JP3265476B2 - リアルタイム形状変形計測方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工業生産物、構造
物、人体等の試料の形状変形をリアルタイムで計測する
形状変形計測方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】テレビカメラおよびプロジェクタ（格子
投影装置）を用いる形状計測装置や、干渉縞を利用した
微小変形計測装置等の従来の形状変形計測装置として、
位相シフト法により格子画像や干渉縞画像（以下、縞画
像と言う）を位相を変化させながら１台のテレビカメラ
で順次撮影し、これら位相を変化させた複数枚の縞画像
に基づいて格子縞の位相分布を求めるようにしたものが
知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術では、テレビカメラで１フレームの縞画像を撮
影する毎に、位相シフトによる縞の動きを停止させるよ
うにしているため、計測に長時間を要することになる。
このため、振動している試料や動いている試料のよう
に、変形量が時間的に変化する場合には、リアルタイム
で変形分布の変化を観察できないという問題がある。

【０００４】このような問題を解決するため、本発明者
らは、特許第２９０３１１１号公報において、被測定試
料に位相シフトしながら格子を投影して、それぞれの位
相シフト量における複数の格子画像を撮影する第１の工
程と、前記複数の格子画像に基づいて、各画素について
輝度が最大となる位相シフト量を抽出する第２の工程
と、任意の時間経過後に、前記被測定試料に位相シフト
しながら前記格子を投影して、それぞれの位相シフト量
における格子画像を順次撮影し、その順次の撮影におい
て、当該位相シフト量と前記第２の工程で抽出された位
相シフト量とが同じ画素の輝度データを抽出する第３の
工程と、この第３の工程で抽出される輝度データに基づ
いて前記被測定試料の変形量を表す等変位線画像を得る
ようにした形状変形計測方法を提案している。

【０００５】かかる形状変形計測方法によれば、位相シ
フト毎に輝度データが更新されるので、リアルタイムで
等変位線が変化する等変位線画像を表示することができ
る。したがって、試料の形状が時間的に変化する場合で
も、その形状変化をリアルタイムで計測することができ
る。

【０００６】ところが、かかる形状変形計測方法では、
形状変化をリアルタイムで計測できても、形状変化を表
す等変位線から形状や変形量の数値的情報に換算できな
いため、形状や変形量を客観的に把握しにくいという改
良すべき点があった。

【０００７】また、従来提案されている形状変形計測装
置においては、試料の背景などのようにテレビカメラで
撮影した場合の格子または干渉縞のコントラストが小さ
くて計測不可能領域であっても、位相分布としては計算
上何らかの値（一般には、ランダムパターンの値）が得
られてしまうため、計測可能領域と計測不可能領域との
区別がつかないという問題もあった。

【０００８】したがって、かかる点に鑑みてなされた本
発明の目的は、試料の形状や変形量の数値的情報をリア
ルタイムで得ることが可能で、かつ計測可能領域と計測
不可能領域とを区別できる試料の位相分布画像をリアル
タイムで得ることができるリアルタイム形状変形計測方
法を提供しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する請求
項１に係るリアルタイム形状変形計測方法の発明は、試
料に投影する格子パターンまたは試料の変形を表す干渉
縞の位相を連続的にシフトしながら、１周期の位相シフ
ト毎に４つの格子画像または干渉縞画像を順次取得して
それぞれ対応する第１〜第４フレームメモリに更新しな
がら格納し、これら第１〜第４フレームメモリに格納さ
れた各画像の対応する画素の輝度差に基づいて、予め演
算して求めた位相値に対応する輝度値を格納する位相算
出マップから対応する位相値の輝度値を画素毎に読み出
して、前記試料の位相分布画像をリアルタイムで得るこ
とを特徴とするものである。

【００１０】請求項１に係る発明によると、試料に投影
する格子パターンまたは試料の変形を表す干渉縞の位相
を連続的にシフトしながら、リアルタイムで試料の位相
分布画像が得られるので、その位相分布画像から試料の
形状や変形量の数値的情報をリアルタイムで得ることが
可能になると共に、計測可能領域と計測不可能領域とを
区別することが可能になる。

【００１１】請求項２に係る発明は、請求項１に記載の
リアルタイム形状変形計測方法において、前記試料の位
相分布画像の取得と同様にして、前記試料に対して基準
となる基準位相分布画像を予め取得して第５フレームメ
モリに格納し、その基準位相分布画像と前記試料の位相
分布画像との差を演算して、位相差分布画像をリアルタ
イムで得ることを特徴とするものである。

【００１２】請求項２に係る発明によると、試料の位相
差分布画像がリアルタイムで得られるので、その位相差
分布画像から試料の形状や変形量を客観的に容易に把握
することが可能になる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は、本発明に係るリアルタイ
ム形状変形計測方法を実施する装置の原理的構成を示す
ブロック図である。このリアルタイム形状変形計測装置
は、縞画像撮影装置１、リアルタイム位相解析回路２お
よびモニター３を有している。縞画像撮影装置１は、格
子投影装置を有する形状計測装置、あるいは干渉縞を利
用した微小変形計測装置を用いて構成し、ＣＣＤカメラ
等のテレビカメラ４から一定時間の光量を時間積分して
輝度値とする縞画像を出力させ、その縞画像をリアルタ
イム位相解析回路２で位相値の分布を表す位相分布画
像、あるいは試料の高さ分布や変形量分布を表す位相差
分布画像に変換してモニター３にリアルタイムで表示さ
せる。

【００１４】図２（ａ）および（ｂ）は、格子投影装置
を有する形状計測装置による縞画像撮影装置１の構成例
を示す平面図および側面図である。格子投影装置５に
は、格子スライド６の位置をフィルム面内方向に移動さ
せる格子スライド移動機構７を設け、これにより格子ス
ライド６をテレビカメラ４が４フレーム撮影する時間
で、格子１ピッチ分の距離を連続的に移動させる。テレ
ビカメラ４は、位置調整用のリニアガイド８上に取り付
ける。また、テレビカメラ４または格子投影装置５には
あおり機構を設け、リニアガイド８によってテレビカメ
ラ４の位置を調整して、格子投影装置５とテレビカメラ
４のレンズ中心位置とが光軸方向に対して同一位置にな
るようにする。図示の場合には、ｚ軸座標が同じ位置に
なるように格子投影装置５とテレビカメラ４のレンズ中
心位置とを調整する。

【００１５】このようにして、テレビカメラ４により、
１フレーム（１／３０sec）毎に１／４ピッチ分だけ移
動（位相シフト）されて試料９に投影された格子画像を
撮影する。したがって、テレビカメラ４の各画素に入射
する光量は、シャッタが開いている間に位相シフトによ
って変化し、その時間積分がその画素の輝度となるの
で、テレビカメラ４からは、後述の積分型位相シフト法
による画像が得られることになる。

【００１６】図３は、干渉縞を利用した微小変形計測装
置による縞画像撮影装置１の構成例を示す平面図であ
る。この例では、ヘリウムネオンレーザ１１からのレー
ザ光をビームエキスパンダ１２を経てコリメータレンズ
１３で平行光に変換し、その平行光をハーフプリズム１
４で２分して、その一方を鏡面物体からなる試料１５
に、他方を参照ミラー１６に照射する。試料１５および
参照ミラー１６での反射光は、再びハーフプリズム１４
で合成してスクリーン１７上に投影し、これにより干渉
現象によって試料１５および参照ミラー１６の形状の差
に対応する干渉縞をスクリーン１７上に形成させて、そ
の干渉縞をテレビカメラ４で撮影する。ここで、スクリ
ーン１７上に形成される干渉縞は、試料１５および参照
ミラー１６の形状の差（面外方向の光路差）がレーザ光
の波長の半分になる毎に1本現れるので、干渉縞の位相
値を解析すれば形状の差を知ることができる。また、変
形前後の形状の差の差から、試料１５の変形量を知るこ
とができる。

【００１７】ハーフプリズム１４は、ピエゾステージ１
８上に取り付け、このピエゾステージ１８を三角波発生
回路１９からの三角波信号に基づいてピエゾステージド
ライバ２０により駆動して、ハーフプリズム１４を参照
ミラー１６の方向に微小に連続的に移動させ、これによ
り試料１５および参照ミラー１６の方向に２分される平
行光の光路長を変化させて、スクリーン１７上に形成さ
れる干渉縞の位相を変化させる。ここで、三角波発生回
路１９からの三角波信号は、スクリーン１７上に形成さ
れる干渉縞の位相の変化がテレビカメラ４の４フレーム
で１周期分変化するように設定する。

【００１８】このようにして、テレビカメラ４により、
１フレーム（１／３０sec）毎に１／４周期だけ位相シ
フトされてスクリーン１７上に形成される干渉縞画像を
撮影する。したがって、この場合も、テレビカメラ４の
各画素に入射する光量は、シャッタが開いている間に位
相シフトによって変化し、その時間積分がその画素の輝
度となるので、テレビカメラ４からは、積分型位相シフ
ト法による画像が得られることになる。

【００１９】図４は、図１に示したリアルタイム位相解
析回路２の一例の構成を示すブロック図である。縞画像
撮影装置１のテレビカメラ４から得られる４フレームで
１周期分の位相シフトが行われた縞画像の画像信号は、
タイミングコントローラ２１の制御のもとに、Ａ／Ｄコ
ンバータ２２でデジタル信号に変換して切り替え器２３
を介してフレームメモリ２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４
Ｄに順番に分けて格納する。ここでは、説明の便宜上、
フレームメモリ２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄに順次
格納される画像データをＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの符号で示す。

【００２０】フレームメモリ２４Ａおよび２４Ｃに格納
された画像データＡおよびＣは、減算回路２５Ｘに供給
して対応する画素のコントラストを表す輝度差（Ａ−
Ｃ）を演算し、フレームメモリ２４Ｂおよび２４Ｄに格
納された画像データＢおよびＤは、減算回路２５Ｙに供
給して同様に対応する画素のコントラストを表す輝度差
（Ｄ−Ｂ）を演算する。これら減算回路２５Ｘおよび２
５Ｙの出力は、位相算出テーブル２６に供給する。

【００２１】位相算出テーブル２６には、減算回路２５
Ｘおよび２５Ｙの出力に対応して予め算出した位相値φ
に基づく輝度値を格納しておき、この位相算出テーブル
２６から減算回路２５Ｘの出力をＸ座標値、減算回路２
５Ｙの出力をＹ座標値として対応する画素の輝度値を読
み出して、フレームメモリ２４Ａに格納された縞画像の
位相値の分布を表す位相分布画像を得る。以上の処理を
１フレーム以内の時間で行う。実際には、テレビカメラ
４から得られる画像は、１フレーム毎にフレームメモリ
２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄの順に格納されるの
で、例えばフレームメモリ２４Ｂに新たな１フレームの
画像が格納されたときには、残りのフレームメモリ２４
Ａ，２４Ｃ，２４Ｄには以前の画像が格納されたままに
なっているが、フレームメモリ２４Ａ，２４Ｂ，２４
Ｃ，２４Ｄに格納される画像は、１フレーム毎にそのど
れかが更新されるので、位相算出テーブル２６から出力
される輝度値、すなわち位相値φも１フレーム毎に更新
され、結果としてリアルタイムで位相分布画像を得るこ
とができる。

【００２２】また、位相算出テーブル２６から得られる
位相分布画像（例えば、試料変形前の基準位相分布画
像）は、タイミングコントローラ２１の制御のもとにス
イッチ２７を選択的にオンすることでフレームメモリ２
８に格納し、このフレームメモリ２８に格納された基準
位相分布画像と、その後、スイッチ２７をオフした現在
の位相分布画像とを位相差分布計算回路２９に供給し
て、フレームメモリ２８に格納された基準位相分布画像
の位相値φ０と現在の位相分布画像の位相値φとの差を
対応する画素毎に求めて、試料の高さ分布や変形量分布
を表す位相差分布画像を得、その位相差分布画像をフレ
ームメモリ３０に格納する。ここで、位相算出テーブル
２６から出力される位相分布画像は、１フレーム毎に更
新されるので、位相差分布計算回路２９から得られる位
相差分布画像も１フレーム毎に更新され、結果としてリ
アルタイムで位相差分布画像を得ることができる。

【００２３】このようにしてリアルタイム位相解析回路
２からリアルタイムで得られる位相分布画像および位相
差分布画像を、モニター３に適宜表示する。

【００２４】以下、上記の縞画像撮影装置１からの縞画
像から位相分布画像を得る積分型位相シフト法の原理を
説明する。縞画像撮影装置１のテレビカメラ４で撮影さ
れる画像上のある画素における格子の輝度をI、１フレ
ームの撮影に要する時間をTとすると、１〜４フレーム
目までにその画素に蓄えれる光量は、１〜４フレームに
応じて格子の輝度分布を領域Ａ〜Ｄに分けた場合の輝度
の時間積分となり、テレビカメラ４からはその積分値が
その画素の輝度となる画像が得られる。

【００２５】図５（ａ）〜（ｅ）に示すように、格子の
輝度分布がコサイン波状の場合、時間ｔ＝０での位相を
φとすると、輝度が最大になる点の縦軸からのずれが位
相値となる。例えば図５（ａ）に示すように、ｔ＝０で
コサイン波が最大輝度になる時は位相φは０である。位
相がφの場合の時間に対する輝度I(t,φ）は次のように
表すことができる。

【００２６】

【数１】 ここで、I₀およびI₁は、それぞれコサイン波格子の最小
輝度および最大輝度を表す。

【００２７】また、領域Ａ〜Ｄの面積は、次のようにな
る。

【数２】 ここで、ＸおよびＹを、Ａ〜Ｄを用いてそれぞれ、 Ｘ＝Ａ−Ｃ Ｙ＝Ｄ−Ｂ と定義すると、ＸおよびＹは、それぞれ以下のようにな
る。

【数３】

【００２８】したがって、Ｘを横軸、Ｙを縦軸としたと
きの偏角をθとすると、位相φはθを用いて、

【数４】 と表すことができるので、この計算を行うことによっ
て、領域Ａ〜Ｄの面積、すなわち１〜４フレームでの輝
度値から位相φを得ることができる。

【００２９】また、図６（ａ）〜（ｅ）に示すように、
格子の輝度分布が矩形波の場合には、矩形波を表す関数
Ｒを次のように定義すると、

【数５】

【００３０】位相がφの場合の時間に対する輝度I(t,
φ)は、次のようになる。

【数６】 ここで、I₀およびI₁は、それぞれ矩形波格子の最小輝度
および最大輝度を表す。

【００３１】（１）０≦φ＜π／２の場合 領域Ａ〜Ｄの面積は、次のようになる。

【数７】 ここで、ＸおよびＹを、Ａ〜Ｄを用いてそれぞれ、 Ｘ＝Ａ−Ｃ Ｙ＝Ｄ−Ｂ と定義すると、ＸおよびＹは、それぞれ以下のようにな
る。

【数８】

【００３２】したがって、Ｘを横軸、Ｙを縦軸としたと
きの偏角をθとすると、位相φはθを用いて、次のよう
に表すことができる。

【数９】

【００３３】（２）π／２≦φ＜πの場合 （１）の場合と同様に、Ｘ，Ｙおよび位相φを求める
と、次のようになる。

【数１０】

【００３４】（３）π≦φ＜３π／２の場合 （１）の場合と同様に、Ｘ，Ｙおよび位相φを求める
と、次のようになる。

【数１１】

【００３５】（４）３π／２≦φ＜２πの場合 （１）の場合と同様に、Ｘ，Ｙおよび位相φを求める
と、次のようになる。

【数１２】

【００３６】以上のことから、矩形格子の場合も、領域
Ａ〜Ｄの面積、すなわち１〜４フレームでの輝度値から
位相φを得ることができる。

【００３７】次に、上記のコサイン波格子画像を撮影す
る場合と矩形波格子画像を撮影する場合とのそれぞれに
ついて、図４に示したリアルタイム位相解析回路２にお
ける位相算出テーブル２６の作成手順を説明する。な
お、いずれの場合も、画像の解像度は８ビット（２５６
段階）とし、変数は以下のように定義する。 Ｘ；フレームメモリ２４Ａ，２４Ｃに格納されている画
像データの輝度値の差（Ｘ＝Ａ−Ｃ）で、−２５５〜＋
２５５の整数値 Ｙ；フレームメモリ２４Ｄ，２４Ｂに格納されている画
像データの輝度値の差（Ｙ＝Ｄ−Ｂ）で、−２５５〜＋
２５５の整数値 Ｔｃ（Ｘ，Ｙ）；コサイン波格子画像の場合のＸおよび
Ｙの値に対する位相算出 テーブル２６の各要素の値で、位相算出テーブル２６を
参照することによって得られる０〜２５５の整数値の輝
度値 Ｔｒ（Ｘ，Ｙ）；矩形格子画像の場合のＸおよびＹの値
に対する位相算出テーブル２６の各要素の値で、位相算
出テーブル２６を参照することによって得られる０〜２
５５の整数値の輝度値 φ；位相値 θ；偏角

【００３８】（１）コサイン波格子画像の場合 先ず、ＸおよびＹの値に対するφの値を求める。コサイ
ン波格子の場合、図７にＸおよびＹの値に対する位相値
φの関係を示すように、ＸおよびＹの値によって定まる
点Ｐｃは、位相値φに対して円形の軌跡を描く。この円
形軌跡の半径は、コサイン波格子のコントラストによっ
て決まる。

【００３９】したがって、ＸおよびＹの値から位相値φ
を求めるには、点Ｐｃの偏角θを、tan^-1関数を用いて
求め、その偏角θからπ／４を引けばよい。実際には、
図８に示すように、ＸとＹの値に対して領域を分け、各
領域毎に図８に示す値を位相値φとする。

【００４０】位相値φを求めたら、各要素の輝度値Ｔｃ
（Ｘ，Ｙ）を、 Ｔｃ（Ｘ，Ｙ）＝［２５６×φ／２π］ により求めて、図９に示すような位相算出テーブル２６
を作成する。ここで、［ｘ］は、ｘを越えない最大の整
数を意味する。なお、コサイン波格子画像を撮影する好
適実施の形態では、ＸおよびＹの値が（０，０）点近傍
の円形領域、すなわちコントラストの低い領域では、輝
度値を０とする。この円形領域の半径は、位相シフト時
の試料表面での縞の輝度変化の最小値と背景部分の輝度
変化の最大値との間の値に設定する。

【００４１】（２）矩形波格子画像の場合 先ず、ＸおよびＹの値に対する偏角θの値を求める。矩
形波格子の場合、図１０にＸおよびＹの値に対する偏角
θと位相値φとの関係を示すように、ＸおよびＹの値に
よって定まる点Ｐｒは、位相値φに対して正方形状の軌
跡を描く。この正方形状の辺の長さは、矩形波格子のコ
ントラストによって決まる。

【００４２】したがって、ＸおよびＹの値から位相値φ
を求めるには、先ず、点Ｐｒの偏角θを、tan^-1関数を
用いて求め、次にその偏角θおよび位相値φの関係式か
らφを算出すればよい。具体的には、先ず、図１１に示
すように、ＸとＹの値に対して領域を分け、各領域毎に
図１１に示す値を偏角θとする。次に、図１２に示す算
出式を用いて偏角θの値から位相値φを算出する。

【００４３】その後、算出した位相値φを用いて、各要
素の輝度値Ｔｒ（Ｘ，Ｙ）を、 Ｔｒ（Ｘ，Ｙ）＝［２５６×φ／２π］ により求めて、図１３に示すような位相算出テーブル２
６を作成する。ここで、［ｘ］は、ｘを越えない最大の
整数を意味する。なお、この矩形波格子画像を撮影する
好適実施の形態では、ＸおよびＹの値が（０，０）点近
傍の正方形領域、すなわちコントラストの低い領域で
は、輝度値を０とする。この正方形領域の辺の長さは、
その１／２の値が位相シフト時の試料表面での縞の輝度
変化の最小値と背景部分の輝度変化の最大値との間の値
になるように設定する。

【００４４】以下、図１に示したリアルタイム形状変形
計測装置による計測例について説明する。図１４および
図１５は、図１において、縞画像撮影装置１を図２に示
した形状計測装置で構成し、試料９として電球を持つ手
を撮影した場合に得られる各画像の写真である。すなわ
ち、図１４（ａ）〜図１４（ｄ）は、連続的な位相シフ
トによって撮影した位相がπ／２ずつシフトされた１フ
レーム目から４フレーム目の矩形波格子の投影格子画像
を示すもので、それぞれ図４に示したフレームメモリ２
４Ａ〜２４Ｄに格納される。図１５（ａ）および図１５
（ｂ）は、フレームメモリ２４Ａ〜２４Ｄに格納された
画像データに基づいて位相算出テーブル２６から輝度値
を抽出して得られた位相分布画像を示すもので、図１５
（ａ）は図１３において説明したように、位相算出テー
ブル２６のコントラストの低い領域に対応するＸおよび
Ｙの値が（０，０）点近傍の正方形領域の輝度値を０と
した場合に得られた位相分布画像を、図１５（ｂ）は上
記の（０，０）点近傍の正方形領域の輝度値を０にしな
かった場合に得られた位相分布画像を示している。

【００４５】図１５（ｃ）は、位相算出テーブル２６の
（０，０）点近傍の正方形領域の輝度値を０としなかっ
た場合に得られた位相差分布画像を示すものである。こ
の位相差分布画像は、平板に格子を投影した場合の位相
分布画像を予め同様の方法で求めて、その位相分布画像
をスイッチ２７をオンにしてフレームメモリ２８に格納
し、その後、スイッチ２７をオフとして図１５（ｂ）に
示した位相分布画像とフレームメモリ２８に格納されて
いる平板の位相分布画像との差を求めたもので、試料９
の形状（予め位相分布画像を求めた平板からの距離分
布）を表している。

【００４６】この計測例によれば、図１５（ａ）から明
らかなように、位相算出テーブル２６において、１〜４
フレームの画像データに基づいて算出されるＸ，Ｙの値
が（０，０）点近傍のコントラストの低い正方形領域の
輝度値を０とすることで、その輝度値を０としない図１
５（ｂ）の場合と比較して、試料９とその背景とが明瞭
に区別された位相分布画像がリアルタイムで得られるこ
とがわかる。また、位相算出テーブル２６を用いて得ら
れる位相分布画像に基づいて、図１５（ｃ）に示すよう
な試料９の形状を表す位相差分布画像をリアルタイムで
得ることができるので、試料９の形状を客観的に容易に
把握することができる。なお、図示していないが、位相
算出テーブル２６の（０，０）点近傍の正方形領域の輝
度値を０とすれば、図１５（ｃ）の場合よりも試料９と
その背景とが明瞭に区別された位相差分布画像をリアル
タイムで得られることは明らかである。

【００４７】図１６〜図１８は、図１において、縞画像
撮影装置１を図３に示した微小変形計測装置で構成し、
試料１５としてガラス製のカンチレバーを用いた場合に
得られる各画像を示すものである。すなわち、図１６
（ａ）〜図１６（ｄ）は、試料１５を変形させる前に、
連続的な位相シフトによって撮影した位相がπ／２ずつ
シフトされた１フレームめから４フレームめの干渉縞画
像を示すもので、それぞれ図４に示したフレームメモリ
２４Ａ〜２４Ｄに格納される。図１７（ａ）は、フレー
ムメモリ２４Ａ〜２４Ｄに格納された画像データに基づ
いて位相算出テーブル２６から輝度値を抽出して得られ
た試料１５の変形前の干渉縞の位相分布画像を示し、図
１７（ｂ）は試料１５に荷重をかけて変形させた後の干
渉縞の位相分布画像を示すものである。なお、ここで
は、位相算出テーブル２６は、図９で説明したコントラ
ストの低い領域に対応するＸおよびＹの値が（０，０）
点近傍の円形領域の輝度値を０としていない。

【００４８】図１８（ａ）は変形前の位相差分布画像を
示すものである。この位相差分布画像は、変形前の時点
でスイッチ２７をオンにして図１７（ａ）の位相分布画
像をフレームメモリ２８に格納し、その後、スイッチ２
７をオフとして変形前の位相分布画像とフレームメモリ
２８に格納されている位相分布画像との差を求めたもの
で、変形前同士の位相差分布であるため、画像全面で同
じ輝度分布となっている。

【００４９】図１８（ｂ）は変形後の位相差分布画像を
示すものである。この位相差分布画像は、変形前の時点
でフレームメモリ２８に格納した図１７（ａ）の位相分
布画像と、変形後に求めた図１７（ｂ）に示す位相分布
画像との差を求めたもので、試料１５の変形分布を表し
ている。

【００５０】この計測例によれば、上記の計測例の場合
と同様に、位相分布画像をリアルタイムで得ることがで
きる。また、このようにして得られる位相分布画像に基
づいて、図１８（ｂ）に示すような試料１５の変形分布
を表す位相差分布画像をリアルタイムで得ることができ
るので、試料１５の変形量を客観的に容易に把握するこ
とができる。勿論、この計測例においても、図９で説明
したように、位相算出テーブル２６のコントラストの低
い領域に対応するＸおよびＹの値が（０，０）点近傍の
円形領域における輝度値を０とすれば、試料１５とその
背景とが明瞭に区別された位相分布画像や位相差分布画
像をリアルタイムで得ることができる。

【００５１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、試料に
投影する格子パターンまたは試料の変形を表す干渉縞の
位相を連続的にシフトしながら、リアルタイムで試料の
位相分布画像を得ることができる。また、その位相分布
画像の取得と同様にして、試料に対して基準となる基準
位相分布画像を予め取得し、その基準位相分布画像と試
料の位相分布画像との差を演算することで、試料の位相
差分布画像をリアルタイムで得られるので、その位相差
分布画像から試料の形状や変形量を客観的に容易に把握
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るリアルタイム形状変形計測方法
を実施する装置の原理的構成を示すブロック図である。

【図２】 図１に示す縞画像撮影装置を格子投影装置を
有する形状計測装置を用いて構成した場合の平面図およ
び側面図である。

【図３】 同じく、図１に示す縞画像撮影装置を干渉縞
を利用した微小変形計測装置を用いて構成した場合の平
面図である。

【図４】 図１に示すリアルタイム位相解析回路の一例
の構成を示すブロック図である。

【図５】 コサイン波格子を用いる積分型位相シフト法
の原理を説明するための図である。

【図６】 矩形波格子を用いる積分型位相シフト法の原
理を説明するための図である。

【図７】 コサイン波格子画像を用いる場合の図４に示
す位相算出テーブルの作成手順を説明するためのコサイ
ン波格子画像の輝度差Ｘ，Ｙと位相値φとの関係を示す
図である。

【図８】 同じく、輝度差Ｘ，Ｙに対する位相値φの算
出式を示す図である。

【図９】 同じく、位相算出テーブルにおける輝度値を
説明するための図である。

【図１０】 矩形波格子画像を用いる場合の図４に示す
位相算出テーブルの作成手順を説明するための矩形波格
子画像の輝度差Ｘ，Ｙと位相値φとの関係を示す図であ
る。

【図１１】 同じく、輝度差Ｘ，Ｙと偏角θとの関係を
示す図である。

【図１２】 同じく、偏角θに対する位相値φの算出式
を示す図である。

【図１３】 同じく、位相算出テーブルにおける輝度値
を説明するための図である。

【図１４】 図１に示したリアルタイム形状変形計測装
置による計測例で、矩形波格子の連続的な位相シフトに
よって撮影した位相がπ／２ずつシフトされた１〜４フ
レームの投影格子画像を示す写真である。

【図１５】 同じく、投影格子画像に基づく位相分布画
像および位相差分布画像を示す写真である。

【図１６】 図１に示したリアルタイム形状変形計測装
置による計測例で、干渉縞の連続的な位相シフトによっ
て撮影した位相がπ／２ずつシフトされた１〜４フレー
ムの干渉縞画像を示す写真である。

【図１７】 同じく、試料の変形前後の干渉縞の位相分
布画像を示す写真である。

【図１８】 同じく、試料の変形前後の干渉縞の位相差
分布画像を示す写真である。

【符号の説明】

１ 縞画像撮影装置 ２ リアルタイム位相解析回路 ３ モニター ４ テレビカメラ ５ 格子投影装置 ６ 格子スライド ７ 格子スライド移動機構 ８ リニアガイド ９ 試料 １１ ヘリウムネオンレーザ １２ ビームエキスパンダ １３ コリメータレンズ １４ ハーフプリズム １５ 試料 １６ 参照ミラー １７ スクリーン １８ ピエゾステージ １９ 三角波発生回路 ２０ ピエゾステージドライバ ２１ タイミングコントローラ ２２ Ａ／Ｄコンバータ ２３ 切り替え器 ２４Ａ〜２４Ｄ フレームメモリ ２５Ｘ，２５Ｙ 減算回路 ２６ 位相算出テーブル ２７ スイッチ ２８ フレームメモリ ２９ 位相差分布計算回路 ３０ フレームメモリ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料に投影する格子パターンまたは試料
   の変形を表す干渉縞の位相を連続的にシフトしながら、
   １周期の位相シフト毎に４つの格子画像または干渉縞画
   像を順次取得してそれぞれ対応する第１〜第４フレーム
   メモリに更新しながら格納し、これら第１〜第４フレー
   ムメモリに格納された各画像の対応する画素の輝度差に
   基づいて、予め演算して求めた位相値に対応する輝度値
   を格納する位相算出マップから対応する位相値の輝度値
   を画素毎に読み出して、前記試料の位相分布画像をリア
   ルタイムで得ることを特徴とするリアルタイム形状変形
   計測方法。
2. 【請求項２】 前記試料の位相分布画像の取得と同様に
   して、前記試料に対して基準となる基準位相分布画像を
   予め取得して第５フレームメモリに格納し、その基準位
   相分布画像と前記試料の位相分布画像との差を演算し
   て、位相差分布画像をリアルタイムで得ることを特徴と
   する請求項１に記載のリアルタイム形状変形計測方法。