非球面ヌルミラー干渉計(ANI-Z1)

車載用レンズ、カモメ型レンズ

非球面ヌルミラー干渉計(ANI-Z1)




近年、光学系への小型化、高性能化の要求が高まっています。固体撮像素子などのハードウェアの進化とデジカメ、スマホなど新しい”使い方”の出現により、より厳しい要求が光学系に求められています。

そうした中、その解決策として広く使われるようになったのが球面レンズを非球面レンズに置き換える光学系の非球面化です。非球面レンズ1枚の”性能”は球面レンズ数枚に匹敵します。性能を維持すればレンズ枚数の削減即ち小型化が可能となり、レンズ構成を維持すれば高性能化につながります。そのため非球面は現在レンズ系構成上必須のアイテムとなっています。

非球面素子を光学系に導入するにあたって重要な技術がいくつかあります。近年コンピュータのハード、ソフトの発展により、レンズ設計技術は大きく進歩を遂げ、”非球面化”に対応してきています。また製造技術も進化し、安定した非球面レンズの生産を可能にしてきました。もうひとつ重要なのが非球面の検査技術です。これは、量産レンズに非球面が導入されて数十年、大きな進歩がありませんでした。常に、簡易に非球面を測る技術が求め続けられています。

私たちは非球面素子を簡便に計測する方法を考案し、その実効性を確かめました。






今現在、非球面計測で多く使われているのがプローブ式3次元測定機です。
サンプル表面を捉えたプローブでサンプル表面を走査しサンプルの表面形状を計測します。



走査するため測定に時間がかかります。時間が掛かるためサンプルに対して”十字”(X、Yの2方向スキャン)で計測することが多くなります。”面”でサンプルを捉える事は時間的に大きな負担となってしまいます。

またこの方法でつかめるのはサンプルの外形だけです。光学的に影響を及ぼすサンプル内部の光学的歪等はこの方法では、判らないし測定できません。








上記のように走査タイプの測定法の欠点を改善する目的で開発されたのが簡易非球面レンズ検査器です。

下図(左図)の様にサンプル透過光が正対して反射する様、非球面のヌルミラーを設計して設置。サンプルが設計通りの性能が出ていれば、干渉計に戻る波面は”無収差”となります。サンプルに何らかの問題があると戻り波面が乱れて、干渉縞に反映されます。従って干渉計で平面や球面を測ることと同じ様に非球面が測れることになります。干渉計であるので波面計測となり、測定時間も数秒のオーダーとなります。レンズ内部に光を通すので、レンズ内部の光学的異常は測定結果に反映されます。



ところが上図(右図)の様に、サンプルやヌルミラーが所定の位置から平行移動や回転した場合、戻り光の波面には平行移動や回転の影響による波面の乱れが加わります。得られた干渉縞からはその乱れがレンズによるものかミスアライメントによるものか区別がつきません。従ってこの方法はアライメントが十分正しく行われていることが必須の条件となります。特にこの方法ではシフトにより発生した収差を回転による効果で打ち消している状態とアライメントが正しい状態を区別することが難しいです。今までこのアライメントを正確かつ簡便に行う方法がありませんでした。そのため非球面ヌル干渉法は広く使われることはありませんでした。






私たちはアライメント情報をサンプル並びにヌルミラー自体に持たすことを考えました。(特許出願中)



具体的には上図の様にヌルミラーの一部(図では外周部)に非球面軸と直交する平面部を設けます。サンプルにおいてはサンプルのコバの平面部をこの情報源とします。これら部分からの反射光を干渉計で観察することによりサンプル及びヌルミラーの軸方向が確認できます。さらにティルトの調整工程を加えてサンプル光軸とヌルミラー非球面軸の2つの軸の平行が確定できます。その後、サンプルあるいはヌルミラーの平行移動調整を干渉縞のコマ成分を見ながら行えばアライメントが完了となります。

このようにして計測した結果を下図に示す。非球面サンプルでありながら球面計測と同じ様な干渉縞が得られているのが判る。



通常干渉計測でもサンプルのティルト調整は行わねばなりません。我々の方法はそれに加えて平行移動調整が加わっています。本方法は通常の干渉計測に加えて1ステップ調整が加わっただけで測定が可能となる簡便な方法です。







非球面レンズを簡便に測定する方法を開発できました。高機能光学系の生産に寄与できると信じ進めております。


























レンズ内部の透明光を使う→”内部を見る”
透明光の”状態の変化”を観測する。
理想的な状態からの変化量が判る。
有効径内の光束を透過させる=実際の使用時と同じ
測定結果は実際の使用時の性能が反映される
内部に光を通すので内部脈理の存在も測定結果に表れてくる

測定は1回(0.2sec)で終了
(自動化でレンズ交換、アライメント含めて1sec計測を狙う)

両面形状、軸ズレ、軸の傾き、内部歪が全て使用時の性能という尺度で測れる。(ただし各要因の分離はできない)



測れるもの

外部形状

実装時の光学性能

測定時間

10分〜

1分(10秒:自動化目標)






清原光学の非球面ヌルミラー干渉計で非球面レンズ単体を簡便に干渉計レベルで検査できます。


「特許出願中」


・不良レンズを組み込む前に排除できます。

・解析結果もデジタルで得られますので、製造の参考に資します。

・レンズ自体は検査ができる為、レンズの問題か組立の問題かが解ります。

・非球面ヌルミラーがレンズタイプごと必要になりますが、皆様がお持ちのレンズ金型製造技術で製作できます。




ビーム有効径

4.7mm

光源

DPSSレーザー(532nm用)

He-Neレーザー(633nm用)

波長

532nmまたは、633nm

出力

4.5mW

クラス

3R

干渉方式

フィゾー型

計測用

1/3インチCCD ×1

モニター用

1/2インチCMOS ×1

計測用

640x480 ピクセル

モニター用

640×512ピクセル

rms再現性

<λ/300 (σ)

精度

<λ/10 (PV)

測定時間

200ms以下

温度

15 〜 30℃

温度変動率

15分間の温度変化1℃以内

電源仕様

90〜110V (レーザー用外部電源)

外形寸法(干渉計本体)

高さ710mm x 幅400mm x 長さ250mm 

質量

22.5kg  ※PC、電源、付属物除く

解析ソフト

専用干渉縞解析ソフトウェア ANI-Z1.exe

専用点像アライメントソフトウェア

alignment.exe

PC

HP ProBook 450 G2(推奨)

OS

Windows7 Professional (64bit)

CPU

インテル(R) Core(TM) i5-5200U (2.2GHz)

メモリ

4GB

HDD

500GB

付属品

マウス・ACアダプター

※「仕様および外観は改良のため予告なく変更することがあります」



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