JP2008039524A - 動的形状計測方法および動的形状計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 凹凸に富んだ対象物の計測レンジの拡大にメリットを有する２波長法を用いて光源波長を切り替えずに、動的計測に適したワンショット撮像を実現する。
【解決手段】
本発明は、波長の異なる２つの光源によるキャリアを直交して対象表面の像に重畳し、１回の撮像で干渉像を得、それぞれのキャリア方向に沿って干渉画像を復調して、干渉画像中の各点におけるそれぞれの波長に対する位相を求め、２波長法の原理にしたがって物体表面の形状を求めることを特徴とする動的形状計測方法に関する。
【選択図】図５

Description

本発明は、光ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical System ：微小電気機械システム）など、凹凸に富み，かつ移動や変形を伴う対象物の動的な表面形状を非接触で計測する技術に関する。

物体の表面形状を計測する手段として、干渉光学系を用いた高精度干渉法がある。高精度干渉法は、干渉光学系内に設けた参照ミラーと物体表面との反射光の光路差により生じる干渉縞の現れた干渉画像から干渉の位相を求め、物体表面の形状を計測する手段である。その高精度干渉法の中でも、位相シフト法が実現例も多く代表的である（例えば、非特許文献１参照）。

位相シフト法は、干渉の位相を求めるため、参照ミラーの位置をシフトするなどして、既知の位相を織込んだ複数枚の干渉画像を撮像し、これらの画像を用いて各画像の対応する位置の位相を求めるものである。このため、複数枚の画像を撮像する間、基本的に計測対象を静止させておく必要があり、動きのある物体には適用することができない。

この条件を緩和する方法として、ストロボスコピーの原理を用い、光源の点灯や撮像のタイミングを物体の運動に同期することによって見かけ上静止させるストロボ位相シフト法も利用されている（例えば、非特許文献２参照）。しかしながら、これにしても、適用できるのは周期的な運動に限られ、静止した状態から運動が開始される瞬間の物体表面の形状など、運動のパターンが時間で変化する物体の形状を知ることはできない。

一方、こうした問題を解決する方法として、空間キャリア法が知られている（例えば、非特許文献３参照）。空間キャリア法は、参照ミラーを傾けるなどして、干渉縞に一定周期のキャリア縞を生じさせ、これを利用することで、一枚の干渉画像から干渉の位相を抽出するものである。この方法によって物体表面の形状を計測するには、一枚の画像を撮像すればよいので、動きのある物体の表面計測に適している。

以下に、空間キャリア法により物体表面の形状を計測する方法を示す。

図１は、従来の一般的な干渉計の基本構成を示すもので、（ａ）は、マイケルソン型干渉顕微鏡の原理構成、（ｂ）は、参照ミラー回転による空間キャリア生成機構を示している。

図１（ａ）において、光源から射出した光（光路Ａ）は、ハーフミラー１０によって２つに分岐され、一方は、計測対象３０の表面へ（光路Ｂ）、他方は参照ミラー２０に向かう（光路Ｃ）。計測対象３０の表面と参照ミラー２０のそれぞれで反射した光は、もとの光路を通って、ハーフミラー１０に達し、撮像面上に像を結ぶ。このとき、参照ミラー２０と計測対象３０である物体表面の各点の光路差に応じて干渉が生じＣＣＤカメラにおいてその干渉画像が観察される。

この場合、参照ミラー２０を光軸に対して直交するように配置すると、各点の光路差Ｄ（ｘ，ｙ）と干渉画像の明るさｇ（ｘ，ｙ）とは、干渉の位相φ（ｘ，ｙ）を介して、式（１）および式（２）のような関係になる。

ここで、式（１）中のａ（ｘ，ｙ）、ｂ（ｘ，ｙ）は、物体表面の反射率、参照ミラー２０を含む光学系の位置（ｘ，ｙ）ごとに定まる特性で決まる定数、また、λは光源の波長である。

図１（ｂ）は、参照ミラーを回転することによって空間キャリアを発生させて対象物の測定を行う空間キャリア法を示すもので、図のように参照ミラー２０を傾けることによって、干渉画像中にキャリア縞を導入させている。

以下に上記光学系を使って得られたキャリア縞を導入した干渉画像の例を示す。

図２は、参照ミラー回転機構を有する干渉光学計において撮像された干渉画像と位相抽出例を示し、（ａ）は、キャリア縞を導入した干渉画像の例、（ｂ）は、キャリア縞を導入した干渉画像のフーリエスペクトル分布、および（ｃ）は、撮像した画像のフーリエスペクトルを示している。

図２（ａ）の干渉画像において、得られた干渉画像各点の強度は、式（３）のようになる。

式（３）のｆo は、キャリア縞の空間周波数であり、参照ミラーの光軸に対する傾きθと波長λとには式（４）の関係がある。

式（３）、式（４）では、簡単のため、参照ミラー２０の傾きを画像ｘ方向にのみ縞変化が起こるように傾けた場合を示した。式（３）の画像から位相φ（ｘ，ｙ）を求めることで、式（２）によって各位置の光路差Ｄ（ｘ，ｙ）が求められる。参照ミラー２０が平面であれば、光路差は、物体表面の凹凸変化の２倍に拡大されて、物体表面の形状ｈ（ｘ，ｙ）を知ることができる（式（５））。

キャリア縞の導入された干渉画像から物体の表面形状に対応した位相を抽出する方法としては、フーリエ変換法、ヒルベルト変換法などが知られている。例として、フーリエ変換法による位相抽出の概略を以下に示す。式（３）をフーリエ変換すると式（６）のようになる。

式（６）で、ｇ（ｆｘ，ｆｙ）、Ａ（ｆｘ，ｆｙ）は、それぞれｇ（ｘ，ｙ）、ａ（ｘ，ｙ）のフーリエスペクトルを、また、Ｃ（ｆｘ，ｆｙ）は、空間キャリア縞明暗変化の複素振幅ｃ（ｘ，ｙ）（式（７））のフーリエスペクトル（＊は複素共役）を表す。

図２（ｂ）のフーリエスペクトル分布は、式（６）におけるＧ（ｆｘ，ｆｙ）のフーリエスペクトルの分布を示している。さらに、フーリエ変換後、ｆo の周辺のスペクトルのみを取り出し、原点にシフトした後、逆変換すると、ｃ（ｘ，ｙ）が得られ、このｃ（ｘ，ｙ）の虚部、実部の商をとると求める位相φ（ｘ，ｙ）が求まる（式（８））。

図２（ｃ）は、これを模式的に示したものである。

ところで、高精度干渉法の共通の課題として、２πの不確定性と呼ばれる計測レンジの問題がある。高精度干渉法で求められる位相φ（ｘ，ｙ）の範囲は、±πとなるので、式（５）のように、得られる表面の高さが±λ／４の範囲を超えた場合には、折り返して計算されてしまい、そのままでは表面の形状を求めることができない。このときの折り返しの回数を縞次数ｍと呼び、このｍを使って式（２）を修正すると、式（９）のようになる。但し、縞次数ｍは任意整数で、通常の高精度干渉法（位相シフト法、空間キャリア法）では決めることのできない値である。

なお、式（９）のφ’（ｘ，ｙ）は、折り返して計算された位相である。

滑らかな表面形状を持つ物体の場合、空間的な連続性を用いて折り返しを解決するにはアンラッピングの手法が用いられる。アンラッピングは、隣接する点では式（８）の縞次数ｍが高々±１しか変化しないことを利用し、ｍを順に決めていく手法である。しかしながら、不連続な段差を持った物体においては、アンラッピングの手法によって正しい表面形状が得られるとは限らない。段差がλ/2の前後で縞次数の変化が±１であることが保証できないからである。

さらに、こうした上記問題に対し、λ／２の範囲を超えた段差がある物体でも正しく縞次数を求める方法として、２波長法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これは、２つの波長λａ、λｂを用い、それぞれの波長に対する位相φａ、φｂを求める方法である。各波長については式（８）が成り立つので、これらの組み合わせにより、各波長に対する縞次数ｍａ、ｍｂを決定することで計測レンジを拡大することができる。例えば、λａ＝６５０ｎｍ、λｂ＝６７０ｎｍとすると、計測レンジは、約１０μｍとなり、単波長の場合の３０倍の拡大が可能となる。
J. E. Greivenkamp et al.,"Phase Shifting Interferometry" in Optical Shop Testing, Second Edition(John Wiley, NY), p501-598(1992) Y. Y. Chang et al, "Two-wavelength Phase Shifting Interferometry", Applied Optics, Vol.34, p4539-4543(1984) M.Takeda et al., "Fourie-Transform Method of Fringe-pattern Analysis for Computer-based Topography and Interferometry", Optical Society of America, Vol.72, p156-160(1982) 特開２００５−３２６２４９号公報

しかしながら、従来の２波長法干渉法は、一つの干渉計で光源を切り替えて干渉画像を得ている。このため、上記した空間キャリア法に適用する場合においても２度の撮像が必要となり、１度の撮像で表面計測が可能で動的な物体の計測に適した空間キャリア法の利点を生かすことができていない。

そこで、本発明では、波長の異なる２つの光源によるキャリアを直交させて対象表面の像に重畳し、１度の撮像で干渉像を得ることを可能とする動的物体の表面形状の計測に適した計測方法および装置を提供する。

第一の発明は、複数の波長成分を含む光源と、回転可能な参照ミラーと、干渉画像を撮像する撮像部とを備えた干渉計による動的形状計測方法であって、前記参照ミラーを傾けることによって前記撮像部において一時刻に撮像される干渉画像中に空間キャリア縞を導入するステップと、前記空間キャリア縞が導入された干渉画像を基に複数の波長に対する位相を抽出し物体表面の形状を算出するステップと、を有することを特徴とする動的形状計測方法に関する。

すなわち、第一の発明によれば、複数波長の光束で同時に計測対象表面と参照ミラーを照明し、一時刻の撮像で複数波長の位相成分を含んだ空間キャリア干渉画像を作り、撮像手段、あるいは画像処理手段によって複数波長の位相成分を分離する構成とすることで移動物体の表面形状を高精度に計測することができる。

上記光源としては、例えば、白色光から少なくとも２波長成分を含む光束を取出す手段、あるいは少なくとも２つの単波長光源を合成した光束を作る手段を用意し、干渉光学系にその複数波長成分を分離するための手段を設けることで実現される。

第二の発明は、前記干渉計は、２つの参照ミラーとそれぞれの参照ミラーで反射する光の波長を選択する手段を備え、一時刻に撮像した前記干渉画像から２波長に対する位相を抽出し物体表面の形状を算出することを特徴とする上記第一の発明に記載の動的形状計測方法に関する。

すなわち、第二の発明によれば、例えば、白色光から２波長成分を分離するため、２個の参照ミラーを設け、それぞれのミラーから反射する光が波長の異なる単波長となるようにして用いることを可能とし、参照ミラーの傾きによって生成された干渉画像を１台のカメラで撮像することが可能となる。

第三の発明は、前記干渉計は、前記参照ミラーの傾き角を調整する機構を備え、それぞれの前記参照ミラーを傾けることによって生じる空間キャリア縞の変位方向が互いに直角となるよう２つの参照ミラーの傾き角を調整し、一時刻に撮像した一枚の干渉画像から２波長に対する位相を抽出し物体表面の形状を算出することを特徴とする上記第二の発明に記載の動的形状計測方法に関する。

すなわち、第三の発明によれば、２波長成分を分離するため、２個の参照ミラーを設け、それぞれのミラーから反射する光が波長の異なる単波長となるようにし、さらに、それぞれのミラーの傾きから生じる空間キャリア縞が互いに直交するようそれぞれのミラー傾き角を調整する構成とすることによって、生成された干渉画像を１台のカメラで撮像することが可能となる。

第四の発明は、前記撮像部で撮像される干渉画像の２つの直交軸と、それぞれの前記参照ミラーの傾きにより生じる空間キャリア縞の直交する変位方向とが一致するよう各参照ミラーの傾き角を調整することを特徴とする上記第三の発明に記載の動的形状計測方法に関する。

すなわち、第四の発明によれば、２波長成分を分離するために２個の参照ミラーを設け、それぞれのミラーから反射する光を単波長化し、それぞれのミラーの傾きから生じる空間キャリア縞を互いに直交させると共に、空間キャリア縞の変位する方向とも一致させるように、それぞれの参照ミラーの傾き角を調整する構成とすることによって、生成された干渉画像を１台のカメラで撮像することが可能となる。

さらに、２個の参照ミラーによって２波長成分を分離する本発明は、以下のごとく計測レンジを大きく広げる効果も出てくる。

上記してきた発明の構成において撮像された干渉画像を、２つの直交する空間キャリア縞の方向を軸として表すと式（１０）のようになる。

但し、式（１０）で、ａ（ｘ，ｙ）、ｂａ（ｘ，ｙ）、ｂｂ（ｘ，ｙ）は、光学系や対象によって画像上の各点で決まる定数である。ｆａは、波長λａを反射した第１の参照ミラーの傾きよって生じた空間キャリア縞の空間周波数、ｆｂは、波長λｂを反射した第２の参照ミラーの傾きよって生じた空間キャリア縞の空間周波数である。この式では、第１の参照ミラーの傾きによって生じる空間キャリア縞は、画像のｘ方向に変位をもち、第２の参照ミラーの傾きによって生じる空間キャリア縞は、画像のｙ方向に変位をもつものとしている。それぞれの空間キャリア縞の空間周波数ｆａ、ｆｂとそれぞれのミラーの傾き角θａ、θb 、およびそれぞれの参照ミラーから反射した光の波長λａ、λｂの間にはつぎの式（１１）、式（１２）の関係がある。

また、式（１０）のφａ（ｘ，ｙ）、φｂ（ｘ，ｙ）は、物体表面の形状からそれぞれの波長λａ、λｂの光源で生じた干渉縞の位相であることから、式（１３）、式（１４）が導かれ、φａ（ｘ，ｙ）とφｂ（ｘ，ｙ）を求めることができれば、２波長法が適用できることとなる。

さらに、本発明の干渉光学系により撮像した干渉画像式（１０）をフーリエ変換すると式（１５）のようになる。

式（１５）において、Ｇ（ｆｘ，ｆｙ）、Ａ（ｆｘ，ｆｙ）は、それぞれｇ（ｘ，ｙ）、ａ（ｘ，ｙ）のフーリエスペクトル、Ｃａ（ｆｘ，ｆｙ）、Ｃｂ（ｆｘ，ｆｙ）は、空間キャリア縞明暗変化の複素振幅ｃａ（ｘ，ｙ）、ｃｂ（ｘ，ｙ）（式（１６）、式（１７））のフーリエスペクトル、また、＊は複素共役を表している。

こうした式（１５）のフーリエスペクトルは、図２（ｃ）のように表され、フーリエ領域におけるＣａ（ｆｘ，ｆｙ）は、ｆｘ軸の周りに分布し、（ｆｘ，ｆｙ）は、ｆｙ軸の周りに分布している。この分布を利用して、ｃａ（ｘ，ｙ）、ｃｂ（ｘ，ｙ）を分離して取り出すことができる。ｆｘ＝ｆａ、ｆｙ＝０の点を中心に、この周りの成分を取り出し、原点にシフトした後、逆フーリエ変換を施せば、ｃａ（ｘ，ｙ）が得られる。同様に、ｆｘ＝０、ｆｙ＝ｆａの点周りの成分を取り出し、原点にシフトした後、逆フーリエ変換を施せばｃｂ（ｘ，ｙ）が得られる。このｃａ（ｘ，ｙ）、ｃｂ（ｘ，ｙ）について、式（８）と同様に虚部、実部の商をとると、それぞれに対する干渉の位相φａ（ｘ，ｙ）、とφｂ（ｘ，ｙ）とが得られる。

このように得られたφａ（ｘ，ｙ）とφｂ（ｘ，ｙ）を２波長法に適用することによって、一定範囲におけるそれぞれの縞次数ｍａ、ｍｂを求めることができ、これによって計測レンジが拡大され、移動物体表面の高精度な動的形状測定が実現される。

本発明によれば、以下の効果が生まれる。
（１）複数波長の光束で同時に計測対象表面と参照ミラーを照明し、一時刻の撮像で複数波長の位相成分を含んだ空間キャリア干渉画像を作り、撮像手段、あるいは画像処理手段によって複数波長の位相成分を分離する構成とすることで移動物体の表面形状を高精度に計測することができる。また、上記光源としては、例えば、白色光から少なくとも２波長成分を含む光束を取出す手段、あるいは少なくとも２つの単波長光源を合成した光束を作る手段を用意し、干渉光学系にその複数波長成分を分離するための手段を設けることで実現される。
（２）白色光から２波長成分を分離するため、２個の参照ミラーを設け、それぞれのミラーから反射する光が波長の異なる単波長となるようにして用いることを可能とし、参照ミラーの傾きによって生成された干渉画像を１台のカメラで撮像することが可能となる。
（３）２波長成分を分離するため、２個の参照ミラーを設け、それぞれのミラーから反射する光が波長の異なる単波長となるようにし、さらに、それぞれのミラーの傾きから生じる空間キャリア縞が互いに直交するようそれぞれのミラー傾き角を調整する構成とすることによって、生成された干渉画像を１台のカメラで撮像することが可能となる。
１時刻に於ける撮像によって、複数の波長に対する物体表面形状に相当する位相を計測することができ、動的な物体の形状を長レンジで計測することが可能となる。
（４）２波長成分を分離するために２個の参照ミラーを設け、それぞれのミラーから反射する光を単波長化し、それぞれのミラーの傾きから生じる空間キャリア縞を互いに直交させると共に、キャリア縞の変位する方向とも一致させるように、それぞれの参照ミラーの傾き角を調整する構成とすることによって、生成された干渉画像を１台のカメラで撮像することが可能となる。

以下、図面にもとづいて本発明の実施形態を説明する。
（実施例１）
図３は、本発明の実施の形態になる２波長光束による干渉画像を撮像する干渉光学系−その１（参照ミラーが一つの場合）を示す。

本発明では、２波長の光束で同時に計測対象表面と参照ミラーを照明し、一時刻の撮像で２波長の位相成分を含んだ空間キャリア干渉画像を作り、撮像手段あるいは画像処理手段によって２波長の位相成分を分離することが特徴である。このため、光源は白色光から２波長成分を含む光束を取出す手段、あるいは２つの単波長光源を合成した光束を作る手段を用意する。干渉光学系は２波長成分を分離するための手段を設ける。

そこで、図３の実施例では、２波長成分を分離する手段として、同一の干渉画像を撮像する２台のカメラを設け、それぞれのカメラの前段にそれぞれ２波長成分のうちの一方の波長に対応する波長フィルタを用い、それぞれのカメラに到達する波長を制限する方法を適用している。以下に、２波長同時照射の干渉計としては、撮像カメラを２個用いた構成で、波長フィルタ等を用いて２波長を分離する手法を適用した例を示す。

光源１としては、白色光を用いる。光源１から射出した光を照明用レンズ２で光学系に適した光束となるよう調整した後、波長フィルタ３を通り、２波長干渉に必要な波長成分を取り出す。このあと、２つのハーフミラー（ハーフミラー４、ハーフミラー５）を透過して、ハーフミラー６に達し、ここで２つの光路に分岐される。分岐した光の一方は、対物レンズ７を通して対象物８の表面を照明する。もう一方は、対物レンズ１１を通って、参照ミラー１３を照明する。対象物８および参照ミラー１３からのそれぞれの反射光は、それぞれ対物レンズ７、１１を通り、ハーフミラー６に達し、ここで合成され、もとの光路にもどる。

ハーフミラー５に到達した光の一部は反射し、波長フィルター１０を通り、第二カメラ１７に像を結ぶ。第二カメラでは、波長フィルター１０の特性により、透過した波長による干渉像が得られる。また、ハーフミラー５を透過した光は、ハーフミラー４に達し、ハーフミラー４において一部が反射し、波長フィルタ９を通って、第一カメラ１５へ達する。第一カメラでは、波長フィルタ９の特性により透過した波長による干渉像が得られる（式（３））。

図４に、本発明の実施の形態になる干渉光学系における各波長フィルタの特性を示す。本実施例では、第一フィルタ（波長フィルタ３）の透過帯域を６２０ｎｍから７００ｎｍとし、第二フィルタ（波長フィルタ９、または１０）は、中心波長を６５０ｎｍ、半値幅を１０ｎｍ、第三フィルタ（波長フィルタ１０、または９）は、中心波長を６７０ｎｍ、半値幅を１０ｎｍとした。

上記フィルタの構成によって、第一カメラと第二カメラとで撮像した画像は、それぞれ、式（４）にλ＝６５０ｎｍ、λ＝６７０ｎｍを代入した空間周波数の空間キャリア縞が導入された干渉画像となる。

こうして２つの波長による２つの干渉画像を得、それぞれの干渉画像からフーリエ変換法を用いて、２つの位相φａ（ｘ，ｙ）とφｂ（ｘ，ｙ）を求め、２波長法によりレンジ拡大した表面形状を求めることができる。

上記では、２台のカメラを設け、２波長を分離する方法を述べたが、同様に、２台以上のカメラを設け、２波長以上の位相を得ることも勿論可能である。
（実施例２）
図５は、本発明の実施の形態になる２波長光束による干渉画像を撮像する干渉光学系−その２（参照ミラーが二つの場合）を示す。本実施例では、２波長成分を分離する方法として２個の参照ミラーを設け、それぞれの参照ミラーの傾きによって生じる空間キャリア縞が互いに直交するよう、各参照ミラーの傾き角を調整して用いている。

以下に、２個の参照ミラーおよび対象物に、波長の異なる光を同時に照射し、それぞれの参照ミラーによって生じる空間キャリアの干渉縞を分離することで、２波長に対する位相を得、計測レンジを拡大することを特徴とする干渉計の例を示す。

光源１から射出した光を照明用レンズ２で光学系に適した光束となるよう調整した後、波長フィルタ３をとおり、２波長干渉に必要な波長成分を取り出す。このあと、ハーフミラー４を透過して、ハーフミラー５に達し、ここで一部が反射し、波長フィルタ９、対物レンズ１１を通って参照ミラー１３を照明する。ハーフミラー５を透過した光は、ハーフミラー６に達し、一部が反射し、波長フィルタ１０、対物レンズ１２を通って参照ミラー１４を照明する。

一方、ハーフミラー６を透過した光は、対物レンズ７を通って対象物８の表面を照明する。対象物８の表面で反射した光は、もとの経路を通ってハーフミラー４まで戻る。また、２つの参照ミラー（参照ミラー１１、または１２）で反射した光もそれぞれもとの経路を通ってハーフミラー４に達する。そして、ハーフミラー４で反射した光をカメラ１５で撮像する。各波長フィルタ（波長フィルタ９、または１０）の特性は上記した実施例１と同様である。

このとき、それぞれの参照ミラー（参照ミラー１１、または１２）を後述する方法で調整すれば、カメラ１５で撮像される像は、式（１０）の干渉画像となる。この場合キャリア縞の２方向の空間周波数ｆａ、ｆｂは、それぞれ式（１１）、式（１２）へ、λａ＝６５０ｎｍ、λｂ＝６７０ｎｍを、θａへは、参照ミラー１１（または１２）の傾き角、θｂへは、参照ミラー１２（または１１）の傾き角をそれぞれ代入したものとなる。

ここで、上記干渉計における２つの参照ミラーによるキャリア縞の調整は、ＰＣ（パソコン）／コントローラ１６によって、参照ミラーを傾けたときに生成する干渉縞の方向を検出し、参照ミラーの回転量が調整される構成としている。

なお、実施例では、それぞれの参照ミラーの光路に波長フィルタを置いて、それぞれミラーに到達する波長を選択したが、参照ミラー自体の反射特性をそれぞれの波長に相当するようにしてもよい。この場合、図６の波長フィルタ９と波長フィルタ１０は、不要になる。

図６は、本発明の実施の形態になる干渉光学系における２つの参照ミラーの調整方法を示す。（ａ）は、回転していない参照ミラー（水平ミラーが対象）、（ｂ）は、第一参照ミラー（ｙ軸周りに回転）、および（ｃ）は、第二参照ミラー（ｘ軸周りに回転）を示している。

第一参照ミラー（参照ミラー１１、または１２）と第二参照ミラー（参照ミラー１２、または１１）が作る空間キャリア縞が直交するように調整するが、画像演算の便を考えると、２つのキャリア縞がカメラ１のｘ、ｙ軸と一致するよう調整するとよい。

図の光学系において、対象物８を平面参照ミラーに対して、その光軸と垂直になるよう配置する。まず、第二参照ミラー（１４、または１３）の光路に遮光板を挿入するなどして遮光し、干渉像に第一参照ミラー（１３、または１４）による空間キャリア縞のみを持つ干渉縞をカメラ１５で撮像する。そして、得られた縞の変位が、カメラ１５の画像のＸ軸と一致するよう、第一参照ミラーの傾き角をｙ軸周りに回転させる。求める縞が得られたら、逆に、第一参照ミラーを遮光し、第二参照ミラーによる空間キャリア縞のみを持つ干渉縞をカメラ１５で撮像する。得られる縞の変位が、カメラ１５の画像のＹ軸と一致するよう、第二参照ミラーの傾き角をｘ軸回りに回転させる。これらの参照ミラー調整では、キャリア縞の周期は４画素程度とするのが好適である。

図７は、本発明の実施の形態になる干渉光学系において２つの参照ミラーを傾けることによって得られる干渉縞画像の例を示す。実施例では、２波長に対する干渉位相の抽出手順を示している。（１）において、２つの参照ミラーを傾けることによってカメラによってキャリア干渉画像を撮像し、（２）において、撮像されたキャリア干渉画像を基に、フーリエ変換を施し、キャリア毎に成分を分離させたフーリエ変換画像を得、そして、（３）において、分離したキャリアについて、原点にシフトした後、逆変換処理を行ってキャリアを除いた干渉の位相を抽出する（式（８））。

図７（３ａ）は、逆変換処理を施した第二参照ミラー（波長：λ２）による干渉縞の例、 図７（３ｂ）は、第一参照ミラー（波長：λ１）による干渉縞の例を示している。２次元フーリエ変換では、キャリア空間で直交しているものは、フーリエ変換後も直交しており、例えば、ｙ軸回り回転することによってｘ方向に干渉縞を生じる。

以上のように、式（１０）の形式の干渉画像が得られるので、上記した処理により、計測対象表面に対する２波長のそれぞれの位相φａ（ｘ，ｙ）とφｂ（ｘ，ｙ）とが得られ、従来の２波長法における縞次数を解決することができ、２波長法により測定レンジが拡大された表面形状を求めることができる。

なお、上記では、２次元フーリエ変換を基にした方法を示したが、画像のＸＹ軸と各キャリア縞の変位方法が一致する場合、それぞれの軸に沿った１次元のフーリエ変換でフーリエ変換法を実施し、２つの位相を抽出することも可能である。

また、同様に、この条件下では、それぞれの軸に沿ったヒルベルト変換法など他の１次元位相抽出法によって２つの位相を求めることも可能である。

一般的な干渉計の基本構成を示す図である。 参照ミラー回転機構を有する干渉光学計において撮像された干渉画像と位相抽出例を示す図である。 本発明の実施の形態になる２波長光束による干渉画像を撮像する干渉光学系−その１（参照ミラーが一つの場合）を示す図である。 本発明の実施の形態になる干渉光学系における各波長フィルタの特性を示す図である。 本発明の実施の形態になる２波長光束による干渉画像を撮像する干渉光学系−その２（参照ミラーが二つの場合）を示す図である。 本発明の実施の形態になる干渉光学系における２つの参照ミラーの調整方法を示す図である。 本発明の実施の形態になる干渉光学系において２つの参照ミラーを傾けることによって得られる干渉縞画像の例を示す図である。

符号の説明

１ 光源
２ 照明用レンズ
３ 波長フィルタ
４、５、６ ハーフミラー
７、１１、１２ 対物レンズ
８ 対象物
９、１０ 波長フィルタ
１３、１４ 参照ミラー
１５、１７ カメラ
１６ ＰＣ／コントローラ

Claims (5)

1. 複数の波長成分を含む光源と、回転可能な参照ミラーと、干渉画像を撮像する撮像部とを備えた干渉計による動的形状計測方法であって、
   前記参照ミラーを傾けることによって前記撮像部において一時刻に撮像される干渉画像中に空間キャリア縞を導入するステップと、
   前記空間キャリア縞が導入された干渉画像を基に複数の波長に対する位相を抽出し物体表面の形状を算出するステップと、
   を有することを特徴とする動的形状計測方法。
2. 前記干渉計は、２つの参照ミラーとそれぞれの参照ミラーで反射する光の波長を選択する手段を備え、一時刻に撮像した前記干渉画像から２波長に対する位相を抽出し物体表面の形状を算出することを特徴とする請求項１に記載の動的形状計測方法。
3. 前記干渉計は、前記参照ミラーの傾き角を調整する機構を備え、それぞれの前記参照ミラーを傾けることによって生じる空間キャリア縞の変位方向が互いに直角となるよう２つの参照ミラーの傾き角を調整し、一時刻に撮像した一枚の干渉画像から２波長に対する位相を抽出し物体表面の形状を算出することを特徴とする請求項２に記載の動的形状計測方法。
4. 前記撮像部で撮像される干渉画像の２つの直交軸と、それぞれの前記参照ミラーの傾きにより生じる空間キャリア縞の直交する変位方向とが一致するよう各参照ミラーの傾き角を調整することを特徴とする請求項３に記載の動的形状計測方法。
5. 複数の波長成分を含む光源と、回転可能な参照ミラーと、干渉画像を撮像する撮像部とを備えた干渉計による動的形状計測装置であって、
   前記参照ミラーを傾けることによって前記撮像部において一時刻に撮像される干渉画像中に空間キャリア縞を導入する手段と、
   前記空間キャリア縞が導入された干渉画像を基に複数の波長に対する位相を抽出し物体表面の形状を算出する手段と、
   を有することを特徴とする動的形状計測装置。

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