(57)【要約】【課題】互いに異なる方向からの２光束照射に係る各々の位相シフト操作を高精度に同時に行なうことが可能な２光束照射方向切替型のスペックル干渉計装置を得る。【解決手段】光学部材載設部１０に、光路長可変手段６０が配設されている。この光路長可変手段６０は、１つの駆動手段６２により反射光学素子６１を微動させることにより、反射光学素子６１を経由する各一方の照明用光束１４ｂ，１５ａと、反射光学素子６１を経由しない各他方の照明用光束１４ａ，１５ｂとの光路長差を変化させる２つの位相シフト操作を、一元化して同時に行なうように構成されている。【選択図】          図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像光学系の光軸を含む第１の平面内の、該光軸を挟んだ対称的な２方向から粗面物体表面を照明する一対の第１照明光出力部と、
前記光軸を含み前記第１の平面と交わる第２の平面内の、該光軸を挟んだ対称的な２方向から前記粗面物体表面を照明する一対の第２照明光出力部と、
光源部から出力された光束を２つの第１照明用光束に分岐し、該２つの第１照明用光束を前記一対の第１照明光出力部にそれぞれ導くとともに、前記光源部または他の光源部から出力された光束を２つの第２照明用光束に分岐し、該２つの第２照明用光束を前記一対の第２照明光出力部にそれぞれ導く導光路とを備え、
前記一対の第１照明光出力部による第１の照明と、前記一対の第２照明光出力部による第２の照明とを切り替えて行ない、これら第１および第２の照明時に前記粗面物体表面からの反射光束の干渉により形成される各々の干渉スペックルパターンを撮像するスペックル干渉計装置において、
入射光束を反射して所定の向きに出射する反射光学素子と該反射光学素子を所定方向に微動させる１つの駆動手段とを有し、該駆動手段により前記反射光学素子を前記所定方向に微動させることにより該反射光学素子を経由する光束の光路長を変化させる光路長可変手段を、所定箇所に配置するとともに、
前記導光路中に、前記２つの第１照明用光束および前記２つの第２照明用光束の各一方を、これらが共に前記反射光学素子を経由するように導く経由手段を設け、
前記１つの光路長可変手段において、前記反射光学素子を経由する前記各一方の照明用光束の各々の光路長を同時に変化させることによって、前記第１の照明時における位相シフト操作と前記第２の照明時における位相シフト操作とを一元化して行なうように構成してなることを特徴とするスペックル干渉計装置。
【請求項２】
前記反射光学素子は、入射された光束を複数の反射面を経由するように反射させて入射の向きとは逆向きに出射する複数回反射型の反射光学素子であり、
前記経由手段は、前記各一方の照明用光束を互いに平行な状態で前記複数回反射型の反射光学素子に入射させるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のスペックル干渉計装置。
【請求項３】
前記反射光学素子は、表裏面にそれぞれ平面状の反射面を備えた平行平板型の両面ミラーであり、
前記経由手段は、前記各一方の照明用光束の一方を前記両面ミラーの一方の反射面に垂直に入射させ、他方を該両面ミラーの他方の反射面に垂直に入射させるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のスペックル干渉計装置。
【請求項４】
前記反射光学素子は、平面状の反射面を備えた反射ミラーであり、
前記経由手段は、前記各一方の照明用光束を互いに平行な状態で前記平面反射ミラーの反射面に垂直に入射させるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のスペックル干渉計装置。
【請求項５】
前記粗面物体表面が変位する場合において、前記第１の照明時に撮像された前記干渉スペックルパターンより得られる、該粗面物体表面の所定方向の変位情報を担持した相関縞と、前記第２の照明時に撮像された前記干渉スペックルパターンより得られる、該粗面物体表面の他の方向の変位情報を担持した他の相関縞とに基づき、前記粗面物体表面のひずみを解析する解析手段を備えていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載のスペックル干渉計装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動的スペックル干渉法を用いて変形計測を行なうスペックル干渉計装置に関し、特に、粗面物体表面のひずみを解析するのに適したスペックル干渉計装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、負荷をかけられた物体が変形し破壊する過程等において、物体の変形を２次元的に光の波長オーダで高精度に測定し得る２光束照射型のスペックル干渉法が知られている。この２光束照射型のスペックル干渉法は、撮像光学系の光軸を挟んだ対照的な２方向から粗面物体表面をレーザ光で照射したときに観察面に生じる斑点状の模様（干渉スペックルパターン）を、粗面物体表面の変形過程に亘って撮像することにより得られる相関縞に基づき、粗面物体表面の所定方向（レーザ光の照射方向に対応する）の変位を測定する方法である。
【０００３】
本願出願人は、このような２光束照射型のスペックル干渉法を利用する測定装置として、観察物体表面の互いに異なる２方向の変位を測定することが可能な２光束照射方向切替型のスペックル干渉計装置を提案し、特許庁に対し既に開示している（下記特許文献１，２参照）。
【０００４】
ここで、図７を用い、下記特許文献２に開示されたスペックル干渉計装置について簡単に説明する。図７はその２光束照射方向切替型のスペックル干渉計装置の光学部材の配置構成を示す図で、同図（Ａ）はその正面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った部分断面図である。
【０００５】
図７に示すスペックル干渉計装置は、ＣＣＤカメラ１０３の光軸Ｌを挟んだ上下対称的な２方向から観察物体表面を照明する一対の照射ミラー１５１ａ，１５１ｂと、上記光軸Ｌを挟んだ左右対称的な２方向から観察物体表面を照明する一対の照射ミラー１５１ｃ，１５１ｄを光学部材載設部１１０上に備えており、図示せぬ光源装置から光ファイバ１１１ａ，１１１ｂを介して第１の光束１１４および第２の光束１１５が導かれるようになっている。
【０００６】
ファイバカプラ１１８ａから出力される第１の光束１１４は、ビームスプリッタ１３１において２つの照射用光束１１４ａ，１１４ｂに分割され、分割された２つの照射用光束１１４ａ，１１４ｂは、一方の照射用光束１１４ａが反射プリズム１３２，１３３および凹レンズ１３４を介して照射ミラー１５１ａに導かれるとともに、他方の照射用光束１１４ｂが反射プリズム１３５，１３６および凹レンズ１３７を介して照射ミラー１５１ｂに導かれ、この一対の照射ミラー１５１ａ，１５１ｂより一対の照明光束として観察物体表面に照射される。
【０００７】
一方、ファイバカプラ１１８ｂから出力される第２の光束１１５は、ビームスプリッタ１４１において２つの照射用光束１１５ａ，１１５ｂに分割され、分割された２つの照射用光束１１５ａ，１１５ｂは、一方の照射用光束１１５ａが反射プリズム１４２，１４３，１４４および凹レンズ１４５を介してミラー１５１ｃに導かれるとともに、他方の照射用光束１１５ｂが反射プリズム１４６および凹レンズ１４７を介して照射ミラー１５１ｄに導かれ、この一対の照射ミラー１５１ｃ，１５１ｄより他の一対の照明光束として観察物体表面に照射される。
【０００８】
上記一対の照射ミラー１５１ａ，１５１ｂからの照明（第１の照明）と、上記一対の照射ミラー１５１ｃ，１５１ｄからの照明（第２の照明）とは交互に切替えて行なわれ、これにより上下方向の干渉スペックルパターンの像と、左右方向の干渉スペックルパターンの像とが交互に形成されることになる。この交互に形成される上下方向および左右方向の各干渉スペックルパターンの像は、ＣＣＤカメラ１０３により所定のタイミング毎に撮像される。
【０００９】
また、図示されていないが、上記反射プリズム１３５および上記反射プリズム１４３には、第１および第２のＰＺＴ装置がそれぞれ設けられている。この第１および第２のＰＺＴ装置は、反射プリズム１３５，１４３を図中矢線方向にそれぞれ微動させることにより、反射プリズム１３５，１４３をそれぞれ経由する上記照明用光束１１４ｂ，１１５ａと、反射プリズム１３５，１４３を経由しない上記照明用光束１１４ａ，１１５ｂとの光路長差を変化させる、いわゆる位相シフト操作を行なうものである。このような位相シフト操作を行なうことにより、位相シフト法、フーリエ変換法またはヒルベルト変換法を用いた干渉スペックルパターン画像の解析処理を行なうことが可能となっている（下記特許文献１，３参照）。
【００１０】
上記第１および第２のＰＺＴ装置による位相シフト操作は、上記ＣＣＤカメラ１０３による干渉スペックルパターン画像の取込タイミングに同期させて行なわれる。例えば、下記特許文献２に示された例では、上記第１および第２のＰＺＴ装置を略同時に駆動させるとともに、その１走査期間において上下方向および左右方向に各々４枚ずつの画像が取り込まれるようにタイミングの同期が図られている。
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−２７１３８１号公報
【特許文献２】特願２００４−１６７７９１号明細書
【特許文献３】特開２００４−１０９０７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したような位相シフト操作は、干渉スペックルパターン画像の解析処理をより高精度に行なうために実施されるものであるが、上記特許文献１，２に開示されたこれまでの２光束照射方向切替型のスペックル干渉計装置においては、位相シフト法を用いた場合に期待される高精度な解析結果を得ることが難しいこと、特に観察物体表面の異なる２方向の変位に関する測定結果から、観察物体表面のひずみを解析する場合に、高精度な測定結果を得ることが難しいことが分かってきた。
【００１３】
その原因として、位相シフト操作を行なう際に発生する振動の影響により、位相シフト操作の精度（反射光学素子の移動精度やアライメント精度）が低下することが考えられる。
すなわち、上述した２光束照射方向切替型のスペックル干渉計装置においては、光路上の互いに異なる２位置にそれぞれ配置された反射光学素子（上記各反射プリズム）を、２つの駆動手段（上記第１および第２のＰＺＴ装置）を用いてそれぞれ別個に微動させることにより、第１の照明に係る位相シフト操作と第２の照明に係る位相シフト操作とを同時に行なうように構成されている。このため、一方の駆動手段から生じる振動が他方の駆動手段により微動せしめられる反射光学素子の動作に悪影響を及ぼしてしまい、位相シフト操作の精度が低下する虞がある。
【００１４】
これまで、防振対策を図りつつ、このような振動の影響を考慮して２つの駆動手段の較正を行なってきたが、振動自体を完全に抑えることや、互いに異なる２位置から生じる各々の振動の相互影響を把握することは極めて困難であり、このことが２つの位相シフト操作を高精度に同時実施するための妨げとなっていると考えられる。
【００１５】
また、時間軸フーリエ変換法またはヒルベルト変換法（上記特許文献３参照）の場合、その位相シフト操作は干渉縞に時間キャリアを与える役目になるため、位相シフト操作による誤差（反射光学素子の移動誤差やアライメント誤差）が時間キャリアを取り除いた後に、直接解析結果に残って、解析誤差の大きな原因になる。
【００１６】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、２光束照射方向切替型のスペックル干渉計装置において、互いに異なる方向からの２光束照射に係る各々の位相シフト操作を高精度に同時に行なうことを可能とし、これにより観察物体表面の変位やひずみを、位相シフト法を用いて高精度に解析することが可能なスペックル干渉計装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するため本発明のスペックル干渉計装置は、これまで、互いに異なる２位置で２つの駆動手段を用いて別個に行なわれていた２つの位相シフト操作を、一元化して行ない得るように、以下のように構成されている。
【００１８】
すなわち、本発明に係るスペックル干渉計装置は、撮像光学系の光軸を含む第１の平面内の、該光軸を挟んだ対称的な２方向から粗面物体表面を照明する一対の第１照明光出力部と、前記光軸を含み前記第１の平面と交わる第２の平面内の、該光軸を挟んだ対称的な２方向から前記粗面物体表面を照明する一対の第２照明光出力部と、光源部から出力された光束を２つの第１照明用光束に分岐し、該２つの第１照明用光束を前記一対の第１照明光出力部にそれぞれ導くとともに、前記光源部または他の光源部から出力された光束を２つの第２照明用光束に分岐し、該２つの第２照明用光束を前記一対の第２照明光出力部にそれぞれ導く導光路とを備え、前記一対の第１照明光出力部による第１の照明と、前記一対の第２照明光出力部による第２の照明とを切り替えて行ない、これら第１および第２の照明時に前記粗面物体表面からの反射光束の干渉により形成される各々の干渉スペックルパターンを撮像するスペックル干渉計装置において、
入射光束を反射して所定の向きに出射する反射光学素子と該反射光学素子を所定方向に微動させる１つの駆動手段とを有し、該駆動手段により前記反射光学素子を前記所定方向に微動させることにより該反射光学素子を経由する光束の光路長を変化させる光路長可変手段を、所定箇所に配置するとともに、
前記導光路中に、前記２つの第１照明用光束および前記２つの第２照明用光束の各一方を、これらが共に前記反射光学素子を経由するように導く経由手段を設け、
前記１つの光路長可変手段において、前記反射光学素子を経由する前記各一方の照明用光束の各々の光路長を同時に変化させることによって、前記第１の照明時における位相シフト操作と前記第２の照明時における位相シフト操作とを一元化して行なうように構成してなることを特徴とする。
【００１９】
前記反射光学素子および前記経由手段の具体的態様としては、種々のものが考えられる。例えば、反射光学素子として、入射された光束を複数の反射面を経由するように反射させて入射の向きとは逆向きに出射する複数回反射型の反射光学素子を用い、経由手段として、前記各一方の照明用光束を互いに平行な状態で前記複数回反射型の反射光学素子に入射させるように構成されているものを用いることができる。
【００２０】
または、反射光学素子として、平面状の反射面を備えた反射ミラーを用いるとともに、経由手段として、前記各一方の照明用光束を互いに平行な状態で前記平面反射ミラーの反射面に垂直に入射させるように構成されているものを用いたり、反射光学素子として、表裏面にそれぞれ平面状の反射面を備えた平行平板型の両面ミラーを用いるとともに、経由手段として、前記各一方の照明用光束の一方を前記両面ミラーの一方の反射面に垂直に入射させ、他方を該両面ミラーの他方の反射面に垂直に入射させるように構成されているものを用いたりしてもよい。
【００２１】
また、粗面物体表面が変位する場合、本発明においては、前記第１の照明時に撮像された干渉スペックルパターンより得られる、該粗面物体表面の所定方向の変位情報を担持した相関縞と、前記第２の照明時に撮像された干渉スペックルパターンより得られる、該粗面物体表面の他の方向の変位情報を担持した他の相関縞とに基づき、粗面物体表面のひずみを解析する解析手段を備えるように構成してもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係るスペックル干渉計装置によれば、１つの駆動手段により反射光学素子を所定方向に微動させる光路長可変手段と、２つの第１照明用光束および２つの第２照明用光束の各一方を、これらが共に反射光学素子を経由するように導く経由手段とを用いて、２つの位相シフト操作を一元化して同時に行なうように構成されていることにより、以下のような効果を奏する。
【００２３】
すなわち、２つの位相シフト操作を１つの駆動手段により行なうので、これまでは２つの駆動手段を用いていたため低減することが困難であった振動を大幅に低減することが可能となる。また、２つの位相シフト操作を１位置で行なうので、これまでは互いに異なる２位置で行なわれていたために懸念された振動の相互影響の虞がない。したがって、２つの位相シフト操作を高精度に同時に行なうことが容易に可能となり、これにより観察物体表面の変位やひずみを、位相シフト法を用いて高精度に解析することができる。
【００２４】
また、これまでは２つの駆動手段が必要とされた２つの位相シフト操作を、１つの駆動手段により行なうので、装置の製造コストを大幅に低減し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態に係るスペックル干渉計装置について図面を用いて説明する。
【００２６】
＜基本構成＞
図１は本発明の一実施形態に係るスペックル干渉計装置の概略構成図である。図１に示すスペックル干渉計装置２は、観察物体（粗面物体）１の表面の変位をスペックル干渉測定して、観察物体１の表面のひずみを解析するものであり、干渉スペックルパターンを撮像するＣＣＤカメラ（高速度カメラ）３と、該ＣＣＤカメラ３の光軸Ｌを含む鉛直面（第１の平面）内の、該光軸Ｌを挟んだ対称的な２方向から観察物体１の表面を照明する一対の第１照明光出力部９ａ，９ｂ（９ｂは図示略）と、上記光軸Ｌを含む水平面（第２の平面）内の、該光軸Ｌを挟んだ対称的な２方向から観察物体１の表面を照明する一対の第２照明光出力部９ｃ，９ｄを備えている。なお、上記観察物体１の表面は平面状に形成されており、その法線が上記光軸Ｌと略一致するように配置されている。
【００２７】
上記ＣＣＤカメラ３、一対の第１照明光出力部９ａ，９ｂ、および一対の第２照明光出力部９ｃ，９ｄは、図示せぬ他の光学部材とともに、光学部材載設部１０に載設配置されている。この光学部材載設部１０は、上記ＣＣＤカメラ３とは別体に構成されており、その略中央領域にＣＣＤカメラ３のレンズ鏡筒３ａが挿入されるようになっている。
【００２８】
また、スペックル干渉計装置２は、照明用のレーザ光束を出力する光源装置４と、コントローラ５と、解析用コンピュータ６およびモニタ７を備えている。なお、光源装置４と光学部材載設部１０との間には２本の光ファイバ１１ａ，１１ｂが配設されており、光源装置４から出力されたレーザ光束は、この２本の光ファイバ１１ａ，１１ｂを介して光学部材載設部１０内に導かれるようになっている。
【００２９】
詳しくは後述するが、上記一対の第１照明光出力部９ａ，９ｂからは、所定方向（本実施形態では上下方向）の干渉スペックルパターンを得るために、一対の照明光束８ａ，８ｂが観察物体１に照射される（第１の照明）。この、観察物体１に照射された２つの照明光束８ａ，８ｂにより各々独立なスペックルパターンが形成され、それら２つのスペックルパターンの干渉によりＣＣＤカメラ３の撮像面上に上下方向の干渉スペックルパターンの像が形成される。この後、この干渉スペックルパターンの像が光電的に読み取られることになる。観察物体１の表面が変形する場合には、上下方向の干渉スペックルパターンの像により観察物体１の上記光軸Ｌと略直交する表面内における上下方向の変位情報を担持した相関縞が得られ、この相関縞に基づいて観察物体１の表面内における上下方向の変位（面内変位）を求めることができる。
【００３０】
また、上記一対の第２照明光出力部９ｃ，９ｄからは、上記所定方向に略直交する他の方向（本実施形態では左右方向）の干渉スペックルパターンを得るために、他の一対の照明光束（図示略）が観察物体１に照射される（第２の照明）。この後、上記と同様に、ＣＣＤカメラ３の撮像面上に左右方向の干渉スペックルパターンの像が形成され、この干渉スペックルパターンの像が光電的に読み取られることになる。観察物体１の表面が変形する場合には、左右方向の干渉スペックルパターンの像により、観察物体１の表面内における左右方向の変位情報を担持した他の相関縞が得られ、この他の相関縞に基づいて観察物体１の表面内における左右方向の変位（面内変位）を求めることができる。
【００３１】
上記一対の第１照明光出力部９ａ，９ｂからの上記第１の照明と、上記一対の第２照明光出力部９ｃ，９ｄからの上記第２の照明は、交互に切り替えて行なわれる。この切替えを行なうための切替手段２０（図２参照）が上記光源装置４内に設けられており、以下この切替手段２０について図２を用いて説明する。
【００３２】
図２は上記光源装置４の内部構成を示す概略図であり、同図（Ａ）はその平面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）に示す回転板の正面図である。図２（Ａ）に示すように光源装置４は、固体レーザ，ガスレーザ，半導体レーザ等のいずれかよりなるレーザ光源１２と、該レーザ光源１２から出力された１つの出力光束１３を、第１の光束１４と第２の光束１５とに分割するビームスプリッタ１６と、分割された第２の光束１５を直角に反射するミラー１７と、切替手段２０とを備えている。
【００３３】
この切替手段２０は回転円板２１と、該回転円板２１を軸２２を中心として回転させる駆動モータ２３とを備えてなる。図２（Ｂ）に示すように回転円板２１は、その円周方向に交互に配置された光束通過許容部２１ａ（回転円板２１の周縁部を切り欠いて形成されている）と光束遮断部２１ｂとを有し、光束通過許容部２１ａが上記第１の光束１４および上記第２の光束１５の一方の導光路上に位置するときには、光束遮断部２１ｂが他方の導光路上に位置するように構成されている。
【００３４】
すなわち、回転円板２１はいわゆる光チョッパとして機能し、光束通過許容部２１ａが位置した導光路は光束の通過が可能な状態に、光束遮断部２１ｂが位置した導光路は光束の通過が遮断された状態とされ、これにより上記第１の照明および上記第２の照明のＯＮ／ＯＦＦが、一方がＯＮのときには他方がＯＦＦとなるように切り替えるように構成されている。なお、上記回転円板２１の回転速度は、回転円板２１や駆動モータ２３に対して設置されるロータリエンコーダ等の回転センサ（不図示）によって上記解析用コンピュータ６にフィードバックされ、該解析用コンピュータ６からの指示に基づき上記コントローラ５によって制御されるようになっている。
【００３５】
＜具体的構成＞
このように、上記第１の照明と上記第２の照明とは、交互に切り替えて行なわれる。この切替えに同期して、第１の照明に係る位相シフト操作と第２の照明に係る位相シフト操作とを、一元化して同時に行なうようにしたことが本発明の要点であり、以下この点について、図３を用いて説明する。図３は上記光学部材載設部１０の構成を示す概略図（同図（Ａ）は正面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った部分断面図）である。
【００３６】
図３（Ａ）に示すように光学部材載設部１０には、光ファイバ１１ａによって上記光源装置４（図１参照）より導かれファイバカプラ１８ａから出力される第１の光束１４を２つの光束１４ａ，１４ｂに分割するビームスプリッタ３１と、光ファイバ１１ｂによって上記光源装置４より導かれファイバカプラ１８ｂから出力される第２の光束１５を２つの光束１５ａ，１５ｂに分割するビームスプリッタ４１が配設されている。
【００３７】
また、光学部材載設部１０には、入射された光束を複数の反射面を経由するように反射させて入射の向きとは逆向きに出射する複数回反射型の反射光学素子６１と、該反射光学素子６１を図中左右方向に微動させる１つの駆動手段６２とからなる光路長可変手段６０が配設されている。なお、上記反射光学素子６１としては、コーナーキューブや直角プリズム等を用いることが可能であり、上記駆動手段６２としては、ＰＺＴ等の圧電素子により駆動力を得るように構成されたものを用いることができる。
【００３８】
上記ビームスプリッタ３１により分割された２つの光束１４ａ，１４ｂは、一方の光束１４ａが反射プリズム３２，３３および凹レンズ３４を介して照射ミラー５１ａに導かれるとともに、他方の光束１４ｂが上記反射光学素子６１を経由した後、反射プリズム３５および凹レンズ３７を介して照射ミラー５１ｂに導かれ、この一対の照射ミラー５１ａ，５１ｂより、一対の照明光束（図１に示す一対の照明光束８ａ，８ｂに相当する）として、図１に示す観察物体１に照射される。
【００３９】
また、上記ビームスプリッタ４１により分割された２つの光束１５ａ，１５ｂは、一方の光束１５ａが上記反射光学素子６１を経由した後、反射プリズム４２，４３および凹レンズ４５を介してミラー５１ｃに導かれるとともに、他方の光束１５ｂが反射プリズム４６および凹レンズ４７を介して照射ミラー５１ｄに導かれ、この一対の照射ミラー５１ｃ，５１ｄより、他の一対の照明光束として、図１に示す観察物体１に照射される。
【００４０】
すなわち、上記一対の照射ミラー５１ａ，５１ｂは上述の一対の第１照明光出力部９ａ，９ｂに相当するものであり、この一対の照射ミラー５１ａ，５１ｂから出力された一対の照明光束の干渉により、ＣＣＤカメラ３の撮像面上に上下方向の干渉スペックルパターンの像が形成される。一方、上記一対の照射ミラー５１ｃ，５１ｄは上述の一対の第２照明光出力部９ｃ，９ｄに相当するものであり、この一対の照射ミラー５１ｃ，５１ｄから出力された他の一対の照明光束の干渉により、ＣＣＤカメラ３の撮像面上に左右方向の干渉スペックルパターンの像が形成される。
【００４１】
また、上述のように、一対の照射ミラー５１ａ，５１ｂから出力される一対の照明光束は、上記第１の光束１４を２つの光束１４ａ，１４ｂに分割してなるものであり、一対の照射ミラー５１ｃ，５１ｄから出力される他の一対の照明光束は、上記第２の光束１５を２つの光束１５ａ，１５ｂに分割してなるものである。上記第１の光束１４および上記第２の光束１５は、図２に示す切替手段２０により、一方が出力されるときは他方が出力されないように交互に切り替えられて、上記光ファイバ１１ａおよび上記光ファイバ１１ｂにそれぞれ出力される。したがって、上記一対の照射ミラー５１ａ，５１ｂからの照明（第１の照明）と、上記一対の照射ミラー５１ｃ，５１ｄからの照明（第２の照明）とは交互に切替えて行なわれ、これにより上下方向の干渉スペックルパターンの像と、左右方向の干渉スペックルパターンの像とが交互に形成されることになる。この交互に形成される上下方向および左右方向の各干渉スペックルパターンの像は、上記ＣＣＤカメラ３により所定のタイミング毎に撮像される。
【００４２】
本実施形態では、上記ビームスプリッタ３１，４１により本発明に係る経由手段が構成されており、上記照明用光束１４ｂ，１５ａは上記ビームスプリッタ３１，４１により、互いに平行な状態で上記反射光学素子６１に入射するように導かれる。
【００４３】
また、上記光路長可変手段６０は、１つの駆動手段６２により反射光学素子６１を図中左右方向に微動させることにより、反射光学素子６１を経由する各一方の照明用光束１４ｂ，１５ａと、反射光学素子６１を経由しない各他方の照明用光束１４ａ，１５ｂとの光路長差を変化させる２つの位相シフト操作を、一元化して同時に行なうものである。このような位相シフト操作を行なうことにより、位相シフト法を用いた干渉スペックルパターン画像の解析処理を行なうことが可能となる（上記特許文献１参照）。また、ヒルベルト変換法を用いた干渉スペックルパターン画像の解析処理も行なうことが可能となる（上記特許文献３参照）。
【００４４】
上記光路長可変手段６０による位相シフト操作、上記ＣＣＤカメラ３による干渉スペックルパターン画像の取り込みは、切替手段２０による上記第１および第２の照明のＯＮ／ＯＦＦ切替えと共に、図１に示すコントローラ５により制御される。これらの制御タイミングの一例を図４に示す。図４に示す例では、上記駆動手段６２の１走査期間において、上下方向および左右方向に各々４枚ずつの画像が取り込まれるようにタイミングの同期が図られており、各カメラ出力信号（映像信号のＶシンク信号）（同図（Ｂ）参照）の立ち上がりのタイミングに同期して、上記切替手段２０による上記第１および第２の照明のＯＮ／ＯＦＦ切替えが交互に行なわれるようになっている（同図（Ｃ）、（Ｄ）参照）。
【００４５】
なお、図４に示す例では、第１および第２の照明におけるＯＮ／ＯＦＦのデューティが略１：１に設定されているが、ＯＮ期間がＯＦＦ期間よりも短くなるように設定する（図２に示す回転円板２１による切替えは、この場合に相当する）ことも可能である。これにより、照明方向の切替タイミングに多少の誤差が生じたために、１つの画像の取込み期間内において照明方向が切り替わり、１つの画像内に２方向の干渉スペックルパターンのデータが重畳されてしまうという事態が生じる可能性を低減することができる。
【００４６】
上述したように、図１に示す観察物体１の表面が変形する場合には、上下方向の干渉スペックルパターンの像により観察物体１の表面内における上下方向の変位情報を担持した相関縞が得られ、この相関縞に基づいて観察物体１の上下方向の面内変位を求めることができる。また、左右方向の干渉スペックルパターンの像により観察物体１の表面内における左右方向の変位情報を担持した他の相関縞が得られ、この他の相関縞に基づいて観察物体１の左右方向の面内変位を求めることができる。そして、観察物体１の上下方向および左右方向の面内変位に基づき、観察物体１の表面のひずみを求めることが可能となる。
【００４７】
具体的には、上記相関縞に基づき、観察物体１の表面全体または表面の一部からなる被測定面における上下方向および左右方向の局所的な面内変位（上下方向の局所的な面内変位をｕｘ（ｘ，ｙ）、左右方向の局所的な面内変位をｕｙ（ｘ，ｙ）とする）を、被測定面全域にわたって求める。被測定面内におけるひずみは、上下方向および左右方向の伸びまたは縮みεｘｘ，εｙｙと、上下方向および左右方向に対するずれ（ずり）εｘｙ，εｙｘとにより定義され、それぞれは上記面内変位ｕｘ，ｕｙに基づき下式（１）〜（３）によって求めることができる。また、これらより、ひずみの主値（主ひずみ）ε１，ε２を、下式（４），（５）に基づき算定することが可能である。
【００４８】
【数１】
2006275868.tif 000003
【００４９】
なお、相関縞に基づく観察物体１の表面各点における上下方向および左右方向の面内変位の解析、およびこの変位情報に基づく観察物体１の表面内でのひずみの解析は、上記解析用コンピュータ６においてなされ、得られた解析結果は上記モニタ７に表示される。
【００５０】
以上説明したように本実施形態のスペックル干渉計装置２によれば、これまで、２つの駆動手段を用いて、互いに異なる２位置で行なわれていた２つの位相シフト操作（第１の照明に係る位相シフト操作と第２の照明に係る位相シフト操作）が、光路長可変手段６０を構成する１つの駆動手段６２を用いて行なわれる。このため、位相シフト時に発生する振動を大幅に低減し得るとともに、発生した振動が２つの位相シフト操作間において相互に影響することを防止し得る。したがって、２つの位相シフト操作を高精度に同時に行なうことが容易に可能となり、これにより観察物体表面の変位やひずみを、位相シフト法を用いて高精度に解析することができる。また、時間軸フーリエ変換法、ヒルベルト変換法などにも活用できる。
【００５１】
また、これまでは２つの駆動手段が必要とされた２つの位相シフト操作を、１つの駆動手段６２により行なうことが可能なので、スペックル干渉計装置２の製造コストを大幅に低減し得る。
【００５２】
また、駆動手段６２により微動せしめられる反射光学素子として、複数回反射型の反射光学素子６１を用いていることにより、次のような利点を有している。すなわち、反射光学素子６１は、入射された光束を複数の反射面を経由するように反射させて入射の向きとは逆向きに出射するが、このとき入射光束の光路と出射光束の光路が互いに重複しないように構成されている。このため、入射された光束をほとんど減衰させることなく、照明用として利用することが可能となる。また、複数回反射型の反射光学素子６１は、アライメントが容易であるという利点も有している。
【００５３】
＜態様の変更＞
以下、本発明に係る他の実施形態について説明する。図５は上述した光学部材載設部１０の変形例を示す正面図である。なお、図５に示す光学部材のうち、図３に示す光学部材と同等のものについては、図３中の番号を共通に用い、その詳細な説明は省略する。このことは、後述する他の変形例を示す図６に関しても同様とする。
【００５４】
図５に示す形態では、第１および第２の光束１４，１５をそれぞれ導く２本の光ファイバ１１ａ，１１ｂと２つのファイバカプラ１８ａ，１８ｂ、および２つのビームスプリッタ３１，４１が、図３に示す形態とは図中上下逆に配置されている。
【００５５】
また、光路長可変手段６０Ａが、表裏面にそれぞれ平面状の反射面６３ａ，６３ｂを備えた平行平板型の両面ミラー６３と、１つの駆動手段６２とから構成されている点、および経由手段が、４つのビームスプリッタ３１，３６，４１，４４と１つの反射プリズム３８により構成されている点が、図３に示す形態とは異なっている。
【００５６】
すなわち、ファイバカプラ１８ａから出力される第１の光束１４は、ビームスプリッタ３１により２つの照射用光束１４ａ，１４ｂに分割され、そのうちの一方の照射用光束１４ａは反射プリズム３２，３３および凹レンズ３４を介して照射ミラー５１ａに導かれる。他方の照射用光束１４ｂはビームスプリッタ３６および反射プリズム３８を経由した後、両面ミラー６３の一方の反射面６３ｂに垂直に入射し、該反射面６３ｂより入射光路を逆進するように反射され、反射プリズム３８、ビームスプリッタ３６および凹レンズ３７を介して照射ミラー５１ｂに導かれる。
【００５７】
また、ファイバカプラ１８ｂから出力された第２の光束１５は、ビームスプリッタ４１により２つの照射用光束１５ａ，１５ｂに分割され、そのうちの一方の照射用光束１５ａはビームスプリッタ４４を経由した後、両面ミラー６３の他方の反射面６３ａに垂直に入射する。そして、この反射面６３ａより入射光路を逆進するように反射され、ビームスプリッタ４４、反射プリズム４３および凹レンズ４５を介して照射ミラー５１ｃに導かれる。一方、他方の照射用光束１５ｂは反射プリズム４６および凹レンズ４７を介して照射ミラー５１ｄに導かれる。
【００５８】
上記光路長可変手段６０Ａは、１つの駆動手段６２により両面ミラー６３を図中上下方向に微動させることにより、両面ミラー６３の表裏２つの反射面６３ａ，６３ｂを経由する各一方の照明用光束１４ｂ，１５ａと、これを経由しない各他方の照明用光束１４ａ，１５ｂとの光路長差を変化させる２つの位相シフト操作を、一元化して同時に行なうように構成されている。
【００５９】
このように図５に示す実施形態においては、光路長を変化させるための反射光学素子として両面ミラー６３を用いている。両面ミラーはコーナーキューブや直角プリズム等の反射光学素子に比べて軽量で安価であるため、駆動が容易に行なえるとともに、コストの低減化が図れるという利点がある。
【００６０】
図６に示す形態においても図５に示す形態と同様に、２本の光ファイバ１１ａ，１１ｂと２つのファイバカプラ１８ａ，１８ｂ、および２つのビームスプリッタ３１，４１が、図３に示す形態とは図中上下逆に配置されている。
また、光路長可変手段６０Ｂが、平面状の反射面６４ａを備えた反射ミラー６４と、１つの駆動手段６２とから構成されている点、および経由手段が、４つのビームスプリッタ３１，３６，４１，４４により構成されている点が、図３に示す形態とは異なっている。
【００６１】
すなわち、ファイバカプラ１８ａから出力される第１の光束１４は、ビームスプリッタ３１により２つの照射用光束１４ａ，１４ｂに分割され、そのうちの一方の照射用光束１４ａは反射プリズム３２，３３および凹レンズ３４を介して照射ミラー５１ａに導かれる。他方の照射用光束１４ｂはビームスプリッタ３６を経由した後、反射ミラー６４の反射面６４ａに垂直に入射し、該反射面６４ａより入射光路を逆進するように反射され、ビームスプリッタ３６および凹レンズ３７を介して照射ミラー５１ｂに導かれる。
【００６２】
また、ファイバカプラ１８ｂから出力された第２の光束１５は、ビームスプリッタ４１により２つの照射用光束１５ａ，１５ｂに分割され、そのうちの一方の照射用光束１５ａはビームスプリッタ４４を経由した後、反射ミラー６４の反射面６４ａに垂直に入射する。そして、この反射面６４ａより入射光路を逆進するように反射され、ビームスプリッタ４４、反射プリズム４３および凹レンズ４５を介して照射ミラー５１ｃに導かれる。一方、他方の照射用光束１５ｂは反射プリズム４６および凹レンズ４７を介して照射ミラー５１ｄに導かれる。
【００６３】
上記光路長可変手段６０Ｂは、１つの駆動手段６２により反射ミラー６４を図中左右方向に微動させることにより、反射ミラー６４の反射面６４ａを経由する各一方の照明用光束１４ｂ，１５ａと、これを経由しない各他方の照明用光束１４ａ，１５ｂとの光路長差を変化させる２つの位相シフト操作を、一元化して同時に行なうように構成されている。
【００６４】
このように図６に示す実施形態においては、光路長を変化させるための反射光学素子として反射ミラー６４を用いている。反射ミラーはコーナーキューブや直角プリズム等の反射光学素子に比べて軽量で安価であるため、駆動が容易に行なえるとともに、コストの低減化が図れるという利点がある。また、反射ミラー６４をその裏面を介して駆動手段６２に取り付けることができるので、駆動手段６２への取付けが容易であるという利点もある。
【００６５】
なお、本発明のスペックル干渉計装置においてはその他にも種々の態様の変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、第１および第２の照明のＯＮ／ＯＦＦ切替えを、上述したような回転円板を用いて行なうように構成されているが、このような回転円板に替えて、液晶素子により導光路を遮断、開放したり、ＡＯ素子やＥＯ素子を用いて導光路中の光束の向きを変えたりして、第１および第２の照明のＯＮ／ＯＦＦ切替えを行なうようにしてもよい。また、ＯＮ／ＯＦＦ切替えタイミング等を制御するための同期信号はＶシンク信号でなくてもよい。
【００６６】
また、上記実施形態では、光源装置４と光学部材載設部１０との間の導光路が２本の光ファイバ１１ａ，１１ｂにより構成されているが、光源装置４と光学部材載設部１０とを一体的に構成するとともに、両者間の導光路をミラーやプリズム等を用いて構成するようにしてもよい。
【００６７】
また、光学部材載設部１０内の導光路の態様は適宜変更することが可能であり、例えば上記特許文献１に開示されているような階層構造の導光路としてもよい。
【００６８】
また、上記実施形態では、一対の第１照明光出力部９ａ，９ｂが配置される第１の平面を鉛直面とし、一対の第２照明光出力部９ｃ，９ｄが配置される第２の平面を水平面としているが、これら２つの平面は鉛直面や水平面に限られるものではなく、互いに直交している必要もない。例えば、第１の平面を水平面と斜交するように設定し、第２の平面を第１の平面（および水平面）と斜交するように設定してもよい。
【００６９】
また、本発明の適用対象は動的物体全般に及ぶものであり、例えば材料の引っ張り試験等の項目を含む、材料の疲労試験全般に適用可能であることは勿論のこと、動植物の各構成部分、特に人体組織の微小な動的変化にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施形態に係るスペックル干渉計装置の概略構成図
【図２】図１に示す光源装置の内部構成を示す概略図
【図３】図１に示す光学部材載設部の概略構成図
【図４】照明のＯＮ／ＯＦＦ切替えイミング等を示すタイミングチャート
【図５】図１に示す光学部材載設部の変形例を示す概略構成図
【図６】図１に示す光学部材載設部の他の変形例を示す概略構成図
【図７】従来の２光束照射方向切替型のスペックル干渉計装置を示す概略図
【符号の説明】
【００７１】
１      観察物体（粗面物体）
２      スペックル干渉計装置
３，１０３      ＣＣＤカメラ（高速度カメラ）
３ａ    レンズ鏡筒
４      光源装置
５      コントローラ
６      解析用コンピュータ
７      モニタ
８ａ，８ｂ      レーザ光束
９ａ，９ｂ      一対の第１照明光出力部
９ｃ，９ｄ      一対の第２照明光出力部
１０，１１０      光学部材載設部
１１ａ，１１ｂ，１１１ａ，１１１ｂ      光ファイバ
１２      レーザ光源
１３      出力光束
１４，１１４      第１の光束
１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１１４ａ，１１４ｂ，１１５ａ，１１５ｂ      照明用光束
１５，１１５      第２の光束
１６，３１，３６，４１，４４，１３１，１４１      ビームスプリッタ
１８ａ，１８ｂ，１１８ａ，１１８ｂ      ファイバカプラ
２０      切替手段
２１      回転円板
２１ａ    光束通過許容部
２１ｂ    光束遮断部
２２      軸
２３      駆動モータ
３２，３３，３５，４２，４３，４６，１３２〜１３６，１４２〜１４４      反射プリズム
３４，３７，４５，４７，１３４，１３７，１４５，１４７      凹レンズ
５１ａ〜５１ｄ，１５１ａ〜１５１ｄ      照射ミラー
６０，６０Ａ，６０Ｂ      光路長可変手段
６１      （複数回反射型の）反射光学素子
６２      駆動手段
６３      （平行平板型の）両面ミラー
６３ａ，６３ｂ，６４ａ      反射面
６４      反射ミラー
Ｌ      光軸
【図１】
2006275868.tif 000004
【図２】
2006275868.tif 000005
【図３】
2006275868.tif 000006
【図４】
2006275868.tif 000007
【図５】
2006275868.tif 000008
【図６】
2006275868.tif 000009
【図７】
2006275868.tif 000010