JP2010237029A - 赤外線光学系の評価装置及びその評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 安価で簡易な構成で赤外線レンズの近赤外線領域における結像性能を可視化することにより、赤外線レンズの広範囲な赤外領域における光学系の結像性能を客観的に評価可能な評価装置及び方法を提供する。
【解決手段】 評価装置は光源４と、赤外線光学系評価用の標準パターンが形成されたテストパターン５と、光源光が照射された前記テストパターンのパターン像を結像する赤外線レンズ１０と、結像されたパターン像を検知する画像センサ６とを有する。結像されたパターン像と標準パターンとを比較して赤外線レンズを評価する。パターン像はモニタ７のディスプレイ上に表示される。遠赤外線領域の画像評価は近赤外線領域の画像評価から予測する。評価装置がレンズを支持固定する鏡筒内への反射・散乱光の影響を観察評価する場合、鏡筒内に入射される視野外からの反射・散乱光を可視化された近赤外線領域の画像から得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、安価で簡易な構成で、赤外線光学系の結像性能を可視化された画像として客観的に評価可能な赤外線光学系、特に、多素子赤外線センサに用いるレンズ（以下、赤外線レンズという）の評価装置及びその評価装置を用いて行う評価方法に関するものである。

従来、赤外線レンズを評価する場合、赤外線レンズを赤外線センサと組合せてパッケージに組み立て、レンズ評価を行っている。しかし、レンズ評価のためにパッケージとして組み立てなければならず、評価に時間と費用を要していた。また、バックフォーカスや光軸ずれに対処するための条件を振った評価が困難であった。
そこで、センサ部分とレンズとを分離し、それぞれが相対的に移動出来るように構成することで、レンズ単体の評価を行うことが可能な評価装置が知られている。

特許文献１には、結像レンズや結像ミラーなどの被検光学要素の変調伝達関数（ＭＴＦ）を測定する変調伝達関数測定装置及び方法が開示されている。この測定装置には可視光を使用して可視光用レンズのＭＴＦ値を測定するものや赤外放射を使用して赤外用レンズのＭＴＦ値を測定するものが含まれている。

特開２００４−３７４１０号公報

前述した従来の評価装置は、センサの画素サイズが大きいため、レンズの結像性能は正確に評価ができなかった。また、特に、遠赤外線でのレンズの結像性能を見ようとした場合、結像面の温度上昇と熱伝導により、ボロメータ等を利用した高価なセンサが必要であった。
本発明は、このような事情によりなされたものであり、安価であり、簡易な構成で、赤外線レンズの近赤外線領域における結像性能を可視化することにより、赤外線レンズの広範囲な赤外領域における光学系の結像性能を客観的に評価可能な評価装置及びこの評価装置を用いた評価方法を提供する。

本発明の赤外線光学系評価装置は、光源と、赤外線光学系評価用の標準パターンが形成されたテストパターンと、前記光源によって照射された前記テストパターンのパターン像を結像する赤外線レンズと、結像された前記パターン像を検知する画像センサとを具備し、前記結像されたパターン像と前記標準パターンとを比較して赤外線光学系を評価することを特徴としている。前記画像センサは、近赤外線領域に感度特性を有するようにしても良い。前記赤外線レンズは、１．３μｍ以下の透過波長領域を有するようにしても良い。前記画像センサにより撮像された前記パターン像は、モニタのディスプレイ上に表示されるようにしても良い。前記テストパターンに形成された標準パターンは、解像度検査用パターン、歪曲検査もしくは画角検査用パターン、非点収差・コマ収差検査用パターン、光量検査用パターンのいずれかから選ばれるようにしても良い。前記赤外線レンズは、シリコン、サファイヤ、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、カルコゲナイトガラス、高密度ポリエチレンのいずれかから選ばれるようにしても良い。前記赤外線レンズは、鏡筒に支持されて評価されるようにしても良い。

本発明の赤外線光学系評価方法は、赤外線光学系評価用の標準パターンが形成されたテストパターンに光源から光を照射して得られるパターン像が、近赤外線領域を検知する画像センサに結像するように前記画像センサと前記テストパターンの間に赤外線レンズを配置するステップと、前記画像センサに結像されたパターン像を撮像して表示するステップと、前記結像されたパターン像を前記標準パターンと比較して前記赤外線光学系を評価するステップとを具備したことを特徴としている。
本発明の赤外線光学系評価方法は、以下のように、テストパターンを４枚使用する方法にも用いることができる。即ち、赤外線光学系評価用の第１の標準パターンが形成された第１のテストパターンに光源から光を照射して得られるパターン像が、近赤外線領域を検知する画像センサに結像するように前記画像センサと前記第１のテストパターンの間に赤外線レンズを配置する第１のステップと、前記画像センサに結像されたパターン像を撮像して表示する第２のステップと、前記結像されたパターン像を前記第１の標準パターンと比較してこの第１の標準パターンが目的とする検査を行う第３のステップと、前記第１のテストパターンを第２の標準パターンが形成された第２のテストパターンに交換し、前記第２及び第３のステップを繰り返してこの第２の標準パターンが目的とする検査を行い、さらに前記第２のテストパターンを第３、第４の標準パターンが形成された第３、第４のテストパターンに交換し、前記第２及び第３のステップを繰り返して前記第３、第４の標準パターンが目的とする検査を行う第４のステップと、前記第１、第２、第３および第４の標準パターンが目的とする検査の全てを総合して赤外線光学系を評価する第５のステップとを具備したことを特徴としている。

本発明の赤外線光学系評価装置は、安価であり、簡易な構成で、赤外線レンズの近赤外線領域における結像性能を可視化することにより、赤外線レンズの広範囲な赤外領域における光学系の結像性能を客観的に評価可能である。さらに、この装置は、レンズを支持する鏡筒内への視野外からの反射・散乱光の影響を観察評価する場合、これらの反射・散乱光を、近赤外領域における可視化された画像により観察することができる。

実施例１に係る赤外線光学系評価装置の概略構成図。 赤外線レンズ材料の光の波長と屈折率との関係を示す特性図。 実施例１に係る赤外線光学系評価装置を用いた赤外線光学系評価方法のフロー図。 実施例１に係るテストパターンの平面図。 実施例２に係る赤外線光学系評価装置の概略構成図。

以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。

図１乃至図４を参照して実施例１を説明する。
図１は、赤外線光学系評価装置（以下、評価装置という）の概略構成図、図２は、赤外線レンズ材料の光の波長と屈折率との関係を示す特性図、図３は、この評価装置を用いた赤外線光学系評価方法のフロー図、図４は、テストパターンの平面図である。
この評価装置１は、ステージ２上に、光源３、４と、赤外線光学系評価用の標準パターンが形成されたテストパターン５と、光源から照射された光によって映し出されたテストパターン５のパターン像を結像する赤外線レンズ１０と、結像された光を検知する画像センサ６とが設置されている。
光源３、４は、近赤外領域の波長を含む光を放射するものであればよく、白熱電球（可視光をカットして用いることも可能である）、ハロゲンランプ（可視光をカットして用いることも可能である）等を用い、反射型及び透過型のいずれのタイプでもよい。この実施例ではテストパターン５に対してレンズ側に反射型の光源３を配置し、テストパターン５を挟んでレンズと反対側に透過型の光源４を配置している。このように、光源を左右の両側に配置することにより照度ムラを無くすことができる。

ステージ２上には、光源３、４、テストパターン５、画像センサ６及び評価対象レンズである赤外線レンズ１０を固定するそれぞれの支持装置（図示しない）が配置されている。各支持装置は、ステージ２上を移動可能に構成配置されている。このような構成により、バックフォーカスの位置や光軸位置を調整してレンズの評価を正確に行う。
画像センサ６は、カメラモジュ−ルに組み込まれ、カメラモジュ−ルは、支持装置によりステージ２上に配置されている。カメラモジュ−ルは、ステージ２から離れた位置に配置されたモニタ７に接続されている。画像センサ６により検知されたテストパターン５のパターン像は、このモニタ７にディスプレイされる。テストパターン５は、画像センサ６に離隔して配置されている。

この実施例の評価装置は、以上のように構成されており、以下、この評価装置を使用した赤外線光学系の評価方法を説明する。
まず、評価対象レンズである赤外線レンズ１０を光源３、４、テストパターン５及び画像メモリ６が配置された評価装置１にセットする。この実施例では赤外線レンズとしてシリコンレンズを用いる（１）。
本発明の赤外線レンズは、近赤外線のうち、通常プロセスのシリコンベースの半導体画像センサの感知帯域（１．３μｍ以下）を透過する材料を用いる。また、この近赤外線波長領域のうち、屈折率が遠赤外線波長（１０μｍ前後）の屈折率と殆ど変わらない材料なら本発明の評価対象とすることができる。その代表的な材料がシリコンである。シリコンの透過波長域は、１．１〜１０μｍであるが、本発明で利用する１．３μｍ以下の波長領域における屈折率は、遠赤外線波長領域（１０μｍ前後）における屈折率とほぼ同じである。

図２は、赤外線レンズ材料の光の波長と屈折率との関係を示す特性図である。縦軸は、材料の屈折率（ｎ）を示し、横軸は、材料の透過波長（μｍ）を示している。図２に示す材料のうち、上述した透過波長域における近赤外線波長域の屈折率と遠赤外線波長域における屈折率がほぼ同じであれば、本発明への適用が可能である。また、図２に示す材料以外にも、赤外線レンズとして、サファイヤ、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、カルコゲナイトガラス、高密度ポリエチレンなどが用いられる。サファイヤは、透過波長域が０．２〜５μｍで遠赤外線波長領域に透過性をもたないため、遠赤外線の評価はできないが、硫化亜鉛は、透過波長域が０．４〜１２μｍ、セレン化亜鉛は、透過波長域が０．６〜１８μｍ、カルコゲナイトガラスは、透過波長域が０．６〜１０μｍ、高密度ポリエチレンは、透過波長域が１μｍ近くからの透過波長領域を有し、これらはいずれも上述した透過波長域における近赤外線波長域の屈折率と遠赤外線波長域における屈折率がほぼ同じであり、本発明に適用が可能である。
テストパターンは、たとえば、白色紙に赤外線光学系評価用の標準パターンをレーザプリンタで形成したものを用いる。

なお、ゲルマニウムの透過波長域は、１．９〜１４μｍなので、通常プロセスのシリコンベース半導体画像センサの感知帯域（１．３μｍ以下）を外れており、評価対象から外される。
次に、テストパターン５に光源４からの光が照射され、映し出されたテストパターン５のパターン像が赤外線レンズ１０によって画像センサ６に結像される。画像センサ６は、この結像されたパターン像を撮像してモニタ７のディスプレイ上に表示する（２）。
次に、光源３、４、テストパターン５、画像センサ６、赤外線レンズ１０を必要に応じて移動させ、バックフォーカスや光軸位置を調整する（３）。光源３、４はそれぞれ所定の間隔で２つ配置してテストパターン面の照度ムラを減少するようにしている。テストパターン面の明るさは、照度計を用いて調整する。

画像センサ６として、この実施例ではＩＲフィルタを付加しないＣＣＤセンサを用いる。この実施例で用いたＣＣＤセンサは、例えば、画素数が５４２×４９２画素、センサエリアが４．９２×３．６６ｍｍ、画素サイズが約９．１×７．４μｍである。赤外線レンズ１０の焦点距離は、３．６ｍｍ（画角 ９３度）である。
画像センサ６は、ＣＭＯＳセンサでもよく、近赤外線領域に感度を有するセンサであれば公知のものを用いることができる。また、長波長域のインジウムやガリウム、砒素等を含んだ多素子撮像センサでもよい。
画像センサ６で撮像され、ディスプレイ上に表示された画像は、近赤外線の画像である。
次に、撮像された画像をディスプレイ上で目視検査を行う。最初に評価装置にセットされたテストパターンには、たとえば、図４（ａ）に示す解像度検査用標準パターンを用いる。撮像された画像を赤外線レンズを通さないテストパターンの標準パターンと比較することにより、赤外線レンズの解像度が検査できる。これは必要に応じて定量化が可能である。解像度検査が終了後、最初のテストパターンを外し、次のテストパターンと交換する。

次のテストパターン５は、たとえば、図４（ｂ）に示す歪曲検査もしくは画角検査用の標準パターンを有するものを使用する。そして、歪曲検査もしくは画角検査を解像度検査と同じ手順で実施して、更に次のテストパターンと交換する。
次のテストパターン５は、たとえば、図４（ｃ）に示す非点収差・コマ収差検査用の標準パターンを有するものを使用する。この標準パターンを用いて非点収差・コマ収差検査を同様の手順で行う。この検査が終了後、テストパターン５を交換して、たとえば、図４（ｄ）に示す光量検査用の標準パターンを使用して検査を実施する。以下、テストパターンを適宜交換してレンズ評価に必要な検査を行う（４）。
次に、ステップ（４）で行った種々の検査を総合して赤外線レンズの評価をおこなう（５）。
以上、ステップ（１）〜ステップ（５）に従って近赤外線領域での赤外線レンズの評価が実施される。さらに、赤外線レンズとしては、シリコンのように、遠赤外線波長領域と近赤外線波長領域とで屈折率などの光学性能が近似したものであれば、近赤外線領域での評価を遠赤外線領域での評価とみなすことができる（図２参照）。このようにして、全赤外線領域での赤外線レンズの光学的性能が評価される。

なお、図１において、光源４にサイリスタ制御の輝度コントローラを備えて輝度を調整することが出来る。赤外線レンズは、レンズの透過率にムラがあるので、輝度の調整ができることが好ましい。 この実施例の評価装置は、安価であり、簡易な構成で、赤外線レンズの近赤外線領域における結像性能を可視化することにより、赤外線レンズの広範囲な赤外領域における光学系の結像性能を客観的に評価可能である。

次に、図５を参照して実施例２を説明する。
図５は、この実施例の評価装置の概略図である。評価装置に組み込まれる赤外線レンズは、鏡筒内に支持されて組み込まれる。この実施例では、評価装置を用いて鏡筒内に入射される視野外からの反射・散乱光の影響を評価することができる。
評価装置には、ステージ（図示しない）上に、赤外線ランプなどの光源２４と、光源からの光が照射されるテストパターン２５と、照射されたテストパターン２５の像を結像する赤外線レンズ２０と、この結像を検知する画像センサ２６とが設置されている。赤外線レンズ２０は、鏡筒２１内に設置された状態で評価装置に設置されている。

この実施例の評価装置を用いて実施例１と同じような方法で赤外線レンズおよび鏡筒内に入射される視野外反射・散乱光の影響の評価を行う。評価装置にセットされる赤外線レンズ２０は、鏡筒２１内に支持固定されている。光源２４の光は、テストパターン２５に照射され、映し出されたテストパターン２５のパターン像が赤外線レンズ２０により結像され、画像センサ２６により撮像される。このときテストパターン２５のパターン像として入射される光９以外にも、反射・散乱光８が赤外線レンズ２０に入射し、鏡筒２１で反射して画像センサ２６に検知される。この実施例では、赤外線レンズ２０を支持する鏡筒２１内に入射される視野外からの反射・散乱光８を可視化された近赤外線の画像で得ることが出来る。その結果、鏡筒内への反射・散乱光の影響を観察し評価することが可能になる。遠赤外線の画像は、実施例１と同じように近赤外線の評価結果から予測することができる。
以上、この実施例の評価装置は、安価であり、簡易な構成で、赤外線レンズの結像性能、および鏡筒内に入射される視野外反射・散乱光の影響を、近赤外線領域における可視化された画像として評価することにより、広範囲な赤外領域においても、これらの評価が客観的に可能である。

１・・・赤外線光学系評価装置
２・・・ステージ
３、４、２４・・・光源
５、２５・・・テストパターン
６、２６・・・画像センサ
７・・・モニタ
８・・・反射・散乱光
９・・・テストパターンを通過した光源からの光
１０、２０・・・赤外線レンズ
２１・・・鏡筒

Claims (7)

1. 光源と、赤外線光学系評価用の標準パターンが形成されたテストパターンと、前記光源によって照射された前記テストパターンのパターン像を結像する赤外線レンズと、結像された前記パターン像を検知する画像センサとを具備し、前記結像されたパターン像と前記標準パターンとを比較して赤外線光学系を評価することを特徴とする赤外線光学系評価装置。
2. 前記画像センサは、近赤外線領域に感度特性を有することを特徴とする請求項１に記載の赤外線光学系評価装置。
3. 前記赤外線レンズは、１．３μｍ以下の透過波長領域を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の赤外線光学系評価装置。
4. 前記画像センサにより撮像された前記パターン像は、モニタのディスプレイ上に表示されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の赤外線光学系評価装置。
5. 前記テストパターンに形成された標準パターンは、解像度検査用パターン、歪曲検査もしくは画角検査用パターン、非点収差・コマ収差検査用パターン、光量検査用パターンのいずれかから選ばれることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の赤外線光学系評価装置。
6. 前記赤外線レンズは、鏡筒に支持されて評価されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の赤外線光学系評価装置。
7. 赤外線光学系評価用の標準パターンが形成されたテストパターンに光源から光を照射して得られるパターン像が、近赤外線領域を検知する画像センサに結像するように前記画像センサと前記テストパターンの間に赤外線レンズを配置するステップと、前記画像センサに結像されたパターン像を撮像して表示するステップと、前記結像されたパターン像を前記標準パターンと比較して前記赤外線光学系を評価するステップとを具備したことを特徴とする赤外線光学系評価方法。

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