JP2012215426A - レンズの面ズレ・面倒れを測定するレンズ測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コバ部とレンズ面の波面測定を同時に、かつ、高精度に行うことができるレンズ測定装置を提供する。
【解決手段】平行光に整えられた光源４１から発せられた光を被検レンズ１０に入射させる被検光と、被検レンズ１０を経ない基準光とに分岐させるビームスプリッタ４７と、コバ面１３ａの干渉縞を撮像する第１撮像部４３と、コバ面１３ａの干渉縞の撮像と同時に、第１レンズ面１１における干渉縞を撮像する第２撮像部４４と、第１撮像部４３で得た第１縞画像を解析してコバ面１３ａの波面収差を表す第１波面データを、第２撮像部４４で得た第２縞画像を解析して第１レンズ面１１の波面収差を表す第２波面データを算出し、第１波面データから第１レンズ面１１の所定光軸に対する回転によるズレ量を算出するとともに、ズレ量と第２波面データから被検レンズ１０の所定光軸に垂直な面内でのシフトによるシフトズレ量を算出する。
【選択図】図６

Description

本発明は、表裏２つのレンズ面の相対的なズレ量を測定する測定方法及び装置に関し、さらに詳しくは、表裏２つのレンズ面の、光軸に垂直な方向への平行移動によるズレ量（面ズレ）及び相対的な回転によるズレ量（面倒れ）を測定する方法及び装置に関する。

デジタルカメラや光ピックアップ等の光学機器に用いられるレンズは、例えばモールド成形により製造される。モールド成形では対になる金型により、ガラスや樹脂を成形する。このため、成形品の形状精度は、金型の精度及び金型の噛みあわせ精度による。

レンズの場合、金型の内面（キャビティ部分）の面精度によって、表裏２つのレンズ面の形状によって光学性能が決定される。但し、金型の噛み合わせ精度が悪いと、表裏２つのレンズ面が相対的に位置ズレを起こしていたり、相対的に傾いていたりすることがあり、面形状が高精度に成形されていた場合でもレンズの光学性能を劣化させ、波面収差が発生する要因となる。

とはいえ、金型の噛み合わせ精度は数μｍ程度のものであり、従来のレンズ製品では問題にならなかった。しかし、例えば青色レーザー光を用いる光ピックアップ用のレンズ等、近年では、従来のレンズ製品と比較してさらに高精度が求められるようになってきた。

こうしたことから、金型の噛み合わせ精度を高精度に調節したり、あるいは製品を検品するために、被検体であるレンズ（以下、被検レンズという）の透過波面を測定することにより、表裏２つのレンズ面の相対的なズレ量を測定する装置が知られている（特許文献１，２）

特開２０１０−２８１７９２号公報 特開２００８−２４９４１５号公報

表裏２つのレンズ面の相対的なズレ量には、レンズ面の相対的な位置ズレ（面ズレ）と相対的な傾き（面倒れ）の２種類のズレ方がある。また、多くのレンズには、レンズ面の間に、レンズの外周を形成するように横方向に張り出した鍔状のコバ部が形成され、レンズはこのコバ部によって保持される。コバ部の表面（以下、コバ面という）は、金型によりレンズ面と一体に形成されるので、レンズ面に面倒れが生じた場合、表裏２つのコバ面にも同様の傾斜が生じる。このため、コバ面の傾斜を測定することにより、レンズ面の面倒れを知ることができる。

レンズ面の面倒れをコバ面の傾斜によって測定する場合、コバ部の波面測定によりレンズ面の面倒れを測定し、その後、レンズ面の透過波面測定に基づいて、先に算出した面倒れの影響を加味して、レンズ面の面ズレを測定することになる。したがって、面倒れの波面測定のために、レンズの外周であるコバ部を測定し、一方、面ズレの測定のためには少なくともレンズの中心部分を測定する必要がある。

コバ部の波面測定を行うためには、コバ部を含むレンズ全体の波面を測定するか、測定位置をコバ部に移動させる必要がある。コバ部を含むレンズ全体の波面測定を行う場合には、コバ部による波面収差とレンズ面による波面収差を同時に得ることができるが、広範囲を測定することになるので測定精度が悪いという欠点がある。一方、コバ部とレンズ面をそれぞれ波面測定を行う場合には、測定位置を移動させるために、レンズ又は測定光学系を移動調節しなければならないので、レンズ等の移動による機械的誤差によって測定精度や測定結果の再現性が悪化するという問題がある。

本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、コバ部とレンズ面の波面測定を同時に、かつ、高精度に行うことができるレンズ測定装置を提供することを目的とする。

本発明のレンズ測定装置は、光源から発せられた光を平行光に整えて、検査対象である被検レンズに入射させるコリメート手段と、前記コリメート手段から入射する前記平行光を、前記被検レンズに入射させる被検光と、前記被検レンズを経ない基準光とに分岐させる分岐手段と、前記被検レンズのコバ面の情報を担持した前記被検光と前記基準光とによる第１撮像手段と、前記第１撮像手段による前記コバ面の干渉縞の撮像と同時に、前記被検レンズのレンズ面の情報を担持した前記被検光と前記基準光とによる干渉縞を撮像する第２撮像手段と、前記第１撮像手段によって得た第１縞画像に写し出された干渉縞を解析して前記コバ面の波面収差を表す第１波面データを算出するとともに、前記第２撮像手段によって得た第２縞画像に写し出された干渉縞を解析して前記レンズ面の波面収差を表す第２波面データを算出する干渉縞解析手段と、前記第１波面データに基づいて、前記レンズ面の所定光軸に対する回転によるズレ量を算出するとともに、前記ズレ量と前記第２波面データに基づいて、前記レンズ面の前記所定光軸に垂直な面内でのシフトによるシフトズレ量を算出するズレ量算出手段と、を備えることを特徴とする。

前記第１撮像手段は、前記第２撮像手段よりも低倍率の撮像手段であり、前記被検レンズの全体を撮像することにより、前記コバ面と前記レンズ面の干渉縞を撮像することが好ましい。

前記第２撮像手段は、前記第１撮像手段よりも高倍率の撮像手段であり、前記被検レンズの中心を含む小領域を拡大して撮像することにより、前記レンズ面の干渉縞を撮像することが好ましい。

前記被検光は、前記被検レンズの表面で反射されることにより、前記コバ面及び前記レンズ面の情報として波面収差を担持することが好ましい。

前記第１撮像手段と前記第２撮像手段は、撮像の中心を一致させた状態で、前記コバ面及び前記レンズ面の干渉縞を各々撮像することが好ましい。

前記第１撮像手段、前記第２撮像手段を含む第１の測定光学系に対して、前記被検レンズを挟んで対向する位置に、第２の光源から発せられた光を平行光に整えて、検査対象である被検レンズに入射させる第２コリメート手段と、前記第２コリメート手段から入射する前記平行光を、前記被検レンズの裏面に入射させる第２被検光と、前記被検レンズを経ない第２基準光とに分岐させる第２分岐手段と、前記被検レンズの裏面側コバ面における前記第２基準光と前記第２被検光の干渉縞を撮像する第３撮像手段と、前記第３撮像手段による前記裏面側コバ面の干渉縞の撮像と同時に、前記被検レンズの裏面側レンズ面における前記第２基準光と前記第２被検光の干渉縞を撮像する第４撮像手段と、を含む第２の測定光学系を備え、前記干渉縞解析手段は、前記第３撮像手段によって得た第３縞画像に写し出された干渉縞を解析して前記裏面側コバ面の波面収差を表す第３波面データを算出するとともに、前記第４撮像手段によって得た第４縞画像に写し出された干渉縞を解析して前記裏面側レンズ面の波面収差を表す第４波面データを算出し、前記ズレ量算出手段は、前記第３波面データに基づいて、前記裏面側コバ面の前記所定光軸に対する回転による第２ズレ量を算出するとともに、前記第２ズレ量と前記第４波面データに基づいて、前記裏面側レンズ面の前記所定光軸に垂直な面内でのシフトによる第２シフトズレ量を算出することが好ましい。

前記第３撮像手段は、前記第４撮像手段よりも低倍率の撮像手段であり、前記被検レンズの全体を撮像することにより、前記裏面側コバ面と前記裏面側レンズ面の干渉縞を撮像することが好ましい。

前記第４撮像手段は、前記第３撮像手段よりも高倍率の撮像手段であり、前記被検レンズの中心を含む小領域を拡大して撮像することにより、前記裏面側レンズ面の干渉縞を撮像することが好ましい。

前記第２被検光は、前記被検レンズの裏面側表面で反射されることにより、前記裏面側コバ面及び前記裏面側レンズ面の情報として波面収差を担持することが好ましい。

前記第３撮像手段と前記第４撮像手段は、撮像の中心を一致させた状態で、前記裏面側コバ面及び前記裏面側レンズ面の干渉縞を各々撮像することが好ましい。

前記第１撮像手段、前記第２撮像手段、前記第３撮像手段、前記第４撮像手段は、撮像の中心を一致させた状態で、前記コバ面、前記レンズ面、前記裏面側コバ面、及び前記裏面側レンズ面の干渉縞を各々撮像することが好ましい。

前記ズレ量算出手段は、前記ズレ量と前記第２ズレ量に基づいて、前記レンズ面と前記裏面側レンズ面の相対的な面倒れを算出することが好ましい。

前記ズレ量算出手段は、前記シフトズレ量と前記第２シフトズレ量に基づいて、前記レンズ面と前記裏面側レンズ面の相対的な面ズレを算出することが好ましい。

本発明によれば、コバ部とレンズ面の波面測定を同時に、かつ、高精度に行うことができる。

被検レンズの態様を示す説明図である。 被検レンズが正確に形成されている場合の例を示す説明図である。 面ズレの態様を示す説明図である。 面倒れの態様を示す説明図である。 測定装置の構成を示す説明図である。 第１測定光学系の構成を示す説明図である。 第２測定光学系の構成を示す説明図である。

［第１実施形態］
図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、モールド整形により形成された被検レンズ１０は、非球面レンズであり、回転対称である。また、表裏に第１レンズ面１１と第２レンズ面１２を有する。以下では、第１レンズ面１１及び第２レンズ面１２は、ともに非球面であるとする。

また、第１レンズ面１１及び第２レンズ面１２の間には、第１レンズ面１１及び第２レンズ面１２から横方向（ｘｙ面内）に張り出した鍔状のコバ部１３を有する。第１レンズ面１１及び第２レンズ面１２が形成されたコバ部１３の表面（以下、コバ面１３ａ，１３ｂという）は、各々第１レンズ面１１及び第２レンズ面１２を縁取るように円環状の平面で形成される。コバ部１３は被検レンズ１０の外形となり、光ピックアップ等の装置に組み込まれるときに、外形及びコバ面が位置合わせに利用される。また、第１レンズ面１１及び第２レンズ面１２はコバ部１３の中央に形成される。また、コバ面１３ａ，１３ｂは、第１レンズ面１１と第２レンズ面１２とそれぞれ同時に一体となって形成されるので、第１レンズ面１１や第２レンズ面１２が傾斜している場合、コバ面１３ａ，１３ｂは、被検レンズ１０に対して第１レンズ面１１，第２レンズ面１２と各々同じ角度に傾斜する。

図２に示すように、コバ部１３の中央に定められ、被検レンズ１０の外形の中心点を通り、コバ面に垂直な回転対称軸Ｌ０は、被検レンズ１０の設計上の光軸である。また、第１レンズ面１１の中心における曲率円１６の中心Ｃ１を通り、第１レンズ面１１の中心を通る軸Ｌ１は、第１レンズ面１１の光軸である。同様に、第２レンズ面１２の中心における曲率円１７の中心Ｃ２を通り、第２レンズ面１２の中心を通る軸Ｌ２は、第２レンズ面１２の光軸である。被検レンズ１０が正確に製造された場合、被検レンズ１０の外形中心である光軸Ｌ０と、第１レンズ面１１の光軸Ｌ１、第２レンズ面１２の光軸Ｌ２は全て一致する。

しかし、被検レンズ１０の成形精度により、第１レンズ面１１と第２レンズ面１２は、相対的にズレが生じることがある。この相対的なズレには、以下に説明するように、面ズレと面倒れの２種類がある。

図３に示すように、光軸Ｌ０に対して垂直な面内で、第１レンズ面１１の光軸Ｌ１，第２レンズ面１２の光軸Ｌ２が平行移動したシフトズレが面ズレである。面ズレは、被検レンズ１０の成形時に、金型の中心が一致しないことによって生じる。面ズレにより、光軸Ｌ１，Ｌ２が光軸Ｌ０に対してシフトすると、後述する被検レンズ１０の波面測定においては、光軸Ｌ１と光軸Ｌ２との相対的なズレの総量Δ（以下、面ズレ量Δという）に応じた波面収差（具体的にはコマ収差）が発生する。面ズレ量Δは、光軸Ｌ０に対する光軸Ｌ１のシフト量δ１と、光軸Ｌ０に対する光軸Ｌ２のシフト量δ２の和である。

なお、図３では、第１レンズ面１１の光軸Ｌ１と第２レンズ面１２の光軸Ｌ２のシフトが所定の断面方向に沿って生じている例を模式的に説明したが、第１レンズ面１１の光軸Ｌ１のシフトズレと、第２レンズ面１２の光軸Ｌ２のシフトズレは、多くの場合それぞれ異なる方向に生じる。光軸Ｌ０上の点（被検レンズ１０の中央の点）を原点として直交するｘｙ平面を定め（図１参照）、光軸Ｌ１，Ｌ２のシフトは各々ベクトルで表す。この場合、光軸Ｌ１のズレ量δ１のｘ方向成分をδ１ｘ、ｙ方向成分をδ１ｙとする。同様に、光軸Ｌ２のズレ量δ２のｘ方向成分をδ２ｘ、ｙ方向成分をδ２ｙとし、面ズレ量Δについても、ｘ方向成分をΔｘ、ｙ方向成分をΔｙとする。このとき、面ズレ量Δのｘ方向成分ΔｘはΔｘ＝δ１ｘ＋δ２ｘ、ｙ方向成分ΔｙはΔｙ＝δ１ｙ＋δ２ｙで表される。後述するように各方向の面ズレ量Δｘ，Δｙは各々個別に算出される。

図４に示すように、光軸Ｌ０に対して、第１レンズ面１１の光軸Ｌ１，第２レンズ面１２の光軸Ｌ２が回転したズレが面倒れである。面倒れは、被検レンズ１０の成形時に、金型（特に各レンズ面を形成する部分）が相対的に傾いていることにより生じる。面倒れにより、光軸Ｌ１，Ｌ２が光軸Ｌ０に対して回転すると、後述する被検レンズ１０の波面測定においては、光軸Ｌ１と光軸Ｌ２との相対的なズレの総量Ω（以下、面倒れ量Ωという）に応じた波面収差（具体的にはコマ収差）が発生する。面倒れ量Ωは、光軸Ｌ１と光軸Ｌ２のなす角である。面ズレの場合とは異なり、光軸Ｌ０に対する光軸Ｌ１の回転量ω１と、光軸Ｌ０に対する光軸Ｌ２の回転量ω２の和ではない。

なお、図４では、第１レンズ面１１の光軸Ｌ１と第２レンズ面１２の光軸Ｌ２の回転が、ともに被検レンズ１０の所定断面に沿って生じている例を模式的に説明したが、第１レンズ面１１の光軸Ｌ１の回転と、第２レンズ面１２の光軸Ｌ２の回転は、多くの場合それぞれ異なる方向に生じる。前述の面ズレの場合に定めたｘｙ座標系において、光軸Ｌ０に沿ってｚ軸を定め、光軸Ｌ１，Ｌ２の回転量ω１，ω２のｘ，ｙ，ｚ各方向成分を（ω１ｘ，ω１ｙ，ω１ｚ），（ω２ｘ，ω２ｙ，ω２ｚ）とすると、面倒れ量Ωは、光軸Ｌ１，Ｌ２のなす角なので、Ω＝ｃｏｓ^−１｛(ω１ｘ・ω２ｘ＋ω１ｙ・ω２ｙ＋ω１ｚ・ω２ｚ)／ｓｑｒｔ（ω１ｘ^２＋ω１ｙ^２＋ω１ｚ^２）／ｓｑｒｔ（ω１ｘ^２＋ω１ｙ^２＋ω１ｚ^２）｝で表される。但し、ｓｑｒｔは平方根を意味する。後述するように、被検レンズ１０の波面測定では、面倒れ量Ω＝（Ωｘ，Ωｙ）が直接算出される。

また、図３及び図４では、面ズレ及び面倒れを各々個別に説明したが、被検レンズ１０では、面ズレ及び面倒れがともに生じる。以下に説明する測定装置では、波面測定により、被検レンズ１０の面ズレ及び面倒れをともに算出する。

図５に示すように、測定装置２１は、レンズ保持部２２、第１測定光学系２３、第２測定光学系２４、制御部２５を備える。

レンズ保持部２２は、被検レンズ１０の光軸Ｌ０が第１測定光学系２３及び第２測定光学系２４の光軸（撮像光軸）Ｐ０に一致するように被検レンズ１０を保持する保持部材であり、コバ部１３で被検レンズ１０を保持し、第１レンズ面１１及び第２レンズ面１２の全面が露呈される開口を有している。さらに、レンズ保持部２２は、コバ部１３の一部の箇所で被検レンズ１０を保持し、コバ部１３の少なくとも一部分が露呈させる。例えば、レンズ保持部２２は、１２０度ずつ間隔をあけた３箇所で被検レンズ１０を保持し、これらの箇所以外の部分では、第１レンズ面１１及び第２レンズ面１２とともにコバ面１３ａ，１３ｂが露呈される。また、レンズ保持部２２は、撮像光軸Ｐ０に垂直な面内で移動自在に設けられており、制御部２５の制御に基づいて、被検レンズ１０の波面測定を行う測定位置と、撮像光軸Ｐ０上から被検レンズ１０を退避させた退避位置とに被検レンズ１０を移動させる。レンズ保持部３２は、退避位置にあるときに、レンズ交換機構（図示しない）によって、保持する被検レンズ１０を、波面測定を終えた被検レンズ１０から次に波面測定を行う被検レンズ１０に交換される。そして、この新たな被検レンズ１０を保持すると、この被検レンズ１０を測定位置に移動させる。

第１測定光学系２３は、被検レンズ１０の第１レンズ面１１及び第１レンズ面１１側のコバ面１３ａの波面測定を行うための光学系である。第１測定光学系２３は、後述するように、マイケルソン型干渉計であり、第１レンズ面１１及びコバ面１３ａからの反射光と、被検レンズ１０を経ない基準となる波面の基準光による干渉縞を撮像する。また、測定光学系２３は、コバ面１３ａを含む第１レンズ面１１側全体の干渉縞を撮像した第１縞画像と、少なくとも第１レンズ面１１の中心（光軸Ｌ０の位置）を含む小領域の干渉縞を撮像した第２縞画像の２種類の干渉縞を、同時に撮像する。第１測定光学系２３で撮像される第１縞画像及び第２縞画像は、制御部２５に入力される。

第２測定光学系２４は、被検レンズ１０の第２レンズ面１２及び第２レンズ面１２側のコバ面１３ｂの波面測定を行うための光学系である。第２測定光学系２４は、第１測定光学系２３と同様、マイケルソン型干渉計であり、被検レンズ１０を挟んで第１測定光学系２３の対面に、第１測定光学系２３と撮像光軸Ｐ０が一致するように設けられる。また、第２測定光学系２４は、第２レンズ面１２及びコバ面１３ｂからの反射光と、被検レンズ１０を経ない基準となる波面の基準光による干渉縞を撮像する。具体的には、コバ面１３ｂを含む第２レンズ面１２側の全体干渉縞を撮像した第３縞画像と、少なくとも第２レンズ面１２の中心（光軸Ｌ０の位置）を含む小領域の干渉縞を撮像した第４縞画像の２種類の干渉縞を、同時に撮像する。第２測定光学系２４で撮像される第３縞画像及び第４縞画像は、制御部２５に入力される。

制御部２５は、測定装置２１を統括的に制御する制御装置であり、例えば、キーボードやマウス等の入力デバイス、第１〜第４縞画像，波面測定の結果等を表示する表示デバイス、被検レンズ１０の波面測定や測定装置２１の各部の制御に必要なデータを記憶する記憶デバイス等（いずれも図示しない）を有するいわゆるコンピュータである。制御部２５は、レンズ保持部２２や第１測定光学系２３、第２測定光学系２４の可動部分の動作を制御する。また、制御部２５は、干渉縞解析部３１とズレ量算出部３２を備える。

干渉縞解析部３１は、第１測定光学系２３及び第２測定光学系２４で撮像された第１〜第４縞画像に写し出された干渉縞を解析することにより、第１レンズ面１１、第２レンズ面１２、コバ面１３ａ，１３ｂの波面収差を測定する。干渉縞解析部３１は、第１縞画像に基づいてコバ面１３ａの波面収差を、第２縞画像に基づいて第１レンズ面１１の波面収差を測定する。同様に、干渉縞解析部３１は、第３縞画像に基づいてコバ面１３ｂの波面収差を、第４縞画像に基づいて第２レンズ面１２の波面収差を測定する。干渉縞解析部３１による波面収差の測定は、第１〜第４縞画像に写し出された干渉縞をツェルニケモードで表すことにより行われる。

ズレ量算出部３２は、干渉縞解析部３１によって測定された被検レンズ１０の各部の波面収差に基づいて、被検レンズ１０の面ズレ量Δ及び面倒れ量Ωを算出する。また、ズレ量算出部３２は、被検レンズ１０が面ズレや面倒れがなく正確に形成されているときに得られる干渉縞のデータ（以下、基準縞データという）を予め記憶している。基準縞データは、コンピュータシミュレーションにより求められ、基準縞データにはコバ面１３ａ，１３ｂのデータも含まれる。

例えば、ズレ量算出部３２は、第１縞画像に基づく波面収差のデータ（以下、第１波面データという）と基準縞データとの差Ｄ１を算出し、コバ面１３ａで発生した波面収差を、ツェルニケモードの各成分として算出する。一方、ズレ量算出部３２は、第２縞画像に基づく波面収差のデータ（以下、第２波面データという）と基準縞データとの差Ｄ２を算出し、第１レンズ面１１で発生した波面収差を、ツェルニケモードの各成分として算出する。同様に、ズレ量算出部３２は、第３縞画像に基づく波面収差のデータ（以下、第３波面データという）及び第４縞画像に基づく波面収差のデータ（以下、第４は面データという）と、基準縞データとの差Ｄ３，Ｄ４を算出し、コバ面１３ｂ及び第２レンズ面１２で発生した波面収差を各々ツェルニケモードの各成分として算出する。

その後、ズレ量算出部３２は、差Ｄ１，Ｄ３に基づいて、撮像光軸Ｐ０に対するコバ面１３ａ，１３ｂの傾きΩ_１，Ω_２を各々算出する。そして、コバ面１３ａの傾きΩ_１とコバ面１３ｂの傾きΩ_２に基づいて、コバ面１３ａ，１３ｂの回転による相対的なズレ量Ωを算出する。前述のように、コバ面１３ａ，１３ｂは各々第１レンズ面１１，第２レンズ面１２と一体に形成されているので、ここで算出されたズレ量Ωは、第１レンズ面１１と第２レンズ面１２の面倒れ量Ωにほかならない。

こうして面倒れ量Ωを算出すると、ズレ量算出部３２は、先に算出した面倒れ量Ωと、差Ｄ２，Ｄ４に基づいて、撮像光軸Ｐ０に対する第１レンズ面１１及び第２レンズ面１２のシフトズレ量Δ_１，Δ_２を各々算出する。そして、第１レンズ面１１のシフト量Δ_１と第２シフト面１２のシフト量Δ_２に基づいて、被検レンズ１０の面ズレ量Δを算出する。

図６に示すように、第１測定光学系２３は、いわゆるマイケルソン型干渉計であり、光源４１、ミラー４２、第１撮像部４３、第２撮像部４４、第３撮像部４５等を有する。

光源４１は、ＳＬＤ等からなる低可干渉性光源であり、光源４１が発した低可干渉性光は、コリメートレンズ４６によって平行光に整えられ、ビームスプリッタ４７に入射する。ビームスプリッタ４７に入射した平行光は、半透膜４７ａによって被検光と基準光に分岐される。被検光は、半透膜４７ａによって反射され、被検レンズ１０に入射し、基準光は、半透膜４７ａを透過し、ミラー４２に入射する。基準光は、ミラー４２に反射され、再びビームスプリッタ４７に入射し、半透膜４７ａによって被検レンズ１０に対して反対側に反射される。一方、被検光は、被検レンズ１０に入射すると、第１レンズ面１１及びコバ面１３ａで反射され、第１レンズ面１１及びコバ面１３ａの情報（波面収差）を担持し、再びビームスプリッタ４７に入射して半透膜４７ａを透過する。なお、基準光の光路長は、ピエゾ素子等によって位置調節可能に設けられたミラー４２の移動によって調節される。ミラー４２はの移動は制御部２５によって制御される。こうして基準光及び被検光がビームスプリッタ４７から第１撮像部４３及び第２撮像部４４側に出射されると、ビームスプリッタ４８に入射し、半透膜４８ａによって第１撮像部４３と第２撮像部４４の方向に分岐される。

第１撮像部４３は、基準光と被検光の干渉による干渉縞を撮像する撮像部であり、第１レンズ面１１及びコバ面１３ａを含むように、被検レンズ１０の全体を所定倍率で干渉縞を撮像する。したがって、第１撮像部４３は、第１レンズ面１１の中心を含む小領域を撮像する第２撮像部４４よりも撮像倍率が小さい。また、第１撮像部４３が撮像した干渉縞の画像は、第１縞画像である。なお、第１撮像部４３の視野は、例えばφ１０ｍｍである。

第１撮像部４３は、撮像レンズ４３ａと第１撮像素子４３ｂを備える。撮像レンズ４３ａは、ビームスプリッタ４８から入射する基準光及び被検光を第１撮像素子４３ｂの撮像面に入射させる。撮像レンズ４３ａは、第１撮像素子４３ｂに対して所定位置に固定して配置されている。このため、第１撮像部４３は常に所定倍率で干渉縞の撮像を行う。また、第１撮像部４３は、撮像レンズ４３ａと第１撮像素子４３ｂの位置関係を保ったまま、入射する基準光及び被検光の光軸に対して垂直な面内で移動自在に設けられている。第１撮像部４３の移動は、制御部２５によって制御され、第２撮
像部４３及び第２測定光学系２４の各撮像部（図７参照）との撮像中心が一致するように被検レンズ１０の測定の前に予め撮像位置を調節される。なお、第１撮像素子４３ｂには、例えば１／２インチ型または２／３インチ型の撮像素子を用いることが好ましい。

第２撮像部４４は、第１撮像部４３と同様、基準光と被検光の干渉による干渉縞を撮像する撮像部であるが、第１撮像部４３よりも撮像倍率が高く、第１レンズ面１１の中心を含む小領域の干渉縞を拡大して撮像する。第２撮像部４４が撮像した干渉縞の画像は、第２縞画像である。第１縞画像と第２縞画像には、ともに第１レンズ面１１の中心付近の干渉縞が写し出されるが、第２撮像部４４で撮像された第２縞画像の方が、撮影範囲は狭いが解像度が高い。なお、第２撮像部４４の視野は、例えばφ２ｍｍである。

第２撮像部４４は、撮像レンズ４４ａと第２撮像素子４４ｂを備える。撮像レンズ４４ａは、ビームスプリッタ４８から入射する基準光及び被検光を第２撮像素子４４ｂの撮像面に入射させる。撮像レンズ４４ａは、第１撮像部４３の撮像レンズ４３ａと同様に、第２撮像素子４４ｂに対して固定して配置されている。このため、第２撮像部４４は、常に所定倍率で干渉縞の撮像を行う。また、第２撮像部４４は、第１撮像部４３と同様に、撮像レンズ４４ａと第２撮像素子４４ｂの位置関係を保ったまま、入射する基準光及び被検光の光軸に対して垂直な面内で移動自在に設けられており、第１撮像部４３及び第２測定光学系２４の各撮像部との撮像中心が一致するように、被検レンズ１０の測定の前に予め撮像位置を調節される。なお、第２撮像素子４４ｂには、例えば１／２インチ型の撮像素子を用いることが好ましい。

第３撮像部４５は、第１測定光学系２３と第２測定光学系２４の撮像光軸Ｐ０を一致させるアラインメント時に用いられる。このアラインメントは、例えば、被検レンズ１０のかわりに、平板ガラス状に設けられたアライメントマークを、第１測定光学系２３と第２測定光学系２４で撮像し、第３撮像部４５と、第２測定光学系２４のアライメント用撮像部（第３撮像部＠。図７参照）の撮像中心が一致するように調節することにより行われる。また、第１撮像部４３と第２撮像部４４の撮像中心の位置合わせは、第３撮像部４５によるアラインメントの終了後、第３撮像部４５の撮像中心と、第１撮像部４３及び第２撮像部４４の撮像中心が各々一致するように、第１撮像部４３及び第２撮像部４４の位置調節することによって行われる。第３撮像部４５は、撮像レンズ４５ａと第３撮像素子４５ｂとを有する。第３撮像部４５には、第３のビームスプリッタ４９の反射膜４９ａによって、アラインメントマークからの入射光が分岐して入射される。撮像レンズ４５ａはこの入射光を第３撮像素子４５ｂの撮像面に入射させ、アラインメントマークを撮像する。アラインメントマークは例えば十字に形成される。

図７に示すように、第２測定光学系２４は、第１測定光学系２３と同様に構成され、光源５１、ミラー５２、第１撮像部５３、第２撮像部５４、第３撮像部５５、コリメートレンズ５６、ビームスプリッタ５７，５７，５８を有する。但し、第２測定光学系２４は、被検レンズ１０の第２レンズ面１２及びコバ面１３ｂの干渉縞を撮像する。

また、第１撮像部５３は、第１測定光学系２３の第１撮像部４３に対応し、第２撮像部５４よりも低倍率で干渉縞を撮像する撮像部である。したがって、第１撮像部５３は、第２レンズ面１２及びコバ面１３ｂを含む被検レンズ１０全体の干渉縞を撮像する撮像部であり、第１撮像部５３が撮像した画像が第３縞画像である。

第２撮像部５４は、第１測定光学系２３の第２撮像部４３に対応し、第１撮像部５３よりも高倍率で干渉縞を撮像する撮像部である。したがって、第２撮像部５４は、第２レンズ面１２の中心を含む小領域を拡大して撮像する撮像部であり、第２撮像部５４が撮像した画像が第４縞画像である。

上述のように構成される測定装置２１は、以下に説明するように動作し、被検レンズ１０の面倒れ量Ω（Ωｘ，Ωｙ）を算出し、次いで面ズレ量Δ（Δｘ，Δｙ）を算出する。

被検レンズ１０の面ズレ及び面倒れを測定するときには、レンズ保持部２２に被検レンズ１０を保持させ、被検レンズ１０を測定位置に移動させる。そして、第１測定光学系２３及び第２測定光学系２４によって、被検レンズ１０の波面測定を行い、第１〜第４縞画像を得る。

干渉縞解析部３１は、低倍率で被検レンズ１０を撮像して得られた第１縞画像及び第３縞画像に写し出された干渉縞から、コバ面１３ａ，１３ｂに対応する部分の干渉縞をそれぞれ抽出する。そして、被検レンズ１０の透過波面をツェルニケモード多項式を各項とする式でフィッティングし、各項の係数を決定する。ツェルニケモード多項式を各項とする式は、次数ｊのツェルニケ多項式をＺｊ、各項の係数をＡ_ｊとすると式Ｆ＝Σ（Ａ_ｊ・Ｚ_ｊ）で表される。したがって、干渉縞解析部３１は、フィッティングにより決定した各項の係数Ａｊをコバ面１３ａ，１３ｂの波面データとしてズレ量算出部４５に入力する。

ズレ量算出部３２は、基準縞データとして、被検レンズ１０が正確に形成されている場合の各項の係数（以下、α_ｊとする）を予め記憶している。ズレ量算出部４５は、コバ面１３ａ，１３ｂの波面データが入力されると、コバ面１３ａ，１３ｂの波面データＡ_ｊと基準縞データα_ｊとの差Ｄ_ｊを算出する。被検レンズ１０が正確に形成されている場合、この差は０となる。一方、被検レンズ１０に面倒れがある場合には、コバ面１３ａ，１３ｂの波面データＡ_ｊと基準縞データα_ｊの差Ｄ_ｊは、面倒れ量に応じた値になる。また、面倒れは、コマ収差として現れるので、面ズレや面倒れは、３次コマ収差を表すツェルニケモードＺ_７，Ｚ_８の係数Ａ_７，Ａ_８、及び５次コマ収差を表すツェルニケモードＺ_１４，Ｚ_１５の係数Ａ_１４，Ａ_１５に現れる。このため、ズレ量算出部３２は、算出した差Ｄ_７，Ｄ_８，Ｄ_１４，Ｄ_１５に基づいて、面倒れ量Ω＝（Ωｘ，Ωｙ）を算出する。

ズレ量算出部３２は、面倒れ量Ωを次のように算出する。まず、差Ｄ_７，Ｄ_８，Ｄ_１４，Ｄ_１５と、３次コマ収差Ｃ_３＝（Ｃ_３ｘ，Ｃ_３ｙ）及び３次コマ角度θ_３，５次コマ収差Ｃ_５＝（Ｃ_５ｘ，Ｃ_５ｙ）及び５次コマ角度θ_５とは、下記式（１）〜（４）で示す関係にある。したがって、ズレ量算出部３２は、（１）〜（４）の関係式に基づいて、３次コマ収差Ｃ_３及び５次コマ収差Ｃ_５を算出する。

｜Ｃ_３｜＝ｓｑｒｔ｛（Ｄ_７ ^２＋Ｄ_８ ^２）／８｝・・・（１）
θ_３ ＝ｔａｎ^−１（Ｄ_７／Ｄ_８） ・・・（２）
｜Ｃ_５｜＝ｓｑｒｔ｛（Ｄ_１４ ^２＋Ｄ_１５ ^２）／８｝・・・（３）
θ_３ ＝ｔａｎ^−１（Ｄ_１５／Ｄ_１４） ・・・（４）

また、面ズレ量Δ＝（Δｘ，Δｙ）及び面倒れ量Ω＝（Ωｘ，Ωｙ）と、３次コマ収差Ｃ_３＝（Ｃ_３ｘ，Ｃ_３ｙ）、５次コマ収差Ｃ_５＝（Ｃ_３ｘ，Ｃ_３ｙ）とは、下記（５）〜（８）で示す関係にある。また、係数εは、シミュレーションにより既知量である。このため、ズレ量算出部４５は、（５）〜（８）に基づいて、面ズレ量Δ及び面倒れ量Ωを算出する。

Ｃ_３ｘ＝ε_１１・Δｘ＋ε_１２・Ωｘ ・・・（５）
Ｃ_３ｙ＝ε_２１・Δｙ＋ε_２２・Ωｙ ・・・（６）
Ｃ_５ｘ＝ε_３１・Δｘ＋ε_３２・Ωｘ ・・・（７）
Ｃ_５ｙ＝ε_４１・Δｙ＋ε_４２・Ωｙ ・・・（８）

コバ面１３ａ，１３ｂは平面であるので、コバ面１３ａ，１３ｂから得られる波面データには、面ズレはない。このため、上述の（５）〜（８）の式で面ズレ量Δ（Δｘ，Δｙ）が０である。したがって、ズレ量算出部３２は、３次コマ収差Ｃ_３（または５次コマ収差Ｃ_５）から、コバ面１３ａ（第１レンズ面１１）とコバ面１３ｂ（第２レンズ面１２）の面倒れ量Ω_１（Ω_１ｘ，Ω_１ｙ），Ω_２（Ω_２ｘ，Ω_２ｙ）を各々算出する。添え字１，２は各々第１レンズ面１１，第２レンズ面１２を示す。ここで算出した各レンズ面１１，１２の面倒れ量Ω_１，Ω_２は撮像光軸Ｐ０に対する面倒れ量なので、このことに基づいて、ズレ量算出部３２は、面倒れ量Ω_１，Ω_２から被検レンズ１０の面倒れ量Ωを算出する。

こうして面倒れ量Ωを算出すると、干渉縞解析部３１は、高倍率で撮像して得られた第２縞画像及び第４縞画像に写し出された干渉縞を、被検レンズ１０の透過波面をツェルニケモード多項式を各項とする式でフィッティングし、各項の係数を決定する。そして、各項の係数Ａｊを第１レンズ面１１及び第２レンズ面１２の波面データとしてズレ量算出部４５に入力する。

ズレ量算出部３２は、前述と同様に、第１レンズ面１１及び第２レンズ面１２の波面データＡ_ｊと基準縞データα_ｊとの差Ｄ_ｊを算出し、（１）〜（４）の式にしたがって、第１レンズ面１１及び第２レンズ面１２の３次コマ収差Ｃ_３及び５次コマ収差Ｃ_５を算出する。ここで算出する３次コマ収差Ｃ_３及び５次コマ収差Ｃ_５と、面ズレ量Δ＝（Δｘ，Δｙ）及び面倒れ量Ω＝（Ωｘ，Ωｙ）は、係数εの内容が異なるが、（５）〜（８）の式と同じ関係で表すことができる。このため、算出した３次コマ収差Ｃ_３及び５次コマ収差Ｃ_５と、先に算出した面倒れ量Ω＝（Ωｘ，Ωｙ）を用い、（５）〜（８）の式にしたがって、第１レンズ面１１及び第２レンズ面１２の面ズレ量Δ_１＝（Δ_１ｘ，Δ_１ｙ），Δ_２＝（Δ_２ｘ，Δ_２ｙ）を算出する。ここで算出した各レンズ面１１，１２の面ズレ量Δ_１，Δ_２は撮像光軸Ｐ０に対する面ズレ量なので、このことに基づいて、ズレ量算出部３２は、面倒れ量Δ_１，Δ_２から被検レンズ１０の面ズレ量Δを算出する。

上述のように、測定装置２１は、コバ部１３の干渉縞を撮像する低倍率の撮像部（第１撮像部４３，５３）と、レンズ面１１，１２の干渉縞を高倍率で撮像する撮像部（第２撮像部４４，５４）によって、コバ部１３とレンズ面１１，１２の干渉縞を同時に撮像し、被検レンズ１０の面倒れΩ及び面ズレΔを算出する。このため、コバ部１３の撮像と、レンズ面１１，１２の撮像のために、撮像部の倍率を切り替えたり、撮像光軸を移動させることがないので、素早く被検レンズ１０の面倒れΩ及び面ズレΔを算出することができる。また、撮像部の倍率を切り替えたり、撮像光軸を移動させることがないことにより、こうした切り替えや調節を行う測定装置よりも正確に面倒れΩ及び面ズレΔを算出することができる。このため、測定装置２１は、製品の全数検査を行う場合等、複数の被検レンズ１０を測定する場合に適している。

なお、測定装置２１は、ミラー４２，５２の位置に基づいて、被検レンズ１０の中心厚も同時に計測することができる。

なお、上述の実施形態では、測定光学系２３，２４がマイケルソン型の干渉計である例を説明したが、これに限らない。測定光学系２３，２４は、フィゾー型等他の構成の干渉計で構成しても良い。

なお、上述の実施形態では、測定装置２１は、被検レンズ１０の上下に２系統の測定光学系２３，２４を備え、被検レンズ１０からの反射光を利用して干渉縞を撮像する例を説明したが、測定装置２１の態様はこれに限らない。例えば、ヌルミラーを用いるフィゾー型干渉計によって被検レンズ１０の透過波面を測定する等、他の態様の測定光学系であっても、コバ部１３の干渉縞を撮像する低倍率の撮像部と、レンズ面１１，１２の干渉縞を撮像する高倍率の撮像部を設けておくことにより、上述の測定装置２１と同様に、素早くかつ正確に面倒れΩ及び面ズレΔを算出することができる。

なお、上述の実施形態では、表裏両面が非球面に形成された被検レンズ１０を例に説明するが、本発明は、片面が非球面のレンズや、両面が球面レンズの面ズレ及び面倒れも好適に測定することができる。但し、球面レンズの場合には球面がレンズ面の形状がどのような向きにも回転対称であるため、面倒れはない。

なお、上述の実施形態では、測定対象がレンズである例を説明したが、測定対象は必ずしもレンズである必要はない。例えば、レンズやプリズムの機能を複合的に有する光学素子であっても良い。

１０ 被検レンズ
１１ 第１レンズ面
１２ 第２レンズ面
１３ コバ部
１３ａ，１３ｂ コバ面
１６，１７ 曲率円
２１ 測定装置
２２ レンズ保持部
２３ 第１測定光学系
２４ 第２測定光学系
２５ 制御部
３１ 干渉縞解析部
３２ ズレ算出部
４１，５１ 光源
４２，５２ ミラー
４３，５３ 第１撮像部
４４，５４ 第２撮像部
４５，５５ 第３撮像部
４６，５６ コリメートレンズ
４７，４８，４９，５７，５８，５９ ビームスプリッタ

Claims (13)

1. 光源から発せられた光を平行光に整えて、検査対象である被検レンズに入射させるコリメート手段と、
   前記コリメート手段から入射する前記平行光を、前記被検レンズに入射させる被検光と、前記被検レンズを経ない基準光とに分岐させる分岐手段と、
   前記被検レンズのコバ面の情報を担持した前記被検光と前記基準光とによる干渉縞を撮像する第１撮像手段と、
   前記第１撮像手段による前記コバ面の干渉縞の撮像と同時に、前記被検レンズのレンズ面の情報を担持した前記被検光と前記基準光とによる干渉縞を撮像する第２撮像手段と、
   前記第１撮像手段によって得た第１縞画像に写し出された干渉縞を解析して前記コバ面の波面収差を表す第１波面データを算出するとともに、前記第２撮像手段によって得た第２縞画像に写し出された干渉縞を解析して前記レンズ面の波面収差を表す第２波面データを算出する干渉縞解析手段と、
   前記第１波面データに基づいて、前記レンズ面の所定光軸に対する回転によるズレ量を算出するとともに、前記ズレ量と前記第２波面データに基づいて、前記レンズ面の前記所定光軸に垂直な面内でのシフトによるシフトズレ量を算出するズレ量算出手段と、
   を備えることを特徴とするレンズ測定装置。
2. 前記第１撮像手段は、前記第２撮像手段よりも低倍率の撮像手段であり、前記被検レンズの全体を撮像することにより、前記コバ面と前記レンズ面の干渉縞を撮像することを特徴とする請求項１記載のレンズ測定装置。
3. 前記第２撮像手段は、前記第１撮像手段よりも高倍率の撮像手段であり、前記被検レンズの中心を含む小領域を拡大して撮像することにより、前記レンズ面の干渉縞を撮像することを特徴とする請求項１または２記載のレンズ測定装置。
4. 前記被検光は、前記被検レンズの表面で反射されることにより、前記コバ面及び前記レンズ面の情報として波面収差を担持することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレンズ測定装置。
5. 前記第１撮像手段と前記第２撮像手段は、撮像の中心を一致させた状態で、前記コバ面及び前記レンズ面の干渉縞を各々撮像することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレンズ測定装置。
6. 前記第１撮像手段、前記第２撮像手段を含む第１の測定光学系に対して、前記被検レンズを挟んで対向する位置に、
   第２の光源から発せられた光を平行光に整えて、検査対象である被検レンズに入射させる第２コリメート手段と、
   前記第２コリメート手段から入射する前記平行光を、前記被検レンズの裏面に入射させる第２被検光と、前記被検レンズを経ない第２基準光とに分岐させる第２分岐手段と、
   前記被検レンズの裏面側コバ面における前記第２基準光と前記第２被検光の干渉縞を撮像する第３撮像手段と、
   前記第３撮像手段による前記裏面側コバ面の干渉縞の撮像と同時に、前記被検レンズの裏面側レンズ面における前記第２基準光と前記第２被検光の干渉縞を撮像する第４撮像手段と、
   を含む第２の測定光学系を備え、
   前記干渉縞解析手段は、前記第３撮像手段によって得た第３縞画像に写し出された干渉縞を解析して前記裏面側コバ面の波面収差を表す第３波面データを算出するとともに、前記第４撮像手段によって得た第４縞画像に写し出された干渉縞を解析して前記裏面側レンズ面の波面収差を表す第４波面データを算出し、
   前記ズレ量算出手段は、前記第３波面データに基づいて、前記裏面側コバ面の前記所定光軸に対する回転による第２ズレ量を算出するとともに、前記第２ズレ量と前記第４波面データに基づいて、前記裏面側レンズ面の前記所定光軸に垂直な面内でのシフトによる第２シフトズレ量を算出すること
   を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のレンズ測定装置。
7. 前記第３撮像手段は、前記第４撮像手段よりも低倍率の撮像手段であり、前記被検レンズの全体を撮像することにより、前記裏面側コバ面と前記裏面側レンズ面の干渉縞を撮像することを特徴とする請求項６記載のレンズ測定装置。
8. 前記第４撮像手段は、前記第３撮像手段よりも高倍率の撮像手段であり、前記被検レンズの中心を含む小領域を拡大して撮像することにより、前記裏面側レンズ面の干渉縞を撮像することを特徴とする請求項６または７記載のレンズ測定装置。
9. 前記第２被検光は、前記被検レンズの裏面側表面で反射されることにより、前記裏面側コバ面及び前記裏面側レンズ面の情報として波面収差を担持することを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載のレンズ測定装置。
10. 前記第３撮像手段と前記第４撮像手段は、撮像の中心を一致させた状態で、前記裏面側コバ面及び前記裏面側レンズ面の干渉縞を各々撮像することを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載のレンズ測定装置。
11. 前記第１撮像手段、前記第２撮像手段、前記第３撮像手段、前記第４撮像手段は、撮像の中心を一致させた状態で、前記コバ面、前記レンズ面、前記裏面側コバ面、及び前記裏面側レンズ面の干渉縞を各々撮像することを特徴とする請求項１０記載のレンズ測定装置。
12. 前記ズレ量算出手段は、前記ズレ量と前記第２ズレ量に基づいて、前記レンズ面と前記裏面側レンズ面の相対的な面倒れを算出することを特徴とする請求項６〜１１のいずれか１項に記載のレンズ測定装置。
13. 前記ズレ量算出手段は、前記シフトズレ量と前記第２シフトズレ量に基づいて、前記レンズ面と前記裏面側レンズ面の相対的な面ズレを算出することを特徴とする請求項６〜１２のいずれか１項に記載のレンズ測定装置。

Images