(57)【要約】【課題】デジタル画像相関法を利用してヒータブロック等の一般構造物が外力や温度変化等の要因により変形した場合のその表面の変位量を計測するに際して、レンズの収差や撮像素子の画素の特性等を考慮した高精度な計測を行うことを可能にする。【解決手段】計測対象物１を画像のα0（α0：１未満の小数）画素に対応する所定移動量ずつ移動させながら順次ＣＣＤカメラ２により撮像し、各画像をそれぞれ比較することにより、各画像上の画素の移動量と計測対象物１の所定移動量との関係から校正曲線を作成し、ＣＣＤカメラ２により計測対象物１の変形前後の画像をそれぞれ撮像し、撮像した変形前後の画像を比較することにより、変形前後の画像上の画素の移動量Ｎ1＋α1（Ｎ1：整数、α1：１未満の小数）を算出し、この算出した画素の移動量から校正曲線を用いて計測対象物１の表面の変位量を算出する。【選択図】  図１
2005099012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象物を撮像装置により撮像して前記計測対象物の表面の変位量を計測する表面変位計測方法であって、
前記撮像装置または計測対象物を前記画像のα0（α0：１未満の小数）画素に対応する所定移動量ずつ移動させながら順次前記撮像装置により撮像し、この撮像した各画像をそれぞれ比較することにより、各画像上の画素の移動量と前記撮像装置または計測対象物の所定移動量との関係から校正曲線を作成する校正曲線作成ステップと、
前記撮像装置により計測対象物の変形前後の画像をそれぞれ撮像し、この撮像した変形前後の画像を比較することにより、変形前後の画像上の画素の移動量Ｎ1＋α1（Ｎ1：整数、α1：１未満の小数）を算出し、この算出した画素の移動量から前記校正曲線を用いて前記計測対象物の表面の変位量を算出する表面変位量算出ステップと
を含む表面変位計測方法。
【請求項２】
前記校正曲線作成ステップは、
前記撮像装置または計測対象物を、直交する２軸に沿ってそれぞれ１軸ずつ、かつ、前記画像のα0（α0：１未満の小数）画素に対応する所定移動量ずつ移動させながら順次前記撮像装置により撮像し、この撮像した各画像をそれぞれ比較することにより、各画像上の画素の移動量と前記撮像装置または計測対象物の所定移動量との関係から１軸あたり２つの校正曲線を作成することを特徴とする請求項１に記載の表面変位計測方法。
【請求項３】
前記校正曲線作成ステップは、３次元の変位を計測する場合、
前記撮像装置または計測対象物を、直交する２軸とこれらの２軸に直交する１軸との計３軸に沿ってそれぞれ１軸ずつ、かつ、前記画像のα0（α0：１未満の小数）画素に対応する所定移動量ずつ移動させながら順次前記撮像装置により撮像し、この撮像した各画像をそれぞれ比較することにより、各画像上の画素の移動量と前記撮像装置または計測対象物の所定移動量との関係から１軸あたり２つの校正曲線を作成することを特徴とする請求項１に記載の表面変位計測方法。
【請求項４】
計測対象物を撮像する撮像装置と、同撮像装置により撮像した前記計測対象物の画像に基づいて前記計測対象物の表面の変位量を計測する制御部と、前記撮像装置または計測対象物を前記撮像装置により撮像した前記計測対象物の画像のα0（α0：１未満の小数）画素に対応する所定移動量ずつ移動可能な可動部とを備え、
前記制御部は、前記可動部により撮像装置または計測対象物を前記画像のα0（α0：１未満の小数）画素に対応する所定移動量ずつ移動させながら順次前記撮像装置により撮像し、この撮像した各画像をそれぞれ比較することにより、各画像上の画素の移動量と前記撮像装置または計測対象物の所定移動量との関係から校正曲線を作成する校正曲線作成ステップと、
前記撮像装置により計測対象物の変形前後の画像をそれぞれ撮像し、この撮像した変形前後の画像を比較することにより、変形前後の画像上の画素の移動量Ｎ1＋α1（Ｎ1：整数、α1：１未満の小数）を算出し、この算出した画素の移動量から前記校正曲線を用いて前記計測対象物の表面の変位量を算出する表面変位量算出ステップとを実行するものである表面変位計測装置。
【請求項５】
前記校正曲線作成ステップは、
前記撮像装置または計測対象物を、直交する２軸に沿ってそれぞれ１軸ずつ、かつ、前記画像のα0（α0：１未満の小数）画素に対応する所定移動量ずつ移動させながら順次前記撮像装置により撮像し、この撮像した各画像をそれぞれ比較することにより、各画像上の画素の移動量と前記撮像装置または計測対象物の所定移動量との関係から１軸あたり２つの校正曲線を作成することを特徴とする請求項４に記載の表面変位計測装置。
【請求項６】
前記校正曲線作成ステップは、３次元の変位を計測する場合、
前記撮像装置または計測対象物を、直交する２軸とこれらの２軸に直交する１軸との計３軸のうち１軸ずつ、かつ、前記画像のα0（α0：１未満の小数）画素に対応する所定移動量ずつ移動させながら順次前記撮像装置により撮像し、この撮像した各画像をそれぞれ比較することにより、各画像上の画素の移動量と前記撮像装置または計測対象物の所定移動量との関係から１軸あたり２つの校正曲線を作成することを特徴とする請求項４に記載の表面変位計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般構造物が外力や温度変化等の要因により変形した場合のその表面の変位量を計測する表面変位計測方法および表面変位計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
設定温度で平面性が得られるヒータブロックの開発を目的として、ヒータブロックの変位分布計測を高精度に行い、高温下での形状を評価して設計にフィードバックさせることが行われる。微小変位計測法としては、スペックル干渉法（例えば、非特許文献１参照。）が知られている。スペックル干渉法は、例えば、変形前後でスペックルパターンが変化することを利用して、変形前後のスペックルパターンの差の絶対値をとるなどしてスペックル干渉縞を形成し、この干渉縞の位相差を求めて変形量を決定する方法である。
【０００３】
スペックル干渉縞の位相差は、レーザ光の波長、レーザ光の入射角、および変形前後の物体表面での散乱点の位置変化量（すなわち物体表面の変形量）に依存して決定されることが判明しているので、位相差を求め、レーザ光と物体法線がなす角度を測定条件から求めると、物体表面の変形量はレーザ光の波長のオーダで、例えば数ｎｍ〜数１００ｎｍのオーダで決定することができるという利点がある。
【０００４】
ところが、面外変位計測として上記スペックル干渉法を利用した微小変位計測を行うと、ヒータブロックを水平に設置した場合、ヒータブロック上面からの計測では大気の揺らぎにより高精度な計測ができない可能性がある。そこで、本発明者は、ヒータブロックの表面の変位量を計測する方法として、比較的大気の揺らぎに強いデジタル画像相関法（例えば、非特許文献２，３参照。）を利用することを検討した。
【０００５】
デジタル画像相関法は、計測対象物の変形前後をＣＣＤ（Charge Coupled Device；電荷結合素子）等の撮像素子を用いた撮像装置で撮影したデジタル画像を画像処理することで、測定範囲全体に渡って表面の変形の大きさと方向の両方を同時に計測することが可能な方法である。また、デジタル画像相関法は、スペックル干渉法のようなレーザ等の単色光源の干渉を利用しないため、測定空間の外乱に比較的強い計測法である。
【０００６】
デジタル画像相関法では、図１３の（ａ）に示す変形前の画像１０ａ中の基準となるサブセット１０を同図（ｂ）に示す変形後の画像１０ｂから位置を少しずつずらしながら、基準となるサブセット１０と変形後の画像１０ｂとの相関関数を計算し、図１４に示すように相関値のピーク位置から最も相関の高い画素位置を求めることにより、画素の移動量を求める。
【０００７】
しかしながら、必ずしもこのピーク位置が最も高い相関を得るとは限らない。すなわち、１画素単位で移動画素に対応する分だけ正確に移動するとは限らず、図１４の横軸の画素間に相関の真のピーク位置が来ることが一般的である。そのため、デジタル画像相関法では、画素間の補間を行い、計測精度を上げている。従来、計測画素の０．１〜±０．０２画素までの精度で評価できるとの報告がある。
【０００８】
その方法としては、（１）最も高い相関値が得られた画素の相関値と、その周りに位置する画素の相関値とを利用して、これらの点を通る曲線補間や曲面補間を行い、最大値や最小値を求めて画素間のピーク値とする方法、（２）画素間の強度分布を線形補間や曲線補間することで画素間を数値化し、ニュートン−ラフソン法などを利用して、相関関数の最小となる位置を求める方法等がある。
【０００９】
ここで、デジタル画像相関法を利用して、実際に１画素の変位量の数１０分の１程度のオーダの変位量で連続して移動させることにより得られた画素の移動量と実際の変位量との関係を図１５に示す。画素の移動量と変位量との関係式は本来線形であるはずであるが、実際には図１５に示すように線形にはならないことが確認できる。従来のデジタル画像相関法では、この線形から外れた分が計測誤差となる。デジタル画像相関法により１画素以下の微小変位を求める場合、この測定誤差を小さくすることが重要となる。
【００１０】
なお、画素間の補間に関して、線形からのずれを検討した文献がある（非特許文献４参照。）。この文献では、このずれを小さくする方法として、画素間の強度分布の補間に高次の関数を用いて数値化し、ニュートン−ラフソン法を利用する方法が提案されている。
【００１１】
【非特許文献１】プラモド・ケイ・ラストジ（Pramod, K. Rastogi）編，“デジタル・スペックル・パターン・インターフェロメトリィ・アンド・リレーティッド・テクニクス（Digital Speckle Pattern Interferometry and Related Techniques）”，（英国），ジョン・ワイリー・アンド・サンズ・リミテッド・プレス（John Wiley & Sons, Ltd Press），２００１年
【非特許文献２】マイケル・エイ・サットン（Michael A. Sutton）、スティーブン・アール・マクニール（Stephen R. McNeill）、ジェフリー・ディー・ヘルム（Jeffrey D. Helm）、ユー・ジェイ・チャオ（Yuh J.Chao）著，“フォトメカニクス（Photomechanics），トピックス・イン・アプライド・フィジクス（Topics in Applied Physics）”，（ドイツ国），シュプリンガー・フェアラーク・ベルリン・ハイデルベルグ（Springer-Verlag Berlin Heidelberg），２０００年，第７７巻，ｐ．３２３−３７２
【非特許文献３】エイチ・エイ・ブラック（H. A. Bruck）、エス・アール・マクニール（S. R. McNeill）、エム・エイ・サットン（M. A. Sutton）、ダブリュー・エイチ・ピータース・ザ・サード（W. H. Peters III）著，ディジタル・イメージ・コーリレイション・ユージング・ニュートン−ラフソン・メソッド・オブ・ディフェレンシャル・コレクション"Digital Image Correlation Using Newton-Raphson Method of Partial Differential Correction"，（米国），エクスペリメンタル・メカニクス（Experimental Mechanics），１９８９年９月，第２９巻，第３号，ｐ．２６１−２６７
【非特許文献４】ヒューバート・ダブリュー・シュレイヤー（Hubert W. Schreier）、ヨアヒム・アール・ブラサシュ（Joachim R. Brasasch）、マイケル・エイ・サットン（Michael A. Sutton）著，"システマティック・エラーズ・イン・ディジタル・イメージ・コーリレーション・コーズド・バイ・インテンシティ・インターポレーション（Systematic errors in digital image correlation caused by intensity interpolation），（米国），オプティカル・エンジニアリング（Optical Engineering），２０００年１１月第３９巻，第１１号，ｐ．２９１５−２９２１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところが、上記従来のデジタル画像相関法を用いて実際に計測を行う場合、計測精度は１画素辺りの変形量に依存するため、高倍率で微小範囲を計測する場合は、計測精度自体は向上するが、計測範囲がきわめて小さくなる。また、ヒータブロックの熱膨張のような微小変位分布の計測にはある程度大きな範囲を計測する必要があり絶対的な変形量の高精度化が不可欠である。
【００１３】
一方、非特許文献４は、コンピュータ上で連続的にグレースケール分布した画像や２値化した画像を１画素の２０分の１ごとに平行移動させたものを利用して数種の補間方法を検討したシミュレーションの結果を示したものである。すなわち、非特許文献４は、実際の計測とは異なる条件で理想的な解析を行い、コンピュータ上で演算し、補間方法を変えて誤差を評価するものである。そのため、実際の計測では、この方法を用いてもずれは必ず発生し、誤差が生じる。
【００１４】
実際の計測では、レンズの収差や撮像素子の画素の特性や測定物表面の模様等の影響を受けるため、非特許文献４に記載の方法を用いた場合でも解析結果にはレンズの収差や撮像素子の画素の特性等による誤差が積算される。特に、撮像した画像の中心から離れる程、収差の影響により誤差が大きくなることは明らかである。
【００１５】
デジタル画像相関法は、撮像素子による測定物の画像を取り込むだけの簡便な方法であるため測定空間の揺らぎには比較的強い計測法である。しかしながら、デジタル画像相関法は、上記スペックル干渉法や、モアレ干渉法、フォログラフィ法のようなレーザ干渉を利用した方法に比べて計測精度が落ちる。ヒータブロックの表面の変位量は微小であるため、デジタル画像相関法を用いるにはその計測精度を上げることが重要である。
【００１６】
そこで、本発明においては、デジタル画像相関法を利用してヒータブロックをはじめ一般構造物等が外力や温度変化等の要因により変形した場合のその表面の変位量を計測するに際して、レンズの収差や撮像素子の画素の特性等の影響を考慮した高精度な計測を行うことを可能にした表面変位計測方法および表面変位計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の表面変位計測方法は、計測対象物を撮像装置により撮像して計測対象物の表面の変位量を計測する表面変位計測方法であって、撮像装置または計測対象物を画像のα0（α0：１未満の小数。以下同じ。）画素に対応する所定移動量ずつ移動させながら順次撮像装置により撮像し、この撮像した各画像をそれぞれ比較することにより、各画像上の画素の移動量と撮像装置または計測対象物の所定移動量との関係から校正曲線を作成する校正曲線作成ステップと、撮像装置により計測対象物の変形前後の画像をそれぞれ撮像し、この撮像した変形前後の画像を比較することにより、変形前後の画像上の画素の移動量Ｎ1＋α1（Ｎ1：整数、α1：１未満の小数。以下同じ。）を算出し、この算出した画素の移動量から校正曲線を用いて計測対象物の表面の変位量を算出する表面変位量算出ステップとを含む。
【００１８】
本発明の表面変位計測装置は、計測対象物を撮像する撮像装置と、撮像装置により撮像した計測対象物の画像に基づいて計測対象物の表面の変位量を計測する制御部と、撮像装置または計測対象物を撮像装置により撮像した計測対象物の画像のα0画素に対応する所定移動量ずつ移動可能な可動部とを備え、制御部は、可動部により撮像装置または計測対象物を画像のα0画素に対応する所定移動量ずつ移動させながら順次撮像装置により撮像し、この撮像した各画像をそれぞれ比較することにより、各画像上の画素の移動量と撮像装置または計測対象物の所定移動量との関係から校正曲線を作成する校正曲線作成ステップと、撮像装置により計測対象物の変形前後の画像をそれぞれ撮像し、この撮像した変形前後の画像を比較することにより、変形前後の画像上の画素の移動量Ｎ1＋α1を算出し、この算出した画素の移動量から校正曲線を用いて計測対象物の表面の変位量を算出する表面変位量算出ステップとを実行するものである。
【００１９】
本発明によれば、撮像装置または計測対象物を画像のα0画素に対応する所定移動量ずつ移動させながら順次撮像装置により撮像し、この撮像した各画像をそれぞれ比較することにより、各画像上の画素の移動量と撮像装置または計測対象物の所定移動量との関係から、撮像装置により撮像される画像内でのα0画素以下の移動量と実際の撮像装置または計測対象物の移動量との関係を示す校正曲線が作成される。この校正曲線は、実際の計測に用いる撮像装置および計測対象物を用いて撮像される画像から作成されるため、実際の撮像装置のレンズの収差や撮像素子の画素の特性等の影響による誤差を反映したものとなる。そして、撮像装置により計測対象物の変形前後の画像をそれぞれ撮像し、この撮像した変形前後の画像を比較することにより、変形前後の画像上の画素の移動量Ｎ1＋α1が算出され、この算出された画素の移動量から前記作成された校正曲線を用いて計測対象物の表面の変位量が算出される。
【００２０】
また、本発明の校正曲線作成ステップは、撮像装置または計測対象物を、直交する２軸に沿ってそれぞれ１軸ずつ、かつ、画像のα0（α0：１未満の小数）画素に対応する所定移動量ずつ移動させながら順次撮像装置により撮像し、この撮像した各画像をそれぞれ比較することにより、各画像上の画素の移動量と撮像装置または計測対象物の所定移動量との関係から１軸あたり２つの校正曲線を作成することが望ましい。
【００２１】
撮像装置または計測対象物を移動させながら撮像を行う際、撮像装置が撮像する移動量は非常に微量なため、撮像装置と計測対象物との軸方向を完全に一致させることは難しい。そこで、撮像装置または計測対象物を移動させながら撮像装置により撮像する際、直交する２軸（例えば、ｘ軸，ｙ軸）に沿ってそれぞれ１軸ずつ、つまり、撮像装置または計測対象物をｘ軸方向に移動させた後ｙ軸方向に、もしくはその逆の順序で移動させ、１軸あたりにつき、撮像装置で撮像した画像のｘ軸方向およびｙ軸方向の２つの校正曲線を作成することにより、撮像装置と計測対象物との軸方向の不一致により生じる計測誤差を反映した校正曲線を作成することができる。
【００２２】
また、３次元の変位を計測する場合、校正曲線作成ステップは、撮像装置または計測対象物を、直交する２軸（例えば、ｘ軸，ｙ軸）とこれらに直交する１軸（例えば、ｚ軸）との計３軸に沿ってそれぞれ１軸ずつ、かつ、画像のα0（α0：１未満の小数）画素に対応する所定移動量ずつ移動させながら順次撮像装置により撮像し、この撮像した各画像をそれぞれ比較することにより、各画像上の画素の移動量と撮像装置または計測対象物の所定移動量との関係から１軸当たり２つの校正曲線を作成することが望ましい。
【００２３】
直交する２軸とこれらに直交する１軸の計３軸に沿ってそれぞれ１軸ずつ移動させて撮像することにより、１軸あたりにつき２つの校正曲線を作成することができる。従って、撮像装置と計測対象物との軸方向の不一致により生じる計測誤差を反映した計測対象物の３次元の変位を計測することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、実際の計測に用いる撮像装置および計測対象物を用いて、実際の撮像装置のレンズの収差や撮像素子の画素の特性等の影響による誤差を反映した校正曲線が作成され、この作成された校正曲線を用いて、撮像装置により撮像した画像から計測対象物の表面の変位量が算出される。これにより、レンズの収差や撮像素子の画素の特性等を考慮した計測対象物の表面の変位量の高精度な計測を行うことが可能となる。
【００２５】
また、撮像装置または計測対象物を移動させながら撮像装置により撮像する際、直交する２軸に沿って１軸ずつ、つまり、撮像装置または計測対象物をｘ軸方向に移動させた後ｙ軸方向に、もしくはその逆の順序で移動させ、１軸あたりにつき、撮像装置で撮像した画像のｘ軸方向およびｙ軸方向の２つの校正曲線を作成することにより、撮像装置と計測対象物との軸方向の不一致により生じる計測誤差を反映した校正曲線を作成することができる。これにより、レンズの収差や撮像素子の画素の特性等だけでなく、撮像装置と計測対象物との軸方向の不一致により生じる計測誤差を考慮した計測対象物の表面の変位量の高精度な計測を行うことが可能となる。
【００２６】
さらに、本発明によれば、直交する２軸とこれらに直交する１軸の計３軸に沿ってそれぞれ１軸ずつ、かつ、画像のα0（α0：１未満の小数）画素に対応する所定移動量ずつ移動させながら順次撮像装置により撮像し、１軸当たり２つの校正曲線を作成することにより、撮像装置と計測対象物との軸方向の不一致により生じる計測誤差を反映した校正曲線を作成することができる。これにより、レンズの収差や撮像素子の画素の特性等だけでなく、撮像装置と計測対象物との軸方向の不一致により生じる計測誤差を考慮した計測対象物の表面の３次元の変位量の高精度な計測を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における表面変位計測装置の概略構成図である。
図１において、本発明の第１の実施の形態における表面変位計測装置は、計測対象物１を撮像する撮像装置としてのＣＣＤカメラ２と、ＣＣＤカメラ２が接続されたコンピュータ３と、計測対象物１を保持するステージ４とを備える。なお、ＣＣＤカメラ２は、ステージ４に向けて水平方向に配置している。
【００２８】
ステージ４は、計測対象物１を所定移動量ずつ移動可能な可動部（図示せず。）を備える。可動部は、ＣＣＤカメラ２により撮像する画像のα0（α0：１未満の小数）画素に対応する移動量で移動可能なものである。ステージ４の移動方向は、ＣＣＤカメラ２により撮像する撮像面内である。以下の例では、水平方向の校正曲線を作成するに際して、水平方向にステージ４を直線状に移動させる。なお、垂直方向の校正曲線を作成する場合は、垂直方向にステージ４を直線状に移動させる。
【００２９】
コンピュータ３は、ＣＣＤカメラ２およびステージ４の可動部を制御するとともに、ＣＣＤカメラ２により撮像した計測対象物１の画像に基づいて、計測対象物１の表面の変位量を計測するためのものである。このコンピュータ３による処理について、以下に説明する。
【００３０】
まず、実際に計測する計測対象物１をステージ４に保持した状態で、コンピュータ３は、ステージ４をα0画素に対応する所定移動量（図２の例では、移動量（１μｍ））ずつ平行移動させながら、順次ＣＣＤカメラ２により撮像する。この操作は、必要とする移動距離まで行う。そして、コンピュータ３は、この撮像した各画像をそれぞれ比較することにより、各画像上の画素の移動量（ｐｉｘｅｌｓ；ピクセル）とステージ４の所定移動量（μｍ）との関係から図２に示す校正曲線を作成する。
【００３１】
なお、撮像した各画像の比較により各画像上の画素の移動量を求める手順については、図１３および図１４で説明した従来のデジタル画像相関法と同じである。また、この各画像上の画素の移動量の精度を上げるために、従来と同様、（１）最も高い相関値が得られた画素の相関値と、その周りに位置する画素の相関値とを利用して、これらの点を通る曲線補間や曲面補間を行い、最大値や最小値を求めて画素間のピーク値とする方法、（２）画素間の強度分布を線形補間や曲線補間することで画素間を数値化し、ニュートン−ラフソン法などを利用して、相関関数の最小となる位置を求める方法等がある。
【００３２】
こうして求めた各画像上の画素の移動量を横軸に、ステージ４の実際の移動量を縦軸にそれぞれプロットしたものが図２である。図２中、白丸は、図１の右上方向の移動量を正の値（positive）としてプロットしたものである。一方、黒丸は、図１の左下方向の移動量を負の値（negative）としてプロットしたものである。校正曲線は、これらの白丸と黒丸のプロットに基づいて補間により求める。図２の例では、正の範囲での校正曲線ＣＣ−Ｐと負の範囲での校正曲線ＣＣ−Ｎとを別々に求めているが、特にこれに限るものではない。以下、この求めた校正曲線をｆ（ｘ）とする。
【００３３】
本発明の第１の実施の形態における表面変位計測方法では、この求めた校正曲線ｆ（ｘ）を用いる。図３は本発明の第１の実施の形態における表面変位計測方法を実行するコンピュータ３の処理を従来方法と比較して示すフロー図である。
【００３４】
図３に示すように、コンピュータ３は、まず、ＣＣＤカメラ２により計測対象物１の外力や温度変化等の要因による変形前後の画像をそれぞれ撮像し、この撮像した変形前後の画像を比較することにより、変形前後の画像上の画素の移動量Ｎ1＋α1を算出する。この撮像した変形前後の画像の比較により変形前後の画像上の画素の移動量を求める手順については、上述した手順と同じである。
【００３５】
そして、本発明の第１の実施の形態における表面変位計測方法では、コンピュータ３は、上で求めた校正曲線ｆ（ｘ）を用いて、この算出した画素の移動量から計測対象物１の表面の変位量を算出する。具体的には、図３に示すように、デジタル画像相関法により得られた画素の移動量ｘを校正曲線ｆ（ｘ）に代入して、変位量ｄｘ＝ｆ（ｘ）を求める。
【００３６】
こうして求めた変位量ｄｘは、図３に示すように従来の方法によって１画素当たりの変位量ｕｘを掛けた変位量ｄｘ’＝ｘ×ｕｘよりも高精度な値となる。なお、計測対象物１の表面の変形状態を模式的に実現するために、ステージ４を直線上に平行移動させ、本発明の第１の実施の形態における表面変位計測方法と従来の表面変位計測方法によりそれぞれ計測した結果を図４に示す。なお、図４のＣＤ−ＰおよびＣＤ−Ｎは本発明の第１の実施の形態における表面変位計測方法による計測結果を、ＭＤは従来の表面変位計測方法による計測結果を示している。
【００３７】
この場合、計測結果はｙ＝ｘの線形直線となるべきところであるが、図４に示すように、光学的に１画素に対応する長さを画素の移動量に掛けて変位量を求める従来方法では、線形直線から大きく外れており、誤差が生じている。一方、校正曲線ｆ（ｘ）を利用した本発明の第１の実施の形態における表面変位計測方法では、非常に良い精度で線形直線上に並ぶ様子が見られる。
【００３８】
（実施の形態２）
図５は本発明の第２の実施の形態における表面変位計測装置の概略構成図である。図６および図７はステージを各軸方向に移動させたときの移動量と移動画素の関係を示す図である。なお、表面変位計測装置については図１に示した本発明の第１の実施の形態と同様の構成のため、同符号を付して説明を省略する。
【００３９】
ステージ４は、計測対象物１を所定移動量ずつ移動可能な可動部（図示せず。）を備える。可動部は、ＣＣＤカメラ２により撮像する画像のα0（α0：１未満の小数）画素に対応する移動量で移動可能なものである。ステージ４の移動方向は、ＣＣＤカメラ２により撮像する撮像面内であり、ｘ軸となる水平方向、ｙ軸となる垂直方向にそれぞれ直線状に移動可能となっている。これにより、計測対象物１は所定位置まで移動可能となる。
【００４０】
次に、本発明の第２の実施の形態におけるコンピュータ３による処理について、以下に説明する。まず、実際に計測する計測対象物１をステージ４に保持した状態で、コンピュータ３は、ステージ４をｘ軸方向となる水平方向にα0画素に対応する所定移動量（図６の例では、移動量（１μｍ））ずつ移動させながら、順次ＣＣＤカメラ２により撮像する。そして、コンピュータ３は、この撮像した各画像をそれぞれ比較することにより、各画像上の画素の移動量（ｐｉｘｅｌｓ；ピクセル）とステージ４の所定移動量（μｍ）との関係から図６に示す校正曲線を作成する。
【００４１】
図６に示すように、ステージ４をｘ軸方向に移動させると２つの校正曲線ｆxx（Ｘ），ｆxy（Ｘ）を作成することができる。これは、ＣＣＤカメラ２の画素の軸方向とステージ４の軸方向が完全に一致しないことによる。
【００４２】
続いて、ステージ４をｙ軸方向となる垂直方向にα0画素に対応する所定移動量（図７の例では、移動量（１μｍ））ずつ移動させながら、順次ＣＣＤカメラ２により撮像する。そして、コンピュータ３は、この撮像した各画像をそれぞれ比較することにより、各画像上の画素の移動量（ｐｉｘｅｌｓ；ピクセル）とステージ４の所定移動量（μｍ）との関係から図７に示す校正曲線を作成する。図７に示すように、この場合も、２つの校正曲線ｆyx（Ｙ）,ｆyy（Ｙ）を作成することができる。
【００４３】
なお、撮像した各画像の比較により各画像上の画素の移動量を求める手順については、第１実施形態と同様である。
【００４４】
本発明の第２の実施の形態における表面変位計測方法では、この求めた合計４つの校正曲線ｆxx（Ｘ），ｆxy（Ｘ），ｆyx（Ｙ），ｆyy（Ｙ）を用いる。図８は本発明の第２の実施の形態における表面変位計測方法を実行するコンピュータ３の処理を従来方法と比較して示すフロー図である。
【００４５】
図８に示すように、コンピュータ３は、まず、ＣＣＤカメラ２により計測対象物１の外力や温度変化等の要因による変形前後の画像をそれぞれ撮像し、この撮像した変形前後の画像を比較することにより、変形前後の画像上の画素の各方向移動量（Ｎ1x＋α1x，Ｎ1y＋α1y）を算出する。この撮像した変形前後の画像の比較により変形前後の画像上の画素の移動量を求める手順については、上述した手順と同じである。
【００４６】
そして、本発明の第２の実施の形態における表面変位計測方法では、コンピュータ３は、４つの校正曲線ｆxx（Ｘ），ｆyx（Ｙ），ｆxy（Ｘ），ｆyy（Ｙ）を用いて、この算出した画素の移動量から計測対象物１の表面の変位量を算出する。具体的には、図８に示すように、デジタル画像相関法により得られた画素のｘ方向の移動量Ｘcamは、２つの校正曲線ｆxx（Ｘ），ｆyx（Ｙ）によりＸcam＝ｆxx（Ｘ）＋ｆyx（Ｙ）と表され、ｙ方向の移動量Ｙcamは、２つの校正曲線ｆxy（Ｘ），ｆyy（Ｙ）によりＹcam＝ｆxy（Ｘ）＋ｆyy（Ｙ）と表され、これら２つの式を連立非線形方程式により解いて、変位量Ｘ，Ｙを求める。
【００４７】
こうして求めた変位量は、従来の方法によって１画素当たりの変位量を掛けて求めた変位よりも高精度な値となる。なお、計測対象物１の表面の変形状態を模式的に実現するために、ステージ４を直線上に平行移動させ、本発明の第２の実施の形態における表面変位計測方法と従来の表面変位計測方法によりそれぞれ計測した結果を図９に示す。
【００４８】
この場合、計測結果はｙ＝ｘの線形直線となるべきところであるが、図９に示すように、１画素に対応する長さを画素の移動量に掛けて変位量を求める従来方法では、線形直線から次第に外れており、誤差が生じている。一方、本発明の第２の実施の形態により求めた校正曲線を利用した表面変位計測方法では、非常に良い精度で線形直線上に並ぶ様子が見られる。
【００４９】
このように、本発明の第２の実施の形態は、ステージ４をｘ軸方向、ｙ軸方向に順次移動させて各方向につき２つずつ校正曲線を作成することにより、ＣＣＤカメラ２の画素の軸方向とステージ４の軸方向の不一致により生じる計測誤差を考慮した計測対象物の表面の変位量の高精度な計測を行うことができる。なお、本発明の第２の実施の形態では校正曲線を作成する際、ステージ４をｘ軸方向、ｙ軸方向に順次移動させたが、もちろんこの逆の順序で移動させてもよい。
【００５０】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態１，２においては、１方向からＣＣＤカメラ２により計測対象物１を撮像して、面内変位（２次元の変位）を計測する例について説明しているが、複数のＣＣＤカメラ２を設けて複数方向から計測対象物１を撮像して、同様に面外変位（３次元の変位）を計測することも可能である。以下、３次元の変位を計測する方法について説明する。
【００５１】
図１０は本発明の第３の実施の形態における表面変位計測装置の概略構成図である。図１０において、本発明の第３の実施の形態における表面変位計測装置は、計測対象物１を撮像する撮像装置としてのＣＣＤカメラ２と、ＣＣＤカメラ２が接続されたコンピュータ３と、計測対象物１を保持するステージ４とを備える。なお、ＣＣＤカメラ２は、ステージ４に向けて斜め方向に配置している。
【００５２】
ステージ４の移動方向は、本発明の第２の実施の形態で説明したｘ軸となる水平方向、ｙ軸となる垂直方向に加えて、これら２つの軸に直交してｚ軸となる奥行方向にもそれぞれ直線状に移動可能となっている。これにより、計測対象物１はＣＣＤカメラ２により撮像する撮像面外の所定位置まで移動可能となる。
【００５３】
本発明の第３の実施の形態におけるコンピュータ３は、本発明の第２の実施の形態におけるコンピュータ３の処理に加えて、ステージ４をｚ軸方向となる奥行方向にα0画素に対応する所定移動量ずつ移動させながら、順次ＣＣＤカメラ２により撮像する。これにより、コンピュータ３は、ｚ軸方向における２つの校正曲線ｆzx（Ｚ），ｆzy（Ｚ）を作成することができる。ＣＣＤカメラ２の画素の軸方向とステージ４の軸方向が完全に一致しないことにより、ｚ軸方向にも２つの校正曲線ができる。
【００５４】
３次元の変位を計測する表面変位計測方法では、ｚ軸方向の変位を計測するため、２台のＣＣＤカメラ２を用いる必要がある。従って、それぞれのＣＣＤカメラ２につき６つの校正曲線が作成されるため、２台のＣＣＤカメラ２を用いた本発明の第３の実施の形態における表面変位計測方法では、作成される合計１２個の校正曲線を用いる。
【００５５】
コンピュータ３は、２台のＣＣＤカメラ２により計測対象物１の外力や温度変化等の要因による変形前後の画像をそれぞれ撮像する。この撮像した変形前後の画像を比較することにより、各ＣＣＤカメラ２ごとに変形前後の画像上の画素の各方向移動量（Ｎ1x1＋α1x1，Ｎ1y1＋α1y1），（Ｎ1x2＋α1x2，Ｎ1y2＋α1y2）を算出する。この撮像した変形前後の画像の比較により変形前後の画像上の画素の移動量を求める手順については、上述した手順と同じである。
【００５６】
そして、コンピュータ３は、１２個の校正曲線ｆxx1（Ｘ），ｆxy1（Ｘ），ｆyx1（Ｙ），ｆyy1（Ｙ），ｆzx1（Ｚ），ｆzy1（Ｚ），ｆxx2（Ｘ），ｆxy2（Ｘ），ｆyx2（Ｙ），ｆyy2（Ｙ），ｆzx2（Ｚ），ｆzy2（Ｚ）を用いて、この算出した画素の移動量から計測対象物１の表面の変位量を算出する。具体的には、デジタル画像相関法により得られた１台目のＣＣＤカメラ２の画素のｘ方向の移動量Ｘcam1は、３つの校正曲線ｆxx1（Ｘ），ｆyx1（Ｙ），ｆzx1（Ｚ）によりＸcam1＝ｆxx1（Ｘ）＋ｆyx1（Ｙ）＋ｆzx1（Ｚ）と、ｙ方向の移動量Ｙcam1は、３つの校正曲線ｆxy1（Ｘ），ｆyy1（Ｙ），ｆzy1（Ｚ）によりＹcam1＝ｆxy1（Ｘ）＋ｆyy1（Ｙ）＋ｆzy1（Ｚ）と表される。また、デジタル画像相関法により得られた２台目のＣＣＤカメラ２の画素のｘ方向の移動量Ｘcam2は、３つの校正曲線ｆxx2（Ｘ），ｆyx2（Ｙ），ｆzx2（Ｚ）によりＸcam2＝ｆxx2（Ｘ）＋ｆyx2（Ｙ）＋ｆzx2（Ｚ）と、ｙ方向の移動量Ｙcam2は、３つの校正曲線ｆxy2（Ｘ），ｆyy2（Ｙ），ｆzy2（Ｚ）によりＹcam2＝ｆxy2（Ｘ）＋ｆyy2（Ｙ）＋ｆzy2（Ｚ）と表される。これら４つの非線形方程式を用いて、変位量Ｘ，Ｙ，Ｚを求める。
【００５７】
このように、本発明の第３の実施の形態は、ステージ４をｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向に順次移動させて各軸あたりにつき２つずつ校正曲線を作成することにより、ＣＣＤカメラ２の画素の軸方向とステージ４の軸方向の不一致により生じる計測誤差を考慮した計測対象物の表面の変位量の高精度な計測を行うことができる。なお、本発明の第３の実施の形態では校正曲線を作成する際、ステージ４をｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向に順次移動させたが、もちろんどの順序で移動させてもよい。
【００５８】
なお、本発明の第１、第２、第３の実施の形態においては、ステージ４に備えた可動部により計測対象物１を画像のα0画素に対応する所定移動量ずつ移動させた例について説明しているが、計測対象物１に代えてＣＣＤカメラ２を画像のα0画素に対応する所定移動量ずつ移動させる構成とすることも可能である。この場合、ＣＣＤカメラ２に上記と同様の可動部を設ける。このような構成であっても、上記と同様の作用、効果を得ることが可能である。
【実施例】
【００５９】
実施例として、ＩＣチップを基板に装着し、電流を流して駆動させたときの熱膨張を上記校正曲線を利用した本発明の第２の実施の形態における表面変位計測方法により計測した表面変位分布を図１１に示す。なお、比較のためにスペックル干渉法で計測した結果も併せて示す。計測結果は、導通後、それぞれの方法で得られた約５秒後の水平方向の変位量を表している。
【００６０】
スペックル干渉法はレーザの照射方向のみの変位分布計測方法であり、スペックル干渉縞一本あたりの変位量はレーザの波長程度と非常に高精度な計測法である。従来のデジタル画像相関法ではスペックルの干渉縞分布の傾向は捉えているが、特に変位量が大きい位置（図１１中のＡ）での従来のデジタル画像相関法による変位量はスペックルの計測結果と大きく異なる。しかしながら、４つの校正曲線を利用した本発明の第２の実施の形態における表面変位計測方法では、図１１に示すように、スペックルの計測結果と非常に良い相関が得られている。デジタル画像相関法と校正曲線を利用することで、従来の方法よりも高精度な変位分布計測が可能であることが確かめられた。
【００６１】
次に、他の実施例として、平板の裏側をマイクロメータで押し出して３次元的に変形させ、本発明の第３の実施の形態により計測した３次元の変位のうち、ｚ軸方向の変位量の計測結果を図１２に示す。
【００６２】
図１２に示すように、マイクロメータによる移動量と本発明の第３の実施の形態における表面変位計測方法により計測したｚ軸方向の変位量の計測結果は、１０μｍのところだけ若干ずれてはいるが、それ以外は非常に相関のよい結果となっていることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、測定空間の外乱に強いデジタル画像相関法を基本として高精度な表面変位の計測を実現しているため、高温、低温環境での計測が可能であり、ヒータブロックだけでなく電子部品の小型化や多層化等による発熱問題、熱変形に起因する誤作動等の原因究明、多種多様な材料の変形分布計測、実機の稼働時の変形挙動などの計測に有用である。また、近年設計分野で多く利用されている有限要素法の境界条件の実計測にも有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１の実施の形態における表面変位計測装置の概略構成図である。
【図２】各画像上の画素の移動量とステージの実際の移動量との関係を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における表面変位計測方法を実行するコンピュータの処理を従来方法と比較して示すフロー図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における表面変位計測方法と従来の表面変位計測方法によりそれぞれ計測した結果を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態における表面変位計測装置の概略構成図である。
【図６】ステージをｘ軸方向に移動させたときの移動量と移動画素の関係を示す図である。
【図７】ステージをｙ軸方向に移動させたときの移動量と移動画素の関係を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態における表面変位計測方法を実行するコンピュータの処理を従来方法と比較して示すフロー図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態における表面変位計測方法と従来の表面変位計測方法によりそれぞれ計測した結果を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態における表面変位計測装置の概略構成図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態における表面変位計測方法とスペックル干渉法により計測した表面変位分布を示す図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態における表面変位計測方法により計測したｚ軸方向の変位量の計測結果を示す図である。
【図１３】デジタル画像相関法により画素の移動量を求める手順を示す説明図である。
【図１４】基準となるサブセットと変形後の画像との相関を示す図である。
【図１５】画素の移動量と実際の変位量との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  計測対象物
２  ＣＣＤカメラ
３  コンピュータ
４  ステージ
【図２】
2005099012.tif 000003
【図３】
2005099012.tif 000004
【図４】
2005099012.tif 000005
【図６】
2005099012.tif 000006
【図７】
2005099012.tif 000007
【図８】
2005099012.tif 000008
【図９】
2005099012.tif 000009
【図１２】
2005099012.tif 000010
【図１４】
2005099012.tif 000011
【図１５】
2005099012.tif 000012
【図１】
2005099012.tif 000013
【図５】
2005099012.tif 000014
【図１０】
2005099012.tif 000015
【図１１】
2005099012.tif 000016
【図１３】
2005099012.tif 000017