JP2012026968A - 光学素子の面間偏心測定装置及び面間偏心測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、設備構成がよりコンパクトで、測定のタクトタイムの短縮が可能な面間偏心測定装置及び面間偏心測定方法を提供する。
【解決手段】非球面レンズを保持するレンズ固定用治具２と、レンズ固定用治具２を回転及び反転する回転手段３と、レンズ固定用治具２の水平位置及び傾きを微調整する調心機構４と、レンズ固定用治具２の水平位置を検出する変位センサ５と、レンズ固定用治具２に固定されたオプティカルフラット６と、レンズ固定用治具２の傾きを検出するオートコリメータ７と、非球面レンズの面振れを測定する面振れ測定センサ８と、変位センサ５及びオートコリメータ７によりレンズ固定用治具２の水平位置及び傾きを測定させる制御手段と、非球面レンズのシフト量及びチルト量を算出する演算手段と、を有する光学素子の面間偏心測定装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子の面間偏心測定装置及び面間偏心測定方法に係り、特に、コンパクトな装置構成で、一つの光学素子の面間偏心の測定時間を短縮できる面間偏心測定装置及び面間偏心測定方法に関する。

非球面レンズは、レンズの上面と下面の偏心及び傾き（以下、面間偏心という）がレンズの特性を左右する。また、例えば、カメラに使用するレンズでは、昨今のカメラ本体の性能の向上による非球面レンズの使用枚数の増加に伴い、レンズに求められる面間偏心の要求精度が高度化している。

面間偏心を高精度に測定するためには、３次元測定機を使用してレンズの上面、下面の３次元形状をそれぞれ測定したり、より簡易な測定方法として反射偏心測定機にレンズ面の振れを測定するための変位センサを搭載し、この変位センサによりレンズを回転させたときのレンズ面の振れを測定することで行っている（例えば、特許文献１及び２参照）。

特許第４２９１８４９号公報 特許第３７２５８１７号公報

しかしながら、３次元測定機を用いた測定は、設備が大掛かりになり、また、３０分／個程度の長いタクトタイムの測定となってしまう。

また、反射偏心測定機を用いた測定は、（１）非球面係数の少ないレンズの測定に向いていないこと、（２）測定精度を向上させるためには変位センサの測定位置精度を向上させる必要があり、結局、設備が大掛かりになってしまうこと、（３）原理的にシフト測定精度が悪いこと、（４）レンズの回転を伴う測定のためレンズ位置調整を自動化できず３次元測定機と比較しても測定タクトタイムにメリットが出ないこと、等の問題があった。

本発明は、上記の問題を解消するために、設備構成がよりコンパクトで、測定のタクトタイムの短縮が可能な光学素子の面間偏心測定装置及び面間偏心測定方法の提供を目的とする。

本発明の光学素子の面間偏心測定装置は、測定対象の非球面レンズを保持するためのレンズ保持部を有する板状のレンズ固定用治具と、前記レンズ固定用治具の水平回転及び上下面を反転させる回転手段と、前記レンズ固定用治具の水平位置及び傾きを調整する調心機構と、前記レンズ固定用治具の水平位置を検出する変位センサと、前記レンズ固定用治具に固定されたオプティカルフラットと、前記レンズ固定用治具の傾きを検出するオートコリメータと、鉛直方向の軸を中心に回転させて、前記非球面レンズの面振れを測定する面振れ測定センサと、前記面振れ測定センサの測定結果に基づいて面振れの有無を判断し、面振れが有ると判断した場合は、前記調心機構を動作させ、再度、面振れの測定、面振れの有無の判断を繰り返し、面振れが無いと判断した場合は、前記変位センサ及びオートコリメータを用いて前記レンズ固定用治具の水平位置及び傾きの測定をする制御手段と、前記非球面レンズの上面について測定された前記レンズ固定用治具の水平位置及び傾き並びに非球面レンズの下面について測定された前記レンズ固定用治具の水平位置及び傾き、から前記非球面レンズのシフト量及びチルト量を算出する演算手段と、を有することを特徴とする。

また、本発明の光学素子の面間偏心測定方法は、上記光学素子の面間偏心測定装置を用いた面間偏心測定方法であって、前記レンズ固定用治具のレンズ保持部に、測定対象の非球面レンズを保持させる保持工程と、前記レンズ固定用治具に保持される非球面レンズの一方の面に対し、前記面振れ測定センサにより面振れを測定する上面面振れ測定と、該上面面振れ測定の結果に基づいて、非球面レンズの水平位置及び傾きを変化させる上面位置調整と、を前記非球面レンズの面振れがなくなるまで繰り返して行い非球面軸を決定する上面調心工程と、
前記非球面軸を決定したときの前記レンズ固定用治具の水平位置を変位センサにより、傾きをオートコリメータにより測定する第１の位置決定工程と、前記面振れがなくなった非球面レンズ上面について、決定した非球面軸を中心にして前記レンズ固定用治具を水平に１８０度回転させる上面回転工程と、前記上面回転工程により水平回転された前記レンズ固定用治具の水平位置を変位センサにより、傾きをオートコリメータにより測定する第２の位置決定工程と、
前記第２の位置決定工程が終了したレンズ固定用治具の上下面を反転させる反転工程と、前記反転したレンズ固定用治具に保持される非球面レンズの他方の面に対し、前記面振れ測定センサにより面振れを測定する下面面振れ測定と、該下面面振れ測定の結果に基づいて、非球面レンズの水平位置及び傾きを変化させる下面位置調整と、を前記非球面レンズの面振れがなくなるまで繰り返して行い非球面軸を決定する下面調心工程と、
前記非球面軸を決定したときの前記レンズ固定用治具の水平位置を変位センサにより、傾きをオートコリメータにより測定する第３の位置決定工程と、前記面振れがなくなった非球面レンズ下面について、決定した非球面軸を中心にして前記レンズ固定用治具を水平に１８０度回転させる下面回転工程と、前記下面回転工程により１８０度回転したレンズ固定用治具の水平位置を変位センサにより、傾きをオートコリメータにより測定する第４の位置決定工程と、
前記第１乃至第４の位置決定工程により得られた水平位置の値に基づいて、非球面レンズのシフト量を算出するシフト量算出工程と、前記第１乃至第４の位置決定工程により得られた傾きの値に基づいて、非球面レンズのチルト量を算出するチルト量算出工程と、を有することを特徴とする。

本発明の光学素子の面間偏心測定装置及び面間偏心測定方法によれば、設備構成がコンパクトでありながら、光学素子の上面、下面の非球面軸のシフト量及びチルト量を簡便に測定できる。この装置及び方法による測定は、非球面係数の少ないレンズにも対応でき、測定精度も良好で、測定のタイムタクトを短縮できる。

本発明の一実施形態である光学素子の面間偏心測定装置の概略構成図である。 図１の光学素子の面間偏心測定装置で用いたレンズ固定用治具の（ａ）側断面図及び（ｂ）平面図である。 図１の光学素子の面間偏心測定装置を用いた面間偏心測定方法における、工程（Ａ）〜（Ｃ）についての動作を説明する図である。 図１の光学素子の面間偏心測定装置を用いた面間偏心測定方法における、工程（Ｄ）〜（Ｅ）についての動作を説明する図である。 非球面レンズのシフト量算出について説明するための関係図である。 非球面レンズのシフト量の算出方法について説明する図である。 非球面レンズのチルト量算出について説明するための関係図である。 非球面レンズのチルト量の算出方法について説明する図である。

以下、本発明について図面を参照しながら説明する。

図１に示した光学素子の面間偏心測定装置１は、非球面レンズ５０を保持するレンズ固定用治具２と、レンズ固定用治具２の水平回転及び上下面を反転させる回転手段３と、レンズ固定用治具２の水平位置及び傾きを調整する調心機構４と、レンズ固定用治具２の水平位置を検出する変位センサ５と、レンズ固定用治具２に固定されたオプティカルフラット６と、レンズ固定用治具２の傾きを検出するオートコリメータ７と、非球面レンズ５０の面振れを測定する面振れ測定センサ８と、から構成される。

なお、光学素子の面間偏心測定装置１は、面振れ測定センサ８は、鉛直方向の軸を中心に回転させて、非球面レンズ５０の面振れを測定するもので、得られた測定値から面振れの有無を判断し、面振れが有ると判断した場合には調心機構４を動作させ、面振れが無いと判断した場合には変位センサ５及びオートコリメータ７によりレンズ固定用治具２の水平位置及び傾きの測定する制御手段を有する。さらに、光学素子の面間偏心測定装置１は、得られた複数の水平位置及び傾きから、非球面レンズ５０のシフト量及びチルト量を算出する演算手段と、を有して構成される。ここで面振れとは、面振れ測定センサ８でセンサとレンズの距離を測定した時に、その測定距離が一定とならないことをいい、このとき、測定した非球面レンズの非球面軸と面振れ測定センサ８の回転軸とがずれている。

レンズ固定用治具２は、図２にその側断面及び平面を示したように、測定対象の非球面レンズを中央部に保持、固定するためのレンズ保持部２ａを有する板状の治具である。測定される非球面レンズ５０は、光学面に接触しないように、レンズ固定用治具２の中央に配設されたレンズ固定用金具２ｂにより固定される。レンズ固定用金具２ｂは、非球面レンズ５０を安定して固定できるように、レンズの外周の複数個所を均等に保持する。安定に保持するためには、少なくともレンズ外周を周方向に等間隔で、３箇所、好ましくは４箇所以上でレンズを保持することが好ましい。

レンズ固定用治具２の側面２ｃは平滑に鏡面加工されており、後述する変位センサ５から、この鏡面部分にレーザ光を照射し、反射光の受光時間の測定により、レンズ固定用治具２の位置を精密に計測できる。

回転手段３は、レンズ固定用治具２の水平回転と、レンズ固定用治具２の上下面の反転と、をそれぞれ独立に制御できる。水平回転させる場合には、レンズ固定用治具２を、鉛直方向の軸により１８０度（水平面上で）回転させる。上下面を反転させる場合には、レンズ固定用治具２を、一旦面間偏心測定装置１から外部へ移動させ、水平方向の回転軸により１８０度回転させることで上下面を反転させる。

この回転手段３としては、例えば、図１に示したような回転アームにより達成できる。この回転アームは、レンズ固定用治具２を、その傾き状態を維持したままハンド部３ａで保持、移動でき、保持したレンズ固定用治具２の水平回転では、測定対象の非球面レンズの非球面軸を中心に水平回転ができる。さらに、この回転アームは、レンズ固定用治具２を、その傾き状態を維持したままハンド部３ａで保持、移動させた後、アーム部３ｂを軸にハンド部３ａを１８０度回転させることで、上下面の反転ができる。

調心機構４は、レンズ固定用治具２の水平位置及び傾きを微調整する。この調心機構は、水平位置を微調整できる水平移動手段４ａと、傾きを微調整できる傾斜角度調整手段４ｂと、から構成される。

この水平移動手段４ａは、その上部に傾斜角度調整手段４ｂを載せており、さらにその上部にレンズ固定用治具２を固定できる。したがって、この水平移動手段４ａを移動することでレンズ固定用治具２の水平位置を変更できる。ここで、水平移動手段４ａとしては、例えば、ピエゾ素子、ＸＹ軸微動ステージ等が挙げられる。

この傾斜角度調整手段４ｂを構成するにあたって、調整角度の大きい粗調整用のものと、調整角度の小さい微調整のものとを組み合わせることが好ましい。このとき、例えば、粗調整用の方の調整角度は±０．１度以下の精度で連続的あるいはステップ的に調整し、微調整用の方の調整角度をは±０．００１度以下の精度で連続的あるいはステップ的に調整できるのが好ましい。

傾斜角度調整手段４ｂとしては、ピエゾ素子、傾斜ステージ、ゴニオステージ等を使用できる。調整角度は水平面に対して±１０度までの範囲とすればよい。

傾斜角度調整手段４ｂの上部は、レンズ固定用治具２を保持、固定できるようになっており、この傾斜角度調整手段４ｂにより、レンズ固定用治具２の傾きを微調整できる。この傾斜角度は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の両方の傾斜角度を調整することで、水平面に対するどのような傾斜角度も達成できる。

変位センサ５は、レンズ固定用治具２の水平位置を検出する。この変位センサ５としては、例えば、反射タイプのレーザ変位計、光学三角測距式変位センサ、レーザーフォーカス式変位センサ、超音波式変位センサ、過電流式変位センサ等を使用でき、反射タイプのレーザ変位計を用いた場合には、レンズ固定用治具２の鏡面加工された側面に水平にレーザ光を照射し、反射光の受光時間を測定してレンズ固定用治具２と変位センサ５との距離が求められる。

この変位センサ５は、図１では、レンズ固定用治具２の左側から照射するようにしてＸＹ平面のＸ方向の位置を測定するようにのみ記載しているが、実際には、Ｙ方向の位置も測定できるように、図の手前から奥へ向けて、レーザ光を照射するように変位センサ５が設けられている。このとき、変位センサは少なくともＸ方向及びＹ方向で各々２個ずつ設けて、その距離を正確に計測できる構成が好ましい。

オプティカルフラット６は、レンズ固定用治具２に固定されており、レンズ固定用治具２の基準傾きを決定する。このオプティカルフラット６は、レンズ固定用治具２の傾きを測定するために使用され、後述するオートコリメータ７からのレーザ光を受ける位置に設けられる。具体的には、図２に示したように、レンズ固定用治具２の内部であって、レンズ固定部２ａの外周に円環状に固定して設けることが好ましい。また、オプティカルフラットの面精度を維持するために内周は出来るだけ小さく、厚みはできるだけ厚いことが望ましい。

オートコリメータ７は、レンズ固定用治具２の傾きを検出する。オートコリメータ７は、オプティカルフラット６へレーザ光を照射し、その反射光の角度からレンズ固定用治具２の傾きを検出する。

面振れ測定センサ８は、鉛直方向の軸を中心に回転させて、非球面レンズの面振れを測定する。この面振れ測定センサ８は、測定対象であるレンズの測定面に対して、斜め上方に配置され、レンズの非球面軸に近い回転軸を中心に回転しながら、レンズの測定面とセンサとの距離を測定する。センサとレンズとの距離の振れが測定された場合は、非球面軸とセンサの回転軸８ａが一致していないことがわかり、振れが測定されない場合は、非球面軸とセンサの回転軸８ａが一致したことがわかる。

なお、この面振れ測定センサ８は、測定対象である非球面レンズへのレーザ光の照射角度によって、測定ができない場合も生じるため、センサの角度、上下位置、水平位置を調整して測定対象である非球面レンズの面振れの測定を安定してできることが好ましい。

制御手段は、図示していないが、面振れ測定センサ８の測定により面振れの有無を判断する。面振れが有ると判断した場合には、調心機構４を動作させることで、レンズ固定用治具２の水平位置及び傾きを変えて、再度、面振れ測定センサ８により面振れを測定し、再度、面振れの有無を判断する。

一方、面振れが無いと判断した場合には、測定面の非球面軸と面振れ測定センサ８のセンサ回転軸８ａが一致していることがわかり、ここで面振れ測定を終了し、制御手段は、この位置におけるレンズ固定用治具２の水平位置及び傾きを、変位センサ５及びオートコリメータ７により測定させる。

このとき、変位センサ５及びオートコリメータ７による測定値は、記憶手段により記憶しておく。ここで記憶した測定値は、後述する演算手段により使用される。このとき用いられる記憶手段は、半導体メモリ、ＨＤＤ等の公知の記憶手段が挙げられる。

また、演算手段は、測定対象である非球面レンズのシフト量及びチルト量を算出する。ここで、シフト量及びチルト量について、より具体的に説明する。シフト量とは、非球面レンズの上面の非球面軸と下面の非球面軸との水平方向における相対的位置のズレをいい、チルト量とは、非球面レンズの上面の非球面軸と下面の非球面軸とのなす角が１８０度からどれだけの角度、どの方向にズレているかをいう。

したがって、上記した非球面軸の決定、その際のレンズ固定用治具２の位置及び傾きの測定は、非球面レンズ５０の上面及び下面の両面を測定対象とし、それぞれのデータが上記記憶手段に記憶される。そして、この記憶されている上面の非球面軸を決定したときのレンズ固定用治具２の水平位置及び傾き並びに下面の非球面軸を決定したときのレンズ固定用治具２の水平位置及び傾きに基づいて、非球面レンズ５０の上面の非球面軸と下面の非球面軸とのシフト量及びチルト量を算出する。具体的な算出方法については、後述する面間偏心測定方法において説明する。

次に、この光学素子の面間偏心測定装置１を用いた光学素子の面間偏心測定方法について説明する。図３は、この光学素子の面間偏心測定方法の下記工程（Ａ）〜（Ｃ）についての動作を、図４は、下記工程（Ｄ）〜（Ｅ）についての動作を説明する図である。

（Ａ）保持工程
まず、光学素子の面間偏心測定装置１からレンズ固定用治具２を外し、図２に示したように、そのレンズ保持部２ａに、測定対象の非球面レンズ５０を固定し、保持させる（図３（ａ））。そして、この非球面レンズ５０を保持したレンズ固定用治具２は、面間偏心測定装置１にセットされ、基準位置に調整される。この基準位置は、水平位置は、レンズ固定用治具２の治具中心がセンサ回転軸８ａと平面上に同一の位置にくるように、傾きはオプティカルフラット６に照射される、オートコリメータ７のレーザ光とその反射光の軌跡が一致する位置となる。

（Ｂ）上面調心工程
次に、セットされたレンズ固定用治具２に保持される非球面レンズ５０の一方の面（以下、こちらの面を「上面」という）に対して上面調心工程を行う。この上面調心工程は、次に説明する（Ｂ−１）上面面振れ測定と（Ｂ−２）上面位置調整とを、非球面レンズ５０の面振れがなくなるまで繰り返し行うもので、これにより非球面軸が決定される。

（Ｂ−１）上面面振れ測定は、レンズ固定用治具２に保持される非球面レンズ５０の上面に対し、面振れ測定センサ８により面振れを測定する操作である。このとき面振れ測定センサ８を、鉛直方向のセンサ回転軸８ａを中心に回転させて、非球面レンズの面振れを測定する（図３（ｂ））。この回転により、面振れ測定センサ８は、レンズとの距離を連続的に測定して、その測定距離の変動の状態を確認する。測定距離が変動する場合には面振れが有ると判断され、非球面軸５０ａとセンサ回転軸８ａが一致していないことがわかる。

（Ｂ−２）上記上面面振れ測定により、面振れが有った場合には、上面位置調整を行う。この上面位置調整は、非球面レンズ５０の水平位置又は傾きを変化させて非球面軸５０ａをセンサ回転軸８ａと一致する方向へ、水平位置又は傾きを移動させる操作である。

このとき、水平位置は、水平移動手段４ａにより、非球面レンズ５０を保持するレンズ固定用治具２ごと水平位置を移動させて調整する。また、傾きは、傾斜角度調整手段４ｂを用いて同じように、非球面レンズ５０を保持するレンズ固定用治具２ごと傾斜角度を変化させて調整する。

上記上面面振れ測定の結果より、面振れが大きい場合には、まず水平位置を水平調整手段４ａによって変化させ位置を調整する。この水平位置の調整は、上面面振れ測定によって得られた最大値と最小値の大きさ及び位置データに基づいて、その最大値と最小値の差が最も小さくなるように行われる。具体的には、（最大値−最小値）／２の距離だけ最大値の方向へ水平移動させる。

水平移動後は、再度上面面振れ測定を行い、面振れが改善されているかを判断する。面振れが改善されていれば、次に、傾斜角度調整手段４ｂによって変化させ傾きを調整する。この傾斜角度の調整は、上面面振れ測定によって得られた最大値と最小値の大きさ及び位置データに基づいて、その最大値と最小値の差が最も小さくなるように行われる。具体的には、（最大値−最小値）／２の距離に相当する角度だけ最大値の方向へ傾斜させる。ここで、（最大値−最小値）／２の距離に相当する角度は、面振れ測定している非球面レンズの位置の接線の傾きから角度と距離の関係を計算して、距離を角度に変換すればよい。

傾斜後は、再度上面面振れ測定を行い、面振れが改善されているかを判断する。面振れが改善されていれば、上記と同様に水平位置の調整と傾斜角度の調整とを繰り返して行う。なお、調整操作を行った後、面振れが改善されていない場合には、調整操作前の状態に一旦戻して、もう一方の要素を調整する調整操作を継続すればよい。

上記（Ｂ−１）及び（Ｂ−２）の操作を繰り返して行い、面振れが測定されなくなったとき、すなわち、面振れ測定センサにより測定されるレンズ上面との距離が一定となり、非球面軸５０ａとセンサ回転軸８ａとが一致したとき、この上面調心工程を終了する（図３（ｃ））。

ところで、非球面軸５０ａとセンサ回転軸８ａとは、一致させることが非常に困難であるため、実際には、面振れの量が必要とされる面間偏心測定精度に対して十分小さくなったと判断したときにも、軸が一致したものと同様に扱い上面調心工程を終了する。ここで、面振れの量が十分に小さくなったとの判断は、測定対象の非球面レンズの大きさ、形状に基づいて、（１）所定の基準値を設け、面振れの「最大値−最小値」がその基準値内に入ったとき、（２）面振れの「最大値−最小値」が、面振れ測定のｎ回目とｎ＋１回目の差、ｎ＋１回目とｎ＋２回目の差、がほぼゼロ（又は基準値以下）になったとき、（３）面振れ測定による面振れの大きさが「大→中→小→中」と変化したときの一番面振れの改善されている状態（「小」の部分）を判別したとき、等の基準に従い、これらを単独で又は組み合わせて行えばよい。

（Ｃ）第１の位置決定工程
上記調心工程により、非球面軸５０ａとセンサ回転軸８ａとが一致したことが確認できたら、その一致した状態におけるレンズ固定用治具２の水平位置及び傾きを測定する第１の位置決定工程を行う。

（Ｃ−１）第１の位置決定工程における水平位置は、レンズ固定用治具２の外周に離間して装置に固定された変位センサ５を用いて行う。レンズ固定用治具２の測定に係る外周側面２ｃは、鏡面加工されており、この鏡面部分に、変位センサ５からレーザ光を照射する。レーザ光の照射から、その反射光の検出時間を測定することで変位センサ５からレンズ固定用治具２までの距離を測定する。変位センサ５は、レンズ固定用治具２の水平位置を決定するために、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の２方向の距離を測定するように装置に設けられる（図３（ｄ））。なお、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向のいずれにおいてもセンサを２個以上設けるようにして、その平均値を算出することで、レンズ固定用治具２がＸ軸及びＹ軸方向に傾いている場合にも、レンズの非球面軸の位置を確実に算出できる。

（Ｃ−２）第１の位置決定工程における傾きは、レンズ固定用治具２の上方に離間して装置に固定されたオートコリメータ７を用いて行う。レンズ固定用治具２にはオプティカルフラット６が埋め込まれており、オートコリメータ７からレーザ光を照射する。このレーザ光の反射光の傾きの検出により、レンズ固定用治具２の傾きを測定できる（図３（ｄ））。

ここで測定された水平位置及び傾きからなる位置情報は、記憶手段に記憶され、後の工程において使用される。

（Ｄ）上面回転工程
第１の位置決定が終了したら、次に、上面回転工程を行う。この上面回転は、レンズ固定用治具２を、上記非球面軸５０ａ（センサ回転軸８ａ）を回転軸として、１８０度水平回転する（図４（ａ）；回転前）。すなわち、この回転では、レンズ固定用治具２はその傾きを保持したまま、かつ、非球面レンズ５０の上面を上方に向けたまま、回転される。また、この回転によって非球面軸５０ａが、センサ回転軸８ａと一致した状態は変わらない（図４（ｂ）；回転後）。

回転した後、それぞれ水平位置及び傾きも１８０度回転した状態とするため、水平移動手段４ａの水平位置及び傾斜角度調整手段４ｂの傾きも、それぞれセンサ回転軸８ａ中心に１８０度回転された状態へと調整される。

（Ｅ）第２の位置決定工程
１８０度水平回転したレンズ固定用治具２に対して、水平位置及び傾きを決定する第２の位置決定工程を行う。この第２の位置決定工程で、上記（Ｃ）第１の位置決定工程と同様に、変位センサ５及びオートコリメータ７により水平位置及び傾きが決定される（図４（ｃ））。

そして、第１の位置決定工程と同様に、ここで測定された水平位置及び傾きからなる位置情報は、記憶手段に記憶され、後の工程において使用される。

（Ｆ）反転工程
第２の位置決定が終了したら、次に、レンズ固定用治具２の上下面を回転手段３により反転させる。この反転により、非球面レンズ５０の上面と下面が入れ替わり、下面の測定の準備が整う。このとき、調心機構の水平位置及び傾きは基準位置に戻して、レンズ固定用治具２を基準位置に載置することが好ましい。

（Ｇ）下面調心工程
次に、レンズ固定用治具２に保持される非球面レンズ５０の他方の面（以下、こちらの面を「下面」という）に対して調心工程を行う。この下面調心工程は、上面調心工程と同様に、下面面振れ測定と下面位置調整とを、非球面レンズ５０の面振れがなくなるまで繰り返し行うもので、これにより非球面軸が決定される。

（Ｇ−１）下面面振れ測定は、レンズ固定用治具２に保持される非球面レンズ５０の下面に対し、面振れ測定センサ８により面振れを測定する操作である。このとき面振れ測定センサ８を、鉛直方向のセンサ回転軸８ａを中心に回転させて、非球面レンズの面振れを測定する。この回転により、面振れ測定センサ８は、レンズとの距離を連続的に測定して、その測定距離が変動の状態を確認する。測定距離が変動する場合には面振れが有ると判断され、非球面軸５０ｂとセンサ回転軸８ａが一致していないことがわかる。

（Ｇ−２）上記下面面振れ測定により、面振れが有った場合には、下面位置調整を行う。この下面位置調整は、非球面レンズ５０の水平位置又は傾きを変化させて非球面軸５０ｂをセンサ回転軸８ａと一致する方向へ、水平位置又は傾きを移動させる操作である。

上記（Ｇ−１）及び（Ｇ−２）の操作を繰り返して行い、面振れが測定されなくなったとき、すなわち、面振れ測定センサにより測定されるレンズ下面との距離が一定となり、非球面軸５０ｂとセンサ回転軸８ａとが一致したとき、この下面調心工程を終了する。また（Ｂ）上面調心工程と同様に、面振れの量が必要とされる面間偏心測定精度に対して十分小さくなったと判断されたときにも下面調心工程を終了する。

（Ｈ）第３の位置決定工程
上記下面調心工程を実施して、非球面軸５０ｂとセンサ回転軸８ａとが一致したことが確認できたら、その一致した状態におけるレンズ固定用治具２の水平位置及び傾きを測定する第３の位置決定工程を行う。測定は、上記（Ｃ）第１の位置決定工程と同様に、変位センサ５及びオートコリメータ７により水平位置及び傾きが決定される。なお、レンズ固定用治具２に埋め込まれたオプティカルフラット６は、下面からも測定できるように、測定位置においては、レンズ固定用治具２に開口部が設けられている。

ここで測定された水平位置及び傾きからなる位置情報は、記憶手段に記憶され、後の工程において使用される。

（Ｉ）下面回転工程
第３の位置決定が終了したら、次に、下面回転工程を行う。この下面回転は、レンズ固定用治具２を、上記非球面軸５０ｂ（センサ回転軸８ａ）を回転軸として、１８０度水平回転する。すなわち、この回転では、レンズ固定用治具２はその傾きを保持したまま、かつ、非球面レンズ５０の下面を上方に向けたまま、回転される。また、この回転によって非球面軸５０ｂが、センサ回転軸８ａと一致した状態は変わらない。

回転した後、それぞれ水平位置及び傾きも１８０度回転した状態とするため、水平移動手段４ａの水平位置及び傾斜角度調整手段４ｂの傾きも、それぞれセンサ回転軸８ａ中心に１８０度回転された状態へと調整される。

（Ｊ）第４の位置決定工程
１８０度水平回転したレンズ固定用治具２に対して、水平位置及び傾きを決定する第４の位置決定工程を行う。この第４の位置決定工程は、上記（Ｈ）第１の位置決定工程と同様に、変位センサ５及びオートコリメータ７により水平位置及び傾きが決定される。

そして、第１の位置決定工程と同様に、ここで測定された水平位置及び傾きからなる位置情報は、記憶手段に記憶され、後の工程において使用される。

（Ｋ）シフト量算出工程
第４の位置決定工程まで終了したら、測定対象の非球面レンズ５０のシフト量を算出する。シフト量の算出は、上記第１〜４の位置決定工程で得られた水平位置の情報を使用して算出する。

まず、レンズ固定用治具２の治具中心線Ｏを基準とし、この基準がレンズ固定用治具２の平面上の原点となる。このとき、原点に対してズレて存在する非球面レンズ５０上面の非球面軸の座標をＡ（ａｘ，ａｙ）、下面の非球面軸の座標をＢ（ｂｘ，ｂｙ）とする。このとき、レンズ固定用治具２の側断面から見たＸ軸方向のズレを図５に示した。

このとき、座標ＡのＸ成分は、図６（ａ）に示した第１の位置決定工程で得られたＸ軸方向の水平位置情報（以下、Ｘ１という）と図６（ｂ）に示した第２の位置決定工程で得られたＸ軸方向の水平位置情報（以下、Ｘ２という）との差をとることで算出される。具体的には、Ｘ１とＸ２とから得られる差（Ｘ１−Ｘ２）は、常に、治具中心線Ｏと上面の非球面軸の座標ＡのＸ成分との距離の２倍の距離となるため、座標ＡのＸ成分はａｘ＝（Ｘ１−Ｘ２）／２の計算式によって算出できる。

上記の関係は、Ｙ軸方向にも言えるため、全く同じ考え方で第１の位置決定工程で得られたＹ軸方向の水平位置情報（以下、Ｙ１という）と第２の位置決定工程で得られたＹ軸方向の水平位置情報（以下、Ｙ２という）を用い、座標ＡのＹ成分はａｙ＝（Ｙ１−Ｙ２）／２の計算式によって算出できる。

そして、上記のようにＸ成分及びＹ成分がそれぞれ算出されれば、治具中心線Ｏに対する座標Ａがわかる。

次に、座標Ｂについても座標Ａと同様に、図６（ｃ）に示した第３の位置決定工程で得られたＸ軸方向の水平位置情報（以下、Ｘ３という）と図６（ｄ）に示した第４の位置決定工程で得られたＸ軸方向の水平位置情報（以下、Ｘ４という）を用い、座標ＢのＸ成分はｂｘ＝（Ｘ３−Ｘ４）／２の計算式によって算出でき、さらに、第３の位置決定工程で得られたＹ軸方向の水平位置情報（以下、Ｙ３という）と第４の位置決定工程で得られたＹ軸方向の水平位置情報（以下、Ｙ４という）を用い、座標ＢのＹ成分はｂｙ＝（Ｙ３−Ｙ４）／２の計算式によって算出できる。

そして、上記のようにＸ成分及びＹ成分がそれぞれ算出されれば、治具中心線Ｏに対する座標Ｂがわかる。

このようにして座標Ａと座標Ｂとがわかれば、この非球面レンズにおけるシフト量は、それぞれの座標の差（座標Ａ−座標Ｂ）をとることで容易に算出できる。

（Ｌ）チルト量算出工程
第４の位置決定工程まで終了したら、測定対象の非球面レンズ５０のチルト量を算出する。チルト量の算出は、上記第１〜４の位置決定工程で得られたレンズ固定用治具２の傾きの情報を使用して算出する。

まず、レンズ固定用治具２に固定されたオプティカルフラットの上下面の法線を基準（基準線）とする。このとき、基準線に対する非球面レンズ５０の上面の非球面軸の傾きをγ、下面の非球面軸の傾きをφとする（図７）。

このとき、センサ回転軸に対してオートコリメータ７からのレーザ光がθの角度を持っているとき、図８（ａ）に示したように第１の位置決定工程で得られた傾き情報は、反射光の傾きとして（θ＋γ）が得られる。また、図８（ｂ）に示したように第２の位置決定工程で得られた傾き情報は（θ−γ）が得られる。これらの傾き情報の差をとると、（θ＋γ）−（θ−γ）＝２γが得られ、γの値が決定できる。

次に、下面についても同様であり、このとき、センサ回転軸に対してオートコリメータ７からのレーザ光はθの角度で変わらない。よって、図８（ｃ）に示したように第３の位置決定工程で得られた傾き情報は、反射光の傾きとして２×（θ＋φ）が得られる。また、図８（ｄ）に示したように第４の位置決定工程で得られた傾き情報は（θ−φ）が得られる。これらの傾き情報の差をとると、（θ＋φ）−（θ−φ）＝２φが得られ、φの値が決定できる。

上記のように得られたγとφとは、共にＸ軸成分、Ｙ軸成分を有しており、これらを分離して、Ｘ軸方向のチルト量、Ｙ軸方向のチルト量をそれぞれ算出し、これらの合成により非球面レンズ５０のチルト量が算出できる。

以上のように、本発明の面間偏心測定装置及び方法によれば、コンパクトな設備構成でありながら、非球面レンズ５０のシフト量及びチルト量を容易に測定できる。さらに、この測定装置及び方法によれば、非球面係数の少ないレンズにも対応でき、測定精度も良好で、測定のタクトタイムを短縮できる。

本発明の光学素子の面間偏心測定装置及び面間偏心測定方法は、プレス成形により得られた非球面レンズについて、その上面及び下面のシフト量及びチルト量の測定に使用できる。

１…光学素子の面間偏心測定装置、２…レンズ固定用治具、３…回転手段、４…調心機構、５…変位センサ、６…オプティカルフラット、７…オートコリメータ、８…面振れ測定センサ、８ａ…センサ回転軸、５０…非球面レンズ、５０ａ，５０ｂ…非球面軸、

Claims (4)

1. 測定対象の非球面レンズを保持するためのレンズ保持部を有する板状のレンズ固定用治具と、
   前記レンズ固定用治具の水平回転及び上下面を反転させる回転手段と、
   前記レンズ固定用治具の水平位置及び傾きを調整する調心機構と、
   前記レンズ固定用治具の水平位置を検出する変位センサと、
   前記レンズ固定用治具に固定されたオプティカルフラットと、
   前記レンズ固定用治具の傾きを検出するオートコリメータと、
   鉛直方向の軸を中心に回転させて、前記非球面レンズの面振れを測定する面振れ測定センサと、
   前記面振れ測定センサの測定結果に基づいて面振れの有無を判断し、面振れが有ると判断した場合は、前記調心機構を動作させ、再度、面振れの測定、面振れの有無の判断を繰り返し、面振れが無いと判断した場合は、前記変位センサ及びオートコリメータにより前記レンズ固定用治具の水平位置及び傾きの測定をする制御手段と、
   前記非球面レンズの上面について測定された前記レンズ固定用治具の水平位置及び傾き並びに非球面レンズの下面について測定された前記レンズ固定用治具の水平位置及び傾き、から前記非球面レンズのシフト量及びチルト量を算出する演算手段と、
   を有することを特徴とする光学素子の面間偏心測定装置。
2. 前記レンズ固定用治具の外周側面が鏡面加工されており、前記変位センサが反射タイプのレーザ変位計である請求項１記載の面間偏心測定装置。
3. 前記調心機構の傾斜角度調整手段が、ピエゾ素子を有している請求項１又は２記載の面間偏心測定装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項記載の光学素子の面間偏心測定装置を用いた面間偏心測定方法であって、
   前記レンズ固定用治具のレンズ保持部に、測定対象の非球面レンズを保持させる保持工程と、
   前記レンズ固定用治具に保持される非球面レンズの一方の面に対し、前記面振れ測定センサにより面振れを測定する上面面振れ測定と、該上面面振れ測定の結果に基づいて、非球面レンズの位置及び傾きを変化させる上面位置調整と、を前記非球面レンズの面振れがなくなるまで繰り返し非球面軸を決定する上面調心工程と、
   前記非球面軸を決定したときの前記レンズ固定用治具の水平位置を変位センサにより、傾きをオートコリメータにより測定する第１の位置決定工程と、
   前記面振れがなくなった非球面レンズ上面について、決定した非球面軸を中心にして前記レンズ固定用治具を水平に１８０度回転させる上面回転工程と、
   前記上面回転工程により水平回転された前記レンズ固定用治具の水平位置を変位センサにより、傾きをオートコリメータにより測定する第２の位置決定工程と、
   前記第２の位置決定工程が終了したレンズ固定用治具の上下面を反転させる反転工程と、
   前記反転したレンズ固定用治具に保持される非球面レンズの他方の面に対し、前記面振れ測定センサにより面振れを測定する下面面振れ測定と、該下面面振れ測定の結果に基づいて、非球面レンズの水平位置及び傾きを変化させる下面位置調整と、を前記非球面レンズの面振れがなくなるまで繰り返して行い非球面軸を決定する下面調心工程と、
   前記非球面軸を決定したときの前記レンズ固定用治具の水平位置を変位センサにより、傾きをオートコリメータにより測定する第３の位置決定工程と、
   前記面振れがなくなった非球面レンズ下面について、決定した非球面軸を中心にして前記レンズ固定用治具を水平に１８０度回転させる下面回転工程と、
   前記下面回転工程により１８０度回転したレンズ固定用治具の水平位置を変位センサにより、傾きをオートコリメータにより測定する第４の位置決定工程と、
   前記第１乃至第４の位置決定工程により得られた水平位置の値に基づいて、非球面レンズのシフト量を算出するシフト量算出工程と、
   前記第１乃至第４の位置決定工程により得られた傾きの値に基づいて、非球面レンズのチルト量を算出するチルト量算出工程と、
   を有することを特徴とする光学素子の面間偏心測定方法。

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