JP7045116B1

JP7045116B1 - 光切断法による位相解析を用いた変位計測方法とその装置

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Publication number: JP7045116B1
Application number: JP2021125071A
Authority: JP
Inventors: 元治藤垣; ウェイジャン
Original assignee: University of Fukui
Current assignee: University of Fukui
Priority date: 2021-07-30
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2022-03-31
Anticipated expiration: 2041-07-30
Also published as: JP2023019970A

Abstract

【課題】構造物に対して光切断法を高精度に実施可能とする方法及び装置を提供することである。【解決手段】光源からのスリット光を計測対象物の表面に投射し、前記計測対象物の表面で反射した前記スリット光を回折現象が発生する光学素子により回折させ、前記光学素子により生成された複数本の平行な線状の回折光をカメラにより撮像し、前記撮像された複数本の平行な線状の回折光を位相解析する。【選択図】図２５

Description

特許法第３０条第２項適用２０２０年１２月５日に日本実験力学会の分科会合同ワークショップ２０２０で発表

特許法第３０条第２項適用２０２１年１月８日にＩＣＣＥＳ２０２０／２０２１で発表

特許法第３０条第２項適用２０２１年４月２１日にＯＰＴＩＣＳ＆ＰＨＯＴＯＮＩＣＳＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｇｒｅｓｓ２０２１で発表

本発明は、光切断法による位相解析を用いた変位計測方法とその装置に関する。

鉄橋，道路橋，高速道路の高架などのインフラ構造物や工場設備などの大型構造物の変位計測は、構造物の老朽化や不具合箇所の点検に用いられている。大型の構造部が健全な状態であるかを確認するために、構造物の全体の変位あるいは変形を測定することは重要である。そのため、前記変位計測を効率よく行うために、変位計測用のセンサーを前記構造物に取り付けることなく、非接触で変位計測を行う方法が従来提案されている。
特許文献１には、計測対象物が持つパターンの移動をカメラで撮影し、画像内のパターンの移動から計測対象物の変位を計測するディジタル画像相関法と呼ばれる方法が開示されている。
特許文献２には、計測対象物にマーカーを取り付け、前記マーカーを撮影した画像内のマーカーの移動量から、計測対象物の変位を計測する方法が開示されている。
特許文献３には、マーカーとして２次元格子パターンを用い、前記２次元格子パターンの位相解析を行うことにより、計測対象物の変位を高精度に求めるサンプリングモアレ法と呼ばれる方法が開示されている。
さらに、レーザー変位計や三次元計測としてよく使われる計測方法として、特許文献４に示されるように光切断法がある。前記光切断法は、図１に示すように、計測対象物にレーザースリット光を投影し、投影方向と異なる方向から撮影することで、図２に示すように前記計測対象物の変位量に応じて撮影された画像内でのスリット光の位置が変化する変化量を計測する。この計測方法を用いることにより、図３に示すように大型構造物においても変位量を計測することができる。また、前記光切断法は、変位量をレーザーラインの方向に沿った分布として計測することで、構造物の変形を計測することができる。

特開２００６－３２９６２８特開２００４－２０２４５特開２００９－２６４８５２特開２０２１－７６４７９

特許文献１に開示される方法は、計測対象物にセンサーなど何も取り付ける必要はないが、計測結果の解析に時間がかかることや、計測対象物にパターンがない領域については計測できない。特許文献２に開示される方法と特許文献３に開示される方法は、計測対象物にマーカーを取り付ける必要がある。
また、特許文献４に開示される方法は、撮像された画像内のレーザーライン像の位置の変化を読み取る際の精度が高くない。これは、レーザーライン像の位置を求めるために、輝度の重心の位置を求めることがおこなわれているためである。
そこで、本発明の目的は、構造物に対して光切断法を高精度に実施可能とする方法及び装置を提供することである。

本発明は、鉄橋，道路橋，高速道路の高架などの構造物に対して光切断法による変位計測を高精度にするために、位相解析を用いて位相差から変位を求める。位相解析を行うために、撮影されるレーザーのライン画像を、平行な複数本のライン画像にする。
本発明の一態様は、スリット光を計測対象物の表面に投射し、前記計測対象物面で反射した前記スリット光を回折現象が発生する光学素子により回折させ、前記光学素子により生成された複数本の平行な線状の回折光を撮像し、撮像された前記複数本の平行な線状の回折光を位相解析する方法である。前記光学素子による回折効率に応じて前記複数本の平行な線状の回折光の輝度を補正してもよい。撮像された前記複数本の平行な線状の回折光の方向にフィルタリング処理を行ってもよい。前記計測対象物の表面に投射する前記スリット光を生成するタイミングを、前記計測対象物の表面で反射した前記スリット光を前記光学素子により回折させて生成した前記複数本の平行な線状の回折光を撮像するカメラの露光タイミングと同期させてもよい。前記計測対象物の位置をセンシングするセンサーの信号を用いて撮像するタイミングを決めてもよい。

本発明の他の態様は、前記計測対象物の変位または変形の前後において、前記撮像された複数本の平行な線状の回折光の位相解析を行い、前記位相解析の結果に基づいて前記計測物体の変位または変形を計測する計測方法である。

本発明の他の態様は、計測対象物の表面にスリット光を投射する光源と、前記計測対象物の表面で反射した前記スリット光を回折現象が発生する光学素子により回折させ、光学素子により生成された複数本の平行な線状の回折光を撮像するカメラと、を同じ方向に同じ距離だけ平行移動させ、前記平行移動の前後の前記複数本の平行な線状の回折光の位相差分布と前記距離との関係を求めることによって、キャリブレーションを行う方法である。

本発明の他の態様は、スリット光を計測対象物の表面に投射する光源と、前記計測対象物の表面で反射した前記スリット光を回折させ複数本の平行な線状の回折光を生成する回折現象が発生する光学素子と、前記光学素子により生成された複数本の平行な線状の回折光を撮像するカメラと、前記カメラにより撮像された前記複数本の平行な線状の回折光を位相解析する解析手段と、を備えた、複数本の平行な線状の回折光を位相解析する装置である。

そして、前記光学素子は透過型光学素子であって、前記透過型光学素子を、前記カメラの結像レンズの前方に配置、または、前記カメラの結像レンズの後方であって前記カメラの撮像素子の前方に配置、または、シリンドリカルレンズの前方または後方であって前記カメラの結像レンズの前方に配置する。または、前記光学素子は、反射型光学素子であって、前記反射型光学素子が、平面型または曲面型である。

本発明の他の態様は、スリット光を計測対象物の表面に投射する光源と、前記計測対象物の表面で反射した前記スリット光を回折させ複数本の平行な線状の回折光を生成する回折現象が発生する光学素子と、前記光学素子により生成された複数本の平行な線状の回折光を撮像するカメラと、前記カメラにより撮像された前記複数本の平行な線状の回折光を位相解析する解析手段と、前記計測対象物の変形または変位の前後で前記解析手段による位相解析を行って求められる位相差に基づいて、前記計測対象物の変形または変位を算出する算出手段と、を備えた計測装置である。または、前記計測対象物の位置をセンシングするセンサーを備え、計測対象物の位置に同期して撮像する機能を持つ。

本発明により、構造物に対して光切断法を高精度に実施可能とする方法及び装置を提供できる。

光切断法を説明する図である。光切断法において計測対象物が変位することにより画像内のスリット像の位置が変化することを説明する図である。光切断法により大型構造物の変位計測を行うことを説明する図である。平行光を撮影する手段を説明する図である。計測対象物に１本のスリット光として投影され、計測対象物から反射される前記スリット光を回折格子により回折させ複数本の平行な線状の回折光として撮像する原理を説明する図である。計測対象物が変形する前に撮影した複数本の平行な線状の回折光の画像を模式的に説明する図である。図６に破線で示されるｊ方向の複数本の平行な線状の回折光像の輝度分布を表す図である。図６に示される複数本の平行な線状の回折光像のｉ方向における位相の分布を表す図である。計測対象物が変形した時に撮影した複数本の平行な線状の回折光の画像を模式的に説明する図である。図９に破線で示されるｊ方向の複数本の平行な線状の回折光像の輝度分布を表す図である。図９に示される複数本の平行な線状の回折光像のｉ方向における位相の分布を表す図である。計測対象物が変位した時の位相の計測対象物の変形前における基準の位相に対する位相差をｉ方向における位相差の分布を表す図である。図１２に示す位相差の分布をもとに求めた、計測対象物のｉ方向における変位分布を表す図である。キャリブレーション方法におけるカメラとレーザー光源と計測対象物の位置関係を説明する図である。計測対象物が大型構造物である場合の、キャリブレーション方法におけるカメラとレーザー光源と計測対象物の位置関係を説明する図である。ｊ方向の複数本の平行な線状の回折光像の輝度分布を表す図である。計測実験の模式図である。実験における撮像画像の写真図である。変位計測結果を表す図である。回折現象が発生する光学素子として回折格子が結像レンズの前側に配置された実施形態である。回折現象が発生する光学素子として回折格子が結像レンズの後ろ側であって撮像素子の前側に配置された実施形態である。シリンドリカルレンズと結像レンズの間に回折現象が発生する光学素子として回折格子が配置された実施形態である。回折現象が発生する光学素子として反射型の回折格子を用いる実施形態である。回折現象が発生する光学素子として湾曲型であって反射型の回折格子を用いる実施形態である。計測装置の基本的な構成を説明する図である。解析装置で生成された同期信号をカメラとレーザー光源に送信する構成を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
本発明は、鉄橋，道路橋，高速道路の高架などのインフラ構造物や工場設備などの構造物に対して、光切断法による変位計測を高精度にするために、光切断光に対して位相解析を行い、構造物の変形の前後の位相差から構造物の変位を求める。
位相解析を行うために、光切断光として撮影されるレーザー光のライン画像として、複数本の平行なライン光画像を用いる。その方法として、図４に示すように、（１）複数の光源を平行に並べてライン光を投影する、（２）回折現象が発生する光学素子として回折格子を用いて平行ライン光を形成し投影する、（３）１ラインのスリット光を投影し、撮影時に回折現象が発生する光学素子を用いて複数ライン光として撮影する、がある。

（１）の方法は、計測対象物までの距離が比較的短い場合は実現可能である。インフラなどの大型構造物を計測対象にする場合には、遠方までお互いに平行になるように光軸やスリットの向きを調整する必要がある。（２）の方法は、遠方であっても回折現象が発生する光学素子によって平行光を生成することが容易できる。そのため、（２）の方法はインフラなどの大型構造物を計測対象にする場合にも適用可能である。

（３）の方法は、（２）の方法と同様に回折現象が発生する光学素子を用いることで、同一のピッチの平行なライン画像を得ることができる。その際に、（３）の場合は背景光の輝度とライン光の部分の輝度の差が（２）の場合に比べて大きくなる特徴がある。
その理由は、（２）の方法は回折現象が発生する光学素子によって投影されるスリット光の輝度が弱められ、その弱まったスリット光をカメラで撮影する。その際に、計測対象物の背景部分の輝度は回折現象が発生する光学素子によって弱められることなくカメラで撮影される。これに対して（３）の方法は、計測対象物の表面に投影されるスリット光は輝度が弱められていないが、撮影時には回折現象が発生する光学素子によって輝度が弱められるため、（２）の場合と同じ輝度として撮影される。このとき、背景部分については回折現象が発生する光学素子を通り弱められたものとして撮影されるため、（２）の方法の場合よりも暗い像として撮影される。すなわち、ライン光の部分の輝度は（２）の方法と（３）の方法では同一であるが、背景部分の輝度は（３）の方法の方が（２）の方法よりも暗くなる。その結果、（２）の方法よりも（３）の方法が、コントラストの良いライン画像として撮影されることになる。コントラストのよい画像が得られることで、位相解析を行う際にはノイズが少なく精度のよい位相値を求めることが可能となる。なお、本明細書におけるコントラストとは、背景部分とライン光の部分の輝度の比率を意味している。

（３）の方法のようにカメラの撮影レンズの近辺に回折現象が発生する光学素子を設置することで、計測対象物の表面には１本のスリット光が投影される。投影されたスリット光が、回折現象が発生する光学素子によって複数本の平行な線状の回折光として撮影される原理を図５に示す。図５に示されるように、Ｐ₀に入射したスリット光は、計測対象物（物体面）上の点Ｐ₀で乱反射して、カメラの撮影レンズに到達するが、その際に回折現象が発生する光学素子によって複数の方向に回折する。回折した光はそれぞれレンズによって結像するが、その際、０次の回折光（回折現象が発生する光学素子を通る際に直進する成分）は、点Ｐ₀の結像位置として点Ｐ₀´の位置に撮影されることになる。また、１次および－１次の回折光はそれぞれ点Ｐ_+１´および点Ｐ_-1´の位置に結像する。これらの位置に結像するということは、計測対象物上ではそれぞれ点Ｐ_+１および点Ｐ_-1の位置にスリット光が投影されているような画像として撮影されるということになる。すなわち、計測対象物の表面に複数のスリット光を投影した場合の状態と同一の画像が撮影される。
なお、回折現象が発生する光学素子として、光が特定の方向に強く回折する特性を持つストライプ状の回折格子、ロンキールーリング、そのように設計された回折光学素子がある。

なお、この現象は従来から知られている。そして、変位計測技術として、文献１と文献２に紹介されている。これらの文献においては、回折現象が発生する光学素子の代わりにホログラムを用いている。光の回折現象を用いているという点では同一である。また、この場合は、ライン状のレーザー光ではなく、１点のレーザースポット光をホログラムによって複数点の画像として撮影し、計測対象物の変位の計測に用いている。その際、画像内での１点の輝点の重心座標を変形前後の画像においてそれぞれ求め、その差から変位量を求めることを行なっている。複数の輝点と撮影することで、変位量が輝点の数だけ得られることより、その平均値を算出して計測対象物におけるレーザースポット光が投影されている点の変位を求めている。この従来技術においては，位相解析手法により精度を向上させることは行われていない。

（文献１）ＨａｉｓｔＴ．，ＤｏｎｇＳ．，ＡｒｎｏｌｄＴ．，ＧｒｏｎｌｅＭ．，ａｎｄＯｓｔｅｎＷ．：Ｍｕｌｔｉ－ｉｍａｇｅｐｏｓｉｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ，２２－１２（２０１４），１４４５０－１４４６３．

（文献２）ＧｕｅｒｒａＦ．，ＨａｉｓｔＴ．，ＷａｒｓｅｗａＡ．，ＨａｒｔｌｉｅｂＳ．，ＯｓｔｅｎＷ．，ａｎｄＴａｒｉｎＣ．：Ｐｒｅｃｉｓｅｂｕｉｌｄｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｕｓｉｎｇｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃｍｕｌｔｉｐｏｉｎｔｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，５９－９（２０２０），２７４６－２７５３．

次に、本発明における解析方法について説明する。
＜１＞変形前の位相分布
撮影画像から位相解析を行う具体的な方法を説明する。図６に計測対象物が変形する前に撮影した複数本の平行な線状の回折光の画像を模式的に示す。計測対象物の表面に投影されたスリット光は回折格子により回折され複数本の平行な線状の回折光として撮影画像ではｉ方向の線として撮影されているとする。中央の太い線が０次の回折光によって撮影された回折光であり、その上下に±１次の回折によって得られた回折光、さらにその上下に±２次の回折によって得られた回折光が撮影されている様子が示されている。図６では輝度の高い部分を黒線で表している。

図７には図６に破線で示されているｊ方向の断面を示す。この断面の輝度分布に対して位相解析を行い、位相値を求める。まず、輝度が最大になるｊ座標を見つける。その輝度が最大となる点を基準点とし、前記基準点のｊ座標をｊ_０とする。回折して得られた複数本の平行な線状の回折光の画像上での基準ピッチをｎ画素とした場合に、基準点を中心として２ｎ－１画素の領域を位相解析領域とする。この位相解析領域の輝度に対して、重み付け位相解析法などの位相解析を行うことにより位相値θ₀を求める。

上記の位相値θを求める操作を図６に示す全てのｉ方向の画素について行うことで、図８に示すように、ｉ方向における位相の分布θ_０（ｉ）を得ることができる。なお、重み付け位相解析法は、例えば特開２０１５－１５２５３５に開示されているように、基準点を中心とした２ピッチ分の縞パターンの輝度を用いて、基準点における位相値を求める手法である。設定した位相解析領域と実際の２ピッチ分の縞パターンの多少のピッチに多少の違いがあっても精度良く位相値を求めることができる。

なお、本発明において、位相解析法としては、重み付け位相解析法だけでなく、サンプリングモアレ法（特許文献３を参照）やフーリエ変換法など、種々の位相解析手法を用いることができる。また、図６には±２次の回折によって得られた回折光まで記載されているが、０次の回折によって撮影された回折光と±１次の回折によって得られた回折光が撮影されていれば、重み付け位相解析法などの位相解析は可能である。また、±２次の回折やそれ以上の高次の回折によって得られた回折光を用いて位相解析を行うことも可能である。

＜２＞変形時の位相分布
次に、計測対象物が変形した時に撮影された画像を図９に示す。この図９の場合は、ｉ方向の中央付近に大きな変位が現れている場合の画像を模式的に示している。図１０には図９に破線で示されているｊ方向の断面を示す。この断面の輝度分布に対して位相解析を行い、位相値を求める。この時、基準点には、上述の変形前に撮影した画像から求めた基準点ｊ_０（ｉ）を用い、その基準点ｊ_０（ｉ）を中心として２ｎ－１画素の領域を位相解析領域とする。この位相解析領域の輝度に対して、重み付け位相解析法などの位相解析を行うことで、位相値θ_ｔを求める。

上記の位相値θ_ｔを求める操作を図９に示す全てのｉについて行うことで、図１１に示すように、ｉ方向における位相の分布θ_ｔ（ｉ）を得ることができる。さらに、数１式に示すように基準の位相との差を求めることで位相差を求めることができ、図１２に示すように、ｉ方向に対する分布として位相差分布Δθ_ｔ（ｉ）を得ることができる。

さらに、数２式に示すように、この位相差を定数倍することにより、図１３に示すように変位ｄ_ｔ（ｉ）に換算できる。なお、数２式においてａ（ｉ）はカメラとレーザー光源と計測対象物の位置関係と、回折現象が発生する光学素子のピッチと、投影するスリット光の波長に基づいて決まる定数である。これは、ｉに対する分布として装置を設置したときに決まる値である。このａ（ｉ）の決め方については後述する＜３＞キャリブレーション方法において説明する。

このように求めた変位ｄ_ｔ（ｉ）を図１３に示す。

＜３＞キャリブレーション方法
数２式における係数ａ（ｉ）を求める手法を２通り示す。まず１番目の方法は、カメラとレーザー光源と計測対象物の位置関係と、回折現象が発生する光学素子のピッチと投影するスリット光の波長を用いて算出する方法である。図１４にカメラとレーザー光源と計測対象物の位置関係を示す。計測対象物表面の法線方向からカメラ方向とレーザー光源方向の角度をそれぞれαとβとする。カメラと計測対象物上の注目点（レーザースリット光が投影されている点）までの距離をＬとする。レーザー光源の波長をλとし、カメラの前方に取り付けられている回折現象が発生する光学素子を回折格子とみなした場合の格子定数をＤとする。
回折現象が発生する光学素子による回折角をγとすると、ｓｉｎγは数３式のようになる。本発明においては、γが十分小さい場合を考えればよいので、ｓｉｎγはほぼγと等しいとして、数４式のようにγを表す。

これより、カメラからＬだけ離れた計測対象物面上においては、カメラとの角度も考慮すると、計測対象物上のスリット光のピッチｐは、数５式に示すようになる。

次に、計測対象物がｄだけ変位する場合について考える。ｄとｐとβ，および位相差Δθは数６式に示す関係となり、数５式と合わせると数７式のようになる。

これにより、ｄはΔθに比例することがわかる。その比例係数がａであるので、ａは数８式により求めることができる。なお、数８式の分子にマイナスがついているが、これはカメラとレーザー光源の位置関係や画像内の座標の取り方などによってはプラスになる場合もある。

次に２番目の方法として、図１５に示すように、カメラとレーザー光源を計測対象物の法線方向に既知の量だけ移動させる方法がある。上述のように、変位と位相差は比例するとみなせるため、既知の量だけ計測対象物またはそれに代わる基準板などを変位させ、その時の位相差を求めることで、比例係数を求めることができる。すなわち、数２式は数９式のように書き直せるため、ｄ_０だけ平行移動させた時の位相差Δθ_０を求めると、数１０式のように係数ａ（ｉ）が得られる。

この方法では、係数ａ（ｉ）はｉ方向の分布として得られることになり、それぞれの位置における実際の変位と位相差の関係を使って求めた係数となるため、１番目の方法よりも計測誤差を小さくすることができる。また、カメラとレーザー光源の位置関係を別途測定する必要がないため、キャリブレーション作業を短時間で容易に行うことができる。
しかし、計測対象が大型の構造物のような場合には、計測対象物を既知の量だけ変位させることは困難である。その場合は、図１５に示すように、移動ステージ等によって、カメラとレーザー光源をｄ_０だけ計測対象物方向（－ｚ方向）に平行移動させることで、相対的に計測対象物を移動させることと同じことになる。

＜４＞輝度の補正
一般に回折によって得られる高次の回折光は０次光よりも暗くなる。その減衰の割合は、使用する回折現象が発生する光学素子によって決まっている。このため、あらかじめ調べておき、それを補正するための重み関数を作っておくことができる。図１６にｊ方向の断面の輝度分布Ｉ（ｊ）を示す。まず最大となる点ｊ_ｍａｘを見つけ、各ｊにおける輝度Ｉ（ｊ）に数１１式に示すように重みｗ（ｊ－ｊ_ｍａｘ）をかけて輝度Ｉ’（ｊ）を求める。

このようにして得られた輝度Ｉ’（ｊ）を用いて位相解析を行うことで、０次の回折光と±１次の回折光の最大輝度が近い値となり、精度よく位相解析を行うことができるようになる。なお、図１６では直線状に変化する重み関数を例示しているが、直線状にしなくてもよい。

＜５＞平均化による精度向上
橋梁などの大型のインフラ構造物の場合は、変位が急変する部分はほとんどなく、図１３に模式的に示したように、徐々に変化するようなものがほとんどである。そのような場合には、ｉ方向に平滑化を行うことで空間分解能が低下しても差し障りはない。本発明においては、撮影した画像に対して、ｉ方向に平滑化を行うことや、位相分布や位相差分布、変位分布に対して平滑化などのフィルタリング処理を行うことで、ノイズ成分を低減させて計測精度を向上させることもできる。

＜６＞発明の効果
上述のとおり、
（１）位相解析を適用することにより、背景光の影響を少なくして精度よく位置を求めることができる。
（２）等間隔の複数のスリット光を投影した場合と比較して、光源側の構成を簡単にすることができる。
（３）カメラの前に回折現象が発生する光学素子を設置することで、背景光の輝度を下げることができ、それによりコントラストのよい複数本の平行な線状の回折光の画像を撮影することができ、精度向上になる。
（４）回折現象が発生する光学素子としてロンキールーリング（格子模様が付けられたテストチャート用のガラス）を用いることで、安価にすることができる。

＜７＞実施例（変位計測実験）
（１）実験方法
図１７に計測実験の模式図を示す。金属平板を被計測物としてレーザーの正面５ｍの位置に設置したステージの上に固定する。レーザーラインは被計測物に投射される。回折現象が発生する光学素子としてロンキールーリングを用い、それをカメラのレンズの前に設置する。レーザーとカメラの距離を１ｍとする。レーザーは波長５３２ｎｍの緑色のものを使用する。カメラは画素ピッチが６．９μｍの産業用カメラを使用した。使用したレンズの焦点距離は１２ｍｍで、ロンキールーリングを回折格子とみなした場合の格子定数は０．２５４ｍｍである。撮像する前に手動でピントを合わせた。実験は手動で被計測物を載せたステージを光源に近づく方向に５ｍｍずつ２５ｍｍまで移動し、各位置においてカメラで画像を撮影する。撮影された画像に対して、サンプリングモアレ法によって位相を算出し、０ｍｍの位置における位相との差から変位を算出する。また、同じ画像に対して、輝度の重心を求める手法を使って重心の移動量として変位を算出する。表１に実験条件をまとめる。

（２）実験結果
図１８に０ｍｍと２５ｍｍの位置における撮影画像を示す。図１８に示されるように、このように中央位置に明るい３本のラインが撮影されており、２５ｍｍの場合は、少し下向きに移動していることがわかる。図１９にサンプリングモアレ法と重心の移動量を求める方法それぞれの計測結果を示す。これより、サンプリングモアレ法の方が与えた移動量に近い値が算出され、さらにばらつきも小さいものとなっていることがわかる。

＜８＞実施形態
（１）カメラの構造
カメラの構造を図２０に示す。結像レンズの前面に回折現象が発生する光学素子として回折格子を配置する。この際、回折現象が発生する光学素子のスリットの向きと投影するスリット光の向きを同一に調整することで、前述の回折現象によって、撮像素子には複数本の平行な線状の回折光が撮影される。
また、図２１に示すように、回折現象が発生する光学素子として回折格子を結像レンズと撮像素子の間に配置することも可能である。この場合も、図２０の構成と同様に、回折現象が発生する光学素子の向きを回折現象が発生する向きが投影するスリット光の向きと垂直になるように調整することで、前述の回折現象によって、撮像素子には複数本の平行な線状の回折光が撮影される。この構成にすることによって、結像レンズを容易に交換できるようになる。

さらに、図２２に示すように、結像レンズの前面に凸型のシリンドリカルレンズをその曲率の最大となる方向が、回折現象が発生する光学素子の回折する向きと合うように配置することで、カメラの撮影領域を計測対象物に投影されたスリット光に対して垂直方向を狭くすることができる。それによって、スリット光に垂直方向の画像の撮影画素分解能を高くすることができるようになり、変位計測精度を向上させることができる。また、凹型のシリンドリカルレンズをその曲率のない方向が、回折現象が発生する光学素子の回折する向きと合うように配置することでも同様の効果を得ることができる。なお、上述の凸型または凹型のシリンドリカルレンズを用いる場合には、ピントの合う位置が計測対象物状のスリットの向きとその垂直向きとで異なることになるが、変位計測を行うことに対しては、向きごとのピントの合い具合は重要ではなく、変位分布計測として許容できる空間分解能の範囲であればよい。なお、ここでシリンドリカルレンズの代わりとして、例えば回折光学素子や屈折率分布型レンズなどのように、方向ごとに焦点距離が異なるような光学素子であっても同様に用いることが可能である。ここでは、回折現象が発生する光学素子として回折格子を用いる例を示している。

さらに、図２３に示すように、回折現象が発生する光学素子を反射型にすることもできる。反射型の光学素子を使うことで、その反射型の光学素子を平面ではなくたわませることで、図２２に示したシリンドリカルレンズを用いる場合と同様に、撮影領域の範囲を調整することも可能となる。反射型の光学素子の場合は、図２４に示すようにたわませる量に応じて撮影領域の範囲の微調整をすることができる。ここでは、回折現象が発生する光学素子として回折格子を用いる例を示している。

（２）計測装置
図２５は、カメラとレーザー光源と解析装置を備えた計測装置の基本的な構成を示す。
レーザー光源からスリット光が計測対象物に向けて投影されており、対象物表面に投影されたスリット光の回折光の像を撮影するように回折現象が発生する光学素子が取り付けられたカメラを設置する。カメラで撮影された画像は、解析装置に送信される。解析装置においては、位相解析を行うことで計測対象物の変位量を分布として求める。この構成において、解析装置は画像を記録する画像記録装置として、記録された画像に対して別の解析装置によって変位を求めることもできる。また、カメラと解析装置が一体化していることや、解析装置に無線により画像を伝送する形態も可能である。さらにレーザー光源の代わりに、スリット状の光を投影することができるさまざまな光源にすることも可能である。

図２６は、解析装置で生成された同期信号をカメラとレーザー光源に送る構成を示している。カメラに同期信号を送ることで、等間隔の時刻の画像を撮影して変位を求めることができる。また、他の外部センサーなどと同期させることもできる。さらに、レーザー光源を連続点灯ではなく、パルス点灯にすることで、カメラの露光タイミングと同期させて点灯させることができ、それによって、点灯時に瞬間的に大きな光量のスリット光を投影することができる。これによって、明るい回折光の画像を撮影することができるようになり、変位計測精度を向上させることができる。また、このようにすることで、昼間であっても太陽光などの外乱光の影響を少なくして、変位計測を行うことも可能となる。解析装置としてコンピュータを用いる。あるいは、通信回線を経由してクラウド上のコンピュータを用いてもよい。

風車の羽根のように計測対象物が移動する場合を示している。計測対象物の位置をセンシングするセンサーを図２６の装置に追加することで、移動する計測対象物の位置に同期して撮像をすることができる。例えば、計測対象物の先端の位置が所定の位置に到達したことをセンサーで検出し、そこから連続的に複数枚の画像を撮像するような使い方が想定される。また、センサーで計測対象物の移動の速度を計測することで、計測対象物の所定の間隔の位置における形状を計測することができる。また、風車のように繰り返して同じ部材が撮像領域に移動してくるような場合には、その形状の偏差を計測することも可能となる。すなわち１回目の羽根の形状と２回目以降の羽根の形状の比較を行い、羽根の形状の異常を検出することが可能となる。また，工場の生産ラインやベルトコンベアで移動する物体の形状計測や偏差の計測などにも適用できる。

Claims

スリット光を計測対象物の表面に投射し、
前記計測対象物の表面で反射した前記スリット光を回折現象が発生する光学素子により回折させ、複数本の平行な線状の回折光を生成し、
前記光学素子により生成された前記複数本の平行な線状の回折光を撮像し、
撮像された前記複数本の平行な線状の回折光を位相解析する、
方法。
前記光学素子による回折効率に応じて前記複数本の平行な線状の回折光の輝度を補正する、請求項１に記載の方法。
撮像された前記複数本の平行な線状の回折光の方向にフィルタリング処理を行う、請求項１または２に記載の方法。
前記計測対象物の表面に投射する前記スリット光を生成するタイミングを、前記計測対象物の表面で反射した前記スリット光を前記光学素子により回折させて生成した前記複数本の平行な線状の回折光を撮像するカメラの露光タイミングと同期させる、
請求項１～３の何れか一つに記載の方法。
前記計測対象物の位置をセンシングするセンサーの信号を用いて撮像するタイミングを決める請求項１～４の何れか一つに記載の方法。
前記計測対象物の変位または変形の前後において、請求項１～５の何れか一つに記載の方法により前記複数本の平行な線状の回折光の位相解析を行い、前記位相解析の結果に基づいて前記計測対象物の変位または変形を計測する、計測方法。
計測対象物の表面にスリット光を投射する光源と、前記計測対象物の表面で反射した前記スリット光を回折現象が発生する光学素子により回折させ、前記光学素子により生成された複数本の平行な線状の回折光を撮像するカメラと、を同じ方向に同じ距離だけ平行移動させ、前記平行移動の前後の前記複数本の平行な線状の回折光の位相差分布と前記距離との関係を求めることを含む、キャリブレーションを行う方法。
スリット光を計測対象物の表面に投射する光源と、
前記計測対象物の表面で反射した前記スリット光を回折させ複数本の平行な線状の回折光を生成する回折現象が発生する光学素子と、
前記光学素子により生成された複数本の平行な線状の回折光を撮像するカメラと、
前記カメラにより撮像された前記複数本の平行な線状の回折光を位相解析する解析手段と、を備えた、
前記複数本の平行な線状の回折光を位相解析する装置。
前記光学素子は透過型光学素子であって、
前記透過型光学素子を、前記カメラの結像レンズの前方に配置、または、前記カメラの結像レンズの後方であって前記カメラの撮像素子の前方に配置、または、方向ごとに焦点距離が異なる光学素子の前方または後方であって前記カメラの結像レンズの前方に配置した、
請求項８に記載の前記複数本の平行な線状の回折光を位相解析する装置。
前記回折現象が発生する光学素子は、反射型光学素子であって、前記反射型光学素子が、平面型または曲面型である請求項８に記載の前記複数本の平行な線状の回折光を位相解析する装置。
スリット光を計測対象物の表面に投射する光源と、
前記計測対象物の表面で反射した前記スリット光を回折させ複数本の平行な線状の回折光を生成する回折現象が発生する光学素子と、
前記光学素子により生成された前記複数本の平行な線状の回折光を撮像するカメラと、
前記カメラにより撮像された前記複数本の平行な線状の回折光を位相解析する解析手段と、
前記計測対象物の変形または変位の前後で前記解析手段による位相解析を行って求められる位相差に基づいて、前記計測対象物の変位または変形を算出する算出手段と、
を備えた計測装置。
前記計測対象物の位置をセンシングするセンサーを備え、計測対象物の位置に同期して撮像する機能を持つことを特徴とする請求項１１に記載の計測装置。