JP2009258098A - レンズ測定装置、レンズ測定方法及びレンズ製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レンズの形状を精度よく且つ効率的に計測する。
【解決手段】レンズ測定装置１は、レンズ７をその姿勢を変えることなく保持した状態で、ＸＹ平面内で移動させるステージ３と、ステージ３により移動させられるレンズ７の一方のレンズ面７１上の点のＺ軸方向の位置を測定する第１位置測定機４と、ステージ３により移動させられるレンズ７の他方のレンズ面７２上の点のＺ軸方向の位置を測定する第２位置測定機５と、ステージ３によるレンズ７の移動量並びに第１及び第２位置測定機４，５の測定結果に基づいてレンズ７の形状を求める制御装置１０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、デジタルスチルカメラ等に使用するレンズの測定装置、レンズ測定方法及びレンズ製造方法に関するものである。

近年、デジタルスチルカメラなどの、光学レンズを使用した画像撮影装置において、小型軽量化が進んでいる。また、撮影倍率を変化させる目的で複数のレンズを駆動するレンズ鏡筒の小型化に伴い、光学レンズ自体の小型化も進んでいる。

また、レンズ自体やレンズ鏡筒の小型化が進む一方で、ＣＣＤに代表される撮像素子の集積度も年々上がり、高画質化も求められている。

このような状況において、近年、レンズに代表される光学系部品の部品精度が厳しく求められるようなっている。

従来、レンズ厚さを簡易に測定するためには、例えば図７に示すような測定器が用いられる。図７に示す測定器は、レンズ７に当接する一対の測定子を備えている。一方の測定子は本体に固定されており、他方の測定子はマイクロメータに連結され且つ一方の測定子との間隔が変化するように移動可能に構成されている。つまり、一対の測定子でレンズ７を挟むことによって、レンズ７の厚さをマイクロメータで測定することができるようになっている。

また、３次元形状測定機も、レンズ形状の測定に用いられる。３次元形状測定機によれば、レンズ厚さ等のレンズ形状を精度良く測定することができる。
特開平８−３０４２２８号公報

しかしながら、図７に示す測定機では、簡便にレンズの厚さを測定することはできるが、レンズの厚さを精度良く測定することが難しい。すなわち、該測定機では、レンズの凹凸形状に応じてレンズの最も厚い部分又は最も薄い部分に測定子を接触させることによって、レンズの厚さを測定する必要がある。ところが、レンズのどの部分が最も厚いのか又は薄いのかを予め知ることは難しく、何度も測定を繰り返しながら、当該部分を探すことになる。

また、測定子の軸に対してレンズ自体が傾いた状態で測定すると、幾何学的に測定誤差が発生する。つまり、レンズの保持自体も難しいため、測定者の個人誤差が発生し、レンズ厚みを精度良く測定することが難しい。

一方、３次元形状測定機を用いれば、レンズの形状を精度よく測定することができるが、３次元形状測定機は高価であり、比較的装置の規模が大きく、さらに測定時間も長くかかることから、効率的にレンズ形状を測定して管理したいという要望には合致しない。

また、レンズの焦点位置から光学的に測定する手段も存在するが、これも３次元形状測定機と同様に比較的装置の規模が大きく、また測定時間も長くかかることから、効率的にレンズ形状を測定して管理したいという要望には合致しない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、レンズの形状を精度よく且つ効率的に計測することにある。

本発明に係るレンズ測定装置は、レンズを移動させるレンズ移動部と、前記レンズの一方の面に当接し、当該当接点の位置を測定する第１位置測定手段と、前記レンズの他方の面に当接し、当該当接点の位置を測定する第２位置測定手段と、前記レンズ移動部による前記レンズの移動量並びに前記第１及び第２位置測定手段の測定結果に基づいて、前記レンズの形状を求めるレンズ形状算出部と、を備えるものとする。

また、本発明に係るレンズ測定方法は、レンズ移動部によりレンズを移動させるレンズ移動工程と、第１位置測定手段が前記レンズ移動工程により移動させたレンズの一方の面に当接して当該当接点の位置を測定する第１位置測定工程と、第２位置測定手段が前記レンズ移動工程により移動させたレンズの他方の面に当接して当該当接点の位置を測定する第２位置測定工程と、前記レンズ移動工程によるレンズの移動量並びに前記第１及び第２位置測定工程の測定結果に基づいて前記レンズの形状を求めるレンズ形状算出工程とを含むものとする。

さらに、本発明に係るレンズ製造方法は、レンズを作製するレンズ作製工程と、前記レンズ作製工程によって作製したレンズの形状を測定するレンズ形状測定工程とを含み、前記レンズ形状測定工程は、レンズ移動部によりレンズを移動させるレンズ移動工程と、第１位置測定手段が前記レンズ移動工程により移動させたレンズの一方の面に当接して当該当接点の位置を測定する第１位置測定工程と、第２位置測定手段が前記レンズ移動工程により移動させたレンズの他方の面に当接して当該当接点の位置を測定する第２位置測定工程と、前記レンズ移動工程によるレンズの移動量並びに前記第１及び第２位置測定工程の測定結果に基づいて前記レンズの形状を求めるレンズ形状算出工程とを有するものとする。

本発明に係るレンズ測定装置によれば、レンズの姿勢を維持したまま、該レンズを移動させると共に、両レンズ面上の任意の点の位置を測定することができるため、両レンズ面の形状を測定することができる。それと共に、２つの位置測定手段により両レンズ面の形状をそれぞれ測定することによって、レンズを保持し直す必要がなく、レンズの形状を精度良く測定することができる。

また、本発明に係るレンズ測定方法によれば、レンズの姿勢を維持したまま、該レンズを移動させると共に、両レンズ面上の任意の点の位置を測定することができるため、両レンズ面の形状を測定することができる。それと共に、２つの位置測定工程により両レンズ面の形状をそれぞれ測定することによって、レンズを保持し直す必要がなく、レンズの形状を精度良く測定することができる。

さらに、本発明に係るレンズ製造方法によれば、レンズの姿勢を維持したまま、該レンズを移動させると共に、両レンズ面上の任意の点の位置を測定することができるため、両レンズ面の形状を測定することができる。それと共に、２つの位置測定工程により両レンズ面の形状をそれぞれ測定することによって、レンズを保持し直す必要がなく、レンズの形状を精度良く測定することができる。その結果、作製されたレンズの形状を精度良く且つ効率的に測定することができ、レンズの生産性を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

《発明の実施形態１》
本発明の実施形態に係るレンズ測定装置１は、図１〜３に示すように、測定台２と、測定台２上に配設されたステージ３と、測定台２上に配設された第１位置測定機４と、測定台２上において第１位置測定機４と対向して配設された第２位置測定機５と、これらステージ３、第１位置測定機４及び第２位置測定機５等を制御する制御装置１０とを備えている。

ステージ３は、測定台２上に固定された第１のステージ基部３１と、Ｘ軸ステージ３２と、Ｘ軸ステージ３２上に固定された第２のステージ基部３３と、Ｙ軸ステージ３４と、被測定対象となるレンズ７を保持するレンズ保持部６とを有している。このステージ３がレンズ移動部の一例である。

Ｘ軸ステージ３２は、ステージ基部３１上に配設された平板状のステージであって、測定台２の表面（ステージ３等が配設されている面）に対して平行な所定のＸ軸に沿って移動可能に構成されている。

第２のステージ基部３３は、直方体状に形成されていて、Ｘ軸ステージ３２上に固定されている。すなわち、第２のステージ基部３３は、Ｘ軸ステージ３２がＸ軸に沿って移動するときには、該Ｘ軸ステージ３２と一体となってＸ軸に沿って移動する。

また、Ｙ軸ステージ３４は、第２のステージ基部３３の側面のうちＸ軸方向の一方側を向く面に取り付けられた平板状のステージであって、Ｘ軸及び測定台２の表面に対して直交するＹ軸に沿って移動可能に構成されている。すなわち、Ｙ軸ステージ３４は、Ｘ軸ステージ３２がＸ軸に沿って移動するときには、該Ｘ軸ステージ３２及び第２のステージ基部３３と一体となってＸ軸に沿って移動する。

これらＸ軸ステージ３２及びＹ軸ステージ３４は、それぞれパルスモータ３２ａ，３４ａによって駆動される。詳しくは、Ｘ軸ステージ３２及びＹ軸ステージ３４は、制御装置１０からのパルス信号に応じて、それぞれＸ軸及びＹ軸に沿って移動する。制御装置１０は、送信したパルス信号のパルス数によって、Ｘ軸ステージ３２及びＹ軸ステージ３４の移動量を認識することができる。

レンズ保持部６は、Ｙ軸ステージ３４における、Ｘ軸方向の一方側を向く面に取り付けられている。

第１位置測定機４は、第１測定装置４１と、測定台２上に固定され、該第１測定装置４１を設置するための設置台４２とを有している。この第１位置測定機４が第１位置測定手段の一例である。

第１測定装置４１は、装置本体４１ａと、装置本体４１ａから進退自在に設けられた測定子４１ｂとを有するリニアゲージであって、測定子４１ｂの変位量を測定することができる。そして、第１測定装置４１は、測定子４１ｂがＸ軸及びＹ軸と直交するＺ軸方向に進退自在となる姿勢で設置台４２に取り付けられている。この第１測定装置４１は、測定子４１ｂのＺ軸方向への変位量を測定するように構成されている。

また、第２位置測定機５は、第２測定装置５１と、測定台２上に固定され、該第２測定装置５１を設置するための設置台５２とを有している。第２位置測定機５は、レンズ保持部６を挟んで、第１位置測定機４と対向する位置に設けられている。この第２位置測定機５が第２位置測定手段の一例である。

第２測定装置５１は、第１測定装置４１と同様に、装置本体５１ａと、装置本体５１ａから進退自在に設けられた測定子５１ｂとを有するリニアゲージであって、測定子５１ｂがＺ軸方向に進退自在となる姿勢で設置台５２に取り付けられている。

さらに詳しくは、第１測定装置４１の測定子４１ｂと第２測定装置５１の測定子５１ｂとは、Ｚ軸方向に延びる略同一直線上を進退するように構成されている。

制御装置１０は、マイクロコンピュータを備えており、パルスモータ３２ａ，３４ａ並びに第１及び第２測定装置４１，５１と、ドライバ（図示省略）等を介して直接的又は間接的に信号の授受可能に接続されている。この制御装置１０は、パルスモータ３２ａ，３４ａのドライバへ制御信号を送信して、Ｘ軸ステージ３２及びＹ軸ステージ３４を移動させる。また、制御装置１０は、第１及び第２測定装置４１，５１からの出力が入力され、第１及び第２測定装置４１，５１の測定子４１ｂ，５１ｂの変位量を取得すると共に記憶する。そして、制御装置１０は、詳しくは後述するが、Ｘ軸及びＹ軸ステージ３２，３４の移動量並びに第１及び第２測定装置４１，５１からの変位量に基づいて、レンズ７の形状を算出するレンズ形状算出部の一例である。

このように構成されたレンズ測定装置１によるレンズ形状の測定方法について、以下に説明する。

レンズ保持部６にレンズ７を保持しているときには、図４に示すように、第１測定装置４１の測定子４１ｂの先端がレンズ７の一方のレンズ面７１に、第２測定装置５１の測定子５１ｂの先端がレンズ７の他方のレンズ面７２に付勢された状態で当接しており、測定子４１ｂと測定子５１ｂとでレンズ７を挟持した状態となる。

そして、レンズ保持部６に保持されたレンズ７は、Ｘ軸ステージ３２及びＹ軸ステージ３４の駆動によってＸ軸及びＹ軸方向に移動可能である一方で、第１及び第２位置測定機４，５は測定台２に対して固定的に設置されているため、Ｘ軸ステージ３２及びＹ軸ステージ３４を駆動することによって、その移動量に応じて、レンズ７を第１及び第２位置測定機４，５に対して相対的にＸ及びＹ軸方向へ移動させることができる。そして、第１及び第２位置測定機４，５の測定子４１ｂ，５１ｂは、Ｚ軸方向に進退自在であって且つレンズ７のレンズ面７１，７２に対して付勢されているため、レンズ７の移動に伴ってＺ軸方向に進退し、レンズ面７１，７２との当接状態を維持する。その結果、Ｘ軸ステージ３２及びＹ軸ステージ３４を駆動するだけで、両レンズ面７１，７２上の、Ｘ軸ステージ３２及びＹ軸ステージ３４の移動量に対応した任意のＸＹ座標の点のＺ軸方向位置を第１及び第２位置測定機４，５で測定することができる。

すなわち、レンズ７をＸ軸及びＹ軸方向に移動させつつ、測定子４１ｂ，５１ｂのＺ軸方向への変位量を測定していくことによって、レンズ面７１，７２上の各点のＸＹＺ座標系における位置座標を取得することができる。

尚、ＸＹＺ座標の０点（基準点）は任意に設定すればよい。Ｚ軸方向については、レンズ保持部６がレンズ７を保持しておらず、測定子４１ｂ，５１ｂの先端同士が当接し合っている状態における両測定子４１ｂ，５１ｂの先端のＺ軸方向位置を０とする。この場合において、各軸の正負の方向も任意に設定すればよい。本実施形態では、Ｘ軸方向については、Ｘ軸ステージ３２が第１及び第２位置測定機４，５から離れていく方向を正、Ｘ軸ステージ３２が第１及び第２位置測定機４，５へ近付く方向を負としている。Ｙ軸方向については、Ｙ軸ステージ３４が測定台２から離れていく方向（即ち、上方）を正、Ｙ軸ステージ３４が測定台２へ近付く方向（即ち、下方）を負としている。Ｚ軸方向については、第２位置測定機５側を正、第１位置測定機４側を負としている。

−レンズ厚み測定−
以下に、レンズ７の厚み測定について説明する。ここで、レンズの厚さとは、レンズの両側面それぞれの球面中心を結ぶ線上のレンズの幅をいう。

本実施形態では、レンズ７は球面レンズであり、レンズ７の両レンズ面の中心座標Ｃ１，Ｃ２と半径Ｒ１，Ｒ２とからレンズ７の厚さＴを算出する。詳しくは、図５，６に示す。レンズ７において一方のレンズ面７１の中心座標Ｃ１及び半径Ｒ１と他方のレンズ面７２の中心座標Ｃ２及び半径Ｒ２がわかれば、幾何学的関係からレンズの厚さＴを算出することができる。

例えば、図５に示すように、レンズ７の両レンズ面７１，７２が凹面である場合には、第１レンズ面７１の中心座標Ｃ１（a1,b1,c1）と第２レンズ面７２の中心座標Ｃ２（a2,b2,c2）との距離Ｌと、第１レンズ面７１の半径Ｒ１と、第２レンズ面７２の半径Ｒ２とから、レンズ７の厚さＴは、
Ｔ＝Ｌ−Ｒ１−Ｒ２ ・・・（１）
で表される。

また、図６に示すように、レンズ７の両レンズ面７１，７２が凸面である場合には、レンズ７の厚さＴは、
Ｔ＝−Ｌ＋Ｒ１＋Ｒ２ ・・・（２）
で表される。

このような幾何学的関係からレンズ７の厚さＴを求めるべく、本実施形態では、レンズ７の両レンズ面７１，７２の中心座標Ｃ１，Ｃ２と半径Ｒ１，Ｒ２とを、両レンズ面７１，７２における各４点の座標を測定することによって算出している。つまり、球の方程式は、ＸＹＺ座標系において球の中心座標を（a,b,c）と、半径をＲとすると、
（ｘ−ａ）^２＋（ｙ−ｂ）^２＋（ｚ−ｃ）^２＝Ｒ^２ ・・・（３）
と表されるため、測定された４つの座標を式（３）に代入して、４つの連立方程式を解くことによって、ａ，ｂ，ｃ，Ｒを算出している。

算出したレンズ面７１，７２の中心座標Ｃ１，Ｃ２からレンズ面７１，７２の中心間距離Ｌを算出する。

こうして算出された半径Ｒ１，Ｒ２と中心間距離Ｌから、レンズ７の厚さＴを算出することができる。

このように、レンズ測定装置１は、レンズ７をＸＹＺ座標における姿勢を維持したまま移動させながら、レンズ７を移動させた移動量と、移動させた位置での第１位置測定機４及び第２位置測定機５の測定値から、レンズ７の両レンズ面７１，７２上の任意の各４点の座標を求めることによって、レンズ７の厚さＴを算出することができる。

尚、本実施形態では、第１位置測定手段及び第２位置測定手段として、接触式の第１位置測定機４及び第２位置測定機５を用いたが、他の手段、例えば非接触形状測定機等の測定手段を用いてもよい。

《発明の実施形態２》
続いて、実施形態２に係るレンズの製造方法について説明する。

実施形態２に係るレンズの製造方法は、まず、レンズ作製ステップにおいてレンズ７を作製し、その後、レンズ形状計測ステップにおいて前記レンズ形状測定方法によってレンズ７の形状を測定し、レンズ７の製造完了とする。すなわち、前記レンズ測定装置１は、レンズの製造ラインの一部に組み込まれる。

レンズ作製ステップは、周知のレンズ作製方法が採用される。例えば、ガラスレンズの場合、レンズ原料からレンズ素材が形成されるまでの材料加工工程と、レンズ素材を研磨等してレンズとして仕上げるレンズ加工工程とを有している。

材料加工工程は、レンズ原料を調合する調合工程、調合されたレンズ原料を熔解し、冷却してガラス材料にする溶解・冷却工程と、ガラス材料を研削及びプレスによってレンズ形状に成型する成型工程、レンズ形状に成型されたガラスの熱的ひずみを取り除く調製工程とを有している。

また、レンズ加工工程は、プレスガラスの表面の粗さ及び面形状を徐々に研削及び研磨していく研削・研磨工程と、レンズ外周を光軸に対して偏心のないように加工する心取工程と、レンズ表面にコーティングを行うコーティング工程とを有している。

こうてして作製されたレンズの形状を、レンズ形状測定ステップにおいて、実施形態１に係るレンズ形状測定方法により測定する。そして、レンズの厚さ等のレンズ形状が所定の許容誤差に入っているか否かを判定し、許容誤差内に入っているものをレンズの完成品とする。

したがって、本実施形態２によれば、作製されたレンズの形状を正確且つ容易に測定することができる。その結果、製造されるレンズの精度を向上させることができると共に、該レンズの形状を迅速に測定することができるため、レンズの生産性を向上させることができる。

《その他の実施形態》
本発明は、前記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

すなわち、前記実施形態では、ステージ３をＸ軸及びＹ軸方向に移動させているが、これに限られるものではない。例えば、Ｚ軸方向に対して直角以外の角度で交差する面内で移動させてもよい。この場合、ステージ３の移動量は、レンズのＸＹ座標だけでなく、Ｚ座標にも影響を与えるため、第１及び第２位置測定機による測定結果をステージ３の移動量に応じて補正する必要がある。

またレンズ７を、Ｘ軸及びＹ軸方向だけではなくＺ軸方向にも移動可能なように、ステージ３にＺ軸ステージ（図示ぜず）を設けても良い。この場合、ステージ３の移動量は、レンズのＸＹ座標だけでなく、Ｚ座標にも影響を与えるため、第１及び第２位置測定機による測定結果をステージ３の移動量に応じて補正する必要がある。

さらに、前記実施形態では、レンズ面７１，７２の中心座標及び半径を、４つの測定点の座標を式（３）に代入することで求めているが、これに限られるものではない。最小二乗法等の公知の方法によって、レンズ面７１，７２の形状を算出又は近似して、中心座標及び半径を求めてもよい。尚、中心座標及び半径に限られず、レンズ面７１，７２の全体形状等についても他の公知の方法によって算出及び近似してもよい。

尚、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

本発明に係るレンズ測定装置、レンズ測定方法及びレンズ製造方法では、高精度かつ効率的にレンズの厚さ等の形状を測定することが可能となり、デジタルカメラを代表とするレンズを用いた光学機器の高精度化および低コストによる精度管理が可能となり、光学レンズを用いた光学機器全般に対する用途に適用できる。

本発明の実施形態に係るレンズ測定装置の平面図である。 レンズ測定装置の正面図である。 レンズ測定装置の右側面図である。 レンズ保持後の測定子の様子を示す拡大図である。 両凹レンズの側面図である。 両凸レンズの側面図である。 従来のレンズ厚さを測定するマイクロメータを説明するための説明図である。

１ レンズ測定装置
３ ステージ（レンズ移動部）
４ 第１位置測定機（第１位置測定手段）
５ 第２位置測定機（第２位置測定手段）
６ レンズ保持部
７ レンズ
７１ レンズ面（一方のレンズ面）
７２ レンズ面（他方のレンズ面）
１０ 制御装置（レンズ形状算出部）

Claims (9)

1. レンズを移動させるレンズ移動部と、
   前記レンズの一方の面に当接し、当該当接点の位置を測定する第１位置測定手段と、
   前記レンズの他方の面に当接し、当該当接点の位置を測定する第２位置測定手段と、
   前記レンズ移動部による前記レンズの移動量並びに前記第１及び第２位置測定手段の測定結果に基づいて、前記レンズの形状を求めるレンズ形状算出部と、を備えるレンズ測定装置。
2. 前記第１及び第２位置測定手段は、略直線上に配される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレンズ測定装置。
3. 前記レンズ形状算出部は、
   前記レンズの厚さを算出する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレンズ測定装置。
4. レンズ移動部によりレンズを移動させるレンズ移動工程と、
   第１位置測定手段が前記レンズ移動工程により移動させたレンズの一方の面に当接して当該当接点の位置を測定する第１位置測定工程と、
   第２位置測定手段が前記レンズ移動工程により移動させたレンズの他方の面に当接して当該当接点の位置を測定する第２位置測定工程と、
   前記レンズ移動工程によるレンズの移動量並びに前記第１及び第２位置測定工程の測定結果に基づいて前記レンズの形状を求めるレンズ形状算出工程とを含むレンズ測定方法。
5. 前記第１及び第２位置測定手段は、略直線上に配される、
   ことを特徴とする請求項４に記載のレンズ測定方法。
6. 前記レンズ形状算出工程は、
   前記レンズの厚さを算出する、
   ことを特徴とする請求項４又は５に記載のレンズ測定方法。
7. レンズを作製するレンズ作製工程と、
   前記レンズ作製工程によって作製したレンズの形状を測定するレンズ形状測定工程とを含み、
   前記レンズ形状測定工程は、
   レンズ移動部によりレンズを移動させるレンズ移動工程と、
   第１位置測定手段が前記レンズ移動工程により移動させたレンズの一方の面に当接して当該当接点の位置を測定する第１位置測定工程と、
   第２位置測定手段が前記レンズ移動工程により移動させたレンズの他方の面に当接して当該当接点の位置を測定する第２位置測定工程と、
   前記レンズ移動工程によるレンズの移動量並びに前記第１及び第２位置測定工程の測定結果に基づいて前記レンズの形状を求めるレンズ形状算出工程とを有するレンズ製造方法。
8. 前記第１及び第２位置測定手段は、略直線上に配される、
   ことを特徴とする請求項７に記載のレンズ製造方法。
9. 前記レンズ形状算出工程は、
   前記レンズの厚さを算出する、
   ことを特徴とする請求項７又は８に記載のレンズ製造方法。

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