JP4025879B2 - Displacement distribution measuring method and apparatus using digital holography - Google Patents

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本発明は、デジタルホログラフィを利用した変位分布計測方法及び装置に関し、特に物体の面内・面外変位を同時に計測することができる変位分布計測方法及び装置に関する。   The present invention relates to a displacement distribution measuring method and apparatus using digital holography, and more particularly to a displacement distribution measuring method and apparatus capable of simultaneously measuring in-plane and out-of-plane displacements of an object.

光学的手法を用いた画像計測は、非接触で物体の形状や変形、応力、歪み等の計測を全視野で行うことができる手法であり、情報通信、医療等の種々の分野に利用することができる。物体表面の変位分布ないし変形分布を計測する方法として、位相シフトデジタルホログラフィを利用した計測方法が既知である（例えば、非特許文献１参照）。この位相シフトデジタルホログラフィを利用した計測方法では、物体の変位前後の干渉像をＣＣＤカメラにより撮像し、物体表面の各部位の位相分布をデジタルデータとして計測している。従って、分布表面の変形量や変位量を高速で計測することができ、物体表面の微小変位量を高速で計測する必要のある種々の用途に適用することができる。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方法は、例えば特許文献１に記載されている。   Image measurement using an optical technique is a technique that can measure the shape, deformation, stress, strain, etc. of an object in a non-contact manner, and can be used in various fields such as information communication and medical care. Can do. As a method of measuring the displacement distribution or deformation distribution of the object surface, a measurement method using phase shift digital holography is known (for example, see Non-Patent Document 1). In this measurement method using phase shift digital holography, an interference image before and after displacement of an object is captured by a CCD camera, and the phase distribution of each part of the object surface is measured as digital data. Therefore, the deformation amount and displacement amount of the distribution surface can be measured at high speed, and the present invention can be applied to various applications that need to measure the minute displacement amount of the object surface at high speed. For example, Patent Document 1 discloses a displacement distribution measurement method in which an image of an object is recorded as a digital hologram by phase shift digital holography, and the displacement distribution or deformation distribution of the object is measured as phase information from the recorded digital hologram.

構造物の変位計測をおこなううえで、３次元変位を計測する技術が求められている。特許文献１に記載のような従来の位相シフトデジタルホログラフィを利用する計測方法では、計測物体に１方向から光を照射するために面外方向の変位しか計測することができないという問題があった。非特許文献２には、計測物体の３次元変位を求める方法が記載されている。しかしながらこの方法では、２光波の照射で３方向の変位を求めているために、面内方向の精度がよくないという問題があった。
特願２００４−０７４４４４号明細書 実験力学論文集，Vol.3 No2「位相シフトデジタルホログラフィを用いた面外変位計測」,2003年6月 大瀧博貴、坂上賢一、隆雅久「位相シフトデジタルイメージプレーンホログラフィ干渉法による変位計測、日本実験力学会２００５年度次講演会、Ｎｏ．５、１３０−１３５（２００５） A technique for measuring a three-dimensional displacement is required for measuring displacement of a structure. In the measurement method using the conventional phase shift digital holography as described in Patent Document 1, there is a problem that only the displacement in the out-of-plane direction can be measured because the measurement object is irradiated with light from one direction. Non-Patent Document 2 describes a method for obtaining a three-dimensional displacement of a measurement object. However, this method has a problem that accuracy in the in-plane direction is not good because displacement in three directions is obtained by irradiation with two light waves.
Japanese Patent Application No. 2004-074444 Experimental Mechanics, Vol.3 No2, “Out-of-plane displacement measurement using phase-shift digital holography”, June 2003 Hiroki Ohtsuki, Kenichi Sakagami, Masahisa Takah “Displacement measurement using phase-shifted digital image plane holographic interferometry, 2005 Japanese Society for Experimental Force, No. 5, 130-135 (2005)

上述したことを鑑み、本発明は、物体の面内・面外変位を同時に計測することができる、位相シフトデジタルホログラフィを用いた変位計測方法及び装置を提供することを目的とする。   In view of the above, an object of the present invention is to provide a displacement measuring method and apparatus using phase shift digital holography that can simultaneously measure in-plane and out-of-plane displacements of an object.

本発明による変位分布計測方法は、
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、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方法において、
前記物体の変位・変形前の状態である第１の状態において、参照光の位相を所定量だけ順次シフトさせながら、所定の入射角で第１の方向から光を照射した物体の像を２次元撮像装置により撮像し、干渉縞をデジタルデータとして記録して第１の状態における第１デジタルホログラムを作成する工程と、
前記第１の状態において、参照光の位相を所定量だけ順次シフトさせながら、前記第１の方向と同一面内に存在するとともに前記第１の方向とは異なる第２の方向から同じ入射角で光を照射した物体の像を２次元撮像装置により撮像し、干渉縞をデジタルデータとして記録して第１の状態における第２デジタルホログラムを作成する工程と、
前記物体の変位・変形後の状態である第２の状態において、参照光の位相を所定量だけシフトさせながら前記第１の方向から前記所定の入射角で光を照射した前記物体の像を２次元撮像装置により撮像し、干渉縞をデジタルデータとして記録して第２の状態における第１デジタルホログラムを作成する工程と、
前記第２の状態において、参照光の位相を所定量だけシフトさせながら前記第２の方向から前記所定の入射角で光を照射した前記物体の像を２次元撮像装置により撮像し、干渉縞をデジタルデータとして記録して第２の状態における第２デジタルホログラムを作成する工程と、
前記第１の状態における第１デジタルホログラムと、前記第２の状態における第１デジタルホログラムから、第１の位相分布を得る工程と、
前記第１の状態における第２デジタルホログラムと、前記第２の状態における第２デジタルホログラムから、第２の位相分布を得る工程と、
前記第１及び第２位相分布の差を求め、面内変位を表す位相分布を得る工程と、
前記第１及び第２位相分布の和を求め、面外変位を表す位相分布を得る工程とを具えることを特徴とする。 The displacement distribution measuring method according to the present invention includes:
In a displacement distribution measuring method of recording an object image 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,
In the first state, which is a state before the displacement / deformation of the object, a two-dimensional image of the object irradiated with light from the first direction at a predetermined incident angle while sequentially shifting the phase of the reference light by a predetermined amount. Imaging the imaging device and recording the interference fringes as digital data to create a first digital hologram in a first state;
In the first state, while sequentially shifting the phase of the reference light by a predetermined amount, at the same incident angle from a second direction that is in the same plane as the first direction and is different from the first direction. Capturing an image of an object irradiated with light with a two-dimensional imaging device, recording interference fringes as digital data, and creating a second digital hologram in a first state;
In the second state, which is a state after displacement and deformation of the object, 2 images of the object irradiated with light at the predetermined incident angle from the first direction while shifting the phase of the reference light by a predetermined amount are displayed. Imaging a two-dimensional imaging device, recording interference fringes as digital data, and creating a first digital hologram in a second state;
In the second state, an image of the object irradiated with light at the predetermined incident angle from the second direction while shifting the phase of the reference light by a predetermined amount is captured by a two-dimensional imaging device, and interference fringes are generated. Recording as digital data and creating a second digital hologram in a second state;
Obtaining a first phase distribution from the first digital hologram in the first state and the first digital hologram in the second state;
Obtaining a second phase distribution from the second digital hologram in the first state and the second digital hologram in the second state;
Obtaining a difference between the first and second phase distributions to obtain a phase distribution representing in-plane displacement;
Obtaining a phase distribution representing an out-of-plane displacement by obtaining a sum of the first and second phase distributions.

本発明による変位分布計測装置は、
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、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おいて、
参照光を発生し、位相シフトさせる参照光発生手段と、
物体に第１の方向から所定の入射角で光を照射する第１光照射手段と、
前記第１の方向からの光を遮る第１シャッタと、
前記第１の方向と同一面内に存在するとともに前記物体に前記第１の方向とは異なる第２の方向から同じ入射角で光を照射する第２光照射手段と、
前記第２の方向からの光を遮る第２シャッタと、
前記参照光と前記物体を撮影する２次元撮像手段とを具え、
前記物体の変位・変形前の状態である第１の状態において、参照光の位相を所定量だけ順次シフトさせながら、前記第１シャッタを開くと共に前記第２シャッタを閉じて、所定の入射角で第１の方向から光を照射した物体の像を撮像し、干渉縞をデジタルデータとして記録して第１の状態における第１デジタルホログラムを作成し、
前記第１の状態において、参照光の位相を所定量だけ順次シフトさせながら、前記第１シャッタを閉じると共に前記第２シャッタを開いて、前記第１の方向とは異なる第２の方向から同じ入射角で光を照射した物体の像を撮像し、干渉縞をデジタルデータとして記録して第１の状態における第２デジタルホログラムを作成し、
前記物体の変位・変形後の状態である第２の状態において、参照光の位相を所定量だけシフトさせながら、前記第１シャッタを開くと共に前記第２シャッタを閉じて、前記第１の方向から前記所定の入射角で光を照射した前記物体の像を撮像し、干渉縞をデジタルデータとして記録して第２の状態における第１デジタルホログラムを作成し、
前記第２の状態において、参照光の位相を所定量だけシフトさせながら、前記第１シャッタを閉じると共に前記第２シャッタを開いて、前記第２の方向から前記所定の入射角で光を照射した前記物体の像を撮像し、干渉縞をデジタルデータとして記録して第２の状態における第２デジタルホログラムを作成し、
前記第１の状態における第１デジタルホログラムと前記第２の状態における第１デジタルホログラムから第１の位相分布を得て、前記第１の状態における第２デジタルホログラムと前記第２の状態における第２デジタルホログラムから第２の位相分布を得て、前記第１及び第２位相分布の差を求め、面内変位を表す位相分布を得て、前記第１及び第２位相分布の和を求め、面外変位を表す位相分布を得るように構成したことを特徴とする。 The displacement distribution measuring apparatus according to the present invention is
In a displacement distribution measuring apparatus 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,
A reference light generating means for generating and shifting the phase of the reference light;
First light irradiating means for irradiating an object with light at a predetermined incident angle from a first direction;
A first shutter that blocks light from the first direction;
A second light irradiation means for irradiating the object with light at the same incident angle from a second direction different from the first direction and existing in the same plane as the first direction;
A second shutter that blocks light from the second direction;
Comprising two-dimensional imaging means for photographing the reference light and the object;
In the first state, which is the state before displacement and deformation of the object, the first shutter is opened and the second shutter is closed while sequentially shifting the phase of the reference light by a predetermined amount, and at a predetermined incident angle. Capturing an image of an object irradiated with light from a first direction, recording interference fringes as digital data, and creating a first digital hologram in a first state;
In the first state, while sequentially shifting the phase of the reference light by a predetermined amount, the first shutter is closed and the second shutter is opened, and the same incidence is made from a second direction different from the first direction. An image of an object irradiated with light at an angle is taken, and interference fringes are recorded as digital data to create a second digital hologram in the first state,
In the second state, which is a state after the displacement / deformation of the object, the first shutter is opened and the second shutter is closed while shifting the phase of the reference light by a predetermined amount from the first direction. Capturing an image of the object irradiated with light at the predetermined incident angle, recording interference fringes as digital data to create a first digital hologram in a second state;
In the second state, the first shutter is closed and the second shutter is opened while shifting the phase of the reference light by a predetermined amount, and light is emitted from the second direction at the predetermined incident angle. Taking an image of the object, recording interference fringes as digital data to create a second digital hologram in a second state,
From the first digital hologram in said second state and the first digital hologram prior Symbol first state to obtain a first phase distribution, the in the second state and the second digital hologram in said first state Obtaining a second phase distribution from two digital holograms, obtaining a difference between the first and second phase distributions, obtaining a phase distribution representing in-plane displacement, and obtaining a sum of the first and second phase distributions; characterized by being configured to obtain a phase distribution that represents the out-of-plane displacement.

本発明によれば、位相シフトデジタルホログラフィを用いた変位計測で、面外変位と面内変位が同時に計測できる。この手法を応用することで物体の３次元変位を計測することができる。   According to the present invention, out-of-plane displacement and in-plane displacement can be simultaneously measured by displacement measurement using phase shift digital holography. By applying this method, the three-dimensional displacement of the object can be measured.

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１４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 14 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、
と表すことができる。ここでａｏ（Ｘ，Ｙ）、ａｒ（Ｘ，Ｙ）はそれぞれ物体光と参照光の振幅分布である。またΦｏ（Ｘ，Ｙ）、Φｒ（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Ｉ０（Ｘ，Ｙ）、Ｉ１（Ｘ，Ｙ）、Ｉ２（Ｘ，Ｙ）、Ｉ３（Ｘ，Ｙ）はそれぞれ、
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
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
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
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)
It becomes. In phase shift digital holography, equations (2) to (5) are calculated using the phase shift method.
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
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
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.
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.

次に、本発明による、内面・外面変位同時計測の原理について説明する。２光束を用いて変位を計測する。図３は、光源と物体と観測面の位置関係を示す線図である。光源Ｌ１、Ｌ２から物体に平行光を照射し、観測点Ｏから物体上の点Ｑ、およびその変位後の点Ｑ’を観測している。なお、ここではｘｚ平面内について考える。ここで、点Ｑの変位ベクトルｄは、光源から物体までの距離Ｌ１Ｑ、Ｌ２Ｑに比べ十分に小さいため、線分Ｌ１ＱとＬ１Ｑ’、Ｌ２ＱとＬ２Ｑ’はそれぞれ互いに平行であるとみなせる。同様に、線分ＱＯとＱ’Ｏも平行とみなせる。物体から光源１、物体から光源２、物体から観測点の単位ベクトルをそれぞれｉ１、ｉ２、ｉｏとすると、２つの光路Ｌ１ＱＯとＬ１Ｑ’Ｏ、Ｌ２ＱＯとＬ２Ｑ’Ｏの差Δｌ１、Δｌ２は
となる。物体には平行光を照射しているため、物体から観測点の単位ベクトルｉｏのｘ方向成分は０、ｚ方向成分は１となる。また、光源Ｌ１、Ｌ２から物体への入射角をそれぞれθ、−θとすると、物体から光源１、物体から光源２の単位ベクトルｉ１、ｉ２のそれぞれの方向成分は
となる。光路差Δｌ１、Δｌ２と、光源Ｌ１、Ｌ２によって生じる位相変化Δφ１、Δφ２の関係は波長λを用いると
となる。変位ベクトルｄのｘ方向成分をｄｘ、ｘ方向成分をｄｚとすると、式（１０）〜式（１６）より
となる。式（１７）と式（１８）の差と和をとると
となり、面外変位と面内変位の変位量をそれぞれ求めることができる。 Next, the principle of simultaneous inner / outer surface displacement measurement according to the present invention will be described. Displacement is measured using two light beams. FIG. 3 is a diagram showing the positional relationship between the light source, the object, and the observation surface. The object is irradiated with parallel light from the light sources L 1 and L 2 , and the point Q on the object and the point Q ′ after the displacement are observed from the observation point O. Here, the xz plane is considered. Here, since the displacement vector d of the point Q is sufficiently smaller than the distances L 1 Q and L 2 Q from the light source to the object, the line segments L 1 Q and L 1 Q ′, L 2 Q and L 2 Q ′ Can be considered parallel to each other. Similarly, the line segments QO and Q′O can be regarded as parallel. If the unit vectors from the object to the light source 1, the object to the light source 2, and the object to the observation point are i 1 , i 2 , and i o , respectively, two optical paths L 1 QO and L 1 Q′O, L 2 QO and L 2 Q 'O difference Δl 1 , Δl 2 is
It becomes. Since the irradiating parallel light to the object, x-direction component of the unit vector i o observation point from the object is 0, z-direction components is one. When the incident angles from the light sources L 1 and L 2 to the object are θ and −θ, respectively, the direction components of the unit vectors i 1 and i 2 of the object to the light source 1 and the object to the light source 2 are
It becomes. The relationship between the optical path differences Δl 1 and Δl 2 and the phase changes Δφ 1 and Δφ 2 caused by the light sources L 1 and L 2 is as follows:
It becomes. If the x-direction component of the displacement vector d is d x and the x-direction component is d z , the equations (10) to (16) are used.
It becomes. Taking the difference and sum of Equation (17) and Equation (18)
Thus, the displacement amounts of the out-of-plane displacement and the in-plane displacement can be respectively obtained.

本発明の変位分布計測装置の一実施例について説明する。図４は、本発明による変位分布計測装置の一実施例の構成を示す線図である。変位分布計測装置２０は、レーザ光源２２と、空間フィルタ２４と、コリメータレンズ２６と、ビームスプリッタ２８と、しぼり３０と、ハーフミラー３２と、減光フィルタ３４と、ミラー付きＰＺＴステージ３６と、ミラー３８と、ガラス基板４０と、ＣＣＤカメラ４２と、ビームスプリッタ４４と、減光フィルタ４６と、シャッタ４８と、ミラー５０と、しぼり５２と、シャッタ５４と、ミラー５６と、しぼり５８とを具える。   An embodiment of the displacement distribution measuring apparatus of the present invention will be described. FIG. 4 is a diagram showing the configuration of an embodiment of the displacement distribution measuring apparatus according to the present invention. The displacement distribution measuring device 20 includes a laser light source 22, a spatial filter 24, a collimator lens 26, a beam splitter 28, a squeezing 30, a half mirror 32, a neutral density filter 34, a PZT stage 36 with a mirror, and a mirror. 38, a glass substrate 40, a CCD camera 42, a beam splitter 44, a neutral density filter 46, a shutter 48, a mirror 50, an aperture 52, a shutter 54, a mirror 56, and an aperture 58. .

レーザ光源２２は、例えば出力８ｍＷ、波長６３２．８ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザであってもよく、レーザ光源２２が放射したレーザ光を、空間フィルタ２４とコリメータレンズ２６を用いて平行光にする。このようにして平行にされたレーザ光を、ビームスプリッタ２８によって物体６０に照射する光と参照光にわける。参照光側の光は、しぼり３０によって光束の径を調節され、ハーフミラー３２及び減光フィルタ３４を通過した後、ミラー付きＰＺＴステージ３６によって位相をシフトしながら反射される。反射した光は、ガラス基板４０によって反射し、ＣＣＤカメラ４２に取り込まれる。他方において、物体６０に照射する側の光を、ビームスプリッタ４４によって２つに分ける。ビームスプリッタ４４によって反射した光は透過した光に比べて強度が高いので、減光フィルタ４６を通すことで物体６０に照射する光の強度を同程度にしている。物体６０に照射する２つの光は、各々シャッタ４８及び５４によって遮断されることができる。物体６０に照射する２つの光は、ミラー５０及び５６によって各々ＣＣＤカメラ４２に向けて反射される。ＣＣＤカメラ４２と物体６０の距離によって、再生できる範囲が限られるために、物体６０に照射する２つの光の径は、しぼり５２及び５８によって各々調節される。物体６０にシャッタ４８及び５４を交互に切り替えて片側ずつ光を照射し、物体６０からの反射光を、ガラス基板４０を通してＣＣＤカメラ４２に取り込む。ガラス基板４０は、例えば反射率５％で透過率９５％のものを用いているために物体からの反射光を効率よくＣＣＤカメラ４２で取り込むことができる。また、参照光はガラス基板４０の表で反射してＣＣＤカメラ４２に入るが、ガラス基板４０の裏面で反射する成分もある。裏面で反射する成分がＣＣＤカメラ４２に入らないようにするために、ガラス基板４０の厚みを十分厚くすることが必要である。   The laser light source 22 may be, for example, an He—Ne laser with an output of 8 mW and a wavelength of 632.8 nm. The laser light emitted from the laser light source 22 is converted into parallel light using the spatial filter 24 and the collimator lens 26. The laser beam collimated in this way is divided into light that irradiates the object 60 by the beam splitter 28 and reference light. The light on the reference light side is adjusted in diameter by the aperture 30, passes through the half mirror 32 and the neutral density filter 34, and then reflected by the PZT stage 36 with a mirror while shifting the phase. The reflected light is reflected by the glass substrate 40 and taken into the CCD camera 42. On the other hand, the light on the side that irradiates the object 60 is divided into two by the beam splitter 44. Since the light reflected by the beam splitter 44 has a higher intensity than the transmitted light, the intensity of the light applied to the object 60 is made comparable by passing through the neutral density filter 46. The two lights irradiating the object 60 can be blocked by the shutters 48 and 54, respectively. The two lights that irradiate the object 60 are reflected by the mirrors 50 and 56 toward the CCD camera 42, respectively. Since the reproducible range is limited depending on the distance between the CCD camera 42 and the object 60, the diameters of the two lights irradiating the object 60 are adjusted by the apertures 52 and 58, respectively. The object 60 is alternately switched between the shutters 48 and 54 to emit light one side at a time, and the reflected light from the object 60 is taken into the CCD camera 42 through the glass substrate 40. Since the glass substrate 40 having, for example, a reflectance of 5% and a transmittance of 95% is used, reflected light from an object can be efficiently captured by the CCD camera. Further, the reference light is reflected by the front surface of the glass substrate 40 and enters the CCD camera 42, but there is also a component that is reflected by the back surface of the glass substrate 40. In order to prevent components reflected on the back surface from entering the CCD camera 42, it is necessary to sufficiently increase the thickness of the glass substrate 40.

ＣＣＤカメラに入る参照光の径が大きすぎると、ガラス基板の表面と裏面で反射する光が同時にＣＣＤカメラに入り、物体が重なって２つ再生される。再生像が重なると、変位を表す位相分布も重なっているので全く使うことのできないデータになってしまう。そこで、参照光をしぼりによってＣＣＤカメラの受光素子と同程度の光束にすることで、ガラス基板の表面で反射するものと裏面で反射するものを分離することが望ましい。また、位相シフトデジタルホログラフィは、ＣＣＤカメラと物体の距離によって再生される範囲が決まっている。再生される範囲より広範囲に光を照射すると、再生範囲外の部分はコンピュータ上の計算で再生範囲内に折り返して再生される。そのため、しぼりによって撮影範囲以外にマスクをかけることが望ましい。   If the diameter of the reference light entering the CCD camera is too large, the light reflected by the front and back surfaces of the glass substrate enters the CCD camera at the same time, and the object overlaps and is reproduced. If the reproduced images overlap, the phase distribution representing the displacement also overlaps, and the data cannot be used at all. Therefore, it is desirable to separate the light reflected from the front surface of the glass substrate from the light reflected from the back surface by reducing the reference light to a light flux comparable to that of the light receiving element of the CCD camera. Further, in the phase shift digital holography, the range to be reproduced is determined by the distance between the CCD camera and the object. When light is irradiated over a wider range than the reproduction range, the portion outside the reproduction range is turned back into the reproduction range and reproduced by calculation on the computer. Therefore, it is desirable to apply a mask outside the shooting range by squeezing.

変位分布計測装置２０による面内・面外変位同時計測について説明する。変位前の位相シフトした干渉縞を各方向からの光それぞれについて記録する。変位を与えた後、変位後の位相シフトした干渉縞を各方向からの光それぞれについて記録する。図５ａは左から照射した光によって得られた変位前の強度分布を示す画像であり、図５ｂは位相分布を示す画像である。図６ａは右から照射した光によって得られた変位前の強度分布を示す画像であり、図６ｂは位相分布を示す画像である。図７ａは左から照射した光によって得られた変位後の強度分布を示す画像であり、図７ｂは位相分布を示す画像である。図８ａは右から照射した光によって得られた変位後の強度分布を示す画像であり、図８ｂは位相分布を示す画像である。   The simultaneous measurement of in-plane and out-of-plane displacements by the displacement distribution measuring apparatus 20 will be described. The phase-shifted interference fringes before displacement are recorded for each light from each direction. After giving the displacement, the phase-shifted interference fringes after the displacement are recorded for each light from each direction. FIG. 5A is an image showing an intensity distribution before displacement obtained by light irradiated from the left, and FIG. 5B is an image showing a phase distribution. FIG. 6A is an image showing an intensity distribution before displacement obtained by light irradiated from the right, and FIG. 6B is an image showing a phase distribution. FIG. 7a is an image showing the intensity distribution after displacement obtained by the light irradiated from the left, and FIG. 7b is an image showing the phase distribution. FIG. 8a is an image showing the intensity distribution after displacement obtained by the light irradiated from the right, and FIG. 8b is an image showing the phase distribution.

図５と図７の位相分布の差をとり、図６と図８の位相分布の差をとる。図９ａはこのようにして得られた左から照射した光から得られた位相差分布を示す画像であり、図９ｂは右から照射した光から得られた位相差分布を示す画像である。図９に示した位相差分布同士の和と差をとり、閾値処理をおこなう。図１０ａはこのようにして和から得られた位相分布を示す画像であり、図１０ｂは差から得られた位相分布を示す画像である。このとき得た位相分布はそれぞれ面外変位と面内変位を表す位相分布となる。得られた位相分布の１ラインの位相値から変位量をそれぞれ計算する。図１１は、このようにして得られたそれぞれの変位分布を示すグラフである。縦軸はμｍにおける変位量、横軸はｍｍにおける測定物体であるはりの長さを示す。黒い点は面外変位、灰色の点は面内変位を示す。   The difference between the phase distributions of FIGS. 5 and 7 is taken, and the difference between the phase distributions of FIGS. 6 and 8 is taken. FIG. 9A is an image showing the phase difference distribution obtained from the light irradiated from the left thus obtained, and FIG. 9B is an image showing the phase difference distribution obtained from the light irradiated from the right. The threshold processing is performed by taking the sum and difference of the phase difference distributions shown in FIG. FIG. 10a is an image showing the phase distribution obtained from the sum in this way, and FIG. 10b is an image showing the phase distribution obtained from the difference. The phase distribution obtained at this time is a phase distribution representing an out-of-plane displacement and an in-plane displacement. The displacement amount is calculated from the phase value of one line of the obtained phase distribution. FIG. 11 is a graph showing the respective displacement distributions thus obtained. The vertical axis represents the amount of displacement in μm, and the horizontal axis represents the length of the beam that is the measurement object in mm. Black points indicate out-of-plane displacement, and gray points indicate in-plane displacement.

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. 光源と物体と観測面の位置関係を示す線図である。It is a diagram which shows the positional relationship of a light source, an object, and an observation surface. 本発明による変位分布計測装置の一実施例の構成を示す線図である。It is a diagram which shows the structure of one Example of the displacement distribution measuring apparatus by this invention. ａは左から照射した光によって得られた変位前の強度分布を示す画像であり、ｂは位相分布を示す画像である。a is an image showing an intensity distribution before displacement obtained by light irradiated from the left, and b is an image showing a phase distribution. ａは右から照射した光によって得られた変位前の強度分布を示す画像であり、ｂは位相分布を示す画像である。a is an image showing an intensity distribution before displacement obtained by light irradiated from the right, and b is an image showing a phase distribution. ａは左から照射した光によって得られた変位後の強度分布を示す画像であり、ｂは位相分布を示す画像である。a is an image showing an intensity distribution after displacement obtained by light irradiated from the left, and b is an image showing a phase distribution. ａは右から照射した光によって得られた変位後の強度分布を示す画像であり、ｂは位相分布を示す画像である。a is an image showing the intensity distribution after displacement obtained by light irradiated from the right, and b is an image showing the phase distribution. ａは左から照射した光から得られた位相差分布を示す画像であり、ｂは右から照射した光から得られた位相差分布を示す画像である。a is an image showing the phase difference distribution obtained from the light irradiated from the left, and b is an image showing the phase difference distribution obtained from the light irradiated from the right. ａは和から得られた位相分布を示す画像であり、ｂは差から得られた位相分布を示す画像である。a is an image showing the phase distribution obtained from the sum, and b is an image showing the phase distribution obtained from the difference. 面外変位と面内変位の変位分布を示すグラフである。It is a graph which shows the displacement distribution of an out-of-plane displacement and an in-plane displacement.

符号の説明Explanation of symbols

１ 記録再生光学系
２、２２ レーザ光源
４、２４ 空間フィルタ
６、２６ コリメータレンズ
８、２８、４４ ビームスプリッタ
１０ 絞り
１２、４６ 減光フィルタ
１４、３６ ミラー付きＰＺＴステージ
１６、４２ ＣＣＤカメラ
２０ 変位分布計測装置
３０、５２、５８ しぼり
３２ ハーフミラー
３４ 減光フィルタ
３８、５０、５６ ミラー
４０ ガラス基板
４８、５４ シャッタ

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Recording / reproducing optical system 2, 22 Laser light source 4, 24 Spatial filter 6, 26 Collimator lens 8, 28, 44 Beam splitter 10 Aperture 12, 46 Neutral filter 14, 36 PZT stage with mirror 16, 42 CCD camera 20 Displacement distribution Measuring device 30, 52, 58 Squeezing 32 Half mirror 34 Attenuating filter 38, 50, 56 Mirror 40 Glass substrate 48, 54 Shutter

Claims (7)

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方法において、
前記物体の変位・変形前の状態である第１の状態において、参照光の位相を所定量だけ順次シフトさせながら、所定の入射角で第１の方向から光を照射した物体の像を２次元撮像装置により撮像し、干渉縞をデジタルデータとして記録して第１の状態における第１デジタルホログラムを作成する工程と、
前記第１の状態において、参照光の位相を所定量だけ順次シフトさせながら、前記第１の方向と同一面内に存在するとともに前記第１の方向とは異なる第２の方向から同じ入射角で光を照射した物体の像を２次元撮像装置により撮像し、干渉縞をデジタルデータとして記録して第１の状態における第２デジタルホログラムを作成する工程と、
前記物体の変位・変形後の状態である第２の状態において、参照光の位相を所定量だけシフトさせながら前記第１の方向から前記所定の入射角で光を照射した前記物体の像を２次元撮像装置により撮像し、干渉縞をデジタルデータとして記録して第２の状態における第１デジタルホログラムを作成する工程と、
前記第２の状態において、参照光の位相を所定量だけシフトさせながら前記第２の方向から前記所定の入射角で光を照射した前記物体の像を２次元撮像装置により撮像し、干渉縞をデジタルデータとして記録して第２の状態における第２デジタルホログラムを作成する工程と、
前記第１の状態における第１デジタルホログラムと、前記第２の状態における第１デジタルホログラムから、第１の位相分布を得る工程と、
前記第１の状態における第２デジタルホログラムと、前記第２の状態における第２デジタルホログラムから、第２の位相分布を得る工程と、
前記第１及び第２位相分布の差を求め、面内変位を表す位相分布を得る工程と、
前記第１及び第２位相分布の和を求め、面外変位を表す位相分布を得る工程とを具えることを特徴とする変位分布計測方法。 In a displacement distribution measuring method of recording an object image 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,
In the first state, which is a state before the displacement / deformation of the object, a two-dimensional image of the object irradiated with light from the first direction at a predetermined incident angle while sequentially shifting the phase of the reference light by a predetermined amount. Imaging the imaging device and recording the interference fringes as digital data to create a first digital hologram in a first state;
In the first state, while sequentially shifting the phase of the reference light by a predetermined amount, at the same incident angle from a second direction that is in the same plane as the first direction and is different from the first direction. Capturing an image of an object irradiated with light with a two-dimensional imaging device, recording interference fringes as digital data, and creating a second digital hologram in a first state;
In the second state, which is a state after displacement and deformation of the object, 2 images of the object irradiated with light at the predetermined incident angle from the first direction while shifting the phase of the reference light by a predetermined amount are displayed. Imaging a two-dimensional imaging device, recording interference fringes as digital data, and creating a first digital hologram in a second state;
In the second state, an image of the object irradiated with light at the predetermined incident angle from the second direction while shifting the phase of the reference light by a predetermined amount is captured by a two-dimensional imaging device, and interference fringes are generated. Recording as digital data and creating a second digital hologram in a second state;
Obtaining a first phase distribution from the first digital hologram in the first state and the first digital hologram in the second state;
Obtaining a second phase distribution from the second digital hologram in the first state and the second digital hologram in the second state;
Obtaining a difference between the first and second phase distributions to obtain a phase distribution representing in-plane displacement;
A displacement distribution measuring method comprising: obtaining a sum of the first and second phase distributions to obtain a phase distribution representing an out-of-plane displacement. 請求項１に記載の変位分布計測方法において、前記参照光の径のサイズは、前記撮像装置の撮像素子のサイズと実質的に同じであることを特徴とする変位分布計測方法。   The displacement distribution measuring method according to claim 1, wherein the size of the diameter of the reference light is substantially the same as the size of the imaging element of the imaging device. 請求項１又は２に記載の変位分布計測方法において、前記物体に照射される光の範囲は、前記２次元撮像装置が撮像する範囲と実質的に同じであることを特徴とする変位分布計測方法。   3. The displacement distribution measuring method according to claim 1, wherein a range of light applied to the object is substantially the same as a range captured by the two-dimensional imaging device. . 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おいて、
参照光を発生し、位相シフトさせる参照光発生手段と、
物体に第１の方向から所定の入射角で光を照射する第１光照射手段と、
前記第１の方向からの光を遮る第１シャッタと、
前記第１の方向と同一面内に存在するとともに前記物体に前記第１の方向とは異なる第２の方向から同じ入射角で光を照射する第２光照射手段と、
前記第２の方向からの光を遮る第２シャッタと、
前記参照光と前記物体を撮影する２次元撮像手段とを具え、
前記物体の変位・変形前の状態である第１の状態において、参照光の位相を所定量だけ順次シフトさせながら、前記第１シャッタを開くと共に前記第２シャッタを閉じて、所定の入射角で第１の方向から光を照射した物体の像を撮像し、干渉縞をデジタルデータとして記録して第１の状態における第１デジタルホログラムを作成し、
前記第１の状態において、参照光の位相を所定量だけ順次シフトさせながら、前記第１シャッタを閉じると共に前記第２シャッタを開いて、前記第１の方向とは異なる第２の方向から同じ入射角で光を照射した物体の像を撮像し、干渉縞をデジタルデータとして記録して第１の状態における第２デジタルホログラムを作成し、
前記物体の変位・変形後の状態である第２の状態において、参照光の位相を所定量だけシフトさせながら、前記第１シャッタを開くと共に前記第２シャッタを閉じて、前記第１の方向から前記所定の入射角で光を照射した前記物体の像を撮像し、干渉縞をデジタルデータとして記録して第２の状態における第１デジタルホログラムを作成し、
前記第２の状態において、参照光の位相を所定量だけシフトさせながら、前記第１シャッタを閉じると共に前記第２シャッタを開いて、前記第２の方向から前記所定の入射角で光を照射した前記物体の像を撮像し、干渉縞をデジタルデータとして記録して第２の状態における第２デジタルホログラムを作成し、
前記第１の状態における第１デジタルホログラムと前記第２の状態における第１デジタルホログラムから第１の位相分布を得て、前記第１の状態における第２デジタルホログラムと前記第２の状態における第２デジタルホログラムから第２の位相分布を得て、前記第１及び第２位相分布の差を求め、面内変位を表す位相分布を得て、前記第１及び第２位相分布の和を求め、面外変位を表す位相分布を得るように構成したことを特徴とする変位分布計測装置。 In a displacement distribution measuring apparatus 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,
A reference light generating means for generating and shifting the phase of the reference light;
First light irradiating means for irradiating an object with light at a predetermined incident angle from a first direction;
A first shutter that blocks light from the first direction;
A second light irradiation means for irradiating the object with light at the same incident angle from a second direction different from the first direction and existing in the same plane as the first direction;
A second shutter that blocks light from the second direction;
Comprising two-dimensional imaging means for photographing the reference light and the object;
In the first state, which is the state before displacement and deformation of the object, the first shutter is opened and the second shutter is closed while sequentially shifting the phase of the reference light by a predetermined amount, and at a predetermined incident angle. Capturing an image of an object irradiated with light from a first direction, recording interference fringes as digital data, and creating a first digital hologram in a first state;
In the first state, while sequentially shifting the phase of the reference light by a predetermined amount, the first shutter is closed and the second shutter is opened, and the same incidence is made from a second direction different from the first direction. An image of an object irradiated with light at an angle is taken, and interference fringes are recorded as digital data to create a second digital hologram in the first state,
In the second state, which is a state after the displacement / deformation of the object, the first shutter is opened and the second shutter is closed while shifting the phase of the reference light by a predetermined amount from the first direction. Capturing an image of the object irradiated with light at the predetermined incident angle, recording interference fringes as digital data to create a first digital hologram in a second state;
In the second state, the first shutter is closed and the second shutter is opened while shifting the phase of the reference light by a predetermined amount, and light is emitted from the second direction at the predetermined incident angle. Taking an image of the object, recording interference fringes as digital data to create a second digital hologram in a second state,
From the first digital hologram in said second state and the first digital hologram prior Symbol first state to obtain a first phase distribution, the in the second state and the second digital hologram in said first state Obtaining a second phase distribution from two digital holograms, obtaining a difference between the first and second phase distributions, obtaining a phase distribution representing in-plane displacement, and obtaining a sum of the first and second phase distributions; A displacement distribution measuring apparatus configured to obtain a phase distribution representing an out-of-plane displacement. 請求項４に記載の変位分布計測装置において、前記参照光発生手段は、前記参照光の径のサイズを前記撮像手段の撮像素子のサイズと実質的に同じにする手段を具えることを特徴とする変位分布計測装置。   5. The displacement distribution measuring apparatus according to claim 4, wherein the reference light generating means includes means for making the size of the diameter of the reference light substantially the same as the size of the imaging element of the imaging means. Displacement distribution measuring device. 請求項４又は５に記載の変位分布計測装置において、前記第１及び第２光照射手段は、前記撮像手段手段の撮像範囲と実質的に同じ範囲の光を照射することを特徴とする変位分布計測装置。   6. The displacement distribution measuring apparatus according to claim 4, wherein the first and second light irradiating means irradiates light in a range substantially the same as an imaging range of the imaging means means. Measuring device. 請求項４、５又は６に記載の変位分布計測装置において、参照光発生手段は、参照光を前記二次元撮像手段に導く手段の一部として、前記二次元撮像手段の手前に斜めに配置された所定の厚さを有するガラス板を具え、前記厚さは、前記ガラス板の裏面で反射する参照光の成分が前記二次元撮像手段に実質的に入射しない厚さであることを特徴とする変位分布計測装置。
7. The displacement distribution measuring device according to claim 4, wherein the reference light generating means is disposed obliquely in front of the two-dimensional imaging means as a part of means for guiding the reference light to the two-dimensional imaging means. A glass plate having a predetermined thickness, wherein the thickness is a thickness at which a component of the reference light reflected by the back surface of the glass plate is not substantially incident on the two-dimensional imaging means. Displacement distribution measuring device.
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