JP3340199B2 - 非球面レンズの偏心測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一面のみが非球面であ
る非球面レンズの偏心測定に関し、より詳しく言えば、
一面のみが非球面である非球面レンズにおけるレンズの
光軸と非球面軸との成す角度を測定する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一面が球面で他面が非球面からなる非球
面レンズの光軸は、球面の曲率中心と参照球面（非球面
の基となる球面）の曲率中心とを結ぶ線であり、非球面
軸は、参照球面の曲率中心と非球面の頂点とを結ぶ線で
ある。そして、レンズが設計どおりに製作されていれ
ば、レンズ光軸は非球面軸と完全に一致する。

【０００３】しかし、実際にそのようなレンズを製造す
ることは不可能で、両軸にはわずかながら偏心と称する
ずれが生じる。したがって、非球面レンズを製作した場
合、出来上がったレンズの偏心を測定する必要がある。

【０００４】このような要請に基づき、従来から幾つか
の非球面レンズの偏心を測定する装置が提案されてい
る。特開平３−３７５４４号公報に記載の装置は、非球
面レンズとしての被検レンズをレンズホルダに取付け、
被検レンズをほぼその光軸回りに回転し、回転軸方向か
らレーザビームを照射し、被検レンズから反射されるス
ポット像を監視しながら被検レンズを回転軸と直角な方
向に移動し、回転軸と光軸とが一致するようにセッティ
ングずれを修正し、その後、偏心の測定をするものであ
る。

【０００５】また、その他にも種々の偏心測定装置が提
案されているが、どの装置も回転軸と光軸とが一致する
ようにセッティングずれを修正しなければならない。ま
た、測定精度を確保するために、この修正には１μｍ程
度の高精度が要求される。したがって、被検レンズのセ
ッティングずれの修正作業は熟練を要し、非常に時間が
掛かるものであった。

【０００６】この問題について本願の出願人は、特願平
５−２４８１号で、図５に示す偏心測定装置を提案して
いる。同図において、被検レンズ１は、一方の面１ａが
球面で、他方の面１ｂが非球面になっている。２は被検
レンズの保持手段で、被検レンズ１の球面１ａ側を円筒
形の縁部で吸着して支持する。３は駆動手段で、回転角
を正確に制御するためにステッピングモータを使用して
いる。４は回転角度センサで、回転原点位置を検知する
とともに、その原点からどれだけ回転したかを検知でき
る。５は光源で、６はビームスプリッタ、７は光学系で
２枚のレンズ７ａ，７ｂからなっている。２枚のレンズ
のうち、光源側の７ｂは入射光を平行光束にし、被検レ
ンズ側の７ａは、平行光束を被検面に集光させる。８は
光学系７の結像面に置かれたスポット位置検出手段で、
ＣＣＤカメラを使用している。９は電気マイクロからな
る変位計測手段で、被検レンズ１の非球面１ｂに当接し
ており、被検レンズの回転に伴い生じる光軸方向への変
位を測定する。１０は演算手段としてのコンピュータで
ある。

【０００７】被検レンズ１は、球面１ａを保持手段２に
把持され、駆動手段３によりほぼ光軸と一致する回転軸
まわりに回転される。光源５から射出された光線は光学
系７によって非球面１ｂの近軸曲率中心に集束するよう
に進み、被検レンズ１の表面に垂直に入射するように照
射され、反射されて光学系７を逆向きに通過し、スポッ
ト位置検知手段８にスポット像を結像する。このスポッ
ト像の位置は、被検レンズの光軸をあらわすので、被検
レンズ１が回転したとき、回転軸と光軸とが不一致であ
れば、スポット像は被検レンズの回転に伴い結像面で円
を描く。スポット位置検知手段８に結像されたスポット
像の位置を、スポット像の重心の座標として検知し、角
度センサ４でレンズの回転原点位置とスポット像との角
度を求め、円の半径からずれの大きさを求め、これらの
データから変位計測手段９による測定データを補正する
こととしている。この場合、被検レンズのセッティング
ずれを高精度に修正する必要はなくなる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の測定方
法において、前記スポット位置検知手段８の結像面の大
きさは限られているので、図６に示すように被検レンズ
１が偏って保持手段２に保持されていると、往復の光路
が矢印に示すように相違して、スポット像がスポット位
置検知手段８上に結像できなくなってしまう。そのた
め、被検レンズ１の位置を予め粗調整して、スポット位
置検知手段８上にスポット像が結像できるようにしてお
く必要があるが、この粗調整だけでもかなりの熟練を要
し、長い時間が掛かっていた。

【０００９】また、スポット像を結像させるために、光
学系７を光軸方向に進退させ、いわゆるピントの合った
状態に調整する必要があるが、それに伴い、光源５、結
像面となるスポット位置検知手段８も光軸上で動かす必
要があり、このピント合わせも非常に困難な作業であっ
た。

【００１０】さらに、粗調整を終えた後、回転軸と光軸
とを自動的に一致させる際に、非球面が凸面の場合と凹
面の場合とでは、スポット像のずれとレンズの偏り方向
が一致したり反対になったりする。そのために、被検面
が凸面の場合と同様の調整を凹面について行うと、偏り
を修正せずに、却って増幅してしまうことになる。

【００１１】本発明は、このような問題の解決を図った
もので、非球面レンズの光軸と非球面軸との偏心を測定
する際の、被検レンズの粗調整を含むセッティングが容
易にできる装置を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明の装置は、一面のみが非球面である被検レンズを保
持する保持手段と、該保持手段を被検レンズの光軸とほ
ぼ重なる回転軸回りに回転する駆動手段と、被検レンズ
の回転角度を検知する角度センサと、被検レンズに回転
軸方向から光を照射する光源と、被検レンズから反射さ
れた光のスポット像を結像する光学系と、該光学系の結
像面に設けられスポット像の位置を検知するスポット位
置検知手段と、被検レンズにおける被検面の光軸方向の
ぶれを実測する変位測定手段とを有する非球面レンズの
偏心測定装置において、前記保持手段に備える、前記被
検レンズの球面側を吸着して保持する保持部と、前記被
検レンズの外周縁に当接して該被検レンズを光軸と直交
する方向に移動させる押圧面を備えるアライメント調整
手段と、前記光軸から被検レンズの半径分だけ離れ、前
記スポット像を前記スポット位置検知手段上に結像する
粗調整位置と、スポット位置検知手段で検知したスポッ
ト位置に応じて被検レンズの回転軸と光軸とを一致させ
るために被検レンズを光軸と直交する方向に移動する調
整位置との間で前記押圧面を移動可能な駆動手段と、 前
記光源、前記光学系及び前記スポット位置検知手段を同
一のステージ上に固定し、該ステージを前記被検レンズ
の光軸に沿って進退させる駆動手段と、前記ステージの
光軸上における位置を検知するステージ位置検知手段
と、前記被検レンズの形状データ及び前記光学系のデー
タと前記ステージ位置検知手段からのステージ位置デー
タに基づき前記駆動手段をフィードバック制御する演算
手段とを備えていることを特徴とする。

【００１３】前記光源、前記光学系及び前記スポット位
置検知手段を同一のステージ上に固定し、該ステージを
前記被検レンズの光軸に沿って進退させる駆動手段と、
前記ステージの光軸上における位置を検知するステージ
位置検知手段と、前記被検レンズの形状データ及び前記
光学系のデータと前記ステージ位置検知手段からのステ
ージ位置データに基づき前記駆動手段をフィードバック
制御する演算手段とを備えている構成としてもよい。

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【作用】被検レンズをその光軸とほぼ一致する回転軸回
りに回転する。このとき、回転軸と光軸とがずれていれ
ば、被検レンズの外周縁もレンズの回転に従って光軸と
直交する方向に振れる。そこで、アライメント調整手段
の押圧面を、光軸からレンズの半径に相当する位置に設
け、レンズの回転に伴って外周縁が振れるのを、押圧面
で押して、レンズを中心（光軸）に向けて送り込む。レ
ンズが回転するに連れて、レンズの位置は粗調整され、
回転軸と光軸とのずれが小さくなってスポット像が結像
面内に結像できるようになる。

【００１９】スポット像を結像面に結像させるには、ま
ず、回転している非球面に光軸方向から光を照射し、ス
テージを光軸方向に進退させ、照射光束が光学系により
非球面の近軸曲率中心に集束するようにステージの位置
を決める。ステージの位置さえ決まれば、光学系と光源
及び結像面の位置関係は前記のステージに固定され一定
に保たれているので、必ずスポット像を結像面に結像さ
せることができる。このとき、被検レンズの形状データ
や光学系のデータから演算装置でステージの移動距離を
算出して自動的に光学系の位置決めを行うことができ
る。

【００２０】スポット像を結像面に結像させ、被検レン
ズを回転すると、回転軸と光軸とが不一致であれば、前
述したようにスポット像は円を描く。しかし、非球面が
凸面の場合と凹面の場合とでは、スポット像のずれ方向
とレンズの偏り方向とは一致したり、１８０°相違した
りする。そこで、非球面が凸面か凹面かのデータを加味
してスポット像のずれからレンズ外周縁の最も外側に突
出した位置を求め、アライメント調整手段でその部分を
ずれの量に応じて押圧することにより、回転軸と光軸と
を一致させることができる。

【００２１】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面にしたがって説
明する。図１は、本発明の実施例の構成を示す図であ
る。主要な構成は、図５で説明したのと共通であるか
ら、相違点を中心に説明する。図１において、１１はア
ライメント調整手段で、被検レンズ１の外周縁に対向し
て固定されており、駆動手段であるステッピングモータ
１１ａと、これに駆動されるカムフォロア１１ｂとから
なる。カムフォロア１１ｂ先端の押圧面１１ｃで被検レ
ンズ１の外周縁に当接する。

【００２２】１２は垂直変位測定手段で、被検レンズ１
の外周縁に当接してその光軸と直交する方向の偏り、即
ち変位を測定するものである。この垂直変位測定手段１
２も、変位測定手段９と同様に電気マイクロを使用して
いる。

【００２３】被検レンズ１の偏りの粗調整について説明
する。図１において、押圧面１１ｃを光軸からの距離が
被検レンズ１の半径と一致するように設定しておく。そ
の状態で、被検レンズ１を保持手段２で保持し、図５で
説明したのと同様に被検レンズを回転する。被検レンズ
１の光軸と回転軸とがずれていると、レンズ外周縁の偏
った部分が押圧面１１ｃにより押される。被検レンズ１
はその球面側を保持手段２で吸着されており、押圧面１
１ｃで偏った部分がおされると、被検レンズ１は保持手
段２上を滑って移動する。こうして被検レンズ１が一回
転すると、粗調整ができ、スポット像がスポット位置検
知手段８上に結像できる。被検レンズ１の光軸と被検レ
ンズの中心とは、通常正確には一致しないため、被検面
の光軸と回転軸とが完全に一致する可能性は小さいが、
スポット像をスポット位置検知手段８上に結像させる程
度の粗調整は可能である。

【００２４】なお、保持手段２は円筒の端縁で被検レン
ズ１の球面１ａ側を吸着支持しているので、上述したよ
うに被検レンズ１が保持手段上を滑って移動しても、球
面１ａの曲率中心は常に一定位置にある。

【００２５】図２は、本発明の別の実施例を示す図であ
る。この実施例は、図１の実施例において、光源５、ビ
ームスプリッタ６、光学系７及びスポット位置検知手段
８をまとめて一つのステージ１３上に固定配置したもの
である。ステージ１３は、ステッピングモータ、ボール
ねじ及びナット等で構成されるステージ駆動手段１４に
よって、光軸方向に進退自在である。

【００２６】ステージ１３の位置は、リニアスケール等
からなるステージ位置検知手段１５で検知される。ステ
ージ位置検知手段１５は、ステージ１３の保持手段２側
の面１３ａが、保持手段２の受け面２ａと一致したとき
のステージ１３の位置を０として、ステージ１３の位置
を面１３ａの位置として検知する。

【００２７】図３は、被検レンズ１と集光レンズ７ａ部
分を拡大した図である。被検レンズ１の球面１ａ，非球
面１ｂが共に凸面の場合、前記受け面２ａからステージ
１３の面１３ａまでの距離をｃ、ステージ１３の面１３
ａから集光レンズ７ａの被検レンズ１に対向する側の主
平面７ｃまでの距離をｄ、被検レンズ１の保持側球面１
ａの曲率半径をＲ１、非球面１ｂの近軸曲率半径をＲ
２、前記受け面２ａの半径をｈ、被検レンズの肉厚を
ｅ、集光レンズ７ａの焦点距離をｆとすると、前記受け
面２ａから球面１ａの頂点までの距離ｇは、 ｇ＝１−Ｒ１cos｛sin^-1（ｈ／Ｒ１）｝ (1) となる。

【００２８】そして、 ｃ＝ｆ−ｄ−｛Ｒ２−（ｅ−ｇ）｝ (2) となるステージ１３の位置で、非球面（被検面）１ｂか
らの反射光が結像する。同様に被検レンズ１の球面（保
持面）１ａが凹面で、被検面１ｂが凸面の場合は、 ｃ＝ｆ−ｄ−｛Ｒ２−（ｅ＋ｇ）｝ (3)

【００２９】被検レンズ１の保持面１ａが凹面で、被検
面１ｂが凸面の場合は、 ｃ＝ｆ−ｄ＋｛Ｒ２＋（ｅ−ｇ）｝ (4) 被検レンズ１の両面が凹面の場合は、 ｃ＝ｆ−ｄ＋｛Ｒ２＋（ｅ＋ｇ）｝ (5) となるステージ１３の位置で被検面１ｂからの反射光が
結像する。

【００３０】上記の式において、ｆ，ｄ，Ｒ２，ｅ，の
各値、及び被検レンズの両面が凸面であるか凹面である
かは、全て既知であり、ｇの値も算出可能であるから、
各値や条件を測定前に演算手段に入力しておくことによ
って、演算手段は、(2) から(5) のいずれの式を適用す
るかを選択できる。あるいは、被検レンズ１のそれぞれ
の面が凹面が、凸面かの判別は、既知の被検レンズの形
状データの曲率半径、あるいは近軸曲率半径の符号によ
り行うこととしても良い。

【００３１】そして、ステージ１３の現在位置をｘ、現
在位置からの移動量をΔｘとすると、 Δｘ＝ｃ−ｘ (6) となり、このΔｘをステージ駆動手段１４に指示してス
テージ１３を移動する。そのときステージ位置検知手段
１５でステージ１３の位置を検知し、フィードバックし
て自動的に位置決めすることができる。ステージ１３に
は光源５，ビームスプリッタ６及びスポット位置検知手
段８が一緒に固定されており、光学系７の位置が決まる
ことによりこれらの位置決めも同時にできるので、作業
が容易になる。

【００３２】次に、ステッピングモータ１１ａと垂直変
位測定手段１２を用いて行うセッティングずれの自動調
整について説明する。前述した粗調整によりスポット像
がスポット位置検知手段８上に結像され、被検レンズ１
が回転すると、光軸と回転軸とが一致していなければ、
前述のようにスポット像が円を描く。一方、垂直変位測
定手段１２もレンズ外周縁の光軸と直交する方向の変位
（ぶれ）を測定する。そして、スポット位置検知手段８
で検知されるスポット像の重心が描く円の大きさや、角
度センサ４による回転原点とスポット像（の重心）との
角度のデータ、及び、垂直変位測定手段１２が測定する
変位は、演算装置１０に入力される。

【００３３】図４(a) ，(b) は、被検レンズの偏り方向
と、スポット像のずれ方向とが、被検レンズの形状によ
り変化する状態を説明する図である。図４(a) は被検レ
ンズが両凸レンズの場合で、被検レンズ１が光軸より下
方に偏って保持手段２に支持された状態を示す。光源５
からの光束は矢印のように進んで被検面で反射され、レ
ンズが偏っているので、スポット位置検知手段８の光軸
より上方にスポット像を結像している。この場合、レン
ズの偏りは、図示の矢符号のように下から上に被検レン
ズ１を押し上げることにより修正される。

【００３４】図４(b) は、被検レンズが凹凸レンズの場
合を示す。(a) の場合と同じく、被検レンズ１は光軸の
下方に偏って支持されている。この場合、被検面が凹面
になるので、スポット像は光軸の下方に結像し、(a) の
場合と反対になっている。

【００３５】以上のことから、測定対象となる被検レン
ズの形状を、予め演算装置１０に入力しておけば、演算
装置１０は、被検レンズ１の上記形状を加味して、どの
部分がどれ位外側（あるいは内側）に偏っているかを算
出することができる。そこで、駆動手段３に指示して最
も外側に偏っている部分をアライメント調整手段１１の
押圧面１１ｃの位置に持って来させ、次に、ステッピン
グモータ１１ａに指示を出して、押圧面１１ｃでレンズ
を押し、変位を修正させる。このとき、垂直変位測定手
段１２で、移動した距離を測定し、ステッピングモータ
１１ａにフィードバックする。変位量が−の場合は、被
検レンズ１を１８０°回転し、反対側から押圧する。

【００３６】被検レンズ１を一回転させれば、回転軸と
光軸とは一致するはずであるが、さらにレンズ１を回転
させ、スポット像が円を描いていないかどうかを確認す
る。もし、まだ円を描いていれば、上記の手順を繰り返
し、スポット像が動かなくなるまで続ける。

【００３７】こうして回転軸と光軸とを完全に一致させ
たら、再度被検レンズ１を回転し、変位測定手段９で被
検面の光軸方向の変位を測定し、ぶれの全幅を、あらか
じめ求められた変位−角度換算係数にで除すことによ
り、被検レンズ１の光軸に対する非球面の偏心量を求め
ることができる。この方法の詳細については、前述した
先願に記載されている。

【００３８】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明は、被検
レンズの外周縁に当接して被検レンズを光軸とほぼ垂直
な方向に押動させる押圧面を設け、該押圧面を光軸から
被検レンズの半径だけ離れた位置に設置した状態とした
ので、スポット像を限定された結像面内に結像させる程
度の被検レンズの粗調整が非常に簡単に行えるようにな
った。

【００３９】また、光源と光学系と結像面とを同一のス
テージ上に固定し、該ステージを光軸方向に進退させて
スポット像を結像面に結像させる構成としたので、スポ
ット像の形成が容易になり、熟練が不要となった。

【００４０】また、演算装置にあらかじめ被検レンズの
形状データを入れておくことにより、演算装置が被検レ
ンズの形状に応じてアライメント調整手段に指示する構
成としたので、被検面の凹凸に係わりなく被検レンズの
位置決めができるようになった。この場合、演算装置に
面形状のデータ等を入力しておくことにより、光学系の
位置決めを自動的に行うことも可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における非球面レンズの偏心測定装置の
構成を示す図である。

【図２】本発明の別の実施例による構成を示す図であ
る。

【図３】被検レンズ、光学系及びステージの関係を示す
図２の一部を拡大した図である。

【図４】被検レンズの形状により被検レンズと、スポッ
ト像の偏り方向が相違する状態を示す図で、(a) は被検
レンズが両凸レンズの場合、(b) は凸凹レンズの場合を
示す。

【図５】従来例の構成を示す図である。

【図６】被検レンズが大きく偏って支持された場合に、
スポット像がスポット位置検知手段から外れて結像する
状態を示す図である。

【符号の説明】

１ 被検レンズ １ａ 球面 １ｂ 非球面 ２ 保持手段 ３ 駆動手段 ４ 角度センサ ５ 光源 ６ ビームスプリッタ ７ 光学系 ８ スポット位置検知手段 ９ 変位測定手段 １０ 演算手段 １１ アライメント調整手段 １２ 垂直変位測定手段 １３ ステージ １４ ステージ駆動手段 １５ ステージ位置検知手段

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一面のみが非球面である被検レンズを保
   持する保持手段と、該保持手段を被検レンズの光軸とほ
   ぼ重なる回転軸回りに回転する駆動手段と、被検レンズ
   の回転角度を検知する角度センサと、被検レンズに回転
   軸方向から光を照射する光源と、被検レンズから反射さ
   れた光のスポット像を結像する光学系と、該光学系の結
   像面に設けられスポット像の位置を検知するスポット位
   置検知手段と、被検レンズにおける被検面の光軸方向の
   ぶれを実測する変位測定手段とを有する非球面レンズの
   偏心測定装置において、 前記保持手段に備える、前記被検レンズの球面側を吸着
   して保持する保持部と、 前記被検レンズの外周縁に当接して該被検レンズを光軸
   と直交する方向に移動させる押圧面を備えるアライメン
   ト調整手段と、 前記光軸から被検レンズの半径分だけ離れ、前記スポッ
   ト像を前記スポット位置検知手段上に結像する粗調整位
   置と、スポット位置検知手段で検知したスポット位置に
   応じて被検レンズの回転軸と光軸とを一致させるために
   被検レンズを光軸と直交する方向に移動する調整位置と
   の間で前記押圧面を移動可能な駆動手段と、 前記光源、前記光学系及び前記スポット位置検知手段を
   同一のステージ上に固定し、該ステージを前記被検レン
   ズの光軸に沿って進退させる駆動手段と、 前記ステージの光軸上における位置を検知するステージ
   位置検知手段と、 前記被検レンズの形状データ及び前記光学系のデータと
   前記ステージ位置検知手段からのステージ位置データに
   基づき前記駆動手段をフィードバック制御する演算手段
   とを備えて いることを特徴とする非球面レンズの偏心測
   定装置。