JPH0587541A

JPH0587541A - ２次元情報測定装置

Info

Publication number: JPH0587541A
Application number: JP14385191A
Authority: JP
Inventors: Suezo Nakatate; 末三中楯
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-05-20
Filing date: 1991-05-20
Publication date: 1993-04-06

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、バイアス位相が１２０°ず
つ異なる３種の画像データを得て、被測定物体からの２
次元的な物理量の情報を高精度、実時間で測定する装置
を提供することにある。【構成】縞画像を出力する光学系から出力された光に
対して、周波数同期したテレビカメラで撮像し、バイア
ス位相が１２０度ずれた信号を得る。そのビデオ信号を
用いてディジタル演算、処理を行ない、測定縞画像の位
相分布や位相差分布を実時間で測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学的干渉計、モアレ
法や格子を用いた精密測定装置に関し、特に縞画像の位
相の分布を高精度かつ高速度に検出し、計算して超精密
加工製品などの面形状、温度分布、屈折率分布や、粗面
物体の形状、変位、変形等を実時間で測定する２次元情
報測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】精密機械、電子産業の分野では、超精密
加工部品や超精密装置が製作されており、それら製品の
検査あるいは装置の駆動制御に関して、光学的干渉計に
よる測定装置が広く用いられている。さらに、粗面製品
の面形状や温度、力による物体の変位、変形などが、モ
アレ法やホログラフイー干渉計などによって測定されて
いる。このような従来の測定方法は、干渉測定やモアレ
法の自動化や高精度化を主眼として、例えば干渉測定で
は、参照面を電気的に微少量変化させながら干渉縞を計
算機に取込み、それら複数個の干渉縞から光の位相分布
を計算して測定するものであった。

【０００３】図１２は、面形状を高精度に測定するため
の従来装置の構成図である。同図において、測定は以下
のように行なわれる。レーザ２００からの光はコリメー
タレンズ２０１で平行光にされ、その平行光を半透鏡２
０３で２方向に分け、被測定物体２０４と参照面２０５
とを照明する。それぞれの面から反射して来た光を再び
半透鏡２０３で合わせて、干渉縞２０６を形成する。こ
の干渉縞２０６の強度をテレビカメラ２０７を用いて計
算機２０８に入力して計算するが、この時に計算機２０
８はピエゾ素子２１０を用いて参照面２０５を微少量ず
つ波長／２までＮステップ移動して変化させ、位相がず
れた干渉縞２０６を計算機２０８に入力して演算を行な
う。このような測定システムにより、例えば被測定物体
２０４の面形状を１／１０００波長程度で高精度に測定
することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来装置で
は、テレビカメラ２０７の複数フレームを時系列で計算
機２０８に取込むためにデータの入力に時間がかかり、
また、一度計算機２０８に格納したデータを、やりとり
しながら演算するので時間がかかり、実時間（テレビレ
ート）での測定は不可能である。さらに、被測定物体２
０４が金属面のように時間変化のないものは、測定時間
がある程度かかっても問題はないが、例えばプラズマ密
度の測定のように時間変化するものは実時間測定するこ
とが不可欠である。また、測定を実時間で行なうことが
できれば、その結果を測定系や制御系にフィードバック
することができ、より多機能なシステム構成が可能とな
る。

【０００５】本発明は上述のような事情よりなされたも
のであり、本発明の目的は、バイアス位相が１２０°ず
つ異なる３枚の縞画像や、テレビ信号又はサンプリング
データを同時に得て、これらの信号を基にテレビレート
で縞画像の位相分布や位相差分布を演算、計測して、被
測定物体からの２次元的な物理量の情報を高精度、かつ
実時間で測定することができる２次元情報測定装置を提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は２次元情報測定
装置に関するもので、本発明の上記目的は、２次元的な
物理量の変化に応じて、バイアス位相が１２０°ずつ異
なる３つの正弦波状信号の２次元光強度を出力する物理
量測定光学系と、前記物理量測定光学系からの前記正弦
波状信号のバイアス位相が０°である光強度を２次元的
に検出する第１の光検出手段と、前記バイアス位相と位
相が１２０°異なる前記物理量測定光学系からの光強度
を２次元的に検出する第２の光検出手段と、前記第１の
光検出手段により検出された光のバイアス位相と位相が
２４０°異なる前記物理量測定光学系からの光強度を２
次元的に検出する第３の光検出手段とを設けることによ
って達成される。

【０００７】また、本発明の目的は、２次元的な物理量
の変化に応じて、正弦波状信号の２次元光強度を出力す
る物理量測定光学系と、前記物理量測定光学系からの前
記正弦波状信号を検出し、検出信号のバイアス位相が０
°である光強度を２次元的に検出する第１の光検出手段
と、前記バイアス位相と前記検出出力信号のバイアス位
相が１２０°ずれた前記物理量測定光学系からの光強度
を２次元的に検出する第２の光検出手段と、前記第１の
光検出手段により検出された信号のバイアス位相と前記
検出信号のバイアス位相が２４０°ずれた前記物理量測
定光学系からの光強度を２次元的に検出する第３の光検
出手段とを設けることによって達成される。

【０００８】

【作用】本発明は、２次元的な物理量の変化に応じて被
測定用の縞画像のバイアス位相が１２０°ずつずれた光
を出力する物理量測定光学系と、この物理量測定光学系
から出力された３つの光に対して、その３個の縞画像を
周波数同期した３台のテレビカメラで撮像し、それらビ
デオ信号を用いてディジタル演算、処理を行ない、前記
被測定用縞画像の位相分布を実時間で測定するものであ
る。

【０００９】また、干渉縞や格子像などでキャリア周波
数の高い縞画像を、ＣＣＤカメラなどのような規則的に
配列された光検出素子で撮像すると、縞画像とのモアレ
（電子モアレ）信号を作成することができ、ビデオ信号
を低周波フイルタリングすると、このモアレ信号のみを
取出すことができる。このモアレ縞のバイアス位相は、
撮像した縞画像とＣＣＤカメラの光検出素子との相対位
置で決まるので、３台のＣＣＤカメラの位置を調節する
ことにより、それぞれ１２０°ずつずれたビデオ信号を
得ることができる。これら１２０°ずつずれた信号を用
いて、ディジタル演算、処理により光の位相分布や電子
モアレ縞の位相分布や位相分布差を実時間測定すること
ができる。上で述べた手法は、３個のＣＣＤ素子を用い
て実現することができるが、１２０度ずつずれた信号を
検出する光検出素子を同一平面上に配置することによっ
て、１個のＣＣＤ素子を用いて行なうことも可能であ
る。このとき、１２０度ずつずれた信号は２個おき毎の
光検出素子から検出される信号となり、ストライプカラ
ーフィルタを用いた単管式カラーＣＣＤの信号処理方式
がそのまま使えて、Ｒ、Ｇ、Ｂ信号がそれぞれ１２０度
ずつ位相のずれた信号に対応する。

【００１０】さらに、キャリア周波数の入った１個の縞
画像や格子像を用いて１個のテレビカメラを用いる場
合、キャリア周波数の１周期の１／３ずつのサンプル点
のデータを用いると、これら３個のサンプルデータの位
相差は１２０°ずつずれていることになる。したがっ
て、このデータからディジタル演算、処理を行なうと、
干渉縞の位相、格子の位相分布や位相差をテレビレート
で測定することができ、これらの位相分布はそれぞれの
被測定物理量に比例している。これら１２０°ずつずれ
た信号を用いて縞画像の位相分布を求めるには、予め入
力信号に対する演算結果を計算して格納しておくディジ
タルルックアップテーブル方式により、テレビレートで
縞画像の位相分布を求めることが可能である。また位相
差分布を求めるには、格納してある減算用の位相分布と
実時間で計算された位相とを、高速に演算処理すること
やルックアップテーブルを用いることにより求めること
が可能である。

【００１１】

【実施例】以下に、本発明の実施例を図面を用いて説明
する。図１は、直交偏光間の位相差を測定する場合の、
偏光マハ・ツェンダー干渉測定システムを示している。
直線偏光レーザ光１１をレンズ系１２により平行光と
し、測定光学系１０に入射する。偏光半透鏡１３により
ｘ偏光１６とｙ偏光１７とに分けられ、ｘ偏光１６は被
測定透明物体１９を通過し、ミラー１４を介して第２の
偏光半透鏡１３Ａにより、参照光となるミラー１５から
のｙ偏光１７と合わされる。この偏光マハ・ツェンダー
干渉計からの出力光であるｘ偏光１６及びｙ偏光１７の
振幅をａ及びｂとし、位相成分をφ_ｘ及びφ_ｙとする。
これら出力光１６及び１７に、フアスト軸がｘ−ｙ面内
にあり、ｘ軸及びｙ軸となす角が４５°の１／４波長板
ＱＷＰ１を挿入すると、この１／４波長板を通過した被
測定波面のそれぞれの振幅及び位相は、右と左の円偏光
にそれぞれ変換される。ここで、その波面を、偏光を保
持して振幅を波面分割光学系２０で３分割した後に偏光
板Ｐ_１〜Ｐ_３を透過させるが、これら偏光板Ｐ_１〜Ｐ_３
の方向をＺ軸に対して角度θとすると、得られる干渉縞
は

【００１２】

【数１】となる。したがって、角度θを０°、６０°、１２０°
とした偏光板Ｐ_１〜Ｐ_３を通過させると、得られる干渉
縞Ｉ_１〜Ｉ_３はそれぞれ、

【００１３】

【数２】

【００１４】

【数３】

【００１５】

【数４】となる。これら干渉縞Ｉ_１〜Ｉ_３は位相が１２０°ずつ
ずれている。したがって、これら干渉縞Ｉ_１〜Ｉ_３をテ
レビカメラＴＶ_１〜ＴＶ_３で撮像し、

【００１６】

【数５】

【００１７】

【数６】を求めると、正弦信号

【００１８】

【数７】余弦信号

【００１９】

【数８】となるので、これら正弦信号及び余弦信号の逆正接を計
算することにより、直交偏光間の位相分布（φ_ｘ−
φ_ｙ）を求めることができる。

【００２０】

【数９】ここで、３台のテレビカメラＴＶ_１〜ＴＶ_３からのビデ
オ信号Ｉ_１〜Ｉ_３を信号処理装置２１でＡ／Ｄ変換し、
この３種のディジタル量に対して、上記数５、数６、数
９に示す計算結果を予め格納しておいたテーブル（ルッ
クアップテーブル）から位相データを読出すことによ
り、テレビレートで位相分布を測定することができる。
位相差は表示用のテレビモニタ２３に入力され、位相分
布に比例した画像が濃淡パターンとして表現される。位
相分布が２πラジアンを越えると濃淡パターンが折り返
すので、画面全面での分布を求めるために、位相の不連
続点をディジタル的に補正して表示することもできる。
また、そのデータを用いて、位相分布を実時間でテレビ
モニタ２３上に鳥瞰図で表現することもできる。さらに
定量的なデータ処理として、求めた位相値を計算機など
の外部の信号処理装置にも転送できるようにすることが
できる。これにより被測定物体の面形状をテレビレート
で計測できるので、被測定透明物体１９が高速に変化し
ても測定が可能であり、製品の被破壊検査を高速に行な
うことができる。

【００２１】以上の方法は定量的な手法であるが、３台
のテレビカメラＴＶ_１〜ＴＶ_３から得られるビデオ信号
Ｉ_１〜Ｉ_３をカラーのＲＧＢ信号とすると、カラーモニ
タ２２上には被測定光の位相分布がカラーで表示される
ことになる。この手法では定量的な測定はできないが、
白色干渉縞と同様に位相の凹凸判定を簡単に実時間で行
なうことができると共に、特徴的な欠陥部分などを色の
変化として高速に検出、認識することができる。

【００２２】次に、偏光ホログラフィー干渉計を用いた
実施例を図面を用いて説明する。図２は、偏光ホログラ
フィー干渉計を用いて、被測定物体４０の変形量を実時
間測定するシステムを示している。直線偏光のレーザ光
３０を無偏光半透鏡３１で２方向に分け、物体照明光３
０Ａと参照光３０Ｂにする。物体照明光３０Ａはミラー
３２、３３及びレンズ系３４を介して被測定物体４０を
照明する。参照光３０Ｂには１／２波長板３５が挿入さ
れており、レンズ系３６を介してホログラム乾板４１を
照明する。また、被測定物体４０からの拡散光３０Ｃに
は偏光板４２が挿入されている。この偏光板４２を透過
した物体拡散光３０Ｄの偏光方向と、１／２波長板３５
を透過した参照光３０Ｅの偏光方向とが一致するよう
に、偏光板４２及び１／２波長板３５の回転角は予め調
節されている。被測定物体（粗面物体）４０が変形する
前に、この状態でホログラム乾板４１を露光、現像、定
着、乾燥してホログラムを作成する。このホログラムを
参照光３０Ｅで再生し、それと同時に拡散光３０Ｄを照
明すると、実時間ホログラフィー干渉縞が得られる。次
に１／２波長板３５を４５°回転すると、１／２波長板
３５を透過した参照光３０Ｅの偏光方向は、１／２波長
板３５を回転する前の偏光方向に対して９０°回転して
いるので、ホログラムより再生された光と現時点での拡
散光３０Ｄとの偏光方向が直交している。したがって、
被測定物体４０の形状が変形すると、それに応じて直交
偏光間の位相差分布が生じる。これは、図１における被
測定波面の位相差（φ_ｘ−φ_ｙ）に対応している。

【００２３】したがって、ホログラム乾板４１の下方に
配置された結像レンズ４３の後に図２に示すような光学
系、つまり開口４４を有する１／４波長板ＱＷＰ２と、
波面の振幅分割を行なう波面振幅分割光学系４５と、３
分割された光を偏光させる偏光板Ｐ_１〜Ｐ_３とを挿入す
ると、３台のテレビカメラＴＶ_１〜ＴＶ_３からは、被測
定物体４０の変形に対応した干渉縞のバイアス位相が０
°、１２０°、２４０°となる３つの干渉縞Ｉ_１、
Ｉ_２、Ｉ_３が得られる。したがって、これら３つの信号
Ｉ_１〜Ｉ_３を用いて数５、数６、数９を計算する信号処
理装置４６により、ホログラフィー干渉縞の位相分布を
実時間で測定できる。さらに、この位相分布を光学配置
のパラメータを使って線形変換することにより、被測定
物体４０の変形量を定量的に、しかも実時間で測定でき
る。求められた位相分布などは、目的に応じて白黒モニ
タ４８上に表示されたり、計算機４９に転送したりでき
る。また、３台のテレビカメラＴＶ_１〜ＴＶ_３からのビ
デオ信号Ｉ_１〜Ｉ_３を用いて、カラーモニタ４７でカラ
ー表示をすることができる。

【００２４】次に、投影格子モアレを用いた実施例を図
面を用いて説明する。図３は投影格子モアレ法を用い
て、被測定物体６０の形状を実時間測定するシステムで
ある。等間隔直線状の投影格子Ｇ_０の格子像を、光源６
１と、照明用のレンズ６２Ａと、投影用のレンズ６２Ｂ
とを用いて被測定物体６０の面上に投影する。この格子
像は、被測定物体６０の形状に応じて変形する変形格子
像となる。この変形格子像を、撮像用の結像レンズ６３
と、結像レンズ６３の後に配設された開口板６４と、分
割プリズムで成る波面振幅分割光学系６５とを用いて３
個の同一格子Ｇ_１〜Ｇ_３上に結像すると、被測定物体６
０の形状に応じたモアレ像が得られる。これら３個のモ
アレ像のバイアス位相は、結像した変形格子像と各格子
Ｇ_１〜Ｇ_３の格子方向の相対位置（図中のｘ_１〜ｘ_３方
向）により決定される。したがって、格子Ｇ_１によるモ
アレ縞のバイアス位相に対して、格子Ｇ_２、Ｇ_３を格子
方向に調節して、バイアス位相がそれぞれ１２０°、２
４０°となるようにすることができる。これら格子Ｇ_１
〜Ｇ_３上のモアレ縞を３台のテレビカメラＴＶ_１〜ＴＶ
_３で撮像すると、位相がそれぞれ１２０°ずつずれたモ
アレ縞の信号Ｉ_１〜Ｉ_３となる。したがって、信号Ｉ_１
〜Ｉ_３を信号処理装置６６によりモアレ縞の位相を実時
間で測定し、表示装置６７に表示することができる。こ
の縞の位相は物体照明光、観察方向、格子間隔などのパ
ラメータを用いて、位相分布を線形変換することにより
被測定物体６０の形状を実時間で測定することができ
る。

【００２５】更に、カラー格子投影法を用いた実施例を
図面を用いて説明する。図４にカラー格子投影法を用い
て、被測定物体７０の形状を実時間で測定するシステム
を示す。光源７１と、照明用のレンズ７２Ａと、投影レ
ンズ７２Ｂとを用いて、図５に示すような赤（Ｒ）、緑
（Ｇ）、青（Ｂ）の３色ストライプが規則的に繰返され
る模様のカラー格子７３を被測定物体７０上に投影す
る。この投影されたカラー格子像は、被測定物体７０の
形状に応じて変形する変形カラー格子像である。この変
形カラー格子像を、結像レンズ７４と、結像レンズ７４
の後に配設された開口７５と、分解プリズムで成る３色
分解光学系７６とを用いると、変形格子像のＲ、Ｇ、Ｂ
の３色格子像を得ることができる。被測定物体７０の形
状の空間的変化量が、投影変形格子のＲＧＢの１周期
（各周期は同じ）より十分小さいとすると、Ｒ、Ｇ、Ｂ
の変形格子像のバイアス位相差はそれぞれ１２０°ずつ
異なることになる。したがって、結像されたＲ、Ｇ、Ｂ
の変形格子像を３台のテレビカメラＴＶ_１〜ＴＶ_３で撮
像し、その出力信号Ｉ_１〜Ｉ_３を用いて信号処理装置７
７で数５、数６、数９を計算すると、変形格子の位相分
布φ_１を求めることができる。なお、図４の３色分解光
学系７６と光検出素子のシステムは、一般のカラーテレ
ビ撮像素子を用いることができる。平面状の被測定物体
にカラー格子７３を投影して、上述したと同様な処理を
すると、空間座標で線形１次の位相分布φ_０が得られ
る。被測定物体７０の正味の形状は、位相φ_１とφ_０の
差に比例する。ここで、この位相差を求めるための回路
構成の一例を図６に示す。

【００２６】すなわち、平面物体に投影されたカラー格
子像を３台のテレビカメラで撮像し、各テレビカメラか
ら出力される３つのビデオ信号をＡ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ
変換し、３次元ルックアップテーブル（３Ｄ−ＬＵＴ）
８０を用いて位相φ_０を求め、この２次元出力をメモリ
８１に記憶する。次に物体を被測定物体とし、上記３つ
のビデオ信号を同様の処理をすると位相分布φ_１が得ら
れる。この位相分布φ_１と１次元ルックアップテーブル
（１Ｄ−ＬＵＴ）８３１及び８３２とを用いて、余弦成
分Ｃ_１＝ｃｏｓφ_１及び正弦成分Ｓ_１＝ｓｉｎφ_１を求
める。同様に、メモリ８１に記憶されている位相φ_０と
１Ｄ−ＬＵＴ８３３及び８３４とを用いて、余弦成分Ｃ
_０＝ｃｏｓφ_０及び正弦成分Ｓ_０＝ｓｉｎφ_０をそれぞ
れ求める。次に乗算回路８４１〜８４４、加算回路８５
及び減算回路８６を用いて、新たに余弦成分Ｃ_２＝Ｃ_１
・Ｃ_０−Ｓ_１・Ｓ_０＝ｃｏｓ（φ_１−φ_０）、正弦成分
Ｓ_２＝Ｓ_１・Ｃ_０−Ｃ_１・Ｓ_０＝ｓｉｎ（φ_１−φ_０）
を求める。これら位相差に対応する余弦成分Ｃ_２及び、
正弦成分Ｓ_２の逆正接ｔａｎ^−１（Ｓ_２／Ｃ_２）を実現
するルックアップテーブル（２Ｄ−ＬＵＴ）８７を用い
ると、正味の形状に対応する位相分布（φ_１−φ_０）を
テレビレートで求めることができる。このような演算処
理回路を用いるのは、位相を直接減算すると、位相が２
πを越えるときの不連続点を除去できないからである。
ここまでは、位相の差φ_１−φ_０をルックアップテーブ
ル、乗算、加算、減算回路を用いた場合の回路構成を述
べたが、図６に破線で示した８８の回路部分は、入力を
φ_１、φ_０とし、出力をφ_１−φ_０とするルックアップ
テーブルを用いても実現することができる。この時も同
様にφ_１−φ_０の単純な引算ではなく、図６の８８に示
した回路を用いた時の結果を出力するルックアップテー
ブルを用いる必要がある。回路構成は８８の部分をルッ
クアップテーブルを用いたものの方がより簡単になる。

【００２７】以上では平面物体による位相φ_０を用いた
が、これは、位相を減算したい物体を用いれば形状差を
実時間で測定することができ、基準物体と被測定物体と
の形状の違いを高速に検出できることになり、非破壊検
査の高速化を実現することができる。さらに、基準とな
る位相φ_０は実験値の代わりに理論値でも良く、信号処
理装置の内部で生成したディジタル値や、外部の基準位
相発生機（計算機など）８２により転送、供給される値
でも良い。これにより、設計された形状と被測定物体と
の形状差を実時間で求めることができ、測定結果を直ち
にフィードバックして被測定物体の修正、変更を高速に
行なうことができる。

【００２８】次に、本発明の他の実施例を、実体格子モ
アレに適用した場合を図面を用いて説明する。実体格子
モアレ法を用いた形状測定システムを図７に示す。実体
格子９０を撮像カメラから横に距離Ｄだけ離れた光源９
１により照明すると、実体格子９０の格子像が被測定物
体９２の面上に投影され、被測定物体９２の形状に応じ
て格子像が変形する。この変形格子像を再び実体格子９
０を通してカラーテレビカメラの位置で撮像すると、変
形格子像と実体格子９０とのモアレ縞ができ、このモア
レ縞は被測定物体９２の形状の等高線を表わす。ここ
で、被測定物体と実体格子９０との距離Ｌ１を、物体形
状の最大値と最小値との差より十分大きくとると、光源
９１とテレビカメラ９３との距離Ｄを徐々に変えて行く
ことにより、モアレ縞のバイアス位相をシフトさせるこ
とができる。したがって、図７に示すように、モアレ縞
のバイアス位相が１２０°ずつ異なる距離ＤＲ、ＤＧ、
ＤＢにＲ、Ｇ、Ｂの３色を発光するカラー光源９１を置
いて実体格子９０を照明し、これをカラーテレビカメラ
で撮像すると、テレビカメラ９３のＲ、Ｇ、Ｂの出力信
号Ｉ_１〜Ｉ_３は１２０°ずつ位相のずれたビデオ信号と
なる。したがって、ビデオ信号Ｉ_１〜Ｉ_３を用いて数
５、数６、数９を実現する信号処理装置９４及び基準位
相発生装置９５との位相差を用いると、被測定物体９２
の形状を実時間で計測することができる。基準位相発生
装置にモデルとなる物体の位相分布を入れておくと、被
測定物体とモデル物体との形状差を実時間計測できる。
図７は光源９１とＴＶカメラ９３が一直線上にある場合
を示したが、光源９１と格子９０との距離Ｌ２がＬ１に
比べて十分大きいとき、照明光はほぼ平行光となる。ま
た、光源９１にレンズ系を用いて格子９０を平行光照明
することもできる。この場合では、格子９０の照明角度
を各カラー光源で変化させ、各色のモアレ縞のバイアス
位相が１２０度ずつ異なるようにすることができる。ま
た、モアレ縞に基の格子９０が目立つ場合では、格子９
０を移動させて、もとの格子像を消すことができる。

【００２９】更に他の実施例として、電子モアレに適用
した場合を図面を用いて説明する。電子モアレ法を用い
た形状測定システムを、図３に対応させて図８に示す。
このシステムは、図３の投影格子モアレ法のシステムと
ほぼ同じであるが、結像面に参照用Ｇ_１〜Ｇ_３の格子が
入っていない点が異なる。光検出素子（テレビカメラＴ
Ｖ_１〜ＴＶ_３）としてＣＣＤカメラを用いると、結像し
た変形格子像のピッチとＣＣＤカメラの光検出ピクセル
のピッチとがほぼ等しくなるようにすると、変形格子と
ＣＣＤとのモアレ縞が発生することになる。すなわち、
投影格子モアレ法の基準格子をＣＣＤカメラで代用した
ことになる。したがって、変形格子の結像面のＣＣＤ素
子を、図８に示すようにｘ_１〜ｘ_３方向に移動して調節
することにより、検出した３個のモアレ縞のバイアス位
相を１２０°ずつずらせることができる。変形格子像を
表わす周波数の高い信号は、ビデオ信号に低周波フィル
タを用いて取除き、モアレ信号のみを取出すことも可能
である。これらの１２０度ずつ位相シフトした信号を、
数５、数６、数９や位相差を計算するための信号処理装
置６６を用いて、被測定物体６０の形状を実時間で測定
することができる。図８は格子を投影しているが、レー
ザー光を用いて干渉縞を被測定物体面上に投影しても変
形格子像が得られる。さらに、図８は投影格子を用いた
システムを示しているが、干渉計で参照面（参照光）を
傾けることにより、干渉縞にティルト（キャリア周波
数）を導入することができる。したがって、参照面を調
節すると、ＣＣＤカメラとのモアレ縞を作ることがで
き、３台のＣＣＤカメラの位置を調節することにより、
バイアス位相が１２０°ずつシフトしたモアレ縞を得る
ことができる。したがって、これらのビデオ信号を処理
することにより、干渉計で検出できる２次元物理量（光
位相、形状など）を高速に測定することができる。また
図６で示した位相の引算を行なう信号処理装置を用いる
と、任意の位相分布との差を求めることができる。さら
に、被測定物体に焼付けた格子像などを変形格子像とみ
なすと、物体変形量などを実時間で計測することができ
る。また、物体上に焼き付けた固定格子などを用いる
と、物体の移動距離が実時間で計測できるので物体の位
置合せなどが精度よく高速に行なえる。

【００３０】以上はいずれも３台のテレビカメラを用い
た例であるが、以下にのべるように１台のテレビカメラ
を用いても可能である。図９に、単管式のカラーテレビ
（ＣＣＤ）カメラを用いたものを示す。このカラー用Ｃ
ＣＤカメラはＲ、Ｇ、Ｂ３色検出用の光検出ピクセル
が、図９のようにＲＧＢの順で横方向に配列し、縦方向
には同色の光を検出するように配列されている。カラー
カメラでは、このＣＣＤ素子上にＲＢＧのストライプフ
ィルタが付けられているが、ここでは、まずこの色フィ
ルタを除去して使用することを考える。簡単のために、
各ピクセルにはＲＧＢの記号を用いることにする。検出
する変形格子や干渉縞の１周期と、同じ色を検出するた
めのＣＣＤの間隔（たとえば最も近いＲとＲ素子の距
離）が等しくなると、各ビデオ信号、Ｒ信号（Ｉ_１）、
Ｇ信号（Ｉ_２）、Ｂ信号（Ｉ_３）にはモアレ縞が生ず
る。ここで隣接する素子間の距離、Ｒ−Ｇ素子間やＧ−
Ｂ素子間はＲ−Ｒ素子間の１／３であるので、モアレ縞
のバイアス位相は１２０°ずつシフトすることになる。
これらビデオ信号Ｉ_１〜Ｉ_３を用いて位相及び位相差を
実時間で求めることにより、形状や変形などの物理量を
実時間で測定することができる。干渉計のように単色の
光を用いる場合では、ＣＣＤの前にあるカラーストライ
プフィルタを除去して用いる必要がある。一方、白色光
源で照明される変形格子を用いる場合では、必ずしもカ
ラーフィルタを除去する必要はなく、出力されるＲＧＢ
信号をそのまま用いることができる。

【００３１】本発明の更に別の実施例を、変形格子及び
干渉縞に適用した場合を図面を用いて説明する。干渉縞
にはティルト（キャリア周波数）が導入されているとす
る。図１０（Ａ）に、検出する光強度分布（干渉縞、変
形格子など）を示す。この光強度をサンプリングして光
強度をＡ／Ｄ変換するが、サンプリング間隔ｄは一定で
ある。図に示すように、縞のピッチ△と２個おきのサン
プリング点との間隔３ｄが等しいとすると、ビデオ信号
Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３は１２０°ずつそれぞれ位相がずれた
光強度となる。ここで、この３点のデータを用いて数
５、数６、数９を計算すれば位相が求められる。次に、
ビデオ信号Ｉ_２、Ｉ_３、Ｉ_４を数５、数６、数９のビデ
オ信号Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３とみなして位相を求めるといっ
た計算を全サンプル点について行なうと、得られた位相
分布φ_１は（ｆｘ＋φ）となる。ここで、ｆはキャリア
周波数であり、φが求めようとする位相分布である。し
たがって、図６で示したように基準の位相φ_０をｆＸと
なるようにして位相差を求めると、正味の位相分布φが
求められる。

【００３２】図１０（Ａ）には縞ピッチに４個のサンプ
ル点がある場合を示したが、図１０（Ｂ）には一般的な
場合のサンプル点を示す。縞の１ピッチに（３Ｎ＋１）
のサンプル点がある。したがって、ｘ_１、
（ｘ_Ｎ＋１）、（ｘ_２Ｎ＋１）個目のサンプル点データ
を用いて数５、数６、数９を計算することにより位相が
求められる。次に、ｘ_２、（ｘ_Ｎ＋２）、
（ｘ_２Ｎ＋２）などとＮ個おきにサンプル点データを取
出し、数５、数６、数９を計算することにより全サンプ
ル点で位相が求められる。求められた位相にはキャリア
周波数分ｆｘが含まれているので、基準位相からの差を
求めると正味の位相分布を実時間で求めることができ
る。画像にノイズがある場合では、キャリア周波数ｆを
中心としたバンドパスフィルタやディジタルフィルタを
用いることによって、滑らかな縞強度信号を得ることが
できる。以上述べた処理を、信号処理装置にサンプル点
を選択する回路を付加するだけで達成することができ
る。以上のような信号処理を行なう回路構成の一例を図
１１に示した。縞画像を撮像するＴＶカメラ１００から
のビデオ信号をＡ／Ｄ変換器１０１でＡ／Ｄ変換し、こ
の値をＩ_１として位相φ_１を計算する３Ｄ−ＬＵＴ１０
４に入力する。一方、Ｎサンプル点のデータ分だけ遅延
を与えるディジタル遅延素子１０２，１０３を使うと、
それぞれＮサンプル点、２Ｎサンプル点前のディジタル
量Ｉ_２，Ｉ_３をそれぞれ得ることができる。数５，数
６、数９を計算する３Ｄ−ＬＵＴを用いると位相φ_１を
求めることができる。基準の位相φ_０を記録してある位
相メモリ１０５からのデータと位相φ_１とを図６で述べ
た２Ｄ−ＬＵＴ８８と同様なルックアップテーブル１０
６を用いると、位相差φ_１−φ_０を実時間で測定するこ
とができる。

【００３３】この手法は、以上述べた変形格子像やモア
レ縞を用いる計測一般に良く使われるフイゾー、トワイ
マン−グリーン干渉計やホログラフィー干渉計などに適
用することができ、形状や変形や位置情報などの２次元
物理量を実時間で測定することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上のように本発明によって、超精密加
工製品の面形状（そり、表面粗さ等）、粗面物体の形
状、変形量や位置情報を高精度でかつ実時間で測定する
ことが可能となる。したがって、精密機械の加工工程に
おいて、欠陥製品の発見に時間を要せず、機械を長時間
停止することなく加工条件を変えることができる。これ
はまた、結像系の収差や大気の状態によって、ミラー形
状やレンズ位置を適宜時間変化させる必要がある適応光
学系などにも応用可能である。さらに、測定物体や干渉
計を適当なものに選ぶと、被測定物体の屈折率分布、温
度分布やプラズマ密度などの物理量の定量的測定も実時
間でできることになる。さらに、この実時間波面測定シ
ステムは、全ての干渉計やモアレ法や格子を用いた計測
などに対して応用することができるので、従来使用され
ていた測定装置に本発明の検出部分及び信号処理、表示
装置を用いることにより、種々の計測装置の高精度化及
び実時間化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】偏光マハ・ツエンダー干渉測定システムを示す
構成図である。

【図２】偏光ホログラフィー干渉計を用いた測定システ
ムを示す構成図である。

【図３】投影格子モアレ法を用いて物体形状を実時間測
定するシステムを示す構成図である。

【図４】カラー格子投影法を用いた実時間測定システム
を示す構成図である。

【図５】カラー格子の例を示す図である。

【図６】位相減算処理回路の一例を示すブロック図であ
る。

【図７】実体格子モアレ法による形状測定システムを示
す構成図である。

【図８】電子モアレ法による形状測定システムを示す構
成図である。

【図９】電子モアレ法による縞画像検出法を説明するた
めの図である。

【図１０】空間同期検出法を説明するための図である。

【図１１】図１０に示す信号処理を行なう回路構成の一
例を示す図である。

【図１２】従来装置を示す構成図である。

【符号の説明】１０測定光学系１１レーザ１９被測定透明物体２０波面分割光学系２１信号処理装置３０レーザ４０被測定物体６０被測定物体６５分解光学系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２次元的な物理量の変化に応じて、バイ
アス位相が１２０°ずつ異なる３つの正弦波状信号の２
次元光強度を出力する物理量測定光学系と、前記物理量
測定光学系からの前記正弦波状信号のバイアス位相が０
°である光強度を２次元的に検出する第１の光検出手段
と、前記バイアス位相と位相が１２０°異なる前記物理
量測定光学系からの光強度を２次元的に検出する第２の
光検出手段と、前記第１の光検出手段により検出された
光のバイアス位相と位相が２４０°異なる前記物理量測
定光学系からの光強度を２次元的に検出する第３の光検
出手段とを備え、前記第１、第２及び第３の光検出手段
に基づいて前記物理量に関する２次元的情報を測定する
ようにしたことを特徴とする２次元情報測定装置。
【請求項２】２次元的な物理量の変化に応じて、正弦
波状信号の２次元光強度を出力する物理量測定光学系
と、前記物理量測定光学系からの前記正弦波状信号を検
出し、検出信号のバイアス位相が０°である光強度を２
次元的に検出する第１の光検出手段と、前記バイアス位
相と前記検出信号のバイアス位相が１２０°ずれた前記
物理量測定光学系からの光強度を２次元的に検出する第
２の光検出手段と、前記第１の光検出手段により検出さ
れた信号のバイアス位相と前記検出信号のバイアス位相
が２４０°ずれた前記物理量測定光学系からの光強度を
２次元的に検出する第３の光検出手段とを備え、前記第
１、第２及び第３の光検出手段に基づいて前記物理量に
関する２次元的情報を測定するようにしたことを特徴と
する２次元情報測定装置。
【請求項３】前記第１、第２及び第３の光検出手段が
同一平面上に配置されている請求項２に記載の２次元情
報測定装置。
【請求項４】前記第１、第２及び第３の光検出手段か
らの各出力がカラーテレビ信号のＲ、Ｇ、Ｂ信号に供給
され、前記物理量の２次元的情報がカラー表示されるよ
うになっている請求項１又は請求項２に記載の２次元情
報測定装置。
【請求項５】２次元的な物理量の変化に応じて、キャ
リア周波数の成分を含んだ正弦波状の光強度の分布像を
出力する測定光学系と、前記光強度を光検出する光検出
手段と、前記光検出手段から出力される信号を前記キャ
リア周波数に応じてサンプリングし、得られたサンプリ
ング点データの中から前記キャリア周波数に応じて位相
が１２０°ずつ異なるサンプリングデータを抽出し、こ
れらデータを用いて前記物理量に関する２次元的情報を
測定するようになっていることを特徴とする２次元情報
測定装置。