特許 6194813 振動環境下での波長走査を用いた形状計測方法及び装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6194813

(24)【登録日】2017年8月25日

(45)【発行日】2017年9月13日

(54)【発明の名称】振動環境下での波長走査を用いた形状計測方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/24 20060101AFI20170904BHJP

   G06T 1/00 20060101ALI20170904BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/24 D

   G06T1/00 305B

【請求項の数】5

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2014-35873(P2014-35873)

(22)【出願日】2014年2月26日

(65)【公開番号】特開2015-161544(P2015-161544A)

(43)【公開日】2015年9月7日

【審査請求日】2017年2月16日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 １．平成２５年８月２８日発行，２０１３年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集，第３８７〜３８８頁（表題：振動環境下で取り込まれた多数枚のスペックル干渉像からの位相抽出），発行者：公益社団法人精密工学会 ２．平成２５年８月２８日発行，２０１３年度精密工学会秋季大会 プログラム＆アブストラクト集，第６９頁（表題：振動環境下で取り込まれた多数枚のスペックル干渉像からの位相抽出），発行者：公益社団法人精密工学会 ３．平成２５年９月１２日に開催された、２０１３年度精密工学会秋季大会学術講演会にて発表 ４．平成２６年２月１４日発行，平成２５年度卒業論文概要ＡＢＳＴＲＡＣＴ，Ｎｏ．２２０（表題：３ＣＣＤカラーカメラを用いる振動下での干渉応用３次元形状計測），発行者：金沢大学理工学域機械工学類 機械システムコース・知能機械コース ５．平成２６年２月１８日に開催された、平成２５年度 金沢大学理工学域機械工学類機械システムコース・知能機械コース 卒業論文発表会にて発表

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】596120359

【氏名又は名称】ミツテック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100120329

【弁理士】

【氏名又は名称】天野 一規

(72)【発明者】

【氏名】安達 正明

【審査官】 三好 貴大

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０１４４４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２５７１５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０９６５５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

不規則な垂直振動環境下で、垂直方向から複数波長による光を照射して、測定対象物の不連続な粗面の高さを計測する振動環境下での波長走査を用いた形状計測方法であって、
特定波長で複数枚のスペックル干渉像を撮影する撮影ステップと、
前記スペックル干渉像を撮影した複数枚の画像を記憶する記憶ステップと、
前記記憶ステップで記憶された複数枚の前記画像について、前記画像を構成する画素の中から、測定点抽出に用いる複数の前記画素を抽出する画素抽出ステップと、
前記画素抽出ステップで抽出した前記画素別に、最大光強度と最小光強度との差を算出し、前記差が所定値よりも大きな前記画素の中からいずれかを第１測定画素（Ｐ９１）として抽出する第１測定画素抽出ステップと、
前記第１測定画素（Ｐ９１）に基づいて、前記最大光強度と前記最小光強度との和の１／２である前記画像（Ｐｃ）を特定する画像特定ステップと、
前記第１測定画素として抽出した前記画素（Ｐ９１）を除き、前記画素抽出ステップで抽出した前記画素（Ｐ１１〜Ｐ８１）別に、前記最大光強度と前記最小光強度との前記差を算出し、前記差が所定値よりも大きな前記画素の中から、前記画像特定ステップで特定した前記画像（Ｐｃ）における画素（Ｐｃ５１）の光強度が前記最大光強度となっている前記画素（Ｐ５１）を第２測定画素として抽出する第２測定画素抽出ステップと、
前記第１測定画素と前記第２測定画素を１組の測定点として、２回規格化法を用いて、抽出した複数の前記画像の位相変化量を算出する位相変化量算出ステップと、
前記位相変化量算出ステップで算出した前記位相変化量から、位相変化に対する光強度変化の最小二乗近似を用いて１枚の前記画像における全ての前記画素についての前記スペックル干渉像の位相を算出するスペックル干渉像位相算出ステップと
を備え、
前記特定波長として、第１特定波長と第２特定波長を用い、
前記第１特定波長について算出した前記スペックル干渉像の前記位相と、前記第２特定波長について算出した前記スペックル干渉像の前記位相との位相変化量を算出する波長間位相差算出ステップと、
前記第１特定波長と前記第２特定波長との波長変化量と、前記波長間位相差算出ステップで算出した前記位相変化量とから前記測定対象物の前記粗面の前記高さを算出する形状計算ステップと
を有することを特徴とする振動環境下での波長走査を用いた形状計測方法。

【請求項2】

前記画素抽出ステップから前記位相変化量算出ステップを複数回繰り返して複数組の前記測定点による複数の前記位相変化量を算出し、
前記スペックル干渉像位相算出ステップでは、複数組の前記測定点による複数の前記位相変化量を平均化した平均位相変化量を用いることを特徴とする請求項１に記載の振動環境下での波長走査を用いた形状計測方法。

【請求項3】

前記スペックル干渉像位相算出ステップで算出した、１枚の前記画像における全ての前記画素についての前記スペックル干渉像の位相について、前記高さの基準点となる基準画素を設定し、前記基準画素での波長変更に伴う位相変化量をゼロとする補正処理を行う補正処理ステップを有し、
前記波長間位相差算出ステップでは、前記補正処理ステップで補正処理を行った前記スペックル干渉像の前記位相を用いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の振動環境下での波長走査を用いた形状計測方法。

【請求項4】

不規則な垂直振動環境下で、垂直方向から複数波長による光を照射して、測定対象物の不連続な粗面の高さを計測する振動環境下での波長走査を用いた形状計測装置であって、
特定波長で複数枚のスペックル干渉像を撮影するスペックル干渉画像撮影手段と、
前記スペックル干渉像を撮影した複数枚の画像を記憶する記憶手段と、
複数枚の前記画像からπ／２の位相差を有する第１測定画素と第２測定画素とを抽出することで、１枚の前記画像における全ての画素についての前記スペックル干渉像の位相を算出して前記測定対象物の前記粗面の前記高さを計測する処理手段と
を備え、
前記スペックル干渉画像撮影手段では、前記特定波長として、第１特定波長と第２特定波長を用い、
前記処理手段は、
前記記憶手段で記憶された複数枚の前記画像について、前記画像を構成する画素の中から、測定点抽出に用いる複数の前記画素を抽出する画素抽出部と、
前記画素抽出部で抽出した前記画素別に、最大光強度と最小光強度との差を算出し、前記差が所定値よりも大きな前記画素の中からいずれかを第１測定画素（Ｐ９１）として抽出する第１測定画素抽出部と、
前記第１測定画素（Ｐ９１）に基づいて、前記最大光強度と前記最小光強度との和の１／２である前記画像（Ｐｃ）を特定する画像特定部と、
前記第１測定画素として抽出した前記画素（Ｐ９１）を除き、前記画素抽出ステップで抽出した前記画素（Ｐ１１〜Ｐ８１）別に、前記最大光強度と前記最小光強度との前記差を算出し、前記差が所定値よりも大きな前記画素の中から、前記画像特定ステップで特定した前記画像（Ｐｃ）における画素（Ｐｃ５１）の光強度が前記最大光強度となっている前記画素（Ｐ５１）を第２測定画素として抽出する第２測定画素抽出部と、
前記第１測定画素と前記第２測定画素を１組の測定点として、２回規格化法を用いて、抽出した複数の前記画像の位相変化量を算出する位相変化量算出部と、
前記位相変化量算出部で算出した前記位相変化量から、位相変化に対する光強度変化の最小二乗近似を用いて１枚の前記画像における全ての前記画素についての前記スペックル干渉像の位相を算出するスペックル干渉像位相算出部と、
前記スペックル干渉像位相算出部で算出した、１枚の前記画像における全ての前記画素についての前記スペックル干渉像の位相について、前記高さの基準点となる基準画素を設定し、前記基準画素での波長変更に伴う位相変化量をゼロとする補正処理を行う補正処理部と、
前記第１特定波長について前記補正処理部で補正処理を行った前記スペックル干渉像の前記位相と、前記第２特定波長について前記補正処理部で補正処理を行った前記スペックル干渉像の前記位相との位相変化量を算出する波長間位相差算出部と、
前記第１特定波長と前記第２特定波長との波長変化量と、前記波長間位相差算出部で算出した前記位相変化量とから前記測定対象物の前記粗面の前記高さを算出する形状計算部と
を有することを特徴とする振動環境下での波長走査を用いた形状計測装置。

【請求項5】

前記画素抽出部における複数の前記画素の抽出から、前記位相変化量算出部における複数の前記画像の位相変化量の算出までを、複数回繰り返して複数組の前記測定点による複数の前記位相変化量を算出し、
前記スペックル干渉像位相算出部では、複数組の前記測定点による複数の前記位相変化量を平均化した平均位相変化量を用いることを特徴とする請求項４に記載の振動環境下での波長走査を用いた形状計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば電子基板上に搭載された部品を測定対象物とした振動環境下での波長走査を用いた形状計測方法及び装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電子基板上に搭載された部品の水平位置をカメラで自動検査する技術は広く実用化されている。近年は、水平位置だけでなく部品の高さ位置の自動検査技術も求められている。高さの計測には光切断法やモアレ法など実用性に優れる方法がある。しかし、基盤の法線方向に対して斜めから光を照射、又は撮影する方法は、影を伴いやすいため、垂直方向から光を照射し計測する方法が理想的である。
波長変更を用いた反射面までの距離計測では、線形的波長走査時の干渉光強度変化に関し、画素毎にその周波数スペクトルを抽出する方法や、その正のスペクトル成分の逆フーリエ変換後の複素偏角をアンラップする方法などが知られている。しかし、垂直振動環境下で距離計測を試みる場合は、計測中の振動が光強度変動に大きく影響してしまうため、それらの方法は使えない。
ところで、垂直方向から光を照射し撮影する高さを計測する手法として、特許文献１で提案された方法がある。
特許文献１は、測定対象物の所定の移動距離である位相シフト量よりも細かくかつ高速に高さ測定することにより、振動がある環境において位相シフト量を補正しながら形状測定している。
特許文献１での位相シフト法による形状測定方法では、位相シフト量が一定である必要がある。そのため、位相シフト法による干渉画像を取得する光学系を共用したレーザー干渉光学系を別に設け、このレーザー干渉光学系により測定対象物の高さ位置を測定しながら、所定の高さ位置毎に位相シフト法による光学系の干渉画像を取り込み、その干渉像から測定対象の高さ位置を正確に求めている。
そして、特許文献１でのレーザー干渉式測定方法は、干渉像の異なる２つの位置Ａ、Ｂの光強度を利用し、予め振幅の最大値と最小値を求めておくことにより、短時間における２つの位置の光強度の変化から光路差変化量を計算する。光路差変化量を累積した光路差は、係数を掛けて高さ位置情報に変換できる。高さ位置情報を元に所定の位相シフト量に達した高さ位置で、位相シフト法による干渉像を取得することにより、正確な位相シフト量で形状測定が可能となる。ここで、光路差変化量の計算には、２回規格化法を用いている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１０−１４４４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、生産現場で用いる場合には、振動環境下でも使えなければならない。
特許文献１での位相シフト法の形状測定方法では、位相シフト量を補正することで振動環境下でも使えるが、測定対象物が移動している間、その高さを測定する必要があるため、測定対象物が移動終了後に計算を始める形状測定方法には使えない。

【0005】

そこで本発明は、振動環境下で取り込まれた多数枚のスペックル干渉像からその最初の１枚の画像についての位相を抽出し、異なる特定波長でも位相を抽出し、それら抽出位相の差の空間分布から形状を計算することで、環境下で必然的に生じる振動を利用した形状計測方法及び装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

請求項１記載の本発明の振動環境下での波長走査を用いた形状計測方法は、不規則な垂直振動環境下で、垂直方向から複数波長による光を照射して、測定対象物の不連続な粗面の高さを計測する振動環境下での波長走査を用いた形状計測方法であって、特定波長で複数枚のスペックル干渉像を撮影する撮影ステップと、前記スペックル干渉像を撮影した複数枚の画像を記憶する記憶ステップと、前記記憶ステップで記憶された複数枚の前記画像について、前記画像を構成する画素の中から、測定点抽出に用いる複数の前記画素を抽出する画素抽出ステップと、前記画素抽出ステップで抽出した前記画素別に、最大光強度と最小光強度との差を算出し、前記差が所定値よりも大きな前記画素の中からいずれかを第１測定画素（Ｐ９１）として抽出する第１測定画素抽出ステップと、前記第１測定画素（Ｐ９１）に基づいて、前記最大光強度と前記最小光強度との和の１／２である前記画像（Ｐｃ）を特定する画像特定ステップと、前記第１測定画素として抽出した前記画素（Ｐ９１）を除き、前記画素抽出ステップで抽出した前記画素（Ｐ１１〜Ｐ８１）別に、前記最大光強度と前記最小光強度との前記差を算出し、前記差が所定値よりも大きな前記画素の中から、前記画像特定ステップで特定した前記画像（Ｐｃ）における画素（Ｐｃ５１）の光強度が前記最大光強度となっている前記画素（Ｐ５１）を第２測定画素として抽出する第２測定画素抽出ステップと、前記第１測定画素と前記第２測定画素を１組の測定点として、２回規格化法を用いて、抽出した複数の前記画像の位相変化量を算出する位相変化量算出ステップと、前記位相変化量算出ステップで算出した前記位相変化量から、位相変化に対する光強度変化の最小二乗近似を用いて１枚の前記画像における全ての前記画素についての前記スペックル干渉像の位相を算出するスペックル干渉像位相算出ステップとを備え、前記特定波長として、第１特定波長と第２特定波長を用い、前記第１特定波長について算出した前記スペックル干渉像の前記位相と、前記第２特定波長について算出した前記スペックル干渉像の前記位相との位相変化量を算出する波長間位相差算出ステップと、前記第１特定波長と前記第２特定波長との波長変化量と、前記波長間位相差算出ステップで算出した前記位相変化量とから前記測定対象物の前記粗面の前記高さを算出する形状計算ステップとを有することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の振動環境下での波長走査を用いた形状計測方法において、前記画素抽出ステップから前記位相変化量算出ステップを複数回繰り返して複数組の前記測定点による複数の前記位相変化量を算出し、前記スペックル干渉像位相算出ステップでは、複数組の前記測定点による複数の前記位相変化量を平均化した平均位相変化量を用いることを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の振動環境下での波長走査を用いた形状計測方法において、前記スペックル干渉像位相算出ステップで算出した、１枚の前記画像における全ての前記画素についての前記スペックル干渉像の位相について、高さの基準点となる基準画素を設定し、前記基準画素での波長変更に伴う位相変化量をゼロとする補正処理を行う補正処理ステップを有し、前記波長間位相差算出ステップでは、前記補正処理ステップで補正処理を行った前記スペックル干渉像の前記位相を用いることを特徴とする。
請求項４記載の本発明の振動環境下での波長走査を用いた形状計測装置は、不規則な垂直振動環境下で、垂直方向から複数波長による光を照射して、測定対象物の不連続な粗面の高さを計測する振動環境下での波長走査を用いた形状計測装置であって、特定波長で複数枚のスペックル干渉像を撮影するスペックル干渉画像撮影手段と、前記スペックル干渉像を撮影した複数枚の画像を記憶する記憶手段と、複数枚の前記画像からπ／２の位相差を有する第１測定画素と第２測定画素とを抽出することで、１枚の前記画像における全ての画素についての前記スペックル干渉像の位相を算出して前記測定対象物の前記粗面の前記高さを計測する処理手段とを備え、前記スペックル干渉画像撮影手段では、前記特定波長として、第１特定波長と第２特定波長を用い、前記処理手段は、前記記憶手段で記憶された複数枚の前記画像について、前記画像を構成する画素の中から、測定点抽出に用いる複数の前記画素を抽出する画素抽出部と、前記画素抽出部で抽出した前記画素別に、最大光強度と最小光強度との差を算出し、前記差が所定値よりも大きな前記画素の中からいずれかを第１測定画素（Ｐ９１）として抽出する第１測定画素抽出部と、前記第１測定画素（Ｐ９１）に基づいて、前記最大光強度と前記最小光強度との和の１／２である前記画像（Ｐｃ）を特定する画像特定部と、前記第１測定画素として抽出した前記画素（Ｐ９１）を除き、前記画素抽出ステップで抽出した前記画素（Ｐ１１〜Ｐ８１）別に、前記最大光強度と前記最小光強度との前記差を算出し、前記差が所定値よりも大きな前記画素の中から、前記画像特定ステップで特定した前記画像（Ｐｃ）における画素（Ｐｃ５１）の光強度が前記最大光強度となっている前記画素（Ｐ５１）を第２測定画素として抽出する第２測定画素抽出部と、前記第１測定画素と前記第２測定画素を１組の測定点として、２回規格化法を用いて、抽出した複数の前記画像の位相変化量を算出する位相変化量算出部と、前記位相変化量算出部で算出した前記位相変化量から、位相変化に対する光強度変化の最小二乗近似を用いて１枚の前記画像における全ての前記画素についての前記スペックル干渉像の位相を算出するスペックル干渉像位相算出部と、前記スペックル干渉像位相算出部で算出した、１枚の前記画像における全ての前記画素についての前記スペックル干渉像の位相について、前記高さの基準点となる基準画素を設定し、前記基準画素での波長変更に伴う位相変化量をゼロとする補正処理を行う補正処理部と、前記第１特定波長について前記補正処理部で補正処理を行った前記スペックル干渉像の前記位相と、前記第２特定波長について前記補正処理部で補正処理を行った前記スペックル干渉像の前記位相との位相変化量を算出する波長間位相差算出部と、前記第１特定波長と前記第２特定波長との波長変化量と、前記波長間位相差算出部で算出した前記位相変化量とから前記測定対象物の前記粗面の前記高さを算出する形状計算部とを有することを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項４に記載の振動環境下での波長走査を用いた形状計測装置において、前記画素抽出部における複数の前記画素の抽出から、前記位相変化量算出部における複数の前記画像の位相変化量の算出までを、複数回繰り返して複数組の前記測定点による複数の前記位相変化量を算出し、前記スペックル干渉像位相算出部では、複数組の前記測定点による複数の前記位相変化量を平均化した平均位相変化量を用いることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、振動環境下で取り込まれた多数枚のスペックル干渉像からその最初の１枚の画像についての位相を抽出し、異なる特定波長でも位相を抽出し、それら抽出位相の差の空間分布から形状を計算することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の一実施例による形状計測装置に適したスペックル干渉撮影装置の構成図

【図2】同形状計測装置を機能実現手段で現したブロック図

【図3】本発明の形状計測方法を示すフローチャート

【図4】同形状計測方法を示すフローチャート

【図5】電子部品の一部を写した写真

【図6】６枚の画像を抽出した場合の画素抽出ステップを説明するイメージ図

【図7】抽出した複数の画像の位相変化量を示す図

【図8】（ａ）一つの特定波長において、ステップ２１の補正処理ステップで補正処理を行った１枚の画像における全ての画素についてのスペックル干渉像の位相例を示す写真、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）２つの波長における位相差マップ（測定対象はｙ方向に一様に距離が変化する場合）を示す写真

【図9】光路差と位相の関係を示す図

【図10】図５で示す電子基板について、反射塗料を吹き付けない状態での形状測定結果を示す図

【発明を実施するための形態】

【0009】

不規則な垂直振動環境下で、垂直方向から複数波長による光を照射して、測定対象物の不連続な粗面の高さを計測する振動環境下での波長走査を用いた形状計測方法であって、
本発明の第１の実施の形態による振動環境下での波長走査を用いた形状計測方法は、特定波長で複数枚のスペックル干渉像を撮影する撮影ステップと、スペックル干渉像を撮影した複数枚の画像を記憶する記憶ステップと、記憶ステップで記憶された複数枚の画像について、画像を構成する画素の中から、測定点抽出に用いる複数の画素を抽出する画素抽出ステップと、画素抽出ステップで抽出した画素別に、最大光強度と最小光強度との差を算出し、差が所定値よりも大きな画素の中からいずれかを第１測定画素（Ｐ９１）として抽出する第１測定画素抽出ステップと、第１測定画素（Ｐ９１）に基づいて、最大光強度と最小光強度との和の１／２である画像（Ｐｃ）を特定する画像特定ステップと、第１測定画素として抽出した画素（Ｐ９１）を除き、画素抽出ステップで抽出した画素（Ｐ１１〜Ｐ８１）別に、最大光強度と最小光強度との差を算出し、差が所定値よりも大きな画素の中から、画像特定ステップで特定した画像（Ｐｃ）における画素（Ｐｃ５１）の光強度が最大光強度となっている画素（Ｐ５１）を第２測定画素として抽出する第２測定画素抽出ステップと、第１測定画素と第２測定画素を１組の測定点として、２回規格化法を用いて、抽出した複数の画像の位相変化量を算出する位相変化量算出ステップと、位相変化量算出ステップで算出した位相変化量から、位相変化に対する光強度変化の最小二乗近似を用いて１枚の画像における全ての画素についてのスペックル干渉像の位相を算出するスペックル干渉像位相算出ステップとを備え、特定波長として、第１特定波長と第２特定波長を用い、第１特定波長について算出したスペックル干渉像の位相と、第２特定波長について算出したスペックル干渉像の位相との位相変化量を算出する波長間位相差算出ステップと、第１特定波長と第２特定波長との波長変化量と、波長間位相差算出ステップで算出した位相変化量とから測定対象物の粗面の高さを算出する形状計算ステップとを有するものである。本実施の形態によれば、振動環境下で取り込まれた多数枚のスペックル干渉像からその最初の１枚の画像についての位相を抽出し、異なる特定波長でも位相を抽出し、それら抽出位相の差の空間分布から形状を計算することができる。

【0010】

本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態における振動環境下での波長走査を用いた形状計測方法において、画素抽出ステップから位相変化量算出ステップを複数回繰り返して複数組の測定点による複数の位相変化量を算出し、スペックル干渉像位相算出ステップでは、複数組の測定点による複数の位相変化量を平均化した平均位相変化量を用いるものである。本実施の形態によれば、複数組の測定点による複数の位相変化量を平均化することで精度の高い変化を得ることができる。

【0011】

本発明の第３の実施の形態は、第１又は第２の実施の形態における振動環境下での波長走査を用いた形状計測方法において、スペックル干渉像位相算出ステップで算出した、１枚の画像における全ての画素についてのスペックル干渉像の位相について、高さの基準点となる基準画素を設定し、基準画素での波長変更に伴う位相変化量をゼロとする補正処理を行う補正処理ステップを有し、波長間位相差算出ステップでは、補正処理ステップで補正処理を行ったスペックル干渉像の位相を用いるものである。本実施の形態によれば、撮影開始タイミングでの振動環境下による高さの影響を除去することができる。

【0012】

本発明の第４実施の形態による振動環境下での波長走査を用いた形状計測装置は、特定波長で複数枚のスペックル干渉像を撮影するスペックル干渉画像撮影手段と、スペックル干渉像を撮影した複数枚の画像を記憶する記憶手段と、複数枚の画像からπ／２の位相差を有する第１測定画素と第２測定画素とを抽出することで、１枚の画像における全ての画素についてのスペックル干渉像の位相を算出して測定対象物の粗面の高さを計測する処理手段とを備え、スペックル干渉画像撮影手段では、特定波長として、第１特定波長と第２特定波長を用い、処理手段は、記憶手段で記憶された複数枚の画像について、画像を構成する画素の中から、測定点抽出に用いる複数の画素を抽出する画素抽出部と、画素抽出部で抽出した画素別に、最大光強度と最小光強度との差を算出し、差が所定値よりも大きな画素の中からいずれかを第１測定画素（Ｐ９１）として抽出する第１測定画素抽出部と、第１測定画素（Ｐ９１）に基づいて、最大光強度と最小光強度との和の１／２である画像（Ｐｃ）を特定する画像特定部と、第１測定画素として抽出した画素（Ｐ９１）を除き、画素抽出ステップで抽出した画素（Ｐ１１〜Ｐ８１）別に、最大光強度と最小光強度との差を算出し、差が所定値よりも大きな画素の中から、画像特定ステップで特定した画像（Ｐｃ）における画素（Ｐｃ５１）の光強度が最大光強度となっている画素（Ｐ５１）を第２測定画素として抽出する第２測定画素抽出部と、第１測定画素と第２測定画素を１組の測定点として、２回規格化法を用いて、抽出した複数の画像の位相変化量を算出する位相変化量算出部と、位相変化量算出部で算出した位相変化量から、位相変化に対する光強度変化の最小二乗近似を用いて１枚の画像における全ての画素についてのスペックル干渉像の位相を算出するスペックル干渉像位相算出部と、スペックル干渉像位相算出部で算出した、１枚の画像における全ての画素についてのスペックル干渉像の位相について、高さの基準点となる基準画素を設定し、基準画素での波長変更に伴う位相変化量をゼロとする補正処理を行う補正処理部と、第１特定波長について補正処理部で補正処理を行ったスペックル干渉像の位相と、第２特定波長について補正処理部で補正処理を行ったスペックル干渉像の位相との位相変化量を算出する波長間位相差算出部と、第１特定波長と第２特定波長との波長変化量と、波長間位相差算出部で算出した位相変化量とから測定対象物の粗面の高さを算出する形状計算部とを有するものである。本実施の形態によれば、振動環境下で取り込まれた多数枚のスペックル干渉像からその最初の１枚の画像についての位相を抽出し、異なる特定波長でも位相を抽出し、それら抽出位相の差の空間分布から形状を計算することができる。

【0013】

本発明の第５の実施の形態は、第４の実施の形態における振動環境下での波長走査を用いた形状計測装置において、画素抽出部における複数の画素の抽出から、位相変化量算出部における複数の画像の位相変化量の算出までを、複数回繰り返して複数組の測定点による複数の位相変化量を算出し、スペックル干渉像位相算出部では、複数組の測定点による複数の位相変化量を平均化した平均位相変化量を用いるものである。本実施の形態によれば、複数組の測定点による複数の位相変化量を平均化することで精度の高い変化を得ることができる。

【実施例】

【0014】

図１から図１０を用いて本発明の一実施例による振動環境下での波長走査を用いた形状計測装置及び形状計測方法を説明する。
図１は同形状計測装置に適したスペックル干渉撮影装置の構成図、図２は同形状計測装置を機能実現手段で現したブロック図である。
本実施例による形状計測装置に適したスペックル干渉画像撮影装置（スペックル干渉画像撮影手段）１０は、従来から用いられているスペックル干渉計と基本構成は同じである。
スペックル干渉画像撮影装置１０は、波長可変レーザー１１から特定波長による光を照射し、照射された光は、レンズ１２で拡大された後に半透明鏡１３で２つの光路に分かれる。
半透明鏡１３で反射された一方の光は、測定対象物２０の表面に至り、測定対象物２０の表面で反射した光は、半透明鏡１３を通過して対物レンズ１４、半透明鏡１５を通過してＣＣＤカメラ１６に入る。
半透明鏡１３を通過した他方の光は、参照光路となり、参照面（反射鏡）１７、１８で反射され、半透明鏡１５で反射してＣＣＤカメラ１６に入る。
測定対象物２０で反射された光と、参照面１７、１８で反射された光とは、ＣＣＤカメラ１６の撮像素子上で重ねられて結像されることで、スペックル干渉像が撮影される。

【0015】

スペックル干渉画像撮影装置１０は、生産現場における不規則な垂直振動環境下に設置されて用いられる。ここで、不規則な垂直振動環境下とは、本実施例のスペックル干渉画像撮影装置１０でのスペックル干渉像の撮影のために、ピエゾ素子などを用いて発生させるものではなく、生産現場における作業者や機器の存在によって発生する振動である。ただし，振動下で取り込む複数枚の干渉像が干渉による最大光強度と最小光強度を含まないほどに振動が小さい場合は，ピエゾ素子で振動を故意に大きくさせる場合もある．
半透明鏡１３で反射された一方の光は、測定対象物２０の表面に対して垂直方向から照射される。また、測定対象物２０の計測対象となる表面は、半透明鏡１３で反射された一方の光の鉛直方向に位置させる。
本実施例に適した測定対象物２０は、例えば電子基板上に搭載された部品のように、不連続な粗面を有するものである。
波長可変レーザー１１は、あらかじめ設定した複数の特定波長を出力できる。波長可変レーザー１１は、それぞれ出力される波長の異なる複数のレーザーからなり、それぞれのレーザー光を切り替えることができるものでもよい。

【0016】

図２に示すように、本実施例による形状計測装置は、スペックル干渉画像撮影手段１０と、記憶手段３０と、処理手段４０と、出力手段５０とを備えている。
スペックル干渉画像撮影手段１０では、特定波長で複数枚のスペックル干渉像を撮影する。特定波長として、少なくとも第１特定波長と第２特定波長を用いる。好ましくは、特定波長として４つ以上の波長を用いる。
それぞれの特定波長毎に、１５枚以上４０枚以下のスペックル干渉像を撮影する。実験結果から、１５枚より少ない場合には十分な精度を得られず、４０枚で十分な精度を得ることができた。

【0017】

記憶手段３０には、スペックル干渉画像撮影手段１０で撮影したスペックル干渉像の画像を記憶する画像記憶部３１と、波長別に抽出した複数の画像の位相変化量を記憶する位相変化量記憶部３２と、波長別に１枚の画像における全ての画素についてのスペックル干渉像の位相を記憶するスペックル干渉像位相記憶部３３を有する。

【0018】

処理手段４０は、複数枚の画像からπ／２の位相差を有する第１測定画素と第２測定画素とを抽出することで、１枚の画像における全ての画素についてのスペックル干渉像の位相を算出して測定対象物２０の粗面の高さを計測する。
処理手段４０は、波長抽出部４１ａ、画像抽出部４１ｂ、及び画素抽出部４１ｃを有している。
波長抽出部４１ａでは、画像抽出部４１ｂで抽出する波長情報を抽出する。波長抽出部４１ａは、例えば画像記憶部３１に記憶されている画像とともに記憶されている波長情報を抽出する。
画像抽出部４１ｂでは、画像記憶部３１に記憶されている画像の中から、特定波長についての複数枚の画像を抽出する。画像抽出部４１ｂで抽出するすべての画像は、波長抽出部４１ａで抽出する波長で撮影されたものである。
従って、波長抽出部４１ａで第１特定波長を抽出した時には、画像抽出部４１ｂでは、第１特定波長で撮影した全ての画像を抽出し、波長抽出部４１ａで第２特定波長を抽出した時には、画像抽出部４１ｂでは、第２特定波長で撮影した全ての画像を抽出する。
画素抽出部４１ｃでは、画像抽出部４１ｂで抽出した複数枚の画像について、画像を構成する画素の中から、測定点抽出に用いる複数の画素を抽出する。

【0019】

また、処理手段４０は、光強度抽出部４２、光強度演算部４３、画像特定部４４、第１測定画素抽出部４５ａ、第２測定画素抽出部４５ｂ、位相変化量算出部４５ｃ、平均化処理部４５ｄを有している。
光強度抽出部４２では、画素抽出部４１ｃで抽出した画素別に、最大光強度と最小光強度とを抽出する。
光強度演算部４３では、光強度抽出部４２で抽出した画素別についての、最大光強度と最小光強度との差を演算する。
第１測定画素抽出部４５ａでは、光強度演算部４３で演算した最大光強度と最小光強度との差が大きな画素の中からいずれかを第１測定画素として抽出する。
画像特定部４４では、第１測定画素が、最大光強度と最小光強度との和の１／２である画像を特定する。
第２測定画素抽出部４５ｂでは、画像特定部４４で特定した画像について、最大光強度と最小光強度との差が大きな画素の中で光強度が最大光強度となっている画素を第２測定画素として抽出する。
位相変化量算出部４５ｃでは、第１測定画素と第２測定画素を１組の測定点として、２回規格化法を用いて、抽出した複数の画像の位相変化量を算出する。
位相変化量算出部４５ｃで算出された位相変化量は位相変化量記憶部３２に記憶される。
位相変化量算出部４５ｃにおける複数の画像の位相変化量の算出は、異なる測定点で複数回繰り返され、このようにして算出された複数組の測定点による複数の位相変化量は、位相変化量記憶部３２に記憶される。
平均化処理部４５ｄでは、位相変化量記憶部３２に記憶された、複数組の測定点による複数の位相変化量を用い、複数組の測定点による複数の位相変化量を平均化して平均位相変化量を算出する。

【0020】

また、処理手段４０は、スペックル干渉像位相算出部４６ａ、補正処理部４６ｂ、波長間位相差算出部４７、形状計算部４８を有している。
スペックル干渉像位相算出部４６ａでは、平均化処理部４５ｄで算出した平均位相変化量から、位相変化に対する光強度変化の最小二乗近似を用いて１枚の画像における全ての画素についてのスペックル干渉像の位相を算出する。
補正処理部４６ｂでは、スペックル干渉像位相算出部４６ａで算出した、１枚の画像における全ての画素についてのスペックル干渉像の位相について、高さの基準点となる基準画素を設定し、基準画素での波長変更に伴う位相変化量をゼロとする補正処理を行う。
補正処理部４６ｂで補正処理が行われたスペックル干渉像の位相は、スペックル干渉像位相記憶部３３に記憶される。
波長間位相差算出部４７では、第１特定波長について補正処理部４６ｂで補正処理が行われてスペックル干渉像位相記憶部３３に記憶されたスペックル干渉像の位相と、第２特定波長について補正処理部４６ｂで補正処理が行われてスペックル干渉像位相記憶部３３に記憶されたスペックル干渉像の位相との位相変化量を算出する。
形状計算部４８では、波長抽出部４１ａからの第１特定波長と第２特定波長との波長変化量と、波長間位相差算出部４７で算出した位相変化量とから測定対象物２０の粗面の高さを算出する。
形状計算部４８で算出された測定対象物２０の粗面の高さは、目標値との差異を示す数値として、又はビジュアルなイメージとして出力手段５０から出力される。

【0021】

本実施例による振動環境下での波長走査を用いた形状計測方法では、測定対象物２０は粗面であるためスペックル位相を抽出する必要がある。
その手順の概要は下記の通りである。
１）安定した波長の下で振動によって干渉位相がランダムに変化している中でスペックル干渉像を多数枚取り込む。
２）取り込んだ干渉像から干渉光強度変化のモジュレーションが大きくて位相が約π／２異なる画素Ａ、Ｂの２画素を探す。
３）それら２点で最小光強度と最大光強度の探索を行い、位相変化に伴う光強度変化の規格化を行い、規格化した変化の和と差を求め、更に２回目の規格化を行って、取り込んだ多数枚の画像に対して位相変化量（ランダムなシフト量）を抽出する。
４）最後に抽出した位相変化量を利用して、位相に対する光強度の正弦波的変化への最小二乗近似を使って、最初に取り込んだ１枚の干渉位相を全画素で抽出する。この位相の抽出を波長を変えて複数回行い、波長を変える時の位相変化傾斜から光路差を計算する。

【0022】

以下にこの処理を詳細に説明する。
図３及び図４は同形状計測方法を示すフローチャート、図５は同形状計測方法での測定対象物である電子部品の一部を写した写真である。
まず、測定対象物２０を特定する（ステップ１）。
電子部品のような測定対象物２０は、プリント基板上に半導体チップなどの部品が装着されており、プリント基板と半導体チップとの間は、不連続な粗面となっている。
ステップ１において測定対象物２０が特定されると、計測対象長を決定する（ステップ２）。例えば、プリント基板上に半導体チップが正確に搭載されているかを計測する場合には、プリント基板の上面から半導体チップの上面までを計測対象長として決定する。
ステップ２において計測対象長が決定されると、この計測対象長を基準にして、照射する複数の波長を決定する（ステップ３）。
例えば、特定波長として４つの波長を用いる場合には、第１特定波長と第２特定波長とを、測定対象物２０の計測対象長に対して２πの位相差とし、第１特定波長と第３特定波長とを、測定対象物２０の計測対象長に対して２π×ｎ（ただしｎは２以上で好ましくはｎ＝４）の位相差とし、第１特定波長と第４特定波長とを、測定対象物２０の計測対象長に対して２π×ｎ×ｍ（ただしｍは２以上で好ましくはｍ＝４）の位相差とする。
ステップ３において照射する複数の波長が決定されると、最初に照射する波長を選択する（ステップ４）。
そして最初に選択された波長でレーザー照射が行われる（ステップ５）。
ステップ５におけてレーザーを照射している間、複数枚のスペックル干渉像を撮影する（ステップ６）。
ステップ６における撮影ステップの後に、スペックル干渉像を撮影した複数枚の画像を記憶する（ステップ７）。

【0023】

ステップ７における記憶ステップの後に、ステップ３で決定したすべての波長での照射が終了したか否かが判断される（ステップ８）。
未照射の波長がある場合には、ステップ４において未照射の新たな波長が選択され、選択された波長のレーザーで照射して（ステップ５）、撮影ステップ（ステップ６）、記憶ステップ（ステップ７）が行われる。
ステップ３で決定された全ての波長での照射が終了したと、ステップ８で判断された場合には、撮影は終了する（ステップ９）。

【0024】

ステップ７において、特定波長についてスペックル干渉像を撮影した全ての画像が記憶されると、画像抽出ステップを行うことができる（ステップ１０）。ステップ１０における画像抽出ステップは、ステップ９の撮影終了後に行ってもよい。
ステップ１０における画像抽出ステップでは、特定波長についてスペックル干渉像を撮影した複数の画像が抽出される。ここでの画像抽出ステップでは、基本的には照射波長が同じ全ての画像を抽出するが、必ずしも全ての画像でなくてもよい。
ステップ１０で抽出した複数枚の画像について、画像を構成する画素の中から、測定点抽出に用いる複数の画素を抽出する（ステップ１１）。
ステップ１１における画素抽出ステップのイメージを、図６を用いて説明する。
図６では、例えば、６枚の画像Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄ、Ｐｅ、Ｐｆを抽出した場合を示し、それぞれの画像Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄ、Ｐｅ、Ｐｆは９×９画素から構成されている。
ステップ１１における画素抽出ステップでは、画像抽出部４１ｂで抽出した６枚の画像について、測定点抽出に用いる画素Ｐａ１１、Ｐａ２１、Ｐａ３１、Ｐａ４１、Ｐａ５１、Ｐａ６１、Ｐａ７１、Ｐａ８１、Ｐａ９１を抽出する。
画素抽出ステップ（ステップ１１）で抽出した画素別に、抽出した複数画像を対象に、最大光強度と最小光強度とを抽出する（ステップ１２）。
ステップ１３における第１測定画素抽出ステップでは、ステップ１２における画素抽出ステップで抽出した画素別に、最大光強度と最小光強度との差が大きな画素の中からいずれかを第１測定画素として抽出する。
すなわち、画素Ｐ１１〜画素Ｐ９１の最大光強度と最小光強度との差が比較され、最大光強度と最小光強度との差が大きな画素を第１測定画素とする。
ステップ１４における画像特定ステップでは、第１測定画素が、最大光強度と最小光強度との和の１／２である画像を特定する。
更に、ステップ１５における第２測定画素抽出ステップでは、画像特定ステップで特定した画像について、最大光強度と最小光強度との差が大きな画素の中で光強度が最大光強度となっている画素を第２測定画素として抽出する。

【0025】

ステップ１３における抽出ステップから、ステップ１５における第２測定画素抽出ステップを、図６を用いて説明する。
まず、画素Ｐ１１について最小光強度と最大光強度を抽出する。すなわち、画像Ｐａの画素Ｐａ１１、画像Ｐｂの画素Ｐｂ１１、画像Ｐｃの画素Ｐｃ１１、画像Ｐｄの画素Ｐｄ１１、画像Ｐｅの画素Ｐｅ１１、画像Ｐｆの画素Ｐｆ１１の中から、最小光強度と最大光強度を抽出する。
また、画素Ｐ２１について最小光強度と最大光強度を抽出する。すなわち、画像Ｐａの画素Ｐａ２１、画像Ｐｂの画素Ｐｂ２１、画像Ｐｃの画素Ｐｃ２１、画像Ｐｄの画素Ｐｄ２１、画像Ｐｅの画素Ｐｅ２１、画像Ｐｆの画素Ｐｆ２１の中から、最小光強度と最大光強度を抽出する。
そして同様に、画素Ｐ３１、画素Ｐ４１、画素Ｐ５１、画素Ｐ６１、画素Ｐ７１、画素Ｐ８１、画素Ｐ９１についても、最小光強度と最大光強度を抽出する。

【0026】

ステップ１３において、画素Ｐ１１〜画素Ｐ９１の中で、画素Ｐ９１が最大光強度と最小光強度との差が最も大きい場合には、画素Ｐ９１が第１測定画素として抽出される。
画素Ｐ９１については、最大光強度と最小光強度との差が算出できているので、最大光強度と最小光強度との和の１／２の光強度が算出できる。
画素Ｐｃ９１が、最大光強度と最小光強度との和の１／２の光強度であるとすると、ステップ１４では画像Ｐｃが特定される。
そして、ステップ１５では、特定した画像Ｐｃについて、最大光強度と最小光強度との差が大きな画素の中で光強度が最大光強度となっている画素を抽出する。画素Ｐｃ１１〜画素Ｐｃ８１の中で、画素Ｐ５１が最大光強度と最小光強度との差が大きく、画素Ｐｃ５１の光強度が最大光強度となっている場合には、画素Ｐ５１が第２測定画素として抽出される。
ここで、第１測定画素として抽出された画素Ｐ９１と、第２測定画素として抽出された画素Ｐ５１とは、ともに最大光強度と最小光強度との差が大きく、かつほぼπ／２位相がずれた関係にある。
ステップ１３で第１測定画素が抽出され、ステップ１５で第２測定画素が抽出されると、第１測定画素と第２測定画素を１組の測定点として、２回規格化法を用いて、抽出した複数の画像の位相変化量を算出する（ステップ１６）。

【0027】

第１測定画素と第２測定画素は、振幅が１、平均値がゼロとなるように規格化される。２回規格化法は下記の数式で表現される。
時間ｔにおける第１測定画素と第２測定画素の光強度Ｉ_Ａ（ｔ）、Ｉ_Ｂ（ｔ）は式（１）で表せる。ここで、Ｉ_{Ａ−Ｍａｘ}はＩ_Ａの最大光強度、Ｉ_{Ｂ−Ｍａｘ}はＩ_Ｂの最大光強度、Ｉ_{Ａ−Ｍｉｎ}はＩ_Ａの最小光強度、Ｉ_{Ｂ−Ｍｉｎ}はＩ_Ｂの最小光強度である。
式（１）：
Ｉ_Ａ（ｔ）＝Ａｃｏｓ［Φ（ｔ）＋φ_Ａ］＋Ａ_０
Ｉ_Ｂ（ｔ）＝Ｂｃｏｓ［Φ（ｔ）＋φ_Ｂ］＋Ｂ_０
Ｉ_{Ａ−ＭＡＸ}＝Ａ＋Ａ_０
Ｉ_{Ａ−ＭＩＮ}＝−Ａ＋Ａ_０
Ｉ_{Ｂ−ＭＡＸ}＝Ｂ＋Ｂ_０
Ｉ_{Ｂ−ＭＩＮ}＝−Ｂ＋Ｂ_０

【0028】

式（１）の規格化を行うと、時間ｔにおける第１測定画素と第２測定画素の規格化した光強度Ｉ_ＮＡ（ｔ）、Ｉ_ＮＢ（ｔ）は式（２）で表せる。
式（２）：
Ｉ_ＮＡ（ｔ）＝［２Ｉ_Ａ（ｔ）−（Ｉ_{Ａ―ＭＡＸ}＋Ｉ_{Ａ―ＭＩＮ}）］／（Ｉ_{Ａ―ＭＡＸ}−Ｉ_{Ａ―ＭＩＮ}）＝ｃｏｓ［Φ（ｔ）＋φ_Ａ］
Ｉ_ＮＢ（ｔ）＝［２Ｉ_Ｂ（ｔ）−（Ｉ_{Ｂ―ＭＡＸ}＋Ｉ_{Ｂ―ＭＩＮ}）］／（Ｉ_{Ｂ―ＭＡＸ}−Ｉ_{Ｂ―ＭＩＮ}）＝ｃｏｓ［Φ（ｔ）＋φ_Ｂ］

【0029】

第１測定画素の規格化した光強度Ｉ_ＮＡ（ｔ）と、第２測定画素の規格化した光強度Ｉ_ＮＢ（ｔ）との和をＩ_ＡＤＤ（ｔ）とし、第１測定画素の規格化した光強度Ｉ_ＮＡ（ｔ）と、第２測定画素の規格化した光強度Ｉ_ＮＢ（ｔ）との差をＩ_ＳＵＢ（ｔ）とすると、Ｉ_ＡＤＤ（ｔ）とＩ_ＳＵＢ（ｔ）は式（３）となる。
式（３）：
Ｉ_ＡＤＤ（ｔ）＝ｃｏｓ［Φ（ｔ）＋φ_Ａ］＋ｃｏｓ［Φ（ｔ）＋φ_Ｂ］＝２ｃｏｓ［（２Φ（ｔ）＋φ_Ａ＋φ_Ｂ）／２］ｃｏｓ［（φ_Ａ−φ_Ｂ）／２］
Ｉ_ＳＵＢ（ｔ）＝ｃｏｓ［Φ（ｔ）＋φ_Ａ］−ｃｏｓ［Φ（ｔ）＋φ_Ｂ］＝−２ｓｉｎ［（２Φ（ｔ）＋φ_Ａ＋φ_Ｂ）／２］ｓｉｎ［（φ_Ａ−φ_Ｂ）／２］

【0030】

Ｉ_ＡＤＤ（ｔ）とＩ_ＳＵＢ（ｔ）を規格化し，これをI N SUB, I N ADDとすると式（４）となる。
式（４）：
［２Φ（ｔ）＋φ_Ａ＋φ_Ｂ］／２＝−ｔａｎ^−１（Ｉ_{Ｎ ＳＵＢ}／Ｉ_{Ｎ ＡＤＤ}）

【0031】

ステップ１６の位相変化量算出ステップにおいて、抽出した複数の画像の位相変化量を算出すると、第１測定画素と第２測定画素を１組の測定点とした位相変化量が位相変化量記憶部３２に記憶される（ステップ１７）。
図７は、抽出した複数の画像の位相変化量を示している。抽出した４０枚の画像を、抽出順に横軸に並べている。図７に示すように、振動環境下では位相変化には規則性はなく、ランダムである。

【0032】

ステップ１７で位相変化量が記憶されると、必要組の測定点での算出が終了したか否かが判断される（ステップ１８）。
ステップ１８において、必要組の測定点での算出が終了していないと判断された場合には、ステップ１１に戻って、画素抽出ステップから位相変化量算出ステップを複数回繰り返して複数組の測定点による複数の位相変化量を算出する。
ステップ１８において、必要組の測定点での算出が終了したと判断された場合には、複数組の測定点による複数の位相変化量を平均化する平均化処理が行われる（ステップ１９）。

【0033】

ステップ１９で平均化した平均位相変化量を用いて、スペックル干渉像位相算出が行われる（ステップ２０）。
ステップ２０のスペックル干渉像位相算出ステップでは、平均位相変化量から、位相変化に対する光強度変化の最小二乗近似を用いて１枚の画像における全ての画素についてのスペックル干渉像の位相を算出する。
最小二乗近似を用いたスペックル位相の計算式は式（５）から式（８）を用いて式（９）で表される。
１枚の画像におけるスペックル干渉像Ｉｉ（ｘ，ｙ）は式（５）で表される。

【0034】

【数1】

式（５）は、式（５’）と表すことができる。

【0035】

【数2】

式（５’）において、α_０（ｘ，ｙ）、α_１（ｘ，ｙ）、α_２（ｘ，ｙ）は式（６）で表される。

【0036】

【数3】

式（６）におけるＡ（δｉ）とＢ（ｘ，ｙ，δｉ）の成分行列は式（７）と式（８）で表される。

【0037】

【数4】

【0038】

【数5】

【0039】

【数6】

【0040】

式（９）の計算式を用い、ステップ２０のスペックル干渉像位相算出ステップで算出した、１枚の画像おける全ての画素についてのスペックル干渉像の位相について、高さの基準点となる基準画素を設定し、基準画素での波長変更に伴う位相変化量をゼロとする補正処理を行う（ステップ２１）。
ステップ２１の補正処理ステップで補正処理を行った１枚の画像における全ての画素についてのスペックル干渉像の位相をスペックル干渉像位相記憶部３３に記憶する（ステップ２２）。
ステップ２２で特定の波長によるスペックル干渉像が記憶されると、すべての波長での位相変化量が算出されたか否かが判断される（ステップ２３）。
ステップ２３において、すべての波長での位相変化量の算出が終了していないと判断された場合には、ステップ１０に戻って、画像抽出ステップから補正処理ステップを繰り返す。
ステップ２３において、すべての波長での位相変化量の算出が終了したと判断された場合には、波長間において位相差を算出する（ステップ２４）。
ステップ２４の波長間位相差算出ステップでは、複数波長の中から選択した２つの波長について、第１特定波長について算出したスペックル干渉像の位相と、第２特定波長について算出したスペックル干渉像の位相との位相変化量を算出する。
ステップ２４の波長間位相差算出ステップの後に、測定対象物２０の形状を計算する（ステップ２５）。
ステップ２５の形状計算ステップでは、第１特定波長と第２特定波長との波長変化量と、波長間位相差算出ステップで算出した位相変化量とから測定対象物２０の粗面の高さを算出する。

【0041】

図８（ａ）は、一つの特定波長において、ステップ２１の補正処理ステップで補正処理を行った１枚の画像における全ての画素についてのスペックル干渉像の位相例を示す写真である。
図８（ｂ）は、２つの波長変化量が小さい場合の位相差マップを示す写真であり、波長変化が少ないため基準点からの位相は、全視野で±πの範囲内での変化となっている。
図８（ｃ）及び（ｄ）も、図８（ｂ）と同様に位相差マップを示す写真であるが、図８（ｂ）よりも図８（ｃ）の方が２つの波長変化量が大きく、また図８（ｃ）よりも図８（ｄ）の方が２つの波長変化量が大きくなっており、２πを大きく越えて変化している。図８（ｄ）では位相の光路差への感度が高い。そこで、波長差の大きい縞が多く現れるマップの縞次数を抽出し、次数と位相から高精度測定を行うことができる。

【0042】

図９は光路差と位相の関係を示す図であり、異なる光路差における波長変更時の位相変化量を示している。
λ＝０，１では波長変化が小さいためＯＰＤ全域で位相は−π〜πしか変わらない。λ＝０，１での位相が２πであることを用い、λ＝０，２の位相マップを−４π〜４πで求め、更にλ＝０，３の位相を−１３π〜１３πで求める。信号は常に雑音を含むため、λ＝０，３の位相を使うことで高精度なＯＰＤ計測が可能となる。

【0043】

図１０は図５で示す電子基板について、反射塗料を吹き付けない状態での形状測定結果を示す図であり、ステップ２５の形状計算ステップで算出した測定対象物２０の粗面の高さを出力手段５０で表示させたものである。
図１０に示すように、ＣＰＵプレートの段差を確認することができる。また、ＣＰＵプレートの周辺に存在する高さの違う複数素子の高さ違いも計測できている。なお、画素は１００×２５０である。
図５で示す電子基板において、測定視野は２．５ｃｍ×１．０ｃｍであり、左下のＣＰＵプレートは基板から２．７ｍｍ程度浮き上がっている。

【0044】

実験では、図１に示すスペックル干渉撮影装置の構成に加えて、振動下での疑似計測状況を作り出すために、参照光路にＰＺＴ駆動ミラーを入れて、ＰＣからの一様乱数出力でその光路長を最大２μm変動できるようにした。
波長可変レーザー１１はＴＯＰＴＩＣＡのＤＬ＿ＤＦＢレーザーであり、ＬＤ素子の温度による波長制御で７７８ｎｍから７８０ｎｍまでモードホップフリーで波長可変でき、最大出力は約７０ｍＷである。対物レンズ１４は広い視野も確保できるよう１眼レフカメラ用のＡＦズームニッコール３５-１０５である。測定対象として光路差が場所によってほぼ一様に変化するプラスチックコートされたアルミプレートを対物レンズ１４前方に２３ｃｍほど離して置いた。カメラはピクセルサイズが６．４５×６．４５μmで１２ｂｉｔＡ／Ｄ分解能を有し赤外域に高感度なＭａｎｔａ Ｇ−１４５ ＮＩＲである。
レーザー素子の温度を４度〜３５度まで６段階ステップで変えた。各ステップでは温度変更後１０秒置いた安定した波長で、ピエゾ素子をランダムに動かしながらスペックル干渉像を４０枚撮影した。６種の各温度でこのように画像を撮影した後に、２回規格化法で位相シフト量を算出し、各温度域で最初に取り込んだ画像の位相を抽出した。このシフト量変化は画面中に２点の組を１００組設け、得られた１００個のシフト量での変化を平均化した。このようなシフト変化と最小二乗法から各波長での一枚目のスペックル干渉像の位相を抽出し、波長変化に伴う位相の変化を求めた。

【0045】

以上のように、波長変更に伴う干渉位相の変化が光路差に比例する関係を用い、カメラ視野の被測定面上に高さの基準点を設け、波長を変える時の視野中の各測定点と基準点での位相変化量の違いを用いることで、異なる特定波長での抽出位相の差の空間分布から形状を計算することができる。

【産業上の利用可能性】

【0046】

本発明によれば、生産現場などの振動環境下において、垂直方向から光を照射する方法による高さの自動検査を行うことができる。

【符号の説明】

【0047】

１０ スペックル干渉画像撮影装置（スペックル干渉画像撮影手段）
２０ 測定対象物
３０ 記憶手段
３１ 画像記憶部
３２ 位相変化量記憶部
３３ スペックル干渉像位相記憶部
４０ 処理手段
４１ａ 波長抽出部
４１ｂ 画像抽出部
４１ｃ 画素抽出部
４２ 光強度抽出部
４３ 光強度演算部
４４ 画像特定部
４５ａ 第１測定画素抽出部
４５ｂ 第２測定画素抽出部
４５ｃ 位相変化量算出部
４５ｄ 平均化処理部
４６ａ スペックル干渉像位相算出部
４６ｂ 補正処理部
４７ 波長間位相差算出部
４８ 形状計算部
５０ 出力手段

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】