JP4025878B2 - Apparatus for obtaining reproduced image of object, phase shift digital holographic displacement distribution measuring apparatus, and parameter identifying method - Google Patents
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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。
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
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
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、
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
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
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。F1はレンズと虚像までの距離、F2はレンズと物体までの距離。R1はレンズから結像位置までの距離。R2はCCDから物体の距離とする。
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
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。
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.
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
Claims (6)
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、
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
A method comprising: obtaining f, a, and b by solving these equations simultaneously.
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、
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
A method comprising: obtaining f, a, and b by solving these equations simultaneously.
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