JPS6360335B2

JPS6360335B2 -

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Publication number: JPS6360335B2
Application number: JP7857379A
Authority: JP
Priority date: 1979-06-21
Filing date: 1979-06-21
Publication date: 1988-11-24
Also published as: JPS562518A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は引伸レンズやマイクロレンズ等の光学
素子のMTF（Modulation Transfer Function：
伝達関数）を測定するMTF測定装置に関する。

〔従来の技術〕

レンズ等の光学素子のMTFを測定する方法と
しては格子チヤートを走査する光学的フーリエ変
換法、エツジ又はスリツトを走査してその電気信
号を電気的にフーリエ解析する電気的フーリエ変
換法、又干渉を利用する自己相関法等が知られて
おり、その測定器が市販されている。

しかし、この市販の測定器では格子チヤート、
エツジ、スリツト等の機械的走査を必要とし、そ
れが回転であるにしろ併進であるにしろ高精度な
メカニズムの走査機構が要求される。したがつて
この走査機構は高価で比較的大きなものになりや
すい為、各像高やチヤートの方向角（所謂
Azimuth）等に対応した個数を設置することが
難しい。この為、１組の走査機構や光源、受光部
等を必要な各位置、方向角に設定して測定を行わ
なければならないので、光軸と軸外２点について
MTFを測定するだけでも少くとも５回の設定変
更を行わなければならない。その上、レンズは一
般に偏心と呼ばれる製作誤差を持つている為、同
じ像高について少くとも対角４方向のMTF測定
を必要とするから、これだけでも17回の設定を行
うことになる。又、Defocusと呼ばれるピントは
ずれ状態の測定を加えれば前述の回数にDefocu
の回数を掛けただけの測定が必要になる。この様
な理由から、レンズの特性判定へのMTF測定の
重要性が呼ばれているにもかかわらず、検査レベ
ルでのMTF普及が遅れている。

次に従来のMTF測定装置の一例を挙げて説明
する。この例は複写レンズ、マイクロレンズ、引
伸レンズ等の様に物体距離有限で使用されるレン
ズやフアイバー等の光学素子のMTFを測定する
ものであり、第１図に示す。図中、１は光源部で
あり、光源とスリツトが主な構成要素であるが、
必要に応じて集光レンズ、拡散板、波長選択フイ
ルタ等を取り付けることができる。この光源部１
のスリツトは測定したい方向角に回転できる様に
構成され、光源部１全体は副ベンチ２の上を摺動
し必要な物体高に設置できる様になつている。３
は被検レンズホルダーであり、被検レンズ４を取
り付ける装置とこれを任意の角度回転できる装置
とからなる。５は受光部であり、走査チヤートと
受光器が主な構成要素であるが、チヤートの走査
機構、空間周波波数変換機構の他、必要に応じて
リレーレンズ、フアインダー等が付加される。こ
の受光部５は光源部１のスリツト方向に対応した
方向角に設置できる様に回転が可能であり、受光
部５全体はもう一つの副ベンチ６の上を摺動し、
設置した物体高に対応した像高が設置できる様に
なつている。副ベンチ２，６及びレンズホルダー
３は主ベンチ７の上を摺動し必要な物体距離と像
距離が設定できる様になつている。

この様なMTF測定装置は多機種少量のレンズ
に対して種々の設定条件でMTFを測定したりレ
ンズ以外の光学素子のMTFを測定する等いわゆ
る万能性には優れているが、大量のレンズの良否
を能率良く判定する必要のあるいわゆる検査機と
してはほとんど使い物にならないのが現状であ
る。つまり、この装置では光源部１と受光部５が
比較的大きい上、特に受光部５は高精度のメカニ
ズムが要求され高価なものとなり易い為、必要な
物体高（像高）に対応する数だけ設置することが
難しい。従つて被検レンズが同機種であつても
個々のレンズのMTF測定を行う度に必要な物体
高に対応した光源部１と受光部５の移動が必要と
なる。そのうえ、軸上以外においては動径方向
（いわゆるRadial）と接線方向（いわゆる
Tangential）の二方向の方向角に従つて光源部
１と受光部５を各物体高（像高）毎に回転させて
設置しなければならない。

そこで、電荷結像素子いわゆるCCDまたはフ
オトダイオードアレイ等で代表される固体走査素
子を用いた、操作性と迅速性に優れているMTF
測定装置が考えられている。このMTF測定装置
ではチヤートの像を被検光学素子を介して固体走
査素子で受光し、この固体走査素子の出力信号に
おける上記チヤートの必要空間周波数の透明部と
不透明部に対応した極大値ａと極小値ｂ、基準の
（チヤートの零に近い空間周波数の）最大値Ａと
最小値Ｂから例えば（ａ−ｂ）／（Ａ−Ｂ）×100
なる演算で被検光学素子のMTFを算出する。

従来の光学的フーリエ変換法によるMTF測定
装置では第２図ａに示すように光源８の前にスリ
ツト９を置き、被検レンズ４によつて投影された
スリツト９の像９ａを正弦波チヤート１０で走査
しその時間的明暗を受光器１１によつて捕えてオ
ツシロスコープ１２で表示し、又は第２図ｂに示
すようにスリツト９と正弦波チヤート１０を入れ
換えて物体側の正弦波チヤート１０を走査して時
間的正弦波を発生させている。なお、MTFを得
るには受光器１１で捕えた正弦波のピーク値と谷
部の値との差をその和で割るという演算を行う。
また第２図ｃに示すように固体走査素子を用いる
MTF測定装置は第２図ｂの装置と同様に光源８
の前に正弦波チヤート１０を置くが、第２図ｂの
装置とは異なり正弦波チヤート１０は固定したま
まであり、被検レンズ４による正弦波チヤート１
０の投影像１０ａを固体走査素子１３で受光す
る。固体走査素子１３は自己走査機能を有してお
り、静止した空間的正弦波１０ｂを時間的正弦波
に変換し、オツシロスコープ１２は第２図ａ，ｂ
の装置と同様に波形を表示する。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上述の固体走査素子を用いたMTF測
定装置ではチヤートの空間周波数が或る程度高く
なると、チヤートが白黒の矩形波状パターンであ
つても固体走査素子１３からの時系列的信号が正
弦波状になり、極大値ａと極小値ｂの明確な区別
がしにくくなつてMTF計算が困難になる。

また固体走査素子１３は非常に多数のフオトエ
レメントを有するので、局部的な半導体の欠陥に
よつて他のフオトエレメントより異常に高い感度
を持つたり逆に低すぎる感度を持つたりするフオ
トエレメントが生ずる事がある。このような異常
感度のフオトエレメントを皆無にしようとする
と、製品の歩留りが悪くなるので、少数のフオト
エレメントの欠陥は一般に許容するようにしてい
る。従つて異常感度のフオトエレメントによる異
常出力の影響を受けてMTF計算が不正確になる。

そこで上記MTF測定装置において固体走査素
子１３の出力信号が特定のシユレツシユホールド
レベルVthより大きくなるチヤートの必要空間周
波数の透明部に対応する範囲Ｌの中の最大値ａ
と、シユレツシユホールドレベルVthより小さく
なるチヤートの必要空間周波数の不透明部に対応
する範囲Ｌの中の極小値ｂとを用いてMTF計算
を行う方式が考えられている。この方式によれば
チヤートの空間周波数が高くなつても極大値ａと
極小値ｂを区別することができる。しかし第９図
のような固体走査素子１３の出力信号（多数のフ
オトエレメントの出力信号を時系列で出力したも
の）における異常感度ビツト（異常感度のフオト
エレメント）による異常値ao、boを極大値ａ、
極小値ｂの代りにMTF計算に用いてしまう確率
が高い。なぜなら感度の高すぎる異常感度ビツト
になる信号aoは領域L₃の中のどこにあつても極
大値となつてMTF計算を誤らせる結果となり、
感度の低すぎる異常感度ビツトによる信号boも
領域L₄において同様の問題を引きおこす。

また上記方式と類似な方式であつてそれぞれの
領域L₃、L₄における両端側の所定数の信号を捨
てて残りの信号の平均値をとつてａ、ｂとする方
式も考えられる。しかし、この方式では各領域
L₃、L₄の両端側の信号を捨てるため、異常感度
ビツトによる異常信号を拾う確率は少し下がる
が、まだかなり高い。しかも残りの信号の平均値
をとるため別の問題が生ずる。即ち、固体走査素
子１３の出力信号は正弦波に近いにも拘らず原理
的に大小関係の有る筈の残りの信号を平均化して
しまうため、極大値、極小値が得られず正しい
MTF計算が行われなくなつてしまう。

本発明は異常信号を拾う確率を極力下げ正しい
MTF計算を行うことができる上に任意のチヤー
ト空間周波数に対し自動的に適応することができ
るMTF測定装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は透明部と不透明部を有するチヤート
と、このチヤートを照明する照明手段と、被検素
子により投影された上記チヤートの像を光電変換
する多数のフオトエレメントを有しこれらのフオ
トエレメントの出力信号を時系列で出力する固体
走査素子とを備え、この固体走査素子の出力信号
の極大値と極小値を求めて被検素子のMTFを算
出するMTF測定装置において、上記固体走査素
子の出力信号を所定のレベルと比較して白側の複
数の連続したフオトエレメントの出力信号を含む
白レベル領域と、黒側の複数の連続したフオトエ
レメントの出力信号を含む黒レベル領域に区分す
る第１の手段と、この第１の手段で区分けされた
白レベル領域と黒レベル領域における各フオトエ
レメント出力信号数を計数して白レベル領域と黒
レベル領域における各中央のフオトエレメント出
力信号もしくは各中央に最も近いフオトエレメン
ト出力信号を一個ずつ前記極小値及び前記極大値
として採用し、これらの値に基づいてMTFを算
出する第２の手段とを有する。

〔作用〕

チヤートが照明手段により照明されて被検素子
によりチヤートの像が固体走査素子に投影され、
固体走査素子がチヤートの像を多数のフオトエレ
メントで光電変換してその出力信号を時系列で出
力する。第１の手段は上記固体走査素子の出力信
号を所定のレベルと比較して白側の複数の連続し
たフオトエレメントの出力信号を含む白レベル領
域と、黒側の複数の連続したフオトエレメントの
出力信号を含む黒レベル領域に区分する。そして
第２の手段は第１の手段で区分けされた白レベル
領域と黒レベル領域における各フオトエレメント
出力信号数を計数して白レベル領域と黒レベル領
域における各中央のフオトエレメント出力信号も
しくは各中央に最も近いフオトエレメント出力信
号を一個ずつ前記極小値及び前記極大値として採
用し、これらの値に基づいてMTFを算出する。

〔実施例〕

第３図は本発明の実施例を示すもので、引伸レ
ンズやマイクロレンズの検査、調整を目的とした
ものである。図中、８は光源であり、ここでは螢
光灯を示してあるが、ハロゲンランプに集光照明
系を組合せたものでもよい。１４は拡散板であ
り、全画面における照度分布のむらを取り除く為
と照明光のコヒーレンシイを減少させる目的で挿
入される。１０はチヤート板で、第４図に示す様
に必要な物体高又は像高に対応する位置全てに同
様なチヤート素子１０₁，１０₂…が配置されてい
る。このチヤート素子１０₁，１０₂…は全て動径
方向のチヤートを示しているが、第５図に示す様
に同一チヤート板１０に接線方向も同時に配置で
きることはもちろんである。又各チヤート素子１
０₁，１０₂…は必要な単一周波数のチヤートであ
れ、選定された複数の周波数のチヤートであれ任
意であるが、必ず規格化用の比較的幅の広い透明
部と不透明部を有しており、各物体高又は像高に
おいて近似的に零空間周波数のMTF１に規格化
できるように構成されている。被検レンズ４はレ
ンズホルダー３に取り付けられ、被検レンズ４自
体のピント合わせ機構もしくはレンズホルダー３
のピント合わせ機構により上下に移動されピント
合わせが行われる。１５は固体走査素子１３を一
平面上に設置する板であり、この例では９個の固
体走査素子１３₁〜１３₉がチヤート板１０の各チ
ヤート素子１０₁，１０₂…の配列に対応して設置
されている。

このような装置では各像高や方向角につき一度
に全ての情報が得られる為、後はその電気的演算
処理により短時間に被検レンズの良否の判定が可
能になる。

第６図は固体走査素子１３として用いられる光
電変換素子CCDの内部構成を示し、第７図はそ
のタイミングチヤートである。ここでは1728個の
フオトエレメントからなる光電変換法１６が13μ
ｍのピツチで並んでいて入射した結像光を光電変
換し、その光電変換信号が転送クロツクにより転
送ゲート１７，１８を通つてアナログシフトレジ
スタ１９，２０に入りシフトロツクφ₁，φ₂によ
り出力ゲート２１を通して時系列に出力される。
この実施例においては光源８から出た光が拡散板
１４で拡散されて均一光となり、チヤート板１０
を照明する。チヤート板１０のチヤート素子１０
_１，１０₂…を透過した光は被検レンズ４を介して
CCD１３₁〜１３₉上に白黒のパターンとして結像
され、CCD１３₁〜１３₉から出力信号が時系列に
出力される。この時のCCD１３の出力信号から
基準の最大値Ａ、基準の最小値Ｂ、チヤートの必
要空間周波数の透明部と不透明部に対応した極大
値ａ、極小値ｂを求めてこれらより（ａ−ｂ）／
（Ａ−Ｂ）×100なる演算で被検レンズ４のMTFを
算出する。

第８図はこの実施例の電気回路を示す。CCD
１３₁〜１３₉は各チヤート素子１０₁，１０₂…か
らの結像光をそれぞれ光電変換して時系列に出力
するが、アナログマルチプレクサ２２でCCD１
３₁〜１３₉が１つづつ順に選択される。その選択
されたCCDの出力信号はＡ／Ｄ変換回路２３で
デイジタルに変換され、演算回路２４で上記Ａ、
Ｂ、ａ、ｂが求められて（ａ−ｂ）／（Ａ−Ｂ）
×100なる演算によりMTFの計算が行われる。制
御回路２５はアナログマルチプレクサ２２、Ａ／
Ｄ変換回路２３、演算回路２４、デイジタルマル
チプレクサ２６を制御し、表示器２７₁〜２７₉を
CCD１３₁〜１３₉の選択に対応して選択してその
表示器に演算回路２４の演算結果を表示させる。
このような動作がCCD１３₁〜１３₉の出力信号に
対して全て終了した時に測定終了となる。又第８
図には示していないが、上記演算結果と設定数値
より合否を判定する判定回路を設けて被検レンズ
の合否を判定することが可能である。

第１０図は或る空間周波数のチヤートに対応す
るCCD１３の出力信号の例を示している。この
ように空間周波数が或る程度高くなると、元のチ
ヤートが白黒の矩形波状のパターンであつても出
力信号の包絡線は正弦波状になる。従つてチヤー
トの白部に対する信号と黒部に対する信号は明確
な区別がしにくくなる。そこで通常の方法でシユ
レツシユホールドレベルVthを定めてCCD１３の
出力信号をシユレツシユホールドレベルVthに対
する大小関係でチヤートの必要空間周波数の透明
部に対応した白側の白レベル領域L₃と、チヤー
トの必要空間周波数の不透明部に対応した黒側の
黒レベル領域L₄を区分する。本実施例において
MTF演算用の出力値ａ、ｂとしてチヤートの必
要空間周波数の透明部と不透明部に対応した領域
L₃、L₄の中央に位置する１個のフオトエレメン
トによる信号を用いる点に特徴がある。領域中の
奇数個の信号がある場合中央にある信号は必然的
に１個定まるが、領域中に偶数個の信号が含まれ
る場合は領域の中央に最も近い２個の信号のうち
１個の信号をあらかじめ指定しておいて条件によ
つて一方的に採用するか或いは次のような方法を
採る。即ち、領域L₃においては中央に最も近い
２個の信号のうち大きい方の信号を採用し、領域
L₄においては逆に小さい方の信号を採用する。
或いは信号の大小を判断する煩わしさを避けるた
め領域の中央に最も近くて原理的にレベル差があ
まりない２個の信号の平均値を採用してもよい。
このようにすれば採用した信号がCCDの異常感
度エレメントからの信号である確率は前記従来方
式よりはるかに小さくなる。又前記従来方式のよ
うに領域の両端側を捨てて残りの連続した３個以
上の信号を平均してａ、ｂを得ると、ａは極大値
よりも小さくｂは極小値よりも大きくなるので、
MTFの計算値が小さい値になるが、本実施例で
は上記方式によりその危険性が殆んどない。

第１０図において、シユレツシユホールドレベ
ルVthより信号の方が大きい領域L₃には10個の信
号が含まれている。この領域L₃の信号を右から
S₁…S₁₀とすれば領域L₃の丁度中央に位置する信
号は存在しないので、中央をはさんで両側の信号
S₅，S₆に着目する。信号の包絡線は正弦波状であ
るので、領域L₃内の信号の包絡線は中央位置で
最大になる山形の対称曲線に近くなる。従つて信
号S₅とS₆はほぼ同レベルである。そこでS₅＝a₁、
S₆＝a₂とし、MTF計算に用いる最大値ａとして
次に示すいくつかの方法〜のいずれかの回路
で定める。

時系列的に先に出てくる信号を用いる。

ａ＝a₁ 時系列的に後で出てくる信号を用いる。

ａ＝a₂ a₁とa₂を比較して大きい方を用いる。

ａ＝max（a₁、a₂） a₁とa₂がほぼ同レベルであるから両者の平均
をとる。

ａ＝１／２（a₁＋a₂）第１０図において、シユレツシユホールドレベ
ルVthより信号の方が小さい領域L₄には９個の信
号が含まれているので、中央に位置する信号は１
個だけ確定し、これをｂとする。CCD１３の各
フオトエレメント（光電変換部）には微小な感度
の差異があるので、このｂが領域L₄の中の最小
値であるという保証はないが、極小値である確率
が最も高く、もし極小値でない場合でも極小値に
非常に近いことは保証できる。領域L₄に含まれ
る信号数が偶数であれば前述のａの定め方と類似
の方法でｂを定めればよい。但し、上記の代り
に 3a b₁とb₂を比較して小さい方を用いる。

ｂ＝min（b₁、b₂）とする。

次に具体的回路の構成例とともに本実施例を説
明する。なお、この例は信号をすべてアナログ処
理する例であるが、固体走査素子の出力信号を増
幅した後Ａ／Ｄ変換し、以後デイジタル処理して
もよい。

本実施例ではCCD１３を用いたMTF測定装置
において各CCD毎にその出力信号における白レ
ベル領域L₃及び黒レベル領域L₄の各中央の信号
（時間でL₃／２、L₄／２）をそれぞれサンプリン
グしてａ、ｂとしてMTF計算を行うが、その処
理を行う部分（演算回路２４の一部）の回路構成
を第１１図に示し、第１２図にそのタイムチヤー
トを示す。まずCCD１３を駆動するCCDクロツ
クがCCD１３に入力されると同時に1/2分周回路
２８にも入力される。CCD１３からの出力信号
は増幅器２９で増幅され、アナログシフトレジス
タ３０に入力されて32ビツト分が記憶される。又
増幅器２９の出力信号はコンパレーター３１に入
力されてシユレツシユホールドレベルVthを基準
にして二値化され、リセツト回路３２によりシユ
レツシユホールドレベルVthを基準に切換つたビ
ツトの最初にリセツト信号が出力される。CCD
クロツクは1/2分周回路２８で1/2に分周されてバ
イナリーカウンター３３でカウントされ、このバ
イナリーカウンター３３はリセツト回路３２から
のリセツト信号によりリセツトされる。すなわち
バイナリーカウンター３３はアナログシフトレジ
スタ３０の進み量に対してカウント量が1/2で時
間的に1/2になる。以上の動作でシユレツシユホ
ールドレベルVthを基準にして各領域L₃、L₄の信
号数がバイナリーカウンター３３でカウントされ
ることになり、そのカウント数はリセツト信号の
手前では領域内の信号数が奇数の場合には領域の
中央のビツトを示し、領域内の信号数が偶数の場
合には領域の中央に最も近い２ビツトのうちの手
前のビツトを示す。領域内の信号数が偶数の場合
バイナリーカウンター３３をリセツト信号でリセ
ツトしないで１つカウントさせればそのカウント
数は領域の中央の次のビツトを示すことになる。
アナログマルチプレクサー３４はバイナリーカウ
ンター３３のカウント量でコントロールされてア
ナログシフトレジスタ３０の出力信号S₁…S₃₂の
うちの１つの信号を指定して出力し、第１０図の
領域L₃では信号S₆、領域L₄では信号S₅を出力す
る。この様子を第１３図に示す。MTF計算はこ
のアナログマルチプレクサー３４の出力信号ａ、
ｂと、従来と同様にCCD１３の出力信号より求
めたＡ、Ｂとにより（ａ−ｂ）／（Ａ−Ｂ）×100
なる演算で図示しない回路により行われる。

上記実施例ではCCDクロツクを1/2に分周して
カウントしているが、アナログマルチプレクサー
の入力で1/2に分周されていれば良いので、他の
デイジタル回路例えばバイナリーカウンターで
CCDクロツクをカウントしそのカウント数を1/2
に割算してもよい。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば透明部と不透明部
を有するチヤートと、このチヤートを照明する照
明手段と、被検素子により投影された上記チヤー
トの像を光電変換する多数のフオトエレメントを
有しこれらのフオトエレメントの出力信号を時系
列で出力する固体走査素子とを備え、この固体走
査素子の出力信号の極大値と極小値を求めて被検
素子のMTFを算出するMTF測定装置において、
上記固体走査素子の出力信号を所定のレベルと比
較して白側の複数の連続したフオトエレメントの
出力信号を含む白レベル領域と、黒側の複数の連
続したフオトエレメントの出力信号を含む黒レベ
ル領域に区分する手段と、この手段で区分けされ
た白レベル領域と黒レベル領域における各フオト
エレメント出力信号数を計数して白レベル領域と
黒レベル領域における各中央のフオトエレメント
出力信号もしくは各中央に最も近いフオトエレメ
ント出力信号を一個ずつ前記極小値及び前記極大
値として採用し、これらの値に基づいてMTFを
算出する手段とを備えたので、異常信号を拾う確
率を大幅に下げることができて正しいMTF計算
を行うことができるばかりでなく、任意の空間周
波数に対してもあるいは一方の端の低空間周波数
から他方の端の高空間周波数までを連続的に含む
チヤートに対しても自動的に適応することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のMTF測定装置の一例を示す斜
視図、第２図はMTF測定原理を説明するための
図、第３図は本発明の実施例を示す斜視図、第４
図及び第５図はチヤート板の各例を示す平面図、
第６図はCCDの内部構成を示すブロツク図、第
７図はCCDの動作を示すタイミングチヤート、
第８図は上記実施例の電気回路を示すブロツク
図、第９図は従来装置を説明するための波形図、
第１０図は上記実施例のCCDの出力信号を示す
波形図、第１１図は上記電気回路の一部を示すブ
ロツク図、第１２図は同電気回路の動作を示すタ
イムチヤート、第１３図は同電気回器を説明する
ための図である。２８……1/2分周回路、３０……アナログシフ
トレジスタ、３１……コンパレーター、３２……
リセツト回路、３３……バイナリーカウンター、
３４……アナログマルチプレクサー。

Claims

【特許請求の範囲】

１透明部と不透明部を有するチヤートと、この
チヤートを照明する照明手段と、被検素子により
投影された上記チヤートの像を光電変換する多数
のフオトエレメントを有しこれらのフオトエレメ
ントの出力信号を時系列で出力する固体走査素子
とを備え、この固体走査素子の出力信号の極大値
と極小値を求めて被検素子のMTFを算出する
MTF測定装置において、上記固体走査素子の出
力信号を所定のレベルと比較して白側の複数の連
続したフオトエレメントの出力信号を含む白レベ
ル領域と、黒側の複数の連続したフオトエレメン
トの出力信号を含む黒レベル領域に区分する手段
と、この手段で区分けされた白レベル領域と黒レ
ベル領域における各フオトエレメント出力信号数
を計数して白レベル領域と黒レベル領域における
各中央のフオトエレメント出力信号もしくは各中
央に最も近いフオトエレメント出力信号を一個ず
つ前記極小値及び前記極大値として採用し、これ
らの値に基づいてMTFを算出する手段とを備え
たことを特徴とするMTF測定装置。