JPH0815090A - 屈折率分布型レンズアレイの検査方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 目視検査にたよることなく、各レンズ素子の
欠けや折れなどを検出する。レンズ素子の細径化に対応
でき、信頼性が高く、明確な良否判断基準を設定でき、
再現性のよい検査が行えるようにする。 【構成】 屈折率分布型レンズアレイ１０の各レンズ素
子１２に、平行光又は散乱光を入射し、各レンズ素子か
らの出射光を、隣接するレンズ素子からの出射光の影響
を排除して受光することにより、各レンズ素子単独の伝
達光量あるいは光量分布を求め、予め設定した良否判断
基準と比較して良品・不良品を選別する。平行光として
は、光軸回りに回転対称な強度分布をもつ平行光が好ま
しい。光量分布を求めるには、スリットを通して受光素
子で受光し、スリットをレンズアレイに対して相対的
に、レンズアレイの幅方向に走査させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、屈折率分布型レンズア
レイの各レンズ素子に、平行光又は散乱光を入射し、各
レンズ素子からの出射光を受光して各レンズ素子単独の
伝達光量あるいは光量分布を求めて、良否を判定する検
査方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】屈折率分布型レンズアレイは、微小なロ
ッド状のレンズ素子（屈折率分布型ロッドレンズ）を多
数、一段もしくは複数段に配列し、全体で１個の連続し
た像を形成する複眼レンズ部品である。このような屈折
率分布型レンズアレイは、各レンズ素子の特性のばらつ
き（僅かな屈折率分布の違いなど）あるいはレンズ素子
の配列の乱れなどによってレンズアレイとしての光学特
性は変化する。そこで、次のような方法によって屈折率
分布型レンズアレイの検査を行っている。 実際に使用する物体像面間距離に等しくなるようにテ
ストチャートと受光素子を配置し、その中心位置にレン
ズアレイを設置して、レンズアレイのレスポンス関数
（ＭＴＦ；Modulation Transfer Function）を測定する
方法。 上記と同様の配置で、テストチャートを取り除き、
均一強度の散乱光を入射させた場合のレンズアレイの伝
達光量と光量むらを測定する方法。

【０００３】しかし、このような光学測定では、レンズ
素子の微細な欠け（表面あるいは表面に近い部分での欠
陥）、折れ（内部での欠陥）を検出することは困難であ
る。レンズ素子の欠けは、レンズアレイに切断すると
き、あるいはレンズアレイの端面を研磨するときに発生
する可能性があり、レンズ素子の折れは、ガラスロッド
を整列させて組み立てるとき、あるいはレンズアレイの
端面の研磨のためにクランプしたときなどに発生するこ
とがある。そこで、上記及びの光学測定による検査
の他に、レンズアレイの外観を目視により観察し、レン
ズ素子の欠けあるいは折れのあるレンズアレイを選別し
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記及びの検査方
法は自動化が可能であるが、それらの検査方法では、各
レンズ素子１個１個の欠陥を検出しきれず、どうしても
目視検査を必要としていた。その理由は、各レンズ素子
の視野半径は、通常素子径の２〜４倍あり、及びの
検査の際には、複数のレンズ素子の合成像検査となるた
めに、隣接するレンズ素子の像の影響で平均化されてし
まい、各レンズ素子の欠陥を検出し難いためである。特
にの検査では、正常なレンズ素子でも複眼レンズ特有
の周期的な光量むらの存在が影響する。

【０００５】しかし目視検査は、どうしても信頼性に乏
しい。作業者の熟練度や体調に左右されやすく、一定の
基準が守れない。特に作業量が増えると、不良品の見逃
しが増加する傾向にある。また目視検査ではレンズ素子
径の細径化に対応できない。レンズアレイを使用する機
器の小形化に伴い、レンズアレイはますます小形化の傾
向にあり、レンズ素子径も小さく（例えば、０．６mm程
度以下）なっている。すると、肉眼では欠陥が見えない
し、顕微鏡などを用いた検査では、目が疲れる等の問題
があり能率が悪い。更に、目視検査では、実用上問題の
ある欠陥と問題のない欠陥との区別がつけ難いため、必
要以上に厳しいと思われる水準での選別を余儀なくされ
る。例えば欠けの場合を例にとると、その大きさ、位
置、形状、深さ、破断面の状況など千差万別であり、光
学性能に影響の有るものと無いものの限度が設定できな
い。

【０００６】本発明の目的は、目視検査にたよることな
く、各レンズ素子の欠けや折れなどを検出できる屈折率
分布型レンズアレイの検査方法を提供することである。
本発明の他の目的は、レンズ素子の細径化に対応でき、
信頼性が高く、明確な良否判断基準を設定でき、再現性
のよい検査が行える屈折率分布型レンズアレイの検査方
法を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、屈折率分布型
レンズアレイの各レンズ素子に、平行光を入射し、各レ
ンズ素子から出射した光を、隣接するレンズ素子からの
出射光の影響を排除して受光することにより、各レンズ
素子単独の伝達光量あるいは光量分布を求め、予め設定
した良否判断基準と比較して良品・不良品を選別する屈
折率分布型レンズアレイの検査方法である。ここで平行
光としては、光軸回りに回転対称な強度分布をもつ平行
光が好ましい。具体的には、一旦レーザ光を単一モード
ファイバに入射させ、その出射光をコリメータレンズを
用いて平行光にする。

【０００８】１段配列型の屈折率分布型レンズアレイの
場合には、平行光に代えて散乱光を用いることもでき
る。その場合、各レンズ素子に、散乱光を入射し、出射
した光を、出射面に十分近い位置に受光素子を配置する
ことで隣接するレンズ素子からの出射光の影響を排除し
て受光し、各レンズ素子単独の伝達光量あるいは光量分
布を求め、予め設定した良否判断基準と比較して良品・
不良品を選別する。

【０００９】光量分布を求めるには、レンズアレイの厚
さ方向に形成したスリットを通して受光素子で受光し、
スリットをレンズアレイに対して相対的に、レンズアレ
イの幅方向に走査させればよい。

【００１０】

【作用】レンズアレイの端面から光を入射した時、光線
の入射位置と入射角度により、その光路はただ一つ決ま
り、出射位置と出射角度もただ一つ決まる。逆に出射位
置と出射角度が求まれば、入射位置と入射角度について
もただ一つ決まる。屈折率分布型レンズアレイにおける
各レンズ素子のレンズ長は、光線の蛇行周期Ｐの半分よ
りやや長めに設定されている。そのため平行光を入射し
た時、出射光はやや収束しつつ伝搬する。散乱光を入射
した場合、出射面から任意の距離をおいた十分に小さな
受光素子が受光できる範囲の光線は、その入射位置と入
射角度について範囲を限定することができる。通常、屈
折率分布型レンズアレイの各レンズ素子側面にはフレア
カット処理が施されているので、レンズ素子の光線捕捉
範囲外からの入射光は、途中レンズ側面で乱反射・吸収
され、出射面まで到達できない。従って、受光位置を適
当に選べば、レンズアレイを幅方向に走査して、隣接す
るレンズ素子からの出射光をほとんど受光しないで、各
レンズ素子単独の光量分布を検出することが可能であ
る。

【００１１】レンズ素子に欠陥（欠けや折れ）がある
と、光線を遮断、もしくは屈折、散乱させる。それらの
場合には、光線経路が正常状態からはずれるため、当然
レンズアレイの光学性能に影響が生じ、その程度は、レ
ンズ素子の光量分布の差として表すことができる。これ
によって各レンズ素子毎の欠陥の有無、程度を検知でき
る。

【００１２】

【実施例】図１に示すように、屈折率分布型レンズアレ
イ１０は、微小なレンズ素子（屈折率分布型ロッドレン
ズ）１２を多数配列し、全体で１個の連続した像を形成
するようにした複眼レンズ部品である。本発明では、こ
のレンズアレイ１０の一方の端面から平行光又は散乱光
を入射し、他方の端面からの出射光を受光する。その
際、入射光の性質やレンズアレイの構造によって受光位
置を選択し、各レンズ素子から出射した光を、隣接する
レンズ素子からの出射光の影響を排除して受光する。こ
れによって、各レンズ素子単独の伝達光量あるいは光量
分布を求め、予め設定した良否判断基準と比較して良品
・不良品を選別する。

【００１３】平行光を入射した場合、図２のような出射
光となる。屈折率分布型レンズアレイにおける各レンズ
素子のレンズ長は、光線の蛇行周期Ｐの半分よりやや長
く設定されている。そのため平行光を入射したとき、出
射光はやや収束しつつ伝搬する。図２のＡに示すよう
に、レンズ素子１２を一段配置した場合には、受光位置
は、レンズ素子１２の端面からその焦点距離の２倍の位
置（一点鎖線で示す）の範囲内であれば、どこでもよ
い。図２のＢに示すように、レンズ素子１２を２段積み
配置した場合には、Ｘ−Ｘ線とＹ−Ｙ線の間の位置で受
光すれば、上段のレンズ素子１２ａ、下段のレンズ素子
１２ｂの相互の影響を除いて、各レンズ素子を透過して
くる光を測定することができる。

【００１４】例えば図３に示すような欠けの大きさと位
置を想定して計算すると、次のようになる。欠けの部分
を斜線で示す。欠けの大きさは、いずれもレンズ径の１
／５であって、欠けの位置は、図３の左側の例では時計
の文字盤で言うところの９時の位置、右側の例では６時
の位置である。図４は均一な強度分布をもつ平行光を入
射させた際の無欠陥品と欠けがあり光線を遮断する場合
について、出射光量分布の計算結果を示したものであ
る。横軸は出射光線半径を１．０とした検出位置であ
り、縦軸は検出光量（相対値）である。レンズ素子に欠
けがあり光線を遮断すると光線経路が正常状態（無欠陥
レンズ素子の場合）からはずれるため、光量分布の差と
なって表れる。

【００１５】レンズ素子が一段配列の場合は、散乱光を
利用することもできる。レンズ素子１２に散乱光を入射
した場合には、図５に示すような出射光となる。斜線で
示す領域が、隣接するレンズ素子からの出射光の影響の
及ぶ範囲である。この例は、中心開口角が１２°の場合
であり、出射面に近接した位置（出射面からレンズ径Ｄ
よりやや短い距離だけはなれた位置）で受光すれば、各
レンズ素子単独の光量分布を検出することができること
が分かる。図３のような欠けの大きさと位置を想定し
て、散乱光を入射させた際の無欠陥品と、欠けがあり光
線を遮断する場合について、出射光量分布の計算結果を
図６に示す。横軸は出射光線半径を１．０とした検出位
置であり、縦軸は検出光量（相対値）である。レンズ素
子に欠陥があり光線を遮断すると、光線経路が正常状態
（無欠陥レンズ素子の場合）からはずれるため、光量分
布の差となって表れる。

【００１６】屈折率分布型レンズ素子の光線捕捉範囲
は、レンズ周辺に近づくほど狭角になるため、入射光が
全て出射される平行光の場合と、入射角度によって捕捉
されない光線の増える散乱光入射の場合とでは、検出さ
れる光量分布形状が異なる。しかし、平行光、散乱光い
ずれを用いた場合も、欠けのある場合には、出射光量分
布に明らかな差が生じることが分かる。

【００１７】平行光を使用する場合、実際には均一強度
分布の平行光を得ることは難しい。そのため、光軸の回
りに対称な強度分布形状をもつ平行光を使用することが
必要になる。そこで、図７に示すように、レーザ発振器
２０からのレーザ光を、一旦単一モードファイバ２２に
入射させ、そこから出射する光をコリメータレンズ２４
を用いて平行にすることが望ましい。レンズアレイ１０
からの出射光は、レンズアレイの厚さ方向に形成したス
リット２６を通して受光素子であるフォトダイオード２
８で受光し、それを増幅器３０で増幅してパーソナルコ
ンピュータ３２でデータ処理する。レンズアレイ１０は
移動ステージ３４に搭載して、レンズアレイをその幅方
向（矢印で示す方向）に移動し、各レンズ素子１２につ
いて順次光量分布を求める。

【００１８】図９は、開口角約１２°（ＮＡ約０．
２）、レンズ素子径０．６mmの屈折率分布型レンズアレ
イに、軸対称な強度分布の平行光を入射させ、これを出
射面より０．５mmの位置で、幅０．２mmのスリットを用
いて走査し、フォトダイオードで受光して検出した光量
分布を、無欠陥品と、欠陥品（図８に示すように、入射
面に２時の位置にレンズ径の１／５の欠けがある場合）
とについて測定した結果である。横軸はレンズアレイの
基準位置からの距離である。なお、この欠陥は、光学測
定の結果では、ＭＴＦは該当欠陥部分で７７．２％（６
Ｌｐ／mm）であり、光量むらは６．２％で、いずれも従
来の検査基準では良品と判定されたものである。本発明
の検査方法により、このような欠けも十分に検出するこ
とができる。また本発明方法は、この他にレンズ素子の
ピッチずれなども検出することができる。

【００１９】本発明において、入射光は白色光でもよい
が、一般にレンズ素子には色収差が存在するので、単色
光を用いるのが好ましい。光源としては、上記のように
平行光源でも良いし、散乱光源でも良い。但し、レンズ
アレイが２段積み型の場合は平行光源を用いる。散乱光
源は入手し易いが、僅かではあるが隣接するレンズ素子
の影響を受ける。また平行光源を使用すると、隣接する
レンズ素子の影響は排除できるが、入射光に強度分布が
つきやすく、対称性のない分布の場合、受光位置によっ
ては検査結果に光源の影響が反映されやすいので、前述
のように光軸回りに回転対称な強度分布をもつことが望
ましい。

【００２０】受光方法としては、走査方向に対して直角
方向に形成したスリットを通し、フォトダイオード、光
電子増倍管などで受光する方法がある。また一点又は複
数点のピンホールや光ファイバ端面などで受光する方法
でもよい。

【００２１】検査項目としては、検出した光量分布曲線
の積分値、ピーク値、特定位置での光量値、光
軸位置のずれ等がある。また光量分布曲線の形状そのも
のを比較することも考えられ、比較対象形状に対する
ＩＡＥ（Integrated Absolute Error ）、ＩＳＥ（In
tegrated Squared Error）等を評価値として用いてもよ
い。比較対象は、予め定めた目標形状、移動平均法（例
えば、前後数個の平均をとる方法、前後数個をサンプリ
ングし最大値と最小値を除いて平均をとる方法）により
求めた周辺のレンズ素子の平均値、レンズアレイを構成
する全レンズ素子の平均値などが考えられる。光軸位置
の算出方法としては、ピーク値位置、面積を等分す
る位置、適当な光量の位置で分布曲線に接線を引きこ
れの交わる位置、などとして求めることが考えられる。
検査結果は、欠陥が入射面にある場合と、出射面にある
場合とで異なるため、必要に応じて両方向からの検査を
行うのが好ましい。

【００２２】

【発明の効果】本発明は、光源及び受光素子の管理を行
うだけでレンズアレイの各レンズ素子毎の性能・特性を
正確に把握できるため、人的要因を排除でき、再現性の
良い検査が行える。そして受光側で適当なスリット幅を
選ぶことで、肉眼では観察し難いような細いレンズ径の
レンズ素子にも対応できる。また、各レンズ素子の伝達
光量そのものを検査するので、光学性能に影響のあるも
のとないものとを選別でき、検査項目毎に結果を数値と
して出力させることができるために、明確な良否判定基
準が設定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を示す説明図。

【図２】平行光を入射した際の光線経路説明図。

【図３】レンズ素子の欠陥の例を示す説明図。

【図４】平行光入射時の出射光量分布の計算値を示すグ
ラフ。

【図５】散乱光を入射した際の光線経路説明図。

【図６】散乱光入射時の出射光量分布の計算値を示すグ
ラフ。

【図７】本発明方法で用いる検査装置の一例を示す説明
図。

【図８】レンズ素子の欠陥の例を示す説明図。

【図９】無欠陥品と欠陥品の平行光入射時の出射光量分
布の実測値を示すグラフ。

【符号の説明】

１０ レンズアレイ １２ レンズ素子 ２０ レーザ発振器 ２２ 単一モードファイバ ２４ コリメータレンズ ２６ スリット ２８ フォトダイオード ３０ 増幅器 ３２ パーソナルコンピュータ ３４ 移動ステージ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 屈折率分布型レンズアレイの各レンズ素
   子に、平行光を入射し、各レンズ素子から出射した光
   を、隣接するレンズ素子からの出射光の影響を排除して
   受光することにより、各レンズ素子単独の伝達光量ある
   いは光量分布を求め、予め設定した良否判断基準と比較
   して良品・不良品を選別することを特徴とする屈折率分
   布型レンズアレイの検査方法。
2. 【請求項２】 レンズ素子に入射する平行光は、光軸回
   りに回転対称な強度分布をもつ平行光である請求項１記
   載の方法。
3. 【請求項３】 レンズ素子に入射する平行光は、一旦レ
   ーザ光を単一モードファイバに入射させ、その出射光を
   コリメータレンズを用いて平行光にしたものである請求
   項２記載の方法。
4. 【請求項４】 各レンズ素子からの出射光を、レンズア
   レイの厚さ方向に形成したスリットを通して受光素子で
   受光し、光源とスリットをレンズアレイに対して相対的
   に、レンズアレイの幅方向に走査する請求項１乃至３記
   載の方法。
5. 【請求項５】 １段配列型の屈折率分布型レンズアレイ
   の各レンズ素子に、散乱光を入射し、出射した光を、出
   射面に十分近い位置に受光部を配置することで隣接する
   レンズ素子からの出射光の影響を排除して受光し、各レ
   ンズ素子単独の伝達光量あるいは光量分布を求め、予め
   設定した良否判断基準と比較して良品・不良品を選別す
   ることを特徴とする屈折率分布型レンズアレイの検査方
   法。
6. 【請求項６】 各レンズ素子からの出射光を、レンズア
   レイの厚さ方向に形成したスリットを通して受光素子で
   受光し、スリットをレンズアレイに対して相対的に、レ
   ンズアレイの幅方向に走査する請求項５記載の方法。