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課題

本発明は、多レンズ光学系(62)の光学面(S1、S2、S3)の曲率中心(K1、K2、K3)の位置を測定する方法に関する。

解決手段

最初に、光学面(S1、S2、S3)の間隔が、干渉計(24)を用いて参照軸(34)に沿って測定される。次に、光学面(S1、S2、S3)の曲率中心(K1、K2、K3)が、光角測定デバイス(22)を用いて測定される。光学系(62)内のある光学面(S2、S3)の曲率中心の位置の測定の間に、この光学面(S2、S3)及び光角測定デバイス(22)の間にある光学面(S1、S2)の曲率中心(K1、K2)の測定された位置と、光学面(S1、S2、S3)の以前測定された間隔とが、計算的に考慮される。このように、測定の特に高い精度が達成される。なぜなら、望まれる間隔が当てにされる必要がないからである。

概要

背景

品質多レンズ光学系の製造の間に、レンズは、高精度で相互に正しい方向に置かれなければならない。そのような方向付けを行い得るために、光学面の位置を計測的(metrologically)に決定する必要がある。レンズの調節の間に位置決めの精度の確認が行われるとしても、そのような測定は通常少なくとも品質管理の範囲内で行われる。

多レンズ光学系の検査に関連する重要な幾何学量は、光学面の曲率中心の位置により構成される。理想的に、曲率中心は、正確に、通常レンズを収容するレンズマウント対称軸と一致する共通参照軸上にある。しかし、実際の光学系では、製造及び組み立てへの耐性により、曲率中心は、この参照軸の周り不規則分布する。曲率中心の参照軸からの間隔が大きすぎると、光学系の結像特性過度に悪化する。

多レンズ光学系の光学面の曲率中心を測定する工程は、独国特許出願公開第10 2004 029 735号明細書から知られている。この工程では、個々の光学面の曲率中心の位置は、オートコリメータを用いて連続して測定される。曲率中心の位置が検査される最初の表面は、オートコリメータの最も近くにある表面である。この最初の表面の曲率中心の位置が決定され次第、次の表面が検査される。しかし、最初の表面は、次の表面の検査に影響を与える。この理由により、最初の表面の光学的効果は、次の表面の曲率中心の位置の決定で、計算的に考慮されなければならない。最初の表面の光学的効果の考慮では、最初の表面の設計データ、特に次の表面に対して望まれる曲率半径及び望まれる間隔(即ち、第1のレンズの中心の厚み)が当てにされる。加えて、最初の表面の曲率中心の以前測定された位置が、計算的に考慮される。

手順は、残りのすべての表面についても同様である。計算的評価の間に、前方にあるすべての光学面の曲率中心の測定された位置、及びそれ以外には設計データが、結果として常に考慮される。

概要

本発明は、多レンズ光学系(62)の光学面(S1、S2、S3)の曲率中心(K1、K2、K3)の位置を測定する方法に関する。最初に、光学面(S1、S2、S3)の間隔が、干渉計(24)を用いて参照軸(34)に沿って測定される。次に、光学面(S1、S2、S3)の曲率中心(K1、K2、K3)が、光角測定デバイス(22)を用いて測定される。光学系(62)内のある光学面(S2、S3)の曲率中心の位置の測定の間に、この光学面(S2、S3)及び光角測定デバイス(22)の間にある光学面(S1、S2)の曲率中心(K1、K2)の測定された位置と、光学面(S1、S2、S3)の以前測定された間隔とが、計算的に考慮される。このように、測定の特に高い精度が達成される。なぜなら、望まれる間隔が当てにされる必要がないからである。

目的

本発明の目的は、多レンズ光学系の光学面の曲率中心の位置を測定する公知の工程を、測定のより高い精度を目的として改善することである

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

多レンズ光学系(62)の光学面(S1、S2、S3)の曲率中心(K1、K2、K3)の位置を測定する方法であって、a)干渉計(24)を用いて参照軸(34)に沿って前記光学面(S1、S2、S3)の間隔を測定し(ST1)、b)光角測定デバイス(22)を用いて前記光学面(S1、S2、S3)の前記曲率中心(K1、K2、K3)の前記位置を測定し(ST2)、その際、前記光学系(62)内のある光学面の曲率中心の測定の間に、当該光学面及び前記光角測定デバイス(22)の間にある光学面の曲率中心の測定された前記位置と、ステップa)で測定された前記光学面の前記間隔とが、計算的に考慮される(ST3、ST4)、ステップを有する方法。

請求項2

前記光学面の前記間隔を測定する前に、前記光角測定デバイス(22)を用いて前記光学系(62)の光軸(92)が一時的に決定され、前記光学系(62)及び前記干渉計(24)は、一時的に決定された前記光学系(92)が前記参照軸(34)と揃うように、相互に正しい方向に置かれる、請求項1に記載の方法。

請求項3

ステップb)が、ステップa)の前に行われ、ステップb)で測定された前記曲率中心(K1、K2、K3)の前記位置が、前記光軸(92)の一時的な決定のために用いられる、請求項2に記載の方法。

請求項4

前記光軸(92)は、測定される少なくともいくつかの光学面(S1、S2、S3)の曲率中心(K1、K2、K3)の位置と、このように決定される前記曲率中心(K1、K2、K3)の前記位置を通る回帰直線により定義される光軸(92)とにより、一時的に決定される、請求項2又は3に記載の方法。

請求項5

前記光軸(92)の一時的な決定のために、試験光が前記光学系(62)の一方の側から結合され、反対側で、前記光学系から発する試験光が、前記光角測定デバイス(22)の光センサ(50)により位置が決定されるように記録される、請求項2に記載の方法。

請求項6

前記試験光の位置が決定される記録の間に、前記光学系が前記参照軸(34)の周りを回転され、回転される間に前記試験光が前記光センサ(50)に当たる位置の変化から、前記光軸(98)の前記参照軸(34)からのずれが測定される、請求項5に記載の方法。

請求項7

前記試験光は、前記干渉計(22)内に配置された光源(64)により生成される、請求項5又は6に記載の方法。

請求項8

ステップa)での前記間隔の測定及びステップb)での前記曲率中心(K1、K2、K3)の前記位置の測定は、前記光学系(62)の同側から行われる、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の方法。

請求項9

前記干渉計(24)により用いられる間隔測定光及び前記光角測定デバイス(22)により用いられる角度測定光は、同じ焦点調節光学列により前記光学系(92)に向けられる、請求項8に記載の方法。

請求項10

前記干渉計は、短コヒーレンス干渉計である、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の方法。

請求項11

多レンズ光学系(62)の光学面(S1、S2、S3)の曲率中心(K1、K2、K3)の位置を測定する装置であって、a)参照軸(34)に沿って前記光学面(S1、S2、S3)の間隔を測定するように設定された干渉計(24)と、b)前記光学面(S1、S2、S3)の前記曲率中心(K1、K2、K3)の前記位置を測定するように設定された光角測定デバイス(22)と、c)前記光学系(62)内のある光学面の曲率中心(K1、K2、K3)の位置の測定に関連して、当該光学面及び前記光角測定デバイス(22)の間にある光学面の曲率中心の測定された前記位置と、前記干渉計(24)により測定された前記光学面の前記間隔とを、計算的に考慮するように設定された計算ユニット(26)と、を有する装置。

請求項12

試験光を前記光学系(62)に当該系の一方の側から結合させるように設定された試験光の光源(64)と、前記光学系(62)の反対側で発する試験光を、位置が決定されるように記録するように設定された位置決定光センサ(50)と、をさらに有する、請求項11に記載の装置。

請求項13

前記試験光の光源(64)は、前記干渉計(24)内に統合される、請求項12に記載の装置。

請求項14

前記光学系(62)を前記参照軸(34)の周りで回転させるように設定された回転機構をさらに有する、請求項11乃至13のいずれか一項に記載の装置。

請求項15

前記干渉計(24)及び前記光角測定デバイス(22)は、前記光学系(62)の同側に配置される、請求項11乃至14のいずれか一項に記載の装置。

請求項16

焦点調節光学列(46)をさらに有し、それを通って、前記干渉計(24)により生成された間隔測定光及び前記光角測定デバイス(22)により生成された角度測定光は、前記光学系(62)に向けられる、請求項15に記載の装置。

請求項17

前記干渉計は、短コヒーレンス干渉計である、請求項11乃至16のいずれか一項に記載の装置。

技術分野

0001

本発明は、多レンズ光学系光学面曲率中心の位置を測定する工程及び装置に関する。

背景技術

0002

品質多レンズ光学系の製造の間に、レンズは、高精度で相互に正しい方向に置かれなければならない。そのような方向付けを行い得るために、光学面の位置を計測的(metrologically)に決定する必要がある。レンズの調節の間に位置決めの精度の確認が行われるとしても、そのような測定は通常少なくとも品質管理の範囲内で行われる。

0003

多レンズ光学系の検査に関連する重要な幾何学量は、光学面の曲率中心の位置により構成される。理想的に、曲率中心は、正確に、通常レンズを収容するレンズマウント対称軸と一致する共通参照軸上にある。しかし、実際の光学系では、製造及び組み立てへの耐性により、曲率中心は、この参照軸の周り不規則分布する。曲率中心の参照軸からの間隔が大きすぎると、光学系の結像特性過度に悪化する。

0004

多レンズ光学系の光学面の曲率中心を測定する工程は、独国特許出願公開第10 2004 029 735号明細書から知られている。この工程では、個々の光学面の曲率中心の位置は、オートコリメータを用いて連続して測定される。曲率中心の位置が検査される最初の表面は、オートコリメータの最も近くにある表面である。この最初の表面の曲率中心の位置が決定され次第、次の表面が検査される。しかし、最初の表面は、次の表面の検査に影響を与える。この理由により、最初の表面の光学的効果は、次の表面の曲率中心の位置の決定で、計算的に考慮されなければならない。最初の表面の光学的効果の考慮では、最初の表面の設計データ、特に次の表面に対して望まれる曲率半径及び望まれる間隔(即ち、第1のレンズの中心の厚み)が当てにされる。加えて、最初の表面の曲率中心の以前測定された位置が、計算的に考慮される。

0005

手順は、残りのすべての表面についても同様である。計算的評価の間に、前方にあるすべての光学面の曲率中心の測定された位置、及びそれ以外には設計データが、結果として常に考慮される。

発明が解決しようとする課題

0006

本発明の目的は、多レンズ光学系の光学面の曲率中心の位置を測定する公知の工程を、測定のより高い精度を目的として改善することである。さらに、本発明の目的は、そのような改善された工程の実装に適する装置を指定することである。

課題を解決するための手段

0007

本発明に従って、方法に関する目的は、多レンズ光学系の光学面の曲率中心の位置を測定する方法であって、
a)干渉計を用いて参照軸に沿って表面の間隔を測定し、
b)光角測定デバイスを用いて表面の曲率中心の位置を測定し、その際、光学系内のある表面の曲率中心の測定の間に、この表面及び角度測定デバイスの間にある表面の曲率中心の測定された位置と、ステップa)で測定された表面の間隔とが、計算的に考慮される、
ステップを有する方法により達成される。

0008

すでに検査された光学面の光学的効果の決定に関連して、表面の望まれる間隔、即ち光学設計から導出されるデータに基づくのではなく、これらの間隔が干渉計を用いて高精度に測定されれば、曲率中心の位置の測定に関連する精度は、大幅に向上され得ることが明らかになっている。例えば、光学面の曲率半径は、通常、製造工学の観点から非常に高い正確さで認識され得るので、このことは、レンズの中心の厚みについても限定的に有効である。しかし、とりわけ光学系の組み立ての間に、レンズ間の空気分離(air separation)の設定に関連して、調節誤りが頻繁に起こる。

0009

光学面の実際の間隔は、結果として、時には望まれる間隔と明らかに異なるかもしれないので、望まれる間隔だけが計算的評価で考慮される場合に、重大な誤りが曲率中心の位置の決定で起こるかもしれない。

0010

加えて、多レンズ光学系の検査に関連して、反復評価工程による光学面の検査の間の測定誤りは、角度測定系から見て、下流にあるすべての光学面の測定の精度に著しい効果を有するという特性が現れる。逆に言えば、問題の光学系について行われた測定のすべての測定誤りは、累積的に、角度測定系から見て、光学系の最後の表面の曲率中心の位置の測定値入り込む。このように、実際の間隔の望まれる間隔からの比較的小さなずれでさえ、少なくとも角度測定系から見て、最後の光学面の測定の精度に、非常に好ましくない効果を有し得る。

0011

本発明の、光学面の間隔の独立した測定の実装により、特定の光学面の曲率中心の位置の決定に関連して、この表面及び角度測定系の間にある表面の望まれる間隔ではなく、実際の間隔に基づくことが可能である。このことは、特に多くの光学面を有する光学系の場合に、とりわけ「背面(rear)」光学面、即ち検査のために角度測定光がいかなる場合も2度通過しなければならない前方にある非常に多くの表面について、測定の精度の大幅な向上をもたらす。

0012

ステップb)での曲率中心の位置の検査に関連して、光学面は光学系に配置される順番に検査される必要がないことに注意すべきである。なぜなら、特定の表面の前方にある表面の光学的効果の計算的考慮は、光学系について測定されたすべてのデータが記録されたときに行われ得るからである。それゆえに、測定されたデータの記録に関連する順番は、他の基準に従って広範な制限内で自由に規定されてよい。

0013

そのような別の基準は、例えば、角度測定デバイス内の光学部品移動経路を最小化することにより、測定時間をできる限り短くすることでもよい。角度測定デバイスの場合に、例えば、オートコリメータの問題であれば、測定されたデータの記録に関連する順番は、光学面が光学系での配置の順番ではなく、曲率中心の配置の順番に測定されるように規定され得る。そのとき、最初に検査されるのは、例えば、オートコリメータの最も近くに配置される光学面ではなく、オートコリメータのできる限り近くにある曲率中心を有する表面である。次に、オートコリメータの次に近くにある曲率中心を有する表面が検査される。このように、焦点調節だけのために用いられるオートコリメータのズーム光学(optics)は、光学系の設計データからの結果等の、曲率点(point of curvature)の連続した望まれる位置に接近しなければならない。ステップa)及びb)は、入れ替えられてもよい。そのときは、従来技術の場合のように、表面の望まれる間隔の仮定の下、すべての曲率中心のおおよその位置が一時的に測定される。干渉計を用いた間隔の測定の後に、これらの測定値が、続いて計算的に補正される。又は、ステップb)が繰り返され、曲率中心の次の測定の評価の間に、間隔の計算的考慮が行われる。光学面の実際の間隔のより正確な知識を用いた曲率中心の次の測定は、頻繁に、より高い精度で行われ得る。

0014

しかし、干渉計を用いた表面の間隔の測定は、曲率中心の位置の検査に関連する精度を向上させるだけではない。逆に、曲率中心の位置の測定は、表面の間隔がより精度よく検査されるのを可能にする。なぜなら、干渉計から表面に向けられる間隔測定光が検査される表面に垂直に当たる場合に限り、干渉計を用いた表面の間隔の精度のよい検査が可能だからである。表面がわずかに偏心(tilting)している場合に、表面から干渉計に反射される光の強度は、大幅に弱められるので、非常に低い信号対雑音比により、測定が不能であるか、よくて比較的精度の低い測定が可能であるかである。加えて、間隔測定光が非垂直に当たる場合に、反射された光が十分に高い強度を有するときでさえ、最終的に、測定されるのは、光軸に沿った表面の実際に望まれる間隔ではない。しかし、このことは注目されておらず、この理由により特に不利である。

0015

光学系の光軸が、間隔がそれに沿って測定される参照軸と揃っていれば、間隔測定光は光学面に垂直に当たる。この理由により、方法の有利な構成では、角度測定デバイスを用いてステップa)に従って間隔を検査する前に、光学系の光軸が一時的に決定される。続いて、光学系及び干渉計は、一時的に決定された光軸が参照軸と揃うように、相互に正しい方向に置かれる。これに関連して、一般に光学系は、固定の干渉計に対して調節される。しかし、原理上、固定の光学系に対する干渉計の調整も可能である。

0016

不十分に調節された多レンズ光学系の光軸は、それ自体で、明確に定義されない。この理由により、そのような系の「一時的に決定された光軸」により、事前に決定された基準に従って一時的な光軸として定義された軸は理解される。事前に決定されたこの基準は、定性的に、例えば回帰直線の意味で、一時的に測定された曲率中心が、この軸の(できる限り)近くにあるという特性を説明する。

0017

光学系の光軸を一時的に決定するために、ステップa)の前にステップb)が行われてもよい。ステップb)で測定された曲率中心の位置は、光軸の一時的な決定のために用いられる。

0018

光軸は、例えば、測定される少なくともいくつかの表面の曲率中心の位置と、このように決定された曲率中心を通る回帰直線により規定される光軸により、一時的に決定されてもよい。一時的な光軸を決定するために、2つの表面、例えば、光学系の最初及び最後の表面だけが用いられれば、回帰直線は連結線(connecting line)になる。

0019

一時的な光軸の規定に関連して、個々の表面に重み付けを行うことも可能である。考慮される1つの可能性は、より強く屈折する表面、即ちより小さな曲率半径を有する表面に、より重く重み付けを行うことである。なぜなら、これらの表面は、一般に光学系の光学特性により強い影響を与えるからである。考慮される別の可能性は、光軸の一時的な決定に関連して、光学系の個々の部分だけを考慮することである。

0020

光軸を一時的に決定する別の可能性は、試験光を光学系の一方の側から結合(coupling in)させ、反対側で、光学系から発する試験光を、角度測定デバイスの光センサを用いて位置が決定される(location-resolved)ように記録することにある。これに関連して、誤って調節された光学面の場合に、試験光は屈折により偏向され、この理由により参照軸の交差点で光センサに当たらないという事実が利用される。

0021

試験光の位置が決定される記録の間に光学系が参照軸の周りを回転されれば、光軸のそのような一時的な決定は、特に効果的に成功する。回転される間に試験光が光センサに当たる位置の変化から、光軸の参照軸からのずれが定性的に推測され得る。光学系が回転される間に試験光が光センサに当たる位置は、円軌道上を移動する。参照軸に対する光学系の最適な方向付けは、円軌道の半径が最小のときに得られる。

0022

試験光は、例えば、干渉計内に配置される光源により生成されてもよい。この光源の場合に、間隔測定光のためにいずれにせよ干渉計内に提供される光源の問題、又はその光源と独立した試験光の光源の問題かもしれない。

0023

参照軸に対して曲率中心の実際の測定を開始する前に光学系を正しい方向に置くさらなる可能性は、曲率中心により規定される一時的に決定された光軸が参照軸と最適に揃っていれば、角度測定デバイスにより確認された曲率中心を用いて、干渉計により生成された間隔測定光が光学面での反射の後に有する強度を計算することにある。この光学系は、干渉計により測定される強度が計算された強度にできる限り近くなるように、偏心(tilting)及び/又は移動により正しい方向に置かれる。

0024

一実施形態では、ステップa)での間隔の測定と、ステップb)での曲率中心の位置の測定は、光学系の同側から行われる。結果として、測定装置のより小型の構造が、頻繁に達成され得る。

0025

これに関連して、干渉計により用いられる間隔測定光と、角度測定デバイスにより用いられる角度測定光は、同じ焦点調節光学列(optical train)により光学系に向けられてもよい。

0026

本発明の方法は、非球面の場合に、曲率中心の位置が測定されることも可能にする。この場合の曲率中心は、非球面の球面部分に対してのみ定義される。従来の非球面方程式により記述可能な非球面の場合に、曲率中心は、曲率半径Rの球の中心により与えられる。方程式において、zは光軸と平行な、問題の表面の矢状(sagitta)を示し、hは光軸からの半径方向(radial)間隔を示し、c=1/Rは問題の表面の頂点曲率を示し、kは円錐定数(conic constant)を示し、A、B、C、D、E、F、G、H、及びJは非球面定数(aspheric constant)を示す。

0027

0028

一方、それに対して非球面が回転対称であり、その上に球面部分の曲率中心があるかもしれないが、その上になければならないとは限らない対称軸の位置は、本発明の方法により確認され得ない。平面も、本発明の方法を用いて検査され得る。しかし、この場合に、角度測定デバイスは、曲率中心の位置ではなく、平面が参照軸に対して有する角度を提供する。

0029

装置に関して、序論で述べた目的は、多レンズ光学系の光学面の曲率中心の位置を測定する装置であって、
a)参照軸に沿って表面の間隔を測定するように設定された干渉計と、
b)光学面の曲率中心の位置を測定するように設定された光角測定デバイスと、
c)光学系内のある表面の曲率中心の位置の測定に関連して、この表面及び角度測定デバイスの間にある表面の曲率中心の測定された位置と、干渉計により測定された表面の間隔とを、計算的に考慮するように設定された計算ユニットと、
を有する装置を用いて達成される。

0030

方法に対して上述した構成及び利点は、対応してここで適用される。

0031

装置は、試験光を光学系にその一方の側から結合させるように設定された試験光の光源を示(exhibit)してもよい。さらに、光学系の反対側で発する試験光を、位置が決定されるように記録するように設定された位置決定(location-resolving)光センサが提供されてもよい。特に、試験光の光源は、干渉計内に統合されてもよい。

0032

加えて、装置は、光学系を参照軸の周りで回転させるように設定された回転機構を示してもよい。

0033

干渉計及び角度測定デバイスは、光学系の同側に配置されてもよい。この場合に、干渉計により生成された間隔測定光及び角度測定デバイスにより生成された角度測定光が、それを通って光学系に向けられる、焦点調節光学列が提供されてもよい。

図面の簡単な説明

0034

本発明のさらなる特徴及び利点は、図面に基づく実施形態の以下の説明から明らかになるだろう。

0035

すべてのレンズが参照軸に対して完全に正しい方向に置かれている、多レンズ光学系の子午線的断面図(meridional section)。
参照軸に対して偏心(tilted)している、図1に示される光学系の個々のレンズ。
多レンズ光学系の曲率中心の略図。
曲率中心が参照軸と異なる直線上にある、図3のような略図。
第1の実施形態による、本発明の測定装置の子午線的断面図。
参照軸上に正確に正しい方向に置かれた球面レンズの検査の間に測定装置で用いられるオートコリメータの子午線的断面図。
偏心(decentred)した球面レンズを有する、図6のオートコリメータ。
間隔測定の間に光検出器により記録される強度が、測定装置の干渉計の参照光線が進む光路長関数として描かれているグラフ
干渉計及びオートコリメータが試験片の同側に配置される別の実施形態による、本発明の測定装置の子午線的断面図。
本発明の方法の重要なステップを説明するフローチャート

実施例

0036

1.序論
図1は、子午線的断面図で、10により全体が示される光学系を示す。光学系は、7枚のレンズL1〜L7を有する。2枚のレンズL3及びL4は、隙間なく1つに接合されており、アクロマート(achromat)として用いられるダブレット(doublet)を形成する。レンズL1〜L7は、不図示のレンズマウントにいかなる場合も収容される、円筒状に研磨されたレンズ縁12を有する。

0037

理想的な場合に、レンズL1〜L7は、その光軸がすべて、同時に円筒状のレンズ縁12の対称軸でもある共通参照軸14上にあるように、正しい方向に置かれている。参照軸14は、一般に光学系10の光軸として示される。

0038

しかし、実際の光学系では、製造及び組み立てへの耐性という理由で、理想的な方向付けからのずれが生じる。図2は、レンズL5を例に、レンズマウント内のレンズL5のわずかな(しかし、図2では大げさに示されている)偏心(tilting)が、センタリング状態(centring state)にどのように影響を与えるかを示す。ここで、レンズL5の2つのレンズ表面S51及びS52は球面であり、それぞれ図2にK51及びK52により示される曲率中心を有すると仮定する。曲率中心K51及びK52は、レンズL5の光軸を定義する。その光軸は、図2点線16により示される。この定義により、光軸16は、レンズL5の球面光学面S51及びS52に対して常に垂直になる。非球面レンズの場合に、光軸は、非球面レンズ表面の球面部分の曲率中心により定義される。

0039

例えば、レンズL5の偏心(tilting)は、レンズL5がレンズマウントに正しく挿入されなかったという事実により生じているかもしれない。この理由として、例えば、レンズ縁12が、その対称軸がレンズL5の光軸16と揃うように研磨されなかったという可能性が考慮される。

0040

レンズL5を光学系10の参照軸14上に正確に正しい方向に置くために、レンズL5は、図1で仮定したように、光軸16が参照軸14と揃うように、参照軸14に対して垂直に偏心(tilted)され、必要に応じて、さらに移動されなければならないだろう。

0041

図1に示されるような多レンズ光学系の場合に、個々のレンズの光軸は、一般に、センタリング状態の質により、参照軸14に対してより大きく又は小さく不規則に分布する。このことは、図3に、曲率中心K11及びK12、K21及びK22、K31及びK32、並びにK41及びK42の4枚のレンズを有する光学系を例に示される。4枚のレンズの光軸は、161、162、163、及び164により示される。そのような光学系でレンズのセンタリングを改善するために、いくつかのレンズは、すべての光軸161、162、163、及び164が参照軸14と揃うように、移動により偏心(tilted)及び/又は再配置されなければならない。

0042

時には、図4が示すように、レンズの光軸は(少なくともほぼ)共通光軸16’上に配置されているが、その光軸は参照軸14と揃っていないということも起こるかもしれない。そのような場合に、個々のレンズを再調節するのではなく、光学系全体が、例えばレンズマウント又は目的の筐体により予め定められた参照軸14に対してではなく、上位ユニットの光軸16’に対して調節されるように、光学系全体を上位ユニットに組み込むことがより好ましいかもしれない。

0043

必要に応じて、光学系の個々のレンズ又は光学系全体を再調節することを可能にし、正規品質保証(regular quality assurance)のためにも、光学面の曲率中心の位置が高精度に測定され得る本発明の測定装置が採用される。曲率中心の位置から、個々のレンズの光軸の位置及びその参照軸14からのずれが決定され得る。さらに、それから導出される物理量、例えば光学面の曲率半径を決定できる。以下の第2節では、第3節で測定工程が扱われる前に、図5〜8を参照し、最初に本発明の測定装置の構造が説明される。

0044

2.測定装置の構造
図5に子午線的断面図で示され、20により全体が示される測定装置は、角度測定デバイスとして用いられるオートコリメータ22と、間隔測定デバイスとして用いられる干渉計24と、コンピュータ26の形式の計算ユニットとを有する。測定装置20は、輪状回転テーブル30により支持される試験片レセプタクル(test-specimen receptacle)28をさらに有する。回転テーブル30は、その上に配置される試験片レセプタクル28と共に、矢印36により示されるように、モータ32を用いて参照軸34の周りを回転可能である。回転テーブル30は、モータ32と共に、測定装置20の回転機構を構成する。

0045

オートコリメータ22は、ピンホール絞り40を角度測定光で照らす光源38を有する。ピンホール絞り40から発する角度測定光は、ビーム分割器42を介してコリメータレンズ44に向けられ、コリメータレンズ44から軸方向に平行な光線束として離れる。参照軸34に沿って移動可能なズームレンズ46は、軸方向に平行な角度測定光を焦点48に集光させる。焦点48に、ピンホール絞り40の像が結果として生じる。ピンホール絞り40の代わりに、異なる形状の開口部、例えば十字スリット開口部を有する絞りが選択されれば、十字スリットの像がズームレンズ46の焦点面に生じる。

0046

ビーム分割器42の後側に、像センサ50が配置される。その像センサにより、光敏感(light-sensitive)位置決定センサが理解される。像センサとして適切なものは、例えば、そのようなものとして知られるCCDセンサ又はCMOSセンサである。

0047

オートコリメータ22の動作は、図6及び7を参照し、以下に説明される。オートコリメータ22から発する角度測定光は、試験片に向けられる。その場合に、便宜上、球52の問題となる。ピンホール絞り40の像が球52の中心54に正確にあれば、このことは、オートコリメータ22から発する角度測定光が常に球52の表面56に垂直に入射することを意味する。結果として、この角度測定光は、球の表面56で自身に反射され、ズームレンズ46、コリメータレンズ44、及び一部はビーム分割器42を通り、像センサ50上にピンホール絞り40の像を生成する。その像は、参照軸34に対して中心にある。

0048

図7は、球52が参照軸34に対して垂直に再配置された場合のビーム路を示す。この再配置により、光線は、もはや球52の表面56に垂直に当たらず、この理由により、自身に反射されない。この理由により、図7に点線で示される反射された角度測定光58は、像センサ50上に、参照軸34に対して垂直に移動しているピンホール絞り40の像60を生成する。

0049

球52が回転テーブル30上で参照軸34の周りを回転すれば、像60は像センサ50上に円軌道を描く。参照軸に対するこの円軌道の中心点の位置から、参照軸34に対して球52の中心54がある位置を確認できる。

0050

球52の偏心(decentring)は、最終的に、オートコリメータ22に面する表面56の一部の偏心(tilting)を示すので、オートコリメータ22は、最終的に、参照軸34に対して球52の表面56が有する角度を測定する。この理由により、オートコリメータは、広義には角度測定デバイスを意味する。従って、オートコリメータ22の代わりに、非接触で動作する他の角度測定デバイスが採用されてもよい。

0051

球面を有するレンズの場合に、この測定手続は同様に動作するが、測定は、球の場合のように球の中心の位置をもたらすのではなく、問題の球面の曲率中心の位置をもたらす。

0052

以下では、図5が再び参照される。そこに示される実施形態では、便宜上、62により示される試験片は、レンズL3及びL4から構成される、図1に示されるダブレットだけからなると仮定する。試験片62は、結果として、検査される3つの光学面S1、S2、及びS3を有し、その曲率中心は、K1、K2、及びK3により示される。図5識別され得るように、これらの曲率中心K1、K2、及びK3は、参照軸34上にも、正確に別の直線上にもない。

0053

以下では、干渉計24の構造がより詳細に説明される。干渉計24は、短コヒーレンス(short-coherence)干渉計の形式をとり、この目的のために、レーザ光の光源に比べてスペクトル的広帯域であり、その場合に、例えば高輝度(superluminescent)ダイオードの問題かもしれない、光源64を有する。比較的広いスペクトル帯域幅により、光源64により生成される光は、レーザ光の光源により生成される光よりも、かなり短いコヒーレンス長を有する。代替方法として、極短光パルスを生成するレーザ光の光源が用いられてもよい。なぜなら、そのような光パルスも、短コヒーレンス長を有するからである。

0054

光源64により生成される間隔測定光は、収束レンズ66により集光され、間隔測定光を試験片62に向けられる測定光線70と参照光線72に分割する、ビーム分割キューブ68に向けられる。参照光線72は、アクチュエータ76を用いてビーム方向に沿って移動可能なミラー74により、自身に反射される。このように、ビーム分割キューブ68とミラー74の間の、参照光線72の光路長は変更され得る。

0055

測定光線70は、光学列78を介して試験片62に向けられる。光学面S1、S2、及びS3で反射された測定光線80は、光学列78を介してビーム分割キューブ68に戻り、一部はそのキューブから光検出器82の方向に反射される。反射された測定光線80は、ミラー74から反射された参照光線72と重畳する。

0056

測定光線70及び参照光線72が光検出器82に向かって進んだときの光路長の差が、光源64により生成される間隔測定光のコヒーレンス長の10倍であれば、光検出器82により記録される干渉現象が起こる。光源64により生成される間隔測定光のコヒーレンス長が短いので、光検出器82は、前述の条件が満たされれば経路長に関して厳しく制限される出力信号を生成する。

0057

図8は、光検出器82により記録される強度Iが、参照光線72が進む光路長OPL上に描かれているグラフの例を示す。この光路長は、測定の間にミラー74を移動することにより変更される。測定光線70及び参照光線72の光路長が一致するときはいつでも、干渉信号は光検出器82で記録され得る。横座標上に、光検出器82で対応する干渉信号をもたらす表面S3、S2、及びS1が指定されている。

0058

測定信号包絡線83の最大値の位置から、群屈折率を考慮し、表面S1、S2、及びS3の間隔が非常に高い精度で決定され得る。

0059

実際の測定信号の場合に、さらなる干渉信号は、一般に包絡線83間にあり、例えば、試験片62内での複数の反射によりもたらされ、時には比較的高いレベルに達するかもしれない。そのような干渉信号が測定を妨げないように、包絡線83の周りに置かれる弁別窓(discriminator window)を用いて、干渉信号はマスクされ得る。弁別窓は、干渉信号が予期される位置に自動的に優先的に置かれ、表面S1、S2、及びS3の望まれる間隔を基礎としてとる。できる限り多くの測定光が、試験片62の表面S1、S2、及びS3から反射され、光検出器82に入力され得るために、測定光線70は、光学列78を用いて試験片62に適合され得る。

0060

コヒーレンス干渉計を用いた透明体の厚みの検査に関するさらなる詳細は、仏国特許出願公開第2803027号明細書から収集され得る。原理上適切な短コヒーレンス干渉計は、とりわけFOGALEnanotech,Nimes,Franceにより販売されている。

0061

図9は、干渉計24が試験片62に対してオートコリメータ22と同側に配置される別の実施形態による、本発明の測定装置20を示す。従って、光学面S1、S2、及びS3の曲率中心K1、K2、及びK3の位置及びその相互の間隔の測定は、試験片62に対して同側で行われる。

0062

この目的のために、測定装置20は、第1のビーム分割キューブ68から反射された光を測定光線70及び参照光線72に分割する第2のビーム分割キューブ90を示す。この実施形態では、第1のビーム分割キューブ68は、光源64により生成される光を、光検出器82を有する干渉計24のアーム(arm)に結合させる役割を有するにすぎない。この実施形態では、ズームレンズ46は、角度測定光及び間隔測定光70を集光させる役割を果たす。それ以外には、図5及び9に示される測定装置20は、機能的に同一である。

0063

3.測定工程
以下では、図10に示されるフローチャートを参照し、本発明の測定工程がより詳細に説明される。

0064

a)事前調節
最初に、オートコリメータ22の光軸、回転テーブル30の回転軸、及び干渉計24の測定光線70は、共通参照軸34上にあるように、相互に正しい方向に置かれていると仮定する。そのような調節は、測定装置20を初めて作動させる前に、一度だけ行われる。

0065

最初に、回転テーブル30の回転軸の、オートコリメータ22の光軸との平行性を達成するために、平面ミラーが回転テーブル30の開口部に置かれ得る。オートコリメータ22及び回転テーブル30は、像センサ50上のピンホール絞り40の像がオートコリメータ22の光軸に対して正確に中心に置かれるまで、相互に調節される。

0066

次のステップでは、オートコリメータ22の光軸及び回転テーブル30の回転軸の正確な同軸方向付けを達成するために、球面レンズが輪状回転テーブル30の開口部に挿入される。オートコリメータ22及び回転テーブル30は、像センサ50上のピンホール絞り40の像がオートコリメータの光軸に対して再度中心に置かれるまで、相互に調節される。

0067

同様に、干渉計24は、回転テーブル30に対して正しい方向に置かれ得る。共通参照軸34に対して最適な方向付けは、平面ミラー及び球面レンズが採用された場合に、光検出器82により記録される強度が最大のときに得られる。

0068

b)間隔測定
多レンズ試験片62の曲率中心の位置を測定する目的のために、最初にステップST1では、表面S1、S2、及びS3の間隔が干渉計24を用いて測定される。しかし、再現可能かつ精度のよい測定結果を得るために、この場合に、干渉計24の測定光線70は、試験片62の光軸に対して非常に精度よく正しい方向に置かれなければならない。測定光線40が光学面S1、S2、及びS3に垂直に入射する場合に限り、表面S1、S2、及びS3から反射された十分な測定光が光検出器82に戻り、参照光線72との干渉に貢献できる。このことは、曲率中心K1、K2、及びK3が参照軸34上にあるという要件と同等である。

0069

しかし、一般に、この条件は受け入れられない。なぜなら、図5に示されるように、試験片62は、最初に回転テーブル30上で偏心(tilted and/or decentred)した状態に保持されるからである。この理由により、一般に、試験片62を収容する試験片レセプタクル28を、曲率中心K1、K2、及びK3により定義される試験片62の光軸が参照軸34と揃うように、最初に干渉計24に対して正しい方向に置く必要がある。すでに事前調節された干渉計24の場合に、このことは、試験片62を収容する試験片レセプタクル28が回転テーブル30上で偏心(tilted)及び/又は移動されることを意味する。

0070

しかし、試験片62の光軸は、そもそもまったく不明である。この理由により、干渉計24に対する試験片62の方向付けの前に、試験片62の光軸を一時的に決定する必要がある。この目的のために、いくつかの可能性が考慮される。

0071

i)曲率中心の位置の一時的測定
1つの可能性は、間隔の測定の前に、表面S1、S2、及びS3の曲率中心の位置を一時的に決定し、試験片62の光軸を導出することにある。曲率中心の位置がオートコリメータ22を用いてどのように測定されるかは、以下に3.c)節でより詳細に説明される。

0072

一時的に決定された曲率中心K1、K2、及びK3からの試験片62の光軸の導出は、様々な方法で行われ得る。例えば、試験片62の光軸として定義される回帰直線が、曲率中心K1、K2、及びK3を通って置かれ得る。回帰直線の定義に関連して、曲率中心K1、K2、及びK3の重み付けも行われ得る。その重み付けは、例えば、問題の表面の曲率半径に適合される。図5には、そのように決定された一時的な光軸が、点線により示され、92により示される。

0073

光軸92の決定は一時的なものにすぎず、最高精度を要求しないので、光軸92はより簡便に定義され得る。例えば、最初の表面S1及び最後の表面S3それぞれの曲率中心K1及びK3だけが、一時的な光軸がこれらの曲率中心を通るように、考慮されてもよい。

0074

ii)透過測定(measurement in transmission)
試験片62の光軸92を一時的に決定する別の可能性は、試験片62に光を透過させることにある。この目的のために、試験光線を試験片62に向けるために、干渉計24の白色光源64が利用される。試験光線は、試験片62を通過し、ズームレンズ46、コリメータレンズ44、及びビーム分割器42も通過し、像センサ50上に光点を生成する。曲率中心K1、K2、及びK3が参照軸34上にあれば、試験光線は、光学面S1、S2、及びS3を垂直に通過し、結果として参照軸34に沿って直線的に伝わる。

0075

しかし、一般に、曲率中心K1、K2、及びK3は、参照軸34上にあるとは限らない。試験光線は、表面S1、S2、及びS3に垂直ではなく、斜めに当たり、試験片62を通過するときに、表面S1、S2、及びS3での屈折により偏向される。この屈折により、像センサ50上の光点も、参照軸34から移動される。

0076

試験片62への試験光の通過の間に、試験片62が回転テーブル30を用いて参照軸34の周りを回転されれば、像センサ50上の光点も参照軸34の周りを移動する。しかし、この光点の経路から、曲率中心K1、K2、及びK3の位置は、定量的に推測され得ない。しかし、試験片62を収容する試験片レセプタクル28が、像センサ50上の光点の円軌道が最小直径を有するまで偏心(tilted)及び/又は移動されれば、参照軸34からの曲率中心K1、K2、及びK3の間隔も最小である。試験片62の光軸は、測定装置20の参照軸34に対して望まれるように、十分に正しい方向に置かれる。

0077

iii)シミュレーション
回転テーブル30上で試験片28を調節するさらなる可能性は、オートコリメータ22を用いて、変形i)と同様に、試験片62の表面S1、S2、及びS3の曲率中心K1、K2、及びK3の位置を一時的に決定することにある。事前に測定された曲率中心K1、K2、及びK3を有する試験片62が回転テーブル30に対して最適に正しい方向に置かれていれば、シミュレーションを用いて、例えばレイトレーシング工程を用いて、光検出器82で記録される強度が確認される。そのような最適な方向付けは、曲率中心K1、K2、及びK3が平均して参照軸34のできる限り近くにあるという事実により定義されていてもよい。必要に応じて、修正された基準が用いられてもよい。回転テーブル30上の試験片62の偏心(tilting)及び/又は移動は、事前に計算された強度が光検出器82により記録されるまで行われる。

0078

試験片62が上述の3つの変形i)〜iii)のうちの1つに従って測定装置20の参照軸34に対して最適に正しい方向に置かれた後に、表面S1、S2、及びS3の間隔が干渉計24を用いて測定される。この目的のために、参照光線72の光路長が上述のようにミラー74を移動させることにより調整され、光検出器82の干渉信号が記録及び評価される。

0079

c)曲率中心の位置の測定
次のステップST2では、表面S1、S2、及びS3の曲率中心K1、K2、及びK3の位置がオートコリメータ22を用いて検査される。これに関連して、手続は以下のとおり。

0080

多レンズ試験片62の場合に、光学面S1、S2、及びS3の曲率中心K1、K2、及びK3の位置を測定するために、いくつかの測定手続が連続して行われなければならない。その際に、例えば、オートコリメータ22の最も近くにある光学面から開始される。試験片62の場合に、この光学面は表面S1である。

0081

表面S1の曲率中心の位置を決定する目的ために、オートコリメータ22のズームレンズ46は、角度測定光の焦点48が設計データに基づいて予期される曲率中心の近くにあるように移動される。そして、回転テーブル30が回転され、像センサ50上のピンホール絞り40の像の移動が記録される。第2節で図6及び7を参照して上述したように、表面S1の曲率中心K1の位置は、参照軸34の周りの試験片の回転の間に像センサ50上のピンホール絞り40の像が移動する円軌道の中心点から導出され得る。

0082

最初の表面S1の曲率中心K1の位置が確認された後に、ズームレンズ46は、角度測定光の焦点48が少なくともほぼ光の伝搬の方向の次の表面S2の曲率中心K2に来るように移動される。しかし、オートコリメータ22から発する角度測定光は、事前にすでに検査された表面S1も通過するので、次の測定の間に得られる測定値は、最初の表面S1の光学的効果により計算的に補正されなければならない。これに関連して、ステップST3では、すでに検査された表面S1の曲率中心K1の位置が計算的に考慮され、ステップST4では、干渉計24を用いてすでに測定された、参照軸34に沿った2つの表面S1及びS2の間隔が計算的に考慮される。ステップST3及びST4は、一般に、測定手続全体の最後の共通補正計算の一部である。

0083

最初の表面S1の光学的効果の決定に関連して、通常、この表面の曲率半径が必要とされる。球面レンズの場合に、曲率半径は、曲率中心K1、K2、及びK3の位置並びに表面S1、S2、及びS3の間隔から直接導出され得る。代替方法として、曲率半径は、表面S1の設計データから得られてもよいし、追加の測定手続でオートコリメータ22を用いて測定されてもよい。なぜなら、球面レンズの場合の曲率半径は、曲率中心K1と光学面S1上の任意の点との間隔に等しいからである。そのような点の位置は、光学面S1に置かれる、ズームレンズ46の焦点48により、簡便に測定され得る。像センサ50上に生じるピンホール絞り40の像は、最大強度を有する。

0084

同様に考慮される、参照軸34に沿った最初の表面S1及び次の表面S2の間隔について、従来技術のように、設計データに基づくのではなく、干渉計24を用いて事前に確認された、この間隔の測定値に基づくことが強調されるべきである。

0085

試験片62の残りのすべての光学面について、曲率中心の位置の測定は同様に行われる。これに関連して、ステップST3及びST4に従った、前方にあるすべての表面の曲率中心の位置、及び前方にある表面の干渉計により測定された間隔は、常に計算的に考慮される。このように、すべての曲率中心K1、K2、及びK3の空間的配置が得られる。

0086

試験片62の光軸92を一時的に決定し、間隔測定の目的のために、試験片62を参照軸34上に正しい方向に置けるように、曲率中心K1、K2、及びK3の位置の検査が事前にすでに行われていれば、ステップST2でのこの測定は繰り返され得る。なぜなら、所定の環境下で、曲率中心K1、K2、及びK3の位置の測定に関連するより高い精度は、より正しい方向に置かれた試験片62により得られるからである。しかし、代替方法として、この目的のために、すでに得られた測定の結果、即ち、個々の表面S1、S2、及びS3について像センサ50上に得られた光のパターンを用い、以前ステップST1で精度よく検査された、表面S1、S2、及びS3の間隔を計算的評価で考慮することが、同様に可能である。ステップST1及びST2は、逆の順番で行われる。

0087

さらに、曲率中心K1、K2、及びK3の位置の測定を、上述のように光学面S1、S2、及びS3の順番ではなく、望まれる曲率中心の順番で行ってもよい。図5に示される試験片の場合に、このことは、オートコリメータ22の焦点48が、そもそも最初の表面S1の予期される曲率中心K1にではなく、オートコリメータ22の最も近くにある表面S3の曲率中心K3に置かれることを意味する。この測定ステップの後に、ズームレンズ46は、焦点48が次に近くにある曲率中心(ここでは、次の表面S2の曲率中心K2)等にほぼ置かれるように移動される。このように、ズームレンズ46は、測定ステップ間最小移動経路を進むことが保証される。同様の理由により、測定は、逆の順番で、即ち、オートコリメータから最も遠くにある曲率中心の位置の測定から行われてもよい。この場合に、ステップST3及びST4に従った、曲率中心の測定された位置及び間隔の計算的考慮は、すべての測定されたデータの記録の後に共通反復評価工程で行われ得るという事実が、いかなる場合も利用される。

0088

測定の結果は、試験片62の曲率中心の非常に正確な決定であり、光学面S1、S2、及びS3の実際の間隔の、設計データからのずれによっても反証されない。正確に確認された曲率中心及び測定された間隔から、コンピュータ26は、曲率半径も正確に決定できる。非常に精度よく測定された空気分離及び試験片62のレンズの中心の厚みが、測定の有益な結果としてさらに得られる。結果として、とりわけ曲率中心の位置について望まれる値を含む、設計データの組から始まり、レンズ間の空気分離及びレンズの中心の厚み、即ち、補正された実際のデータの組が得られる。規定された望まれる値は、高精度な測定値により置換されている。

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