JPWO2011135698A1 - 変形計測方法 - Google Patents

Abstract

スペックル干渉光学系は、被測定物の変形過程の解明に有効なものの、分解能が十分ではなく、分解能を向上させるための位相シフト法を実行するには装置コストがかかりすぎる問題があった。初期縞パターンに対する位相シフト像を取得し、位相シフト法により初期画像の位相情報と次画像との間の位相変化量を導出する。その後、得られた情報を元に次画像に対する位相シフト像を計算により算出する。

Description

本発明は、物体の変形量を非接触に計測する方法に関し、特に、工業生産物が押圧されること等で生じる微小な変形量を非接触に測定する変形計測方法に関するものである。

工業生産物が、熱や押圧されること等で生じる微小な変形量を計測するための手法としては、スペックル干渉計測法が従来知られている。図５には特許文献１に記載のスペックル干渉計測機を示す。まず、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光源２を発したレーザー光が、ミラー３により反射して半透鏡６に入射することで参照物体７と被測定物８とを載置した方向にそれぞれ分離する。被測定物８の表面で反射した光（測定光）が再び半透鏡６を通過してカメラ１１に到達し、一方の参照物体７の表面で反射した光（参照光）は半透鏡６によってカメラ１１の方向へ反射されて、カメラ１１に到達する。カメラ１１は物体光と参照光とが互いに干渉することで生じる斑点（スペックル）状の干渉パターンを撮像することできる。このスペックル干渉像を一定時間後に再び撮像して、元のスペックル干渉パターン像との差分をとることで、どの程度の変形が被測定物８に生じたのかを計測することができる。

一方、被測定物に対してプロジェクタ等で投影した格子パターンやモアレパターンを撮像し、そのパターンの変調から、被測定物の形状・変形を計測する技術や、光干渉を利用して、干渉パターンから形状・変形を高精度に計測する技術が一般に知られている。

これらの計測技術では、撮像したパターンの明暗を振動波形とみなし、この波形の位相を解析するサブフリンジ解析と呼ばれる処理を実施する。波形の位相と被測定物の形状寸法は比例関係にあるため、撮像したパターンから位相を高精度に検出することで、高分解能な形状計測・変形計測が実現できる。

上記のサブフリンジ解析方法としては、位相シフト法が被測定物を高分解能に解析することができる手法として一般に知られている。位相シフト法は、まず元となるパターン光を被測定物に対して照射した上でその像を撮影する。そして、既知の位相変化（位相シフト）をパターン光に与えて照射した像を複数枚取得し、画像上の各点における明暗値の変化から元となるパターン光による像の位相を計算する方法である。

このとき、撮影された像には位相の他に振幅、バックグラウンド成分が未知成分として含まれる。そのため、位相情報を計算するには元の像の他に最低でも２枚以上の異なる位相シフト像を同時に取得する必要がある。そのため測定光と参照光とをそれぞれ３つに分離して光路を設け、参照光の光路に屈折媒質を設けることで位相差を生じさせ、複数の位相シフト像を同時に取得する技術が知られている（特許文献２）。

特公平０７−４６０４５号公報 特開平１１−３０４４１７号公報

しかしながら、引用文献１記載の発明では２枚のスペックル干渉パターン像の強度分布の単なる差分から変形量を算出する。そのため、マイクロメ−トルからミリメートルのオーダーでは十分であるが、ナノメートルなど極めて微細な変形量を計測するには分解能が十分ではないという問題があり、被測定物の変形過程を解明するにあたって限界があった。

また、引用文献２記載の技術では分解能は十分なものの、時間経過ごとに位相シフト像を撮影するための複数の光路が必要となり、装置が大きくなりがちで、高コストであった。

本発明は、装置を複雑化させることなく、低コストで被測定物の変形量を高分解能に計測可能な変形測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本出願に係る発明は、被測定物に光を照射することで生じる干渉パターンの位相変化量から前記被測定物の変形量を測定する変形計測方法において、
第一の干渉パターン像と、該第一の干渉パターン像に対する互いに異なる既知の位相シフト量を有する２枚以上の位相シフト像とを撮像手段により取得する工程と、
所定時間が経過したのちの第二の干渉パターン像を前記撮像手段により取得する工程と、
第一の干渉パターン像と２枚以上の前記位相シフト像とから第一の干渉パターンの位相を算出する工程と、
前記第一の干渉パターン像と、第一の干渉パターン像に対する前記位相シフト像と、前記第二の干渉パターン像とから、前記所定時間の間に生じる干渉パターン像の第一の位相変化量を計算手段により算出する工程と、
前記第一の干渉パターン像の位相と前記位相変化量と，
前記既知の位相シフト量に基づき第二の干渉パターン像に対する位相シフト像を算出する工程と、
前記第二の干渉パターン像と、２つ以上算出した第二の干渉パターン像に対する位相シフト像とに基づき、前記被測定物の変形量を算出する工程と、
を有することを特徴とする変形計測方法である。

上述した本発明によると、測定開始時に既知の位相シフト量を有する被測定物の位相シフト像を取得しておけば、その後は撮影することなく任意の時刻の位相シフト像を計算によって取得することができる。そのため、低コストで高分解能な変形計測が実現できる。

本発明の実施例に係わる位相計算フローの構成図である。 本発明の実施例に係わるスペックル干渉光学系の構成図である。 本発明の実施例による変形計測結果のコンター図である。 本発明の実施例にて使用した被測定物を示す図である。 従来のスペックル干渉光学系の構成図である。

（実施例）
以下に本発明の具体的な実施例について説明する。本発明は参照面からの反射光を参照光として用いるフィゾー型干渉計においても適用可能であるが、以下では、説明のため参照光を用いない光学系を例にあげる。

まず、図２に示されるスペックル干渉光学系の構成について詳細に説明する。本実施例でのスペックル干渉光学系では、光源としてレーザー光源２０１を使用する。本実施例においては、波長６３２．８ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザー光源を使用する。レーザー光源２０１から射出されたレーザー光は、ビームスプリッタ２０２により２つの光束に分枝される。分枝された光束の一方は、光路長を可変にし位相シフトを実現するための位相シフタ２０３に入射する。

位相シフタ２０３は、三角ミラー２０３ａ、コーナーキューブミラー２０３ｂ、ＰＺＴアクチュエータ２０３ｃにより構成される。三角ミラー２０３ａは直角二等辺三角柱の直交する２面がミラーとなっている。三角ミラー２０３ａのミラー面に入射した光束は光軸を９０°曲げてコーナーキューブミラー２０３ｂに入射する。コーナーキューブミラー２０３ｂは２枚のミラーが９０°の角度で配置された構成を持ち、入射光を平行移動しつつ反対方向に反射する。コーナーキューブミラー２０３ｂにより反射された光束は再び三角ミラー２０３ａに入射し、光軸を９０°曲げて射出される。コーナーキューブミラー２０３ｂの背面にはＰＺＴアクチュエータ２０３ｃが接続されており、コーナーキューブミラー２０３ｂの位置を微小移動できる。微小移動量に応じて位相シフタ２０３内の光路長を変更することが可能であり２つの光束を干渉させたときに、既知の位相シフト量で位相シフトを実行することができる。なお位相シフタは本実施例で説明したものに限らない。例えば透明基板を光路を含む面内で回転可能に、かつ光路に交差して配置して、透明基板の回転角によって透明基板を通過する光の位相を変化させるタイプの位相シフタを利用してもよい。既知の位相シフト量を通過する光に対して与えることができるものであれば所望の位相シフタを使用してよい。

ビームスプリッタ２０２により分枝された２つの光束は、一方は位相シフタ２０３を経て反射ミラー２０４ａに入射し反射される。その後に凹面レンズ２０５ａに入射して球面波に変わり、その後コリメートレンズ２０６ａにより平行光となる。

他方は、ビームスプリッタ２０２を通過して反射ミラー２０４ｂに至り、凹面レンズ２０５ｂを経由して、コリメートレンズ２０６ｂにより平行光となる。

上記の２つの平行光は不図示のステージに固定された被測定物２０７の表面の計測したい領域に対してオーバーラップするように照射される。ステージは被測定物に対して長手方向に引っ張り応力を印加することが可能なように挟み支持する公知の引張試験機構を有し、任意の長さに被測定物２０７を引っ張ることができる。

２つの平行光は被測定物２０７の表面における法線に対して、照射角ψ_ａ＝４５°およびψ_ｂ＝４５°となる角度から照射した。

本実施例のスペックル干渉光学系においては、２光束の照射角度に応じて干渉強度変化１周期分に対する変形量の大きさが決定される。１周期に対する変形量の大きさｄ_λは、被測定物に対して照射される２つの光の入射角ψ_ａとψ_ｂとから式１により表される。

式１において、λは使用したレーザー光の波長であり、本実施例においては６３２．８ｎｍ、である。照射角ψ_ａ、ψ_ｂはともに４５°であるため、本実施例において干渉強度変化の１周期に対する変形量の大きさｄ_λは、４４７．５ｎｍである。

本実施例では、図４に本実施例で用いた被測定物を示す。被測定物２０７にはステンレス鋼ＳＵＳ３０４からなる長手方向に１２０ｍｍ、厚さ０．０１ｍｍのプレートをダンベル１号（ＪＩＳ規格）形状に加工したものを使用する。被測定物２０７の表面状態は光学的に粗面となっている。

被測定物を不図示のステージに固定し、前述の２つの平行光を照射すると、照射された２つの平行光は被測定物２０７の表面で散乱・干渉し、スペックル干渉パターンを生じる。発生したスペックル干渉パターンは結像レンズ２０８により撮像素子２０９の素子面に結像され、撮像素子２０９によりデジタル画像として記録される。本実施例において撮像素子２０９にはＣＣＤカメラを使用した。ＣＣＤカメラは６４０Ｈ×４８０Ｖの画素数を持ち、最高で３０フレーム／秒の速度で動画像を撮像できるものを利用する。

撮像素子２０９により撮像されたデジタル画像情報は計算機２１０のメモリへと保存される。計算機２１０に保存されたデジタル画像情報を用いたデータ処理を行うことにより、変形計測を実施する。

上記のスペックル干渉光学系を用いて、被測定物２０７の時系列的な変形計測を実施する。本実施例では、被測定物２０７を引張により１０μｍ／ｓの速度で１００μｍまで引き伸ばしたときの変形計測を実施する。

以下では、取得したスペックル干渉パターンの像とその位相シフト像から被測定物の変形量を算出する方法を図１に示したフローチャートに添って順に説明する。

（工程１０１、工程１０２）
まず、静止状態におけるスペックル干渉パターンの像および、そのスペックル干渉パターンに対する位相シフト像を撮像する。本実施例では、位相シフト像は３枚取得した。互いに異なる既知の位相シフト量はそれぞれπ／２、π、３π／２とする。

その位相シフト量とするために、図１の位相シフタ２０３のＰＺＴアクチュエータ２０３ｃを初期状態よりそれぞれ、７９．１ｎｍ、１５８．２ｎｍ、２３７．３ｎｍ移動させ、位相シフト像を撮像する。本実施例の位相シフタの場合は、コーナーキューブミラー２０３ｂを三角ミラー２０３ａに対して、変位させることで往復の光路長を変位させることができるので、所望の位相シフト量に対して１／２の変位量を与えればよい。

なお、位相シフト量は任意に決めてよい。以下の工程で位相θ_０、振幅Ａ、バイアスＢの３つの未知数を決定するために、スペックル干渉パターン像に加えてその位相シフト像を最低２枚取得すれば良いが、本実施例では計算機上での演算の簡略化のため、３枚取得した。

（工程１０３）
次に変形過程のスペックル干渉パターンの像を撮像する。撮像周期は０．５秒に１枚のレートで実施する。ダンベル状のプレートである被測定物２０７は引張試験機によって、１０μｍ／ｓの速度で、図３中ｘ方向に１００μｍまで引き伸ばすため、スペックル干渉パターンの像Ｉは初期画像をｎ＝０とするとｎ＝２０までの合計２１枚取得する。

干渉パターン像の強度分布Ｉに付した（ｘ、ｙ）は、撮像素子２０９の撮像面上の座標系を示めす。またＩに付した添え字は、左側の添え字は時刻を表わし“０”が測定開始時で“１”が２秒後を示すこととする。右側の添え字は位相シフト像であることを示し、“０”はスペックル干渉パターン像であることを指し、“１”より順に、位相シフト像であることを示す。

例えば、本実施例ではＩ_０−１（ｘ，ｙ）は測定開始時のスペックル干渉パターンに対する位相シフト量がπ／２である位相シフト像を示し、Ｉ_１−０（ｘ，ｙ）は２秒後に取得したスペックル干渉パターンを示す。本実施例では、位相シフト像を１つのスペックル干渉パターンに対して３枚取得しているので、右側の添え字の種類は１，２，３となる。

（工程１０４−１）
撮像した位相シフト像を用いてスペックル干渉パターンの像Ｉ_０の位相θ_０、振幅Ａ、バイアスＢを算出する方法を説明する。撮像された位相シフト像はそれぞれ、π／２、π、３π／２の位相シフト量を持ち、式２で表される。

式２を連立方程式として解くことで位相θ_０、振幅Ａ、バイアスＢの値を算出することができる。

（工程１０４−２）
次に、工程１０４−２について、位相変化量φを算出する方法を説明する。

なお、本実施例においては座標（ｘ，ｙ）を中心とした近傍７×７の範囲におけるアンサンブル平均を取得することにより近似を実施した。

計測開始から次の撮像までの２秒後間に生じた位相変化量φ_１（＝θ_１−θ_０）を撮像素子２０９にて撮影した２秒後のスペックル干渉パターン像と、既に取得した測定開始時のスペックル干渉パターン像およびその位相シフト像の強度分布に基づき算出する。

式３のようにφ_１を求めることができる。なお式３中で、Ｉに付すべき（ｘ、ｙ）の記号は省略した。

（工程１０４−３）
前工程までに求められた位相θ_０、振幅Ａ、バイアスＢ、位相変化量φ_１を用いて、次の時刻での干渉パターン像Ｉ_１−０に対する位相シフト像Ｉ_１−１、Ｉ_１−２、及びＩ_１−３を計算機上で算出することができる。計算機上で構築する位相シフト像は以下の式４で表される。θ_１は、２秒後のスペックル干渉パターン像Ｉ_１−０の位相を示す。２秒後の位相シフト像は以下の式で表わされる。

つまり、２秒後の位相シフト像にかかる位相は、測定開始時のスペックル干渉パターンの位相θ_０と位相変化量φ_１を用いて算出されたθ_１（＝θ_０＋φ_１）に既知の位相シフト量（π／２、π、３／２π）をそれぞれそれぞれ加えた値となり、計算機上で算出することができる。したがって、本発明では、被測定物２０７の変形過程には位相シフト像の撮影は不要となる。

以上のことから、本発明では測定開始時に既知の位相シフト量を有する被測定物の位相シフト像を取得しておけば、その後は撮影することなく任意の時刻の位相シフト像を計算によって低コストに取得することができる。

上記のような工程１０４をくりかえし、全ての撮像間隔における位相変化量を算出し、逐次得られた位相変化量から、経過時間ごとの被測定物の変形量を算出することができる。経過時間ごとに位相シフト像が得られるため、各時刻で高分解能な変形量の計測が可能となる。

（工程１０５）
また、逐次得られた位相変化量を積算して、総変形量ｄ_ｎを導出することもできる。本実施例においては位相の１周期＝２π分の変形量は、４４７．５ｎｍであり、総変形量ｄ_ｎ（ナノメートル）は式５のような式で表される。

上記のような工程を経て、サンプルの変形量を計測した結果を図３に示す。時刻に応じて変形量が増加していく様子を捉えることができることが確認された。また、最終的な総変形量は１００．１０μｍとなった。総変形量はヘテロダイン変位形にて同じ被測定物を計測したところ１００．１３μｍと高い一致が確認された。

本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために以下の請求項を添付する。

本発明は、ワークに非常に微小な変形が生じた場合であっても、また微小な変形が積算して大きな変形が生じた場合であっても各時刻で高分解能に検出することができるので、プリント基板の変形挙動の検証などに好適に利用することができる。

２０１ レーザー光源
２０９ 撮像手段

Claims (2)

1. 被測定物に光を照射することで生じる干渉パターンの位相変化量から前記被測定物の変形量を測定する変形計測方法において、
   第一の干渉パターン像と、該第一の干渉パターン像に対する互いに異なる既知の位相シフト量を有する２枚以上の位相シフト像とを撮像手段により取得する工程と、
   所定時間が経過したのちの第二の干渉パターン像を前記撮像手段により取得する工程と、
   第一の干渉パターン像と２枚以上の前記位相シフト像とから第一の干渉パターンの位相を算出する工程と、
   前記第一の干渉パターン像と、第一の干渉パターン像に対する前記位相シフト像と、前記第二の干渉パターン像とから、前記所定時間の間に生じる干渉パターン像の第一の位相変化量を計算手段により算出する工程と、
   前記第一の干渉パターン像の位相と前記位相変化量と，
   前記既知の位相シフト量に基づき第二の干渉パターン像に対する位相シフト像を算出する工程と、
   前記第二の干渉パターン像と、２つ以上算出した第二の干渉パターン像に対する位相シフト像とに基づき、前記被測定物の変形量を算出する工程と、
   を有することを特徴とする変形計測方法。
2. ２つ以上の位相シフト像を算出する工程を複数の時刻で得られた干渉パターンに対して行い、積算した逐次得られた前記位相変化量に基づき、前記被測定物の特定の時刻からの総変形量を算出することを特徴とする請求項１記載の変形計測方法。