JP4474150B2

JP4474150B2 - 偏心測定方法

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Description

本発明は偏心測定方法に関し、特にズームレンズのように複数のレンズエレメントより構成され、しかも移動部分を有するレンズ系の偏心測定に好適なものである。

従来の偏心測定方法については、非特許文献１が詳細に説明しており、
（１）被検レンズ回転方式
（２）被検レンズ静止東独ツアイス方式
（３）被検レンズ静止イメージローテーター方式
の３つの方式について紹介している。

これらの偏心測定方法は、何れも、オートコリメーション法にて指標を被検面の見かけの曲率中心位置に投影し、測定基準軸に対する被検面からの反射像の状態（振れ量、ずれ量）に基づいて偏心量を算出するものである。

（１）の方式は、単純な構成で高精度の測定ができるメリットがあるが、被検レンズがズームレンズのように内部に可動部分を含んでいると正確な偏心測定ができないという問題がある。内部に可動部分を含むレンズ系は、可動させるための摺動部に微小な隙間が必要であり、この方式のように被検レンズを回転させながら測定すると、レンズの自重により姿勢差で偏心状態が変化してしまうためである。

（２）の方式による測定では、被検レンズを回転させないので内部に可動部分を含むレンズ系の測定も可能であるが、測定光がハーフミラーを６回も通過することによる光量損失が大きな問題である。この方式を応用した提案として特許文献１がある。

（３）の方式は、イメージローテーターを利用することで被検レンズを回転させずに測定が可能であり、しかもハーフミラーの使用回数も少ないので光量損失も小さい。この方式を応用した提案として特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５などがある。

また、オートコリメーション光学系と被検レンズを相対的に移動させて偏心測定を行う方法も特許文献６にて提案されている、
特公平３− ５４２８７号公報特公昭５１− ９６２０号公報特公平７− ８１９３１号公報特公平７− ３９９８２号公報特許第２６２１１１９号明細書特開平４−１９０１３０号公報松居吉哉、臼井正幸，「光学系の偏心測定について」，光学技術コンタクト，Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．１１，ｐ．１１−２０

従来の方式で複数のレンズエレメントよりなるレンズ系の偏心測定を行う上で特に重要なことは、レンズ系を構成する全ての面の反射像の状態を正確に測定することである。もし何れかの面の反射像が測定できない場合があると、その面よりも後側の面の偏心量は不確かになる。

しかしながら、実際に上述した従来方式で偏心測定を行うと、反射像の状態を測定できない場合が多々発生する。具体的には、
・反射像を検出できない測定不能面が発生する場合がある。
・偏心誤差の大きな被検面の偏心測定値に大きな測定誤差が生じる。
などの問題があった。

経験的には、偏心誤差の大きな被検面で測定不能面が発生しやすいことが分かっている。また、偏心誤差の大きな被検面の測定誤差が大きくなることへの対策として、特許文献３では、一旦レンズ系の偏心測定を行い、実測した偏心量の二乗平均値が小さくなるような最適光軸を計算し、この計算結果を基に、被検レンズの取り付けを補正し再測定する方法が提案されている。しかし、これらの問題の根本原因を解析し、その原因に対する具体的な対策については従来なされていなかった。

本発明は、従来方式での偏心測定で測定不能面がなぜ発生するのか、なぜ測定精度が悪いのか、その原因について解明し、複数のレンズエレメントからなるレンズ系の偏心測定でも偏心量を正確に測定することができる偏心測定装置及び方法について提供するものである。

その一例として、本発明では、複数の被検面の見かけの球心位置に光学系で指標を順次投影し、指標の被検面による反射像の状態から各被検面の偏心量を求める偏心測定方法であって、予め求めた各被検面の見かけの曲率半径に応じて、第１の見かけの曲率半径よりも小さい第２の見かけの曲率半径の被検面を測定する際には、第１の見かけの曲率半径に対応する第１の焦点距離よりも短い第２の焦点距離となるように、光学系の焦点距離を変更すると共に、前記被検面又は前記光学系の一部を前記光学系によって定められる測定基準軸に対して垂直方向に移動させ、その移動量から前記被検面の偏心量を求めている。

ズームレンズ等の複数のレンズエレメントからなるレンズ系の偏心測定において、レンズ全系の偏心量を正確に測定することができる。

以下に図面を用いて本発明の実施形態について説明するが、初めに従来方式での偏心測定で測定不能面がなぜ発生するのか、なぜ測定精度が悪いのか、その原因について説明する。

従来方式での偏心測定で測定不能面が発生する状況は、
・反射像が見えない場合
・反射像が複数観察され、どの像が測定するべき反射像か判別できない場合
がある。

反射像が見えない、又は見え難い原因は、被検面の曲率中心にめがけて投影したチャート像の反射光が接眼系に戻ってこない、又は戻る光量が少ない場合があるからである。どのような場合に反射光が接眼系に戻らないのか、また、戻る光量が少ないのか、その原理を説明する。

オートコリメーション法で被検レンズ側に投影したチャート像が接眼系の観察視野に反射像として結像する条件は、
・被検面の見かけの球心位置（曲率中心位置）にめがけて投影する場合
・被検面の見かけの頂点位置（表面位置）にめがけて投影する場合
である。

被検面の見かけの球心位置（曲率中心位置）にめがけて投影されたチャート像は被検面で反射され、反転像として結像倍率−１倍の像を接眼系の結像面に結像する。以後この反射像のことを「球心反射像」と呼ぶ。被検面の見かけの頂点位置（表面位置）にめがけて投影されたチャート像は被検面で反射され、結像倍率＋１倍の像を接眼系の結像面に結像する。以後この反射像のことを「頂点反射像」と呼ぶ。

球心反射像は、被検面の偏心量にほぼ比例して接眼系結像面上で振れる。しかし、頂点反射像は、被検面が偏心しても接眼結像面上で振れる事は無く一定位置に結像する。

被検レンズに偏心が全くなく、被検レンズ光軸と測定光軸が一致していれば、被検レンズの各面の球心反射像が接眼系結像面に必ず結像するはずである。しかし、実際に偏心のある被検レンズを測定すると球心反射像が接眼系結像面に戻らず球心反射像を観察できない場合が発生する。

発明者の検討によれば、被検面の「見かけの曲率半径」の絶対値が小さい（曲率がきつい）場合に球心反射像が見えない現象が発生することが分かった。

ここで「見かけの曲率半径」の定義について説明する。

見かけの曲率半径とは、レンズ系の第１面側から見た場合の被検面の見かけの曲率半径のことで、被検面の見かけの頂点位置（表面位置）と見かけの球心位置（曲率中心位置）との距離と定義する。見かけの頂点位置、見かけの球心位置は光学の近軸計算で算出でき、被検レンズ系の設計データから求める。

第Ｖ面での見かけの曲率半径は、第１面から第（Ｖ−１）面までの光学系により変化し、実際の曲率半径とは異なる。実際の曲率半径よりも極端に小さな曲率半径になったり、大きな曲率半径になったりすることがある、また曲率半径の符号が逆転する場合もある。

なお、レンズ系に非球面を含む場合は、光軸方向をＸ軸、Ｘ軸に対して垂直方向の量をＨ、Ｒ_０を近軸曲率半径、Ｋを円錐定数、Ａ，Ａ′…を非球面係数とし、Ｘ軸に対して回転対称の非球面形状を、

と定義するとき、

で算出するＲを用いて近軸計算すれば、近軸領域において球面と同等に扱うことが可能である。（レンズ設計法：松居吉哉著、共立出版参照）
第Ｖ面の見かけの曲率半径が極端に小さな場合を図６に示す。図６において、照明光源Ｒで照明された指標チャートＴは、ハーフミラーＨを介してコリメーター対物レンズＫで被検レンズＬに向けて投影される。コリメーター対物レンズＫは、被検面（ここでは第Ｖ面）の見かけの球心位置に指標チャートＴの像を形成している。被検レンズＬは第１面から第Ｖ面まで複数のレンズ面で構成されており、レンズ取り付けマウントＭに固定されている。反射像はコリメーター対物レンズＫを介して結像面チャートＩに結像する。結像面チャートＩに形成された反射像を接眼レンズＥで観察する。光源Ｒ、指標チャートＴ、ハーフミラーＨ、コリメーター対物レンズＫ、結像面チャートＩ、接眼レンズＥによって、オートコリメーション光学系Ｕが構成される。

図６（ａ）のごとく被検レンズＬに偏心が全くなく、被検レンズＬの光軸と測定基準軸Ｃが一致している状態では、第Ｖ面での球心反射像は接眼系の結像面チャートＩに結像する。しかし、被検レンズＬに偏心が存在し、第Ｖ面の見かけの球心位置と測定基準軸Ｃにずれが生じると、図６（ｂ）に示すように見かけの曲率半径が小さな第Ｖ面での球心反射光線は接眼光学系には戻らなくなってしまう。

また、被検レンズＬに偏心が全くなく、被検レンズ系Ｌの光軸と測定基準軸Ｃが一致している状態であっても、オートコリメーション光学系Ｕが投影する指標チャートＴの中心近傍のみが観察系に戻るだけで、指標チャートＴの周辺部は観察系に戻らない。観察系で観察できる指標チャートＴのイメージサークル（結像範囲）が小さくなるのである。そのため、少しの偏心量でも球心反射像が見えなくなってしまう場合がある。

これが従来の測定方法での測定不能面が発生する問題点である。

第Ｖ面での球心反射光線を観察系に戻すためには、第Ｖ面の見かけの球心位置をオートコリメーション光学系Ｕの測定基準軸Ｃと一致させればよい。すなわち、オートコリメーション光学系Ｕと被検レンズＬとを相対的に、測定基準軸Ｃに対して垂直方向に移動させれば、第Ｖ面での球心反射光を観察系の結像面に戻すことが可能になる。後述する実施例で開示する偏心測定装置では、各被検面での球心反射像が、観察系の結像面チャートＩの原点位置に一致するように、オートコリメーション光学系Ｕと被検レンズＬを相対的に測定基準軸Ｃに対して垂直方向に移動可能にしている。このような偏心測定装置において、オートコリメーション光学系Ｕや被検レンズＬの移動量から被検レンズＬの実際の偏心量を算出すれば、見かけの曲率半径が小さいがゆえに測定不能になることが回避できる。

また、見かけの曲率半径が小さな面での球心反射像には大きな歪曲収差が発生し、球心反射像のフレ量と被検面の偏心量の関係が比例関係から外れる。このため、球心反射像のフレ量が観察系で観察できたとしても、従来方式では歪曲収差の影響で測定誤差が大きくなることがあった。

この測定誤差の問題も、被検面での球心反射像が結像面チャートＩの原点位置に一致するように、オートコリメーション光学系Ｕと被検レンズＬを相対的に測定基準軸に対して垂直方向に移動させれば解決できる。つまりこの方式では、反射像の像高ゼロの位置を測定することになるので、見かけの曲率半径が小さな面での反射による歪曲収差の影響を受けなくて済み、測定誤差を小さく抑えることが可能になる。

次に、見かけの曲率半径が大きな場合を図７に示す。

見かけの曲率半径が大きな場合は、オートコリメーション光学系Ｕが投影する指標チャートＴから光線に対して、第Ｖ面での球心反射の光線は光軸近傍の一部の光線しか反射しないため、観察系に戻る光線は開口が絞られた状態になる。そのため反射像の光量が減り暗くなる。また、絞られるために回折の影響で解像力の低いボケた反射像として結像面チャートＩに結像される。

この問題を回避するためには、コリメーター対物レンズＫの焦点距離を変更可能とすれば良く、コリメーター対物レンズＫをズームレンズのような焦点距離可変の光学系で構成するか、焦点距離の異なる複数の光学系間で交換可能にすればよい。後述する実施例で開示する偏心測定装置では、被検面の見かけの曲率半径が大きな場合には、コリメーター対物レンズＫの焦点距離が長くなるように変更可能とし、チャート像の投影倍率を上げることで、反射像の光線の開口を大きくしている。

図１に実施例１の偏心測定装置の概略図を示す。

図１において、照明光源Ｒで照明された指標チャートＴは、ハーフミラー（ビームスプリッター）Ｈを介してコリメーター対物レンズＫで被検レンズＬに向けて投影される。コリメーター対物レンズＫは交換可能に構成され、被検面の見かけの曲率半径に応じて焦点距離が変更可能となっている。コリメーター対物レンズＫを交換した場合は、交換することにより指標チャートの投影像がずれることがあるので、指標チャートＴの像の原点が測定基準軸（測定軸）Ｃと一致するように、コリメーター対物レンズＫの位置を測定基準軸Ｃに対して垂直方向に調整可能な構造にしてある。

被検レンズＬは第１面から第Ｖ面まで複数のレンズ面で構成されており、レンズ取り付けマウントＭに固定されている。反射像はコリメーター対物レンズＫを介して結像面チャートＩに結像する。結像面チャートＩに対する反射像の振れ量を接眼レンズＥで観察する。指標チャートＴと結像面チャートＩはハーフミラーＨに対して等価な位置に設定されている。指標チャートＴの球心反射像は結像面チャートＩの位置に反転した等倍像で結像される。図２に観察視野を示す。図２では、指標チャートＴの反射像の中心を簡易的に「＋」で表しており、結像面チャートＩに対して△Ｙ’，△Ｚ’のずれ量を持つ場合を描いている。実際に本実施例で用いる指標チャートＴと結像面チャートＩについては、後ほど詳しく説明する。

光源Ｒ、指標チャートＴ、ハーフミラーＨ、コリメーター対物レンズＫ、結像面チャートＩ、接眼レンズＥによって、オートコリメーション光学系Ｕが構成される。偏心側定時には、オートコリメーション光学系Ｕと被検レンズＬの相対的な距離を測定基準軸Ｃに沿って変化させ、被検レンズの各被検面の見かけの球心位置ＣＶに指標チャート像を投影して、第１面から順に偏心量の測定を行う。

レンズ取り付けマウントＭは、そのマウント面が測定基準軸Ｃに対して垂直となるように調整できる煽り調整可能な構造であり、測定基準軸Ｃと垂直方向な方向に移動可能な可動ステージＳに固定されている。可動ステージＳは、測定基準軸Ｃ方向に移動可能な可動ステージＱに設置されており、マウントＭを紙面での上下方向の移動と紙面で奥側から手前側方向の２軸の移動が可能となるように設定している。可動ステージＱは測定基準軸Ｃ方向に伸びるレールＮの上を紙面で左右方向に可動に設定してある。各ステージの移動方向の座標系は、紙面左右方向をＸ軸とし、被検レンズ第１面の頂点を原点とし左方向がマイナス、右方向をプラスとしている。紙面上下方向をＹ軸、紙面奥から手前方向をＺ軸としている。

従来は、機械的なステージ移動により測定基準光軸Ｃ上の各被検面の見かけの曲率中心位置に高精度に指標を投影することが困難であり、機械的なステージ移動による誤差を回避するために、レンズ回転方式やイメージローテーター方式が考案されていた。しかし、従来のレンズ回転方式やイメージローテーター方式の回転軸精度も完全にゼロにすることは困難であり多少の軸ぶれが残存する。

発明者の検討によれば、測定基準軸Ｃ方向に伸びるレールＮを高精度金属レールで作成し、高精度に平面加工された堅牢な定盤の上に敷設すれば、レールＮ上の可動ステージＳ，Ｑの精度は、ステージ移動量１ｍ範囲に対して傾き誤差を１０秒から２０秒程度の精度に抑えることが可能であることが分かった。更に高精度を実現させるためには、セラミックまたは、天然の深成岩などを精密加工した石柱を軸とし、エアーベアリングを用いたステージにすることで、ステージ移動量１ｍ範囲に対して傾き誤差５秒以下が実現可能である。

この精度ならば、一般の写真撮影用レンズ、ビデオカメラ用レンズ、デジタルカメラ用レンズ等の偏心測定に要求される偏心測定精度としては十分実用的な精度である。本実施例の方式は、回転部分や反射プリズムがなく単純な構造であるため誤差要因が少ないため、従来タイプよりも高精度化が可能である。

次に偏心量を測定する手順について説明する。
（１）交換可能なコリメーター対物レンズＫをオートコリメーション光学系Ｕに装着し、指標チャートＴの投影像の基準原点が測定基準軸Ｃと合致するようにコリメーター対物レンズＫを調節し固定する。
（２）マウントＭが測定基準軸Ｃに対して垂直になるように煽り調整を行う。
（３）マウントＭの中心が測定基準軸Ｃと一致するように可動ステージＳを調整し、その位置で移動量検出装置ＷのＹ軸方向、Ｚ軸方向の値を基準原点に設定する。
（４）マウントＭに被検レンズＬを装着し、被検レンズＬの第１面頂点に指標チャート像が結像するように測定軸方向可動ステージＱを移動させ、その位置での移動量検出装置ＷのＸ軸の値を基準原点に設定する。
（５）被検レンズＬの設計基準状態（偏心が全く無い状態）での設計データから、被検レンズＬの第１面頂点を原点とし、第１面から最終面までの見かけの球心位置、見かけの頂点位置、見かけの曲率半径を偏心計算装置Ｐで算出する。
（６）算出した各被検面の球心位置に指標チャートＴの投影像が投影されるように、移動量検出装置ＷのＸ軸移動量を確認しながら、可動ステージＱを移動させる。
（７）観察系結像面（結像面チャートＩ）に結像した球心反射像を接眼レンズＥで観察する。
（８）被検面に偏心がある場合は、球心反射像が観察系結像面チャート原点に対してずれている。この場合、可動ステージＳを移動させて球心反射像を結像面チャート原点に一致させる。このときの可動ステージＳのＹ方向、Ｚ方向の移動量△Ｙ，△Ｚを移動量検出装置Ｗで検出し、偏心計算装置Ｐに送り、実際の偏心量を算出する。

被検レンズＬに偏心が全くなく、被検レンズＬの光軸と測定基準軸Ｃが一致していれば、見かけの球心位置に投影された指標チャート像の光線は、被検面で反射され、もと来た光路を逆に戻る。戻る光線はハーフミラーＨで光路が２分割され一方は指標チャート面に結像し、他方の光線は指標チャートと等価の距離に設定された接眼系の結像面チャート上に結像する。被検レンズ系Ｌに偏心が全くなく、被検レンズＬの光軸と測定基準軸Ｃが一致していれば、球心反射像は観察系結像面チャート中央の原点に一致する。

被検レンズＬに偏心が存在すると球心反射像は観察系視野の結像面チャート原点位置からずれる。従来の偏心測定方法では、このずれ量△Ｙ’，△Ｚ’を検出して偏心量を算出していたが、本実施例では可動ステージＳの移動量を移動量検出装置Ｗで検出し、偏心計算装置Ｐで実際の偏心量を算出する。移動量検出装置ＷはＸ，Ｙ，Ｚ軸の各移動ステージ部分に設置されたマグネスケール等のセンサーからの移動量情報を読み取り、移動量を検出している。本実施例では、測定基準軸Ｃに対するステージＳの移動量△Ｙ，△Ｚが被検面の見かけの平行偏心量そのものになる。

従来方式で、被検面の見かけの平行偏心量△Ｙ，△Ｚを求めるためには、観察視野での球心反射像のずれ量△Ｙ’，△Ｚ’を検出し、コリメーター対物レンズの投影倍率を掛け合わせ、反射像は２倍になっているので１／２にして算出していた。このため、コリメーター対物レンズを交換したり、焦点距離可変レンズにしたりした場合は、そのつどコリメーター対物レンズの投影倍率を所定の倍率に変更し計算する必要があった。しかし本方式では、コリメーター対物レンズの投影倍率に関係なく、ステージの移動量△Ｙ，△Ｚそのものが被検面の見かけの平行偏心量になるので、計算アルゴリズムが従来タイプよりも単純になるメリットがある。しかし、本方式の最も特徴的な点は、測定基準軸に垂直な方向にステージを移動させて被検面の見かけの偏心量を測定することにより、測定不能面が激減することである。

従来はなぜ測定不能面が発生し、本発明ではどのように対策しているかを、ビデオカメラ用のズームレンズの数値データを例に説明する。

以下に示す表１、表２、表３にはｆ＝５．８４９〜５６．２６３のビデオカメラ用のズームレンズのレンズデータ示している。表１は広角端での数値データ、表２は望遠端での数値データであり、表３には非球面である第１２面の近軸曲率半径、円錐定数、非球面係数を示している。

レンズ面は第１面から第２０面までの９群１１枚構成のズームレンズであり、レンズ断面図を図３に示している。このズームレンズは４ブロックに分割され、第１ブロックはＧ１／２，Ｇ３（第１面〜第５面）、第２ブロックはＧ４，Ｇ５，Ｇ６（第６面〜第１１面）、第３ブロックはＧ７，Ｇ８，Ｇ９（第１２面〜第１７面）、第４ブロックはＧ１０／１１（第１８面〜第２０面）であり、ズームによる焦点距離変化は各ブロック間隔を変化させて行う。

表１、表２のデータには面番号、実際の曲率半径、実際の面間隔、屈折率、その右側に近軸計算で算出した、見かけの球心位置、見かけの頂点位置、見かけの曲率半径を表示している。

見かけの球心位置とは、第１面側から見たときに各面の実際の球心位置がどこに見えるかを、第１面頂点を原点として設計データから算出したものである。また、見かけの頂点位置とは、第１面側から見たときに各面の実際の面の頂点位置がどこに見えるかを、第１面頂点を原点として設計データから算出したものである。見かけの曲率半径は、第１面から見たときの各面の見かけの曲率半径のことで、見かけの頂点位置から見かけの球心位置までの距離として定義して算出している。

表１と表２には、広角端と望遠端のデータを面番号順に表示したデータと、見かけの球心位置で昇順に並べ替えたデータを併記している。

広角端での第１２面に着目する。第１２面は非球面であり、実際の近軸曲率半径Ｒは９．２０７であるが、見かけの曲率半径は０．６６２である。レンズ第１面から見ると、見かけの曲率半径が極端に小さいことを意味している。この面の球心反射光線は従来の測定方法では、見かけの曲率半径が極端に小さいため、少しの偏心が存在するだけで観察系に戻らなくなる。しかし、本実施例に開示したように可動ステージＳを移動させ、測定基準軸Ｃと第１２面の球心位置が一致するように調整することで、球心反射光線を観察系に戻すことが可能であり、ステージの移動量△Ｙ，△Ｚを検出することが可能になる。

このように本実施例で開示した偏心測定装置と偏心測定方法によって、従来の測定では測定不能であった面の測定が可能になる。

また、表１の広角端の見かけの球心位置、見かけの頂点位置に着目すると、第１２面の見かけの球心位置は１７．６３７、第１９面の見かけの球心位置は１７．７０３、第１７面の見かけの頂点位置は１７．６３６、第１６面の見かけの頂点位置は１７．５１３であり、ほぼ同じ位置に４つの面の球心位置や頂点位置が近接していることがわかる。この場合、観察系視野には第１２面の球心反射像と第１９面の球心反射像、そして第１７面の見かけの頂点反射像と第１６面の見かけの頂点反射像が重なって見えることになる。

どの反射像がどの面に該当するのかを判別するためには、先ず、光軸と可動ステージＳを移動させながら観察系視野を観察する。ステージＳの移動に伴って反射像位置が変動するのは球心反射像であり、ステージ移動に伴わず反射像位置が動かないのが頂点反射像である。この判別方法で、測定するべき第１２面の球心反射像と第１９面の球心反射像を特定することができる。

しかし、どちらの反射像が第１２面の反射像かを判別するのが難しい。そこで、見かけの曲率半径を手がかりに判別する。第１２面の見かけの曲率半径は＋０．６６２、第１９面の見かけの曲率半径は−１．４３８であり、共に小さな値であるが、絶対値は第１２面の方が小さい。したがって、実際の観察系視野の反射像を観察すると、反射像の見えるイメージサイズが異なる。見かけの曲率半径が小さな面で反射された球心反射像は、見かけの曲率半径が小さいがゆえに、指標チャートの周辺部の光線は接眼系に戻らず、指標チャートの中央部分のみ接眼系に戻るからである。観察系視野に確認できる２つの反射像のうちイメージサークルが小さい方の反射像が第１２面の球心反射像であると判別できる。

次に広角端の第９面と第１３面に着目する。見かけの球心位置は、第９面が１４．４００、第１３面が１４．４９６であり、ほぼ同じ位置に球心反射像が結像する。この場合も、見かけの曲率半径を比較すると、第９面の見かけの曲率半径が４．３５６、第１３面の見かけの曲率半径が−２．６３３２であり、第１３面の方が見かけの曲率半径の絶対値が小さいので、観察系で確認できる反射像のうちイメージサークルの小さい方が第１３面の反射像であることが判別できる。

望遠端においては、第７面の見かけの球心位置が１５４．８１１、第２０面の見かけの球心位置が１５４．８０８である。この場合も見かけの曲率半径を比較すると、第７面の見かけの曲率半径が＋６６．６６２、第２０面の見かけの曲率半径が−２５８．１１３であり、観察系で確認できる反射像のうちイメージサークルの小さい方は第７面の球心反射像であることが判別できる。

このように本実施例で開示した偏心測定装置と偏心測定方法によれば、同時に観察視野に形成される複数の反射像の中から所望の反射像を特定することができるので、従来の測定では測定不能であった面の測定が可能になる。

なお、見かけの曲率半径が小さな被検面を測定する場合は、コリメーター対物レンズＫの焦点距離は短いほうが好ましい。コリメーター対物レンズＫの焦点距離が短いと指標チャートＴの像を小さく投影することが可能であり、見かけの曲率半径が小さな被検面でも観察系にイメージサークルの大きな反射像を戻すことが可能である。コリメーター対物レンズＫの焦点距離が長くなると、指標チャートＴの投影像が大きくなり、見かけの曲率半径が小さな被検面では、球心反射像の極中央部のみしか観察光学系に戻らず小さなイメージサークルの反射像しか確認できず、チャート像を認識しずらくなる。

逆に、見かけの曲率半径の絶対値が大きな被検面に対しては、コリメーター対物レンズＫの焦点距離は長いものが必要になる。また見かけの球心位置の大きな場合もコリメーター対物レンズＫの焦点距離の長いものが必要になる。そのためコリメーター対物レンズＫは交換可能の構造としている。コリメーター対物レンズＫは、ズームレンズのような可変焦点距離レンズで構成しても良い。

観察系は、結像面チャートＩに結像している反射像を接眼レンズＥで観察しているが、目視での観察の代わりに、テレビカメラ等を設置して電子画像を取り込んで、観察系視野を検出してもよい。また、不図示であるが、接眼レンズＥを用いずに、結像面チャート面ＩにＣＣＤ等の受光素子を設定し、電子画像を直接取り込み、画像処理で反射像のずれ量を検出しながら、反射像を基準原点にあわせてもよい。

次に本実施例で用いた指標チャートＴと結像面チャートＩとについて説明する。図４に本実施例で用いた指標チャートＴ（図４（ａ））と結像面チャートＩ（図４（ｂ））、そして指標チャートＴの反射像と結像面チャートＩの関係（図４（ｃ））を示す。本実施例では、指標チャートＴの反射像を結像面チャート原点位置に合致し易いように工夫をすることで測定精度を向上させている。

図４の紙面での左右方向と上下方向にチャート像が合致し易いようにするためには、指標チャートＴの十字線の線幅を極力細くし、結像面チャートＩの十字線は破線形状にしている。結像面チャートＩを破線形状にすることより、破線の間から指標チャートＴの像との重なり状態が確認できるので、高精度に合致しやすくなる。

また、前述したように、被検面の見かけの曲率半径が小さい場合には、指標チャートＴの周辺部の光線が観察系に戻らないためイメージサークルが小さくなり、偏心が存在すると指標チャート中心が探しにくくなる。そこで、指標チャートＴの中央部には、中央であることを示すマークを設けることが望ましいため、本実施例では図４（ａ）に示すごとく指標チャートＴの中央部に円形マークを設定している。

また、球心反射像は大きな球面収差を伴うことが多く、球心反射像はぼやけた像の場合が多い。ぼやけた球心反射像の場合は、細い十字線はぼやけてしまい認識することが困難になる。そこで本実施例では、左右方向と上下方向の位置合わせを可能にするために、図４（ａ）に示すように十字線の左右方向と上下方向の位置合わせマークを設定している。

紙面での左右方向に対する位置合わせマークは十字線の縦線に対して左右対称な形状とすることが好ましい。紙面での上下方向に対する位置合わせマークは十字線の横線に対して上下対称な形状とすることが好ましい。本実施例では左右方向又は上下方向に対称な２つの三角形を組み合わせた形状としている。このような位置合わせマークは、ぼやけた反射像であっても対称形状の反射像が認識できれば、そのぼやけた反射像の中央に位置合わせを行うことが可能になる。

一方、見かけの曲率半径や見かけの球心位置が大きな被検面での球心反射像は、指標チャート全面が観察系にもどり、イメージサークルは大きいのだが、反射像は暗く、また大きくぼやけていることが多い。見かけの曲率半径や見かけの球心位置が大きな被検面での球心反射像は、被検面の有効径に対して球心反射位置までの距離が長いので口径比が絞られた状態になるため暗くなる。また絞り込みによる回折の影響で大きくぼやけた反射像になる場合が多い。そのために、指標チャートの細い十字線や中央部分の位置合わせマークの認識が困難になる。その対策として、左右方向、上下方向への合致を可能にするため、観察系視野の周辺部に、中央部の位置合わせマークよりも大きな位置合わせマークを設定する。この大きな位置合わせマークを設定することにより、従来はボケて認識不可能であったチャート位置が認識可能になる。

また位置合わせマークは、図４（ａ）に示すごとく十字線の中心に対し、上下、左右の片側のみに設定することが好ましい。もし、上下、左右の両方に対称に設定すると、見かけの球心反射像と見かけの頂点反射像と重なる場合に位置合わせマークの反射像が重なってしまい見難くなるからである。

次に実施例２の偏心測定装置について図５を用いて説明する。

実施例２では、実施例１のコリメーター対物レンズＫを、平行光線を作るコリメーターレンズＫ１と平行光線を結像させる対物補助レンズＫ２に分割した構造にしている。対物補助レンズＫ２は交換可能又は可変焦点距離レンズで構成し、焦点距離を変更可能にしている。対物補助レンズＫ２を交換した場合は、投影する指標チャート像が測定基準軸Ｃと一致するように光軸と垂直方向に調整可能な構造にしている。指標チャートＴと結像面チャートＩについては、実施例１にて図４を用いて説明したものと同じもの用いている。

対物補助レンズＫ２は測定基準軸Ｃと垂直方向に移動可能な可動ステージＳに装着されている。可動ステージＳは測定基準軸方向Ｃに移動可能な可動ステージＱに設置されている。可動ステージＱは測定基準軸方向に伸びるレールＮの上に設置されている。

被検レンズ取り付けマウントＭは、マウント面が測定基準軸Ｃに対して垂直に調整できるように煽り調整機構を有しており、かつ測定基準軸ＣとマウントＭの中心が合致するように測定基準軸Ｃと垂直方向に移動可能な調整機構も有している。

被検レンズＬは、マウント面が測定基準軸Ｃに対して垂直、かつ測定基準軸ＣとマウントＭの中心が合致するように調整された状態でマウントＭに装着されている。

偏心測定では、予め設計データから算出した各被検面の見かけの球心位置に指標チャートＴの像を投影するように可動ステージＱを順次移動させ、各被検面での球心反射像が観察系視野の基準原点に合致するように可動ステージＳを移動させ、その移動量△Ｙ、△Ｚを移動量検出装置Ｗで検出し、偏心計算装置Ｐに送り、実際の偏心量を算出する。

実施例２の場合、被検レンズＬは測定中に完全に固定させており、測定のために移動させることが無いので、重量の重い被検レンズに対して適している。またズームレンズ等の可動部分を有している場合、測定中に被検レンズの移動に伴う振動等によって偏心状態が変化することを防げる。

実施例１の偏心測定装置の概略図である。観察系視野の説明図である。指標チャートと結像面チャートの説明図である。ズームレンズの断面図である。実施例２の偏心測定装置の概略図である。見かけの曲率半径が小さな場合の球心反射像の説明図である。見かけの曲率半径が大きな場合の球心反射像の説明図である。

符号の説明

Ｒ光源
Ｔ指標チャート
Ｈハーフミラー
Ｋコリメーター対物レンズ
Ｉ結像面チャート
Ｅ接眼レンズ
Ｕオートコリメーション光学系
Ｌ被検レンズ
Ｓ測定軸と垂直方向可動ステージ
Ｑ測定軸方向可動ステージ
Ｎ測定軸方向レール

Claims

複数の被検面の見かけの球心位置に光学系で指標を順次投影し、前記指標の被検面による反射像の状態から各被検面の偏心量を求める偏心測定方法であって、
予め求めた各被検面の見かけの曲率半径に応じて、第１の見かけの曲率半径よりも小さい第２の見かけの曲率半径の被検面を測定する際には、前記第１の見かけの曲率半径に対応する第１の焦点距離よりも短い第２の焦点距離となるように、前記光学系の焦点距離を変更すると共に、前記被検面又は前記光学系の一部を前記光学系によって定められる測定基準軸に対して垂直方向に移動させ、その移動量から前記被検面の偏心量を求めることを特徴とする偏心測定方法。
前記反射像が形成される位置に十字線が形成された結像面チャートが配置され、前記指標は、前記十字線の一方の線に対して対称な形状の第１のマークと、前記十字線の他方の線に対して対称な形状の第２のマークとをそれぞれ複数有するチャートであって、複数の前記第１のマーク及び複数の前記第２のマークはそれぞれ、前記十字線の交差点に近い側のマークに比べて遠い側のマークが大きいことを特徴とする請求項１の偏心測定方法。