JP4324159B2

JP4324159B2 - 光学素子の測定方法および治具

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Publication number: JP4324159B2
Application number: JP2005354243A
Authority: JP
Inventors: 章浩馬場; 幸久馬場; 俊樹小林
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-12-08
Filing date: 2005-12-08
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2025-12-08
Also published as: JP2007155628A

Description

本発明は、光学面と取り付けのための基準形状部を有する光学素子を評価するための光学素子の測定方法および治具に関するものである。

カメラなどに使用される非球面レンズにおいて、例えば鏡筒にレンズを組み込んで使用する場合、レンズと鏡筒が当接するレンズ外周の円筒状の基準形状部と、光学面であるレンズ第１面およびレンズ第２面との相対位置が重要な評価項目である。おのおのの位置ずれは、光学性能を劣化させる要因になるからである。

非球面レンズの評価方法として、例えば特許文献１に開示されたように、測定装置のレンズ保持用の治具に取り付けられた３つの球を基準として、レンズ第１面とレンズ第２面をそれぞれ触針式の形状測定装置で測定する方法がある。得られた測定データとレンズの設計データの差を算出し、これが最小となるように設計データをシフトおよびチルトさせて解析し、このときの設計データの座標軸を測定データの光軸とする。この光軸をレンズ第１面とレンズ第２面の測定データからおのおの解析して、レンズ第１面とレンズ第２面の相対的な位置ズレを評価する。

また、特許文献２に開示されたように、レンズ基準面を当接させる基準面をもつ治具に、レンズ基準面を突き当てながら保持し、レンズ第１面およびレンズ第２面を触針式の形状評価装置で測定する方法がある。治具が、レンズ基準面に直交する軸回りに、１８０度回転させた２通りの保持手段を備えており、レンズ第１面を測定後に、レンズ基準面に直交する軸回りに１８０度回転させてレンズ第２面を測定し、レンズ第１面とレンズ第２面の相対的な位置ずれを評価する。
特開２０００−４６５４３号公報特開２００２−２１４０７１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法は、レンズ第１面とレンズ第２面との相対的な位置を測定することが目的であり、レンズの基準形状部に対するレンズ第１面やレンズ第２面の相対的な位置を測定することができない。

また、特許文献２に開示された方法では、レンズ基準面を治具の基準面に当接させて、レンズ面を形状測定装置で測定し、レンズ基準形状とレンズ面との相対位置を解析する場合は、レンズの基準面と治具の基準面を突き当てて保持させる必要がある。このため、レンズ形状を大きく変形させてしまう。一方、突き当てて保持させる力が弱いと、精度良くレンズ基準形状とレンズ面の相対位置を測定、解析することができない。また、レンズを取り付け治具から取り外す必要があり、レンズの取り付け再現性が悪いと、相対位置の測定精度を低下させてしまう。

本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、光学素子の取り付け基準に対する光学面の相対位置を高精度で測定し、解析評価することのできる光学素子の測定方法および治具を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明の光学素子の測定方法は、治具に光学素子を保持し前記光学素子を測定する光学素子の測定方法において、前記冶具は、側面に取り付けられた３つの球、開口部である保持穴、および前記開口部の外周に掘り込まれた空所を有し、前記保持穴に保持された光学素子は、少なくとも一つの光学面と、前記光学素子の外周部である円筒基準面を有し、前記３つの球および前記光学面を表面形状測定装置によって測定し点列データを得る工程と、前記３つの球および前記円筒基準面を三次元形状測定装置または測長顕微鏡によって測定し座標データを得る工程と、前記光学面の点列データを前記３つの球の点列データから定義される座標系に変換する工程と、前記円筒基準面の座標データを、前記３つの球の座標データから定義される座標系に変換する工程と、を有することを特徴とする。

光学素子の外周の円筒状の基準形状部および光学素子の光学面をそれぞれ直接測定し、評価することが可能である。そして、両者の相対位置が設計形状になるように基準形状部もしくは光学面の形状を修正することで、例えば、鏡筒にレンズの基準形状部を突き当てるようにレンズを組み込んだ場合の光学性能を改善することができる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、被測定物である光学素子は、１つ以上の光学面と、１つ以上の基準形状部をもつ非球面レンズ１である。治具２は、前記光学面の光軸方向に開口する開口部と、前記基準形状部を径方向から測定するための空所である基準形状測定空間３と、非球面レンズ１を保持する保持部とを有し、治具２の側面には３つの球４が配設される。

治具２の３つの球４のそれぞれの中心位置と、非球面レンズ１の光学面とを、１方向について測定可能な第１の形状測定系の表面形状測定装置によって点列データとして測定する。

さらに、治具２の３つの球４のそれぞれの中心位置と、非球面レンズ１の基準形状部とを、第２の形状測定系によって測定する。

光学素子は、光学面が２面である非球面レンズに限らず、トーリックレンズ、光学面が３面以上であるプリズムあるいは光学面が１面であるミラー等でもよい。

光学素子の基準形状部を測定する第２の形状測定系は、三次元形状測定装置や測長顕微鏡を用いて治具の３つの球および光学素子の基準形状部を測定する。

このように、３つの球と、光学素子の光学面を測定する開口部および基準形状測定空間を有する治具を用いて、まず、前記３つの球の中心位置と、光学素子の光学面とを、表面形状測定装置によって測定して点列データを得る。次いで、治具の３つの球の中心位置と、光学素子の基準形状部を三次元形状測定装置等によって測定し、それぞれ３つの球から定義される座標系に、光学面および基準形状部の測定データを座標変換し、光学面と基準形状部の相対位置を求める。

図１に示すように、非球面レンズ１を測定するための測定装置の治具２は、基準形状測定空間３と、３つの球４を備えている。治具２は、レンズ光軸方向に開口部を有する第１のプレート５および第２のプレート６を接合したものである。

非球面レンズ１は、図１の（ｂ）および図２に示すように、光学面であるレンズ第１面７およびレンズ第２面８と、レンズ外周の基準形状部である円筒基準形状９と、を有する。さらに、非球面レンズ１を治具２に取り付けるために、互いに１２０度の角度で外周部に配置された３つの球状凸形状１０を有する。

図３は治具２を詳しく説明するもので、治具２の外側縁に３つの球４が配設され、３つの基準形状測定空間３は、θ＝１２０°で周方向に等間隔で配設され、開口部であるレンズ保持穴２ａの外周に、レンズ光軸に対して垂直な方向に掘り込まれた空所である。

治具２の第１のプレート５は、レンズ外周の円筒基準形状９より若干大きな円筒状の開口部をもつ。治具２の第２のプレート６は、第１のプレート５より若干小さな円筒状の開口部をもち、内周部に非球面レンズ１の球状凸形状１０を支持する取り付け面１１（保持部）を形成する。そして、上記２つの開口部の中心軸が一致するように、第１のプレート５および第２のプレート６は接合されている。

次に、測定方法を説明する。

まず、図１に示すように非球面レンズ１を治具２に取り付けて、治具２の第２のプレート６の３つの取り付け面１１と非球面レンズ１の３つの球状凸形状１０をそれぞれ当接させた状態で、接着剤により接合する。

図４に示すように、非球面レンズ１のレンズ第１面７の測定を行う。ここでは、光軸方向であるＺ方向の１方向に対して測定可能な表面形状測定装置を使用して、プローブ１２を非球面レンズ１のレンズ第１面７に当接させながらＸ方向およびＹ方向に走査する。この測定により、Ｘ方向およびＹ方向に対するレンズ第１面７の形状を表わすＺ方向の点列データを出力する。

次に、治具２の位置を動かさないで、図５に示すように、治具２に取り付けた３つの球４に対して、上記と同様に測定を行い、Ｘ方向およびＹ方向に対する３つの球４の形状を表わすＺ方向の点列データを出力する。測定した球形状の点列データは、球の位置および径をフィッティング係数として最小二乗法によりフィッティングを行い、３つの球の中心位置をそれぞれ解析する。

上記のように治具２を動かさない状態で、非球面レンズ１のレンズ第１面７と３つの球４の中心位置をそれぞれ求めることで、３つの球４の中心位置に対するレンズ第１面７の形状を相対的に評価することが可能である。

また、ここでは測定装置のプローブ１２を被測定物である非球面レンズ１に接触させて測定したが、要求される測定精度を満足するものであれば、この限りではない。

次に図６に示すように、非球面レンズ１のレンズ第２面８の測定を行う。治具２を、第１のプレート５が下になるように１８０度回転させて配置する。ただし、このとき被測定物である非球面レンズ１は、治具２に接合された状態で保持される。次に、レンズ第１面７と同様にレンズ第２面８および３つの球４の測定を行い、３つの球４の中心位置に対する非球面レンズ１のレンズ第２面８の形状を相対的に評価する。

次に図７に示すように、非球面レンズ１の外周の円筒基準形状９の測定を行う。治具２を、第２のプレート６が下になるように１８０度回転させて配置する。ただし、このとき非球面レンズ１は、治具２に接合された状態で保持される。３つの基準形状測定空間３のうちの１つに三次元形状測定装置のプローブ１３を挿入し、非球面レンズ１の円筒基準形状９に対して法線方向すなわち光軸に垂直な方向に動かして、プローブ１３と円筒基準形状９を接触させてそのときの座標データを出力する。残りの２つの基準形状測定空間３においても同様に測定を行い、４点以上の座標測定データを円筒形状の軸位置と径をフィッティング係数として、最小二乗法によりフィッティングを行い、レンズ外周の基準形状を解析する。

次に、治具２の位置を動かさないで、図８に示すように、治具２に取り付けた３つの球４に対して、上記と同様にプローブ１３による測定を行う。３つの球４のそれぞれに対して４点以上の座標測定データから、球の位置および径をフィッティング係数として最小二乗法によりフィッティングを行い、３つの球４の中心位置をそれぞれ解析する。

なお、ここでは、測定装置としてプローブ１３を被測定物に接触させる三次元形状測定装置を使用したが、測長顕微鏡など要求される測定精度を満足するものであれば、この限りではない。

このようにして、治具２の３つの球４の中心位置に対する、非球面レンズ１のレンズ第１面７およびレンズ第２面８とレンズ外周の円筒基準形状９を直接測定し、３つの球４の測定データを用いた座標変換により、それぞれの相対位置を評価する。

一実施例による非球面レンズ測定用の治具および非球面レンズを示すもので、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿ってとった断面図である。図１の非球面レンズのみを示すもので（ａ）はその上面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は側面図である。図１の治具のみを示すもので、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿ってとった断面図、（ｃ）は側面図である。非球面レンズを測定評価するための第１工程を示す図である。非球面レンズを測定評価するための第２工程を示す図である。非球面レンズを測定評価するための第３工程を示す図である。非球面レンズを測定評価するための第４工程を示す図である。非球面レンズを測定評価するための第５工程を示す図である。

符号の説明

１非球面レンズ
２治具
３基準形状測定空間
４球
５第１のプレート
６第２のプレート
７レンズ第１面
８レンズ第２面
９円筒基準形状
１０球状凸形状
１１取り付け面
１２、１３プローブ

Claims

治具に光学素子を保持し前記光学素子を測定する光学素子の測定方法において、
前記冶具は、側面に取り付けられた３つの球、開口部である保持穴、および前記開口部の外周に掘り込まれた空所を有し、
前記保持穴に保持された光学素子は、少なくとも一つの光学面と、前記光学素子の外周部である円筒基準面を有し、
前記３つの球および前記光学面を表面形状測定装置によって測定し点列データを得る工程と、
前記３つの球および前記円筒基準面を三次元形状測定装置または測長顕微鏡によって測定し座標データを得る工程と、
前記光学面の点列データを前記３つの球の点列データから定義される座標系に変換する工程と、
前記円筒基準面の座標データを、前記３つの球の座標データから定義される座標系に変換する工程と、を有することを特徴とする光学素子の測定方法。
前記光学素子が非球面レンズであることを特徴とする請求項１記載の光学素子の測定方法。
前記光学素子がトーリックレンズであることを特徴とする請求項１記載の光学素子の測定方法。
前記光学素子がミラーであることを特徴とする請求項１記載の光学素子の測定方法。
前記光学素子がプリズムであることを特徴とする請求項１記載の光学素子の測定方法。
少なくとも１つの光学面を有する光学素子を測定するための測定用の治具において、
前記治具は、円筒状の開口部を持つ第１のプレートと、前記開口部より小さな円筒状の開口部を持つ第２のプレートを有し、前記第１のプレート及び第２のプレートは前記２つの開口部の中心軸が一致するように接合され、さらに前記第２のプレートの内周部であって光学素子を保持するための保持部と、前記円筒状の開口部の外周に、径方向外側に向かって掘り込まれた空所と、前記治具の側面に取り付けられた３つの球と、を有することを特徴とする治具。