JPH04106447A - 偏芯測定機用光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光学レンズの偏芯測定に用いる偏芯測定機用
光学系に関する。

〔従来の技術〕

光学レンズの偏芯測定機の多くは、フォーカシング機能
を持っ偏芯測定機用光学系により様々な曲率を持つ被検
レンズの凸面又は凹面に垂直光束を入射させ、その反射
光束を入射光束と同一光路を逆向きに戻し、その光束の
振れ量から偏芯測定を行なっている。以後、この方法を
オートコリメーション法と呼ぶことにする。

このオートコリメーション法を用いた偏芯測定機の原理
を第１図に示した如く被検面が凹面の例を用いて説明す
る。

第４図において、点光源１からの光をビームスプリッタ
２を介して対物レンズ３に入射させ一旦集光させた後被
検レンズ４の被検面に入射させる。

そして、集光点と被検面までの距離が被検面の曲率半径
と等しくなるように調整する。被検面か偏芯していなけ
れば被検面での反射光は元の集光点に戻り更に対物レン
ズ３によりポジションセンサ５上に集光するが、偏芯し
ていると反射光はポジションセンサ５上において光軸か
ら外れた位置に集まる。そして、対物レンズ３の光軸の
まわりに被検面を回転させると、被検面が偏芯していな
ければ反射光の集光点は静止しているが、被検面が偏芯
していれば反射光の集光点は円を描く。従って、反射光
の集光点の位置変化をポジションセンサ５により検出す
ることにより被検面の偏芯測定が行なわれる。

この方法は、反射光と入射光束が同一光路を互いに逆向
きに進むことから、次の二つの利点がある。第一の利点
は、偏芯測定機用光学系としては、入射光束を生成する
光学系と反射光束を受光する光学系とを共通化出来、光
学系の構成が簡単になることである。第二の利点は、被
検レンズさえ十分な径を持っているなら、どのような曲
率を持つレンズを測定しても、偏芯測定機用光学系が被
検レンズへ投射し反射した光束は全て受光されるので、
一定光量でしかも明るい光をモニター出来る点である。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記オートコリメーション法を用い、メニス
カスレンズであって第１面と第２面の曲率中心が同じ即
ち第１面の曲率半径かｒｌ＋　第２面の曲率半径がｒｔ
＝ｒｌ＋ｄ（ｄはレンズの中心肉厚）の被検レンズを測
定すると、第１面に垂直に入射した光束は第２面にも垂
直に入射してしまうので、何れの面での反射光束も入射
光束と同じ光路を逆進する。偏芯の測定は反射光束の振
れ量をモニターして行なうわけだが、この場合モニター
した光束がどちらの面からの反射かが区別出来ず、測定
された偏芯量がどちらの面の偏芯を示すものかの区別が
つかないと云う問題がある。しかも、このようなメニス
カスレンズは、通常の光学システムの中ではペッツバー
ル和を改善する等の目的で多用されており、その意味で
も上記問題は重大である。

本発明は、上記問題点に鑑み、第１面と第２面の曲率中
心が同し特殊なメニスカスレンズの偏芯測定も可能な偏
芯測定機用光学系を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段及び作用〕本発明による偏
芯測定機用光学系は、 指標と、該指標の一次像を形成する対物レンズと、該対
物レンズを射出した光を受けるレンズと、該レンズの測
定対象となる被検レンズ面で反射した光を集光して前記
指標の二次像を形成する集光光学系と、該指標の二次像
の位置に受光面を配置した受光手段とを備え、該受光手
段からの出力信号に基づいて該受光手段に入射する指標
像の入射位置を検出するようにした偏芯測定機用光学系
において、 前記一次像が前記被検レンズ面の曲率中心に形成される
状態と該曲率中心と異なる位置に形成される状態とに切
換え可能であると共に、何れの状態においても前記二次
像が前記受光手段の受光面上に形成されるように前記指
標、対物レンズ、被検レンズ、集光光学系及び受光手段
のうちの少なくとも一つが光軸方向に移動自在に設けら
れていることを特徴としている。

即ち、上記問題が生じるような被検レンズを測定する際
には、指標の一次像か被検レンズ面の曲率中心と異なる
位置に形成されるようにして第一面に入射させる光束を
垂直入射から僅かにずらし、その反射光の振れから第一
面の偏芯を測定出来るようにする。このようにする事で
、第一面で反射する光束と第二面で反射する光束とは、
互いに異なる光路を進むので、その差からどちらの面で
反射した光束かが区別出来、前記問題を解決できる。

〔実施例〕

以下、図示した一実施例に基づき本発明の詳細な説明す
る。

第１図は本発明による偏芯測定機用光学系の一実施例を
示しており、１１はレーザダイオード、１２はビームス
プリッタ、１３はコリメータレンズ、１４は対物レンズ
、１５は被検レンズ、１６はリレーレンズ、１７はポジ
ションセンサ、１８レーザダイオード１１を出た光束は
、ビームスプリッタ１２で反射する。この光束はコリメ
ータレンズ１３の働きで平行光束になる。対物レンズ１
４は、フォーカシング機構を持っている即ち光軸に添っ
て移動できるようになっていて、適宜適当な位置に調整
されており、通常の被検レンズを測定する場合（特殊な
ケースについては後述する）には、前記平行光束は、対
物レンズ１４を出射し、被検レンズ１５の被検面である
第１面の曲率中心に集光する。尚、対物レンズ１４のフ
ォーカシング機構は、例えば特公昭５９−４０２５３号
公報等に示されているように、公知技術で実現出来る。

さて、前記曲率中心に集光する光束は、被検レンズの第
１面で反射して再び曲率中心に集光した後、往路を逆進
して対物レンズ１４を通過後平行光束となり、更にコリ
メータレンズ１３により収束光束となってビームスプリ
ッタ１２を通り、リレーレンズ１６の前に点像を形成す
る。リレーレンズ１６はこの点像をポジションセンサ１
７の受光面上に拡大リレーする。ポシンヨンセンサ１７
の受光面上の集光点は、被検レンズ１５の偏芯量に応し
てその位置か変動するので、これをポシンヨンセンサ１
７か検知し、信号処理系１８で適当な処理を行なうこと
で、その偏芯量を表示装置１９に表示させることかでき
る。以上述べたことは、従来のオートコリメーション法
を実現する偏芯測定機用光学系と同一の構成及び作用で
あり、その特徴は、対物レンズ１４が作る集光点の位置
とポジションセンサ１７の受光面とか、その間に挾まれ
た光学系である対物レンズ１４．コリメータレンズ１３
．ビームスプリッタ１２．リレーレンズ１６に関し共役
関係にある点である。

このような光学系を用いることにより、大部分の被検レ
ンズの偏芯は測定可能であるか、しかしこのままでは、
被検レンズがメニスカスレンズてその第１面の曲率半径
がｒｌ＋第２面の曲率半径がｒ２＝ｒｌ十ｄ（ｄはレン
ズの中心肉厚）である場合には、第１面の曲率中心と第
２面の曲率中心が一致する為に、第２図に示した如く、
前記対物レンズ１４を出射して第１面の曲率中心に集光
する光束の被検レンズ１５の第１面での反射光束と、第
２面での反射光束が全く同一経路を通り往路を逆進する
為に、最終的にポジションセンサ１７の受光面上には、
被検レンズ１５の第１面からの反射光束が作る集光点と
第２面からの反射光束が作る集光点とが同時に形成され
てしまい、正しく偏芯を測定出来なくなってしまう。し
かし、本発明による偏芯測定機用光学系により、こうい
ったレンズにおいても正しく偏芯を測定出来るようにな
る。以下このことについて述べる。

上記のようなメニスカスレンズの偏芯を測定する時は、
対物レンズ１４が作る集光点を被検レンズ１５の曲率中
心０の位置ではなく、第３図に示した如く、ここから所
定量δだけ光軸方向へずらした位置に作る（この例では
、曲率中心より６だけレンズ１５に近い位置に集光させ
ている。）。

即ち、対物レンズ１４の焦点を調整するか被検レンズ１
５を光軸方向へ移動する。これにより、被検レンズ１５
の第２面での反射によって形成される集光点の位置と、
第１面での反射によって形成される集光点の位置とは、
光軸方向にΔだけずれが生じるので、リレーレンズ１６
によりリレーされる集光点の像か、被検レンズ１５の第
１面での反射光束による集光点像がポジションセンサ１
７の受光面上に正しく形成される時には、被検レンズ１
５の第１面での反射光束による集光点像はポジションセ
ンサ■７の受光面上には正しく形成されず、ぼけた像が
形成される。よって、ポジションセンサ１７の受光面上
の集光点からシャープな方を選択してその位置を測定す
ることにより、上記のようなメニスカスレンズも正しく
偏芯測定が出来る。尚、所望の集光点位置のずれ量Δを
得る為に被検レンズ１５の曲率中心Ｏから集光点をどの
くらいずらして投影すれば良いかについては、数式によ
る説明を後で述べる。さて、被検レンズ１５の第１面で
反射した光束は、対物レンズ１４を通過しても完全な平
行光束とはならないので、コリメータレンズ１３かリレ
ーレンズ１６の前に作る点像の位置も、上述した通常の
位置とは異なる。従って、これを正しくポジションセン
サ１７の受光面上にリレーする為に、リレーレンズＩ６
を通常の位置から所定量光軸方向へ移動する必要がある
。即ち、上述の通り、通常の被検レンズＩ５を測定する
場合は、対物レンズ１４が作る集光点の位置とポジショ
ンセンサ１７の受光面とは、その間に挟まれた光学系で
ある対物レンズ１４コリメータレンズ１３．ビームスプ
リッタ１２゜リレーレンズ１６に関し共役関係に置かれ
ていたが、上記のようなメニスカスレンズを測定する場
合は、その配置を所定量崩すことになる。このことが非
常に重要であって、その手段は色々考えられる。ここで
は、その一つの方法として、リレーレンズ１６を光軸方
向へ移動する例を挙げたが、この他にも色々な方法が考
えられる。例えば、レーザダイオード１１の位置、ポジ
ションセンサ１７の位置を光軸方向へ移動しても良い。

更に、コリメータレンズＩ３とポジションセンサ１７と
の間又はレーザダイオード１１とビームスプリッタ１２
の間の適当なところに凸レンズや凹レンズ或いは平行平
面板を挿入しても良い。

次に、上記メニスカスレンズに関しΔとδの関係を数式
を使って表わす（第３図参照）。但し、メニスカスレン
ズの硝材の屈折率は１と近似する。

又、Ｆｌは被検レンズ１５の第１面を球面鏡と見た時の
前側・後側焦点位置、Ｌｌは被検レンズ１５の第１面で
反射した光束が作る集光点Ｑの位置、Ｐは対物レンズ１
４が作る集光点の位置とする。但し、上記の位置はすべ
て被検レンズ１５の第１面の中心を基準にして測る。

又、Ｆ２は被検レンズ１５の第２面を球面鏡と見た時の
前側・後側焦点位置、Ｆ２は被検レンズ１５の第２面で
反射した光束が作る集光点の位置とする。但し、上記位
置は全て被検レンズ１５の第２面の中心を基準にして測
る。

従って明らかに、 Ｆｌ＝ｒ１／２、　Ｆ　２　＝　ｒ　２　／　２、ｒ２
＝ｒ＋　　ｄ となる。又、球面鏡による結像の式は、下式で表わせる
。

ｘｌ　Ｘｌ　　−（ｒｌ　／２）２ 但し、Ｘ１＝Ｐ−Ｆｌ、ｘｌ・＝Ｌ１−Ｆ１である。

Ｘ２　Ｘ２　　　”　（ｒｚ　／２）　２但し、Ｘ２＝
Ｐ　　Ｆ２　　　ｄ、　　　Ｘ２　　＝Ｌ２Ｆ２である
。

先ず、被検レンズ１５の第１面での反射光束が作る集光
点について計算する。対物レンズ１４は被検レンズ１５
の第１面の曲率中心からδずれた位置に集光点を作るの
で、 Ｐ　＝　ｒ　＋　＋δ Ｘ＋＝ｒ＋＋δ　Ｆ、＝ｒ、十δ−ｒ、／２＝ｒ　ｔ　
／　２＋δ となる。これを結像の式に代入し、計算すると、となる
。次に、被検レンズ１５の第２面での反射光束が作る集
光点について計算する。

Ｐ　＝　ｒ　＋　＋δ　また　ｒ２＝ｒ、−ｄである。

よって、 Ｘ２　＝Ｐ　　Ｆ２　　ｄ＝ｒ、＋δ−ｒ２／２−ｄ＝
ｒ２／２＋δ となる。これを前記結像の式に代入し計算すると、第１
面の反射光束が作る集光点の計算とほぼ同様に計算が出
来、ポジションセンサ１７の受光面の大きさがφ２ｍｍ
、ζ＝−２５ｍｍである装置でｒ＝−４０ｍｍ、　　Ｆ
２　＝　＝１０ｍｍ、　　ｄ＝３０Ｍのレンズを測定す
ると、 β＝　−２５０ｍｍ／　５０閤＝−５ となる。従って、式（３）より、 ξ＝　１　ｍｍ となる。式（２）より ｒｌ　δ ｒｌ　＋２ξ となる。式（１）より Δ＝−０，０２５８ｍｍ である。従って被検レンズ１５の第２面の反射光束のＱ
点における光束径をＤとすると、Ｄ＝Ｉ２Ｘ（対物レン
ズＮＡ）ＸΔｌ＝０．０１３ｍｍ となる。又、対物レンズ１４．結像レンズ１３゜リレー
レンズ１６の総合倍率は、 βＸリレーレンズ１６の倍率＝２５０ である。よって、被検レンズ１５の第２面の反射光束の
ポジションセンサ１７の受光面上での光束径は、 ２５０ＸＤ＝２．５８画 となる。即ち、ポジションセンサ１７の受光面の大きさ
φ２ｍｍよりも太い光束となるので、十分なぼけ量と言
える。これ以上ぼけ量を増やすと、光学系内部での光束
のケラレが生じたり収差が発生したり等の不具合が生じ
る。ぼけ量は、ポジションセンサ１７の受光面の大きさ
を目安とするのが好ましい。

本実施例では、被検レンズ１５の第１面を測定する場合
を例に説明したが、被検レンズ１５の２ｒ２十４δ　２ ｒ２　δ ｒ２＋２δ となる。これにｒ２”ｒｌ　　　ｄを代入しΔ＝Ｌ（Ｌ
２±ｄ）を計算すると、 ｒｌ　６　　　ｒ１δ　　　　−２ｄδ１ｒ、＋２δ　
ｒ、　＋２δ　（ｒ、＋２６−ｄ）　（ｒｊ＋２６）・
・・・（１） となる。ところで上述したように、対物レンズ１４が作
る集光点の位置とポジションセンサ１７の受光面との、
その間に挟まれた光学系に関する共役関係を所定量崩す
必要があるわけであるが、具体的には通常被検レンズ１
５の第１面の曲率中心（０点）に一致しているポジショ
ンセンサ１７の共役位置を被検レンズ１５の第１面での
反射集光点（Ｑ点）に一致するように移動する必要があ
る。

この移動Ｉをξとすると、 である。上述したように共役関係を崩す方法は色々ある
が、例えばリレーレンズ１６とポジションセンサ１７の
全体を光軸方向へ移動する方法をとるならば、その量ζ
は対物レンズ１４と結像レンズ１３による被検レンズ１
５の第１面での反射集光点（Ｑ点）の投影倍率をβとす
る時、ζ均一ξβ２　　　　　　　　　・・・・（３）
である（ここで正の値は光学系全体をビームスプリッタ
１２から遠ざける方向を示す）。ここで具体的数値例を
示す。

対物レンズ■４のＮＡが０４２、その焦点距離が５０ｍ
ｍ、コリメータレンズ１３の焦点距離が２５Ｑｍｍ、リ
レーレンズ１６の倍率が一５０倍、ポジションセンサ１
７の受光面の大きさがφ２＋ｎｍ、ζ＝−２５ｍｍであ
る装置でｒｌ　＝−４０ｍｍ、　　ｒｚ　＝−７０ｍｍ
、　　ｄ＝　３０ｍｍのレンズを測定すると、β＝　−
２５０ｍｍ／　５０ｍｎ、＝　−５となる。従って、式
（３）より、 ξ＝１闘 となる。式（２）より となる。式（１）より Δ＝−０，０２５８ｍｍ である。従って被検レンズ１５の第２面の反射光束のＱ
点における光束径をＤとすると、Ｄ＝１２Ｘ（対物レン
ズＮＡ）ＸΔ１＝０．０１０３ｍ＋ｎ となる。又、対物レンズ１４．結像レンズ１３゜リレー
レンズＩ６の総合倍率は、 βＸリレーレンズ１６の倍率＝２５０ である。よって、被検レンズ１５の第２面の反射光束の
ポジションセンサ１７の受光面上での光束径は、 ２５０　ＸＤ＝２．５８ｍｍ となる。即ち、ポジションセンサ１７の受光面の大きさ
φ２Ｍよりも太い光束となるので、十分なほけ量と言え
る。これ以上はけ量を増やすと、光学系内部での光束の
ケラレが生したり収差か発生したり等の不具合が生じる
。ぼけ量は、ポジションセンサ１７の受光面の大きさを
目安とするのか好ましい。

本実施例では、被検レンズ１５の第１面を測定する場合
を例に説明したが、被検レンズ１５の第２面を測定する
場合にも同様なことが言え、ここで説明した偏芯測定機
で上記メニスカスレンズの裏面測定が可能である。この
場合は、被検レンズ１５を光軸方向へ移動して第３面に
よる反射光束の集光点がポジションセンサ１７の共役位
置と一致するようにすれば良い。

又、本実施例では指標として光点を用いているが、適当
な形状のパターンを用いても良い。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明による偏芯測定機用光学系は、第１
面と第２面の曲率中心が同じ特殊なメニスカスレンズの
偏芯測定も可能であるという実用上重要な利点を有して
いる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による偏芯測定機用光学系の一実施例を
示す図、第２図及び第３図は夫々上記一実施例において
指標の対物レンズによる一次像か被検レンズ面の曲率中
心に形成される状態及び該曲率中心と異なる位置に形成
される状態を示す図、第４図は従来例を示す図である。 １１・・・・レーザダイオード、１２・・・・ビームス
プリッタ、１３・・・・コリメータレンズ、１４・・・
・対物レンズ、１５・・・・被検レンズ、１６・・・・
リレーレンズ、１７・・・・ポジションセンサ、１８・
・・・信号処理系、１９・・・・表示装置。 牙１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 指標と、該指標の一次像を形成する対物レンズと、該対
   物レンズを射出した光を受けるレンズと、該レンズの測
   定対象となる被検レンズ面で反射した光を集光して前記
   指標の二次像を形成する集光光学系と、該指標の二次像
   の位置に受光面を配置した受光手段とを備え、該受光手
   段からの出力信号に基づいて該受光手段に入射する指標
   像の入射位置を検出するようにした偏芯測定機用光学系
   において、 前記一次像が前記被検レンズ面の曲率中心に形成される
   状態と該曲率中心と異なる位置に形成される状態とに切
   換え可能であると共に、何れの状態においても前記二次
   像が前記受光手段の受光面上に形成されるように前記指
   標、対物レンズ、被検レンズ、集光光学系及び受光手段
   のうちの少なくとも一つが光軸方向に移動自在に設けら
   れていることを特徴とする偏芯測定機用光学系。