JP2004125664A

JP2004125664A - 位相分布計測装置

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Publication number: JP2004125664A
Application number: JP2002291304A
Authority: JP
Inventors: Haruyoshi Toyoda; 豊田　晴義; Naohisa Kosaka; 向坂　直久; Munenori Takumi; 宅見　宗則
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2002-10-03
Filing date: 2002-10-03
Publication date: 2004-04-22
Also published as: US20060055913A1; WO2004031707A1; DE10393432T5; CN1703613A; AU2003271090A1

Abstract

【課題】輝点が大きくずれたときでも正確な重心位置の算出が可能な位相分布計測装置を提供する。
【解決手段】平面上に複数の集光レンズ３２がマトリックス状に配置されることによって構成された複眼レンズ３０と、受光面が集光レンズ３２の焦点距離だけ離れて複眼レンズ３０と平行になるように配置されたＣＭＯＳセンサ１０と、位相算出装置２０とを備える。中心位置算出部２４３が、隣接する画素の輝度と比較することにより受光面上の焦点像における輝点（焦点）の中心位置を算出する。重心情報処理部２４５が、輝点中心位置を中心とする重心演算領域における輝度の０次モーメント（重心演算領域における輝点輝度の合計値）、ｘ方向１次モーメント及びｙ方向１次モーメントを算出する。重心位置算出部２６１が、これらの重心情報に基づいて各輝点の重心位置を算出する。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光の位相分布を計測する位相分布計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の位相分布計測装置では、輝点の重心演算領域は、各集光レンズに対応する受光面の区画に固定されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の位相分布計測装置には、輝点が大きくずれたときに輝点が重心演算領域からはみ出すため正確な重心位置の算出ができなくなるという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、輝点が大きくずれたときでも正確な重心位置の算出が可能な位相分布計測装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の位相分布計測装置は、平面上に複数の集光レンズがマトリックス状に配置されることによって構成された複眼レンズと、受光面上にマトリックス状に配置された複数の受光素子を含んで構成されると共に、受光面が集光レンズの焦点距離だけ離れて平面と平行になるように配置された撮像素子と、撮像素子から出力されるデータから複眼レンズに入射した光の位相分布を算出する位相算出装置とを備え、位相算出装置が、各受光素子が検出した光の輝度データに基づいて、受光面における輝度が極大値となる輝点中心位置を算出する中心位置算出手段と、輝点中心位置を中心とする重心演算領域における輝度の重心位置を算出する重心位置算出手段とを含んで構成されたことを特徴とする。
【０００６】
中心位置算出手段により算出された輝点中心位置に基づき重心演算領域が設定されるので、輝点のずれに伴い重心演算領域も移動する。そのため、輝点が大きくずれたときでも正確な重心位置の算出が可能になる。
【０００７】
本発明の位相分布計測装置は、位相算出装置が、輝点中心位置を中心とする一定の領域において輝度が所定の閾値を超える部分の面積を算出する輝点面積算出手段を更に含み、重心演算領域は、輝点面積算出手段によって算出された面積を超える面積を占めるように設定されることが好適である。
【０００８】
輝点面積算出手段により算出された輝度面積を超えるように重心演算領域が設定されるので、重心演算領域がより確実に輝点を包含することになる。
【０００９】
本発明の位相分布計測装置は、中心位置算出手段は、輝度データのうち輝度が所定の基準値を超えるもののみに基づいて、輝点中心位置を算出し、重心位置算出手段は、輝度データのうち輝度が基準値を超えるもののみに基づいて、重心位置を算出することが好適である。
【００１０】
輝度データのうち輝度が所定の基準値を超えるもののみに基づいて演算がなされるので、撮像素子が映像を撮像するときに生じるノイズが除去されると共に、データ処理量が軽減される。
【００１１】
本発明の位相分布計測装置は、位相算出装置が、各受光素子に対応する輝度データを隣接する受光素子に対応する輝度データとの加重平均値に変換する平滑化処理手段を更に含むことが好適である。
【００１２】
かかる平滑化処理により撮像素子が映像を撮像するときに生じるノイズが除去される。
【００１３】
本発明の位相分布計測装置は、位相算出装置が、重心演算領域における輝度のモーメントを算出する輝度モーメント算出手段を更に含み、中心位置算出手段及び輝度モーメント算出手段はハードウェア演算回路により構成され、重心位置算出手段が、ハードウェア演算回路の出力に基づいて重心位置を算出することが好適である。
【００１４】
データ処理量の多い輝度モーメント算出までの演算がハードウェア演算回路により実行されるので、高速演算が可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の位相分布計測装置１の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１６】
まず、位相分布計測装置１の構成を説明する。図１は、位相分布計測装置１の構成を示す概略図である。図２は、図１に示す複眼レンズ３０と受光面１１との位置関係を示す図である。図３は、図１に示すＣＭＯＳセンサ１０及び位相算出装置２０の機能的構成図である。図１に示すように、位相分布計測装置１は、複眼レンズ３０、ＣＭＯＳセンサ１０、画像処理装置２４及びコンピュータ２５を備えている。複眼レンズ３０は、焦点距離２０ｍｍの集光レンズ３２が平面上に２５０μｍ間隔のマトリックス状に配置されることによって構成されている。
【００１７】
図３に示すように、ＣＭＯＳセンサ１０は、光電変換部（ＣＭＯＳ）１２０がマトリックス状に形成された受光面１１（ｎ１列の光電変換部１２０で構成されるＣＭＯＳアレイ１１０がｎ２行配列されている。）及び各ＣＭＯＳアレイ１１０に対応するＡ／Ｄ変換器２１０がｎ２行配列された信号処理部１２を備えている。各Ａ／Ｄ変換器２１０は、増幅部１３及びＡ／Ｄ変換部１４により構成されており、光電変換部１２０の出力を増幅させた上４ビット（１６階調）のデジタルデータに変換する。図２に示すように、ＣＭＯＳセンサ１０は、受光面１１が複眼レンズ３０と平行になり、かつ各集光レンズ３２の焦点が受光面１１上に位置するように配置されている。
【００１８】
図４は、ＣＭＯＳセンサ１０の回路図である。図５は、図４に示す積分回路２２０の詳細構成を示す回路図である。図４及び５を参照して、ＣＭＯＳセンサ１０の回路構成を説明する。図４に示すように、光電変換部１２０は、受光した光の輝度に応じて電荷を発生するフォトダイオード１３０と、垂直走査信号Ｖｉ（ｉ＝１〜ｎ１）に応じてフォトダイオード１３０に蓄積された電荷を出力するＭＯＳＦＥＴ１４０を１組として構成されている。
【００１９】
信号処理部１２のＡ／Ｄ変換器２１０ｊ（ｊ＝１〜ｎ２）は、チャージアンプ２２１ｊ（ｊ＝１〜ｎ２）を含む積分回路２２０ｊ（ｊ＝１〜ｎ２）と、比較回路２３０ｊ（ｊ＝１〜ｎ２）と、容量制御機構２４０ｊ（ｊ＝１〜ｎ２）とから構成されている。
【００２０】
積分回路２２０は、ＣＭＯＳアレイ１１０からの出力信号を入力として、この入力信号の電荷を増幅するチャージアンプ２２１と、チャージアンプ２２１の入力端子に一方の端が接続され、出力端子に他方の端が接続された可変容量部２２２と、チャージアンプ２２１の入力端子に一方の端が接続され、出力端子に他方の端が接続されて、リセット信号Ｒに応じてＯＮ、ＯＦＦ状態となり、積分回路２２０の積分、非積分動作を切り替えるスイッチ素子２２３とから構成されている。
【００２１】
可変容量部２２２は、チャージアンプ２２１の入力端子に一方の端子が接続された容量素子Ｃ１〜Ｃ４と、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の他方の端子とチャージアンプ２２１の出力端子の間に接続され、容量指示信号Ｃ１１〜Ｃ１４に応じて開閉するスイッチ素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４と、容量素子Ｃ１〜Ｃ４とスイッチ素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４の間に一方の端子が接続され、他方の端子がＧＮＤレベルと接続されて、容量指示信号Ｃ２１〜Ｃ２４に応じて開閉するスイッチ素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４とにより構成されている。なお、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の電気容量Ｃ１〜Ｃ４は、
Ｃ１＝２Ｃ２＝４Ｃ３＝８Ｃ４
Ｃ０＝Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４
の関係を満たす。ここで、Ｃ０は積分回路２２０で必要とする最大電気容量であり、光電変換部１２０の飽和電荷量をＱ０、基準電圧をＶ_ＲＥＦとすると、
Ｃ０＝Ｑ０／Ｖ_ＲＥＦ
の関係を満たす。
【００２２】
比較回路２３０は、積分回路２２０から出力された積分信号Ｖｓの値を基準値Ｖ_ＲＥＦと比較して、比較結果信号Ｖｃを出力する。容量制御機構２４０は、比較結果信号Ｖｃの値から積分回路２２０内の可変容量部２２２に通知する容量指示信号Ｃを出力すると共に、容量指示信号Ｃに相当するデジタル信号Ｄ１を出力する。
【００２３】
また、ＣＭＯＳセンサ１０は、光電変換部１２０及び信号処理部１２に動作タイミングの指示信号を送信するタイミング制御部３００（図３に示す制御部３の一部に相当する。）を備えている。タイミング制御部３００は、全回路のクロック制御を行う基本タイミングを発生する基本タイミング部３１０と、基本タイミング部３１０から通知された垂直走査指示に従って、垂直走査信号Ｖｉ（ｉ＝１〜ｎ１）を発生する垂直シフトレジスタ３２０と、リセット指示信号Ｒを発生する制御信号部３４０とにより構成されている。
【００２４】
以上のような構成の信号処理部１２からＣＭＯＳアレイ１１０毎に最上位ビット（ＭＳＢ）より順次転送、出力されてくるデジタル信号は、１画素分のデータ長（４ビット）のバッファに保管され、パラレル−シリアル変換されて出力画像となる。
【００２５】
図３に戻り、画像処理装置２４と、コンピュータ２５の機能的構成要素であるデータ蓄積／表示部２６を説明する。画像処理装置２４及びデータ蓄積／表示部２６が、ＣＭＯＳセンサ１０の出力に基づいて複眼レンズ３０に入射した光の位相分布を算出する位相算出装置２０を構成する。
【００２６】
画像処理装置２４は、機能的構成要素として輝度データ算出部２４１、平滑化処理部２４２、中心位置算出部２４３、輝点面積算出部２４４及び重心情報処理部２４５を備える。輝度データ算出部２４１は、ＣＭＯＳセンサ１０の出力を分析・整理して受光面１１における焦点像のデジタル画像情報を構成する機能を有する。
【００２７】
平滑化処理部２４２は、輝度データ算出部２４１が算出したデジタル画像情報における各画素の輝度データを上下左右に位置する画素の輝度データとの加重平均値に変換することにより平滑化する機能を有する。図６は、平滑化処理部２４２の回路図である。デジタル画像情報から平滑化処理の対象となる画素及びその上下左右の画素の輝度値が抽出され、データバッファに格納される。これらの輝度値は積算回路、加算回路及び除算回路により加重平均される。
【００２８】
中心位置算出部２４３は、平滑化されたデジタル画像情報における輝点の中心位置を算出する機能を有する。図７は、中心位置算出部２４３の回路図である。平滑化処理されたデータ列は、３行分のデータバッファに入力される。そこに蓄えられたデータのうち、３ｘ３画素のデータに対して、中央のデータｄ（ｘ，ｙ）が、近傍画素のデータ値より大きいかどうかの判断を行う。ｄ（ｘ，ｙ）が、全ての近傍データより大きい場合に、「極大値である＝輝点である」と判断し、その位置（ｘ，ｙ）および輝度値ｄ（ｘ，ｙ）を出力する。
【００２９】
輝点面積算出部２４４は、各輝点の面積（画素数）を算出する機能を有する。図８は、輝点面積算出部２４４の回路図である（例として、面積演算領域を３×３行とした。）。３行分のデータバッファに蓄えられた３ｘ３画素のデータに対して、比較器によりそれぞれの画素値と閾値ｔｈとの比較が行われ、総和回路により閾値ｔｈよりも大きいデータの画素数が算出される。
【００３０】
重心情報処理部２４５は、各輝点の面積（画素数）に基づいて重心演算領域を設定した上、重心演算領域における重心情報を演算する機能を有する。この重心情報には、０次輝度モーメント（重心演算領域における輝点輝度の合計値）、ｘ方向（受光面１１又はデジタル画像情報における水平方向）の１次輝度モーメント及びｙ方向（受光面１１又はデジタル画像情報における垂直方向）の１次輝度モーメント）が含まれる。図９は、重心情報処理部２４５の回路図である（例として、重心演算領域を３×３行とした。）。３行分のデータバッファに蓄えられた３ｘ３画素のデータに対して、ｘ方向の１次輝度モーメント、ｙ方向の１次輝度モーメント及び０次輝度モーメントが算出される。
【００３１】
データ蓄積／表示部２６は、重心位置算出部２６１、位相算出部２６２及び補間処理部２６３を備える。重心位置算出部２６１は、重心情報に基づき各輝点の重心位置を算出する機能を有する。
【００３２】
位相算出部２６２は、各輝点の重心位置の重心初期位置（位相のずれがない場合の輝点の重心位置）からのずれに基づいて、位相を算出する機能を有する。
【００３３】
補間処理部２６３は、算出された位相データを補間することにより連続的な位相分布を取得する機能を有する。
【００３４】
次に、位相分布計測装置１の動作を説明する。計測対象レーザ光が複眼レンズ３０を通過すると、受光面１１上に各集光レンズ３２に対応する焦点の映像が生じる。この映像がＣＭＯＳセンサ１０に撮像された上、位相算出装置２０にデータ処理される。図１０は、ＣＭＯＳセンサ１０及び位相算出装置２０の動作の手順を示すフローチャートである。以下、図１０のフローチャートを参照してＣＭＯＳセンサ１０及び位相算出装置２０の動作を説明する。
【００３５】
まず、ＣＭＯＳセンサ１０が受光面１１上の映像を走査することによって１フレームの撮像をする（Ｓ５０２）。同時に、輝度データ算出部２４１が、ＣＭＯＳセンサ１０から出力される各画素の輝度（４ビットデジタル情報）を分析・整理して１フレームのデジタル画像情報Ｐ（ｎ）（ｎ：フレーム番号）として構成する（Ｓ５０４）。図１１（ａ）にデジタル画像情報Ｐ（ｎ）の例を、図１１（ｂ）にその部分拡大図を示す。
【００３６】
平滑化処理部２４２が、デジタル画像情報Ｐ（ｎ）の平滑化処理を行う（Ｓ５０６）。具体的には、各画素の輝度と上下左右の画素の輝度との加重平均を２回繰り返す。平滑化処理のアルゴリズムを次に示す。
ｄ_ｎｅｗ（ｘ，ｙ）＝　［　ｄ（ｘ−１，ｙ）　＋　ｄ（ｘ，ｙ−１）　＋　ｄ（ｘ＋１，ｙ）　＋　ｄ（ｘ，ｙ＋１）　＋　４ｄ（ｘ，ｙ）　］／８；
ｄ（ｘ，ｙ）＝　ｄ_ｎｅｗ（ｘ，ｙ）；
ｄ_ｎｅｗ（ｘ，ｙ）＝　［　ｄ（ｘ−１，ｙ）　＋　ｄ（ｘ，ｙ−１）　＋　ｄ（ｘ＋１，ｙ）　＋　ｄ（ｘ，ｙ＋１）　＋　４ｄ（ｘ，ｙ）　］／８；
ｄ（ｘ，ｙ）＝　ｄ_ｎｅｗ（ｘ，ｙ）；
なお、ｄは画素の輝度、（ｘ，ｙ）は受光面１１又はデジタル画像情報Ｐ（ｎ）における画素の座標を示す。
【００３７】
また平滑化処理部２４２は、平滑化処理が施されたデジタル画像情報Ｐ（ｎ）から所定の基準値以下の輝度データを削除する（Ｓ５０８）。かかる平滑化処理及び基準値以下の輝度データの削除により、ＣＭＯＳセンサ１０の撮像過程で生じるノイズを低減させることができる。また、不要なデータが削除されることにより演算速度が向上する。
【００３８】
中心位置算出部２４３は、平滑化処理が施されたデジタル画像情報Ｐ（ｎ）における各輝点の中心位置及びその輝度を算出する（Ｓ５１０）。具体的には、各画素の輝度と上下左右の輝度を比較し、当該画素の輝度が上下左右のいずれよりも高かった場合に当該画素が輝点の中心位置であると判断する。中心位置算出のアルゴリズムを次に示す。
ｋ＝０；
ｆｏｒ（ｘ＝０；　ｘ＜Ｘ方向画素数；ｘ＋＋）［
ｆｏｒ（ｙ＝０；　ｙ＜Ｙ方向画素数；ｙ＋＋）［
ｉｆ（　（（ｄ（ｘ，ｙ）＞ｄ（ｘ−１，ｙ））　＆　（（ｄ（ｘ，ｙ）＞ｄ（ｘ，ｙ−１））　＆　（（ｄ（ｘ，ｙ）＞ｄ（ｘ＋１，ｙ））　＆　（（ｄ（ｘ，ｙ）＞ｄ（ｘ，ｙ＋１））　）［
ｐ（ｎ，ｋ）［ｄ］＝ｄ（ｘ，ｙ）；ｐ（ｎ，ｋ）［ｘ］＝ｘ；ｐ（ｎ，ｋ）［ｙ］＝ｙ；ｋ＝ｋ＋１；］））
なお、ｐ（ｎ，ｋ）［ｄ］は第ｎフレームの第ｋ番目の輝点中心位置における輝度を、ｐ（ｎ，ｋ）［ｘ］は第ｎフレームの第ｋ番目の輝点中心位置のｘ座標を、ｐ（ｎ，ｋ）［ｙ］は第ｎフレームの第ｋ番目の輝点中心位置のｙ座標を示す。
【００３９】
輝点面積算出部２４４が、各輝点の面積（画素数）を算出する（Ｓ５１２）。具体的には、輝点中心位置を中心とする所定の大きさの領域（２ｈ×２ｈ）において所定の閾値ｔｈを超える輝度の画素数をカウントする。輝点面積算出のアルゴリズムを次に示す。
ｐ（ｎ，ｋ）［ｓ］＝０；
ｆｏｒ（ｘｘ＝ｘ−ｈ；　ｘｘ＜ｘ＋ｈ；ｘｘ＋＋）［
ｆｏｒ（ｙｙ＝ｙ−ｈ；　ｙｙ＜ｙ＋ｈ；ｙｙ＋＋）［
ｉｆ（　ｄ（ｘ，ｙ）＞ｔｈ　）［
ｐ（ｎ，ｋ）［ｓ］　＝　ｐ（ｎ，ｋ）［ｓ］＋１；］］］
重心情報処理部２４５は、各輝点について輝点面積算出部２４４によって算出された輝点面積に応じた大きさの重心演算領域（２ｒ×２ｒ）を算出する。ｒの値は、例えば４（ｒ−１）^２≦輝点面積≦４ｒ^２を満たすように設定される。
【００４０】
また重心情報処理部２４５は、重心演算領域における重心情報（各輝点の０次輝度モーメントｐ（ｎ，ｋ）［ｓｕｍ］、ｘ方向の１次輝度モーメントｐ（ｎ，ｋ）［ｘ＿ｓｕｍ］及びｙ方向の１次輝度モーメントｐ（ｎ，ｋ）［ｙ＿ｓｕｍ］）を算出し（Ｓ５１６、Ｓ５１８、Ｓ５２０）、後段のデータ蓄積／表示部２６へ重心情報を転送する（Ｓ５２２）。重心情報算出のアルゴリズムを次に示す。
ｐ（ｎ，ｋ）［ｓｕｍ］＝０；　ｐ（ｎ，ｋ）［ｘ＿ｓｕｍ］＝０；　ｐ（ｎ，ｋ）［ｙ＿ｓｕｍ］＝０；
ｆｏｒ（ｘｘ＝ｘ−ｒ；　ｘｘ＜ｘ＋ｒ；　ｘｘ＋＋）［ｆｏｒ（ｙｙ＝ｙ−ｒ；　ｙｙ＜ｙ＋ｒ；　ｙｙ＋＋）［ｐ（ｎ，ｋ）［ｓｕｍ］　＝　ｐ（ｎ，ｋ）［ｓｕｍ］　＋　ｄ（ｘｘ，ｙｙ）；
ｐ（ｎ，ｋ）［ｘ＿ｓｕｍ］　＝　ｐ（ｎ，ｋ）［ｘ＿ｓｕｍ］　＋　ｘｘ＊　ｄ（ｘｘ，ｙｙ）；
ｐ（ｎ，ｋ）［ｙ＿ｓｕｍ］　＝　ｐ（ｎ，ｋ）［ｙ＿ｓｕｍ］　＋　ｙｙ＊　ｄ（ｘｘ，ｙｙ）；］］
以上の画像処理装置２０の処理は、ハードウェア回路により行われる。近年、上記のような画像演算処理を行うハードウェアを簡易に開発実装できるデバイスとしてＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）などが実用化されており、演算対象に応じた処理をハードウェア化する作業を効率的に行うことが可能となっている。さらに、ＨＤＬ（ハードウェア記述言語）を用いることでソフトウェア的な処理内容の記述で回路設計が可能となっているため、所望の画像処理を行うハードウェアを容易に作成することができる。こうして作成したハードウェアによって画像処理を行うことで、汎用的な回路によりソフトウェアで画像処理を行う場合に比べて高速での演算が可能となる。ＣＭＯＳセンサ１０では各ＣＭＯＳアレイ２１０に対応するＡ／Ｄ変換器２１０がシリアル−パラレル処理を行うため１ｋＨｚレベルの高速フレームレートが実現されるが、画像処理装置２０もハードウェア化により１ｋＨｚレベルの高速応答速度を達成できる。
【００４１】
また、データ蓄積／表示部２６へ出力されるデータは重心情報及びその他の特徴量データであるので、データ蓄積／表示部２６が処理するデータ量を軽減させることができる。例えば、１２８ｘ１２８画素の光電変換部１２０を持つセンサで考えた場合、画像データをそのまま出力した場合には、１２８ｘ１２８ｘ８ｂｉｔ＝１６Ｋｂｙｔｅの通信データ量となるが、データ処理で得た輝度データ及び重心情報などを通信データとすることで、１輝点あたりの情報は６４ｂｉｔ＝８ｂｙｔｅ程度に抑えることが可能である。したがって、例えば１画面中に１００点の輝点情報があった場合に、合計８００ｂｙｔｅの通信データ量（画像に比較して約２０分の１）に圧縮して出力することが可能となる。この圧縮率は、高い解像度の受光部を用いるほど顕著となる。
【００４２】
重心位置算出部２６１は、重心情報に基づいて各輝点の重心位置を算出する（Ｓ５２４）。重心位置算出のアルゴリズムを次に示す。
（ｘ方向の輝点重心位置）ｐ_ｘ　＝　ｐ（ｎ，ｋ）［ｘ＿ｓｕｍ］　／　ｐ（ｎ，ｋ）［ｓｕｍ］；
（ｙ方向の輝点重心位置）ｐ_ｙ　＝　ｐ（ｎ，ｋ）［ｙ＿ｓｕｍ］　／　ｐ（ｎ，ｋ）［ｓｕｍ］；
以上の計算から重心位置をサブピクセルで求めることが可能になる。すなわち、画素単位より細かい単位で輝点の重心位置を計算することができる。
【００４３】
位相算出部２６２は、各輝点の重心位置に基づいてｘ方向の位相ｗ_ｘ及びｙ方向の位相ｗ_ｙを算出する（Ｓ５２６）。位相算出のアルゴリズムを次に示す。
（ｘ方向の位相）ｗ_ｘ　＝　（ｐ_ｘ−ｐ_ｘ０）　／　ｆ
（ｙ方向の位相）ｗ_ｙ　＝　（ｐ_ｙ−ｐ_ｙ０）　／　ｆ
なお、（ｐ_ｘ０，ｐ_ｙ０）は重心位置の初期値（位相のずれがない場合の輝点の重心位置）を示し、ｆは集光レンズ３２の焦点距離を示す。
【００４４】
補間処理部２６３は、Ｓ５２６で得られた位相の離散データを補間して、位相分布データを取得する（Ｓ５２８）。すなわち、各集光レンズ３２に対応する輝点毎に計算された位相情報から、ブロック間の補間演算や、周辺ブロックとの連続性を制約条件に補間計算を行う。例えば、線形な補間を行う場合に、あるブロック（ｘ，ｙ）の位相（ｗ_ｘ　，ｗ_ｙ）とその周辺ブロックの値から、ブロック間の中間位置（ｘ’，ｙ’）の位相（ｗ’_ｘ　，ｗ’_ｙ）は、一般的な線形補間計算により次のように表される。
ｗ’_ｘ＝ｗ_ｘ０＋（ｗ_ｘ１−ｗ_ｘ０）＊（ｘ’−ｘ_０）／（ｘ_１−ｘ_０）
ｗ’_ｙ＝ｗ_ｙ０＋（ｗ_ｙ１−ｗ_ｙ０）＊（ｙ’−ｙ_０）／（ｙ_１−ｙ_０）
ただし、ｘ_０＜　ｘ’＜ｘ_１、ｙ_０＜　ｙ’＜ｙ_１を満たすものとする。
【００４５】
Ｓ５２８に続いて次のフレームについて上記の処理が繰り返される。
【００４６】
なお、上記の実施形態では輝度モーメントを算出する際の座標は全輝点について共通のものが用いられたが、輝点中心位置を原点として各輝点の輝度モーメントを算出してもよい。その場合は、輝度モーメントを０次モーメントで除算することにより、輝点中心位置と重心位置との差が算出される。この差を輝点中心位置の座標に加算することによって重心位置が算出される。
【００４７】
次に、位相分布計測装置１の効果を説明する。重心演算領域がフレーム毎に各輝点の位置に応じて決定されるので、重心位置を正確に算出することができる。また、複眼レンズ３０を設計する上でどのようなレンズ形状、ピッチも適用可能になる。
【００４８】
図１２は、重心位置のずれと計測対象レーザ光の入射角度のずれ（位相のずれ）との関係を示すグラフである。横軸は計測対象レーザ光の傾き角度を示し、縦軸は重心位置（６つのブロックにおけるｘ方向の輝点の重心位置）を示す。計測対象レーザ光の入射角を０．０５度毎に変化させたとき、重心位置が約０．８画素ずつ移動した。また、傾き角度が約０．５度の範囲であるとき重心位置のずれと計測対象レーザ光の入射角度のずれ（位相のずれ）の関係は良好な線形性を示し、位相分布計測装置１の高精度特性が確認された。
【００４９】
図１３は、各集光レンズに対応する重心演算領域が固定された位相分布計測装置の測定結果を示す。図１２におけると同様に計測対象レーザ光の入射角度をずらしていったところ、重心位置のずれと入射角度のずれ（位相のずれ）との関係が線形性を示す領域は狭くなった。このように、各集光レンズに対応する重心演算領域が固定された位相分布計測装置では、入射角度のずれ（位相のずれ）が大きくなったとき実際の輝点領域が重心演算領域から大きく外れてしまうので、演算精度が悪くなってしまう。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の位相分布計測装置によれば、輝点が大きくずれたときでも正確な重心位置の算出が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】位相分布計測装置１の構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す複眼レンズ３０と受光面１１との位置関係を示す図である。
【図３】図１に示すＣＭＯＳセンサ１０及び位相算出装置２０の機能的構成図である。
【図４】ＣＭＯＳセンサ１０の回路図である。
【図５】図４に示す積分回路２２０の詳細構成を示す回路図である。
【図６】平滑化処理部２４２の回路図である。
【図７】中心位置算出部２４３の回路図である。
【図８】輝点面積算出部２４４の回路図である（例として、面積演算領域を３×３行とした。）。
【図９】重心情報処理部２４５の回路図である（例として、重心演算領域を３×３行とした。）。
【図１０】ＣＭＯＳセンサ１０及び位相算出装置２０の動作の手順を示すフローチャートである。
【図１１】デジタル画像情報Ｐ（ｎ）の例を示す図である。
【図１２】重心位置のずれと計測対象レーザ光の入射角度のずれ（位相のずれ）との関係を示すグラフである。
【図１３】各集光レンズに対応する重心演算領域が固定された位相分布計測装置の測定結果を示す。
【符号の説明】
１…位相分布計測装置、３…制御部、１０…ＣＭＯＳセンサ、１１…受光面、１２…信号処理部、１３…増幅部、１４…Ａ／Ｄ変換部、２０…画像処理装置、２５…コンピュータ、３０…複眼レンズ、３２…集光レンズ、１１０…ＣＭＯＳアレイ、１２０…光電変換部、１３０…フォトダイオード、１４０…ＭＯＳＦＥＴ、２１０…Ａ／Ｄ変換器、２２０…積分回路、２２１…チャージアンプ、２２２…可変容量部、２２３…スイッチ素子、２３０…比較回路、２４０…容量制御機構、２４１…輝度データ算出部、２４２…平滑化処理部、２４３…中心位置算出部、２４４…輝点面積算出部、２４５…重心情報処理部、２６１…重心位置算出部、２６２…位相算出部、２６３…補間処理部、３００…タイミング制御部、３１０…基本タイミング部、３２０…垂直シフトレジスタ、３４０…制御信号部。

Claims

平面上に複数の集光レンズがマトリックス状に配置されることによって構成された複眼レンズと、
受光面上にマトリックス状に配置された複数の受光素子を含んで構成されると共に、前記受光面が前記集光レンズの焦点距離だけ離れて前記平面と平行になるように配置された撮像素子と、
前記撮像素子から出力されるデータから前記複眼レンズに入射した光の位相分布を算出する位相算出装置とを備え、
前記位相算出装置が、
前記各受光素子が検出した光の輝度データに基づいて、前記受光面における輝度が極大値となる輝点中心位置を算出する中心位置算出手段と、
前記輝点中心位置を中心とする重心演算領域における輝度の重心位置を算出する重心位置算出手段とを含んで構成された
ことを特徴とする位相分布計測装置。
前記位相算出装置が、前記輝点中心位置を中心とする一定の領域において輝度が所定の閾値を超える部分の面積を算出する輝点面積算出手段を更に含み、
前記重心演算領域は、前記輝点面積算出手段によって算出された面積を超える面積を占めるように設定される
ことを特徴とする請求項１記載の位相分布計測装置。
前記中心位置算出手段は、前記輝度データのうち輝度が所定の基準値を超えるもののみに基づいて、前記輝点中心位置を算出し、
前記重心位置算出手段は、前記輝度データのうち輝度が前記基準値を超えるもののみに基づいて、前記重心位置を算出する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の位相分布計測装置。
前記位相算出装置が、各前記受光素子に対応する輝度データを隣接する前記受光素子に対応する輝度データとの加重平均値に変換する平滑化処理手段を更に含む
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の位相分布計測装置。
前記位相算出装置が、前記重心演算領域における輝度のモーメントを算出する輝度モーメント算出手段を更に含み、
前記中心位置算出手段及び前記輝度モーメント算出手段はハードウェア演算回路により構成され、
前記重心位置算出手段が、前記ハードウェア演算回路の出力に基づいて前記重心位置を算出する
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の位相分布計測装置。
複眼レンズに光を入射させた上、撮像素子によって前記光の焦点像を撮像する撮像ステップと、
前記各受光素子が検出した光の輝度データを算出する輝度データ算出ステップと、
前記輝度データに基づいて、前記受光面における輝度が極大値となる輝点中心位置を算出する中心位置算出ステップと、
前記輝点中心位置を中心とする重心演算領域における輝度の重心位置を算出する重心位置算出ステップと
前記重心位置の所定の焦点位置からのずれに基づいて、前記複眼レンズに入射した光の位相を算出する位相算出ステップとを含む
ことを特徴とする位相分布計測方法。
前記重心位置算出ステップは、前記輝点中心位置と前記重心位置との差を算出するステップと、前記差から前記重心位置を算出するステップとを含む
ことを特徴とする請求項６記載の位相分布計測方法。