JPH07120218A

JPH07120218A - レンズ，反射鏡等の偏心測定法及びそれを利用した機械

Info

Publication number: JPH07120218A
Application number: JP18854494A
Authority: JP
Inventors: Kimihiko Nishioka; 公彦西岡; Haruo Ogawa; 治男小川
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-09-01
Filing date: 1994-08-10
Publication date: 1995-05-12
Anticipated expiration: 2019-12-02
Also published as: JP3597222B2

Abstract

(57)【要約】【目的】非球面レンズ等の偏心及び傾きを測定するこ
とが可能でワーキングディスタンスも長く操作性に優
れ、更に、装置の製造コストも低く、且つ、球面レンズ
の偏心測定も効率的に行える偏心測定法及びそれを利用
した機械を提供すること。【構成】本発明の装置は、光源１０１，投光レンズ
３，結像レンズ４，ハーフプリズム５，フォーカスレン
ズ１０２，顕微鏡対物レンズ１０５，１０倍ズームレン
ズ１０６及びＣＣＤカメラ１０７を備えたレンズ偏心測
定ユニットが内蔵された測定機本体１２１と、切換え部
１２２と、切換えノブ１２３と、測定機本体１２１を支
持し上下方向に移動するスライドステージ１２４ａと、
スライドノブ１２４ｂと、回転ホルダー２と、コントロ
ールボックス１２５とから構成され、更に、レンズ偏心
の計算等がなされるパソコン１１３と、ディスプレイ１
０９及びカラーディスプレイ１１４とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非球面レンズ，不均質
媒質レンズ等の偏心及び傾きを測定する方法、或いはそ
れらのレンズ等のおおよその良し悪しを評価できる測定
法、並びにそれらの測定法を用いた機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のカメラ，顕微鏡，内視鏡等の光学
機器では、装置に使用されているレンズが光軸に対して
偏心すると結像性能が低下する。そこで、このような障
害を防止するために、のレンズの偏心測定が、装置の組
み立て工程，レンズ加工工程において行われている。

【０００３】図２０は、従来の装置（特開昭５６−１６
２０３１号公報に記載の装置等）の構成を示している。
図中、１はピンホール、２は回転可能なレンズホルダ
ー、３は投光レンズ、４は結像レンズ、５は光量を二分
するハーフプリズム、６は接眼レンズ、７はプリズム、
８は被検レンズである球面レンズ、９は球面レンズ８に
よるピンホール１の反射像である。従って、従来装置で
球面レンズのレンズ偏心測定を行う場合には、ピンホー
ル１の実像を球面レンズ８に入射し、その反射像９を拡
大し観察する。そして、球面レンズ８をレンズホルダー
２にのせて回転させたときに、球面レンズ８の上面の球
心１０がレンズホルダー２の回転軸上に存在するなら
ば、反射像９は振れることはないが、球面レンズ８が偏
心している場合には、レンズホルダー２の回転に伴って
反射像９が振れるため、その振れ量を測定することによ
り球面レンズ８の偏心を測定することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
方法では、図１８（ａ）に示したような非球面レンズ１
１のように、非球面のとの二つの偏心自由度を有するレンズについては、その
偏心量を測定することは不可能であった。但し、図中、Ｖは非
球面の無偏心時における面頂、ｌは回転軸、ｍは点Ｖに
おける法線ベクトルである。又、非球面レンズの偏心測
定方法としては、図１８（ｂ）に示したような距離セン
サー１２を用いて、非球面レンズ１１を回転させたとき
のセンサーとレンズ光面との距離ｄの変化を測定し、偏
心と傾きとに換算する方法が知られている。しかし、こ
の方法を用いる装置は高価であり、又、当該装置のワー
キングディスタンス（前記センサーとレンズ光面との距
離ｄの最大値）は５ｍｍ〜１５ｍｍ程度と小さく、作業
がしにくい等の問題があった。

【０００５】本発明は、上記のような従来技術の有する
問題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、多様な形態を呈する非球面レンズでもその偏心
及び傾きを測定することが可能でワーキングディスタン
スも長く操作性に優れ、更に、装置の製造コストも低
く、且つ、球面レンズの偏心測定も従来装置に比較して
より便利に測定できるようにした測定法、また生産現場
等でおおよその偏心の良否を判定する場合にも有用な測
定法、並びにそれらの測定法を用いた機械を提供するこ
とである。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び作用】上記目的を達成
するために、本発明は、少なくとも斜入射法で測定した
ローカル曲率中心の偏心から、非球面レンズ等の偏心と
傾きとを測定するようにしたことを特徴とし、更に、非
球面上等における光軸外の一つ以上の部分に光束を入射
させ、該光束の反射光束から偏心を求め得るようにする
ことも特徴としている。

【０００７】以下、図１７に基づき、従来装置と同一の
部材には同一の符号を付して本発明におけるレンズ偏心
測定機の原理構成を説明する。図中、１０１は光源（可
視半導体レーザー等）、２は回転可能なレンズホルダ
ー、３は投光レンズ、４は結像レンズ、５はハーフプリ
ズム、１１は被検レンズである非球面レンズ、１２は距
離センサー、１０２はフォーカスレンズ、１０３はミラ
ー、１０４はフォーカスレンズ１０２によって結像され
る実像、１０５は実像１０４を拡大する顕微鏡対物レン
ズ、１０６は１０倍ズームレンズ、１０７はＣＣＤカメ
ラ、１０８はスーパーポーズボード、１０９はディスプ
レイ、１１０は光路中に挿入せしめるスライドミラー、
１１１は手動又は電動の回転ミラー、１１２はＡＤ変換
画像ボード（又は画像処理ボード）、１１３は後述する
画像処理計算等を行うパソコン、１１４は測定結果を表
示するカラーディスプレイ、１１５はプリンターであ
る。尚、ハーフプリズム５の代わりに光量を二分するハ
ーフミラーを使用してもよいし、又、光源１０１の戻り
光による影響を避ける目的で、偏光ビームスプリッター
を使用することもできる。但し、偏光ビームスプリッタ
ーを使用する場合、結像レンズ４との間に１／４波長板
を追加することが必要となる。

【０００８】まず、被検レンズが球面レンズである場合
における本測定機の動作を説明する。光源１０１からの
射出光は順に投光レンズ３，ハーフプリズム５，結像レ
ンズ４を通過し、球面レンズ８に実像を入射する。前記
実像の球面レンズ８の表面での反射像は、順に結像レン
ズ４，ハーフプリズム５，フォーカスレンズ１０２を通
過することにより実像１０４が結像され、更に、実像１
０４は顕微鏡対物レンズ１０５で拡大され、１０倍ズー
ムレンズ１０６によりＣＣＤカメラ１０７上に結像され
る。ＣＣＤカメラ１０７から送出される電子画像信号は
スーパーポーズボード１０８経由でディスプレイ１０９
に送られ、これにリアルタイムの画像が表示される。こ
こで、球面レンズ８に偏心があれば、球面レンズ８を回
転せさるとディスプレイ１０９に表示される光源像も動
くので、レンズの偏心を発見できる。以上の測定手段を
垂直入射法と呼ぶことにする。

【０００９】次に、被検レンズが非球面レンズ１１であ
る場合には、上記垂直入射法に従った偏心測定を行った
後、スライドミラー１１０を非球面レンズ１１と結像レ
ンズ４との間の光路に挿入し、更に回転ミラー１１１で
光路を曲げて非球面レンズ１１の周辺部にレンズ面に対
してほぼ垂直に光源光が入射するようにする（以下、こ
の状態を斜入射の状態という）。更に、レンズホルダー
２を回転させ、非球面レンズ１１を回転させたときに非
球面レンズ１１の反射像がどの程度動くかを測定するた
めに、前記非球面レンズ１１の反射像を、順に、回転ミ
ラー１１１，スライドミラー１１０，結像レンズ４，ハ
ーフプリズム５，フォーカスレンズ１０２，顕微鏡対物
レンズ１０５，１０倍ズームレンズ１０６を経由する光
路を通じて結像された像をＣＣＤカメラ１０７によって
撮像する。以上を斜入射法と呼ぶことにする。尚、垂直
入射法でも斜入射法でも、レンズ面に略垂直に光束を入
射させた方が反射光束を測定機の光学系で受光し易い
が、反射光束の受光さえできれば、必ずしも垂直である
必要はない。図６参照。

【００１０】上記垂直入射法及び斜入射法により撮像さ
れた光源光の反射像は、ＡＤ画像ボード１１２及びパソ
コン１１３において画像処理が行われ、更に、パソコン
１１３において非球面レンズの偏心及び傾きの計算がな
され、その結果をカラーディスプレイ１１４に表示する
ことができる。又、フォーカスレンズ１０２及び顕微鏡
対物レンズ１０５はパルスモーター等の駆動により光軸
方向に移動され得るように構成されているため、当該レ
ンズに対して、光源輝点像の位置を変化させ最適な位置
に結像でき、且つ、レンズ面による光源輝点の反射像に
対してＣＣＤカメラ１０７のピント調整を行うことが可
能である。

【００１１】更に、結像レンズ４，フォーカスレンズ１
０２，回転ミラー１１１夫々の位置及び角度はパソコン
１１３によって制御される。又、結像レンズ４と非球面
レンズ１１との間の距離調整は、レンズホルダー２の位
置を光軸に対し上下方向に移動させて行ってもよく、又
は、結像レンズ４或いはスライドミラー１１０の位置よ
り上部に配設されている部材の上下移動によっても可能
である。回転ミラー１１１は非球面レンズ１１の周辺部
においてレンズ面に対してほぼ垂直に光束を入射（或い
は出射）させるために、回転可能に構成されている。
又、同様の目的で、レンズホルダー２，非球面レンズ１
１を除く本測定機の各構成部材の位置関係を図面上左右
対称の方向に変えて構成してもよく、或いは、回転ミラ
ー１１１のみを左右対称な位置に配設してもよい。更
に、距離センサー１２は従来より使用されているもので
あるが、これにより非球面レンズ１１の周辺部と距離セ
ンサー１２との距離を測定し、非球面レンズ１１を回転
させたときに起きる前記距離の変化から非球面の偏心を
求めることも可能であるし、又、上記垂直入射法及び斜
入射法との併用も可能である。

【００１２】次に、図１８（ａ）及び図１９に基づき、
垂直入射法及び斜入射法により測定した非球面レンズ回
転時の光源像の移動から前記偏心量、即ちレンズの偏心
及び傾きを求める方法を述べる。図中、Ｖ：非球面の無偏心時における面頂ｌ：回転軸ｍ：点Ｖにおける法線ベクトル（図１８（ａ）では−ｍ
を示してある）Ｒ：非球面の無偏心時における近軸の曲率半径（図１９
（ａ）ではＲ＞０）Ｌ_T：非球面の周辺部の一点Ｑにおける子午面内の接触
円の中心（ローカル曲率の中心） φ：∠ＣＶＬ_Tの大きさ（図１９（ａ）ではφ＞０） θ：∠Ｌ_TＰＶの大きさ（図１９（ａ）ではθ＜０）Ｐ：直線ＱＬ_TとＶＣとの交点とする。但し、レンズホルダー２を回転させたとき、夫
々垂直入射法で測定した球心Ｃの偏心を斜入射法で測定したローカル曲率の中心Ｌ_Tの偏心をとする。更に、添字ｘ，ｙは点Ｖ又は点Ｑでの接平面内
における直交座標を表し、又は点Ｖを原点とし、は点Ｑを原点とする直交座標のｘ，ｙ成分を持つベクト
ルを表わすものとする。又、は、図１８（ａ）に示した如く、レンズホルダー２の回
転軸をＺ軸方向にとった場合の直交座標のＸ，Ｙ成分を
表わすベクトルである。

【００１３】はその大きさが非球面の傾きをラジアンで表わされたも
のであり、その成分ε_X，ε_Yは図１８（ａ）の点Ｖに
おける法線ベクトルｍのＸ，Ｙ平面内での方位角をＡと
するときで与えられ、又、このとき、以下に示す式が成立する
（図１９（ａ）においてはＲ＞０となるようにＲの符号
を定める）。従って、式（３）の連立方程式を解くことにより、
δ_X，δ_Y，ε_X，ε_Yの値が夫々求められる。即ち、を求めることができるのである。尚、図１９（ａ）の線
分ＱＬ_T、即ちローカル曲率半径は、非球面の方程式をで表わすとき、で与えられる。

【００１４】上述した方法では、レンズホルダーの回転
軸ｌを回転させてを求めたが、無偏心時の輝点像の位置が予め判明してい
る場合には、前記レンズホルダーを回転させなくてもは求められるので、前記レンズホルダーを回転させる必
要はない。又、偏心の測定値としては、周辺の点Ｌを数
カ所において測定してもよい。即ち、二つ以上のＬ₁，
Ｌ₂，・・・と球心Ｃとの偏心測定値から、最小二乗法
等を用いてを求めても良く、或いは、球心Ｃの測定を止め、二つ以
上のＬ₁，Ｌ₂，・・・の偏心からを求めることも可能である。この様子を図１９（ｂ）に
示した。

【００１５】

【実施例】以下、図１乃至１６に基づき、図１７に示し
たものと同一の部材には同一の符号を付して、本発明の
実施例を説明する。図１は、本発明による第一実施例の
レンズ偏心測定機の外観図である。図中、１２１は測定
機本体、１２２はスライドミラー１１０が内蔵されてい
て測定機本体１２１に固定されている切換え部、１２３
は切換えノブ、１２４ａは測定機本体１２１を支持し本
体１２１を被検レンズである球面レンズ１１の光軸方向
に移動するスライドステージ、１２４ｂはスライドノ
ブ、２は非球面レンズ１１を搭載し回転せしめる回転ホ
ルダー、１２５は測定機の制御基板や光源１０１の電源
等が内蔵されているコントロールボックスである。又、
ディスプレイ１０９，パソコン１１３及びカラーディス
プレイ１１４は夫々前述の偏心等の計算のために設けら
れたものである。

【００１６】尚、測定機本体１２１には、図１７に示し
た光源１０１，投光レンズ３，結像レンズ４，ハーフプ
リズム５，フォーカスレンズ１０２，顕微鏡対物レンズ
１０５，１０倍ズームレンズ１０６及びＣＣＤカメラ１
０７を備えたレンズ偏心測定ユニットが内蔵されてい
る。又、結像レンズ４及びフォーカスレンズ１０２は、
図示しないステッピングモータ等により駆動されるスラ
イドステージ１２４ａによって光軸方向に移動可能な機
構となっており、コントロールボックス１２５の指示に
より所望の位置に配置されるようになっている。更に、
切換え部１２２においては、切換えノブ１２３によって
スライドミラー１１０の切換えが可能であり、又、測定
機本体１２１はスライドノブ１２４ｂを回転させること
により、スライドステージ１２４ａを介して光軸方向に
移動可能に構成されている。又、パソコン１１３には、
前述したスーパーポーズボード１０８，ＡＤ変換ボード
１１０等が内蔵されている。

【００１７】以下、作用について説明する。まず、被検
レンズである非球面レンズ１１に対し任意の作業領域を
確保するため、スライドノブ１２４ｂによって測定機本
体１２１を配置させ、垂直入射法により測定可能にすべ
くスライドミラー１１０を切換えノブ１２３により光路
から外す。更に、非球面レンズ１１の曲率半径に合わせ
ＣＣＤカメラ１０７において反射輝点像が観察できるよ
うに、コントロールボックス１２５の指示により結像レ
ンズ４，フォーカスレンズ１０２を夫々所望の位置に配
置させる。この状態において、レンズホルダー２を回転
させ、垂直入射法による測定を行う。このとき、ＣＣＤ
カメラ１０７により捕らえた反射輝点像はスーパーポー
ズボード１０８を介してディスプレイ１０９に表示さ
れ、観察することができる。又、ＡＤ変換画像ボード１
１０によりレンズホルダー２の回転に伴う反射輝点像の
重心位置の移動量が求められ、更に偏心量がパソコン１
１３により計算され、その計算結果はカラーディスプレ
イ１１４に表示される。

【００１８】次に、斜入射測定法を行うため、スライド
ノブ１２３をスライドさせてスライドミラー１１０を光
路内に挿入し、非球面レンズ１１の周辺部のレンズ面に
ほぼ垂直に入射させ、非球面レンズ１１の周辺部の曲率
半径に合わせ、ＣＣＤカメラ１０７において反射輝点像
が観察可能なように、コントロールボックス１２５の指
示により、結像レンズ４，フォーカスレンズ１０２を夫
々所望の位置に配置させる。この状態で、レンズホルダ
ー２を回転させ斜入射法により測定を行う。この後のデ
ィスプレイ１０９での観察及びレンズの偏心量の計算方
法等は前述した通りである。以上のように、垂直入射法
及び斜入射測定法の測定結果から、パソコン１１９によ
って上記式（１）乃至（３）に基づいて計算され、非球
面レンズ１１の偏心量が求められる。

【００１９】図２は本発明による第二実施例であり、基
本的な測定原理及び構成は第一実施例に示した装置と同
様であるが、図２（ａ）においては、投光レンズ３，結
像レンズ４及びハーフプリズム５を複数からなる一つの
レンズ系１３１で構成したため、レンズ偏心測定ユニッ
トの構成が単純化されている。又、１３２，１３３夫々
は後述する理由のため設けられたシャッターである。二
つのハーフプリズム５は常に光路中に配置されている。
更に、光源１０１，レンズ系１３１を夫々移動させるこ
とにより光源１０１の輝点像の非球面レンズ１１に対す
る位置及びその反射像のＣＣＤカメラ１０７に対する合
焦を行うことができる。又、非球面レンズ１１又はシャ
ッター１３３の位置より上部に配置されている部材相互
間の距離を調整しても、前記目的は達成される。

【００２０】本実施例による装置は上記のように構成さ
れているので、垂直入射時にはシャッター１３２が光路
を遮り、又、斜入射測定時にはシャッター１３３が光路
を遮ることにより、スライドミラー１１０を必要とせず
にレンズの偏心測定が可能であり、上記ユニットの構成
も単純化できる。

【００２１】又、図２（ｂ）に示した装置は、ミラー１
３４を設けたことにより、上記のレンズ系１３１を用い
ずとも第一実施例に示した測定機に比べて結像レンズ４
及びスライドミラー１１０を省略できるため、更にシン
プルに構成され得る。又、本装置においても、ハーフミ
ラー５は常に光路中に配置され、投光レンズ３及びフォ
ーカスレンズ１０２を夫々光軸方向に移動させることに
よって、光源１０１の輝点像の非球面レンズ１１に対す
る位置及びその反射像のＣＣＤカメラ１０７に対する合
焦を行うことができる。又、非球面レンズ１１又はシャ
ッター１３２の位置より上部に配置されている部材相互
間の距離の調整によっても前記目的は達成される。尚、
図２（ａ），（ｂ）双方に記載の装置共に、斜入射法の
際、非球面レンズ１１と偏心測定機との位置関係はその
どちらかを左右方向にずらしても偏心測定が可能であ
る。

【００２２】図３は本発明の第三実施例であり、（ａ）
は装置の上面図，（ｂ）はＡＸ軸方向から見た装置の側
面図である。本実施例の装置は、図のように、移動ステ
ージ１４１上に光源１０１，ハーフプリズム５，第一実
施例において示したものと同様のレンズ系１３１及び回
転ミラー１１１が夫々光軸上直列に配置され、特に回転
ミラー１１１はＡＸ軸を中心として回転し得るように構
成されており、更に、ハーフミラー５，顕微鏡対物レン
ズ１０５，１０倍ズームレンズ１０６及びＣＣＤカメラ
１０７は夫々上記光軸からハーフプリズム５によって曲
げられたもう一方の光軸上に直列に配置されている。

【００２３】従って、光源１０１からの射出光は、順に
ハーフプリズム５，レンズ系１３１及び回転ミラー１１
１の光路を通って非球面レンズ１１に入射する。前記入
射光は非球面レンズ１１により反射され、回転ミラー１
１１，レンズ系１３１，ハーフミラー５，顕微鏡対物レ
ンズ１０５及び１０倍ズームレンズ１０６の順で通過し
てＣＣＤカメラ１０７に結像する。垂直入射法の場合
は、光束は非球面レンズ１１のレンズ面に対して図中矢
印Ｖの方向に入射され、一方、斜入射法の場合は、回転
ミラー１１１が回転して光束は非球面レンズ１１のレン
ズ面に対して図中矢印Ｇ₁又はＧ₂の方向に入射される
（図３（ｂ）参照）。このとき、移動ステージ１４１は
非球面レンズ１１のレンズ面に対して光束が適切な角度
で入射され得るように、水平方向に移動する。又、非球
面レンズ１１のレンズ面に対する光軸上の光束入射位置
及び結像位置を最適なものとするために、顕微鏡対物レ
ンズ１０５，１０倍ズームレンズ１０６及びＣＣＤカメ
ラ１０７は夫々一体化されて光軸上を移動する。又、前
記方法の代わりに、レンズ系１３１を移動させても同様
の効果が得られる。

【００２４】以上のように、本実施例による装置は第二
実施例に示した装置と比較して、シャッター１３２，１
３３を必要とせず、更に非常にシンプルな装置構成を備
え、従って製造過程におけるコストを低く抑えることが
できるという利点を有する。ここで、各光学部品の設計
数値の一例をあげれば、レンズ系１３１の焦点距離は９
０ｍｍ，Ｆナンバーは２．０、顕微鏡対物レンズ１０５
の倍率は１０倍又は２０倍又は４０倍、１０倍ズームレ
ンズ１０６の焦点距離は１１〜１１０ｍｍ，乃至２２〜
２２０ｍｍ、光源１０１の波長は６８５〜６４０ｎｍ、
ＣＣＤカメラ１０７のＣＣＤサイズは１／２乃至１／４
インチである。

【００２５】図４は、本発明による第四実施例を示して
いる。本実施例では、第二実施例において示した偏心測
定ユニットを二つ設けたことを特徴としている。即ち、
図のように、ユニットＡを垂直に建てた状態で固定し、
又，ユニットＢを斜めに傾けた状態に固定して二組の偏
心測定ユニットを配設したことにより、回転ミラー１１
１が不要となり、垂直入射法と斜入射法とを同時に行う
ことができるため測定に要する時間を短縮できる。測定
データの処理方法は、第一実施例に示した方法と同様で
ある。このような本実施例は、レンズ心取り機に適用
し、偏心量を監視しつつレンズの心取り加工を行うよう
にして好都合である。勿論、本発明の他の実施例もレン
ズ心取り機に適用することが可能であり、またすべての
実施例は、その他にもレンズ接合機などに適用してレン
ズ加工を行えるようにすることが可能である。尚、前記
ユニットＡ及びＢ夫々の傾斜角度は任意に調整できるも
のとする。又、前記偏心測定ユニットのどちらか一方を
垂直に立てた状態で固定し、非球面レンズ１１を水平に
保持した状態と傾斜させた状態とで、各々測定を行え
ば、一組の偏心測定ユニットのみでも前記ユニット二組
を使用したときと同様の効果が得られる。又、後述のよ
うに斜入射法による測定のみを行う場合には、ユニット
Ａを省けばよい。

【００２６】図５に示したように、非球面周辺が光軸１
５１に対してほぼ垂直になっている場合には、周辺部の
偏心測定時に輝点像の入射光束は図中矢印Ｅのように光
軸に対して平行になる。従って、斜入射の状態でも、入
射光束は垂直入射法の場合と同様矢印Ｄと平行になる
が、このような場合も含めて、本発明では、非球面周辺
の偏心を測定する手法を斜入射法と呼ぶことにする。

【００２７】図６は本発明の第五実施例を示している。
本実施例は、図のように、光源１０１，結像レンズ４，
フォーカスレンズ１０２及びＣＣＤカメラ１０７を夫々
二組配置して、非球面レンズ１１のレンズ面に対して斜
めに光束を入射することにより、非球面の中央部の球心
Ｃと周辺部のローカル曲率の中心Ｌ_Tとを測定し、非球
面の偏心を求める方法である。このように、輝点像の入
射光束が非球面での少なくとも二つの相異なる部分に当
てられていれば、それらの解析を行うことで、非球面の
偏心と傾きとを求めることが可能である。

【００２８】図７は、ローカル曲率の二つの中心Ｌ_T及
びＬ_Sを夫々示した図である。これまでの説明では、子
午面内の曲率中心Ｌ_Tのみを考えてきたため、ローカル
曲率の中心は非球面上の一点Ｑを定めればただ一つ定ま
るとしてきた。しかしながら、サジタル方向のローカル
曲率の中心Ｌ_Sをも考慮すれば、点Ｑにおける曲率中心
は二つ存在するのである。よって、点光源の光束を入射
させた場合の非球面による反射像は、Ｌ_Tでは図７の紙
面に対して垂直な方向に延びた楕円となり、Ｌ _Sでは前
記紙面に対して平行な方向に延びた楕円となる。以上よ
り、偏心測定に当たっては、Ｌ_T，Ｌ_S或いはその中間
点の偏心の何れを用いてもよく、そのとき用いた点のを非球面方程式により計算すればよいことになる。又、
Ｌ_S及びＬ_TとＬ_Sとの中間点ＬＴ_TSの偏心からを求めるためには、式（３）のに置き換えた式から求めればよい。但し、このときθ，
φ等もＬ_S，Ｌ_TSに対応して置き換える。

【００２９】即ち、サジタル方向のローカル曲率の半径
は、図８を参照して、としたとき、式（４）で与えられる。尚、図８，図９に
おいてはθ＜０である。この場合、図９で分かるように、次に示す式（５ａ），
式（５ｂ）が式（２ｄ），式（２ｂ）に代わって成り立
つ。尚、Ｌ_Sに関しては常にψ＝０となる。又、は、点Ｑを原点とする直交座標系ｘ，ｙ，ｚでのサジタ
ルローカル曲率の偏心である。従って、式（５ａ），式（５ｂ）を連立させて解くこと
によって、を求めることができるのである。

【００３０】更に、Ｌ_TとＴ_Sとの中間点Ｌ_TSの偏心を求めるには、上記式（５ａ）と次の式（６ａ），式
（６ｂ）を連立させて解けばよい。このように、Ｌ_TとＬ_Sの中間点の偏心測定の場合に
は、光の反射像は略円形となるので、測定機の焦点合せ
が行い易く、精度の良い測定が可能である。

【００３１】上記のほか、垂直入射を行わず、Ｌ_TとＬ
_Sの偏心を測定し、式（２ｂ）と式（５ｂ）とからを求めてもよい。要するに、偏心の独立測定量が二つあ
れば、それらの組合せから求めることが可能となる。従
って、上記の組合せの他にも、のうちの適宜な二つを測定すれば、を求めることが可能であり、又、異なるθについてのの測定量を組み合わせるようにしても差し支えない。何
れの場合にも、それらの組合せに応じて、式（２ａ），
式（２ｂ），式（５ｂ），式（６ａ）のうちの二つを連
立させて求めることになる。

【００３２】レンズの生産現場などで高精度の偏心測定
を必要としない場合などには、斜入射法の測定だけから
合否を判定してよい場合がある。即ち、Ｌ_T，Ｌ_S，Ｌ
_TSのうち少なくとも一つの偏心を測定し、が小さければ、そのレンズはおおよそも小さいと推定できるからである。

【００３３】然しながら、高精度の偏心測定が要求され
る場合でも、一つの斜入射法による偏心測定からを求めることが可能である。以下、その場合の一例を説
明する。この例は、一つのθにおけるＬ_Tの偏心測定か
らを求める場合についてであるが、Ｌ_S，Ｌ_TSについても
同様にして求めることが可能である。

【００３４】測定時、被検レンズ１１は測定機の回転軸
ｌの回りに回転するものとし、その時のＬ_Tの軌跡を観
測することにする。レンズの回転角速度をω，時間を
ｔ，及びε，δのｔ＝０における方位角を夫々ｅ，ｄと
し、式（３）の３，４行目を時間変化を含む式で表わす
と、次の式（７）となる。で表わされる点の軌跡を本発明の偏心測定機で観測する
わけである。ここで、と置換して、式（７）を展開すると、次のようになる。但し、ｃｏｓωｔの係数をＤ、ｓｉｎωｔの係数をＥと
置いた。但し、ｓｉｎωｔの係数をＧ、ｃｏｓωｔの係数をＦと
置いた。

【００３５】次に、ｔを式（８）及び式（９）から消去
し、ｘ，ｙの間の関係式を求めてみる。これがＬ_Tの軌
跡にほかならない。式（８）及び式（９）を、ｃｏｓω
ｔ，ｓｉｎωｔについて解くと、ｃｏｓ²ωｔ＋ｓｉｎ²ωｔ＝１であるから、Δ≡ＤＧ
−ＥＦと置けば、を得る。この式（１１）を展開すると、次のようにな
る。但し、ｘ²，ｘｙ，ｙ²の係数を夫々Ｋ，２Ｌ，Ｍと置
いた。この式（１２）は、正しく楕円の方程式である。
即ち、Ｌ_Tの軌跡は図１０に示すような楕円となる。

【００３６】図１０に示すように、楕円の長半径ａ，短
半径ｂ，長軸の傾斜角γは本実施例の測定機で測定可能
な量であるから、これらのａ，ｂ，γを上記のＫ，Ｌ，
Ｍで表わしてみる。式（１２）を行列を用いて表わす
と、次のようになる。行列Ｕの固有値をα₁，α₂とする。 α₁，α₂は、次のαについての方程式（１４）の２根
である。Ｕは、実数の対称行列であるから、２行２列の直交行列
Ｐを用いて、Ｐ^-1ＵＰが対角行列となるようにすること
ができる。そして、この時、楕円ので与えられる。と置けば、は、夫々固有値α₁，α₂の規格化された固有ベクトル
である。規格化されていないα₁，α₂の固有ベクトル
として夫々、をとる。次に、これを規格化して、下記のように式（１
８）を得る。を得る。

【００３７】このようにして、Ｌ_Tの軌跡から、ａ，
ｂ，γを求め、且つ特定の時刻ｔ₀における（ｘ，ｙ）
の値（ｘ₀，ｙ₀）を測定することによって、式
（８），式（９）からｘ₀＝Ｄｃｏｓωｔ₀＋Ｅｓｉｎωｔ₀ ・・・・（２３）ｙ₀＝Ｆｃｏｓωｔ₀＋Ｇｓｉｎωｔ₀ ・・・・（２４）を得、式（１９）、式（２０）、式（２１）、及び式
（２３）又は（２４）を連立させて解くことにより四つ
の未知数ε，δ，ｄ，ｅを求めることができる。即ち、
偏心量を求めることができるのである。尚、四つの未知数に対
して方程式は（１９），（２０），（２１），（２
３），（２４）の五つがあるから、これらのうち四つを
選んで解いてもよい。又、最小二乗法を用いて五つの式
を極力満たすε，δ，ｄ，ｅを求めるようにすれば精度
の高い測定ができる。このようにして、一つの斜入射測
定からでも、偏心量を求めることができるが、これはＬ
_Tの軌跡からのみならず、Ｌ_S及びＬ_TSの各軌跡からも
同様にして求めることができ。

【００３８】上述のような一つの斜入射測定から非球面
レンズの偏心量を求める方法は、前述の垂直入射法と斜入射法の二つの
測定法から求める方法に比べて測定回数が半分で良いこ
と、又、一つの測定からの解析で求めるので、測定誤差
が解析結果に及ぼす影響が比較的単純な形で表われ、誤
差の補正がし易いこと、などの利点がある。又、本発明
における上述の方法は、偏心測定機に適用されるだけで
はなく、レンズ加工機にも適用できる。即ち、上記のよ
うな斜入射測定の可能な偏心測定機をレンズ心取り機に
取付け、その輝点反射像の軌跡が許容される円内に入る
ようにレンズの偏心調整を行ったあと心取り加工を行う
ようにすれば、偏心の小さい非球面レンズを製作するこ
とができる。又、２枚以上のレンズを接合させる場合で
も、上記のような斜入射の偏心測定を行いレンズの心出
しを行って接合するようにすれば、偏心の小さい非球面
接合レンズが得られる。更に、上記においては非球面の
偏心を求めたが、同様に斜入射測定のみによって球面の
偏心を求めることが可能であるし、また何枚かの球面，
非球面を組み合わせた組合せレンズの各々の偏心をも求
めることが可能である。

【００３９】更に、本発明は、図１１に示したようにレ
ンズの第二面１６２が非球面である場合にも適用するこ
とができる。その場合には、第一面１６１の偏心によっ
て生じる見かけの球心Ｃ及びローカル曲率の中心Ｌを除
去してから非球面の偏心を求めればよい。両面が非球面
の場合でも同様に測定すれば各面の偏心量を求めること
ができる。

【００４０】図１２は、本発明による第六実施例であ
り、底面が鏡状を呈しているレンズホルダー１７１に非
球面レンズ１１を搭載して偏心を測定している状態が示
されている。本実施例において使用される偏心測定ユニ
ット及び偏心測定方法は、上記各実施例に示したものと
同様である。

【００４１】図１１及び図１２に示した測定方法は、被
検レンズが不均質媒質レンズ（例えば商品名「セルフォ
ック」日本板硝子社製）の場合に用いると、媒質の偏心
をも含めたレンズの偏心の影響が総合的に測定できるの
で有効である。この場合、二つの面が球面であるなら
ば、垂直入射と一つ以上の斜入射との組合せにより三つ
以上の測定を行えば、両面の偏心と共に媒質の偏心量を
も求めることができる。何れか一方の面が非球面である
ならば、条件を変えた測定を更に付け加えるようにすれ
ばよい。図１３に示す如く、不均質媒質レンズ１１−２
の偏心は、二つの面の傾きε₁，ε₂と媒質の偏心量δ
_M，ε_Mの四つのベクトル量で決まる。但し、レンズの
両面が球面の場合を想定している。従って、偏心自由度
がベクトル量で四つあるので、測定も、垂直入射を二つ
に斜入射を一つ、或いは垂直入射を一つに斜入斜を二
つ、若しくは垂直入射を三つ行う必要がある。軸対称不
均質媒質の偏心自由度は、これまでの実施例における非
球面の場合と同じであり、二つのベクトル量δ_M，ε_M
で決まることに留意する必要がある。尚、図１１，図１
２に示した例の場合、非球面の偏心及び傾きを求める計
算式は上記式（３）とは異なるが、非球面の相異なる二
つ以上の部分に入射する光束の反射光束から、上記各実
施例に示した方法と同様に前記偏心及び傾きを求めるこ
とができる。

【００４２】図１４は、本発明の第七実施例を示した図
であり、アナモフィックレンズ（ラグビーボールの如き
表面を有する回転非対称レンズの一種）１８１に本発明
による測定方法を応用した例を示している。レンズ設計
上は、図中の点Ｖにおける二つの主曲率Ｃ_X，Ｃ_Yが点
Ｖにおける直交座標のＺ軸上にあるものとし、又、Ｘ−
Ｙ平面は点Ｖにおける接平面であり、前記二つの主曲率
Ｃ_X，Ｃ_Yの方向はＸ−Ｙ平面であるとする。実際に加
工されたレンズでは必ずしも前記Ｃ_X，Ｃ_YはＺ軸上に
あるとは限らない。このとき、アナモフィックレンズ１
８１をレンズホルダー２に搭載して回転させた場合、垂
直入射光束Ｄ及び斜入射光束Ｅの反射像のＣＣＤカメラ
１０７上での位置は、図１５（ａ），（ｂ）に夫々示し
た点線のように変化する。但し、図１５（ａ）は光束Ｄ
の反射像を、（ｂ）は光束Ｅの反射像を夫々示した図で
ある。一方、前記Ｃ_X，Ｃ_YがほぼＺ軸上に存在すると
きは、それら反射像のＣＣＤカメラ１０７上での軌跡は
図１５（ａ），（ｂ）に夫々示した実線のようになるた
め、これら二つの軌跡を解析することにより、アナモフ
ィックレンズ１８１の偏心を（方位を含めて）求めるこ
とが可能である。

【００４３】図１６は本発明の第八実施例の説明図であ
り、二枚接合の球面レンズ１９１の例を示し、（ａ）は
従来方法、（ｂ）は本発明を適用した方法を夫々示した
図である。光束を垂直入射で入射させて球面レンズの偏
心を測定する場合、従来は、レンズ第一面１９２の球心
に向けて光束を入射させる方法がよく行われていた。し
かし、図１６（ａ）に示したように、レンズ第一面１９
２の球心Ｃ₁と第三面１９３の球心Ｃ₂とが接近してい
る状態では、前記二つの面における反射像がＣＣＤカメ
ラ１０７上で同時に結像してしまい、どちらのレンズ面
での偏心を測定しているのかが分からなくなるという問
題があった。

【００４４】しかしながら、上記のような場合でも本発
明による装置を用いれば、装置の偏心測定ユニット内の
投光レンズ３，結像レンズ４及びフォーカスレンズ１０
２相互間の位置関係を調整することによって、図１６
（ｂ）に示したように、レンズの第一面１９２と第三面
１９３との間に結像する光束を入射させ、その反射像の
結像位置Ｉ_1,Ｉ₂相互間に距離差を設けることができ、
従って、前記二つの反射像のうちの一方の反射像のみを
ぼけて見えなくなるようにすることができる。このよう
に、本発明の装置を使用すれば、各レンズ面での反射像
の倍率を等倍からずらすことによって、各レンズ面の反
射像を区別することができる。

【００４５】尚、レンズ外周のレンズ光軸に対する偏心
の測定には、前記レンズ外周に本測定機の結像レンズ４
（又はレンズ系１３１）のピントを合わせ、画像処理に
より外周を検出し、その中心を求め光軸からのズレを計
算すればよい。これらの処理はＡＤ変換画像ボード１１
０，パソコン１１３等によって行われ得る。勿論、画像
処理の代わりに、テレビ画像の外周をマウス等をクリッ
クすることで指定し、外周の偏心を求めるようにしても
よい。

【００４６】

【発明の効果】上述のように、本発明による偏心測定法
及びそれを利用した機械は、球面及び非球面レンズのみ
ならず、非球面の反射鏡，モールドで作られるレンズの
金型等の偏心測定を可能とし、更に、装置のワーキング
ディスタンスが長く、製造コストも低く抑えられるとい
う優れた利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレンズ偏心測定機における第一実
施例の装置外観図である。

【図２】本発明のレンズ偏心測定機における第二実施例
を示した図であり、（ａ）は偏心測定ユニットの構成に
光学系１３１を適用した例を示した図、（ｂ）はミラー
１３４を偏心測定ユニット内に設けた例を示した図であ
る。

【図３】本発明の第三実施例を示した図であり、（ａ）
は装置の上面図，（ｂ）はＡＸ軸方向から見た装置の側
面図である。

【図４】本発明の第四実施例を示した図である。

【図５】非球面周辺が光軸に対してほぼ垂直になってい
るレンズにおける周辺部の偏心測定時での輝点像の入射
光束の方向の説明図である。

【図６】本発明の第五実施例を示した図である。

【図７】ローカル曲率の二つの中心Ｌ_T及びＬ_Sについ
ての説明図である。

【図８】サジタルローカル曲率の中心Ｌ_Sについての説
明図である。

【図９】サジタルローカル曲率の中心Ｌ_Sの偏心を用い
て非球面レンズの偏心及び傾きを測定する方法の説明図
である。

【図１０】一つの斜入射法だけで偏心測定を行う場合に
おけるローカル曲率中心Ｌ_Tの軌跡を示す説明図であ
る。

【図１１】本発明による装置をレンズの第二面が非球面
であるレンズに適用した状態を示した図である。

【図１２】本発明の第六実施例を示した図である。

【図１３】不均質媒質レンズの偏心測定に関係する四つ
のベクトルの説明図である。

【図１４】本発明の第七実施例を示した図である。

【図１５】第七実施例における垂直入射光束Ｄ及び斜入
射光束Ｅの反射像をＣＣＤカメラ１０７上で捉えた図で
あり、（ａ）は光束Ｄの反射像、（ｂ）は光束Ｅの反射
像を示した図である。

【図１６】二枚接合の球面レンズにおける偏心測定の方
法の説明図であり、（ａ）は従来方法を、（ｂ）は本発
明を適用した方法を示した図である。

【図１７】本発明によるレンズ偏心測定機の原理構成図
である。

【図１８】（ａ）は非球面レンズにおける非球面の傾き
及び偏心の説明図、（ｂ）は距離センサーを用いた従来
の非球面レンズの偏心測定方法の説明図である。

【図１９】（ａ）は垂直入射法及び斜入射法による非球
面レンズの偏心及び傾きの測定方法の説明図、（ｂ）は
二つ以上のローカル曲率の中心Ｌ₁，Ｌ₂，・・・と球
心Ｃとの偏心測定値からレンズの偏心及び傾きを求める
方法の説明図である。

【図２０】従来のレンズ偏心測定機の装置構成図であ
る。

【符号の説明】

１ピンホール２レンズホルダー３投光レンズ４結像レンズ５ハーフプリズム６接眼レンズ７プリズム８球面レンズ（被検レンズ）９反射像１０球心１１非球面レンズ（被検レンズ）１２距離センサー１０１光源（可視半導体レーザー等）１０２フォーカスレンズ１０３ミラー１０４実像１０５顕微鏡対物レンズ１０６１０倍ズームレンズ１０７ＣＣＤカメラ１０８スーパーポーズボード１０９ディスプレイ１１０スライドミラー１１１回転ミラー１１２ＡＤ変換ボード１１３パソコン１１４カラーディスプレイ１１５プリンター１２１測定機本体１２２切換え部１２３切換えノブ１２４ａスライドステージ１２４ｂスライドノブ１２５コントロールボックス１３１レンズ系１３２，１３３シャッター１３４ミラー１４１移動ステージ１５１光軸１６１レンズの第一面１６２レンズの第二面１７１底面が鏡状を呈しているレンズホル
ダー１８１アナモフィックレンズ１９１二枚結合の球面レンズ１９２レンズの第一面１９３レンズの第二面Ｖ非球面の無偏心時の面頂Ｃ，Ｃ₁，Ｃ₂ 球心Ｃ_x，Ｃ_y 主曲率Ｄ，Ｅ光束Ｌ_T，Ｌ_S，Ｌ_TS ローカル曲率の中心Ｐ直線ＱＬとＶＣとの交点Ｑ非球面の周辺部の一点Ｒ非球面の無偏心時における近軸曲率
半径ｄ距離ｌ回転の中心（回転軸）ｍ法線ベクトル φ ∠ＣＶＬ_T又は∠ＣＶＬ_S若しくは
∠ＣＶＬ_TSの大きさ θ ∠Ｌ_TＰＶ又は∠Ｌ_SＰＶ若しくは
∠Ｌ_TSＰＶの大きさ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非球面、又は不均質媒質から成る光学素
子、又は型に対し、光軸外の少なくとも一つの部分に光
束を入射させ、反射光束の位置から非球面の偏心量を評
価することを特徴とするレンズ，反射鏡，金型等の偏心
測定法。
【請求項２】請求項１に記載の偏心測定法を用いた偏
心測定機、或いはレンズ心取り機，レンズ接合機等のレ
ンズ加工機。
【請求項３】非球面の少なくとも二つの部分に光束を
入射させ、反射光束の位置から非球面の偏心量を求める
ことを特徴とするレンズ，反射鏡，金型等の偏心測定
法。
【請求項４】非球面の光軸外の少なくとも一つの部分
に光束を入射させ、被検物を回転させた場合の反射光束
の軌跡から非球面の偏心量を求めることを特徴とするレ
ンズ，反射鏡，金型等の偏心測定機。
【請求項５】レンズ外周の画像を撮影し解析すること
で、レンズ外周に対するレンズ面の偏心量を求めること
を特徴とするレンズ偏心測定機、或いはレンズ接合機等
のレンズ加工機。
【請求項６】斜入射法で測定したローカル曲率中心の
偏心から、非球面レンズの偏心誤差を評価することを特
徴とするレンズ偏心測定機。
【請求項７】非球面上の光軸外の少なくとも一つの部
分に光束を入射させ、その反射光束から非球面の偏心誤
差を評価することを特徴とするレンズ偏心測定法。