微小变位计量法以及装置的制作方法

专利名称：微小变位计量法以及装置的制作方法
技术领域：
本发明是涉及以激光斑点图形或随机点图形等空间上具有随机构造的图形或纹理为指标，非接触地计量物体的微小变位或3维形状的微小变位计量法以及装置，特别是涉及使用这样的图形的分析信号所具有的伪相位信息，来实现高精度的非接触计量的微小变位计量法以及装置。
背景技术：
近年来，以激光斑点图形或随机点图形等空间上具有随机构造的图形或结构为指标，非接触地计量物体的微小变位的技术受到瞩目。特别是在非破坏检查、材料强度试验等产业应用领用中，该技术占有重要的位置。
根据上述背景，目前，具有随机构造的空间图形的变位检测通过如下的方法进行。即，第一方法在给予变位前后，分别用照相机拍摄图形的光强度分布，在该光强度分布的空间信号区域直接计算相互相关函数，根据其峰值位置求出变位的方向和变位量。第二方法在空间频率区域进行与上述方法数学上完全相等的处理。即，将变位前后的2个空间图形分别进行傅立叶变换，取得所获得的空间频谱其中一方的复变共轭，生成将其与另一方相乘后的合成频谱，并对该合成频谱进行傅立叶逆变换来求得相互相关函数的方法。
但是，通过上述2种方法所求得的相互相关函数，基本上是使用空间图形的光强度分布本身直接计算出的强度相关函数，因此存在容易受到对光强度进行检测的照相机的灵敏度的非线性特性或量子噪声的影响的问题。
另一方面，在通信理论的领域中，可知与信号的强度信息相比相位信息更耐检测器的非线性特性或量子化噪声。此意是指在相关函数的计算中，如果使用信号的相位信息来代替直接使用强度信息的现有的相关函数，可以提高变位计量装置的性能。
作为使用此种相位信息的相关函数的计算方法，公知专利文献1中所记载的相位限定相关法。该方法是使作为复变函数的所述合成频谱的振幅一定或通过对数函数等进行抑制，生成只由相位信息形成的振幅限定复变合成频谱，对其进行傅立叶逆变换来求得相互相关函数。
(专利文献1)专利第3035654号发明内容所述专利文献1记载的方法所使用的相位信息是空间图形的空间频谱的相位信息，不是进行信号检测、量子化的信号区域的空间图形的相位。
另外，通过上述方法进行的空间频谱区域的振幅限定、振幅抑制的运算因为是强调随机图形的空间频谱的高频成分的运算，所以具有使相关函数变得锐利的效果，另一方面，存在高频噪声也突出的问题。因此，例如当在激光斑点图形横变位的同时还伴随图形自身的变形时，存在相关峰值急剧降低，容易产生由此引起的误测定的问题。
而且，上述方法虽然在频率区域中使用相位信息，但在将相位信息进行逆傅立叶变换得到的信号区域的相关函数是强调了高频的状态的强度相关函数这一点上没有改变，所以无法在本质上解决上述问题。
另外，为了使用只对光强度具有灵敏度的光检测器检测作为波动的光的相位，需要使用干涉计，但是当使用干涉计时计量系统将变得复杂。而且，干涉计容易受到振动或空气摇动的影响，所以存在不适合在环境较差的现场使用的问题。
本发明是鉴于上述课题发明的，其目的在于提供一种不使用干涉计，利用空间性的随机图形的分析信号所具有的伪相位信息，非接触地检测物体的微小变位或3维形状的微小变位计量方法以及装置。
为了达成上述目的，权利要求1记载的涉及本发明的微小变位计量方法的要点为具有对测定对象物的表面进行摄像的第1摄像步骤；对在第1摄像步骤中拍摄到的图像进行N维傅立叶变换(N＝1，2)的第1傅立叶变换步骤；把包含第1傅立叶变换步骤中变换的频谱的零频率的平面内的一半或一部分的频谱振幅置换为零的第1希尔伯特(Hilbert)变换步骤；从第1希尔伯特变换步骤之后的频谱中提取频率成分的第1频率提取步骤；对频率成分进行N维傅立叶逆变换(N＝1，2)来取得第1复变分析信号的第1傅立叶逆变换步骤；使第1复变分析信号的振幅值成为一定值地进行修正的第1振幅修正步骤；对振幅修正后的第1相位限定分析信号进行记录的第1相位限定信号记录步骤；另一方面，在第1摄像步骤后，对测定对象物的表面进行摄像的第2摄像步骤；对在第2摄像步骤中拍摄到的图像进行N维傅立叶变换(N＝1，2)的第2傅立叶变换步骤；将包含第2傅立叶变换步骤中被变换的频谱的零频率的平面内的一半或一部分的频谱振幅置换为零的第2希尔伯特(Hilbert)变换步骤；从第2希尔伯特变换步骤之后的频谱中提取频率成分的第2频率提取步骤；对频率成分进行N维傅立叶逆变换(N＝1，2)来取得第2复变分析信号的第2傅立叶逆变换步骤；使第2复变分析信号的振幅值成为一定值地进行修正的第2振幅修正步骤；对振幅修正后的第2相位限定分析信号进行记录的第2相位限定信号记录步骤；对第1相位限定分析信号和第2相位限定分析信号的全区域或一部分区域求出相位限定相互相关函数的相位限定相关处理步骤；以及根据相位限定相互相关函数表示最大绝对值的相关峰值的位置，计算变位量的变位量计算步骤。
权利要求2记载的本发明的主旨为在权利要求1记载的微小变位计量法中，第1以及第2振幅修正步骤使用将第1及第2复变分析信号的振幅值置换为一定值的振幅限定方法、或将第1及第2复变分析信号的振幅值通过对数转换抑制为一定值的振幅抑制处理方法。
权利要求3记载的本发明的主旨为在权利要求1记载的微小变位计量法中，在相位限定相关处理步骤中进行的相位限定相互相关处理中，使用振幅限定相互相关函数、或振幅抑压相互相关函数。
权利要求4记载的涉及本发明的微小变位计量装置的要点为具有对测定对象物的表面进行摄像的摄像单元；对由摄像单元拍摄到的图像进行N维傅立叶变换(N＝1，2)的傅立叶变换单元；将包含由傅立叶变换单元所变换的频谱的零频率的平面内的一半或一部分的频谱振幅置换为零的希尔伯特(Hilbert)变换单元；从通过希尔伯特变换单元被置换为零的零置换区域以外的区域中包含的频谱中提取频率成分的频率提取单元；对由频率提取单元提取出的频率成分进行N维傅立叶逆变换，来输出复变分析信号的傅立叶逆变换单元；使复变分析信号的振幅值成为一定值地进行修正的振幅修正单元；对由振幅修正单元所修正的信号的全部区域或一部分区域，进行相位限定相关处理的相位限定相关处理单元；以及根据相位限定相关函数的表示最大绝对值的相关峰值的位置，计算变位量的变位量计算单元。
权利要求5记载的本发明的主旨为在权利要求4记载的微小变位计量装置中，振幅修正单元具备将复变分析信号的振幅值置换为一定值的相位限定处理单元、或将复变分析信号的振幅值通过对数转换抑制为一定值的振幅抑制处理单元。
权利要求6记载的本发明的主旨为在权利要求4记载的微小变位计量装置中，相位限定相关处理单元使用相位限定复变相互相关函数、或振幅抑压复变相互相关函数。
根据本发明的微小变位计量法及装置，可以不使用干涉计，使用根据空间上具有随机构造的斑点图形或随机点图形计算出的分析信号图形所具有的伪相位信息，可非接触且高精度地检测物体的微小变位或3维形状。


图1(a)～图1(e)是说明本发明的微小变位计量法的步骤图，具体地说是对测定对象物的变位前的斑点图形实施的处理步骤。
图2(a)～图2(e)是对变位后的斑点图形实施的处理步骤。
图3表示通过图1及图2的处理所获得的复变相关函数的绝对值分布。
图4说明本发明的微小变位计量装置1的构造。
图5是用于说明本发明的微小变位计量装置1的动作的流程图(其1)。
图6是用于说明本发明的微小变位计量装置1的动作的流程图(其2)。
图7是用于说明本发明的微小变位计量装置1的动作的流程图(其3)。
图8的第8(a)是表示现有的图像处理步骤的流程图。图8(b)是表示本发明的图像处理步骤的流程图。
图9的图9(a)是表示在现有方法中，根据对被检测体3给予了微小旋转时的白色斑点图形的移动，求出了物体表面上各点的局部性变位的分布的结果的一例。图9(b)是表示在本发明中，根据对被检测体3给予了微小旋转时的白色斑点图形的移动，求出了物体表面上各点的局部性变位的分布的结果的一例。
图10的图10(a)是表示在现有的方法中，使旋转角变小来给予了微小变位时的结果的一例。图10(b)是表示在本发明中，使旋转角变小来给予了微小变位时的结果的一例。
图11的图11(a)表示通过本发明的方法的在空间信号区域的相位限定相关函数的斑点图形的自我相关函数。图11(b)表示通过现有方法的在空间频率区域的相位限定相关函数的斑点图形的自我相关函数。图11(c)表示通过本发明的方法的在空间信号区域的相位限定相关函数的斑点图形的相互相关函数。图11(d)表示通过现有方法的在空间频率区域的相位限定相关函数的斑点图形的相互相关函数。
图12的图12(a)表示在斑点的变形较大时，通过本发明的方法的在空间信号区域的相位限定相关函数的斑点图形的自我相关函数。图12(b)表示在斑点的变形较大时，通过现有方法的在空间频率区域的相位限定相关函数的斑点图形的自我相关函数。图12(c)表示在斑点的变形较大时，通过本发明的方法的在空间信号区域的相位限定相关函数的斑点图形的相互相关函数。图12(d)表示在斑点的变形较大时，通过现有方法的在空间频率区域的相位限定相关函数的斑点图形的相互相关函数。
具体实施例方式
以下，参考

用于实施本发明的最佳实施方式。
图1(a)～图1(e)是说明本发明的微小变位计量法的步骤图，具体地说是对测定对象物的变位前的斑点图形实施的处理步骤。图2(a)～图2(e)是对变位后的斑点图形实施的处理步骤。另外，图3表示通过图1及图2的处理所获得的复变相关函数的绝对值分布。
该微小变位计量法首先利用摄像装置对作为测定对象物的被检测体表面的斑点图像进行拍摄，并对该图像进行N维傅立叶变换(N＝1或2)来取得频谱。然后，将包含该频谱的零频率的平面内的一半或一部分的频谱振幅置换成零，从未被置换的剩余的频谱提取频率成分，将该频率成分进行N维傅立叶逆变换来取得第1复变分析信号。然后，通过将该第1复变分析信号的振幅值修正成一定值，取得第1相位信息。
另一方面，在从对上述被检测体的表面进行拍摄的步骤开始经过了规定时间后，以上述相同的方法对被检测体表面的斑点图像进行拍摄，并对该图像进行N维傅立叶变换(N＝1或2)，把包含该图像中所包含的频谱的零频率的平面内的一半或一部分的频谱振幅置换成零，从剩余的频谱提取频率成分，对其进行N维傅立叶逆变换来取得第2复变分析信号。然后，通过将第2复变分析信号的振幅值修正成一定值，来取得第2相位信息。
然后，根据局部性相互相关函数表示最大绝对值的相关峰值的位置，检测被检测体的各位置的局部性变位。所述局部性相互相关函数是具有通过上述方法分别取得的第1相位信息与第2相位信息的两个相位限定复变分析信号的局部性相互相关函数。
此处，本发明的特征之一是取代现有的相位限定相关方法中使用的空间图形的空间频谱区域中的相位限定运算，对进行信号检测、量子化的信号区域中的空间图形的复变分析进行相位限定运算，并使用信号区域的相位信息。由此，对于摄像装置具有的非线性特性、量子噪声，与目前相比，可以进行具有耐非线性以及耐噪声性的高精度的图形变位检测。结果，可以进行这样的高精度的变位计量。
另外，通过进行信号区域的相位限定运算来代替频率区域的相位限定运算，可以不增强高频噪声地进行信号处理。由此，例如即使在激光斑点图形横变位的同时，图形本身也变形时，也可以降低由于相关峰值的急剧降低导致的误测定的发生，结果，可以进行误测定较少的微小变位计量。即，可以进行高精度的微小变位计量。
另外，本发明的其它特征是具备对被检测体表面的斑点图像进行拍摄，并进行N维傅立叶变换的傅立叶变换部；将傅立叶变换后的图像的一半或一部分的频谱振幅置换成零的希尔伯特变换部、从置换后的剩余的频谱中提取频率成分的频率提取部；对频率成分进行N维傅立叶逆变换，来输出复变分析信号的傅立叶逆变换部；将复变分析信号的振幅值修正成一定值的相位限定用振幅修正部；对修正后的信号的全部区域或一部分区域进行相位限定相关处理，来计算相位信息的相位限定相关处理部；以及根据相互相关函数的表示最大绝对值的相关峰值位置，计算变位量的变位量计算部。由此，可以不使用干涉计地测定被检测体的变位量，因此可以使测定装置本身简化。另外，不需要考虑使用干涉计时产生的由于振动或空气的摇动等所致的噪声等的影响，所以即使在恶劣的环境下进行测定，也可以确实地得到相位信息。由此，可以进行降低了噪声等的影响的图形变位检测。结果，可以小型化地实现提升了耐噪声性的高精度的微小变位计量。
下面，参照图1(a)～图1(e)对处理步骤进行详细地说明。
图1(a)表示变位产生前的斑点图像(也称为斑点图形)(1)g1(x，y)。
图1(b)是以亮度显示空间频谱(2)G1(fx，fy)的振幅分布时的图。另外，图1(c)表示把包含该空间频谱的零频率的平面内的左半面置换成振幅零时的频率成分。另外，图1(d)以浓度显示对右半面的频谱进行逆傅立叶变换得到的复变分析信号的相位分布。而且，图1(e)以浓度显示从图1(d)切出的成为计量对象的微小窗口W的分析信号的相位分布。
首先，如图1(a)所示，取得变位产生前的被检测体的斑点图像(3)g1(x，y)，对其进行2维高速傅立叶变换，得到如图1(b)所示的空间频谱(4)G1(fx，fy)。
图1(b)所示的图像以亮度显示空间频谱(5)G1(fx，fy)的振幅分布。
然后，将包含图1(b)的空间频谱(6)G1(fx，fy)
的零频率的平面内的左半部的频谱振幅置为零(图1(c))。在本实施方式中，将左半部的频谱振幅置为零，但也可以是右半部、上半部或下半部。
然后，如图1(c)所示，将左半部由振幅零的频率成分表示的滤波器(7)H(fx，fy)(也称为希尔伯特滤波器)的右半部所残留的半个平面内的频谱(8)H(fx，fy)G1(fx，fy)进行2维高速傅立叶逆变换来获得复变分析信号(9)g^(x,y).]]>图1(d)以灰白度分布来显示傅立叶逆变换后的复变分析信号的相位值。
然后，当图1(d)中以浓度显示了相位分布的复变分析信号的变位根据场所发生变化时，计量成为计量对象的各位置的局部性变位。为此，通过微小窗口W切出设为计量对象的小区域部分的分析信号。
然后，如图1(e)所示，以浓度显示被切出的设为计量对象的小区域的分析信号(10)g~1(x,y)]]>的相位分布。
然后，对变位后的斑点图像(11)g2(x，y)也进行同样的一连串处理。该处理在图2(a)～图2(e)中表示。基本上进行与图1(a)～图1(e)的处理相同的处理。
即，首先如图2(a)所示，取得在被检测体中产生变位后的斑点图像(12)g2(x，y)，并对其进行2维傅立叶变换，来得到如图2(b)所示的空间频谱(13)
G2(fx，fy)。
图2(b)所示的图像以亮度显示空间频谱(14)G2(fx，fy)的振幅分布。
然后，把包含图2(b)的空间频谱(15)G2(fx，fy)的零频率的平面内的左半部的频谱振幅置换为零(图1(c))。在本实施方式中，虽将左半部的频谱振幅置换为零，但置换为零的区域也可以是右半部、上半部或下半部中的任意一个。
然后，如图2(c)所示，将左半部由振幅零的频率成分表示的滤波器(16)H(fx，fy)(也称为希尔伯特滤波器。)的右半部所残留的半个平面内的频谱(17)H(fx，fy)G2(fx，fy)进行2维高速傅立叶逆变换来获得复变分析信号(18)g^2(x,y).]]>图2(d)以灰白度分布来显示傅立叶逆变换后的复变分析信号的相位值。
然后，当图2(d)中以浓度显示了相位分布的复变分析信号的变位根据场所发生变化时，计量成为计量对象的各位置的局部性变位。为此，通过微小窗口W切出设为计量对象的小区域部分的分析信号。
然后，如图2(e)所示，以浓度显示被切出的设为计量对象的小区域的分析信号(19)g~2(x,y)]]>的相位分布。
在上述图2(a)～图2(e)的变位后的信号处理结束后，由变位前的斑点图像(20)g1(x，y)与变位后的斑点图像(21)g2(x，y)的两个斑点图像的复变分析信号，取得通过微小窗口W切出的信号中的一方(在该例中为变形后的分析信号)的相位共轭，求出通过给予横向移动相乘得到的合成信号的2维复变相互相关函数。此时，通过使斑点图像的复变分析信号的振幅固定成(22)|g1(x，y)|＝|g2(x，y)|＝1，求出只限定于相位信息的相位限定复变相互相关函数。将该相位限定复变相互相关函数由式(1)表示。
(23)Cp(Δx，Δy)＝∫∫exp[i(φ1(x，y)-φ2(x+Δx，y+ΔY))]dxdy…(式1)此处，Cp的p表示只限定于相位(phase)信息的分析函数的相互相关函数。这里，取代将振幅固定成1，可以求出对振幅值实施对数转换、平方根操作来抑制振幅变化的复变相互相关函数。一般地，相位信息经由复变指数函数的指数部在信号中表现，因此，可以更高灵敏度地将斑点图像的微细空间构造在信号值中进行反映。因此，对于计量的使用价值较高。各点的振幅值起到对该点的相位信息在相关计算中的反映程度进行加权的作用，在振幅较小处相位信息难以用于相关计算。如本发明所示，通过在信号区域固定振幅或抑制振幅变化，可将更多的相位信息用于计量。
另外，图3表示通过上述的一连串的处理所获得的复变相互相关函数的绝对值的分布。如此，可以根据相位限定相互相关函数的峰值产生的位置求出切出了相关窗口的区域的局部性变位。
然后，参照图4，说明本发明的微小变位计量装置1的构造。
该微小变位计量装置1大体划分为被检测体3、检测对该被检测体3的表面照射光线所获得的斑点图形的检测部5、对检测到的被检测体3的表面的斑点图形进行图像处理的图像处理部7。
这里，检测部5至少具备作为照射单元的光源51与作为摄像单元的照相机52。所谓照射单元是LD(激光二极管)、LED或白色光源等。另外，所谓照相机是用于斑点图形摄像的高精度CCD照相机、CMOS照相机。从光源51放射出的照射光射入被检测体3，其中一部分反射而射入照相机。光源51未必需要如图4所示内置于检测部5中，也可以设置在外部。
图像处理部7至少具备暂时存储由照相机52拍摄的被检测体3的表面图像数据(斑点图形)的第1存储部(例如，帧存储器等，以下称为FM)71、对该斑点图形进行文件化来进行储存的第2存储部(例如硬盘等。以下，称为HDD)72、将斑点图形进行傅立叶变换的傅立叶变换部73、对傅立叶变换后的空间频谱实施希尔伯特滤波处理的希尔伯特滤波处理部74、从进行了希尔伯特滤波处理的空间频谱提取频率成分的频率提取部75、将该频率成分进行傅立叶逆变换的傅立叶逆变换部76、对通过傅立叶逆变换得到的复变分析信号的振幅进行修正以使其成为一定值的振幅修正部77、对修正后的复变分析信号的全部区域或一部分区域实施相位限定相关处理的相位限定相关处理部78、根据使用了通过相位限定相关处理计算出的变位前的相位信息与变位后的相位信息的相位限定相关函数的绝对值的峰值位置，计算变位量的变位量计算部79、进行这些功能部的控制的处理控制部(例如中央运算处理装置，以下称为CPU)80、以及储存有这些一连串的处理控制程序的第3存储部(例如只读存储器等，以下称为ROM)81。在该ROM81中存储有记载了图1及图2中说明的信号处理步骤的程序。
另外，在图像处理部7的外部设置有用于将该图像处理部7处理的结果在外部进行显示的显示部9。
然后，参考图5～图7的流程来说明该微小变位计量装置1的动作。
图5是表示拍摄被检测体3的拍摄步骤及存储所拍摄到的图像的存储步骤的流程图。图6是表示对所存储的图像进行处理的图像处理步骤的流程图。图7是表示比较被处理的两个图像，计算被检测体3有无变位以及变位量的变位量计算步骤的流程图。另外，在本实施方式中，通过使被检测体3旋转使其自发地产生面内变位，分别对被检测体3的变位前与变位后的斑点图形进行拍摄来进行变位量计算。
首先，如图4的方框图及图5的流程图所示，在被检测体3的正面配置照相机52，将从光源51射出的光照射被检测体3，然后通过照相机52拍摄在被检测体表面观察的变位前的斑点图形、由表面固有的纹理(textture)所导致的斑点图形。然后，将该斑点图形(图1(a)的图像)暂时存储在FM71中，之后，在进行了文件化处理后，将该文件作为变位前的斑点图形储存在HDD72中(S11、S13)。
然后，在经过一定时间或一定期间后，在本实施方式中使被检测体3旋转后，以和上述摄像条件相同的条件进行被检测体3的拍摄。然后将所获得的斑点图形(图2(a)的图像)暂时存储在FM71中，然后进行文件化处理，将该文件作为变位后的斑点图形储存在HDD72中(S15、S17)。
此处，CPU76始终监视被储存在HDD72中的斑点图形信息，当检测到存储了最新的斑点图形(这里是指变位后的斑点图形)时，读出在该斑点图形之前储存的一个斑点图形(这里是指变位前的斑点图形)(图6的S21)。
然后，将该变位前的斑点图形由傅立叶变换部73通过2维高速傅立叶变换处理变换为空间频谱(S23)。然后，对该空间频谱由希尔伯特滤波处理部74进行希尔伯特滤波运算处理，即，进行将包含空间频谱的零频率的平面内的左半部的频谱振幅置为零的处理(S25)。然后，从右半部的剩余的空间频谱提取频率成分，由逆傅立叶变换部76通过2维高速逆傅立叶变换处理变换为复变分析信号(S27)。变换后的复变分析信号在被进行文件化后，作为变位前的复变分析信号再次储存在HDD 72中(S29)。
接着，CPU 80从HDD 72读出变位后的斑点图形(S31)。然后，在与上述处理相同地进行了2维高速傅立叶变换后，进行希尔伯特滤波运算处理，从空间频谱提取频率成分，并再次对其进行傅立叶逆变换来取得复变分析信号。该复变分析信号作为变位后的复变分析信号储存在HDD 72中(S33～S39)。
当上述图像信号处理结束时，CPU 80从HDD 72分别读出变位前与变位后的复变分析信号(图7的S41)。然后，通过微小窗口W切出成为局部变位的计量对象的区域的复变分析信号的局部数据(S43)。接着，对变位前后的复变分析信号进行振幅一定化或振幅抑制，使用相位限定相关函数或伪相位限定相关函数进行计算，根据该相关峰值位置求出有无局部变位以及变位量(S45、S47)。然后，检测是否存在应该求出其它局部变位的点，如果还存在应该局部地求出变位的点，则进行新的局部数据的切出Wn，并回到S43对该局部进行S43～S49的处理。另外，如果在S51中不存在应该局部地求出变位量的点，则结束该处理。上述处理内容包含中途的计算结果，由显示部9的显示器进行监控。
上述这些一连串的处理步骤被预先程序化并被存储在ROM81中，CPU80读入该程序适当地驱动各功能部来进行变位量计算。另外，在本实施方式中，以斑点图形为基础进行了变位量计算，但是，也可以使用随机点图形同样地进行变位量计算。
然后，比较本发明与专利文献1的技术，针对其差异进行说明。
一般地，作为利用相位信息的相互相关计算法，已知图8(a)所示的方法。该现有的方法为将想要求得相互相关的图像1g1(x，y)与图像2(24)g2(x，y)分别进行傅立叶变换所获得的傅立叶频谱(25)G1(fx，fy)和傅立叶频谱(26)G2(fx，fy)的振幅固定为“1”，或者通过对数转换等进行抑制(S100～S103)。然后，通过取得一方的复变共轭进行相乘，只利用变位前的空间频谱的相位信息(27)expi1(fx，fy)与变位后的空间频谱的相位信息(28)
expi2(fx，fy)(S104～S107)，在空间频率区域中取得复变信号的相位差(29)expi{2(fx，fy)-1(fx，fy)}(S108)。然后，对该相位差进行逆傅立叶变换，来求出相关函数(30)g~1(x,y)⊗g~2(x,y)]]>(S109)。
因此，在该方法中使用的相位信息是空间频谱的相位信息，所获得的相关函数是对于图像1与图像2的全体的大区域变位的相关函数，无法求得图像上的任意各点的局部变位的相关函数。另外，如上所述，空间频谱的振幅的同一化或通过对数函数等的振幅抑制强调空间频谱的高频成分，所以产生容易受到斑点的变形、噪声的影响的问题。
与此相对，在本发明的方法中，如图1至图7以及图8(b)所示，通过相位限定或振幅抑制的相关运算不是在空间频谱区域，而是在空间信号区域对各图像的复变分析信号进行。因此，不强调空间频谱的高频成分，产生难以受到噪声、斑点的变形引起的影响的优点。
即，如图8(b)所示，分别对想要求得相互相关的图像1(31)g1(x，y)与图像2(32)g2(x，y)进行傅立叶变换，来求出傅立叶频谱(33)G1(fx，fy)与傅立叶频谱(34)G2(fx，fy)
(S100～S103)。然后，对其运算希尔伯特滤波，之后，通过进行傅立叶逆变换，分别取得复变分析信号(35)g^1(x,y)]]>与(36)g^2(x,y)]]>(S200、S203)。然后，只使用各复变分析信号的相位差信息(37)exp[i1(x，y)]与相位差信息(38)exp[i2(x，y)]，通过取得一方的复变共轭进行相乘(S201、S202，S204、S205)，来求出信号区域的相位限定相关函数(39)g~1(x,y)⊗g~2(x,y)]]>(S206)。
如此，图8(a)所示的区域A的空间频率区域的处理与图8(b)所示的区域B的信号区域的处理成为完全不同的处理内容。另外，获得复变分析信号(S200)的希尔伯特滤波处理是现有方法中没有的新的功能。
而且，通过微小窗口W将那时的复变分析信号的一部分切出，来计算相位限定或振幅抑制相关，由此，可以求得图像各点的局部性变位的分布。另外，在相关计算时，如果扩大切出微小窗口W的大小，也可以求出与现有方法相同的针对整个图像的大区域的变位的相关函数。
另外，图9表示根据对被检测体3给予了微小旋转时的白色斑点图形的移动，来求得物体表面上的各点的局部性变位的分布的结果的一例。根据该结果得知变位与距旋转中心的距离成比例地增加。在现有的强度相关法中，如图9(a)所示，当变位增大斑点本身的形状发生变形(解相关)时，产生计量误差(图中虚线所包围的a1及a2)，与此相对，在本发明的方法中，如图9(b)所示，即使对于较大的变位，也可以给予正确的计量结果。如上所述，作为另一个现有方法的空间频率区域的相位限定相关或振幅抑制相关法，由于给予图像整个区域的大区域的相关，所以根据其原理上的限制，无法求得这样的局部性变位分布。
另外，图9(a)、(b)表示本发明对较大变位的检测的优越性，相反，图10表示使旋转角度变小给予了微小变位时的本发明的优越性。图10的图表的纵轴表示变位量的大小，由于变位与距旋转中心的距离成比例，所以理想的计量结果为倒圆锥状，但是，在现有方法的强度相关中，如图10(a)所示，包含了很多的计量误差。与此相对，在本发明的方法中，如图10(b)所示，即使对于极微小的变位，也可获得近乎圆锥状的计量结果。
如上所述，由于现有方法的空间频率区域的相位限定或振幅抑制相关法无法适用于局部的变位计量，所以针对整个物体一样地进行变位的情况，进行了与本方法的性能的比较。图11(a)表示基于本发明的方法的通过空间信号区域的相位限定相关函数的斑点图形的自我相关函数。如图11(b)所示，当与现有方法的通过空间频率区域的相位限定相关函数的斑点图形的自我相关函数进行比较时，相关函数的扩展幅度大，关于自我相关函数的分辨力没有优越性。但是，如图11(d)所示，现有方法的通过空间频率区域的相位限定相关函数的相互相关函数，其峰值的高度降低，与此相对，图11(c)所示的本发明的空间信号区域的相互相关函数由于维持了较高的相关峰值，所以可进行可靠性较高的计量。激光斑点由于变位而发生变形，所以当变位量变大斑点的变形变得急剧时，本发明的方法的优越性变得更加显著。
图12比较了斑点的变形较大时的相互相关函数。图12(a)、(b)分别为依据本发明的方法(空间信号区域的相位限定相关函数)和依据现有方法(空间频率区域的相位限定相关函数)的自我相关函数。此时，由于没有斑点的变形，所以对于现有方法没有优越性，但是，如图12(d)所示，现有方法(空间频率区域的相位限定相关函数)的相互相关函数的峰值的高度显著降低，与此相对，图12(c)所示的本发明(空间信号区域的相位限定相关函数)的相互相关函数由于维持了较高的相关峰值，所以即使对于斑点的变形较大的情况，也可以进行可靠性较高的计量。
产业上的利用可能性由上所述，根据本发明，可以使用存在于被检测体表面的独特的斑点图形来进行高精度的微小变位计量。由此，例如可以非接触地检测由于在半导体元件、飞机的机体、机翼、或车体等金属材料的内部产生的微小缺陷所导致的物体表面的变位。另外，通过定期地进行该检查，可以预测金属疲劳或经年变化，所以可以作为防患断裂等的非破坏检查装置进行使用。另外，即使在环境恶劣的场所也可以进行测定，因此，可以作为使用斑点图形的个人辨识、安全装置进行应用。
权利要求
1.一种微小变位计量法，其特征在于，具有对测定对象物的表面进行摄像的第1摄像步骤；对在所述第1摄像步骤中拍摄到的图像进行N维傅立叶变换(N＝1，2)的第1傅立叶变换步骤；把包含在所述第1傅立叶变换步骤中变换的频谱的零频率的平面内的一半或一部分的频谱振幅置换为零的第1希尔伯特变换步骤；从所述第1希尔伯特变换步骤之后的频谱中提取频率成分的第1频率提取步骤；对所述频率成分进行N维傅立叶逆变换(N＝1，2)来取得第1复变分析信号的第1傅立叶逆变换步骤；使所述第1复变分析信号的振幅值成为一定值地进行修正的第1振幅修正步骤；对所述振幅修正后的第1相位限定分析信号进行记录的第1相位限定信号记录步骤；另一方面，在所述第1摄像步骤后，对所述测定对象物的表面进行摄像的第2摄像步骤；对在所述第2摄像步骤中拍摄到的图像进行N维傅立叶变换(N＝1，2)的第2傅立叶变换步骤；将包含所述第2傅立叶变换步骤中被变换的频谱的零频率的平面内的一半或一部分的频谱振幅置换为零的第2希尔伯特变换步骤；从所述第2希尔伯特变换步骤之后的频谱中提取频率成分的第2频率提取步骤；对所述频率成分进行N维傅立叶逆变换(N＝1，2)来取得第2复变分析信号的第2傅立叶逆变换步骤；使第2复变分析信号的振幅值成为一定值地进行修正的第2振幅修正步骤；对所述振幅修正后的第2相位限定分析信号进行记录的第2相位限定信号记录步骤；对所述第1相位限定分析信号和所述第2相位限定分析信号的全区域或一部分区域求出相位限定相互相关函数的相位限定相关处理步骤；以及根据所述相位限定相互相关函数表示最大绝对值的相关峰值的位置，计算变位量的变位量计算步骤。
2.根据权利要求1所述的微小变位计量法，其特征在于，所述第1以及第2振幅修正步骤使用将所述第1及第2复变分析信号的振幅值置换为一定值的振幅限定方法、或将所述第1及第2复变分析信号的振幅值通过对数转换抑制为一定值的振幅抑制处理方法。
3.根据权利要求1所述的微小变位计量法，其特征在于，在所述相位限定相关处理步骤中进行的相位限定相互相关处理中，使用振幅限定相互相关函数、或振幅抑压相互相关函数。
4.一种微小变位计量装置，其特征在于，具有对测定对象物的表面进行摄像的摄像单元；对由所述摄像单元拍摄到的图像进行N维傅立叶变换(N＝1，2)的傅立叶变换单元；将包含由所述傅立叶变换单元所变换的频谱的零频率的平面内的一半或一部分的频谱振幅置换为零的希尔伯特变换单元；从通过所述希尔伯特变换单元被置换为零的零置换区域以外的区域中包含的频谱中提取频率成分的频率提取单元；对由所述频率提取单元提取出的频率成分进行N维傅立叶逆变换，来输出复变分析信号的傅立叶逆变换单元；使所述复变分析信号的振幅值成为一定值地进行修正的振幅修正单元；对由所述振幅修正单元所修正的信号的全部区域或一部分区域，进行相位限定相关处理的相位限定相关处理单元；以及根据相位限定相关函数的表示最大绝对值的相关峰值的位置，计算变位量的变位量计算单元。
5.根据权利要求4所述的微小变位计量装置，其特征在于，所述振幅修正单元具备将所述复变分析信号的振幅值置换为一定值的相位限定处理单元、或将所述复变分析信号的振幅值通过对数转换抑制为一定值的振幅抑制处理单元。
6.根据权利要求4所述的微小变位计量装置，其特征在于，所述相位限定相关处理单元使用相位限定复变相互相关函数、或振幅抑压复变相互相关函数。
全文摘要
不使用干涉计，使用根据具有空间随机构造的斑点图形等计算的伪相位信息，非接触且高精度地检测物体的微小变位、3维形状。取得变位前的被检测体的频谱图像，对其进行N维傅立叶变换来计算空间频谱，将包含该振幅分布中的零频率的半个平面内的频谱振幅设定为零，对剩余的半个平面内的频谱振幅进行傅立叶逆变换取得复变分析信号。然后，将该复变分析信号的振幅值置换为一定值，取出获得的分析信号的一部分区域，通过相位限定相关函数计算相位信息，来获得N维的相互相关峰值。在被检测体的变位后也进行上述方法，通过求得变位前后的相互相关峰值的差分，可以求得变位量。
文档编号G01B11/00GK1946983SQ20058001238
公开日2007年4月11日 申请日期2005年4月22日 优先权日2004年4月22日
发明者武田光夫, 王炜, 石井信生, 宫本洋子 申请人:国立大学法人 电气通信大学