JPH0330099B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、レンズのような光学系の光学的特性
の測定に用いられる装置に関する。特に本発明
は、たとえば眼鏡レンズのような光学系の光学特
性、主として球面屈折力及びそのベース方向、円
柱屈折力及びその軸角度、プリズム屈折力を自動
的に測定する装置に関する。

従来、レンズの球面屈折力や円柱屈折力等を測
定する装置として米国特許第3880525号に開示さ
れたものが知られている。この装置は、平行光線
を被検レンズに対し入射させ、その被検レンズに
より屈折した光線を、被検レンズ後方に設けられ
た点開口マスクを通して検出面に投影し、点開口
マスクの開口位置座標と検出面上での検出点座標
との関係から被検レンズの屈折特性を算出するよ
うにしたものである。しかし、この従来の装置
は、その検出には二次元走査が必要であり、走査
検出時間が多大となるばかりかその不必要な情報
量も多く演算処理機構が複雑高価とならざるを得
ない。またマスク開口が点開口であるため、この
マスクの開口点と検出面上の像点との一対一対応
検出が必要となり、開口点から像点までの光線は
他の光線と交差してはならず、このため、マスク
開口の数及びその位置も制限をうけ、結局必要な
検出情報量も少なく測定精度上問題がある。

また、点像検出であるため被検レンズや検出面
にゴミ等が付着すると点像が検出不能となり、測
定不能となるという大きな欠点を有していた。

本発明は、上述した従来の光学特性測定装置の
欠点を解決することを目的として得られたもので
従来のように、マスク点開口と検出面上の像点と
の一対一対応を検出測定する従来の装置とは全く
異なる新しい測定原理にもとづく光学特性測定装
置を提供するものである。

すなわち、本発明の構成の第１の特徴は、光源
からの光を平行光束とするためのコリメーター手
段と；該コリメーター手段からの光束の一部を選
択するマスク手段と；該コリメータ手段と該マス
ク手段との間に被検光学系を保持する保持手段
と；該マスク手段で選択された光束を検出する検
出手段と；該検出手段の検出結果から該被検光学
系の光学特性を演算する演算手段とを有する光学
系の光学特性測定装置において：前記マスク手段
は、複数の平行直線を１組とする平行直線群を複
数組仮想的に交差するように配置して成るマスク
パターンを有し；前記検出手段は、２本のリニア
センサを有し、第１のリニアセンサは第１測定光
路の光軸に略垂直な平面内にあり、第２のリニア
センサは前記第１リニアセンサと前記マスク手段
との間に配置された光路分割手段によつて分割さ
れた第２測定光路の光軸に略垂直な平面に配置さ
れ、かつ前記第１と第２のリニアセンサは光学的
に交差しており、前記第１と第２のリニアセンサ
は共働して前記マスクパターンで選択されそれら
自身に投影された前記平行直線群に対応した投影
平行直線群の各々の投影直線上の少なくとも２点
の投影点を検出し；前記演算手段は、前記検出投
影点から各々の前記投影直線の方程式を求め、前
記方程式に基づいて前記投影平行直線群のピツチ
と傾きの変化を求め、これらの変化から前記被検
光学系の光学特性を求める光学系の光学特性測定
装置にある。

本発明の構成の第２の特徴は、前記検出手段
が、測定光路の光軸に略垂直な平面内に配置され
た互いに平行な複数本のリニアセンサで構成され
てた光学系の光学特性測定装置にある。

本発明の構成の第３の特徴は、前記検出手段
が、測定光路の光軸に略垂直な平面内に配置され
た１本のリニアセンサと、前記リニアセンサと前
記マスク手段で選択された光束とを相対的に移動
させる移動手段とを有する光学系の光学特性測定
装置にある。

より詳細には、本発明においては、被検レンズ
の屈折特性は、一つの平行直線群内の直線間のピ
ツチの変化と、２組の平行直線群間の交差角の変
化から測定される。

以下本発明の原理を説明する。

球面レンズ、円柱レンズ又は乱視レンズに平行
光線を入射させると光線はレンズの屈折特性に従
つて屈折される。ここに球面レンズとは２つの球
面よりなるレンズであり、円柱レンズとは、少な
くとも一面が円柱面よりなつているレンズであ
り、また乱視レンズとは少なくとも一面がトロイ
ダル面からなつているレンズであることはよく知
られている。さてトロイダル面とは、相直交する
最大の曲率半径をもつ主経線と、最小の曲率半径
をもつ主経線とよりなつている。球面はトロイダ
ル面における相直交する２つの曲面の曲率半径が
同一の場合と考えられ、また円柱面とは一方の曲
面の曲率半径が無限大の場合と考えられる。従つ
てトロイダル面において特別な場合として、球
面、円柱面を考えることができる。以下、本発明
の原理の説明には、トロイダル面からなる乱視レ
ンズを例にとり、特別な場合として球面レンズ、
円柱レンズを取扱うものとする。

乱視レンズである被検レンズに平行光線を入射
させ、その屈折後の光線を考える場合、入射光線
を円形光線束とすると、射出光線は楕円光線束と
なることが知られているが、入射光線を直線光線
束とする場合は、射出光線束はその直線性が保存
され、ただその傾きが被検レンズの屈折特性に従
つて異なるという基本的な性質を有している。こ
こで屈折特性とは、被検レンズにおけるトロイダ
ル面を形成している最大及び最小の曲率半径を有
する二つの主経線の屈折力と、この二つの主経線
のある予め定めた基準線からの傾き角、及び被検
レンズの幾何学中心と光学中心とのズレ量もしく
は被検レンズのセツテイングズレ量を表わすプリ
ズム量である。

しかしながら、被検レンズの直前にマスクを配
置して種々の制限光線束を入射させ、その射出光
線束をみる場合においては、さらに他の屈折特
性、すなわち両屈折方向の２つのシエイプフアク
ターが追加される。

この新たな屈折特性の追加は、被検レンズの第
１面曲率半径、中心厚、屈折率の少なくともひと
つが異なることにより、入射光線束と、射出光線
束の関係が変化することを意味している。このシ
エイプフアクターは、本発明で測定しようとする
屈折特性の測定に対し不必要な不確定性をあたえ
るものである。このシエイプフアクターの追加は
被検レンズ通過後の屈折光線束に対して制限を行
なうということにより回避することができる。す
なわち被検レンズには、一般的な円形平行光線束
を入射させ、被検レンズにより、その屈折特性に
応じて屈折された楕円光線束を、ある種の開口パ
ターンを通過させることにより制限し、この制限
された光線束を、検出することによりシエイプフ
アクターの関与しない屈折特性を知ることができ
る。このように、本発明においては、開口パター
ンを有するマスク手段は、被検レンズ後方に配す
る必要がある。

第１図を参照すると、光源LSを射出した光束
Ｉは、コリメータレンズCLにより平行光束とさ
れる。最小曲率半径を有する第１主経線R₁と最
大の曲率半径を有する第２主経線R₂とをもつ被
検レンズＴは、その光軸O′を測定光軸Ｏから測
定光軸に垂直なＸ−Ｙ平面上に、その平面内でＹ
軸方向にE_V、Ｘ軸方向にE_Hだけずらし、かつ経
線R₂がＸ軸とθ傾斜して配置されている。また、
被検レンズＴから測定光軸Ｏ上に距離△ｄだけ後
方に、マスクMAがその中心を光軸Ｏに合致させ
て、配置されている。

このマスクMAには、ピツチＰの少なくとも２
本の直線からなる平行直線群Ｌがｘ軸に対し、傾
きｍで交差するように開口として形成されてい
る。

被検レンズＴを通過し、この被検レンズの屈折
特性によつて屈折された光線束はマスクＭで制限
を受け、開口パターンのみを通過して制限光束と
なり、この制限光束は、被検レンズＴの第１主経
線R₁の焦線F₁の位置と第２主経線R₂の焦線F₂の
位置へ収れんする。焦線F₁とマスクMAとの間に
検出平面ｘ−ｙ平面を考えると、この検出平面上
では、マスクMAの開口パターンである平行直線
群ＬはピツチP′の投影平行直線群L′を形成し、そ
のｘ軸からの傾きはＭに変化する。ここで、その
傾きＭは、次式で表わされる。

Ｍ＝ｍ｛１−ｄ（sin²θ／Z₁＋son²θ／Z₂
）｝＋ｄ（１／Z₂−１／Z₁）sinθcosθ／md（１／Z₂−
１／Z₁）sinθcosθ−ｄ（son²θ／Z₁＋son²θ／Z₂）＋
１……(1) また、ピツチP′は、 として表される。

ここでZ1はマスクMAから第１焦線F₁までの距
離、Z₂は第２焦線F₂までの距離である。

式(1)、(2)より、平行直線群の変化をその傾きと
ピツチのみに着目して追跡してみると、それらの
変化に関係するのは、２つの経線の屈折力と、そ
の傾き角のみであり、ズレ量E_H、E_Vに係わるプ
リズム量は何ら関与しないことがわかる。このこ
とは、プリズム量の演算が、被検レンズの屈折力
とまつたく別の演算手段で演算処理できることを
示しており、演算処理の簡素化、演算時間の短縮
化を意味している。

実際の測定に際して、(1)、(2)式から平行直線群
の傾きとピツチの変化から被検レンズＴの屈折特
性を測定するには、(1)、(2)式の未知数がF₁，F₂，
θの３つであるため、１つの平行直線群の変化だ
けでは、(1)、(2)式の解は得られないことがわか
る。このため、実際には、他の１つの平行直線群
と合せ、２つの平行直線群の傾きとピツチの変化
を知る必要がある。この構成を第２図に示す。第
２図のマスクMAには、傾きm₁、ピツチP₁の２
本の平行直線群L₁と、傾きm₂、ピツチP₂の２本
の平行直線群L₂からなる開口パターンが形成さ
れており、この開口を通過した被検レンズ射出光
線束は、検出面Ｄ上で傾きm₁′、ピツチP₁′の２本
の投影平行直線群L₁′と傾きm₂′、ピツチP₂′の２
本の投影平行直線群L₂′を形成する。この２組の
投影平行直線群から(1)、(2)がそれぞれ２組、合計
４式得られるため、(1)、(2)式の未知数θ，Z₁，Z₂
を求めることができる。二次方程式(1)、(2)式を解
いてZ₁，Z₂，θを求めることが演算処理上、複雑
で処理機構のコストアツプ、処理時間の増大をま
ねくようであれば、以下の中間的演算処理をほど
こせばよい。

第３ａ図は第２図のマスクMAに形成されたパ
ターン開口L₁，L₂を示している。L₁の傾きはm₁
でピツチはP₁、L₂の傾きはm₂でピツチはP₂であ
ることは第２図と同様である。今、平行直線群
L₁のうちの１本L₁₁からピツチP₁のｅ倍の距離
eP₁へだてて平行線と、距離fP₁の平行線
を考える。

また平行直線群L₂のうちの１本L₂₁から距離
gP₂の平行線と距離hP₂の平行線を考え
る。これら平行線，，，から仮想
平行四辺形UVWQが形成され、これら四頂点の
ｘ−ｙ座標系の仮想座標を、Ｕ（_px₁、_py₁）、Ｖ（_p
x₂、_py₂）、Ｗ（_px₃、_py₃）、Ｑ（_px₄、_py₄）とする。

第３ｂ図は、第３ａ図の開口パターンである平
行直線群L₁，L₂を通過した光線束による。投影
平行直線群L₁′，L₂′を示す図で、このL₁′は傾き
m₁′ピツチP₂′に、L₂′は傾きm₂′、ピツチP₂′に変
化していることは第２図と同様である。この投影
平行直線群を、x′−y′座標の原点O′からx′軸方向
にξ、y′軸方向にηだけ平行移動された点に原点
O″を有する交差角γで交差するリニアセンサー
S₁，S₂で検出するものとすると、リニアセンサー
S₁は検出点イ、ロ、ハ、ニで投影平行直線群を検
出し、リニアセンサーS₂は検出点ホ、ヘ、ト、チ
で投影平行直線群を検出する。そして検出点ロ、
ヘから投影平行直線群のうちの１本L₁₁′の方程式
を演算し、また検出点ハ、トからL₂₁′の方程式を
演算する。また同様に検出点イ、ホから投影平行
直線群のうちの他の１本L₁₂′の、検出点ニ、チか
らL₂₂′のそれぞれの方程式が演算できL₁₁′，
L₁₂′のピツチP₁′も、L₂₁′，L₂₂′のピツチP₂′も演
算
できる。そしてL₁₁′からピツチP₁′に第３ａ図で
かけた倍率と同じ倍率ｅをかけてeP₁′のピツチの
平行点′′を考えることができ、同様にfP₁′ピツ
チの平行線′′を、L₂₁′からgP₂′ピツチの平行線
V′W′をhP₂′ピツチの平行線′′を考えることが
でき、これら平行線′′，′′，′′，
U′Q′から仮想平行四辺形U′V′W′Q′をもとめるこ
とができる。この仮想平行四辺形の四頂点のｘ−
ｙ座標系における仮想座標をU′（x₁、y₁）、
V′（x₂、y₂）、W′（x₃、y₃）、Q′（x₄、y₄）とする
と、第３ａ図の仮想平行四辺形UVWQと第３ｂ
図の仮想平行四辺形U′V′W′Q′は対応しており、
この変化はまさに被検レンズの屈折特性にかかわ
るものである。

さてここで仮想４点に対し以下の係数と式を定
義する。

A_ij＝（_px_i−x_i）−（_px_j−x_i） A_ik＝（_px_i−x_i）−（_px_k−x_k） B_ij＝（_py_i−y_i）−（_py_j−y_i） B_ik＝（_py_i−y_i）−（_py_k−y_k） C_ij＝_px_i−_px_j C_ik＝_px_i−_px_k D_ij＝_py_i−_py_j D_ik＝_py_i−_py_k (3a)式 ここにｉ、ｊ、ｋはｉを基準としてｊもしくは
ｋをとるものとする。仮想４点より、12通りの組
合せが考えられる。

上記（3a）式を用いれば、２つの主経線の屈
折力に関するZ₁，Z₂は以下の２次方程式で表示で
きる。

（C_ikD_ij−C_ijD_ik）（ｄ／ｚ）²＋（A_ijD_ik＋B_ijC_ij
−A_ikD_ij−B_ijC_ik）（ｄ／ｚ）＋（A_ikB_ij−A_ijB_ik）＝
０……（3b）式 ここで上記係数のカツコ式を以下のもので定義
する。

〔ｐ、ｑ〕≡p_ijq_ik−q_ijp_ik 〔ｐ、ｑ〕＝−〔ｑ、ｐ〕 ここでｐ、ｑはそれぞれＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄのいず
れかをとるものとすると、（3b）式は 〔Ｃ、Ｄ〕（ｄ／ｚ）²＋｛〔Ｂ、Ｃ〕−〔Ａ、Ｄ〕
｝（ｄ／ｚ）＋〔Ａ、Ｂ〕＝０……（3c）式 として表わされる。

ｄは、第１図で示すように、マスクMAと検出
面Ｄとの間の距離、ｚはマスクMAと、その焦線
までの距離をいう。

従つて、第２図のように２組の投影平行直線群
L₁′，L₂′のピツチP₁′，P₂′と傾きm₁′，m₂′を検出
し、第３ｂ図のように仮想投影四辺形を作り、そ
の平行四辺形を形成する４頂点より、(3)式の二次
方程式を解くことにより、２根z₁，z₂を求めるこ
とができる。この２根z₁，z₂から被検レンズＴの
第１主経線R₁及び第２主経線R₂の屈折力D₁，D₂
はそれぞれ D₁＝１／z₁／△ｄ／z₁−１ D₂＝１／z₂／△ｄ／z₂−１ ……(4) として求めることができる。

また円周軸の角度（第１図の第１主経線R₁
がＸ軸となす角度θとは＝θ＋90°の関係があ
る。）は ＝１／２tan^-1｛〔Ｂ、Ｄ〕−〔Ａ、Ｃ〕／〔Ａ、Ｄ
〕＋〔Ｂ、Ｃ〕｝＋90°……(5) として求めることができる。

上述した第３ａ図、第３ｂ図では、仮想平行四
辺形をもとめるのに、ピツチP₁，P₂，P₁′及び
P₂′に任意の倍率ｅ、ｆ、ｇ、ｈをそれぞれ掛け
たが実際にはｅ＝１、ｇ＝１として仮想平行四辺
形U₀V₀W₀Q、及びU₀′V₀′W₀′Q′を使つて演算し
た方が、処理はその分簡略化できる。

また、仮想平行四辺形の各頂点の座標をx₀−y₀
直交座標系、ｘ−ｙ直交座標系を使つて説明した
が、リニアセンサーS₁，S₂の配置にそつて斜交座
標系x′−y′座標系を考えると、ｘ、ｙ直交座標系
とx′−y′斜交座標系間の座標変換は第４図に示す
ようにｘ軸とx′軸が角度αで交差し、ｙ軸とy′軸
が角度βで交差し、かつx′−y′座標系の原点O₂は
ｘ−ｙ座標系の原点O₁からｘ軸方向にξ、ｙ軸
方向にηずれている。このときx′−y′座標系から
ｘ−ｙ座標系への座標変換は ｘ＝x′sinα＋y′sinβ＋ξ ｙ＝y′cosβ−x′cosα＋η ……(6) 前記(3)式から A_ij＝（_px_i−x_i）−（_px_j−x_j） これに(6)式を代入して A_ij＝｛（_px′_isinα＋_py′_isinβ＋ξ）−（x′_isinα
＋y′sinβ＋ξ）｝−｛（_px″_ysinα ＋_py′_jsinβ＋ξ）−（x′_jsinα−y′_jsinβ＋ξ）
｝＝sinα｛（_px′_i−x′_i）−（_px′_j−x′_j）｝ ＋sinβ｛_py′_i−y′_i）−（_py′_j−y′_j）｝＝A′ij
sinα＋B′ijsinβ……（7a） またB_ij＝（_py_i−y_i）−（_py_j−y_j）で 上記同様の計算で B_ij＝cosβ｛（_py′_i−y′_i）−（_py′_j−y′_j）｝−co
sα｛（_px′_i−x′_i）−（_px′_j−x′_j）｝ ＝B′ijcosβ−A′ijcosα ……（7b） 以下同様に C_ij＝C′ijsinα＋D′ijsinβ ……（7c） D_ij＝D′ijcosβ−C′ijcosα ……（7d） となる。

ここで〔Ｃ、Ｄ〕、〔Ｂ、Ｃ〕、〔Ａ、Ｄ〕、〔Ａ、
Ｂ〕を求めると、（7a）〜（7d）式から 〔Ｃ、Ｄ〕＝C_ijD_ik−D_ijC_ik＝（C′ijsinα＋D′ijsin
β）（D′ikcosβ−C′ikcosα）−（D′ijcosβ −C′ijcosα）（C′iksinα＋D′iksinβ）＝（sin
αsinβ＋cosαsinβ）〔Ｃ、D′〕 同様に 〔Ｂ、Ｃ〕＝（sinαsinβ＋sinβcosα）〔A′、B′〕 〔Ａ、Ｄ〕＝sinαcosβ〔Ａ、Ｄ〕−sinαcosα〔A′
、C′〕＋sinβcosβ〔B′、D′〕−sinβcosα〔B′、
C′〕 〔Ａ、Ｂ〕＝（sinαcosβ＋cosαsinβ）〔A′、B
′〕 また 〔Ｂ、Ｃ〕−〔Ａ、Ｄ〕＝（sinαcosβ＋co
sαsinβ）｛（B′、C′〕−〔A′、D′〕｝ 従つて（3c）式は sin（α＋β）×｛〔C′、D′〕（ｄ／ｚ）²
＋（〔B′、C′〕−〔A′、D′〕）（ｄ／ｚ）＋〔A′
、B′〕｝＝０……(8) となり、｛ ｝内は（3c）式と同一形式の二次方
程式となり、このことから（3c）式の二次方程式
は、座標系の取り方に無関係な不変方程式である
ことがわかる。このことは、検出器としての２本
のリニアセンサーの配置において、その配置の自
由度が非常に大きいことを示す。すなわち、従来
のように、２本のリニアセンサーをｘ−ｙ座標系
と直交座標軸上におく必要はなく、x′−y′座標系
においてもよいことを意味するもので、リニアセ
ンサーの直交精度及び光軸合せはまつたく考えな
くとも、測定精度に無関係にすることができる。
そして測定に際しては被検レンズを測定光学系に
挿入しない状態の平行直線群パターンL₁，L₂を
斜交座標系x′−y′座標のx′軸、y′軸に配したリニ
アセンサーS₁，S₂で検出しておき、この検出から
つくられる仮想平行四辺形Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｑを基準
仮想平行四辺形とし、つぎに測定したい被検レン
ズを測定光学系に挿入し、このときの投影仮想平
行四辺形U′，V′，W′，Q′をつくり、基準仮想平
行四辺形と投影仮想平行四辺形とから被検レンズ
の屈折特性を求めるものである。そしてこのとき
両平行四辺形は任意に選択できる斜交座標系x′−
y′座標系に対してのみ座標系を考えていることと
なり、かつこの斜交座標系x′−y′は、上述したよ
うにその選択は被検レンズの屈折特性演算の内屈
折力計算のための二次方程式に対し、無関係な不
変式であり、本発明によればリニアセンサーS₁，
S₂の配置に対して、何ら組立上も、メンテナンス
上も調整を必要としないという非常に有利な効果
をもつ。

被検レンズの円柱軸方向は、(5)式で与えられ
る。(5)式は直交座標系時の式であるが、斜交座標
系x′−y′にセンサーがある場合は、以下の式を使
つて斜交座標系で求めた結果を直交座標系を使用
したときの円柱軸として計算することができる。

θ＝１／２tan^-1×｛cos2β〔B′、D′〕−cos（α−β
）・（〔A′、D′〕＋〔B′、C′〕＋cos2α〔A′、C′
〕／sin2α〔B′、D′〕＋sin（α−β）（〔A′、D′
〕＋〔B′、C′〕）−sin2α〔A′、C′〕｝……(9) 円柱軸は上記（12）のθより ＝θ＋90° としてもとめられる。

次に、プリズム屈折力の測定原理を第５図をも
とに説明する。

x_p−y_p、ｘ−ｙ直交座標系によるプリズム値の
算定は、y_p軸に対し、同じ角度γで対称に配置さ
れたピツチP₁の平行直線群L₁とピツチP₂の平行
直線群L₂のそれぞれいずれか１本の直線L₁₁，L₂₁
からe′P₁にある直線，を、同様にf′P₁で
を、g′P₂で、を、h′P₂で、を引き、仮想
平行四辺形の四頂点がx_p軸、y_p軸に一致
するようにとる。すなわち測定光軸Ｏに対し、仮
想平行四辺形が対称になるように作れば、この仮
想平行四辺形の中心は、測定光軸Ｏと一致してい
る。次に、被検レンズを測定して、投影平行直線
群L′₁，L′₂を検出し、投影平行直線L′₁₁からe′P′₁
にある直線′、′を引く、同様にf′P′₁で直線
W′′，δ′P′₂で′′h′P′₂で′′を引き
仮想平行
四辺形′′′′をつくる。この仮想平行四辺形
の四頂点は、ｘ−ｙ座標系で′（x₁、y₁）、
V′（x₂、y₂）、′（x₃、y₃）、′（x₄，y₄）とな
り、この四頂点の座標から水平プリズム量P_H、
及び垂直プリズム量P_Vは次式で表わされる。

ここで、ｄはマスク面と検出面との距離であ
る。

斜交座標系x′−y′で測定した場合は、直交座標
系の場合と同様に、対称性の原理から、初期仮想
点を（_px₁、_py₁）（_px₂、_py₂）（_px₃、_py₃）、（_px₄、_p
y₄）
とおき_p x₁＋_px₂＋_px₃＋_px₄＝０_p y₁＋_py₂＋_py₃＋_py₄＝０ ……（12） を満たすように仮想点を設定すればよい。そし
て、水平方向プリズムP_H、垂直方向プリズムP_V
は、それぞれ(10)式で与えられるから（12）式を(6)
式により変換すれば となり、(10)式を同様に(6)式で変換すれば となる。被検レンズを入れないときの初期仮想点
（_px_i、_py_i）の斜交座標系での座標（_px′_i、_py′_i）と
被
検レンズを測定系に挿入したときの測定座標の斜
交座標系における座標（x′_i、y′_i）との差である
から（13）、（14）式から次式が得られる。

この式がプリズム値を表わすものである。

以上のべたように本願発明では、被検レンズの
屈折力測定には、座標系の取り方に無関係な不変
方程式で算出できるが、円柱軸、プリズム値にお
いて斜交−直交座標変換が必要となり、（12）式、
（15）式の変換が必要であるが、演算機構上複雑
であれば、斜交座標系での測定座標（x′、y′）か
ら第(6)式で直交座標変換したのち、直交座標系に
よる算出式(5)、(10)式を使つて乱視軸、プリズム値
を算出してもよい。

このように本願発明では、被検レンズを測定光
学系に挿入しない状態でマスク上の平行直線群
L₁，L₂から光軸Ｏに対し、対称な仮想平行四辺
形を作つておけば、次に被検レンズを測定光学系
に挿入し、投影平行直線像から相似的な投影仮想
平行四辺形を作れば、プリズム量が算出でき、こ
の算出に際しては被検レンズの第１、第２主経線
の屈折力やその傾き角は何ら知らなくとも単独に
測定できることを意味している。これは、従来の
レンズメーターでは、プリズム値の算出は、ま
ず、その測定しようとする被検レンズの屈折特性
を知つた上でなければ算出できなかつた点を考え
れば非常に有利であり、被検レンズの屈折特性算
出ステツプとプリズム値算出ステツプが独立に平
行して進めることができるため演算時間を大幅に
短縮できる。

また、本発明は、眼鏡レンズを測定するいわゆ
るレンズメーターに限定されるものでなく、広く
光学系の光学特性を測定する装置に応用しうるも
のである。

また、仮想平行四辺形を作成するとき、直線
L₁₁，L₂₁にそれら直線の属する直線群のピツチを
ｎ倍して、直線L₁₁，L₂₁の傾きに平行に仮想直線
を引くことにより仮想平行四辺形を作成したが、
仮想平行四辺形の作成方法はこれに限定されるも
のでなく、第３ｃ図のように直線L₁₁に対し、角
度βの傾きをもつ仮想直線l₁₁を、また、直線L₂₁
に対し角度αの傾きをもつ仮想直線l₂₁を作り、
この作られた仮想直線l₁₁，l₂₁をもとにして仮想
平行四辺形uvwqを作成してもよいことは言うま
でもなく、これにより、本願の測定原理が変更を
うけるものではない。

以下に、前述した測定原理に基づいた光学レン
ズの屈折特性測定装置の具体例を図に従つて詳細
に説明する。第６図は、本発明による装置の光学
系配置を示す図である。図において、２は、ドラ
イブ回路１により駆動される光源、例えばLED
等であり、光源より放射される光束は、リレーレ
ンズ３によつてピンホール４に集光される。ピン
ホール４は見かけ上の光源の大きさを、測定時の
光量、回折現象を考慮して適当な大きさとする為
のもので直径0.1〜0.3mm程度のものが用いられ
る。ピンホール４を出射する光束は、コリメータ
ーレンズ５によつて平行光束とされ、ミラー６に
より反射されて、光束制限マスク８に対して垂直
に入射される。光束制限マスク８は、前述したご
とく少なくとも２本の平行直線開口からなるスリ
ツト群を２組もち、且２組のスリツト群の傾きが
異なつている様なパターンを有している。この様
なパターンの一例を第７図に示す。第６図におい
て、７は、被検レンズであり、図示しないレンズ
受台等によつて固定されている。コリメーターレ
ンズ５より射出される平行光束は、被検レンズの
光学特性に応じて屈折された後、光束制限マスク
８によつて被検レンズの光学特性を検出する為に
必要な情報分が選択された後に検出面Ｓに到達す
る。検出面Ｓは、被検レンズの最強プラスパワー
より短くとる必要があるが、実際の検出素子等を
検出面Ｓに配置する事が物理的に不可能な場合が
ある。従つて、図では、リレーレンズ１０、ハー
フミラー１１によつて検出面Ｓと共役な面が、ラ
インセンサー１２，１３上に形成される様に構成
されている。ラインセンサー１２，１３として
は、直線型のCCD固体撮像素子等が用いられる。

第７図は、光束制限マスク８のパターン及びラ
インセンサー１２，１３との検出面Ｓに於ける相
対位置関係を示す図である。光束制限マスク８は
平行な直線開口１４１，１４２からなるスリツト
群１４、及び平行な直線開口１５１，１５２から
なるスリツト群１５をもつている。第６図に於て
被検レンズ７に入射した平行光は、被検レンズ７
の光学特性に従つて屈折された後光束制限マスク
８の直線開口部１４１，１４２，１５１，１５２
によつて選択された光束のみが検出面Ｓに到達す
る。検出面には等価的に２本のラインセンサー１
２，１３が第７図に示す様な配置となる様構成さ
れており、従つて、直線開口１４１はラインセン
サー１２，１３によつてａ点、ｂ点が検出され、
同様に直線開口１４２は、ｃ点、ｄ点が検出され
る。この様に直線開口の２点がラインセンサー上
の位置として検出されれば、それにより、直線の
方程式が決定され、又、２本の直線開口１４１，
１４２間のピツチをも演算処理を行なう事により
検出する事ができる。従つて２本の直線開口の直
線の方程式を求める事から演算処理により、光束
検知面Ｓ上に任意の位置に任意の直線を発生させ
る事が可能である。これは、スリツト群１５にお
いても同様である。第８図には、ラインセンサー
１２，１３の出力をそれぞれａ、ｂとして示して
ある。例えば、直線開口によるラインセンサー出
力波形のピークの位置が、ラインセンサー上の何
番目の素子に相当するかを検出する事によつて第
７図のａ点〜ｄ点をラインセンサー上の位置a′〜
d′として認識する事ができる。そしてa′とb′で直
線１４１の方程式を、c′とd′で直線１４２の方程
式をもとめることができる。

ラインセンサーの配置としては、直線開口と平
行とならない様な配置であればよく、２本のセン
サー間の交差する角度は任意にえらばれる。又、
ラインセンサーは交差せず、第９図に示す様に平
行に配置されてもよい。この時は、ラインセンサ
ーは１２，１２′，１３，１３′の４本が必要とな
る。すなわち直線とは、２点が検知できれば決定
される事より、第６図の検出面Ｓにおいて直線開
口により制限された光線束の少なくとも２点と交
差する様なラインセンサーの配置であればよい。

次に第１０図を参照しながら、ラインセンサー
によつて検出された直線開口の直線の方程式より
仮想の直線を生成し、その直線の交点として、直
線開口と同一平面上に任意の４点を決定する方法
について述べる。第６図において、ラインセンサ
ー１２，１３によつてスリツト群１４の直線開口
１４１，１４２の傾きM₁とピツチP₁が求まれば、
それにより、例えば、直線開口１４１を規準とし
それよりｅ×P₁だけ離れた位置に傾きｆ×M₁の
直線１６を生成でき、又、その反対側にｇ×P₁
だけ離れた位置に傾きｆ×M₁の直線１７を生成
する事ができる。同様な方法により、スリツト群
１５の直線開口より算術的に生成される仮想の直
線１８，１９を生成する事ができる。ここでｅ、
ｆ、ｇは任意の係数であるが、通常ｆ＝１つまり
直線開口と等しい傾きの直線が選ばれ、又、ｅ及
びｇについては、マスク８上で生成された直線１
６〜１９が被検レンズを配しないときは機器軸す
なわち光束制限マスク８の中心２４に対して対称
となる様に選ばれる。これにより被検レンズのプ
リズム屈折力の算出が容易に行なわれる様になる
のは、すでに述べた通りである。従つて、以上の
方法によつて生成された仮想直線１６〜１９の
各々の交点として点２０〜点２３の４点の座標を
求める事が可能となる。この４点２０〜２３は第
６図の検出面Ｓで検出された光束制限マスク８の
４本の直線開口より演算・算出された座標位置を
もつ為、被検レンズの光学特性によつて光束制限
マスク８を通つて検出面Ｓに到達する光束が屈折
されれば第１０図に示す４点２０〜２３の座標位
置も、それに従つて変化する。これを第１１図に
示す。光束制限マスク８上で算出される４点の基
準位置（０位置）を２０〜２３とした時、被検レ
ンズ７の光学特性によつて屈折された光線束によ
つて検出面Ｓにて検出・算出された４点を２０′
〜２３′で表わしている。従つてこの座標位置の
変化より、前記の式(3)、(4)、(5)を解法する事によ
り被検レンズの球面屈折力、円柱屈折力及び円柱
軸方向が求められる。又、プリズム屈折力を表わ
す、第１１図２４から２４′への変化量は前記の
式より求める事ができる。第１１図に於て４点の
基準位置（０位置）２０〜２３は光束制限マスク
８のパターン形式から算出する方法をとらず、予
め、被検レンズを光路より除去した状態で検出面
で検出、算出される４点の座標を記憶しておき、
それを４点の基準位置としてそれ以後の被検レン
ズの光学特性を測定する様にすれば、前記の式(3)
は、２本のラインセンサーがつくる座標系に対し
て全く不変となる為組立時にラインセンサーの交
差角、及び交差位置の管理を一切行なう必要がな
くなるという大きな利点を得る事ができる。

第１２図に、以上のごとき演算処理を行なう為
の処理回路のブロツク図を簡単に示す。

ラインセンサードライバー２５，２６によつて
駆動されるラインセンサー１２，１３は、第９図
に示すごとき、光束制限マスクの直線開口による
信号を信号ライン１２０，１３０に送出する。２
７はアナログスイツチであり、マイクロプロセツ
サー２９によつてコントロールされる。マイクロ
プロセツサ２９は、ラインセンサー１２をドライ
ブするドライバー２５よりラインセンサーの走査
開始パルス１２１により割込を受付ると、アナロ
グスイツチを制御して、ラインセンサー１２の出
力がＡ／Ｄ変換器２８に入力される様にする。
Ａ／Ｄ変換器２８は、ラインセンサーの１素子毎
の出力をアナログ−デジタル変換し、変換された
デジタル値をマイクロプロセツサーに供給する。
ここで、Ａ／Ｄ変換器２８は、８ビツト（1/256）
程度の分解能をもち、かつラインセンサーの走査
速度より速い変換時間を有するものが選ばれる。
マイクロプロセツサー２９は、１素子毎にデジタ
ル値に変換されたラインセンサー１２の出力を読
み込み、RAM（ランダムアクセスメモリー）等
で構成されるデーターメモリー３０に逐次格納す
る。従つて、データーメモリー３０には、あらか
じめ定められた位置（番地）より、ラインセンサ
ーの最初の素子による出力から順にデジタル値と
して格納される。例えば、ラインセンサーが1728
素子のものであるなら、1728個のデーターの取り
込みが終了すると、マイクロプロセツサー２９
は、それ以上のデーターの取り込みをやめ、ライ
ンセンサー１３を駆動する走査開始パルス１３１
により割込が駆動されるのを待つ。割込を受付る
とアナログスイツチ２７を制御しラインセンサー
１３の出力をデジタル値としてデーターメモリー
３０に格納する。以上の動作によつてラインセン
サー１２，１３の素子毎の出力が全てデーターメ
モリー３０に格納された事になる。以後演算回路
は、データーメモリーに書込まれたデーターを基
にして以下の処理を行なう。

(1) 光束制限マスクの直線開口によつて生ずる第
８図に示す様なラインセンサー出力波形の中心
位置がラインセンサーの素子の何番目に位置す
るかを検出する。

(2) ２本のラインセンサーが作る座標系に於て、
各直線開口の直線の方程式を求める。

(3) すでに述べた方法により、第１０図の１６〜
１９のごとき仮想直線の方程式を生成し、それ
らの交点として第１１図に示す４点２０′〜２
３′の座標位置を求め、それより、その中心位
置２４′を求める。

(4) あらかじめ算出、記憶されている４点の基準
位置２０〜２３及び２４の座標位置と前項(3)で
求められた２０′〜２３′，２４′の座標位置よ
り前記の式にしたがつて演算し、被検レンズの
球面度数Ｓ、円柱度数Ｃ、乱視軸方向Ａ、及び
プリズム屈折力Px、Pyを求める。

以上の処理により求められた各値は、第１２図
に示す、表示器３２、印刷装置３３に出力され
る。以上の処理は、全てプログラムメモリー３１
に記録されているプログラムに従つて行なわれ
る。マイクロプロセツサーによつて以上の様な処
理を行なう事は特殊なものでなく、関連する業務
にたずさわるものにとつては、容易に達成できる
ものである。

第１３図に本発明に於て用いられる他の光束制
限スリツトの一例を示す。本例においては、スリ
ツト群１４，１５はそれぞれ多数本の直線開口
と、直線開口配列の基準位置を与えるその他の直
線開口と弁別可能な１本の直線開口３４及び３５
から構成されている。

第７図に示すごとき光束制限マスクでは、最少
必要な情報量に対して冗長度が少なく、例えば、
第７図に於て検出点ａ〜ｄ等にごみが付着したり
する情報量不足により被検レンズの光学特性の測
定が不可能となる可能性が強い。又、第６図の様
な構成による光学特性測定装置では、高精度を求
めるなら検出面Ｓに於て被検レンズによる光束の
変化をラインセンサー上で数ミクロン以下の精度
で検出する必要がある。従つて第１０図の様に多
数の直線開口を設け、ホコリの付着等による特異
点の除去、及び、ラインセンサー上で検出される
多数の検出点より統計的な処理を行なう事によつ
て測定の精度、信頼性を向上させる事ができる。
例えば、スリツト群１４，１５を構成する直線開
口の傾き及びピツチを等しくしておけば、２つの
スリツト群を構成する各直線開口のピツチは、検
出誤差がなければ、すべて同ピツチとしてライン
センサー上で検出されるはずである。しかし、光
束制限マスクに付着するごみや、マスクを照明す
る照明光のむら、及びラインセンサーの各素子間
の感度むら等によつて検出されたピツチは誤差を
含んだものとなる。従つてピツチが他のものより
大きく異なるものに対しては、特異点として除去
し、その他のものに対して例えば算術平均なり最
少二乗法なりの処理をほどこした後に基準直線開
口３４，３５を基準としてすでに記述した架空直
線を生成すれば精度、信頼性を向上させる事がで
きる。

第１４図は本発明の他の実施例を示すもので第
６図のミラー９以降の検出手段の構成を変えたも
のである。この実施例においては上述の実施例の
ように２本のリニアセンサーを使用せず、１本の
リニアセンサー１２のみを使用する実施例であ
り、センサー１２の前に平行平面ガラス２００を
配し、この平行平面ガラス２００を回転すること
により、光束をセンサー１２上で平行移動させ
る。このことは、第１５図に示すように実質的に
リニアセンサー１２を平行移動することと等価で
ありこれにより、それぞれの投影平行直線像につ
き、２点検出できもつて直線が決定できる。また
平行平面ガラスを使うかわりにセンサー自身を平
面内に移動させてもよい。

以上述べたように本発明の光学特性測定方法及
びそのための装置によれば、投影像検出用の二本
のリニアセンサーの配置が被検レンズの光学特性
の測定に関し何らの制限も受けず、また何らの調
整も必要とせず、リニアセンサーで直線パターン
を検出するため検出情報量が大きくかつノイズに
強くなる。さらに、複数の平行直線郡と投影平行
直線郡との両者のピツチと傾きの変化は被検レン
ズの屈折力のみに起因し、被検レンズのプリズム
量には何ら影響されない。逆に、被検レンズのプ
リズム量により平行直線郡と投影直線群とは平行
移動するのみで、ピツチと傾きには何ら変化しな
い。それ故、平行直線郡と投影平行直線郡との間
のピツチと傾きの変化を測定することによつて被
検レンズの屈折力を算出でき、また平行直線郡と
投影平行直線郡との間の平行移動量を測定するこ
とによつて被検レンズのプリズム量を算出でき、
これらは互いに別個独立に行うことができる。換
言すれば、プリズム値算出と屈折力算出が同時に
平行して演算できるため算出時間が短縮できると
いうすぐれた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の原理を示す投影系
の斜視図、第３図ａ，ｂ，ｃは本発明によつて光
学特性が測定できることを示すマスクパターンの
投影とリニアセンサーの関係の概略図、第４図は
直交座標系と斜交座標系の関係を示す図、第５図
はマスクパターンと仮想平行四辺形の関係を示す
図、第６図は本発明の一実施例を示す光学系の概
略図、第７図はマスクパターンの一例を示す正面
図、第８図はセンサーによる検出パルスを示す
図、第９図はラインセンサーの他の配置例を示す
図、第１０図及び第１１図は本発明の原理による
測定を説明するための概略図、第１２図は演算回
路の一例を示すブロツク図、第１３図はマスクパ
ターンの他の例を示す正面図、第１４図は本発明
の他の実施例を示す光学系の一部の概略図、第１
５図はリニアセンサーの平行移動を行なう例を示
す図である。 ２……光源、５……コリメータレンズ、７……
被検レンズ、８……光束制限マスク、Ｓ……検出
面、１２，１３……リニアセンサー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光源からの光を平行光束とするためのコリメ
   ーター手段と； 該コリメーター手段からの光束の一部を選択す
   るマスク手段と； 該コリメーター手段と該マスク手段との間に被
   検光学系を保持する保持手段と； 該マスク手段で選択された光束を検出する検出
   手段と； 該検出手段の検出結果から該被検光学系の光学
   特性を演算する演算手段と を有する光学系の光学特性測定装置において： 前記マスク手段は、複数の平行直線を１組とす
   る平行直線群を複数組仮想的に交差するように配
   置して成るマスクパターンを有し； 前記検出手段は、 ２本のリニアセンサを有し、 第１のリニアセンサは第１測定光路の光軸に略
   垂直な平面内にあり、 第２のリニアセンサは前記第１リニアセンサと
   前記マスク手段との間に配置された光路分割手段
   によつて分割された第２測定光路の光軸に略垂直
   な平面に配置され、かつ 前記第１と第２のリニアセンサは光学的に交差
   しており、 前記第１と第２のリニアセンサは共働して前記
   マスクパターンで選択されそれら自身に投影され
   た前記平行直線群に対応した投影平行直線群の
   各々の投影直線上の少なくとも２点の投影点を検
   出し； 前記演算手段は、 前記検出投影点から各々の前記投影直線の方程
   式を求め、 前記方程式に基づいて前記投影平行直線群のピ
   ツチと傾きの変化を求め、 これらの変化から前記被検光学系の光学特性を
   求める ことを特徴とする光学系の光学特性測定装置。 ２ 光源からの光を平行光束とするためのコリメ
   ーター手段と； 該コリメーター手段からの光束の一部を選択す
   るマスク手段と； 該コリメーター手段と該マスク手段との間に被
   検光学系を保持する保持手段と； 該マスク手段で選択された光束を検出する検出
   手段と； 該検出手段の検出結果から該被検光学系の光学
   特性を演算する演算手段と を有する光学系の光学特性測定装置において： 前記マスク手段は、複数の平行直線を１組とす
   る平行直線群を複数組仮想的に交差するように配
   置して成るマスクパターンを有し； 前記検出手段は、 測定光路の光軸に略垂直な平面内に配置された
   互いに平行な複数本のリニアセンサで構成されお
   り、 前記リニアセンサは共働して前記マスクパター
   ンで選択されそれら自身に投影された前記平行直
   線群に対応した投影平行直線群の各々の投影直線
   上の少なくとも２点の投影点を検出し； 前記演算手段は、 前記検出投影点から各々の前記投影直線の方程
   式を求め、 前記方程式に基づいて前記投影平行直線群のピ
   ツチと傾きの変化を求め、 これらの変化から前記被検光学系の光学特性を
   求める ことを特徴とする光学系の光学特性測定装置。 ３ 光源からの光を平行光束とするためのコリメ
   ーター手段と； 該コリメーター手段からの光束の一部を選択す
   るマスク手段と； 該コリメーター手段と該マスク手段との間に被
   検光学系を保持する保持手段と； 該マスク手段で選択された光束を検出する検出
   手段と； 該検出手段の検出結果から該被検光学系の光学
   特性を演算する演算手段と を有する光学系の光学特性測定装置において： 前記マスク手段は、複数の平行直線を１組とす
   る平行直線群を複数組仮想的に交差するように配
   置して成るマスクパターンを有し； 前記検出手段は、 測定光路の光軸に略垂直な平面内に配置された
   １本のリニアセンサと、 前記リニアセンサと前記マスク手段で選択され
   た光束とを相対的に移動させる移動手段とを有
   し、 前記リニアセンサは少なくとも２箇所の相対的
   に移動位置で前記マスクパターンで選択されそれ
   ら自身に投影された前記平行直線群に対応した投
   影平行直線群の各々の投影直線上の少なくとも２
   点の投影点を検出し； 前記演算手段は、 前記検出投影点から各々の前記投影直線の方程
   式を求め、 前記方程式に基づいて前記投影平行直線群のピ
   ツチと傾きの変化を求め、 これらの変化から前記被検光学系の光学特性を
   求める ことを特徴とする光学系の光学特性測定装置。 ４ 前記移動手段は、前記リニアセンサと前記マ
   スク手段との間に配置された光束シフト手段であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載
   の光学系の光学特性測定装置。 ５ 前記演算手段は、前記投影平行直線群のピツ
   チと傾きの変化から前記被検光学系の屈折特性を
   求めることを特徴とする特許請求の範囲第１項な
   いし第４項いずれかに記載の光学系の光学特性測
   定装置。 ６ 前記演算手段は、前記投影直線の方程式と前
   記投影平行直線群のピツチと傾きとから仮想平行
   四辺形を作り、前記仮想平行四辺形の、前記被検
   光学系が前記測定光路内に存在しない場合と存在
   する場合との、形状の変化から前記被検光学系の
   屈折特性を求めることを特徴とする特許請求の範
   囲第５項記載の光学系の光学特性測定装置。 ７ 前記演算手段は、前記投影直線のピツチと傾
   きに基づいて仮想平行四辺形を作り、前記仮想平
   行四辺形の、前記被検光学系が前記測定光路内に
   存在しない場合と存在する場合との、位置の変化
   から前記被検光学系のプリズム特性を求めること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４項
   いずれかに記載の光学系の光学特性測定装置。 ８ 前記平行直線群の交差角は前記測定光軸を含
   む面により同角度に２分割されたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項ないし第７項いずれかに
   記載の光学系の光学特性測定装置。 ９ 前記平行直線群の各群には少なくとも１本
   の、他の直線と判別可能な直線を有することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項ないし第８項いず
   れかに記載の光学系の光学特性測定装置。