JP2012078342A - 画像相関変位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構成でターゲット面と垂直な成分を含む方向の変位量を測定することができる画像相関変位センサを提供すること。
【解決手段】本発明の一態様にかかる画像相関変位センサは、照射光を出射する照射部１３０'と、ターゲット面３００で生成したスペックルフィールドを複数回に亘って撮像するために用いられ、ターゲット面近傍においてターゲット面の法線方向から傾斜した光線路Ａと、光線路Ｂ'と、光線路Ａ，Ｂ'の少なくとも一方を偏向する素子１１０'と、を有する撮像部２４０と、光線路Ａにおいて撮像することにより得られた複数画像と光線路Ｂ'において撮像することにより得られた複数画像とに基づいて、ターゲット面３００の法線成分を含む方向の変位を計算する処理部２００と、を備えている。
【選択図】図５

Description

本発明は、画像相関変位センサに関し、特に詳しくは、スペックルフィールドを撮像して、試料の変位を求める画像相関変位センサに関する。

複数枚のスペックルフィールド（スペックル画像）の相関を用いた画像相関変位センサが知られている（特許文献１乃至３）。画像相関変位センサには、一般に、レーザ光源などのコヒーレント光源が用いられる。コヒーレント光源で光学的に粗いターゲット面を照明すると、スペックルフィールドが生成される。すなわち、コヒーレント光でターゲット面を照明して、このターゲット面で散乱した散乱光をＣＣＤカメラやＣＭＯＳ画像センサなどの検出器で検出する。このようにすることで、１枚又は複数枚の画像中にスペックルフィールドを撮像することができる。

まず、変位前のスペックルフィールドを撮像して、第１のスペックル画像としてメモリ等に格納する。次に、変位後のスペックルフィールドを撮像して、第２のスペックル画像としてメモリ等に格納する。そして、第１及び第２のスペックル画像の比較結果によって、ターゲット面を有する測定対象物の変位が求められる。

米国特許第６６４２５０６号明細書 米国特許第７２９５３２４号明細書 米国特許第７５１５２８０号明細書

しかしながら、スペックルフィールドを撮像して変位を求める画像相関変位センサでは、測定する変位の方向が限られている。すなわち、スペックルフィールドは、一般的には、試料面と垂直なだけでなく検出器の受光面にも垂直な方向に沿って撮像されているため、ターゲット面に垂直な方向における変位量を測定することが困難であるという問題点がある。
試料面と垂直な成分を含む方向の変位量を正確に測定することができる安価な画像相関変位センサが望まれている。

本発明は、コンパクトで安価な構成を用いて、ターゲット面と垂直な成分を含む方向の変位量を測定することができる画像相関変位センサを提供することを目的とする。ある形態では、コンパクトで安価な構成を用いて、ターゲット面とほぼ垂直な方向に沿った変位量が、ターゲット面とほぼ平行な方向に沿った変位量と組み合わせて測定されている。

本発明の第１の態様に係る画像相関変位センサは、ターゲット面に対する相対的な位置変位を測定する画像相関変位センサであって、スペックルフィールドを生成するために前記ターゲット面に対して照射光を出射する照射部と、前記ターゲット面で生成した前記スペックルフィールドを複数回に亘って撮像するために用いられ、前記ターゲット面近傍において前記ターゲット面の法線方向から傾斜した第１の光線路と、前記ターゲット面で生成した前記スペックルフィールドを複数回に亘って撮像するために用いられ、前記ターゲット面近傍において前記第１の光線路から傾斜した第２の光線路と、前記第１及び第２の光線路の少なくとも一方を偏向する素子と、を有する撮像部と、前記第１の光線路において撮像することにより得られた複数画像と前記第２の光線路において撮像することにより得られた複数画像とに基づいて、前記ターゲット面の法線成分を含む方向の変位を計算する処理部とを備えたものである。これにより、簡便な構成でターゲット面と垂直な成分を含む方向の変位量を高精度に測定することができる。

本発明によれば、簡便な構成でターゲット面と垂直な成分を含む方向の変位量を正確に測定することができる画像相関変位センサを提供することができる。

実施の形態１に係る画像相関変位センサの構成を模式的に示す図である。 ターゲット面において撮像された領域の配置例を説明するための平面図である。 画像相関変位センサに用いられる処理装置の構成を示すブロック図である。 画像相関変位センサに用いられる偏向素子の一例を示す側面図である。 実施の形態２に係る画像相関変位センサの構成を模式的に示す図である。 実施の形態３に係る画像相関変位センサの構成を模式的に示す図である。 実施の形態４に係る画像相関変位センサの構成を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。

本実施形態にかかる画像相関変位センサについて、図１を用いて説明する。図１は、画像相関変位センサ（以下、変位センサとする）の全体構成を模式的に示す図である。変位センサ１００は、ターゲット面３００を有する測定対象物の変位を測定するため、照射部１３０と、撮像部２４０と、処理部２００とを備えている。変位センサ１００は、例えば、測定ヘッド等に搭載される。

説明の明確化のため、３次元直交座標系を用いて説明を行う。図１に示すように光学系２５０の入射光軸と平行な方向をＺ方向とし（詳細については後述する）、Ｘ方向はＺ方向と垂直で、検出器１６０の画素アレイの縦方向又は横方向と平行な方向とし、Ｙ方向はＸ方向とＺ方向と垂直な方向とする。好ましくは、変位センサ１００及び／又はターゲット面３００は、Ｙ方向が検出器１６０の画素アレイの縦方向または横方向と平行になり、かつＺ方向がターゲット面３００とほぼ垂直になるように配置されている（なお、本明細書において、「Ａ及び／又はＢ」とは、ＡとＢの両方、あるいは一方を示し、「Ａ、Ｂ及び／又はＣ」等の三つ以上の場合も同様に少なくとも一つ以上を含んでいることを示す。）。
なお、以下の説明において、特に言及がない限り、法線とは、ターゲット面３００の法線を指し、通常は、光学系２５０の入射光軸に対応するものである。さらに、図１に示すように、ターゲット面３００中の１点を原点Ｏと定義している。変位センサ１００は、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、ヨー方向、ロール方向、及びピッチ方向の位置変位を測定することができる。変位センサ１００は、安価でコンパクトな構成を用いて、微小な２自由度から６自由度までの変位を高精度で測定するための構成を有している。なお、ヨー方向の位置変位はＺ軸周りの回転角に対応し、ロール方向の位置変位はＸ軸周りの回転角に対応し、ピッチ方向の位置変位はＹ軸周りの回転角に相当する。

照射部１３０は、測定対象物のターゲット面３００を照明するため、コヒーレント光を出射する。すなわち、照射部１３０から出射したコヒーレント光が、ターゲット面３００を照明する照明光１３４となる。照射部１３０は、例えば、レーザ光源を有している。もちろん、照射部１３０は、コヒーレント光を出射するものであれば、どのような光源を有していてもよい。照射部１３０からの照明光１３４は、所望の設計方向に沿ってターゲット面３００に入射する。図１に示す形態では、照明方向は、Ｚ方向から傾斜しているが、これについては必須ではない。別の照明配置は、図５に示されている。照射部１３０からの照明光１３４が入射することで、ターゲット面３００に照明スポット１３８が形成される。

ターゲット面３００は、典型的には、光学的に粗い拡散面となっている。従って、ターゲット面３００をコヒーレント光で照明すると、スペックルフィールドが生成される。換言すると、ターゲット面３００で反射された拡散光がスペックルフィールドを生成する。照明スポット１３８を所望の大きさ及び形状にするために、必要に応じて照射部１３０中にレンズ等が含まれていてもよい。例えば、照射部１３０に、シリンドリカルレンズを設けて、照明スポット１３８を楕円状にしてもよい。

ターゲット面３００で様々な方向に拡散した光線は、互いに干渉し合って、スペックルフィールドを生成する。本実施の形態にかかる変位センサ１００では、このスペックルフィールドが撮像されている。スペックルフィールドは、拡散した光線の干渉によって生成されるため、３次元的に生成される。換言すると、スペックルフィールドは、ターゲット面３００上の体積を満たし、ターゲット面３００に対応して移動するスペックルパターンを有している。従って、変位センサ１００に対するターゲット面３００の位置や撮像方向によって、スペックルフィールドの画像が異なる。図１において模式的に示されたターゲット面３００は、実用上、どのような大きさであってもよい。

撮像部２４０は、素子１１０、レンズ１４０、アパーチャ板１５０、及び検出器１６０を備えている。素子１１０は、少なくとも、拡散光を偏向するための光学素子を有している（例えば、後述する光学偏向素子ＤｅｆＡ，ＤｅｆＢ及び／又はＤｅｆＥ）。素子１１０の光学偏向素子は、光線路がターゲット面３００の近傍においてターゲット面と垂直方向に関して"三角測量角度"で傾斜するように、ターゲット面３００によって生成されたスペックルフィールドの画像を取得するために使用される該光線路に対して偏向角を与える。偏向された光線路に沿っての撮像動作の簡潔な概略説明において、この傾斜した三角測量角度でターゲット面３００から生成されたスペックルパターンを撮像することによって、Ｚ方向に沿ったターゲット面３００の動きは、ターゲット面３００に対して撮像された視野のＹ方向の動きをもたらすと言うこともできる。これは、後に詳述するように、対応するＺ方向の変位がＹ方向の変位に基づいて決定されるよう、Ｚ方向の動きに応じた、検出器１６０上の対応するスペックルイメージのＹ方向に沿った変位をもたらす。
図１に示された形態において、偏向角はＸＺ面において光線路を偏向する。素子１１０によって偏向したスペックルイメージ光は、レンズ１４０に入射する。レンズ１４０は、例えば、凸レンズであり、スペックルイメージ光を屈折及び／又は集光する。レンズ１４０で屈折及び／又は集光されたスペックルイメージ光は、アパーチャ板１５０に到達する。アパーチャ板１５０の中央には、開口したアパーチャ１５２が配置されている。

好適な形態において、撮像部２４０、レンズ１４０、アパーチャ板１５０は、テレセントリック光学系である光学系２５０として設けられる。すなわち、レンズ１４０とアパーチャ１５２がレンズ１４０のほぼ後側焦点距離だけ互いに離れて配置されている。ターゲット面３００に隣接するスペックルフィールドの像を取得するように、ある形態において、レンズ１４０は、ターゲット面３００からほぼその前側焦点距離だけ離れて配置されていてもよい。アパーチャ１５２は、レンズ１４０のほぼ光軸上に配置されている。アパーチャ１５２の外側に入射した光ビームは、アパーチャ板１５０によって遮られる。従って、アパーチャ１５２を通過する特定の光線路からの特定の光ビーム１４２が伝播して、ある特定の場所（例えば、後述するように、複数の検出器、あるいは検出部ＤＡ，ＤＢ及び／又はＤＥに対応する場所）で検出器１６０に到達し、該特定の場所は、スペックルフィールドの特定の部分及び／又はターゲット面３００に隣接する部分に対応している。光学系２５０がテレセントリックである場合、レンズ１４０の光軸に略平行なスペックルイメージの光ビームだけが、検出される光１５４となるために、アパーチャ１５２を通過する光ビーム１４２となる。従って、光学系２５０の入射側に配置された素子１１０の特定の光学偏向素子（例えばＤｅｆＡ，ＤｅｆＢ等）は、ターゲット面３００近傍においてターゲット面３００の法線に対して傾斜した第１の光線路の一部に沿った入射ビームを受光し、そして入射ビームがアパーチャ１５２を通過して、特定の検出器又は検出部（例えば、ＤＡ、ＤＢ等）に到達するようにレンズ１４０の光軸と平行になるように入射ビームを偏向するために働く。もちろん、ターゲット面３００とほぼ垂直な第２の光線路は、ある特定の検出器又は検出部（例えばＤＣ，ＤＤ等）に到達するためレンズ１４０の光軸と平行のままでアパーチャ１５２を通過するように、素子１１０の光学偏向素子を含まない部分を通過する（図１においては光学偏向素子がない点線で示された部分で図示されている。）
検出器１６０は、ターゲット面３００で生成されたスペックルフィールドを撮像する。図１に示す形態においては、検出器１６０は、単一の２次元画素アレイの光検出器であり、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅｄ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）画像センサ等である。

さらに、検出器１６０は、検出部ＤＡ、検出部ＤＢ、検出部ＤＣ、検出部ＤＤ、及び検出部ＤＥを有している。ここでは、検出部ＤＡが単一の検出器１６０の一部の箇所を備えている。同様に、検出部ＤＢ、検出部ＤＣ、検出部ＤＤ、及び検出部ＤＥのそれぞれは検出器１６０の一部の箇所を備えている。検出部ＤＡ〜検出部ＤＥは、それぞれ２次元の画素列を含んでいる。検出部ＤＡ〜検出部ＤＥは、検出器１６０の受光面において異なる箇所に配置されている。好ましくは、検出部ＤＡ〜検出部ＤＥは、互いに重ならないに、検出器１６０の受光面上の異なる場所に配置されている。検出部ＤＡは、ターゲット面３００上における領域ＴＡからのスペックルイメージ光を受光して、スペックル画像を撮像する。同様に、検出部ＤＢ、検出部ＤＣ、検出部ＤＤ、検出部ＤＥは、ターゲット面３００上における領域ＴＢ、領域ＴＣ、領域ＴＤ、及び領域ＴＥ（図２も合わせて参照）からのスペックルイメージ光をそれぞれ受光して、スペックル画像を撮像する。これにより、複数の点及び／又は撮像角度でターゲット面３００の動きが検出され、その結果の画像がその動きを決定するために使用される。特に、コンパクトかつ安価な構成で、ターゲット面３００と垂直な動きが高分解能かつ高精度で検出される。

図１のターゲット面３００上に示された、撮像される領域ＴＡ〜ＴＥの配置例が図２により明確に示されている。図２は、ターゲット面３００が変位センサ１００に対して微小な動作間隔である場合に、設計によって固定された領域ＴＡ〜ＴＥの間の配置関係をＸＹ平面と垂直な方向から見た図である。ターゲット面３００の相対移動によって、光線路に沿って撮像されたスペックルフィールドの領域ＴＡ〜領域ＴＥを含む部分が変化する。よって、ターゲット面３００の相対移動量、すなわち位置変位は、光線路に沿って観測された領域ＴＡ〜領域ＴＥに対応するスペックルイメージの変位量に基づいて算出することができる。

領域ＴＡと領域ＴＢは、Ｙ軸上に配置され、Ｘ軸を挟んで対称に配置される。領域ＴＡは原点Ｏよりも＋Ｙ側に配置され、領域ＴＢは原点Ｏよりも−Ｙ側に配置される。領域ＴＡと領域ＴＢの間隔をｄ_ｒｏｌｌとする。領域ＴＣと領域ＴＤもまた、Ｘ軸を挟んで対称に配置される。領域ＴＣは原点Ｏよりも＋Ｙ側に配置され、領域ＴＤは原点Ｏよりも−Ｙ側に配置される。領域ＴＣと領域ＴＤのＸ座標は同じになっており、領域ＴＣ、及び領域ＴＤのＸ座標をｄ_{ｙａｗｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ}とする。換言すると、Ｘ方向において、領域ＴＣ、及び領域ＴＤは、領域ＴＡ、領域ＴＢからｄ_{ｙａｗｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ}だけ離間している。領域ＴＣと領域ＴＤの間隔は、ｄ_ｙａｗである。領域ＴＥは、領域ＴＡからｄ_{ｐｉｔｃｈ}だけ＋Ｘ方向に離間している。よって、領域ＴＥのＸ座標をｄ_{ｐｉｔｃｈ}とすることもできる。Ｙ方向における、領域ＴＡと領域ＴＥの位置は同じである。なお、上記の説明において、微小な動作間隔で動作する場合、各領域の位置は、その領域の中心位置、又は検出位置に対応している。図２では、領域ＴＡ〜領域ＴＥを、正方形としているが、撮像された領域ＴＡ〜領域ＴＥの使用可能な形状は、光学系の設計及び／又は検出器の信号処理の選択によって定義されても良く、特に限定されるものではない。また、領域ＴＡ〜領域ＴＥは、異なる大きさであってもよく、同じ大きさであってもよい。照射部１３０は、領域ＴＡ〜領域ＴＥを含む領域に比べて十分に広い領域を照明している。

撮像部２４０は、領域ＴＡ、領域ＴＢ、領域ＴＣ、領域ＴＤ、及び領域ＴＥを含む光線路に沿って結像されたスペックルフィールドをそれぞれ撮像する。光線路に沿って結像されたスペックルフィールドは、上記の通り、単一の検出器１６０の異なる場所に投影される。ここで、領域ＴＡの近傍で生成されたスペックルフィールドを撮像するための光線路を光線路Ａとする。領域ＴＡからのスペックルイメージ光は、光線路Ａに沿って伝搬していき、検出部ＤＡに入射する。同様に、領域ＴＢ、領域ＴＣ、領域ＴＤ、領域ＴＥの近傍で生成されたスペックルフィールドを撮像するための光線路をそれぞれ光線路Ｂ、光線路Ｃ、光線路Ｄ、光線路Ｅとする（図１参照）。ここで、光線路Ａとは、領域ＴＡの近傍で発生したスペックルフィールドからアパーチャ１５２を通過して検出部ＤＡに入射する光束の主光線である。同様に、光線路Ｂ〜光線路Ｅも、それぞれ、ターゲット面３００に隣接するスペックルフィールドからアパーチャ１５２を通過して検出部ＤＢ〜検出部ＤＥに入射するスペックルイメージ光の主光線となる。例えば、領域ＴＣの中心からアパーチャ１５２の中心を介して、検出部ＤＣの中心を結ぶ線が光線路Ｃとなる。なお、種々の光線路Ａ〜光線路Ｅは、後述するように、素子１１０によって偏向されてもよい。

図１に示すように、ターゲット面３００の近傍において、法線と光線路Ａが成す角度を角度ＡｎｇＡとする。ターゲット面３００の近傍において、法線と光線路Ｂ、光線路Ｅが成す角度をそれぞれ角度ＡｎｇＢ、角度ＡｎｇＥとする。なお、ターゲット面３００の近傍とは、ターゲット面３００から、素子１１０までの間の空間を意味する。
ターゲット面３００の近傍において、光線路Ｃ、及び光線路Ｄは、Ｚ方向と平行になっている。よって、対応する角度ＡｎｇＣ、及び角度ＡｎｇＤは０°となる。図１に示す形態において、光線路Ａと光線路Ｂは、同一のＹＺ平面上において、法線から同じ角度だけ傾斜しており、傾斜方向が反対になっている。換言すると、Ｘ方向における、光線路Ａ及び光線路Ｂと領域ＴＡ及び領域ＴＢと、の位置はターゲット面３００近傍において実質的に同一になっている。光線路Ａとターゲット面３００の交点から延びる法線と、光線路Ａとを含む平面ＰＡと、光線路Ｂとターゲット面３００の交点から延びる法線と、光線路Ｂとを含む平面ＰＢとは、同一平面上に配置されている。ターゲット面３００の近傍において、光線路Ａと光線路Ｅとは平行になっている。光線路Ｅとターゲット面３００の交点から延びる法線と、光線路Ｅとを含む平面ＰＥは、平面ＰＡと平行になっている。従って、この特定の形態において、角度ＡｎｇＡ、角度ＡｎｇＢ、及び角度ＡｎｇＥとは互いに同じ角度になっており、この角度をθ_ＯＤＡとする。最も一般的には、θ_ＯＤＡは０°から９０°までの角度範囲に入っている。しかしながら、様々な形態において、４５°以下の角度範囲とすることが好ましい。

素子１１０は、光線路Ａ、光線路Ｂ、及び光線路Ｅに沿って光線を偏向するために設けられており、所望の手法によって、それらがレンズ１４０の光軸と平行になり、アパーチャ１５２を通過して検出器１６０に入射するようにそれらの方向を変える。逆にいえば、素子１１０は、素子１１０での偏向後、所望の手法によって、それらがレンズ１４０の光軸と平行になり、アパーチャ１５２を通過して検出器１６０に入射するように光線路Ａ，Ｂ及びＥの方向を選択するために設けられているということができる。ここで、素子１１０のうち、光線路Ａを偏向する部分を光学偏向素子ＤｅｆＡとする。同様に、素子１１０のうち、光線路Ｂ、及び光線路Ｅを偏向する部分をそれぞれ光学偏向素子ＤｅｆＢ、光学偏向素子ＤｅｆＥとする。光学偏向素子ＤｅｆＡ、光学偏向素子ＤｅｆＢ、及び光学偏向素子ＤｅｆＥは、それぞれくさび形状となっている。光線路Ａ、光線路Ｂ、及び光線路Ｅは、光学偏向素子ＤｅｆＡ、光学偏向素子ＤｅｆＢ、及び光学偏向素子ＤｅｆＥで偏向されて、Ｚ方向と平行になる。光学偏向素子ＤｅｆＡ、光学偏向素子ＤｅｆＢ、及び光学偏向素子ＤｅｆＥは、同じ形状となっていてもよい。また、互いに平行な光線路Ａと光線路Ｅの偏向角が同じになるよう、光学偏向素子ＤｅｆＡと光学偏向素子ＤｅｆＥは同じ向きで配置されていてもよい。例えば、光学偏向素子ＤｅｆＥは、光学偏向素子ＤｅｆＡから離れ、かつＸ方向に平行移動した配置となっていてもよい。互いに近づいている光線路Ａと光線路Ｂが同一平面上となるように、光学偏向素子ＤｅｆＡと光学偏向素子ＤｅｆＢは向かい合って配置されていてもよい。すなわち、光学偏向素子ＤｅｆＡと光学偏向素子ＤｅｆＢはＺ軸又はＸＺ平面に対して鏡面対称に配置されていてもよい。

また、素子１１０は、Ｚ方向と平行な光線路Ｃ及び光線路Ｄを偏向せずに伝播させる。よって、光線路Ｃ、及び光線路ＤはＺ方向と平行のままとなっている。従って、素子１１０からレンズ１４０までの間で、光線路Ａ〜光線路ＥがそれぞれＺ方向に平行となる。換言すると、素子１１０は、Ｚ方向から傾斜していた光線路Ａ、光線路Ｂ、及び光線路ＥがＺ方向と平行になるような偏向角度を与える。なお、光学偏向素子ＤｅｆＡ、光学偏向素子ＤｅｆＢ、及び光学偏向素子ＤｅｆＥは、一体的に作成されていても良く、別個に作成されていてもよい。

光線路Ａ〜光線路Ｅは、素子１１０を通過した後、レンズ１４０に入射する。従って、光線路Ａ〜光線路Ｅはレンズ１４０によって屈折されて、アパーチャ１５２に向かう。レンズ１４０において、光線路Ａ〜光線路Ｅは、それぞれ１４０Ａ〜１４０Ｅで指定される異なる部分に入射する（なお、図１においては、１４０Ｅの符号のみ図示し、その他に付いては点線で示す）。例えば、光線路Ｅを含む領域ＴＥからの光束は、レンズ１４０の一部であるレンズ部１４０Ｅ又はレンズ１４０を通過する主光線を持つ。光線路（例えば、光線路Ａ）は、主として、検出器（例えば、検出器ＤＡ）とアパーチャ１５２の配置によって定義することが好適である。特定の光線路（例えば、光線路Ａ）と関連するレンズ部（例えば、レンズ部１４０Ａ）の場所は、それらの素子に対して調整されたレンズ１４０の部分である。そして、テレセントリック光学系について、その光線路（例えば、光線路Ａ）と関連する素子１１０の部分は、レンズ１４０の光軸に平行な方向に沿ってそのレンズ部と調整された部分である。特定の形態において望ましくは、素子１１０のその部分が光学偏向素子（例えば、光学偏向素子ＤｅｆＡ）を含んでいる。そして、光学偏向素子は素子１１０とターゲット面３００間の光線路の部分の傾斜方向を決定する。このとき、光線路Ａ〜光線路Ｅから大きく異なる方向に伝搬する光ビーム、すなわち、主光線から大きく外れた光ビームは、アパーチャ板１５０で遮光される。当業者であれば、その設計原理に応じて、上記の構成に加えて、様々な形態を構成することができる。

アパーチャ板１５０を通過した光線路Ａ〜光線路Ｅは、それぞれ検出部ＤＡ〜検出部ＤＥに到達する。検出部ＤＡは、光線路Ａに沿って、スペックルフィールドイメージを撮像する。ここで、光線路Ａは、ターゲット面３００の近傍において角度ＡｎｇＡだけ傾斜しており、ターゲット面３００の法線方向から角度ＡｎｇＡだけ傾斜した方向から、スペックルフィールドを撮像するために用いられる。同様に、検出部ＤＢ〜検出部ＤＥは、それぞれ光線路Ｂ〜光線路Ｅに沿って、スペックルフィールドを撮像する。光線路Ｂ、光線路Ｅは、ターゲット面３００の近傍において、それぞれ角度ＡｎｇＢ、角度ＡｎｇＥだけ傾斜しており、ターゲット面３００の法線方向から角度ＡｎｇＢ、角度ＡｎｇＥ傾斜した方向から、スペックルフィールドを撮像するために用いられる。光線路Ｃ、光線路Ｄは、ターゲット面３００の近傍において、ターゲット面３００の法線と平行になっている。よって、光線路Ｃ、光線路Ｄは、それぞれターゲット面３００の近傍においてターゲット面３００の法線方向から、スペックルフィールドを撮像するために用いられる。

ここでは、単一の検出器１６０によって、光線路Ａ〜Ｅ（例えば、領域ＴＡ〜ＴＥにおける）に沿って生成されたスペックルフィールドの画像を撮像している。そして、検出器１６０で取得されたスペックルフィールドの画像データは、信号線１６４を伝送し、処理部２００に入力される。撮像部２４０は、光線路Ａ〜Ｅのそれぞれに対して、スペックルフィールドを複数回撮像する。そして、複数のスペックルフィールドの画像データが、処理部２００に記憶される。すなわち、検出部ＤＡは、光線路Ａに沿って発生したスペックルフィールドを複数回に亘って撮像する。そして、処理部２００は、複数回に亘って撮像したスペックルフィールドの画像データを記憶する。同様に、処理部２００は、光線路Ｂ〜Ｅのそれぞれに沿って発生したスペックルフィールドの画像データ（スペックル画像データ）を複数記憶する。処理部２００は、スペックル画像データに基づいて、相関処理を行う。具体的には、移動前に取得したスペックル画像データと、移動後に取得したスペックル画像データに対して相関を求めることで、変位を算出する。そして、図１で示す配置において、処理部２００は、後述するように、６自由度の変位を算出してもよい。また、処理部２００は、信号線１３２を介して、照射部１３０の照明光１３４を制御してもよい。

処理部２００は、パーソナルコンピュータやＤＳＰなどの情報処理装置であり、画像データに対して所定の演算処理を行う。すなわち、処理部２００は、ＣＰＵやメモリ等の記憶領域を備えるコンピュータである。例えば、処理部２００は、演算処理部であるＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶領域であるＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）、通信用のインターフェースなどを有し、変位を測定するために必要な処理を実行する。例えば、ＲＯＭには、演算処理するための演算処理プログラムや、各種の設定データ等が記憶されている。そして、ＣＰＵは、このＲＯＭに記憶されている演算処理プログラムを読み出し、ＲＡＭに展開する。そして、設定データや、検出器１６０等からの出力に応じてプログラムを実行する。さらに、処理部２００は、演算処理結果を表示させるためのモニター等を有してもよい。

処理部２００での処理の一例に付いて図３を用いて説明する、図３は、処理部２００の一部の要素を示すブロック図である。処理部２００は、画像データ記憶部２０１、相関処理部２０２、画像変位算出部２０３、位置変位算出部２０４を備えている。

画像データ記憶部２０１は、ターゲット面３００の移動前後で取得されたスペックル画像を画像データとして記憶する。例えば、ターゲット面３００の相対移動前に取得したスペックル画像を基準スペックル画像とし、移動後に取得した画像を測定スペックル画像とする。ここで、光線路ｉ（ここで、ｉはＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，又はＥである）において撮像されたスペックル画像をスペックル画像ＤＳ_ｉとする。さらに、移動前に取得されたスペックル画像ＤＳ_ｉを基準スペックル画像ＤＳ_ｉＲとし、移動後に取得されたスペックル画像ＤＳ_ｉを測定スペックル画像ＤＳ_ｉＣとする。

相関処理部２０２は、基準スペックル画像ＤＳ_ｉＲと測定スペックル画像ＤＳ_ｉＣとを比較して、相関処理を行う。具体的には、測定スペックル画像の一方に対して、変位方向に沿ったオフセットを与える。そして、基準スペックル画像と測定スペックル画像の相関値を求める。ここでは、検出器１６０の受光画素アレイの配列方向であるＸ方向、及びＹ方向にオフセットを与える。すなわち、測定スペックル画像には、Ｘ方向、及びＹ方向のオフセットが独立に与えられる。なお、オフセットを与える方向は、Ｘ方向、及びＹ方向に限られるものではない。相関処理部２０２は、オフセット毎に、相関値を算出する。なお、相関処理については、例えば、特許文献１〜３、あるいは、それらに引用された文献に記載されている方法を用いることができる。

画像変位算出部２０３は、相関処理の結果に基づいて、画像変位を算出する。画像変位とは基準スペックル画像に対する測定スペックル画像の位置ずれに相当する値である。例えば、相関値が最も高くなったオフセットの値が、画像変位となる。画像変位を、検出器１６０の受光画素に対応するピクセル変位としてもよい。例えば、受光面において、スペックル画像が移動したピクセル数を画像変位としてもよい。あるいは、ピクセル変位を画像変位として用いられるターゲット面３００上の変位に変換するため、既知の設計定数を用いるようにしてもよい。画像変位をターゲット面３００における実距離としてもよい。例えば、撮像倍率などを用いてピクセル変位を実変位に変換することができる。このようにして、画像変位を算出する。

相関処理部２０２、及び画像変位算出部２０３は、光線路Ａ〜Ｅで取得されたスペックル画像のそれぞれに対して同様の処理を行う。例えば、相関処理部２０２は、光線路Ａにおける基準スペックル画像ＤＳ_ＡＲと、測定スペックル画像ＤＳ_ＡＣに対して相関処理を行う。そして、画像変位算出部２０３は、この相関処理の結果に基づいて画像変位を算出する。このようにして、光線路Ａにおいて撮像した基準スペックル画像ＤＳ_ＡＲと、測定スペックル画像ＤＳ_ＡＣとの変位を求める。これにより、後述するように、領域ＴＡ近傍のターゲット面３００のＸ方向、及びＹ方向における移動量を求めることができる。ここでは、光線路Ａにおけるスペックル画像の画像変位を、（Ｘ_Ａ，Ｙ_Ａ）とする。ここで、画像変位（Ｘ_Ａ，Ｙ_Ａ）は、領域ＴＡの近傍のターゲット面３００の移動量に相当する。

同様に、相関処理部２０２は、光線路Ｂ，光線路Ｃ，光線路Ｄ，及び光線路Ｅにおける基準スペックル画像ＤＳ_ＢＲ、ＤＳ_ＣＲ、ＤＳ_ＤＲ、ＤＳ_ＥＲと、測定スペックル画像ＤＳ_ＢＣ、ＤＳ_ＣＣ、ＤＳ_ＤＣ、ＤＳ_ＥＣに対してそれぞれ相関処理を行う。そして、画像変位算出部２０３は、光線路Ｂ、光線路Ｃ，光線路Ｄ、及び光線路Ｅにおけるスペックル画像の画像変位（Ｘ_Ｂ，Ｙ_Ｂ）、（Ｘ_Ｃ，Ｙ_Ｃ）、（Ｘ_Ｄ，Ｙ_Ｄ）、（Ｘ_Ｅ，Ｙ_Ｅ）を算出する。なお、Ｘ_Ａ，Ｘ_Ｂ，Ｘ_Ｃ，Ｘ_Ｄ，Ｘ_ＥはＸ方向における画像変位であり、Ｙ_Ａ，Ｙ_Ｂ，Ｙ_Ｃ，Ｙ_Ｄ，Ｙ_ＥはＹ方向における画像変位である。

位置変位算出部２０４は、画像変位に基づいて、位置変位を算出する。この位置変位は、変位センサ１００に対するターゲット面３００の相対的な移動量になる。換言すると、位置変位は、ターゲット面３００を有する測定対象物が、変位センサ１００に対して、どれだけ相対移動したかを示す量となる。

例えば、図１及び図２に示す形態において、Ｘ方向における位置変位Ｘは、以下の式（１）に示すように、画像変位Ｘ_Ａ、Ｘ_Ｂ、Ｘ_Ｃ、Ｘ_Ｄを用いて求めることができる
Ｘ＝Ｋ_Ｘ×ＭＥＡＮ（Ｘ_Ａ,Ｘ_Ｂ,Ｘ_Ｃ,Ｘ_Ｄ） ・・・（１）

なお、関数ＭＥＡＮは、Ｘ方向変位についての平均値を表す関数であり、個々の画像変位のヨー方向の影響を排除している。Ｋ_ＸはＸ方向における画像変位と位置変位との間のスケール係数である。従って、Ｘ方向の位置変位Ｘは、各光線路における画像変位Ｘ_Ａ、Ｘ_Ｂ、Ｘ_Ｃ、Ｘ_Ｄの平均値に基づいて求めることができる。そして、Ｚ軸周りの回転位置変位θ_ｙａｗは以下の式（２）に示すように、既知の距離ｄ_ｙａｗと画像変位Ｘ_Ｃ、Ｘ_Ｄを用いて求めることができる。

θ_ｙａｗ＝ａｔａｎ（Ｋ_Ｘ×（Ｘ_Ｃ−Ｘ_Ｄ）／ｄ_ｙａｗ） ・・・（２）

ターゲット面３００がＺ軸周りに回転すると、図２に示す領域ＴＣと領域ＴＤはＸ方向に移動する。さらに、領域ＴＣと領域ＴＤは、それらの中点に対して反対方向に移動する。よって、回転位置変位θ_ｙａｗは、画像変位Ｘ_Ｃと画像変位Ｘ_Ｄの差に基づいて算出されている。小さい回転角については、式（２）で十分な精度を得るようにすることが好ましい。ある特定の用途及び／又は大きい回転角については、より高い精度を当たるために、簡素化する近似がより少ない数式を用いるようにしてもよい。

Ｙ方向の位置変位Ｙは、以下の（３）式に示すように、Ｙ方向の画像変位Ｙ_Ｃ、Ｙ_Ｄを用いて求めることができる。

Ｙ＝Ｋ_Ｙ×ＭＥＡＮ（Ｙ_Ｃ,Ｙ_Ｄ）−ΔＹ_ｙａｗ ・・・（３）

Ｋ_ＹはＹ方向における画像変位と位置変位との間のスケール係数である。なお、ΔＹ_ｙａｗは後述するようにＺ軸周りの回転位置変位θ_ｙａｗに起因するＹ方向に沿った画像変位を表している。例えば、図２に示したように、領域ＴＣ、及び領域ＴＤは、Ｙ軸からＸ方向の距離ｄ_{ｙａｗｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ}だけ離れている。従って、Ｚ軸周りの回転に伴って、領域ＴＣ、及び領域ＴＤは同じ方向に移動する。ターゲット面３００が全体としてＹ方向に平行移動していないとしても、領域ＴＣ、ＴＤがＺ軸周りの回転について同じ方向に回転する。従って、画像変位Ｙ_Ｃ、Ｙ_Ｄについて、ΔＹ_ｙａｗ分を補正して、Ｙ方向の位置変位Ｙを算出している。なお、ターゲット面３００において、光線路Ｃと光線路ＤをＸ軸に付いて対称に配置しているので、Ｙ変位に関する数式全体を簡素化することができる。式（３）のΔＹ_ｙａｗは、以下の式（４）によって求めることができる。

ΔＹ_ｙａｗ＝θ_ｙａｗｃｏｓ［ａｔａｎ（ｄ_ｙａｗ／２ｄ_{ｙａｗｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ}）］・（ｄ_{ｙａｗｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ} ^２＋ｄ_ｙａｗ ^２／４）^１／２ ・・・（４）

さらに、Ｚ方向の位置変位Ｚは以下の式（５）に示すように、画像変位Ｙ_Ａ、Ｙ_Ｂを用いて求めることができる。

Ｚ＝Ｋ_Ｚ×（Ｙ_Ａ−Ｙ_Ｂ）／（２ｔａｎθ_ＯＤＡ） ・・・（５）

Ｋ_Ｚは、Ｙ方向の画像変位とＺ方向の位置変位の間のスケール係数であり、一般的には、設計配置と倍率だけでなく、個々のユニットによって示される製造偏差に依存している。Ｋ_Ｚは、解析及び実験に基づく較正によって設定されていてもよい。式（５）は、以下のように理解される。傾斜した角度ＡｎｇＡと角度ＡｎｇＢ（例えば、角度θ_ＯＤＡ）によって、光線路Ａと光線路Ｂとの間隔は、ターゲット面３００から素子１１０に向かうにつれて、減少する。ターゲット面３００と変位センサ１００間の距離が変化すると、光線路Ａ、光線路Ｂとターゲット面３００との交点の位置、並びにターゲット面３００の近傍のスペックルフィールドが変化するため、光線路Ａ，Ｂに沿ったスペックルイメージがＹ方向に換算されるように思われる。例えば、ターゲット面３００と変位センサ１００間の距離が大きくなると、ＹＺ平面に平行な平面上でターゲット面３００の法線に対して傾斜している光線路Ａ、光線路Ｂが長くなる。従って、領域ＴＡと領域ＴＢの近傍のスペックルフィールドの撮像される部分間のＹ方向の間隔が大きくなる。これは、光線路Ａに沿った画像が＋Ｙ方向に、光線路Ｂに沿った画像が−Ｙ方向に移動してことを意味する。Ｚ方向の位置変位Ｚは、Ｙ_ＡとＹ_Ｂの差で表すことができる。例えば、Ｙ_ＡとＹ_Ｂの差が大きくなると、Ｚ方向の位置変位Ｚが大きくなる。微小変位に関して、光線路Ａに沿ったＺ方向の変位とＹ方向の変位の比の合理的な近似は、ｔａｎθ_ＯＤＡである。

図示された形態において、光線路Ａと光線路Ｂは同一平面上にあり、角度ＡｎｇＡと角度ＡｎｇＢは等しくなっている。ターゲット面３００から素子１１０の間において、光線路Ａと光線路Ｂは、Ｚ軸に対して対称に配置されている。このような対称構成とすることで、式（５）のような簡単な式で、Ｚ方向の位置変位Ｚを測定することができる。異なる方向の光線路Ａ、及び光線路Ｂにおいて撮像したスペックル画像から、Ｚ方向の位置変位Ｚを求めることができる。

Ｙ方向周りの回転位置変位θ_{ｐｉｔｃｈ}は、式（６）に示すように、画像変位Ｙ_Ａ、Ｙ_Ｅを用いて求めることができる。

θ_{ｐｉｔｃｈ}＝ａｔａｎ［(Ｋ_Ｚ×（Ｙ_Ｅ−Ｙ_Ａ）／ｔａｎθ_ＯＤＡ）／ｄ_{ｐｉｔｃｈ}］・・・（６）

光線路Ａと光線路Ｅは、互いに平行で、領域ＴＡと領域ＴＥのＹ座標は同じである。回転位置変位θ_{ｐｉｔｃｈ}によって、ターゲット面３００がＹ軸周りに回転する。この変位によって、領域ＴＡと領域ＴＥを生成するスペックルの位置は、Ｚ方向に変化する。さらに、撮像に用いられる傾斜角度ＡｎｇＡ，ＡｎｇＥ（例えば、角度θ_ＯＤＡ）によって、Ｚ変位は、領域ＴＥのＹ方向に沿って撮像された位置に反映される。これにより、ピッチ方向の回転位置変位θ_{ｐｉｔｃｈ}は式（６）で示されるように、Ｙ_ＡとＹ_Ｅの差及びＸ方向の距離間隔に基づいて示される。微小角度に対しては、式（６）は十分な精度であることが好ましい。ある特定の用途及び／又は大きい回転角については、より高い精度を得るために、簡素化する近似がより少ない数式を用いるようにしてもよい。

このように、Ｚ方向の位置変位Ｚを求めるために用いた画像変位Ｙ_Ａ、Ｙ_Ｂに対応する光線路Ａ、光線路Ｂと異なる光線路Ｅを用いる。すなわち、Ｚ方向の位置変位Ｚを求めるために用いられる２つの光線路Ａ，光線路Ｂに対して、さらに１つの光線路Ｅを追加する構成とする。そして、領域ＴＥと領域ＴＡとをＸ方向において異なる位置としている。このような構成とすることで、Ｙ方向周りの回転位置変位θ_{ｐｉｔｃｈ}を求めることができる。さらに、ターゲット面３００の近傍において、光線路Ａと光線路Ｅを平行にすることで、簡便な式でピッチ方向の回転位置変位θ_{ｐｉｔｃｈ}を求めることができる。

ロール方向の回転位置変位θ_ｒｏｌｌは以下の式（９）に示すように、Ｙ方向の位置変位Ｙと、画像変位Ｙ_Ａ、Ｙ_Ｂを用いて求めることができる。

θ_ｒｏｌｌ＝ａｔａｎ［（Ｋ_ＺＲ［Ｋ_ＲＯＬＬ×（Ｙ_Ａ＋Ｙ_Ｂ）−２Ｙ］／ｔａｎθ_ＯＤＡ）／（ｄ_ｒｏｌｌ―２Ｚｔａｎθ_ＯＤＡ）］ ・・・（７）

Ｋ_ＲＯＬＬは、Ｙ_ＡとＹ_Ｂの項が、傾斜した光線路から得られるとともに、式（３）に基づく２Ｙの項と異なる光学素子を通して得られたという事実に関する補正係数である。Ｋ_ＺＲはロールによる画像変位とロール方向の位置変位との間のスケール係数であり、一般的には、設計配置と倍率だけでなく、個々のユニットによって示される製造偏差に依存している。Ｋ_ＲＯＬＬとＫ_ＺＲは、実験に基づく解析及び較正によって設定されていてもよい。光線路Ａと光線路Ｂは反対方向に傾斜しており、領域ＴＡと領域ＴＢのＹ座標は同じである。光線路Ａと光線路Ｂの配置は、上記の通り単純な式でのロール方向に沿った回転位置変位θ_ｒｏｌｌの測定を可能とする。
回転位置変位θ_ｒｏｌｌによって、ターゲット面３００がＸ軸周りに回転する。この変位によって、領域ＴＡ、領域ＴＢを生成するスペックルの位置がＺ方向に変化する。さらに、撮像に使用される傾斜角度ＡｎｇＡと角度ＡｎｇＢ（例えば、角度θ_ＯＤＡ）によって、Ｚ変位は、Ｙ方向に沿って領域ＴＡ、領域ＴＢの撮像された部分に反映される。よって、ロール方向の回転位置変位θ_ｒｏｌｌは、式（７）に示されるように、Ｙ_ＡとＹ_Ｂの和及びＹ方向に沿ったそれらの距離間隔を用いて表すことができる。微小な回転角については、式（７）で十分な精度を得るようにすることが好ましい。ある特定の用途及び又は大きい回転角については、より高い精度を得るために、簡素化する近似がより少ない数式を用いるようにしてもよい。

上記のような構成によれば、６自由度（ＤＯＦ）の変位測定が可能となる。原理的には、光線路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｅの４つのみからの画像は、６自由度の変位を推定するために使用することができる。しかしながら、これは、計算時間を長くし、非最適な測定角度及び／又はミスアライメントによる精度劣化の影響をより受けるおそれがある。光線路Ｄを加えることで、これらの問題を克服することができるため、ある形態では利点があるかもしれない。使用する光線路を少なくすると、ある用途では少ない自由度の変位を決定し、法線方向の撮像の光線路を傾斜方向の撮像の光線路と組み合わせることで、ある形態では利点を持つかもしれない。素子１１０を用いて、０ではない角度（例えば角度ＡｎｇＡ、ＡｎｇＢ等）の光線路を生成している。素子１１０は、入射する光線路に応じて、所定の偏向角度となるよう、光を偏向している。こうすることで、簡便な構成で、Ｚ成分を含む方向の位置変位を算出することができる。なお、素子１１０の一例について、図４を用いて説明する。図４は素子１１０の一例を模式的に示す側面図である。

素子１１０は、ガラスや樹脂などの透明材質を有していてもよい。そして、光学偏向素子ＤｅｆＡ、ＤｅｆＢは光線路Ａ、光線路Ｂが入射する位置に配置されている。様々な形態では、光学偏向素子ＤｅｆＡと光学偏向素子ＤｅｆＢとが、くさび形状をしている。ある実施形態では、くさび形状の光入射面Ｌｉｐと光出射面Ｌｅｐは、組み合わせが対応する光の経路に対して所望の偏向角を与えるような量だけ、ＸＹ平面から反対方向に傾斜している（なお、図４では、光学偏向素子ＤｅｆＡの光入射面、光出射面をそれぞれＬｉｐＡ、ＬｅｐＡとし、光学偏向素子ＤｅｆＢの光入射面、光出射面をそれぞれＬｉｐＢ、ＬｅｐＢとしている。）。さらに、このくさびのくさび角の先端側が互いに向かい合うように、光学偏向素子ＤｅｆＡと光学偏向素子ＤｅｆＢとが対称配置されている。それぞれのくさび角の端部が他方のくさび角の端部と隣接する特定の配置は、様々な利点を有する。くさびの幅広の端部が他方の幅広の端部と隣接する構成と対照的に、くさび角の端部が他方のくさび角の端部と隣接する構成は、偏向された光線路が異なる光線路の偏向素子と交差するのを防ぐことができ、より小型な設計で、動作間隔を柔軟に設定することができる。図示された形態において、光学偏向素子ＤｅｆＥは、光学偏向素子ＤｅｆＡと同じ構成、配置とすればよいが、この構成は例示であり、特に限定されるものではない。素子１１０は、必要に応じて、プリズムと基板を組み合わせることで実現することができる。なお、法線と平行な光線路Ｃ，光線路Ｄが入射する箇所では、素子１１０は単に両面が平行な基板や開口を有していても良く、あるいは、光入射面と光出射面が平行な（例えば、ある形態ではＸＹ平面に平行な面）素子を追加することで形成されていてもよい。

素子１１０の構成は、図４に示すような構成に限られるものではない。素子１１０としては、入射位置に応じて偏向角度が異なるような光学素子を用いることができる。例えば、プリズム、回折格子、レンズ、ミラー等を基本要素である光学偏向素子として、素子１１０を形成することができる。さらには、異なるタイプの光学偏向素子を組み合わせて、素子１１０を形成することも可能である。このような素子１１０を配置することで装置構成を小型化することができる。

本実施形態では、全ての自由度において高精度の６自由度測定を行うことができる小型の測定ヘッドに内蔵されたテレセントリック光学系を介して、スペックルフィールドを撮像してもよい。様々な形態において、ターゲット面３００とテレセントリック光学系の間に、素子１１０が配置されている。

さらに、単一の検出器１６０で、光線路Ａ〜光線路Ｅでのスペックル画像を取得している。換言すると、光線路Ａ〜光線路Ｅが検出器１６０の異なる部分に入射する。これにより、検出器１６０として複数の分離した素子が不要となるため、装置を簡素化することができる。また、ターゲット面３００の近傍において、光線路Ｃ，光線路Ｄをターゲット面３００と垂直にしている。これにより、ＸＹ平面と平行な位置変位の測定の精度及び／又はロバスト性を向上することができる。

また、角度ＡｎｇＡ，ＡｎｇＢ、及びＡｎｇＥの少なくとも１つを１０度以上とすることが好ましく、全てを１０度以上とすることがより好ましい。さらに、角度ＡｎｇＡ，ＡｎｇＢ、及びＡｎｇＥの少なくとも１つを３０度以上、５５度以下とすることが好ましい。角度ＡｎｇＡ，ＡｎｇＢ、及びＡｎｇＥをこのような範囲にすることで、全ての自由度において、精度よく測定することができる。角度ＡｎｇＡ，ＡｎｇＢ、及びＡｎｇＥの全てを３０度以上、５５度以下とすることがより好ましい。このようにすることで、より測定精度を向上することができる。また、ある形態において、角度ＡｎｇＡ，ＡｎｇＢ、及びＡｎｇＥは異なる角度であってもよい。

本実施の形態では、撮像部２４０において、テレセントリック光学系の入射側に、素子１１０が配置されている。そして、この素子１１０が、それぞれの光線路又は撮像される領域からのイメージ光を例えば、光線路Ａ〜Ｅが平行になるような所望の角度に偏向する。これにより、実施の形態１において、イメージ光が共通の光学系によって伝搬する。すなわち、イメージ光が、単一のレンズ１４０とアパーチャ１５２を通過して、検出器１６０に入射する。これにより、光学系を小型化することができる。

また、テレセントリック光学系において、光線路Ａ〜光線路Ｅが共通のアパーチャ１５２を通過するようにしている。これにより、レンズ１４０を共通にすることができるため、部品点数を多くなるのを防ぐことができる。

実施の形態２．
実施の形態２にかかる変位センサについて、図５を用いて説明する。図５は、実施の形態２に係る変位センサ１００の構成を示す図である。実施の形態２に係る変位センサ１００は、以下に説明する照射部１３０の第２形態を含んでいる。別の方法として、本実施の形態２では、実施の形態１で示した変位センサ１００を簡略化して、並進方向の自由度である３自由度の測定を行うために、より少ない光線路を用いる構成としている。ヨー変位の自由度（４番目の自由度）は、以下に説明されるように、ある用途において決定されていてもよい。３自由度の測定を行うために、２つの光線路Ａ、Ｂ'のみを使用している。このため、素子１１０'が単一の光学偏向素子ＤｅｆＡを有している。また、検出器１６０は、検出部ＤＡ，検出部ＤＢ'を有している。照射部１３０'の第２形態は、素子１１０'とレンズ１４０の間に配置されたビームスプリッタ１３０Ｂ（例えば、半透過面）、及び光源１３０Ａ（例えば、レーザ）を備えている。ビームスプリッタ１３０Ｂは、照明光が素子１１０'を通してターゲット面に放射されるよう、光源１３０Ａからの照明光を受光し、偏向するために配置されている。照明光は素子１１０'を通過するので、これにより、動作間隔に関わらずターゲット面の所望の領域を照明するため、照明光は様々な光線路とほぼ平行に偏向されてもよい。照射部１３０'が、ここに開示される形態のいくつかの組み合わせで使用される配置となっていることが望ましい。あるスペックルイメージ光は、ビームスプリッタ１３０Ｂで失われるが、光線路に沿って伝播したイメージ光のかなりの部分は、所望のスペックルイメージを提供するため、ビームスプリッタ１３０Ｂを通過する。また、本実施形態にかかる変位センサ１００の基本的構成は、実施の形態１と同様であり、同様の符号及び／又は配置された素子は、同様に理解される。

本実施の形態では、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、ヨー方向の変位を測定することができる。具体的には、２つの光線路Ａ、Ｂ'に沿って、スペックル画像を撮像する。そして、スペックル画像を複数回に亘って撮像する。こうすることで、スペックル画像の画像変位（Ｘ_Ａ，Ｙ_Ａ）と（Ｘ_Ｂ'，Ｙ_Ｂ'）を求めることができる。

ターゲット面３００の法線に対して、光線路Ａは傾斜しており、光線路Ｂ'は、平行となっている。従って、光線路Ｂ'はＺ変位に対して応答しないため、ロール又はピッチ測定を決定することができない。ロール、ピッチ又はヨー変位が全くないと仮定する。便宜上、原点Ｏに領域ＴＢ'近傍の光線路Ｂ'の基準位置を取る。変位情報を決定する一例として、既述した式と同様に、式（８）、（９）、及び（１０）を用いることができる。
Ｘ＝Ｋ_Ｘ×Ｘ_Ｂ' 又は Ｘ＝Ｋ_Ｘ×ＭＥＡＮ（Ｘ_Ｂ',Ｘ_Ａ） ・・・（８）
Ｙ＝Ｋ_Ｙ×Ｙ_Ｂ' ・・・（９）
Ｚ≒Ｋ_Ｚ×（Ｙ_Ｂ'−Ｋ_ＮＩＹ_Ａ）/（ｔａｎθ_ＯＤＡ） ・・・（１０）

式（８）〜（９）において、Ｋ_Ｘ、Ｋ_Ｙ、Ｋ_Ｚは既述した式の同じ記号と同様に理解することもできる。Ｋ_ＮＩは、ＹＡの項が、傾斜した光線路から得られるとともに、真っ直ぐで法線方向の光線路から求められたＹ_Ｂ'の項と異なる光学素子を通して得られたという事実に関する補正係数である。種々の係数Ｋが、解析及び実験に基づく較正によって設定されていてもよい。
ヨー回転位置変位θ_ｙａｗは、Ｚ軸に関して許されているとすると、微小なヨー回転位置変位θ_ｙａｗに付いて式（１１）を用いることが可能である。
θ_ｙａｗ≒ａｓｉｎ（Ｋ_Ｘ×（Ｘ_Ｂ'−Ｘ_Ａ）／（ｄ_ｙａｗ−Ｚｔａｎθ_ＯＤＡ） ・・・（１１）
Ｚ軸測定の高い感度を提供するため、素子１１０を用いることで、２つの光線路Ａ、Ｂ'のうち少なくとも１つが法線方向から傾いた方向に向かっている。図５では、ターゲット面３００近傍において、光線路Ｂ'が法線方向と平行になっているが、必要に応じて光線路Ｂ'を偏向して、光線路Ｂ'を光線路Ａのそれと異なる撮像方向に向かわせてもよい。光線路Ａ及びＢ'の両方が偏向された場合、ＸＹ面に沿った変位の決定に、より複雑な式が要求される。そのような式はこの開示の技術に基づいて、当業者によって決定されてもよい。２つの光線路Ａ、及び光線路Ｂ'においてスペックル画像を複数回に亘って撮像する。こうすることで、上記のように、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向及びヨー方向（必要に応じて）の変位を測定することができる。

次に、光線路の数に対して、測定可能な方向の数、すなわち、測定可能な次元数（自由度）について説明する。図５に示す構成では、４自由度の変位測定をすることができる。さらに、図５に示す構成に対して、１つの光線路を追加することで、５自由度の変位測定が可能になる。例えば、実施の形態１で示した光線路Ｅを追加して、式（６）を用いることで、ピッチ方向の回転位置変位を測定することができる。また、実施の形態１で示した複数の光線路を追加することで、６自由度の位置変位測定を行うことができる。しかしながら、その形態は、計算式の単純化及び／又は測定ロバストネスの増加のため、余分の光線路を含む。より一般的には、平面は３点で定義される。従って、いくつかの計算の複雑性を増せば、回転原点が設計によって定義あるいは知られている場合、撮像部２４０が３つ以上の光線路を有しており、その３の光線路がターゲット面近傍において、互いに傾斜し、かつ法線方向に対して適切に傾斜した方向となることで、６自由度の変位測定を行うことができる。加えて、法線方向から傾斜した２つの光線路が、ターゲット面３００上においてＸ方向とＹ方向に異なる位置になるようにする。こうすることで、６自由度の変位測定が可能になる。すなわち、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、ヨー方向の位置変位に加えて、ロール方向、又はピッチ方向の変位測定を行うことができるようになる。

実施の形態３．
本実施形態に係る変位センサ４００について、図６を用いて説明する。本実施の形態では、実施の形態１の構成に対して、テレセントリック光学系の構成が異なっている。なお、変位センサ４００の基本的構成については、実施の形態１と同様であるため説明を適宜省略する。以下、撮像部４４０の構成を中心に説明する。

本実施の形態では、別個のレンズ１４０Ａ〜１４０Ｅが光線路Ａ〜光線路Ｅに対して設けられている。従って、素子１１０の後側には、光線路Ａ〜光線路Ｅに対応する５つのレンズが配置される。説明の簡略化のため、光線路Ｂに対応するレンズをレンズ１４０Ｂとし、他の光線路についても同様にする（但し、符号については図示を一部省略する）。レンズ１４０Ｂは光線路Ｂのみに影響する。同様に、光線路Ａに対応するレンズはレンズ１４０Ａであり、光線路Ａにのみ影響し、その他についても同様とする。例えば、レンズ１４０Ａ〜レンズ１４０Ｅは実質的に同じ特性の集光レンズとしてもよく、同一のＸＹ面上に配置される。ある実施形態において、実施の形態１でレンズ１４０が配置されていたＸＹ面には、５つのレンズ１４０Ａ〜レンズ１４０Ｅからなるレンズアレイ（モジュール化されたレンズアレイ）が配置される。レンズ１４０Ａ〜レンズ１４０Ｅの光軸はＺ方向と平行になっている。

レンズ１４０Ｂは、光学偏向素子ＤｅｆＢの真上に配置されている。すなわちレンズ１４０Ｂの光軸は、光学偏向素子ＤｅｆＢを通過する。同様に、レンズ１４０Ａ、レンズ１４０Ｃ、レンズ１４０Ｄ、レンズ１４０Ｅは、それぞれ光学偏向素子ＤｅｆＡ、光学偏向素子ＤｅｆＣ、光学偏向素子ＤｅｆＤ、光学偏向素子ＤｅｆＥの真上に配置されている。

さらに、アパーチャ板１５０には、開口部が光線路Ａ〜光線路Ｅに対して別個に設けられている。従って、アパーチャ板１５０には、５つの開口部が設けられている。説明の簡略化のため、光線路Ｂに対応する開口部をアパーチャ１５２Ｂとし、その他の光線路についても同様とする（但し、符号については図示を一部省略する）。アパーチャ１５２Ｂは、レンズ１４０Ｂの光軸上に配置されており、その他の光線路に付いても同様である。

光線路Ｂは、光学偏向素子ＤｅｆＢによってＺ方向と平行になり、レンズ１４０Ｂに入射する。光線路Ｂを主光線とする光束はレンズ１４０Ｂで集光され、アパーチャ１５２Ｂを通過する。ここで、レンズ１４０Ｂとアパーチャ板１５０の距離は、レンズ１４０Ｂの焦点距離とほぼ一致している。よって、レンズ１４０Ｂとアパーチャ板１５０のアパーチャ１５２Ｂはテレセントリック光学系４５０Ｂを構成しており、他の光線路Ａ、Ｃ−Ｅに付いても同様である。光線路Ｂはテレセントリック光学系４５０Ｂを通過して、検出部ＤＢに入射し、他の光線路Ａ、Ｃ−Ｅについても同様になっている。従って、撮像部４４０は、５つのテレセントリック光学系を有している。換言すると、それぞれの光線路毎に、テレセントリック光学系が独立して設けられている。このようにすることで、光線路の調整をより厳密に行うことができる。

実施の形態４．
本実施形態に係る変位センサ５００について、図７を用いて説明する。本実施の形態では、アパーチャの形状とその効果という点のみにおいて、テレセントリック光学系の構成が実施の形態３で示した構成と異なっている。なお、変位センサ５００の基本的構成については、実施の形態３と同様であるため、共通の説明を適宜省略する。以下、撮像部５４０の構成を中心に説明する。

本実施の形態では、アパーチャ板１５０に設けられた開口部の形状がスリット形状になっている。すなわち、実施の形態１〜３では、開口部が円形状であったのに対して、本実施の形態４では直線状又は細長い形状になっている。なお、本実施の形態でも、実施の形態３と同様に、開口部が光線路毎に設けられている。ここで、光線路Ｂに対応する開口部をスリットアパーチャ５５２Ｂとし、光線路Ａ、Ｃ〜Ｅに付いても同様とする(但し、符号については図示を一部省略する)。同様に、光線路Ａ〜Ｃ、Ｅに対応する開口部もスリットアパーチャとなっている。

さらに、アパーチャ板１５０と素子１１０の間において、それぞれの光線路に設けられたレンズが、シリンドリカルレンズであってもよく、それぞれが対応するスリットアパーチャに平行な円柱軸を有している。例えば、光学偏向素子ＤｅｆＢを通過した光線路Ｂは、シリンドリカルレンズであるレンズ１４０Ｂに入射する。そして、光線路Ｂに沿って伝搬する光ビーム１４２がレンズ１４０Ｂで屈折されて、アパーチャ板１５０に入射する。アパーチャ板１５０のスリットアパーチャ５５２Ｂを通過した光ビーム１４２が、検出部ＤＢに入射する光１５４であり、その他の光線路Ａ、Ｃ〜Ｅについても同様とする。アパーチャ板１５０のスリットアパーチャ５５２Ｂの外側に入射した光は、遮光される。

シリンドリカルレンズは、Ｘ方向とＹ方向のうち、一方の方向のみに光をわずかに屈折する。このため、アパーチャ板１５０上において、光線路Ｂに沿って伝搬する光は、一方向において、画像（例えば、画像中のスペックル）の線状拡がりを有する。スリットアパーチャは、線状拡がりと平行になっている。これにより、線状拡がりを持つ光を効率よく通過させることができる。

さらに、本実施の形態では、検出部ＤＡ〜ＤＥのそれぞれが１次元のラインセンサとなっていてもよい。すなわち、検出部ＤＡ〜ＤＥは検出しようとする画像の動きの軸に沿って配列され、各画素がその軸（例えば、スリットアパーチャの長手方向に平行な方向）を横切る方向に細長い複数の画素を有している。この１列の画素は、スリット開口部の長手方向と平行に配置される。そして、一次元画像に基づいて、相関処理を行う。一次元画像による相関処理については、例えば、米国特許明細書６２５６０１６号、又は米国特許６６４２５０６号明細書に開示されている手法を用いることができる。例えば、米国特許第６６４２５０６号明細書のコラム１８の式（２）において、Ｍ＝１とすることで、１次元の画像相関値を求めることができる。そして、実施の形態１で示したように、処理部２００が６自由度の変位を算出する。
本実施の形態４では、シリンドリカルレンズと、スリット開口部を用いて、１次元のスペックル画像を取得している。１次元のスペックル画像に基づいて、相関処理を行うことで、計算時間を短縮することができる。

その他の実施の形態．
上記の実施形態では、測定する変位の方向を、３次元直交座標系に基づいて決定したが、測定する変位の方向は、上記に限られるものではない。すなわち、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、ヨー方向、ピッチ方向、ロール方向以外の方向の変位を測定するようにしてもよい。例えば、厳密にＺ方向における変位を測定するのではなく、Ｚ成分を含む方向における変位を測定するようにしてもよい。Ｚ成分を含む方向における変位も、異なる角度を有する２つの光線路によって、測定することができる。また、上記の説明において、変位とは、測定対象と測定ヘッドの相対移動に基づくものに限らず、測定対象の変形によるものも含む。

処理部２００における任意の処理を、ハードウェアによって実現することも可能であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）にコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（random access memory））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

上記の実施形態で示した変位センサは、種々のアプリケーションに利用することができる。以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、実施の形態１〜４を適宜組み合わせてもよい。

この出願は、２０００年６月１日に出願された米国特許第６６４２５０６号明細書、２００４年７月１３日に出願された米国特許第７２９５３２４号明細書、２００４年５月１２日に出願された米国特許第７５１５２８０号明細書の開示の全てをここに取り込む。

１００ 変位センサ
１１０ 素子
１３０ 照射部
１３２ 信号線
１３４ 照明光
１３８ 照明スポット
１４０ レンズ
１４２ 光
１４４ 偏向素子
１５０ アパーチャ板
１５２ アパーチャ
１５４ 光
１６０ 検出器
１６４ 信号線
２００ 処理部
２４０ 撮像部
２５０ 光学系
３００ ターゲット面
４００ 変位センサ
４４０ 撮像部
４５０Ｂ テレセントリック光学系
５００ 画像相関変位センサ
５４０ 撮像部
５５０Ｂ テレセントリック光学系

Claims (21)

1. ターゲット面に対する相対的な位置変位を測定する画像相関変位センサであって、
   スペックルフィールドを生成するために前記ターゲット面に対して照射光を出射する照射部と、
   前記ターゲット面で生成した前記スペックルフィールドを複数回に亘って撮像するために用いられ、前記ターゲット面近傍において前記ターゲット面の法線方向から傾斜した第１の光線路と、前記ターゲット面で生成した前記スペックルフィールドを複数回に亘って撮像するために用いられ、前記ターゲット面近傍において前記第１の光線路から傾斜した第２の光線路と、前記第１及び第２の光線路の少なくとも一方を偏向する素子と、を有する撮像部と、
   前記第１の光線路において撮像することにより得られた複数画像と前記第２の光線路において撮像することにより得られた複数画像とに基づいて、前記ターゲット面の法線成分を含む方向の変位を測定する処理部とを備えた画像相関変位センサ。
2. 前記処理部は、ターゲット面の法線方向の変位を計算することを特徴とする請求項１記載の画像相関変位センサ。
3. 前記撮像部は、さらに、前記スペックルフィールドの前記第１の光線路において撮像した部分とは異なる部分を複数回に亘って撮像するために用いられ、前記ターゲット面の近傍において前記ターゲット面の法線方向から傾斜した第３の光線路を有し、
   前記処理部は、前記第１の光線路において撮像することにより得られた複数画像と、前記第２の光線路において撮像することにより得られた複数画像と、前記第３の光線路において撮像することにより得られた複数画像に基づいて、前記ターゲット面と平行な軸回りの回転変位を計算することを特徴とする請求項１、又は２に記載の画像相関変位センサ。
4. 前記第１の光線路と前記ターゲット面の法線との間の第１の角度が前記第３の光線路と前記ターゲット面の法線との間の第３の角度と等しくなっている請求項３に記載の画像相関変位センサ。
5. 前記撮像部は、さらに、前記スペックルフィールドの前記第１の光線路において撮像した部分とは異なり、かつ前記第３の光線路において撮像した部分とは異なる部分を複数回に亘って撮像するために用いられ、前記ターゲット面の近傍において前記ターゲット面の法線から傾斜した第４の光線路を有し、
   前記処理部は、前記第１の光線路において撮像することにより得られた複数画像と、前記第２の光線路において撮像することにより得られた複数画像と、前記第３の光線路において撮像することにより得られた複数画像と、前記第４の光線路において撮像することにより得られた複数画像に基づいて、前記ターゲット面と水平なロール軸回りの回転変位と、前記ターゲット面と水平なピッチ軸回りの回転変位を計算することを特徴とする請求項３、又は４に記載の画像相関変位センサ。
6. 前記第１及び第２の光線路がテレセントリック光学系を備え、
   前記素子が前記ターゲット面と前記テレセントリック光学系の入射側との間に配置されている請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の画像相関変位センサ。
7. 前記テレセントリック光学系において、前記第１及び第２の光線路が実質的に平行である請求項６に記載の画像相関変位センサ。
8. 前記テレセントリック光学系がレンズとアパーチャと、を備え、
   前記第１及び前記第２の光線路が前記レンズの異なる部分と、前記アパーチャの開口部を通過する請求項６に記載の画像相関変位センサ。
9. 前記撮像部が、第１のレンズ、第２のレンズ、及びアパーチャ、を備え、
   前記第１の光線路が前記第１のレンズ、及び前記アパーチャの第１の開口部を通過し、
   前記第２の光線路が前記第２のレンズ、及び前記アパーチャの第２の開口部を通過する請求項６、又は７に記載の画像相関変位センサ。
10. 前記第１及び第２のレンズのそれぞれがシリンドリカルレンズである請求項９に記載の画像相関変位センサ。
11. 前記第１及び第２の開口部のそれぞれがスリット開口部である請求項９、又は１０に記載の画像相関変位センサ。
12. 前記撮像部が１次元ディテクタを用いて前記スペックルフィールドを撮像する請求項９、１０、又は１１に記載の画像相関変位センサ。
13. 前記撮像部が画素アレイを有する単一ディテクタを備え、
    前記第１及び前記第２の光線路が前記単一ディテクタの異なる部分に入射する請求項６〜請求項９のいずれか１項に記載の画像相関変位センサ。
14. 前記ターゲット面近傍において、前記第２の光線路が前記ターゲット面に対して実質的に垂直である請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の画像相関変位センサ。
15. 前記第１及び前記第２の光線路が実質的に第１の平面中に配置されている請求項１〜請求項１４のいずれか１項に記載の画像相関変位センサ。
16. 前記第１の平面が実質的に前記ターゲット面に垂直である請求項１５に記載の画像相関変位センサ。
17. 前記第１の光線路が前記素子の第１の光学偏向素子を通過し、
    前記第２の光線路が前記素子の第２の光学偏向素子を通過する請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の画像相関変位センサ。
18. 前記ターゲット面近傍における前記第１の光線路と前記ターゲット面の法線との間の第１の角度が、前記ターゲット面近傍における前記第２の光線路と前記ターゲット面の法線との間の第２の角度と、実質的に等しくなっている請求項１７に記載の画像相関変位センサ。
19. 前記第１及び第２の光線路が前記ターゲット面に向かって集束している請求項１７、又は１８に記載の画像相関変位センサ。
20. 前記第１及び第２の光線路が前記ターゲット面に向かって発散している請求項１７、又は１８に記載の画像相関変位センサ。
21. 前記撮像部が前記第１及び第２の光線路が通過するレンズを少なくとも１つ備え、
    前記素子が前記ターゲット面と前記レンズの入射側との間に配置され、
    前記照射部が光源とビームスプリッタとを備え、
    前記ビームスプリッタが前記素子と前記レンズの入射側の間に配置され、
    前記照明光が前記素子を介して前記ターゲット面に入射するように、前記ビームスプリッタが前記光源からの照明光を受光して、偏向する請求項１〜請求項２０のいずれか１項に記載の画像相関変位センサ。

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