JP5356757B2 - 非球面レンズの形状評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、反射型のヌルレンズを備えた干渉計を用いて非球面レンズの非球面形状の合否を判断する非球面レンズの形状評価方法に関する。

デジタルカメラなどの撮像光学系に用いられる撮像レンズ系は光学性能の向上と共に小型・コンパクト化の要望が高く、このような要望を満たすために近年においては撮像レンズ系に非球面レンズが多用されている。非球面レンズとしてはガラス素材からなるモールドプレスレンズが知られている。非球面レンズの非球面の形状誤差が大きいと撮像レンズ系全体として所望の収差特性などを得ることができない。したがって、製造後の非球面レンズの非球面形状の測定を精度良く行ない、形状誤差が大きいものを取り除く必要がある。

従来においては、非球面レンズの非球面形状の測定には、非球面レンズに接触子を接触させて非球面の形状を測定する接触式の測定装置（例えば、テーラーホブソン社製のフォーム・タリサーフや松下電器産業株式会社製のＵＡ３Ｐ）が用いられている。このような表面形状測定装置を用いた形状測定は非球面の全体についての形状測定に時間を要するという問題点がある。そこで、球面レンズの形状測定に多用されているフィゾー干渉計などの干渉計を用いて非球面の形状測定を行なうことが考えられる。

干渉計を用いて非球面の形状測定を行なう測定方法は、特許文献１、２に開示されている。特許文献１に開示の非球面形状の測定方法は、光源からの一部の光を参照面で反射させ、他の一部の光を非球面波発生手段を介して被検非球面で反射させ、被検非球面で反射した測定光を非球面波発生手段に戻し、参照面で反射した参照光と非球面波発生手段からの測定光とを干渉させて干渉縞を形成し、干渉縞を観察することによって被検非球面の形状を測定する非球面形状の測定方法に関するものであり、非球面波発生手段と被検非球面とを当接させることを特徴としている。非球面波発生手段としてヌルレンズが使用されており、当該文献１の図６に開示されているように、ヌルレンズ系として、両凸レンズおよび両凹レンズの貼り合わせレンズと両凸レンズとから構成された組レンズが用いられている。ヌルレンズを被検非球面に当接させることにより、ヌルレンズと被検非球面の光軸方向の位置を正確に決めることが可能となっている。

特許文献２に開示の非球面形状測定方法は電子モアレ法を採用した方法であり、被測定ワークの非球面で反射してヌルレンズを再度通って戻った被検光と、参照光との干渉による干渉縞画像が二次元画像検出装置で検出され、ヌルレンズが有する誤差が予め評価され、その誤差に応じたパターンが参照画像データに変換されて参照画像メモリに予め書き込まれており、この参照画像メモリの参照画像データに基づき、得られた干渉縞画像の画像演算を行ない、テレビモニタ上に表示される縞パターンが純粋な被測定ワークの非球面が有する形状誤差を表わすようになっている。これにより、ヌルレンズの設計、制作誤差に起因する被測定ワークの良否の判断の精度の低下を回避している。ヌルレンズとして、当該文献の図１などに記載されているように複数枚のレンズから構成される組レンズが用いられている。
特開平０９−３２９４２７号公報 特開平１０−１３２５３１号公報

ヌルレンズを用いた干渉計による非球面レンズの非球面の形状測定方法では、ヌルレンズによって非球面レンズの被検非球面に一致する非球面波を発生させるために、ヌルレンズの設計、制作を波長オーダ以下で行なうことが必要である。したがって、ヌルレンズの設計、制作は簡単ではなく、コストも高い。また、ヌルレンズが完全でないと、検査作業者は、ヌルレンズの誤差に起因して歪んだ干渉縞の縞パターンを見て被検非球面の良否を判断することになり、精度の高い形状評価が不可能になってしまう。

従来において、干渉計により非球面形状を測定するために用いられている非球面波発生素子としてのヌルレンズは、複数枚のレンズからなる組レンズである。組レンズの場合には、ヌルレンズの構成レンズのそれぞれを精度良く製作する必要があるのでコストが高くなるという問題点がある。また、各構成レンズを精度良く製作したとしても、各構成レンズを精度良く組み付けることができないと、被検非球面形状の良否を精度良く評価することができない。したがって、各構成レンズの光軸方向に精度良く位置決めし、また、それらに偏芯（軸ズレ、チルト）の無い状態で組み付ける必要がある。

特許文献１に開示の測定方法では、ヌルレンズと被検非球面を当接させるようにしているので、ヌルレンズと被検非球面の光軸方向の位置精度を高めることができる。しかし、複数枚のレンズからヌルレンズが構成されているので、各構成レンズを精度良く製作する必要があり、また、各構成レンズの軸間距離のズレ、偏芯（軸ズレ、チルト）が無い状態で組み付けることが困難である。したがって、構成レンズの製作誤差、組み付け誤差に起因して干渉縞の縞パターンに歪みが現れてしまい、被検非球面の良否を精度良く判定できないおそれがある。

特許文献２に開示の測定方法では、ヌルレンズの誤差に起因する干渉縞の縞パターンの歪みを画像処理によって除去するようにしている。このためには、ヌルレンズが有する誤差を予め評価して、その誤差に応じたパターンを参照画像データに変換して参照画像メモリに記憶しておく必要があり、誤差を除去するための画像演算が必要である。したがって、装置構成が複雑化し、コストが高くなるという問題点がある。

本発明の課題は、干渉計の複雑化、コスト高を招くことなく、短時間で非球面形状の評価を精度良く行うことのできる非球面レンズの形状評価方法を提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、測定光の一部を参照面に照射し、前記測定光の他の一部を非球面波発生素子を介して測定対象の非球面レンズの被検非球面に照射し、前記被検非球面で反射して前記非球面波発生素子を介して戻る前記測定光の戻り測定光と、前記参照面で反射して戻る前記測定光の戻り参照光とを干渉させて干渉縞を形成し、前記干渉縞に基づき前記被検非球面の形状を評価する非球面レンズの形状評価方法において、前記非球面波発生素子は単レンズからなるヌルレンズであり、前記ヌルレンズの測定光入射側の第１レンズ面は前記被検非球面の設計非球面と略相似な形状を有する非球面であり、前記ヌルレンズの他方の第２レンズ面は当該ヌルレンズのレンズ光軸に垂直な平面であることを特徴としている。前記測定光としては平行光を用いることが望ましい。

本発明の非球面レンズの形状評価方法では、非球面波発生素子として単レンズからなる反射型のヌルレンズ系を用いている。したがって、複数枚のレンズから構成される組レンズからなるヌルレンズの場合とは異なり、単一のヌルレンズを精度良く製作すればよいので、複数枚のレンズからヌルレンズを構成する場合に比べて、ヌルレンズを廉価に製作でき、構成レンズの製造誤差に起因する干渉縞の縞パターンへの影響を低減できる。

また、複数枚の構成レンズを組み付ける際に生ずる軸間距離のズレ、偏芯などの組み付け誤差が発生しないので、ヌルレンズの組み付け誤差に起因する干渉縞の縞パターンへの影響を低減できる。

さらに、単レンズからなるヌルレンズの一方のレンズ面が非球面であり、他方のレンズ面がレンズ光軸に垂直な平面となっているので、平面レンズ面を基準としてヌルレンズを精度良く干渉計に実装することができるので、これによっても、ヌルレンズの組み付け誤差を抑制できる。

したがって、本発明の非球面レンズの評価方法によれば、干渉縞を画像表示し、画像表示された干渉縞の平行状態を目視により確認して、非球面レンズの被検非球面の適否を精度良く判定することが可能である。

ここで、本発明の非球面レンズの形状評価方法は、前記干渉縞を解析して、前記戻り測定光の波面収差のＰ−Ｖ値（被検非球面内における形状誤差の最大値と最小値の差）を算出し、算出した前記Ｐ−Ｖ値を予め定めた選別基準値と比較して、前記非球面レンズの前記被検非球面の適否を判断することを特徴としている。

このようにすれば、目視により縞パターンの曲がり具合を判断する場合に比べて、適否の判断基準を常に一定に保持することができ、また、迅速に合否を判断できる。

また、本発明の非球面レンズの形状評価方法は、表面形状測定装置により前記非球面レンズの前記被検非球面を測定した場合に得られる測定値に基づいて算出した非球面誤差値（非球面設計値と実形状との差分）と、前記被検非球面から得られる前記戻り測定光の波面収差のＰ−Ｖ値との相関を求め、前記相関に基づき、前記被検非球面の適否を判断するための前記選別基準値を予め設定しておくことを特徴としている。

本発明の発明者等の測定によれば、表面形状測定装置による非球面の測定値に基づいて算出した非球面誤差値と、干渉計を用いて得られる戻り測定光の波面収差のＰ−Ｖ値との間には有意の相関があることが確認された。したがって、この相関に基づき選別基準値を設定すれば、表面形状測定装置による形状測定による非球面の良否判定と同様な精度で、ヌルレンズを用いた干渉計によって非球面形状の合否を評価することができる。

次に、本発明の非球面レンズの形状評価方法は、モールドプレス成形された非球面モールドレンズの非球面形状を評価するために用いることができる。モールドプレスレンズの非球面には、モールドプレス型からの離型時、モールドプレス時の冷却に伴うレンズ素材の収縮などに起因して、非球面には細かな傷など、タリサーフなどによる接触型の形状測定装置では検出できない形状不良が発生することがある。このような形状不良は、干渉計による干渉縞の縞パターンに忠実に現れる。例えば細かな傷は干渉縞の欠落部分として現れる。また、成形型の加工やモールドプレス成形に起因する微小うねり、粗さ状態、研削痕の有無などの面情報も干渉縞の縞パターンに現れる。したがって、本発明の評価方法は非球面モールドプレスレンズの評価に用いるのに適している。

本発明の非球面レンズの形状評価方法では、非球面波発生素子として単レンズからなる反射型のヌルレンズを用いた干渉計によって非球面の干渉縞を発生させるようにしている。また、ヌルレンズを構成している単レンズの一方のレンズ面を非球面とし、他方のレンズ面をレンズ光軸に垂直な平面としてある。本発明によれば、従来の複数枚の構成レンズからなるヌルレンズを非球面波発生素子として用いて非球面の形状評価を行なう場合に比べて、干渉計の複雑化、コスト高を招くことなく、表面形状測定装置による形状測定と同程度の精度で非球面形状を評価することが可能になる。

以下に、図面を参照して、本発明の方法を適用した非球面レンズの非球面評価システムの実施の形態を説明する。

図１は本実施の形態に係る非球面形状評価システムの光学系を中心に示す概略構成図である。非球面形状評価システムＳの光学系は、干渉性の高いコヒーレントな光を射出する光源１を備えており、光源１から射出したレーザー光は対物レンズ２によって発散光Ｌ１とされ、コリメータレンズ３を介して平行測定光となり、光路分離光学素子、例えば、プリズムを貼り合せた構成のビームスプリッタ４に入射する。

ビームスプリッタ４に入射した平行測定光Ｌ２は透過して、参照面５ａを有する基準板５に直角に入射する。一部の光は参照面５ａによって反射されて、残りの光は透過する。基準板５を透過した透過光成分はヌルレンズ６に入射し、ここを透過して、不図示の治具によって保持されている検査対象の非球面レンズ７の被検非球面７ａを照射する。

基準板５に入射した光は当該基準板５の参照面５ａによって反射されて、戻り参照光Ｌ３となって同一の光路を経由してビームスプリッタ４に戻り、ビームスプリッタ４により結像光学系８を介してＣＣＤなどの撮像素子９の受光面に導かれる。

一方、非球面レンズ７の被検非球面７ａに入射した透過光成分の一部は、当該被検非球面７ａで反射されて、戻り測定光Ｌ４となって同一の光路を経由してビームスプリッタ４に戻り、その一部がビームスプリッタ４において直角に反射されて、戻り参照光Ｌ３と同一の光路を経由して結像光学系８を介して撮像素子９の受光面に入射し、当該受光面に被検非球面７ａの像を結ぶ。撮像素子９の受光面には、このようにして、戻り測定光Ｌ４と戻り参照光Ｌ３が入射する。これらの光の干渉によって干渉縞が形成される。

撮像素子９の受光面に形成された干渉縞は、撮像素子９の光電信号が入力される画像処理装置１０においてデジタル画像情報に変換される。画像処理装置１０はコンピュータを中心に構成されており、コンピュータには公知の干渉縞解析ソフトがインストールされている。当該干渉縞解析ソフトによって干渉縞画像がモニター画面１１上に画像表示され、また、干渉縞の波面解析などが行われる。

ここで、反射型のヌルレンズ６は、非球面レンズ７の被検非球面７ａの規格非球面形状と略相似の非球面形状をしており、当該被検被球面７ａに対応した非球面波を発生する非球面波発生素子である。また、ヌルレンズ６は単レンズからなり、平行測定光入射側の第１レンズ面６ａは被検非球面７ａの規格非球面と略相似の非球面であり、他方の第２レンズ面６ｂは当該ヌルレンズのレンズ光軸６ｃに垂直な平面となっている。ヌルレンズ６と非球面レンズ７との軸間距離は、被検非球面レンズ７の被検非球面７ａに対して測定光が垂直に入射する位置となるように設定されている。

ヌルレンズ６を透過した測定光は被検非球面７ａで反射された後に、再び、ヌルレンズ６に戻り、当該ヌルレンズ６を透過する。測定光は、被検非球面７ａで反射されて波面収差が発生するが、ヌルレンズ６を２度透過することにより収差が取り除かれて撮像素子９に向かう。したがって、被検被球面７ａが規格非球面形状の場合には、戻り測定光と戻り参照光の干渉によって形成される干渉縞は平行な縦縞になり、被検非球面７ａの形状誤差は干渉縞の曲がりとなって現れる。

（表面形状測定装置による測定と干渉縞の形との相関）
本発明者等は、上記構成の非球面形状評価システムＳを用いて、タリサーフなどの表面形状測定装置による測定値と干渉縞との相関を調べた。この結果、双方の間には有意の相関があり、干渉縞の形を観察することによって精度良く非球面レンズの非球面形状の合否を判断できることが確認された。本発明者等が行なった測定結果の一例を以下に説明する。

まず、検査対象の非球面レンズの非球面を表面形状測定装置（タリサーフ）によって測定した。表１にはタリサーフ測定結果に基づいて算出した非球面誤差値（Ｆ’データ）の一例を示してある。

上記の非球面形状評価システムＳを用いて、同一の非球面レンズの非球面から得られる干渉縞を観察した。図２（ａ）〜（ｃ）には、「ＯＫ品」、「限度ＮＧ品」および「ＮＧ品」について得られた干渉縞の画像を示してある。「ＯＫ品」では、干渉縞がまっすぐであった。「限度ＮＧ品」では、干渉縞の中心部分を直線にした状態で周辺部が曲がる。「ＮＧ品」では、干渉縞の中心部分を直線にした状態でも全体が曲がる。したがって、干渉縞画像を目視して、その形が全体的に直線状である場合には非球面形状誤差が許容範囲内の合格品であると判断でき、周辺部のみに曲がりが生じている場合には非球面形状誤差が許容範囲の限度近辺にあると判断でき、形が全体的に曲がっている場合には非球面形状誤差が許容範囲を越えている不合格品であると判断できる。よって、許容範囲の限界近辺にある場合を除き、短時間で簡単に非球面形状の合否判断を行なうことが可能なことが分かる。

（表面形状測定に基づく測定値Ｆ’と干渉縞全面Ｐ−Ｖ値の相関）
上記のように、干渉縞画像を目視した場合には、その非球面形状が許容誤差近辺にある場合には合否の判断が付かない場合が予想される。そこで、本発明者等は、市販の干渉縞解析ソフトを用いて、非球面から得られる干渉縞の全面Ｐ−Ｖ値（λ）（干渉計）とＦ’（μｍ）（タリサーフ）との関係を調べた。図３は、この結果を示すグラフであり、縦軸に全面Ｐ−Ｖ（λ）、横軸にＦ’（μｍ）を取り、各測定値をプロットしたものである。このグラフにはシミュレーションによる理想直線Ｌを一点鎖線で描いてある。

このグラフから分かるように、「ＯＫ判定」を表す四角のドットはグラフの左下に集まり、「ＮＧ判定」を表す丸のドットはグラフの右上に集まり、「ＯＫ判定」および「ＮＧ判定」のいずれかに明確に判別できない「グレー判定」を表す三角のドットは、それらの中間に集まり、タリサーフ測定値Ｆ’と干渉縞全高Ｐ−Ｖ値の関係は、全体としてほぼ直線になっている。シミュレーションからの理想直線Ｌとは僅かに傾きに差があるが、全面Ｐ−Ｖ値とＦ’との間には高い相関があることが判る。なお、理想直線Ｌとの差は形状誤差成分以外の誤差成分によるものと思われる。

したがって、画像処理装置１０において、干渉縞解析ソフトによって干渉縞の全面Ｐ−Ｖ値（λ）を算出し、算出値を予め設定しておいた選別基準値と比較し、算出値が選別基準値よりも小さい場合にＯＫ判定を行うようにすることができる。すなわち、タリサーフ測定値Ｆ’の選別規格が例えば「０．１５５μｍ」であった場合には、図３に示す相関から、この値に対応する全面Ｐ−Ｖ値（λ）を求め、この値を選別基準値として画像処理装置１０に記憶保持しておき、この選別基準値に基づき、非球面レンズ７の被検非球面７ａの合否判定を精度良く行なうことが可能である。

（その他の実施の形態）
上記の例は、被検レンズが凸の被検非球面７ａであり、ヌルレンズ６も凸の非球面を備えた場合のものである。図４に示すように、被検レンズ７Ａの被検非球面７Ｂが凹の場合には、凸の非球面６Ｂを備えたヌルレンズ６Ａを測定光の焦点位置ＢＦよりも後側に配置して、被検非球面７Ｂに対して測定光を垂直に入射させるようにすればよい。

本発明の実施の形態に係る非球面形状評価システムの光学系を中心に示す概略構成図である。 干渉縞の３例を示す画像である。 干渉縞の全面Ｐ―Ｖ値と表面形状測定に基づく測定値Ｆ’との相関を示すグラフである。 被検非球面が凹である場合のヌルレンズの位置を示す説明図である。

符号の説明

Ｓ 非球面形状評価システム
１ 光源
２ 対物レンズ
３ コリメータレンズ
４ ビームスプリッタ
５ 基準板
５ａ 参照面
６ ヌルレンズ
６ａ 第１レンズ面（非球面）
６ｂ 第２レンズ面（平面）
６ｃ レンズ光軸
７ 非球面レンズ
７ａ 被検非球面
８ 結像光学系
９ 撮像素子
１０ 画像処理装置
１１ モニター画面

Claims (6)

1. 測定光の一部を参照面に照射し、前記測定光の他の一部を非球面波発生素子を介して測定対象の非球面レンズの被検非球面に照射し、
   前記被検非球面で反射して再び前記非球面波発生素子を介して戻る前記測定光の戻り測定光と、前記参照面で反射して戻る前記測定光の戻り参照光とを干渉させて干渉縞を形成し、
   前記干渉縞に基づき前記被検非球面の形状を評価する非球面レンズの形状評価方法において、
   前記非球面波発生素子は単レンズからなるヌルレンズであり、
   前記ヌルレンズの測定光入射側の第１レンズ面は前記被検非球面の規格非球面と略相似な形状を有する非球面であり、
   前記ヌルレンズの他方の第２レンズ面は当該ヌルレンズのレンズ光軸に垂直な平面であることを特徴とする非球面レンズの形状評価方法。
2. 請求項１に記載の非球面レンズの形状評価方法において、
   前記測定光として平行測定光を用いることを特徴とする非球面レンズの形状評価方法。
3. 請求項１または２に記載の非球面レンズの形状評価方法において、
   前記干渉縞を画像表示し、
   画像表示された前記干渉縞の形を目視により確認して、前記非球面レンズの前記被検非球面形状の合否を判断することを特徴とする非球面レンズの形状評価方法。
4. 請求項１ないし３のうちのいずれかの項に記載の非球面レンズの形状評価方法において、
   前記干渉縞を画像解析して、前記戻り測定光の波面収差のＰ−Ｖ値を算出し、
   算出した前記Ｐ−Ｖ値を予め定めた選別基準値と比較して、前記非球面レンズの前記被検非球面形状の合否を判断することを特徴とする非球面レンズの形状評価方法。
5. 請求項４に記載の非球面レンズの形状評価方法において、
   表面形状測定装置により前記非球面レンズの前記被検非球面を測定した場合に得られる測定値に基づいて算出した非球面誤差値と、前記被検非球面から得られる前記戻り測定光の波面収差のＰ−Ｖ値との相関を求め、
   前記相関に基づき、前記被検非球面形状の合否を判断するための前記選別基準値を予め設定しておくことを特徴とする非球面レンズの形状評価方法。
6. 請求項１ないし５のうちのいずれかの項に記載の非球面レンズの形状評価方法を用いて、モールドプレス成形された非球面モールドレンズの非球面形状を評価することを特徴とする非球面モールドレンズの形状評価方法。