JP5405419B2

JP5405419B2 - レンズ検査装置

Info

Publication number: JP5405419B2
Application number: JP2010201835A
Authority: JP
Inventors: 昌弘吉田; 和哉長谷川
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2030-09-09
Also published as: JP2012058085A

Description

本発明はレンズの光学性能を測定し、検査するレンズ検査装置に関するものである。

カメラに内蔵あるいは交換使用されるレンズの性能を検査するために、例えばＭＴＦ（ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＴｒａｎｓｆｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ）に基づく数値化データが測定できるようにしたレンズの検査装置が用いられる。このようなレンズ検査装置として、被検レンズから一定の距離を隔てて対面させたテストチャートを被検レンズを通して空中結像させ、そのテストチャートの空中像を拡大光学系で拡大してからＣＣＤあるいはＣＭＯＳ型のイメージセンサで撮像し、得られた撮像データを解析して数値データを採取する方式のものが、例えば下記特許文献１で知られている。

このレンズ検査装置では、テストチャート及びイメージセンサの双方を被検レンズの光軸に直交する面内でシフトできるように構成されている。これにより被検レンズの光軸外のレンズ性能を測定することが可能で、例えば広角系のレンズでは像面湾曲も簡単に評価することができるようになる。

また、下記特許文献２記載のレンズ検査装置は、特に魚眼レンズの結像性能を評価するためのもので、通常の使用状態でレンズ後方の像面となる位置にテストチャートを配置し、その像を魚眼レンズの前方に配置された半透明スクリーンに投影させる構成で、半透明スクリーンの裏面側からテストチャートの結像状態を観察できるようにしている。

特開２００４−１６３２０７号公報特開２００６−１２５９８０号公報

特許文献１記載の装置は、被検レンズだけで直接的にテストチャートの像を結像させているため正確な測定が可能であるが、テストチャートとイメージセンサとを光軸に垂直な面内でシフトさせる構成であるため、テストチャートからの光束を光軸から４５°程度以上傾いた軸外方向から被検レンズに入射させることは困難である。また、入射させることができたとしても、被検レンズがテストチャートのパターンを斜め方向から見込むことになるから、その方向に関してテストパターンが縮小された像として結像されるので測定精度に影響を与え、軸外光束に対する結像性能を十分に検査することができない。また、特許文献２の装置は、基本的には魚眼レンズ以外の広角レンズの検査にも利用できるが目視観察による評価を前提としており、定量的な数値データを精度良く測定することができない。

本発明は上記背景を考慮してなされたもので、その目的は、被検レンズの軸上光束に対する結像性能はもとより、軸外光束に対する結像性能についても広い角度範囲で正確な数値データとして測定することが可能なレンズ検査装置を提供することにある。

上記目的を達成するにあたり、本発明のレンズ検査装置は、ベース部材上に支持され、被検レンズを光軸回りに回転自在に保持するレンズ保持部と、前記ベース部材上に支持されるとともに、テストチャート及びコリメートレンズを内蔵し、被検レンズにその光軸上から前記テストチャートからの平行光を入射させるセンタコリメータと、前記センタコリメータ側から前記レンズ保持部側に近づくにつれて前記光軸から離れるように前記ベース部材上に設けられた直線状の第１ガイドと、前記第１ガイドにより直線的に移動自在、かつ前記第１ガイド上の任意の位置でベース部材に垂直な軸回りに揺動自在に支持されるとともに、テストチャート及びコリメートレンズを内蔵し、前記レンズ保持部で保持された被検レンズにその光軸上から前記テストチャートからの平行光を入射させる第１サイドコリメータと、前記被検レンズの光軸と平行に、かつ前記光軸に直交する面内の２方向に移動自在に支持され、前記被検レンズによって空中結像された前記センタコリメータまたは第１サイドコリメータからのテストチャートの像を撮像する撮像部とから構成される。

前記第１ガイドは、前記センタコリメータの近傍から光軸方向に前記被検レンズが保持される位置を越えて延ばされ、かつ前記第１サイドコリメータの光軸が前記センタコリメータの光軸から１２０°まで傾くように前記第１サイドコリメータの揺動範囲を設定しておくことが望ましく、これにより超広角や魚眼レンズの最大画角付近からの軸外光束に対する結像性能についても検査することが可能となる。さらに、センタコリメータの光軸に関し、第１サイドコリメータと対称関係となるように第２サイドコリメータを設けることも効率的な測定を行う上で有効である。また、上記それぞれのコリメータに内蔵されるテストチャートを複数種類とし、測定条件に応じて最適のものを選択して用いられるようにしておくことが望ましい。

本発明によれば、レンズ保持部で保持された被検レンズにテストチャートからの平行光を軸上光束として入射させるセンタコリメータのほかに、テストチャートからの平行光を軸外光束として入射させるサイドコリメータを設けるとともに、サイドコリメータを被検レンズに自在に接近させ、かつ任意の角度に揺動することができるようにしているから、画角が大きい被検レンズの光軸に対して角度をもって入射する軸外光束についても様々な検査条件のもとで数値データを精度良く測定することが可能となる。

本発明によるレンズ検査装置の構成を示す上面図である。図１の中心断面図である。図１の第１サイドコリメータを中心断面で表した模式的断面図である。チャート板を示す図である。レンズ保持部にセットされた被検レンズに入射するチャート光の角度を表した水平断面図である。電気的構成を示すブロック図である。被検レンズの空中像と顕微鏡部の光軸中心のズレの説明図である。被検レンズの入射面上の測定個所を示す図である。図１から第１，第２サイドコリメータを移動させた時の図である。図９から第１，第２サイドコリメータを更に移動させた時の図である。

本発明によるレンズ検査装置１０は、魚眼レンズも含めてレンズ性能の検査ができるように工夫されたもので、図１〜図３に示すように、ベース部材４０上に設けられた台座４１に固定され、性能測定検査が行われる被検レンズ１２が光軸１３回りに回転自在に保持されるレンズ保持部１５と、十字チャート（テストチャート）１６〜１９（図４参照）とコリメートレンズ３６を内蔵し、レンズ保持部１５で保持された被検レンズ１２にその光軸１３上から十字チャートが付与された平行光を入射させて被検レンズ１２の軸上光束に対する性能を検査するセンタコリメータ２１を備える。センタコリメータ２１は、固定枠４２によってベース部材４０に固定される。

レンズ検査装置１０は、十字チャート１６〜１９とコリメートレンズ３６とを内蔵し、レンズ保持部１５で保持された被検レンズ１２にその光軸１３外から十字チャートが付与された平行光を入射させ被検レンズ１２の軸外光束に対する性能を検査する第１サイドコリメータ２２及び第２サイドコリメータ２３を備える。第１サイドコリメータ２２と第２サイドコリメータ２３はセンタコリメータ２１の出射光軸４３に対してそれぞれ線対称となる位置に配置され、第１，第２回転ステージ２４，２５に取り付けられる。レンズ保持部１５は、レンズ保持部用モータ１１５（図６参照）によって光軸１３回りに４５°刻みで回転される。

第１，第２回転ステージ２４，２５は、第１，第２ガイド２６，２７に設けられた第１，第２スライドステージ４６，４７に固定され、ベース部材４０に垂直な軸回りに回転自在に支持されて、第１，第２回転ステージ用モータ１１１，１１２（図６参照）によって回転される。第１，第２ガイド２６，２７はベース部材４０上に直線状に配置され、送りネジとガイドレールによって移動自在に支持された第１，第２スライドステージ４６，４７を備え、第１，第２スライドステージ４６，４７は第１，第２ガイド２６，２７に設けられた第１，第２スライドステージ用モータ１１３，１１４によって駆動される。

第１，第２ガイド２６，２７はセンタコリメータ２１側からレンズ保持部１５側に近づくにつれて光軸１３から離れるようにハの字に配置されるとともに、センタコリメータ２１の近傍から光軸方向に被検レンズ１２が保持される位置を越えて延ばされ、第１，第２サイドコリメータ２２，２３の光軸がセンタコリメータ２１の光軸からそれぞれ反対の方向に１２０°まで傾くように第１，第２サイドコリメータ２２，２３の揺動範囲が設定されている。

センタコリメータ２１及び第１，第２サイドコリメータ２２，２３は、十字チャート１６〜１９を有するチャート板３０とチャート板３０に光を投射する光源部３２とを備える。光源部３２は、ＬＥＤ３３とヒートシンク３４と集光レンズ３５とからなり、チャート板３０を照射する。チャート板３０は十字チャート１６〜１９のいずれか１つが光路上にセットされ、チャート板３０の位置に焦点が合わされたコリメートレンズ３６から十字チャート１６〜１９のいずれか１つが付与されたチャート光が平行光となって被検レンズ１２に向けて出射される。

レンズ検査装置１０は、被検レンズ１２を透過した前記チャート光を撮像する撮像部２８を備える。撮像部２８は、被検レンズ１２の作る十字チャート１６〜１９の空中像を拡大して観察する拡大光学系５０と、拡大光学系５０で観察された十字チャート１６〜１９を結像させる結像レンズ５１と、結像レンズ５１によって結像された図柄を撮像するカメラ部５２とを備え、三次元ステージ５５に載置されベース部材４０に固定される。三次元ステージ５５は、撮像部２８を鉛直方向（図２における上下方向）に移動させるＹステージ５６と、Ｙステージ５６を水平（図１における上下方向）に移動させるＸステージ５７と、Ｘステージ５７を光軸１３と平行（図１，２における左右方向）に移動させるＺステージ５８とからなる。

図４に示すように、チャート板３０の十字チャート１６〜１９はＭＴＦ測定用図柄であり、１６，１７，１８，１９の順に線の太さが太くなっている。第１，第２サイドコリメータ２２，２３では、コリメートレンズ３６から被検レンズ１２の入射面６０へ入射させる光の入射位置（入射角度）（図５参照）によって十字チャート１６〜１９の中から１つが選択される。センタコリメータ２１は十字チャート１６を使用する。あるいは、十字チャート１６より少し細い十字線の図柄の十字チャートを用いても良い。なお、センタコリメータ２１に使用するチャート板３０は第１，第２サイドコリメータ２２，２３に用いる十字チャート１６〜１９とは異なる図柄を用いても良く、測定されるレンズによって適切なものが用いられるようにすれば良い。

図５に示すように、第１，第２サイドコリメータ２２，２３は、出射されたチャート光の出射光軸４４，４５が被検レンズ１２の入射面６０上の光軸１３を通る水平方向の任意の位置に、光軸１３に対して被検レンズ１２の左右方向から斜め水平に入射させる。第１，第２サイドコリメータ２２，２３は、レンズ保持部１５によって４５°毎に回転された被検レンズ１２の入射面６０に交互にチャート光を入射させ、順次にＭＴＦの測定を行う。これによって、レンズ保持部１５を１８０°回転させるだけで被検レンズ１２に対して３６０°の範囲の測定をすることができる。１回のレンズセットで２回の測定が行えるので、測定精度への影響が大きい被検レンズ１２の回転位置決め数を減らすことで、測定精度が向上する。

図６に示すように、制御装置１００は、ＣＰＵ１０２とシステムメモリ１０３とモータ用のドライバ１０５とを有する。ＣＰＵ１０２は８つのドライバ１０５を介して８つのモータ１１１〜１１８を駆動し制御する。第１，第２サイドコリメータ２２，２３は、被検レンズ１２の周辺部にチャート光を照射するが、被検レンズ１２を透過した十字チャート１６〜１９の空中像６４の中心位置が拡大光学系５０の光軸５３に対してずれている場合は、図７に示すように、拡大光学系５０の撮影範囲６２の中に空中像６４が写らない。そこで、拡大光学系５０の倍率を下げて撮影範囲を、例えば、６３で示す範囲まで広げ、空中像６４の十字図柄を撮影範囲内に入れる。

カメラ部５２は、Ｘ軸方向とＹ軸方向の輝度から十字図柄の中心位置を探し出して拡大光学系５０の光軸５３とのずれ量６５を求める。求められたずれ量６５の情報はＣＰＵ１０２に伝えられる。ＣＰＵ１０２はこの情報を基にドライバ１０５を介して第１，第２回転ステージ用モータ１１１，１１２と第１，第２スライドステージ用モータ１１３，１１４を駆動して、第１，第２サイドコリメータ２２，２３から出射されるチャート光の出射光軸４４，４５の被検レンズ１２への入射位置を調節して、チャート光の空中像６４の中心が拡大光学系５０の撮影範囲６２の中心（光軸５３）に一致させる。その後、拡大光学系５０の倍率を元に戻し、撮影範囲が元に戻される。

拡大光学系５０によって拡大された像は結像レンズ５１によって結像されカメラ部５２で撮像される。撮像部２８はカメラ部５２による撮像結果からピント情報をＣＰＵ１０２に伝達する。ＣＰＵ１０２はドライバ１０５を介してＸステージ用モータ１１６，Ｙステージ用モータ１１７，Ｚステージ用モータ１１８を駆動し三次元ステージ５５によってカメラ部５２に撮像された十字チャート１６〜１９のピント調節を自動的に行う。ピント調節はＺステージ５８のＺ軸方向の移動によって行われが、被検レンズ１２の入射面６０に入射するチャート光が軸外光であるとＺ軸方向の位置によってＸ軸，Ｙ軸方向の位置も変わってしまうので、Ｘステージ５７，Ｙステージ５６によってＸ軸，Ｙ軸方向の位置調整が行われる。

ＣＰＵ１０２はＺステージ５８をＺ軸方向に移動させて、カメラ部５２に最初に結像された像だけでなくピント位置を変えた数点についての像のＭＴＦを撮像部２８に測定させる。撮像部２８は、その中からベストピント位置のＭＴＦ値を求める。測定した数点の中にベストピント位置がない場合でも、求めたデータから補間的にベストピント位置とそのときのＭＴＦ値を求めることができる。

次に、本発明の作用効果をレンズ検査装置１０による被検レンズ１２のＭＴＦ測定を通して説明する。図８に示すように、被検レンズ１２は入射面６０の２５ヶ所についてＭＴＦ測定が行われる。前記２５ヶ所の位置は、全てシステムメモリ１０３に入力される。被検レンズ１２をレンズ保持部１５にセットする。センタコリメータ２１はチャート板３０に十字チャート１６がセットされ、電源がオンされ、十字チャート１６の図柄が付与されたチャート光（出射光軸４３）が被検レンズ１２の入射面６０の中心（図８の７１の位置）に入射される。

被検レンズ１２の中心部を透過したチャート光（４３）は拡大光学系５０で観察され、その図柄が結像レンズ５１によってカメラ部５２に結像される。撮像された十字チャート１６のピント調節が行われた後に、十字チャート１６の画像情報がＣＰＵ１０２に伝達され、被検レンズ１２の中心部７１におけるＭＴＦが計測される。ここで、被検レンズ１２に入射される光は平行光であるから、センタコリメータ２１及び第１，第２サイドコリメータ２２，２３のいずれの光も光軸１３と垂直な面上に結像するので、拡大光学系５０の光軸５３は被検レンズ１２の光軸１３と平行な状態で用いられ、これによって常に安定した測定ができる。

次に、第１サイドコリメータ２２のチャート板３０に、例えば、十字チャート１７がセットされ、十字チャート１７の図柄が付与されたチャート光（出射光軸４４）が水平方向に２０°傾いた位置（図５参照）から被検レンズ１２の瞳位置に向けて出射される。ＣＰＵ１０２はシステムメモリ１０３に記憶されたデータに基いて第１，第２回転ステージ２４，２５と第１，第２スライドステージ４６，４７とを駆動し、第１，第２サイドコリメータ２２，２３から出射されるチャート光の出射光軸４４，４５を被検レンズ１２の所定位置に正しく入射させる。入射面６０上の入射位置は中心から少しずれた図８の７２で示される位置となる。

被検レンズ１２を透過したチャート光（４３）の空中像６４（図７参照）が拡大光学系５０で観察され、十字チャート１７が結像レンズ５１によってカメラ部５２に結像される。カメラ部５２で撮像された十字チャート１７の図柄の中心と拡大光学系５０の光軸５３とが一致していない場合は、一致するように、第１，第２回転ステージ２４，２５と第１，第２スライドステージ４６，４７とによって第１，第２サイドコリメータ２２，２３の位置が調節される。また、三次元ステージ５５によって撮像部２８の位置調節が行なわれ、撮像された十字チャート１７のピントが調節される。十字チャート１７の画像情報はＣＰＵ１０２に送られ、被検レンズ１２の入射面６０上の７２の位置におけるＭＴＦが計測される。

次に、第２サイドコリメータ２３によって図８の７３で示される位置のＭＴＦが測定される。第２サイドコリメータ２３のチャート光の出射光軸４５は被検レンズ１２の光軸１３に対して第１サイドコリメータ２２とは反対側から２０°の傾き（図５参照）で入射面６０に入射される。測定は第１サイドコリメータ２２と同じであり、十字チャート１７がセットされてＭＴＦが測定が行われる。中心位置がずれている場合には位置合わせが行われ、ピンと調節も行われる。

図８に示す７２，７３の位置の測定が終わると、ＣＰＵ１０２はドライバ１０５を介してレンズ保持部用モータ１１５を駆動し、システムメモリ１０３に記憶されたデータに基いて、レンズ保持部１５を４５°回転させる。被検レンズ１２は図８に示す７４，７５の位置が７２，７３の位置に移動して、第１，第２サイドコリメータ２２，２３から７４，７５の位置に十字チャート１７のチャート光が入射され、それぞれのＭＴＦが測定される。レンズ保持部１５が４５°の回転を繰返して、入射面６０上の７２〜７９までの位置のＭＴＦの測定が行われる。レンズ保持部１５が光軸１３を中心に回転されることで被検レンズ１２の軸対称性も検査できる。軸対称性の検査はプラスチックレンズの場合に有用である。

図９に示すように、レンズ保持部１５が回転され初期位置に戻される。魚眼レンズのような広角レンズでは中心に対する位置（画角）によって倍率が変わってしまうので使用する十字チャートが１７から１８に変更される。ＣＰＵ１０２はドライバ１０５を介して第１，第２回転ステージ用モータ１１１，１１２及び第１，第２スライドステージ用モータ１１３，１１４を駆動し、システムメモリ１０３に記憶されたデータに基いて、第１，第２サイドコリメータ２２，２３をそれぞれ矢印４８，４９の方向に移動するとともに回転させ、チャート光の出射方向を被検レンズ１２の光軸１３に対して６２．５°傾いた８０，８１で示す方向（図５参照）にセットして、図８の８２，８３で示す位置にチャート光を入射させる。レンズ保持部１５が４５°毎に回転されながら、図８に示す８２〜８９の位置について十字チャート１８によるＭＴＦの測定が行われる。

図１０に示すように、レンズ保持部１５が回転し初期位置しなるとともに十字チャートが１９に変更される。第１，第２サイドコリメータ２２，２３は、更に矢印４８，４９の方向に移動するとともに回転して、被検レンズ１２の光軸１３に対して１０５°傾いた９０，９１で示す方向（図５参照）から被検レンズ１２の図８の９２，９３で示す位置にチャート光を入射させる。第１，第２サイドコリメータ２２，２３のそれぞれのコリメートレンズ３６は、ハの字に開いた第１，第２ガイド２６，２７によって被検レンズ１２に接近してセットされ、光軸１３に対して大きく傾いた軸外光を近接位置から入射させることができる。続いて、レンズ保持部１５を４５°毎に回転させながら、図８に示す９２〜９９の位置について十字チャート１９によるＭＴＦの測定が行われる。

なお、前記実施形態におけるチャート光の入射角度や被検レンズ１２の入射面６０の入射ポイント（測定点）は測定されるレンズの性質に応じて決定すれば良い。また、サイドコリメータを２台設けたが、１台にしてレンズ保持部１５を３６０°回転させるようにしても良く、測定するレンズの性質を考えて選択すると良い。また、ＣＴＦ検査や投影解像検査などに用いても良い。前記実施形態は被検レンズの光軸を水平に配置した検査装置であるが、センタコリメータや撮像部など装置全体を縦置き配置にして、被検レンズの光軸が垂直に配置される構成にしても良い。

１０レンズ検査装置
１２被検レンズ
１３光軸（被検レンズの光軸）
１５レンズ保持部
１６〜１９十字チャート（テストチャート）
２１センタコリメータ
２２第１サイドコリメータ
２３第２サイドコリメータ
２４第１回転ステージ
２５第２回転ステージ
２６第１ガイド
２７第２ガイド
２８撮像部
３０チャート板
３２光源部
３３ＬＥＤ
３４ヒートシンク
３５集光レンズ
３６コリメートレンズ
４０ベース部材
４１台座
４２固定枠
４３（センタコリメータから出射する）チャート光の出射光軸
４４，８０，９０（第１サイドコリメータの）出射光軸
４５，８１，９１（第２サイドコリメータの）出射光軸
４６第１スライドステージ
４７第２スライドステージ
４８，４９矢印
５０拡大光学系
５１結像レンズ
５２カメラ部
５３（拡大光学系の）光軸
５５三次元ステージ
５６Ｙステージ
５７Ｘステージ
５８Ｚステージ
６０（被検レンズの）入射面
６２拡大光学系５０の撮影範囲
６４十字チャート１６〜１９の空中像
７１〜７９，８２〜８９，９２〜９９入射面６０上の位置
１００制御装置
１０２ＣＰＵ
１０３システムメモリ
１０５（モータ用の）ドライバ
１１１第１回転ステージ用モータ
１１２第２回転ステージ用モータ
１１３第１スライドステージ用モータ
１１４第２スライドステージ用モータ
１１５レンズ保持部用モータ
１１６Ｘステージ用モータ
１１７Ｙステージ用モータ
１１８Ｚステージ用モータ

Claims

ベース部材上に支持され、被検レンズが光軸回りに回転自在に保持されるレンズ保持部と、
前記ベース部材上に支持されるとともに、テストチャート及びコリメートレンズを内蔵し、被検レンズにその光軸上から前記テストチャートからの平行光を入射させるセンタコリメータと、
前記センタコリメータ側から前記レンズ保持部側に近づくにつれて前記光軸から離れるように前記ベース部材上に設けられた直線状の第１ガイドと、
前記第１ガイドにより直線的に移動自在、かつ前記第１ガイド上の任意の位置でベース部材に垂直な軸回りに揺動自在に支持されるとともに、テストチャート及びコリメートレンズを内蔵し、前記レンズ保持部で保持された被検レンズにその光軸外から前記テストチャートからの平行光を入射させる第１サイドコリメータと、
前記被検レンズの光軸と平行に、かつ前記光軸に直交する面内の２方向に移動自在に支持され、前記被検レンズによって空中結像された前記センタコリメータまたは第１サイドコリメータからのテストチャートの像を撮像する撮像部と、
を備えたことを特徴とするレンズ検査装置。
前記第１ガイドは、前記センタコリメータの近傍から光軸方向に前記被検レンズが保持される位置を越えて延ばされ、かつ前記第１サイドコリメータの光軸が前記センタコリメータの光軸から１２０°まで傾くように前記第１サイドコリメータの揺動範囲が設定されていることを特徴とする請求項１記載のレンズ検査装置。
前記センタコリメータの光軸に関して前記第１ガイドと線対称となる位置に第２ガイドが設けられ、この第２ガイドにより直線的に移動自在、かつ前記第２ガイド上の任意の位置でベース部材に垂直な軸回りに揺動自在に支持されるとともに、テストチャート及びコリメートレンズを内蔵し、前記レンズ保持部で保持された被検レンズにその光軸上から前記テストチャートからの平行光を入射させる第２サイドコリメータを備えたことを特徴とする請求項２記載のレンズ検査装置。
前記センタコリメータ及び第１，第２サイドコリメータの各々に複数種類のテストチャートが内蔵され、それぞれのコリメータごとに任意の１つのテストチャートが選択可能であることを特徴とする請求項３記載のレンズ検査装置。