JP4025878B2 - Apparatus for obtaining reproduced image of object, phase shift digital holographic displacement distribution measuring apparatus, and parameter identifying method - Google Patents

Apparatus for obtaining reproduced image of object, phase shift digital holographic displacement distribution measuring apparatus, and parameter identifying method Download PDF

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Description

本発明は、物体の像を位相シフトデジタルホログラフィによりデジタルホログラムとして記録し、再生像を得る装置に関する。本発明は、さらに、物体の像を位相シフトデジタルホログラフィによりデジタルホログラムとして記録し、記録したデジタルホログラムから物体の変位分布ないし変形分布を位相情報として計測する変位分布計測装置に関し、特に、計測範囲を拡大した変位分布計測装置に関する。本発明はさらに、これらの装置におけるパラメータを同定する方法にも関する。   The present invention relates to an apparatus for recording an image of an object as a digital hologram by phase shift digital holography to obtain a reproduced image. The present invention further relates to a displacement distribution measuring apparatus that records an image of an object as a digital hologram by phase shift digital holography and measures the displacement distribution or deformation distribution of the object as phase information from the recorded digital hologram. The present invention relates to an enlarged displacement distribution measuring apparatus. The invention further relates to a method for identifying parameters in these devices.

構造物などの変位分布やひずみ分布を精度よく光学的に計測する変位計測法には、スペックル干渉法やモアレ干渉法、デジタル画像相関法、ホログラフィ干渉法など様々な手法がある。その中でも、ホログラフィ干渉法は記録乾板の現像処理の煩わしさがあるが、粗面物体の変位、変形、形状などを非接触、高感度、全視野で計測できるために、機械工業、自動車工業、音響機械工業などの非破壊検査や医学など様々な分野で利用されている。ホログラフィ干渉法による変位計測では、位相の異なる変位前後の2つの像を記録乾板上に二重露光することにより、物体の変位を表す干渉縞を得ることができ、この縞を解析することにより変位量を知ることができる。近年、コンピュータの処理能力の向上とCCD素子の高解像度、高画素化により、ホログラムをフィルムではなくCCDカメラに記録し、コンピュータに取り込み、光の回折式の1つであるフレネル変換により再生する位相シフトデジタルホログラフィ干渉法が考案されている。位相シフトデジタルホログラフィは、光の強度だけでなく、位相もデジタル情報として得られるという特徴があり、物体の微小変位計測へ適用する研究が活発に行われている。
位相シフトデジタルホログラフィによるたわみ分布計測,高橋功,日本実験力学会講演論文集,p122-125,No2,(2002) Measurement of three-dimensional surface shape and deformations using phase stepping speckle interferometry,Liu-Sheng Wang,Society of Photo-Optical Instrumentation,p2333-2340,(1996)
There are various methods such as speckle interferometry, moire interferometry, digital image correlation, and holographic interferometry as displacement measurement methods for optically measuring displacement distribution and strain distribution of structures and the like with high accuracy. Among them, the holographic interferometry is troublesome in the development processing of the recording plate, but because it can measure the displacement, deformation, shape, etc. of rough surface objects in a non-contact, high sensitivity, full field of view, machine industry, automobile industry, It is used in various fields such as nondestructive inspection and medicine in the acoustic machinery industry. In displacement measurement by holographic interferometry, interference fringes representing the displacement of an object can be obtained by double exposure on the recording plate of two images before and after displacement with different phases. You can know the amount. In recent years, with the improvement of computer processing capacity and the high resolution and high pixel count of CCD elements, holograms are recorded on a CCD camera instead of film, captured in a computer, and reproduced by Fresnel transformation, one of the light diffraction methods. Shift digital holographic interferometry has been devised. Phase shift digital holography is characterized in that not only the intensity of light but also the phase can be obtained as digital information, and research on applying it to measurement of minute displacement of an object is being actively conducted.
Measurement of deflection distribution by phase shift digital holography, Isao Takahashi, Proceedings of the Japan Society for Experimental Force, p122-125, No2, (2002) Measurement of three-dimensional surface shape and deformations using phase stepping speckle interferometry, Liu-Sheng Wang, Society of Photo-Optical Instrumentation, p2333-2340, (1996)

上記非特許文献1では、位相シフトデジタルホログラフィの再生原理が説明されている。通常再生範囲はCCDと物体の距離を離すことにより拡大することができる。しかし物体とCCD間の距離が離れてしまうと、精度の面で問題がある。上記非特許文献2に記載のようなスペックル干渉法ではCCD面に物体を結像させることにより物体の変位計測を行う。この際、計測範囲はレンズの結像公式により導かれる。よってレンズの配置、焦点距離を変えることにより計測範囲を変えることができる。その反面レンズを結像させているため物体、レンズ、CCDの位置は固定されるという問題があった。   Non-Patent Document 1 describes the reproduction principle of phase shift digital holography. The normal reproduction range can be expanded by increasing the distance between the CCD and the object. However, if the distance between the object and the CCD is increased, there is a problem in terms of accuracy. In speckle interferometry as described in Non-Patent Document 2, the displacement of an object is measured by imaging the object on the CCD surface. At this time, the measurement range is derived from the lens imaging formula. Therefore, the measurement range can be changed by changing the lens arrangement and focal length. On the other hand, since the lens is imaged, the positions of the object, the lens, and the CCD are fixed.

上記を鑑み、本発明は、位相シフトデジタルホログラフィ計測範囲の制約を軽減することができ、広範囲の計測を可能にし、CCDを結像面に固定する必要がない位相シフトデジタルホログラフィ変位分布計測装置を提供することを目的とする。さらに本発明は、これらの装置におけるパラメータを同定する方法も提供する。   In view of the above, the present invention provides a phase shift digital holography displacement distribution measuring device that can reduce the restriction of the phase shift digital holography measurement range, enables a wide range of measurement, and does not require the CCD to be fixed to the imaging plane. The purpose is to provide. The present invention further provides a method for identifying parameters in these devices.

本発明による変位分布計測装置は、レーザ光を発生するレーザ光源手段と、前記レーザ光源手段が発生したレーザ光を2方向に分割するビーム分割手段と、前記ビーム分割手段によって分割されたレーザ光の一方から参照光を形成する参照光形成手段と、撮像手段とを具え、前記ビーム分割手段によって分割されたレーザ光の他方は、物体に反射され、物体光として前記撮像手段に入射し、前記参照光も前記撮像手段に入射し、前記撮像手段は前記物体光と前記参照光からデジタルホログラムを形成するように構成された変位分布計測装置において、前記撮像手段と物体との間に、前記物体光が通過する凹レンズを配置したことを特徴とする。本発明の変位分布計測装置の他の実施例は、前記レーザ光源手段が放射したレーザ光を平行にする手段をさらに具えることを特徴とする。   The displacement distribution measuring apparatus according to the present invention comprises a laser light source means for generating laser light, a beam splitting means for splitting the laser light generated by the laser light source means in two directions, and a laser beam split by the beam splitting means. Reference light forming means for forming reference light from one side and imaging means are provided, and the other of the laser beams divided by the beam splitting means is reflected by an object and incident on the imaging means as object light, and the reference In the displacement distribution measuring apparatus configured to form a digital hologram from the object light and the reference light, light is also incident on the imaging means, and the object light is interposed between the imaging means and the object. A concave lens through which is passed is arranged. Another embodiment of the displacement distribution measuring apparatus of the present invention is characterized by further comprising means for collimating the laser light emitted by the laser light source means.

本発明によれば、凹レンズを光学系に加えることにより、位相シフトデジタルホログラフィ計測範囲の制約が軽減され、広範囲の計測が可能になり、虚像の再生を行うためにCCDを結像面に固定する必要がない位相シフトデジタルホログラフィ変位分布計測装置が提供される。   According to the present invention, by adding a concave lens to the optical system, the restriction of the phase shift digital holography measurement range is reduced, a wide range of measurement is possible, and the CCD is fixed to the imaging surface to reproduce a virtual image. There is provided a phase shift digital holographic displacement distribution measuring apparatus which is not necessary.

まず、位相シフトデジタルホログラフィの原理について説明する。図1は、位相シフトデジタルホログラフィの記録再生光学系の構成の一例を示す線図である。位相シフトデジタルホログラフィは、CCDに物体光と参照光を同軸で入射させるon−axisの光学系を用いる。記録再生光学系1は、レーザ光線を発生するレーザ光源2と、レーザ光源2が発生したレーザ光の特定の空間周波数成分のみを通過させる空間フィルタ4と、空間フィルタ4を通過したレーザ光を平行にするコリメータレンズ6と、コリメータレンズ6によって平行にされたレーザ光を2方向に分割するビームスプリッタ8と、ビームスプリッタ8によって分割されたレーザ光の一方の一部のみを通過させる絞り10と、絞り10を通過したレーザ光を減光させる減光フィルタ12と、減光フィルタ12によって減光されたレーザ光を位相シフトさせながら反射するミラー付きPZTステージ14と、CCDカメラ16とを具える。ビームスプリッタ8によって分割されたレーザ光の他方は、計測対象の物体に反射され、ビームスプリッタ8を通過して物体光としてCCDカメラ16に入射する。ミラー付きPZTステージ14によって反射されたレーザ光は、再度減光フィルタ12と絞り10を通過し、ビームスプリッタ8によってCCDカメラ16の方に反射され、参照光としてCCDカメラ16に入射する。   First, the principle of phase shift digital holography will be described. FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a recording / reproducing optical system of phase shift digital holography. The phase shift digital holography uses an on-axis optical system in which object light and reference light are incident on a CCD coaxially. The recording / reproducing optical system 1 includes a laser light source 2 that generates a laser beam, a spatial filter 4 that passes only a specific spatial frequency component of the laser light generated by the laser light source 2, and a laser beam that has passed through the spatial filter 4 in parallel. A collimator lens 6, a beam splitter 8 that splits the laser light paralleled by the collimator lens 6 in two directions, and a diaphragm 10 that allows only one part of the laser light split by the beam splitter 8 to pass through; It includes a neutral density filter 12 that attenuates the laser light that has passed through the diaphragm 10, a PZT stage 14 with a mirror that reflects the laser light attenuated by the neutral density filter 12 while phase-shifting, and a CCD camera 16. The other of the laser beams divided by the beam splitter 8 is reflected by an object to be measured, passes through the beam splitter 8 and enters the CCD camera 16 as object light. The laser light reflected by the mirrored PZT stage 14 passes through the neutral density filter 12 and the diaphragm 10 again, is reflected toward the CCD camera 16 by the beam splitter 8, and enters the CCD camera 16 as reference light.

CCD面上の座標を(X,Y)とするとき、CCDで記録される干渉縞I(X,Y,α)は、

Figure 0004025878
と表すことができる。ここでa(X,Y)、a(X,Y)はそれぞれ物体光と参照光の振幅分布である。またΦ(X,Y)、Φ(X,Y)はそれぞれ物体光と参照光の位相分布である。αはミラー付きPZTステージでシフトさせる参照光の位相シフト量で、それぞれ0、π/2、π、3π/2である。αの値を0、π/2、π、3π/2でとシフトさせた4枚のデジタルホログラムI(X,Y)、I(X,Y)、I(X,Y)、I(X,Y)はそれぞれ、
Figure 0004025878
となる。位相シフトデジタルホログラフィでは、式(2)〜式(5)を位相シフト法の計算式
Figure 0004025878
に代入して計算をおこない、CCD面における物体光の複素振幅分布を求める。ここで、参照光に平行光を用いるため、CCD面における参照光の振幅分布と位相分布は一定で定数とすることができる。したがって、位相シフト法により求めたCCD面における複素振幅分布g(X,Y)は
Figure 0004025878
となり、CCD面における物体光のみの複素振幅分布を求めることができる。 When the coordinates on the CCD surface are (X, Y), the interference fringes I (X, Y, α) recorded by the CCD are
Figure 0004025878
It can be expressed as. Here, a o (X, Y) and a r (X, Y) are amplitude distributions of the object light and the reference light, respectively. Φ o (X, Y) and Φ r (X, Y) are phase distributions of the object light and the reference light, respectively. α is a phase shift amount of the reference light shifted by the PZT stage with a mirror, and is 0, π / 2, π, and 3π / 2, respectively. Four digital holograms I 0 (X, Y), I 1 (X, Y), I 2 (X, Y), I with the value of α shifted by 0, π / 2, π, 3π / 2 3 (X, Y)
Figure 0004025878
It becomes. In phase shift digital holography, equations (2) to (5) are calculated using the phase shift method.
Figure 0004025878
To calculate the complex amplitude distribution of the object light on the CCD surface. Here, since parallel light is used as the reference light, the amplitude distribution and phase distribution of the reference light on the CCD surface can be constant and constant. Therefore, the complex amplitude distribution g (X, Y) on the CCD surface obtained by the phase shift method is
Figure 0004025878
Thus, the complex amplitude distribution of only the object light on the CCD surface can be obtained.

再生面上の座標を(x,y)とするとき、CCD面における物体光のみの複素振幅分布を物体の置かれている再生面まで

Figure 0004025878
で表せるフレネル回折積分により、元の物体の複素振幅分布u(x,y)を求める。図2は、回折現象の概念を示す線図である。ここで、Rは記録面と再生面の距離、kは波数、f[]はフーリエ変換を表す演算子である。この再生面の複素振幅分布の強度をもとめることで再生像を得ることができる。 When the coordinates on the reproduction surface are (x, y), the complex amplitude distribution of only the object light on the CCD surface is reached to the reproduction surface on which the object is placed.
Figure 0004025878
The complex amplitude distribution u (x, y) of the original object is obtained by Fresnel diffraction integration expressed as follows. FIG. 2 is a diagram showing the concept of the diffraction phenomenon. Here, R is the distance between the recording surface and the reproducing surface, k is the wave number, and f [] is an operator representing the Fourier transform. A reproduction image can be obtained by obtaining the intensity of the complex amplitude distribution on the reproduction surface.

本発明による位相シフトデジタルホログラフィ変位分布計測装置について説明する。図3は、本発明による位相シフトデジタルホログラフィ変位分布計測装置の構成の一例を示す線図である。位相シフトデジタルホログラフィ変位分布計測装置21は、レーザ光源22と、空間フィルタ23と、コリメータレンズ24と、ビームスプリッタ26と、ハーフミラー28と、減光フィルタ30と、絞り32と、ミラー付きPZTステージ34と、ガラスプレート36と、CCDカメラ38と、ハーフミラー40と、凹レンズ42とを具える。レーザ光源22から放射されたレーザ光は、空間フィルタ23によって特定の空間周波数成分のみが透過し、空間フィルタ23を通過したレーザ光は、コリメータレンズ24によって平行にされ、ビームスプリッタ26に入射する。ビームスプリッタ26に入射したレーザ光は2方向に分割され、一方はハーフミラー28に、他方はハーフミラー40に向かう。ハーフミラー28を通過したレーザ光の一方の部分は、減光フィルタ30によって減光し、絞り32によってその一部のみがミラー付きPZTステージ34に入射する。ミラー付きPZTステージ34によって位相シフトされながら反射されたレーザ光は、再び絞り32と減光フィルタ30を通過し、ハーフミラー28によってガラスプレート36の方に反射される。ガラスプレート36に入射したレーザ光は、CCDカメラ38の方に反射され、参照光としてCCDカメラ38に入射する。ハーフミラー40の方に向かったレーザ光の他の部分は、ハーフミラー40によって反射され、測定対象の物体44の方に向かう。物体44に反射されたレーザ光は、ハーフミラー40を通過し、凹レンズ42を通過し、ガラスプレート36を通過し、物体光としてCCDカメラ38に入射する。   A phase shift digital holographic displacement distribution measuring apparatus according to the present invention will be described. FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of the phase shift digital holographic displacement distribution measuring apparatus according to the present invention. The phase shift digital holographic displacement distribution measuring device 21 includes a laser light source 22, a spatial filter 23, a collimator lens 24, a beam splitter 26, a half mirror 28, a neutral density filter 30, a diaphragm 32, and a PZT stage with a mirror. 34, a glass plate 36, a CCD camera 38, a half mirror 40, and a concave lens 42. The laser light emitted from the laser light source 22 transmits only a specific spatial frequency component through the spatial filter 23, and the laser light that has passed through the spatial filter 23 is collimated by the collimator lens 24 and enters the beam splitter 26. The laser light incident on the beam splitter 26 is divided in two directions, one toward the half mirror 28 and the other toward the half mirror 40. One part of the laser light that has passed through the half mirror 28 is attenuated by the neutral density filter 30, and only a part of the laser light enters the mirror-attached PZT stage 34 by the diaphragm 32. The laser beam reflected while being phase-shifted by the PZT stage with mirror 34 passes through the diaphragm 32 and the neutral density filter 30 again, and is reflected toward the glass plate 36 by the half mirror 28. The laser light incident on the glass plate 36 is reflected toward the CCD camera 38 and enters the CCD camera 38 as reference light. The other part of the laser light directed toward the half mirror 40 is reflected by the half mirror 40 and travels toward the object 44 to be measured. The laser light reflected by the object 44 passes through the half mirror 40, passes through the concave lens 42, passes through the glass plate 36, and enters the CCD camera 38 as object light.

位相シフトデジタルホログラフィ干渉法ではフレネル変換を用いることによって、再生面上の複素振幅分布を求める。CCDと物体に間に凹レンズを置いた場合、フレネル変換による光の逆伝播はレンズによって曲げられた光路となる。図4は、物体と再生面の関係を説明する線図である。凹レンズによって曲げられた光路を図4の点線で示す。このときの再生像は凹レンズによって虚像として得られる.また再生距離はCCDと物体の距離ではなく、CCDから虚像までの距離となる。このときの虚像の位置は凹レンズの結像公式から求められる。式(10)にレンズの結像公式を示す。Fはレンズと虚像までの距離、Fはレンズと物体までの距離。Rはレンズから結像位置までの距離。RはCCDから物体の距離とする。

Figure 0004025878
凹レンズによって結像された像は実際の物体よりも小さくなる。このときの像の倍率はF/Fとなる。よって物体が縮小した状態で再生され、限られ再生範囲内により多くの範囲を再生することが可能になる。 In phase shift digital holography interferometry, the complex amplitude distribution on the reproduction surface is obtained by using Fresnel transform. When a concave lens is placed between the CCD and the object, the back propagation of light due to Fresnel conversion becomes an optical path bent by the lens. FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between the object and the reproduction surface. The optical path bent by the concave lens is indicated by a dotted line in FIG. The reconstructed image at this time is obtained as a virtual image by the concave lens. The reproduction distance is not the distance between the CCD and the object, but the distance from the CCD to the virtual image. The position of the virtual image at this time is obtained from the imaging formula of the concave lens. Equation (10) shows the lens imaging formula. F 1 is the distance from the lens to the virtual image, and F 2 is the distance from the lens to the object. R 1 is the distance from the lens to the imaging position. R 2 is the distance from the CCD to the object.
Figure 0004025878
The image formed by the concave lens is smaller than the actual object. The image magnification at this time is F 1 / F 2 . Therefore, the object is reproduced in a reduced state, and a larger range can be reproduced within the limited reproduction range.

位相シフトデジタルホログラフィの再生は、フレネル変換にフーリエ変換を用いることにより再生することができる。実際の再生では、CCD面の複素振幅分布が離散データであるため、フーリエ変換に高速離散フーリエ変換を用いる。ここでCCD面におけるサンプリング間隔と再生面におけるサンプリング間隔の関係について述べる。フレネル変換を離散的に表記すると

Figure 0004025878
となる。ここで、FFT[]は高速離散フーリエ変換の演算子である。また、(m,n)と(p,q)はそれぞれ再生面とCCD面の離散的な座標を表している。ΔX、ΔYとΔx、ΔyはそれぞれCCDと再生面のサンプリング間隔である。通常、N画素×N画素の画像g(p,q)をu(m,n)に高速離散フーリエ変換したとき、空間周波数のサンプリング間隔Δμ、Δνは、それぞれ
Figure 0004025878
となる。フレネル変換では、フーリエ変換するときの空間周波数をμ、νとし、波長λ、再生距離Rを用いて
Figure 0004025878
と表す。離散的な空間周波数は
Figure 0004025878
となる。よって、式(12)と式(14)よりフレネル変換のサンプリング間隔は
Figure 0004025878
となる。ここで図5に示すように、記録面と再生面の間に凹レンズを設置する場合を考える。図5は計測範囲の拡大を説明する線図である。記録面と凹レンズとの距離をFとする。虚像の位置における再生範囲をW、物体の位置における再生範囲をWとする。虚像の位置における再生範囲W、物体の位置における再生範囲Wは、CCD面のサンプリング間隔をpとしたとき式(15)より
Figure 0004025878
と表せる。Wの領域にはレンズによってF/F倍された像が再生される。したがって再生範囲はF/F倍されることになる。よってレンズを置いたことによる再生範囲の倍率は
Figure 0004025878
で表すことができる。Mは再生範囲の倍率とする。またこのときの虚像面における再生範囲Hは
Figure 0004025878
と表すことができる。ここで再生範囲Hを求めるためにはR、F、Fの3個の未知数を求める必要がある。この未知数を求めるための方法を示す。レンズを除いた状態での物体の再生画像とレンズを置いた状態での虚像の再生画像を得る。このときの再生距離よりR、Rが求められる。また再生画像の対応する場所の画素数を調べ、倍率Mを求める。求めた値を式(18)に代入することにより拡大を行った再生範囲が求められる。
Figure 0004025878
The phase shift digital holography can be reproduced by using Fourier transform for Fresnel transformation. In actual reproduction, since the complex amplitude distribution on the CCD surface is discrete data, high-speed discrete Fourier transform is used for Fourier transform. Here, the relationship between the sampling interval on the CCD surface and the sampling interval on the reproduction surface will be described. Expressing the Fresnel transform discretely
Figure 0004025878
It becomes. Here, FFT [] is an operator of fast discrete Fourier transform. Further, (m, n) and (p, q) represent discrete coordinates on the reproduction surface and the CCD surface, respectively. ΔX, ΔY and Δx, Δy are sampling intervals of the CCD and the reproduction surface, respectively. Usually, when an image g (p, q) of N x pixels × N y pixels is subjected to fast discrete Fourier transform to u (m, n), the spatial frequency sampling intervals Δμ and Δν are respectively
Figure 0004025878
It becomes. In the Fresnel transform, the spatial frequency for Fourier transform is μ and ν, and the wavelength λ and the reproduction distance R are used.
Figure 0004025878
It expresses. The discrete spatial frequency is
Figure 0004025878
It becomes. Therefore, the sampling interval of the Fresnel transformation is based on the equations (12) and (14).
Figure 0004025878
It becomes. Here, as shown in FIG. 5, consider a case where a concave lens is installed between the recording surface and the reproducing surface. FIG. 5 is a diagram illustrating the expansion of the measurement range. The distance between the recording surface and a concave lens to F 0. The reproduction range at the virtual image position is W 1 , and the reproduction range at the object position is W 2 . The reproduction range W 1 at the position of the virtual image and the reproduction range W 2 at the position of the object are expressed by Equation (15) when the sampling interval on the CCD surface is p.
Figure 0004025878
It can be expressed. The area of the W 1 F 1 / F 2 times by image by the lens is played. Thus the reproduction range will be 1 × F 2 / F. Therefore, the magnification of the playback range by placing the lens is
Figure 0004025878
It can be expressed as M is the magnification of the reproduction range. The reproduction range H in the virtual image plane at this time is
Figure 0004025878
It can be expressed as. Here, in order to obtain the reproduction range H, it is necessary to obtain three unknowns R 1 , F 1 and F 2 . A method for obtaining this unknown will be described. A reproduced image of the object with the lens removed and a reproduced image of the virtual image with the lens placed are obtained. R 1 and R 2 are obtained from the reproduction distance at this time. Further, the number of pixels at the corresponding location of the reproduced image is checked to obtain the magnification M. By substituting the obtained value into Expression (18), the expanded reproduction range is obtained.
Figure 0004025878

CCDから凹レンズまでの光学的距離は精密に計測することは困難である。また、レンズの実際の焦点距離は公称値からずれている場合もある。そこで、これらの値を実際の光学系により得られた再生像から求める手法を示す。図6は、これらのパラメータを同定する方法を説明する線図である。基準となる物体をR’’の位置に置く。凹レンズのない状態と凹レンズを設置した状態のそれぞれの場合において、位相シフトデジタルホログラムを撮影する。それぞれの場合において、再生距離を微小に変えながら再生を繰り返し行うことで、最もピントが合っている再生距離R’’およびR’を見つける。最もピントが合っているかどうかは、再生像の強度の標準偏差を計算し、それが最大になる再生距離として得る。次に、再生された物体の再生画像内でのサイズを求める。それらの比を求めることで、再生範囲の拡大率Mを得ることができる。再生距離R’’およびR’、拡大率Mを凹レンズの焦点距離f、記録面と凹レンズとの距離a、凹レンズと再生面の距離bで表すとそれぞれ次のようになる。

Figure 0004025878
これらの式を連立させて解くことにより、パラメータf、a、bをそれぞれ求めることができる。 It is difficult to accurately measure the optical distance from the CCD to the concave lens. Also, the actual focal length of the lens may deviate from the nominal value. Therefore, a method for obtaining these values from a reproduced image obtained by an actual optical system will be described. FIG. 6 is a diagram illustrating a method for identifying these parameters. Place the reference object at the position of R ″. A phase shift digital hologram is photographed in each of the case where there is no concave lens and the case where a concave lens is installed. In each case, the reproduction distances R ″ and R ′ that are in focus are found by repeatedly performing reproduction while changing the reproduction distance minutely. Whether or not the focus is in focus is calculated by calculating the standard deviation of the intensity of the reproduced image and obtaining it as the maximum reproduction distance. Next, the size of the reproduced object in the reproduced image is obtained. By obtaining these ratios, the enlargement ratio M of the reproduction range can be obtained. The reproduction distances R ″ and R ′ and the magnification M are expressed as follows by the focal length f of the concave lens, the distance a between the recording surface and the concave lens, and the distance b between the concave lens and the reproduction surface, respectively.
Figure 0004025878
By simultaneously solving these equations, the parameters f, a, and b can be obtained.

上記実施例では、物体光及び参照光として平行なレーザ光を使用したが、平行でないレーザ光を用いた場合でも、同様の効果を奏することができる。   In the above embodiment, the parallel laser light is used as the object light and the reference light, but the same effect can be obtained even when the non-parallel laser light is used.

位相シフトデジタルホログラフィの記録再生光学系の構成の一例を示す線図である。It is a diagram which shows an example of a structure of the recording and reproducing optical system of a phase shift digital holography. 回折現象の概念を示す線図である。It is a diagram which shows the concept of a diffraction phenomenon. 本発明による位相シフトデジタルホログラフィ変位分布計測装置の構成の一例を示す線図である。It is a diagram which shows an example of a structure of the phase shift digital holography displacement distribution measuring apparatus by this invention. 物体と再生面の関係を説明する線図である。It is a diagram explaining the relationship between an object and a reproduction surface. 計測範囲の拡大を説明する線図である。It is a diagram explaining expansion of a measurement range. パラメータを同定する方法を説明する線図である。It is a diagram explaining the method of identifying a parameter.

符号の説明Explanation of symbols

1 記録再生光学系
2、22 レーザ光源
4、23 空間フィルタ
6、24 コリメータレンズ
8、26 ビームスプリッタ
10、32 絞り
12、30 減光フィルタ
14、34 ミラー付きPZTステージ
16、38 CCDカメラ
21 位相シフトデジタルホログラフィ変位分布計測装置
28、40 ハーフミラー
36 ガラスプレート
42 凹レンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Recording / reproducing optical system 2,22 Laser light source 4,23 Spatial filter 6,24 Collimator lens 8,26 Beam splitter 10,32 Aperture 12,30 Neutral filter 14,34 PZT stage with mirror 16,38 CCD camera 21 Phase shift Digital holographic displacement distribution measuring device 28, 40 Half mirror 36 Glass plate 42 Concave lens

Claims (6)

物体の像を位相シフトデジタルホログラフィによりデジタルホログラムとして記録し、再生像を得る装置であって、レーザ光を発生するレーザ光源手段と、前記レーザ光源手段が発生したレーザ光を2方向に分割するビーム分割手段と、前記ビーム分割手段によって分割されたレーザ光の一方から参照光を形成する参照光形成手段と、撮像手段とを具え、前記ビーム分割手段によって分割されたレーザ光の他方は、物体に反射され、物体光として前記撮像手段に入射し、前記参照光も前記撮像手段に入射し、前記撮像手段は前記物体光と前記参照光からデジタルホログラムを形成するように構成された装置において、前記撮像手段と物体との間に、前記物体光が通過する凹レンズを配置したことを特徴とする装置。 An apparatus for recording an image of an object as a digital hologram by phase shift digital holography to obtain a reproduced image, a laser light source means for generating laser light, and a beam for dividing the laser light generated by the laser light source means in two directions A splitting unit; a reference beam forming unit that forms reference beam from one of the laser beams split by the beam splitting unit; and an imaging unit. The other of the laser beams split by the beam splitting unit is applied to an object. In the apparatus configured to reflect and enter the imaging means as object light, the reference light also enters the imaging means, and the imaging means forms a digital hologram from the object light and the reference light. An apparatus characterized in that a concave lens through which the object light passes is disposed between an imaging means and an object. 請求項1に記載の装置において、前記レーザ光源手段が放射したレーザ光を平行にする手段をさらに具えることを特徴とする装置。   2. The apparatus according to claim 1, further comprising means for collimating the laser light emitted by the laser light source means. 請求項1又は2に記載の装置における前記凹レンズの焦点距離、前記撮像手段の記録面と前記凹レンズとの距離、前記凹レンズと前記ホログラム再生面の距離を求める方法であって、
基準となる物体をレンズからの距離R’’の位置に置く工程と、
前記凹レンズのない状態と前記凹レンズを設置した状態のそれぞれの場合において、位相シフトデジタルホログラムを撮影する工程と、
それぞれの場合において、再生距離を微小に変えながら再生を繰り返し、再生像の強度の標準偏差を計算して計算した標準偏差が最大になる再生距離を、最もピントが合っている再生距離R’’およびR’として得る工程と、
再生された物体の再生画像内でのサイズを求める工程と、
これらの比を求めることで、再生範囲の拡大率Mを得る工程と、
再生距離R’’およびR’、拡大率Mを凹レンズの焦点距離f、記録面と凹レンズとの距離a、凹レンズと再生面の距離bを以下の式、
Figure 0004025878
で表す工程と、
これらの式を連立させて解くことにより、f、a、bをそれぞれ求める工程とを具えることを特徴とする方法。
A method for obtaining a focal length of the concave lens, a distance between a recording surface of the imaging unit and the concave lens, and a distance between the concave lens and the hologram reproducing surface in the apparatus according to claim 1,
Placing a reference object at a distance R ″ from the lens;
In each case of the state without the concave lens and the state of installing the concave lens, a step of photographing a phase shift digital hologram;
In each case, reproduction is repeated while slightly changing the reproduction distance, and the reproduction distance R ″ that is in focus is set to the reproduction distance that maximizes the standard deviation calculated by calculating the standard deviation of the intensity of the reproduction image. And obtaining as R ′ ;
Determining the size of the reproduced object in the reproduced image;
By obtaining these ratios, the step of obtaining the expansion rate M of the reproduction range;
Reproduction distances R ″ and R ′, magnification M is the focal length f of the concave lens, distance a between the recording surface and the concave lens, and distance b between the concave lens and the reproduction surface is
Figure 0004025878
A process represented by
A method comprising: obtaining f, a, and b by solving these equations simultaneously.
物体の像を位相シフトデジタルホログラフィによりデジタルホログラムとして記録し、記録したデジタルホログラムから物体の変位分布ないし変形分布を位相情報として計測する変位分布計測装置であって、レーザ光を発生するレーザ光源手段と、前記レーザ光源手段が発生したレーザ光を2方向に分割するビーム分割手段と、前記ビーム分割手段によって分割されたレーザ光の一方から参照光を形成する参照光形成手段と、撮像手段とを具え、前記ビーム分割手段によって分割されたレーザ光の他方は、物体に反射され、物体光として前記撮像手段に入射し、前記参照光も前記撮像手段に入射し、前記撮像手段は前記物体光と前記参照光からデジタルホログラムを形成するように構成された変位分布計測装置において、前記撮像手段と物体との間に、前記物体光が通過する凹レンズを配置したことを特徴とする変位分布計測装置。   A displacement distribution measuring device for recording an image of an object as a digital hologram by phase shift digital holography, and measuring the displacement distribution or deformation distribution of the object as phase information from the recorded digital hologram, comprising: a laser light source means for generating laser light; A beam splitting unit for splitting the laser beam generated by the laser light source unit in two directions, a reference beam forming unit for forming a reference beam from one of the laser beams split by the beam splitting unit, and an imaging unit. The other of the laser beams split by the beam splitting unit is reflected by an object and enters the imaging unit as object light, the reference light also enters the imaging unit, and the imaging unit In the displacement distribution measuring apparatus configured to form a digital hologram from reference light, the imaging means and the object During the displacement distribution measuring apparatus characterized in that a concave lens where the object light passes. 請求項1に記載の変位分布計測装置において、前記レーザ光源手段が放射したレーザ光を平行にする手段をさらに具えることを特徴とする変位分布計測装置。   2. The displacement distribution measuring apparatus according to claim 1, further comprising means for collimating the laser light emitted by the laser light source means. 請求項4又は5に記載の変位分布計測装置における前記凹レンズの焦点距離、前記撮像手段の記録面と前記凹レンズとの距離、前記凹レンズと前記ホログラム再生面の距離を求める方法であって、
基準となる物体をレンズからの距離R’’の位置に置く工程と、
前記凹レンズのない状態と前記凹レンズを設置した状態のそれぞれの場合において、位相シフトデジタルホログラムを撮影する工程と、
それぞれの場合において、再生距離を微小に変えながら再生を繰り返し、再生像の強度の標準偏差を計算して計算した標準偏差が最大になる再生距離を、最もピントが合っている再生距離R’’およびR’として得る工程と、
再生された物体の再生画像内でのサイズを求める工程と、
これらの比を求めることで、再生範囲の拡大率Mを得る工程と、
再生距離R’’およびR’、拡大率Mを凹レンズの焦点距離f、記録面と凹レンズとの距離a、凹レンズと再生面の距離bを以下の式、
Figure 0004025878
で表す工程と、
これらの式を連立させて解くことにより、f、a、bをそれぞれ求める工程とを具えることを特徴とする方法。
A method for obtaining a focal length of the concave lens, a distance between a recording surface of the imaging means and the concave lens, and a distance between the concave lens and the hologram reproducing surface in the displacement distribution measuring apparatus according to claim 4 or 5,
Placing a reference object at a distance R ″ from the lens;
In each case of the state without the concave lens and the state of installing the concave lens, a step of photographing a phase shift digital hologram;
In each case, reproduction is repeated while slightly changing the reproduction distance, and the reproduction distance R ″ that is in focus is set to the reproduction distance that maximizes the standard deviation calculated by calculating the standard deviation of the intensity of the reproduction image. And obtaining as R ′ ;
Determining the size of the reproduced object in the reproduced image;
By obtaining these ratios, the step of obtaining the expansion rate M of the reproduction range;
Reproduction distances R ″ and R ′, magnification M is the focal length f of the concave lens, distance a between the recording surface and the concave lens, and distance b between the concave lens and the reproduction surface is
Figure 0004025878
A process represented by
A method comprising: obtaining f, a, and b by solving these equations simultaneously.
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