(57)【要約】  【課題】非球面量が大きい被測定物に対しても、干渉縞を高精度に測定して、高精度に偏心を測定できる偏心測定装置を提供する。  【解決手段】光源部３’と、光軸上を可動な参照ミラー６と、ビームスプリッタ５と、ビームスプリッタ５で合成された光を撮像する撮像素子１０と、撮像素子１０で撮像された、光路中に置かれた被検レンズ系１に光束を通して得られた被検レンズ系１のｉ面（ただし、ｉは１〜ｎの範囲で段階的に参照ミラー６の位置を光軸上に移動させたときに参照ミラー６の波面と被検物の波面とが交わる被検レンズ系１の面位置）を含む反射光と参照ミラー６の反射光とによる干渉縞と、計算で求めた偏心に関するデータとから被検レンズ系１のｉ面の偏心を求める処理手段を有し、かつ、光源部３’を、可干渉距離が１０μｍを超えない超低コヒーレンス光源で構成する。【選択図】  図１ 
2005024505.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源部と、光軸上を可動に構成された参照ミラーと、前記光源部からの光を被検物側と前記参照ミラー側とに分割する光路分割手段と、被検物からの反射光と前記参照ミラーからの反射光とを合成する光路合成手段と、前記光路合成手段で合成された光を撮像する撮像素子と、前記撮像素子で撮像された、光路中に置かれた被検物に光束を通して得られた被検物のｉ面（ただし、ｉは１〜ｎの範囲で段階的に前記参照ミラーの位置を光軸上に移動させたときに該参照ミラーの波面と被検物の波面とが干渉する被検物の面位置）を含む反射光と前記参照ミラーの反射光とによる干渉縞と、計算で求めた偏心に関するデータとから被検物のｉ面の偏心を求める処理手段を有し、かつ、
前記光源部を、超低コヒーレンス光源で構成したことを特徴とする偏心測定装置。
【請求項２】
前記光源部を、可干渉距離が１０μｍを超えない広帯域の光源で構成したことを特徴とする請求項１に記載の偏心測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非球面を含む光学系の組み上がり偏心を測定する偏心測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
カメラ，デジタルカメラ，内視鏡等に用いられる光学系では、高性能を確保したうえで、小型化及び原価低減を図ることが求められる。そのため、これらの光学系では、非球面を多用してレンズ枚数を少なくする傾向にある。また、全レンズ面数の半数以上に非球面を用い、且つ、各非球面の非球面量を大きくした光学系も一般的になりつつある。そのため、組み上がり後の光学系において非球面の偏心があると、光学性能に大きな影響を与える。
【０００３】
そこで、近年、非球面を含む光学系に対する組み上がり偏心測定の重要度が大きくなっている。ここで、組み上がり偏心測定とは、光学系を組み上げた後に、光学系の各面がどのような姿勢で保持されているかを測定することである。また、この組み上がり偏心測定の対象になる光学系は、例えば、携帯用機器の撮影レンズ部組やデジタルカメラのレンズ部組等がある。
【０００４】
ところで、従来の光学系の組み上がり偏心測定装置としては、例えば、次の非特許文献１に示すような組上がり偏心測定機が提案されている。
【非特許文献１】ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ（１９９５）Ｎｏ．３，ｐ．１２０〜１２１  この偏心測定機を、図４を用いて簡単に説明する。２０１は光源であって、ここでは半導体レーザである。また、２０３は被検物であって、ここでは被測定レンズである。偏心測定機では、半導体レーザ２０１からのレーザ光を、測定用光学系２０２、ビームスプリッタ２０４を介して、被測定レンズ２０３の各面の曲率中心に対して順々に投射する。そして、この反射光によるスポット像を、ＣＣＤ２０７でとらえる。そして、演算処理部２１０で画像処理して、スポット像の位置検出することにより偏心を測定する。
【０００５】
その際、被測定レンズ２０３を回転させないため、ビームスプリッタ２０４で分けられた測定用光学系２０２の光軸の延長上に、イメージローテータ２０５を用いた基準軸設定用光学系２０６が設けられている。イメージローテータ２０５を回転させると、基準軸設定用光学系２０６を往復してきた光束のスポット像は、ＣＣＤ２０７の像面上で回転する。この回転中心が偏心の基準となる。そこで、像面上で回転するスポット像を、回転軌跡上の４点で画像取り込みをしてこれらの位置を求める。そして、これから回転の基準位置を求める。続いて、この基準位置に対する被測定レンズ２０３各面の球心像の振れ量を求める。このようにすることにより、組上がり偏心データが求められる。
【０００６】
しかしながら、図４に示すような組上がり偏心測定機は、精度がやや悪い上、非球面を含むレンズ系の各レンズの偏心がこの測定機単独では求めることができない。
【０００７】
そこで、従来、非球面を含む組上がり偏心を測定可能にした干渉装置として、例えば、次の特許文献１，２に示すような干渉測定機が提案されている。
【特許文献１】特開２００１−１４７１７４号公報
【特許文献２】特開２００２−５６１９号公報  特許文献１、２に記載の干渉測定機を図５を用いて説明する。この種の干渉測定機では、ＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  Ｄｉｏｄｅ）等の低コヒーレンス光源３から出射した光が、レンズ１４，４を経てほぼ平行光束になり、ビームスプリッタ５に入射し分割される。ビームスプリッタ５で分割された一方の光束ｌは、参照ミラー６に入射する。参照ミラー６は、図示省略した駆動手段を介して、図５のｘ方向に移動できるようになっている。
【０００８】
ビームスプリッタ５で分割された他方の光束ｍは、レンズ７，８と開口可変絞り９を経由して、被検レンズ系１に入射する。レンズ７，８の少なくとも一方は、光軸上を移動可動になっている。そこで、これらの位置を変化させることにより、被検レンズ系１における所望の被検面ｉの略球心に光束が入射するようになっている。面ｉで反射した光束は、開口可変絞り９、レンズ８，７を経由して、ビームスプリッタ５で光束ｌと重ね合わされる。そして、撮像素子１０に入射し、撮像される。撮像素子１０で撮像された情報は、電子回路１１，パソコン１２，ディスプレー１３からなるデータ処理装置で処理されるようになっている。
【０００９】
上記データ処理装置において、ビームスプリッタ５の中心から測定した光束ｌ，ｍの空気換算長をＬl，Ｌmとし、光源３からのコヒーレンス長をＳとする。ここで、Ｓは半値全幅で計るとしている。そうすると、
Ｌl−２Ｓ≦Ｌm≦Ｌl＋２Ｓ                            …(1)
のとき、２つの光束は干渉し、干渉縞が撮像素子１０上に形成される。
【００１０】
そこで、図５の干渉測定機においては、参照ミラー６をｘ方向に動かして上記条件式(1)を満足するようにすることで、面ｉからの反射光による干渉縞を撮像素子１０で受光する。そして、Ｌm＝Ｌlのとき干渉縞の強度はピークとなる。このとき参照ミラー６の位置から、組合せレンズ系１１のどの面で光が反射しているかを知ることができる。そして、各面の干渉縞強度がピークになる参照ミラー６の位置を知ることで、レンズ面間隔、レンズ厚等の光学系の面間隔を知ることもできる。
【００１１】
ここで、被検レンズ系が、組み合わせレンズ系であるとする。組合せレンズ系１における各面の偏心を求めるには、まず、参照ミラー６をｘ方向に移動して、第１面の干渉縞を撮像素子１０の上に形成する。そして、第１面の干渉縞のティルト成分から、第１面の偏心を求める。次いで、参照ミラー６をｘ方向に更に移動して、第２面の干渉縞のティルト成分から、見かけの第２面の偏心を求める。そうしたうえで、第１面の偏心を考慮して、組合せレンズ系１について光線追跡等を行うことによって第２面の偏心を求める。ｉ面が非球面の場合は、干渉縞の形状が球面の場合と異なるので、光線追跡等で求めた干渉縞の形状と比べることによって、非球面の偏心を求める。
【００１２】
あるいは、瞳面での干渉縞（フーリエ変換型ホログラムであれば撮像素子１０の上に形成される干渉縞そのもの）を再生する。そして、その縞の位相をＺｅｒｎｉｋｅ関数等に展開し、そのティルト成分、コマ成分等の非対称項の展開係数を、所定の展開係数と比較することによって、各面の偏心を求めることもできる。ここで、所定の展開係数とは、参照ミラー６の位置、撮像素子１０、組合せレンズ系１について光線追跡のシミュレーションで求めた波面の位相の展開係数である。
【００１３】
また、特許文献１、２に記載の干渉測定機では、複数の面からなる光学系の各面の偏心を求める手順が開示されている。この手順は、図６に示すように、まず、ｉ面（偏心を求める面）を含むホログラムを撮像し、再生像を作る（ステップＳ１）。これと並行して１面からｉ−１面までの既知の偏心データを用いて、ｉ面のティルト方向及びシフト方向の偏心εi，δiを変数にして干渉縞をシミュレーションし、再生像を作る（ステップＳ２）。次に、両再生像を比較し（ステップＳ３）、一致しないときは、偏心εi，δiの値を変えてシミュレーションを行い再生像を作り（ステップＳ２）、両再生像を比較し（ステップＳ３）、一致するまで繰り返す。そして、両再生像が一致したときの偏心εi，δiの値をもってｉ面の偏心とする（ステップＳ４）。全ての面について偏心を求めたかをチェックし（ステップＳ５）、全ての面について求め終えていない場合には、次の面をｉ面として、再度ステップＳ１〜Ｓ５の処理を繰り返す。これにより全ての面の偏心が求まることになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、特許文献１、２に記載の低コヒーレンス光源を用いた干渉測定装置では、被測定物の非球面量が大きくなると、干渉縞の間隔が密になる。そのため、測定精度が低下してしまうという問題がある。
【００１５】
これらの干渉測定装置の光源として用いられるＳＬＤは、波長帯域が数十ｎｍである。そして、このような波長帯域のＳＬＤは、可干渉距離が数十μｍある。例えば、光源の波長が８３０ｎｍ、可干渉距離が５０μｍであるとする。そして、この光源を用いて、面形状、偏心を測定するために、組み上がりレンズ中の第ｉ面の球心に入射させて、第ｉ面からの反射光を参照光と干渉させて、干渉縞を測定するものとする。このとき、第１面から第ｉ面の面形状および偏心による波面のずれが５０μｍに収まった場合、最大で６０本近くの干渉縞が発生することになる。さらに、波面のずれの傾斜が大きい部分では縞の密度が高くなる。このため、隣の縞との分離が困難もしくは不可能となり、測定精度が低下する。
【００１６】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、非球面量が大きい被測定物に対しても、干渉縞を高精度に測定して、高精度に偏心を測定できる偏心測定装置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、本発明による偏心測定装置は、光源部と、光軸上を可動に構成された参照ミラーと、前記光源部からの光を被検物側と前記参照ミラー側とに分割する光路分割手段と、被検物からの反射光と前記参照ミラーからの反射光とを合成する光路合成手段と、前記光路合成手段で合成された光を撮像する撮像素子と、前記撮像素子で撮像された、光路中に置かれた被検物に光束を通して得られた被検物のｉ面（ただし、ｉは１〜ｎの範囲で段階的に前記参照ミラーの位置を光軸上に移動させたときに該参照ミラーの波面と被検物の波面とが干渉する被検物の面位置）を含む反射光と前記参照ミラーの反射光とによる干渉縞と、計算で求めた偏心に関するデータとから被検物のｉ面の偏心を求める処理手段を有し、かつ、前記光源部を、超低コヒーレンス光源で構成したことを特徴としている。
【００１８】
また、本発明においては、前記光源部を、可干渉距離が１０μｍを超えない広帯域の光源で構成したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、非球面量が大きい被測定物に対しても、干渉縞を高精度に測定して、高精度に偏心を測定できる偏心測定装置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】
【００２０】
本発明の偏心測定装置では、光源部を、可干渉距離が１０μｍを超えない広帯域の超コヒーレンス光源で構成し、それ以外の構成を図５、図６に示した干渉測定機とほぼ同様に構成して干渉計測を行う。
【００２１】
ただし、参照ミラーの駆動はピエゾ素子等を用いて精密に制御し、駆動量と干渉縞のデータ双方を用いて解析を行うようにする。
【００２２】
本発明のように光源部として可干渉距離が１０μｍを超えない超低コヒーレンス光源を用いた場合、非球面量が大きい被測定物に対して干渉が起きるのは、表示装置に表示される画面中の一部分となる。そこで、本発明の偏心測定装置では、参照ミラーを駆動しながら、画像処理により干渉が起きる部分、つまり光強度の変化する部分の抽出を行うようにする。
【００２３】
そして、干渉が起こる部分を、参照ミラーの複数の位置において測定することにより、波面の形状を再構成する。
【００２４】
例えば、参照ミラーの位置ｚ、撮像素子上の各座標（ｘ，ｙ）で干渉縞が測定された場合に、
Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）＝１
とし、
干渉縞が測定されなかった場合に、
Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）＝０
として、
Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）＝１となった点列の集合から、撮像素子上での第ｉ面からの反射光の波面形状を構成することができる。
【００２５】
そして、撮像素子上の波面の形状から各面の面形状及び偏心を求めることができる。そのために、予め被検レンズのデータから、各面の面形状の誤差及び偏心による波面の変化を、波面のティルト、コマ、非点収差分又はｚｅｒｎｉｋｅ係数の変化をレンズ設計ソフト等で求めておくようにする。
【００２６】
また、面形状、偏心を変数として、測定で得られた波面の形状をターゲットに、実光線追跡を行い、最適化により面形状、偏心を求めることができる。
【００２７】
なお、本発明に用いる可干渉距離が１０μｍを超えない広帯域の光源としては、ハロゲンランプ、フェムト秒レーザ、フォトニック結晶ファイバによる広帯域化、スーパーコンティニュームなどが利用できる。
【実施例１】
【００２８】
図１は本発明による偏心測定装置の一実施例を示す概略構成図である。
【００２９】
本実施例の偏心測定装置は、超低コヒーレンス光源３’と、参照ミラー６と、ビームスプリッタ５と、撮像素子１０とデータ処理装置２を有している。
【００３０】
ここで、参照ミラー６は、光軸上を可動に構成されている。また、ビームスプリッタ５は、光源３’からの光を被検レンズ１側と参照ミラー６側とに分割するとともに、被検レンズ１からの反射光と参照ミラー６からの反射光とを合成する。また、撮像素子１０は例えばＣＣＤであって、ビームスプリッタ５で合成された光を撮像する。
【００３１】
データ処理装置２は、例えば、電子回路及びディスプレーを備えたパソコンからなる。また、電子回路は、測定により得られた干渉縞と計算で求めた偏心に関するデータとから、被検レンズ系１のｉ面の偏心を求める処理手段である。ここで、測定により得られた干渉縞は、撮像素子１０で撮像されたものである。また、この干渉縞は、光路中に置かれた被検レンズ１に光束を通して得られた被検レンズ系１の被検面ｉ（ただし、ｉは１〜ｎの範囲で段階的に参照ミラー６の位置を光軸上に移動させたときに、参照ミラー６の波面と被検レンズ１の波面とが干渉する被検レンズ系１の被検面位置）を含む反射光と参照ミラー６の反射光とによる干渉縞である。
【００３２】
超低コヒーレンス光源３’は、可干渉距離が１０μｍを超えない広帯域の光源で構成されている。
【００３３】
光源３’近傍には、コリメータレンズ１４が設けられている。このコリメータレンズ１４により、光源３’から出射した発散光を平行光束にして、ビームスプリッタ５に導くようになっている。また、被検レンズ系１とビームスプリッタ５との間には、コリメータレンズ１５がｚ方向に可動に設けられている。そして、ビームスプリッタ５からの平行光束を、収束光に変換して被検レンズ１に導く。それとともに、その位置を変化させることで、被検レンズ系１における所望の被検面ｉの略球心に光束が入射するようになっている。
【００３４】
また、参照ミラー６は、ピエゾ素子を用いた駆動装置１６を介してｘ方向に高精度に可動になっている。駆動装置１６はデータ処理装置２に接続されており、データ処理装置２内で参照ミラー６の位置情報が検出及び制御されるようになっている。
【００３５】
本実施例の偏心測定装置では、可干渉距離が１０μｍを超えない広帯域の超低コヒーレンス光源３’を用いている。この場合、非球面量が大きい被検レンズ系１に対して干渉が起きるのは、データ処理装置２のディスプレーに表示される画面中の一部分となる。そこで、本実施例の偏心測定装置では、参照ミラー６を、ピエゾ素子を用いた駆動装置１６を介して移動させる。その際、ｘ方向に細分化したピッチで、高精度に駆動する。このようにしながら、データ処理装置２での画像処理により、干渉が起きる部分、つまり光強度の変化する部分の抽出を行うようにする。
【００３６】
そして、干渉が起こる部分を、参照ミラー６の複数の位置において測定することにより、波面の形状を再構成することができる。
【００３７】
例えば、上述のように、参照ミラーの位置に対応する波面ｚと被検面からの波面とで、撮像素子１０上での各座標（ｘ，ｙ）で干渉縞が測定された場合に、
Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）＝１
とし、
干渉縞が測定されなかった場合に、
Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）＝０
として、
Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）＝１となった点列の集合から、撮像素子１０上での第ｉ面からの反射光の波面形状を構成することができる。
【００３８】
そして、撮像素子１０上での波面の形状から、各面の面形状及び偏心を求める。そのために、予め被検レンズ系１のデータから、各面の面形状の誤差及び偏心による波面の変化を、波面のティルト、コマ、非点収差分又はｚｅｒｎｉｋｅ係数の変化をレンズ設計ソフト等で求めておく。
【００３９】
また、面形状、偏心を変数として、測定で得られた波面の形状をターゲットに、実光線追跡を行い、最適化により面形状、偏心を求めることができる。
【００４０】
なお、本実施例に用いる可干渉距離が１０μｍを超えない広帯域の超低コヒーレンス光源３’としては、ハロゲンランプ、フェムト秒レーザ、フォトニック結晶ファイバによる広帯域化、スーパーコンティニュームなどが利用できる。
【００４１】
図２(a)〜(e)は、本実施例による超低コヒーレンス光源を用いた偏心測定装置で、非球面を走査するときの干渉縞の検出箇所を示す説明図、図３は本実施例との比較のために低コヒーレンス光源を用いた偏心測定装置を走査するときの干渉縞の検出箇所を示す説明図である。
【００４２】
例えば、図１に示す被検レンズ系１において、被検面ｉについて測定するものとする。
【００４３】
本実施例の偏心測定装置では、可干渉距離が１０μｍを超えない超低コヒーレンス光源３’を用いる。この場合、非球面量が大きい被検レンズ系１の被検面ｉに対して干渉が起きるのは、表示装置に表示される画面中の一部分となる。
【００４４】
そこで、図２(a)に示すように、参照ミラー６をｘ方向に沿って、Ｎ個分に細分化された所定のピッチで複数位置に移動させる。そして、このときに、被検面ｉと干渉する参照ミラー６からの波面をＺ1〜ＺNとする。
【００４５】
すると、例えば、参照ミラー６からの波面Ｚ2と被検レンズ系１の被検面ｉからの波面とによる干渉像は、図２(b)のようになる。また、参照ミラー６からの波面Ｚ4と被検レンズ系１の被検面ｉからの波面とによる干渉像は、図２(c)のようになる。また、参照ミラー６からの波面Ｚ7と被検レンズ系１の被検面ｉからの波面とによる干渉像は、図２(d)のようになる。
【００４６】
このように、参照ミラー６をｘ方向に沿って所定の間隔でもって移動することによって、細分化した複数位置のそれぞれにおいて、被検面ｉと干渉する参照ミラー６からの波面Ｚ1〜ＺNと被検レンズ系１の被検面ｉからの波面とによる干渉像が得られる。そこで、これらの干渉像を撮像素子１０で撮像し、撮像したそれの干渉像をデータ処理装置２で合成すると、図２(e)に示すように、被検面ｉ全体の干渉像が得られる。
【００４７】
求めた撮像素子１０上の波面の形状から、図５、図６を用いて説明したような方法を用いることで、各面の面形状及び偏心が求まる。
【００４８】
このとき、本実施例の偏心測定装置によれば、ピエゾ等の駆動装置１６を介して精密に細分化した位置ごとに、参照ミラー６からの波面と被検面ｉからの波面との干渉縞を検出している。そして、それぞれ位置ごとの干渉縞を合成するので、被検面全体の干渉像を高精度に検出することができる。このため、被球面量の大きい被検物であっても、被検物の偏心を高精度に測定することができる。
【００４９】
これに対し、従来の干渉測定機のように、低コヒーレンス光源を用いた場合には、本実施例の超低コヒーレンス光源に比べて可干渉距離が大きい。このため、例えば、図３に示すように、可干渉距離に対応した参照ミラーからの波面Ｚ’１〜Ｚ’２までと被検査面ｉからの波面とが広範囲の部分で干渉することになり、その干渉像が撮像素子１０で撮像されることになる。この場合、波面のずれの傾斜が大きい部分では干渉縞の密度が高くなるため、隣の干渉縞との分離が困難もしくは不可能となり干渉縞の測定精度が低下してしまう。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明による偏心測定装置の一実施例を示す概略構成図である。
【図２】(a)〜(e)は本実施例による超低コヒーレンス光源を用いた偏心測定装置で非球面を走査するときの干渉縞の検出位置を示す説明図である。
【図３】本実施例との比較のために低コヒーレンス光源を用いた偏心測定装置を走査するときの干渉縞の検出位置を示す説明図である。
【図４】従来の光学系の組み上がり偏心測定装置の一例を示す概略構成図である。
【図５】従来の干渉測定装置の他の例を示す概略構成図である。
【図６】図６の干渉測定機における複数の面からなる光学系の各面の偏心を求める手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５１】
１          被検レンズ系
２          データ処理装置
３          光源部
３’        超コヒーレンス光源
４，７，８，１４          レンズ
５          ビームスプリッタ
６          参照ミラー
９          開口可変絞り
１０        撮像素子
１１        組合せレンズ系
１２        パソコン
１３        ディスプレー
１４，１５          コリメータレンズ
１６        ピエゾ素子を用いた参照ミラー駆動装置
２０１      半導体レーザ
２０２      測定用光学系
２０４      ビームスプリッタ
２０５      イメージローテータ
２０６      基準軸設定用光学系
２０７      ＣＣＤ
２０８      モニタテレビ
２０９      ＣＲＴ
２１０      演算処理部
【図１】
2005024505.tif 000003
【図２】
2005024505.tif 000004
【図３】
2005024505.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005024505.tif 000007
【図６】
2005024505.tif 000008