JP4943946B2 - 偏芯量測定装置 - Google Patents

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本発明は、レンズ等の光学素子における被検面の偏芯量を測定する偏芯量測定装置に関し、特に複数のレンズ等により構成された光学素子における各被検面の偏芯量を測定するのに好適な偏芯量測定装置に関する。
従来、この種の偏芯量測定装置としては、オートコリメーション法と称される測定手法を適用したものが知られている(下記特許文献1、2参照)。
オートコリメーション法では、被検光学素子の被検面の焦点面と撮像面とが、被検面を介して互いに共役な位置関係となるように被検面と光学系との位置調整を行い、被検面を所定の回転軸回りに回転させながら、被検面の焦点面に所定形状の指標の像を結像させる。この指標の像は、被検面を介してリレーされ撮像面上に結像されるが、このとき被検面が偏心していると、被検面の回転に伴って指標の像が円形の軌跡を描くように移動するので、この円の半径を計測することで被検面の偏芯量を求めることができる。
従来の偏芯量測定装置では、指標としてピンホールを用いているものが多いが、この場合、画像上においてピンホール像の中心位置を特定することが難しいという問題があった。そこで、本願出願人は、十字形状のレチクルを指標として用いることにより、指標像の中心位置を画像上において容易に特定し得るようにした測定手法を提案し、既に特許庁に対し開示している(下記特許文献3参照)。
特開2005−55202号公報 特開2007−17431号公報 特願2006−157198号明細書
ところで、複数のレンズ等から構成された光学素子においては、各レンズ面について偏芯量を測定する必要が生じるが、各レンズの配置によっては、所定のレンズ面の焦点面(近軸曲率中心)に他のレンズ面やフィルタ等の他の光学部材が位置している場合がある。
このような場合、上記所定のレンズ面を被検面としてオートコリメーション法を適用すると、被検面を介して撮像面上に結像される指標像(以下「正規像」と称する)とは別に、被検面の焦点面に位置する他のレンズ面等を介してリレーされた指標像(以下「不要像」と称する)が撮像面上に結像されてしまうことになる。
従来の偏芯量測定装置の中には、画像上における指標像(正規像)の位置を、画像濃度値に基づいて自動的に特定するように構成されているものがあるが、正規像と不要像とが共に画像上に担持されていた(写っていた)場合、これらを互いに峻別することが困難なため、正規像の位置特定を行うことができなかった。
そこで、正規像と不要像とが共に画像上に担持されてしまうような場合には、オペレータが画像を見て正規像と不要像との峻別を行い、不要像をマスキングするなどの作業を行うことが必要とされていた。通常、1つの被検面の偏芯量を測定するのに、正規像の位置が互いに異なる10枚以上の画像が必要とされるので、各画像において上述のマスキング等の作業を行うことは非常に煩わしく、また測定に要する時間も著しく増大してしまうことになる。このため、オペレータの判断によって、偏芯量の測定に供する画像が間引かれてしまい、測定精度が低下してしまう虞もある。
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、オートコリメーション法を適用して偏芯量を測定する際に、被検面を介して結像された正規像とは別に、他の面を介して結像された不要像が画像上に担持されていた場合でも、画像上における正規像の位置を特定することが可能な偏芯量測定装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため本発明の偏芯量測定装置では、被検面以外の他の面を介して結像された不要像は、被検光学素子を回転しても各画像上での位置や画像濃度値が殆ど変化しないことに着目して、差画像を求めることにより不要像を消去するようにしている。
すなわち、本発明に係る偏芯量測定装置は、所定の回転軸を中心として被検光学素子を回転可能に保持する基台と、該基台に保持され前記所定の回転軸を中心として回転せしめられる前記被検光学素子の被検面に対し、光源からの光を所定形状の指標を介して照射するとともに、該指標の像を前記被検面の焦点面に結像させる照射用光学系と、前記被検面からの反射光または透過光を撮像面上に導き該反射光または透過光により形成される前記指標の正規像を前記撮像面上に結像させる結像用光学系と、前記被検光学素子の互いに異なる複数の回転位置毎に、該複数の回転位置各々に対応した前記正規像をそれぞれ担持した複数の画像を取得する撮像手段と、撮像された前記複数の画像に基づき前記被検面の偏芯量を解析する解析手段と、を備えてなるものであって、
前記解析手段は、前記複数の画像のうちの所定の2枚の画像の差画像を求めることにより、前記被検面の焦点面に位置する所定面からの反射光または透過光により前記撮像面上に結像される前記指標の不要像を画像上から消去するように構成されていることを特徴とする。
本発明に係る偏芯量測定装置において、前記解析手段は、前記差画像において画像濃度値が正となる領域および負となる領域のどちらか一方の領域の画像濃度値を零とする処理を行なうことにより、前記2枚の画像のうちの一方の画像上の前記正規像のみを担持した正規像位置特定用画像を形成するように構成されたものとすることができる。
また、前記解析手段は、前記一方の画像と前記正規像位置特定用画像との差画像を求めることにより、前記指標の不要像のみを担持した不要像除去用画像を形成するように構成されたものとすることもできる。
また、前記解析手段は、前記正規像位置特定用画像において、画素ライン毎に各画素に対応した画像濃度値を合算し、該合算された値が最大となる画素ラインの座標に基づき、前記正規像の中心位置を特定するように構成することもできる。
なお、本発明において「画像」とは、人が視覚的に認識し得る通常の画像以外に、このような画像を構成する各画素に対応した画像濃度値の分布データ等の画像情報を含む概念である。
また、「差画像」とは、2つの画像間の画像濃度値の差をとった画像を意味する。
本発明に係る偏芯量測定装置によれば、オートコリメーション法を適用して偏芯量を測定する際に、被検面を介して結像された正規像とは別に、他の面を介して結像された不要像が画像上に担持されていた場合でも、差画像を求めることにより不要像を画像上から消去することができるので、画像上における正規像の位置を画像濃度値等に基づいて特定することが可能となる。
したがって、従来の偏芯量測定装置においては必要とされていた、オペレータによる不要像のマスキング等の作業が不要となるので、測定に要する時間を大幅に短縮することができるとともに、測定精度の低下を防止することが可能となる。
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図1は本発明の一実施形態に係る偏芯量測定装置の概略構成図である。
図1に示す偏芯量測定装置1は、被検光学素子としてのレンズ体5の各被検面の偏芯量を、オートコリメーション法を適用して測定するものであり、測定ヘッド10と、レンズ体5を回転可能に保持する基台20と、偏芯量を算定するための各種演算等を行う解析演算部30と、測定ヘッド10を図中上下方向に移動可能に保持するZ軸ステージ40とを備えてなる。
上記測定ヘッド10は、上記レンズ体5に照射される光束を出力する光源11と、光源11から出力された光束を通過させる、指標としての十字形状のスリット(以下「レチクル」と称する)を有するレチクル板12と、レチクル板12からの光束を図中下方に向けて反射するビームスプリッタ13と、入射された光束を平行光束とするコリメータレンズ14と、平行光束を光収束点Pに収束せしめる対物レンズ15とを備えている。また、この測定ヘッド10は、CCDやCMOS等の撮像素子16を搭載した、撮像手段としての撮像カメラ17も備えている。なお、本実施形態においては、上記レチクル板12、上記ビームスプリッタ13、上記コリメータレンズ14、および上記対物レンズ15等により照射用光学系が構成されており、上記対物レンズ15、上記コリメータレンズ14、上記ビームスプリッタ13等により結像用光学系が構成されている。
一方、上記レンズ体5は、複数のレンズを備え、かつ所定のレンズ面の焦点面に他のレンズ面が位置するように構成された光学素子として例示されたものであり、2枚のレンズ51,52を鏡筒53内に保持してなる。また、被検面としての各レンズ面51a,51b,52a,52bのうち、レンズ52の図中上側のレンズ面52aの焦点面(レンズ面52aの焦点(近軸の曲率中心点)Cが位置する面;図示略)に、レンズ51の図中上側のレンズ面51aが位置するように構成されている。
上記基台20は、上記レンズ体5が載置される載置部材21と、この載置部材21を支持するXY軸ステージ22および回転ステージ23とを備えてなる。XY軸ステージ22は、載置部材21に載置されたレンズ体5と測定ヘッド10との位置調整を行う際に用いられるものであり、載置部材21に載置されたレンズ体5を、上記測定ヘッド10の光軸Zと略直交する面内において移動し得るように構成されている。また、回転ステージ23は、載置部材21に載置されたレンズ体5を、図示した回転軸Aを中心として回転させ得るように構成されている。
なお、上記載置部材21としては、その上方端面縁部においてレンズ体5を支持する円筒形状のものを用いてもよいが、前掲の特許文献3の図3に示すような、Vブロックと回転円板よりなるチャック機構を用いてもよい。
上記解析演算部30は、測定の際に撮像された各画像の解析等を行う、コンピュータ等からなる解析手段としての解析装置31と、解析結果や各画像等を表示する画像表示装置32と、解析装置31に対する各種入力を行うための入力装置33とを備えてなる。
上記Z軸ステージ40は、上記基台20が載置される支持部41と、この支持部41に立設されたガイド部42と、このガイド部42に沿って図中上下方向に移動可能に設けられ、上記測定ヘッド10を保持する可動部43とを備えてなる。このZ軸ステージ40は、上記レンズ体5の偏芯量を測定する際に、上記測定ヘッド10の光収束点Pが上記各レンズ面51a,51b,52a,52bの焦点面にそれぞれ位置するように(例えば、レンズ面52aの偏芯量を測定する場合には、光収束点Pがレンズ面52aの焦点面に位置するように)、測定ヘッド10の高さを順次調整するようになっている。
なお、偏芯量の測定に際しては、上記測定ヘッド10の光軸Zと、上記レンズ体5の光軸Bと、上記基台20(回転ステージ23の)の回転軸Aとが互いに一致するように調整されることが好ましいが、これらが互いに一致しない場合でも測定は可能である。各軸が一致しない場合の測定手法については、前掲の特許文献2に詳述されている。
次に、本実施形態の偏芯量測定装置1による上記レンズ体5の偏芯量の測定手順および偏芯量測定装置1の作用について説明する。なお、上記測定ヘッド10の光軸Z、上記レンズ体5の光軸B、および上記基台20の回転軸Aの相互間の位置調整は終了しているものとする。また、以下では、上記レンズ体5の各レンズ面51a,51b,52a,52bのうち、レンズ面52aの偏芯量を測定する場合を例にとって説明する。
〈1〉まず、上記Z軸ステージ40を用いて、上記測定ヘッド10の光収束点Pが上記レンズ面52aの焦点面に位置するように、測定ヘッド10の高さ調整を行う。
〈2〉次に、測定ヘッド10からレンズ体5に測定光束を照射する。レンズ体5に照射された測定光束は、上記光収束点Pに収束して上記レンズ面52aの焦点面に上記レチクルの像を結像するとともに、その一部が上記レンズ51を透過して上記レンズ面52aに照射される。レンズ面52aに照射された光束のうちレンズ面52aからの反射光束(特に近軸領域からの反射光束)の一部は、上記レンズ51を透過してレンズ面52aの焦点面に上記レチクルの像を結像しつつ測定ヘッド10に入射する。測定ヘッド10に入射された、上記レンズ面52aからの反射光束は、上記対物レンズ15、上記コリメータレンズ14、上記ビームスプリッタ13を介して上記撮像カメラ17の撮像素子16に入射され、この撮像素子16の撮像面上に上記レチクルの像(以下「正規像」と称する)が結像される。
一方、レンズ体5に照射された測定光束のうち上記レンズ面51aからの反射光束は、上記対物レンズ15、上記コリメータレンズ14、上記ビームスプリッタ13を介して上記撮像カメラ17の撮像素子16に入射され、この撮像素子16の撮像面上に上記正規像とは別のレチクル像(以下「不要像」と称する)が結像される。
〈3〉次いで、上記撮像カメラ17により、上記正規像および上記不要像が共に担持された画像を撮像する。なお、上記レンズ面52aの焦点面と上記撮像面とは、上記レンズ面52aを介して共役な位置関係となっている。
〈4〉以下、上記回転ステージ23を用いて、上記レンズ体5(レンズ面52a)を、上記回転軸Aを中心として所定角度ずつ回転させ、各々の回転位置毎に、上記〈1〉、〈2〉の処理を行って、上記正規像および上記不要像が共に担持された画像を撮像する。なお、撮像された各画像情報は、上記解析装置31の記憶部に順次記憶される。
図2に、各回転位置に対応した複数の画像の一例を示す。図2には、上記レンズ体5を30度ずつ回転させて撮像された計12枚の画像I〜I12(数字は撮像順を示す)が示されている。各画像I〜I12において、画像を4つに区切るように写っている大きな十字形の像が不要像Uc〜Uc12であり、その傍らに写っている小さな十字形の像が正規像Rc〜Rc12である。図示のように、正規像Rc〜Rc12は、各画像I〜I12において相対的に位置が変化しているのに対し、不要像Uc〜Uc12は、各画像I〜I12における相対的な位置および画像濃度値が殆ど変化していない。
〈5〉次に、上記各画像I〜I12上に担持された正規像Rc〜Rc12の中心位置を特定するための準備として、上記不要像Uc〜Uc12を画像上から消去する画像処理を行う。この不要像消去のための画像処理は、上記解析装置31において自動的に行われるようになっている。
ここで、不要像消去のための画像処理の原理について、図4および図5を用いて説明する。図4は正規像および不要像がそれぞれ担持された2つの画像を例示した図である。また、図5は図4に示す2つの画像から不要像を消去する際の画像処理の作用を示す図であり、同図(A)は図4に示す画像Iaにおける断面線61aに沿った画像濃度値の分布を示し、同図(B)は図4に示す画像Ibにおける断面線61bに沿った画像濃度値の分布を示している。また、同図(C)は図4に示す画像Iaと画像Ibとの差画像における画像濃度値の分布を示している。
図4の画像Ia上には正規像Rcおよび不要像Ucが担持されており、画像Ib上には、正規像Rcおよび不要像Ucが担持されている。また、図4および図5(A),(B)に示すように、正規像RcおよびRcは、相対的な位置が画像間で変化しているのに対し、不要像UcおよびUcは、相対的な位置およびその画像濃度値が画像間で変化していない。そこで、2つの画像Ia,Ibの差画像ΔI(=Ia−Ib)を求める。この差画像ΔIにおいては、不要像UcおよびUcが相殺されて消去されることとなる。なお、差画像ΔI(=Ia−Ib)を求める際、画像Ib上に担持されていた正規像Rcと対応する領域の画像濃度値が負となるが、本実施形態ではこのような場合、画像濃度値が負となる領域の画像濃度値を零とする処理を行い、画像濃度値が正となる領域(正規像Rcに対応する領域)のみが担持された正規像位置特定用画像を形成するようにしている。一方、差画像ΔI(=Ia−Ib)を求める際、画像濃度値が正となる領域の画像濃度値を零とする処理を行うとともに、画像濃度値が負となる領域の符号を正に付け替えることにより、正規像Rcに対応する領域のみが担持された正規像位置特定用画像を形成するようにしてもよい。
ここで述べた不要像消去ための画像処理を、図2に示す各画像I〜I12間に適用することにより、不要像Uc〜Uc12が消去され、正規像Rc〜Rc12のみがそれぞれ担持された正規像位置特定用画像を形成する。
図3に正規像位置特定用画像の一例を示す。図3に示す12枚の正規像位置特定用画像ΔI〜ΔI12は、図2に示す各画像I〜I12のうち互いに隣接する2つの画像間の差画像(ΔI=I−In+1;n=1,…11)に基づいて形成されたものである(ただし、ΔI12=I12−I)。
〈6〉次に、上記正規像位置特定用画像ΔI〜ΔI12において、正規像Rc〜Rc12の中心位置を特定する。この中心位置の特定に際しては、前掲の特許文献3に記載された手法を用いることが可能である。
なお、正規像Rc〜Rc12が小さかったり、その画像濃度値(撮像面上での受光量)が小さかったりして、中心位置の特定が困難な場合には、以下のような手順により中心位置を特定してもよい。
例えば、図3に示す正規像位置特定用画像ΔIにおいて、Y方向(図中縦方向)に並んだ画素ライン毎に、各画素に対応した画像濃度値を合算した値を算定し(下式(1)参照)、算定された値が最大となる画素ラインのY座標を、正規像Rcの中心位置のY座標とする。同様に、X方向(図中横方向)に並んだ画素ライン毎に、各画素に対応した画像濃度値を合算した値を算定し(下式(2)参照)、算定された値が最大となる画素ラインのX座標を、正規像Rcの中心位置のX座標とする。なお、下式(1),(2)は、正規像位置特定用画像ΔIに対応した画素数が、縦横共に512である場合のものである。
Figure 0004943946
〈7〉特定された各正規像Rc〜Rc12の中心位置に基づき、周知の重み付き平均法
等の近似手法を用いて、像中心の軌跡(通常、円形となる)を求め、この像中心の軌跡の半径に基づいて上記レンズ面52aの偏芯量を算定する。
他のレンズ面51a,51b,52bの偏芯量の測定についても同様の手順で行うが、画像上に不要像が担持されない場合には、上述の不要像消去のための画像処理を省略することが可能である。
このように本実施形態に係る偏芯量測定装置によれば、正規像と不要像が画像上に担持されていた場合でも、差画像を求めることにより不要像を画像上から消去し得るので、画像上における正規像の位置を特定することが可能となる。また、これにより、被検面の偏芯量を高精度に測定し得るとともに、測定に要する時間を大幅に短縮することが可能となる。
なお、本発明の偏芯量測定装置としては、上記実施形態のものに限られるものではなく、種々の態様の変更が可能である。
例えば、上記実施形態では、各正規像位置特定用画像を形成する際に、図2に示す各画像I〜I12のうち互いに隣接する2つの画像間の差画像を順次求めるように構成されているが、これに替えて以下の手順により、不要像のみを担持した不要像除去用画像を形成し、この不要像除去用画像を利用して各正規像位置特定用画像を形成するように構成してもよい。図6は不要像除去用画像の形成過程を模式的に示す図である。
まず、図2に示す各画像I〜I12のうちの所定の2つの画像(図6では画像Iと画像I)の差画像を求めて作成された正規像位置特定用画像(図6では図3に示す正規像位置特定用画像ΔI)と、差画像の元になった上記2つの画像のうちの一方の画像(図6では画像I)との差画像を求めることにより、不要像のみを担持した不要像除去用画像IUcを形成する。
次に、図2に示す各画像I〜I12と、上記不要像除去用画像IUcとの差画像をそれぞれ求めることにより、図3に示す各正規像位置特定用画像ΔI〜ΔI12と同様の各正規像位置特定用画像を形成することができる(正規像位置特定用画像ΔIについては、前段階において既に形成されている)。
また、上記実施形態においては、指標として十字形状のレチクルを用いているが、これに替えて、ピンホール等の他の形状のものを指標として用いることも可能である。
さらに、上記実施形態においては、1つの被検面(レンズ面52a)の偏芯量を測定する際に、被検面の回転位置を30度ずつ変化させて撮像された計12枚の画像を用いているが、被検面の回転角度や撮像する画像の枚数については、適宜変更し得る。
また、上記実施形態の偏芯量測定装置は、被検面からの反射光により形成される指標像を観察する光反射タイプのものであるが、被検面からの透過光により形成される指標像を観察する光透過タイプのものとすることも可能である。
一実施形態に係る偏芯量測定装置の概略構成図 レンズ体の各回転位置において撮像された複数の画像の一例を示す図 正規像位置特定用画像の一例を示す図 正規像および不要像がそれぞれ担持された2つの画像を例示する図 不要像を消去する画像処理の作用を示す図 不要像除去用画像の形成過程を模式的に示す図
符号の説明
1 偏芯量測定装置
5 レンズ体(被検光学素子)
10 測定ヘッド
11 光源
12 レチクル板
13 ビームスプリッタ
14 コリメータレンズ
15 対物レンズ
16 撮像素子
17 撮像カメラ
20 基台
21 載置部材
22 XY軸ステージ
23 回転ステージ
24 Z軸ステージ
30 解析演算部
31 解析装置
32 画像表示装置
33 入力装置
40 Z軸ステージ
41 支持部
42 ガイド部
43 可動部
51,52 レンズ
51a,51b,52a,52b レンズ面
53 鏡筒
61a,61b 断面線
〜I12 画像
ΔI〜ΔI12 正規像位置特定用画像
Uc 不要像除去用画像
Rc〜Rc12,Rc,Rc 正規像
Uc〜Uc12,Uc,Uc 不要像
P 光収束点
Z,B 光軸
A 回転軸

Claims (4)

  1. 所定の回転軸を中心として被検光学素子を回転可能に保持する基台と、該基台に保持され前記所定の回転軸を中心として回転せしめられる前記被検光学素子の被検面に対し、光源からの光を所定形状の指標を介して照射するとともに、該指標の像を前記被検面の焦点面に結像させる照射用光学系と、前記被検面からの反射光または透過光を撮像面上に導き該反射光または透過光により形成される前記指標の正規像を前記撮像面上に結像させる結像用光学系と、前記被検光学素子の互いに異なる複数の回転位置毎に、該複数の回転位置各々に対応した前記正規像をそれぞれ担持した複数の画像を取得する撮像手段と、撮像された前記複数の画像に基づき前記被検面の偏芯量を解析する解析手段と、を備えてなる偏芯量測定装置であって、
    前記解析手段は、前記複数の画像のうちの所定の2枚の画像の差画像を求めることにより、前記被検面の焦点面に位置する所定面からの反射光または透過光により前記撮像面上に結像される前記指標の不要像を画像上から消去するように構成されていることを特徴とする偏芯量測定装置。
  2. 前記解析手段は、前記差画像において画像濃度値が正となる領域および負となる領域のどちらか一方の領域の画像濃度値を零とする処理を行なうことにより、前記2枚の画像のうちの一方の画像上の前記正規像のみを担持した正規像位置特定用画像を形成するように構成されていることを特徴とする請求項1記載の偏芯量測定装置。
  3. 前記解析手段は、前記一方の画像と前記正規像位置特定用画像との差画像を求めることにより、前記指標の不要像のみを担持した不要像除去用画像を形成するように構成されていることを特徴とする請求項2記載の偏芯量測定装置。
  4. 前記解析手段は、前記正規像位置特定用画像において、画素ライン毎に各画素に対応した画像濃度値を合算し、該合算された値が最大となる画素ラインの座標に基づき、前記正規像の中心位置を特定するように構成されていることを特徴とする請求項2または3記載の偏芯量測定装置。
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