JP2004186789A - 画像評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】人間が目で見る状態のボケ量を定量的に評価することができる画像評価装置を得ることを目的とする。
【解決手段】有限要素を光源とする画像を形成して、その画像を位置検出型光検出器２２に投射すると、その位置検出型光検出器２２が当該画像を受光して撮像し、画像評価部２５が位置検出型光検出器２２により撮像された画像のボケ量を評価するように構成した。これにより、例えば、プロジェクターのように有限要素の配列により画素を表示する場合には、人間が目で見る状態のボケ量を定量的に評価することができる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、画像のボケ量を評価する画像評価装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の画像評価装置は、光源から出力される信号光を液晶に投射して評価用パターンを形成する。そして、像走査手段が被験レンズを通して、その評価用パターンを受光し、信号処理手段が評価用パターンのボケ量を定量評価する（特許文献１を参照）。
ただし、従来の画像評価装置は、評価用パターンとなる点像やスリット（線像）を液晶の上に形成するが、液晶の画素寸法がボケ量より小さいピンホール等点光源を起源とするものであり、液晶の画素寸法が投射光学系のボケより大きい有限要素を光源とするものではない。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−１４００４６号公報（段落番号［００１２］から［００２２］、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の画像評価装置は以上のように構成されているので、レンズ単体の光学性能を評価することができるが、有限要素の配列により画像を表示するシステム（例えば、プロジェクター）の総合的な光学特性の評価、即ち、最終的に人間が目で見る状態のボケ量を定量的に評価することができない課題があった。
【０００５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、人間が目で見る状態のボケ量を定量的に評価することができる画像評価装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る画像評価装置は、有限要素を光源とする画像を形成して、その画像を画像撮像手段に投射すると、その画像撮像手段が当該画像を受光して撮像し、評価手段が画像撮像手段により撮像された画像のボケ量を評価するようにしたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による画像評価装置を示す構成図であり、図２はこの発明の実施の形態１による画像評価装置を示す外観図である。この画像評価装置は大きく分けて画像取得装置１とデータ解析装置２から構成されている。図において、光学定盤１１は画像表示システム１２や測定ステージ２１を安定に固定する土台である。画像表示システム１２の光源１３は光信号を照明光学系１４に供給し、照明光学系１４は光源１３から供給された光信号を効率良く投射光学系１６に導くとともに、その光信号の強度分布や波長依存性を制御する機能を備えている。
【０００８】
画像発生装置１５は投射光学系１６の有限要素部１７を制御して、任意の評価画像と背景画像を作成させる機能を備えている。投射光学系１６は有限要素部１７と光学レンズ部１８から構成されている。この実施の形態１では、投射光学系１６が有限要素部１７と光学レンズ部１８から構成されているが、平面鏡、凸凹面鏡、自由曲面などから構成されていてもよい。
有限要素部１７は画像発生装置１５の指示の下、照明光学系１４により導かれた光信号を２次元空間光変調して画像を形成し、光学レンズ部１８は有限要素部１７により形成された画像（２次元空間光変調された被検パターン）を位置検出型光検出器２２に投射する。なお、画像表示システム１２及び画像発生装置１５から画像投射手段が構成されている。
【０００９】
輝度調整部１９は投射光学系１６から位置検出型光検出器２２の画像受光面に投射される画像の輝度を調整する機能を備えている。なお、輝度調整部１９は輝度調整手段を構成している。
ステージ制御装置２０は測定ステージ２１を制御して、任意の軸方向に任意の量だけ測定ステージ２１を移動させることにより、位置検出型光検出器２２の画像受光面の位置を制御し、また、その測定ステージ２１の位置を示す位置情報や移動状況を示すステータス情報を収集する。測定ステージ２１はステージ制御装置２０の指示の下、任意の軸方向に任意の量だけ移動する。なお、ステージ制御装置２０及び測定ステージ２１から位置制御手段が構成されている。
【００１０】
位置検出型光検出器２２は測定ステージ２１により固定され、光検出器制御装置２３の指示の下、投射光学系１６により投射された画像を受光し、その画像を撮像する。光検出器制御装置２３は位置検出型光検出器２２の露光条件や撮像枚数を制御して、位置検出型光検出器２２により撮像された画像を取得する。なお、位置検出型光検出器２２及び光検出器制御装置２３から画像撮像手段が構成されている。
データ解析装置２のノイズ低減部２４は光検出器制御装置２３が評価画像と背景画像を取得すると、その評価画像から背景画像を減算して、その評価画像に重畳されているノイズを低減する。画像評価部２５はノイズ低減部２４から背景画像が減算された評価画像を受けると、その評価画像のボケ量を定量的に評価する。なお、ノイズ低減部２４及び画像評価部２５から評価手段が構成されている。
【００１１】
可動投射スクリーン２６は評価画像を位置検出型光検出器２２の画像受光面に投射する際、人間が目視によって評価画像を確認できるようにするため位置検出型光検出器２２の画像受光面の前面への可動を受け付け、その評価画像を表示する。小型スクリーン２７は人間が目視によって投射画素を確認できるようにするため位置検出型光検出器２２の画像受光面に合わせて、位置検出型光検出器２２の周りを囲うように取り付けられている。
図３はこの発明の実施の形態１による画像評価装置の処理内容を示すフローチャートである。
【００１２】
次に動作について説明する。
まず、画像表示システム１２の光源１３が光信号を照明光学系１４に供給すると、照明光学系１４がその光信号の強度分布や波長依存性を適宜制御して、その光信号を投射光学系１６に照射する（ステップＳＴ１）。
画像発生装置１５は、照明光学系１４が光信号の照射を開始すると、投射光学系１６の有限要素部１７を制御して、任意の評価画像又は背景画像を作成させるため、作成対象の画像を指定する（ステップＳＴ２）。
【００１３】
有限要素部１７は、画像発生装置１５が任意の評価画像の作成を指示すると、照明光学系１４により導かれた光信号を２次元空間光変調して任意の評価画像を形成する。一方、画像発生装置１５が背景画像の作成を指示すると、照明光学系１４により導かれた光信号を２次元空間光変調して背景画像を形成する（ステップＳＴ３）。
光学レンズ部１８は、有限要素部１７が評価画像又は背景画像を形成すると、その評価画像又は背景画像（２次元空間光変調された被検パターン）を位置検出型光検出器２２に投射する（ステップＳＴ４）。
【００１４】
ここで、図４は有限要素部１７の構成例であり、この構成例では画像発生装置１５がライトバルブ４−５を表示、ライトバルブ４−１〜４−４，４−６を非表示に指定している。
なお、画像発生装置１５は、評価画像の作成を指示する場合、最小単位であるライトバルブを１画素だけ表示に指定し、背景画像の作成を指示する場合、全画素を非表示に指定する。
【００１５】
位置検出型光検出器２２は、投射光学系１６によって画像が画像受光面に投射されると、その画像を光電変換して光検出器制御装置２３のモニタに出力する。これにより、ステージ制御装置２０は、光検出器制御装置２３のモニタを監視して、投射光学系１６により投射された画像が画像受光面内にあるか否かを判定する（ステップＳＴ５）。そして、投射光学系１６により投射された画像が画像受光面内にない場合には、その画像を画像受光面内に入れるために、測定ステージ２１を任意の軸方向に任意の量だけ移動させる（ステップＳＴ６）。
【００１６】
なお、測定ステージ２１は、リミッターや原点位置などにメカニカルスイッチが取り付けられている。メカニカルスイッチは、測定ステージ２１が所定の位置に到達すると、その旨を示すステータス情報をステージ制御装置２０に出力するものである。
したがって、ステージ制御装置２０は、ステータス情報を参照することにより、測定ステージ２１の移動状況を把握することができるため（例えば、測定ステージ２１の操作ミス等を検知することができる）、測定ステージ２１を自動的に減速させたり、緊急停止させたりすることができる。
測定ステージ２１は、ボケの像高依存性（Ｘ，Ｙ方向）だけでなく、像面方向（Ｚ方向）のボケや倍率を評価できるようにするため、直交座標系のＸ，Ｙ，Ｚ方向に可動可能である。
【００１７】
また、輝度調整部１９は、光検出器制御装置２３のモニタを監視して、投射光学系１６により投射された画像の輝度（被検パターンの強度）が位置検出型光検出器２２の測定範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳＴ７）。
そして、投射光学系１６により投射された画像の輝度が測定範囲内にない場合、その画像の輝度を測定範囲内に入れるため、その画像の輝度を調整する（ステップＳＴ８）。
即ち、画像の輝度が測定範囲を大きく超える場合、例えば、投射光学系１６から位置検出型光検出器２２に至る光路上に減光フィルターを配置することにより、その画像の輝度を弱くする。一方、画像の輝度が測定範囲を下回る場合、例えば、光を遮蔽するメカニカルシャッターを配置して、位置検出型光検出器２２の露光時間を長くするなどにより、物理的に画像の輝度を調整する。
【００１８】
光検出器制御装置２３は、投射光学系１６により投射された画像が画像受光面内にあり、かつ、投射光学系１６により投射された画像の輝度が位置検出型光検出器２２の測定範囲内にある場合、位置検出型光検出器２２により撮像された画像を取得する（ステップＳＴ９）。
なお、位置検出型光検出器２２は、結像レンズ、カバーガラス、マイクロレンズアレーなど光学的要素が極力取り除かれており、投射光学系１６により投射された画像を画像受光面で直接受光し、その画像受光面内の光量分布の取得を試みるので、その光量分布である評価画像を光電変換するだけで純粋に定量評価を行うことが可能である。
【００１９】
光検出器制御装置２３は、位置検出型光検出器２２により撮像された画像を取得すると、その画像をヘッダ情報付き画像ファイルに記録し（ステップＳＴ１０）、そのヘッダ情報付き画像ファイルをデータ解析装置２に出力する。
この際、光検出器制御装置２３は、その画像の最大値や最小値などの基本的な統計値と、画像発生装置１５により指定された画像の種類と、ステージ制御装置２０により設定された測定ステージ２１の座標の情報と、光検出器制御装置２３により指定された測定日時や露光時間などの撮像条件等の情報とをヘッダ情報として、ヘッダ情報付き画像ファイルに付加する。
【００２０】
図５はヘッダ情報のリスト例を示す説明図である。
これにより、データ解析装置２は、ヘッダ情報付き画像ファイルから撮像条件等の情報を簡単に取り出すことができるようになる。なお、データ解析装置２は、様々な演算をする毎に演算日時、演算内容、演算結果などの情報をヘッダ情報付き画像ファイルに追記する（撮像条件等の情報はそのまま残される）。これにより、ヘッダ情報付き画像ファイルから演算結果や演算履歴を辿ることができるため、ヒューマンエラーやその他の失敗を少なくすることができる。
【００２１】
データ解析装置２は、光検出器制御装置２３からヘッダ情報付き画像ファイルを受けると、評価画像と背景画像の双方を取得したか否かを判断し（ステップＳＴ１１）、双方の画像を取得していない場合には、不足している画像の送信要求を画像取得装置１に出力する。これにより、ステップＳＴ２からステップＳＴ１０の処理が再度繰り返される。
なお、画像取得装置１の画像発生装置１５、ステージ制御装置２０及び光検出器制御装置２３は、各々独立に制御することが可能であるが、ステージ制御装置２０による測定座標、光検出器制御装置２３による露光時間、画像発生装置１５による評価画像・背景画像を前もって組み合わせて指定する指定手段を設けるようにすれば、上記の画像取得を自動的に行うことが可能である。
【００２２】
データ解析装置２のノイズ低減部２４は、位置検出型光検出器２２により撮像された画像には注目すべき信号以外に様々なノイズが含まれているので、ヘッダ情報付き画像ファイルから評価画像と背景画像を読み込むと、その評価画像から背景画像を減算して（ステップＳＴ１２）、その評価画像に重畳されているノイズを低減する。
【００２３】
位置検出型光検出器２２として、例えば、ＣＣＤカメラを利用する場合、位置検出型光検出器２２には、検出器固有のノイズＮ１、室内や画像表示システム１２からの背景光、宇宙線起源などの光電変換に関連するノイズＮ２、画像発生装置１５が作る画像信号にのるノイズＮ３などがある。
ここで、背景画像には、検出器固有のノイズＮ１＋位置検出型光検出器２２の光電変換に関連するノイズＮ２＋画像発生装置１５が作る画像信号にのるノイズＮ３が含まれており、評価画像には、画像発生装置１５が指定した評価画像の信号Ｓと、検出器固有のノイズＮ１’＋位置検出型光検出器２２の光電変換に関連するノイズＮ２’＋画像発生装置１５が作る画像信号にのるノイズＮ３’が含まれている。
この評価画像から背景画像を減算することにより、測定すべき信号Ｓである評価画像の信号Ｓを取り出すことができる。ただし、ノイズＮ１とＮ１’、Ｎ２とＮ２’、Ｎ３とＮ３’は必ずしも全く同じではないため引き残りも存在する。
【００２４】
なお、室内や画像表示システム１２からの背景光のノイズＮ２のように、時間で変動するノイズの場合、評価画像と背景画像を時間的に連続して撮像すると、ノイズＮ２とＮ２’がきわめて等しくなるため、結果として引き残りを小さくすることができる。
また、画像発生装置１５が作る画像信号にのるノイズＮ３は、デジタル信号を使うことにより、低減することが可能である。
また、位置検出型光検出器２２の固有のノイズＮ１で、画像取得毎に異なる値を取るノイズがある場合には、同じ取得画像内の異なる領域Ｎ１ｎの光電変換出力をノイズ源とし、評価領域Ｎ１ｓの光電変換出力から領域Ｎ１ｎの光電変換出力を減算することにより、減算の精度を上げてもよい。
【００２５】
画像発生装置１５が評価画像をライトバルブの１画素に指定すると、理想的な光学系の場合、位置検出型光検出器２２により撮像される評価画像は図６に示すような輝度分布６−１になる。
しかしながら、実際には、位置検出型光検出器２２により撮像される評価画像は、画像表示システム１２によるボケのため、図７に示すように広がった輝度分布７−１になり、ノイズ成分７−２を有することになる。
一方、画像発生装置１５が背景画像を全画素非表示に指定すると、位置検出型光検出器２２により撮像される背景画像は、図８に示すようなノイズ成分８−２になる。
この評価画像から背景画像を減算すると、図９に示すように、ノイズ成分が減算された輝度分布９−１が得られる。以下、これを背景画像減算後評価画像と称する。
【００２６】
データ解析装置２の画像評価部２５は、ノイズ低減部２４から背景画像減算後評価画像を受けると、各種の統計処理や信号処理を実施することにより、その背景画像減算後評価画像のボケ量を定量的に評価する（ステップＳＴ１３）。画像評価の詳細内容は実施の形態２で説明する。
【００２７】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、有限要素を光源とする画像を形成して、その画像を位置検出型光検出器２２に投射すると、その位置検出型光検出器２２が当該画像を受光して撮像し、画像評価部２５が位置検出型光検出器２２により撮像された画像のボケ量を評価するように構成したので、例えば、プロジェクターのように有限要素の配列により画素を表示する場合には、人間が目で見る状態のボケ量を定量的に評価することができる効果を奏する。
【００２８】
この実施の形態１によれば、測定ステージ２１を制御して、位置検出型光検出器２２の画像受光面の位置を制御するように構成したので、画像表示システム１２の取付位置を変更することなく、投射光学系１６により投射された画像を画像受光面内に入れることができる効果を奏する。
この実施の形態１によれば、投射光学系１６から位置検出型光検出器２２の画像受光面に投射される画像の輝度を調整する輝度調整部１９を設けるように構成したので、光源１３を取り替えることなく、投射光学系１６により投射された画像の輝度を位置検出型光検出器２２の測定範囲内に入れることができる効果を奏する。
【００２９】
この実施の形態１によれば、位置検出型光検出器２２により撮像された評価画像から背景画像を減算するように構成したので、その評価画像に重畳されているノイズを低減することができる効果を奏する。
この実施の形態１によれば、評価画像と背景画像を時間的に連続して形成するように構成したので、時間で変動するノイズを低減することができる効果を奏する。
この実施の形態１によれば、位置検出型光検出器２２により撮像された画像内にある評価領域から他の領域を減算するように構成したので、画像取得毎に異なる値を取るノイズであっても、精度よくノイズを低減することができる効果を奏する。
【００３０】
この実施の形態１によれば、画像の撮像結果をデータ解析装置２に出力する際、その画像の撮像条件を含むヘッダ情報を当該撮像結果に付加して出力するように構成したので、画像を評価する際に撮像条件等を参照することができる効果を奏する。
この実施の形態１によれば、ボケ量の評価に関する演算を実施する毎に、その演算結果をヘッダ情報に追記するように構成したので、ヒューマンエラーやその他の失敗を少なくすることができる効果を奏する。
【００３１】
この実施の形態１によれば、投射光学系１６により形成される画像と、位置検出型光検出器２２が画像を撮像する際の露光時間と、ステージ制御装置２０により制御される画像受光面の位置とを指定する指定手段を設けるように構成したので、評価画像や背景画像を自動的に取得することができる効果を奏する。
この実施の形態１によれば、位置検出型光検出器２２の画像受光面の位置を制御する際、直交座標系でＸ，Ｙ，Ｚ方向への画像受光面の移動を受け付けるように構成したので、ボケの像高依存性（Ｘ，Ｙ方向）だけでなく、像面方向（Ｚ方向）のボケや倍率を評価することができる効果を奏する。
【００３２】
この実施の形態１によれば、位置検出型光検出器２２の画像受光面の位置を制御する際、位置検出型光検出器２２の画像受光面の移動状況を監視し、その移動状況に応じて画像受光面を移動させるように構成したので、例えば、測定ステージ２１の操作ミス等が発生したとき、測定ステージ２１を自動的に減速させたり、緊急停止させたりすることができる効果を奏する。
この実施の形態１によれば、位置検出型光検出器２２の画像受光面の位置を制御する際、背景画像減算後評価画像の基準位置が当該画像受光面の中心と一致するように当該画像受光面を移動させるように構成したので、正確にボケ量を評価することができる効果を奏する。
この実施の形態１によれば、位置検出型光検出器２２の画像受光面にスクリーンを取り付けるように構成したので、人間が目視によって評価画像や投射画素を確認することができる効果を奏する。
【００３３】
実施の形態２．
図１０はこの発明の実施の形態２による画像評価装置のデータ解析装置２の処理内容を示すフローチャートである。
以下、データ解析装置２の処理内容を具体的に説明する。
データ解析装置２は、大きく分けて、下記の３種類の処理を実施する。
（ａ）データの加算に伴う誤差の低減を目的とする統計処理
（ｂ）揺らぎ構造を取り除く画像統計処理
（ｃ）定量評価値を算出する統計及び信号処理
【００３４】
データ解析装置２の画像評価部２５は、画像評価装置の癖に起因する誤差を低減する必要性が高い場合、画像取得装置１により取得される評価画像と背景画像をそれぞれ複数枚積算する（ステップＳＴ２１〜ＳＴ２３）。即ち、評価画像のフレーム積算と背景画像のフレーム積算を実施することにより、光源１３の時間変動や画像取得装置１の振動の影響等に伴う時間変動を平均化して、画像評価装置の癖に起因する誤差を低減する。
【００３５】
また、画像の積算枚数Ｎが大きくなると、平均誤差が標準偏差の１／√Ｎに従って小さくなるため、統計的にも誤差を低減することが可能である。
一方、露光時間を増やすことにより、光子の統計を稼ぐこともできるが、過度の露光では位置検出型光検出器２２の測定範囲を越えるため、線型性が保たれなくなる。そこで、短い露光時間の取得画像を複数枚積算することにより、長時間露光の取得画像と同等の光子統計を得ることも可能となる。
ただし、上記のフレーム積算では、背景画像減算後評価画像の統計や画像評価装置の癖に起因する誤差に依存するので、必ずしも行う必要はない。
【００３６】
ノイズ低減部２４から出力された背景画像減算後評価画像１１−１は、図１１に示すように、光子統計を起源とする小さいがたついた揺らぎ構造１１−２を有する。
データ解析装置２の画像評価部２５は、このような揺らぎ構造１１−２を減少する必要性が高い場合、“ｂｉｎｎｉｎｇ”や“ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ”などの画像統計処理を実施して、注目すべき構造より小さい揺らぎ等を取り除くようにする（ステップＳＴ２４〜ＳＴ２７）。
【００３７】
“ｂｉｎｎｉｎｇ”は、基準となる画素の輝度と、その周りの画素の輝度を加算する処理であり、“ｂｉｎｎｉｎｇ”を実施すると、図１１の揺らぎ構造１１−２は、図１２の１２−２に示すように減少する。
“ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ”は、基準となる画素の輝度を、その周りの画素に所定の関数（例えば、Ｇａｕｓｓ関数）に従って分配する処理であり、“ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ”を実施すると、その関数を特徴付ける特徴的な長さ（例えば、標準偏差σ）より小さな構造を取り除くことができる。
なお、背景画像減算後評価画像１１−１に対する“ｂｉｎｎｉｎｇ”と“ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ”を実施すると、背景画像減算後評価画像は図９の９−１のようになる。
【００３８】
これにより、光子統計揺らぎが起源と思われる注目構造より小さい揺らぎ構造が消えて滑らかになる。なお、“ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ”は背景画像減算後評価画像と関数（例えば、Ｇａｕｓｓ関数）の畳み込み積分になるため、一度、２次元フーリエ変換を実施して、各々を周波数空間で乗算した後、逆フーリエ変換を実施して計算時間を短縮してもよい。
上記の“ｂｉｎｎｉｎｇ”や“ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ”は、背景画像減算後評価画像の統計や、注目したい大きさに依存するので、上記処理は必ずしも行う必要はない。
【００３９】
次に、背景画像減算後評価画像は、光源１３、照明光学系１４及び画像発生装置１５によって指定される被験画像の波長λに対するエネルギースペクトルと、光学レンズ部１８による位置検出型光検出器２２への入射角（θ，ψ）で決まる関数である（図２を参照）。したがって、背景画像減算後評価画像の輝度分布はｂ（ｘ，ｙ；λ，θ，ψ）と表すことができる。
そこで、画像評価部２５は、“ｂｉｎｎｉｎｇ”や“ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ”を実施して、がたついた揺らぎ構造を取り除くと、その輝度分布ｂ（ｘ，ｙ；λ，θ，ψ）から２次元鳥瞰図（図１３の１３−５を参照）と、３次元図（図１３の１３−１を参照）とを作成する（ステップＳＴ２８，ＳＴ２９）。
このようにして２次元鳥瞰図と３次元図を作成すると、その２次元鳥瞰図と３次元図から特徴的な長さ（例えば、像の幅など）を正確に計測することが可能となる。
【００４０】
次に、目視で投射画像を測定する場合、その輝度分布ｂ（ｘ，ｙ；λ，θ，ψ）の重心を基準位置と感じるか、最も明るい位置を基準位置と感じるかは定かでない。
そこで、画像評価部２５は、背景画像減算後評価画像の最大値と最小値を計算するとともに、その統計重心を計算し（ステップＳＴ３０，ＳＴ３１）、これらから背景画像減算後評価画像の基準位置を決定する（ステップＳＴ３２）。
基準位置を最大値で定義する場合、背景画像減算後評価画像をそのまま利用すると、統計揺らぎや宇宙線等の光電変換起源の偽信号などの影響を受けやすい。したがって、“ｂｉｎｎｉｎｇ”や“ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ”を実施した後に、背景画像減算後評価画像の最大値を求める。これにより、輝度分布ｂ（ｘ，ｙ；λ，θ，ψ）から統計揺らぎや偽信号を極力排除した基準位置を定めることができる。
【００４１】
また、基準位置を統計重心で定義する場合、上下左右非対称性の影響や位置検出型光検出器２２の視野外への漏れだしの影響を受けやすい。そのため、最大値と統計重心の双方から基準位置を定めてもよい。最大値を求めて当たりを付け、そこを基準に任意の領域で統計重心を求めることにより、輝度分布ｂ（ｘ，ｙ；λ，θ，ψ）から統計揺らぎや偽信号を極力排除し、かつ、上下左右非対称性の影響や位置検出型光検出器の視野外への漏れだしの影響を極力排除した基準位置を定めることが可能となる。
また、各々の基準位置の定義は、評価すべき背景画像減算後評価画像毎に適宜使い分けてよい。
【００４２】
図１４は図９の背景画像減算後評価画像９−１の２次元鳥瞰図であり、図９と図１４は全く同じデータを異なる視点から見たものである（図１３の１３−１と１３−５の関係）。また、図１４は輝度１／１０００までｌｏｇスケールで１０分割したものであり、１４−４が等高線を示している。この場合、＋印が最大値１４−１、＊印が統計重心１４−２、■印が最大値と統計重心の双方から定めた基準位置１４−３であり、最大値１４−１、統計重心１４−２、基準位置１４−３の順で画素の中心位置に近づくことから、上記方法でより正確に中心位置を決めることが可能となる。
【００４３】
画像評価部２５は、上記のようにして基準位置を決定するが、この実施の形態２では、エネルギースペクトル毎に基準位置を決定する。例えば、赤、緑、青のエネルギースペクトルの波長を各々λ１、λ２、λ３で表したときの基準位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を定義する。
Ｐ１（ｘ１，ｙ１；λ１，θ，ψ）
Ｐ２（ｘ２，ｙ２；λ２，θ，ψ）
Ｐ３（ｘ３，ｙ３；λ３，θ，ψ）
ただし、θ，ψはＰ１，Ｐ２，Ｐ３で共通の値とする。
【００４４】
画像評価部２５は、基準位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を定義すると、その基準位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３から倍率色収差Ｐ１−Ｐ２，Ｐ３−Ｐ２を定義する（ステップＳＴ３３）。これは輝度分布ｂ（ｘ，ｙ；λ，θ，ψ）がエネルギースペクトルの関数であることに由来するものである。
図１５は座標変換後の緑基準位置Ｐ２（符号１５−２；○印）を原点にプロットする場合の赤基準位置Ｐ１（符号１５−１；△印）と青基準位置Ｐ３（符号１５−３；■印）の倍率色収差のプロット例である。
【００４５】
なお、画像評価部２５は、ステージ制御装置２０による測定ステージ２１の移動量Ｈを読みとり、その移動量Ｈを先に計算した背景画像減算後評価画像の基準位置Ｐに加算することにより、基準位置を測定ステージ２１を基準とした座標系Ａ＝Ｈ＋Ｐに座標変換してもよい。
これにより、位置検出型光検出器２２が測定ステージ２１の異なる位置にあっても、倍率色収差Ａ１−Ａ２，Ａ３−Ａ２を定義することができる。
Ａ１＝Ｈ１＋Ｐ１（ｘ１，ｙ１；λ１，θ，ψ）
Ａ２＝Ｈ２＋Ｐ２（ｘ２，ｙ２；λ２，θ，ψ）
Ａ３＝Ｈ３＋Ｐ３（ｘ３，ｙ３；λ３，θ，ψ）
【００４６】
次に、画像評価部２５は、図１７示すような理想的な格子位置Ａ０（符号１７−２）の近傍で、背景画像減算後評価画像の基準位置Ｐを求める。このとき、測定ステージ２１の移動量Ｈをステージ制御装置２０から取得し、その移動量Ｈを背景画像減算後評価画像の基準位置Ｐに加算し、基準位置を測定ステージ２１を基準とした座標系Ａ＝Ｈ＋Ｐに座標変換する。
そして、理想的な格子位置Ａ０から座標変換後の基準位置Ａの差分Ａ−Ａ０を計算し、その差分Ａ−Ａ０から歪曲（Ａ−Ａ０）／Ａ０を計算する（ステップＳＴ３４）。
【００４７】
次に、画像評価部２５は、注目すべき方向の強度分布を統計的な精度をあげて計算するため、背景画像減算後評価画像を注目すべき方向に射影して、その注目すべき方向の強度分布を計算する（ステップＳＴ３５）。例えば、１次元へのＸ軸射影、Ｙ軸射影（直交座標系）、ｒ方向射影、φ方向射影（ＸＹ平面内の極座標系）などを実施して、射影によるデータの積分を行うことで、注目すべき方向の強度分布を統計的な精度をあげて計算する。
図１３は背景画像減算後評価画像と各射影による強度分布の関係を示しており、１３−１は３次元図で、これをＸ軸射影（Ｙ方向に積算）したものが１３−２、１３−１をｒ方向射影（φ方向に積算）したものが１３−３である。
これら強度分布計算の結果から１次元射影の特徴的な長さをより正確に計測することが可能となる。
図１８は１次元射影の一例であり、図９の輝度分布をｙ軸方向に積算したＸ軸方向輝度分布１８−１を示している。また、図１９は１次元射影の一例であり、図９の輝度分布を基準位置を中心にφ方向に積算したｒ軸方向輝度分布１９−１を示している。
【００４８】
上記のようにフレーム積算を行うことにより、上記の構成でも統計的な質の向上を図ることができる。しかしながら、フレーム積算数に比例して測定に時間がかかる。例えば、１０倍の統計を得ようとした場合、１００倍の測定時間が必要となる。測定時間の短縮が求められる場合、上記の射影によるデータの積分を行うことにより、測定時間を増やすことなく、統計精度を上げることができる。
【００４９】
次に、例えば、スポット径のような長さを特徴付ける物理量としてよく使われるものに、輝度分布の半値幅ＦＷＨＭ、ピーク輝度に対して１／ｅｘｐの幅などがある。これらは、例えば、その輝度分布がＧａｕｓｓ関数等で表される場合等は、物理的な意味（標準偏差σ）があるが、上記構成では有限要素が起源であるため物理的な意味と関連付け難い。さらに、理想的にはピークが平坦になること、画像受光面上の全光量を使う方が統計的に有利なことから積分強度を導入する。２次元を１次元に次元を落とし、２次元の位置情報を犠牲にすることにより、統計精度を上げることができる。
【００５０】
そこで、画像評価部２５は、背景画像減算後評価画像から積分強度を計算する（ステップＳＴ３６）。積分強度は次のように表される。
ｇ（１；λ，θ，ψ）＝∫_Ｓ（ｌ） ｂ（ｘ，ｙ；λ，θ，ψ） ｄＳ
積分強度と強度分布は積分と微分の関係にあり、背景画像減算後評価画像の場合、有限要素が図６に示すような正方形の場合、例えば、ｄＳ＝ｄｘ ｄｙ，Ｓ（１）は一辺をｌとする正方形と計算することにより、正方形の辺ｌに対する積分強度を求める。同様にｄＳ＝ｒ ｄｒ ｄφ，Ｓ（ｒ）は直径をｒとする円と計算することにより、ｒ方向の積分強度ｇ（ｒ；λ，θ，ψ）を求めてもよい。また、積分領域を正方形や円でなく直線状に取って、特定の方向、例えば、Ｘ方向、Ｙ方向のみ計算することにより、Ｘ方向、Ｙ方向の積分強度ｇ（ｘ；λ，θ，ψ）、ｇ（ｙ；λ，θ，ψ）を求めてもよい。
図２０の２０−１は基準位置を中心としたｒ軸方向に対する積分強度であり、図１９のｒ軸方向輝度分布１９−１と積分の関係にある（図１３の１３−３と１３−４の関係）。
【００５１】
次に、背景画像減算後評価画像の積分強度をある閾値で取り出すと、これは人間の目視観測と相関がある。この閾値における特徴的な長さ、例えば、全光量の半分（図２０の２０−２）が入る直径（図２０のスポット半径２０−３の２倍）といったものをスポット径と定義する（ステップＳＴ３７）。
図２１はある閾値で定義したスポット径を縦軸にして、人間の目視観測による得点（官能評価値）を横軸に示したものである。官能評価値が高い（良い）ものほどスポット径が小さく、官能評価値が低い（悪い）ものほどスポット径が大きくなるという相関関係を確認することができる。このようなスポット径を定量的に定めることにより、従来行ってきた人間の目視による測定よりも普遍的、かつ、再現性の良い評価が可能となる。
【００５２】
以上、光学系の性能はレンズなどを用いるため回転対称な場合が多いが、人間の目は水平・垂直方向で感度が異なり、また、テレビなどの映像信号は水平・垂直方向で解像度が異なる。このため、上記の強度分布計算、積分強度計算、閾値によるスポット径計算等の演算は、ｒ，φ軸方向（極座標系）だけでなく、Ｘ，Ｙ軸方向（直交座標系）も計算が可能である。
上記のボケ、倍率色収差及び歪曲の演算では、ライトバルブ１画素のみの投射画像でよく、特殊なテストパターンを必要しない。このため、従来のように、図１６の解像力チャートを用いた測定のように、ボケ、倍率色収差、歪曲等の測定毎に異なるテストパターンを評価位置毎に用意する必要がない。
【００５３】
次に、画像評価部２５は、背景画像減算後評価画像の基準位置からコントラスト比を計算する（ステップＳＴ３８）。
有限要素は最小単位であるライトバルブ１画素であるが、有限要素部１７は図２２のように連続的に並んでいる。この間隔を図４のようにａとする。背景画像減算後評価画像は室内光やその他のノイズが既に減算されている。コントラスト比を注目すべき画素４−５の輝度Ｉ_０と隣の有限要素４−６の輝度Ｉ_ａに対しては次のように定義してもよい。
Ｃ_ａ＝（Ｉ_０−Ｉ_ａ）／（Ｉ_０＋Ｉ_ａ）
【００５４】
これは強度差（振幅）Ｉ_０−Ｉ_ａを平均値の２倍Ｉ_０＋Ｉ_ａで規格化したものと考えればよい。
ただし、
Ｉ_０＝ｂ（ｘ＝０，ｙ＝０；λ，θ，ψ）
Ｉ_ａ＝ｂ（ｘ＝±ａ，ｙ＝０；λ，θ，ψ）
もしくは
Ｉ_０＝ｂ（ｘ＝０，ｙ＝０；λ，θ，ψ）
Ｉ_ａ＝ｂ（ｘ＝０，ｙ＝±ａ；λ，θ，ψ）
とする。
また、２ａ隣の画素からの漏れ込みを考慮して、次のように定義してもよい。
Ｃ_ａ＝（Ｉ_０−２Ｉ_ａ）／（Ｉ_０＋２Ｉ_ａ）
【００５５】
実際には、図２３のように統計を考慮し、有限幅の積分領域を用いて計算してもよい。
Ｃ_ａ＝（Ｓ_０−Ｓ_ａ）／（Ｓ_０＋Ｓ_ａ）
ただし、Ｓ_０，Ｓ_ａは注目すべき有限要素と隣の有限要素の単位面積当りの輝度である。また、積分領域を正方形でなく直線に取って、特定の方向、例えば、Ｘ方向、Ｙ方向のみとして計算してもよい。また、同様に２ａ隣の画素からの漏れ込みを考慮して計算してもよい。
Ｃ_ａ＝（Ｓ_０−２Ｓ_ａ）／（Ｓ_０＋２Ｓ_ａ）
【００５６】
位置検出型光検出器２２は、入力と出力の関係が線型に保たれているものを使うが、入力と出力の関係が線型でない場合、逆補正をかけることによって入力と出力の関係を線型に補完し、明るさの異なる画像表示システムでも正確にコントラスト比を求めることが可能となる。
【００５７】
このようにして計算したコントラスト比は、厳密には表示画像の空間輝度分布が正弦波状の場合、基本空間周波数１／２ａに対応する。図２４は各エネルギースペクトル毎のＭＴＦの計算値２４−２とコントラスト比の測定値２４−１で、本例の矩形波（図４を参照）でもそれなりの再現性があることが確認できる。つまり、背景画像減算後評価画像からコントラスト比を計算することにより、画像表示装置の設計ＭＴＦ値と定量的に比較することが可能となる。
【００５８】
なお、上記の有限要素をライトバルブ２画素にすることにより、空間周波数１／４ａに対応するコントラスト比Ｃ_２ａは下記のＩ_０，Ｉ_ａから同様に求めることができる。
Ｉ_０＝ｂ（ｘ＝０，ｙ＝０；λ，θ，ψ）
Ｉ_ａ＝ｂ（ｘ＝±２ａ，ｙ＝０；λ，θ，ψ）
もしくは
Ｉ_０＝ｂ（ｘ＝０，ｙ＝０；λ，θ，ψ）
Ｉ_ａ＝ｂ（ｘ＝０，ｙ＝±２ａ；λ，θ，ψ）
【００５９】
有限要素をライトバルブＭ画素にすることにより、空間周波数１／２Ｍａに対応するコントラスト比Ｃ_Ｍａを同様に求めることができる。
有限要素部１７は、ＤＭＤ、液晶、ＬＣＯＳ等の各種の固定画素を有するライトバルブに適応できる。また、有限要素部１７をＰＤＰ、ＥＬ、ＬＣＤ等の直視型ディスプレイの固定画素として、位置検出型光検出器２２で接写してもよい。
【００６０】
以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、背景画像減算後評価画像をフレーム積算するように構成したので、画像評価装置の癖に起因する誤差を低減することができる効果を奏する。
この実施の形態２によれば、背景画像減算後評価画像に対する画像統計処理を実施して、注目構造より小さい揺らぎ構造を取り除くように構成したので、光子統計揺らぎが起源と思われる注目構造より小さい揺らぎ構造が消えて滑らかになる効果を奏する。
【００６１】
この実施の形態２によれば、背景画像減算後評価画像の最大値を求め、その最大値を基準にして任意の領域の統計重心を求め、その統計重心を考慮して背景画像減算後評価画像の基準位置を定めるように構成したので、精度よく基準位置を定めることができる効果を奏する。
この実施の形態２によれば、背景画像減算後評価画像のエネルギースペクトル毎に基準位置を定め、その基準位置から倍率色収差を求めるように構成したので、倍率色収差に関する規格の満足度を評価することができる効果を奏する。
【００６２】
この実施の形態２によれば、ステージ制御装置２０が位置検出型光検出器２２の画像受光面を移動させると、その移動量を基準位置に加算するように構成したので、測定ステージの異なる位置にあっても、倍率色収差を定義することができる効果を奏する。
この実施の形態２によれば、背景画像減算後評価画像の基準位置と理想的な格子位置の差分を求め、その差分から歪曲を求めるように構成したので、歪曲に関する規格の満足度を評価することができる効果を奏する。
【００６３】
この実施の形態２によれば、背景画像減算後評価画像を注目方向に射影して、その注目方向の強度分布を求めるように構成したので、注目方向の特徴的な長さを正確に計測することができる効果を奏する。
この実施の形態２によれば、注目方向の強度分布から人間の目視と相関のある特徴的な長さを計算するように構成したので、注目方向の特徴的な長さを人間が確認することができる効果を奏する。
この実施の形態２によれば、背景画像減算後評価画像からコントラスト比を求めるように構成したので、コントラスト比に関する規格の満足度を評価することができる効果を奏する。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、有限要素を光源とする画像を形成して、その画像を画像撮像手段に投射すると、その画像撮像手段が当該画像を受光して撮像し、評価手段が画像撮像手段により撮像された画像のボケ量を評価するように構成したので、有限要素の配列により画素を表示する場合には、人間が目で見る状態のボケ量を定量的に評価することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による画像評価装置を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による画像評価装置を示す外観図である。
【図３】この発明の実施の形態１による画像評価装置の処理内容を示すフローチャートである。
【図４】有限要素部の構成例を示す説明図である。
【図５】ヘッダ情報のリスト例を示す説明図である。
【図６】理想的な評価画像の輝度分布を示す説明図である。
【図７】実際の評価画像の輝度分布を示す説明図である。
【図８】背景画像の輝度分布を示す説明図である。
【図９】背景画像減算後評価画像の輝度分布を示す説明図である。
【図１０】この発明の実施の形態２による画像評価装置のデータ解析装置の処理内容を示すフローチャートである。
【図１１】小さいがたついた揺らぎ構造を有する背景画像減算後評価画像を示す説明図である。
【図１２】揺らぎ構造減少後の背景画像減算後評価画像を示す説明図である。
【図１３】背景画像減算後評価画像と各射影による強度分布の関係を示す説明図である。
【図１４】背景画像減算後評価画像の２次元鳥瞰図を示す説明図である。
【図１５】倍率色収差のプロット例を示す説明図である。
【図１６】解像力チャートを示す説明図である。
【図１７】理想的な格子位置や背景画像減算後評価画像の基準位置を示す説明図である。
【図１８】１次元射影の一例を示す説明図である。
【図１９】１次元射影の一例を示す説明図である。
【図２０】ｒ軸方向に対する積分強度等を示す説明図である。
【図２１】スポット径と官能評価値の関係を示す説明図である。
【図２２】有限要素部の実測例を示す説明図である。
【図２３】コントラスト比の計算領域例を示す説明図である。
【図２４】ＭＴＦ及びコントラスト比の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 画像取得装置、２ データ解析装置、１１ 光学定盤、１２ 画像表示システム（画像投射手段）、１３ 光源、１４ 照明光学系、１５ 画像発生装置（画像投射手段）、１６ 投射光学系、１７ 有限要素部、１８ 光学レンズ部、１９ 輝度調整部（輝度調整手段）、２０ ステージ制御装置（位置制御手段）、２１ 測定ステージ（位置制御手段）、２２ 位置検出型光検出器（画像撮像手段）、２３ 光検出器制御装置（画像撮像手段）、２４ ノイズ低減部（評価手段）、２５ 画像評価部（評価手段）、２６ 可動投射スクリーン、２７ 小型スクリーン。

Claims (22)

1. 有限要素を光源とする画像を形成し、その画像を投射する画像投射手段と、上記画像投射手段により投射された画像を受光し、その画像を撮像する画像撮像手段と、上記画像撮像手段により撮像された画像のボケ量を評価する評価手段とを備えた画像評価装置。
2. 画像撮像手段の画像受光面の位置を制御する位置制御手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の画像評価装置。
3. 画像投射手段から画像撮像手段の画像受光面に投射される画像の輝度を調整する輝度調整手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の画像評価装置。
4. 評価手段は、画像のボケ量を評価する際、画像投射手段が評価画像と背景画像を形成して、その評価画像と背景画像の投射を行う場合、画像撮像手段により撮像された評価画像から背景画像を減算することを特徴とする請求項１記載の画像評価装置。
5. 画像投射手段は、評価画像と背景画像を時間的に連続して形成することを特徴とする請求項４記載の画像評価装置。
6. 評価手段は、画像のボケ量を評価する際、画像撮像手段により撮像された画像内にある評価領域から他の領域を減算することを特徴とする請求項１記載の画像評価装置。
7. 画像撮像手段は、画像の撮像結果を評価手段に出力する際、その画像の撮像条件を含むヘッダ情報を当該撮像結果に付加して出力することを特徴とする請求項１記載の画像評価装置。
8. 評価手段は、ボケ量の評価に関する演算を実施する毎に、その演算結果をヘッダ情報に追記することを特徴とする請求項７記載の画像評価装置。
9. 評価手段は、画像撮像手段により撮像された評価画像から背景画像を減算すると、減算後の評価画像をフレーム積算することを特徴とする請求項４記載の画像評価装置。
10. 評価手段は、画像撮像手段により撮像された評価画像から背景画像を減算すると、減算後の評価画像に対する画像統計処理を実施して、注目構造より小さい揺らぎ構造を取り除くことを特徴とする請求項４記載の画像評価装置。
11. 評価手段は、画像撮像手段により撮像された評価画像から背景画像を減算すると、減算後の評価画像の最大値を求め、その最大値を基準にして任意の領域の統計重心を求め、その統計重心を考慮して減算後の評価画像の基準位置を定めることを特徴とする請求項４記載の画像評価装置。
12. 評価手段は、減算後の評価画像のエネルギースペクトル毎に基準位置を定め、その基準位置から倍率色収差を求めることを特徴とする請求項１１記載の画像評価装置。
13. 評価手段は、位置制御手段が画像撮像手段の画像受光面を移動させると、その移動量を基準位置に加算することを特徴とする請求項１２記載の画像評価装置。
14. 評価手段は、減算後の評価画像の基準位置と理想的な格子位置の差分を求め、その差分から歪曲を求めることを特徴とする請求項１２記載の画像評価装置。
15. 評価手段は、画像撮像手段により撮像された評価画像から背景画像を減算すると、減算後の評価画像を注目方向に射影して、その注目方向の強度分布を求めることを特徴とする請求項４記載の画像評価装置。
16. 評価手段は、注目方向の強度分布から人間の目視と相関のある特徴的な長さを計算することを特徴とする請求項１５記載の画像評価装置。
17. 評価手段は、画像撮像手段により撮像された評価画像から背景画像を減算すると、減算後の評価画像からコントラスト比を求めることを特徴とする請求項４記載の画像評価装置。
18. 画像投射手段により形成される画像と、画像撮像手段が画像を撮像する際の露光時間と、位置制御手段により制御される画像受光面の位置とを指定する指定手段を設けたことを特徴とする請求項２記載の画像評価装置。
19. 位置制御手段は、画像撮像手段の画像受光面の位置を制御する際、直交座標系でＸ，Ｙ，Ｚ方向への当該画像受光面の移動を受け付けることを特徴とする請求項２記載の画像評価装置。
20. 位置制御手段は、画像撮像手段の画像受光面の位置を制御する際、上記画像撮像手段の画像受光面の移動状況を監視し、その移動状況に応じて当該画像受光面を移動させることを特徴とする請求項１９記載の画像評価装置。
21. 位置制御手段は、画像撮像手段の画像受光面の位置を制御する際、減算後の評価画像の基準位置が当該画像受光面の中心と一致するように当該画像受光面を移動させることを特徴とする請求項１１記載の画像評価装置。
22. 画像撮像手段の画像受光面にスクリーンを取り付けたことを特徴とする請求項１記載の画像評価装置。

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