JP4937686B2 - Lens evaluation device - Google Patents
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Description
本発明は、レンズの評価装置に関し、特に光学系の像位置に関する性能、即ち横倍率、歪曲収差、像面湾曲および色収差を評価するレンズ評価装置に関する。 The present invention relates to a lens evaluation apparatus, and more particularly to a lens evaluation apparatus for evaluating performance related to an image position of an optical system, that is, lateral magnification, distortion, field curvature, and chromatic aberration.
光学系を用いて撮像した画像を測定に用いる場合、その光学系には高度な収差補正が要求される。例えばレーザ共焦点顕微鏡の場合、像面湾曲があると平坦な試料の観察像が曲面になってしまうため、深さ方向の正確な測定ができなくなる。あるいは、複数の波長のレーザで画像を撮像して比較する場合、光学系に色収差があると、像の位置が波長によって横方向（光学系光軸に垂直な方向）と縦方向（光学系光軸方向）にずれるため、正確な比較演算ができなくなる。横倍率の誤差や歪曲収差も同様に、像位置の測定誤差を生じる。 When an image captured using an optical system is used for measurement, the optical system is required to have a high degree of aberration correction. For example, in the case of a laser confocal microscope, if there is a curvature of field, an observation image of a flat sample becomes a curved surface, and accurate measurement in the depth direction cannot be performed. Alternatively, when images are compared with lasers having a plurality of wavelengths, if there is chromatic aberration in the optical system, the position of the image depends on the wavelength in the horizontal direction (direction perpendicular to the optical axis of the optical system) and the vertical direction (optical system light). Since it is shifted in the axial direction, accurate comparison calculation cannot be performed. Similarly, errors in lateral magnification and distortion also cause measurement errors in image position.
これらの誤差を補正するためには、予めそれらの収差を測定しておき、それに基づいて撮像した画像を修正する必要がある。あるいは、収差の測定値に基づいて光学系のレンズ位置を修正し、それらの収差を十分に小さくしておく必要がある。それらを実施する前提として、光学系の像位置に関する性能、即ち横倍率、歪曲収差、像面湾曲および色収差を高精度に測定できる評価装置の存在が不可欠である。 In order to correct these errors, it is necessary to measure those aberrations in advance and to correct the captured image based on them. Alternatively, it is necessary to correct the lens position of the optical system based on the measurement value of the aberration, and to sufficiently reduce the aberration. As a premise for implementing them, it is indispensable to have an evaluation apparatus capable of measuring performance relating to the image position of the optical system, that is, lateral magnification, distortion, field curvature, and chromatic aberration with high accuracy.
従来の評価装置を図９を参照しながら説明する。
同図に示したように、従来の評価装置では、点光源となるピンホール５１を、評価される光学系５２の物体面に設置し、背後から不図示の照明手段で照明する。光学系５２の像面にはピンホール５１の空中像５３ができる。この空中像５３は小さいので、直接に撮像素子で撮像しても、最大強度となる像位置を十分な精度で測定できない。そこで拡大光学系５４で拡大した像を撮像素子５５で撮像する。このようにすると、拡大像から最大輝度の画素を探索することによって、像位置を決定することができる。さらに、拡大光学系５４と撮像素子５５を光学系５２の光軸方向(Z軸方向)に移動しながら撮像し、その積層画像から最大輝度の画素を探索すると、像位置のX，Y，Z座標を決定することができる。照明手段の波長を切り換えることにより、色収差も評価することができる。ただし、像位置のX，Y，Z座標を求めるために、拡大光学系５４と撮像素子５５の位置を３軸の測長器でモニターする必要がある。また、視野内全体の像面形状を決定するためには、ピンホール５１を物体面上で複数の位置に移動しながら測定する必要がある。この場合、ピンホール５１のX,Y座標も測長器でモニターする必要がある。
A conventional evaluation apparatus will be described with reference to FIG.
As shown in the figure, in the conventional evaluation apparatus, a pinhole 51 serving as a point light source is installed on the object plane of the optical system 52 to be evaluated, and illuminated from behind by illumination means (not shown). An aerial image 53 of the pinhole 51 is formed on the image plane of the optical system 52. Since the aerial image 53 is small, the image position with the maximum intensity cannot be measured with sufficient accuracy even if the aerial image 53 is directly captured by the image sensor. Therefore, an image magnified by the magnifying optical system 54 is captured by the image sensor 55. In this way, the image position can be determined by searching for a pixel with the maximum luminance from the enlarged image. Further, when the enlargement optical system 54 and the image sensor 55 are imaged while moving in the optical axis direction (Z-axis direction) of the optical system 52 and a pixel having the maximum luminance is searched from the laminated image, the X, Y, and Z of the image position are obtained. Coordinates can be determined. Chromatic aberration can also be evaluated by switching the wavelength of the illumination means. However, in order to obtain the X, Y, and Z coordinates of the image position, it is necessary to monitor the positions of the magnifying optical system 54 and the image sensor 55 with a three-axis length measuring device. Further, in order to determine the entire image plane shape in the field of view, it is necessary to perform measurement while moving the pinhole 51 to a plurality of positions on the object plane. In this case, it is necessary to monitor the X and Y coordinates of the pinhole 51 with a length measuring device.
なお、本技術分野におけるレンズ評価装置に関連する従来技術として特許文献１〜５と非特許文献１がある。
しかしながら、図９に示すような従来の評価装置のように、１つのピンホール像の像位置を求め、それを像面内の複数の位置で繰り返す、という方法では、それらの位置を何らかの測長器でモニターしなければならない。また、その測長器の精度で、全体の測定精度が決まってしまう。前記のレーザ共焦点顕微鏡などの光学系では、nmオーダーの色収差が求められることも稀ではない。そのような場合、nmオーダーの測定精度をもつ高精度のレーザ測長器が２軸以上も必要になってしまう。さらに、拡大光学系の収差が測定値に与える影響も検証しなければならない。また、１つのピンホールを移動しながら測定するために、像面全体の測定に時間を要し、その間の光学系の安定性などにも注意を要する。 However, as in the conventional evaluation apparatus as shown in FIG. 9, in the method of obtaining the image position of one pinhole image and repeating it at a plurality of positions in the image plane, these positions are measured by some length measurement. Must be monitored with a vessel. Also, the overall measurement accuracy is determined by the accuracy of the length measuring device. In optical systems such as the above-mentioned laser confocal microscope, it is not rare that chromatic aberrations on the order of nm are required. In such a case, two or more axes of a high-precision laser length measuring device having a measurement accuracy on the order of nm are required. Furthermore, the influence of the aberration of the magnifying optical system on the measured value must be verified. In addition, since measurement is performed while moving one pinhole, it takes time to measure the entire image plane, and attention is required to the stability of the optical system during that time.
既知の等間隔で配列された複数のピンホールを物体面に設置すれば、物体側のピンホールを移動したり、その位置をモニターしたりする必要はなくなる。さらに、１つのピンホールの空中像を十分な画素数で撮像し、かつ像面の大部分を覆うような面積をもつ撮像素子が仮に存在すれば、拡大光学系が不要になり、像面側のX,Y座標を高精度にモニターする必要もなくなる。この場合、複数のピンホールあるいは撮像素子のZ位置をモニターしながら移動することで、像位置や色収差を算出するのに十分な積層画像を撮像できる。しかし、そのような撮像素子は画素数が莫大な数になるため、現状では入手することができない。 If a plurality of known pinholes arranged at equal intervals are installed on the object surface, there is no need to move the object side pinholes or monitor their positions. Furthermore, if an aerial image of a single pinhole is captured with a sufficient number of pixels and an image sensor having an area that covers most of the image surface is present, the magnifying optical system becomes unnecessary, and the image surface side There is no need to monitor the X and Y coordinates with high accuracy. In this case, by moving while monitoring the Z positions of a plurality of pinholes or imaging elements, it is possible to capture a laminated image sufficient to calculate the image position and chromatic aberration. However, such an image sensor has a huge number of pixels and cannot be obtained at present.
また、平面鏡を測定した補正データにより共焦点顕微鏡の像面湾曲を補正することができるが、歪曲収差や横色収差を補正することはできない。
本発明はこれらの課題を鑑み、光学系の横倍率、歪曲収差、像面湾曲および色収差を高精度に測定できるものであって特に１つの点光源の空中像を十分な画素数で撮像できない場合でも高精度の評価値を得ることができるレンズ評価装置、レンズ評価方法、及びレンズ評価プログラムおよび、それらの評価手段を搭載して画像の歪みあるいは色ずれを補正する光学装置を提供することを目的とする。
Further, although the curvature of field of the confocal microscope can be corrected by the correction data obtained by measuring the plane mirror, the distortion aberration and the lateral chromatic aberration cannot be corrected.
In view of these problems, the present invention can measure the lateral magnification, distortion, field curvature, and chromatic aberration of an optical system with high accuracy, and in particular, cannot capture an aerial image of one point light source with a sufficient number of pixels. However, it is an object of the present invention to provide a lens evaluation device, a lens evaluation method, a lens evaluation program, and a lens evaluation program that can obtain a highly accurate evaluation value, and an optical device that corrects image distortion or color misregistration by mounting those evaluation means. And
上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係るレンズ評価装置は、評価対象となる光学系の物体面上に配置された複数の点光源と、前記評価対象となる光学系によって形成される前記複数の点光源の像を撮像し画像を取得する撮像手段と、前記点光源あるいは前記撮像手段と、評価対象となる光学系との相対距離を変化させる移動手段と、前記移動手段が前記相対距離を変化させるごとに前記撮像手段が前記光学系を介した前記複数の点光源の像を撮像することによって取得される積層画像が記録される記録媒体と、前記記録媒体に記録された前記積層画像内の複数の点光源像から複数の像位置を算出する像位置算出手段と、前記像位置算出手段により算出された前記複数の像位置に収差のモデル関数をフィットして収差の測定値を取得する収差取得手段と、を有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, a lens evaluation apparatus according to a first aspect of the present invention is formed by a plurality of point light sources arranged on an object plane of an optical system to be evaluated and the optical system to be evaluated. An imaging unit that captures images of the plurality of point light sources and obtains an image; a moving unit that changes a relative distance between the point light source or the imaging unit and an optical system to be evaluated; and the moving unit Each time the relative distance is changed, the imaging unit records a stacked image acquired by capturing images of the plurality of point light sources via the optical system, and recorded on the recording medium Image position calculation means for calculating a plurality of image positions from a plurality of point light source images in the laminated image, and measurement of aberration by fitting a model function of aberration to the plurality of image positions calculated by the image position calculation means Take the value And having an aberration acquisition unit that, the.
本発明の第２の態様に係るレンズ評価装置は、上記第１の態様において、前記複数の点光源は、出射する光の波長を選択切換可能に構成されている、ことを特徴とする。
本発明の第３の態様に係るレンズ評価装置は、上記第１の態様において、前記複数の点光源は、前記評価対象となる光学系の分解能と同等あるいは同等以下の直径のピンホールと、前記ピンホールを透過照明する照明手段と、を含んで構成されている、ことを特徴とする。
The lens evaluation device according to a second aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, the plurality of point light sources are configured to be capable of selectively switching the wavelength of the emitted light.
The lens evaluation device according to a third aspect of the present invention is the lens evaluation device according to the first aspect, wherein the plurality of point light sources has a pinhole having a diameter equal to or less than or equal to the resolution of the optical system to be evaluated, And illumination means for transmitting and illuminating the pinhole.
本発明の第４の態様に係るレンズ評価装置は、上記第１の態様において、前記複数の点光源は、前記評価される光学系の分解能と同等あるいは同等以下の直径の反射鏡と、前記反射鏡を落射照明する照明手段と、を含んで構成されている、ことを特徴とする。 The lens evaluation device according to a fourth aspect of the present invention is the lens evaluation apparatus according to the first aspect, wherein the plurality of point light sources are a reflector having a diameter equal to or less than or equal to a resolution of the optical system to be evaluated, and the reflection. And an illuminating means for epi-illuminating the mirror.
本発明の第５の態様に係るレンズ評価装置は、上記第１の態様において、前記複数の点光源は、平面上に２次元の周期格子状に配列している、ことを特徴とする。
本発明の第６の態様に係るレンズ評価装置は、上記第１の態様において、前記撮像手段は、２次元の撮像素子からなる、ことを特徴とする。
The lens evaluation device according to a fifth aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, the plurality of point light sources are arranged in a two-dimensional periodic lattice pattern on a plane.
The lens evaluation device according to a sixth aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, the imaging means is a two-dimensional imaging device.
本発明の第７の態様に係るレンズ評価装置は、上記第１の態様において、前記評価される光学系と、像を撮像し画像を取得する撮像手段は、１つあるいは複数の集光点を走査する共焦点光学機器である、ことを特徴とする。 The lens evaluation device according to a seventh aspect of the present invention is the lens evaluation apparatus according to the first aspect, wherein the optical system to be evaluated and the imaging means for capturing an image and acquiring the image have one or a plurality of condensing points. It is a confocal optical instrument for scanning.
本発明の第８の態様に係るレンズ評価装置は、上記第１の態様において、前記像位置算出手段は、前記積層画像内の１つの点光源像から像位置を求めるためのモデル関数フィット範囲を設定する設定手段と、前記設定手段により設定されたモデル関数フィット範囲内の積層画像の中の各枚葉画像に２次元の強度分布モデル関数をフィットする第１のフィット手段と、前記第１のフィット手段により前記各枚葉画像にフィットされた前記２次元の強度分布モデル関数の最大値と当該最大値の平面内座標とを算出する算出手段と、前記算出手段により算出された前記各枚葉画像の前記平面内座標に第１の曲線モデル関数をフィットする第２のフィット手段と、前記算出手段により算出された前記各枚葉画像の前記最大値に第２の曲線モデル関数をフィットする第３のフィット手段と、前記第３のフィット手段によりフィットされた前記第２の曲線モデル関数の最大値の座標を求める座標演算手段と、前記座標演算手段により求められた前記最大値の座標を、前記第２のフィット手段によりフィットされた前記第１の曲線モデル関数に代入して関数値を取得する関数値取得手段と、を含む、ことを特徴とする。 In the lens evaluation apparatus according to an eighth aspect of the present invention, in the first aspect, the image position calculation means has a model function fit range for obtaining an image position from one point light source image in the laminated image. Setting means for setting, first fitting means for fitting a two-dimensional intensity distribution model function to each single-wafer image in the laminated image within the model function fitting range set by the setting means, and the first fitting means Calculation means for calculating the maximum value of the two-dimensional intensity distribution model function fitted to the individual sheet images by the fitting means and in-plane coordinates of the maximum value, and the individual sheets calculated by the calculation means A second fitting means for fitting a first curve model function to the in-plane coordinates of the image; and a second curve model function for the maximum value of each single wafer image calculated by the calculation means. Third fitting means for fitting, coordinate calculating means for obtaining coordinates of the maximum value of the second curve model function fitted by the third fitting means, and the maximum value obtained by the coordinate calculating means Function value obtaining means for obtaining a function value by substituting coordinates into the first curve model function fitted by the second fitting means.
本発明の第９の態様に係るレンズ評価装置は、上記第８の態様において、前記２次元の強度分布モデル関数は、２次元のガウシアン分布関数である、ことを特徴とする。
本発明の第１０の態様に係るレンズ評価装置は、上記第１の態様において、前記像位置算出手段は、前記積層画像内の１つの点光源像から像位置を求めるためのモデル関数フィット範囲を設定する設定手段と、前記設定手段により設定されたモデル関数フィット範囲内の積層画像の中の各枚葉画像から、当該各枚葉画像の最大強度値と当該最大強度値の平面内座標とを求める第１の演算手段と、前記第１の演算手段により求められた前記各枚葉画像の前記平面内座標に第１の曲線モデル関数をフィットする第１のフィット手段と、前記第１の演算手段により求められた前記各枚葉画像の前記最大強度値に第２の曲線モデル関数をフィットする第２のフィット手段と、前記第２のフィット手段によりフィットされた前記第２の曲線モデル関数の最大値の座標を求める第２の演算手段と、前記第２の演算手段により求められた前記最大値の座標を、前記第１のフィット手段によりフィットされた前記第１の曲線モデル関数に代入して関数値を取得する関数値取得手段と、を含む、ことを特徴とする。
The lens evaluation device according to a ninth aspect of the present invention is characterized in that, in the eighth aspect, the two-dimensional intensity distribution model function is a two-dimensional Gaussian distribution function.
In the lens evaluation device according to a tenth aspect of the present invention, in the first aspect, the image position calculation means has a model function fit range for obtaining an image position from one point light source image in the laminated image. Setting means for setting, and from each single-wafer image in the laminated image within the model function fit range set by the setting means, the maximum intensity value of each single-wafer image and the in-plane coordinates of the maximum intensity value First computing means to be obtained; first fitting means for fitting a first curve model function to the in-plane coordinates of each single-wafer image obtained by the first computing means; and the first computing Second fitting means for fitting a second curve model function to the maximum intensity value of each single-wafer image obtained by means, and the second curve model function fitted by the second fitting means. Substituting the second calculation means for obtaining the coordinates of the large value and the coordinates of the maximum value obtained by the second calculation means into the first curve model function fitted by the first fitting means. And a function value acquisition means for acquiring a function value.
本発明の第１１の態様に係るレンズ評価装置は、上記第８又は１０の態様において、前記像位置算出手段により算出された前記複数の像位置を、前記各枚葉画像の前記平面内座標にフィットされた前記第１の曲線モデル関数の平均に基づいて修正する像位置修正手段を更に含み、前記収差取得手段は、前記像位置算出手段により算出された前記複数の像位置に代えて前記像位置修正手段により修正された前記複数の像位置に前記収差のモデル関数をフィットして収差の測定値を取得する、ことを特徴とする。 The lens evaluation device according to an eleventh aspect of the present invention is the lens evaluation apparatus according to the eighth or tenth aspect, wherein the plurality of image positions calculated by the image position calculation means are used as the in-plane coordinates of the individual sheet images. The image acquisition unit further includes an image position correcting unit that corrects based on an average of the fitted first curve model function, and the aberration acquisition unit replaces the plurality of image positions calculated by the image position calculating unit. An aberration measurement value is obtained by fitting the aberration model function to the plurality of image positions corrected by the position correcting means.
本発明の第１２の態様に係るレンズ評価装置は、上記第１の態様において、前記像位置算出手段は、前記積層画像内の１つの点光源像から最大強度のデータ点の座標を求める座標演算手段を含む、ことを特徴とする。 In the lens evaluation device according to a twelfth aspect of the present invention, in the first aspect, the image position calculation means calculates a coordinate of a data point of maximum intensity from one point light source image in the laminated image. Means.
本発明の第１３の態様に係るレンズ評価装置は、上記第１の態様において、前記像位置算出手段は、前記積層画像内の１つの点光源像から強度の重心の座標を求める座標演算手段を含む、ことを特徴とする。 The lens evaluation device according to a thirteenth aspect of the present invention is the lens evaluation apparatus according to the first aspect, wherein the image position calculation means includes coordinate calculation means for obtaining coordinates of the center of gravity of the intensity from one point light source image in the laminated image. Including.
本発明の第１４の態様に係るレンズ評価装置は、上記第１の態様において、 前記平面上に配置された複数の点光源の位置座標が予め測定されている、ことを特徴とする。
本発明の第１５の態様に係るレンズ評価装置は、上記第５の態様において、 前記２次元の周期格子状に配列している複数の点光源像から、前記像位置算出手段により算出された前記複数の像位置に、格子点の指数p,qを含む独立変数で規定される平面のモデル関数をフィットして、点光源の設置位置に係る回転の角度と平行移動量を取得する点光源位置取得手段を含む、ことを特徴とする。
The lens evaluation device according to a fourteenth aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, position coordinates of a plurality of point light sources arranged on the plane are measured in advance.
The lens evaluation device according to a fifteenth aspect of the present invention is the lens evaluation apparatus according to the fifth aspect, wherein the image position calculation unit calculates the plurality of point light source images arranged in a two-dimensional periodic lattice pattern. Point light source position that obtains the rotation angle and translation amount related to the installation position of the point light source by fitting the model function of the plane defined by the independent variables including the indices p and q of the lattice points to multiple image positions Including acquisition means.
本発明の第１６の態様に係るレンズ評価装置は、上記第１５の態様において、 前記点光源の設置位置に係る回転の角度と平行移動量より、２次元の周期格子状に配列している複数の各点光源の位置座標を算出する点光源位置算出手段を含む、ことを特徴とする。 The lens evaluation device according to a sixteenth aspect of the present invention is the lens evaluation device according to the fifteenth aspect, wherein the plurality of lenses are arranged in a two-dimensional periodic lattice pattern based on the rotation angle and the amount of parallel movement related to the installation position of the point light source Point light source position calculating means for calculating the position coordinates of each point light source.
本発明の第１７の態様に係るレンズ評価装置は、上記第１４又は１６の態様において、前記収差取得手段は、前記複数の点光源の位置と、前記複数の点光源像から算出された複数の像位置に、横倍率を含む横方向の結像のモデル関数をフィットして測定値を取得する、ことを特徴とする。 The lens evaluation device according to a seventeenth aspect of the present invention is the lens evaluation device according to the fourteenth or sixteenth aspect, wherein the aberration acquisition means is a plurality of points calculated from the positions of the plurality of point light sources and the plurality of point light source images. A measurement value is obtained by fitting a model function of horizontal imaging including lateral magnification to the image position.
本発明の第１８の態様に係るレンズ評価装置は、上記第１４又は１６の態様において、前記収差取得手段は、前記複数の点光源の位置と、前記複数の点光源像から算出された複数の横方向の像位置に、横倍率と歪曲収差係数を含む横方向の結像のモデル関数をフィットして測定値を取得する、ことを特徴とする。 The lens evaluation device according to an eighteenth aspect of the present invention is the lens evaluation device according to the fourteenth or sixteenth aspect, wherein the aberration acquisition means is a plurality of points calculated from the positions of the plurality of point light sources and the plurality of point light source images. A measurement value is obtained by fitting a model function of horizontal imaging including a lateral magnification and a distortion aberration coefficient to the horizontal image position.
本発明の第１９の態様に係るレンズ評価装置は、上記第１７又は１８の態様において、前記像位置算出手段は、前記複数の点光源を合焦状態で前記撮像手段により撮像した１枚の点光源像から複数の横方向の像位置を算出する、ことを特徴とする。 The lens evaluation device according to a nineteenth aspect of the present invention is the lens evaluation device according to the seventeenth or eighteenth aspect, wherein the image position calculation means captures the plurality of point light sources in a focused state by the imaging means. A plurality of lateral image positions are calculated from the light source image.
本発明の第２０の態様に係るレンズ評価装置は、上記第１の態様において、前記収差取得手段は、前記複数の点光源の位置と、前記複数の点光源像から算出された複数の縦方向の像位置に、像面湾曲の係数を含む縦方向の結像のモデル関数をフィットして測定値を取得する、ことを特徴とする。 The lens evaluation device according to a twentieth aspect of the present invention is the lens evaluation apparatus according to the first aspect, wherein the aberration acquisition means is a plurality of longitudinal directions calculated from the positions of the plurality of point light sources and the plurality of point light source images. A measured value is obtained by fitting a model function of vertical imaging including a coefficient of curvature of field to the image position.
本発明の第２１の態様に係るレンズ評価装置は、上記第２の態様において、前記移動手段が前記距離を変化させるごとに、前記複数の点光源の波長を切換えて前記撮像手段が波長ごとの前記複数の点光源の像を撮像することによって取得される、波長が異なる複数の積層画像が前記記録媒体に記録される、ことを特徴とする。 The lens evaluation device according to a twenty-first aspect of the present invention is the lens evaluation device according to the second aspect, wherein the imaging means switches the wavelengths of the plurality of point light sources for each wavelength each time the moving means changes the distance. A plurality of layered images having different wavelengths acquired by capturing images of the plurality of point light sources are recorded on the recording medium.
本発明の第２２の態様に係るレンズ評価装置は、上記第２１の態様において、前記記録媒体に記録された第１の波長に係る積層画像と第２の波長に係る積層画像から前記像位置算出手段により算出された、前記第１の波長に係る複数の像位置と前記第２の波長に係る複数の像位置との間で、像位置の差分を求める差分演算手段と、前記差分演算手段により求められた複数の差分に色収差のモデル関数をフィットして色収差の測定値を取得する色収差取得手段と、を更に有することを特徴とする。 In the lens evaluation apparatus according to a twenty-second aspect of the present invention, in the twenty-first aspect, the image position calculation is performed from the laminated image related to the first wavelength and the laminated image related to the second wavelength recorded on the recording medium. Difference calculating means for obtaining a difference in image position between the plurality of image positions related to the first wavelength and the plurality of image positions related to the second wavelength, calculated by the means, and the difference calculating means The apparatus further comprises chromatic aberration acquisition means for acquiring a measured value of chromatic aberration by fitting a model function of chromatic aberration to the obtained plurality of differences.
本発明の第２３の態様に係るレンズ評価装置は、上記第１の態様において、前記評価対象となる光学系の一部分を当該一部分の光軸を中心に回転させる回転手段と、前記回転手段による前記光学系の一部分の複数の回転位置において取得された収差の測定値に基づいて、前記光学系の一部分と当該一部分以外の部分との測定値の成分を分離する測定値成分分離手段と、を更に有することを特徴とする。 The lens evaluation apparatus according to a twenty-third aspect of the present invention is the lens evaluation apparatus according to the first aspect, wherein the rotating unit rotates a part of the optical system to be evaluated around the optical axis of the part, and the rotating unit A measurement value component separating unit that separates measurement value components of a part of the optical system and a part other than the part based on the measurement values of aberration acquired at a plurality of rotational positions of a part of the optical system; It is characterized by having.
本発明の第２４の態様に係るレンズ評価装置は、上記第１の態様において、前記評価対象となる光学系は顕微鏡光学系を有する、ことを特徴とする。
本発明の第２５の態様に係るレンズ評価装置は、上記第２３の態様において、前記光学系の一部分は、顕微鏡光学系の対物レンズである、ことを特徴とする。
The lens evaluation device according to a twenty-fourth aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, the optical system to be evaluated has a microscope optical system.
The lens evaluation device according to a twenty-fifth aspect of the present invention is characterized in that, in the twenty-third aspect, a part of the optical system is an objective lens of a microscope optical system.
本発明の第２６の態様に係る光学機器は、物体の画像を撮像する光学機器において、上記第１乃至２５の何れか一つの態様に係るレンズ評価装置が搭載され、取得された収差の測定値に基いて前記画像の歪みあるいは色ずれを補正する画像補正手段、を有することを特徴とする。 An optical apparatus according to a twenty-sixth aspect of the present invention is an optical apparatus that captures an image of an object. The lens evaluation device according to any one of the first to 25th aspects is mounted on the optical apparatus, and the obtained aberration measurement value is obtained. And image correction means for correcting the distortion or color misregistration of the image.
なお、本発明は、上記レンズ評価装置や光学機器に限らず、例えば、上記レンズ評価装置を、レンズ評価方法やレンズ評価プログラムとして構成することもできる。 Note that the present invention is not limited to the lens evaluation device and the optical apparatus. For example, the lens evaluation device can be configured as a lens evaluation method or a lens evaluation program.
本発明によれば、視野内に分布する複数の点光源の積層画像を２次元の撮像素子で一括して撮像することと、像位置や収差の算出に適切なモデル関数のフィットを適用するアルゴリズムを併用することより、光学系の横倍率、歪曲収差、像面湾曲および色収差を高い精度で評価することができる。撮像素子の画素間隔より小さい精度で像位置のX,Y座標を算出できるので、それらを測定するための高精度の測長器を必要としない。また、視野内を一括撮像するので測定時間が大幅に短縮される。これは、複数の波長の積層画像を同時進行で撮像することと併せて、ドリフトによる測定誤差の軽減にも有効である。また、この評価手段を光学機器に搭載することにより、その光学機器で撮像した画像の歪みあるいは色ずれを補正することができる。 According to the present invention, an algorithm for collectively capturing a stacked image of a plurality of point light sources distributed in a visual field with a two-dimensional image sensor and applying a model function fit suitable for calculating an image position and aberration. By using together, it is possible to evaluate the lateral magnification, distortion, field curvature, and chromatic aberration of the optical system with high accuracy. Since the X and Y coordinates of the image position can be calculated with an accuracy smaller than the pixel interval of the image sensor, a highly accurate length measuring device for measuring them is not required. In addition, since the entire field of view is imaged, the measurement time is greatly reduced. This is effective in reducing the measurement error due to drift, in addition to simultaneously taking a laminated image of a plurality of wavelengths. In addition, by mounting this evaluation means on an optical device, it is possible to correct distortion or color shift of an image captured by the optical device.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
図１乃至図８および図１０は、本発明の第１の実施形態に係る、顕微鏡光学系を評価するレンズ評価装置を説明するための図である。図１は、本実施形態に係るレンズ評価装置の側面図および制御系のブロック図である。図２は、ピンホール列標本の説明図である。図３は、積層画像の撮像に係るフローチャートである。図４は、収差の算出に係るフローチャートである。図５は、像位置の算出に係るフローチャートである。図６は、像位置の算出の説明図である。図７は、横方向の色収差の説明図である。図８は、レンズ評価装置の回転部の作用の説明図である。図１０は、物点位置の算出の説明図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIGS. 1 to 8 and FIG. 10 are diagrams for explaining a lens evaluation device for evaluating a microscope optical system according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a side view of a lens evaluation apparatus according to the present embodiment and a block diagram of a control system. FIG. 2 is an explanatory diagram of a pinhole array sample. FIG. 3 is a flowchart relating to imaging of a laminated image. FIG. 4 is a flowchart relating to the calculation of aberration. FIG. 5 is a flowchart relating to the calculation of the image position. FIG. 6 is an explanatory diagram for calculating the image position. FIG. 7 is an explanatory diagram of lateral chromatic aberration. FIG. 8 is an explanatory diagram of the operation of the rotating unit of the lens evaluation device. FIG. 10 is an explanatory diagram of the calculation of the object point position.
図１において、光源１は、白色光源、波長選択手段、および光量調整手段を内部に含む。白色光源は、例えばハロゲンランプやキセノンランプ、ＬＥＤなどである。波長選択手段は、複数の干渉フィルタから１つを光路内に選択設置できる回転ホルダである。図示しない光量調整手段は、透過率を０〜１００％の範囲で連続に変えられる、例えば、回転型のＮＤフィルタである。また、図示しない波長選択手段と光量調整手段は、外部からの制御信号により制御され、出力する光の中心波長と強度を任意に設定（選択切換）できる。なお、波長選択手段を他の分光手段で置換したり、波長の異なる複数の光源を切換えて構成したりしても構わない。 In FIG. 1, a light source 1 includes a white light source, a wavelength selection unit, and a light amount adjustment unit. The white light source is, for example, a halogen lamp, a xenon lamp, or an LED. The wavelength selection means is a rotary holder that can selectively install one of a plurality of interference filters in the optical path. The light amount adjusting means (not shown) is, for example, a rotary ND filter whose transmittance can be continuously changed in the range of 0 to 100%. Further, the wavelength selection means and the light quantity adjustment means (not shown) are controlled by an external control signal, and can arbitrarily set (select and switch) the center wavelength and intensity of the output light. Note that the wavelength selection unit may be replaced with another spectral unit, or a plurality of light sources having different wavelengths may be switched.
光源１からの光は光ファイバ２で導かれ、光強度均一化部３で強度の位置／角度分布を均一にされてから試料４を透過照明する。光強度均一化部３は、内部反射を繰り返すロッドガラスや拡散板等から構成されている。 The light from the light source 1 is guided by the optical fiber 2, and after the intensity position / angle distribution is made uniform by the light intensity uniformizing unit 3, the sample 4 is transmitted and illuminated. The light intensity uniformizing unit 3 is composed of rod glass, a diffusion plate, or the like that repeats internal reflection.
試料４は、図２に示すようなピンホール列標本である。ガラス基板の上に蒸着された不透明な金属膜２１に、縦横等間隔の格子状にピンホール２２が開けられている。すべてのピンホールの直径は等しく、対物レンズ７の回折限界より小さく、即ち評価される光学系の分解能と同等あるいは同等以下となっている。これにより、前述の光強度均一化部３の作用と併せて、対物レンズ７の角開口より広い範囲で強度角度分布がほぼ均一化された光が各ピンホール２２から出射する。ピンホール列が分布する範囲は、評価される顕微鏡光学系の視野より広いことが望ましい。なお、ピンホール列の格子配列は、図２に示すピンホール列の格子配列のみならず、２次元に周期性のあるものであれば他の配列であっても構わない。 Sample 4 is a pinhole array sample as shown in FIG. Pinholes 22 are formed in a lattice pattern at equal intervals in the opaque metal film 21 deposited on the glass substrate. All the pinholes have the same diameter, which is smaller than the diffraction limit of the objective lens 7, that is, equal to or less than the resolution of the optical system to be evaluated. Thereby, in addition to the operation of the light intensity uniformizing unit 3 described above, light whose intensity angle distribution is substantially uniform in a range wider than the angular aperture of the objective lens 7 is emitted from each pinhole 22. The range in which the pinhole array is distributed is desirably wider than the field of view of the microscope optical system to be evaluated. Note that the lattice arrangement of the pinhole array is not limited to the lattice arrangement of the pinhole array shown in FIG. 2 and may be any other array as long as it has a two-dimensional periodicity.
試料４は、対物レンズ７を含む顕微鏡光学系の光軸方向に移動するZ軸ステージ５に載置されている。なお、顕微鏡光学系の光軸をZ軸とする。Z軸ステージ５は、変位量をモニターする静電容量センサを内蔵したピエゾステージであり、外部からの制御信号により任意のZ軸位置に試料４を移動することができる。また、XYステージ６は、Z軸ステージ５及び試料４を顕微鏡光学系の光軸に対して垂直な方向へ移動する手動のステージである。 The sample 4 is placed on a Z-axis stage 5 that moves in the optical axis direction of a microscope optical system including the objective lens 7. The optical axis of the microscope optical system is the Z axis. The Z-axis stage 5 is a piezo stage with a built-in electrostatic capacity sensor that monitors the amount of displacement, and can move the sample 4 to an arbitrary Z-axis position by an external control signal. The XY stage 6 is a manual stage that moves the Z-axis stage 5 and the sample 4 in a direction perpendicular to the optical axis of the microscope optical system.
評価される顕微鏡光学系は、対物レンズ７と結像レンズ９よりなり、試料４の像を撮像素子１０の撮像面に結像する。撮像素子１０は、顕微鏡光学系の結像範囲より大きい、あるいは大部分を撮像できるような撮像面積をもつ２次元のCCDである。これらの素子は鏡筒１１に取り付けられている。なお、対物レンズ７は鏡筒１１に対して、回転部８を介して取り付けられている。回転部８は、光軸を回転軸として対物レンズ７を任意の角度に回転および固定できる。鏡筒１１は、それを上下に移動する上下移動ステージ１２を介して、鏡基１３に取り付けられている。 The microscope optical system to be evaluated includes the objective lens 7 and the imaging lens 9, and forms an image of the sample 4 on the imaging surface of the imaging element 10. The imaging device 10 is a two-dimensional CCD having an imaging area larger than the imaging range of the microscope optical system or having an imaging area that can capture most of the imaging range. These elements are attached to the lens barrel 11. The objective lens 7 is attached to the lens barrel 11 via the rotating unit 8. The rotating unit 8 can rotate and fix the objective lens 7 at an arbitrary angle with the optical axis as a rotation axis. The lens barrel 11 is attached to a mirror base 13 via a vertical movement stage 12 that moves the lens barrel up and down.
光源１、Z軸ステージ５、及び撮像素子１０は、コンピュータ１４に接続されている。コンピュータ１４は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、及び後述する制御プログラム１５等が記録されているＲＯＭ１６を備えており、ＣＰＵがＲＯＭ１６に記録されている制御プログラム１５を実行することにより、接続されているユニットを制御して、試料４の像を撮像し、収差の評価値を算出する。また、コンピュータ１４は、その他、画像ファイル等が記録される記録媒体１７、入力部、及び表示部なども備えている。 The light source 1, the Z-axis stage 5, and the image sensor 10 are connected to a computer 14. The computer 14 includes a CPU 16, a RAM 16, and a ROM 16 in which a control program 15, which will be described later, is recorded, and a unit connected by the CPU executing the control program 15 recorded in the ROM 16. Are controlled, an image of the sample 4 is taken, and an evaluation value of aberration is calculated. The computer 14 also includes a recording medium 17 on which image files and the like are recorded, an input unit, a display unit, and the like.
次に、上述した構成からなるレンズ評価装置の動作を説明する。
操作者は評価する対物レンズ７を回転部８に取り付け、その対物レンズ７に適したピンホール径の試料４をZ軸ステージ５に取り付ける。次に、撮像素子１０の画像をコンピュータ１４の表示部の画面でモニターしながら、XYステージ６による試料４の位置決めと、上下移動ステージ１２あるいはZ軸ステージ５による合焦を行う。なお、ここでの合焦は手動に限らず、例えば自動合焦ユニットをレンズ評価装置に設けて自動により行うようにしてもよい。
Next, the operation of the lens evaluation apparatus configured as described above will be described.
The operator attaches the objective lens 7 to be evaluated to the rotating unit 8 and attaches the sample 4 having a pinhole diameter suitable for the objective lens 7 to the Z-axis stage 5. Next, positioning of the sample 4 by the XY stage 6 and focusing by the vertical movement stage 12 or the Z-axis stage 5 are performed while monitoring the image of the image sensor 10 on the screen of the display unit of the computer 14. The focusing here is not limited to manual operation, but an automatic focusing unit may be provided in the lens evaluation device and performed automatically.
そして、このようにして合焦が行われた後、コンピュータ１４内部のＣＰＵによる撮像プログラムの実行を開始する。なお、撮像プログラムは、コンピュータ１４内部のＲＯＭ１６に記録されている制御プログラム１５の一部であり、自動的に複数の波長の積層画像を撮像するための制御を行うプログラムである。この撮像プログラムによる手順を図３を参照しながら説明する。なお、複数の波長とは、色収差を評価するときの基準となる基準波長と、評価される複数の評価波長とのことである。 Then, after focusing is performed in this way, execution of the imaging program by the CPU inside the computer 14 is started. The imaging program is a part of the control program 15 recorded in the ROM 16 inside the computer 14, and is a program that performs control for automatically capturing a laminated image of a plurality of wavelengths. The procedure by this imaging program will be described with reference to FIG. The plurality of wavelengths are a reference wavelength that serves as a reference when evaluating chromatic aberration and a plurality of evaluation wavelengths to be evaluated.
図３において、まずＳ１では、Z軸ステージ５を合焦位置（前記の合焦後の位置）から撮像範囲の下端に移動する。Z方向の撮像範囲は、評価される対物レンズ７の像面湾曲や縦方向の色収差の範囲を含むように、焦点深度の数倍程度に設定しておくのが望ましい。 In FIG. 3, first, in S <b> 1, the Z-axis stage 5 is moved from the focus position (position after the focus) to the lower end of the imaging range. It is desirable to set the imaging range in the Z direction to be several times the depth of focus so as to include the field curvature of the objective lens 7 to be evaluated and the range of longitudinal chromatic aberration.
Ｓ２では、光源１内部の波長選択手段の干渉フィルタを切り換えて、照明光を、複数の波長の中で未だ現在のZ軸ステージ位置での当該Ｓ２及び後述のＳ３を行っていない１つの波長へ切り換える。そして光源１内部のＮＤフィルタ（光量調整手段）により、適切な光量に切り換える。この光量は、複数の波長による積層画像の輝度が同じレベルに揃うように予め設定した値である。 In S2, the interference filter of the wavelength selection means in the light source 1 is switched to change the illumination light to one wavelength among the plurality of wavelengths that has not yet been subjected to S2 at the current Z-axis stage position and S3 described later. Switch. Then, the light amount is switched to an appropriate light amount by an ND filter (light amount adjusting means) inside the light source 1. This amount of light is a value set in advance so that the luminance of the laminated image with a plurality of wavelengths is at the same level.
Ｓ３では、撮像素子１０で試料４の画像を撮像し、コンピュータ１４に画像ファイルとして転送する。なお、転送された画像ファイルは、コンピュータ１４内部の記録媒体１７に記録される。 In S <b> 3, the image of the sample 4 is captured by the image sensor 10 and transferred to the computer 14 as an image file. The transferred image file is recorded on the recording medium 17 inside the computer 14.
Ｓ４では、現在のZ軸ステージ位置において複数の波長の全てに対して上記のＳ２乃至Ｓ３を行ったか否か（波長本数に達したか否か）を判定する。ここで、その判定結果がＹＥＳの場合にはＳ５へ進み、ＮＯの場合にはＳ２へ戻る。このように、Ｓ４がＹＥＳになるまでＳ２乃至Ｓ３が繰り返されることにより、現在のＺ軸ステージ位置における複数の波長のそれぞれについての画像ファイルがコンピュータ１４に転送、記録される。 In S4, it is determined whether or not the above S2 to S3 have been performed for all of the plurality of wavelengths at the current Z-axis stage position (whether the number of wavelengths has been reached). Here, if the determination result is YES, the process proceeds to S5, and if NO, the process returns to S2. As described above, S2 to S3 are repeated until S4 becomes YES, whereby the image files for each of the plurality of wavelengths at the current Z-axis stage position are transferred and recorded in the computer 14.
Ｓ５では、コンピュータ１４に転送、記録された各波長の画像ファイル数が、Z方向の撮像範囲をカバーする積層枚数に達したか否かを判定する。ここで、その判定結果がＹＥＳの場合には撮像プログラムによる撮像を終了し、ＮＯの場合にはＳ６へ進む。 In S5, it is determined whether or not the number of image files of each wavelength transferred and recorded to the computer 14 has reached the number of stacked layers covering the imaging range in the Z direction. Here, when the determination result is YES, the imaging by the imaging program is terminated, and when the determination result is NO, the process proceeds to S6.
Ｓ６では、Z軸ステージ５を上へ１ステップ移動する。この移動量は、評価される対物レンズ７の焦点深度の１／５〜１／１０程度が望ましい。Ｓ６の後は、Ｓ２へ戻る。
このように、Ｓ５がＹＥＳになるまでＳ２乃至Ｓ４及びＳ６が繰り返されることにより、Z方向の撮像範囲をカバーする積層枚数分の波長毎の画像ファイルが、コンピュータ１４内部の記録媒体１７に記録される。
In S6, the Z-axis stage 5 is moved upward by one step. This amount of movement is preferably about 1/5 to 1/10 of the focal depth of the objective lens 7 to be evaluated. After S6, the process returns to S2.
As described above, S2 to S4 and S6 are repeated until S5 becomes YES, whereby image files for each wavelength corresponding to the number of stacked layers covering the imaging range in the Z direction are recorded on the recording medium 17 inside the computer 14. The
この手順では、Z軸ステージ５を上へ１ステップ移動してから複数の波長を切り換え各々の画像を撮像するということを繰り返すことによって、複数の波長の積層画像を同時進行で撮像している。このようにすると、環境温度の変化などに起因して撮像時間内に進行する試料位置のドリフトが各波長でほぼ共通になる。これは、後述する収差の算出において、誤差を小さくする効果がある。 In this procedure, the Z-axis stage 5 is moved up one step, and then a plurality of wavelengths are switched, and each image is captured, whereby a laminated image of a plurality of wavelengths is captured simultaneously. In this way, the drift of the sample position that progresses within the imaging time due to a change in environmental temperature or the like is substantially common at each wavelength. This has the effect of reducing errors in the calculation of aberrations described later.
次に、コンピュータ１４内部のＣＰＵによる解析プログラムの実行を開始する。なお、解析プログラムは、コンピュータ１４内部のＲＯＭ１６に記録されている制御プログラム１５の一部であり、撮像された積層画像の画像ファイルから、自動的に対物レンズ７を含む顕微鏡光学系の横倍率、歪曲収差、像面湾曲および色収差を算出するための制御を行うプログラムである。この解析プログラムによる手順を図４を参照しながら説明する。 Next, execution of the analysis program by the CPU inside the computer 14 is started. The analysis program is a part of the control program 15 recorded in the ROM 16 inside the computer 14, and automatically obtains the lateral magnification of the microscope optical system including the objective lens 7 from the imaged image file of the laminated image, This program performs control for calculating distortion, curvature of field, and chromatic aberration. The procedure by this analysis program will be described with reference to FIG.
同図において、まずＳ１１では、上記の図３に示した手順によりコンピュータ１４内部の記録媒体１７に記録された画像ファイルから、複数の波長の中で未だ当該Ｓ１１及び後述するＳ１２乃至Ｓ１３を行っていない１つの波長の積層画像を読み出し、メモリ（コンピュータ１４内部のＲＡＭ）に格納する。 In the figure, first, in S11, S11 and S12 to S13 described later are still performed in a plurality of wavelengths from the image file recorded on the recording medium 17 in the computer 14 by the procedure shown in FIG. A laminated image of one wavelength that is not present is read and stored in a memory (a RAM inside the computer 14).
Ｓ１２では、その１つの波長の積層画像の撮像範囲内にある未だ当該Ｓ１２を行っていない１つのピンホール像から像位置を求める。像位置とは、像点の位置であってピンホールの空中像の最大強度位置のことである。しかし、撮像のサンプリング間隔(撮像素子１０の画素間隔とZ軸ステージ５の１ステップ移動量)は、ピンホール空中像の大きさの１／５〜１／１０程度なので、単純に最大輝度の画素位置を探索しただけでは像位置を高精度に求めることができない。そこで、このＳ１２では図５に示す手順で像位置を算出している。ここで、図５及び図６を参照しながら、その手順について更に詳しく説明する。 In S12, the image position is obtained from one pinhole image that has not yet been subjected to S12 in the imaging range of the laminated image of the one wavelength. The image position is the position of the image point and the maximum intensity position of the aerial image of the pinhole. However, since the imaging sampling interval (the pixel interval of the image sensor 10 and the amount of one-step movement of the Z-axis stage 5) is about 1/5 to 1/10 of the size of the pinhole aerial image, the pixel with the maximum brightness is simply used. The image position cannot be obtained with high accuracy only by searching the position. Therefore, in S12, the image position is calculated according to the procedure shown in FIG. Here, the procedure will be described in more detail with reference to FIGS.
図５において、まずＳ２１では、サンプリングされたピンホール空中像に強度分布モデルをフィットする範囲を設定する。なお、フィットするとは当てはめるという意味である。ピンホール空中像は、その最大強度位置から離れるにつれて強度が徐々に低下する。最大強度付近では、その変化が単調減少で滑らかなので、単純な強度分布モデルをフィットしやすい。そこで、縦方向(Z軸方向)は、対物レンズ７の焦点深度をフィット範囲とする。横方向(X，Y軸方向)は、エアリーディスクの１／２の半径内をフィット範囲とする。これらの値は、評価される対物レンズ７の開口数NAと照明光の波長λから、それぞれλ/NA2、0.3λ/NAと求められる。初めに、サンプリングされたピンホール空中像から最大輝度の画素を探索し、その画素位置を中心として上記の(円筒形になる)フィット範囲内に含まれるサンプリング点を、以下に述べるフィットの対象とする。なお、フィット範囲を上記の値から増減して微調整してもよい。 In FIG. 5, first, in S21, a range in which the intensity distribution model is fitted to the sampled pinhole aerial image is set. Note that “fit” means to apply. The intensity of the pinhole aerial image gradually decreases with distance from the maximum intensity position. Near the maximum intensity, the change is monotonically decreasing and smooth, so it is easy to fit a simple intensity distribution model. Therefore, in the vertical direction (Z-axis direction), the focal depth of the objective lens 7 is set as the fit range. In the horizontal direction (X and Y axis directions), the fitting range is within a radius of 1/2 of the Airy disk. These values are obtained as λ / NA 2 and 0.3λ / NA from the numerical aperture NA of the objective lens 7 to be evaluated and the wavelength λ of the illumination light, respectively. First, a pixel with the maximum luminance is searched from the sampled pinhole aerial image, and the sampling points included in the above-mentioned (cylindrical) fitting range with the pixel position as the center are set as the objects of fitting described below. To do. The fit range may be finely adjusted by increasing / decreasing the above value.
Ｓ２２では、縦方向のフィット範囲に含まれる枚葉画像の中で未だ当該Ｓ２２を行っていない１つの枚葉画像の最大強度Iとその位置(xc,yc)を求める。ここで、これらの求め方を図６を参照しながら説明する。同図は、１つのピンホール空中像の積層画像を示している。この積層画像２６では、Z軸位置ごとに、ピンホール空中像の横断面２７が、各枚葉画像２８にサンプリングされている。このうち、１つの枚葉画像２８の上記フィット範囲内のサンプリング点に、横断面２７の強度分布モデルI(x,y)を最小２乗法でフィットする。本実施例では、最大強度位置付近の強度分布にフィットしやすい強度分布モデルとして、回転対称の２次元ガウシアン分布（式（１））を採用する。 In S22, the maximum intensity I and the position (x c , y c ) of one sheet image not yet subjected to S22 among the sheet images included in the vertical fit range are obtained. Here, how to obtain these will be described with reference to FIG. This figure shows a stacked image of one pinhole aerial image. In this laminated image 26, a cross section 27 of the pinhole aerial image is sampled in each sheet image 28 for each Z-axis position. Among these, the intensity distribution model I (x, y) of the cross section 27 is fitted to the sampling points within the above-mentioned fitting range of one single wafer image 28 by the least square method. In the present embodiment, a rotationally symmetric two-dimensional Gaussian distribution (formula (1)) is adopted as an intensity distribution model that easily fits an intensity distribution near the maximum intensity position.
そして、フィットされた強度分布モデルI(x,y)から、１つの枚葉画像２８内の最大強度Iとその位置(xc,yc)を求める。なお、ここで求められた最大強度Iとその位置(xc,yc)は、フィットされた強度分布モデルI(x,y)の最大値と当該最大値の平面内座標でもある。このようにして求めることにより、１つの枚葉画像内の最大強度Iとその位置(xc,yc)を、元のX,Y方向のサンプリング間隔より高い精度で得ることができる。なお、元のX,Y方向のサンプリング間隔とは、例えば撮像素子１０の画素間隔と評価される光学系の横倍率とによって決まる物体側のサンプリング間隔である。 Then, the maximum intensity I and the position (x c , y c ) in one single wafer image 28 are obtained from the fitted intensity distribution model I (x, y). The maximum intensity I obtained here and its position (x c , y c ) are also the maximum value of the fitted intensity distribution model I (x, y) and the in-plane coordinates of the maximum value. By obtaining in this way, the maximum intensity I and its position (x c , y c ) in one single wafer image can be obtained with higher accuracy than the original sampling interval in the X and Y directions. The original sampling interval in the X and Y directions is the sampling interval on the object side determined by, for example, the pixel interval of the image sensor 10 and the lateral magnification of the optical system to be evaluated.
なお、Ｓ２２では、１つの枚葉画像のフィット範囲内のサンプリング点に強度分布モデルI(x,y)をフィットして最大強度Iとその位置(xc,yc)を求めているが、これを、１つの枚葉画像のフィット範囲内のサンプリング点から最大輝度値の画素を探索してその輝度値と位置を求めるように置換することも可能である。この場合、前者に比べて算出される像位置の精度は低下するものの、撮像視野内のピンホール数が十分に多ければ、後述する収差モデル関数のフィットにより、個々の像位置の誤差が相殺された、収差の表式を求めることができる。 In S22, the maximum intensity I and its position (x c , y c ) are obtained by fitting the intensity distribution model I (x, y) to the sampling points within the fit range of one single wafer image. It is also possible to replace this by searching for a pixel having the maximum luminance value from a sampling point within the fit range of one single-wafer image and obtaining the luminance value and position. In this case, the accuracy of the calculated image position is lower than that of the former, but if the number of pinholes in the imaging field is sufficiently large, the error of the individual image position is canceled by fitting the aberration model function described later. In addition, an aberration expression can be obtained.
Ｓ２３では、縦方向のフィット範囲に含まれる枚葉画像の全てに対して上記Ｓ２２を行ったか否か（フィット枚数に達したか否か）を判定する。ここで、その判定結果がＹＥＳの場合にはＳ２４へ進み、ＮＯの場合にはＳ２２へ戻る。このように、Ｓ２３がＹＥＳになるまでＳ２２が繰り返されることにより、縦方向のフィット範囲に含まれる枚葉画像のそれぞれについての最大強度Iとその位置(xc,yc)が求められる。図６において、各枚葉画像２８の位置２９は、求められた各枚葉画像の最大強度位置(xc,yc)を示している。ここで、ピンホール空中像の最大強度位置は、各枚葉画像２８の最大強度位置２９を結ぶ直線上にある。 In S23, it is determined whether or not S22 has been performed on all the sheet images included in the vertical fit range (whether or not the number of fits has been reached). If the determination result is YES, the process proceeds to S24. If the determination result is NO, the process returns to S22. As described above, S22 is repeated until S23 becomes YES, whereby the maximum intensity I and the position (x c , y c ) are obtained for each of the sheet images included in the vertical fit range. In FIG. 6, a position 29 of each single-wafer image 28 indicates the maximum intensity position (x c , y c ) of each single-sheet image obtained. Here, the maximum intensity position of the pinhole aerial image is on a straight line connecting the maximum intensity positions 29 of the individual sheet images 28.
そこで、Ｓ２４では、Z座標の関数としての各枚葉画像の最大強度位置xc(z),yc(z)に、それぞれ直線モデル（式（２）、（３））を最小２乗法でフィットして、これらの直線を求める。 Therefore, in S24, linear models (Equations (2) and (3)) are respectively applied to the maximum intensity positions x c (z) and y c (z) of each single wafer image as a function of the Z coordinate by the least square method. Fit and find these straight lines.
多くの場合、ドリフト量は撮像時間にほぼ比例する変化なので、フィットするモデルは直線モデル（一次曲線モデル）で十分である。撮像時間が長く、ドリフト量が複雑に変化する場合は、ｎ次曲線モデルなどを選択してもよい。 In many cases, since the amount of drift is a change that is substantially proportional to the imaging time, a linear model (linear curve model) is sufficient as a model to be fitted. When the imaging time is long and the drift amount changes in a complicated manner, an n-order curve model or the like may be selected.
Ｓ２５では、Z座標の関数としての各枚葉画像の最大強度I(z)に、ｎ次曲線モデルを最小２乗法でフィットする。ｎ＝２では球面収差などによるI(z)の非対称にフィットできないので、ｎ＝４〜６程度が好ましい。 In S25, the nth-order curve model is fitted by the least square method to the maximum intensity I (z) of each single wafer image as a function of the Z coordinate. Since n = 2 cannot fit to the asymmetry of I (z) due to spherical aberration or the like, n = 4 to 6 is preferable.
Ｓ２６では、Z座標の関数としての各枚葉画像の最大強度I(z)にフィットされたｎ次曲線モデルのピーク位置を求める。これがピンホール空中像の最大強度位置のZ座標になる。次に、そのZ座標を、Ｓ２４で求めた直線モデルxc(z),yc(z)に代入して、最大強度位置のX,Y座標を求める。このようにして求めた像位置を、用途に応じて、物体側あるいは像側の実座標に変換する。物体側の実座標に変換するには、Z方向のサンプリング間隔をZ軸ステージ５のステップ移動間隔(μm単位)に変換する。X,Y方向のサンプリング間隔は、撮像素子１０の画素間隔(μm単位)を評価される光学系の横倍率で除算した値に変換する。 In S26, the peak position of the nth order curve model fitted to the maximum intensity I (z) of each single wafer image as a function of the Z coordinate is obtained. This is the Z coordinate of the maximum intensity position of the pinhole aerial image. Next, the Z coordinate is substituted into the linear model x c (z), y c (z) obtained in S24, and the X, Y coordinate of the maximum intensity position is obtained. The image position obtained in this way is converted into real coordinates on the object side or image side according to the application. In order to convert to the real coordinates on the object side, the sampling interval in the Z direction is converted into a step movement interval (μm unit) of the Z-axis stage 5. The sampling interval in the X and Y directions is converted into a value obtained by dividing the pixel interval (unit: μm) of the image sensor 10 by the lateral magnification of the optical system to be evaluated.
この横倍率は、通常、評価される光学系の設計上の値で十分である。(正確な横倍率の算出方法についてはＳ１７に後述する。) 像側の実座標への変換も同様である。これで、１つの像位置の算出が終了する。 As the lateral magnification, a design value of the optical system to be evaluated is usually sufficient. (An accurate lateral magnification calculation method will be described later in S17.) The conversion to the actual coordinates on the image side is the same. This completes the calculation of one image position.
以上の図５に示した手順により、元のサンプリング間隔より高い精度で１つの像位置のX,Y,Z座標が得られる。なお、それ以外に、３次元の強度分布モデルを直接フィットするような方法もあるが、ドリフトなどによるピンホール空中像の複雑な変形に追随するのが困難になる。図５に示した像位置の算出手順では、比較的簡単な強度分布モデルの組合せによって、それらの複雑な変形を吸収できる利点がある。 With the procedure shown in FIG. 5, the X, Y, and Z coordinates of one image position can be obtained with higher accuracy than the original sampling interval. In addition, there is a method of directly fitting a three-dimensional intensity distribution model, but it is difficult to follow complicated deformation of the pinhole aerial image due to drift or the like. The image position calculation procedure shown in FIG. 5 has an advantage that these complicated deformations can be absorbed by a combination of relatively simple intensity distribution models.
図４に戻り、Ｓ１３では、１つの波長の積層画像の撮像範囲内にある全てのピンホール像に対しＳ１２を行ったか否か（ピンホール数に達したか否か）を判定し、その判定結果がＹＥＳの場合にはＳ１４へ進み、ＮＯの場合にはＳ１２へ戻る。このように、Ｓ１３がＹＥＳになるまでＳ１２が繰り返されることにより、１つの波長の積層画像の撮像範囲内にある全てのピンホール像から全ての像位置が求められる。 Returning to FIG. 4, in S <b> 13, it is determined whether or not S <b> 12 has been performed on all pinhole images within the imaging range of the laminated image of one wavelength (whether or not the number of pinholes has been reached). If the result is YES, the process proceeds to S14, and if the result is NO, the process returns to S12. As described above, by repeating S12 until S13 becomes YES, all image positions are obtained from all pinhole images within the imaging range of the laminated image of one wavelength.
Ｓ１４では、複数の波長の全てに対しＳ１１乃至Ｓ１３を行ったか否か（波長本数に達したか否か）を判定する。ここで、その判定結果がＹＥＳの場合にはＳ１５へ進み、ＮＯの場合にはＳ１１へ戻る。このように、Ｓ１４がＹＥＳになるまでＳ１１乃至Ｓ１３が繰り返されることによって、複数の波長の積層画像のそれぞれについての撮像範囲内の全ての像位置が求められる。すなわち、各波長の像位置の分布が求められる。 In S14, it is determined whether or not S11 to S13 have been performed for all of the plurality of wavelengths (whether the number of wavelengths has been reached). If the determination result is YES, the process proceeds to S15. If the determination result is NO, the process returns to S11. As described above, S11 to S13 are repeated until S14 becomes YES, whereby all image positions within the imaging range for each of the laminated images having a plurality of wavelengths are obtained. That is, the distribution of image positions for each wavelength is obtained.
Ｓ１５では、すべての波長のＳ２４（図５参照）でフィットした直線モデル（式（２）、（３））の傾きax, ayの平均値
In S15, the average values of the slopes a x and a y of the linear model (equations (2) and (3)) fitted in S24 (see FIG. 5) of all wavelengths.
を求める。ここで、全てのピンホール像に共通する傾きはドリフトによる成分である。Ｓ１２で求めた像位置が合焦面（z=0）から離れるほど、ドリフトによって像位置のX,Y座標の誤差が大きくなっている。そこで、各波長の各像位置のX,Y座標から、当該像位置のZ座標とすべての波長の傾きの平均の積
Ask for. Here, the inclination common to all pinhole images is a component due to drift. As the image position obtained in S12 is farther from the focal plane (z = 0), the error in the X and Y coordinates of the image position increases due to drift. Therefore, from the X and Y coordinates of each image position of each wavelength, the product of the Z coordinate of that image position and the average of the slopes of all wavelengths.
をそれぞれ差し引いて、ドリフトによる誤差（ドリフト成分）を除去する。なお、上記の図３に示した撮像手順において、複数の波長の積層画像を同時進行で撮像しているので、このドリフト成分除去が効果的に作用する。 Are subtracted to remove errors due to drift (drift components). In addition, in the imaging procedure shown in FIG. 3 above, since the laminated images of a plurality of wavelengths are taken simultaneously, this drift component removal works effectively.
Ｓ１６では、物点位置、即ちピンホール列標本の各ピンホールの位置を求める。これは特に横倍率と歪曲収差を評価するために必要になる。評価される光学系がカメラレンズのような縮小系の場合、標本の物点の間隔が大きいので、実測によって十分な測定精度が得られる。しかし、顕微鏡光学系のような拡大光学系を評価するとき、物点位置のX,Y座標を実測で高精度に求めるのは困難である。ピンホール列標本のピンホール間隔は、フォトリソグラフィなどの製造技術によって高い精度が得られる。それを評価される光学系の物体側に設置したときの設置位置を算出する方法を図１０と図１を参照して説明する。 In S16, the object point position, that is, the position of each pinhole of the pinhole array sample is obtained. This is particularly necessary for evaluating lateral magnification and distortion. When the optical system to be evaluated is a reduction system such as a camera lens, since the interval between the object points of the specimen is large, sufficient measurement accuracy can be obtained by actual measurement. However, when evaluating an enlarged optical system such as a microscope optical system, it is difficult to obtain the X and Y coordinates of the object point position with high accuracy by actual measurement. The pinhole interval of the pinhole array specimen can be obtained with high accuracy by a manufacturing technique such as photolithography. A method of calculating the installation position when it is installed on the object side of the optical system to be evaluated will be described with reference to FIGS.
図１０は格子間隔ax,ayの長方格子に配列したピンホール列標本６１(試料４)と物体側座標の位置関係を示している。座標の原点は光学系の光軸であり、X,Y軸はそれぞれ撮像素子１０の横,縦方向である。初めに試料４をZ軸ステージ５に固定する。このときピンホールの配列方向が撮像素子１０の横,縦方向となす角度をθpとする。次に、座標原点に近い１つのピンホールを指数(0,0)とし、図１０のように各ピンホールの指数(p,q)を決める。指数(0,0)のピンホールの位置を(xp,yp)とする。指数(p,q)のピンホールの物点位置(x,y)は、角度θpの回転と平行移動(xp,yp)により式（４）で表される。 FIG. 10 shows the positional relationship between the pinhole array sample 61 (sample 4) arranged in a rectangular lattice with lattice intervals a x and a y and object side coordinates. The origin of the coordinates is the optical axis of the optical system, and the X and Y axes are the horizontal and vertical directions of the image sensor 10, respectively. First, the sample 4 is fixed to the Z-axis stage 5. At this time, an angle between the arrangement direction of the pinholes and the horizontal and vertical directions of the image sensor 10 is defined as θ p . Next, one pinhole close to the coordinate origin is set as an index (0,0), and the index (p, q) of each pinhole is determined as shown in FIG. Let the position of the pinhole with the exponent (0,0) be (x p , y p ). The object point position (x, y) of the pinhole with the index (p, q) is expressed by the equation (4) by the rotation of the angle θ p and the translation (x p , y p ).
格子間隔ax,ayの誤差が無視できる場合、θpと(xp,yp)が決まると、物点位置が決まる。
物体側の座標原点が基準波長で結像する位置を像側の座標原点と定義する。さらに、顕微鏡光学系の歪曲収差は一般に極めて小さいので無視すると、基準波長における各ピンホールの像位置(X,Y)は式（５）になる。
When the errors of the lattice spacings a x and a y can be ignored, the object point position is determined when θ p and (x p , y p ) are determined.
The position where the object-side coordinate origin is imaged at the reference wavelength is defined as the image-side coordinate origin. Further, since the distortion aberration of the microscope optical system is generally very small, if ignored, the image position (X, Y) of each pinhole at the reference wavelength is expressed by equation (5).
は測定領域内の横倍率の平均値である。 Is the average value of the lateral magnification in the measurement region.
そこで、Ｓ１１〜Ｓ１４で求めた基準波長の像位置(X,Y)に、指数と格子間隔の積(axp,ayq)を独立変数とした式（６）の平面をそれぞれ最小２乗法でフィットする。 Therefore, at least 2 planes of the formula (6) having the product of the exponent and the lattice spacing (a x p, a y q) as the independent variables are set to the image position (X, Y) of the reference wavelength obtained in S11 to S14, respectively. Fit by multiplication.
ここから得られたパラメータＡ〜Ｆは式（５）と次の関係にある。 The parameters A to F obtained here are in the following relationship with the equation (5).
これより、(xp,yp), θpおよび
From this, (x p , y p ), θ p and
が式（８）のように得られる。θpと
Is obtained as shown in Equation (8). θ p and
は２つの平面から得られた値の平均をとる。 Takes the average of the values obtained from the two planes.
以上のようにして求めた(xp,yp), θpを式（４）に代入して、各ピンホールの物点位置の座標を求める。指数(p,q)を独立変数として計算しても同じ結果が得られる。
なお、長方格子以外の任意の格子型に対しても、同様に物点位置を決めることができる。θpと(xp,yp)がゼロのときの物点位置(x0,y0)が式（９）で表されるピンホール列標本の場合、
By substituting (x p , y p ) and θ p obtained as described above into the equation (4), the coordinates of the object point position of each pinhole are obtained. The same result can be obtained by calculating the exponent (p, q) as an independent variable.
The object point position can be determined in the same manner for any lattice type other than the rectangular lattice. When the object point position (x 0 , y 0 ) when θ p and (x p , y p ) are zero is a pinhole array sample represented by equation (9),
ただし、a1, a2：２次元格子の基本並進ベクトル
指数(p,q)を独立変数とした式（１０）の平面を基準波長の像位置(X,Y)にそれぞれ最小２乗法でフィットする。
However, a 1 , a 2 : Fit the plane of Equation (10) with the basic translation vector index (p, q) of the two-dimensional lattice as the independent variable to the image position (X, Y) of the reference wavelength by the least square method. To do.
このパラメータＡ〜Ｆより、(xp,yp), θpおよびが式（１１）のように得られる。 From these parameters A to F, (x p , y p ), θ p and the equation (11) are obtained.
従って、ピンホール列標本の配列が２次元周期格子であれば、格子型に関わらず物点位置を求めることができる。
Ｓ１７では、横倍率と歪曲収差係数を含む横方向の結像式を求める。評価される光学系が高度に収差補正されているとき、高次の歪曲収差を無視してもよい。最低次(３次)の歪曲収差による像位置の移動量は「歪曲の中心」からの距離の３乗に比例し、その方向は歪曲の中心と物点の位置を結ぶ直線上にある。従って、横方向の結像式、即ち物点と像点の位置ｒ,Ｒの関係式は式（１２）で表される。
Therefore, if the arrangement of the pinhole array samples is a two-dimensional periodic lattice, the position of the object point can be obtained regardless of the lattice type.
In S17, a lateral imaging formula including the lateral magnification and the distortion coefficient is obtained. When the evaluated optical system is highly aberration corrected, higher order distortions may be ignored. The amount of movement of the image position due to the lowest order (third order) distortion is proportional to the cube of the distance from the “center of distortion”, and the direction thereof is on a straight line connecting the center of the distortion and the position of the object point. Accordingly, the image forming formula in the horizontal direction, that is, the relational expression between the object point and the position r, R of the image point is expressed by formula (12).
β0：「歪曲の中心」のおける横倍率、Ａ3：３次の歪曲収差係数。
そこで、Ｓ１１〜Ｓ１５で求めた像位置(X,Y)と実測あるいはＳ１６で求めた物点位置(x,y)より、式（１２）のβ0,Ｒs,Ａ3,ｒcを以下のように求める。
β 0 : lateral magnification at “center of distortion”, A 3 : third-order distortion coefficient.
Therefore, β 0 , R s , A 3 , and rc in the equation (12) are calculated from the image position (X, Y) obtained in S11 to S15 and the actual object position (x, y) obtained in S16. Seek like.
測定されたＮ個のピンホールのうち、i番めのピンホールの物点位置riを式（１２）の結像式に代入して求めた像位置をＲ'iとする。一方、i番めのピンホールから測定で求めた像位置をＲiをとする。対応するすべてのＲ'iとＲiの距離の２乗和が最小になったとき、式（１２）の結像式が実際の像位置にフィットしたことになる。そこで、式（１３）の評価関数Ｓが最小になるようにパラメータβ0,Ｒs,Ａ3,ｒcを最適化する。 Of the N pinholes measured, the image position obtained by substituting the object point position r i of the i-th pinhole into the imaging formula of Expression (12) is R ′ i . On the other hand, let R i be the image position obtained by measurement from the i-th pinhole. When the sum of the squares of the distances of all corresponding R ′ i and R i is minimized, the imaging formula of Expression (12) is fitted to the actual image position. Therefore, to optimize the evaluation parameter beta 0 as function S is minimized, R s, A 3, r c of the formula (13).
最適化は「最急降下法」などの、非線形モデルに対する一般的な繰り返し最適化のアルゴリズムで実施する。(参考文献：W. H. Press, 他 (丹慶,他・訳) 「ニューメリカルレシピ・イン・シー 〜Ｃ言語による数値計算のレシピ〜 日本語版」(技術評論社, 1993)) このようにして求められた横方向の結像式から、任意の物点位置(x,y)に対応する像位置(X,Y)の測定値を取得することができる。 The optimization is performed by a general iterative optimization algorithm for a non-linear model such as “steepest descent method”. (Reference: WH Press, et al. (Tankei, et al., Translation) “Numeric Recipe in Sea: Recipe for Numerical Computation in C Language-Japanese Version” (Technical Critics, 1993)) The measured value of the image position (X, Y) corresponding to the arbitrary object point position (x, y) can be acquired from the obtained horizontal imaging formula.
なお、評価される光学系の歪曲収差が大きく、Ｓ１６のように物点位置を求めることができないときは、式（４）を式（１３）に代入する。そして、パラメータβ0,Ｒs,Ａ3,ｒcと同時にθpと(xp,yp)を上記の繰り返し最適化で求めるようにすればよい。 When the distortion aberration of the optical system to be evaluated is large and the object point position cannot be obtained as in S16, Equation (4) is substituted into Equation (13). The parameter β 0, R s, A 3 , r c simultaneously theta p and (x p, y p) of it is sufficient to determine a repetition optimization described above.
また、シフト量 Rs と歪曲の中心rcが無視できるほど小さいことが予めわかっている場合、次のような方法でβ0,Ａ3を求めてもよい。横方向の結像式(式（１２）)を式（１４）のように変形する。 If it is known in advance that the shift amount R s and the distortion center r c are negligibly small, β 0 and A 3 may be obtained by the following method. The horizontal imaging formula (formula (12)) is transformed into formula (14).
物点と像点の高さの比(左辺)に２次曲面(右辺)を最小２乗法でフィットすれば、β0とＡ3が得られる。
さらに、歪曲収差が無視できるほど小さいことが予めわかっている場合、式（１５）の近軸結像式のパラメータ
If a quadratic surface (right side) is fitted to the ratio of the height of the object point to the image point (left side) by the least square method, β 0 and A 3 are obtained.
Further, when it is known in advance that the distortion is small enough to be ignored, the parameter of the paraxial imaging formula of Expression (15) is used.
を求めれば十分である。 Is sufficient.
対応する物点と像点のx座標(xi, Xi)とy座標(yi, Yi )の組に式（１６）の直線、 The straight line of equation (16) is set to the set of the x coordinate (x i , X i ) and y coordinate (y i , Y i ) of the corresponding object point and image point,
をそれぞれ最小２乗法でフィットすると、次のパラメータが得られる。 Are fitted by the least squares method, the following parameters are obtained.
横倍率
Horizontal magnification
はAとCの平均をとることにする。
以上のように、評価する光学系に合わせて横方向の結像式の形式を予め選択し、そのパラメータをＳ１７で求める。なお、高次の歪曲収差も評価する必要がある場合は、式（１２）あるいは式（１４）に|ｒ|4,|ｒ|6,...に関する項を追加すればよい。
Will take the average of A and C.
As described above, the image forming type in the horizontal direction is selected in advance according to the optical system to be evaluated, and its parameters are obtained in S17. If it is necessary to evaluate higher-order distortion, terms relating to | r | 4 , | r | 6 ,... May be added to Equation (12) or Equation (14).
評価される光学系の像面湾曲や縦方向の色収差が十分に小さい場合、あるいは焦点深度が十分に大きい場合、合焦状態で撮像された１枚の画像から横方向の結像式を算出できることは明らかである。そのような結像式のみを評価する場合は、積層画像の撮像に係るフローチャート(図３)のＳ１を「Ｚステージを合焦位置へ移動」に変更し、Ｓ５,Ｓ６を省略する。そして、像位置の算出に係るフローチャート(図５)のＳ２３〜Ｓ２５を省略すればよい。 When the field curvature and longitudinal chromatic aberration of the optical system to be evaluated are sufficiently small, or when the depth of focus is sufficiently large, a lateral imaging formula can be calculated from one image captured in a focused state. Is clear. When evaluating only such an imaging formula, S1 in the flowchart (FIG. 3) relating to the imaging of the laminated image is changed to “move the Z stage to the in-focus position”, and S5 and S6 are omitted. Then, S23 to S25 in the flowchart (FIG. 5) relating to the calculation of the image position may be omitted.
Ｓ１８では、縦方向の結像式、即ち物点位置rと像点のZ座標の関係式を求める。評価される光学系が高度に収差補正されているとき、その像面は、式（１８）で表される２次曲面になる。 In S18, a vertical imaging formula, that is, a relational expression between the object point position r and the Z coordinate of the image point is obtained. When the optical system to be evaluated is highly aberration-corrected, the image plane becomes a quadratic curved surface represented by Expression (18).
Ｚ0：像面湾曲の頂点のＺ座標。
そこで、Ｓ１８では、Ｓ１６で求めた物点位置rに対応する、Ｓ１１〜Ｓ１５で求めた像位置のZ座標に２次曲面モデルを最小２乗法でフィットして、縦方向の結像式（式（１８））を求める。係数cは像面湾曲を表す２次係数であり、x0,y0,Z0は２次曲面の頂点の座標である。これにより、求められた縦方向の結像式から任意の物点位置(x,y)に対応する像位置のZ座標の測定値を取得することができる。なお、評価される光学系によっては、より高次の項を含んだ像面湾曲モデルを設定することが適切な場合もある。その場合は式（１８）に、|ｒ|4,|ｒ|6,...に関する項を追加すればよい。
Z 0 : Z coordinate of the apex of the field curvature.
Therefore, in S18, a quadratic surface model is fitted by the least square method to the Z coordinates of the image positions obtained in S11 to S15 corresponding to the object point position r obtained in S16, and the vertical imaging formula (formula (18)) is obtained. The coefficient c is a quadratic coefficient representing the curvature of field, and x 0 , y 0 , and Z 0 are the coordinates of the vertices of the quadric surface. Thereby, the measured value of the Z coordinate of the image position corresponding to an arbitrary object point position (x, y) can be acquired from the obtained vertical imaging formula. Depending on the optical system to be evaluated, it may be appropriate to set a field curvature model including higher-order terms. In that case, a term related to | r | 4 , | r | 6 ,... May be added to Expression (18).
Ｓ１９では、Ｓ１１〜Ｓ１５で求めた１つの評価波長の像位置のX,Y,Z座標から、Ｓ１１〜Ｓ１５で求めた基準波長の像位置のX,Y,Z座標をそれぞれ差し引くという操作を、すべての像位置について行い、物点位置(x,y)の関数としての像位置の差分の分布ΔX(x,y),ΔY(x,y),ΔZ(x,y)を求める。 In S19, an operation of subtracting the X, Y, and Z coordinates of the image position of the reference wavelength obtained in S11 to S15 from the X, Y, and Z coordinates of the image position of one evaluation wavelength obtained in S11 to S15, respectively. This is performed for all image positions, and distributions ΔX (x, y), ΔY (x, y), ΔZ (x, y) of image position differences as a function of the object point position (x, y) are obtained.
ΔX(x,y),ΔY(x,y)は、横方向の色収差の分布である。評価される光学系が高度に収差補正されており、波長によるわずかな横倍率の差、即ち倍率の色収差のみを考慮すればよいとき、像位置のX,Y座標の分布は図７に示したようになる。同図に示したように、わずかな横倍率の差により、基準波長の像位置（同図の黒丸）３１に対して、評価波長の像位置（同図の白丸）３２が横ズレしている。このとき、両者の位置関係には次のような性質がある。
・横ズレの無い位置、即ち横色収差の中心(xc,yc)３３から放射状に横ズレする。
・横ズレ量ΔR３４は、横色収差の中心３３からの距離に比例する。
・横ズレ量のX座標成分ΔX３５の大きさは、物点位置のx座標のみに依存する。同様に、Y座標成分ΔY３６の大きさは、物点位置のy座標のみに依存する。
ΔX (x, y) and ΔY (x, y) are distributions of lateral chromatic aberration. When the optical system to be evaluated is highly aberration-corrected and only a slight lateral magnification difference depending on the wavelength, that is, only chromatic aberration of magnification needs to be considered, the distribution of the X and Y coordinates of the image position is shown in FIG. It becomes like this. As shown in the figure, the image position (white circle in the figure) 32 of the evaluation wavelength is laterally shifted from the image position (black circle in the figure) 31 of the reference wavelength due to a slight difference in lateral magnification. . At this time, the positional relationship between the two has the following properties.
-A position where there is no lateral deviation, that is, a lateral deviation from the center (x c , y c ) 33 of the lateral chromatic aberration.
The lateral deviation amount ΔR34 is proportional to the distance from the center 33 of lateral chromatic aberration.
The size of the X coordinate component ΔX35 of the lateral shift amount depends only on the x coordinate of the object point position. Similarly, the size of the Y coordinate component ΔY36 depends only on the y coordinate of the object point position.
その結果、 ΔX, ΔY は直線の式（１９）、（２０）で表される。係数A は "倍率色収差係数”である。 As a result, ΔX and ΔY are expressed by linear equations (19) and (20). The coefficient A is the “magnification chromatic aberration coefficient”.
そこで、すべての像位置の差分ΔX(x,y),ΔY(x,y)に式（１９）、（２０）の直線モデルを最小２乗法でフィットして、横色収差の表式（式（１９）、（２０））を求める。これにより、求められた横色収差の表式から、任意の物点位置(x,y)に対応する横色収差の測定値を取得することができる。 Therefore, the linear models of equations (19) and (20) are fitted to the differences ΔX (x, y) and ΔY (x, y) of all image positions by the method of least squares, and a lateral chromatic aberration expression (expression ( 19), (20)). Thereby, a measured value of lateral chromatic aberration corresponding to an arbitrary object point position (x, y) can be acquired from the obtained expression of lateral chromatic aberration.
一方、上記のΔZ(x,y)は、縦方向の色収差の分布である。像面が２次曲面で表されるとき、縦色収差も式（１８）のような２次曲面になる。そこで、すべての像位置の差分ΔZ(x,y)に２次曲面モデルを最小２乗法でフィットして、縦色収差の表式を求める。これにより、求められた縦色収差の表式から、任意の物点位置(x,y)に対応する縦色収差の測定値を取得することができる。なお、より高次の項を含んだ像面湾曲モデルを設定することが適切な光学系の場合、縦色収差のモデル関数もそのように変更した方がよい。 On the other hand, ΔZ (x, y) is a distribution of chromatic aberration in the vertical direction. When the image surface is represented by a quadric surface, the longitudinal chromatic aberration is also a quadric surface as shown in equation (18). Therefore, a quadratic surface model is fitted to the differences ΔZ (x, y) of all image positions by the least square method to obtain a longitudinal chromatic aberration expression. Thereby, the measured value of longitudinal chromatic aberration corresponding to an arbitrary object point position (x, y) can be acquired from the obtained expression of longitudinal chromatic aberration. In the case of an optical system in which it is appropriate to set a field curvature model including higher-order terms, it is better to change the model function of longitudinal chromatic aberration as well.
なお、横方向と縦方向の色収差は、Ｓ１７とＳ１８で求めた結像式から求めるようにしてもよい。すなわち、横方向の結像式から、任意の物点位置(x,y)に対応する評価波長と基準波長の像位置(X,Y)をそれぞれ取得する。両者の差分として、物点位置(x,y)に対応する横色収差の測定値を取得することができる。縦方向の色収差も同様に取得できる。 Note that the chromatic aberration in the horizontal direction and the vertical direction may be obtained from the imaging formula obtained in S17 and S18. That is, the evaluation wavelength corresponding to an arbitrary object point position (x, y) and the image position (X, Y) of the reference wavelength are obtained from the horizontal imaging formula. As a difference between the two, a lateral chromatic aberration measurement value corresponding to the object point position (x, y) can be acquired. Longitudinal chromatic aberration can be obtained in the same manner.
Ｓ２０では、複数の波長の全てに対し１７乃至Ｓ１９を行ったか否か（波長本数に達したか否か）を判定する。ここで、その判定結果がＹＥＳの場合には解析プログラムによる評価値の算出を終了し、ＮＯの場合にはＳ１７へ戻る。このように、Ｓ２０がＹＥＳになるまで１７乃至Ｓ１９が繰り返されることにより、複数の波長の横／縦方向の結像式および色収差の表式(評価波長のみ)が求められる。すなわち、各波長についての横倍率、歪曲収差、像面湾曲と横／縦色収差の測定値が取得される。 In S20, it is determined whether 17 to S19 have been performed for all of the plurality of wavelengths (whether the number of wavelengths has been reached). Here, when the determination result is YES, the calculation of the evaluation value by the analysis program is terminated, and when the determination result is NO, the process returns to S17. In this way, by repeating steps 17 to S19 until S20 becomes YES, the horizontal / vertical imaging formula and the chromatic aberration expression (only the evaluation wavelength) of a plurality of wavelengths are obtained. That is, the measured values of lateral magnification, distortion, field curvature, and lateral / longitudinal chromatic aberration for each wavelength are acquired.
なお、個々の像位置には、試料４の表面の凹凸、Z軸ステージ５の移動量の誤差、像位置算出の計算誤差などによる測定誤差がある。しかし、上記のように収差モデル関数へのフィットを行うことにより、個々の像位置の測定誤差が相殺されて、収差の表式を高精度に求めることができる。 Each image position has a measurement error due to irregularities on the surface of the sample 4, an error in the amount of movement of the Z-axis stage 5, a calculation error in image position calculation, and the like. However, by fitting to the aberration model function as described above, the measurement error of each image position is canceled and the aberration expression can be obtained with high accuracy.
また、横倍率の誤差と歪曲収差が極めて小さく、像面湾曲と色収差のみを評価する場合、物点位置を求めるＳ１６を簡略化できる。すなわち、Ｓ１１〜Ｓ１５で求めた基準波長の像位置を光学系の設計上の横倍率で除算することにより、物点位置を求めることができる。このとき、試料４のピンホール列が必ずしも規則的に配列されている必要はない。ただし、収差モデル関数へのフィットを考慮すると、ピンホールは撮像視野内にほぼ均一な密度で分布していることが望ましい。 Further, when the lateral magnification error and distortion are extremely small and only the field curvature and chromatic aberration are evaluated, S16 for obtaining the object point position can be simplified. That is, the object point position can be obtained by dividing the image position of the reference wavelength obtained in S11 to S15 by the lateral magnification in the design of the optical system. At this time, the pinhole row of the sample 4 is not necessarily arranged regularly. However, considering the fit to the aberration model function, it is desirable that the pinholes are distributed with a substantially uniform density in the imaging field.
また、像位置を求めるＳ１２では、モデル関数のフィットを繰り返して像位置を高精度に求める手順（図５参照）を説明した。しかし簡易的に、各ピンホールの積層画像全体の中の最大輝度の画素位置を探索して、それを像位置としてしまう方法も可能である。図５に示した手順による場合に比べて算出される収差の表式の精度は低下するものの、撮像視野内のピンホール数が十分に多ければ、収差モデル関数をフィットすることによって、個々の像位置の誤差が相殺されて、ある程度の精度で収差の表式を求めることができる。あるいは、ピンホールの枚葉画像あるいは積層画像全体の最大強度位置の代わりに、強度の重心位置を算出する、というような変形例も考えられる。しかし、一般に像位置は最大強度の位置として定義されているので、そちらの方が好ましい。 In S12 for obtaining the image position, the procedure for obtaining the image position with high accuracy by repeatedly fitting the model function has been described (see FIG. 5). However, it is also possible to simply search for the pixel position of the maximum luminance in the entire laminated image of each pinhole and use it as the image position. Although the accuracy of the aberration expression calculated as compared with the case of the procedure shown in FIG. 5 is lowered, if the number of pinholes in the imaging field is sufficiently large, fitting the aberration model function makes it possible to fit individual images. Since the positional error is canceled, the aberration expression can be obtained with a certain degree of accuracy. Alternatively, a variation in which the gravity center position of the intensity is calculated instead of the maximum intensity position of the single-hole image of the pinhole or the entire laminated image is also conceivable. However, since the image position is generally defined as the position of maximum intensity, that is preferred.
また、図４に示した手順において、Ｓ１５ではドリフト成分の除去を行っているが、ドリフト成分を無視することができる場合などには、Ｓ１５を省き、Ｓ１４がＹＥＳの後にＳ１６へ進むようにしてもよい。 In the procedure shown in FIG. 4, the drift component is removed in S15. However, if the drift component can be ignored, S15 may be omitted, and S14 may proceed to S16 after YES. .
また、Ｓ１７、Ｓ１８においては、収差の中心について回転対象の歪曲収差あるいは像面湾曲を含む結像式を採用した。しかし、評価される光学系によっては回転非対称の収差を含むような、別の形式の結像式を採用してもよい。 Further, in S17 and S18, an imaging system including distortion aberration or curvature of field at the center of aberration was adopted. However, depending on the optical system to be evaluated, another type of imaging formula including rotationally asymmetric aberration may be adopted.
また、顕微鏡光学系の場合、収差の大部分は対物レンズ７に起因している。そこで、対物レンズ７単体の収差を評価するために以下の手順を追加するのが効果的である。
回転部８により対物レンズ７を回転すると、横／縦方向の結像式および色収差の表式に含まれるX,Y座標値のパラメータ(横色収差の中心、など)のうち、対物レンズに起因する成分は、それに伴って回転移動する。その様子を図８を参照しながら説明する。同図に示したように、回転に伴う前記X,Y座標の移動は円４１の軌跡を描く。このとき、円４１の中心４２は視野の中心４３に必ずしも一致しない。両者の差４４は、対物レンズ７以外の光学系および素子の配置の誤差などに起因する成分である。そして、円の半径４５が対物レンズ７に起因する成分である。
In the case of a microscope optical system, most of the aberration is caused by the objective lens 7. Therefore, it is effective to add the following procedure in order to evaluate the aberration of the objective lens 7 alone.
When the objective lens 7 is rotated by the rotating unit 8, the X / Y coordinate value parameters (the center of the lateral chromatic aberration, etc.) included in the horizontal / vertical imaging formula and the chromatic aberration expression are caused by the objective lens. The component moves rotationally with it. This will be described with reference to FIG. As shown in the figure, the movement of the X and Y coordinates accompanying the rotation draws a locus of a circle 41. At this time, the center 42 of the circle 41 does not necessarily coincide with the center 43 of the visual field. The difference 44 between them is a component resulting from an error in the arrangement of the optical system and elements other than the objective lens 7. A circle radius 45 is a component caused by the objective lens 7.
そこで、回転部８を１８０゜回転して同じ測定を行う。両者のX,Y座標のパラメータの平均値は対物レンズ７以外の成分になる。また、両者の差の１／２として、対物レンズ７に起因する成分が得られる。さらに回転角度を分割し、例えば０゜,９０゜,１８０゜,２７０゜の４位置で測定を行い、円４１の中心４２と半径４５を求めるようにすれば、両者の成分をさらに高精度に分離できるようになる。なお、横／縦方向の結像式および色収差の表式に含まれるZ座標値のパラメータ(像面湾曲の頂点のＺ座標、など)および座標値以外のパラメータ(横倍率、各収差係数、など)は、回転に伴う変化をしないはずである。これらの値は上記の複数の測定値の平均をとることで、測定誤差の改善を図ることができる。 Therefore, the rotation unit 8 is rotated by 180 ° and the same measurement is performed. The average values of both X and Y coordinate parameters are components other than the objective lens 7. Moreover, the component resulting from the objective lens 7 is obtained as 1/2 of the difference between the two. Furthermore, if the rotation angle is divided and measured at four positions, for example, 0 °, 90 °, 180 °, and 270 °, and the center 42 and radius 45 of the circle 41 are obtained, the components of both can be made more accurate. It becomes possible to separate. It should be noted that the Z coordinate value parameter (Z coordinate of the vertex of the field curvature, etc.) included in the horizontal / longitudinal imaging formula and the chromatic aberration expression, and parameters other than the coordinate values (lateral magnification, each aberration coefficient, etc.) ) Should not change with rotation. These values can improve the measurement error by taking the average of the plurality of measured values.
なお、本実施例では、試料４をZ軸ステージ５で光軸方向に移動しているが、撮像素子１０の方を移動して積層画像を撮像してもよい。つまり、評価される光学系と、試料４あるいは撮像素子１０のいずれかとの距離を相対的に変化させる移動手段が最低１つ必要、ということである。また、上記のアルゴリズムから明らかなように、その移動手段のステップ移動量が数値として記録されていれば、等間隔である必要はない。 In the present embodiment, the sample 4 is moved in the optical axis direction by the Z-axis stage 5, but the image pickup device 10 may be moved to pick up a laminated image. That is, at least one moving means for relatively changing the distance between the optical system to be evaluated and either the sample 4 or the image sensor 10 is required. Further, as is clear from the above algorithm, it is not necessary that the step movement amount of the moving means is recorded as a numerical value at equal intervals.
また、光源１により透過照明された試料４は、平面上に配列された複数の点光源、という要件を満たすならば、他の実施の形態に置換できる。例えば、平面上に配置された光ファイバの出射端列や蛍光ビーズのような発光体などである。あるいは、図２に示すようなピンホール列標本を「ネガ」とすれば、逆の「ポジ」の標本を使用することもできる。即ち、図２のピンホール２２に相当する部分の金属膜２１だけを残し、それ以外の金属膜２１を除去した標本を使用できる。そのような標本を落射照明すると、各金属膜からの反射光を複数の点光源と見なせるからである。１波長のみで評価するときは、発光ダイオード列などの単波長の発光体も使用できる。これらの点光源の大きさは、評価される光学系の分解能と同等あるいはそれ以下であることが望ましい。また、複数の点光源は、撮像視野内での点光源の数をより多くすることで、測定精度をさらに向上させることが可能である。さらに、撮像素子１０は、同じ撮像面積をもつCCDであってもより画素密度の高い、即ち高画素の撮像素子を用いれば測定精度をさらに向上させることが可能である。 The sample 4 transmitted and illuminated by the light source 1 can be replaced with another embodiment as long as it satisfies the requirement of a plurality of point light sources arranged on a plane. For example, it is an emission end array of optical fibers arranged on a flat surface or a light emitter such as fluorescent beads. Alternatively, if the pinhole array sample as shown in FIG. 2 is “negative”, the opposite “positive” sample can be used. That is, it is possible to use a specimen in which only the portion of the metal film 21 corresponding to the pinhole 22 in FIG. 2 is left and the other metal film 21 is removed. This is because when such a specimen is incidentally illuminated, the reflected light from each metal film can be regarded as a plurality of point light sources. When evaluating with only one wavelength, a single-wavelength light emitter such as a light-emitting diode array can also be used. The size of these point light sources is preferably equal to or less than the resolution of the optical system to be evaluated. The plurality of point light sources can further improve the measurement accuracy by increasing the number of point light sources in the imaging field of view. Furthermore, even if the imaging device 10 is a CCD having the same imaging area, the measurement accuracy can be further improved by using an imaging device having a higher pixel density, that is, a high pixel.
次に、図１１〜１４を参照しながら本発明の第２の実施形態を説明する。
図１１は、本実施形態のレンズ評価装置に係る、蛍光共焦点顕微鏡の側面図および制御系のブロック図である。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 11 is a side view of a fluorescent confocal microscope and a block diagram of a control system according to the lens evaluation device of the present embodiment.
複数の波長のレーザ光を発するレーザ光源１０１からの照明光（励起光）は、ＸＹスキャナ１０４及び全反射ミラー１０５を経由した後、対物レンズ系１０６によって試料１０７内の焦点位置に集光される。試料１０７からの反射光（蛍光）は、対物レンズ系１０６及び全反射ミラー１０５を経由した後、ＸＹスキャナ１０４とレーザ光源１０１との間に設けられたダイクロイックミラー１０３によって分光反射され、共焦点光学系１０９を通って光検出系１１０により受光される。ここで、共焦点光学系１０９の共焦点効果により、焦点位置からの反射光のみが光検出系１１０へ入射する。入射した光は光検出系１１０で光電変換され、輝度情報としてコンピュータ１１２へ送られる。 Illumination light (excitation light) from a laser light source 101 that emits laser light having a plurality of wavelengths passes through an XY scanner 104 and a total reflection mirror 105 and is then focused on a focal position in a sample 107 by an objective lens system 106. . Reflected light (fluorescence) from the sample 107 passes through the objective lens system 106 and the total reflection mirror 105, and is then spectrally reflected by the dichroic mirror 103 provided between the XY scanner 104 and the laser light source 101, thereby providing confocal optics. Light is received by the light detection system 110 through the system 109. Here, due to the confocal effect of the confocal optical system 109, only the reflected light from the focal position enters the light detection system 110. The incident light is photoelectrically converted by the light detection system 110 and sent to the computer 112 as luminance information.
ＸＹスキャナ１０４は、レーザ光源１０１からの照明光の光束をＸ方向に振るＸガルバノミラーと、その光束をＸ方向に対して垂直なＹ方向に振るＹガルバノミラーとを有して構成されており、試料１０７内の集光位置を光軸に対して互いに垂直であるＸ方向及びＹ方向へ走査させることができる。 The XY scanner 104 includes an X galvanometer mirror that swings the light beam of the illumination light from the laser light source 101 in the X direction, and a Y galvano mirror that swings the light beam in the Y direction perpendicular to the X direction. The condensing position in the sample 107 can be scanned in the X direction and the Y direction which are perpendicular to the optical axis.
Ｚステージ１０８は載置された試料１０７を保持しながら光軸方向に移動させるＺステージであり、光軸方向へ試料１０７を移動させることにより、試料１０７内の焦点位置を光軸方向であるＺ方向へ移動させることができる。 The Z stage 108 is a Z stage that moves in the optical axis direction while holding the placed sample 107. By moving the sample 107 in the optical axis direction, the focal position in the sample 107 is Z in the optical axis direction. It can be moved in the direction.
コンピュータ１１２は、ＸＹスキャナ１０４による照明光の試料１０７内での走査に応じて光検出系１１０から出力される輝度情報に基づいて、試料１０７についての走査画像を構築する。構築された走査画像は表示部１１３に表示させることによって視認することができる。 The computer 112 constructs a scanned image of the sample 107 based on luminance information output from the light detection system 110 in response to scanning of the illumination light within the sample 107 by the XY scanner 104. The constructed scanned image can be visually recognized by being displayed on the display unit 113.
制御部１１１はコンピュータ１１２の指示に基いて、レーザ光源１０１の波長の切換え、およびＸＹスキャナ１０４、Ｚステージ１０８の動作を制御する。
次に、上述した構成からなる共焦点顕微鏡において、収差の測定値を求めるための積層画像を撮像する動作を説明する。試料１０７として前述の、図２のピンホール２２に相当する部分の金属膜２１だけを残し、それ以外の金属膜２１を除去した標本を設置する。
The control unit 111 controls the wavelength switching of the laser light source 101 and the operations of the XY scanner 104 and the Z stage 108 based on instructions from the computer 112.
Next, an operation of capturing a laminated image for obtaining a measured value of aberration in the confocal microscope having the above-described configuration will be described. As the sample 107, a specimen in which only the portion of the metal film 21 corresponding to the pinhole 22 in FIG. 2 is left and the other metal film 21 is removed is placed.
操作者は、ＸＹスキャナ１０４の走査により取得された画像を表示部１１３でモニターしながら、Ｚステージ１０８による合焦を行う。次に、コンピュータ１１２内部のＣＰＵによる撮像プログラムの実行を開始する。なお、撮像プログラムは、コンピュータ１１２内部に記録されている制御プログラムの一部であり、自動的に複数の波長の積層画像を撮像するための制御を行うプログラムである。この撮像プログラムによる手順を図３を参照しながら説明する。なお、複数の波長とは、複数の波長のレーザ光を発するレーザ光源１０１の波長である。 The operator performs focusing with the Z stage 108 while monitoring the image acquired by the scanning of the XY scanner 104 on the display unit 113. Next, execution of the imaging program by the CPU inside the computer 112 is started. The imaging program is a part of a control program recorded in the computer 112, and is a program that performs control for automatically capturing a laminated image having a plurality of wavelengths. The procedure by this imaging program will be described with reference to FIG. The plurality of wavelengths is the wavelength of the laser light source 101 that emits laser light having a plurality of wavelengths.
図３において、まずＳ１では、Ｚステージ１０８を合焦位置（前記の合焦後の位置）から撮像範囲の下端に移動する。Z方向の撮像範囲は、対物レンズ系１０６の像面湾曲や縦方向の色収差の範囲を含むように、焦点深度の数倍程度に設定しておくのが望ましい。 In FIG. 3, first, in S <b> 1, the Z stage 108 is moved from the focus position (position after the focus) to the lower end of the imaging range. It is desirable to set the imaging range in the Z direction to be several times the focal depth so as to include the field curvature of the objective lens system 106 and the range of longitudinal chromatic aberration.
Ｓ２では、レーザ光源１０１の波長を切り換えて、複数の波長の中で未だ現在のZ軸ステージ位置での当該Ｓ２及び後述のＳ３を行っていない１つの波長へ切り換える。
Ｓ３では、ＸＹスキャナ１０４の走査により試料１０７の画像を撮像し、コンピュータ１１２内部の記録媒体に記録する。
In S2, the wavelength of the laser light source 101 is switched to one wavelength among the plurality of wavelengths that has not yet been subjected to S2 at the current Z-axis stage position and S3 described later.
In S <b> 3, an image of the sample 107 is captured by scanning with the XY scanner 104 and recorded on a recording medium inside the computer 112.
Ｓ４では、現在のＺステージ１０８位置において複数の波長の全てに対して上記のＳ２乃至Ｓ３を行ったか否か（波長本数に達したか否か）を判定する。ここで、その判定結果がＹＥＳの場合にはＳ５へ進み、ＮＯの場合にはＳ２へ戻る。このように、Ｓ４がＹＥＳになるまでＳ２乃至Ｓ３が繰り返されることにより、現在のＺステージ１０８位置における複数の波長のそれぞれについての画像ファイルがコンピュータ１１２に記録される。 In S4, it is determined whether or not the above S2 to S3 have been performed for all of the plurality of wavelengths at the current Z stage 108 position (whether the number of wavelengths has been reached). Here, if the determination result is YES, the process proceeds to S5, and if NO, the process returns to S2. As described above, S2 to S3 are repeated until S4 becomes YES, whereby an image file for each of a plurality of wavelengths at the current Z stage 108 position is recorded in the computer 112.
Ｓ５では、コンピュータ１１２に転送、記録された各波長の画像ファイル数が、Z方向の撮像範囲をカバーする積層枚数に達したか否かを判定する。ここで、その判定結果がＹＥＳの場合には撮像プログラムによる撮像を終了し、ＮＯの場合にはＳ６へ進む。 In S5, it is determined whether or not the number of image files of each wavelength transferred and recorded to the computer 112 has reached the number of layers that cover the imaging range in the Z direction. Here, when the determination result is YES, the imaging by the imaging program is terminated, and when the determination result is NO, the process proceeds to S6.
Ｓ６では、Ｚステージ１０８を上へ１ステップ移動する。この移動量は、評価される対物レンズ系１０６の焦点深度の１／５〜１／１０程度が望ましい。Ｓ６の後は、Ｓ２へ戻る。 In S6, the Z stage 108 is moved upward by one step. This amount of movement is preferably about 1/5 to 1/10 of the focal depth of the objective lens system 106 to be evaluated. After S6, the process returns to S2.
このように、Ｓ５がＹＥＳになるまでＳ２乃至Ｓ４及びＳ６が繰り返されることにより、Z方向の撮像範囲をカバーする積層枚数分の波長毎の画像ファイルが、コンピュータ１１２内部に記録される。 As described above, S2 to S4 and S6 are repeated until S5 becomes YES, whereby an image file for each wavelength corresponding to the number of stacked layers covering the imaging range in the Z direction is recorded in the computer 112.
以上のように撮像した積層画像から、共焦点顕微鏡の横倍率、歪曲収差、像面湾曲および色収差の評価値を算出する手順は第１実施例と同様なので省略する。
続いて、画像の補正を行う一般の試料を撮像する。複数の波長による撮像の手順は上記図３と同様である。Z方向の撮像範囲は、試料の厚さ方向の距離に合わせて設定する。このようにして撮像した一般の試料の積層画像を以下、「原画像」と呼ぶ。
The procedure for calculating the evaluation values of the lateral magnification, distortion, field curvature, and chromatic aberration of the confocal microscope from the stacked images picked up as described above is the same as that in the first embodiment, and will be omitted.
Subsequently, a general sample whose image is to be corrected is imaged. The procedure for imaging with a plurality of wavelengths is the same as in FIG. The imaging range in the Z direction is set according to the distance in the thickness direction of the sample. A laminated image of a general sample imaged in this way is hereinafter referred to as an “original image”.
次に、上記収差の測定値に基いて、原画像の歪みあるいは色ずれを補正する手順を説明する。一例としてここでは、原画像の積層画像のXY方向の各画像(以下、「枚葉画像」と呼ぶ)の横倍率、歪曲収差および横色収差を補正する手順を、図１２〜１４を参照して説明する。図１２は、物体側と像側のX,Y座標の対応を示す説明図である。図１３は、画像の補正に用いる補間法の説明図である。図１４は、画像の補正に係るフローチャートである。 Next, a procedure for correcting distortion or color misregistration of the original image based on the measured aberration value will be described. As an example, here, a procedure for correcting the lateral magnification, distortion, and lateral chromatic aberration of each image in the XY direction (hereinafter referred to as “sheet-fed image”) of the stacked image of the original image is described with reference to FIGS. explain. FIG. 12 is an explanatory diagram showing the correspondence between the X and Y coordinates on the object side and the image side. FIG. 13 is an explanatory diagram of an interpolation method used for image correction. FIG. 14 is a flowchart relating to image correction.
図１４において、まずＳ３１では、補正後の画像(以下、「補正画像」と呼ぶ)の各画素(以下「物点」と呼ぶ)のX,Y座標を決める。補正画像の画素間隔は、原画像のサンプリング間隔を物体(試料)側に換算した値の等間隔にするのが一般的である。ただし、用途によってはそれよりも大きくあるいは小さくしてもよい。補正画像２０１の各画素(物点)の座標値２０３は、図１２のような格子配列である。 In FIG. 14, first, in S31, X and Y coordinates of each pixel (hereinafter referred to as “object point”) of the corrected image (hereinafter referred to as “corrected image”) are determined. The pixel interval of the corrected image is generally equal to the value obtained by converting the sampling interval of the original image to the object (sample) side. However, it may be larger or smaller depending on the application. The coordinate value 203 of each pixel (object point) of the corrected image 201 is a grid array as shown in FIG.
Ｓ３２では、補正画像の最初の物点に対応する像点の座標を求める。それは収差の評価手段で既に求められている、原画像を撮像した第１の波長の横方向の結像式（式（１２））に物点の座標値を代入して得られる。図１２のように、補正画像２０１の物点の座標値２０３は、原画像２０２の像点の座標値２０４に変換される。 In S32, the coordinates of the image point corresponding to the first object point of the corrected image are obtained. This is obtained by substituting the coordinate value of the object point into the horizontal imaging formula (formula (12)) of the first wavelength obtained by capturing the original image, which has already been obtained by the aberration evaluation means. As shown in FIG. 12, the coordinate value 203 of the object point of the corrected image 201 is converted into the coordinate value 204 of the image point of the original image 202.
Ｓ３３では、最初の枚葉画像において、像点の座標値２０４に最近接して取り囲む、原画像の４つの画素を求める。それら補間元の画素３０２〜３０５と像点の座標値３０１の位置関係は図１３のようになる。 In S33, four pixels of the original image that are closest to and surround the coordinate value 204 of the image point in the first sheet image are obtained. The positional relationship between these interpolation source pixels 302 to 305 and the coordinate value 301 of the image point is as shown in FIG.
Ｓ３４では、補間元の画素３０２〜３０５の輝度値Ii,j〜Ii+1,j+1を１次補間して像点の座標値３０１における輝度値Iを求める。この１次補間は式（２１）で表される。 In S34, the luminance values Ii, j to Ii + 1, j + 1 of the interpolation source pixels 302 to 305 are linearly interpolated to obtain the luminance value I in the coordinate value 301 of the image point. This primary interpolation is expressed by equation (21).
ただし、i,jは原画像のX,Y方向の画素番号、dx,dyは原画像のX,Y方向のサンプリング間隔、px,pyは補間元の第１の画素３０２と像点３０１のX,Y座標の差である。この補間輝度値を、補正画像の物点の輝度値として保存する。 Where i and j are pixel numbers in the X and Y directions of the original image, dx and dy are sampling intervals in the X and Y directions of the original image, and px and py are X of the first pixel 302 and the image point 301 of the interpolation source. , Y coordinate difference. This interpolated luminance value is stored as the luminance value of the object point of the corrected image.
Ｓ３５では、現在の枚葉画像の補正画像において、複数の物点の全てに対して上記のＳ３２〜Ｓ３４を行ったか否かを判定する。ここで、その判定結果がＹＥＳの場合にはＳ３６へ進み、ＮＯの場合にはＳ３２へ戻る。このように、Ｓ３５がＹＥＳになるまでＳ３２〜Ｓ３４が繰り返されることにより、現在の枚葉画像の補正画像が完成する。 In S <b> 35, it is determined whether or not the above S <b> 32 to S <b> 34 have been performed on all of the plurality of object points in the current single wafer image. If the determination result is YES, the process proceeds to S36, and if the determination result is NO, the process returns to S32. As described above, S32 to S34 are repeated until S35 becomes YES, thereby completing the corrected image of the current sheet image.
Ｓ３６では、現在の波長の積層画像の各枚葉画像の全てに対して上記のＳ３２〜Ｓ３５を行ったか否かを判定する。ここで、その判定結果がＹＥＳの場合にはＳ３７へ進み、ＮＯの場合にはＳ３２へ戻る。このように、Ｓ３６がＹＥＳになるまでＳ３２〜Ｓ３５が繰り返されることにより、現在の波長の積層画像の補正画像が完成する。 In S <b> 36, it is determined whether or not the above S <b> 32 to S <b> 35 have been performed on all the single-wafer images of the laminated image having the current wavelength. Here, if the determination result is YES, the process proceeds to S37, and if NO, the process returns to S32. As described above, S32 to S35 are repeated until S36 becomes YES, thereby completing a correction image of the laminated image of the current wavelength.
Ｓ３７では、複数の波長の全てに対して上記のＳ３２〜Ｓ３６を行ったか否かを判定する。ここで、その判定結果がＹＥＳの場合には画像の補正を終了する。ＮＯの場合にはＳ３２へ戻る。このように、Ｓ３７がＹＥＳになるまでＳ３２〜Ｓ３６が繰り返されることにより、全ての波長の積層画像の補正画像が完成する。 In S37, it is determined whether or not the above S32 to S36 have been performed for all of the plurality of wavelengths. Here, when the determination result is YES, the image correction is terminated. If NO, the process returns to S32. As described above, S32 to S36 are repeated until S37 becomes YES, thereby completing a corrected image of a laminated image of all wavelengths.
本実施例によれば、倍率の色収差(波長による横倍率の差)と横色収差による横ずれの除去された補正画像が得られる。そのため、複数の波長で測定された各画像を位置ずれ無しに重ね描きできるようになる。また、横倍率の誤差と歪曲収差が除去された、物体の正確なX,Y座標に対応した補正画像が得られる。そのため、補正画像上から正確な距離情報等を取得できるようになる。 According to the present embodiment, a corrected image from which lateral chromatic aberration (difference in lateral magnification depending on wavelength) and lateral shift due to lateral chromatic aberration are removed can be obtained. For this reason, it is possible to overlay each image measured at a plurality of wavelengths without positional deviation. In addition, a corrected image corresponding to the exact X and Y coordinates of the object from which the lateral magnification error and distortion are removed can be obtained. Therefore, accurate distance information and the like can be acquired from the corrected image.
また本実施例によれば、レーザ光源１０１から光検出系１１０に至るすべての光学素子から総合された、画像の歪みへの影響を評価し、補正することができる。
本実施例では、原画像のX,Y座標を補正する方法を説明したが、同様の手順でZ方向の補正も可能である。Z方向のみを補正する場合は、縦方向の結像式(式（１８）)で物点に対応する像点のZ座標を求め、それをZ方向で挟む原画像の２つの画素の輝度値を１次補間して、補正画像の輝度値を求めればよい。それにより、像面湾曲と縦色収差の除去された補正画像を取得できる。そのため、複数の波長で測定された各画像を深さ方向の位置ずれ無しに重ね描きできるようになる。
Further, according to the present embodiment, it is possible to evaluate and correct the influence on the distortion of the image integrated from all the optical elements from the laser light source 101 to the light detection system 110.
In this embodiment, the method of correcting the X and Y coordinates of the original image has been described. However, correction in the Z direction can be performed in the same procedure. When correcting only the Z direction, the Z coordinate of the image point corresponding to the object point is obtained by the vertical imaging formula (Equation (18)), and the luminance values of the two pixels of the original image sandwiching it in the Z direction May be interpolated to obtain the luminance value of the corrected image. Thereby, a corrected image from which field curvature and longitudinal chromatic aberration are removed can be acquired. For this reason, the images measured at a plurality of wavelengths can be overlaid without positional deviation in the depth direction.
同様の手順で、X,Y,Z方向について同時に補正することも可能である。この場合、物点に対応する像点のX,Y,Z座標を縦/横方向の各結像式から求める。その像点を最近接して取り囲む、原画像の８つの画素の輝度値を１次補間して、補正画像の輝度値を求めればよい。式（２１）を３次元の１次補間に拡張するのは容易である。 It is possible to correct simultaneously in the X, Y, and Z directions in the same procedure. In this case, the X, Y, and Z coordinates of the image point corresponding to the object point are obtained from the image forming formulas in the vertical and horizontal directions. What is necessary is just to obtain | require the luminance value of a correction | amendment image by carrying out the primary interpolation of the luminance value of eight pixels of the original image which surrounds the image point nearest. It is easy to extend equation (21) to three-dimensional linear interpolation.
本実施例では、試料の内部を１つの集光点で走査する共焦点顕微鏡を説明した。しかし、ニッポウディスクなどを用いた、複数の集光点で同時走査する共焦点顕微鏡にも適用できる。 In the present embodiment, the confocal microscope that scans the inside of the sample with a single condensing point has been described. However, the present invention can also be applied to a confocal microscope using a Nippon disk or the like that simultaneously scans at a plurality of condensing points.
なお、蛍光共焦点顕微鏡における励起光と蛍光の波長は若干異なる。本実施例では励起光の波長のみで評価したが、点光源列の試料１０７として平面上に配置した複数の蛍光ビーズ試料を採用すると、励起光と蛍光の波長差も含めた、さらに正確な評価が可能になる。 Note that the wavelengths of excitation light and fluorescence in the fluorescence confocal microscope are slightly different. In this example, the evaluation was made only with the wavelength of the excitation light. However, when a plurality of fluorescent bead samples arranged on a plane are used as the sample 107 of the point light source array, a more accurate evaluation including the wavelength difference between the excitation light and the fluorescence is performed. Is possible.
あるいは、第１実施例のような透過照明とピンホール列標本で点光源列を形成してもよい。この場合、レーザ光源と異なり、任意の評価波長を設定できるので、蛍光の波長、あるいは励起光と蛍光の中間の波長で収差を評価し、それを元に画像を補正できるようになる。 Or you may form a point light source row | line | column by the transmitted illumination and pinhole row | line | column specimen like a 1st Example. In this case, since an arbitrary evaluation wavelength can be set unlike the laser light source, aberration can be evaluated at the fluorescence wavelength or an intermediate wavelength between the excitation light and the fluorescence, and the image can be corrected based on the aberration.
本実施例では、試料の原画像から補正画像を求める際の補間方法として、最近接画素からの１次補間を採用した。しかし、補間方法はこれに限られるものではない。さらに多くの原画像の画素を用いる、あるいは別の補間式を用いるような方法で補正画像の輝度値を求めてもよい。 In this embodiment, linear interpolation from the nearest pixel is adopted as an interpolation method when obtaining a corrected image from the original image of the sample. However, the interpolation method is not limited to this. Further, the luminance value of the corrected image may be obtained by a method using more pixels of the original image or using another interpolation formula.
本実施例では、原画像の一部あるいは全体に対応する補正画像を求めた。しかし、画像計測などの用途においては必ずしも必要ではない。例えば、原画像上の２点間の距離を求める場合、縦/横方向の結像式を用いてその２つの像点に対応する物点の座標を求めてから距離を計算すればよい。 In this embodiment, a corrected image corresponding to a part or the whole of the original image is obtained. However, it is not always necessary for applications such as image measurement. For example, when obtaining the distance between two points on the original image, the distance may be calculated after obtaining the coordinates of the object point corresponding to the two image points using the vertical / horizontal imaging formula.
なお、共焦点顕微鏡でない広視野顕微鏡の画像も、本発明による収差の評価値を元に補正することができる。例えば、白色照明による、赤緑青(RGB)の３色の色画像の撮像においては、３色の代表的な波長あるいは３色の各カラーフィルターを通した波長帯によって、収差の評価値を測定すればよい。その評価値によって各色の画像を補正してから再合成することにより、画像の色ずれ、歪みなどを除去することができる。 An image of a wide-field microscope that is not a confocal microscope can also be corrected based on the aberration evaluation value according to the present invention. For example, in the imaging of three colors of red, green, and blue (RGB) with white illumination, the aberration evaluation value is measured using the representative wavelengths of the three colors or the wavelength bands that pass through the three color filters. That's fine. By correcting and recombining the image of each color with the evaluation value, it is possible to remove color misalignment, distortion, and the like of the image.
以上、第１及び第２の実施形態に係るレンズ評価装置を説明したが、各実施形態に係るレンズ評価装置は、顕微鏡以外の光学系や光学素子にも適用できる。ただし、評価対象となる光学系の視野の大きさや分解能によって、適切な複数の点光源を用意する必要がある。積層画像を撮像するための移動手段のステップ移動量や移動範囲も同様である。それらに必要な要件は、これまでの説明によって既に明らかである。積層画像から横／縦方向の結像式および色収差の表式を算出するアルゴリズムは、顕微鏡光学系の実施例と同様のものを適用できる。それに基いた画像の補正も同様に適用できる。 The lens evaluation apparatus according to the first and second embodiments has been described above. However, the lens evaluation apparatus according to each embodiment can be applied to an optical system and an optical element other than a microscope. However, it is necessary to prepare a plurality of appropriate point light sources depending on the size and resolution of the visual field of the optical system to be evaluated. The same applies to the step moving amount and moving range of the moving means for capturing the laminated image. The requirements for them are already clear from the above description. As the algorithm for calculating the horizontal / longitudinal imaging formula and the chromatic aberration expression from the laminated image, the same algorithm as in the embodiment of the microscope optical system can be applied. Image correction based on it can be applied as well.
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良及び変更を行っても良いのはもちろんである。 Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various improvements and changes may be made without departing from the gist of the present invention.
１ 光源
２ 光ファイバ
３ 光強度均一化部
４ 試料
５ Z軸ステージ
６ XYステージ
７ 対物レンズ
８ 回転部
９ 結像レンズ
１０ 撮像素子
１１ 鏡筒
１２ 上下移動ステージ
１３ 鏡基
１４ コンピュータ
２１ 金属膜
２２ ピンホール
２６ 積層画像
２７ 横断面
２８ 枚葉画像
２９ 最大強度位置
３１ 基準波長の像位置
３２ 評価波長の像位置
３３ 横色収差の中心
３４ 横ズレ量
３５ X成分の横ズレ量
３６ Y成分の横ズレ量
４１ 軌跡を示す円
４２ 軌跡を示す円の中心
４３ 視野の中心
４４ 軌跡を示す円の中心位置と視野の中心位置との差
４５ 軌跡を示す円の半径
５１ ピンホール
５２ 光学系
５３ 空中像
５４ 拡大光学系
５５ 撮像素子
６１ ピンホール列標本
１０１ レーザ光源
１０３ ダイクロイックミラー
１０４ ＸＹスキャナ
１０５ 全反射ミラー
１０６ 対物レンズ系
１０７ 試料
１０８ Ｚステージ
１０９ 共焦点光学系
１１０ 光検出系
１１１ 制御部
１１２ コンピュータ
１１３ 表示部
２０１ 補正画像
２０２ 原画像
２０３ 補正画像の画素の座標
２０４ 原画像の像点の座標
３０１ 像点の座標
３０２、３０３、３０４、３０５ 補正元の画素
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source 2 Optical fiber 3 Light intensity equalization part 4 Sample 5 Z-axis stage 6 XY stage 7 Objective lens 8 Rotation part 9 Imaging lens 10 Image pick-up element 11 Lens barrel 12 Vertical movement stage 13 Mirror base 14 Computer 21 Metal film 22 Pin Hall 26 Laminated image 27 Cross section 28 Single wafer image 29 Maximum intensity position 31 Image position of reference wavelength 32 Image position of evaluation wavelength 33 Center of lateral chromatic aberration 34 Lateral displacement 35 Lateral displacement of X component 36 Lateral displacement of Y component 41 Circle showing the locus 42 Center of the circle showing the locus 43 Center of the visual field 44 Difference between the center position of the circle showing the locus and the center position of the visual field 45 Radius of the circle showing the locus 51 Pinhole 52 Optical system 53 Aerial image 54 Enlargement Optical system 55 Image sensor 61 Pinhole array sample 101 Laser light source 103 Dichroic mirror 104 XY scanner 105 All Emitting mirror 106 Objective lens system 107 Sample 108 Z stage 109 Confocal optical system 110 Photodetection system 111 Control unit 112 Computer 113 Display unit 201 Corrected image 202 Original image 203 Coordinates of pixels of corrected image 204 Coordinates of image points of original image 301 Image point coordinates 302, 303, 304, 305 Correction source pixel
Claims (52)
前記評価対象となる光学系によって形成される前記複数の点光源の像を撮像し画像を取得する撮像手段と、
前記点光源あるいは前記撮像手段と、評価対象となる光学系との相対距離を変化させる移動手段と、
前記移動手段が前記相対距離を変化させるごとに前記撮像手段が前記光学系を介した前記複数の点光源の像を撮像することによって取得される積層画像が記録される記録媒体と、
前記記録媒体に記録された前記積層画像内の複数の点光源像から複数の像位置を算出する像位置算出手段と、
前記像位置算出手段により算出された前記複数の像位置に収差のモデル関数をフィットして収差の測定値を取得する収差取得手段と、
を有することを特徴とするレンズ評価装置。 A plurality of point light sources arranged on the object plane of the optical system to be evaluated ;
Imaging means for capturing images of the plurality of point light sources formed by the optical system to be evaluated ; and
Moving means for changing a relative distance between the point light source or the imaging means and the optical system to be evaluated;
A recording medium on which a stacked image acquired by the imaging unit capturing images of the plurality of point light sources via the optical system is recorded each time the moving unit changes the relative distance;
Image position calculating means for calculating a plurality of image positions from a plurality of point light source images in the laminated image recorded on the recording medium;
Aberration acquisition means for fitting a model function of aberration to the plurality of image positions calculated by the image position calculation means to acquire a measured value of aberration;
A lens evaluation device comprising:
ことを特徴とする請求項１記載のレンズ評価装置。 The plurality of point light sources are configured to be capable of selectively switching the wavelength of the emitted light.
The lens evaluation device according to claim 1.
前記評価対象となる光学系の分解能と同等あるいは同等以下の直径のピンホールと、
前記ピンホールを透過照明する照明手段と、
を含んで構成されている、
ことを特徴とする請求項１記載のレンズ評価装置。 The plurality of point light sources are
A pinhole having a diameter equal to or less than or equal to the resolution of the optical system to be evaluated;
Illuminating means for transmitting and illuminating the pinhole;
Composed of,
The lens evaluation device according to claim 1.
前記評価される光学系の分解能と同等あるいは同等以下の直径の反射鏡と、
前記反射鏡を落射照明する照明手段と、
を含んで構成されている、
ことを特徴とする請求項１記載のレンズ評価装置。 The plurality of point light sources are
A reflector having a diameter equal to or less than or equal to the resolution of the optical system to be evaluated;
Illuminating means for epi-illuminating the reflector;
Composed of,
The lens evaluation device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項１記載のレンズ評価装置。 The plurality of point light sources are arranged in a two-dimensional periodic lattice pattern on a plane,
The lens evaluation device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項１記載のレンズ評価装置。 The imaging means comprises a two-dimensional image sensor.
The lens evaluation device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項１記載のレンズ評価装置。 The optical system to be evaluated and the imaging means for capturing an image and acquiring the image are confocal optical instruments that scan one or more condensing points.
The lens evaluation device according to claim 1.
前記積層画像内の１つの点光源像から像位置を求めるためのモデル関数フィット範囲を設定する設定手段と、
前記設定手段により設定されたモデル関数フィット範囲内の積層画像の中の各枚葉画像に２次元の強度分布モデル関数をフィットする第１のフィット手段と、
前記第１のフィット手段により前記各枚葉画像にフィットされた前記２次元の強度分布モデル関数の最大値と当該最大値の平面内座標とを算出する算出手段と、
前記算出手段により算出された前記各枚葉画像の前記平面内座標に第１の曲線モデル関数をフィットする第２のフィット手段と、
前記算出手段により算出された前記各枚葉画像の前記最大値に第２の曲線モデル関数をフィットする第３のフィット手段と、
前記第３のフィット手段によりフィットされた前記第２の曲線モデル関数の最大値の座標を求める座標演算手段と、
前記座標演算手段により求められた前記最大値の座標を、前記第２のフィット手段によりフィットされた前記第１の曲線モデル関数に代入して関数値を取得する関数値取得手段と、
を含む、
ことを特徴とする請求項１記載のレンズ評価装置。 The image position calculating means includes
Setting means for setting a model function fit range for obtaining an image position from one point light source image in the laminated image;
First fitting means for fitting a two-dimensional intensity distribution model function to each single-wafer image in the laminated image within the model function fitting range set by the setting means;
Calculation means for calculating the maximum value of the two-dimensional intensity distribution model function fitted to each single wafer image by the first fitting means and in-plane coordinates of the maximum value;
Second fitting means for fitting a first curve model function to the in-plane coordinates of each single wafer image calculated by the calculating means;
Third fitting means for fitting a second curve model function to the maximum value of each single wafer image calculated by the calculating means;
Coordinate calculation means for obtaining coordinates of the maximum value of the second curve model function fitted by the third fitting means;
Function value acquisition means for acquiring the function value by substituting the coordinates of the maximum value obtained by the coordinate calculation means into the first curve model function fitted by the second fitting means;
including,
The lens evaluation device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項８記載のレンズ評価装置。 The two-dimensional intensity distribution model function is a two-dimensional Gaussian distribution function.
The lens evaluation device according to claim 8.
前記積層画像内の１つの点光源像から像位置を求めるためのモデル関数フィット範囲を設定する設定手段と、
前記設定手段により設定されたモデル関数フィット範囲内の積層画像の中の各枚葉画像から、当該各枚葉画像の最大強度値と当該最大強度値の平面内座標とを求める第１の演算手段と、
前記第１の演算手段により求められた前記各枚葉画像の前記平面内座標に第１の曲線モデル関数をフィットする第１のフィット手段と、
前記第１の演算手段により求められた前記各枚葉画像の前記最大強度値に第２の曲線モデル関数をフィットする第２のフィット手段と、
前記第２のフィット手段によりフィットされた前記第２の曲線モデル関数の最大値の座標を求める第２の演算手段と、
前記第２の演算手段により求められた前記最大値の座標を、前記第１のフィット手段によりフィットされた前記第１の曲線モデル関数に代入して関数値を取得する関数値取得手段と、
を含む、
ことを特徴とする請求項１記載のレンズ評価装置。 The image position calculating means includes
Setting means for setting a model function fit range for obtaining an image position from one point light source image in the laminated image;
First computing means for obtaining the maximum intensity value of each single-wafer image and the in-plane coordinates of the maximum intensity value from each single-wafer image in the laminated image within the model function fit range set by the setting means. When,
First fitting means for fitting a first curve model function to the in-plane coordinates of each single wafer image obtained by the first computing means;
Second fitting means for fitting a second curve model function to the maximum intensity value of each single wafer image obtained by the first computing means;
Second computing means for obtaining coordinates of the maximum value of the second curve model function fitted by the second fitting means;
Function value acquisition means for acquiring the function value by substituting the coordinates of the maximum value obtained by the second calculation means into the first curve model function fitted by the first fitting means;
including,
The lens evaluation device according to claim 1.
前記収差取得手段は、前記像位置算出手段により算出された前記複数の像位置に代えて前記像位置修正手段により修正された前記複数の像位置に前記収差のモデル関数をフィットして収差の測定値を取得する、
ことを特徴とする請求項８又は１０記載のレンズ評価装置。 Image position correcting means for correcting the plurality of image positions calculated by the image position calculating means based on an average of the first curve model functions fitted to the in-plane coordinates of the single-wafer images. Including
The aberration acquisition unit fits the model function of the aberration to the plurality of image positions corrected by the image position correction unit instead of the plurality of image positions calculated by the image position calculation unit, and measures aberration. Get value,
The lens evaluation device according to claim 8 or 10, wherein
ことを特徴とする請求項１記載のレンズ評価装置。 The image position calculation means includes coordinate calculation means for obtaining coordinates of a data point of maximum intensity from one point light source image in the laminated image.
The lens evaluation device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項１記載のレンズ評価装置。 The image position calculation means includes coordinate calculation means for obtaining coordinates of the center of gravity of the intensity from one point light source image in the laminated image.
The lens evaluation device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項１記載のレンズ評価装置。 The position coordinates of a plurality of point light sources arranged on the plane are measured in advance.
The lens evaluation device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項５記載のレンズ評価装置。 The plurality of image positions calculated by the image position calculation means from a plurality of point light source images arranged in a two-dimensional periodic lattice pattern are defined by independent variables including indices p and q of lattice points. Including a point light source position acquisition unit that fits a model function of a plane and acquires a rotation angle and a translation amount related to the installation position of the point light source;
6. The lens evaluation apparatus according to claim 5, wherein
ことを特徴とする請求項１５記載のレンズ評価装置。 Point light source position calculating means for calculating position coordinates of a plurality of point light sources arranged in a two-dimensional periodic lattice from the angle of rotation and the amount of parallel movement related to the installation position of the point light source,
The lens evaluation device according to claim 15.
ことを特徴とする請求項１４又は１６記載のレンズ評価装置。 The aberration acquisition unit fits a model function of lateral imaging including lateral magnification to the position of the plurality of point light sources and the plurality of image positions calculated from the plurality of point light source images, and obtains a measurement value. get,
The lens evaluation apparatus according to claim 14 or 16,
ことを特徴とする請求項１４又は１６記載のレンズ評価装置。 The aberration acquisition means includes a model function of lateral imaging including lateral magnification and a distortion aberration coefficient at the positions of the plurality of point light sources and the plurality of lateral image positions calculated from the plurality of point light source images. Fit the measurement value to get
The lens evaluation apparatus according to claim 14 or 16,
ことを特徴とする請求項１７又は１８記載のレンズ評価装置。 The image position calculating means calculates a plurality of lateral image positions from one point light source image captured by the imaging means in a focused state with the plurality of point light sources.
The lens evaluation device according to claim 17 or 18, wherein
ことを特徴とする請求項１記載のレンズ評価装置。 The aberration acquisition means includes a model function of vertical imaging including a field curvature coefficient at the positions of the plurality of point light sources and the plurality of vertical image positions calculated from the plurality of point light source images. Fit to get measurements,
The lens evaluation device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項２記載のレンズ評価装置。 Each time the moving means changes the distance, the wavelengths of the plurality of point light sources are switched, and the imaging means obtains images of the plurality of point light sources for each wavelength. A laminated image is recorded on the recording medium,
The lens evaluation device according to claim 2, wherein:
前記差分演算手段により求められた複数の差分に色収差のモデル関数をフィットして色収差の測定値を取得する色収差取得手段と、
を更に有することを特徴とする請求項２１記載のレンズ評価装置。 The plurality of image positions relating to the first wavelength calculated by the image position calculating means from the laminated image relating to the first wavelength and the laminated image relating to the second wavelength recorded on the recording medium, and the second Difference calculating means for obtaining a difference in image position between a plurality of image positions related to the wavelength of
Chromatic aberration obtaining means for obtaining a measured value of chromatic aberration by fitting a model function of chromatic aberration to a plurality of differences obtained by the difference calculating means;
The lens evaluation device according to claim 21, further comprising:
前記回転手段による前記光学系の一部分の複数の回転位置において取得された収差の測定値に基づいて、前記光学系の一部分と当該一部分以外の部分との測定値の成分を分離する測定値成分分離手段と、
を更に有することを特徴とする請求項１記載のレンズ評価装置。 Rotating means for rotating a part of the optical system to be evaluated around the optical axis of the part;
Measurement value component separation that separates measurement value components of a part of the optical system and a part other than the part based on measured aberration values obtained at a plurality of rotational positions of the part of the optical system by the rotating means. Means,
The lens evaluation device according to claim 1, further comprising:
ことを特徴とする請求項１記載のレンズ評価装置。 The optical system to be evaluated has a microscope optical system,
The lens evaluation device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項２３記載のレンズ評価装置。 A part of the optical system is an objective lens of a microscope optical system,
The lens evaluation device according to claim 23.
請求項１乃至２５の何れか一項に記載のレンズ評価装置が搭載され、取得された収差の測定値に基いて前記画像の歪みあるいは色ずれを補正する画像補正手段、
を有することを特徴とする光学機器。 In an optical device that captures an image of an object,
An image correction unit that is mounted with the lens evaluation device according to any one of claims 1 to 25 and corrects distortion or color misregistration of the image based on an acquired measurement value of aberration,
An optical apparatus comprising:
前記複数の点光源あるいは前記撮像手段と、前記評価対象となる光学系との相対距離を変化させるごとに前記撮像手段が前記光学系を介して前記複数の点光源の像を撮像して積層画像を取得し、
取得した前記積層画像内の複数の点光源像から複数の像位置を算出し、
算出した前記複数の像位置に収差のモデル関数をフィットして収差の測定値を取得する、
ことを特徴とするレンズ評価方法。 Using a plurality of point light sources arranged on the object plane of the optical system to be evaluated, and an imaging means for capturing images of the plurality of point light sources formed by the optical system to be evaluated A lens evaluation method,
Wherein a plurality of point light sources or the imaging unit, stack image by capturing an image of the plurality of point light sources via the imaging means the optical system each time changing the relative distance between the optical system to be the evaluation target Get
Calculating a plurality of image positions from a plurality of point light source images in the acquired laminated image;
An aberration model function is obtained by fitting an aberration model function to the calculated plurality of image positions,
The lens evaluation method characterized by the above-mentioned.
ことを特徴とする請求項２７記載のレンズ評価方法。 The plurality of point light sources are configured to be capable of selectively switching the wavelength of the emitted light.
The lens evaluation method according to claim 27.
前記評価対象となる光学系の分解能と同等あるいは同等以下の直径のピンホールと、
前記ピンホールを透過照明する照明手段と、
を含んで構成されている、
ことを特徴とする請求項２７記載のレンズ評価方法。 The plurality of point light sources are
A pinhole having a diameter equal to or less than or equal to the resolution of the optical system to be evaluated;
Illuminating means for transmitting and illuminating the pinhole;
Composed of,
The lens evaluation method according to claim 27.
前記評価される光学系の分解能と同等あるいは同等以下の直径の反射鏡と、
前記反射鏡を落射照明する照明手段と、
を含んで構成されている、
ことを特徴とする請求項２７記載のレンズ評価方法。 The plurality of point light sources are
A reflector having a diameter equal to or less than or equal to the resolution of the optical system to be evaluated;
Illuminating means for epi-illuminating the reflector;
Composed of,
The lens evaluation method according to claim 27.
ことを特徴とする請求項２７記載のレンズ評価方法。 The plurality of point light sources are arranged in a two-dimensional periodic lattice pattern on a plane,
The lens evaluation method according to claim 27.
ことを特徴とする請求項２７記載のレンズ評価方法。 The imaging means comprises a two-dimensional image sensor.
The lens evaluation method according to claim 27.
ことを特徴とする請求項２７記載のレンズ評価方法。 The optical system to be evaluated and the imaging means for capturing an image and acquiring the image are confocal optical instruments that scan one or more condensing points.
The lens evaluation method according to claim 27.
前記積層画像内の１つの点光源像から像位置を求めるためのモデル関数フィット範囲を設定し、
設定したモデル関数フィット範囲内の積層画像の中の各枚葉画像に２次元の強度分布モデル関数をフィットし、
前記各枚葉画像にフィットした前記２次元の強度分布モデル関数の最大値と当該最大値の平面内座標とを算出し、
算出した前記各枚葉画像の前記平面内座標に第１の曲線モデル関数をフィットし、
算出した前記各枚葉画像の前記最大値に第２の曲線モデル関数をフィットし、
フィットした前記第２の曲線モデル関数の最大値の座標を求め、
求めた前記最大値の座標を、前記各枚葉画像の前記平面内座標にフィットした前記第１の曲線モデル関数に代入して関数値を取得する、
ことを特徴とする請求項２７記載のレンズ評価方法。 In calculating the image position,
Set a model function fit range for obtaining an image position from one point light source image in the laminated image,
Fit a two-dimensional intensity distribution model function to each single wafer image in the layered image within the set model function fit range,
Calculating the maximum value of the two-dimensional intensity distribution model function fitted to each single wafer image and the in-plane coordinates of the maximum value;
Fit the first curve model function to the calculated in-plane coordinates of each single wafer image,
A second curve model function is fitted to the calculated maximum value of each single wafer image,
Find the coordinates of the maximum value of the fitted second curve model function,
Substituting the coordinates of the determined maximum value into the first curve model function fitted to the in-plane coordinates of each single wafer image to obtain a function value;
The lens evaluation method according to claim 27.
ことを特徴とする請求項３４記載のレンズ評価方法。 The two-dimensional intensity distribution model function is a two-dimensional Gaussian distribution function.
35. The lens evaluation method according to claim 34.
前記積層画像内の１つの点光源像から像位置を求めるためのモデル関数フィット範囲を設定し、
設定したモデル関数フィット範囲内の積層画像の中の各枚葉画像から、当該各枚葉画像の最大強度値と当該最大強度値の平面内座標とを求め、
求めた前記各枚葉画像の前記平面内座標に第１の曲線モデル関数をフィットし、
求めた前記各枚葉画像の前記最大強度値に第２の曲線モデル関数をフィットし、
フィットした前記第２の曲線モデル関数の最大値の座標を求め、
求めた前記最大値の座標を、前記各枚葉画像の前記平面内座標にフィットした前記第１の曲線モデル関数に代入して関数値を取得する、
ことを特徴とする請求項２７記載のレンズ評価方法。 In calculating the image position,
Set a model function fit range for obtaining an image position from one point light source image in the laminated image,
From each sheet image in the laminated image within the set model function fit range, find the maximum intensity value of each sheet image and the in-plane coordinates of the maximum intensity value,
Fit a first curve model function to the in-plane coordinates of each obtained single wafer image,
Fit a second curve model function to the maximum intensity value of each obtained single wafer image,
Find the coordinates of the maximum value of the fitted second curve model function,
Substituting the coordinates of the determined maximum value into the first curve model function fitted to the in-plane coordinates of each single wafer image to obtain a function value;
The lens evaluation method according to claim 27.
算出した前記複数の像位置を、前記各枚葉画像の前記平面内座標にフィットした前記第１の曲線モデル関数の平均に基づいて修正し、
前記収差の測定値の取得では、算出した前記複数の像位置に代えて、修正した前記複数の像位置に前記収差のモデル関数をフィットして収差の測定値を取得する、
ことを特徴とする請求項３４又は３６記載のレンズ評価方法。 Furthermore,
Correcting the calculated plurality of image positions based on an average of the first curve model function fitted to the in-plane coordinates of each single-wafer image;
In the acquisition of the measurement value of the aberration, instead of the calculated plurality of image positions, the aberration measurement value is acquired by fitting the model function of the aberration to the corrected plurality of image positions.
37. The lens evaluation method according to claim 34 or 36.
ことを特徴とする請求項２７記載のレンズ評価方法。 In the calculation of the image position, the coordinate of the data point of the maximum intensity of each point light source image is obtained from a plurality of point light source images in the laminated image.
The lens evaluation method according to claim 27.
ことを特徴とする請求項２７記載のレンズ評価方法。 In the calculation of the image position, the coordinates of the center of gravity of the intensity of each point light source image is obtained from a plurality of point light source images in the laminated image.
The lens evaluation method according to claim 27.
ことを特徴とする請求項２７記載のレンズ評価方法。 The position coordinates of a plurality of point light sources arranged on the plane are measured in advance.
The lens evaluation method according to claim 27.
前記２次元の周期格子状に配列している複数の点光源像から、前記像位置の算出により算出された前記複数の像位置に、格子点の指数p,qを含む独立変数で規定される平面のモデル関数をフィットして、点光源の設置位置に係る回転の角度と平行移動量を取得する、
ことを特徴とする請求項３１記載のレンズ評価方法。 Furthermore,
The plurality of image positions calculated by calculating the image position from the plurality of point light source images arranged in the two-dimensional periodic lattice pattern are defined by independent variables including indices p and q of the lattice points. Fit the model function of the plane to obtain the rotation angle and translation amount related to the installation position of the point light source,
The lens evaluation method according to claim 31, wherein:
前記点光源の設置位置に係る回転の角度と平行移動量より、２次元の周期格子状に配列している複数の各点光源の位置座標を算出する、
ことを特徴とする請求項４１記載のレンズ評価方法。 Furthermore,
The position coordinates of each of the plurality of point light sources arranged in a two-dimensional periodic lattice are calculated from the rotation angle and the parallel movement amount related to the installation position of the point light source.
42. The lens evaluation method according to claim 41, wherein:
ことを特徴とする請求項４０又は４２記載のレンズ評価方法。 In acquiring the aberration measurement value, a model function for lateral imaging including lateral magnification is fitted to the positions of the plurality of point light sources and the plurality of image positions calculated from the plurality of point light source images. Get measurements,
The lens evaluation method according to claim 40 or 42, wherein:
ことを特徴とする請求項４０又は４２記載のレンズ評価方法。 In the acquisition of the measurement value of the aberration, lateral imaging including lateral magnification and a distortion aberration coefficient is performed at the positions of the plurality of point light sources and the plurality of lateral image positions calculated from the plurality of point light source images. Fit the model function to get the measured value,
The lens evaluation method according to claim 40 or 42, wherein:
ことを特徴とする請求項４３又は４４記載のレンズ評価方法。 In the calculation of the image position, a plurality of lateral image positions are calculated from a single point light source image captured by the imaging unit in a focused state.
45. The lens evaluation method according to claim 43 or 44, wherein:
ことを特徴とする請求項２７記載のレンズ評価方法。 In the acquisition of the measurement value of the aberration, a vertical imaging model including a field curvature coefficient at the positions of the plurality of point light sources and the plurality of vertical image positions calculated from the plurality of point light source images. Fit the function to get the measured value,
The lens evaluation method according to claim 27.
ことを特徴とする請求項２８記載のレンズ評価方法。 In the acquisition of the stacked image, each time the distance is changed, the wavelengths of the plurality of point light sources are switched, and the imaging unit captures images of the plurality of point light sources for each wavelength, and a plurality of stacked layers having different wavelengths. Get images,
29. The lens evaluation method according to claim 28.
取得した第１の波長に係る積層画像と第２の波長に係る積層画像から算出した、前記第１の波長に係る複数の像位置と前記第２の波長に係る複数の像位置との間で、像位置の差分を求め、
求めた複数の差分に色収差のモデル関数をフィットして色収差の測定値を取得する、
ことを特徴とする請求項４７記載のレンズ評価方法。 Furthermore,
Between the plurality of image positions related to the first wavelength and the plurality of image positions related to the second wavelength, calculated from the acquired stacked image related to the first wavelength and the stacked image related to the second wavelength. Find the difference in image position,
Fit a model function of chromatic aberration to the obtained differences to obtain a measured value of chromatic aberration.
The lens evaluation method according to claim 47, wherein:
前記評価対象となる光学系の一部分の当該光軸を中心とする複数の回転位置において取得した収差の測定値に基づいて、前記光学系の一部分と当該一部分以外の部分との測定値の成分を分離する、
ことを特徴とする請求項２７記載のレンズ評価方法。 Furthermore,
Based on the measurement values of aberration acquired at a plurality of rotational positions around the optical axis of a part of the optical system to be evaluated, components of the measurement values of a part of the optical system and a part other than the part are obtained. To separate,
The lens evaluation method according to claim 27.
ことを特徴とする請求項２７記載のレンズ評価方法。 The optical system to be evaluated has a microscope optical system,
The lens evaluation method according to claim 27.
ことを特徴とする、請求項４９記載のレンズ評価方法。 A part of the optical system is an objective lens of a microscope optical system,
The lens evaluation method according to claim 49, wherein:
前記複数の点光源あるいは前記撮像手段と、前記評価対象となる光学系との相対距離を変化させるごとに前記撮像手段が前記光学系を介した前記複数の点光源の像を撮像して積層画像を取得する積層画像取得手順と、
前記積層画像取得手順により取得された前記積層画像内の複数の点光源像から複数の像位置を算出する像位置算出手順と、
前記像位置算出手順により算出された前記複数の像位置に収差のモデル関数をフィットして収差の測定値を取得する収差測定値取得手順と、
を実行させるためのレンズ評価プログラム。 A lens provided with a plurality of point light sources arranged on the object plane of the optical system to be evaluated and an imaging means for capturing images of the plurality of point light sources formed by the optical system to be evaluated In the computer of the evaluation device,
Wherein a plurality of point light sources or the imaging unit, stack image by capturing an image of the plurality of point light sources the imaging means via the optical system every time changing the relative distance between the optical system to be the evaluation target A laminated image acquisition procedure to acquire,
An image position calculating procedure for calculating a plurality of image positions from a plurality of point light source images in the stacked image acquired by the stacked image acquiring procedure;
Aberration measurement value acquisition procedure for acquiring a measurement value of aberration by fitting a model function of aberration to the plurality of image positions calculated by the image position calculation procedure;
Lens evaluation program for executing
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