JPH01194586A - 固体撮像素子の位置測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はＣＣＤ等の固体撮像素子を撮像光学系の所定位
置に配置して撮像する固体撮像装置において、基準位置
に対する固体撮像素子の位置を測定する場合に適用する
固体撮像素子の位置測定方法に関するものである。

従来の技術 一般にカラー固体撮像装置では一本の撮像光を色分解光
学系にて複数の色光成分に分解して各色成分の被写体像
をそれぞれＣＣＤ等の固体撮像素子で撮像することによ
ってテレビジョン信号を得ている。

複数の固体撮像素子を用いたカラー固体撮像装置では撮
像管のように電気的なレジストレーション調整を行うこ
とができないので、機械的に極めて高い精度でそれぞれ
の固体撮像素子相互の位置あわせを行い、これを維持す
る必要がある。

すなわち各固体撮像素子により撮像される各色成分の被
写体像のレジストレーション調整を、第６図にその方向
を示すように （１）水平方向位置調整（±Ｘ方向） （２）垂直方向位置調整（±Ｙ力方向 （３）バックフォーカス調整（±Ｚ力方向（４）水平方
向のあおり調整（±Ｒｙ方向）（５）垂直方向のあおり
調整（±Ｒｘ方向）（６）ローテーション調整（±Ｒｚ
調整）の６軸方向について行った後に各固体撮像素子を
色分解光学系の色分解プリズムの各出射面に取り付けて
いる。各固体撮像素子を色分解プリズムの出射面に取り
付ける際には、固体撮像素子を動かすことが可能である
から、例えば特開昭６１−２８８６８４号公報などに示
されている方法などによって６軸方向についてそれぞれ
固体撮像素子を微動しながら最良の位置を検出し、その
位置に設定することが可能である。

発明が解決しようとする課題 しかるに、各固体撮像素子を色分解プリズムの出射面に
取り付けた後に上記の±Ｚ力方向±Ｒｘ方向、±Ｒｙ方
向のレジストレーションを測定しようとする場合には、
各固体撮像素子を動かすことができないので有効な測定
方法がなかった。　　、本発明はかかる点に鑑みてなさ
れたものであり、光学系の所定の位置に取り付けられた
固体撮像素子の位置を高精度で測定することを目的とし
たものである。

課題を解決するための手段 上記の問題点を解決するための技術的手段は、固体撮像
素子の水平或いは垂直方向に濃淡を繰り返す格子状パタ
ーンを撮像レンズを介して固体撮像素子により撮像し、
前記格子状パターンを前記撮像レンズの光軸方向に移動
させるとともに、前記格子状パターンと前記固体撮像素
子の画素配列とにより生成されるモアレのコントラスト
が最大となる位置を検出し、この位置の物体側基準位置
に対する相対位置関係より前記固体撮像素子の光軸方向
における像側基準位置に対する相対位置関係に換算する
ようにしたものである。

作用 本発明に係る固体撮像素子の位置測定方法では、固体撮
像素子の水平或いは垂直方向に濃淡を繰り返す格子状パ
ターンを撮像レンズを介して固体撮像素子に結像させて
得られる繰り返しパターン像と固体撮像素子の画素配列
とにより生成されるモアレ成分を得る。このモアレ成分
のコントラストはデフォーカス量、すなわち上記±Ｚ力
方向レジストレーション誤差に依存して変化し、最良像
面において最大となる。

したがって上記格子状パターンを光軸方向に移動させて
モアレ成分のコントラストが最大となる位置を検出する
ことにより、この位置の物体側基準位置に対する相対位
置関係より縦倍率の関係から固体撮像素子の像側基準位
置に対する相対位置関係に換算することによる。

実施例 まず、本発明に係る固体撮像素子の位置測定方法の原理
について第１図により説明する。第１図において、Ｈ，
Ｈ’はそれぞれレンズの前側主平面、後側主平面であり
、またＦ、Ｆ’　　は前側焦点、後側焦点、ｆ、ｆ’は
前側焦点距離、後側焦点距離である。いま、（ａ）図の
ように前側焦点ＦからＸなる位置すなわち物点○にある
物体ｙがレンズによって後側焦点Ｆ′からＸ゛なる位置
すなわち像点Ｏ′に像ｙ゛を結像する。この時の結像関
係は次式で表される。

ｘ−ｘ゛＝ｆ−ｆ゛　・・・（１） 次に、（ｂ）図のように前側焦点Ｆからｘ＋ｘｌ　の物
点Ｑ＋　にある物体ｙ１が同じレンズにより後側焦点Ｆ
′からｘ’　十ｘビの像点０１゛に像ｙ１’を結像した
とする。別の言い方をすれば、後側焦点Ｆ゛からＸ’　
＋ＸＩ’の位置に像Ｙｌ’を与える物体ｙ１　が前側焦
点Ｆからｘ＋ｘ＋　　の位置にあるとする。この時の結
像関係は次式で表される。

（ｘ＋ｘ＋）（ｘ’＋ｘ＋’）＝ｆ　＊　ｔ”　　＠　
＠　・（２）上式（１）、Ｃ）より次の縦倍率による換
算式を得る。

ｘ＋’＝　−（ｘ−ｘｌ＞／　（ｘ　＋　ｘ＋）＝−（
α・ｘｌ）／　（１＋ｘ＋／　ｘ　）ここでαは（ａ）
図の状態における縦倍率であり、α＝ｘ’／ｘであられ
される。したがって（ａ）図の状態における物点位置Ｘ
と縦倍率αが明らかであれば、ＸｌからＸＩ’を求める
ことができる。

さらに、Ｘ＋／Ｘが小さい場合には近似換算式として次
式を与えることができる。

ＸＩ’ζ−α・Ｘｌ すなわち（ａ）図の状態を基準として、像点Ｏ゛に対す
る像点Ｑ＋’の位置の差、すなわちＸＩ’を求めようと
すると、物点Ｏに対する物点ＯＩの位置の差、すなわち
ｘｌを求めることによって上記の縦倍率による換算式を
用いて算出することができる。

本発明はこの原理に基づいて、物点を光軸方向に移動さ
せながら最良像点を与える物点位置を求めて、この物点
位置の基準物点位置に対する相対位置関係を、求めよう
とする像点の基準像点位置に対する相対位置関係に換算
するものである。

以下、本発明に係る固体撮像素子の位置測定方法の一実
施例について、図面に従って詳細に説明する。

第２図ないし第５図は三板式ＣＣＤカラー撮像装置のレ
ジストレーションを測定するレジストレーション測定装
置に本発明を適用したものである。第２図はレジストレ
ーション測定装置を模式的に示した構成図である。所定
のパターンを有したテストチャート１を光軸２に対して
垂直に配設し、このテストチャート１からの撮像光を撮
像レンズ３により撮像装置の光学系に導く。撮像レンズ
３を通過した撮像光は三色分解プリズム４により赤色帯
域光Ｒ１緑色帯域光Ｇ、青色帯域光Ｂの三原色光に分光
され、それぞれの撮像光は三色分解プリズムの出射面に
取り付けられた固体撮像素子５ｒ、５ｇ、５ｂにより受
光される。固体撮像素子５ｒ、５ｇ、５ｂは固体撮像素
子駆動回路６により駆動されて上記各色撮像光すなわち
テストチャート１を撮像する。各固体撮像素子５ｒ、５
ｇ、５ｂの撮像信号は増幅器７を経たのちＡ／Ｄ変換器
８によりディジタル信号に変換され一旦フレームメモリ
ー９に蓄積される。フレームメモリー９に蓄積された撮
像信号は逐次パーソナルコンピューター１０に供給され
演算処理され、その結果はプロッター１１に出力される
。

更に、テストチャート１は送りテーブル１２に取り付け
られて光軸方向に移動可能であり、パーソナルコンピュ
ーター１０の指令にもとづいてドライブ回路１３を介し
てモーター１４を駆動し送りテーブル１２を制御するこ
とができる。

次に、この実施例におけるテストチャート１について説
明する。テストチャート１には第３図に模式的に示すよ
うに一定ピッチで濃淡を繰り返す傾斜した格子状パター
ンがチャートの中央部と、水平方向の中心線ＣＬｈ及び
垂直方向の中心線ＣＬｖを挟んで上下及び左右の対称な
位置に配されている。中央部の格子状パターンＰＴｃは
±Ｚ力方向位置ずれ、すなわちバックフォーカスの測定
に用い、上下及び左右のパターンＰＴｕ、ＰＴｄ、ＰＴ
Ｉ、ＰＴｒはそれぞれ±Ｒｘ方向及び±Ｒｙ方向のあお
りの測定に用いる。格子状パターンは本実情例のように
特定の領域にあってもよいし、テストチャート１の全域
にあってもよい。また、格子状パターンのピッチについ
ては厳密な制約はな（、固体撮像素子に結像した時、画
素配列と係合してモアレを生成する程度であればよい。

格子状パターンは必ずしも傾斜させる必要はないが、次
に述べる理由から傾斜させる方が望ましい。第４図は２
つの重ねあわされた格子と、この重ねあわせによって得
られるモアレとの関係を求める格子ベクトル法の原理図
である。ここで言う２つの格子とは固体撮像素子に結像
した格子状パターン像と固体撮像素子の画素配列に相当
する。

格子ベクトルＧをそれぞれの格子構造の格子線方向に垂
直で、大きさが格子ビッヂの逆数に等しいベクトルと定
義する。ピッチＳｌの基準となる第１の格子２１すなわ
ち固体撮像素子の画素配列に、ピッチＳ２の第２の格子
２２すなわち格子状パターン像がαなる角度で重ねあわ
されたとき得られるモアレ２３を鈍い交角の対点を結ぶ
線群として求めることができる。更に、Ｇ１．Ｇ２の二
つの格子ベクトルの差ベクトルＧ３がモアレのベクトル
になることが知られている。二つの格子ベクトルＧｌ、
Ｇ２とモアレのベクトルＧ３とで作られる三角形に余弦
定理を適用して次式が得られる。

ｇ３　　　＝ｇｌ　　　＋ｇ２　　−２ｇ１ｇ２・ｃｏ
ｓａｇｌ、ｇ２、ｇ３はそれぞれベタ１トルＧｌ、Ｇ２
、Ｇ３の大きさを表す。

したがって、傾斜しない格子状パターンを撮像した場合
、その像と画素配列との成す交差角はα＝０であるから
、ｇｌ≠ｇ２のときは像ピッチと画素配列ピッチとのピ
ッチ差にもとず（ビートが得られるが、ｇｌとｇ２が等
しくなるにしたがってｇ３がＯに近づくためビートが得
られずコントラストを計測することができない。本発明
のようにテストチャート１を光軸方向に移動させると、
それにともなって像の大きさが変化するから上記のよう
なビートの得られない場合も充分に有りうるから結像倍
率の設定にあたっては注意を必要とする。

これに対して傾斜した格子状パターンを撮像した場合の
交差角はα≠０であるから、ｇ３がＯになることはな（
必ずモアレを得ることができる。したがって格子状パタ
ーンを傾斜させる方が条件的に制約を受けないのでより
効率的な測定が可能となる。

次に本実施例における固体撮像素子の位置測定の手順に
ついて説明する。三板式ＣＣＤカラー撮像装置における
±Ｚ力方向レジストレーションをＧ−Ｃｈの固体撮像素
子５ｇを基準として測定する場合を考える。

まず、テストチャート１を送りテーブル１２のストロー
クの中央付近に設定してこれを撮像し、Ｇ−ｃｈの固体
撮像素子５ｇからの撮像出力をモニターテレビで見るな
どしてほぼジャストフォーカスになるよう撮像レンズ３
を調節して設定する。

続いてテストチャートを送りテーブル１２の始点に移動
させ、ここを測定開始点としてテストチャート１の中央
部の格子状パターンＰＴｃによって得られるモアレのコ
ントラストをそれぞれの固体撮像素子５ｒ、５ｇ、５ｂ
について計測する。

以下順次テストチャート１を送りテーブル１２の終端ま
でステップ的に移動させながらそれぞれの位置における
コントラストを計測する。

このようにして第５図に示すように、Ｒ，Ｇ。

Ｂそれぞれの固体撮像素子５ｒ、５ｇ、５ｂのテストチ
ャート１の位置に対するコントラストの計測結果が得ら
れる。この計測結果より各チャンネルにおいてコントラ
ストが最大となるテストチャート位置Ｘｒ、Ｘｇ、Ｘｂ
を求め、（Ｘｇ−Ｘｒ）、（Ｘｇ−Ｘｂ）から前記縦倍
率による換算式によってＧ−ｃｈの固体撮像素子５ｇに
対するＲ−ｃｈ、Ｂ−ｃｈの固体撮像素子５ｒ、５ｂの
光軸方向の位置ずれを算出する。

コントラスト計測に際しては、テストチャート１の移動
に伴い像の大きさすなわち撮像領域が変化することをふ
まえたうえで、計測領域を必要最少限に設定すればよい
。計測領域に設定されたｍ×ｎ個の画素の撮像信号はＡ
／Ｄ変換器８を例えば８ビツトＡ／Ｄ変換器とすると２
５６階調のディジタル信号となるから、これらの信号の
うち最大値、最小値をそれぞれＴ　ｍａｘ、、１ａｉｎ
、とするとコントラストＣは次式で与えられる。

Ｃ＝（Ｉｎ＋ａｘ、　−１ｍ１ｎ、）／（Ｉｍａｘ、　
＋　Ｉ＋ｉｎ、）この式かられかるようにコントラスト
はテストチャートの照度変化や照度ムラに依存しないの
で、デフォーカス量を正当に評価することができる。

なお、本実施例では三板式ＣＣＤカラー撮像装置につい
て説明したが、単一の固体撮像素子を用いる単板式撮像
装置でも同様にして計測することができる。この場合は
設計的に決定した物点とそれに対する像点を基準にして
、基準物点に対する相対位置関係を基準像点に対する相
対位置関係に換算すればよい。

発明の効果 土工述べてきたように本発明によれば、固体撮像素子の
水平あるいは垂直方向に濃淡を繰り返す格子状パターン
を撮像レンズを介して固体撮像素子により撮像し、前記
格子状パターンを前記撮像レンズの光軸方向に移動させ
るとともに、前記格子状パターンと前記固体撮像素子の
画素配列とにより生成されるモアレのコントラストが最
大となる位置を検出し、この位置の物体側基準位置に対
する相対位置関係より前記固体撮像素子の光軸方向にお
ける像側基準位置に対する相対位置関係に換算するによ
り、簡単かつ高精度に固体撮像素子の光軸方向位置ずれ
を測定することができる。

さらに、格子状パターンを水平あるいは垂直方向に対し
て傾斜した傾斜パターンにすることにより、いかなる撮
像倍率においても必ずモアレを得ることができ測定条件
に制約を与えることがないので効率的な測定が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の固体撮像素子の位置測定方
法の原理図、第２図は本発明を適用した三板式ＣＣＤカ
ラー撮像装置のレジストレーション測定装置の一実施例
を模式的に示した構成図、第３図は同実施例におけるレ
ジストレーション測定用テストチャートの構成を示す模
式図、第４図はモアレの生成を説明するための格子ベク
トル法の原理図、第５図は同装置のレジストレーション
測定結果を示す図、第６図はレジストレーション調整に
おける調整方向を説明するための固体撮像素子の外観斜
視図である。 １・・テストチャート、３・・撮像レンズ、５ｒ、５ｇ
、５ｂ・・固体撮像素子。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　ほか１名城０− ＄３　　図 第４図 ｔ 第　５　図 Ａｈ　　　　　　　　　テストチｉ−ト旬ｈＩ第　６　
図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）固体撮像素子の水平或いは垂直方向に濃淡を繰り
   返す格子状パターンを撮像レンズを介して固体撮像素子
   により撮像し、前記格子状パターンを前記撮像レンズの
   光軸方向に移動させるとともに、前記格子状パターンと
   前記固体撮像素子の画素配列とにより生成されるモアレ
   のコントラストが最大となる位置を検出し、この位置の
   物体側基準位置に対する相対位置関係より前記固体撮像
   素子の光軸方向における像側基準位置に対する相対位置
   関係に換算する固体撮像素子の位置測定方法。
2. （２）格子状パターンは前記固体撮像素子の水平或いは
   垂直方向に対して傾斜した傾斜パターンである請求項１
   に記載の固体撮像素子の位置測定方法。