JP5006589B2

JP5006589B2 - 光学的伝達関数の測定方法及び測定装置並びにテストチャート

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Description

本発明は、光学撮像システムの光学的伝達関数の測定に関するものである。

光学撮像システムの画像品質においては、レンズ系，または単にレンズが光伝播系の第１の、そして恐らく最も重要な結合である。シャープなレンズ無しにはシャープな画像を得ることは出来ない。しかし、レンズのシャープさを比較するためには、すべてのレンズに等しく適用可能な客観的な測定が必要である。レンズはカメラと一体化される場合があるが、その場合はレンズ系はレンズとイメージセンサーを含む。

レンズの撮像特性を定量化するために用いられる指標は光学的伝達関数（ＯＴＦ）として知られている。ＯＴＦは２つの成分からなる。第１の成分は変調伝達関数（ＭＴＦ）であって、ある空間周波数におけるパワーがどれだけレンズを通過するかを定めるものであり、従ってレンズのコントラストの指標である。ＯＴＦの第２の成分は位相伝達関数（ＰＴＦ）であり、ある空間周波数にどのような空間的な歪曲（distortion）が存在するかを定めるものであり、従ってレンズのシャープさの指標である。

ＯＴＦは（レンズのような）光学系の解像度の最も役立つ指標の１つであると一般的に考えられている。しかしながら、ＯＴＦの正確な測定は、注意深く制御された実験室条件でなければ比較的困難である。ＯＴＦ測定の通常の方法は、いわゆるナイフエッジ透過関数を持つ物体を用いる。この透過関数は、光を通すか通さないかの２値関数である。この物体が背後から照明されてエッジの像が被検レンズによって投影される。そして、像の強度分布が走査型光センサーや光センサーアレイによって測定される。測定される光強度は、微分とフーリエ変換を含む数学的な演算によってＯＴＦと関係付けられることが分かる。エッジ像を適当に処理することによってＯＴＦを推定することができる。

このＯＴＦの測定方法は多くの制約がある。この制約には、ＯＴＦが１つの方向でしか測定されないということが含まれる。また、空間情報の大部分は非常に低い周波数に集中するため、この方法は空間周波数が増大するとともに感度が減少し続けるものに制限され、特定の周波数に合わせることは出来ない。

レンズのＯＴＦがデフォーカスによって変化する様子によって、レンズについての多くの情報が示されうる。従って、レンズの解像度性能についての有用な情報を得るためには、いくつかの空間位置、いくつかの空間周波数、いくつかの方向及びいくつかのデフォーカス位置でＯＴＦを測定することが通常必要である。そのような一連の工程は、多くの場合、多数の個別の測定が必要となりうる。

本発明は、従来の構成の１つ以上の欠点を実質的に解決するか又は少なくとも改善することを目的とする。

本発明の第１の側面によれば、レンズ系の光学的伝達関数の測定方法であって、複数の空間周波数の正弦波を複数の方向に重畳させたテストパターンを有するテストチャートを、前記レンズ系を用いて撮像して撮像テストパターンを生成するステップと、前記撮像テストパターンの少なくとも１つの特性を前記テストパターンの対応する特性と比較して前記レンズ系の前記光学的伝達関数を決定するステップと、を含むことを特徴とする光学的伝達関数の測定方法が提供される。

１つ以上の添付図面を参照する場合に、同じ参照符号を持つステップ及び／又は特徴は、その反対の意図が明示されていない限り、本説明の目的のために同じ機能または動作を持つものとする。

レンズの完全なＯＴＦを測定するためには、多くの変数を制御しなければならない。そのような作業は複雑である。完全なＯＴＦのデータの意味のあるサブセット（subset）を提供するために、多数の空間周波数と多数の方向とを選択することによってレンズのＯＴＦが要約され、そしてこれらの周波数と方向におけるＭＴＦが像面の中心からの距離の関数としてどのように変化するかを示すグラフが作成される。

レンズの一例についてこのタイプのＭＴＦのグラフを図１に示す。グラフにおいて、空間周波数が１０ＬＰＭ（line pairs permillimeter）及び３０ＬＰＭ（ｌｐ／ｍｍ）の場合のＭＴＦのプロットが、それぞれサジタル（半径）とメリジオナル（接線）方向での線対として、絞りを開放にした場合と絞りがｆ／８．０の場合において、像面の中心から対角線上の距離（ｍｍ単位）の関数として示してある。このようなＭＴＦのグラフは市販のレンズのデータ指定でよく用いられるものである。縦軸は光がレンズを透過する割合を示す。理想的なレンズは１００%の光を通し、縦軸の値は１である。しかし、完全なレンズはなく、そのために損失が存在する。実線１０，１２，１６および１８はサジタル方向の測定結果であり、点線１１，１３，１７、及び１９はメリジオナル方向の測定結果である。暗線１６，１７，１８と１９は開放絞りを、明線１０，１１，１２、及び１３はｆ／８．０絞りを用いた場合に対応する。細線１２，１３，１８及び１９は１０（ｌｐ／ｍｍ）、太線１０，１１，１６、及び１７は３０（ｌｐ／ｍｍ）に対応する。

図２Ａはレンズ１５０のＯＴＦを、多数の異なる焦点位置と、多数の異なる空間周波数と、レンズ１５０の像面全体を多数の異なる位置とで測定するためのレンズ試験システム１００を示す。レンズ試験システム１００は、被験レンズ１５０と、レンズ１５０が取り付けられるディジタルカメラ１３０と、テストチャート１１０と、テストチャート１１０を照明する照明光源１２０と、ディジタルカメラ１３０に接続された汎用コンピューター１４０とを含む。システム１００は、汎用コンピューター１４０に接続された、テストチャート１１０を印刷するためのプリンター１９０を更に含む。一度テストチャート１１０が作成されれば、プリンター１９０はシステム１００には必ずしも必要ではなくなる。

ディジタルカメラ１３０とテストチャート１１０は、テストチャート１１０がレンズ１５０の光軸にほぼ垂直となるように互いに配置される。照明光源１２０は、テストチャート１１０への照明がほぼ一様になるように配置された２つの光源であることが望ましい。

図２Ｂは、テストチャート１１０を照明し撮像する配置をより詳細に示す．ディジタルカメラ１３０とレンズ１５０の置かれる場所は、照明光源１２０の後ろであることが望ましい。光源１２０から出た光が直接レンズ１５０の開口に入るのを防ぐように光源１２０は遮蔽されている。

ＣａｎｏｎＥＦ５０／１．４のようなレンズ１５０に対して公称倍率Ｍは３０ｘを選択することが好適である（Ｍ＝３０）。このようにすると、テストチャート１１０上の３０ｍｍの特徴物は像面で１ｍｍの特徴物に撮像される。反対に像面上で３０（ｌｐ／ｍｍ）で測定される信号はテストチャート１１０内では１（ｌｐ／ｍｍ）の周波数で配置される。

ディジタルカメラ１３０のセンサー全域にわたってＯＴＦを測定するのが一般的に望ましい。好適な実施形態においては、用いられるディジタルカメラ１３０はＣａｎｏｎＥＯＳ１ＤｓＭａｒｋII ディジタルカメラから改良したセンサーパッケージであり、幅３６ｍｍ、高さ２４ｍｍのセンサーと４９９２ｘ３３２８の画素分解能を持ち、像面で７．２μｍの画素ピッチとなる。センサーパッケージは低域通過フィルターとカラーフィルターアレイを取り除くように改良された。カメラセンサーはカメラ１３０の光電子変換関数（ＯＥＣＦ）を規定するＩＳＯ−１４５２４：１９９９（Ｅ）標準に従って較正されているものとする。ＯＥＣＦはカメラセンサーのディジタルカウント値と直線入力光との対応関係を規定する。テストチャート１１０は被験レンズ１５０を通して撮像されたときに、カメラ１３０のセンサーの枠を満たすに十分な大きさを持ち、なおレンズ１５０の焦点範囲の中にあるとする。

一例としてＣａｎｏｎＥＦ５０／１．４レンズで倍率３０ｘの場合、テストチャート１１０は１０８０ｍｍｘ７２０ｍｍの大きさを持ち、これは大体Ａ０のサイズである。カメラ１３０の像面はこのチャートから１５５０ｍｍ離れてテストチャート１１０とほぼ平行に位置する。この構成ではチャートのスケールは像面のチャートの像のスケールの３０倍である。このように、像面で１０（ｌｐ／ｍｍ）の空間周波数が測定される場合、テストチャート１１０内では約０．３３（ｌｐ／ｍｍ）の空間周波数が存在しなければならない。センサーの画素ピッチが7．2μmのときは、この空間周波数はセンサー上で1周期あたり約14画素に対応する。

レンズ１５０のＯＴＦを測定する場合、２つの別々の処理が実行されなければならない。第１の処理はテストチャートを作成することであり、第２の処理はテストチャート１１０を用いてレンズ１５０のＯＴＦを測定することである。

汎用コンピューター１４０（図２Ａ）はテストチャート１１０の生成と印刷を制御する。汎用コンピューター１４０はまた、撮影画像の露光量、絞り、レンズ１５０の焦点を制御することを含めて、ディジタルカメラ１３０を用いた像の取得を制御する。最後に、汎用コンピューター１４０は得られた像からレンズのＯＴＦを計算するために必要な処理を行う。汎用コンピューター１４０はアプリケーションプログラムなどのソフトウェアによる制御により前記の処理を行う。このソフトウェアはコンピューター読み取り媒体を通してコンピューター１４０にロードされ、コンピューター１４０がそれを実行する。そのようなソフトウェアを有するコンピューター読み取り媒体やまたはそれに記録されるコンピュータープログラムはコンピュータープログラム製品である。

図３は汎用コンピューター１４０の概略的なブロック図を示す。コンピューター１４０はコンピューターモジュール２０１と、キーボード２０２やマウス２０３などの入力装置及びビデオディスプレイ２１４を含む出力装置より形成されている。コンピューターモジュール２０１は、典型的には、少なくとも１つのプロセッサーユニット２０５とメモリーユニット２０６を含む。モジュール２０１はまたビデオディスプレイ２１４に結合するビデオインターフェース２０７、キーボード２０２やマウス２０３のためのI／Oインターフェース２１３及びカメラ１３０やプリンター１９０を制御するためのインターフェース２０８を含む多数の入出力（I／O）インターフェースを含む。記憶装置２０９が設けられ、典型的にはハードディスクドライブ２１０やフロッピーディスクドライブ２１１を含む。ＣＤ−ＲＯＭドライブ２１２が不揮発性のデータ源として設けられる。コンピューターモジュール２０１の部品２０５〜２１３は典型的には相互接続したバス２０４を経由して、当業者にはよく知られたコンピューターシステム２００の従来の動作モードとなるように通信を行う。

典型的には、アプリケーションプログラムはハードディスクドライブ２１０上に存在し、プロセッサー２０５による実行の過程で読み込まれ制御される。プログラム及び任意のデータの中間記憶は、ハードディスクドライブ２１０と協力することもあるが、メモリー２０６を用いて行う。いくつかの例ではアプリケーションプログラムはＣＤ−ＲＯＭやフロッピーディスク上に符号化されてユーザーに供給され、対応するドライブ２１２または２１１を介して読み出される、また他には（不図示の）ネットワークからユーザーによって読み出される。なお更には、ソフトウェアは他のコンピューター読み取り可能媒体からコンピューター１４０へロードすることも可能である。ここで、「コンピューター読み取り可能媒体」という用語は、実行及び／又は処理の際にコンピューター１４０への命令及び／又はデータの供給に関わる記憶媒体または伝送媒体を示す。記憶媒体の例としては、コンピューターモジュール２０１の内部又は外部にあるフロッピーディスク、磁気テープ、ＣＤ−ＲＯＭ，ハードディスクドライブ，ＲＯＭまたは集積回路、磁気光ディスクまたはＰＣＭＣＩＡカードなどのコンピューター読み込み可能カードなどが含まれる。伝送媒体の例としては、他のコンピューターやネットワークデバイスへのネットワーク接続、電子メール送信やＷｅｂサイトに記憶された情報を含むインターネットやイントラネットなどに加えて、無線や赤外線伝送チャネルを含む。

まず、撮像されるテストチャート１１０を作成する過程を、方法３００の概略的なフローチャートを示す図４を参照して説明する。上記のように方法３００はコンピューター１４０上で実行されるソフトウェアによって行われる。方法３００はステップ３０５から始まり、そこではＯＴＦが測定される像面内の周波数、方向，および位置をユーザーからの入力として受け取る。次に、プロセッサー２０５はステップ３１０において、ステップ３０５で受け取ったパラメータを用いてＯＴＦ測定チャート１１０のデジタルバージョンを生成する。ステップ３１０については図５を参照して以下により詳細に説明する。デジタルバージョンは記憶装置２０９上のディジタル画像ファイルの中に記憶されうる。

好適な実施形態では、チャート１１０は色解像度が画素あたり８ビットの３００ｄｐｉ階調ＴＩＦファイル形式で生成される。ＴＩＦファイルは１２７５６ｘ８５０４画素の大きさを持ち、チャート１１０内の階調度が線形強度測定に対応するように規定された関連の国際カラーコンソーシアム（ＩＣＣ）プロファイルを持つ。

次に、プリンター１９０はステップ３２０で色較正され、それによってプリンター１９０の色プロファイルが作成される。プリンターはＣａｎｏｎ^ＴＭＢＪＷ８２００ＰＧなどの商用レベルの大判インクジェットプリンターであればよい。次に、色プロファイルはステップ３３０においてコンピューター１４０で用いられて、較正されたプリンター上で正確な階調テストチャートを印刷する。特に、チャート１１０のＴＩＦファイル形式が、ＡｄｏｂｅＳｙｓｔｅｍｓＰｈｏｔｏｓｈｏｐ（登録商標）のような、ＩＣＣ色管理を実行するソフトウェアによる階調印刷を用いて３００ｄｐｉで印刷される。チャート１１０の線形な階調が再現（reproduction）されることを確かめるためにプリンターのＩＣＣプロファイルが生成される。これはよく知られた市販の製品、例えばＧｒｅｔａｇＭａｃｂｅｔｈ社のＰｒｏｆｉｌｅＭａｋｅｒＰｒｏを用いてなされうる。このＩＣＣプロファイルは、相対測色描画意図（relativecolorimetric rendering intent）を持つ出力装置ＩＣＣプロファイルとして選択される。

最後に、方法３００はステップ３４０で終了するが、そこでは印刷されたチャート１１０が測定され、このチャート１１０の各領域において周波数と方向の対ごとに変調と位相がどれほどかを決定する。ステップ３４０は以下に更に詳細に説明する。

ステップ３０５で受け取ったパラメータ（ＯＴＦが測定される像面内の周波数、方向および位置）からＯＴＦ測定チャート１１０のデジタルバージョンが生成されるステップ３１０を説明する前に、まず、好適なパラメータについて説明する。図１に示したタイプのＭＴＦグラフがレンズ試験システム１００の出力から作成できるようにＯＴＦ情報を作成するためには、ＯＴＦが測定される像面内の位置が像面の対角線に沿って定められることが望ましく、それはディジタルカメラ１３０のイメージセンサーの一例に対しては水平方向から３３．７°の角度である。これが像面の中心からの最大の範囲となる。また、その位置は像面内で−２０ｍｍから２０ｍｍまでの範囲で２ｍｍ間隔で定められる。このように位置が像面の中心からセンサーのほぼ隅まで延びている。

再び、図１に示したタイプのＭＴＦグラフが作成できるようにＯＴＦ情報を作成するためには、空間周波数は６ｌｐ／ｍｍ，１２ｌｐ／ｍｍ，２４ｌｐ／ｍｍ，３６ｌｐ／ｍｍ、４８ｌｐ／ｍｍに定められるのが好適である。典型的には、これらの方向は、サジタル方向とメリジオナル方向に定めるのが好適である。

ステップ３０５で受け取る好適なパラメータとテストチャート１１０の形状について述べたので、次にＯＴＦ測定チャート１１０のデジタルバージョンがパラメータから生成されるステップ３１０について、ステップ３１０の概略的なフローチャートを示す図５を参照して更に詳細に説明する。

次いで、サブステップ５６０では離散フーリエ逆変換を用いてタイルを空間領域へ変換する。このステップはタイルをその生成がなされたフーリエ空間表現から空間表現へ変換するものである。ＯＴＦ測定チャート１１０のデジタルバージョンを作成するために最終的に用いられるのは空間表現である。ステップ４２０の最後のサブステップ５７０では、タイルの空間表現における値の範囲が、ディジタルＴＩＦＦ画像ファイルに記憶するのに適した、０から２５５の範囲になるように変更される。これでタイル生成サブステップ４２０が終了する。

図７Ｂはタイルの空間表現の例を示す。図示の際に、２５５の値を持つ画像値は白で示され、０の値の画像値は黒で示される。また、例示のために、中間色調をこれらの値に適用している。実際のテストチャートは、ステップ３３０で階調印刷を用いて印刷される。

印刷されたテストチャート１１０の特性はチャートのデジタルバージョンの特性とは正確には一致しない。これは印刷工程が完全ではないからである。特に、プリンター１９０は、通常の観察距離から見たときに灰色の陰影を与える中間色パターンに印刷可能なインクの数が限られている。この中間色調処理は、タイルに埋め込まれている周波数ピークの振幅と位相が印刷されるテストチャート１１０には正確に再現されないことを意味する。正確なＯＴＦ測定を確実に行うためには、この影響を補償することが重要である。更にプリンター１９０で印刷できる最も暗い部分での非ゼロ反射率（non-zeroreflectivity）の問題があり、これはプリンター１９０で得られる黒色は一般的には白色紙の発光の１／１００程度の発光があり、テストチャートのデジタルバージョンで得られる有効なゼロ発光とは異なることを意味する。

図２Ｂに示されたカメラ１３０に対するテストチャート１１０の物理的撮像配置における許容公差をここで詳細に説明する。カメラ１３０はテストチャート１１０に対してレンズ１５０の光軸がチャート幅の±３％以内の精度でテストチャートの中心と交差するように配置される。カメラ１３０の像面からテストチャート１１０までの距離は、あらかじめ選択した倍率Ｍが，この例では３０ｘであり、±５％以内の精度で達成されるようになっている。また、カメラ１３０がレンズ１５０の光軸の周りで回転して、センサーの水平線がテストチャート１１０の水平線と±２°以内の精度で一致するようになっている。更に、カメラ１３０はテストチャート１１０に対してパンチルトが±１°以内となるように配置される。これらのパラメータの全てが工業規格のカメラマウントを用いて容易に達成される。

好適な実施形態ではカメラ１３０はコンピューター１４０にＦｉｒｅｗｉｒｅ^ＴＭケーブルなどのコンピューターインターフェースケーブルによって接続され、コンピューター１４０はカメラ１３０の露光時間やレンズ１５０の絞り及び焦点位置を制御する。レンズ試験システム１００に使われるカメラ１３０が付属レンズの焦点位置決めをするコンピューター制御機構がない場合は、カメラ１３０は機械的な位置決めステージの上に搭載されて、カメラ１３０がテストチャートに対して前後に動くようにして焦点位置を手動であるいはコンピューター制御で調整してもよい。

テストチャート１１０とカメラ１３０が適当な撮像配置に搭載された後に、レンズのＯＴＦが測定される。図８はレンズ１５０のＯＴＦを測定する方法を表す概略的なフローチャートである。レンズ１５０のＯＴＦを測定する前に、レンズ１５０のＯＴＦを測定すべき焦点位置を選択する。どのようなレンズのＯＴＦもその焦点位置に強く依存するので、ベストフォーカスの面が選択されていることを確かめることはレンズ１５０のＯＴＦを測定する場合に重要である。

カメラは自動焦点測定機構を有する場合が多いが、常に確実にベストフォーカスの面を実現しているとは限らない。このために好適な実施形態では、レンズのＯＴＦ測定が多数の異なる焦点位置において複数回行われる。まず、近似的なベストフォーカス位置がカメラ１３０の自動焦点機構を用いて決められる。そこで、レンズをこの近似的なベストフォーカス位置の手前に動かす。それから、近似的なベストフォーカス位置の後ろまでの一連の焦点位置において多数の画像を撮る。異なる焦点での撮影回数とベストフォーカス面が決定される精度及びレンズのＯＴＦ測定に要する時間との間には妥協がなされねばならない。好適な実施形態では、カメラの自動焦点システムで与えられる近似的なベストフォーカスの周りの各間隔において５つの画像が撮像される。これはベストフォーカス位置の決定とレンズ１５０のＯＴＦ測定に要する時間との間の適当なるバランスを考慮したものである。

ベストフォーカス位置は像面上で変化することに注意しなければならない。ベストフォーカス位置の軌跡は２次元面を形成しそれを像面がスライスしている。焦点位置を稠密集合（dense set）として測定すると、このベストフォーカス面すなわちペッツヴァル面が測定されうる。

方法６００はステップ６０５からスタートする。そこでは被測定レンズ１５０がカメラ１３０にバヨネットマウントなどの標準マウントで接続される。ステップ６１０ではレンズ１５０の焦点位置が第１の位置にセットされる。カメラ１３０はそこでステップ６２０においてテストチャート１１０の像を取り込むように制御される。像を取り込むときはレンズ１５０の絞りは開放に、この例の５０ｍｍレンズではｆ／１．４にセットされる。また、カメラ１３０の露光時間はテストチャート１１０の白の部分からの最大値が約２５００カウントとなるようにセットされる。これは像信号がＳＮ比の良好な領域にあり、かつ、カメラ１３０のイメージセンサーがＯＥＣＦを用いて正確に線形になっている出力レンジ内で動作することを保証するためである。像は、生のディジタルセンサーのカウント数をＣＲ２ファイルにもどすＣａｎｏｎＲＡＷファイル形式などのＲＡＷファイル形式で取り込まれるのが好適である。当業者であれば、はレンズのＯＴＦが任意の絞りで測定してもよいことが分かるであろう。

ステップ６３０では、テストチャート１１０の像が含まれているＲＡＷファイルフォーマットの像ファイルをコンピューター１４０に転送する。そこでコンピューター１４０のプロセッサー２０５は、ステップ６４０で、ＲＡＷファイルフォーマットの像ファイルから抽出された生のセンサー値を直線的な光値に変換する。これはＩＳＯ１４５２４：１９９９（Ｅ）標準によるカメラのＯＥＣＦの測定結果を用いてなされる。ＲＡＷ像の各画素がＯＥＣＦに従って変換されて、カメラ１３０のイメージセンサーに入射した光強度にほぼ比例したテストチャートの像が作成される。

ステップ６６０では、所定の焦点位置におけるレンズ１５０のＯＴＦが、図９を参照して以下に詳細に説明するような方法を用いて、テストチャートの較正されたホワイトバランスの取れた像から決定される。

次にステップ６７０では全ての焦点位置が撮影されたかを判断する。撮影するべき焦点位置が残っていると判断した場合には、処理はステップ６１０に戻り、次の焦点位置がセットされてその焦点位置でＯＴＦが決定される。

ステップ６７０で全ての焦点位置で処理が終わったと判断した場合は、次に方法６００はステップ６８０で終了し、各焦点位置でステップ６６０で決定されたＯＴＦ値を出力してユーザーによる更なる処理と検査が行われる。

一般にＯＴＦ値が各焦点位置に対して像の中心で検査され、最高のＭＴＦを持つ焦点位置がベストフォーカス位置と考えられる。そこで、このベストフォーカス位置に対してステップ６６０において計算されるＯＴＦ値の全てがベストフォーカスでのレンズ１５０のＯＴＦであるとしてユーザーに対して提供される。

そして、タイルに存在する正弦波形状の周波数，振幅および位相が決定されるステップ７４０をステップ７４０の概略的なフローチャートを示す図１０を参照して更に詳細に説明する。ステップ７４０は入力としてステップ７３０（図９）でテストチャート１１０の像から抽出されたタイルを受け入れる。

残留誤差Ｅの量はこのタイルのＯＴＦ測定において問題がないかどうかの目安となる。残留誤差Ｅ値が０．０４以上の場合は測定に問題があることを示しており、ユーザーはカメラ１３０が上に与えた公差以内になるようにセットアップされているかどうかを検査しなければならず、また撮影された像を調べてセンサーの上に埃などによる欠陥がないことを確かめなければならない。

ここで印刷されたテストチャートの較正ステップ３４０を詳細に説明する。上記のように、印刷されたテストチャートの較正はＯＴＦ試験に用いるのと同様の配置で低倍の高品質マクロレンズを用いて行われる。好適な実施形態では、このレンズはＣａｎｏｎ^ＴＭＭＰ−Ｅ６５ｍｍｆ／２．８１−５ｘＭａｃｒｏレンズであり、レンズは図２Ｂに示したような配置である。ただし、カメラ１３０とレンズ１５０は、ここではテストチャート１１０の近くに約５０ｍｍ離してセットアップされる。

方法６００で決定されるＯＴＦはレンズ同士が比較できる客観的な科学的試験法を提供するものである。

以上のように、本発明の好適な実施形態のみを説明したが、本発明の技術的範囲から思想が逸脱しない範囲内で、その修正及び／又は変更が可能である。本実施形態は例示的なものであり、これに限定するためのものではない。特に、好適な実施形態は、大判バブルジェットプリンター上に印刷されたテストチャート１１０を用いて説明したが、他の印刷装置を用いてテストチャート１１０を作成してもよい。これらの中にはインクベースのプリンター、電子写真印刷処理、写真印刷処理、及びホトリソグラフィー処理などが含まれるが、これに限られない。イメージセンサーのサンプリング速度で、灰色の明瞭な多重の影（多重の階調または多重の階調度）を持つテストチャート１１０を作成する装置であれば、どのようなものでもテストチャート１１０の作成に用いることが出来る。

更に、好適な実施形態はシステム１００は、撮像系配置の中でカメラ１３０の位置決めについて誤差の公差が広いとして説明してきた。この広い公差が許容されるのはテストチャート１１０が広い空間領域に広がるタイルパターンであり、解析手法が像面とテストチャート面の正しい関係を決定することが出来、それによってＯＴＦ測定システム１００によって測定された実際の周波数群をユーザーに返すことが出来るからである。テストチャート１１０のこの特性――テストチャート１１０が周期性を持っていることにより、撮像配置において緩い空間的公差でも使用できるという特性――は「パッシブアライメント」特性として知られている。すなわち、チャート１１０はチャートのＯＴＦ測定部分をセンサー上の正確な位置に配置するための能動的位置決めを何ら必要としない。

本発明の別の実施形態では、テストチャート１１０が常に同じように撮像されるように系の位置決めがなされることを保証するために、正確に加工した部品を用いることによって、このような公差を取り除いている。そのような実施形態ではタイルパターンは広い空間にわたって繰り返されることはなく、パッシブアライメント特性を持つものではない。

好適な実施形態からの更なる変形では、補償ステップ３４０，９３０、及び９４０は取り除かれて、系は相対的に比較するモードで操作される。この実施形態では、系はＯＴＦの絶対値を測定するのではなく、２つのレンズのうちどちらが品質が良いかを決めるためにＯＴＦを比較する様に用いられる。そこでは、あるレンズが受け入れられる最小限の品質を持っていると決められたときに、これより良いＯＴＦをもつレンズならば全て受け入れ可能な品質を持っているとし、これより悪いＯＴＦを持つレンズは全て受け入れ不可能な品質を持つとする。

本発明の好適な実施形態はレンズのＯＴＦ測定システム１００として説明したが、この技術は他の撮像装置のＯＴＦ測定にも用いることが出来ることは当業者には明らかである。例えば、スキャナーのＯＴＦは、適当なサイズのテストチャートを走査することによって測定される。

更に、上記の詳細な説明がレンズ１５０のＯＴＦを測定することを説明するものであったが、レンズのＯＴＦが既知の場合は、この系はチャート１１０を作成するために用いられたプリンター１９０のＯＴＦを迅速かつ正確に決定するために用いることが出来る。

消費者が共通して用いているようなディジタル静止画カメラは固定の交換不能のレンズを用いている。そのようなカメラのセンサー特性を詳細に知っていれば、この好適な実施形態はそのカメラに取り付けられた状態のレンズのＯＴＦを測定することが出来る。更に、センサー特性の詳細を知らなくても、カメラ全体のＯＴＦを――センサーやレンズや焦点系の影響を含めて――決定することが出来る。この過程はディジタル静止画カメラの相対的な品質を測定するために価値のある方法である。

説明した本発明の好適な実施形態はチャート１１０の像に存在する正弦波形状の振幅と位相を決定する方法として最小二乗フィッティング算法を用いている。この情報を決定するために他の解析手法を用いてもよい。これには、例えば最尤法や最大エントロピー法などの他のパラメータ評価法や離散フーリエ変換のような振幅と位相を決める他の周知の直接法などが含まれる。

レンズの他の品質指標は色収差量である。色収差はレンズを構成する材料の屈折率の光の波長による差によって起こる。この屈折率の差は倍率及び光伝播特性が波長依存性を持つことにつながる。その結果、青色光によりレンズを用いて形成された像は赤色光で形成された像とは異なることになる。この差は最終像の見せ掛けの色フリンジとなるので低品質レンズを用いた場合はこの差はすぐに明瞭になる。レンズの色収差はレンズに入る光を変えることによって、すなわち狭い波長範囲だけの光をセンサー上に撮像してそれによってレンズのＯＴＦを波長の関数として評価することによって、この好適な実施形態で測定できる。光を変えることはレンズ上に一連の狭帯域フィルターを置いてレンズに入る光を変えたり、ＬＥＤのような狭帯域発光源を用いてテストチャート１１０から反射される光を変えたりする方法などによって行われる。

上記のように、ステップ５４０において所定の画素位置に係数１でゼロ位相の複素数値を置くことによってピークがタイルのフーリエ空間表現に置かれる。他の複素数値はタイルのフーリエ空間表現のエルミート共役対に置かれる。特に、いくつかのレンズでは高次の空間周波数をもつ信号の係数を増加させることは有利である。係数を増すと実効的にはその周波数にある信号を増加させることであり、それによってその周波数の測定におけるＳＮ比を増加させることになる。これが有利なのは一般のレンズは高い空間周波数で低いＭＴＦを持ち、それゆえ高次の空間周波数で入力パワーを増大させると測定される全ての正弦波形状信号に対して同様のＳＮ比になるからである。更に、タイルに置かれたピークの位相は前記のゼロ位相から変化させてもよい。

レンズ１５０のＯＴＦ測定を多くの異なる焦点位置，多くの異なる空間周波数，およびレンズ１５０の像面内の多くの異なる位置で測定できるレンズ試験システム１００は従来技術の系に比べて数々の利点を持っている。その利点には像面の特定の位置でのＯＴＦが１枚のテストチャート１１０を用いて、色々な離散的な方向と離散的な空間周波数に対して測定できることを含んでいる。また、レンズ１５０が異なった方向（例えば、サジタル（半径）とメリジオナル（接線）方向）で異なったＯＴＦを持つので、レンズ試験システム１００は１枚のチャートで異なった方向でのＯＴＦが測定できる。更に、空間周波数は離散的であるので、各方向でのエネルギーは高く、高精度測定が可能である。更になお、１つの実施形態ではシステム１００はテストチャート１１０を液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のような表示装置上に生成させることが出来る。

ＭＴＦのグラフの例を示す図である。レンズのＯＴＦを測定するためのレンズ試験システムを示す図である。図２Ａに示したレンズ試験システムのテストチャートを照明し撮像するための好適な配置を示す図である。図２Ａに示したレンズ試験システムの汎用コンピューターの概略的なブロック図である。テストチャートを作成するための方法に関する概略的なフローチャートである。図４の方法の各ステップまたはサブステップをより詳細に示す図である。図４の方法の各ステップまたはサブステップをより詳細に示す図である。テストチャートを作成するために用いられる画像タイルのフーリエ空間表現の例を示す図である。画像タイルの空間表現の例を示す図である。レンズのＯＴＦを測定する方法の概略的なフローチャートである。図８の方法の各ステップ及びサブステップを更に詳細に示す図である。図８の方法の各ステップ及びサブステップを更に詳細に示す図である。図８の方法の各ステップ及びサブステップを更に詳細に示す図である。

Claims

レンズ系の光学的伝達関数の測定方法であって、
複数の空間周波数の正弦波を複数の方向に重畳させたテストパターンを有するテストチャートを、前記レンズ系を用いて撮像して撮像テストパターンを生成するステップと、
前記撮像テストパターンの少なくとも１つの特性を前記テストパターンの対応する特性と比較して前記レンズ系の前記光学的伝達関数を決定するステップと、
を含むことを特徴とする光学的伝達関数の測定方法。
前記複数の空間周波数の正弦波のそれぞれの振幅は独立して調整されることを特徴とする請求項１に記載の光学的伝達関数の測定方法。
前記光学的伝達関数を決定するステップが前記撮像テストパターンの離散フーリエ変換を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光学的伝達関数の測定方法。
レンズ系の光学的伝達関数の測定装置であって、
複数の空間周波数の正弦波を複数の方向に重畳させたテストパターンを有するテストチャートと、
前記レンズ系を用いて前記テストチャートを撮像して撮像テストパターンを生成する撮像手段と、
前記撮像テストパターンの少なくとも１つの特性を前記テストパターンの対応する特性と比較して前記レンズ系の前記光学的伝達関数を決定する演算手段と、
を有することを特徴とする光学的伝達関数の測定装置。
レンズ系の光学的伝達関数の測定に用いられるテストチャートであって、複数の空間周波数の正弦波を複数の方向に重畳させたテストパターンを有することを特徴とするテストチャート。