JPH07190885A - 光学素子の幾何学的または光学的構造の絶対的測定方法および実施装置 - Google Patents

光学素子の幾何学的または光学的構造の絶対的測定方法および実施装置

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JPH07190885A
JPH07190885A JP6220438A JP22043894A JPH07190885A JP H07190885 A JPH07190885 A JP H07190885A JP 6220438 A JP6220438 A JP 6220438A JP 22043894 A JP22043894 A JP 22043894A JP H07190885 A JPH07190885 A JP H07190885A
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light
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optical
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JP6220438A
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Saux Gilles Le
ジル ルソ
Patrick Bertrand
パトリック ベルトラン
Xavier Lippens
グザビェ リッパン
Christophe Lafay
クリストフ ラフェ
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    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G01M11/0242—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations
    • G01M11/025—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations by determining the shape of the object to be tested
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G01M11/0285—Testing optical properties by measuring material or chromatic transmission properties

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光学素子、例えばレンズまたはこのようなレ
ンズを製造するための型の幾何学的または光学的構造を
絶対的に測定する。 【構成】 光学素子４を既知の波面を有する入射光によ
って照射するステップと、該光学素子４における反射ま
たは該光学素子の透過後に、前記光の波面スロープのマ
ップを与えられた面で測定装置２によって測定するステ
ップと、スロープマップの前記測定から計算手段３を用
い少なくとも１つの計算手続きの適用によって該光学素
子の幾何学的または光学的構造を導き出すステップとか
らなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、光学素子の幾何学的
または光学的構造の絶対的測定方法および実施装置に関
するものである。この発明による方法は、光学素子の磨
き面または屈折率の分布の絶対的測定を提供するもので
ある。
【０００２】磨き面や屈折率分布の測定は、産業上多く
の実際的適用を有する。特に眼科分野において眼科レン
ズを検査し測定するのに有用である。これはまた製造型
（モールド）、例えば眼科レンズ製造に使用される型を
検査し測定するために使用することができる。
【０００３】
【従来の技術】光学素子の検査においては、位相の検出
を利用するいわゆるロンキ試験がすでに提案されてい
る。周知のように、ロンキ試験は、検査される光学素子
からの光波が収束する点に交互に透明、不透明な平行線
を有する回折格子を挿入し、ついでその下流において観
察可能な縞の成分を分析することからなる。
【０００４】もし、回折現象を考慮しないで、幾何光学
の法則のみに限定すれば、これらの縞は関係する波を構
成する光線の方向を表すものであり、かつその収差の特
徴を示すものである。それらのスロープは、対応した波
の面とその曲率中心が格子の平面に位置する球状波面と
の間の差を反映している。したがって、検査すべき光学
素子上の全ての点においてこのスロープを測定すれば十
分であり、このことは実際には位相検出を用い、ついで
該素子の面の欠陥を見出すために積分を行うことによっ
て達成される。
【０００５】このような方法を実施可能にする光学的装
置は、特に「アプライド オプチックス」1984年10月15
日23巻20号に発表された「非球面に対する縞走査ロンキ
試験」という記事および同誌1988年2月1日27巻3号に発
表された「位相測定ロンキ試験」という記事中に記載さ
れている。一般的に、この光学的装置は、光軸に沿って
配置された、コヒーレント点光源を構成するのに適した
発光手段、検査される光学素子を支持するように設計さ
れた制御ステーション、ロンキ格子、このロンキ格子の
下流で観測可能な像を受信するように適応させた受信手
段、および位相検出を用いこの像を利用するように設計
された計算手段からなる。
【０００６】光学素子を検査する他の装置が提案されて
いる。この場合には、２つ組み合わさった実質的に平行
なロンキ格子の使用が提案されており、検査されている
面におけるコヒーレント光の透過または反射によってス
クリーン上に得られたモアレ縞が観察される。ロンキ試
験と同様に、得られたこのモアレ模様が平らな理論的波
面と検査されている面における透過または反射によって
得られた波面との間の差のスロープとしての表示であ
る。
【０００７】この原理を用いる光学的装置は、例えば
「オプティックス アンド レーザーズ イン エンジ
ニャリング」8 (1988), ページ 277-320に発表されたア
イ．グラットおよびオー．カフリによる「モアレ デフ
レクトメトリ − レイ トレーシング インタフェロ
メトリ」中に記載されている。このような装置は、典型
的には平行化された光源を含み、これは解析されるべき
面によって透過または反射されて一対のロンキ格子へ向
かい、像はマットスクリーン上に投影される。得られた
モアレ模様の定量的解析は、期待された模様と比較する
と、収差を見つけることを可能にする。格子間の距離を
変化することは、平らな理論的波面と比較して測定され
た波面の変分の計算とともに定量的測定を可能にする。
【０００８】最後に、フランス特許第２，６４７，９１
２号および第２，６４７，９１３号中に記載された装置
においては、測定されるべき実際の面のスロープのマッ
プが位相検出を用いたデフレクトメトリ（変位測定法）
によって得られ、得られた実際の面のスロープのマップ
から公称の理論的面のマップを差し引いたのちに、欠陥
のスロープのマップを得ることは簡単であり、かくして
積分によって実際の面の再構成を可能にする。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記既知の装置は、既
知の眼科レンズを、より一般的にはいかなる既知の面で
も、高い精度をもって検査するのを可能とするが、実際
の面と理論的面との間の変分の測定に限定されるという
不利な点に難がある。換言すれば、測定される面の理論
的形の既知の知識を含む相対的な方法の実施にすぎな
い。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この発明は、光学素子の
幾何学的または光学的構造の絶対的測定方法であって、
前記光学素子を既知の波面を有する入射光によって照射
するステップと、該光学素子における反射または該光学
素子の透過後に、前記光の波面スロープのマップを与え
られた面で測定するステップと、該光学素子の幾何学的
または光学的構造をスロープマップの前記測定から少な
くとも１つの計算手続きの適用によって導き出すステッ
プとからなる方法を提供する。
【００１１】前記計算手続きを実施する２つの方法がこ
の発明によって提供されている。
【００１２】前記光学素子における反射または該光学素
子の透過後に、前記光の波面のスロープマップを測定す
るために、この発明の方法は好ましくはデフレクトメト
リ的方法を用い、測定されている該光学素子のイメージ
スペース中における多数の前記光線のパスを決定するス
テップを含む。
【００１３】デフレクトメトリ的方法とは、光ビームの
スロープの線にアクセスするいかなる方法をも意味す
る。
【００１４】これらの方法は、次の３つのカテゴリーに
入る。すなわち、ビームのパスにマスクを挿入すること
によって得られる「幾何学的」方法（フーコー、ロン
キ、ハルトマン等）、モアレ方法（モアレ デフレクト
メトリ、タルボー インタフェロメトリ等）、およびデ
ィフェレンシアル インタフェロメトリック方法（横方
向、半径方向等）である。
【００１５】このような方法は、ワイリによって出版さ
れたディ．マラクラ著「オプティカル ショップ テス
ティング」中に記載されている。
【００１６】有利なのは、光学的計算を用い、測定され
る光学素子のスペース中に光線を変換することである。
【００１７】この方法の第一の実施態様において、この
発明は測定される素子の幾何学的または光学的構造を絶
対的に測定することを可能にする。
【００１８】第一に、測定される光学素子の面の幾何学
的構造を決定することができるが、その計算手続きは結
果の面が簡単な初期面ＳDを用いて初期化されるステッ
プと、測定される該光学素子の面の前記結果の面による
置換によって誘導される変分を表すメリット関数の値の
計算と、前記結果の面を変化させることによる前記値の
最小化であって前記変分が少なくとも１つの中間面ＳI
の形で表されることとを含む少なくとも１つの最適化ス
テップとを含む。
【００１９】有利なのは、前記結果の面、前記簡単な面
ＳDおよび前記中間面ＳIの１つまたはいくつかが直交関
数ファミリの線形結合によって表されることである。
【００２０】それから、この絶対的面測定は、なかんず
くこの面の主要な特性値、例えば高度、スロープ、主局
部曲率等を各点において計算することを可能にする。
【００２１】第二に、この発明は測定される光学素子の
光学的構造の絶対的な決定、すなわち傾斜屈折率を有す
る光学素子、換言すれば２つの既知のジオプトリー値に
よって限界を定められた可変屈折率材料によって構成さ
れた素子中における屈折率分布の測定を可能にする。そ
の計算手続きは、簡単な屈折率分布初期値ＮDを用いる
結果の屈折率分布に対する初期化ステップと、測定され
る該光学素子の屈折率分布の前記結果の屈折率分布によ
る置換によって誘導される変分を表すメリット関数の値
の計算と、前記結果の屈折率分布を変化させることによ
る前記値の最小化であって前記変分が少なくとも１つの
中間屈折率分布ＮIの形で表されることとを含む少なく
とも１つの最適化ステップとを含む。
【００２２】有利なのは、前記結果の屈折率分布、前記
簡単な屈折率分布初期値ＮDおよび前記中間屈折率分布
ＮIの１つまたはいくつかが直交関数ファミリの線形結
合によって表されることである。
【００２３】本方法のこの第一の実施態様においては、
計算手続きは複数の最適化ステップを含む。
【００２４】直交関数は多項式とすることができ、この
場合には最適化ステップ中の前記線形結合の多項式の最
大次数は前の最適化ステップ中の前記結合の多項式の最
大次数より高いかまたは等しい。
【００２５】前記メリット関数の値の前記最小化は最小
２乗法を用いて実施することができる。
【００２６】前記メリット関数の値の計算を、前記光学
素子における反射または該光学素子の透過後に前記多数
の光線の各光線に対して、前記結果の面または前記最適
化プロセスにおいて計算された前記結果の屈折率分布に
到達すると、測定される光線の方向に反射または透過さ
れるであろう入射光線と、入射光源の平面またはこの平
面に共役である平面における前記平面への前記入射光線
の衝撃点と前記準点光源の中心との間の距離とを計算す
ることと、前記多数の光線のそれぞれに対して計算され
た距離の二乗を足すことによって行うことができる。
【００２７】第二の実施態様によって、この発明は、解
析される光学素子の面の特性値をその主曲率のマップの
形で決定することを可能にする。その計算手続きは、該
光学素子における反射または該光学素子の透過後に、前
記光の波面のスロープのマップについていくつかの方向
において導関数を計算するステップと、該光学素子にお
ける反射または該光学素子の透過後に、前記光の波面の
曲率に対して前記導関数から出発する計算ステップと、
測定される光学素子の面の主曲率のマップを計算し、こ
のように計算された曲率から出発して、該光学素子へ入
射する光の波面を知るステップとを含む。
【００２８】また、この発明は光学素子の幾何学的また
は光学的構造の絶対的測定方法を実施するための装置を
提供し、これは測定される前記光学素子を既知の波面を
有する光によって照射する手段と、測定される該光学素
子を支持する手段と、該光学素子における反射または該
光学素子の透過後に、前記光の波面のスロープを測定す
る手段と、前記測定手段から結果を受ける計算手段とを
含む。
【００２９】この装置の１つの実施態様においては、前
記測定手段がロンキ格子とマットスクリーンとＣＣＤカ
メラとを含み、また他の実施態様においては、前記測定
手段がロンキ格子とＣＣＤカメラとを含む。
【００３０】測定される面を照射する前記手段は、好ま
しくは準点光源とこの光源をイメージングするためのシ
ステムを含む。
【００３１】前記計算手段は光線トレーシングプログラ
ムを含むものとすることができる。
【００３２】また、該装置はその光軸を実体化するため
に用いられるレーザービームを含むものとすることがで
きる。
【００３３】最後に、前記支持手段は該装置の光軸に沿
ってまたはこれと直交する平面内に移動可能であるよう
にすることができる。
【００３４】
【発明の作用・効果】この発明は、光学素子の幾何学的
または光学的構造の測定方法を提供するものであって、
面の理論的形または屈折率の理論的分布というような既
知の知識を何ら必要としない絶対的な測定を提供する。
この方法は、面の幾何学的形を決定し、または光学素子
中で屈折率がいかに変化しているかを決定することを可
能にした。
【００３５】また、この発明は、幾何学的または光学的
構造のこの測定方法を高い精度をもって実施することを
可能にする装置を提供する。
【００３６】この発明は、凸面または凹面に対し透過さ
れ、または反射した光を用い、面の幾何学的構造の絶対
的測定を提供する。この発明は、面の実際の形を正確に
測定することを可能にした。
【００３７】また、この発明は、傾斜屈折率を有する光
学素子、換言すれば２つの既知のジオプトリー値の間か
らなる範囲内で変化する屈折率を有する材料によって構
成された素子中における屈折率の分布の絶対的測定を可
能にした。
【００３８】
【実施例】以下、この発明の種々の実施例について、添
付の図面を参照しながら記述し、この発明の特徴と利点
を明らかにする。
【００３９】以下の記述は、磨き面の幾何学的構造の絶
対的測定の場合についてである。これは、二つの既知の
ジオプトリ値の間に含まれる傾斜屈折率の光学素子、つ
まり屈折率の変化する材料でできた素子の屈折率分布の
測定方法に準用される。このためには、ｚ（ｘ，ｙ）で
定義される未知の「表面」Ｓを未知の「屈折率分布」ｎ
（ｘ，ｙ）で置き換えれば十分である。
【００４０】測定プロセスは、例えば以下に図１および
３に関連して記述するタイプの装置を使用して、透過光
のみを用いて行うことができる。当該光学素子のジオプ
トリパワーおよび厚さの幾何学的形状が分かれば、屈折
率分布ｎ（ｘ，ｙ）が測定可能である。
【００４１】初期化ステップは、一定屈折率の簡単な屈
折率分布初期値ＮDで行う。
【００４２】図１は、透過光を使って磨き面を測定する
ためのこの発明による装置の簡略線図である。ここで、
「測定」なる用語は、磨き面の幾何学的形状、つまり主
曲率のマップの作成などの幾何学的特性値の量定（測定
して決定すること）を意味するものとする。「磨き面」
なる表現は、例えばプログレッシブレンズなどの光学素
子の未知の表面を意味するものとする。そのようなレン
ズについて、一表面の形状と屈折率が判明していると
き、他の表面の特性値を絶対的な具合に解析できれば非
常に有用である。「透過光を使った測定」なる表現は、
光学素子を通り抜け、とりわけ測定すべき磨き面を通り
抜けて伝達された光の測定により磨き面の測定を意味す
るものとする。
【００４３】図１は、この発明による装置のセットを示
し、光軸Ａに沿って、光源手段１と、示されていないが
支持手段と、測定手段２とが配置されている。この装置
は、さらに計算手段３を備えている。支持手段は、示さ
れてはいないが、図１の例示ではプログレッシブレンズ
（連続多焦点レンズ）など、表面が解析されるべき光学
素子を支持することができるようになっているものとす
る。この測定セット内のレンズ４の一表面の形状と位置
が分かっており、レンズ４の第二の表面６の特性値を絶
対量として測定したいとする。プログレッシブレンズ４
の屈折率が、与えられた点において厚さとともに、分か
っているものとする。
【００４４】光源手段１は、既知の形状の波面を持った
光をレンズ４へ照射する。この光は、レンズ４を通過し
て、測定手段２へ伝達される。測定手段２は、計算手段
３に連結されており、測定すべき磨き面６により伝達さ
れた後、光の波面勾配のマップを量定（計測し値を定め
る）し、量定は、測定すべき光学素子の像平面におい
て、なされる。
【００４５】レンズ４の面５上での入射波面の形状が分
かっており、該表面５の形状がレンズ４の屈折率ととも
に分かっているので、計算手段３を使用して、測定すべ
き磨き面６に当たる入射光の波面の形状を量定すること
ができる。この発明によれば、磨き面６を通して伝達さ
れた光は、続いて測定手段２により受光され、測定手段
２は、計算手段３と組み合わさって、磨き面６を通り抜
けた後の光の波面勾配を与えるマップを量定する。
【００４６】計算手段３は、図７と８を参照して後説す
るように、これらスロープから面６の絶対的特性値が求
められるようにする。
【００４７】図１に示す基本的な計測用セットは、光学
素子における屈折率分布を測定するのにも適している。
【００４８】図２は．反射光を使って磨き面を測定する
ためのこの発明による装置の要部を示す。ここで意味し
ていることは、磨き面６の特性値を、その面で反射され
た光を測定することにより、測定することである。図２
の装置は、光軸Ａに沿って配置された光源手段１と、ス
プリット手段（分光手段）１２と、測定されるべき面６
を有する光学素子４を支承するように設計された図示さ
れていない支持手段とを備えている。光源手段１から供
給される光は、スプリット手段１２により表面６へ伝達
され、そこで反射されてスプリット手段１２を介して測
定手段２へ送られる。測定手段は、図１に示した装置の
場合と同様に、像平面内の光の波面スロープのマップを
量定し、それに引き続いて、計算手段３の使用により、
磨き面６で反射後の光の波面スロープのマップを量定す
る。
【００４９】これらのスロープマップから、計算手段３
は、面６の絶対的特性値を得ることができるようにす
る。その点は、図７および図８に関連して後ほど説明す
る。
【００５０】図３は、図１に示すタイプの透過光を用い
て光学素子を測定するための装置の一実施例を示す詳細
線図である。図３の例において、光学素子は、測定すべ
き面を持ったプログレッシブレンズ４から成っている。
図３の装置は、光軸に沿って配置された準点光源２０か
ら成る光源手段、軸Ａに沿って移動可能な光学システム
２１、および焦点集束光学システム２２を備えている。
移動可能な光学システム２１は、測定すべきレンズのパ
ワー加算ファクタの関数として、軸Ａに沿って位置決め
される。集光システム２２は，正または負の焦点を有
し、正または負のパワー（レンズの度の強さ＝ジオプト
リ値）のレンズを解析できるようになっている。このよ
うにして、プログレッシブレンズ４を測定するときは、
集光システム２２は、該レンズの遠用部分でのプログレ
ッシブレンズのパワーの符号に応じて正または負とな
る。図３の装置は、さらに、光学素子４を支持する手段
を、軸Ａに沿って配置して、備えている。測定手段２
は、光軸Ａに沿って次に配置されているが、素子４の像
をマットスクリーン２４の上に形成するための光学シス
テム２３を備えている。この光学システム２３は，後ろ
に公知のロンキ（Ronchi）格子２５が取り付けられてい
る。ロンキ格子を通してマットスクリーン２４上に形成
された像は、モザイクパターン型（画素情報式）のカメ
ラ２６でピックアップされる。このカメラは、例えば、
マットスクリーン２４上の複数点における光強度を測定
できるＣＣＤカメラである。カメラ２６は、このように
して、計算手段３にマットスクリーン上の各点ごとの光
強度の情報を供給することができる。それは、さらに、
測定操作を追うために、マットスクリーン２４の画像を
ビデオモニタで操作者に供給する。この発明の、他の実
施例においては、光学システム２３により形成された光
学素子４の像がマットスクリーンを介さないでカメラ２
６によって直接フィルム撮影される。
【００５１】図３の装置において、磨き面の幾何学的構
造の測定をするそれぞれの段階については、後ほど図６
を参照してもっと詳細に述べる。
【００５２】図４は、光学素子４の幾何学的特性値を得
るために、反射光による測定を用いる装置の一実施例の
詳細線図を示す。この装置は、図２に示されるタイプの
ものである。図４の装置は、凸面の測定に適合させたも
のである。図４の装置は、平行光束を発する集光システ
ム３１の焦点に位置する準点光源３０を備えている。こ
の平行化された光束は、スプリッタ３２およびアダプタ
３３を通って進む。アダプタ３３のパワーは、測定中の
光学素子４の磨き面のパワーに依存して設定する。アダ
プタ３３は、既知の波面を持つ光を使ってＳ点に位置す
る素子４の面６を照らす。図４のＩ点は、点光源３０の
光学的共役点である。アダプタ３３のパワーは、被測定
面６のパワーの関数として選定される。より精密にいう
と、点Ｉは、面６の最高パワー領域（レンズの度が最も
強い部分）により作られる光源の像と面６の最低パワー
領域（レンズの度が最も弱い部分）により作られる光源
の像との間に位置する。プログレッシブ凸レンズの場合
を考えると、点Ｉは、面６の近用領域によって作られる
光源の像と面６の遠用領域によって作られる光源の像と
の間に位置することになる。
【００５３】被測定面によって反射された光は、アダプ
タ３３を通り、次いでスプリッタ３２を通って対物レン
ズ３４へ進み、ロンキ格子３６を介して被測定面の像を
マットスクリーン３５上に近似的に形成する。ロンキ格
子３６と光軸Ａとの交点は、点Ｉの光学的共役点であ
り、その点Ｉは、点光源３０の光学的共役点である。モ
ザイクパターン型のカメラ３７が、図３を参照して述べ
たのと同様に、マットスクリーン３５上に形成された像
をピックアップする。
【００５４】図４の装置では、スプリッタ３２の下流
（後ろ）の部分、言い替えれば、対物レンズ３４、格子
３６，マットスクリーン３５およびカメラ３７は、全て
あらゆる凸面の測定に採用し得る。また、同様に、光源
側部分、言い替えれば、光源３０および集光システム３
１は、あらゆる測定に使用することができる。必要な
ら、レンズの面６のパワーの関数として、アダプタ３３
を変更しさえすればよい。
【００５５】図５は、図４のものに類似の、しかし凹面
の測定のための装置を示す。同一の素子には、同じ参照
番号を付した。この装置は、図４の装置のように、光源
３０、集光システム３１、およびスプリッタ３２を備え
ている。この装置は、次に図４のセットにおけるアダプ
タ３３に類似のアダプタ４０を備えている。アダプタ４
０は、既知の波面の光を点Ｓに位置する調査すべき凹面
へ向けて送る。点Ｉは、光学システム３１、３２および
４０によって得られるが、点光源３０の光学的共役点で
ある。点Ｓと点Ｉの相対的位置は、図４のセットの場合
と同様に、被測定面の最小および最大パワーに依存す
る。凹面で反射された光は、アダプタ４０、スプリッタ
３２を通って二つの対物レンズ４１と４２へ向けて進
み、図４の装置においてと同様に、それらにより被測定
面の近似像をマットスクリーン３５上に、共役点Ｉをロ
ンキ格子３６の上に形成する。マットスクリーン３５上
の素子４の像は、モザイクカメラ３７によりピックアッ
プされる。
【００５６】凸面を測定するための装置の場合と同様
に、対物レンズ４１と４２、格子３６、マットスクリー
ン３５およびカメラ３７から成る像側部分は、あらゆる
凹面を測定するのに採用できる。光源３０、集光システ
ム３１およびスプリッタ３２から成る光源側部分は、図
４の装置と図５の装置で共通にすることができる。
【００５７】図６は、図５に示すタイプの装置、ただし
反射光を用いた凸面の測定用ではあるが、の一実施例の
詳細線図である。それは、対物レンズ４２が装置内のそ
の位置を変えずに異なる焦点のレンズの対物レンズ３
３’に置き換わっているという事実をのぞいて、図５に
示すものと同一である。このように、図５の測定セット
は、凹面に代えて凸面を測定するために、図６のセット
に簡単に変更できる。逆の変更も可能であることは、明
らかである。したがって、一つの対物レンズを他のと入
れ替えるだけで、一つの装置を使って全タイプの面を測
定することが可能である。
【００５８】図３，４，５および６を参照して述べた装
置は、被測定面に準球状波面を持つ光を当てるように設
計されている。しかしながら、これは特定の実施例であ
るに過ぎず、この発明による方法は、いかなる形の入射
波面にも適用できるものである。
【００５９】図７を参照して、この発明による装置の運
用について述べる。説明を簡単にするため、図５の装置
の運用についてのみ述べるが、図３、４および６の装置
も同様に運用されるものである。図７は、磨き面の幾何
学的特性値の完全な測定におけるステップを示すフロー
チャートである。第一のステップ５０は、測定すべき面
を有する光学素子を支持手段に取り付けることにある。
取り付けは、測定すべき面のほぼ中心を光軸Ａ上に持っ
て来て、面と光軸Ａとの交点における面の法線を光軸と
ほぼ一致させるようにする。
【００６０】光学素子が所定位置に取り付けられると、
ステップ５１で支持手段を移動して、面をアダプタ４０
の焦点のほぼ近傍に持っていく。図５の装置において、
支持手段は、測定すべき面を点Ｉの近くに持ってくる。
【００６１】測定すべき面の特性値によって、アダプタ
４０のパワー（度の強さ）を適当に選定する。実際の場
合、被測定面（反射光を使っての測定の場合）または光
学素子（透過光を使う場合）の平均パワーが大体どのく
らいか分かっていれば、十分である。この点は、公知の
適宜の手段で決めることができる。例えば、プログレッ
シブレンズの場合、基礎値は予め分かっている値であ
り、それによりアダプタ４０のパワーを選ぶことができ
る。４枚のアダプタセットがあれば、０．５０から１０
ジオプトリの間の通常のパワーの範囲をカバーすること
ができる。
【００６２】ステップ５２では、素子の傾きが最終的に
調整され、確実に正しく心合わせされる。ここに、心合
わせとは、与えられた光が光源３０を出てからマットス
クリーン３５に届くまでのパスの決定、または、同じこ
とであるが、光軸との交点における被測定面の法線の決
定を意味する。そのような心合わせにより、格子平面内
に原点を設定することができる。
【００６３】この発明によれば、そのような心合わせ
は、装置の光軸Ａに沿って出射されるレーザビーム４３
を使って簡単で正確な方法で行うことができる。このた
めに、装置を組み立てるときに、光軸のマットスクリー
ン３５との交点を、例えば支持手段内の点Ｉに位置する
光軸に垂直に配置された鏡を使って具体化しておく。続
いて、光軸のマットスクリーン３５との交点を、カメラ
３７により供給される実際の画像上に、例えばソフトウ
エア発生の格子によって具体化することができる。
【００６４】計算をうまく行うために、この発明は、カ
メラ３７からの画像内でレーザビームの交点を格子の内
部に持ってくるように、支持手段上で被測定面の向きを
正すことを提案する。このようにして、光軸Ａとの交点
において被測定面に垂直な線が当該光軸と一致する。
【００６５】このような心合わせを達成するために、被
測定面の向きを変えないままで、カメラ３７からの画像
上に反射レーザビームの位置を捕捉することも、明らか
に可能である。
【００６６】ステップ５３では、被測定面を正確にアダ
プタ４０の焦点に位置させる。
【００６７】ステップ５４では、被測定面が測定位置に
来るように測定手段を光軸Ａに沿って動かす。図４を参
照して説明したように、測定位置は、虚像光源たる点Ｉ
が被測定面の最高パワー領域（度が最も強いところ）を
通ってきた光線と最低パワー領域（度が最も弱いとこ
ろ）を通ってきた光線との間に位置することになる箇所
である。実際では、測定位置は、被測定面の基礎値およ
びパワー加算ファクタの予め分かっている概略値によっ
て決められる。
【００６８】ステップ５５では、最初の一連の測定が、
光軸に垂直な方向、そして例えば、該光軸に垂直でかつ
図５の面内に存在する方向に、行われる。論文に書いた
ように、これらの測定は、ロンキ格子の位置の変化のた
めにカメラ３７の異なる点における光強度情報を記録す
ることにある。言い替えると、格子をその都度その面内
で格子上の線の方向に垂直に動かして、格子による干渉
縞に対応する画像が記録される。
【００６９】ステップ５６では、格子を９０度回して、
新しく一連の測定をステップ５５で得たのと同様に始め
る。
【００７０】ステップ５７では、ステップ５５と５６で
得た結果を計算手段に供給して処理する。このことにつ
いては、図７を参照してより詳細に説明する。このよう
にして、測定すべき面の特性値が量定（測定により決
定）される。
【００７１】ステップ５８では，被測定面の特性値が判
明しているが、これらの特性値は、装置にリンクした基
準フレーム（座標系）において分かっているのであっ
て、実際の被測定面にリンクしてではない。言い替える
と、この発明により測定された特性値は、被測定面を支
持するのに使った手段に関連して分かっているものであ
る。したがって、これらの結果を使えるようにするに
は、面の特性値をそれ自身の基準フレームにおいて知る
ために基準フレームの変更を実施することが重要であ
る。光学レンズの場合は、この基準フレームは、一般に
面上の彫り込み、例えば二つの彫り込まれた微小円、で
構成（設定）される。
【００７２】この発明によれば、基準フレームの変更
は、測定素子ごとの支持手段を採用することによりなさ
れる。支持手段は、光軸に沿ってのみならず、それに直
交する面内でも動くように設計されているものとする。
例えば、支持手段は、カメラ３７の行および列に対して
平行に動く２モータ駆動架台に取り付けられている。そ
うすれば、基準フレームの変更が、装置の光軸から材料
の中へ入るレーザビームを使って達成できる。これにつ
いては、すでにステップ５２の説明の中で述べた。
【００７３】基準フレームを変更するために、初期ステ
ップは、被測定面をアダプタ４０の焦点に戻すことにあ
る。これは、ステップ５１においてのように、支持手段
を光軸に沿って動かすことにより達成される。この後
で、彫り込みをアダプタ４０の焦点に一致させるため
に、被測定素子が光軸に垂直な面内で、また必要に応じ
て光軸に沿って動かされる。アダプタ４０により作られ
る彫り込みの像は、カメラ４４により受けられ、光軸と
カメラのＣＣＤの面の交点は十字線の助けにより見える
ようになっている。
【００７４】カメラ４４により供給される彫り込みの画
像の中心を十字線に合わせると、光軸に垂直な平面内で
の移動が確認される。これに続いて、他方の彫り込みに
ついても同様の手順が採用される。
【００７５】このようにして、測定装置にリンクした基
準フレーム内における彫り込みの位置が分かる。心合わ
せの手順のお陰で、被測定面の光軸との交点における法
線が分かっている。これらの要素により、出力信号とし
て、彫り込みにリンクした基準フレーム内での被測定点
の特性値を供給するために、基準フレームの簡単な変更
を行うことが可能である。
【００７６】ステップ５８の後は、被測定面の特性値が
その面にリンクした基準フレーム内の値として利用可能
である。
【００７７】図５を参照して行ったこの装置の運用の説
明は、図３および４の装置についても準用で当てはま
る。
【００７８】図８は、この発明による方法の一実施例に
おける測定および計算ステップを示すフローチャートで
ある。以下の記述においては、説明の容易のため、シス
テムの光軸に沿ってｚ軸を取った正規直交座標の基準フ
レームを採用する。その基準フレームでは、被測定面
は、関数 ｚ＝ｆ（ｘ，ｙ） で表される。
【００７９】ステップ６０では、先にステップ５５およ
び５６で得た画像に基づいて、位相検出により格子の平
面内における各光ビームの交点の位置を計算することが
可能である。
【００８０】カメラ３７の横軸の拡大率が分かっている
ので、それから各光ビームのマットスクリーンの平面と
の交点の位置を導き出すことが可能である。格子とマッ
トスクリーンの間の距離が完全に分かれば、それから各
光ビームについての式を導き出すことが可能である。
【００８１】これに続いて、光学計算を用いて、光ビー
ムが測定された空間から測定中の光学部材の空間への光
ビームの置換が達成される。そのような光線の置換によ
り、この発明による方法の計算ステップを簡単にし、迅
速化することが可能となる。このことは、以下にこの発
明による計算ステップに採用されるメリット関数につい
て説明すれば、より明白になるであろう。
【００８２】この発明の第一の実施例においては、計算
ステップ６１〜６４により、測定すべき光学素子の幾何
学的特性値を、被測定面の三次元表現の形で量定するこ
とが可能である。
【００８３】ステップ６１では、結果の面（最終的に得
られた面）は、簡単な始めの面ＳDを使って初期化され
る。言い替えれば、面形状の初期値が用意される。
【００８４】ステップ６２では、この最終的な結果の面
について、したがって、該簡単な始めの面ＳD （メリッ
ト関数の値の）についてまず最初に計算がなされる。こ
のメリット関数は、測定すべき面が結果の面で置き換え
られたときに測定システムに導入された変更（変分）を
表している。
【００８５】別の言い方をすれば、測定システムにおけ
る実際の状態と、被測定面に代えて結果の面が測定シス
テムにセットされていたとしたら結果の面がもたらして
いたであろう状態と、の比較がなされる。測定の全ての
特性値が予め分かっていて、ただ単に被測定面が分かっ
ていないだけなので、結果の面の効果を計算することが
可能である。したがって、測定システム内における結果
の面の存在をシミュレーションすることが可能である。
【００８６】メリット関数は、結果の面が測定面に厳密
に等しいとき、ゼロの最小値をとるように、選ばれる。
メリット関数の一実施例を以下に詳細に述べる。
【００８７】ステップ６３では、このように計算された
メリット関数の値が、第一の所定のしきい値（スレッシ
ョルド）と比較される。もし、見つけられた値が該しき
い値より高ければ、ステップ６４へ進み、そうでなけれ
ば、そのようにして得られた結果の面は測定すべき面の
良好な近似であるとみなす。この計算の仕方により、結
果の面が十分な正確さで被測定面の表現を迅速に得るよ
うにできれば、計算の続行を避けることができる。
【００８８】ステップ６４では、結果の面の最適化が実
行される。実際上、メリット関数は、結果の面の関数で
ある。このため、例えば、最小二乗法を使っての最適化
のような、最適化法を使って結果の面を最適化すること
が可能である。これにより、中間の面ＳI の形で新しい
結果の面を得ることが可能となる。この面ＳI は、測定
すべき面の近似を表し、この発明の少なくともいくつか
の実施例では、それで十分である。この発明に従って、
複数の最適化ステップで進めることも可能である。この
図の場合、ステップ６４に続いて、ＳI を得た状態で、
ステップ６２へ戻る。
【００８９】そして、結果の面、つまり現在の中間の面
についてメリット関数の新たな計算がなされる。ステッ
プ６３では、メリット関数の値を第一の所定のしきい値
と比較するだけでなく、それを先行ステップで得られた
値とも比較する。もし、二つの引き続いたステップの間
で得られた値の間の差異がほんの僅かであれば、言い替
えれば、もしそれが第二の所定のしきい値より小さけれ
ば、面ＳI は、被測定面の十分に正確な代替表現であ
る。これは、事実、二つの続いたステップにおける計算
結果の面の間にほんの小さな変分しかないことを意味す
る。
【００９０】では、例として、この発明による方法にお
いて使用され得るメリット関数について述べる。このメ
リット関数は、測定すべき面で反射されまたは透過され
た複数の光ビームを考えることによって得られる。それ
ぞれの光ビームについて、光線トレーシングプログラム
を使って理論上の光ビームの計算がなされる。この理論
上の光ビームは、結果の面、すなわち簡単な始めの面Ｓ
D または中間の面ＳI、に到達すると、同じように反射
されまたは透過するものである。言い替えれば、被測定
面の下流にある光ビームが考えられて、そして、光線ト
レーシングプログラムを使って、もし被測定面が簡単な
始めの面ＳD または中間の面ＳI に置き換えられていた
としたらこの光ビームが辿っていたであろうパスが、後
ろ向きにトレースされる。測定装置の種々の部分につい
て諸元が分かっていると、光ビームＳD のパスを光源の
面のところまで計算することが可能である。
【００９１】以上説明してきたように、光学計算を用い
て、光ビームをそれが測定された空間から測定項目の空
間へ移しておくと、好都合である。このため、メリット
関数を計算するときは、光ビームのパスが、それが測定
された空間からでなく、被測定面に直続の空間からトレ
ースバックされる。
【００９２】測定装置において点光源が使用される場合
は、まさに光源の平面のところまで光ビームをトレース
バックすることが可能である。光ビームと光源の中心と
の間の距離がこの平面の中で計算される。
【００９３】メリット関数を得るためには、このように
計算された距離の二乗を複数の光線について加算する。
このメリット関数は、したがって、複数光線中の各光線
の反射または透過の点における測定すべき面と結果の面
（簡単な始めの面ＳD または中間の面ＳI ）との間の局
部的ずれを表すものである。
【００９４】もちろん、他のいかなるタイプのメリット
関数でも採用できるのは明らかである。とりわけ、光線
の間のずれは、光源の平面以外の平面内で計算すること
ができる。
【００９５】結果の面、簡単な始めの面、または中間の
面を表すために、直交関数ファミリ（族）の線形結合か
らなる関数を採用するのが好都合である。この場合、メ
リット関数は、線形結合の種々の係数の関数である。そ
うすれば、最適化は、例えば、最小二乗法式の手法を用
いて種々の係数を変えることによって行うことができ
る。
【００９６】直交関数ファミリを使用することは、この
発明による方法が複数の最適化ステップを含んでいると
き、特に好都合である。この理由により、もし最適化ス
テップにおいて関数が線形結合に加算されると、種々の
関数の直交性のため先に計算された線形関数の係数は、
変わったとしても、非常に僅か変わるだけである。
【００９７】したがって、結果の面を表すためにツェル
ニケ（Zernike）多項式、ディスク上で直交であるが、
を採用することができる。そうすれば、簡単な始めの面
は、２次のツェルニケ多項式で表される放物面を用いて
初期化することができる。初期化ステップにおいては、
被測定面は、放物面であり、したがって０次、１次、２
次のツェルニケ多項式で表され、最適化が三つの係数で
もってなされる。各ステップにおいて、メリット関数の
値の変化が所定の第三のしきい値より大である限り、複
数の最適化ステップが０次、１次、２次の多項式で表さ
れる関数を用いて繰り返し実行される。メリット関数の
値が最初第三のしきい値より小さい分量でしか変化しな
いで始まる場合は、中間の面を表す関数は、３次、４
次、５次のツェルニケ多項式により完全となる。メリッ
ト関数は、再び計算され（ステップ６２）、そしてステ
ップ６３において、もし得られた近似が十分であれば、
メリット関数の値を前述の第一のしきい値と比較して、
決定される。比較的正則な面の場合は、このように既に
満足な関数表現を得ることができる。
【００９８】同様に、ツェルニケ多項式の最大次数を順
次１０、１５、２０と増加しながら続けていく。
【００９９】この発明に従った複数の次数増加最適化ス
テップは、一方において、上述のように、メリット関数
の値が所定の第一のしきい値より下になったときいつで
も計算を中止できるという利点を提案している。これ
は、第二に、低次ほどずっと速くなる計算をスピードア
ップするという利点を提供する。また、ノイズの程度を
減少させた解に収束することも可能にしている。
【０１００】以上の説明は、光学素子の光学的構造の測
定に、そして例えば、傾斜屈折率の光学素子、言い替え
れば、二つの既知のジオプトリ値間にある屈折率変化材
料でできた素子の屈折率分布の測定にそのまま拡張して
当てはまる。
【０１０１】この発明の第二の実施例においては、計算
ステップにより、面の主曲率を与えるマップの形での解
析の下に面の特性値を決定することが可能である。
【０１０２】ステップ６５では、測定段階の間に、複数
の点において、光学システムの空間内で得た情報の派生
関数（導関数）を計算することから始める。
【０１０３】ステップ６６では、被測定面での反射後ま
たは透過後の波面の曲率がその派生関数を基に決定され
る。
【０１０４】ステップ６７では、入射波の形が分かっ
て、被測定面の主曲率が決定される。
【０１０５】この発明は、もちろんここに記述し図解し
た実施例に限定されず、クレイムした発明から離れるこ
となく、当業者にとって利用可能な非常に多くの変形が
可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 透過光を用いて磨き面を測定するためのこの
発明による装置を示す簡略線図である。
【図２】 反射光を用いて磨き面を測定するためのこの
発明による装置を示す簡略線図である。
【図３】 図１に示すタイプの装置の一実施例の詳細線
図である。
【図４】 反射光を用いて凸面を測定するための図２に
示すタイプの装置の一実施例の詳細線図である。
【図５】 反射光を用いて凹面を測定するための図２に
示すタイプの装置の一実施例の詳細線図である。
【図６】 反射光を用いて凸面を測定するための図５に
示すタイプの装置の一実施例の詳細線図である。
【図７】 図３，４または５に示すタイプの装置におけ
る磨き面の完全測定のステップを示すフローチャートで
ある。
【図８】 この発明による方法の一実施例における計算
のステップを示すフローチャートである。
【符号の説明】
Ａ…光軸、１…光源手段、２…測定手段、３…計算手
段、４…光学素子、５…既知の面、６…被測定面、１２
…スプリット手段、２０…準点光源、２１…光学システ
ム、２２…集光システム、２３…光学システム、２４…
マットスクリーン、２５…ロンキ格子、２６…カメラ、
３０…点光源、３１…集光システム、３２…スプリッ
タ、３３…アダプタ、３４…対物レンズ、３５…マット
スクリーン、３６…ロンキ格子、３７…モザイクカメ
ラ、４１…対物レンズ、４２…対物レンズ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リッパン グザビェ フランス国 パリ 75012 リュデュコロ ネルロザノフ 28 (72)発明者 ラフェ クリストフ フランス国 パリ 75013 リュデュディ スク 41

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光学素子の幾何学的または光学的構造の
    絶対的測定方法であって、 前記光学素子を既知の波面を有する入射光によって照射
    するステップと、 該光学素子における反射または該光学素子の透過後に、
    前記光の波面スロープのマップを与えられた面で測定す
    るステップと、 該光学素子の幾何学的または光学的構造をスロープマッ
    プの前記測定から少なくとも１つの計算手続きの適用に
    よって導き出すステップとからなる方法。
  2. 【請求項２】 前記光学素子における反射または該光学
    素子の透過後に、前記光の波面のスロープマップを測定
    するステップが、デフレクトメトリ的方法を用い、測定
    されている該光学素子のイメージスペース中における多
    数の前記光線のパスを決定することによって実施される
    ことからなる請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記デフレクトメトリ的方法が、前記光
    学素子において反射され、または該光学素子を透過した
    光のパスへのロンキ格子の挿入による幾何学的方法であ
    ることからなる請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 光学的計算を用い、測定される前記光学
    素子のスペース中に前記光線の位置を変えることからな
    るステップをさらに含む請求項２または３に記載の方
    法。
  5. 【請求項５】 前記計算手続きが測定される前記光学素
    子の面の幾何学的構造の決定からなり、さらに結果の面
    が簡単な初期面ＳDを用いて初期化されるステップと、 測定される該光学素子の面の前記結果の面による置換に
    よって誘導される変分を表すメリット関数の値の計算
    と、前記結果の面を変化させることによる前記値の最小
    化であって前記変分が少なくとも１つの中間面ＳIの形
    で表されることとを含む少なくとも１つの最適化ステッ
    プとを含むことからなる請求項１ないし４のいずれかに
    記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記結果の面、前記簡単な面ＳDおよび
    前記中間面ＳIの１つまたはいくつかが直交関数ファミ
    リの線形結合によって表されることからなる請求項５に
    記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記計算手続きが測定される前記光学素
    子の屈折率分布の決定にあって、該計算手続きが簡単な
    屈折率分布初期値ＮDを用いる結果の屈折率分布に対す
    る初期化ステップと、 測定される該光学素子の屈折率分布の前記結果の屈折率
    分布による置換によって誘導される変分を表すメリット
    関数の値の計算と、前記結果の屈折率分布を変化させる
    ことによる前記値の最小化であって前記変分が少なくと
    も１つの中間屈折率分布ＮIの形で表されることとを含
    む少なくとも１つの最適化ステップとを含むことからな
    る請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記結果の屈折率分布、前記簡単な屈折
    率分布初期値ＮDおよび前記中間屈折率分布ＮIの１つま
    たはいくつかが直交関数ファミリの線形結合によって表
    されることからなる請求項７に記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記計算手続きが複数の最適化ステップ
    を含むことからなる請求項５ないし８のいずれかに記載
    の方法。
  10. 【請求項１０】 前記直交関数が多項式であり、最適化
    ステップ中の前記線形結合の多項式の最大次数が前の最
    適化ステップ中の前記結合の多項式の最大次数より高い
    かまたは等しいことからなる請求項６、８、９のいずれ
    かに記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記メリット関数の値の前記最小化が
    最小２乗法を用いて実施されることからなる請求項５な
    いし１０のいずれかに記載の方法。
  12. 【請求項１２】 準点光源が用いられ、前記メリット関
    数の値の計算を前記光学素子における反射または該光学
    素子の透過後に前記多数の光線の各光線に対して、前記
    結果の面または前記最適化プロセスにおいて計算された
    前記結果の屈折率分布に到達すると、測定される光線の
    方向に反射または透過されるであろう入射光線と、入射
    光源の平面またはこの平面に共役である平面における前
    記平面への前記入射光線の衝撃点と前記準点光源の中心
    との間の距離とを計算することと、 前記多数の光線のそれぞれに対して計算された距離の二
    乗を足すことによって実施することからなる請求項５な
    いし１１のいずれかに記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記計算手続きが、解析される前記光
    学素子の面の特性値をその主曲率のマップの形で決定す
    ることにあり、かつ該計算手続きが該光学素子における
    反射または該光学素子の透過後に、前記光の波面のスロ
    ープのマップについていくつかの方向において導関数を
    計算するステップと、 該光学素子における反射または該光学素子の透過後に、
    前記光の波面の曲率に対して前記導関数から出発する計
    算ステップと、 測定される該光学素子の面の主曲率のマップを計算し、
    このように計算された曲率から出発し、該光学素子へ入
    射する光の波面を知るステップとを含むことからなる請
    求項１ないし４のいずれかに記載の方法。
  14. 【請求項１４】 光学素子の幾何学的または光学的構造
    の絶対的測定装置であって、 測定される前記光学素子を既知の波面を有する光によっ
    て照射する手段と、 測定される該光学素子を支持する手段とを含み、さらに
    該光学素子における反射または該光学素子の透過後に、
    前記光の波面のスロープを測定する手段と、 前記測定手段から結果を受ける計算手段とを含むことか
    らなる装置。
  15. 【請求項１５】 前記測定手段がロンキ格子とマットス
    クリーンとＣＣＤカメラとを含むことからなる請求項１
    ４に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 前記測定手段がロンキ格子とＣＣＤカ
    メラとを含むことからなる請求項１４に記載の装置。
  17. 【請求項１７】 測定される面を照射する前記手段が準
    点光源とこの光源をイメージングするためのシステムを
    含むことからなる請求項１４ないし１６のいずれかに記
    載の装置。
  18. 【請求項１８】 前記計算手段が光線トレーシングプロ
    グラムを含むことからなる請求項１４ないし１７のいず
    れかに記載の装置。
  19. 【請求項１９】 該装置の光軸を実体化するために用い
    られるレーザービームをさらに含むことからなる請求項
    １４ないし１８のいずれかに記載の装置。
  20. 【請求項２０】 前記支持手段が該装置の光軸に沿って
    またはこれと直交する平面内に移動可能であることから
    なる請求項１４ないし１９のいずれかに記載の装置。
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