JP2011257155A - 変形計測装置および変形計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 大変形を高精度かつ動的に計測可能な計測装置及び計測方法を提案する。
【解決手段】 スペックル干渉を用いた変形計測において、２光束のうち一方の光束が非コリメート光となる光路と平行平面状の透明物体を利用し、キャリア縞を形成することが可能となる。具体的には、非コリメート光となる光路上に上記透明物体を設置、または光路上からの除去、もしくは光路上に設置した透明物体の屈折率、厚み、光軸に対する傾斜角を変更する。上記処理とスペックル干渉パターンの取得を繰り返し行うことにより、変形に応じた縞画像からの位相解析を行うことができ、大変形を高精度かつ動的に計測できる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、物体の変形量を非接触に計測する方法に関し、特に、工業生産物が押圧されること等で生じる変形を非接触に測定する変形計測方法に関するものである。

スペックル干渉法は、粗面物体にレーザ光を照射したときに生じる斑点状の明暗模様（スペックル干渉パターン）を利用した光学的計測方法である。スペックル干渉パターンは、レーザ光が照射された被測定物の表面形状に対応した固有のパターンであるため、その変化から観察面の変形量を見積もることができる。まず２つのレーザ光束を被測定物に照射し、被測定物の観察面にて生じたそれぞれの散乱光を干渉させ、その明暗模様（観察面の凹凸に対応した斑点状のパターンとなる）を観察することにより、スペックル干渉パターンを得ることができる。スペックル干渉法では光の波長を基準とした高精度な変形測定が可能になる。

図９にスペックル干渉法に用いる光学系の一例を示す。レーザ光源１より出射されたレーザ光１ａは、ハーフミラーなどを用いたビームスプリッタ２にて２つの光束に分けられる。そして、それぞれの光束はミラー３、４で反射され、レンズ５、５ａ、およびレンズ６、６ａで拡大されて、２つの光束は被測定物７に照射される。被測定物からの散乱光は互いに光学的な干渉を起こし、カメラレンズ８ａを通り、カメラ８の撮像面で結像される。カメラで取得されたスペックル干渉パターンは計算機９に取り込まれる。

このスペックル干渉パターンを一定時間後に再び撮像して、元のスペックル干渉パターンとの差分をとることで、どの程度の変形が被測定物７に生じたのかを計測することができる。

被測定物７の変形前後の２つのスペックル干渉パターンについて、差分の２乗を計算すると、変形量に応じた縞状の画像（以後スペックル干渉縞像と呼ぶ）が得られる。そして、スペックル干渉縞像の縞の数から変形量を見積もることができる。縞の数と変形量の関係は、変形量が大きいほど多くの縞が発生する関係にある。縞１本当りの変形量Δｄは、レーザの波長、被測定物７への入射角１０に依存し、２光束の入射角が等しいとすると、

で表される。但し、λはレーザの波長［ｎｍ］、θは入射角［°］である。

しかし、変形量が大きくなり縞の数が増大していくと、カメラ８で取得できる縞の空間周波数に上限があるため、縞がつぶれて識別できなくなる。そのため、使用するレーザ光の波長に対して変形量が大きいときには変形量を計測することができなくなる。

特許文献１では、被測定物の変形を時間的に分割して取得していき、変形量を積算していくことで大きな変形を計測する方法を提案している。詳細に説明すると、所定の時間間隔で、スペックル干渉パターンを連続的に取得していき、取得したスペックル干渉パターンから連続する２つの像の差分を計算し、縞の本数から変形量を求めている。その２つのスペックル干渉パターン間の変形量を、繰り返し求め、合算することで最終変形量を求めている。

特開平６−９４４３４号公報

上記に述べたように、特許文献１の手法は、縞の本数を基に、変形量を見積もる。現実的に読み取れる変形量の最小の単位としては、縞の半分程度の変形量（サブミクロンオーダ）が限界であり、計測結果の信頼に足る有効桁（以後、精度と称する）としては、ミクロンの桁が限界となる。

本発明は、上記の課題に係わるものであり、被測定物の変形をより高い精度で計測可能とする変形計測装置および変形計測方法を提案するものである。

上記課題を解決するための変形計測方法は、
被測定物に光を照射することで生じる干渉パターンの位相変化量から前記被測定物の変形量を測定する変形計測方法において、
被測定物に対して２つのレーザ光束を入射させる工程と、
入射した２つの前記レーザ光束の散乱光が干渉することによって生じた第一のスペックル干渉パターンを検出する工程と、
２つの前記レーザ光束のうち少なくとも一方のレーザ光束の光路長を変調させて生じた第二のスペックル干渉パターンを検出する工程と、
前記第一のスペックル干渉パターン及び前記第二のスペックル干渉パターンの差分に基づいて算出されたキャリア縞を有するスペックル干渉縞像を位相解析することにより取得した前記スペックル干渉縞像の位相から前記被測定物の変形量を算出する工程と、
を有する、被測定物の変形量を測定する変形計測方法である。

また、上記課題を解決するための変形計測装置は、
被測定物に光を照射することで生じる干渉パターンの位相変化量から前記被測定物の変形量を測定する変形計測装置において、
レーザ光源と、
レーザ光源から２つのレーザ光束を被測定物に対してそれぞれ案内する光学系と、
２つのレーザ光束のうち少なくとも一方の光路長を変調させる光路長変調機構と、
被測定物に照射されたレーザ光束の散乱光を検出する検出器と、
前記検出器によって検出されたスペックル干渉パターンに基づいて変形量を算出する計算機と、
を有し、
前記２つのレーザ光束の散乱光が干渉することによって生じた第一のスペックル干渉パターンと、２つの前記レーザ光束のうち少なくとも一方のレーザ光束の光路長を前記光路長変調機構にて変調させて生じた第二のスペックル干渉パターンとの差分に基づいて算出されたキャリア縞を有するスペックル干渉縞像を位相解析することで取得された前記スペックル干渉縞像の位相から、前記被測定物の変形量が算出されることを特徴とする変形計測装置である。

本願発明により、スペックル干渉縞像に乗じたキャリア縞を利用した位相解析法を適用して、高い精度での変形計測が可能となった。さらには、被測定物の大きな変形に対しても高い精度での計測が可能となる。

本発明に係わる変形計測装置の平面図である。 本発明に係わる光路長差分布の形成法を示した図である。 本発明に係わる変形計測方法のフローチャート図である。 本発明に係わる逆勾配の光路長差分布を示す図である。 本発明の第一実施例に係わる計測装置の平面図である。 本発明の第二実施例に係わる計測装置の平面図と特徴部を示した図である。 本発明の実験例の結果を示す図である。 実施例で用いたサンプルの形状を描いた図である。 スペックル干渉法による変形計測装置の一例を示す平面図である。

本発明の実施形態を説明する。

（装置の基本構成）
図１は本願発明による変形計測装置の基本構成を示したものである。レーザ光源１より出射されたレーザ光１ａは、ビームスプリッタ２にて２つのレーザ光束に分けられる。一方のレーザ光束は、ミラー４で反射後、レンズ６で拡大されて図に描かれたような非コリメート光となり、レンズ６ａによりコリメートされて被測定物７に照射される。もう一方のレーザ光束は、ミラー３で反射後、レンズ５により同じく拡大されて非コリメート光となり、平行平面状の透明物体２１を通過した後、レンズ５ａでコリメートされ、被測定物に照射される。透明物体２１は光束の光路長に変化を与えるものである。

以下に説明するように、本実施形態においては、駆動装置２２と平行平面状の透明物体２１とで、光路長変調機構を成している。透明物体２１は、計算機９からの駆動信号に基づき駆動装置２２にて駆動制御される。駆動装置２２は、平行平面状の透明物体２１を光路上への設置、または光路上からの除去、あるいは透明物体の光軸に対する傾斜、異なる屈折率、厚みの透明物体への取り換えのいずれかの１つ以上の駆動機能を備えていればよい。拡散光の光路上に平行平面状の透明物体２１を配置することで、透明物体２１の投光面の場所によって異なる入射角度でレーザ光が照射されることになる。平行平面状の透明物体へのレーザ光の入射角が異なると、透明物体中を通過する距離が変化することを利用して光路長の変化を与えることができる。尚、非コリメート光は収束光も含み、拡散光に限定されるものではなく、透明物体を収束光の光路上に設置する形態であってもよい。

被測定物からの散乱光は、カメラレンズ８ａを通り、検出器であるカメラ８で観察される。カメラで取得された散乱光によるスペックル干渉パターン（以後、スペックル干渉パターンと呼ぶ）は計算機９に取り込まれる。そして、計算機９にて、ある時刻と、それにつづく特定の時刻とでそれぞれ検出されたスペックル干渉パターンから、位相変化量が計算され被測定物の変形量が算出される。

図２は、透明物体の配置によって、透明物体を通過する光束のうち、透明物体を通過する位置によって光路間で光路長に差が生じることを示したものである。図２（ａ）は光束に対して傾斜させて配置した透明物体の有無、図２（ｂ）は傾斜角度、図２（ｃ）は光束に対して傾斜させて配置した透明物体の屈折率もしくは厚みの変化によるそれぞれの光路長、光路長差を示している。透明物体の状態（有無、傾斜角度、屈折率、厚み）が変化することで、光路長を変調させ、光路長差に分布を形成できることがわかる。「光路長差」とは、透明物体の有無、あるいは傾斜等の前後で、各光路の光路長に生じる差を示している。

本発明においては後述するキャリア縞の形成にあたり、光路長を変調させることが必要であるが、光路長差は図２において説明したように単調な変化であるとより好ましい。

上記の光路長分布は、透明物体がない時、Ａ点からＢ面までの光路長は、図２（ａ）中段のグラフの破線に示すように、均一となる。図２（ｃ）はｎ＞ｎ’、ｔ＞ｔ’の時の光路長、光路長差であるが、屈折率、厚みは小さくなってもよい。

（計測手順）
次に、本発明の計測手順を、図３（ａ）のフローチャートを用いて説明する。

Ｆ１で、スペックル干渉パターンを取得する。

Ｆ２で、非コリメート光となる光路上への平行平面状の透明物体の設置、除去や、予め透明物体が設置されている場合、傾斜角度の変更や異なる屈折率、厚さの透明物体への置き換えのいずれかの処理を行う。上記処理により、２光束のうち１光束に処理前後で光路長に変調を与え、光路長差に分布を形成できる。

特定の時間間隔で複数のスペックル干渉パターンを取得するＦ１工程と、光路長に変調を与えることで光路長差に分布を与えるＦ２工程を、計測が終了するまで交互に行った後に計測を終了する（Ｆ３）。

Ｆ４にて、得られたスペックル干渉パターンのうち連続する２枚のスペックル干渉パターンについて、差分の２乗を計算し、スペックル干渉縞像を求める。このスペックル干渉縞像には上述の光路長の変調によってキャリア縞と呼ばれる縞がスペックル干渉縞像に乗じた画像として検出される。以下ではスペックル干渉パターンの差分の２乗を計算することでスペックル干渉縞像を取得する例にて説明するが、差分の絶対値を用いたり、他の算出方法を利用してももちろんよい。

キャリア縞を有するスペックル干渉縞像の縞の位相を求める。位相の導出は、時間的に連続する全てのスペックル干渉パターン間で行っていく、Ｎ枚のスペックル干渉パターンを取得している場合、Ｎ−１枚の位相が得られる。例えば、３枚のスペックル干渉パターンを取得した場合には、１枚目と２枚目の間、２枚目と３枚目の間、の２つの位相を求める。そして、被測定物の総変形量は、この２つの位相から得られた変形量の合算として求められる。

なお、隣りあう時刻で取得された２つのスペックル干渉パターンに光路長差に分布があれば、キャリア縞が生じるので、透明物体の除去と設置、もしくは透明物体の傾きの反転など２値を交互に用いても良い。

スペックル干渉縞の位相から被測定物の変形量への換算は、スペックル干渉縞の１本当りの変形量Δｄを示す式１に基づく。

使用するレーザ光の波長や被測定物に対する入射角度などから、予めスペックル干渉縞像の位相と変形量との関係を求めておき、使用する。

上記のスペックル干渉縞の位相の導出は、干渉縞の位相解析法として公知の空間的フーリエ変換法、または空間的ヒルベルト変換法を用いる。

公知の空間的フーリエ変換法、または空間的ヒルベルト変換法による位相解析法を用いるには、解析を行いたいスペックル干渉縞像に、空間的に高周波のキャリア縞を乗せる必要がある。そのため、スペックル干渉縞像にキャリア縞を乗せるには、２枚の像を取得する合間に、２光束のうち一方の光束に光路長差分布を形成するとよい。

空間的フーリエ変換法の手順を説明する。キャリア縞が形成されたスペックル干渉縞像は下記の式（２）で表される。

ｒは干渉縞の可視度であり、

は、被測定物の変形に対応したスペックル干渉縞像の位相、２πｆ_０ｘはキャリア縞の位相を意味し、ｆ_０はキャリア縞の既知の空間周波数を意味する。

まず、式２で表現されるスペックル干渉縞像をＸ方向にフーリエ変換し、ｆ_０が十分大きい場合は、ｆ_０が優位な項を分離することができる。ここで、当該項に逆フーリエ変換を行うと下記式３が得られる。

式３は、複素振幅で表現されているため、以下の式４のように実部と虚部の比の逆正接から、キャリア縞が形成されたスペックル干渉縞の位相が得られる。

空間的ヒルベルト変換法は、ヒルベルト変換が元の信号の位相から９０°ずれた位相の信号が得られる特徴を用いた方法である。まず、下記の式５に示すように、式２で表現されるスペックル干渉像から平均強度を引く。

余弦波である式５をＸ方向にヒルベルト変換を行い、式５と比の逆正接を求めると、キャリア縞が形成されたスペックル干渉縞の位相が以下のように得られる。

位相解析には逆正接が用いられるため、−πからπの範囲内に畳み込まれた状態で位相が計算される。そのため、位相が連続して、つながっている場合にも、２π毎に位相飛びが発生する。位相飛びが発生する位置を判定し、位相飛びが生じる毎に、２π足す（または引く）ことによって位相飛びを補正し、正しい位相情報を得ることができる。上記の位相補正を位相接続と呼ぶ。

つづいてＦ５では、Ｆ４で得られた−πからπに折り畳まれた位相を位相接続により、正しい位相情報に補正する。この工程で得られた位相情報は、キャリア縞の成分に対応した位相が乗ったものであり、求めたい変形情報とは関係のない誤差成分を含んでいる。

Ｆ６では、誤差となるキャリア縞成分に対応した位相（式６左辺の第２項）を除去する。キャリア縞成分に対応した位相は、予め透明物体の屈折率、厚み、入射角、傾斜角度の変化量から、光路長差の分布を求め、光路長差分布から計算により求める。また、被測定物が静止した状態

で、実験的にキャリア縞成分に対応した位相を得ておいてもよい。

但し、Ｆ４にて、空間的フーリエ変換法を用いる際に、キャリア縞成分をキャンセルすることができる。その場合、Ｆ６の処理を省くことができる。キャンセルを行う手順は、フーリエ領域で、フィルタにより高周波成分を取り出した後に、キャリア縞によって移動させた周波数分だけ低周波側に戻す（つまり、式３の右辺第２項を抜き出し、Ｊ_{１（ｆ，ｙ）}とする）。

そして、この信号を逆フーリエ変換し、実部と虚部の比の逆正接を求めることで、キャリア縞成分を除いたスペックル干渉縞像の位相を求めることが可能である。

Ｆ７では、まず得られた位相情報を積算する。そして、スペックル干渉縞像の位相と変形量の関係から、積算した位相情報を変形量に換算する。スペックル干渉縞の位相と変形量の関係は、式１を用いて、波長、被測定物への入射角から計算してもよく、以下の換算式から変形量が求められる。

変形情報を積算する場合は式９のΨ_（x,y）をΣΨ_（x,y）に置き換えると良い。
また、動的な計測を行うには、計測開始から積算していく位相情報の数を増減することで、時間変化に対する変形過程を評価することが可能となる。

上記の工程によって、キャリア縞を活用することによって公知の位相解析方法を、スペックル干渉計測法においても適用することができる。つまり、スペックル干渉縞像の位相を得ることができるため、縞の本数を数える従来の手法と比べて、読み取れる変位量の最小単位を細かくすることができる。結果として高い精度での計測が可能となる。

また、本発明における他の計測方法を図３（ｂ）のフローチャートを用いて説明する。図３（ａ）とほぼ同じであるが、異なる工程であるＦ２（ａ）とＦ８について説明する。

Ｆ２（ａ）では、光路長差分布を変化させる方法に繰り返しの周期性を持たせるのが特徴である。

具体的には、光束に対して傾斜させて配置した透明物体の設置や除去を行う場合、１種類の透明物体で設置と除去を交互に行う。また、透明物体の傾斜角を変化させる場合は、ある一定の傾斜角度をスペックル干渉パターンの計測ごとに逆方向に傾斜させる。または、異なる屈折率、厚みの透明物体に取り替える場合は、２種類の透明物体を交互に用いる。いずれの方法であっても、時間的に隣り合うスペックル干渉パターンには、光路長差に分布が生じるため、スペックル干渉縞像にはキャリア縞が生じる。

上記透明物体の設置や除去、傾斜角度の変化等により、直前に与えた光路長の分布とは、異なる光路長の分布を与えることが可能となる。

ここで例えば平行平板状の透明物体の傾斜角度を変更する例について説明すると、図４（ａ）と（ｂ）は透明物体２１の傾斜角を一定量φとし、それぞれ逆方向へ傾斜させた場合の光路長分布の変化を示している。傾斜角度を＋φから−φへと変更する場合でも、−φから＋φへと変更する場合でも、傾斜前後の光路長差に分布を与えることができる。この場合は光路長差の分布が逆勾配となる。（つまり、式２の右辺の２πｆ_０ｘを−２πｆ_０ｘとすることができる）
上記透明物体を用いた光路長差分布を、スペックル干渉パターンを取得するたびに与えていく。フローチャートのＦ２（ａ）の処理により、スペックル干渉パターンから得られた連続的に変形情報のうち、時間的に隣合う変形情報は、それぞれの逆勾配の光路長差分布によって形成されるキャリア縞成分がのったものとなる。

Ｆ８では、キャリア縞成分が乗った位相情報を、偶数個ずつ足し合わせ、変形量を求める。連続し隣り合う位相情報は、それぞれ逆勾配の光路長差分布によって形成されたキャリア縞が乗っているため、それぞれ足し合わせることで、キャリア縞成分を打ち消しあうことが可能となる。

Ｆ８の処理によって、図３（ａ）Ｆ６でキャリア縞成分の除去、またはフーリエ変換法内での除去が必要なく、キャリア縞除去に伴う計算誤差や計測誤差がのらないため、より正確な変形計測が可能となる。

（実施例１）
本発明の変形計測装置において、透明物体を光路に対して傾斜させてスペックル干渉パターンにキャリア縞を乗ずる実施例を、図５を用いて説明する。

レーザ光源１は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（波長：６３２．８ｎｍ）を用い、レンズ５、５ａ、及びレンズ６、６ａにより、Φ１５０ｍｍまで拡大している。平行平面状の透明物体に、合成石英（Φ５０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）を用い、上記合成石英をレンズ５、５ａの間に設置する。傾斜駆動にはゴニオステージ２３を用いている。また、計算機９からゴニオステージ２３を制御するための、ステージコントローラ２４を備えている。カメラレンズ８ａは、ｆ＝７５ｍｍ、Ｆ４のものを用い、カメラ８は１６００×１２００の画素数を持つＣＣＤカメラを用いた。

計算機９は、ＣＰＵの動作周波数は２．３３ＧＨｚ、メモリが２ＧＢｙｔｅである。

ゴニオステージの駆動条件は、スペックル干渉パターンを取得するたびに、毎回逆方向へ傾斜させることで、繰り返しキャリア縞を形成することが可能となる。必要な傾斜角度は、レーザの照射範囲と、カメラの視野、画素数、透明物体を通るレーザ光径によって変化する。キャリア縞が多すぎると、縞がつぶれて識別できなくなってしまうため、本実施例のカメラの画素数では、キャリア縞が３０本程度出る傾斜角で行うことが好ましい。

尚、本施例では、レーザの照射範囲をφ１８０ｍｍ、カメラの視野を１５０ｍｍ×１１２ｍｍ、透明物体を通過時のレーザ径が５ｍｍであり、傾斜角度を１５°と設定した。 スペックル干渉パターンの取得と傾斜を交互に行うことで、キャリア縞をスペックル干渉縞像に乗ずることができるため被測定物の大変形を高い精度での計測が可能となった。

（実施例２）
本発明の変形計測装置において、透明物体の屈折率を変化させる場合の実施例を、図６を用いて説明する。図６（ａ）は、装置構成の平面図である。レーザ光源１には、Ｎｄ：ＹＬＦレーザを用い、カメラ８には、ＥＭ−ＣＣＤカメラを用いる。ＥＭ−ＣＣＤカメラの画素数は１０２４×１０２４である。レーザ光源１とカメラ８、光路長差分布を形成する駆動装置以外は、実施例１と同じ構成である。

図６（ｂ）、（ｃ）は、光路長差分布の形成する駆動装置を簡単に示した図である。図６に示すように、光路長差分布形成の駆動装置は、透明物体を収められる窓３３をリボルバー状に複数有するホルダ３０、ホルダ３０を回転駆動させるモータ３１、モータ制御ドライバ３２から構成される。図６（ｃ）に示す３３ａ、３３ｂに、屈折率が異なる透明物体２種として、それぞれ厚さ２ｍｍの光学サファイア、合成石英を、光波が通過する時に、光軸に対して等しく４５°の傾斜角となるように設置した。

上記ホルダ３０を、図６（ａ）に示すように、放射状に広がる光束（非コリメート光）がホルダ３０の窓の１つを通過するように設置する。そして、モータ３１によりホルダ３０を回転させ、カメラの撮像タイミングとレーザ光が窓３３を通過するタイミングとで同期制御する。制御を行うことで、異なる窓間で、光路長差分布を発生させることが可能となる。但し、ホルダ３０を高速で回転させるほど、被測定物が短い時間間隔における変形計測を行なうことが可能となるが、その分、露光時間が短くなる。そのため、高出力レーザ、高感度カメラを用いることが好ましい。

上記実施例では、屈折率が異なる透明物体を用いたが、窓３３ａ、３３ｂにそれぞれ屈折率、厚み、傾斜角度のうち、少なくとも１つ以上が異なるように透明物体を設置してもよい。あるいは、窓３３ａ、窓３３ｂのどちらかにのみ透明物体を入れ、もう一方には透明物体を入れなくてもよい。

上記構成によって、被測定物を高い精度での計測が可能となる。

（実験例）
実施例１の装置を用い、ダンベル試験片型に加工した金属片を、引張り試験機により、引き伸ばし変形させ、変形量を計測する。

サンプルは、ＳＵＳ３０４の厚さ０．０１ｍｍのプレートをダンベル１号（ＪＩＳ規格）の形状に加工したものを用いる（図８）。上記サンプルを引っ張り試験機に取り付け、引っ張り速度は、１０μｍ／ｓで引っ張りながら、０．５秒間隔でスペックル干渉パターンを取得していった。２光束のサンプルへの入射角度は、引っ張り方向と平行且つサンプル中心を通る軸と、サンプル中心の法線とからなる面内において、それぞれ法線からの角度が４５°、−４５°となるように設置した。

尚、ゴニオステージの傾斜角は５°とし、スペックル干渉パターンを取得する度に、繰り返し逆方向へ傾斜させ、引っ張り開始後１０秒後（約１００μｍ引っ張った状態）に計測を終了した。尚、図７は、本願の変形計測方法によってサンプルの変形量を計測した結果である。引っ張り試験は、左端を固定し、右（Ｘ方向）へ引っ張ることとした。また、引っ張り変位量をヘテロダイン方式レーザ変位計で計測を行った。

得られた２１枚のスペックル干渉パターンから、空間的フーリエ変換法を用いて、２０枚の位相情報を求めた。取得した位相情報を計測開始から２秒、４秒、６秒、８秒、１０秒と計５組の条件で積算し、レーザ波長と入射角から式１を用いて変形情報へ換算した。図７は、計測時のスペックル干渉パターンと引っ張り開始から２秒間隔で変形状態を計測した結果を図示したものである。図７に示すように左から右へ、変位量が増えていっているのがわかる。尚、引っ張り前後のスペックル干渉パターンの差分の２乗を計算し、縞画像を求めると、大変形により縞がつぶれており、変形量を求めることは不可能であった。

また、ヘテロダイン方式レーザ変位計による１０秒後の変位量が１００．１３μｍに対して、本発明での計測結果の右端は変位量が１００．１０μｍとなった。ヘテロダイン方式レーザ変位計と良好な一致が得られていることから、１００μｍオーダーの大変形をサブミクロンオーダの精度で計測できていることが示される。
また、式１から縞１本当りの変形量は０．４５μm程度であり、読み取れる最小の変形量としても半分の０．２２５μｍ程度となる。そのため、従来の手法の精度はミクロンオーダとなる。そのため、本手法により、１桁程度高い精度で計測が実施できていることが示される。
以上のことから本実験例に示されるように、被測定物の引っ張り等によって生じる被測定面に沿った方向に対する変形を高い精度で計測することができることが示される。

工業生産物が押圧されること等で生じる変形を非接触に測定する変形計測装置に好適に利用することができる。

１ レーザ光源
２ ビームスプリッタ
７ 被測定物
８ カメラ
２１ 透明部材

Claims (6)

1. 被測定物に光を照射することで生じる干渉パターンの位相変化量から前記被測定物の変形量を測定する変形計測方法において、
   被測定物に対して２つのレーザ光束を入射させる工程と、
   入射した２つの前記レーザ光束の散乱光が干渉することによって生じた第一のスペックル干渉パターンを検出する工程と、
   ２つの前記レーザ光束のうち少なくとも一方のレーザ光束の光路長を変調させて生じた第二のスペックル干渉パターンを検出する工程と、
   前記第一のスペックル干渉パターン及び前記第二のスペックル干渉パターンの差分に基づいて算出されたキャリア縞を有するスペックル干渉縞像を位相解析することにより取得した前記スペックル干渉縞像の位相から前記被測定物の変形量を算出する工程と、
   を有する被測定物の変形量を測定する変形計測方法。
2. 前記レーザ光束の位相を変調させる方法は、前記２つ光束のうち、いずれか１つの光束が非コリメート光となる光路上に配置された平行平面状の透明物体を、光路に対して傾斜させる方法であることを特徴とする請求項１記載の変形計測方法。
3. それぞれ前記レーザ光束の位相を変調させて検出された３つ以上のスペックル干渉パターンのうち、検出された時刻が隣りあう２つの前記スペックル干渉パターンから得られたキャリア縞を有するスペックル干渉縞像をそれぞれ位相解析して変形量を算出し、複数の前記変形量を合算することで、被測定物の変形量を算出することを特徴とする変形計測方法。
4. 前記位相解析の方法は、空間的フーリエ変換法または空間的ヒルベルト変換法であることを特徴とする請求項１記載の変形計測方法。
5. 被測定物に光を照射することで生じる干渉パターンの位相変化量から前記被測定物の変形量を測定する変形計測装置において、
   レーザ光源と、
   レーザ光源から２つのレーザ光束を被測定物に対してそれぞれ案内する光学系と、
   ２つのレーザ光束のうち少なくとも一方の光路長を変調させる光路長変調機構と、
   被測定物に照射されたレーザ光束の散乱光を検出する検出器と、
   前記検出器によって検出されたスペックル干渉パターンに基づいて変形量を算出する計算機と、
   を有し、
   前記２つのレーザ光束の散乱光が干渉することによって生じた第一のスペックル干渉パターンと、２つの前記レーザ光束のうち少なくとも一方のレーザ光束の光路長を前記光路長変調機構にて変調させて生じた第二のスペックル干渉パターンとの差分に基づいて算出されたキャリア縞を有するスペックル干渉縞像を位相解析することで取得された前記スペックル干渉縞像の位相から、前記被測定物の変形量が算出されることを特徴とする変形計測装置。
6. 前記光路長変調機構は、前記２つ光束のうち、いずれか１つの光束が非コリメート光となる光路上に配置された平行平面状の透明物体を、光路に対して傾斜させる機構であること特徴とする請求項５記載の変形計測装置。