JP2007218647A - 検査装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】軸上像だけでなく、軸外像も精度良く検出して光学部材(被検レンズ)の光学特性を測定することができる検査装置を提供する。
【解決手段】光源2と、軸上用チャート3aおよび軸外用チャート3bを有するチャート板3と、被検レンズ4と、軸上用および軸外用受光センサー13,14とからなる検査装置1に、機械軸7と直交する平面内で軸外用受光センサー14を移動させるとともに、この軸外用受光センサー14をこの平面に対して揺動させ、軸外用受光センサー14の受光面を軸外用チャート3bから出射した主光線に対して略垂直にする小ステージ駆動部12と、この小ステージ駆動部12を制御する制御装置16とを設けて構成する。
【選択図】図1
【解決手段】光源2と、軸上用チャート3aおよび軸外用チャート3bを有するチャート板3と、被検レンズ4と、軸上用および軸外用受光センサー13,14とからなる検査装置1に、機械軸7と直交する平面内で軸外用受光センサー14を移動させるとともに、この軸外用受光センサー14をこの平面に対して揺動させ、軸外用受光センサー14の受光面を軸外用チャート3bから出射した主光線に対して略垂直にする小ステージ駆動部12と、この小ステージ駆動部12を制御する制御装置16とを設けて構成する。
【選択図】図1
Description
本発明は、光学部材のOTF,PTF,MTFを測定する検査装置に関する。
量産検査におけるMTF測定装置は軸上像と複数の軸外像(周辺像)とを同時に取り込み、これらの像を用いて短時間での判定が求められるので、被検レンズのフィルムあるいは撮像面に相当する位置に複数のスリットあるいはピンホールを有するチャート板を置き、これらのスリットあるいはピンホールの像を被検レンズで拡大してラインセンサーあるいはエリアセンサーで受光する拡大投影型が主に用いられている(例えば、特許文献1参照)。
被検レンズが写真レンズの場合、MTFを評価するときの倍率βは一般に−1/50から−1/30である。被検レンズの焦点距離fは10mm程度から300mm超まで様々であるが、これにより撮影距離lは、ほぼ|β|・fとなる。そのため、焦点距離の短い被検レンズを測定する際、軸外像高のラインセンサーあるいはエリアセンサーに入射する光線の角度は機械軸に対して大きく傾くこととなる。
このようなラインセンサーあるいはエリアセンサーは、カバーガラスに覆われた空間に窒素ガスが封入されたケース内に配置されており、このセンサーに入射する光線の角度が大きく傾くとセンサーがカバーガラスの反射を拾ってしまい、測定精度が低下するという課題があった。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、軸上像だけでなく、軸外像も精度良く検出して光学部材(被検レンズ)の光学特性を測定することができる検査装置を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明に係る検査装置は、光源と、チャートが形成されたチャート板と、被検レンズと、撮像素子とが機械軸上に並んで配設され、チャートを通過した光線を被検レンズで撮像素子に投影してチャートの像を形成し、この撮像素子で検出したチャートの像を用いて被検レンズの光学特性を検査するものであり、チャート板に形成されたチャートが、機械軸を含むように配置され、光源から射出した光束が通過して、被検レンズによりこの被検レンズの光軸上に軸上像を形成する軸上用チャート(例えば、実施形態における軸上検査用チャート3a)と、機械軸を含まないように配置され、光源から射出した光束が通過して、被検レンズによりこの被検レンズの光軸外に軸外像を形成する軸外用チャート(例えば、実施形態における軸外検査用チャート3b)とから構成され、また、撮像素子が、軸上像を検出する軸上用撮像素子(例えば、実施形態における軸上用受光センサー13)と、軸外像を検出する軸外用撮像素子(例えば、実施形態における軸外用受光センサー14)とから構成される。そして、この検査装置は、機械軸と直交する平面内で軸外用撮像素子を移動させる第1の移動機構(例えば、実施形態における小ステージ駆動部12)と、軸外用撮像素子をこの平面に対して揺動させ、軸外用撮像素子の受光面を軸外用チャートから出射した主光線に対して略垂直にする揺動機構(例えば、実施形態における小ステージ駆動部12)と、第1の移動機構および揺動機構を制御する制御装置とを有して構成される。
このような本発明に係る検査装置は、撮像素子を平面内で移動させる第2の移動機構(例えば、実施形態における大ステージ駆動部10)を有し、制御装置が、撮像素子からの検出信号を処理し、第2の移動機構を制御して撮像素子を移動させ、被検レンズの光軸の位置を検出するように構成されることが好ましい。
また、本発明に係る検査装置は、軸上像と軸外像とを同時に検出するように構成することが好ましい。
さらに、本発明に係る検査装置は、撮像素子が、互いに直交するように延び、チャートの像のメリジオナル像を検出するための第1のラインセンサー(例えば、実施形態における縦ラインセンサー13a,14a)と、サジタル像を検出するための第2のラインセンサー(例えば、実施形態における横ラインセンサー13b,14b)とから構成されるか、若しくは、エリアセンサーで構成されることが好ましい。
なお、本発明に係る検査装置は、被検レンズの光学特性として、OTF,PTFおよびMTFの少なくとも1つを測定することが好ましい。
本発明に係る検査装置を以上のように構成すると、軸上像だけでなく、軸外像も精度良く検出して、被検レンズの光学特性(OTF,PTF,MTF)を測定することができる。
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。本発明に係る検査装置は、拡大投影型で複数画角を同時に測定できるOTF,PTF,MTF検査装置であって、チャートと被検レンズ間のシフト構造を無くして受光センサーが機械軸と垂直な面内でシフトする(この垂直面内で移動する)と共に、この面に対してチルトする(垂直面に対して揺動する)構造を特徴とする。まず、図1〜図3を用いて、本実施例に係る検査装置1の構成について説明する。この検査装置1は、内部に光源2およびチャート板3を有し、被検レンズ4を保持する照明部5と、この照明部5に対して相対移動可能な測定部6とを有して構成される。
光源2、チャート板3および被検レンズ4は、光軸上(以降の説明においては、測定装置1の「機械軸7」と呼ぶ)上に並んで配置されている。そして、測定部6は、受光側(被検レンズ4を挟んで光源2の反対側)に機械軸7に対して垂直な平面内(以下、この平面を「測定平面」と呼ぶ)に平板状の受け部8が設けられている。この受け部8の光源2側の面には、この受け部8に対して測定平面内を相対移動可能な2軸の大きなプレート(以下、「大ステージ9」と呼ぶ)と、この大ステージ9を測定平面内で駆動させる大ステージ駆動部10とが設けられ、さらにその大ステージ9の測定平面内で相対移動および揺動可能な3軸の小さな駆動ステージ(以下、「小ステージ11」と呼ぶ)とこの小ステージ9を駆動させる小ステージ駆動部12とが設けられている。小ステージ11は大ステージ9上に複数設けられる(例えば、図2の場合は、矩形状の大ステージ9の対角線方向に4個の小ステージ11を設けた場合を示している)。この場合、図2および図3に示すように、小ステージ11は、大ステージ9に対して対角線方向に相対移動可能に構成されるとともに、この対角線を通り大ステージ9に直交する面内で揺動可能に構成される。なお、光源2から放射された光線は、光ファイバー2aおよび図示しないコンデンサーレンズ等により機械軸7上に放射され、チャート板3に照射される。
大ステージ9上の略中央部(機械軸7上若しくはその近傍)には、図2に示すように、設置面(地面)に対して垂直方向に延びた縦ラインセンサー13aと水平方向に延びた横ラインセンサー13bとからなる軸上用受光センサー13が設けられている。なお、この軸上用受光センサー13は、一つのエリアセンサーで構成することも可能である。また、各々の小ステージ11には、測定平面内で、大ステージ9の対角線方向に延びた(軸上用受光センサー13から放射状に延びた)縦ラインセンサー14aと、この対角線と直交する方向に延びた横ラインセンサー14bとからなる軸外用受光センサー14が設けられている。この軸外用受光センサー14も一つのエリアセンサーで構成することも可能である。なお、軸上用および軸外用受光センサー13,14を構成する縦ラインセンサー13a,14aと横ラインセンサー13b,14bとは、チャートの像のM(メリジオナル)像、および、S(サジタル)像を検出するために用いられる。
また、チャート板3には、図6に示すように機械軸7を含むように配置された軸上検査用チャート3aと機械軸7を含まずこの機械軸7から離れた位置に配置された軸外検査用チャート3bとが形成されており、これらのチャート3a,3bを透過した光線が被検レンズ4により軸上用および軸外用受光センサー13,14に結像される。この軸上検査用および軸外検査用チャート3a,3bは、スリット若しくは点像チャートで構成される。さらに、軸外用受光センサー14の受光面が機械軸7と直交しているときは、全てのセンサー13,14の受光面が同一平面内(測定平面内)に位置するように配置されている。
ここで、軸上用および軸外用受光センサー13,14に用いられるラインセンサーの構造について図4を用いて説明する。このラインセンサーLSは、上部が開口した空間22を有するケース部材21と、この空間22のケース部材21の底面に取り付けられたセンサー素子22と、ケース21の開口部を覆って空間22を密閉するカバーガラス23とから構成される。カバーガラス23で密閉された空間22には、窒素ガス等が封入されている。
図5(a)は、この検査装置1における理想的な結像状態を示しており、チャート板3に形成された軸上検査用チャート(センタースリット)3aの像(これを「軸上像」と呼ぶ)は軸上用受光センサー13上に結像し、軸外検査用チャート3bの像(これを「軸外像」と呼ぶ)はそれぞれ対応する軸外用受光センサー14上に結像する。しかし、被検レンズ4が、ディストーションの大きなレンズである場合は、図5(b)に示すように、軸上において軸上用受光センサー13で軸上像を取り込むことができても、軸外では軸外像が軸外用受光センサー14から外れてしまうことがある。このようなとき、軸外用受光センサー14を放射方向に移動させて軸外像を取り込むことができる。
一方、被検レンズ4に透過偏芯があると、図6(a)に示すように、軸上用および軸外用受光センサー13,14からチャート像がはずれてしまう。そのため、大ステージ駆動部10で大ステージ9を測定平面内で作動させて軸上像(センタースリット位置)を軸上用受光センサー13で走査する(この場合、図6(b)に示すように軸上用受光センサー13と軸外用受光センサー14とを同時に同じ量と方向にアライメントした状態となる)。そして、図5の場合と同様に、軸外用受光センサー14(実際には小ステージ11)を小ステージ駆動部12で放射方向に作動させて軸外像を走査し軸外光束に対してアライメントした状態とする(図6(c)に示す状態)。このように軸上用および軸外用受光センサー13,14を2段階でアライメントすることで、高速に測定できる対象が広がる。また、図6(b)にて、軸上用受光センサー13の座標系をグローバル座標として持ち、そして軸外用受光センサー14の座標系をローカル座標系として持つならば、軸上用受光センサー13と軸外用受光センサー14とを必ずしも同時に動かす必要はない。なお、図6においては、説明を簡単にするために、軸外用受光センサー14は2個設けた場合を示している。
ところで、図7に示すように、チャート板3の軸外検査用チャート3bから出射した光束は、軸外用受光センサー14(図7においては、横ラインセンサー14bのみを示している)のセンサー素子20の受光面に対して斜めに入射する。そうすると、カバーガラス23で反射した光線の一部もセンサー素子20に入射するために、このセンサー素子20で検出される線像強度分布の裾の部分に多重反射した成分が載ってしまうことから測定精度を下げることになる。そのため、本実施例に係る検査装置1では、センサー素子20の受光面が軸外検査用チャート3bから出射した主光線に対して略垂直になるように小ステージ駆動部12で小ステージ11を揺動させるように構成されている。なお、この軸外用受光センサー14の小ステージ11に対する揺動軸(測定平面内で、この小ステージ11が配置されている位置と大ステージ9の中心とを結ぶ大ステージ9の対角線に対して直交する方向に延びる軸)は、センサー素子20の受光面が上述の主光線に対して略垂直になるように、光源2側から見て、このセンサー素子20の受光面の中央付近に配置されていることが好ましい。
なお、このように小ステージ11を揺動させて軸外用受光センサー14の受光面が軸外検査用チャート3bから出射した主光線と略垂直になるようにすることにより、ラインセンサーLSのケース21の開口部でけられる光束を減少させるとともに、センサー素子20の受光面に主光線が略垂直に入射されるため、チャート像を効率よく検出することができる。
このような検査装置1においては、軸外光束の結像位置を軸外用受光センサー14によりセンシングして理想像高よりの偏差や実際の画角がかわり全方位の非対称性が判断できる。また、この実施例のようにM像とS像のラインセンサー(縦ラインセンサー13a,14aと横ラインセンサー13b,14b)を用いた場合はM像用センサーから実像高が判る。なお、本実施例においては、図2に示すように放射状に稼働しうる小ステージ11を設けることにより、写真レンズのような偏芯の大きいレンズやディストーションの大きいレンズなど、製造誤差による画角の変化が大きいレンズの測定も可能となる。また、本実施例では軸外用受光センサー14のM像とS像を検出する縦ラインセンサー14aと横ラインセンサー14bとが小ステージ11上にあり一体に動くように構成されているが、縦ラインセンサー14aと横ラインセンサー14bとがそれぞれ独立したプレート上に配置され、それぞれ独立して作動するように構成することも可能である。
なお、受け部8には測定部6を機械軸7に沿って移動させる(図1においては左右方向に移動させる)測定駆動部15が設けられている。これらの大ステージ駆動部10、小ステージ駆動部12、測定駆動部15、軸上用受光センサー13、および、軸外用受光センサー14は制御装置16に電気的に接続されており、大ステージ駆動部10、小ステージ駆動部12、および、測定駆動部15が制御されて測定部6、大および小ステージ9,11の作動が制御されるとともに、軸上用および軸外用受光センサー13,14からの検出信号が処理される。
上述のように被検レンズ4を照明部5にセットすると、その透過偏芯により像が大ステージ9の中心(大ステージ9と機械軸7とが交わる点であって軸上用受光センサー13が配置されている部分)からずれた所に形成される。大ステージ9を受光面内で縦方向と横方向に作動させてスキャンし、軸上用受光センサー13の縦ラインセンサー13aと横ラインセンサー13b(あるいはエリアセンサー)からの検出信号を制御装置16で処理してチャート板3の軸上像の像位置を検出する。この像位置の検出方法としては、例えば、点像あるいは線像の重心または一番出力の高い画素の座標を像の位置として検出する。被検レンズ4の透過偏芯誤差が大きい場合、1組のラインセンサー13a,13b(軸上用受光センサー13)からチャート像が外れてしまう場合がある。よって、大ステージ9のサーチする手順を予め制御装置16に設定しておく必要がある。例えば、大ステージ9がある矩形の範囲を外側から内側に向かって渦巻き状に作動させることにより、効率的にサーチするように構成することにより、サーチする時間を節約できる。制御装置16は、サーチした後、縦横のラインセンサー13a,13b各々の中心(あるいはエリアセンサーの中心)に軸上検査用チャート像が位置するように大ステージ9を移動させ、その位置を原点として記憶し、センタリングを終了する。
また、制御装置16は、小ステージ11についても、大ステージ9の対角線方向に作動させて、上述の軸上用受光センサー13と同様に、軸外用受光センサー14の検出値から軸外像が軸外用受光センサー14の中心に位置するようにこの小ステージ11を作動させる。そして、最後に、制御装置16は、小ステージ11を揺動させ、縦横のラインセンサー14a,14bの受光面が軸外検査用チャート3bから出射した主光線に対して直角になるように制御する。ここで、制御装置16は、小ステージ11の揺動角度A、すなわち、軸外検査用チャート3bから出射した主光線と機械軸7とのなす角度Aを、図9に示すように、被検レンズ4の絞り4aから測定平面Yまでの機械軸7上の距離Dと軸外用受光センサー14で検出する軸外像の像高Hとから算出することができる。なお、小ステージ11については、図2に示すように矩形状の大ステージ9の対角線方向(斜め45°)に作動させる構成だけでなく、上下方向と左右方向の2軸で作動せるように構成することも可能である。
測定においては、予め被検レンズ4の理想倍率β倍のレンズデータを用いて、フィルム面より物体面までを光線追跡してその撮影距離と実際の物体高を求めておく。制御装置16は、検査装置1のチャート板3(スリットチャートあるいは点像チャート)と軸上用および軸外用受光センサー13,14の距離を、測定駆動部15を制御して測定部6を機械軸7に沿って移動させ、計算上の撮影距離と一致させる。そして、上で述べたごとく被検レンズ4の透過偏芯誤差による光軸のズレをセンタリングする。次に被検レンズ4のフォーカスをする。検査装置1側(制御装置16)より被検レンズ4に信号を送り、被検レンズ4内のモーター(図示せず)を駆動させセンター像の出力が高くなった位置にフォーカシングレンズを移動させる。フォーカシング終了後にもう一度検査装置1のセンタリングをしても良い。さらに、上で述べたごとく、周辺像をサーチして位置合わせをする為に小ステージ11を放射方向に動かし、その後、測定部6の現在の位置(測定平面の位置および軸外像の像高)から揺動角度Aを決定して小ステージ11を揺動させる。
この検査装置1による被検レンズ4の検査は、図10に示すように、制御装置16で検査チャート3を光軸(機械軸7)に対して多少前後させて(例えば、±0.5mm程度)デフォーカスし、最良像面とその前後の領域を軸上および軸外用センサー13、14で測定し、この測定値からOTF,PTF,MTFを算出する。そのため、上述の小ステージ11の揺動制御においては、軸外検査用チャート3bから出射した主光線と軸外用受光センサー14の受光面の垂線とのなす角度が±30°以内にあるように制御されることが好ましい。この検査装置1においては、軸上像と軸外像は同時に検出することができるので、短時間で被検レンズ4の光学特性(OTF,PTF,MTF)を検査することができる。
受光センサー13,14で取り込んだチャート像の概念図を図11に示す。この図11においては、軸外用受光センサー14で取り込んだ軸外像のM像とS像のLSFを表しているが、一般に写真レンズはビグネッティングが大きく、さらにM像はコマ収差の影響によりS像より広がっている。これを1つのセンサーで同じS/Nで取り込むとすると、S像に合わせて蓄積時間を決定することとなり、M像は分解能が小さくなってしまう。よって、M像とS像とを同じ精度でLSFを検出するためには、この実施例に示すように、縦および横ラインセンサー14a,14bからなる個別のセンサーで構成した方が望ましい。チャート像(線像あるいは点像)を取り込む際、線像の長さあるいは点像の広がりをどこまで検出するかを決めておかねばならない。これにより、被検レンズ4のフレアー成分の検出精度が決まる。また、これにより、LSFを検出した後の演算での周波数の刻みも決まることとなる。
ところで、この検査装置1においては、小ステージ11、すなわち、軸外用受光センサー14を揺動させて測定しているため、縦ラインセンサー14aの検出値は、機械軸7と垂直な平面(上述の測定平面(図9の面Y))に射影する必要がある。この縦ラインセンサー14aで取り込んだ線像あるいは点像を測定平面に射影するために、長さの次元を持つセンサーピッチ、センサー開口、線像或いは点像の取り込み長さにcosA(角度Aの単位は「°」)をかける必要がある。図12(a)に取り込み時のチャート像と長さLを示し、図12(b)に射影後のチャート像と長さL′(=L×cosA)を示す。本検査装置1においては、このような射影後のチャート像を用いてOTF,PTF,MTFを算出するように構成されている。
本実施例に係る検査装置1を以上のように構成することにより、チャート板3の軸上像と軸外像とを同時に検出することができるため、短い測定時間で精度良く複数画角を同時に測定することが可能となり、量産検査等に使用することができる。また、透過偏芯の比較的大きな写真レンズのような製品を、機械軸7を基準として規定した像高の光学性能により評価することが可能となる。さらに、軸外用受光センサー14を軸上用受光センサー13と独立して作動可能とすることで、検査装置1に高い汎用性を持たせることができる。特に、この検査装置1においては、小ステージ11を測定平面に対して揺動させることにより、軸外用受光センサー14の受光面が軸外検査用チャート3bから出射した主光線に対して略垂直になるように制御することができるため、このセンサー14を構成するカバーガラスで反射してセンサー素子に入射する光線を抑え測定精度を向上させることができる。
また、これまでの拡大投影型の検査装置では、チャートおよび被検レンズへの振動などの外乱も拡大されて投影されてしまうため外乱に弱いという欠点があったが、本実施例に係る検査装置1では、チャート板3と被検レンズ4間の装置1のシフト機構が省略できるため、外乱に強い装置構造を取ることが可能となる。
1 検査装置 2 光源 3 チャート板
3a 軸上検査用チャート(軸上用チャート)
3b 軸外検査用チャート(軸外用チャート)
4 被検レンズ 10 大ステージ駆動部(第2の移動機構)
12 小ステージ駆動部(第1の移動機構、揺動機構)
13 軸上用受光センサー(軸上用撮像素子)
14 軸外用受光センサー(軸外用撮像素子)
13a,14a 縦ラインセンサー(第1のラインセンサー)
13b,14b 横ラインセンサー(第2のラインセンサー) 16 制御装置
3a 軸上検査用チャート(軸上用チャート)
3b 軸外検査用チャート(軸外用チャート)
4 被検レンズ 10 大ステージ駆動部(第2の移動機構)
12 小ステージ駆動部(第1の移動機構、揺動機構)
13 軸上用受光センサー(軸上用撮像素子)
14 軸外用受光センサー(軸外用撮像素子)
13a,14a 縦ラインセンサー(第1のラインセンサー)
13b,14b 横ラインセンサー(第2のラインセンサー) 16 制御装置
Claims (6)
- 光源と、チャートが形成されたチャート板と、被検レンズと、撮像素子とが機械軸上に並んで配設され、前記チャートを通過した光線を前記被検レンズで前記撮像素子に投影して前記チャートの像を形成し、前記撮像素子で検出した前記像を用いて前記被検レンズの光学特性を検査する検査装置であって、
前記チャート板に形成された前記チャートが、前記機械軸を含むように配置され、前記光源から射出した光束が通過して、前記被検レンズにより前記被検レンズの光軸上に軸上像を形成する軸上用チャートと、前記機械軸を含まないように配置され、前記光源から射出した光束が通過して、前記被検レンズにより前記被検レンズの光軸外に軸外像を形成する軸外用チャートとから構成され、
前記撮像素子が、前記軸上像を検出する軸上用撮像素子と、前記軸外像を検出する軸外用撮像素子とから構成され、
前記機械軸と直交する平面内で前記軸外用撮像素子を移動させる第1の移動機構と、
前記軸外用撮像素子を前記平面に対して揺動させ、前記軸外用撮像素子の受光面を前記軸外用チャートから出射した主光線に対して略垂直にする揺動機構と、
前記第1の移動機構および前記揺動機構を制御する制御装置とを有することを特徴とする検査装置。 - 前記撮像素子を前記平面内で移動させる第2の移動機構を有し、
前記制御装置が、前記撮像素子からの検出信号を処理し、前記第2の移動機構を制御して前記撮像素子を移動させ、前記被検レンズの光軸の位置を検出するように構成されたことを特徴とする請求項1に記載の検査装置。 - 前記軸上像と前記軸外像とを同時に検出することを特徴とする請求項1または2に記載の検査装置。
- 前記撮像素子が、互いに直交するように延び、前記チャートの像のメリジオナル像を検出するための第1のラインセンサーと、サジタル像を検出するための第2のラインセンサーとから構成されることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の検査装置。
- 前記撮像素子が、エリアセンサーで構成されることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の検査装置。
- 前記被検レンズの前記光学特性として、OTF、PTFおよびMTFの少なくとも1つを測定する請求項1〜5のいずれかに記載の検査装置。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010096644A (ja) * | 2008-10-17 | 2010-04-30 | Nikon Corp | 検査装置 |
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2006
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JP2010096644A (ja) * | 2008-10-17 | 2010-04-30 | Nikon Corp | 検査装置 |
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