光学系统评价装置、光学系统评价方法及其程序的制作方法

专利名称：光学系统评价装置、光学系统评价方法及其程序的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据经由评价对象光学系统成像的点像的成像位置对评 价对象光学系统的光学特性进行评价的光学系统评价装置、光学系统评 价方法以及光学系统评价程序。
背景技术：
一般，在将使用光学系统拍摄的图像用于测长的情况下，在其光学 系统中需要高度的聚焦远心(Telecentricity)。所谓聚焦远心是指，物体 侧或像侧的主光线不管距光轴的距离怎样都处于和光轴平行的状态。例 如，在测长显微镜中，使用了物体侧远心光学系统。那时，即使被拍摄 的物体偏离对焦位置，对应于物体上的任意点的成像位置也不变化。因 此，不依赖于对焦状态或物体的设置位置，能够高精度地测定物体上的2 点间的距离等。以前，作为光学系统的评价装置，特别是透镜的分辨率评价的评价 装置已为人们所熟知(例如，参照日本特开2004-163207号公报)。在专 利文献1记载的评价装置中，拍摄被检透镜成像的空间凝象，以该拍摄 的图像信息为基础，计算被检透镜的MTF。这样通过对透镜等光学系统 成像的空间凝象进行图像观察来评价其光学系统的光学特性的手法是周 知的，使用该手法评价光学系统的聚焦远心的技术已经广为人知。这里， 参照图11说明评价其聚焦远心的现有技术。其表示了评价像侧聚焦远心 光学系统的例子。如图11所示，在现有的光学系统评价装置中，在评价对象光学系统72的物体表面设置成为点光源的孔71，由未图示的照明装置从其背后进 行照明。作为孔71的空间凝象的点像73在评价对象光学系统72的像面 成像。因为该点像73小，所以即使直接用摄像元件拍摄，也很难高精度 地测定表示最大强度的成像位置。因此，在该光学系统评价装置中，用 摄像元件75拍摄由放大光学系统74放大后的放大图像。这样，通过从 拍摄有放大图像的图像区域搜索最大亮度的像素，可确定点像73的成像 位置。而且， 一边使放大光学系统74和摄像元件75沿着评价对象光学系 统72的光轴方向(Z轴方向)移动一边依次拍摄，如果从该依次拍摄的 各图像搜索最大亮度的像素，则可检测伴随Z坐标变化的成像位置的X、 Y坐标的横向偏移。而且，通过计算该横向偏移相对于Z坐标的变化趋 势，能够评价对应于点像73的聚焦远心。另外，通过对多个点像73进 行该种测定，能够评价评价对象光学系统72的像侧聚焦远心的分布。但是，为了求出点像73的成像位置X、 Y、 Z坐标，需要用3轴的 测长机监控放大光学系统74和摄像元件75的位置。另外，为了对评价 对象光学系统72的视场整体的聚焦远心的分布进行评价，需要在物体面 上一边让孔71向多个位置移动一边进行测定。此时，也需要用测长机监 控孔71的X、 Y坐标。再有，人们已经知道，慧差也会影响成像位置的横向偏移相对于Z 坐标的变化的倾向。在没有慧差时，成像位置的横向偏移对于Z坐标呈 直线性变化，而如果慧差变大，则与此相伴，成像位置的横向偏移就成 为曲线性变化。但是，如上述现有的光学系统评价装置那样，存在如下问题在求 出对应于1个孔的点像的成像位置并在像面内的多个位置反复进行的这 种方法中，必须用某些测长机监控孔的位置和用于点像观察的放大光学 系统的位置，与其测长机的测定精度相对应，光学特性的评价精度降低。 另外，也存在如下问题为了一边移动1个孔一边进行测定，在视场整 体范围内的测定上需要很多时间，并且很难确保期间的评价对象光学系统以及光学系统评价装置的稳定性，因此，评价精度降低。 发明内容本发明是鉴于上述情况进行的，其目的在于，提供一种光学系统评 价装置、光学系统评价方法以及光学系统评价程序，其可短时间且高精 度地对评价对象光学系统的光学特性的分布进行评价。为了解决上述课题、达到目的，本发明的光学系统评价装置根据经 由评价对象光学系统成像的点像的成像位置，评价上述评价对象光学系 统的光学特性，其特征在于，该光学系统评价装置包括-点像生成单元，其具有排列成平面状的多个点光源，按照该每个点 光源，经由上述评价对象光学系统使上述点像成像；摄像单元，其拍摄多个上述点像，生成点像分布图像；移动单元，其使该评价对象光学系统与上述点光源或上述摄像单元 的相对距离沿上述评价对象光学系统的光轴方向改变；摄像控制单元，其通过上述移动单元使上述相对距离改变，每逢该 相对距离发生改变时，都使上述摄像单元拍摄上述点像分布图像；像轴形状计算单元，其根据以不同的上述相对距离拍摄的多个上述 点像分布图像的图像信息，检测上述点像的每个不同的上述相对距离的 成像位置，计算对应于该检测的多个成像位置的回归式，并且按照多个上述点像的每一个，进行取得由该回归式规定的像轴的形状参数的处理； 以及评价值计算单元，其对于多个上述点像的每一个的上述形状参数， 拟合表示上述光学特性的分布的特性分布模型函数，根据该拟合的特性 分布模型函数，计算上述光学特性的评价值。另外，本发明的光学系统评价装置的特征在于，在上述发明中，上 述特性分布模型函数表示聚焦远心或慧差的至少一方的分布。另外，本发明的光学系统评价方法根据经由评价对象光学系统成像 的点像的成像位置来评价上述评价对象光学系统的光学特性，其特征在 于，该光学系统评价方法包括点像生成步骤，其按照被排列成平面状的多个点光源的每一个，经 由上述评价对象光学系统使上述点像成像；摄像步骤，其拍摄多个上述点像，生成点像分布图像；移动步骤，其使该评价对象光学系统与上述点光源或上述摄像单元 的相对距离沿上述评价对象光学系统的光轴方向改变；摄像控制步骤，其通过上述移动步骤使上述相对距离变化，每逢使 该相对距离变化时，都由上述摄像步骤拍摄上述点像分布图像；像轴形状计算步骤，其根据以不同的上述相对距离拍摄的多个上述 点像分布图像的图像信息，检测上述点像的每个不同的上述相对距离的 成像位置，计算对应于该检测的多个成像位置的回归式，并且按照多个 上述点像的每一个，进行取得由该回归式规定的像轴的形状参数的处理； 以及评价值计算步骤，其对于多个上述点像的每一个的上述形状参数， 拟合表示上述光学特性的分布的特性分布模型函数，根据该拟合的特性 分布模型函数计算上述光学特性的评价值。另外，本发明的光学系统评价方法的特征在于，在上述发明中，上 述特性分布模型函数表示聚焦远心或慧差的至少一方的分布。另外，本发明的光学系统评价程序的特征在于，使根据经由评价对 象光学系统成像的点像的成像位置来评价上述评价对象光学系统的光学 特性的光学系统评价装置执行如下过程点像生成过程，其按照被排列为平面状的多个点光源的每一个，经 由上述评价对象光学系统使上述点像成像；摄像过程，其拍摄多个上述点像，生成点像分布图像；移动过程，其使该评价对象光学系统与上述点光源或上述摄像单元 的相对距离沿上述评价对象光学系统的光轴方向改变；摄像控制过程，其通过上述移动过程使上述相对距改变，每逢改变 该相对距离时，由上述摄像过程拍摄上述点像分布图像；像轴形状计算过程，其根据以不同的上述相对距离拍摄的多个上述 点像分布图像的图像信息，检测上述点像的每个不同的上述相对距离的成像位置，计算对应于该检测的多个成像位置的回归式，并且按照多个 上述点像的每一个，进行取得由该回归式规定的像轴的形状参数的处理; 以及评价值计算过程，其对于多个上述点像的每一个的上述形状参数， 拟合表示上述光学特性的分布的特性分布模型函数，根据该拟合的特性 分布模型函数，计算上述光学特性的评价值。另外，本发明的光学系统评价程序的特征在于，在上述发明中，上 述特性分布模型函数表示聚焦远心或慧差的至少一方的分布。本发明所涉及的光学系统评价装置、光学系统评价方法以及光学系 统评价程序能够短时间且高精度地评价评价对象光学系统的光学特性的 分布，特别地，能短时间且高精度地评价评价对象光学系统的聚焦远心 以及慧差的至少一方的分布。以下通过使用附图对本发明进行详细说明，以使上述内容和本发明 的其他的目的、特征、优点变得更清楚。


图1是表示本发明的实施方式1的光学系统评价装置的结构的图。图2是表示孔列标本的图。图3是表示层叠图像的摄像处理过程的流程图。图4是表示求出光学特性的分布的分析处理过程的流程图。图5是表示像轴的形状计算处理过程的流程图。图6是说明像轴的形状的计算处理的图。图7-l是说明聚焦远心的图。图7-2是说明聚焦远心的图。图8是说明旋转部的作用的图。图9是表示包含了旋转处理的层叠图像的摄像处理过程的流程图。 图10是表示本发明的实施方式2的光学系统评价装置的结构的图。 图11是表示现有技术的光学系统评价装置的结构的图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的光学系统评价装置、光学系统评 价方法以及光学系统评价程序的最佳实施方式。再有，本发明并不限定 于该实施方式。另外，在附图的描述中，相同部分用相同的符号进行表 示。(第1实施方式)首先，对本发明的实施方式1的光学系统评价装置进行说明。图1是表示作为本实施方式1的光学系统评价装置的透镜评价装置100的主要部分的结构的图。如该图所示，透镜评价装置100包括多个孔排列 成平面状的试料4;光源l，其作为照明试料4的照明单元；光纤2以及 光强度均匀化部3; Z轴载物台5，其作为移动单元，保持试料4并且使之沿Z轴方向移动；以及XY载物台6，其使试料4沿着X轴方向以及Y方向移动。另外，透镜评价装置100包括与作为评价对象光学系统的物镜7a 一起构成显微镜光学系统7并使试料4的观察像成像的成像透镜7b;将 成像透镜7b保持在内部的镜筒ll;设置于镜筒ll的底部，保持物镜7a 可绕其光轴9旋转的旋转部8;设置于镜筒ll的上部，拍摄显微镜光学 系统7成像的试料4的观察像的摄像元件10;支持镜筒11自由上下移动 的上下移动载物台12;以及支持上下移动载物台12的镜基座13。光源1在其内部具有未图示的白色光源、波长选择机构以及光量调 节机构。白色光源可用例如卤钨灯、氙灯或LED等。波长选择机构用旋 转架构成，该旋转架可保持多个干涉滤光器，并且可选择性地在光路内 设置其中1个。光量调节机构使用例如旋转型的ND滤光器构成，其可 在0 100%的范围内连续改变透射率。波长选择机构以及光量调节机构根 据来自后述的控制装置14的控制信号被驱动控制，可在预定范围内任意 设定(选择切换)由光源1射出的光的中心波长和强度。再有，波长选 择机构也可以使用其它分光装置等构成。另外，光源1也可以使用射出 不同波长的光的多个光源来构成。光源1射出的光由光纤2导光后，由光强度均匀化部3进行强度位置以及角度分布的均匀，然后对试料4进行透射照明。光强度均匀化部3 使用反复进行内反射的玻璃棒和扩散板等来构成。如图2所示，试料4是将多个孔4a进行二维排列后的孔列样本。试 料4在蒸镀于玻璃基板上的不透明的金属膜4b上形成有排列为纵横等间 隔的格子状的多个孔4a。所有的孔4a的直径相等，比物镜7a的衍射极 限小，即，小于等于评价对象光学系统的分辨率。因此，与光强度均匀 化部3的作用一并，在比物镜7a的角孔径宽的范围内，强度角度分布大 致均匀化后的光从各孔4a射出，各孔4a起点光源的作用。孔4a的分布 范围变得比作为评价对象光学系统的物镜7a的视场宽。Z轴载物台5使试料4沿着显微镜光学系统7的光轴9方向自由地 上下移动。再有，在透镜评价装置100中，设显微镜光学系统7的光轴 9与Z轴平行。Z轴载物台5用内置了监控位移量的静电电容传感器的压 电载物台构成，根据来自后述的控制装置14的控制信号进行驱动控制， 可使试料4在预定范围内移动到任意的Z轴位置。另外，XY载物台6 是手动载物台，其使Z轴载物台5以及试料4沿与显微镜光学系统7的 光轴9垂直的方向移动。显微镜光学系统7使试料4的观察像在摄像元件10的摄像面上成 像。摄像元件10是二维摄像元件，其具有比显微镜光学系统7的试料4 的观察像的成像范围更大或能拍摄成像范围的大部分的尺寸的摄像面， 例如可使用二维CCD。旋转部8以光轴9作为旋转轴能将物镜7a旋转以 及固定在任意角度。透镜评价装置100还具有控制装置14，其控制透镜评价装置100整 体的处理以及动作。控制装置14包括像轴形状计算部15，其按照显微 镜光学系统7形成的各孔4a的观察像即多个孔像的每一个，取得后述的 像轴的形状参数；评价值计算部16，其对于各孔像的像轴的形状参数拟 合(fit)表示评价对象的光学特性的分布的模型函数，根据该拟合的模 型函数，计算其光学特性的评价值；存储部17,其存储各种信息；以及 控制部18，其控制电连接的各部分的处理以及动作。控制部18与像轴形 状计算部15、评价值计算部16以及存储部17电连接，并且，通过未图示的接口与光源l、 Z轴载物台5以及摄像元件10等电连接。像轴形状计算部15包括拟合范围设定部15a，其设定对于各孔像 拟合用于检测其最大强度位置的强度分布模型函数的拟合范围；以及强 度分布拟合部15b，其在摄像元件IO拍摄的观察图像中与拟合范围设定 部15a设定的拟合范围对应的观察图像内，在拍摄有作为点像的孔像的点像图像区域拟合强度分布模型函数。另外，像轴形状计算部15包括强度位置计算部15c，其检测强度分布模型函数为最大值的观察图像上的 平面内坐标，根据该平面内坐标计算孔像的最大强度位置；和曲线拟合 部15d，其对于在Z轴方向的不同位置计算的多个最大强度位置拟合曲线模型函数，取得该拟合的曲线模型函数的系数，作为由该拟合的曲线模 型函数规定的像轴的形状参数。存储部17存储摄像元件10拍摄的观察图像的图像数据以及控制部18用于处理的各种处理参数等的各种信息。特别地，存储部17包括控制程序存储部17a，其存储了控制部18执行的各种控制程序；和模型函 数存储部17b，其存储了像轴形状计算部15或者评价值计算部16用于处 理的各种模型函数。控制部18通过执行存储于控制程序存储部17a中的控制程序，控制 各部的处理以及动作。特别地，控制部18进行如下控制通过Z轴载物 台5使试料4和显微镜光学系统7的相对距离依次沿光轴9方向改变， 每逢改变相对距离时，使摄像元件10拍摄各孔4a的孔像，生成观察图 像。另外，还进行如下控制根据以不同的相对距离拍摄的多个观察图 像的图像信息，使像轴形状计算部15以及评价值计算部16计算显微镜 光学系统7的光学特性的评价值。控制装置14作为计算机来构成，像轴形状计算部15、评价值计算 部16以及控制部18通过CPU实现，存储部17使用硬盘、ROM以及 RAM等实现。另外，控制装置14还包括其他的分别进行各种信息的输 入、显示、输出的输入部、显示部以及输出部等。下面，说明透镜评价装置100的动作。首先，操作者将评价的物镜 7a安装于旋转部8，在Z轴载物台5上安装试料4，该试料4中形成有适合于该物镜7a的孔径的孔4a。接着， 一边用控制装置14的显示部的画 面监控摄像元件10拍摄的图像， 一边进行由XY载物台6进行的试料4 的定位和由上下移动载物台12或Z轴载物台5进行的对焦。再有，这里 的对焦不限于手动，例如，也可以将自动对焦单元设置于透镜评价装置 100上自动进行对焦。而且，这样进行过对焦后，由控制装置14的控制部18开始执行预 定的摄像程序。再有，该摄像程序是存储在控制程序存储部17a中的控 制程序的一部分，是进行用于对多个波长的每一个的层叠图像进行自动 拍摄的控制的程序。这里，所谓层叠图像是指，在Z轴载物台5使试料4 和物镜7a的相对距离依次改变期间，摄像元件10以不同的相对距离依 次拍摄的一连串的观察图像(观察图像组)。此外，所谓多个波长是指， 作为显微镜光学系统7的光学特性，在评价聚焦远心和慧差时成为基准 的基准波长和被评价的多个评价波长。图3是表示通过控制部18执行拍摄程序来取得多个波长的每一个的 层叠图像的摄像处理过程的流程图。如该图所示，控制部18首先使Z轴 载物台5从对焦位置(上述的对焦后的位置)移动到摄像范围的下端(步 骤S101)。 Z轴方向的摄像范围优选设定为焦点深度的数倍左右，以使其 包含被评价的物镜7a的像面弯曲和纵向的色差的范围。接着，控制部18切换光源1内部的波长选择机构的干涉滤光器，将 照明光切换为1个波长，其在多个波长中尚未在现在的Z轴载物台位置 进行观察图像的拍摄(步骤S102)。另外，在该步骤S102中，控制部18 通过光源1内部的ND滤光器(光量调节机构)将对于试料4的照明光 切换为适当的光量。该光量是预先设定的值，以使多个波长的每一个的 层叠图像的亮度是相同水平。接着，控制部18使摄像元件10拍摄试料4的观察图像，将该图像 文件转送到控制装置14 (步骤S103)。再有，被转送的图像文件存储在 控制装置14内部的存储部17中。接着，控制部18判定在现在的Z轴载物台位置是否对于全部多个波 长执行了步骤S102、 S103，即用于摄像的波长的个数是否达到了预定的波长个数(步骤S104)。并且，在己经达到预定的波长个数的情况下(步骤S104:是)，控制部18进入步骤S105，在未达到预定的波长个数的情 况下(步骤S104:否)，反复进行从步骤S102开始的处理。这样，反复 进行步骤S102、 S103的处理直到用于摄像的波长个数达到预定的波长个 数，由此，现在的Z轴载物台位置的多个波长的每一个的观察图像的图 像文件被转送到控制装置14，存储在存储部17中。接着，控制部18判定存储在存储部17中的各波长的图像文件数量 是否达到了覆盖Z轴方向的预定的摄像范围的层叠张数(步骤S105)。 并且，在达到了层叠张数的情况下(步骤S105:是)，控制部18结束摄 像处理，在未达到层叠张数的情况下(步骤S105:否)，使Z轴载物台5 向上方移动l级后(步骤S106)，反复进行从步骤S102开始的处理。该 1级的移动量优选设为被评价物镜7a的焦点深度的1/5 1/10左右。这样，通过反复进行步骤S102 S104以及步骤S106直到满足步骤 S105，按照多个波长的每一个，覆盖Z轴方向的预定的摄像范围的层叠 张数的图像文件，都作为层叠图像存储在存储部17中。在以上的摄像处理过程中，通过反复进行每逢使Z轴载物台5向上 方移动一级，就依次切换多个波长来拍摄各波长的观察图像的处理，同 时行进地拍摄多个波长的每一个的层叠图像。这样，由于环境温度的变 化等引起的在一连串的摄像处理时间内行进的试料4的位置的漂移，在 各波长中变得大致相同。这在后述的聚焦远心以及慧差的计算中有使误 差变小的效果。紧接着，由控制装置14的控制部18开始执行预定的分析程序。再 有，该分析程序是存储于控制程序存储部17a中的控制程序的一部分， 是进行如下控制的程序从存储在存储部17中的层叠图像的图像文件自 动计算作为包含物镜7a的显微镜光学系统7的光学特性的聚焦远心和慧 差的评价值。图4是表示通过控制部18执行分析程序来计算显微镜光学系统7的 聚焦远心和慧差的评价值的分析处理过程的流程图。如该图所示，控制 部18首先从存储于存储部17中的图像文件读取在多个波长中尚未求出像轴的形状的1个波长的层叠图像(步骤Slll)。接着，控制部18通过像轴形状计算部15求出对应于1个孔像的像 轴的形状，该1个孔像为其1个波长的层叠图像的摄像范围内存在的尚未求出像轴的形状的孔像(步骤S112)。所谓像轴的形状是指，与试料4 的Z轴方向的移动量对应的孔像的成像位置在X、 Y轴方向上的移动量 的关系式。但是，摄像的采样间隔(摄像元件10的像素间隔)因为是孔 像的大小的1/5 1/10左右，所以仅通过简单地搜索最大亮度的像素位置， 还不能高精度地求出像轴的形状。所以，在该步骤S112中根据图5所示 的过程计算像轴的形状。图5是表示计算像轴的形状的计算处理过程的流程图。如该图所示， 首先，拟合范围设定部15a设定对作为空间凝象的孔像拟合强度分布模 型函数的范围(步骤S121)。另外，所谓"拟合(fit)"是符合的意思。孔像随着从其最大强度位置离开，强度缓慢降低。在最大强度附近， 因为其变化单调减少且平滑，所以，容易拟合单纯的强度分布模型。所 以，纵向(Z轴方向)以物镜7a的焦点深度作为拟合范围。横向(X，Y 轴方向)以阵列磁盘的1/2的半径内作为拟合范围。它们的值根据被评价 物镜7a的数值孔径NA和照明光的波长X，分别作为X / NA2、 / NA 被求出。最初，拟合范围设定部15a在层叠图像上从摄像有孔像的图像区域 搜索最大亮度的像素，将以该像素位置为中心、包含于上述圆筒状的拟 合范围内的采样点作为以下所述的拟合的对象。再有，也可以从上述的 值对拟合范围做增减微调。接着，强度分布拟合部15b为了在包含于纵向的拟合范围的单张图像中，求出尚未拟合强度分布模型函数的1个单张图像的最大强度I max和其最大强度位置(xc， yc)，拟合强度分布模型函数I (x， y)(步 骤S122)。这里，所谓单张图像意味着包含于层叠图像的各观察图像。图6是表示对应于1个孔像的层叠图像的图。在该图所示的层叠图 像21中，按照Z轴位置的每一个，对各单张图像23采样(拍摄)孔像 的横截面22。其中，对1个单张图像23的上述拟合范围内的采样点用最小二乘法来拟合横截面22的强度分布模型函数I(x， y)。这里，作为容易
拟合于最大强度位置附近的强度分布的强度分布模型函数，假设为拟合 由下式(l)所示的旋转对称的二维高斯分布函数。
I ( x ， y ) = I醒'e x p [ — b2 {( x — xc) 2+ ( y — yc)"]
…(1 )
接着，强度位置计算部15c从所拟合的强度分布模型函数I(x, y)， 求出l个单张图像23内的最大强度位置(Xc， yc)(步骤S123)。再有， 在这里所求的最大强度位置(xe， ye)也是所拟合的强度分布模型函数 I(x， y)的最大值的平面内坐标。通过这样求解，与原来的X、 Y轴方向 的采样间隔相比，能用更高的精度获得1个单张图像内的最大强度位置 (Xc， yc)。再有，所谓原来的X、 Y轴方向的采样间隔是指，例如由 摄像元件10的像素间隔和被评价的光学系统的横向放大率所确定的物体 侧的采样间隔。
再有，在步骤S123中，强度位置计算部15c根据对1个单张图像的 拟合范围内的采样点拟合的强度分布模型函数I(Xy)求出最大强度位置 (Xe， yj，但是也可以置换成从1个单张图像的拟合范围内的采样点 搜索最大亮度值的像素而求出其位置。此时，与前者相比虽然计算的成 像位置的精度降低，但是如果摄像视场内的孔4a的数量足够多，则根据 后述的模型函数的拟合，能够求出各个像轴的形状的误差已相互抵消的、 表示聚焦远心和慧差的各分布的评价式。再有，在搜索最大亮度值的像 素时，由步骤S121设定的拟合范围被用作最大亮度值的像素的搜索范围。
接着，控制部18判定是否对包含于纵向的拟合范围的全部单张图像 拟合了强度分布模型函数I ( x ， y )，即拟合了强度分布模型函数I ( x ， y )的单张图像是否达到了预定的拟合张数(步骤S124)。在已经达到预 定的拟合张数的情况下(步骤S124:是)，控制部18进入步骤S125，在 未达到预定的拟合张数的情况下(步骤S124:否)，反复进行从步骤S122 开始的处理。这样，通过反复进行步骤S122、 S123直到满足步骤S124， 求出包含在纵向的拟合范围的单张图像的每一个的最大强度位置(Xc，y c)。图6所示的各单张图像23的位置24表示了所求得的各单张图像的 最大强度位置(xe， yc)。
接着，曲线拟合部15d对表示为Z坐标的函数的各单张图像的最大
强度位置(X e( Z )， y e( Z ))的各成分，用最小二乘法拟合分别用式(2)、
(3)表示的直线模型函数，来作为曲线模型函数，求得与回归式对应的 直线，该回归式规定了对应于聚焦远心的像轴(步骤S125)。如后述那样， 非聚焦远心的像轴的斜率可以用这样的直线近似。
xc(z)=ax,z + bx …(2) y c( z )= a y' z + b y …(3 )
另外，在步骤S125中，曲线拟合部15d对各单张图像的最大强度位 置(x。(z)， ye(Z))的各成分，用最小二乘法拟合分别用式(4)、 (5) 表示的2次曲线模型函数，来作为曲线模型函数，求得与回归式对应的2 次曲线，该回归式规定了对应于慧差的像轴。该各2次曲线的2次系数 cx、 cy，表示了像轴的曲率。当慧差小时，像轴的曲率大致与慧差成比
<formula>formula see original document page 23</formula> (4 )
<formula>formula see original document page 23</formula> (5 )
而且，曲线拟合部15d根据用途，将这样求出的作为像轴的形状参 数的像轴斜率ax、 ay以及曲率Cx、 Cy，变换为物体侧或像侧的实坐标。 为了变换为物体侧的实坐标，将Z轴方向的采样间隔变换为Z轴载物台 5的逐级移动间隔(pm单位)。X、 Y轴方向的采样间隔变换为摄像元件 10的像素间隔(^im单位)除以显微镜光学系统7的横向放大率所得的值。 该橫向放大率通常用显微镜光学系统7的设计上的值就足够。向像侧的 实坐标的变换也同样。这样， 一个像轴的形状的计算结束。
根据以上的那种计算处理过程，在透镜评价装置100中，与原来的 采样间隔相比，可用更高的精度得到1个像轴的形状。再有，在此之外， 也有直接拟合3维强度分布模型的方法，但很难跟踪孔像的复杂的变形。 在图5所示的像轴形状的计算处理过程中，其优点是，利用较简单的强 度分布模型函数的组合，能吸收那些复杂的变形。返回图4，控制部18判定是否对1个波长的层叠图像的摄像范围内 存在的全部孔像都求出了像轴的形状，即求出了像轴的形状的孔像的数
量是否达到了预定的孔数量(步骤S113)。并且，在达到了预定的孔数量 的情况下(步骤S113:是)，控制部18进入步骤S114，在未达到预定的 孔数量的情况下(步骤S113:否)，反复进行步骤S112。这样，通过反 复进行步骤S112直到满足步骤S113，能从1个波长的层叠图像的摄像范 围内的全部孔像求出全部像轴的形状。
接着，控制部18判定是否对全部的多个波长求出了对应于各孔像的 像轴的形状，即判定求出各孔像的像轴的形状的波长个数是否达到了预 定的波长个数(步骤S114)。并且，在已经达到预定的波长个数的情况下 (步骤S114:是)，控制部18进入步骤S115，在未达到预定的波长个数 的情况下(步骤S114:否)，反复进行从步骤Slll开始的处理。这样， 通过反复进行步骤S111-S113直到满足步骤S114,能够求出多个波长的 层叠图像的每一个的摄像范围内的全部像轴的形状。即，求出各波长的 像轴的形状的分布。
接着，控制部18通过评价值计算部16，求出表示聚焦远心和慧差 的各分布的评价式，基于该评价式适当计算聚焦远心和慧差的评价值(步 骤S115)。
这里，关于聚焦远心的分布的评价式，参照图7-l以及图7-2进行说 明。这些图是表示作为评价对象光学系统的物体侧远心光学系统的图。 评价对象光学系统31的光圈32配置于后侧焦平面35上。如图7-1所示， 如果光圈32的中心位置33从光轴34横向(X、 Y轴方向)偏离，则连 接对应的物点38和像点39的主光线40，在物体侧相对于光轴34倾斜。 假设物点38沿着该倾斜的主光线40移动，则像面37上的像点39的位 置不变化(但是，图像散焦(defocus))。但是，如果物点38和光轴34 平行地(沿Z轴方向)移动，则像面37上的像点39的位置横向偏离。 这成为像轴的斜率。光圈32横向偏离时，物体面36上的所有的主光线 41保持互相平行的状态，相对于光轴34倾斜。
另一方面，如图7-2所示，光圈32的中心位置33纵向偏离(Z轴方向)时，连接对应的物点38和像点39的主光线40也在物体侧相对于光 轴34倾斜。但是，物体面36上的各主光线41的斜率，越离开光轴34 变得越大。如果根据简单的傍轴光学的计算，则光圈32的中心位置33 的横向偏移量Ap以及纵向偏移量和物体侧d的主光线40的斜率a 的关系，用像侧的主光线40的斜率a、物点38的位置r和评价对象光学 系统31的焦距f，由下(6)表示。另外，斜率a和位置r，分别由下式 (7)以及式(8)表示，横向偏移量Ap，使用其X成分A《以及Y成分 △ri由下式(9)表示。
<formula>formula see original document page 25</formula>总之，物体侧的主光线40的斜率，即像轴的斜率ax、 ay，用X、 Y轴方向的1次式表示。因此，对于对应的物点坐标(x， y)和像轴的 斜率(ax， ay)的组，分别用最小2乘法拟合由下式(10-1)、 (10-2)表 示的作为特性分布模型函数的直线模型函数，由此，能够求出表示聚焦 远心的分布的评价式。
<formula>formula see original document page 25</formula>另外，拟合了直线模型函数的结果是，表示聚焦远心的分布的评价 式的系数和各参数的关系式可作为下式(11-1) ~ (11-4)求得。再有， 纵向偏移量A;，例如可取系数A以及C的平均。
<formula>formula see original document page 25</formula>在步骤S115中，评价值计算部16从这样求出的表示聚焦远心的分
布的评价式，计算对应于任意的物点坐标(x， y)的像轴的斜率(ax， ay)的评价值。另外，评价值计算部16使用作为评价对象光学系统的物 镜7a的焦距f，能求出物镜7a的光圈的横向偏移量Ap和纵向偏移量A;。 另一方面，慧差的分布也和聚焦远心一样，用X、 Y轴方向的l次 式表示。因此，对于对应的物点坐标(x ， y )和像轴的曲率(cx， Cy) 的组，分别用最小2乘法拟合由下式(12-1)、 (12-2)表示的作为特性分 布模型函数的直线模型函数，由此，能求得表示慧差的分布的评价式。 cx= A, x十B， …(1 2 — 1 )
cy=C，y+D， …(12 — 2)
在步骤S115中，评价值计算部16从这样求出的表示慧差的分布的 评价式，能够取得对应于任意物点坐标(x， y)的像轴的曲率(cx， c y)的评价值。
再有，即使在由于评价对象光学系统的渐晕(vignetting)等引起像 轴的斜率和曲率的分布变得更加复杂的情况下，通过将拟合的特性分布 模型函数修正为合适的形状也能应付。
其次，评价值计算部16对于所有像轴的形状，进行从由步骤 S111 S114求出的1个评价波长的像轴的形状，分别减去由步骤 S111 S114求出的基准波长的像轴的形状的操作，将像轴的斜率的差分的 分布Aax(x， y)、Aay(x， y )和像轴的曲率的差分的分布△ c x (x， y)、ACy(X， y)作为物点坐标(x， y )的函数求出(步骤 S116)。
像轴的斜率的差分的分布Aax (x， y)、Aay(x， y )和像轴的 曲率的差分的分布ACx (x， y)、ACy(X， y)，都可以用X、Y轴 方向的1次式表示。因此，评价值计算部16对于对应的物点坐标(x， y) 和像轴的斜率的差分(Aax， Aay)的组，用最小二乘法拟合式(10-1)、 (10-2)的直线模型函数，求出聚焦远心的差分的评价式。另外，对于对 应的物点坐标(x， y)和像轴的斜率的差分(Acx， Acy)的组，用最小二 乘法拟合式(12-1)、 (12-2)的直线模型函数，求出慧差的差分的评价式。而且，评价值计算部16从各差分的评价式，能计算与任意的物点坐标(X，
y)对应的像轴的斜率的差分的评价值和曲率的差分的评价值。
在层叠图像的摄像时间内行进的试料位置等的漂移也能作为像轴的 形状被测定。但是，因为同时行进地对多个波长的层叠图像进行摄像， 所以通过取上述的差分来抵消漂移成分，仅评价聚焦远心和慧差的波长
依赖性。再有，从由步骤S115求出的聚焦远心和慧差的各评价式的差分， 也可求出聚焦远心和慧差的各差分的评价式。
接着，控制部18判定是否对多个波长的全部执行了步骤S115、S116， 即，判定用于评价式的计算的波长个数是否达到了预定的波长个数(步 骤S117)。并且，在已达到预定的波长个数的情况下(步骤S117:是)， 控制部18结束分析处理，在未达到预定的波长个数的情况下(步骤S117: 否)，反复进行从步骤S115开始的处理。这样，通过反复进行步骤S115、 S116直到满足步骤S117，可求出对应多个波长的聚焦远心和慧差的各评 价式。
在各个像轴的形状中，存在由于Z轴载物台5的移动量的误差、成 像位置计算的计算误差等引起的测定误差。但是，如上述那样，通过进 行对特性分布模型函数的拟合，各像轴的形状的测定误差抵消，能够高 精度地求得聚焦远心和慧差的评价式。
再有，在透镜评价装置100中，为了评价物镜7a单体的聚焦远心的 分布和慧差的分布，追加下面的过程是有效的。
如果由旋转部8旋转物镜7a，则在包含于聚焦远心的分布和慧差的 分布的各评价式中的X、 Y坐标的参数(光圈的横向偏移量等)中，由 物镜7a引起的成分伴随它而旋转移动。关于该情况， 一边参考图8—边 进行说明。如图8所示，伴随物镜7a的旋转的上述X、 Y坐标的移动， 绘出圆45的轨迹。此时，圆45的中心46不一定与视场的中心47—致。 两者的差48是由物镜7a以外的光学系统以及元件等的配置的误差等引 起的成分。而且，圆的半径49是由物镜7a引起的成分。
因此，如图9所示，在图3所示的流程图中追加步骤S107、 S108 的处理，以取得使物镜7a旋转后的状态的层叠图像。例如，由旋转部8把物镜7a旋转l 8 0 '进行相同的测定。两者的X、 Y坐标的参数的平 均值变为物镜7a以外的成分。另外，作为两者差的1/2，可得到由物镜 7a引起的成分。而且，分割旋转角度，例如在0 °、 9 0 °、 1 8 0 °、 2 7 0 °这4个旋转位置进行测定，如果要求出圆45的中心46和半径 49，则能以高精度进一步分离两者的成分。再有，包含于聚焦远心的分 布和慧差的分布的各评价式的其他参数(光圈的纵向偏移量等)，不伴随 物镜7a的旋转而变化。这些值通过取上述多个测定值的平均能实现测定 误差的改善。
还有，在摄像时间内行进的试料4等的位置的漂移也作为像轴的形 状被测定。但是很多情况下，由漂移引起的横向偏移量在摄像时间内几 乎是直线变化，所以，下面这种往复测定的对策是有效的。
在图3所示的摄像处理过程中，拍摄了 Z轴载物台从下端移动到上 端使试料4和物镜7a的相对距离依次减少的"往程"的层叠图像。紧接其 后，用同样的过程拍摄Z轴载物台从上端移动到下端使试料4和物镜7a 的相对距离依次增加的"返程"的层叠图像。而且，从往程和返程的各层 叠图像分别计算像轴的形状。由聚焦远心和慧差引起的像轴的形状在往 程和返程中相同，而直线性的漂移引起的斜率反转。因此，通过取两者 的和或差，能够分离聚焦远心及慧差与漂移的成分。通过1次以上，特 别是多次执行这种基于相对距离的往复变化的像轴的形状的计算，能进 一步减少评价值的误差。
另外，通过增大Z轴载物台5的1级的移动量来縮短层叠图像的摄 像时间，也能在漂移成分的减少方面有效。
如以上说明的那样，作为本实施方式1的光学系统评价装置的透镜 评价装置100包括作为点像生成单元的试料4、光源l、光纤2、光强 度均匀化部3以及成像透镜7b，该试料4具有被排列为平面状的作为多 个点光源的孔4a，按照该孔4a的每一个，经由评价对象光学系统，使作 为点像的孔像成像；摄像元件10，其拍摄多个孔像，生成作为点像分布 图像的观察图像；作为移动单元的Z轴载物台5，其使评价对象光学系统 和试料4之间的相对距离沿评价对象光学系统的光轴方向变化；控制部18，其通过Z轴载物台5使相对距离变化，每逢使相对距离变化时，都 使摄像元件10拍摄观察图像；像轴形状计算部15，其基于由以试料4和
物镜7a的不同的相对距离所拍摄的多个观察图像构成的层叠图像的图像
信息，检测作为点像的孔像的不同的相对距离的每一个的成像位置，对 该检测的多个成像位置拟合曲线模型函数，计算回归式，并且按照多个
孔像的每一个，进行取得由该回归式规定的像轴的形状参数的处理；以
及评价值计算部16，其对于多个孔像的每一个的像轴的形状参数，拟合
表示评价对象光学系统的光学特性的分布的特性分布模型函数，基于该
拟合的特性分布模型函数，计算评价对象光学系统的光学特性的评价值； 评价值计算部16尤其拟合表示聚焦远心或慧差的至少一方的分布的模型 函数来作为特性分布模型函数，作为评价对象光学系统的光学特性的分 布，求出表示聚焦远心的分布和慧差的分布的至少一方的分布的评价式， 并基于该评价式计算评价值。
因此，在透镜评价装置100中，能用短时间高精度地评价评价对象 光学系统的光学特性的分布。特别地，即使在不能用特别多的像素数拍 摄1个孔像的情况下，也能高精度地进行评价。另外，在透镜评价装置 100中，因为不需要使用用于监控孔像的成像位置等的纳米级的高精度的 激光测长机，所以，能用简单且便宜的结构实现高精度评价。
再有，在本实施方式l中，说明了用Z轴载物台5沿光轴方向移动 试料4，评价物体侧的聚焦远心的情况，而通过沿光轴方向移动摄像元件 IO进行同样的摄像处理以及分析处理，能够评价像侧的聚焦远心。另外， 如从上述的处理过程所了解的那样，如果该Z轴载物台5的逐级移动量 作为数值记录，则该逐级移动量不必是等间隔的。
另外，被光源1透射照明的试料4，如果满足排列成平面状的多个 光源这种要件，则能置换为其他实施方式。例如，可以是被排列成平面 状的光纤的出射端和荧光微球那样的发光体等。或者，如果设图2所示 的那种孔列标本为"负片"，则也能使用相反的"正片"的标本。即，可以使 用仅在相当于图2的孔4a的部分残留金属膜4b、而去除其以外的金属膜 4b后的标本。因为如果对那种标本进行落射照明，则将来自各金属膜的反射光看作多个点光源。在仅用1个波长评价时，也能使用发光二极管 列等单波长的发光体。这些点光源的大小优选为与被评价的光学系统的 分辨率同等或低于它。 (实施方式2)
下面，对本发明的实施方式2的光学系统评价装置进行说明。图IO
是表示作为本实施方式2的光学系统评价装置的荧光共聚焦显微镜200 的主要部分结构的图。如该图所示，荧光共聚焦显微镜200包括激光光 源51、分色镜53、 XY扫描器54、全反射镜55、物镜系统56、试料57、 Z轴载物台58、共聚焦光学系统59、光检测系统60、控制部61、计算机 62以及显示部63。
来自选择性发出多个波长激光的激光光源51的照明光(激励光)， 经由XY扫描器54以及全反射镜55之后，由物镜系统56聚光于试料57 内的焦点位置。来自试料57的反射光(荧光)，经由物镜系统56以及全 反射镜55之后，由设置于XY扫描器54和激光光源51之间的分色镜53 进行分光反射，经过共聚焦光学系统59由光检测系统60受光。这里， 根据共聚焦光学系统59的共聚焦效应，仅来自试料57上的焦点位置的 反射光向光检测系统60入射。入射的光由光检测系统60进行光电变换， 作为亮度信息向计算机62发送。
XY扫描器54由使来自激光光源51的照明光的光束向X轴方向偏 转的X电流计镜和使该光束向垂直于X轴方向的Y轴方向偏转的Y电 流计镜构成，能沿着相对于物镜系统56的光轴互相垂直的X轴方向以及 Y轴方向扫描试料57内的聚光位置。
Z轴载物台58是边保持所放置的试料57边使试料57沿着作为光轴 方向的Z轴方向移动的载物台。Z轴载物台58通过使试料57沿光轴方 向移动能使试料57内的焦点位置沿光轴方向移动。
计算机62基于响应XY扫描器54对照明光在试料57内的扫描而从 光检测系统60输出的亮度信息，构筑关于试料57的扫描图像。通过将 构筑的扫描图像显示在显示部63而能够进行视认。另外，计算机62和 实施方式1的控制装置14相同，包括未图示的像轴形状计算部、评价值计算部、存储部以及控制部。控制部61基于来自计算机62的指示，控
制激光光源5K XY扫描器54、 Z轴载物台58等电连接的各部的动作。 下面，说明荧光共聚焦显微镜200拍摄用于求出像轴的形状的评价 值的层叠图像的摄像处理。另外，试料57是仅在相当于图2所示的多个 孔4a的部分残留了金属膜4b的多个反射型的孔形成后的标本。反射型 的各孔以外的区域已经去除了金属膜4b。
操作者边用显示部63监控由XY扫描器54扫描所取得的观察图像， 边进行Z轴载物台的对焦。接着，开始由计算机62内部的CPU执行摄 像程序。再有，该摄像程序是记录在计算机62内部的存储部中的控制程 序的一部分，是进行用于自动拍摄多个波长的每一个的层叠图像的控制 的程序。边参照图3边说明该摄像程序的摄像处理过程。再有，所谓多 个波长是指，响应来自控制部61的控制，激光光源51可择一振荡的波 长。
控制部61首先使Z轴载物台58从对焦位置(上述的对焦后的位置) 移动到摄像范围的下端(步骤S101)。 Z轴方向的摄像范围优选设定为焦 点深度的数倍左右，以使其包含作为评价对象光学系统的物镜系统56的 像面弯曲和纵向的色差的范围。
接着，控制部61通过切换激光光源51的波长，将照明光的波长切 换为1个波长，该波长在多个波长中尚未对现在的Z轴载物台位置的观 察图像进行拍摄(步骤S102)。
接着，控制部61通过XY扫描器54的扫描拍摄试料57的观察图像， 存储在计算机62内部的存储部中(步骤S103)。
接着，控制部61判定在现在的Z轴载物台位置是否对多个波长的全 部实施了步骤S102、 S103，即判定用于摄像的波长个数是否达到了预定 的波长个数(步骤S104)。并且，在已经达到了预定的波长个数的情况下 (歩骤S104:是)，控制部18进入步骤S105，在未达到预定的波长个数 的情况下(步骤S104:否)，反复进行从步骤S102幵始的处理。这样， 通过反复进行步骤S102、 S103的处理直到用于摄像的波长个数达到预定 的波长个数，现在的Z轴载物台位置的多个波长的每一个的观察图像的图像文件被存储在计算机62的存储部中。
接着，控制部61判定存储在计算机62的存储部中的各波长的图像 文件数是否达到了覆盖z方向的预定的摄像范围的层叠张数(步骤 S105)。并且，在达到了层叠张数的情况下(步骤S105:是)，控制部18 结束摄像处理，在未达到层叠张数的情况下(步骤S105:否)，使Z轴 载物台58向上方移动1级后(步骤S106)，反复进行从步骤S102开始的 处理。该1级的移动量优选设为被评价的物镜系统56的焦点深度的 1/5 1/10左右。
这样，通过反复进行步骤S102 S104以及步骤S106直到满足步骤 S105，按照多个波长的每一个，覆盖Z轴方向预定的摄像范围的层叠张 数的图像文件，作为层叠图像被存储在计算机62的存储部中。
在荧光共聚焦显微镜200中，如上所述，基于拍摄的层叠图像，通 过与透镜评价装置100同样的分析处理，求出对应于各孔像的像轴的形 状，并且，基于其像轴的形状，计算作为物镜系统56的光学特性的分布 的聚焦远心的分布以及慧差的分布的评价值。这样，在荧光共聚焦显微 镜200中，与透镜评价装置100相同，能短时间且高精度地评价物镜系 统56的光学特性的分布。
在本实施方式2中，说明了荧光共聚焦显微镜200用1个聚光点扫 描试料57的内部的情况，而对于使用了尼普科夫圆盘(Nipkowdisk)等 的、用多个聚光点同时扫描的共聚焦显微镜，也能使用本发明。
再有，荧光共聚焦显微镜200的激励光和荧光的波长有些不同。在 本实施方式2中说明了仅用激励光的波长评价的情况，作为点光源列的 试料57，例如如果采用配置成平面状的多个荧光微球试料，则可进行包 含了激励光和荧光的波长差的更准确的评价。或者，也可以用实施方式1 那种透射照明和孔列标本形成点光源列。此时，和激光光源不同，因为 能设定任意的评价波长，所以能评价用荧光波长或激励光和荧光的中间 的波长评价像轴的形状以及光学特性的分布。
至此，将实施本发明的最佳实施方式作为实施方式1和2进行了说 明，但本发明不限定于上述的实施方式1以及2，在不脱离本发明的宗旨的范围内，可以进行种种变形。
例如，本发明的光学系统评价装置也能适用于显微镜以外的光学系 统。作为显微镜以外的光学系统，不限于透镜系统(折射系统)，对于包 含反射系统或反射折射系统等的各种成像光学系统也能适用。但是，根 据要评价的光学系统的视场的大小和分辨率，需要准备合适的多个点光 源。用于拍摄层叠图像的移动机构的逐级移动量和移动范围也同样。而 且根据上面的说明已经明确了必须的要件。从层叠图像计算聚焦远心和 慧差的各分布的评价式的处理过程，也能适用与相对于显微镜光学系统 的情况相同的情况。
权利要求
1. 一种光学系统评价装置，其根据经由评价对象光学系统成像的点像的成像位置来评价上述评价对象光学系统的光学特性，其特征在于，该光学系统评价装置包括点像生成单元，其具有排列成平面状的多个点光源，按照该每个点光源，经由上述评价对象光学系统使上述点像成像；摄像单元，其拍摄多个上述点像，生成点像分布图像；移动单元，其使该评价对象光学系统与上述点光源或上述摄像单元的相对距离沿上述评价对象光学系统的光轴方向改变；摄像控制单元，其通过上述移动单元使上述相对距离改变，每逢改变该相对距离时，都使上述摄像单元拍摄上述点像分布图像；像轴形状计算单元，其根据以不同的上述相对距离拍摄的多个上述点像分布图像的图像信息，检测上述点像的每个不同的上述相对距离的成像位置，计算对应于该检测到的多个成像位置的回归式，并且按照多个上述点像的每一个，进行取得由该回归式规定的像轴的形状参数的处理；以及评价值计算单元，其对于多个上述点像的每一个的上述形状参数，拟合表示上述光学特性的分布的特性分布模型函数，根据该拟合的特性分布模型函数，计算上述光学特性的评价值。
2. 根据权利要求1所述的光学系统评价装置，其特征在于，上述特 性分布模型函数表示聚焦远心或慧差的至少一方的分布。
3. 根据权利要求1所述的光学系统评价装置，其特征在于，上述像 轴形状计算单元包括强度分布拟合单元，其按照以不同的上述相对距离拍摄的上述点像 分布图像的每一个，对于拍摄有上述点像的点像图像区域，拟合表示该 点像图像区域的2维强度分布的强度分布模型函数；强度位置计算单元，其按照以不同的上述相对距离拍摄的上述点像 分布图像的每一个，检测上述强度分布拟合单元拟合的强度分布模型函数为最大值的上述点像分布图像上的平面内坐标，根据该检测出的平面 内坐标，计算拍摄了上述点像分布图像的上述相对距离中的上述点像的 最大强度位置，作为该点像的成像位置；以及曲线拟合单元，其对于每个不同的上述相对距离的多个上述最大强 度位置，拟合曲线模型函数作为上述回归式，取得该拟合的曲线模型函 数的系数作为上述形状参数。
4. 根据权利要求3所述的光学系统评价装置，其特征在于， 上述像轴形状计算单元具有范围设定单元，该范围设定单元对于上述点像，设定上述强度分布模型函数的拟合范围，上述强度分布拟合单元按照以上述拟合范围内的不同的上述相对距 离拍摄的上述点像分布图像的每一个，对上述点像图像区域拟合上述强 度分布模型函数。
5. 根据权利要求3所述的光学系统评价装置，其特征在于，上述强 度分布模型函数是2维高斯分布函数。
6. 根据权利要求1所述的光学系统评价装置，其特征在于，上述像 轴形状计算单元包括强度位置计算单元，其按照以不同的上述相对距离拍摄的上述点像 分布图像的每一个，检测表示拍摄有上述点像的点像图像区域内的最大 亮度值的像素位置，根据该检测出的像素位置，计算拍摄了上述点像分 布图像的上述相对距离中的上述点像的最大强度位置，作为该点像的成 像位置；以及曲线拟合单元，其对于每个不同的上述相对距离的多个上述最大强 度位置，拟合曲线模型函数作为上述回归式，取得该拟合的曲线模型函 数的系数作为上述形状参数。
7. 根据权利要求6所述的光学系统评价装置，其特征在于，上述像 轴形状计算单元具有范围设定单元，该范围设定单元对于上述点像设定 上述像素位置的搜索范围；强度位置计算单元按照以上述搜索范围内的不同的上述相对距离拍 摄的上述点像分布图像的每一个，检测上述像素位置。
8. 根据权利要求3 7的任何一项所述的光学系统评价装置，其特征在于，上述曲线模型函数是表示直线的直线模型函数。
9. 根据权利要求3 7的任何一项所述的光学系统评价装置，其特征 在于，上述曲线模型函数是表示2次曲线的2次曲线模型函数。
10. 根据权利要求1~7的任何一项所述的光学系统评价装置，其特征 在于，上述点像生成单元使多个波段的光可自由切换地从上述点光源射 出，并且按照该多个波段的光的每一个，使上述点像成像；上述摄像控制单元每逢由上述移动单元改变上述相对距离时，使上 述点像生成单元依次成像上述多个波段的光的上述点像，并且使上述摄 像单元按照上述多个波段的光的每一个拍摄上述点像分布图像；上述像轴形状计算单元按照上述多个波段的光的每一个，进行按照 多个上述点像的每一个取得上述形状参数的处理，并且计算差分参数， 该差分参数表示针对该多个波段的光中的第1波段的光和第2波段的光 的上述形状参数的差分；上述评价值计算单元对多个上述点像的每一个的上述差分参数，拟 合表示上述第1波段的光和上述第2波段的光中的上述光学特性的差分 的分布的差分分布模型函数，根据该拟合的差分分布模型函数，计算上 述光学特性的差分的评价值。
11. 根据权利要求1~7的任何一项所述的光学系统评价装置，其特征 在于，其包括旋转单元，该旋转单元使包含上述评价对象光学系统的至 少一部分的部分光学系统，以该部分光学系统的光轴为中心旋转，-上述评价值计算单元对上述旋转单元引起的上述部分光学系统的不 同的旋转位置，计算上述光学特性的评价值，根据该计算出的多个上述 光学特性的评价值，分离该光学特性的评价值中的与上述部分光学系统 对应的成分和与该部分光学系统以外对应的成分。
12. 根据权利要求1~7的任何一项所述的光学系统评价装置，其特征 在于，上述摄像控制单元使由上述移动单元在预定范围内增加和减少上述相对距离的往复变化至少进行一次，并且每逢在上述相对距离的增加中 和减少中使该相对距离改变时，都使上述摄像单元拍摄上述点像分布图像；像轴形状计算单元根据在上述相对距离增加中和减少中拍摄的多个 上述点像分布图像的图像信息，按照多个上述点像的每一个，取得分别 对应于该相对距离的增加中和减少中的上述形状参数；上述评价值计算单元根据分别对应于上述相对距离的增加中和减少 中的上述形状参数，计算分别对应于该相对距离的增加中和减少中的上 述光学特性的评价值，根据该计算出的多个上述光学特性的评价值，分 离该光学特性的评价值中的与上述评价对象光学系统对应的成分和与该 评价对象光学系统以外对应的成分。
13. 根据权利要求1~7的任何一项所述的光学系统评价装置，其特征 在于，上述评价对象光学系统具有光圈， 上述特性分布模型函数表示聚焦远心的分布；上述评价值计算单元根据上述特性分布模型函数计算上述光圈的横 向偏移量以及纵向偏移量的至少一方。
14. 根据权利要求1~7的任何一项所述的光学系统评价装置，其特征 在于，上述点像生成单元具有多个孔，其具有小于等于上述评价对象光学系统的分辨率的直径，被排列成平面状；以及照明单元，其透射照明多个上述孔；由上述照明单元照明的多个上述孔被用作多个上述点光源。
15. 根据权利要求1 7的任何一项所述的光学系统评价装置，其特征 在于，上述点像生成单元包括多个微小反射镜，其具有小于等于上述评价对象光学系统的分辨率 的直径，被排列成平面状；以及照明单元，其对多个上述微小反射镜进行落射照明； 由上述照明单元照明的多个上述微小反射镜被用作多个上述点光源。
16. 根据权利要求1 7的任何一项所述的光学系统评价装置，其特征在于，上述摄像单元具有2维摄像元件，由该2维摄像元件拍摄多个上述 点像。
17. 根据权利要求1~7的任何一项所述的光学系统评价装置，其特征 在于，上述点像生成单元具有共聚焦光学系统，该共聚焦光学系统被设置 为相对于上述评价对象光学系统与多个上述点光源共轭；按照上述每个点光源，经由该共聚焦光学系统对上述点像进行共聚 焦检测。
18. 根据权利要求1~7的任何一项所述的光学系统评价装置，其特征 在于，上述摄像控制单元每逢由上述移动单元移动上述相对距离时，使上 述点像生成单元让多个上述点光源依次发光，依次成像多个上述点像， 并且，使上述摄像单元依次拍摄该依次成像的上述点像，生成上述点像 分布图像。
19. 根据权利要求1~7的任何一项所述的光学系统评价装置，其特征 在于，上述评价对象光学系统是远心光学系统。
20. 根据权利要求19所述的光学系统评价装置，其特征在于，上述 移动单元使上述评价对象光学系统的远心侧的上述相对距离变化。
21. 根据权利要求1 7的任何一项所述的光学系统评价装置，其特征 在于，上述评价对象光学系统是用于显微镜的显微镜光学系统。
22. 根据权利要求21所述的光学系统评价装置，其特征在于，上述 评价对象光学系统的至少一部分是物镜。
23. —种光学系统评价方法，其根据经由评价对象光学系统成像的点 像的成像位置来评价上述评价对象光学系统的光学特性，其特征在于， 该光学系统评价方法包括-点像生成步骤，其按照被排列成平面状的多个点光源的每一个，经由上述评价对象光学系统使上述点像成像；摄像步骤，其拍摄多个上述点像，生成点像分布图像；移动步骤，其使该评价对象光学系统与上述点光源或上述摄像单元 的相对距离沿上述评价对象光学系统的光轴方向改变；摄像控制步骤，其通过上述移动步骤使上述相对距离变化，每逢使 该相对距离变化时，都由上述摄像步骤拍摄上述点像分布图像；像轴形状计算步骤，其根据以不同的上述相对距离拍摄的多个上述 点像分布图像的图像信息，检测上述点像的每个不同的上述相对距离的 成像位置，计算对应于该检测的多个成像位置的回归式，并且按照多个 上述点像的每一个，进行取得由该回归式规定的像轴的形状参数的处理； 以及评价值计算步骤，其对于多个上述点像的每一个的上述形状参数， 拟合表示上述光学特性的分布的特性分布模型函数，根据该拟合的特性 分布模型函数计算上述光学特性的评价值。
24. 根据权利要求23所述的光学系统评价方法，其特征在于，所述特性分布模型函数表示聚焦远心或慧差的至少一方的分布。
25. 根据权利要求23所述的光学系统评价方法，其特征在于，上述 像轴形状计算步骤包括强度分布拟合步骤，其按照以不同的上述相对距离拍摄的上述点像 分布图像的每一个，对于拍摄有上述点像的点像图像区域，拟合表示该 点像图像区域的2维强度分布的强度分布模型函数；强度位置计算步骤，其按照以不同的上述相对距离拍摄的上述点像 分布图像的每一个，检测上述强度分布拟合步骤所拟合的强度分布模型 函数为最大值的上述点像分布图像上的平面内坐标，根据该检测出的平 面内坐标，计算拍摄了上述点像分布图像的上述相对距离中的上述点像 的最大强度位置，作为该点像的成像位置；以及曲线拟合步骤，其对于每个不同的上述相对距离的多个上述最大强 度位置，拟合曲线模型函数作为上述回归式，取得该拟合的曲线模型函 数的系数作为上述形状参数。
26. 根据权利要求25所述的光学系统评价方法，其特征在于， 上述像轴形状计算步骤包括范围设定步骤，该范围设定步骤对于上述点像，设定上述强度分布模型函数的拟合范围，上述强度分布拟合步骤按照以上述拟合范围内的不同的上述相对距 离拍摄的上述点像分布图像的每一个，对上述点像图像区域拟合上述强 度分布模型函数。
27. 根据权利要求25所述的光学系统评价方法，其特征在于，上述 强度分布模型函数是2维高斯分布函数。
28. 根据权利要求23所述的光学系统评价方法，其特征在于，上述 像轴形状计算步骤包括强度位置计算步骤，其按照以不同的上述相对距离拍摄的上述点像 分布图像的每一个，检测表示拍摄有上述点像的点像图像区域内的最大 亮度值的像素位置，根据该检测出的像素位置，计算拍摄了上述点像分 布图像的上述相对距离中的上述点像的最大强度位置，作为该点像的成 像位置；以及曲线拟合步骤，其对于每个不同的上述相对距离的多个上述最大强 度位置，拟合曲线模型函数作为上述回归式，取得该拟合的曲线模型函 数的系数作为上述形状参数。
29. 根据权利要求28所述的光学系统评价方法，其特征在于，上述 像轴形状计算步骤包含范围设定步骤，该范围设定步骤对于上述点像， 设定上述像素位置搜索范围，强度位置计算步骤按照以上述搜索范围内的不同的上述相对距离拍 摄的各上述点像分布图像的每一个，检测上述像素位置。
30. 根据权利要求25~29的任何一项所述的光学系统评价方法，其特 征在于，上述曲线模型函数是表示直线的直线模型函数。
31. 根据权利要求25~29的任何一项所述的光学系统评价方法，其特 征在于，上述曲线模型函数是表示2次曲线的2次曲线模型函数。
32. 根据权利要求23~29的任何一项所述的光学系统评价方法，其特 征在于，上述点像生成步骤可自由切换地使多个波段的光从上述点光源射 出，并且按照该多个波段的光的每一个，使上述点像成像；上述摄像控制步骤每逢由上述移动步骤改变上述相对距离时，由上 述点像生成步骤依次成像上述多个波段的光的上述点像，并且由上述摄像步骤按照上述多个波段的光的每一个拍摄上述点像分布图像；上述像轴形状计算步骤按照上述多个波段的光的每一个，进行按照多个上述点像的每一个取得上述形状参数的处理，并且计算差分参数，该差分参数表示针对该多个波段的光中的第1波段的光和第2波段的光的上述形状参数的差分；上述评价值计算步骤对多个上述点像的每一个的上述差分参数，拟合表示上述第1波段的光和上述第2波段的光中的上述光学特性的差分的分布的差分分布模型函数，根据该拟合的差分分布模型函数，计算上述光学特性的差分的评价值。
33. 根据权利要求23 29的任何一项所述的光学系统评价方法，其特 征在于，其包含旋转步骤，该旋转步骤使包含上述评价对象光学系统的至少 一部分的部分光学系统，以该部分光学系统的光轴为中心旋转；上述评价值计算步骤对上述旋转步骤引起的上述部分光学系统的不 同的旋转位置，计算上述光学特性的评价值，根据该计算出的多个上述 光学特性的评价值，分离该光学特性的评价值中的与上述部分光学系统 对应的成分和与该部分光学系统以外对应的成分。
34. 根据权利要求23~29的任何一项所述的光学系统评价方法，其特 征在于，上述摄像控制步骤通过上述移动步骤使在预定范围内增加和减少上 述相对距离的往复变化至少进行一次，并且每逢在上述相对距离的增加 中和减少中使该相对距离改变时，都由上述拍摄步骤拍摄上述点像分布 图像；像轴形状计算步骤根据在上述相对距离的增加和减少中拍摄的多个 上述点像分布图像的图像信息，按照多个上述点像的每一个，取得分别对应于该相对距离的增加中和减少中的上述形状参数；上述评价值计算步骤根据分别对应于上述相对距离的增加中和减少 中的上述形状参数，计算分别对应于该相对距离的增加中和减少中的上 述光学特性的评价值，根据该计算出的多个上述光学特性的评价值，分 离该光学特性的评价值中的与上述评价对象光学系统对应的成分和与该 评价对象光学系统以外对应的成分。
35.根据权利要求23~29的任何一项所述的光学系统评价方法，其特 征在于，上述评价对象光学系统具有光圈； 上述特性分布模型函数表示聚焦远心的分布；上述评价值计算步骤根据上述特性分布模型函数，计算上述光圈的 横向偏移量以及纵向偏移量的至少一方。
全文摘要
本发明提供光学系统评价装置、光学系统评价方法及其程序，为了能短时间且高精度地评价评价对象光学系统的光学特性的分布，透镜评价装置(100)包括摄像元件(10)，其以试料(4)和物镜(7a)的不同的相对距离拍摄经由物镜(7a)成像的多个孔像，生成层叠图像；像轴形状计算部(15)，其基于层叠图像的图像信息，检测各不同的相对距离的孔像的成像位置，对该检测的多个成像位置拟合曲线模型函数，计算回归式，并按照多个孔像的每一个，进行取得由该回归式规定的像轴的形状参数的处理；评价值计算部(16)，其对多个孔像的每一个的像轴的形状参数拟合表示物镜(7a)的光学特性的分布的特性分布模型函数，基于该拟合的特性分布模型函数，计算物镜(7a)的光学特性的评价值。
文档编号G01M11/02GK101303269SQ200810097520
公开日2008年11月12日 申请日期2008年5月8日 优先权日2007年5月9日
发明者松沢聪明 申请人:奥林巴斯株式会社