(57)【要約】【課題】簡易的な信号処理により、常に変わらない精度で波面の形状を測定する。【解決手段】画像を入力する画像入力部１と、当該画像からマイクロレンズアレイにより結像されたスポットの位置を検出するスポット検出部２と、検出されたスポットの位置に基づいて、スポットの位置ずれ量の線形成分を除去する線形成分除去部３と、線形成分が除去されたスポットの位置ずれ量をフーリエ変換して空間周波数成分として収差を算出するフーリエ解析部４と、フーリエ解析部４により算出された収差を出力する波面収差出力部５とを備えている。【選択図】図１
2013246016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロレンズアレイを備えたシャックハルトマンセンサにより取得された画像から光線の波面形状を計測する波面計測装置であって、
前記画像を入力する画像入力部と、
前記画像入力部により入力された前記画像から前記マイクロレンズアレイにより結像されたスポットの位置を検出するスポット検出部と、
前記スポット検出部で検出された前記スポットの位置に基づいて、前記スポットの位置ずれ量の線形成分を除去する線形成分除去部と、
前記線形成分除去部により線形成分が除去された前記スポットの位置ずれ量をフーリエ変換して空間周波数成分として収差を算出するフーリエ解析部と、
前記フーリエ解析部により算出された前記収差を出力する波面収差出力部と
を備えたことを特徴とする波面計測装置。
【請求項２】
前記線形成分除去部と前記フーリエ解析部との間に設けられ、前記線形成分除去部により線形成分が除去された前記スポットの位置ずれ量に対して、前記画像が有限の射出瞳を持つことに起因して発生する収差形状の高周波成分を抑制するウィンドウ処理を行うウィンドウ処理部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の波面計測装置。
【請求項３】
前記スポット検出部と前記線形成分除去部との間に設けられ、前記スポット検出部においてスポットが検出されなかった領域があった場合に、当該領域のスポット位置を補完して設定するスポット補完部をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の波面計測装置。
【請求項４】
マイクロレンズアレイを備えたシャックハルトマンセンサにより取得された画像から光線の波面形状を計測する波面計測方法であって、
前記画像を入力する画像入力ステップと、
前記画像入力ステップで入力された前記画像から前記マイクロレンズアレイにより結像されたスポットの位置を検出するスポット検出ステップと、
前記スポット検出ステップで検出された前記スポットの位置に基づいて、前記スポットの位置ずれ量の線形成分を除去する線形成分除去ステップと、
前記線形成分除去ステップにより線形成分が除去された前記スポットの位置ずれ量をフーリエ変換して空間周波数成分として収差を算出するフーリエ解析ステップと、
前記フーリエ解析ステップで算出された前記収差を出力する波面収差出力ステップと
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、結像された光線の波面の形状を計測する波面計測装置および波面計測方法に関し、特に、シャックハルトマンセンサの出力として取得される画像より波面の形状を計測する波面計測装置および波面計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４（ａ）に示すように、従来、シャックハルトマンセンサの出力として取得される画像より波面の形状を計測する波面計測装置において、ゼルニケ関数による形状表示が行われている（例えば、特許文献１参照）。ゼルニケ関数は直交関数系であり、級数展開することで任意の形状を一意に表現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−３２２３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のような、従来のゼルニケ関数により形状表示をシャックハルトマンセンサから取得された画像から計測される波面形状に適用した場合、画像から直接得られるのは波面形状（波面収差）の微分値になるため、図４（ｂ）に示すように、ゼルニケ関数も微分して導関数を求めて係数を算出するか、あるいは、得られた波面形状（波面収差）の微分値を積分して波面収差を算出する必要がある。
【０００５】
ゼルニケ関数を微分して係数を算出する場合、ゼルニケ関数の導関数は直交関数ではないため、波面形状を一意に表すことができなくなる。すなわち、ゼルニケ関数は直交関数であるため、級数展開する項の次数によらず係数は一定値となるが、導関数は非直交関数であるため、展開する次数に応じて係数が変化する。このため、適切な次数を設定しなければ、波面形状の表示精度が低下するという問題点がある。
【０００６】
一方、波面形状の微分値を積分してゼルニケ関数の係数を算出するときには、積分計算により誤差が累積するため、係数の算出における誤差が大きくなるという問題点がある。誤差の大きさは積分方法や経路によって変化する。高分解能なシャックハルトマンセンサでは積分経路が長くなり、累積する誤差も増加することから、精度のよい測定が困難になるという問題点がある。
【０００７】
また、ゼルニケ関数による形状表示は座標原点の位置によって係数が変化するため、図５に示すように、座標原点の取り方により結果が異なってしまう。座標原点は射出瞳の中心の対応点を用いるのが正しいが、シャックハルトマンセンサにより得られた画像からは射出瞳の中心は分からないため、射出瞳の中心を正確に算出するのは非常に困難である。一般的な従来装置においては、手動で座標原点を設定している。従って、例えば不慣れな検査員が座標原点を設定したことにより、ゼルニケ関数において座標原点の位置がずれて表示された場合には、波面のチルト成分や高次の波面形状誤差が擬似的に発生し、正確に波面を計測できないという問題点がある。
【０００８】
この発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、簡易的な信号処理により、常に変わらない精度で波面の形状を測定することができる波面計測装置および波面計測方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、マイクロレンズアレイを備えたシャックハルトマンセンサにより取得された画像から光線の波面形状を計測する波面計測装置であって、前記画像を入力する画像入力部と、前記画像入力部により入力された前記画像から前記マイクロレンズアレイにより結像されたスポットの位置を検出するスポット検出部と、前記スポット検出部で検出された前記スポットの位置に基づいて、前記スポットの位置ずれ量の線形成分を除去する線形成分除去部と、前記線形成分除去部により線形成分が除去された前記スポットの位置ずれ量をフーリエ変換して空間周波数成分として収差を算出するフーリエ解析部と、前記フーリエ解析部により算出された前記収差を出力する波面収差出力部とを備えたことを特徴とする波面計測装置である。
【発明の効果】
【００１０】
この発明は、マイクロレンズアレイを備えたシャックハルトマンセンサにより取得された画像から光線の波面形状を計測する波面計測装置であって、前記画像を入力する画像入力部と、前記画像入力部により入力された前記画像から前記マイクロレンズアレイにより結像されたスポットの位置を検出するスポット検出部と、前記スポット検出部で検出された前記スポットの位置に基づいて、前記スポットの位置ずれ量の線形成分を除去する線形成分除去部と、前記線形成分除去部により線形成分が除去された前記スポットの位置ずれ量をフーリエ変換して空間周波数成分として収差を算出するフーリエ解析部と、前記フーリエ解析部により算出された前記収差を出力する波面収差出力部とを備えたことを特徴とする波面計測装置であるので、簡易的な信号処理により、常に変わらない精度で波面の形状を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る波面計測装置の構成を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態２に係る波面計測装置の構成を示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態３に係る波面計測装置の構成を示す構成図である。
【図４】従来の波面計測装置の構成を示した構成図である。
【図５】従来の波面計測装置の計測結果の例を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る波面計測装置を示す構成図である。本実施の形態１に係る波面計測装置は、画像入力部１と、スポット検出部２と、線形成分除去部３と、フーリエ解析部４と、波面収差出力部５とから構成されており、シャックハルトマンセンサにより取得された画像から光線の波面形状を計測するものである。
【００１３】
なお、波面計測装置はマイコン等の計算機から構成され、波面計測装置の各構成要素は、計算機のソフトウェアとして実装されるものである。計算機は、周知の中央処理装置（ＣＰＵ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、インターフェース（ＩＦ）等のハードウェア資源からなり、ＲＯＭに収納されたプログラムを順次抽出してＣＰＵで所望の演算を行うとともに演算結果をＲＡＭに一時保存する等により、ソフトウェアを実行して所定の動作を行う。
【００１４】
以下、波面計測装置の各構成要素について説明する。
【００１５】
画像入力部１は、シャックハルトマンセンサ（図示せず）により取得された画像を波面計測装置へ入力する。シャックハルトマンセンサは、マイクロレンズアレイを有している。マイクロレンズアレイとは、複数のマイクロレンズを格子状に並べたものである。従って、画像入力部１に入力されるシャックハルトマンセンサで取得された画像とは、マイクロレンズアレイを構成する複数のマイクロレンズの各々で結像された画像である。
【００１６】
スポット検出部２は、画像入力部１に入力された画像から、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズで結像されたスポットの位置（結像位置）をそれぞれ検出する。なお、スポット検出部２で検出するスポットの位置は、光軸方向と垂直な面内での結像位置である。
【００１７】
３は線形成分除去部であり、スポット検出部２で検出された各マイクロレンズにおけるスポットの位置に対し各マイクロレンズの中心位置との位置ずれ量を算出し、当該位置ずれ量から線形成分（チルト成分）を算出し、当該線形成分（チルト成分）を除去する。
【００１８】
以下、線形成分除去部３で除去する線形成分について説明する。波面形状の０次成分（オフセット成分）はピストンと呼ばれ、結像条件には一切影響しない。波面形状の１次成分はチルトと呼ばれ、光軸方向と垂直な面内での結像位置を示す。波面形状の２次成分はデフォーカスと呼ばれ、光軸方向における結像位置を示す。光軸方向の位置のずれは、（フォーカス調整が可能であれば）フォーカス調整により補正することができる。なお、波面形状の３次以上の高次の成分は、収差として像の鮮明さに影響を与える。
【００１９】
シャックハルトマンセンサにより得られた画像のスポットの位置変化（位置ずれ）は、波面の微分係数を示しているので、当該画像のスポットの位置ずれを検出することで波面の微分値を算出することができる。波面の微分値では次数が１つずつ減少するため、ピストンが失われ、チルトは０次成分となり、デフォーカスが１次成分となる。本実施の形態では、線形成分除去部３において、波面の計測結果から０次成分のチルト成分と、波面の球面成分、すなわち、１次のデフォーカス成分までを除去することができる。このようにして、線形成分除去部３において、０次の成分と１次の成分とを線形成分として同時に除去するため、その結果、光学系がフォーカス調整機能を持っていれば、フォーカスの調整後も残留する位置変化成分は、収差成分のみである。この収差成分は、像の鮮明さに影響を与え、画像のボケとなる成分である。本実施の形態においては、線形成分除去部３による線形成分除去で、１次までの線形成分を除去することができるため、その結果、スポットの位置ずれ量の収差成分のみを抽出することが可能であるため、当該収差成分を解析することで、画質の評価を行うことができる。
【００２０】
フーリエ解析部４は、線形成分除去部３により線形成分が除去されたスポットの位置ずれ量をフーリエ変換して空間周波数成分として収差を算出する。なお、フーリエ変換では、波面の微分成分（マイクロレンズの中心位置とスポット位置のずれ量）の画像（マップ）が入力され、それを空間周波数成分での表示に変換したものを、収差として出力する。５は波面収差出力部であり、フーリエ解析部４において算出された収差を出力する。
【００２１】
本実施の形態においては、こうして、フーリエ解析部４および波面収差出力部５により、フーリエ変換を用いた収差成分の表示を行う。上記の特許文献１に記載の従来装置においては、ゼルニケ係数による収差表示を行っていたため、座標原点（基準点）の取り方により分解された収差の次数や量が変化し得るが、本実施の形態によるフーリエ変換により得られる結果は座標原点の取り方によらないので、常に同じ恒常的な収差解析結果が得られる。また、フーリエ変換は直交関数を用いるため、次数によらず、常に同じ係数を得ることができ、少ない次数であっても計測精度の低下がない。
【００２２】
以上のように、本実施の形態に係る波面計測装置は、シャックハルトマンセンサにより取得された画像から光線の波面形状を計測する波面計測装置において、画像を装置に入力する画像入力部１と、入力された画像からマイクロレンズアレイにより結像されたスポットの位置を検出するスポット検出部２と、スポットの位置ずれ量に基づいて線形成分（チルト成分）を算出して除去する線形成分除去部３と、線形成分（チルト成分）が除去されたスポットの位置ずれ量をフーリエ変換して空間周波数成分として収差を算出するフーリエ解析部４と、算出された収差を出力する波面収差出力部５とを備えるようにしたので、線形成分を除去して画像のボケとなる収差成分のみを残し、当該収差成分をフーリエ変換を用いて表示するようにしたので、座標原点の取り方によらない、恒常的な解析結果を得ることができる。これにより、次数に関わらず、計測精度の低下が防げ、簡易な信号処理により、常に変わらない精度で、波面形状を正確に計測することができる。
【００２３】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２の波面計測装置を示す構成図である。実施の形態1と同様の構成については、同一符号により示し、ここでは説明を省略する。図２において、６はウィンドウ処理部であり、線形成分除去部３により線形成分が除去されたスポットの位置ずれ量に対するウィンドウ処理を行う。なお、ウィンドウ処理においては、波面の微分成分の画像（マップ）が入力され、それとウィンドウ関数が乗算され、その結果得られる画像（マップ）を出力する。
【００２４】
本実施の形態に係る波面計測装置の構成と上述した実施の形態1の構成との違いは、本実施の形態においては、線形成分除去部３とフーリエ解析部４との間に、ウィンドウ処理部６が追加された点である。他の構成は、実施の形態１と同じである。
【００２５】
シャックハルトマンセンサによって得られた画像は、射出瞳の像になり、射出瞳の共役関係にあるため、射出瞳の大きさに応じた有限の大きさを持つ円形の画像となる。このため、射出瞳の像の円形の縁で不連続点が存在し、フーリエ解析において、信号の歪みなどの偽信号が発生しやすい。従って、この不連続点が除去できれば、信号の歪みなどの偽信号の発生を抑えることができる。
【００２６】
本実施の形態では、フーリエ解析を行う前段で、ウィンドウ処理部６において、このような信号の歪みの原因になる、有限の大きさの射出瞳を持つことにより発生する収差形状の高周波成分を抑制するウィンドウ処理を行うため、偽信号の発生を低減することが可能である。ウィンドウ処理としては、ハニング窓関数やフラットトップ窓関数を用いることができる。
【００２７】
以上のように、本実施の形態においては、上記の実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、さらに、本実施の形態においては、画像が有限の大きさの射出瞳を持つことに起因して発生する収差形状の高周波成分を除去するウィンドウ処理を行うウィンドウ処理部６をフーリエ解析部４の前段に設けるようにしたので、フーリエ解析において信号の歪みなどの偽信号の発生を抑制することができる。
【００２８】
なお、上記の説明においては、ウィンドウ処理部６が、有限の大きさの射出瞳を持つことにより発生する収差形状の高周波成分として、射出瞳の像の円形の縁に存在する不連続点を除去するウィンドウ処理を行う場合を例に挙げて説明したが、その場合に限らず、フーリエ解析部４におけるフーリエ解析で信号の歪みの原因になる、有限の大きさの射出瞳を持つことにより発生する収差形状の高周波成分を抑制するウィンドウ処理であれば、いずれのウィンドウ処理でもよく、任意のウィンドウ処理を行ってよいこととする。
【００２９】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３の波面計測装置を示す構成図である。実施の形態1と同様の構成については、同一符号を付して示し、ここでは説明を省略する。図３において、７はスポット補完部であり、スポット検出部２により検出されなかった領域においてスポットの位置を補完して設定する。スポット補間処理の例としては、ある閾値以上の出力が得られなかった領域はスポットが検出されなかったと判定し、その周囲領域の波面の微分成分からバイリニア補間やバイキュービック補間することが挙げられる。
【００３０】
本実施の形態に係る波面計測装置の構成と上述した実施の形態1の構成との違いは、本実施の形態においては、スポット検出部２と線形成分除去部３との間に、スポット補完部７が追加された点である。他の構成は、実施の形態１と同じである。
【００３１】
フーリエ解析のうちの高速なフーリエ変換アルゴリズムであるＦＦＴ（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を行う場合、グリッド上のデータが全て揃っている必要がある。従って、スポット検出部２においてスポットが検出されない領域が発生した場合には、グリッド上のデータに抜けが発生するため、フーリエ解析部４において、ＦＦＴを用いることが出来ず、離散データのフーリエ変換ができるＤＦＴ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を用いる必要がある。しかしながら、ＤＦＴは計算回数が多いため時間がかかり、計算負荷も高い。
【００３２】
従って、本実施の形態では、すべての領域でスポットの検出データが存在するように、スポット補完部７において、スポット検出部２においてスポットが検出されなかった領域に対し、スポットの位置を補完して設定するようにしたため、ＦＦＴの適用が常に可能となる。これにより、計算の高速化が可能になるとともに、計算負荷も軽減することができる。
【００３３】
スポット補完部７で行われる補完処理として、例えばバイリニア方式を用いることで、人為的な高周波成分の発生を抑制し、補完処理による偽信号を低減することができる。
【００３４】
以上のように、本実施の形態においては、上記の実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、さらに、本実施の形態においては、スポット検出部２の後段に、スポット検出部２により検出されなかった領域においてスポットの位置を補完して設定するスポット補完部７を設けるようにしたので、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を用いることができ、計算の高速化が可能になるとともに、計算負荷も軽減することができ、また、補完処理として、例えばバイリニア方式用いることで、フーリエ解析において信号の歪みなどの偽信号の発生を抑制することができる。
【００３５】
なお、上記の実施の形態３においては、図１に示した実施の形態１の構成に、スポット補完部７を追加する例について説明したが、その場合に限らず、図２に示した実施の形態２の構成にスポット補完部７を追加してもよい。その場合も、同様に、スポット検出部２と線形成分除去部３との間にスポット補完部７を設けるようにする。なお、実施の形態２の構成にスポット補完部７を追加した場合には、実施の形態１の効果に加えて、実施の形態２の効果と実施の形態３の効果の両方が得られることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３６】
１  画像入力部、２  スポット検出部、３  線形成分除去部、４  フーリエ解析部、５  波面収差出力部、６  ウィンドウ処理部、７  スポット補完部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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