JPH09501241A - 表面の曲率測定装置における、または該装置に関する改良 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本願装置は表面４の曲率半径を測定するためのものである。前記装置は少なくとも１つの電磁放射光源１と、電磁放射検出装置６と、表面４で反射された光源からの放射光線が前記検出装置６で焦点を結ぶように配設されかつ構成されたレンズ装置７とを具備する。ビームスプリッタ５が検出装置６と表面４との間に配設され、光源１からの放射光線はこのビームスプリッタ５を介して表面に向けられる。検出装置６により検出された信号から測定値を算出する装置が具備されている。前記検出装置は２次元検出器である。走査装置２６が具備されており、これにより光源１からの放射ビームが表面４上に走査され、その結果多数のビームがレンズ装置７を介して前記表面より反射され、そして個々のビームの反射角度が検出装置６上における物理的な変位量に変換される。走査装置２６は別のレンズ装置と共に用いた走査ミラープリズムまたは光シャッターであってもよい。

Description

【発明の詳細な説明】 表面の曲率測定装置における、または該装置に関する改良 本発明は、表面の曲率を測定するための装置に関する。 より詳細には（但し限定するものではないが）例えば生産ラインにおいて、製 造中の製品の表面曲率が曲率仕様内に収まっているかどうかを示すためのシンプ ルかつ正確な指標、ならびに所期の曲率仕様からの偏差の指標を提供する装置に 関する。 本願発明の１つの実施例は例えば、正確なレンズ製造を目的とする、眼鏡レン ズの曲率半径測定に関する。現在可能な程度よりさらに正確に眼鏡レンズの曲率 半径を測定するために、レンズの様々な領域に亘る曲率半径、レンズの度数、お よびプリズム屈折力を正確に測定するための器具が望まれている。また、パッケ ージに正しいレンズの度数を印刷するために、製造ラインにおいてレンズを測定 して包装前に確認する必要もある。 別の実施例は、正確なレンズ製造のために、コンタクトレンズの曲率半径を測 定しなければならないという問題に関する。コンタクトレンズの曲率半径を現在 可能な程度よりも正確に測定するために、レンズの様 々な領域に亘る曲率半径を客観的、かつ正確に測定するための器具が望まれてい る。 本願発明の課題は、前記の必要性を満たす装置を提供することであり、それに よってレンズのより迅速で正確な測定が可能になる。 本発明によれば、少なくとも１つの電磁放射光源と、電磁放射光線検出装置と 、表面で反射された光源からの放射光線を前記検出装置において焦点を結ぶよう 配置、構成したレンズ装置と、前記検出装置と表面の間に配置されたビームスプ リッタを具備し、前記光源からの放射光線はこのビームスプリッタを介して表面 上に向けられ、さらに前記検出装置により検出された信号より測定値を算出する 装置を具備した表面の曲率を測定する装置において、前記検出装置が２次元検出 器であり、前記光源からの放射ビームを表面上に走査させる走査装置が設けられ ていることにより多数のビームが発射され、それらビームは前記レンズ装置を介 して前記表面で反射され、それぞれのビームの反射角が前記検出装置上にて物理 的変位量に変換されることを特徴とする、表面の曲率測定装置が提供される。 前記走査装置は走査ミラープリズムとすることもできる。 前記走査装置は別のレンズ装置と共に用いる光シャッタとすることもできる。 前記光シャッタはアドレスにより呼出可能な光スイ ッチアレイを具備する。 本願装置は切削工具の制御、または区別作業に用いることもできる。 本願発明の実施例を、添付の図面を参照しながら単なる例示として以下に説明 する。 図１は、ゴー・ノーゴー・レンズ測定装置のブロック略図である。 図２は、図１のシステムに用いられるマルチビーム検出システムのブロック略 図である。 図３は、デュアルビームシステムのパラメータを示す略図である。 図４は、マルチビームを使用するレンズ試験システムのブロック略図である。 図５は、図４に示したシステムに用いるスキャナのより詳細なブロック略図で ある。 図６は、AMROCレンズ区分け／検査機を用いた製造ライン制御システムの若干 略示したブロック図である。 図７は、別のレンズ測定システムのブロック略図である。 図８は、コンタクトレンズの表面を測定するための装置のブロック略図である 。 本願明細書と関連のあるレンズ製造システムの背景情報に関しては、英国同時 係属出願９２１３６２６．６．（AMROCレンズ測定システムに関わる）を参照さ れたい。 図１において、本願装置はレーザ光源１を具備し、このレーザ光源１は可視ス ペクトルまたは不可視スペクトル域のどちらの光を発射するように構成すること もできる。可視波長域で光を発すれば、操作者はレンズ２上のどこを測定してい るのかを知ることができる。レーザ１により平行ビーム１aが発射され、プリズ ム３によって２つのビーム１ｂと１ｃに分割される。ビーム１ｂと１ｃはビーム スプリッタ５によりレンズ２の表面４へ向けられる。曲率半径を測定する１つの 方法によれば、まず表面４に対する法線２aの位置を求める必要があり、この為 の測定方法および装置は英国同時係属出願９２１３６２６.６に詳しく記載され ている。ビーム１ｂを用いて法線の位置を確認した後、この法線は後に表面４の 曲率半径を算出する際の基準として用いられる。ビーム１bから既知の距離だけ 離れた位置で反射されたビーム１cは変換レンズ７により検出器６上で焦点を結 ぶ。変換レンズ７は角偏位を検出器６上における物理的変位量に変換する。表面 ４からの反射ビームの位置は、法線２aの位置が求められるとすぐに記憶装置８ に記録され、この情報は、上記英国同時係属出願において記載の如く、曲率半径 の計算に用いられる。記憶装置８はアナログ／ディジタル変換器９を介して検出 器６から情報を受け取る。アナログ／ディジタル変換器９は検出器６aおよびビ ームスプリッタ５aから得られたフラグ信号を受け取る。このフラ グ信号は、ビームが表面に対して直角である時、有効な測定値が検出器６から得 られることを示す。計算により求められた曲率半径値は比較器１０において、理 想レンズおよび許容できるゴー・ノーゴー限界を規定する設計パラメータに基づ く、予めプログラムされたデータと比較される。設計パラメータは記憶装置８、 または、測定過程と比較結果を監視する役目を持つプロセッサ１１に保存してお けば有利である。設計パラメータは所望の実施態様に応じて変化させればよく、 プログラマ１２によりプロセッサ１１にプログラムしてもよい。プログラマ１２ はコネクタ１３（略示す）を用いてプロセッサ１１に結合することができる。プ ロセッサの制御はキーボード１４を介して行うことができ、測定結果はディスプ レイ画面１５上に適宜な形式にて表示させることもできる。 本願の装置は、プログラマ１２からのデータによりプログラムされることによ り、新しい曲率半径の範囲を規定するゴー・ノーゴー設計パラメータを新たにプ ログラムする必要が生じない限り、プログラム装置１２とは独立して動作可能で あることが理解されよう。 別の測定方法によれば法線を求める必要はない。この別の測定方法は球面計と 同様の原理に基づいているが、非接触型であり、場合によってはより正確である 。図２に示すように、この別の測定方法においては、レーザ光源１９を用いて複 数の平行ビーム１６、１７ 、１８が作られる。すなわち、前記光源から３つの素子２１、２２、２３を有す る３素子ビームスプリッタ２０に向けて光線が発射されることにより、それぞれ の素子が各々のビーム１６、１７、１８を発生するのである。各ビーム１６、１ ７、１８はお互いに平行で既知の一定間隔だけ離れている。これらビームは被検 査レンズの表面２４により反射され、検出器２５に到達する。検出器２５により 求められた、反射ビームの位置に関するデータは図示しないメモリに記憶され、 被検査表面２４の曲率半径を計算するために用いられる。 後述する等式により示される如く、図３に示された２つの測定角度φとθ、ビ ーム間の距離xと、所望の曲率半径との間には単純な関係が成り立つ。 言うまでもなく、反射されて戻ってきたビームと様々な入力ビームとを区別し なければならない。そのための１つの手段として、それぞれのビームを別々に励 起して、裏側表面で反射されたビームを一義的に区別する事ができるようにする 。これは、例えば各々のビーム位置毎に別々のレーザを設け、順次スイッチオン することにより実現できる。別の手段としては、偏光を用い、各偏光毎に別個の 検出器を使用する。後者によれば測定前に法線を求める必要がない。ただし、こ の方法は、ビーム間隔が大きい場合には、球面においてのみ正確である。しかし 、ビーム間が狭ければ、表 面が平滑なあらゆる断面形状に適用することができる。 別々の複数のレーザにせよ、１つのレーザとビームスプリッタの組み合わせに せよ、一連のビームを使用することにより局部的な曲率半径を求めることができ る。また間隔の異なる複数のビーム対を使えば全体の曲率半径が求められ、図２ にこの目的に用いることのできる装置を示す。 ビーム対を使うことにより、２焦点用付加度数領域（付加領域と呼ばれる）の 曲率半径を、主表面から区別して求めることが可能である。裏側表面からの反射 を利用することにより、レンズの度数を求めることができる。生産ライン上でマ ルチビーム装置を用いて、特定の種類のレンズを見分けることができる。測定し た曲率半径から参照用テーブルを利用してレンズの度数を求めることができる。 この情報は、レンズが包装してある袋にラベルを印刷し、および／または生産ラ インを常時チェックしてレンズの型が仕様からはずれる時点を求めるために用い ることができる。 レンズ面に亘る長さを測定することにより、例えば複数のレーザ光源からの複 数のビームを用い、そしてビーム対の反射角度を利用して２焦点レンズの付加領 域を測定することにより、曲率半径を求めることができる。ビーム対を用いれば 、主表面の曲率半径と付加領域の曲率半径とを区別することができる。上記の方 法は半完成レンズおよびストック・レンズに通用する。 複数のビームを使うものとは別の方法を図４に示す。図中、図１に対応する部 材には同じ参照番号が付けられている。この別の構成において、光源１からのビ ームは、変換レンズ７の焦点に配置された走査ミラープリズム装置２６により表 面４上に走査される。あるいは図５に示す如く、光シャッタ２７をレンズ２８と 組み合わせて用いることもできる。こうして、表面断面形状を知るための、連続 的または可変のサンプル間隔が得られる。 リアルタイムで測定を行って、面加工作業を行いつつ、測定装置の出力によっ て切削工具を制御することができる。すなわち、所期の曲率半径または形状が得 られると、必要に応じて加工を修正したり、機械を停止する自動システムが提供 される。装置は携帯式としたり、旋盤または台座に一時的に取り付けるなどして 、被検査面のそばに配置しておくことができる。 図３における、曲率半径ｒと、２つの平行ビームの既知の間隔ｘとを決定する 等式を以下に示す。 上式において、 ｒ＝所望の曲率半径、 ｘ＝ビーム間隔、 θ＝表面法線上側の測定角度、 φ＝表面法線下側の測定角度、である。 複数のレーザのそれぞれの波長を異なったものにすることにより、波長フィル タを用いてレーザを分離し、個々の波長にリニア検出器を使用できる。こうする ことにより、ビーム同士を非常に近づける、すなわちｘを小さくでき、なおかつ 反射ビーム同士を分離することができる。これは機械走査式のAMROCに用いると 曲率半径の分解能が向上するため、好適である。 図１の変形例を図４に示す。図中、プリズム３に代わって複数のビームを作り 出す走査システムが設けられている。スキャナ２６によって、被検査面上にこれ らのビームを走査することができる。これらビームは図１に示すごとく、変換レ ンズ７から光軸に平行に射出される。これらのビームが被検査面に達すると変換 レンズ７の方へ反射され、この変換レンズにより検出器６上における物理的偏位 に変換される。上記の等式を用いれば、隣り合わせの、あるいは異なるビームの 組み合わせを用いることにより曲率半径を求められる。出力は上記英国同時係属 出願に記載の如く表示することができる。 変換レンズと、被検査表面の間にビームスプリッタを用いることによっても、 ビームを変換レンズ７の光軸と平行にすることができる。 図４のスキャナは図５に示したように、レンズ２８ と、アドレスによって呼出可能な光スイッチアレイより構成することができる。 前記アレイはシャッター２７を規定する。アレイの（図示しない）光源は、呼出 可能な前記アレイ全体をカバーする平行ビームより成る。アドレスにより呼出可 能なアレイは小型の光シャッターのマトリックスより成り、普通の状態では不透 明であるが、スイッチオンされると光を透過させる。よって、前記シャッターの マトリックスにより変換レンズ７の光軸に平行なあらゆるビームを発生させるこ とができる。よって、機械式のスライダーに依らずして被試験表面上に１つまた は複数のビームを走査することが可能である。これにより、測定過程を大幅にス ピードアップできる。 図６は、AMROCゴー・ノーゴーユニットまたはそれに相当するマルチビーム装 置３８を、レンズまたは眼鏡製造ライン３９の制御に用いた例を示す。レンズは 製造工程を出た後、１カ所に集束される複数のコンベヤーベルトに送られる。こ の地点にAMROCユニット装置３８を配置しておけば、線路４１を介して区分け装 置４２を制御して、レンズを様々な出口、例えば保管容器４３、４４、４５、４ ６に入れて、表側表面の「標準」範囲別に区分けすることができる。前記ユニッ トには様々な「標準」曲率半径がプログラムされ、レンズの通過にともなって測 定を行い、区分け装置４２に対して、レンズを正しい保管容器あるいは加工用容 器に入 れるための制御信号を送る。さらに、前記ユニットから得られた結果は線路４０ を介して、製造工程を制御するために用いることができる。これは、１秒間に約 １個の割合でレンズが製造されることもあるため、大変有意義であり、このフィ ードバックにより、いつ表面が仕様から逸脱するかを知ることができる。エラー の検知は早ければ早いほど無駄なレンズの製造を減らすことができるのであり、 上記の構成により、製造工程の更新の際に必要な停止時間を最小限に抑えること ができる。 図７は眼鏡レンズを測定するための、本願発明の変形例の略図である。図中、 AMROCヘッド２９は光源３２、検出器３４、ビームスプリッタ３３および変換レ ンズ３６を具備し、検査しようとする眼鏡レンズ３１の上に位置するよう配設さ れる。先に述べた同時係属出願に記載された基本的な方法と同様、ヘッドにより 被検査レンズは走査され、鏡面反射光の反射角が測定される。これら反射角およ び表面からの法線を基準とした位置を知ることにより、表面の曲率半経を計算す ることができる。ヘッドは表面に対する法線を中心として回転自在であるため、 表面全域を測定可能である。この方法はまた、あらゆる内側表面または裏側表面 を測定するためにも用いることができる。眼鏡レンズの表側表面および裏側表面 を測定することにより、その材料の屈折率を求めることができる。眼鏡レンズ３ １ の透過側にもう１つヘッド３０を配設すれば、レンズの度、ならびに両面間のプ リズム屈折力を導き出せる。このヘッドにより、透過ビームと、表面の既知の場 所に入射する入射ビームとの成す角度が測定される。この測定により、レンズの 度に関する情報ならびに両面間のプリズム屈折力を求めることができる。下側の ヘッド３０は変換レンズ３７と検出器３５、あるいは変換レンズ３７と上側ヘッ ドに向けて発光する（図示しない）レーザ光源により構成することができ、よっ てその位置は組み入れられた検出器上に示される。 プログレッシブレンズ、アスチグマチックレンズ等のトーリック眼鏡レンズを ２直交平面で測定することができる。 コンタクトレンズおよび／または角膜の測定用変形例の略図を図８に示す。 コンタクトレンズの曲率半径範囲は限られているため、コンタクトレンズを包 み込むようにして表面を素早く捕らえることのできる光学系を用いることが可能 である。この方法を使えば、入射光線は表面に対してほぼ垂直となり、よって良 好な表面であれば反射光線のとる経路は入射光線の経路に近くなる。表面が良好 でない場合、光線は予想された位置に反射されてこない。この法線からの偏りな いし摂動はしたがって検知器アレイにより測定でき、表面曲率半径および「完全 な」表面からの偏差を測定することができる。 図８において、光源１からの光線（レーザでよい）はビームスプリッタ３と主 変換レンズ４を介してコンタクトレンズ２に向けて照射される。光線はコンタク トレンズ２上に入射し、変換レンズ４を介して反射されてくる。そして、ビーム スプリッタ３を通過した後検知器５に向かう。レンズ２が完全であれば、光線は 点ｘにおいて検知器５に到達するが、わずかでも不完全さがあると光線の到達点 は例えばｘ１となる。コンタクトレンズ２への光線およびコンタクトレンズ２か らの反射光線を方向付けるレンズ４は、入れ子状態になった一連の玉葱状のエレ メント６、７、８から成り、コンタクトレンズ２の端部からの光線を漸進的に曲 げて角度を浅くする。エレメント６、７、８それぞれの度数は小さくても、組み 合わせることにより非常に度数の強い１つのレンズとして、コンタクトレンズ２ の端部にまたがる角度範囲をカバーすることができる。そして光線はもう１つの レンズ９に到達し、これにより検知器５に向けられる。 光源１を移動させ、および／または一連の別々のビームを使用することにより 、光線をコンタクトレンズ２上の様々な位置に放射できる。ビームスプリッタ３ が検出器範囲全体をカバーするように構成しておけば、ビームスプリッタ３内で の偏差によるエラーを防止することができる。測定用レンズ４に対してコンタク トレンズ２を、あるいその逆に後者を前者に対して回 転させれば、コンタクトレンズ２の全表面の測定が容易になる。さらにビームス プリッタ３と、検出器５と、光源１とを主変換レンズ４と分離することもでき、 そうすれば部材１、３、５をレンズ２および変換レンズ４に対して回転させて、 得られた測定値から表面形状を構築することができる。一連の別々のビームをコ ンタクトレンズの表面全体に用い、２次元検出器アレイを使用することにより、 表面の情報を非常に早く得ることが可能となる。 大径のビームを用いることにより、平均曲率半径を測定することができる。コ ンタクトレンズ表面上に、拡大されたビームを投射することにより、反射ビーム の辺縁部を基にして非常に正確に平均曲率半径を求めることができる。つまり、 この大径ビームの直径だけ離れた２つのビームに等しく、スキャンしなくても前 記情報が得られるのである。 コンタクトレンズの検査を実行するにあたって、レンズの前側表面上の光学領 域、外側領域および中間領域の曲率半径を測定する必要がある。さらに、ハード 、ソフト両方のコンタクトレンズにおいて、裏側表面上の２つの領域も、液体（ 通常は塩水）に浸漬した状態で測定しなければならない。また、屈折率の測定も 必要であり、これは本願の装置により為し得る。 変換レンズと検出器より成る光学測定ヘッド（以降、AMROCヘッドと呼び、英 国同時係属出願９２１３６２ ６.６および９２１１２３３.３に記載されている）をレンズの透過ビーム側に組 み入れることにより、レンズの度数を求めることができる。これにより透過ビー ムと、表側表面の既知の場所に入射する入射ビームとの成す角度が測定され、こ の角度からレンズ全体の度数を求めることができる。上記の測定によって２面間 のプリズム屈折力に関する情報を得ることもできる。 上記の方法は、眼内レンズの測定にも利用できる。眼内レンズの場合、レンズ の厚さによってはそれぞれの面からの反射光同士が近すぎて分解できないことが ある。１つの対処法として、眼内レンズを屈折率整合液体に「浮かべ」て、裏側 表面からの反射を取り除くことができる。裏側表面を測定したい場合には眼内レ ンズを裏返せばよい。 コンタクトレンズを直接測定する他、有意義な応用例としてコンタクトレンズ や眼内レンズの切削に使われる旋盤上の切削工具の制御がある。この実施例にお いてはコンタクトレンズおよび／または眼内レンズ用旋盤を設定するためのユニ ットが具備され、それによって得られた検査および給送に関するデータが旋盤制 御装置に送られるため、自動的な製造が一層推進される。この変形例は単一の直 径弦上において動作し、動力は、回転チャックと、光学ヘッドが工具ヘッドに取 り付けられている場合は旋盤の切削工具送り装置により供給される。これにより 工具から得られた曲率半径 を測定して、必要とされる切削形状を規定する基準データと比較することにより 、切削路を決めることができる。 面の曲率半径の測定に伴って、粗さを導き出すことができる。すなわち、表面 でのビームの広がりを考慮しつつ、検知器上の反射スポットの振幅と大きさを測 ればよい。この反射は個々の測定からのものでもよいし、大きいビームを用いて 得られた曲率半径の平均測定値からでもよい。表面が反射体としてよりも散漫散 乱体としての性質をより強く（ランバートの散乱を限度として）持つにしたがっ て、ビームの振幅および大きさが変わる。「完全な」反射体からの偏差を測定す ることにより、表面粗さを正確に求めることができる。これにより、たとえばし きい値を介して、いつ工具を交換および／またはリセットすべきかを評価するこ とができる。 また、コンタクトレンズは眼球に装着するものであるから、上記の曲率半径測 定方法を用いて眼球それ自体の曲率半径を測定することが可能である。さらには 公知の装置では不可能である、眼球の内部水晶体の測定も可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＪＰ，ＵＳ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 少なくとも１つの電磁放射光源と、電磁放射光線検出装置と、表面で反 射された光源からの放射光線を前記検出装置において焦点を結ぶよう配置、構成 したレンズ装置と、前記検出装置と表面の間に配置されたビームスプリッタを具 備し、前記光源からの放射光線はこのビームスプリッタを介して表面上に向けら れ、さらに前記検出装置により検出された信号より測定値を算出する装置を具備 した表面の曲率を測定する装置において、前記検出装置が２次元検出器であり、 前記光源からの放射ビームを表面上に走査させる走査装置が設けられていること により多数のビームが発射され、それらビームは前記レンズ装置を介して前記表 面で反射され、それぞれのビームの反射角が前記検出装置上にて物理的変位量に 変換されることを特徴とする、表面の曲率測定装置。 ２．前記走査装置が走査ミラープリズムである、請求の範囲第１項記載の装置 。 ３．前記走査装置が、別のレンズ装置とともに用いられる光シャッターである 、請求の範囲第１項記載の装置。 ４．前記光シャッターが、アドレスにより呼びだし可能な光スイッチアレイに より構成されている、請求の範囲第１項記載の装置。 ５．測定値を示す出力信号が発生され、表面の加工工程における切削工具の制 御に用いられる、上記請求の範囲第１項から第４項までのいずれか１項に記載の 装置。 ６．前記曲率測定装置がレンズ製造ラインの一部を成し、区分け装置を制御す るよう構成したことにより、レンズが個々のレンズの測定表面曲率に応じて特定 の出口に送られる、請求の範囲第１項から第４項までのいずれか１項に記載の装 置。 ７．第１の前記曲率測定装置が、表面測定されるレンズの第１の側に配置され 、第２の前記曲率測定装置が、前記レンズの第２の側に配置され、この第２の曲 率測定装置により、透過ビームとレンズの反対側の既知の点に当たる入射ビーム との成す角度が測定されるよう構成され、前記測定値によりレンズの度が求めら れる、請求の範囲第１項から第４項までのいずれか１項に記載の装置。 ８．レンズ装置が、複数の入れ子状態になったエレメントから構成され、それ らが一体となって、表面測定されるレンズの端部におよぶビームの反射角度範囲 に対応している、請求の範囲第１項から第５項までのいずれか１項に記載の装置 。 ９．被測定レンズがコンタクトレンズである、請求の範囲第８項記載の装置。 １０．被測定面の粗さをビームの散乱の量に基づい て評価する装置を具備した、請求の範囲第１項から第８項までのいずれか１項に 記載の装置。