(57)【要約】【課題】統計的干渉計測法の円滑な実施を可能にする微小変位計測装置を提供する。【解決手段】分岐したレーザ光を被測定物体１０の２点に照射し、その散乱光より得られるスペックル干渉画像から被測定物体の変位を求める計測装置であり、光線の位相を位相可変手段１７で違えて作成した第１、第２の基準スペックル干渉画像（基準画像）と測定対象のスペックル干渉画像（計測画像）との間の位相差を統計的干渉計測法で求める対基準画像位相差算出部３２と、各計測画像の位相差から計測画像間の変位を表す位相差を求める変位位相差算出部３３と、基準画像を更新する基準画像更新部３４とを有する。基準画像の更新により、統計的干渉計測法を用いて微小変位を計測する際の測定レンジを拡大することができる。【選択図】図１
2010210399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレント光源の光を被測定物体に照射し、その散乱光により得られるスペックル干渉画像から被測定物体の変位を求める微小変位計測方法であって、
被測定物体に照射する前記光線の位相を違えて第１の基準スペックル干渉画像と第２の基準スペックル干渉画像とを作成する基準画像作成ステップと、
測定対象のスペックル干渉画像を順次取得し、前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を用いて、測定対象のスペックル干渉画像と前記第１の基準スペックル干渉画像または第２の基準スペックル干渉画像との間の位相差を統計的干渉計測法で求める対基準画像位相差算出ステップと、
それぞれの測定対象のスペックル干渉画像について求めた前記位相差から、測定対象のスペックル干渉画像間の変位を表す位相差を求める変位位相差算出ステップと、
前記対基準画像位相差算出ステップで求める前記位相差が所定値より小さくなる前に前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を更新する基準画像更新ステップと、
を備えることを特徴とする微小変位計測方法。
【請求項２】
請求項１に記載の微小変位計測方法であって、前記基準画像更新ステップが、
測定対象のスペックル干渉画像と前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像との間の位相差を閾値と比較するステップと、
前記位相差が前記閾値より小さいときに前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を更新するステップと、
を備えることを特徴とする微小変位計測方法。
【請求項３】
請求項１に記載の微小変位計測方法であって、前記基準画像更新ステップが、
前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像の作成時点または更新時点からの経過時間を閾値と比較するステップと、
前記経過時間が前記閾値を超えたときに前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を更新するステップと、
を備えることを特徴とする微小変位計測方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の微小変位計測方法であって、前記基準画像作成ステップで、前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像の複数組を作成し、前記基準画像更新ステップで、前記複数組の中から、更新する前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を選択することを特徴とする微小変位計測方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の微小変位計測方法であって、コヒーレント光源の光を２つの平行な光線に分岐して被測定物体の２点に照射したときの散乱光により得られるスペックル干渉画像から被測定物体の変位を求めることを特徴とする微小変位計測方法。
【請求項６】
請求項１から４のいずれかに記載の微小変位計測方法であって、コヒーレント光源の光を２つの非平行な光線に分岐して被測定物体に照射したときの散乱光により得られるスペックル干渉画像から被測定物体の変位を求めることを特徴とする微小変位計測方法。
【請求項７】
請求項１から４のいずれかに記載の微小変位計測方法であって、コヒーレント光源の光を２つの被測定物体に照射したときの散乱光により得られるスペックル干渉画像から被測定物体間の相対変位を求めることを特徴とする微小変位計測方法。
【請求項８】
コヒーレント光源の光を被測定物体に照射し、その散乱光により得られるスペックル干渉画像から被測定物体の変位を求める微小変位計測装置であって、
被測定物体に照射する前記光線の位相を可変する位相可変手段と、
前記スペックル干渉画像を撮影するＣＣＤカメラと、
前記ＣＣＤカメラで撮影された前記スペックル干渉画像を解析するデータ処理手段と、を具備し、
前記データ処理手段が、
前記位相可変手段により被測定物体に照射する前記光線の位相を違えて作成された第１の基準スペックル干渉画像と第２の基準スペックル干渉画像とを用いて、測定対象のスペックル干渉画像と前記第１の基準スペックル干渉画像または第２の基準スペックル干渉画像との間の位相差を統計的干渉計測法で求める対基準画像位相差算出部と、
前記対基準画像位相差算出部がそれぞれの測定対象のスペックル干渉画像について求めた前記位相差から、測定対象のスペックル干渉画像間の変位を表す位相差を求める変位位相差算出部と、
前記対基準画像位相差算出部で求める前記位相差が所定値より小さくなる前に前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を更新するための処理を行う基準画像更新部と、
を有することを特徴とする微小変位計測装置。
【請求項９】
請求項８に記載の微小変位計測装置であって、前記基準画像更新部は、前記対基準画像位相差算出部が求めた測定対象のスペックル干渉画像と前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像との間の位相差を閾値と比較して、前記位相差が前記閾値より小さいとき、前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を更新するための処理を行うことを特徴とする微小変位計測装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の微小変位計測装置であって、前記基準画像更新部は、前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像の作成時点または更新時点からの経過時間を閾値と比較し、前記経過時間が前記閾値を超えたときに前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を更新するための処理を行うことを特徴とする微小変位計測装置。
【請求項１１】
請求項８から１０のいずれかに記載の微小変位計測装置であって、前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を更新するために、前記基準画像更新部が、予め作成された前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像の複数組の中から、更新する前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を選択することを特徴とする微小変位計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の歪みや植物の日々の成長などの微小変位を計測する方法と、その方法を実施する装置に関し、統計的干渉計測法を利用して変位の計測を行うものである。
【背景技術】
【０００２】
粗面にレーザ光線のようなコヒーレントな光を照射すると、粗面の凹凸で散乱したレーザ光線が不規則な位相で干渉し合うために「スペックルパターン」と呼ばれる粒状斑点模様が観察される。このスペックルパターンを利用して粗面物体の変位を検出する方法として、レーザースペックル干渉法や電子的スペックルパターン干渉法（ＥＳＰＩ）が知られているが、本発明者等は、先に、こうした方法とは発想を異にする、スペックルを利用した微小変位計測方法を下記特許文献１で提案している。
この方法は、統計的手法を導入して変位を求めているため「統計的干渉計測法」と名付けている。
【０００３】
図１０は、この方法で用いる装置を模式的に示している。この方法では、レーザ光源１１からの光を２本の平行光線ａ1、ａ2に分けて、変位する粗面１０に照射する。ここでは、粗面１０が矢印Ａ方向に変位（伸縮）しているものとする。
光線ａ1及び光線ａ2の散乱光は、偏光フィルタ１５を通過してカメラ１６に入射する。このとき、光線ａ1によるスペックルパターンと光線ａ2によるスペックルパターンとの重ね合わせによって生じたスペックル干渉画像だけが偏光フィルタ１５を通過し、ＣＣＤカメラ１６で撮影される。
ＣＣＤカメラ１６は、所定の時間間隔でスペックル干渉画像を撮影し、その画像がフレームメモリ２１に順次記録される。
データ処理装置２２は、フレームメモリ２１に記録された画像の中から３つのスペックル干渉画像を用いて、それらの画像が撮影される間に生じた粗面１０の光線ａ1、ａ2により照射された２点間の変位を統計的干渉計測法により求める。
【０００４】
ここでは、３つの画像の内、変位が最も小さい状態の画像を第１スペックル干渉画像、変位がそれより大きい状態の画像を第２スペックル干渉画像、変位が最も大きい状態の画像を第３スペックル干渉画像とする。
変位は、第１スペックル干渉画像及び第３スペックル干渉画像を基準画像として、第１スペックル干渉画像が撮影されてから第２スペックル干渉画像が撮影される間に生じた変位、及び、第２スペックル干渉画像が撮影されてから第３スペックル干渉画像が撮影される間に生じた変位が、その間の位相変化として算出される。
【０００５】
図１１のフロー図は、データ処理装置２２での処理手順を示している。
まず、１番目の画素に着目して（ステップ１）、第１スペックル干渉画像、第２スペックル干渉画像及び第３スペックル干渉画像から着目する画素の画像強度（I1(x)、I2(x)、I3(x)）を取得する（ステップ２）。
第１スペックル干渉画像、第２スペックル干渉画像及び第３スペックル干渉画像の画素ｘにおける画像強度（I1(x)、I2(x)、I3(x)）は、次のように表すことができる。
I1(x)=I0(x)［1+α(x)cos(φ(x)+Ψ1)]        （数１）
I2(x)=I0(x)［1+α(x)cos(φ(x))]            （数２）
I3(x)=I0(x)［1+α(x)cos(φ(x)+Ψ3)]        （数３）
ここで、I0(x)は、画素ｘにおける第１スペックル干渉画像、第２スペックル干渉画像及び第３スペックル干渉画像の平均強度、α(x)は画素ｘでのビジビリティ、φ(x)は画素ｘでのスペックル干渉画像の位相（光線ａ1によるスペックルパターンと光線ａ2によるスペックルパターンとの位相差。「スペックル位相」と言う。）であり、スペックル位相はランダムである。また、Ψ1、Ψ3は、求めるべき物体変位に対応する位相である。（数１）〜（数３）において、I0(x)、α(x)、φ(x)、Ψ1及びΨ3は未知数であり、I1(x)、I2(x)及びI3(x)は、測定された値である。
【０００６】
ここで、仮想位相量Ψが設定されているか否かを識別し（ステップ３）、設定されていない場合（ｘ＝１のときΨが設定され、ｘ＝２以降では、そのΨが使用される。）、Ψ1、Ψ3を求めるために仮想位相量Ψを設定する（ステップ４）。
Ψ1、Ψ3は、仮想位相量Ψからの偏差を対称位相項△Ψｓ及び反対称位相項△Ψａとして次式のように表すことができる。
Ψ1=-Ψ-ΔΨs+ΔΨa                        （数４）
Ψ3=Ψ+ΔΨs+ΔΨa                          （数５）
次に、仮想位相量Ψが、-Ψ1=Ψ3=Ψ（即ち、ΔΨs=0、ΔΨa=0）の関係にあるものと仮定して、設定した仮想位相量Ψを用いて、画素ｘでのスペックル位相（真のスペクトル位相φ(x)ではなく、仮想位相量Ψの下でのスペックル位相であるため「見掛上のスペックル位相φ'(x)」と言う。）を次式（数６）により算出する（ステップ５）。
φ'(x)＝tan-1[{(I1(x)-I3(x))/(I1(x)+I3(x)-2I2(x))}{(cosΨ-1)/sinΨ}]
(数６)
こうした処理を、Ｎ個の画素における見掛上のスペックル位相φ'(x)が得られるまで繰り返す（ステップ６、ステップ７）。
Ｎ個の画素における見掛上のスペックル位相φ'(x)を求めた後、その見掛上のスペックル位相φ'(x)の確率密度分布Ｐφ'(φ')を算出する（ステップ８）。
【０００７】
ランダムなスペックル位相の確率密度分布は、物体表面が光学的に粗く、十分多くの散乱が生じる場合に、−πから＋πの範囲で１／２πになることが知られている。
そのため、Ｐφ'(φ')＝１／２πとなるようにΔΨs、ΔΨaを決定する（ステップ９）。
次いで、決定したΔΨs、ΔΨaと、設定した仮想位相量Ψとを用いて、（数４）（数５）から位相差Ψ1、Ψ3を算出する（ステップ１０）。
なお、確率密度分布Ｐφ'(φ')の算出式、及びＰφ'(φ')＝１／２πとなるΔΨs、ΔΨaを求めるための式は、特許文献１に詳述されている。
この統計的干渉計測法では、Ｎの値を大きくする程、確率密度分布の算出精度が向上し、より精確な物体変位を求めることができる。例えば、着目する画素数を数万点に設定すると、レーザ波長をλとして、λ／１０００の精度で物体の変位を計測することが可能である。
【０００８】
また、変位が進行する物体を所定の時間間隔で撮影したＭ枚のスペックル干渉画像がフレームメモリ２１に記録されている場合、１枚目の画像を第１スペックル干渉画像に、また、Ｍ枚目の画像を第３スペックル干渉画像にそれぞれ設定し、２枚目から（Ｍ−１）枚目までの画像を、順次、第２スペックル干渉画像とすることにより、基準画像を固定した状態で、２枚目から（Ｍ−１）枚目までの画像における変位を求めることができる。
【０００９】
また、統計的干渉計測法は、このように２本の平行光線を物体に照射して面内の微小歪みを測定する場合だけでなく、２本の非平行光線を物体に照射して得られるスペックル干渉画像から面内の変位を測定する場合や、近接する二つの物体に１本の光線を照射し、それらの物体のスペックルパターンの干渉画像から二つの物体間の変位を計測する場合にも用いることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第２８１７８３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
統計的干渉計測法は、スペックル干渉画像の各画素におけるスペックル位相が−π〜πの範囲で一様に分布する性質を利用して変位を計測している。しかし、第２スペックル干渉画像における変位が、基準画像である第１スペックル干渉画像または第３スペックル干渉画像の変位に近付くと、第２スペックル干渉画像と第１あるいは第３スペックル干渉画像との独立性が低下することにより、ノイズの影響が増大し、そのために精確な変位の測定ができなくなる。
【００１２】
図１２は、この統計的干渉計測法における測定上の制約を模式的に示している。
図１２（ａ）に示すように、第１スペックル干渉画像と第２スペックル干渉画像との位相差Ψ1及び第２スペックル干渉画像と第３スペックル干渉画像との位相差Ψ3が大きい状態では、精確な変位の測定が可能であるが、図１２（ｂ）に示すように、第１スペックル干渉画像と第２スペックル干渉画像との位相差Ψ1が小さくなり、または、図１２（ｃ）に示すように、第２スペックル干渉画像と第３スペックル干渉画像との位相差Ψ3が小さくなると、精確な測定ができなくなる。従って、変位計測が可能な範囲は、用いる光の波長の約１／２よりも小さな領域に制限される。
【００１３】
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、統計的干渉計測法の測定レンジの拡大を可能にする微小変位計測方法を提供し、また、その方法を実施する装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、コヒーレント光源の光を被測定物体に照射し、その散乱光により得られるスペックル干渉画像から被測定物体の変位を求める微小変位計測方法であって、被測定物体に照射する前記光線の位相を違えて第１の基準スペックル干渉画像と第２の基準スペックル干渉画像とを作成する基準画像作成ステップと、測定対象のスペックル干渉画像を順次取得し、前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を用いて、測定対象のスペックル干渉画像と前記第１の基準スペックル干渉画像または第２の基準スペックル干渉画像との間の位相差を統計的干渉計測法で求める対基準画像位相差算出ステップと、それぞれの測定対象のスペックル干渉画像について求めた前記位相差から、測定対象のスペックル干渉画像間の変位を表す位相差を求める変位位相差算出ステップと、前記対基準画像位相差算出ステップで求める前記位相差が所定値より小さくなる前に前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を更新する基準画像更新ステップと、を備えることを特徴とする。
この微小変位計測方法では、第１、第２の基準スペックル干渉画像を適宜更新しているため、統計的干渉計測法を用いて微小変位を計測する際の測定レンジを拡大することができる。
【００１５】
また、本発明の微小変位計測方法では、前記基準画像更新ステップを、測定対象のスペックル干渉画像と前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像との間の位相差を閾値と比較するステップと、前記位相差が前記閾値より小さいときに前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を更新するステップと、で構成することができる。
測定対象のスペックル干渉画像と第１、第２の基準スペックル干渉画像との間の位相差が小さくなると、測定精度が低下するため、こうした状態に達することがないように、余裕を持たせて閾値を設定し、位相差が閾値より小さくなった場合に、基準画像の更新を行うようにすれば、測定精度の低下が避けられる。
【００１６】
また、本発明の微小変位計測方法では、前記基準画像更新ステップを、前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像の作成時点または更新時点からの経過時間を閾値と比較するステップと、前記経過時間が前記閾値を超えたときに前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を更新するステップと、で構成してもよい。
時間が経過すると、被測定物体の変位が進行し、当初設定した第１または第２の基準スペックル干渉画像と測定対象のスペックル干渉画像との間の位相差が縮小するため、これらの基準画像を作成または更新した時点からの経過時間を目途に、その更新時期を設定するようにしても良い。
【００１７】
また、本発明の微小変位計測方法では、前記基準画像作成ステップで、前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像の複数組を作成し、前記基準画像更新ステップで、前記複数組の中から、更新する前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を選択するようにしても良い。
こうすることで、基準画像の更新に要する時間を短縮できる。
【００１８】
また、本発明の微小変位計測方法では、コヒーレント光源の光を２つの平行な光線に分岐して被測定物体の２点に照射したときの散乱光により得られるスペックル干渉画像から被測定物体の変位を求めることができる。
【００１９】
また、本発明の微小変位計測方法では、コヒーレント光源の光を２つの非平行な光線に分岐して被測定物体に照射したときの散乱光により得られるスペックル干渉画像から被測定物体の変位を求めることもできる。
【００２０】
また、本発明の微小変位計測方法では、コヒーレント光源の光を２つの被測定物体に照射したときの散乱光により得られるスペックル干渉画像から被測定物体間の相対変位を求めることもできる。
【００２１】
また、本発明は、コヒーレント光源の光を被測定物体に照射し、その散乱光により得られるスペックル干渉画像から被測定物体の変位を求める微小変位計測装置であって、被測定物体に照射する前記光線の位相を可変する位相可変手段と、前記スペックル干渉画像を撮影するＣＣＤカメラと、前記ＣＣＤカメラで撮影された前記スペックル干渉画像を解析するデータ処理手段と、を具備し、前記データ処理手段が、前記位相可変手段により被測定物体に照射する前記光線の位相を違えて作成された第１の基準スペックル干渉画像と第２の基準スペックル干渉画像とを用いて、測定対象のスペックル干渉画像と前記第１の基準スペックル干渉画像または第２の基準スペックル干渉画像との間の位相差を統計的干渉計測法で求める対基準画像位相差算出部と、前記対基準画像位相差算出部がそれぞれの測定対象のスペックル干渉画像について求めた前記位相差から、測定対象のスペックル干渉画像間の変位を表す位相差を求める変位位相差算出部と、前記対基準画像位相差算出部で求める前記位相差が所定値より小さくなる前に前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を更新するための処理を行う基準画像更新部と、を有することを特徴とする。
この微小変位計測装置は、基準画像を適宜更新しているため、統計的干渉計測法を用いて微小変位を計測する際の測定レンジを拡大することができる。 
【００２２】
また、本発明の微小変位計測装置では、前記基準画像更新部が、前記対基準画像位相差算出部が求めた測定対象のスペックル干渉画像と前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像との間の位相差を閾値と比較して、前記位相差が前記閾値より小さいとき、前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を更新するための処理を行うように構成することができる。
位相差が閾値より小さいとき、基準画像更新部は、位相可変手段に基準画像の更新指示を出し、位相可変手段が、被測定物体に照射する光線の位相を変える。このとき得られるスペックル干渉画像が、新たな基準画像となる。
【００２３】
また、本発明の微小変位計測装置では、前記基準画像更新部が、前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像の作成時点または更新時点からの経過時間を閾値と比較し、前記経過時間が閾値を超えたときに前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を更新するための処理を行うようにしても良い。
第１、第２の基準スペックル干渉画像を作成または更新した時点からの経過時間を目途にすることで、基準画像の更新時期の判別が容易となる。
【００２４】
また、本発明の微小変位計測装置では、前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を更新するために、前記基準画像更新部が、予め作成された前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像の複数組の中から、更新する前記第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を選択するように構成しても良い。
こうすることで、基準画像の更新に要する時間を短縮できる。そのため、被測定物体での変位の進行が速い場合にも対応でき、また、リアルタイムでの処理が可能になる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の微小変位計測方法及び装置は、統計的干渉計測法を用いて微小変位を計測する際の測定レンジを拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る微小変位計測装置の構成を示す図
【図２】本発明の第１の実施形態に係る微小変位計測方法を示すフロー図
【図３】図２の微小変位計測方法での基準画像の位相と閾値とを説明する図
【図４】図２の微小変位計測方法で求める計測画像間の位相差を説明する図
【図５】図２の微小変位計測方法を実施するときのフレームメモリの状態を示す図
【図６】図２の微小変位計測方法における基準画像の他の更新方法を説明する図
【図７】本発明の第２の実施形態に係る微小変位計測方法を示すフロー図
【図８】本発明を適用することができる面内変位計測用の他の光学系を示す図
【図９】本発明を適用することができる面外変位計測用の他の光学系を示す図
【図１０】従来の微小変位計測装置の構成を示す図
【図１１】統計的干渉計測法の手順を示すフロー図
【図１２】統計的干渉計測法の制約を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る微小変位計測装置を示している。
この装置は、波長λのコヒーレントなレーザ光を出力するレーザ投光機１１と、このレーザ光を集光するレンズ１２と、集光された光束を２本の光線に分岐（分岐角度θ）するウォラストンプリズム１３と、分岐された光線を２本の平行な光線ａ1、ａ2に変えるレンズ１４と、光線ａ1、ａ2の位相を変える位相可変手段１７と、被測定物体１０での光線ａ1の散乱光と光線ａ2の散乱光とが干渉して得られるスペックル干渉画像のみを通過させる偏光フィルタ１５と、偏光フィルタ１５を通ったスペックル干渉画像を撮影するＣＣＤカメラ１６と、撮影された画像を記録するフレームメモリ２１と、記録された画像を解析して被測定物体１０の光線ａ1、ａ2が照射された２点間の変位を検出するデータ処理装置３０とを備えている。
【００２８】
位相可変手段１７は、光線ａ1の位相を光線ａ2の位相よりも約π／２遅らせするプリズムと、光線ａ2の位相を光線ａ1の位相よりも約π／２遅らせするプリズムと、これらプリズムの移動手段とを備えている。
この位相可変手段１７は、統計的干渉計測法で用いる基準画像を得る際に使用され、光線ａ1、ａ2を一方のプリズムに通した状態でＣＣＤカメラ１６に撮影されるスペックル干渉画像が「第１の基準スペックル干渉画像」とされ、光線ａ1、ａ2を他方のプリズムに通した状態でＣＣＤカメラ１６に撮影されるスペックル干渉画像が「第２の基準スペックル干渉画像」とされる。そのため、第１の基準スペックル干渉画像と第２の基準スペックル干渉画像とは、凡そπの位相差を有している。
このように、基準画像間の位相差がπになるように設定することで、基準画像間の独立性は最も高くなる。
【００２９】
また、データ処理装置３０は、フレームメモリ２１からスペックル干渉画像を取得する画像取得部３１と、第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を基準画像に用いて、測定対象のスペックル干渉画像と基準画像との間の位相差を統計的干渉計測法で求める対基準画像位相差算出部３２と、それぞれの測定対象のスペックル干渉画像と基準画像との間の位相差から、測定対象のスペックル干渉画像間の変位を表す位相差を求める変位位相差算出部３３と、第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を更新するための処理を行う基準画像更新判定部３４とを備えている。
なお、フレームメモリ２１及びデータ処理装置３０は、コンピュータの機構を用いて構成することができ、データ処理装置３０の各部は、コンピュータプログラムを実行することで実現できる。
【００３０】
図２のフロー図は、この装置の動作手順を示している。
まず、位相可変手段１７の一方のプリズムを光線ａ1、ａ2が通過する位置に配置して第１の基準スペックル干渉画像をＣＣＤカメラ１６で撮影し、フレームメモリ２１に記録する。次に、他方のプリズムを光線ａ1、ａ2が通過する位置に配置して第２の基準スペックル干渉画像をＣＣＤカメラ１６で撮影し、フレームメモリ２１に記録する（ステップ２１）。
このとき、図３（ａ）に示すように、位相可変手段１７のいずれのプリズムも光路上に存在しないときに得られるスペックル干渉画像４０の位相に対して、第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像の一方の位相は、約π／２遅れたＩの位置にあり、他方は、約π／２進んだＩの位置にある。
次に、位相可変手段１７を光路上から外して、計測すべきスペックル干渉画像（“計測画像”と呼ぶことにする。）をＣＣＤカメラ１６で撮影し、フレームメモリ２１に記録する（ステップ２２）。
【００３１】
データ処理装置３０の対基準画像位相差算出部３２は、画像取得部３１を通じてフレームメモリ２１から、第１の基準スペックル干渉画像、計測画像及び第２の基準スペックル干渉画像を取得し、図１１の手順により、統計的干渉計測法を用いて、第１の基準スペックル干渉画像に対する計測画像の位相差Ψ'1及び計測画像に対する第２の基準スペックル干渉画像の位相差Ψ'3を算出し、メモリ（不図示）に記録する（ステップ２３）。
同じ第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を用いて算出された他の計測画像のΨ'1及びΨ'3がメモリ（不図示）に記録されていないときは（ステップ２４でＮｏ）、ステップ２６に移行して、基準画像更新判定部３４は、Ψ'1及びΨ'3と閾値Ψ0とを比較する。
【００３２】
この閾値Ψ0は、図３（ａ）に示すように、統計的干渉計測法の制約により測定精度が低下する基準画像との位相差ΨLよりも大きく、且つ、ΨLとの間に十分な余裕がある値に設定されている。
Ψ'1及びΨ'3の絶対値が閾値Ψ0より大きい場合（ステップ２７でＹｅｓ）、対基準画像位相差算出部３２は、ＣＣＤカメラ１６で撮影された次の計測画像を取得し（ステップ２９、ステップ２２）、統計的干渉計測法を用いて、第１、第２の基準画像に対する計測画像の位相差Ψ'1、Ψ'3を算出し、メモリ（不図示）に記録する（ステップ２３）。
変位位相差算出部３３は、同じ第１、第２の基準画像を用いて算出された他の計測画像のΨ'1及びΨ'3がメモリ（不図示）に記録されている場合に（ステップ２４でＹｅｓ）、Ψ'1またはΨ'3同士の差分を取ることにより、計測画像間の位相差を算出する（ステップ２５）。
【００３３】
図４は、この模様を示している。計測画像１及び２の基準画像Ｉ（第１の基準スペックル干渉画像Ｉまたは第２の基準スペックル干渉画像Ｉ）に対する位相差をΨ'I（１）、Ψ'I（２）とすると、計測画像１と計測画像２との位相差は（Ψ'I（２）−Ψ'I（１））により算出される。算出された計測画像間の位相差は、計測画像間の変位を表しており、表示手段に適宜表示される。
基準画像更新判定部３４は、計測画像のΨ'1及びΨ'3と閾値Ψ0とを比較する（ステップ２６）。Ψ'1及びΨ'3の絶対値が閾値Ψ0より大きい場合は（ステップ２７でＹｅｓ）、ステップ２９、２２、２３・・の手順が繰り返される。
【００３４】
一方、計測画像（ここでは、計測画像（ｋ）とする。）のΨ'1及びΨ'3の絶対値が閾値Ψ0未満の場合は（ステップ２７でＮｏ）、基準画像更新判定部３４から位相可変手段１７に更新指示が送られ、基準画像の更新が行われる（ステップ２８）。
基準画像の更新は、基準画像の作成（ステップ２１）の時と同様に、位相可変手段１７の一方のプリズムを光線ａ1、ａ2が通過する位置に配置して第１の基準スペックル干渉画像が更新され、次に、他方のプリズムを光線ａ1、ａ2が通過する位置に配置して第２の基準スペックル干渉画像が更新される。
このとき、図３（ｂ）に示すように、基準画像Ｉとの位相差が閾値Ψ0より小さくなった計測画像（ｋ）４０の位相に対して、約π／２遅れたIIの位置に第１の基準スペックル干渉画像が更新され、約π／２進んだIIの位置に第２の基準スペックル干渉画像が更新される。
対基準画像位相差算出部３２は、更新された基準画像IIを用いて、計測画像（ｋ）の基準画像IIに対する位相差Ψ'1、Ψ'3を再び算出し、メモリ（不図示）に記録する（ステップ２３）。
【００３５】
こうして、図４に示すように、基準画像Iから基準画像IIに更新されたときの計測画像３については、基準画像Iを用いた位相差の算出と、基準画像IIを用いた位相差の算出とが行われる。
そのため、例えば、計測画像１と計測画像４との間の位相差は、
｛Ψ'II(4)- Ψ'II(3)｝+{Ψ'I(3)- Ψ'I(1)}
によって求めることができる。
このように、この微小変位計測装置は、図２の手順を繰り返すことにより、統計的干渉計測法を用いて計測する微小変位の測定レンジを拡大することができ、被測定物体１０の微小変位が進行する場合でも、高精度の計測を長時間に渡って継続することができる。
【００３６】
また、図５は、フレームメモリ２１でのスペックル干渉画像の記録状況を模式的に示している。第１の基準スペックル干渉画像、第２の基準スペックル干渉画像及び計測画像の３枚がフレームメモリ２１に取り込まれ、計測画像が順次更新される。基準画像Iと計測画像との位相差が閾値Ψ0より小さくなると、基準画像Iが基準画像IIに更新され、計測画像の順次更新が続けられる。
このように、この装置では、フレームメモリ２１を効率的に使用して、逐次更新される計測画像の変位を継続的に測定することができる。
【００３７】
なお、ここでは、位相可変手段１７として、プリズムを用いて位相を可変する例を説明したが、その他の方法で位相を変えても良い。例えば、レンズ１４を光線ａ1、ａ2と直角方向に動かしたり、レンズ１４を傾けたりしても光線ａ1、ａ2の位相を変えることが可能である。
【００３８】
また、ここでは、基準画像と計測画像との位相差が閾値Ψ0より小さくなる度に、基準画像を作り直す例を説明したが、図２のフロー図の基準画像作成段階（ステップ２１）で、図６に示すように、複数の第１及び第２の基準スペックル干渉画像の組を予め作成し、基準画像更新時（ステップ２８）には、複数組の中から、更新する第１及び第２の基準スペックル干渉画像を選択するようにしても良い。
こうすることで、基準画像の更新に要する時間を大幅に短縮できる。そのため、被測定物体での変位の進行が速い場合にも対応でき、また、リアルタイムでの変位計測も可能になる。
【００３９】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態では、基準画像の更新を、基準画像の作成時または更新時からの経過時間に基づいて行う微小変位計測方法について説明する。
被測定物体の変位は、時間の経過に伴って進行するため、計測画像と当初設定した基準画像との間の位相差は、時間が経過する程、縮小する。従って、基準画像の作成時点または更新時点からの経過時間を目途に、更新時期を設定することが可能である。
この方法を実施する微小変位計測装置の構成は、第１の実施形態（図１）と変わりがない。
【００４０】
図７のフロー図は、この微小変位計測方法の手順を示している。
ステップ３１からステップ３５までの手順は、図２のステップ２１からステップ２５までと同じである。
基準画像と計測画像との間の位相差や、計測画像間の位相差の算出が終了すると、基準画像更新判定部３４は、基準画像の作成時点または更新時点からの経過時間ｔと、予め設定された閾値ｔ0とを比較する（ステップ３６）。経過時間ｔが閾値ｔ0を超えていなければ（ステップ３７でＮｏ）、次の計測画像を取得し（ステップ３９、ステップ３２）、ステップ３３以降の手順を実行する。
一方、経過時間ｔが閾値ｔ0を超えている場合は（ステップ３７でＹｅｓ）、基準画像更新判定部３４から位相可変手段１７に更新指示が送られ、基準画像の更新が行われる（ステップ３８）。
基準画像の更新の動作は、図２のステップ２８の場合と同じである。
【００４１】
このように、この微小変位計測方法では、基準画像の更新時期を、被測定物体１０の変位の状態とは切り離して、基準画像の作成時点または更新時点からの経過時間に基づいて決めているので、その更新時期が予測し易い。そのため、被測定物体１０の微小変位を長時間に渡って継続的に測定する場合に、測定手順の管理が容易となる。
【００４２】
第１及び第２の実施形態では、２本の平行光線を被測定物体１０に照射して面内の微小歪みを測定する場合について説明した。この計測方法により、金属の熱膨張、接合金属間の熱による変形、植物の成長などの微小変位を測定することができる。
また、２本の平行光線を物体に照射する光学系に代えて、図８に示すように、レーザ投光機１１からのレーザ光をプリズム５０で２本の非平行光線に分岐し、これらの光線を被測定物体１０に照射する光学系を備えた測定装置でも、統計的干渉計測法により、スペックル干渉画像から被測定物体１０の面内の変位を計測する場合に、第１及び第２の実施形態と同様の方法を用いて測定レンジの拡大を図ることができる。
また、図９に示すように、近接するスリガラスのような半透明な基準物体５１と被測定物体５２とにレーザ投光機１１からのレーザ光を照射し、基準物体５１からの散乱光によるスペックルパターンと、基準物体５１を透過して被測定物体５２に照射したレーザ光の散乱光によるスペックルパターンとのスペックル干渉画像から被測定物体５２と基準物体５１と間の相対変位（面外変位）を計測する測定装置においても、第１及び第２の実施形態と同様の方法を用いて統計的干渉計測法での測定レンジの拡大を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の微小変位計測方法及び装置は、物体の歪みや植物の成長など、各種の微小変位を計測するために、広く利用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１０    被測定物体
１１    レーザ投光機
１２    レンズ
１３    ウォラストンプリズム
１４    レンズ
１５    偏光フィルタ
１６    ＣＣＤカメラ
１７    位相可変手段
２１    フレームメモリ
３０    データ処理装置
３１    画像取得部
３２    対基準画像位相差算出部
３３    変位位相差算出部
３４    基準画像更新判定部
４０    スペックル干渉画像の位相
５０    プリズム
５１    基準物体
５２    測定物体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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