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JP7558726B2 - Measurement program and measuring device - Google Patents
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Description

本発明の実施形態は、測定プログラムおよび測定装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to a measurement program and a measurement device.

レンズなどのような光学的に透明な測定対象において、対象内部の屈折率分布および屈折率勾配が原因で生じる光の偏向量の、測定対象の所定の投影面における二次元分布を測定する技術について、従来から様々に検討されている。 Various techniques have been developed to measure the two-dimensional distribution of the amount of light deflection caused by the refractive index distribution and refractive index gradient inside an optically transparent object such as a lens on a specified projection surface of the object.

特開2012-117999号公報JP 2012-117999 A

上記のような技術では、測定対象において発生する光の偏向量の二次元分布だけでなく、当該偏向量に関連する特徴(たとえば偏向を生じさせる要因である特徴)の測定対象の内部における三次元分布も測定することができれば望ましい。 It would be desirable for the above-mentioned technology to be able to measure not only the two-dimensional distribution of the amount of deflection of light generated in the measurement object, but also the three-dimensional distribution of features related to the amount of deflection (e.g., features that cause the deflection) within the measurement object.

実施形態にかかる測定プログラムは、光学的に透明な測定対象を介した背景画像が写っている撮像画像を撮像装置から取得することと、撮像画像と所定の参照画像との比較に基づいて、測定対象において発生する光の偏向量の、撮像装置の光軸と交差する測定対象の投影面における二次元分布を測定することと、測定対象の形状の対称性を取得することと、二次元分布と、対称性と、に基づいて、測定対象の内部における偏向量に関連する特徴の三次元分布を測定することと、をコンピュータに実行させるための測定プログラムである。 The measurement program according to the embodiment is a measurement program that causes a computer to execute the following operations: acquiring an image from an imaging device that shows a background image through an optically transparent measurement target; measuring a two-dimensional distribution of the amount of deflection of light generated in the measurement target on a projection plane of the measurement target that intersects with the optical axis of the imaging device based on a comparison between the acquired image and a predetermined reference image; acquiring the symmetry of the shape of the measurement target; and measuring a three-dimensional distribution of features related to the amount of deflection inside the measurement target based on the two-dimensional distribution and the symmetry.

図1は、実施形態にかかる測定システムの全体構成を示した例示的かつ模式的な図である。FIG. 1 is an exemplary schematic diagram showing an overall configuration of a measurement system according to an embodiment. 図2は、実施形態にかかる測定対象の位置決めの際に得られる撮像画像の例を示した例示的かつ模式的な図である。FIG. 2 is an illustrative schematic diagram showing an example of a captured image obtained when positioning a measurement target according to the embodiment. 図3は、実施形態にかかる測定装置の機能を示した例示的かつ模式的なブロック図である。FIG. 3 is an exemplary schematic block diagram showing the functions of the measurement device according to the embodiment. 図4は、実施形態にかかる測定装置が実行する一連の処理を示した例示的かつ模式的なフローチャートである。FIG. 4 is an exemplary schematic flowchart showing a series of processes executed by the measurement device according to the embodiment. 図5は、実施形態にかかる測定装置のハードウェア構成を示した例示的かつ模式的なブロック図である。FIG. 5 is an exemplary schematic block diagram showing a hardware configuration of the measurement device according to the embodiment. 図6は、変形例にかかる測定対象を示した例示的かつ模式的な図である。FIG. 6 is an exemplary schematic diagram showing a measurement target according to a modified example.

以下、本開示の実施形態および変形例を図面に基づいて説明する。以下に記載する実施形態および変形例の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および効果は、あくまで一例であって、以下の記載内容に限られるものではない。 Embodiments and variants of the present disclosure will be described below with reference to the drawings. The configurations of the embodiments and variants described below, as well as the actions and effects brought about by said configurations, are merely examples and are not limited to the contents described below.

<実施形態>
図1は、実施形態にかかる測定システムの全体構成を示した例示的かつ模式的な図である。
<Embodiment>
FIG. 1 is an exemplary schematic diagram showing an overall configuration of a measurement system according to an embodiment.

実施形態にかかる測定システムは、以下に説明するような構成に基づき、シュリーレン法または背景型シュリーレン法などと呼ばれる方法を実施することで、レンズなどのような光学的に透明な測定対象の屈折率分布および屈折率勾配が原因で生じる光の偏向に関連する特徴の、測定対象の内部における三次元分布を測定する。 The measurement system according to the embodiment is based on the configuration described below and performs a method known as the Schlieren method or background-type Schlieren method to measure the three-dimensional distribution of features related to the refractive index distribution and the deflection of light caused by the refractive index gradient of an optically transparent object such as a lens.

以下では、上記特徴の一つとしての屈折率の三次元分布を測定する構成について主として説明するが、実施形態の技術によれば、密度、温度、応力、濃度、または音圧など、屈折率が関係する他の物理量の三次元分布を測定することも可能である。なお、密度、温度、応力、濃度、または音圧の定量的な評価は、屈折率を特定しないと実行することが不可能であるが、密度、温度、応力、濃度、または音圧の定性的な評価は、屈折率を特定しなくても実行することが可能である。 The following mainly describes a configuration for measuring the three-dimensional distribution of the refractive index, which is one of the above-mentioned features, but according to the technology of the embodiment, it is also possible to measure the three-dimensional distribution of other physical quantities related to the refractive index, such as density, temperature, stress, concentration, or sound pressure. Note that while a quantitative evaluation of density, temperature, stress, concentration, or sound pressure cannot be performed unless the refractive index is specified, a qualitative evaluation of density, temperature, stress, concentration, or sound pressure can be performed without specifying the refractive index.

図1に示されるように、実施形態にかかる測定システムは、測定対象10と、撮像装置21と、背景画像22と、照明装置23と、対称性検出装置24と、基準面25と、ステージ26と、レンズ効果抑制構造27と、測定装置30と、を備えている。 As shown in FIG. 1, the measurement system according to the embodiment includes a measurement object 10, an imaging device 21, a background image 22, an illumination device 23, a symmetry detection device 24, a reference surface 25, a stage 26, a lens effect suppression structure 27, and a measurement device 30.

なお、図1に示される例では、説明の便宜のため、X軸、Y軸、Z軸、θ方向、φ方向、およびψ方向が定義されている。X軸は、水平面内で撮像装置21の光軸Ax11に沿うように定義されており、Y軸は水平面内でX軸と直交するように定義されている。また、Z軸は、X軸およびY軸と直交する鉛直方向に沿うように定義されている。なお、θ方向、φ方向、およびψ方向は、それぞれ、Z軸、X軸、およびY軸周りの回転方向として定義されている。 In the example shown in FIG. 1, for ease of explanation, the X-axis, Y-axis, Z-axis, θ-direction, φ-direction, and ψ-direction are defined. The X-axis is defined to be along the optical axis Ax11 of the imaging device 21 in the horizontal plane, and the Y-axis is defined to be perpendicular to the X-axis in the horizontal plane. The Z-axis is defined to be along the vertical direction perpendicular to the X-axis and Y-axis. The θ-direction, φ-direction, and ψ-direction are defined as rotation directions around the Z-axis, X-axis, and Y-axis, respectively.

測定対象10は、円柱状の部分11と、半球状の部分12と、が一体化されたレンズとして構成されている。より具体的に、測定対象10は、Z方向に延びる対称軸Ax20周りに軸対称に構成されている。なお、図1に示される測定対象10は、あくまで一例である。このため、実施形態の技術は、図1に示される測定対象10とは異なる形状の測定対象にも適用可能である。図1に示される例において、測定対象10は、撮像装置21の光軸Ax11と、X=0の位置でY軸に沿って延びる軸Ax12と、が交差する位置に配置されている。一般的に、レンズのような光学部品の内部は、成形条件などの影響で屈折率が不均一となる。理想的には、軸対称な形状のレンズの内部には、軸対称な屈折率分布が生じていると考えられる。 The measurement object 10 is configured as a lens in which a cylindrical portion 11 and a hemispherical portion 12 are integrated. More specifically, the measurement object 10 is configured to be axially symmetrical around an axis of symmetry Ax20 extending in the Z direction. Note that the measurement object 10 shown in FIG. 1 is merely an example. Therefore, the technology of the embodiment can be applied to measurement objects having shapes different from the measurement object 10 shown in FIG. 1. In the example shown in FIG. 1, the measurement object 10 is disposed at a position where the optical axis Ax11 of the imaging device 21 intersects with the axis Ax12 extending along the Y axis at the position of X=0. In general, the refractive index inside an optical component such as a lens is non-uniform due to the influence of molding conditions, etc. Ideally, it is considered that an axially symmetric refractive index distribution occurs inside a lens having an axially symmetric shape.

撮像装置21は、測定対象10および後述するレンズ効果抑制構造27を介して背景画像22を撮像するたとえばデジタルカメラである。なお、測定対象10およびレンズ効果抑制構造27の内部の光学距離を考慮した、撮像装置21の撮像により得られる撮像画像の倍率は、既知であるものとする。 The imaging device 21 is, for example, a digital camera that captures a background image 22 through the measurement object 10 and a lens effect suppression structure 27 described below. Note that the magnification of the captured image obtained by imaging the imaging device 21, taking into account the optical distance inside the measurement object 10 and the lens effect suppression structure 27, is assumed to be known.

背景画像22は、たとえばフィルムに印刷されたランダムドット模様である。背景画像22は、Y-Z平面に平行に設置され、X座標が既知であるものとする。詳細は後述するが、実施形態では、測定対象10およびレンズ効果抑制構造27が撮像装置21と背景画像22との間に介在した状態で撮像装置21により得られる撮像画像と、測定対象10およびレンズ効果抑制構造27が撮像装置21と背景画像22との間に介在していない状態で撮像装置21により得られる撮像画像に対応した所定の参照画像と、の比較により算出されるドットの変位量に基づいて、測定対象10内で生じる光の偏向量の、Y-Z平面に沿った断面に平行な面としての投影面における二次元分布が測定される。または、測定対象10およびレンズ効果抑制構造27が撮像装置21と背景画像22との間に介在した状態で撮像装置21により得られる撮像画像と、測定対象10が撮像装置21と背景画像22との間に介在していない状態で撮像装置21により得られる撮像画像に対応した所定の参照画像と、の比較により算出されるドットの変位量に基づいて、測定対象10内で生じる光の偏向量の、Y-Z平面に沿った断面に平行な面としての投影面における二次元分布が測定されてもよい。測定対象10の屈折率の二次元分布を測定するためのこのような手法は、シュリーレン法または背景型シュリーレン法などと呼ばれることがある。シュリーレン法または背景型シュリーレン法において、参照画像と、当該参照画像と比較する対象としての撮像画像と、の選び方は測定の目的に応じて変化しうる。 The background image 22 is, for example, a random dot pattern printed on a film. The background image 22 is set parallel to the Y-Z plane, and the X coordinate is known. Details will be described later, but in the embodiment, the two-dimensional distribution of the deflection amount of light generated in the measurement object 10 on the projection plane as a plane parallel to the cross section along the Y-Z plane is measured based on the displacement amount of the dots calculated by comparing the captured image obtained by the imaging device 21 in a state in which the measurement object 10 and the lens effect suppression structure 27 are interposed between the imaging device 21 and the background image 22 with a predetermined reference image corresponding to the captured image obtained by the imaging device 21 in a state in which the measurement object 10 and the lens effect suppression structure 27 are not interposed between the imaging device 21 and the background image 22. Alternatively, a two-dimensional distribution of the amount of light deflection occurring in the measurement target 10 on a projection plane as a plane parallel to a cross section along the Y-Z plane may be measured based on the displacement of dots calculated by comparing an image captured by the imaging device 21 in a state where the measurement target 10 and the lens effect suppression structure 27 are interposed between the imaging device 21 and the background image 22 with a predetermined reference image corresponding to an image captured by the imaging device 21 in a state where the measurement target 10 is not interposed between the imaging device 21 and the background image 22. Such a method for measuring the two-dimensional distribution of the refractive index of the measurement target 10 may be called the Schlieren method or the background type Schlieren method. In the Schlieren method or the background type Schlieren method, the method of selecting the reference image and the captured image to be compared with the reference image may vary depending on the purpose of the measurement.

照明装置23は、たとえば赤色の単色光を照射する赤色LEDのような光源である。なお、実施形態において照明装置23として使用する光源は、測定対象10の物理的性質である屈折率の波長依存性を考慮し、光源の波長スペクトル幅に対応する測定対象10における屈折率の幅が小さい波長の光を照射する光源であれば、たとえば赤外光を照射する赤外LEDなど、赤色LEDとは異なる他の光源であってもよい。また、要求される測定精度によっては、太陽光、白色光、または各種照明などの一般的な光源が使用されてもよい。 The lighting device 23 is a light source such as a red LED that emits monochromatic red light. Note that the light source used as the lighting device 23 in the embodiment may be a light source other than a red LED, such as an infrared LED that emits infrared light, as long as it takes into account the wavelength dependency of the refractive index, which is a physical property of the measurement object 10, and emits light of a wavelength that has a narrow range of refractive index in the measurement object 10 corresponding to the wavelength spectrum width of the light source. Depending on the required measurement accuracy, general light sources such as sunlight, white light, or various types of lighting may also be used.

対称性検出装置24は、測定対象10の対称性を検出する。たとえば、図1に示される例において、対称性検出装置24は、測定対象10を介して基準面25に対してレーザ光をZ軸に沿った方向に出力し、当該レーザ光の基準面25における到達位置を検出することで、測定対象10の対称軸Ax20の位置が、レーザ光の光軸と一致しているか否かを検出する。 The symmetry detection device 24 detects the symmetry of the measurement object 10. For example, in the example shown in FIG. 1, the symmetry detection device 24 outputs laser light in a direction along the Z axis to the reference plane 25 via the measurement object 10, and detects the arrival position of the laser light on the reference plane 25 to detect whether the position of the symmetry axis Ax20 of the measurement object 10 coincides with the optical axis of the laser light.

より具体的に、図1に示される例において、基準面25には、対称性検出装置24からのレーザ光が測定対象10の表面および内部で偏向せずに直進した場合に到達する基準位置P25が設けられている。レーザ光が測定対象10の対称軸を通過する場合、レーザ光は軸対称性により屈折率勾配が無い軸上を通過するため、理想的にはレーザ光に偏向が生じない。つまり、対称性検出装置24からのレーザ光が基準位置P25に到達している場合、測定対象10の対称軸Ax20がレーザ光の光軸と一致していると言える。したがって、対称性検出装置24は、レーザ光が基準位置P25に到達しているか否かに基づいて、測定対象10の対称軸の位置を検出する。 More specifically, in the example shown in FIG. 1, the reference surface 25 is provided with a reference position P25 that the laser light from the symmetry detection device 24 reaches when it travels straight on the surface and inside the measurement object 10 without deflection. When the laser light passes through the symmetry axis of the measurement object 10, the laser light passes through an axis that has no refractive index gradient due to axial symmetry, so ideally the laser light is not deflected. In other words, when the laser light from the symmetry detection device 24 reaches the reference position P25, it can be said that the symmetry axis Ax20 of the measurement object 10 coincides with the optical axis of the laser light. Therefore, the symmetry detection device 24 detects the position of the symmetry axis of the measurement object 10 based on whether the laser light reaches the reference position P25 or not.

なお、対称性を検出する手法は、上記の手法に限られるものではない。たとえば、対称性検出装置24は、測定対象10の表面形状を測定するレーザ干渉計またはレーザ顕微鏡などとして構成されていてもよい。この場合、対称性検出装置24は、測定対象10の表面形状がZ軸周りの軸対称である場合、組合せHough変換などのような既知の手法により、測定される表面形状を用いて、対象軸がZ軸に一致するか否かを検出しうる。また、対称性検出装置24は、測定対象10の表面形状がX軸方向に均一でかつX-Z平面またはY-Z平面に平行な対称面を有する場合、組合せHough変換などの既知の手法により対称面を検出し、当該対称面がX-Z平面またはY-Z平面に一致するか否かを検出しうる。 The method of detecting symmetry is not limited to the above method. For example, the symmetry detection device 24 may be configured as a laser interferometer or a laser microscope that measures the surface shape of the measurement target 10. In this case, if the surface shape of the measurement target 10 is axially symmetric about the Z axis, the symmetry detection device 24 can use a known method such as combinatorial Hough transformation to detect whether the symmetry axis coincides with the Z axis using the measured surface shape. In addition, if the surface shape of the measurement target 10 is uniform in the X axis direction and has a symmetry plane parallel to the X-Z plane or the Y-Z plane, the symmetry detection device 24 can detect the symmetry plane using a known method such as combinatorial Hough transformation and detect whether the symmetry plane coincides with the X-Z plane or the Y-Z plane.

なお、対称性検出装置24の検出結果は、測定装置30を介してディスプレイ32にリアルタイムで表示されうる。また、対称性検出装置24は、対称性の検出にあたり、対称軸の位置の予測などに用いるため、測定対象10の形状データを取得して参照することもできる。また、対称性検出装置24は、撮像装置21により得られる撮像画像を利用して、測定対象10の対称性を検出してもよい。この場合、対称性の検出のためにレーザ光を利用する必要がないので、基準面25を設けることが不要であるし、測定対象10を対称性検出装置24と基準面25との間の位置に配置することも不要である。 The detection results of the symmetry detection device 24 can be displayed in real time on the display 32 via the measurement device 30. In addition, the symmetry detection device 24 can also acquire and refer to shape data of the measurement object 10 for use in predicting the position of the axis of symmetry when detecting symmetry. The symmetry detection device 24 may also detect the symmetry of the measurement object 10 using an image captured by the imaging device 21. In this case, since there is no need to use laser light for detecting symmetry, there is no need to provide a reference surface 25, and there is no need to position the measurement object 10 between the symmetry detection device 24 and the reference surface 25.

ステージ26は、測定対象10を所望の位置および姿勢に位置決めした状態で支持する。ステージ26は、測定システムにおける測定対象10の屈折率の測定が適切に実施されるように、たとえば撮像装置21による撮像に適した位置および姿勢で、測定対象10を固定する。なお、測定対象10の位置および姿勢の変更は、6軸または必要な軸数のアクチュエータ(不図示)の駆動に応じて自動で実行されてもよいし、人の操作に応じて手動で実行されてもよい。また、測定対象10の位置および姿勢の変更は、対称性検出装置24の検出の結果を考慮して実行されうる。 The stage 26 supports the measurement object 10 in a desired position and orientation. The stage 26 fixes the measurement object 10 in a position and orientation suitable for imaging by the imaging device 21, for example, so that the refractive index of the measurement object 10 in the measurement system is properly measured. Note that the position and orientation of the measurement object 10 may be changed automatically in response to the drive of a six-axis actuator (not shown) or a required number of axes, or may be changed manually in response to human operation. The position and orientation of the measurement object 10 may also be changed taking into account the detection results of the symmetry detection device 24.

上記を踏まえて、ステージ26による測定対象10の位置決めの際において、撮像装置21により得られる撮像画像への測定対象10の写り込み方は、次の図2に示されるように変化する。 In light of the above, when the measurement target 10 is positioned by the stage 26, the way in which the measurement target 10 is captured in the image obtained by the imaging device 21 changes as shown in the following Figure 2.

図2は、実施形態にかかる測定対象10の位置決めの際に得られる撮像画像の例を示した例示的かつ模式的な図である。 Figure 2 is an illustrative and schematic diagram showing an example of an image obtained when positioning the measurement target 10 according to an embodiment.

図2に示される例において、画像IM201は、測定対象10の位置決めが完了する前に得られる撮像画像を示す。この画像IM201には、測定対象10が中心からずれた位置に写り込んでいる。そして、測定対象10の位置決めが完了すると、測定対象10が中心付近に写り込んだ画像IM202のような撮像画像が得られる。このとき、当該画像IM202上には、対称軸Ax20の向きとしての軸方向を示す矢印A201と、軸方向に対する径方向を示す矢印A202と、が対称性検出装置24の検出結果として表示されうる。 In the example shown in FIG. 2, image IM201 shows an image obtained before the positioning of the measurement object 10 is completed. In this image IM201, the measurement object 10 is captured in a position shifted from the center. Then, when the positioning of the measurement object 10 is completed, an image such as image IM202 in which the measurement object 10 is captured near the center is obtained. At this time, an arrow A201 indicating the axial direction as the orientation of the symmetry axis Ax20 and an arrow A202 indicating the radial direction relative to the axial direction can be displayed on the image IM202 as the detection results of the symmetry detection device 24.

図1に戻り、レンズ効果抑制構造27は、測定対象10の表面形状に起因するレンズ効果を抑制する構造である。レンズ効果抑制構造27は、測定対象10の屈折率の測定に必須の構造ではないが、撮像装置21から背景画像22を撮影しにくい場合に有効な構造である。たとえば、レンズ効果抑制構造27は、測定対象10と凹凸が反対の表面形状を有するレンズとして実現される。なお、レンズ効果抑制構造27は、測定対象10と略等しい屈折率を有するグリセリン水溶液またはシリコーンオイルなどのような液体の測定対象10への液浸により実現されてもよい。 Returning to FIG. 1, the lens effect suppression structure 27 is a structure that suppresses the lens effect caused by the surface shape of the measurement object 10. The lens effect suppression structure 27 is not a necessary structure for measuring the refractive index of the measurement object 10, but is an effective structure when it is difficult to capture the background image 22 from the imaging device 21. For example, the lens effect suppression structure 27 is realized as a lens having a surface shape with the opposite concave and convex shapes to the measurement object 10. The lens effect suppression structure 27 may also be realized by immersing the measurement object 10 in a liquid such as a glycerin aqueous solution or silicone oil having a refractive index approximately equal to that of the measurement object 10.

測定装置30は、撮像装置21により得られた撮像画像と、対称性検出装置24により検出された対称性と、に基づいて、測定対象10において発生する光の偏向に関連する特徴としての屈折率を測定する。測定装置30は、キーボード31からの入力を受け付けるとともにディスプレイ32に画像を出力することが可能なPCのような情報処理装置として構成されている。 The measuring device 30 measures the refractive index as a feature related to the deflection of light occurring in the measurement object 10, based on the captured image obtained by the imaging device 21 and the symmetry detected by the symmetry detection device 24. The measuring device 30 is configured as an information processing device such as a PC that can accept input from a keyboard 31 and output images to a display 32.

ここで、測定対象10を投影する所定の投影面における偏向量の二次元分布を測定する方法については、上述したシュリーレン法または背景型シュリーレン法のように、従来から様々に検討されている。しかしながら、屈折率については、投影面における二次元分布だけでなく、測定対象10の内部における三次元分布も測定することができれば望ましい。 Here, various methods have been considered for measuring the two-dimensional distribution of the deflection amount on a predetermined projection plane onto which the measurement object 10 is projected, such as the above-mentioned Schlieren method and background-type Schlieren method. However, it would be desirable to be able to measure not only the two-dimensional distribution of the refractive index on the projection plane, but also the three-dimensional distribution inside the measurement object 10.

そこで、実施形態にかかる測定装置30は、以下に説明する機能に基づき、測定対象10の内部における屈折率の三次元分布を測定する。 Therefore, the measurement device 30 according to the embodiment measures the three-dimensional distribution of refractive index inside the measurement object 10 based on the functions described below.

図3は、実施形態にかかる測定装置30の機能を示した例示的かつ模式的なブロック図である。 Figure 3 is an exemplary schematic block diagram showing the functions of the measurement device 30 according to an embodiment.

図3に示されるように、実施形態にかかる測定装置30は、画像取得部301と、第1測定部302と、対称性取得部303と、第2測定部304と、を備えている。 As shown in FIG. 3, the measuring device 30 according to the embodiment includes an image acquisition unit 301, a first measurement unit 302, a symmetry acquisition unit 303, and a second measurement unit 304.

画像取得部301は、測定対象10およびレンズ効果抑制構造27を介した背景画像が写っている撮像画像を撮像装置21から取得する。そして、第1測定部302は、画像取得部301により取得された撮像画像と、前述した参照画像と、の比較に基づいて、撮像装置21の光軸Ax11と交差するY-Z平面に沿った投影面における、測定対象10の内部で生じる光の偏向量の二次元分布を測定する。 The image acquisition unit 301 acquires an image from the imaging device 21, which shows the measurement target 10 and a background image through the lens effect suppression structure 27. The first measurement unit 302 then measures the two-dimensional distribution of the amount of deflection of light occurring inside the measurement target 10 on a projection plane along the Y-Z plane intersecting with the optical axis Ax11 of the imaging device 21, based on a comparison between the image acquired by the image acquisition unit 301 and the reference image described above.

そして、対称性取得部303は、対称性検出装置24の検出結果としての測定対象10の対称性を取得する。そして、第2測定部304は、第1測定部302により測定された偏向量の二次元分布と、対称性取得部303により取得された対称性と、に基づいて、測定対象10の内部における屈折率の三次元分布を測定する。 Then, the symmetry acquisition unit 303 acquires the symmetry of the measurement target 10 as the detection result of the symmetry detection device 24. The second measurement unit 304 then measures the three-dimensional distribution of the refractive index inside the measurement target 10 based on the two-dimensional distribution of the deflection amount measured by the first measurement unit 302 and the symmetry acquired by the symmetry acquisition unit 303.

たとえば、軸対象な測定対象10の屈折率の三次元分布は、ドットパターンの変位量の二次元分布として測定された、光線の偏向量の二次元分布を数学的に再構成することで求めることができる。たとえば、非特許文献(Ohno, H. and Toya, K., " Localized gradient-index field reconstruction using background-oriented schlieren," Applied Optics, Vol. 58, Issue 28, (2019), pp.7795-7804)には、偏向角のスカラーポテンシャルを利用することで、軸対称な屈折率分布をドットパターンの変位量から再構成する方法が示されている。 For example, the three-dimensional distribution of the refractive index of the axially symmetric measurement target 10 can be obtained by mathematically reconstructing the two-dimensional distribution of the deflection amount of the light beam measured as a two-dimensional distribution of the displacement amount of the dot pattern. For example, a non-patent document (Ohno, H. and Toya, K., "Localized gradient-index field reconstruction using background-oriented schlieren," Applied Optics, Vol. 58, Issue 28, (2019), pp.7795-7804) shows a method of reconstructing an axially symmetric refractive index distribution from the displacement amount of the dot pattern by using the scalar potential of the deflection angle.

以下、上記の非特許文献の内容について簡単に説明する。 The contents of the above non-patent literature are briefly explained below.

まず、y-z平面内の座標を(ξyz)で表し、ベクトルuを次の式(10)のように定義する。 First, the coordinates in the yz plane are expressed as (ξ y , ξ z ), and the vector u is defined as the following equation (10).

そして、測定媒体内の屈折率場の偏差をΔn(r,z)と表し、測定媒体の標準屈折率をn0と表す。また、結像レンズから背景までと像面までの距離をそれぞれloとliと表し、原点Oから背景までの距離をlmと表す。ドットパターンを有する背景を発する光線は、媒体と結像レンズを通過し、像面に到達する。 The deviation of the refractive index field in the measurement medium is denoted as Δn(r,z), and the standard refractive index of the measurement medium is denoted as n 0. The distances from the imaging lens to the background and the image plane are denoted as l o and l i, respectively, and the distance from the origin O to the background is denoted as l m . The light ray originating from the background with the dot pattern passes through the medium and the imaging lens and reaches the image plane.

ここで、光線に偏向がない場合の結像位置をQで表し、屈折率場により偏向した場合の結像位置をQ'で表す。そして、周囲の屈折率をnbとする。 Here, the image position when the light ray is not deflected is represented by Q, and the image position when the light ray is deflected by the refractive index field is represented by Q'. The refractive index of the surroundings is represented by nb .

偏向角ベクトルεは、結像位置Q'とQとを用いて、次の式(20)のように表すことができる。 The deflection angle vector ε can be expressed as the following equation (20) using the image positions Q' and Q.

上記の式(20)において、l*は原点Oから背景までの有効距離である。媒体の屈折率を考慮すると、l*は次の式(21)のように書ける。下記の式(21)において、dは、測定媒体の厚さである. In the above equation (20), l* is the effective distance from the origin O to the background. Taking into account the refractive index of the medium, l* can be written as the following equation (21). In the following equation (21), d is the thickness of the measurement medium.

また、上記の式(20)において、M0*は背景の有効倍率である。媒体の屈折率を考慮すると、M0*は、次の式(22)のように書ける。 In addition, in the above formula (20), M 0 * is the effective magnification of the background. Taking into account the refractive index of the medium, M 0 * can be written as the following formula (22).

さらに、上記の式(20)において、Q'-Qは、背景のドットパターンの変位を表す。偏向は平面x=0上のξで生じると想定できるため、ξは、Q'を用いて次の式(23)のように書ける。 Furthermore, in the above equation (20), Q'-Q represents the displacement of the background dot pattern. Since it can be assumed that the deflection occurs at ξ on the plane x=0, ξ can be written as the following equation (23) using Q'.

上記の式(23)において、Mm*は、媒体の内部平面x=0の有効倍率である。媒体の屈折率を考慮すると、Mm*は、次の式(24)のように書ける。 In the above formula (23), M m * is the effective magnification of the internal plane of the medium at x = 0. Taking into account the refractive index of the medium, M m * can be written as the following formula (24).

以上を踏まえて、軸対称な屈折率分布を表す屈折率場は、ドットパターンの変位から、次の式(25)のように導出できる。 Based on the above, the refractive index field representing the axially symmetric refractive index distribution can be derived from the displacement of the dot pattern as shown in the following equation (25).

上記の式(25)は、屈折率場をドットパターン変位の積分で表した式である。これは、軸対称な三次元の屈折率場がドットパターンの変位測定により再構築できることを示している。 The above equation (25) expresses the refractive index field as an integral of the dot pattern displacement. This shows that an axisymmetric three-dimensional refractive index field can be reconstructed by measuring the displacement of the dot pattern.

このように、上記の非特許文献の技術を利用すれば、軸対称な測定対象10の内部の屈折率場、すなわち屈折率の三次元分布を、ドットの変位量に基づいて数学的に求めることが可能である。 In this way, by utilizing the technology described in the above non-patent document, it is possible to mathematically determine the refractive index field inside the axially symmetric measurement object 10, i.e., the three-dimensional distribution of refractive index, based on the displacement of the dots.

なお、軸対称形である測定対象10の屈折率が対称軸Ax周りに本当に対称であるか否かは、測定対象10の対称軸Ax周りの姿勢が異なる複数の条件における複数の三次元分布の測定結果の比較によりチェックすることができる。この場合、第2測定部304は、測定対象10の対称軸Ax周りの姿勢が異なる複数の条件で測定された複数の三次元分布の一致性に基づいて、測定対象10の対称軸Ax周りの対称性を判定しうる。 Whether the refractive index of the axially symmetric measurement object 10 is truly symmetric about the axis of symmetry Ax can be checked by comparing the measurement results of multiple three-dimensional distributions under multiple conditions in which the measurement object 10 has different orientations about the axis of symmetry Ax. In this case, the second measurement unit 304 can determine the symmetry of the measurement object 10 about the axis of symmetry Ax based on the consistency of multiple three-dimensional distributions measured under multiple conditions in which the measurement object 10 has different orientations about the axis of symmetry Ax.

以上の構成に基づき、実施形態にかかる測定装置30は、測定対象10の屈折率の三次元分布を測定するために、次の図4に示されるような一連の処理を実行する。図4に示される一連の処理は、ステージ26上での測定対象10の位置決めが完了した後に開始する。 Based on the above configuration, the measurement device 30 according to the embodiment executes a series of processes as shown in the following FIG. 4 in order to measure the three-dimensional distribution of the refractive index of the measurement object 10. The series of processes shown in FIG. 4 starts after the positioning of the measurement object 10 on the stage 26 is completed.

図4は、実施形態にかかる測定装置30が実行する一連の処理を示した例示的かつ模式的なフローチャートである。 Figure 4 is an exemplary schematic flowchart showing a series of processes executed by the measurement device 30 according to an embodiment.

図4に示されるように、実施形態では、まず、S501において、測定装置30の画像取得部301は、測定対象10およびレンズ効果抑制構造27を介した背景画像22が写っている撮像画像を撮像装置21から取得する。 As shown in FIG. 4, in this embodiment, first, in S501, the image acquisition unit 301 of the measurement device 30 acquires an image from the imaging device 21, which includes the measurement target 10 and the background image 22 through the lens effect suppression structure 27.

そして、S502において、測定装置30の第1測定部302は、S501で取得された撮像画像と所定の参照画像との比較に基づいて、屈折率に関連する特徴として測定対象10において発生する光の偏向量の、撮像装置21の光軸Ax11と交差する断面に投影した二次元分布を測定する。 Then, in S502, the first measurement unit 302 of the measurement device 30 measures the two-dimensional distribution of the amount of light deflection generated in the measurement object 10 as a feature related to the refractive index, projected onto a cross section intersecting the optical axis Ax11 of the imaging device 21, based on a comparison between the captured image acquired in S501 and a predetermined reference image.

そして、S503において、測定装置30の対称性取得部303は、対称性検出装置24により検出された測定対象10の対称性を取得する。 Then, in S503, the symmetry acquisition unit 303 of the measurement device 30 acquires the symmetry of the measurement object 10 detected by the symmetry detection device 24.

そして、S504において、測定装置30の第2測定部304は、S502で測定された二次元分布と、S503で取得された対称性と、に基づいて、測定対象10の内部における屈折率の三次元分布を測定する。そして、処理が終了する。 Then, in S504, the second measurement unit 304 of the measurement device 30 measures the three-dimensional distribution of the refractive index inside the measurement target 10 based on the two-dimensional distribution measured in S502 and the symmetry acquired in S503. Then, the process ends.

最後に、実施形態にかかる測定装置30のハードウェア構成について説明する。実施形態にかかる測定装置30は、次の図5に示されるようなハードウェア構成を有している。 Finally, the hardware configuration of the measurement device 30 according to the embodiment will be described. The measurement device 30 according to the embodiment has a hardware configuration as shown in the following FIG. 5.

図5は、実施形態にかかる測定装置30のハードウェア構成を示した例示的かつ模式的なブロック図である。 Figure 5 is an exemplary schematic block diagram showing the hardware configuration of the measurement device 30 according to an embodiment.

図5に示されるように、測定装置30は、プロセッサ601と、メモリ602と、ストレージ603と、入力インターフェース(入力I/F)604と、出力インターフェース(出力I/F)605と、を備えている。これらのハードウェアは、バス606に接続されている。 As shown in FIG. 5, the measurement device 30 includes a processor 601, a memory 602, a storage 603, an input interface (input I/F) 604, and an output interface (output I/F) 605. These pieces of hardware are connected to a bus 606.

プロセッサ601は、たとえばCPU(Central Processing Unit)として構成され、測定装置30の各部の動作を統括的に制御する。 The processor 601 is configured, for example, as a CPU (Central Processing Unit) and provides overall control over the operation of each part of the measuring device 30.

メモリ602は、たとえばROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory)を含み、プロセッサ601により実行されるプログラムなどの各種のデータの揮発的または不揮発的な記憶、およびプロセッサ601がプログラムを実行するための作業領域の提供などを実現する。 Memory 602 includes, for example, ROM (Read Only Memory) and RAM (Random Access Memory), and provides volatile or non-volatile storage of various data such as programs executed by processor 601, and a working area for processor 601 to execute programs.

ストレージ603は、たとえばHDD(Hard Disk Drive)またはSSD(Solid State Drive)を含み、各種のデータを不揮発的に記憶する。 Storage 603 includes, for example, a hard disk drive (HDD) or a solid state drive (SSD), and stores various types of data in a non-volatile manner.

入力インターフェース604は、キーボード31を介した測定装置30のデータの入力を制御する。また、出力インターフェース605は、ディスプレイ32を介した測定装置30からのデータの出力を制御する。 The input interface 604 controls the input of data to the measuring device 30 via the keyboard 31. The output interface 605 controls the output of data from the measuring device 30 via the display 32.

実施形態において、測定装置30が有する図3に示される各機能は、プロセッサ601がメモリ602またはストレージ603などに記憶された測定プログラムを実行した結果として、ハードウェアとソフトウェアとの協働により実現される。ただし、実施形態では、図3に示される機能のうち少なくとも一部が、専用のハードウェア(回路)として実現されてもよい。 In an embodiment, each function shown in FIG. 3 possessed by the measuring device 30 is realized by cooperation between hardware and software as a result of the processor 601 executing a measurement program stored in the memory 602 or the storage 603. However, in an embodiment, at least some of the functions shown in FIG. 3 may be realized as dedicated hardware (circuitry).

なお、実施形態にかかる測定プログラムは、必ずしもメモリ602またはストレージ503に予め記憶されている必要はない。たとえば、測定プログラムは、各種の磁気ディスクまたは光ディスクなどといったコンピュータで読み取り可能な記録媒体にインストール可能な形式または実行可能な形式で記録されたコンピュータプログラムプロダクトとして提供されてもよい。 The measurement program according to the embodiment does not necessarily have to be stored in advance in the memory 602 or the storage 503. For example, the measurement program may be provided as a computer program product recorded in an installable or executable format on a computer-readable recording medium such as various magnetic disks or optical disks.

また、実施形態にかかる測定プログラムは、インターネットなどのネットワーク経由で提供または配布されてもよい。すなわち、測定プログラムは、インターネットなどのネットワークに接続されたコンピュータ上に格納された状態で、ネットワーク経由でのダウンロードを受け付ける、といった形で提供されてもよい。 The measurement program according to the embodiment may be provided or distributed via a network such as the Internet. In other words, the measurement program may be provided in a state where it is stored on a computer connected to a network such as the Internet, and is available for download via the network.

以上説明したように、実施形態にかかる測定装置30は、画像取得部301と、第1測定部302と、対称性取得部303と、第2測定部304と、を備えている。画像取得部301は、光学的に透明な測定対象10を介した背景画像22が写っている撮像画像を撮像装置21から取得する。第1測定部302は、撮像画像と所定の参照画像との比較に基づいて、測定対象の屈折率に関連する特徴として発生する光の偏向量の、撮像装置21の光軸Ax11と交差するY-Z平面に沿った投影面における二次元分布を測定する。対称性取得部303は、測定対象10の形状の対称性を取得する。第2測定部304は、第1測定部により測定された二次元分布と、対称性取得部303により取得された対称性と、に基づいて、測定対象10の内部における屈折率の三次元分布を測定する。 As described above, the measurement device 30 according to the embodiment includes an image acquisition unit 301, a first measurement unit 302, a symmetry acquisition unit 303, and a second measurement unit 304. The image acquisition unit 301 acquires an image from the imaging device 21, in which a background image 22 is captured through an optically transparent measurement target 10. The first measurement unit 302 measures a two-dimensional distribution of the amount of light deflection generated as a feature related to the refractive index of the measurement target on a projection plane along the Y-Z plane intersecting with the optical axis Ax11 of the imaging device 21, based on a comparison between the captured image and a predetermined reference image. The symmetry acquisition unit 303 acquires the symmetry of the shape of the measurement target 10. The second measurement unit 304 measures a three-dimensional distribution of the refractive index inside the measurement target 10 based on the two-dimensional distribution measured by the first measurement unit and the symmetry acquired by the symmetry acquisition unit 303.

上記のような構成によれば、第1測定部により測定された偏向量の二次元分布と、対称性取得部303により取得された対称性と、に基づいて、測定対象10の内部における屈折率の三次元分布を測定することができる。 With the above configuration, it is possible to measure the three-dimensional distribution of the refractive index inside the measurement object 10 based on the two-dimensional distribution of the deflection amount measured by the first measurement unit and the symmetry acquired by the symmetry acquisition unit 303.

<変形例>
なお、上述した実施形態では、対称軸Ax周りの屈折率の対称性が期待できる軸対称の測定対象10が例示されているが、軸対称以外の対称性についても、当該対称性に応じて、屈折率の何らかの対称性を期待することができる。したがって、実施形態の技術は、軸対称以外の対称性を有する測定対象にも適用可能である。軸対称以外の対称性を有する測定対象の一例としては、たとえば、次の図6に示されるような測定対象700が考えられる。
<Modification>
In the above-described embodiment, an axially symmetric measurement target 10 in which symmetry of the refractive index around the symmetry axis Ax can be expected is exemplified, but for symmetry other than axial symmetry, some symmetry of the refractive index can be expected depending on the symmetry. Therefore, the technology of the embodiment can be applied to a measurement target having symmetry other than axial symmetry. As an example of a measurement target having symmetry other than axial symmetry, for example, a measurement target 700 as shown in the following FIG. 6 can be considered.

図6は、変形例にかかる測定対象700を示した例示的かつ模式的な図である。 Figure 6 is an exemplary schematic diagram showing a measurement target 700 according to a modified example.

図6に示される測定対象700は、X軸に沿って延びる半円柱形状を有している。この測定対象700の内部の屈折率は、X軸に沿った方向に均一であることが期待できる。つまり、測定対象700において、X軸と直交するY-Z平面に沿った断面P700を含む任意の断面の屈折率の二次元分布は略等しいことが期待できる。 The measurement object 700 shown in FIG. 6 has a semi-cylindrical shape extending along the X-axis. The internal refractive index of this measurement object 700 is expected to be uniform in the direction along the X-axis. In other words, the two-dimensional distribution of the refractive index of any cross section of the measurement object 700, including cross section P700 along the Y-Z plane perpendicular to the X-axis, is expected to be approximately equal.

したがって、図6に示される例においては、まず、X軸と直交するY-Z平面に沿った投影面における偏向量の二次元分布がシュリーレン法または背景型シュリーレン法により測定される。そして、上述したX軸に沿った方向の屈折率の均一性を考慮して、測定対象700の内部における屈折率の三次元分布が測定される。 Therefore, in the example shown in FIG. 6, first, the two-dimensional distribution of the deflection amount on the projection surface along the Y-Z plane perpendicular to the X-axis is measured by the Schlieren method or the background-type Schlieren method. Then, taking into account the uniformity of the refractive index in the direction along the X-axis described above, the three-dimensional distribution of the refractive index inside the measurement object 700 is measured.

以上、本発明の実施形態および変形例を説明したが、上述した実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上述した新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上述した実施形態および変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although the above describes the embodiments and modifications of the present invention, the above-mentioned embodiments and modifications are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. The above-mentioned novel embodiments and modifications can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the gist of the invention. The above-mentioned embodiments and modifications are included within the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention and its equivalents described in the claims.

10、700 測定対象
21 撮像装置
30 測定装置
301 画像取得部
302 第1測定部
303 対称性取得部
304 第2測定部
10, 700 Measurement object 21 Imaging device 30 Measurement device 301 Image acquisition section 302 First measurement section 303 Symmetry acquisition section 304 Second measurement section

Claims (6)

光学的に透明な測定対象を介した背景画像が写っている撮像画像を撮像装置から取得することと、
前記撮像画像と所定の参照画像との比較に基づいて、前記測定対象において発生する光の偏向量の、前記撮像装置の光軸と交差する前記測定対象の投影面における二次元分布を測定することと、
対称性検出装置から前記測定対象の形状の対称性の情報として前記測定対象の対称軸の位置の情報を取得することと、
前記対称軸が前記撮像画像の中心部に位置するように、前記測定対象を支持するステージを移動させることと、
前記対称性検出装置の検出した前記対称軸をディスプレイに表示することと、
前記二次元分布と、前記対称性と、に基づいて、前記測定対象の内部における前記偏向量に関連する特徴の三次元分布を測定することと、
をコンピュータに実行させるための、測定プログラム。
Acquiring an image from an imaging device, the image including a background image through an optically transparent measurement target;
measuring a two-dimensional distribution of a deflection amount of light generated at the measurement object on a projection plane of the measurement object intersecting with an optical axis of the imaging device based on a comparison between the captured image and a predetermined reference image;
acquiring information on the position of a symmetry axis of the measurement object as information on the symmetry of the shape of the measurement object from a symmetry detection device;
moving a stage supporting the measurement object so that the axis of symmetry is located at a center of the captured image;
displaying the axis of symmetry detected by the symmetry detection device on a display;
Measuring a three-dimensional distribution of a feature related to the amount of deflection within the measurement object based on the two-dimensional distribution and the symmetry; and
A measurement program for causing a computer to execute the above.
前記特徴は、屈折率を含む、
請求項1に記載の測定プログラム。
The characteristics include a refractive index.
The measurement program according to claim 1 .
前記撮像画像には、前記測定対象と、当該測定対象のレンズ効果をキャンセルするレンズ効果抑制構造と、を介した前記背景画像が写っている、
請求項1または2に記載の測定プログラム。
The captured image includes the measurement object and the background image via a lens effect suppression structure that cancels the lens effect of the measurement object.
The measurement program according to claim 1 or 2.
前記撮像画像には、赤色の単色光が照射されている場合における前記測定対象を介した前記背景画像が写っている、
請求項1~3のうちいずれか1項に記載の測定プログラム。
The captured image shows the background image through the measurement object when red monochromatic light is irradiated.
The measurement program according to any one of claims 1 to 3.
前記対称性が、前記撮像装置の光軸と交差する方向に延びる対象軸周りの軸対象である場合、前記測定対象の前記対称軸周りの姿勢が異なる複数の条件の各々において測定された前記三次元分布の一致性に基づいて、前記測定対象の前記対称軸周りの均一性を判定すること、
を前記コンピュータにさらに実行させるための、請求項1~4のうちいずれか1項に記載の測定プログラム。
When the symmetry is axial symmetry around an axis of symmetry extending in a direction intersecting with an optical axis of the imaging device, determining uniformity around the axis of symmetry of the measurement object based on consistency of the three-dimensional distribution measured under each of a plurality of conditions in which the posture of the measurement object around the axis of symmetry is different;
The measurement program according to any one of claims 1 to 4, further causing the computer to execute the following:
光学的に透明な測定対象を介した背景画像が写っている撮像画像を撮像装置から取得する画像取得部と、
前記撮像画像と所定の参照画像との比較に基づいて、前記測定対象において発生する光の偏向量の、前記撮像装置の光軸と交差する前記測定対象の投影面における二次元分布を測定する第1測定部と、
対称性検出装置から前記測定対象の形状の対称性の情報として前記測定対象の対称軸の位置の情報を取得する対称性取得部と、
前記対称軸が前記撮像画像の中心部に位置するように、前記測定対象を支持するステージを移動させるアクチュエータと、
前記対称性検出装置の検出した前記対称軸をディスプレイに表示する表示制御部と、
前記二次元分布と、前記対称性と、に基づいて、前記測定対象の内部における前記偏向量に関連する特徴の三次元分布を測定する第2測定部と、
を備える、測定装置。
an image acquisition unit that acquires an image including a background image through an optically transparent measurement target from an imaging device;
a first measurement unit that measures a two-dimensional distribution of a deflection amount of light generated at the measurement object on a projection plane of the measurement object that intersects with an optical axis of the imaging device based on a comparison between the captured image and a predetermined reference image;
a symmetry acquisition unit that acquires information on the position of a symmetry axis of the measurement object from a symmetry detection device as information on the symmetry of the shape of the measurement object;
an actuator that moves a stage supporting the measurement object so that the axis of symmetry is located at the center of the captured image;
a display control unit that displays the axis of symmetry detected by the symmetry detection device on a display;
a second measurement unit that measures a three-dimensional distribution of a feature related to the amount of deflection inside the measurement object based on the two-dimensional distribution and the symmetry;
A measuring device comprising:
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Hiroshi Ohno et al.,"Localized gradient-index field reconstruction using background-oriented schlieren",Applied Optics,2019年09月26日,Vol. 58, No. 28,PP.7795-7804
赤塚 純一ほか,"Background Oriented Schlieren法に基づく密度勾配の可視化法の改良",日本機械学会論文集B編,2011年,第77巻, 第784号,PP.2391-2400

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