JP4683270B2

JP4683270B2 - レンズメータ

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Publication number: JP4683270B2
Application number: JP2005099548A
Authority: JP
Inventors: 智今泉
Original assignee: Nidek Co Ltd
Current assignee: Nidek Co Ltd
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: JP2006275971A

Description

本発明は、眼鏡レンズの度数を測定するレンズメータに関する。

被検レンズの光学特性を測定するレンズメータにおいて、レンズ後面が強い曲面を持つレンズ（例えば、マイナス度数の強い眼鏡レンズ）の度数を測定するような場合、被検レンズからパターン像を得る測定基準面（スクリーンや二次元受光素子の受光面）との受光距離が異なるため、度数を精度良く求めることが難しいという問題がある。

このような問題を改善する構成として、被検レンズの後面にプローブを当接し、これをレンズ後面でトレースすることによりレンズ後面の曲面形状を求め、これに基づいてレンズ中心部から周辺部までの屈折力の測定値の補正を行う装置が提案されている。（特許文献１参照）。
特開平９−２５７６４４号公報

しかしながら、レンズ後面にプローブをトレースさせる構成の場合、複雑なトレース機構が必要となる。また、測定光路中にプローブがあると邪魔になるため、光路からプローブを出し入れする機構も設ける必要となる。

本発明は、上記問題点を鑑み、簡単な構成で、精度良く、被検レンズの度数を求めることができるレンズメータを提供することを技術課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。

（１）レンズ載置部に置かれた被検レンズの光学特性を測定するレンズメータにおいて、被検レンズに測定光を投光し、光路に配置された所定パターンの指標及び被検レンズを通過した測定光により所定の受光面で受光される前記指標の像を検出する受光素子を持つ測定光学系であって、前記受光面を測定光軸方向の異なる第１受光位置と第２受光位置に位置させて指標像を受光させる測定光学系と、前記第１受光位置及び第２受光位置の受光面にてそれぞれ検出される指標像に基づき、所定の演算式により被検レンズの像側主点位置から第１受光位置又は第２受光位置までの受光距離を求め、求めた受光距離及びその受光距離における受光面での指標像に基づいて被検レンズの屈折力を演算する演算手段と、を備えることを特徴とするレンズメータ。

本発明によれば、簡単な構成で、精度良く、被検レンズの度数を求めることができる。

以下に、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態のレンズメータの光学系及び制御系を示す図である。

測定光学系１０は、被検レンズの広範囲に所定の指標パターンからなる測定光を投光する投光光学系２０と、被検レンズを通過した測定光を光軸方向に２つの異なる受光距離にて受光素子に受光させることが可能な受光光学系３０を有する。光軸Ｌ１は、受光光学系３０の受光光軸である。投光光学系２０は、光軸Ｌ１上に配置されたＬＥＤ等の測定光源２１、コリメータレンズ２２、レンズの度数分布を求めるために必要な一定の規則性を持った指標パターンを持つ指標板２３を有する。また、受光光学系３０は、測定基準面としてのスクリーン３１、撮像レンズ３２、エリアＣＣＤ等の二次元受光素子３３を有する。なお、本実施形態では、指標板２３は図１及び図２に示すように、被検レンズＬＥの広い範囲の度数分布を一度に測定可能なように、広い範囲において規則正しく並んだ多数の細孔（ドット）により形成された指標パターンを有する遮光板を用いるものとしている。なお、他の指標パターンとしては、規則正しく並んだ格子パターン等が考えられる。

また、受光光学系３０は、駆動機構３５の駆動により光軸方向に一体的に移動できるようになっており、被検レンズＬＥと指標パターン像を得るスクリーン３１（測定基準面）との受光距離を変更可能な構成となっている。これを利用して、被検レンズＬＥと指標パターン像を得るスクリーン３１との受光距離を、第１の受光距離及び第１の受光距離とは異なる第２の受光距離とで切換えることにより、二次元受光素子３３にて２つの異なる受光距離にて指標パターン像を検出することができる（図３参照）。

４０は被検レンズを載置するためのレンズ載置部（レンズ受け台）であり、被検レンズＬＥを載置する場合には、眼鏡を装着した際に眼側となるレンズ面（後面）が二次元受光素子３３側となるように載置する。なお、光軸Ｌ１はレンズ載置部４０が持つ開口４０ａの載置面に対して垂直である。

図１に示すように、光源２１から発せられた測定光は、コリメータレンズ２２により光軸Ｌ１に対して平行光束となって、指標板２３に形成された開口部を介して、レンズ載置部４０に載置された被検レンズＬＥに投光される。被検レンズを通過した測定光束は、レンズ載置部４０の開口４０ａを介して、所定の指標パターン像をスクリーン３１上に投影する。そして、スクリーン３１に投影された指標パターン像は、撮像レンズ３２を介して二次元受光素子３３にて撮像される。

図４はスクリーンに投影された指標パターン像の例を示す図である。レンズ載置部４０に被検レンズＬＥが載置されていないときには、図４（ａ）のように指標板２３に形成された円孔の間隔と各ドット像の間隔を同じくする指標パターン像（ドットパターン像）がスクリーン３１上に投影される。一方、図１に示すように、レンズ載置部４０に被検レンズＬＥを載置した状態では、測定光は、被検レンズの屈折力の影響を受けて、スクリーン３１に指標パターン像を形成することとなる。図４（ｂ）〜（ｅ）は、被検レンズの屈折力の影響を受けて、スクリーン３１に投影される指標パターン像の一例を示した図である。

図４（ｂ）は、プラス度数を持つ球面レンズを載置したときの状態であり、図４（ａ）のときよりも各ドットの間隔が小さくなった指標パターン像が投影される。図４（ｃ）は、マイナス度数を持つ球面レンズを載置したときの状態であり、図４（ａ）のときよりも各ドットの間隔が大きくなった指標パターン像が投影される。また、所定の乱視軸を持つ乱視レンズを載置したときには、図４（ｄ）に示すように、レンズの持つ乱視軸および乱視度数に応じて楕円状に歪んだ指標パターン像が投影される。また、累進レンズを載置した時には、図４（ｅ）に示すように、累進帯の度数分布特性に応じて変形した指標パターン像が投影される。

５０は制御部である。制御部５０は図４に示したようなスクリーン３１に投影された指標パターン像を二次元受光素子３３にて検出し、二次元受光素子３３の出力信号（指標パターンの状態）から被検レンズの複数箇所での度数を求めていき、被検レンズＬＥの度数分布特性を求める。また、制御部５０はこのようにして求められた度数分布特性を元に、これを表現するグラフィックをモニタ５１にマッピング表示する。また、制御部５０は駆動機構３５を駆動制御するようになっている。

次に、本実施形態における度数を求めるための測定原理を以下に説明する。なお、理解を助けるために、図５及び図６に簡単な光学系の模式図を示す。なお、図５において、Ｚ軸は受光光軸Ｌ１を指し、Ｘ軸及びＹ軸は受光光軸Ｌ１に垂直な面に平行な互いに直交する軸方向を指す。

まず、被検レンズＬＥが無い状態で、光軸Ｌ１に対して主光線が平行な測定光束を被検レンズＬＥ上のｎ個の度数測定点（ｘ0i,ｙ0i）（ｉ＝１,２…ｎ）へ入射させ、測定基準面であるスクリーン１０１に投影されるｎ個の指標像の位置を測定する。この場合、スクリーン１０１に投影されるｎ個の指標像の位置は、ＸＹ方向に関して被検レンズＬＥ上のｎ個の度数測定点（ｘ0i,ｙ0i）（ｉ＝１,２…ｎ）と同一の座標位置となる。次に、被検レンズＬＥを置いたときに投影されるｎ個の指標像の位置（ｘi,ｙi）を測定する。ここで、プレンティスの式より、図５及び図６の座標系、及び（ｘ0i,ｙ0i）、（ｘi,ｙi）には、以下の関係が成立する。

なお、ｅは被検レンズＬＥの像側主点位置からスクリーン１０１（測定基準面）までの第１の受光距離を表す。また、ｅ＋Δｅは被検レンズＬＥの像側主点位置からスクリーン１０１までの第２の受光距離であって、Δｅは第１の受光距離と第２の受光距離との受光距離差を表す。

ここで、第１の受光距離ｅにおける測定を測定ａ、第２の受光距離ｅ＋Δｅにおける測定を測定ｂとして、２つの異なる受光距離にて指標パターン像の検出を行い、それぞれの場合におけるＡ₁〜Ａ₃、Ｂ₁〜Ｂ₃が求め、得られたＡ₂に添え字を付けて表すと以下の通り。

Δｅは設計上既知であるから、式２及び式３よりｅが以下で求まる。

式４にて求めたｅを測定ａで測定した前述のＡ₂、Ｂ₂、Ａ₃、Ｂ₃に代入し、これらを解くことにより、被検レンズのｄｘ、ｄｙ、Ｓ，Ｃ，θを求める。また、式４は、Ｂ_3a／Ｂ_3bでも成立する。なお、求まったｅに既知の値であるΔｅを加えたｅ＋Δｅを測定ｂで測定したＡ₂、Ｂ₂、Ａ₃、Ｂ₃に代入しても同様に被検レンズのｄｘ、ｄｙ、Ｓ，Ｃ，θを求めることができる。なお、これにより求まる度数は被検レンズの主点屈折力ともいえる。

このような原理により、被検レンズＬＥの複数の度数測定箇所とパターン像を得る測定基準面との各々の受光距離を考慮した補正情報を求めることができる。また、この補正情報と二次元受光素子にて得られる指標パターン像の検出結果とから、被検レンズＬＥの各測定点での度数等（Ｓ、Ｃ、θ）を求めることができる。すなわち、二次元受光素子にて測定光を受光することにより求められる２つの異なる受光結果に基づいて前記被検レンズの度数を求めることができる。なお、本実施形態においては、測定基準面をスクリーン３１としたが、これに限るものではなく、被検レンズＬＥを通過した測定光によって投影される指標パターン像の位置を得るための部材を測定基準面とすればよい。例えば、スクリーン３１に代えて二次元受光素子を配置したような場合には、測定基準面は二次元受光素子の受光面とすることができる。

図７は、二次元受光素子３３に受光した指標パターン像の拡大図である。ここで、被検レンズＬＥの各度数測定点における度数を求める場合には、被検レンズＬＥの各度数測定点に対応する測定点（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、…）を二次元受光素子３３上に予め設定しておき、被検レンズＬＥをレンズ載置部に置いていない状態にて測定光を照射することにより、二次元受光素子３３上に設定した各測定点近傍に投影される少なくとも３つの指標像を一組とする。この少なくとも３つの指標像からなる組を用いて各測定点における度数測定を各々行うようにする。例えば、測定点Ｐ１における度数を求める場合には、３つの指標像（Ｄ_1b、Ｄ_2a、Ｄ_2b）を一組とする。測定点Ｐ２における度数を求める場合には、４つの指標像（Ｄ_1b、Ｄ_1c、Ｄ_2b、Ｄ_2c）を一組とする。測定点Ｐ３における度数を求める場合には、４つの指標像（Ｄ_1c、Ｄ_1d、Ｄ_2c、Ｄ_2d）を一組とするような方法が考えられる。

次に前述した測定原理を用いた本実施形態のレンズメータの動作を以下に説明する。まず、制御部５０は、第１の受光距離にて二次元受光素子３３に検出された指標パターン像の位置情報をメモリ５２に記憶しておく。次に、制御部５０は、駆動機構３５の駆動により受光光学系３０を光軸方向に移動させることにより、第１の受光距離とは異なる第２の受光距離に切り換える。そして、第２の受光距離にて二次元受光素子３３に検出された指標パターン像の位置情報を得る。

そして、制御部５０は、上記のように、第１の受光距離及び第２の受光距離における指標パターン像の検出結果に基づいて補正情報を求め、この補正情報と二次元受光素子３３にて得られる指標パターン像の検出結果とから、被検レンズＬＥの各測定点での度数等（Ｓ、Ｃ、θ）を求める。

なお、本実施形態において求めたｅは、被検レンズＬＥの像側主点位置から測定基準面までの受光距離であるため、像側主点位置がレンズ後面に近いマイナスレンズなどの場合は精度よく測定できるが、像側主点位置がレンズ後面から離れているプラスレンズなどを測定する場合には、かえって測定誤差が生じ易くなる場合がある。

そのため、二次元受光素子３３にて得られる指標パターン像の検出結果から被検レンズがプラスレンズであると判定された場合には、以下のような補正を行うとよい（図８参照）。まず、上記のように求めたｅを基に得られた球面度数Ｓを焦点距離ｆに直す（ｆ＝１／Ｓ）。また、設計上既知であるレンズ載置部４０の先端からスクリーン１０１までの距離ｅ_sを基に、被検レンズＬＥの像側主点位置からレンズ載置部４０の先端までの距離ｅ_hを求める（ｅ_h＝ｅ−ｅ_s）。プラスレンズの場合、そのレンズ後面は、レンズ載置部４０の先端の高さとほぼ一致しているから、求められたｅ_hは被検レンズＬＥの像側主点位置からレンズ後面までの距離とすることができるので、これにより被検レンズＬＥのレンズ後面から像側焦点までの距離ｂ_fを求めることができる（ｂ_f＝ｆ−ｅ_h）。そして、求められたｂ_fを球面度数Ｓに直す（Ｓ＝１／ｂ_f）ことにより、被検レンズＬＥの後面屈折力を求めることができる。これにより、像側主点位置がレンズ後面から遠いプラスレンズであっても、精度よく度数測定を行うことができる。なお、本実施形態においては、プラスレンズにおいて上記補正を行うような構成としたが、これに限るものではなく、マイナスレンズであっても像側主点位置がレンズ後面から離れているような場合には、上記のような補正を行っても構わない。

以上のような構成によれば、簡単な構成で、精度良く、被検レンズの度数を測定することができる。なお、本実施形態においては、被検レンズＬＥの広い範囲の度数分布を測定するために、レンズ載置部４０の開口４０ａを大きな開口のものとしたが、被検レンズＬＥのノーズピース開口内（例えば、約８ｍｍ）の度数を測定するレンズメータにおいても本発明の適用は可能である。

また、本実施形態のような構成においては、被検レンズＬＥと指標パターン像を得る測定基準面との受光距離を、第１の受光距離と第２の受光距離とで変更しても、被検レンズＬＥ上の度数測定箇所が変わらないため、上記のように求めた補正情報は、正確な度数測定を行うために有用な情報であるといえる。

また、以上のような構成によれば、被検レンズの主点屈折力を求めることができるので、主に、主点屈折力を求めることを前提とする眼内レンズの度数分布測定を求める場合にも有用である。

なお、本実施形態の投光光学系において、図１のような構成としたが、これに限るものではなく、被検レンズＬＥに対して度数測定用の指標パターンを投光するものであればよい。図９は、投光光学系の変容例を示す図である。図９において、２０１は測定光源であり、光軸Ｌ１から等距離の位置に９０度間隔で４つ配置されている。２０２は光軸Ｌ１を中心とした円形の開口により光源２０１からの測定光束を制限する絞りである。２０３は被検レンズＬＥに測定光束を投光する投光レンズである。なお、絞り２０２は、投光レンズ２０３の物側焦点位置に配置され、投光レンズ２０３と絞り２０２は、像側テレセントリック系を構成する。２０５は被検レンズＬＥを載置するためのノーズピース（レンズ載置部）である。２０６は二次元受光素子（測定基準面）であり、測定光源２０１による４つのスポット像（指標パターン像）が受光される。２０７は二次元受光素子２０６を光軸方向に移動させる駆動機構であり、被検レンズＬＥと４つのスポット像を得る二次元受光素子２０６（測定基準面）との受光距離を変更可能な構成となっている。この場合、二次元受光素子２０６にて４つのスポット像を検出し、二次元受光素子２０６の出力信号からノーズピース２０５の開口内における被検レンズの度数を求めるような構成となっている。

このような構成においても、駆動機構２０６の駆動により被検レンズＬＥと指標パターン像を得る二次元受光素子２０６との受光距離を、第１の受光距離及び第１の受光距離とは異なる第２の受光距離とで切換えることにより、二次元受光素子３４にて２つの異なる受光距離にて指標パターン像を検出することができるので、本発明の適用が可能である。また、本変容例によれば、二次元受光素子２０６上のスポット像は投光レンズ２０３により集光された光束であるため、被検レンズＬＥ上の測定光束がかかる部分に傷や汚れがあっても、二次元受光素子４上に投影されるスポット像の光強度のムラが生じにくくなり、スポット像の受光光量が大きくなる。このため、Ｓ／Ｎ比が向上し、スポット像の位置検出精度が安定させることができる。

なお、本変容例の構成において、測定光源２０１の代わりに、電気的な制御により任意の指標パターンを形成し、該指標パターンを測定光として照射する測定光照射部（例えば、液晶ディスプレイ）を用いてもよい。この場合、レンズ載置部２０５の開口が大きいものを用い、測定光照射部に図２に示すような指標パターンを形成することにより、被検レンズＬＥの広範囲における度数分布の測定が可能である。なお、広範囲の度数分布測定を行う場合、図１に示すような指標パターン像を得るためのスクリーン３１を用いてもよい。

また、本実施形態において、被検レンズＬＥと指標パターン像を得る測定基準面との受光距離を、２つの異なる受光距離に変更する構成として、受光光学系３０を光軸方向に一体的に切換移動させる構成としたが、これに限るものではなく、指標パターン像検出用の二次元受光素子にて２つの異なる受光距離にて指標パターン像が検出できる構成であればよい。図１０は、第１の変容例について説明する図である。なお、図１０において、被検レンズＬＥの前面側の構成を省略したが、被検レンズＬＥに対して度数測定用の指標パターンを投光するものであればよい。

４０はノーズピース（例えば、直径８ｍｍの開口を持つ）であり、レンズ載置部としての役割を有する。この場合、図示無き投光光学系ではノーズピース４０の開口を通過する度数測定用の指標パターンを投光できるように構成することで、狭い範囲内における被検レンズＬＥの度数を測定することができる。また、本変容例においては、スクリーンを用いずに、二次元受光素子３３ａ及び３３ｂにより直接指標パターン像を得るような構成となっている。

３００は被検レンズを通過した測定光束を二つに分割するための光分割部材であり、例えばハーフミラーが用いられる。ここで、二次元受光素子３３ａは光分割部材３００を透過した測定光束による指標パターン像を検出し、二次元受光素子３３ｂは光分割部材３００を反射した測定光束による指標パターン像を検出する役割を有し、これらは被検レンズＬＥから受光距離がそれぞれ異なるように配置されている（なお、変容例においては、二次元受光素子３３ｂの方が二次元受光素子３３ａよりも、被検レンズＬＥとの受光距離が長くなるように構成されている。）
このような構成においても、二次元受光素子３３ａ及び３３ｂそれぞれで異なる受光距離における指標パターン像を検出することにより、２つの異なる受光距離にて指標パターン像を検出することができるので、本発明の適用が可能である。また、本変容例によれば、２つの異なる受光距離にて指標パターン像の検出を短時間（同時も可能）に行うことができるため、測定時間を短くすることができる。

なお、本実施形態においては、、狭い範囲内における被検レンズＬＥの度数を測定可能な構成としたが、これに限るものではなく、被検レンズＬＥの広範囲における度数分布の測定を行うような構成としてもよい。

また、図１１は、第２の変容例について説明する図である。図１１において、４００は測定波長を透過する平行平面板であり、平行平面板４００の挿脱により、被検レンズＬＥと指標パターン像を得るスクリーン３１との受光距離を、２つの異なる受光距離に光学的に変更できるようになっている。この場合、平行平面板４００の厚さをｄ、屈折率をｎとし、平行平面板３００を光路から外した場合の受光距離をｅとすると、平行平面板４００を挿入した場合、その受光距離はｅ＋（１−１／ｎ）ｄとなるので、例えば、受光距離ｅを第１の受光距離、受光距離ｅ＋（１−１／ｎ）ｄを第２の受光距離として、補正情報を求めることが可能である。なお、図１１において、特段の説明がない符号のものについては、図１の同様の構成を備えるものとする。

すなわち、このような構成においても、平行平面板４００の挿脱により二次元受光素子３３にて２つの異なる受光距離にて指標パターン像を検出することができるので、本発明の適用が可能である。

なお、本実施形態においては、所定の指標パターン像を受光する受光素子として、二次元受光素子を用いるような構成としてが、これに限るものではなく、ラインセンサを用いるような構成であっても本発明の適用は可能である。なお、ラインセンサを用いた構成としては、例えば、４つの光源を順次点灯させて被検レンズの異なる位置に十字状の指標パターンを投光する投光光学系と、被検レンズを透過した測定光を互いに直交する２つのラインセンサにより受光する受光光学系とを備え、上記ラインセンサによって順次検出された４個の十字像の位置偏位から被検レンズの度数を測定するレンズメータなどが考えられる。この場合、例えば、ラインセンサを光軸方向に移動させることにより、測定光を光軸方向に２つの異なる受光距離にてラインセンサに受光させるような構成が考えられる。

本実施形態のレンズメータの光学系及び制御系を示す図である。指標板に形成された指標パターンを説明する図である。被検レンズと指標パターン像を得るスクリーンとの受光距離を変更したときを示す図である。スクリーンに投影された指標パターン像の例を示す図である。本実施形態における度数を求めるための測定原理を説明する第１の模式図である。本実施形態における度数を求めるための測定原理を説明する第２の模式図である。二次元受光素子に受光した指標パターン像の拡大図である。被検レンズがプラスレンズであると判定された場合のおける補正について説明する図である。投光光学系の変容例を示す図である。第１の変容例について説明するである。第２の変容例について説明する図である。

符号の説明

２０投光光学系
２３指標板
３０受光光学系
３１スクリーン
３３二次元受光素子
３５駆動機構
５０制御部
１０１スクリーン
２０６二次元受光素子
２０７駆動機構
３００光分割部材
４００平行平面板

Claims

レンズ載置部に置かれた被検レンズの光学特性を測定するレンズメータにおいて、被検レンズに測定光を投光し、光路に配置された所定パターンの指標及び被検レンズを通過した測定光により所定の受光面で受光される前記指標の像を検出する受光素子を持つ測定光学系であって、前記受光面を測定光軸方向の異なる第１受光位置と第２受光位置に位置させて指標像を受光させる測定光学系と、前記第１受光位置及び第２受光位置の受光面にてそれぞれ検出される指標像に基づき、所定の演算式により被検レンズの像側主点位置から第１受光位置又は第２受光位置までの受光距離を求め、求めた受光距離及びその受光距離における受光面での指標像に基づいて被検レンズの屈折力を演算する演算手段と、を備えることを特徴とするレンズメータ。