JPS6336450B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 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測定装置における信
号処理方法に関する。

レンズ等の光伝達素子の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Defocus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、レンズの性能判定へのMTF測定の重
要性が叫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。この装置は複写レンズ、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は被験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、電荷結合素子いわゆる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、操作性と迅速正に優れているMTF
測定装置が考えられている。この装置では、被検
素子により投影されたチヤートの像が固体走査素
子で受光されてその出力信号より基準の（チヤー
トの零に近い空間周波数の透明部と不透明部に対
応した）最大値Ａと最小値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
と極小値ｂを検出し、これらから例えば（ａ−
ｂ）／（Ａ−Ｂ）×100なる演算で被検光学素子の
MTFを算出する。

しかしこの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、チヤートが透明部
と不透明部の矩形波状パターンであつても固体走
査素子からの時系列的信号が正弦波状になり、そ
の極大値ａと極小値ｂの明確な区別がしにくくな
つてMTFの計算が困難になる。また固体走査素
子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
ること 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、製品の歩留まりが悪く
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の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より大きくてチヤートの必要空間周波数の
透明部に対応する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範囲L₃の中の極大値
を真の極大値ａとし、固体走査素子の出力信号が
特定のシユレツシユホールドレベルVthより小さ
くてチヤートの必要空間周波数の不透明部に対応
する黒側の複数の連続したフオトエレメント出力
信号を含む範囲L₄の中の極小値を極小値ｂとし
てMTFの計算を行う方法が考えられている。こ
の方法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から時系
列で出力されたフオトエレメント出力信号におけ
る異常感度のフオトエレメント出力信号による異
常値a₀b₀を真の極大値ａ、真の極小値ｂの代りに
MTFの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のフオトエレメント出
力信号a₀は範囲L₃の中のどこにあつても極大値と
なつてMTFの計算を誤らせる結果となり、感度
の低すぎる異常感度のフオトエレメント出力信号
b₀も範囲L₄において同様の問題を引き起こす。

また上記方法と類似な方法であつてそれぞれの
範囲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
法も考えられている。しかしこの方法では各範囲
L₃、L₄の両端側の信号を捨てるために異常感度
のフオトエレメン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
化してしまうために真の極大値、極小値が得られ
ず、正しいMTFの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て正し
いMTFの計算を行うことができる上に任意のチ
ヤートの空間周波数に対して自動的に適応するこ
とができるMTF測定装置における信号処理方法
を提供することを目的とする。

まず、従来の光学的フーリエ変換法による
MTF測定原理と固体走査素子を用いるMTF測定
原理について説明する。従来の光学的フーリエ変
換法では第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。
一方、第２図ｃに示すように固体走査素子を用い
るMTF測定方法は第２図ｂの方法と同様に光源
８の前に正弦波チヤート１０を置くが、第２図ｂ
の方法と異なり正弦波チヤート１０は固定した
まゝであり、被検レンズ４による正弦波チヤート
１０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い
る為、静止した空間的正弦波を時間的正弦波に変
換し、オツシロスコープ１２には第２図ａ，ｂの
方法と同様に波形が表示される。

第３図は固体走査素子を用いたMTF測定装置
の一例を示すもので、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
度分布のムラ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図に示すように同一チヤート板
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１０₁，１０₂……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MTFを１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１
３₁〜１３₉がチヤート板１０のチヤート素子１０
_１，１０₂……の配列に対応して設置されている。

この様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部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に入りシフトクロツクφ₁，φ₂に
より出力ゲート２１を通して時系列に出力され
る。第３図の装置においては光源８から出た拡散
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、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MTF測定装置の電気部を示す。
CCD１３₁〜１３₉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
CCD１３₁〜１３₉が１つずつ順に選択される。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を求めて（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
信号の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
対応した白側の複数の連続したフオトエレメント
出力信号を含む白レベル領域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複数
の連続したフオトエレメント出力信号を含む黒レ
ベル領域L₄を区分する。本発明においてはMTF
演算用の出力値ａ、ｂとして夫々の領域L₃、L₄
の中央に位置するフオトエレメントの出力信号を
用いる点に特微がある。領域中に奇数個の信号が
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た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の異常感度フオトエレ
メントからの信号である確率は前記従来方法より
はるかに小さくなる。又前記従来方法のように領
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は真の極大値よ
りも小さくｂは真の極小値よりも大きくなるので
MTFの計算値が真のMTFより小さい値になる
が、本発明では上記方法によりその危検性が殆ん
どない。

第１０図においてスレツシユホールドレベル
V_thより信号の方が大きい領域L₃には10個のフオ
トエレメント出力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S₉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〜
のいずれかを回路で定める。

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＝m_ax（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
V_th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の中の極小値で
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＝m_io（b₁、b₂） とする。

次に具体的回路構成例とともに本発明の実施例
を説明する。尚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、以後デジタル処理してよ
もい。

本実施例は前記CCD１３を用いたMTF測定装
置において白レベル領域L₃及び黒レベル領域L₄
の各中央の信号（時間でL₃／２、L₄／２）をサ
ンプリングしてａ、ｂとしてMTF計算を行なう
が、その際の単一空間周波数のチヤートを使用し
て一組目の白レベル領域及び黒レベル領域の中央
をカウント数で検出して記憶し２組目以降の白レ
ベル領域及び黒レベル領域の中央をサンプリング
する。

第１１図は本実施例の回路構成を示し、第１２
図はそのタイミングチヤートである。CCD１３
の出力信号は増幅器２８で増幅され、コンパレー
ター２９によりシユレツシユホールドレベルV_th
で二値化されて白レベル領域L₃と黒レベル領域
L₄が区別される。フリツプフロツプ３０，３１
及びゲート３２よりなる回路３３はコンパレータ
ー２９の出力信号より最初の一組の白レベル領域
L₃及び黒レベル領域L₄を検出し、その出力信号
をゲート３４，３５に送る。ゲート３４はコンパ
レーター２９の出力信号が入力されてチヤートの
必要空間周波数の透明部と不透明部における最初
の透明部に対応した最初の白レベル領域L₃で有
効となり、CCDクロツクが1/2分周回路３６で1/
２に分周されてゲート３４を通りバイナリーカウ
ンター３７でカウントされて記憶される。この
時、バイナリーカウンター３７はCCDクロツク
の進み量の1/2でカウントすることになり白レベ
ル領域L₃の中央を検出して記憶することになる。
又ゲート３５はコンパレータ２９の出力信号がイ
ンバーター３８で反転されて入力され、チヤート
の必要空間周波数の透明部と不透明部における最
初の不透明部に対応した最初の黒レベル領域L₄
で有効となる。従つてCCDクロツクが1/2分周回
路３６で1/2に分周されてゲート３５を通りバイ
ナリーカウンター３９でカウントされて記憶され
ることにより黒レベル領域L₄の中央が検出され
て記憶される。次に上記回路３３からゲート４
０，４１に信号が送られ、セツト回路４２はコン
パレーター２９の出力信号が切換る点を検出す
る。そしてダウンカウンター４３はセツト回路４
２の出力によりバイナリーカウンター３７の記憶
データーがセツトされ、CCDクロツクによりカ
ウントダウンして行く。ゲート４０はダウンカウ
ンタ４３及びコンパレーター２９の出力が入力さ
れ、ダウンカウンタ４３の内容が０になつた時に
出力信号を出力してアナログスイツチ４４を開き
増幅器２８からの信号を出力させる。このアナロ
グスイツチ４４からの出力信号はチヤートの必要
空間周波数の透明部と不透明部における２番目の
透明部に対応した２番目の白レベル領域L₃にお
ける中央の信号であり、チヤートの必要空間周波
数の透明部と不透明部における３番目以降の透明
部に対応した３番目以降の白レベル領域について
も同様に出力される。又ダウンカウンタ４５はセ
ツト回路４２の出力によりバイナリーカウンター
３９の記憶データーがセツトされ、CCDクロツ
クによりカウントダウンして行く。ゲート４１は
ダウンカウンタ４５の出力が入力されると共にコ
ンパレーター２９の出力がインバーター３８を介
して入力され、黒レベル領域L₄の中央でダウン
カウンタ４５の内容が０になつた時に出力信号を
出してアナログスイツチ４６を開き増幅器２８か
らの信号を出力させる。このアナログスイツチ４
６からの信号は２番目以降の黒レベル領域におけ
る中央の信号となる。MTF計算はアナログスイ
ツチ４４，４６からの信号を用いて図示しない回
路で行なわれる。バイナリーカウンター３７，３
９、フリツプフロツプ３０，３１は第１２図にお
けるチヤートの零に近い空間周波数の不透明部に
対応した最小値Ｂのみを有する基準黒レベル領域
L₂の所でリセツトされるので、CCDが複数個使
用されていても各々のCCDごとに各領域L₃、L₄
の中央値をサンプリングできる。

尚、上記実施例ではCCDの出力をアナログ信
号のまま処理しているが、Ａ／Ｄ変換器でデジタ
ル化して処理することも容易である。

以上のように本発明によれば投影用チヤート
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
の極小値と極大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
し、最初の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の位置を検出し、これらの
位置より２番目以降の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
号を真の極大値と極小値として検出し、この白部
と黒部によりMTFの計算を行うので、異常信号
を拾う確率を大幅に下げることができ正しい
MTF計算を行な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図は固体走査素子を用いたMTF測定装
置の一例を示す斜視図、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図は第３図の装
置に用いられる電気回路を示すブロツク図、第９
図は従来方法を説明するための波形図、第１０図
は第３図装置のCCD出力信号を示す波形図、第
１１図は本発明の実施回路例を示すブロツク図、
第１２図は同実施回路の動作を示すタイミングチ
ヤートである。 ２９……コンパレーター、３３……１組目検出
用回路、３４，３５，４０，４１……ゲート、３
６……1/2分周回路、３７，３９……バイナリー
カウンタ、３８……インバーター、４２……セツ
ト回路、４３，４５……ダウンカウンター、４
４，４６……アナログスイツチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 投影用チヤートと、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
   レベル領域に区分し、最初の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の位置を
   検出し、これらの位置より２番目以降の白レベル
   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極大値と極小値として検出
   し、この極大値と極小値をMTFの計算に用いる
   ことを特徴とするMTF測定装置における信号処
   理方法。