JP6218261B2

JP6218261B2 - 光学素子特性測定装置

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Publication number: JP6218261B2
Application number: JP2017515869A
Authority: JP
Inventors: 光広桂
Original assignee: KATSURA OPTO SYSTEMS CO., LTD.
Current assignee: KATSURA OPTO SYSTEMS CO., LTD.
Priority date: 2015-10-23
Filing date: 2016-07-04
Publication date: 2017-10-25
Anticipated expiration: 2036-07-04
Also published as: TWI649535B; JPWO2017068813A1; KR20180071249A; CN108139205B; TW201728870A; KR102587880B1; CN108139205A; WO2017068813A1

Description

本発明は、反射光センサ部の光軸からみて、光強度分布がリング状の集束光と、被検レンズの中心付近に照射される平行光線とを同時に照射して、被検レンズの特性値を測定する装置に関する。特に、２００μｍ以下の薄型の被検レンズの厚さを測定する装置、若しくは被検レンズのレンズ中心軸（被検レンズ第１面の法線）を反射光センサ部の光軸と合わさるように調整した後、被検レンズを透過したリング状の集束光、または被検レンズの中心付近に照射される平行光線の集光点位置を測定することにより、被検レンズを回転させることなく、被検レンズの面ずれ量を測定することが可能となるレンズの面ずれ量測定装置に関する。

従来、図１に示すように、レンズのような光学素子の厚みを測定するために、２つの変位計１０ａ、１０ｂを結ぶ直線上に、被検光学素子１１を配置して、２つの変位計１０ａ、１０ｂはそれぞれ光束１２ａ，１２ｂを被検光学素子１１に照射して、一方の変位計１０ａが測定した被検光学素子１１の表面まで距離ａ１と、他方の変位計１０ｂが測定した被検光学素子１１の裏面までの距離ａ２とを測定して、２つの変位計１０ａ、１０ｂの間の距離ａ０から、距離ａ１と距離ａ２を減算することによって、被検光学素子１１の厚みを測定する技術が知られており、例えば、特開平１−２３５８０６号公報（特許文献１）、および特開平１０−２３９０４６号公報（特許文献２）には、２つの光学式変位計を用いて、光学素子の厚みを測定する技術が記載されている。

また、１つのセンサ部１２を用いて光学素子の厚みを測定する従来技術としては、図２（Ａ）に示すように、集束光１３を保持枠１４に設置された被検光学素子１５に照射して、スイベルステージ１６の基準平面を、図２（Ｂ）に示すようなｚ軸方向に被検光学素子１５を移動させながら、センサ部２０に設けられた図示しない結像光学系によって撮影した、被検光学素子１５の表面および裏面に生じる像の光強度を測定して、図示しない処理部によって、ｚ軸に対する光強度をデジタルデータとしてサンプリングして、２つの光強度の極大値を抽出して、それらのｚ軸の間隔（測定値ｄ）に基いて、被検光学素子２１の厚さを算出する非接触による光学素子の厚さを測定する技術が知られている。

また、レンズの偏心量を測定する装置に関して、被検レンズをその外周基準で回転させることによって、該被検レンズの偏心量を測定することを可能にする透過式偏心測定装置が、特開２００７−２０６０３１号公報（特許文献３）に開示されている。

さらに、偏芯量測定装置において、被検光学素子（被検レンズ）の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、被検面を介してリレーされ撮像面上に結像される指標の像が、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円の半径を計測することによって、被検面の偏芯量を求めるような偏芯量測定装置が、例えば、特開２００８−２９８７３９号公報（特許文献４）または特開２００７−３２７７７１号公報（特許文献５）に開示されている。

特開平１−２３５８０６号公報特開平１０−２３９０４６号公報特開２００７−２０６０３１号公報特開２００８−２９８７３９号公報特開２００７−３２７７７１号公報

特許文献１および特許文献２に記載された光学素子の厚さ測定装置では、光学式変位計が２台必要となり、装置の規模が大きく、コストが上昇する要因となる。

また、従来の１台の非接触式センサによる光学素子の厚さ測定装置においては、図３に示すように、集光点２０２が被検光学素子２０３の表面２０３ａに存在した場合、集束光２０１の被検光学素子２０３の表面２０３ａに像２０４ａを生じ、被検光学素子の裏面２０３ｂに像２０４ｂを生じるが、表面２０３ａに生じた像２０４ａと裏面２０３ｂに生じた像２０４ｂとは、集束光光軸２１０、すなわちＺを中心として重複し、分離して測定することは困難である。また、厚さの薄い被検光学素子（ｔ〜２００μｍ）に対して、スイベルステージをｚ軸方向に移動させながら測定した像の光強度について、横軸をｚ軸の値として、縦軸をデジタルデータとして測定した光強度としてグラフに表した結果を図４に示す。図４に示されたように、像の光強度の最大値−最小値の差が比較的小さく、グラフの山と谷の変化が緩慢であり、後述するように正確で信頼性の高い２つの極大値に対応するｚ軸上の間隔（測定値ｄ）を測定することは困難であることを示している。

次に、レンズの偏心量を測定する装置に関しては、凸部形状の光学レンズ（以下、「被検レンズ」とも記載する。）は、上面（以下、「第１面」とも記載する。）および下面（以下、「第２面」とも記載する。）は、球面である。そして、上面および下面のそれぞれ中心が、被検レンズの設計上の光軸上になく、製造過程において、面ずれを生じていることがある。このような面ずれによって、被検レンズに偏心（偏芯）が起こる。例えば、光学レンズのロットごとに偏心量を測定し、品質を検査する工程が有益である。従来、上述のように、被検レンズの面ずれ量（偏心量）の測定には、被検レンズを回転させて芯振れ量や面振れ角等を測定する方法による測定装置が使用されている。

現在、被検レンズは、一層の小径化が進んでいるため、被検レンズを精度良く回転させることが、従来よりも困難になってきている。

本発明は上述のような事情に基づいてなされたものであり、本発明の目的は、反射光センサ部の光軸からみて、光強度分布がリング状の集束光と、被検レンズの中心付近に照射される平行光線とを同時に照射して、被検レンズの特性値を測定する装置を提供することにある。特に、２００μｍ以下の薄型の被検レンズの厚さを測定する装置、若しくは被検レンズのレンズ中心軸（被検レンズ第１面の法線）を反射光センサ部の光軸と合わさるように調整した後、被検レンズを透過したリング状の集束光、または被検レンズの中心付近に照射される平行光線の集光点位置を測定することにより、被検レンズを回転させることなく、被検レンズの面ずれ量を測定することが可能となるレンズの面ずれ量測定装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、光軸に対して垂直な平面において光強度分布がリング状の集束光と、前記光軸上に光強度分布の中心がある平行光線とを、被検光学素子に照射するリング状集束光照射光部を備えた光学素子特性測定装置であって、前記被検光学素子の前記リング状集束光照射光部側にある面を表面、前記表面の反対側を裏面とし、前記被検光学素子の前記表面又は前記裏面を反射し、若しくは前記被検光学素子を透過した光線の強度、又は前記光線の光路を解析することによって、前記被検光学素子の形状特性を測定し、前記リング状の集束光を前記被検光学素子に照射し、前記被検光学素子の表面において生じた第１のリング状像及び前記被検光学素子の裏面において生じた第２のリング像を受光面に結像させて、前記第１のリング状像および前記第２のリング像の光強度を算出するためのデータを生成する反射光検出部と、前記被検光学素子が前記光軸方向に移動する距離に対する、前記光強度の変化に基づいて、前記被検光学素子の厚さを算出する処理部と備え、前記被検光学素子はレンズであって、前記データに基づいた前記第１のリング状像および前記第２のリング像の光強度の変化における２つの極大値を検出し、該２つの極大値に対応する前記被検光学素子の移動距離の差である測定値ｄ、前記被検光学素子の材料の屈折率ｎ、前記被検光学素子の曲率半径ｒ、および前記曲率半径ｒの中心点と前記光軸と前記集束光とのなす角である前記集束光の集光角θ ₁ を用いて、前記被検光学素子のレンズの厚さｔを算出し、前記被検光学素子の表面における前記リング状の集束光が屈折するＣ点と、前記被検光学素子の裏面におけるリング状の集光点Ｂとを結ぶ線分ＢＣの傾きａおよび切片ｂをそれぞれ、

とし、前記点Ｃと前記リング状の集束光の光軸との距離ｅを、

を用いて算出し、前記曲率半径ｒが正（前記被検光学素子が凸面である）である場合、上記距離ｅの複合同順の符号がプラスの値を採用し、前記曲率半径ｒが負（前記被検光学素子が凹面である）である場合、上記距離ｅの複合同順の符号がマイナスの値を採用して、前記被検光学素子のレンズの厚さtを

を用いて算出することにより達成される。

また、本発明の上記目的は、光軸に対して垂直な平面において光強度分布がリング状の集束光と、前記光軸上に光強度分布の中心がある平行光線とを、被検光学素子に照射するリング状集束光照射光部を備えた光学素子特性測定装置であって、前記被検光学素子の前記リング状集束光照射光部側にある面を表面、前記表面の反対側を裏面とし、前記被検光学素子の前記表面又は前記裏面を反射し、若しくは前記被検光学素子を透過した光線の強度、又は前記光線の光路を解析することによって、前記被検光学素子の形状特性を測定し、前記リング状の集束光を前記被検光学素子に照射する前記リング状集束光照射光部を有し、前記被検光学素子の前記表面において反射したリング状平行光線の光軸の反射角度を算出するための第１の集光位置データを生成する反射光センサ部と、前記リング状集束光照射光部から照射され、前記被検光学素子を透過した光線の集光点位置を算出するための第２の集光位置データを生成する透過光センサ部と、前記第１の集光位置データに基づいて前記反射角度を算出し、前記第２の集光位置データに基づいて前記被検光学素子を透過した光線の前記集光点位置を算出するデータ処理部と、を具備し、前記データ処理部は、前記第１のデータに基づいて前記被検光学素子のレンズ中心軸と前記リング状集束光照射光部の光軸とが一致するように前記被検光学素子の位置を調整し、前記集光点位置に基づいて、前記被検光学素子を回転させることなく、前記被検光学素子の面ずれ量Δ₂を演算し、前記被検光学素子はレンズであって、前記被検光学素子の中心付近を透過した透過平行光線の前記集光点位置に基づいて算出したずれ量をΔ₁、前記被検光学素子の材料の屈折率ｎ、前記被検光学素子の前記表面の曲率半径ｒ₁、前記被検光学素子の前記裏面の曲率半径ｒ₂、および前記被検光学素子の厚さｔを用いて、前記面ずれ量Δ₂を計算することにより達成される。
また、本発明の上記目的は、前記面ずれ量Δ₂を、

を用いて算出することにより、より効果的に達成される。
また、本発明の上記目的は、光軸に対して垂直な平面において前記平面を通る３つ以上の光束の光強度分布が前記光軸上に中心を持つ1つの円周上に略等間隔に配された集束光と、前記光軸上に光強度分布の中心がある平行光線とを、被検光学素子に照射する集束光照射光部を備えた光学素子特性測定装置であって、前記被検光学素子の前記集束光照射光部側にある面を表面、前記表面の反対側を裏面とし、前記被検光学素子の前記表面又は前記裏面を反射し、若しくは前記被検光学素子を透過した光線の強度、又は前記光線の光路を解析することによって、前記被検光学素子の形状特性を測定し、前記集束光を前記被検光学素子に照射し、前記被検光学素子の表面において生じた第１の像及び前記被検光学素子の裏面において生じた第２の像を受光面に結像させて、前記第１の像および前記第２の像の光強度を算出するためのデータを生成する反射光検出部と、前記被検光学素子が前記光軸方向に移動する距離に対する、前記光強度の変化に基づいて、前記被検光学素子の厚さを算出する処理部と備え、前記被検光学素子はレンズであって、前記データに基づいた前記第１の像および前記第２の像の光強度の変化における２つの極大値を検出し、該２つの極大値に対応する前記被検光学素子の移動距離の差である測定値ｄ、前記被検光学素子の材料の屈折率ｎ、前記被検光学素子の曲率半径ｒ、および前記曲率半径ｒの中心点と前記光軸と前記集束光とのなす角である前記集束光の集光角θ ₁ を用いて、前記被検光学素子のレンズの厚さｔを算出し、前記被検光学素子の表面における前記集束光が屈折するＣ点と、前記被検光学素子の裏面における集光点Ｂとを結ぶ線分ＢＣの傾きａおよび切片ｂをそれぞれ、

とし、前記点Ｃと前記集束光の光軸との距離ｅを、

を用いて算出することにより達成される。
また、本発明の上記目的は、光軸に対して垂直な平面において前記平面を通る３つ以上の光束の光強度分布が前記光軸上に中心を持つ1つの円周上に略等間隔に配された集束光と、前記光軸上に光強度分布の中心がある平行光線とを、被検光学素子に照射する集束光照射光部を備えた光学素子特性測定装置であって、前記被検光学素子の前記集束光照射光部側にある面を表面、前記表面の反対側を裏面とし、前記被検光学素子の前記表面又は前記裏面を反射し、若しくは前記被検光学素子を透過した光線の強度、又は前記光線の光路を解析することによって、前記被検光学素子の形状特性を測定し、前記集束光を前記被検光学素子に照射する前記集束光照射光部を有し、前記被検光学素子の前記表面において反射した平行光線の光軸の反射角度を算出するための第１の集光位置データを生成する反射光センサ部と、前記集束光照射光部から照射され、前記被検光学素子を透過した光線の集光点位置を算出するための第２の集光位置データを生成する透過光センサ部と、前記第１の集光位置データに基づいて前記反射角度を算出し、前記第２の集光位置データに基づいて前記被検光学素子を透過した光線の前記集光点位置を算出するデータ処理部と、を具備し、前記データ処理部は、前記第１のデータに基づいて前記被検光学素子のレンズ中心軸と前記集束光照射光部の光軸とが一致するように前記被検光学素子の位置を調整し、前記集光点位置に基づいて、前記被検光学素子を回転させることなく、前記被検光学素子の面ずれ量Δ ₂ を演算し、前記被検光学素子はレンズであって、前記被検光学素子の中心付近を透過した透過平行光線の前記集光点位置に基づいて算出したずれ量をΔ ₁ 、前記被検光学素子の材料の屈折率ｎ、前記被検光学素子の前記表面の曲率半径ｒ ₁ 、前記被検光学素子の前記裏面の曲率半径曲率半径ｒ ₂ 、および前記被検光学素子の厚さｔを用いて、前記面ずれ量Δ ₂ を計算することにより達成される。
また、本発明の上記目的は、前記面ずれ量Δ ₂ を、

を用いて算出することにより、或いは前記集束光照射光部は、前記光束を通す複数の孔が形成されている光学素子を有することにより、より効果的に達成される。

本発明の光学素子特性測定装置によれば、反射光センサ部の光軸からみて、光強度分布がリング状の集束光と、被検レンズの中心付近に照射される平行光線とを同時に照射して、反射光センサ部の光軸と被検レンズの光軸とを合せ、被検レンズの表面を反射した光線、若しくは被検レンズを透過した光線の強度または光路（集光する位置）を解析することによって、被検レンズの特性値を測定することが可能となる。

特に、本発明の光学素子特性測定装置によれば、リング状（輪状）の透過孔（スリット）を有する光学素子を介して、被検レンズの表面および裏面のリング状（輪状）像の光強度の変化を観測することによって、薄型の被検レンズ（厚さｔ〜２００μｍ以下）の厚さを測定することが可能となる。

また、本発明の光学素子特性測定装置によれば、被検レンズのレンズ中心軸（被検レンズ第１面の法線）を反射光センサ部の光軸と合わさるように調整して、被検レンズを透過した光線の集光点位置を測定することにより、被検レンズを回転させることなく、被検レンズの面ずれ量を測定することが可能となる。

従来の２台の非接触変位計による光学素子の厚さ測定装置の概略的構成図である。（Ａ）は、従来の１台の非接触変位計による光学素子の厚さ測定装置の構成図である。（Ｂ）は、（Ａ）に示す測定装置における、ｘｙｚ座標系を示す図である。従来の光学素子の厚さ測定装置において、集束光が被検光学素子の表面に存在した場合における被検光学素子の表面に生じる像、および被検光学素子の裏面に生じる像の様子を示す図である。１台の非接触変位計による光学素子の厚さ測定装置において、従来の集束光の光束を使用して測定した場合における、ｚ軸変化に対する被検光学素子からの反射光の光強度の変化を示す図である。本発明の実施形態における測定装置において、光強度分布がリング状の集束光と、被検レンズの中心付近に照射される平行光線とを同時に照射することができるリング状集束光照射光学系についての詳細な構成図である。本発明の実施形態におけるリング状集束光照射光学系の光学素子３４の形状を示す図である。本発明の実施形態における測定装置において、リング状集束光照射光学系にオートコリメータ部を付加したものについての詳細な構成図である。本発明の実施形態における反射光検出部の光学素子の形状を示す図である。（Ａ）は、本発明の第１実施形態における光学素子厚さ測定装置の構成図である。（Ｂ）〜（Ｄ）は、光学素子光の厚さ測定装置（全体構成図）の座標系である。（Ｂ）は、基準平面のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を示す図である。（Ｃ）は、あおり角θｘを示す図である。（Ｄ）は、あおり角θｙを示す図である。本発明の第１実施形態におけるオートコリメータ部の光学素子の形状を示す図である。本発明の第１実施形態における、被検光学素子の厚さ測定装置において、集束光が被検光学素子の表面で反射される様子を示す図である。本発明の第１実施形態における被検光学素子の厚さ測定装置において、集束光光軸から見てリング状（環状）の光強度を有する集束光が被検光学素子の表面に存在した場合における被検光学素子の表面に生じる像、および被検光学素子の裏面に生じる像の様子を示す図である。本発明の第１実施形態における被検光学素子の厚さ測定装置において、集束光光軸から見てリング状（環状）の光強度を有する集束光が被検光学素子の裏面に存在した場合における被検光学素子の表面に生じる像、および被検光学素子の裏面に生じる像の様子を示す図である。（Ａ）は、本発明の第１実施形態における被検光学素子の厚さ測定装置において、集光点が被検光学素子の表面に存在し、表面像がＣＣＤカメラの受光面上で結像したリング状表面結像を示す図である。（Ｂ）は、本発明の第１実施形態における被検光学素子の厚さ測定装置において、集光点が被検光学素子の裏面に存在し、裏面像がＣＣＤカメラの受光面上で結像したリング状裏面結像を示す図である。（Ａ）は、本発明の第１実施形態における被検光学素子の厚さ測定装置において、集光点が被検光学素子の内部に存在し、表面像および裏面像がＣＣＤカメラの受光面上で結像するリング状表面結像が、リング状の通過孔を有する光学素子によって一部遮断される様子を示す図である。（Ｂ）は、本発明の第１実施形態における被検光学素子の厚さ測定装置において、集光点が被検光学素子の厚み方向の中央付近に存在し、表面および裏面像がＣＣＤカメラの受光面上で結像するリング状裏面結像が、リング状の通過孔を有する光学素子によって、大部分が遮断される様子を示す図である。本発明の第１実施形態における被検光学素子の厚さ測定装置において、集束光光軸から見てリング状（環状）の光強度を有する集束光を使用し、被検光学素子の表面および裏面に生じる像の光強度を測定した場合における、ｚ軸変化に対する被検光学素子からの反射光の光強度の変化を示す図である。本発明の第１実施形態における被検光学素子の厚さ測定装置において、被検光学素子の表面が凸面（ｒ＞０）の場合、集束光が凸面形状の被検光学素子に入射し、被検光学素子の表面で屈折し、裏面で集光をする様子を示した図である。本発明の第１実施形態における被検光学素子の厚さ測定装置において、表面が凹面（ｒ＜０）の場合、集束光が凸面形状の被検光学素子に入射し、被検光学素子の表面で屈折し、裏面で集光をする様子を示した図である。本発明の第２実施形態における被検光学素子の厚さ測定装置において、集束光光軸から見て仮想上リングに沿って光束を配置するような光強度を有する集束光の集光点が被検光学素子の表面に存在した場合における被検光学素子の表面に生じる像、および被検光学素子の裏面に生じる像の様子を示す図である。（Ａ）、および（Ｂ）は、それぞれ、本発明の第２実施形態における被検光学素子の厚さ測定装置の光学素子６１および６２の形状の概略を示す図である。本発明の第３実施形態における被検光学素子の厚さ測定装置において、被検光学素子（曲率半径ｒ＝∞の平板）の表裏が平面の光学素子に集束光が入射し、表面５１２ａで屈折して、裏面で集光した様子を示した図である。本発明の第４実施形態におけるレンズの面ずれ量測定装置によって測定される被検レンズの面ずれ量の定義を説明する図である。本発明の第４実施形態におけるレンズの面ずれ量測定装置のブロック図である。本発明の第４実施形態におけるレンズの面ずれ量測定装置についての詳細な構成図である。（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、本発明の第４実施形態における、レンズの面ずれ量測定のリング状の光線に変換する光学素子、およびピンホール型の光学素子の形状の概略を示す図である。本発明の第４実施形態において、レンズの面ずれ量測定装置の初期設定時における、リング状の集束光およびレンズ中心軸付近を透過する平行光線の光路を示した図である。本発明の第４実施形態において、被検レンズ第１面における反射光線の光軸が、レンズ中心軸と一致しない平行光線となって反射する様子を示した図である。本発明の第４実施形態において、被検レンズ第１面における反射光線の光軸が、レンズ中心軸と一致する平行光線となって反射する様子を示した図である。本発明の第４実施形態において、反射光センサ部から、それぞれ被検レンズに照射されるリング状の集束光の形状、および被検レンズ第１面で平行光線として反射される様子を示す図である。本発明の第４実施形態において、被検レンズの第２面において、被検レンズに生じた面ずれ量Δ_２に起因して、平行光線が屈折した様子を示す図である。本発明の第４実施形態において、被検レンズのレンズ中心軸に光軸が合った集束光が被検レンズに入射し、レンズ中心軸に対して、傾斜した平行光線として、被検レンズから出射する様子を示す図である。

本発明の測定装置は、反射光センサ部の光軸からみて、光強度分布がリング状の集束光と、被検レンズの中心付近に照射される平行光線とを同時に照射して、反射光センサ部の光軸と被検レンズの光軸とを合せ、被検レンズの表面を反射した光線、若しくは被検レンズを透過した光線の強度または光路（例えば、集光する位置）を解析することによって、被検レンズの寸法または形状特性を測定するものである。

ここで、本発明の実施形態における測定装置において、光強度分布がリング状の集束光と、被検レンズの中心付近に照射される平行光線とを同時に照射することができるリング状集束光照射光学系２９について、光線の伝播する順に沿って、各構成同士の関係および各構成の機能を説明する。図５は、リング状集束光照射光学系２９の詳細な構成図である。

まず、光源３１（例えば、レーザーダイオード）は、コリメートレンズ３２の焦点距離ｆ１に配置され、光源３１から発射された光線は、コリメートレンズ３２によって、平行光線に変換される。リング状の透過孔を有する光学素子３４によって、該平行光線は、平行なリング状光線４９ａに変換される。そして、平行なリング状光線４９ａは、伝播先に配置された焦点距離ｆ２を有するレンズ３５によって、リング状集束光５０ａとなって出射される。一方、光軸の中央付近の平行光線４９ｂは、光学素子３４に配置され、焦点距離ｆ４を有する小径レンズ３４ｂにより、小径レンズ３４ｂから焦点距離ｆ４離れて位置している点Ｎで集光する。そして、点Ｎから焦点距離ｆ２離れて位置している、焦点距離ｆ２を有するレンズ３５によって、平行光線５０ｂに再度変換される。この結果、リング状集束光照射光学系２９は、リング状の集束光５０ａおよび平行光線５０ｂを同時に出射することができる。なお、リング状の集束光５０ａと平行光線５０ｂとは共通の光軸を有している。

また、光学素子３４の形状を図６に示す。光学素子３４は、外側のリング状部品３４ｈの内側にリング状部品３４ｇを配置し、さらに、内側のリング状部品３４ｇに焦点距離ｆ４を有する小径レンズ３４ｂが配置された構造である、光学素子３４は、リング状の透過孔３４ａを形成しているから、入射光を所定の範囲の径のリング状光線に変換して透過させる。さらに、光学素子３４は、中央付近に焦点距離ｆ４を有する小径レンズ３４ｂが配置されているから、平行光を集束光に変換する。なお、光学素子３４は、小径レンズ３４ｂを支持する枠として、リング状部品３４ｇを有する。そして、透過孔３４ａは、外側のリング状部品３４ｈと枠部品３４ｇの間の存在する間隙（空間）となるため、外側のリング状部品３４ｈと枠部品３４ｇの間には、支持部品３４ｃ〜３４ｆを配置する。

リング状集束光照射光学系２９を用いて、被検レンズの寸法または形状特性を測定するためには、リング状の集束光５０ａが被検レンズの表面または裏面で反射した光線の反射角度または光強度を解析する必要がある。そのためには、リング状集束光照射光学系２９に反射光検出部４８を設けた例を図７に示す。

例えば、リング状集束光照射光学系２９を用いて、被検レンズの厚さを測定するためには、リング状の集束光５０ａによって被検レンズの表面または裏面に形成されたリング状の像の光強度を測定する必要がある。そのための具体的な構成として、光学素子３４とコリメートレンズ３２との間に、ビームスプリッタ（ハーフミラー）３３を、光軸に対して略４５°の角度で配置する。さらにビームスプリッタ３３の先には、反射光検出部４８を配置する。この反射光検出部４８は、リング状の像から来る光線が入射する順序に沿って、光学素子（例えば、リング状の通過孔）３９、レンズ４０、最後にレンズ４０の焦点距離ｆ３にＣＣＤカメラ４１に配置される構成要素から成る。ＣＣＤカメラ４１に入力される反射光線の強度分布または集光位置を解析することによって、光軸に対する反射光線の角度を測定することができる。そして、測定された反射光線の角度に基づいて、被検レンズの形状特性を算出することができ、また、後述するように被検レンズの光軸を調整することができる。

なお、光学素子３９は、前述の小径レンズ３４ｂを透過した光を遮光する機能を果たす。そして、図８に示すように、光学素子３９は、外側のリング状部品３９ｂの中心に内側の円形部品３９ｃを配置した構造になることで、リング状の透過孔３９ａを形成し、入射光に対して、所定の範囲の径のリング状光線を透過させ、所定の範囲の径以外の光線を遮断するように機能する。なお、３９ａが間隙（空間）となるため、支持部品３９ｄ〜３９ｇを配置して３９ｂと３９ｃとを結合する構造とする。

実施形態１

次に、本発明の第１実施形態として、以上のように説明したリング状集束光照射光学系２９を用いて、被検レンズの厚さを測定する測定装置を説明する。

本発明の第１実施形態における光学素子の厚さ測定装置の構成図を図９（Ａ）に示す。

本発明の第１実施形態は、光軸から見てリング状の光強度を有する集束光を被検光学素子に入射させて、リング状（輪状）の透過孔を有する光学素子を介して、被検光学素子の表面および裏面の像の光強度の変化を観測することによって、被検光学素子の厚さを測定するものである。被検光学素子としては、例えば、表面に曲率のあるレンズ、透明基板や平坦なガラス板などが挙げられる。本発明の第１実施形態として、表面の曲率（ｒ＞０）が凸状である被検レンズの厚さを測定する測定装置を説明する。

測定方法を説明する前に、最初に本発明の第１実施形態の装置のおける２つの調整を説明する。なお、第１実施形態における全体構成図の座標系を図９（Ｂ）〜（Ｄ）に示す。被検光学素子を設置する被検光学素子保持部３６は、基準平面３００のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸、あおり角θｘ、およびあおり角θｙを調整する機能を有するスイベルステージ４３の上に設置される。そして、被検光学素子３７の厚さを測定する前に、スイベルステージ４３のｘ軸、ｙ軸、あおり角θｘ、およびθｙを調整する必要がある。第１の調整は、スイベルステージ４３に被検光学素子保持部３６を設置する基準平面３００が、集束光の光軸Ｚと垂直とは限らないため、集束光の光軸Ｚと被検光学素子保持部３６を設置する基準平面３００とが垂直となるように調整（垂直出し）を行う。この調整のため、スイベルステージ４３の基準平面３００には、図示しないミラーを設置する。そして、ミラーの反射光の光軸が集束光の光軸Ｚと一致するように、あおり角θｘ、およびθｙを調整する。このような調整は、本発明の光学素子厚さ測定装置の初期設定の際に行われる。さらに、被検光学素子３７を光学素子保持部３６に設置する際に、第２の調整を行う。この第２の調整後には、集束光の光軸Ｚと被検光学素子３７の光軸とが一致する。

図９（Ａ）に示すように、第１の調整を行う際、本発明の第１実施形態の装置における光学系３０は、測定に用いる集束光５０ａとともに、スイベルステージ調整として平行光５０ｂを射出する。光学系３０から平行光５０ｂを射出すると、スイベルステージ４３に設置した図示しないミラーは平行光５０ｂを反射する。そして、その反射光の角度は、光学系３０のオートコリメータ部４７により測定される。次にその反射光の角度を測定する原理を説明する。まず、スイベルステージ４３に光学素子保持部３６を設置する基準平面３００が、センサ部の光軸（ミラーに照射される平行光５０ｂの光軸）と垂直であるならば、入射した平行光５０ｂの方向に反射される。そして、その反射光は入射の経路と逆向きの経路をたどり、ビームスプリッタ（ハーフミラー）３３に達する。ここで、反射光の一部は偏向されてビームスプリッタ（ハーフミラー）３８に向かう。そこで、その反射光はビームスプリッタ（ハーフミラー）３８によって偏向されて、透過孔４４ａを有する光学素子４４、レンズ４５、およびＣＣＤカメラ４６からなるオートコリメータ部４７に入射する。なお、オートコリメータ部４７の光学素子４４の形状を図１０に示す。

そして、その反射光は処理部４２とケーブル接続されているＣＣＤカメラ４６の受光面に集光する。その反射光が受光面の所定の位置に集光していれば、基準平面３００が、集束光の光軸Ｚと垂直であると、処理部４２は判定する。しかし、処理部４２は所定の位置に集光していないと判断したならば、その集光位置（ＣＣＤカメラ４１から送信されたデジタルデータ）に基づいて、スイベルステージ４３のあおり角θｘ、およびあおり角θｙを変化させて、所定の位置に反射光が照射されるようにスイベルステージ４３を調整する。

第２の調整は、被検光学素子３７を光学素子保持部３６に設置する際に行うものである。図１１に集束光が被検光学素子の表面で反射される様子を示す。図１１において、被検光学素子３０２の曲率半径はｒ、反射光３０３ａ、３０３ｂの光軸Ｚｒと集束光の光軸Ｚとの角度はθ_４である。そうすると、測定軸（被検光学素子３０２の光軸Ｚ´）と集束光の光軸Ｚとの距離ｈは、θ_４、曲率半径ｒを用いて、距離ｈ＝ｒ・ｓｉｎ（θ_４／２）のように表すことができる。ここで、処理部４２は、集束光光軸Ｚと被検光学素子３７の光軸Ｚ´とが一致するために、スイベルステージ４３のｘ軸およびｙ軸を駆動することができる。すなわち、処理部４２は、距離ｈ＝０の状態に調整することができる。図１１においては、凸面の表面を光学系３０に向けた被検光学素子３０２を被検光学素子保持部３０４に設置している。処理部４２が、被検光学素子３０２に該凸面の最上部点Ｔの位置を、光学系３０の光軸、すなわち集束光光軸Ｚの上に一致させる原理は、以下に説明する。まず、図１１に示すように、光学系３０の集束光３０１ａ、３０１ｂが測定に使用される。そして、集束光３０１ａ、３０１ｂは、被検光学素子３０２に照射されると、平行な反射光３０３ａ、３０３ｂとなってレンズ３５に向かって反射する。ここで、集束光光軸Ｚに、被検光学素子３０２の凸部または凹部の位置が一致（反射角度θ_４＝０）していれば、反射光３０３ａ、３０３ｂの光軸は、集束光の光軸Ｚと一致しているから、オートコリメータ部４７におけるＣＣＤカメラ４６の受光面の所定の位置にスポットが照射されるはずである。そして、オートコリメータ部４７においては、該反射光は、レンズ４５の焦点距離ｆ５に配置されたＣＣＤカメラ４６の受光面においてスポットとして結像する。しかし、集束光光軸Ｚに対する反射光３０３ａ、３０３ｂの光軸の反射角度をθ_４とすると、反射角度θ_４＝０でない場合、所定の位置にスポットが照射されていないことが検出される。そこで、スイベルステージ４３に対して、ｘ軸方向およびｙ軸方向に動くように調整して、スポットを所定の位置と一致するように調整することができる。なお、処理部４２は、光学系３０のＣＣＤカメラ４６とケーブルで接続されており、ＣＣＤカメラ４６の受光面に照射されたスポットは、デジタルデータとして処理部４２に送信される。このため、処理部４２は、送信されたデジタルデータに基づいて、スポット位置を検出して、測定されたスポット位置と所定のスポット位置との方向と距離の差分を検出して、該差分に基づいて、スイベルステージ４３に対してｘ軸方向およびｙ軸方向に被検光学素子保持部３６を設置された基準平面３００を移動するように指示して、スポット位置と所定の位置とが一致するように自動調整するようにしても良い。反射角度θ₄はＣＣＤカメラ４６の受光面上のスポット（集光点）の位置に対応し、該位置に基づいて処理部４２により反射角度θ_４を算出するようにしても良い。またその際、処理部にはＣＣＤカメラ４１、４６で受光した像に基づいて、処理部４２により光強度と入射光の角度θ_４を演算して、例えば処理部４２に具備するＰＣのモニターに出力して表示するようにしても良い。

なお、凸面を光学系３０に向けた被検光学素子３７を被検光学素子保持部３６に設置した場合を示したが、凹面を光学系３０に向けた凹面被検光学素子を被検光学素子保持部３６に設置した際の凹面被検光学素子に凹面の最下部の位置を、光学系３０の光軸すなわち集束光光軸Ｚの上に、一致させる調整を行う場合も、上述と同様に調整を行うことができる。

次に、リング状の集束光３１０を使用し、薄い光学素子（例えば、厚さ２００μｍ以下のレンズ）の表面と裏面に生じる像を分離する効果的な方法について、図１２〜１４を用いて説明する。被検光学素子保持部３６に設置された被検光学素子３７に照射されたリング状の集束光３１０の被検光学素子３１１の表面および裏面に生じる像を図１２、および図１３に示す。また、ＣＣＤカメラ４１の受光面上に結像される画像を図１４に示す。

従来においては、センサ部２０からの集束光２４を被検光学素子２１に照射させ、光学素子の厚さを測定する際、センサ部２０の図示しない受光素子に結像した被検光学素子２０３の表面２０３ａに集光点２０２を合わせた際に生じる像２０４ａは、裏面の像２０４ｂと近接または重複するため、図３に示したように分離が困難になるという問題がある。

そこで、本発明の第１実施形態においては、図１２および図１３に示すように、集束光の中心を遮光した光束（例えば、リング状または輪状）を用いることによって、上記の問題を解決している。リング状（輪状）の集束光３１０が被検光学素子３１１に入射し、被検光学素子３１１の表面と空気との境界、および裏面と空気との境界における反射光によって、２つの像が生じることが図１２に示されている。これらの像について説明する。まず、集光点３１２が表面３１１ａに存在する場合、表面３１１ａの像は点になり、裏面の境界では、小さいリング状の裏面像３１３が形成され、裏面３１１ｂの境界で反射した集束光は表面３１１ａで裏面より大きいリング状（輪状）の表面像３１４を形成する。このようにして、リング状の像３１３とリング状の像３１４は重ならず、分離される。また、図１３に示すように、集光点３２２が裏面３１１ｂに存在する場合、裏面３１１ｂの像は点になり、反射して表面３１１ａで小さいリング状の像３２３を形成し、表面３１１ａの境界面で反射した集束光は裏面３１１ｂでは表面３１１ａのリング状の像３２３より大きいリング状（輪状）の像３２４を形成する。このようにして、リング状の像３２３とリング状の像３２４は重ならず、分離されるから、スイベルステージ４３をｚ軸方向に移動させながら、集光点３１２が表面３１１ａに存在する際に表面３１１ａに形成されたリング状の表面像３１４と、集光点３２２が裏面３１１ｂに存在する際に裏面３１１ｂに形成されたリング状の裏面像３２４とを効率よく他の像と分離することができる。このため、ｚ軸に対する光強度変化を示すグラフにおいて、表面像３１３および裏面像３２４の光強度に拠る２つの極大値（ピーク値）を精度よく検出することができる。この結果、２つの光強度に対応するｚ軸の差に基づいて、被検光学素子３７の厚さｔをより高い精度で算出することができる。

ここで、ＣＣＤカメラ４１の受光面で検出される結像の様子を説明する。図１４（Ａ）は、図１２の表面像３１４がＣＣＤカメラ４１の受光面上で結像したリング状表面結像４０２ａを示す。前述のとおり光学素子３４は、リング状の透過孔３４ａを有するので、平行光線が透過孔４３ａを通過してＣＣＤカメラ４１の受光面に照射される領域を、図１４の点線で表した外側仮想線４０１ａと点線で表した内側仮想線４０１ｂで挟まれた通過領域４０１ｃのように示すことができる。このようにして、表面像３１４からの光線が、光学素子３４のリング状の透過孔４３ａを通過するように設計することによって、表面像３１４の光強度を他の像に光強度に影響を受けずにＣＣＤカメラ４１で容易に検出することができる。同様に、図１４（Ｂ）は、図１３の裏面像３２４がＣＣＤカメラ４１の受光面上で結像したリング状裏面結像４０２ｂを示す。同様に、裏面像３２４からの光線が、光学素子３４のリング状の透過孔４３ａを通過するように設計することによって、表面像３２４の光強度を他の像に光強度に影響を受けずにＣＣＤカメラ４１で容易に検出することができる。このように、集光点３１２が表面３１１ａに存在する場合において、裏面３１１ｂの境界面で反射し形成されたリング状（輪状）集束光３１４も、集光点３２２が裏面３１１ｂに存在する場合において、裏面３１１ｂの境界面で反射し形成されたリング状（輪状）集束光３２４の両方が、通過領域４１０ｃの範囲で結像するように、リング状の透過孔３４ａの内径および外形が設計されていれば、集光点３１２が表面３１１ａに存在する場合の光強度、および集光点３２２が裏面３１１ｂに存在する場合の光強度を、ｚ軸に対する光強度変化の極大値（ピーク値）として、効果的に拡大して検出することができる。逆に集光点が表面３１１ａまたは裏面３１１ｂ以外に存在するような場合では、表面像および裏面像からの光線によって結像されたリング状表面結像４０４ａおよびリング状裏面結像４０４ｂは、図１５（Ａ）に示すように、リング状表面像４０４ａは通過領域４０１ｃから外れる部分が存在するので、該部分は光強度の算出に寄与をせず、処理部４２で算出される光強度を効果的に減少させることができる。特に、集光点が被検光学素子３７の表面から厚さｔ／２付近の深さに存在する際、図１５（Ｂ）に示すように、リング状表面結像４０４ｃおよびリング状裏面結像４０４ｄが完全に遮光されるような、透過孔３４の内径および外形を設計すると、ｚ軸に対する光強度変化の極大値と極小値のｚ軸位置を効果的に検出することができる。なお、集光点の像である４０３ａおよび４０３ｂは、光学素子３４に遮光され、光強度には寄与するものではない。

図４および図１６に被検光学素子３７（厚さ２００μｍのレンズ）の実際の測定結果のグラフを示す。前述のように図４は、光軸断面の光強度分布が円形の光束を使用した、つまりリング状（輪状）の光束を使用せず測定したｚ軸に対する光強度のグラフである。これに対して、図１６は、本発明の第１実施形態のリング状（輪状）集束光の光束を使用して測定したｚ軸に対する光強度のグラフである。グラフから読み取られた光強度の極大値−極小値の差は、それぞれ図４では「１１」であるのに対して、図１６では「７０」である。この結果、被検光学素子３７の表面３１１ａと裏面３１１ｂの像の光強度を効果的に分離することができ、ｚ軸に対する、被検光学素子の表面および裏面からの像の光強度変化を拡大して測定することができる。以上のようにして、処理部４２は、測定データに基づいて、２つの光強度の極大値（ピーク）を検出して、２つの極大値におけるｚ軸の差を測定値ｄとして算出することができる。

しかしながら、光学系３０および処理部４２を用いて算出された測定値ｄは、そのままでは被検光学素子３７の厚さｔとすることはできない。この理由は、図１７にも示すように、集束光５０１ａ、５０１ｂは、被検光学素子５０２の表面５０２ａ、すなわち被検光学素子５０２と空気との界面で屈折をするためである。表面５０２ａの集光点である点Ａの位置の測定は、屈折の影響を受けない。しかし、裏面５０２ｂの集光点である点Ｂの位置の測定は、集束光の屈折によって、影響を受ける。例えば、被検光学素子５０２の屈折率ｎを考慮しない場合、裏面５０２ｂの集光点として、集束光５０１ａ、と５０１ｂが交差する点Ｅに存在するものとして測定値ｄが算出される点が問題である。よって、被検光学素子３７の正しい厚さｔを算出するためには、上述の測定値ｄ、集束光５０１ａ、５０１ｂの集光角θ₁、被検光学素子５０２の表面５０２ａの曲率半径ｒ、および被検光学素子５０２の材料の屈折率ｎに基づいて、被検光学素子５０２の厚みｔを算出することができる数式を見出す必要がある。

ここで、本発明の第１実施形態における、被検光学素子（凸状レンズ）５０２の厚さｔを算出する数式の求め方を説明する。なお、被検光学素子５０２の表面曲率半径ｒ（ｒ＞０）、屈折率ｎ、および集束光５０１ａ、５０１ｂの集光角θ_１は、既知であることを前提としている。

まず、図１７は、集束光５０１ａ、５０１ｂが、凸面形状の被検光学素子５０２に入射し、被検光学素子５０２の表面５０２ａ内に位置する点Ｃおよび点Ｆで屈折し、裏面５０２ｂ内の点Ｂで集光することを示した図である。

表面５０２ａにおける集束光の光軸の交点を点Ａ、裏面５０２ｂにおける集光点を点Ｂ、表面５０２ａにおいて集束光５０１ａ、５０１ｂが屈折する位置を点Ｃおよび点Ｆ、表面５０２ａの曲率中心を点Ｄ、および表面５０２ａにおける屈折を考慮しない集束光の交点を点Ｅとする。これらから、線分ＡＥの長さが測定値ｄで、線分ＡＢの長さが光学素子の厚さｔに対応する。また、集束光の角度については、集束光の光軸Ｚを基準として、集光角をθ_１、線分ＢＣと光軸Ｚとのなす角度をθ_２、集束光５０１ａ、５０１ｂと表面５０２ａの交点の点Ｃまたは点Ｆと表面５０２ａの曲率中心である点Ｄを結んだ線の角度をθ_３とする。以上のような設定値を用いて、先ず、屈折を考慮しない集束光すなわち線分ＣＥを表す直線の方程式と、被検光学素子５０２の表面５０２ａを表す円の方程式とを用いて、点Ｃのｘ座標すなわち集束光５０１ａ、５０１ｂの光軸Ｚと点Ｃとの距離ｅを求める。次に、点Ｃのｘ座標であるｅに基づいて、θ_３、点Ｃおよび点Ｆのｙ座標であるｆ、およびΔ（＝ｒ−ｆ）を求める。そして、スネルの法則を用いて求めたθ_２および点Ｃのｘ座標ｅから、点Ｃと被検光学素子５０２の裏面５０２ｂとの距離であるｇを求める。以上の結果を用いて、被検光学素子５０２の厚さｔ（＝ｇ＋Δ）を算出する。

具体的には、光学素子表面の曲率中心の点Ｄを座標の原点とし、線分ＣＥは傾きａおよび切片ｂの直線の方程式である数１として表すことができる。

また、傾きａおよび切片ｂは、数２、数３として表すことができる。

そして、点Ｄを座標の原点とし、被検光学素子５０２の表面５０２ａを円の方程式として数４のように表することができる。

数１および数４により、点ＣのＸ座標ｅ（数５ではｘとして表されている）を算出する方程式は数５のように表すことができる。

点Ｃと集束光５０１ａ、５０１ｂの光軸Ｚとの距離ｅは、解の公式より、数６のように表すことができる。

なお、上記の直線と円の交点は点Ｃ、点Ｃ´の２つがあり、表面５０２ａが凸面(ｒ＞０)の場合は、直線と円の交点を点Ｃとし、符号がプラス（+）の解を用いる。また、図１８で示すように、表面が凹面(ｒ＜０)の場合は、直線と円の交点を点Ｃ´とし、符号がマイナス（−）の解を用いることで対応することができる。

次に、以下のように、長さeと本装置の測定値ｄ、光学素子の素材の屈折率ｎ、表面曲率半径ｒ、集束光の集光角θ_１を用いて、被検光学素子５０２の厚さｔを算出することができることを説明する。

図１７に示すように、集束光と表面の交点の点Ｃと表面の曲率中心を結んだ線の角度であるθ_３は、長さｅおよび表面曲率半径ｒを用いて、数７のように表すことができる。

また、点Ｃのｙ座標であるｆは、θ_３および表面曲率半径ｒを用いて、数８のように表すことができ、点ＣのＹ座標を基準として、被検光学素子５０２の表面５０２ａの最上点Ａまでの距離Δは、数９のように表すことができる。

そして、スネルの法則を使用して、被検光学素子５０２の表面５０２ａにおける入射角（θ_１−θ_３）、屈折角（θ_２−θ_３）および被検光学素子５０２の屈折率ｎの関係を数１０のように表すことができ、数１０を変形して、数１１を得ることができる。

また、点Ｃから被検光学素子５０２の裏面５０２ｂまでの距離であるｇは、数１２のように表すことができる。

レンズの厚さｔは、数１３にように表すことができ、数９〜数１３を用いて、数１４のように表すことができる。

以上のようにして、本発明の第１実施形態において、測定値ｄ、被検光学素子の材料の屈折率ｎ、表面曲率半径ｒ、および集束光の集光角θ_１を用いて算出されたｅに基づいて、被検光学素子のレンズの厚さｔを算出することができる計算式を見出すことができた。

本発明の第１実施形態における、被検光学素子３７の厚さｔの測定の手順を説明する。まず、光学系３０の光軸、すなわち集束光光軸Ｚと被検光学素子保持部３６の基準平面３００に垂直出しを行う。上述のように、光学系３０の光軸と光学素子保持部の基準平面３００の角度を測定し、スイベルステージ４３により調整を行う。

次に、スイベルステージ４３のｘ軸およびｙ軸を調整して、ｘｙ平面内において光学系３０の光軸と被検光学素子３７の光軸とを一致させるように、被検光学素子３７の位置を調整する。具体的には、被検光学素子３７を被検光学素子保持部３６に配置し、集束光が被検光学素子３７に照射されると、被検光学素子３７の表面から平行光線となって反射され、光学系３０を通って、オートコリメータ部４７に達し、ＣＣＤカメラ４６に結像をする。結像をしたスポットに対して、オートコリメータ部４７のＣＣＤカメラ４６の受光面におけるスポットを最小にして、所定の位置に当たるように、被検光学素子３７から反射する平行光線の反射角度を被検光学素子保持部３７を設置したスイベルステージ４３のｘ軸およびｙ軸によって調整をする。

そして、スイベルステージ４３をｚ軸方向に動かすことによって、被検光学素子３７をｚ軸方向に移動させ、ＣＣＤカメラ４１の受光面におけるリング状の結像を検知し、デジタルデータに変換して処理部４２に送信する。処理部４２はｚ軸の値と、デジタルデータに基づいて算出した光強度とを対応させた測定データとして記憶する。処理部４２は、測定データに基づいて、２つの光強度の極大値（ピーク）を検出して、２つの極大値におけるｚ軸の差を測定値ｄとして算出する。最後に、処理部４２は、測定値ｄ、被検光学素子の材料の屈折率ｎ、表面曲率半径ｒ、および集束光の集光角θ₁を用いて算出されたｅに基づいて、被検光学素子のレンズの厚さｔを算出する。

実施形態２

次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態では、１つのリング状の光線に代えて、複数の光線、例えば図１９に示すような４本の光線を仮想のリング状の図形の断面に含まれるように配置して、本発明を実施することができる。集光点３２０が、被検光学素子３１１の表面３１１ａに存在すれば、４つの裏面像３３３ａ、３３３ｂ、３３３ｃ、３３３ｄからなる像を形成し、表面３１１ａに反射し、３３４ａ、３３４ｂ、３３４ｃ、３３４ｄからなる像を形成する。なお、図１９では、４本の集束光３３１ａ、３３１ｂ、３３１ｃ、３３１ｄを使用するが、２本以上であれば、複数の光線の本数は、限定されるものではない。また、仮想のリング状の図形外周および内周３３５ａ、３３５ｂに挟まれた領域における、各集束光の配置についても、仮想のリング状の図形の中心点を基準として、０°、９０°、１８０°、２７０°の方向に固定配置される必要はなく、任意の方向を選択することが可能であり、限定されるものではない。さらに各光線の光強度または光量の配分についても、同一とすることに限られたものではなく、任意の配分比率を選択しても良いものである。また、第２実施形態において用いた４本の光束からなり集束光に対応するように、図６の光学素子３４に代えて、図２０（Ａ）に示すような４つの円形の通過孔を有する光学素子６１を用い、また図８の光学素子３９に代えて、図２０（Ｂ）に示すような４つの円形の通過孔を有する光学素子６２を用いても良い。光学素子６１は、図２０（Ａ）が示すように、円形の枠６１ａの中心に小径レンズ６１ｂを配置し、該中心を基準点として、０°、９０°、１８０°、２７０°の方向に通過孔６１ｃ〜６１ｆを配置する構造になっている。また、光学素子６２は、図２０（Ｂ）が示すように、円形の枠６２ａの中心を基準点として、０°、９０°、１８０°、２７０°の方向に通過孔６２ｂ〜６２ｅを配置する構造になっている。なお、上記各通過孔の位置および直径は、測定に用いる光束の本数および配置に対応して設計すれば良いものである。

実施形態３

次に、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態では、被検光学素子５１２が平板（ｒ＝∞）の場合の被検光学素子５１２の厚さｔの算出する方法を説明する。図２１は、被検光学素子５１２の表裏が平面の光学素子に集束光５０１ａ、５０１ｂが入射し、表面５１２ａで屈折して、裏面５１２ｂで集光した様子を示した図である。集束光の角度については、集束光の光軸Ｚを基準として、集光角がθ_１、その表面で屈折した角度がθ₆とする。

スネルの法則を用いて、θ_１、およびθ_６の関係は数１５のように表され、数１５を変形すると、θ_６は数１６のように表すことができる。

集束光５０１ａ、５０１ｂと表面５２２ａの交点のｘ座標、すなわち集束光５０１ａ、５０１ｂの光軸Ｚと交点との距離をｉ、また屈折を考慮しない集束光の集光点と表面５２２ａとの距離をｄとすると、θ_１は、数１７のように表すことができる。

そして、平板の厚さｔは、数１７および数１８を用いて、数１９のように表すことができる。

以上のようにして、本発明の光学素子厚み測定装置（光学素子特性測定装置）において、測定値ｄ、光学素子の素材の屈折率ｎ、および集束光の集光角θ_１に基づいて平板の厚さｔが算出することができる。

上記の例とは異なり、屈折率ｎおよび既知の厚さｔを有する表面と裏面とが平行な被検光学素子５２２に対して、測定値ｄを測定することによって、本発明の装置の光学素子厚み測定装置固有の設定値となる、集束光の集光角θ_１を決定する方法を説明する。被検光学素子５２２には、例えばガラス板を使用しても良い。

ｓｉｎθ_１、ｓｉｎθ_６は、それぞれ数２０、数２１のように表すことができ、上述の数１５にそれぞれ代入すると、数２２のような関係が見出せる。

そして、数２２を変形すると、ｉを数２３のように表すことができ、上述の数１７を使用すると、θ_１は数２４のように表すことができる。

以上のように、本発明の光学素子厚み測定装置（光学素子特性測定装置）において、測定値ｄ、光学素子の材料の屈折率ｎ、光学素子の既知の厚さｔより集束光の集光角θ_１を算出することができる。集光角θ_１は、本発明の光学素子厚み測定装置の固有の設定値であるから、装置固有の集光角θ_１を得られるように、装置を調整する等の点検作業によって、本発明の光学素子厚み測定装置の校正に利用することができる。

実施形態４

本発明のレンズの面ずれ量測定装置（光学素子特性測定装置）は、反射光センサ部の光軸からみて、光強度分布がリング状の集束光と、被検レンズの中心付近に照射される平行光線とを同時に照射し、被検レンズのレンズ中心軸（被検レンズ第１面の法線）を反射光センサ部の光軸と一致するように調整して、被検レンズを透過した光線の集光点位置を測定することにより、被検レンズを回転させることなく、被検レンズの面ずれ量を測定することが可能となる装置である。

先ず、本発明のレンズの面ずれ量測定装置（光学素子特性測定装置）によって測定される被検レンズ（被検光学素子）の面ずれ量を、図２２に示しつつ定義をする。図２２に示すように、本発明のレンズの面ずれ量測定装置においては、被検レンズ２０は被検レンズホルダ１１２に設置される。そして、被検レンズ保持部１１１の上面を基準平面ＬＳとする。そして、図２２に示すように、基準平面ＬＳに垂直な被検レンズ第１面２０ａの法線ＬＮ１上に第１面の球心（第１面の中心点）ＣＮ１があり、基準平面ＬＳに垂直な被検レンズの第２面１１０ｂの法線ＬＮ２上に第２面の球心（第２面の中心点）ＣＮ２があるような配置になっている。また、レンズホルダ保持ステージ部２３によって、レンズホルダ２２を保持する被検レンズ保持部１１１を支持するような構成になっていて、基準平面ＬＳが確保される。

このような配置において、それぞれ、基準平面ＬＳに垂直な被検レンズ第１面（表面）１１０ａの法線と被検レンズの第２面（裏面）１１０ｂの法線との距離を面ずれ量Δ_２とする。なお、本発明の実施形態においては、被検レンズ第１面１１０ａの法線ＬＮ１を被検レンズのレンズ中心軸と定義して、説明を進める。

本発明の第４実施形態におけるレンズの面ずれ量測定装置（光学素子特性測定装置）のブロック図を図２３に示す。以下にブロック図を用いてレンズの面ずれ量測定装置の構成の概略を説明する。

本発明のレンズの面ずれ量測定装置１２０は、図２３に示すように、被検レンズ１２１ａを設置する被検レンズホルダ１２１、被検レンズホルダ１２１を保持し、３軸方向に移動させ、２つの軸に沿って回転（傾斜）可能なステージに固定するレンズホルダ保持機構ステージ部１２２、光源１２３ａからの光束を被検レンズ１２１ａが反射した光線の光軸に対する角度を測定する反射光センサ部オートコリメータ１２３ｂを有する反射光センサ部１２３、被検レンズ１２１ａを透過した光線の光軸の角度を測定する透過光センサ部オートコリメータ１２４ａおよび光センサ部１２４ｂを有する透過光センサ部１２４、透過光センサ部１２４を３軸方向に移動させ、２つの軸に沿って回転（傾斜）可能なステージに固定する透過光センサ部保持機構ステージ部１２４ｃ、反射光センサ部オートコリメータ１２３ｂ、透過光センサ部オートコリメータ１２４ａおよび光センサ部１２４ｂの出力に基づいて、被検レンズ１２１ａの面ずれ量を演算するデータ処理部１２５、およびデータ処理部１２５が演算する面ずれ量を表示するモニタ２６から構成されている。

続いて、レンズの面ずれ量測定装置３０についての詳細な構成図を図２４に示し、構成図を用いて説明する。

レンズの面ずれ量測定装置１３０は、被検レンズ１３１ａを固定する被検レンズホルダ１３１ｂを保持する基準平面を持った５軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ、χ、φ）移動可能なレンズホルダ保持機構ステージ部１３１ｃを有する被検部１３０ａと、リング状の集束光を被検レンズ１３１ａに照射し、レンズ中心軸に対して被検レンズ第１面からの反射光角度を測定するオートコリメータ機能を内蔵する反射光センサ部１３０ｂと、反射光センサ部１３０ｂからリング状の集束光と同時に照射される平行光線が被検レンズ１３１ａを透過する透過光線の集光点位置を検出する機能と、レンズ中心軸に対する透過光線の角度を測定するオートコリメータ機能を内蔵する透過光センサ部１３０ｃと、透過光センサ部１３０ｃを保持する５軸（Ｘ、Ｙ，Ｚ，χ、φ）移動可能なステージ部１３９と、上述の各オートコリメータの測定処理および集光点位置データから面ずれ量を算出する機能と、透過光線の角度から面ずれ量を算出する機能とを有するデータ処理部１３０ｄ及び表示部３０ｅから構成される。なお、レンズホルダ保持機構ステージ部１３１ｃは、基準平面を持った被検レンズ保持部（図示しない）を含むものとし、スイベルステージを使用するようにしても良い。

なお、光源部１３２は、光源（例えば、レーザーダイオード）１３２ａ、レンズ（焦点距離ｆ２）１３２ｂから成り、平行光線を出射する。そして、光源部１３２から照射された光線からリング状の光線および集光光線に変換する光学素子１３３を反射光センサ部１３０ｂに配置する。そして、リング状の光線を集束光に変換し、点Ｃで集光した光線を平行光線に変換するレンズ（焦点距離ｆ４）１３４を配置し、被検レンズ１３１ａに照射する。反射光センサ部オートコリメータ部１３６に被検レンズ１３１ａから反射した光線が入射する直前には光学素子（ピンホール）を配置する。そして、光学素子１３３および１３５の形状を、それぞれ図２５の（Ａ）および（Ｂ）に示す。光学素子１３３は、外側のリング状部品１３３ｈの中心に内側のリング状部品１３３ｇを配置した構造になることで、リング状の透過孔１３３ａを形成し、入射光に対して、所定の範囲の径のリング状光線を透過させる。また、中央付近には焦点距離ｆ５を有する小径レンズ１３３ｂが配置され、平行光線を集束光とする機能を有する。なお、小径レンズ１３３ｂを支持する枠として、リング状部品１３３ｇを配置し、枠部品１３３ｇと枠部品１３３ｈとの間は、透過孔１３３ａすなわち空間となるため、支持部品１３３ｃ〜１３３ｆを配置する。光学素子１３５は、外枠１３５ｂの中央に光線が通過する透過孔１３５ａを配置した構造である。

最初に、被検レンズホルダ１３１ｂの基準平面ＬＳを反射光センサ部１３０ｂの光軸に垂直になるように調整するため、被検レンズホルダ１３１ｂの基準平面ＬＳに平面ミラー（図示しない）を設置する。そして、反射光センサ部１３０ｂから射出される平行光線を反射させ、反射光センサ部１３０ｂ内における、レンズ（焦点距離ｆ７）１３６ａおよび反射光センサ部受光装置１３６ｂからなる反射光センサ部オートコリメータ１３６により、反射光線の角度を測定する。そして、レンズホルダ保持機構ステージ部１３１ｃにより、反射光センサ部３０ｂの光軸に対して、その角度を０度に調整する。

次に、反射光センサ部１３０ｂの光軸に対して、透過光センサ部１３０ｃのＸＹ面上の位置を調整することによる、透過光センサ部１３０ｃの透過光センサ部オートコリメータ１３８および透過光センサ部光学系１３７（集光点位置検出用受光素子）の原点出しをする。

本発明の第４実施形態のレンズの面ずれ量測定装置の初期設定時において、平凸レンズを調整用レンズ１４２として使用する。その際、リング状の集束光１４５ａ、リング状の反射光線１４５ｂおよびレンズ中心軸付近を透過する平行光線の光路１４６の様子を図２６に示す。また、調整用レンズ１４２は、調整用レンズ１４２の凸面を反射光センサ部１４１ａの側に向けて、被検レンズホルダ１４３にセットする。そして、透過光センサ部１４１ｂ内の透過光センサ部オートコリメータ（図示しない）および透過光センサ部受光装置（図示しない）から送出される画像データを、データ処理部１４１ｃを用いて処理した画像を、モニタ１４１ｄで観察しながら、集光点像が最小面積になるように、透過光センサ部保持機構ステージ部１４４をＺ軸方向に調整する。上記の調整用レンズ１４２が平凸レンズであるため、透過光線の集光点は、確実にレンズ中心軸上に存在するから、透過光センサ部オートコリメータ（図示しない）および光センサ部（図示しない）の受光素子上の位置を原点として、データ処理部１４０ｃに記憶し、反射光センサ部１４１ａと透過光センサ部１４１ｂの原点となるＸＹ位置を固定することができる。以上のような手順で、（調整用レンズ４２の）レンズ中心軸を反射光センサ部１４１ａの光軸と一致させ、かつ平行光線の光路１４６を（調整用レンズ１４２の）レンズ中心付近に照射されるようにする。

以上、説明したように、反射光センサ部１３０ｂの光軸と被検レンズホルダ１３１ｂを保持する被検レンズ保持部（図示しない）の基準平面ＬＳの垂直出し行う。また、被検レンズホルダ１３１ｂに平面ミラーをセットし、反射光センサ部１３０ｂから照射される平行光線を反射させる。そして、反射光センサ部３０ｂの反射光センサ部オートコリメータ３６によって、光軸に対する角度を測定する。測定した角度に基づいて、被検レンズホルダ１３１ｂを保持する被検レンズ保持部（図示しない）の角度が、反射光センサ部１３０ｂの光軸に対して０度になるように調整する。なお、上記被検レンズ保持部は、被検レンズホルダ１３１ｂを保持し、前述の被検レンズ保持部１１１と同様に、基準平面ＬＳを形成する。

本発明のレンズの面ずれ量測定装置１３０を用いて、被検レンズ１３１ａの面ずれ量を測定するための事前の光軸合せ、および被検レンズホルダ保持部１３１ｂのＺ軸方向の位置調整について、以下に簡単に説明する。反射光センサ部１３０ｂのオートコリメータ１３６により、被検レンズ１３１ａからの反射光線の角度を測定し、測定角度が０度になるように被検レンズ保持部１３１ｂを保持するレンズホルダ保持機構ステージ部１３１ｃのＸＹ面内の位置を調整することにより、反射光センサ部１３０ｂの光軸（反射光センサ部１３０ｂから照射されるリング状の集束光の光軸）とレンズ中心軸とを一致させることが可能である。

ここで、本発明の第４実施形態において、被検レンズにおける反射光線の光軸が、被検レンズ第１面の中心軸と一致しない平行光線となって反射する様子、すなわち調整されていない状態を図２７に示す。そして、被検レンズにおける反射光線の光軸が、被検レンズ第１面の中心軸と一致する平行光線となって反射する様子、すなわち調整された状態を図２８に示す。

まず、被検レンズ１５０を、その被検レンズホルダ１５１（被検レンズ専用レンズホルダ）に装着し、被検レンズ保持部（図示しない）の基準平面ＬＳに設置する。

次に、被検レンズホルダ１３１ｂをＺ軸方向に調整をすることによって、反射光センサ部１３０ｂから照射されたリング状の集束光１５２ａ、１５２ｂが集光する集光点位置ＦＰ１を、被検レンズ第１面１５０ａと、被検レンズ第１面１５０ａの球心ＣＮ１との中間位置に移動させる。この結果、被検レンズ第１面１５０ａからの反射光線１５２ｃ、１５２ｄは平行光線となって、反射光センサ部３０ｂに戻って入射される。この平行光線は、さらにハーフミラー３２ｃにおいて、９０度反射されて、反射光センサ部１３０ｂの反射光センサ部オートコリメータ部１３６に入射される。この反射光センサ部オートコリメータ部１３６によって、平行光線とレンズ中心軸（被検レンズ第１面の法線）との角度θ_０を測定することができる。そして、この角度θ_０に基づいて、集束光線が集光する集光点位置ＦＰ１と、レンズ中心軸（被検レンズ第１面の法線）ＬＺとの、被検レンズホルダ１３１ｂの面内ＸＹずれ量を算出することができる。このＸＹずれ量に基づいて、レンズホルダ保持機構ステージ部１３１ｃをＸＹ面内移動させて調整し、レンズ中心軸をレンズの面ずれ量測定装置の光軸、すなわちリング状の集束光の光軸と一致させる。この調整により反射光センサ部１３０ｂから同時に照射されている平行光線がレンズ中心軸に平行に照射され、また被検レンズ１３１ａの中心付近に照射されるように調整される。

また、反射光センサ部１３０ｂから、リング状の集束光と同時に照射されている平行光線の光軸は、リング状の集束光の光軸と一致するよう調整されているから、本発明の第４実施形態のレンズの面ずれ量測定装置１３０は、反射光センサ部１３０ｂから照射される平行光線の光軸を基準軸とし、被検レンズホルダ保持部１３１ｂ及び透過光センサ部１３０ｃの光軸を、それぞれのステージ機構（レンズホルダ保持機構ステージ部１３１ｃ、透過光センサ部保持機構ステージ部１３９）を調整することによって、レンズの面ずれ量測定装置全体の光軸合わせを行うことができる。

まず、反射光センサ部１３０ｂが照射するリング状の集束光（収束光）の集光点ＦＰ１を、被検レンズ第１面の球心ＣＮ１と被検レンズ第１面１５０ａとの中間になるように、レンズホルダ保持機構ステージ部１３１ｃをＺ軸方向に移動する。この状態ではレンズホルダ保持機構ステージ部１３１ｃをＸＹ平面で調整されておらず、図２７に示すように、集束光１５２ａ、１５２ｂの光軸ＬＦとレンズの中心軸（被検レンズ第１面の法線）ＬＺとが距離（ＸＹずれ量）Ｌ_１ずれていて、反射光線１５２ｃ、１５２ｄはレンズの中心軸ＬＺに対して傾斜している。ここで、レンズ第１面１５０ａからの反射光線１５２ｃ、１５２ｄが、レンズの中心軸（被検レンズ第１面の法線）ＬＺと平行な光線になるように、レンズホルダ保持機構ステージ部１３１ｃをＸＹ平面内において移動させて調整する。例えば、被検レンズ第１面の曲率半径をｒ_１とすると、距離（ＸＹずれ量）Ｌ_１は、数２５のように表される。

つまり、反射光センサ部のオートコリメータにより、角度θ_０を測定する。そして、その角度θ_０が０度になるように、被検レンズホルダ１３１ｂのレンズホルダ保持機構ステージ部１３１ｃを調整することにより、反射光センサ部１３０ｂの光軸とレンズ中心軸ＬＺを一致させる、すなわち距離Ｌ_１＝０となるように調整することが可能である。このような調整によって、図２８に示すように、被検レンズ第１面１５０ａにおいて、集束光１６２ａ、１６２ｂが反射した平行な光線１６２ｃ、１６２ｄの光軸が、被検レンズ第１面の中心軸と一致させることができる。

なお、反射光センサ部１３０ｂまたは１４１ａから、それぞれ被検レンズ１５０に照射されるリング状の集束光１８０ａの形状およびリング状の強度分布１８０ｂを図２９に示す。図２９に示すとおり、集束光１８０ａの光軸に対して垂直な面において、リング状の強度分布１８０ｂを持った光線である。被検レンズ第１面１５０ａでリング状の強度分布１８１ｂを維持した平行光線１８１ａとして反射される様子を示す。

本発明の第４実施形態のレンズの面ずれ量測定装置本装置１３０の初期設定方法、特に透過光センサ部１３０ｃの光軸角の調整に関して説明する。まず、透過光センサ部１３０ｃの光軸を反射光センサ部１３０ｂから照射される光線の光軸を基準とする。よって、反射光センサ部１３０ｂから光線をレンズ１３８ａによって平行光線に変換され、その平行光線は透過光センサ部光学系１３７に入射する。そして、透過光センサ部光学系１３７内のレンズ１３７ａを用いて透過光センサ部受光装置１３７ｂに集光し、その平行光線の角度を測定する。最後に、その平行光線の角度に基づいて、透過光センサ部１３０ｃの透過光センサ部保持機構ステージ部１３９を移動させて、透過光センサ部１３０ｃの光軸角度を０度に調整する。なお、透過光センサ部保持機構ステージ部１３９は、スイベルステージを使用するようにしても良い。

次に、本発明のレンズの面ずれ量測定装置３０を用いて、図３０に示すような被検レンズ１５０の透過光線の屈折角度θ₁の測定値から、被検レンズの面ずれ量Δ_２を算出する方法を簡単に説明する。被検レンズ１５０にレンズ中心軸に平行な平行光線Ｌｉが入射し、被検レンズの第２面１５０ｂにおいて、被検レンズ１５０に生じた面ずれ量Δ_２に起因して、平行光線Ｌｉが屈折した様子を図３０に示す。

まず、図３０に示すような屈折した角度θ_１を測定するために透過光センサ部光学系１３７を用いる。透過光センサ部光学系１３７は、レンズ（焦点距離ｆ１１）１３７ａ、透過光センサ部受光装置１３７ｂから成る。そして、被検レンズ１５０を透過した光線は、図２４に示すように点Ｄにおいて一旦集光した後、レンズ（焦点距離ｆ１０）１３８ａの作用で平行光線となり、ハーフミラー１３８ｃを透過する。そして、続くレンズ（焦点距離ｆ１１）１３７ａの作用によって、透過光センサ部受光装置１３７ｂにおいて光線は集光する。このため、透過光センサ部受光装置１３７ｂによって集光点位置を検出することができる。なお、透過光センサ部光学系１３７において、図２４に示すように点Ｄの位置と集光点位置は結像関係にある。以上のようにして、その集光点位置のＸＹ位置データに基づいて、データ処理部がθ_１を測定することができる。

具体的には、被検レンズの第２面の最下点から集光点までの距離Ｂ（以下、「バックフォーカスＢ」または、単に「Ｂ」と記載する。）を、後述するような計算式を用いて算出しておく。そして、被検レンズ１５０の焦点位置において、平行光線の集光点のＸＹ位置を測定し、ＸＹ位置に基づいてレンズ中心軸ＬＺ上に原点を設定して、ずれ量Δ_１を算出する。次に、被検レンズ１５０の第２面１５０ｂを透過したレーザー入射平行光線がレンズ中心軸ＬＺを基準として屈折した角度θ_１を、ずれ量Δ_１およびバックフォーカスＢを用いて算出する。最後に、レーザー入射平行光線Ｌｉと第２面１５０ｂとの交点と、第２面の球心（曲率中心）ＣＮ２とを結んだ線Ｌとし、レンズ中心軸ＬＺを基準とした線Ｌの角度θ_２を、スネルの法則を用いて算出する。

続いて、被検レンズ１５０の面ずれ量Δ_２の具体的な計算方法を説明する。本発明の第４実施形態のレンズの面ずれ量測定装置１３０において、面ずれ量Δ_２の計算に必要なパラメータは、以下である。
ｎ：被検レンズの素材の屈折率
ｒ_１：被検レンズ第１面曲率半径
ｒ_２：被検レンズ第２面曲率半径
ｔ：被検レンズの厚さ
なお、上記のパラメータは、例えばデータ処理部１３０ｄに設定しておく。また、本発明のレンズの面ずれ量測定装置１３０は、被検レンズ１３１ａの中心付近の透過光線を使用して、面すれ量Δ_２を測定する。このため、被検レンズの近軸上を透過光線は透過することから、以下の計算は近軸近似により行う。

まず、被検レンズ１５０の厚さｔ、屈折率ｎ、第一面曲率半径ｒ_１、第二面曲率半径ｒ_２として、被検レンズ１５０のバックフォーカスＢは、以下の数２６によって算出できる。

次に、被検レンズ１５０の第２面を透過したレーザー入射平行光線が、レンズ中心軸を基準として、屈折した角度θ_１とする。角度θ_１は、幾何学的配置に基づいて、ずれ量Δ_１およびバックフォーカスＢを用いて、数２７のように表せる。

そして、レーザー入射平行光線と第２面との交点ＬＮ２と、第２面の曲率中心ＣＮ２とを結んだ線Ｌとする。そして、レンズ中心軸ＬＺを基準とした線Ｌの角度θ_２を、数４に示すようなスネルの法則を用いて算出することができる。その結果、レンズ中心軸ＬＺを基準とした線Ｌの角度θ_２は、数２８を変形して、数２９に示す式として表することができる。

そして、上記の数２９を用いて、θ_１を消去して、数２７を数３０のように変形する。

ここで、面ずれ量Δ_２は、幾何学的配置から数３１にように表せる。

数３１に、数３０を代入して、数３２のように変形することができる。

最後に、パラメータを用いてＢを表した数２６を用いて、数３２からＢを消去すると、数３３が得られ、集光点ずれ量Δ_１、被検レンズ第１面曲率ｒ_１、被検レンズの第２面曲率ｒ_２、被検レンズのレンズ厚みｔ、被検レンズの屈折率ｎという設計パラメータを用いて、被検レンズ第１面と第２面との面ずれ量Δ_２を算出することができる。

なお、数３３を用いて面ずれ量Δ_２を算出する場合、被検レンズが凸レンズ、凹レンズのいずれでも測定することができる。

また、本発明のレンズの面ずれ量測定装置１３０においては、リング状集束光を用いても、面ずれ量Δ_２の算出することができる。その際、リング状集束光の集光点は、被検レンズ第１面側（反射光センサ側）に位置する焦点ＦＦ（以後、「前焦点位置」と記載する）から拡散する。そして、レンズ中心軸ＬＺを基準として、被検レンズ１５０を透過した透過光線の角度θ₁´を測定することによる、面ずれ量Δ₂の算出方法を説明する。被検レンズ１５０のレンズ中心軸ＬＺに光軸が合った集束光が被検レンズ１５０に入射し、レンズ中心軸ＬＺに対して、傾斜した平行光線ＬＢとして、被検レンズ１５０から出射する様子を図３１に示す。
上述の数２８を数３１代入して、数３４のように面ずれ量Δ_２を表することができる。ただし、図３１においては、θ_１、θ_２に代わり、θ_１´、θ_２´を用いる。

数３４を用いれば、θ_１´から面ずれ量Δ_２が算出できる。θ_１´は被検レンズの第２面１５０ｂにおいて出射する平行光線ＬＢとレンズ中心軸ＬＺとの角度である。このため、透過光センサ部１３０ｃを用いて、θ_１´を測定することができる。透過光センサ部オートコリメータ１３８においては、レンズ中心軸ＬＺが基準となる０度であるから、透過光センサ部オートコリメータ１３８によって、θ₁´が測定値として得られる。透過光センサ部オートコリメータ１３８は、レンズ（焦点距離ｆ１０）１３８ａ、透過光センサ部受光装置１３８ｂおよびハーフミラー１３８ｃから構成される。この構成に拠り、被検レンズ１５０を透過した平行光線ＬＢは、ハーフミラー１３８ｃを介し、レンズ（焦点距離ｆ１０）１３８ａの作用によって、透過光センサ部オートコリメータ受光装置１３８ｂにおいて集光する。よって、透過光センサ部オートコリメータ受光装置１３８ｂを用いて、集光点位置を検出することができる。最後に、その集光点位置のＸＹ位置データに基づいて、データ処理部がθ_１´を測定することができる。なお、数１０を用いて面ずれ量Δ_２を算出する場合、被検レンズは凸レンズに限られる。

以上、本発明の第４実施形態のレンズの面ずれ量測定装置によれば、反射光センサ部の光軸からみて、光強度分布がリング状の集束光と、被検レンズの中心付近に照射される平行光線とを同時に照射し、被検レンズのレンズ中心軸（被検レンズ第１面の法線）を反射光センサ部の光軸と一致するように調整して、被検レンズを透過した光線の集光点位置を測定することにより、被検レンズを回転させることなく、被検レンズの面ずれ量を測定することが可能となる。

以上説明したように、被検レンズを透過した透過光線の角度θ_１´を用いた面ずれ量Δ_２の算出方法においては、被検レンズのおける、上述の前焦点位置から拡散光線を照射させ、被検レンズを透過した透過光線の方向とレンズ中心軸との角度を測定することによって、被検レンズを回転させることなく、レンズの面ずれ量を測定することが可能となる。

本発明のレンズの面ずれ量測定装置に拠れば、被検レンズ回転機構が不用となるから、従来の装置より簡易な構成で、しかも測定時間を短縮することが可能である。

なお、本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これら新規な実施形態は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

本発明は、反射光センサ部の光軸からみて、光強度分布がリング状の集束光と、被検レンズの中心付近に照射される平行光線とを同時に照射して、被検レンズの特性値の測定に適用できる。特に、２００μｍ以下の薄型の被検レンズの厚さを測定する装置、若しくは被検レンズのレンズ中心軸（被検レンズ第１面の法線）を反射光センサ部の光軸と合わさるように調整した後、被検レンズを透過したリング状の集束光、または被検レンズの中心付近に照射される平行光線の集光点位置を測定することにより、被検レンズを回転させることなく、被検レンズの面ずれ量を測定することに適用できる。

２９リング状集束光照射光学系
３０光学系
３１光源（例えば、レーザーダイオード）
３２コリメートレンズ
３３ハーフミラー
３４光学素子
３４ａリング状の透過孔
３４ｂ小径レンズ
３９光学素子
４０レンズ
４１ＣＣＤカメラ
４２処理部
４３スイベルステージ
４４光学素子
４５レンズ
４６ＣＣＤカメラ
４７オートコリメータ部
４８反射光検出部
５０ａ集束光
５０ｂ平行光
１１０被検レンズ１０
１１０ａ第１面１０ａ
１１０ｂ第２面１０ｂ
１１１被検レンズ保持部
１１２レンズホルダ
１１３レンズホルダ保持ステージ部
１２０レンズの面ズレ量測定装置
１２１被検レンズホルダ
１２２レンズホルダ保持機構ステージ部
１２３反射光センサ部
１２３ａ光源
１２３ｂ反射光センサ部オートコリメータ
１２４透過光センサ部
１２４ａ透過光センサ部オートコリメータ
１２４ｂ光センサ部
１２４ｃ透過光センサ部保持機構ステージ部
１２５データ処理部
１２６モニタ
１３０レンズの面ズレ量測定装置
１３０ａ被検部
１３０ｂ反射光センサ部
１３０ｃ透過光センサ部
１３０ｄデータ処理部
１３０ｅ表示部
１３１ａ被検レンズ
１３１ｂ被検レンズホルダ
１３１ｃレンズホルダ保持機構
１３２光源部
１３２ａ光源（例えば、レーザーダイオード）
１３２ｂレンズ（焦点距離ｆ２）
１３２ｃハーフミラー
１３３光学素子３３
１３４レンズ（焦点距離ｆ４）
１３５光学素子（例えば、ピンホール）
１３６反射光センサ部オートコリメータ
１３６ａレンズ（焦点距離ｆ７）
１３６ｂ反射光センサ部受光装置
１３７透過光センサ部光学系
１３７ａレンズ（焦点距離ｆ１１）
１３７ｂ透過光センサ部受光装置
１３８透過光センサ部オートコリメータ
１３８ａレンズ（焦点距離ｆ１０）
１３８ｂ透過光センサ部オートコリメータ受光装置
１３８ｃハーフミラー
１３９透過光センサ部保持機構ステージ部
１４１ａ反射光センサ部
１４１ｂ透過光センサ部
１４１ｃデータ処理部
１４１ｄモニタ
１４２調整用レンズ（平凸レンズ）
１４３被検レンズホルダ
１４４透過光センサ部保持機構ステージ部
１４５ａリング状の集束光
１４５ｂリング状の反射光線
１４６光路

Claims

光軸に対して垂直な平面において光強度分布がリング状の集束光と、前記光軸上に光強度分布の中心がある平行光線とを、被検光学素子に照射するリング状集束光照射光部を備えた光学素子特性測定装置であって、
前記被検光学素子の前記リング状集束光照射光部側にある面を表面、前記表面の反対側を裏面とし、
前記被検光学素子の前記表面又は前記裏面を反射し、若しくは前記被検光学素子を透過した光線の強度、又は前記光線の光路を解析することによって、前記被検光学素子の形状特性を測定し、
前記リング状の集束光を前記被検光学素子に照射し、前記被検光学素子の表面において生じた第１のリング状像及び前記被検光学素子の裏面において生じた第２のリング像を受光面に結像させて、前記第１のリング状像および前記第２のリング像の光強度を算出するためのデータを生成する反射光検出部と、
前記被検光学素子が前記光軸方向に移動する距離に対する、前記光強度の変化に基づいて、前記被検光学素子の厚さを算出する処理部と備え、
前記被検光学素子はレンズであって、
前記データに基づいた前記第１のリング状像および前記第２のリング像の光強度の変化における２つの極大値を検出し、該２つの極大値に対応する前記被検光学素子の移動距離の差である測定値ｄ、前記被検光学素子の材料の屈折率ｎ、前記被検光学素子の曲率半径ｒ、および前記曲率半径ｒの中心点と前記光軸と前記集束光とのなす角である前記集束光の集光角θ₁を用いて、前記被検光学素子のレンズの厚さｔを算出し、
前記被検光学素子の表面における前記リング状の集束光が屈折するＣ点と、前記被検光学素子の裏面におけるリング状の集光点Ｂとを結ぶ線分ＢＣの傾きａおよび切片ｂをそれぞれ、

とし、
前記点Ｃと前記リング状の集束光の光軸との距離ｅを、

を用いて算出し、前記曲率半径ｒが正（前記被検光学素子が凸面である）である場合、上記距離ｅの複合同順の符号がプラスの値を採用し、前記曲率半径ｒが負（前記被検光学素子が凹面である）である場合、上記距離ｅの複合同順の符号がマイナスの値を採用して、前記被検光学素子のレンズの厚さtを

を用いて算出することを特徴とする光学素子特性測定装置。
光軸に対して垂直な平面において光強度分布がリング状の集束光と、前記光軸上に光強度分布の中心がある平行光線とを、被検光学素子に照射するリング状集束光照射光部を備えた光学素子特性測定装置であって、
前記被検光学素子の前記リング状集束光照射光部側にある面を表面、前記表面の反対側を裏面とし、
前記被検光学素子の前記表面又は前記裏面を反射し、若しくは前記被検光学素子を透過した光線の強度、又は前記光線の光路を解析することによって、前記被検光学素子の形状特性を測定し、
前記リング状の集束光を前記被検光学素子に照射する前記リング状集束光照射光部を有し、前記被検光学素子の前記表面において反射したリング状平行光線の光軸の反射角度を算出するための第１の集光位置データを生成する反射光センサ部と、
前記リング状集束光照射光部から照射され、前記被検光学素子を透過した光線の集光点位置を算出するための第２の集光位置データを生成する透過光センサ部と、
前記第１の集光位置データに基づいて前記反射角度を算出し、前記第２の集光位置データに基づいて前記被検光学素子を透過した光線の前記集光点位置を算出するデータ処理部と、
を具備し、
前記データ処理部は、前記第１のデータに基づいて前記被検光学素子のレンズ中心軸と前記リング状集束光照射光部の光軸とが一致するように前記被検光学素子の位置を調整し、前記集光点位置に基づいて、前記被検光学素子を回転させることなく、前記被検光学素子の面ずれ量Δ₂を演算し、
前記被検光学素子はレンズであって、
前記被検光学素子の中心付近を透過した透過平行光線の前記集光点位置に基づいて算出したずれ量をΔ₁、前記被検光学素子の材料の屈折率ｎ、前記被検光学素子の前記表面の曲率半径ｒ₁、前記被検光学素子の前記裏面の曲率半径曲率半径ｒ₂、および前記被検光学素子の厚さｔを用いて、前記面ずれ量Δ₂を計算することを特徴とする光学素子特性測定装置。
前記面ずれ量Δ₂を、

を用いて算出することを特徴とする請求項２に記載の光学素子特性測定装置。
光軸に対して垂直な平面において前記平面を通る３つ以上の光束の光強度分布が前記光軸上に中心を持つ1つの円周上に略等間隔に配された集束光と、前記光軸上に光強度分布の中心がある平行光線とを、被検光学素子に照射する集束光照射光部を備えた光学素子特性測定装置であって、
前記被検光学素子の前記集束光照射光部側にある面を表面、前記表面の反対側を裏面とし、
前記被検光学素子の前記表面又は前記裏面を反射し、若しくは前記被検光学素子を透過した光線の強度、又は前記光線の光路を解析することによって、前記被検光学素子の形状特性を測定し、
前記集束光を前記被検光学素子に照射し、前記被検光学素子の表面において生じた第１の像及び前記被検光学素子の裏面において生じた第２の像を受光面に結像させて、前記第１の像および前記第２の像の光強度を算出するためのデータを生成する反射光検出部と、
前記被検光学素子が前記光軸方向に移動する距離に対する、前記光強度の変化に基づいて、前記被検光学素子の厚さを算出する処理部と備え、
前記被検光学素子はレンズであって、
前記データに基づいた前記第１の像および前記第２の像の光強度の変化における２つの極大値を検出し、該２つの極大値に対応する前記被検光学素子の移動距離の差である測定値ｄ、前記被検光学素子の材料の屈折率ｎ、前記被検光学素子の曲率半径ｒ、および前記曲率半径ｒの中心点と前記光軸と前記集束光とのなす角である前記集束光の集光角θ ₁ を用いて、前記被検光学素子のレンズの厚さｔを算出し、
前記被検光学素子の表面における前記集束光が屈折するＣ点と、前記被検光学素子の裏面における集光点Ｂとを結ぶ線分ＢＣの傾きａおよび切片ｂをそれぞれ、

とし、
前記点Ｃと前記集束光の光軸との距離ｅを、

を用いて算出し、前記曲率半径ｒが正（前記被検光学素子が凸面である）である場合、上記距離ｅの複合同順の符号がプラスの値を採用し、前記曲率半径ｒが負（前記被検光学素子が凹面である）である場合、上記距離ｅの複合同順の符号がマイナスの値を採用して、前記被検光学素子のレンズの厚さtを

を用いて算出することを特徴とする光学素子特性測定装置。
光軸に対して垂直な平面において前記平面を通る３つ以上の光束の光強度分布が前記光軸上に中心を持つ1つの円周上に略等間隔に配された集束光と、前記光軸上に光強度分布の中心がある平行光線とを、被検光学素子に照射する集束光照射光部を備えた光学素子特性測定装置であって、
前記被検光学素子の前記集束光照射光部側にある面を表面、前記表面の反対側を裏面とし、
前記被検光学素子の前記表面又は前記裏面を反射し、若しくは前記被検光学素子を透過した光線の強度、又は前記光線の光路を解析することによって、前記被検光学素子の形状特性を測定し、
前記集束光を前記被検光学素子に照射する前記集束光照射光部を有し、前記被検光学素子の前記表面において反射した平行光線の光軸の反射角度を算出するための第１の集光位置データを生成する反射光センサ部と、
前記集束光照射光部から照射され、前記被検光学素子を透過した光線の集光点位置を算出するための第２の集光位置データを生成する透過光センサ部と、
前記第１の集光位置データに基づいて前記反射角度を算出し、前記第２の集光位置データに基づいて前記被検光学素子を透過した光線の前記集光点位置を算出するデータ処理部と、
を具備し、
前記データ処理部は、前記第１のデータに基づいて前記被検光学素子のレンズ中心軸と前記集束光照射光部の光軸とが一致するように前記被検光学素子の位置を調整し、前記集光点位置に基づいて、前記被検光学素子を回転させることなく、前記被検光学素子の面ずれ量Δ ₂ を演算し、
前記被検光学素子はレンズであって、
前記被検光学素子の中心付近を透過した透過平行光線の前記集光点位置に基づいて算出したずれ量をΔ ₁ 、前記被検光学素子の材料の屈折率ｎ、前記被検光学素子の前記表面の曲率半径ｒ ₁ 、前記被検光学素子の前記裏面の曲率半径曲率半径ｒ ₂ 、および前記被検光学素子の厚さｔを用いて、前記面ずれ量Δ ₂ を計算することを特徴とする光学素子特性測定装置。
前記面ずれ量Δ₂を、

を用いて算出することを特徴とする請求項５に記載の光学素子特性測定装置。
前記集束光照射光部は、前記光束を通す複数の孔が形成されている光学素子を有することを特徴とする請求項４乃至６に記載の光学素子特性測定装置。