JP2004271381A - スペックル干渉計装置 - Google Patents
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Abstract
【目的】１対の光束出力手段を含む光学部材を配置した光学部材載設手段を撮像手段とは別体に、かつ撮像手段の本体よりも観察物体側に配置するとともに、１対の光束出力手段の間に位置する領域を光透過領域とすることで、光路の引き回しを最小にし、装置のコンパクト化を図り、撮像カメラの交換を容易とする。
【構成】２つの光束を観察物体１の表面に向けてそれぞれ出力せしめる光束出力手段等の光学部材が載設配置されるフレーム状光学部材載設板１０は、干渉スペックルパターンを撮像するＣＣＤカメラ３とは別体に、かつこのＣＣＤカメラ３の本体の観察物体１側に配設されている。光学部材載設板１０の略中央領域は、観察物体１からの干渉光が通過する透孔１４とされており、ＣＣＤカメラ３のレンズ鏡筒１３が挿入されるようになっている。さらに、カメラ電源・メモリ部４、コントローラ５、解析用コンピュータ６およびモニタ７を備えている。
【選択図】 図１
【構成】２つの光束を観察物体１の表面に向けてそれぞれ出力せしめる光束出力手段等の光学部材が載設配置されるフレーム状光学部材載設板１０は、干渉スペックルパターンを撮像するＣＣＤカメラ３とは別体に、かつこのＣＣＤカメラ３の本体の観察物体１側に配設されている。光学部材載設板１０の略中央領域は、観察物体１からの干渉光が通過する透孔１４とされており、ＣＣＤカメラ３のレンズ鏡筒１３が挿入されるようになっている。さらに、カメラ電源・メモリ部４、コントローラ５、解析用コンピュータ６およびモニタ７を備えている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子的スペックル干渉法を用いて変形計測を行うスペックル干渉計装置に関し、特に、動的物体の時間的変形（特に面内変形）についての干渉スペックルパターン画像を撮像する際に、撮像カメラの交換の利便性等を考慮したスペックル干渉計装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、負荷をかけた物体が変形し、破壊する過程の観察には、電気的ひずみゲージを用いた変形計測法が広く用いられているが、その一方、物体の変形に対し、２次元的な視野で、光の波長を基準とした高精度な変形測定を行い得るスペックル干渉法が知られている。
【０００３】
このスペックル干渉法は、粗面物体をレーザ光で照射したときに観察面に生じる斑点状の模様（スペックルパターン）を利用する干渉法である。スペックルパターンは一般の結像系では画像ノイズとして好ましくないものとされるが、粗面物体の表面情報を担っており、その変化から変形を見積もることができる。また、粗面物体表面を特別の前処理を必要とせずに観察対象とすることができ、ホログラフィーでは必要となる、高解像力の写真乾板等が必要とされないという利点をも有している。
【０００４】
ここで、図８を用い、従来の２光束照射型のスペックル干渉計装置５０２を説明する。粗面物体である観察物体５０１に対し、ｘｚ面（紙面に平行な面）内で略対称に配されたレーザ光源７０１（射出光束位置のみを示す）からのレーザ光束が照射される。レーザ光源７０１から出力されたレーザ光束はコリメータ６１２および反射ミラー７０５ａを介してビームスプリッタ７０５ｂに到達する。このビームスプリッタ７０５ｂにおいて分割されたレーザ光束のうち一方は、反射ミラー７０５ｃ，７０５ｄ，凹レンズ６０２ａを介し反射ミラー６０１ａによって観察物体５０１に照射され、分割されたレーザ光束のうち他方は、反射ミラー７０５ｅ，７０５ｆ，７０５ｇ，凹レンズ６０２ｂを介し反射ミラー６０１ｂによって観察物体５０１に照射される。なお、これら２つの光束は、干渉スペックルパターン画像の位相解析処理の便宜上、所定の光路長差が付与されるように構成されている。このようにして観察物体５０１に照射された２つの光束は、観察物体５０１によって拡散反射され、ＣＣＤカメラ５０３の結像面上に干渉スペックルパターンを形成する。この後、得られた干渉スペックルパターン画像を解析して、観察物体５０１の表面形状に応じた位相解析を行うこととなる。
【０００５】
なお、干渉スペックルパターン画像の位相解析においては、観察物体５０１の変形前後の干渉スペックルパターンを撮像し、それらの画像点毎の強度の差を計算する手法が知られている。
【０００６】
また、分割された２つの光束の各光路上にそれぞれシャッタを置き、一方の光束のみで物体を照射したときの時間領域における画像点毎の各強度分布Ｉ１（ｘ；ｔ）、Ｉ２（ｘ；ｔ）を上記位相解析に先立ち、予め測定しておく。
スペックル干渉装置の光学系において得られる干渉パターンＩ（ｘ；ｔ）は一般的に下記（１）式のように表される。
【０００７】
【数１】
【０００８】
ここで、Ｉ０（ｘ；ｔ）はＩ１（ｘ；ｔ）およびＩ２（ｘ；ｔ）の平均強度、θ（ｘ；ｔ）はランダムなスペックル位相、γ（ｘ；ｔ）は変調度（モデュレーション）、φ（ｘ；ｔ）は物体位相である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した如き従来のスペックル干渉計装置では、レーザ光源７０１からの光束を観察物体５０１に照射するための２系の照射光学系と、干渉スペックルパターンを撮像するためのＣＣＤカメラ５０３とが装置内に一体に収納配置されている。
【００１０】
しかしながら、動的な干渉スペックルパターンを測定する場合、ＣＣＤカメラ５０３としては、観察物体５０１の変形速度等に応じ、通常のＣＣＤカメラと高速度撮影用カメラとの間で、あるいは種々の高速度撮影用カメラの間で取替作業を行いたいという要求があり、このような場合、上述したような装置においてはカメラ取替えに際して装置筐体や内部の機構部を分解しなければならないという問題があった。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、測定精度を良好なものとしつつ撮像カメラ等の交換作業を容易に行うことができるコンパクトなスペックル干渉計装置を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のスペックル干渉計装置は、光源からの光束を２つの光束に分割し、該２つの光束を被測定面である粗面物体表面に照射し、該２つの光束の該粗面物体表面からの反射光束を互いに干渉せしめ、その干渉により形成された干渉スペックルパターンを撮像するスペックル干渉計装置において、
少なくとも、前記光源からの光束を前記２つの光束に分割する光束分割手段と、これら分割された２つの光束を前記粗面物体表面に向けてそれぞれ出力せしめる光束出力手段の対とを光学部材載設手段上に載設設置するとともに、該光学部材載設手段を、前記干渉スペックルパターンを撮像する撮像手段とは別体に、かつ該撮像手段の本体の前記粗面物体表面側に配設し、
前記２つの光束出力手段の間に位置する前記光学部材載設手段の所定領域が、前記粗面物体表面からの干渉光を通過せしめる光透過領域とされていることを特徴とするものである。
【００１３】
ここで、上記光学部材載設手段は上記撮像手段の本体の上記粗面物体表面側に配置されていればよく、例えば撮像手段のレンズ鏡筒は光学部材載設手段よりも上記粗面物体表面側に位置していてもよい。
【００１４】
また、前記光学部材載設手段が、前記光束分割手段により分割された２つの光束の光路間に所定の光路長差を付与する光路長差付与手段を載設設置されてなることが好ましい。
【００１５】
また、前記光学部材載設手段は板状とされていることが好ましい。
【００１６】
また、前記２つの光束出力手段が前記光透過領域を挟んで所定方向に略対向するように配されていることが好ましい。
【００１７】
また、前記２つの光束出力手段を２組備えており、これら２組の光束出力手段各々の配列方向である前記所定方向が互いに略直交することが好ましい。
【００１８】
また、前記光透過領域が前記光学部材載設手段に穿設された透孔とすることができる。
【００１９】
また、前記２組の前記２つの光束出力手段は、１組のみ、または前記２組が交互に光束出力可能に制御することができる。
【００２０】
また、前記光透過領域は、前記光学部材載設手段の少なくとも一部を構成する透明板とすることができる。
【００２１】
さらに、前記光学部材載設手段上に載設された光学部材は、前記光透過領域の周囲において階層構造をなすように配設されていることが好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係るスペックル干渉計装置について図面を用いて説明する。
【００２３】
＜基本構成＞
図１は、観察物体（粗面物体）１の面内変位をスペックル干渉測定する実施形態に係るスペックル干渉計装置２を示すものである。
【００２４】
図１に示す面内変位計測用のスペックル干渉計装置２では、一方向（本実施形態では上下方向）の干渉スペックルパターンを得るために、１対のレーザ光束８ａ，８ｂが光束出力部９ａ，９ｂ（ただし、９ｂは図示せず）から観察物体１に照射される。光束出力部９ａ，９ｂからの上記１対のレーザ光束８ａ，８ｂは、物体法線に対して略対称に位置するように設定されている。観察物体１を照明する２つのレーザ光束８ａ，８ｂにより各々独立なスペックルパターンが形成され、それら２つのスペックルパターンの干渉によりＣＣＤカメラ（高速度カメラ）３の撮像面上に上記一方向の干渉スペックルパターンの像が形成される。この後、この干渉スペックルパターンの像が光電的に読み取られることになる。
【００２５】
また、図示されてはいないが、このスペックル干渉計装置２では、上記一方向に略直交する方向（本実施形態では左右方向）の干渉スペックルパターンを得るために、１対のレーザ光束が光束出力部９ｃ，９ｄから観察物体１に照射される。この後、上記と同様に、ＣＣＤカメラ３の撮像面上に上記一方向に略直交する方向の干渉スペックルパターンの像が形成され、この干渉スペックルパターンの像が光電的に読み取られることになる。
【００２６】
また、図１に示す実施形態装置においては、２つの半導体レーザ光源（本実施形態では、上下方向の干渉スペックルパターンを得るための第１の光源と、左右方向の干渉スペックルパターンを得るための第２の光源）と、これらの光源からの光束を各々２つの光束に分割する光束分割手段（本実施形態では、ビームスプリッタ）と、これら分割された２つの光束間に所定の光路長差を付与する光路長差付与手段と、光路長差が付与された２つの光束を観察物体１の表面に向けてそれぞれ出力せしめる光束出力手段（本実施形態では、反射ミラー）等の光学部材が載設配置されるフレーム状光学部材載設板（以下、単に光学部材載設板と称する）１０を備えている。
【００２７】
また、この光学部材載設板１０は、干渉スペックルパターンを撮像するＣＣＤカメラ３とは別体に、かつこのＣＣＤカメラ３の本体の観察物体１側に配設されている。また、この光学部材載設板１０の略中央領域は、観察物体１からの干渉光が通過する光透過領域とされている。なお、本実施形態においては、この光透過領域が透孔１４とされており、ＣＣＤカメラ３のレンズ鏡筒１３が挿入されるようになっている。
【００２８】
また、図１に示すように、このスペックル干渉計装置２は、ＣＣＤカメラ３を駆動するための電源および取得画像を格納するメモリを備えたカメラ電源・メモリ部４と、コントローラ５と、解析用コンピュータ６およびモニタ７を備えている。
【００２９】
なお、コントローラ５は解析用コンピュータ６からの指示に基づき、光学部材載設板１０内の光源の駆動制御、ミラーの回動制御、さらには、カメラ電源・メモリ部４の制御を行う。
【００３０】
また、解析用コンピュータ６においては、位相シフト法を用いて干渉スペックルパターン画像の解析処理を行うようにしている。以下、解析用コンピュータ６で行っている解析処理について簡単に説明する。
【００３１】
すなわち、ＣＣＤカメラ３により検出された、いずれか（上下方向または左右方向）の干渉スペックルパターンの強度Ｉ（ｘ；ｔ）は下記（２）式のように表される。
【００３２】
【数２】
【００３３】
ここで、ｘは座標、ｔは時刻、Ｉ０（ｘ；ｔ）は平均強度、γ（ｘ；ｔ）は変調度、θ（ｘ；ｔ）はランダムなスペックル位相、φ（ｘ；ｔ）は観察物体１の変位に伴う物体位相、Ｎは１周期中のシフトの段数、ｉはＮ以下の自然数である。
【００３４】
なお、本実施形態では、上記物体位相φ（ｘ；ｔ）を高精度で求めることが目標となる。
そこで本実施形態においては、まず、上記（２）式に基づき下記（３）式および（４）式を求める。
【００３５】
【数３】
【００３６】
上述した余弦成分Ｉｃ（ｘ；ｔ）および正弦成分Ｉｓ（ｘ；ｔ）の比を求め、さらにこの比の逆正接を求めることにより下記（５）式のように物体位相が決定される。
【００３７】
【数４】
【００３８】
通常、ランダムなスペックル位相θ（ｘ；ｔ）の変化は物体位相の変化に比べて遅いので下記（６）式のように近似することができる。
【００３９】
【数５】
【００４０】
よって求める物体位相は下記（７）式のように決定される。
【００４１】
【数６】
【００４２】
また、観測時間ｔｏ（０＜ｔ＜ｔｏ）が長く（６）式が成り立たない場合は観測時間ｔｏをスペックル位相が一定と見なせるｎ個の区間ｔｄ（ｔｏ＝ｎｔｄ）に分割し、（７）式においてθ（ｘ；０）をθ（ｘ；ｋｔｄ），ｋ＝０，１，…ｎ−１と置き換えることにより各区間において物体位相を求める。すなわち適宜参照位相の更新を行う。最終的に各区間を接続することにより長時間に亘る動的な現象を解析することが可能となる。このようにして求められた、時間領域における位相曲線は、前述したように、位相値が−πおよびπを主値として、ラッピングされた（折りたたまれた）状態となっている。そこで、このようなラッピングされた（折りたたまれた）位相曲線に対して、これを本来の曲線に戻す位相アンラッピング処理を施す。
【００４３】
以上の演算処理をスペックル干渉画像上の画像各点毎に行うことにより、観察物体の変形を動的に、かつ高精度に定量化して解析することができる。
【００４４】
なお、上述した２つのレーザ光束８ａ，８ｂの間の位相差（上下方向の干渉スペックルパターンを得るための位相差）は光学部材載設板１０上に配された第１のＰＺＴ装置（４２０；図２参照）により設定される。同様に左右方向の干渉スペックルパターンを得るための位相差は、光学部材載設板１０上に配された第２のＰＺＴ装置（４１０：図２参照）により設定される。
【００４５】
なお、本発明のスペックル干渉計装置としては、上記解析方法のみならず、周知のフーリエ変換法や和差法（例えば、特開２００１−３１１６３号公報参照）等のその他の種々の解析方法を採用可能である。
【００４６】
また、半導体レーザ光源を波長可変レーザ光源とし、この光源から出力されるレーザ光束８ａ，８ｂの波長を変化させ、これにより（前提として２つのレーザ光束８ａ，８ｂ間に所定の光路長差が設けられている）上記各レーザ光束８ａ，８ｂの間の位相差をシフトさせるようにしてもよく、この場合には上記ＰＺＴ装置の駆動は不要となる。
【００４７】
なお、上記レーザ光束８ａ，８ｂの波長を、例えば６６０．６ｎｍから６６１．４ｎｍまで変化させるためには半導体レーザ光源の駆動電流を例えば６５ｍＡから６７ｍＡまで変化させる。さらに、レーザ光源からの２系（上下方向と左右方向）の各光路間の各光路長差（上下あるいは左右間）が所定距離（例えば４０ｍｍ）となるように設定する。これにより、ＰＺＴ装置を用いた場合と同様に、位相差を可変とすることができる。
【００４８】
＜具体的な装置構成＞
図２は、本発明の実施形態に係るスペックル干渉計装置２の光学部材載設板１０を詳細に示す概略図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。
【００４９】
すなわち、この光学部材載設板１０において、２つの半導体レーザ光源１１ａ，１１ｂのうち一方のレーザ光源１１ｂから出力されたレーザ光束により上下方向の干渉スペックルパターンが形成され、他方のレーザ光源１１ａから出力されたレーザ光束により左右方向の干渉スペックルパターンが形成される。
【００５０】
すなわち、ミラー２１１ａ（図１における光束出力部９ａに相当する）およびミラー２１１ｂ（図１において図示されない光束出力部９ｂに相当する）から出力されたレーザ光束により上下方向の干渉スペックルパターンが形成され、ミラー２０１ａ（図１における光束出力部９ｃに相当する）およびミラー２０１ｂ（図１における光束出力部９ｄに相当する）から出力されたレーザ光束により左右方向の干渉スペックルパターンが形成される。
【００５１】
また、この光学部材載設板１０の中央領域には矩形状の透孔１４が形成されており、この透孔１４を介して、ＣＣＤカメラ３による干渉スペックルパターン（上下方向および左右方向）の撮像が行われる。なお、図２においては、ＣＣＤカメラ３の撮像レンズ鏡筒１３（アダプタ１２によりカメラ本体と接続されている）の先端部が透孔１４よりも観察物体１側に突出しているが、ＣＣＤカメラ３の撮像レンズ１３の先端が透孔１４の手前に位置するように配置してもよい。
【００５２】
このように、ＣＣＤカメラ３の本体の前側に光学部材載設板１０を配し、光学部材載設板１０の中央領域に設けた透孔１４を通して干渉スペックルパターンを撮像することによって、光路の引き回しを最小にしつつ、光学部材載設板１０のコンパクト化（光射出側に障害物がないので、２つのミラー２１１ａ，２１１ｂ間の距離および２つのミラー２０１ａ，２０１ｂ間の距離を短縮化できる）を図ることができる。
【００５３】
また、図２に示すように、光学部材載設板１０のＣＣＤカメラ３の本体側に設置された半導体レーザ光源１１ａ，１１ｂから出力されたレーザ光束は、反射ミラー４０１等により光学部材載設板１０の観察物体１側に取り出され、透孔１４の周囲部分において引き回され、最終的には反射ミラー２０１ａ，２０１ｂ，２１１ａ，２１１ｂから出力されるが、この光学部材載設板１０のコンパクト化を図るために、光学部材が階層構造（３階構造）に配置されている。しかも、２つの半導体レーザ光源１１ａ，１１ｂからの光束が明確に区別され得るように、階層構造の１階（光学部材載設板１０側から順に１階，２階，３階）および２階にはレーザ光源１１ａからのレーザ光束を左右の反射ミラー２０１ａ，２０１ｂに導くための光学部材が配され、一方、３階および２階にはレーザ光源１１ｂからのレーザ光束を上下の反射ミラー２１１ａ，２１１ｂに導くための光学部材が配されている。なお、図２（Ｂ）においては、反射ミラー２１１ｂが省略されている。
【００５４】
図３は、これら階層構造とされた光学部材の配置を示す平面図（Ａ）、正面図（Ｂ）および側面図（Ｃ）を示すものであり、図４は、上記階層構造のうち３階部分（Ａ）、２階部分（Ｂ）および１階部分（Ｃ）を各々独立して示すものである。
【００５５】
なお、図２〜４に示す各光学部材に付した符号は、大略、１階に配された部材が１００番台、２階に配された部材が２００番台、３階に配された部材が３００番台とされている。
【００５６】
ここで、各半導体レーザ光源１１ａ，１１ｂから各反射ミラー２０１ａ，２０１ｂ，２１１ａ，２１１ｂに到る経路について説明する。
【００５７】
まず、半導体レーザ光源１１ａから出力され、反射ミラー２０１ａに到るレーザ光束について説明する。このレーザ光束は、階層構造の１階から入力され、反射プリズム１０１、ビームスプリッタ１０２、反射プリズム１０３を介して階層構造の２階の反射プリズム２０３に達し、この後、階層構造の２階において、反射プリズム２０４および凹レンズ２０２ａを介して反射ミラー２０１ａに到達する（表１（Ａ）参照）。
【００５８】
次に、半導体レーザ光源１１ａから出力され、反射ミラー２０１ｂに到るレーザ光束について説明する。このレーザ光束は、階層構造の１階から入力され、反射プリズム１０１を介して、ビームスプリッタ１０２に到り、このビームスプリッタ１０２で反射され、反射プリズム１０４、反射プリズム１０５を介して階層構造の２階の反射プリズム２０５に達し、この後、階層構造の２階において、反射プリズム２０６および凹レンズ２０２ｂを介して反射ミラー２０１ｂに到達する（表１（Ｂ）参照）。
【００５９】
次に、半導体レーザ光源１１ｂから出力され、反射ミラー２１１ａに到るレーザ光束について説明する。このレーザ光束は、階層構造の３階から入力され、反射プリズム３０１、ビームスプリッタ３０２、反射プリズム３０３および反射プリズム３０４を介して階層構造の２階の反射プリズム２１３に達し、この後、階層構造の２階において、反射プリズム２１４および凹レンズ２１２ａを介して反射ミラー２１１ａに到達する（表１（Ｃ）参照）。
【００６０】
さらに、半導体レーザ光源１１ｂから出力され、反射ミラー２１１ｂに到るレーザ光束について説明する。このレーザ光束は、階層構造の３階から入力され、反射プリズム３０１を介してビームスプリッタ３０２に到り、このビームスプリッタ３０２で反射され、反射プリズム３０５を介して、階層構造の２階の反射プリズム２１５に達し、この後、階層構造の２階において、反射プリズム２１６および凹レンズ２１２ｂを介して反射ミラー２１１ｂに到達する（表１（Ｄ）参照）。
【００６１】
【表１】
【００６２】
なお、本実施形態においては、前述した如く、各系の２つのレーザ光束の一方の光路中にＰＺＴ装置４１０，４２０が配設されている。
【００６３】
すなわち、半導体レーザ光源１１ａからの２つの光路においては反射ミラー２０１ｂに到る光路中にＰＺＴ装置４１０が、また、半導体レーザ光源１１ｂからの２つの光路においては反射ミラー２１１ａに到る光路中にＰＺＴ装置４２０が各々配設されている。
すなわち、ＰＺＴ装置４１０，４２０は前述した時間キャリア成分を導入する目的で、干渉計光路の片方の光路長を変化させ、位相シフト操作を行うものである。
【００６４】
また、ＰＺＴ装置４１０，４２０、ＣＣＤカメラ３および半導体レーザ光源（ＬＤ）１１ａ，１１ｂはタイミング制御装置（コントローラ）５により制御される。さらにＣＣＤカメラ３により取り込まれた干渉スペックルパターンの画像データは電源・メモリ部４内のメモリに格納される。コンピュータ６においては、この画像データに対し、位相シフト法を用いた位相解析処理を施し、観察物体の変形歪量等の各情報を得る。得られた観察物体に関する各情報は表示装置（モニタ）７に表示される。
【００６５】
また、位相シフト操作の１周期内における各干渉スペックルパターン画像の取込みのタイミングは、上下方向と左右方向で互いに重複するような工夫がなされている。すなわち図５（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）に示すように、各ＰＺＴ装置４１０，４２０の１走査期間において、上下方向および左右方向に各々４枚ずつの画像が取り込まれるようにタイミングの同期が図られているが、各カメラ出力信号（Ｖシンク）（図５（Ｂ）参照）の立ち上がりのタイミングに同期して、半導体レーザ光源１１ａの駆動と半導体レーザ光源１１ｂの駆動が交互に行われるようになっている（図５（Ｃ）、（Ｄ）参照）。これにより、上下方向と左右方向の干渉スペックルパターンを、互いに重複した期間において取得した画像データに基づいて解析することができ、上下方向の画像データと左右方向の画像データを総合的に比較検討する際の時間軸のずれがなく解析精度を高精度なものとすることができる。なお、位相シフト操作における画像取込のみならず、一般に上下方向解析用の画像の取込みと左右方向解析用の画像の取込みは交互に行うことが、データ解析の信頼性を高める上で好ましい。
【００６６】
なお、本発明装置は、例えば材料の引っ張り試験（あるいは疲労試験）を行う際等の変形計測に適用すると特に有効である。一般に、アルミニウム合金等の材料を引っ張った場合、弾性変形領域では一様な伸びが生じ、塑性変形領域では、この伸びが一様ではなくなる。これをスペックル干渉法（ＥＳＰＩ）で観察すると、図６（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、時間の経過とともに、横方向の縞の間隔が大きく変化していることが認識される。この後、これらの画像データに基づき、位相分布を解析することになる。
【００６７】
なお、本実施形態装置によれば、例えば図７（Ａ）に示す干渉スペックル画像データに基づき、図７（Ｂ）に示す如き３次元形状分布が得られる。
【００６８】
＜態様の変更＞
なお、本発明のスペックル干渉計装置においては種々の態様の変更が可能であり、例えば、光学部材載設板１０における透孔１４に替えて、この領域に透明板を配設するようにしてもよい。
【００６９】
すなわち、本発明装置における光透過領域としては、干渉光を撮像手段に到達させ得る領域であればよく、この領域が透明なガラス板やプラスチック板で形成されていてもよい。また、光学部材載設手段全体が透明部材で形成されていてもよい。
【００７０】
また、上記実施形態装置のように、２方向の干渉スペックルパターンを解析するものに限られず、１方向の干渉スペックルパターンを解析するもの、あるいは同一平面内における３方向の干渉スペックルパターンを解析するものとしてもよい。
【００７１】
また、上記光学部材載設手段上に配された光学部材の配置は、上記実施形態のものに限られず、その他の種々の配置をとり得る。また、階層構造についても、３階構造のものに限られず、２階構造あるいは４階以上の階層構造とすることも可能である。
【００７２】
また、本発明の適用対象は動的物体全般に及ぶものであり、例えば、上述した材料の引っ張り試験等の項目を含む、材料の疲労試験全般に適用可能であることは勿論のこと、動植物の各構成部分、特に人体組織の微小な動的変化にも適用可能である。
【００７３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明に係るスペックル干渉計装置によれば、１対の光束出力手段を含む光学部材を配置した光学部材載設手段を撮像手段とは別体に、かつ撮像手段の本体よりも観察物体側に配置するとともに、この光学部材載設手段における、上記１対の光束出力手段の間に位置する領域を光透過領域としているので、光路の引き回しを最小にして測定精度を良好なものとしつつ、装置のコンパクト化を図ることができ、また撮像カメラの交換を容易なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るスペックル干渉計装置の構成を示す概略図
【図２】本発明の実施形態装置の主要部を詳細に示す図（（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図）
【図３】本発明の実施形態装置の光学部材の配置を詳細に示す図（（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図）
【図４】本発明の実施形態装置の光学部材の配置を各階層ごとに示す図（（Ａ）は３階、（Ｂ）は２階、（Ｃ）は１階）
【図５】本実施形態装置における各光源の駆動タイミングを示すタイミングチャート
【図６】アルミニウム合金等の材料を引張った場合における、本実施形態による干渉スペックルパターン画像の変化を示す図
【図７】干渉スペックルパターン画像（Ａ）およびそれに基づいて得られた３次元形状分布（Ｂ）を示す図
【図８】従来の２光束照射型のスペックル干渉装置を示す概略図
【符号の説明】
１，５０１…観察物体
２，５０２…スペックル干渉計装置
３，５０３…ＣＣＤカメラ（高速度カメラ）
４…カメラ電源・メモリ部
５…コントローラ
６…解析用コンピュータ
７…モニタ
８ａ，８ｂ…レーザ光束
９ａ〜９ｄ…光束出力部
１０…光学部材載設部
１１ａ，１１ｂ…半導体レーザ光源（ＬＤ）
１２…アダプタ
１３…撮像レンズ鏡筒
１４…透孔
２０１ａ，２０１ｂ，２１１ａ，２１１ｂ，４０１，６０１ａ，６０１ｂ，７０５ａ，７０５ｃ，７０５ｄ，７０５ｅ，７０５ｆ，７０５ｇ…反射ミラー
２０２ａ，２０２ｂ，２１２ａ，２１２ｂ，６０２ａ，６０２ｂ…凹レンズ
１０１，１０３，１０４，１０５，２０３，２０４，２０５，２０６，２１４，２１５，２１６，３０１，３０３，３０４，３０５…反射プリズム
１０２，３０２，７０５ｂ…ビームスプリッタ
４１０，４２０…ＰＺＴ装置
７０１…レーザ光源
６１２…コリメータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子的スペックル干渉法を用いて変形計測を行うスペックル干渉計装置に関し、特に、動的物体の時間的変形（特に面内変形）についての干渉スペックルパターン画像を撮像する際に、撮像カメラの交換の利便性等を考慮したスペックル干渉計装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、負荷をかけた物体が変形し、破壊する過程の観察には、電気的ひずみゲージを用いた変形計測法が広く用いられているが、その一方、物体の変形に対し、２次元的な視野で、光の波長を基準とした高精度な変形測定を行い得るスペックル干渉法が知られている。
【０００３】
このスペックル干渉法は、粗面物体をレーザ光で照射したときに観察面に生じる斑点状の模様（スペックルパターン）を利用する干渉法である。スペックルパターンは一般の結像系では画像ノイズとして好ましくないものとされるが、粗面物体の表面情報を担っており、その変化から変形を見積もることができる。また、粗面物体表面を特別の前処理を必要とせずに観察対象とすることができ、ホログラフィーでは必要となる、高解像力の写真乾板等が必要とされないという利点をも有している。
【０００４】
ここで、図８を用い、従来の２光束照射型のスペックル干渉計装置５０２を説明する。粗面物体である観察物体５０１に対し、ｘｚ面（紙面に平行な面）内で略対称に配されたレーザ光源７０１（射出光束位置のみを示す）からのレーザ光束が照射される。レーザ光源７０１から出力されたレーザ光束はコリメータ６１２および反射ミラー７０５ａを介してビームスプリッタ７０５ｂに到達する。このビームスプリッタ７０５ｂにおいて分割されたレーザ光束のうち一方は、反射ミラー７０５ｃ，７０５ｄ，凹レンズ６０２ａを介し反射ミラー６０１ａによって観察物体５０１に照射され、分割されたレーザ光束のうち他方は、反射ミラー７０５ｅ，７０５ｆ，７０５ｇ，凹レンズ６０２ｂを介し反射ミラー６０１ｂによって観察物体５０１に照射される。なお、これら２つの光束は、干渉スペックルパターン画像の位相解析処理の便宜上、所定の光路長差が付与されるように構成されている。このようにして観察物体５０１に照射された２つの光束は、観察物体５０１によって拡散反射され、ＣＣＤカメラ５０３の結像面上に干渉スペックルパターンを形成する。この後、得られた干渉スペックルパターン画像を解析して、観察物体５０１の表面形状に応じた位相解析を行うこととなる。
【０００５】
なお、干渉スペックルパターン画像の位相解析においては、観察物体５０１の変形前後の干渉スペックルパターンを撮像し、それらの画像点毎の強度の差を計算する手法が知られている。
【０００６】
また、分割された２つの光束の各光路上にそれぞれシャッタを置き、一方の光束のみで物体を照射したときの時間領域における画像点毎の各強度分布Ｉ１（ｘ；ｔ）、Ｉ２（ｘ；ｔ）を上記位相解析に先立ち、予め測定しておく。
スペックル干渉装置の光学系において得られる干渉パターンＩ（ｘ；ｔ）は一般的に下記（１）式のように表される。
【０００７】
【数１】
ここで、Ｉ０（ｘ；ｔ）はＩ１（ｘ；ｔ）およびＩ２（ｘ；ｔ）の平均強度、θ（ｘ；ｔ）はランダムなスペックル位相、γ（ｘ；ｔ）は変調度（モデュレーション）、φ（ｘ；ｔ）は物体位相である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した如き従来のスペックル干渉計装置では、レーザ光源７０１からの光束を観察物体５０１に照射するための２系の照射光学系と、干渉スペックルパターンを撮像するためのＣＣＤカメラ５０３とが装置内に一体に収納配置されている。
【００１０】
しかしながら、動的な干渉スペックルパターンを測定する場合、ＣＣＤカメラ５０３としては、観察物体５０１の変形速度等に応じ、通常のＣＣＤカメラと高速度撮影用カメラとの間で、あるいは種々の高速度撮影用カメラの間で取替作業を行いたいという要求があり、このような場合、上述したような装置においてはカメラ取替えに際して装置筐体や内部の機構部を分解しなければならないという問題があった。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、測定精度を良好なものとしつつ撮像カメラ等の交換作業を容易に行うことができるコンパクトなスペックル干渉計装置を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のスペックル干渉計装置は、光源からの光束を２つの光束に分割し、該２つの光束を被測定面である粗面物体表面に照射し、該２つの光束の該粗面物体表面からの反射光束を互いに干渉せしめ、その干渉により形成された干渉スペックルパターンを撮像するスペックル干渉計装置において、
少なくとも、前記光源からの光束を前記２つの光束に分割する光束分割手段と、これら分割された２つの光束を前記粗面物体表面に向けてそれぞれ出力せしめる光束出力手段の対とを光学部材載設手段上に載設設置するとともに、該光学部材載設手段を、前記干渉スペックルパターンを撮像する撮像手段とは別体に、かつ該撮像手段の本体の前記粗面物体表面側に配設し、
前記２つの光束出力手段の間に位置する前記光学部材載設手段の所定領域が、前記粗面物体表面からの干渉光を通過せしめる光透過領域とされていることを特徴とするものである。
【００１３】
ここで、上記光学部材載設手段は上記撮像手段の本体の上記粗面物体表面側に配置されていればよく、例えば撮像手段のレンズ鏡筒は光学部材載設手段よりも上記粗面物体表面側に位置していてもよい。
【００１４】
また、前記光学部材載設手段が、前記光束分割手段により分割された２つの光束の光路間に所定の光路長差を付与する光路長差付与手段を載設設置されてなることが好ましい。
【００１５】
また、前記光学部材載設手段は板状とされていることが好ましい。
【００１６】
また、前記２つの光束出力手段が前記光透過領域を挟んで所定方向に略対向するように配されていることが好ましい。
【００１７】
また、前記２つの光束出力手段を２組備えており、これら２組の光束出力手段各々の配列方向である前記所定方向が互いに略直交することが好ましい。
【００１８】
また、前記光透過領域が前記光学部材載設手段に穿設された透孔とすることができる。
【００１９】
また、前記２組の前記２つの光束出力手段は、１組のみ、または前記２組が交互に光束出力可能に制御することができる。
【００２０】
また、前記光透過領域は、前記光学部材載設手段の少なくとも一部を構成する透明板とすることができる。
【００２１】
さらに、前記光学部材載設手段上に載設された光学部材は、前記光透過領域の周囲において階層構造をなすように配設されていることが好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係るスペックル干渉計装置について図面を用いて説明する。
【００２３】
＜基本構成＞
図１は、観察物体（粗面物体）１の面内変位をスペックル干渉測定する実施形態に係るスペックル干渉計装置２を示すものである。
【００２４】
図１に示す面内変位計測用のスペックル干渉計装置２では、一方向（本実施形態では上下方向）の干渉スペックルパターンを得るために、１対のレーザ光束８ａ，８ｂが光束出力部９ａ，９ｂ（ただし、９ｂは図示せず）から観察物体１に照射される。光束出力部９ａ，９ｂからの上記１対のレーザ光束８ａ，８ｂは、物体法線に対して略対称に位置するように設定されている。観察物体１を照明する２つのレーザ光束８ａ，８ｂにより各々独立なスペックルパターンが形成され、それら２つのスペックルパターンの干渉によりＣＣＤカメラ（高速度カメラ）３の撮像面上に上記一方向の干渉スペックルパターンの像が形成される。この後、この干渉スペックルパターンの像が光電的に読み取られることになる。
【００２５】
また、図示されてはいないが、このスペックル干渉計装置２では、上記一方向に略直交する方向（本実施形態では左右方向）の干渉スペックルパターンを得るために、１対のレーザ光束が光束出力部９ｃ，９ｄから観察物体１に照射される。この後、上記と同様に、ＣＣＤカメラ３の撮像面上に上記一方向に略直交する方向の干渉スペックルパターンの像が形成され、この干渉スペックルパターンの像が光電的に読み取られることになる。
【００２６】
また、図１に示す実施形態装置においては、２つの半導体レーザ光源（本実施形態では、上下方向の干渉スペックルパターンを得るための第１の光源と、左右方向の干渉スペックルパターンを得るための第２の光源）と、これらの光源からの光束を各々２つの光束に分割する光束分割手段（本実施形態では、ビームスプリッタ）と、これら分割された２つの光束間に所定の光路長差を付与する光路長差付与手段と、光路長差が付与された２つの光束を観察物体１の表面に向けてそれぞれ出力せしめる光束出力手段（本実施形態では、反射ミラー）等の光学部材が載設配置されるフレーム状光学部材載設板（以下、単に光学部材載設板と称する）１０を備えている。
【００２７】
また、この光学部材載設板１０は、干渉スペックルパターンを撮像するＣＣＤカメラ３とは別体に、かつこのＣＣＤカメラ３の本体の観察物体１側に配設されている。また、この光学部材載設板１０の略中央領域は、観察物体１からの干渉光が通過する光透過領域とされている。なお、本実施形態においては、この光透過領域が透孔１４とされており、ＣＣＤカメラ３のレンズ鏡筒１３が挿入されるようになっている。
【００２８】
また、図１に示すように、このスペックル干渉計装置２は、ＣＣＤカメラ３を駆動するための電源および取得画像を格納するメモリを備えたカメラ電源・メモリ部４と、コントローラ５と、解析用コンピュータ６およびモニタ７を備えている。
【００２９】
なお、コントローラ５は解析用コンピュータ６からの指示に基づき、光学部材載設板１０内の光源の駆動制御、ミラーの回動制御、さらには、カメラ電源・メモリ部４の制御を行う。
【００３０】
また、解析用コンピュータ６においては、位相シフト法を用いて干渉スペックルパターン画像の解析処理を行うようにしている。以下、解析用コンピュータ６で行っている解析処理について簡単に説明する。
【００３１】
すなわち、ＣＣＤカメラ３により検出された、いずれか（上下方向または左右方向）の干渉スペックルパターンの強度Ｉ（ｘ；ｔ）は下記（２）式のように表される。
【００３２】
【数２】
ここで、ｘは座標、ｔは時刻、Ｉ０（ｘ；ｔ）は平均強度、γ（ｘ；ｔ）は変調度、θ（ｘ；ｔ）はランダムなスペックル位相、φ（ｘ；ｔ）は観察物体１の変位に伴う物体位相、Ｎは１周期中のシフトの段数、ｉはＮ以下の自然数である。
【００３４】
なお、本実施形態では、上記物体位相φ（ｘ；ｔ）を高精度で求めることが目標となる。
そこで本実施形態においては、まず、上記（２）式に基づき下記（３）式および（４）式を求める。
【００３５】
【数３】
上述した余弦成分Ｉｃ（ｘ；ｔ）および正弦成分Ｉｓ（ｘ；ｔ）の比を求め、さらにこの比の逆正接を求めることにより下記（５）式のように物体位相が決定される。
【００３７】
【数４】
通常、ランダムなスペックル位相θ（ｘ；ｔ）の変化は物体位相の変化に比べて遅いので下記（６）式のように近似することができる。
【００３９】
【数５】
よって求める物体位相は下記（７）式のように決定される。
【００４１】
【数６】
また、観測時間ｔｏ（０＜ｔ＜ｔｏ）が長く（６）式が成り立たない場合は観測時間ｔｏをスペックル位相が一定と見なせるｎ個の区間ｔｄ（ｔｏ＝ｎｔｄ）に分割し、（７）式においてθ（ｘ；０）をθ（ｘ；ｋｔｄ），ｋ＝０，１，…ｎ−１と置き換えることにより各区間において物体位相を求める。すなわち適宜参照位相の更新を行う。最終的に各区間を接続することにより長時間に亘る動的な現象を解析することが可能となる。このようにして求められた、時間領域における位相曲線は、前述したように、位相値が−πおよびπを主値として、ラッピングされた（折りたたまれた）状態となっている。そこで、このようなラッピングされた（折りたたまれた）位相曲線に対して、これを本来の曲線に戻す位相アンラッピング処理を施す。
【００４３】
以上の演算処理をスペックル干渉画像上の画像各点毎に行うことにより、観察物体の変形を動的に、かつ高精度に定量化して解析することができる。
【００４４】
なお、上述した２つのレーザ光束８ａ，８ｂの間の位相差（上下方向の干渉スペックルパターンを得るための位相差）は光学部材載設板１０上に配された第１のＰＺＴ装置（４２０；図２参照）により設定される。同様に左右方向の干渉スペックルパターンを得るための位相差は、光学部材載設板１０上に配された第２のＰＺＴ装置（４１０：図２参照）により設定される。
【００４５】
なお、本発明のスペックル干渉計装置としては、上記解析方法のみならず、周知のフーリエ変換法や和差法（例えば、特開２００１−３１１６３号公報参照）等のその他の種々の解析方法を採用可能である。
【００４６】
また、半導体レーザ光源を波長可変レーザ光源とし、この光源から出力されるレーザ光束８ａ，８ｂの波長を変化させ、これにより（前提として２つのレーザ光束８ａ，８ｂ間に所定の光路長差が設けられている）上記各レーザ光束８ａ，８ｂの間の位相差をシフトさせるようにしてもよく、この場合には上記ＰＺＴ装置の駆動は不要となる。
【００４７】
なお、上記レーザ光束８ａ，８ｂの波長を、例えば６６０．６ｎｍから６６１．４ｎｍまで変化させるためには半導体レーザ光源の駆動電流を例えば６５ｍＡから６７ｍＡまで変化させる。さらに、レーザ光源からの２系（上下方向と左右方向）の各光路間の各光路長差（上下あるいは左右間）が所定距離（例えば４０ｍｍ）となるように設定する。これにより、ＰＺＴ装置を用いた場合と同様に、位相差を可変とすることができる。
【００４８】
＜具体的な装置構成＞
図２は、本発明の実施形態に係るスペックル干渉計装置２の光学部材載設板１０を詳細に示す概略図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。
【００４９】
すなわち、この光学部材載設板１０において、２つの半導体レーザ光源１１ａ，１１ｂのうち一方のレーザ光源１１ｂから出力されたレーザ光束により上下方向の干渉スペックルパターンが形成され、他方のレーザ光源１１ａから出力されたレーザ光束により左右方向の干渉スペックルパターンが形成される。
【００５０】
すなわち、ミラー２１１ａ（図１における光束出力部９ａに相当する）およびミラー２１１ｂ（図１において図示されない光束出力部９ｂに相当する）から出力されたレーザ光束により上下方向の干渉スペックルパターンが形成され、ミラー２０１ａ（図１における光束出力部９ｃに相当する）およびミラー２０１ｂ（図１における光束出力部９ｄに相当する）から出力されたレーザ光束により左右方向の干渉スペックルパターンが形成される。
【００５１】
また、この光学部材載設板１０の中央領域には矩形状の透孔１４が形成されており、この透孔１４を介して、ＣＣＤカメラ３による干渉スペックルパターン（上下方向および左右方向）の撮像が行われる。なお、図２においては、ＣＣＤカメラ３の撮像レンズ鏡筒１３（アダプタ１２によりカメラ本体と接続されている）の先端部が透孔１４よりも観察物体１側に突出しているが、ＣＣＤカメラ３の撮像レンズ１３の先端が透孔１４の手前に位置するように配置してもよい。
【００５２】
このように、ＣＣＤカメラ３の本体の前側に光学部材載設板１０を配し、光学部材載設板１０の中央領域に設けた透孔１４を通して干渉スペックルパターンを撮像することによって、光路の引き回しを最小にしつつ、光学部材載設板１０のコンパクト化（光射出側に障害物がないので、２つのミラー２１１ａ，２１１ｂ間の距離および２つのミラー２０１ａ，２０１ｂ間の距離を短縮化できる）を図ることができる。
【００５３】
また、図２に示すように、光学部材載設板１０のＣＣＤカメラ３の本体側に設置された半導体レーザ光源１１ａ，１１ｂから出力されたレーザ光束は、反射ミラー４０１等により光学部材載設板１０の観察物体１側に取り出され、透孔１４の周囲部分において引き回され、最終的には反射ミラー２０１ａ，２０１ｂ，２１１ａ，２１１ｂから出力されるが、この光学部材載設板１０のコンパクト化を図るために、光学部材が階層構造（３階構造）に配置されている。しかも、２つの半導体レーザ光源１１ａ，１１ｂからの光束が明確に区別され得るように、階層構造の１階（光学部材載設板１０側から順に１階，２階，３階）および２階にはレーザ光源１１ａからのレーザ光束を左右の反射ミラー２０１ａ，２０１ｂに導くための光学部材が配され、一方、３階および２階にはレーザ光源１１ｂからのレーザ光束を上下の反射ミラー２１１ａ，２１１ｂに導くための光学部材が配されている。なお、図２（Ｂ）においては、反射ミラー２１１ｂが省略されている。
【００５４】
図３は、これら階層構造とされた光学部材の配置を示す平面図（Ａ）、正面図（Ｂ）および側面図（Ｃ）を示すものであり、図４は、上記階層構造のうち３階部分（Ａ）、２階部分（Ｂ）および１階部分（Ｃ）を各々独立して示すものである。
【００５５】
なお、図２〜４に示す各光学部材に付した符号は、大略、１階に配された部材が１００番台、２階に配された部材が２００番台、３階に配された部材が３００番台とされている。
【００５６】
ここで、各半導体レーザ光源１１ａ，１１ｂから各反射ミラー２０１ａ，２０１ｂ，２１１ａ，２１１ｂに到る経路について説明する。
【００５７】
まず、半導体レーザ光源１１ａから出力され、反射ミラー２０１ａに到るレーザ光束について説明する。このレーザ光束は、階層構造の１階から入力され、反射プリズム１０１、ビームスプリッタ１０２、反射プリズム１０３を介して階層構造の２階の反射プリズム２０３に達し、この後、階層構造の２階において、反射プリズム２０４および凹レンズ２０２ａを介して反射ミラー２０１ａに到達する（表１（Ａ）参照）。
【００５８】
次に、半導体レーザ光源１１ａから出力され、反射ミラー２０１ｂに到るレーザ光束について説明する。このレーザ光束は、階層構造の１階から入力され、反射プリズム１０１を介して、ビームスプリッタ１０２に到り、このビームスプリッタ１０２で反射され、反射プリズム１０４、反射プリズム１０５を介して階層構造の２階の反射プリズム２０５に達し、この後、階層構造の２階において、反射プリズム２０６および凹レンズ２０２ｂを介して反射ミラー２０１ｂに到達する（表１（Ｂ）参照）。
【００５９】
次に、半導体レーザ光源１１ｂから出力され、反射ミラー２１１ａに到るレーザ光束について説明する。このレーザ光束は、階層構造の３階から入力され、反射プリズム３０１、ビームスプリッタ３０２、反射プリズム３０３および反射プリズム３０４を介して階層構造の２階の反射プリズム２１３に達し、この後、階層構造の２階において、反射プリズム２１４および凹レンズ２１２ａを介して反射ミラー２１１ａに到達する（表１（Ｃ）参照）。
【００６０】
さらに、半導体レーザ光源１１ｂから出力され、反射ミラー２１１ｂに到るレーザ光束について説明する。このレーザ光束は、階層構造の３階から入力され、反射プリズム３０１を介してビームスプリッタ３０２に到り、このビームスプリッタ３０２で反射され、反射プリズム３０５を介して、階層構造の２階の反射プリズム２１５に達し、この後、階層構造の２階において、反射プリズム２１６および凹レンズ２１２ｂを介して反射ミラー２１１ｂに到達する（表１（Ｄ）参照）。
【００６１】
【表１】
なお、本実施形態においては、前述した如く、各系の２つのレーザ光束の一方の光路中にＰＺＴ装置４１０，４２０が配設されている。
【００６３】
すなわち、半導体レーザ光源１１ａからの２つの光路においては反射ミラー２０１ｂに到る光路中にＰＺＴ装置４１０が、また、半導体レーザ光源１１ｂからの２つの光路においては反射ミラー２１１ａに到る光路中にＰＺＴ装置４２０が各々配設されている。
すなわち、ＰＺＴ装置４１０，４２０は前述した時間キャリア成分を導入する目的で、干渉計光路の片方の光路長を変化させ、位相シフト操作を行うものである。
【００６４】
また、ＰＺＴ装置４１０，４２０、ＣＣＤカメラ３および半導体レーザ光源（ＬＤ）１１ａ，１１ｂはタイミング制御装置（コントローラ）５により制御される。さらにＣＣＤカメラ３により取り込まれた干渉スペックルパターンの画像データは電源・メモリ部４内のメモリに格納される。コンピュータ６においては、この画像データに対し、位相シフト法を用いた位相解析処理を施し、観察物体の変形歪量等の各情報を得る。得られた観察物体に関する各情報は表示装置（モニタ）７に表示される。
【００６５】
また、位相シフト操作の１周期内における各干渉スペックルパターン画像の取込みのタイミングは、上下方向と左右方向で互いに重複するような工夫がなされている。すなわち図５（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）に示すように、各ＰＺＴ装置４１０，４２０の１走査期間において、上下方向および左右方向に各々４枚ずつの画像が取り込まれるようにタイミングの同期が図られているが、各カメラ出力信号（Ｖシンク）（図５（Ｂ）参照）の立ち上がりのタイミングに同期して、半導体レーザ光源１１ａの駆動と半導体レーザ光源１１ｂの駆動が交互に行われるようになっている（図５（Ｃ）、（Ｄ）参照）。これにより、上下方向と左右方向の干渉スペックルパターンを、互いに重複した期間において取得した画像データに基づいて解析することができ、上下方向の画像データと左右方向の画像データを総合的に比較検討する際の時間軸のずれがなく解析精度を高精度なものとすることができる。なお、位相シフト操作における画像取込のみならず、一般に上下方向解析用の画像の取込みと左右方向解析用の画像の取込みは交互に行うことが、データ解析の信頼性を高める上で好ましい。
【００６６】
なお、本発明装置は、例えば材料の引っ張り試験（あるいは疲労試験）を行う際等の変形計測に適用すると特に有効である。一般に、アルミニウム合金等の材料を引っ張った場合、弾性変形領域では一様な伸びが生じ、塑性変形領域では、この伸びが一様ではなくなる。これをスペックル干渉法（ＥＳＰＩ）で観察すると、図６（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、時間の経過とともに、横方向の縞の間隔が大きく変化していることが認識される。この後、これらの画像データに基づき、位相分布を解析することになる。
【００６７】
なお、本実施形態装置によれば、例えば図７（Ａ）に示す干渉スペックル画像データに基づき、図７（Ｂ）に示す如き３次元形状分布が得られる。
【００６８】
＜態様の変更＞
なお、本発明のスペックル干渉計装置においては種々の態様の変更が可能であり、例えば、光学部材載設板１０における透孔１４に替えて、この領域に透明板を配設するようにしてもよい。
【００６９】
すなわち、本発明装置における光透過領域としては、干渉光を撮像手段に到達させ得る領域であればよく、この領域が透明なガラス板やプラスチック板で形成されていてもよい。また、光学部材載設手段全体が透明部材で形成されていてもよい。
【００７０】
また、上記実施形態装置のように、２方向の干渉スペックルパターンを解析するものに限られず、１方向の干渉スペックルパターンを解析するもの、あるいは同一平面内における３方向の干渉スペックルパターンを解析するものとしてもよい。
【００７１】
また、上記光学部材載設手段上に配された光学部材の配置は、上記実施形態のものに限られず、その他の種々の配置をとり得る。また、階層構造についても、３階構造のものに限られず、２階構造あるいは４階以上の階層構造とすることも可能である。
【００７２】
また、本発明の適用対象は動的物体全般に及ぶものであり、例えば、上述した材料の引っ張り試験等の項目を含む、材料の疲労試験全般に適用可能であることは勿論のこと、動植物の各構成部分、特に人体組織の微小な動的変化にも適用可能である。
【００７３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明に係るスペックル干渉計装置によれば、１対の光束出力手段を含む光学部材を配置した光学部材載設手段を撮像手段とは別体に、かつ撮像手段の本体よりも観察物体側に配置するとともに、この光学部材載設手段における、上記１対の光束出力手段の間に位置する領域を光透過領域としているので、光路の引き回しを最小にして測定精度を良好なものとしつつ、装置のコンパクト化を図ることができ、また撮像カメラの交換を容易なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るスペックル干渉計装置の構成を示す概略図
【図２】本発明の実施形態装置の主要部を詳細に示す図（（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図）
【図３】本発明の実施形態装置の光学部材の配置を詳細に示す図（（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図）
【図４】本発明の実施形態装置の光学部材の配置を各階層ごとに示す図（（Ａ）は３階、（Ｂ）は２階、（Ｃ）は１階）
【図５】本実施形態装置における各光源の駆動タイミングを示すタイミングチャート
【図６】アルミニウム合金等の材料を引張った場合における、本実施形態による干渉スペックルパターン画像の変化を示す図
【図７】干渉スペックルパターン画像（Ａ）およびそれに基づいて得られた３次元形状分布（Ｂ）を示す図
【図８】従来の２光束照射型のスペックル干渉装置を示す概略図
【符号の説明】
１，５０１…観察物体
２，５０２…スペックル干渉計装置
３，５０３…ＣＣＤカメラ（高速度カメラ）
４…カメラ電源・メモリ部
５…コントローラ
６…解析用コンピュータ
７…モニタ
８ａ，８ｂ…レーザ光束
９ａ〜９ｄ…光束出力部
１０…光学部材載設部
１１ａ，１１ｂ…半導体レーザ光源（ＬＤ）
１２…アダプタ
１３…撮像レンズ鏡筒
１４…透孔
２０１ａ，２０１ｂ，２１１ａ，２１１ｂ，４０１，６０１ａ，６０１ｂ，７０５ａ，７０５ｃ，７０５ｄ，７０５ｅ，７０５ｆ，７０５ｇ…反射ミラー
２０２ａ，２０２ｂ，２１２ａ，２１２ｂ，６０２ａ，６０２ｂ…凹レンズ
１０１，１０３，１０４，１０５，２０３，２０４，２０５，２０６，２１４，２１５，２１６，３０１，３０３，３０４，３０５…反射プリズム
１０２，３０２，７０５ｂ…ビームスプリッタ
４１０，４２０…ＰＺＴ装置
７０１…レーザ光源
６１２…コリメータ
Claims (9)
- 光源からの光束を２つの光束に分割し、該２つの光束を被測定面である粗面物体表面に照射し、該２つの光束の該粗面物体表面からの反射光束を互いに干渉せしめ、その干渉により形成された干渉スペックルパターンを撮像するスペックル干渉計装置において、
少なくとも、前記光源からの光束を前記２つの光束に分割する光束分割手段と、これら分割された２つの光束を前記粗面物体表面に向けてそれぞれ出力せしめる光束出力手段とを光学部材載設手段上に載設設置するとともに、該光学部材載設手段を、前記干渉スペックルパターンを撮像する撮像手段とは別体に、かつ該撮像手段の本体の前記粗面物体表面側に配設し、
前記２つの光束出力手段の間に位置する前記光学部材載設手段の所定領域が、前記粗面物体表面からの干渉光を通過せしめる光透過領域とされていることを特徴とするスペックル干渉計装置。 - 前記光学部材載設手段が、前記光束分割手段により分割された２つの光束の光路間に所定の光路長差を付与する光路長差付与手段を載設設置されてなることを特徴とする請求項１記載のスペックル干渉計装置。
- 前記光学部材載設手段が板状とされていることを特徴とする請求項１および２記載のスペックル干渉計装置。
- 前記２つの光束出力手段が前記光透過領域を挟んで所定方向に略対向するように配されていることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項記載のスペックル干渉計装置。
- 前記２つの光束出力手段を２組備えており、これら２組の光束出力手段各々の配列方向である前記所定方向が互いに略直交することを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項記載のスペックル干渉計装置。
- 前記２組の前記２つの光束出力手段は、１組のみ、または前記２組が交互に光束出力可能に制御されることを特徴とする請求項５記載のスペックル干渉計装置。
- 前記光透過領域が前記光学部材載設手段に穿設された透孔であることを特徴とする請求項１から６のうちいずれか１項記載のスペックル干渉計装置。
- 前記光透過領域は、前記光学部材載設手段の少なくとも一部を構成する透明板であることを特徴とする請求項１から７のうちいずれか１項記載のスペックル干渉計装置。
- 前記光学部材載設手段上に載設された光学部材は、前記光透過領域の周囲において階層構造をなすように配設されていることを特徴とする請求項１から８のうちいずれか１項記載のスペックル干渉計装置。
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