(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
点光源が評価対象光学系を介して結像される点像の結像位置をもとに前記評価対象光学系の光学特性を評価する光学系評価装置において、
前記評価対象光学系の物体面の位置付近に配置され平面状に配列された複数の点光源を有し、各点光源を前記評価対象光学系を介して点像に結像させることによって複数の点像を生成する点像生成手段と、
前記複数の点像を撮像して点像分布画像を生成する撮像手段と、
前記評価対象光学系の光軸方向に、該評価対象光学系と前記点光源または前記撮像手段との相対距離を変化させる移動手段と、
前記移動手段によって前記相対距離を変化させ、該相対距離を変化させるごとに前記撮像手段に前記点像分布画像を撮像させる撮像制御手段と、
異なる前記相対距離で撮像された複数の前記点像分布画像の画像情報をもとに、前記複数の点像の異なる前記相対距離ごとの結像位置を検出し、前記相対距離に対する前記結像位置の回帰式を前記複数の点像について算出するとともに、前記相対距離に対する前記結像位置の回帰式によって規定される像軸の形状パラメータを取得する処理を前記複数の点像について行う像軸形状算出手段と、
取得された前記複数の点像の像軸の形状パラメータに対し、前記光学特性の分布を示す特性分布モデル関数をフィットさせ、このフィットさせた特性分布モデル関数をもとに前記光学特性の評価値を算出する評価値算出手段と、
を備えたことを特徴とする光学系評価装置。
【請求項２】
前記特性分布モデル関数は、テレセントリシティまたはコマ収差の少なくとも一方の分布を示すことを特徴とする請求項１に記載の光学系評価装置。
【請求項３】
前記像軸形状算出手段は、
異なる前記相対距離で撮像された前記点像分布画像ごとに、前記点像が撮像されている点像画像領域に対し、該点像画像領域の２次元強度分布を示す強度分布モデル関数をフィットさせる強度分布フィット手段と、
異なる前記相対距離で撮像された前記点像分布画像ごとに、前記強度分布フィット手段がフィットさせた強度分布モデル関数が最大値となる前記点像分布画像上の平面内座標を検出し、この検出した平面内座標をもとに、前記点像分布画像が撮像された前記相対距離における前記点像の最大強度位置を該点像の結像位置として算出する強度位置算出手段と、
異なる前記相対距離ごとの複数の前記最大強度位置に対して曲線モデル関数を前記回帰式としてフィットさせ、このフィットさせた曲線モデル関数の係数を前記形状パラメータとして取得する曲線フィット手段と、
を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光学系評価装置。
【請求項４】
前記像軸形状算出手段は、前記点像に対して前記強度分布モデル関数のフィット範囲を設定する範囲設定手段を有し、
前記強度分布フィット手段は、前記フィット範囲内の異なる前記相対距離で撮像された前記点像分布画像ごとに、前記点像画像領域に対して前記強度分布モデル関数をフィットさせることを特徴とする請求項３に記載の光学系評価装置。
【請求項５】
前記強度分布モデル関数は、２次元のガウシアン分布関数であることを特徴とする請求項３または４に記載の光学系評価装置。
【請求項６】
前記像軸形状算出手段は、
異なる前記相対距離で撮像された前記点像分布画像ごとに、前記点像が撮像されている点像画像領域内の最大輝度値を示す画素位置を検出し、この検出した画素位置をもとに、前記点像分布画像が撮像された前記相対距離における前記点像の最大強度位置を該点像の結像位置として算出する強度位置算出手段と、
異なる前記相対距離ごとの複数の前記最大強度位置に対して曲線モデル関数を前記回帰式としてフィットさせ、このフィットさせた曲線モデル関数の係数を前記形状パラメータとして取得する曲線フィット手段と、
を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光学系評価装置。
【請求項７】
前記像軸形状算出手段は、前記点像に対して前記画素位置の探索範囲を設定する範囲設定手段を有し、
前記強度位置算出手段は、前記探索範囲内の異なる前記相対距離で撮像された前記点像分布画像ごとに前記画素位置を検出することを特徴とする請求項６に記載の光学系評価装置。
【請求項８】
前記曲線モデル関数は、直線を示す直線モデル関数であることを特徴とする請求項３〜７のいずれか一つに記載の光学系評価装置。
【請求項９】
前記曲線モデル関数は、２次曲線を示す２次曲線モデル関数であることを特徴とする請求項３〜７のいずれか一つに記載の光学系評価装置。
【請求項１０】
前記点像生成手段は、前記点光源から複数の波長域の光を切換自在に射出させるとともに該複数の波長域の光ごとに前記点像を結像させ、
前記撮像制御手段は、前記移動手段によって前記相対距離を変化させるごとに、前記点像生成手段に前記複数の波長域の光による前記点像を順次結像させるとともに、前記撮像手段に前記複数の波長域の光ごとに前記点像分布画像を撮像させ、
前記像軸形状算出手段は、前記複数の点像ごとに前記形状パラメータを取得する処理を前記複数の波長域の光ごとに行うとともに、該複数の波長域の光のうちの第１波長域の光と第２波長域の光とに対する前記形状パラメータの差分を示す差分パラメータを算出し、
前記評価値算出手段は、前記複数の点像ごとの前記差分パラメータに対し、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とにおける前記光学特性の差分の分布を示す差分分布モデル関数をフィットさせ、このフィットさせた差分分布モデル関数をもとに前記光学特性の差分の評価値を算出することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の光学系評価装置。
【請求項１１】
前記評価対象光学系の少なくとも一部を含む部分光学系を該部分光学系の光軸を中心に回転させる回転手段を備え、
前記評価値算出手段は、前記回転手段による前記部分光学系の異なる回転位置に対して前記光学特性の評価値を算出し、この算出した複数の前記光学特性の評価値をもとに、該光学特性の評価値のうちの前記部分光学系に対応する成分と該部分光学系以外に対応する成分とを分離することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の光学系評価装置。
【請求項１２】
前記撮像制御手段は、前記移動手段によって前記相対距離を所定範囲内で増加および減少させる往復変化を少なくとも１回行わせるとともに、前記相対距離の増加中および減少中に該相対距離を変化させるごとに前記撮像手段に前記点像分布画像を撮像させ、
前記像軸形状算出手段は、前記相対距離の増加中および減少中に撮像された複数の前記点像分布画像の画像情報をもとに、該相対距離の増加中および減少中のそれぞれに対応する前記形状パラメータを前記複数の点像ごとに取得し、
前記評価値算出手段は、前記相対距離の増加中および減少中のそれぞれに対応する前記形状パラメータをもとに、該相対距離の増加中および減少中のそれぞれに対応する前記光学特性の評価値を算出し、この算出した複数の前記光学特性の評価値に基づいて、該光学特性の評価値のうちの前記評価対象光学系に対応する成分と該評価対象光学系以外に対応する成分とを分離することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の光学系評価装置。
【請求項１３】
前記評価対象光学系は、絞りを有し、
前記特性分布モデル関数は、テレセントリシティの分布を示し、
前記評価値算出手段は、前記特性分布モデル関数をもとに前記絞りの横ずれ量および縦ずれ量の少なくとも一方を算出することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載の光学系評価装置。
【請求項１４】
前記点像生成手段は、
前記評価対象光学系の分解能と同等以下の直径を有し、平面状に配列された複数のピンホールと、
複数の前記ピンホールを透過照明する照明手段と、
を備え、前記照明手段によって照明した複数の前記ピンホールを前記複数の点光源として用いることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の光学系評価装置。
【請求項１５】
前記点像生成手段は、
前記評価対象光学系の分解能と同等以下の直径を有し、平面状に配列された複数の微小反射鏡と、
複数の前記微小反射鏡を落射照明する照明手段と、
を備え、前記照明手段によって照明した複数の前記微小反射鏡を複数の前記点光源として用いることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の光学系評価装置。
【請求項１６】
前記撮像手段は、２次元撮像素子を有し、該２次元撮像素子によって前記複数の点像を撮像することを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一つに記載の光学系評価装置。
【請求項１７】
前記点像生成手段は、前記評価対象光学系に対して前記複数の点光源と共役に設けられた共焦点光学系を備え、前記点光源ごとに該共焦点光学系を介して前記点像を共焦点検出することを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一つに記載の光学系評価装置。
【請求項１８】
前記撮像制御手段は、前記移動手段によって前記相対距離を移動させるごとに、前記点像生成手段に前記複数の点光源を順次発光させて前記複数の点像を順次結像させるとともに、この順次結像させた前記複数の点像を前記撮像手段に順次撮像させて前記点像分布画像を生成させることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一つに記載の光学系評価装置。
【請求項１９】
前記評価対象光学系は、テレセントリック光学系であることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一つに記載の光学系評価装置。
【請求項２０】
前記移動手段は、前記評価対象光学系のテレセントリック側の前記相対距離を変化させることを特徴とする請求項１９に記載の光学系評価装置。
【請求項２１】
前記評価対象光学系は、顕微鏡に用いる顕微鏡光学系であることを特徴とする請求項１〜２０のいずれか一つに記載の光学系評価装置。
【請求項２２】
前記評価対象光学系の少なくとも一部は、対物レンズであることを特徴とする請求項２１に記載の光学系評価装置。
【請求項２３】
点光源が評価対象光学系を介して結像される点像の結像位置をもとに前記評価対象光学系の光学特性を評価する光学系評価方法において、
前記評価対象光学系の物体面の位置付近に配置され平面状に配列された複数の点光源の各々を前記評価対象光学系を介して点像に結像させることによって複数の点像を生成する点像生成ステップと、
前記複数の点像を撮像手段により撮像して点像分布画像を生成する撮像ステップと、
前記評価対象光学系の光軸方向に、該評価対象光学系と前記点光源または前記撮像手段との相対距離を変化させる移動ステップと、
前記移動ステップによって前記相対距離を変化させ、該相対距離を変化させるごとに前記撮像ステップによって前記点像分布画像を撮像する撮像制御ステップと、
異なる前記相対距離で撮像された複数の前記点像分布画像の画像情報をもとに、前記複数の点像の異なる前記相対距離ごとの結像位置を検出し、前記相対距離に対する前記結像位置の回帰式を前記複数の点像について算出するとともに、前記相対距離に対する前記結像位置の回帰式によって規定される像軸の形状パラメータを取得する処理を前記複数の点像について行う像軸形状算出ステップと、
取得された前記複数の点像の像軸の形状パラメータに対し、前記光学特性の分布を示す特性分布モデル関数をフィットさせ、このフィットさせた特性分布モデル関数をもとに前記光学特性の評価値を算出する評価値算出ステップと、
を含むことを特徴とする光学系評価方法。
【請求項２４】
前記特性分布モデル関数は、テレセントリシティまたはコマ収差の少なくとも一方の分布を示すことを特徴とする請求項２３に記載の光学系評価方法。
【請求項２５】
前記像軸形状算出ステップは、
異なる前記相対距離で撮像された前記点像分布画像ごとに、前記点像が撮像されている点像画像領域に対し、該点像画像領域の２次元強度分布を示す強度分布モデル関数をフィットさせる強度分布フィットステップと、
異なる前記相対距離で撮像された前記点像分布画像ごとに、前記強度分布フィットステップがフィットさせた強度分布モデル関数が最大値となる前記点像分布画像上の平面内座標を検出し、この検出した平面内座標をもとに、前記点像分布画像が撮像された前記相対距離における前記点像の最大強度位置を該点像の結像位置として算出する強度位置算出ステップと、
異なる前記相対距離ごとの複数の前記最大強度位置に対して曲線モデル関数を前記回帰式としてフィットさせ、このフィットさせた曲線モデル関数の係数を前記形状パラメータとして取得する曲線フィットステップと、
を含むことを特徴とする請求項２３または２４に記載の光学系評価方法。
【請求項２６】
前記像軸形状算出ステップは、前記点像に対して前記強度分布モデル関数のフィット範囲を設定する範囲設定ステップを含み、
前記強度分布フィットステップは、前記フィット範囲内の異なる前記相対距離で撮像された前記点像分布画像ごとに、前記点像画像領域に対して前記強度分布モデル関数をフィットさせることを特徴とする請求項２５に記載の光学系評価方法。
【請求項２７】
前記強度分布モデル関数は、２次元のガウシアン分布関数であることを特徴とする請求項２５または２６に記載の光学系評価方法。
【請求項２８】
前記像軸形状算出ステップは、
異なる前記相対距離で撮像された前記点像分布画像ごとに、前記点像が撮像されている点像画像領域内の最大輝度値を示す画素位置を検出し、この検出した画素位置をもとに、前記点像分布画像が撮像された前記相対距離における前記点像の最大強度位置を該点像の結像位置として算出する強度位置算出ステップと、
異なる前記相対距離ごとの複数の前記最大強度位置に対して曲線モデル関数を前記回帰式としてフィットさせ、このフィットさせた曲線モデル関数の係数を前記形状パラメータとして取得する曲線フィットステップと、
を含むことを特徴とする請求項２３または２４に記載の光学系評価方法。
【請求項２９】
前記像軸形状算出ステップは、前記点像に対して前記画素位置の探索範囲を設定する範囲設定ステップを含み、
前記強度位置算出ステップは、前記探索範囲内の異なる前記相対距離で撮像された前記点像分布画像ごとに前記画素位置を検出することを特徴とする請求項２８に記載の光学系評価方法。
【請求項３０】
前記曲線モデル関数は、直線を示す直線モデル関数であることを特徴とする請求項２５〜２９のいずれか一つに記載の光学系評価方法。
【請求項３１】
前記曲線モデル関数は、２次曲線を示す２次曲線モデル関数であることを特徴とする請求項２５〜２９のいずれか一つに記載の光学系評価方法。
【請求項３２】
前記点像生成ステップは、前記点光源から複数の波長域の光を切換自在に射出させるとともに該複数の波長域の光ごとに前記点像を結像させ、
前記撮像制御ステップは、前記移動ステップによって前記相対距離を変化させるごとに、前記点像生成ステップによって前記複数の波長域の光による前記点像を順次結像させるとともに、前記撮像ステップによって前記複数の波長域の光ごとに前記点像分布画像を撮像させ、
前記像軸形状算出ステップは、前記複数の点像ごとに前記形状パラメータを取得する処理を前記複数の波長域の光ごとに行うとともに、該複数の波長域の光のうちの第１波長域の光と第２波長域の光とに対する前記形状パラメータの差分を示す差分パラメータを算出し、
前記評価値算出ステップは、前記複数の点像ごとの前記差分パラメータに対し、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とにおける前記光学特性の差分の分布を示す差分分布モデル関数をフィットさせ、このフィットさせた差分分布モデル関数をもとに前記光学特性の差分の評価値を算出することを特徴とする請求項２３〜３１のいずれか一つに記載の光学系評価方法。
【請求項３３】
前記評価対象光学系の少なくとも一部を含む部分光学系を該部分光学系の光軸を中心に回転させる回転ステップを含み、
前記評価値算出ステップは、前記回転ステップによる前記部分光学系の異なる回転位置に対して前記光学特性の評価値を算出し、この算出した複数の前記光学特性の評価値をもとに、該光学特性の評価値のうちの前記部分光学系に対応する成分と該部分光学系以外に対応する成分とを分離することを特徴とする請求項２３〜３２のいずれか一つに記載の光学系評価方法。
【請求項３４】
前記撮像制御ステップは、前記移動ステップによって前記相対距離を所定範囲内で増加および減少させる往復変化を少なくとも１回行わせるとともに、前記相対距離の増加中および減少中に該相対距離を変化させるごとに前記撮像ステップによって前記点像分布画像を撮像させ、
前記像軸形状算出ステップは、前記相対距離の増加中および減少中に撮像された複数の前記点像分布画像の画像情報をもとに、該相対距離の増加中および減少中のそれぞれに対応する前記形状パラメータを前記複数の点像ごとに取得し、
前記評価値算出ステップは、前記相対距離の増加中および減少中のそれぞれに対応する前記形状パラメータをもとに、該相対距離の増加中および減少中のそれぞれに対応する前記光学特性の評価値を算出し、この算出した複数の前記光学特性の評価値に基づいて、該光学特性の評価値のうちの前記評価対象光学系に対応する成分と該評価対象光学系以外に対応する成分とを分離することを特徴とする請求項２３〜３３のいずれか一つに記載の光学系評価方法。
【請求項３５】
前記評価対象光学系は、絞りを有し、
前記特性分布モデル関数は、テレセントリシティの分布を示し、
前記評価値算出ステップは、前記特性分布モデル関数をもとに前記絞りの横ずれ量および縦ずれ量の少なくとも一方を算出することを特徴とする請求項２３〜３４のいずれか一つに記載の光学系評価方法。
【請求項３６】
点光源が評価対象光学系を介して結像される点像の結像位置をもとに前記評価対象光学系の光学特性を評価する光学系評価装置に、
前記評価対象光学系の物体面の位置付近に配置され平面状に配列された複数の点光源の各々を前記評価対象光学系を介して点像に結像させることによって複数の点像を生成する点像生成手順と、
前記複数の点像を撮像手段により撮像して点像分布画像を生成する撮像手順と、
前記評価対象光学系の光軸方向に、該評価対象光学系と前記点光源または前記撮像手段との相対距離を変化させる移動手順と、
前記移動手順によって前記相対距離を変化させ、該相対距離を変化させるごとに前記撮像手順によって前記点像分布画像を撮像する撮像制御手順と、
異なる前記相対距離で撮像された複数の前記点像分布画像の画像情報をもとに、前記複数の点像の異なる前記相対距離ごとの結像位置を検出し、前記相対距離に対する前記結像位置の回帰式を前記複数の点像について算出するとともに、前記相対距離に対する前記結像位置の回帰式によって規定される像軸の形状パラメータを取得する処理を前記複数の点像について行う像軸形状算出手順と、
取得された前記複数の点像の像軸の形状パラメータに対し、前記光学特性の分布を示す特性分布モデル関数をフィットさせ、このフィットさせた特性分布モデル関数をもとに前記光学特性の評価値を算出する評価値算出手順と、
を実行させることを特徴とする光学系評価プログラム。
【請求項３７】
前記特性分布モデル関数は、テレセントリシティまたはコマ収差の少なくとも一方の分布を示すことを特徴とする請求項３６に記載の光学系評価プログラム。
【請求項３８】
前記像軸形状算出手順は、
異なる前記相対距離で撮像された前記点像分布画像ごとに、前記点像が撮像されている点像画像領域に対し、該点像画像領域の２次元強度分布を示す強度分布モデル関数をフィットさせる強度分布フィット手順と、
異なる前記相対距離で撮像された前記点像分布画像ごとに、前記強度分布フィット手順がフィットさせた強度分布モデル関数が最大値となる前記点像分布画像上の平面内座標を検出し、この検出した平面内座標をもとに、前記点像分布画像が撮像された前記相対距離における前記点像の最大強度位置を該点像の結像位置として算出する強度位置算出手順と、
異なる前記相対距離ごとの複数の前記最大強度位置に対して曲線モデル関数を前記回帰式としてフィットさせ、このフィットさせた曲線モデル関数の係数を前記形状パラメータとして取得する曲線フィット手順と、
を含むことを特徴とする請求項３６または３７に記載の光学系評価プログラム。
【請求項３９】
前記像軸形状算出手順は、前記点像に対して前記強度分布モデル関数のフィット範囲を設定する範囲設定手順を含み、
前記強度分布フィット手順は、前記フィット範囲内の異なる前記相対距離で撮像された前記点像分布画像ごとに、前記点像画像領域に対して前記強度分布モデル関数をフィットさせることを特徴とする請求項３８に記載の光学系評価プログラム。
【請求項４０】
前記強度分布モデル関数は、２次元のガウシアン分布関数であることを特徴とする請求項３８または３９に記載の光学系評価プログラム。
【請求項４１】
前記像軸形状算出手順は、
異なる前記相対距離で撮像された前記点像分布画像ごとに、前記点像が撮像されている点像画像領域内の最大輝度値を示す画素位置を検出し、この検出した画素位置をもとに、前記点像分布画像が撮像された前記相対距離における前記点像の最大強度位置を該点像の結像位置として算出する強度位置算出手順と、
異なる前記相対距離ごとの複数の前記最大強度位置に対して曲線モデル関数を前記回帰式としてフィットさせ、このフィットさせた曲線モデル関数の係数を前記形状パラメータとして取得する曲線フィット手順と、
を含むことを特徴とする請求項３６または３７に記載の光学系評価プログラム。
【請求項４２】
前記像軸形状算出手順は、前記点像に対して前記画素位置の探索範囲を設定する範囲設定手順を含み、
前記強度位置算出手順は、前記探索範囲内の異なる前記相対距離で撮像された前記点像分布画像ごとに前記画素位置を検出することを特徴とする請求項４１に記載の光学系評価プログラム。
【請求項４３】
前記曲線モデル関数は、直線を示す直線モデル関数であることを特徴とする請求項３８〜４２のいずれか一つに記載の光学系評価プログラム。
【請求項４４】
前記曲線モデル関数は、２次曲線を示す２次曲線モデル関数であることを特徴とする請求項３８〜４２のいずれか一つに記載の光学系評価プログラム。
【請求項４５】
前記点像生成手順は、前記点光源から複数の波長域の光を切換自在に射出させるとともに該複数の波長域の光ごとに前記点像を結像させ、
前記撮像制御手順は、前記移動手順によって前記相対距離を変化させるごとに、前記点像生成手順によって前記複数の波長域の光による前記点像を順次結像させるとともに、前記撮像手順によって前記複数の波長域の光ごとに前記点像分布画像を撮像させ、
前記像軸形状算出手順は、前記複数の点像ごとに前記形状パラメータを取得する処理を前記複数の波長域の光ごとに行うとともに、該複数の波長域の光のうちの第１波長域の光と第２波長域の光とに対する前記形状パラメータの差分を示す差分パラメータを算出し、
前記評価値算出手順は、前記複数の点像ごとに前記差分パラメータに対し、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とにおける前記光学特性の差分の分布を示す差分分布モデル関数をフィットさせ、このフィットさせた差分分布モデル関数をもとに前記光学特性の差分の評価値を算出することを特徴とする請求項３６〜４４のいずれか一つに記載の光学系評価プログラム。
【請求項４６】
前記評価対象光学系の少なくとも一部を含む部分光学系を該部分光学系の光軸を中心に回転させる回転手順を含み、
前記評価値算出手順は、前記回転手順による前記部分光学系の異なる回転位置に対して前記光学特性の評価値を算出し、この算出した複数の前記光学特性の評価値をもとに、該光学特性の評価値のうちの前記部分光学系に対応する成分と該部分光学系以外に対応する成分とを分離することを特徴とする請求項３６〜４５のいずれか一つに記載の光学系評価プログラム。
【請求項４７】
前記撮像制御手順は、前記移動手順によって前記相対距離を所定範囲内で増加および減少させる往復変化を少なくとも１回行わせるとともに、前記相対距離の増加中および減少中に該相対距離を変化させるごとに前記撮像手順によって前記点像分布画像を撮像させ、
前記像軸形状算出手順は、前記相対距離の増加中および減少中に撮像された複数の前記点像分布画像の画像情報をもとに、該相対距離の増加中および減少中のそれぞれに対応する前記形状パラメータを前記複数の点像ごとに取得し、
前記評価値算出手順は、前記相対距離の増加中および減少中のそれぞれに対応する前記形状パラメータをもとに、該相対距離の増加中および減少中のそれぞれに対応する前記光学特性の評価値を算出し、この算出した複数の前記光学特性の評価値に基づいて、該光学特性の評価値のうちの前記評価対象光学系に対応する成分と該評価対象光学系以外に対応する成分とを分離することを特徴とする請求項３６〜４６のいずれか一つに記載の光学系評価プログラム。
【請求項４８】
前記評価対象光学系は、絞りを有し、
前記特性分布モデル関数は、テレセントリシティの分布を示し、
前記評価値算出手順は、前記特性分布モデル関数をもとに前記絞りの横ずれ量および縦ずれ量の少なくとも一方を算出することを特徴とする請求項３６〜４７のいずれか一つに記載の光学系評価プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、評価対象光学系を介して結像される点像の結像位置をもとに評価対象光学系の光学特性を評価する光学系評価装置、光学系評価方法および光学系評価プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、光学系を用いて撮像した画像を測長に用いる場合、その光学系には高度なテレセントリシティが要求される。テレセントリシティとは、物体側あるいは像側の主光線が光軸からの距離に関わらずすべて光軸と平行になっている状態である。例えば測長顕微鏡では、物体側テレセントリックの光学系が用いられる。その場合、撮像される物体が合焦位置からずれても、物体上の任意の点に対応する結像位置は変化しない。このため、合焦状態あるいは物体の設置位置に依存しないで、物体上の２点間の距離などを高精度に測定することができる。
【０００３】
従来、光学系の評価装置として、特にレンズの解像度評価する評価装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の評価装置では、被検レンズが結像させる空中像を撮像し、この撮像した画像情報をもとに被検レンズのＭＴＦを算出している。このようにレンズ等の光学系が結像させる空中像を画像観察することによってその光学系の光学特性を評価する手法は周知であり、この手法を用いて光学系のテレセントリシティを評価する技術が広く知られている。ここで、そのテレセントリシティを評価する従来技術を図１０を参照しながら説明する。これは像側テレセントリックの光学系を評価する例を示している。
【０００４】
図１０に示すように、従来の光学系評価装置では、点光源となるピンホール７１を、評価対象光学系７２の物体面に設置し、その背後から不図示の照明装置によって照明する。評価対象光学系７２の像面にはピンホール７１の空中像である点像７３が結像される。この点像７３は小さいので、直接に撮像素子で撮像しても、最大強度を示す結像位置を高精度に測定することは難しい。そこで、この光学系評価装置では、拡大光学系７４によって拡大させた拡大像を撮像素子７５で撮像している。このようにすると、拡大像が撮像されている画像領域から最大輝度の画素を探索することによって、点像７３の結像位置を決定することができる。
【０００５】
さらに、拡大光学系７４と撮像素子７５とを評価対象光学系７２の光軸方向（Ｚ軸方向）に移動させながら順次撮像し、この順次撮像した各画像から最大輝度の画素を探索すると、Ｚ座標の変化に伴う結像位置のＸ，Ｙ座標の横ずれを検出することができる。そして、この横ずれのＺ座標に対する変化の傾向を算出することで、点像７３に対応するテレセントリシティが評価できる。また、このような測定を複数の点像７３に対して行うことで、評価対象光学系７２の像側テレセントリシティの分布を評価することができる。
【０００６】
ただし、点像７３の結像位置のＸ，Ｙ，Ｚ座標を求めるために、拡大光学系７４と撮像素子７５との位置を３軸の測長器でモニターする必要がある。また、評価対象光学系７２の視野全体におけるテレセントリシティの分布を評価するためには、ピンホール７１を物体面上で複数の位置に移動させながら測定する必要がある。この場合、ピンホール７１のＸ，Ｙ座標も測長器でモニターする必要がある。
【０００７】
なお、コマ収差も、結像位置の横ずれのＺ座標に対する変化の傾向に影響を与えることが知られている。コマ収差がないときには、結像位置の横ずれはＺ座標に対して直線的に変化するが、コマ収差が大きくなるとそれに伴って曲線的に変化することになる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１６３２０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、上述した従来の光学系評価装置のように、１つのピンホールに対する点像の結像位置を求め、それを像面内の複数の位置で繰り返す、という方法では、ピンホールの位置と点像の観察に用いる拡大光学系の位置とを何らかの測長器でモニターしなければならず、その測長器の測定精度に応じて光学特性の評価精度が低下するという問題があった。また、１つのピンホールを移動しながら測定するため、視野全体にわたる測定に多大な時間を要するとともに、その間の評価対象光学系および光学系評価装置の安定性を確保することが困難であるため、評価精度が低下するという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、評価対象光学系の光学特性の分布を短時間で高精度に評価することができる光学系評価装置、光学系評価方法および光学系評価プログラム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】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる光学系評価装置は、評価対象光学系を介して結像される点像の結像位置をもとに前記評価対象光学系の光学特性を評価する光学系評価装置において、平面状に配列された複数の点光源を有し、該点光源ごとに前記評価対象光学系を介して前記点像を結像させる点像生成手段と、複数の前記点像を撮像して点像分布画像を生成する撮像手段と、前記評価対象光学系の光軸方向に、該評価対象光学系と前記点光源または前記撮像手段との相対距離を変化させる移動手段と、前記移動手段によって前記相対距離を変化させ、該相対距離を変化させるごとに前記撮像手段に前記点像分布画像を撮像させる撮像制御手段と、異なる前記相対距離で撮像された複数の前記点像分布画像の画像情報をもとに、前記点像の異なる前記相対距離ごとの結像位置を検出し、この検出した複数の結像位置に対する回帰式を算出するとともに、該回帰式によって規定される像軸の形状パラメータを取得する処理を複数の前記点像ごとに行う像軸形状算出手段と、複数の前記点像ごとの前記形状パラメータに対し、前記光学特性の分布を示す特性分布モデル関数をフィットさせ、このフィットさせた特性分布モデル関数をもとに前記光学特性の評価値を算出する評価値算出手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる光学系評価装置は、上記の発明において、前記特性分布モデル関数は、テレセントリシティまたはコマ収差の少なくとも一方の分布を示すことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明にかかる光学系評価方法は、評価対象光学系を介して結像される点像の結像位置をもとに前記評価対象光学系の光学特性を評価する光学系評価方法において、平面状に配列された複数の点光源ごとに前記評価対象光学系を介して前記点像を結像させる点像生成ステップと、複数の前記点像を撮像して点像分布画像を生成する撮像ステップと、前記評価対象光学系の光軸方向に、該評価対象光学系と前記点光源または前記撮像手段との相対距離を変化させる移動ステップと、前記移動ステップによって前記相対距離を変化させ、該相対距離を変化させるごとに前記撮像ステップによって前記点像分布画像を撮像する撮像制御ステップと、異なる前記相対距離で撮像された複数の前記点像分布画像の画像情報をもとに、前記点像の異なる前記相対距離ごとの結像位置を検出し、この検出した複数の結像位置に対する回帰式を算出するとともに、該回帰式によって規定される像軸の形状パラメータを取得する処理を複数の前記点像ごとに行う像軸形状算出ステップと、複数の前記点像ごとの前記形状パラメータに対し、前記光学特性の分布を示す特性分布モデル関数をフィットさせ、このフィットさせた特性分布モデル関数をもとに前記光学特性の評価値を算出する評価値算出ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明にかかる光学系評価方法は、上記の発明において、前記特性分布モデル関数は、テレセントリシティまたはコマ収差の少なくとも一方の分布を示すことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明にかかる光学系評価プログラムは、評価対象光学系を介して結像される点像の結像位置をもとに前記評価対象光学系の光学特性を評価する光学系評価装置に、平面状に配列された複数の点光源ごとに前記評価対象光学系を介して前記点像を結像させる点像生成手順と、複数の前記点像を撮像して点像分布画像を生成する撮像手順と、前記評価対象光学系の光軸方向に、該評価対象光学系と前記点光源または前記撮像手段との相対距離を変化させる移動手順と、前記移動手順によって前記相対距離を変化させ、該相対距離を変化させるごとに前記撮像手順によって前記点像分布画像を撮像する撮像制御手順と、異なる前記相対距離で撮像された複数の前記点像分布画像の画像情報をもとに、前記点像の異なる前記相対距離ごとの結像位置を検出し、この検出した複数の結像位置に対する回帰式を算出するとともに、該回帰式によって規定される像軸の形状パラメータを取得する処理を複数の前記点像ごとに行う像軸形状算出手順と、複数の前記点像ごとの前記形状パラメータに対し、前記光学特性の分布を示す特性分布モデル関数をフィットさせ、このフィットさせた特性分布モデル関数をもとに前記光学特性の評価値を算出する評価値算出手順と、を実行させることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明にかかる光学系評価プログラムは、上記の発明において、前記特性分布モデル関数は、テレセントリシティまたはコマ収差の少なくとも一方の分布を示すことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明にかかる光学系評価装置、光学系評価方法および光学系評価プログラムによれば、評価対象光学系の光学特性の分布を短時間で高精度に評価することができ、特に評価対象光学系のテレセントリシティおよびコマ収差の少なくとも一方の分布を短時間で高精度に評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明にかかる光学系評価装置、光学系評価方法および光学系評価プログラムの好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一符号を付して示している。
【００１９】
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１にかかる光学系評価装置について説明する。図１は、本実施の形態１にかかる光学系評価装置としてのレンズ評価装置１００の要部構成を示す図である。この図に示すように、レンズ評価装置１００は、平面状に複数のピンホールが配列された試料４と、試料４を照明する照明手段としての光源１、光ファイバ２および光強度均一化部３と、試料４を保持するとともにＺ軸方向へ移動させる移動手段としてのＺ軸ステージ５と、試料４をＸ軸方向およびＹ方向へ移動させるＸＹステージ６とを備える。
【００２０】
また、レンズ評価装置１００は、評価対象光学系としての対物レンズ７ａとともに顕微鏡光学系７を構成して試料４の観察像を結像させる結像レンズ７ｂと、結像レンズ７ｂを内部に保持した鏡筒１１と、鏡筒１１の底部に設けられ、対物レンズ７ａをその光軸９周りに回転可能に保持する回転部８と、鏡筒１１の上部に設けられ、顕微鏡光学系７が結像させる試料４の観察像を撮像する撮像素子１０と、鏡筒１１を上下動自在に支持する上下移動ステージ１２と、上下移動ステージ１２を支持する鏡基１３とを備える。
【００２１】
光源１は、図示しない白色光源、波長選択機構および光量調整機構を内部に備える。白色光源は、例えばハロゲンランプ、キセノンランプまたはＬＥＤなどが用いられる。波長選択機構は、複数の干渉フィルタを保持するとともにそのうちの１つを光路内に選択的に設置できる回転ホルダを用いて構成される。光量調整機構は、透過率を０〜１００％の範囲で連続に変更可能な、例えば回転型のＮＤフィルタを用いて構成される。波長選択機構および光量調整機構は、後述の制御装置１４からの制御信号をもとに駆動制御され、光源１から射出させる光の中心波長と強度とを所定範囲内で任意に設定（選択切換）できる。なお、波長選択機構は、他の分光装置等を用いて構成することもできる。また、光源１は、異なる波長の光を射出する複数の光源を用いて構成することができる。
【００２２】
光源１が射出した光は、光ファイバ２によって導光された後、光強度均一化部３によって強度の位置および角度分布が均一にされてから試料４を透過照明する。光強度均一化部３は、内部反射を繰り返すロッドガラスや拡散板等を用いて構成される。
【００２３】
試料４は、図２に示すように複数のピンホール４ａが２次元配列されたピンホール列標本である。試料４は、ガラス基板上に蒸着された不透明な金属膜４ｂに、縦横等間隔の格子状に配列された複数のピンホール４ａが形成されている。すべてのピンホール４ａの直径は等しく、対物レンズ７ａの回折限界より小さく、即ち評価対象光学系の分解能と同等以下とされている。これにより、光強度均一化部３の作用と併せて、対物レンズ７ａの角開口より広い範囲で強度角度分布がほぼ均一化された光が各ピンホール４ａから射出され、各ピンホール４ａは点光源として作用する。ピンホール４ａの分布範囲は、評価対象光学系としての対物レンズ７ａの視野より広くされている。
【００２４】
Ｚ軸ステージ５は、試料４を顕微鏡光学系７の光軸９方向に上下動自在に移動させる。なお、レンズ評価装置１００では、顕微鏡光学系７の光軸９はＺ軸に平行とされている。Ｚ軸ステージ５は、変位量をモニターする静電容量センサを内蔵したピエゾステージを用いて構成されており、後述する制御装置１４からの制御信号をもとに駆動制御され、所定範囲内の任意のＺ軸位置に試料４を移動させることができる。また、ＸＹステージ６は、Ｚ軸ステージ５および試料４を顕微鏡光学系７の光軸９に対して垂直な方向へ移動させる手動のステージである。
【００２５】
顕微鏡光学系７は、試料４の観察像を撮像素子１０の撮像面上に結像させる。撮像素子１０は、顕微鏡光学系７による試料４の観察像の結像範囲より大きいか、あるいは結像範囲の大部分を撮像できる大きさの撮像面を有した２次元撮像素子であり、例えば２次元ＣＣＤが用いられる。回転部８は、光軸９を回転軸として対物レンズ７ａを任意の角度に回転および固定することできる。
【００２６】
レンズ評価装置１００は、さらに、レンズ評価装置１００全体の処理および動作を制御する制御装置１４を備える。制御装置１４は、顕微鏡光学系７による各ピンホール４ａの観察像である複数のピンホール像ごとに後述する像軸の形状パラメータを取得する像軸形状算出部１５と、ピンホール像ごとの像軸の形状パラメータに対して評価対象の光学特性の分布を示すモデル関数をフィットさせ、このフィットさせたモデル関数をもとにその光学特性の評価値を算出する評価値算出部１６と、各種情報を記憶する記憶部１７と、電気的に接続された各部の処理および動作を制御する制御部１８とを備える。制御部１８は、像軸形状算出部１５、評価値算出部１６および記憶部１７と電気的に接続されるとともに、図示しないインターフェースを介して光源１、Ｚ軸ステージ５および撮像素子１０等と電気的に接続されている。
【００２７】
像軸形状算出部１５は、各ピンホール像に対してその最大強度位置を検出するための強度分布モデル関数をフィットさせるフィット範囲を設定するフィット範囲設定部１５ａと、撮像素子１０が撮像した観察画像のうちフィット範囲設定部１５ａが設定したフィット範囲に対応する観察画像において、点像としてのピンホール像が撮像されている点像画像領域に強度分布モデル関数をフィットさせる強度分布フィット部１５ｂとを備える。また、像軸形状算出部１５は、強度分布モデル関数が最大値となる観察画像上の平面内座標を検出し、その平面内座標をもとにピンホール像の最大強度位置を算出する強度位置算出部１５ｃと、Ｚ軸方向の異なる位置で算出された複数の最大強度位置に対して曲線モデル関数フィットさせ、このフィットさせた曲線モデル関数の係数を、このフィットさせた曲線モデル関数によって規定される像軸の形状パラメータとして取得する曲線フィット部１５ｄとを備える。
【００２８】
記憶部１７は、撮像素子１０が撮像した観察画像の画像データや制御部１８が処理に用いる各種処理パラメータなどの各種情報を記憶する。特に、記憶部１７は、制御部１８が実行させる各種制御プログラムを記憶した制御プログラム記憶部１７ａと、像軸形状算出部１５または評価値算出部１６が処理に用いる各種モデル関数を記憶したモデル関数記憶部１７ｂとを備える。
【００２９】
制御部１８は、制御プログラム記憶部１７ａに記憶された制御プログラムを実行させることで各部の処理および動作を制御する。特に、制御部１８は、Ｚ軸ステージ５によって試料４と顕微鏡光学系７との相対距離を光軸９方向に順次変化させ、相対距離を変化させるごとに撮像素子１０に各ピンホール４ａのピンホール像を撮像させて観察画像を生成させる制御をする。また、異なる相対距離で撮像させた複数の観察画像の画像情報をもとに、像軸形状算出部１５および評価値算出部１６に顕微鏡光学系７の光学特性の評価値を算出させる制御をする。
【００３０】
制御装置１４は、コンピュータとして構成されており、像軸形状算出部１５、評価値算出部１６および制御部１８はＣＰＵによって実現され、記憶部１７はハードディスク、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を用いて実現される。また、制御装置１４は、その他、各種情報の入力、表示、出力をそれぞれ行う入力部、表示部および出力部等を備えている。
【００３１】
つぎに、レンズ評価装置１００の動作を説明する。まず、操作者は評価する対物レンズ７ａを回転部８に取り付け、その対物レンズ７ａに適したピンホール径のピンホール４ａが形成された試料４をＺ軸ステージ５に取り付ける。つぎに、撮像素子１０が撮像する画像を制御装置１４の表示部の画面でモニターしながら、ＸＹステージ６による試料４の位置決めと、上下移動ステージ１２あるいはＺ軸ステージ５による合焦を行う。なお、ここでの合焦は手動に限らず、例えば自動合焦ユニットをレンズ評価装置１００に設けて自動で行うようにしてもよい。
【００３２】
そして、このようにして合焦が行われた後、制御装置１４の制御部１８によって所定の撮像プログラムの実行を開始する。なお、この撮像プログラムは、制御プログラム記憶部１７ａに記憶された制御プログラムの一部であり、複数の波長ごとの積層画像を自動的に撮像するための制御を行うプログラムである。ここで、積層画像とは、Ｚ軸ステージ５が試料４と対物レンズ７ａとの相対距離を順次変化させる間に、撮像素子１０が異なる相対距離で順次撮像した一連の観察画像（観察画像群）である。また、複数の波長とは、顕微鏡光学系７の光学特性としてテレセントリシティとコマ収差とを評価するときに基準となる基準波長と、評価される複数の評価波長とのことである。
【００３３】
図３は、制御部１８が撮像プログラムを実行させることで複数の波長ごとの積層画像を取得する撮像処理手順を示すフローチャートである。この図に示すように、制御部１８は、まずＺ軸ステージ５を合焦位置（前記の合焦後の位置）から撮像範囲の下端に移動させる（ステップＳ１０１）。Ｚ軸方向の撮像範囲は、評価される対物レンズ７ａの像面湾曲や縦方向の色収差の範囲を含むように、焦点深度の数倍程度に設定しておくのが望ましい。
【００３４】
つづいて、制御部１８は、光源１内部の波長選択機構の干渉フィルタを切り換えて、照明光を、複数の波長の中で未だ現在のＺ軸ステージ位置で観察画像の撮像を行っていない１つの波長へ切り換える（ステップＳ１０２）。また、このステップＳ１０２では、制御部１８は、光源１内部のＮＤフィルタ（光量調整機構）によって、試料４に対する照明光を適切な光量に切り換える。この光量は、複数の波長ごとの積層画像の輝度が同じレベルに揃うように予め設定した値である。
【００３５】
つづいて、制御部１８は、撮像素子１０に試料４の観察画像を撮像させ、その画像ファイルを制御装置１４に転送させる（ステップＳ１０３）。なお、転送された画像ファイルは、制御装置１４内部の記憶部１７に記憶される。
【００３６】
つづいて、制御部１８は、現在のＺ軸ステージ位置において複数の波長の全てに対してステップＳ１０２，Ｓ１０３を行ったか否か、つまり撮像に用いた波長本数が所定の波長本数に達したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。そして、所定の波長本数に達している場合（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、制御部１８は、ステップＳ１０５へ進み、所定の波長本数に達していない場合には（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、ステップＳ１０２からの処理を繰り返す。このように、撮像に用いた波長本数が所定の波長本数に達するまでステップＳ１０２，Ｓ１０３の処理が繰り返されることで、現在のＺ軸ステージ位置における複数の波長ごとの観察画像の画像ファイルが制御装置１４に転送され、記憶部１７に記憶される。
【００３７】
つづいて、制御部１８は、記憶部１７に記憶された各波長の画像ファイル数が、Ｚ軸方向の所定の撮像範囲をカバーする積層枚数に達したか否かを判定する（ステップＳ１０５）。そして、積層枚数に達している場合（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、制御部１８は、撮像処理を終了し、積層枚数に達していない場合には（ステップＳ１０５：Ｎｏ）、Ｚ軸ステージ５を上方へ１ステップ移動させた後（ステップＳ１０６）、ステップＳ１０２からの処理を繰り返す。この１ステップの移動量は、評価される対物レンズ７ａの焦点深度の１／５〜１／１０程度とすることが望ましい。
【００３８】
このように、ステップＳ１０５が満足されるまでステップＳ１０２〜Ｓ１０４およびステップＳ１０６を繰り返すことで、複数の波長ごとにＺ軸方向の所定の撮像範囲をカバーする積層枚数分の画像ファイルが積層画像として記憶部１７に記憶される。
【００３９】
以上の撮像処理手順では、Ｚ軸ステージ５を上方へ１ステップずつ移動させるごとに複数の波長を順次切り換えて各波長の観察画像を撮像するという処理を繰り返すことによって、複数の波長ごとの積層画像を同時進行で撮像している。このようにすると、環境温度の変化などに起因して一連の撮像処理時間内に進行する試料４の位置のドリフトが各波長でほぼ共通になる。これは、後述するテレセントリシティおよびコマ収差の算出において、誤差を小さくする効果がある。
【００４０】
つぎに、制御装置１４の制御部１８によって所定の解析プログラムの実行を開始する。なお、この解析プログラムは、制御プログラム記憶部１７ａに記憶された制御プログラムの一部であり、記憶部１７に記憶された積層画像の画像ファイルから、対物レンズ７ａを含む顕微鏡光学系７の光学特性としてのテレセントリシティとコマ収差との評価値を自動的に算出するための制御を行うプログラムである。
【００４１】
図４は、制御部１８が解析プログラムを実行させることで顕微鏡光学系７のテレセントリシティとコマ収差との評価値を算出する解析処理手順を示すフローチャートである。この図に示すように、制御部１８は、まず記憶部１７に記憶された画像ファイルから、複数の波長の中で未だ像軸の形状を求めていない１つの波長の積層画像を読み込む（ステップＳ１１１）。
【００４２】
つづいて、制御部１８は、像軸形状算出部１５によって、その１つの波長の積層画像の撮像範囲内にある未だ像軸の形状を求めていない１つのピンホール像に対する像軸の形状を求める（ステップＳ１１２）。像軸の形状とは、試料４のＺ軸方向の移動量に対するピンホール像の結像位置のＸ，Ｙ軸方向への移動量の関係式である。しかし、撮像のサンプリング間隔（撮像素子１０の画素間隔）は、ピンホール像の大きさの１／５〜１／１０程度なので、単純に最大輝度の画素位置を探索しただけでは像軸の形状を高精度に求めることができない。そこで、このステップＳ１１２では図５に示す手順によって像軸の形状を算出する。
【００４３】
図５は、像軸の形状を算出する算出処理手順を示すフローチャートである。この図に示すように、まずフィット範囲設定部１５ａは、空中像としてのピンホール像に強度分布モデル関数をフィットする範囲を設定する（ステップＳ１２１）。なお、フィットするとは当てはめるという意味である。
【００４４】
ピンホール像は、その最大強度位置から離れるにつれて強度が徐々に低下する。最大強度付近では、その変化が単調減少で滑らかなので、単純な強度分布モデル関数をフィットしやすい。そこで、縦方向（Ｚ軸方向）は、対物レンズ７ａの焦点深度をフィット範囲とする。横方向（Ｘ，Ｙ軸方向）は、エアリーディスクの１／２の半径内をフィット範囲とする。これらの値は、評価される対物レンズ７ａの開口数ＮＡと照明光の波長λとから、それぞれλ／ＮＡ2、０．３λ／ＮＡとして求められる。
【００４５】
初めに、フィット範囲設定部１５ａは、積層画像上でピンホール像が撮像されている画像領域から最大輝度の画素を探索し、その画素位置を中心として上記の円筒状のフィット範囲内に含まれるサンプリング点を、以下に述べるフィットの対象とする。なお、フィット範囲を上記の値から増減して微調整してもよい。
【００４６】
つづいて、強度分布フィット部１５ｂは、縦方向のフィット範囲に含まれる枚葉画像の中で未だ強度分布モデル関数をフィットしていない１つの枚葉画像の最大強度Ｉmaxと、その最大強度位置（ｘｃ，ｙｃ）とを求めるため、強度分布モデル関数Ｉ（ｘ，ｙ）をフィットする（ステップＳ１２２）。ここで、枚葉画像とは、積層画像に含まれる各観察画像を意味する。
【００４７】
図６は、１つのピンホール像に対する積層画像を示す図である。この図に示す積層画像２１では、Ｚ軸位置ごとに、ピンホール像の横断面２２が、各枚葉画像２３にサンプリング（撮像）されている。このうち、１つの枚葉画像２３の上記フィット範囲内のサンプリング点に、横断面２２の強度分布モデル関数Ｉ（ｘ，ｙ）を最小２乗法でフィットする。ここでは、最大強度位置付近の強度分布にフィットしやすい強度分布モデル関数として、次式（１）で示される回転対称の２次元ガウシアン分布関数をフィットするものとする。
Ｉ（ｘ，ｙ）＝Ｉmax・ｅｘｐ［−ｂ2｛（ｘ−ｘc）2＋（ｙ−ｙc）2｝］・・・（１）
【００４８】
つづいて、強度位置算出部１５ｃは、フィットされた強度分布モデル関数Ｉ（ｘ，ｙ）から、１つの枚葉画像２３内の最大強度位置（ｘc，ｙc）を求める（ステップＳ１２３）。なお、ここで求められた最大強度位置（ｘc，ｙc）は、フィットされた強度分布モデル関数Ｉ（ｘ，ｙ）の最大値の平面内座標でもある。このようにして求めることにより、１つの枚葉画像内の最大強度位置（ｘc，ｙc）を、元のＸ，Ｙ軸方向のサンプリング間隔より高い精度で得ることができる。なお、元のＸ，Ｙ軸方向のサンプリング間隔とは、例えば撮像素子１０の画素間隔と評価される光学系の横倍率とによって決まる物体側のサンプリング間隔である。
【００４９】
なお、ステップＳ１２３では、強度位置算出部１５ｃは、１つの枚葉画像のフィット範囲内のサンプリング点にフィットされた強度分布モデル関数Ｉ（ｘ，ｙ）をもとに最大強度位置（ｘc，ｙc）を求めているが、これを、１つの枚葉画像のフィット範囲内のサンプリング点から最大輝度値の画素を探索してその位置を求めるように置換することも可能である。この場合、前者に比べて算出される結像位置の精度は低下するものの、撮像視野内のピンホール４ａの数が十分に多ければ、後述するモデル関数のフィットにより、個々の像軸の形状の誤差が相殺された、テレセントリシティとコマ収差との各分布を示す評価式を求めることができる。なお、最大輝度値の画素を探索する場合、ステップＳ１２１によって設定されたフィット範囲は、最大輝度値の画素の探索範囲として用いられる。
【００５０】
つづいて、制御部１８は、縦方向のフィット範囲に含まれる枚葉画像の全てに対して強度分布モデル関数Ｉ（ｘ，ｙ）をフィットしたか否か、つまり強度分布モデル関数Ｉ（ｘ，ｙ）をフィットした枚葉画像が所定のフィット枚数に達したか否かを判定する（ステップＳ１２４）。そして、所定のフィット枚数に達している場合（ステップＳ１２４：Ｙｅｓ）、制御部１８は、ステップＳ１２５へ進み、所定のフィット枚数に達していない場合には（ステップＳ１２４：Ｎｏ）、ステップＳ１２２からの処理を繰り返す。このように、ステップＳ１２４が満足されるまでステップＳ１２２，Ｓ１２３が繰り返されることで、縦方向のフィット範囲に含まれる枚葉画像のそれぞれについての最大強度位置（ｘc，ｙc）が求められる。図６に示す各枚葉画像２３の位置２４は、求められた各枚葉画像の最大強度位置（ｘc，ｙc）を示している。
【００５１】
つづいて、曲線フィット部１５ｄは、Ｚ座標の関数として示される各枚葉画像の最大強度位置（ｘc(ｚ)，ｙc(ｚ)）の各成分に、曲線モデル関数としてそれぞれ次式（２），（３）で示される直線モデル関数を最小２乗法でフィットし、テレセントリシティに対応した像軸を規定する回帰式に対応する直線を求める（ステップＳ１２５）。後述のように、非テレセントリシティによる像軸の傾きはこのような直線で近似できる。
ｘc(ｚ)＝ａx・ｚ＋ｂx                                          ・・・（２）
ｙc(ｚ)＝ａy・ｚ＋ｂy                                          ・・・（３）
【００５２】
また、ステップＳ１２５では、曲線フィット部１５ｄは、各枚葉画像の最大強度位置（ｘc(ｚ)，ｙc(ｚ)）の各成分に、曲線モデル関数としてそれぞれ次式（４），（５）で示される２次曲線モデル関数を最小２乗法でフィットし、コマ収差に対応した像軸を規定する回帰式に対応する２次曲線を求める。この各２次曲線の２次係数ｃx，ｃyは、像軸の曲率を表している。コマ収差が小さいとき、像軸の曲率はコマ収差にほぼ比例する。
ｘc(ｚ)＝ｃx・ｚ2＋ｄx・ｚ＋ｅx                                ・・・（４）
ｙc(ｚ)＝ｃy・ｚ2＋ｄy・ｚ＋ｅy                                ・・・（５）
【００５３】
さらに、曲線フィット部１５ｄは、このようにして求めた像軸の形状パラメータとしての像軸の傾きａx，ａyおよび曲率ｃx，ｃyを、用途に応じて、物体側あるいは像側の実座標に変換する。物体側の実座標に変換するには、Ｚ軸方向のサンプリング間隔をＺ軸ステージ５のステップ移動間隔（μm単位）に変換する。Ｘ，Ｙ軸方向のサンプリング間隔は、撮像素子１０の画素間隔（μm単位）を顕微鏡光学系７の横倍率で除算した値に変換する。この横倍率は、通常、顕微鏡光学系７の設計上の値で十分である。像側の実座標への変換も同様である。これで、１つの像軸の形状の算出が終了する。
【００５４】
以上のような算出処理手順により、レンズ評価装置１００では、元のサンプリング間隔より高い精度で１つの像軸の形状が得られる。なお、それ以外に、３次元の強度分布モデルを直接フィットするような方法もあるが、ピンホール像の複雑な変形に追随するのが困難になる。図５に示した像軸の形状の算出処理手順では、比較的簡単な強度分布モデル関数の組合せによって、それらの複雑な変形を吸収できる利点がある。
【００５５】
図４に戻り、制御部１８は、１つの波長の積層画像の撮像範囲内にある全てのピンホール像に対して像軸の形状を求めたか否か、つまり像軸の形状を求めたピンホール像の数が所定のピンホール数に達したか否かを判定する（ステップＳ１１３）。そして、所定のピンホール数に達している場合（ステップＳ１１３：Ｙｅｓ）、制御部１８は、ステップＳ１１４へ進み、所定のピンホール数に達していない場合には（ステップＳ１１３：Ｎｏ）、ステップＳ１１２を繰り返す。このように、ステップＳ１１３が満足されるまでステップＳ１１２が繰り返されることで、１つの波長の積層画像の撮像範囲内にある全てのピンホール像から全ての像軸の形状が求められる。
【００５６】
つづいて、制御部１８は、複数の波長の全てに対して各ピンホール像に対応する像軸の形状を求めたか否か、つまり各ピンホール像の像軸の形状を求めた波長本数が所定の波長本数に達したか否かを判定する（ステップＳ１１４）。そして、所定の波長本数に達している場合（ステップＳ１１４：Ｙｅｓ）、制御部１８は、ステップＳ１１５へ進み、所定の波長本数に達していない場合には（ステップＳ１１４：Ｎｏ）、ステップＳ１１１からの処理を繰り返す。このように、ステップＳ１１４が満足されるまでステップＳ１１１〜Ｓ１１３が繰り返されることで、複数の波長の積層画像のそれぞれについての撮像範囲内の全ての像軸の形状が求められる。すなわち、各波長の像軸の形状の分布が求められる。
【００５７】
つづいて、制御部１８は、評価値算出部１６によって、テレセントリシティとコマ収差との各分布を示す評価式を求め、この評価式をもとにテレセントリシティとコマ収差との評価値を適宜算出する（ステップＳ１１５）。
【００５８】
ここで、テレセントリシティの分布の評価式について図７−１および図７−２を参照して説明する。これらの図は、評価対象光学系としての物体側テレセントリック光学系を示す図である。評価対象光学系３１の絞り３２は、後側焦点面３５上に配置されている。図７−１に示すように、絞り３２の中心位置３３が光軸３４から横方向（Ｘ，Ｙ軸方向）にずれると、対応する物点３８と像点３９とを結ぶ主光線４０は、物体側で光軸３４に対して傾く。仮に物点３８がこの傾いた主光線４０に沿って移動するならば、像面３７上における像点３９の位置は変化しない（ただし、像はボケる）。しかし、物点３８が光軸３４と平行に（Ｚ軸方向に）移動すると、像面３７上における像点３９の位置は横方向にずれる。これが像軸の傾きになる。絞り３２が横方向にずれたとき、物体面３６上のすべての主光線４１は互いに平行な状態のまま、光軸３４に対して傾く。
【００５９】
一方、図７−２に示すように、絞り３２の中心位置３３が縦方向（Ｚ軸方向）にずれたときも、対応する物点３８と像点３９を結ぶ主光線４０は物体側で光軸３４に対して傾く。ただし、物体面３６上の各主光線４１の傾きは、光軸３４から離れるほど大きくなる。簡単な近軸光学の計算によると、絞り３２の中心位置３３の横ずれ量Δρおよび縦ずれ量Δζと物体側の主光線４０の傾きａとの関係は、像側の主光線４０の傾きａと物点３８の位置ｒと評価対象光学系３１の焦点距離ｆとを用いて次式（６）によって示される。また、傾きａと位置ｒとは、それぞれ次式（７）および式（８）によって示され、横ずれ量Δρは、そのＸ成分ΔξおよびＹ成分Δηを用いて次式（９）によって示される。
【数１】
0005489392.tif 000002
【００６０】
つまり、物体側の主光線４０の傾き、つまり像軸の傾きａx，ａyは、Ｘ，Ｙ軸方向の１次式で表される。そこで、対応する物点座標（ｘ，ｙ）と像軸の傾き（ａx，ａy）との組に次式（１０−１），（１０−２）で示される特性分布モデル関数としての直線モデル関数をそれぞれ最小２乗法でフィットすることで、テレセントリシティの分布を示す評価式を求めることができる。
ａx＝Ａｘ＋Ｂ                                          ・・・（１０−１）
ａy＝Ｃｙ＋Ｄ                                          ・・・（１０−２）
【００６１】
また、直線モデル関数をフィットした結果、テレセントリシティの分布を示す評価式の係数と各パラメータとの関係式が次式（１１−１）〜（１１−４）として得られる。なお、縦ずれ量Δζは、例えば係数ＡおよびＣの平均をとるとよい。
Ａ＝−Δζ／ｆ2                                        ・・・（１１−１）
Ｂ＝Δξ／ｆ                                          ・・・（１１−２）
Ｃ＝−Δζ／ｆ2                                        ・・・（１１−３）
Ｄ＝Δη／ｆ                                          ・・・（１１−４）
【００６２】
ステップＳ１１５では、評価値算出部１６は、このようにして求められたテレセントリシティの分布を示す評価式から、任意の物点座標（ｘ，ｙ）に対応する像軸の傾き（ａx，ａy）の評価値を算出する。また、評価値算出部１６は、評価対象光学系としての対物レンズ７ａの焦点距離ｆを用いて、対物レンズ７ａの絞りの横ずれ量Δρと縦ずれ量Δζとを求めることができる。
【００６３】
一方、コマ収差の分布も、テレセントリシティと同様にＸ，Ｙ軸方向の１次式で表される。そこで、対応する物点座標（ｘ，ｙ）と像軸の曲率（ｃx，ｃy）との組に次式（１２−１）），（１２−２）で示される特性分布モデル関数としての直線モデル関数をそれぞれ最小２乗法でフィットすることで、コマ収差の分布を示す評価式を求めることができる。
ｃx＝Ａ’ｘ＋Ｂ’                                      ・・・（１２−１）
ｃy＝Ｃ’ｙ＋Ｄ’                                      ・・・（１２−２）
【００６４】
ステップＳ１１５では、評価値算出部１６は、このようにして求められたコマ収差の分布を示す評価式から、任意の物点座標（ｘ，ｙ）に対応する像軸の曲率（ｃx，ｃy）の評価値を取得することができる。
【００６５】
なお、評価対象光学系のビネッティング（口径食）などにより像軸の傾きと曲率との分布がさらに複雑になる場合でも、フィットする特性分布モデル関数を適切な形に修正することで対応できる。
【００６６】
つぎに、評価値算出部１６は、ステップＳ１１１〜Ｓ１１４によって求められた１つの評価波長の像軸の形状から、ステップＳ１１１〜Ｓ１１４によって求められた基準波長の像軸の形状をそれぞれ差し引くという操作を、すべての像軸の形状について行い、像軸の傾きの差分の分布Δａx（ｘ，ｙ），Δａy（ｘ，ｙ）と像軸の曲率の差分の分布Δｃx（ｘ，ｙ），Δｃy（ｘ，ｙ）とを物点座標（ｘ，ｙ）の関数として求める（ステップＳ１１６）。
【００６７】
像軸の傾きの差分の分布Δａx（ｘ，ｙ），Δａy（ｘ，ｙ）と、像軸の曲率の差分の分布Δｃx（ｘ，ｙ），Δｃy（ｘ，ｙ）とも、Ｘ，Ｙ軸方向の１次式で表される。そこで、評価値算出部１６は、対応する物点座標（ｘ，ｙ）と像軸の傾きの差分（Δａx，Δａy）との組に式（１０−１），（１０−２）の直線モデル関数を最小２乗法でフィットしてテレセントリシティの差分の評価式を求める。また、対応する物点座標（ｘ，ｙ）と像軸の曲率の差分（Δｃx，Δｃy）との組に式（１２−１），（１２−２）の直線モデル関数を最小２乗法でフィットしてコマ収差の差分の評価式を求める。そして、評価値算出部１６は、各差分の評価式から、任意の物点座標（ｘ，ｙ）に対応する像軸の傾きの差分の評価値と曲率の差分の評価値とを算出することができる。
【００６８】
積層画像の撮像時間内に進行する試料位置などのドリフトも像軸の形状として測定される。しかし、複数の波長の積層画像を同時進行で撮像しているので、上記の差分をとることによりドリフト成分が相殺されて、テレセントリシティとコマ収差との波長依存性のみが評価される。なお、ステップＳ１１５によって求めたテレセントリシティとコマ収差との各評価式の差分から、テレセントリシティとコマ収差との各差分の評価式を求めてもよい。
【００６９】
つぎに、制御部１８は、複数の波長の全てに対してステップＳ１１５，Ｓ１１６を行ったか否か、つまり評価式の算出に用いた波長本数が所定の波長本数に達したか否かを判定する（ステップＳ１１７）。そして、所定の波長本数に達している場合（ステップＳ１１７：Ｙｅｓ）、制御部１８は、解析処理を終了し、所定の波長本数に達していない場合には（ステップＳ１１７：Ｎｏ）、ステップＳ１１５からの処理を繰り返す。このように、ステップＳ１１７が満足されるまでステップＳ１１５，Ｓ１１６が繰り返されることで、複数の波長に対するテレセントリシティとコマ収差との各評価式が求められる。
【００７０】
個々の像軸の形状には、Ｚ軸ステージ５の移動量の誤差、結像位置算出の計算誤差などによる測定誤差がある。しかし、上述のように特性分布モデル関数へのフィットを行うことにより、個々の像軸の形状の測定誤差が相殺されて、テレセントリシティとコマ収差との評価式を高精度に求めることができる。
【００７１】
なお、レンズ評価装置１００では、対物レンズ７ａ単体のテレセントリシティの分布とコマ収差の分布とを評価するために以下の手順を追加するのが効果的である。
【００７２】
回転部８によって対物レンズ７ａを回転すると、テレセントリシティの分布とコマ収差の分布との各評価式に含まれるＸ，Ｙ座標のパラメータ（絞りの横ずれ量など）のうち、対物レンズ７ａに起因する成分は、それに伴って回転移動する。その様子について図８を参照しながら説明する。図８に示すように、対物レンズ７ａの回転に伴う前記Ｘ，Ｙ座標の移動は円４５の軌跡を描く。このとき、円４５の中心４６は視野の中心４７に必ずしも一致していない。両者の差４８は、対物レンズ７ａ以外の光学系および素子等の配置の誤差などに起因する成分である。そして、円の半径４９が対物レンズ７ａに起因する成分である。
【００７３】
そこで、回転部８によって対物レンズ７ａを１８０゜回転して同じ測定を行う。両者のＸ，Ｙ座標のパラメータの平均値は対物レンズ７ａ以外の成分になる。また、両者の差の１／２として、対物レンズ７ａに起因する成分が得られる。さらに回転角度を分割し、例えば０゜，９０゜，１８０゜，２７０゜の４つの回転位置で測定を行い、円４５の中心４６と半径４９を求めるようにすれば、両者の成分をさらに高精度に分離できるようになる。なお、テレセントリシティの分布とコマ収差の分布との各評価式に含まれるその他のパラメータ（絞りの縦ずれ量など）は、対物レンズ７ａの回転に伴う変化をしない。これらの値は上記の複数の測定値の平均をとることで、測定誤差の改善を図ることができる。
【００７４】
また、撮像時間内に進行する試料４等の位置のドリフトも像軸の形状として測定されてしまう。しかし多くの場合、ドリフトによる横ずれ量は撮像時間内でほぼ直線的に変化するので、次のような往復測定による対策が有効である。
【００７５】
図３に示した撮像処理手順では、Ｚ軸ステージが下端から上端まで移動して試料４と対物レンズ７ａとの相対距離を順次減小させる「往路」の積層画像を撮像していた。それに引き続いて、同様の手順でＺ軸ステージを上端から下端まで移動させて試料４と対物レンズ７ａとの相対距離を順次増加させる「復路」の積層画像を撮像する。そして、往路と復路との各積層画像からそれぞれ像軸の形状を算出する。テレセントリシティとコマ収差に起因する像軸の形状は往路と復路で共通だが、直線的なドリフトによる傾きは反転する。従って、両者の和あるいは差をとることにより、テレセントリシティおよびコマ収差とドリフトの成分とを分離することができる。このような相対距離の往復変化による像軸の形状の算出を１回以上、特に複数回実施することにより、評価値の誤差をさらに低減できる。
【００７６】
また、Ｚ軸ステージ５の１ステップの移動量を大きくして、積層画像の撮像時間を短縮することも、ドリフト成分の低減に有効である。
【００７７】
以上説明したように、本実施の形態１にかかる光学系評価装置としてのレンズ評価装置１００は、平面状に配列された複数の点光源としてのピンホール４ａを有し、このピンホール４ａごとに評価対象光学系を介して点像としてのピンホール像を結像させる点像生成手段としての試料４、光源１、光ファイバ２、光強度均一化部３および結像レンズ７ｂと、複数のピンホール像を撮像して点像分布画像としての観察画像を生成する撮像素子１０と、評価対象光学系の光軸方向に、評価対象光学系と試料４との相対距離を変化させる移動手段としてのＺ軸ステージ５と、Ｚ軸ステージ５によって相対距離を変化させ、相対距離を変化させるごとに撮像素子１０に観察画像を撮像させる制御部１８と、試料４と対物レンズ７ａとの異なる相対距離で撮像された複数の観察画像からなる積層画像の画像情報をもとに、点像としてのピンホール像の異なる相対距離ごとの結像位置を検出し、この検出した複数の結像位置に曲線モデル関数をフィットして回帰式を算出するとともに、この回帰式によって規定される像軸の形状パラメータを取得する処理を複数のピンホール像ごとに行う像軸形状算出部１５と、複数のピンホール像ごとの像軸の形状パラメータに対し、評価対象光学系の光学特性の分布を示す特性分布モデル関数をフィットさせ、このフィットさせた特性分布モデル関数をもとに評価対象光学系の光学特性の評価値を算出する評価値算出部１６とを備え、評価値算出部１６は、特に、特性分布モデル関数としてテレセントリシティまたはコマ収差の少なくとも一方の分布を示すモデル関数をフィットさせ、評価対象光学系の光学特性の分布としてテレセントリシティの分布とコマ収差の分布とを少なくとも一方の分布を示す評価式を求め、この評価式をもとに評価値を算出している。
【００７８】
このため、レンズ評価装置１００では、評価対象光学系の光学特性の分布を短時間で高精度に評価することができる。特に、１つのピンホール像を特段に多くの画素数で撮像できない場合であっても、高い精度で評価を行うことができる。また、レンズ評価装置１００では、ピンホール像の結像位置等をモニターするためのｎｍオーダの高精度なレーザ測長器を用いる必要がないため、簡易かつ安価な構成で高精度な評価を実現することができる。
【００７９】
なお、本実施の形態１では、試料４をＺ軸ステージ５で光軸方向に移動して物体側のテレセントリシティを評価するものとして説明したが、撮像素子１０を光軸方向に移動して同様の撮像処理および解析処理を行うことで、像側のテレセントリシティを評価することができる。また、上述の処理手順から明らかなように、そのＺ軸ステージ５のステップ移動量が数値として記録されていれば、そのステップ移動量は等間隔である必要はない。
【００８０】
また、光源１により透過照明された試料４は、平面状に配列された複数の点光源、という要件を満たすならば、他の実施の形態に置換できる。例えば、平面状に配列された光ファイバの出射端や蛍光ビーズのような発光体などである。あるいは、図２に示すようなピンホール列標本を「ネガ」とすれば、逆の「ポジ」の標本を使用することもできる。即ち、図２のピンホール４ａに相当する部分だけ金属膜４ｂを残し、それ以外の金属膜４ｂを除去した標本を使用できる。そのような標本を落射照明すると、各金属膜からの反射光を複数の点光源と見なせるからである。１波長のみで評価するときは、発光ダイオード列などの単波長の発光体も使用できる。これらの点光源の大きさは、評価される光学系の分解能と同等あるいはそれ以下であることが望ましい。
【００８１】
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２にかかる光学系評価装置について説明する。図９は、本実施の形態２にかかる光学系評価装置としての蛍光共焦点顕微鏡２００の要部構成を示す図である。この図に示すように、蛍光共焦点顕微鏡２００は、レーザ光源５１、ダイクロイックミラー５３、ＸＹスキャナ５４、全反射ミラー５５、対物レンズ系５６、試料５７、Ｚ軸ステージ５８、共焦点光学系５９、光検出系６０、制御部６１、コンピュータ６２および表示部６３を備える。
【００８２】
複数の波長のレーザ光を選択的に発するレーザ光源５１からの照明光（励起光）は、ＸＹスキャナ５４および全反射ミラー５５を経由した後、対物レンズ系５６によって試料５７内の焦点位置に集光される。試料５７からの反射光（蛍光）は、対物レンズ系５６および全反射ミラー５５を経由した後、ＸＹスキャナ５４とレーザ光源５１との間に設けられたダイクロイックミラー５３によって分光反射され、共焦点光学系５９を通って光検出系６０により受光される。ここで、共焦点光学系５９の共焦点効果により、試料５７上の焦点位置からの反射光のみが光検出系６０へ入射する。入射した光は光検出系６０によって光電変換され、輝度情報としてコンピュータ６２へ送られる。
【００８３】
ＸＹスキャナ５４は、レーザ光源５１からの照明光の光束をＸ軸方向に振るＸガルバノミラーと、その光束をＸ軸方向に対して垂直なＹ軸方向に振るＹガルバノミラーとを用いて構成されており、試料５７内の集光位置を、対物レンズ系５６の光軸に対して互いに垂直であるＸ軸方向およびＹ軸方向へ走査させることができる。
【００８４】
Ｚ軸ステージ５８は、載置された試料５７を保持しながら光軸方向としてのＺ軸方向に移動させるステージである。Ｚ軸ステージ５８は、光軸方向へ試料５７を移動させることにより、試料５７内の焦点位置を光軸方向へ移動させることができる。
【００８５】
コンピュータ６２は、ＸＹスキャナ５４による照明光の試料５７内での走査に応じて光検出系６０から出力される輝度情報に基づいて、試料５７についての走査画像を構築する。構築された走査画像は表示部６３に表示させることによって視認することができる。また、コンピュータ６２は、実施の形態１にかかる制御装置１４と同様に、図示しない像軸形状算出部、評価値算出部、記憶部および制御部を備えている。制御部６１はコンピュータ６２からの指示に基づいて、レーザ光源５１、ＸＹスキャナ５４、Ｚ軸ステージ５８等、電気的に接続された各部の動作を制御する。
【００８６】
つぎに、蛍光共焦点顕微鏡２００が像軸の形状の評価値を求めるための積層画像を撮像する撮像処理について説明する。なお、試料５７は、図２に示した複数のピンホール４ａに相当する部分だけに金属膜４ｂを残した複数の反射型のピンホールが形成された標本である。反射型の各ピンホール以外の領域は金属膜４ｂが除去されている。
【００８７】
操作者は、ＸＹスキャナ５４の走査により取得された観察画像を表示部６３でモニターしながら、Ｚ軸ステージ５８による合焦を行う。つぎに、コンピュータ６２内部のＣＰＵによる撮像プログラムの実行を開始する。なお、この撮像プログラムは、コンピュータ６２内部の記憶部に記録されている制御プログラムの一部であり、複数の波長ごとの積層画像を自動的に撮像するための制御を行うプログラムである。この撮像プログラムによる撮像処理手順を図３を参照しながら説明する。なお、複数の波長とは、制御部６１からの制御に応じてレーザ光源５１が択一的に発振可能な波長である。
【００８８】
制御部６１は、まずＺ軸ステージ５８を合焦位置（前記の合焦後の位置）から撮像範囲の下端に移動させる（ステップＳ１０１）。Ｚ軸方向の撮像範囲は、評価対象光学系としての対物レンズ系５６の像面湾曲や縦方向の色収差の範囲を含むように、焦点深度の数倍程度に設定しておくのが望ましい。
【００８９】
つづいて、制御部６１は、レーザ光源５１の波長を切り換えることで、照明光の波長を、複数の波長の中で未だ現在のＺ軸ステージ位置での観察画像の撮像を行っていない１つの波長へ切り換える（ステップＳ１０２）。
【００９０】
つづいて、制御部６１は、ＸＹスキャナ５４の走査により試料５７の観察画像を撮像し、コンピュータ６２内部の記憶部に記憶させる（ステップＳ１０３）。
【００９１】
つづいて、制御部６１は、現在のＺ軸ステージ位置において複数の波長の全てに対してステップＳ１０２，Ｓ１０３を行ったか否か、つまり撮像に用いた波長本数が所定の波長本数に達したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。そして、所定の波長本数に達している場合（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、制御部１８は、ステップＳ１０５へ進み、所定の波長本数に達していない場合には（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、ステップＳ１０２からの処理を繰り返す。このように、撮像に用いた波長本数が所定の波長本数に達するまでステップＳ１０２，Ｓ１０３の処理が繰り返されることで、現在のＺ軸ステージ位置における複数の波長ごとの観察画像の画像ファイルがコンピュータ６２の記憶部に記憶される。
【００９２】
つづいて、制御部６１は、コンピュータ６２の記憶部に記憶された各波長の画像ファイル数が、Ｚ方向の所定の撮像範囲をカバーする積層枚数に達したか否かを判定する。（ステップＳ１０５）。そして、積層枚数に達している場合（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、制御部１８は、撮像処理を終了し、積層枚数に達していない場合には（ステップＳ１０５：Ｎｏ）、Ｚ軸ステージ５８を上方へ１ステップ移動させた後（ステップＳ１０６）、ステップＳ１０２からの処理を繰り返す。この１ステップの移動量は、評価される対物レンズ系５６の焦点深度の１／５〜１／１０程度とすることが望ましい。
【００９３】
このように、ステップＳ１０５が満足されるまでステップＳ１０２〜Ｓ１０４およびステップＳ１０６を繰り返すことで、複数の波長ごとにＺ軸方向の所定の撮像範囲をカバーする積層枚数分の画像ファイルが積層画像としてコンピュータ６２の記憶部に記憶される。
【００９４】
蛍光共焦点顕微鏡２００では、以上のように撮像した積層画像をもとに、レンズ評価装置１００と同様の解析処理によって、各ピンホール像に対応する像軸の形状を求めるとともに、その像軸の形状をもとに対物レンズ系５６の光学特性の分布としてのテレセントリシティの分布およびコマ収差の分布の評価値を算出する。このようにして、蛍光共焦点顕微鏡２００では、レンズ評価装置１００と同様に、対物レンズ系５６の光学特性の分布を短時間で高精度に評価することができる。
【００９５】
本実施の形態２では、蛍光共焦点顕微鏡２００が試料５７の内部を１つの集光点で走査するものとして説明したが、ニッポウディスクなどを用いた、複数の集光点で同時走査する共焦点顕微鏡にも本発明は適用できる。
【００９６】
なお、蛍光共焦点顕微鏡２００における励起光と蛍光の波長は若干異なる。本実施の形態２では励起光の波長のみで評価するものとして説明したが、点光源列の試料５７として例えば平面状に配置した複数の蛍光ビーズ試料を採用すると、励起光と蛍光の波長差も含めた、さらに正確な評価が可能になる。あるいは、実施の形態１のような透過照明とピンホール列標本とで点光源列を形成してもよい。この場合、レーザ光源と異なり、任意の評価波長を設定できるので、蛍光の波長、あるいは励起光と蛍光の中間の波長で像軸の形状および光学特性の分布を評価することができる。
【００９７】
ここまで、本発明を実施する最良の形態を実施の形態１および２として説明したが、本発明は、上述した実施の形態１および２に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変形が可能である。
【００９８】
例えば、本発明にかかる光学系評価装置は、顕微鏡以外の光学系にも適用できる。顕微鏡以外の光学系として、レンズ系（屈折系）に限らず、反射系あるいは反射屈折系等を含む種々の結像光学系に対して適用できる。ただし、評価する光学系の視野の大きさや分解能によって、適切な複数の点光源を用意する必要がある。積層画像を撮像するための移動機構のステップ移動量や移動範囲も同様である。それらに必要な要件は、これまでの説明によって既に明らかである。積層画像からテレセントリシティとコマ収差との各分布の評価式を算出する処理手順は、顕微鏡光学系に対するものと同様のものを適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる光学系評価装置の構成を示す図である。
【図２】ピンホール列標本を示す図である。
【図３】積層画像の撮像処理手順を示すフローチャートである。
【図４】光学特性の分布を求める解析処理手順を示すフローチャートである。
【図５】像軸の形状の算出処理手順を示すフローチャートである。
【図６】像軸の形状の算出処理を説明する図である。
【図７−１】テレセントリシティを説明する図である。
【図７−２】テレセントリシティを説明する図である。
【図８】回転部の作用を説明する図である。
【図９】本発明の実施の形態２にかかる光学系評価装置の構成を示す図である。
【図１０】従来技術にかかる光学系評価装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１００】
１    光源
２    光ファイバ
３    光強度均一化部
４    試料
４ａ    ピンホール
４ｂ    金属膜
５    Ｚ軸ステージ
６    ＸＹステージ
７    顕微鏡光学系
７ａ    対物レンズ
７ｂ    結像レンズ
８    回転部
９    光軸
１０    撮像素子
１１    鏡筒
１２    上下移動ステージ
１３    鏡基
１４    制御装置
１５    像軸形状算出部
１５ａ    フィット範囲設定部
１５ｂ    強度分布フィット部
１５ｃ    強度位置算出部
１５ｄ    曲線フィット部
１６    評価値算出部
１７    記憶部
１７ａ    制御プログラム記憶部
１７ｂ    モデル関数記憶部
１８    制御部
２１    積層画像
２２    横断面
２３    枚葉画像
２４    位置
２５    Ａ／Ｄ変換器
３１    評価対象光学系
３２    絞り
３３    中心位置
３４    光軸
３５    後側焦点面
３６    物体面
３７    像面
３８    物点
３９    像点
４０，４１    主光線
４５    円
４６，４７    中心
４８    差
４９    半径
５１    レーザ光源
５３    ダイクロイックミラー
５４    ＸＹスキャナ
５５    全反射ミラー
５６    対物レンズ系
５７    試料
５８    Ｚ軸ステージ
５９    共焦点光学系
６０    光検出系
６１    制御部
６２    コンピュータ
６３    表示部
７１    ピンホール
７２    評価対象光学系
７３    点像
７４    拡大光学系
７５    撮像素子
１００    レンズ評価装置
２００    蛍光共焦点顕微鏡
【図１】
0005489392.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７−１】
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【図７−２】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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