(57)【要約】    【課題】高精度に偏心量が測定できる偏心量測定機及び偏心測定方法、並びにこれを可能にする基準軸設定光学系を提供する。    【解決手段】イメージローテータ９と、リレーレンズ１０と、光反射部材１１と、移動機構２５を備え、所定の位置にある指標像に基づいて、第１の反射指標像と第２の反射指標像を形成する基準軸設定光学系である。  該第２の反射指標像は、光軸を挟んで前記第１の反射指標像と対称な位置に形成され、移動機構２５は、前記第１の反射指標像が形成される第１の移動位置と、前記第２の反射指標像が形成される第２の移動位置に、前記基準軸設定光学系の一部を移動させる。【選択図】図１
2005003667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イメージローテータと、リレーレンズと、光反射部材と、移動機構を備え、所定の位置にある指標像に基づいて、第１の反射指標像と第２の反射指標像を形成する基準軸設定光学系であって、
該第２の反射指標像は、光軸を挟んで前記第１の反射指標像と対称な位置に形成され、
前記移動機構は、前記第１の反射指標像が形成される第１の移動位置と、前記第２の反射指標像が形成される第２の移動位置に、前記基準軸設定光学系の一部を移動させることを特徴とする基準軸設定光学系。
【請求項２】
前記移動機構は、前記リレーレンズと前記光反射部材を移動させることを特徴とする請求項１に記載の基準軸設定光学系。
【請求項３】
前記リレーレンズが、第１のコリメートレンズと第２のコリメートレンズで構成され、
前記第１のコリメートレンズは、前記イメージローテータ側の焦点位置が前記所定の位置と一致するように配置され、
前記移動機構は、前記第２のコリメートレンズを移動させ、
前記第１の移動位置において、前記第２のコリメートレンズは光路中に配置され、
前記第２の移動位置において、前記第２のコリメートレンズは光路外に配置されることを特徴とする請求項１に記載の基準軸設定光学系。
【請求項４】
前記第１、第２のコリメートレンズが焦点距離可変な光学系であることを特徴とする請求項３に記載の基準軸設定光学系。
【請求項５】
第２の光反射部材とコーナーキューブを更に備え、
前記移動機構は、前記第２の光反射部材を移動させ、
第１の移動位置において、前記第２の光反射部材は光路中に配置され、
第２の移動位置において、前記第２の光反射部材は光路外に配置されることを特徴とする請求項１に記載の基準軸設定光学系。
【請求項６】
前記リレーレンズと前記第１の光反射部材と前記第２の光反射部材と前記コーナーキューブミラーが、前記光軸方向に移動できるようにしたことを特徴とする請求項５に記載の基準軸設定光学系。
【請求項７】
前記光軸から前記指標像までの距離と前記光軸から前記第１の反射指標像までの距離の比率と、前記光軸から前記指標までの距離と前記光軸から前記第２の指標像までの比率が、その絶対値において等しいことを特徴とする請求項１に記載の基準軸設定光学系。
【請求項８】
イメージローテータと、リレーレンズと、光反射部材と、前記リレーレンズと前記光反射部材の間に配置された光分岐部材と、コーナーキューブを備え、所定の位置にある指標像に基づいて、反射指標像を形成する基準軸設定光学系であって、
前記イメージローテータから前記光反射部材に至る光路において、第１の指標像が形成され、
前記イメージローテータから前記コーナーキューブに至る光路において、第２の指標像が形成され、
光軸を挟んで前記第１の指標像と対称な位置に、前記第２の指標像が形成されることを特徴とする基準軸設定光学系。
【請求項９】
前記コリメートレンズと前記光分岐部材と前記光反射部材と前記コーナーキューブミラーが前記光軸方向に移動できるようにしたことを特徴とする請求項８に記載の基準軸設定光学系。
【請求項１０】
前記リレーレンズが焦点距離可変な光学系であることを特徴とする請求項１又は８に記載の基準軸設定光学系。
【請求項１１】
前記指標像は光源の像あるいは、光源によって照明された指標部材の像であることを特徴とする請求項１又は８に記載の基準軸設定光学系。
【請求項１２】
被検物を保持する保持部材と、指標と、該指標を前記被検物に投影する投影光学系と、前記指標と前記保持部材の間に配置された第１の分岐部材と、該光分岐部材からの光を受ける光検出器と、演算処理ユニットと、請求項１又は９に記載の基準軸設定光学系を備えたことを特徴とする偏心量測定機。
【請求項１３】
前記投影光学系と前記被検物の間に配置され、前記光源からの光を前記基準軸設定光学系と前記被検物に向かわせる第２の光分岐部材を備え、
前記演算処理ユニットは以下の過程Ｓ１乃至Ｓ５を備えることを特徴とする請求項１２に記載の偏心量測定機。
前記イメージローテータを回転させて、前記第１の反射指標像の回転中心位置を算出する過程Ｓ１。
前記イメージローテータを回転させて、前記第２の反射指標像の回転中心位置を算出する過程Ｓ２。
前記過程Ｓ１及びＳ２から基準軸を求める過程Ｓ３。
前記被検物によって生じる指標像の位置を算出する過程Ｓ４。
前記過程Ｓ４で得た結果から、前記基準軸に対する前記被検物の偏心量を求める過程Ｓ５。
【請求項１４】
被検物及び基準軸設定光学系に向けて指標像を投影し、
前記基準軸設定光学系に備えられたイメージローテータを回転させて、第１の光路長での第１の反射指標像の回転中心位置Ｐ１を算出し、
前記イメージローテータを回転させて、第２の光路長での第２の反射指標像の回転中心位置Ｐ２を算出し、
前記回転中心位置Ｐ１と回転中心位置Ｐ２とから、前記基準軸設定光学系の基準軸を算出し、
前記被検物によって生じる反射指標像の位置Ｐ３を算出し、
前記基準軸と前記位置Ｐ３とから、前記基準軸に対する前記被検物の偏心量を求めることを特徴とする偏心量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基準軸設定光学系、並びに基準軸設定光学系を用いた偏心量測定機及び偏心測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学系において、光学面の偏心量を測定する方法として、オートコリメーション法がある。ここで、光学系はレンズ、プリズム、ミラーなどで構成されている。また、光学面はレンズ面、プリズム面、ミラー面等が含まれている。以下の説明では、光学系（以下、被検レンズ系とする。）はレンズで構成されているものとする。また、光学面（以下、被検面とする。）としてレンズ面を扱うが、プリズム面、ミラー面等が含まれても良い。
【０００３】
図１３は、オートコリメーション法を説明するための図である。この図において、被検レンズ系は、各レンズ面Ｓ１ 、Ｓ２ 、Ｓ３ 、Ｓ４ を有する。この各レンズ面が被検面となる。偏心量を測定しようとする被検面が、例えばレンズ面Ｓ４であるとする。この場合、レンズ面Ｓ４ の曲率中心位置に、光源Ｌ側から指標像を投影することになる。ただし、光源Ｌとレンズ面Ｓ４ の間には、レンズ面Ｓ１ 、Ｓ２ 、Ｓ３ が存在する。そのため、レンズ面Ｓ４ の見かけ上の曲率中心位置Ａに向かって、指標像Ｉ１を投影することになる。
見かけ上の曲率中心位置Ａに向かって入射した光（破線で示す光線）は、各レンズ面Ｓ１ 、Ｓ２ 、Ｓ３ を経て、レンズ面Ｓ４ の曲率中心位置に集光する。そして、レンズ面Ｓ４ でその一部の光が反射され、各レンズ面Ｓ１ 、Ｓ２ 、Ｓ３ を経てレンズ面Ｓ１から射出する。この射出した光（実線で示す光線）によって、反射指標像Ｉ２ が形成される。図１３では、反射指標像Ｉ２ は虚像である。このように、レンズ面Ｓ４ の曲率中心位置に投影された指標像Ｉ１は、各レンズ面Ｓ１ 、Ｓ２ 、Ｓ３及びＳ４により等倍結像されて反射指標像Ｉ２ を形成する。
【０００４】
ここで、レンズ面Ｓ４及びＳ１ 、Ｓ２ 、Ｓ３のいずれかの面が偏心していると、反射指標像Ｉ２ は測定基準軸Ｂ上には形成されない。すなわち、測定基準軸Ｂから離れた位置に、反射指標像Ｉ２ が形成される。したがって、指標像Ｉ１ の位置と反射指標像Ｉ２の位置とのずれの有無により、偏心量を測定することができる。このオートコリメーション法は、例えば、非特許文献１に記載されている。
【０００５】
なお、レンズ面Ｓ４ の曲率中心位置に投影された指標像Ｉ１は、被検レンズ系に入射する光によって形成された像であるので、物理的な構造を持たない。この指標像Ｉ１の基となるのは光源自体、あるいは、光源によって照明された指標部材である。すなわち、ここでの指標像Ｉ１とは光源の像、あるいは光源によって照明された指標部材の像である。なお、指標部材は、例えば、透明板に形成された不透明なパターンや、不透明な基板に形成された開口である。このパターンや開口部は、撮像素子で検出しやすいように、所定の形状（例えば、円や四角）となっている。
【非特許文献１】昭和５９年１月３１日  光学工業技術協会発行、著者  浅野俊雄の「レ          ンズ光学の理論と実務」
【特許文献１】特許2621119号公報
【０００６】
上記のように、測定基準軸Ｂに対し、全てのレンズ面に偏心がなければ、基測定準軸Ｂ上の投影位置Ａに、反射指標像Ｉ２ が形成される。しかしながら、何れかのレンズ面に偏心が存在すると、測定基準軸Ｂに対して垂直な方向に、反射指標像Ｉ２ が形成されることになる。図１３では、その方向のうち、紙面と平行な方向をＸ方向、紙面に垂直な方向をＹ方向としている。よって、図１３では、反射指標像Ｉ２ は、測定基準軸ＢからΔＸ、ΔＹほど離れた位置に形成されていることになる。このΔＸ、ΔＹを測定すれば、反射指標像Ｉ２ のレンズ面Ｓ４に対するフレ量Δ４ が求まる。なお、このフレ量は、測定基準軸Ｂを基準としている。
フレ量Δ４ は、被検レンズ系の各レンズ面の偏心量ε（ε１ 、ε２ 、ε３ 、ε４ ）と関数関係がある。そこで、被検レンズ系の第１面（レンズ面Ｓ１）側から順次、ε１ 、ε２ 、ε３ の算出を行う。続いて、レンズ面Ｓ４ について測定を行い、フレ量Δ４ を求める。そして、得られたフレ量Δ４ と各レンズ面の偏心量ε１ 、ε２ 、ε３ とから、該レンズ面Ｓ４ の偏心量ε４ の演算が行われ、該面の偏心量ε４ が得られる。なお、ここでの偏心量εとは、被検面と測定基準軸Ｂの交点において、被検面の法線と測定基準軸Ｂがなす角度である。
【０００７】
この原理を具体化する上で困難なのは、全ての面の測定にあたって、測定基準軸Ｂを一定に保たなければならないことである。しかしながら、見かけ上の曲率中心の位置は、一般に、各面ごとに異なっていて、広い範囲に存在する。そこで、指標像Ｉ１ を投影する光学系の位置を変えて、見かけ上の曲率中心の位置に、指標像Ｉ１ を投影することになる。この時、光学系を移動することで、測定基準軸Ｂが移動してしまう。すなわち、各被検面の測定ごとに、測定基準軸Ｂの位置が異なってしまうという問題があった。
【０００８】
この問題を解決して、測定基準軸を設定する方法として、特許文献１に記載されている基準軸設定光学系がある。特許文献１に記載された偏心測定機の要部を図１４に示す。この偏心測定機においては、光軸上に配置された被検レンズ系６と投影レンズ５との間に、斜設した半透明鏡８を配置している。そして、半透明鏡８の反射側光路に、基準軸設定光学系を設けている。この、基準軸設定光学系は、イメージローテータ９、コリメートレンズ１０及び反射鏡１１で構成されている。
偏心測定に際しては、光源１と投影レンズ５を移動調整して、指標を被検レンズ系６の被検面に投影する。被検面に形成された指標像Ｉ１は、該被検面によって反射され、その結果、反射指標像（以下、反射指標像Ｉ２Ａとする。）が形成される。この反射指標像Ｉ２Ａは、結像光学系（図では、投影レンズ５と兼用している）５により、撮像素子７の結像面７ａ上に投影される。よって、結像面７ａ上には、反射指標像Ｉ２Ａが再度結像した像が形成される。そこで、この結像面７ａ上に形成された像の座標を求める。
【０００９】
一方、基準軸設定光学系にも、半透明鏡８を介して指標が投影される。そこで、更にコリメートレンズ１０を移動調整し、反射鏡１１により反射指標像（以下、反射指標像Ｉ２Ｂとする。）を形成する。この反射指標像Ｉ２Ｂは、結像光学系５により撮像素子７の結像面７ａに投影され、反射指標像Ｉ２Ｂの像が形成される。この状態で、イメージローテータ９を回転させ、像の回転からその回転中心の座標を求める。この両者の座標差から、基準軸に対する被検面のフレ量を求めている。
この図１４において、２はコンデンサーレンズ、３は指標の基となる指標部材、４はハーフミラーである。光源１と指標部材３は、等価な対応関係を有するものとして一般に扱われる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、この基準軸設定光学系によれば、以下の場合には、基準軸が正確に求まらないという不具合があった。一つは、指標部材３の前記投影光学系による共役位置と、撮像素子７の結像光学系５による共役位置とが、正確に一致していない場合である。もう一つは、光源１もしくは指標部材３、或いは、指標部材３の像を検出する撮像素子７が、光軸方向にずれた場合である。後者におけるずれは、偏心測定機の振動や、偏心測定機による測定時の測定環境（温度や湿度等）の変化により生じる。
上記の状態において、指標像Ｉ１が、基準軸と直交する方向にずれた場合に、基準軸が正確に求まらないという不具合があった。このずれは、投影レンズ５のアライメントずれによって生じるもので、例えば、投影レンズ５を移動した際に、投影レンズ５が光軸に対して傾いた場合に生じる。また、投影レンズ５の振動や、偏心量測定時の偏心量測定機の測定環境変化等（以下、偏心量測定機の変化という）によっても生じる。
この場合、従来の基準軸設定光学系を用いても、投影レンズ５のアライメントずれを完全に補正した状態で、被検面のフレ量を求めることができなかった。
【００１１】
以下、アライメントずれにより、基準軸と直交する方向に、指標像Ｉ１がずれた場合を例に説明する。ここでは、被検レンズ系６の第１面の偏心量εを測定する場合を考える。なお、被検面で生じる反射指標像Ｉ２Ａは、第１面での反射によって形成されるものとする。
第１面の曲率半径をr 、第１面の位置から指標像Ｉ１の位置までの距離をｔ 、第１面の位置から反射指標像Ｉ２Ａの位置までの距離をｔ’ 、指標像Ｉ１の基準軸からのずれをh 、反射指標像Ｉ２Ａの基準軸からのずれをh’ とすると、球面の結像式より、以下の式（１）が成り立つ。
2005003667.tif 000003
また、反射指標像Ｉ２Ａの、第１面から見た方位角（ｔ’/ h’）と、指標像Ｉ１の第１面から見た方位角（ｔ/ h）との間には、以下の式（２）が成り立つ。
2005003667.tif 000004
以上の２式より、以下の（３）式が導かれる。
2005003667.tif 000005
ここで、r 及びt は既知であるから、h’ 、h を得ることができれば、第１面の傾きεを求めることができる。
【００１２】
また、第１面の球心（曲率中心）に指標像が投影された場合には、
t=r                                    (4)
であるため、（３）式は（５）式になる。
2005003667.tif 000006
この場合、εおよびｒは定数であるため、(h’+h)はｈによらず一定となる。そこで、h=0のときに、h’=Δとすると、
Δ=h’+h                                (6)
と表される。ゆえに、h≠0のときでも、(h’+h)が得られれば、Δを求めることができ、アライメントずれを補正したフレ量を求めることができる。
【００１３】
一方、基準軸設定光学系にも、指標像Ｉ１が投影される。この指標像Ｉ１は、基準軸設定光学系によって投影され、反射指標像Ｉ２Ｂが形成される。ここで、基準軸設定光学系での調整が十分であった場合、イメージローテータ９を回転させても、反射指標像Ｉ２Ｂは、ある点のまま動かない。一方、調整が不十分な場合、基準軸設定光学系の調整が十分であった場合の反射指標像を回転中心として、反射指標像Ｉ２Ｂは回転する。そこで、回転中心の基準軸からのずれをh” とすると、基準軸設定光学系は、以下の条件（７）を満足するように調整される。
h”=-h                                (7)
反射指標像Ｉ２A及び反射指標像Ｉ２Ｂが、撮像素子７上へ結像された時の結像光学系の倍率をβとし、撮像素子７上における反射指標像Ｉ２Aの位置をb’、撮像素子７上における反射指標像Ｉ２Ｂの回転中心の位置をb” とすると、以下の式（８）が成り立つ。
b’-b”=β(h’-h”)=β(h’+h)         (8)
よって、式（９）が導かれる。
h’+h = (b’-b”)/β                  (9)
【００１４】
ここで、第１面の球心（曲率中心）に指標像Ｉ１が投影された場合には、上述のように、
t=r                                    (4)
であるため、εは（５）式となる。
2005003667.tif 000007
この場合、(b’-b”)は、反射指標像Ｉ２Aと反射指標像Ｉ２Ｂの間隔を測定すれば求まる値である。すなわち、h’+hは撮像素子７で得られるので、εの値を求めることができる。なお、(b’-b”)は、撮像素子７上の原点（基準軸と撮像素子の交点＝撮像素子７上の基準軸の位置）に依存しない。そのため、(h’+h)の値を得るために、撮像素子７上の原点の位置を知る必要はない。
【００１５】
しかしながら、第１面の球心（曲率中心）に指標像Ｉ１が投影されなかった場合は、
t≠r                                    (10)
である。そのため、式（３）は、以下の式（１１）となる。
2005003667.tif 000008
式（１１）からわかるように、この場合は(h’+h)だけでなく、ｈの値が必要である。このｈの値を知るためには、撮像素子７上の原点位置を知る必要がある。しかしながら、従来の基準軸設定光学系では、ｈの値を測定することができない。
【００１６】
本発明は、上記のような偏心量測定機であっても、高精度に偏心量が測定できる偏心量測定機及び測定方法、並びにこれを可能にする基準軸設定光学系を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明による基準軸設定光学系は、イメージローテータと、リレーレンズと、光反射部材と、移動機構を備え、所定の位置にある指標像に基づいて、第１の反射指標像と第２の反射指標像を形成する基準軸設定光学系であって、該第２の反射指標像は、光軸を挟んで前記第１の反射指標像と対称な位置に形成され、前記移動機構は、前記第１の反射指標像が形成される第１の移動位置と、前記第２の反射指標像が形成される第２の移動位置に、前記基準軸設定光学系の一部を移動させることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明による基準軸設定光学系は、前記移動機構は、前記リレーレンズと前記光反射部材を移動させることを特徴としている。
【００１９】
また、本発明による基準軸設定光学系は、前記リレーレンズが、第１のコリメートレンズと第２のコリメートレンズで構成され、前記第１のコリメートレンズは、前記イメージローテータ側の焦点位置が前記所定の位置と一致するように配置され、前記移動機構は、前記第２のコリメートレンズを移動させ、前記第１の移動位置において、前記第２のコリメートレンズは光路中に配置され、前記第２の移動位置において、前記第２のコリメートレンズは光路外に配置されることを特徴としている。
【００２０】
また、本発明による基準軸設定光学系は、前記第１、第２のコリメートレンズが焦点距離可変な光学系であることを特徴としている。
【００２１】
また、本発明による基準軸設定光学系は、第２の光反射部材とコーナーキューブを更に備え、前記移動機構は、前記第２の光反射部材を移動させ、前記第１の移動位置において、前記第２の光反射部材は光路中に配置され、前記第２の移動位置において、前記第２の光反射部材は光路外に配置されることを特徴としている。
【００２２】
また、本発明による基準軸設定光学系は、前記リレーレンズと前記第１の光反射部材と前記第２の光反射部材と前記コーナーキューブミラーが、前記光軸方向に移動できるようにしたことを特徴としている。
【００２３】
また、本発明による基準軸設定光学系は、前記光軸から前記指標像までの距離と前記光軸から前記第１の反射指標像までの距離の比率と、前記光軸から前記指標像までの距離と前記光軸から前記第２の反射指標像までの比率が、その絶対値において等しいことを特徴としている。
【００２４】
また、本発明による基準軸設定光学系は、イメージローテータと、リレーレンズと、光反射部材と、前記リレーレンズと前記光反射部材の間に配置された光分岐部材と、コーナーキューブを備え、所定の位置にある指標像に基づいて、反射指標像を形成する基準軸設定光学系であって、前記イメージローテータから前記光反射部材に至る光路において、第１の指標像が形成され、前記イメージローテータから前記コーナーキューブに至る光路において、第２の指標像が形成され、光軸を挟んで前記第１の指標像と対称な位置に、前記第２の指標像が形成されることを特徴としている。
【００２５】
また、本発明による基準軸設定光学系は、前記コリメートレンズと前記光分岐部材と前記光反射部材と前記コーナーキューブミラーが前記光軸方向に移動できるようにしたことを特徴としている。
【００２６】
また、本発明による基準軸設定光学系は、前記リレーレンズが焦点距離可変な光学系であることを特徴としている。
【００２７】
また、本発明による基準軸設定光学系は、前記指標像は光源の像あるいは、光源によって照明された指標部材の像であることを特徴としている。
【００２８】
また、本発明による偏心量測定機は、被検物を保持する保持部材と、指標と、該指標を前記被検物に投影する投影光学系と、前記指標と前記保持部材の間に配置された第１の分岐部材と、該光分岐部材からの光を受ける光検出器と、演算処理ユニットと、上記の基準軸設定光学系を備えたことを特徴としている。
【００２９】
また、本発明による偏心量測定機は、前記投影光学系と前記被検物の間に配置され、前記光源からの光を前記基準軸設定光学系と前記被検物に向かわせる第２の光分岐部材を備え、前記演算処理ユニットは以下の過程Ｓ１乃至Ｓ５を備えることを特徴とする。
前記イメージローテータを回転させて、前記第１の反射指標像の回転中心位置を算出する過程Ｓ１。
前記イメージローテータを回転させて、前記第２の反射指標像の回転中心位置を算出する過程Ｓ２。
前記過程Ｓ１及びＳ２から基準軸を求める過程Ｓ３。
前記被検物によって生じる指標像の位置を算出する過程Ｓ４。
前記過程Ｓ４で得た結果から、前記基準軸に対する前記被検物の偏心量を求める過程Ｓ５。
【００３０】
また、本発明による偏心量測定方法は、被検物及び基準軸設定光学系に向けて指標像を投影し、前記基準軸設定光学系に備えられたイメージローテータを回転させて、第１の光路長での第１の反射指標像の回転中心位置Ｐ１を算出し、前記イメージローテータを回転させて、第２の光路長での第２の反射指標像の回転中心位置Ｐ２を算出し、前記回転中心位置Ｐ１と回転中心位置Ｐ２とから、前記基準軸設定光学系の基準軸を算出し、前記被検物によって生じる反射指標像の位置Ｐ３を算出し、前記基準軸と前記回転中心位置Ｐ３とから、前記基準軸に対する前記被検物の偏心量を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、高精度に偏心量が測定できる偏心量測定機および測定方法、並びにこれを可能にする基準軸設定光学系を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
図１に、基準軸設定光学系の第１の実施形態を示す。図１に示すように、基準軸設定光学系１００は、イメージローテータ９、リレーレンズ１０及び反射鏡１１を備える。イメージローテータ９は、その回転軸が基準軸設定光学系の光軸Ｉｉと一致するように配置されている。また、リレーレンズ１０も、その中心軸が光軸Ｉｉと一致するように配置されている。また、反射鏡１１は、その反射面が光軸Ｉｉと直交するように配置されている。また、移動機構２５によって、リレーレンズ１０及び反射鏡１１は、光軸Ｉｉに沿う方向に移動可能となっている。
このような構成において、基準軸設定光学系１００の所定の位置に、指標像Ｉ１ が投影される。すると、この指標像Ｉ１ を形成する光線は、リレーレンズ１０を通過し反射鏡１１に到達する。そして、この光線は反射鏡１１で反射され、再びリレーレンズ１０を通過して反射指標像Ｉ２を形成する。この時、リレーレンズ１０及び反射鏡１１が、図１（ａ）に示す第１の位置にあると、指標像Ｉ１ と同じ向きに反射指標像Ｉ２-１（第１の指標像）が形成される。一方、リレーレンズ１０及び反射鏡１１が、図１（ｂ）に示す第２の位置にあると、指標像Ｉ１ と反対の向きに反射像像Ｉ２-２（第２の指標像）が形成される。
【００３３】
ここで、本実施形態の基準軸設定光学系１００では、反射指標像Ｉ２-１と反射指標像Ｉ２-２が、光軸Ｉｉに対して対称な位置関係となるように、リレーレンズ１０及び反射鏡１１の位置が決定されている。この場合、イメージローテータ９から反射指標像Ｉ２-１までの距離と、イメージローテータ９から反射指標像Ｉ２-２までの距離は、等しい。また、光軸Ｉｉから反射指標像Ｉ２-１までの距離と、光軸Ｉｉから反射指標像Ｉ２-２までの距離も、その絶対値が等しい。また、光軸Ｉｉから指標像Ｉ１ までの距離は、図１（ａ）と（ｂ）で同じである。よって、指標像Ｉ１ と反射指標像Ｉ２-１によるずれの比率と、指標像Ｉ１ と反射指標像Ｉ２-２によるずれの比率も、絶対値が同じである。ただ、反射指標像Ｉ２-１と反射指標像Ｉ２-２とでは、その向きが異なるので比率の符号は逆である。
【００３４】
次に、基準軸設定光学系１００の作用について、図２を用いて説明する。ここでは、基準軸設定光学系１００は、偏心量測定機２００に組み込まれている。偏心量測定機２００は、光源１、第１のハーフミラー４、投影レンズ１２、撮像素子７を基本構成として備えている。
図２の構成では、光源１自身が指標の役目を果たしている。光源１より発した光は、第１のハーフミラー４でその一部が透過して、投影レンズ１２に向かう。この光は、投影レンズ１２により、その共役点ｍに光源１の像を形成する。この光源１の像が指標像Ｉ１ となる。投影レンズ１２より射出される光線の進行方向には、被検レンズ系６が配置されている。ここでは、被検面は６aである。よって、共役点ｍ、すなわち指標像Ｉ１ の位置は、被検面６aの見かけ上の曲率中心である。この見かけ上の曲率中心は、第１面６ｃ及び第２面６ｂを介して求まる被検面６aの曲率中心である。
共役点ｍに形成された指標像Ｉ１ からの光は、被検レンズ系６に入射する。そして、第１面６ｃ及び第２面６ｂを通過して、被検面６ａに到達する。被検面６ａで反射した光は、入射した光路を逆に戻り指標反射像Ｉ２を形成する。そして、この光は投影レンズ１２を通過し、ハーフミラー４を透過して撮像素子７に到達する。ここで、撮像素子７は、光源１と共役な位置に配置されている。このようにして、撮像素子７上には、指標反射像Ｉ２の像（以下、最終像Ｉ３とする。）が形成される。
【００３５】
上述のように、被検レンズ系６中の被検面６ａからの反射光を、撮像素子７上に結像させている。そのためには、投影レンズ１２と被検面６ａの少なくとも何れか一方を、その光軸方向に移動させて両者間の間隔を所定の値に設定すればよい。あるいは、投影レンズ１２と被検面６ａを移動させずに、投影レンズ１２を構成するレンズ群中の各レンズ間隔を調整してもよい。この場合は、投影レンズ１２の焦点距離を変化させたことになる。あるいは、投影レンズ１２を形成するレンズ材料の屈折率を変化させてもよい。あるいは、可変焦点レンズを用い、投影レンズ１２の焦点距離を変化させてもよい。ここで、可変焦点レンズは、レンズ形状の変化に伴うレンズの厚さの変化により、焦点距離を変化させることができるレンズである。
【００３６】
また、投影レンズ１２と被検レンズ系６との間には、第２のハーフミラー８が配置されている。よって、投影レンズ１２から被検レンズ系６に向かう光の一部が、ここで反射される。反射側の光路には、基準軸設定光学系１００が配置されている。第２のハーフミラー８で反射された光は、指標像Ｉ１’を形成する。第２のハーフミラー８から指標像Ｉ１’までの距離は、第２のハーフミラー８から指標像Ｉ１までの距離と同じである。
指標像Ｉ１’からの光は、イメージローテータ９、リレーレンズ１０を通過して反射鏡１１に到達する。ここで、指標像Ｉ１’からの光は反射され、再びリレーレンズ１０、イメージローテータ９を通過する。この時、リレーレンズ１０と反射鏡１１が図１（ａ）の位置にあると、指標反射像Ｉ２-１が形成される。指標反射像Ｉ２-１からの光は、第２のハーフミラー８で反射され、投影レンズ１２、ハーフミラー４を通過して撮像素子７に至る。このようにして、撮像素子７上には、指標反射像Ｉ２-１の像（以下、最終像Ｉ３-１とする。）が形成される。
ここで、リレーレンズ１０と反射鏡１１を図１（ｂ）の位置に移動させると、指標反射像Ｉ２-２が形成される。この場合、撮像素子７上には、指標反射像Ｉ２-２の像（以下、最終像Ｉ３-２とする。）が形成される。
【００３７】
図２の偏心量測定機２００において、被検レンズ系６の偏心量の測定に際し基準軸を求める方法について説明する。
図３に示すように、イメージローテータ９は、光源１とハーフミラー４とに対し、回転自在になっている。また、リレーレンズ１０は、イメージローテータ９の回転軸を光軸ｉ１ として配置されている。反射鏡１１は、この光軸ｉ１に直交して配置されている。ハーフミラー４を挟んで、イメージローテータ９の反対側には、スクリーン状の物体２４が光軸ｉ１ 方向に移動可能に配置されている。なお、この物体２４を撮像素子７と見なせばよい。
【００３８】
このような構成で、リレーレンズ１０と反射鏡１１の位置を変化させることで、指標反射像Ｉ２-１と指標反射像Ｉ２-２が形成される。そこで、まず、指標反射像Ｉ２-１が形成された状態で、イメージローテータ９を回転する。そうすると、最終像Ｉ３-１が撮像素子７上で回転するので、その回転中心の座標Ｂを求めることができる。続いて、指標反射像Ｉ２-２が形成された状態で、イメージローテータ９を回転する。そうすると、最終像Ｉ３-２が撮像素子７上で回転するので、その回転中心の座標Ｃを求めることができる。
上記座標Ｂ及びＣは、イメージローテータ９の回転軸を基準としている。そのため、偏心量測定機側の光軸が変化するようなことがあっても、上記座標Ｂ及びＣはその影響を受けない。したがって、座標Ｂと座標Ｃから求まる軸を基準軸とし、この基準軸が撮像素子７と交わる位置を求めれば、撮像素子７上での原点位置が求まる。
【００３９】
次に、図２の偏心量測定機を用いて、被検レンズ系６の第１面６cにおける偏心量ε1を測定する。
ここで、第１面６cの曲率半径をr1 、第１面６ｃの位置から指標投影位置までの距離をｔ1 、指標投影位置の基準軸からのずれをh1 、第１面６ｃによる反射像の基準軸からのずれをh1’ 、基準軸設定光学系の反射鏡１１からの第１の反射像の位置hm1” 、第２の反射像の位置hc1”とする。この場合、
hm1”=-h1                               (12)
hc1”=h1                                (13)
となる。ここで、
t1≠r1                                  (14)
の場合も含めると、偏心量ε1は、以下の式（１５）で表される。
2005003667.tif 000009
式（１５）を変形すると、式（１６）になる。
2005003667.tif 000010
この時、ε1、t1 、r1 は定数であるため、下記の式（１７）は、一定の値となる。
2005003667.tif 000011
ここで、h1=0,h1’=Δ1とすると、式（１８）となる。
2005003667.tif 000012
式（１８）において、t1 、r1 は既知である。そのため、(h1’+h1)とh1 を求めれば、Δ1を求めることができる。
【００４０】
ここで、式（１８）は、式（１４）に示すように、第１面の球心（曲率中心）に指標像Ｉ１が投影されなかった場合に得られる式である。ここで、前述のように、(h1’+h1)は従来の構成においても測定可能である。同様に、本実施形態の基準軸設定光学系１００においても測定できる。
一方、第１面の球心（曲率中心）に指標像Ｉ１が投影されなかった場合、h1 は従来の構成では測定できなかった。これに対して、本実施形態の基準軸設定光学系１００では基準軸が設定できるため、この基準軸を使って、撮像素子上の原点位置を求めることができる。その結果、本実施形態の基準軸設定光学系１００では、第１面の球心（曲率中心）に指標像Ｉ１が投影されなかった場合であっても、h1 を求めることができる。
【００４１】
より具体的には、以下のようにして求める。前述のように、指標反射像Ｉ２、Ｉ２-１及びＩ２-２は、投影レンズ１２によって撮像素子７上へ投影される。そのときの投影レンズ１２の倍率をβ1 とする。また、撮像素子７上における最終像Ｉ３、Ｉ３-１及びＩ３-２の位置を、それぞれb1’ 、bm1” 、bc1”とすると、以下の式（１９）が得られる。
b1’- bm1”=β1 (h1’-hm1”)=β1(h1’+h1)    (19)
よって、式（１９）は式（２０）となる。
h1’+h1= (b1’- bm1”)/β1                    (20)
また、
bc1”-bm1”=2h1β1                            (21)
から、
h1=(bc1”-bm1”)/(2β1)                       (22)
である。ここで、(b1’- bm1”)および(bc1”-bm1”)は、２つの点の間隔を測定すれば求まる値である。
以上のことより、(h1’+h1)とh1 を求め、Δ1を求めることができる。そして、Δ1が求まれば、式（２３）よりε1を求めることができる。
2005003667.tif 000013
【００４２】
以上、第１面６ｃの偏心測定について述べたが、他の面についても、同様にして求めることができる。例えば、第２面６ｂの偏心を求めてみる。指標の投影位置をt2 と、第１面６ｃによる第２面６ｂの球心位置の共役位置をc2 と、第１面６ｃによる第２面６ｂの面頂位置の共役位置をs2 とすると、以下の式（２４）及び（２５）が得られる。
t2’=t2-s2                                (24)
r2’=c2-s2                                (25)
そうすると、Δ2は、以下の式（２６）で表される。
2005003667.tif 000014
ここで、(h2’+h2)およびh2 は、第１面で測定したのと同様に測定可能である。
第２面６ｂの偏心量ε2は、第１面６ｃの偏心量ε1とΔ2との関数関係にあるため、第１面６ｃの偏心量ε1と、Δ2より演算して求めることができる。第３面６ａ以降も、第２面６ｂと同様にして偏心量を求めることができる。
【００４３】
なお、図２の偏心量測定機において、ハーフミラー８は、光路に対して挿脱可能な第２の反射鏡８ａ（図示されていない）に置き換えられてもよい。この場合、反射鏡８ａを投影レンズ１２の光軸から抜き去った状態で、指標反射像Ｉ２の座標Ａを求める。次に、反射鏡８ａを投影レンズ１２の光軸上に挿入する。そして、基準軸設定光学系１００を、図１（ａ）のように設定する。そして、この状態で、指標反射像Ｉ２−１の座標Ｂを求める。続いて、基準軸設定光学系１００を、図１（ｂ）のように設定する。そして、この状態で、指標反射像Ｉ２−２の座標Ｃを求める。
このような構成にすることで、撮像素子７上における指標反射像が、どこで反射されたものかを判別することが容易になる。また、ハーフミラー８を反射鏡８ａにしたことで、各反射像の光量を上げ、測定が容易になる。
【００４４】
図２に示す構成は、被検面の球心（曲率中心）に、指標像Ｉ１を投影することを基本としている。そのため、反射指標像Ｉ２の大きさは、指標像Ｉ１の大きさと同じである。よって、等倍状態で測定を行う偏心測定機である。このような偏心測定機では、光源、指標像Ｉ１、反射指標像Ｉ２、撮像素子７は、いずれも共役位置関係にある。このような偏心測定機において、例えば光学系の移動によって共役位置関係が維持できなくなり、被検面の球心（曲率中心）に指標像Ｉ１が投影されなかったとする。このような場合であっても、本実施形態の基準軸設定光学系１００であれば、被検面の偏心量を求めることができる。
【００４５】
この特徴は、被検面の球心（曲率中心）に、指標像Ｉ１を投影しない構成にも有効である。図４に示す偏心測定機は、被検面の球心（曲率中心）に、指標像Ｉ１を投影しないことを、積極的に利用した構成である。この場合、反射指標像Ｉ２の大きさは、指標像Ｉ１の大きさと異なる。よって、不等倍状態で測定を行う偏心測定機である。
【００４６】
図４に示す偏心測定機では、光源又は指標の投影光学系による共役位置と、結像光学系による共役位置とが、５０ｍｍ以上離れるようにしている。例えば、偏心測定に際し、測定対象である被検面の見かけ上の曲率中心位置の近傍に、他のレンズ面（以下、近接面という）の見かけ上の曲率中心位置が存在することがある。このような場合、この近接面での反射指標像の位置が、被検面での反射指標像の位置に近接してしまうことになる。これより、両者の区別が困難になる。そこで、上記のように構成すれば、両者を区別することができる。ただ、そのためには、被検面の球心（曲率中心）に、指標像Ｉ１を投影しない構成になってしまうのである。
【００４７】
図４に示す偏心測定機２００’について説明する。図２に示す偏心測定機２００と同じ構成については同じ番号を付し、説明は省略する。偏心測定機２００’と、図２に示す偏心測定機２００の違いは、光源１、ハーフミラー４及び投影レンズ１２の位置、及び補助光学系１４の有無である。偏心測定機２００’では、光源１、ハーフミラー４及び投影レンズ１２の位置を変えている。これにより、指標像Ｉ１の投影位置を、被検面６aの球心（曲率中心）からずらしている。この場合、指標反射像Ｉ２の位置も異なる。そこで、ハーフミラー４と撮像素子７との間に、補助光学系１４を配置している。このようにすることで、最終像Ｉ３が撮像素子７に形成される。
そこで、撮像素子７上における最終像Ｉ３、及びＩ３-１、Ｉ３-２の回転中心から、前述のように、被検面の偏心を求めることができる。
【００４８】
なお、偏心測定機２００’は、図２に示す偏心測定機２００において、光源１、ハーフミラー４及び投影レンズを光軸に沿って移動させ、ハーフミラー４と撮像素子７の間に補助光学系１４を挿入したものである。よって、それぞれに移動機構を設けることで、等倍結像状態での測定と、不等倍結像状態での測定とに切り替えることができる。よって、被検レンズ系の被検面の曲率に応じて、２つの測定方法を選択することができる。
【００４９】
また、図２の偏心量測定機において、ハーフミラー８は、第２の反射鏡８ａ（８ａは図示されていない）に置き換えられてもよい。そして、第２の反射鏡８ａを、光路に対して挿脱可能にしておけばよい。
なお、偏心量測定機の構成によっては、光源１もしくは指標の投影レンズ１２による共役位置Ｍと、撮像素子７の投影レンズ１２による共役位置Ｎとの間隔は、５０ｍｍ以下でも効果が得られる場合もある。
【００５０】
また、図３に示す構成で、移動可能な物体２４の位置が、光源１に対して共役な位置でないとする。この場合、図５に示すように、リレーレンズ１０を構成する各レンズの位置を調整すればよい。このように、リレーレンズ１０の焦点距離を変化させることにより、指標反射像を物体２４上に結像させることができる。
そして、イメージローテータ９を回転することにより、指標反射像の回転中心の座標Ｂ及びＣを求めることができる。また、２つの回転中心の中間点を中点Ｘとすると、中点Ｘが常にイメージローテータ９の回転軸上にある。そのため、移動可能な物体２４に対して、高精度な位置基準となる。これにより、１つの基準軸を設定することができる。
この場合、光軸i2 と光源１との離間距離ｈ５ がさらに大きくなるように、光源１の位置を変化させても、中点Ｘは変化しないので、精度良く基準軸を設定することができる。
【００５１】
図６に、基準軸設定光学系の第２の実施形態を示す。基準軸設定光学系１１０は、イメージローテータ９、リレーレンズ１０、ハーフミラー１５、コーナーキューブ１６及び反射鏡１１を備えている。イメージローテータ９は、その回転軸が基準軸設定光学系の光軸Ｉｉと一致するように配置されている。そして、イメージローテータ９は、光源１とハーフミラー４とに対して回転自在になっている。また、リレーレンズ１０も、その中心軸が光軸Ｉｉと一致するように配置されている。また、反射鏡１１は、その反射面が光軸Ｉｉと直交するように配置されている。また、ハーフミラー１５は、その透過反射面が光軸Ｉｉと４５度の角度となるように配置されている。そして、その反射側にコーナーキューブ１６が配置されている。
【００５２】
このような構成において、基準軸設定光学系１１０の所定の位置に、指標像Ｉ１ が投影される。すると、この指標像Ｉ１ を形成する光線は、リレーレンズ１０及びハーフミラー１５を通過し反射鏡１１に到達する。そして、この光線は反射鏡１１で反射され、再びリレーレンズ１０を通過して反射指標像Ｉ２を形成する。この時、指標像Ｉ１ と反対の向きに反射指標像Ｉ２-１（第１の指標像）が形成される。一方、ハーフミラー１５で反射された光は、コーナーキューブ１６に到達する。そして、コーナーキューブ１６で反射された後、ハーフミラー１５で反射され、反射像像Ｉ２-２（第２の指標像）が形成される。この時、ハーフミラー１５からコーナーキューブ１６までの距離を適当に設定すると、指標像Ｉ１ と同じ向きに反射像像Ｉ２-２（第２の指標像）が形成される。
【００５３】
ここで、本実施形態の基準軸設定光学系１１０では、反射指標像Ｉ２-１と反射指標像Ｉ２-２が、光軸Ｉｉに対して対象な位置関係となるように、ハーフミラー１５から反射鏡１１までの距離と、ハーフミラー１５からコーナーキューブ１６までの距離が決定されている。この場合、イメージローテータ９から反射指標像Ｉ２-１までの距離と、イメージローテータ９から反射指標像Ｉ２-２までの距離は、等しい。また、光軸Ｉｉから反射指標像Ｉ２-１までの距離と、光軸Ｉｉから反射指標像Ｉ２-２までの距離も、その絶対値が等しい。また、光軸Ｉｉから指標像Ｉ１ までの距離は、反射指標像Ｉ２-１と反射指標像Ｉ２-２で同じである。よって、指標像Ｉ１ と反射指標像Ｉ２-１によるずれの比率と、指標像Ｉ１ と反射指標像Ｉ２-２によるずれの比率も、絶対値が同じである。ただ、反射指標像Ｉ２-１と反射指標像Ｉ２-２とでは、その向きが異なるので比率の符号は逆である。
【００５４】
このように、本実施形態においても、反射指標像Ｉ２-１と反射指標像Ｉ２-２が形成される。よって、撮像素子７上における最終像Ｉ３、及びＩ３-１、Ｉ３-２の回転中心から、上述のように、被検面の偏心を求めることができる。
【００５５】
なお、本実施形態においても、図７に示すように、撮像素子７上投影される最終像Ｉ３-１、Ｉ３-２の位置を調整することができる。すなわち、図７に示すように、コリメートレンズ１０を、複数のレンズで構成する。このようにすることにより、各レンズの光軸方向の位置調整により、基準軸設定光学系の焦点距離の調整ができるようになっている。
【００５６】
また、図８に示すように、ハーフミラー１５に換えて反射鏡１５’を用いても良い。この場合、まず光軸上に反射鏡１５’のない状態で、指標反射像の回転中心を求める。次いで、反射鏡１５’を挿入して、この状態で指標反射像の回転中心を求める。そして、各指標反射像の回転中心の中点を求めるようにして、基準軸を設定しても良い。
【００５７】
また、本実施形態の基準軸設定光学系１１０を、偏心測定機２００に適用した構成を図９に示す。また、本実施形態の基準軸設定光学系１１０を、偏心測定機２００’に適用した構成を図１０に示す。なお、偏心測定機の構成、及び基準軸設定光学系の原理は同じなので、ここでは簡単な説明にとどめる。
測定に際して、例えば、投影レンズ１２をその光軸方向に移動させる。これにより、指標を被検レンズ系６の被検面６ａに投影する。そして、被検面６ａで反射された光によって、撮像素子７上に最終像Ｉ３を形成させる。この最終像Ｉ３の位置を、座標Ａとして求める。
次に、反射鏡１１から反射された光によって、撮像素子７上に最終像Ｉ３-１を形成させる。この最終像Ｉ３-１の位置を、座標Ｂとして求める。続いて、コーナーキューブミラー１６から反射された光によって、撮像素子７上に最終像Ｉ３-２を形成させる。この最終像Ｉ３-２の位置を、座標Ｃとして求める。
【００５８】
本実施形態においても、イメージローテータ９を回転させることで、指標像反射像Ｉ２-１及びＩ２-２について、それぞれの回転中心の座標Ｂ及びＣを求めることができる。そして、座標Ｂ及びＣの中間点である中点Ｘが、常にイメージローテータ９の回転軸上にある。そのため、座標Ｂと座標Ｃの中心は、偏心量測定機の変化があっても変動しない。そこで、座標Ｂと座標Ｃに基づいて、基準軸としての設定が可能になる。よって、この座標Ａ，Ｂ，Ｃから、基準軸に対する、フレ量が求められる。あるいは、撮像素子７上における最終像Ｉ３、及びＩ３-１、Ｉ３-２の回転中心から、上述のように、被検面の偏心を求めることができる。
【００５９】
なお、座標Ａ，Ｂ，Ｃを測定する順番はどのようにしてもよい。また、反射指標像Ｉ２-１を所定の大きさの像とするにあたっては、コリメートレンズ１０の焦点距離を変化させればよい。あるいは、コリメートレンズ１０、ハーフミラー１５、反射鏡１１の位置をそれぞれ調整してもよい。また、反射指標像Ｉ２-２を形成するにあたっても、同様にすればよい。
【００６０】
また、図９及び図１０の偏心量測定機では、次のようにしても良い。すなわち、反射鏡８ａを投影レンズ１２の光軸から抜き去った状態で、座標Ａを撮像素子７上で求める。次に、反射鏡８ａを投影レンズ１２の光軸上に挿入する。そして、反射鏡１５ａを光路から抜き去った状態で、イメージローテータ９を回転して、撮像素子７上の座標Ｂを求める。さらに、反射鏡８ａを投影レンズ１２の光軸上に挿入した状態で、反射鏡１５ａを光路中に挿入して、イメージローテータ９を回転して、撮像素子７上の座標Ｃを求める。
このような構成にすることで、撮像素子７上の反射像が、どこで反射されたものかを判別することが容易になる。また、ハーフミラー８，１５を反射鏡８ａ，１５ａにしたことで、各反射像の光量を上げ、測定が容易になる。
【００６１】
また、本発明の基準軸設定光学系を用いると、図２及び図９の構成により、従来のオートコリメーション法での偏心量測定が可能となる。また、図４、図１０の構成により、被検レンズ系６中の、２つ以上の面からの反射像が近接する場合でも、偏心量測定が可能となる。この場合、従来のオートコリメーション法の構成に対して、補助光学系１４を挿入するだけでよい。このようにすれば、撮像素子７の撮像面に対して各面からの結像位置を夫々ずらす、即ち各面からの反射像の結像位置の間隔を広げて偏心量を測定することが可能となる。
【００６２】
第１実施例
次に、図１１を用いて、本発明による偏心量測定機及び偏心量測定方法の一実施例を、第１実施例として説明する。図中、上記で説明したのと実質上同一の光学部材には、同一符号を付して説明する。
図１１（ａ）において、偏心量測定機のベース１７上の左側には、レンズ枠体取り付け台１８が配置されている。レンズ枠体取り付け台１８には、被検レンズ系６が収納されたレンズ枠体が載置されている。また、偏心量測定機のベース１７上の右側には、被検レンズ系６の光軸に対し、平行に移動自在な測定光学系取付用台座１９（以下台座という）が配置されている。
この台座１９は、直動送り手段により、平行移動し得るようになっている。直動送り手段は、ベース１７上に平行に取り付られた一対のガイド１７ａと、送りねじ２０を有する駆動モーター２１とからなる。台座１９上には、光源１と、コリメートレンズ２２と、ハーフミラー４と、投影レンズ１２と、結像レンズ１３と、補助光学系１４が配置されている。このような構成により、被検レンズ系６に向けて、指標もしくは光源（以下、指標という）の像を投影するようになっている。
ここで、コリメートレンズ２２は、光源１から発する光を平行光束にコリメートする。ハーフミラー４は、平行光束を透過光と反射光に分割する。投影レンズ１２は、ハーフミラー４で反射された光束を、被検レンズ系６に向けて集光投影する。結像レンズ１３は、被検レンズ系６中の被検面で反射された光を、撮像素子７上に結像させる。また、補助光学系１４は、ハーフミラー４と結像レンズ１３との間に、挿脱可能なように設置されている。
【００６３】
また台座１９上の投影レンズ１２と被検レンズ系６の間には、ハーフミラー８が配置されている。そして、ハーフミラー８の反射側には、反射鏡２３と基準軸設定光学系が設置されている。反射鏡２３は、ハーフミラー８で反射された光束を、基準軸設定光学系へ導くため配置されている。基準軸設定光学系は、イメージローテータ９と、リレーレンズ１０と、反射鏡１１とで構成されている。ここで、リレーレンズ１０は、イメージローテータ９の回転軸を光軸として配置されている。また、反射鏡１１は、光軸に直交して配置されている。
【００６４】
光源１からの光は、投影レンズ１２で所定の位置に集光される。本実施例では、光源が指標の役割を果たしている。よって、投影レンズ１２で集光された光束の集光点に、指標の像が形成される。そして、この指標像が、被検レンズ系６中の被検面６aで反射されて指標反射像が形成される。このとき、補助光学系１４を光路から抜いた場合には、指標像と反射指標像が被検レンズ系６の光軸方向の同じ位置になるよう、前記台座１９の位置を設定する（オートコリメート状態と呼ぶ）。
また、補助光学系１４を光路中に挿入した場合には、被検レンズ系６中の被検面６ａで反射された反射像が、投影レンズ１２、補助光学系１４、結像レンズ１３を通して、撮像素子上７に結像するように、台座１９の位置を設定する（不等倍状態と呼ぶ）。このとき、投影レンズ１２で形成される指標像の位置と、被検面６ａで反射されて形成される反射指標像の位置とが、被検レンズ系６の光軸方向に５０mm以上離れるように設定されていることが好ましい。このようにすることにより、オートコリメート状態では、他の面からの反射像が近接して測定が困難な場合でも、不等倍状態では測定が容易になることがある。
一つの被検面に対しては、オートコリメート状態と、不等倍状態のどちらかを選択して測定を行えばよい。
【００６５】
オートコリメート状態を選択した場合には、投影レンズ１２で形成された指標像の光の一部は、ハーフミラー８で反射される。そして、この光は反射鏡２３で反射され、更に反射鏡１１で反射され、反射指標像が形成される。この反射指標像は、更に投影レンズで撮像素子７上に投影される。この状態で、イメージローテータ９を回転させると、撮像素子７上に形成された像が回転する。そこで回転中心の座標を求めることで、被検面６ａからの反射光の基準軸に対するフレ量を求めることができる。即ち、前記（９）式より、オートコリメート状態では、基準軸がどこか分からなくても、(b’-b”)/βの値が基準軸からのフレ量と同じ量になる。ここで、b” は基準軸ではなくてもよい。
【００６６】
不等倍状態を選択した場合には、基準軸設定光学系から射出する反射指標像の光軸に対するずれの、基準軸設定光学系に入射する指標像の光軸に対するずれの比率が、それぞれ絶対値が等しく符号が逆となり、かつ、基準軸設定光学系から射出する反射指標像の位置がイメージローテータ９を基準として前記光軸方向で、等しくなるように、リレーレンズ１０と、反射鏡１１を光軸方向に移動させた２つの状態で、撮像素子７上に反射鏡１１による反射指標像の像を映し、イメージローテータ９を回転して、反射鏡１１による指標の反射像の回転中心の座標Ｂ，およびＣを求める。
座標Ｂと座標Ｃの中間座標位置を基準軸とすると、被検面からの反射光の基準軸に対するフレ量を求めることができる。
【００６７】
なお、以下のような方法でも良い。
撮像素子７とハーフミラー４との間に補助光学系１４を入れた状態にしておいて、ハーフミラー８で反射し、反射鏡２３で反射し、反射鏡１１で反射した光束の、イメージローテータ９を回転させたときの撮像素子７上で映される回転中心の座標Ｂを求めた後に、補助光学系１４を光路から抜き、基準軸設定光学系から射出する反射像の光軸に対するずれの、基準軸設定光学系に入射する指標の光軸に対するずれの比率が、それぞれ絶対値が１となり、かつ、基準軸設定光学系から射出する反射像の位置がイメージローテータ９を基準として前記光軸方向で、等しくなるように、リレーレンズ１０と、反射鏡１１を光軸方向に移動させた２つの状態で、撮像素子７上に反射鏡１１による指標の反射像を映し、イメージローテータ９を回転して、反射鏡１１による指標の反射像の回転中心の座標Ｂ１，およびＣを求めることで、被検面６aからの反射光の基準軸に対するフレ量を精度良く求めることができる。即ち、前記式（１８）及び（２６）において、h’n＋hn＝A−B、hn＝(B1＋C)/2及びrn,tnの値を被検レンズ系６の設計データと指標投影位置より計算して、求めることが出来る。
【００６８】
また、リレーレンズ１０が、イメージローテータ９の回転軸を光軸として配置された第１のコリメートレンズ１０ａと、光軸上に挿脱可能な第２のコリメートレンズ１０ｂとで構成されるようにし、第１のコリメートレンズ１０ａの前側（反射鏡１１とは反対の側）焦点位置と、基準軸設定光学系に入射する指標とを一致させ、第２のコリメートレンズ１０ｂを光軸上から抜き去った状態で、撮像素子７上に反射鏡１１による指標の反射像を映し、イメージローテータ９を回転して、反射鏡１１による指標の反射像の回転中心の座標Ｂ１を求め、第１のコリメートレンズ１０ａの前側焦点位置と、基準軸設定光学系に入射する指標とを一致させ、第２のコリメートレンズ１０ｂを光軸上に挿入し、基準軸設定光学系に入射する指標の前記第１および第２のコリメートレンズによる結像位置と、前記反射鏡の位置を一致させた状態で、撮像素子７上に反射鏡１１による指標の反射像を映し、イメージローテータ９を回転して、反射鏡１１による指標の反射像の回転中心の座標Ｃを求めることで、被検面６ａからの反射光の基準軸に対するフレ量を精度良く求めることができる。
このような構成にすることで、基準軸設定光学系から射出する反射像の光軸に対するずれの、基準軸設定光学系に入射する指標の光軸に対するずれの比率は、第２のコリメートレンズを光軸上に挿入したときには＋１になり、第２のコリメートレンズを光軸から外したときには−１になり、第２のコリメートレンズを光軸上に挿脱するだけで、基準軸設定光学系から射出する反射像の光軸に対するずれの、基準軸設定光学系に入射する指標の光軸に対するずれの比率が、それぞれ絶対値が等しく符号が逆となり、かつ、基準軸設定光学系から射出する反射像の位置がイメージローテータ９を基準として光軸方向で等しくなるため制御が簡単になる。
【００６９】
ハーフミラー８は、挿脱可能な反射鏡で構成しても良い。また、挿脱可能な補助光学系１４の代わりに、焦点距離可変の結像光学系を用いても良い。
【００７０】
第２実施例
次に、図１２を用いて、本発明の他の解決手段による偏心量測定機及び偏心量測定方法の一実施例を、第２実施例として説明する。図中、上記で説明したのと実質上同一の光学部材には、同一符号を付して説明する。
図１２において、偏心量測定機のベース１７上の左側には、被検レンズ系６が収納されたレンズ枠体を載置するレンズ枠体取り付け台１８が配置されている。また、偏心量測定機のベース１７上の右側には、被検レンズ系６の光軸に対し、平行に移動自在な測定光学系取付用台座１９（以下台座という）が配置されている。
この台座１９は、ベース１７上に平行に取り付られた一対のガイド１７ａと送りねじ２０を有する駆動モーター２１とからなる直動送り手段により、平行移動し得るようになっている。台座１９上には、被検レンズ系６に向けて偏心量測定用の指標もしくは光源（以下、指標という）の像を投影するように、光源１と、光源１から発する光を平行光束にコリメートするコリメートレンズ２２と、前記平行光束を透過光と反射光に分割するハーフミラー４と、ハーフミラー４で反射された光束を被検レンズ系６に向けて集光投影する投影レンズ１２と、被検レンズ系６中の被検面で反射された光を撮像素子７上に結像させる結像レンズ１３と、ハーフミラー４と結像レンズ１３との間に、挿脱可能なように設置された補助光学系１４が配置されている。
【００７１】
また台座１９上の投影レンズ１２と被検レンズ系６の間には、ハーフミラー８と、イメージローテータ９と、イメージローテータ９の回転軸を光軸として配置されたコリメートレンズ１０と、前記光軸を分割するハーフミラー１５と、ハーフミラー１５により分割された各光軸に直交して配置された反射鏡１１及びコーナーキューブミラー１６とで構成される基準軸設定光学系と、ハーフミラー８で反射された光束を、前記基準軸設定光学系へ導くための反射鏡２３が設置されている。
【００７２】
光源１からの光が投影レンズ１２で集光投影された光束の集光点に前記指標の像が形成され、この指標像が被検レンズ系６中の被検面６aで反射されて反射像が形成される。このとき、補助光学系１４を光路から抜いた場合には、指標像と反射像が被検レンズ系６の光軸方向の同じ位置になるよう、前記台座１９の位置を設定する（オートコリメート状態と呼ぶ）。また、補助光学系１４を光路中に挿入した場合には、被検レンズ系６中の被検面６ａで反射された反射像が、投影レンズ１２、補助光学系１４、結像レンズ１３を通して、撮像素子上７に結像するように、台座１９の位置を設定する（不等倍状態と呼ぶ）。このとき、投影レンズ１２で集光投影されて形成される指標像の位置と被検面６ａで反射されて形成される反射像の位置とが、被検レンズ系６の光軸方向に５０mm以上離れるように設定されていることにより、オートコリメート状態では、他の面からの反射像が近接して測定が困難な場合でも、不等倍状態では測定が容易になることがある。
一つの被検面に対しては、オートコリメート状態と、不等倍状態のどちらかを選択して測定を行えばよい。
【００７３】
オートコリメート状態を選択した場合には、投影レンズ１２で集光投影された指標像の一部は、ハーフミラー８で反射し、反射鏡２３で反射し、ハーフミラー１５を透過して、反射鏡１１で反射した光束の、イメージローテータ９を回転させたときの撮像素子７上で映される回転中心の座標を求めることで、被検面６ａからの反射光の基準軸に対するフレ量を求めることができる。即ち、前記（９）式より、オートコリメート状態では、基準軸がどこか分からなくても、(b’-b”)/βの値が基準軸からのフレ量と同じ量になる。ここで、b” は基準軸ではなくてもよい。
【００７４】
不等倍状態を選択した場合には、ハーフミラー８で反射し、反射鏡２３で反射し、ハーフミラー１５を透過して、反射鏡１１で反射した光束の、イメージローテータ９を回転させたときの撮像素子７上で映される回転中心の座標Ｂと、ハーフミラー１５で反射して、コーナーキューブミラー１６で反射した光束の、イメージローテータ９を回転させたときの撮像素子７上で映される回転中心の座標Ｃを求めることで、座標Ｂと座標Ｃの中間座標位置を基準軸とすると、被検面からの反射光の基準軸に対するフレ量を求めることができる。
【００７５】
なお、ハーフミラー８で反射し、ハーフミラー１５を透過して、反射鏡１１で反射した光束の、メージローテータ９を回転させたときの撮像素子７上で映される回転中心の座標Ｂと、ハーフミラー１５で反射して、コーナーキューブミラー１６で反射した光束の、イメージローテータ９を回転させたときの撮像素子７上で映される回転中心の座標Ｃとの差（距離に相当する）が小さくて、測定精度が落ちる場合には、以下のようにする。
【００７６】
撮像素子７とハーフミラー４との間に補助光学系１４を入れた状態にしておいて、ハーフミラー８で反射し、反射鏡２３で反射し、ハーフミラー１５を透過して、反射鏡１１で反射した光束の、イメージローテータ９を回転させたときの撮像素子７上で映される回転中心の座標Ｂを求めた後に、補助光学系１４を光路から抜き、台座１９の位置を設定した後に、ハーフミラー８で反射し、反射鏡２３で反射し、ハーフミラー１５を透過して、反射鏡１１で反射した光束の、イメージローテータ９を回転させたときの撮像素子７上で映される回転中心の座標Ｂ１と、ハーフミラー１５で反射して、コーナーキューブミラー１６で反射した光束の、イメージローテータ９を回転させたときの撮像素子７上で映される回転中心の座標Ｃを求めることで、被検面６aからの反射光の基準軸に対するフレ量を精度良く求めることができる。即ち、前記式（１８）及び（２６）において、h’n＋hn＝A−B、hn＝(B1＋C)/2及びrn,tnの値を被検レンズ系６の設計データと指標投影位置より計算して、求めることが出来る。
【００７７】
ハーフミラー８、１５は、それぞれ、挿脱可能な反射鏡で構成しても良い。また、挿脱可能な補助光学系１４の代わりに、焦点距離可変の結像光学系を用いても良い。
【００７８】
なお、移動可能な物体２４としては、スクリーンや、撮像素子などの固体の他に、半透明な気体、液体などでもよい。例えば、雲に光を投影して、その運動を調べることなどが可能である。
【００７９】
次に、その運動を測定する場合の一例を説明する。
ある一定の軸に沿ってロボットを移動させるために、ロボットに受光素子を設け、その受光素子で反射鏡１１とコーナーキューブ１６からの反射光を検出し、基準軸を求め、受光素子上の一定の位置が基準軸と一致するようにロボットの位置を補正する。ロボットの移動に伴い、基準軸設定光学系中のコリメートレンズ１０を調整することにより、ロボットの受光素子に常に焦点を合わせることができる。この合焦の際のコリメートレンズ１０の調整量および調整時間に対応して演算を行うことにより、ロボットの移動速度、移動距離等を求めることができる。
【００８０】
また、ロボットに光源を搭載するような構成にしてもよい。この場合は、基準軸の近傍に光源を位置せしめる。これにより、ロボットが基準軸をはずれても、基準軸を正確に求めることができる。即ち、ロボットに搭載された光源からの光束を、基準軸設定光学系の直前でハーフミラーにより分離して、フォーカス検出器に導き、ロボットまでの位置を求め、基準軸設定光学系中のコリメートレンズを調整し、ロボットの受光素子に常に焦点を合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明による基準軸設定光学系であって、第１実施形態を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態の基準軸設定光学系を適用した偏心測定機の構成を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態の基準軸設定光学系の作用を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態の基準軸設定光学系を適用した別の偏心測定機の構成を示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態の基準軸設定光学系の変形例を示す図である。
【図６】本発明による基準軸設定光学系であって、第２実施形態を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態の基準軸設定光学系の変形例を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態の基準軸設定光学系の別の変形例を示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態の基準軸設定光学系を適用した偏心測定機の構成を示す図である。
【図１０】本発明の第２実施形態の基準軸設定光学系を適用した別の偏心測定機の構成を示す図である。
【図１１】本発明の第１実施例であって、基準軸設定光学系を適用した偏心測定機の構成を示す図である。
【図１２】本発明の第２実施例であって、別の基準軸設定光学系を適用した偏心測定機の構成を示す図である。
【図１３】レンズ系の偏心測定装置の基本構成を示す図である。
【図１４】従来のレンズ系の偏心測定装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１                            光源
２                            コンデンサーレンズ
３                            指標
４                            ハーフミラー
５                            投影レンズ
６                            被検レンズ系
６a,６b,６c                   被検面
７                            撮像素子
７a                           結像面
８                            ハーフミラー
９                            イメージローテータ
１０                          リレーレンズ（コリメートレンズ）
１０ａ，１０ｂ                コリメートレンズ
１１                          反射鏡
１２                          投影レンズ
１３                          結像レンズ
１４                          補助光学系
１５                          ハーフミラー
１６                          コーナーキューブミラー
１７                          偏心量測定機のベース
１７a                         ガイド
１８                          レンズ枠体取り付け台
１９                          測定光学系取り付け用台座
２０                          送りねじ
２１                          駆動モーター
２２                          コリメートレンズ
２３                          反射鏡
２４                          物体（スクリーン）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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