JPH07311117A

JPH07311117A - 多眼レンズ位置測定装置

Info

Publication number: JPH07311117A
Application number: JP13101594A
Authority: JP
Inventors: Masaru Otsuka; 勝大塚
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-05-20
Filing date: 1994-05-20
Publication date: 1995-11-28

Abstract

(57)【要約】【目的】オートフォーカス等で使用される多眼レンズ
を構成する個別レンズ間の相対位置を高精度で測定する
ことのできる多眼レンズの位置検出装置を得ること。【構成】１つの部材上に複数個の凸面又は凹面形状が
作り込まれた多眼レンズを構成する個別レンズの相対位
置の測定において、干渉計または光点位置センサよりな
る検出ヘッドと、被測定物を該検出ヘッドの光軸に直交
する平面内で相対的に移動させる高精度ステージと、該
ステージの移動量を測定する測長手段より構成され、該
ステージの位置と該検出ヘッドの出力から前記多眼レン
ズを構成する個別レンズ間相互の相対位置測定を高精度
で行うことを特長とする測定方法及び装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はオートフォーカスカメラ
のオートフォーカス（以下ＡＦ）センサ部等に用いられ
る多眼レンズを構成する多数の微小レンズ間の相対位置
を、高精度に測定する検査装置に好適な多眼レンズの位
置測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＡＦセンサの構成で現在最も多用されて
いる手法の一つに、イメージセンサ上に多重結像された
像の位置関係を測定する方法がある。図４はＡＦセンサ
のピント検出原理を示したものである。同図において
（Ａ）は合焦状態、（Ｂ）は前方にピントずれを起こし
た状態、（Ｃ）は後方にピントずれを起こした状態を示
す。図４（Ａ）で撮影物体の像は、撮影レンズによって
フィルム面近傍に１次結像される。続いてこの像を形成
する光線は、本発明で検査する対象の多眼レンズによ
り、該多眼レンズを構成するそれぞれのレンズに対応し
て配置されたイメージセンサ上のほぼ中央に２次結像さ
れる。合焦状態でのこれら２次像の位置がＡＦ計測の基
準位置となる。

【０００３】図４（Ｂ）のように前ピン状態となり撮影
対象物がフィルム面より前に１次結像されると、多眼レ
ンズで結像される２次像は、センサ上で光軸方向に移動
する。逆に図４（Ｃ）のように後ピン状態になると、多
眼レンズによる２次像はセンサ上で光軸から離れる方向
に移動する。フォーカス状態に応じて生じる基準位置か
らのずれは合焦状態からのずれとして検知され、不図示
の演算系により実際の装置上での駆動値が算出され、該
算出値に基づいてピント合わせ動作が行われる。

【０００４】従ってＡＦでは多眼レンズが重要な役割を
果す。実際のカメラでは図５に示すように多数の物体位
置を測定すべく、１枚のプレート上に多数のレンズ（多
眼レンズ）が配置したものが用いられる。ＡＦ精度向上
の重要なポイントは多眼レンズを構成する多数のレンズ
（以下多数のレンズの１つ１つを個別レンズと称する）
間の相対精度で、近年の小型、高密度なカメラでは１μ
ｍより高い精度が要求されている。従来このような多眼
レンズ製作における個別レンズ間の相対位置精度は、射
出成型の型を加工する精密工作機械の加工精度に依存し
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながらレン
ズのような球面の頂点位置の高精度測定は一般には難し
く、型あるいは該型による成型品の精度の評価を行うこ
とが困難であった。例えば触針式の形状測定器による測
定でレンズの頂点を針で捕らえることは難しく、また、
工具顕微鏡で多眼レンズを観察し、各個別レンズの平面
との交線を検出してレンズ頂点の位置を推定する方法
も、観察光学系の空間分解能から１μｍより高い精度で
の検出は困難であった。

【０００６】本発明は多眼レンズを構成する各々の微小
レンズ間の相対位置を高精度に測定することのできる多
眼レンズの位置測定装置の提供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば１つの部
材上に複数個の凸面又は凹面形状が作り込まれた被検物
である多眼レンズ、あるいは該多眼レンズを成型する型
の精度を測定する装置を、（１ー１）被検物の個別レン
ズまたは個別レンズの型の曲率と一致する光波を被検物
に照射し、反射して戻ってきた光の波面の傾斜量を干渉
計もしくは光点位置センサにより検出する光プローブ手
段（光検出ヘッド）と、（１ー２）被検物と前記プロー
ブ手段の光軸との相対的な位置を変えるために、該光軸
に直交する平面内で精密に移動させるステージ手段と、
（１ー３）前記ステージ手段の移動量を正確に測定する
測長手段、より構成し、前記多眼レンズを構成する各個
別レンズを前記ステージ手段により、次々と前記プロー
ブ手段の測定位置へ送り、前記測長手段により測定され
たステージ位置データに、前記プローブ手段により測定
された波面傾斜量を光軸に直交する方向の変位量に換算
したデータを加えることにより、前記多眼レンズを構成
する各個別微小レンズ間の相対位置を高精度に測定する
ものである。

【０００８】

【実施例】図１は本発明の実施例１の要部概略図であ
る。同図において１は光源であるレーザー、２はレーザ
ービーム径を拡大するビームエキスパンダ、３は光の偏
光方位により透過と反射を選択する偏光ビームスプリッ
タ、４は直線偏光を円偏光に変換するλ/4板、５は光学
素子を光軸方向に微小移動させるピエゾ素子、６は片面
が無コートで高精度に研磨された参照平面板、７は光束
を集光するコリメータレンズ、８は多眼レンズまたは型
などの被検物、９はＣＣＤカメラ１１への入射光量を調
整する偏光板、１０は被検物をＣＣＤカメラ１１の撮像
面上に所定の大きさで結像させる結像レンズ、１１は干
渉像を撮影するＣＣＤカメラ、１２は被検物を光軸に直
交する平面内で自由に移動可能とさせるステージ装置、
１３はステージ装置の移動量を測定するレーザー測長装
置、１４はシステム全体を制御し、測定データを処理す
るコンピュータである。

【０００９】上記構成において、光源１から射出した紙
面に垂直な偏光方向のレーザービームは、ビームエキス
パンダ２により光束径を拡大されて平行光となり、偏光
ビームスプリッタ３に入射後、下方へ反射される。反射
された光はλ/4板４の作用により円偏光の状態となり、
参照平面板６に到達する。参照平面板６は片面が反射防
止コート、もう一方の面が無コートで、高精度に平面研
磨された透明なガラス板である。

【００１０】参照平面板６の無コートの面は参照面とし
て作用する。該参照面は通常３〜５％程度の反射率を有
するため、入射した光の一部はこの面で反射し、参照光
としてλ/4板４に戻る。

【００１１】参照平面板６を透過した残りの光はコリメ
ータレンズ７により集光されて被検物８を照射する。コ
リメータンズ７によって作られる光の波面形状が被検物
８の形状がほぼ一致するように配置すれば、入射した光
は被検物８の表面で正反射されて測定光となり、同じ経
路を戻ってλ/4板４へ戻る。

【００１２】測定光と参照光はこのようにして重なり合
いフィゾー型の干渉計を構成する。被検物８が図１の凸
の多眼レンズの時は収束光束中に被検物を配置すれば良
いが、型のような凹面被検物の場合には、コリメータレ
ンズ７と被検物８の光軸方向のセッティングを変更し、
コリメータレンズにより一旦焦点を結ばせた後、発散す
る光を被検物に与えれば良い。

【００１３】上述した参照光と測定光は再びλ/4板４を
通過することにより、今度は紙面に水平方向の直線偏光
となって偏光ビームスプリッタ３を透過し、偏光板９に
入射する。偏光板９は定まった方位の光の成分しか通さ
ないため、光軸回りに回転させると、偏光ビームスプリ
ッタ３を透過してきた直線偏光光の強度を任意に調整す
ることができる。

【００１４】強度を調整された光は結像レンズ１０を介
してＣＣＤカメラ１１上に結像する。ＣＣＤカメラ１１
上で観察される像は参照光と測定光が干渉した所謂干渉
縞パターンで、参照光と測定光の波面形状の差が光源波
長の1/2 をピッチとする等高線として現われる。測定光
の強度は成型レンズの凸面では３〜５％の反射率、凹面
の型では反射率が５０％と大きく変化する。

【００１５】型のように反射率が高い被検物では、参照
面との反射率の差が大きく干渉縞のコントラストが低下
するため、参照面６から被検物８までの光路中に、透過
波面の良好なＮＤフィルターなどを挿入すればよい。こ
のように簡単なセッティングの変更で、測定対象が変わ
っても容易に高精度な測定を行うことができる。

【００１６】この状態で参照平面板６をピエゾ素子で光
軸に平行に動かしながら、一定間隔で干渉縞像を画像メ
モリに蓄えて行き、後でピクセル毎に演算を行い、初期
位相分布を高精度に算出する。この方法はフリンジスキ
ャン法として J.H.Brunninget al: Applied Optics,13,
(1974),p.2693などの文献で広く知られている。

【００１７】本発明も同様の手法でコンピュータ１４を
用いて干渉縞データを解析し、初期位相の分布を得るこ
とができる。干渉計の縞の位相検出法としてはフリンジ
スキャン法だけでなく、ヘテロダイン法、フーリエ変換
法、空間キャリア法、画像処理による縞解析法など他の
サブフリンジ法も適用可能である。また、スキャンを行
う参照面は６のような参照平面を用いる代わりに、コリ
メータレンズ７の最終面を参照面として波面の曲率に合
わせた、いわゆるＴＳ( Transmission Sphere) レンズ
を用いても良い。

【００１８】上記の方法により得られた位相分布Φ(x,
y) は次のような低次の式の一次結合に最小自乗フィッ
トされる。

【００１９】 Φ(x,y) ＝ a₀ ＋a₁x ＋a₂y ＋a₃( x²＋y²) (1) 求まった係数はそれぞれ a₀ が全体のオフセット( pist
on )、a₁が x方向の傾斜( tilt-x )、 a₂ が y方向の傾
斜( tilt-y )、a₃が光軸方向のミスアライメント( defo
cus ) と機械的な量に独立に対応づけることができる。

【００２０】ここで図２のようにコリメータレンズ７の
光軸７ａと被検物８上の個別レンズ８ａの光軸が水平方
向にΔx だけずれている状態を考える。被検物体上にx、
y 軸を取り、コリメータレンズ７の光軸をz 軸として、
簡単のためx-z 断面内を考える。被検物上の個別レンズ
の曲率半径をR とすると、レンズ形状は x²＋y²＝R² (2) と表される。

【００２１】x ずれたところの面傾斜量は、 dz/dx ＝ x/( R² −x²)^1/2≒ x/R (3) となり、曲率半径R に対してΔx が微小とみなされる範
囲においてはあたかも面が θ/2＝Δx/R (4) だけ傾斜したことと等価となる。光は面傾斜量の２倍の
角度で反射されるため、図２に示すように、入射光線に
対しθの角度で反射される。

【００２２】レンズ上での測定有効径をD とすると、観
察されるx 方向の傾斜による干渉縞の本数N は、λを光
源の波長として N ＝ D・(θ/2)/ (λ/2) (5) 従って観察される干渉縞の位相分布の傾斜成分がx、y 方
向の位置ずれのみに起因すると仮定すると、(4)、(5) 式
より、 Δx ＝ (N/D)・(λ/2)・R (6) として、被検物を構成する個別レンズ８ａとコリメータ
レンズ７の光軸との位置ずれ量が逆算できる。代表的な
例として R＝2mm 、 D＝0.5mm 、λ＝0.6 μｍとする
と、干渉縞１本はΔx ＝1.3 μｍの位置ずれ量に相当す
る。

【００２３】先述のフリンジスキャン法などの位相計測
法を干渉縞 0.01 本程度の検出感度とすると、0.01μｍ
オーダーで個別レンズの位置ずれ量が検出できる。

【００２４】このような検出ヘッドを設けると同時に、
被検対象である多眼レンズの各個別微小レンズを高精度
ｘｙステージ１２で次々と測定光軸へと送り込み、個別
レンズの位置ずれ検出量とレーザー測長機１３によるス
テージの移動量を加え合わせると、目的とする多眼レン
ズを構成する個別レンズ間相互の相対位置が精密に測定
できる。ｘｙステージを自動ステージとし、予め入力し
ておいた多眼レンズの設計データに基づいて、初期位置
から自動で次の目標個別レンズに送って行くという動作
を繰り返して測定を行えば、個別レンズ間の相対位置精
度は全自動で測定できる。

【００２５】上記の測定における誤差要因に、ｘｙステ
ージ１２の移動に伴う姿勢誤差がある。先に述べたよう
に本検出法では干渉縞のチルト成分が被検物のｘｙ方向
の位置ずれのみに起因して発生することを仮定している
ため、ピッチングあるいはローリングといったステージ
の姿勢誤差が大きいと、その誤差が測定誤差につながる
からである。

【００２６】ｘｙステージ１２に要求される姿勢誤差に
対する要求精度を検討すると、(4)式よりΔx ＝ 0.01
μｍに相当する面の傾斜量は R＝ 2 mm の場合 5X 10^-6
rad、即ち約１秒である。１秒程度の値は近年のステー
ジ技術で十分達成可能である。ステージ１２の位置測定
にはレーザー測長機以外に、リニアスケール、差動変圧
器など他の移動量測定手段を用いることができる。

【００２７】しかしながらこれらの代替手段はアッベ誤
差、ヨーイング誤差が測定誤差として加わるため、レー
ザー測長機の域まで到達せず精度的に不利であり、採用
する場合は測定精度の要求も考慮する必要がある。

【００２８】以上が本発明の基本的な構成である。本実
施例は測定プローブ手段として干渉計を用いているた
め、干渉計を応用できる項目も測定が可能である。即
ち、個別レンズの面精度は勿論であるが、ｚステージと
ｚステージの移動量読み取り手段を付加すれば、正反射
位置からキャッツアイ反射位置までの移動距離測定で個
別レンズの曲率Ｒも測定可能である。干渉計もフィゾー
型だけでなく、トワイマングリーン、シアリング、ゾー
ンプレート、ＣＧＨ干渉計等、物体形状を検出可能なも
のを適用できる。

【００２９】またレーザ測長機は参照点を任意移動する
ことができるが、本実施例でコリメータレンズ７の側面
などに参照ミラーを貼り付けて参照点とすれば、デッド
パスエラー、プローブヘッドの振動といった問題に対し
有利である。

【００３０】図３は本発明の実施例２の要部概略図であ
る。本実施例はレンズの位置ずれ検出プローブとして光
点位置センサ（ＰＳＤ）を応用した例である。図中、実
施例１と同じ部材については同じ符号が付けられてい
る。

【００３１】図３において１は光源であるレーザー、２
はレーザービーム径を拡大するビームエキスパンダ、３
は光の偏光方位により透過と反射を選択する偏光ビーム
スプリッタ、４は直線偏光を円偏光に変換する機能を持
つλ/4板、７は光束を集光するコリメータレンズ、８は
多眼レンズまたは型などの被検物、１２は被検物を光軸
に直交する平面内で自由に移動させるステージ装置、１
３はステージ装置の移動量を測定するレーザー測長装
置、１４はシステム全体を制御し、測定データを処理す
るコンピュータ、１５は広がったレーザービーム径を縮
小するビームリデューサ、１６は光点の重心位置を２次
元面内で検出する２次元ＰＳＤである。

【００３２】上記構成において、光源１から射出した紙
面に垂直な偏光方向のレーザービームは、ビームエキス
パンダ２により光束径を拡大されて平行光となり、偏光
ビームスプリッタ３に入射後、下方へ反射される。

【００３３】反射された光はλ/4板４の作用により円偏
光状態となり、コリメータレンズ７により集光されて被
検物８を照射する。コリメータンズ７によって作られる
光の波面形状を被検物の形状とほぼ一致するように配置
すれば、入射した光は被検物表面で正反射されて測定光
となり、同じ経路を戻ってλ/4板４へ戻る。

【００３４】被検物が図３の凸の多眼レンズの時は収束
光束中に被検物を配置すれば良いが、型のような凹面被
検物ではコリメータレンズ７と被検物８の光軸方向のセ
ッティングを変更し、コリメータレンズにより一旦焦点
を結ばせた後、発散する光を被検物に与えれば良い。

【００３５】上述した測定光は再びλ/4板４を通過し
て、今度は紙面に水平方向の直線偏光となり偏光ビーム
スプリッタ３を透過する。光は次いでビームリデューサ
１５に入射してビーム径を縮小され、距離Ｌ離れて配置
された２次元ＰＳＤ１６に入射して、２次元ＰＳＤ１６
上での入射位置が計測される。光点位置検出センサとし
ては２次元ＰＳＤのほかに４分割フォトセンサ、ＣＣＤ
などでもよい。

【００３６】ここで図２のようにコリメータレンズ７の
光軸と被検物８上の個別レンズの光軸が水平方向にΔx
だけずれている状態を考える。被検物体上にx、y 軸を取
り、コリメータレンズ７の光軸をz 軸として、x-z 断面
を考える。被検物上のレンズの曲率半径をR とすると、
実施例１で説明したとうり、垂直に入射した光線は光軸
に対しθ＝ 2・ Δx/R の角度で反射されてコリメータレ
ンズ７に戻り、再び平行ビームとなる。

【００３７】コリメータレンズ７の焦点距離を fとする
と、近軸理論よりビームの進行方向の変化θ’は θ’＝θ−（ f−R )・θ/f ＝ 2・ Δx/f (7) である。

【００３８】このビームはビームリデューサ１５に入射
すると、アフォーカル光学系の角倍率公式により射出角
が光束径の縮小率の逆数倍の角度に変換される。ビーム
リデューサ１５の縮小率を 1/kとすると、ビームは θ”＝ kθ' (8) なる角度で射出し、距離Ｌだけ離れた２次元ＰＳＤ上で
の光点移動量Δp は、 Δp ＝Ｌθ”＝ 2・ Δx・k・Ｌ/f (9) と表される。

【００３９】(9) 式よりずれ量Δx は、 Δx ＝Δp・f/( 2・k・Ｌ ) (10) と計算され、個別レンズのコリメータレンズ７の光軸に
対する位置ずれ量が検出される。

【００４０】代表的な数値例として f＝ 50mm 、 k＝1
0、Ｌ＝500mm とすると、Δp ＝ 1mmに対してΔx ＝ 5
μm というずれ量が計算される。Δp の最小分解能には
２次元ＰＳＤの一般的分解能である 10 μm が対応する
ことから、上記数値例の構成では個別レンズの位置ずれ
量が 0.05 μm の分解能で検出されている。

【００４１】このような検出ヘッドを設けると同時に、
被検物を高精度ｘｙステージ１２で次々と測定光軸へと
送り込み、個別レンズの位置ずれ検出量とレーザー測長
機１３によるステージの移動量を加え合わせると、目的
とする個別レンズ間相互の相対位置が精密に測定でき
る。ｘｙステージを自動ステージとし、予め入力してお
いた多眼レンズの設計データに基づいて、初期位置から
自動で次の目標となる個別レンズに送って行くという動
作を繰り返して測定を行えば、個別レンズ間の相対位置
精度は全自動で測定できる。

【００４２】ステージ１２の位置測定に関してはレーザ
ー測長機以外にも、リニアスケール、差動変圧器など他
の移動量測定手段を用いることができる。しかしながら
これらの代替手段はアッベ誤差、ヨーイング誤差が測定
誤差に加わるためレーザー測長機の域までは到達せず、
精度的に不利であり、採用は測定精度との兼ね合いで決
定される。レーザ測長機は参照点を任意移動することが
できるが、本実施例ではコリメータレンズ７の側面など
に参照ミラーを貼り付けて参照点とすれば、デッドパス
エラー、プローブヘッドの振動といった問題に対し有利
である。

【００４３】また実施例２の構成は干渉測定ではないた
め、光源は可干渉性の高いレーザーである必要はなく、
ハロゲンランプ等に置き換えることができる。この場合
には光源に続いてビームエキスパンダの代わりにコリメ
ータレンズを配置し、直線偏光にするために偏光板が挿
入される。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では１つの
部材上に複数個の凸面又は凹面形状が作り込まれた多眼
レンズ、あるいは該多眼レンズの型を構成する個別のレ
ンズの相対位置の測定装置を、干渉計または光点位置セ
ンサ等の検出ヘッドと、被測定物である多眼レンズを該
検出ヘッドの光軸に直交する平面内で相対的に移動させ
る高精度ステージと、該ステージの移動量を測定する測
長手段から構成し、該ステージの位置と該検出ヘッドの
出力の値を演算することにより、前記相対位置測定を高
精度で行うことを可能とした。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１を示す図

【図２】測定ヘッドと被測定物の位置関係から生じる
光路関係を示す図

【図３】本発明の実施例２を示す図

【図４】本発明で測定対象とするＡＦ多眼レンズの作
用を示す図

【図５】本発明で測定対象とするＡＦ多眼レンズの形
状を示す図

【符号の説明】

１レーザー発振器２ビームエキスパンダ３偏光ビームスプリッタ４ λ/4板５ピエゾ素子６参照平面板７コリメータレンズ８被検物９偏光板１０結像レンズ１１ＣＣＤカメラ１２ｘｙステージ１３レーザー測長器１４コンピュータ１５ビームリデューサ１６２次元ＰＳＤ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１つの部材上に複数個の凸面又は凹面形
状が作り込まれた多眼レンズ、あるいは該多眼レンズの
型を構成する個別レンズの相対位置の測定を行う装置に
おいて、該装置は該装置の基準に対する前記個別レンズ
のずれを検出する検出ヘッドと、前記被測定物を該検出
ヘッドの光軸に直交する平面内で相対的に移動させるス
テージと、該ステージの移動量を測定する測長手段を有
し、該ステージの位置と該検出ヘッドの出力の値を演算
することにより、前記個別レンズの相対位置測定を行う
ことを特徴とする多眼レンズの位置測定装置。
【請求項２】該検出ヘッドが干渉計であることを特徴
とする請求項１の多眼レンズの位置測定装置。
【請求項３】該検出ヘッドが光点位置検出センサを有
することを特徴とする請求項１の多眼レンズの位置測定
装置。