(57)【要約】【課題】結像面に結像された画像全体における結像性能の差を小さくさせるためのコストを抑制する。【解決手段】フィルタ設計方法は、コンピュータが実行する、レンズ１１と、レンズ１１を通過した光束を結像させる結像面１２との間に設置されるフィルタ１３を設計するフィルタ設計方法であって、レンズ１１と、結像面１２とに関する設計情報を取得するステップと、設計情報に基づいて、レンズ１１と、結像面１２とを含むモデルを生成するステップと、モデルを用いて、レンズ１１を通過した光束が結像面１２に結像されることによって形成された画像のコントラストを算出するステップと、画像のコントラストよりも低い目標コントラストを設定するステップと、画像のコントラストと目標コントラストとの差が小さくなるように、フィルタ１３に関するパラメータを決定するステップと、を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータが実行する、レンズと、前記レンズを通過した光束を結像させる結像面との間に設置されるフィルタを設計するフィルタ設計方法であって、
前記レンズと、前記結像面とに関する設計情報を取得するステップと、
前記設計情報に基づいて、前記レンズと、前記結像面とを含むモデルを生成するステップと、
前記モデルを用いて、前記レンズを通過した光束が前記結像面に結像されることによって形成された画像のコントラストを算出するステップと、
前記画像のコントラストよりも低い目標コントラストを設定するステップと、
前記画像のコントラストと前記目標コントラストとの差が小さくなるように、前記フィルタに関するパラメータを決定するステップと、
を有するフィルタ設計方法。
【請求項２】
前記フィルタは、前記光束の少なくとも一部を減光する減光部を含み、
前記パラメータは、前記減光部の透過率と、前記減光部の領域とを含み、
前記決定するステップにおいて、前記画像のコントラストと前記目標コントラストとの差に基づいて、前記減光部の透過率と、前記減光部の領域とを決定する、
請求項１に記載のフィルタ設計方法。
【請求項３】
前記決定するステップにおいて、前記減光部の透過率が高いほど、前記減光部の領域を大きくする、
請求項２に記載のフィルタ設計方法。
【請求項４】
前記決定するステップにおいて、前記減光部の領域が大きいほど、前記減光部の透過率を高くする、
請求項２に記載のフィルタ設計方法。
【請求項５】
前記フィルタは、前記光束の少なくとも一部を減光する減光部を含み、
前記パラメータは、前記減光部の領域と、前記フィルタの設置位置とを含み、
前記決定するステップにおいて、前記画像においてコントラストを減衰させる範囲に基づいて、前記減光部の領域と、前記フィルタの設置位置とを決定する、
請求項１から４のいずれか一項に記載のフィルタ設計方法。
【請求項６】
前記決定するステップにおいて、前記減光部の領域が大きいほど、前記フィルタの設置位置を前記レンズ側に近づける、
請求項５に記載のフィルタ設計方法。
【請求項７】
前記決定するステップにおいて、前記フィルタの設置位置が前記レンズ側に近いほど、前記減光部の領域を大きくする、
請求項５に記載のフィルタ設計方法。
【請求項８】
レンズと、前記レンズを通過した光束を結像させる結像面との間に設置されるフィルタを設計するフィルタ設計プログラムであって、
コンピュータを、
前記レンズと、前記結像面とに関する設計情報を取得する取得部、
前記設計情報に基づいて、前記レンズと、前記結像面とを含むモデルを生成する生成部、
前記モデルを用いて、前記レンズを通過した光束が前記結像面に結像されることによって形成された画像のコントラストを算出する算出部、
前記画像のコントラストよりも低い目標コントラストを設定する設定部、及び、
前記画像のコントラストと前記目標コントラストとの差が小さくなるように、前記フィルタに関するパラメータを決定する決定部、
として機能させるフィルタ設計プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結像光学系のフィルタを設計する方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、レンズを通過した光束が結像面に結像されることによって形成された画像においては、周辺画像のコントラストをはじめとする結像性能が中心画像の結像性能より低くなる。そのため、非球面形状のレンズを用いた結像光学系、又はレンズの枚数を増やした結像光学系等が提案されている。特許文献１には、非球面形状のレンズを製造する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−６９６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のような方法によって製造された非球面形状のレンズを用いたり、レンズの枚数を増やしたりすることにより、結像面に結像された画像全体における結像性能の差を小さくすることができる。しかしながら、結像光学系に非球面形状のレンズを用いたり、レンズの枚数を増やしたりするほど、コストが増大してしまうという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、結像面に結像された画像全体における結像性能の差を小さくさせるためのコストを抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様にかかるフィルタ設計方法は、コンピュータが実行する、レンズと、前記レンズを通過した光束を結像させる結像面との間に設置されるフィルタを設計するフィルタ設計方法であって、前記レンズと、前記結像面とに関する設計情報を取得するステップと、前記設計情報に基づいて、前記レンズと、前記結像面とを含むモデルを生成するステップと、前記モデルを用いて、前記レンズを通過した光束が前記結像面に結像されることによって形成された画像のコントラストを算出するステップと、前記画像のコントラストよりも低い目標コントラストを設定するステップと、前記画像のコントラストと前記目標コントラストとの差が小さくなるように、前記フィルタに関するパラメータを決定するステップと、を有する。
【０００７】
前記フィルタは、前記光束の少なくとも一部を減光する減光部を含んでもよいし、前記パラメータは、前記減光部の透過率と、前記減光部の領域とを含んでもよいし、前記決定するステップにおいて、前記画像のコントラストと前記目標コントラストとの差に基づいて、前記減光部の透過率と、前記減光部の領域とを決定してもよい。
【０００８】
前記決定するステップにおいて、前記減光部の透過率が高いほど、前記減光部の領域を大きくしてもよい。
前記決定するステップにおいて、前記減光部の領域が大きいほど、前記減光部の透過率を高くしてもよい。
【０００９】
前記フィルタは、前記光束の少なくとも一部を減光する減光部を含んでもよいし、前記パラメータは、前記減光部の領域と、前記フィルタの設置位置とを含んでもよいし、前記決定するステップにおいて、前記画像においてコントラストを減衰させる範囲に基づいて、前記減光部の領域と、前記フィルタの設置位置とを決定してもよい。
【００１０】
前記決定するステップにおいて、前記減光部の領域が大きいほど、前記フィルタの設置位置を前記レンズ側に近づけてもよい。
前記決定するステップにおいて、前記フィルタの設置位置が前記レンズ側に近いほど、前記減光部の領域を大きくしてもよい。
【００１１】
本発明の第２の態様にかかるフィルタ設計プログラムは、レンズと、前記レンズを通過した光束を結像させる結像面との間に設置されるフィルタを設計するフィルタ設計プログラムであって、コンピュータを、前記レンズと、前記結像面とに関する設計情報を取得する取得部、前記設計情報に基づいて、前記レンズと、前記結像面とを含むモデルを生成する生成部、前記モデルを用いて、前記レンズを通過した光束が前記結像面に結像されることによって形成された画像のコントラストを算出する算出部、前記画像のコントラストよりも低い目標コントラストを設定する設定部、及び、前記画像のコントラストと前記目標コントラストとの差が小さくなるように、前記フィルタに関するパラメータを決定する決定部、として機能させる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、結像面に結像された画像全体における結像性能の差を小さくさせるためのコストを抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】結像光学系の概要を示す図である。
【図２】結像光学系の構成を示す図である。
【図３】シミュレータの構成を示す図である。
【図４】結像光学系のコントラストを示すグラフである。
【図５】フィルタを設計する流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［結像光学系１の概要］
図１は、結像光学系１の概要を示す図である。図１（ａ）は、一般的な結像光学系１の構成を示す図である。結像光学系１は、例えば、カメラ又は顕微鏡等である。図１（ａ）に示す結像光学系１は、レンズ１１と、レンズ１１を通過した光束を結像させる結像面１２とを有する。
【００１５】
図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す結像光学系１のコントラストを示すグラフである。図１（ｂ）に示すグラフの縦軸はコントラストを示し、横軸は視野数を示す。図１（ｂ）に示す計測値Ｃ１は、図１（ａ）に示す結像光学系１においてレンズ１１を通過した光束が結像面１２に結像されることによって形成された画像のコントラストを示す。
【００１６】
図１（ａ）に示す結像光学系１は、光軸を中心とした回転対称システムである。そのため、光軸対称にレンズ１１を通過した光束Ｌ１が結像面１２に結像されることによって形成された中心画像と、光軸非対称にレンズ１１を通過した光束Ｌ２が結像面１２に結像されることによって形成された周辺画像とは、コントラストをはじめとする結像性能が異なる。具体的には、周辺画像においては、中心画像より結像性能が低くなる。
【００１７】
また、図１（ａ）に示すように、光束Ｌ２の直径は、光束Ｌ１の直径より小さいため、周辺画像においてケラレが生じる。また、光束Ｌ２は、結像面１２に対して斜めに照射されるため、周辺画像の照明照度が、中心画像の照明照度より低くなる。
【００１８】
この場合において、図１（ｂ）に示すように、計測値Ｃ１は、レンズ１１の光軸に対応する結像面１２の中心である視野数「０」をピークとして、視野数「１」又は「−１」に向かう（結像面１２の中心から周辺に向かう）に従ってコントラストが低下する。そこで、本実施の形態では、図１（ａ）に示すような結像光学系１において、コントラストの最大値（視野数「０」のコントラスト）と最小値（視野数「１」又は「−１」のコントラスト）との差が小さくなるように、レンズ１１と結像面１２との間に、レンズ１１を通過した光束の少なくとも一部を減光する減光部を含むフィルタが設けられている。
【００１９】
図１（ａ）に示す結像光学系１にフィルタが設けられていると、図１（ｂ）に示す計測値Ｃ２が得られる。図１（ｂ）に示すように、計測値Ｃ２は、計測値Ｃ１に比べて、計測値Ｃ１においてコントラストが最大であった領域の周辺領域におけるコントラストが低下しており、コントラストの最大値と最小値との差が小さくなっている。非球面形状のレンズを用いたり、レンズの枚数を増やしたりする代わりに、上記のようなフィルタを用いることにより、結像面１２に結像された画像全体における結像性能の差を小さくするためのコストを抑制することができる。
以下、本実施の形態に係る結像光学系１の詳細について説明する。
【００２０】
［結像光学系１の構成］
図２は、結像光学系１の構成を示す図である。図２（ａ）は、本実施の形態にかかる結像光学系１の構成を示す図である。図２（ｂ）は、フィルタ１３の形状を表した図である。
【００２１】
図２（ａ）に示すように、結像光学系１は、レンズ１１と、結像面１２と、フィルタ１３とを有する。レンズ１１は、例えば対物レンズである。レンズ１１は、１枚のレンズであってもよいし、複数枚のレンズで構成されるレンズ群であってもよい。結像面１２は、レンズ１１を通過した光束を結像させる領域であり、例えばカメラにおける撮像素子である。
【００２２】
フィルタ１３は、レンズ１１と結像面１２との間に設置される部材であり、例えばガラス板である。図２（ｂ）に示すように、フィルタ１３は、レンズ１１を通過した光束の少なくとも一部を減光する減光部１４を含む。減光部１４は、レンズ１１の光軸を中心とする領域であり、例えば塗料又は反射防止膜等によって形成される。フィルタ１３は、シミュレータを用いて設計される。
【００２３】
［シミュレータ２の構成］
続いて、シミュレータ２の構成について説明する。図３は、シミュレータ２の構成を示す図である。シミュレータ２は、例えばコンピュータである。シミュレータ２は、記憶部２１と、制御部２２とを有する。
【００２４】
記憶部２１は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びハードディスク等の記憶媒体である。記憶部２１は、制御部２２が実行するプログラムを記憶している。
【００２５】
制御部２２は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）である。制御部２２は、記憶部２１に記憶されたプログラムを実行することにより、取得部２２１、生成部２２２、算出部２２３、設定部２２４、決定部２２５、及び出力部２２６として機能する。
【００２６】
取得部２２１は、レンズ１１と、結像面１２とに関する設計情報を取得する。設計情報は、レンズ１１と結像面１２とを含む結像光学系１を構成するための情報であり、例えば、レンズ１１の大きさ、開口数、レンズ１１から結像面１２までの距離等である。取得部２２１は、例えば、設計者が設計情報を入力することにより、設計情報を取得する。
【００２７】
生成部２２２は、取得部２２１が取得した設計情報に基づいて、レンズ１１と、結像面１２とを含むモデルを生成する。モデルは、結像光学系１のシミュレーションを行うために用いられる仮想空間である。
【００２８】
算出部２２３は、生成部２２２が生成したモデルを用いて、レンズ１１を通過した光束が結像面１２に結像されることによって形成された画像のコントラストを算出する。図１（ａ）に示す例において、算出部２２３は、モデルに構成されたレンズ１１に光を入射ささせ、レンズ１１を通過した光束Ｌ１及び光束Ｌ２が結像面１２に結像されることによって形成された画像のコントラストを算出する。
【００２９】
設定部２２４は、算出部２２３が算出した画像のコントラストよりも低い目標コントラストを設定する。設定部２２４は、算出部２２３が算出した画像のコントラストの最小値を目標コントラストとして設定してもよいし、設計者が選択した値を目標コントラストとして設定してもよい。
【００３０】
決定部２２５は、画像のコントラストと目標コントラストとの差が小さくなるように、フィルタ１３に関するパラメータを決定する。決定部２２５は、例えばパラメータの初期値を決定し、初期値を用いた場合の画像のコントラストと目標コントラストとの差が小さくなるように、パラメータの値を初期値から更新することにより、パラメータを決定する。フィルタ１３に関するパラメータは、減光部１４の透過率と、減光部１４の領域と、フィルタ１３の設置位置とを含む。フィルタ１３の設置位置は、レンズ１１と結像面１２との間においてフィルタ１３が設置される位置を示す。図２（ａ）に示す例において、フィルタ１３の設置位置は、結像面１２からレンズ１１までの距離を０から１までの数値によって表される。
【００３１】
図４は、結像光学系１のコントラストを示すグラフである。図４に示す設置前計測値Ｃ３は、フィルタ１３を設置する前において、レンズ１１を通過した光束が結像面１２に結像されることによって形成された画像のコントラストを示す。目標値Ｃ４は、結像面１２に形成された画像のコントラストに基づいて定められた目標のコントラストを示す。図４に示す例において、目標値Ｃ４は、設置前計測値Ｃ３の最小値（視野数「−１」又は「１」の設置前計測値Ｃ３）に設定される。設置後計測値Ｃ５は、フィルタ１３を設置した後において、レンズ１１及びフィルタ１３を通過した光束が結像面１２に結像されることによって形成された画像のコントラストを示す。
【００３２】
図４に示す例において、決定部２２５は、設置前計測値Ｃ３と目標値Ｃ４との差が小さくなるようにフィルタ１３に関するパラメータを決定することにより、結像面１２に結像された画像のコントラストを減衰させる減衰範囲Ｒ１と減衰量Ｒ２とを調節する。決定部２２５は、例えば、設置前計測値Ｃ３の最大値と目標値Ｃ４との差が小さくなるようにフィルタ１３に関するパラメータを決定する。
【００３３】
図４に示す減衰範囲Ｒ１の大きさは、減光部１４の領域の大きさに相関する関係にある。具体的には、減光部１４の領域が大きいほど減衰範囲Ｒ１が大きくなるので、減衰範囲Ｒ１の大きさと減光部１４の領域の大きさとは正の相関関係を有する。そのため、決定部２２５は、減衰範囲Ｒ１が大きいほど減光部１４の領域を大きくする。
【００３４】
また、減光部１４の領域の大きさは、フィルタ１３の設置位置に相関する関係にある。図２（ａ）に示すように、フィルタ１３の設置位置を結像面１２からの距離により定める場合、フィルタ１３の設置位置がレンズ１１側に近いほど減光部１４の領域が大きくなるので、減光部１４の領域の大きさとフィルタ１３の設置位置とは正の相関関係を有する。
【００３５】
そのため、決定部２２５は、フィルタ１３の設置位置がレンズ１１側に近いほど、減光部１４の領域を大きくする。また、決定部２２５は、減光部１４の領域が大きくなるほど、フィルタ１３の設置位置をレンズ１１側に近づける。このようにして、決定部２２５は、画像においてコントラストを減衰させる範囲（図４に示す減衰範囲Ｒ１）に基づいて、減光部１４の領域と、フィルタ１３の設置位置とを決定する。
【００３６】
結像光学系１の構造上、レンズ１１と結像面１２との間においてフィルタ１３を設置することができる範囲が制限される場合がある。そのため、決定部２２５は、結像光学系１の構造上、フィルタ１３の設置が可能な範囲において、フィルタ１３の設置位置を決定してもよい。
【００３７】
また、フィルタ１３が結像面１２側に寄り過ぎると、結像面１２に結像された画像にフィルタ１３が写りこんでしまう。そのため、決定部２２５は、結像面１２に結像された画像にフィルタ１３が写りこまない範囲において、フィルタ１３の設置位置を決定するのが好適である。
【００３８】
図４に示す減衰量Ｒ２は、減光部１４の透過率と、減光部１４の領域の大きさとに相関する関係にある。具体的には、減光部１４の透過率が高いほど減衰量Ｒ２が大きくなるので、減衰量Ｒ２と減光部１４の透過率とは正の相関関係を有する。また、減光部１４の領域の大きさが大きいほど減衰量Ｒ２が大きくなるので、減衰量Ｒ２と減光部１４の領域の大きさとは正の相関関係を有する。
【００３９】
そのため、決定部２２５は、コントラストの減衰量Ｒ２が大きいほど、減光部１４の領域を大きくする。また、決定部２２５は、減光部１４の領域が大きいほど、減光部１４の透過率を高くする。また、決定部２２５は、減光部１４の透過率が高いほど、減光部１４の領域を大きくする。このようにして、決定部２２５は、画像のコントラストと目標コントラストとの差（図４に示す減衰量Ｒ２）に基づいて、減光部１４の透過率と、減光部１４の領域とを決定する。
【００４０】
決定部２２５が、減光部１４の透過率と、減光部１４の領域と、フィルタ１３の設置位置とを決定する順序は、任意である。決定部２２５は、例えば、フィルタ１３の設置位置が結像光学系１の構造上により制限されている場合、フィルタ１３の設置位置、減光部１４の領域、減光部１４の透過率の順に決定してもよい。
【００４１】
結像光学系１において、このように設計されたフィルタ１３を用いることにより、図４に示すような設置後計測値Ｃ５が得られる。設置後計測値Ｃ５においては、視野数「０」のコントラストが低下し、設置前計測値Ｃ３と比べて、コントラストの最大値と最小値との差が小さくなっている。
【００４２】
図３に戻り、出力部２２６は、決定部２２５が決定したフィルタ１３に関するパラメータに基づく情報を出力する。出力部２２６は、フィルタ１３に関するパラメータに含まれる減光部１４の透過率と、減光部１４の領域と、フィルタ１３の設置位置とを示す情報を不図示のディスプレイに表示させてもよいし、図４に示すグラフをディスプレイに表示させてもよい。
【００４３】
［フィルタを設計する流れ］
続いて、フィルタ１３を設計する流れについて説明する。図５は、シミュレータ２の処理の流れを示すフローチャートである。本フローチャートは、取得部２２１が、レンズ１１と、結像面１２とに関する設計情報を取得したことを契機として開始する（Ｓ１）。
【００４４】
生成部２２２は、取得部２２１が取得した設計情報に基づいて、レンズ１１と、結像面１２とを含むモデルを生成する（Ｓ２）。算出部２２３は、生成部２２２がモデルを生成すると、モデルを用いて、レンズ１１を通過した光束が結像面１２に結像されることによって形成された画像のコントラストを算出する（Ｓ３）。
【００４５】
設定部２２４は、算出部２２３が画像のコントラストを算出すると、画像のコントラストよりも低い目標コントラストを設定する（Ｓ４）。設定部２２４は、例えば、算出部２２３が算出した画像のコントラストの最小値を目標コントラストとして設定する。
【００４６】
決定部２２５は、画像のコントラストと目標コントラストとの差が小さくなるように、フィルタ１３に関するパラメータを決定する。例えば、決定部２２５は、まず、結像光学系１の構造上、フィルタ１３の設置が可能な範囲において、フィルタ１３の設置位置を決定する（Ｓ５）。また、決定部２２５は、結像面１２に結像された画像にフィルタ１３が写りこまない範囲において、フィルタ１３の設置位置を決定する。
【００４７】
決定部２２５は、フィルタ１３の設置位置を決定すると、図４に示すコントラストの減衰範囲Ｒ１を満たすように減光部１４の領域を決定する（Ｓ６）。決定部２２５は、例えば、フィルタ１３の設置位置がレンズ１１側に近いほど、減光部１４の領域を大きくする。
【００４８】
決定部２２５は、減光部１４の領域を決定すると、図４に示すコントラストの減衰量Ｒ２を満たすように減光部１４の透過率を決定する（Ｓ７）。シミュレータは、例えば、減光部１４の領域が大きいほど、減光部１４の透過率を高くする。そして、出力部２２６は、決定部２２５が決定したフィルタ１３に関するパラメータに基づく情報を出力する（Ｓ８）。
【００４９】
［本実施の形態における効果］
以上説明したとおり、本実施の形態にかかるフィルタ設計方法は、シミュレータ２が、画像のコントラストと目標コントラストとの差が小さくなるように、減光部１４の透過率と、減光部１４の領域と、フィルタ１３を設置する位置とを含むフィルタに関するパラメータを決定する。このように設計したフィルタ１３を用いることにより、結像光学系１は、光軸対称にレンズ１１を通過する光束が結像面１２に結像されることによって形成された画像のコントラストが低下する。その結果、設計者は、結像面１２に結像された画像全体のコントラストの差を小さくさせるためのコストを抑制することができる。
【００５０】
また、結像光学系１においては、中心画像を形成する光束を減光することにより、有効開口数が低下するため、開口数に比例する分解能が中心画像において低下する。さらに、結像光学系１においては、中心画像を形成する光束を減光することにより、中心画像の照度が低下する。これにより、設計者は、結像面１２に結像された画像全体における結像性能（コントラスト、分解能、及び照度）の差を小さくさせるためのコストを抑制することができる。
【００５１】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の分散・統合の具体的な実施の形態は、以上の実施の形態に限られず、その全部又は一部について、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を合わせ持つ。
【符号の説明】
【００５２】
１  結像光学系
１１  レンズ
１２  結像面
１３  フィルタ
１４  減光部
２  シミュレータ
２１  記憶部
２２  制御部
２２１  取得部
２２２  生成部
２２３  算出部
２２４  設定部
２２５  決定部
２２６  出力部
【図１】
2020034669.tif 000003
【図２】
2020034669.tif 000004
【図３】
2020034669.tif 000005
【図４】
2020034669.tif 000006
【図５】
2020034669.tif 000007