JP2006090719A - 形状測定装置及びこれを用いた形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】両面非球面レンズの偏心測定に要する時間を短縮する。
【解決手段】形状測定装置１０には、Ｙテーブル１３，Ｘテーブル１４，Ｚテーブル１５が設けられている。Ｚテーブル１５には、第１プローブ１６と第２プローブ１７が正対して設けられている。第１プローブ１６と第２プローブ１７の間にはレンズ保持枠１８が設けられ、偏心測定の対象となる両面非球面レンズが保持される。第１プローブ１６と第２プローブ１７は互いの位置関係が保たれながら移動するから、各プローブに対するレンズ位置のズレが生じない。第１プローブ１６によりレンズ前面の形状を測定し、第２プローブ１７によってレンズ後面の形状を測定すると、各非球面の光軸の位置が算出され、両面間の偏心量が求められる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の曲面を有するレンズ等の光学部材を測定対象物として、各曲面の相対的な位置差を測定する形状測定方法及び形状測定装置に関する。

光ディスク用対物レンズや携帯電話機に内蔵されるカメラ用対物レンズ等に両面非球面レンズが広く利用されている。両面非球面レンズは、２つの非球面の光軸が極めて高い精度で合致している必要があり、非球面レンズを製造する際には、実際に作製したレンズから非球面間の偏心を測定し、測定結果を製造工程にフィードバックしてレンズの成形精度を高める等の工夫がなされている。

特許文献１には、レンズの表面に押し当てられる２本の位置決めピンが形成された治具を有する偏心測定装置が記載されている。この偏心測定装置では、レンズの前面を測定する際に、レンズ前面を２本の位置決めピンに下方から押し当て、レンズの位置を固定した後に表面の形状を測定する。そして、レンズの後面を測定する際には、レンズを位置決めピンから一度離して１８０度回転させ、レンズ後面を２本の位置決めピンに上方から押し当て、レンズの位置を固定した後に表面の形状を測定する。レンズの前面と後面の表面形状が測定されると各非球面の光軸の位置が求められ、非球面間の偏心量が算出される。

また、特許文献２に記載された偏心測定装置は、位置決め用の３つの真球が設けられたレンズ保持板を備えている。３つの真球は、その一部がレンズ保持板の前面と後面からそれぞれ露呈されている。レンズの前面を測定する際には、３つの真球の頂点位置を測定し、基準座標の決定とレンズ保持板の走査平面に対する傾き量の算出が行われる。レンズの後面を測定する際には、レンズ保持板を装置から外して裏返しにした後、同様にして３つの真球の頂点座標を測定し、基準座標の決定とレンズ保持板の傾き量の算出が行われる。レンズの前面と後面の表面形状が測定された後、真球によって決定された基準座標とレンズ保持板の傾き量から、各非球面の光軸の位置とその偏心量が算出される。

上記特許文献１，２に記載された偏心測定装置は、レンズの両面の形状を測定するためにレンズを裏返している。このため、特許文献１記載のものは、レンズの位置が測定ごとに変わり、精度の高い偏心測定ができない欠点があり、特許文献２記載のものでは、レンズを裏返す度に測定時の基準位置を求めなければならず、手間がかかるという欠点があった。また、レンズを裏返さなくて済むように、２つのプローブを互いに正対する向きに設けることにより、測定対象物の表裏両面の形状を同時に測定するものが公知である（例えば特許文献３，４参照）。
特開２００２−２１４０７１号公報 特開２００２−７１３４４号公報 特開平１０−３８５３８号公報 特開２００１−３２４３１１号公報

しかしながら、上記特許文献３，４に記載された従来の形状測定装置は、各々のプローブが個別に独立して移動するため、測定を行う度に各プローブの原点を合わせる調整や、各プローブのずれを求める必要があり、手間がかかるという問題があった。

本発明は、上記問題点を考慮してなされたもので、測定ごとにプローブを調整する必要がなく、能率的にレンズ等の表面形状が測定できる形状測定装置、及びこれを用いた偏心測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の形状測定装置は、物体の表面を走査する第１プローブと第２プローブとが互いに正対して設けられたプローブ支持体と、前記第１プローブと第２プローブとの間で測定対象物を保持する保持体と、前記プローブ支持体又は前記保持体を駆動して、前記測定対象物に対して前記第１及び第２プローブを相対的に移動させる移動手段と、前記移動手段を制御して、前記第１プローブを測定対象物の前面に接近させるとともに前記第２プローブを測定対象物から退避させ、前記第１プローブで測定対象物の前面を走査してその形状を測定する第１の測定手段と、前記移動手段を制御して、前記第２プローブを測定対象物の後面に接近させるとともに前記第１プローブを測定対象物から退避させ、前記第２プローブで測定対象物の後面を走査してその形状を測定する第２の測定手段とを備えたことを特徴とする。

前記第１プローブ及び前記第２プローブが接触式又は光学式プローブであることを特徴とする。

また、本発明の形状測定方法は、請求項１又は２に記載の形状測定装置により、複数の曲面を有する光学部材の各曲面の形状を測定し、各曲面が有する特徴点の位置をそれぞれ求め、前記特徴点の位置を比較して各曲面間の位置ズレの大きさを測定することを特徴とする。

前記保持体に真球を保持させ、保持された真球の表面を前記形状測定装置により測定し、前記第１プローブによって測定された真球表面の頂点の位置と前記第２プローブによって測定された真球表面の頂点の位置との較差によって、前記対称軸の位置を補正することを特徴とする。

前記測定対象物は両面非球面レンズであることを特徴とする。

前記測定対象物の各曲面の形状測定値を設計値と比較することにより、各曲面の基準面に対する傾斜角度を算出し、各曲面間の相対的な傾きを算出することを特徴とする。

本発明によれば、第１プローブと第２プローブとが一体となって測定対象物に対して移動するから、第１プローブと第２プローブとの位置関係が変わらず、測定対象物の表裏両面の形状を測定する際に、各面を測定するごとに調整作業や原点決めを行う必要がない。これにより、レンズ等の偏心量を測定するにあたり、各面の形状、対称軸（光軸）の位置を高精度にかつ短時間で求めることができる。

図１において、形状測定装置１０は、定盤部１１の上に支柱部１２が設けられている。支柱部１２には、Ｙテーブル１３と、Ｘテーブル１４と、Ｚテーブル１５とが設けられている。Ｙテーブル１３は、Ｙ軸に平行なスライドガイド１３ａを介して支柱部１２に対してＹ軸方向のスライド移動が可能である。Ｘテーブル１４は、Ｘ軸に平行なスライドガイド１４ａを介してＹテーブル１３に対してＸ軸方向のスライド移動が可能である。Ｚテーブル１５は、Ｚ軸に平行なスライドガイド１５ａを介してＸテーブル１４に対してＺ軸方向のスライド移動が可能である。

Ｚテーブル１５には、第１プローブ１６と第２プローブ１７とがＸ軸方向に互いに正対して設けられている。第１プローブ１６と第２プローブ１７は、Ｙテーブル１３とＸテーブル１４とＺテーブル１５がそれぞれスライド移動することによって、Ｘ軸方向，Ｙ軸方向，Ｚ軸方向に自在に移動できる。第１プローブ１６と第２プローブ１７はＺテーブル１５上で互いの相対位置関係を保ちながら一体に移動する。レンズ保持枠１８は定盤部１１に設けられ、第１プローブ１６と第２プローブ１７との間でレンズを定位置に保持する。

形状測定装置１０には、第１プローブ１６と第２プローブ１７とによって物体の表面を走査して得られた形状測定値を出力する測定値出力部１９が設けられている。演算装置２０は、測定値出力部１９から出力された形状測定値の演算処理を行う。演算装置２０には、測定された物体の曲面の設計式等が予め入力され、測定値と設計値とを比較して、測定値を設計値に合致（フィッティング）させる演算処理を行う。この演算処理では、測定値と設計値との較差から、走査時の基準面に対する測定された曲面の傾きと頂点の位置が算出される。また、演算装置１９は、曲面上の特定の位置座標、例えばレンズ面の光軸や球面の頂点の位置座標を算出することができる。

図２において、第１プローブ１６と第２プローブ１７には触針２３，２４がそれぞれ設けられている。触針２３，２４は、その先端と測定対象物との間に原子間力が作用する距離まで接近し、原子間力が一定の大きさに保たれるようにして測定対象物の表面を走査する進退移動する。触針２３，２４は、第１プローブ１６と第２プローブ１７とが数十ミリメートルの範囲でＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３方向に移動するのに対し、例えば数マイクロメートルの範囲でＸ軸方向のみに変位する。触針２３，２４の変位により、測定対象物の表面の詳細な凹凸情報が得られる。

通常、第１プローブ１６と第２プローブ１７はＺテーブル１５に固定されており、両者の間隔が一定に保たれている。Ｚテーブル１５に設けられた間隔調整ガイド２５は、第１プローブ１６と第２プローブ１７の間隔を変更するときに、各プローブの固定を解除してＸ軸方向に移動させるためのガイドとなる。

レンズ保持枠１８には、開口２６が設けられている。レンズ保持枠１８に取り付けられたレンズ２８は、そのレンズ前面２８ｆとレンズ後面２８ｂとが露呈され、それぞれ第１プローブ１６と第２プローブ１７に対面する。レンズ２８は、例えば両面非球面レンズである。レンズ保持枠１８にはレンズ押さえ板３０が設けられている。レンズ押さえ板３０は、レンズ前面２８ｆをバネ力で押圧し、レンズ２８をレンズ保持枠１８に固定させる。

形状測定装置１０と演算装置２０を用いた両面非球面レンズの偏心測定方法について説明する。図３において、最初に測定を行うときは、第１プローブ１６と第２プローブ１７の初期位置の違いによる各プローブの走査座標系のズレを較正するための予備測定を行う。レンズ保持枠１８にレンズ２８とほぼ同径の真球３５を取り付ける。

形状測定装置１０を作動させ、第１プローブ１６を用いて真球３５の表面形状を測定する。Ｘテーブル１４は、第１プローブ１６をＺテーブル１５ごと真球３５に接近させる方向に移動させる（図４（ａ）参照）。このとき、第２プローブ１７は真球３５から離れる方向に移動する。第１プローブ１６は、Ｙテーブル１３，Ｘテーブル１４，Ｚテーブル１５のスライド移動により真球３５の表面を走査し、真球３５の表面形状を測定する。測定値は演算装置２０に送られ、演算装置２０では測定値から真球３５の前面側の頂点座標Ｏ（ｆ）が算出される。

第１プローブ１６による真球３５の形状測定が終了すると、Ｘテーブル１４は、第２プローブ１７を真球３５の接近させる方向に移動させる（図４（ｂ））。このとき、第１プローブ１６は真球３５から離れる方向に移動する。第２プローブ１７によって真球３５の表面形状を反対側から測定する。測定値は演算装置２０に送られ、演算装置２０では測定値から真球３５の後面側の頂点座標Ｏ（ｂ）が算出される。第１プローブ１６の走査座標系と第２プローブ１７の走査座標系とのズレは、各プローブにより測定された真球３５の頂点座標の差［Ｏ（ｆ）−Ｏ（ｂ）］によって与えられる。なお、場合に応じて、真球３５の真球度の補正も行い、このときの第１プローブ１６の走査座標系と第２プローブ１７の走査座標系とのズレは、真球度の補正値をεとして［Ｏ（ｆ）−Ｏ（ｂ）＋ε］として与えられる。

真球３５をレンズ保持枠１８から取り外し、偏心の測定対象となるレンズ２８を取り付ける。第１プローブ１６をレンズ前面２８ｆに接近させ、第１プローブ１６によりレンズ前面２８ｆの形状を測定する。このとき、第２プローブ１７はレンズ後面２８ｂから離れた位置に退避する。第１プローブ１６はレンズ前面２８ｆを走査し、レンズ前面２８ｆの表面形状が測定される。測定値は演算装置２０に送られ、演算装置２０ではレンズ前面２８ｆの光軸の位置Ｐ（ｆ）とレンズ前面２８ｆの走査平面に対する傾きθ（ｆ）が算出される。

レンズ前面２８ｆの測定終了後、第２プローブ１７をレンズ後面２８ｆに接近させ、第１プローブ１７をレンズ前面２８ｆから退避させる。第２プローブ１７はレンズ後面２８ｂを走査し、レンズ前面２８ｂの表面形状が測定される。測定値は演算装置２０に送られ、演算装置２０ではレンズ後面２８ｂの光軸の位置Ｐ（ｂ）とレンズ後面２８ｂの走査平面に対する傾きθ（ｂ）が算出される。

演算装置２０は、レンズ後面２８ｂの光軸の位置Ｐ（ｂ）を真球３５の頂点座標の差［Ｏ（ｆ）−Ｏ（ｂ）］によって補正すると、第２プローブ１７の走査座標系と第１プローブ１６の走査座標系とのズレが相殺され、第１プローブ１６の走査座標系におけるレンズ後面２８ｂの光軸の位置Ｐ’（ｂ）が算出される。レンズ前面２８ｆの光軸の位置Ｐ（ｆ）と補正されたレンズ後面２８ｂの光軸の位置Ｐ’（ｂ）との差を求めることにより、光軸のズレすなわち偏心量Ｓが求められる。また、θ（ｆ）とθ（ｂ）との差を求めることにより、レンズ前面２８ｆに対するレンズ後面２８ｂの倒れＴが求められる。

このようにして、レンズ２８の測定を行った後、他のレンズを測定する場合には、第１プローブ１６と第２プローブ１７の間隔を変更する等により各プローブの相対位置は変わらない限り、［Ｏ（ｆ）−Ｏ（ｂ）］は不変であるから、真球３５を用いた予備測定を再度行う必要はなく、測定するレンズをレンズ保持枠１８に取り付け、両面の形状の測定を行えばよいので、２枚目以降のレンズの測定に要する時間は大幅に短縮される。

以上のようにして求められた偏心量Ｓとレンズ面の倒れＴとから、レンズ２８を製作するときの成形金型の精度が確認され、さらに精度の高いレンズ加工を実現するための指標とすることができる。また、求められた偏心量Ｓとレンズ面の倒れＴを与えたシミュレーションを行うことで、作製されたレンズの性能を正確に評価でき、レンズの品質向上が期待できる。

なお、本発明を実施する上では、また、レンズを保持するためには、レンズ押さえ板３０のバネ力によるもの以外に、レンズ保持枠１８に設けた穴から空気を吸引してレンズを固定してもよく、また、レンズをレンズ保持枠１８に接着して固定してもよい。また、上記実施形態は、第１プローブ１６及び第２プローブ１７を移動させているが、これに限らず、２つのプローブを固定し、レンズ保持枠１８を移動させるようにしてもよい。本発明は、両面非球面レンズの偏心測定に最も適しているが、球面の全体を正確に測定することができれば、片面非球面レンズや球面レンズの偏心測定に用いてもよく、眼鏡用レンズの偏心を測定してもよい。また、レンズ以外にも、宝石や石材等のガラスと異なる物質、不透明な物質からなる物体の偏心測定に用いてもよい。さらに、本発明において使用する表面形状測定装置は、原子間力に基づく走査変位から表面形状を測定するものに限らず、触針と光学部材がともに導電性を有している場合にはトンネル電流を利用した表面形状測定を例とする各種の走査型プローブを用いた測定を行ってもよく、光学部材の曲面各部にレーザー等の光や電磁波を照射し、その反射光や透過光から表面形状を測定する非接触・光学式の測定を行ってもよい。

形状測定装置の斜視図である。 第１プローブと第２プローブの正面図である。 偏心測定方法の手順を示すフローチャートである。 真球を用いた予備測定の斜視図である。

符号の説明

１０ 形状測定装置
１３ Ｙテーブル
１４ Ｘテーブル
１５ Ｚテーブル
１６ 第１プローブ
１７ 第２プローブ
１８ レンズ保持枠
２０ 演算装置
２３，２４ 触針
２８ レンズ
２８ｆ レンズ前面
２８ｂ レンズ後面
３５ 真球

Claims (6)

1. 物体の表面を走査する第１プローブと第２プローブとが互いに正対して設けられたプローブ支持体と、
   前記第１プローブと第２プローブとの間で測定対象物を保持する保持体と、
   前記プローブ支持体又は前記保持体を駆動して、前記測定対象物に対して前記第１及び第２プローブを相対的に移動させる移動手段と、
   前記移動手段を制御して、前記第１プローブを測定対象物の前面に接近させるとともに前記第２プローブを測定対象物から退避させ、前記第１プローブで測定対象物の前面を走査してその形状を測定する第１の測定手段と、
   前記移動手段を制御して、前記第２プローブを測定対象物の後面に接近させるとともに前記第１プローブを測定対象物から退避させ、前記第２プローブで測定対象物の後面を走査してその形状を測定する第２の測定手段とを備えたことを特徴とする形状測定装置。
2. 前記第１プローブ及び前記第２プローブは接触式又は光学式プローブであることを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の形状測定装置により、複数の曲面を有する光学部材の各曲面の形状を測定し、各曲面が有する特徴点の位置をそれぞれ求め、前記特徴点の位置を比較して各曲面間の位置ズレの大きさを測定することを特徴とする形状測定方法。
4. 前記保持体に真球を保持させ、保持された真球の表面を前記形状測定装置により測定し、前記第１プローブによって測定された真球表面の頂点の位置と前記第２プローブによって測定された真球表面の頂点の位置との較差によって、前記特徴点の位置を補正することを特徴とする請求項３記載の形状測定方法。
5. 前記測定対象物は両面非球面レンズであることを特徴とする請求項３又は４記載の形状測定方法。
6. 前記測定対象物の各曲面の形状測定値を設計値と比較することにより、各曲面の基準面に対する傾斜角度を算出し、各曲面間の相対的な傾きを算出することを特徴とする請求項３ないし５にいずれか１つ記載の形状測定方法。
   

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