JP5499452B2 - 光学特性測定方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検光学系の点像強度分布を求める光学特性測定方法および装置に関する。

被検光学系の点像強度分布を求める方法として、被検光学系に点光源からの光を入射し、被検光学系による点像を撮像素子で受光して点像強度分布を求める方法が知られている。
特開２００６−２７１５０３号公報

しかしながら、被検光学系が、例えばカメラのレンズ等の場合には、回折限界がミクロンメートルオーダであるため、点像の大きさが撮像素子の画素の大きさとオーダ的に同じ大きさになる。従って、撮像素子により点像の形状を細かく検出することが困難になり、点像に対して充分な分解能を得ることができなくなる。

そこで、点像を回折限界以上に拡大して撮像素子に受光し形状を測定することが考えられるが、この場合には、点像を拡大する拡大光学系に高い精度が要求されコストが増大するという問題がある。

また、点像に対して撮像素子を少しずつ移動することで、あたかもスリットセンサを移動するような分解能向上効果を得ることが考えられるが、この場合には、撮像素子を移動する移動機構が必要になりスペース効率の低下およびコストの増大をもたらすという問題がある。

本発明は、かかる従来の問題を解決するためになされたもので、点像に対する分解能を簡易に向上することができる光学特性測定方法および装置を提供することを目的とする。

本発明の光学特性測定方法は、拡散された照明光を複数のピンホールが形成されたマスク部材に照射する照射工程と、前記複数のピンホールを通過し、且つ前記マスク部材の下流側に配置される被検光学系を透過した前記照明光に基づいた複数の点像を撮像素子により取得する取得工程と、前記取得工程にて取得された前記複数の点像を用いて、点像強度分布を求める画像処理工程と、を備え、前記複数のピンホールは、前記マスク部材に対して、前記複数の点像が前記撮像素子に配列される画素のピッチの整数倍とは異なる間隔で、且つ前記複数の点像のそれぞれにおける像高が同一と見なせる位置にそれぞれ形成されることを特徴とする。

また、本発明の光学特性測定装置は、拡散された照明光を複数のピンホールが形成されたマスク部材と、前記複数のピンホールを通過し、且つ前記マスク部材の下流側に配置される被検光学系を透過した前記照明光に基づいた複数の点像を取得する撮像素子と、取得された前記複数の点像を用いて、点像強度分布を求める画像処理部と、を備え、前記複数のピンホールは、前記マスク部材に対して、前記複数の点像が前記撮像素子に配列される画素のピッチの整数倍とは異なる間隔で、且つ前記複数の点像のそれぞれにおける像高が同一と見なせる位置にそれぞれ形成されることを特徴とする。

本発明では、点像に対する分解能を簡易に向上することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。
(第１の実施形態)
図１は、本発明の光学特性測定装置の第１の実施形態を示している。

この光学特性測定装置は、光源１１、拡散板１３、マスク部材１５、撮像素子１７、画像処理部１９を有している。マスク部材１５と撮像素子１７との間には、被検レンズＬが配置される。被検レンズＬは、光学特性測定装置によって点像強度分布等の光学特性が測定される結像光学系である。図１の被検レンズＬは、カメラの撮影レンズであり、例えば２群５枚等の複数のレンズを備えているが、１枚のレンズで示している。

光源１１には、所定波長の単色光を発生する光源１１が使用される。拡散板１３は、光源１１からの光を拡散する。マスク部材１５には、点光源を形成するための複数のピンホール(後述する)が形成されている。なお、点光源には微細な大きさの面光源等が含まれる。この実施形態では円形面光源が使用される。

撮像素子１７は、被検レンズＬによって結像される複数の点像(後述する)を撮像する。撮像素子１７は、モノクロ撮像素子１７とされている。撮像素子１７の受光面には多数の画素(後述する)が二次元的に配列されている。撮像素子１７には、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等のイメージセンサを用いることができる。

画像処理部１９は、Ａ／Ｄ変換部２１、バッファメモリ２３、ＣＰＵ２５、記憶部２７、入出力インタフェース（入出力Ｉ／Ｆ）２９を有している。バッファメモリ２３、ＣＰＵ２５、記憶部２７、入出力Ｉ／Ｆ２９は、バス３１を介して情報伝達可能に接続されている。入出力Ｉ／Ｆ２９には、画像処理の途中経過や処理結果を表示する出力装置３３、ユーザからの入力を受け付ける入力装置３５が接続される。

撮像素子１７からの画像信号は、Ａ／Ｄ変換部２１によってデジタル信号に変換され出力される。出力結果は、一時的にフレームメモリ（不図示）に保持された後、バッファメモリ２３に保持される。

ＣＰＵ２５は、入出力Ｉ／Ｆ２９を経由して受け付けるユーザからの入力に応じて、光学特性測定装置を制御する。ＣＰＵ２５は、入力装置３５を介してユーザからの指示を受け付けると、記憶部２７から制御演算プログラムを読み込んで起動する。そして、撮像素子１７に結像する複数の点像の撮像、撮像した画像の記憶部２７への保存、出力装置３３への表示等の制御を行う。出力装置３３には、モニタ、プリンタ等が使用される。入力装置３５には、キーボード、マウス等が使用される。

記憶部２７は、ＣＰＵ２５が制御する光学特性測定装置の制御演算プログラム、撮像した画像、被検レンズＬの光学特性のデータ等を保持する。記憶部２７に保持されるプログラム、データは、バス３１を介してＣＰＵ２５から適宜参照することができる。

図２は、上述した光学特性測定装置の要部の構成を模式的に示している。図２では、マスク部材１５に形成されるピンホール１５ａからの光が、被検レンズＬに入射され、被検レンズＬによる点像Ｔが撮像素子１７の画素１７ａに受光されている。

図２は、理解し易いように縮尺を無視した図であり、全く異なる像高の計測のように描かれている。しかしながら、実際は、図３に示すようになっており、像高の違いは非常に僅かである。図３のように描いても実際の画素１７ａの幅がミクロンメートルオーダであることを考えると、まだ像高方向に拡大されていることが明らかである。

図４は、図２における点像Ｔと画素１７ａとの位置関係を被検レンズＬ側から平面的に見た状態を示している。マスク部材１５のピンホール１５ａは、点像Ｔと画素１７ａとの位置関係が図４の関係になるように形成されている。マスク部材１５のピンホール１５ａの大きさは同じ大きさであり、点像Ｔの大きさも同一の大きさとされている。同じ大きさにすることで画像処理部１９における演算を容易なものにすることができる。

図４において、複数の点像Ｔは、それぞれ画素１７ａの異なる位置に位置している。この実施形態では、複数の点像Ｔの間隔Ｄを、撮像素子１７の画素１７ａのピッチＰの倍数と異なる間隔にすることにより画素１７ａの異なる位置に位置させている。複数の点像Ｔの間隔Ｄは、例えばバーニヤの原理を用いることにより容易に設定することができる。この実施形態では、複数の点像Ｔは、相互に重ならないような間隔Ｄで形成されている。なお、複数の点像Ｔは、少なくとも外周部より内側が重ならないような間隔で形成しても良い。また、第１暗環が明瞭に存在する場合には、少なくとも第１暗環の内側が重ならないような間隔で形成しても良い。要は、複数の点像Ｔが相互に干渉して点像Ｔを検出することが困難にならなければ良い。各画素１７ａは、正方形形状をしており、同一の大きさを有している。図４で点線で示される補助線Ｈは、各画素１７ａのＸ方向およびＹ方向の中心を通る線分であり、補助線Ｈの交点が画素１７ａの中心位置になっている。

図４では、Ｘ方向に３列、Ｙ方向に３列の計９個の点像Ｔが形成されている。Ｙ方向の中央に位置する３個の点像Ｔの中心は、画素１７ａのＹ方向の中心に位置している。Ｙ方向の上側に位置する３個の点像Ｔの中心は、画素１７ａのＹ方向の中心より下側に位置している。Ｙ方向の下側に位置する３個の点像Ｔの中心は、画素１７ａのＹ方向の中心より上側に位置している。また、Ｘ方向の中央に位置する３個の点像Ｔの中心は、画素１７ａのＸ方向の中心に位置している。Ｘ方向の右側に位置する３個の点像Ｔの中心は、画素１７ａのＸ方向の中心より左側に位置している。Ｘ方向の左側に位置する３個の点像Ｔの中心は、画素１７ａのＸ方向の中心より右側に位置している。このようにして、９個の点像Ｔは、それぞれ画素１７ａの異なる位置に位置されている。

上述した光学特性測定装置では、被検レンズＬをマスク部材１５と撮像素子１７との間の光軸上に正確に配置し光源１１を点灯すると、被検レンズＬに複数のピンホール１５ａからの光が入射され、撮像素子１７に複数の点像Ｔが受光される。そして、撮像素子１７に受光された点像Ｔを画像処理部１９において画像処理し所定の演算を行うことにより点像強度分布が求められる。

上述した光学特性測定装置では、マスク部材１５に複数のピンホール１５ａを形成し、
複数のピンホール１５ａの間隔Ｄを、被検レンズＬによる複数の点像Ｔが、撮像素子１７
の画素１７ａの異なる位置に位置するようにしたので、点像Ｔに対する分解能を簡易に向
上することができる。

すなわち、図５に示すように、１個の点像Ｔに対して撮像素子１７の画素１７ａを、位置１、位置２、位置３、位置４と少しずつ移動することで、あたかもスリットセンサを移動するような分解能向上効果を得ることができる。一方、図２において、３個の点像Ｔのうち右側の点像Ｔは、図５の位置１の状態に対応する。また、中央の点像Ｔは図５の位置２の状態に、左側の点像Ｔは図５の位置３の状態に対応する。従って、本発明では、点像Ｔに対する情報量が増大し、あたかもスリットセンサを移動するような分解能向上効果を得ることができる。しかしながら、本発明では、撮像素子１７を移動する移動機構が必要ないため、装置を簡易に構成することができる。なお、マスク部材１５へのピンホール１５ａの形成は、リソグラフィ技術により高精度かつ容易に行うことが可能である。また、本発明では、点像Ｔを拡大する拡大光学系が必要ないため、装置を簡易に構成することができる。
(第２の実施形態)
以下、本発明の光学特性測定装置の第２の実施形態を説明する。なお、この実施形態において第１の実施形態と同一の要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

この実施形態では、光源１１は、広帯域のスペクトル幅を持つ白色光源とされる。白色光源には、スーパーコンティニューム光源やメタルハライド光源等が使用される。

また、撮像素子１７がベイヤー配列の画素１７ａを有するカラー撮像素子とされる。撮像素子１７には、図６に示すように、Ｒ(赤)、Ｇ(緑)、Ｂ(青)の原色透過フィルタがベイヤ配列型に設けられている。各画素１７ａは、正方形形状をしており、同一の大きさを有している。図６で点線で示される補助線Ｈは、各画素１７ａのＸ方向およびＹ方向の中心を通る線分であり、補助線Ｈの交点が画素１７ａの中心位置になっている。

図６では、Ｘ方向に２列、Ｙ方向に２列の計４個の点像Ｔが形成されている。４個の点像Ｔは、その中心をＲ(赤)、Ｇ(緑)、Ｂ(青)の画素１７ａの交点に位置され、Ｒ(赤)、Ｇ(緑)、Ｂ(青)の画素１７ａに跨って位置されている。ベイヤー配列の画素１７ａを有するカラー撮像素子では、点像Ｔが画素１７ａに跨って結像すると、点像Ｔの全体を認識することができなくなる。図６の各点像Ｔでは、Ｂ(青)の点像Ｔの１／４の部分、Ｒ(赤)の点像Ｔの１／４の部分、Ｒ(赤)の点像Ｔの１／２の部分の点像Ｔのみが検出可能である。

この実施形態では、各色の点像Ｔの全体を得るために、４個の点像Ｔがセットで使用される。図６の４個の点像ＴのＢ(青)の部分を合成することによりＢ(青)の点像Ｔの全体を得ることができる。図６の４個の点像ＴのＲ(赤)の部分を合成することによりＲ(赤)の点像Ｔの全体を得ることができる。図６の４個の点像ＴのＧ(緑)の部分を合成することによりＧ(緑)の点像Ｔの全体の２倍を得ることができる。従って、Ｇ(緑)の点像Ｔの情報は、１／２にして使用される。

図６の４個の点像ＴのセットＳは、各色の点像Ｔの全体を得るためのもので、セットＳとして図４の各点像Ｔに対応している。図７は、図４の各点像Ｔを図６の４個の点像ＴのセットＳに置き換えた状態を示している。図７において４個の点像ＴのセットＳの境界を太線で示している。マスク部材１５のピンホール１５ａは、点像Ｔと画素１７ａとの位置関係が図７の関係になるように形成されている。

図７では、Ｘ方向に３列、Ｙ方向に３列の計９セットＳの点像Ｔが形成されている。Ｙ方向の中央に位置する３セットＳの点像Ｔの中心は、画素１７ａのＹ方向の中心に位置している。Ｙ方向の上側に位置する３セットＳの点像Ｔの中心は、画素１７ａのＹ方向の中心より下側に位置している。Ｙ方向の下側に位置する３セットＳの点像Ｔの中心は、画素１７ａのＹ方向の中心より上側に位置している。また、Ｘ方向の中央に位置する３セットＳの点像Ｔの中心は、画素１７ａのＸ方向の中心に位置している。Ｘ方向の右側に位置する３セットＳの点像Ｔの中心は、画素１７ａのＸ方向の中心より左側に位置している。Ｘ方向の左側に位置する３セットＳの点像Ｔの中心は、画素１７ａのＸ方向の中心より右側に位置している。このようにして、９セットＳの点像Ｔは、それぞれ画素１７ａの異なる位置に位置されている。

この実施形態では、カラー撮像素子１７の画素１７ａに跨って複数の点像Ｔをそれぞれ結像し、複数の点像Ｔを合成して各色毎の点像Ｔの全体を得るようにしたので、各色の点像Ｔの全体を容易，確実に検出することができる。そして、各色の点像Ｔの全体を得るための複数の点像Ｔを１セットＳとし、各セットＳを撮像素子１７の画素１７ａの異なる位置に位置するようにしたので、カラー撮像素子１７の点像Ｔに対する分解能を簡易に向上することができる。
(実施形態の補足事項)
以上、本発明を上述した実施形態によって説明してきたが、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下のような形態でも良い。

(１)上述した実施形態では、被検レンズＬをカメラの撮影レンズにした例について説明したが、例えば、望遠鏡、顕微鏡等の光学機器の光学系であっても良い。

(２)上述した実施形態では、複数の点像Ｔの間隔Ｄを、撮像素子１７の画素１７ａのピッチＰあるいはその倍数と異なる間隔Ｄにした例について説明したが、例えば、マスク部材１５に同じ間隔Ｄとなるように形成し、マスク部材１５を回転して異なるピッチＰになるようにしても良い。また、撮像面と物面にある点像パターンの位置をフォーカス位置を保ちながら変化、すなわち倍率を僅かに変化させることで、撮像面上での点像間隔が微調出来ることを利用して、撮像素子ピッチに対して点像間隔を調整することも有効である。通常僅かな倍率の変更に伴う光学特性の変化は実用上無視できるからである。

(３)上述した実施形態では、マスク部材１５のピンホール１５ａの大きさを同じ大きさにした例について説明したが、異ならせても良い。

本発明の光学特性測定装置の第１の実施形態を示す説明図である。 図１の要部を拡大して模式的に示す説明図である。 図２の状態をより現実的な寸法で示す説明図である。 図２の点像の位置を平面的に示す説明図である。 点像に対して撮像素子を移動する測定方法を示す説明図である。 カラー撮像素子から各色の点像の全体を得るための点像のセットを示す説明図である。 図４の各点像を点像のセットに置き換えた状態を示す説明図である。

符号の説明

１１…光源、１５…マスク部材、１５ａ…ピンホール、１７…撮像素子、１７ａ…画素、１９…画像処理部、Ｌ…被検レンズ、Ｔ…点像。

Claims (6)

1. 拡散された照明光を複数のピンホールが形成されたマスク部材に照射する照射工程と、
   前記複数のピンホールを通過し、且つ前記マスク部材の下流側に配置される被検光学系を透過した前記照明光に基づいた複数の点像を撮像素子により取得する取得工程と、
   前記取得工程にて取得された前記複数の点像を用いて、点像強度分布を求める画像処理工程と、
   を備え、
   前記複数のピンホールは、前記マスク部材に対して、前記複数の点像の間隔が前記撮像素子に配列される画素のピッチの整数倍とは異なる間隔となり、且つ前記複数の点像のそれぞれにおける像高が同一と見なせる位置にそれぞれ形成されることを特徴とする光学特性測定方法。
2. 請求項１に記載の光学特性測定方法において、
   前記複数の点像は、少なくとも第１暗環より内側が重ならないことを特徴とする光学特性測定方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光学特性測定方法において、
   前記撮像素子は、赤色、緑色及び青色の各色成分からなる複数の画素がベイヤー配列により配置された撮像面を有する撮像素子であり、
   前記画像処理工程は、前記撮像素子の画素に跨って結像された前記複数の点像を色成分毎に合成することで、前記赤色、前記緑色及び前記青色の各色成分の点像を取得することを特徴とする光学特性測定方法。
4. 拡散された照明光を複数のピンホールが形成されたマスク部材と、
   前記複数のピンホールを通過し、且つ前記マスク部材の下流側に配置される被検光学系を透過した前記照明光に基づいた複数の点像を取得する撮像素子と、
   取得された前記複数の点像を用いて、点像強度分布を求める画像処理部と、
   を備え、
   前記複数のピンホールは、前記マスク部材に対して、前記複数の点像の間隔が前記撮像素子に配列される画素のピッチの整数倍とは異なる間隔となり、且つ前記複数の点像のそれぞれにおける像高が同一と見なせる位置にそれぞれ形成されることを特徴とする光学特性測定装置。
5. 請求項４に記載の光学特性測定装置において、
   前記複数の点像は、少なくとも第１暗環より内側が重ならないことを特徴とする光学特性測定装置。
6. 請求項４又は請求項５に記載の光学特性測定装置において、
   前記撮像素子は、赤色、緑色及び青色の各色成分からなる複数の画素がベイヤー配列により配置された撮像面を有する撮像素子であり、
   前記画像処理部は、前記撮像素子の画素に跨って結像された前記複数の点像を色成分毎に合成することで、前記赤色、前記緑色及び前記青色の各色成分の点像を取得することを特徴とする光学特性測定装置。

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