JP5685961B2 - スポット像位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、スポット像位置検出装置に関し、特にレーザー光を結像するカメラの受光面のレーザースポット位置を検出するスポット像位置検出装置に関するものである。

測定対象物の傾きを測定するレーザーオートコリメータなどの装置では、受光面に結像したレーザースポット像の位置を高精度に検出することが求められている。また、レーザーを使用したキャリブレーションによって、２次元画像から３次元幾何情報を復元するシステムにおいても、高精度にレーザースポット像の位置を検出することが求められている。即ち、このスポット像位置検出精度が、そのまま３次元画像を復元する際の視差誤差精度になるからである。
また、光学特性を評価するための波面収差測定装置においても、波面を分割し、その分割した波面ごとのスポット像の形成位置に基づいて波面収差を測定するため、スポット像位置を高精度に検出することが求められている。
尚、スポット像位置算出方法としては、受光面上の輝度情報から重心法やガウスフィッティング法などを利用する方法が提案されている。
また、特許文献１には、スポット像の大きさに対して画素サイズが小さいときでも、スポット像位置を高精度に検出する目的で、特定の画素の輝度値を使用したアルゴリズムにより、画素サイズの大きさに対してスポット像の大きさが小さいときでも高精度にスポット像位置を検出する位置検出方法について開示されている。

しかし、従来の測定方法においては、以下の問題点がある。
１）受光素子面での画素サイズに対して、スポット像が小さい場合、重心法やガウスフィッティング法によってスポット像位置を高精度に算出することが困難になる。
２）カメラに照射されたレーザー光は、各画素にあるマイクロレンズで受光されるが、マイクロレンズの中心にレーザーが入射する場合と端に入射する場合では、受光感度が異なるという現象がある。この現象は上述したレーザーによるキャリブレーションシステムの要求精度である、サブピクセル精度でのスポット像位置検出に悪影響を及ぼす。即ち、受光素子の種類ごとにマイクロレンズの受光特性は異なるため、アルゴリズムによってサブピクセル精度のスポット像位置検出を行う場合は、受光素子の種類ごとにアルゴリズムを再検討しなければならないという問題点があった。
また、特許文献１に開示されている従来技術は、スポット像位置を高精度に検出することを求める点では本発明と類似しているが、上記問題２）の受光素子の種類に応じたアルゴリズムを再検討しなければならないという問題は解消できていない。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、レーザー光を結像するカメラの受光素子面におけるスポット像の画素数を増やし、受光素子の種類に依存したアルゴリズムを検討することなく、スポット像位置検出を高精度に行うことができるスポット像位置検出装置を提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、受光したコヒーレント光を受光面に結像させる光学系部品と、前記コヒーレント光の前記受光面における輝度情報を取得する受光素子とを備えた撮像装置に対して、前記コヒーレント光を照射したときに生じる前記受光素子上の光スポット像位置を検出するスポット像位置検出装置であって、前記撮像装置に対して前記コヒーレント光を照射する発光手段と、前記発光手段の射出ビーム径よりも前記撮像装置の光学系部品に入射する際のビーム径を細くするビームウエスト光学系と、前記受光素子から取得した前記輝度情報に基づいて前記光スポット像位置を検出する画像処理手段と、を備えたことを特徴とする。
一般に、コヒーレント光のビーム系は、ビームウエスト位置からの距離と波長を変数として表される。即ち、ビームウエスト位置からコヒーレント光を結像する撮像装置のレンズ面までの距離が長いほどビーム径が大きくなる。また、撮像装置のレンズに入射するビーム径が小さいほど受光素子上でのスポット像は大きくなる。このことから、本発明では、ビームウエスト光学系を発光手段の射出ビーム径よりも撮像装置の光学系に入射する際のビーム径が細くなる位置に配置する。これにより、ビームスポット径を大きくしてスポット像位置検出を高精度に行うことができる。

請求項２は、前記ビームウエスト光学系は、前記撮像装置の光学系部品に入射する前記コヒーレント光のビーム径が最小となる位置に配置されることを特徴とする。
コヒーレント光のビーム径が最小となる位置をビームウエスト位置という。即ち、コヒーレント光を結像する撮像装置のレンズにビーム径が細くなるように入射させるには、撮像装置のレンズに入射するコヒーレント光のビーム径をビームウエスト径になるようにする必要がある。これにより、スポットビーム光の径を大きくして、コヒーレント光を結像する撮像装置の受光素子面におけるスポット像の画素数を増やすことができる。
請求項３は、前記画像処理手段は、スポット像位置検出アルゴリズムとして、重心法、又はガウスフィッティング法を用いることを特徴とする。
アルゴリズムとして知られているのが、重心法、又はガウスフィッティング法である。本発明では、いずれのアルゴリズムでも用いることができ、且つ、受光素子の種類によりアルゴリズムを再検討する必要がない。
請求項４は、前記コヒーレント光は、レーザー光であることを特徴とする。
レーザー光は指向性や収束性に優れており、また、レーザー光を特徴づける性質のうち最も重要なのは、その高いコヒーレンス（可干渉性）である。レーザー光のコヒーレンスは、空間的コヒーレンスと時間的コヒーレンスに分けて考えることが出来る。これにより、レーザー光は長距離を拡散せずに伝搬したり、非常に小さなスポットに収束したりすることが可能になる。

本発明によれば、カメラのレンズに入射するビーム径が平面波となるビームウエスト径になるようにすることで、受光素子上のスポット径を大きくでき、且つ、スポット像の画素数を増やすことができるので、受光素子の種類ごとにアルゴリズムを検討することなく、簡単な光学系を組むことで受光素子上のスポット像位置を大きくできるので、スポット像位置を高精度に算出することができる。
また、使用するレーザーの波長を長波長にすることによって、更にスポット像の画素数を増やすことができる。

（Ａ）は本発明に係るスポット像位置検出装置の概略構成を示すブロック図であり、（Ｂ）はレンズを光路に入れなかった場合の光学系を示す図である。 （ａ）が入射瞳径２．０ｍｍ、（ｂ）が入射瞳径１．５ｍｍ、（ｃ）が入射瞳径１．０ｍｍの場合のシミュレーション結果を示す図である。 入射瞳径とスポット径の関係を示す図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１（Ａ）は本発明に係るスポット像位置検出装置の概略構成を示すブロック図である。本発明のスポット像位置検出装置５０は、レーザー光（コヒーレント光）３を結像するカメラ（撮像装置）１０の受光素子（受光面）７を照射した光スポット像位置を検出するスポット像位置検出装置５０であって、レーザー光３を結像するレンズ（光学系）６、及び受光素子７から構成されるカメラ１０と、カメラ１０に対してレーザー光３を照射するレーザー光源（発光手段）１と、レーザー光源１の射出ビーム径２よりもカメラ１０のレンズ６に入射する際のビーム径５が細くなる位置に配置されたレンズ（ビームウエスト光学系）４と、受光素子７上の輝度情報に基づいて光スポット像位置を算出する画像処理装置（画像処理手段）８と、画像処理装置８により画像処理された画像データを表示するディスプレイ９と、を備えて構成されている。
なお、上述したカメラ（撮像装置）１０は、受光したレーザー光（コヒーレント光）３を受光面に結像させる光学系部品と、コヒーレント光の受光面における輝度情報を取得する受光素子７とを備えている。

一般に、レーザー光３のビーム系は、ビームウエスト位置２からの距離と波長を変数として表される。即ち、ビームウエスト位置２からレーザー光３を結像するカメラ１０のレンズ面５までの距離が長いほどビーム径が大きくなる。また、カメラ１０のレンズ６に入射するビーム径５が小さいほど受光素子７上でのスポット像は大きくなる。このことから、本実施形態では、レンズ４をレーザー光源１の射出ビーム径２よりもカメラ１０のレンズ６に入射する際のビーム径５が細くなる位置に配置する。これにより、ビームスポット径を大きくしてスポット像位置検出を高精度に行うことができる。
即ち、レンズ４は、カメラ１０のレンズ６に入射するレーザー光３のビーム径が最小となる位置に配置される。レーザー光３のビーム径が最小となる位置をビームウエスト位置という。即ち、レーザー光３を結像するカメラ１０のレンズ６にビーム径が細くなるように入射させるには、カメラ１０のレンズ６に入射するレーザー光３のビーム径をビームウエスト径になるようにする必要がある。これにより、スポットビーム光の径を大きくして、レーザー光３を結像するカメラ１０の受光素子面７におけるスポット像の画素数を増やすことができる。

さらに具体的には、以下に示す１）と２）を組み合わせることにより実現できる。
１）レーザー光３を結像するカメラ１０のレンズ６にビーム径が細くなるように入射させる。レーザー光３のビーム径が一番小さくなる場所をビームウエスト位置という。カメラ１０のレンズ６に入射するレーザー光３のビーム径５をビームウエスト径になるようにする。
２）ビーム径の小さい光が入射すると受光素子７上ではスポット像が大きくなる。レーザー光３をカメラ１０に細く入射させると、開口が小さくなるため、受光素子７上のスポット像の大きさは大きくなる。このスポット像の大きさはエアリーディスク径として知られている。
図１（Ａ）が本発明の光学系の一例である。レーザー光源１、レーザー光源１のビームウエスト位置２からカメラ１０のレンズ６までの光路の半分の距離を焦点距離ｆとするレンズ４と、レーザー光３を結像するカメラ１０から成る。レーザー光源１とカメラ１０の間に入れたレンズ４は一枚である必要はなく、カメラ１０のレンズ６に入射するビーム径５がビームウエスト径になれば良い。
この光路中に例えばピンホールなどを入れても良い。
尚、図１（Ｂ）は上述したレンズ４を光路に入れなかった場合の光学系を示している。

一般に、レーザー光３のビーム径はビームウエスト位置５からの距離と波長を変数とし、式（１）で表される。ビームウエスト位置５では、ビーム径が最も細くなる。ビームウエスト位置５の波面は平面であるので、レーザー光３のビーム径が細くなるように入れたときよりも、カメラ１０のレンズ面に入射するレーザー光の位置は変化しにくいという利点がある。式（１）はビームウエスト位置５からレーザー光３を結像するカメラ１０のレンズ面までの距離が長ければ長いほどビーム径が大きくなる事を示している。

また、スポット像の大きさはエアリーディスク径として、式（２）で表される。
式（２）より、Ｄが小さいほど受光素子上におけるスポット像の大きさ、つまりエアリーディスク径は大きくなる事を示している。つまり、カメラ１０のレンズ６に入射するビーム径は小さければ小さいほど受光素子上でのスポット像は大きくなるはずである。

図１（Ａ）に示した通り、レーザー光源１からカメラ１０のレンズ６までの光路の半分の位置に、上述したレンズ４を組み込むことで、カメラ１０のレンズ６に入射するレーザー光３がレーザー光３のビームウエスト位置となる。
ビーム径が細い事によって式（２）で示したように、受光素子７上でのスポット像は大きくなる。このスポット像の輝度情報を用いて、画像処理装置８によりスポット像位置を算出する。スポット像の画素数が増えることから高精度にスポット像位置を検出することができる。
尚、スポット像位置検出アルゴとしては、重心法やガウスフィッティング法を用いてもよい。即ち、アルゴリズムとして知られているのが、重心法、又はガウスフィッティング法である。本発明では、いずれのアルゴリズムでも用いることができ、且つ、受光素子７の種類によりアルゴリズムを再検討する必要がない。

また、光源としてレーザー光を使用する。レーザー光は指向性や収束性に優れており、レーザー光を特徴づける性質のうち最も重要なのは、その高いコヒーレンス（可干渉性）である。レーザー光のコヒーレンスは、空間的コヒーレンスと時間的コヒーレンスに分けて考えることが出来る。これにより、レーザー光は長距離を拡散せずに伝搬したり、非常に小さなスポットに収束したりすることが可能になる。
この構成は、レーザーオートコリメータ、レーザーキャリブレーション、波面収差測定などの高精度にレーザースポット像位置を求める要請がある技術に簡単に応用することができる。また、スポット像位置検出アルゴリズムを受光素子の種類ごとに再検討しなくてもいいという利点がある。

次に、カメラ１０のレンズ６に入射するビーム径の大きさの変化によって受光素子７上のスポット径はどのように変化するのかをシミュレーションで確かめた。
シミュレーションに用いたカメラ１０の光学系は、６群７枚の球面レンズから構成される。この光学系は白色光でフォーカス位置があわせてある。６３２．８ｎｍ（赤）の波長を用い、無限遠からガウス分布をもった光を画角０で入射させ、カメラ１０のレンズ６直前の１／ｅ＾２の直径の値が５ｍｍとした。式（１）の分子にλがある事からわかる通り、理想的なレンズの場合、レーザーは緑よりも赤色、つまり波長が長い方が像面におけるスポット径は大きくなる。
シミュレーションでは、ビーム径の大きさを変化させるために入射瞳径の大きさを変化させた。入射瞳径を２．０ｍｍ、１．５ｍｍ、１．０ｍｍとしたときの受光素子上のスポット径を求めた。

図２がシミュレーション結果であり、入射瞳径を変化させたときの受光素子上でのスポットの様子である。図２（ａ）が入射瞳径２．０ｍｍ、図２（ｂ）が入射瞳径１．５ｍｍ、図２（ｃ）が入射瞳径１．０ｍｍの場合である。図のスケールは３つとも全て等しく、３０μｍ×３０μｍとした。（ａ）から（ｃ）へいくに従って、入射瞳径が小さくなり、逆にスポット径は大きくなっている事が確かめられる。この結果を表にしたのが図３である。白い場所ほど受光素子上でレーザーの輝度値が高い場所である。
例えば、１画素サイズが６μｍのセンサを用いたとき、入射瞳径が２．０ｍｍの場合ではスポット像はほぼ１画素内におさまってしまうサイズであった。しかし、光学系に入射させるビーム径を小さくして入射瞳径１．０ｍｍにすると、３×３画素からスポット像の輝度情報を得る事ができる事が確かめられる。

１ レーザー光源、２ 光源のビームウエスト位置、３ レーザー光、４ レンズ、５ カメラのビームウエスト位置、６ カメラのレンズ、７ 受光素子、８ 画像処理装置、９ ディスプレイ、１０ カメラ、５０ スポット像位置検出装置

特開２００２−２０２２２１公報

Claims (4)

1. 受光したコヒーレント光を受光面に結像させる光学系部品と、前記コヒーレント光の前記受光面における輝度情報を取得する受光素子とを備えた撮像装置に対して、前記コヒーレント光を照射したときに生じる前記受光素子上の光スポット像位置を検出するスポット像位置検出装置であって、
   前記撮像装置に対して前記コヒーレント光を照射する発光手段と、
   前記発光手段の射出ビーム径よりも前記撮像装置の光学系部品に入射する際のビーム径を細くするビームウエスト光学系と、
   前記受光素子から取得した前記輝度情報に基づいて前記光スポット像位置を検出する画像処理手段と、
   を備えたことを特徴とするスポット像位置検出装置。
2. 前記ビームウエスト光学系は、前記撮像装置の光学系部品に入射する前記コヒーレント光のビーム径が最小となる位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載のスポット像位置検出装置。
3. 前記画像処理手段は、スポット像位置検出アルゴリズムとして、重心法、又はガウスフィッティング法を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載のスポット像位置検出装置。
4. 前記コヒーレント光は、レーザー光であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のスポット像位置検出装置。

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