JPH0694434A - スペックル干渉法変形測定方法 - Google Patents
スペックル干渉法変形測定方法Info
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- JPH0694434A JPH0694434A JP4266633A JP26663392A JPH0694434A JP H0694434 A JPH0694434 A JP H0694434A JP 4266633 A JP4266633 A JP 4266633A JP 26663392 A JP26663392 A JP 26663392A JP H0694434 A JPH0694434 A JP H0694434A
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- deformation
- speckle
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- speckle pattern
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
- G01B11/161—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by interferometric means
- G01B11/162—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by interferometric means by speckle- or shearing interferometry
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
- G01B9/02—Interferometers
- G01B9/02094—Speckle interferometers, i.e. for detecting changes in speckle pattern
Abstract
(57)【要約】
【目的】 高い測定精度を保ったままで、しかも測定物
体の変形がミリメートルの単位に及んでも測定を可能と
する電子的スペックルパタン干渉法を提案すること。 【構成】 スペックル干渉計によって形成される測定物
８から反射されたレーザ光と測定物を経由しないレーザ
光とを重ね合わせたスペックル画像を所定の時間間隔で
複数形成して記憶装置に記憶させる。記録されたスペッ
クル画像の中の二枚を取りだして、計算機によって画像
の差分をとる。すると、その二枚の画像が記録された時
間に測定物８が起こした変形が干渉縞模様として見られ
る。その干渉縞模様は変形分布を等高線として表わして
おり、一本の干渉縞は用いたレーザ光の波長の半分の長
さに相当する。これを次々とくり返して、それぞれの変
形を加算することによって、通常のスペックル干渉法で
は測定できない大きな変形やスピードの速い変形の分布
でも、非接触で、連続に、高精度に測定することが可能
となる。
体の変形がミリメートルの単位に及んでも測定を可能と
する電子的スペックルパタン干渉法を提案すること。 【構成】 スペックル干渉計によって形成される測定物
８から反射されたレーザ光と測定物を経由しないレーザ
光とを重ね合わせたスペックル画像を所定の時間間隔で
複数形成して記憶装置に記憶させる。記録されたスペッ
クル画像の中の二枚を取りだして、計算機によって画像
の差分をとる。すると、その二枚の画像が記録された時
間に測定物８が起こした変形が干渉縞模様として見られ
る。その干渉縞模様は変形分布を等高線として表わして
おり、一本の干渉縞は用いたレーザ光の波長の半分の長
さに相当する。これを次々とくり返して、それぞれの変
形を加算することによって、通常のスペックル干渉法で
は測定できない大きな変形やスピードの速い変形の分布
でも、非接触で、連続に、高精度に測定することが可能
となる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、スペックル干渉法に
よって、測定物の変形を測定するスペックル干渉法変形
測定装置に関するものである。このようなスペックル干
渉法変形測定装置は加工機械や工業製品の変形測定、工
業製品や部品の非破壊検査に使用することができる。
よって、測定物の変形を測定するスペックル干渉法変形
測定装置に関するものである。このようなスペックル干
渉法変形測定装置は加工機械や工業製品の変形測定、工
業製品や部品の非破壊検査に使用することができる。
【０００２】
【従来の技術】スペックル干渉法は、機械部品等のよう
な粗面状態のものでもその振動や変形分布を、非接触
で、高精度に画像として測定ができるため、重要な測定
技術となっている。特に電子的スペックルパタン干渉法
（ＥＳＰＩ＝Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓｐｅｃｋｌｅ
ｐａｔｔｅｒｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｙ）
は、ＴＶカメラでスペックルパタン画像を取込み、電子
回路によって演算したり、コンピュータでの画像メモリ
演算によって干渉縞が得られるため、従来の写真乾板を
用いた実時間ホログラフィ干渉法に比較して操作がかな
り簡単になり、非破壊検査への応用等生産現場での使用
も期待される。
な粗面状態のものでもその振動や変形分布を、非接触
で、高精度に画像として測定ができるため、重要な測定
技術となっている。特に電子的スペックルパタン干渉法
（ＥＳＰＩ＝Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓｐｅｃｋｌｅ
ｐａｔｔｅｒｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｙ）
は、ＴＶカメラでスペックルパタン画像を取込み、電子
回路によって演算したり、コンピュータでの画像メモリ
演算によって干渉縞が得られるため、従来の写真乾板を
用いた実時間ホログラフィ干渉法に比較して操作がかな
り簡単になり、非破壊検査への応用等生産現場での使用
も期待される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な干渉測定は、高精度である反面、測定範囲が狭いとい
う欠点があった。特にスペックルパタン干渉法は、干渉
縞にスペックルノイズが載るため、変形量や振幅が大き
くなると、干渉縞の密度が高くなって干渉縞が読み取れ
なくなり、測定ができなくなってしまうという大きな問
題点があった。すなわち、従来の電子スペックルパタン
干渉法変形測定方法では図８（ｄ）に示すように、測定
物体の変形量が大きいと（例えば１２λ）干渉縞が多す
ぎて測定が不可能である。
な干渉測定は、高精度である反面、測定範囲が狭いとい
う欠点があった。特にスペックルパタン干渉法は、干渉
縞にスペックルノイズが載るため、変形量や振幅が大き
くなると、干渉縞の密度が高くなって干渉縞が読み取れ
なくなり、測定ができなくなってしまうという大きな問
題点があった。すなわち、従来の電子スペックルパタン
干渉法変形測定方法では図８（ｄ）に示すように、測定
物体の変形量が大きいと（例えば１２λ）干渉縞が多す
ぎて測定が不可能である。
【０００４】この発明は上記の如き事情に鑑みてなされ
たものであって、高い測定精度を保ったまま、広い測定
範囲をもち、測定物の変形がミリメートルの単位に及ん
でも測定を可能とするスペックル干渉法変形測定方法を
提供することを目的とするものである。
たものであって、高い測定精度を保ったまま、広い測定
範囲をもち、測定物の変形がミリメートルの単位に及ん
でも測定を可能とするスペックル干渉法変形測定方法を
提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この目的に対応して、こ
の発明のスペックル干渉法変形測定方法は、スペックル
干渉計によって形成される測定物から反射されたレーザ
光と測定物を経由しないレーザ光とを重ね合わせたスペ
ックル画像を所定の時間間隔で複数形成して記憶装置に
記憶させ、後に複数のスペックル画像のうちの２枚のス
ペックル画像の差分から２枚のスペックル画像の形成時
の時間間隔における測定物の変形を求め、これを次々と
くり返してそれぞれの変形を加算することによって、通
常のスペックル干渉法では測定できない大変形を測定す
ることを特徴としている。
の発明のスペックル干渉法変形測定方法は、スペックル
干渉計によって形成される測定物から反射されたレーザ
光と測定物を経由しないレーザ光とを重ね合わせたスペ
ックル画像を所定の時間間隔で複数形成して記憶装置に
記憶させ、後に複数のスペックル画像のうちの２枚のス
ペックル画像の差分から２枚のスペックル画像の形成時
の時間間隔における測定物の変形を求め、これを次々と
くり返してそれぞれの変形を加算することによって、通
常のスペックル干渉法では測定できない大変形を測定す
ることを特徴としている。
【０００６】
【作用】変形している測定物から反射されたレーザ光
と、測定物を経由しないレーザ光とを重ね合せた画像
（スペックル画像）を、絞りを絞ったＴＶカメラによっ
てある時間（例えば１／３０秒）毎に連続して（例えば
６４枚）大容量画像メモリに記憶する。後に、記録され
たスペックル画像の中の二枚を取りだして、計算機によ
って画像の差分をとる。すると、その二枚の画像が記録
された時間に測定物が起こした変形が干渉縞模様として
見られる。その干渉縞模様は変形分布を等高線として表
わしており、一本の干渉縞は用いたレーザ光の波長の半
分の長さに相当する。これを次々とくり返してそれぞれ
の変形を加算することによって、通常のスペックル干渉
法では測定できない大きな変形やスピードの速い変形の
分布でも、非接触で、高精度（サブミクロンの変形ま
で）に測定することが可能となる。
と、測定物を経由しないレーザ光とを重ね合せた画像
（スペックル画像）を、絞りを絞ったＴＶカメラによっ
てある時間（例えば１／３０秒）毎に連続して（例えば
６４枚）大容量画像メモリに記憶する。後に、記録され
たスペックル画像の中の二枚を取りだして、計算機によ
って画像の差分をとる。すると、その二枚の画像が記録
された時間に測定物が起こした変形が干渉縞模様として
見られる。その干渉縞模様は変形分布を等高線として表
わしており、一本の干渉縞は用いたレーザ光の波長の半
分の長さに相当する。これを次々とくり返してそれぞれ
の変形を加算することによって、通常のスペックル干渉
法では測定できない大きな変形やスピードの速い変形の
分布でも、非接触で、高精度（サブミクロンの変形ま
で）に測定することが可能となる。
【０００７】
【実施例】以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面
について説明する。図１はこの発明の変形測定方法を実
施する場合に使用する電子的スペックルパタン干渉法変
形測定装置１の構成を示している。すなわち、電子的ス
ペックルパタン干渉法変形測定装置１はＨｅ−Ｎｅレー
ザ等のレーザ光源２、ミラー３、顕微鏡対物レンズ４、
コリメートレンズ５、半透鏡６を備えている。半透鏡６
の透過側に参照物体７が配置され、反射側に測定物体８
が配置され、さらに半透鏡６をはさんで測定物体８の反
対側にＴＶカメラ等の撮像装置１１が配置されている。
撮像装置１１は大容量画像メモリ１２、モニタ１３及び
パーソナルコンピュータ１４に接続している。
について説明する。図１はこの発明の変形測定方法を実
施する場合に使用する電子的スペックルパタン干渉法変
形測定装置１の構成を示している。すなわち、電子的ス
ペックルパタン干渉法変形測定装置１はＨｅ−Ｎｅレー
ザ等のレーザ光源２、ミラー３、顕微鏡対物レンズ４、
コリメートレンズ５、半透鏡６を備えている。半透鏡６
の透過側に参照物体７が配置され、反射側に測定物体８
が配置され、さらに半透鏡６をはさんで測定物体８の反
対側にＴＶカメラ等の撮像装置１１が配置されている。
撮像装置１１は大容量画像メモリ１２、モニタ１３及び
パーソナルコンピュータ１４に接続している。
【０００８】このような構成の電子的スペックルパタン
干渉法変形測定装置１を使用して測定物の変形を測定す
る場合の操作は次の通りである。レーザ光源２から発光
したレーザビームはミラー３で光路変更された後、顕微
鏡対物レンズ４とコリメートレンズ５で広げられた後、
半透鏡６によって振幅分割される。そのうち一方（例え
ば反射光束）は、測定物体８を照明した後、散乱反射さ
れて物体光となり、撮像装置１１に入射する。他方（例
えば透過光束）は参照物体７を照明した後、散乱反射さ
れて参照光となり、半透鏡６に反射されて物体光と重な
り合って撮像装置１１に入射する。参照物体７は鏡面で
もよい。通常撮像装置１１に使用するＴＶカメラは、光
量が弱くならない限りできるだけ絞りを絞ってスペック
ルサイズを大きくしておく。このようにして撮像装置１
１の撮像素子に達した物体光と参照光の重ね合せ画像を
ここではスペックルパタン画像と呼ぶ。
干渉法変形測定装置１を使用して測定物の変形を測定す
る場合の操作は次の通りである。レーザ光源２から発光
したレーザビームはミラー３で光路変更された後、顕微
鏡対物レンズ４とコリメートレンズ５で広げられた後、
半透鏡６によって振幅分割される。そのうち一方（例え
ば反射光束）は、測定物体８を照明した後、散乱反射さ
れて物体光となり、撮像装置１１に入射する。他方（例
えば透過光束）は参照物体７を照明した後、散乱反射さ
れて参照光となり、半透鏡６に反射されて物体光と重な
り合って撮像装置１１に入射する。参照物体７は鏡面で
もよい。通常撮像装置１１に使用するＴＶカメラは、光
量が弱くならない限りできるだけ絞りを絞ってスペック
ルサイズを大きくしておく。このようにして撮像装置１
１の撮像素子に達した物体光と参照光の重ね合せ画像を
ここではスペックルパタン画像と呼ぶ。
【０００９】通常のスペックルパタン干渉法は以下の通
りである。測定を開始する前に、まず測定物体８が変形
する前のスペックルパタン画像を大容量画像メモリ１２
に記憶しておく。次に測定物体８が変形した後のスペッ
クルパタン画像を同じく大容量画像メモリ１２に記憶す
る。その後、変形前後のスペックルパタン画像の差を取
ってやると、変形に対応したスペックル干渉縞模様が観
測される。その干渉縞模様は、変形の分布を用いたレー
ザ光の半波長毎の等高線マップとして現している。とこ
ろが、もし変形量が大きい場合には干渉縞の密度が高す
ぎて干渉縞の読み取りができなくなってしまうので、そ
の対応策として変形途中の状態を新たに変形前の状態と
して再度記憶してやり、変形後との差をとるようにして
やる。このようにすると大きな変形測定も可能となる
が、次のような問題点がある。すなわち変形途中の状態
を新たに記録している時間は測定ができない時間であ
り、測定が不連続となってしまう。また従来の実時間ホ
ログラフィ干渉の場合は、変形途中で何度もホログラム
を作り直さなければならず、測定の連続性が失われるだ
けでなくその作業が大変面倒となる。
りである。測定を開始する前に、まず測定物体８が変形
する前のスペックルパタン画像を大容量画像メモリ１２
に記憶しておく。次に測定物体８が変形した後のスペッ
クルパタン画像を同じく大容量画像メモリ１２に記憶す
る。その後、変形前後のスペックルパタン画像の差を取
ってやると、変形に対応したスペックル干渉縞模様が観
測される。その干渉縞模様は、変形の分布を用いたレー
ザ光の半波長毎の等高線マップとして現している。とこ
ろが、もし変形量が大きい場合には干渉縞の密度が高す
ぎて干渉縞の読み取りができなくなってしまうので、そ
の対応策として変形途中の状態を新たに変形前の状態と
して再度記憶してやり、変形後との差をとるようにして
やる。このようにすると大きな変形測定も可能となる
が、次のような問題点がある。すなわち変形途中の状態
を新たに記録している時間は測定ができない時間であ
り、測定が不連続となってしまう。また従来の実時間ホ
ログラフィ干渉の場合は、変形途中で何度もホログラム
を作り直さなければならず、測定の連続性が失われるだ
けでなくその作業が大変面倒となる。
【００１０】この発明による、電子的スペックル干渉法
では、大容量画像メモリ１２に測定物体の一連の変形の
スペックルパタン画像のみを実時間（テレビのフレーム
レート）で次々と記録してやり、後に適当な２枚のスペ
ックルパタン画像の差をとって、２枚のスペックル画像
形成時の時間間隔における測定物の変形を求め、これを
次々とくり返してそれぞれの変形を加算することによっ
て、通常のスペックル干渉法では測定できない大きな変
形も連続性を失わずに測定できることになる。
では、大容量画像メモリ１２に測定物体の一連の変形の
スペックルパタン画像のみを実時間（テレビのフレーム
レート）で次々と記録してやり、後に適当な２枚のスペ
ックルパタン画像の差をとって、２枚のスペックル画像
形成時の時間間隔における測定物の変形を求め、これを
次々とくり返してそれぞれの変形を加算することによっ
て、通常のスペックル干渉法では測定できない大きな変
形も連続性を失わずに測定できることになる。
【００１１】（実験例） （実験方法と結果）大容量画像メモリの代りに手持ちの
画像メモリを用いて実験を行った。ＥＳＰＩシステムは
図１のとおりとした。ここで用いた画像メモリは、エデ
ック社製のイメージＰＣ１１８１で、２５６×２４０画
素で濃度８ビット（２５６段階）の画面が４画面記録で
きる容量を持つ。コンピュータは日本電気株式会社製の
ＰＣ９８０１ＶＭ（クロック１０ＭＨｚ）で４０ＭＢの
ハードディスクが外付けされている。ＴＶカメラは有効
画素数が５１０×４９２画素のＣＣＤカメラ（ＳＯＮＹ
製ＸＣ−５７）で、レンズはＴＶカメラ用ズームレンズ
を用い、絞りはＦ８に絞った。モニターは９型の白黒モ
ニターを用いた。光源は波長６３２．８ｎｍのＨｅ−Ｎ
ｅレーザ（日本電気株式会社製で出力１５ｍＷ程度）で
ある。測定物体は、高さ１５７ｍｍ、幅４０ｍｍ、厚さ
２ｍｍの透明塩化ビニルの矩形板の表面に白色塗料を塗
り、万力で下から３２ｍｍのところを固定して片持ち梁
としたものである。ただし観測した片持ち梁の領域は下
（固定端）から３４．５ｍｍの高さの所までである。参
照面は、高さ１００ｍｍ、幅８５ｍｍの矩形板の表面に
白色塗料を塗って散乱面としたものである。
画像メモリを用いて実験を行った。ＥＳＰＩシステムは
図１のとおりとした。ここで用いた画像メモリは、エデ
ック社製のイメージＰＣ１１８１で、２５６×２４０画
素で濃度８ビット（２５６段階）の画面が４画面記録で
きる容量を持つ。コンピュータは日本電気株式会社製の
ＰＣ９８０１ＶＭ（クロック１０ＭＨｚ）で４０ＭＢの
ハードディスクが外付けされている。ＴＶカメラは有効
画素数が５１０×４９２画素のＣＣＤカメラ（ＳＯＮＹ
製ＸＣ−５７）で、レンズはＴＶカメラ用ズームレンズ
を用い、絞りはＦ８に絞った。モニターは９型の白黒モ
ニターを用いた。光源は波長６３２．８ｎｍのＨｅ−Ｎ
ｅレーザ（日本電気株式会社製で出力１５ｍＷ程度）で
ある。測定物体は、高さ１５７ｍｍ、幅４０ｍｍ、厚さ
２ｍｍの透明塩化ビニルの矩形板の表面に白色塗料を塗
り、万力で下から３２ｍｍのところを固定して片持ち梁
としたものである。ただし観測した片持ち梁の領域は下
（固定端）から３４．５ｍｍの高さの所までである。参
照面は、高さ１００ｍｍ、幅８５ｍｍの矩形板の表面に
白色塗料を塗って散乱面としたものである。
【００１２】変形は、片持ち梁の上端（自由端）から約
１．５ｃｍの所にマイクロメータヘッドを後方から当
て、マニュアルでほぼ１目盛（１０μｍ）ずつ変位を与
えることによって行った。まず予め適当な変位を与えて
片持ち梁を前方に屈曲させ、そのスペックルパタン画像
Ｓ0 を画像メモリに記録した後、その画像データを直ち
にハードディスクに記憶させた。これを変形前の状態と
し、次にマイクロメータヘッドを１目盛だけ回転させて
片持ち梁をさらに前方に屈曲させ、そのスペックルパタ
ン画像をＳ1 として画像メモリに記録した後、その画像
データを直ちにハードディスクに記憶させた。さらに１
目盛だけ回転させて片持ち梁をＳ1 の時よりも前方に屈
曲させ、そのスペックルパタン画像をＳ2 として画像メ
モリーに記録した後、同じくハードディスクに記憶させ
た。このようにして、次々と合計１０枚（Ｓ0 〜Ｓ9 ）
のスペックルパタン画像を記録していった。次に、パソ
コンの演算によって、変形前とそれぞれの変形後の差分
（Ｓ0 i ＝Ｓi −Ｓ0 、ｉ＝１，２…，９）を求めた。
１．５ｃｍの所にマイクロメータヘッドを後方から当
て、マニュアルでほぼ１目盛（１０μｍ）ずつ変位を与
えることによって行った。まず予め適当な変位を与えて
片持ち梁を前方に屈曲させ、そのスペックルパタン画像
Ｓ0 を画像メモリに記録した後、その画像データを直ち
にハードディスクに記憶させた。これを変形前の状態と
し、次にマイクロメータヘッドを１目盛だけ回転させて
片持ち梁をさらに前方に屈曲させ、そのスペックルパタ
ン画像をＳ1 として画像メモリに記録した後、その画像
データを直ちにハードディスクに記憶させた。さらに１
目盛だけ回転させて片持ち梁をＳ1 の時よりも前方に屈
曲させ、そのスペックルパタン画像をＳ2 として画像メ
モリーに記録した後、同じくハードディスクに記憶させ
た。このようにして、次々と合計１０枚（Ｓ0 〜Ｓ9 ）
のスペックルパタン画像を記録していった。次に、パソ
コンの演算によって、変形前とそれぞれの変形後の差分
（Ｓ0 i ＝Ｓi −Ｓ0 、ｉ＝１，２…，９）を求めた。
【００１３】（解析）この実験で採用した光学系は、図
１に示す通りである。これを半透鏡に関して折曲げて等
価干渉光学系を考えると図２のようになる。ＣＣＤカメ
ラと測定物体は正対している。顕微鏡対物レンズの焦点
位置は、充分絞られた開口の中心位置０に一致してい
る。今、図２において、測定物体の幅Ｗ、物体からＴＶ
カメラの絞りまでの距離をｌとする。見込角θはｔａｎ
θ＝Ｗ／（２ｌ）を満たす。今、点Ｐが物体のほぼ中心
位置にあって、光軸方向にＤだけ変形したとすると、θ
〜０であり、点Ｐを写し出しているＣＣＤ素子Ｑにおけ
る光の位相は、レーザ光の波長をλとして、 φ＝２Ｄ（２π／λ） （１） だけ変化する。測定では逆に干渉縞位相φを読み取って
変形量Ｄを求める。ここでθの大きさが無視できないと
きは、（１）式で表わされる変形量Ｄは、見込角θの方
向の成分と見なされる。本実験ではＷ＝４０ｍｍ（高さ
方向は３４．５ｍｍ）、ｌ＝５００ｍｍであるからθ〜
０．０４である。この場合変形量Ｄの誤差率は１−ｃｏ
ｓ（０．０４）＝０．８×１０-3、すなわち０．１％に
満たない。ところで変形Ｄは一般には三次元スペクトル
であって、変形がゼロの固定点を同定できない場合は通
常４方向からの位相変化φｉ（ｉ＝１〜４）を知って求
める。この実験の場合は、変形の方向及び固定端が既知
であり、物体の見込み角も小さいので、測定物体のどの
点においても（１）式によって解析が行える。ここで
は、提案された手法による大きな変位の測定が可能であ
ることをデモすることを目的としているため、解析は全
面にわたっては行わず、測定物の高さ方向の中心線にお
ける暗い縞のピーク位置をマニュアルで求め、解析を行
うにとどめた、その場合、固定端から数えてＮ番目の暗
い縞の変位は（１）式より ＤN ＝（λ／２）Ｎ （Ｎ＝０，１，２，…） （２） と求まる。図３はそれぞれＳ0,3 ，Ｓ3,6 ，Ｓ6,9 の解
析結果である。下から３３ｍｍの中心位置（これを観測
点と呼ぶ）における変形量は、それぞれ５．７１μｍ，
５．３６μｍ，５．３８μｍとなるからこれらを合成す
ることによって変形量は１６．４５μｍと求まる。これ
は、まさにＳ0,9 によって測定できなかった変形量であ
る。Ｓ0,3 ，Ｓ3,6 ，Ｓ6,9 を合成して、測定物の中心
線のＳ0,9に相当する変形分布を求めたのが図４であ
る。
１に示す通りである。これを半透鏡に関して折曲げて等
価干渉光学系を考えると図２のようになる。ＣＣＤカメ
ラと測定物体は正対している。顕微鏡対物レンズの焦点
位置は、充分絞られた開口の中心位置０に一致してい
る。今、図２において、測定物体の幅Ｗ、物体からＴＶ
カメラの絞りまでの距離をｌとする。見込角θはｔａｎ
θ＝Ｗ／（２ｌ）を満たす。今、点Ｐが物体のほぼ中心
位置にあって、光軸方向にＤだけ変形したとすると、θ
〜０であり、点Ｐを写し出しているＣＣＤ素子Ｑにおけ
る光の位相は、レーザ光の波長をλとして、 φ＝２Ｄ（２π／λ） （１） だけ変化する。測定では逆に干渉縞位相φを読み取って
変形量Ｄを求める。ここでθの大きさが無視できないと
きは、（１）式で表わされる変形量Ｄは、見込角θの方
向の成分と見なされる。本実験ではＷ＝４０ｍｍ（高さ
方向は３４．５ｍｍ）、ｌ＝５００ｍｍであるからθ〜
０．０４である。この場合変形量Ｄの誤差率は１−ｃｏ
ｓ（０．０４）＝０．８×１０-3、すなわち０．１％に
満たない。ところで変形Ｄは一般には三次元スペクトル
であって、変形がゼロの固定点を同定できない場合は通
常４方向からの位相変化φｉ（ｉ＝１〜４）を知って求
める。この実験の場合は、変形の方向及び固定端が既知
であり、物体の見込み角も小さいので、測定物体のどの
点においても（１）式によって解析が行える。ここで
は、提案された手法による大きな変位の測定が可能であ
ることをデモすることを目的としているため、解析は全
面にわたっては行わず、測定物の高さ方向の中心線にお
ける暗い縞のピーク位置をマニュアルで求め、解析を行
うにとどめた、その場合、固定端から数えてＮ番目の暗
い縞の変位は（１）式より ＤN ＝（λ／２）Ｎ （Ｎ＝０，１，２，…） （２） と求まる。図３はそれぞれＳ0,3 ，Ｓ3,6 ，Ｓ6,9 の解
析結果である。下から３３ｍｍの中心位置（これを観測
点と呼ぶ）における変形量は、それぞれ５．７１μｍ，
５．３６μｍ，５．３８μｍとなるからこれらを合成す
ることによって変形量は１６．４５μｍと求まる。これ
は、まさにＳ0,9 によって測定できなかった変形量であ
る。Ｓ0,3 ，Ｓ3,6 ，Ｓ6,9 を合成して、測定物の中心
線のＳ0,9に相当する変形分布を求めたのが図４であ
る。
【００１４】次に、Ｓ0,1 ，Ｓ1,2 ，Ｓ2,3 の解析結果
を図５に示す。これらから合成変形量は図６のように求
まる。これはＳ0,3 の結果と一致するはずであるから、
これらの誤差ｅ＝（Ｓ0,1 ＋Ｓ1,2 ＋Ｓ2,3 ）−Ｓ0,3
を求めてみると図７のようになる。最大０．４μｍの誤
差であるが、オフセットを−０．２μｍとすれば誤差は
±０．２μｍとなる。この誤差は干渉縞の読み取りによ
ると考えられ、大きな変形もスペックルパタン干渉縞模
様の合成によって高い精度で測定できることを示してい
る。
を図５に示す。これらから合成変形量は図６のように求
まる。これはＳ0,3 の結果と一致するはずであるから、
これらの誤差ｅ＝（Ｓ0,1 ＋Ｓ1,2 ＋Ｓ2,3 ）−Ｓ0,3
を求めてみると図７のようになる。最大０．４μｍの誤
差であるが、オフセットを−０．２μｍとすれば誤差は
±０．２μｍとなる。この誤差は干渉縞の読み取りによ
ると考えられ、大きな変形もスペックルパタン干渉縞模
様の合成によって高い精度で測定できることを示してい
る。
【００１５】（まとめ）以上の結果、ＥＳＰＩによって
大きな変形分布を求めるに次のようにすれば良いことが
分かった。まず、変形前のスペックルパタン画像（Ｓ
0 ）から変形中のスペックルパタン画像（Ｓ1 ，Ｓ2 ，
…，Ｓn-1 ）及び変形の終わりのスペックルパタン画像
（Ｓn ）までを連続して画像メモリに取り込む。この時
点で測定は完了し、解析処理にうつる。最初のスペック
ルパタン画像Ｓ0 と変形後の一番目のスペックルパタン
画像Ｓ1 の差分Ｓ0,1 をとってみて、干渉縞の本数が少
なければ、さらに、二番目との差Ｓ0,2 をとる。こうし
て、可能な限り大きな変形のスペックル干渉縞画像Ｓ
0,i を得る。さらに、Ｓi,i+1 ，Ｓi,i+2,…をつくり、
次の可能な限り大きな変形のスペックル干渉縞画像Ｓ
i,j を得る。このようにして次々にＳj,k …，Ｓl,m を
求め、最後にＳm,n を求める。ここでｉ，ｊ，ｋ，ｌ，
ｍ，ｎは正の整数であり、ｉ＜ｊ＜ｋ＜ｌ＜ｍ＜ｎであ
る。そしてＳ0,i からＳm,n までの変位を加えれば、ど
んなに大きい変形でもその始めから終わりまでの分布Ｓ
0,n が求まることになる。
大きな変形分布を求めるに次のようにすれば良いことが
分かった。まず、変形前のスペックルパタン画像（Ｓ
0 ）から変形中のスペックルパタン画像（Ｓ1 ，Ｓ2 ，
…，Ｓn-1 ）及び変形の終わりのスペックルパタン画像
（Ｓn ）までを連続して画像メモリに取り込む。この時
点で測定は完了し、解析処理にうつる。最初のスペック
ルパタン画像Ｓ0 と変形後の一番目のスペックルパタン
画像Ｓ1 の差分Ｓ0,1 をとってみて、干渉縞の本数が少
なければ、さらに、二番目との差Ｓ0,2 をとる。こうし
て、可能な限り大きな変形のスペックル干渉縞画像Ｓ
0,i を得る。さらに、Ｓi,i+1 ，Ｓi,i+2,…をつくり、
次の可能な限り大きな変形のスペックル干渉縞画像Ｓ
i,j を得る。このようにして次々にＳj,k …，Ｓl,m を
求め、最後にＳm,n を求める。ここでｉ，ｊ，ｋ，ｌ，
ｍ，ｎは正の整数であり、ｉ＜ｊ＜ｋ＜ｌ＜ｍ＜ｎであ
る。そしてＳ0,i からＳm,n までの変位を加えれば、ど
んなに大きい変形でもその始めから終わりまでの分布Ｓ
0,n が求まることになる。
【００１６】
【発明の効果】このように、この発明の電子的スペック
ルパタン干渉法変形測定方法においては、スペックルパ
タン画像を画像メモリに次々と取り込み、後にそれらの
適当な差分を次々にとることによって、電子的スペック
ル干渉法における変形の測定範囲を拡大できる。従来の
電子的スペックル干渉法変形測定方法では、もし変形量
が大きい場合には干渉縞の密度が高すぎて干渉縞の読み
取りができなくなってしまうので、その対応策として変
形途中の状態を新たに変形前の状態として再度記憶して
やり、変形後との差をとるようにしてやることも考えら
れるが、このようにすると大きな変形測定も可能となる
が、変形途中の状態を新たに記録している時間は測定が
できない時間であり、測定が不連続となってしまう。ま
た実時間ホログラフィ干渉の場合は、変形途中で何度も
ホログラムを作り直さなければならず、測定の連続性が
失われるだけでなくその作業が大変面倒となるのである
が、この発明の電子的スペックル干渉法測定方法では、
スペックル干渉縞は変形前後のスペックル画像の差を取
ることによってはじめて生じるものであるから、大容量
画像メモリに測定物体の一連の変形のスペックルパタン
画像のみを実時間（テレビのフレームレート）で次々と
記録してやり（例えば図８（ａ）に示すようにＮ（１）
〜Ｎ（６４）の６４画面）、後にＮ（１２）からＮ
（１）までの変形を求めるのに、適当なスペックルパタ
ン画像の差をとってやれば（例えば、図８（ｂ）、
（ｃ）に示すように、Ｎ（６）−Ｎ（１）、Ｎ（１０）
−Ｎ（６）、Ｎ（１２）−Ｎ（１０）のように分けて画
像の差をとってやれば）、大きな変形も連続性を失わず
に測定できることになる。
ルパタン干渉法変形測定方法においては、スペックルパ
タン画像を画像メモリに次々と取り込み、後にそれらの
適当な差分を次々にとることによって、電子的スペック
ル干渉法における変形の測定範囲を拡大できる。従来の
電子的スペックル干渉法変形測定方法では、もし変形量
が大きい場合には干渉縞の密度が高すぎて干渉縞の読み
取りができなくなってしまうので、その対応策として変
形途中の状態を新たに変形前の状態として再度記憶して
やり、変形後との差をとるようにしてやることも考えら
れるが、このようにすると大きな変形測定も可能となる
が、変形途中の状態を新たに記録している時間は測定が
できない時間であり、測定が不連続となってしまう。ま
た実時間ホログラフィ干渉の場合は、変形途中で何度も
ホログラムを作り直さなければならず、測定の連続性が
失われるだけでなくその作業が大変面倒となるのである
が、この発明の電子的スペックル干渉法測定方法では、
スペックル干渉縞は変形前後のスペックル画像の差を取
ることによってはじめて生じるものであるから、大容量
画像メモリに測定物体の一連の変形のスペックルパタン
画像のみを実時間（テレビのフレームレート）で次々と
記録してやり（例えば図８（ａ）に示すようにＮ（１）
〜Ｎ（６４）の６４画面）、後にＮ（１２）からＮ
（１）までの変形を求めるのに、適当なスペックルパタ
ン画像の差をとってやれば（例えば、図８（ｂ）、
（ｃ）に示すように、Ｎ（６）−Ｎ（１）、Ｎ（１０）
−Ｎ（６）、Ｎ（１２）−Ｎ（１０）のように分けて画
像の差をとってやれば）、大きな変形も連続性を失わず
に測定できることになる。
【図１】電子的スペックルパタン干渉法変形測定装置の
構成説明図。
構成説明図。
【図２】図１に示す電子的スペックルパタン干渉法変形
測定装置の等価光学系を示す構成説明図。
測定装置の等価光学系を示す構成説明図。
【図３】Ｓ0,3 ，Ｓ3,6 ，Ｓ6,9 の変形の解析結果を示
すグラフである。
すグラフである。
【図４】Ｓ0,3 ，Ｓ3,6 ，Ｓ6,9 を合成して、測定物の
中心線のＳ0,9 に相当する変形分布を求めた図。
中心線のＳ0,9 に相当する変形分布を求めた図。
【図５】Ｓ0,1 ，Ｓ1,2 ，Ｓ2,3 の解析結果を求めた
図。
図。
【図６】図５の解析結果から求まる合成変形量を求めた
図。
図。
【図７】誤差ｅ＝（Ｓ0,1 ＋Ｓ1,2 ＋Ｓ2,3 ）−Ｓ0,3
を求めた図。
を求めた図。
【図８】電子的スペックルパタン干渉法変形測定方法の
原理を示す説明図。
原理を示す説明図。
１ 電子的スペックルパタン干渉法変形測定装置 ２ レーザ光源 ３ ミラー ４ 顕微鏡対物レンズ ５ コリメートレンズ ６ 半透鏡 ７ 参照物体 ８ 測定物体 １１ 撮像装置 １２ 大容量画像メモリ １３ モニタ １４ パーソナルコンピュータ
Claims (1)
- 【請求項１】 スペックル干渉計によって形成される測
定物から反射されたレーザ光と前記測定物を経由しない
レーザ光とを重ね合わせたスペックル画像を所定の時間
間隔で複数形成して記憶装置に記憶させ、前記複数のス
ペックル画像のうちの２枚のスペックル画像の差分から
２枚のスペックル画像の形成時の時間間隔における前記
測定物の変形を求めることを特徴とするスペックル干渉
法変形測定方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4266633A JPH0746045B2 (ja) | 1992-09-09 | 1992-09-09 | スペックル干渉法変形測定方法 |
| US08/118,296 US5467184A (en) | 1992-09-09 | 1993-09-09 | Method of large deformation measurement using speckle interferometry |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4266633A JPH0746045B2 (ja) | 1992-09-09 | 1992-09-09 | スペックル干渉法変形測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0694434A true JPH0694434A (ja) | 1994-04-05 |
| JPH0746045B2 JPH0746045B2 (ja) | 1995-05-17 |
Family
ID=17433543
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4266633A Expired - Lifetime JPH0746045B2 (ja) | 1992-09-09 | 1992-09-09 | スペックル干渉法変形測定方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5467184A (ja) |
| JP (1) | JPH0746045B2 (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20030075968A (ko) * | 2002-03-22 | 2003-09-26 | 대우전자주식회사 | 이에스피아이장치에서 회전체 변형이나 진동을 측정하는장치 |
| JP2007333729A (ja) * | 2006-05-05 | 2007-12-27 | Asml Netherlands Bv | 検査方法およびそれを使用する装置 |
| JP2008232686A (ja) * | 2007-03-19 | 2008-10-02 | Saitama Prefecture | 変形測定装置、変形測定方法および変形測定プログラム |
| WO2011029086A3 (en) * | 2009-09-04 | 2011-06-03 | The Johns Hopkins University | Multimodal laser speckle imaging |
| EP2392892A1 (en) | 2010-06-04 | 2011-12-07 | Canon Kabushiki Kaisha | Deformation measuring apparatus and deformation measuring method |
| CN102788558A (zh) * | 2012-07-30 | 2012-11-21 | 山东师范大学 | 散斑相关和散斑干涉相结合的三维变形测量系统及方法 |
| JP2012530929A (ja) * | 2009-06-22 | 2012-12-06 | エーエスエムエル ネザーランズ ビー．ブイ． | オブジェクト検査システムおよび方法 |
| CN109357615A (zh) * | 2018-09-27 | 2019-02-19 | 北京信息科技大学 | 散斑干涉与剪切散斑干涉的共用装置 |
| JP2019105474A (ja) * | 2017-12-11 | 2019-06-27 | 日本電気株式会社 | 欠陥測定装置及び欠陥測定方法 |
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| US6525821B1 (en) * | 1997-06-11 | 2003-02-25 | Ut-Battelle, L.L.C. | Acquisition and replay systems for direct-to-digital holography and holovision |
| DE19740251C1 (de) * | 1997-09-12 | 1999-04-22 | Ettemeyer Gmbh & Co Mes Und Pr | Verfahren und Vorrichtung zur flächenhaften Erfassung transienter mechanischer Veränderungen eines Objektes mit einem Interferometer |
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| CN1322304C (zh) * | 2004-06-02 | 2007-06-20 | 致茂电子股份有限公司 | 干涉扫描装置及方法 |
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| DE102011018710B4 (de) * | 2011-04-26 | 2017-06-22 | Baumer Electric Ag | Optischer Sensor zur Bewegungs- und Längenmessung |
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-
1992
- 1992-09-09 JP JP4266633A patent/JPH0746045B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1993
- 1993-09-09 US US08/118,296 patent/US5467184A/en not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5467184A (en) | 1995-11-14 |
| JPH0746045B2 (ja) | 1995-05-17 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |