が予め所定の値になるように設定されているので、第2レンズ系LL2を光学ベース19に接着固定すると、光学ベースの下面M4から第2レンズ系LL2の光軸までの距離も所定の距離に調整されることとなる。従って、作製したレンズユニットを図示しない他の光学ユニットに搭載する際に、光学ベース19下面を基準としてレンズ系の光軸位置を位置出しすることができる。
ステップS19では、図9に示すように、光軸調整部100から離れて待避させておいた紫外線露光装置16を、図示しないアクチュエータを用いて光軸調整対象である第1レンズ系LL1と第2レンズ系LL2の横に移動させ、レンズ系に対し紫外線を照射させ、紫外線硬化型接着剤31を硬化させる。こうすることで、光軸調整後の状態でレンズ系を接着固定することが可能となる。所定時間経過後、紫外線露光装置16の紫外線照射を止め、光学系を遮らない位置に待避させ光軸調整とレンズ系の接着固定を終了する。
なお、像I1、像I2、及び像I3を表示部に表示させ、かつ、それらの重心位置を画像処理部により算出させ、使用者が確認しながらアクチュエータ12、13を駆動して、紫外線露光装置16を直接駆動するマニュアル操作も行うことができる。
また、レンズ系は、正パワーを有すものとして説明したが、負パワーを有す場合でもよい。
以上のように、光学ユニットの位置基準に対応する位置基準を、レンズ系の光軸調製の際に設けて、レンズユニットを作製するので、レンズユニットを他の光学ユニットに組付する場合に位置調整を行う必要がなくなる。従って、レンズユニットを他の光学ユニットに組付調整する工程の短時間化を促進でき、引いては、組付調整費用のコストダウンを達成することができる。
本実施形態におけるレンズユニット光軸調整装置の概略構成図である。 本実施形態におけるコの字状調整冶具と調整対象のレンズユニットの概略図である。 本実施形態におけるレンズユニット光軸調整方法のフローチャートである。 本実施形態におけるCCDの撮像面上での像の概略図である。 本実施形態におけるレンズユニット光軸調整過程の一部を示す概略図である。 本実施形態におけるCCDの撮像面上での像の概略図である。 本実施形態におけるレンズユニット光軸調整過程の一部を示す概略図である。 本実施形態におけるCCDの撮像面上での像の概略図である。 本実施形態におけるレンズユニット光軸調整過程の一部を示す概略図である。
符号の説明
1 コの字状調整冶具
2、3 円形開口
7 CCD
8 画像処理部
9 演算処理部
10 表示部
19 光学ベース
L レンズ
LL1 第1レンズ系
LL2 第2レンズ系
LD 半導体レーザ
LU レンズユニット

Claims (2)

  1. 第1レンズ系と第2レンズ系を、基準平面を有する光学ベース上に固定するレンズユニット光軸調整方法であって、
    所定の位置に配置したセンサに、前記基準平面から所定の距離をなし且つ前記基準平面に平行な参照光、を投光する工程と、
    前記センサの出力から前記参照光の第1の重心位置を求める工程と、
    前記参照光の光路中に前記第1レンズ系を配置した後、前記センサに前記参照光を投光する工程と、
    前記センサの出力から参照光の第2の重心位置を求める工程と、
    前記第1の重心位置と前記第2の重心位置に基づいて前記第1レンズ系を移動させる工程と、
    前記参照光の光路中に前記第2レンズ系を配置した後、前記センサに前記参照光を投光する工程と、
    前記センサの出力に基づいて参照光の第3の重心位置を求める工程と、
    前記第1の重心位置と前記第3の重心位置に基づいて前記第2レンズ系の位置を移動させる工程とを含むことを特徴とするレンズユニット光軸調整方法。
  2. 基準平面を有する光学ベース上に第1レンズ系と第2レンズ系の位置を調整するレンズユニット光軸調整装置であって、
    前記基準平面から所定の距離をなし且つ前記基準平面に平行な参照光、を投光する投光手段と、
    前記投光手段からの参照光を受光するセンサと、
    前記センサの出力に基づいて、前記第1レンズ系及び、前記第2レンズ系を移動させる移動手段と、を有することを特徴とするレンズユニット光軸調整装置。
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