JP6322952B2 - Wavefront measuring apparatus and wavefront measuring method - Google Patents

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Description

この発明は、シャックハルトマン方式の波面計測装置及び波面計測方法に関するものである。   The present invention relates to a Shack-Hartmann wavefront measuring apparatus and a wavefront measuring method.

シャックハルトマン方式の波面計測装置は、多数の小レンズ(レンズレット)を格子状に配列したレンズレットアレイに光波を入射させることによって、多数の集光スポットが配列した像を生成させる。次にシャックハルトマン方式の波面計測装置は、この集光スポットが配列された像を画像信号に変換し、その結像パターンから波面の凹凸分布を演算する。シャックハルトマン方式の波面計測装置は、演算を行う際には、多数の結像点の一つ一つの座標を画素寸法以下の精度で検出し、どの集光スポットの座標がどのレンズレットによりもたらされたのか対応付けを行う。シャックハルトマン方式の波面計測装置が、対応付けを行うにあたっては、特定のレンズレットと画像上の特定領域を1対1に対応させる処理テーブルを持つ方式が一般的に用いられている。ただし、この方式では、1対1に対応させている。このため、任意のレンズレットは自身に対応する特定領域から集光スポットをはみ出してはならない。この結果、この方式では、計測できる波面歪のダイナミックレンジが制限される。
このような問題に対し、例えば、特許文献1では、倍率の異なる2組のレンズレットアレイを設けてダイナミックレンジ(波面歪の凹凸の高さの分解能に対する比)を向上させる方法が開示されている。
The Shack-Hartmann wavefront measuring apparatus generates an image in which a large number of focused spots are arranged by making a light wave incident on a lenslet array in which a large number of small lenses (lenslets) are arranged in a lattice pattern. Next, the Shack-Hartmann wavefront measuring apparatus converts the image on which the focused spots are arranged into an image signal, and calculates the uneven distribution of the wavefront from the imaging pattern. When calculating, the Shack-Hartmann wavefront measuring device detects the coordinates of each of the many imaging points with an accuracy that is less than the pixel size, and the coordinates of which condensing spots are caused by which lenslets. The correspondence is done. When the Shack-Hartmann wavefront measuring apparatus performs the association, a method having a processing table that associates a specific lenslet with a specific area on an image is generally used. However, in this method, one-to-one correspondence is made. For this reason, an arbitrary lenslet should not protrude a condensing spot from a specific region corresponding to itself. As a result, this method limits the dynamic range of wavefront distortion that can be measured.
For example, Patent Document 1 discloses a method for improving the dynamic range (ratio of wavefront distortion height to resolution) by providing two sets of lenslet arrays with different magnifications. .

特開2004−113405号公報JP 2004-113405 A

従来のシャックハルトマン方式の波面計測装置および波面計測方法では、より大きな波面の歪にも対応できるよう、ダイナミックレンジの拡大を行っている。しかし、従来のシャックハルトマン方式の波面計測装置では、対応可能となる波面の歪が大きくなればなるほど、撮影された集光スポットの明暗差がより大きくなる傾向がある。このため、従来のシャックハルトマン方式の波面計測装置では、ノイズの影響を受けやすくなり、波面の演算精度が悪化するという課題があった。   In the conventional Shack-Hartmann wavefront measuring apparatus and wavefront measuring method, the dynamic range is expanded so as to cope with larger distortion of the wavefront. However, in the conventional Shack-Hartmann wavefront measuring apparatus, the greater the distortion of the wavefront that can be handled, the greater the difference in brightness between the captured light spots. For this reason, the conventional Shack-Hartmann wavefront measuring apparatus is susceptible to noise, and there is a problem that the calculation accuracy of the wavefront deteriorates.

この発明は、上記のような問題点を解消する為になされたものであり、高精度な波面計測を可能とする波面計測装置および波面計測方法の提供を目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a wavefront measuring apparatus and a wavefront measuring method that enable highly accurate wavefront measurement.

本発明の波面計測装置は、
複数のレンズが配列され、光を集光するレンズレットアレイと、この光の露光時間を制御する露光時間制御手段と、前記レンズレットアレイが集光した光を画像に変換する撮像手段と、撮像手段で変換された画像に基づいて、光の波面形状を出力する信号処理手段とを備え、
前記撮像手段
前記露光時間制御手段が制御する露光時間に基づいて、前記集光された光を連続する画像に変換し、
前記変換された画像から、ピークが閾値を越えており、かつ、階調の上限を超えていない集光スポットに属する画素を抽出して部分画像を生成し、
前記画素の連結性に基づき、前記部分画像に対し、ラベルを付与し、
前記ラベルが同一である前記画素の集合に対し、輝度の重みを付けた重心座標を求め、
前記重心座標を中心に所定のサイズ、形状の部分領域を定義し、
前記部分領域内の画素に対し、前記閾値より小さい閾値を越えた輝度を有する画素を抽出することで、信号雑音比が所定の条件を満足しない画素を除去し、
前記部分画像の複数のフレームにおいて、集光スポットが重複していた場合、信号雑音比が高い方を残して、
残された前記部分画像を一つの画像に合成し、
前記信号処理手段
前記合成された画像を使って、前記撮像手段光した光の波面形状を出力するものである。
The wavefront measuring apparatus of the present invention is
A lenslet array in which a plurality of lenses are arranged to collect light, an exposure time control means for controlling the exposure time of the light, an imaging means for converting the light collected by the lenslet array into an image, and imaging Signal processing means for outputting the wavefront shape of light based on the image converted by the means,
The imaging means includes
Based on the exposure time controlled by the exposure time control means, the condensed light is converted into a continuous image,
From the converted image, a partial image is generated by extracting pixels belonging to a focused spot whose peak exceeds a threshold and does not exceed the upper limit of gradation,
A label is given to the partial image based on the connectivity of the pixels,
For the set of pixels having the same label, find a barycentric coordinate weighted with luminance,
Define a partial area of a predetermined size and shape around the barycentric coordinates,
By extracting pixels having a luminance exceeding a threshold smaller than the threshold for pixels in the partial area, pixels whose signal-to-noise ratio does not satisfy a predetermined condition are removed,
In a plurality of frames of the partial image, if the condensing spots overlap, leaving the one with the higher signal-to-noise ratio,
Combining the remaining partial images into one image,
The signal processing means includes
Using said combined image, wherein the imaging means and outputs a wavefront shape of the light receiving light.

本発明によれば、高精度な波面計測が可能となる。   According to the present invention, highly accurate wavefront measurement can be performed.

この発明の波面計測装置の構成図。The block diagram of the wavefront measuring apparatus of this invention. 光の波面の歪が小さい場合の画像信号である集光スポットパターンを模式的に示す図。The figure which shows typically the condensing spot pattern which is an image signal in case the distortion of the wave front of light is small. 光の波面の歪が大きい場合の画面信号である集光スポットパターンを模式的に示す図。The figure which shows typically the condensing spot pattern which is a screen signal in case the distortion of the wave front of light is large. 図3のA,A’で示した点線上の強度分布を示すラインプロファイル図。The line profile figure which shows intensity distribution on the dotted line shown by A and A 'of FIG. 設定された露光時間よりも短い時間で取得した集光スポット画像のラインプロファイルLine profile of the focused spot image acquired in a shorter time than the set exposure time 設定された露光時間で取得した集光スポット画像のラインプロファイルLine profile of the focused spot image acquired with the set exposure time 設定された露光時間よりも長い時間で取得した集光スポット画像のラインプロファイルLine profile of the focused spot image acquired over a longer time than the set exposure time 図5、図6、図7から切り出された部分画像を合成した集光スポット画像のラインプロファイル。The line profile of the condensing spot image which synthesize | combined the partial image cut out from FIG.5, FIG.6, FIG.7. この発明の実施の形態1における波面計測装置のブロック図。1 is a block diagram of a wavefront measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. この発明の実施の形態1における波面計測方法を示すフローチャート。The flowchart which shows the wavefront measuring method in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態2における波面計測装置のブロック図。The block diagram of the wavefront measuring apparatus in Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態2における波面計測方法を示すフローチャート。The flowchart which shows the wavefront measuring method in Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態3における集光スポット画像を抽出するアルゴリズムを説明する図。The figure explaining the algorithm which extracts the condensing spot image in Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態3における波面計測方法を示すフローチャート。The flowchart which shows the wavefront measuring method in Embodiment 3 of this invention.

実施の形態1
図1はこの発明による波面計測装置の構成を示す構成図である。図1において1は計測対象である光の波面、2は波面計測装置の波面検出部、3は波面検出部を構成するレンズレットアレイ、4は波面計測装置を構成する撮像手段、5は波面計測装置の信号処理部、6は波面検出部2から信号処理部5に向けて出力される画像信号、5Aは画像信号6を信号処理部5に取り込むフレームグラバ、7は信号処理部5から撮像手段4へ出力される制御信号である。波面検出部2は従来のシャックハルトマンセンサと同一の原理により、光の波面1から多数の集光スポットが配列した画像信号6を出力する。信号処理部5は例えばWindows(登録商標)やLINUX(登録商標)といったオペーレーティングシステムが動作する計算機であり、画像信号を計算機のストレージ(ハードディスク等)に格納するためのインターフェースであるフレームグラバ5Aを搭載している。
Embodiment 1
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a wavefront measuring apparatus according to the present invention. In FIG. 1, 1 is a wavefront of light to be measured, 2 is a wavefront detection unit of a wavefront measurement device, 3 is a lenslet array constituting the wavefront detection unit, 4 is an imaging means constituting the wavefront measurement device, and 5 is wavefront measurement. A signal processing unit of the apparatus, 6 is an image signal output from the wavefront detection unit 2 to the signal processing unit 5, 5A is a frame grabber that takes the image signal 6 into the signal processing unit 5, and 7 is an imaging unit from the signal processing unit 5. 4 is a control signal output to 4. The wavefront detection unit 2 outputs an image signal 6 in which a large number of focused spots are arranged from the wavefront 1 of light based on the same principle as a conventional Shack-Hartmann sensor. The signal processing unit 5 is a computer on which an operating system such as Windows (registered trademark) or LINUX (registered trademark) operates, and a frame grabber 5A that is an interface for storing an image signal in a storage (hard disk or the like) of the computer. It is equipped with.

図2は光の波面1の歪が小さい場合の画像信号6である集光スポットパターン6Bを模式的に示す図である。光の波面1の歪が小さい故、個々の集光スポットの明るさは均一である。一方、波面の歪みの凹凸差が大きい場合、個々の集光スポットで明るさのばらつきが大きくなる。図3は光の波面1の歪が大きい場合の画像信号6である集光スポットパターン6Aを模式的に示す図である。   FIG. 2 is a diagram schematically showing a condensing spot pattern 6B which is an image signal 6 when the distortion of the wavefront 1 of light is small. Since the distortion of the wavefront 1 of light is small, the brightness of each focused spot is uniform. On the other hand, when the unevenness difference of the wavefront distortion is large, the variation in brightness becomes large at each focused spot. FIG. 3 is a diagram schematically showing a condensing spot pattern 6A that is an image signal 6 when the distortion of the wavefront 1 of light is large.

以下、説明をわかりやすくするため、2次元の画像上の1ラインの光の強度分布を使って説明する。なお、光の強度分布とは、波面計測装置に入力されてくる光の強度分布をいう。図4は図3のA、A’で示した点線上の強度分布を示すラインプロファイルである。縦軸は強度を表し、横軸が位置を表す。10、11は画像信号6Aの階調の上限、下限を示すラインである。12は画像信号6Aのラインプロファイルである。ラインプロファイル12において、集光スポットが存在する場所に複数のピークが立っている。集光スポット以外の場所でも撮像手段の電気回路で生じたノイズのため強度プロファイルはゼロにはならない。このノイズは集光スポットのピークにも含まれている。従って、集光スポットのピークがある一定のレベル以下となると、ノイズの影響を受け、SN比(Signal−Noise Ratio、以下SN比と呼ぶ)が悪化し、所定の精度の計測ができなくなる。13はSN比に依存する波面の測定値の精度を保証するピークの下限値を示す閾値である。つまり、13は信号処理部5が計測精度を保証できる予め定められた値を示す。
閾値13は、システムに要求される精度によって設定されるものであり、例えばSN比20倍程度に設定する。図4の例では、9個の集光スポットのうち、ピークが閾値13を超える集光スポットは2個しかなく、所望の計測精度が得られていない状態を示す。
Hereinafter, in order to make the description easy to understand, description will be made using the intensity distribution of one line of light on a two-dimensional image. The light intensity distribution refers to the light intensity distribution input to the wavefront measuring apparatus. FIG. 4 is a line profile showing the intensity distribution on the dotted line indicated by A and A ′ in FIG. The vertical axis represents intensity, and the horizontal axis represents position. Reference numerals 10 and 11 denote lines indicating the upper and lower limits of the gradation of the image signal 6A. Reference numeral 12 denotes a line profile of the image signal 6A. In the line profile 12, a plurality of peaks stands at a place where the condensed spot exists. The intensity profile does not become zero due to noise generated in the electric circuit of the image pickup means even at a place other than the focused spot. This noise is also included in the peak of the focused spot. Therefore, when the peak of the focused spot is below a certain level, it is affected by noise, and the SN ratio (Signal-Noise Ratio, hereinafter referred to as SN ratio) deteriorates, making it impossible to measure with a predetermined accuracy. Reference numeral 13 denotes a threshold value indicating the lower limit value of the peak that guarantees the accuracy of the measured value of the wavefront depending on the SN ratio. That is, 13 indicates a predetermined value with which the signal processing unit 5 can guarantee measurement accuracy.
The threshold 13 is set according to the accuracy required for the system, and is set to, for example, about 20 times the SN ratio. In the example of FIG. 4, there are only two condensing spots whose peaks exceed the threshold 13 among the nine condensing spots, and a state where a desired measurement accuracy is not obtained is shown.

図9は、図1に示す本実施の形態における波面計測装置の構成をより詳細に説明するための詳細ブロック図である。図9において、波面検出部2、レンズレットアレイ3、信号処理部5、画像信号6、制御信号7は図1と同一である。図9において、40は露光時間可変手段、50は複数データ格納保存部、51は画像切り出し部、52は画像合成部、53は波面演算部である。   FIG. 9 is a detailed block diagram for explaining the configuration of the wavefront measuring apparatus in the present embodiment shown in FIG. 1 in more detail. In FIG. 9, the wavefront detection unit 2, the lenslet array 3, the signal processing unit 5, the image signal 6, and the control signal 7 are the same as those in FIG. In FIG. 9, reference numeral 40 denotes an exposure time variable means, 50 denotes a plural data storage / save unit, 51 denotes an image cutout unit, 52 denotes an image composition unit, and 53 denotes a wavefront calculation unit.

本発明の実施の形態1においては、撮像手段4は例えばCCDカメラ(Charge−Coupled Device Camera)、またはCMOSイメージセンサ(CMOS Image Sensor)のような二次元撮像素子を用いている。このような撮像手段4は撮像の露光時間を変化させることで、明るさの異なる複数の画像を取得することが可能である。
信号処理部5は、撮像した画像が図3,及び図4に示すように計測精度を保証できない画像であることを自動で検出するようにあらかじめプログラムされている。
例えば、ピークが図4から図7に示す閾値13を超えない集光スポットが一つでも存在した場合、または、ピークが階調の上限11を超える集光スポットが一つでも存在した場合、それは保障できない画像であると判定してもよい。
このような場合、信号処理部5は撮像手段4に対し、連続的に露光時間を増加させるように制御信号7を送信しつつ、撮像手段4から複数フレームの画像を取得する。
In the first embodiment of the present invention, the imaging unit 4 uses a two-dimensional imaging device such as a CCD camera (Charge-Coupled Device Camera) or a CMOS image sensor (CMOS Image Sensor). Such an imaging unit 4 can acquire a plurality of images with different brightness by changing the exposure time of imaging.
The signal processing unit 5 is programmed in advance to automatically detect that the captured image is an image whose measurement accuracy cannot be guaranteed as shown in FIGS.
For example, when there is even one condensed spot whose peak does not exceed the threshold 13 shown in FIGS. 4 to 7, or when there is even one condensed spot whose peak exceeds the upper limit 11 of the gradation, It may be determined that the image cannot be guaranteed.
In such a case, the signal processing unit 5 acquires a plurality of frames of images from the imaging unit 4 while transmitting the control signal 7 to the imaging unit 4 so as to continuously increase the exposure time.

ここではプログラムが図4に示す画像に基づき選定した3種類の異なる露光時間を用いることにより、ぞれぞれの露光時間の値ごとに、合計3枚の画像を取得した場合について説明する。
図5、図6、図7は露光時間が異なり且つ時間的に連続して取得した集光スポット画像のラインプロファイルを示す。図5、図6、図7中の10、11、13は図4と同じであり、図5の12A、図6の12B、図7の12Cは各々異なる露光時間(以下、M0、M1、M2と呼ぶ)により撮像された集光スポット像のラインプロファイルである。
Here, a case where a total of three images are acquired for each exposure time value by using three different exposure times selected by the program based on the image shown in FIG. 4 will be described.
5, FIG. 6, and FIG. 7 show the line profiles of the focused spot images acquired at different exposure times and continuously in time. 5, 11 and 13 in FIG. 5, FIG. 6, and FIG. 7 are the same as FIG. 4, 12A in FIG. 5, 12B in FIG. 6, and 12C in FIG. 7 are different exposure times (hereinafter referred to as M0, M1, M2). This is a line profile of a focused spot image picked up by (1).

露光時間M0、M1、M2を設定する方法として、例えば、撮像手段4で設定可能な露光時間の範囲を10段階に分割し、それぞれの露光時間で測定を行い、最も低いピークの集光スポットのピークが閾値13と階調の上限11の間に入る場合の露光時間をM0とし、最も高いピークの集光スポットのピークが閾値13と階調の上限11の間に入る場合の露光時間をM2、M0とM2の中間値をM1としてもよい。また、測定中に、露光時間にM0を用いてもピークが閾値13を超えない集光スポットが発生した場合、または逆に露光時間にM2を用いてもピークが階調の上限11を超えてしまう集光スポットが現れた場合、M0またはM2の値を自動的に増減させることで、リアルタイムに対応できるようにしてもよい。   As a method for setting the exposure times M0, M1, and M2, for example, the range of the exposure time that can be set by the imaging means 4 is divided into 10 stages, and measurement is performed at each exposure time. The exposure time when the peak falls between the threshold 13 and the upper limit of gradation 11 is M0, and the exposure time when the peak of the highest peak of the condensed spot falls between the threshold 13 and the upper limit of gradation 11 is M2. , M1 may be an intermediate value between M0 and M2. Further, during the measurement, when a condensed spot is generated whose peak does not exceed the threshold 13 even when M0 is used for the exposure time, or conversely, even if M2 is used for the exposure time, the peak exceeds the upper limit 11 of the gradation. When a condensing spot appears, the value of M0 or M2 may be automatically increased or decreased to cope with real time.

図10は、図5、図6、図7で示した複数の露光時間の異なる画像信号を取得し、これら画像信号に基づき波面計測結果を出力するための装置の動作、及び流れを示すフローチャートである。例えば、図5は露光時間M0、図6は露光時間M1、図7は露光時間M2を用いた場合とする。
(ステップ1)
複数データ格納保存部50が、露光時間可変手段40に対し、露光時間の設定を行うための制御信号7を送る。制御信号7を受け取った露光時間可変手段40は、撮像手段4の露光時間の設定を行う(1300)。
撮像手段4は、設定された露光時間を用いた撮像画像を出力する。撮像手段4から送られてくる画像信号6を複数データ格納保存部50が受け取り、ストレージに格納する(1310)。
(ステップ2)
次に、画像切り出し部51が、ストレージに格納された画像信号6から、ピークが閾値13を超えており、かつ、階調の上限11を超えていない集光スポットに属する画素を抽出する。その後、画像切り出し部51は、抽出された集光スポットを部分画像として切り出し、ストレージに格納する(1320)。図5、図6、図7の例では、12A、12B、12Cの太線で示した部分が抽出された集光スポット(部分画像)に相当する。
複数データ格納保存部50が、全ての露光時間(ここの例ではM0、M1、M2の全て)に対して処理を完了したか確認を行う(1330)。
完了していない場合は、露光時間の設定(1300)から部分画像の生成、格納(1320)までの処理を繰り返す。
(ステップ3)
完了した場合、次に画像合成部52が、ストレージに格納された部分画像の合成を行う(1340)。図5、図6、図7の、12A、12B、12Cの太線で示した部分を図8のように合成する。
(ステップ4)
次に、波面演算部53が、画像合成部52で合成された画像に対し、従来の波面計測装置と同様の信号処理を行うことによって、波面の演算出力を行う。
FIG. 10 is a flowchart showing the operation and flow of the apparatus for acquiring a plurality of image signals with different exposure times shown in FIGS. 5, 6, and 7 and outputting a wavefront measurement result based on these image signals. is there. For example, assume that the exposure time M0 is used in FIG. 5, the exposure time M1 is used in FIG. 6, and the exposure time M2 is used in FIG.
(Step 1)
The multiple data storage / save unit 50 sends a control signal 7 for setting the exposure time to the exposure time variable means 40. The exposure time varying means 40 that has received the control signal 7 sets the exposure time of the imaging means 4 (1300).
The imaging unit 4 outputs a captured image using the set exposure time. The multiple data storage / save unit 50 receives the image signal 6 sent from the imaging means 4 and stores it in the storage (1310).
(Step 2)
Next, the image cutout unit 51 extracts, from the image signal 6 stored in the storage, pixels that belong to the condensed spot whose peak exceeds the threshold 13 and does not exceed the upper limit 11 of the gradation. Thereafter, the image cutout unit 51 cuts out the extracted focused spot as a partial image and stores it in the storage (1320). In the examples of FIGS. 5, 6, and 7, the portions indicated by the thick lines 12 </ b> A, 12 </ b> B, and 12 </ b> C correspond to the extracted focused spots (partial images).
The multiple data storage / saving unit 50 checks whether the processing has been completed for all exposure times (in this example, all of M0, M1, and M2) (1330).
If not completed, the processes from the setting of the exposure time (1300) to the generation and storage (1320) of the partial image are repeated.
(Step 3)
If completed, the image composition unit 52 then composes the partial images stored in the storage (1340). The portions indicated by thick lines 12A, 12B, and 12C in FIGS. 5, 6, and 7 are combined as shown in FIG.
(Step 4)
Next, the wavefront calculation unit 53 performs a wavefront calculation output on the image synthesized by the image synthesis unit 52 by performing signal processing similar to that of the conventional wavefront measurement device.

部分画像を重ね合わせた際、重なりが生じた場合には、以後の波面演算部53で最も精度の高い演算が行える画素を選択する。例えば、重複した画素の輝度を比較し、輝度の最も高いものを選択しても良い。   If overlapping occurs when the partial images are overlapped, a pixel that can perform the most accurate calculation in the subsequent wavefront calculation unit 53 is selected. For example, the luminance of overlapping pixels may be compared and the highest luminance may be selected.

本発明の実施の形態1における波面計測装置および波面計測方法は以上述べたように構成されているため、以下に述べる効果を奏する。
1枚の画像において、集光スポット毎に輝度値が大きく異なる画像しか得られない状態においても、複数の画像を用いることで、集光スポット毎の輝度値のばらつきを低減でき、従って高精度な波面計測が可能となる。
Since the wavefront measuring apparatus and the wavefront measuring method according to Embodiment 1 of the present invention are configured as described above, the following effects can be obtained.
Even in a state where only one image having a brightness value greatly different for each condensing spot can be obtained in one image, the use of a plurality of images can reduce variation in the brightness value for each condensing spot, and thus high accuracy. Wavefront measurement is possible.

実施の形態2
実施の形態1では、露光時間を変化させて複数フレームの画像を取得していたが、取得した画像の明るさを可変できるのであれば、他の手段を用いてもよい。例えば、測定対象である光がレーザー光である場合は、レーザー光を可変させても良い。また、透過光を減衰させる可変アッテネータを用いてもよい。
本実施の形態における波面計測装置のブロック図を図11に示す。図11は、図9の露光時間可変手段40の代わりに、光強度制御装置41を有する。
本実施の形態における、波面計測結果を出力するための信号処理の流れを示すフローチャートを図12に示す。
図12は、図10のフローチャートにおいて、露光時間の設定を行っていた1300の処理を露光時間の設定を行う処理1301に置き換え、全露光時間パターンの終了判定を行う1330の処理を1331に置き換えたものである。
Embodiment 2
In the first embodiment, an image of a plurality of frames is acquired by changing the exposure time, but other means may be used as long as the brightness of the acquired image can be varied. For example, when the light to be measured is laser light, the laser light may be varied. A variable attenuator that attenuates transmitted light may also be used.
A block diagram of the wavefront measuring apparatus in the present embodiment is shown in FIG. FIG. 11 has a light intensity control device 41 instead of the exposure time varying means 40 of FIG.
FIG. 12 is a flowchart showing a signal processing flow for outputting the wavefront measurement result in the present embodiment.
FIG. 12 is a flowchart of FIG. 10, in which the processing of 1300 for setting the exposure time is replaced with the processing for setting the exposure time 1301, and the processing for 1330 for determining the end of the entire exposure time pattern is replaced with 1331. Is.

実施の形態3
本発明の実施の形態1においては、複数の露出の異なる画像から任意の閾値13を超えた画素を抽出して1枚の画像に合成していた。しかし、集光スポットのピークが閾値13とほぼ一致しているような場合、集光スポットを構成する画素数が少なく演算精度が悪化する問題が生ずる。本発明の実施の形態3では、この問題を改善するものである。
Embodiment 3
In Embodiment 1 of the present invention, pixels exceeding an arbitrary threshold 13 are extracted from a plurality of images with different exposures and combined into one image. However, when the peak of the focused spot substantially coincides with the threshold 13, there is a problem that the number of pixels constituting the focused spot is small and the calculation accuracy deteriorates. The third embodiment of the present invention improves this problem.

図13は本発明の実施の形態3における集光スポット画像を抽出するアルゴリズムを説明するための説明用図である。図13において、30は画像信号6Aの一部を拡大し、かつ閾値13を超える部分を同色で表示した二値画像、32は二値画像30の閾値13を超えた画素、31は閾値13以下であるが、信号処理において所定の精度を得るために必要な画素である。   FIG. 13 is an explanatory diagram for explaining an algorithm for extracting a focused spot image according to Embodiment 3 of the present invention. In FIG. 13, 30 is a binary image in which a part of the image signal 6A is enlarged and a portion exceeding the threshold 13 is displayed in the same color, 32 is a pixel exceeding the threshold 13 of the binary image 30, and 31 is a threshold 13 or less. However, it is a pixel necessary for obtaining a predetermined accuracy in signal processing.

次に信号処理内容を説明する。図14は図5、図6、図7で示した複数の画像信号から、波面計測結果を出力するための装置の動作、及び信号処理の流れを示すフローチャートである。ステップ1では、図5、図6、図7で示した複数の画像信号をそれぞれ信号処理部5のストレージに格納する。ステップ2Aでは抽出した部分画像に対し、画素の連結性に基づき、ラベルを付与する。ここで「画素の連結性」とは、隣合う画素が共に閾値13を超えていた場合は同じ集光スポットを構成する画素であると判断することをいう。ステップ2Aの処理の結果n個の集光スポットが検出された場合は、n個のラベルが付与された画素が抽出される。ここでは、このラベルをSk(k=1〜n)とする。次に、ステップ2Bにおいては、ラベルSkを付与された画素に対し、輝度の重みをつけた座標の重心演算を行い、重心座標を求める。重心座標には画素のラベルSkを付与して記憶する。次にステップ2Cにおいては、ラベルSkを付与された重心座標を中心に所定のサイズ、形状の部分領域を定義し、ラベルSkを付与して記憶する。図13の32は正円で定義した場合の部分領域の例である。この部分領域のサイズ、形状は、集光スポットがどの程度広がりをもつかを、事前に測定、あるいは計算で求めておくことで定義することが可能である。次にステップ2Dでは、ステップ2Cにおいて記憶したラベルSkを付与した部分領域内の画素に対し、ある閾値33を超えた輝度をもつ画素を抽出する。閾値33は閾値13より小さく、かつ、ノイズレベルよりも大きく設定する。ステップ2Dにより、SN比(信号雑音比)が所定の条件を満足しない画素を除去することが可能となる。次にステップ2Eでは、ステップ2Dで抽出された部分画像を参照し、複数のフレームにおいて重複して抽出された集光スポットが無いか検索する。もし重複して検出された集光スポットがあった場合、SN比が高い方を残し、低い方を廃棄する。ステップ3では図5、図6、図7から抽出した画素を合成して1枚の画像を出力する。   Next, signal processing contents will be described. FIG. 14 is a flowchart showing the operation of the apparatus for outputting a wavefront measurement result from the plurality of image signals shown in FIGS. 5, 6, and 7 and the flow of signal processing. In step 1, the plurality of image signals shown in FIGS. 5, 6, and 7 are stored in the storage of the signal processing unit 5. In step 2A, a label is assigned to the extracted partial image based on pixel connectivity. Here, “pixel connectivity” means that when adjacent pixels both exceed the threshold 13, they are determined to be pixels that form the same condensing spot. When n focused spots are detected as a result of the processing in step 2A, pixels with n labels are extracted. Here, it is assumed that this label is Sk (k = 1 to n). Next, in step 2B, the barycentric calculation is performed on the coordinates with the luminance weight applied to the pixels to which the label Sk is assigned, and the barycentric coordinates are obtained. A pixel label Sk is assigned to the barycentric coordinates and stored. Next, in step 2C, a partial area having a predetermined size and shape is defined around the barycentric coordinates to which the label Sk is assigned, and the label Sk is assigned and stored. Reference numeral 32 in FIG. 13 is an example of a partial area defined by a perfect circle. The size and shape of the partial region can be defined by measuring in advance or calculating how much the condensing spot is widened. Next, in step 2D, pixels having luminance exceeding a certain threshold 33 are extracted from the pixels in the partial area to which the label Sk stored in step 2C is assigned. The threshold 33 is set smaller than the threshold 13 and larger than the noise level. By step 2D, it is possible to remove pixels whose SN ratio (signal noise ratio) does not satisfy a predetermined condition. Next, in step 2E, the partial image extracted in step 2D is referred to and searched for a condensed spot extracted in duplicate in a plurality of frames. If there are overlapping spots detected, the higher S / N ratio is left and the lower one is discarded. In step 3, the pixels extracted from FIGS. 5, 6, and 7 are combined to output one image.

本発明の実施の形態3における波面計測装置は以上述べたように構成されているため、以下に述べる効果を奏する。
1枚の画像において、集光スポット毎に輝度値が大きく異る画像しか得られない状態においても、複数の画像を用いることで、集光スポット毎の輝度値のばらつきを低減でき、従って高精度な波面計測が可能となる。
さらにまた、本発明の実施の形態1と比較し、所望の演算精度が得られない可能性を低くすることが可能である。
Since the wavefront measuring apparatus according to Embodiment 3 of the present invention is configured as described above, the following effects can be obtained.
Even in a state where only one image with a brightness value greatly different for each condensing spot can be obtained in one image, by using a plurality of images, it is possible to reduce variation in the brightness value for each condensing spot, and thus high accuracy. Wavefront measurement is possible.
Furthermore, it is possible to reduce the possibility that a desired calculation accuracy cannot be obtained as compared with the first embodiment of the present invention.

1 光の波面、2 波面検出部、3 レンズレットアレイ、4 撮像手段、5 信号処理部、5A フレームグラバ、6 画像信号、6A 歪が大きい場合の集光スポットパターン、6B 歪が小さい場合の集光スポットパターン、7 制御信号、10 画像信号の階調の上限、11 画像信号の階調の下限、12 画像信号6Aのラインプロファイル、12A 短い露出時間を用いた場合のラインプロファイル、12B 通常の露出時間を用いた場合のラインプロファイル、12C 長い露出時間を用いた場合のラインプロファイル、13 SN比に依存する精度を補償するピークの下限値を示す閾値、14 12Aと12Bと12Cを合成したラインプロファイル、30 二値画素、31 画素、32 部分領域、33 閾値13より小さく、かつ、ノイズレベルよりも大きく設定された閾値、40 露光時間可変手段、41 光強度制御装置、50 複数データ格納部、51 画像切り出し部、52 画像合成部、53 波面演算部 1 Wavefront of light, 2 Wavefront detector, 3 Lenslet array, 4 Imaging means, 5 Signal processor, 5A Frame grabber, 6 Image signal, 6A Condensing spot pattern when distortion is large, 6B Collection when distortion is small Light spot pattern, 7 Control signal, 10 Upper limit of gradation of image signal, 11 Lower limit of gradation of image signal, 12 Line profile of image signal 6A, 12A Line profile when using short exposure time, 12B Normal exposure Line profile when using time, 12C Line profile when using long exposure time, 13 Threshold value indicating the lower limit of the peak to compensate for accuracy depending on S / N ratio, 1412A, 12B and 12C , 30 binary pixel, 31 pixel, 32 partial area, 33 smaller than threshold 13 and Large set threshold than Zureberu, 40 exposure time changing means, 41 optical intensity control unit, 50 a plurality data storage unit, 51 image cropping section, 52 image combining unit, 53 wavefront computation section

Claims (2)

複数のレンズが配列され、光を集光するレンズレットアレイと、この光の露光時間を制御する露光時間制御手段と、前記レンズレットアレイが集光した光を画像に変換する撮像手段と、前記撮像手段で変換された画像に基づいて、光の波面形状を出力する信号処理手段とを備え、
前記撮像手段は、
前記露光時間制御手段が制御する露光時間に基づいて、前記集光した光を連続する画像に変換し、
前記変換された画像から、ピークが閾値を越えており、かつ、階調の上限を超えていない集光スポットに属する画素を抽出して部分画像を生成し、
前記画素の連結性に基づき、前記部分画像に対し、ラベルを付与し、
前記ラベルが同一である前記画素の集合に対し、輝度の重みを付けた重心座標を求め、
前記重心座標を中心に所定のサイズ、形状の部分領域を定義し、
前記部分領域内の画素に対し、前記閾値より小さい閾値を越えた輝度を有する画素を抽出することで、信号雑音比が所定の条件を満足しない画素を除去し、
前記部分画像の複数のフレームにおいて、集光スポットが重複していた場合、信号雑音比が高い方を残して、
残された前記部分画像を一つの画像に合成し、
前記信号処理手段は、
前記合成された画像を使って、前記撮像手段が受光した光の波面形状を出力する
ことを特徴とする波面計測装置。
A lenslet array in which a plurality of lenses are arranged to collect light; an exposure time control unit that controls an exposure time of the light; an imaging unit that converts light collected by the lenslet array into an image; Signal processing means for outputting the wavefront shape of light based on the image converted by the imaging means,
The imaging means includes
Based on the exposure time controlled by the exposure time control means, the condensed light is converted into a continuous image,
From the converted image, a partial image is generated by extracting pixels belonging to a focused spot whose peak exceeds a threshold and does not exceed the upper limit of gradation ,
A label is given to the partial image based on the connectivity of the pixels,
For the set of pixels having the same label, find a barycentric coordinate weighted with luminance,
Define a partial area of a predetermined size and shape around the barycentric coordinates,
By extracting pixels having a luminance exceeding a threshold smaller than the threshold for pixels in the partial area, pixels whose signal-to-noise ratio does not satisfy a predetermined condition are removed,
In a plurality of frames of the partial image, if the condensing spots overlap, leaving the one with the higher signal-to-noise ratio,
Combining the remaining partial images into one image,
The signal processing means includes
A wavefront measuring apparatus that outputs a wavefront shape of light received by the imaging means using the synthesized image.
シャックハルトマン方式の波面計測方法において、
複数のレンズで構成されたレンズレットアレイが集光する光の露光時間を複数設定し、前記設定された露光時間を用いて画像をそれぞれ出力するステップ1と、前記出力したそれぞれの画像からピークが閾値を越えており、かつ、階調の上限を超えていない集光スポットに属する画素を抽出して部分画像を生成するステップ2と、
前記画素の連続性に基づき、前記部分画像に対し、ラベルを付与するステップ2Aと、
前記ラベルが同一である前記画素の集合に対し、輝度の重みを付けた重心座標を求めるステップ2Bと、
前記重心座標を中心に所定のサイズ、形状の部分領域を定義するステップ2Cと、
前記部分領域内の画素に対し、前記閾値より小さい閾値を越えた輝度を有する画素を抽出することで、信号雑音比が所定の条件を満足しない画素を除去するステップ2Dと、
前記部分画像の複数のフレームにおいて、集光スポットが重複していた場合、信号雑音比が高い方を残すステップ2Eと、
残された前記部分画像を一つの画像に合成するステップ3と、前記合成画像から光の波面を演算するステップ4とを備えたことを特徴とする波面計測方法。
In the Shack-Hartmann method of wavefront measurement,
A plurality of exposure times of light collected by a lenslet array composed of a plurality of lenses are set, and an image is output using each of the set exposure times, and a peak is generated from each of the output images. A step 2 for generating a partial image by extracting pixels belonging to a condensing spot that exceeds a threshold and does not exceed an upper limit of gradation;
Step 2A for applying a label to the partial image based on the continuity of the pixels;
Determining a barycentric coordinate weighted with luminance for the set of pixels having the same label; and
Defining a partial area of a predetermined size and shape around the barycentric coordinates;
Step 2D for removing pixels whose signal-to-noise ratio does not satisfy a predetermined condition by extracting pixels having luminance exceeding a threshold value smaller than the threshold value for pixels in the partial region;
In a plurality of frames of the partial image, if the condensing spots overlap, step 2E that leaves a higher signal-to-noise ratio;
A wavefront measuring method comprising: step 3 for combining the remaining partial images into one image; and step 4 for calculating a wavefront of light from the combined image.
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