JP5359048B2 - 偏芯測定装置および偏芯測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学機器等に用いられるレンズ系の偏芯を測定する偏芯測定装置および偏芯測定方法に関する。

従来の偏心測定装置には、光源からの光をフォーカスレンズ系によって測定対象面の近軸曲率中心に集光し、測定対象面で反射した光（測定光）を、フォーカスレンズ系を介して集光レンズにより光位置センサー（PSD：Position Sensitive Detector）に集光する構成のものがある。このような偏心測定装置では、測定対象面を光軸中心に回転させ、光位置センサーによって検出した測定光の振れ量から測定光の角度振れを検出し、測定対象面の偏芯量を算出する。また、従来の偏心測定装置には、光源からの光をフォーカスレンズ系によって測定対象面の近軸焦点に集光し、測定対象面で反射して平行光になった光を、集光レンズによって光位置センサーに集光する構成のものもある（例えば、特許文献１を参照）。
特開２０００−２０５９９８号公報

測定対象となるレンズが複数のレンズからなるレンズ系の場合、測定対象面以外に、他のレンズの表面も光を反射する。そのため、例えば、光源からの光を測定対象面の近軸曲率中心に集光する場合、測定対象面の曲率中心の近傍に他のレンズの曲率中心が存在すると、他のレンズの表面から反射した光もほぼ光位置センサーに集光され、偏芯測定に悪影響を与える。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、測定対象面以外の面からの反射光の影響を抑えることにより測定精度を向上させた偏芯測定装置および偏芯測定方法を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明を例示する態様に従えば、測定対象物としてのレンズの光学面における所定測定部位に照明光を照射する照明部と、前記照明光が照射された前記測定部位からの反射光を所定の集光面に集光させる集光部と、前記集光面に集光されて生じるスポット光を検出する検出部と、前記検出部により検出された前記集光面における前記スポット光の位置に基づいて前記測定部位の偏芯量を測定する測定部とを備え、前記照明部は、前記照明光の集光位置を前記測定部位の曲率中心位置と前記測定部位の焦点位置とに調整可能な照明光調整部を有し、前記集光部は、前記曲率中心位置に集光する前記照明光が照射された前記測定部位からの反射光を前記照明光調整部を透過させた後に前記集光面に集光させる第１集光光路と、前記焦点位置に集光する前記照明光が照射された前記測定部位からの反射光を前記照明光調整部を透過させずに前記集光面に集光させる第２集光光路とを切り替える光路切替部を有して構成されることを特徴とする偏芯測定装置が提供される。

また、本発明を例示する態様に従えば、照明光の集光位置を、測定対象物としてのレンズの光学面における所定測定部位の曲率中心位置、もしくは前記測定部位の焦点位置に位置させた状態で、前記測定部位に前記照明光を照射する照明工程と、前記照明光が照射された前記測定部位からの反射光を所定の集光面に集光する集光工程と、前記集光面に集光されて生じるスポット光を検出する検出工程と、前記検出した前記集光面における前記スポット光の位置に基づいて前記測定部位の偏芯量を測定する測定工程と、前記集光位置が前記曲率中心位置および前記焦点位置のうち一方に位置しているときに前記検出工程において複数のスポット光が検出されると、前記集光位置を前記曲率中心位置および前記焦点位置のうち他方に切り替える切り替え工程とを有することを特徴とする偏芯測定方法が提供される。

本発明によれば、測定対象面以外の面からの反射光の影響を抑えることができ、測定精度を向上させることが可能になる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本実施形態の偏芯測定装置１は、図１に示すように、測定対象となる光学面５に照明光を照射する照明光学系１０と、測定対象となる光学面５からの反射光を所定の集光面３１に集光する集光光学系２０と、集光面３１に集光されて生じるスポット光を検出する光位置センサー３０と、光位置センサー３０からの検出信号に基づいて測定対象となる光学面５（後述する測定部位５ａ）の偏芯量を測定する演算処理部３５とを主体に構成される。

なお、詳細な図示を省略するが、測定対象物となるレンズは、複数のレンズから構成されたレンズ系であり、当該レンズ系における光学面の一つが、測定対象となる光学面５となる。また、測定対象物となるレンズは、その光軸が照明光学系１０の光軸と重なるように高精度の回転台（図示せず）に載置され、レンズの光軸を中心に回転可能となっている。また、本実施形態において、測定対象となる光学面５の光軸近傍の領域を、測定対象となる光学面５における測定部位５ａとする。そのため、測定部位５ａの近軸曲率中心Ａおよび近軸焦点Ｂは、照明光学系１０の光軸上に位置することになる。

照明光学系１０は、光源側から順に、光源１１と、コリメータレンズ系１２と、第１の偏光ビームスプリッター（PBS：Polarizing Beam Splitter）１３と、フォーカスレンズ系１４と、１／４波長板１５とを有して構成される。また、照明光学系１０は、フォーカスレンズ系１４と１／４波長板１５との間に設けられた第２の偏光ビームスプリッター１６を有しており、この第２の偏光ビームスプリッター１６は、図示しない駆動装置を用いて、フォーカスレンズ系１４と１／４波長板１５との間の光路上に挿抜可能となっている。

このような照明光学系１０によって、測定対象となる光学面５における測定部位５ａの近軸曲率中心Ａに照明光を集光する場合、第２の偏光ビームスプリッター１６をフォーカスレンズ系１４と１／４波長板１５との間の光路上から抜去し、測定部位５ａの近軸曲率中心Ａに照明光が集光するようにフォーカスレンズ系１４を駆動調整する。そのため、測定部位５ａの近軸曲率中心Ａに照明光を集光する第１の測定方式の場合、光源１１から発せられた照明光は、コリメータレンズ系１２を透過して平行光となり、第１の偏光ビームスプリッター１３に入射する。第１の偏光ビームスプリッター１３を透過した照明光は、フォーカスレンズ系１４を透過し、１／４波長板１５を介して測定部位５ａの近軸曲率中心Ａで集光された後、測定対象となる光学面５の測定部位５ａに達する。

一方、測定対象となる光学面５における測定部位５ａの近軸焦点Ｂに照明光を集光する場合、図２に示すように、第２の偏光ビームスプリッター１６をフォーカスレンズ系１４と１／４波長板１５との間の光路上に挿入し、測定部位５ａの近軸焦点Ｂに照明光が集光するようにフォーカスレンズ系１４を駆動調整する。そのため、測定部位５ａの近軸焦点Ｂに照明光を集光する第２の測定方式の場合、光源１１から発せられた照明光は、コリメータレンズ系１２を透過して平行光となり、第１の偏光ビームスプリッター１３に入射する。第１の偏光ビームスプリッター１３を透過した照明光は、フォーカスレンズ系１４および第２の偏光ビームスプリッター１６を透過し、１／４波長板１５を介して測定部位５ａの近軸焦点Ｂで集光された後、測定対象となる光学面５の測定部位５ａに達する。

ところで、第１の測定方式により照明光が照射された測定部位５ａからの反射光は、図１に示すように、１／４波長板１５およびフォーカスレンズ系１４を透過して平行光となり、第１の偏光ビームスプリッター１３に入射する。第１の偏光ビームスプリッター１３で反射した測定部位５ａからの反射光は、集光光学系２０に入射する。

集光光学系２０は、物体側（第１の偏光ビームスプリッター１３側）から順に、１／２波長板２１と、第３の偏光ビームスプリッター２２と、集光レンズ２３とを有して構成される。そのため、第１の偏光ビームスプリッター１３で反射した測定部位５ａからの反射光は、１／２波長板２１を透過して第３の偏光ビームスプリッター２２に入射する。そして、第３の偏光ビームスプリッター２２を透過した測定部位５ａからの反射光は、集光レンズ２３を透過して光位置センサー３０の検出部に設けられた集光面３１に集光される。

また、集光光学系２０は、第２の偏光ビームスプリッター１６で反射した光を第３の偏光ビームスプリッター２２に向けて反射させるミラー２４を有している。図２に示すように、第２の測定方式により照明光が照射された測定部位５ａからの反射光は、平行光となって１／４波長板１５を透過し、第２の偏光ビームスプリッター１６に入射する。第２の偏光ビームスプリッター１６で反射した測定部位５ａからの反射光は、ミラー２４で反射して第３の偏光ビームスプリッター２２に入射する。そして、第３の偏光ビームスプリッター２２で反射した測定部位５ａからの反射光は、集光レンズ２３を透過して光位置センサー３０の検出部に設けられた集光面３１に集光される。

光位置センサー３０は、集光光学系２０により集光面３１に集光されて生じるスポット光（スポット像）を検出する。この光位置センサー３０は、光位置センサー３０の検出部、すなわち集光面３１におけるスポット光（スポット重心）の位置を検出可能であり、その検出信号を演算処理部３５へ出力する。演算処理部３５は、光位置センサー３０により検出された集光面３１におけるスポット光の位置に基づいて、測定部位５ａの偏芯量を測定する。なお、実際に測定対象となる光学面５の偏芯測定を行うときには、図示しない回転台に載置されたレンズ（図示せず）を回転させる。そうすると、光位置センサー３０において集光面３１におけるスポット光（スポット重心）のリサージュ（軌跡）が検出され、検出されたリサージュの半径を演算処理部３５が測定することで測定部位５ａの偏芯量を求めることができる。

以上のように構成される偏芯測定装置１を用いた偏芯測定方法について、図３に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、照明光学系１０により、測定対象となる光学面５における測定部位５ａに照明光を照射する（ステップＳ１０１）。この照明工程において、例えば、第１の測定方式により照明光を照射する。すなわち、第２の偏光ビームスプリッター１６をフォーカスレンズ系１４と１／４波長板１５との間の光路上から抜去した状態で、光源１１から発せられた照明光は、コリメータレンズ系１２を透過して平行光となり、第１の偏光ビームスプリッター１３に入射する。第１の偏光ビームスプリッター１３を透過した照明光は、フォーカスレンズ系１４を透過し、１／４波長板１５を介して測定部位５ａの近軸曲率中心Ａで集光された後、測定対象となる光学面５の測定部位５ａに達する。

第１の測定方式により照明光が照射された測定部位５ａからの反射光は、１／４波長板１５およびフォーカスレンズ系１４を透過して平行光となり、第１の偏光ビームスプリッター１３に入射する。第１の偏光ビームスプリッター１３で反射した測定部位５ａからの反射光は、集光光学系２０に入射する。そこで、集光光学系２０により、測定部位５ａからの反射光を光位置センサー３０の検出部に設けられた集光面３１に集光する（ステップＳ１０２）。この集光工程において、第１の偏光ビームスプリッター１３で反射した測定部位５ａからの反射光は、集光光学系２０の１／２波長板２１を透過して第３の偏光ビームスプリッター２２に入射する。そして、第３の偏光ビームスプリッター２２を透過した測定部位５ａからの反射光は、集光レンズ２３を透過して集光面３１に集光される。

次に、光位置センサー３０により、集光面３１に集光されて生じるスポット光を検出する（ステップＳ１０３）。この検出工程において、光位置センサー３０は、集光面３１におけるスポット光（スポット重心）の位置を検出し、その検出信号を演算処理部３５へ出力する。なおこのとき、図示しない回転台により測定対象物であるレンズ（図示せず）が回転駆動され、光位置センサー３０において集光面３１におけるスポット光（スポット重心）のリサージュ（軌跡）が検出される。

ところで、第１の測定方式により偏芯の測定を行う場合、測定対象物となるレンズ系における他の光学面６の曲率中心が測定部位５ａの曲率中心の近傍に存在すると、測定部位５ａとは別に、他の光学面６で反射した反射光も、１／４波長板１５およびフォーカスレンズ系１４を透過して平行光となり、第１の偏光ビームスプリッター１３で反射して集光光学系２０により集光面３１に集光される。そうすると、測定部位５ａからの反射光によるスポット光と他の光学面６からの反射光によるスポット光とがそれぞれ集光面３１に形成され、測定部位５ａの偏芯量を測定する際に、他の光学面６からの反射光による影響を受けてしまう。

そこで、光位置センサー３０からの検出信号が演算処理部３５に入力されると、光位置センサー３０が複数のスポット光を検出したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。判定がＮｏの場合、ステップＳ１０５へ進み、判定がＹｅｓの場合、ステップＳ１０６へ進む。なお、複数のスポット光を検出したか否かの判定は、演算処理部３５により自動的に行うようにしてもよく、図示しない画像表示装置を用いて測定者が目視により判定を行うようにしてもよい。

そして、ステップＳ１０５の測定工程において、演算処理部３５は、光位置センサー３０により検出されたスポット光のリサージュの半径を測定し、測定したリサージュの半径に基づいて測定部位５ａの偏芯量を求め、処理を終了する。

一方、ステップＳ１０６では、偏芯の測定方式を第１の測定方式から第２の測定方式に切り替える。この切り替え工程において、図示しない駆動装置により、第２の偏光ビームスプリッター１６をフォーカスレンズ系１４と１／４波長板１５との間の光路上に挿入し、測定部位５ａの近軸焦点Ｂに照明光が集光するようにフォーカスレンズ系１４を駆動調整する。そして、第２の測定方式により、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０４までの工程を再び行う。

なお、ステップＳ１０１において、第２の測定方式により照明光を照射する場合、光源１１から発せられた照明光は、コリメータレンズ系１２を透過して平行光となり、第１の偏光ビームスプリッター１３に入射する。第１の偏光ビームスプリッター１３を透過した照明光は、フォーカスレンズ系１４および第２の偏光ビームスプリッター１６を透過し、１／４波長板１５を介して測定部位５ａの近軸焦点Ｂで集光された後、測定対象となる光学面５の測定部位５ａに達する。

第２の測定方式により照明光が照射された測定部位５ａからの反射光は、平行光となって１／４波長板１５を透過し、第２の偏光ビームスプリッター１６に入射する。ステップＳ１０２において、第２の偏光ビームスプリッター１６で反射した測定部位５ａからの反射光は、集光光学系２０のミラー２４で反射して第３の偏光ビームスプリッター２２に入射する。そして、第３の偏光ビームスプリッター２２で反射した測定部位５ａからの反射光は、集光レンズ２３を透過して集光面３１に集光される。

次のステップＳ１０３において、光位置センサー３０は、第１の測定方式の場合と同様にして、集光面３１におけるスポット光（スポット重心）の位置を検出し、その検出信号を演算処理部３５へ出力する。そして、ステップＳ１０４において、光位置センサー３０が複数のスポット光を検出したか否かを判定する。

前述したように、他の光学面６の曲率中心が測定部位５ａの曲率中心の近傍に存在し、他の光学面６の頂点が測定部位５ａの頂点と異なる位置に存在する場合、他の光学面６の近軸焦点Ｃは、測定部位５ａの近軸焦点Ｂと異なる位置に存在する。このような場合、他の光学面６で反射した反射光は、平行光にはならずに１／４波長板１５を透過し、第２の偏光ビームスプリッター１６に入射するため、第２の偏光ビームスプリッター１６で反射した他の光学面６からの反射光は、集光光学系２０により集光面３１に集光できなくなる。

すなわち、光位置センサー３０において他の光学面６からの反射光によるスポット光が検出されないため、ステップＳ１０４からステップＳ１０５へ進み、演算処理部３５は、光位置センサー３０により検出されたスポット光のリサージュの半径を測定し、測定したリサージュの半径に基づいて測定部位５ａの偏芯量を求める。このように、第２の測定方式により偏芯量を測定することで、他の光学面６からの反射光による影響を抑えることができる。

この結果、本実施形態の偏芯測定装置１および偏芯測定方法によれば、必要に応じ、照明光の集光位置を、測定対象となる光学面５における測定部位５ａの近軸曲率中心Ａの位置、もしくは測定部位５ａの近軸焦点Ｂの位置に切り替えて、偏芯測定を行うことで、測定対象面以外の他の光学面６からの反射光の影響を抑えることができ、測定精度を向上させることが可能になる。特に、測定対象物となるレンズが複数のレンズを有するレンズ系である場合に効果的である。

また、光位置センサー３０により複数のスポット光が検出されると、照明光の集光位置を測定部位５ａの近軸曲率中心Ａから近軸焦点Ｂの位置に切り替えるため、他の光学面６からの反射光の影響を抑えるための集光位置の切り替えを最小限にすることができる。

なお、上述の実施形態において、第２の偏光ビームスプリッター１６を用いることにより、第１および第２の測定方式による測定部位５ａからの反射光をそれぞれ１つの光位置センサー３０（集光面３１）に導いているが、これに限られるものではく、２つの光位置センサーを用いて、第１および第２の測定方式による測定部位５ａからの反射光をそれぞれ個別に検出することも可能である。

また、上述の実施形態において、照明光の集光位置を測定部位５ａの近軸曲率中心Ａの位置とした状態で照明光を照射し、光位置センサー３０により複数のスポット光が検出されると、照明光の集光位置を測定部位５ａの近軸焦点Ｂの位置に切り替えているが、これに限られるものではく、照明光の集光位置を測定部位５ａの近軸焦点Ｂの位置とした状態で照明光を照射し、光位置センサー３０により複数のスポット光が検出されると、照明光の集光位置を測定部位５ａの近軸曲率中心Ａの位置に切り替えるようにしてもよい。

また、上述の実施形態において、測定部位５ａの近軸曲率中心Ａとその近軸曲率中心が重なる他の光学面６を例に説明したが、これに限られるものではなく、例えば、上述の場合のように、測定部位５ａの近軸焦点Ｂとその近軸焦点が重なる他の光学面が存在する場合であっても、本発明を適用可能である。また、測定部位５ａの近軸曲率中心Ａ（もしくは近軸焦点Ｂ）の近傍に他の光学面が存在し、当該他の光学面においてキャッツアイ反射した光が生じるような場合であっても、本発明を適用可能である。

また、上述の実施形態において、照明光を近軸曲率中心Ａおよび近軸焦点Ｂに集光しているが、これに限られるものではく、測定部位がレンズの光軸から離れている場合には、局所的な面（測定部位）における曲率中心および焦点に照明光を集光することも可能である。

偏光ビームスプリッターを光路上から抜去した偏芯測定装置を示す図である。 偏光ビームスプリッターを光路上に挿入した偏芯測定装置を示す図である。 偏芯測定方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 偏芯測定装置
５ 測定対象となる光学面（５ａ 測定部位）
１０ 照明光学系
１４ フォーカスレンズ系（切り替え部）
１６ 第２の偏光ビームスプリッター
２０ 集光光学系
３０ 光位置センサー（検出部） ３１ 集光面
３５ 演算処理部（測定部）
Ａ 近軸曲率中心 Ｂ 近軸焦点

Claims (6)

1. 測定対象物としてのレンズの光学面における所定測定部位に照明光を照射する照明部と、
   前記照明光が照射された前記測定部位からの反射光を所定の集光面に集光させる集光部と、
   前記集光面に集光されて生じるスポット光を検出する検出部と、
   前記検出部により検出された前記集光面における前記スポット光の位置に基づいて前記測定部位の偏芯量を測定する測定部とを備え、
   前記照明部は、前記照明光の集光位置を前記測定部位の曲率中心位置と前記測定部位の焦点位置とに調整可能な照明光調整部を有し、
   前記集光部は、前記曲率中心位置に集光する前記照明光が照射された前記測定部位からの反射光を前記照明光調整部を透過させた後に前記集光面に集光させる第１集光光路と、前記焦点位置に集光する前記照明光が照射された前記測定部位からの反射光を前記照明光調整部を透過させずに前記集光面に集光させる第２集光光路とを切り替える光路切替部を有して構成されることを特徴とする偏芯測定装置。
2. 前記照明光調整部により前記集光位置を前記曲率中心位置に調整し、前記光路切替部により前記第１集光光路に切り替えているときに前記検出部により複数のスポット光が検出されると、前記照明光調整部により前記集光位置を前記焦点位置に調整するとともに前記光路切替部により前記第２集光光路に切り替えて偏芯測定を行うことを特徴とする請求項１に記載の偏芯測定装置。
3. 前記照明光調整部により前記集光位置を前記焦点位置に調整し、前記光路切替部により前記第２集光光路に切り替えているときに前記検出部により複数のスポット光が検出されると、前記照明光調整部により前記集光位置を前記曲率中心位置に調整するとともに前記光路切替部により前記第１集光光路に切り替えて偏芯測定を行うことを特徴とする請求項１に記載の偏芯測定装置。
4. 前記レンズは、複数のレンズを有して構成されたレンズ系であり、
   前記曲率中心位置および前記焦点位置が前記照明部の光軸上に位置することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の偏芯測定装置。
5. 照明光の集光位置を、測定対象物としてのレンズの光学面における所定測定部位の曲率中心位置、もしくは前記測定部位の焦点位置に位置させた状態で、前記測定部位に前記照明光を照射する照明工程と、
   前記照明光が照射された前記測定部位からの反射光を所定の集光面に集光する集光工程と、
   前記集光面に集光されて生じるスポット光を検出する検出工程と、
   前記検出した前記集光面における前記スポット光の位置に基づいて前記測定部位の偏芯量を測定する測定工程と、
   前記集光位置が前記曲率中心位置および前記焦点位置のうち一方に位置しているときに前記検出工程において複数のスポット光が検出されると、前記集光位置を前記曲率中心位置および前記焦点位置のうち他方に切り替える切り替え工程とを有することを特徴とする偏芯測定方法。
6. 前記レンズは、複数のレンズを有して構成されたレンズ系であり、
   前記曲率中心位置および前記焦点位置が前記照明光を照射する装置の光軸上に位置することを特徴とする請求項５に記載の偏芯測定方法。

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