CN1967185A - 镜头评价装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种镜头评价装置，该装置具有：配置在平面上的多个点光源；拍摄像并取得图像的摄像部；使上述点光源或者上述摄像部和成为评价对象的光学系统之间的相对距离变化的移动部；对每当上述移动部使上述相对距离变化时上述摄像部拍摄通过上述光学系统的上述多个点光源的像而取得的层叠图像进行记录的记录介质；从上述记录介质所记录的上述层叠图像内的多个点光源像中算出多个像位置的像位置算出部；以及将像差的模型函数拟合于由上述像位置算出部所算出的上述多个像位置以取得像差的测量值的像差取得部。

Description

镜头评价装置

技术领域

本发明涉及镜头的评价装置，尤其涉及评价关于光学系统的像位置的性能，即横向倍率、歪曲像差、像面弯曲以及色差的镜头评价装置。

背景技术

在将使用光学系统拍摄的图像用于测量时，要求该光学系统有高度的像差校正。例如激光共焦点显微镜的情况下，如果有像面弯曲，则平坦的试料的观察像就会变成曲面，由此不能正确测量深度方向。或者，在用多个波长的激光拍摄图像进行比较时，如果在光学系统中有色差，则图像的位置根据波长向横向(与光学系统光轴垂直的方向)和纵向(光学系统光轴方向)偏移，由此变得不能进行正确的比较运算。横向倍率的误差或歪曲像差也一样，会产生像位置的测量误差。为校正这些误差，需要预先测量这些像差，据此修正已拍摄的图像。或者，需要根据像差的测量值修正光学系统的镜头位置，预先将这些像差减为足够小。作为实施这些的前提，需要有能够高精度地测量关于光学系统的像位置的性能，即横向倍率、歪曲像差、像面弯曲以及色差的镜头评价装置。

参照图1对现有的评价装置进行说明。

如图1所示，在现有的评价装置中，作为点光源的针孔51设置于被评价的光学系统52的物体面上，从后面通过未图示的照明单元来照明。在光学系统52的像面上可以形成针孔51的空中像53。该空中像53很小，因此即使直接用摄像元件拍摄，也不能十分精确地测量成为最大强度的像位置。所以用摄像元件55来拍摄已在放大光学系统54中放大的图像。这样，通过从放大图像中搜索最大亮度的像素可以决定像位置。并且，一边将放大光学系统54和摄像元件55向光学系统52的光轴方向(Z轴方向)移动一边进行拍摄，如果从该层叠图像中搜索到最大亮度的像素则能够决定像位置的X，Y，Z坐标。通过切换照明单元的波长，也可以评价色差。不过，为求得像位置的X，Y，Z坐标，需要用3轴的测长器来监视放大光学系统54和摄像元件55的位置。另外，为决定视野内整体的像面形状，需要一边在物体面上将针孔51移动到多个位置一边进行测量。此时，也要用测长器来监视针孔51的X，Y坐标。

另外，作为有关本技术领域的镜头评价装置的现有技术，有专利文献1～5和非专利文献1。

[专利文献1]日本特许第3391470号公报

[专利文献2]日本特开2002-289494号公报

[专利文献3]日本特开2004-163207号公报

[专利文献4]日本特公平6-21772号公报

[专利文献5]日本特开平01-270605号公报

[非专利文献1]画像電子学会誌，Vol.31，No.4，Page534-541(2002.07.25)，“ディジタル画像を用ぃた高精度画像計測のための画像補正”，中村他

然而，在像图1所示的现有的评价装置那样，求得1个针孔像的像位置，并且在像面内的多个的位置重复该像位置的方法中，必须要用某些测长器来监视那些位置。并且，通过该测长器的精度决定整体的测量精度。在上述的激光共焦点显微镜等的光学系统中，也多能求出nm级的色差。在那种情况下，具有nm级的测量精度的高精度的激光测长器必须要有2轴以上。而且，也必须要验证放大光学系统的像差给予测量值的影响。另外，为了一边移动一个针孔一边进行测量，需要花时间测量像面整体，期间的光学系统的稳定性等也要予以注意。

如果将已知的等间隔排列的多个针孔设置在物体面上，就没有必要移动物体侧的针孔、或者监视其位置。另外，以足够的像素数拍摄1个针孔的空中像，而且假设存在其面积能覆盖像面的大部分的摄像元件，则不需要放大光学系统，也就不需要高精度地监视像面侧的X，Y坐标。此时，通过一边监视多个针孔或摄像元件的Z位置一边进行移动，能够拍摄足以算出像位置或色差的层叠图像。但是，那样的摄像元件由于像素数巨大，目前难以获得。

另外，虽然可以通过对平面镜进行测量而得到的校正数据来校正共焦点显微镜的像面弯曲，但并不能校正歪曲像差或横向色差。

发明内容

本发明是鉴于上述实际情况提出的，其目的在于提供一种能够高精度地测量光学系统的横向倍率、歪曲像差、像面弯曲以及色差，特别是即使在不能以足够的像素数拍摄1个点光源的空中像的情况下也可以获得高精度的评价值的镜头评价装置、镜头评价方法、记录镜头评价程序的记录介质、以及通过安装有这些评价单元对图像的失真或色位移予以校正的光学装置。

为了达到上述目的，本发明的第一实施方式的镜头评价装置的特征在于，具有：配置在平面上的多个点光源；摄像并取得图像的摄像部；使上述点光源或者上述摄像部与成为评价对象的光学系统的相对距离变化的移动部；对每当上述移动部使上述相对距离变化时上述摄像部拍摄通过上述光学系统的上述多个点光源的像而取得的层叠图像进行记录的记录介质；从被上述记录介质记录的上述层叠图像内的多个点光源像中算出多个像位置的像位置算出部；以及将像差的模型函数拟合于由上述像位置算出部所算出的上述多个像位置以取得像差的测量值的像差取得部。

本发明的第二实施方式的光学设备的特征在于，具有图像校正单元，其在拍摄物体的图像的光学设备中安装有上述第一实施方式的镜头评价装置，根据所取得的像差的测量值对上述图像的失真或色位移进行校正。

另外，本发明不仅限于上述镜头评价装置或光学设备，例如，上述镜头评价装置也可构成为记录镜头评价方法或镜头评价程序的记录介质。

附图说明

图1是现有的评价装置的说明图。

图2是第一实施方式的镜头评价装置的侧面图以及控制系统的方框图。

图3是针孔列标本的说明图。

图4是拍摄层叠图像的流程图。

图5是计算像差的流程图。

图6是计算像位置的流程图。

图7是计算像位置的说明图。

图8是横向色差的说明图。

图9是镜头评价装置的旋转部的作用的说明图。

图10是计算物点位置的说明图。

图11是第二实施方式的镜头评价装置的荧光共焦点显微镜的侧面图以及控制系统的方框图。

图12是表示物体侧和像侧的X，Y坐标的对应的说明图。

图13是用于校正图像的插值法的说明图。

图14是图像的校正的流程图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图2至图9以及图10是用于说明本发明的第一实施方式的评价显微镜光学系统的镜头评价装置的图。图2是本实施方式的镜头评价装置的侧面图以及控制系统的方框图。图3是针孔列标本的说明图。图4是拍摄层叠图像的流程图。图5是计算像差的流程图。图6是计算像位置的流程图。图7是计算像位置的说明图。图8是横向的色差的说明图。图9是镜头评价装置的旋转部的作用的说明图。图10是计算物点位置的说明图。

在图2中，光源1内部含有白色光源、波长选择单元、以及光量调整单元。白色光源例如是卤素灯(halogen lamp)或氙气灯(xenon lamp)、LED等。波长选择单元是可以从多个干扰滤波器中选择1个设置在光路中的旋转支承物。未图示的光量调整单元可以使透过率在0～100％的范围内连续变化。例如，是旋转型的ND滤波器。另外，未图示的波长选择单元和光量调整单元由来自外部的控制信号控制，可以任意地设定(选择切换)输出的光的中心波长和强度。并且，波长选择单元可以由其他的分光单元来代替，或者切换波长不同的多个光源来构成。

来自光源1的光由光纤2传导，在光强度均等化部3中，强度的位置/角度分布被均等化后透过试料4进行照明。光强度均等化部3由重复进行内部反射的棒玻璃或扩散板等构成。

试料4是如图3所示的针孔列标本。蒸镀在玻璃基板上的不透明金属膜21开有呈横竖等间隔的格子状的针孔22。所有针孔的直径相等，比物镜7的衍射极限小，即等于或小于所评价的光学系统的分辨率。由此，比物镜7的角开口范围广且强度角度分布大体均等的光和前述的光强度均等化部3的作用一起，被从各个针孔22射出。针孔列的分布范围最好比被评价的显微镜光学系统的视野广。另外，针孔列的格子排列不仅限于图3所示的针孔列的格子排列，只要具有二维周期性的话，也可以是其他的排列。

试料4被载置在Z轴工作台5上，该Z轴工作台向包括物镜7的显微镜光学系统的光轴方向移动。另外，以显微镜光学系统的光轴为Z轴。Z轴工作台5是压电式工作台(piezostage)，内置有对变位量进行监视的静电电容传感器，可以通过来自外部的控制信号将试料4移动到任意的Z轴位置。另外，XY工作台6是手动的工作台，其将Z轴工作台5以及试料4向与显微镜光学系统的光轴垂直的方向移动。

所评价的显微镜光学系统由物镜7和成像镜头9构成，将试料4的像成像在摄像元件10的摄像面上。摄像元件10为比显微镜光学系统的成像范围大或者拥有可拍摄大部分的摄像面积的二维的CCD。这些元件被安装于镜筒11上。另外，物镜7通过旋转部8被安装在镜筒11上。旋转部8能够以光轴为旋转轴任意角度地旋转以及固定物镜7。镜筒11通过将其上下移动的移动镜台12被安装于机架13上。

光源1、Z轴工作台5以及摄像元件10被连接在计算机14上。计算机14内部设有CPU、RAM以及记录后述的控制程序15等的ROM16，CPU通过执行ROM16所记录的控制程序15，控制所连接的单元，拍摄试料4的像，计算出像差的评价值。除此之外，计算机14也设置有记录图像文件等的记录介质17、输入部、以及显示部等。

下面，对由上述结构构成的镜头评价装置的运作进行说明。

操作者将要评价的物镜7安装在旋转部8上，将适合于该物镜7的针孔径的试料4安装在Z轴工作台5上。接着，一边通过计算机14的显示部的画面监视摄像元件10的图像，一边通过XY工作台6进行试料4的定位、以及通过上下移动工作台12或者Z轴工作台5进行对焦。此外，这里的对焦不限于手动，例如也可以是在镜头评价装置上设置自动对焦单元来自动进行。

接着，进行完上述对焦之后，开始通过计算机14内部的CPU执行摄像程序。另外，摄像程序是计算机14内部的ROM16所记录的控制程序15的一部分，是进行用于自动拍摄多个波长的层叠图像的控制的程序。参照图4对该摄像程序的过程进行说明。此外，多个波长是指作为评价色差时的基准的基准波长、和被评价的多个评价波长。

在图4中，首先在S1中，将Z轴工作台5从对焦位置(前述对焦后的位置)移动到摄像范围的下端。Z方向的摄像范围优选的是预先设定为焦点深度的数倍左右，以使其包含被评价的物镜7的像面弯曲或者纵向的色差的范围。

S2中，切换光源1内部的波长选择单元的干扰滤波器，将照明光切换为多个波长中的在当前的Z轴工作台位置还未进行该S2和后述的S3的1个波长。接着，通过光源1内部的ND滤波器(光量调整单元)切换为适当的光量。该光量为预先设定的值，以使基于多个波长的层叠图像的亮度为相同的水平。

在S3中，通过摄像元件10拍摄试料4的图像，并作为图像文件转送给计算机14。另外，被转送的图像文件被记录到计算机14内部的记录介质17中。

S4中，对多个波长的全部波长判断在当前的Z轴工作台位置是否已进行上述S2到S3(是否已经达到波长个数)。这里，如果其判断结果为“是”则进入S5，如果为“否”则返回到S2。这样，通过重复S2到S3直至S4为“是”为止，从而，针对当前的Z轴工作台位置的多个波长的各个波长的图像文件被转送给计算机14并进行记录。

在S5中，对转送给计算机14并被记录的各波长的图像文件数是否已经达到覆盖Z方向的摄像范围的层叠张数进行判断。这里，如果该判断结果为“是”则结束利用摄像程序的摄像，如果为“否”则进入步骤S6。

S6中，将Z轴工作台5向上移动一步。该移动量优选为被评价的物镜7的焦点深度的1/5～1/10左右。S6之后返回到S2。

这样，通过重复S2到S4以及S6直到S5为“是”为止，由此，覆盖Z方向的摄像范围的层叠张数的各波长的图像文件被记录在计算机14内部的记录介质17中。

在该过程中，反复进行将Z轴工作台5往上移动1步后切换多个波长进行各个图像的拍摄的动作，从而同时进行多个波长的层叠图像的拍摄。这样，在各波长下因环境温度的变化等引起的拍摄时间内进行的试料位置的偏移大体相同。这在后述的像差计算中，有助于缩小误差。

接着，开始由计算机14内部的CPU执行解析程序。另外，解析程序是记载在计算机14内部的ROM16中的控制程序15的一部分，是用于进行从所拍摄的层叠图像的图像文件中自动算出包含物镜7的显微镜光学系统的横向倍率、歪曲像差、像面弯曲以及色差的控制的程序。参照图5对利用该解析程序的过程进行说明。

在图5中，首先在S11中，根据上述图4所示的过程从计算机14内部的记录介质17所记录的图像文件中，读出多个波长中还没进行该S11以及后述S12至S13的1个波长的层叠图像，存储在存储器(计算机14内部的RAM)中。

在S12中，从该1个波长的层叠图像的摄像范围内还没进行该S12的1个针孔像中求得像位置。像位置是指像点的位置，是针孔的空中像的最大强度位置。但是，摄像的采样间隔(摄像元件10的像素间隔和Z轴工作台5的1步移动量)是针孔的空中像的大小的1/5～1/10左右，因此仅靠单纯搜索最大亮度的像素位置无法高精度地求出像位置。因此，在该S12中按照图6所示的过程算出像位置。这里参照图6和图7对该过程进行更为具体的说明。

在图6中，首先在S21中，设定使强度分布模型拟合于被采样的针孔空中像的范围。另外，所谓拟合(fit)是指适用之意。针孔空中像随着远离其最大强度位置强度慢慢降低。在最大强度附近，由于其变化单调减少较为平缓，因此容易拟合单纯的强度分布模型。因此，纵向(Z轴方向)以物镜7的焦点深度为拟合范围。横向(X，Y轴方向)以爱里斑的1/2的半径内为拟合范围。这些值可以从被评价的物镜7的数值孔径NA和照明光的波长λ中，分别求得为λ/NA²、0.3λ/NA。起初，在被采样的针孔空中像中搜索最大亮度的像素，以该像素位置为中心将包含于上述的(呈圆筒型)的拟合范围内的采样点作为下述拟合的对象。另外，可以从上述的值中增减拟合范围来进行微调整。

在S22中，从包含在纵向的拟合范围的单张图像中求得未进行该S22的1个单张图像的最大强度I及其位置(x_c，y_c)。这里参照图7对这些求法进行说明。该图显示了一个针孔空中像的层叠图像。在该层叠图像26中，按照每个Z轴位置，针孔空中像的横截面27被采样为各单张图像28。其中，针对1个单张图像28的上述拟合范围内的采样点，以最小二乘法拟合横截面27的强度分布模型I(x，y)。在本实施方式中，作为易于拟合于最大强度位置附近的强度分布的强度分布模型，采用旋转对称的二维高斯分布(式1)。

I(x，y)＝I·exp[-b²{(x-x_c)²+(y-y_c)²}]           式(1)

接着，从被拟合的强度分布模型I(x，y)中，求得1个单张图像28内的最大强度I及其位置(x_c，x_c)。另外，这里所求得的最大强度I及其位置(x_c，x_c)也是被拟合的强度分布模型I(x，y)的最大值和该最大值的平面内坐标。通过这样来求解，可以以比原来的X，Y方向的采样间隔高的精确度求得1个单张图像内的最大强度I及其位置(x_c，x_c)。另外，所谓原来的X，Y方向的采样间隔，例如是根据摄像元件10的像素间隔和被评价的光学系统的横向倍率所决定的物体侧的采样间隔。

而且，在S22中，虽然通过使强度分布模型I(x，y)拟合于1个单张图像的拟合范围内的采样点来求得最大强度I及其位置(x_c，x_c)，但这个也可以置换为从1个单张图像的拟合范围内的采样点中搜索最大亮度值的像素以求出其亮度值和位置。此时，与前者相比，虽然算出的像位置的精确度降低，但是，只要拍摄视野内的针孔数足够多，可以求得通过后述的像差模型函数的拟合，使得各个像位置误差相抵的像差的表达式。

在S23中，对纵向的拟合范围内所包含的所有单张图像判断是否已进行了上述S22(是否已达到拟合张数)。这里，如果其判断结果为“是”则进入S24，如果为“否”则返回S22。这样，重复S22直到S23为“是”为止，从而求出包含在纵向的拟合范围内的有关单张图像各个图像的最大强度I及其位置(x_c，x_c)。在图7中，各个单张图像28的位置29表示所求出的各个单张图像的最大强度位置(x_c，x_c)。这里，针孔空中像的最大强度位置在连接各个单张图像28的最大强度位置29的直线上。

因此，在S24中，以最小二乘法使各个直线模型(式(2)(3))拟合于作为Z坐标的函数的各个单张图像的最大强度位置x_c(z)，y_c(z)，从而求出这些直线。

x_c(z)＝a_x·z+b_x          式(2)

y_c(z)＝a_y·z+b_y          式(3)

很多情况下，偏移量几乎与摄像时间成比例地变化，因此进行拟合的模型是直线模型(一次曲线模型)就足够了。如果摄像时间长，偏移量变化复杂的话，可以选择n次曲线模型等。

在S25中，以最小二乘法使n次曲线模型拟合于作为Z坐标的函数的各个单张图像的最大强度Iz)。在n＝2时，因球面像差等而不能拟合于I(z)的非对称，因此优选为n＝4～6左右。

在S26中，求出拟合于作为Z坐标的函数的各个单张图像的最大强度I(z)的n次曲线模型的峰值位置。这成为针孔空中像的最大强度位置的Z坐标。接着，将该Z坐标代入在S24中求得的直线模型x_c(z)，y_c(z)，求出最大强度位置的X，Y坐标。根据用途，将这样求出的像位置转换为物体侧或像侧的实际坐标。为了转换为物体侧的实际坐标，要将Z方向的采样间隔转换成Z轴工作台5的步移动间隔(μm单位)。X，Y方向的采样间隔转换为将摄像元件10的像素间隔(μm单位)除以被评价的光学系统的横向倍率所得的值。

该横向倍率通常是被评价的光学系统的设计上的值就足够了。(关于计算正确的横向倍率的方法将在后面S17中叙述)。转换为像侧的实际坐标也一样。这样，1个像位置的计算结束。

通过上面图6所示的过程，可以以比原先的采样间隔更高的精度取得1个像位置的X，Y，Z坐标。另外，除此以外，也有直接拟合三维的强度分布模型的方法，但是，跟随由于偏移等引起针孔空中像的复杂变形比较困难。在如图6所示的像位置的计算过程中，通过比较简单的强度分布模型的组合，有利于吸收这些复杂的变形。

回到图5，在S13中，对1个波长的层叠图像的摄像范围中的所有针孔像，判断是否已经进行了S12(是否已经达到针孔数)，其判断结果为“是”则进入S14，如果为“否”则回到S12。这样，通过重复S12直到S13为“是”为止，从而，可以从1个波长的层叠图像的摄像范围内的所有针孔像中求得所有的像位置。

在S14中，针对所有的多个波长判断是否已经进行了S11到S13(是否已经达到了波长个数)。这里，如果其判断结果为“是”则进入步骤S15，如果为“否”则返回到步骤S11。这样，重复S11到S13直至S14为“是”为止，从而，可以求得有关多个波长的层叠图像的各个图像的摄像范围内的所有的像位置。即，可以求出各波长的像位置的分布。

在S15中，求出所有的波长在步骤S24(参照图6)中拟合的直线模型(式(2)、(3))的倾斜度a_x，a_y的平均值 a_x， a_y。此处，所有的针孔像共同的倾斜度是因偏移而引起的成分。在S12中求得的像位置越离开对焦面(z＝0)，由于偏移引起的像位置的X，Y坐标的误差就越大。因此，从各波长的各个像位置的X，Y坐标中，各自减去该像位置的Z坐标与所有的波长的倾斜度的平均的积 a_xz， a_yz，除去偏移引起的误差(偏移成分)。另外，在上述图4所示的摄像过程中，由于同时进行多个波长的层叠图像的拍摄，所以有助于有效地除去该偏移成分。

在S16中，求出物点位置，即，针孔列标本的各个针孔的位置。这在为评价横向倍率和歪曲像差时尤为必要。被评价的光学系统是照相机镜头那样的缩小系统时，因为标本的物点的间隔很大，所以通过实际测量可以获得足够的测量精度。但是，在评价显微镜光学系统那样的扩大系统时，难以通过实际测量高精度地求出物点位置的X，Y坐标。针孔列标本的针孔间隔可以通过光刻技术等的制造技术来高精度的获得。参照图10和图2对将其设置在被评价的光学系统的物体侧时的设置位置的计算方法进行说明。

图10示出了排列在格子间隔为a_x，a_y的长方格子中的针孔列标本61(试料4)和物体侧坐标的位置关系。坐标原点为光学系统的光轴，X，Y轴分别为摄像元件10的横、纵方向。首先将试料4固定在Z轴工作台5上。此时，假定针孔的排列方向与摄像元件10的横、纵方所成的角度为θp。接着，以接近坐标原点的一个针孔为指数(0，0)，如图10所示决定各针孔的指数(p，q)。假定指数(0，0)的针孔位置为(x_p，y_p)。通过旋转角度θ_p和平移(x_p，y_p)，用式(4)表示指数(p，q)的针孔的物点位置(x，y)。

$\left(\begin{array}{c}x(p,q)\\ y(p,q)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_p& -\sin {\mathrm{\θ}}_p\\ \sin {\mathrm{\θ}}_p& \cos {\mathrm{\θ}}_p\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}p\·a_x\\ q{\·a}_y\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{x}_p\\ y_p\end{array}\right)$

$=\left(\begin{array}{c}{a}_x\cos {\mathrm{\θ}}_p\·p-a_y\sin {\mathrm{\θ}}_p\·q+x_p\\ a_x\sin {\mathrm{\θ}}_p\·p+a_y\cos {\mathrm{\θ}}_p\·q+y_p\end{array}\right)$  式(4)

如果在格子间隔a_x，a_y的误差可以忽略不计的情况下决定θ_p及(x_p，y_p)，则决定了物点的位置。将物体侧的坐标原点通过基准波长成像的位置定义为像侧的坐标原点。并且，由于显微镜光学系统的歪曲像差一般极小，所以如果忽略不计的话，基准波长的各针孔的像位置(X，Y)为式(5)。 β是测量区域内的横向倍率的平均值。

$\left(\begin{array}{c}X(p,q)\\ Y(p,q)\end{array}\right)=\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}}\left(\begin{array}{c}x(p,q)\\ y(p,q)\end{array}\right)=\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}}\left(\begin{array}{c}{a}_x\cos {\mathrm{\θ}}_p\·p-a_y\sin {\mathrm{\θ}}_p\·q+x_p\\ a_x\sin {\mathrm{\θ}}_p\·p+a_y\cos {\mathrm{\θ}}_p\·q+y_p\end{array}\right)$  式(5)

因此，分别以最小二乘法将指数与格子间隔的积(a_xp，a_yp)作为独立的变量的式(6)的平面拟合于通过S11～S14求得的基准波长的像位置(X，Y)上。

X(a_xp，a_yq)＝A·(a_xp)+B·(a_yq)+C

Y(a_xp，a_yq)＝D·(a_xp)+E·(a_yq)+F式(6)

这里取得的参数A～F与式(5)存在以下关系。

A＝ βcosθ_p，B＝- βsinθ_p，C＝ βx_p

D＝ βsinθ_p，E＝ βcosθ_p，F＝ βy_p式(7)

据此，(x_p，y_p)，θ_p及 β可以从式(8)中得到。θ_p与 β是取从两个平面所得的值的平均。

$x_p=\frac{C}{\sqrt{A^2+B^2}},$ $y_p=\frac{F}{\sqrt{D^2+E^2}}$

${\mathrm{\θ}}_p=\arctan (-\frac{B}{A})$ 或 $\arctan \left(\frac{D}{E}\right)$ 式(8)

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}}=\sqrt{A^2+B^2}$ 或 $\sqrt{D^2+E^2}$

将如上所求得的(x_p，y_p)，θ_p代入式(4)，计算各针孔的物点位置坐标。指数(p，q)即使作为独立的变量来计算也能得到同样的结果。

另外，对于长方格子以外的任意格子型，也同样可以决定物点位置。当θ_p和(x_p，y_p)为0时的物点位置(x₀，y₀)为式(9)所示的针孔列标本时，

$\left(\begin{array}{c}{x}_0(p,q)\\ y_0(p,q)\end{array}\right)={\mathrm{pa}}_1+{\mathrm{qa}}_2=p\left(\begin{array}{c}{a}_{1x}\\ a_{1y}\end{array}\right)+q\left(\begin{array}{c}{a}_{2x}\\ a_{2y}\end{array}\right)$  式(9)

其中，a₁，a₂：二维格子的基本平移矢量

分别以最小二乘法使指数(p，q)作为独立变量的符合式(10)的平面拟合于基准波长的像位置(X，Y)。

X(p，q)＝A·p+B·q+C

Y(p，q)＝D·p+E·q+F式(10)

根据该参数A～F，如式(11)可得(x_p，y_p)，θ_p与 β。

$x_p=\frac{C}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}}},$ $y_p=\frac{F}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}}}$

${\mathrm{\θ}}_p=\arctan \left(\frac{{\mathrm{Aa}}_{2x}-{\mathrm{Ba}}_{1x}}{{\mathrm{Aa}}_{2y}-{\mathrm{Ba}}_{1y}}\right)$ 或 $\arctan (-\frac{D{a}_{2y}-{\mathrm{Ea}}_{1y}}{{\mathrm{Da}}_{2x}-{\mathrm{Ea}}_{1x}})$ 式(11)

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{{({\mathrm{Aa}}_{2x}-{\mathrm{Ba}}_{1x})}^2+{({\mathrm{Aa}}_{2y}-{\mathrm{Ba}}_{1y})}^2}}{a_{1x}{a}_{2y}-a_{1y}{a}_{2x}}$ 或 $\frac{\sqrt{{({\mathrm{Da}}_{2x}-{\mathrm{Ea}}_{1x})}^2+{({\mathrm{Da}}_{2y}-{\mathrm{Ea}}_{1y})}^2}}{a_{1x}{a}_{2y}-a_{1y}{a}_{2x}}$

因此，如果针孔列标本的排列为二维周期格子，那么不管什么格子型都可以求得物点的位置。

在S17中，求得含有横向倍率和歪曲像差系数的横向的成像式。被评价的光学系统按高度进行像差校正时，可以忽略高次的歪曲像差。最低次(3次)的歪曲像差引起的像位置的移动量与距离“歪曲中心”的3次方成比例，该方向位于连接歪曲中心与物点位置的直线上。所以，横向的成像式，即物点与像点的位置r，R的关系式以式(12)表示。

R＝β₀r+R_s-A₃|r-r_c|²(r-r_c)          式(12)

其中： $R=\left(\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right):$ 像点的位置， $r=\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right):$ 物点的位置， $R_s=\left(\begin{array}{c}{X}_s\\ Y_s\end{array}\right):$ 偏移量， $r_c=\left(\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\end{array}\right):$ 歪曲中心，

β₀：“歪曲中心”的横向倍率，A₃：3次歪曲像差系数。

因此，根据从S11～S15求得的像位置(X，Y)与通过实际测量或由S16求得的物点位置(x，y)，以以下方式求得式(12)的β₀，R_s，A₃，r_c。

被测量的N个针孔里，将第i个的针孔的物点位置r_i代入式(12)的成像式求得的像位置设为R_i′。另一方面，假定从第i个针孔测得的像位置为R_i。相应的所有的R_i′和R_i的距离的平方和为最小时，式(12)的成像式与实际像位置拟合。因此，参数β₀，R_s，A₃，r_c为最优化，使得式(13)评价函数S为最小。

$S=\frac{1}{N}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{|R_i-{R^{\′}}_i|}^2=\frac{1}{N}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{|R_i-{\mathrm{\β}}_0{r}_i-R_s+A_3{|r_i-r_c|}^2(r_i-r_c)|}^2$  式(13)

最优化利用“最速下降法”等对非线性模型进行一般的重复最优化的算法来实施。(参考文献：W.H，Press，他(丹度，他·訳)「ニュ一メリカルレシピ·ィン·シ一～C言語にょる数値計算のレシピ～日本語版](技術評論社，1993))通过如此求得的横向的成像式，可以取得对应于任意的物点位置(x，y)的像位置(X，Y)的测量值。

另外，当被评价的光学系统的歪曲像差大，不能如S16那样求得物点位置时，将式(4)代入式(13)。接着，以上述的重复最优化与参数β₀，R_s，A₃，r_c同时求得θ_p和(x_p，y_p)即可。

还有，在事先知道偏移量R_s与歪曲中心r_s小得可以忽略不计的情况下，可以用以下方法求β₀，A₃。横向的成像式(式(12))按照式(14)来变形。

$\frac{\left|R\right|}{\left|r\right|}={\mathrm{\β}}_0-A_3{\left|r\right|}^2$  式(14)

如果以最小二乘法使2次曲面(右边)拟合于物点跟像点的高度比(左边)，则可以得到β₀和A₃。

还有，在事先知道歪曲像差小得可以忽略不计的情况下，只要求出式(15)的近轴成像式的参数 β，

就足够了。

$R=\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}}r+{\stackrel{\‾}{R}}_s$  式(15)

，如果分别以最小二乘法使式(16)的直线拟合于相应的物点与像点的x坐标(x_i，X_i)与y坐标(y_i，Y_i)的组，

X＝Ax+B，Y＝cy+D    式(16)

则可获得如下的参数。

A＝ β，B＝ X_s，C＝ β，D＝ Y_s    式(17)

横向倍率 β取A与C的平均。

如上所述，按照要评价的光学系统，预先选择横向的成像式的形式，其参数由S17求得。另外，在需要评价高次的歪曲像差的时候，在式(12)或式(14)中追加|r|⁴，|r|⁶，...的相关项即可。

被评价的光学系统的像面弯曲或纵向的色差十分小的情况下，或焦点深度非常大的情况下，显然从合焦状态下摄像取得的1张图像可以算出横向的成像式。只对这样的成像式进行评价时，层叠图像的摄像相关的流程图(图4)的S1变更为“向合焦位置移动Z工作台”，省略S5，S6。还有，省略与像位置的计算相关的流程图(图6)的S23～S25即可。

在S18中，求得纵向的成像式，即物点位置r同像点的Z坐标的关系式。被评价的光学系统被按照高度进行像差校正时，它的像面成为如式(18)所表示的2次曲面。

Z＝c|r-r₀|²+Z₀    式(18)

$r=\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right):$ 物点的位置， $r_0=\left(\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\end{array}\right):$ 像面弯曲中心

Z₀：像面弯曲的顶点的Z坐标

因此，在S18中，以最小二乘法使2次曲面模型拟合于与在S16中求得的物点的位置r对应的在步骤S11～S15中求得的像位置的Z坐标，求得纵向的成像式(式(18))。系数c是表示像面弯曲的2次系数，x₀，y₀，Z₀是2次曲面顶点的坐标。由此，从求得的纵向的成像式可以得到与任意物点位置(x，y)对应的像位置的Z坐标的测量值。另外，根据不同的被评价的光学系统，也存在适合设定含有更高次项的像面弯曲模型的情况。这种情况下，在式(18)中追加|r|⁴，|r|⁶，...的相关项即可。

在S19中，对所有的像位置进行如下的操作，即：从在S11～S15中求得的一个评价波长的像位置的X，Y，Z坐标，分别减去在S11～S15中求得的基准波长的像位置的X，Y，Z坐标，这样就可以求得作为物点位置(x，y)的函数的像位置的差分分布ΔX(x，y)，ΔY(x，y)，ΔZ(x，y)。

ΔX(x，y)，ΔY(x，y)是横向色差分布。当被评价的光学系统按照高度进行像差校正，且只考虑波长所引起的少量的横向倍率的差，即倍率的色差即可时，像位置的X，Y坐标的分布如图8所示。如该图所示，对于基准波长的像位置(该图的黑圆点)31，少量的横向倍率的差引起了评价波长的像位置(该图的白圆点)32横向偏移。此时，两者的位置关系有如下性质。

·从没有横向偏移的位置，即横向像差中心(x₀，y₀)33呈放射状地横向偏移。

·横向偏移量ΔR34与距横向像差中心33的距离成比例。

·横向偏移量的X坐标成分ΔX35的大小只依赖于物点位置的x坐标。同样Y坐标成分ΔY36的大小只依赖于物点位置的y坐标。

其结果是，ΔX，ΔY用直线的式(19)，(20)表示。系数A是“倍率色差系数”。

ΔX(x，y)＝A·(x-x_c)      式(19)

ΔY(x，y)＝A·(y-y_c)      式(20)

因此，以最小二乘法使式(19)，(20)的直线模型拟合于所有的像位置的差分ΔX(x，y)，ΔY(x，y)，求得横向色差的表达式(式(19)，(20))。由此，从求得的横向色差的表达式中可以得到对应于任意物点位置(x，y)的横向色差的测量值。

另一方面，上述的ΔZ(x，y)是纵向色差分布。像面以2次曲面表示时，纵向色差也是如式(18)那样的2次曲面。从而，以最小二乘法使2次曲面模型拟合于所有的像位置的差分ΔZ(x，y)，求得纵向色差的表达式。由此，从求得的纵向色差的表达式中可以得到对应于任意物点位置(x，y)的纵向色差的测量值。另外，在适合设定含有更高次项的像面弯曲模型的光学系统的情况下，纵向色差模型函数也最好那样变更。

另外，横向及纵向的色差，也可以从通过S17和S18求得的成像式中求得。即，从横向的成像式中分别取得对应于任意物点位置(x，y)的评价波长和基准波长的像位置(X，Y)。作为两者的差分，可以取得对应于物点位置(x，y)的横向色差的测量值。同样可以取得纵向的色差。

在S20中，对所有的多个波长是否进行了S17至S19(是否达到了波长个数)进行判断。在这里，该判断结果为“是”时，根据解析程序进行的评价值的计算结束，为“否”时返回S17。这样，重复S17至S19直到S20为“是”为止，由此可以求得多个波长的横/纵向的成像式及色差的表达式(只有评价波长)。即，取得针对各波长的横向倍率、歪曲像差、像面弯曲和横/纵的色差的测量值。

另外，在各个像位置，具有由于试料4的表面的凹凸、Z轴工作台5的移动量的误差、计算像位置的计算误差等引起的测量误差。但是，通过如上所述对像差模型函数进行拟合，各个像位置的测量误差被抵消，可以高精度地求得像差的表达式。

还有，横向倍率的误差与歪曲像差非常小，在只评价像面弯曲和色差的情况下，可以简化求物点位置的S16。即，通过将在S11～S15中求得的基准波长的像位置除以光学系统的设计上横向倍率，可以求得物点位置。此时，试料4的针孔列不一定非要规则排列。不过，如果考虑到对像差模型函数的拟合，针孔最好能在摄像视野内以大致均匀的密度分布。

另外，在求解像位置的S12中，说明了通过重复模型函数的拟合来高精度地求得像位置的过程(参照图6)。但也可以是简单地搜索各个针孔的积叠图像整体中的最大亮度的像素位置，将其作为像位置的方法。尽管比起如图6所示的过程的情况计算的像差的表达式的精度降低，但是，如果摄像视野内的针孔数足够多的话，通过对像差模型函数进行拟合，各个像位置的误差被抵消，可以以某种程度的精度求得像差表达式。或者，也可以考虑这样的变形例，即以计算针孔的单张图像或层叠图像的整体的强度重心位置，来取代计算最大强度位置。但是，由于一般定义像位置为最大强度位置，因此，那些方法比较理想。

还有，在图5所示的过程中，在S15中进行偏移成分的除去处理，但在偏移成分可以忽略等的情况下，可以省略S15，S14为“是”后直接进入S16。

另外，在S17，S18中，关于像差中心采用了含有旋转对象的歪曲像差或像面弯曲的成像式。但是，根据被评价的光学系统，也可以采用含有旋转非对称的像差的其他形式的成像式。

还有，在显微镜光学系统的情况下，像差的大部分是物镜7引起的。因此，为了评价物镜7的单体像差，追加以下过程比较有效。

如果由旋转部8旋转物镜7，则横/纵向的成像式与色差的表达式中所含的X，Y坐标值的参数(横向色差的中心，等)中、物镜引起的成分随之旋转移动。参照图9对这种情况进行说明。如该图所示，伴随着旋转的前述X，Y坐标的移动描画出圆41的轨迹。此时，圆41的中心42并不一定与视野中心43一致。两者的差44是物镜7以外的光学系统及元件的配置误差等引起的成分。并且，圆的半径45是物镜7引起的成分。

因此，将旋转部8旋转180度进行同样的测量。两者的X，Y坐标值的参数的平均值成为物镜7以外的成分。还有，作为两者的差的1/2，可以得到物镜7引起的成分。进一步分割旋转角度，例如用0度，90度，180度，270度的4个位置进行测量，如果求得圆41的中心42与半径45，则可以更高精度地分离两者的成分。另外，横/纵向的成像式与色差的表达式中所含的Z坐标值的参数(像面弯曲的顶点的Z坐标，等)与坐标值以外的参数(横向倍率，各像差系数等)应该不随旋转而变化。这些值取上述的多个测量值的平均，由此可以改善测量误差。

另外，在本实施例中，试料4在Z轴工作台5上向光轴方向移动，但也可以移动摄像元件10进行层叠图像的摄像。换句话说，最少需要一种使被评价的光学系统与试料4或摄像元件10的任何一个之间的距离产生相对变化的移动单元。还有，从上述的算法可知，该移动单元的步移动量如果作为数值被记录的话，没必要等间隔。

还有，被光源1透过照明的试料4如果满足平面上排列的多个点光源的条件，则可以置换为其他的实施方式。例如，是配置在平面上的光纤的出射端列和像荧光珠那样的发光体等。或者，如图3所示的针孔列标本为“负”的话，也可以使用相反的“正”的标本。即，只留下图3的相当于针孔22的部分的金属膜21，可以使用除去了此外的金属膜21的标本。这是因为如果对这种标本从顶部进行照明，则来自各金属膜的反射光可以看作是多个点光源。只以1种波长评价的时候，也可以使用发光二极管列等的单波长的发光体。这些点光源的大小优选为和被评价的光学系统的分辨率同等或其以下。并且，通过使多个点光源比在摄像视野内的点光源数更多，可以更加提高测量精度。并且，摄像元件10即使是具有相同的摄像面积的CCD，只要使用更高的像素密度，即更高像素的摄像元件，就可以更加提高测量精度。

接着，参照图11～14对本发明的第2实施方式进行说明。

图11是本实施方式的镜头评价装置的荧光共焦点显微镜的侧面图及控制系统的方框图。

来自产生多个波长的激光的激光光源101的照明光(激励光)经由了XY扫描仪104和全反射镜105之后，通过物镜系统106聚光于试料107内的焦点位置。来自试料107的反射光(荧光)经由了物镜系统106和全反射镜105之后，被设置于XY扫描仪104和激光光源101之间的分色镜(Dichroic Mirror)103分光反射，通过共焦点光学系统109被光检出系统110接收。这里，由于共焦点光学系统109的共焦点效应，只有来自焦点位置的反射光向光检出系统110入射。所入射的光通过光检出系统110进行光电转换，作为亮度信息发送给计算机112。

XY扫描仪104构成为具有使来自激光光源101的照明光的光束在X方向上振动的X检电镜和使该光束在垂直于X方向的Y方向上振动的Y检电镜，能使试料107内的聚光位置向相对于光轴相互垂直的X方向及Y方向扫描。

Z工作台108是对载置的试料107进行保持的同时使之向光轴方向移动的Z工作台，通过向光轴方向移动试料107，能使试料107内的焦点位置向作为光轴方向的Z方向移动。

计算机112根据亮度信息构筑关于试料107的扫描图像，该亮度信息根据XY扫描仪104的照明光在试料107内的扫描而从光检出系统110中输出。通过将所构筑的扫描图像显示到显示部113上，该图像可以被视觉辨认。

控制部111根据计算机112的指示，控制激光光源101的波长的转换，和XY扫描仪104、Z工作台108的动作。

接着，对在由上述结构构成的共焦点显微镜中拍摄用于求出像差的测量值的层叠图像的动作进行说明。作为试料107，设置前述的只剩下相当于图3的针孔22的部分的金属膜21，而除去了此外的金属膜21的标本。

操作者一边在表示部113中监视通过XY扫描仪104的扫描取得的图像，一边通过Z工作台108进行对焦。接着，开始由计算机112内部的CPU执行摄像程序。另外，摄像程序是计算机112内部记录的控制程序的一部分，是进行用于自动地拍摄多个波长的层叠图像的控制的程序。参照图4说明该摄像程序的过程。另外，所谓多个波长是产生多个波长的激光的激光光源101的波长。

在图4中，首先在S1中，从对焦位置(上述的对焦后的位置)向摄像范围的下端移动Z工作台108。Z方向的摄像范围优选为预先设定为焦点深度的数倍左右，以包含物镜系统106的像面弯曲和纵向的色差的范围。

在S2中，切换激光光源101的波长，转换到在多个波长中的当前的Z轴工作台位置上还没进行过该S2及后述的S3的1个波长。

在S3中，根据XY扫描仪104的扫描拍摄试料107的图像，并记录在计算机112内部的记录介质中。

在S4中，对在当前的Z工作台108位置的全部的多个波长是否进行了上述的S2至S3(是否达到了波长个数)进行判断。这里，该判断结果为“是”的情况下进入S5，为“否”的情况下返回到S2。这样，通过重复S2至S3直到S4为“是”为止，由此将在当前的Z工作台108位置的关于多个波长的各个波长的图像文件记录在计算机112中。

在S5中，判断被计算机112转送、记录的各波长的图像文件数是否达到了覆盖Z方向的摄像范围的层叠张数。在这里，该判断结果为“是”的情况下，结束通过摄像程序进行的摄像，为“否”的话进入S6。

在S6中，Z工作台108向上移动一级。该移动量最好是被评价的物镜系统106的焦点深度的1/5至1/10左右。S6之后，返回到S2。

这样，通过重复S2至S4以及S6直到S5为“是”为止，从而覆盖Z方向的摄像范围的层叠张数的各波长的图像文件被记录于计算机112内部。

从如上拍摄的层叠图像中算出共焦点显微镜的横向倍率、歪曲像差、像面弯曲及色差的评价值的过程与第1实施例同样，所以省略。

接着，对进行图像校正的普通的试料进行拍摄。基于多个波长的摄像的过程与上述图4相同。Z方向的摄像范围按照试料的厚度方向的距离进行设定。以下将这样拍摄的普通的试料的层叠图像称为“原图像”。

下面，根据上述像差的测量值，对原图像的失真或色位移的校正过程进行说明。原图像的层叠图像的XY方向的各图像(以下，称呼为“单张图像”)横向倍率、歪曲像差及横向色差的校正过程，在这里作为一个例子，参照图12～14进行说明。图12是表示物体侧和像侧的X，Y坐标的对应的说明图。图13是用于图像校正的插值法的说明图。图14是关于图像的校正的流程图。

在图14中，首先在S31中，决定校正后的图像(以下，称呼为“校正图像”)的各像素(以下称呼为“物点”)的X，Y坐标。校正图像的像素间隔一般地把原图像的采样间隔换算为物体(试料)侧的值设成等间隔。但根据用途的不同可以设成比其大或小。校正图像201的各像素(物点)的坐标值203是如图12的格子排列。

在S32中，求解与校正图像的最初的物点对应的像点的坐标。其通过将物点的坐标值代入已利用像差的评价单元求得的、对原图像进行摄像的第1波长的横向成像式(式(12))中而得到。如图12所示，校正图像201的物点坐标值203被转换为原图像202的像点的坐标值204。

在S33中，在最初的单张图像中，求出最接近地包围像点的坐标值204的原图像的4个像素。那些插值源的像素302～305和像点的坐标值301的位置关系如图13所示。

在S34中，对插值源的像素302～305的亮度值I_i，j～I_i+1，j+1进行一次插值，以求出在像点的坐标值301上的亮度值I。该一次插值以式(21)表示。

$I=\frac{\mathrm{dx}-\mathrm{px}}{\mathrm{dx}}\·\frac{\mathrm{dy}-\mathrm{py}}{\mathrm{dy}}\·I_{i,j}+\frac{\mathrm{px}}{\mathrm{dx}}\·\frac{\mathrm{dy}-\mathrm{py}}{\mathrm{dy}}\·I_{i+1,j}$

$+\frac{\mathrm{dx}-\mathrm{px}}{\mathrm{dx}}\·\frac{\mathrm{py}}{\mathrm{dy}}\·I_{i,j+1}+\frac{\mathrm{px}}{\mathrm{dx}}\·\frac{\mathrm{py}}{\mathrm{dy}}\·I_{i+1,j+1}$ 式(21)

其中，i，j是原图像的X，Y方向的像素号码，dx，dy是原图像的X，Y方向的采样间隔，Px，Py是插值源的第1像素302与像点301的X，Y坐标的差。将该插值亮度值作为校正图像的物点的亮度值予以保存。

在S35中，在当前的单张图像的校正图像中，对于全部的多个物点判断是否进行了上述的S32～S34。这里，该判断结果为“是”时进入S36，为“否”时返回S32。这样，通过重复S32至S34直到S35为“是”为止，由此完成当前的单张图像的校正图像。

在S36中，针对所有当前的波长的层叠图像的各单张图像判断是否进行了上述S32～S35。这里，如果其判断结果为“是”则进入S37，如果为“否”则返回到S32。这样反复S32～S35直到S36为“是”为止，由此完成当前的波长的层叠图像的校正图像。

在S37中，针对所有的多个波长，判断是否已经进行了上述S32～S36。这里，如果其判断结果为“是”则结束图像的校正。如果为“否”则返回到S32。这样，通过重复S32～S36直到S37为“是”为止，完成所有的波长的层叠图像的校正图像。

根据本实施方式，可以得到去除了由于倍率的色差(由于波长引起的横向倍率的差)和横向色差引起的横向偏差的校正图像。由此，可以毫无位置偏差地重叠描绘用多个波长测量的各个图像。并且，可以得到去除了横向倍率和歪曲像差的对应于物体的准确的X，Y坐标的校正图像。因而，可以从校正图像上获取准确的距离信息等。

另外，根据本实施例，可以对从激光光源101到光检测系统110的所有光学元件所综合的、对图像畸变的影响进行评价、校正。

在本实施例中，说明了校正原图像的X，Y坐标的方法，但也可以以相同的过程校正Z方向。在仅校正Z方向时，用纵向的成像式(.式(18))求出对应于物点的像点的Z坐标，对在Z方向夹着该坐标的原图像的2个图像的亮度值进行一次插值，求得校正图像的亮度值即可。由此，可以得到去除了像面弯曲和纵向色差的校正图像。因此，可以深度方向毫无位置偏差地重叠描绘用多个波长测量的各个图像。

利用相同的过程，也可以同时校正X，Y，Z方向。此时，可以从纵/横方向的各个成像式中求得对应于物点的像点的X，Y，Z坐标。对最接近地包围该像点的原图像的8个像素的亮度值进行一次插值，求得校正图像的亮度值即可。容易将式(21)扩大到三维的一次插值中。

在本实施例中，对用一个聚光点扫描试料内部的共焦点显微镜进行了说明。但是，也适用于使用螺旋盘(ニッポゥディスク)等的用多个聚光点同时进行扫描的共焦点显微镜。

另外，荧光共焦点显微镜中的激励光和荧光的波长稍微不同。本实施例中仅对激励光的波长进行了评价，但是如果采用配置在平面上的多个的荧光珠试料作为点光源列的试料107，则也可以进行包含了激励光和荧光的波长差的更准确的评价。

或者，也可以用第1实施例那样的透过照明和针孔列标本形成点光源列。此时，和激光光源不同，由于可以设定任意的评价波长，因此利用荧光的波长、或者激励光和荧光的中间的波长评价像差，从而以此为基础可以校正图像。

本实施例中，作为从试料的原图像中求出校正图像时的插值方法，采用了从最接近像素起的一次插值方法。但是，插值法不限于此。也可以通过采用更多的原图像的像素，或者采用其他的插值式那样的方法来求得校正图像的亮度值。

在本实施例中，求出了对应原图像的一部分或者全部的校正图像。但在测量图像等的用途中不一定需要。例如，在求原图像上的2点间的距离时，只要用纵/横方向的成像式求出对应该2个像点的物点的坐标之后再计算距离即可。

另外，非共焦点显微镜的大视野显微镜的图像也可以根据本发明的像差的评价值来进行校正。例如，在利用白色照明的红绿蓝(RGB)的3色的彩色图像的摄像中，根据3色的代表性波长或者通过3色的各个滤色器的波段，测量像差的评价值即可。根据该评价值校正各色的图像后进行再合成，由此，可以去除图像的色位移、失真等。

以上，对第一和第二实施方式的镜头评价装置进行了说明，但各实施方式的镜头评价装置也可以应用于显微镜之外的光学系统或光学元件。但是根据成为评价对象的光学系统的视野的大小或分辨率，需要准备恰当的多个点光源。用于拍摄层叠图像的移动单元的步移动量或移动范围也一样。这些所需要的条件，根据以上的说明已经明确。从层叠图像中计算横/纵方向的成像式或者色差的表达式的算法，可以适用与显微镜光学系统的实施例同样的算法。基于此的图像的校正也同样适用。

以上，对本发明进行了详细说明，但是，本发明并不限于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内，当然也可以进行各种改良和变更。

以上，根据本发明，通过利用二维的摄像元件一并拍摄分布在视野内的多个点光源的层叠图像，以及同时使用将适当的模型函数的拟合应用于像位置和像差的计算的算法，可以高精确度地评价光学系统的横向倍率、歪曲像差、像面弯曲以及色差。由于可以通过比摄像元件的像素间隔小的精度算出像位置的X，Y坐标，因此，不需要高精度的测长器来测量它们。另外，可以对视野内一并进行拍摄，因此大幅度地缩短了测量时间。这和同时进行多个波长的层叠图像的拍摄一起，对于减轻由于偏移产生的测量误差也很有效。另外，通过将该评价单元安装在光学设备上，可以校正用该光学设备拍摄的图像的失真或者色位移。

Claims (52)

1.一种镜头评价装置，该装置具有：

配置在平面上的多个点光源；

拍摄像并取得图像的摄像部；

使上述点光源或者上述摄像部和成为评价对象的光学系统之间的相对距离变化的移动部；

记录介质，其记录层叠图像，该层叠图像是每当上述移动部使上述相对距离变化时，上述摄像部拍摄通过上述光学系统的上述多个点光源的像而取得的；

像位置算出部，其从上述记录介质所记录的上述层叠图像内的多个点光源像中算出多个像位置；以及

像差取得部，其通过将像差的模型函数拟合于由上述像位置算出部所算出的上述多个像位置而取得像差的测量值。

2.根据权利要求1所述的镜头评价装置，

上述多个点光源构成为可以选择切换所射出的光的波长。

3.根据权利要求1所述的镜头评价装置，

上述多个点光源构成为包含：

具有与成为上述评价对象的光学系统的分辨率相同或以下的直径的针孔；以及

对上述针孔进行透光照明的照明部。

4.根据权利要求1所述的镜头评价装置，

上述多个点光源构成为包含：

具有与上述被评价的光学系统的分辨率相同或以下的直径的反射镜；以及

从顶部对上述反射镜进行照明的照明部。

5.根据权利要求1所述的镜头评价装置，

上述多个点光源在平面上排列成二维的周期格子状。

6.根据权利要求1所述的镜头评价装置，

上述摄像部由二维的摄像元件构成。

7.根据权利要求1所述的镜头评价装置，

上述被评价的光学系统和拍摄像并取得图像的摄像部是扫描1个或者多个聚光点的共焦点光学设备。

8.根据权利要求1所述的镜头评价装置，

上述像位置算出部具有：

设定部，其设定用于从上述层叠图像内的1个点光源像中求出像位置的模型函数拟合范围；

第1拟合部，其将二维强度分布模型函数拟合于由上述设定部所设定的模型函数拟合范围内的层叠图像中的各单张图像；

算出部，其算出通过上述第1拟合部拟合于上述各单张图像的上述二维的强度分布模型函数的最大值和该最大值的平面内坐标；

第2拟合部，其将第1曲线模型函数拟合于上述算出部所算出的上述各单张图像的上述平面内坐标；

第3拟合部，其将第2曲线模型函数拟合于上述算出部所算出的上述各单张图像的上述最大值；

坐标运算部，其求出通过第3拟合部拟合的上述第2曲线模型函数的最大值的坐标；以及

函数值取得部，其将由上述坐标运算部所求得的上述最大值的坐标代入由上述第2拟合部拟合的上述第1曲线模型函数，以取得函数值。

9.根据权利要求8所述的镜头评价装置，

上述二维的强度分布模型函数是二维的高斯分布函数。

10.根据权利要求1所述的镜头评价装置，

上述像位置算出部具有：

设定部，其设定用于从上述层叠图像内的1个点光源像中求出像位置的模型函数拟合范围；

第1运算部，其从上述设定部所设定的模型函数拟合范围内的层叠图像中的各单张图像中，求出该各单张图像的最大强度值和该最大强度值的平面内坐标；

第1拟合部，其将第1曲线模型函数拟合于由上述第1运算部求出的上述各单张图像的上述平面内坐标；

第2拟合部，其将第2曲线模型函数拟合于由上述第1运算部求出的上述各单张图像的上述最大强度值；

第2运算部，其求出由上述第2拟合部所拟合的上述第2曲线模型函数的最大值的坐标；以及

函数值取得部，其将由上述第2运算部求出的上述最大值的坐标代入由上述第1拟合部拟合的上述第1曲线模型函数，以取得函数值。

11.根据权利要求8所述的镜头评价装置，该装置还具有：

像位置修正部，其根据拟合于上述各单张图像的上述平面内坐标的上述第1曲线模型函数的平均，对上述像位置算出部所算出的上述多个像位置进行修正，

上述像差取得部取代上述像位置算出部所算出的上述多个像位置，而将上述像差的模型函数拟合于由上述像位置修正部所修正的上述多个像位置，以取得像差的测量值。

12.根据权利要求1所述的镜头评价装置，

上述像位置算出部包含坐标运算部，该坐标运算部从上述层叠图像内的1个点光源像中求得最大强度的数据点的坐标。

13.根据权利要求1所述的镜头评价装置，

上述像位置算出部包含坐标运算部，该坐标运算部从上述层叠图像内的1个点光源像中求得强度的重心的坐标。

14.根据权利要求1所述的镜头评价装置，

配置于上述平面上的多个点光源的位置坐标被预先测量。

15.根据权利要求5所述的镜头评价装置，该装置包含：

点光源位置取得部，其将由包含格子点的指数p，q的独立变量所规定的平面的模型函数拟合于排列成上述二维的周期格子状的多个点光源像中由上述像位置算出部所算出的上述多个的像位置，以取得有关点光源的设置位置的旋转角度和平行移动量。

16.根据权利要求15所述的镜头评价装置，该装置包含：

点光源位置算出部，其从有关上述点光源的设置位置的旋转角度和平行移动量，算出排列为二维周期格子状的多个各点光源的位置坐标。

17.根据权利要求14所述的镜头评价装置，

上述像差取得部将包含横向倍率的横向成像的模型函数拟合于上述多个点光源的位置和由上述多个点光源像算出的多个像位置，以取得测量值。

18.根据权利要求14所述的镜头评价装置，

上述像差取得部将包含横向倍率和歪曲像差系数的横向成像的模型函数拟合于上述多个点光源的位置和由上述多个点光源像算出的多个横向的像位置，以取得测量值。

19.根据权利要求17所述的镜头评价装置，

上述像位置算出部从上述摄像部在对焦的状态下对上述多个点光源进行拍摄的1张点光源像中，算出多个横向的像位置。

20.根据权利要求1所述的镜头评价装置，

上述像差取得部将包含像面弯曲的系数的纵向成像的模型函数拟合于上述多个点光源的位置和由上述多个点光源像算出的多个纵向的像位置，以取得测量值。

21.根据权利要求2所述的镜头评价装置，

上述移动部每当使上述距离变化时，切换上述多个点光源的波长，上述摄像部通过拍摄每个波长的上述多个点光源的像而取得的波长不同的多个层叠图像被记录在上述记录介质中。

22.根据权利要求21所述的镜头评价装置，该装置还具有：

差分运算部，其在由上述像位置算出部从上述记录介质所记录的有关第1波长的层叠图像和有关第2波长的层叠图像中算出的、有关上述第1波长的多个像位置和有关上述第2波长的多个像位置之间，求出像位置的差分；

色差取得部，其将色差的模型函数拟合于上述差分运算部所求出的多个差分，以取得色差的测量值。

23.根据权利要求1所述的镜头评价装置，该装置还具有：

旋转部，其使成为上述评价对象的光学系统的一部分以该一部分的光轴为中心旋转；

测量值成分分离部，其根据由上述旋转部在上述光学系统的一部分的多个旋转位置上所取得的像差的测量值，将上述光学系统的一部分和该一部分之外的部分的测量值的成分分离。

24.根据权利要求1所述的镜头评价装置，

成为上述评价对象的光学系统具有显微镜光学系统。

25.根据权利要求23所述的镜头评价装置，

上述光学系统的一部分是显微镜光学系统的物镜。

26.一种拍摄物体图像的光学设备，

该光学设备具有图像校正部，该图像校正部安装有权利要求1的镜头评价装置，根据所取得的像差的测量值对上述图像的失真或者色位移进行校正。

27.一种镜头评价方法，

每当使配置在平面上的多个点光源或者摄像部与成为评价对象的光学系统的相对距离变化时，上述摄像部通过上述光学系统拍摄上述多个点光源的像，以取得层叠图像，

从所取得的上述层叠图像内的多个点光源中算出多个的像位置，

将像差的模型函数拟合于所算出的上述多个像位置以取得像差的测量值。

28.根据权利要求27所述的镜头评价方法，

上述多个点光源构成为可以选择切换所射出的光的波长。

29.根据权利要求27所述的镜头评价方法，

上述多个点光源构成为包含：

具有与成为上述评价对象的光学系统的分辨率相同或以下的直径的针孔，以及

对上述针孔进行透光照明的照明部。

30.根据权利要求27所述的镜头评价方法，

上述多个点光源构成为包含：

具有与成为上述被评价的光学系统的分辨率相同或以下的直径的反射镜，以及

从顶部照明上述反射镜的照明部。

31.根据权利要求27所述的镜头评价方法，

上述多个点光源在平面上排列成二维周期格子状。

32.根据权利要求27所述的镜头评价方法，

上述摄像部由二维的摄像元件构成。

33.根据权利要求27所述的镜头评价方法，

上述被评价的光学系统和拍摄像并取得图像的摄像部是对1个或多个聚光点进行扫描的共焦点光学设备。

34.根据权利要求27所述的镜头评价方法，

在上述像位置的计算中，

设定用于从上述层叠图像的1个点光源中求得像位置的模型函数拟合范围，

将二维强度分布模型函数拟合于所设定的模型函数拟合范围内的层叠图像中的各单张图像，

算出拟合于各单张图像的上述二维的强度分布模型函数的最大值和该最大值的平面内坐标，

将第1曲线模型函数拟合于所算出的上述各单张图像的上述平面内坐标，

将第2曲线模型函数拟合于所算出的上述各单张图像的上述最大值，

求出所拟合的上述第2曲线模型函数的最大值的坐标，

将求得的上述最大值的坐标代入拟合于上述各单张图像的上述平面内坐标的上述第1曲线模型函数，以取得函数值。

35.根据权利要求34所述的镜头评价方法，

上述二维的强度分布模型函数是二维的高斯分布函数。

36.根据权利要求27所述的镜头评价方法，

在上述像位置的计算中，

设定用于从上述层叠图像的1个点光源中求得像位置的模型函数拟合范围，

从所设定的模型函数拟合范围内的层叠图像中的各单张图像中，求出该各单张图像的最大强度值和该最大强度值的平面内坐标，

将第1曲线模型函数拟合于所求出的上述各单张图像的上述平面内坐标，

将第2曲线模型函数拟合于所求出的上述各单张图像的上述最大强度值，

求出所拟合的上述第2曲线模型函数的最大值的坐标，

将所求出的上述最大值的坐标代入拟合于上述各单张图像的上述平面内坐标的上述第1曲线模型函数，以得到函数值。

37.根据权利要求34所述的镜头评价方法，

进而，

根据拟合于上述各单张图像的上述平面内坐标的上述第1曲线模型函数的平均，对所算出的上述多个像位置进行修正，

在上述像差的测量值的取得中，代替所算出的上述多个像位置，将上述像差的模型函数拟合于修正后的上述多个像位置以取得像差的测量值。

38.根据权利要求27所述的镜头评价方法，

在上述像位置的计算中，从上述层叠图像内的多个点光源像中求出各个点光源像的最大强度的数据点的坐标。

39.根据权利要求27所述的镜头评价方法，

在上述像位置的计算中，从上述层叠图像内的多个点光源像中求出各点光源像的强度的重心的坐标。

40.根据权利要求27所述的镜头评价方法，

预先测量配置在上述平面上的多个点光源的位置坐标。

41.根据权利要求31所述的镜头评价方法，

进而，

将由包含格子点的指数p，q的独立的变量所规定的平面的模型函数拟合于从排列成上述二维的周期格子状的多个的点光源像中由上述像位置的计算所算出的上述多个像位置，以取得有关点光源的设置位置的旋转角度和平行移动量。

42.根据权利要求41所述的镜头评价方法，

进而，

从有关上述点光源的设置位置的旋转角度和平行移动量求出排列成二维周期格子状的多个各点光源的位置坐标。

43.根据权利要求40所述的镜头评价方法，

在上述像差的测量值的取得中，将包含横向倍率的横向的成像的模型函数拟合于上述多个点光源的位置和从上述多个点光源像算出的多个像位置，以取得测量值。

44.根据权利要求40所述的镜头评价方法，

在上述像差的测量值的取得中，将包含横向倍率和歪曲像差系数的横向的成像的模型函数拟合于上述多个点光源的位置和从上述多个点光源像所算出的多个横向的像位置，以取得测量值。

45.根据权利要求43所述的镜头评价方法，

在上述像位置的计算中，从上述摄像部在对焦的状态下对上述多个点光源进行拍摄的1张点光源像中，算出多个横向的像位置。

46.根据权利要求27所述的镜头评价方法，

在上述像差的测量值的取得中，将包含像面弯曲系数的纵向的成像模型函数拟合于上述多个点光源的位置和从上述多个点光源像算出的多个纵向的像位置，以取得测量值。

47.根据权利要求28所述的镜头评价方法，

在上述层叠图像的取得中，每当使上述距离变化时，切换上述多个点光源的波长，上述摄像部拍摄各个波长的上述多个点光源的像，以取得波长不同的多个层叠图像。

48.根据权利要求47所述的镜头评价方法，

进而，

在从所取得的有关第1波长的层叠图像和有关第2波长的层叠图像中所算出的、有关上述第1波长的多个像位置和有关上述第2波长的多个像位置之间，求出像位置的差分，

将色差的模型函数拟合于所求出的多个差分，以取得色差的测量值。

49.根据权利要求27所述的镜头评价方法，

进而，

根据在以成为上述评价对象的光学系统的一部分的该光轴为中心的多个旋转位置上所取得的像差的测量值，对上述光学系统的一部分和该一部分之外的部分的测量值的成分进行分离。

50.根据权利要求27所述的镜头评价方法，

成为上述评价对象的光学系统是显微镜光学系统。

51.根据权利要求49所述的镜头评价方法，

上述光学系统的一部分是显微镜光学系统的物镜。

52.一种计算机可读取的记录介质，记录有被镜头评价装置的计算机执行的镜头评价程序，上述镜头评价程序使上述计算机实现以下功能：

层叠图像取得功能，每当使配置在平面上的多个点光源或者摄像部、和成为评价对象的光学系统之间的相对距离变化时，上述摄像部拍摄通过上述光学系统的上述多个点光源的像，以取得层叠图像；

像位置算出功能，从上述层叠图像取得功能所取得的上述层叠图像内的多个点光源像中算出多个像位置；以及像差测量值取得功能，将像差的模型函数拟合于由上述像位置算出功能所算出的上述多个像位置，以取得像差的测量值。

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