JP2014202642A - 光学素子の面間隔測定装置および面間隔測定方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】光学素子の面間隔測定装置において、光学素子の面間隔を簡素な構成によって迅速かつ正確に非接触測定することができるようにする。
【解決手段】面間隔測定装置１００は、連続的な波長分布を有する光源２１と、色収差を有し、光源２１からの光束を収束光として被検レンズ５０の第１面５０ａおよび第２面５０ｂにこの順に照射するとともに、第１面５０ａおよび第２面５０ｂからの反射光をファイバ端面１１ａに集光する測定光学系３と、集光された反射光の分光スペクトルを取得する分光器２３および撮像素子２４と、分光スペクトルのピーク波長を求めることにより、第１面５０ａの反射光の波長と、第２面５０ｂの反射光の波長とを測定し、被検レンズ５０の屈折率の情報と第１面５０ａの面形状の情報とに基づいて、第１面５０ａと第２面５０ｂとの間の面間隔を算出する面間隔算出部と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】面間隔測定装置１００は、連続的な波長分布を有する光源２１と、色収差を有し、光源２１からの光束を収束光として被検レンズ５０の第１面５０ａおよび第２面５０ｂにこの順に照射するとともに、第１面５０ａおよび第２面５０ｂからの反射光をファイバ端面１１ａに集光する測定光学系３と、集光された反射光の分光スペクトルを取得する分光器２３および撮像素子２４と、分光スペクトルのピーク波長を求めることにより、第１面５０ａの反射光の波長と、第２面５０ｂの反射光の波長とを測定し、被検レンズ５０の屈折率の情報と第１面５０ａの面形状の情報とに基づいて、第１面５０ａと第２面５０ｂとの間の面間隔を算出する面間隔算出部と、を備える。
【選択図】図１
Description
本発明は、光学素子の面間隔測定装置および面間隔測定方法に関する。
従来、光学素子の面間隔を非接触で測定する面間隔測定装置としては、例えば、低コヒーレンス干渉を用いた面間隔測定装置が知られている。
一方、光学素子の面間隔測定装置とは異なるが、共焦点光学系を用いることにより、光反射性の被計測物の変位を非接触で測定する測定装置が知られている。
例えば、特許文献１には、複数の波長の光を出射する光源（たとえば白色光源）から出射する光に、光軸に沿って色収差を生じさせる色収差レンズを備えている共焦点光学系を用いた参照面に対する相対位置計測装置および方法が記載されている。
特許文献１に開示されている装置は、計測対象物の変位に応じて、合焦する色収差レンズからの光の波長が異なるため、ピンホールを通過する光の波長が変化する。このため、ピンホールを通過した光の波長を測定することによって、計測対象物の変位を計測することができる。
また、特許文献２には、同様な測定原理による距離計測を行う共焦点マイクロスコープが記載されている。この装置は、特許文献１のような色収差レンズに代えて、回折レンズを用いて色収差を生じさせている点や、光源からコリメートレンズまでの光路、およびコリメートレンズから分光器までの光路に光ファイバを用いている点が、特許文献１の装置と異なっている。
一方、光学素子の面間隔測定装置とは異なるが、共焦点光学系を用いることにより、光反射性の被計測物の変位を非接触で測定する測定装置が知られている。
例えば、特許文献１には、複数の波長の光を出射する光源（たとえば白色光源）から出射する光に、光軸に沿って色収差を生じさせる色収差レンズを備えている共焦点光学系を用いた参照面に対する相対位置計測装置および方法が記載されている。
特許文献１に開示されている装置は、計測対象物の変位に応じて、合焦する色収差レンズからの光の波長が異なるため、ピンホールを通過する光の波長が変化する。このため、ピンホールを通過した光の波長を測定することによって、計測対象物の変位を計測することができる。
また、特許文献２には、同様な測定原理による距離計測を行う共焦点マイクロスコープが記載されている。この装置は、特許文献１のような色収差レンズに代えて、回折レンズを用いて色収差を生じさせている点や、光源からコリメートレンズまでの光路、およびコリメートレンズから分光器までの光路に光ファイバを用いている点が、特許文献１の装置と異なっている。
しかしながら、上記のような従来の光学素子の面間隔測定装置には、以下のような問題があった。
低コヒーレンス干渉を用いた従来の面間隔測定装置では、干渉位置を見つけるために参照面を面間隔以上の範囲で高精度に移動させる必要があるため、装置の設定や測定に時間がかかるという問題がある。
また、干渉光学系を用いるため、装置構成が複雑になるという問題がある。
これに対して、より容易に非接触位置測定を行うことができ、構成も簡素となる特許文献１、２に記載された共焦点光学系を用いた計測装置を用いることも考えられる。
しかし、特許文献１、２に記載の計測装置を用いて、光学素子の面間隔を測定するには、被検光学素子の第１面の相対位置と第２面の相対位置とを求める必要があるが、第２面の反射光は、第１面による屈折の影響を受けるため、第２面の正確な相対位置を計測することができないという問題がある。
例えば、特許文献１、２に記載の計測装置を用いて、被検光学素子として、平凸レンズの面間隔を測定することを考える。
この場合、平面を第１面として装置側に配置した場合と、凸面を第１面として装置側に配置した場合とでは、異なる測定値が得られる。これは、光線が入射する被検光学素子の第１面の曲率半径の違いにより第１面からの射出角度が異なることで、第２面で面頂反射する光線の波長が異なるためである。
また、板ガラスのような平板を測定する場合でも、第２面で反射する光線は第1面で屈折した光線であるため、面間隔の測定値が見かけ上大きくなってしまい、絶対値は分からないという問題がある。
低コヒーレンス干渉を用いた従来の面間隔測定装置では、干渉位置を見つけるために参照面を面間隔以上の範囲で高精度に移動させる必要があるため、装置の設定や測定に時間がかかるという問題がある。
また、干渉光学系を用いるため、装置構成が複雑になるという問題がある。
これに対して、より容易に非接触位置測定を行うことができ、構成も簡素となる特許文献１、２に記載された共焦点光学系を用いた計測装置を用いることも考えられる。
しかし、特許文献１、２に記載の計測装置を用いて、光学素子の面間隔を測定するには、被検光学素子の第１面の相対位置と第２面の相対位置とを求める必要があるが、第２面の反射光は、第１面による屈折の影響を受けるため、第２面の正確な相対位置を計測することができないという問題がある。
例えば、特許文献１、２に記載の計測装置を用いて、被検光学素子として、平凸レンズの面間隔を測定することを考える。
この場合、平面を第１面として装置側に配置した場合と、凸面を第１面として装置側に配置した場合とでは、異なる測定値が得られる。これは、光線が入射する被検光学素子の第１面の曲率半径の違いにより第１面からの射出角度が異なることで、第２面で面頂反射する光線の波長が異なるためである。
また、板ガラスのような平板を測定する場合でも、第２面で反射する光線は第1面で屈折した光線であるため、面間隔の測定値が見かけ上大きくなってしまい、絶対値は分からないという問題がある。
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、光学素子の面間隔を簡素な構成によって迅速かつ正確に非接触測定することができる光学素子の面間隔測定装置および面間測定方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の第１の態様の光学素子の面間隔測定装置は、連続的な波長分布を有する光源と、色収差を有し、前記光源からの光束を収束光として被検光学素子の第１面および第２面にこの順に照射するとともに、前記収束光による前記第１面および第２面からの反射光を一定の集光位置に集光する測定光学系と、前記集光位置に集光された前記反射光の分光スペクトルを取得する分光測定部と、前記分光スペクトルのピーク波長を求めることにより、前記第１面の反射光の波長と、前記第２面の反射光の波長とを測定し、前記被検光学素子の屈折率の情報と前記第１面の面形状の情報とに基づいて、前記第１面と前記第２面との間の面間隔を算出する面間隔算出部と、を備える構成とする。
上記光学素子の面間隔測定装置では、前記被検光学素子を前記測定光学系の光軸に沿って移動する移動部と、前記移動部によって前記被検光学素子を移動させて、２位置以上で、前記分光測定部から前記分光スペクトルを取得し、前記面間隔算出部によって前記分光スペクトルのそれぞれから複数の面間隔を算出させる測定制御部と、前記複数の面間隔の算出値を用いて、面間隔の測定値を算定する面間隔算定部と、を備えることが可能である。
上記光学素子の面間隔測定装置では、前記面間隔算定部は、前記複数の面間隔の算出値が一致しない場合に、前記第１面の面形状データを修正して、前記面間隔算出部に、前記複数の面間隔の再計算を行わせ、この再計算による複数の面間隔の算出値が一致した場合に、該複数の面間隔の収束値を、面間隔の測定値として算定することが可能である。
本発明の第２の態様の光学素子の面間隔測定方法は、色収差を有する測定光学系から出射される、連続的な波長分布を有する収束光を、被検光学素子の第１面および第２面にこの順に照射する光照射工程と、前記収束光による前記第１面および第２面からの反射光を前記測定光学系によって一定の集光位置に集光する集光工程と、前記集光位置に集光された前記反射光の分光スペクトルを取得する分光工程と、前記分光スペクトルのピーク波長を求めることにより、前記第１面の反射光の波長と、前記第２面の反射光の波長とを測定し、前記被検光学素子の屈折率の情報と前記第１面の面形状の情報とに基づいて、前記第１面と前記第２面との間の面間隔を算出する面間隔算出工程と、を備える方法とする。
上記光学素子の面間隔測定方法では、前記被検光学素子を前記測定光学系の光軸に沿って移動することにより、２位置以上で、前記分光工程、および前記面間隔算出工程を行った後に、前記面間隔算出工程で算出された複数の面間隔の算出値を用いて、面間隔の測定値を算定する面間隔算定工程を備えることが可能である。
上記光学素子の面間隔測定装置では、前記面間隔算定工程は、前記複数の面間隔の算出値が一致しない場合に、前記第１面の面形状データを補正して前記分光工程および前記面間隔算出工程を繰り返し、この繰り返しによる複数の面間隔の算出値が一致した場合に、該複数の面間隔の収束値を、面間隔の測定値として算定することが可能である。
本発明の光学素子の面間隔測定装置および面間隔測定方法によれば、色収差を有する測定光学系によって集光位置に集光された被検光学素子の第１面および第２面からの反射光の分光スペクトルに基づいて反射光の波長を算出し、被検光学素子の屈折率の情報と第１面の面形状の情報とに基づいて、第１面と第２面との間の面間隔を算出するため、光学素子の面間隔を簡素な構成によって迅速かつ正確に非接触測定することができるという効果を奏する。
以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態の光学素子の面間隔測定装置および面間隔測定方法について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態の光学素子の面間隔測定装置の概略構成を示す模式的な構成図である。図２は、本発明の第１の実施形態の光学素子の面間隔測定装置の制御ユニットの機能構成を示す機能ブロック図である。
本発明の第１の実施形態の光学素子の面間隔測定装置および面間隔測定方法について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態の光学素子の面間隔測定装置の概略構成を示す模式的な構成図である。図２は、本発明の第１の実施形態の光学素子の面間隔測定装置の制御ユニットの機能構成を示す機能ブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の面間隔測定装置１００（光学素子の面間隔測定装置）は、共焦点光学系を用いて光学素子の面間隔を測定する装置である。
面間隔測定装置１００によって測定可能な被検光学素子としては、測定光を反射する光学面を有する光学素子であれば、特に限定されず、例えば、レンズ、平行平板、プリズム等の光学素子などを挙げることができる。
被検光学素子が曲率を有する場合、曲面は、凸面でもよいし、凹面でもよい。また、曲面の形状も特に限定されず、例えば、球面、非球面、シリンドリカル面、自由曲面等の面形状を採用することができる。
以下では、一例として、被検光学素子が被検レンズ５０の場合の例で説明する。
被検レンズ５０は、凸面からなる第１面５０ａと、凸面からなる第２面５０ｂとを備える両凸レンズである。
このため、特に断らない限り、第１面５０ａと第２面５０ｂとの間の面間隔を、被検レンズ５０の面間隔と称する。
なお、第１面、第２面の区別は、面間隔測定装置１００に対する配置位置の区別であり、後述する測定光学系３から出射される光束の照射順序に対応している。すなわち、後述するヘッド部１０に対向する光学面を第１面と称し、その裏面を第２面と称する。
したがって、被検レンズ５０の使用上の配置における光束の入射順序、あるいはレンズ設計における光線入射順序に基づく第１面、第２面の名称とは相違していてもよい。
面間隔測定装置１００によって測定可能な被検光学素子としては、測定光を反射する光学面を有する光学素子であれば、特に限定されず、例えば、レンズ、平行平板、プリズム等の光学素子などを挙げることができる。
被検光学素子が曲率を有する場合、曲面は、凸面でもよいし、凹面でもよい。また、曲面の形状も特に限定されず、例えば、球面、非球面、シリンドリカル面、自由曲面等の面形状を採用することができる。
以下では、一例として、被検光学素子が被検レンズ５０の場合の例で説明する。
被検レンズ５０は、凸面からなる第１面５０ａと、凸面からなる第２面５０ｂとを備える両凸レンズである。
このため、特に断らない限り、第１面５０ａと第２面５０ｂとの間の面間隔を、被検レンズ５０の面間隔と称する。
なお、第１面、第２面の区別は、面間隔測定装置１００に対する配置位置の区別であり、後述する測定光学系３から出射される光束の照射順序に対応している。すなわち、後述するヘッド部１０に対向する光学面を第１面と称し、その裏面を第２面と称する。
したがって、被検レンズ５０の使用上の配置における光束の入射順序、あるいはレンズ設計における光線入射順序に基づく第１面、第２面の名称とは相違していてもよい。
面間隔測定装置１００の概略構成は、保持台１２、移動ステージ１３、ヘッド部１０、装置本体部２０、表示部２５、および操作部２６を備える。
保持台１２は、被検レンズ５０を保持する装置部分であり、本実施形態では、被検レンズ５０のレンズ光軸が鉛直軸に沿う姿勢で被検レンズ５０を保持できるようになっている。
保持台１２には、被検レンズ５０の第１面５０ａを上側に向けて保持する。ここで、曲率半径の異なるレンズのどちらを第１面として上側に向けて保持するかは、特に限定されない。例えば、凸球面と平面とで構成される平凸レンズの面間隔を面間隔測定装置１００で測定する場合、凸球面を第１面として上側に向けて保持してもよいし、平面を第１面として上側に向けて保持してもよい。ただし、どちらを第１面とするかは、測定開始前に予め決定しておく。
保持台１２には、被検レンズ５０の第１面５０ａを上側に向けて保持する。ここで、曲率半径の異なるレンズのどちらを第１面として上側に向けて保持するかは、特に限定されない。例えば、凸球面と平面とで構成される平凸レンズの面間隔を面間隔測定装置１００で測定する場合、凸球面を第１面として上側に向けて保持してもよいし、平面を第１面として上側に向けて保持してもよい。ただし、どちらを第１面とするかは、測定開始前に予め決定しておく。
なお、被検レンズ５０の保持姿勢は、レンズ光軸をヘッド部１０の光軸と整列させることができれば、レンズ光軸が鉛直軸と交差する姿勢であってもよい。
移動ステージ１３は、後述するヘッド部１０に対して保持台１２を移動させるための装置部分であり、少なくとも、保持台１２を鉛直軸に沿う方向に移動するＺ軸ステージを備えている。また、移動ステージ１３として装備可能なその他の移動機構としては、例えば、水平方向に移動するＸＹ軸ステージや、２軸方向の傾動を行うゴニオステージなどの例を挙げることができる。これらの移動機構を併せて備えることにより、保持台１２に保持された被検レンズ５０の位置および姿勢の調整の自由度を増大させることができる。
移動ステージ１３は、後述する装置本体部２０の制御ユニット３０と電気的に接続され、制御ユニット３０からの制御信号によって動作制御が行われるようになっている。
移動ステージ１３は、後述する装置本体部２０の制御ユニット３０と電気的に接続され、制御ユニット３０からの制御信号によって動作制御が行われるようになっている。
ヘッド部１０は、面間隔測定に用いる共焦点光学系を収容する装置部分であり、筒状部材１０ａの一端部（図示の上側）に、光ファイバ１１が接続され、筒状部材１０ａの内部に光ファイバ１１のファイバ端面１１ａが露出されている。筒状部材１０ａの他端部（図示の下側）は開口されている。
光ファイバ１１のファイバ端面１１ａにおける光軸は、筒状部材１０ａの中心軸線Ｃに整列されている。なお、光ファイバ１１のファイバ端面１１ａと反対側のファイバ端面１１ｂは、後述する装置本体部２０に接続されている。
筒状部材１０ａの内部には、中心軸線Ｃにそれぞれのレンズ光軸を整列させてコリメータレンズ２と、回折レンズ１とが配置されている。このため、中心軸線Ｃは、コリメータレンズ２および回折レンズ１で構成される測定光学系３の光軸Ｏを構成している。
光ファイバ１１のファイバ端面１１ａにおける光軸は、筒状部材１０ａの中心軸線Ｃに整列されている。なお、光ファイバ１１のファイバ端面１１ａと反対側のファイバ端面１１ｂは、後述する装置本体部２０に接続されている。
筒状部材１０ａの内部には、中心軸線Ｃにそれぞれのレンズ光軸を整列させてコリメータレンズ２と、回折レンズ１とが配置されている。このため、中心軸線Ｃは、コリメータレンズ２および回折レンズ１で構成される測定光学系３の光軸Ｏを構成している。
コリメータレンズ２は、光ファイバ１１のファイバ端面１１ａから出射される光を集光して平行光束にする集光光学素子であり、ファイバ端面１１ａの中心に焦点が一致する位置に配置されている。
なお、図１は模式図のため、コリメータレンズ２を単レンズとして描いているが、コリメータレンズ２は単レンズには限定されず、複数枚のレンズで構成することが可能である。
なお、図１は模式図のため、コリメータレンズ２を単レンズとして描いているが、コリメータレンズ２は単レンズには限定されず、複数枚のレンズで構成することが可能である。
回折レンズ１は、コリメータレンズ２によって集光された平行光束を集光するとともに、光軸Ｏに沿う色収差を発生させる集光光学素子である。
回折レンズ１は、後述する光源２１の波長範囲において、被検光学素子の面間隔が測定可能な色収差量を発生できればよい。
回折レンズ１は比較的安価に色収差を発生できる光学部材であるが、必要な色収差を発生させることができれば、回折レンズ１に代えて、屈折レンズを採用することも可能である。また、回折レンズ１に代えて屈折レンズを採用する場合、単レンズで構成してもよいし、複数枚のレンズで構成してもよい。
回折レンズ１は、後述する光源２１の波長範囲において、被検光学素子の面間隔が測定可能な色収差量を発生できればよい。
回折レンズ１は比較的安価に色収差を発生できる光学部材であるが、必要な色収差を発生させることができれば、回折レンズ１に代えて、屈折レンズを採用することも可能である。また、回折レンズ１に代えて屈折レンズを採用する場合、単レンズで構成してもよいし、複数枚のレンズで構成してもよい。
このような構成のヘッド部１０は、保持台１２に保持された被検レンズ５０の上方において、光軸Ｏおよび中心軸線Ｃを鉛直軸に整列させた状態で、図示略の支持部材によって支持されている。
装置本体部２０は、光源２１、分岐光ファイバ２２、分光器２３（分光測定部）、撮像素子２４（分光測定部）、および制御ユニット３０を備える。
光源２１は、一定の波長範囲において連続的な波長分布を有する光源であれば、特に限定されず、例えば、白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、ハロゲンランプ、キセノンランプ等の光源を採用することができる。
本実施形態では、このような光源２１の一例として、少なくとも可視波長域で連続的な波長分布を有する白色ＬＥＤを採用している。
本実施形態では、このような光源２１の一例として、少なくとも可視波長域で連続的な波長分布を有する白色ＬＥＤを採用している。
分岐光ファイバ２２は、光源２１から出射された光を、光ファイバ１１のファイバ端面１１ｂを通して、光ファイバ１１内に導光するとともに、ファイバ端面１１ｂから出射された光を分岐して分光器２３に導く装置部分である。
このため、分岐光ファイバ２２は、接続ポートとして、光ファイバ２２ａ、２２ｂ、２２ｃを有しており、これにより、光ファイバ２２ｂに入射した光を光ファイバ２２ａに導光するとともに、光ファイバ２２ａに入射した光を光ファイバ２２ｃに導光できるようになっている。
光ファイバ２２ａの端部は、光ファイバ１１のファイバ端面１１ｂ側の端部と図示略の光コネクタを介して光学的に接続されている。
光ファイバ２２ｂの端部は、光源２１と図示略の光コネクタを介して光学的に接続されている。
光ファイバ２２ｃの端部は、後述する分光器２３と図示略の光コネクタを介して光学的に接続されている。
このため、分岐光ファイバ２２は、接続ポートとして、光ファイバ２２ａ、２２ｂ、２２ｃを有しており、これにより、光ファイバ２２ｂに入射した光を光ファイバ２２ａに導光するとともに、光ファイバ２２ａに入射した光を光ファイバ２２ｃに導光できるようになっている。
光ファイバ２２ａの端部は、光ファイバ１１のファイバ端面１１ｂ側の端部と図示略の光コネクタを介して光学的に接続されている。
光ファイバ２２ｂの端部は、光源２１と図示略の光コネクタを介して光学的に接続されている。
光ファイバ２２ｃの端部は、後述する分光器２３と図示略の光コネクタを介して光学的に接続されている。
分光器２３は、凹面ミラー２３ａ、回折格子２３ｂ、および集光レンズ２３ｃを備える。分光器２３において、凹面ミラー２３ａに対向する位置には、分岐光ファイバ２２の光ファイバ２２ｃの端部が配置されている。
凹面ミラー２３ａは、ファイバ端面１１ａに入射して光ファイバ１１および分岐光ファイバ２２に導光され、光ファイバ２２ｃから出射される発散光を集光して、回折格子２３ｂに照射する光学素子である。
回折格子２３ｂは、凹面ミラー２３ａで反射された光束を回折して分光する光学素子である。
集光レンズ２３ｃは、回折格子２３ｂによって分光された光を像面に集光するレンズまたはレンズ群である。
凹面ミラー２３ａは、ファイバ端面１１ａに入射して光ファイバ１１および分岐光ファイバ２２に導光され、光ファイバ２２ｃから出射される発散光を集光して、回折格子２３ｂに照射する光学素子である。
回折格子２３ｂは、凹面ミラー２３ａで反射された光束を回折して分光する光学素子である。
集光レンズ２３ｃは、回折格子２３ｂによって分光された光を像面に集光するレンズまたはレンズ群である。
撮像素子２４は、分光器２３から出射する光を光電変換して光の強度を測定することにより、分光スペクトルを取得する装置部分であり、例えば、ラインＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）やラインＣＣＤ（Charge Coupled Device）、あるいは２次元のＣＭＯＳや２次元のＣＣＤを採用することができる。
撮像素子２４は、後述する制御ユニット３０と電気的に接続されており、このため、撮像素子２４によって光電変換された画像信号は制御ユニット３０に送出される。
このような構成の分光器２３と撮像素子２４とは、ファイバ端面１１ａに集光された光の分光スペクトルを取得する分光測定部を構成している。
なお、分光測定部において、分光器２３の構成は一例であって、光ファイバ２２ａから出射される光を分光できる装置構成であれば、分光器２３の装置構成以外の構成を採用することもできる。例えば、分光器２３に代えて、回折格子を用い、これを回転させて撮像素子２４に到達する光の波長を変化させるモノクロメーターを採用することも可能である。
撮像素子２４は、後述する制御ユニット３０と電気的に接続されており、このため、撮像素子２４によって光電変換された画像信号は制御ユニット３０に送出される。
このような構成の分光器２３と撮像素子２４とは、ファイバ端面１１ａに集光された光の分光スペクトルを取得する分光測定部を構成している。
なお、分光測定部において、分光器２３の構成は一例であって、光ファイバ２２ａから出射される光を分光できる装置構成であれば、分光器２３の装置構成以外の構成を採用することもできる。例えば、分光器２３に代えて、回折格子を用い、これを回転させて撮像素子２４に到達する光の波長を変化させるモノクロメーターを採用することも可能である。
制御ユニット３０は、面間隔測定装置１００の動作制御を行うとともに、撮像素子２４が取得した分光スペクトルに基づいて、面間隔の算出を行う装置部分である。
制御ユニット３０には、制御ユニット３０に送出された分光スペクトルの情報や制御ユニット３０によって算出された面間隔などの情報をグラフや数値情報として表示する表示部２５と、制御ユニット３０に操作入力を行うため、例えばキーボード、マウス、操作ボタンなどからなる操作部２６とが接続されている。
図２に示すように、制御ユニット３０の機能構成は、測定制御部３１、面間隔算出部３２、および記憶部３３を備える。
制御ユニット３０には、制御ユニット３０に送出された分光スペクトルの情報や制御ユニット３０によって算出された面間隔などの情報をグラフや数値情報として表示する表示部２５と、制御ユニット３０に操作入力を行うため、例えばキーボード、マウス、操作ボタンなどからなる操作部２６とが接続されている。
図２に示すように、制御ユニット３０の機能構成は、測定制御部３１、面間隔算出部３２、および記憶部３３を備える。
測定制御部３１は、操作部２６が接続されるともに、光源２１、移動ステージ１３、撮像素子２４、面間隔算出部３２、記憶部３３、および表示部２５と通信可能に接続され、操作部２６からの操作入力に基づいて、これらの動作を制御したり、これらから必要に応じてデータを取得したり、取得したデータを適宜演算処理するものである。
測定制御部３１が行う動作の例としては、例えば、光源２１の点灯および消灯の制御、移動ステージ１３の移動制御、撮像素子２４による撮像動作制御、撮像素子２４から画像信号の取得、取得した分光スペクトルのＡ／Ｄ変換処理、面間隔算出開始制御、操作部２６から入力された情報を記憶部３３に記憶させる動作、表示部２５に種々のデータ、操作画面、操作ガイダンスなどを表示させる動作等を挙げることができる。Ａ／Ｄ変換された分光スペクトルは、測定制御部３１により必要に応じてノイズ除去処理などが行われた後、記憶部３３に記憶される。
測定制御部３１が行う演算処理の例としては、例えば、分光スペクトルのノイズ除去処理や、分光スペクトルのピーク検出処理などを挙げることができる。
測定制御部３１が行う演算処理の例としては、例えば、分光スペクトルのノイズ除去処理や、分光スペクトルのピーク検出処理などを挙げることができる。
面間隔算出部３２は、記憶部３３に記憶された分光スペクトルに基づいて、被検レンズ５０の面間隔を算出するもので、本実施形態では、光線追跡ソフトに相当する演算機能を有している。面間隔の算出方法については後述の動作説明の中で説明する。
面間隔算出部３２は、表示部２５と通信可能に接続され、面間隔算出部３２が算出に用いた分光スペクトル、面間隔算出部３２が算出した面間隔等の情報、測定制御部３１から送出された情報などを、必要に応じて表示部２５に表示できるようになっている。
面間隔算出部３２は、表示部２５と通信可能に接続され、面間隔算出部３２が算出に用いた分光スペクトル、面間隔算出部３２が算出した面間隔等の情報、測定制御部３１から送出された情報などを、必要に応じて表示部２５に表示できるようになっている。
記憶部３３は、測定制御部３１および面間隔算出部３２と通信可能に接続され、測定制御部３１および面間隔算出部３２から送出される各種データを読み出し可能に記憶するものである。
測定制御部３１の装置構成は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース、外部記憶装置などからなるコンピュータからなり、これにより上記の各制御機能、演算機能に実現する制御プログラム、演算プログラムが実行されるようになっている。
次に、本実施形態の面間隔測定装置１００の動作について、本実施形態の光学素子の面間隔測定方法を中心に説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態の光学素子の面間隔測定方法の測定フローを示すフローチャートである。図４は、本発明の第１の実施形態の光学素子の面間隔測定装置による分光スペクトルの一例を示す模式的なグラフである。グラフの横軸は波長λを表し、縦軸は強度Ｉを示す。図５は、本発明の第１の実施形態の光学素子の面間隔測定装置による面間隔の測定原理について説明する模式図である。
図３は、本発明の第１の実施形態の光学素子の面間隔測定方法の測定フローを示すフローチャートである。図４は、本発明の第１の実施形態の光学素子の面間隔測定装置による分光スペクトルの一例を示す模式的なグラフである。グラフの横軸は波長λを表し、縦軸は強度Ｉを示す。図５は、本発明の第１の実施形態の光学素子の面間隔測定装置による面間隔の測定原理について説明する模式図である。
面間隔測定装置１００によって、被検レンズ５０の面間隔を測定するには、図３に示す測定フローに従って、ステップＳ１〜Ｓ７を実行する。
ステップＳ１は、測定制御部３１が測定光学系３の情報を取得するステップである。
記憶部３３には、装置本体部２０に接続されたヘッド部１０における測定光学系３の光学パラメータが予め記憶されている。
測定者によって、面間隔測定装置１００に電源が投入されると、測定制御部３１は、記憶部３３に記憶されている光学パラメータをメモリに読み込む。これにより、測定光学系３の光学パラメータが、測定制御部３１および面間隔算出部３２によって利用可能になる。
ここで、光学パラメータは、光線追跡に必要なすべての設計データであり、例えば、測定光学系３のレンズ面の位置座標、曲率半径等の面形状データ、屈折率等の硝材データを含んでいる。
面形状データは、球面であれば、曲率半径のみでよいが、球面以外の場合には面形状を表す数式のパラメータも予め記憶されている。
屈折率は波長の関数となるため、例えば、セルマイヤーの分散式等の近似式として記憶しておき、各波長の値が求まるようにしている。
以上でステップＳ１が終了する。
記憶部３３には、装置本体部２０に接続されたヘッド部１０における測定光学系３の光学パラメータが予め記憶されている。
測定者によって、面間隔測定装置１００に電源が投入されると、測定制御部３１は、記憶部３３に記憶されている光学パラメータをメモリに読み込む。これにより、測定光学系３の光学パラメータが、測定制御部３１および面間隔算出部３２によって利用可能になる。
ここで、光学パラメータは、光線追跡に必要なすべての設計データであり、例えば、測定光学系３のレンズ面の位置座標、曲率半径等の面形状データ、屈折率等の硝材データを含んでいる。
面形状データは、球面であれば、曲率半径のみでよいが、球面以外の場合には面形状を表す数式のパラメータも予め記憶されている。
屈折率は波長の関数となるため、例えば、セルマイヤーの分散式等の近似式として記憶しておき、各波長の値が求まるようにしている。
以上でステップＳ１が終了する。
なお、被検レンズ５０の種類によってヘッド部１０を交換する必要がある場合には、交換時に光学パラメータも更新しておく。
あるいは、交換可能なヘッド部１０ごとの光学パラメータをデータベース化して、記憶部３３に記憶しておき、測定者が、交換時に必要な光学パラメータを選択できるようにすることも可能である。
さらに、ヘッド部１０に識別情報を記憶させておき、交換時に測定制御部３１がヘッド部１０の識別情報を読み取ることができるようにしておけば、ヘッド部１０の交換とともに、測定制御部３１が必要な光学パラメータを自動設定することも可能である。
あるいは、交換可能なヘッド部１０ごとの光学パラメータをデータベース化して、記憶部３３に記憶しておき、測定者が、交換時に必要な光学パラメータを選択できるようにすることも可能である。
さらに、ヘッド部１０に識別情報を記憶させておき、交換時に測定制御部３１がヘッド部１０の識別情報を読み取ることができるようにしておけば、ヘッド部１０の交換とともに、測定制御部３１が必要な光学パラメータを自動設定することも可能である。
次に、ステップＳ２を行う。本ステップは、測定制御部３１が被検光学素子である被検レンズ５０の設計データを取得するステップである。
ここで、被検レンズ５０の設計データとしては、少なくとも、ヘッド部１０に対向する位置に配置された光学面（本実施形態の例では第１面５０ａ）の曲率半径等の面形状データと、被検レンズ５０の屈折率等の硝材データとを含んでいる。硝材データは、測定光学系３の硝材データの場合と同様の近似式で与えられる。
また、面間隔の計算には必要ないが、第２面５０ｂの面形状データや、面間隔の設計データも併せて取得できるようにしてもよい。
これらの設計データは、測定者が、対話入力等によって、測定の都度、操作部２６から入力して測定制御部３１に取得させることができる。ただし、予め、測定を行う予定の複数の光学素子の設計データをデータベース化して記憶部３３に記憶しておき、測定者の選択した設計データを、測定制御部３１に取得させるようにすればより好ましい。
以上で、ステップＳ２が終了する。
ここで、被検レンズ５０の設計データとしては、少なくとも、ヘッド部１０に対向する位置に配置された光学面（本実施形態の例では第１面５０ａ）の曲率半径等の面形状データと、被検レンズ５０の屈折率等の硝材データとを含んでいる。硝材データは、測定光学系３の硝材データの場合と同様の近似式で与えられる。
また、面間隔の計算には必要ないが、第２面５０ｂの面形状データや、面間隔の設計データも併せて取得できるようにしてもよい。
これらの設計データは、測定者が、対話入力等によって、測定の都度、操作部２６から入力して測定制御部３１に取得させることができる。ただし、予め、測定を行う予定の複数の光学素子の設計データをデータベース化して記憶部３３に記憶しておき、測定者の選択した設計データを、測定制御部３１に取得させるようにすればより好ましい。
以上で、ステップＳ２が終了する。
次に、ステップＳ３を行う。本ステップは、被検レンズ５０を保持台１２に保持するステップである。
測定者は、第１面５０ａを上方に向けた状態で被検レンズ５０を保持台１２に保持させ、必要に応じて、移動ステージ１３による位置調整を行って、被検レンズ５０のレンズ光軸が測定光学系３の光軸Ｏと同軸となるように位置合わせを行う。
被検レンズ５０の光軸Ｏに沿う方向の位置は、光源２１の波長範囲において、第１面５０ａおよび第２面５０ｂにそれぞれ合焦する波長光が存在する位置であれば、特に限定されない。一例として、光源２１の波長範囲の中心波長光が、被検レンズ５０の面間隔の中心に集光されるような位置とすることができる。
以上で、ステップＳ３が終了する。
測定者は、第１面５０ａを上方に向けた状態で被検レンズ５０を保持台１２に保持させ、必要に応じて、移動ステージ１３による位置調整を行って、被検レンズ５０のレンズ光軸が測定光学系３の光軸Ｏと同軸となるように位置合わせを行う。
被検レンズ５０の光軸Ｏに沿う方向の位置は、光源２１の波長範囲において、第１面５０ａおよび第２面５０ｂにそれぞれ合焦する波長光が存在する位置であれば、特に限定されない。一例として、光源２１の波長範囲の中心波長光が、被検レンズ５０の面間隔の中心に集光されるような位置とすることができる。
以上で、ステップＳ３が終了する。
なお、上記ステップＳ１〜Ｓ３の実行順序は、この順序には限定されず、互いに入れ替えたり、並行して実行したりすることが可能である。
次に、ステップＳ４を行う。本ステップは、被検レンズ５０に測定光を照射して、その反射光の分光スペクトルを取得するステップである。
本ステップは、測定者が操作部２６から測定開始の操作入力を行うと、測定制御部３１の測定動作制御が始まり、以下に説明する動作が自動的に実行される。
まず、測定制御部３１により、光源２１が点灯されて、測定光が被検レンズ５０に照射される（光照射工程）。
すなわち、光源２１から出射された光は、図１に示すように、光ファイバ２２ｂに光結合され、分岐光ファイバ２２、光ファイバ１１を導光されて、ファイバ端面１１ａから発散光である光束Ｌとして出射される。
光束Ｌは、コリメータレンズ２によって集光されて、光軸Ｏに沿って進む平行光束となり、回折レンズ１に入射する。
回折レンズ１に入射した光束Ｌは、回折レンズ１によって集光され、収束光として被検レンズ５０に向かう。このとき、回折レンズ１は色収差を有するため、波長によって集光位置がずれる。
本ステップは、測定者が操作部２６から測定開始の操作入力を行うと、測定制御部３１の測定動作制御が始まり、以下に説明する動作が自動的に実行される。
まず、測定制御部３１により、光源２１が点灯されて、測定光が被検レンズ５０に照射される（光照射工程）。
すなわち、光源２１から出射された光は、図１に示すように、光ファイバ２２ｂに光結合され、分岐光ファイバ２２、光ファイバ１１を導光されて、ファイバ端面１１ａから発散光である光束Ｌとして出射される。
光束Ｌは、コリメータレンズ２によって集光されて、光軸Ｏに沿って進む平行光束となり、回折レンズ１に入射する。
回折レンズ１に入射した光束Ｌは、回折レンズ１によって集光され、収束光として被検レンズ５０に向かう。このとき、回折レンズ１は色収差を有するため、波長によって集光位置がずれる。
したがって、第１面５０ａ、第２面５０ｂには、波長によって異なるスポット径の光束が照射され、それぞれの反射光のうち、回折レンズ１の開口角の範囲に入射した反射光のみが、回折レンズ１およびコリメータレンズ２によって集光される。
このとき、ファイバ端面１１ａの開口角の範囲に入射した反射光のみが、光ファイバ１１に入射する。
このように、測定光学系３および光ファイバ１１からなる光学系は、共焦点光学系を構成しているため、光ファイバ１１に戻る反射光の光強度が大きくなるのは、測定光学系３によって、ファイバ端面１１ａと共役な位置関係とされた反射面での反射光である。すなわち、第１面５０ａ、第２面５０ｂのそれぞれの面頂に集光される光束である。
このとき、ファイバ端面１１ａの開口角の範囲に入射した反射光のみが、光ファイバ１１に入射する。
このように、測定光学系３および光ファイバ１１からなる光学系は、共焦点光学系を構成しているため、光ファイバ１１に戻る反射光の光強度が大きくなるのは、測定光学系３によって、ファイバ端面１１ａと共役な位置関係とされた反射面での反射光である。すなわち、第１面５０ａ、第２面５０ｂのそれぞれの面頂に集光される光束である。
回折レンズ１は、光軸Ｏに沿う方向の色収差を有するため、例えば、波長λａの光束Ｌａが第１面５０ａの面頂に集光され、波長λｂ（ただし、λａ＞λｂ）の光束Ｌｂが第２面５０ｂの面頂に集光される。
これらの面頂で反射された光束Ｌａ、Ｌｂは、その略すべてが回折レンズ１の開口角の範囲に入射し、回折レンズ１およびコリメータレンズ２によって集光され、一定の集光位置であるファイバ端面１１ａに集光される（集光工程）。
これにより、光束Ｌａ、Ｌｂが、光ファイバ１１に光結合される。
これらの面頂で反射された光束Ｌａ、Ｌｂは、その略すべてが回折レンズ１の開口角の範囲に入射し、回折レンズ１およびコリメータレンズ２によって集光され、一定の集光位置であるファイバ端面１１ａに集光される（集光工程）。
これにより、光束Ｌａ、Ｌｂが、光ファイバ１１に光結合される。
波長λａ、λｂ以外の波長光は、回折レンズ１の開口角の範囲外に入射したり、測定光学系３に入射しても光軸Ｏ上にはほとんど集光されなかったりするため、ファイバ端面１１ａにほとんど入射せず、光量損失となる。
このようにして、光ファイバ１１に入射した光は、光ファイバ２２ａに入射し、分岐光ファイバ２２で分岐されて、光束Ｌａ、Ｌｂが混在した発散光である光束Ｌｒとして、光ファイバ２２ｂの端部から出射される。
光束Ｌｒは、凹面ミラー２３ａによって、反射されるとともに集光されて、回折格子２３ｂに入射する。
回折格子２３ｂでは、光束Ｌｒは、波長に応じて、異なる方向に回折され、集光レンズ２３ｃによって、撮像素子２４の撮像面上においてそれぞれ異なる位置の画素上に集光される。
光束Ｌｒは、凹面ミラー２３ａによって、反射されるとともに集光されて、回折格子２３ｂに入射する。
回折格子２３ｂでは、光束Ｌｒは、波長に応じて、異なる方向に回折され、集光レンズ２３ｃによって、撮像素子２４の撮像面上においてそれぞれ異なる位置の画素上に集光される。
測定制御部３１は、撮像素子２４から画像信号を取得し、Ａ／Ｄ変換を行って、必要に応じてノイズ除去処理などを行うことにより、波長λと強度Ｉとの関係を示す分光スペクトルのデータ（図４参照）に変換する。このようにして分光スペクトルのデータが取得される（分光工程）。この分光スペクトルのデータは、対応する波長データとともに記憶部３３に記憶させる。
ここで、分光スペクトルにおける波長は、分光器２３の設計仕様と撮像素子２４の画素ピッチとの関係から容易に換算することができる。
また、分光スペクトルのデータは、必要に応じて、例えば、図４に示すようなグラフとして、表示部２５に表示することが可能である。
ここで、分光スペクトルにおける波長は、分光器２３の設計仕様と撮像素子２４の画素ピッチとの関係から容易に換算することができる。
また、分光スペクトルのデータは、必要に応じて、例えば、図４に示すようなグラフとして、表示部２５に表示することが可能である。
分光スペクトルは、図４に曲線２００によって一例を示すように、波長λｂ、λａに対応する２位置で、強度Ｉが鋭いピークを有し、その他の波長に対応する位置では強度Ｉが略０（０の場合も含む）になる分布を示す。
以上で、ステップＳ４が終了する。
以上で、ステップＳ４が終了する。
次に、ステップＳ５を行う。本ステップは、分光スペクトルのピーク波長λａ、λｂを測定するステップである。
測定制御部３１は、分光スペクトルのデータを相互に比較して、図４に示すピーク値２００ｂ、２００ａを検出するとともに、ピーク値２００ｂ、２００ａを与える波長λｂ、λａを求める。これにより、ピーク波長λｂ、λａが測定される。
λａ＞λｂであるため、λａが第１面５０ａでの反射光の波長、λｂが第２面５０ｂでの反射光の波長であることが分かる。
測定制御部３１は、このピーク波長λａ、λｂを記憶部３３に記憶させる。
以上で、ステップＳ５が終了する。
測定制御部３１は、分光スペクトルのデータを相互に比較して、図４に示すピーク値２００ｂ、２００ａを検出するとともに、ピーク値２００ｂ、２００ａを与える波長λｂ、λａを求める。これにより、ピーク波長λｂ、λａが測定される。
λａ＞λｂであるため、λａが第１面５０ａでの反射光の波長、λｂが第２面５０ｂでの反射光の波長であることが分かる。
測定制御部３１は、このピーク波長λａ、λｂを記憶部３３に記憶させる。
以上で、ステップＳ５が終了する。
ステップＳ５では、撮像素子２４の分解能が十分高ければ、画素単位の強度を比較してピーク波長を求めてもよいが、例えば、スプライン補間等の技術を用いてピーク波長を求めることも可能である。この場合、撮像素子２４の画素ピッチで決まる分解能以上の分解能でピーク波長を求めることができるため、より高精度の測定値が可能である。
測定制御部３１は、ステップＳ５が終了すると、面間隔算出部３２に面間隔の算出を開始する制御信号を送出し、面間隔算出部３２によってステップＳ６、Ｓ７を実行させる。
ステップＳ６は、ピーク波長λｂに対応する被検レンズ５０の屈折率を算出するステップである。
面間隔算出部３２は、ステップＳ２で取得された屈折率の近似式等の情報に基づいて、ピーク波長λｂにおける被検レンズ５０の硝材の屈折率ｎλｂを算出し、メモリに記憶する。
以上で、ステップＳ６が終了する。
面間隔算出部３２は、ステップＳ２で取得された屈折率の近似式等の情報に基づいて、ピーク波長λｂにおける被検レンズ５０の硝材の屈折率ｎλｂを算出し、メモリに記憶する。
以上で、ステップＳ６が終了する。
ステップＳ７は、面間隔算出部３２が被検レンズ５０の面間隔を算出するステップである。
上記ステップＳ５において、分光スペクトルのピーク波長λａ、λｂが測定されたことにより、図５に示すように、波長λａの光束Ｌａが回折レンズ１を出射後、第１面５０ａの面頂に集光され、波長λｂの光束Ｌｂが回折レンズ１を出射後、集光されて第１面５０ａで屈折され、第２面５０ｂの面頂に集光されていることが分かる。
以下、回折レンズ１の出射面と第１面５０ａとの間の面間隔をｄ１、被検レンズ５０の面間隔をｄ５０、回折レンズ１の出射面と第２面５０ｂとの間の面間隔をＤと表す。
上記ステップＳ５において、分光スペクトルのピーク波長λａ、λｂが測定されたことにより、図５に示すように、波長λａの光束Ｌａが回折レンズ１を出射後、第１面５０ａの面頂に集光され、波長λｂの光束Ｌｂが回折レンズ１を出射後、集光されて第１面５０ａで屈折され、第２面５０ｂの面頂に集光されていることが分かる。
以下、回折レンズ１の出射面と第１面５０ａとの間の面間隔をｄ１、被検レンズ５０の面間隔をｄ５０、回折レンズ１の出射面と第２面５０ｂとの間の面間隔をＤと表す。
面間隔ｄ１は、ファイバ端面１１ａから出射された波長λａの光束Ｌａの測定光学系３による像面と、回折レンズ１の出射面との間の間隔になっている。このため、ステップＳ１で取得された測定光学系３の光学パラメータの情報と、ステップＳ５で取得された波長λａの情報とを用いて計算することができる。計算手段としては、例えば、スネルの法則を用いた光線追跡を挙げることができる。本実施形態では、面間隔算出部３２における光線追跡ソフトを用いている。
面間隔Ｄは、ファイバ端面１１ａから出射された波長λｂの光束Ｌｂの測定光学系３および第１面５０ａによる像面と、回折レンズ１の出射面との間の間隔になっている。
光束Ｌｂは、被検レンズ５０が配置されていないと、回折レンズ１の色収差によって、光束Ｌａよりも光路長が長くなり、図５に二点鎖線で示す光束Ｌｂ’のように、被検レンズ５０よりも像側の位置に集光される。しかし、被検レンズ５０が配置されるため、第１面５０ａの屈折作用によって第２面５０ｂの面頂位置に集光されている。
したがって、面間隔Ｄは、ステップＳ１で取得された測定光学系３の光学パラメータの情報と、ステップＳ２、Ｓ５、Ｓ６でそれぞれ取得された、第１面５０ａの曲率形状データ、波長λｂ、屈折率ｎλｂの情報とを用いて、面間隔ｄ１と同様の光線追跡によって計算することができる。
光束Ｌｂは、被検レンズ５０が配置されていないと、回折レンズ１の色収差によって、光束Ｌａよりも光路長が長くなり、図５に二点鎖線で示す光束Ｌｂ’のように、被検レンズ５０よりも像側の位置に集光される。しかし、被検レンズ５０が配置されるため、第１面５０ａの屈折作用によって第２面５０ｂの面頂位置に集光されている。
したがって、面間隔Ｄは、ステップＳ１で取得された測定光学系３の光学パラメータの情報と、ステップＳ２、Ｓ５、Ｓ６でそれぞれ取得された、第１面５０ａの曲率形状データ、波長λｂ、屈折率ｎλｂの情報とを用いて、面間隔ｄ１と同様の光線追跡によって計算することができる。
面間隔ｄ５０は、面間隔算出部３２によって、上記のように、ｄ１、Ｄを算出した後、ｄ５０＝Ｄ−ｄ１として算出される。
算出された面間隔ｄ５０は、表示部２５に送出され、例えば、数値情報として表示部２５に表示される。
以上で、ステップＳ７が終了し、被検レンズ５０の面間隔の測定が終了する。
これにより、本実施形態の光学素子の面間隔測定方法が終了する。
算出された面間隔ｄ５０は、表示部２５に送出され、例えば、数値情報として表示部２５に表示される。
以上で、ステップＳ７が終了し、被検レンズ５０の面間隔の測定が終了する。
これにより、本実施形態の光学素子の面間隔測定方法が終了する。
上記ステップＳ５〜Ｓ７は、分光スペクトルのピーク波長λａ、λｂを求めることにより、第１面５０ａの反射光の波長λａと、第２面５０ｂの反射光の波長λｂとを測定し、被検レンズ５０の屈折率ｎλｂの情報と第１面５０ａの面形状の情報とに基づいて、第１面５０ａと第２面５０ｂとの間の面間隔ｄ５０を算出する面間隔算出工程を構成している。
このように、面間隔測定装置１００を用いた本実施形態の光学素子の面間隔測定方法によれば、色収差を有する測定光学系３によってファイバ端面１１ａに集光された被検レンズ５０の第１面５０ａおよび第２面５０ｂからの反射光の分光スペクトルに基づいて反射光の波長λａ、λｂを算出し、被検レンズ５０の屈折率ｎλｂの情報と第１面５０ａの面形状の情報とに基づいて、面間隔ｄ５０を算出する。
このため、例えば、干渉装置を用いた面間隔測定装置に比べると、簡素な構成によって、光学素子の面間隔を非接触測定することができる。
また、測定光を被検レンズ５０に照射するのみで測定を行うことができるため、例えば、干渉測定を用いた面間隔測定装置や、参照面を移動して面間隔を測定する面間隔測定装置に比べると、きわめて１迅速に測定することができる。
また、第１面５０ａによる屈折作用を考慮して、面間隔を算出するため、被検光学素子が曲率を有している場合でも、正確な測定を行うことができる。
このため、例えば、干渉装置を用いた面間隔測定装置に比べると、簡素な構成によって、光学素子の面間隔を非接触測定することができる。
また、測定光を被検レンズ５０に照射するのみで測定を行うことができるため、例えば、干渉測定を用いた面間隔測定装置や、参照面を移動して面間隔を測定する面間隔測定装置に比べると、きわめて１迅速に測定することができる。
また、第１面５０ａによる屈折作用を考慮して、面間隔を算出するため、被検光学素子が曲率を有している場合でも、正確な測定を行うことができる。
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態の光学素子の面間隔測定装置および面間隔測定方法について説明する。
図６は、本発明の第２の実施形態の光学素子の面間隔測定装置の制御ユニットの機能構成を示す機能ブロック図である。
次に、本発明の第２の実施形態の光学素子の面間隔測定装置および面間隔測定方法について説明する。
図６は、本発明の第２の実施形態の光学素子の面間隔測定装置の制御ユニットの機能構成を示す機能ブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の面間隔測定装置１１０（光学素子の面間隔測定装置）は、上記第１の実施形態の面間隔測定装置１００の制御ユニット３０に代えて、制御ユニット４０を備える。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
制御ユニット４０は、図６に示すように、上記第１の実施形態の制御ユニット３０の測定制御部３１に代えて、測定制御部４１を備え、面間隔算定部４４を追加したものである。
測定制御部４１は、移動ステージ１３によって被検レンズ５０を光軸Ｏに沿って移動させて、２位置以上で、分光測定部から分光スペクトルを取得し、面間隔算出部３２によって分光スペクトルのそれぞれから複数の面間隔を算出させる点が、測定制御部３１と異なる。
このため、本実施形態において、移動ステージ１３は、被検光学素子を測定光学系の光軸に沿って移動する移動部を構成している。
測定制御部４１は、移動ステージ１３によって被検レンズ５０を光軸Ｏに沿って移動させて、２位置以上で、分光測定部から分光スペクトルを取得し、面間隔算出部３２によって分光スペクトルのそれぞれから複数の面間隔を算出させる点が、測定制御部３１と異なる。
このため、本実施形態において、移動ステージ１３は、被検光学素子を測定光学系の光軸に沿って移動する移動部を構成している。
面間隔算定部４４は、面間隔算出部３２によって算出された複数の面間隔の算出値を用いて、面間隔の測定値を算定するものであり、面間隔算出部３２と通信可能に接続されている。
本実施形態では、面間隔算定部４４の一例として、複数の面間隔の算出値が一致しない場合に、第１面５０ａの面形状データを補正して面間隔算出部３２による複数の面間隔の算出を繰り返させ、この繰り返しによる複数の面間隔の算出値が一致した場合に、複数の面間隔の収束値を、面間隔の測定値として算定する構成を採用している。
面間隔の算出値の個数は、特に限定されないが、本実施形態では、２個の場合の例で説明する。
本実施形態では、面間隔算定部４４の一例として、複数の面間隔の算出値が一致しない場合に、第１面５０ａの面形状データを補正して面間隔算出部３２による複数の面間隔の算出を繰り返させ、この繰り返しによる複数の面間隔の算出値が一致した場合に、複数の面間隔の収束値を、面間隔の測定値として算定する構成を採用している。
面間隔の算出値の個数は、特に限定されないが、本実施形態では、２個の場合の例で説明する。
次に、本実施形態の面間隔測定装置１１０の動作について、本実施形態の光学素子の面間隔測定方法を中心に説明する。
図７は、本発明の第２の実施形態の光学素子の面間隔測定方法の測定フローを示すフローチャートである。図８は、本発明の第２の実施形態の光学素子の面間隔測定方法における面間隔算出の処理フローを示すフローチャートである。
図７は、本発明の第２の実施形態の光学素子の面間隔測定方法の測定フローを示すフローチャートである。図８は、本発明の第２の実施形態の光学素子の面間隔測定方法における面間隔算出の処理フローを示すフローチャートである。
面間隔測定装置１１０によって、被検レンズ５０の面間隔を測定するには、図７に示す測定フローに従って、ステップＳ１１〜Ｓ１９を実行する。
ステップＳ１１〜Ｓ１３は、上記第１の実施形態におけるステップＳ１〜Ｓ３と同様のステップである。
ステップＳ１４は、上記第１の実施形態における面間隔算出工程に相当するステップであり、図８に示す処理フローに従ってステップＳ２１〜Ｓ２４を行う。
ステップＳ２１〜Ｓ２４は、上記第１の実施形態におけるステップＳ４〜Ｓ７と同様なステップである。
このため、ステップＳ１１〜Ｓ１４を実行すると、上記第１の実施形態と同様にして、面間隔ｄ５０が算出される。
面間隔ｄ５０は、上記第１の実施形態と同様にして、記憶部３３に記憶され、表示部２５に表示される。また、面間隔算出部３２は、面間隔ｄ５０を面間隔算定部４４に送出する。
ステップＳ１４は、上記第１の実施形態における面間隔算出工程に相当するステップであり、図８に示す処理フローに従ってステップＳ２１〜Ｓ２４を行う。
ステップＳ２１〜Ｓ２４は、上記第１の実施形態におけるステップＳ４〜Ｓ７と同様なステップである。
このため、ステップＳ１１〜Ｓ１４を実行すると、上記第１の実施形態と同様にして、面間隔ｄ５０が算出される。
面間隔ｄ５０は、上記第１の実施形態と同様にして、記憶部３３に記憶され、表示部２５に表示される。また、面間隔算出部３２は、面間隔ｄ５０を面間隔算定部４４に送出する。
次に、図７に示すステップＳ１５を行う。本ステップは、被検レンズ５０を光軸Ｏに沿う方向に移動するステップである。
本ステップでは、測定制御部３１は、移動ステージ１３に制御信号を送出して、保持台１２を光軸Ｏに沿う方向に移動させることにより、保持台１２に保持された被検レンズ５０を同方向に移動する。
被検レンズ５０の移動位置は、光源２１の波長範囲において、第１面５０ａおよび第２面５０ｂにそれぞれ合焦する波長光が存在する位置であれば、特に限定されない。
以上でステップＳ１５が終了する。
本ステップでは、測定制御部３１は、移動ステージ１３に制御信号を送出して、保持台１２を光軸Ｏに沿う方向に移動させることにより、保持台１２に保持された被検レンズ５０を同方向に移動する。
被検レンズ５０の移動位置は、光源２１の波長範囲において、第１面５０ａおよび第２面５０ｂにそれぞれ合焦する波長光が存在する位置であれば、特に限定されない。
以上でステップＳ１５が終了する。
次に、ステップＳ１６を行う。本ステップは、面間隔算出工程を繰り返すステップであり、上記ステップＳ１４と同様なステップである。本ステップによって算出された面間隔の算出値をｄ５０’と表す。
面間隔ｄ５０’は、上記第１の実施形態と同様にして、記憶部３３に記憶され、表示部２５に表示される。また、面間隔算出部３２は、面間隔ｄ５０’を面間隔算定部４４に送出する。
以上で、ステップＳ１６が終了する。
面間隔ｄ５０’は、上記第１の実施形態と同様にして、記憶部３３に記憶され、表示部２５に表示される。また、面間隔算出部３２は、面間隔ｄ５０’を面間隔算定部４４に送出する。
以上で、ステップＳ１６が終了する。
次に、ステップＳ１７を行う。本ステップは、面間隔算定部４４によって、面間隔の算出値ｄ５０、ｄ５０’が一致するかどうか判定するステップである。
ここで「一致する」とは、面間隔の算出値ｄ５０、ｄ５０’の差が、予め設定された許容限度以下に収束することを意味する。
面間隔の算出値ｄ５０、ｄ５０’が一致すると判定された場合には、面間隔の算出値ｄ５０、ｄ５０’の収束値を、面間隔の測定値ｄとして算定する。
すなわち、面間隔の算出値ｄ５０、ｄ５０’が完全に一致した場合には、一致した値が収束値であり、許容限度以下の差をもって一致した場合には、残った差を丸めた数値が収束値である。
この面間隔の測定値ｄは、後述する第１面５０ａの修正済みの面形状データと設計データに基づく面形状データとの差である面形状誤差とともに、記憶部３３に記憶させ、表示部２５に表示する。これにより、ステップＳ１７が終了し、本実施形態の光学素子の面間隔測定方法が終了する。
面間隔の算出値ｄ５０、ｄ５０’が一致しないと判定された場合には、ステップＳ１８に移行する。
ここで「一致する」とは、面間隔の算出値ｄ５０、ｄ５０’の差が、予め設定された許容限度以下に収束することを意味する。
面間隔の算出値ｄ５０、ｄ５０’が一致すると判定された場合には、面間隔の算出値ｄ５０、ｄ５０’の収束値を、面間隔の測定値ｄとして算定する。
すなわち、面間隔の算出値ｄ５０、ｄ５０’が完全に一致した場合には、一致した値が収束値であり、許容限度以下の差をもって一致した場合には、残った差を丸めた数値が収束値である。
この面間隔の測定値ｄは、後述する第１面５０ａの修正済みの面形状データと設計データに基づく面形状データとの差である面形状誤差とともに、記憶部３３に記憶させ、表示部２５に表示する。これにより、ステップＳ１７が終了し、本実施形態の光学素子の面間隔測定方法が終了する。
面間隔の算出値ｄ５０、ｄ５０’が一致しないと判定された場合には、ステップＳ１８に移行する。
ステップＳ１８は、ステップＳ１７において、面間隔の算出値ｄ５０、ｄ５０’が一致しないと判定された場合に実行されるステップであって、第１面５０ａの面形状データを修正するステップである。
すなわち、面間隔算定部４４は、ステップＳ１２で取得された第１面５０ａの面形状データを予め設定された単位修正量だけ修正して、面間隔算出部３２に送出する。
修正を施した面形状データは、上記ステップＳ１７における面形状誤差の算出に用いるため、面間隔算定部４４に保持する。
以上で、ステップＳ１８が終了する。
すなわち、面間隔算定部４４は、ステップＳ１２で取得された第１面５０ａの面形状データを予め設定された単位修正量だけ修正して、面間隔算出部３２に送出する。
修正を施した面形状データは、上記ステップＳ１７における面形状誤差の算出に用いるため、面間隔算定部４４に保持する。
以上で、ステップＳ１８が終了する。
本ステップにおける単位修正量の修正方向（正負の符号）については、被検レンズ５０の設計データと、面間隔の算出値ｄ５０、ｄ５０’の大小関係とから面間隔算定部４４が判定する。
例えば、簡単のため、第１面５０ａが凸球面であるとき、上記ステップＳ１５では被検レンズ５０を物体側（測定光学系３に近づく方向）に移動した場合を考える。
この場合、面間隔ｄ１は、第１面５０ａの曲率半径とは無関係に測定されるが、面間隔Ｄは、第１面５０ａの製造誤差の影響を受ける。
つまり、例えば、第１面５０ａの曲率半径が設計データより小さければ、第１面５０ａの屈折力は設計値よりも大きくなっている。このため、ｄ５０’の測定（上記ステップＳ１６の測定）では、設計値よりも屈折力の大きなレンズ面が、物体側に移動している。
この場合、光束Ｌｂの像面は、ｄ５０、ｄ５０’のいずれの測定時（ステップＳ１４、Ｓ１６）でも、設計値よりも物体側にシフトしているが、第１面５０ａがより物体側に移動しているｄ５０’の測定時の方がシフト量は大きくなる。これは、設計データに基づく面間隔の算出（ステップＳ１６）においては、ｄ５０’を過大に算出してしまうことを意味しており、算出値は、ｄ５０’＞ｄ５０になっているはずである。
したがって、ステップＳ１７において、ｄ５０’＞ｄ５０であれば、単位修正量は第１面５０ａの曲率半径がより小さくなるように修正すれば、収束に近づくことになる。
なお、第１面５０ａが非球面等の場合には、光束Ｌｂの光束径が適宜の大きさに設定することで近軸領域の測定になるため、近軸曲率半径を修正すればよい。
例えば、簡単のため、第１面５０ａが凸球面であるとき、上記ステップＳ１５では被検レンズ５０を物体側（測定光学系３に近づく方向）に移動した場合を考える。
この場合、面間隔ｄ１は、第１面５０ａの曲率半径とは無関係に測定されるが、面間隔Ｄは、第１面５０ａの製造誤差の影響を受ける。
つまり、例えば、第１面５０ａの曲率半径が設計データより小さければ、第１面５０ａの屈折力は設計値よりも大きくなっている。このため、ｄ５０’の測定（上記ステップＳ１６の測定）では、設計値よりも屈折力の大きなレンズ面が、物体側に移動している。
この場合、光束Ｌｂの像面は、ｄ５０、ｄ５０’のいずれの測定時（ステップＳ１４、Ｓ１６）でも、設計値よりも物体側にシフトしているが、第１面５０ａがより物体側に移動しているｄ５０’の測定時の方がシフト量は大きくなる。これは、設計データに基づく面間隔の算出（ステップＳ１６）においては、ｄ５０’を過大に算出してしまうことを意味しており、算出値は、ｄ５０’＞ｄ５０になっているはずである。
したがって、ステップＳ１７において、ｄ５０’＞ｄ５０であれば、単位修正量は第１面５０ａの曲率半径がより小さくなるように修正すれば、収束に近づくことになる。
なお、第１面５０ａが非球面等の場合には、光束Ｌｂの光束径が適宜の大きさに設定することで近軸領域の測定になるため、近軸曲率半径を修正すればよい。
次に、ステップＳ１９を行う。本ステップは、修正された面形状データに基づいて、上記に説明したステップＳ２４（図８参照）と同様の面間隔算出工程を行って、面間隔の算出値ｄ５０、ｄ５０’を再計算するステップである。
面間隔算定部４４は、面間隔算出部３２に再計算を実行させる。
面間隔算出部３２は、修正された面形状データに基づいて面間隔の算出値ｄ５０、ｄ５０’を再計算し、再計算結果を、面間隔算定部４４に送出する。
以上で、ステップＳ１９が終了する。ステップＳ１９が終了したら、ステップＳ１７に移行し、上記と同様にして、ステップＳ１７〜Ｓ１９を繰り返す。
面間隔算定部４４は、面間隔算出部３２に再計算を実行させる。
面間隔算出部３２は、修正された面形状データに基づいて面間隔の算出値ｄ５０、ｄ５０’を再計算し、再計算結果を、面間隔算定部４４に送出する。
以上で、ステップＳ１９が終了する。ステップＳ１９が終了したら、ステップＳ１７に移行し、上記と同様にして、ステップＳ１７〜Ｓ１９を繰り返す。
このように、面間隔測定装置１１０を用いた本実施形態の光学素子の面間隔測定方法によれば、上記第１の実施形態と同様に、光学素子の面間隔を簡素な構成によって非接触測定することができる。
その際、複数の面間隔の算出値に基づいて面間隔を算定するため、被検レンズ５０の製造誤差や測定誤差の影響をより低減することができ、より正確な測定が可能である。
本実施形態では、被検レンズ５０の位置を移動して、分光スペクトルの測定を２回行うため、上記第１の実施形態に比べると測定時間は長くなるが、移動量は色収差の範囲に過ぎず、分光スペクトルの測定も、例えば、干渉計を用いた面間隔測定に比べると格段に短時間であるため、従来技術に比べると迅速な測定が行える。
また、追加された面間隔算定部は、その動作を行う制御プログラム、演算プログラムの追加のみで済むため、装置構成も簡素である。
その際、複数の面間隔の算出値に基づいて面間隔を算定するため、被検レンズ５０の製造誤差や測定誤差の影響をより低減することができ、より正確な測定が可能である。
本実施形態では、被検レンズ５０の位置を移動して、分光スペクトルの測定を２回行うため、上記第１の実施形態に比べると測定時間は長くなるが、移動量は色収差の範囲に過ぎず、分光スペクトルの測定も、例えば、干渉計を用いた面間隔測定に比べると格段に短時間であるため、従来技術に比べると迅速な測定が行える。
また、追加された面間隔算定部は、その動作を行う制御プログラム、演算プログラムの追加のみで済むため、装置構成も簡素である。
なお、上記各実施形態の説明では、面間隔測定装置において、測定光学系３と分光器２３とが、光ファイバ１１、分岐光ファイバ２２によって接続された場合の例で説明したが、これは一例であって、他の構成も可能である。
例えば、面間隔測定装置１００（１１０）において、ファイバ端面１１ａに相当する位置にピンホールを配置し、ピンホールを透過した光が分光器２３に入射するように、分光器２３を配置した構成も可能である。この場合、光ファイバ１１を省略し、分岐光ファイバ２２に代えて、光源とピンホールとが互いに共役な位置関係となるように、光源からの光束を測定光学系３に入射させるために、例えば、ハーフミラー等の光合成部を、回折レンズ１およびコリメータレンズ２の間、または回折レンズ１とピンホールとの間に設ければよい。
例えば、面間隔測定装置１００（１１０）において、ファイバ端面１１ａに相当する位置にピンホールを配置し、ピンホールを透過した光が分光器２３に入射するように、分光器２３を配置した構成も可能である。この場合、光ファイバ１１を省略し、分岐光ファイバ２２に代えて、光源とピンホールとが互いに共役な位置関係となるように、光源からの光束を測定光学系３に入射させるために、例えば、ハーフミラー等の光合成部を、回折レンズ１およびコリメータレンズ２の間、または回折レンズ１とピンホールとの間に設ければよい。
上記第１の実施形態の説明では、移動ステージ１３を有するものとして説明したが、第１の実施形態では、１つの分光スペクトルから面間隔を算出することができる。このため、面間隔の測定においては、移動ステージ１３は必須ではなく、移動ステージ１３を省略した構成も可能である。
上記第２の実施形態の説明では、面間隔を２位置で算出して面間隔を算定する場合の例で説明したが、測定誤差の影響を低減するため、３位置以上で面間隔を算出してもよい。この場合、各算出値が一致するかどうかは、例えば、算出値の平均値との差の平方和が許容限度以下になるかどうかで判定すればよい。
上記第２の実施形態の説明では、面間隔算定工程の一例として、第１面の面形状データを修正して面間隔を再計算して、収束値を求める場合の例で説明したが、面間隔算出工程で算出された複数の面間隔の算出値を用いて、面間隔の測定値を算定する工程であれば、面間隔算定工程はこのような工程には限定されない。
例えば、第１面の面形状誤差の影響を少ない場合には、被検光学素子を移動して、２位置以上で複数の面間隔を算出し、これら複数の面間隔の平均をとることで、面間隔を算定するようにしてもよい。
この場合、分光スペクトルの測定誤差や、色収差の誤差の影響などを平均化処理によって低減することができる。
例えば、第１面の面形状誤差の影響を少ない場合には、被検光学素子を移動して、２位置以上で複数の面間隔を算出し、これら複数の面間隔の平均をとることで、面間隔を算定するようにしてもよい。
この場合、分光スペクトルの測定誤差や、色収差の誤差の影響などを平均化処理によって低減することができる。
また、上記の実施形態で説明したすべての構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせたり、削除したりして実施することができる。
１ 回折レンズ
２ コリメータレンズ
３ 測定光学系
１０ ヘッド部
１１ 光ファイバ
１１ａ ファイバ端面（一定の集光位置）
１２ 保持台
１３ 移動ステージ（移動部）
２０ 装置本体部
２１ 光源
２２ 分岐光ファイバ
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ 光ファイバ
２３ 分光器（分光測定部）
２４ 撮像素子（分光測定部）
２５ 表示部
２６ 操作部
３０、４０ 制御ユニット
３１、４１ 測定制御部
３２ 面間隔算出部
４４ 面間隔算定部
５０ 被検レンズ（被検光学素子）
５０ａ 第１面
５０ｂ 第２面
１００、１１０ 面間隔測定装置（光学素子の面間隔測定装置）
Ｃ 中心軸線
Ｌ、Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｒ 光束
２ コリメータレンズ
３ 測定光学系
１０ ヘッド部
１１ 光ファイバ
１１ａ ファイバ端面（一定の集光位置）
１２ 保持台
１３ 移動ステージ（移動部）
２０ 装置本体部
２１ 光源
２２ 分岐光ファイバ
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ 光ファイバ
２３ 分光器（分光測定部）
２４ 撮像素子（分光測定部）
２５ 表示部
２６ 操作部
３０、４０ 制御ユニット
３１、４１ 測定制御部
３２ 面間隔算出部
４４ 面間隔算定部
５０ 被検レンズ（被検光学素子）
５０ａ 第１面
５０ｂ 第２面
１００、１１０ 面間隔測定装置（光学素子の面間隔測定装置）
Ｃ 中心軸線
Ｌ、Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｒ 光束
Claims (6)
- 連続的な波長分布を有する光源と、
色収差を有し、前記光源からの光束を収束光として被検光学素子の第１面および第２面にこの順に照射するとともに、前記収束光による前記第１面および第２面からの反射光を一定の集光位置に集光する測定光学系と、
前記集光位置に集光された前記反射光の分光スペクトルを取得する分光測定部と、
前記分光スペクトルのピーク波長を求めることにより、前記第１面の反射光の波長と、前記第２面の反射光の波長とを測定し、前記被検光学素子の屈折率の情報と前記第１面の面形状の情報とに基づいて、前記第１面と前記第２面との間の面間隔を算出する面間隔算出部と、
を備える、光学素子の面間隔測定装置。 - 前記被検光学素子を前記測定光学系の光軸に沿って移動する移動部と、
前記移動部によって前記被検光学素子を移動させて、２位置以上で、前記分光測定部から前記分光スペクトルを取得し、前記面間隔算出部によって前記分光スペクトルのそれぞれから複数の面間隔を算出させる測定制御部と、
前記複数の面間隔の算出値を用いて、面間隔の測定値を算定する面間隔算定部と、
を備える
ことを特徴とする、請求項１に記載の光学素子の面間隔測定装置。 - 前記面間隔算定部は、
前記複数の面間隔の算出値が一致しない場合に、前記第１面の面形状データを修正して、前記面間隔算出部に、前記複数の面間隔の再計算を行わせ、
この再計算による複数の面間隔の算出値が一致した場合に、該複数の面間隔の収束値を、面間隔の測定値として算定する
ことを特徴とする、請求項２に記載の光学素子の面間隔測定装置。 - 色収差を有する測定光学系から出射される、連続的な波長分布を有する収束光を、被検光学素子の第１面および第２面にこの順に照射する光照射工程と、
前記収束光による前記第１面および第２面からの反射光を前記測定光学系によって一定の集光位置に集光する集光工程と、
前記集光位置に集光された前記反射光の分光スペクトルを取得する分光工程と、
前記分光スペクトルのピーク波長を求めることにより、前記第１面の反射光の波長と、前記第２面の反射光の波長とを測定し、前記被検光学素子の屈折率の情報と前記第１面の面形状の情報とに基づいて、前記第１面と前記第２面との間の面間隔を算出する面間隔算出工程と、
を備える、光学素子の面間隔測定方法。 - 前記被検光学素子を前記測定光学系の光軸に沿って移動することにより、２位置以上で、前記分光工程、および前記面間隔算出工程を行った後に、
前記面間隔算出工程で算出された複数の面間隔の算出値を用いて、面間隔の測定値を算定する面間隔算定工程を備える
ことを特徴とする、請求項４に記載の光学素子の面間隔測定方法。 - 前記面間隔算定工程は、
前記複数の面間隔の算出値が一致しない場合に、前記第１面の面形状データを修正してから、前記面間隔算出工程を行って前記複数の面間隔を再計算し、
この再計算による複数の面間隔の算出値が一致した場合に、該複数の面間隔の収束値を、面間隔の測定値として算定する
ことを特徴とする、請求項５に記載の光学素子の面間隔測定方法。
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-
2013
- 2013-04-05 JP JP2013079872A patent/JP2014202642A/ja active Pending
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