JP2010230578A

JP2010230578A - 偏芯量測定方法

Info

Publication number: JP2010230578A
Application number: JP2009080213A
Authority: JP
Inventors: Souto Katsura; 宗涛葛; Kenichi Takahashi; 研一高橋
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2010-10-14
Also published as: EP2233884B1; ATE540287T1; US20100245804A1; US7792366B1; EP2233884A1

Abstract

【課題】オートコリメーション法を用いて被検光学素子の偏芯量を測定する場合に、撮像面上での、被検光学素子の各面からの指標の像の誤測定を簡易に防止する。
【解決手段】被検光学素子上に指標を通過した光を照射し、撮像面上に指標の像を形成する（S401）。基準画像m(x, y)にFFTを施してM(h, k)を得、被検査画像n(x, y)にFFTを施してN(h, k)を得る（S402）。FFT後の基準画像M(h, k)と被検査画像N(h, k)の位相限定相関をとり、関数R(h, k)を得る（S403）。得られた位相限定相関関数R(h, k)に逆FFTを施してr(x, y)を得る（S404）。最大ピークの座標を特定して第１面の指標の像位置とする（S405）。２番目に大きいピークが特定できるかについて判断し（S406）、この結果がNOであれば、最大ピークの指標の像を消去し（S408）、再度、最大ピークの座標を特定して第２面の指標の像位置とする（S409）。
【選択図】図１

Description

本発明は、レンズ等の光学素子における被検面の偏芯量を測定する偏芯量測定方法に関し、特に、被検体の表裏各面からの反射光によって結像面上に結像される各指標の像の位置を特定しうる偏芯量測定方法に関するものである。

レンズの評価や検査の重要項目として、レンズ面の偏芯量の測定がある。
偏芯量の測定手法としては、例えば、図１３に示す反射式の偏芯測定装置を用いたオートコリメーション法と称される手法が知られている（下記特許文献１参照）。この偏芯測定装置は、被検レンズ（球面レンズ）１１０を、その中心軸を中心として回転可能に設置される基台１２２と、光源１１１と、光源１１１からの光を通過させる指標板（ピンホール板、レチクル板）１１２と、光軸に沿って被検レンズ１１０に光を照射する測定用光学系１３１と、被検レンズ１１０からの光を観測するための撮像手段を備えている。また、上記測定用光学系１３１は、光源１１１から射出され指標板１１２を通過した光を略直角に反射するビームスプリッタ１１３と、ビームスプリッタ１１３からの光を平行光束とするコリメータレンズ１１４と、この平行光束を被検レンズ１１０の近軸焦点に収束せしめる対物レンズ１１５とを備えている。さらに、上記撮像手段は、上記ビームスプリッタ１１３を透過した被検レンズ１１０からの光を観測する撮像面を備えたＣＣＤカメラ１２１からなる。

上記偏芯測定装置を用いて偏芯量測定を行う際には、指標板１１２を通過した光源１１１からの光を測定用光学系１３１により被検レンズ１１０に照射する。

このとき、対物レンズ１１５の光収束位置Ｐを移動することにより、被検レンズ１１０の被検面（上面）の曲率中心に光収束位置Ｐを一致させる。被検レンズ１１０の被検面に入射した光は、この被検面の曲率中心から発せられた光と同等とみなせるから、被検面から、入射経路を逆進するように反射される。この反射光について、ビームスプリッタ１１３を透過せしめてＣＣＤカメラ１２１に入射させる。この後、基台１２２を回転させながら被検レンズ１１０からの反射像を観測すると、偏芯がある場合には、ピンホールの像の軌跡が円を描き、この円の半径を計測することで被検レンズ１１０の偏芯量を求めることができる。

ここで、被検レンズ１１０は上方被検面とは逆側の下方被検面（設置面）が基台上に支持されている。この下方被検面も球面であるから、基本的には被検レンズ１１０を基台１２２上でずらしても下方被検面の曲率中心の位置は変化しない。そこで、このような偏芯測定装置では、得られた偏芯量測定値をそのまま、被検面についての最終的な偏芯量とするようにしていた。

また、本願出願人は、上記測定装置においては、指標（レチクル）の像としてピンホールの像を用いており、その像の中心位置を特定することが難しいことに鑑み、上記指標をピンホールの像に替えて十字線形状の像とし、さらにこの十字線形状の像の中心位置を特定する手法を提案している（下記特許文献２参照）。

特開２００７−３２７７７１号公報特願２００８−１５２２９６号明細書

しかしながら、上記従来手法によって被検レンズ１１０の偏芯量を求める場合には、被検体の表裏各面からの反射光による２つの指標の像が撮像面上に結像し、互いに重なり合う場合も生じることから、指標の像に基づき、各面ごとの偏芯量を精度良く測定することが難しかった。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、オートコリメーション法を用いて被検光学素子の偏芯量を測定する場合に、結像面（撮像面）上での、被検光学素子の各面からの指標の像の誤検出を簡易に防止することを目的とするものである。

上記課題を解決するため本発明に係る偏芯量測定方法は、
所定の軸を中心として回転可能な基台に被検光学素子を設置し、該設置された被検光学素子の表裏の被検面各々に対して光源からの光を所定形状の指標を含む測定用光学系を介して照射し、該表裏の被検面各々からの反射光を結像面上に導き、該反射光により該結像面上に形成された、該表裏の被検面各々に係る前記指標の像を、前記基台の少なくとも３つの所定回転位置毎に得るようにし、これら少なくとも３つの指標の像の位置に基づき前記表裏の被検面各々の偏芯量を得、これら被検面各々の偏芯量の差に基づいて被検光学素子の偏芯量を測定する偏芯量測定方法において、
前記基台の所定回転位置毎に、前記指標の像を検出する際には、まず、該指標の像の基準形状をなすマッチング基準画像m(x, y)を作成し、
該結像面上の画像n(x, y)と、該マッチング基準画像m(x, y)とのマッチング処理を行い、
マッチング強度が最大となる指標の像を、前記表裏の被検面の一方における前記指標の像として取得し、
次に、前記マッチング強度が２番目に大きい指標の像の位置が特定された場合は、この指標の像を前記表裏の被検面の他方における前記指標の像として取得し、その一方、前記マッチング強度が２番目に大きい指標の像の位置の特定が困難な場合は、前記マッチング強度が最大となる指標の像を取得画像から消去する処理を行なった上で、当該消去処理後の前記結像面上の画像n´(x, y)と、前記マッチング基準画像m(x, y)とのマッチング処理を行なって、このときのマッチング強度が最大となる指標の像を、前記表裏の被検面の他方における前記指標の像として取得することを特徴とするものである。

なお、上記偏芯量測定方法において、前記マッチング処理は位相限定相関方法を用いることが好ましい。

なお、結像された像の明るさがより大きいものが光源とは反対側の面を表す場合もあることから、その各面の反射強度を事前に測定しておき、この測定結果に基づいて、指標の像が、表裏いずれの面に係るものかを判断することが、誤判断の発生を確実に阻止する上で好ましい。

なお、本願明細書において「マッチング」とは、一般に、テンプレートマッチング等と称される画像処理の一手法であり、特定のパターンを検出するために、テンプレートとなる基準画像を用意し、これを被検画像と照らしあわせ、この被検画像中に基準画像と合致するパターンを検出した場合に、この検出したパターンの被検画像上での位置を求める手法をいうものとする。したがって、本願明細書において「マッチング処理」とは当該手法を実行する処理を意味し、「マッチング基準画像」とは、上記テンプレートとされた基準画像を意味し、さらに、「マッチング強度」とは、被検画像を基準画像と照らしあわせた際において、被検画像中のパターンの基準画像と合致する度合いを意味するものとする。

本発明に係る偏芯量測定方法においては、撮像面上に結像された被検体表裏各面からの指標の像について、マッチング処理を施すことで、結像された像の明るさに応じて確実に識別するようにしており、被検体表裏各面に係る指標の像の位置を高精度に特定することができるので、表裏各面の偏芯量を確実に検出することができる。

なお、一般には、結像された像の明るさがより大きいものが光源側の面を表し、結像された像の明るさが２番目に大きいものが、光源とは反対側の面を表すものとなる。

本発明の一実施形態に係る偏芯量測定方法の概略を説明するためのフローチャートである。図１に示す、指標の像の座標取得処理を行なうためのサブルーチンを示すフローチャートである。本発明の一実施形態に係る偏芯量測定方法を実施するための偏芯量測定装置の概略構成図である。Ｖブロックと回転円板よりなるチャック機構を示す概略斜視図である。偏芯量Ｅｃの定義を説明するための図である。本実施形態方法において、マッチング基準画像に係る十字線の像を示す概略図である。本実施形態方法において、撮像面上に形成された２つの十字線の像を示す概略図である。図７に示す被検査画像に対し、Halconの動的閾値法を用いて得られた２値化画像を表すものである。本実施形態方法において、位相限定相関関数r(h, k)による評価画像を示すものである。Ｘ，Ｙ両方向での相関関数値を示すグラフである。第１面および第２面からの反射に係る十字線の各指標の像が互いに近接した位置とされた場合における画像を示すものである。指標をピンホール状に変更した場合の画像を示すものである。従来の偏芯量測定装置を示す概略構成図である。

以下、本発明に係る実施形態について、上述した図面を参照しながら詳細に説明する。
まず図３に基づいて、本発明の一実施形態に係る偏芯量測定方法を実施するための反射タイプの偏芯量測定装置の概略構成について説明する。

この偏芯量測定装置１は、被検レンズ１０の偏芯量を測定するものであり、被検面となる上面１０Ａおよび下面１０Ｂに光を照射する光源１１と、光源１１からの光束を通過させる、十字形状のスリットを有するレチクル板１２と、測定用光学系３１とを有し、この測定用光学系３１は、レチクル板１２からの光を略直角に反射するビームスプリッタ１３と、入射された光を平行光束とするコリメータレンズ１４と、平行光束を所定位置（光収束点）Ｐに収束せしめる対物レンズ１５とを備えている。

また、この偏芯量測定装置１では、上面１０Ａおよび下面１０Ｂからの反射光が、対物レンズ１５、コリメータレンズ１４およびビームスプリッタ１３を介して入射され、レチクル板１２の指標の像を撮像するＣＣＤカメラ２１を有している。

また、この偏芯量測定装置１では、被検レンズ１０を載置するレンズ載置部材２２と、このレンズ載置部材２２を所定の回転軸を中心として回転させる被検レンズ回転駆動手段２３と、上記測定用光学系３１および上記ＣＣＤカメラ２１を一体的に保持しつつ、該測定用光学系３１の光軸Ｚの方向に移動せしめるＺ軸移動ステージ２４と、被検レンズ回転駆動手段２３およびＺ軸移動ステージ２４を一体的に載設固定せしめる固定台２５とを有している。

また、ＣＣＤカメラ２１で得られた像情報を解析し、演算する解析演算部３２が設けられている。
なお、偏芯がある場合には、上記指標の像の軌跡が円を描くので、この円の半径を計測することで被検レンズ１０の偏芯量を求めることができる。

ここで、上記レンズ載置部材２２は、その上方端面縁部において被検レンズ１０を支持する（真空チャッッキング等により吸引保持する）円筒形状の載置部材を用いてもよいが、例えば図４に示すような、Ｖブロック５１と回転円板５２よりなるチャック機構により被検レンズ１０をその側方において挟持し、該回転円板５２を回転駆動することにより、被検レンズ１０を回転させるようにすれば、被検レンズ１０の位置決めを高精度で行うことができる。

なお、いずれの方法により被検レンズ１０を載置する場合にも、被検レンズ１０の回転軸Ｗを被検レンズ１０の光軸ｚと一致させるように位置調整を行うことが望ましい。

ここで、図５を用いて偏芯量Ｅｃの定義をしておく。

すなわち、被検レンズ１０の両面（上面１０Ａ、下面１０Ｂ）がともに球面であるとすると、上面１０Ａの曲率中心Ｃ_１は上面１０Ａの光軸上に位置し、下面１０Ｂの曲率中心Ｃ_２は下面１０Ｂの光軸上に位置する。２つの曲率中心Ｃ_１、Ｃ_２を結ぶ直線が被検レンズ１０の光軸ｚであり、被検レンズ１０の回転軸Ｗが下面１０Ｂの光軸に一致しているものとすると、この被検レンズ１０の光軸ｚと下面１０Ｂの光軸とが角度をもって交差している場合、上面１０Ａの曲率中心Ｃ_１から下面１０Ｂの光軸に下ろした垂線の長さを偏芯量Ｅｃと定義する。被検レンズ１０の回転軸Ｗが下面１０Ｂの光軸に一致していない場合は、上面１０Ａの曲率中心Ｃ_１から被検レンズ１０の回転軸Ｗに下ろした垂線の長さを偏芯量Ｅｃとする。

ところで、上記上面１０Ａおよび下面１０Ｂからの反射光による指標の像が、互いに近い撮像面上の位置に形成されるときは、いずれが上面１０Ａからで、いずれが下面１０Ｂからの反射光によるものなのか、自動的に特定することが難しい。特に、指標の像が十字線である場合には、互いの十字線が交差するため、互いに識別することが困難な場合があり、偏芯量の誤測定を防止することが難しかった。

そこで、本実施形態のものでは、各々の指標の像の位置を特定するにあたって、図１、２に示すアルゴリズムを用いるようにしている。

すなわち、図１に示すように、本実施形態方法においては、まず、初期設定として、被検レンズ（被検光学素子）１０をレンズ載置部材（基台）２２上に設置する（Ｓ１）。

次に、上述したように、被検レンズ１０（被検光学素子）を所定角度ずつ回転させる操作の度に、十字形状の指標の像の中心位置が測定されるが、被検レンズ１０を、例えば１回転させる間の測定回数Ｎを設定する。このＮの数としては、ユーザが適宜選択でき、例えば、少なくとも２以上、望ましくは３以上であるが、測定精度の高さに応じて数十とすることも可能である（Ｓ２）。

次に、被検レンズ回転駆動手段２３（回転ステージ）を基準位置まで回転させる。
つづいて、本発明のポイントとなる、各レンズ面に係る指標の像の座標位置を取得する処理を行なう（Ｓ４）。

次に、ステップ２（Ｓ２）の初期設定において設定した測定回数Ｎを１だけ減算し（Ｓ５）、測定回数Ｎが０となっているか否かを判断する（Ｓ６）。Ｎが０となっていなければ（ＮＯ）、被検レンズ回転駆動手段２３（回転ステージ）を所定角度（測定角度位置が均等に設定されているのであれば３６０度/Ｎ）だけ回転させて（Ｓ７）、ステップ４（Ｓ４）に戻り、Ｓ４〜Ｓ６の処理を繰り返して行う。一方、Ｎが０となっていれば（ＹＥＳ）、測定を終了する。

そして、このようにして得られた各指標の像を各回転位置毎に取得し、これらにより描かれる各円（表裏各面毎の円）の中心位置を求め、これら各円の中心位置間の距離（曲率中心Ｃ_１から、被検面（設置面）１０Ｂの光軸に下ろした垂線の長さ）から上記偏芯量Ｅｃを求めることができる。

また、上記各レンズ面に係る指標の像の座標位置を取得する処理（Ｓ４）を、当該処理を具体的に表した図２に示すフローチャートに基づいて説明する。

すなわち、まず、被検光学素子上に指標を通過した光を照射し、この被検光学素子各面からの反射光により撮像面上に指標の像を形成する（Ｓ４０１）。

次に、予め作成しておいたマッチング基準画像m(x, y)にＦＦＴ処理を施して画像M(h, k)を得、一方、撮像面上に形成された画像（以下、被検査画像と称する）n(x, y)にＦＦＴ処理を施して画像N(h, k)を得る（Ｓ４０２）。

次に、ＦＦＴ処理後のマッチング基準画像M(h, k)とＦＦＴ処理後の被検査画像N(h, k)との位相限定相関をとり、関数R(h, k)を得る（Ｓ４０３）。

次に、得られた位相限定相関関数R(h, k)に逆フーリエ変換処理を施してr(x, y)を得る（Ｓ４０４）。

次に、最大ピークの座標を特定して第１面に係る指標の像の座標として記憶する（Ｓ４０５）。

次に、２番目に大きいピークが特定できるかについて判断する（Ｓ４０６）。

その結果、ＹＥＳであれば、２番目に大きいピークの座標を特定して第２面に係る指標の像の座標として記憶し（Ｓ４０７）、サブルーチン処理を終了する。

一方、上記の判断結果がＮＯであれば、最大ピークの指標の像を消去し（Ｓ４０８）、その状態で、再度、最大ピークの座標を特定し、それを第２面に係る指標の像の座標として（Ｓ４０９）、サブルーチン処理を終了する。

このように、２番目に大きいピークの位置が最大ピークの位置に近いような場合には、２番目に大きいピークに係る指標の像（第２面に係る指標の像）が最大ピークに係る指標の像（第１面に係る指標の像）に隠されて（あるいは識別困難となり）明確に把握できないことがあるが、本実施形態においては、そのように２番目に大きいピークに係る指標の像（第２面に係る指標の像）が明確に把握できないような場合には、最大ピークに係る指標の像（第１面に係る指標の像）を画像中から消去した後、再度、最大ピークに係る指標の像（第２面に係る指標の像）を把握するようにしているので、２番目に大きいピークに係る指標の像（第２面に係る指標の像）の位置を確実に特定することができる。

以下、図６〜１１の実施例画像データを用いて、上記実施形態方法のポイントであるステップ４０２〜４０４（Ｓ４０２〜４０４）について、より詳しく説明する。

図６は、上記ステップ４０２（Ｓ４０２）のマッチング基準画像m(x, y)を示すものである。本図においては、このマッチング基準画像の指標の像の中心位置が（268,198）に配されたときの様子が示されている（全体画素５１２×５１２：中心座標（256,256））。同様に図７は、上記ステップ４０２（Ｓ４０２）の、被検査画像n(x, y)を示すものであり、図８は、この被検査画像に対して、Halconの動的閾値法による処理を施し、得られた２値化画像を表すようにしたものである。その指標の像の中心位置は（252,194）とされている。この状態で、マッチング基準画像m(x, y)と被検査画像n(x, y)にFFT処理を施し、このFFT処理後のマッチング基準画像M(h, k)とFFT処理後の被検査画像N(h,
k)を得ることになる。

次に、上記ステップ４０３（Ｓ４０３）に示すように、FFT処理後のマッチング基準画像M(h, k)とFFT処理後の被検査画像N(h, k)の位相限定相関をとり、位相限定相関関数R(h, k)を得る。

ここで、位相限定相関法とは、振幅スペクトルを１に正規化した画像（位相限定画像）に対して相関をとる方法をいうものであり、そのため、位相限定相関法では振幅スペクトルの変化を受けることなく相関を計算することが可能である。

下式は、位相限定相関R(h, k)を表すものである。

また、上記ステップ４０４（Ｓ４０４）は、上記位相限定相関関数に逆FFT処理を行って、位相限定相関関数r(h, k)を得るものであるが、図９は、この位相限定相関関数r(h, k)による評価画像を示すものである（ピークの中心位置座標（241,252））。このように、マッチング基準画像と被検査画像との間に相関がある場合には、相関関数値を示す図１０のグラフ中に高いピークが現れる（（Ａ）がＸ断面の相関関数値を、（Ｂ）がＹ断面の相関関数値を、各々表す）ので、このピークが現れた位置に、指標の像が存在することが分かる。なお、そのピークの位置座標（241、252）と画像の中心位置座標（原点256、256）との距離（15、4）はマッチング基準画像の中心位置座標（268、198）と被検査画像の中心位置座標（252、194）との距離（16、4）に略一致する。

本実施形態においては、このような手法を用いたことにより、被検体第１面の指標の像と被検体第２面の指標の像のいずれにおいても、正確に像位置を検出することが可能である。これにより、レンズ等の光学素子における被検面の偏芯量を高精度に測定することができる。

このようにして、被検体第１面の指標の像と被検体第２面の指標の像を、光学レンズの表裏面の各々とすることができる。

なお、図９に示された評価画像によっては、ピーク値（強度が大きい位置）の特定が難しいが、上記図１０に示すように、Ｘ，Ｙ両断面方向での各相関関数値を示すグラフによれば、ピーク値と周辺との強度の差が大きいので、指標の像の位置を正確に特定することができる。

また、一般に、大きいピークは数画素に亘る分布となるので、そのピークを、２次関数等でフィッティングすることで、サブピクセルの分解能が得られる（理論上１/100画素の分解能を得ることが可能）。

また、本発明方法は、例えば、指標が図１１に示すように、交差線が長い十字型マークであって、第２面からの反射に係る十字線の指標の像が、光強度が強い第１面からの反射に係る十字線の指標の像と近接した位置とされた場合に、特に有効である。

さらに、このような第１の面と第２の面に係る２つの指標の像が互いに近接配置されたことによる弊害をより小さくするためには、例えば図１２に示すように、指標を、十字線ではなくピンホール状に変更することで、２つの指標の像が離間している状態（Ａ）のみならず近接している状態（Ｂ）においても、識別可能である。

また、指標の形状を、例えば、２つの線分の交差角が９０°以外の角度、例えば４５°となるような、Ｘ字形状の指標およびその像形状とすることが可能である。

また、上記実施形態方法では、マッチング処理として位相限定相関を用いているが、マッチング処理の手法としては、他の手法を用いることが可能である。

１偏芯量測定装置
１０、１１０被検レンズ
１０Ａ被検面
１０Ｂ被検面（設置面）
１１、１１１光源
１２レチクル板
１３、１１３ビームスプリッタ
１４、１１４コリメータレンズ
１５、１１５対物レンズ
２１、１２１ＣＣＤカメラ
２２レンズ載置部材
２３被検レンズ回転駆動手段
２４Ｚ軸移動ステージ
２５固定台
３１、１３１測定用光学系
３２解析演算部
５１Ｖブロック
５２回転円板
１１２指標板（ピンホール板）
１２２基台

Claims

所定の軸を中心として回転可能な基台に被検光学素子を設置し、該設置された被検光学素子の表裏の被検面各々に対して光源からの光を所定形状の指標を含む測定用光学系を介して照射し、該表裏の被検面各々からの反射光を結像面上に導き、該反射光により該結像面上に形成された、該表裏の被検面各々に係る前記指標の像を、前記基台の少なくとも３つの所定回転位置毎に得るようにし、これら少なくとも３つの指標の像の位置に基づき前記表裏の被検面各々の偏芯量を得、これら被検面各々の偏芯量の差に基づいて被検光学素子の偏芯量を測定する偏芯量測定方法において、
前記基台の所定回転位置毎に、前記指標の像を検出する際には、まず、該指標の像の基準形状をなすマッチング基準画像m(x, y)を作成し、
該結像面上の画像n(x, y)と、該マッチング基準画像m(x, y)とのマッチング処理を行い、
マッチング強度が最大となる指標の像を、前記表裏の被検面の一方における前記指標の像として取得し、
次に、前記マッチング強度が２番目に大きい指標の像の位置が特定された場合は、この指標の像を前記表裏の被検面の他方における前記指標の像として取得し、その一方、前記マッチング強度が２番目に大きい指標の像の位置の特定が困難な場合は、前記マッチング強度が最大となる指標の像を取得画像から消去する処理を行なった上で、当該消去処理後の前記結像面上の画像n´(x, y)と、前記マッチング基準画像m(x, y)とのマッチング処理を行なって、このときのマッチング強度が最大となる指標の像を、前記表裏の被検面の他方における前記指標の像として取得することを特徴とする偏芯量測定方法。
前記マッチング処理は位相限定相関法を用いることを特徴とする請求項１記載の偏芯量測定方法。