JPH09159575A

JPH09159575A - レンズ検査装置

Info

Publication number: JPH09159575A
Application number: JP31794995A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Matsuzawa; 聡明松沢
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-12-06
Filing date: 1995-12-06
Publication date: 1997-06-20

Abstract

(57)【要約】【課題】レンズの性能を数値化して客観的に評価できる
装置を提供すること。【解決手段】テストチャート２に形成されたピンホール
を照明部１で透過照明して作られる点光源を、被検査レ
ンズ４により一次像位置７に結像させる。被検査レンズ
４は回転部５に支持され、光軸回りに回転可能である。
一次像７は対物レンズ８を介して撮像素子１０で撮像さ
れ、画像処理装置１４を介してパソコン１６に取り込ま
れ、像の形状の特徴が数値化される。これを元に被検査
レンズ４の性能評価値が算出される。被検査レンズ４を
回転させながら複数の点光源像を取得して処理すること
により、撮像光学系が性能評価値に与える影響が除去さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学用レンズとし
て、特に光学顕微鏡に用いられる対物レンズの性能を検
査し、または合否を評価するためのレンズ検査装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】光学用レンズとしての対物レンズには、
組立て工程における種々の要因、例えばレンズの面精度
やレンズの間隔等、により性能にばらつきが生じる。そ
こで、組立て後に個々の対物レンズの性能を評価基準に
基づいて合否評価を行う必要がある。

【０００３】従来、このレンズ性能の評価は熟練した作
業者の目視によって行われていた。すなわち、検査を行
う対物レンズによりテストチャートを顕微鏡観察し、そ
の観察像に不良症状が認められるか否かで判断される。
テストチャートは検査目的に合わせて数種類が使用され
る。このうち、主に視野中心の結像状態を評価するもの
としてピンホールがあり、このピンホール像の形状の歪
み具合により、対物レンズの性能が検査される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の方法は熟練した
技能が必要とされるため、判定作業を行える作業者は限
られていた。また、目視検査であるため判定基準の曖昧
さや作業者間の個人差の問題が避けられず、判定結果の
安定性、信頼性の確保が困難であった。

【０００５】本発明は、以上のような点に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、レンズの性能を数値化して
客観的に評価を行える装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために次のような手段を講じた。請求項１に係る
本発明は、点光源と、被検査レンズによる前記点光源の
像を撮像する撮像手段と、撮像された点光源像の、中心
点及び所定強度の点を結んだ等強度線を求める画像処理
手段と、算出された前記中心点と前記等強度線上の点と
の距離を求め、この距離に基づいて被検査レンズの性能
評価値を算出する評価手段と、を備えたことを特徴とし
ている。

【０００７】請求項２に係る本発明は、前記画像処理手
段が記点光源像の所定強度以上の領域の重心点を算出す
る手段を有し、この重心点を前記中心点とすることを特
徴としている。

【０００８】請求項３に係る本発明は、前記撮像手段が
前記点光源を合焦位置から所定量ずれた状態で撮像する
ための合焦調節手段を備えていることを特徴としてい
る。

【０００９】請求項４に係る本発明は、前記撮像手段が
被検査レンズと前記点光源とを相対的に回転させる回転
手段を備え、被検査レンズと前記点光源とを相対的に回
転させて複数の点光源像を撮像することを特徴としてい
る。

【００１０】請求項５に係る本発明は、前記評価手段が
求められた前記距離を前記中心点に関する角度の関数と
して周波数解析する手段を有しており、この周波数解析
の結果から被検査レンズの性能評価値を算出することを
特徴としている。

【００１１】請求項６に係る本発明は、前記回転手段を
用いて撮像された前記複数の点光源像のそれぞれについ
て前記中心点と前記等強度線上の点との距離を求め、こ
のそれぞれの距離の平均に基づいて被検査レンズの性能
評価値を算出することを特徴としている。

【００１２】請求項７に係る本発明は、前記評価手段に
より前記回転手段を用いて撮像された前記複数の点光源
像のそれぞれから被検査レンズの性能評価値を求め、こ
のそれぞれの性能評価値に基づいて前記撮像手段の光学
的性能を示す補正値を算出し、前記求められた性能評価
値をこの補正値により補正するようにしたことを特徴と
している。

【００１３】請求項８に係る本発明は、前記補正値を、
前記求められた性能評価値をベクトル平均したものと
し、この補正値を前記求められた性能評価値のうちの一
つからベクトル減算することにより、前記求められた性
能評価値を補正するようにしたことを特徴としている。

【００１４】請求項１に係る本発明によれば、被検査レ
ンズにより結像された点光源の像を撮像し、得られた像
の中心点と所定強度の等強度線とを算出してこれらの位
置的関係を数値化することにより、被検査レンズの性能
を定量的、客観的に評価できる。

【００１５】請求項２に係る本発明によれば、撮像され
た点光源像の所定強度以上の領域の重心点を算出して前
記中心点とすることで、必ずしも像の中心にあるとは限
らない最高強度点に影響されることなく、安定した評価
値の算出が可能になる。

【００１６】請求項３に係る本発明によれば、被検査レ
ンズの合焦位置を所定量ずらした状態の点光源像を撮像
することにより点光源像の異常が明瞭に現れるので、被
検査レンズの性能を正確に数値化することが可能であ
る。

【００１７】請求項４に係る本発明によれば、被検査レ
ンズと点光源とを相対的に回転させて複数の点光源像を
撮像して評価値を算出することにより、点光源の形状の
影響が除去された正確な被検査レンズの評価が可能にな
る。

【００１８】請求項５に係る本発明によれば、点光源像
から求められた像の中心点と等強度線との距離から、周
波数解析によってこの点光源像の特徴を抽出して数値化
することにより、被検査レンズの不良の種類および程度
を数値により判定することが可能になる。

【００１９】請求項６に係る本発明によれば、被検査レ
ンズと点光源とを回転させて撮像した複数の点光源像か
ら、像の中心点と前記等強度線上の点との距離の平均が
求められる。この平均の距離に基づいて性能評価値を算
出することにより、撮像する点光源の形状の影響が除去
される。

【００２０】請求項７に係る本発明によれば、被検査レ
ンズと前記点光源とを相対的に回転させて撮像された複
数の点光源像から、それぞれについて被検査レンズの性
能評価値が求められる。これらの各性能評価値から、点
光源を撮像する撮像手段の光学系の性能を示す補正値が
算出されるので、先に求められた性能評価値をこの補正
値により補正することで、撮像手段の光学的性能の影響
が除去された性能評価値が算出される。

【００２１】請求項８に係る本発明によれば、求められ
た各性能評価値をベクトル平均することにより撮像手段
の光学系の性能を示す補正値が算出され、求められてい
る性能評価値からこの補正値をベクトル減算すること
で、撮像手段の光学的性能の影響が除去された性能評価
値が算出される。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の実施の形態について説明する。＜第１の実施の形態＞図１は、本発明の一実施の形態に
よる装置の構成を示すブロック図である。本装置の光学
系は、一般的な透過型の光学顕微鏡と基本的に同一であ
る。図１で照明部１は、ハロゲンランプ等の光源とコン
デンサレンズを含み、テストチャート２を下側から透過
照明する。テストチャート２は、一方の面に不透明膜を
積層したスライドガラス板上にピンホールを形成したも
のである。照明部１とテストチャート２のピンホールと
で点光源を構成している。テストチャート２を載置する
ステージ３は光軸方向およびこれに垂直な面内で互いに
直交する２方向に移動可能な周知のＸＹＺ駆動ステージ
であり、鏡台１９の支柱１９ａの下部に設置されてい
る。このステージ３には、テストチャート２に対する照
明光の焦点調節のためのコンデンサレンズが光軸方向に
移動可能に設けられている。

【００２３】なお、テストチャート２のピンホールの直
径は、検査対象である被検対物レンズ４の回折限界と同
等あるいはそれ以下となるように設定されている。回折
限界とは、使用する照明の中心波長λと被検対物レンズ
４の開口数ＮＡとにより、１．２２λ／（ＮＡ²）で表される値である。被検対物レンズ４の倍率によって
は、ピンホール径はサブミクロンオーダーの値となる。

【００２４】このような微小なピンホールは、フォトリ
ソグラフィにより製作すると良い。すなわち、スライド
ガラス上に不透明膜を薄く蒸着し、そこにフォトリソグ
ラフィにより所望のピンホールを焼き付け、エッチング
して完成させる。このようにして製作されたピンホール
は形状精度が良好で、かつ蒸着膜で形成されているため
に厚さが十分薄いので、高倍率の対物レンズの評価にも
好適である。

【００２５】被検対物レンズ４は、テストチャート２を
挾んで照明部１と対向する位置に配置され、光軸を中心
として回転可能な回転部５に支持されている。回転部５
は、鏡台１９の支柱１９ａ中段に固定された鏡筒６に支
持され、その回転中心軸が顕微鏡光軸に合致するように
配置された回転機構である。

【００２６】７は被検対物レンズ４によって結像された
テストチャート２の像（一次像と称する）であって、被
検対物レンズ４の設計上の像位置に空中像として結像す
る。対物レンズ８は、この一次像７を拡大して、鏡筒９
に固定された撮像素子１０の撮像面上に結像させる。鏡
筒９は対物レンズ８と撮像素子１０とを一体的に支持し
ており、鏡台１９の支柱１９ａ上部に固定されＸＹＺ方
向に移動可能な三軸駆動部１１により光軸方向およびこ
れと垂直な平面内で互いに直交する２方向に移動させる
ことによって、一次像７の任意の部分を拡大観察するこ
とができる。

【００２７】なお、ステージ３、回転部５、三軸駆動部
１１は、いずれもモータによって移動量または回転量を
任意に制御可能に構成されている。各モータは、パソコ
ン１６（後述）により、モータドライバ１２を介して駆
動制御される。

【００２８】撮像素子１０には、ＣＣＤコントローラ１
３を介して画像処理装置１４が接続される。ＣＣＤコン
トローラ１３は、撮像素子１０からのセンサ信号をビデ
オ信号に変換する。画像処理装置１４は、得られたビデ
オ信号を所定時間積分し、後の演算処理に適切な明るさ
の画像を作る。作られた画像は、モニタＴＶ１５に表示
される。

【００２９】パソコン１６は本検査装置全体の制御及び
画像データの処理を行うもので、画像処理装置１４とモ
ータドライバ１２が接続されている。具体的な機能は次
の通りである。 1.画像処理装置１４の画像データ取得及び画像積分処理
の制御。 2.画像処理装置１４からの画像データ受取り、及び画像
データの演算処理と被検対物レンズ４の性能を示す数値
（評価値）の算出。 3.モータドライバ１２を介して、ステージ３、三軸駆動
部１１および回転部５の制御。

【００３０】また、パソコン１６にはモニタＴＶ１７と
キーボード１８が接続されている。本検査装置への各種
の設定及び動作指示は、作業者がモニタＴＶ１７を見な
がらキーボード１８を用いて行う。画像データの処理結
果などの各種データ、装置の状態などはモニタＴＶ１７
に表示される。

【００３１】なお、撮像素子１０としては、一般的なＣ
ＣＤの他にいわゆる冷却ＣＣＤと呼ばれるタイプも使用
可能である。冷却ＣＣＤはセンサ部の冷却により暗電流
を低減させＳ／Ｎ比を向上させているため、長時間露光
が可能である。したがって撮像素子１０として冷却ＣＣ
Ｄを使用すれば、露光時間を長くすることで取得する画
像を演算処理に適した明るさにできるので、画像処理装
置１４及びモニタＴＶ１５を省略できる。

【００３２】次に、このような構成を有する本実施の形
態の動作について説明する。まず、対物レンズ８の設計
上の像位置が被検対物レンズ４の設計上の像位置に一致
するように、三軸駆動部１１を駆動して鏡筒９の位置を
設定する。なお被検対物レンズ４の後側（撮像素子１０
側）焦点の焦点深度は数mmあるため、位置決めの精度は
0.1mmオーダーのラフなもので良く、例えば、三軸駆動
部１１の対応する位置に透過形光センサを設けてこのセ
ンサによりステージの停止位置を決定する方法や、モー
タ回転量等により駆動部の原点位置からの移動距離を制
御する方法で必要な精度を確保できる。

【００３３】次に被検対物レンズ４を回転部５に装着し
た後、ステージ３をＸＹＺ方向に移動させて、テストチ
ャート２のピンホールと被検対物レンズ４との芯合わせ
及び焦点合わせを行う。本実施の形態では、ピンホール
像の最大強度点の位置を画像処理装置１４を介してパソ
コン１６で検出し、その結果に基づいてパソコン１６が
モータドライバ１２を介してステージ３を光軸に直交す
る二軸方向に移動させ、芯合わせを行う。つぎに、像の
最大強度値をパソコン１６で検出しながらステージ３を
光軸方向に移動させ、この最大強度値が最大となる位置
（合焦位置）でステージ３を止め、焦点合わせを行う。
なお、合焦検出については、別途公知の焦点検出器を設
けて行っても良い。

【００３４】この状態で撮像されるピンホール像は、図
２の２２または２５に示されるような像である。図２
は、撮像されたピンホール像の所定強度の点を結んだ等
強度線だけを示したものである。被検対物レンズ４が正
常な場合では、図２（ａ）に示すように、前ピン像２１
（テストチャート２を被検対物レンズ４に近づける方向
に移動させてボケさせた像）及び後ピン像２３（前ピン
と逆方向にボケさせた像）は、中心点２７に対してほぼ
回転対称である。

【００３５】一方、被検対物レンズ４が不良の場合で
は、これらが回転対称にならない。例えば、いわゆる
「アス（非点収差）」と呼ばれる不良では、図２（ｂ）
に示すように等強度線が楕円状になり、その長軸方向は
前ピン像と後ピン像とでほぼ直交する。一般に、合焦時
の像２２または２５ではこのような異常が現れにくいた
め、正確な評価のためには前ピン像、後ピン像による判
断が必要になる。したがって、合焦動作後は次のように
動作を行う。

【００３６】まず、ステージ３又は三軸駆動部１１を所
定量だけ光軸方向に移動し、前ピン状態にする。ここで
所定量とは、例えば焦点深度の２〜３倍程度の距離であ
る。これより小さいと像の異常が現れにくく、また大き
いとボケの度合いが強過ぎて像の形状が不明確になり、
いずれも異常の判別がしにくい。なお、ボケ像を得るた
めの移動量は焦点深度に応じて変化し、焦点深度が深い
ほうが移動量も大きくなって制御しやすい。被検対物レ
ンズ４の前側（テストチャート２側）焦点深度はサブμ
ｍ〜数十μｍ程度、一方後側（撮像素子１０側）焦点深
度は数mmであるので、後側である対物レンズ８を三軸駆
動部１１により移動させてボケ像を得るのが好ましい。

【００３７】次に、この前ピン像を画像処理装置１４で
適切な明るさの画像にした後、パソコン１６に取り込
む。この画像を、以下の手順で処理して評価を行う。な
お、図３には画像の評価に際して使用するパラメータが
示されている。

【００３８】1)像の最大強度値Ｉmax を求める。 2)第１のしきい値以上の強度の領域３２の重心点３１を
算出する。第１のしきい値とは、例えば最大強度値Ｉma
x の５０％程度の値である。最大強度値Ｉmax の位置は
不安定で評価の基準としては適切でないため、第１のし
きい値以上の領域の重心を求めることで、像の実質的な
中心点を安定して算出できるようにしている。この重心
点をもって像の中心点とする。

【００３９】3)第２のしきい値に等しい強度の点を結ん
だ等強度線３３を求める。第２のしきい値とは、例えば
最大強度値Ｉmax の12.5％程度の値である。第１のしき
い値より小さな値とするのは、ボケたピンホール像の形
状を忠実に取り出すため、なるべく広範囲の領域の像を
取り込むためであって、この等強度線をもって像の形状
とする。

【００４０】4)この等強度線３３で囲まれる領域の面積
に等しく、前記重心点３１を中心とする仮想円３４を求
める。 5)θに対する重心点３１から等強度線３３までの距離ｒ
（θ）を、θ＝０°〜３６０°の範囲で求める。 6)次式により、仮想円３４の半径で規格化された偏差δ
₊（θ）を求める。ここで、ｒ₀は仮想円３４の半径で
ある。 δ₊（θ）＝（ｒ（θ）−ｒ₀）／ｒ₀ 仮想円３４の半径ｒ₀で規格化した偏差δ₊（θ）を算
出するのは、評価しているのがボケ像であって、このボ
ケ量が多少のばらつきを含むためにボケ像の大きさ、す
なわち仮想円３４の大きさにもばらつきが生じるため、
このばらつきが評価に影響しないようにキャンセルする
ためである。 7)次に、対物レンズ８を移動させて後ピン状態にした
後、上記手順と同様にして後ピン側の偏差δ_-（θ）を
求める。

【００４１】図４には、一例として、図２（ｂ）に示す
「アス」不良がある場合の偏差δ₊（θ）が実線で、ま
たδ_-（θ）が破線で示されている。これらの振幅の大
小が被検対物レンズ４の不良度を表す。図２（ａ）に示
す正常なレンズの場合では、偏差δ₊（θ）及びδ
_-（θ）はほぼゼロとなる。

【００４２】たとえば予め被検対物レンズ４の合格限界
サンプルの偏差を測定して偏差の基準値δ₀を決め、パ
ソコン１６に格納しておく。検査で得られた偏差をパソ
コン１６内で基準値δ₀と比較し、基準値を越えている
場合は不良品としてモニタＴＶ１７にメッセージを表示
することにより、被検対物レンズ４の良否判定を行うこ
とができる。本発明によれば、作業者は特別の技能がな
くても評価でき、しかも評価結果は作業者によらず一定
なので、簡単に客観的な評価を実現することができる。

【００４３】＜第２の実施の形態＞次に、偏差δ
₊（θ）、δ_-（θ）から各不良の成分を抽出してそれ
ぞれの評価値を求め、良否判定だけでなく不良の種類を
判別する実施の形態について述べる。対象となる不良の
種類は、「アス」、「芯より」及び「ヨジレ」である。

【００４４】まず「アス」の判別について説明する。
「アス」は、前述の通り前後ピン像が長軸が互いに直交
する楕円になる不良である。そこで、図６のように長軸
をａ、短軸をｂ、前ピン像の長軸の方向をψ_t2とすれ
ば、前後ピン像の偏差δ₊（θ）、δ_-（θ）は、次式
から求められる。ただし、τ₂＝（ａ−ｂ）／ａであ
り、これは一般に楕円の偏平率と呼ばれる値である。

【数１】

【数２】

【００４５】これら二つの偏差の差Ｄ（θ）をとり、τ
₂の３次以上の項を無視する近似を行うと、

【数３】となる。つまり、図５に示すように、「アス」がある場
合は偏差の差Ｄ（θ）に２周期の正弦波の成分が現れ
る。従って、逆に測定した偏差の差Ｄ（θ）から周波数
解析により同成分を抽出すれば、その振幅｛τ₂（τ₂
＋２）｝／２と位相２ψ_t2とから、「アス」による楕円
の偏平率τ₂と方向ψ_t2が求められる。この偏平率τ₂
（０≦τ₂＜１）をもって「アス」の評価値とし、予め
定められた「アス」の基準値τ₂₀より大きいとき、その
被検対物レンズを「アス」による不良であると判定す
る。

【００４６】以上の方法は、具体的には次のような手順
で実施される。偏差δ₊（θ）、δ_-（θ）は、それぞ
れＮ個の等間隔離散データδ_+i、δ_-i（ｉ＝０，１，
…，Ｎ−１）として求められており、その和Ｓi と差Ｄ
i も、Ｓi ＝δ_+i＋δ_-i Ｄi ＝δ_+i−δ_-i として求められる。これより、図７のフローチャートに
示す手順にしたがって「アス」の評価が行われる。 1)「アス」成分の抽出ステップ４０で、偏差の差Ｄi に
含まれる２周期正弦波成分の振幅Ｃを求める。このと
き、「アス」の方向ψ_t2も得る。 2)「アス」の評価値算出ステップ４１で、評価値τ₂を
得る。 3)「アス」の良否判定ステップ４２で、評価値τ₂を基
準値τ₂₀と比較し、良否を判定する。この結果は、モニ
タＴＶ１７に表示され、評価は終了する。なお、各ステップの処理は、予め入力されたプログラム
に従いパソコン１６によって実行される。

【００４７】次に「芯より」の判別について説明する。
「芯より」は、図８に示すように前後ピン像が像中心３
１に対して同じ方向へ片寄る不良である。そこで、その
方向をψ_s、片寄った距離をρとすれば、前後ピンの偏
差δ₊（θ）、δ_-（θ）は次式から求められる。ただ
しσ＝ρ／ｒ₀である。

【数４】

【００４８】これら二つの偏差の和Ｓ（θ）は、

【数５】となる。ここでＳ（θ）の周波数成分に着目すると、第
１項は、１周期の正弦波成分であるのに対し、第２項
は、２ｎ周期（ｎ＝０，１，２，…）の成分しか持たな
い。このように、偏差の和Ｓ（θ）に１周期の正弦波成
分が現れるのが「芯より」の特徴であり、逆に測定した
偏差の和Ｓ（θ）から周波数解析により同成分を抽出す
れば、その振幅２σと位相ψ_sから「芯より」の評価値
σ（０≦σ＜１）と方向ψ_sが求められる。この評価値
σが、予め定められた基準値σ₀より大きいとき、その
被検対物レンズを「芯より」による不良と判定する。

【００４９】以上の方法は、具体的には図９のフローチ
ャートに示す手順で実施される。 1)「芯より」成分抽出ステップ４３で、偏差の和Ｓi に
含まれる１周期の正弦波成分の振幅Ｃを求める。このと
き、「芯より」の方向ψ_sも得る。 2)「芯より」の評価値算出ステップ４４で、「芯より」
の評価値σを得る。 3)「芯より」の良否判定ステップ４５で、評価値σを基
準値σ₀と比較し、良否を判定する。この結果はモニタ
ＴＶ１７に表示され、評価は終了する。これらの各処理は、「アス」の場合と同様パソコン１６
により実行される。

【００５０】次に「ヨジレ」の判別について説明する。
「ヨジレ」は、図１０に示すように前ピン像の１箇所が
突出し、後ピン像の２箇所が突出する（あるいはその
逆）という不良である。そして、突出する３方向はほぼ
１周３６０°を３等分する方向になるという特徴を持
つ。したがって、図１１に示すように偏差δ₊（θ）、
δ _-（θ）の和Ｓ（θ）は、３周期の正弦波成分が現
れ、かつ２本の対称軸ψ_t1及びψ_t1＋πを持つ。そこ
で、測定した偏差の和Ｓ（θ）から周波数解析によって
３周期の正弦波の成分を抽出すれば、それを「ヨジレ」
の評価値τ₁とすることができる。また、対称軸ψ_t1を
「ヨジレ」の方向と規定する。この評価値τ₁が、予め
定められた「ヨジレ」の基準値τ₁₀より大きいとき、そ
の被検対物レンズを「ヨジレ」による不良と判定する。

【００５１】以上の方法は、具体的には図１２のフロー
チャートに示す手順に従って実施される。 1)「ヨジレ」成分の抽出ステップ４６で、偏差の和Ｓi
に含まれる３周期正弦波成分の振幅Ｃを求める。 2)「ヨジレ」の評価値算出ステップ４７で、「ヨジレ」
の評価値τ₁を得る。（これは、Ｃに等しい。） 3)「ヨジレ」の良否判定ステップ４８で、評価値τ₁を
基準値τ₁₀と比較し、良否を判定する。この結果はモニ
タＴＶ１７に表示され、評価は終了する。これらの各処理は、前実施の形態と同様にパソコン１６
により実行される。なお、以上説明したように、３種類
の不良はそれぞれ異なる周波数成分に特徴が現れるた
め、抽出する順序は評価値に影響を与えない。

【００５２】次に、図１３のフローチャートを参照し
て、フーリエ変換処理によって３種類の不良成分の抽出
を一括して行う実施の形態について説明する。 1)フーリエ変換ステップ４９で、偏差の和Ｓi と差Ｄi
をＦＦＴ（高速フーリエ変換）によりフーリエ変換す
る。 2)各評価値の算出ステップ５０で、各不良の評価値σ、
τ₁、τ₂を得る。 3)良否判定ステップ５１で各評価値をそれぞれの基準値
σ₀、τ₁₀、τ₂₀と比較し、良否を判定する。この結果
はモニタＴＶ１７に表示され、評価は終了する。これらの各処理は、パソコン１６により実行される。

【００５３】このように、ピンホール像の形状をその中
心点と等強度線に基づいて数値化し、これを周波数解析
することで、不良の種類および度合い（良否の判定）を
客観的に評価することができる。なお、各不良は前後ピ
ン像の偏差の和Ｓ（θ）と差Ｄ（θ）をとると特徴が明
確になるため、Ｓ（θ）、Ｄ（θ）についての周波数成
分を調べることとして実施の形態を説明したが、偏差δ
₊（θ）、δ_-（θ）の周波数成分を直接調べても数学
的には等価であるから、そのような方法を採用しても良
い。

【００５４】＜第３の実施の形態＞ピンホール像の形状
は、被検対物レンズ４だけでなくテストチャート２のピ
ンホール形状にも依存する。その直径が被検対物レンズ
４の回折限界以下であっても、多少は形状の影響が現れ
てくる。したがって、被検対物レンズ４の目標性能が高
い場合には、このピンホール形状による影響も除去する
必要がある。これは、図１の回転部５を使用してテスト
チャート２に対して被検対物レンズ４を回転させながら
ピンホール像を取得し、これら複数の像から算出される
複数の偏差δ（θ）を平均化することで実現可能であ
る。複数の像は、等しい角度間隔で取得するのが良い。
例として、１回転を４分割する場合について述べる。

【００５５】パソコン１６によりモータドライバ１２を
介して回転部５を制御し、被検対物レンズ４を９０度ず
つ回転させる。それぞれの状態でピンホール像を取得
し、合計４つの偏差δ₁（θ）、δ₂（θ）、δ
₃（θ）、δ₄（θ）を算出する。

【００５６】被検対物レンズ４の影響による像の歪み
は、各偏差で９０度ずつ位相がずれて現れる。一方、テ
ストチャート２のピンホール形状の影響は、すべての偏
差で同相に現れてくる。そこで、４つの偏差を平均化し
た偏差δ_m（θ）を次の式で算出する。

【数６】

【００５７】この様にして得られた平均化偏差δ
_m（θ）から前記の手順で評価値を求めることで、ピン
ホール形状の影響が除去された、より正確な評価値を得
ることができる。なお、このときの角度分割数は多いほ
ど効果的であるが、分割数が１０程度以上になると得ら
れる平均化偏差δ_m（θ）の値はほとんど変化せず、実
質的な意味はなくなる。また、被検対物レンズ４の代わ
りにテストチャート２を回転させても同様な効果を得る
ことができる。しかし、通常は被検対物レンズ４を回転
させるほうが設計、製作上容易である。

【００５８】＜第４の実施の形態＞ピンホール像の形状
は、被検対物レンズ４により形成された一次像７を拡大
して撮像素子１０に投影するための、対物レンズ８の性
能にも依存している。しかしながら、対物レンズ８を通
過する光束の広がり角は被検対物レンズ４のそれと比べ
て十分小さいため、通常は対物レンズ８の収差等による
影響は無視して考えることができる。第１〜第３の実施
の形態では、このような理由により対物レンズ８の影響
を考慮していなかった。本実施の形態では、被検対物レ
ンズ４の性能レベルが高く、上述の対物レンズ８の影響
をも考慮する必要がある場合のために、これをキャンセ
ルする方法について説明する。なお、本実施の形態で
は、評価項目として「芯より」を例にして説明する。

【００５９】周知の「収差の相加定理」によれば、撮像
素子１０上のピンホール像の収差は被検対物レンズ４と
対物レンズ８の収差の和によって表される。この相加定
理は収差の種類毎に成り立つ。「芯より」の原因はコマ
収差であるが、このコマ収差の大きさと方向を被検対物
レンズ４と対物レンズ８についてそれぞれベクトルで表
すと、図１４の（ａ），（ｂ）のようにコマ６１、６２
となる。したがって、撮像素子１０に投影される最終的
なピンホール像のコマは、図１４（ｃ）のように両者の
ベクトル和であるコマの和６３となる。このコマの和６
３の大きさと方向が、前述の実施の形態において測定さ
れるσとψ_sである。

【００６０】次に、回転部５により被検対物レンズ４を
回転すると、それに伴ってコマ６１の方向が変わるの
で、コマの和６３も変化する。このとき、コマの和６３
の軌跡は、図１４（ｄ）に示されるように、対物レンズ
８のコマ６２の終端６４を中心とし、被検対物レンズ４
のコマ６１の大きさを半径とした円６５になる。したが
って、この軌跡を測定することにより、被検対物レンズ
４のコマ６１と、それ以外の光学素子によるコマ６２と
を分離することができる。

【００６１】以上の方法は、具体的には次のような手順
で実施される。 1) パソコン１６によりモータドライバ１２を介して回
転部５を制御し、被検対物レンズ４を９０°ずつ回転さ
せる。それぞれの状態でのピンホールの前ピン像、後ピ
ン像を取得し、各回転角度における目的とする不良の評
価値（大きさと方向）を測定する。

【００６２】2) 各回転角度における評価値のベクトル
平均を求める。これが被検対物レンズ４以外の光学素子
（対物レンズ８など）による不良であって、図１４にお
けるベクトル６２が算出されたことになる。以下これを
補正値（これもベクトル量である）と称する。補正値
は、パソコン１６内に記憶させておく。

【００６３】3) 1)で算出された被検対物レンズ４の評
価値（回転角度を変えて算出された４つのうちの任意の
一つで良い）から補正値をベクトル減算し、求める評価
値とする。なお、一旦1)、2)のステップにより補正値を
算出した後に他の被検対物レンズ４を評価する場合は、
被検対物レンズ４を回転させて複数の評価値を測定する
必要はなく、測定した一つの評価値からパソコン１６に
記憶された補正値を減算することにより、ただちに求め
る評価値が得られる。

【００６４】また、不良の種類として「アス」（非点収
差による不良）、「ヨジレ」（矢形収差による不良）を
評価する場合は、それぞれの不良の種類ごとに上述の操
作を行えば良い。ただし、「アス」、「ヨジレ」はそれ
ぞれ２階、３階の回転対称性を有するため、収差の方向
ψ_t2、ψ_t1をそれぞれ２倍、３倍してからベクトル和を
求める必要がある。

【００６５】本実施の形態において、点光源像を撮像す
る際の角度分割数を細かく（手順1)での回転角度を小さ
く）することにより、補正値の精度を向上できる。ま
た、手順2)において、４つの評価値をベクトル平均する
代わりに、４つの評価値の軌跡である円６５を最小２乗
法を用いて求め、この円の中心点（６４）を表すベクト
ルを求めて補正値としてもよい。

【００６６】各実施の形態中では前ピン像、後ピン像に
より評価する方法を述べたが、被検対物レンズ４の目標
性能がさほど高くない場合は、合焦像だけを用いて評価
しても実用上差支えない。また、点光源としては、ピン
ホールの代わりに蛍光ビーズ、レーザースポットなどを
用いることができる。本発明は光学顕微鏡用の対物レン
ズの評価に好適であるが、これに限らず同様の性能評価
が必要な光学レンズであれば適用が可能である。

【００６７】

【発明の効果】本発明によれば、対物レンズの性能を数
値化することで客観的に評価を行うことができ、判定結
果の安定性、信頼性に優れたレンズ検査装置を実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態による装置構成を表すブ
ロック図。

【図２】図１の装置でそれぞれ正常、不良の被検対物レ
ンズによりピンホールを撮像したときの画像の様子を示
す図。

【図３】図１の装置で撮像された画像の評価に使用する
パラメータを説明する図。

【図４】図２（ｂ）に対応する被検対物レンズ（「ア
ス」不良有）の偏差δ₊（θ）、δ_-（θ）を示す図。

【図５】「アス」不良を有する被検対物レンズの偏差の
和Ｓ（θ）、差Ｄ（θ）を示す図。

【図６】「アス」不良の場合の像を示す模式図。

【図７】「アス」不良を判定する手順を示すフローチャ
ート。

【図８】「芯より」不良の場合の像を示す模式図。

【図９】「芯より」不良を判定する手順を示すフローチ
ャート。

【図１０】「ヨジレ」不良の場合の像を示す模式図

【図１１】「ヨジレ」不良の場合の偏差の和Ｓ（θ）を
示す図。

【図１２】「ヨジレ」不良を判定する手順を示すフロー
チャート。

【図１３】フーリエ変換処理により３種類の不良を一括
して判定する手順を示すフローチャート。

【図１４】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ被検査レンズ、
対物レンズのコマ収差およびそれらが合成された状態を
示す図。（ｄ）は、被検査レンズを回転したときのコマ
収差の変化を示す図。

【符号の説明】

１照明部２テストチャート（ピンホール）３ステージ４被検対物レンズ５回転部６鏡筒７一次像８対物レンズ９鏡筒１０撮像素子１１三軸駆動部１２モータドライバ１３ＣＣＤコントローラ１４画像処理装置１５モニタＴＶ１６パソコン１７モニタＴＶ１８キーボード１９鏡台２１、２４前ピン像２２、２５合焦像２３、２６後ピン像２７像中心点３１重心点３２第１のしきい値以上の領域３３第２のしきい値による等強度線３４仮想円４０「アス」成分の抽出ステップ４１「アス」の評価値算出ステップ４４「芯より」の評価値算出ステップ４５「芯より」の良否判定ステップ４６「ヨジレ」成分の抽出ステップ４７「ヨジレ」の評価値算出ステップ４９フーリエ変換ステップ５０各評価値の算出ステップ６１被検査レンズ４のコマ６２対物レンズ８のコマ６３コマの和６４対物レンズ８のコマの終端６５コマの和の軌跡

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】点光源と、被検査レンズによる前記点光源の像を撮像する撮像手段
と、撮像された点光源像の、中心点及び所定強度の点を結ん
だ等強度線を求める画像処理手段と、算出された前記中心点と前記等強度線上の点との距離を
求め、この距離に基づいて被検査レンズの性能評価値を
算出する評価手段と、を備えたことを特徴とするレンズ
検査装置。
【請求項２】前記画像処理手段は、前記点光源像の所
定強度以上の領域の重心点を算出する手段を有し、この
重心点を前記中心点とすることを特徴とする請求項１記
載のレンズ検査装置。
【請求項３】前記撮像手段は、前記点光源を合焦位置
から所定量ずれた状態で撮像するための合焦調節手段を
備えていることを特徴とする請求項１記載のレンズ検査
装置。
【請求項４】前記撮像手段は、被検査レンズと前記点
光源とを相対的に回転させる回転手段を備え、被検査レ
ンズと前記点光源とを相対的に回転させて複数の点光源
像を撮像することを特徴とする請求項１記載のレンズ検
査装置。
【請求項５】前記評価手段は、求められた前記距離を
前記中心点に関する角度の関数として周波数解析する手
段を有しており、この周波数解析の結果から被検査レン
ズの性能評価値を算出することを特徴とする請求項１記
載のレンズ検査装置。
【請求項６】前記評価手段は、前記回転手段を用いて
撮像された前記複数の点光源像のそれぞれについて前記
中心点と前記等強度線上の点との距離を求め、このそれ
ぞれの距離の平均に基づいて被検査レンズの性能評価値
を算出することを特徴とする請求項４記載のレンズ検査
装置。
【請求項７】前記評価手段は、前記回転手段を用いて
撮像された前記複数の点光源像のそれぞれから被検査レ
ンズの性能評価値を求め、このそれぞれの性能評価値に
基づいて前記撮像手段の光学的性能を示す補正値を算出
し、前記求められた性能評価値をこの補正値により補正
するようにしたことを特徴とする請求項４記載のレンズ
検査装置。
【請求項８】前記補正値は、前記求められた性能評価
値をベクトル平均したものとし、この補正値を前記求め
られた性能評価値のうちの一つからベクトル減算するこ
とにより、前記求められた性能評価値を補正するように
したことを特徴とする請求項７記載のレンズ検査装置。