(57)【要約】【課題】簡単な構成で、空間を伝搬するという光の特徴を活かして、構造物の変位に関する情報を生成する。【解決手段】変位情報生成装置１は、光源２と、ホログラム３と、反射層４と、光検出器５とを備えている。ホログラム３および反射層４は構造物１０に取り付けられる。光源２とホログラム３が所定の位置関係にあるとき、光源２から出射された光はホログラム３に照射され、ホログラム３は回折光１３を発生し、光検出器５は回折光１３を受ける。構造物１０の変位に応じて光源２とホログラム３の位置関係が変化すると、ホログラム３の回折効率が変化する。光源２から出射された光をホログラム３に照射したときの光検出器５の出力信号は、構造物１０の変位に関する情報となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の変位に関する情報を生成する変位情報生成装置であって、
再生用参照光が照射されたときに回折光を発生するホログラムと、
前記ホログラムに照射される光を出射する光源と、
受けた光に応じた信号を出力し、前記ホログラムが前記回折光を発生したときには前記回折光を受けることが可能な光検出器とを備え、
前記構造物の変位に応じて、前記光源と前記ホログラムの位置関係または前記光源から出射されて前記ホログラムに照射される光の経路の状態が変化し、前記光源と前記ホログラムが所定の位置関係にあるとき、または前記光の経路が所定の状態のときには前記光源から出射された光が前記再生用参照光となるように設置され、
前記光源から出射された光を前記ホログラムに照射したときの前記光検出器の出力信号が、前記構造物の変位に関する情報となることを特徴とする変位情報生成装置。
【請求項２】
前記ホログラムが前記構造物に取り付けられて、前記構造物の変位に応じて、前記光源と前記ホログラムの位置関係が変化することを特徴とする請求項１記載の変位情報生成装置。
【請求項３】
前記ホログラムは、可撓性を有することを特徴とする請求項２記載の変位情報生成装置。
【請求項４】
前記ホログラムは、透過型ホログラムであり、前記光源から出射された光が入射する第１の面と前記第１の面とは反対側の第２の面とを有し、
前記変位情報生成装置は、更に、前記ホログラムの前記第２の面に接する反射層を備え、
前記光源と前記ホログラムが前記所定の位置関係にあるときには、前記光源から出射されて、前記ホログラムを透過して前記反射層で反射された光が前記再生用参照光となり、
前記回折光は、前記第１の面から出射されることを特徴とする請求項２または３記載の変位情報生成装置。
【請求項５】
前記ホログラムは、透過型ホログラムであり、前記光源から出射された光が入射する第１の面と前記第１の面とは反対側の第２の面とを有し、
前記光検出器は、前記ホログラムの第２の面側に配置されていることを特徴とする請求項２または３記載の変位情報生成装置。
【請求項６】
更に、前記光源から出射された光を前記ホログラムに向けて反射する反射部材を備え、
前記反射部材が前記構造物に取り付けられて、前記構造物の変位に応じて、前記光源から出射されて前記ホログラムに照射される光の経路の状態が変化することを特徴とする請求項１記載の変位情報生成装置。
【請求項７】
前記反射部材は、可撓性を有することを特徴とする請求項６記載の変位情報生成装置。
【請求項８】
前記ホログラムは、透過型ホログラムであり、前記光源から出射されて前記反射部材によって反射された光が入射する第１の面と前記第１の面とは反対側の第２の面とを有し、
前記光検出器は、前記ホログラムの第２の面側に配置されていることを特徴とする請求項６または７記載の変位情報生成装置。
【請求項９】
前記光検出器の出力信号は、前記光検出器が受けた光の強度を表す信号であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の変位情報生成装置。
【請求項１０】
前記光検出器の出力信号は、前記光検出器が受けた光の強度分布を表す信号であることを特徴とする請求項１ないし４および６ないし８のいずれかに記載の変位情報生成装置。
【請求項１１】
再生用参照光が照射されたときに回折光を発生するホログラムと、前記ホログラムに照射される光を出射する光源と、受けた光に応じた信号を出力し、前記ホログラムが前記回折光を発生したときには前記回折光を受けることが可能な光検出器とを備えた変位情報生成装置を用いて、構造物の変位に関する情報を生成する変位情報生成方法であって、
前記構造物の変位に応じて、前記光源と前記ホログラムの位置関係または前記光源から出射されて前記ホログラムに照射される光の経路の状態が変化し、前記光源と前記ホログラムが所定の位置関係にあるとき、または前記光の経路が所定の状態のときには前記光源から出射された光が前記再生用参照光となるように、前記変位情報生成装置を設置する手順と、
前記構造物の変位に関する情報を生成する手順とを備え、
前記構造物の変位に関する情報は、前記光源から出射された光を前記ホログラムに照射したときの前記光検出器の出力信号であることを特徴とする変位情報生成方法。
【請求項１２】
前記ホログラムが前記構造物に取り付けられて、前記構造物の変位に応じて、前記光源と前記ホログラムの位置関係が変化することを特徴とする請求項１１記載の変位情報生成方法。
【請求項１３】
前記ホログラムは、可撓性を有することを特徴とする請求項１２記載の変位情報生成方法。
【請求項１４】
前記ホログラムは、透過型ホログラムであり、前記光源から出射された光が入射する第１の面と前記第１の面とは反対側の第２の面とを有し、
前記変位情報生成装置は、更に、前記ホログラムの前記第２の面に接する反射層を備え、
前記光源と前記ホログラムが前記所定の位置関係にあるときには、前記光源から出射されて、前記ホログラムを透過して前記反射層で反射された光が前記再生用参照光となり、
前記回折光は、前記第１の面から出射されることを特徴とする請求項１２または１３記載の変位情報生成方法。
【請求項１５】
前記ホログラムは、透過型ホログラムであり、前記光源から出射された光が入射する第１の面と前記第１の面とは反対側の第２の面とを有し、
前記光検出器は、前記ホログラムの第２の面側に配置されていることを特徴とする請求項１２または１３記載の変位情報生成方法。
【請求項１６】
前記変位情報生成装置は、更に、前記光源から出射された光を前記ホログラムに向けて反射する反射部材を備え、
前記反射部材が前記構造物に取り付けられて、前記構造物の変位に応じて、前記光源から出射されて前記ホログラムに照射される光の経路の状態が変化することを特徴とする請求項１１記載の変位情報生成方法。
【請求項１７】
前記反射部材は、可撓性を有することを特徴とする請求項１６記載の変位情報生成方法。
【請求項１８】
前記ホログラムは、透過型ホログラムであり、前記光源から出射されて前記反射部材によって反射された光が入射する第１の面と前記第１の面とは反対側の第２の面とを有し、
前記光検出器は、前記ホログラムの第２の面側に配置されていることを特徴とする請求項１６または１７記載の変位情報生成方法。
【請求項１９】
前記光検出器の出力信号は、前記光検出器が受けた光の強度を表す信号であることを特徴とする請求項１１ないし１８のいずれかに記載の変位情報生成方法。
【請求項２０】
前記光検出器の出力信号は、前記光検出器が受けた光の強度分布を表す信号であることを特徴とする請求項１１ないし１４および１６ないし１８のいずれかに記載の変位情報生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を用いて構造物の変位に関する情報を生成する変位情報生成装置および変位情報生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば構造物に設置されたセンサを用いて、音、振動、変位等の物理量を観測し、その観測値に基づいて構造物の健全性を判定する構造ヘルスモニタリングという技術が注目されている。本出願では、構造ヘルスモニタリングを実現するための種々の要素技術のうち、構造物の変位に関する情報を生成する技術に注目する。この技術において、構造物に設置されるセンサとしては、構成が簡単で、低コストで、耐環境性に優れたものが望ましい。
【０００３】
構造物の変位に関する情報を生成する技術としては、電気的なセンサを用いるものや、超音波を用いるものや、光を用いるもの等、種々の技術が既に存在している。このうち、光を用いる技術は、電磁気ノイズの影響を受けないという利点を有している。また、光を用いる技術では、空間を伝搬するという光の特徴を活かして、導線を用いずに、構造物から離れた場所で、構造物の変位に関する情報を取得可能なシステムを構築できる可能性がある。
【０００４】
光を用いて構造物の変位に関する情報を生成する技術が記載された文献としては、例えば特許文献１ないし４がある。
【０００５】
特許文献１には、シート部と、このシート部上に折り返して配置された光ファイバーセンサー部とを備えた光ファイバーひずみセンサーシートが記載されている。
【０００６】
特許文献２には、応力測定対象物の表面に光弾性ゲージを貼り付け、光弾性ゲージへ偏光板の透過光を照射し、その反射光を、偏光板を通して電子カメラで捉え、演算処理装置によって、電子カメラのＲＧＢ信号の変化量を光弾性ゲージのひずみ量に換算し、このひずみ量から応力を求める方法が記載されている。
【０００７】
特許文献３には、デジタルホログラフィを用いて物体の変位やひずみの分布を計測するための光学系であって、１つのレーザ光源から出射された光を、物体に照射する物体光と、複数の撮像素子へ照射する参照光に分離し、計測対象物を置く場所に、特定のパターンを持つ基準面を、複数方向にそれぞれ微小移動できるステージに取り付けて配置した光学系が記載されている。
【０００８】
特許文献４には、レーザ装置から出射された光を２つに分け、一方の光を検査対象物に照射し、他方の光を参照光として、参照光と検査対象物からの反射光とを用いて、一定の時間間隔で複数のホログラムを形成し、この複数のホログラムを用いて、検査対象物の機械的挙動を評価する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−１３１０２３号公報
【特許文献２】特開平５−７９９２７号公報
【特許文献３】特開２０１２−２２０３４９号公報
【特許文献４】特許第２５５４９９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１ないし４に記載されているような、光を用いて構造物の変位に関する情報を生成する従来の技術では、構造ヘルスモニタリングに適用するにあたり、以下のような種々の問題点があった。
【００１１】
例えば特許文献１に記載されているような光ファイバーを用いる技術では、光源と光検出器を光ファイバーに接続する必要がある。そのため、この技術を構造ヘルスモニタリングに適用する場合には、構造物に、光ファイバーと共に光源と光検出器を設置する必要がある。これら光ファイバー、光源および光検出器を１つのセンサと捉えると、このセンサは、規模が大きく、構造物に設置するのに適しているとは言えない。また、光ファイバーを用いる技術では、空間を伝搬する光を利用しないため、空間を伝搬するという光の特徴は活かされない。
【００１２】
特許文献２に記載された技術では、ひずみと応力を伴わない構造物の変位を検出することはできないという問題点がある。
【００１３】
特許文献３，４に記載された技術では、構造ヘルスモニタリングに適用しようとすると、構造物の近くで、複雑で規模が大きく、且つ高精度の光学系を構築する必要がある。そのため、特許文献３，４に記載された技術では、構造ヘルスモニタリングに適用することが難しいという問題点がある。
【００１４】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡単な構成で、空間を伝搬するという光の特徴を活かして、構造物の変位に関する情報を生成できるようにした変位情報生成装置および変位情報生成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の変位情報生成装置は、構造物の変位に関する情報を生成する装置である。変位情報生成装置は、再生用参照光が照射されたときに回折光を発生するホログラムと、ホログラムに照射される光を出射する光源と、受けた光に応じた信号を出力し、ホログラムが回折光を発生したときには回折光を受けることが可能な光検出器とを備えている。変位情報生成装置は、構造物の変位に応じて、光源とホログラムの位置関係または光源から出射されてホログラムに照射される光の経路の状態が変化し、光源とホログラムが所定の位置関係にあるとき、または前記光の経路が所定の状態のときには光源から出射された光が再生用参照光となるように設置される。そして、光源から出射された光をホログラムに照射したときの光検出器の出力信号が、構造物の変位に関する情報となる。
【００１６】
本発明の変位情報生成方法は、再生用参照光が照射されたときに回折光を発生するホログラムと、ホログラムに照射される光を出射する光源と、受けた光に応じた信号を出力し、ホログラムが回折光を発生したときには回折光を受けることが可能な光検出器とを備えた変位情報生成装置を用いて、構造物の変位に関する情報を生成する方法である。変位情報生成方法は、構造物の変位に応じて、光源とホログラムの位置関係または光源から出射されてホログラムに照射される光の経路の状態が変化し、光源とホログラムが所定の位置関係にあるとき、または前記光の経路が所定の状態のときには光源から出射された光が再生用参照光となるように、変位情報生成装置を設置する手順と、構造物の変位に関する情報を生成する手順とを備えている。構造物の変位に関する情報は、光源から出射された光をホログラムに照射したときの光検出器の出力信号である。
【００１７】
本発明の変位情報生成装置および変位情報生成方法において、ホログラムが構造物に取り付けられて、構造物の変位に応じて、光源とホログラムの位置関係が変化してもよい。この場合、ホログラムは、可撓性を有していてもよい。また、ホログラムは、透過型ホログラムであって、光源から出射された光が入射する第１の面と第１の面とは反対側の第２の面とを有していてもよい。変位情報生成装置は、更に、ホログラムの第２の面に接する反射層を備えていてもよい。この場合、光源とホログラムが所定の位置関係にあるときには、光源から出射されて、ホログラムを透過して反射層で反射された光が再生用参照光となり、回折光は、第１の面から出射される。また、ホログラムが、透過型ホログラムであって、光源から出射された光が入射する第１の面と第１の面とは反対側の第２の面とを有している場合、光検出器は、ホログラムの第２の面側に配置されていてもよい。
【００１８】
また、本発明の変位情報生成装置および変位情報生成方法において、変位情報生成装置は、更に、光源から出射された光をホログラムに向けて反射する反射部材を備えていてもよく、反射部材が構造物に取り付けられて、構造物の変位に応じて、光源から出射されてホログラムに照射される光の経路の状態が変化してもよい。この場合、反射部材は、可撓性を有していてもよい。また、ホログラムは、透過型ホログラムであって、光源から出射されて反射部材によって反射された光が入射する第１の面と第１の面とは反対側の第２の面とを有していてもよい。この場合、光検出器は、ホログラムの第２の面側に配置されていてもよい。
【００１９】
また、本発明の変位情報生成装置および変位情報生成方法において、光検出器の出力信号は、光検出器が受けた光の強度を表す信号であってもよいし、光検出器が受けた光の強度分布を表す信号であってもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の変位情報生成装置および変位情報生成方法では、構造物の変位に応じて、光源とホログラムの位置関係または光源から出射されてホログラムに照射される光の経路の状態が変化することによって、光源から出射された光をホログラムに照射したときのホログラムから光検出器に向かう光が変化する。そのため、光源から出射された光をホログラムに照射したときの光検出器の出力信号が、構造物の変位に関する情報となる。本発明によれば、簡単な構成で、空間を伝搬するという光の特徴を活かして、構造物の変位に関する情報を生成することが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る変位情報生成装置の概略の構成を示す説明図である。
【図２】図１に示したホログラムの作製方法を示す説明図である。
【図３】図１に示したホログラムモジュールを示す説明図である。
【図４】図１に示したホログラムの回折光発生の原理を説明するための説明図である。
【図５】第１の実施例のホログラムの作製に使用した記録用光学系を示す説明図である。
【図６】第１の実施例のホログラムの特性を測定するために使用した再生用光学系を示す説明図である。
【図７】第１の実施例のホログラムの特性を示す特性図である。
【図８】図１に示した光源支持装置の一例を示す説明図である。
【図９】初期状態のホログラムに対する入射光の方向を変更する方法を示す説明図である。
【図１０】初期状態のホログラムについての入射光方向ずれ量と規格化強度の関係を概念的に示す特性図である。
【図１１】構造物の変位に伴うホログラムの変位の第１の態様を示す説明図である。
【図１２】第１の態様の変位後のホログラムについての入射光方向ずれ量と規格化強度の関係を概念的に示す特性図である。
【図１３】構造物の変位に伴うホログラムの変位の第２の態様を示す説明図である。
【図１４】構造物の変位に伴うホログラムの変位の第３の態様を示す説明図である。
【図１５】第３の態様の変位後のホログラムについての入射光方向ずれ量と規格化強度の関係を概念的に示す特性図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態に係る変位情報生成装置の概略の構成を示す説明図である。
【図１７】図１６における変位情報生成器の構成を示す説明図である。
【図１８】本発明の第３の実施の形態に係る変位情報生成装置の概略の構成を示す説明図である。
【図１９】図１８における変位情報生成器の構成を示す説明図である。
【図２０】本発明の第４の実施の形態に係る変位情報生成装置の概略の構成を示す説明図である。
【図２１】第２の実施例のホログラムの作製に使用した記録用光学系を示す説明図である。
【図２２】第２の実施例のホログラムの作製に使用した信号光の強度分布の２次元パターンの一部を示す説明図である。
【図２３】第２の実施例のホログラムの特性を測定するために使用した再生用光学系を示す説明図である。
【図２４】第２の実施例のホログラムの特性を示す特性図である。
【図２５】図２４中の点Ｐ２５に対応する再生画像の一部を示す説明図である。
【図２６】図２４中の点Ｐ２６に対応する再生画像の一部を示す説明図である。
【図２７】図２４中の点Ｐ２７に対応する再生画像の一部を示す説明図である。
【図２８】図２４中の点Ｐ２８に対応する再生画像の一部を示す説明図である。
【図２９】本発明の第５の実施の形態に係る変位情報生成装置の概略の構成を示す説明図である。
【図３０】図２９における変位情報生成器の構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る変位情報生成装置１の概略の構成について説明する。変位情報生成装置１は、構造物１０の変位に関する情報を生成する装置である。図１に示したように、変位情報生成装置１は、光源２と、ホログラム３と、反射層４と、光検出器５とを備えている。
【００２３】
光源２は、ホログラム３に照射される光を出射する。なお、本出願において使用する「光」は、可視光に限らない広義の光である。光源２は、特にレーザ光を出射する。光源２としては、例えば半導体レーザ、固体レーザまたはガスレーザを用いることができる。
【００２４】
ホログラム３は、再生用参照光が照射されたときに回折光を発生する。ホログラム３は、特に、透過型ホログラムである。ホログラム３は、光源２から出射された光が入射する第１の面３ａと、第１の面３ａとは反対側の第２の面３ｂとを有している。反射層４は、ホログラム３の第２の面３ｂに接し、ホログラム３と一体化されている。以下、ホログラム３および反射層４を含む構造体をホログラムモジュール６と呼ぶ。ホログラム３、反射層４ならびにホログラムモジュール６は、可撓性を有していてもよい。
【００２５】
光検出器５は、ホログラム３からの光を受け、受けた光に応じた信号を出力する。光検出器５は、特に、ホログラム３が回折光を発生したときには回折光を受けることが可能である。本実施の形態における光検出器５の出力信号は、光検出器５が受けた光の強度を表す信号である。光検出器５としては、例えばフォトダイオードや光電子増倍管を用いることができる。
【００２６】
変位情報生成装置１は、構造物１０の変位に応じて、光源２とホログラム３の位置関係または光源２から出射されてホログラム３に照射される光の経路の状態が変化し、光源２とホログラム３が所定の位置関係にあるとき、または上記光の経路が所定の状態のときには光源２から出射された光が再生用参照光となるように設置される。そして、光源２から出射された光をホログラム３に照射したときの光検出器５の出力信号が、構造物１０の変位に関する情報となる。
【００２７】
本実施の形態では、特に、ホログラム３および反射層４を含むホログラムモジュール６が構造物１０に取り付けられて、構造物１０の変位に応じて、光源２とホログラム３の位置関係が変化する。図１は、光源２とホログラム３が所定の位置関係にあるときを表している。このときには、光源２から出射されて、ホログラム３を透過して反射層４で反射された光が再生用参照光となり、回折光は、ホログラム３の第１の面３ａから出射される。図１において、符号１１は、光源２から出射されてホログラム３の第１の面３ａに入射する入射光を示している。符号１２は、入射光１１がホログラム３を透過して反射層４で反射された後の光である反射光を示している。符号１３は、ホログラム３が発生した回折光を示している。
【００２８】
変位情報生成装置１は、更に、光源２を支持すると共に光源２の位置および姿勢を変更可能な光源支持装置７と、図示しない支持部とを備えている。支持部は、光源支持装置７および光検出器５を一体的に支持する。以下、光源２、光源支持装置７、光検出器５および図示しない支持部を含む一体的な構造体を、光学モジュール８と呼ぶ。光源支持装置７については、後で詳しく説明する。
【００２９】
なお、本実施の形態において、ホログラム３として、透過型ホログラムの代わりに反射型ホログラムを用いてもよい。この場合には、反射層４は不要であり、ホログラム３が構造物１０に取り付けられる。
【００３０】
次に、図２を参照して、図１に示したホログラム３の作製方法について説明する。図２に示したように、ホログラム３は、例えば、ホログラム用感光材料よりなる感光層３Ｐに記録用参照光２１と信号光２２を入射させ、記録用参照光２１と信号光２２の干渉によって生じる干渉縞を、何らかの光学定数の変化として感光層３Ｐに記録することによって作製される。信号光２２は、ホログラフィにおける物体光に対応する。図２は、ホログラム３が透過型ホログラムである場合におけるホログラム３の作製方法を示している。この場合、記録用参照光２１と信号光２２を、感光層３Ｐの同じ面に入射させる。ここで、記録用参照光２１および信号光２２が入射する感光層３Ｐの面を第１の面３Ｐａとし、第１の面３Ｐａとは反対側の感光層３Ｐの面を第２の面３Ｐｂとする。なお、図示しないが、反射型ホログラムを作製する場合には、記録用参照光２１と信号光２２を、感光層３Ｐの互いに反対側の面に入射させる。
【００３１】
ホログラム用感光材料は、光が照射されることによって屈折率、透過率、反射率、偏光特性といった何らかの光学定数が変化しうる材料である。具体的には、ホログラム用感光材料としては、フォトポリマー、フォトリフラクティブ結晶、フォトリフラクティブポリマー、カルコゲナイド化合物、フォトクロミック材料、サーモクロミック材料等が挙げられる。
【００３２】
記録用参照光２１と信号光２２が照射される第１の面３Ｐａは、平面であってもよいし、凹凸がある面であってもよい。第１の面３Ｐａに凹凸がある場合には、空気と感光層３Ｐとの屈折率差に起因した記録用参照光２１および信号光２２の反射および散乱を抑制することができ、良好なホログラム３を作製することが可能になる。このような凹凸を形成する方法として例えば、電子線加工法、リソグラフィ法、インプリント法、光誘起表面レリーフ法等が挙げられる。
【００３３】
次に、図３を参照して、図１に示したホログラムモジュール６の作製方法について説明する。図２に示した感光層３Ｐは、記録用参照光２１と信号光２２の干渉によって生じる干渉縞が記録されて、図３に示したホログラム３になる。感光層３Ｐの第１の面３Ｐａと第２の面３Ｐｂは、それぞれ、ホログラム３の第１の面３ａと第２の面３ｂになる。ホログラムモジュール６は、ホログラム３の第２の面３ｂに反射層４を接合することによって作製される。
【００３４】
なお、ホログラム３は、光学定数の変化によって干渉縞が記録されたものに限らない。例えば、ホログラム３は、媒体表面の凹凸によって干渉縞が記録された表面レリーフ型ホログラムであってもよい。
【００３５】
反射層４は、接着剤を用いてホログラム３の第２の面３ｂに貼り付けてもよいし、真空蒸着法、スパッタリング法等によって第２の面３ｂに形成してもよい。反射層４は、図１に示した光源２から出射される光に対して高い反射率、好ましくは５０％以上の反射率を示すように形成される。反射層４の材料としては、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ等の金属、およびこれらの合金を用いることができる。また、反射層４は、多層反射膜を用いて構成してもよい。
【００３６】
ホログラムモジュール６は、ホログラム３および反射層４を支持するための１つ以上の基板を含んでいてもよい。基板は、ホログラム３の第１の面３ａに接する位置、ホログラム３の第２の面３ｂと反射層４の間、反射層４におけるホログラム３とは反対側の面に接する位置のうちの１つ以上の位置に設けることができる。ホログラム３の第１の面３ａに接する位置に設けられる基板と、ホログラム３の第２の面３ｂと反射層４の間に設けられる基板は、図１に示した光源２から出射される光に対して高い透過率を有している必要がある。基板は、可撓性を有していてもよい。
【００３７】
基板の材料としては、通常、ガラス、セラミックス、樹脂等が用いられるが、成形性およびコストの点から、樹脂が好ましい。樹脂としては、例えば、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリシクロオレフィン樹脂、エポキシ樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリロニトリル−スチレン共重合体、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ウレタン樹脂等が挙げられる。これらの中でも、成形性、光学特性およびコストの点から、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリシクロオレフィン樹脂が特に好ましい。また、基板としては、表面を紫外線硬化樹脂等でハードコート処理したものや、反射防止処理をしたものも適宜使用することができる。また、予め反射層４が設けられた基板を用いて、ホログラムモジュール６を作製してもよい。
【００３８】
ホログラム３の厚みは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。ホログラム３の厚みが１〜３０００μｍの範囲内であれば、３５０ｎｍ〜８００ｎｍの波長領域における透過率が高くなるため、有利である。基板を用いずホログラムモジュール６を作製する場合には、表面を紫外線硬化樹脂等でハードコート処理したものや反射防止処理をしたホログラム３を用いて、ホログラムモジュール６を作製してもよい。
【００３９】
次に、図４を参照して、本実施の形態におけるホログラム３の回折光発生の原理について説明する。始めに、ホログラム３に照射する光すなわち入射光１１の波長が図２に示した記録用参照光２１の波長と等しい場合について説明する。ホログラム３に入射する入射光１１は、ホログラム３を透過して反射層４で反射されて、反射光１２となる。この反射光１２の進行方向が、図２に示した記録用参照光２１の進行方向とは反対方向であるとき、反射光１２は、記録用参照光２１に対する位相共役光であって、ホログラム３から回折光１３を発生させることのできる再生用参照光となる。また、反射光１２の進行方向が記録用参照光２１の進行方向とは反対方向であるときに、ブラッグの回折条件が満たされて、ホログラム３の回折効率が最大になる。ホログラム３が発生した回折光１３は、ホログラム３の第１の面３ａから出射される。回折光１３の進行方向は、図２に示した信号光２２の進行方向とは反対方向である。回折光１３は、信号光２２に対する位相共役光である。
【００４０】
ホログラム３に照射する光すなわち入射光１１の波長は、図２に示した記録用参照光２１の波長と異なっていてもよい。この場合には、反射光１２の進行方向が、記録用参照光２１の進行方向と平行ではない所定の方向のときに、反射光１２が再生用参照光となって、ホログラム３の回折効率が最大になる。また、この場合には、ホログラム３が発生した回折光１３の進行方向は、信号光２２の進行方向と平行ではない。
【００４１】
ホログラム３に照射する光の波長は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。ホログラム３に照射する光の波長としては、光軸調整の容易さから、可視光領域の波長が好ましい。
【００４２】
図１を参照して説明した、光源２とホログラム３の所定の位置関係というのは、ホログラム３の回折効率が最大になるように入射光１１がホログラム３に入射するときの光源２とホログラム３の位置関係である。
【００４３】
本実施の形態では、構造物１０が変位すると、それに追従してホログラムモジュール６も変位し、その結果、光源２とホログラム３の位置関係が変化する。光源２とホログラム３の位置関係が、構造物１０の変位に起因して上記所定の位置関係からずれると、光源２とホログラム３の位置関係が上記所定の位置関係である場合に比べて、ホログラム３の回折効率が低下して、回折光１３の強度が低下する。そのため、光検出器５が受ける光の強度は、光源２とホログラム３の位置関係が上記所定の位置関係であるときに最大値になり、光源２とホログラム３の位置関係が、構造物１０の変位に起因して上記所定の位置関係からずれると最大値よりも小さくなる。光検出器５は、光検出器５が受けた光の強度を表す信号を出力する。この光検出器５の出力信号は、構造物１０の変位に応じて変化する。そのため、光源２から出射された光をホログラム３に照射したときの光検出器５の出力信号は、構造物１０の変位に関する情報となる。
【００４４】
次に、本実施の形態に係る変位情報生成方法について説明する。本実施の形態に係る変位情報生成方法は、本実施の形態に係る変位情報生成装置１を用いて、構造物１０の変位に関する情報を生成する方法である。変位情報生成方法は、構造物１０の変位に応じて、光源２とホログラム３の位置関係または光源２から出射されてホログラム３に照射される光の経路の状態が変化し、光源２とホログラム３が所定の位置関係にあるとき、または上記光の経路が所定の状態のときには光源２から出射された光が再生用参照光となるように、変位情報生成装置１を設置する手順と、構造物１０の変位に関する情報を生成する手順とを備えている。構造物１０の変位に関する情報は、光源２から出射された光をホログラム３に照射したときの光検出器５の出力信号である。
【００４５】
本実施の形態における変位情報生成装置１を設置する手順では、ホログラムモジュール６を構造物１０に取り付け、光学モジュール８を、構造物１０の変位に伴って変化しない位置に設置する。光学モジュール８は、常時設置していてもよいし、構造物１０の変位に関する情報を生成するときにのみ設置してもよい。
【００４６】
［第１の実施例］
以下、第１の実施の形態におけるホログラム３の実施例である第１の実施例のホログラム３とその特性について説明する。なお、本実施の形態におけるホログラム３は、以下に示す第１の実施例のホログラム３に限定されるものではない。
【００４７】
第１の実施例では、以下の方法で、図２に示した感光層３Ｐを作製した。まず、マトリックス樹脂形成成分としてのヘキサメチレンジイソシアネート（東京化成工業（株）製）３４．５部（質量部）、ポリエーテルトリオール（（株）ＡＤＥＫＡ製、Ｇ−４００、平均分子量４３０）４６．１部およびトリプロピレングリコール（和光純薬工業（株）製）１０．０部と、ジブチルスズジラウレート（東京化成工業（株）製）０．０６部、４−ビニルジフェニルスルフィド（新日鉄住金化学（株）製）２．０質量部、Ｉｒｇａｃｕｒｅ−３７９（ＢＡＳＦ製）０．６部およびＯ−アセチルクエン酸トリブチル（東京化成工業（株）製）６．０部を配合して、フォトポリマー組成物を調製した。
【００４８】
次に、上記フォトポリマー組成物を、シリコンフィルムスペーサーを介して貼り合わせた２枚のガラス基板の空隙に導入し、窒素雰囲気下、６０℃で２時間加熱処理を施して、２枚のガラス基板の間に、フォトポリマーからなる感光層３Ｐを形成した。２枚のガラス基板の各面の大きさは、３０ｍｍ×３０ｍｍである。シリコンフィルムスペーサーは、それぞれ厚みが０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍの５つを用意し、シリコンフィルムスペーサーを変えることで、それぞれ厚みが０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍの５種類の感光層３Ｐを作製した。
【００４９】
第１の実施例のホログラム３は、図５に示した記録用光学系を用いて、感光層３Ｐの第１の面３Ｐａに記録用参照光２１と信号光２２を入射させ、記録用参照光２１と信号光２２の干渉によって生じる干渉縞を感光層３Ｐに記録することによって作製した。図５に示した記録用光学系は、連続発振の半導体レーザ３１と、この半導体レーザ３１の出射光の光路上に順に配置されたミラー３２、１／２波長板３３、偏光ビームスプリッタ３４、シャッタ３５、ビームエキスパンダ３６、１／２波長板３７、絞り３８および偏光ビームスプリッタ３９を備えている。
【００５０】
半導体レーザ３１は、波長４０５ｎｍのレーザ光を出射する。半導体レーザ３１の出射光は、ミラー３２で反射され、１／２波長板３３を通過して、偏光ビームスプリッタ３４で反射される。１／２波長板３３と偏光ビームスプリッタ３４は、偏光ビームスプリッタ３４で反射された後の光の強度を調整するために設けられている。偏光ビームスプリッタ３４で反射された後の光は、シャッタ３５を通過し、更にビームエキスパンダ３６を通過してビーム径が拡大される。ビームエキスパンダ３６は、スペイシャルフィルタとコリメータレンズとを含み、ビームエキスパンダ３６を通過した後の光が平面波となるように調整されている。ビームエキスパンダ３６を通過した後の光は、１／２波長板３７を通過し、更に絞り３８を通過して、ビーム径が縮小された後、偏光ビームスプリッタ３９に入射する。絞り３８の開口径は６ｍｍである。
【００５１】
偏光ビームスプリッタ３９は、入射した光をＳ偏光の光とＰ偏光の光に分離する斜面を有し、Ｓ偏光の光は斜面で反射して偏光ビームスプリッタ３９から出射され、Ｐ偏光の光は斜面を通過して偏光ビームスプリッタ３９から出射される。１／２波長板３７は、偏光ビームスプリッタ３９で分離されるＳ偏光の光とＰ偏光の光の強度の比率を調整するために設けられている。ここで、絞り３８側から偏光ビームスプリッタ３９に入射して、偏光ビームスプリッタ３９から出射されたＰ偏光の光を、第１のＰ偏光の光と呼ぶ。
【００５２】
図５に示した記録用光学系は、更に、偏光ビームスプリッタ３９から出射されたＳ偏光の光の光路上に順に配置された１／４波長板４０およびミラー４１を備えている。偏光ビームスプリッタ３９から出射されたＳ偏光の光は、１／４波長板４０を通過して、円偏光の光に変換される。この円偏光の光は、ミラー４１で反射され、１／４波長板４０を通過して、Ｐ偏光の光に変換される。このＰ偏光の光は、偏光ビームスプリッタ３９の斜面を通過して、偏光ビームスプリッタ３９から出射される。このＰ偏光の光を、第２のＰ偏光の光と呼ぶ。
【００５３】
図５に示した記録用光学系は、更に、偏光ビームスプリッタ３９から出射された第１のＰ偏光の光の光路上に配置されたミラー４２と、偏光ビームスプリッタ３９から出射された第２のＰ偏光の光の光路上に配置されたシャッタ４３と、感光層３Ｐを支持する回転ステージ４４とを備えている。なお、シャッタ４３は、後で説明する再生用光学系において閉状態にされるが、記録用光学系では常に開状態にされている。
【００５４】
偏光ビームスプリッタ３９から出射された第１のＰ偏光の光は、ミラー４２で反射されて、記録用参照光２１として、回転ステージ４４によって支持された感光層３Ｐの第１の面３Ｐａに照射される。また、偏光ビームスプリッタ３９から出射された第２のＰ偏光の光は、シャッタ４３を通過して、信号光２２として、回転ステージ４４によって支持された感光層３Ｐの第１の面３Ｐａに照射される。回転ステージ４４は、感光層３Ｐの第１の面３Ｐａの法線方向を回転させて、第１の面３Ｐａに対する記録用参照光２１と信号光２２の入射角を変更できるようになっている。
【００５５】
感光層３Ｐに記録用参照光２１と信号光２２を入射させてホログラム３を作製する際には、所定の時間だけ、シャッタ３５を開いて、記録用参照光２１と信号光２２によって感光層３Ｐを露光させた。その際、感光層３Ｐにおける記録用参照光２１と信号光２２の合計の光強度を２４ｍＷ/ｃｍ２とし、露光エネルギーが６０ｍＪ／ｃｍ２となるようにした。このように感光層３Ｐを露光させた後、感光層３Ｐに残存する光重合開始剤、モノマーを消費するためのポストキュアを十分に行って、感光層３Ｐをホログラム３とした。ポストキュアは、露光後の感光層３Ｐに対して、中心波長が４０５ｎｍの発光ダイオードの出射光を照射して行った。以上の処理を、前述の５種類の感光層３Ｐを用いて行い、それぞれ厚みが０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍの５種類の第１の実施例のホログラム３を作製した。
【００５６】
次に、図６を参照して、第１の実施例のホログラム３の特性を測定するために使用した再生用光学系について説明する。この再生用光学系は、図５に示した記録用光学系の構成要素の他に、２つの光パワーメータ４６，４７を備えている。再生用光学系においては、シャッタ４３は閉状態にされている。また、回転ステージ４４は、第１の実施例のホログラム３を支持している。光パワーメータ４６は、ホログラム３に入射する再生用参照光の強度を検出するためのものである。光パワーメータ４７は、ホログラム３に再生用参照光が照射されたときにホログラム３が発生する回折光の強度を検出するためのものである。
【００５７】
再生用光学系では、波長４０５ｎｍの半導体レーザ３１の出射光は、ミラー３２、１／２波長板３３、偏光ビームスプリッタ３４、シャッタ３５、ビームエキスパンダ３６、１／２波長板３７、絞り３８を順に通過して、偏光ビームスプリッタ３９に入射する。絞り３８の開口径は２．７ｍｍである。再生用光学系では、偏光ビームスプリッタ３９の斜面を通過した第１のＰ偏光の光が利用される。この第１のＰ偏光の光は、ミラー４２で反射されて、再生用参照光５１として、回転ステージ４４によって支持されたホログラム３の第１の面に照射される。
【００５８】
ホログラム３の特性の測定は、以下のようにして行った。まず、回転ステージ４４上にホログラム３を配置しない状態で、再生用参照光５１を発生させて、この再生用参照光５１の強度を光パワーメータ４６によって検出した。このときに光パワーメータ４６によって検出した再生用参照光５１の強度は、後にホログラム３が回転ステージ４４上に配置されたときにホログラム３に入射する再生用参照光５１の強度に相当する。以下、この強度を入射光強度と言う。次に、回転ステージ４４上にホログラム３を配置し、回転ステージ４４によって、再生用参照光５１が入射するホログラム３の第１の面３ａの法線方向を回転させながら、所定の時間だけシャッタ３５を開いて、再生用参照光５１をホログラム３の第１の面３ａに照射し、光パワーメータ４７によって、ホログラム３が発生した回折光５３の強度（以下、回折光強度と言う。）を検出した。なお、このとき、ホログラム３を透過した透過光５２は、光パワーメータ４６に入射する。
【００５９】
ここで、ホログラム３の第１の面３ａに対する再生用参照光５１の入射角が、感光層３Ｐの第１の面３Ｐａに対する記録用参照光２１の入射角と等しいときのホログラム３の位置を正位置と呼ぶ。また、ホログラム３の第１の面３ａに対する再生用参照光５１の入射角から、感光層３Ｐの第１の面３Ｐａに対する記録用参照光２１の入射角を引いた値を、入射角ずれ量（単位は度）と定義する。ホログラム３が正位置にあるときの入射角ずれ量は０である。再生用参照光５１をホログラム３の第１の面３ａに照射する際には、回転ステージ４４によって、入射角ずれ量が負の値から０を経由して正の値に変化するように、ホログラム３の位置を変更した。ホログラム３の特性の測定では、次に、下記の式（１）で表される回折効率を求めた。
【００６０】
回折効率＝（回折光強度／入射光強度）×１００（％）  …（１）
【００６１】
ホログラム３の特性の測定では、このようにして、厚みが異なる５種類のホログラム３の各々について、入射角ずれ量と回折効率の関係を求めた。ここで、任意の回折効率を、回折効率の最大値で除して得られる値を、規格化回折効率と定義する。ホログラム３の特性の測定では、厚みが異なる５種類のホログラム３の各々について、入射角ずれ量と規格化回折効率の関係を求めた。
【００６２】
以上の方法で求めた第１の実施例のホログラム３の特性を、図７に示す。図７において、横軸は入射角ずれ量（度）であり、縦軸は規格化回折効率である。また、図７において、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍと付記された５種類の点および線は、それぞれ、厚みが０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍのホログラム３の特性を表している。
【００６３】
図７に示したように、５種類のホログラム３のいずれにおいても、入射角ずれ量がほぼ０のときに規格化回折効率が最大値になり、入射角ずれ量の絶対値が大きくなるに従って規格化回折効率が低下している。また、厚みが０．３ｍｍ以外の４種類のホログラム３では、入射角ずれ量の絶対値が０．１度になるまでに規格化回折効率がほぼ０になっている。入射角ずれ量の変化に対する規格化回折効率の変化が最も緩やかな、厚みが０．３ｍｍのホログラム３でも、入射角ずれ量の絶対値が０．１５度になると規格化回折効率がほぼ０になっている。このことから、ホログラム３は、入射角ずれ量を感度よく検出可能なセンサとなり得ることが分かる。
【００６４】
また、図７に示したように、ホログラム３の厚みが大きくなるほど、入射角ずれ量の変化に対するホログラム３の規格化回折効率の変化の勾配が大きくなっている。そのため、入射角ずれ量の変化に対するホログラム３の感度は、ホログラム３の厚みによって調整することが可能である。
【００６５】
なお、図７は、ホログラム３単体の特性を示しているが、図１に示したホログラム３と反射層４を含むホログラムモジュール６の特性も、図７と同様になる。光源２とホログラム３の所定の位置関係は、図７における入射角ずれ量が０の場合に相当する。第１の実施の形態では、光源２とホログラム３の位置関係が上記所定の位置関係であるときに、ホログラム３の回折効率が最大値になり、光検出器５が受ける光の強度も最大値になる。光源２とホログラム３の位置関係が、構造物１０の変位に起因して上記所定の位置関係からずれると、光源２とホログラム３の位置関係が上記所定の位置関係である場合に比べて、ホログラム３の回折効率が低下して、光検出器５が受ける光の強度も低下する。
【００６６】
次に、図８を参照して、図１に示した光源支持装置７の一例について説明する。始めに、互いに直交する３つの方向をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向とする。図８に示した光源支持装置７は、ＸＹ回転ステージ７１と傾斜ステージ７２とを備えている。ＸＹ回転ステージ７１は、ベース７１Ａとテーブル７１Ｂを有している。ＸＹ回転ステージ７１は、ベース７１Ａに対してテーブル７１Ｂを、Ｘ方向とＹ方向に移動可能であり、且つＺ方向を中心として回転可能である。傾斜ステージ７２は、テーブル７１Ｂに取り付けられている。傾斜ステージ７２は、光源２を支持し、且つ光源２の出射光７３の方向がＺ方向に対してなす角度αを変更できるように光源２の姿勢を変更可能である。この光源支持装置７によれば、光源２における出射光７３の出射位置をＸ方向およびＹ方向に変更可能である。光源支持装置７によれば、更に、出射光７３の方向を表すベクトルをＸＹ平面上に投影してできるベクトルがＸ方向に対してなす角度βと、上記の角度αを変更可能である。
【００６７】
光源支持装置７によれば、ホログラムモジュール６が変位しても、光源２の位置および姿勢を調整して、光源２の出射光７３をホログラム３の第１の面３ａに入射させることが可能になる。また、光源支持装置７によれば、光源２の位置および姿勢を調整して、出射光７３がホログラム３の第１の面３ａに入射することを前提として、出射光７３の方向すなわち入射光１１の方向を変更することができる。
【００６８】
以下、構造物１０の変位に伴うホログラム３の変位の複数の態様と、本実施の形態に係る変位情報生成装置１および変位情報生成方法を用いた構造物１０の変位の検出方法の一例について、概念的に説明する。この検出方法では、入射光１１の方向を変更しながら、光検出器５が受けた光の強度（以下、受光強度と記す。）を求め、この入射光１１の方向と受光強度の関係に基づいて、構造物１０の変位を検出する。受光強度は、光検出器５の出力信号に基づいて求められる。
【００６９】
ここで、構造物１０にホログラムモジュール６を取り付けた後、構造物１０の変位が生じていない段階におけるホログラム３の状態を、ホログラム３の初期状態と呼ぶ。また、初期状態のホログラム３の回折効率が最大値になるとき、すなわち光源２と初期状態のホログラム３の位置関係が所定の位置関係であるときの入射光１１の方向を基準方向と定義し、このときの受光強度を基準強度と定義する。入射光１１の方向は、ホログラム３の第１の面３ａを基準とした座標ではなく、空間上の座標で規定される。また、任意の入射光１１の方向が基準方向に対してなす角度を、入射光方向ずれ量（単位は度）と定義する。また、任意の入射光１１の方向が基準方向に対して時計回り方向に回転している場合の入射光方向ずれ量は正の値で表し、任意の入射光１１の方向が基準方向に対して反時計回り方向に回転している場合の入射光方向ずれ量は負の値で表すものとする。また、任意の受光強度を基準強度で除して得られる値を、規格化強度と定義する。
【００７０】
構造物１０の変位の検出方法では、始めに、初期状態のホログラム３について、入射光１１の方向と受光強度の関係である入射光方向ずれ量と規格化強度の関係を求める。
【００７１】
図９は、初期状態のホログラム３に対する入射光１１の方向を変更する方法を示している。この方法では、光源支持装置７を用いて光源２の位置および姿勢を調整して、光源２の出射光７３がホログラム３の第１の面３ａに入射することを前提として、出射光７３の方向すなわち入射光１１の方向を変更する。図９では、光源２と初期状態のホログラム３の位置関係が所定の位置関係であるときの光源２と入射光１１を実線で表し、他のときの光源２と入射光１１を破線で表している。
【００７２】
図１０は、初期状態のホログラム３についての入射光方向ずれ量と規格化強度の関係を概念的に示す特性図である。図１０において、横軸は入射光方向ずれ量（度）であり、縦軸は規格化強度である。図１０に示したように、初期状態のホログラム３では、入射光方向ずれ量が０のときに規格化強度が最大値である１になり、入射光方向ずれ量の絶対値が大きくなるに従って規格化強度が低下する。
【００７３】
次に、図１１を参照して、構造物１０の変位に伴うホログラム３の変位の第１の態様について説明する。第１の態様は、ホログラム３の第１の面３ａの法線方向３Ｎが回転するように、ホログラム３が変位する態様である。図１１では、初期状態のホログラム３を破線で表し、第１の態様の変位後のホログラム３を実線で表している。ここで、変位後のホログラム３は、初期状態に対してホログラム３の第１の面３ａの法線方向３Ｎがｄθだけ回転したものであるとする。構造物１０の変位の検出方法では、図９に示した初期状態のホログラム３に対する場合と同様にして、変位後のホログラム３について、入射光方向ずれ量と規格化強度の関係を求める。
【００７４】
図１２は、第１の態様の変位後のホログラム３についての入射光方向ずれ量と規格化強度の関係を概念的に示す特性図である。図１２における横軸と縦軸は、図１０と同じである。図１２において、実線の曲線は、第１の態様の変位後のホログラム３についての入射光方向ずれ量と規格化強度の関係を示し、破線の曲線は、初期状態のホログラム３についての入射光方向ずれ量と規格化強度の関係を示している。図１２に示したように、第１の態様の変位後のホログラム３では、入射光方向ずれ量がｄθのときに規格化強度が最大値である１になり、入射光方向ずれ量がｄθから離れるに従って規格化強度が低下する。従って、図１２に示した特性図から、第１の態様の変位の前後におけるホログラム３の回転角度ｄθを求めることができる。
【００７５】
なお、図１１では、便宜上、ｄθを大きく描いているが、実際のｄθの大きさは、せいぜい数度程度の小さい値である。第１の態様でホログラム３が変位すると、初期状態に対して、ホログラム３が発生する回折光１３の方向が変化する。しかし、この回折光１３の方向の変化の大きさは、ｄθと同様に小さい。そのため、回折光１３の方向が変化しても、光検出器５は回折光１３を受けることができる。
【００７６】
次に、図１３を参照して、構造物１０の変位に伴うホログラム３の変位の第２の態様について説明する。第２の態様は、ホログラム３が、第１の面３ａに平行な方向に変位する態様である。図１３では、初期状態のホログラム３を破線で表し、第２の態様の変位後のホログラム３を実線で表している。構造物１０の変位の検出方法では、図９に示した初期状態のホログラム３に対する場合と同様にして、変位後のホログラム３について、入射光方向ずれ量と規格化強度の関係を求める。この場合には、図９において実線で示した光源２の位置から、図９において実線で示した入射光１１の方向に垂直な方向に、所定の距離ｄ１だけ光源２の位置をずらすと、図１０に示した入射光方向ずれ量と規格化強度の関係が得られる。ここで、図９において実線で示した入射光１１が初期状態のホログラム３の第１の面３ａに入射する際の入射角をθｉとし、第２の態様の変位の前後におけるホログラム３の位置の変化量をｄ２とする。ｄ２は、下記の式（２）によって求められる。
【００７７】
ｄ２＝ｄ１／ｃｏｓθｉ    …（２）
【００７８】
入射角θｉは既知である。従って、ｄ１を求めることにより、式（２）を使って、第２の態様の変位の前後におけるホログラム３の位置の変化量ｄ２を求めることができる。
【００７９】
次に、図１４を参照して、構造物１０の変位に伴うホログラム３の変位の第３の態様について説明する。第３の態様は、ホログラム３の第１の面３ａが歪むように、ホログラム３が変位する態様である。構造物１０の変位の検出方法では、図９に示した初期状態のホログラム３に対する場合と同様にして、変位後のホログラム３について、入射光方向ずれ量と規格化強度の関係を求める。
【００８０】
図１５は、第３の態様の変位後のホログラム３についての入射光方向ずれ量と規格化強度の関係を概念的に示す特性図である。図１５における横軸と縦軸は、図１０と同じである。図１５に示したように、第３の態様の変位後のホログラム３についての入射光方向ずれ量と規格化強度の関係では、規格化強度の最大値が１より小さくなる。また、第３の態様の変位後のホログラム３についての入射光方向ずれ量と規格化強度の関係を表す曲線の形状は、図１０に示した初期状態のホログラム３についての入射光方向ずれ量と規格化強度の関係を表す曲線に比べて、なだらかになる。これらの現象は、第３の態様の変位後のホログラム３では、干渉縞の間隔が不均一になっているために生じる。このような入射光方向ずれ量と規格化強度の関係を表す曲線の形状の特徴から、ホログラム３に第３の態様の変位が生じていることを知ることができる。
【００８１】
第１ないし第３の態様の２つまたは３つが複合した変位がホログラム３に生じた場合には、上述の第１ないし第３の態様に特有の特徴が複合して現れる。例えば、第１の態様と第２の態様が複合した変位がホログラム３に生じた場合には、図９において実線で示した光源２の位置から、図９において実線で示した入射光１１の方向に垂直な方向に、所定の距離ｄ１だけ光源２の位置をずらすと、図１２に示したような入射光方向ずれ量と規格化強度の関係が得られる。従って、この場合には、ｄ１を求めることにより、第２の態様の変位の前後におけるホログラム３の位置の変化量ｄ２を求めることができ、図１２に示した特性図から第１の態様の変位の前後におけるホログラム３の回転角度ｄθを求めることができる。第１の態様と第２の態様に加えて第３の態様が複合した変位がホログラム３に生じた場合には、前述の入射光方向ずれ量と規格化強度の関係を表す曲線の形状の特徴から、ホログラム３に第３の態様の変位が生じていることを知ることができる。
【００８２】
以上説明した例の構造物１０の変位の検出方法によれば、第１ないし第３の態様のホログラム３の変位を検出することができる。ホログラム３の変位は構造物１０の変位に追従するため、複数の態様のホログラム３の変位を検出できるということは、同様の複数の態様の構造物１０の変位を検出できるということである。
【００８３】
以上説明したように、本実施の形態に係る変位情報生成装置１および変位情報生成方法によれば、簡単な構成で、空間を伝搬するという光の特徴を活かして、構造物１０の変位に関する情報を生成することが可能になる。
【００８４】
本実施の形態では、特にホログラム３を利用するが、このホログラム３の作製の際に構造物１０を利用することはない。そのため、本実施の形態によれば、ホログラム３の作製を、構造物１０の近くではなく、振動対策、迷光対策、温湿度管理等の点でホログラム３の作製に適した環境で行うことができる。従って、本実施の形態によれば、高精度のホログラム３を作製することが可能である。
【００８５】
また、本実施の形態によれば、導線を用いた電力の供給や信号の出力の必要がないホログラムモジュール６を構造物１０に取り付けて、ホログラムモジュール６に対して導線で接続されない光学モジュール８を構造物１０から離れた場所に設置して、光学モジュール８の光検出器５から構造物１０の変位に関する情報を取得することができる。従って、本実施の形態によれば、導線を用いずに、構造物１０から離れた場所で、構造物１０の変位に関する情報を取得可能な、構造ヘルスモニタリングに適したシステムを構築することができる。
【００８６】
本実施の形態では、構造物１０の変位に応じて光源２とホログラム３の位置関係が変化するように、ホログラムモジュール６を構造物１０に取り付け、光学モジュール８を、構造物１０の変位に伴って変化しない位置に設置することが好ましい。ただし、本実施の形態において、構造物１０の変位に応じて光源２とホログラム３の位置関係が変化するように、光学モジュール８を構造物１０に取り付け、ホログラムモジュール６を、構造物１０の変位に伴って変化しない位置に設置してもよい。あるいは、構造物１０の変位に応じて光源２とホログラム３の位置関係が変化するように、ホログラムモジュール６と光学モジュール８を、構造物１０における互いに異なる場所に取り付けてもよい。
【００８７】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。始めに、図１６を参照して、本実施の形態に係る変位情報生成装置８１の概略の構成について説明する。図１６に示したように、変位情報生成装置８１は、光源２と、ホログラム８３と、光検出器８５とを備えている。変位情報生成装置８１は、更に、光源支持装置７と、光源支持装置７を支持する図示しない支持部とを備えている。
【００８８】
変位情報生成装置８１は、更に、ホログラム８３と光検出器８５を一体的に保持する保持部８６を備えている。以下、ホログラム８３、光検出器８５および保持部８６を含む構造体を、変位情報生成器８７と呼ぶ。ホログラム８３、光検出器８５、保持部８６ならびに変位情報生成器８７は、可撓性を有していてもよい。
【００８９】
変位情報生成装置８１は、構造物１０の変位に応じて、光源２とホログラム８３の位置関係が変化し、光源２とホログラム８３が所定の位置関係にあるときには光源２から出射された光が、ホログラム８３に対する再生用参照光となるように設置される。本実施の形態では、特に、ホログラム８３および光検出器８５を含む変位情報生成器８７が構造物１０に取り付けられる。そして、光源２から出射された光をホログラム８３に照射したときの光検出器８５の出力信号が、構造物１０の変位に関する情報となる。
【００９０】
次に、図１７を参照して、変位情報生成器８７の構成について詳しく説明する。ホログラム８３は、透過型ホログラムである。ホログラム８３は、光源２から出射された光が入射する第１の面８３ａと、第１の面８３ａとは反対側の第２の面８３ｂとを有している。図１７において、符号１１は、光源２から出射されてホログラム８３の第１の面８３ａに入射する入射光を示している。ホログラム８３は、入射光１１が再生用参照光となるときには、回折光９１を発生する。この回折光９１は、ホログラム８３の第２の面８３ｂから出射される。ホログラム８３の回折効率が１００％ではないときには、入射光１１の一部は、ホログラム８３を透過して、ホログラム８３の第２の面８３ｂから出射される透過光９２となる。回折光９１と透過光９２の進行方向は、互いに異なる。
【００９１】
光検出器８５は、ホログラム８３の第２の面８３ｂ側に、第２の面８３ｂに対して所定の間隔を開けて配置されている。光検出器８５は、受光領域で受けた光に応じた信号を出力する。光検出器８５は、ホログラム８３が回折光９１を発生したときには回折光９１を受けることが可能である。本実施の形態における光検出器８５は、特に、回折光９１を受けることが可能な第１の受光領域８５Ａと、透過光９２を受けることが可能な第２の受光領域８５Ｂとを有している。また、光検出器８５は、第１の受光領域８５Ａで受けた光の強度を表す第１の信号ＳＡと、第２の受光領域８５Ｂで受けた光の強度を表す第２の信号ＳＢとを出力する。光検出器８５としては、例えば２分割フォトダイオードを用いることができる。
【００９２】
本実施の形態に係る変位情報生成方法は、本実施の形態に係る変位情報生成装置８１を用いて、構造物１０の変位に関する情報を生成する方法である。変位情報生成方法は、構造物１０の変位に応じて、光源２とホログラム８３の位置関係が変化し、光源２とホログラム８３が所定の位置関係にあるときには光源２から出射された光が再生用参照光となるように、変位情報生成装置８１を設置する手順と、構造物１０の変位に関する情報を生成する手順とを備えている。構造物１０の変位に関する情報は、光源２から出射された光をホログラム８３に照射したときの光検出器８５の出力信号である。本実施の形態における変位情報生成装置８１を設置する手順では、変位情報生成器８７を構造物１０に取り付け、光源２を、構造物１０の変位に伴って変化しない位置に設置する。光源２は、常時設置していてもよいし、構造物１０の変位に関する情報を生成するときにのみ設置してもよい。
【００９３】
本実施の形態では、光源２とホログラム８３が所定の位置関係にあるときに、ホログラム８３の回折効率が最大になり、光検出器８５の第１の受光領域８５Ａで受けた光の強度が最大になり、光検出器８５の第２の受光領域８５Ｂで受けた光の強度が最小になる。構造物１０が変位すると、それに追従して、ホログラム８３を含む変位情報生成器８７も変位し、その結果、光源２とホログラム８３の位置関係が変化する。光源２とホログラム８３の位置関係が、構造物１０の変位に起因して上記所定の位置関係からずれると、光源２とホログラム８３の位置関係が上記所定の位置関係である場合に比べて、ホログラム８３の回折効率が低下して、光検出器８５の第１の受光領域８５Ａで受けた光の強度が低下し、光検出器８５の第２の受光領域８５Ｂで受けた光の強度が増加する。そのため、光源２から出射された光をホログラム８３に照射したときの光検出器８５の出力信号ＳＡ，ＳＢは、構造物１０の変位に関する情報となる。
【００９４】
ここで、出力信号ＳＡ，ＳＢによって表わされる光の強度を、それぞれＩＡ，ＩＢとする。ＳＡ，ＳＢまたはＩＡ，ＩＢを用いた演算によって、構造物１０の変位に関する更なる情報を生成してもよい。この演算によって生成される情報としては、例えば、ＩＡ−ＩＢや、ＩＡ／（ＩＡ＋ＩＢ）が挙げられる。
【００９５】
本実施の形態に係る変位情報生成装置８１および変位情報生成方法によれば、第１の実施の形態において説明した構造物１０の変位の検出方法と同様にして、構造物１０の変位を検出することが可能になる。
【００９６】
なお、本実施の形態において、構造物１０の変位に応じて光源２とホログラム８３の位置関係が変化するように、光源２を構造物１０に取り付け、変位情報生成器８７を、構造物１０の変位に伴って変化しない位置に設置してもよい。あるいは、構造物１０の変位に応じて光源２とホログラム８３の位置関係が変化するように、光源２と変位情報生成器８７を、構造物１０における互いに異なる場所に取り付けてもよい。
【００９７】
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。
【００９８】
［第３の実施の形態］
次に、図１８および図１９を参照して、本発明の第３の実施の形態について説明する。図１８は、本実施の形態に係る変位情報生成装置１０１の概略の構成を示す説明図である。図１９は、図１８における変位情報生成器の構成を示す説明図である。
【００９９】
図１８に示したように、変位情報生成装置１０１は、光源２と、光源支持装置７と、変位情報生成器８７と、反射部材１０２とを備えている。変位情報生成装置１０１は、更に、光源支持装置７および変位情報生成器８７を一体的に支持する図示しない支持部を備えている。以下、光源２、光源支持装置７、変位情報生成器８７および図示しない支持部を含む一体的な構造体を、光学モジュール１０３と呼ぶ。
【０１００】
図１９に示したように、変位情報生成器８７は、第２の実施の形態と同様に、ホログラム８３、光検出器８５および保持部８６を含んでいる。
【０１０１】
変位情報生成装置１０１は、構造物１０の変位に応じて、光源２から出射されてホログラム８３に照射される光の経路の状態が変化し、この光の経路が所定の状態のときには光源２から出射された光が再生用参照光となるように設置される。本実施の形態では、特に、反射部材１０２が、構造物１０に取り付けられる。反射部材１０２は、反射面１０２ａを有し、この反射面１０２ａによって、光源２から出射された光をホログラム８３に向けて反射する。反射面１０２ａは、光源２から出射される光に対して高い反射率、好ましくは５０％以上の反射率を有する。反射部材１０２は、可撓性を有していてもよい。反射部材１０２は、例えば、樹脂等からなる基板に反射層を設けて構成されたものでもよい。
【０１０２】
ここで、構造物１０に反射部材１０２を取り付けた後、構造物１０の変位が生じていない段階における反射部材１０２の状態を、反射部材１０２の初期状態と呼ぶ。変位情報生成器８７と初期状態の反射部材１０２は、光源２から出射された光である出射光７３が、初期状態の反射部材１０２で反射されて反射光１１１となり、この反射光１１１がホログラム８３に照射されるように配置される。本実施の形態では、光源２から出射され、反射部材１０２で反射されてホログラム８３に向かう光である反射光１１１をホログラム８３に照射したときの光検出器８５の出力信号が、構造物１０の変位に関する情報となる。
【０１０３】
反射部材１０２が初期状態のとき、反射光１１１は、ホログラム８３に対する再生用参照光となる。図１９に示したように、ホログラム８３は、反射光１１１が再生用参照光であるときには、回折光９１を発生する。この回折光９１は、ホログラム８３の第２の面８３ｂから出射される。ホログラム８３の回折効率が１００％ではないときには、入射光１１の一部は、ホログラム８３を透過して、ホログラム８３の第２の面８３ｂから出射される透過光９２となる。回折光９１と透過光９２の進行方向は、互いに異なる。
【０１０４】
光検出器８５は、回折光９１を受けることが可能な第１の受光領域８５Ａと、透過光９２を受けることが可能な第２の受光領域８５Ｂとを有している。また、光検出器８５は、第１の受光領域８５Ａで受けた光の強度を表す第１の信号ＳＡと、第２の受光領域８５Ｂで受けた光の強度を表す第２の信号ＳＢとを出力する。
【０１０５】
本実施の形態に係る変位情報生成方法は、本実施の形態に係る変位情報生成装置１０１を用いて、構造物１０の変位に関する情報を生成する方法である。変位情報生成方法は、構造物１０の変位に応じて、光源２から出射されて、反射部材１０２を経由してホログラム８３に照射される光の経路（以下、照射光の経路と言う。）の状態が変化し、照射光の経路が所定の状態のときには光源２から出射された光が再生用参照光となるように、変位情報生成装置１０１を設置する手順と、構造物１０の変位に関する情報を生成する手順とを備えている。構造物１０の変位に関する情報は、光源２から出射された光を、反射部材１０２を経由させてホログラム８３に照射したときの光検出器８５の出力信号である。本実施の形態における変位情報生成装置１０１を設置する手順では、反射部材１０２を構造物１０に取り付け、光学モジュール１０３を、構造物１０の変位に伴って変化しない位置に設置する。光学モジュール１０３は、常時設置していてもよいし、構造物１０の変位に関する情報を生成するときにのみ設置してもよい。
【０１０６】
本実施の形態では、反射部材１０２が初期状態であって、反射光１１１がホログラム８３に対する再生用参照光となるときに、ホログラム８３の回折効率が最大になり、光検出器８５の第１の受光領域８５Ａで受けた光の強度が最大になり、光検出器８５の第２の受光領域８５Ｂで受けた光の強度が最小になる。このときの照射光の経路の状態を、照射光の経路の初期状態と呼ぶ。構造物１０が変位すると、それに追従して反射部材１０２も変位し、その結果、照射光の経路の状態が変化する。照射光の経路の状態が、照射光の経路の初期状態から変化すると、初期状態のときに比べて、ホログラム８３の回折効率が低下して、光検出器８５の第１の受光領域８５Ａで受けた光の強度が低下し、光検出器８５の第２の受光領域８５Ｂで受けた光の強度が増加する。そのため、光源２から出射された光を、反射部材１０２を経由させてホログラム８３に照射したときの光検出器８５の出力信号ＳＡ，ＳＢは、構造物１０の変位に関する情報となる。
【０１０７】
第２の実施の形態と同様に、出力信号ＳＡ，ＳＢによって表わされる光の強度をそれぞれＩＡ，ＩＢとしたとき、ＳＡ，ＳＢまたはＩＡ，ＩＢを用いた演算によって、構造物１０の変位に関する更なる情報を生成してもよい。
【０１０８】
以下、構造物１０の変位に伴う反射部材１０２の変位ならびに照射光の経路の状態の変化の複数の態様について説明する。
【０１０９】
第１の態様は、反射部材１０２の反射面１０２ａの法線方向が回転するように、反射部材１０２が変位する態様である。この第１の態様では、照射光の経路の状態は、初期状態に比べて、反射面１０２ａに対する光源２の出射光７３の入射位置を中心として、反射光１１１の経路が回転するように変化する。これにより、ホログラム８３に対する反射光１１１の入射角が変化する。
【０１１０】
第２の態様は、反射部材１０２が、反射面１０２ａに平行な方向に変位する態様である。この第２の態様で反射部材１０２が変位した場合には、光源２の出射光７３を反射部材１０２の反射面１０２ａで反射させてホログラム８３に入射せるためには、光源２の位置と姿勢を変えて、照射光の経路の初期状態に比べて、出射光７３の経路と反射光１１１の経路の両方を変更する必要がある。従って、第２の態様では、初期状態に比べて、出射光７３の経路と反射光１１１の経路の両方が変化するように、照射光の経路の状態が変化する。上記の第１の態様と同様に、第２の態様でも、ホログラム８３に対する反射光１１１の入射角が変化する。
【０１１１】
第３の態様は、反射面１０２ａが歪むように反射部材１０２が変位する態様である。この第３の態様では、初期状態に比べて、照射光の経路の一部を構成する反射面１０２ａの状態が変化するように、照射光の経路の状態が変化する。この第３の態様で反射部材１０２が変位した場合には、照射光の経路が初期状態のときに比べて、反射光１１１の波面が変化する。その結果、ホログラム８３の回折効率が低下する。
【０１１２】
本実施の形態では、光源支持装置７を用いて光源２の位置および姿勢を調整して、反射光１１１がホログラム８３の第１の面８３ａに入射することを前提として、出射光７３の方向を変更して、出射光７３の方向と回折光９１の強度との関係を求めることにより、第１ないし第３の態様の反射部材１０２の変位を検出することができる。反射部材１０２の変位は構造物１０の変位に追従するため、複数の態様の反射部材１０２の変位を検出できるということは、同様の複数の態様の構造物１０の変位を検出できるということである。
【０１１３】
本実施の形態によれば、変位情報生成装置１０１の主要な構成要素である光源２、ホログラム８３および光検出器８５を一体化することができる。また、本実施の形態によれば、構造物１０に取り付けるものがホログラム８３ではなく反射部材１０２でよい。従って、本実施の形態によれば、環境に起因したホログラム８３の劣化を防止することができる。また、反射部材１０２は、ホログラムに比べて、構成が簡単で、低コストで、耐環境性に優れている。従って、反射部材１０２を構造物１０の変位に関する情報を生成するためのセンサと捉えると、反射部材１０２は、構造ヘルスモニタリングにおいて構造物に設置するのに適したセンサであると言える。
【０１１４】
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。
【０１１５】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。始めに、図２０を参照して、本実施の形態に係る変位情報生成装置２０１の概略の構成について説明する。変位情報生成装置２０１は、第１の実施の形態におけるホログラム３の代わりにホログラム２０３を備え、第１の実施の形態における光検出器５の代わりに光検出器２０５を備えている。また、変位情報生成装置２０１は、結像光学系２０７を備えている。
【０１１６】
ホログラム２０３は、記録用参照光と所定の２次元パターンの強度分布を有する信号光との干渉によって生じる干渉縞が記録されたものである。ホログラム２０３は、再生用参照光が照射されたときに回折光を発生する。この回折光は、信号光と同じ２次元パターンの強度分布を有する。本実施の形態におけるホログラム２０３の回折光発生の原理は、第１の実施の形態におけるホログラム３と同様である。
【０１１７】
ホログラム２０３は、透過型ホログラムである。ホログラム２０３は、光源２から出射された光が入射する第１の面２０３ａと、第１の面２０３ａとは反対側の第２の面２０３ｂとを有している。反射層４は、ホログラム２０３の第２の面２０３ｂに接し、ホログラム２０３と一体化されている。以下、ホログラム２０３および反射層４を含む構造体をホログラムモジュール２０６と呼ぶ。ホログラム２０３、反射層４ならびにホログラムモジュール２０６は、可撓性を有していてもよい。
【０１１８】
光検出器２０５は、ホログラム２０３からの光を受け、受けた光の強度分布を表す信号を出力する。光検出器２０５は、特に、ホログラム２０３が回折光を発生したときには回折光を受けることが可能である。光検出器２０５としては、例えば、相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）や電荷結合素子（ＣＣＤ）等を用いたイメージセンサを用いることができる。結像光学系２０７は、例えば複数のレンズからなり、回折光が有する強度分布の２次元パターンを、光検出器２０５上に結像する。変位情報生成装置２０１は、光源支持装置７、光検出器５および結像光学系２０７を一体的に支持する、図示しない支持部を備えている。以下、光源２、光源支持装置７、光検出器２０５、結像光学系２０７および図示しない支持部を含む一体的な構造体を、光学モジュール２０８と呼ぶ。
【０１１９】
変位情報生成装置２０１におけるその他の構成は、第１の実施の形態に係る変位情報生成装置１と同じである。
【０１２０】
変位情報生成装置２０１は、構造物１０の変位に応じて、光源２とホログラム２０３の位置関係または光源２から出射されてホログラム２０３に照射される光の経路の状態が変化し、光源２とホログラム２０３が所定の位置関係にあるとき、または上記光の経路が所定の状態のときには光源２から出射された光が再生用参照光となるように設置される。そして、光源２から出射された光をホログラム２０３に照射したときの光検出器２０５の出力信号が、構造物１０の変位に関する情報となる。なお、本実施の形態では、光源２が出射する光の波長は、ホログラム２０３作製時における記録用参照光の波長と等しい。
【０１２１】
本実施の形態では、特に、ホログラム２０３および反射層４を含むホログラムモジュール２０６が構造物１０に取り付けられて、構造物１０の変位に応じて、光源２とホログラム２０３の位置関係が変化する。図２０は、光源２とホログラム２０３が所定の位置関係にあるときを表している。このときには、光源２から出射されて、ホログラム２０３を透過して反射層４で反射された光が再生用参照光となり、回折光は、ホログラム２０３の第１の面２０３ａから出射される。図２０において、符号１１は、光源２から出射されてホログラム２０３の第１の面２０３ａに入射する入射光を示している。符号１２は、入射光１１がホログラム２０３を透過して反射層４で反射された後の光である反射光を示している。符号２１３は、ホログラム２０３が発生した回折光を示している。
【０１２２】
なお、本実施の形態において、ホログラム２０３として、透過型ホログラムの代わりに反射型ホログラムを用いてもよい。この場合には、反射層４は不要であり、ホログラム２０３が構造物１０に取り付けられる。
【０１２３】
本実施の形態において、光源２とホログラム２０３の所定の位置関係というのは、ホログラム２０３の回折効率が最大になるように入射光１１がホログラム２０３に入射するときの光源２とホログラム２０３の位置関係である。
【０１２４】
本実施の形態では、構造物１０が変位すると、それに追従してホログラムモジュール２０６も変位し、その結果、光源２とホログラム２０３の位置関係が変化する。光源２とホログラム２０３の位置関係が、構造物１０の変位に起因して上記所定の位置関係からずれると、光源２とホログラム２０３の位置関係が上記所定の位置関係である場合に比べて、ホログラム２０３の回折効率が低下する。
【０１２５】
本実施の形態では、ホログラム２０３の回折効率が最大であるときに、光検出器２０５は、信号光と同じ強度分布を有する光を受ける。構造物１０の変位に起因してホログラム２０３の回折効率が低下すると、光検出器２０５が受ける光の強度分布の鮮明度が低下する。この鮮明度は、光検出器２０５の出力信号に基づいて評価することができる。従って、光源２から出射された光をホログラム２０３に照射したときの光検出器２０５の出力信号は、構造物１０の変位に関する情報となる。
【０１２６】
次に、本実施の形態に係る変位情報生成方法について説明する。本実施の形態に係る変位情報生成方法は、本実施の形態に係る変位情報生成装置２０１を用いて、構造物１０の変位に関する情報を生成する方法である。変位情報生成方法は、構造物１０の変位に応じて、光源２とホログラム２０３の位置関係が変化し、光源２とホログラム２０３が所定の位置関係にあるときには光源２から出射された光が再生用参照光となるように、変位情報生成装置２０１を設置する手順と、構造物１０の変位に関する情報を生成する手順とを備えている。構造物１０の変位に関する情報は、光源２から出射された光をホログラム２０３に照射したときの光検出器２０５の出力信号である。
【０１２７】
本実施の形態における変位情報生成装置２０１を設置する手順では、ホログラムモジュール２０６を構造物１０に取り付け、光学モジュール２０８を、構造物１０の変位に伴って変化しない位置に設置する。光学モジュール２０８は、常時設置していてもよいし、構造物１０の変位に関する情報を生成するときにのみ設置してもよい。
【０１２８】
［第２の実施例］
以下、第４の実施の形態におけるホログラム２０３の実施例である第２の実施例のホログラム２０３とその特性について説明する。なお、本実施の形態におけるホログラム２０３は、以下に示す第２の実施例のホログラム２０３に限定されるものではない。
【０１２９】
第２の実施例では、以下の方法で、図２に示した感光層３Ｐを作製した。まず、第１の実施例で調整したフォトポリマー組成物の複数の材料のうちのＩｒｇａｃｕｒｅ−３７９（ＢＡＳＦ製）０．６部をＩｒｇａｃｕｒｅ−７８４（ＢＡＳＦ製）０．６部に変更した複数の材料を配合して、フォトポリマー組成物を調製した。
【０１３０】
次に、上記フォトポリマー組成物を、厚みが０．３ｍｍのシリコンフィルムスペーサーを介して貼り合わせた２枚のガラス基板の空隙に導入し、窒素雰囲気下、６０℃で２時間加熱処理を施して、２枚のガラス基板の間に、フォトポリマーからなる感光層３Ｐを形成した。２枚のガラス基板の各面の大きさは、３０ｍｍ×３０ｍｍである。
【０１３１】
第２の実施例のホログラム２０３は、図２１に示した記録用光学系を用いて、感光層３Ｐの第１の面３Ｐａに記録用参照光２１と信号光２２２を入射させ、記録用参照光２１と信号光２２２の干渉によって生じる干渉縞を感光層３Ｐに記録することによって作製した。
【０１３２】
図２１に示した記録用光学系は、図５に示した第１の実施例における記録用光学系と、以下の点で異なっている。図２１に示した記録用光学系は、図５に示した記録用光学系における半導体レーザ３１の代わりにレーザ２３１を備えている。レーザ２３１としては、ＹＡＧレーザを用いた。このレーザ２３１は、波長５３２ｎｍのレーザ光を出射する。
【０１３３】
また、図２１に示した記録用光学系は、図５に示した記録用光学系における１／４波長板４０およびミラー４１の代わりに、偏光ビームスプリッタ３９から出射されたＳ偏光の光の光路上に配置された反射型の空間光変調器２４０を備えている。ここでは、空間光変調器２４０として、液晶を用いた位相変調型のものを使用している。この空間光変調器２４０は、互いに直交する高速軸と低速軸を有し、高速軸と低速軸が、偏光ビームスプリッタ３９から出射されたＳ偏光の光の偏光方向に対して±４５°になるように配置されている。空間光変調器２４０において、オン状態の画素に入射したＳ偏光の光は、高速軸方向の偏光成分と低速軸方向の偏光成分との間で１／２波長分位相がずれるように位相変調されて、Ｐ偏光の光となって出射される。空間光変調器２４０において、オフ状態の画素に入射したＳ偏光の光は、Ｓ偏光のまま出射される。なお、空間光変調器２４０としては、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）等を用いた振幅変調型のものを使用してもよい。この場合には、空間光変調器２４０と偏光ビームスプリッタ３９の間に図示しない１／４波長板を挿入する。この場合、偏光ビームスプリッタ３９から出射されたＳ偏光の光は、１／４波長板を通過して、円偏光の光に変換された後、空間光変調器２４０で変調され、１／４波長板を通過して、Ｐ偏光の光に変換される。空間光変調器２４０によって変調されて偏光ビームスプリッタ３９に入射したＰ偏光の光は、偏光ビームスプリッタ３９の斜面を通過して、第２のＰ偏光の光として、偏光ビームスプリッタ３９から出射される。
【０１３４】
また、図２１に示した記録用光学系は、図５に示した記録用光学系における偏光ビームスプリッタ３９とシャッタ４３の間に配置された集光レンズ２４１を備えている。第１の実施例と同様に、シャッタ４３は、後で説明する再生用光学系において閉状態にされるが、記録用光学系では常に開状態にされている。
【０１３５】
図２１に示した記録用光学系では、レーザ２３１の出射光は、ミラー３２、１／２波長板３３、偏光ビームスプリッタ３４、シャッタ３５、ビームエキスパンダ３６、１／２波長板３７および絞り３８を順に通過して、偏光ビームスプリッタ３９に入射する。偏光ビームスプリッタ３９から出射された第１のＰ偏光の光は、ミラー４２で反射されて、記録用参照光２１として、回転ステージ４４によって支持された感光層３Ｐの第１の面３Ｐａに照射される。また、偏光ビームスプリッタ３９から出射された第２のＰ偏光の光は、集光レンズ２４１で集光され、シャッタ４３を通過して、信号光２２２として、回転ステージ４４によって支持された感光層３Ｐの第１の面３Ｐａに照射される。
【０１３６】
感光層３Ｐに記録用参照光２１と信号光２２２を入射させてホログラム２０３を作製する際には、所定の時間だけ、シャッタ３５を開いて、記録用参照光２１と信号光２２２によって感光層３Ｐを露光させた。その際、感光層３Ｐにおける記録用参照光２１と信号光２２２の合計の光強度を４０ｍＷ/ｃｍ２とし、露光エネルギーが１６ｍＪ／ｃｍ２となるようにした。このように感光層３Ｐを露光させた後、感光層３Ｐに残存する光重合開始剤、モノマーを消費するためのポストキュアを十分に行って、感光層３Ｐをホログラム２０３とした。ポストキュアは、露光後の感光層３Ｐに対して、中心波長が５３０ｎｍの発光ダイオードの出射光を照射して行った。
【０１３７】
図２２は、信号光２２２の強度分布の２次元パターンの一部を示している。第２の実施例では、信号光２２２の強度分布の２次元パターンとし、明暗のドットパターンを用いた。具体的には、信号光２２２の強度分布の２次元パターンは、配列された７×７個の領域を有し、各領域は５０×５０ドットを有している。この２次元パターンは、１２２．５ｋビットを構成する。図２２は、この２次元パターンにおける中央の領域と、その周辺の８つの領域のそれぞれの一部を示している。ドットには、相対的に輝度が小さい黒ドットと、相対的に輝度が大きい白ドットの２種類がある。
【０１３８】
次に、図２３を参照して、第２の実施例のホログラム２０３の特性を測定するために使用した再生用光学系について説明する。この再生用光学系は、図２１に示した記録用光学系の構成要素の他に、結像光学系２５０と、イメージセンサ２５１を備えている。再生用光学系においては、シャッタ４３は閉状態にされている。また、回転ステージ４４は、第２の実施例のホログラム２０３を支持している。
【０１３９】
再生用光学系では、レーザ２３１の出射光は、ミラー３２、１／２波長板３３、偏光ビームスプリッタ３４、シャッタ３５、ビームエキスパンダ３６、１／２波長板３７、絞り３８を順に通過して、偏光ビームスプリッタ３９に入射する。再生用光学系では、偏光ビームスプリッタ３９の斜面を通過した第１のＰ偏光の光が利用される。この第１のＰ偏光の光は、ミラー４２で反射されて、再生用参照光５１として、回転ステージ４４によって支持されたホログラム２０３の第１の面２０３ａに照射される。ホログラム２０３に再生用参照光５１が照射されると、ホログラム２０３は、信号光２２２と同じ２次元パターンの強度分布を有する回折光２５３を発生する。この回折光２５３が有する強度分布の２次元パターンは、結像光学系２５０によってイメージセンサ２５１上に結像し、イメージセンサ２５１によって撮像される。
【０１４０】
ホログラム２０３の特性の測定は、以下のようにして行った。まず、回転ステージ４４によって、ホログラム２０３の第１の面２０３ａに対する再生用参照光５１の入射角を変更し、複数の入射角の各々のときに、イメージセンサ２５１によって回折光２５３の２次元パターンを撮像した。以下、イメージセンサ２５１によって撮像されて得られた画像を再生画像と呼ぶ。このようにして複数の入射角に対応する複数の再生画像を得た。次に、複数の再生画像の各々について、再生画像の鮮明度に対応するパラメータの値を求めた。第２の実施例では、このパラメータとして、以下のようにして求められる信号対雑音比ＳＮＲを用いた。
【０１４１】
まず、再生画像を複数の黒ドットと複数の白ドットに分割する。複数の黒ドットと複数の白ドットの位置は、信号光２２２の強度分布の２次元パターンの情報から予め分かっている。次に、再生画像について、複数の黒ドットの輝度の平均値μ０と、複数の白ドットの輝度の平均値μ１と、複数の黒ドットの輝度の標準偏差σ０と、複数の白ドットの輝度の標準偏差σ１を算出する。次に、下記の式（３）で表されるＳＮＲを算出する。
【０１４２】
ＳＮＲ＝（μ１−μ０）／√（σ１２＋σ０２）  …（３）
【０１４３】
また、ホログラム２０３の回折効率が最大になるときの再生用参照光５１の入射角と、任意の再生用参照光５１の入射角との差を、入射角ずれ量（単位は度）と定義する。
【０１４４】
ホログラム２０３の特性の測定では、ホログラム２０３の特性として、入射角ずれ量とＳＮＲとの関係を求めた。このようにして求められたホログラム２０３における入射角ずれ量とＳＮＲとの関係を図２４に示す。図２４において、横軸は入射角ずれ量（度）であり、縦軸はＳＮＲである。図２４では、測定によって得られた入射角ずれ量毎のＳＮＲの値を複数の三角の点で示し、これらの近似曲線を実線の曲線で示している。
【０１４５】
図２５、図２６、図２７、図２８は、それぞれ、図２４中の点Ｐ２５，Ｐ２６，Ｐ２７，Ｐ２８に対応する再生画像の一部を示している。図２４ないし図２７から、ＳＮＲの値が大きいほど、再生画像の鮮明度が高いことが分かる。
【０１４６】
図２４に示したように、入射角ずれ量がほぼ０のときにＳＮＲの値が最大値になり、入射角ずれ量の絶対値が大きくなるに従ってＳＮＲの値が低下し、入射角ずれ量の絶対値が０．３度になるまでにＳＮＲの値がほぼ０になっている。このことから、ホログラム２０３は、入射角ずれ量を感度よく検出可能なセンサとなり得ることが分かる。
【０１４７】
なお、図２４は、ホログラム２０３単体の特性を示しているが、図２０に示したホログラム２０３と反射層４を含むホログラムモジュール２０６の特性も、図２４と同様になる。
【０１４８】
本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、簡単な構成で、空間を伝搬するという光の特徴を活かして、構造物１０の変位に関する情報を生成することが可能になる。
【０１４９】
また、本実施の形態では、第１の実施の形態における規格化強度の代わりに上記のＳＮＲを用いることにより、第１の実施の形態において図９ないし図１５を参照して説明した構造物１０の変位の検出方法と同様にして、複数の態様のホログラム２０３および構造物１０の変位を検出することが可能である。
【０１５０】
なお、本実施の形態において、構造物１０の変位に応じて光源２とホログラム２０３の位置関係が変化するように、光学モジュール２０８を構造物１０に取り付け、ホログラムモジュール２０６を、構造物１０の変位に伴って変化しない位置に設置してもよい。あるいは、構造物１０の変位に応じて光源２とホログラム２０３の位置関係が変化するように、ホログラムモジュール２０６と光学モジュール２０８を、構造物１０における互いに異なる場所に取り付けてもよい。
【０１５１】
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。
【０１５２】
［第５の実施の形態］
次に、図２９および図３０を参照して、本発明の第５の実施の形態について説明する。図２９は、本実施の形態に係る変位情報生成装置３０１の概略の構成を示す説明図である。図３０は、図２９における変位情報生成器の構成を示す説明図である。
【０１５３】
図２９に示したように、変位情報生成装置３０１は、光源２と、光源支持装置７と、変位情報生成器２８７と、反射部材１０２とを備えている。変位情報生成装置３０１は、更に、光源支持装置７および変位情報生成器２８７を一体的に支持する図示しない支持部を備えている。以下、光源２、光源支持装置７、変位情報生成器２８７および図示しない支持部を含む一体的な構造体を、光学モジュール３０３と呼ぶ。
【０１５４】
図３０に示したように、変位情報生成器２８７は、ホログラム２８３と、結像光学系２８４と、光検出器２８５と、これらを保持する保持部２８６とを含んでいる。ホログラム２８３は、第４の実施の形態におけるホログラム２０３と同様に、記録用参照光と所定の２次元パターンの強度分布を有する信号光との干渉によって生じる干渉縞が記録されたものである。ホログラム２８３は、再生用参照光が照射されたときに回折光を発生する。この回折光は、信号光と同じ２次元パターンの強度分布を有する。ホログラム２８３は、透過型ホログラムである。ホログラム２８３は、光が入射する第１の面２８３ａと、第１の面２８３ａとは反対側の第２の面２８３ｂとを有している。回折光は、第２の面２８３ｂから出射される。
【０１５５】
光検出器２８５は、第４の実施の形態における光検出器２０５と同様に、ホログラム２８３からの光を受け、受けた光の強度分布を表す信号を出力する。光検出器２８５は、特に、ホログラム２８３が回折光を発生したときには回折光を受けることが可能である。結像光学系２８４は、ホログラム２８３が発生する回折光が有する強度分布の２次元パターンを、光検出器２８５上に結像する。
【０１５６】
変位情報生成装置３０１におけるその他の構成は、第３の実施の形態に係る変位情報生成装置１０１と同じである。
【０１５７】
変位情報生成装置３０１は、構造物１０の変位に応じて、光源２から出射されてホログラム２８３に照射される光の経路の状態が変化し、この光の経路が所定の状態のときには光源２から出射された光が再生用参照光となるように設置される。本実施の形態では、第３の実施の形態と同様に、反射部材１０２が、構造物１０に取り付けられる。反射部材１０２は、反射面１０２ａを有し、この反射面１０２ａによって、光源２から出射された光をホログラム２８３に向けて反射する。構造物１０が変位すると、それに追従して反射部材１０２も変位し、その結果、光源２から出射されて、反射部材１０２を経由してホログラム２８３に照射される光の経路（以下、照射光の経路と言う。）の状態が変化する。本実施の形態では、光源２から出射され、反射部材１０２で反射されてホログラム８３に向かう光である反射光１１１をホログラム２８３に照射したときの光検出器２８５の出力信号が、構造物１０の変位に関する情報となる。なお、本実施の形態では、光源２が出射する光の波長は、ホログラム２８３作製時における記録用参照光の波長と等しい。
【０１５８】
本実施の形態に係る変位情報生成方法は、本実施の形態に係る変位情報生成装置３０１を用いて、構造物１０の変位に関する情報を生成する方法である。変位情報生成方法は、構造物１０の変位に応じて、照射光の経路の状態が変化し、照射光の経路が所定の状態のときには光源２から出射された光が再生用参照光となるように、変位情報生成装置３０１を設置する手順と、構造物１０の変位に関する情報を生成する手順とを備えている。構造物１０の変位に関する情報は、光源２から出射された光を、反射部材１０２を経由させてホログラム２８３に照射したときの光検出器２８５の出力信号である。本実施の形態における変位情報生成装置３０１を設置する手順では、反射部材１０２を構造物１０に取り付け、光学モジュール３０３を、構造物１０の変位に伴って変化しない位置に設置する。光学モジュール３０３は、常時設置していてもよいし、構造物１０の変位に関する情報を生成するときにのみ設置してもよい。
【０１５９】
本実施の形態では、反射部材１０２が、第３の実施の形態で説明した初期状態であって、反射光１１１がホログラム２８３に対する再生用参照光となるときに、ホログラム２８３の回折効率が最大になる。構造物１０が変位すると、上述のように照射光の経路の状態が変化して、ホログラム２８３の回折効率が低下する。
【０１６０】
本実施の形態では、第４の実施の形態と同様に、ホログラム２８３の回折効率が最大であるときに、光検出器２８５は、信号光と同じ強度分布を有する光を受ける。構造物１０の変位に起因してホログラム２８３の回折効率が低下すると、光検出器２８５が受ける光の強度分布の鮮明度が低下する。この鮮明度は、第４の実施の形態で説明したように、光検出器２８５の出力信号に基づいて評価することができる。従って、そのため、光源２から出射された光を反射部材１０２を経由させてホログラム２８３に照射したときの光検出器２８５の出力信号は、構造物１０の変位に関する情報となる。
【０１６１】
本実施の形態では、光源支持装置７を用いて光源２の位置および姿勢を調整して、反射光１１１がホログラム２８３の第１の面２８３ａに入射することを前提として、出射光７３の方向を変更して、出射光７３の方向と第４の実施の形態で説明したＳＮＲとの関係を求めることにより、第３の実施の形態で説明した複数の態様の反射部材１０２および構造物１０の変位を検出することができる。
【０１６２】
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第３または第４の実施の形態と同様である。
【０１６３】
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明では、透過型のホログラムを、構造物から突出するように構造物に取り付け、光検出器を、ホログラムが発生する回折光を受けることが可能で且つ構造物１０の変位に伴って変化しない位置に設置してもよい。
【符号の説明】
【０１６４】
１…変位情報生成装置、２…光源、３…ホログラム、４…反射層、５…光検出器、７…光源支持装置、１０…構造物。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２９】
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【図３０】
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【図２２】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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