JP5226510B2 - 光学表面の曲率を測定するシステムおよび方法 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本特許出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）により、名義"Zino Altman"で２００５年６月３０日に出願された米国仮(provisional)特許出願第６０／６９４９８９号からの優先権の利益を主張するものであり、この開示全体は、参照により全て記載されたものとしてここに組み込まれる。

本発明は、光学測定の分野に関し、特に、光学表面の曲率を測定するシステムおよび方法に関する。

先行技術は、レンズの光学パワーの同定する多くの理論的および実用的な方法を有し、これらの大部分は、光を曲げるレンズ能力を評価するもので、受光素子の解像度に依存する。レンズメータで用いられるごく普通の方法の１つは、像の寸法変化を用いて、レンズ倍率を推定するものであり、その光学パワーをジオプター(diopter)単位で導き出す。他の方法は、機械的なゲージ（スイスゲージ(Swiss gage)）およびプロファイルメールに依存するもので、レンズ面の幾何曲率を実際に定義して、そのパワーを計算する。

レンズを同定する方法の何れも長所を有するが、今日、使用されている方法の幾つかは、長い時間を要する点、レンズの場所、位置決め、材料の性質、コーティングに対して敏感である点、および容易に自動化できない点など、１つ又はそれ以上の短所がある。

材料の屈折率の均一性への限界や、可能性あるコーティング変動を伴うレンズ厚さは、レンズを特徴付ける直接結像方法のデータ忠実度に対して有意な挑戦を提示し得る。ここで、直接結像方法は、被検レンズによって生成される像が分析されて、レンズパワーを決定するものとして定義できる。

一方、現在、眼鏡レンズ産業において半仕上げコートレンズの大規模生産に向かう傾向がある。幾つかのレンズでは、製造者だけがレンズの一表面の曲率を管理し、そのレンズは小売店によって仕上げられ、特定の顧客の要求を満たしている。これらのレンズは、より幅広いコーティングを備えた、種々の材料（多くはプラスチック）から生産される。

よって、製品の一表面の曲率は、管理し測定する必要があることから、レンズ表面の曲率を測定する新しい方法およびシステムについてのニーズが存在している。

従って、レンズ表面の曲率を測定するための改善したシステムおよび方法を提供するのが好都合であろう。また、レンズの対向面の曲率への管理に依存しないシステムおよび方法を提供するのが好都合であろう。他の更なる目的および利点は、下記において明らかとなるであろう。

本発明は、レンズなどの物体の光学表面の曲率を測定するシステムおよび方法を含む。

本発明の一態様において、物体表面の曲率を測定する方法は、既知のサイズを有する光パターンを用いて物体表面を照射して、光学表面から反射した虚像を形成すること、光パターンから光学表面によって形成された反射虚像のサイズを測定すること、および光パターンの既知のサイズおよび反射虚像のサイズから、光学表面の曲率を計算することを含む。好ましくは、該方法は、電子的または光学的手段によって、物体によって形成された２次およびより高次の反射（ゴースト像）が、反射虚像のサイズ測定に影響を与えることを抑制することを含む。

本発明の他の態様において、物体表面の曲率を測定するためのシステムは、既知のサイズを有する光パターンを用いて物体表面を照射して、物体表面から反射した虚像を形成するようにした像発生器と、物体表面からの反射虚像を検出するための像検出器と、光パターンの既知のサイズおよび像検出器によって検出された反射虚像のサイズから、物体表面の曲率を計算するようにしたコントローラとを備える。好ましくは、像発生器は、紫外光または、物体材料に適した波長または複数の波長、例えば、物体材料に吸収され、反射虚像を検出するための検出素子を起動できる波長を有する他の光を発生する光源を含む。

図１は、物体Ｓ、実像ｓおよびレンズ１００表面１０５で反射した虚像ｓ’の関係を示す概略図である。正規の平面ミラーは、歪みが殆ど無しまたは皆無で像を反射するが、レンズ表面１０５は、レンズ表面１０５の曲率および形状に比例して歪んだ（サイズが拡大または縮小した）実像を反射する。この反射虚像ｓ’は、図１に示すように、レンズ表面１０５から実像ｓまでの距離ｌに比例した距離ｌ’において、レンズ１００の表面１０５の後方に配置されているように観察できる。

図１において、Ｒは、レンズ表面１０５の曲率半径である。Ｒ＝∞のとき、Ｓ／ｓ＝１になることは周知である。Ｒが∞より小さくなると、Ｓ／ｓの比が１より大きくなり、物体Ｓの拡大（歪み）を表す。実際の物体面Ｓからレンズ表面１０５までの距離Ｌが既知の場合、我々は、レンズ表面１０５のレンズ曲率Ｒを下記のように計算できる。
レンズ倍率をＳ／ｓとして定義した場合、距離Ｌ，ｌが判る。

一方、主なレンズ公式は、次のようになる。

式（１）と式（２）から、次の式が得られる。

距離Ｌ＝２００ｍｍ、倍率レベル４では、ｆ＝１６０ｍｍが得られる。

これは、下記のレンズ製作公式として知られた公式について真の解である。

平凸レンズでは、１つの半径が∞になり、対応する１／ｒの項が式（４）から消える。この場合、１．４１の屈折率を持つレンズ材料と仮定すると、次のようになる。

同じ論理および分析が反射虚像ｓ’について採用され、レンズ１００の前側表面１０５が物理的な単一表面レンズとして取り扱いが可能であり、ｓ’が実像ｓと交換される。同じ理由付けが、レンズ１００の後側表面１１０からの反射虚像を分析するためにも適用可能である。

上述の分析から、物体Ｓを２次元物体とした場合、我々は、軸方向の位置決め誤差、あるいは、疑わしい場合、その表面の不規則性を定義できることが判明した。既知のパラメータを持つ何れかの２次元物体Ｓは、レンズＩＤポイント用の初期データポイントとして使用できる。

例えば、物体を、Ｓが三角形の一辺の長さ寸法である正三角形にした場合、反射虚像は、辺長ｓ’を持つ正三角形となるはずである。

反射虚像の３つの辺全てを測定し、相互に比較した場合、レンズについて品質因子(quality factor)を導出することができる。システム設定が、垂直性および直線性の観点から理想に近い場合、品質因子は１に近くなる。品質因子を「１」から変化させることによって、レンズ位置決めおよび光学アライメントに関するシステム許容誤差を設定できる。これは、システムアライメントを自動的に確認するためにも使用できる。

図２は、上述のようなレンズ表面を照射し、反射虚像からのレンズ表面の曲率を測定するための照射手段２００の一実施形態を示す。照射手段２００は、図２に示すように、位置を変化させることができる可動ステージ２１０上にある光源２０５または像点を含む。調整可能な像サイズを提供できる能力（図２において、光源間の距離「Ｓ」を操作する能力）は、光学表面の迅速な同定のための高速で直接的なシステム開発を可能にする。好ましくは、光源１０５は、紫外光または、対象となるレンズ材料に適した波長または複数の波長、例えば、レンズ材料によって吸収され、反射虚像を検出するための検出素子を起動できる波長を有する他の光を発生する。

一実施形態において、ここで説明したシステムおよび方法は、レンズ製造者によって採用され、生産設備においてレンズ表面の曲率半径及び／又は他の特性を特徴付けることができる。この場合、レンズが許容され、顧客に出荷できるか、あるいは拒絶されるかを決定するために、典型的な合否基準が設定される。

表面曲率のための合否基準を知ることは、光源間の距離「Ｓ」を、光源１０５の反射虚像ｓ’によって形成される正三角形のサイズ及び／又は面積が、電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラまたは他の検出カメラによって検出される場合に、検出素子内に「占有」される画素数や他の単位に換算した一定の期待値を有するような値にプリセットすることが可能になる。

従って、特定のサンプルレンズからの反射虚像のサイズ及び／又は面積が、検出素子内に「占有」される画素数や他の単位に換算した許容値から変化した場合、サンプルレンズが許容されか（合格）、または拒絶されるか（不合格）を決定できる。

図３は、レンズ１００の表面など、光学表面の曲率を測定するためのシステム３００の一実施形態を示すブロック図である。システム３００は、像発生器３１０と、像検出器３２０と、コントローラ３３０とを備える。

像発生器３１０は、例えば、図２に示したように、位置を変化させることができる可動ステージ上にある光源または像点を含んでもよい。好ましくは、光源は、紫外光または、レンズ１００の材料に適した波長または複数の波長、例えば、レンズ１００によって吸収され、像検出器３２０による検出を起動できる波長を有する他の光を発生する。

像検出器３２０は、電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラであってもよい。コントローラ３３０は、マイクロプロセッサと、メモリとを含んでもよく、像発生器３１０および像検出器３２０を制御して、上述または後述のアルゴリズムを実行するための機械（プロセッサ）実行可能なコードを格納するようにしたプログラムメモリを含む。

動作について、上述したように、像発生器３１０は、レンズ１００から既知の距離に配置される。像発生器３１０は、コントローラ３３０によって制御され、光源を用いて、既知のサイズの物体Ｓを発生し、光線をＳからレンズ１００へ向ける。上述したように、物体Ｓから、レンズ１００は反射虚像を形成し、反射虚像のサイズは像検出器３２０によって測定される。そして、上述したような数式を用いて、コントローラ３３０は、レンズ１００の表面についての特性、例えば、曲率を決定することができる。

好ましくは、コントローラ３３０は、像発生器３１０を制御して、光源の位置を調整（例えば、可動ステージにより）してもよく、これにより物体Ｓのサイズを変化させることができる。反射虚像のサイズ測定は、多くの異なるサイズの物体Ｓについて繰り返してもよく、レンズ表面測定の精度を改善したり、表面１０５を記述する追加のパラメータを導出できる。

好ましくは、上述のシステム３００および方法は、レンズ１００によって形成された２次およびより高次の反射（ゴースト像）を抑制するための手段を含む。こうした抑制は、電子的または光学的手段によって達成できる。光学的手段は、光学フィルタ、偏光子、レンズ１００に設けられた特別なコーティングなどを含んでもよい。電子的手段は、典型的には減少した振幅を有する２次およびより高次の反射を排除または抑制する、像の検出および認識のための特定の基準を提供することを含むことができる。

こうした基準は、検出像のサイズの境界、検出像についての強度閾値、対象領域に対する受光した光の場所の境界などを含んでもよい。例えば、像検出器３２０を制御して、その検出閾値は、最小感度がゴースト反射の最大予想強度より高くなるレベルに設定してもよい。

上述し、添付図面に示した配置の実施形態は、下記の特徴の１つ又はそれ以上を含んでもよい。（１）幾つかの基本的な光源が、ある曲率の光学表面に反射像を形成するために用いられ、ここでは、像歪みの電子的デコードが、表面曲率を定義するために用いられる。（２）光源が、分析される基板材料に対応した特定の波長のものである。（３）基板の単一表面が一回で分析される。（４）両方の基板表面が同時に分析される。（５）基板が、半仕上げの眼鏡レンズである。（６）基板が、仕上がった眼鏡レンズである。（７）コントローラ３３０は、実際のレンズパワーをジオプター（Ｄ）単位で導き出す。（８）コントローラ３３０は、表面曲率をｎｍ単位で測定する。（９）単一表面において１つより多い測定ポイントが採用され、多焦点かつプログレッシブ(progressive)焦点距離レンズが同定可能である。（１０）両方の表面において１つより多い測定ポイントが採用され、多焦点かつプログレッシブ(progressive)焦点距離レンズが同定可能である。

ここでは好ましい実施形態を開示したが、本発明の概念および範囲内にある多くの変形が可能である。例えば、上述した実施形態は、レンズの曲率を測定するための格別な用途を有するが、これらは物体の適当な光学表面を特徴付けるために、より汎用的に適用可能であると理解すべきである。こうした変形は、ここでの明細書、図面および請求項の精査により、当業者にとって明確になるであろう。よって、本発明は、添付した請求項の精神および範囲を除いて限定されるべきでない。

物体、実像およびレンズ表面からの反射虚像の関係を示す概略図である。 像発生器および像検出器の一実施形態の軸方向の図である。 光学表面の曲率を測定するシステムおよび方法を示すブロック図である。

Claims (12)

1. 物体表面の曲率を測定する方法であって、
   （ａ）複数の光源で発生した、既知のサイズを有する光パターンを用いて物体表面を照射して、光学表面から反射した虚像を形成すること、
   （ｂ）光パターンから光学表面によって形成された反射虚像のサイズを測定すること、
   （ｃ）光パターンの既知のサイズおよび反射虚像のサイズから、光学表面の曲率を計算すること、
   （ｄ）光源間の相互距離を調整することによって、光パターンのサイズを調整すること、
   （ｅ）調整したサイズを有する光パターンについてステップ（ｂ）（ｃ）を繰り返して、光学表面の計算した曲率の精度を改善すること、を含む方法。
2. 物体からの２次およびより高次の反射が、反射虚像のサイズ測定に影響を与えることを抑制することをさらに含む請求項１記載の方法。
3. 光パターンから光学表面によって形成された反射虚像のサイズを測定することは、
   複数の画素を有する電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いて、反射虚像を検出することと、
   反射虚像によって照射されたＣＣＤの画素から前記サイズを測定することとを含む請求項１記載の方法。
4. 反射虚像のサイズを測定する際、設定した閾値未満の強度を有する光照射画素を無視することをさらに含む請求項３記載の方法。
5. 光パターンは、物体の材料によって吸収される光を生成するようにした請求項１記載の方法。
6. 物体表面の曲率を測定するためのシステムであって、
   既知のサイズを有する光パターンを用いて物体表面を照射して、物体表面から反射した虚像を形成するようにした像発生器と、
   物体表面からの反射虚像を検出するための像検出器と、
   光パターンの既知のサイズおよび像検出器によって検出された反射虚像のサイズから、物体表面の曲率を計算するようにしたコントローラと、を備え、
   像発生器は、可動ステージと、可動ステージに装着された複数の光源とを備え、
   コントローラは、可動ステージを制御して、光源間の相互距離を調整することによって、像発生器からの光パターンのサイズを調整し、光学表面の計算した曲率の精度を改善するするようにしたシステム。
7. 複数の光源は、紫外光を発生するようにした請求項６記載のシステム。
8. 複数の光源は、物体材料に吸収される波長を有する光を発生するようにした請求項６記載のシステム。
9. 像検出器は、電荷結合素子（ＣＣＤ）である請求項６記載のシステム。
10. 物体によって形成された２次およびより高次の反射が、反射虚像のサイズ測定に影響を与えることを抑制するための抑制手段をさらに含む請求項６記載のシステム。
11. 抑制手段は、２次およびより高次の反射からの少なくとも一部の光が検出されないように、像検出器による像検出のための特定の基準を含む請求項１０記載のシステム。
12. ２次およびより高次の反射からの少なくとも一部の光が、像検出器に到達しないようにするための光学手段をさらに含む請求項１０記載のシステム。

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