JP2012181027A

JP2012181027A - 小型位相シフト装置

Info

Publication number: JP2012181027A
Application number: JP2011042235A
Authority: JP
Inventors: Motoharu Fujigaki; 元治藤垣; Riku Nishitani; 陸西谷
Original assignee: Wakayama University
Current assignee: Wakayama University
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2031-02-28
Also published as: JP5761786B2

Abstract

【課題】安価で小型の位相シフト機構を提供すること。
【解決手段】従来の位相シフト機構でよく知られている、フィードバック制御機能付きピエゾステージの代わりに、（１）参照光を位相シフトする鏡にトリガ光を反射させ、（２）参照光よりもトリガ光が数倍多く位相シフトするように参照光とトリガ光の入射角を変え、（３）トリガ光で得られる干渉縞を検出する光センサーによってカメラのトリガ信号を作ることで、従来のフィードバック制御機能付きピエゾステージを使用することなく、安価・小型の位相シフト機構を提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザー干渉法の位相シフト法による位相解析を行う場面、例えば、変位分布計測やひずみ分布計測、三次元計測等で使用する装置に関するものである。

現在、構造物の変位・ひずみを計測することは、製品の設計や安全性評価、建築物の補修・長寿命化等の分野において非常に重要となっている。特に、現場で使用可能な可搬型の計測装置が必要とされてきている。

非特許文献１には、アクチュエータでたわませた梁を使用し、平板ガラスを微小に傾けさせることによって、ガラスを透過する光路長が微小に変化することで位相シフトさせる方法が開示されている。

特許文献１には、２光束を異なった方向から同じ入射角度で変位前後の物体に投影し、参照光の位相を書定量だけシフトさせながら撮影し、それぞれの入射光で変位によって生じた位相分布を求め、それぞれ位相分布の差と和を求めることで面内・面外変位を表す位相分布を得ることができる手法が開示されている。

特許文献２には、計測物体に３つの異なる方向から同一波長の物体光を照射し、物体光と同一波長を有する３つの参照光と計測物体からの反射光との干渉像を、各参照光の位相を互いに異なる速度で物体光に対して変化させつつ複数枚、２次元撮像素子で撮影し、フーリエ変換を用いて位相変化速度の異なる干渉成分を抽出することで３つの物体光による干渉像を分離し、各干渉像より、各物体光の照射方向に応じた方向の計測物体の位相分布を計測することにより変位を計測する手法が開示されている。

特開２００７−０７１５８４号公報特開２００７−２４０４６５号公報

松川仁登美、藤垣元治、松井徹、森本吉春、はりのたわみを利用した位相シフト装置の試作、第10回知能メカトロニクスワークショップ講演論文集（2005）pp120-124

しかしながら非特許文献１では、梁を動かすためにステッピングモーターを用いる等、
大がかりな作業が必要となる。また、特許文献１と２においても、装置全体が大きく、持
ち運ぶことができない。

本発明は、上記問題点を解決するために、安価・小型の位相シフト機構を提供することを目的としている。

発明者らは、上記問題を解決するために、フィードバック制御機能が付いているピエゾステージを使用する代わりに、干渉縞から発せられる明暗の信号をとらえる光センサーを付けることにより、フィードバック制御機能を用いることのないピエゾ素子を使用し、位相シフト機構を小さくすることを見出した。

即ち、本発明の小型位相シフト機構は、入射した光を、ハーフミラーやハーフプリズムのように参照光とトリガ光に分ける第１の光学素子と、ピエゾ素子のように電圧を加えることにより、前後に伸縮する変位素子と、前記第１の光学素子により分けられた参照光を反射させる、前記変位素子に付けられた第１の鏡と、前記第１の光学素子により分けられたトリガ光を反射および透過させるハーフミラーやハーフプリズムのような第２の光学素子と、前記第２の光学素子を透過した前記第１の光学素子により分けられたトリガ光を、再度前記第２の光学素子の方向に反射させる第２の鏡と、前記第１の鏡から反射されたトリガ光と、前記第２の鏡から反射されたトリガ光によって得られる干渉縞の明暗の信号をとらえる光センサー、とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の位相シフト機構において、前記トリガ光の光路中に第３の鏡を備えることを特徴とするものである。

また、本発明の位相シフト機構において、前記光センサーがとらえた信号をトリガ信号に変換するトリガ用電子回路を備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、フィードバック制御機能の付いたピエゾ素子を使用する代わりに、干渉縞の明暗の信号をとらえる光センサーを用いることにより、機構を小型化することができる。さらに光路中に鏡を備えることにより、光軸の調整を容易に行うことができ、製造を安価に行うことができる。

本発明の一実施例を示す位相シフト機構の平面図であり、装置内を通る参照光とトリガ光の光路を表す。本発明の一実施例を示す位相シフト機構において、第３の鏡を用いる場合の平面図であり、装置内を通る参照光とトリガ光の光路を表す。第１の鏡に入射する参照光の鏡の位相シフト前と後の光路を表す。変位素子の変位量と、それに伴う参照光とトリガ光の位相、参照光と物体光による干渉縞輝度、トリガ干渉縞輝度、トリガ信号、カメラの露光タイミングを表す。変位素子への電圧印加時に発生するヒステリシスを表す。位相シフト装置を含む装置全体の平面図であり、装置内を通る物体光・参照光・トリガ光の光路を表す。

以下に、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
図１は、本発明の位相シフト機構の一実施例の平面図である。位相シフト機構１は、変位素子２と、第１の鏡３と、第２の鏡３ｂと、第１の光学素子５と、第２の光学素子４と、光センサー６と、トリガ用電子回路１６とを備えている。

変位素子２は、電圧入力回路１４によって電圧を印加することにより、素子が伸縮し、それによって第１の鏡３を前後に動かすことができる。

第１の光学素子５は、位相シフト機構１の外から入射した光を、参照光ＲＷとトリガ光ＴＷに分ける。

第１の鏡３は、変位素子２に取り付けられており、第１の光学素子５を透過した参照光を位相シフト装置１の外へ反射させる。さらに第１の鏡３は、第２の光学素子４を経て入射してきたトリガ光ＴＷを再度第２の光学素子４の方向に反射させる。

第2の鏡３ｂは、第２の光学素子4を透過したトリガ光ＴＷを再度第２の光学素子4の方向に反射させる。

図２に示すように、第３の鏡３ｃを用いて、第１の光学素子５で分けられたトリガ光を一度反射させることで、光路の方向を調整することができるため、第１の光学素子５と第２の光学素子４の向きの調整を容易に行うことが可能となる。

（参照光位相シフトにおける干渉縞を用いた撮像トリガの原理）
ここで、本発明の計測方法で用いる原理について説明する。本発明では、参照光ＲＷの位相が１周期変化する時、等間隔に複数回の明暗を繰り返すトリガ光ＴＷの干渉縞を得ることで、参照光ＲＷの位相シフト量を検知することができる。図３は、第１の鏡３に入射する参照光ＲＷの位相シフト前と後の光路を示している。トリガ光ＴＷを第１の鏡３に対して垂直に入射し、参照光ＲＷは入射角qの方向から入射する。ここでは、変位素子２に取り付けられた第１の鏡３をz方向にd_zだけ変位させる場合について述べる。図３において第１の鏡３は変位前を３ａとし、変位後を３ａ’とする。参照光ＲＷの光路は第１の鏡３の変位前L_RPO_Rおよび変位後L’_RP’O’_R、トリガ光ＴＷの光路は変位前L_TPO_Tおよび変位後L_TP’O_Tである。参照光ＲＷとトリガ光ＴＷは、共に平面波とみなすことができ、さらに、第１の鏡３の変位d_zは、参照光ＲＷとトリガ光ＴＷの幅と比較して十分小さいため、L_RPはL’_RP’に、PO_RはP’O’_Rにそれぞれ平行移動するとみなすことができる。また、光源の波長をlとする。トリガ光ＴＷの光路長の変化d_tは，往復で変化するため、
（１）
となり、このときのトリガ光ＴＷの位相変化量Df_tは、
_（２）
である。また参照光ＲＷの光路長の変化d_rは、入射側と反射側で変化するため、
（３）
となる。また、参照光ＲＷの位相変化量Df_rは、
_（４）
である。したがって、参照光の入射角qを調整することで、参照光ＲＷに対するトリガ光ＴＷの任意の位相変化量の比
（５）
を得ることができる。例えば、参照光ＲＷのシフト回数をｋ回とする場合、参照光ＲＷの位相が１周期変化する間にトリガ光ＴＷはｋ周期変化する必要があるので、
（６）
となるように入射角qを調整すればよい。

図４は、変位素子２の変位量とそれに伴う参照光とトリガ光の位相、参照光ＲＷと物体光ＯＷによる干渉縞輝度、トリガ干渉縞輝度、トリガ信号、カメラの露光タイミングを表している。

以下、計測用レーザー光源１１の波長をlとし、光路長をl/4ずつシフトする場合について考える。
図１において変位素子２によって第１の鏡３を変位させることにより、参照光ＲＷおよびトリガ光ＴＷの位相を変化させる。以下、変位素子２が図４(a)に示すように変位する場合において考える。変位素子２に取り付けられた第１の鏡３の変位も変位素子２と同じだけ変位するため、その変位も図４(a)に示すものとなる。また、その時の参照光ＲＷおよびトリガ光ＴＷの位相の変化を図４(b)に示す。トリガ光ＴＷは第１の鏡３に入射するため、第１の鏡３をl/2変位させたとき、トリガ光ＴＷの光路長はl、つまり位相では2p変化する。参照光ＲＷは変位素子２に取り付けられた第１の鏡３に対して入射角q = cos^-1(1/4) の方向から入射しているため、参照光ＲＷに対するトリガ光ＴＷの位相変化量は図４(b)に示す通り、参照光の位相変化量の4倍となる。図４(c)に、図４(b)に示す参照光ＲＷの位相に対する参照光ＲＷの輝度を表す。また、図４(d)に、トリガ光ＴＷの位相に対するトリガ光ＴＷの輝度を示す。光センサー６では、図４(d)に示すトリガ光ＴＷの輝度が観測される。この輝度変化に対して、一定の閾値（トリガ閾値）を設けることで、図４(e)に示すトリガ信号が得られる。トリガ信号の立ち下がりは図４(b)に示す参照光ＲＷの位相がp/2変化する毎に発生する。このトリガ信号の立ち下がりによってカメラの露光が開始され、別途設定しておいた一定の露光時間の経過後に露光が終了する。この露光タイミングを図４(f)に示す。さらにその露光時間によってカメラが撮影する光量は、図４(c)の斜線部にそれぞれ示す輝度変化の積分値となる。

このようにすることで、、図５に示すようなヒステリシスを変位素子２が持っていたとしても、参照光ＲＷの位相がπ/2だけ変位する毎にトリガ信号が出力されることになり、正確にπ/2ずつ位相シフトされた干渉縞の画像を撮影することが可能となる。

（実施例）
以下、図面を用いて装置全体を説明する。なお、位相シフト機構は、図２の第３の鏡３ｃを用いた場合とする。また、この実施例においては、変位素子として電圧を印加することで伸縮するピエゾ素子を用い、第１の光学素子、第２の光学素子、第３の光学素子としては、それぞれハーフミラーやハーフプリズムを用いることとする。

図６は本発明の位相シフト機構１を用いた装置全体の平面図である。
まず、変位素子２に電圧印加回路１４、光センサー６にトリガ用電子回路１６を接続する。変位素子２に接続された電圧印加回路１４の電源を入れ、変位素子２に電圧を印加する。変位素子２に電圧を印加することで、変位素子２が伸縮し、第１の鏡３が前後に動くようになる。

次に、計測用レーザー光源１１からレーザーを照射する。計測用レーザー光源１１から照射されたレーザー光は、第３の光学素子５ｂに到達する。このとき、レーザー光は物体光ＯＷと参照光ＲＷに分けられる。分けられた物体光ＯＷは、スペイシャルフィルタ１２ａで整えられ、レンズ１３ａ、反射鏡１５ａを経て計測対象物Ｏに照射される。計測対象物Ｏに照射された物体光ＯＷは、計測対象物Ｏの表面で散乱し、その散乱光の一部はガラス板１７を透過して撮像装置１８に到達する。

第３の光学素子５ｂによって分けられた参照光ＲＷは、図１に示す位相シフト機構１内の第１の光学素子５に到達する。この時、第１の光学素子５によってそのまま透過する参照光ＲＷと機構１内を移動するトリガ光ＴＷに分けられる。第１の光学素子５を透過した参照光ＲＷは、変位素子２に取り付けられている第１の鏡３に反射され、機構１外へ出射する。その後、機構１外へ出射された参照光は、物体光ＯＷと同じように反射鏡１５ｂ、スペイシャルフィルタ１２ｂ、レンズ１３ｂ、反射鏡１５ｃを経て、ガラス板１７で反射され、撮像装置１８に到達する。この時、計測対象物Ｏの表面からガラス板１７を透過して撮像装置１８に到達した光と干渉することで、干渉パターンが形成され、その干渉パターンの明暗が撮像装置１８に記録される。なお、変位素子２に取り付けられた第１の鏡３への参照光ＲＷの入射角度については、cos^-1(1/4)の角度にしているが、特に限定はしない。

第１の光学素子５によって分けられたトリガ光ＴＷは、図１に示す位相シフト機構１内では、第２の光学素子４がないので、直接第２の光学素子４に入射する。また、図２に示す位相シフト機構１内では第３の鏡３ｃに反射され、第２の光学素子４に入射する。第２の光学素子４の設置角度については、図２では４５度の角度に設置されているが、特に限定はしない。

第２の光学素子４に入射したトリガ光ＴＷは、２つのトリガ光ＴＷとして装置内を移動する。１つ目のトリガ光ＴＷは、第２の光学素子４によって第１の鏡３に入射し、第２の光学素子の方向に反射され、第２の光学素子４を透過する。２つ目のトリガ光ＴＷは、第２の光学素子４を透過して第２の鏡３ｂに入射し、第２の光学素子４の方向に反射され、第２の光学素子４で再び反射される。

１つ目のトリガ光ＴＷと２つ目のトリガ光ＴＷが重なり、干渉する。干渉によって得られる明暗の信号を光センサー６がとらえ、トリガ信号に変換する。

以上、具体例を挙げて本発明を詳細に説明してきたが、本発明の特許請求の範囲から逸説しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能であることは当業者に明らかである。例えば、第１の鏡３への参照光の入射角度を調整することによって、１周期の間に位相シフトを４回以上行うことも可能である。また、図６に示した光学系とは異なる携帯の光学系にも適用は可能であり、この光学系の形態に限定されない。したがって、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。

１位相シフト機構
２変位素子
３第１の鏡
３ａ第１の鏡（位相シフト前）
３ａ’ 第１の鏡（位相シフト後）
３ｂ第２の鏡
３ｃ第３の鏡
４第２の光学素子
５第１の光学素子
５ｂ第３の光学素子
６光センサー
１１計測用レーザー光源
１２ａ・１２ｂスペイシャルフィルタ
１３ａ・１３ｂレンズ
１４電圧印加回路
１５ａ・１５ｂ・１５ｃ反射鏡
１６トリガ用電子回路
１７ガラス板
１８撮像装置
ＭＨミラーホルダー
Ｏ試料
ＯＷ物体光
ＲＷ参照光
ＴＷトリガ光

Claims

入射した光を、参照光とトリガ光に分ける第１の光学素子と、
前後に伸縮する変位素子と、
前記第１の光学素子により分けられた参照光を反射させる、前記変位素子に付けられた第１の鏡と、
前記第１の光学素子により分けられたトリガ光を反射および透過させる第２の光学素子と、
前記第２の光学素子を透過した前記第１の光学素子により分けられたトリガ光を、再度前記第２の光学素子の方向に反射させる第２の鏡と、
前記第１の鏡から反射されたトリガ光と、前記第２の鏡から反射されたトリガ光によって得られる干渉縞の明暗の信号をとらえる光センサー、
とを備えた位相シフト機構。
前記トリガ光の光路中に第３の鏡を備えることを特徴とする、請求項１に記載の位相シフト機構。
前記光センサーがとらえた信号をトリガ信号に変換するトリガ用電子回路を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の位相シフト機構。