JPH08233531A - 焦点距離計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ２次非球面レンズの形状決定指数（κ、Ｒ）
を被検面の全面情報を利用して容易に測定することが可
能な焦点距離計測装置の提供を目的とする。 【構成】 干渉計本体と、集光レンズと、被検レンズを
保持調整する第一の保持調整機構と、折返しミラーと、
該折返しミラーを保持調整する第二の保持調整機構と、
断面形状測定器と、該干渉計本体、及び該断面形状測定
器の測定データを演算処理する演算装置とからなること
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２次非球面の焦点距離
測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】２次非球面の測定は一般的に、例えば、
接触式のプローブを持った断面形状測定器で行われてい
る。この２次非球面の断面形状は、 ［数１］Ｚ＝Ｘ² ／Ｒ／｛１＋√（１−κ・Ｘ² ／Ｒ² ）｝ で表される。この式で一般的に使用される係数：κ、及
び、Ｒは、それぞれ、非球面係数、及び、中心曲率半径
である。なお、式の簡略化のため、通常の表記法に対し
て、「１−κをκ」と置き直している。

【０００３】数１は、次式 ［数２］Ｚ＝（Ｘ² ＋Ｙ² ）／Ｒ／［１＋√｛１−κ（Ｘ² ＋Ｙ² ）／Ｒ² ｝］ で表される２次非球面の基本式において、「Ｙ＝０」と
おいたものである。測定された断面形状は、数１に従っ
て、κの値に設計値を仮定し、Ｒに関して最小自乗法を
適用し、設計κ値基準の、Ｒの最適値を計算していた。
そして、κの設計値、及び、Ｒの最適値から、２次非球
面の焦点距離を、以下のようにして求めていた。

【０００４】例えば、２次非球面として図２のような凹
の双曲面を考えた場合、焦点は２個存在し、頂点と第一
焦点間の距離をｆ₁ 、頂点と第二焦点間の距離をｆ₂ と
置くと、このｆ₁ 、及び、ｆ₂ は、 ［数３］ｆ₁ ＝Ｒ／｛１＋√（１−κ）｝ ［数４］ｆ₂ ＝Ｒ／｛１−√（１−κ）｝ で計算される。但し、頂点を原点とし、第一焦点方向を
正としている。これらの式は、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｈｏ
ｐ Ｔｅｓｔｉｎｇ（１９７８ ｂｙ ＪｏｈｎＷｉｌ
ｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ）の４８０頁に開示さ
れている式：Ａ１．９と等価である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、２次非
球面全面の面形状を、焦点距離（κ、Ｒ）の値も含めて
高精度に測定するためには、被検面の断面形状データを
数多く測定する必要があるため、測定時間が長くなるの
と同時に、その断面形状データ間の位置関係を、時間的
な安定性も含めて正確に再現できる測定器精度が必要に
なると言う問題点があった。

【０００６】一方、２次非球面のκ、Ｒの値を正確に測
定するためには、例えば、本願と同時出願の『干渉計測
装置』で開示されているような、２次非球面の２個の焦
点の位置関係を測長する装置がある。しかし、装置の移
動軸の制約から、２次非球面の形状によっては「別途測
定した折返しミラーの曲率半径の値を使用する」等の手
法を併用せざるを得ず、誤差要因が加わる可能性があっ
た。

【０００７】本発明は上記従来技術の欠点に鑑みなされ
たもので、２次非球面の焦点距離を被検面の全面情報を
利用して容易に測定することが可能な干渉計測装置の提
供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決する為の手段】上記問題点の解決のため
に、本発明者は「干渉計本体と、該干渉計本体から射出
される平面波を球面波に変換するための集光レンズと、
被検レンズを構成する２次非球面の焦点を該集光レンズ
の結像点に合致させるように該被検レンズを保持調整す
るための第一の保持調整機構と、該２次非球面からの反
射光である平面波、若しくは球面波を反射させるための
折返しミラーと、該折返しミラーからの反射光が再び該
結像点に再結像するように該折返しミラーを保持調整す
るための第二の保持調整機構と、該被検レンズの２次非
球面側の面形状を測定するための断面形状測定器と、該
干渉計本体、及び該断面形状測定器の測定データを演算
処理するための演算装置とからなることを特徴とする焦
点距離計測装置」により、前記問題点を解決できること
を見出し、本発明をなすに到った。

【０００９】

【作用】図１は、被検レンズ１の２次非球面１ａが双曲
面の場合に、図２の配置でその面精度である所の真双曲
面度（球面測定の場合の真球度に相当）を測定するため
の干渉計測装置である。干渉計本体はフィゾー型干渉計
を仮定して説明するが、トワイマングリーン型干渉計等
であっても差し支えない。また、フィゾー面からの球面
波は理想的な状態であると仮定して説明するが、収差が
乗る場合には、高精度参照面をレフとした、所謂「レフ
減算」を施せばよい。

【００１０】まず、図１では、干渉計本体２から射出さ
れた平面波（通常はＨｅ−Ｎｅレーザ光）をフィゾーレ
ンズ３（レンズ最終面であるフィゾー面の曲率中心がレ
ンズの結像点と一致している）に導き、球面波に変換す
る。そして、その球面波の球心、即ち、フィゾーレンズ
３の結像点と、双曲面１ａの焦点を一致させてアライメ
ントすれば、双曲面１ａに当たった球面波は同じく球面
波に変換される。その球面波を球面の折返しミラー４に
垂直に入射させることにより、今来たパスを逆戻りす
る。そして、往路にてフィゾー面３ａで反射された光束
と、復路にてフィゾー面３ａを透過する光束が干渉縞を
形成することになる。各光学面が理想形状であり、測定
光束の波面も理想状態であれば、得られる干渉縞は、所
謂「縞一色」となる。

【００１１】この測定で得られる真双曲面度は、ある
κ、Ｒの値を数２に代入することにより表される基準参
照波面からの偏差データであり、球面の曲率半径に相当
する、形状成分は含まれない。一方、従来技術で述べた
３次元座標測定器等の断面形状測定器を使用すれば、一
断面の形状誤差データは、κ、Ｒも含めて、短時間に測
定可能である。

【００１２】従って、この断面の被検面上の位置が特定
できれば、真双曲面度データから抽出した同じ断面の２
次元真双曲面度データと、断面形状測定器による形状誤
差データとを、最小自乗法を適用して比較することによ
り、真双曲面度データの基準参照面のκ、Ｒが算出可能
となる。得られる値の精度は、断面形状測定器の測定精
度と、２個の断面データのフィッティング精度が加算し
たものとなる。

【００１３】

【実施例】本発明の第１の実施例として、「κ＜０」の
凹の双曲面の測定例を説明する。通常の測定において
は、双曲面１ａの焦点が、フィゾー面３ａの球心、若し
くは、折返しミラー４の球心と一致せずにアライメント
されているために、被検面の実際の形状誤差以外の、見
かけ上の誤差、即ち、所謂「アライメント誤差」が発生
しているが、フィゾー面３ａ（からの球面波）、及び、
折返しミラー４の形状誤差が正確に校正されていれば、
このアライメント誤差は、基準参照波面に対して、補正
誤差が略ゼロで補正することが可能である。

【００１４】詳細の説明は、本願と同時出願の『折返し
干渉計測装置』、及び、特願平７−３２５７９に開示さ
れている。以下に簡単に補正法を説明する。先ず、”測
定のκ、Ｒ（κ_S 、Ｒ_S で表す）”が設定可能となる。
即ち、フィゾーレンズの結像点と球面の折返しミラーの
球心との間の距離をｍとし、フィゾーレンズの結像点
と、被検面の頂点との間の距離をｎとすれば、「κ_S 、
Ｒ_S 」が以下のように算出される。

【００１５】先ず、数５、数６の連立方程式を解く。 ［数５］ｆ₁ ＝ｎ ［数６］ｆ₂ ＝ｍ−ｎ 次に、求まったｆ₁ 、ｆ₂ を、数３、数４と等価な数
７、数８ ［数７］κ_S ＝４ｆ₁ ｆ₂ ／（ｆ₁ ＋ｆ₂ ）² ［数８］Ｒ_S ＝２ｆ₁ ｆ₂ ／（ｆ₁ ＋ｆ₂ ） に代入することにより、「κ_S 、Ｒ_S 」を求める。

【００１６】一方、被検面（双曲面）の全面の形状から
計算されるκ、Ｒの真値（κ_T 、Ｒ _T で表す）に関して
は、以下の手順で求まる。先ず、干渉計折返し測定デー
タを、前記、「κ_S 、Ｒ_S 」で規定される所の基準参照
波面からの偏差データに変換する。この偏差データを、
κ、Ｒに、ティルト２方向、シフト２方向を合わせた、
計６個の変数に対して、ピストン（オフセット）成分の
関数として一旦最適フィッティングさせてから、再度ピ
ストン成分を最適フィッティングさせる手法により、
「κ_T 、Ｒ_T 」が、「κ_S 、Ｒ_S 」からの偏差（Δκ、
ΔＲ）として求まることになる。即ち、被検面の面精度
（真双曲面度）と共に、その形状を決める指数である所
の被検面の「κ_T 、Ｒ_T 」も、「κ_S 、Ｒ_S 」さえ正確
に求まっていれば、干渉計で測定可能となる。

【００１７】本発明では、先ず、この「κ_S 、Ｒ_S 」に
相当する基準参照波面として、断面形状測定器の２次元
断面データから計算されるκ、Ｒ（κ_K 、Ｒ_K で表す）
を採用し、この「κ_K 、Ｒ_K 」に対して、干渉計で得ら
れた真双曲面度データの同一断面データを、前記アライ
メント誤差補正と同様の手法を用いて最適フィッティン
グさせることにより、真双曲面度データの断面のκ、Ｒ
（κ_D 、Ｒ_D で表す）と「κ_K 、Ｒ_K 」との偏差「Δκ
₁ 、ΔＲ₁ 」が正確に求まる。 ［数９］Δκ₁ ＝κ_D −κ_K ［数10］ΔＲ₁ ＝Ｒ_D −Ｒ_K 一方、真双曲面度データ（干渉計の全面データ）から、
その全面の形状誤差を用いて定まる「κ_T 、Ｒ_T 」と断
面の「κ_D 、Ｒ_D 」との偏差「Δκ₂ 、ΔＲ₂ 」が、同
様の手法により正確に求まる。 ［数11］Δκ₂ ＝κ_T −κ_D ［数12］ΔＲ₂ ＝Ｒ_T −Ｒ_D 即ち、数９〜１２の左辺の偏差が正確に算出されるか
ら、「κ_T 、Ｒ_T 」が「κ _D 、Ｒ_D 」を介して「κ_K 、
Ｒ_K 」から、次式により正確に算出可能となる。 ［数13］κ_T ＝κ_K ＋Δκ₁ ＋Δκ₂ ［数14］Ｒ_T ＝Ｒ_K ＋ΔＲ₁ ＋ΔＲ₂ 図１では、断面形状測定器と折返し干渉計測装置を並べ
て配置している。この２個の計測装置は、別々に演算装
置と設けてもよいし、共通の演算装置で演算処理しても
よい。さらに、別途、第三の演算装置に第一の演算装置
と第二の演算装置のデータを転送してもよい。

【００１８】また、ハード的には、この２個の計測装置
を並べて配置し、その位置関係を事前に校正しておけ
ば、比較する断面の位置関係を特定するのが容易とな
る。この時は、被検レンズ１の移動量を正確に制御する
か、若しくは、その移動量を正確に検出する必要があ
る。また、以下の例で述べるように、２個の計測装置の
座標関係をソフトにより特定することも可能である。こ
の場合には、２個の計測装置をサイドマシンの関係にす
る必要が無くなる。

【００１９】図示しない演算装置は、被検面の情報が予
め入力され、演算に必要な係数を測定に先立って演算し
記憶しておく機能と、干渉計本体内の干渉縞撮像手段
（ＣＣＤカメラ）からの画像情報を光路差データに変換
する機能と、前記係数を基に光路差データを解析処理
し、被検面の形状誤差を算出する機能と、断面形状測定
器の測定データを処理する機能と測定結果を表示する機
能とを有す。

【００２０】２次非球面の干渉計測を行う場合には、被
検レンズ、及び折返しミラーは、被検面と基準参照面か
らの反射光が干渉縞を形成するように、図示しない保持
調整機構によりアライメントが行われる。アライメント
は干渉縞撮像手段からの信号を図示しないモニタに送
り、モニタ上の干渉縞を見ながら行われる。本発明の第
２の実施例として、断面形状測定器の断面データを複数
個使用する場合を説明する。これは、断面形状測定器の
一断面のデータだけで、非球面全面の面精度データと位
置関係を明確にするのが困難な場合等に適用可能であ
る。

【００２１】この場合、断面の数としては最低２個（直
交していることが望ましい）の、断面形状器の断面デー
タがあれば、これらのデータを干渉計データ（真非球面
度データ）に対して、演算器内でフィッティングさせる
ことにより、断面データの干渉計データに対する相対位
置が確定できる。但し、「κ_K 、Ｒ_K 」と「κ_D 、
Ｒ _D 」の偏差に関して、各断面間の整合性が取れない場
合が考えられるため、最小自乗法による最適フィッティ
ングが必要となる。断面の数が増えても同様の最適フィ
ッティングを行えば、精度が向上する。

【００２２】なお、干渉計の座標と断面形状測定器の座
標に倍率誤差が存在すれば、換言すれば、比較するアパ
ーチャが異なれば、「κ、Ｒ」と「縦座標、横座標」が
等価であることに起因して、誤差が生じる。従って、比
較するデータのアパーチャは略正確に一致させておく必
要がある。なお、フィッティングに使用する式は、数２
に、前記６個のアライメント誤差を与えて座標変換した
式を用いているが、ティルト、シフトに起因するコマ収
差の発生が無視できるようにアライメントすれば、前記
アライメント誤差補正は、数２のみの使用によるフィッ
ティングが可能である。

【００２３】また、高次項を含む一般非球面に対して
も、その非球面形状に対する最適近似２次非球面成分の
κ、Ｒとして定義できるκ、Ｒに対して、本発明の手法
が適用可能となる。この一般非球面の測定に関しては、
例えば、特願平７−３２５７８や本願と同時出願の『折
り返し干渉装置』に開示している方法が適用可能であ
る。

【００２４】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る焦点距離計
測装置を採用すれば、２次非球面の焦点距離を被検面の
全面情報を利用して容易に測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明に係る原理図である。

【図２】は、本発明に係る原理の説明図である。

【符号の説明】

１ ・・・・被検レンズ １ａ・・・・被検面（２次非球面） ２ ・・・・干渉計本体 ３ ・・・・集光レンズ（フィゾーレンズ） ３ａ・・・・フィゾー面 ４ ・・・・折り返しミラー ５ ・・・・断面形状測定器 ６ ・・・・回転機構 以上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 干渉計本体と、該干渉計本体から射出さ
   れる平面波を球面波に変換するための集光レンズと、被
   検レンズを構成する２次非球面の焦点を該集光レンズの
   結像点に合致させるように該被検レンズを保持調整する
   ための第一の保持調整機構と、該２次非球面からの反射
   光である平面波、若しくは球面波を反射させるための折
   返しミラーと、該折返しミラーからの反射光が再び該結
   像点に再結像するように該折返しミラーを保持調整する
   ための第二の保持調整機構と、該被検レンズの２次非球
   面側の面形状を測定するための断面形状測定器と、該干
   渉計本体、及び該断面形状測定器の測定データを演算処
   理するための演算装置とからなることを特徴とする焦点
   距離計測装置。