KR100981401B1

KR100981401B1 - 미소 변위 계측법 및 장치

Info

Publication number: KR100981401B1
Application number: KR1020067024291A
Authority: KR
Inventors: 미쓰오 다케다; 웨이 왕; 노부오 이시이; 요코 미야모토
Original assignee: 고쿠리쓰다이가쿠호진 덴키쓰신다이가쿠
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2010-09-10
Also published as: EP1746385A1; CN100420917C; KR20070012503A; JPWO2005103610A1; WO2005103610A1; US7457721B2; CN1946983A; EP1746385A4; TW200604494A; US20070219745A1; JP4644819B2

Abstract

간섭계를 사용하지 않고, 공간적으로 랜덤한 구조를 가지는 스펙트럼 패턴 등으로부터 산출되는 유사 위상 정보를 이용하여 물체의 미소 변위나 3차원 형상을 비선형적이면서 고정밀도로 검출한다. 변위 전의 피검체의 스펙클 화상을 취득하고, 이것을 N차원 푸리에 변환하여 공간 주파수 스펙트럼을 산출하고, 이 진폭 분포에서의 제로'0' 주파수를 포함하는 반평면 내의 주파수 스펙트럼 진폭을 제로로 설정하여 나머지 반평면 내의 주파수 스펙트럼 진폭을 역푸리에 변환하여 복소 해석 신호를 취득한다. 그리고, 상기 복소 해석 신호의 진폭치를 일정치로 치환하고, 얻어진 해석 신호의 일부 영역을 추출하여 위상 한정 상관 함수에 의해 위상 정보를 산출하여 N차원에서의 상호 상관 피크를 얻는다. 전술한 바와 같은 방법을 피검체의 변위 후에 대하여도 행하고, 변위 전후의 상호 상관 피크의 차분을 구함으로써 변위량을 구할 수 있다.

푸리에 변환, 미소 변위 계측, 스펙클 화상, 주파수 영역, 신호 영역, 비접촉

Description

미소 변위 계측법 및 장치{SMALL DISPLACEMENT MEASURING METHOD AND INSTRUMENT}

본 발명은, 레이저 스펙클(laser speckle) 패턴이나 랜덤 도트(random dot) 패턴 등과 같이 공간적으로 랜덤 구조를 가지는 패턴이나 텍스쳐(texutre)를 지표로 하여 물체의 미소 변위나 3차원 형상을 비접촉으로 계측하는 미소 변위 계측법 및 장치에 관한 것이며, 특히, 이와 같은 패턴의 해석 신호가 가지는 의사 위상 정보를 이용하여 고정밀의 비접촉 계측을 실현하는 미소 변위 계측법 및 장치에 관한 것이다.

최근, 레이저 스펙클 패턴이나 랜덤 도트 패턴 등과 같이 공간적으로 랜덤 구조를 가지는 패턴이나 텍스쳐를 지표로 하여, 물체의 미소 변위를 비접촉으로 계측하는 기술이 주목되고 있다. 특히, 비파괴 검사나 재료 강도 시험 등의 산업 응용 분야에 있어서 전술한 바와 같은 기술은 중요한 위치를 차지하고 있다.

상기 배경으로부터 종래에는, 랜덤 구조를 가지는 공간 패턴의 변위 검출은 이하와 같은 방법으로 행해져 왔다. 즉, 첫번째 방법은, 변위를 부여하는 전후에서 패턴의 광강도 분포를 카메라로 촬상하고, 상기 광강도 분포의 공간 신호 영역에서 상호 상관 함수를 직접 계산하여, 그 피크 위치에 기초하여 변위의 방향과 변 위량을 구하는 방법이다. 두번째 방법은, 전술한 방법과 수학적으로 동등한 처리를 공간 주파수 영역에서 행하는 방법이다. 즉, 변위 전후의 2개의 공간 패턴을 각각 푸리에 변환(Fourier transform)하고, 얻어진 공간 주파수 스펙트럼의 한쪽의 복소 공역을 취하고, 이것을 다른 쪽에 곱한 합성 스펙트럼을 작성하여, 이것을 푸리에 역변환하여 상호 상관 함수를 구하는 방법이다.

그러나 상기 두가지 방법에 의해 구해진 상호 상관 함수는, 기본적으로는 공간 패턴의 광강도 분포 그 자체를 사용하여 직접 계산한 강도 상관 함수이므로, 광강도를 검출하는 카메라의 감도의 비선형 특성이나 양자 노이즈의 영향을 받기 쉬운 문제점이 있다.

한편, 통신 이론 분야에서는 신호의 강도 정보보다 위상 정보가 검출기의 비선형 특성이나 양자화 노이즈에 대해서 강한 것이 알려져 있다. 이것은 상관 함수의 계산에 강도 정보를 직접 사용하는 종래의 상관 함수 대신 신호의 위상 정보를 이용하면 변위 계측 장치의 성능을 향상시킬 수 있는 것을 의미하고 있다.

이와 같은 위상 정보를 이용하는 상관 함수의 계산법으로서는, 특허 문헌 1에 기재된 위상 한정 상관법이 잘 알려져 있다. 이 방법은 복소 함수인 전술한 합성 스펙트럼의 진폭을 일정화 또는 대수 함수 등에 의해 억제하고, 위상 정보만으로 이루어지는 진폭 한정 복소 합성 스펙트럼을 작성하여 이것을 푸리에 역변환하여 상호 상관 함수를 구하는 것이다.

[특허 문헌 1] 일본국 특허 제3035654)호

상기 특허 문헌 1에 기재된 방법은, 이용하는 위상 정보가 공간 패턴의 공간 주파수 스펙트럼의 위상 정보이며, 신호 검출이나 양자화가 행해지는 신호 영역에서의 공간 패턴의 위상은 아니다.

또한, 상기 방법으로 행하는 공간 주파수 스펙트럼 영역에서의 진폭 한정이나 진폭 억제에 관한 연산은, 랜덤 패턴의 공간 주파수 스펙트럼의 고주파 성분을 강조하는 연산이므로, 상관 함수를 샤프하게 하는 효과가 있는 한편, 고주파 노이즈도 강조 한는 문제점이 있다. 그러므로, 예를 들면 레이저 스펙클 패턴이 횡 변위와 함께 패턴 자체의 변형을 수반하는 경우 등에는 급격한 상관 피크치의 저하가 생기고, 그에 따른 오 측정이 잘 발생하는 문제점이 있다.

또한, 상기 방법은 주파수 영역에서 위상 정보를 이용하지만, 그것을 역푸리에 변환하여 얻어지는 신호 영역의 상관 함수는 고주파가 강조된 상태의 강도 상관 함수인 것에는 변화가 없기 때문에, 전술한 문제점을 본질적으로 해결할 수 없다.

또한, 광강도에만 감도를 가지는 광검출기를 사용하여 파동으로서의 광의 위상을 검출하기 위하여 간섭계를 사용할 필요가 있지만, 간섭계를 사용하면 계측계가 복잡하게 된다. 또한, 간섭계는 진동이나 공기의 요동에 의한 영향을 받기 쉬우므로 환경이 좋지못한 현장에서의 이용에 적합치 않는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 간섭계를 이용하지 않고 공간적인 랜덤 패턴의 해석 신호가 가지는 의사 위상 정보를 이용하여 물체의 미소 변위나 3차원 형상을 비접촉으로 검출하는 미소 변위 계측법 및 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 청구항 1에 기재된 본 발명에 따른 미소 변위 계측법은, 측정 대상물의 표면을 촬상하는 제1 촬상 단계와, 제1 촬상 단계에서 촬상된 화상을 N차원 푸리에 변환(N = 1, 2))하는 제1 푸리에 변환 단계와, 제1 푸리에 변환 단계에서 변환된 주파수 스펙트럼의 제로'0' 주파수를 포함하는 평면 내의 절반 또는 일부의 주파수 스펙트럼 진폭을 제로로 치환하는 제1 힐베르트(Hilbert) 변환 단계와, 제1 힐베르트 변환 단계 후의 주파수 스펙트럼으로부터 주파수 성분을 추출하는 제1 주파수 추출 단계와, 주파수 성분을 N차원 역푸리에 변환(N = 1, 2))하여 제1 복소 해석 신호를 취득하는 제1 역푸리에 변환 단계와, 제1 복소 해석 신호의 진폭치가 일정하게 되도록 보정하는 제1 진폭 보정 단계와, 진폭 보정된 제1 위상 한정 해석 신호를 기록하는 제1 위상 한정 신호 기록 단계와, 한편, 제1 촬상 단계 후, 측정 대상물의 표면을 촬상하는 제2 촬상 단계와, 제2 촬상 단계에서 촬상한 화상을 N차원 푸리에 변환(N = 1, 2)하는 제2 푸리에 변환 단계와, 제2 푸리에 변환 단계에서 변환된 주파수 스펙트럼의 제로 주파수를 포함하는 평면 내의 절반 또는 일부의 주파수 스펙트럼 진폭을 제로로 치환하는 제2 힐베르트 변환 단계와, 제2 힐베르트 변환 단계 후의 주파수 스펙트럼으로부터 주파수 성분을 추출하는 제2 주파수 추출 단계와, 주파수 성분을 N차원 역푸리에 변환(N = 1, 2)하여 제2 복소 해석 신호를 취득하는 제2 역푸리에 변환 단계와, 제2 복소 해석 신호의 진폭치가 일정하게 되도록 보정하는 제2 진폭 보정 단계와, 진폭 보정된 제2 위상 한정 해석 신호를 기록하는 제2 위상 한정 신호 기록 단계와, 제1 위상 한정 해석 신호와 제2 위상 한정 해석 신호의 모든 영역 또는 일부 영역에 대해서 위상 한정 상호 상관 함수를 구하는 위상 한정 상관 처리 단계와, 위상 한정 상호 상관 함수가 최대 절대치를 나타내는 상관 피크의 위치로부터 변위량을 산출하는 변위량 산출 단계를 가지는 것을 요지로 한다.

청구항 2에 기재된 본 발명은, 청구항 l에 기재된 미소 변위 계측법에 있어서, 제1 및 제2 진폭 보정 단계는, 제1 및 제2 복소 해석 신호의 진폭치를 일정치로 치환하는 진폭 한정 처리 방법, 또는 제1 및 제2 복소 해석 신호의 진폭치를 대수 변환에 의해 일정치로 억제하는 진폭 억제 처리 방법을 사용하는 것을 요지로 한다.

청구항 3에 기재된 본 발명은, 청구항 1에 기재된 미소 변위 계측법에 있어서, 위상 한정 상관 처리 단계에서 행하는 위상 한정 상호 상관 처리에 있어서, 진폭 한정 상호 상관 함수, 또는 진폭 억압 상호 상관 함수를 사용하는 것을 요지로 한다.

청구항 4에 기재된 본 발명에 따른 미소 변위 계측 장치는, 측정 대상물의 표면을 촬상하는 촬상 수단과, 촬상 수단에 의해 촬상한 화상을 N차원 푸리에 변환(N = 1, 2)하는 푸리에 변환 수단과, 푸리에 변환 수단에 의해 변환된 주파수 스펙트럼의 제로 주파수를 포함하는 평면 내의 절반 또는 일부의 주파수 스펙트럼 진폭을 제로로 치환하는 힐베르트 변환 수단과, 힐베르트 변환 수단에 의해 제로로 치환된 제로 치환 영역 이외의 영역에 포함되는 주파수 스펙트럼으로부터 주파수 성분을 추출하는 주파수 추출 수단과, 주파수 추출 수단에 의해 추출된 주파수 성분을 N차원 역푸리에 변환하여 복소 해석 신호를 출력하는 역푸리에 변환 수단과, 복소 해석 신호의 진폭치가 일정하게 되도록 보정하는 진폭 보정 수단과, 진폭 보정 수단에 의해 보정된 신호의 전 영역 또는 일부 영역에 대해서 위상 한정 상관 처리를 행하는 위상 한정 상관 처리 수단과, 위상 한정 상관 함수의 최대 절대치를 나타내는 상관 피크의 위치로부터 변위량을 산출하는 변위량 산출 수단을 가지는 것을 요지로 한다.

청구항 5에 기재된 본 발명은, 청구항 4에 기재된 미소 변위 계측 장치에 있어서, 진폭 보정 수단은, 복소 해석 신호의 진폭치를 일정치로 치환하는 위상 한정 처리 수단, 또는 복소 해석 신호의 진폭치를 대수 변환에 의해 일정치로 억제하는 진폭 억제 처리 수단을 구비하는 것을 요지로 한다.

청구항 6에 기재된 본 발명은, 청구항 4에 기재된 미소 변위 계측 장치에 있어서, 위상 한정 상관 처리 수단은, 위상 한정 복소 상호 상관 함수, 또는 진폭 억압 복소 상호 상관 함수를 사용하는 것을 요지로 한다.

본 발명의 미소 변위 계측법 및 장치에 따르면, 간섭계를 사용하지 않고, 공간적으로 랜덤 구조를 가지는 스펙클 패턴이나 랜덤 도트 패턴으로부터 산출된 해석 신호 패턴이 가지는 의사 위상 정보를 이용하여 물체의 미소 변위나 3차원 형상을 비접촉이면서 고정밀도로 검출할 수 있다.

도 1a ~ 도 1e는, 본 발명에 따른 미소 변위 계측법을 설명하기 위한 단계를 나타내는 도면이며, 구체적으로는 측정 대상물의 변위 전의 스펙클 화상에 대해서 행하는 처리 단계를 나타낸다.

도 2a ~ 도 2c는, 변위 후의 스펙클 화상에 대해서 행하는 처리 단계를 나타낸다.

도 3은 도 1 및 도 2의 처리에 의해 얻어진 복소 상관 함수의 절대치 분포를 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 미소 변위 계측 장치(1)의 구성을 설명하는 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 미소 변위 계측 장치(1)의 동작을 설명하기 위한 제1 흐름도이다.

도 6은 본 발명에 따른 미소 변위 계측 장치(1)의 동작을 설명하기 위한 제2 흐름도이다.

도 7은 본 발명에 따른 미소 변위 계측 장치(1)의 동작을 설명하기 위한 제3 흐름도이다.

도 8a는 종래의 화상 처리 단계를 나타낸 흐름도이다.

도 8b는 본 발명의 화상 처리 단계를 나타낸 흐름도이다.

도 9a는, 종래 방법에 있어서 피검체(3)에 미소 회전을 주었을 때의 백색 스펙클 패턴의 이동으로부터 물체면 상의 각 점에서의 국소적인 변위의 분포를 구한 결과를 나타낸 일례이다.

도 9b는 본 발명에 있어서 피검체(3)에 미소 회전을 주었을 때의 백색 스펙클 패턴의 이동으로부터 물체면의 각 점에서의 국소적인 변위의 분포를 구한 결과를 나타낸 일례이다.

도 10a는, 종래 방법에 있어서 회전각을 작게 하고 미소 변위를 주었을 때의 결과를 나타낸 일례이다.

도 10b는, 본 발명에 있어서 회전각을 작게 하고 미소 변위를 주었을 때의 결과를 나타낸 일례이다.

도 11a는, 본 발명의 방법에 따른 공간 신호 영역에서의 위상 한정 상관 함수에 의한 스펙클 패턴의 자기 상관 함수를 나타낸 도면이다.

도 11b는, 종래 방법에 따른 공간 주파수 영역에서의 위상 한정 상관 함수에 의한 스펙클 패턴의 자기 상관 함수를 나타낸 도면이다.

도 11c는, 본 발명의 방법에 따른 공간 신호 영역에서의 위상 한정 상관 함수에 의한 스펙클 패턴의 상호 상관 함수를 나타낸 도면이다.

도 11d는, 종래 방법에 따른 공간 주파수 영역에서의 위상 한정 상관 함수에 의한 스펙클 패턴의 상호 상관 함수를 나타낸 도면이다.

도 12a는, 스펙클의 변형이 큰 경우에 있어서 본 발명의 방법에 따른 공간 신호 영역에서의 위상 한정 상관 함수에 의한 스펙클 패턴의 자기 상관 함수를 나타낸 도면이다.

도 12b는, 스펙클의 변형이 큰 경우에 있어서 종래 방법에 따른 공간 주파수 영역에서의 위상 한정 상관 함수에 의한 스펙클 패턴의 자기 상관 함수를 나타낸 도면이다.

도 l2c는, 스펙클의 변형이 큰 경우에 있어서 본 발명의 방법에 따른 공간 신호 영역에서의 위상 한정 상관 함수에 의한 스펙클 패턴의 상호 상관 함수를 나 타낸 도면이다.

도 12d는, 스펙클의 변형이 큰 경우에 있어서 종래 방법에 따른 공간 주파수 영역에서의 위상 한정 상관 함수에 의한 스펙클 패턴의 상호 상관 함수를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

도 1a ~ 도 le는, 본 발명에 따른 미소 변위 계측법을 설명하기 위한 단계를 나타내는 도면이며, 구체적으로는 측정 대상물의 변위 전의 스펙클 화상에 대해서 행하는 처리 단계를 나타낸다. 도 2a ~ 도 2e는, 변위 후의 스펙클 화상에 대해서 행하는 처리 단계를 나타낸다. 또 도 3은, 도 1 및 도 2의 처리에 의해 얻어진 복소 상관 함수의 절대치 분포를 나타낸 도면이다.

이 미소 변위 계측법은, 먼저 촬상 장치를 사용하여 측정 대상물인 피검체의 표면의 스펙클 화상을 촬영하고, 이 화상을 N차원 푸리에 변환(N = 1 또는 2)하고 주파수 스펙트럼을 취득한다. 그리고 상기 주파수 스펙트럼의 제로 주파수를 포함하는 평면 내의 절반 또는 일부의 주파수 스펙트럼 진폭을 제로로 치환하고, 치환되어 있지 않은 나머지 주파수 스펙트럼으로부터 주파수 성분을 추출하여, 이 주파수 성분을 N차원 푸리에 변환하여 제1 복소 해석 신호를 취득한다. 그리고 상기 제1 복소 해석 신호의 진폭치를 일정치로 보정함으로써 제1 위상 정보를 취득한다.

한편, 상기 피검체의 표면을 촬영하는 단계으로부터 소정 시간 경과후, 전술한 바와 마찬가지의 방법으로 피검체의 표면의 스펙클 화상을 촬영 하여, 이 화상 을 N차원 푸리에 변환(N = 1 또는 2)하여, 이 화상에 포함되는 주파수 스펙트럼의 제로 주파수를 포함하는 평면 내의 절반 또는 일부의 주파수 스펙트럼 진폭을 제로로 치환하고, 나머지 주파수 스펙트럼으로부터 주파수 성분을 추출하여, 이것을 N차원 역푸리에 변환하고, 제2 복소 해석 신호를 취득한다. 그리고 제2 복소 해석 신호의 진폭치를 일정치로 보정함으로써 제2 위상 정보를 취득한다.

그리고 상기 방법으로 각각 취득한 제1 위상 정보와 제2 위상 정보를 가지는 2개의 위상 한정 복소 해석 신호의 국소적인 상호 상관 함수가 최대 절대치를 나타내는 상관 피크의 위치로부터 피검체의 각 위치에서의 국소적인 변위를 검출한다.

여기서 본 발명의 특징의 하나는, 종래의 위상 한정 상관법에서 이용하고 있던 공간 패턴의 공간 주파수 스펙트럼 영역에서의 위상 한정 연산 대신, 신호 검출이나 양자화가 행해지는 신호 영역에서의 공간 패턴의 복소 해석에 대해서 위상 한정 연산을 행하고, 신호 영역의 위상 정보를 사용하는 점이다. 이에 따라 촬상 장치가 가지는 비선형 특성이나 양자 노이즈에 대해서, 종래보다 내비선형성 및 내노이즈성을 가지는 고정밀의 패턴 변위 검출을 행할 수 있게 된다. 그 결과, 고정밀의 변위 계측을 행할 수 있다.

또한, 주파수 영역에서의 위상 한정 연산 대신 신호 영역의 위상 한정 연산을 행함으로써 고주파 노이즈를 강조시키지 않고 신호 처리를 행할 수 있다. 이로써, 예를 들면 레이저 스펙클 패턴이 가로 변위(횡 변위)와 함께 패턴 자신이 변형하는 경우라도, 급격한 상관 피크치의 저하에 의해 생기는 오측정의 발생을 저감시킬 수 있으므로, 결과적으로 오측정이 적은 미소 변위 계측을 행할 수 있다. 즉, 고정밀의 미소 변위 계측을 행할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 특징은, 피검체의 표면의 스펙클 화상을 촬영하고, N차원 푸리에 변환하는 푸리에 변환부와, 푸리에 변환된 화상의 절반 또는 일부의 주파수 스펙트럼 진폭을 제로로 치환하는 힐베르트 변환부와, 치환 후의 나머지 주파수 스펙트럼으로부터 주파수 성분을 추출하는 주파수 추출부와, 주파수 성분을 N차원 역푸리에 변환하여 복소 해석 신호를 출력하는 역푸리에 변환부와, 복소 해석 신호의 진폭치를 일정치로 보정하는 위상 한정을 위한 진폭 보정부와, 보정 후의 신호의 전 영역 또는 일부 영역에 대해서 위상 한정 상관 처리를 행하여 위상 정보를 산출하는 위상 한정 상관 처리부와, 상호 상관 함수의 최대 절대치를 나타내는 상관 피크 위치로부터 변위량을 산출하는 변위량 산출부를 구비하는 점에 있다. 이에 따라, 피검체의 변위량을 간섭계를 이용하지 않고 측정할 수 있으므로 측정 장치 자체를 간소화할 수 있다. 또한, 간섭계를 사용할 경우에 생기는 진동이나 공기의 요동 등에 의한 노이즈 등의 영향을 고려할 필요가 없기 때문에, 좋지 못한 환경하에서 측정을 행해도 확실하게 위상 정보를 얻을 수 있다. 이로써 노이즈 등의 영향을 저감시킨 패턴 변위 검출을 행할 수 있다. 그 결과, 소형이며 내노이즈성을 향상시킨 고정밀의 미소 변위 계측을 실현할 수 있다.

이하, 도 1a ~ 도 1e를 참조하여 상세한 처리 단계를 설명한다.

도 1a는, 변위가 생기기 전의 스펙클 화상(스펙클 패턴이라고도 함)

[수식 1]

를 나타내는 도면이다. 도 1b는, 공간 주파수 스펙트럼

[수식 2]

의 진폭 분포를 밝기로 표시할 때의 도면이다. 또한, 도 1c는, 이 공간 주파수 스펙트럼의 제로 주파수를 포함하는 평면 내의 좌측 절반의 면을 진폭 제로로 치환했을 때의 주파수 성분을 나타내는 도면이다. 또한, 도 1d는, 우측 절반의 면의 주파수 스펙트럼을 역푸리에 변환하여 얻은 복소 해석 신호의 위상 분포를 농도로 표시한 도면이다. 또한 도 1e는, 도 1d로부터 잘라내어진 계측 대상이 되는 미소창 W의 해석 신호의 위상 분포를 농도로 표시한 도면이다.

먼저 도 1a에 나타낸 바와 같이, 변위가 생기기 전의 피검체의 스펙클 화상

[수식 3]

을 취득하고, 이것을 2차원 고속 푸리에 변환하여, 도 1b에 나타낸 바와 같은 공간 주파수 스펙트럼

[수식 4]

를 얻는다. 도 1b에 나타낸 화상은, 공간 주파수 스펙트럼

[수식 5]

의 진폭 분포를 밝기로 표시한 도면이다. 다음에 도 1b의 공간 주파수 스펙트럼

[수식 6]

의 제로 주파수를 포함하는 평면 내의 좌측 절반의 주파수 스펙트럼 진폭을 제로로 설정해 둔다(도 1c). 본 실시예에서는 좌측 절반의 주파수 스펙트럼 진폭을 제로를 설정해 두고 있지만, 이것은 우측 절반, 상측 절반 또는 하측 절반이라도 된다.

그리고 도 1c에 나타낸 바와 같이, 좌측 절반이 진폭 제로의 주파수 성분으로 표현된 필터

[수식 7]

(힐베르트 필터라고도 한다)의 우측 절반에 남은 나머지 평면 내의 주파수 스펙트럼

[수식 8]

를 2차원 고속 역푸리에 변환하여 복소 해석 신호

[수식 9]

를 얻는다. 도 1d은 역푸리에 변환 후의 복소 해석 신호의 위상치를 농담 분포로 표시한 도면이다.

이어서 도 1d에 위상 분포를 농도로 표시한 복소 해석 신호의 변위가 장소에 의존하여 변화하는 경우에는, 계측 대상이 되는 각 위치에서의 국소적인 변위를 계측한다. 그러므로 계측 대상이 되는 소영역 부분의 해석 신호를 미소창 W에 의해 잘라낸다.

그리고 도 1e에 나타낸 바와 같이, 잘라내어져서 계측 대상이 된 소영역의 해석 신호

[수식 10]

의 위상 분포를 농도록 표시시킨다.

그리고 마찬가지의 일련의 처리를 변위 후의 스펙클 화상

[수식 11]

에 대해서도 행한다. 이 처리를 도 2a ~도 2e에 나타낸다. 기본적으로는 도 1a ~ 도 1e의 처리와 같은 처리를 행한다.

즉, 먼저 도 2a에 나타낸 바와 같이, 피검체에 변위가 생긴 후의 스펙클 화상

[수식 12]

를 취득하고, 이것을 2차원 푸리에 변환하여, 도 2b에 나타낸 바와 같은 공간 주파수 스페트럼

[수식 13]

를 얻는다. 도 2b에 나타낸 화상은, 공간 주파수 스펙트럼

[수식 14]

의 진폭 분포를 밝기로 표시한 도면이다.

다음에 도 2b의 공간 주파수 스펙트럼

[수식 15]

의 제로 주파수를 포함하는 평면 내의 좌측 절반의 폭을 제로로 설정해 둔다(도 1c). 본 실시예에서는 좌측 절반의 주파수 스펙트럼 진폭을 제로로 설정하였지만, 제로로 두는 영역은 우측 절반, 상측 절반 , 또는 하측 절반의 어느 쪽이라도 된다.

그리고 도 2c에 나타낸 바와 같이 좌측 절반이 진폭 제로의 주파수 성분으로 나타낸 필터

[수식 16]

(힐베르트 필터라고도 한다)의 우측 절반에 남겨진 평면 내의 주파수 스펙트럼

[수식 17]

를 2차원 고속 역푸리에 변환하여 복소 해석 신호

[수 18]

를 얻는다. 도 2d는 역푸리에 변환 후의 복소 해석 신호의 위상치를 농담 분포로 표시한 도면이다.

이어서, 도 2d에 나타낸 바와 같이 위상 분포를 농도로 표시한 복소 해석 신호의 변위가 장소에 의존하여 변화하는 경우는, 계측 대상이 되는 각 위치에서의 국소적인 변위를 계측한다. 그러므로 계측 대상이 되는 소영역 부분의 해석 신호를 미소창 W에 의해 잘라낸다.

그리고 도 2e에 나타낸 바와 같이, 잘라내어져서 계측 대상이 된 소영역의 해석 신호

[수식 19]

의 위상 분포를 농도로 표시시킨다.

상기 도 2a ~ 도 2c의 변위 후의 신호 처리가 종료된 후, 변위 전의 스펙클 화상

[수식 20]

과 변위 후의 스펙클 화상

[수식 21]

의 2개의 스펙클 화상의 복소 해석 신호로부터 미소 창에서 잘라 낸 신호의 한쪽(이 예에서는, 변형 후의 해석 신호)의 위상 공역을 취하고, 가로로 이동시켜서 곱하여 얻어지는 합성 신호의 2차원 복소 상호 상관 함수를 구한다. 이 때, 스펙클 화상의 복소 해석 신호의 진폭을

[수식 22]

과 같이 고정함으로써, 위상 정보만으로 한정한 위상 한정 복소 상호 상관 함수를 구한다. 상기 위상 한정 복소 상호 상관 함수를 수식 23에 나타낸다.

[수식 23]

여기서 Cp의 p는 위상(phase) 정보만으로 한정한 해석 함수의 상호 상관 함 수 인 것을 의미하고 있다. 여기서 진폭을 1로 고정하는 대신, 진폭치에 대수 변환이나 평방근 조작을 행하여 진폭의 변화를 억제한 복소 상호 상관 함수를 구해도 된다. 일반적으로 위상 정보는 복소 지수 함수의 지수부를 통하여 신호에 나타나기 때문에, 스펙클 화상의 미세 공간 구조를 보다 고감도로 신호치에 반영한다. 그러므로, 계측 시의 이용 가치가 높다. 각 점의 진폭치는 그 점의 위상 정보의 상관 계산에 대한 반영의 정도에 가중을 부여하는 역할을 하고 있고, 진폭이 작은 곳에서는 위상 정보는 상관 계산에 이용되기 곤란하게 된다. 본 발명과 같이 신호 영역에서 진폭을 고정하거나 진폭 변화를 억제함으로써, 보다 많은 위상 정보를 계측에 이용할 수 있게 된다.

그리고, 도 3은, 전술한 일련의 처리에 의해 얻어진 복소 상호 상관 함수의 절대치의 분포를 나타내고 있다. 이와 같이 하여 위상 한정 상호 상관 함수의 피크가 생기는 위치로부터 상관 창을 잘라낸 영역에서의 국소적 변위를 구할 수 있다.

다음에 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 미소 변위 계측 장치(1)의 구성을 설명한다.

상기 미소 변위 계측 장치(1)은, 크게 나누면, 피검체(3)와, 상기 피검체(3)의 표면에 광을 조사하여 얻어지는 스펙클 패턴을 검출하는 검출부(5)와, 검출한 피검체(3)의 표면의 스펙클 패턴을 화상 처리하는 화상 처리부(7)를 구비하고 있다.

여기서 검출부(5)는, 적어도 조사 수단인 광원(51)과 촬상 수단인 카메 라(52)를 구비하고 있다. 조사 수단은 LD(레이저 다이오드)나 LED, 또는 백색 광원 등이다. 또한, 카메라와는 스펙클 패턴 촬상용의 고정밀도 CCD 카메라나 CMOS 카메라이다. 광원(51)으로부터 방출된 조사광은 피검체(3)에 입사하고, 그 일부가 반사하여 카메라에 입사한다. 광원(51)은, 도 4에 나타낸 바와 같이 반드시 검출부(5)에 내장시킬 필요는 없고 외부에 설치하는 구성으로 해도 된다.

화상 처리부(7)는, 카메라(52)로 촬영한 피검체(3)의 표면 화상 데이터(스펙클 패턴)를 일시적으로 기억하는 제1 기억부(예를 들면 프레임 메모리 등. 이하, FM이라 한다)(7l)과, 상기 스펙클 패턴을 파일화하여 저장하는 제2 기억부(예를 들면 하드 디스크 등. 이하, HDD라 한다)(72)와, 스펙클 패턴을 푸리에 변환하는 푸리에 변환부(73)와, 푸리에 변환된 공간 주파수 스펙트럼에 힐베르트 필터 처리를 가하는 힐베르트 필터 처리부(74)와, 힐베르트 필터 처리된 공간 주파수 스펙트럼으로부터 주파수 성분을 추출하는 주파수 추출부(75)와, 이 주파수 성분을 역푸리에 변환하는 역푸리에 변환부(76)와, 역푸리에 변환에 의해 얻어진 복소 해석 신호의 진폭을 일정치가 되도록 보정하는 진폭 보정부(77)와, 보정된 복소 해석 신호의 전 영역 또는 일부 영역에 대해서 위상 한정 상관 처리를 가하는 위상 한정 상관 처리부(78)와, 위상 한정 상관 처리에 의해 산출된 변위 전의 위상 정보와 변위 후의 위상 정보를 이용한 위상 한정 상관 함수의 절대치의 피크 위치로부터 변위량을 산출하는 변위량 산출부(79)와, 이들 기능부의 제어를 행하는 처리 제어부(예를 들면 중앙 연산처리장치. 이하, CPU라 한다)(80)와, 이들 일련의 처리 제어 프로그램이 저장되어 있는 제3 기억부(예를 들면 리드 온리 메모리 등. 이하, ROM이라 한다)(81)를 구비하고 있다. 상기 ROM(81)에는, 도 1 및 도 2에서 설명한 신호 처리 단계를 기재한 프로그램이 기억되어 있다.

또한, 화상 처리부(7)의 외부에는, 상기 화상 처리부(7)에서 처리된 결과를 외부에 표시하기 위한 표시부(9)가 형성되어 있다.

다음에, 상기 미소 변위 계측 장치(1)의 동작을 도 5 ~ 도 7의 흐름도를 참조하여 설명한다.

도 5는, 피검체(3)를 촬상하는 촬상 단계 및 촬영한 화상을 기억하는 기억 단계를 나타내는 흐름도이다. 도 6은, 기억된 화상을 처리하는 화상 처리 단계를 나타내는 흐름도이다. 도 7은, 처리된 2개의 화상을 비교하여 피검체(3)의 변위의 유무 및 변위량을 산출하는 변위량 산출 단계를 나타내는 흐름도이다. 그리고, 본 실시예에 있어서는, 피검체(3)를 회전시킴으로써 면내 변위를 자발적으로 발생시키고, 피검체(3)의 변위 전후의 스펙클 패턴을 각각 촬영하여 변위량을 산출한다.

먼저 도 4의 블록도 및 도 5의 흐름도에 나타낸 바와 같이, 피검체(3)의 정면에 카메라(52)를 배치하여, 광원(51)으로부터 출사되는 광을 피검체(3)에 조사하고, 피검체 표면에서 관찰되는 변위 전의 스펙클 패턴이나 표면 고유의 텍스쳐에 의한 스펙클 패턴을 카메라(52)로 촬영한다. 그리고 상기 스펙클 패턴(도 1a의 화상)을 FM(71)에 일시적으로 기억시키고, 파일화 처리한 후에 이 파일을 변위 전의 스펙클 패턴으로서 HDD(72)에 저장한다(S11, S13).

다음에 일정 시간 또는 일정 기간 경과 후에, 본 실시예에 있어서는 피검체(3)을 회전시킨 후에, 상기 촬상 조건과 같은 조건으로 피검체(3)를 촬영한다. 그리고 얻어진 스펙클 패턴(도 2a의 화상)을 FM(71)에 일시적으로 기억하고, 그 후 파일화 처리하여, 이 파일을 변위 후의 스펙클 패턴으로서 HDD(72)에 저장시킨다(S15, S17).

여기서 CPU(76)는, HDD(72)에 저장되어 있는 스펙클 패턴 정보를 항상 감시하고 있고, 최신 스펙클 패턴(여기서는 변위 후의 스펙클 패턴을 가리킨다)이 저장된 것을 검출하면, 이 스펙클 패턴의 하나 전에 저장된 스펙클 패턴(여기서는 변위 전의 스펙클 패턴을 가리킨다)을 판독한다(도 6의 S21).

그리고 상기 변위 전의 스펙클 패턴을 푸리에 변환부(73)에서 2차원 고속 푸리에 변환 처리하여 공간 주파수 스펙트럼으로 변환한다(S 23). 이어서 상기 공간 주파수 스펙트럼을 힐베르트 필터 처리부(74)로 힐베르트 필터 연산 처리, 즉, 공간 주파수 스펙트럼의 제로 주파수를 포함하는 평면 내의 좌측 절반의 주파수 스펙트럼 진폭을 제로로 설정해 두는 처리를 행한다(S 25). 그리고 우측 절반의 나머지의 공간 주파수 스펙트럼으로부터 주파수 성분을 추출하여 역푸리에 변환부(76)에서 2차원 고속 역푸리에 변환 처리에 의해 복소 해석 신호로 변환한다(S27). 변환된 복소 해석 신호는 파일화된 후, 변위 전의 복소 해석 신호로서 HDD(72)에 다시 저장된다(S29).

다음에, CPU(80)는, HDD(72)로부터 변위 후의 스펙클 패턴을 판독한다(S31). 그리고 상기 처리와 같이 2차원 고속 푸리에 변환 후, 힐베르트 필터 연산 처리하여, 공간 주파수 스펙트럼으로부터 주파수 성분을 추출하고, 다시 이것을 역푸리에 변환하여 복소 해석 신호를 취득한다. 상기 복소 해석 신호는, 변위 후의 복소 해 석 신호로서 HDD(72)에 저장한다(S33 ~ S39).

상기 화상 신호 처리가 종료하면 CPU(80)는, HDD(72)로부터 변위전과 변위 후의 복소 해석 신호를 각각 판독한다(도 7의 S41). 그리고 국소적인 변위의 계측 대상이 되는 영역의 복소 해석 신호의 국소 데이터를 미소창 W으로 잘라낸다(S43). 이어서 변위 전후의 복소 해석 신호에 대하여 진폭 일정화 또는 진폭 억제를 행하여 위상 한정 상관 함수 또는 의사 위상 한정 상관 함수를 사용하여 산출하고, 그 상관 피크 위치로부터 국소적인 변위의 유무 및 변위량을 구한다(S45, S47). 그리고 그 밖에 국소적인 변위를 구해야 할 점이 있는지의 여부를 검출하고, 더 나아가서 국소적으로 변위를 구해야 할 점이 있으면 새로운 국소 데이터를 잘라냄 Wn을 행하고, S43로 되돌아와서 이 국소 데이터에 대해서 S43 ~ S49의 처리를 행한다. 그리고, S51에서 국소적으로 변위량을 구해야 할 점이 존재하지 않으면 이 처리를 종료한다. 상기 처리 내용은 도중의 계산 결과를 포함하여 표시부(9)의 디스플레이로 모니터한다.

전술한 이들 일련의 처리 단계는 미리 프로그램화되어 ROM(81)에 기억되어 있고, CPU(80)가 이 프로그램을 읽어들여 적절하게 각 기능부를 구동시켜서 변위량 산출을 행한다. 또한, 본 실시예에서는 스펙클 패턴을 기초로 하여 변위량 산출을 행하였으나, 랜덤 도트 패턴을 사용하여 마찬가지로 변위량 산출을 행할 수 있다.

다음에, 본 발명과 특허 문헌 1의 기술을 비교하여, 그 차이에 대하여 설명한다.

일반적으로 위상 정보를 이용한 상호 상관 계산법으로서는 도 8a에 나타낸 방법이 알려져 있다. 이와 같은 종래 방법은 상호 상관을 요구하려고하는 화상 1 g(x, y)와 화상 2

[수식 24]

의 각각을 푸리에 변환하여 얻어지는 푸리에 스펙트럼

[수식 25]

와 푸리에 스펙트럼

[수식 26]

의 진폭을 「1」로 고정, 또는 대수 변환 등에 의해 억제한다(S100 ~ S103). 그리고, 한쪽의 복소 공역을 취하여 곱함으로써, 변위 전의 공간 주파수 스펙트럼의 위상 정보

[수식 27]

와 변위 후의 공간 주파수 스펙트럼의 위상 정보

[수식 28]

만을 이용하여(S104~S107), 복소 신호를 공간 주파수 영역에서 위상차

[수식 29]

를 취득한다(S108). 그리고 이 위상차를 역푸리에 변환하여 상관 함수

[수식 30]

을 구하는 방법이다(S109).

따라서, 이 방법에서 이용하는 위상 정보는 공간 주파수 스펙트럼의 위상 정보이며, 얻어지는 상관 함수는 화상1과 화상2의 전체의 포괄적인 변위에 대한 상관 함수로서, 화상 상의 임의의 각 점에 있어서의 국소적인 변위의 상관 함수를 구할 수 없다. 또한, 전술한 바와 같이, 공간 주파수 스펙트럼의 진폭의 동일화나 대수 함수 등에 의한 진폭 억제는 공간 주파수 스펙트럼의 고주파 성분을 강조하기 위하여, 스펙클의 변형이나 노이즈의 영향을 받기 쉬운 문제가 생긴다.

이에 비해, 본 발명에 의한 방법에서는, 도 1 내지 도 7 및 도 8b에 나타낸 바와 같이, 위상 한정 또는 진폭 억제에 의한 상관 연산은 공간 주파수 스펙트럼 영역이 아닌, 공간 신호 영역에서 각 화상의 복소 해석 신호에 대하여 행해진다. 그러므로, 공간 주파수 스펙트럼의 고주파 성분을 강조하지 않고, 노이즈나 스펙클의 변형에 의한 영향을 잘 받지 않는 이점이 생긴다.

즉, 도 8b에 나타낸 바와 같이, 상호 상관을 요구하고자 하는 화상1

[수식 31]

와 화상2

[수식 32]

의 각각을 푸리에 변환하여 푸리에 스펙트럼

[수식 33]

와 푸리에 스펙트럼

[수식 34]

를 구한다(S100~S103). 그리고, 이들 힐베르트 필터를 연산하고, 그 후 역푸리에 변환함으로써 복소 해석 신호

[수식 35]

와

[수식 36]

를 각각 취득한다(S200, S203). 그리고 각 복소 해석 신호의 위상차 정보

[수식 37]

와 위상차 정보

[수식 38]

만을 이용하고, 한쪽의 복소 공역을 취해 곱함으로써(S201, S202, S204, S205) 신호 영역에서의 위상 한정 상관 함수

[수식 39]

를 구한다(S206).

이와 같이 도 8a에 나타낸 영역 A의 공간 주파수 영역에서의 처리와 도 8b에 나타낸 영역 B의 신호 영역에서의 처리는 전혀 상이한 처리 내용이 되어 있다. 또한, 복소 해석 신호를 얻기 위한(S200) 힐베르트 필터 처리는 종래 방법에는 없는 새로운 기능이다.

또한, 그 때의 복소 해석 신호의 일부를 미소창 W로 잘라내어 위상 한정 또는 진폭 억제 상관을 계산함으로써, 화상의 각 점에 있어서의 국소적인 변위의 분포를 구할 수 있다. 그리고, 상관 계산 시에 잘라낸 미소창 W의 크기를 확대하면 종래 방법과 마찬가지의 화상 전체의 포괄적인 변위에 대한 상관 함수도 구할 수 있다.

또한, 도 9에 피검체(3)에 미소 회전을 부여한 때의 백색 스펙클 패턴의 이동으로부터 물체면 사의 각 점에있어서의 국소적인 변위의 분포를 구한 결과의 일례를 나타낸다. 이 결과로부터, 회전 중심으로부터의 거리에 비례하여 변위가 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 종래의 강도 상관법에서는 도 9a에 나타낸 바와 같이, 변위가 커져서 스펙클 자체의 형의 변형(데코레이션)이 생기면 계측 오차가 생기는 데(도면 중 점선으로 둘러싼 a1 및 a2) 비해, 본 발명에 의한 방법에서는 도 9b에 나타낸 바와 같이 큰 변위에 대해서도 정확한 계측 결과를 부여할 수 있도록 되어 있다. 또 하나의 종래 방법인 공간 주파수 영역에서의 위상 한정 상관 또는 진폭 억제 상관법은, 전술한 바와 같이 화상 전역의 포괄적인 상관을 부여하기 위해, 그 원리 상의 제약으로부터 이와 같은 국소적인 변위 분포를 구할 수 없다.

그런데 도 9a, 9b는, 큰 변위의 검출에 있어서의 본 발명의 우위성을 나타낸 것이지만, 도 10은 역으로 회전각을 작게 하여 미소 변위를 부여 시에 있어서 본 발명의 우위성을 나타낸 것이다. 도 10의 그래프의 세로축은 변위량의 크기를 나타내고, 변위는 회전 중심으로부터의 거리에 비례하므로 이상적인 계측 결과는 역원추형이 되지만, 종래 방법의 강도 상관에서는 도 10a에 나타낸 바와 같이 계측 오차를 많이 포함하고 있다. 그에 비해 본 발명에 의한 방법에서는 도 10b에 나타낸 바와 같이, 매우 미소한 변위에 대해서도 대략 원추 상태에 가까운 계측 결과를 얻을 수 있다.

전술한 바와 같이, 종래 방법의 공간 주파수 영역에서의 위상 한정 또는 진 폭 억제 상관법은 국소적인 변위 계측에 적용할 수 없기 때문에, 물체 전체가 변위하는 경우에 대하여 본 방법과 성능 비교를 행하였다. 도 11a는, 본 발명의 방법에 의한 공간 신호 영역에서의 위상 한정 상관 함수에 의한 스펙클 패턴의 자기 상관 함수를 나타낸 도면이다. 도 11b에 나타낸 바와 같이 종래 방법의 공간 주파수 영역에서의 위상 한정 상관 함수에 의한 스펙클 패턴의 자기 상관 함수와 비교하면 상관 함수가 넓어져서 그 폭이 크고 자기 상관 함수의 분해능에 대해서는 우위성이 없다. 그러나 도 11d에 나타낸 바와 같이 종래 방법의 공간 주파수 영역에서의 위상 한정 상관 함수에 의한 상호 상관 함수는 피크의 높이가 저하되는 데 비하여, 도 11c에 나타낸 본 발명에 의한 공간 신호 영역에서의 상관 함수는 높은 상관 피크를 유지하고 있으므로 신뢰성이 높은 계측이 가능해진다. 레이저 스펙클은 변위에 의해 변형하기 때문에, 변위량이 커지고 스펙클의 변형이 심해지면 본 발명에 의한 방법의 우위성이 더욱 두드러지게 된다.

도 12는 스펙클의 변형이 큰 경우의 상호 상관 함수를 비교한 것이다. 도 12a, 12b는, 각각 본 발명에 의한 방법(공간 신호 영역에서의 위상 한정 상관 함수)과 종래의 방법(공간 주파수 영역에서의 위상 한정 상관 함수)에 의한 자기 상관 함수이다. 이 경우는 스펙클의 변형이 없기 때문에 종래의 방법에 대한 우위성은 없지만, 도 12d에 나타낸 바와 같이 종래의 방법(공간 주파수 영역에서의 위상 한정 상관 함수)은 상호 상관 함수의 피크의 높이가 현저하게 저하되는 데 비해, 도 12c에 나타낸 본 발명(공간 신호 영역에서의 위상 한정 상관 함수)에 의한 상호 상관 함수는 높은 상관 피크를 유지하고 있으므로 스펙클의 변형이 큰 경우에 비해 서도 신뢰성이 높은 계측이 가능해진다.

이상, 본 발명에 따르면, 피검체 표면에 존재하는 독특한 스펙클 패턴을 사용하여 정밀도가 높은 미소 변위의 계측을 가능하게 한다. 이에 따라, 예를 들면 반도체 소자나 항공기의 동체·날개, 또는 차체 등의 금속 재료의 내부에서 생긴 미소 결함에 기초하는 물체 표면의 변위를 비접촉으로 검출할 수 있다. 또한, 이 검사를 정기적으로 행함으로써, 금속 피로나 경년 변화를 예측할 수 있게 되므로, 파단 등을 미연에 방지하는 비파괴 검사 장치로서도 이용할 수 있다. 또한, 환경이 나쁜 장소에서도 측정할 수 있도록 되어 있으므로, 스펙클 패턴을 사용한 개인 식별이나 보안 장치로서도 응용할 수 있다.

Claims

측정 대상물의 표면을 촬상하는 제1 촬상 단계와,

상기 제1 촬상 단계에서 촬상한 화상을 N차원 푸리에 변환(N = 1, 2)하는 제1 푸리에 변환 단계와,

상기 제1 푸리에 변환 단계에서 변환된 주파수 스펙트럼의 제로'0' 주파수를 포함하는 평면 내의 절반 또는 일부의 주파수 스펙트럼 진폭을 제로로 치환하는 제1 힐베르트 변환(Hilbert transform) 단계와,

상기 제1 힐베르트 변환 단계 후의 주파수 스펙트럼으로부터 주파수 성분을 추출하는 제1 주파수 추출 단계와,

상기 주파수 성분을 N차원 역푸리에 변환(N = 1, 2)하여 제1 복소 해석 신호를 취득하는 제1 역푸리에 변환 단계와,

상기 제1 복소 해석 신호의 진폭치가 일정하게 되도록 보정하는 제1 진폭 보정 단계와,

상기 진폭 보정된 제1 위상 한정 해석 신호를 기록하는 제1 위상 한정 신호 기록 단계와,

한편으로, 상기 제1 촬상 단계 후, 상기 측정 대상물의 표면을 촬상하는 제2 촬상 단계와,

상기 제2 촬상 단계에서 촬상한 화상을 N차원 푸리에 변환(N = 1, 2)하는 제2 푸리에 변환 단계와,

상기 제2 푸리에 변환 단계에서 변환된 주파수 스펙트럼의 제로 주파수를 포함하는 평면 내의 절반 또는 일부의 주파수 스펙트럼 진폭을 제로로 치환하는 제2 힐베르트 변환 단계와,

상기 제2 힐베르트 변환 단계 후의 주파수 스펙트럼으로부터 주파수 성분을 추출하는 제2 주파수 추출 단계와,

상기 주파수 성분을 N차원 역푸리에 변환(N = 1, 2)하여 제2 복소 해석 신호를 취득하는 제2 역푸리에 변환 단계와,

상기 제2 복소 해석 신호의 진폭치가 일정하게 되도록 보정하는 제2 진폭 보정 단계와,

상기 진폭 보정된 제2 위상 한정 해석 신호를 기록하는 제2 위상 한정 신호 기록단계와,

상기 제1 위상 한정 해석 신호와 상기 제2 위상 한정 해석 신호의 모든 영역 또는 일부 영역에 대해서 위상 한정 상호 상관 함수를 구하는 위상 한정 상관 처리 단계와,

상기 위상 한정 상호 상관 함수가 최대의 절대치를 나타내는 상관 피크의 위치로부터 변위량을 산출하는 변위량 산출 단계

를 포함하는 미소 변위 계측법.
제1항에 있어서,

상기 제1 및 제2 진폭 보정 단계는, 상기 제1 및 제2 복소 해석 신호의 진폭 치를 일정치로 치환하는 진폭 한정 처리 방법, 또는 상기 제1 및 제2 복소 해석 신호의 진폭치를 대수 변환에 의해 일정치로 억제하는 진폭 억제 처리 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 미소 변위 계측법.
제1항에 있어서,

상기 위상 한정 상관 처리 단계에서 행하는 위상 한정 상호 상관 처리에 있어서, 진폭 한정 상호 상관 함수, 또는 진폭 억압 상호 상관 함수를 사용하는 것을 특징으로 하는 미소 변위 계측법.
측정 대상물의 표면을 촬상하는 촬상 수단과,

상기 촬상 수단에 의해 촬상한 화상을 N차원 푸리에 변환(N = 1, 2)하는 푸리에 변환 수단과,

상기 푸리에 변환 수단에 의해 변환된 주파수 스펙트럼의 제로 주파수를 포함하는 평면 내의 절반 또는 일부의 주파수 스펙트럼 진폭을 제로로 치환하는 힐베르트 변환 수단과,

상기 힐베르트 변환 수단에 의해 제로로 치환된 제로 치환 영역 이외의 영역에 포함되는 주파수 스펙트럼으로부터 주파수 성분을 추출하는 주파수 추출 수단과,

상기 주파수 추출 수단에 의해 추출된 주파수 성분을 N차원 역푸리에 변환하여 복소 해석 신호를 출력하는 역푸리에 변환 수단과,

상기 복소 해석 신호의 진폭치가 일정하게 되도록 보정하는 진폭 보정 수단과,

상기 진폭 보정 수단으로 보정된 신호의 모든 영역 또는 일부 영역에 대해서 위상 한정 상관 처리를 행하는 위상 한정 상관 처리 수단과,

상기 위상 한정 상관 함수의 최대 절대치를 나타내는 상관 피크의 위치로부터 변위량을 산출하는 변위량 산출 수단

을 포함하는 미소 변위 계측 장치.
제4항에 있어서,

상기 진폭 보정 수단은, 상기 복소 해석 신호의 진폭치를 일정치로 치환하는 위상 한정 처리 수단, 또는 상기 복소 해석 신호의 진폭치를 대수 변환에 의해 일정치로 억제하는 진폭 억제 처리 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 미소 변위 계측 장치.
제4항에 있어서,

상기 위상 한정 상관 처리 수단은, 위상 한정 복소 상호 상관 함수, 또는 진폭 억압 복소 상호 상관 함수를 사용하는 것을 특징으로 하는 미소 변위 계측 장치.