JP2009041968A

JP2009041968A - 復元処理を前提としたレンズの評価方法および装置、評価用補正光学系

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Publication number: JP2009041968A
Application number: JP2007205130A
Authority: JP
Inventors: Riyouko Tomioka; 領子富岡
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2007-08-07
Filing date: 2007-08-07
Publication date: 2009-02-26
Also published as: CN101363968B; US20090040510A1; US7876429B2; DE602008006309D1; EP2023183A1; EP2023183B1; ATE506629T1; CN101363968A

Abstract

【課題】復元処理を前提としたレンズの評価方法および装置において、収差付加タイプの復元処理を前提としたレンズに対しても、通常の結像光学系と同様に汎用的な手法を用いて、光学系のみの性能評価を可能にする。
【解決手段】光学像を電子画像に変換した後、鮮明な画像を得るように復元処理を行う画像形成システムにおいて用いられる、この復元処理を前提とする設計に基づいて実際に製作された、復元処理を前提としたレンズの評価装置である。この評価装置１０は、設計の通りのレンズと組み合わせることにより鮮明な光学像を形成する評価用補正光学系２と、評価用補正光学系２と製作されたレンズ（被検レンズ３）とを組み合わせた合成光学系４の光学特性を測定する測定手段５と、測定の結果に基づき、製作されたレンズを評価する評価手段６と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、復元処理を前提としたレンズの評価方法および装置、評価用補正光学系に関し、より詳しくは、焦点深度の拡大を目的とした復元処理を前提とし、そのためにあえて結像させず、高周波数域ではＭＴＦ（ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＴｒａｎｓｆｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ）深度を低くしてあたかもぼけた像を有するように設計され、該設計に基づき製作された復元処理を前提としたレンズの評価方法および装置、該評価に用いられる評価用補正光学系に関するものである。

近年、光学系により得られる光学像を電子画像に変換して画像データとして取り込み、この画像データを画像処理して所望の像を得る技術の進歩が目覚ましい。この技術を用いれば、結像性能の低い光学系により不鮮明な像が得られても、画像処理を施して最終的には鮮明な像を得ることができるため、鮮明な像を得るような復元処理を前提とした光学系が考案されている。

非特許文献１〜２および特許文献１〜５には、上記技術を利用して画像を形成するシステムが記載されている。図８にこのシステム２０の概略構成を示す。図８に示すシステム２０では、光学系２２により、物体２１の像２３を形成する。この光学系２２は、通常の結像光学系とは異なり、いわゆる通常の光学系の結像位置においても所定のぼけ量を有する不鮮明な像を形成するように構成されており、像２３はぼけた像となる。すなわち、光学系２２は、後述のように、画像処理部２５による復元処理を前提とした像を形成するように構成されたものであり、以下、光学系２２のような性質を有するレンズ系を復元処理を前提としたレンズと称する。

撮像素子２４は、このぼけた像２３を撮像し、電気信号に変換して画像処理を行う画像処理部２５へ送信する。画像処理部２５は、このぼけた像２３に、合焦時の画像の強度分布に復元するようなデジタルフィルタによる復元処理を施して、鮮明な像２６を形成する。

非特許文献１〜２および特許文献１〜４には、上記システム２０を応用して、被写界深度を拡大する被写界深度拡大システムが記載されており、このシステムにおける復元処理を前提としたレンズは、被写界深度を拡大させるように設計されている。

非特許文献１〜２および特許文献２〜４には、このような復元処理を前提としたレンズとして、通常の結像レンズの瞳位置に位相分布を変調するマスクを挿入したもの（以下、瞳変調タイプという）が記載されている。

一方、特許文献５には、復元処理を前提としたレンズとして、瞳変調タイプのマスクを用いることなく、ぼけた像を形成するような収差を故意に発生させたレンズ系（以下、収差付加タイプという）が記載されている。
W. Thomas Cathey and Edward R. Dowski, "New paradigm for imaging systems", APPLIED OPTICS/Vol.41, No.29/10 October 2002 Edward R. Dowski,Jr., and W. Thomas Cathey, "Extended depth of field through wave-front coding", APPLIED OPTICS/Vol.34, No.11/10 April 1995 国際特許出願２００４／０９０５８１号明細書特許第３２７５０１０号公報特開２０００−２７５５８２号公報特開２００７−６０６４７号公報特表２００６−５１９５２７号公報

しかしながら、非特許文献１に記載の瞳変調タイプでは、光軸に対して回転非対称な構成のマスクを用いているため、光軸周りの回転に対して敏感に性能が変化してしまうという短所がある。鮮明な像を得るには、光軸周りの回転に対するマスクの位置と対応する画像処理の方向とを厳密に一致させなくてはならない。また、瞳変調タイプでは、マスク分、部品数が増加するためコストアップとなり好ましくない。

一方、収差付加タイプは、マスクを用いる必要はなく、光軸に対して回転対称に構成することも可能であるため、これらの点では好ましいと言える。しかしながら、収差付加タイプは設計通りに製作できたとしても、いずれの位置においてもぼけた像しか得られず、結像位置を特定できる結像光学系とは言い難いため、その評価工程において、通常の結像光学系の評価に用いられている結像位置を基にした評価方法や装置を採用できないという問題があった。

収差付加タイプを評価するためには、図８に示すような構成を用いて、ぼけた像を電気信号に一旦変換して画像データを取得し、この画像データに画像処理を施し、画像処理後の像を評価しなければならない。しかしながら、この方法では、時間やコストがかかり、量産化に対応できないという問題がある。また、画像処理の手法が異なると画像処理後の像にも差が生じるため、光学系のみの性能を評価することができないという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑み、収差付加タイプの復元処理を前提としたレンズに対しても、通常の結像光学系と同様に汎用的な手法を用いて、光学系のみの性能を評価することが可能な復元処理を前提としたレンズの評価方法および装置、該評価に用いられる評価用補正光学系を提供することを目的とするものである。

本発明の復元処理を前提としたレンズの評価方法は、光学像を電子画像に変換した後、鮮明な画像を得るように復元処理を行う画像形成システムにおいて用いられる、前記復元処理を前提とする設計に基づいて実際に製作された、復元処理を前提としたレンズの評価方法であって、前記設計の通りのレンズと組み合わせることにより鮮明な光学像を形成する評価用補正光学系を準備する準備工程と、前記評価用補正光学系と前記製作されたレンズとを組み合わせた合成光学系の光学特性を測定する測定工程と、前記測定工程の測定結果に基づき、前記製作されたレンズを評価する評価工程と、を含むことを特徴とするものである。

また、本発明の復元処理を前提としたレンズの評価装置は、光学像を電子画像に変換した後、鮮明な画像を得るように復元処理を行う画像形成システムにおいて用いられる、前記復元処理を前提とする設計に基づいて実際に製作された、復元処理を前提としたレンズの評価装置であって、前記設計の通りのレンズと組み合わせることにより鮮明な光学像を形成する評価用補正光学系と、前記評価用補正光学系と前記製作されたレンズとを組み合わせた合成光学系の光学特性を測定する測定手段と、前記測定の結果に基づき、前記製作されたレンズを評価する評価手段と、を含むことを特徴とするものである。

また、本発明の評価用補正光学系は、光学像を電子画像に変換した後、鮮明な画像を得るように復元処理を行う画像形成システムにおいて用いられる、前記復元処理を前提とする設計に基づいて実際に製作された、復元処理を前提としたレンズの評価に用いられるものであり、前記設計の通りのレンズと組み合わせることにより鮮明な光学像を形成することを特徴とするものである。

ここで、本発明の「復元処理を前提としたレンズ」は、レンズのみから構成されるものに限定されず、レンズ以外の光学素子、例えば、回折光学素子、反射素子、位相分布変調素子、強度分布変調素子等を含むものであってもよい。

本発明の「評価用補正光学系」は、通常の屈折型レンズのみならず、屈折率分布型レンズや回折光学素子を用いてもよく、あるいはレンズに限定されず、位相分布変調素子、強度分布変調素子等を用いてもよく、また、反射光学系、偏芯光学系、回転非対称光学系等の形態であってもよく、これらの複合により構成してもよい。

なお、「評価用補正光学系」を配置する位置は、復元処理を前提としたレンズの物体側、像側のいずれでもよく、復元処理を前提としたレンズの中に挿入されていてもよく、あるいは複数の位置に配置されていてもよい。

また、「評価用補正光学系」は、設計の通りの復元処理を前提としたレンズと組み合わせることにより鮮明な光学像を形成するものであればよく、復元処理を前提としたレンズの焦点距離と、評価用補正光学系と復元処理を前提としたレンズとを組み合わせたものの合成焦点距離とが異なっていてもよい。

なお、「設計の通りのレンズ」と「評価用補正光学系」とを組み合わせたものは、高い結像性能を有することが好ましく、さらには復元処理を前提としたレンズの誤差について敏感に性能変化するものであることがより好ましい。

ここで、「評価用補正光学系」と「製作されたレンズ」とを組み合わせるときの配置は、「評価用補正光学系」と「設計の通りのレンズ」とを組み合わせるときの配置と同様のものとする。

ここで、「復元処理」としては、例えば、ウィナーフィルタ、カーネルウィナーフィルタ等の公知の手法を用いることができる。

ここで、「光学特性」とは、光学定数や結像性能等を意味し、具体的には例えば、焦点距離、Ｆ値、周辺光量、ディストーション、色収差、ＭＴＦ、波面収差等である。

本発明の評価用補正光学系は、設計通りの復元処理を前提としたレンズと組み合わせることにより鮮明な光学像を形成できるものであるから、評価用補正光学系と製作された復元処理を前提としたレンズとを組み合わせた合成光学系は、ほぼ鮮明な光学像を形成する結像光学系と見なすことができる。すなわち、評価用補正光学系を用いることにより、復元処理を前提としたレンズを含んだ結像光学系を構成することができる。

そして、本発明の復元処理を前提としたレンズの評価方法および装置によれば、復元処理を前提としたレンズが収差付加タイプであっても、上記合成光学系を用いることにより、通常の結像光学系と同様の測定方法や装置で結像位置に基づく光学特性を測定することが可能になり、画像処理を用いずに、光学系のみの性能評価が可能になる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１に、本発明の一実施の形態にかかる評価装置１０の概略構成を示すブロック図を示す。評価装置１０は、光学像を電子画像に変換した後、鮮明な画像を得るように復元処理を行う画像形成システムにおいて用いられる、この復元処理を前提とする設計に基づいて実際に製作された、復元処理を前提としたレンズを評価するための評価装置である。

まず、本実施形態における復元処理を前提としたレンズの性質について、図２〜図４を参照しながら説明する。図２に、設計通りの復元処理を前提としたレンズ１に入射した平行光が集光される様子を模式的に示す。また、図３に通常の結像光学系１０１に入射した平行光が集光される様子を模式的に示す。

通常の結像光学系１０１では、図３に示すように、焦点の位置Ｐ１でほぼ一点に集光し、結像するのに対し、復元処理を前提としたレンズ１では、図２に示すように、焦点位置に対応する位置Ｐ１でも一点で集光することはなく、いずれの位置においても鮮明な像を結ぶことはない。なお、図２に示す位置Ｐ１は、集光位置近傍の対角線方向の光束稜線を結んだ交点の位置である。

その代わり、復元処理を前提としたレンズ１では、図２に両矢印で示す広い範囲、すなわち、位置Ｐ１を含み、その前後の位置Ｐ２から位置Ｐ３までの広い範囲にわたり、ほぼ一定の光束径を保っている。これに対して、図３に示す通常の結像光学系１０１では、位置Ｐ１と、位置Ｐ１から図２と同距離離れた位置Ｐ２、Ｐ３とでは、光束径が大きく異なる。

すなわち、復元処理を前提としたレンズ１は、通常の結像光学系１０１に比べ、鮮明な像を結像しないが、デフォーカスに対する性能変化がほとんど無いという特徴を有する。

図４に、復元処理を前提としたレンズ１の位置Ｐ１におけるＭＴＦ（符号１−Ｐ１）および位置Ｐ２、Ｐ３におけるＭＴＦ（符号１−Ｐ２、Ｐ３）と、通常の結像光学系１０１の位置Ｐ１におけるＭＴＦ（符号１０１−Ｐ１）および位置Ｐ２、Ｐ３におけるＭＴＦ（符号１０１−Ｐ２、Ｐ３）とを示す。図４において、横軸は正規化された空間周波数であり、縦軸はＭＴＦである。

図４に示すように、通常の結像光学系１０１では、焦点位置である位置Ｐ１におけるＭＴＦは高い値をとるものの、デフォーカス位置となる位置Ｐ２、Ｐ３におけるＭＴＦは極端に低くなり、さらに０および負の値を有する部分もある。ＭＴＦが負の値をとる領域は、位相が１８０度ずれた位相反転の状態となり、偽解像という現象が起こる。偽解像は、一見解像しているように見えて、実は嘘の情報を示すものであり、例えば白黒の物体に対して、白黒が反転した像が見えてしまうものである。

これに対して、復元処理を前提としたレンズ１では、図４に示すように、位置Ｐ１におけるＭＴＦは低い値をとるものの、通常の結像光学系ではデフォーカス位置に対応する位置Ｐ２、Ｐ３のＭＴＦも位置Ｐ１のものとほぼ同じであり、偽解像は生じないため、ぼけた像が得られるものの、嘘の情報が示されることはない。

この復元処理を前提としたレンズ１は、該復元処理を前提としたレンズ１により得られた不鮮明な像を画像処理して鮮明な像を形成する図８に示すような画像形成システムにおいて用いられるものである。また、本実施形態における復元処理を前提としたレンズ１は、背景技術の項において述べた、収差付加タイプのレンズである。付加収差の種類とその値は、ぼけた像を処理する画像処理の手法も考慮して設計されている。

しかしながら、一般的な量産工程においては、完全に設計値通りのレンズを製作することは困難であり、実際には設計値に近い性能を有するレンズが製作されることになる。評価装置１０は、上記設計に基づき実際に製作された復元処理を前提としたレンズ（以下、被検レンズ３という）が、設計値とどの程度近いものであるかを評価する装置である。

評価装置１０は、評価用補正光学系２と、評価用補正光学系２と被検レンズ３とを組み合わせた合成光学系４の光学特性を測定する測定手段５と、測定の結果に基づき、被検レンズ３を評価する評価手段６と、を備えている。

評価用補正光学系２は、設計の通りの復元処理を前提としたレンズが持つ残存収差を打ち消すような収差を有し、設計の通りの復元処理を前提としたレンズと組み合わせることにより鮮明な光学像を形成するものである。

図５に、評価用補正光学系２と設計通りの復元処理を前提としたレンズ１とを組み合わせた光学系に入射した平行光が集光される様子を模式的に示す。透過した光は一点で集光され、鮮明な像を結ぶ。図６に、評価用補正光学系２と設計通りの復元処理を前提としたレンズ１とを組み合わせた光学系の結像位置におけるＭＴＦを模式的に示す。図６に示すＭＴＦは、通常の結像光学系同様の高い値を有するものとなる。

上述したように、復元処理を前提としたレンズ単独では鮮明な像を形成しないため、結像位置に基づく焦点距離等の基本定数や結像性能を測定することができないが、評価用補正光学系２と復元処理を前提としたレンズとを組み合わせることにより結像光学系を構成することができ、基本定数や結像性能を測定することができる。また、被検レンズ３は設計通りの復元処理を前提としたレンズ１とほぼ近い特性値を有するものとなるため、被検レンズ３と評価用補正光学系２とを組み合わせた合成光学系４は、結像光学系と見なすことができ、合成光学系４により物体７の鮮明な光学像８が形成される。

評価用補正光学系２は、復元処理を前提としたレンズ１の設計値がわかれば、既存の光学設計ソフトを用いて、公知の手法により容易に設計することが可能である。そして、評価用補正光学系２を構成する各部品を厳密な公差により高精度に製作することにより、ほぼ所望の性能を有する評価用補正光学系２を得ることができる。

なお、設計通りの復元処理を前提としたレンズ１と評価用補正光学系２とを組み合わせた光学系は、非常に高い結像性能を持つことが好ましく、評価用補正光学系２を設計する際にこのように最適化することが好ましい。このようにした場合には、複数の被検レンズ３を評価する際、最も結像性能が高い合成光学系４を構成する被検レンズが、設計値に最も近いものであることがわかる。また、合成光学系４を構成した後、結像性能が高くなるように被検レンズ３を調整することで、被検レンズ３を設計値に近づけることができる。

評価用補正光学系２は、一般的な球面レンズにより構成してもよく、あるいは非球面レンズ、自由曲面を使用したレンズであってもよく、また、レンズに限定されず、回折光学素子、位相変調素子、強度分布変調素子等により構成してもよい。

なお、図１では評価用補正光学系２は、被検レンズ３の物体側に配置されているが、被検レンズ３の像側や、被検レンズ３の中に配置するよう構成してもよく、あるいは複数の位置に配置するよう構成してもよい。いずれの位置に配置するかは、評価用補正光学系２の設計時に設定することができる。

測定手段５は、設計時の評価用補正光学系２と復元処理を前提としたレンズ１との位置関係と、評価用補正光学系２と被検レンズ３との位置関係が同一になるように、評価用補正光学系２と被検レンズ３とを載置する載置台（不図示）を備える。被検レンズ３を載置する載置台は、被検レンズ３を容易に交換可能な構成となっていることが好ましい。

測定手段５は、載置台以外の構成については、基本的に従来の結像光学系の光学特性の測定装置と同様のものを採用することができる。測定手段５により測定される光学特性としては、結像性能および光学定数であり、具体的にはＭＴＦ、焦点距離、バックフォーカス、Ｆ値、周辺光量、ディストーション、色収差等が挙げられる。測定手段５による測定は、目視により行ってもよく、あるいは合成光学系４により得られる光学像８を不図示の撮像素子により撮像して行ってもよい。

評価手段６は、例えばパーソナルコンピュータ等のコンピュータシステムにより構成することができる。評価手段６に内蔵あるいは外部接続された記憶部９に、設計の通りの復元処理を前提としたレンズ１と評価用補正光学系２とを組み合わせた光学系の設計値に基づく光学特性のデータ（設計光学特性データ）を保存しておき、このデータと、測定手段５による合成光学系４の光学特性の測定結果とを比較することにより、被検レンズ３を評価するようにしてもよい。また、設計光学特性データに基づく許容誤差範囲を予め設定しておき、この許容誤差範囲を記憶部９に保存するようにしてもよい。

次に、上記構成の評価装置１０を用いた本発明の実施の形態にかかるレンズの評価方法の一例について、図７を参照しながら説明する。図７は、本実施の形態にかかる復元処理を前提としたレンズの評価方法を示すフローチャートである。

まず、設計の通りの復元処理を前提としたレンズ１と組み合わせることにより鮮明な光学像を形成する評価用補正光学系２を準備する（ステップＳ１）。次に、測定手段５の載置台に被検レンズ３と評価用補正光学系２とを載置し、被検レンズ３と評価用補正光学系２とを組み合わせた合成光学系４を形成する（ステップＳ２）。

そして、測定手段５により、合成光学系４の光学特性を測定する（ステップＳ３）。最後に、ステップ３での測定結果に基づき、被検レンズ３を評価する（ステップＳ４）。

ステップＳ４の評価工程においては、例えば、記憶部９に保存された設計光学特性データを参照し、測定結果と設計光学特性データとを比較することにより、被検レンズ３がどの程度設計に近いものとなっているか評価することができる。また、記憶部９に保存された許容誤差範囲を参照し、その範囲内に測定結果が入っているか否かを判定することにより、被検レンズの良否を判定するようにしてもよい。

以上の説明で明らかなように、本実施形態にかかるレンズの評価装置および方法によれば、収差付加タイプの復元処理を前提としたレンズに対しても、従来の結像光学系の評価装置および方法を用いて同様に性能評価をすることができ、画像処理することなく、光学系単体での性能を評価することができる。

以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の主旨を変えない限り、様々な変更を加えることができる。

例えば、上記実施形態では、測定結果と設計光学特性データとを比較することにより被検レンズを評価するようにしたが、記憶部９に評価用補正光学系２のデータを保存しておき、合成光学系４の測定結果から評価用補正光学系２の寄与する分を差し引くよう演算処理することにより、被検レンズ３の光学特性を取得し、被検レンズを評価するようにしてもよい。

また、復元処理を前提としたレンズとして、背景技術の項において述べた収差付加タイプを例にとり説明したが、瞳変調タイプの復元処理を前提としたレンズに本発明を適用することも可能である。

本発明の一実施の形態にかかる復元処理を前提としたレンズの評価装置の概略構成を示す図復元処理を前提としたレンズによる集光の様子を示す図通常の結像光学系による集光の様子を示す図復元処理を前提としたレンズのＭＴＦと通常の結像光学系のＭＴＦとを模式的に示す図評価用補正光学系と設計通りの復元処理を前提としたレンズとを組み合わせた光学系による集光の様子を示す図評価用補正光学系と設計通りの復元処理を前提としたレンズとを組み合わせた光学系の結像位置におけるＭＴＦの模式図本発明の一実施の形態にかかる復元処理を前提としたレンズの評価方法のフローチャート復元処理を含む画像形成システムの概略構成を示す図

符号の説明

１復元処理を前提としたレンズ
２評価用補正光学系
３被検レンズ
４合成光学系
５測定手段
６評価手段
７物体
８光学像
９記憶部
１０評価装置
２１物体
２２光学系
２３像
２４撮像素子
２５画像処理部
２６像
１０１通常の結像光学系

Claims

光学像を電子画像に変換した後、鮮明な画像を得るように復元処理を行う画像形成システムにおいて用いられる、前記復元処理を前提とする設計に基づいて実際に製作された、復元処理を前提としたレンズの評価方法であって、
前記設計の通りのレンズと組み合わせることにより鮮明な光学像を形成する評価用補正光学系を準備する準備工程と、
前記評価用補正光学系と前記製作されたレンズとを組み合わせた合成光学系の光学特性を測定する測定工程と、
前記測定工程の測定結果に基づき、前記製作されたレンズを評価する評価工程と、を含むことを特徴とする復元処理を前提としたレンズの評価方法。
光学像を電子画像に変換した後、鮮明な画像を得るように復元処理を行う画像形成システムにおいて用いられる、前記復元処理を前提とする設計に基づいて実際に製作された、復元処理を前提としたレンズの評価装置であって、
前記設計の通りのレンズと組み合わせることにより鮮明な光学像を形成する評価用補正光学系と、
前記評価用補正光学系と前記製作されたレンズとを組み合わせた合成光学系の光学特性を測定する測定手段と、
前記測定の結果に基づき、前記製作されたレンズを評価する評価手段と、を含むことを特徴とする復元処理を前提としたレンズの評価装置。
光学像を電子画像に変換した後、鮮明な画像を得るように復元処理を行う画像形成システムにおいて用いられる、前記復元処理を前提とする設計に基づいて実際に製作された、復元処理を前提としたレンズの評価に用いられるものであり、前記設計の通りのレンズと組み合わせることにより鮮明な光学像を形成することを特徴とする評価用補正光学系。