JP6896150B1 - 波面計測装置及び波面計測方法 - Google Patents

Abstract

被検体（２）を透過してきた光、又は、被検体（２）により反射された光が、複数のレンズ（６−１）〜（６−Ｎ）のそれぞれによって集光されたのち、受光部（８）によって、複数のレンズ（６−１）〜（６−Ｎ）により集光されたそれぞれの光の像（６１）が形成されると、受光部（８）により形成された複数の像（６１）の中から、２つ以上の像（６１）を読み出す読み出し部（９）と、読み出し部（９）により読み出された２つ以上の像（６１）の間の相関を演算することによって、２つ以上の像（６１）の相対位置を演算する相対位置演算部（１１）と、相対位置演算部（１１）により演算された相対位置から、被検体（２）を透過してきた光、又は、被検体（２）により反射された光の波面を算出する波面算出部（１２）とを備えるように、波面計測装置を構成した。

Description

この発明は、波面を算出する波面計測装置及び波面計測方法に関するものである。

以下の特許文献１には、光源から出射された光が被検物を透過してくると、被検物を透過した光である被検光を複数の被検光に分割するマスクアレイと、複数の被検光を受光するイメージセンサとを備える波面計測装置が開示されている。また、当該波面計測装置は、イメージセンサにより受光された複数の被検光におけるそれぞれの像の重心位置を算出し、複数の被検光におけるそれぞれの像の重心位置から波面を算出するコンピュータを備えている。

特開２０１８−４４１０号公報

特許文献１に開示されている波面計測装置では、光を出射する光源が点光源であれば、イメージセンサにより受光された複数の被検光におけるそれぞれの像の形状が等方的となる。複数の被検光におけるそれぞれの像の形状が等方的であり、光の波面が平面波であれば、複数の被検光におけるそれぞれの像の重心位置は、イメージセンサにおける撮像面上の位置のうち、マスクアレイに含まれているそれぞれのマスクの中心位置に対応する位置（以下、「撮像中心位置」と称する）と概ね一致する。光の波面が平面波でなければ、複数の被検光におけるそれぞれの像の重心位置は、光の局所的な波面の傾きに応じて、撮像中心位置からずれる。つまり、複数の被検光におけるそれぞれの像の重心位置と、光の局所的な波面の傾きとの間には相関がある。したがって、光を出射する光源が点光源であれば、当該波面計測装置のコンピュータは、複数の被検光におけるそれぞれの像の重心位置から波面を算出することができる。
しかし、光を出射する光源が、点光源から出射される光よりも広がりのある光を出射する光源であれば、イメージセンサにより受光された複数の被検光におけるそれぞれの像の形状が異方的になることがある。イメージセンサにより受光された複数の被検光におけるそれぞれの像の形状が異方的である場合、光の波面が平面波であっても、複数の被検光におけるそれぞれの像の重心位置と、撮像中心位置とがずれることがあり、位置ずれの大きさは、被検光の像の形状に依存する。したがって、光の局所的な波面の傾き以外の要因で、複数の被検光におけるそれぞれの像の重心位置が、撮像中心位置からずれるため、当該波面計測装置のコンピュータが、複数の被検光におけるそれぞれの像の重心位置を算出しても、波面を算出することができないことがあるという課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、光の像の形状が異方的であっても、波面を算出することができる波面計測装置及び波面計測方法を得ることを目的とする。

この発明に係る波面計測装置は、被検体を透過してきた光、又は、被検体により反射された光が、複数のレンズのそれぞれによって集光されたのち、受光部によって、複数のレンズにより集光されたそれぞれの光の像が形成されると、受光部により形成された複数の像の中から、２つ以上の像を読み出す読み出し部と、読み出し部により読み出された２つ以上の像の間の相関を演算することによって、２つ以上の像の相対位置を演算する相対位置演算部と、相対位置演算部により演算された相対位置から、被検体を透過してきた光、又は、被検体により反射された光の波面を算出する波面算出部とを備え、像は、受光部により受光された光の領域内部に形成された像であって、それぞれの像のサイズが、受光部の撮像面に配置されている画素のサイズよりも大きく、読み出し部が、２つ以上の像を読み出す際に、読み出す像に対する間引きを行い、相対位置演算部が、読み出し部により、間引きが行われた２つ以上の像の間の相関を演算するようにしたものである。

この発明によれば、読み出し部により読み出された２つ以上の像の間の相関を演算することによって、２つ以上の像の相対位置を演算する相対位置演算部を備えるように、波面計測装置を構成した。したがって、この発明に係る波面計測装置は、光の像の形状が異方的であっても、波面を算出することができる。

実施の形態１に係る波面計測装置を示す構成図である。 実施の形態１に係る波面計測装置における波面計測部１０のハードウェアを示すハードウェア構成図である。 波面計測部１０が、ソフトウェア又はファームウェア等によって実現される場合のコンピュータのハードウェア構成図である。 光源１が点光源であるときに、受光部８により形成される複数の光の像６１と、被検体２を透過してきた光、又は、被検体２により反射された光の波面とを示す説明図である。 光源１が点光源であるときに、受光部８により形成される複数の光の像６１と、被検体２を透過してきた光、又は、被検体２により反射された光の波面とを示す説明図である。 光源１が、点光源から出射される光よりも広がりのある光を出射する光源であるときに、受光部８により形成される複数の光の像６１と、被検体２を透過してきた光、又は、被検体２により反射された光の波面とを示す説明図である。 波長選択部５−１〜５−Ｎにより選択される波長成分を示す説明図である。 波長選択部５−１〜５−Ｎの配置と、波長選択部５−１〜５−Ｎにより選択される波長成分とを示す説明図である。 波面計測部１０の処理手順を示すフローチャートである。 レンズ６−１〜６−Ｎのそれぞれにより光が集光される撮像面８ａ内の領域６ａ−１〜６ａ−Ｎと、１つのレンズ６−ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）に対応している複数の画素８ａ−ｍ（ｍ＝１，・・・，Ｍ）との関係を示す説明図である。 図１１Ａは、レンズ６−７により集光された光の強度分布を示す説明図、図１１Ｂは、受光部８により形成された複数の像６１のうち、レンズ６−７により集光された光の像６１の強度分布を示す説明図、図１１Ｃは、画素８ａ−１〜８ａ−２５６の中で、ｘ方向に並んでいる画素８ａ−ｍのうち、１つおきの画素８ａ−ｍにより形成された像６１が読み出し部９によって読み出された場合の像６１の強度分布を示す説明図である。 レンズ６−１〜６−Ｎのそれぞれにより光が集光される撮像面８ａ内の領域６ａ−１〜６ａ−Ｎと、１つのレンズ６−ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）に対応している複数の画素８ａ−ｍ（ｍ＝１，・・・，Ｍ）との関係を示す説明図である。 図１３Ａは、レンズ６−７により集光された光の強度分布を示す説明図、図１３Ｂは、像６１−７’の強度分布を示す説明図、図１３Ｃは、画素８ａ−１〜８ａ−２５６の中で、ｘ方向に並んでいる画素８ａ−ｍのうち、１つおきの画素８ａ−ｍにより形成された像６１が読み出し部９によって読み出された場合の像６１の強度分布を示す説明図である。 受光部８により形成された１６個の像６１−１〜６１−１６の相対位置を示す説明図である。 像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１の相対位置等を示す説明図である。 実施の形態２に係る波面計測装置を示す構成図である。 波長選択部５−ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）を含んでいるレンズ６−ｎの配置と、波長選択部５−１〜５−Ｎにより選択される波長成分とを示す説明図である。 実施の形態４に係る波面計測装置を示す構成図である。 実施の形態４に係る波面計測装置における波面計測部１０のハードウェアを示すハードウェア構成図である。 相対位置演算部１５による相対位置の演算処理を示す説明図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る波面計測装置を示す構成図である。
図２は、実施の形態１に係る波面計測装置における波面計測部１０のハードウェアを示すハードウェア構成図である。
図１において、光源１は、光を被検体２に向けて出射する。図１に示す波面計測装置では、光源１が波面計測装置の外部に設けられている。しかし、これは一例に過ぎず、光源１が波面計測装置の内部に設けられていてもよい。
被検体２は、光源１から出射された光を透過させる物体、又は、光源１から出射された光を反射させる物体である。被検体２としては、レンズ又は鏡等が考えられる。
リレー光学系３は、被検体２を透過してきた光の瞳、又は、被検体２により反射された光の瞳を、後述する波面分割部６に転写する光学系である。

選択部４は、複数の波長選択部５−１〜５−Ｎを備えている。Ｎは、２以上の整数である。本明細書では、波長選択部５−１〜５−Ｎのうち、いずれかの波長選択部を区別しない場合は、波長選択部５のように表記する。
複数の波長選択部５−１〜５−Ｎのうち、互いに隣り合う位置に配置される波長選択部５は、互いに異なる波長成分を選択する。また、複数の波長選択部５−１〜５−Ｎのうち、互いに同一の波長成分を選択する２つ以上の波長選択部５は、飛び飛びに配置されている。
複数の波長選択部５−１〜５−Ｎは、複数の組に分けられている。
複数の波長選択部５−１〜５−Ｎのうち、同じ組に属している２つ以上の波長選択部５は、互いに同一の波長成分を選択する。
複数の波長選択部５−１〜５−Ｎのうち、或る組に属している２つ以上の波長選択部５は、他の組に属している２つ以上の波長選択部５と異なる波長成分を選択する。
波長選択部５−ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）は、例えば、カラーフィルタによって実現される。
波長選択部５−ｎは、リレー光学系３を通ってきた光に含まれている複数の波長成分のうち、いずれか１つの波長成分を選択する。
波長選択部５−ｎは、選択した波長成分を有する光を、波面分割部６の後述するレンズ６−ｎに与える。

波面分割部６は、複数のレンズ６−１〜６−Ｎ（例えば、図５を参照）を含んでいるレンズアレイによって実現される。
波面分割部６は、波長選択部５−１〜５−Ｎにより選択された波長成分を有する光を空間的に複数の光に分割するものである。レンズ６−１〜６−Ｎは、波長選択部５−１〜５−Ｎにより選択された波長成分を有する光を、後述する受光部８における撮像面８ａの互いに異なる位置に集光する。
複数のレンズ６−１〜６−Ｎは、例えば、図５に示すように、格子状に配置されている。しかし、複数のレンズ６−１〜６−Ｎの配置は、格子状の配置に限るものではなく、例えば、ハニカム状の配置であってもよい。
なお、レンズアレイに含まれている複数のレンズの間の領域は、波長選択部５−１〜５−Ｎにより選択された波長成分を有する光を透過さないように、黒色に塗られている。しかし、複数のレンズの間の領域は、波長選択部５−１〜５−Ｎにより選択された波長成分を有する光を透過させなければよく、当該光を吸収、又は、当該光を散乱させるような色が塗られていてもよいし、当該光を吸収、又は、当該光を散乱させるような加工が施されていてもよい。
制御回路７は、撮像の露光条件を示す制御信号を受光部８に出力するほか、受光部８により形成された複数の像６１のうち、２つ以上の読み出し対象の像６１の読み出しを指示する制御信号を、後述する読み出し部９に出力する。

受光部８は、例えば、イメージセンサによって実現される。
受光部８の撮像面８ａは、波面分割部６と対向しており、複数のレンズ６−１〜６−Ｎによって、複数の光が集光される。
受光部８は、複数のレンズ６−１〜６−Ｎによって、撮像面８ａに集光されたそれぞれの光を受光して、それぞれの光の像６１を形成する。
受光部８は、形成したそれぞれの像６１を示す電気信号を読み出し部９に出力する。
撮像面８ａに配置されている画素８ａ−ｍ（ｍ＝１，・・・，Ｍ）のサイズ８ｂは、１つのレンズ６−ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）により光が集光される領域６ａ−ｎのサイズ６ｂよりも十分に小さい（図１０を参照）。図１０については後述する。
撮像面８ａには、１つのレンズ６−ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）に対して、例えば、（１６×１６）〜（１００×１００）の画素８ａ−ｍが、例えば、格子状に配置されている。１つのレンズ６−ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）に対して、（１６×１６）〜（１００×１００）の画素８ａ−ｍが配置されている場合、撮像面８ａに配置される画素８ａ−ｍの個数は、１６×１６×Ｎ〜１００×１００×Ｎである。図１０では、Ｎ＝１６、Ｍ＝２５６である。
撮像面８ａにおける領域６ａ−１〜６ａ−Ｎのそれぞれに配置されている画素８ａ−ｍ（ｍ＝１，・・・，Ｍ）は、制御回路７から出力された制御信号が示す露光条件に従って、レンズ６−ｎによって集光された光を撮像し、撮像した光を電気信号に変換する。

読み出し部９は、受光部８により形成された複数の像６１の中から、制御回路７から出力された制御信号が示す２つ以上の読み出し対象の像６１を示す電気信号のそれぞれを読み出し、読み出した２つ以上の像６１を示す電気信号を、後述する波面計測部１０の相対位置演算部１１に出力する。
図１に示す波面計測装置では、読み出し部９が波面計測部１０の外部に設けられている。しかし、これは一例に過ぎず、読み出し部９が波面計測部１０の内部に設けられていてもよい。

波面計測部１０は、相対位置演算部１１及び波面算出部１２を備えている。
相対位置演算部１１は、例えば、図２に示す相対位置演算回路２１によって実現される。
相対位置演算部１１は、読み出し部９から出力された電気信号を取得する。
相対位置演算部１１は、取得した電気信号に基づいて、読み出し部９により読み出された２つ以上の像６１の間の相関を演算することによって、２つ以上の像６１の相対位置を演算する。
相対位置演算部１１は、演算した２つ以上の像６１の相対位置を波面算出部１２に出力する。

波面算出部１２は、例えば、図２に示す波面算出回路２２によって実現される。
波面算出部１２は、相対位置演算部１１により演算された相対位置から、被検体２を透過してきた光、又は、被検体２により反射された光の波面を算出する。
波面算出部１２は、算出した波面を外部に出力する。

図１では、波面計測部１０の構成要素である相対位置演算部１１及び波面算出部１２のそれぞれが、図２に示すような専用のハードウェアによって実現されるものを想定している。即ち、波面計測部１０が、相対位置演算回路２１及び波面算出回路２２によって実現されるものを想定している。
ここで、相対位置演算回路２１及び波面算出回路２２のそれぞれは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。

波面計測部１０の構成要素は、専用のハードウェアによって実現されるものに限るものではなく、波面計測部１０が、ソフトウェア、ファームウェア、又は、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現されるものであってもよい。
ソフトウェア又はファームウェアは、プログラムとして、コンピュータのメモリに格納される。コンピュータは、プログラムを実行するハードウェアを意味し、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、あるいは、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）が該当する。
図３は、波面計測部１０が、ソフトウェア又はファームウェア等によって実現される場合のコンピュータのハードウェア構成図である。
波面計測部１０が、ソフトウェア又はファームウェア等によって実現される場合、相対位置演算部１１及び波面算出部１２の処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムがメモリ３１に格納される。そして、コンピュータのプロセッサ３２がメモリ３１に格納されているプログラムを実行する。

また、図２では、波面計測部１０の構成要素のそれぞれが専用のハードウェアによって実現される例を示し、図３では、波面計測部１０が、ソフトウェア又はファームウェア等によって実現される例を示している。しかし、これは一例に過ぎず、波面計測部１０における一部の構成要素が専用のハードウェアによって実現され、残りの構成要素がソフトウェア又はファームウェア等によって実現されるものであってもよい。

図１に示す波面計測装置は、例えば、被検体２であるレンズ等を透過した光の波面、又は、被検体２である鏡等により反射された光の波面を計測するものである。光の波面が計測されることで、被検体２の性能の計測が可能になる。
レンズ等の光学部品、又は、人間の瞳等は、光が透過する。光学部品の中を光が透過、又は、人間の瞳の中を光が透過することによって、光の位相の空間分布が変化する。また、鏡等の光学部品は、光を反射させる。光学部品が光を反射させることによって、光の位相の空間分布が変化する。光は、電磁波であるため、位相の空間分布は、光の波面に相当する。
光の波面を計測する波面計測装置として、例えば、シャック・ハルトマン方式の波面センサが知られている。
図１に示す波面計測装置は、シャック・ハルトマン方式の波面センサと同様に、複数のレンズ６−１〜６−Ｎを含んでいるレンズアレイによって実現される波面分割部６と、受光部８とを備えている。
図１に示す波面計測装置は、シャック・ハルトマン方式の波面センサに含まれている従来の波面計測部と異なる波面計測部１０を備えており、波面計測部１０は、相対位置演算部１１と、波面算出部１２とを備えている。

図４及び図５は、光源１が点光源であるときに、受光部８により形成される複数の像６１と、被検体２を透過してきた光、又は、被検体２により反射された光の波面とを示す説明図である。
図４は、被検体２を透過してきた光等の波面が平面波である例を示しており、図５は、被検体２を透過してきた光等が、球面波である例を示している。
図６は、光源１が、点光源から出射される光よりも広がりのある光を出射する光源であるときに、受光部８により形成される複数の像６１と、被検体２を透過してきた光、又は、被検体２により反射された光の波面とを示す説明図である。図６は、被検体２を透過してきた光等が、球面波である例を示している。
図４〜図６において、ｘ方向は、レンズ６−ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）における２つの並び方向及び画素８ａ−ｍ（ｍ＝１，・・・，Ｍ）における２つの並び方向のうち、図中、横方向の並び方向と対応している。ｙ方向は、レンズ６−ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）における２つの並び方向及び画素８ａ−ｍ（ｍ＝１，・・・，Ｍ）における２つの並び方向のうち、図中、縦方向の並び方向と対応している。

図７は、波長選択部５−１〜５−Ｎにより選択される波長成分を示す説明図である。
図７において、８１は、リレー光学系３を通ってきた光の波長の範囲を示している。
波長の範囲８１は、波長λ_０〜λ_５の範囲である。
波長８１ａは、波長の範囲８１に含まれており、中心波長がλ_１である。
波長８１ｂは、波長の範囲８１に含まれており、中心波長がλ_２である。
波長８１ｃは、波長の範囲８１に含まれており、中心波長がλ_３である。
波長８１ｄは、波長の範囲８１に含まれており、中心波長がλ_４である。
λ_０＜λ_１＜λ_２＜λ_３＜λ_４＜λ_５である。
波長選択部５−１〜５−Ｎのそれぞれは、リレー光学系３を通ってきた光に含まれている複数の波長成分のうち、波長８１ａの成分、波長８１ｂの成分、波長８１ｃの成分、又は、波長８１ｄの成分を選択する。

図８は、波長選択部５−１〜５−Ｎの配置と、波長選択部５−１〜５−Ｎにより選択される波長成分とを示す説明図である。図８では、Ｎ＝１６である。
図８では、波長選択部５−１〜５−１６が、選択する波長成分によって、４つの組に分かれており、波長選択部５−１，５−３，５−９，５−１１は、同じ組に属している。当該組は、便宜上、組（１）であるとする。
また、波長選択部５−２，５−４，５−１０，５−１２は、同じ組に属している。当該組は、便宜上、組（２）であるとする。
波長選択部５−５，５−７，５−１３，５−１５は、同じ組に属している。当該組は、便宜上、組（３）であるとする。
また、波長選択部５−６，５−８，５−１４，５−１６は、同じ組に属している。当該組は、便宜上、組（４）であるとする。

波長選択部５−１，５−３，５−９，５−１１は、リレー光学系３を通ってきた光に含まれている複数の波長成分のうち、互いに同一の波長成分として、波長８１ａの成分を選択している。
波長選択部５−２，５−４，５−１０，５−１２は、リレー光学系３を通ってきた光に含まれている複数の波長成分のうち、互いに同一の波長成分として、波長８１ｂの成分を選択している。
波長選択部５−５，５−７，５−１３，５−１５は、リレー光学系３を通ってきた光に含まれている複数の波長成分のうち、互いに同一の波長成分として、波長８１ｃの成分を選択している。
波長選択部５−６，５−８，５−１４，５−１６は、リレー光学系３を通ってきた光に含まれている複数の波長成分のうち、互いに同一の波長成分として、波長８１ｄの成分を選択している。

次に、図１に示す波面計測装置の動作について説明する。
光源１は、光を被検体２に向けて出射する。
被検体２は、レンズ等の光学部品であれば、光源１から出射された光を透過させる。
被検体２は、鏡等の光学部品であれば、光源１から出射された光を反射させる。
リレー光学系３は、被検体２を透過してきた光の瞳、又は、被検体２により反射された光の瞳を波面分割部６に転写する。

例えば、Ｎ＝１６であるとき、波長選択部５−１〜５−１６が、図８に示すように配置されていれば、波長選択部５−１，５−３，５−９，５−１１は、リレー光学系３を通ってきた光に含まれている複数の波長成分のうち、波長８１ａの成分を選択し、波長８１ａの成分を有する光を波面分割部６のレンズ６−１，６−３，６−９，６−１１に出力する。
波長選択部５−２，５−４，５−１０，５−１２は、リレー光学系３を通ってきた光に含まれている複数の波長成分のうち、波長８１ｂの成分を選択し、波長８１ｂの成分を有する光を波面分割部６のレンズ６−２，６−４，６−１０，６−１２に出力する。
波長選択部５−５，５−７，５−１３，５−１５は、リレー光学系３を通ってきた光に含まれている複数の波長成分のうち、波長８１ｃの成分を選択し、波長８１ｃの成分を有する光を波面分割部６のレンズ６−５，６−７，６−１３，６−１５に出力する。
波長選択部５−６，５−８，５−１４，５−１６は、リレー光学系３を通ってきた光に含まれている複数の波長成分のうち、波長８１ｄの成分を選択し、波長８１ｄの成分を有する光を波面分割部６のレンズ６−６，６−８，６−１４，６−１６に出力する。

波面分割部６は、波長選択部５−１〜５−Ｎにより選択された波長成分を有する光を複数の光に分割する。
即ち、波面分割部６のレンズ６−１〜６−Ｎは、図４〜図６に示すように、波長選択部５−１〜５−Ｎにより選択された波長成分を有する光を、受光部８における撮像面８ａの互いに異なる位置に集光する。

受光部８の撮像面８ａは、波面分割部６と対向しており、複数のレンズ６−１〜６−Ｎによって、複数の光が集光される。
受光部８は、撮像面８ａに集光されたそれぞれの光を受光して、それぞれの光の像６１を形成する。
即ち、撮像面８ａの領域６ａ−ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）に配置されている画素８ａ−ｍ（ｍ＝１，・・・，Ｍ）は、制御回路７から出力された制御信号が示す露光条件に従って、レンズ６−ｎによって集光された光を撮像し、撮像した光を電気信号に変換する。

制御回路７は、受光部８により形成された複数の像６１のうち、２つ以上の読み出し対象の像６１の読み出しを指示する制御信号を読み出し部９に出力する。
読み出し部９は、受光部８により形成された複数の像６１の中から、制御回路７から出力された制御信号が示す２つ以上の読み出し対象の像６１を示す電気信号の読み出しをそれぞれ行う。
読み出し部９は、読み出した２つ以上の像６１を示す電気信号を波面計測部１０の相対位置演算部１１に出力する。読み出し部９により読み出された２つ以上の像６１の配列は、“Hartmanngram”と呼ばれる。

図９は、波面計測部１０の処理手順を示すフローチャートである。
相対位置演算部１１は、読み出し部９から出力されたそれぞれの電気信号を取得する（図９のステップＳＴ１）。
相対位置演算部１１は、取得した電気信号に基づいて、読み出し部９により読み出された２つ以上の像６１の間の相関を演算することによって、２つ以上の像６１の相対位置を演算する（図９のステップＳＴ２）。
相対位置演算部１１は、演算した２つ以上の像６１の相対位置を波面算出部１２に出力する。
相対位置演算部１１による相対位置の演算処理の詳細については、後述する。

ここで、レンズ６−ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）により集光された光の像６１の強度分布について説明する。
光源１が点光源であれば、受光部８により形成される像６１の形状が等方的である。被検体２を透過してきた光等の波面が平面波であれば、図４に示すように、レンズ６−ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）によって集光される光の位置は、撮像面８ａ上の位置のうち、レンズ６−ｎの中心位置に対応する位置（以下、「撮像中心位置」と称する）と概ね一致する。撮像中心位置は、ｘ方向の撮像中心線と、ｙ方向の撮像中心線とが交差する位置である。図４は、ｘ方向の撮像中心線を１本だけ表しているが、レンズ６−ｎがｙ方向に例えばＫ（Ｋは、２以上の整数）個配置されていれば、Ｋ本の撮像中心線がある。また、図４は、ｙ方向の撮像中心線を１本だけ表しているが、レンズ６−ｎがｘ方向に例えばＬ（Ｌは、２以上の整数）個配置されていれば、Ｌ本の撮像中心線がある。なお、図４〜図６では、Ｋ＝１０、Ｌ＝１０である。
光源１が点光源であっても、被検体２を透過してきた光等の波面が、平面波以外の球面波等である場合、図５に示すように、レンズ６−ｎによって集光される光の位置は、撮像中心位置からずれる。
光源１が、点光源から出射される光よりも広がりのある光を出射する光源である場合も、被検体２を透過してきた光等の波面が、平面波以外の球面波等であれば、図６に示すように、レンズ６−ｎによって集光される光の位置は、撮像中心位置からずれる。
レンズ６−ｎによって集光される光の位置ずれと、波面分割部６に入射される光の局所的な波面の傾きとの間に相関がある。したがって、光の位置ずれが求まれば、例えば、以下の非特許文献１に開示されている波面の算出方法を用いて、光の波面を求めることができる。レンズ６−１〜６−Ｎによって集光されるそれぞれの光の位置ずれは、受光部８により形成される複数の像６１の相対位置から求めることができる。
［非特許文献１］
国立天文台報 vol.2 No.2 “シャック・ハルトマン鏡面測定装置のデータ処理”

図１０は、レンズ６−１〜６−Ｎのそれぞれにより光が集光される撮像面８ａ内の領域６ａ−１〜６ａ−Ｎと、１つのレンズ６−ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）に対応している複数の画素８ａ−ｍ（ｍ＝１，・・・，Ｍ）との関係を示す説明図である。
図１０は、Ｎ＝１６、Ｍ＝２５６の例を示しており、１６個のレンズ４−１〜４−１６が格子状に配置されている。また、１つのレンズ６−ｎに対応している２５６個の画素８ａ−１〜６ａ−２５６が格子状に配置されている。
６ｂは、領域６ａ−ｎ（ｎ＝１，・・・，１６）のサイズである。図１０に示すサイズ６ｂは、領域６ａ−ｎのｘ方向のサイズを示している。領域６ａ−ｎのｙ方向のサイズは、領域６ａ−ｎのｘ方向のサイズ６ｂと同じである。
８ｂは、画素８ａ−ｍ（ｍ＝１，・・・，Ｍ）のサイズである。図１０に示すサイズ８ｂは、画素８ａ−ｍのｘ方向のサイズを示している。画素８ａ−ｍのｙ方向のサイズは、画素８ａ−ｍのｘ方向のサイズ８ｂと同じである。図１０では、サイズ８ｂは、サイズ６ｂの１６分の１である。

図１１Ａは、レンズ６−７により集光された光の強度分布を示す説明図である。
図１１Ａにおいて、横軸は、図１０に示す画素８ａ−１〜８ａ−２５６のｘ方向の並び方向に対応している。縦軸は、光の強度である。
光強度分布４１は、レンズ６−７により集光された光の強度分布である。光強度分布４１は、受光部８の画素８ａ−１〜８ａ−２５６によって、像６１が形成される前の光の強度分布であるため、連続的な強度分布になっている。４２は、ノイズ成分である。
図１１Ｂは、受光部８により形成された複数の像６１のうち、レンズ６−７により集光された光の像６１の強度分布を示す説明図である。
図１１Ｂにおいて、横軸は、図１０に示す画素８ａ−１〜８ａ−２５６のｘ方向の並び方向に対応している。縦軸は、像６１の強度である。
受光部８が光の像６１を形成することで、図１１Ａに示す連続的な光強度分布４１は、画素８ａ−１〜８ａ−２５６におけるそれぞれのサイズ８ｂに対応する離散的な点像強度分布４３に変換される。４３ａは、点像強度分布４３の分布幅であり、図１１Ｂでは、点像強度分布４３の分布幅４３ａが、サイズ８ｂ×３である。４４は、ノイズ成分である。
４５は、光強度分布４１がｘ方向に広がったときに、点像強度分布４３の分布幅４３ａが、ｘ方向に広がることが可能な範囲（以下、「広がり可能範囲」と称する）である。

図１１Ｂでは、点像強度分布４３の分布幅４３ａが、サイズ８ｂ×３であるが、仮に、分布幅４３ａが、サイズ８ｂよりも小さいと、点像強度分布４３が、１つの画素８ａ−ｍに含まれてしまうため、受光部８により形成された複数の像６１の相対位置の演算精度が低下する。
一方、点像強度分布４３の分布幅４３ａが大き過ぎて、分布幅４３ａがサイズ６ｂに近くなると、点像強度分布４３に係る画素の数が多くなり、広がり可能範囲４５が相対的に狭くなる。広がり可能範囲４５が相対的に狭くなることによって、測定可能な波面の傾斜の幅が減少する。
したがって、点像強度分布４３の分布幅４３ａは、サイズ８ｂよりも大きく、かつ、サイズ６ｂよりも十分に小さいことが望ましい。

図１１Ｃは、画素８ａ−１〜８ａ−２５６の中で、ｘ方向に並んでいる画素８ａ−ｍのうち、１つおきの画素８ａ−ｍにより形成された像６１が読み出し部９によって読み出された場合の像６１の強度分布を示す説明図である。
読み出し部９によって、１つおきの画素８ａ−ｍにより形成された像６１が読み出されることで、図１１Ｂに示す点像強度分布４３は、２つの点像強度分布４３’に変換される。
点像強度分布４３の分布幅４３ａが数画素程度の場合、１つおきの画素によって読み出されると、そもそも数画素程度にしか広がっていない点像強度分布４３を間引いているので、重心演算では、サイズ８ｂより細かい単位であるサブピクセル単位で位置を求めることができない。しかしながら、相関演算では、２つの点像強度分布４３’を含む点像強度分布の分布幅４３ａ’がサイズ８ｂよりも広いため、１つおきの画素に間引いても、分布幅４３ａ’の裾部分の相関をつかって、サブピクセル精度で位置を求めることができる。分布幅４３ａ’の裾部分は、図中、２つの点像強度分布４３’である。

図１２は、レンズ６−１〜６−Ｎのそれぞれにより光が集光される撮像面８ａ内の領域６ａ−１〜６ａ−Ｎと、１つのレンズ６−ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）に対応している複数の画素８ａ−ｍ（ｍ＝１，・・・，Ｍ）との関係を示す説明図である。図１２において、図１０と同一符号は、同一又は相当部分を示している。
ただし、図１２では、図１０と異なり、光源１が、点光源から出射される光よりも広がりのある光を出射している。
図１２は、図１０と同様に、Ｎ＝１６、Ｍ＝２５６の例を示しており、１６個のレンズ４−１〜４−１６が格子状に配置されている。また、１つのレンズ６−ｎに対応している２５６個の画素８ａ−１〜６ａ−２５６が格子状に配置されている。
像６１−７’は、レンズ６−７により集光された光の像６１の一部であり、像６１−７’は、自動車の形状を表している。

図１３Ａは、レンズ６−７により集光された光の強度分布を示す説明図である。図１３Ａにおいて、図１１Ａと同一符号は、同一又は相当部分を示している。
図１３Ａにおいて、横軸は、図１２に示す画素８ａ−１〜８ａ−２５６のｘ方向の並び方向に対応している。縦軸は、光の強度である。
光強度分布５１は、レンズ６−７により集光された光の一部の強度分布である。光強度分布５１は、受光部８の画素８ａ−１〜８ａ−２５６によって、像６１−７’が形成される前の光の強度分布であるため、連続的な強度分布になっている。
図１３Ｂは、像６１−７’の強度分布を示す説明図である。
受光部８が像６１−７’を形成することで、図１３Ａに示す連続的な光強度分布５１は、画素８ａ−１〜８ａ−２５６におけるそれぞれのサイズ８ｂに対応する離散的な広がり像強度分布５２に変換される。５２ａは、広がり像強度分布５２の分布幅であり、図１３Ｂでは、広がり像強度分布５２の分布幅５２ａが、サイズ６ｂ×１２である。

広がり像強度分布５２の分布幅５２ａは、光源１が点光源であるときの点像強度分布４３の分布幅４３ａよりも大きくなる。図１３Ｂでは、広がり像強度分布５２の分布幅５２ａが、１２画素分の大きさである。
したがって、光源１が、点光源から出射される光よりも広がりのある光を出射する光源である場合、光源１が点光源である場合よりも、広がり可能範囲４５が相対的に狭くなることがある。広がり可能範囲４５が相対的に狭くなることによって、測定可能な波面の傾斜の幅が減少する。

図１３Ｃは、画素８ａ−１〜８ａ−２５６の中で、ｘ方向に並んでいる画素８ａ−ｍのうち、１つおきの画素８ａ−ｍにより形成された像６１が読み出し部９によって読み出された場合の像６１の強度分布を示す説明図である。
読み出し部９によって、１つおきの画素８ａ−ｍにより形成された像６１が読み出されることで、図１３Ｂに示す広がり像強度分布５２は、広がり像強度分布５２’に変換される。
広がり像強度分布５２の分布幅５２ａがサイズ８ｂよりも広い場合、１つおきの画素によって読み出されても、広がり像強度分布５２のパターンの特徴が残っているため、１つおきの画素の相関を使って、サブピクセル精度で位置を求めることができる。

次に、相対位置演算部１１による相対位置の演算処理を説明する。
ここでは、説明の便宜上、図１４に示すように、光源１が、点光源から出射される光よりも広がりのある光を出射する光源であるものとする。
図１４は、受光部８により形成された１６個の像６１−１〜６１−１６の相対位置を示す説明図である。図１４では、受光部８により形成された複数の像６１を区別するために、像６１−１〜６１−１６のように表記している。
図１４では、像６１−１〜６１−１６の形状が、例えば、回転対称のような対称性がない、自動車の形状である。
図１４において、●は、像６１−１〜６１−１６の相対位置を示している。

ここでは、説明の便宜上、読み出し部９が、受光部８により形成された像６１−１〜６１−１６を示す電気信号の全ての読み出しを行うものとする。
読み出し部９は、読み出した像６１−１〜６１−１６を示す電気信号を波面計測部１０の相対位置演算部１１に出力する。
受光部８により形成された１６個の像６１−１〜６１−１６は、互いに相似な形状の像であるため、像６１−１〜６１−１６のパターンマッチング処理によって、像６１−１〜６１−１６の相対位置を求めることが可能である。
１６個の像６１−１〜６１−１６のうち、例えば、像６１−１の位置が、相対位置の基準位置であるとすれば、相対位置演算部１１が、像６１−１と、像６１−ｊ（ｊ＝２，・・・，１６）とのパターンマッチング処理を実施することによって、像６１−１〜６１−１６の相対位置を求めることができる。
図１４では、像６１−７の位置が、相対位置の基準位置であるとして、像６１−７に対する像６１−８の相対位置を求めている。
以下、像６１−７に対する像６１−８の相対位置の演算処理を例示する。
像６１−７は、受光部８により形成された像６１−１〜６１−１６のうち、レンズ６−７により集光された光の像である。像６１−８は、受光部８により形成された像６１−１〜６１−１６のうち、レンズ６−８により集光された光の像である。

相対位置演算部１１は、読み出し部９から出力された複数の電気信号のうち、領域６ａ−７に含まれている画素８ａ−ｍ（ｍ＝１，・・・，２５６）から出力された電気信号Ｉ_Ｒｅｆ（ｘ，ｙ）を取得する。電気信号Ｉ_Ｒｅｆ（ｘ，ｙ）は、画素８ａ−ｍにより撮像された光の強度を示している。（ｘ，ｙ）は、領域６ａ−７内の画素８ａ−ｍの座標を示している。また、（ｘ，ｙ）は、図中、領域６ａ−７内の左上隅に存在する画素を起点としており、ｘ＝１，２，・・・，１６、ｙ＝１，２，・・・，１６である。例えば、（ｘ，ｙ）＝（１，１）は、領域６ａ−７内の左上隅に存在する画素の座標であり、（ｘ，ｙ）＝（１６，１６）は、領域６ａ−７内の右下隅に存在する画素の座標である。
また、相対位置演算部１１は、読み出し部９から出力された複数の電気信号のうち、領域６ａ−８に含まれている画素８ａ−ｍ（ｍ＝１，・・・，２５６）から出力された電気信号Ｉ_ｉ（ｘ，ｙ）を取得する。電気信号Ｉ_ｉ（ｘ，ｙ）は、画素８ａ−ｍにより撮像された光の強度を示している。（ｘ，ｙ）は、領域６ａ−８内の画素８ａ−ｍの座標を示している。また、（ｘ，ｙ）は、図中、領域６ａ−８内の左上隅に存在する画素を起点としており、ｘ＝１，２，・・・，１６、ｙ＝１，２，・・・，１６である。

相対位置演算部１１は、像６１−７に対する像６１−８のｘ方向の変位δ_ｘ及びｙ方向の変位δ_ｙのそれぞれを任意の値に設定する。
次に、相対位置演算部１１は、以下の式（１）に示すように、像６１−８をｘ方向に変位δ_ｘだけシフトし、像６１−８をｙ方向に変位δ_ｙだけシフトしたときの残差の和Ｅ_ＳＳＤ（δ_ｘ，δ_ｙ）を算出する。

次に、相対位置演算部１１は、変位δ_ｘ及び変位δ_ｙのそれぞれを変更しながら、残差の和Ｅ_ＳＳＤ（δ_ｘ，δ_ｙ）を繰り返し算出する。
相対位置演算部１１は、例えば、最尤法を用いて、残差の和Ｅ_ＳＳＤ（δ_ｘ，δ_ｙ）が最小となる変位δ_ｘ及び変位δ_ｙのそれぞれを求める。
相対位置演算部１１は、残差の和Ｅ_ＳＳＤ（δ_ｘ，δ_ｙ）が最小となる変位δ_ｘを、像６１−７に対する像６１−８のｘ方向の相対位置として、波面算出部１２に出力する。また、相対位置演算部１１は、残差の和Ｅ_ＳＳＤ（δ_ｘ，δ_ｙ）が最小となる変位δ_ｙを、像６１−７に対する像６１−８のｙ方向の相対位置として、波面算出部１２に出力する。

図１に示す波面計測装置では、相対位置演算部１１が、像６１−７に対する像６１−８の相対位置として、残差の和Ｅ_ＳＳＤ（δ_ｘ，δ_ｙ）が最小となる変位δ_ｘ及び変位δ_ｙのそれぞれを求めている。
しかし、これは一例に過ぎず、相対位置演算部１１が、以下の式（２）に示すように、像６１−８をｘ方向に変位δ_ｘだけシフトし、像６１−８をｙ方向に変位δ_ｙだけシフトしたときの相互相関関数Ｅ_ＣＣ（δ_ｘ，δ_ｙ）を算出する。そして、相対位置演算部１１が、像６１−７に対する像６１−８のｘ方向の相対位置として、相互相関関数Ｅ_ＣＣ（δ_ｘ，δ_ｙ）が最大となる変位δ_ｘを求め、像６１−７に対する像６１−８のｙ方向の相対位置として、相互相関関数Ｅ_ＣＣ（δ_ｘ，δ_ｙ）が最大となる変位δ_ｙを求めるようにしてもよい。

例えば、相互相関関数Ｅ_ＣＣ（δ_ｘ，δ_ｙ）の演算は、以下の計算を行うことで、計算の高速化を図ることができる。
まず、相対位置演算部１１は、Ｉ_ｉ（ｘ，ｙ）を以下の式（３）に示すようにフーリエ変換し、Ｉ_Ｒｅｆ（ｘ，ｙ）を以下の式（４）に示すようにフーリエ変換する。

式（３）及び式（４）において、Ｆ［］は、フーリエ変換を示す記号であり、ｕ，ｖは、周波数領域での変数である。
次に、相対位置演算部１１は、以下の式（５）に示すように、Ｉ_ｉ（ｕ，ｖ）とＩ_Ｒｅｆ（ｕ，ｖ）との積で表される相互パワースペクトルＰ（ｕ，ｖ）を算出する。

相互パワースペクトルＰ（ｕ，ｖ）は、Ｗｉｅｎｅｒ−Ｋｈｉｎｃｈｉｎの定理より、以下の式（６）のように表される。

相対位置演算部１１は、相互パワースペクトルＰ（ｕ，ｖ）を逆フーリエ変換することで、相互相関関数Ｅ_ＣＣ（δ_ｘ，δ_ｙ）を算出する。

図１に示す波面計測装置では、相対位置演算部１１が、受光部８により形成された複数の像６１の間の相関を演算することによって、複数の像６１の相対位置を演算している。
複数の像６１の相対位置を演算する方法は、残差の和Ｅ_ＳＳＤ（δ_ｘ，δ_ｙ）が最小となる変位δ_ｘ，δ_ｙを求める方法に限るものではない。
相対位置演算部１１は、例えば、ＳＳＤ（Ｓｕｍ ｏｆ Ｓｑｕａｒｅｄ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）法、ＳＡＤ（Ｓｕｍ ｏｆ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）法、相互相関法（Ｃｒｏｓｓ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）、正規化相互相関（ＮＣＣ：Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｃｒｏｓｓ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）法、零平均正規化相互相関（ＺＮＣＣ：Ｚｅｒｏ ｍｅａｎｓ Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｃｒｏｓｓ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）法、又は、位相限定相関（ＰＯＣ：Ｐｈａｓｅ−Ｏｎｌｙ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）法を用いて、複数の像６１の相対位置を演算するようにしてもよい。

次に、読み出し部９が、受光部８により形成された像６１−１〜６１−１６の一部を読み出す場合の、相対位置の演算について説明する。
制御回路７は、組（１）〜（４）のうち、例えば、組（１）に属している波長選択部５−１，５−３，５−９，５−１１により選択された波長の成分８１ａを有する光の像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１の読み出しを指示する制御信号を読み出し部９に出力する。
読み出し部９は、制御回路７から出力された制御信号に従って、受光部８により形成された像６１−１〜６−１６のうち、像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１を示す電気信号のそれぞれを読み出し、それぞれの電気信号を相対位置演算部１１に出力する。

相対位置演算部１１は、読み出し部９から出力された像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１を示す電気信号のそれぞれを取得する。
相対位置演算部１１は、取得した電気信号に基づいて、像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１の間の相関を演算することによって、像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１の相対位置（図１５を参照）を演算する。
図１５は、像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１の相対位置等を示す説明図である。図１５では、Ｎ＝１６である。
相対位置演算部１１は、像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１の相対位置を波面算出部１２に出力する。
相対位置演算部１１が、像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１の間の相関を演算する場合の広がり可能範囲が、受光部８により形成された像６１−１〜６−１６の全てを用いて、像６１−１〜６−１６の間の相関を演算する場合の広がり可能範囲４５と比べて、概ね２倍になるため、波面の測定ダイナミックレンジが概ね２倍になる。

ここでは、制御回路７が、組（１）〜（４）のうち、組（１）に属している波長選択部５−１，５−３，５−９，５−１１により選択された波長の成分８１ａを有する光の像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１の読み出しを指示する制御信号を読み出し部９に出力している。
しかし、これは一例に過ぎず、制御回路７が、例えば、組（２）に属している波長選択部５−２，５−４，５−１０，５−１２により選択された波長の成分８１ｂを有する光の像６１−２，６１−４，６１−１０，６１−１２の読み出しを指示する制御信号を読み出し部９に出力するようにしてもよい。
この場合、読み出し部９は、制御回路７から出力された制御信号に従って、受光部８により形成された像６１−１〜６−１６のうち、像６１−２，６１−４，６１−１０，６１−１２を示す電気信号をそれぞれ読み出し、それぞれの電気信号を相対位置演算部１１に出力する。
相対位置演算部１１は、像６１−２，６１−４，６１−１０，６１−１２の間の相関を演算することによって、像６１−２，６１−４，６１−１０，６１−１２の相対位置（図１５を参照）を演算する。

また、制御回路７が、例えば、組（３）に属している波長選択部５−３，５−７，５−１１，５−１５により選択された波長の成分８１ｃを有する光の像６１−３，６１−７，６１−１１，６１−１５の読み出しを指示する制御信号を読み出し部９に出力するようにしてもよい。
この場合、読み出し部９は、制御回路７から出力された制御信号に従って、受光部８により形成された像６１−１〜６−１６のうち、像６１−３，６１−７，６１−１１，６１−１５を示す電気信号をそれぞれ読み出し、それぞれの電気信号を相対位置演算部１１に出力する。
相対位置演算部１１は、像６１−３，６１−７，６１−１１，６１−１５の間の相関を演算することによって、像６１−３，６１−７，６１−１１，６１−１５の相対位置（図１５を参照）を演算する。

また、制御回路７が、例えば、組（４）に属している波長選択部５−４，５−８，５−１２，５−１６により選択された波長の成分８１ｄを有する光の像６１−４，６１−８，６１−１２，６１−１６の読み出しを指示する制御信号を読み出し部９に出力するようにしてもよい。
この場合、読み出し部９は、制御回路７から出力された制御信号に従って、受光部８により形成された像６１−１〜６−１６のうち、像６１−４，６１−８，６１−１２，６１−１６を示す電気信号をそれぞれ読み出し、それぞれの電気信号を相対位置演算部１１に出力する。
相対位置演算部１１は、像６１−４，６１−８，６１−１２，６１−１６の間の相関を演算することによって、像６１−４，６１−８，６１−１２，６１−１６の相対位置（図１５を参照）を演算する。

波面算出部１２は、相対位置演算部１１から複数の像６１の相対位置を受けると、複数の像６１の相対位置から、被検体２を透過してきた光、又は、被検体２により反射された光の波面を算出する（図９のステップＳＴ３）。
以下、波面算出部１２による波面の算出処理を具体的に説明する。

図１に示す波面計測装置では、受光部８により形成された複数の像６１のうち、相対位置の基準位置に存在している像６１の位置と、当該像６１の撮像中心位置との位置ずれが、既値であり、当該位置ずれは、例えば、波面算出部１２の内部メモリに格納されている。ただし、当該位置ずれは、図１に示す波面計測装置の外部から与えられるものであってもよい。
波面算出部１２は、内部メモリに格納されている位置ずれと、相対位置演算部１１により算出された複数の像６１の相対位置とに基づいて、受光部８により形成された複数の像６１におけるそれぞれの位置と、複数の像６１におけるそれぞれの撮像中心位置との位置ずれを算出する。

受光部８により形成された複数の像６１のうち、相対位置の基準位置に存在している像６１が、例えば、像６１−１であり、像６１−１の位置と、像６１−１の撮像中心位置との位置ずれがＬｇ_１であるとする。
このとき、像６１−１と像６１−ｎとの相対位置がδ_１−ｎであるとすると、像６１−ｎの位置と、像６１−ｎの撮像中心位置との位置ずれＬｇ_ｎは、以下の式（７）のように表される。
Ｌｇ_ｎ＝δ_１−ｎ＋Ｌｇ_１ （７）

波面算出部１２は、複数の像６１におけるそれぞれの位置ずれから、被検体２を透過してきた光、又は、被検体２により反射された光の波面を算出する。
複数の像６１におけるそれぞれの位置ずれから波面を算出する処理自体は、公知であり、例えば、非特許文献１に記載されている“シャック・ハルトマン鏡面測定装置のデータ処理”を用いれば、複数の像６１におけるそれぞれの位置ずれから、波面を算出することができる。
波面算出部１２は、算出した波面を外部に出力する。

図１に示す波面計測装置では、相対位置演算部１１が、形状が自動車ある、複数の像６１の相対位置を演算し、波面算出部１２が、複数の像６１の相対位置から波面を算出している。
光源１が点光源であっても、レンズ６−ｎによって集光される光の位置ずれと、波面分割部６に入射される光の局所的な波面の傾きとの間に相関があるため、相対位置演算部１１が、複数の点像の相対位置を演算し、波面算出部１２が、複数の点像の相対位置から波面を算出するようにしてもよい。

以上の実施の形態１では、被検体２を透過してきた光、又は、被検体２により反射された光が、複数のレンズ６−１〜６−Ｎのそれぞれによって集光されたのち、受光部８によって、複数のレンズ６−１〜６−Ｎにより集光されたそれぞれの光の像６１が形成されると、受光部８により形成された複数の像６１の中から、２つ以上の像６１を読み出す読み出し部９と、読み出し部９により読み出された２つ以上の像６１の間の相関を演算することによって、２つ以上の像６１の相対位置を演算する相対位置演算部１１と、相対位置演算部１１により演算された相対位置から、被検体２を透過してきた光、又は、被検体２により反射された光の波面を算出する波面算出部１２とを備えるように、波面計測装置を構成した。したがって、波面計測装置は、光の像６１の形状が異方的であっても、波面を算出することができる。

実施の形態２．
実施の形態２では、読み出し部１３が、Ｇ個の読み出し処理部１４−１〜１４−Ｇを備えている波面計測装置について説明する。Ｇは、２以上の整数である。

図１６は、実施の形態２に係る波面計測装置を示す構成図である。
図１６において、図１と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
図１６に示す波面計測装置では、複数の波長選択部５−１〜５−Ｎが、Ｇ個の組に分けられている。
読み出し部１３は、組（１）〜（Ｇ）の組のうち、いずれか１つの組（ｇ）（ｇ＝１，・・・，Ｇ）に属している２つ以上の波長選択部５により選択された波長成分の像６１を示す電気信号をそれぞれ読み出し、読み出したそれぞれの電気信号を相対位置演算部１１に出力するＧ個の読み出し処理部１４−１〜１４−Ｇを備えている。
複数の波長選択部５−１〜５−Ｎが、例えば、４つに分けられていれば、読み出し部１３は、組（１）に対応する読み出し処理部１４−１と、組（２）に対応する読み出し処理部１４−２と、組（３）に対応する読み出し処理部１４−３と、組（４）に対応する読み出し処理部１４−４とを備えている。
図１６に示す波面計測装置では、読み出し部１３が波面計測部１０の外部に設けられている。しかし、これは一例に過ぎず、読み出し部１３が波面計測部１０の内部に設けられていてもよい。

読み出し処理部１４−ｇ（ｇ＝１，・・・，Ｇ）は、制御回路７から出力された制御信号を取得する。
読み出し処理部１４−ｇは、取得した制御信号が、組（ｇ）に属している波長選択部５により選択された波長成分の像６１を示す電気信号の読み出しを指示していれば、受光部８により形成された複数の像６１の中から、組（ｇ）に属している２つ以上の波長選択部５により選択された波長成分の像６１を示す電気信号の読み出しをそれぞれ行う。
読み出し処理部１４−ｇは、読み出した２つ以上の像６１を示す電気信号を相対位置演算部１１に出力する。

次に、図１６に示す波面計測装置の動作について説明する。
読み出し部１３以外は、図１に示す波面計測装置と同様であるため、ここでは、主に、読み出し部１３の動作について説明する。以下、Ｎ＝１６、Ｇ＝４であるものとする。

制御回路７は、組（１）〜（４）のうち、組（１）に属している波長選択部５−１，５−３，５−９，５−１１により選択された波長の成分８１ａを有する光の像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１の読み出しを指示する制御信号を読み出し処理部１４−１に出力する。
また、制御回路７は、組（２）に属している波長選択部５−２，５−４，５−１０，５−１２により選択された波長の成分８１ｂを有する光の像６１−２，６１−４，６１−１０，６１−１２の読み出しを指示する制御信号を読み出し処理部１４−２に出力する。
また、制御回路７は、組（３）に属している波長選択部５−３，５−７，５−１１，５−１５により選択された波長の成分８１ｃを有する光の像６１−３，６１−７，６１−１１，６１−１５の読み出しを指示する制御信号を読み出し処理部１４−３に出力する。
さらに、制御回路７は、組（４）に属している波長選択部５−４，５−８，５−１２，５−１６により選択された波長の成分８１ｄを有する光の像６１−４，６１−８，６１−１２，６１−１６の読み出しを指示する制御信号を読み出し処理部１４−４に出力する。
制御回路７が読み出し処理部１４−１〜１４−４のそれぞれに制御信号を出力するタイミングは、同時であってもよいし、別々であってもよい。

読み出し処理部１４−１は、制御回路７から像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１の読み出しを指示する制御信号を受けると、受光部８により形成された複数の像６１の中から、像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１を示す電気信号の読み出しをそれぞれ行う。
読み出し処理部１４−１は、像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１を示す電気信号を相対位置演算部１１に出力する。
相対位置演算部１１は、読み出し処理部１４−１から像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１を示す電気信号を受けると、当該電気信号に基づいて、像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１の間の相関を演算することによって、像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１の相対位置を演算する。

読み出し処理部１４−２は、制御回路７から像６１−２，６１−４，６１−１０，６１−１２の読み出しを指示する制御信号を受けると、受光部８により形成された複数の像６１の中から、像６１−２，６１−４，６１−１０，６１−１２を示す電気信号の読み出しをそれぞれ行う。
読み出し処理部１４−２は、像６１−２，６１−４，６１−１０，６１−１２を示す電気信号を相対位置演算部１１に出力する。
相対位置演算部１１は、読み出し処理部１４−２から像６１−２，６１−４，６１−１０，６１−１２を示す電気信号を受けると、当該電気信号に基づいて、像６１−２，６１−４，６１−１０，６１−１２の間の相関を演算することによって、像６１−２，６１−４，６１−１０，６１−１２の相対位置を演算する。

読み出し処理部１４−３は、制御回路７から像６１−３，６１−７，６１−１１，６１−１５の読み出しを指示する制御信号を受けると、受光部８により形成された複数の像６１の中から、像６１−３，６１−７，６１−１１，６１−１５を示す電気信号の読み出しをそれぞれ行う。
読み出し処理部１４−３は、像６１−３，６１−７，６１−１１，６１−１５を示す電気信号を相対位置演算部１１に出力する。
相対位置演算部１１は、読み出し処理部１４−３から像６１−３，６１−７，６１−１１，６１−１５を示す電気信号を受けると、当該電気信号に基づいて、像６１−３，６１−７，６１−１１，６１−１５の間の相関を演算することによって、像６１−３，６１−７，６１−１１，６１−１５の相対位置を演算する。

読み出し処理部１４−４は、制御回路７から像６１−４，６１−８，６１−１２，６１−１６の読み出しを指示する制御信号を受けると、受光部８により形成された複数の像６１の中から、像６１−４，６１−８，６１−１２，６１−１６を示す電気信号の読み出しをそれぞれ行う。
読み出し処理部１４−４は、像６１−４，６１−８，６１−１２，６１−１６を示す電気信号を相対位置演算部１１に出力する。
相対位置演算部１１は、読み出し処理部１４−４から像６１−４，６１−８，６１−１２，６１−１６を示す電気信号を受けると、当該電気信号に基づいて、像６１−４，６１−８，６１−１２，６１−１６の間の相関を演算することによって、像６１−４，６１−８，６１−１２，６１−１６の相対位置を演算する。

以上の実施の形態２では、読み出し部１３が、組（１）〜（Ｇ）の組のうち、いずれか１つの組（ｇ）（ｇ＝１，・・・，Ｇ）に属している２つ以上の波長選択部５により選択された波長成分の像６１をそれぞれ読み出し、読み出したそれぞれの像６１を相対位置演算部１１に出力するＧ個の読み出し処理部１４−１〜１４−Ｇを備えるように、図１６に示す波面計測装置を構成した。したがって、図１６に示す波面計測装置は、例えば、制御回路７から読み出し処理部１４−１〜１４−Ｇのそれぞれに制御信号を出力されるタイミングが同時であれば、図１に示す波面計測装置よりも、像６１−１〜６１−Ｎの全ての読み出しに要する時間を短縮することができる。

実施の形態３．
実施の形態１，２の波面計測装置では、波長選択部５−１〜５−Ｎと、波面分割部６のレンズ６−１〜６−Ｎとが別々に設置されている。
しかし、これは一例に過ぎず、例えば、図１７に示すように、レンズ６−１〜６−Ｎのそれぞれが、複数の波長選択部５−１〜５−Ｎのうち、いずれか１つの波長選択部５を備えている波面計測装置であってもよい。
図１７は、波長選択部５−ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）を含んでいるレンズ６−ｎの配置と、波長選択部５−１〜５−Ｎにより選択される波長成分とを示す説明図である。図１７では、Ｎ＝１６である。
レンズ６−ｎが波長選択部５−ｎを含んでいる波面計測装置でも、図１及び図１６に示す波面計測装置と同様に動作する。
レンズ６−ｎが波長選択部５−ｎを含んでいる波面計測装置では、図１及び図１６に示す波面計測装置よりも構成の簡略化を図ることができる。

実施の形態４．
実施の形態４では、相対位置演算部１１が、像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１の相対位置と、像６１−２，６１−４，６１−１０，６１−１２の相対位置と、像６１−５，６１−７，６１−１３，６１−１５の相対位置と、像６１−６，６１−８，６１−１４，６１−１６の相対位置とから、受光部８により形成された像６１−１〜６−１６の相対位置を演算する波面計測装置について説明する。

図１８は、実施の形態４に係る波面計測装置を示す構成図である。
図１９は、実施の形態４に係る波面計測装置における波面計測部１０のハードウェアを示すハードウェア構成図である。
図１８及び図１９において、図１、図２及び図１６と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
相対位置演算部１５は、例えば、図１９に示す相対位置演算回路２３によって実現される。
相対位置演算部１５は、複数の読み出し処理部１４−１〜１４−Ｇのうち、いずれかの読み出し処理部１４により２つ以上の像６１が読み出される毎に、読み出された２つ以上の像６１の相対位置を演算する。
相対位置演算部１５は、演算した全ての２つ以上の像６１の相対位置から、受光部８により形成された全ての像６１の相対位置を演算する。
相対位置演算部１５は、演算した全ての像６１の相対位置を波面算出部１２に出力する。
図１８に示す波面計測装置は、相対位置演算部１５を図１に示す波面計測装置に適用したものである。しかし、これは一例に過ぎず、相対位置演算部１５を図１６に示す波面計測装置に適用したものであってもよい。

図１８では、波面計測部１０の構成要素である相対位置演算部１５及び波面算出部１２のそれぞれが、図１９に示すような専用のハードウェアによって実現されるものを想定している。即ち、波面計測部１０が、相対位置演算回路２３及び波面算出回路２２によって実現されるものを想定している。
ここで、相対位置演算回路２３及び波面算出回路２２のそれぞれは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、又は、これらを組み合わせたものが該当する。

波面計測部１０の構成要素は、専用のハードウェアによって実現されるものに限るものではなく、波面計測部１０が、ソフトウェア、ファームウェア、又は、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現されるものであってもよい。
波面計測部１０が、ソフトウェア又はファームウェア等によって実現される場合、相対位置演算部１５及び波面算出部１２の処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムが、図３に示すメモリ３１に格納される。そして、図３に示すプロセッサ３２がメモリ３１に格納されているプログラムを実行する。

また、図１９では、波面計測部１０の構成要素のそれぞれが専用のハードウェアによって実現される例を示し、図３では、波面計測部１０がソフトウェア又はファームウェア等によって実現される例を示している。しかし、これは一例に過ぎず、波面計測部１０における一部の構成要素が専用のハードウェアによって実現され、残りの構成要素がソフトウェア又はファームウェア等によって実現されるものであってもよい。

図２０は、相対位置演算部１５による相対位置の演算処理を示す説明図である。
相対位置演算部１５は、図１及び図１６に示す相対位置演算部１１と同様の方法で、像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１の相対位置と、像６１−２，６１−４，６１−１０，６１−１２の相対位置と、像６１−５，６１−７，６１−１３，６１−１５の相対位置と、像６１−６，６１−８，６１−１４，６１−１６の相対位置とを演算する。
相対位置演算部１５は、図２０に示すように、像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１の相対位置と、像６１−２，６１−４，６１−１０，６１−１２の相対位置と、像６１−５，６１−７，６１−１３，６１−１５の相対位置と、像６１−６，６１−８，６１−１４，６１−１６の相対位置とを足し合わせる。

像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１の相対位置、像６１−２，６１−４，６１−１０，６１−１２の相対位置、像６１−５，６１−７，６１−１３，６１−１５の相対位置、又は、像６１−６，６１−８，６１−１４，６１−１６の相対位置を演算する際の、相対位置の基準位置が、撮像中心位置がずれていることがある。
相対位置の基準位置が、撮像中心位置がずれている場合、相対位置演算部１５は、演算した複数の相対位置を補正し、補正後の複数の相対位置の足し合わせを行うようにする。
複数の相対位置の補正方法は、公知の技術であるため、詳細な説明を省略するが、例えば、相対位置演算部１５は、像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１の相対位置と、像６１−１，６１−３，６１−９，６１−１１におけるそれぞれの撮像中心位置との位置ずれを求める。
また、相対位置演算部１５は、像６１−２，６１−４，６１−１０，６１−１２の相対位置と、像６１−２，６１−４，６１−１０，６１−１２におけるそれぞれの撮像中心位置との位置ずれを求める。
相対位置演算部１５は、像６１−５，６１−７，６１−１３，６１−１５の相対位置と、像６１−５，６１−７，６１−１３，６１−１５におけるそれぞれの撮像中心位置との位置ずれを求める。
また、相対位置演算部１５は、像６１−６，６１−８，６１−１４，６１−１６の相対位置と、像６１−６，６１−８，６１−１４，６１−１６におけるそれぞれの撮像中心位置との位置ずれを求める。
相対位置演算部１５は、像６１−１〜６１−１６におけるそれぞれの位置ずれを、補正後の相対位置として、足し合わせる。
相対位置演算部１５が相対位置を足し合わせることにより、像６１−１〜６１−１６の相対位置が得られるため、図１９に示す波面計測装置は、図１及び図１６に示す波面計測装置と同様の波面空間分解能が得られる。

以上の実施の形態４では、相対位置演算部１５が、複数の読み出し処理部１４−１〜１４−Ｇのうち、いずれかの読み出し処理部１４により２つ以上の像が読み出される毎に、読み出された２つ以上の像６１の相対位置を演算し、演算した全ての２つ以上の像６１の相対位置から、受光部８により形成された全ての像６１の相対位置を演算するように、図２０に示す波面計測装置を構成した。したがって、図２０に示す波面計測装置は、図１及び図１６に示す波面計測装置よりも、波面空間分解能を高めることができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明は、波面を算出する波面計測装置及び波面計測方法に適している。

１ 光源、２ 被検体、３ リレー光学系、４ 選択部、５−１〜５−Ｎ 波長選択部、６ 波面分割部、６−１〜６−Ｎ レンズ、６ａ−ｎ 領域、６ｂ サイズ、７ 制御回路、８ 受光部、８ａ 撮像面、８ａ−１〜８ａ−Ｍ 画素、８ｂ サイズ、９ 読み出し部、１０ 波面計測部、１１ 相対位置演算部、１２ 波面算出部、１３ 読み出し部、１４−１〜１４−Ｇ 読み出し処理部、１５ 相対位置演算部、２１ 相対位置演算回路、２２ 波面算出回路、２３ 相対位置演算回路、３１ メモリ、３２ プロセッサ、４１ 光強度分布、４２ ノイズ成分、４３，４３’ 点像強度分布、４３ａ，４３ａ’ 分布幅、４４ ノイズ成分、４５ 広がり可能範囲、５１ 光強度分布、５２ 広がり像強度分布、５２ａ 分布幅、６１ 像、６１−１〜６１−１６ 像、６１−７’ 像、８１ 波長の範囲、８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄ 波長。

Claims (12)

1. 被検体を透過してきた光、又は、前記被検体により反射された光が、複数のレンズのそれぞれによって集光されたのち、受光部によって、前記複数のレンズにより集光されたそれぞれの光の像が形成されると、
   前記受光部により形成された複数の像の中から、２つ以上の像を読み出す読み出し部と、
   前記読み出し部により読み出された２つ以上の像の間の相関を演算することによって、前記２つ以上の像の相対位置を演算する相対位置演算部と、
   前記相対位置演算部により演算された相対位置から、前記被検体を透過してきた光、又は、前記被検体により反射された光の波面を算出する波面算出部とを備え、
   前記像は、前記受光部により受光された光の領域内部に形成された像であって、それぞれの像のサイズが、前記受光部の撮像面に配置されている画素のサイズよりも大きく、
   前記読み出し部は、前記２つ以上の像を読み出す際に、読み出す像に対する間引きを行い、
   前記相対位置演算部は、前記読み出し部により、間引きが行われた２つ以上の像の間の相関を演算することを特徴とする波面計測装置。
2. 前記読み出し部は、前記読み出す像に対する間引きを行う際に、前記受光部の撮像面における１つおきの画素により形成された像を読み出すことを特徴とする請求項１に記載の波面計測装置。
3. 前記被検体を透過してきた光、又は、前記被検体により反射された光を集光する複数のレンズと、
   前記複数のレンズにより集光されたそれぞれの光を受光して、それぞれの光の像を形成する受光部とを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の波面計測装置。
4. 前記被検体を透過してきた光、又は、前記被検体により反射された光に含まれている複数の波長成分のうち、それぞれがいずれか１つの波長成分を選択し、それぞれが選択した波長成分を、前記複数のレンズのうちの隣り合うレンズで異なるように、それぞれが１つのレンズに与える複数の波長選択部を備えたことを特徴とする請求項３記載の波面計測装置。
5. 前記複数のレンズのそれぞれは、前記複数の波長選択部のうちのいずれか１つの波長選択部を備えていることを特徴とする請求項４記載の波面計測装置。
6. 前記複数の波長選択部のうち、互いに隣り合う位置に配置される波長選択部は、互いに異なる波長成分を選択し、
   前記複数の波長選択部のうち、互いに同一の波長成分を選択する２つ以上の波長選択部は、飛び飛びに配置されていることを特徴とする請求項４記載の波面計測装置。
7. 前記複数の波長選択部は、複数の組に分けられており、
   前記複数の波長選択部のうち、同じ組に属している２つ以上の波長選択部は、互いに同一の波長成分を選択し、
   前記複数の波長選択部のうち、或る組に属している２つ以上の波長選択部は、他の組に属している２つ以上の波長選択部と異なる波長成分を選択することを特徴とする請求項６記載の波面計測装置。
8. 前記読み出し部は、前記複数の組のうち、いずれか１つの組を選択し、選択した組に属している２つ以上の波長選択部により選択された波長成分の像をそれぞれ読み出し、読み出した２つ以上の像を前記相対位置演算部に出力することを特徴とする請求項７記載の波面計測装置。
9. 前記読み出し部は、前記複数の組のうち、いずれか１つの組に属している２つ以上の波長選択部により選択された波長成分の像をそれぞれ読み出し、読み出した２つ以上の像を前記相対位置演算部に出力する複数の読み出し処理部を備えていることを特徴とする請求項７記載の波面計測装置。
10. 前記相対位置演算部は、前記複数の読み出し処理部のうち、いずれかの読み出し処理部により２つ以上の像が読み出される毎に、読み出された２つ以上の像の相対位置を演算し、演算した全ての２つ以上の像の相対位置から、前記受光部により形成された全ての像の相対位置を演算することを特徴とする請求項９記載の波面計測装置。
11. 被検体を透過してきた光、又は、前記被検体により反射された光が、複数のレンズのそれぞれによって集光されたのち、受光部によって、前記複数のレンズにより集光されたそれぞれの光の像が形成されると、
    読み出し部が、前記受光部により形成された複数の像の中から、２つ以上の像を読み出し、
    相対位置演算部が、前記読み出し部により読み出された２つ以上の像の間の相関を演算することによって、前記２つ以上の像の相対位置を演算し、
    波面算出部が、前記相対位置演算部により演算された相対位置から、前記被検体を透過してきた光、又は、前記被検体により反射された光の波面を算出するものであり、
    前記像は、前記受光部により受光された光の領域内部に形成された像であって、それぞれの像のサイズが、前記受光部の撮像面に配置されている画素のサイズよりも大きく、
    前記読み出し部は、前記２つ以上の像を読み出す際に、読み出す像に対する間引きを行い、
    前記相対位置演算部は、前記読み出し部により、間引きが行われた２つ以上の像の間の相関を演算することを特徴とする波面計測方法。
12. 前記読み出し部は、前記読み出す像に対する間引きを行う際に、前記受光部の撮像面における１つおきの画素により形成された像を読み出すことを特徴とする請求項１１に記載の波面計測方法。

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