JP2022044113A - Aberration estimation method, aberration estimation device, program and storage medium - Google Patents
Aberration estimation method, aberration estimation device, program and storage medium Download PDFInfo
- Publication number
- JP2022044113A JP2022044113A JP2020149573A JP2020149573A JP2022044113A JP 2022044113 A JP2022044113 A JP 2022044113A JP 2020149573 A JP2020149573 A JP 2020149573A JP 2020149573 A JP2020149573 A JP 2020149573A JP 2022044113 A JP2022044113 A JP 2022044113A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- aberration
- defocus
- amount
- optical system
- light intensity
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、光強度分布を用いて光学系の収差を推定する、収差推定方法、収差推定装置、プログラム、及び記憶媒体に関する。 The present invention relates to an aberration estimation method, an aberration estimation device, a program, and a storage medium for estimating aberrations of an optical system using a light intensity distribution.
カメラや望遠鏡等の光学機器では、性能の評価及び保証のために光学系の収差を計測することが求められる。特許文献1及び特許文献2には、光学系における複数の光強度分布に対して最適化演算を行うことで収差を推定している。 In optical instruments such as cameras and telescopes, it is required to measure the aberration of the optical system in order to evaluate and guarantee the performance. In Patent Document 1 and Patent Document 2, aberrations are estimated by performing optimization operations on a plurality of light intensity distributions in an optical system.
最適化演算を行うことで収差を推定する方法では、1以上のデフォーカス位置で取得された光強度分布を用いる。この方法では、演算によって得られる光強度分布と実際に計測した光強度分布とが一致する収差を探索するため、演算を行う条件が計測条件と正確に一致している必要がある。そのため、デフォーカスを高精度に制御可能な駆動装置が必要となり、装置が複雑化する。装置の複雑化を抑えるために、被検光学系が有するフォーカス機構を用いてデフォーカスを制御してもよいが、フォーカス機構に対する指示量と発生するデフォーカス量との関係が不正確、又は未知であるため、演算を実行することができない。 In the method of estimating the aberration by performing the optimization calculation, the light intensity distribution acquired at one or more defocus positions is used. In this method, in order to search for an aberration in which the light intensity distribution obtained by the calculation and the actually measured light intensity distribution match, it is necessary that the conditions for performing the calculation exactly match the measurement conditions. Therefore, a drive device capable of controlling defocus with high accuracy is required, which complicates the device. Defocus may be controlled using the focus mechanism of the optical system under test in order to reduce the complexity of the device, but the relationship between the amount indicated to the focus mechanism and the amount of defocus generated is inaccurate or unknown. Therefore, the operation cannot be executed.
本発明は、デフォーカスを制御する手段に対する指示量とデフォーカス量との関係が不正確、又は未知である場合でも高精度に被検光学系の収差を推定可能な収差推定方法、収差推定装置、プログラム、及び記憶媒体を提供することを目的とする。 The present invention is an aberration estimation method and an aberration estimation device capable of estimating the aberration of the test optical system with high accuracy even when the relationship between the indicated amount and the defocus amount for the means for controlling the defocus is inaccurate or unknown. , Programs, and storage media.
本発明の一側面としての収差推定方法は、被検光学系を介して形成された被写体の光学像の光強度分布を取得する第1取得ステップと、被検光学系のデフォーカス量を変化させるための指示量及び光強度分布を用いてデフォーカス量を取得する第2取得ステップと、光強度分布及びデフォーカス量を用いて被検光学系の収差を推定する推定ステップとを有することを特徴とする。 In the aberration estimation method as one aspect of the present invention, the first acquisition step of acquiring the light intensity distribution of the optical image of the subject formed through the optical system under test and the defocus amount of the optical system under test are changed. It is characterized by having a second acquisition step of acquiring the defocus amount using the indicated amount and the light intensity distribution for the purpose, and an estimation step of estimating the aberration of the optical system under test using the light intensity distribution and the defocus amount. And.
また、本発明の他の側面としての収差推定装置は、被検光学系を介して形成された被写体の光学像の光強度分布を取得する撮像素子と、被検光学系のデフォーカス量を変化させるための指示量及び光強度分布に基づいて取得されたデフォーカス量を用いて被検光学系の収差を推定する制御部とを有することを特徴とする収差推定装置。 Further, the aberration estimation device as another aspect of the present invention is an image pickup element that acquires a light intensity distribution of an optical image of a subject formed via an optical system under test, and changes the amount of defocus of the optical system under test. An aberration estimation device comprising a control unit for estimating an aberration of an optical system under test using an instruction amount for making the aberration and a defocus amount acquired based on a light intensity distribution.
本発明によれば、デフォーカスを制御する手段に対する指示量とデフォーカス量との関係が不正確、又は未知である場合でも高精度に被検光学系の収差を推定可能な収差推定方法、収差推定装置、プログラム、及び記憶媒体を提供することができる。 According to the present invention, an aberration estimation method and aberration that can estimate the aberration of the test optical system with high accuracy even when the relationship between the indicated amount and the defocus amount for the means for controlling the defocus is inaccurate or unknown. An estimation device, a program, and a storage medium can be provided.
以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In each figure, the same member is given the same reference number, and duplicate description is omitted.
図1は、本発明の実施形態に係る収差推定装置100の概略図である。被写体101から発せられた光は、被検光学系102を介して撮像素子103の撮像面に結像され、被写体101の光学像を形成する。被写体101は例えば、ピンホールのような微小光源である。撮像素子103は、駆動装置104上に設置されている。駆動装置104は、コンピュータ(制御部)105によって制御されており、撮像素子103を指定の位置まで光軸106に沿って移動させる。撮像素子103は、移動した各位置において、光学像の光強度分布を取得し、取得した光強度分布をコンピュータ105、又は不図示のデータ保持装置に保存する。コンピュータ105は、光強度分布に対して後処理を実行することで被検光学系102の収差を推定する。後処理は、コンピュータ105が実行してもよいし、別の演算装置が実行してもよい。また、ネットワークを通じてクラウド上に存在する演算装置が後処理を実行してもよい。
FIG. 1 is a schematic view of an
光軸方向の異なる位置で光強度分布を計測することは、複数のデフォーカス位置で光学像の光強度分布を取得することを意味する。ここで、デフォーカスとは計測位置が被検光学系102の結像位置と異なっていることを指し、デフォーカス位置とは被検光学系102の結像位置を基準とした光軸方向の位置を指す。デフォーカス量は、本実施形態では、結像位置からデフォーカス位置までの距離を指す。なお、デフォーカス量は、結像位置からデフォーカス位置までの距離で表す以外にも、デフォーカス位置を被検光学系102の焦点深度で規格化した値を用いることもできるし、デフォーカスに関する波面収差の量で表すこともできる。結像位置は、本実施形態では、光軸上に結像される光の波面収差が最も小さくなる位置を指す。なお、結像位置を被検光学系102の近軸結像位置や設計結像位置等で表してもよい。また、本実施形態では、図2に示されるように、結像位置が撮像素子103の前方にある場合をデフォーカスが正、結像位置が撮像素子103の後方にある場合をデフォーカスが負であると定義する。本発明はこれらの定義によって限定されるものではない。他の定義を採用した場合はそれに合わせて適宜本発明を実施すればよい。
Measuring the light intensity distribution at different positions in the optical axis direction means acquiring the light intensity distribution of the optical image at a plurality of defocus positions. Here, the defocus means that the measurement position is different from the image formation position of the test
なお、本実施形態では、駆動装置104は、撮像素子103を移動させてデフォーカス量を変えるが、本発明はこれに限定されない。図3は、本発明の別の実施形態に係る収差推定装置の概略図である。図3(a)の収差推定装置300のように、被検光学系102はフォーカス制御機構1021を有してもよい。この場合、フォーカス制御機構1021がコンピュータ105から受ける信号を用いて被検光学系102を構成するレンズの少なくとも一部を駆動させることでデフォーカスを制御すればよい。また、図3(b)の収差推定装置400のように、被検光学系102は駆動装置104上に設置されてもよい。この場合、駆動装置104がコンピュータ105から受ける信号を用いて被検光学系102を光軸方向へ移動させることで、デフォーカスを制御すればよい。また、図3(c)の収差推定装置500のように、被写体101は駆動装置104上に設置されてもよい。この場合、駆動装置104がコンピュータ105から受ける信号を基に被写体101を光軸方向へ移動させることで、デフォーカスを制御すればよい。また、図3(d)の収差推定装置600のように、光路中に光の位相を変調する位相変調素子107を設置してもよい。この場合、位相変調素子107がコンピュータ105から受ける信号を基にデフォーカスの変化に相当する位相変化を光に対して与えることで、デフォーカスを制御すればよい。いずれの方法においても、デフォーカスを変更する手段を有し、コンピュータ等の制御装置からの信号を基にデフォーカスが制御されていればよい。以降、デフォーカスを変更する手段をデフォーカス変更手段と称し、デフォーカス変更手段に与える指示量をデフォーカス変更指示量と称す。
In the present embodiment, the
以下、算出される収差は被検光学系102の波面収差として説明を行うが、本発明によって計測が可能な収差はこれに限るものではない。波面収差が得られれば、簡単な演算によって横収差量や縦収差量を算出可能である。また、複数の波長で計測を行うことで、色収差も計測可能である。更に、波面収差をZernike多項式で展開することで、コマ収差や球面収差等のザイデル収差に変換可能である。
Hereinafter, the calculated aberration will be described as the wavefront aberration of the
コンピュータ105が実行する後処理の方法として、例えば最適化がある。最適化は、目的関数の値が最も小さくなるように収差を逐次的に変更していくことで収差を推定する演算方法である。目的関数とは、最適化の各繰り返しステップにおける推定収差が計測結果を再現する度合であり、例えば、推定収差から演算によって得られる光強度分布と計測で得られる光強度分布の差分二乗和や、振幅分布の差分二乗和等がある。目的関数は、問題に応じて適宜選択すればよい。なお、光強度分布を演算によって算出する方法として、例えば非特許文献1や非特許文献2等に開示されている方法を用いることができる。
As a method of post-processing performed by the
最適化の方法は種々存在し、例えば、最急降下法、共役勾配法、準ニュートン法、ガウスニュートン法、Levenberg-Marquardt法等がある。使用する方法は、問題に応じて適宜選択すればよい。 There are various optimization methods, such as the steepest descent method, the conjugate gradient method, the quasi-Newton method, the Gauss-Newton method, and the Levenberg-Marquardt method. The method to be used may be appropriately selected according to the problem.
最適化の演算負荷を減らすために収差を適当な関数で展開し、その係数を最適化変数とすることも可能である。収差を展開する関数として、例えばZernike多項式がある。Zernike多項式は、基底関数と収差の種類が対応しているため、収差を展開する関数として適している。 In order to reduce the computational load of optimization, it is also possible to expand the aberration with an appropriate function and use the coefficient as an optimization variable. As a function that develops aberrations, for example, there is a Zernike polynomial. Since the Zernike polynomial corresponds to the basis function and the type of aberration, it is suitable as a function for developing the aberration.
上述した方法により、計測された光強度分布から被検光学系102の収差を推定することができる。上述した方法で収差を推定するためには、実際の計測条件と演算を実行する計算条件が正確に一致している必要がある。そのため、デフォーカス変更手段によって与えられたデフォーカス量zを正確に知る必要がある。しかしながら、デフォーカス量zを正確に知るためには、高精度に駆動可能な駆動ステージを利用する、又は実際の駆動量を高精度に計測するための計測装置を追加する等の対応が必要となり、装置全体のコストが増大してしまう。コストの増大を避けるために、駆動装置104を安価な低精度のものにすることが考えられるが、コンピュータ105が指示した駆動量と実際の駆動量とに誤差が発生するため、演算条件と実際の計測条件とに不一致が生じ、収差の推定精度が低下する。コストの増大を避けるために、図3(a)に示されるように、被検光学系102が有するフォーカス制御機構1021を利用してもよい。しかしながら、フォーカス制御機構1021に送る指示量と発生するデフォーカス量zとの関係を測定者は通常知り得ないため、収差の推定演算を実行することができない。
By the method described above, the aberration of the
本発明では、デフォーカス変更手段によって与えられたデフォーカス量zが不正確、又は未知である場合においても、高精度な収差推定を可能とする。具体的には、デフォーカス変更手段に与えたデフォーカス変更指示量と計測した光強度分布とを用いて実際に発生したデフォーカス量zを取得し、得られたデフォーカス量Zoomに基づいて後処理を実行する。 The present invention enables highly accurate aberration estimation even when the defocus amount z given by the defocus changing means is inaccurate or unknown. Specifically, the defocus amount z actually generated is acquired by using the defocus change instruction amount given to the defocus changing means and the measured light intensity distribution, and afterwards based on the obtained defocus amount Zoom. Execute the process.
デフォーカス量zには、符号と絶対値|z|の2つがあるため、それぞれを決定する必要がある。まず、デフォーカス量の符号の算出する方法を説明する。本実施形態では、デフォーカス量の符号を算出する方法として複数の輝点を利用する方法を例示する。図4は、デフォーカス量の符号を決定する方法を示す図である。まず、図4(a)に示されるように、物高の異なる2つの輝点を撮像する。デフォーカス変更手段に正の指示量を与えた場合に負のデフォーカス量が生じた図4(b)の状態になると、2つの点像間の間隔は図4(a)に比べて小さくなる。すなわち、指示量を与える前後で2つの点像の間隔を比較し、間隔が狭くなると負のデフォーカス量、間隔が広くなると正のデフォーカス量が与えられたことがわかる。 Since there are two defocus amounts z, a sign and an absolute value | z |, it is necessary to determine each of them. First, a method of calculating the sign of the defocus amount will be described. In this embodiment, a method of using a plurality of bright spots as a method of calculating the sign of the defocus amount is exemplified. FIG. 4 is a diagram showing a method of determining the sign of the defocus amount. First, as shown in FIG. 4A, two bright spots having different heights are imaged. In the state shown in FIG. 4 (b) in which a negative defocus amount is generated when a positive indicated amount is given to the defocus changing means, the distance between the two point images is smaller than that in FIG. 4 (a). .. That is, the intervals between the two point images are compared before and after the indicated amount is given, and it can be seen that a negative defocus amount is given when the interval is narrowed, and a positive defocus amount is given when the interval is widened.
複数の輝点の設置方法は種々存在し、物高と距離を変えてもよい。図5は、デフォーカス量の符号を決定する別の方法を示す図である。例えば、図5(a)に示されるように、光軸外の輝点を光軸上の輝点に比べて被検レンズから離れた位置に設置してもよい。この場合、光軸上では結像位置でおよそ一点に光が集光するが、光軸外ではボケた点像が計測される。デフォーカス変更手段に正の指示量を与えた場合に、負のデフォーカス量が生じた図5(b)の状態になると、光軸上の点像はボケ、光軸外の点像は集光された状態となる。すなわち、デフォーカス変更手段に指示を与える前後で、光軸外の点像が集光するように変化した場合、負のデフォーカス量が生じたことがわかる。 There are various methods for installing a plurality of bright spots, and the height and distance may be changed. FIG. 5 is a diagram showing another method of determining the sign of the defocus amount. For example, as shown in FIG. 5A, the bright spot outside the optical axis may be installed at a position farther from the lens under test than the bright spot on the optical axis. In this case, the light is focused on about one point at the image formation position on the optical axis, but a blurred point image is measured outside the optical axis. When a positive indicated amount is given to the defocus changing means and a negative defocus amount occurs in the state of FIG. 5B, the point image on the optical axis is blurred and the point image outside the optical axis is collected. It will be in a illuminated state. That is, it can be seen that when the point image off the optical axis changes so as to be focused before and after giving an instruction to the defocus changing means, a negative defocus amount occurs.
被写体として設置するのは複数の輝点に限らない。広がりを持つ被写体や奥行きを持つ被写体でもよい。どのような被写体を用いたとしてもデフォーカス量の正負を判断する方法は上述した2つの方法に帰着する。例えば、広がりを持つ被写体であればデフォーカス変更手段に指示を与えた際の像の拡大縮小を見ればよいし、光軸方向へ傾いた立体チャートであればデフォーカス変更手段に指示を与えた際の合焦位置の変化を見ればよい。 It is not limited to installing multiple bright spots as a subject. A subject with breadth or a subject with depth may be used. Regardless of the subject used, the method of determining the positive or negative of the defocus amount results in the above-mentioned two methods. For example, if the subject has a wide area, the enlargement / reduction of the image when the instruction is given to the defocus changing means may be seen, and if the three-dimensional chart is tilted in the optical axis direction, the instruction is given to the defocus changing means. You can see the change in the focus position at the time.
続いて、デフォーカス量の絶対値|z|を算出する方法を説明する。デフォーカス量の絶対値|z|は、例えばデフォーカス変更手段に指示を与えた際に取得される点像のボケ量と被検光学系の像側開口数NAから算出できる。図6は、デフォーカス量の絶対値|z|を推定する方法を示す図である。デフォーカス変更手段に指示を与えることで、計測位置が図6(a)内の点線から太線に変化する場合、点像の広がり直径Dは図6(b)に示される、デフォーカス量の絶対値|z|と集光の最外角の角度θを用いて以下の式(1)で表される。
D=2|z|tanθ (1)
被検光学系の像側開口数NAは、以下の式(2)で表される。
NA=sinθ (2)
式(1)及び式(2)を用いてデフォーカス変更手段に指示を与えた際の取得画像から点像の広がり直径Dを算出することで、デフォーカス量の絶対値|z|を知ることができる。
Subsequently, a method of calculating the absolute value | z | of the defocus amount will be described. The absolute value | z | of the defocus amount can be calculated from, for example, the blur amount of the point image acquired when an instruction is given to the defocus changing means and the numerical aperture number NA on the image side of the optical system under test. FIG. 6 is a diagram showing a method of estimating the absolute value | z | of the defocus amount. When the measurement position changes from the dotted line in FIG. 6 (a) to the thick line by giving an instruction to the defocus changing means, the spread diameter D of the point image is the absolute defocus amount shown in FIG. 6 (b). It is expressed by the following equation (1) using the value | z | and the angle θ of the outermost angle of the light collection.
D = 2 | z | tanθ (1)
The numerical aperture NA on the image side of the optical system to be inspected is expressed by the following equation (2).
NA = sinθ (2)
To know the absolute value | z | of the defocus amount by calculating the spread diameter D of the point image from the acquired image when the defocus changing means is instructed using the equations (1) and (2). Can be done.
また、別の方法として2つの輝点を使用してもよい。デフォーカス変更手段に指示を与えた際に2つの点像の間隔はデフォーカス量zに伴って変化するため、間隔の変化量と点像に対する主光線の角度からデフォーカス量の絶対値|z|を見積もることもできる。しかしながら、デフォーカス量zが小さい場合には点像の広がりや点像の間隔の変化が小さいため、この方法をそのまま適用することは難しい。そこで、デフォーカス変更指示量pとデフォーカス量zとの間にある換算式を決定する。換算係数をαとするとき、デフォーカス変更指示量pとデフォーカス量zとの間には通常線形の関係があるため、換算式は以下の式(3)で表される。
z=αp (3)
この方法は、デフォーカス量の絶対値|z|が大きい場合に好適に機能するため、大きいデフォーカス変更指示量pが与えられた状態で得られたデフォーカス量zから換算係数αの符号と絶対値を算出すればよい。これにより、小さいデフォーカス変更指示量pが与えられた場合でもデフォーカス量zを見積もることが可能となる。
Alternatively, two bright spots may be used as another method. When an instruction is given to the defocus changing means, the distance between the two point images changes with the defocus amount z, so the absolute value of the defocus amount from the amount of change in the distance and the angle of the main ray with respect to the point image | z | Can also be estimated. However, when the defocus amount z is small, the spread of the point image and the change in the interval between the point images are small, so that it is difficult to apply this method as it is. Therefore, a conversion formula between the defocus change instruction amount p and the defocus amount z is determined. When the conversion coefficient is α, the defocus change instruction amount p and the defocus amount z usually have a linear relationship, so the conversion formula is expressed by the following formula (3).
z = αp (3)
Since this method works well when the absolute value | z | of the defocus amount is large, the sign of the conversion coefficient α is obtained from the defocus amount z obtained in a state where a large defocus change instruction amount p is given. The absolute value may be calculated. This makes it possible to estimate the defocus amount z even when a small defocus change instruction amount p is given.
デフォーカス量zとデフォーカス変更指示量pとの関係が線形からずれることもある。その場合、換算式は、以下の式(4)で表される。 The relationship between the defocus amount z and the defocus change instruction amount p may deviate from the linearity. In that case, the conversion formula is represented by the following formula (4).
N個の換算係数αk(k=1~N)を求めることで、より精度の高いデフォーカス量zを知ることが可能となる。換算係数が複数である場合、利用する画像は複数であることが望ましい。説明を簡単にするため、以下特に断りがなければデフォーカス変更指示量pとデフォーカス量zとの関係は線形関係であり、換算係数αはスカラーとする。 By obtaining N conversion coefficients α k (k = 1 to N), it is possible to know the defocus amount z with higher accuracy. When there are multiple conversion coefficients, it is desirable to use multiple images. For the sake of simplicity, the relationship between the defocus change instruction amount p and the defocus amount z is a linear relationship unless otherwise specified, and the conversion coefficient α is a scalar.
以上説明した方法を用いて、デフォーカス量z、又は換算係数αを算出できるが、取得される点像にはボケやセンサノイズが含まれるため、広がり直径Dや点像の間隔に誤差が生じる。そのため、上記方法で算出されるデフォーカス量zや換算係数αは誤差を含む概算値となる。 Although the defocus amount z or the conversion coefficient α can be calculated by using the method described above, since the acquired point image contains blur and sensor noise, an error occurs in the spread diameter D and the interval between the point images. .. Therefore, the defocus amount z and the conversion coefficient α calculated by the above method are approximate values including an error.
そこで、本実施形態では、デフォーカス量の推定精度を高めるため、更に演算を行う。デフォーカス量がzであるときに発生する波面収差量Wdefは、以下の式(5)で表される。 Therefore, in the present embodiment, further calculations are performed in order to improve the estimation accuracy of the defocus amount. The wavefront aberration amount W def generated when the defocus amount is z is expressed by the following equation (5).
ここで、ξとηは瞳端を1とした水平方向及び垂直方向の瞳座標、λは計測に用いる光の波長である。デフォーカス量zとデフォーカス変更指示量pとの関係が線形関係である場合、波面収差量Wdefは、以下の式(6)で表される。 Here, ξ and η are the pupil coordinates in the horizontal and vertical directions with the pupil end as 1, and λ is the wavelength of light used for measurement. When the relationship between the defocus amount z and the defocus change instruction amount p is a linear relationship, the wavefront aberration amount W def is expressed by the following equation (6).
デフォーカス変更指示量pごとに式(6)を用いて算出される波面収差量Wdefから演算によって得られた光強度分布と計測された光強度分布とが最も一致するときの換算係数αを探索することで、より精度の高い換算係数αを算出することができる。すなわち、換算係数αを最適化変数として、演算によって得られた光強度分布と計測された光強度分布との差分が小さくなるように最適化を実行すればよい。式(6)を用いて算出される波面収差Wdefから演算によって得られる光強度分布をIest、計測された光強度分布をImeasとするとき、目的関数Fは以下の式(7)で表される。 The conversion coefficient α when the light intensity distribution obtained by calculation from the wavefront aberration amount W def calculated by using the equation (6) for each defocus change instruction amount p and the measured light intensity distribution most match. By searching, it is possible to calculate the conversion coefficient α with higher accuracy. That is, the conversion coefficient α may be used as the optimization variable, and the optimization may be executed so that the difference between the light intensity distribution obtained by the calculation and the measured light intensity distribution becomes small. When the light intensity distribution obtained by calculation from the wavefront aberration W def calculated using the equation (6) is Iest and the measured light intensity distribution is I mes , the objective function F is the following equation (7). expressed.
目的関数Fを最小化する換算係数αは、以下の式(8)で表される。 The conversion coefficient α that minimizes the objective function F is expressed by the following equation (8).
最適化を実施する際には、先に求めた換算係数αの概算値を初期値として利用すればよい。この方法では複数の光強度分布から最も整合性の良い換算係数αを算出することになるので、得られる換算係数αは画像が持つボケやノイズの影響が抑えられた精度の高いものとなる。得られた換算係数αからデフォーカス量zを算出し、収差推定を行うことで、より高い精度で収差推定が可能となる。 When performing the optimization, the approximate value of the conversion coefficient α obtained above may be used as the initial value. In this method, the conversion coefficient α having the best consistency is calculated from a plurality of light intensity distributions, so that the obtained conversion coefficient α has high accuracy in which the influence of blurring and noise of the image is suppressed. By calculating the defocus amount z from the obtained conversion coefficient α and estimating the aberration, it is possible to estimate the aberration with higher accuracy.
本実施形態では、デフォーカス量zとフォーカス変更指示量pとの関係が線形関係であると仮定した場合を例示したが、式(4)に示されるように、デフォーカス量zは換算係数αkとデフォーカス変更指示量pとの関数である。すなわち、本発明の主旨はデフォーカス変更指示量pと計測された光強度分布を基に換算係数αk、又は換算式を決定し、これらを基に収差の推定を行うことにある。より広義には、デフォーカス変更指示量pと計測された光強度分布の少なくとも一部から推定されたデフォーカス量zを用いて収差の推定を行うことが本発明の主旨となる。 In the present embodiment, the case where the relationship between the defocus amount z and the focus change instruction amount p is assumed to be a linear relationship is illustrated, but as shown in the equation (4), the defocus amount z is a conversion coefficient α. It is a function of k and the defocus change instruction amount p. That is, the gist of the present invention is to determine the conversion coefficient α k or the conversion formula based on the defocus change instruction amount p and the measured light intensity distribution, and to estimate the aberration based on these. In a broader sense, it is an object of the present invention to estimate the aberration by using the defocus amount z estimated from the defocus change instruction amount p and at least a part of the measured light intensity distribution.
最適化によって換算係数αを算出する際には、光学系の近似収差を用いることが望ましい。光強度分布はデフォーカスの波面収差だけでなく、被検光学系が持つ収差によっても変化するため、演算時に光学系の収差を考慮しないと算出される光強度分布及び換算係数αは不正確となる。しかしながら、換算係数αを算出する段階では被検光学系の収差は未知であるため、換算係数αと光学系の収差の両方が未知の状態から両者を求める必要がある。そこで、被検光学系の近似収差を用いることが有効となる。近似収差の取得方法として、非特許文献3の強度輸送方程式を解く方法、特許文献3のフーリエ反復法、及び非特許文献4の機械学習を利用する方法等がある。これらの方法の中には、演算にデフォーカス量が必要なものもある。その場合には、前述したデフォーカス量の絶対値zの概算値を用いればよい。すなわち、デフォーカス量zの概算値の算出、近似収差の算出、デフォーカス量の絶対値の修正、収差の推定、という順に処理を進めればよい。必要に応じてこれらの処理を繰り返すことで、より精度の高い推定を行うことができるし、処理の速度を優先して一部の処理を省くこともできる。
When calculating the conversion coefficient α by optimization, it is desirable to use the approximate aberration of the optical system. Since the light intensity distribution changes not only with the defocus wavefront aberration but also with the aberration of the optical system under test, the light intensity distribution and conversion coefficient α calculated without considering the aberration of the optical system at the time of calculation are inaccurate. Become. However, since the aberration of the optical system under test is unknown at the stage of calculating the conversion coefficient α, it is necessary to obtain both from the state where both the conversion coefficient α and the aberration of the optical system are unknown. Therefore, it is effective to use the approximate aberration of the optical system to be inspected. As a method for acquiring approximate aberration, there are a method of solving the intensity transport equation of Non-Patent Document 3, a Fourier iterative method of Patent Document 3, a method of using machine learning of
以下、図7を参照して、本実施形態の収差推定方法について説明する。図7は、本実施形態の収差推定方法を示すフローチャートである。 Hereinafter, the aberration estimation method of the present embodiment will be described with reference to FIG. 7. FIG. 7 is a flowchart showing the aberration estimation method of the present embodiment.
ステップS1では、コンピュータ105は、デフォーカス変更手段にデフォーカス変更指示量を送信する。
In step S1, the
ステップS2(第1取得ステップ)では、コンピュータ105は、撮像素子103上の被検光学系102によって結像された光学像の光強度分布を取得する。
In step S2 (first acquisition step), the
ステップS3では、コンピュータ105は、ステップS1及びステップS2の処理の実行回数が所定の回数に到達したかどうかを判定する。所定の回数に到達した場合、ステップS4に進み、到達していない場合、ステップS1に戻る。
In step S3, the
ステップS1からステップS3までの処理を実行することで、複数のデフォーカス量に対する光強度分布を取得することができる。なお、1つの光強度分布だけで収差を推定する場合はステップS1およびステップS2の処理を繰り返す必要はない。 By executing the processes from step S1 to step S3, the light intensity distribution for a plurality of defocus amounts can be acquired. If the aberration is estimated from only one light intensity distribution, it is not necessary to repeat the processes of steps S1 and S2.
ステップS4(第2取得ステップ)では、コンピュータ105は、デフォーカス量を取得する。デフォーカス量は、式(3)における換算係数αや式(4)の換算式を決定することで取得されてもよい。ステップS401では、コンピュータ105は、デフォーカス量の符号を取得する。ステップS402では、コンピュータ105は、デフォーカス量の概算値を取得する。ステップS403では、コンピュータ105は、近似収差を取得する。ステップS404では、コンピュータ105は、デフォーカス量の概算値を修正した値を取得する。
In step S4 (second acquisition step), the
ステップS5(推定ステップ)では、コンピュータ105は、被検光学系の収差を推定する。
In step S5 (estimation step), the
なお、本発明を実施する条件に応じて、ステップS4におけるサブステップの処理を実行するかどうかを決定すればよい。すなわち、ステップS401からステップS404までの処理は、全て実行する必要はない。例えば、被検光学系の設計値や利用するステージの仕様から、デフォーカス変更手段への指示に対して、正負どちらのデフォーカスが発生するか事前にわかっていればステップS401の処理は不要である。また、設計値や仕様から、デフォーカス変更手段への指示に対するデフォーカス量の概算値がわかっていれば、ステップS402の処理は不要である。また、処理速度を優先してステップS401からステップS403までの処理を実行して、ステップS404の処理を省略してもよい。 It should be noted that it may be determined whether or not to execute the sub-step processing in step S4 according to the conditions for carrying out the present invention. That is, it is not necessary to execute all the processes from step S401 to step S404. For example, if it is known in advance whether positive or negative defocus will occur in response to the instruction to the defocus changing means from the design value of the optical system to be inspected and the specifications of the stage to be used, the process of step S401 is unnecessary. be. Further, if the approximate value of the defocus amount for the instruction to the defocus changing means is known from the design value or the specification, the process of step S402 is unnecessary. Further, the processing from step S401 to step S403 may be executed with priority given to the processing speed, and the processing in step S404 may be omitted.
また、ステップS404の処理とステップS5の処理とを複合して実行してもよい。例えば、換算係数も最適化変数として収差と共に最適化を行うことも可能である。ただし、この場合、最適化変数が増加するため、局所解の発生や解に収束しない等の問題が生じる可能性がある。この問題を回避するために、換算係数と収差は別に最適化されることが望ましい。例えば、ステップS403の処理とステップS5の処理を交互に繰り返せばよい。 Further, the process of step S404 and the process of step S5 may be combined and executed. For example, it is also possible to optimize the conversion coefficient together with the aberration as an optimization variable. However, in this case, since the optimization variables increase, problems such as generation of local solutions and non-convergence may occur. In order to avoid this problem, it is desirable that the conversion factor and the aberration are optimized separately. For example, the process of step S403 and the process of step S5 may be repeated alternately.
本実施形態は、数学的にモデル化することができるため、コンピュータ・システムのソフトウェア機能として実装可能である。ここで、コンピュータ・システムのソフトウェア機能は、実行可能なコードを含んだプログラミング(プログラム)を含む。ソフトウェア・コードは、汎用コンピュータで実行可能である。ソフトウェア・コード動作中に、コード、又は関連データ記録は、汎用コンピュータ・プラットフォーム内に格納される。しかしながら、その他の場合、ソフトウェアは他の場所に格納される、又は適切な汎用コンピュータ・システムにロードされる。したがって、ソフトウェア・コードは、1つ又は複数のモジュールとして、少なくとも1つの機械可読媒体(記憶媒体)で保持可能である。 Since this embodiment can be mathematically modeled, it can be implemented as a software function of a computer system. Here, the software function of a computer system includes programming (program) including executable code. The software code can be executed on a general purpose computer. During software code operation, the code, or associated data record, is stored within the general purpose computer platform. However, in other cases, the software is stored elsewhere or loaded into a suitable general purpose computer system. Therefore, the software code can be held on at least one machine-readable medium (storage medium) as one or more modules.
以下、本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
以下、本実施例の収差推定方法を、シミュレーションを用いた解析によって説明する。本実施例は、図1の収差推定装置100によって実現される。被検光学系102のF値は1.2、計測波長λは524nm、撮像素子103のピクセルサイズは6.4μmとする。撮像素子103は、駆動装置104上に設置され、コンピュータ105によって指示された駆動指示パルスに従って光軸に沿って移動する。本実施例では、駆動指示パルスを1つ受け取るごとに正のデフォーカス量が1μm発生する。すなわち、式(3)における換算係数αは、1μm/パルスである。被検光学系102は収差を持ち、Fringe Zernike多項式の展開係数で第5項が-0.75λ、第7項が1.5λ、第9項が1λである。
Hereinafter, the aberration estimation method of this embodiment will be described by analysis using simulation. This embodiment is realized by the
本実施例における収差推定は、図7のフローチャートに沿って行われる。 Aberration estimation in this embodiment is performed according to the flowchart of FIG.
ステップS1では、コンピュータ105は、駆動装置104に駆動指示パルス(デフォーカス変更指示量)を送信する。
In step S1, the
ステップS2では、コンピュータ105は、撮像素子103上の光強度分布を取得する。
In step S2, the
本実施例では、ステップS1及びステップS2の処理を8回繰り返し、8つの光強度分布が取得される。ステップS1でコンピュータ105から送信される駆動指示パルスは、-450,-160,-120,-80,80,120,160,450パルスである。負のパルス信号を送信することは、駆動装置104を逆方向へ駆動させることを意味する。
In this embodiment, the processes of steps S1 and S2 are repeated eight times, and eight light intensity distributions are acquired. The drive instruction pulse transmitted from the
ステップS401では、コンピュータ105は、換算係数αの符号を取得する。本実施例では、光軸上の点光源に加え、結像位置において像高5mmに点像を形成する軸外点光源を用いた。駆動指示パルスが450パルスである場合に2点間の距離が広がるため、換算係数αは正であると決定される。
In step S401, the
ステップS402では、コンピュータ105は、換算係数αの概算値を取得する。本実施例では、デフォーカス変更指示量が-450パルスと450パルスである場合に取得された光強度分布のそれぞれを用いて換算係数αの概算値が決定される。駆動指示パルスが-450パルスである場合の画像からは点像の広がりが428.8μm,450パルスである場合の画像からは377.6μmと算出された。換算係数αはそれぞれ、1.143μm/パルス、1.007μm/パルスと取得される。これらの平均値を取ることで、換算係数αは1.075μm/パルスと取得される。この換算係数αを用いて算出されるデフォーカス量は、各駆動指示パルスに対して-483.8μm,-172.0μm,-129.0μm,-86.0μm,86.0μm,129.0μm,172.0μm,484.0μmとなる。
In step S402, the
ステップS403では、コンピュータ105は、近似収差を取得する。本実施例では、近似収差は、強度輸送方程式を解くことで算出される。
In step S403, the
ステップS404では、コンピュータ105は、修正後の換算係数αを取得する。換算係数αは、結像演算によって得られる光強度分布Iestと計測された光強度分布Imeasとの差分が小さくなるように最適化演算を実行することで修正される。本実施例では、修正後の換算係数αは、1.001μm/パルスである。この換算係数αを用いて算出されるデフォーカス量は、各駆動指示パルスに対して-450.5μm,-160.2μm,-120.1μm,-80.1μm,80.1μm,120.1μm,160.2μm,450.5μmである。
In step S404, the
ステップS5では、コンピュータ105は、ステップS4で取得したデフォーカス量を用いて、被検光学系の収差を推定する。収差の推定は、最適化演算を用いて実行される。最適化変数は、収差をFringe Zernike多項式で展開したときの第2項から第36項までの各係数である。
In step S5, the
図8は、本実施例の収差の推定結果を示す図である。図8(a)は、推定されたZernike多項式の係数を示している。図8(a)では、ステップS402及びステップS404で取得されたそれぞれの換算係数αを用いて収差を推定した結果が示されている。どちらの場合も、真値に近い値を示している。すなわち、換算係数α及びデフォーカス量が未知の状態であっても収差を推定可能である。また、ステップS404で高精度な換算係数αを取得した場合、より真値に近い収差を推定できている。この差を明確に示すため、図8(b)に真値と推定値との差分を示す。ステップS402で取得した換算係数αを用いて収差を推定した場合は第7項において誤差が330mλ程度出ているが、ステップS404で取得した換算係数αを用いて収差を推定した場合は誤差が35mλ程度にまで抑えられている。 FIG. 8 is a diagram showing the estimation result of the aberration of this embodiment. FIG. 8 (a) shows the coefficients of the estimated Zernike polynomial. FIG. 8A shows the results of estimating the aberrations using the respective conversion coefficients α acquired in steps S402 and S404. In both cases, the value is close to the true value. That is, the aberration can be estimated even when the conversion coefficient α and the defocus amount are unknown. Further, when the high-precision conversion coefficient α is acquired in step S404, the aberration closer to the true value can be estimated. In order to clearly show this difference, FIG. 8B shows the difference between the true value and the estimated value. When the aberration is estimated using the conversion coefficient α acquired in step S402, the error is about 330 mλ in the seventh term, but when the aberration is estimated using the conversion coefficient α acquired in step S404, the error is 35 mλ. It is suppressed to the extent.
更に、収差全体で評価するため、推定された収差と真の収差との残差RMSを算出する。残差RMSは、以下の式(9)で表される。 Further, in order to evaluate the entire aberration, the residual RMS of the estimated aberration and the true aberration is calculated. The residual RMS is represented by the following equation (9).
ここで、Westは推定された収差、W0は真の収差、
Here, West is the estimated aberration, W 0 is the true aberration,
は瞳の開口領域内でのデータ点数である。和は、瞳の開口領域内で行われる。残差RMSが小さいほど推定結果がより正しいことを示す。本実施例では、RMSresは、ステップS402及びステップS404で取得した換算係数を用いた場合、それぞれ182mλ,22mλである。すなわち、ステップS404で取得した換算係数αをより正確に求めた方がより精度の高い収差推定を行うことができる。 Is the number of data points within the aperture region of the pupil. The sum is done within the open area of the pupil. The smaller the residual RMS, the more accurate the estimation result. In this embodiment, the RMS res is 182 mλ and 22 mλ, respectively, when the conversion coefficients acquired in steps S402 and S404 are used. That is, it is possible to perform aberration estimation with higher accuracy by obtaining the conversion coefficient α acquired in step S404 more accurately.
なお、換算係数の算出方法は、本実施例に示した方法に限定されない。例えば、ニューラルネットワークに代表される機械学習等を利用して取得した光強度分布を用いてデフォーカス量又は換算係数を算出してもよい。機械学習を用いてデフォーカス量又は換算係数を算出する場合、学習用のデータとして、想定されるデフォーカス量又は換算係数、及び被検光学系の収差量の範囲内でランダムに値を設定し、得られる光強度分布を大量に用意する。光強度分布はデフォーカス量と収差に依存するため、学習用のデータを用意する際には両者が振られたデータを用意する必要がある。このとき、換算係数の概算値が事前情報としてわかっている場合はその値を中心として乱数を振ればよい。概算値が未知でも一般的な光学系での換算係数を中心値として乱数を振ることで学習の精度を高めることができる。 The method for calculating the conversion coefficient is not limited to the method shown in this embodiment. For example, the defocus amount or the conversion coefficient may be calculated using the light intensity distribution acquired by using machine learning represented by a neural network. When calculating the defocus amount or conversion coefficient using machine learning, a value is randomly set as learning data within the range of the assumed defocus amount or conversion coefficient and the aberration amount of the optical system under test. , Prepare a large amount of obtained light intensity distribution. Since the light intensity distribution depends on the amount of defocus and the aberration, it is necessary to prepare the data in which both are shaken when preparing the data for learning. At this time, if the approximate value of the conversion coefficient is known as prior information, a random number may be assigned around that value. Even if the approximate value is unknown, the learning accuracy can be improved by allocating a random number with the conversion coefficient in a general optical system as the center value.
また、本実施例では、収差を推定するための被写体101としてピンホールを用いたが、被検光学系102によって像面の微小な領域に光強度分布が集中する像が形成されれば、本発明はこれに限定されない。例えば、遠方にある一般的な照明光源や、望遠鏡等で観測される天体等を被写体として用いてもよい。レーザー等から発せられる平行平面波を被検光学系102に入射させてもよい。また、ピンホールを用いた場合でも、その開口の大きさは有限であって構わない。
Further, in this embodiment, the pinhole is used as the subject 101 for estimating the aberration, but if the
また、本実施例では、説明を容易にするため光軸上近傍で議論を行ったが、光軸外に結像する光に対しても同様に機能する。本発明は、計測する像高に依存しない。 Further, in this embodiment, the discussion was conducted in the vicinity of the optical axis for the sake of simplicity, but the same function applies to the light formed outside the optical axis. The present invention does not depend on the image height to be measured.
以下、本実施例の収差推定方法を説明する。本実施例では、図3(a)に示されるように、被検光学系102が有するフォーカス制御機構1021を用いてデフォーカスを変化させる。具体的には、フォーカス制御機構1021は、コンピュータ105からの駆動指示パルスを受信すると、被検光学系102の内部のフォーカス駆動用のレンズを移動させる。レンズの移動に伴って変化するデフォーカス量と駆動指示パルスとは、(3)に示す線形関係であると仮定する。これにより、換算係数αの取得と収差の推定は、実施例1と同様に進めることができる。本実施例では、換算係数αの真値が11.25μm/パルスであり、光強度分布の計測は駆動指示パルスが-40,-14,-11,-7,7,11,14,40パルスとなる8つ条件で実施される。その他の条件は、実施例1と同じである。ステップS402で換算係数αは、12.095μm/パルスと取得される。ステップS404で換算係数αは、11.27μm/パルスと取得される。取得された換算係数αを用いて収差推定を実行することで、被検光学系の102の収差を推定可能である。
[その他の実施例]
本発明は、上述の実施例の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
Hereinafter, the aberration estimation method of this embodiment will be described. In this embodiment, as shown in FIG. 3A, the defocus is changed by using the
[Other Examples]
The present invention supplies a program that realizes one or more functions of the above-described embodiment to a system or device via a network or storage medium, and one or more processors in the computer of the system or device reads and executes the program. It can also be realized by the processing to be performed. It can also be realized by a circuit (for example, ASIC) that realizes one or more functions.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and modifications can be made within the scope of the gist thereof.
101 被写体
102 被検光学系
101
Claims (11)
前記被検光学系のデフォーカス量を変化させるための指示量及び前記光強度分布を用いて該デフォーカス量を取得する第2取得ステップと、
前記光強度分布及び前記デフォーカス量を用いて前記被検光学系の収差を推定する推定ステップとを有することを特徴とする収差推定方法。 The first acquisition step of acquiring the light intensity distribution of the optical image of the subject formed through the optical system under test, and
A second acquisition step of acquiring the defocus amount using the indicated amount for changing the defocus amount of the optical system to be inspected and the light intensity distribution, and
An aberration estimation method comprising an estimation step of estimating an aberration of the test optical system using the light intensity distribution and the defocus amount.
前記被検光学系のデフォーカス量を変化させるための指示量及び前記光強度分布に基づいて取得されたデフォーカス量を用いて前記被検光学系の収差を推定する制御部とを有することを特徴とする収差推定装置。 An image sensor that acquires the light intensity distribution of the optical image of the subject formed through the optical system under test, and
Having a control unit for estimating an aberration of the optical system under test using an indicated amount for changing the defocus amount of the optical system under test and a defocus amount acquired based on the light intensity distribution. Aberration estimation device as a feature.
A storage medium in which the program according to claim 10 can be read by a computer.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020149573A JP2022044113A (en) | 2020-09-07 | 2020-09-07 | Aberration estimation method, aberration estimation device, program and storage medium |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020149573A JP2022044113A (en) | 2020-09-07 | 2020-09-07 | Aberration estimation method, aberration estimation device, program and storage medium |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2022044113A true JP2022044113A (en) | 2022-03-17 |
Family
ID=80678955
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020149573A Pending JP2022044113A (en) | 2020-09-07 | 2020-09-07 | Aberration estimation method, aberration estimation device, program and storage medium |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2022044113A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2024043041A1 (en) * | 2022-08-22 | 2024-02-29 | 株式会社トプコン | Ophthalmologic device, method for controlling ophthalmologic device, program, and recording medium |
-
2020
- 2020-09-07 JP JP2020149573A patent/JP2022044113A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2024043041A1 (en) * | 2022-08-22 | 2024-02-29 | 株式会社トプコン | Ophthalmologic device, method for controlling ophthalmologic device, program, and recording medium |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1869401B1 (en) | Method for accurate high-resolution measurements of aspheric surfaces | |
EP1990624B1 (en) | Apparatus and method for evaluating an optical system | |
US9182289B2 (en) | Apparatus and method for estimating wavefront parameters | |
US7831105B2 (en) | Method for determining the image quality of an optical imaging system | |
US9448160B2 (en) | Method and apparatus for providing image data for constructing an image of a region of a target object | |
US10628927B2 (en) | Rapid image correction method for a simplified adaptive optical system | |
JP2020535425A (en) | Methods and devices for characterizing the surface shape of optical elements | |
JP7277101B2 (en) | Aberration estimation method, aberration estimation device, program and storage medium | |
JP5595463B2 (en) | Wavefront optical measuring device | |
JP4411395B2 (en) | Optical phase distribution measuring method and optical phase distribution measuring system | |
CN110895792B (en) | Image stitching method and device | |
JP4340625B2 (en) | Optical inspection method and apparatus | |
JP2022044113A (en) | Aberration estimation method, aberration estimation device, program and storage medium | |
JP2021051038A (en) | Aberration estimation method, aberration estimation device, program, and recording medium | |
JP2011247875A (en) | Method, program and apparatus for evaluating shape of optical element | |
JP2020060470A (en) | Aberration estimation method, aberration estimation device, program, and storage medium | |
US11385164B2 (en) | Method for calibrating an analysis device, and associated device | |
Bikkannavar et al. | Phase retrieval methods for wavefront sensing | |
JP5904896B2 (en) | Lens inspection apparatus and lens inspection method | |
JP7451121B2 (en) | Aberration estimation method, aberration estimation device, program and recording medium | |
JP2011080875A (en) | Apparatus and method for measuring refraction index distribution | |
US9207145B1 (en) | System and method for null-lens wavefront sensing | |
JP2005024505A (en) | Device for measuring eccentricity | |
JP2008256517A (en) | Aberration measurement method | |
Liu et al. | Non-interferometric Quantitative Optical Phase Imaging |