KR102587880B1 - 광학 소자 특성 측정 장치 - Google Patents

광학 소자 특성 측정 장치 Download PDF

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Abstract

(과제) 반사광 센서부의 광축으로부터 볼 때 광 강도 분포가 링형상인 집속광과 피검 렌즈의 중심 부근에 조사되는 평행 광선을 동시에 조사하여 피검 렌즈의 특성값을 측정하는 장치를 제공한다. 피검 렌즈를 투과한 링형상의 집속광 또는 피검 렌즈의 중심 부근에 조사되는 평행 광선의 집광점 위치를 측정함으로써 피검 렌즈를 회전시키는 일 없이 피검 렌즈의 면 어긋남량을 측정하는 것이 가능해지는 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치를 제공한다.
(해결 수단) 광 강도 분포가 링형상인 집속광과 평행 광선을 피검 광학 소자에 조사하는 링형상 집속광 조사광부를 구비한 광학 소자 특성 측정 장치에 있어서, 피검 광학 소자의 링형상 집속광 조사광부측에 있는 면을 표면, 표면의 반대측을 이면으로 하고, 피검 광학 소자의 표면 또는 이면을 반사하고, 또는 피검 광학 소자를 투과한 광선을 강도 또는 상기 광선의 광로를 해석함으로써 피검 광학 소자의 형상 특성을 측정한다.

Description

광학 소자 특성 측정 장치
본 발명은 반사광 센서부의 광축으로부터 볼 때 광 강도 분포가 링형상인 집속광과, 피검 렌즈의 중심 부근에 조사되는 평행 광선을 동시에 조사하여 피검 렌즈의 특성값을 측정하는 장치에 관한 것이다. 특히, 200㎛ 이하의 박형의 피검 렌즈의 두께를 측정하는 장치 또는 피검 렌즈의 렌즈 중심축(피검 렌즈 제 1 면의 법선)을 반사광 센서부의 광축과 맞춰지도록 조정한 후 피검 렌즈를 투과한 링형상의 집속광 또는 피검 렌즈의 중심 부근에 조사되는 평행 광선의 집광점 위치를 측정함으로써 피검 렌즈를 회전시키는 일 없이 피검 렌즈의 면 어긋남량을 측정하는 것이 가능해지는 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치에 관한 것이다.
종래 도 1에 나타내는 바와 같이 렌즈와 같은 광학 소자의 두께를 측정하기 위해서 2개의 변위계(10a, 10b)를 연결하는 직선 위에 피검 광학 소자(11)를 배치하고, 2개의 변위계(10a, 10b)는 각각 광다발(12a, 12b)을 피검 광학 소자(11)에 조사하여 일방의 변위계(10a)가 측정한 피검 광학 소자(11)의 표면까지 거리(a1)와, 타방의 변위계(10b)가 측정한 피검 광학 소자(11)의 이면까지의 거리(a2)를 측정하고, 2개의 변위계(10a, 10b) 사이의 거리(a0)로부터 거리(a1)와 거리(a2)를 감산함으로써 피검 광학 소자(11)의 두께를 측정하는 기술이 알려져 있으며, 예를 들면 일본 특허공개 평 1-235806호 공보(특허문헌 1) 및 일본 특허공개 평 10-239046호 공보(특허문헌 2)에는 2개의 광학식 변위계를 사용하여 광학 소자의 두께를 측정하는 기술이 기재되어 있다.
또한, 1개의 센서부(12)를 사용해서 광학 소자의 두께를 측정하는 종래 기술로서는 도 2(A)에 나타내는 바와 같이 집속광(13)을 유지 프레임(14)에 설치된 피검 광학 소자(15)에 조사하고, 스위블 스테이지(16)의 기준 평면을 도 2(B)에 나타내는 z축 방향으로 피검 광학 소자(15)를 이동시키면서 센서부(20)에 설치된 도시되지 않은 결상 광학계에 의해 촬영한 피검 광학 소자(15)의 표면 및 이면에 발생하는 상(像)의 광 강도를 측정하고, 도시되지 않은 처리부에 의해 z축에 대한 광 강도를 디지털 데이터로서 샘플링하여 2개의 광 강도의 극대값을 추출하고, 그들의 z축의 간격(측정값(d))에 의거하여 피검 광학 소자(21)의 두께를 산출하는 비접촉에 의한 광학 소자의 두께를 측정하는 기술이 알려져 있다.
또한, 렌즈의 편심량을 측정하는 장치에 관해서 피검 렌즈를 그 외주 기준으로 회전시킴으로써 상기 피검 렌즈의 편심량을 측정하는 것을 가능하게 하는 투과식 편심 측정 장치가 일본 특허공개 2007-206031호 공보(특허문헌 3)에 개시되어 있다.
또한, 편심량 측정 장치에 있어서 피검 광학 소자(피검 렌즈)의 피검면을 소정의 회전축 둘레로 회전시키면서 피검면의 초점면에 소정 형상의 지표의 상을 결상시키고, 피검면을 통해 릴레이되어 촬상면 위에 결상되는 지표의 상이 피검면의 회전에 따라 지표의 상이 원형의 궤적을 그리도록 이동하는 원의 반경을 계측함으로써 피검면의 편심량을 구하는 편심량 측정 장치가, 예를 들면 일본 특허공개 2008-298739호 공보(특허문헌 4) 또는 일본 특허공개 2007-327771호 공보(특허문헌 5)에 개시되어 있다.
일본 특허공개 평 1-235806호 공보 일본 특허공개 평 10-239046호 공보 일본 특허공개 2007-206031호 공보 일본 특허공개 2008-298739호 공보 일본 특허공개 2007-327771호 공보
특허문헌 1 및 특허문헌 2에 기재된 광학 소자의 두께 측정 장치에서는 광학식 변위계가 2대 필요하게 되어 장치의 규모가 크고, 비용이 상승하는 요인이 된다.
또한, 종래의 1대의 비접촉식 센서에 의한 광학 소자의 두께 측정 장치에 있어서는 도 3에 나타내는 바와 같이 집광점(202)이 피검 광학 소자(203)의 표면(203a)에 존재한 경우 집속광(201)의 피검 광학 소자(203)의 표면(203a)에 상(204a)을 발생시켜 피검 광학 소자의 이면(203b)에 상(204b)을 발생시키지만, 표면(203a)에 생긴 상(204a)과 이면(203b)에 생긴 상(204b)은 집속광 광축(210), 즉 Z를 중심으로 하여 중복되어서 분리하여 측정하는 것은 곤란하다. 또한, 두께가 얇은 피검 광학 소자(t~200㎛)에 대하여 스위블 스테이지를 z축 방향으로 이동시키면서 측정한 상의 광 강도에 대해서 가로축을 z축의 값으로서, 세로축을 디지털 데이터로서 측정한 광 강도로서 그래프에 나타낸 결과를 도 4에 나타낸다. 도 4에 나타내어진 바와 같이 상의 광 강도의 최대값-최소값의 차가 비교적 작고, 그래프의 산과 골의 변화가 완만하며, 후술하는 바와 같이 정확하며, 신뢰성이 높은 2개의 극대값에 대응하는 z축상의 간격(측정값(d))을 측정하는 것은 곤란한 것을 나타내고 있다.
이어서, 렌즈의 편심량을 측정하는 장치에 관해서는 볼록부형상의 광학 렌즈(이하, 「피검 렌즈」라고 기재한다)는 상면(이하, 「제 1 면」이라고 기재한다) 및 하면(이하, 「제 2 면」이라고 기재한다)은 구면(球面)이다. 그리고 상면 및 하면의 각각 중심이 피검 렌즈의 설계상의 광축 위에 없고, 제조 과정에 있어서 면 어긋남을 발생시키고 있다. 이러한 면 어긋남에 의해 피검 렌즈에 편심(偏心)(편심(偏芯))이 일어난다. 예를 들면, 광학 렌즈의 로트마다 편심량을 측정하여 품질을 검사하는 공정이 유익하다. 종래 상술한 바와 같이 피검 렌즈의 면 어긋남량(편심량)의 측정에는 피검 렌즈를 회전시켜서 중심 편차량이나 면 어긋남각 등을 측정하는 방법에 의한 측정 장치가 사용되어 있다.
현재 피검 렌즈는 한층 소형화가 진행되어 있기 때문에 피검 렌즈를 정밀도 좋게 회전시키는 것이 종래보다 곤란해져 와 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 사정에 의거하여 이루어진 것이며, 본 발명의 목적은 반사광 센서부의 광축으로부터 볼 때 광 강도 분포가 링형상인 집속광과, 피검 렌즈의 중심 부근에 조사되는 평행 광선을 동시에 조사하여 피검 렌즈의 특성값을 측정하는 장치를 제공하는 것에 있다. 특히, 200㎛ 이하의 박형의 피검 렌즈의 두께를 측정하는 장치 또는 피검 렌즈의 렌즈 중심축(피검 렌즈 제 1 면의 법선)을 반사광 센서부의 광축과 맞춰지도록 조정한 후 피검 렌즈를 투과한 링형상의 집속광 또는 피검 렌즈의 중심 부근에 조사되는 평행 광선의 집광점 위치를 측정함으로써 피검 렌즈를 회전시키는 일 없이 피검 렌즈의 면 어긋남량을 측정하는 것이 가능해지는 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 상기 목적은 광축에 대하여 수직인 평면에 있어서 광 강도 분포가 링형상인 집속광과 상기 광축 위에 광 강도 분포의 중심이 있는 평행 광선을 피검 광학 소자에 조사하는 링형상 집속광 조사광부를 구비한 광학 소자 특성 측정 장치로서, 상기 피검 광학 소자의 상기 링형상 집속광 조사광부측에 있는 면을 표면, 상기 표면의 반대측을 이면으로 하고, 상기 피검 광학 소자의 상기 표면 또는 상기 이면을 반사하고, 또는 상기 피검 광학 소자를 투과한 광선의 강도, 또는 상기 광선의 광로를 해석함으로써 상기 피검 광학 소자의 형상 특성을 측정함으로써 달성된다.
본 발명의 상기 목적은 상기 링형상 집속광 조사광부는 광원, 제 1 광학 소자, 제 1 렌즈를 갖고, 상기 광원, 상기 제 1 광학 소자, 상기 제 1 렌즈의 순서로 상기 광축을 따라 배치되고, 상기 제 1 광학 소자는 상기 광축에 수직인 링형상의 간극이 형성되어 상기 링형상의 간극의 내측의 지름보다 작은 지름을 갖는 제 1 렌즈가 배치됨으로써, 또는 상기 링형상의 집속광을 상기 피검 광학 소자에 조사하고, 상기 피검 광학 소자의 표면에 있어서 발생한 제 1 링형상 및 상기 피검 광학 소자의 이면에 있어서 발생한 제 2 링형상을 수광면에 결상시켜서 상기 제 1 링형상 및 상기 제 2 링형상의 광 강도를 산출하기 위한 데이터를 생성하는 반사광 검출부와, 상기 피검 광학 소자가 상기 광축 방향으로 이동하는 거리에 대한 상기 광 강도의 변화에 의거하여 상기 피검 광학 소자의 두께를 산출하는 처리부를 구비함으로써, 또는 상기 피검 광학 소자는 렌즈로서 상기 데이터에 의거한 상기 제 1 링형상 및 상기 제 2 링형상의 광 강도의 변화에 있어서의 2개의 극대값을 검출하고, 상기 2개의 극대값에 대응하는 상기 피검 광학 소자의 이동 거리의 차인 측정값(d), 상기 피검 광학 소자의 재료의 굴절률(n), 상기 피검 광학 소자의 곡률 반경(r), 및 상기 곡률 반경(r)의 중심점과, 상기 광축과, 상기 집속광이 이루는 각인 상기 집속광의 집광각(θ1) 을 사용하여 상기 피검 광학 소자의 렌즈의 두께(t)를 산출함으로써, 또는 상기 피검 광학 소자의 표면의 있어서의 상기 링형상의 집속광이 굴절하는 점 C와 상기 피검 광학 소자의 이면에 있어서의 링형상의 집광점 B를 연결하는 선분 BC의 경사 a 및 절편 b를 각각
로 해서,
상기 점 C와 상기 링형상의 집속광의 광축의 거리(e)를
을 사용하여 산출하고, 상기 곡률 반경(r)이 플러스(상기 피검 광학 소자가 볼록면인)인 경우, 상기 거리(e)의 복합 동순의 부호가 플러스의 값을 채용하고, 상기 곡률 반경(r)이 마이너스(상기 피검 광학 소자가 오목면인)인 경우, 상기 거리(e)의 복합 동순의 부호가 마이너스의 값을 채용하여 상기 피검 광학 소자의 렌즈의 두께(t)를
를 사용하여 산출함으로써, 또는 상기 링형상의 집속광을 상기 피검 광학 소자에 조사하는 상기 링형상 집속광 조사광부를 갖고, 상기 피검 광학 소자의 상기 표면에 있어서 반사한 링형상 평행 광선의 광축의 반사각도를 산출하기 위한 제 1 집광 위치 데이터를 생성하는 반사광 센서부와,
상기 링형상 집속광 조사광부로부터 조사되어 상기 피검 광학 소자를 투과한 광선의 집광점 위치를 산출하기 위한 제 2 집광 위치 데이터를 생성하는 투과광 센서부와,
상기 제 1 집광 위치 데이터에 의거하여 상기 반사각도를 산출하고, 상기 제 2 집광 위치 데이터에 의거하여 상기 피검 광학 소자를 투과한 광선의 상기 집광점 위치를 산출하는 데이터 처리부를 구비하고,
상기 데이터 처리부는 상기 제 1 집광 위치 데이터에 의거하여 상기 피검 광학 소자의 렌즈 중심축과 상기 링형상 집속광 조사광부의 광축이 일치하도록 상기 피검 광학 소자의 위치를 조정하고, 상기 집광점 위치에 의거하여 상기 피검 광학 소자를 회전시키는 일 없이 상기 피검 광학 소자의 면 어긋남량(Δ2)을 연산함으로써, 또는 상기 피검 광학 소자는 렌즈이며,
상기 피검 광학 소자의 중심 부근을 투과한 투과 평행 광선의 상기 집광점 위치에 의거하여 산출한 편차량(Δ1), 상기 피검 광학 소자의 재료의 굴절률(n), 상기 피검 광학 소자의 상기 표면의 곡률 반경(r1), 상기 피검 광학 소자의 상기 이면의 곡률 반경(r2), 및 상기 피검 광학 소자의 두께(t)를 사용하여 상기 면 어긋남량(Δ2)을 계산함으로써, 또는 상기 면 어긋남량(Δ2)을
을 사용하여 산출함으로써, 또는 상기 피검 광학 소자는 렌즈이며, 상기 피검 광학 소자의 상기 반사광 센서부측의 초점에 집광한 집속광이 상기 피검 광학 소자를 투과한 투과 평행 광선의 상기 투과광 센서부에 있어서의 상기 집광점 위치에 의거하여 산출한 상기 투과 평행 광선의 굴절각(θ1'), 상기 피검 광학 소자의 재료의 굴절률(n), 상기 피검 광학 소자의 상기 이면의 곡률 반경(r2)을 사용하여 상기 면 어긋남량(Δ2)을 계산함으로써, 또는 상기 면 어긋남량(Δ2)을
을 사용하여 산출함으로써, 또는 상기 링형상의 집속광 대신에 3개 이상의 복수개의 광다발을 원둘레 위에 대략 등간격으로 배치해서 이루어지는 비링형상의 집속광을 사용함으로써, 또는 상기 제 1 광학 소자는 상기 광다발을 통과하는 상기 복수의 구멍이 형성되어 있음으로써 보다 효과적으로 달성된다.
(발명의 효과)
본 발명의 광학 소자 특성 측정 장치에 의하면 반사광 센서부의 광축으로부터 볼 때 광 강도 분포가 링형상인 집속광과, 피검 렌즈의 중심 부근에 조사되는 평행 광선을 동시에 조사하고, 반사광 센서부의 광축과 피검 렌즈의 광축을 맞추고, 피검 렌즈의 표면을 반사한 광선 또는 피검 렌즈를 투과한 광선의 강도 또는 광로(집광하는 위치)를 해석함으로써 피검 렌즈의 특성값을 측정하는 것이 가능해진다.
특히, 본 발명의 광학 소자 특성 측정 장치에 의하면 링형상(고리형상)의 투과 구멍(슬릿)을 갖는 광학 소자를 통해 피검 렌즈의 표면 및 이면의 링형상(고리형상) 상의 광 강도의 변화를 관측함으로써 박형의 피검 렌즈(두께(t)~200㎛ 이하)의 두께를 측정하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명의 광학 소자 특성 측정 장치에 의하면 피검 렌즈의 렌즈 중심축(피검 렌즈 제 1 면의 법선)을 반사광 센서부의 광축과 맞춰지도록 조정하고, 피검 렌즈를 투과한 광선의 집광점 위치를 측정함으로써 피검 렌즈를 회전시키는 일 없이 피검 렌즈의 면 어긋남량을 측정하는 것이 가능해진다.
도 1은 종래의 2대의 비접촉 변위계에 의한 광학 소자의 두께 측정 장치의 개략적 구성도이다.
도 2(A)는 종래의 1대의 비접촉 변위계에 의한 광학 소자의 두께 측정 장치의 구성도이다. 도 2(B)는 도 2(A)에 나타내는 측정 장치에 있어서의 xyz좌표계를 나타내는 도면이다.
도 3은 종래의 광학 소자의 두께 측정 장치에 있어서, 집속광이 피검 광학 소자의 표면에 존재한 경우에 있어서의 피검 광학 소자의 표면에 발생하는 상 및 피검 광학 소자의 이면에 발생하는 상의 모양을 나타내는 도면이다.
도 4는 1대의 비접촉 변위계에 의한 광학 소자의 두께 측정 장치에 있어서, 종래의 집속광의 광다발을 사용해서 측정한 경우에 있어서의 z축 변화에 대한 피검 광학 소자로부터의 반사광의 광 강도의 변화를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 있어서의 측정 장치에 있어서 광 강도 분포가 링형상인 집속광과, 피검 렌즈의 중심 부근에 조사되는 평행 광선을 동시에 조사할 수 있는 링형상 집속광 조사 광학계에 대한 상세한 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 있어서의 링형상 집속광 조사 광학계의 광학 소자(34)의 형상을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 있어서의 측정 장치에 있어서 링형상 집속광 조사 광학계에 오토 콜리메이터부를 부가한 것에 대한 상세한 구성도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태에 있어서의 반사광 검출부의 광학 소자의 형상을 나타내는 도면이다.
도 9(A)는 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 광학 소자 두께 측정 장치의 구성도이다. 도 9(B)~도 9(D)는 광학 소자광의 두께 측정 장치(전체 구성도)의 좌표계이다. 도 9(B)는 기준 평면의 x축, y축, z축을 나타내는 도면이다. 도 9(C)는 경사각(θx)을 나타내는 도면이다. 도 9(D)는 경사각(θy)을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 오토 콜리메이터부의 광학 소자의 형상을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 피검 광학 소자의 두께 측정 장치에 있어서 집속광이 피검 광학 소자의 표면에서 반사되는 모양을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 피검 광학 소자의 두께 측정 장치에 있어서, 집속광 광축으로부터 볼 때 링형상(환형상)의 광 강도를 갖는 집속광이 피검 광학 소자의 표면에 존재한 경우에 있어서의 피검 광학 소자의 표면에 발생하는 상 및 피검 광학 소자의 이면에 발생하는 상의 모양을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 피검 광학 소자의 두께 측정 장치에 있어서 집속광 광축으로부터 볼 때 링형상(환형상)의 광 강도를 갖는 집속광이 피검 광학 소자의 이면에 존재한 경우에 있어서의 피검 광학 소자의 표면에 발생하는 상 및 피검 광학 소자의 이면에 발생하는 상의 모양을 나타내는 도면이다.
도 14(A)는 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 피검 광학 소자의 두께 측정 장치에 있어서, 집광점이 피검 광학 소자의 표면에 존재하고, 표면상이 CCD 카메라의 수광면 상에서 결상한 링형상 표면 결상을 나타내는 도면이다. 도 14(B)는 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 피검 광학 소자의 두께 측정 장치에 있어서, 집광점이 피검 광학 소자의 이면에 존재하고, 이면상이 CCD 카메라의 수광면 상에서 결상한 링형상 이면 결상을 나타내는 도면이다.
도 15(A)는 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 피검 광학 소자의 두께 측정 장치에 있어서, 집광점이 피검 광학 소자의 내부에 존재하고, 표면상 및 이면상이 CCD 카메라의 수광면 상에서 결상하는 링형상 표면 결상이 링형상의 통과 구멍을 갖는 광학 소자에 의해 일부 차단되는 모양을 나타내는 도면이다. 도 15(B)는 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 피검 광학 소자의 두께 측정 장치에 있어서, 집광점이 피검 광학 소자의 두께 방향의 중앙 부근에 존재하고, 표면 및 이면상이 CCD 카메라의 수광면 상에서 결상하는 링형상 이면 결상이 링형상의 통과 구멍을 갖는 광학 소자에 의해 대부분이 차단되는 모양을 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 피검 광학 소자의 두께 측정 장치에 있어서 집속광 광축으로부터 볼 때 링형상(환형상)의 광 강도를 갖는 집속광을 사용하여 피검 광학 소자의 표면 및 이면에 발생하는 상의 광 강도를 측정한 경우에 있어서의 z축 변화에 대한 피검 광학 소자로부터의 반사광의 광 강도의 변화를 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 피검 광학 소자의 두께 측정 장치에 있어서, 피검 광학 소자의 표면이 볼록면(r>0)일 경우 집속광이 볼록면형상의 피검 광학 소자에 입사하고, 피검 광학 소자의 표면에서 굴절하여 이면에서 집광을 하는 모양을 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 피검 광학 소자의 두께 측정 장치에 있어서, 표면이 오목면(r<0)일 경우 집속광이 볼록면형상의 피검 광학 소자에 입사하고, 피검 광학 소자의 표면에서 굴절하여 이면에서 집광을 하는 모양을 나타낸 도면이다.
도 19는 본 발명의 제 2 실시형태에 있어서의 피검 광학 소자의 두께 측정 장치에 있어서, 집속광 광축으로부터 볼 때 가상상 링을 따라 광다발을 배치하는 것 같은 광 강도를 갖는 집속광의 집광점이 피검 광학 소자의 표면에 존재한 경우에 있어서의 피검 광학 소자의 표면에 발생하는 상 및 피검 광학 소자의 이면에 발생하는 상의 모양을 나타내는 도면이다.
도 20(A) 및 도 20(B)은 각각 본 발명의 제 2 실시형태에 있어서의 피검 광학 소자의 두께 측정 장치의 광학 소자(61 및 62)의 형상의 개략을 나타내는 도면이다.
도 21은 본 발명의 제 3 실시형태에 있어서의 피검 광학 소자의 두께 측정 장치에 있어서, 피검 광학 소자(곡률 반경(r)＝∞의 평판)의 표리가 평면의 광학 소자에 집속광이 입사하고, 표면(512a)에서 굴절하여 이면에서 집광한 모양을 나타낸 도면이다.
도 22는 본 발명의 제 4 실시형태에 있어서의 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치에 의해 측정되는 피검 렌즈의 면 어긋남량의 정의를 설명하는 도면이다.
도 23은 본 발명의 제 4 실시형태에 있어서의 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치의 블록도이다.
도 24는 본 발명의 제 4 실시형태에 있어서의 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치에 대한 상세한 구성도이다.
도 25(A) 및 도 25(B)는 각각 본 발명의 제 4 실시형태에 있어서의 렌즈의 면 어긋남량 측정의 링형상의 광선으로 변환하는 광학 소자 및 핀홀형의 광학 소자의 형상의 개략을 나타내는 도면이다.
도 26은 본 발명의 제 4 실시형태에 있어서, 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치의 초기 설정 시에 있어서의 링형상의 집속광 및 렌즈 중심축 부근을 투과하는 평행 광선의 광로를 나타낸 도면이다.
도 27은 본 발명의 제 4 실시형태에 있어서, 피검 렌즈 제 1 면에 있어서의 반사 광선의 광축이 렌즈 중심축과 일치하지 않는 평행 광선이 되어서 반사하는 모양을 나타낸 도면이다.
도 28은 본 발명의 제 4 실시형태에 있어서, 피검 렌즈 제 1 면에 있어서의 반사 광선의 광축이 렌즈 중심축과 일치하는 평행 광선이 되어서 반사하는 모양을 나타낸 도면이다.
도 29는 본 발명의 제 4 실시형태에 있어서, 반사광 센서부로부터 각각 피검 렌즈에 조사되는 링형상의 집속광의 형상 및 피검 렌즈 제 1 면에서 평행 광선으로서 반사되는 모양을 나타내는 도면이다.
도 30은 본 발명의 제 4 실시형태에 있어서, 피검 렌즈의 제 2 면에 있어서 피검 렌즈에 발생한 면 어긋남량(Δ2)에 기인하여 평행 광선이 굴절한 모양을 나타내는 도면이다.
도 31은 본 발명의 제 4 실시형태에 있어서, 피검 렌즈의 렌즈 중심축에 광축이 맞춰진 집속광이 피검 렌즈에 입사하고, 렌즈 중심축에 대하여 경사한 평행 광선으로서 피검 렌즈로부터 출사하는 모양을 나타내는 도면이다.
본 발명의 측정 장치는 반사광 센서부의 광축으로부터 볼 때 광 강도 분포가 링형상인 집속광과, 피검 렌즈의 중심 부근에 조사되는 평행 광선을 동시에 조사하고, 반사광 센서부의 광축과 피검 렌즈의 광축을 맞춰 피검 렌즈의 표면을 반사한 광선 또는 피검 렌즈를 투과한 광선의 강도 또는 광로(예를 들면, 집광하는 위치)를 해석함으로써 피검 렌즈의 치수 또는 형상 특성을 측정하는 것이다.
여기에서 본 발명의 실시형태에 있어서의 측정 장치에 있어서 광 강도 분포가 링형상인 집속광과, 피검 렌즈의 중심 부근에 조사되는 평행 광선을 동시에 조사할 수 있는 링형상 집속광 조사 광학계(29)에 대해서 광선을 전파하는 순서를 따라 각 구성끼리의 관계 및 각 구성의 기능을 설명한다. 도 5는 링형상 집속광 조사 광학계(29)의 상세한 구성도이다.
우선, 광원(31)(예를 들면, 레이저 다이오드)은 콜리메이트 렌즈(32)의 초점 거리(f1)에 배치되고, 광원(31)으로부터 발사된 광선은 콜리메이트 렌즈(32)에 의해 평행 광선으로 변환된다. 링형상의 투과 구멍을 갖는 광학 소자(34)에 의해 상기 평행 광선은 평행한 링형상 광선(49a)으로 변환된다. 그리고 평행한 링형상 광선(49a)은 전파처에 배치된 초점 거리(f2)를 갖는 렌즈(35)에 의해 링형상 집속광(50a)이 되어서 출사된다. 한편, 광축의 중앙 부근의 평행 광선(49b)은 광학 소자(34)에 배치되어 초점 거리(f4)를 갖는 소경 렌즈(34b)에 의해 소경 렌즈(34b)로부터 초점 거리(f4) 떨어져서 위치하고 있는 점 N에서 집광한다. 그리고 점 N으로부터 초점 거리(f2) 떨어져서 위치하고 있는 초점 거리(f2)를 갖는 렌즈(35)에 의해 평행 광선(50b)으로 다시 변환된다. 이 결과 링형상 집속광 조사 광학계(29)는 링형상의 집속광(50a) 및 평행 광선(50b)을 동시에 출사할 수 있다. 또한, 링형상의 집속광(50a)과 평행 광선(50b)은 공통의 광축을 갖고 있다.
또한, 광학 소자(34)의 형상을 도 6에 나타낸다. 광학 소자(34)는 외측의 링형상 부품(34h)의 내측에 링형상 부품(34g)을 배치하고, 또한 내측의 링형상 부품(34g)에 초점 거리(f4)를 갖는 소경 렌즈(34b)가 배치된 구조인 광학 소자(34)는 링형상의 투과 구멍(34a)을 형성하고 있기 때문에 입사광을 소정 범위의 지름의 링형상 광선으로 변환해서 투과시킨다. 또한, 광학 소자(34)는 중앙 부근에 초점 거리(f4)를 갖는 소경 렌즈(34b)가 배치되어 있기 때문에 평행광을 집속광으로 변환한다. 또한, 광학 소자(34)는 소경 렌즈(34b)를 지지하는 프레임으로서 링형상 부품(34g)을 갖는다. 그리고 투과 구멍(34a)은 외측의 링형상 부품(34h)과 프레임 부품(34g) 사이에 존재하는 간극(공간)이 되기 때문에 외측의 링형상 부품(34h)과 프레임 부품(34g) 사이에는 지지 부품(34c~34f)을 배치한다.
링형상 집속광 조사 광학계(29)를 사용하여 피검 렌즈의 치수 또는 형상 특성을 측정하기 위해서는 링형상의 집속광(50a)이 피검 렌즈의 표면 또는 이면에서 반사한 광선의 반사각도 또는 광 강도를 해석할 필요가 있다. 그것을 위해서는 링형상 집속광 조사 광학계(29)에 반사광 검출부(48)를 설치한 예를 도 7에 나타낸다.
예를 들면, 링형상 집속광 조사 광학계(29)를 사용하여 피검 렌즈의 두께를 측정하기 위해서는 링형상의 집속광(50a)에 의해 피검 렌즈의 표면 또는 이면에 형성된 링형상의 상의 광 강도를 측정할 필요가 있다. 그 때문의 구체적인 구성으로서 광학 소자(34)와 콜리메이트 렌즈(32) 사이에 빔 스플리터(하프 미러)(33)를 광축에 대하여 대략 45°의 각도로 배치한다. 또한, 빔 스플리터(33)의 끝에는 반사광 검출부(48)를 배치한다. 이 반사광 검출부(48)는 링형상의 상으로부터 나오는 광선이 입사하는 순서를 따라 광학 소자(예를 들면, 링형상의 통과 구멍)(39), 렌즈(40), 최후에 렌즈(40)의 초점 거리(f3)에 CCD 카메라(41)에 배치되는 구성 요소로 이루어진다. CCD 카메라(41)에 입력되는 반사 광선의 강도 분포 또는 집광 위치를 해석함으로써 광축에 대한 반사 광선의 각도를 측정할 수 있다. 그리고 측정된 반사 광선의 각도에 의거하여 피검 렌즈의 형상 특성을 산출할 수 있고, 또한 후술하는 바와 같이 피검 렌즈의 광축을 조정할 수 있다.
또한, 광학 소자(39)는 상술한 소경 렌즈(34b)를 투과한 광을 차광하는 기능을 한다. 그리고 도 8에 나타내는 바와 같이 광학 소자(39)는 외측의 링형상 부품(39b)의 중심에 내측의 원형 부품(39c)을 배치한 구조가 됨으로써 링형상의 투과 구멍(39a)을 형성하고, 입사광에 대하여 소정 범위의 지름의 링형상 광선을 투과시켜 소정 범위의 지름 이외의 광선을 차단하도록 기능한다. 또한, 39a가 간극(공간)이 되기 때문에 지지 부품(39d~39g)을 배치하여 39b와 39c를 결합하는 구조로 한다.
실시형태 1
이어서, 본 발명의 제 1 실시형태로서 이상과 같이 설명한 링형상 집속광 조사 광학계(29)를 사용하여 피검 렌즈의 두께를 측정하는 측정 장치를 설명한다.
본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 광학 소자의 두께 측정 장치의 구성도를 도 9(A)에 나타낸다.
본 발명의 제 1 실시형태는 광축으로부터 볼 때 링형상의 광 강도를 갖는 집속광을 피검 광학 소자에 입사시켜서 링형상(고리형상)의 투과 구멍을 갖는 광학 소자를 통해 피검 광학 소자의 표면 및 이면의 상의 광 강도의 변화를 관측함으로써 피검 광학 소자의 두께를 측정하는 것이다. 피검 광학 소자로서는, 예를 들면 표면에 곡률이 있는 렌즈, 투명 기판이나 평탄한 유리판 등을 들 수 있다. 본 발명의 제 1 실시형태로서 표면의 곡률(r>0)이 볼록형상인 피검 렌즈의 두께를 측정하는 측정 장치를 설명한다.
측정 방법을 설명하기 전에 최초로 본 발명의 제 1 실시형태의 장치의 있어서의 2개의 조정을 설명한다. 또한, 제 1 실시형태에 있어서의 전체 구성도의 좌표계를 도 9(B)~도 9(D)에 나타낸다. 피검 광학 소자를 설치하는 피검 광학 소자 유지부(36)는 기준 평면(300)의 x축, y축, z축, 경사각(θx), 및 경사각(θy)을 조정하는 기능을 갖는 스위블 스테이지(43) 위에 설치된다. 그리고 피검 광학 소자(37)의 두께를 측정하기 전에 스위블 스테이지(43)의 x축, y축, 경사각(θx 및 θy)을 조정할 필요가 있다. 제 1 조정은 스위블 스테이지(43)에 피검 광학 소자 유지부(36)를 설치하는 기준 평면(300)이 집속광의 광축(Z)과 수직이라고는 할 수 없기 때문에 집속광의 광축(Z)과 피검 광학 소자 유지부(36)를 설치하는 기준 평면(300)이 수직이 되도록 조정(수직 이동)을 행한다. 이 조정을 위하여 스위블 스테이지(43)의 기준 평면(300)에는 도시되지 않은 미러를 설치한다. 그리고 미러의 반사광의 광축이 집속광의 광축(Z)과 일치하도록 경사각(θx 및 θy)을 조정한다. 이러한 조정은 본 발명의 광학 소자 두께 측정 장치의 초기 설정 시에 행해진다. 또한, 피검 광학 소자(37)를 광학 소자 유지부(36)에 설치할 때에 제 2 조정을 행한다. 이 제 2 조정 후에는 집속광의 광축(Z)과 피검 광학 소자(37)의 광축이 일치한다.
도 9(A)에 나타내는 바와 같이 제 1 조정을 행할 때, 본 발명의 제 1 실시형태의 장치에 있어서의 광학계(30)는 측정에 사용하는 집속광(50a)과 함께 스위블 스테이지 조정으로서 평행광(50b)을 사출한다. 광학계(30)로부터 평행광(50b)을 사출하면 스위블 스테이지(43)에 설치한 도시되지 않은 미러는 평행광(50b)을 반사한다. 그리고 그 반사광의 각도는 광학계(30)의 오토 콜리메이터부(47)에 의해 측정된다. 이어서, 그 반사광의 각도를 측정하는 원리를 설명한다. 우선 스위블 스테이지(43)에 광학 소자 유지부(36)를 설치하는 기준 평면(300)이 센서부의 광축(미러에 조사되는 평행광(50b)의 광축)과 수직이면 입사한 평행광(50b)의 방향으로 반사된다. 그리고 그 반사광은 입사의 경로와 역방향의 경로를 찾아가고, 빔 스플리터(하프 미러)(33)에 도달한다. 여기에서 반사광의 일부는 편향되어서 빔 스플리터(하프 미러)(38)를 향한다. 그래서 그 반사광은 빔 스플리터(하프 미러)(38)에 의해 편향되어서 투과 구멍(44a)을 갖는 광학 소자(44), 렌즈(45), 및 CCD 카메라(46)로 이루어지는 오토 콜리메이터부(47)에 입사한다. 또한, 오토 콜리메이터부(47)의 광학 소자(44)의 형상을 도 10에 나타낸다.
그리고 그 반사광은 처리부(42)와 케이블 접속되어 있는 CCD 카메라(46)의 수광면에 집광한다. 그 반사광이 수광면의 소정 위치에 집광하고 있으면, 기준 평면(300)이 집속광의 광축(Z)과 수직이라고 처리부(42)는 판정한다. 그러나 처리부(42)는 소정 위치에 집광하고 있지 않다고 판단했다면 그 집광 위치(CCD 카메라(41)로부터 송신된 디지털 데이터)에 의거하여 스위블 스테이지(43)의 경사각(θx) 및 경사각(θy)을 변화시켜서 소정 위치에 반사광이 조사되도록 스위블 스테이지(43)를 조정한다.
제 2 조정은 피검 광학 소자(37)를 광학 소자 유지부(36)에 설치할 때에 행하는 것이다. 도 11에 집속광이 피검 광학 소자의 표면에서 반사되는 모양을 나타낸다. 도 11에 있어서 피검 광학 소자(302)의 곡률 반경은 r, 반사광(303a, 303b)의 광축(Zr)과 집속광의 광축(Z)의 각도는 θ4이다. 그렇게 하면 측정축(피검 광학 소자(302)의 광축(Z'))과 집속광의 광축(Z)의 거리(h)는 θ4, 곡률 반경(r)을 사용하여 거리(h)=r·sin(θ4/2)와 같이 나타낼 수 있다. 여기에서 처리부(42)는 집속광 광축(Z)과 피검 광학 소자(37)의 광축(Z')이 일치하기 때문에 스위블 스테이지(43)의 x축 및 y축을 구동할 수 있다. 즉, 처리부(42)는 거리(h)=0의 상태로 조정할 수 있다. 도 11에 있어서는 볼록면의 표면을 광학계(30)를 향한 피검 광학 소자(302)를 피검 광학 소자 유지부(304)에 설치하고 있다. 처리부(42)가 피검 광학 소자(302)에 상기 볼록면의 최상부 점 T의 위치를 광학계(30)의 광축, 즉 집속광 광축(Z) 상에 일치시키는 원리는 이하에 설명한다. 우선, 도 11에 나타내는 바와 같이 광학계(30)의 집속광(301a, 301b)이 측정에 사용된다. 그리고 집속광(301a, 301b)은 피검 광학 소자(302)에 조사되면 평행한 반사광(303a, 303b)이 되어서 렌즈(35)를 향해 반사한다. 여기에서 집속광 광축(Z)에 피검 광학 소자(302)의 볼록부 또는 오목부의 위치가 일치(반사각도(θ4)=0)하고 있으면, 반사광(303a, 303b)의 광축은 집속광의 광축(Z)과 일치하고 있기 때문에 오토 콜리메이터부(47)에 있어서의 CCD 카메라(46)의 수광면의 소정 위치에 스폿이 조사될 것이다. 그리고 오토 콜리메이터부(47)에 있어서는 상기 반사광은 렌즈(45)의 초점 거리(f5)에 배치된 CCD 카메라(46)의 수광면에 있어서 스폿으로서 결상한다. 그러나 집속광 광축(Z)에 대한 반사광(303a, 303b)의 광축의 반사각도를 θ4로 하면 반사각도(θ4)=0이 아닐 경우 소정 위치에 스폿이 조사되어 있지 않은 것이 검출된다. 그래서 스위블 스테이지(43)에 대하여 x축 방향 및 y축 방향으로 이동하도록 조정하여 스폿을 소정 위치와 일치하도록 조정할 수 있다. 또한, 처리부(42)는 광학계(30)의 CCD 카메라(46)와 케이블로 접속되어 있으며, CCD 카메라(46)의 수광면에 조사된 스폿은 디지털 데이터로서 처리부(42)에 송신된다. 이 때문에 처리부(42)는 송신된 디지털 데이터에 의거하여 스폿 위치를 검출하고, 측정된 스폿 위치와 소정의 스폿 위치의 방향과 거리의 차분을 검출하고, 상기 차분에 의거하여 스위블 스테이지(43)에 대하여 x축 방향 및 y축 방향으로 피검 광학 소자 유지부(36)를 설치된 기준 평면(300)을 이동하도록 지시하여 스폿 위치와 소정 위치가 일치하도록 자동 조정하도록 해도 좋다. 반사각도(θ4)는 CCD 카메라(46)의 수광면상의 스폿(집광점)의 위치에 대응하고, 상기 위치에 의거하여 처리부(42)에 의해 반사각도(θ4)를 산출하도록 해도 좋다. 또한, 그때 처리부에는 CCD 카메라(41, 46)에서 수광한 상에 의거하여 처리부(42)에 의해 광 강도와 입사광의 각도(θ4)를 연산하고, 예를 들면 처리부(42)에 구비하는 PC의 모니터에 출력해서 표시하도록 해도 좋다.
또한, 볼록면을 광학계(30)를 향한 피검 광학 소자(37)를 피검 광학 소자 유지부(36)에 설치한 경우를 나타냈지만, 오목면을 광학계(30)를 향한 오목면 피검 광학 소자를 피검 광학 소자 유지부(36)에 설치했을 때의 오목면 피검 광학 소자에 오목면의 최하부의 위치를 광학계(30)의 광축, 즉 집속광 광축(Z)상에 일치시키는 조정을 행하는 경우에도 상술과 마찬가지로 조정을 행할 수 있다.
이어서, 링형상의 집속광(310)을 사용하여 얇은 광학 소자(예를 들면, 두께 200㎛ 이하의 렌즈)의 표면과 이면에 발생하는 상을 분리하는 효과적인 방법에 대해서 도 12~도 14를 사용하여 설명한다. 피검 광학 소자 유지부(36)에 설치된 피검 광학 소자(37)에 조사된 링형상의 집속광(310)의 피검 광학 소자(311)의 표면 및 이면에 발생하는 상을 도 12 및 도 13에 나타낸다. 또한, CCD 카메라(41)의 수광면 상에 결상되는 화상을 도 14에 나타낸다.
종래에 있어서는 센서부(20)로부터의 집속광(24)을 피검 광학 소자(21)에 조사시켜 광학 소자의 두께를 측정할 때 센서부(20)의 도시되지 않은 수광 소자에 결상한 피검 광학 소자(203)의 표면(203a)에 집광점(202)을 맞췄을 때에 발생하는 상(204a)은 이면의 상(204b)과 근접 또는 중복되기 때문에 도 3에 나타낸 바와 같이 분리가 곤란해진다는 문제가 있다.
그래서 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서는 도 12 및 도 13에 나타내는 바와 같이 집속광의 중심을 차광한 광다발(예를 들면, 링형상 또는 고리형상)을 사용함으로써 상기 문제를 해결하고 있다. 링형상(고리형상)의 집속광(310)이 피검 광학 소자(311)에 입사하고, 피검 광학 소자(311)의 표면과 공기의 경계 및 이면과 공기의 경계에 있어서의 반사광에 의해 2개의 상이 발생하는 경우가 도 12에 나타내어져 있다. 이들의 상에 대하여 설명한다. 우선, 집광점(312)이 표면(311a)에 존재할 경우, 표면(311a)의 상은 점이 되며, 이면의 경계에서는 작은 링형상의 이면상(313)이 형성되고, 이면(311b)의 경계에서 반사한 집속광은 표면(311a)에서 이면보다 큰 링형상(고리형상)의 표면상(314)을 형성한다. 이렇게 해서 링형상의 상(313)과 링형상의 상(314)은 겹치지 않고 분리된다. 또한, 도 13에 나타내는 바와 같이 집광점(322)이 이면(311b)에 존재할 경우 이면(311b)의 상은 점이 되며, 반사해서 표면(311a)에서 작은 링형상의 상(323)을 형성하고, 표면(311a)의 경계면에서 반사한 집속광은 이면(311b)에서는 표면(311a)의 링형상의 상(323)보다 큰 링형상(고리형상)의 상(324)을 형성한다. 이렇게 해서 링형상의 상(323)과 링형상의 상(324)은 겹치지 않고 분리되기 때문에 스위블 스테이지(43)를 z축 방향으로 이동시키면서 집광점(312)이 표면(311a)에 존재할 때에 표면(311a)에 형성된 링형상의 표면상(314)과, 집광점(322)이 이면(311b)에 존재할 때에 이면(311b)에 형성된 링형상의 이면상(324)을 효율 좋게 다른 상과 분리할 수 있다. 이 때문에 z축에 대한 광 강도 변화를 나타내는 그래프에 있어서 표면상(313) 및 이면상(324)의 광 강도에 의한 2개의 극대값(피크값)을 정밀도 좋게 검출할 수 있다. 이 결과, 2개의 광 강도에 대응하는 z축의 차에 의거하여 피검 광학 소자(37)의 두께(t)를 보다 높은 정밀도로 산출할 수 있다.
여기에서 CCD 카메라(41)의 수광면에서 검출되는 결상의 모양을 설명한다. 도 14(A)는 도 12의 표면상(314)이 CCD 카메라(41)의 수광면 상에서 결상한 링형상 표면 결상(402a)을 나타낸다. 상술한 바와 같이 광학 소자(34)는 링형상의 투과 구멍(34a)을 가지므로, 평행 광선이 투과 구멍(43a)을 통과해서 CCD 카메라(41)의 수광면에 조사되는 영역을 도 14의 점선으로 나타낸 외측 가상선(401a)과, 점선으로 나타낸 내측 가상선(401b)으로 끼워진 통과 영역(401c)과 같이 나타낼 수 있다. 이렇게 해서 표면상(314)으로부터의 광선이 광학 소자(34)의 링형상의 투과 구멍(43a)을 통과하도록 설계함으로써 표면상(314)의 광 강도를 다른 상에 광 강도에 영향을 받지 않고 CCD 카메라(41)에서 용이하게 검출할 수 있다. 마찬가지로, 도 14(B)는 도 13의 이면상(324)이 CCD 카메라(41)의 수광면 상에서 결상한 링형상 이면 결상(402b)을 나타낸다. 마찬가지로, 이면상(324)으로부터의 광선이 광학 소자(34)의 링형상의 투과 구멍(43a)을 통과하도록 설계함으로써 표면상(324)의 광 강도를 다른 상에 광 강도에 영향을 받지 않고 CCD 카메라(41)로 용이하게 검출할 수 있다. 이렇게 집광점(312)이 표면(311a)에 존재할 경우에 있어서 이면(311b)의 경계면에서 반사해서 형성된 링형상(고리형상) 집속광(314)도 집광점(322)이 이면(311b)에 존재하는 경우에 있어서, 이면(311b)의 경계면에서 반사해서 형성된 링형상(고리형상) 집속광(324)의 양쪽이 통과 영역(410c)의 범위에서 결상하도록 링형상의 투과 구멍(34a)의 내경 및 외형이 설계되어 있으면, 집광점(312)이 표면(311a)에 존재하는 경우의 광 강도 및 집광점(322)이 이면(311b)에 존재하는 경우의 광 강도를 z축에 대한 광 강도 변화의 극대값(피크값)으로 해서 효과적으로 확대하여 검출할 수 있다. 반대로 집광점이 표면(311a) 또는 이면(311b) 이외에 존재하는 경우에서는 표면상 및 이면상으로부터의 광선에 의해 결상된 링형상 표면 결상(404a) 및 링형상 이면 결상(404b)은 도 15(A)에 나타내는 바와 같이 링형상 표면상(404a)은 통과 영역(401c)으로부터 분리되는 부분이 존재하므로 상기 부분은 광 강도의 산출에 기여를 하지 않고, 처리부(42)에서 산출되는 광 강도를 효과적으로 감소시킬 수 있다. 특히, 집광점이 피검 광학 소자(37)의 표면으로부터 두께(t)/2 부근의 깊이에 존재할 때 도 15(B)에 나타내는 바와 같이 링형상 표면 결상(404c) 및 링형상 이면 결상(404d)이 완전히 차광되는 투과 구멍(34)의 내경 및 외형을 설계하면 z축에 대한 광 강도 변화의 극대값과 극소값의 z축 위치를 효과적으로 검출할 수 있다. 또한, 집광점의 상인 403a 및 403b는 광학 소자(34)에 차광되어 광 강도에는 기여하는 것은 아니다.
도 4 및 도 16에 피검 광학 소자(37)(두께 200㎛의 렌즈)의 실제 측정 결과의 그래프를 나타낸다. 상술한 바와 같이 도 4는 광축 단면의 광 강도 분포가 원형의 광다발을 사용한, 즉 링형상(고리형상)의 광다발을 사용하지 않고 측정한 z축에 대한 광 강도의 그래프이다. 이에 대하여 도 16은 본 발명의 제 1 실시형태의 링형상(고리형상) 집속광의 광다발을 사용해서 측정한 z축에 대한 광 강도의 그래프이다. 그래프로부터 판독한 광 강도의 극대값-극소값의 차는 각각 도 4에서는 「11」인 것에 대해서 도 16에서는 「70」이다. 이 결과, 피검 광학 소자(37)의 표면(311a)과 이면(311b)의 상의 광 강도를 효과적으로 분리할 수 있고, z축에 대한 피검 광학 소자의 표면 및 이면으로부터의 상의 광 강도 변화를 확대해서 측정할 수 있다. 이상과 같이 해서 처리부(42)는 측정 데이터에 의거하여 2개의 광 강도의 극대값(피크)을 검출하고, 2개의 극대값에 있어서의 z축의 차를 측정값(d)으로서 산출할 수 있다.
그러나 광학계(30) 및 처리부(42)를 사용해서 산출된 측정값(d)은 그대로는 피검 광학 소자(37)의 두께(t)로 할 수는 없다. 이 이유는 도 17에도 나타내는 바와 같이 집속광(501a, 501b)은 피검 광학 소자(502)의 표면(502a), 즉 피검 광학 소자(502)와 공기의 계면에서 굴절하기 때문이다. 표면(502a)의 집광점인 점 A의 위치의 측정은 굴절의 영향을 받지 않는다. 그러나 이면(502b)의 집광점인 점 B의 위치의 측정은 집속광의 굴절에 의해 영향을 받는다. 예를 들면, 피검 광학 소자(502)의 굴절률(n)을 고려하지 않을 경우 이면(502b)의 집광점으로서 집속광(501a와 501b)이 교차하는 점 E에 존재하는 것으로서 측정값(d)이 산출되는 점이 문제이다. 따라서, 피검 광학 소자(37)의 올바른 두께(t)를 산출하기 위해서는 상기 측정값(d), 집속광(501a, 501b)의 집광각(θ1), 피검 광학 소자(502)의 표면(502a)의 곡률 반경(r), 및 피검 광학 소자(502)의 재료의 굴절률(n)에 의거하여 피검 광학 소자(502)의 두께(t)를 산출할 수 있는 수식을 찾아낼 필요가 있다.
여기에서 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 피검 광학 소자(볼록형상 렌즈)(502)의 두께(t)를 산출하는 수식의 구하는 방법을 설명한다. 또한, 피검 광학 소자(502)의 표면 곡률 반경(r)(r>0), 굴절률(n), 및 집속광(501a, 501b)의 집광각(θ1)은 기지인 것을 전제로 하고 있다.
우선, 도 17은 집속광(501a, 501b)이 볼록면형상의 피검 광학 소자(502)에 입사하고, 피검 광학 소자(502)의 표면(502a) 내에 위치하는 점 C 및 점 F에서 굴절하여 이면(502b) 내의 점 B에서 집광하는 것을 나타낸 도면이다.
표면(502a)에 있어서의 집속광의 광축의 교점을 점 A, 이면(502b)에 있어서의 집광점을 점 B, 표면(502a)에 있어서 집속광(501a, 501b)이 굴절하는 위치를 점 C 및 점 F, 표면(502a)의 곡률 중심을 점 D, 및 표면(502a)에 있어서의 굴절을 고려하지 않는 집속광의 교점을 점 E로 한다. 이들로부터 선분 AE의 길이가 측정값(d)이며, 선분 AB의 길이가 광학 소자의 두께(t)에 대응한다. 또한, 집속광의 각도에 대해서는 집속광의 광축(Z)을 기준으로 하여 집광각을 θ1, 선분 BC와 광축(Z)이 이루는 각도를 θ2, 집속광(501a, 501b)과 표면(502a)의 교점의 점 C 또는 점 F와 표면(502a)의 곡률 중심인 점 D를 연결한 선의 각도를 θ3으로 한다. 이상과 같은 설정값을 사용하여 우선 굴절을 고려하지 않은 집속광, 즉 선분 CE를 나타내는 직선의 방정식과, 피검 광학 소자(502)의 표면(502a)을 나타내는 원의 방정식을 사용하여 점 C의 X좌표, 즉 집속광(501a, 501b)의 광축(Z)과 점 C의 거리(e)를 구한다. 이어서, 점 C의 X좌표인 e에 의거하여 θ3, 점 C, 및 점 F의 y좌표인 f, 및 Δ(=r-f)를 구한다. 그리고 스넬의 법칙을 사용하여 구한 θ2 및 점 C의 X좌표(e)로부터 점 C와 피검 광학 소자(502)의 이면(502b)의 거리인 g를 구한다. 이상의 결과를 사용하여 피검 광학 소자(502)의 두께(t)(=g+Δ)를 산출한다.
구체적으로는 광학 소자 표면의 곡률 중심의 점 D를 좌표의 원점으로 하고, 선분 CE는 경사 a 및 절편 b의 직선의 방정식인 수식 1로서 나타낼 수 있다.
[수식 1]
또한, 경사 a 및 절편 b는 수식 2, 수식 3으로서 나타낼 수 있다.
[수식 2]
[수식 3]
그리고 점 D를 좌표의 원점으로 하고, 피검 광학 소자(502)의 표면(502a)을 원의 방정식으로서 수식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수식 4]
수식 1 및 수식 4에 의해 점 C의 X좌표(e)(수식 5에서는 x로서 나타내어져 있다)를 산출하는 방정식은 수식 5와 같이 나타낼 수 있다.
[수식 5]
점 C와 집속광(501a, 501b)의 광축(Z)의 거리(e)는 근의 공식에 의해 수식 6과 같이 나타낼 수 있다.
[수식 6]
또한, 상기 직선과 원의 교점은 점 C, 점 C'의 2개가 있으며, 표면(502a)이 볼록면(r>0)일 경우에는 직선과 원의 교점을 점 C로 하고, 부호가 플러스(+)인 근을 사용한다. 또한, 도 18에서 나타내는 바와 같이 표면이 오목면(r<0)일 경우에는 직선과 원의 교점을 점 C'로 하고, 부호가 마이너스(-)인 근을 사용함으로써 대응할 수 있다.
이어서, 이하와 같이 길이(e)와 본 장치의 측정값(d), 광학 소자의 소재의 굴절률(n), 표면 곡률 반경(r), 집속광의 집광각(θ1)을 사용하여 피검 광학 소자(502)의 두께(t)를 산출할 수 있는 것을 설명한다.
도 17에 나타내는 바와 같이 집속광과, 표면의 교점의 점 C와, 표면의 곡률 중심을 연결한 선의 각도인 θ3은 길이(e) 및 표면 곡률 반경(r)을 사용하여 수식 7과 같이 나타낼 수 있다.
[수식 7]
또한, 점 C의 y좌표인 f는 θ3 및 표면 곡률 반경(r)을 사용하여 수식 8과 같이 나타낼 수 있고, 점 C의 Y좌표를 기준으로 하여 피검 광학 소자(502)의 표면(502a)의 최상점 A까지의 거리(Δ)는 수식 9와 같이 나타낼 수 있다.
[수식 8]
[수식 9]
그리고 스넬의 법칙을 사용하여 피검 광학 소자(502)의 표면(502a)에 있어서의 입사각(θ1-θ3), 굴절각(θ2-θ3), 및 피검 광학 소자(502)의 굴절률(n)의 관계를 수식 10과 같이 나타낼 수 있고, 수식 10을 변형해서 수식 11을 얻을 수 있다.
[수식 10]
[수식 11]
또한, 점 C로부터 피검 광학 소자(502)의 이면(502b)까지의 거리인 g는 수식 12와 같이 나타낼 수 있다.
[수식 12]
렌즈의 두께(t)는 수식 13과 같이 나타낼 수 있고, 수식 9~수식 13을 사용하여 수식 14와 같이 나타낼 수 있다.
[수식 13]
[수식 14]
이상과 같이 해서 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서 측정값(d), 피검 광학 소자의 재료의 굴절률(n), 표면 곡률 반경(r), 및 집속광의 집광각(θ1)을 사용해서 산출된 e에 의거하여 피검 광학 소자의 렌즈의 두께(t)를 산출할 수 있는 계산식을 찾아낼 수 있었다.
본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 피검 광학 소자(37)의 두께(t)의 측정의 순서를 설명한다. 우선, 광학계(30)의 광축, 즉 집속광 광축(Z)과 피검 광학 소자 유지부(36)의 기준 평면(300)에 수직 이동을 행한다. 상술한 바와 같이 광학계(30)의 광축과 광학 소자 유지부의 기준 평면(300)의 각도를 측정하고, 스위블 스테이지(43)에 의해 조정을 행한다.
이어서, 스위블 스테이지(43)의 x축 및 y축을 조정하여 xy 평면 내에 있어서 광학계(30)의 광축과 피검 광학 소자(37)의 광축을 일치시키도록 피검 광학 소자(37)의 위치를 조정한다. 구체적으로는 피검 광학 소자(37)를 피검 광학 소자 유지부(36)에 배치하고, 집속광이 피검 광학 소자(37)에 조사되면 피검 광학 소자(37)의 표면으로부터 평행 광선이 되어서 반사되고, 광학계(30)를 통과하여 오토 콜리메이터부(47)에 도달하여 CCD 카메라(46)에 결상을 한다. 결상을 한 스폿에 대하여 오토 콜리메이터부(47)의 CCD 카메라(46)의 수광면에 있어서의 스폿을 최소로 하여 소정 위치에 맞도록 피검 광학 소자(37)로부터 반사하는 평행 광선의 반사각도를 피검 광학 소자 유지부(37)를 설치한 스위블 스테이지(43)의 x축 및 y축에 의해 조정을 한다.
그리고 스위블 스테이지(43)를 z축 방향으로 이동함으로써 피검 광학 소자(37)를 z축 방향으로 이동시키고, CCD 카메라(41)의 수광면에 있어서의 링형상의 결상을 검지하여 디지털 데이터로 변환해서 처리부(42)에 송신한다. 처리부(42)는 z축의 값과 디지털 데이터에 의거하여 산출한 광 강도를 대응시킨 측정 데이터로서 기억한다. 처리부(42)는 측정 데이터에 의거하여 2개의 광 강도의 극대값(피크)을 검출하고, 2개의 극대값에 있어서의 z축의 차를 측정값(d)으로서 산출한다. 최후에 처리부(42)는 측정값(d), 피검 광학 소자의 재료의 굴절률(n), 표면 곡률 반경(r), 및 집속광의 집광각(θ1)을 사용하여 산출된 e에 의거하여 피검 광학 소자의 렌즈의 두께(t)를 산출한다.
실시형태 2
이어서, 본 발명의 제 2 실시형태에 대해서 설명한다. 제 2 실시형태에서는 1개의 링형상의 광선 대신에 복수의 광선, 예를 들면 도 19에 나타내는 4개의 광선을 가상의 링형상의 도형의 단면에 포함되도록 배치하여 본 발명을 실시할 수 있다. 집광점(320)이 피검 광학 소자(311)의 표면(311a)에 존재하면 4개의 이면상(333a, 333b, 333c, 333d)으로 이루어지는 상을 형성하고, 표면(311a)에 반사하여 334a, 334b, 334c, 334d로 이루어지는 상을 형성한다. 또한, 도 19에서는 4개의 집속광(331a, 331b, 331c, 331d)을 사용하지만, 2개 이상이면 복수의 광선의 개수는 한정되는 것은 아니다. 또한, 가상의 링형상의 도형 외주 및 내주(335a, 335b)에 끼워진 영역에 있어서의 각 집속광의 배치에 대해서도 가상의 링형상의 도형의 중심점을 기준으로 하여 0°, 90°, 180°, 270°의 방향으로 고정 배치될 필요는 없고, 임의의 방향을 선택하는 것이 가능하며, 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 광선의 광 강도 또는 광량의 배분에 대해서도 동일하게 하는 것에 한정되는 것은 아니고, 임의의 배분 비율을 선택해도 좋은 것이다. 또한, 제 2 실시형태에 있어서 사용한 4개의 광다발으로 이루어지는 집속광에 대응하도록 도 6의 광학 소자(34) 대신에 도 20(A)에 나타내는 4개의 원형의 통과 구멍을 갖는 광학 소자(61)를 사용하고, 또한 도 8의 광학 소자(39) 대신에 도 20(B)에 나타내는 4개의 원형의 통과 구멍을 갖는 광학 소자(62)를 사용해도 좋다. 광학 소자(61)는 도 20(A)가 나타내는 바와 같이 원형의 프레임(61a)의 중심에 소경 렌즈(61b)를 배치하고, 상기 중심을 기준점으로 하여 0°, 90°, 180°, 270°의 방향으로 통과 구멍(61c~61f)을 배치하는 구조로 되어 있다. 또한, 광학 소자(62)는 도 20(B)가 나타내는 바와 같이 원형의 프레임(62a)의 중심을 기준점으로 하여 0°, 90°, 180°, 270°의 방향으로 통과 구멍(62b~62e)을 배치하는 구조로 되어 있다. 또한, 상기 각 통과 구멍의 위치 및 직경은 측정에 사용하는 광다발의 개수 및 배치에 대응하여 설계하면 좋다.
실시형태 3
이어서, 본 발명의 제 3 실시형태에 대하여 설명한다. 제 3 실시형태에서는 피검 광학 소자(512)가 평판(r＝∞)일 경우의 피검 광학 소자(512)의 두께(t)를 산출하는 방법을 설명한다. 도 21은 피검 광학 소자(512)의 표리가 평면의 광학 소자에 집속광(501a, 501b)이 입사하고, 표면(512a)에서 굴절하고, 이면(512b)에서 집광한 모양을 나타낸 도면이다. 집속광의 각도에 대해서는 집속광의 광축(Z)을 기준으로 하여 집광각이 θ1, 그 표면에서 굴절한 각도가 θ6으로 한다.
스넬의 법칙을 사용하여 θ1 및 θ6의 관계는 수식 15와 같이 나타내고, 수식 15를 변형하면 θ6은 수식 16과 같이 나타낼 수 있다.
집속광(501a, 501b)과 표면(522a)의 교점의 X좌표, 즉 집속광(501a, 501b)의 광축(Z)과 교점의 거리를 i, 또한 굴절을 고려하지 않은 집속광의 집광점과 표면(522a)의 거리를 d로 하면 θ1은 수식 17과 같이 나타낼 수 있다.
[수식 15]
[수식 16]
[수식 17]
그리고 평판의 두께(t)는 수식 17 및 수식 18을 사용하여 수식 19와 같이 나타낼 수 있다.
[수식 18]
[수식 19]
이상과 같이 해서 본 발명의 광학 소자 두께 측정 장치(광학 소자 특성 측정 장치)에 있어서 측정값(d), 광학 소자의 소재의 굴절률(n), 및 집속광의 집광각(θ1)에 의거하여 평판의 두께(t)를 산출할 수 있다.
상기 예와는 달리 굴절률(n) 및 기지의 두께(t)를 갖는 표면과 이면이 평행한 피검 광학 소자(522)에 대하여 측정값(d)을 측정함으로써 본 발명의 장치의 광학 소자 두께 측정 장치 고유의 설정값이 되는 집속광의 집광각(θ1)을 결정하는 방법을 설명한다. 피검 광학 소자(522)에는, 예를 들면 유리판을 사용해도 좋다.
sinθ1, sinθ6은 각각 수식 20, 수식 21과 같이 나타낼 수 있고, 상술한 수식 15에 각각 대입하면 수식 22와 같은 관계가 발견된다.
[수식 20]
[수식 21]
[수식 22]
그리고 수식 22를 변형하면 i를 수식 23과 같이 나타낼 수 있고, 상기 수식 17을 사용하면 θ1은 수식 24와 같이 나타낼 수 있다.
[수식 23]
[수식 24]
이상과 같이 본 발명의 광학 소자 두께 측정 장치(광학 소자 특성 측정 장치)에 있어서 측정값(d), 광학 소자의 재료의 굴절률(n), 광학 소자의 기지의 두께(t)에 의해 집속광의 집광각(θ1)을 산출할 수 있다. 집광각(θ1)은 본 발명의 광학 소자 두께 측정 장치의 고유한 설정값이기 때문에 장치 고유의 집광각(θ1)을 얻어지도록 장치를 조정하는 등의 점검 작업에 의해 본 발명의 광학 소자 두께 측정 장치의 교정에 이용할 수 있다.
실시형태 4
본 발명의 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치(광학 소자 특성 측정 장치)는 반사광 센서부의 광축으로부터 볼 때 광 강도 분포가 링형상인 집속광과, 피검 렌즈의 중심 부근에 조사되는 평행 광선을 동시에 조사하고, 피검 렌즈의 렌즈 중심축(피검 렌즈 제 1 면의 법선)을 반사광 센서부의 광축과 일치하도록 조정하여 피검 렌즈를 투과한 광선의 집광점 위치를 측정함으로써 피검 렌즈를 회전시키는 일 없이 피검 렌즈의 면 어긋남량을 측정하는 것이 가능해지는 장치이다.
우선, 본 발명의 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치(광학 소자 특성 측정 장치)에 의해 측정되는 피검 렌즈(피검 광학 소자)의 면 어긋남량을 도 22에 나타내면서 정의를 한다. 도 22에 나타내는 바와 같이 본 발명의 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치에 있어서는 피검 렌즈(20)는 피검 렌즈 홀더(112)에 설치된다. 그리고 피검 렌즈 유지부(111)의 상면을 기준 평면(LS)으로 한다. 그리고 도 22에 나타내는 바와 같이 기준 평면(LS)에 수직인 피검 렌즈 제 1 면(20a)의 법선(LN1)상에 제 1 면의 구심(제 1 면의 중심점)(CN1)이 있으며, 기준 평면(LS)에 수직인 피검 렌즈의 제 2 면(110b)의 법선(LN2)상에 제 2 면의 구심(제 2 면의 중심점)(CN2)이 있는 배치로 되어 있다. 또한, 렌즈 홀더 유지 스테이지부(23)에 의해 렌즈 홀더(22)를 유지하는 피검 렌즈 유지부(111)를 지지하는 구성으로 되어 있어서 기준 평면(LS)이 확보된다.
이러한 배치에 있어서 각각 기준 평면(LS)에 수직인 피검 렌즈 제 1 면(표면)(110a)의 법선과 피검 렌즈의 제 2 면(이면)(110b)의 법선의 거리를 면 어긋남량(Δ2)으로 한다. 또한, 본 발명의 실시형태에 있어서는 피검 렌즈 제 1 면(110a)의 법선(LN1)을 피검 렌즈의 렌즈 중심축으로 정의하여 설명을 진행시킨다.
본 발명의 제 4 실시형태에 있어서의 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치(광학 소자 특성 측정 장치)의 블록도를 도 23에 나타낸다. 이하에 블록도를 사용하여 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치의 구성의 개략을 설명한다.
본 발명의 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치(120)는 도 23에 나타내는 바와 같이 피검 렌즈(121a)를 설치하는 피검 렌즈 홀더(121), 피검 렌즈 홀더(121)를 유지하고, 3축 방향으로 이동시켜서 2개의 축을 따라 회전(경사) 가능한 스테이지에 고정하는 렌즈 홀더 유지 기구 스테이지부(122), 광원(123a)으로부터의 광다발을 피검 렌즈(121a)가 반사한 광선의 광축에 대한 각도를 측정하는 반사광 센서부 오토 콜리메이터(123b)를 갖는 반사광 센서부(123), 피검 렌즈(121a)를 투과한 광선의 광축의 각도를 측정하는 투과광 센서부 오토 콜리메이터(124a) 및 광 센서부(124b)를 갖는 투과광 센서부(124), 투과광 센서부(124)를 3축 방향으로 이동시키고, 2개의 축을 따라 회전(경사) 가능한 스테이지에 고정하는 투과광 센서부 유지 기구 스테이지부(124c), 반사광 센서부 오토 콜리메이터(123b), 투과광 센서부 오토 콜리메이터(124a), 및 광 센서부(124b)의 출력에 의거하여 피검 렌즈(121a)의 면 어긋남량을 연산하는 데이터 처리부(125), 및 데이터 처리부(125)가 연산하는 면 어긋남량을 표시하는 모니터(26)로 구성되어 있다.
계속해서 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치(30)에 대한 상세한 구성도를 도 24에 나타내고, 구성도를 사용하여 설명한다.
렌즈의 면 어긋남량 측정 장치(130)는 피검 렌즈(131a)를 고정하는 피검 렌즈 홀더(131b)를 유지하는 기준 평면을 가진 5축(X, Y, Z, χ, φ) 이동 가능한 렌즈 홀더 유지 기구 스테이지부(131c)를 갖는 피검부(130a)와, 링형상의 집속광을 피검 렌즈(131a)에 조사하고, 렌즈 중심축에 대하여 피검 렌즈 제 1 면으로부터의 반사광 각도를 측정하는 오토 콜리메이터 기능을 내장하는 반사광 센서부(130b)와, 반사광 센서부(130b)로부터 링형상의 집속광과 동시에 조사되는 평행 광선이 피검 렌즈(131a)를 투과하는 투과 광선의 집광점 위치를 검출하는 기능과, 렌즈 중심축에 대한 투과 광선의 각도를 측정하는 오토 콜리메이터 기능을 내장하는 투과광 센서부(130c)와, 투과광 센서부(130c)를 유지하는 5축(X, Y, Z, χ, φ) 이동 가능한 스테이지부(139)와, 상술한 각 오토 콜리메이터의 측정 처리 및 집광점 위치 데이터로부터 면 어긋남량을 산출하는 기능과, 투과 광선의 각도로부터 면 어긋남량을 산출하는 기능을 갖는 데이터 처리부(130d) 및 표시부(30e)로 구성된다. 또한, 렌즈 홀더 유지 기구 스테이지부(131c)는 기준 평면을 가진 피검 렌즈 유지부(도시하지 않음)를 포함하는 것으로 해서 스위블 스테이지를 사용하도록 해도 좋다.
또한, 광원부(132)는 광원(예를 들면, 레이저 다이오드)(132a), 렌즈(초점 거리(f2))(132b)로 이루어져 평행 광선을 출사한다. 그리고 광원부(132)로부터 조사된 광선으로부터 링형상의 광선 및 집광 광선으로 변환하는 광학 소자(133)를 반사광 센서부(130b)에 배치한다. 그리고 링형상의 광선을 집속광으로 변환하고, 점 C에서 집광한 광선을 평행 광선으로 변환하는 렌즈(초점 거리(f4))(134)를 배치하여 피검 렌즈(131a)에 조사한다. 반사광 센서부 오토 콜리메이터부(136)에 피검 렌즈(131a)로부터 반사한 광선이 입사하기 직전에는 광학 소자(핀홀)를 배치한다. 그리고 광학 소자(133 및 135)의 형상을 각각 도 25(A) 및 도 25(B)에 나타낸다. 광학 소자(133)는 외측의 링형상 부품(133h)의 중심에 내측의 링형상 부품(133g)을 배치한 구조가 됨으로써 링형상의 투과 구멍(133a)을 형성하고, 입사광에 대하여 소정 범위의 지름의 링형상 광선을 투과시킨다. 또한, 중앙 부근에는 초점 거리(f5)를 갖는 소경 렌즈(133b)가 배치되어 평행 광선을 집속광으로 하는 기능을 갖는다. 또한, 소경 렌즈(133b)를 지지하는 프레임으로서 링형상 부품(133g)을 배치하고, 프레임 부품(133g)과 프레임 부품(133h) 사이에는 투과 구멍(133a), 즉 공간이 되기 때문에 지지 부품(133c~133f)을 배치한다. 광학 소자(135)는 외측 프레임(135b)의 중앙에 광선이 통과하는 투과 구멍(135a)을 배치한 구조이다.
최초에 피검 렌즈 홀더(131b)의 기준 평면(LS)을 반사광 센서부(130b)의 광축에 수직이 되도록 조정하기 위해서 피검 렌즈 홀더(131b)의 기준 평면(LS)에 평면 미러(도시하지 않음)를 설치한다. 그리고 반사광 센서부(130b)로부터 사출되는 평행 광선을 반사시켜 반사광 센서부(130b) 내에 있어서의 렌즈(초점 거리(f7))(136a) 및 반사광 센서부 수광 장치(136b)로 이루어지는 반사광 센서부 오토 콜리메이터(136)에 의해 반사 광선의 각도를 측정한다. 그리고 렌즈 홀더 유지 기구 스테이지부(131c)에 의해 반사광 센서부(30b)의 광축에 대하여 그 각도를 0°로 조정한다.
이어서, 반사광 센서부(130b)의 광축에 대하여 투과광 센서부(130c)의 XY면 위의 위치를 조정하는 것에 의한 투과광 센서부(130c)의 투과광 센서부 오토 콜리메이터(138) 및 투과광 센서부 광학계(137)(집광점 위치 검출용 수광 소자)의 원점 찾기를 한다.
본 발명의 제 4 실시형태의 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치의 초기 설정 시에 있어서 평 볼록 렌즈를 조정용 렌즈(142)로서 사용한다. 그때 링형상의 집속광(145a), 링형상의 반사 광선(145b), 및 렌즈 중심축 부근을 투과하는 평행 광선의 광로(146)의 모양을 도 26에 나타낸다. 또한, 조정용 렌즈(142)는 조정용 렌즈(142)의 볼록면을 반사광 센서부(141a)측을 향해서 피검 렌즈 홀더(143)에 세팅한다. 그리고 투과광 센서부(141b) 내의 투과광 센서부 오토 콜리메이터(도시하지 않음) 및 투과광 센서부 수광 장치(도시하지 않음)로부터 송출되는 화상 데이터를 데이터 처리부(141c)를 사용하여 처리한 화상을 모니터(141d)로 관찰하면서 집광점상이 최소 면적이 되도록 투과광 센서부 유지 기구 스테이지부(144)를 Z축 방향으로 조정한다. 상기 조정용 렌즈(142)가 평 볼록 렌즈이기 때문에 투과 광선의 집광점은 확실히 렌즈 중심축 위에 존재하기 때문에 투과광 센서부 오토 콜리메이터(도시하지 않음) 및 광 센서부(도시하지 않음)의 수광 소자 상의 위치를 원점으로 하여 데이터 처리부(140c)에 기억하고, 반사광 센서부(141a)와 투과광 센서부(141b)의 원점이 되는 XY위치를 고정할 수 있다. 이상과 같은 순서로 (조정용 렌즈(42)의)렌즈 중심축을 반사광 센서부(141a)의 광축과 일치시키며, 또한 평행 광선의 광로(146)를 (조정용 렌즈(142)의)렌즈 중심 부근에 조사되도록 한다.
이상, 설명한 바와 같이 반사광 센서부(130b)의 광축과 피검 렌즈 홀더(131b)를 유지하는 피검 렌즈 유지부(도시하지 않음)의 기준 평면(LS)의 수직 이동을 행한다. 또한, 피검 렌즈 홀더(131b)에 평면 미러를 세팅하고, 반사광 센서부(130b)로부터 조사되는 평행 광선을 반사시킨다. 그리고 반사광 센서부(30b)의 반사광 센서부 오토 콜리메이터(36)에 의해 광축에 대한 각도를 측정한다. 측정한 각도에 의거하여 피검 렌즈 홀더(131b)를 유지하는 피검 렌즈 유지부(도시하지 않음)의 각도가 반사광 센서부(130b)의 광축에 대하여 0°가 되도록 조정한다. 또한, 상기 피검 렌즈 유지부는 피검 렌즈 홀더(131b)를 유지하고, 상술한 피검 렌즈 유지부(111)와 마찬가지로 기준 평면(LS)을 형성한다.
본 발명의 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치(130)를 사용하여 피검 렌즈(131a)의 면 어긋남량을 측정하기 위한 사전의 광축 맞춤 및 피검 렌즈 홀더 유지부(131b)의 Z축 방향의 위치 조정에 대하여 이하에 간단하게 설명한다. 반사광 센서부(130b)의 오토 콜리메이터(136)에 의해 피검 렌즈(131a)로부터의 반사 광선의 각도를 측정하고, 측정 각도가 0°가 되도록 피검 렌즈 유지부(131b)를 유지하는 렌즈 홀더 유지 기구 스테이지부(131c)의 XY면 내의 위치를 조정함으로써 반사광 센서부(130b)의 광축(반사광 센서부(130b)로부터 조사되는 링형상의 집속광의 광축)과 렌즈 중심축을 일치시키는 것이 가능하다.
여기에서 본 발명의 제 4 실시형태에 있어서 피검 렌즈에 있어서의 반사 광선의 광축이 피검 렌즈 제 1 면의 중심축과 일치하지 않는 평행 광선이 되어서 반사하는 모양, 즉 조정되어 있지 않는 상태를 도 27에 나타낸다. 그리고 피검 렌즈에 있어서의 반사 광선의 광축이 피검 렌즈 제 1 면의 중심축과 일치하는 평행 광선이 되어서 반사하는 모양, 즉 조정된 상태를 도 28에 나타낸다.
우선, 피검 렌즈(150)를 그 피검 렌즈 홀더(151)(피검 렌즈 전용 렌즈 홀더)에 장착하고, 피검 렌즈 유지부(도시하지 않음)의 기준 평면(LS)에 설치한다.
이어서, 피검 렌즈 홀더(131b)를 Z축 방향으로 조정을 함으로써 반사광 센서부(130b)로부터 조사된 링형상의 집속광(152a, 152b)이 집광하는 집광점 위치(FP1)를 피검 렌즈 제 1 면(150a)과, 피검 렌즈 제 1 면(150a)의 구심(CN1)의 중간 위치로 이동시킨다. 이 결과 피검 렌즈 제 1 면(150a)으로부터의 반사 광선(152c, 152d)은 평행 광선이 되고, 반사광 센서부(30b)에 돌아가서 입사된다. 이 평행 광선은 또한 하프 미러(32c)에 있어서 90° 반사되어서 반사광 센서부(130b)의 반사광 센서부 오토 콜리메이터부(136)에 입사된다. 이 반사광 센서부 오토 콜리메이터부(136)에 의해 평행 광선과 렌즈 중심축(피검 렌즈 제 1 면의 법선)의 각도(θ0)를 측정할 수 있다. 그리고 이 각도(θ0)에 의거하여 집속광선이 집광하는 집광점 위치(FP1)와 렌즈 중심축(피검 렌즈 제 1 면의 법선)(LZ)의 피검 렌즈 홀더(131b)의 면 내 XY편차량을 산출할 수 있다. 이 XY편차량에 의거하여 렌즈 홀더 유지 기구 스테이지부(131c)를 XY면 내 이동시켜서 조정하고, 렌즈 중심축을 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치의 광축, 즉 링형상의 집속광의 광축과 일치시킨다. 이 조정에 의해 반사광 센서부(130b)로부터 동시에 조사되어 있는 평행 광선이 렌즈 중심축으로 평행하게 조사되고, 또한 피검 렌즈(131a)의 중심 부근에 조사되도록 조정된다.
또한, 반사광 센서부(130b)로부터 링형상의 집속광과 동시에 조사되어 있는 평행 광선의 광축은 링형상의 집속광의 광축과 일치하도록 조정되어 있기 때문에 본 발명의 제 4 실시형태의 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치(130)는 반사광 센서부(130b)로부터 조사되는 평행 광선의 광축을 기준축으로 해서 피검 렌즈 홀더 유지부(131b) 및 투과광 센서부(130c)의 광축을 각각의 스테이지 기구(렌즈 홀더 유지 기구 스테이지부(131c), 투과광 센서부 유지 기구 스테이지부(139))를 조정함으로써 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치 전체의 광축 맞춤을 행할 수 있다.
우선, 반사광 센서부(130b)가 조사하는 링형상의 집속광(수속광)의 집광점(FP1)을 피검 렌즈 제 1 면의 구심(CN1)과 피검 렌즈 제 1 면(150a)의 중간이 되도록 렌즈 홀더 유지 기구 스테이지부(131c)를 Z축 방향으로 이동한다. 이 상태에서는 렌즈 홀더 유지 기구 스테이지부(131c)를 XY평면으로 조정되어 있지 않고, 도 27에 나타내는 바와 같이 집속광(152a, 152b)의 광축(LF)과 렌즈의 중심축(피검 렌즈 제 1 면의 법선)(LZ)이 거리(XY편차량)(L1) 어긋나 있어서 반사 광선(152c, 152d)은 렌즈의 중심축(LZ)에 대하여 경사져 있다. 여기에서 렌즈 제 1 면(150a)으로부터의 반사 광선(152c, 152d)이 렌즈의 중심축(피검 렌즈 제 1 면의 법선)(LZ)과 평행한 광선이 되도록 렌즈 홀더 유지 기구 스테이지부(131c)를 XY평면 내에 있어서 이동시켜서 조정한다. 예를 들면, 피검 렌즈 제 1 면의 곡률 반경을 r1로 하면 거리(XY편차량)(L1)는 수식 25와 같이 나타내어진다.
[수식 25]
즉, 반사광 센서부의 오토 콜리메이터에 의해 각도(θ0)를 측정한다. 그리고 그 각도(θ0)가 0°가 되도록 피검 렌즈 홀더(131b)의 렌즈 홀더 유지 기구 스테이지부(131c)를 조정함으로써 반사광 센서부(130b)의 광축과 렌즈 중심축(LZ)을 일치시키는, 즉 거리(L1)=0이 되도록 조정하는 것이 가능하다. 이러한 조정에 의해 도 28에 나타내는 바와 같이 피검 렌즈 제 1 면(150a)에 있어서 집속광(162a, 162b)이 반사한 평행한 광선(162c, 162d)의 광축이 피검 렌즈 제 1 면의 중심축과 일치시킬 수 있다.
또한, 반사광 센서부(130b 또는 141a)로부터 각각 피검 렌즈(150)에 조사되는 링형상의 집속광(180a)의 형상 및 링형상의 강도 분포(180b)를 도 29에 나타낸다. 도 29에 나타내는 바와 같이 집속광(180a)의 광축에 대하여 수직인 면에 있어서 링형상의 강도 분포(180b)를 가진 광선이다. 피검 렌즈 제 1 면(150a)에서 링형상의 강도 분포(181b)를 유지한 평행 광선(181a)으로서 반사되는 모양을 나타낸다.
본 발명의 제 4 실시형태의 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치(130)의 초기 설정 방법, 특히 투과광 센서부(130c)의 광축각의 조정에 관해서 설명한다. 우선, 투과광 센서부(130c)의 광축을 반사광 센서부(130b)로부터 조사되는 광선의 광축을 기준으로 한다. 따라서 반사광 센서부(130b)로부터 광선을 렌즈(138a)에 의해 평행 광선으로 변환되고, 그 평행 광선은 투과광 센서부 광학계(137)에 입사한다. 그리고 투과광 센서부 광학계(137) 내의 렌즈(137a)를 사용하여 투과광 센서부 수광 장치(137b)에 집광하고, 그 평행 광선의 각도를 측정한다. 최후에 그 평행 광선의 각도에 의거하여 투과광 센서부(130c)의 투과광 센서부 유지 기구 스테이지부(139)를 이동시키고, 투과광 센서부(130c)의 광축 각도를 0°로 조정한다. 또한, 투과광 센서부 유지 기구 스테이지부(139)는 스위블 스테이지를 사용하도록 해도 좋다.
이어서, 본 발명의 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치(30)를 사용하여 도 30에 나타내는 피검 렌즈(150)의 투과 광선의 굴절 각도(θ1)의 측정값으로부터 피검 렌즈의 면 어긋남량(Δ2)을 산출하는 방법을 간단하게 설명한다. 피검 렌즈(150)에 렌즈 중심축에 평행한 평행 광선(Li)이 입사하고, 피검 렌즈의 제 2 면(150b)에 있어서 피검 렌즈(150)에 발생한 면 어긋남량(Δ2)에 기인하여 평행 광선(Li)이 굴절한 모양을 도 30에 나타낸다.
우선, 도 30에 나타내는 굴절한 각도(θ1)를 측정하기 위해서 투과광 센서부 광학계(137)를 사용한다. 투과광 센서부 광학계(137)는 렌즈(초점 거리(f11))(137a), 투과광 센서부 수광 장치(137b)로 이루어진다. 그리고 피검 렌즈(150)를 투과한 광선은 도 24에 나타내는 바와 같이 점 D에 있어서 일단 집광한 후 렌즈(초점 거리(f10))(138a)의 작용으로 평행 광선이 되어 하프 미러(138c)를 투과한다. 그리고 계속되는 렌즈(초점 거리(f11))(137a)의 작용에 의해 투과광 센서부 수광 장치(137b)에 있어서 광선은 집광한다. 이 때문에 투과광 센서부 수광 장치(137b)에 의해 집광점 위치를 검출할 수 있다. 또한, 투과광 센서부 광학계(137)에 있어서 도 24에 나타내는 바와 같이 점 D의 위치와 집광점 위치는 결상 관계에 있다. 이상과 같이 해서 그 집광점 위치의 XY위치 데이터에 의거하여 데이터 처리부가 θ1을 측정할 수 있다.
구체적으로는 피검 렌즈의 제 2 면의 최하점으로부터 집광점까지의 거리 B(이하, 「백 포커스(B)」 또는 간단하게 「B」라고 기재한다)를 후술하는 바와 같은 계산식을 사용하여 산출해둔다. 그리고 피검 렌즈(150)의 초점 위치에 있어서 평행 광선의 집광점의 XY위치를 측정하고, XY위치에 의거하여 렌즈 중심축(LZ) 위에 원점을 설정하여 편차량(Δ1)을 산출한다. 이어서, 피검 렌즈(150)의 제 2 면(150b)을 투과한 레이저 입사 평행 광선이 렌즈 중심축(LZ)을 기준으로 해서 굴절한 각도(θ1)를 편차량(Δ1) 및 백 포커스(B)를 사용하여 산출한다. 최후에 레이저 입사 평행 광선(Li)과, 제 2 면(150b)의 교점과, 제 2 면의 구심(곡률 중심)(CN2)을 연결한 선(L)으로 해서 렌즈 중심축(LZ)을 기준으로 한 선(L)의 각도(θ2)를 스넬의 법칙을 사용하여 산출한다.
구체적으로는 피검 렌즈의 제 2 면의 최하점으로부터 집광점까지의 거리 B(이하, 「백 포커스(B)」 또는 간단하게 「B」라고 기재한다)를 후술하는 바와 같은 계산식을 사용하여 산출해둔다. 그리고 피검 렌즈(150)의 초점 위치에 있어서 평행 광선의 집광점의 XY위치를 측정하고, XY위치에 의거하여 렌즈 중심축(LZ) 위에 원점을 설정하여 편차량(Δ1)을 산출한다. 이어서, 피검 렌즈(150)의 제 2 면(150b)을 투과한 레이저 입사 평행 광선이 렌즈 중심축(LZ)을 기준으로 해서 굴절한 각도(θ1)를 편차량(Δ1) 및 백 포커스(B)를 사용하여 산출한다. 최후에 레이저 입사 평행 광선(Li)과, 제 2 면(150b)의 교점과, 제 2 면의 구심(곡률 중심)(CN2)을 연결한 선(L)으로 해서 렌즈 중심축(LZ)을 기준으로 한 선(L)의 각도(θ2)를 스넬의 법칙을 사용하여 산출한다.
계속해서 피검 렌즈(150)의 면 어긋남량(Δ2)의 구체적인 계산 방법을 설명한다. 본 발명의 제 4 실시형태의 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치(130)에 있어서 면 어긋남량(Δ2)의 계산에 필요한 파라미터는 이하이다.
n: 피검 렌즈의 소재의 굴절률
r1: 피검 렌즈 제 1 면 곡률 반경
r2: 피검 렌즈 제 2 면 곡률 반경
t: 피검 렌즈의 두께
또한, 상기 파라미터는, 예를 들면 데이터 처리부(130d)에 설정해둔다. 또한, 본 발명의 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치(130)는 피검 렌즈(131a)의 중심 부근의 투과 광선을 사용하여 면 어긋남량(Δ2)을 측정한다. 이 때문에 피검 렌즈의 근축 위를 투과 광선은 투과하는 점에서 이하의 계산은 근축 근사에 의해 행한다.
우선, 피검 렌즈(150)의 두께(t), 굴절률(n), 제 1 면 곡률 반경(r1), 제 2 면 곡률 반경(r2)으로서 피검 렌즈(150)의 백 포커스(B)는 이하의 수식 26에 의해 산출할 수 있다.
[수식 26]
이어서, 피검 렌즈(150)의 제 2 면을 투과한 레이저 입사 평행 광선이 렌즈 중심축을 기준으로 하여 굴절한 각도(θ1)로 한다. 각도(θ1)는 기하학적 배치에 의거하여 편차량(Δ1) 및 백 포커스(B)를 사용하여 수식 27과 같이 나타내어진다.
[수식 27]
그리고 레이저 입사 평행 광선과 제 2 면의 교점(LN2)과, 제 2 면의 곡률 중심(CN2)을 연결한 선(L)으로 한다. 그리고 렌즈 중심축(LZ)을 기준으로 한 선(L)의 각도(θ2)를 수식 4에 나타내는 스넬의 법칙을 사용하여 산출할 수 있다. 그 결과, 렌즈 중심축(LZ)을 기준으로 한 선(L)의 각도(θ2)는 수식 28을 변형하여 수식 29에 나타내는 식으로서 나타낼 수 있다.
[수식 28]
[수식 29]
그리고 상기 수식 29를 사용하여 θ1을 소거하고, 수식 27을 수식 30과 같이 변형한다.
[수식 30]
여기에서 면 어긋남량(Δ2)은 기하학적 배치로부터 수식 31과 같이 나타내어 진다.
[수식 31]
수식 31에 수식 30을 대입하여 수식 32와 같이 변형할 수 있다.
[수식 32]
최후에 파라미터를 사용하여 B를 나타낸 수식 26을 사용하고, 수식 32로부터 B를 소거하면 수식 33이 얻어져서 집광점 편차량(Δ1), 피검 렌즈 제 1 면 곡률(r1), 피검 렌즈의 제 2 면 곡률(r2), 피검 렌즈의 렌즈 두께(t), 피검 렌즈의 굴절률(n)이라고 하는 설계 파라미터를 사용하여 피검 렌즈 제 1 면과 제 2 면의 면 어긋남량(Δ2)을 산출할 수 있다.
[수식 33]
또한, 수식 33을 사용해서 면 어긋남량(Δ2)을 산출할 경우 피검 렌즈가 볼록 렌즈, 오목 렌즈 중 어느 것이어도 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치(130)에 있어서는 링형상 집속광을 사용해도 면 어긋남량(Δ2)을 산출할 수 있다. 그때 링형상 집속광의 집광점은 피검 렌즈 제 1 면측(반사광 센서측)에 위치하는 초점(FF)(이후, 「전 초점 위치」라고 기재한다)으로부터 확산한다. 그리고 렌즈 중심축(LZ)을 기준으로 하여 피검 렌즈(150)를 투과한 투과 광선의 각도(θ1')를 측정하는 것에 의한 면 어긋남량(Δ2)의 산출 방법을 설명한다. 피검 렌즈(150)의 렌즈 중심축(LZ)에 광축이 일치한 집속광이 피검 렌즈(150)에 입사하고, 렌즈 중심축(LZ)에 대하여 경사한 평행 광선(LB)으로서 피검 렌즈(150)로부터 출사하는 모양을 도 31에 나타낸다. 상술한 수식 28을 수식 31에 대입하여 수식 34와 같이 면 어긋남량(Δ2)을 나타낼 수 있다. 단, 도 31에 있어서는 θ1, θ2 대신에 θ1', θ2'를 사용한다.
[수식 34]
수식 34를 사용하면 θ1'로부터 면 어긋남량(Δ2)을 산출할 수 있다. θ1'는 피검 렌즈의 제 2 면(150b)에 있어서 출사하는 평행 광선(LB)과 렌즈 중심축(LZ)의 각도이다. 이 때문에 투과광 센서부(130c)를 사용하여 θ1'를 측정할 수 있다. 투과광 센서부 오토 콜리메이터(138)에 있어서는 렌즈 중심축(LZ)이 기준이 되는 0°이기 때문에 투과광 센서부 오토 콜리메이터(138)에 의해 θ1'가 측정값으로서 얻어진다. 투과광 센서부 오토 콜리메이터(138)는 렌즈(초점 거리(f10))(138a), 투과광 센서부 수광 장치(138b) 및 하프 미러(138c)로 구성된다. 이 구성에 의해 피검 렌즈(150)를 투과한 평행 광선(LB)은 하프 미러(138c)를 통해 렌즈(초점 거리(f10))(138a)의 작용에 의해 투과광 센서부 오토 콜리메이터 수광 장치(138b)에 있어서 집광한다. 따라서, 투과광 센서부 오토 콜리메이터 수광 장치(138b)를 사용하여 집광점 위치를 검출할 수 있다. 최후에 그 집광점 위치의 XY위치 데이터에 의거하여 데이터 처리부가 θ1'를 측정할 수 있다. 또한, 수식 10을 사용해서 면 어긋남량(Δ2)을 산출할 경우 피검 렌즈는 볼록 렌즈에 한정된다.
이상, 본 발명의 제 4 실시형태의 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치에 의하면 반사광 센서부의 광축으로부터 볼 때 광 강도 분포가 링형상인 집속광과 피검 렌즈의 중심 부근에 조사되는 평행 광선을 동시에 조사하고, 피검 렌즈의 렌즈 중심축(피검 렌즈 제 1 면의 법선)을 반사광 센서부의 광축과 일치하도록 조정하여 피검 렌즈를 투과한 광선의 집광점 위치를 측정함으로써 피검 렌즈를 회전시키는 일 없이 피검 렌즈의 면 어긋남량을 측정하는 것이 가능해진다.
이상 설명한 바와 같이 피검 렌즈를 투과한 투과 광선의 각도(θ1')를 사용한 면 어긋남량(Δ2)의 산출 방법에 있어서는 피검 렌즈의 있어서의 상술한 전 초점 위치로부터 확산 광선을 조사시켜 피검 렌즈를 투과한 투과 광선의 방향과 렌즈 중심축의 각도를 측정함으로써 피검 렌즈를 회전시키는 일 없이 렌즈의 면 어긋남량을 측정하는 것이 가능해진다.
본 발명의 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치에 따르면 피검 렌즈 회전 기구가 불필요하게 되기 때문에 종래의 장치보다 간이한 구성이며, 게다가 측정 시간을 단축하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시형태를 설명했지만 상기 실시형태는 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것을 의도하고 있지 않다. 이들 신규인 실시형태는 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시형태나 그 변형은 발명의 범위나 요지에 포함됨과 아울러, 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함된다.
본 발명은 반사광 센서부의 광축으로부터 볼 때 광 강도 분포가 링형상인 집속광과 피검 렌즈의 중심 부근에 조사되는 평행 광선을 동시에 조사하여 피검 렌즈의 특성값의 측정에 적용할 수 있다. 특히, 200㎛ 이하의 박형의 피검 렌즈의 두께를 측정하는 장치 또는 피검 렌즈의 렌즈 중심축(피검 렌즈 제 1 면의 법선)을 반사광 센서부의 광축과 맞춰지도록 조정한 후 피검 렌즈를 투과한 링형상의 집속광 또는 피검 렌즈의 중심 부근에 조사되는 평행 광선의 집광점 위치를 측정함으로써 피검 렌즈를 회전시키는 일 없이 피검 렌즈의 면 어긋남량을 측정하는 것에 적용할 수 있다.
29: 링형상 집속광 조사 광학계 30: 광학계
31: 광원(예를 들면, 레이저 다이오드) 32: 콜리메이트 렌즈
33: 하프 미러 34: 광학 소자
34a: 링형상의 투과 구멍 34b: 소경 렌즈
39: 광학 소자 40: 렌즈
41: CCD 카메라 42: 처리부
43: 스위블 스테이지 44: 광학 소자
45: 렌즈 46: CCD 카메라
47: 오토 콜리메이터부 48: 반사광 검출부
50a: 집속광 50b: 평행광
110: 피검 렌즈(10) 110a: 제 1 면(10a)
110b: 제 2 면(10b) 111: 피검 렌즈 유지부
112: 렌즈 홀더
113: 렌즈 홀더 유지 스테이지부
120: 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치 121: 피검 렌즈 홀더
122: 렌즈 홀더 유지 기구 스테이지부 123: 반사광 센서부
123a: 광원
123b: 반사광 센서부 오토 콜리메이터 124: 투과광 센서부
124a: 투과광 센서부 오토 콜리메이터 124b: 광 센서부
124c: 투과광 센서부 유지 기구 스테이지부 125: 데이터 처리부
126: 모니터
130: 렌즈의 면 어긋남량 측정 장치 130a: 피검부
130b: 반사광 센서부 130c: 투과광 센서부
130d: 데이터 처리부 130e: 표시부
131a: 피검 렌즈 131b: 피검 렌즈 홀더
131c: 렌즈 홀더 유지 기구 132: 광원부
132a: 광원(예를 들면, 레이저 다이오드) 132b: 렌즈(초점 거리(f2))
132c: 하프 미러 133: 광학 소자(33)
134: 렌즈(초점 거리(f4))
135: 광학 소자(예를 들면, 핀홀)
136: 반사광 센서부 오토 콜리메이터
136a: 렌즈(초점 거리(f7)) 136b: 반사광 센서부 수광 장치
137: 투과광 센서부 광학계 137a: 렌즈(초점 거리(f11))
137b: 투과광 센서부 수광 장치
138: 투과광 센서부 오토 콜리메이터 138a: 렌즈(초점 거리(f10))
138b: 투과광 센서부 오토 콜리메이터 수광 장치
138c: 하프 미러
139: 투과광 센서부 유지 기구 스테이지부 141a: 반사광 센서부
141b: 투과광 센서부 141c: 데이터 처리부
141d: 모니터
142: 조정용 렌즈(평 볼록 렌즈) 143: 피검 렌즈 홀더
144: 투과광 센서부 유지 기구 스테이지부 145a: 링형상의 집속광
145b: 링형상의 반사 광선 146: 광로

Claims (12)

  1. 광축에 대하여 수직인 평면에 있어서 광 강도 분포가 링형상인 집속광과, 상기 광축 상에 광 강도 분포의 중심이 있는 평행 광선을 피검 광학 소자에 조사하는 링형상 집속광 조사광부를 구비한 광학 소자 특성 측정 장치로서,
    상기 피검 광학 소자의 상기 링형상 집속광 조사광부측에 있는 면을 표면, 상기 표면의 반대측을 이면으로 하고,
    상기 피검 광학 소자의 상기 표면 또는 상기 이면을 반사하고, 또는 상기 피검 광학 소자를 투과한 광선의 강도 또는 상기 광선의 광로를 해석함으로써 상기 피검 광학 소자의 형상 특성을 측정하고,
    상기 링형상의 집속광을 상기 피검 광학 소자에 조사하고, 상기 피검 광학 소자의 표면에 있어서 발생한 제 1 링형상 및 상기 피검 광학 소자의 이면에 있어서 발생한 제 2 링형상을 수광면에 결상시켜서 상기 제 1 링형상 및 상기 제 2 링형상의 광 강도를 산출하기 위한 데이터를 생성하는 반사광 검출부와,
    상기 피검 광학 소자가 상기 광축 방향으로 이동하는 거리에 대한 상기 광 강도의 변화에 의거하여 상기 피검 광학 소자의 두께를 산출하는 처리부를 구비하고,
    상기 피검 광학 소자는 렌즈이며,
    상기 데이터에 의거한 상기 제 1 링형상 및 상기 제 2 링형상의 광 강도의 변화에 있어서의 2개의 극대값을 검출하고, 상기 2개의 극대값에 대응하는 상기 피검 광학 소자의 이동 거리의 차인 측정값(d), 상기 피검 광학 소자의 재료의 굴절률(n), 상기 피검 광학 소자의 곡률 반경(r), 및 상기 곡률 반경(r)의 중심점과, 상기 광축과, 상기 집속광이 이루는 각인 상기 집속광의 집광각(θ1)을 사용하여 상기 피검 광학 소자의 렌즈의 두께(t)를 산출하는 것을 특징으로 하는 광학 소자 특성 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피검 광학 소자의 표면의 있어서의 상기 링형상의 집속광이 굴절하는 점 C와, 상기 피검 광학 소자의 이면에 있어서의 링형상의 집광점 B를 연결하는 선분 BC의 경사 a 및 절편 b를 각각,

    로 하고,
    상기 점 C와 상기 링형상의 집속광의 광축의 거리(e)를,

    을 사용하여 산출하고, 상기 곡률 반경(r)이 플러스(상기 피검 광학 소자가 볼록면인)인 경우 상기 거리(e)의 복합 동순의 부호가 플러스의 값을 채용하고, 상기 곡률 반경(r)이 마이너스(상기 피검 광학 소자가 오목면인)인 경우 상기 거리(e)의 복합 동순의 부호가 마이너스의 값을 채용하여 상기 피검 광학 소자의 렌즈의 두께(t)를

    를 사용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 광학 소자 특성 측정 장치.
  3. 광축에 대하여 수직인 평면에 있어서 광 강도 분포가 링형상인 집속광과, 상기 광축 상에 광 강도 분포의 중심이 있는 평행 광선을 피검 광학 소자에 조사하는 링형상 집속광 조사광부를 구비한 광학 소자 특성 측정 장치로서,
    상기 피검 광학 소자의 상기 링형상 집속광 조사광부측에 있는 면을 표면, 상기 표면의 반대측을 이면으로 하고,
    상기 피검 광학 소자의 상기 표면 또는 상기 이면을 반사하고, 또는 상기 피검 광학 소자를 투과한 광선의 강도 또는 상기 광선의 광로를 해석함으로써 상기 피검 광학 소자의 형상 특성을 측정하고,
    상기 링형상 집속광 조사광부는 광원, 제 1 광학 소자, 제 1 렌즈를 갖고,
    상기 광원, 상기 제 1 광학 소자, 상기 제 1 렌즈의 순서로 상기 광축을 따라 배치되고,
    상기 제 1 광학 소자는 상기 광축에 수직인 링형상의 간극이 형성되며, 상기 링형상의 간극의 내측의 지름보다 작은 지름을 갖는 제 1 렌즈가 배치되고,
    상기 링형상의 집속광을 상기 피검 광학 소자에 조사하는 상기 링형상 집속광 조사광부를 갖고, 상기 피검 광학 소자의 상기 표면에 있어서 반사한 링형상 평행 광선의 광축의 반사각도를 산출하기 위한 제 1 집광 위치 데이터를 생성하는 반사광 센서부와,
    상기 링형상 집속광 조사광부로부터 조사되어 상기 피검 광학 소자를 투과한 광선의 집광점 위치를 산출하기 위한 제 2 집광 위치 데이터를 생성하는 투과광 센서부와,
    상기 제 1 집광 위치 데이터에 의거하여 상기 반사각도를 산출하고, 상기 제 2 집광 위치 데이터에 의거하여 상기 피검 광학 소자를 투과한 광선의 상기 집광점 위치를 산출하는 데이터 처리부를 구비하고,
    상기 데이터 처리부는 상기 제 1 집광 위치 데이터에 의거하여 상기 피검 광학 소자의 렌즈 중심축과 상기 링형상 집속광 조사광부의 광축이 일치하도록 상기 피검 광학 소자의 위치를 조정하고, 상기 집광점 위치에 의거하여 상기 피검 광학 소자를 회전시키는 일 없이 상기 피검 광학 소자의 면 어긋남량(△2)을 연산하는 것을 특징으로 하는 광학 소자 특성 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 피검 광학 소자는 렌즈이며,
    상기 피검 광학 소자의 중심 부근을 투과한 투과 평행 광선의 상기 집광점 위치에 의거하여 산출한 편차량(△1), 상기 피검 광학 소자의 재료의 굴절률(n), 상기 피검 광학 소자의 상기 표면의 곡률 반경(r1), 상기 피검 광학 소자의 상기 이면의 곡률 반경(r2), 및 상기 피검 광학 소자의 두께(t)를 사용하여 상기 면 어긋남량(△2)을 계산하는 것을 특징으로 하는 광학 소자 특성 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 면 어긋남량(△2)을,

    을 사용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 광학 소자 특성 측정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 피검 광학 소자는 렌즈이며,
    상기 피검 광학 소자의 상기 반사광 센서부측의 초점에 집광한 집속광이 상기 피검 광학 소자를 투과한 투과 평행 광선의 상기 투과광 센서부에 있어서의 상기 집광점 위치에 의거하여 산출한 상기 투과 평행 광선의 굴절각(θ1'), 상기 피검 광학 소자의 재료의 굴절률(n), 상기 피검 광학 소자의 상기 이면의 곡률 반경(r2)을 사용하여 상기 면 어긋남량(△2)을 계산하는 것을 특징으로 하는 광학 소자 특성 측정 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 면 어긋남량(△2)을,

    을 사용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 광학 소자 특성 측정 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 링형상의 집속광 대신에 3개 이상의 복수개의 광다발을 원둘레 상에 대략 등간격으로 배치해서 이루어지는 비링형상의 집속광을 사용하는 것을 특징으로 하는 광학 소자 특성 측정 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 링형상 집속광 조사광부는 제 1 광학 소자를 갖고, 상기 제 1 광학 소자는 상기 광다발을 통과하는 복수의 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 소자 특성 측정 장치.
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