JPH05340838A - 非球面レンズの偏心測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 非球面レンズの偏心を、非球面の形状にかか
わらず、容易に求めることのできる方法および装置を提
供すること。 【構成】 本発明の装置は、一面が非球面１ｂである被
検レンズ１を保持するレンズ保持手段２と、該レンズ保
持手段２を球面１ａの曲率中心を通る回転軸周りに回転
する装置３と、集光レンズ５、対物レンズ６、ハーフミ
ラー７、光源８、チャート９及びＣＣＤカメラ１０から
なるオートコリメータ装置４と、光軸から離れた測定点
における非球面の光軸方向の変位を測定する変位計１１
とからなる。回転装置３を回転し、ＣＣＤカメラ１０で
回転軸と光軸とのずれを求め、変位計１１で非球面の光
軸方向の変位量を測定する。この変位量から上記ずれを
差し引けば、偏心による変位量が求まり、偏心を求める
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非球面レンズの偏心、
すなわち、非球面軸の変位量を測定する方法およびその
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】非球面には、回転対称軸である非球面軸
が存在し、非球面レンズを製作する場合、この非球面軸
の傾き又は変位量を測定する必要がある。この非球面軸
の変位量を測定する従来の技術としては、特開平１−２
９６１３２号や、特開平３−３７５４４号に記載のもの
が知られている。これらの技術は、何れもレンズを光軸
周りに回転し、回転により生じる非球面の変位を、非球
面に対して垂直方向に測定し、この変位量から非球面の
変位を計算により求めていた。

【０００３】しかし、この方法では、被検体となる非球
面レンズの形状に合わせて変位計を移動させ、かつ非球
面に対して垂直になるようにセットしなければならず、
変位計の設定が複雑で面倒なものとなっていた。また、
計測された変位から非球面レンズの偏心を求めるには、
複雑な演算を行わなければならない。さらに、被検レン
ズの保持部、被検レンズの回転駆動部、レンズ形状に
は、それぞれ誤差が含まれており、これらの影響を取り
除くことは、非常に困難であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
の解決を図ったもので、非球面の形状にかかわらず、容
易に非球面レンズの偏心を求めることのできる方法およ
び装置を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の方法は、一面が非球面で他面が球面である
被検レンズをほぼ光軸周りに回転し、オートコリメーシ
ョン法により回転軸と被検レンズの光軸とのずれ及びそ
の方向を求め、光軸から離れた任意の測定点における非
球面の光軸方向の変位量を測定し、該変位量から前記回
転軸と光軸とのずれによる分を差し引いて、非球面軸の
偏心量を求める構成を特徴としている。

【０００６】また、本発明の装置は、一面が非球面で他
面が球面である被検レンズを保持するレンズ保持手段
と、該レンズ保持手段を前記球面の曲率中心を通る回転
軸周りに回転する装置と、被検レンズの回転軸と光軸と
のずれ及びその方向を求めるオートコリメータ装置と、
光軸から離れた測定点における非球面の光軸方向の変位
を測定する変位計と、からなる構成を特徴としている。

【０００７】

【作用】非球面レンズを保持手段で把持し、ほぼ光軸と
一致した回転軸の周りに回転する。オートコリメータ装
置により、回転軸と光軸とのずれ及びその方向を求め
る。一方、光軸から離れた任意の測定点に変位計を置
き、回転により生じる非球面の変位を光軸方向に測定す
る。非球面の偏心をθR とすると、上記非球面の変位
は、上記回転軸と光軸とのずれと非球面レンズの偏心と
によるものである。そこで、回転軸と光軸とのずれによ
って生じる光軸方向の変位量を求め、全体の変位量から
差し引けば、偏心θR による光軸方向の変位量を求める
ことができ、この変位量から偏心θR を求めることがで
きる。

【０００８】

【実施例】以下に図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。図１は本発明の測定方法の原理を示す図である。被
検レンズ１は、左側の面１ａが球面で、右側の面１ｂが
非球面になっている。球面１ａの曲率中心はＯ１で、非
球面１ｂの中心近傍の曲率中心はＯ２である。そして、
Ｏ１とＯ２を結んだ線が光軸ａとされる。

【０００９】ところで、前述したように、非球面には回
転対称軸である非球面軸ｂが存在する。球面レンズの場
合、Ｏ１とＯ２を結んだ線を光軸とすれば偏心はない。
しかし、非球面においては光軸ａと非球面軸ｂのなす角
θR が０でない限り偏心が生じる。これを非球面の偏心
としθR を偏心量とする。

【００１０】被検レンズ１を光軸を回転軸として回転さ
せたとき、θR ≠０であれば図１に示す非球面上の光軸
から離れた任意の測定点Ａで非球面を観測していると、
面の変位が観測される。鎖線は、被検レンズ１を光軸周
りに１８０°回転した場合の非球面１ｂ′と非球面軸ｂ
を示すが、このとき測定点ＡはＡ′に移動している。こ
のときの光軸方向の変位量Ｌを変位計で測定し、あらか
じめ変位量ＬとθR との関係を計算により求めておけ
ば、偏心量θR を求めることができる。

【００１１】ここで、光軸方向の変位Ｌを測定すること
としたのは、レンズ形状によらず変位の検出を容易にで
きるからである。

【００１２】図２は、本発明の測定装置の構成を示すも
のである。同図において、１は被検レンズで、図１と同
様に球面１ａと非球面１ｂとを有する。２はレンズ保持
手段で、３は回転装置としてのスピンドルである。レン
ズ保持手段２は、同心加工によって、被検レンズ１の球
面１ａの曲率中心がスピンドルの回転中心に一致するよ
うになっている。４はオートコリメータ装置で、集光レ
ンズ５、対物レンズ６、ハーフミラー７、光源８、チャ
ート９及び結像位置に設けられたＣＣＤカメラ１０から
なる。これは通常のオートコリメータに集光レンズ５が
付加されたものである。１１は変位計で、光軸から離れ
た任意の基準点における非球面の光軸方向の変位量を測
定する。１２は調整装置で、被検レンズ１の位置を微妙
に移動させる装置である。

【００１３】チャート９の像は、光源８からの光を背後
から受け、ハーフミラー７で反射されて対物レンズ６で
平行光束にされ、集光レンズ５を透過する。集光レンズ
５は、平行光束を非球面１ｂの中心近傍の曲率中心Ｏ２
に集束するように照射する。したがって、非球面１ｂで
反射された光線はもとの光路を戻り、ハーフミラーを透
過した光線がＣＣＤカメラ１０にチャート９の点像を結
像する。

【００１４】この状態で、回転装置３を駆動し、被検レ
ンズ１をほぼ光軸と一致した回転軸周りに回転する。そ
して、ＣＣＤカメラ１０上のチャートの点像がレンズを
回転させても動かないように調整装置１２で被検レンズ
１の位置を調整する。チャート９の点像が動かなくなれ
ば、回転軸と光軸とが一致したことになる。

【００１５】そこで、変位計により光軸から離れた観測
点Ａにおける非球面の変位量Ｌ（図１参照）を測定す
る。さらに、この変位量Ｌから偏心量θR を求める。

【００１６】次に、変位量Ｌから偏心量θR を求める方
法を説明する。上述したように、前記回転により、被検
レンズ１の非球面１ｂは、点Ｏ２を中心として角度θR
だけ回転した状態となるから、図１に示すように、Ｏ２
を原点として光軸をｘ軸、このｘ軸に垂直にｙ軸をと
り、非球面１ｂの式をｘ＝ｆ（ｙ）とすると、非球面１
ｂ上の点（ｘａ，ｙａ）は、

【００１７】

【数１】 となる。ここで、ｘａ＝ｆ′（ｙａ）とし、点Ａはｙ＝
αとすると、観測される変位量Ｌは、

【００１８】 Ｌ＝２｜ｆ′（α）−ｆ（α）｜ ……(2) と近似できる。なお、このとき、

【００１９】

【数２】 において、ｘa2＝ｆ″（ｙa2) とすると、 Ｌ＝｜｛ｆ′（α）−ｆ（α）｝−｛ｆ″（α）−ｆ（α）｝｜ となる。しかし、

【００２０】ｆ′（α）≒−ｆ″（α） であるから、上記式２となる。しかしながら、厳密には
＋θR と−θR では変位量が同じでないから、単純に２
倍にできない。

【００２１】ところで、実際にはｆ′（ｙａ）を式とし
て求めるのは、ｆ（ｙ）の一部の例外を除いて非常に困
難で複雑である。よって、変位量と偏心量の関係を求め
るのは数値計算がよい。

【００２２】しかし、(1) 式においてｙａ＝αとなるｙ
を求めるのも困難である。よって、ｙ＝αのときのｙａ
（＝α′）を求め、次にｙ＝α−（α′−α）とし、ｙ
ａ（＝α″）を求め、これを繰り返してｙ＝α−（α′
−α）−（α″−α）……とし、ｙａ＝αとなるｙを求
め、この結果を利用して変位量と偏心量の関係を求め
る。

【００２３】測定誤差の一つに、回転装置３のスピンド
ルの精度および回転装置３とレンズ保持部２の同心加工
誤差がある。この誤差の大部分は、変位計１１によって
被検レンズ１の１回転を周期とするほぼサイン波として
検出できる。よって、レンズ保持手段３と被検レンズ１
の相対位置を回転軸を中心に１８０°回転した状態でも
測定し、２回の和から偏心による変位成分だけ求めるこ
とができる。すなわち、誤差成分は、位相が１８０°ず
れて加算されるから０となるからである。また、この誤
差は、再現性があるから、この結果を一度記憶して、測
定毎に結果に補正をかければよい。

【００２４】次に、偏心による変位量には、被検レンズ
１の形状誤差などのノイズが含まれている。この中から
偏心成分を精度よく取り出す必要がある。そこで、偏心
による変位量も被検レンズの１回転を周期とするほぼサ
イン波として検出されることに着目し、フーリエ変換に
よって偏心成分の周期の振幅と位相角を求めればよい。

【００２５】具体的には、変位データを被検レンズの１
回転の間にｎ回サンプリングし、ｉ回目の変位をｍｉ、
そのときの回転角をβｉとして、以下のようにＣとＳと
を求める。

【００２６】

【数３】 変位量Ｌ及び位相角φは、それぞれ、 Ｌ＝√（Ｃ² ＋Ｓ² ）， φ＝tan ^-1（Ｓ／Ｃ） ……(4) により求まる。

【００２７】また、さらに、計測された変位から非球面
レンズの偏心量を簡単な計算の繰り返しにより求めるこ
とから、複雑な演算を必要としない。また、被検レンズ
を保持するレンズ保持手段２、回転装置３及びレンズ形
状のそれぞれに含まれる誤差は、フーリエ変換により取
り除かれ、高精度な測定が可能となる。

【００２８】次に型修正方法について説明する。非球面
レンズの加工方法としては、ガラスまたはプラスチック
のモールド法が多く使われている。ここでは、上述した
方法によって測定された偏心量θR とその方向のデータ
から簡単にモールド法で使われる型の修正を行える。図
３に示すように、偏心を修正するには、中心Ｏ１を非球
面軸上Ｏ′１に移動させればよい。つまり、金型の球面
駒を光軸と垂直方向に動かすだけでよい。このときの修
正量ｄｙは、以下の式で求められる。 ｄｙ＝（Ｒ１−Ｒ２−ｄ）tan θR ……(5) ここで、Ｒ１は球面の曲率半径、Ｒ２は非球面の中心付
近の曲率半径（符号は通常のルールに従う）、ｄはレン
ズの厚さである。これにより、モールド法による金型の
修正が簡単にできるようになる。

【００２９】以上に説明した測定方法では、非球面レン
ズの光軸と回転軸とを一致させているが、この作業は、
調整装置１２による微調整と、ＣＣＤカメラ１０でのチ
ャート像の確認を繰り返しによるものであり、かなりの
時間が掛かる。

【００３０】そこで、これを解消すべく以下の方法が考
えられた。再び図２の装置に戻り、調整装置１２で調整
する前の段階では、回転装置３を駆動し被検レンズ１を
回転軸周りに回転すると、回転軸と光軸とが一致してい
なければ、ＣＣＤ上のチャート９の像は、円周上を回転
する。この回転半径をｒとし、光軸と回転軸とのなす角
をγ、レンズの焦点距離をｆとすると、 γ＝（１／２）tan ^-1( ｒ／ｆ） となり、ｒからγを求めることができる。さらにチャー
トの位置からγの方向も求めることができる。なお、γ
は図１における点Ｏ１を中心としたレンズの回転であ
る。

【００３１】ところで、γもθR も共に微小な角度であ
るから、これによって生じ変位計１１で検出される変位
量は、γとθR の双方による変位量の和となる。そこ
で、γによって発生する変位量を計算し、これを測定さ
れる変位量から差し引いてθRによる変位量を求め、そ
の変位量から偏心θR を求めることになる。

【００３２】変位計１１の測定精度は、偏心の測定精度
を決定するが、θR に加えてγによって発生する変位を
も測定するには、変位計１１は測定レンジが大きくなけ
ればならない。しかし、単純に測定レンジを大きくする
と、測定精度が低下してしまう。

【００３３】図４は、上記の問題の解決を図った実施例
である。すなわち、測定レンジや測定精度の異なる複数
の変位計を使い、これらを結合することによって、広い
範囲で高精度の位置制御ができるようにしている。

【００３４】同図において、１１ａはレンジの大きい変
位計で、１１ｂはレンジが小さく高精度な変位計であ
る。レンジの大きい変位計１１ａにより大体の測定位置
が決まると、位置制御装置１３によりレンジの小さい変
位計１１ｂをその測定位置に移動し、高精度の測定をす
る。１４は測長器である。すなわち、測長器１４の読み
と、変位計１１ｂによる出力の和から高精度に変位量Ｌ
を求めることができることになる。

【００３５】本発明による測定装置をレンズの着脱まで
含めて自動化しようとする場合、図２における回転装置
３およびレンズ保持手段２は、垂直に設置した方が、レ
ンズの着脱が容易である。しかし、オートコリメータ装
置４も垂直に配置すると、耐振性が悪くなるので、耐振
性を向上させる配慮が必要になる。また、垂直配置にす
ると、光源８の交換がしにくくなる。さらには、オート
コリメータ装置の各構成物品を被検レンズ１の曲率に合
わせて光軸方向に移動する機構も必要となる。したがっ
て、図２の装置では、オートコリメータ装置が軽く動く
ように、バランスをとる必要があった。そのため、バラ
ンスウェートを取り付ける機構も必要である。

【００３６】図５の実施例は、上記の問題に鑑みてなさ
れたものである。すなわち、この実施例においては、光
学系内にミラー１５を挿入し、回転装置３およびレンズ
保持手段２は垂直に配置すると共に、他の構成部品は水
平に配置し、バランスウェート無しでも光軸方向に容易
に移動できるようにしている。ミラー１５の挿入箇所
は、勿論図５の位置に限定されない。

【００３７】図６は、ミラー１５と変位計１１を一体に
した実施例である。このような構成とすることにより、
レイアウトの自由度が増し、自動化への対応が容易にな
る。

【００３８】さらに、自動化にあたっては、オートコリ
メータ装置４，変位計１１，１１ａ１１ｂ，調整装置１
２等が被検レンズ１の着脱の際の障害となる。そこで、
図示は省略するが、これらの部材をレール等のスライド
機構によって、着脱作業の邪魔にならない位置まで退避
させる構成としてもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、非
球面レンズの偏心を測定する場合、被検レンズを微調整
して回転軸と光軸とを一致させる必要がなくなることか
ら、短時間での測定が可能となる。また、被検レンズを
微調整するための調整装置も不要となり、装置を簡単に
することができる。

【００４０】また、光路を折り曲げるミラーを使用する
構成とすれば、バランスウェートが不要になり、測定装
置を軽量化することができる。また、構成部品を光路か
ら退避可能にする構成により、被検レンズの着脱が容易
になり、自動化し易い。さらに、測定レンジや精度の相
違する複数の変位計を設ける構成とすれば、非球面の光
軸方向の変位が大きくなる場合でも、簡単でしかも高精
度な測定ができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の測定原理を説明する図である。

【図２】本発明の測定装置の構成を示す図である。

【図３】モールド法用金型の修正方法を説明するための
図である。

【図４】測定レンジや精度の異なる複数の変位計を使用
した実施例の要部を示す図である。

【図５】光学系内にミラーを入れた実施例の要部を示す
図である。

【図６】ミラーと変位計を一体にした実施例の要部を示
す図である。

【符号の説明】

１ 被検レンズ １ａ 球面 １ｂ 非球面 ２ レンズ保持手段 ３ 回転装置 ４ オートコリメータ装置 ５ 集光レンズ ６ 対物レンズ ７ ハーフミラー ８ 光源 ９ チャート １０ ＣＣＤカメラ １１，１１ａ，１１ｂ 変位計 １５ ミラー

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一面が非球面で他面が球面である被検レ
   ンズをほぼ光軸周りに回転し、オートコリメーション法
   により回転軸と被検レンズの光軸とのずれ及びその方向
   を求め、光軸から離れた任意の測定点における非球面の
   光軸方向の変位量を測定し、該変位量から前記回転軸と
   光軸とのずれによる分を差し引いて、非球面軸の偏心量
   を求めることを特徴とする非球面レンズの偏心測定方
   法。
2. 【請求項２】 一面が非球面で他面が球面である被検レ
   ンズを保持するレンズ保持手段と、該レンズ保持手段を
   前記球面の曲率中心を通る回転軸周りに回転する装置
   と、被検レンズの回転軸と光軸とのずれ及びその方向を
   求めるオートコリメータ装置と、光軸から離れた測定点
   における非球面の光軸方向の変位を測定する変位計と、
   からなることを特徴とする非球面レンズの偏心測定装
   置。
3. 【請求項３】 前記測定装置の光学系内に、光路を折り
   曲げる反射鏡を挿入したことを特徴とする請求項２記載
   の非球面レンズの偏心測定装置。
4. 【請求項４】 前記レンズ保持手段、前記オートコリメ
   ータ装置又は前記変位計の一つ以上をスライド機構で保
   持し、光路から退避可能にしたことを特徴とする請求項
   ２又は３記載の非球面レンズの偏心測定装置。
5. 【請求項５】 前記変位計と前記反射鏡とを一体にした
   ことを特徴とする請求項３記載の非球面レンズの偏心測
   定装置。
6. 【請求項６】 前記変位計が測定レンジの異なる複数の
   変位計からなり、変位計相互が結合されて広い範囲につ
   いて高精度な変位測定を可能にしたことを特徴とする非
   球面レンズの偏心測定装置。