JP4979558B2 - レンズ姿勢／位置調整方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学系におけるレンズ姿勢/位置調整方法および装置に関し、特に、ホログラム記録/再生装置において、ホログラムに物体光を照射したり、ホログラムからの再生光を撮像素子上に照射したりするレンズのアライメント（姿勢/位置）調整を行う方法および装置に関するものである。

一般に、複数枚のレンズが光軸上に配列され、各レンズの姿勢や位置が所期の状態からずれているような場合には、レンズ系全体として様々な収差が発生することになる。

このような収差を抑制するための手法としては、例えば、カメラ等に搭載されている、従来のオートフォーカスシステムを利用することが考えられる(下記特許文献１参照)。この手法は、被写体からの信号を周波数分析し、それにより得られた高周波成分の強度についてのフォーカス評価値をパラメータとし、このパラメータが大きくなるように制御を行うことによりなされる。

また、ホログラム記録再生光学系においては、用いられている複数枚のレンズが全体として収差が生じないような共役系の光学系を構築し、収差フリーとする手法も知られている（下記非特許文献１参照）。

特許第２８５１７１３号公報 Holographic Data Storage, Springer出版

しかしながら、上記特許文献１記載の手法によれば、得られた信号からはレンズ位置を厳密に規定することが困難であり、そのため正確な測定を行うことができなかった。

また、上記非特許文献１記載の手法によれば、光学系をシンプルに構築することが可能になる等の利点を有しているが、記録用の光路と再生用の光路とが互いに異なるため、両光路を同時に調整することが難しい。そのため、理論的には収差フリーとなるが、実際には、光路内に生じた微小な設定誤差により、却って大きな収差が発生するという問題が生じていた。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、光学系内に配されたレンズの姿勢や位置を容易かつ高精度に調整して、発生する収差を大幅に抑制し得るレンズ姿勢/位置調整方法および装置を提供することを目的とするものである。

本発明のレンズ姿勢/位置調整方法は、
被観察体からの像情報を担持した光束を、レンズおよび記録媒体を介して撮像面に照射し、該撮像面上に前記被観察体の像を形成する光学系におけるレンズ姿勢/位置調整方法であって、
前記被観察体に替えて、少なくとも複数個の縞パターンを表してなる調整用治具を、光軸上に配置し、
前記レンズの姿勢および位置を変化させつつ、前記調整用治具上の複数個の縞パターンの像を撮像し、
該撮像された該縞パターンの像についての縞周波数を基本周波数としたとき、その基本周波数の２倍の周波数成分の強度Ｉ_２の逆数である１／Ｉ_２を、該縞パターンの像毎にレンズ調整評価値として求め、
該縞パターンの像毎のレンズ調整評価値が所定値以上の大きさとなっているか否かの判断、および該縞パターンの像毎の該レンズ調整評価値が該所定値以上の大きさとなった場合の光軸上のレンズ姿勢またはレンズ位置が互いに所定範囲内とされているか否かの判断に基づき、前記レンズの姿勢および位置を設定するものであり、
前記レンズは、前記被観察体の位置からの光束を収束せしめる第１のレンズと、この後、発散した該光束を、撮像面に照射し、該撮像面上に前記被観察体の像を形成する第２のレンズを含む、ことを特徴とするものである。

また、前記調整用治具が、複数個の縞パターンを表示可能な画像表示素子であることが好ましい。

また、前記画像表示素子は、矩形状をなし、その四隅と中央領域に各々前記縞パターンが表示されるように構成されていることが好ましい。

さらに、本発明のレンズ姿勢/位置調整装置は、
被観察体からの像情報を担持した光束を、レンズおよび記録媒体を介して撮像面に照射し、該撮像面上に前記被観察体の像を形成する光学系におけるレンズ姿勢/位置調整装置であって、
前記被観察体に替えて光軸上に配置された、少なくとも複数個の縞パターンを表してなる調整用治具と、
該光軸上で、前記レンズの姿勢および位置を変化させるレンズ姿勢/位置可変手段と、
前記調整用治具上の複数個の縞パターンの像を撮像する撮像手段と、
該撮像手段により撮像された該縞パターンの像についての縞周波数を基本周波数（空間周波数）としたとき、その基本周波数の２倍の周波数成分の強度Ｉ_２の逆数である１／Ｉ_２を、該縞パターンの像毎にレンズ調整評価値として求める調整評価値算出手段と、
該調整評価値算出手段からの出力が所定値以上の大きさとなっているか否かの判断、および該調整評価値算出手段からの出力が該所定値以上の大きさとなった場合の光軸上のレンズ姿勢またはレンズ位置が互いに所定範囲内とされているか否かの判断を行い、その判断による是非の結果を出力する判断手段と、を備え、
該判断手段による判断結果が是とされるまで、前記レンズ姿勢/位置可変手段により前記レンズの姿勢および位置を変化させつつ前記判断手段により前記判断を行う処理を繰り返し行い、該判断手段により、判断結果が是とされた際の該レンズの姿勢および位置において該レンズを設定するように構成されてなり、
前記レンズは、前記被観察体の位置からの光束を収束せしめる第１のレンズと、この後、発散した該光束を、撮像面に照射し、該撮像面上に前記被観察体の像を形成する第２のレンズを含む、ことを特徴とするものである。

以上説明したように、本発明のレンズ姿勢/位置調整方法および装置では、まず、調整用治具に複数個の縞パターンを表し、調整すべきレンズの姿勢およびレンズの位置を変化させつつ、調整用治具上の複数個の縞パターンの像を撮像する。次に、撮像された縞パターンの像についての縞周波数を基本周波数としたとき、その基本周波数の強度Ｉ_１ではなく、その基本周波数の２倍の周波数成分の強度Ｉ_２の逆数である１／Ｉ_２を、縞パターンの像毎にレンズ調整評価値として求める。さらに、縞パターンの像毎のレンズ調整評価値が所定値以上の大きさとなっているか否かの判断、および縞パターンの像毎のレンズ調整評価値が所定値以上の大きさとなった場合の光軸上のレンズ姿勢またはレンズ位置が互いに所定範囲内とされているか否かの判断に基づいて、レンズの姿勢および位置を設定する、ように構成されている。したがって、本発明の方法および装置においては、基本周波数の２倍の周波数成分の強度Ｉ_２の逆数である１／Ｉ_２をレンズ調整評価値として定めており、レンズ調整評価値に含まれるノイズ成分を減少させることができるので、これにより容易にかつ高精度にレンズの姿勢および位置を調整することができ、レンズ系の配置ずれによる収差を良好なものとすることができる。また、これにより、ホログラム記録再生用の光学系に適用したような場合には、ビット誤り率を改善することができる。

以下、本発明に係るレンズ姿勢/位置調整方法および装置（自動調整装置）を、フーリエ変換ホログラムに用いられる光学系に適用した場合の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係るレンズ姿勢/位置調整方法の手順を示すフローチャートであり、図２はフーリエ変換ホログラムの光学系の一例を示す概略図（同図（Ａ）は光学系の姿勢/位置が適正な状態を示し、同図（Ｂ）は光学系の姿勢/位置が不適正な状態を示している）である。

図２に示すフーリエ変換ホログラムの光学系は、ＳＬＭ(空間光変調素子：調整用治具)１に映し出された画像（ビットデータ）を、フーリエ変換（ＦＴ）レンズとしての第１ＦＴレンズ２で集光して記録媒体（ホログラム）３に記録するとともに、記録媒体３に記録された画像を、第１ＦＴレンズ２と同じ特性を持つフーリエ逆変換レンズとしての第２ＦＴレンズ４により元に戻して、ＣＣＤカメラ５などの２次元撮像素子（撮像手段）で撮像するように構成されている。なお、図２では、画像の記録/再生に用いる参照光の図示は省略している。

図２（Ａ）に示すように、光学系を構成するＳＬＭ１、第１ＦＴレンズ２、記録媒体３、第２ＦＴレンズ４およびＣＣＤカメラ５の各姿勢/位置が適正な状態とされている場合には、ＳＬＭ１に映し出されたビットデータを、誤りなくＣＣＤカメラ５で撮像することが可能となる。しかし、図２（Ｂ）に示すように、例えば、第２ＦＴレンズ４の姿勢/位置が不適正な状態とされている場合には、再生される画像が歪んでしまい、これによりビット誤りが発生してしまう。なお、他の光学素子（ＳＬＭ１、第１ＦＴレンズ２、記録媒体３、ＣＣＤカメラ５）の姿勢/位置が不適正な状態とされている場合についても同様にビット誤りが発生するが、本実施形態では説明を簡略化するため、第２ＦＴレンズ４の姿勢/位置のみが不適正な状態を想定し、この第２ＦＴレンズ４の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）および姿勢（θ_ｘ，θ_ｙ）を調整する場合を述べる。なお、Ｘ，Ｙ，Ｚは、図２に示す３次元直交座標系の座標値（ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の各方向の位置）を示し、θ_ｘおよびθ_ｙは、該３次元直交座標系のｘ軸回りの回転角度およびｙ軸回りの回転角度をそれぞれ示している。

以下、本実施形態の手順を説明する。図３はＳＬＭ１に映し出す画像（縞パターンｐ１〜ｐ５）を示す図であり、図４は第２ＦＴレンズ４のｚ軸方向の位置（以下「Ｚ位置」と称する）を変化させる様子を示す概略図である。

まず、ＳＬＭ１に縞パターンｐ１〜ｐ５を映し出す（図１のステップＳ１）。なお、ＳＬＭ１に映し出される縞パターンｐ１〜ｐ５は、図３に示すように、ＳＬＭ１の四隅および中央の計５箇所において、互いに同一形状に形成されたものであり、映し出された縞パターンｐ１〜ｐ５は、第１ＦＴレンズ２、記録媒体３、第２ＦＴレンズ４を介してＣＣＤカメラ５の２次元撮像素子上に結像される。

次に、第２ＦＴレンズ４の位置および姿勢（Ｘ，Ｙ，Ｚ，θ_ｘ，θ_ｙ）を初期設定する（図１のステップＳ２）。なお、第２ＦＴレンズ４の位置および姿勢の設定は、第２ＦＴレンズ４を載置保持するように設置された３軸位置調整ステージおよび２軸傾き調整ステージ（いずれも図示略：レンズ姿勢/位置可変手段）を用いて行うことができる。

次いで、図４に示すように、第２ＦＴレンズ４のＺ位置のみを変えながら、その都度、ＣＣＤカメラ５により、２次元撮像素子上に結像された縞パターンｐ１〜ｐ５を撮像する（図１のステップＳ３）。

次に、第２ＦＴレンズ４の各Ｚ位置においてそれぞれ撮像された縞パターンｐ１〜ｐ５毎の画像信号をＦＦＴ（高速フーリエ変換）する。そして、各Ｚ位置における各縞パターンｐ１〜ｐ５毎に、その基本周波数Ｆ_１の２倍の周波数Ｆ_２の強度Ｉ_２を算出し、その逆数（１/Ｉ_２）を、第２ＦＴレンズ４のレンズ調整評価値（以下、単に「評価値」と称することがある）として求める（図１のステップＳ４：調整評価値算出手段により求められる）。

次いで、各縞パターンｐ１〜ｐ５毎に、第２ＦＴレンズ４のＺ位置と評価値（１/Ｉ_２）との対応関係を表す評価曲線を作り、各評価曲線においてそのピーク（頂点）に対応した各評価値（以下「ピーク評価値（１/Ｉ_２）_Ｐ−ｐ１〜（１/Ｉ_２）_Ｐ−ｐ５」と称する）と、同じく各評価曲線のピークに対応した第２ＦＴレンズ４の各Ｚ位置（以下「ピークＺ位置Ｚ_Ｐ−ｐ１〜Ｚ_Ｐ−ｐ５」と称する）を求める（図１のステップＳ５）。ここで、図５は縞パターンｐ１〜ｐ５毎の各Ｚ位置と評価値（１/Ｉ_２）との関係を表すグラフ（同図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）および（Ｅ）が、縞パターンｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４およびｐ５にそれぞれ対応する）であり、図６は縞パターンｐ１〜ｐ５毎の評価曲線を概略的に示すもの（同図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）および（Ｅ）が、縞パターンｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４およびｐ５にそれぞれ対応する）である。図６に示す各評価曲線は、例えば、図５に示す各グラフに２次関数等の曲線をフィッティングして作ることが可能であるが、図５に示す各グラフをそのまま評価曲線として用いることも可能である。

次に、図６に示す縞パターンｐ１〜ｐ５毎の各評価曲線において、「各々のピーク評価値（１/Ｉ_２）_Ｐ−ｐ１〜（１/Ｉ_２）_Ｐ−ｐ５が全て所定値（予め設定される数値）以上である」という第１条件を満たすかどうかの判定を行い（図１のステップＳ６：判断手段）、第１条件を満たす場合には、さらに、縞パターンｐ１〜ｐ５毎の各評価曲線において、「各々のピークＺ位置Ｚ_Ｐ−ｐ１〜Ｚ_Ｐ−ｐ５が全て所定の範囲（予め設定される数値範囲）内に在る」という第２条件を満たすかどうかの判定を行う（図１のステップＳ７：判断手段）。

そして、第１条件を満たさない場合および第１条件は満たすが第２条件を満たさない場合には、第２ＦＴレンズ４の位置および姿勢を変更し（図１のステップＳ９）、図１のステップＳ３〜Ｓ６（またはＳ７）の手順を繰り返し行う。一方、第１条件および第２条件をいずれも満たす場合には、そのときの位置および姿勢に第２ＦＴレンズ４をセットする。

なお、第２条件を満たすピークＺ位置Ｚ_Ｐ−ｐ１〜Ｚ_Ｐ−ｐ５間にばらつきがある場合には、例えば、各ピークＺ位置Ｚ_Ｐ−ｐ１〜Ｚ_Ｐ−ｐ５の平均値を求め、求められた平均値に該当するＺ位置に第２ＦＴレンズ４を設定することができる。また、図１のステップＳ９では、（Ｘ，Ｙ，Ｚ，θ_ｘ，θ_ｙ）の全てのパラメータを変更するのではなく、Ｚ位置以外の他の所定の１つのパラメータのみを変更し、各々のパラメータ毎に適正なＺ位置の値（範囲）を候補値として求め、第２ＦＴレンズ４の最適な姿勢/位置を次第に絞り込むようにしてもよい。

上述のように本実施形態においては、撮像された縞パターンｐ１〜ｐ５の基本周波数Ｆ_１の２倍の周波数Ｆ_２の強度Ｉ_２の逆数（１/Ｉ_２）を第２ＦＴレンズ４のレンズ調整評価値としており、このレンズ調整評価値（１/Ｉ_２）がなるべく大きくなるように（基本周波数Ｆ_１の２倍の周波数Ｆ_２の強度Ｉ_２がなるべく小さくなるように）、第２ＦＴレンズ４の姿勢/位置調整を行っている。

一方、第２ＦＴレンズ４のレンズ調整評価値として縞パターンｐ１〜ｐ５の基本周波数Ｆ_１の強度Ｉ_１（コントラスト）を用いることも考えられるが、この場合には良好な結果を得ることができない。

図７に、基本周波数Ｆ_１の強度Ｉ_１をレンズ調整評価値として用いた場合における縞パターンｐ１〜ｐ５毎の第２ＦＴレンズ４のＺ位置と強度Ｉ_１との関係を表すグラフ（同図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）および（Ｅ）が、縞パターンｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４およびｐ５にそれぞれ対応する）を比較例として示す。図７に示すように基本周波数Ｆ_１の強度Ｉ_１をレンズ調整評価値として用いた場合には、各グラフにおけるピーク位置が判然とせず、第２ＦＴレンズ４の適正なＺ位置を求めることが難しい。これは、基本周波数Ｆ_１の強度Ｉ_１がノイズに対して弱いことが原因の１つと考えられる。

これに対し図５に示すように基本周波数Ｆ_１の２倍の周波数Ｆ_２の強度Ｉ_２の逆数（１/Ｉ_２）をレンズ調整評価値として用いる本実施形態の場合には、各グラフにおけるピーク位置を認識し易く、第２ＦＴレンズ４の適正なＺ位置を求めることが可能となっている。なお、基本周波数Ｆ_１の２倍の周波数Ｆ_２の強度Ｉ_２は、撮像された縞パターンｐ１〜ｐ５のエッジの乱れの大きさに関わっていると考えられる。

以上、本発明に係るレンズ姿勢/位置調整方法および装置の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態のものに限定されるものではなく、種々の態様のものとすることが可能である。例えば、上記実施形態では、第２ＦＴレンズ４の姿勢/位置調整に本発明を適用したものであるが、本発明は、第２ＦＴレンズ４以外の他の光学素子（ＳＬＭ１、第１ＦＴレンズ２、記録媒体３、ＣＣＤカメラ５）の姿勢/位置調整においても同様に適用することが可能である。したがって、種々の光学系におけるオートフォーカスシステムにも適用することが可能である。

また、上記実施形態では、第２ＦＴレンズ４のＺ位置以外の他のパラメータ（Ｘ，Ｙ，θ_ｘ，θ_ｙ）を固定した状態でＺ位置のみを変更しつつ、その都度撮像を行うようにしているが、Ｚ位置を変更する毎に他のパラメータの全部または一部を変更し、その都度撮像を行うようにしてもよい。

さらに、上記実施形態においては、上述した第１条件および第２条件を満たすか否かという両方の判断を順次行うようにしているが、本発明方法および装置においては、上記２つの判断のうち、一方のみの判断を行うようにすることも可能である。

一実施形態に係るレンズ姿勢/位置調整方法の手順を示すフローチャート ホログラム記録再生装置の光学系の一例を示す概略図 ＳＬＭに映し出す画像（縞パターンｐ１〜ｐ５）を示す図 第２ＦＴレンズのＺ位置を変化させる様子を示す概略図 第２ＦＴレンズのＺ位置と評価値（１/Ｉ_２）との関係を表すグラフ（実施例） 縞パターン毎の評価曲線を概略的に示す図 第２ＦＴレンズのＺ位置と縞パターンの基本周波数の強度Ｉ_１との関係を表すグラフ（比較例）

符号の説明

１ ＳＬＭ(空間光変調素子)
２ 第１ＦＴレンズ
３ 記録媒体
４ 第２ＦＴレンズ
５ ＣＣＤカメラ
ｐ１〜ｐ５ 縞パターン

Claims (4)

1. 被観察体からの像情報を担持した光束を、レンズおよび記録媒体を介して撮像面に照射し、該撮像面上に前記被観察体の像を形成する光学系におけるレンズ姿勢/位置調整方法であって、
   前記被観察体に替えて、複数個の縞パターンを表してなる調整用治具を、光軸上に配置し、
   前記レンズの姿勢および位置を変化させつつ、前記調整用治具上の複数個の縞パターンの像を撮像し、
   該撮像された該縞パターンの像についての縞周波数を基本周波数としたとき、その基本周波数の２倍の周波数成分の強度Ｉ_２の逆数である１／Ｉ_２を、該縞パターンの像毎にレンズ調整評価値として求め、
   該縞パターンの像毎のレンズ調整評価値が所定値以上の大きさとなっているか否かの判断、および該縞パターンの像毎の該レンズ調整評価値が該所定値以上の大きさとなった場合の光軸上のレンズ姿勢またはレンズ位置が互いに所定範囲内とされているか否かの判断に基づき、前記レンズの姿勢および位置を設定するものであり、
   前記レンズは、前記被観察体の位置からの光束を収束せしめる第１のレンズと、この後、発散した該光束を、撮像面に照射し、該撮像面上に前記被観察体の像を形成する第２のレンズを含む、ことを特徴とするレンズ姿勢/位置調整方法。
2. 前記調整用治具が、複数個の縞パターンを表示可能な画像表示素子であることを特徴とする請求項１記載のレンズ姿勢/位置調整方法。
3. 前記画像表示素子は、矩形状をなし、その四隅と中央領域に各々前記縞パターンが表示されるように構成されていることを特徴とする請求項２記載のレンズ姿勢/位置調整方法。
4. 被観察体からの像情報を担持した光束を、レンズおよび記録媒体を介して撮像面に照射し、該撮像面上に前記被観察体の像を形成する光学系におけるレンズ姿勢/位置調整装置であって、
   前記被観察体に替えて光軸上に配置された、少なくとも複数個の縞パターンを表してなる調整用治具と、
   該光軸上で、前記レンズの姿勢および位置を変化させるレンズ姿勢/位置可変手段と、
   前記調整用治具上の複数個の縞パターンの像を撮像する撮像手段と、
   該撮像手段により撮像された該縞パターンの像についての縞周波数を基本周波数としたとき、その基本周波数の２倍の周波数成分の強度Ｉ_２の逆数である１／Ｉ_２を、該縞パターンの像毎にレンズ調整評価値として求める調整評価値算出手段と、
   該調整評価値算出手段からの出力が所定値以上の大きさとなっているか否かの判断、および該調整評価値算出手段からの出力が該所定値以上の大きさとなった場合の光軸上のレンズ姿勢またはレンズ位置が互いに所定範囲内とされているか否かの判断を行い、その判断による是非の結果を出力する判断手段と、を備え、
   該判断手段による判断結果が是とされるまで、前記レンズ姿勢/位置可変手段により前記レンズの姿勢および位置を変化させつつ前記判断手段により前記判断を行う処理を繰り返し行い、該判断手段により、判断結果が是とされた際の該レンズの姿勢および位置において該レンズを設定するように構成されてなり、
   前記レンズは、前記被観察体の位置からの光束を収束せしめる第１のレンズと、この後、発散した該光束を、撮像面に照射し、該撮像面上に前記被観察体の像を形成する第２のレンズを含む、ことを特徴とするレンズ姿勢/位置調整装置。

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