JP2011007506A - 偏芯測定装置および偏芯測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象面が非球面であるときにも良好なスポット像を得ることが可能となり、精度の良い偏芯測定を行うことができる偏芯測定装置を提供する。
【解決手段】偏芯測定装置１は、測定対象面５に照明光を照射する照明光学系１０と、測定対象面５で反射した反射光を集光面３１に集光する集光光学系２０と、集光面３１におけるスポット光の位置を検出する光位置センサー３０と、スポット光の位置に基づいて測定対象面５の偏芯量を測定する演算処理部３５とを備え、集光光学系２０は、前記反射光を所定方向に拡散させる凹面シリンドリカルレンズ２１と、凹面シリンドリカルレンズ２１と屈折力の絶対値が等しく、前記反射光を所定方向に収束させる凸面シリンドリカルレンズ２２と、前記反射光を集光面３１に集光する集光レンズ２３と、凹面シリンドリカルレンズ２１および凸面シリンドリカルレンズ２２を光軸を中心に相対的に回転させて、測定対象面５に応じて生じる非点収差の影響を補正することが可能な回転駆動装置２５とを有して構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学機器等に用いられるレンズ系の偏芯を測定する偏芯測定装置および偏芯測定法方に関する。

従来の偏芯測定装置には、光源からの光をフォーカスレンズ系によって測定対象面の近軸曲率中心に集光し、測定対象面で反射した光（測定光）を、フォーカスレンズ系を介して集光レンズにより光位置センサー（PSD：Position Sensitive Detector）に集光する構成のものがある。このような偏芯測定装置では、測定対象面を光軸中心に回転させ、光位置センサーによって検出した測定光（スポット像）の振れ量から測定光の角度触れを検出し、測定対象面の偏芯量を算出する。また、従来の偏芯測定装置には、光源からの光をフォーカスレンズ系によって測定対象面の近軸焦点に集光し、測定対象面で反射して平行光となった光を、フォーカスレンズ系を介さずに集光レンズによって光位置センサーに集光する構成のものもある（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０００‐２０５９９８号公報

しかしながら、上記のような偏芯測定装置では、測定対象面が非球面であると非点収差の影響を受けるため、光位置センサーにおいて良好なスポット像を得ることができず、偏芯測定の精度が低下するという問題があった。

本発明はこのような課題に鑑みたものであり、測定対象面が非球面であるときにも良好なスポット像を得ることが可能となり、精度の良い偏芯測定を行うことができる偏芯測定装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するため、本発明に係る偏芯測定装置は、測定対象面に照明光を照射する照明部と、前記照明光が照射された前記測定対象面で反射した反射光を所定の集光面に集光する集光部と、前記集光面に集光されて生じるスポット光の位置を検出する検出部と、前記検出部により検出された前記集光面における前記スポット光の位置に基づいて前記測定対象面の偏芯量を測定する測定部とを備え、前記集光部は、前記反射光を所定方向に拡散させる凹面シリンドリカルレンズと、前記凹面シリンドリカルレンズと屈折力の絶対値が等しく、前記反射光を所定方向に収束させる凸面シリンドリカルレンズと、前記反射光を前記集光面に集光する集光レンズと、前記凹面シリンドリカルレンズおよび前記凸面シリンドリカルレンズを光軸を中心に相対的に回転させて、前記測定対象面に応じて生じる非点収差の影響を補正することが可能な補正部とを有して構成される。

上記目的を達成するため、本発明に係る偏芯測定方法は、測定対象面に照明光を照射する照明工程と、前記照明光が照射された前記測定対象面で反射した反射光を所定の集光面に集光する集光工程と、前記集光面に集光して生じたスポット光の位置を検出する検出工程と、検出した前記集光面における前記スポット光の位置に基づいて前記測定対象面の偏芯量を測定する測定工程とを有し、前記集光工程において、屈折力の絶対値が等しい少なくとも一組の凹面シリンドリカルレンズおよび凸面シリンドリカルレンズを光軸を中心に相対的に回転させて、前記測定対象面に応じて生じる非点収差の影響を補正することを特徴とする。

本発明によれば、測定対象面が非球面であるときにも良好なスポット像を得ることが可能となり、精度の良い偏芯測定を行うことができる。

本実施形態の偏芯測定装置の構成を示す図である。 本実施形態の偏芯測定方法を示すフローチャートである。 非点収差の影響を受けたスポット光を例示した図であり、（ａ）はメリジオナル面方向に崩れたスポット光であり、（ｂ）はサジタル面方向に崩れたスポット光である。 スポット光の輝度分布に対する非点収差の補正方法の具体例を示す図であり、（ａ）は輝度分布がツェルニケモードＺ＝５の場合であり、（ｂ）はツェルニケモードＺ＝６の場合である。 上記偏芯測定装置の変形例の構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本実施形態に係る偏芯測定装置１は、図１に示すように、測定対象物となるレンズの測定対象面５に照明光を照射する照明光学系１０と、照明光が照射された測定対象面５で反射した光を所定の集光面３１に集光する集光光学系２０と、集光面３１に集光されて生じたスポット光を検出する光位置センサー３０と、光位置センサー３０からの検出信号に基づいて測定対象面５の偏芯量を測定する演算処理部３５とを有して構成される。

なお、詳細な図示を省略するが、測定対象物となるレンズは、複数のレンズから構成されたレンズ系であり、当該レンズ系における光学面の一つが、測定対象面５となる。また、測定対象物となるレンズは、その光軸が照明光学系１０の光軸と重なるように高精度の回転台（図示せず）に載置され、レンズの光軸を中心に回転可能となっている。そのため、測定対象面５の近軸曲率中心および近軸焦点は、照明光学系１０の光軸上に位置することになる。

照明光学系１０は、直線偏光である照明光を射出する光源１１と、光源１１から射出された照明光を平行光に変換するコリメータレンズ系１２と、コリメータレンズ系１２によって変換された平行光が入射する位置に設けられた偏光ビームスプリッター１３と、偏光ビームスプリッター１３を透過した平行光を集光するフォーカスレンズ系１４と、フォーカスレンズ系１４によって集光された光が入射する位置に設けられた１／４波長板１５とを有して構成される。フォーカスレンズ系１４は、レンズ間隔を変化させることにより、照明光の集光点の位置（集光位置）を照明光学系１０の光軸（レンズ系の光軸）に沿って移動調整することが可能に構成されている。

光源１１から射出された照明光（直線偏光）は、コリメータレンズ系１２を透過して平行光となり、偏光ビームスプリッター１３に入射する。偏光ビームスプリッター１３を透過した照明光は、フォーカスレンズ系１４によって集光され、１／４波長板１５を透過した後に測定対象面５に照射される。照明光が照射された測定対象面５で反射した光（以下、測定光と称する）は、１／４波長板１５およびフォーカスレンズ系１４を透過して偏光ビームスプリッター１３に入射する。なおこのとき、光源１１から射出された直線偏光（照明光）は、Ｐ偏光として偏光ビームスプリッター１３を透過し、測定対象面５で反射して偏光ビームスプリッター１３に戻るまでに、１／４波長板１５を２回通過するので、偏光ビームスプリッター１３に入射する測定光はＳ偏光となる。そのため、測定光は、偏光ビームスプリッター１３で反射して集光光学系２０に入射する。

集光光学系２０は、偏光ビームスプリッター１３で反射した測定光が入射する位置に配置された凹面シリンドリカルレンズ２１および凸面シリンドリカルレンズ２２と、凹面および凸面シリンドリカルレンズ２１，２２を透過した測定光を集光する集光レンズ２３と、凹面および凸面シリンドリカルレンズ２１，２２を独立して光軸を中心に回転させることが可能な回転駆動装置２５とを有して構成される。

凹面シリンドリカルレンズ２１は、測定光の入射側の面が平面状に形成され、測定光の出射側の面が凹面状に形成された円柱レンズであり、円柱軸（シリンドリカル軸）方向には光を屈折させず、円柱軸に垂直な方向には光を拡散させるようになっている。凸面シリンドリカルレンズ２２は、測定光の入射側の面が凸面状に形成され、測定光の出射側の面が平面状に形成された円柱レンズであり、円柱軸（シリンドリカル軸）方向には光を屈折させず、円柱軸に垂直な方向には光を集光（収束）させるようになっている。凹面および凸面シリンドリカルレンズ２１、２２は、正負の違いはあるものの焦点距離の絶対値が等しくなるように、すなわち屈折力（パワー）の絶対値が等しくなる（両レンズのパワーの合計が零となる）ように設計されている。

偏光ビームスプリッター１３で反射した測定光は、凹面シリンドリカルレンズ２１および凸面シリンドリカルレンズ２２を透過した後に、集光レンズ２３によって光位置センサー３０の検出部に設けられた集光面３１に集光される。

光位置センサー３０は、集光光学系２０により集光面３１に集光されて生じたスポット光（スポット像）を検出し、光位置センサー３０の検出部、すなわち集光面３１におけるスポット光（スポット重心）の位置を検出可能に構成され、その検出信号を演算処理部３５へ出力する。演算処理部３５は、光位置センサー３０により検出された集光面３１におけるスポット光の位置に基づいて、測定対象面５の偏芯量を測定する。なお、測定対象面５の偏芯測定を行うときには、図示しない回転台に載置された測定対象物であるレンズ（図示せず）を回転させる。そうすると、光位置センサー３０において集光面３１におけるスポット光（スポット重心）のリサージュ（軌跡）が検出され、このリサージュの半径を演算処理部３５が測定することで測定対象面５の偏芯量を求めることができる。

以上のように構成される偏芯測定装置１を用いた偏芯測定方法について、図２のフローチャートを参照しながら説明する。まず、回転駆動装置２５により、凹面および凸面シリンドリカルレンズ２１，２２の円柱軸（シリンドリカル軸）を一致させる（ステップＳ１０１）。この円柱軸を一致させる工程において、回転駆動装置２５は、光軸方向において凹面および凸面シリンドリカルレンズ２１，２２の円柱軸が一致するように、凹面および凸面シリンドリカルレンズ２１，２２をそれぞれ光軸を中心に回転させる。このようにすると、両レンズ２１，２２の屈折力（パワー）の絶対値が等しく設計されているため、凹面および凸面シリンドリカルレンズ２１，２２に入射した光は屈折せずに透過する。

次に、照明光学系１０により、測定対象面５に照明光を照射する（ステップＳ１０２）。この照明工程において、測定対象面５の近軸曲率中心に照明光が集光するように、フォーカスレンズ系１４を駆動して測定対象面５に照射される照明光の集光点の位置（集光位置）を光軸に沿って移動調整する。このように集光点の位置を調整した状態で、光源１１から射出された照明光は、コリメータレンズ系１２を透過して平行光となり、偏光ビームスプリッター１３に入射する。偏光ビームスプリッター１３を透過した照明光は、フォーカスレンズ系１４によって測定対象面５の近軸曲率中心に向けて集光され、１／４波長板１５を透過して測定対象面５に照射される。

照明光学系１０により照明光が照射された測定対象面５で反射した光（測定光）は、照明光が測定対象面５の近軸曲率中心に集光されているため、１／４波長板１５およびフォーカスレンズ系１４を透過して平行光となり、偏光ビームスプリッター１３で反射して集光光学系２０に入射する。そこで、集光光学系２０により、測定対象面５からの測定光を光位置センサー３０の検出部に設けられた集光面３１に集光する（ステップＳ１０３）。この集光工程において、偏光ビームスプリッター１３で反射した測定光は、凹面および凸面シリンドリカルレンズ２１，２２を屈折せずに透過して、集光レンズ２３によって光位置センサー３０の検出部に設けられた集光面３１に集光される。

次に、光位置センサー３０により、集光面３１に集光されて生じたスポット光（スポット像）を検出する（ステップＳ１０４）。この検出工程において、光位置センサー３０は、集光面３１におけるスポット光（スポット重心）の位置を検出し、その検出信号を演算処理部３５へ出力する。なおこのとき、図示しない回転台により測定対象物であるレンズ（図示せず）が回転駆動され、光位置センサー３０において集光面３１におけるスポット光（スポット重心）のリサージュ（軌跡）が検出される。

ところで、測定対象面５が球面または平面である場合には、測定対象面５で反射した光（測定光）のうち光軸外の光も一点に集まるため、集光面３１において検出されるスポット光は、きれいな小さい円形の光（周辺のボケが少ないスポット光）となる。しかし、測定対象面５が非球面である場合には、その面形状に起因して測定光のうち光軸外の光が一点に集まらない、すなわちメリジオナル光線（子午光線）の集光点とサジタル光線（球欠光線）の集光点とが一致しない非点収差が生じるため、集光面３１において検出されるスポット光は、きれいな小さい円形の光（良好なスポット光）にはならず、図３に示すようにメリジオナル面方向またはサジタル面方向に崩れた（ボケた）光となる。そのため、測定対象面５の偏芯量を測定する際に、正しい偏芯量が測定できず測定精度が低下する。なお、メリジオナル面とは光軸を含む面であり、測定光のうちメリジオナル面に含まれる光線がメリジオナル光線である。また、サジタル面とはメリジオナル面に垂直な面であり、測定光のうちサジタル面に含まれる光線がサジタル光線である。

そこで、光位置センサー３０からの検出信号が演算処理部３５に入力されると、光位置センサー３０において良好なスポット光が検出されたか否かを判定する（ステップＳ１０５）。判定がＹｅｓの場合にはステップＳ１０６に進み、判定がＮｏの場合にはステップＳ１０７に進む。なお、良好なスポット光が検出されたか否かの判定は、演算処理部３５により自動的に行うようにしてもよく、図示しない画像表示装置を用いて測定者が目視により判定を行うようにしてもよい。

そして、ステップＳ１０６の測定工程において、演算処理部３５は、光位置センサー３０により検出されたスポット光のリサージュの半径を測定し、そのリサージュの半径に基づいて測定対象面５の偏芯量を求め、処理を終了する。

一方、ステップＳ１０７では、回転駆動装置２５により、凹面および凸面シリンドリカルレンズ２１，２２を相対的に回転させて、非点収差の補正を行う。この補正工程において、回転駆動装置２５は、光位置センサー３０において検出されるスポット光がきれいな小さい円形の光となるように、凹面および凸面シリンドリカルレンズ２１，２２を光軸を中心に相対的に回転させる。このようにすると、凹面シリンドリカルレンズ２１は円柱軸に垂直な方向に光を拡散し、凸面シリンドリカルレンズ２２は円柱軸に垂直な方向に光を集光させるため、非点収差を補正することができ、光位置センサー３０においてきれいな小さい円形のスポット光（良好なスポット光）を得ることができる。そして、ステップＳ１０３〜ステップＳ１０５までの工程を再び行う。

なお、演算処理部３５により光位置センサー３０のおいて良好なスポット光が検出されたか否かを判定する場合、例えば、ツェルニケ（Zernike）円形多項式を用いて光位置センサー３０において検出されたスポット光の輝度分布を解析して判定する。そして、判定がＮｏの場合であって、例えば、その輝度分布がツェルニケモードＺ＝５の場合には、図４（ａ）に示すように、光軸に垂直な直交座標系において、補正ゼロのスタートとして（凹面および凸面シリンドリカルレンズ２１，２２の円柱軸が一致した状態で）４５度方向（または−４５度方向）に各円柱軸を位置させ、生じた非点収差に応じてその４５度方向に対して対称に凹面および凸面シリンドリカルレンズ２１，２２をそれぞれ回転させて、非点収差の補正を行う。また、ツェルニケモードＺ＝６の場合には、図４（ｂ）に示すように、補正ゼロのスタートとして０度方向（または９０度方向）に各円柱軸を位置させ、生じた非点収差に応じてその０度方向に対して対称に凹面および凸面シリンドリカルレンズ２１，２２をそれぞれ回転させて、非点収差の補正を行う。

このように補正工程を行った後、ステップＳ１０３において、偏光ビームスプリッター１３で反射した測定光は、凹面シリンドリカルレンズ２１を透過して円柱軸に垂直な方向に拡散され、凸面シリンドリカルレンズ２２と透過して円柱軸に垂直な方向に光を集光された後、集光レンズ２３を透過して集光面３１に集光される。次のステップＳ１０４において、光位置センサー３０は、集光面３１におけるスポット光（スポット重心）の位置を検出し、その検出信号を演算処理部３５へ出力する。そして、ステップＳ１０５において、光位置センサー３０で良好なスポット光が検出されたか否かを判定する。

前述したように、ステップＳ１０７において、回転駆動装置２５により凹面および凸面シリンドリカルレンズ２１，２２を相対的に回転させて非点収差の補正が行われるため、光位置センサー３０において検出されるスポット光はきれいな小さい円形の光となる。すなわち、光位置センサー３０において良好なスポット光が検出されるため、ステップＳ１０５からステップＳ１０６へ進み、演算処理部３５は、光位置センサー３０により検出されたスポット光のリサージュの半径を測定し、そのリサージュの半径に基づいて測定対象面５の偏芯量を求める。このように、凹面および凸面シリンドリカルレンズ２１，２２を相対的に回転させて非点収差の補正を行うことで、測定対象面５が非球面である場合でも良好なスポット光を得ることができる。

この結果、本実施形態の偏芯測定装置１および偏芯測定方法によれば、測定対象面５が非球面である場合でも、凹面および凸面シリンドリカルレンズ２１，２２を相対的に回転させて非点収差の補正を行うことで、光位置センサー３０において良好なスポット光を得ることができ、測定精度を向上させることが可能となる。

また、測定対象面５が非点収差を生じない（又は少ない）面である場合、すなわち測定対象面５が球面または平面である場合には、凹面シリンドリカルレンズ２１および凸面シリンドリカルレンズ２２を回転させて両レンズ２１，２２の円柱軸（シリンドリカル軸）を一致させることで、測定対象面５が球面または平面である場合でも、精度の良い偏芯測定を行うことができる。

なお、上述の実施形態において、凹面および凸面シリンドリカルレンズ２１，２２は、偏光ビームスプリッター１３と集光レンズ２３の間、すなわち測定対象面５で反射した光（測定光）が平行光となる位置に配設されているが、これに限られるものではない。例えば、凹面および凸面シリンドリカルレンズ２１，２２を集光レンズ２３と集光面３１の間に設けてもよい。ただし、本実施形態のように、凹面および凸面シリンドリカルレンズ２１，２２を測定光が平行光となる位置に配設することで、非点収差の補正をより容易に行うことが可能となるという効果を得ることができる。

また、上述の実施形態において、集光光学系２０は、屈折力（パワー）の絶対値が等しい一組の凹面および凸面シリンドリカルレンズ２１，２２を有して構成されているが、これに限られるものではなく、屈折力の絶対値が等しい二組以上の凹面および凸面シリンドリカルレンズを有して構成されてもよい。

また、上述の実施形態において、偏芯測定装置１は、照明光学系１０により照明光を測定対象面５の近軸曲率中心に集光し、測定対象面５で反射した光（測定光）を集光光学系２０により光位置センサー３０（集光面３１）に集光するように構成されているが、これに限られるものではない。例えば、図５に示すように、偏光ビームスプリッター１３をフォーカスレンズ系１４と１／４波長板１５の間に配置するとともに、照明光をフォーカスレンズ系１４によって測定対象面５の近軸焦点に集光し、測定対象面５で反射した光を集光光学系２０により光位置センサー３０に集光するように構成してもよい。

１ 偏芯測定装置
５ 測定対象面
１０ 照明光学系（照明部）
２０ 集光光学系（集光部）
２１ 凹面シリンドリカルレンズ
２２ 凸面シリンドリカルレンズ
２３ 集光レンズ
２５ 回転駆動装置（補正部）
３０ 光位置センサー（検出部）
３１ 集光面
３５ 演算処理部（測定部）

Claims (5)

1. 測定対象面に照明光を照射する照明部と、
   前記照明光が照射された前記測定対象面で反射した反射光を所定の集光面に集光する集光部と、
   前記集光面に集光されて生じるスポット光の位置を検出する検出部と、
   前記検出部により検出された前記集光面における前記スポット光の位置に基づいて前記測定対象面の偏芯量を測定する測定部とを備え、
   前記集光部は、前記反射光を所定方向に拡散させる凹面シリンドリカルレンズと、前記凹面シリンドリカルレンズと屈折力の絶対値が等しく、前記反射光を所定方向に収束させる凸面シリンドリカルレンズと、前記反射光を前記集光面に集光する集光レンズと、前記凹面シリンドリカルレンズおよび前記凸面シリンドリカルレンズを光軸を中心に相対的に回転させて、前記測定対象面に応じて生じる非点収差の影響を補正することが可能な補正部とを有して構成されることを特徴とする偏芯測定装置。
2. 前記補正部は、非点収差が生じない前記測定対象面に対しては、前記凹面シリンドリカルレンズおよび前記凸面シリンドリカルレンズを回転させて両レンズの円柱軸を一致させることを特徴とする請求項１に記載の偏芯測定装置。
3. 前記凹面シリンドリカルレンズおよび前記凸面シリンドリカルレンズは、前記反射光が平行光となる位置に配設されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の偏芯測定装置。
4. 測定対象面に照明光を照射する照明工程と、
   前記照明光が照射された前記測定対象面で反射した反射光を所定の集光面に集光する集光工程と、
   前記集光面に集光して生じたスポット光の位置を検出する検出工程と、
   検出した前記集光面における前記スポット光の位置に基づいて前記測定対象面の偏芯量を測定する測定工程とを有し、
   前記集光工程において、屈折力の絶対値が等しい少なくとも一組の凹面シリンドリカルレンズおよび凸面シリンドリカルレンズを光軸を中心に相対的に回転させて、前記測定対象面に応じて生じる非点収差の影響を補正することを特徴とする偏芯測定方法。
5. 前記集光工程において、非点収差が生じない前記測定対象面に対しては、前記凹面シリンドリカルレンズおよび前記凸面シリンドリカルレンズを回転させて両レンズの円柱軸を一致させることを特徴とする請求項４に記載の偏芯測定方法。