(57)【要約】【課題】取得画像が回転されていても、面内変位の平行移動量と回転量の両方を高精度且つ高速に計測することが可能となる。【解決手段】投光ビーム１１４により基準となる位置における測定対象１０２への照射により得られるスペックルパターンの基準画像Ｓと、面内変位後における測定対象１０２への投光ビーム１１４の照射により得られるスペックルパターンの取得画像Ｔと、の相関から、面内変位を測定する画像相関変位計１００であって、２つの基準画像Ｓを記憶する記憶部１２２と、２つの基準画像Ｓと取得画像Ｔとの相関演算を行うと共に、相関演算の結果から前記面内変位のうち平行移動量Ｍをそれぞれの基準画像Ｓに対して求める移動量処理部１２４と、２つの基準画像Ｓ間の距離Ｌとそれぞれの平行移動量Ｍの違いとから面内変位のうちの回転量θを求める回転量処理部１２６とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレント光の照明手段を備え、基準となる位置における測定対象への該コヒーレント光の照射により得られるスペックルパターンの基準画像と、面内変位後における前記測定対象への前記コヒーレント光の照射により得られるスペックルパターンの取得画像と、の相関から、前記面内変位を測定する画像相関変位計であって、
前記基準画像を複数記憶する記憶部と、
該複数の基準画像と前記取得画像との相関演算を行うと共に、該相関演算の結果から前記面内変位のうちの平行移動量をそれぞれの基準画像に対して求める移動量処理部と、
前記複数の基準画像間の距離とそれぞれの前記平行移動量の違いとから前記面内変位のうちの回転量を求める回転量処理部と、
を備えることを特徴とする画像相関変位計。
【請求項２】
前記移動量処理部で、前記複数の基準画像の１つの基準画像と前記取得画像との相関演算から前記平行移動量を求めた後、前記複数の基準画像間の距離に基づいて前記取得画像の領域が制限されて、該制限された領域の取得画像に対して他の基準画像と相関演算がなされることを特徴とする請求項１に記載の画像相関変位計。
【請求項３】
コヒーレント光の照明手段を備え、基準となる位置における測定対象への該コヒーレント光の照射により得られるスペックルパターンの基準画像と、面内変位後における前記測定対象への前記コヒーレント光の照射により得られるスペックルパターンの取得画像と、の相関から、前記面内変位を測定する変位測定方法であって、
前記基準画像を複数記憶する工程と、
該複数の基準画像を読み出して前記取得画像と相関演算を行う工程と、
該相関演算の結果から前記面内変位のうちの平行移動量をそれぞれの基準画像に対して求める工程と、
前記複数の基準画像間の距離とそれぞれの前記平行移動量の違いとから前記面内変位のうちの回転量を求める工程と、
を含むことを特徴とする変位測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コヒーレント光の照明手段を備え、基準となる位置における測定対象への該コヒーレント光の照射により得られるスペックルパターンの基準画像と、面内変位（平面内移動）後における前記測定対象への前記コヒーレント光の照射により得られるスペックルパターンの取得画像と、の相関から、前記面内変位を測定する画像相関変位計、及び変位測定法に係り、特に、測定対象の回転量を求めることが可能な画像相関変位計、及び変位測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スケールを用いることなく、二次元変位を非接触・高分解能で検出できる変位計として、特許文献１や非特許文献１に記載されているように、光ビームを測定対象に投光し、測定対象の表面（測定対象面）からの反射光の干渉パターンであるスペックルパターンを撮像素子で受光して、面内方向の変位（面内変位と称する）を測定する面内方向変位計が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１８４０９１号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「ミツトヨ  ナノ分解能の二次元画像エンコーダー  構造体の微小変位を非接触で測定」日経先端技術６９号（２００４．９．１３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的な画像においては、画像内にいくつかの特徴があり、それらを利用して測定対象の面内変位後の回転量を高精度に得る事が可能である。しかし、スペックルパターンでは一見して特徴を把握するのが困難である。このため、一般的な画像に対して用いられるような回転量を得る手法を、スペックルパターンの画像に対して用いることは困難である。
【０００６】
具体的に説明すると、特許文献１に示すような面内方向変位計は、面内変位後の取得画像が回転していなければ（θ＝０ｄｅｇ）、図７（Ａ）に示す如く、平行移動量のみだけの面内変位を精度良く求めることができる。しかし、図７（Ｂ）示すように、取得画像に回転量θが与えられている場合には（例えば、θ＝１０ｄｅｇ）、例えば平行移動量を求めた上で基準画像を回転させて回転量θを求めることが考えられる。その場合には、図８に示す如く、微小角度（例えば、２ｄｅｇずつ）で基準画像を変化させた上で、取得画像と相関演算を行い、相関ピークの一番高い角度を取得画像の回転量θとして求めることとなる。しかし、このような方法は、取得画像の回転量θが一般的には不明であることから、その回転量θを求めるのに容易に収束せず、膨大な演算時間を要することとなる。同時に、そのような方法では、回転量θを正確に測定することは極めて困難となる。
【０００７】
本発明は、前記の問題点を解決するべくなされたもので、取得画像が回転されていても、面内変位の平行移動量と回転量の両方を高精度且つ高速に計測することが可能な画像相関変位計、及び変位測定方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願の請求項１に係る発明は、コヒーレント光の照明手段を備え、基準となる位置における測定対象への該コヒーレント光の照射により得られるスペックルパターンの基準画像と、面内変位後における前記測定対象への前記コヒーレント光の照射により得られるスペックルパターンの取得画像と、の相関から、前記面内変位を測定する画像相関変位計であって、前記基準画像を複数記憶する記憶部と、該複数の基準画像と前記取得画像との相関演算を行うと共に、該相関演算の結果から前記面内変位のうちの平行移動量をそれぞれの基準画像に対して求める移動量処理部と、前記複数の基準画像間の距離とそれぞれの前記平行移動量の違いとから前記面内変位のうちの回転量を求める回転量処理部と、を備えたことにより、前記課題を解決したものである。
【０００９】
本願の請求項２に係る発明は、前記移動量処理部で、前記複数の基準画像の１つの基準画像と前記取得画像との相関演算から前記平行移動量を求めた後、前記複数の基準画像間の距離に基づいて前記取得画像の領域を制限して、該制限された領域の取得画像に対して他の基準画像と相関演算をなしたものである。
【００１０】
本願の請求項３に係る発明は、又、コヒーレント光の照明手段を備え、基準となる位置における測定対象への該コヒーレント光の照射により得られるスペックルパターンの基準画像と、面内変位後における前記測定対象への前記コヒーレント光の照射により得られるスペックルパターンの取得画像と、の相関から、前記面内変位を測定する変位測定方法であって、前記基準画像を複数記憶する工程と、該複数の基準画像を読み出して前記取得画像と相関演算を行う工程と、該相関演算の結果から前記面内変位のうちの平行移動量をそれぞれの基準画像に対して求める工程と、前記複数の基準画像間の距離とそれぞれの前記平行移動量の違いとから前記面内変位のうちの回転量を求める工程と、を含むことを特徴とする変位測定方法を提供するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、基準画像を複数用いることで、面内変位の平行移動量と回転量の両方を高精度且つ高速に計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る画像相関変位計の構成を示す模式図
【図２】同じく画像相関変位計の回転量算出の原理を示す模式図
【図３】同じく画像相関変位計の回転量算出のフローを示す図
【図４】同じく回転量と相関レベルとの関係を示す図
【図５】本発明の第２実施形態に係る画像相関変位計の回転量算出の原理を示す模式図
【図６】同じく画像相関変位計の回転量算出のフローを示す図
【図７】従来の面内方向変位計を用いた場合の取得画像との関係を示す図
【図８】同じく面内方向変位計を用いた場合の相関演算方法を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。
【００１４】
本発明に係る第１実施形態について、図１から図４を用いて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る画像相関変位計の構成を示す模式図、図２は同じく画像相関変位計の回転量算出の原理を示す模式図、図３は同じく画像相関変位計の回転量算出のフローを示す図、図４は同じく回転量と相関レベルとの関係を示す図、である。
【００１５】
最初に、本実施形態の構成を、図１を用いて説明する。
【００１６】
画像相関変位計１００は、コヒーレント光の照明手段と、測定対象１０２の測定対象面１０４へ照射されたコヒーレント光により得られるスペックルパターンを受光する受光光学系と、受光光学系で得られる基準画像Ｓと取得画像Ｔとを処理する処理系と、を備える。
【００１７】
コヒーレント光の照明手段は、主にレーザ光源１１０とレーザ光源１１０から出射されたレーザ光を平行光とするコリメートレンズ１１２とから構成される。レーザ光源１１０から発せられたレーザ光はコリメートレンズ１１２により平行光である投光ビーム（コヒーレント光）１１４とされて、測定対象面１０４に照射される。
【００１８】
受光光学系は、投光ビーム１１４の測定対象面１０４への照射により得られるスペックルパターンを集光して結像するためのレンズ１１６と、絞りの役目を果たすピンホール１１８と、レンズ１１６により結像された像をピクセルごとの電子データとして出力する固体撮像素子１２０と、を有する。
【００１９】
処理系は、記憶部１２２と移動量処理部１２４と回転量処理部１２６とを有する。記憶部１２２は、測定対象１０２の基準となる位置における測定対象１０２への投光ビーム１１４の照射により得られるスペックルパターンの基準画像Ｓを複数（２つ）記憶する。移動量処理部１２４は、記憶部１２２に記憶された複数（２つ）の基準画像Ｓを呼び出し、それらの基準画像Ｓと固体撮像素子１２０で得られた取得画像Ｔとの相関演算を行うことができる。基準画像Ｓと取得画像Ｔとは、２次元のピクセルデータである。このため、基準画像Ｓと取得画像Ｔとの相関演算は、取得画像Ｔ内でピクセル単位で位置が順次変更されて行われる。移動量処理部１２４は、その相関演算の結果で、一番高い相関ピークを示す位置を、取得画像Ｔにおける基準画像Ｓの面内変位後の画像（比較画像と称する）の位置と認識し、比較画像と基準画像Ｓとの位置の違いから平行移動量Ｍを求めることができる。移動量処理部１２４は、この相関演算を２つの基準画像Ｓに対して行い、基準画像Ｓに対してそれぞれの平行移動量Ｍを求める。回転量処理部１２６は、平行移動量Ｍと２つの基準画像Ｓ間の距離Ｌとを用いて回転量θを求めることができる。回転量処理部１２６は、平行移動量Ｍと求めた回転量θを面内変位（Ｍ、θ）として出力する。なお、平行移動量Ｍと回転量θとは、いずれの基準画像Ｓを基準にして求めてもよい。
【００２０】
次に、本実施形態における画像間相関変位計の回転量算出の原理を、図２を用いて説明する。
【００２１】
基準画像Ｓ１及びＳ２の取得後面内変位を生じた際に、それが回転量θ１を伴って、基準画像Ｓ１及びＳ２の場所がそれぞれＳ１１及びＳ２１へ移動したとする。すると、取得画像Ｔ１に対して比較画像Ｓ１１及びＳ２１は相対的に傾きθ１を持つこととなる。しかし、相関演算をする際には、基準画像Ｓ１に回転量θ１（若しくはΔθ１）を与えずに取得画像Ｔ１と相関演算を行う。その際、その傾きθ１を与えずに相関演算を行っても、基準画像Ｓ１は比較画像Ｓ１２の位置で強い相関関係を生じる（相関ピークが大きくなる）こととなる。このため、例えば基準画像Ｓ１の中心位置Ａは比較画像Ｓ１２の中心位置Ｃに移動したとして平行移動量Ｍ１を求めることができる。同時に、基準画像Ｓ２の中心位置Ｂは比較画像Ｓ２２の中心位置Ｄに移動したとして平行移動量Ｍ２を求めることができる。従って、図２(Ｂ)に示す如く、中心位置Ａから位置Ｃへの平行移動量Ｍ１を中心位置Ｃ、Ｄのそれぞれから差し引くと、計算上中心位置Ｃは中心位置Ｃ１に、中心位置Ｄは中心位置Ｄ１にそれぞれ移る。中心位置Ａは中心位置Ｃ１と重なり、中心位置Ａ（Ｃ１）と中心位置Ｂ（Ｄ１）との中心位置ＡＢ（Ｃ１Ｄ１）間の距離はＬ１である。このため、中心位置Ｂと中心位置Ａ（Ｃ１）と中心位置Ｄ１の位置が明らかとなるので角度θ１を回転量として求めることができる。なお、２つの基準画像Ｓ１、Ｓ２の中心位置ＡＢ間の距離Ｌ１が長いほど回転量θ１は高精度な値として求められる。
【００２２】
次に、本実施形態に係る画像相関変位計の回転量算出のフローを図３に示し、その動作を説明する。
【００２３】
最初に、平面内移動の基準となる位置において測定対象１０２へ投光ビーム１１４を照射し、そこから得られるスペックルパターンの基準画像Ｓ１、Ｓ２を記憶部１２２へ記憶する（ステップＳ２）。
【００２４】
次に、面内変位後に、測定対象１０２への投光ビーム１１４の照射により取得画像Ｔ１を得る。得られた取得画像Ｔ１と基準画像Ｓ１及びＳ２との相関演算をそれぞれ行う（ステップＳ４）。
【００２５】
次に、取得画像Ｔ１と基準画像Ｓ１及びＳ２と相関演算した結果、相関ピークの最も大きい位置を比較画像Ｓ１２及びＳ２２の位置とする。そして、それぞれの中心位置ＡＣ、ＢＤ間の距離を平行移動量Ｍ１、Ｍ２として算出する（ステップＳ６）。
【００２６】
次に、それぞれ得られた平行移動量Ｍ１、Ｍ２と基準画像Ｓ１、Ｓ２間（中心位置ＡＢ間）の距離Ｌ１とを用いて回転量θ１を算出する（ステップＳ８）。
【００２７】
このため、本実施形態では回転量θ１の算出のために、予め微小回転量を与えた基準画像を多数用いて相関演算を行う必要はない。又、得られる回転量θ１は予め想定した回転量に限定されない。
【００２８】
即ち、取得画像Ｔ１が、たとえ回転されてスペックルパターンのように一見して特徴を見出すことが困難な画像を元にしても、２つの基準画像Ｓ１、Ｓ２を用いることで面内変位の平行移動量Ｍ１（Ｍ２）と回転量θ１の両方を高精度且つ高速に計測することが可能となる。
【００２９】
例えば、回転量θ１＝１０ｄｅｇ程度であれば、図４に示す如く、相関ピークの相関レベルは充分高いので、回転量がない場合（θ１＝０ｄｅｇ）と同程度の精度で平行移動量Ｍ１（Ｍ２）を計測可能である。
【００３０】
なお、図４に示す如く、取得画像Ｔ１の回転量θ１が少ないほど、相関ピークの相関レベルが高くなる。このため、回転量θ１が微小な回転量であるほど、より正確に回転量θ１を求めることができる。
【００３１】
次に、本発明の第２実施形態について、図５、図６を用いて説明する。
【００３２】
本実施形態においては、構成自体は図１に示す第１実施形態と同一である。しかし、移動量処理部１２４における処理が異なっている。第１実施形態においては、取得画像Ｔの全ピクセルデータに対して基準画像Ｓの相関演算を行っていたが、第２実施形態においては、取得画像Ｔの相関演算の対象とする領域を制限している。
【００３３】
最初に本実施形態に係る画像相関変位計の回転量算出の原理を、図５を用いて説明する。
【００３４】
２つの基準画像Ｓ３及びＳ４を用いた時に、その中心位置ＥＦ間の距離Ｌ２は定まっており、面内変位の後もその中心位置ＧＨ間の距離Ｌ２は不変と考えることができる。このため、回転量θ２を伴って、基準画像Ｓ３、Ｓ４の場所がそれぞれＳ３１、Ｓ４１へ移動したとする。すると、図５に示す如く、基準画像Ｓ３の比較画像Ｓ３２への平行移動量Ｍ３が求められた際には、比較画像Ｓ３２の中心位置Ｇから距離Ｌ２だけ離れた位置に比較画像Ｓ４２（Ｓ４１）の中心位置Ｈがあると想定することができる。即ち、基準画像Ｓ３に対する比較画像Ｓ３２の中心位置Ｇを中心とした半径Ｌ２の円周ＳＦ上に基準画像Ｓ４に対する比較画像Ｓ４２が存在すると考えることができる。このため、基準画像Ｓ４に対する平行移動量Ｍ４を求めるための取得画像Ｔ２上の演算領域を円周ＳＦ上のみに制限することができる。このようにして、基準画像Ｓ４に対する取得画像Ｔ２の演算領域を低減することにより、演算時間の短縮を図ることができる。
【００３５】
具体的に、本実施形態に係る画像相関変位計の回転量算出のフローを、図６を用いて説明する。
【００３６】
最初に、基準となる位置において測定対象１０２へ投光ビーム１１４を照射し、そこから得られるスペックルパターンの基準画像Ｓ３、Ｓ４を記憶部１２２へ記憶する（ステップＳ２０）。
【００３７】
次に、面内変位した後の測定対象１０２への投光ビーム１１４の照射により取得画像Ｔ２を得る。そして、得られた取得画像Ｔ２と基準画像Ｓ３との相関演算を行う（ステップＳ２２）。
【００３８】
次に、取得画像Ｔ２と基準画像Ｓ３と相関演算した結果、相関ピークの最も大きい位置を比較画像Ｓ３２の位置とする。そして、基準画像Ｓ３と比較画像Ｓ３２の中心位置ＥＧ間の距離を平行移動量Ｍ３として算出する（ステップＳ２４）。
【００３９】
次に、平行移動量Ｍ３と基準画像Ｓ３、Ｓ４間（中心位置ＥＦ間）の距離Ｌ２とを用いて位置ｐを算出する（ステップＳ２６）。この時、位置ｐは、中心位置Ｆを、中心位置Ｅから中心位置Ｇ対して求められた平行移動量Ｍ３で移動した位置となり、且つ、基準画像Ｓ３、Ｓ４間（中心位置ＥＦ間）の距離Ｌ２を半径とする円周ＳＦ上の位置となる。
【００４０】
次に、位置ｐを基準点にして円周ＳＦ上で基準点を順次ずらし、比較画像Ｔ２内でそれら基準点を中心位置とする基準画像Ｓ４と同じピクセル領域と基準画像Ｓ４との相関演算をそれぞれ実行していく（ステップＳ２８）。そして、相関ピークが最大となる位置を中心位置Ｈとする比較画像Ｓ４２の位置として決定して、基準画像Ｓ４からの平行移動量Ｍ４を求める。この時、測定対象１０２からのスペックルパターンの画像は測定系や移動系によって多少の誤差を有している可能性がある。このため、それらの誤差に応じて適宜円周ＳＦ上の測定間隔及び円周ＳＦの半径方向の幅を定めることができる。
【００４１】
次に、それぞれ得られた平行移動量Ｍ３、Ｍ４と基準画像Ｓ３、Ｓ４間（中心位置ＥＦ間）の距離Ｌ２とを用いて回転量θ２を算出する（ステップＳ３０）。
【００４２】
このようにして、画像相関を行う際には、限定された円周ＳＦ上の位置ｐを基準に行うため、取得画像Ｔ２の全ピクセルデータに対して行う相関演算に比べてはるかに演算量を減らすことができる。このため、本実施形態は第１実施形態に比べて回転量θ２を算出するための計算時間を短くして、より高速化を図ることができる。
【００４３】
本実施形態について、上記実施形態をあげて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。即ち本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことは言うまでもない。
【００４４】
例えば、上記実施形態においては、基準画像Ｓは２つであったが本発明はこれに限定されない。基準画像Ｓを３つ以上用いても構わない。その際には、面内変位後に取得画像Ｔ内から出ないで残る基準画像Ｓに対する比較画像を複数用いて本発明を適用することができる。その際に、複数の基準画像Ｓの領域が互いに重複するような配置関係になっていても構わない。
【００４５】
また、上記実施形態においては、基準画像Ｓ間の距離Ｌをその基準画像Ｓの中心位置で規定していたが、本発明はこれに限定されるものではない。基準画像Ｓの上端、下端、角、或いはその他の位置であっても構わない。
【００４６】
また、上記実施形態においては、取得画像Ｔ２の領域を制限するために、比較画像Ｓ３２の中心位置Ｇを中心とした半径Ｌ２の円周ＳＦ上のみに比較画像Ｓ４２の中心位置Ｈがくるとしていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図４に示す如く、相関レベルは回転量Ｍが少なければ高いということを利用して、更に円周ＳＦ上の狭い角度の範囲のみに取得画像Ｔとの相関演算を限定してもよいし、また円周ＳＦ上という限定をはずして、単に回転角の狭い領域だけに相関演算を制限することであってもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１００…画像相関変位計
１０２…測定対象
１０４…測定対象面
１１０…レーザ光源
１１２…コリメートレンズ
１１４…投光ビーム
１１６…レンズ
１１８…ピンホール
１２０…固体撮像素子
１２２…記憶部
１２４…移動量処理部
１２６…回転量処理部
【図１】
2010210571.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010210571.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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