JP2011033570A - 光学レンズの歪曲収差の評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学レンズの歪曲収差の評価作業を容易にできる評価方法を提供する。また、歪曲収差を評価するための基準矩形を最適な仕様で表示できる評価方法を提供する。
【解決手段】液晶表示パネル２０の画面２２が光学レンズ１６の光軸２８に対して垂直になるように、かつ、その画面２２の位置が光学レンズ１６から所定の距離になるように、液晶表示パネル２０を配置する。この液晶表示パネル２０の画面２２に基準矩形２６を表示して、この基準矩形２６を、光学レンズ１６とＣＣＤカメラ１８からなる撮像系１４を用いて撮影して、歪曲矩形３２を取得する。この歪曲矩形３２がＣＣＤカメラ１８の視野２４から外れないように基準矩形２６の仕様を調整する。歪曲矩形２６のデジタル座標を用いて、歪曲矩形２６の基準長さＨと歪曲長さＨｄを求めて、これらに基づいて光学レンズのＴＶディストーションを自動的に算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置を用いて光学レンズの歪曲収差を評価する方法に関するものである。

光学レンズには歪曲収差と呼ばれる光学歪みがあることが知られている。歪曲収差はディストーションとも呼ばれる。図９の（Ａ）に示すような格子状のテストチャートを、光学レンズを通して撮影すると、光学レンズに歪曲収差がある場合には、図９の（Ｂ）に示すように樽型に歪曲した画像となるか、図９の（Ｃ）に示すように糸巻き型に歪曲した画像となる。

光学レンズの歪曲収差を評価する方法としては、専用のテストチャートを用いる方法が知られている。その方法によれば、図９の（Ａ）に示すような格子状のテストチャートを、光学レンズを含む撮像系を用いて撮影して、その撮影画像を目視することで、樽型歪みや糸巻き型歪みを観測できる。また、その撮影画像において歪みの量を計測することで、光学レンズの歪曲収差を定量的に把握できる。

図１０は光学レンズの歪曲収差率（以下「光学ディストーション」という。）の求め方を説明する説明図である。テストチャートに記載された基準となる矩形（以下「基準矩形」という。）を、光学レンズを含む撮像系で撮影した場合、光学レンズに歪曲収差が無いと仮定すると、その基準矩形の撮影画像は、図１０において、想像線で示した理想矩形１０のようになる。一方、光学レンズに歪曲収差があると、撮影画像は歪曲矩形１２のようになる。この例では樽型に歪曲している。画像の中心Ｏから画像の任意の地点までの距離を「像高」と定義すると、理想矩形１０の矩形の頂点Ｃの像高はＲである。一方、頂点Ｃに対応する歪曲矩形１２上の頂点Ｃｄの像高はＲｄである。像高の差ΔＲは図１０の（１）式で示される。そして、歪曲矩形上１２の頂点Ｃｄにおける光学ディストーションＤは図１０の（２）式で定義される。Ｄの値が正の場合は糸巻き型であり、負の場合は樽型である。光学ディストーションＤは画像上の地点によって変化し、像高に依存する。一般に、像高が大きくなるほど光学ディストーションが大きくなり、かつ、像高に比例せずに、非線形に変化する。

上述のように定義される光学ディストーションを用いて光学レンズの歪曲収差を評価することは、特開２００１−１３３２２３号公報（特許文献１）や特開平６−１７８１９７号公報（特許文献２）に記載されている。

上述の光学ディストーションを求めるためには、理想矩形１０の頂点Ｃの像高Ｒを知る必要がある。しかしながら、画面上には、歪曲した矩形しか表示されないので、理想的な像高Ｒの値は容易には分からない。そこで、画面上の歪曲矩形の変形度合（以下「ＴＶディストーション」という。）を求めて、これを光学レンズの歪曲収差の評価に用いることが知られている。

図１１はＴＶディストーションの説明図である。歪曲矩形１２の中心Ｏから上辺の中点Ｂｄまでの距離をｈとし、この中点Ｂｄと頂点Ｃｄとの高さ方向の差をΔｈとすると、ＴＶディストーションＤｔｖは図１１の（３）式で定義される。このＴＶディストーションＤｔｖは、図１０に示した光学ディストーションＤと所定の関係にあり、その関係は図１１の（４）式で示される。すなわち、画面上でＴＶディストーションＤｔｖを求めれば、これを光学ディストーションＤに換算することができる。ＴＶディストーションについては、例えば、特開２００４−１３８７４８号公報（特許文献３）に記載されている。

ところで、本発明は、後述するように、専用のテストチャートを使う代わりに、フラットパネルディスプレイに基準矩形を表示して、これを撮影することで光学レンズの歪曲収差を評価することを特徴のひとつにしている。この点に関する公知技術としては、特開２０００−３４６７４６号公報（特許文献４）が知られている。この特許文献４は、投写型表示装置の投写レンズの検査方法に関するものであり、透明なガラス板にテストパターンを形成して、このテストパターンを透過した光を投写レンズを介してスクリーンに表示している。テストパターンは、矩形の四隅のそれぞれに局所パターンを設けたものであり、スクリーン上のテストパターン画像において、複数の局所パターン間の距離を測定することで、投写レンズの特性を評価することができる。そして、透明なガラス板に形成したテストパターンを用いる代わりに、液晶ライトバルブを使うことに言及している。すなわち、特許文献４の明細書の段落００８４において、液晶ライトバルブに画像信号を供給することで、テストパターンを表示できる、述べている。そして、テストパターンを複数種類用いる場合には、それに応じた画像信号を供給することで、テストパターンの内容を容易に変更でき（同段落００８４）、テストパターンの表示位置を変更することもできる（同段落００８６）。

特開２００１−１３３２２３号公報 特開平６−１７８１９７号公報 特開２００４−１３８７４８号公報 特開２０００−３４６７４６号公報

図１０に示すように光学ディストーションを求めて光学レンズの歪曲収差を評価するためには、実際に撮影された歪曲矩形１２の像高Ｒｄ（これは実測できる）のほかに、理想矩形１０の像高Ｒを知る必要がある。理想矩形１０の像高Ｒは実測できないので、理論的に計算した値を使うことになるが、理想矩形１０の像高Ｒを正確に計算するには、撮像装置とテストチャートとの距離を正確に測定する必要がある。これに対して、図１１に示すようにＴＶディストーションを求めて、これに基づいて光学レンズの歪曲収差を評価するようにすれば、歪曲図形１２の寸法を測定するだけで足りる。しかし、この場合も、歪曲図形１２の寸法を測定する作業が必要になり、歪曲収差の評価作業は容易ではない。

本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、光学レンズの歪曲収差の評価作業を容易にできる評価方法を提供することにある。本発明の別の目的は、歪曲収差を評価するための基準矩形を最適な仕様で表示できる評価方法を提供することにある。

本発明に係る光学レンズの歪曲収差の評価方法は、以下に示す手順を実行するものである。まず、光学レンズとデジタル撮像装置からなる撮像系を準備する。そして、基準矩形を表示するためのフラットパネルディスプレイ（例えば、液晶表示パネル）を用意して、そのフラットパネルディスプレイの画面が光学レンズの光軸に対して垂直になるように、かつ、その画面の位置が光学レンズから所定の距離になるように、フラットパネルディスプレイを配置する。次に、そのフラットパネルディスプレイの画面に基準矩形を表示する。次に、撮像系を用いて前記基準矩形を撮影して、光学レンズの歪曲収差によって歪みが生じた前記基準矩形のデジタル画像（以下「歪曲矩形」という。）を取得する。この歪曲矩形が撮像装置の視野から外れないように、フラットパネルディスプレイの画面において前記基準矩形の仕様（例えば、基準矩形の表示位置と大きさ）を調整する。そして、前記歪曲矩形のデジタル座標を用いて、前記歪曲矩形の中心点と前記歪曲矩形のひとつの辺の中点とを結ぶ線分（以下「基準線分」という。）の長さ（以下「基準長さ」という。）と、前記歪曲矩形の中心点と前記歪曲矩形のひとつの頂点とを結ぶ線分を前記基準線分に投影した射影の長さ（以下「歪曲長さ」という。）とを求める。そして、これらの歪曲長さと基準長さに基づいて光学レンズのＴＶディストーションを算出する。

基準矩形を表示するためにフラットパネルディスプレイを用いる第１の理由は、表示する基準矩形の仕様（例えば、基準矩形の表示位置と大きさ）を自由に変更できることにある。第２の理由は、陰極線管と比較して、表示される基準矩形が歪まない（矩形の形状を正確に保つ）ことにある。フラットパネルディスプレイとしては、例えば、液晶表示パネル、プラズマディスプレイパネル、エレクトロルミネッセンスパネルなどを用いることができる。

前記調整段階では、前記歪曲矩形が撮像装置の視野から外れないように、かつ、その歪曲矩形がデジタル撮像装置の視野の中で最大になるように、フラットパネルディスプレイの画面において前記基準矩形の仕様を調整することが望ましい。

前記調整段階と前記演算段階の間に、次の特定画素表示段階を実行することが望ましい。この特定画素表示段階では、フラットパネルディスプレイの画面において、前記基準矩形の中心に位置する画素と、前記基準矩形の少なくともひとつの辺の中点に位置する画素と、前記基準矩形の少なくともひとつの頂点に位置する画素だけを表示する。すなわち、基準矩形の全体を表示しないで、基準矩形を構成する画素のうち、前記基準長さと前記歪曲長さを求めるために必要な地点の画素だけを表示する。

本発明は、基準矩形を表示するためのフラットパネルディスプレイと、基準矩形を撮影するためのデジタル撮像装置とを組み合わせたことに特徴があり、デジタル画像装置で取得した歪曲矩形のデジタル座標を用いて、歪曲矩形の基準長さと歪曲長さとに基づいてＴＶディストーションを算出している。これにより、オペレータが関与することなく、ＴＶディストーションを自動的に算出できる。また、基準矩形を表示するためにフラットパネルディスプレイを用いているので、基準矩形の仕様（例えば、基準矩形の表示位置と大きさ）を自由に調整できて、光学レンズの歪曲収差を評価する時点において常に最適な仕様の基準矩形を用いることができる。

図１は本発明に係る光学レンズの歪曲収差の評価方法を実施するための装置を示す斜視図である。 図２は図１の装置の正面図である。 図３は液晶表示パネルの画面に基準矩形を表示した状態を示す平面図である。 図４は光学レンズの歪曲収差を評価する従来の方法を示す説明図である。 図５はＣＣＤカメラの視野内の歪曲矩形を示す説明図である。 図６は液晶表示パネルの画面を示す平面図である。 図７は樽型に歪曲した歪曲矩形のＴＶディストーションの求め方を説明する説明図であって、図５の（Ｂ）に示す歪曲矩形の右上の４分の１を拡大して示したものである。 図８は糸巻き型に歪曲した歪曲矩形のＴＶディストーションの求め方を説明する説明図である。 図９は歪曲収差の説明図である。 図１０は光学ディストーションの求め方を説明する説明図である。 図１１はＴＶディストーションの求め方を説明する説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳しく説明する。図１は本発明に係る光学レンズの歪曲収差の評価方法を実施するための装置を示す斜視図である。撮像系１４は光学レンズ１６とＣＣＤカメラ１８からなる。ＣＣＤカメラ１８は、撮影画像を２次元配列のデジタル信号として取り出すことができるものであって、本発明におけるデジタル撮像装置に該当する。このＣＣＤカメラ１８に、撮影画像をモニターするための表示装置３６（図２を参照）が接続されている。撮像系１４に対向するように液晶表示パネル２０が配置される。液晶表示パネル２０は、本発明におけるフラットパネルディスプレイに該当する。液晶表示パネル２０は、その画面２２が光学レンズ１６の光軸に対して垂直になるように配置される。そして、液晶表示パネル２０は、その画面２２の位置が光学レンズ１６から所定の距離になるように配置される。すなわち、ＣＣＤカメラ１８の視野２４が液晶表示パネル２０の画面２２（点灯可能領域）の外に出ないように、上述の距離が設定される。液晶表示パネル２０の画面２２には、光学レンズ１６の歪曲収差を評価するための基準矩形２６を表示することができる。

図２は図１の装置の正面図である。液晶表示パネル２０の画面２２は、光学レンズ１６の光軸２８に対して垂直である。液晶表示パネル２０の画面２２は光学レンズ１６から所定の距離Ｓの位置にある。

図３は液晶表示パネルの画面２２に基準矩形２６を表示した状態を示す平面図である。基準矩形２６の中心が画面２２の中心Ｏに一致するように、かつ、基準矩形２６が画面２２のほぼ全体を占めるように、基準矩形２６を画面２２上で大きく表示することが望ましい。

図４は光学レンズの歪曲収差を評価する従来の方法を示す説明図である。光学レンズに歪曲収差が無いと仮定したときに、基準矩形を撮像系で撮影したときの理想矩形３０は、基準矩形に相似する矩形である。一方、撮像系で撮影したときの実際の歪曲矩形３２は理想矩形３０に対して歪んでいる。この例では樽型に歪んでいる。理想矩形３０の頂点Ｃの像高をＲとすると、理想矩形３０の対角線の長さは２Ｒである。一方、歪曲矩形３２の頂点Ｃｄの像高はＲｄであり、対角線の長さは２Ｒｄである。頂点ＣとＣｄとの像高の差をΔＲとすると、対角線の長さの差は２ΔＲであり、これは図４の（５）式で示される。頂点Ｃｄの光学ディストーションＤは（６）式で定義される。頂点の像高に基づいて定義しても、対角線の長に基づいて定義しても、光学ディストーションＤの値は同じであるが、現実の歪曲矩形３２について計測することを考えると、像高よりも対角線の長さの方が計測しやすいので、ここでは、対角線の長さで定義している。この光学ディストーションＤは、基本的に、従来技術の説明において図１０を参照して説明したものと同じである。

このような光学ディストーションを求めるには、理想矩形３０の対角線の長さ２Ｒを知る必要がある。そのためには、図２に示す距離Ｓを正確に測定する必要がある。これに対して、本発明は、以下に述べるように、光学レンズの歪曲収差を評価するのに、ＴＶディストーションを求めている。

まず、オペレータは、光学レンズの焦点合わせ作業と図２の距離Ｓの設定作業を実施して、液晶表示パネルの画面上に撮像系の焦点が合うようにし、かつ、ＣＣＤカメラの視野が液晶パネルの画面から、はみ出さないようにする。次に、図３に示すように液晶表示パネルの画面に基準矩形２６を表示する。図５の（Ａ）は、この基準矩形を撮影したときのＣＣＤカメラの視野（表示装置３６で見えているもの）内の画像を示したものである。ＣＣＤカメラの視野２４の中には歪曲矩形３２が見えている。なお、ＣＣＤカメラの視野２４の外側には、光学レンズの視野３４を円形の想像線で示している。

図５の（Ａ）において、歪曲矩形３２がＣＣＤカメラの視野２４内でできるだけ大きくなるように、かつ、視野２４から、はみ出さないように、液晶表示パネルに表示する基準矩形の表示位置と大きさを調整する。そのように調整することで、図５の（Ｂ）に示すように歪曲矩形３２がＣＣＤカメラの視野２４内で最大になる。ＣＣＤカメラの視野２４は、ＣＣＤカメラの受光面に相当する。この実施例で用いたＣＣＤカメラの視野２４の縦横比は２：３であり、これに合わせて、液晶表示パネルに表示する基準矩形の縦横比も２：３に設定している。こうすることで、ＣＣＤカメラの視野を最大に使うことができて、光学レンズのできるだけ外周付近まで歪曲収差を評価できるようにしている。

図６は液晶表示パネルの画面２２を示す平面図である。上述のように調整をしたあとの基準矩形２６を想像線で示している。この基準矩形２６に相当する画素を点灯して、その基準矩形２６を液晶表示パネル上で表示し、この基準矩形２６をＣＣＤカメラで撮影したものが、図５の（Ｂ）の歪曲矩形３２であり、これはデジタル画像である。図６において、基準矩形２６の中心がＯ点であり、基準矩形２６の右辺の中点がＡ点であり、基準矩形２６の上辺の中点がＢ点であり、基準矩形２６の右上の頂点がＣ点である。

図７は図５の（Ｂ）に示す歪曲矩形３２の右上の４分の１を拡大した拡大図である。図６の基準矩形２６における四つの点Ｏ，Ａ，Ｂ，Ｃが、図７の歪曲矩形３２ではＯｄ，Ａｄ，Ｂｄ，Ｃｄとなる。中心Ｏｄと上辺の中点Ｂｄとの距離をＨと定義する。ＯｄとＢｄとを結ぶ線分が本発明における「基準線分」に該当し、距離Ｈが本発明における「基準長さ」に該当する。一方、中心Ｏｄと頂点Ｃｄとを結ぶ線分を基準線分（線分ＯｄＢｄ）の上に投影したときの射影の長さを、Ｈｄと定義する。射影の長さＨｄが本発明における「歪曲長さ」に該当する。ＨｄとＨの差ΔＨは図７の（７）式で示される。このΔＨに基づいてＴＶディストーションＤｔｖｈを定義すると、図７の（８）式のようになる。光学レンズの歪曲収差が大きければ、このＴＶディストーションＤｔｖｈも大きくなるので、ＴＶディストーションＤｔｖｈを用いて光学レンズの歪曲収差を評価することができる。このＴＶディストーションＤｔｖｈは、歪曲矩形３２における画面上の垂直方向の歪みを表したものである。これに対して、水平方向の歪みに基づいてＴＶディストーションを表すこともできる。中心Ｏｄと右辺の中点Ａｄとの距離をＷと定義する。中心Ｏｄと頂点Ｃｄとを結ぶ線分を、線分ＯｄＡｄの上に投影したときの射影の長さを、Ｗｄと定義する。それらの差ΔＷは図７の（９）式で示される。このΔＷに基づいてＴＶディストーションＤｔｖｗを定義すると、図７の（１０）式のようになる。二つのＴＶディストーションＤｔｖｈ，Ｄｔｖｗのどちらを用いて光学レンズの歪曲収差を評価してもよいし、その両方を用いてもよい。どちらかを用いるのであれば、矩形の長辺方向の歪み、すなわち、図７の例では、水平方向のＴＶディストーションＤｔｖｗを用いるのが好ましい。ＴＶディストーション自体は、従来技術の説明において図１１を参照して説明したものと同じである。

ＴＶディストーションは、上述の図１１を参照して説明したように、光学ディストーションとは所定の関係にあるので、ＴＶディストーションが分かれば、歪曲矩形３２の頂点Ｃｄにおける光学ディストーションを求めることができる。

上述の例は樽型の歪曲収差に関して説明したものであるが、糸巻き型の歪曲収差についても、同様にＴＶディストーションを求めることができる。図８は糸巻き型に歪曲した歪曲矩形３８のＴＶディストーションの求め方を説明する説明図である。図８に示すようにＨとＨｄを定義すれば、図７の（７）式と（８）式を用いて、糸巻き型に歪曲した歪曲矩形３８の垂直方向のＴＶディストーションＤｔｖｈを求めることができる。同様に、図８に示すようにＷとＷｄを定義すれば、図７の（９）式と（１０）式を用いて、水平方向のＴＶディストーションＤｔｖｗを求めることができる。図７の（８）式と（１０）式において、ＴＶディストーションの値が正であれば歪曲収差は糸巻き型であり、負であれば樽型である。

図７において、Ｈ，Ｈｄ，Ｗ，Ｗｄの値を求めるには、表示装置の画面上において、Ｏｄ，Ａｄ，Ｂｄ，Ｃｄの各地点の座標が分かればよい。それらの座標を得るには、図６に示す液晶表示パネルの画面２２において、四つの地点Ｏ，Ａ，Ｂ，Ｃの画素だけを点灯するのが好都合である。こうすることで、図７において、四つの地点Ｏｄ，Ａｄ，Ｂｄ，Ｃｄだけが輝点として映り、その座標は、ＣＣＤカメラの出力データの中から、四つの輝点の座標だけを取り出すことで取得できる。したがって、ＣＣＤカメラの出力データに基づいて、オペレータが関与することなく自動的に、ＴＶディストーションを算出することができる。すなわち、ＴＶディストーションの算出段階をソフトウェアによって自動化できる。もし、垂直方向のＴＶディストーションＤｔｖｈだけを求めるのであれば、三つの地点Ｏ，Ｂ，Ｃだけを点灯すれば足りるし、水平方向のＴＶディストーションＤｔｖｗだけを求めるのであれば、三つの地点Ｏ，Ａ，Ｃだけを点灯すれば足りる。

以上の説明から分かるように、本発明に基づいて光学レンズの歪曲収差を評価する場合、液晶表示パネルの画面２２に表示されるものは、次のように変化する。最初に、図３に示すように、画面２２上に基準矩形２６を表示する。次に、図５の（Ａ）から（Ｂ）に移行するために、基準矩形２６の表示位置と大きさを調整する。最後に、図６に示すように、四つの地点Ｏ，Ａ，Ｂ，Ｃ（または三つの地点）の画素だけを点灯する。

本発明の評価方法は、光学レンズの品質管理に適用できる。例えば、上述のＴＶディストーションを求めて、その値が所定の許容範囲内にあれば光学レンズが良品であると判定し、許容範囲を超えれば不良品と判定することができる。

１０ 理想矩形
１２ 歪曲矩形
１４ 撮像系
１６ 光学レンズ
１８ ＣＣＤカメラ
２０ 液晶表示パネル
２２ 画面
２４ 撮像装置の視野
２６ 基準矩形
２８ 光軸
３０ 理想矩形
３２ 歪曲矩形
３４ 光学レンズの視野
３６ 表示装置
３８ 糸巻き型に歪曲した歪曲矩形

Claims (4)

1. 光学レンズとデジタル撮像装置からなる撮像系を準備する段階と、
   フラットパネルディスプレイの画面が前記光学レンズの光軸に対して垂直になるように、かつ、前記画面の位置が前記光学レンズから所定の距離になるように、前記フラットパネルディスプレイを配置する段階と、
   前記フラットパネルディスプレイの画面に矩形（以下「基準矩形」という。）を表示する段階と、
   前記撮像系を用いて前記基準矩形を撮影して、前記光学レンズの歪曲収差によって歪みが生じた前記基準矩形のデジタル画像（以下「歪曲矩形」という。）を取得する段階と、
   前記歪曲矩形が前記デジタル撮像装置の視野から外れないように、前記フラットパネルディスプレイの画面において前記基準矩形の仕様を調整する調整段階と、
   前記歪曲矩形のデジタル座標を用いて、前記歪曲矩形の中心点と前記歪曲矩形のひとつの辺の中点とを結ぶ線分（以下「基準線分」という。）の長さ（以下「基準長さ」という。）、及び、前記歪曲矩形の中心点と前記歪曲矩形のひとつの頂点とを結ぶ線分を前記基準線分に投影した射影の長さ（以下「歪曲長さ」という。）を求めて、これらの歪曲長さと基準長さとに基づいて光学レンズのＴＶディストーションを算出する算出段階、
   とを有することを特徴とする光学レンズの歪曲収差の評価方法。
2. 請求項１に記載の評価方法において、前記調整段階における前記基準矩形の仕様は、基準矩形の表示位置と大きさであることを特徴とする評価方法。
3. 請求項１または２に記載の評価方法において、前記調整段階では、前記歪曲矩形が前記デジタル撮像装置の視野から外れないように、かつ、前記歪曲矩形が前記デジタル撮像装置の視野の中で最大になるように、前記フラットパネルディスプレイの画面において前記基準矩形の仕様を調整することを特徴とする評価方法。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の評価方法において、前記調整段階と前記算出段階の間に、前記フラットパネルディスプレイの画面において、前記基準矩形の中心に位置する画素、前記基準矩形の少なくともひとつの辺の中点に位置する画素、及び、前記基準矩形の少なくともひとつの頂点に位置する画素だけを表示する特定画素表示段階を実行することを特徴とする評価方法。

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