JP2004163207A

JP2004163207A - レンズ測定装置および測定方法

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Publication number: JP2004163207A
Application number: JP2002328140A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Tanaka; 宏和田中; Takehiko Koike; 毅彦小池
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】様々な被検レンズにフレキシブルに対応でき、なおかつ、様々な条件での測定を可能とするレンズ測定装置を提供する。
【解決手段】基準チャート４と、被検レンズ１により撮像面に結像した基準チャート４の像の光強度分布を電気信号に変換する撮像素子２とを有するレンズ測定装置において、基準チャート４と撮像素子２とを互いに独立して移動可能な移動手段３、１０を備えた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、銀塩フィルムを用いたカメラやデジタルカメラなどのレンズ測定装置および測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般にレンズの結像性能を測定する装置としてＭＴＦ測定機が知られている。ＭＴＦは、レンズ等の結像性能を総合的に表す量であり、レンズの空間周波数特性を示し、空間的な正弦波をレンズに入力したときのレンズによる像の振幅と物体側の振幅との比として表される。ＭＴＦは被検レンズによる点像・線像・エッジ像などの光強度分布を電気的に検出し、フーリエ変換等の信号処理を行って測定する。
【０００３】
従来のレンズ性能測定装置としては、以下にその概要を記述する「光学性能評価測定装置」（従来例１）がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
光学性能評価測定装置は、投影手段に設けたテストパターンを測定光学系により受光手段に投影し、該受光手段で得られたテストパターン像を利用して演算手段により該測定光学系の光学性能を評価する際、該投影手段は光源からの光束を光ファイバーで導光し、該光ファイバーの射出面からの光束により該テストパターンの一部又は全部を照明する照明系を有していることを特徴としている。特に、前記投影手段は前記光ファイバーの射出面が前記テストパターン面と平行な面内において移動可能となる移動機構を有していることや、前記移動機構は前記光ファイバーへ射出面が複数の位置に移動可能となる自動移動機構より成り、前記投影手段は該光ファイバーの射出面の複数の移動位置を記憶するティーチング機構と、該光ファイバーの射出面を該複数の位置に移動させる移動制御機構を有していることを特徴としている。
【０００５】
また、投影手段に設けたテストパターンを測定光学系により所定面上に投影し、該所定面上に投影したテストパターン像を用いて該測定光学系の光学性能を評価する際、該投影手段は光源からの光束を周囲に少なくとも１つのリミットセンサーを設けた光ファイバーで導光し、該光ファイバーの射出面からの光束により該テストパターンの一部又は全部を照明する照明系と該光ファイバーの射出面が該テストパターン面と平行な面内において移動可能な移動機構とを有していることを特徴としている。
【０００６】
一般に、レンズの解像度を評価する性能評価法として、投影試験、撮影試験、空中像観測の３方法が用いられているが、このうち最も高い解像度を与える評価方法は空中像観測法である。この空中像観測法は被検レンズによって作られた空中像を顕微鏡などに用いられる高性能な像拡大検出光学系を通して観察する技術が周知である。この技術を用いると、肉眼では捉え難い高周波成分を高精度に捉えることが可能となる。
【０００７】
上記結像光学系の空中像観測方法を用いたＭＴＦ測定装置として、以下に概要を記述する「レンズの解像性能検査装置」（従来例２）がある（特許文献２参照。）。
【０００８】
レンズの解像性能検査装置は、顕微鏡によるチャートパターンの拡大像に応じて光電変換する固体撮像素子と、この固体撮像素子からの光電信号を電気的に演算処理することにより被検レンズの焦点位置および解像力を検査する演算手段とを設けてレンズの解像性能検査装置を構成してある。また、軸外方向に配列されたチャートパターンのうち一方をメリジオナル方向のチャートパターンとし、他方をサジタル方向のチャートパターンとした場合において、被検レンズをその光軸を中心に回動自在に保持する保持手段と、前記ザジタル方向のチャートパターンに応じて被検レンズの全周についてサジタル方向の解像力を検査する固体撮像素子と、前記メリジオナル方向のチャートパターンに応じて被検レンズの全周についてメリジオナル方向の解像力を評価する演算手段とを設けてレンズの解像性能検査装置を構成するようにしてもよい。
【０００９】
【特許文献１】
特開平７−５０７４号公報（第２頁−第５頁、図１−図１０）
【特許文献２】
特開平２−１０３４３５号公報（第２１６頁−第２１７頁、第１図）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記従来技術にはつぎのような問題点があった。すなわち、従来例１においては、チャートは被検レンズの画角・光軸外測定位置に対応させた全視野１枚のチャートであるため、測定する被検レンズ、もしくは物点距離・光軸外位置などの測定条件によりチャートを変更する必要があった。また、１枚のチャート上の決まった位置に物点であるスリット等が設けてあるため、光軸外デフォーカス測定時に入射角によりチャート像位置が外側（内側）に変化する影響や、レンズの偏心およびディストーション等により光軸位置や光軸外位置が変化する影響を受けてしまい、正しく像が結べないという問題があった。また、ファイバー光源や面光源によるチャート背面からの透過照明を用いた光軸外測定では、ｃｏｓｉｎｅ４乗則や口径食（ビネット）によって光量が低下し、測定に必要な光量が得られないという問題が発生していた。
【００１１】
また、従来例２においては、光学測定を行う場合、被検レンズの光軸と装置の光軸とがズレていると、例えばレンズの光軸の傾き角を測定した場合、被検レンズを回転させることにより、傾き角の絶対値は変化してしまう。このため測定装置の光軸と被検レンズの光軸とを合致させて測定する必要がある。しかしながら、上記レンズの解像性能検査装置では、被検レンズの取り付け誤差や光軸を調整する場合、機械的な方法を用いるため、光軸調整の精度はよくて数十ミクロン、または数十秒、悪い場合は百ミクロン、または一分を超えることもあるため、精度良く光軸を調整することは困難である。また、被検レンズの取り付け位置のばらつきも機械精度に影響され、光軸ズレが発生するという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、請求項１、２、３、４、５または６に係る発明の課題は、様々な被検レンズにフレキシブルに対応でき、なおかつ、様々な条件での測定を可能とするレンズ測定装置を提供することである。また、光軸外デフォーカス測定時の入射角によるチャート像位置の変化や、レンズの偏角およびディストーション等による光軸位置や光軸外位置の変化の影響を排除した測定ができるレンズ測定機を提供することである。さらに、光軸外測定時に発生する光量不足を防止できるレンズ測定装置を提供することである。
【００１３】
請求項７、８、９または１０に係る発明の課題は、被検レンズの傾き角やＭＴＦ等のレンズ性能を高精度に測定することができるレンズ測定方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１、３、４、５または６に係る発明は、基準チャートと、被検レンズにより撮像面に結像した前記基準チャートの像の光強度分布を電気信号に変換する撮像素子とを有するレンズ測定装置において、前記基準チャートと前記撮像素子とを互いに独立して移動可能な移動手段を備えた。
【００１５】
請求項２に係る発明は、光源と、該光源で照明された基準チャートと、被検レンズにより結像された該基準チャートの像を拡大する拡大光学系と、該拡大光学系により拡大された基準チャートの像の光強度分布を電気信号に変換する撮像素子とを有するレンズ測定装置において、前記基準チャートと前記撮像素子とを互いに独立して移動可能であり、かつそれぞれの位置座標を読み出し可能な移動手段と、被検レンズを回転可能に保持する保持回転手段と、読み出した座標位置情報を演算処理する演算処理手段とを備えた。
【００１６】
請求項７、８、９または１０に係る発明は、被検レンズにより基準チャートの像を撮像素子上に結像させて前記被検レンズの性能を測定するレンズ測定方法において、前記被検レンズの光軸を求める工程と、この光軸に前記撮像素子の光軸を一致させて被検レンズの性能を測定する工程とを有する。
【００１７】
請求項１に係る発明のレンズ測定装置では、基準チャートと撮像素子とを互いに独立して移動可能な移動手段を備えたことにより、基準チャートの位置と撮像素子の位置とが移動手段により、基準チャートと撮像素子とは、互いに任意な撮像位置に配置可能となる。
【００１８】
請求項２に係る発明のレンズ測定装置では、基準チャートと撮像素子とを互いに独立して移動可能であり、かつそれぞれの座標位置を読み出し可能な移動手段と、被検レンズを回転可能に保持する保持回転手段と、読み出した座標位置情報を演算処理する演算処理手段とを備えたことにより、基準チャートと撮像素子とは、互いに任意な撮像位置に配置可能となり、かつ、保持回転手段により被検レンズを回転させて、任意の回転位置における基準チャートのそれぞれの座標位置を読み出し、演算処理手段によりこの座標位置を演算して測定条件を設定する。
【００１９】
請求項３に係る発明のレンズ測定装置では、撮像素子に結像した基準チャートの像に基づいて、この基準チャートの像が結像する座標位置を求める演算処理手段を備えるとともに、この求めた座標位置に前記撮像素子を移動させるように構成したことにより、常に基準チャートの像を撮像素子の中心に映し出す。
【００２０】
請求項４に係る発明のレンズ測定装置では、被検レンズを回転可能に保持する保持回転手段を有することにより、保持回転手段により被検レンズを回転させ、任意の回転位置における基準チャートの像を撮像素子に映し出す。
【００２１】
請求項５に係る発明のレンズ測定装置では、基準チャートの種類を切り替えるチャート切り替え手段を有することにより、チャート切り替え手段により基準チャートの種類を切り替える。
【００２２】
請求項６に係る発明のレンズ測定装置では、基準チャートを回転中心にして、基準チャートを照明する光源を揺動させる揺動手段を有することにより、揺動手段により光源が基準チャートを回転中心にして揺動し、揺動された位置から斜めに基準チャートを照明する。
【００２３】
請求項７に係る発明のレンズ測定方法では、被検レンズの光軸を求める工程と、この光軸に前記撮像素子の光軸を一致させて被検レンズの性能を測定する工程とを有することにより、被検レンズの光軸を求めてから、この光軸に撮像素子の光軸を一致させて、被検レンズの光学性能を測定する。
【００２４】
請求項８に係る発明のレンズ測定方法では、被検レンズの光軸を求める工程は、基準チャートに対して被検レンズをその光軸を回転軸にして回転させて基準チャートの座標位置を取得する工程と、取得した座標位置に基づき演算処理手段により被検レンズの光軸を算出する工程とからなることにより、被検レンズを回転させて基準チャートの座標位置を把握し、演算処理手段により把握した基準チャートの座標位置を演算して被検レンズの光軸を求める。
【００２５】
請求項９に係る発明のレンズ測定方法では、基準チャートを被検レンズに対して、光軸外の少なくとも３ヶ所の異なる位置に配置する工程と、それぞれの位置の基準チャートに対して被検レンズを回転させてそれぞれの位置における基準チャートの光軸を求める工程と、これらそれぞれの位置における基準チャートの光軸から演算処理手段により被検レンズの光軸を算出する工程とを有することにより、光軸外における少なくとも３ヶ所の異なる位置から基準チャートの光軸を求め、これらそれぞれの位置における基準チャートの光軸から演算処理手段により被検レンズの光軸を算出する。
【００２６】
請求項１０に係る発明のレンズ測定方法では、被検レンズの設計データを演算処理手段に入力する工程と、設計データに基づいて演算処理手段により被検レンズの光路を求める工程と、この求めた光路に基づいて基準チャートと撮像素子との位置を移動させる工程とを有することにより、被検レンズの設計データを演算処理手段に入力し、この設計データから演算処理手段により被検レンズの光路を求め、この求めた光路に基づいて基準チャートと撮像素子との位置をそれぞれ移動させる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、具体的な実施の形態について説明する。
【００２８】
（実施の形態１）
図１〜３は実施の形態１を示し、図１はレンズ測定装置の構成図、図２は物点距離を変更した測定時のレンズ測定装置の状態を示す説明図、図３は光軸外位置での測定時のレンズ測定装置の状態を示す説明図である。
【００２９】
図１において、被検レンズ１は、レンズ測定装置のベース２０の上面に立設された取付け台２１上に固定されている。被検レンズ１の背面側（図中右側）には、撮像素子２が配設され、撮像素子２は移動手段としての撮像素子アクチュエータ３の移動面に装着されており、ＸＹＺの３次元移動が可能に構成されている。撮像素子アクチュエータ３は、Ｘ方向（図中奥行き方向）アクチュエータ３ａ、Ｙ方向（図中上下方向）アクチュエータ３ｂ、Ｚ方向（図中左右方向）アクチュエータ３ｃから構成されている。Ｚ方向アクチュエータ３ｃは、ベース２０上に敷設され、Ｚ方向アクチュエータ３ｃの移動ステージ上にはＹ方向アクチュエータ３ｂが立設され、Ｙ方向アクチュエータ３ｂ上にはＸ方向アクチュエータ３ａが横設され、Ｘ方向アクチュエータ３ａ上には撮像素子２が取着されている。
【００３０】
被検レンズ１の正面側（図中左側）には、基準チャートとしてのチャート４が配設され、その外径心を軸に矢印θ方向に回転可能となっており、隣設されたチャートモータ５の駆動により回転する。また、チャート４には、それぞれ径の異なるピンホールチャート４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが配置されている。チャート４の背面側（図中チャート４の左側）には、光源としての光源ランプ６が配設され、チャート４を背面より透過照明する。光源ランプ６は、リンク７上に装着され、リンク７はリンクモータ８の駆動により、チャート４のピンホールチャート４ｃ（図１で使用中の場合）の中心を回動中心にして矢印α方向に揺動可能となっている。また、光源ランプ６、リンク７およびリンクモータ８は一体で揺動手段としての光源ユニット２２を構成し、回転モータ９の駆動により、光源ランプ６の光軸（被検レンズ１の光軸と一致している）を中心に矢印β方向に回転する。また、チャート４、チャートモータ５、光源ユニット２２および回転モータ９は一体でチャート切り替え手段としてのチャートユニット２３を構成し、後述するチャートアクチュエータ１０の移動面に配設されている。
【００３１】
移動手段としてのチャートアクチュエータ１０は、撮像素子アクチュエータ３と同様に、Ｘ方向（図中奥行き方向）アクチュエータ１０ａ、Ｙ方向（図中上下方向）アクチュエータ１０ｂ、Ｚ方向（図中左右方向）アクチュエータ１０ｃから構成されている。Ｚ方向アクチュエータ１０ｃは、ベース２０上に敷設され、Ｚ方向アクチュエータ１０ｃの移動ステージ上にはＹ方向アクチュエータ１０ｂが立設され、Ｙ方向アクチュエータ１０ｂ上にはＸ方向アクチュエータ１０ａが横設され、Ｘ方向アクチュエータ１０ａ上にはチャートユニット２３が取着されている。
【００３２】
演算処理手段としての演算装置１１は、撮像素子２からの画像信号が図示しない画像ケーブルにて入力され、さらに、撮像素子アクチュエータ３、チャートモータ５、リンクモータ８、回転モータ９およびチャートアクチュエータ１０と図示しない制御線にてそれぞれ接続されている。
【００３３】
つぎに、上記構成のレンズ測定装置を用いたレンズのＭＴＦの測定方法にについて説明する。
【００３４】
図１は、被検レンズ１のある物点距離で光軸上のＭＴＦを測定する場合を示している。チャート４は、光源ランプ６により背面から透過照明され、被検レンズ１の物点となる。被検レンズ１によって結像したチャート４の像の光強度分布を撮像素子２で観察し、その画像情報を演算装置１１で画像処理・演算することにより、被検レンズ１のＭＴＦを算出する。その際、得られた画像情報により撮像素子２にチャート４の像が結像するように、撮像素子アクチュエータ３のＸ方向アクチュエータ３ａとＹ方向アクチュエータ３ｂとにより撮像素子２を移動させる。また、撮像素子２の光軸方向（図中矢印Ｚ方向）は、撮像素子アクチュエータ３のＺ方向アクチュエータ３ｃを所定の位置で固定し、既定の像面で評価を行ったり、Ｚ方向アクチュエータ３ｃを作動させ、ベスト像面等を検出することも可能である。当然、Ｚ方向アクチュエータ３ｃをあるピッチで移動させ、その都度、被検レンズ１のＭＴＦを算出することも可能である。
【００３５】
図２は、図１と異なる物点距離でＭＴＦを測定する場合を示している。チャートアクチュエータ１０のＺ方向アクチュエータ１０ｃを作動し、物点であるチャート４を任意の位置に移動する。図２に一点鎖線で示した図１におけるチャート位置に比較して遠い位置に物点を設定している。物点が遠いということは、被検レンズ１の状態が図１と変わらない場合、結像倍率が小さくなることを意味する。結像倍率が小さくなれば、同じ径のチャート４を用いた場合、像面上でのチャート４の像径も小さくなる。空間周波数〔本／ｍｍ〕＝−１／（ピンホール径〔ｍｍ〕×結像倍率〔倍〕）で表せるため、測定する空間周波数を保持するには、ピンホール径を大きくする必要がある。そこでチャートモータ５を作動させ、ピンホルチャート４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄから所望の空間周波数を得られるピンホールチャートを選択する。
【００３６】
図２では、図１でピンホールチャート４ｃを用いていたが、物点距離が遠くなり、結像倍率が下がったことから、ピンホール径の大きいピンホールチャート４ｄに切り換えて測定を行っている。物点距離等の変更はこの方法で対応する。被検レンズ１によって結像したピンホールチャート４ｄの像を撮像素子２で観察し、その画像情報を演算装置１１で画像処理・演算することにより被検レンズ１のＭＴＦを算出する。その際、得られた画像情報から結像したピンホールチャート４ｄの像が撮像素子２の中心を保持するように、撮像素子アクチュエータ３のＸ方向アクチュエータ３ａとＹ方向アクチュエータ３ｂを追従動作させる。また、撮像素子２の光軸方向（図中矢印Ｚ方向）は、撮像素子アクチュエータ３のＺ方向アクチュエータ３ｃを所定の位置で固定し、既定の像面上で評価を行ったり、Ｚ方向アクチュエータ３ｃを動作させ、ベスト像面等を検出することも可能である。当然、Ｚ方向アクチュエータ３ｃをあるピッチで移動させ、その都度、被検レンズ１のＭＴＦを算出することで、被検レンズ１のデフォーカス特性を測定することも可能である。
【００３７】
図３は、図１と物点距離は同一で光軸外位置でＭＴＦ測定を行う場合を示している。被検レンズ１の測定像高と結像倍率とから、物点位置（光軸からの物点位置〔ｍｍ〕＝測定像高〔ｍｍ〕／結像倍率〔倍〕）を算出する。チャートアクチュエータ１０のＸ方向アクチュエータ１０ａとＹ方向アクチュエータ１０ｂとを動作させ、その位置にチャート４を移動する。また、撮像素子アクチュエータ３のＸ方向アクチュエータ３ａとＹ方向アクチュエータ３ｂとを作動させ、撮像素子２の中心が測定位置にくるように移動させる。その位置でのピンホールチャート４ｃから被検レンズ１への入射光線（簡略化して図示する）と、水平軸（被検レンズ１の光軸）とのなす角度をω、垂直軸とのなす角度をγとする。リンクモータ８を作動させ、光源ランプ６とピンホールチャート４ｃとを結ぶ光軸が水平軸となす角度αが、前記ωに等しくなるように矢印α方向に移動させる。また、回転モータ９を作動させ、光源ランプ６とピンホールチャート４ｃとを結ぶ光軸が垂直軸となす角度がγに等しくなるように移動させる。これにより、ピンホールチャート４ｃから被検レンズ１への入射光線軸と、光源ランプ６の光軸とを一致させることができる。光軸外位置等の変更時は、この方法で対応する。
【００３８】
被検レンズ１によって結像したピンホールチャート４ｃの像を撮像素子２で観察し、その画像情報を演算装置１１で画像処理・演算することにより、被検レンズ１のＭＴＦを算出する。その際、得られた画像処理情報から結像したピンホールチャート４ｃの像が撮像素子２の中心を保持するように、撮像素子アクチュエータ３のＸ方向アクチュエータ３ａとＹ方向アクチュエータ３ｂとを追従移動させる。また、撮像素子２の光軸方向（図中Ｚ方向）は、撮像素子アクチュエータ３のＺ方向アクチュエータ３ｃを所定の位置で固定し、既定の像面上で評価を行ったり、Ｚ方向アクチュエータ３ｃを作動させ、ベスト像面等を検出することも可能である。当然、Ｚ方向アクチュエータ３ｃをあるピッチで移動させ、その都度被検レンズ１のＭＴＦを算出することで、被検レンズ１のデフォーカス特性を測定することも可能である。
【００３９】
本実施の形態によれば、被検レンズ１の結像倍率に対応して物点であるピンホールチャート４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを切り換え、なおかつ任意の位置にチャートアクチュエータ１０により３次元移動することにより、様々な被検レンズにフレキシブルに対応でき、なおかつ様々な条件での測定を可能とするレンズ測定装置を提供することができる。
【００４０】
また、被検レンズ１によって結像された撮像素子２上のピンホールチャート像位置を演算装置１１により探知し、撮像素子２ならびにチャート４をそれぞれ撮像素子アクチュエータ３およびチャートアクチュエータ１０で３次元移動させて、ピンホールチャート像が撮像素子２上の指定位置での結像を保持するように追従移動することにより、光軸外デフォーカス測定時の入射角によるチャート像の位置変化や、被検レンズ１の偏角およびディストーション等による光軸位置や光軸外位置の変化の影響を排除した測定ができるレンズ測定機を提供することができる。
【００４１】
また、光源ランプ６を測定する被検レンズ１の軸外位置（像高）により変わる入射角に対応してリンク７およびリンクモータ８の動作で傾斜させることにより、光軸外測定時に発生する光量不足を防止できるレンズ測定機を提供することができる。
【００４２】
（実施の形態２）
実施の形態２のレンズ測定装置は、基本的には実施の形態１のレンズ測定装置と同じ構成になっている。異なる点は、図１〜図３における演算装置１１内には、光学的設計ツールもしくはその設計データ処理ツールがインストールされていることである。
【００４３】
つぎに、上記構成のレンズ測定装置を用いたレンズのＭＴＦの測定方法は、基本的に実施の形態１と同一であり、ここでは異なる部分について説明する。
【００４４】
実施の形態１では、図１〜図３において、撮像素子アクチュエータ３およびチャートアクチュエータ１０は、被検レンズ１の使用などから得られる近軸位置を基準に駆動していた。実施の形態２では、演算装置１１にインストールされた光学的設計ツールもしくはその設計データ処理ツールにより、演算装置１１に入力された被検レンズ１の光学設計データ等から、偏心およびディストーション等の影響を反映し、最適な測定条件を算出する。撮像素子アクチュエータ３およびチャートアクチュエータ１０の移動位置に補正をかけることにより、その最適な測定条件を成立させる。
【００４５】
本実施の形態によれば、被検レンズ１の光学設計データ等を演算装置１１でリンクすることにより、被検レンズ１の偏心およびディストーション等の影響を反映することができる。それにより、予め撮像素子２の位置、ならびにチャート４の位置等の最適な測定条件を算出し、撮像素子アクチュエータ３とチャートアクチュエータ１０を近軸位置ではなく実際結像位置に補正移動させることが可能になり、より測定時間の短いレンズ測定装置を提供することができる。
【００４６】
（実施の形態３）
図４〜図８は実施の形態３を示し、図４はレンズ測定装置の構成図、図５は物点および像点の座標位置を示す説明図、図６はレンズ測定方法の手順を示すフローチャート、図７は図６におけるステップＳ３のＡルーチンの内容を示すフローチャート、図８はＣＣＤ面上に描かれた円の説明図である。
【００４７】
まず、レンズ測定装置の構成について説明する。図４において、基準チャート１０１は、任意の円形開口部を設けており、レンズ測定装置の装置光軸と直交するように配設されている。この基準チャート１０１はハロゲンランプやキセノンランプなどからなる光源１０２により照明されており、ボールネジ付きステージ等の移動手段としての移動機構１０３、１０４、１０５でそれぞれ装置光軸方向（図中Ｚ方向）、装置光軸方向に垂直な方向の図中Ｘ方向およびＹ方向に、即ち３次元的に移動可能に構成されている。移動機構１０３はレンズ測定装置の基台１２０の上面左端に固定されている。移動機構１０３の右方の基台１２０の上面には、基準チャート１０１に対して垂直な回転軸をもつ保持回転手段としての保持回転機構１１３が配設され、被検レンズ１００が回転可能に保持されている。
【００４８】
保持回転機構１１３の右方の基台１２０の上面には、ボールネジ付きステージ等の移動手段としての移動機構１０７、１０８、１０９が、それぞれ装置光軸方向に垂直な方向の図中Ｘ方向およびＹ方向、装置光軸方向（図中Ｚ方向）に、即ち３次元的に移動可能に配設されている。移動機構１０７には、拡大光学系としての顕微鏡対物レンズ１０６が装着されており、顕微鏡対物レンズ１０６は、被検レンズ１００の持つ収差に比べ、遙に良好な収差補正がなされた拡大光学系で形成され、その光軸は基準チャート１０１に直交する軸に平行に配置され、被検レンズ１００による基準チャート１０１の縮小像を拡大し得るようになっている。
【００４９】
顕微鏡対物レンズ１０６の右方には、撮像素子としての２次元のＣＣＤセンサ１１０が配設され、ＣＣＤセンサ１１０は、被検レンズ１００と顕微鏡対物レンズ１０６とにより生成された基準チャート１０１の像の結像位置に配置されている。ＣＣＤセンサ１１０も、顕微鏡対物レンズ１０６とともに、ボールネジ付きステージ等の移動機構１０７、１０８、１０９により３次元的に移動することが可能となっている。ＣＣＤセンサ１１０は、画像処理装置１１１に接続されており、画像処理装置１１１は演算処理手段としてのコンピュータ１１２に接続されている。コンピュータ１１２は、画像処理装置１１１から出力される基準チャート１０１の像の情報から、傾き角やＭＴＦを算出するための演算処理を行う。また、移動機構１０３、１０４、１０５、１０７、１０８、１０９の移動方向および速度、保持回転機構１１３の回転方向および速度を制御するための信号をコントーラ１１４に送信し、各軸の制御が行われる。さらに、コンピュータ１１２は、コントローラ１１４、制御装置１１５を介して、各移動機構１０３、１０４、１０５、１０７、１０８、１０９および保持回転機構１１３の現在位置情報を読み出すことが可能になっている。
【００５０】
つぎに、上記構成のレンズ測定装置を用いたレンズ測定方法について、図４〜図７を参照しながら説明する。図６において、ステップＳ１で、移動機構１０３、１０４、１０５により、基準チャート１０１を任意の物点位置の測定ポイントへ移動する。つぎに、顕微鏡対物レンズ１０６を移動機構１０７、１０８により基準チャート１０１の結像位置に移動する。このとき、基準チャート１０１の像がＣＣＤセンサ１１０に映らない場合には、移動機構１０４、１０５により装置光軸に垂直な面に沿って基準チャート１０１を移動させ、基準チャート１０１の像をサーチする。続いてステップＳ２で、移動機構１０９により顕微鏡対物レンズ１０６を装置光軸方向（図４中Ｚ方向）に移動させてピント検出を行い、顕微鏡対物レンズ１０６のピント位置を座標（Ｘ_Ｏ，Ｙ_Ｏ，Ｚ_Ｐ）に固定する（図５参照）。
【００５１】
ステップＳ３で、図７に示すＡルーチンに入り、ステップＳ１００で回転機構１１３を用いて被検レンズ１００を回転機構１１３の回転軸を中心にθ°回転する。ステップＳ１０１で装置光軸と垂直な方向（図４中Ｘ、Ｙ方向）に基準チャート１０１を移動させ、この移動によって生ずるＣＣＤセンサ１１０上における基準チャート１０１の像の移動量から、被検レンズ１００の結像倍率ｍを求める。ステップＳ１０２で、ステップＳ１０１で測定した被検レンズ１００の結像倍率および顕微鏡対物レンズ１０６の倍率を用いて、ＣＣＤセンサ１１０の中心に基準チャート１０１の像がくるように移動機構１０４、１０５を駆動して基準チャート１０１を移動させ、被検レンズ１００を介して、基準チャート１０１と顕微鏡対物レンズ１０６とが主光線上に位置するように設定する。
【００５２】
ステップＳ１０３で、現在の基準チャート１０１の座標位置（Ｘ_ｎ，Ｙ_ｎ）をコントローラ１１４、制御装置１１５を介して読み出し、コンピュータ１１２の読み出しメモリに格納する。続いて、被検レンズ１１０をθ°回転させ、同様に基準チャート１０１の座標位置（Ｘ_ｎ，Ｙ_ｎ）をメモリに格納する。上記ステップＳ１００〜Ｓ１０４をｃｎｔ回繰り返す（ステップＳ１０４）。但し、ｃｎｔは３回以上とする。ステップＳ１０５で主光線と基準チャート１０１の交点座標を算出する。被検レンズ１００を回転させると、図８に示すように、被検レンズ１００の傾き角の影響で、ＣＣＤセンサ１１０面上には円が描かれる。この円の中心が被検レンズ１００の光軸となるため、上記ステップＳ１００〜Ｓ１０４により測定した結果（Ｘ_ｎ，Ｙ_ｎ）から、最小自乗法などにより円の中心座標（Ｘ_ｃ，Ｙ_ｃ）を算出する。つぎに、図６に示すフローチャートのステップＳ４で被検レンズ１００の光軸位置を算出する。
【００５３】
図５において、被検レンズ１００の光軸位置を通る水平面から、基準チャート１０１の座標位置（Ｘ_ｎ，Ｙ_ｎ）までの距離ａ、ｂをＸ方向にａ_Ｘ、ｂ_Ｘ、Ｙ方向にａ_Ｙ、ｂ_Ｙとすると、それぞれ下記のような関係が成立する。
（ａ_Ｘ＋ｂ_Ｘ，ａ_Ｙ＋ｂ_Ｙ）＝（Ｘ_Ｃ−Ｘ_Ｏ，Ｙ_Ｃ−Ｙ_Ｏ）
ただし（Ｘ_Ｏ，Ｙ_Ｏ）は設備光軸とする。
【００５４】
【数１】

【００５５】
光軸座標は（Ｘ_ＯＬ，Ｙ_ＯＬ）は以下のようになる。
（ａ_Ｘ＋ｂ_Ｘ，ａ_Ｙ−ｂ_Ｙ）＝（Ｘ_Ｃ−Ｘ_Ｏ，Ｙ_Ｃ−Ｙ_Ｏ）
ステップＳ５で被検レンズ１００の光軸位置（Ｘ_ＯＬ，Ｙ_ＯＬ）に、装置光軸位置を合わせることにより、ステップ６で精度良く被検レンズ１００の傾き角およびＭＴＦの測定を行う。なお万が一、基準チャート１０１のＸ、Ｙと顕微鏡対物レンズ１０６のＸ、Ｙとの絶対位置関係が分からない場合には、顕微鏡対物レンズ１０６の光軸座標位置（Ｘ_ＩＬ，Ｙ_ＩＬ）を下記のように算出する。
（Ｘ_ＩＬ，Ｙ_ＩＬ）＝（ｂ_Ｘ×ｍ−Ｘ_ＩＯ，ｂ_Ｙ×ｍ−Ｙ_ＩＯ）
ただし、（Ｘ_ＩＯ，Ｙ_ＩＯ）は、顕微鏡対物レンズ１０６側の装置光軸座標である。
【００５６】
同様にして、被検レンズ１００を回転させたときの、ＣＣＤセンサ１１０に映し出される基準チャート１０１の像の描く円の軌跡と被検レンズ１００の結像倍率とを用いて、像面側すなわち顕微鏡対物レンズ１０６側で被検レンズ１００の光軸を求めてもよい。
【００５７】
本実施の形態によれば、被検レンズの主光線位置を求めることにより、被検レンズの光軸を求められるので、これにより装置光軸と被検レンズの光軸とを合致させることができる。こうして、被検レンズの傾き角およびＭＴＦなどの光学性能を高精度に測定することができる。
【００５８】
（実施の形態４）
図９および図１０は実施の形態４を示し、図９は物点および像点の座標位置を示す説明図、図１０はレンズ測定方法のフローチャートである。本実施の形態のレンズ測定方法に用いるレンズ測定装置は実施の形態３のものと同一のため、図４を参照して説明するとともに、図１０のフローチャートのステップＳ３では、図７のＡサブルーチンを引用して説明する。
【００５９】
図１０において、ステップＳ１では、移動機構１０３、１０４、１０５（図４参照）により、図９に示すように、基準チャート１０１を任意の物点位置の測定ポイントＺ１へ移動する。つぎに顕微鏡対物レンズ１０６を移動機構１０７、１０８により、基準チャート１０１の結像位置に移動する。このとき、基準チャート１０１の像がＣＣＤセンサ１１０に映らない場合には、基準チャート１０１を移動機構１０４、１０５により装置光軸に垂直な面（図４中Ｘ−Ｙ平面）に沿って移動させサーチする。ステップＳ２では、顕微鏡対物レンズ１０６を移動機構１０９により装置光軸方向（図４中Ｚ方向）に移動させてピント検出を行い、ピント位置に固定する。
【００６０】
ステップＳ３では、図７に示すＡルーチンに入り、主光線と基準チャート１０１の交点座標（Ｘ_Ｃ１，Ｙ_Ｃ１）を算出する。ステップＳ４では、基準チャート１０１を測定ポイントＺ_１以外の任意の物点位置の測定ポイントＺ_２へ移動する。このとき、基準チャート１０１の像がＣＣＤセンサ１１０に映らない場合には、移動機構１０４、１０５により装置光軸と垂直な面（図４中Ｘ−Ｙ平面）に沿って基準チャート１０１を移動させサーチする。ステップＳ５では、顕微鏡対物レンズ１０６を移動手段１０９により、図４中Ｚ方向に移動させてピント検出を行い、ピント位置に固定する。ステップＳ６では、図７に示すＡルーチンに入り、主光線と基準チャート１０１の交点座標（Ｘ_Ｃ２，Ｙ_Ｃ２）を算出する。
【００６１】
ステップ７では、被検レンズ１００の光軸位置を以下のように算出する。２点間の交点座標から主光線を図４中のＸ−Ｚ、Ｙ−Ｚ関数を求める。
【００６２】
【数２】

【００６３】
図９に示すように、被検レンズ１００の入射瞳位置をＺ_Ｅとすると、Ｚ＝Ｚ_ＥとなるＸ、Ｙ座標が被検レンズ１００の光軸位置となる。被検レンズ１００の光軸座標（Ｘ_Ｏ，Ｙ_Ｏ）を、下記のように算出する。
【００６４】
【数３】

【００６５】
ステップＳ８では、被検レンズ１００の傾き角およびＭＴＦの測定を行う。万が一、基準チャート１０１のＸ、Ｙと顕微鏡対物レンズ１０６のＸ、Ｙとの絶対位置関係が分からない場合には、顕微鏡対物レンズ１０６の光軸座標位置（Ｘ_ＩＬ，Ｙ_ＩＬ）を下記のように算出する。
【００６６】
【数４】

【００６７】
但し、（Ｘ_Ｃ１、Ｙ_Ｃ１）はステップＳ１０５で算出する測定ポイントＺ_１のときの基準チャート座標、ｍ_１はステップＳ１０２で測定する測定ポイントＺ_１のときの被検レンズ１００の結像倍率、（Ｘ_Ｉ，Ｙ_Ｉ）は顕微鏡対物レンズ１０６側の現在座標位置とする。
【００６８】
同様にして、被検レンズ１００を回転させたときの、ＣＣＤセンサ１１０に写し出される基準チャート１０１の像の描く円の軌跡と被検レンズ１００の結像倍率を用いて、像面側、すなわち、顕微鏡対物レンズ１０６側で被検レンズ１００の光軸を求めてもよい。
【００６９】
本実施の形態によれば、装置光軸が設定されていない場合でも、被検レンズの主光線位置を求めることにより、被検レンズの光軸が求められ、これにより装置光軸と被検レンズの光軸とを合致させることができ、正確な被検レンズの傾き角およびＭＴＦなどの光学性能を高精度に求めることができる。
【００７０】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、基準チャートの位置と撮像素子の位置とが移動手段により、基準チャートと撮像素子とは、互いに任意な撮像位置に配置可能となるようにしたので、様々な被検レンズにフレキシブルに対応することができる。
【００７１】
請求項２に係る発明によれば、基準チャートと撮像素子とは、互いに任意な撮像位置に配置可能となり、かつ、保持回転手段により被検レンズを回転させて、任意の回転位置における基準チャートのそれぞれの座標位置を読み出し、演算処理手段によりこの座標位置を演算して測定条件を設定するようにしたので、様々な被検レンズにフレキシブルに対応することができ、なおかつ様々な条件での光学性能の測定を行うことができるとともに、光軸外デフォーカス測定時の入射角によるチャート像位置の変化や、被検レンズの偏角およびディストーション等による光軸位置や光軸外位置の変化の影響を排除した測定をすることができる。
【００７２】
請求項３に係る発明によれば、常に基準チャートの像を撮像素子の中心に映し出すようにしたので、光軸外デフォーカス測定時の入射角によるチャート像の位置変化や、被検レンズの偏角およびディストーションによる光軸位置や光軸該位置の変化の影響を排除した測定をすることができる。
【００７３】
請求項４に係る発明によれば、保持回転手段により被検レンズを回転させ、任意の回転位置における基準チャートの像を撮像素子に写し出すようにしたので、様々な被検レンズに対応でき、なおかつ様々な条件での光学性能の測定を行うことができる
【００７４】
請求項５に係る発明によれば、チャート切り替え手段により基準チャートの種類を切り換えるようにしたので、様々な条件での光学性能の測定を行うことができる。
【００７５】
請求項６に係る発明によれば、揺動手段により光源が基準チャートを回転中心にして揺動し、揺動された位置から斜めに基準チャートを照明するようにしたので、光軸外測定時に発生する光量不足を防止することができる。
【００７６】
請求項７に係る発明によれば、被検レンズの光軸を求めてから、この光軸に撮像素子の光軸を一致させて、光学性能を測定するようにしたので、被検レンズの傾き角やＭＴＦ等のレンズ性能を高精度に測定することができる。
【００７７】
請求項８に係る発明によれば、被検レンズを回転させて基準チャートの位置座標を把握し、演算処理手段により把握した基準チャートの位置座標を演算して被検レンズの光軸を求めるようにしたので、光軸が不明な被検レンズであっても、その光軸を求めて撮像素子の光軸に一致させることができる。
【００７８】
請求項９に係る発明によれば、光軸外における少なくとも３ヶ所の異なる位置から基準チャートの光軸を求め、これらそれぞれの位置における基準チャートの光軸から演算処理手段により被検レンズの光軸を算出するようにしたので、被検レンズの光軸座標を高精度に求めることができる。
【００７９】
請求項１０に係る発明によれば、被検レンズの設計データを演算処理手段に入力し、この設計データから演算処理手段により被検レンズの光路を求め、この求めた光路に基づいて基準チャートと撮像素子との位置を移動させるようにしたので、装置光軸が設定されていない場合でも、被検レンズの主光線位置を求めることにより、被検レンズの光軸が求められ、これにより装置光軸と被検レンズの光軸とを合致させることができ、正確な被検レンズの傾き角およびＭＴＦなどの光学性能を高精度に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１のレンズ測定装置の構成図である。
【図２】実施の形態１の物点距離を変更した測定時のレンズ測定装置の状態を示す説明図である。
【図３】実施の形態１の光軸外位置での測定時のレンズ測定装置の状態を示す説明図である。
【図４】実施の形態３のレンズ測定装置の構成図である。
【図５】実施の形態３の物点および像点の座標位置を示す説明図である。
【図６】実施の形態３のレンズ測定方法の手順を示すフローチャートである。
【図７】実施の形態３の図６におけるステップＳ３のＡルーチンの内容を示すフローチャートである。
【図８】実施の形態３のＣＣＤ面上に描かれた円の説明図である。
【図９】実施の形態４の物点および像点の座標位置を示す説明図である。
【図１０】実施の形態４のレンズ測定方法のフローチャートである。
【符号の説明】
１被検レンズ
２撮像素子
３撮像素子アクチュエータ
４チャート
１０チャートアクチュエータ

Claims

基準チャートと、被検レンズにより撮像面に結像した前記基準チャートの像の光強度分布を電気信号に変換する撮像素子とを有するレンズ測定装置において、
前記基準チャートと前記撮像素子とを互いに独立して移動可能な移動手段を備えたことを特徴とするレンズ測定装置。
光源と、該光源で照明された基準チャートと、被検レンズにより結像された該基準チャートの像を拡大する拡大光学系と、該拡大光学系により拡大された基準チャートの像の光強度分布を電気信号に変換する撮像素子とを有するレンズ測定装置において、
前記基準チャートと前記撮像素子とを互いに独立して移動可能であり、かつそれぞれの座標位置を読み出し可能な移動手段と、被検レンズを回転可能に保持する保持回転手段と、読み出した座標位置情報を演算処理する演算処理手段とを備えたことを特徴とするレンズ測定装置。
前記撮像素子に結像した前記基準チャートの像に基づいて、この基準チャートの像が結像する座標位置を求める演算処理手段を備えるとともに、この求めた座標位置に前記撮像素子を移動させるように構成したことを特徴とする請求項１記載のレンズ測定装置。
前記被検レンズを回転可能に保持する保持回転手段を有することを特徴とする請求項１記載のレンズ測定装置。
前記基準チャートの種類を切り替えるチャート切り替え手段を有することを特徴とする請求項１記載のレンズ測定装置。
前記基準チャートを回転中心にして、前記基準チャートを照明する前記光源を揺動させる揺動手段を有することを特徴とする請求項１記載のレンズ測定装置。
被検レンズにより基準チャートの像を撮像素子上に結像させて前記被検レンズの性能を測定するレンズ測定方法において、
前記被検レンズの光軸を求める工程と、この光軸に前記撮像素子の光軸を一致させて被検レンズの性能を測定する工程とを有することを特徴とするレンズ測定方法。
前記被検レンズの光軸を求める工程は、前記基準チャートに対して前記被検レンズをその光軸を回転軸にして回転させて前記基準チャートの座標位置を取得する工程と、該取得した座標位置に基づき演算処理手段により前記被検レンズの光軸を算出する工程とからなることを特徴とする請求項７記載のレンズ測定方法。
前記基準チャートを前記被検レンズに対して、光軸外の少なくとも３ヶ所の異なる位置に配置する工程と、それぞれの位置の前記基準チャートに対して前記被検レンズを回転させてそれぞれの位置における前記基準チャートの光軸を求める工程と、これらそれぞれの位置における基準チャートの光軸から前記演算処理手段により被検レンズの光軸を算出する工程とを有することを特徴とする請求項７記載のレンズ測定方法。
前記被検レンズの設計データを演算処理手段に入力する工程と、前記設計データに基づいて前記演算処理手段により前記被検レンズの光路を求める工程と、この求めた光路に基づいて前記基準チャートと前記撮像素子との位置を移動させる工程とを有することを特徴とする請求項７記載のレンズ測定方法。