(57)【要約】      （修正有）【課題】参照光の位相シフトを行うための光学系を簡素化するとともに、計測ヘッド部（計測対象物に接近する部分）を小型化することが可能なデジタルホログラフィによる変位・ひずみ分布計測装置を提供する。【解決手段】物体への入射光の光路中に一部を反射する光学部品（反射ミラー）を配置することで、入射光の周囲に設置された撮像素子に参照光を入射できるようにしている。光学部品として、入射光の光源側に凸になったガラス板を用いており、入射光を平行光として凸面に入射することで、この凸面の角度によって、入射光の反射角度が変わり、撮像素子に参照光として入射させている。【選択図】図３
2015055579.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の撮像素子を用いたデジタルホログラフィを用いた光学系であって、
１つのレーザ光源を、物体に照射する入射光と、前記入射光を前記複数の撮像素子へ入射する参照光に分離する手段と、
前記複数の撮像素子は、前記入射光の光路の周囲に配置されていることを特徴とする光学系。
【請求項２】
前記入射光を前記複数の撮像素子へ入射する参照光に分離する手段は、物体への入射光の光路中に前記入射光の一部を反射する光学部品であることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホログラフィ技術を用いた変位・ひずみ分布計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、光源を物体へ入射光と参照光に分離した後に、参照光を反射させるミラーにピエゾ素子を取り付けて位相シフトを行うように設置し、同一のミラーを含んだ干渉計を別途構築し、その干渉計によって得られる干渉縞の明暗の変化によってカメラのトリガ信号を発生させる技術が開示されている。
【０００３】
また、特許文献２には、物体への入射光を１光束にして、周囲に複数の撮像素子を配置する構造によって、３方向の変位と２方向のひずみ分布を得ることができるようにする光学系とそのキャリブレーションの技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１８１０２７号公報
【特許文献２】特開２０１２−２２０３４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術では参照光の光路中に設置する必要があり、光学系の設計に制約がある。また、特許文献２の技術では参照光を作成するための光学系が複雑である。  
そこで本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、参照光の位相シフトを行うための光学系を簡素化するとともに、計測ヘッド部（計測対象物に接近する部分）を小型化することが可能な、デジタルホログラフィによる変位・ひずみ分布計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願の請求項１に係る発明は、複数の撮像素子を用いたデジタルホログラフィを用いた光学系であって、１つのレーザ光源を、物体に照射する入射光と、前記入射光を前記複数の撮像素子へ入射する参照光に分離する手段と、前記複数の撮像素子は、前記入射光の光路を囲むように配置されていることを特徴とする光学系である。  
請求項２に係る発明は、前記入射光を前記複数の撮像素子へ入射する参照光に分離する手段は、物体への入射光の光路中に前記入射光の一部を反射する光学部品であることを特徴とする請求項１に記載の光学系である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、参照光の位相シフトを行うための光学系を簡素化するとともに、計測ヘッド部（計測対象物に接近する部分）を小型化することが可能なデジタルホログラフィによる変位・ひずみ分布計測装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】変位ベクトルと感度ベクトルの関係を説明する図である。
【図２】本発明の計測装置を説明する図である。
【図３】照射光路中に反射ミラーを設置することによる参照光を得る構成を示す図である（照射光を平面波とする場合の構成）。
【図４】照射光路中に反射ミラーを設置することによる参照光を得る構成を示す図である（反射ミラーを平面にする構成）。
【図５】アクチュエータによる参照光の位相シフト機構を示す図である（照射光を平面波とする場合の構成）。
【図６】アクチュエータによる参照光の位相シフト機構を示す図である（照射光を球面波とする場合の構成）。
【図７】干渉計によって得られる干渉縞の変化から撮影タイミングを決める構成の例を説明する図である。
【図８】干渉計によって得られる干渉縞の変化から撮影タイミングを決める構成の例を説明する図である。
【図９】ヘッド分離形計測装置の基本構造を説明する図である。
【図１０】干渉計による撮像信号発生の実験装置を説明する図である。
【図１１】ピエゾ素子への入力電圧と干渉縞の強度とカメラトリガ信号の関係を説明する図である。
【図１２】変位計測実験への適用（位相差分布）を説明する図である。
【図１３】本発明に係る計測システムの構成を説明する図である。
【図１４】試作した撮像素子部と回路の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面とともに説明する。  
＜小型化するための基本構成＞
まず、デジタルホログラフィによる変位計測の基本原理を説明する。図１（ａ）に示すように、光源からの入射光と撮像素子へ入る光が成す角の半分の角度の方向を感度ベクトルと呼ぶ。変形前後の再生像の複素振幅の位相差は、この感度ベクトル方向の変位成分を意味する。なお、デジタルホログラフィによる変位計測は公知の技術である。
【００１０】
図１（ｂ）に示すように、従来は入射光を３本にすることで、独立した感度ベクトルｅ1，ｅ2，ｅ3を３個得ることができる。変形前後の位相差により、感度ベクトル方向の変位成分がそれぞれ得られ、そこからｘ，ｙ，ｚ方向の変位を算出する（特許文献２を参照）。しかし、３本の入射光を作り、分離してそれぞれの再生像を得るためには、異なるレーザを３本用意する必要があり、３倍の量のレンズやミラーなどの光学系が必要となる。
【００１１】
本発明は、図１（ｃ）に示すように、入射光を中央の１本にして、撮像素子を少なくとも３個にすることである。カメラを複数にするという発想は、従来のデジタルホログラフィの研究ではこれまでに全く無かった。
【００１２】
さらに、図２に示すように、光源（レーザ光源）からの入射光を中央に通し、入射光の光路の周囲に撮像素子を配置することで、物体表面からの散乱光（物体光）に含まれている変位情報を効率よく得ることができる。これによって、片手で持てる程度の小型のサイズにすることができる。図２では８個の撮像素子が入射光の光路の周囲に均等に配置されている。
【００１３】
＜参照光作成の方法＞
（１）物体への入射光の光路中に一部を反射する光学部品を配置する方法
図３に示すように、光学系１において計測対象２である物体への入射光の光路中に一部を反射する光学部品を配置することで、入射光の周囲に設置された撮像素子に参照光を入射することができるようになる。図３においては、入射光の光源側に凸になったガラス板を用いている。このガラス板は入射光の一部を反射するミラーの働きをする。光源からの入射光を平行光として凸面に入射することで、この凸面の角度によって、入射光の反射角度が変わり、撮像素子に参照光として入射させることができる。凸面を透過した光は物体に照射される。
（２）球面波を用いる平面状の光学部品を用いることができるようにする方法
図４に、図３の光源からの入射光を凸レンズによって球面波に変換する。そして、その球面波を平面状のガラス板に入射することで、入射光の周囲に配置した撮像素子に参照光として入射させることができる構造を示す。
【００１４】
このガラス板は入射光の一部を反射するミラーの働きをする。光学部品が平面ガラス板を用いることで、容易に作成することができるようになる。また、郊外系の設計も容易になる。計測対象物体には、球面波が照射され、物体表面での散乱光がガラス板を通り抜けて、撮像素子に入射してホログラムとして撮影される。
（３）アクチュエータを取り付けることで参照光の位相シフトが行えるようにする方法
図５と図６に示すように、物体への入射光の光路中に一部を反射する光学部品に、面外方向（換言すると、入射光の入射方向）に微小に移動するようなアクチュエータを取り付ける。図５と図６においては、アクチュエータとしてピエゾ素子を取り付けている。このアクチュエータに信号を送り、伸縮させることで、撮像素子に入射させる参照光の位相シフトを行うことができる。
（４）干渉計によって得られる干渉縞の変化から撮影タイミングを決める機構
図７に示すように、光源から出た光の一部を取り出して干渉計を構築する。干渉計を構成する反射光学部品にも参照光の位相シフトを行う光学部品に取り付けられている物と動作の対応関係のわかっているアクチュエータ（図７ではピエゾ素子（ＰＺＴ））を取り付ける。対応関係に応じた信号で駆動することによって、その干渉計によって得られる干渉縞の変化から撮影タイミングを決める。ピエゾ素子のような入力電圧と変位量の関係にヒステリシスを持つようなアクチュエータを用いる場合であっても、再現性よく，所定の位相シフト量となった場合に撮影を行うことができる。
【００１５】
図７の場合は、アクチュエータにピエゾ素子（ＰＺＴ）を用いている。また、参照光の位相シフトを行う光学部品に取り付けられているピエゾ素子と同型のピエゾ素子を４個直列に接着して、１つのアクチュエータとしている。このとき、個々のピエゾ素子には駆動信号を並列に入力する。この駆動信号は、参照光の位相シフトを行う光学部品（図５，図６の一部を反射する反射ミラーが相当する）に取り付けられているピエゾ素子と同一のものを入力する。
【００１６】
このようにすることで、位相シフトを行うためのアクチュエータの変位量に対して、撮影タイミングを決める干渉計のミラーを移動させるアクチュエータの移動量はちょうど４倍になる。すなわち、撮影タイミングを決める干渉計によって得られた干渉縞の明暗が１周期変化するときに、参照光の位相シフト量は１／４周期（位相シフト量π／２）となる。これにより、ピエゾ素子が持つヒステリシスの特性の影響が無く、１／４周期ずつ位相シフトが行われた画像を撮影することができるようになる。
【００１７】
また、このとき、参照光の反射方向に応じて撮影タイミングを決める干渉計のアクチュエータに取り付けられたミラーへの入射角を図８に示すように角度をつけるようにする。この角度は、図６に示すアクチュエータによる参照光の位相シフト機構（照射光を球面波とする構成構成）の場合は、撮像素子の傾きと同じ値にして、ミラーの移動量に対する参照光の位相シフト量と撮影タイミングを決める干渉計におけるミラーの移動量に対する干渉縞の位相シフト量が同一になるような角度にする。このようにすることで、同一種類のピエゾ素子を用いた場合に、精度よく１／４周期ずつ位相シフトが行われた画像を撮影することができるようになる。
（５）干渉計の部分とデジタルホログラフィ撮影装置を光ファイバー等の信号伝達手段の配線で接続することよって分離させた構造
図９にヘッド分離型計測装置の基本構造を示す。上記（４）で述べた位相シフト量を検知して撮影タイミングを決めるための干渉計を図の左側部分に組み込む。レーザ光源からの出射光は光ファイバーを経由してデジタルホログラフィ撮影装置に送られる。ピエゾドライバからは、同一の信号がヘッド部分と干渉計部分に信号線を通して送られる。この干渉計のフォトセンサから、カメラトリガ信号が発生し，それが撮像素子のドライバー回路に入力される。
（６）キャリブレーション手法
キャリブレーションには，特許文献２（特開２０１２−２２０３４９号公報）で開示されている手法を用いる。これにより、上記（４）において、光学系の設置時のずれなどによって位相シフト量が完全に１／Ｎ周期（Ｎは整数）ずつ位相シフトが行われない場合であっても、得られる位相差と変位量の対応関係を画素ごとに求めることができるため、変位分布やひずみ分布の計測を行うことができる。
【００１８】
物体のx, y, z方向の変位をそれぞれdx, dy, dzとする。このとき、複数の撮像素子で得られる位相差をそれぞれΔφiとする(1≦i≦Ｎ）と、数１式の関係が成り立つ。
【００１９】
【数１】
2015055579.tif 000003
【００２０】
ここでＳはＮ×3行列であり、これを感度マトリックスと呼ぶ。この感度マトリックスは物体の変位に対して、各撮像素子で得られる位相差がどれだけになるかを関係付ける行列であり、この行列の各成分は、光学系が決まれば決まる定数である。Ｓの擬似逆行列をＳ+とすると、数２式が得られる。
【００２１】
【数２】
2015055579.tif 000004
【００２２】
Ｓ+は３×Ｎ行列となる。この式を用いることで、各撮像素子で得られる位相差から物体のx, y, z方向の変位dx, dy, dzがそれぞれ得られることになる。
【００２３】
行列Ｓは、特許文献２で示されているキャリブレーションで用いる基準平面を用いて、独立した３方向（またはそれ以上）に基準面を移動させることで得られる位相差Δφiと移動させた変位量dx, dy, dzから求めることができる。例えば、３方向に移動させた場合は、数３式のようになる。ここで、右側の添字j，（Δφij，dxj, dyj, dzj）が移動させた回数を表す。
【００２４】
【数３】
2015055579.tif 000005
【００２５】
そして、数３式は数４式のように変形することができ、ここから行列Ｓを求めることができる。
【００２６】
【数４】
2015055579.tif 000006
【００２７】
さらに、行列Ｓ+の各成分の値は、行列Ｓの擬似逆行列として求めることができる。
（７）複数の撮像素子で得られた位相差から変位とひずみを求める手法
次に、複数の撮像素子で得られた位相差から変位とひずみを求める手法を示す。擬似逆行列Ｓ+の各成分の値を数５式のようにする。
【００２８】
【数５】
2015055579.tif 000007
【００２９】
x，y，z方向の変位は，複数の撮像素子で得られた位相差と行列Ｓ+の各成分の値を用いてそれぞれ数６式のように求めることができる。
【００３０】
【数６】
2015055579.tif 000008
【００３１】
x方向とy方向のひずみεxとεy，せんだんひずみγxyはそれぞれ式数７式のように求めることができる。
【００３２】
【数７】
2015055579.tif 000009
【００３３】
これより，複数の撮像素子で得られた位相差と行列Ｓ+の各成分の値を用いて数８式のように求めることができる。
【００３４】
【数８】
2015055579.tif 000010
【００３５】
＜実施形態＞
（１）干渉計によるトリガ信号発生の実施形態
上述の干渉計による撮像信号発生の実施形態を説明する。図１０に、干渉計による撮像信号発生の実験装置を示す。この光学系では、撮像素子を１個用いて、計測対象物体の面外変位を計測するデジタルホログラフィ光学系となっている。
【００３６】
光源の光は２つに分けられ、その片方が撮像素子の撮影タイミングを決めるための干渉計に入射する。干渉計のひとつのミラーにはピエゾステージが４個直列に取り付けられており、それぞれのピエゾ素子に並列にピエゾドライバから出力された電圧が印加される。  同じ電圧がデジタルホログラフィの光学系のミラーのひとつを変位させるピエゾ素子にも印加される。こうすることで、変位計測の光学系が１周期の位相シフトを行う間に、撮像タイミングを決めるための干渉計は４周期の位相シフトが行われるようになる。撮像タイミングを決めるための干渉計においては、フォトセンサよって干渉計の明暗が電圧信号に変換され、それを電気回路で２値化することでカメラのトリガ信号が発生する。
【００３７】
ピエゾドライバには、信号発生器から三角波状の信号が入力される。これにより，変位計測の光学系が１／４周期の位相シフトを行うごとに、カメラのトリガ信号が発生し、ちょうど１／４周期ずつ位相シフトが行われたホログラムが撮影される。
【００３８】
図１１に、ピエゾ素子への入力電圧と、この装置で得られた干渉縞の強度とカメラトリガ信号を示す。図１２に、この装置で得られた位相差分布を示す。これらは、試料先端付近の変位量が、１０マイクロメートル，３０マイクロメートル，５０マイクロメートルの場合である。
【００３９】
これらより変位量を求めた結果を、フィードバック付きピエゾステージを用いて１ナノメートル以下の精度で、ミラーの位置決めを行った場合の計測結果を比較してみたところ、変位量で２０なのメートルの誤差となり、ほぼ良好な結果を得ることができた。
【００４０】
（２）干渉計によるトリガ信号発生の実施形態
図１３に変位・ひずみ分布計測システムの実施例を示す。物体の手前に参照光を反射して撮像素子に入射するためのガラス素子を配置する。入射光の一部が反射して参照光となり、透過した光が物体に正面から照射されることになる。
【００４１】
さらにこのガラス素子を入射光の方向にピエゾ素子を用いて移動させることによって、参照光の位相シフトができるようになる。また、同じ規格で作成したピエゾ素子を複数個積層し、電圧を並列に加えることで、参照光の複数倍の位相シフト量を得ることができ、別に作った干渉計（図１３の中央部左側）によってトリガ信号を発生させることで、参照光が１周期の間に複数回の位相シフトを行うことができるようになる。
【００４２】
図１４に試作した小型計測装置用の撮像素子部を示す。中央部（符号１，２，３，４で囲まれた部分）のφ１０の穴が、入射光が通る部分である。その穴の周辺に１辺２．０ｍｍの撮像素子が配置されている。撮像素子は、１５度の角度で中央方向を向くように取り付けられている。図１４（ｃ）に試作した回路の概略のブロック図を示す。
【００４３】
本発明は、以下の効果を奏することができる。
（１）光学系が簡素化されて、安価で小型の計測装置を作ることができるようになる。
（２）計測ヘッド部（計測対象物に接近する部分）が小型軽量になり、大型構造物の検査現場で利用できるようになる。
（３）撮像素子の数が増えても光学系が複雑になることはなく、多数の撮像素子を利用できるようになる。撮像素子の数を増やせば、平均化の効果によってノイズが減少し、計測精度が向上する。
（４）対象物の傾きによっては対象物の再生像とその位相差分布が精度よく得られない撮像素子が発生して、そのために計測できない領域が発生する可能性があるが、撮像素子を多数にすることで、その可能性が減少する（最小限３個の撮像素子で対象物の再生像とその位相差分布が得られればよい）。
【符号の説明】
【００４４】
１  光学系
２  計測対象
【図１】
2015055579.tif 000011
【図２】
2015055579.tif 000012
【図３】
2015055579.tif 000013
【図４】
2015055579.tif 000014
【図５】
2015055579.tif 000015
【図６】
2015055579.tif 000016
【図７】
2015055579.tif 000017
【図８】
2015055579.tif 000018
【図９】
2015055579.tif 000019
【図１０】
2015055579.tif 000020
【図１１】
2015055579.tif 000021
【図１２】
2015055579.tif 000022
【図１３】
2015055579.tif 000023
【図１４】
2015055579.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成26年11月4日(2014.11.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本願の請求項１に係る発明は、デジタルホログラフィによる変位・ひずみ分布計測装置に用いられる光学系であって、レーザ光源からのレーザ光を、物体に照射する入射光と、複数の撮像素子へ入射する参照光に分離する手段を備え、前記分離する手段は、入射光の光源側に凸になった曲面状のミラーの働きをなし、前記物体に照射する入射光が平行光の場合に、前記複数の撮像素子に入射する参照光を生成する手段であり、前記複数の撮像手段は、前記入射光の光路の周囲に配置され、前記入射光が前記物体に入射し該物体から反射した物体光と前記参照光を重ね合わせて受光する、ことを特徴とする光学系である。
請求項２に係る発明は、デジタルホログラフィによる変位・ひずみ分布計測装置において、レーザ光源からのレーザ光を、物体に照射する入射光と、複数の撮像素子へ入射する参照光に分離する手段と、前記入射光の光路の周囲に配置された前記複数の撮像手段とを有するヘッドと、前記レーザ光源と前記複数の撮像素子の撮影タイミングを決める干渉計を備えた光源装置と、前記光源装置の前記レーザ光源から前記ヘッドにレーザ光を伝送する光ファイバと、を備えていることを特徴とする変位・ひずみ分布計測装置である。
請求項３に係る発明は、デジタルホログラフィによる変位・ひずみ分布計測装置において、レーザ光源からのレーザ光を、物体に照射する入射光と、複数の撮像素子へ入射する参照光に分離する手段と、前記入射光の光路の周囲に配置された前記複数の撮像手段とを有するヘッドと、前記レーザ光源と前記複数の撮像素子の撮影タイミングを決める干渉計を備えた光源装置と、前記光源装置の前記レーザ光源から前記ヘッドにレーザ光を伝送する光ファイバと、を備え、前記分離する手段は、入射光の光源側に凸になった曲面状のミラーの働きをなし、前記物体に照射する入射光が平行光の場合に、前記複数の撮像素子に入射する参照光を生成する手段であり、前記複数の撮像手段は、前記入射光の光路の周囲に配置され、前記入射光が前記物体に入射し該物体から反射した物体光と前記参照光を重ねて受光する、ことを特徴とする変位・ひずみ分布計測装置である。  
請求項４に係る発明は、前記撮像素子が４個以上の場合に、疑似逆行列を用いて４個以上の位相差から３次元空間を形成する３方向の変位を求めることを特徴とする請求項２または３に記載の変位・ひずみ分布計測装置である。  
請求項５に係る発明は、前記分離する手段の移動量に対する参照光の位相シフト量と、撮影タイミングを決める前記干渉計における干渉縞の位相シフト量が、同一になるように、前記干渉計に備わったミラーを設定することを特徴とする請求項２〜４の何れか一つに記載の変位・ひずみ分布計測装置である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デジタルホログラフィによる変位・ひずみ分布計測装置に用いられる光学系であって、
レーザ光源からのレーザ光を、物体に照射する入射光と、複数の撮像素子へ入射する参照光に分離する手段を備え、
前記分離する手段は、入射光の光源側に凸になった曲面状のミラーの働きをなし、前記物体に照射する入射光が平行光の場合に、前記複数の撮像素子に入射する参照光を生成する手段であり、
前記複数の撮像手段は、前記入射光の光路の周囲に配置され、前記入射光が前記物体に入射し該物体から反射した物体光と前記参照光を重ね合わせて受光する、
ことを特徴とする光学系。
【請求項２】
デジタルホログラフィによる変位・ひずみ分布計測装置において、
レーザ光源からのレーザ光を、物体に照射する入射光と、複数の撮像素子へ入射する参照光に分離する手段と、前記入射光の光路の周囲に配置された前記複数の撮像手段とを有するヘッドと、
前記レーザ光源と前記複数の撮像素子の撮影タイミングを決める干渉計を備えた光源装置と、
前記光源装置の前記レーザ光源から前記ヘッドにレーザ光を伝送する光ファイバと、
を備えていることを特徴とする変位・ひずみ分布計測装置。
【請求項３】
デジタルホログラフィによる変位・ひずみ分布計測装置において、
レーザ光源からのレーザ光を、物体に照射する入射光と、複数の撮像素子へ入射する参照光に分離する手段と、前記入射光の光路の周囲に配置された前記複数の撮像手段とを有するヘッドと、
前記レーザ光源と前記複数の撮像素子の撮影タイミングを決める干渉計を備えた光源装置と、
前記光源装置の前記レーザ光源から前記ヘッドにレーザ光を伝送する光ファイバと、
を備え、
前記分離する手段は、入射光の光源側に凸になった曲面状のミラーの働きをなし、前記物体に照射する入射光が平行光の場合に、前記複数の撮像素子に入射する参照光を生成する手段であり、
前記複数の撮像手段は、前記入射光の光路の周囲に配置され、前記入射光が前記物体に入射し該物体から反射した物体光と前記参照光を重ねて受光する、
ことを特徴とする変位・ひずみ分布計測装置。
【請求項４】
前記撮像素子が４個以上の場合に、疑似逆行列を用いて４個以上の位相差から３次元空間を形成する３方向の変位を求めることを特徴とする請求項２または３に記載の変位・ひずみ分布計測装置。
【請求項５】
前記分離する手段の移動量に対する参照光の位相シフト量と、撮影タイミングを決める前記干渉計における干渉縞の位相シフト量が、同一になるように、前記干渉計に備わったミラーを設定することを特徴とする請求項２〜４の何れか一つに記載の変位・ひずみ分布計測装置。