(57)【要約】【課題】  従来のシャックハルトマン方式の波面計測装置では、対応可能となる波面の歪が大きくなればなるほど、撮影された集光スポットの明暗差がより大きくなる。このため、ノイズの影響を受けやすくなり演算精度が悪化する。【解決手段】  露光時間の異なる連続して取得した画像信号を収集し、それぞれの画像信号から集光スポットのピークがＳＮ比に依存する精度を保障する閾値を超えた集光スポットのみを切り出し、それらを合成した画像に基づいて、光の波面形状を出力する。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のレンズが配列され、光を集光するレンズレットアレイと、この光の露光時間を制御する露光時間制御手段と、前記レンズレットアレイが集光した光を画像に変換する撮像手段と、撮像手段で変換された画像に基づいて、光の波面形状を出力する信号処理手段とを備え、
前記撮像手段は、
前記露光時間制御手段が制御する露光時間に基づいて、前記集光された光を連続する画像に変換し、
前記画像と予め定められた値とに基づいて、前記画像から一部の画像を切り出し、
前記切り出された画像を一つの画像に合成し、
前記信号処理手段は、
前記合成された画像を使って、前記撮像手段が受光した光の波面形状を出力する
ことを特徴とする波面計測装置。
【請求項２】
複数のレンズが配列され、光を集光するレンズレットアレイと、この光の強度を制御する光強度制御手段と、前記レンズレットアレイが集光した光を画像に変換する撮像手段と、撮像手段で変換された画像に基づいて、光の波面形状を出力する信号処理手段とを備え、
前記撮像手段は、
前記露光時間制御手段が制御する光の強度に基づいて、前記集光された光を連続する画像に変換し、
前記画像と予め定められた値とに基づいて、前記画像から一部の画像を切り出し、
前記切り出された画像を一つの画像に合成し、
前記信号処理手段は、
前記合成された画像を使って、前記撮像手段が受光した光の波面形状を出力する
ことを特徴とする波面計測装置。
【請求項３】
シャックハルトマン方式の波面計測方法において、
複数のレンズで構成されたレンズレットアレイが集光する光の露光時間を変更するステップ１と、予め設定された値に基づいて、前記それぞれの画像から一部の画像を切り出すステップ２と、前記切り出された一部の画像を合成するステップ３と、前記合成画像から光の波面を演算するステップ４とを備えたことを特徴とする波面計測方法。
【請求項４】
シャックハルトマン方式の波面計測方法において、
複数のレンズで構成されたレンズレットアレイが集光する光の強度を変更するステップ１と、予め設定された値に基づいて、前記それぞれの画像から一部の画像を切り出すステップ２と、前記切り出された一部の画像を合成するステップ３と、前記合成画像から光の波面を演算するステップ４とを備えたことを特徴とする波面計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、シャックハルトマン方式の波面計測装置及び波面計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シャックハルトマン方式の波面計測装置は、多数の小レンズ（レンズレット）を格子状に配列したレンズレットアレイに光波を入射させることによって、多数の集光スポットが配列した像を生成させる。次にシャックハルトマン方式の波面計測装置は、この集光スポットが配列された像を画像信号に変換し、その結像パターンから波面の凹凸分布を演算する。シャックハルトマン方式の波面計測装置は、演算を行う際には、多数の結像点の一つ一つの座標を画素寸法以下の精度で検出し、どの集光スポットの座標がどのレンズレットによりもたらされたのか対応付けを行う。シャックハルトマン方式の波面計測装置が、対応付けを行うにあたっては、特定のレンズレットと画像上の特定領域を１対１に対応させる処理テーブルを持つ方式が一般的に用いられている。ただし、この方式では、１対１に対応させている。このため、任意のレンズレットは自身に対応する特定領域から集光スポットをはみ出してはならない。この結果、この方式では、計測できる波面歪のダイナミックレンジが制限される。
このような問題に対し、例えば、特許文献１では、倍率の異なる２組のレンズレットアレイを設けてダイナミックレンジ（波面歪の凹凸の高さの分解能に対する比）を向上させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１１３４０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のシャックハルトマン方式の波面計測装置および波面計測方法では、より大きな波面の歪にも対応できるよう、ダイナミックレンジの拡大を行っている。しかし、従来のシャックハルトマン方式の波面計測装置では、対応可能となる波面の歪が大きくなればなるほど、撮影された集光スポットの明暗差がより大きくなる傾向がある。このため、従来のシャックハルトマン方式の波面計測装置では、ノイズの影響を受けやすくなり、波面の演算精度が悪化するという課題があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解消する為になされたものであり、高精度な波面計測を可能とする波面計測装置および波面計測方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の波面計測装置は、
複数のレンズが配列され、光を集光するレンズレットアレイと、この光の露光時間を制御する露光時間制御手段と、前記レンズレットアレイが集光した光を画像に変換する撮像手段と、撮像手段で変換された画像に基づいて、光の波面形状を出力する信号処理手段とを備え、
前記撮像手段が、
前記露光時間制御手段が制御する露光時間に基づいて、前記集光された光を連続する画像に変換し、
前記画像と予め定められた値とに基づいて、前記画像から一部の画像を抽出し、
前記抽出された画像を一つの画像に合成し、
前記信号処理手段が、
前記合成された画像を使って、前記レンズレットアレイが集光した光の波面形状を出力するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、高精度な波面計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の波面計測装置の構成図。
【図２】光の波面の歪が小さい場合の画像信号である集光スポットパターンを模式的に示す図。
【図３】光の波面の歪が大きい場合の画面信号である集光スポットパターンを模式的に示す図。
【図４】図３のＡ，Ａ’で示した点線上の強度分布を示すラインプロファイル図。
【図５】設定された露光時間よりも短い時間で取得した集光スポット画像のラインプロファイル
【図６】設定された露光時間で取得した集光スポット画像のラインプロファイル
【図７】設定された露光時間よりも長い時間で取得した集光スポット画像のラインプロファイル
【図８】図５、図６、図７から切り出された部分画像を合成した集光スポット画像のラインプロファイル。
【図９】この発明の実施の形態１における波面計測装置のブロック図。
【図１０】この発明の実施の形態１における波面計測方法を示すフローチャート。
【図１１】この発明の実施の形態２における波面計測装置のブロック図。
【図１２】この発明の実施の形態２における波面計測方法を示すフローチャート。
【図１３】この発明の実施の形態３における集光スポット画像を抽出するアルゴリズムを説明する図。
【図１４】この発明の実施の形態３における波面計測方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１
図１はこの発明による波面計測装置の構成を示す構成図である。図１において１は計測対象である光の波面、２は波面計測装置の波面検出部、３は波面検出部を構成するレンズレットアレイ、４は波面計測装置を構成する撮像手段、５は波面計測装置の信号処理部、６は波面検出部２から信号処理部５に向けて出力される画像信号、５Ａは画像信号６を信号処理部５に取り込むフレームグラバ、７は信号処理部５から撮像手段４へ出力される制御信号である。波面検出部２は従来のシャックハルトマンセンサと同一の原理により、光の波面１から多数の集光スポットが配列した画像信号６を出力する。信号処理部５は例えばＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）やＬＩＮＵＸ（登録商標）といったオペーレーティングシステムが動作する計算機であり、画像信号を計算機のストレージ（ハードディスク等）に格納するためのインターフェースであるフレームグラバ５Ａを搭載している。
【００１０】
図２は光の波面１の歪が小さい場合の画像信号６である集光スポットパターン６Ｂを模式的に示す図である。光の波面１の歪が小さい故、個々の集光スポットの明るさは均一である。一方、波面の歪みの凹凸差が大きい場合、個々の集光スポットで明るさのばらつきが大きくなる。図３は光の波面１の歪が大きい場合の画像信号６である集光スポットパターン６Ａを模式的に示す図である。
【００１１】
以下、説明をわかりやすくするため、２次元の画像上の１ラインの光の強度分布を使って説明する。なお、光の強度分布とは、波面計測装置に入力されてくる光の強度分布をいう。図４は図３のＡ、Ａ’で示した点線上の強度分布を示すラインプロファイルである。縦軸は強度を表し、横軸が位置を表す。１０、１１は画像信号６Ａの階調の上限、下限を示すラインである。１２は画像信号６Ａのラインプロファイルである。ラインプロファイル１２において、集光スポットが存在する場所に複数のピークが立っている。集光スポット以外の場所でも撮像手段の電気回路で生じたノイズのため強度プロファイルはゼロにはならない。このノイズは集光スポットのピークにも含まれている。従って、集光スポットのピークがある一定のレベル以下となると、ノイズの影響を受け、ＳＮ比（Ｓｉｇｎａｌ−Ｎｏｉｓｅ  Ｒａｔｉｏ、以下ＳＮ比と呼ぶ）が悪化し、所定の精度の計測ができなくなる。１３はＳＮ比に依存する波面の測定値の精度を保証するピークの下限値を示す閾値である。つまり、１３は信号処理部５が計測精度を保証できる予め定められた値を示す。
閾値１３は、システムに要求される精度によって設定されるものであり、例えばＳＮ比２０倍程度に設定する。図４の例では、９個の集光スポットのうち、ピークが閾値１３を超える集光スポットは２個しかなく、所望の計測精度が得られていない状態を示す。
【００１２】
図９は、図１に示す本実施の形態における波面計測装置の構成をより詳細に説明するための詳細ブロック図である。図９において、波面検出部２、レンズレットアレイ３、信号処理部５、画像信号６、制御信号７は図１と同一である。図９において、４０は露光時間可変手段、５０は複数データ格納保存部、５１は画像切り出し部、５２は画像合成部、５３は波面演算部である。
【００１３】
本発明の実施の形態１においては、撮像手段４は例えばＣＣＤカメラ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｃａｍｅｒａ）、またはＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＭＯＳ  Ｉｍａｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒ）のような二次元撮像素子を用いている。このような撮像手段４は撮像の露光時間を変化させることで、明るさの異なる複数の画像を取得することが可能である。
信号処理部５は、撮像した画像が図３，及び図４に示すように計測精度を保証できない画像であることを自動で検出するようにあらかじめプログラムされている。
例えば、ピークが図４から図７に示す閾値１３を超えない集光スポットが一つでも存在した場合、または、ピークが階調の上限１１を超える集光スポットが一つでも存在した場合、それは保障できない画像であると判定してもよい。
このような場合、信号処理部５は撮像手段４に対し、連続的に露光時間を増加させるように制御信号７を送信しつつ、撮像手段４から複数フレームの画像を取得する。
【００１４】
ここではプログラムが図４に示す画像に基づき選定した３種類の異なる露光時間を用いることにより、ぞれぞれの露光時間の値ごとに、合計３枚の画像を取得した場合について説明する。
図５、図６、図７は露光時間が異なり且つ時間的に連続して取得した集光スポット画像のラインプロファイルを示す。図５、図６、図７中の１０、１１、１３は図４と同じであり、図５の１２Ａ、図６の１２Ｂ、図７の１２Ｃは各々異なる露光時間（以下、Ｍ０、Ｍ１、Ｍ２と呼ぶ）により撮像された集光スポット像のラインプロファイルである。
【００１５】
露光時間Ｍ０、Ｍ１、Ｍ２を設定する方法として、例えば、撮像手段４で設定可能な露光時間の範囲を１０段階に分割し、それぞれの露光時間で測定を行い、最も低いピークの集光スポットのピークが閾値１３と階調の上限１１の間に入る場合の露光時間をＭ０とし、最も高いピークの集光スポットのピークが閾値１３と階調の上限１１の間に入る場合の露光時間をＭ２、Ｍ０とＭ２の中間値をＭ１としてもよい。また、測定中に、露光時間にＭ０を用いてもピークが閾値１３を超えない集光スポットが発生した場合、または逆に露光時間にＭ２を用いてもピークが階調の上限１１を超えてしまう集光スポットが現れた場合、Ｍ０またはＭ２の値を自動的に増減させることで、リアルタイムに対応できるようにしてもよい。
【００１６】
図１０は、図５、図６、図７で示した複数の露光時間の異なる画像信号を取得し、これら画像信号に基づき波面計測結果を出力するための装置の動作、及び流れを示すフローチャートである。例えば、図５は露光時間Ｍ０、図６は露光時間Ｍ１、図７は露光時間Ｍ２を用いた場合とする。
（ステップ１）
複数データ格納保存部５０が、露光時間可変手段４０に対し、露光時間の設定を行うための制御信号７を送る。制御信号７を受け取った露光時間可変手段４０は、撮像手段４の露光時間の設定を行う（１３００）。
撮像手段４は、設定された露光時間を用いた撮像画像を出力する。撮像手段４から送られてくる画像信号６を複数データ格納保存部５０が受け取り、ストレージに格納する（１３１０）。
（ステップ２）
次に、画像切り出し部５１が、ストレージに格納された画像信号６から、ピークが閾値１３を超えており、かつ、階調の上限１１を超えていない集光スポットに属する画素を抽出する。その後、画像切り出し部５１は、抽出された集光スポットを部分画像として切り出し、ストレージに格納する（１３２０）。図５、図６、図７の例では、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃの太線で示した部分が抽出された集光スポット（部分画像）に相当する。
複数データ格納保存部５０が、全ての露光時間（ここの例ではＭ０、Ｍ１、Ｍ２の全て）に対して処理を完了したか確認を行う（１３３０）。
完了していない場合は、露光時間の設定（１３００）から部分画像の生成、格納（１３２０）までの処理を繰り返す。
（ステップ３）
完了した場合、次に画像合成部５２が、ストレージに格納された部分画像の合成を行う（１３４０）。図５、図６、図７の、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃの太線で示した部分を図８のように合成する。
（ステップ４）
次に、波面演算部５３が、画像合成部５２で合成された画像に対し、従来の波面計測装置と同様の信号処理を行うことによって、波面の演算出力を行う。
【００１７】
部分画像を重ね合わせた際、重なりが生じた場合には、以後の波面演算部５３で最も精度の高い演算が行える画素を選択する。例えば、重複した画素の輝度を比較し、輝度の最も高いものを選択しても良い。
【００１８】
本発明の実施の形態１における波面計測装置および波面計測方法は以上述べたように構成されているため、以下に述べる効果を奏する。
１枚の画像において、集光スポット毎に輝度値が大きく異なる画像しか得られない状態においても、複数の画像を用いることで、集光スポット毎の輝度値のばらつきを低減でき、従って高精度な波面計測が可能となる。
【００１９】
実施の形態２
実施の形態１では、露光時間を変化させて複数フレームの画像を取得していたが、取得した画像の明るさを可変できるのであれば、他の手段を用いてもよい。例えば、測定対象である光がレーザー光である場合は、レーザー光を可変させても良い。また、透過光を減衰させる可変アッテネータを用いてもよい。
本実施の形態における波面計測装置のブロック図を図１１に示す。図１１は、図９の露光時間可変手段４０の代わりに、光強度制御装置４１を有する。
本実施の形態における、波面計測結果を出力するための信号処理の流れを示すフローチャートを図１２に示す。
図１２は、図１０のフローチャートにおいて、露光時間の設定を行っていた１３００の処理を露光時間の設定を行う処理１３０１に置き換え、全露光時間パターンの終了判定を行う１３３０の処理を１３３１に置き換えたものである。
【００２０】
実施の形態３
本発明の実施の形態１においては、複数の露出の異なる画像から任意の閾値１３を超えた画素を抽出して１枚の画像に合成していた。しかし、集光スポットのピークが閾値１３とほぼ一致しているような場合、集光スポットを構成する画素数が少なく演算精度が悪化する問題が生ずる。本発明の実施の形態３では、この問題を改善するものである。
【００２１】
図１３は本発明の実施の形態３における集光スポット画像を抽出するアルゴリズムを説明するための説明用図である。図１３において、３０は画像信号６Ａの一部を拡大し、かつ閾値１３を超える部分を同色で表示した二値画像、３２は二値画像３０の閾値１３を超えた画素、３１は閾値１３以下であるが、信号処理において所定の精度を得るために必要な画素である。
【００２２】
次に信号処理内容を説明する。図１４は図５、図６、図７で示した複数の画像信号から、波面計測結果を出力するための装置の動作、及び信号処理の流れを示すフローチャートである。ステップ１では、図５、図６、図７で示した複数の画像信号をそれぞれ信号処理部５のストレージに格納する。ステップ２Ａでは抽出した部分画像に対し、画素の連結性に基づき、ラベルを付与する。ここで「画素の連結性」とは、隣合う画素が共に閾値１３を超えていた場合は同じ集光スポットを構成する画素であると判断することをいう。ステップ２Ａの処理の結果ｎ個の集光スポットが検出された場合は、ｎ個のラベルが付与された画素が抽出される。ここでは、このラベルをＳｋ（ｋ＝１〜ｎ）とする。次に、ステップ２Ｂにおいては、ラベルＳｋを付与された画素に対し、輝度の重みをつけた座標の重心演算を行い、重心座標を求める。重心座標には画素のラベルＳｋを付与して記憶する。次にステップ２Ｃにおいては、ラベルＳｋを付与された重心座標を中心に所定のサイズ、形状の部分領域を定義し、ラベルＳｋを付与して記憶する。図１３の３２は正円で定義した場合の部分領域の例である。この部分領域のサイズ、形状は、集光スポットがどの程度広がりをもつかを、事前に測定、あるいは計算で求めておくことで定義することが可能である。次にステップ２Ｄでは、ステップ２Ｃにおいて記憶したラベルＳｋを付与した部分領域内の画素に対し、ある閾値３３を超えた輝度をもつ画素を抽出する。閾値３３は閾値１３より小さく、かつ、ノイズレベルよりも大きく設定する。ステップ２Ｄにより、ＳＮ比（信号雑音比）が所定の条件を満足しない画素を除去することが可能となる。次にステップ２Ｅでは、ステップ２Ｄで抽出された部分画像を参照し、複数のフレームにおいて重複して抽出された集光スポットが無いか検索する。もし重複して検出された集光スポットがあった場合、ＳＮ比が高い方を残し、低い方を廃棄する。ステップ３では図５、図６、図７から抽出した画素を合成して１枚の画像を出力する。
【００２３】
本発明の実施の形態３における波面計測装置は以上述べたように構成されているため、以下に述べる効果を奏する。
１枚の画像において、集光スポット毎に輝度値が大きく異る画像しか得られない状態においても、複数の画像を用いることで、集光スポット毎の輝度値のばらつきを低減でき、従って高精度な波面計測が可能となる。
さらにまた、本発明の実施の形態１と比較し、所望の演算精度が得られない可能性を低くすることが可能である。
【符号の説明】
【００２４】
１  光の波面、２  波面検出部、３  レンズレットアレイ、４  撮像手段、５  信号処理部、５Ａ  フレームグラバ、６  画像信号、６Ａ  歪が大きい場合の集光スポットパターン、６Ｂ  歪が小さい場合の集光スポットパターン、７  制御信号、１０  画像信号の階調の上限、１１  画像信号の階調の下限、１２  画像信号６Ａのラインプロファイル、１２Ａ  短い露出時間を用いた場合のラインプロファイル、１２Ｂ  通常の露出時間を用いた場合のラインプロファイル、１２Ｃ  長い露出時間を用いた場合のラインプロファイル、１３  ＳＮ比に依存する精度を補償するピークの下限値を示す閾値、１４  １２Ａと１２Ｂと１２Ｃを合成したラインプロファイル、３０  二値画素、３１  画素、３２  部分領域、３３  閾値１３より小さく、かつ、ノイズレベルよりも大きく設定された閾値、４０  露光時間可変手段、４１  光強度制御装置、５０  複数データ格納部、５１  画像切り出し部、５２  画像合成部、５３  波面演算部
【図１】
2015083934.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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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