JP4766989B2 - 位相シフトデジタルホログラフィ法を用いた歪計測方法および歪計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、位相シフトデジタルホログラフィ法を用いて物体表面の歪を計測する歪計測方法および歪計測装置に関するものである。

近年、橋梁などの構造物の健全性を評価してアセットマネッジメントを実施することによって、予算を効率的に管理しようとする動きが盛んになってきている。
ところで、構造物の健全性を評価する重要な事項としては疲労破壊がある。

この疲労破壊は、例えば橋梁の場合、車両の走行荷重や風荷重、その他、機械的な振動などの繰り返しにより発生する。
このような疲労破壊を防ぐためには、まず、構造物における歪を計測して変位量を求めることで、応力が集中している箇所を把握することが重要となる。

従来、構造物の歪を求めるのに、歪ゲージを用いる方法があるが、この歪ゲージによると、当該歪ゲージを貼付した箇所しか計測することができず、構造物を広範囲に亘って計測するのに適していなかった。

これに対し、非接触で比較的広範囲の歪を計測する方法として、レーザスペックル干渉法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このレーザスペックル干渉法の基本原理は、被計測部分にレーザビームを照射し、その散乱光を撮像手段にてスペックルパターンとして記録しておき、そして被計測部分の変形前後におけるスペックルパターンの移動量に基づき、被計測物における変位および歪を計測するようにしたものである。
特開平８−２６１７３０号公報

しかし、レーザスペックル干渉法は、レーザビームを被計測物に照射し、生じた散乱光をスペックルパターンとして撮像するに際して、集光レンズにて結像させたうえで撮像するため、スペックルパターンが撮影されることになり、その影響を低減するために、空間的な平滑化などのフィルタリングを掛ける必要があり、したがって空間分解能が低くなるという問題があった。

また、上記空間分解能の低さから、被計測物表面からの散乱光が弱いと、十分な計測精度が得られないため、被計測物表面に散乱を促進するための薬剤を散布するなどの作業が必要であった。

そこで、上記課題を解決するため、本発明は、非接触でかつ広範囲での被計測部分の歪を、高い空間分解能で精度良く計測し得る位相シフトデジタルホログラフィ法を用いた歪計測装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の位相シフトデジタルホログラフィ法を用いた歪計測方法は、レーザ照射器から出射されたレーザ光を計測光として所定の載置面に載置された被計測物体に照射し、その反射した物体光と上記レーザ光から第１ビームスプリッタにより分割され且つ位相がπ／２ずつ１周期分シフトされた参照光とを同軸でもってＣＣＤカメラに入射させて得られたホログラム画像から被計測物体表面の位相分布を位相シフトデジタルホログラフィ法を用いて求める手順を、被計測物体の変形前と変形後とで行い、
これら変形前と変形後との両位相分布の差である位相分布差から物体光の照射方向での被計測物体表面における変位を求める変位演算工程を具備するとともに、
この変位演算工程を、被計測物体の載置面に垂直な第１垂直面の面内および載置面に垂直で且つ上記第１垂直面に垂直な第２垂直面の面内で、それぞれ被計測物体の両側から且つ入射角が等しくされた２つの第１計測光および２つの第２計測光（以下、２つの計測光を２光束という）についてそれぞれ行うことにより、載置面に垂直なｚ軸方向および載置面と第１垂直面との交差軸であるｘ軸方向、並びに載置面に垂直なｚ軸方向および載置面と第２垂直面との交差軸であるｙ軸方向での変位量をそれぞれ演算し、
上記求められた三次元方向での変位量から被計測物体に生じた歪を算出する歪計測方法であって、
上記第１計測光および第２計測光を、上記第１ビームスプリッタにより分割された計測光を第２ビームスプリッタにて分割することにより得るとともに、この得られた各計測光をそれぞれ２光束でもって被計測物体に照射する際に、それぞれの照射経路に配置された一対のシャッター部材を開閉させることにより、２光束における一方の計測光を直接に被計測物体に照射させるようになし、且つ２光束における他方の計測光を、その照射方向に対向して配置された反射ミラーを介して被計測物体に上記一方の計測光とは反対側から照射させるようにした方法である。

また、本発明の位相シフトデジタルホログラフィ法を用いた歪計測装置は、上述した歪計測方法を用いた歪計測装置であって、
１つのレーザ照射器と、
このレーザ照射器から出射されたレーザ光を２つに分割して計測光と参照光とを得るための第１ビームスプリッタと、
この第１ビームスプリッタを参照光の照射方向に沿って移動させて、当該参照光の位相をπ／２ずつ１周期分シフトさせる移動手段と、
上記第１ビームスプリッタからの計測光をさらに２つに分割して第１計測光と第２計測光とを得るための第２ビームスプリッタと、
この得られた第１計測光および第２計測光の各照射経路の途中にそれぞれ配置されてこれら各計測光を半分ずつ開閉し得る一対の第１シャッター部材および一対の第２シャッター部材と、
被計測物体が載置された載置面に垂直に配置されて、上記一対の第１シャッター部材の一方が開放された際には、その一方側の第１計測光については反射させずに被計測物体に直接照射させるようにするとともに、他方が開放された際に、その他方側の第１計測光を反射させて被計測物体に、上記一方側の第１計測光とは反対側から且つ同じ入射角でもって照射させる第１反射ミラーと、
上記載置面および第１反射ミラーに垂直に配置されて、上記一対の第２シャッター部材の一方が開放された際には、その一方側の第２計測光については反射させずに被計測物に直接照射させるようにするとともに、他方が開放された際に、その他方側の第２計測光を反射させて被計測物体に、当該計測光とは反対側で且つ同じ入射角でもって照射させる第２反射ミラーと、
上記被計測物体の表面にて反射した物体光および上記参照光を同軸でもって入射させて被計測物体表面のホログラム画像を得るためのＣＣＤカメラと、
上記移動手段により参照光の位相がシフトされて得られた複数のホログラム画像から被計測物体表面の位相分布を求める位相分布演算部と、
この位相分布演算部にて求められた被計測物体の変形前と変形後における位相分布の差を求める位相差演算部と、
この位相差演算部にて求められた位相分布差により、載置面内並びにこの載置面に垂直な第１垂直面内、並びにこれら載置面および第１垂直面に垂直な第２垂直面内での変位量を求める変位演算部と、
この変位演算部にて求められた各変位量から被計測物体表面における三次元方向での歪を求める歪算出部とを具備したものである。

上記歪計測方法および歪計測装置によると、被計測物体表面の変位を、その変形前と変形後における位相分布差から求める際に、位相シフトデジタルホログラフィ法を用いるようにしたので、非接触でかつ広範囲での被計測部分の歪を高い空間分解能で精度良く計測することができる。

さらに、上記歪計測方法および歪計測装置によると、１つのレーザ照射器から照射されるレーザ光を計測光と参照光とに分割するとともに、この分割された計測光をさらに２つに分割し、これら分割された２つの各計測光の照射経路途中に、各計測光を半分ずつ照射し得るシャッター部材をそれぞれ配置し、そしてシャッター部材により半分に遮られた一方側の計測光を、載置面に載置された被計測物体に直接照射するとともに、他方側の計測光を、載置面に垂直に配置された反射ミラーにより、一方側の計測光とは反対側で且つ同じ入射角で被計測物体に照射するようにして、すなわち互いに垂直な照射面方向で照射される２つの計測光を用いて、被計測物体表面における面内変位および面外変位である三次元方向での変位を求めることにより、歪を計測するようにしたので、その構成自体を簡単なものにし得るとともに、コンパクト化を図ることができる。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態に係る位相シフトデジタルホログラフィ法を用いた歪計測方法および歪計測装置を図面に基づき説明する。

まず、位相シフトデジタルホログラフィ法を用いて物体の変位を計測する原理について、簡単に説明する。
この位相シフトデジタルホログラフィ法においては、ＣＣＤに物体光（物体からの反射光である）と参照光を同軸（ｏｎ−ａｘｉｓ）で入射させる光学系が用いられ、この状態で再生すると、０次、１次、−１次の回折像が重なって再生されることになるが、位相シフトされている干渉縞の位相解析により、ＣＣＤ面上の複素振幅を求めて再生を行なうと、１次回折像だけを得ることができる。

この手法では、光の複素振幅分布を計算により求め、その光の逆伝播を計算して像を再生するため、計算機上で焦点を合わすことができ、しかも再生されている１次回折像は強度だけでなく位相もデジタル情報として得られる特徴を有している。

ここで、物体光の複素振幅をＡ_ｏ（ｘ，ｙ）、参照光の複素振幅をＡ_ｒ（ｘ，ｙ）とすると、下記（１）式および（２）式にて表わされる。

ここで、ａ_ｏ（ｘ，ｙ）およびａ_ｒ（ｘ，ｙ）はそれぞれ物体光と参照光の振幅分布を表わし、φ_ｏ（ｘ，ｙ）およびφ_ｒ（ｘ，ｙ）はそれぞれ物体光と参照光の位相分布を表わす。αはＰＺＴステージに設けられた反射ミラー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。

また、ＣＣＤで記録される干渉縞Ｉ（ｘ，ｙ，α）は下記（３）式にて表すことができる。

そして、ＣＣＤ面上での位相解析に際して位相シフト法が用いられる。
すなわち、参照光に平行光を用いるために、記録面における振幅は一定で位相の変化はないため、下記（４）式により記録面での物体光だけの振幅ａ（ｘ，ｙ）が得られ、また位相φ（ｘ，ｙ）は下記（５）式に示される関係から求めることができる。

このようにして得られた位相と振幅から記録面での複素振幅分布ｇ（ｘ，ｙ）を求めると、下記（６）式のようになる。

ＣＣＤ面上の複素振幅分布から、再生面上の複素振幅分布を求めるのにフレネル回折積分が用いられる。
元の物体の複素振幅分布をｕ（ｘ，ｙ）とすると、下記（７）式のように表わされる。

ここで、Ｆはフーリエ変換を表す演算子、Ｒは記録面と再生面の距離、ｋは波数である。
上記説明を踏まえて、被計測物体における変形前と変形後とにおける位相分布差を求める原理について説明する。

変形前における物体光の再生面の複素振幅分布をＡ_ｏ（ｘ，ｙ）、変形後における物体光の再生面の複素振幅分布をＡ_ｏ′（ｘ，ｙ）とすると、それぞれ下記（８）式および（９）式のように表すことができる。

与えた変形が微小であれば、変形前と変形後における物体光の振幅分布は変化がなく、位相分布のみが変化するといえるため変形後の振幅分布ａ_ｏ′（ｘ，ｙ）と位相分布φ_ｏ′（ｘ，ｙ）は、それぞれ下記（１０）式および（１１）式のように表すことができる。

ここで、変形によって生じる位相分布差である位相変化△φ（ｘ，ｙ）は、変形前後における再生像の位相の差をとることで得られる。
そして、本発明の要旨は、載置面（ｘ−ｙ平面）に載置された被計測物体表面における三次元方向での歪、すなわち変位を計測し得るものであり、このため、ｘ−ｚ平面とｙ−ｚ平面において、それぞれ２光束を用いた変位計測を行い、各平面において、それぞれの座標軸方向（ｘ−ｚ平面では、ｘ軸方向とｚ軸方向；ｙ−ｚ平面では、ｙ軸方向とｚ軸方向）での変位を求めるものである。

次に、２光束を用いた変位計測原理について説明する。
２光束を用いて変位を計測するために、光源と被計測物体と観測点の位置関係を図１に示す。

図１においては、光源Ｌ_１，Ｌ_２から被計測物体Ｍに平行光を照射し、観測点Ｏから被計測物体Ｍ上の点Ｑおよびその変位後の点Ｑ′を観測するようにしている。なお、ここではｘ−ｚ平面について考える。

ここで、点Ｑの変位ベクトルｄは、光源Ｌ_１，Ｌ_２から被計測物体Ｍまでの距離Ｌ_１Ｑ，Ｌ_２Ｑに比べ十分に小さいため、線分Ｌ_１ＱとＬ_１Ｑ′，Ｌ_２ＱとＬ_２Ｑ′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。

被計測物体Ｍから光源Ｌ_１、被計測物体Ｍから光源Ｌ_２、被計測物体Ｍから観測点Ｏに至る単位ベクトルをｉ_１，ｉ_２，ｉ_３とすると、２つの光路Ｌ_１ＱＯとＬ_１Ｑ′Ｏの差△ｌ_１、および光路Ｌ_２ＱＯとＬ_２Ｑ′Ｏの差△ｌ_２は、それぞれ下記（１２）式および（１３）式のように表すことができる。

物体光には平行光が用いられているため、被計測物体Ｍから観測点Ｏに至る単位ベクトルｉ_０のｘ軸方向成分は０（ゼロ）、ｚ軸方向成分は１になる。
また、光源Ｌ_１，Ｌ_２から被計測物体Ｍへの入射角をそれぞれθおよび−θとすると、被計測物体Ｍから光源Ｌ_１、被計測物体Ｍから光源Ｌ_２に至る各単位ベクトルｉ_１，ｉ_２のそれぞれの方向成分は、下記（１４）式〜（１６）式にて表わすことができる。

光路差Δｌ_１，Δｌ_２と,光源Ｌ_１，Ｌ_２によって生じる位相変化Δφ_１，Δφ_２の関係は、波長λを用いると、下記（１７）式および（１８）式にて表すことができる。

変位ベクトルｄのｘ軸方向成分をｄ_ｘ、ｚ軸方向成分をｄ_ｚとすると、上述した（１２）式〜（１８）式によると、下記（１９）式および（２０）式のようになる。

上記（１９）式と（２０）式の差および和をとると、下記（２１）式および（２２）式により、ｄ_ｘおよびｄ_ｚが求まる。すなわち、面内変位ｄ_ｘと面外変位ｄ_ｚをそれぞれ求めることができる。

上記事項を簡単に説明すると、この位相シフトデジタルホログラフィ法は、所定の載置面（ｘ−ｙ平面）に載置された被計測物体の変位を三次元方向で且つ高精度でもって計測する方法で、通常は、一方向から光を照射して面外方向の変位を計測するが、本実施の形態では、２光束を用いて且つ左右方向から同じ入射角で入射させてその反射された物体光と参照光とをＣＣＤカメラで撮影し、この撮影されたホログラム画像から位相分布を求め、しかも左右から反射された物体光による両位相変化（位相分布差）の差に基づき面内変位（ｘ軸方向またはｘ軸方向での変位）を、また両位相変化の和に基づき面外変位（ｚ軸方向での変位）を得るようにしたものである。

そして、上記の手順を、２つの照射面方向（２光束が通過する面方向を意味する）からの計測光に適用することにより、被計測物体における三次元方向（ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向）での変位量を求めるようにしたものである。

次に、上述した位相シフトデジタルホログラフィ法を用いて三次元方向での変位量を計測するとともに、この計測された変位量を微分することにより、歪を求めるようにした歪計測装置を、図２〜図７に基づき説明する。

この歪計測装置は、図２に示すように、大きく分けて、被計測物体に照射しその反射光である物体光の位相分布に基づき三次元方向での変位量（面内方向および面外方向の変位である）を求める変位計測部１と、この変位計測部１で計測された変位量を微分することにより歪を求めるための歪算出部２とから構成されており、また本発明の要旨は、上記変位計測部１にあるため、まず変位計測部１の概略構成について説明する。

すなわち、この変位計測部１は、図３に示すように、主として、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光（半導体レーザによるレーザ光を用いてもよい）Ｒを出射するレーザ照射器１１と、このレーザ照射器１１から出射されたレーザ光を２つに分割して計測光Ｒｍと参照光Ｒｒを得るための第１ビームスプリッタ（偏光ビームスプリッタが用いられる）１２と、この第１ビームスプリッタ１２からの計測光をさらに２つに分割して２つの第１および第２計測光Ｒａ，Ｒｂを得るための第２ビームスプリッタ（無偏光ビームスプリッタが用いられる）１３と、この第２ビームスプリッタ１３にて分割された２つの第１および第２計測光Ｒａ，Ｒｂを水平面（ｘ−ｙ平面）である載置面Ｄに載置された被計測物体Ｍに両側方［正確に言えば、ｘ−ｚ平面に沿う照射面方向（以下、ｘ−ｚ平面方向という）およびｙ−ｚ平面に沿う照射面方向（以下、ｙ−ｚ平面方向という）］から照射させるための第１反射ミラー１４および第２反射ミラー１５と、被計測物体Ｍで反射した物体光Ｒｏを第３反射ミラー１６を介して導き被計測物体Ｍを撮影するための撮影装置であるＣＣＤカメラ１７と、この第３反射ミラー１６とＣＣＤカメラ１７との間に配置されて第１ビームスプリッタ１２からの参照光Ｒｒを物体光Ｒｏと同軸にてＣＣＤカメラ１７に導くためのハーフミラー１８と、上記ＣＣＤカメラ１７にて撮影されたホログラム画像（輝度データである）を入力して所定の演算を行い被計測物体Ｍ表面の三次元方向での変位量を求めるためのコンピュータ装置１９とから構成されており、またこのコンピュータ装置１９からの制御信号により、参照光の位相シフトが行われるとともに、後述する各シャッター部材が作動される。

そして、上記第１ビームスプリッタ１２は、参照光Ｒｒの照射方向で移動させて当該参照光の位相を４段階に、すなわち位相が０（ゼロ）、π／２，π，３π／２）となるように位相をシフトさせるための移動手段であるＰＺＴステージ（ピエゾステージである）２０に設けられている。なお、この第１ビームスプリッタ１２は、参照光の照射方向で移動された場合でも、計測光側における被計測物体までの距離に変化を与えることはない。

また、上記レーザ照射器１１と第１ビームスプリッタ１２との間には、スペーシャルフィルター２１、光アイソレータ２２、スペーシャルフィルター２３、光ファイバー２４、スペーシャルフィルター２５、偏光ビームスプリッタ２６および１／２波長板２７が配置されて、レーザ光Ｒを平行光として第１ビームスプリッタ１２に入射させるようにしている。なお、上記光アイソレータ２２は光ファイバー２４からの反射光を阻止するためのもので、偏光ビームスプリッタ２６は光ファイバー２４により楕円化した光を直線偏光に整えるためのもの、また１／２波長板２７は偏光を回転させることにより第１ビームスプリッタ１２で分岐する参照光と計測光の光量比を調整するためのものである。

そして、上述したように、第２ビームスプリッタ１３で分割された一方の第１計測光Ｒａをｙ−ｚ平面に対向するように被計測物体Ｍに照射するとともに、他方の第２計測光Ｒｂをｘ−ｚ平面方向に対向するように被計測物体Ｍに照射し、しかも各計測光Ｒａ，Ｒｂを一対のシャッター部材（後述する）により上下に半分ずつ分割して照射し得るような構成（正確に言えば、各計測光においてそれぞれ２光束が得られるような構成）にされている。

すなわち、図３〜図６に示すように、被計測物体Ｍが載置される載置面Ｄである水平面（ｘ−ｙ平面）に対して、垂直な第２垂直面（ｙ−ｚ平面）と平行に第４反射ミラー３１が配置されるとともに、上記載置面Ｄとこの第２垂直面の両方に垂直な第１垂直面（ｘ−ｚ平面）と平行に第５反射ミラー３２が配置され、また第１計測光Ｒａは載置面Ｄと第４反射ミラー３１との両方に跨るように照射されるとともに、第２計測光Ｒｂについても、載置面Ｄと第５反射ミラー３２との両方に跨るように照射されており、しかも、それぞれの照射経路の途中に配置された一対の第１シャッター部材３３（３３ａ，３３ｂ）および一対の第２シャッター部材３４（３４ａ，３４ｂ）により、上下半分ずつでもって照射されるように構成されている。簡単に言えば、第４反射ミラー３１は第１計測光Ｒａの照射面方向に対向して配置され、また第５反射ミラー３２は第２計測光Ｒｂの照射面方向に対向して配置されている。

具体的には、一方の第１シャッター部材３３ａにより照射経路の上半分が遮られると、下半分の第１計測光Ｒａは載置面Ｄ上の被計測物体Ｍに、直接、所定方向（ｘ−ｚ平面方向）から照射され、また他方の第１シャッター部材３３ｂにより照射経路の反対側の下半分が遮られると、上半分の第１計測光Ｒａは第２垂直面（ｙ−ｚ平面）と平行に立設された第４反射ミラー３１にて反射されて、上記所定方向とは反対側で且つ同じ入射角でもって被計測物体Ｍに照射される。なお、上記第１計測光Ｒａの被計測物体Ｍに対する入射角は、図４に示すように、５０〜７０度の範囲、好ましくは、６０度にされており、両側から照射された一対の第１計測光Ｒａ，Ｒａ同士の重なり範囲が広くなるようにされている。なお、７０度を超えると、重なり範囲は増えるが、分解能が粗くなってしまい、また逆に、５０度よりも小さくなると、重なり範囲（計測範囲）が狭くなってしまう。また、上記各シャッター部材３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂとしては、例えば矩形状の板体（所謂、スライド式）または円弧状の板体（所謂、回動式）が用いられる。

このように、１つの第１計測光Ｒａを用いて、被計測物体Ｍのｘ−ｚ平面方向で、両側から６０度の入射角でもって被計測物体Ｍに照射される２つの第１計測光（所謂、２光束）Ｒａ，Ｒａが得られることになる。

また、第２計測光Ｒｂについても、同様に、その照射方向が９０度異なるだけであり、したがってｙ−ｚ平面方向で２つの第２計測光Ｒｂ，Ｒｂが得られることになる。
なお、第１および第２反射ミラー１４，１５により、被計測物体Ｍ側にその照射方向が変更された各計測光Ｒａ，Ｒｂは、それぞれの照射経路の途中に配置されたビームエキスパンダ４１，４２により、所定大きさの光束に拡大される。

そして、上記コンピュータ装置１９においては、上述した計測原理の箇所にて説明した各計算式を実行するための演算部（例えば、プログラムにより構成されている）が具備されるとともに、所定時間間隔（例えば、０．５秒間隔）で各シャッター部材３３，３４の開閉動作を行わせるとともに、ＰＺＴステージ２０を移動させて参照光の位相をπ／２ずつシフトさせ、さらに物体光Ｒｏと参照光Ｒｒとを同軸で入射させて得られたホログラム画像を所定のタイミングで撮影するための制御機能が具備されている。なお、参照光Ｒｒの照射経路の途中にも、参照光Ｒｒを遮断するための第３シャッター部材３５が配置されている。

また、この歪計測装置の少なくとも変位計測部１については、各構成機器が小さい縦置き型のコンピュータのように、幅が狭い側面視が矩形状のケース内に収容されてコンパクト化が図られている。例えば、レーザ照射器１１は、ケース内の上部に配置され、各ビームスプリッタ１２，１３およびシャッター部材３３，３４などは中間部に配置され、被計測物体Ｍの載置面Ｄおよび第４および第５反射ミラー３１，３２については下部のコーナ部に配置され、また２つの計測光を拡大するビームエキスパンダ４１，４２については、載置面Ｄの直交する両側辺に沿う側壁面に沿って配置され、さらにＣＣＤカメラ１７はケース内の上部中央寄りに配置されている。

次に、上述した歪計測装置の変位計測部１により、被計測物体の表面での変位を計測する方法について説明する。
レーザ照射器１１から照射されたレーザ光である計測光Ｒは、まず第１ビームスプリッタ１２で２分割されるとともに、分割された２つの第１および第２計測光Ｒａ，Ｒｂは、それぞれ第１反射ミラー１４、ビームエキスパンダ４１および第２反射ミラー１５、ビームエキスパンダ４２を介して被計測物体Ｍに照射されるが、その照射経路の途中に配置された各シャッター部材３３，３４により別々に照射される。

第１計測光Ｒａについて説明すると、図５に示すように、第１シャッター部材３３ａ，３３ｂが作動されて、ｘ−ｚ平面方向において被計測物体Ｍの両側から同じ入射角（例えば６０度）でもってしかも交互に照射される。例えば、下半分の第１計測光Ｒａから照射されて被計測物体Ｍの表面で反射した物体光Ｒｏは、第３反射ミラー１６およびハーフミラー１８を介してＣＣＤカメラ１７に入射される。

このとき、第１ビームスプリッタ１２からの参照光Ｒｒが、ハーフミラー１８を介して物体光Ｒｏと同軸上でＣＣＤカメラ１７に入射されてホログラム画像が得られる。さらに、この参照光Ｒｒについては、ＰＺＴステージ２０が駆動されて、上述したように、π／２ずつ１周期分位相シフトが行われて、位相がゼロの場合と併せて、４つのホログラム画像が得られる。

これら４つの画像データに、上述した（４）式〜（７）式を適用することにより、被計測物体Ｍ表面の位相分布が得られる。
また、他方の第１シャッター部材３３ｂが作動されて、上半分の第１計測光Ｒｏが第４反射ミラー３１を介して反対側から同じ入射角でもって被計測物体Ｍに照射され、上記と同じ手順により、反対側からの第１計測光Ｒａによる被計測物体Ｍ表面の位相分布が得られる。

つまり、２光束法により、２つの位相分布φ_１，φ_２が得られたことになる。
次に、図６に示すように、第２シャッター部材３４ａ，３４ｂを駆動して、第２参照光Ｒｂについても、下半分を被計測物体Ｍに直接に照射するとともに、上半分を第５反射ミラー３２を介して反対側から被計測物体Ｍに照射させて、上記と同じ手順により、２光束による位相分布φ_３，φ_４が得られる。

次に、被計測物体Ｍに外力を作用させて変形した状態で、上記と同じ手順により、２光束による位相分布（φ′_１，φ′_２，φ′_３，φ′_４）を求め、それぞれの計測光の照射方向についての、変形前と変形後における、両位相変化すなわち両位相分布差［Δφ_１（φ_１−φ′_１），Δφ_２（φ_２−φ′_２），Δφ_３（φ_３−φ′_３），Δφ_４（φ_４−φ′_４）］を求める。

そして、上述した（２１）式および（２２）式を用いて、変形前と変形後における両位相分布差Δφ_１，Δφ_２からｘ軸方向とｚ軸方向の変位、すなわち面内変位ｄ_ｘと面外変位ｄ_ｚを求めればよい。また、同様にして、変形前と変形後における両位相分布差Δφ_３，Δφ_４からｙ軸方向とｚ軸方向の変位、すなわち面内変位ｄ_ｙと面外変位ｄ_ｚを求めればよい。なお、両計測光Ｒａ，Ｒｂにより得られるｚ軸方向での変位ｄ_ｚについては（Δφ_２とΔφ_４についても）、両方の計測光Ｒａ，Ｒｂから同じものが得られる。

このように、１つ（１台）のレーザ照射器１１から照射されるレーザ光だけを用いて被計測物体Ｍ表面における三次元方向（ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向）での変位量を、一緒に求めることができる。

なお、各位相分布φ_１，φ_２，φ_３，φ_４を求める順序については、任意に、変更することができる。
そして、上記変位計測部１にて求められた被計測物体Ｍ表面における三次元方向（ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向）での変位量が、歪算出部２に入力されて、被計測物体Ｍ表面での歪分布が求められる。

次に、コンピュータ装置１９に具備される演算部の主要構成について簡単に説明しておく。
すなわち、このコンピュータ装置１９には、図７に示すように、演算処理部として、少なくとも、移動手段であるＰＺＴステージ２０により参照光の位相がシフトされて得られた複数のホログラム画像から被計測物体Ｍ表面の位相分布を求める位相分布演算部５１と、この位相分布演算部５１にて求められた被計測物体Ｍの変形前と変形後における位相分布の差を求める位相差演算部５２と、この位相差演算部５２にて求められた位相分布差により、載置面Ｄ内およびこの載置面Ｄに垂直な第１垂直面と平行な照射面方向、並びに載置面Ｄと第１垂直面との両方に垂直な第２垂直面と平行な照射面方向での変位量をそれぞれ求める変位演算部５３とが具備されている。

ここで、上述した歪計測方法の主要部分を纏めると以下のようになる。
すなわち、この歪計測方法は、レーザ照射器から出射されたレーザ光を計測光として所定の載置面に載置された被計測物体に照射し、その反射した物体光と上記レーザ光から第１ビームスプリッタにより分割され且つ位相がπ／２ずつ１周期分シフトされた参照光とを同軸でもってＣＣＤカメラに入射させて得られたホログラム画像から被計測物体表面の位相分布を位相シフトデジタルホログラフィ法を用いて求める手順を、被計測物体の変形前と変形後とで行い、
これら変形前と変形後との両位相分布の差である位相分布差から物体光の照射方向での被計測物体表面における変位を求める変位演算工程を具備するとともに、
この変位演算工程を、被計測物体の載置面に垂直な第１垂直面の面内および載置面に垂直で且つ上記第１垂直面に垂直な第２垂直面の面内で、それぞれ被計測物体の両側から且つ入射角が等しくされた２つの第１計測光および２つの第２計測光（以下、２つの計測光を２光束という）についてそれぞれ行うことにより、載置面に垂直なｚ軸方向および載置面と第１垂直面との交差軸であるｘ軸方向、並びに載置面に垂直なｚ軸方向および載置面と第２垂直面との交差軸であるｙ軸方向での変位量をそれぞれ演算し、
上記求められた三次元方向での変位量から被計測物体に生じた歪を算出する歪計測方法であって、
上記第１計測光および第２計測光を、上記第１ビームスプリッタにより分割された計測光を第２ビームスプリッタにて分割することにより得るとともに、この得られた各計測光をそれぞれ２光束でもって被計測物体に照射する際に、それぞれの照射経路に配置された一対のシャッター部材を開閉させることにより、２光束における一方の計測光を直接に被計測物体に照射させるようになし、且つ２光束における他方の計測光を、その照射方向に対向して配置された反射ミラーを介して被計測物体に上記一方の計測光とは反対側から照射させるようにした方法である。

ところで、上述した変位計測部１においては、２つの第１および第２計測光Ｒａ，Ｒｂを、互いに９０度異なる照射面方向から被計測物体Ｍに照射して、それぞれの照射面方向において、面内変位（ｘ軸方向変位またはｙ軸方向変位）と面外変位（ｚ軸方向変位）を計測するようにしたので、図８に示すように、被計測物体Ｍ表面に凸部Ｍａがあって、一方側の第１計測光Ｒａについては照射し得るが、他方側の第１計測光Ｒｂの第４反射ミラー３１により反射された計測光が凸部Ｍａにより遮断される計測部分Ｓについては、本来、その計測部分Ｓにおける変位を計測することはできないが、第２計測光Ｒｂによる２光束法により、この照射面方向での面内変位（ｙ軸方向変位）と面外変位（ｚ軸方向変位）を計測し得る場合には、第１計測光Ｒａの照射面方向での面内変位（ｘ軸方向変位）を求めることができる。

すなわち、第２計測光Ｒｂの２光束により、２方向からの位相分布差（Δφ_３，Δφ_４）が得られるとともに、ｙ軸方向およびｚ軸方向についての変位ｄ_ｙおよびｄ_ｚが得られる。

そして、第１計測光Ｒａについては、１つの光束しか用いることができないため、この光束により１方向からの位相分布差（Δφ_１）が得られ、一方、反対側の光束による位相分布差（Δφ_２）を未知数とすると、Δφ_１とｄ_ｚとが既知であるため、上述した（２２）式からΔφ_１を求めることができる。

すなわち、Δφ_１とΔφ_２とが求まるため、上述した（２１）式からｘ軸方向についての変位量ｄ_ｘが得られる。
そして、また上記変位計測部１のコンピュータ装置１９には、上述した一方の計測光により求められた位相分布差並びに面内変位量および面外変位量に基づき、他方の計測光が１つしか照射できない場合に、残りの面内変位量を求める面内変位演算部６１が具備されている。

すなわち、２つの計測光を互いに９０度異なる方向から被計測物体に照射することにより、一方向からの計測光が照射できないような、例えば凸部により遮られて影となる計測部分についても、他方向からの計測光による計測結果を用いて、三次元方向での変位量を計測することができる。

なお、上記変位計測部１においては、ホログラム画像の一部を切り出すとともに、この切り出された画像データに上述した演算処理を施して、位相分布差および変位量を求めるようにしたので、その演算処理の対象を、ホログラム画像全体とする場合に比べて、迅速に求めることができ、したがってほぼリアルタイムで変位を計測することができる。また、この求められた画像から、計測範囲を確かめることができる。すなわち、被計測物体Ｍの位置合わせを行うことができる。

また、上述した変位の計測に際しマスク処理が行われて、計測範囲以外の部分については除去されている。このマスク処理としては、計測部分の複素振幅分布における強度（輝度値）に対して閾値を設けておき、閾値以下の部分については、マスクがかけられるようにされている。閾値としては、レーザ光が照射されていない、すなわち計測範囲以外の暗い部分での強度よりも少し大きい値が用いられるか、または計測している範囲内の強度の平均値が用いられる。

上述した歪計測方法および歪計測装置によると、被計測物体表面の変位を、その変形前と変形後における位相分布差から求める際に、位相シフトデジタルホログラフィ法を用いるようにしたので、非接触でかつ広範囲での被計測部分の歪を高い空間分解能で精度良く計測することができる。

さらに、上記歪計測方法および歪計測装置によると、１つのレーザ照射器から照射されるレーザ光を計測光と参照光とに分割するとともに、この分割された計測光をさらに２つに分割し、これら分割された２つの各計測光の照射経路途中に、各計測光を半分ずつ照射し得るシャッター部材をそれぞれ配置し、そしてシャッター部材により半分に遮られた一方側の計測光を、載置面に載置された被計測物体に直接照射するとともに、他方側の計測光を、載置面に垂直に配置された反射ミラーにより、一方側の計測光とは反対側で且つ同じ入射角で被計測物体に照射するようにして、すなわち互いに垂直な照射面方向で照射される２つの計測光を用いて、被計測物体表面における面内変位および面外変位である三次元方向での変位を求めることにより、歪を計測するようにしたので、その構成自体を簡単なものにし得るとともに、コンパクト化を図ることができる。

本発明の実施の形態に係る歪計測方法に用いられる位相シフトデジタルホログラフィ法を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る歪計測装置の概略構成を示すブロック図である。 同歪計測装置の変位計測部におけるレーザ光の経路を示す概略構成図である。 同歪計測方法における被計測物体への計測光の照射方向を説明するための斜視図である。 図３のＡ−Ａ矢視図である。 図３のＢ−Ｂ矢視図である。 同歪計測装置の変位計測部における主要演算処理部の概略構成を示すブロック図である。 同歪計測方法における被計測物体への計測光の１つが使用できない場合の計測方法を説明するための側面図である。

符号の説明

Ｄ 載置面
Ｍ 被計測物体
Ｒ レーザ光
Ｒｍ 計測光
Ｒｏ 物体光
Ｒｒ 参照光
Ｒａ 第１計測光
Ｒｂ 第２計測光
Ｄ 載置面
１ 変位計測部
２ 歪算出部
１１ レーザ照射器
１２ 第１ビームスプリッタ
１３ 第２ビームスプリッタ
１４ 第１反射ミラー
１５ 第２反射ミラー
１６ 第３反射ミラー
１７ ＣＣＤカメラ
１８ ハーフミラー
１９ コンピュータ装置
２０ ＰＺＴステージ
３１ 第４反射ミラー
３２ 第５反射ミラー
３３ 第１シャッター部材
３４ 第２シャッター部材
５１ 位相分布演算部
５２ 位相差演算部
５３ 変位演算部
６１ 面内変位演算部

Claims (2)

1. レーザ照射器から出射されたレーザ光を計測光として所定の載置面に載置された被計測物体に照射し、その反射した物体光と上記レーザ光から第１ビームスプリッタにより分割され且つ位相がπ／２ずつ１周期分シフトされた参照光とを同軸でもってＣＣＤカメラに入射させて得られたホログラム画像から被計測物体表面の位相分布を位相シフトデジタルホログラフィ法を用いて求める手順を、被計測物体の変形前と変形後とで行い、
   これら変形前と変形後との両位相分布の差である位相分布差から物体光の照射方向での被計測物体表面における変位を求める変位演算工程を具備するとともに、
   この変位演算工程を、被計測物体の載置面に垂直な第１垂直面の面内および載置面に垂直で且つ上記第１垂直面に垂直な第２垂直面の面内で、それぞれ被計測物体の両側から且つ入射角が等しくされた２つの第１計測光および２つの第２計測光（以下、２つの計測光を２光束という）についてそれぞれ行うことにより、載置面に垂直なｚ軸方向および載置面と第１垂直面との交差軸であるｘ軸方向、並びに載置面に垂直なｚ軸方向および載置面と第２垂直面との交差軸であるｙ軸方向での変位量をそれぞれ演算し、
   上記求められた三次元方向での変位量から被計測物体に生じた歪を算出する歪計測方法であって、
   上記第１計測光および第２計測光を、上記第１ビームスプリッタにより分割された計測光を第２ビームスプリッタにて分割することにより得るとともに、この得られた各計測光をそれぞれ２光束でもって被計測物体に照射する際に、それぞれの照射経路に配置された一対のシャッター部材を開閉させることにより、２光束における一方の計測光を直接に被計測物体に照射させるようになし、且つ２光束における他方の計測光を、その照射方向に対向して配置された反射ミラーを介して被計測物体に上記一方の計測光とは反対側から照射させるようにした
   ことを特徴とする位相シフトデジタルホログラフィ法を用いた歪計測方法。
2. 請求項１に記載の歪計測方法を用いた歪計測装置であって、
   １つのレーザ照射器と、
   このレーザ照射器から出射されたレーザ光を２つに分割して計測光と参照光とを得るための第１ビームスプリッタと、
   この第１ビームスプリッタを参照光の照射方向に沿って移動させて、当該参照光の位相をπ／２ずつ１周期分シフトさせる移動手段と、
   上記第１ビームスプリッタからの計測光をさらに２つに分割して第１計測光と第２計測光とを得るための第２ビームスプリッタと、
   この得られた第１計測光および第２計測光の各照射経路の途中にそれぞれ配置されてこれら各計測光を半分ずつ開閉し得る一対の第１シャッター部材および一対の第２シャッター部材と、
   被計測物体が載置された載置面に垂直に配置されて、上記一対の第１シャッター部材の一方が開放された際には、その一方側の第１計測光については反射させずに被計測物体に直接照射させるようにするとともに、他方が開放された際に、その他方側の第１計測光を反射させて被計測物体に、上記一方側の第１計測光とは反対側から且つ同じ入射角でもって照射させる第１反射ミラーと、
   上記載置面および第１反射ミラーに垂直に配置されて、上記一対の第２シャッター部材の一方が開放された際には、その一方側の第２計測光については反射させずに被計測物に直接照射させるようにするとともに、他方が開放された際に、その他方側の第２計測光を反射させて被計測物体に、当該計測光とは反対側で且つ同じ入射角でもって照射させる第２反射ミラーと、
   上記被計測物体の表面にて反射した物体光および上記参照光を同軸でもって入射させて被計測物体表面のホログラム画像を得るためのＣＣＤカメラと、
   上記移動手段により参照光の位相がシフトされて得られた複数のホログラム画像から被計測物体表面の位相分布を求める位相分布演算部と、
   この位相分布演算部にて求められた被計測物体の変形前と変形後における位相分布の差を求める位相差演算部と、
   この位相差演算部にて求められた位相分布差により、載置面内並びにこの載置面に垂直な第１垂直面内、並びにこれら載置面および第１垂直面に垂直な第２垂直面内での変位量を求める変位演算部と、
   この変位演算部にて求められた各変位量から被計測物体表面における三次元方向での歪を求める歪算出部と
   を具備したことを特徴とする歪計測装置。
   

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