(57)【要約】【課題】球面波参照光を用いた位相シフトデジタルホログラフィの再生方法と、球面波参照光を用いた位相シフトデジタルホログラフィを用いる変位分布計測方法を提供する。【解決手段】物体の変位前後で球面波参照光の位相を所定量だけ順次シフトさせながら物体の像をＣＣＤカメラで各々５回撮像して各々５つの干渉縞をデジタルホログラフィとして記録し、このようにして得られた各５つの干渉縞に等速位相シフト法を用いて変位前後のＣＣＤ面上での複素振幅分布を得て、これらの変位前後のＣＣＤ面上での複素振幅分布からフレネル変換によって変位前後の物体面の複素振幅分布を得て、変位前後の物体面の複素振幅分布から位相差分布を得る。【選択図】図１
2007071593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
球面波参照光を用いた位相シフトデジタルホログラフィの再生方法において、
球面波参照光の位相を所定量だけ順次シフトさせながら物体の像を２次元撮像装置により５回撮像し、５つの干渉縞をデジタルデータとして記録してデジタルホログラムを作成する工程と、
このようにして得られた５つの前記干渉縞に等速位相シフト法を用いて前記２次元撮像装置の撮像素子面上での複素振幅分布を得る工程と、
前記撮像素子面上での複素振幅分布からフレネル変換によって物体面の複素振幅分布を得る工程とを具えることを特徴とする、球面波参照光を用いた位相シフトデジタルホログラフィの再生方法。
【請求項２】
物体の像を位相シフトデジタルホログラフィによりデジタルホログラムとして記録し、記録したデジタルホログラムから物体の変位分布ないし変形分布を位相情報として計測する変位分布計測方法において、
第１の状態において、球面波参照光の位相を所定量だけ順次シフトさせながら物体の像を２次元撮像装置により５回撮像し、５つの干渉縞をデジタルデータとして記録して第１の状態におけるデジタルホログラムを作成する工程と、
第１の状態から前記物体が変形又は変位した第２の状態において、球面波参照光の位相を所定量だけシフトさせながら前記物体の像を２次元撮像装置により５回撮像し、５つの干渉縞をデジタルデータとして記録して第２の状態におけるデジタルホログラムを作成する工程と、
前記第１の状態について得られた５つの前記干渉縞に等速位相シフト法を用いて前記２次元撮像装置の撮像素子面上での前記第１の状態についての複素振幅分布を得る工程と、
前記撮像素子面上での前記第１の状態についての複素振幅分布からフレネル変換によって前記第１の状態についての物体面の複素振幅分布を得る工程と、
前記第２の状態について得られた５つの前記干渉縞に等速位相シフト法を用いて前記２次元撮像装置の撮像素子面上での前記第２の状態についての複素振幅分布を得る工程と、
前記撮像素子面上での前記第２の状態についての複素振幅分布からフレネル変換によって前記第２の状態についての物体面の複素振幅分布を得る工程と、
前記第１の状態についての物体面の複素振幅分布と前記第２の状態についての物体面の複素振幅分布から位相差分布を得る工程とを具えることを特徴とする変位分布計測方法。
【請求項３】
物体の像を位相シフトデジタルホログラフィによりデジタルホログラムとして記録し、記録したデジタルホログラムから物体の変位分布ないし変形分布を位相情報として計測する変位分布計測装置において、
物体を撮像する２次元撮像手段と、
球面波参照光を発生する手段と、
前記球面波参照光を位相シフトさせる手段と、
前記位相シフトされる球面波参照波を前記２次元撮像手段に入射させる手段とを具え、
第１の状態において、球面波参照光の位相を所定量だけ順次シフトさせながら物体の像を前記２次元撮像装置により５回撮像し、５つの干渉縞をデジタルデータとして記録して第１の状態におけるデジタルホログラムを作成し、
第１の状態から前記物体が変形又は変位した第２の状態において、球面波参照光の位相を所定量だけシフトさせながら前記物体の像を前記２次元撮像装置により５回撮像し、５つの干渉縞をデジタルデータとして記録して第２の状態におけるデジタルホログラムを作成し、
前記第１の状態について得られた５つの前記干渉縞に等速位相シフト法を用いて前記２次元撮像装置の撮像素子面上での前記第１の状態についての複素振幅分布を得て、
前記撮像素子面上での前記第１の状態についての複素振幅分布からフレネル変換によって前記第１の状態についての物体面の複素振幅分布を得て、
前記第２の状態について得られた５つの前記干渉縞に等速位相シフト法を用いて前記２次元撮像装置の撮像素子面上での前記第２の状態についての複素振幅分布を得て、
前記撮像素子面上での前記第２の状態についての複素振幅分布からフレネル変換によって前記第２の状態についての物体面の複素振幅分布を得て、
前記第１の状態についての物体面の複素振幅分布と前記第２の状態についての物体面の複素振幅分布から位相差分布を得るように構成されたことを特徴とする変位分布計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球面波参照光を用いた位相シフトデジタルホログラフィの再生方法と、球面波参照光を用いた位相シフトデジタルホログラフィを用いる変位分布計測方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学的手法を用いた画像計測は、非接触で物体の形状や変形、応力、歪み等の計測を全視野で行うことができる手法であり、情報通信、医療等の種々の分野に利用することができる。物体表面の変位分布ないし変形分布を計測する方法として、位相シフトデジタルホログラフィを利用した計測方法が既知である（例えば、非特許文献１参照）。この位相シフトデジタルホログラフィを利用した計測方法では、物体の変位前後の干渉像をＣＣＤカメラにより撮像し、物体表面の各部位の位相分布をデジタルデータとして計測している。従って、分布表面の変形量や変位量を高速で計測することができ、物体表面の微小変位量を高速で計測する必要のある種々の用途に適用することができる。
【０００３】
例えば特許文献１に記載の発明は、物体の像を位相シフトデジタルホログラフィによりデジタルホログラムとして記録し、記録したデジタルホログラムから物体の変位分布ないし変形分布を位相情報として計測する変位分布計測方法であり、位相情報を求めるため高精度に変位計測が可能である。しかしながら、参照光を平行光にする必要があるため、光学系が複雑になるという問題があった。非特許文献２に記載の方法は、光学系が比較的簡単である。しかしながら、計測物体をＣＣＤカメラに結像させる必要があり、計測精度の点でもホログラフィ干渉法より劣っている。
【特許文献１】特願２００４−０７４４４４号公報
【非特許文献１】実験力学論文集，Vol.3 No2「位相シフトデジタルホログラフィを用いた面外変位計測」,2003年6月
【非特許文献２】スペックルを用いた面外変位計測装置の開発、内野正和、原田豊満、永井誠、小金丸正明、福岡県工業技術センター研究報告、ｐ１１９−１２１、Ｎｏ．１２（２００２）
【非特許文献３】Carre, P.: Installation et utilisation du compateur photoelectrique et interferential du Bureau International des Poids et Mesures, Metrologia 2, (1966), 13-23
【非特許文献４】Novak, J.: Five-step phase-shifting algorithms with unknown values of phase shift, Optik, 114-2 (2003), 63-68
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光学的縞画像解析手法において位相解析を行うことは、物体を高精度に解析するために非常に有用である。波長が一定なガスレーザなどを用いて２光波の干渉による物体の変位を計測する場合、参照光の位相をシフトさせ位相解析を行う。しかし位相シフト装置にＰＺＴを用いるため装置は非常に高価となる。また２種類以上のレーザを用いて３次元変位計測などを行う際、物体光と参照光の光路差を同じだけ変化させてもレーザの波長によって位相のシフト量が異なる。そのためレーザの波長に合わせたＰＺＴとＰＺＴコントローラが必要になり、光学系が複雑かつ高価になるという問題があった。
【０００５】
他方において、位相シフト量が未知であっても等間隔であれば位相を求めることができる手法としてCarreアルゴリズムが提案されている（非特許文献３参照）。また、この手法を発展させ、背景輝度を加味した新しい位相シフト手法が近年提案されている（非特許文献４参照）。この手法は位相をｐ／２ずつシフトさせる必要はなく、等間隔にシフトした５枚の画像から強度分布と位相分布を検出することができる。またこの手法は、５枚の画像において位相が等間隔にシフトすればよいので、位相を１周期変化させる必要がない。
【０００６】
上述したことを鑑み、本発明は、球面波参照光を用いた位相シフトデジタルホログラフィの再生方法と、球面波参照光を用いた位相シフトデジタルホログラフィを用いる変位分布計測方法及び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】
【０００７】
本発明による球面波参照光を用いた位相シフトデジタルホログラフィの再生方法は、
球面波参照光の位相を所定量だけ順次シフトさせながら物体の像を２次元撮像装置により５回撮像し、５つの干渉縞をデジタルデータとして記録してデジタルホログラムを作成する工程と、
このようにして得られた５つの前記干渉縞に等速位相シフト法を用いて前記２次元撮像装置の撮像素子面上での複素振幅分布を得る工程と、
前記撮像素子面上での複素振幅分布からフレネル変換によって物体面の複素振幅分布を得る工程とを具えることを特徴とする。
【０００８】
本発明による、物体の像を位相シフトデジタルホログラフィによりデジタルホログラムとして記録し、記録したデジタルホログラムから物体の変位分布ないし変形分布を位相情報として計測する変位分布計測方法は、
物体の像を位相シフトデジタルホログラフィによりデジタルホログラムとして記録し、記録したデジタルホログラムから物体の変位分布ないし変形分布を位相情報として計測する変位分布計測方法において、
第１の状態において、球面波参照光の位相を所定量だけ順次シフトさせながら物体の像を２次元撮像装置により５回撮像し、５つの干渉縞をデジタルデータとして記録して第１の状態におけるデジタルホログラムを作成する工程と、
第１の状態から前記物体が変形又は変位した第２の状態において、球面波参照光の位相を所定量だけシフトさせながら前記物体の像を２次元撮像装置により５回撮像し、５つの干渉縞をデジタルデータとして記録して第２の状態におけるデジタルホログラムを作成する工程と、
前記第１の状態について得られた５つの前記干渉縞に等速位相シフト法を用いて前記２次元撮像装置の撮像素子面上での前記第１の状態についての複素振幅分布を得る工程と、
前記撮像素子面上での前記第１の状態についての複素振幅分布からフレネル変換によって前記第１の状態についての物体面の複素振幅分布を得る工程と、
前記第２の状態について得られた５つの前記干渉縞に等速位相シフト法を用いて前記２次元撮像装置の撮像素子面上での前記第２の状態についての複素振幅分布を得る工程と、
前記撮像素子面上での前記第２の状態についての複素振幅分布からフレネル変換によって前記第２の状態についての物体面の複素振幅分布を得る工程と、
前記第１の状態についての物体面の複素振幅分布と前記第２の状態についての物体面の複素振幅分布から位相差分布を得る工程とを具えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、位相シフトデジタルホログラフィを用いた変位計測光学系が簡略化し、装置への組み込みが容易になる。さらに、物体と２次元撮像装置の距離を離すことができるのでレーザの照射範囲が大きくなり、より大きな物体を計測することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
初めに、位相シフトデジタルホログラフィの原理について説明する。図１は本発明による位相シフトデジタルホログラフィを利用した物体表面の変位分布計測方法を実施するための記録光学系の一例を示す線図である。コヒーレント光を発生するレーザ光源１から光ビームを放出する。光ビームは、空間フィルタ２を通過した後、球面波光のままハーフミラー３により分割され、反射光ビームは計測されるべき物体４に入射する。物体４の表面で反射した散乱光は、物体光としてハーフミラー３を透過し、ＣＣＤカメラ５に向けて伝搬する。一方、ハーフミラー３を透過した光ビームは、しぼり６と減光フィルタ７を通過した後、ＰＺＴステージ８に装着された全反射ミラー９に入射する。全反射ミラー９で反射した光ビームは参照光となり、ハーフミラー３で反射し、ＣＣＤカメラ５に向けて伝搬する。物体光と参照光は互いに干渉しあい、ＣＣＤカメラ５には干渉縞が撮像される。そして、ＣＣＤカメラにより撮像された干渉縞はデジタルデジタルとして記録され、その出力データは、コンピュータ（図示せず）に転送され、信号処理が行われる。
【００１１】
ＣＣＤ面における複素振幅分布の算出原理について説明する。ＣＣＤ面での物体光と参照光の複素振幅分布をＡｏ（Ｘ，Ｙ）、Ａｒ（Ｘ，Ｙ）とするとそれぞれ式（１）、（２）で示される。
【数１】
2007071593.tif 000003
【数２】
2007071593.tif 000004
ここで、ａｏ（Ｘ，Ｙ）、ａｒ（Ｘ，Ｙ）はそれぞれ物体光と参照光の複素振幅であり、Φｏ（Ｘ，Ｙ）、Φｒ（Ｘ，Ｙ）はそれぞれ物体光と参照光に平行光を用いた場合の参照光の位相分布である。αはシフトされる参照光の位相である。ここでΔＬは、
【数３】
2007071593.tif 000005
である。図２は、球面波参照光がＣＣＤ面に伝播する様子を示す線図である。ＣＣＤ面における複素振幅分布を、
【数４】
2007071593.tif 000006
とすると、振幅分布と位相分布は式（５）、（６）で示される。
【数５】
2007071593.tif 000007
【数６】
2007071593.tif 000008
このとき、参照光は平行光なのでａｒ（Ｘ，Ｙ）は一定で，またΦｒ（Ｘ，Ｙ）＝０とすることができるのでＣＣＤ面における振幅分布と位相分布は式（７）、（８）で表すことができる。
【数７】
2007071593.tif 000009
【数８】
2007071593.tif 000010
ここでｃは定数である。これらａ（Ｘ，Ｙ）、Φ（Ｘ，Ｙ）を求めるのだが、参照光が球面波であるため位相のシフト量が場所によって変化する。そのため以下に示す等速位相シフト法を用いる。
【００１２】
等速位相シフト法の原理について説明する。従来の位相シフト法が位相をπ／２ずつシフトさせ初期位相を検出するのに対し、等速位相シフト法は位相を等間隔に５ステップシフトさせ位相分布を検出する。図３は、等速位相シフト法の位相のシフト量を示す線図である。等速位相シフト法はＩ２での位相を求める位相Φとし、１ステップごとにπ／２＋Ψシフトする。Ψはπ／２からの位相のずれを示している。このときＩ０〜Ｉ４は式（９）〜（１３）で示される。
【数９】
2007071593.tif 000011
【数１０】
2007071593.tif 000012
【数１１】
2007071593.tif 000013
【数１２】
2007071593.tif 000014
【数１３】
2007071593.tif 000015
ここで、ａは輝度振幅、ｂは背景輝度を表している。これらの式からａとΦは式（１４）、（１５）となる。
【数１４】
2007071593.tif 000016
【数１５】
2007071593.tif 000017
またΨは式（１６）となる。
【数１６】
2007071593.tif 000018
これらの式から位相分布と振幅分布を検出することができる。
【００１３】
物体面における複素振幅分布の算出について説明する。参照光に球面波を用いた場合、ＣＣＤ面における複素振幅分布は式（１７）で示される。
【数１７】
2007071593.tif 000019
そのためフレネル変換は、
【数１８】
2007071593.tif 000020
と変形できる。このとき、Ｒ’は式（１９）で示される。
【数１９】
2007071593.tif 000021
図４は、このときの参照面と物体面と点光源の関係を示す線図である。
【００１４】
本発明の変位計測方法による変位計測の手順を説明する。
（１）球面波参照光を用いた位相シフトデジタルホログラフィの再生
（i）図１に示す光学系で物体の位相シフトした５枚の干渉縞を記録する。
（ii）得られた５枚の干渉縞に等速位相シフト法を用いてＣＣＤ面上での複素振幅分布を得る。
（iii）式（１８）のフレネル変換で物体面の複素振幅分布を得る。
（２）球面波参照光を用いた位相シフトデジタルホログラフィの変位計測
（i）図１に示す光学系で変位前の位相シフトした５枚の干渉縞を記録する。物体を変位させ、同様に変位後の位相シフトした５枚の干渉縞を記録する。
（iii）変位前、変位後の像を上記の方法で再生し、位相の差をとる。図５ａは、このようにして得られた変位前の再生像を示す画像であり、図５ｂは変位後の再生像を示す画像である。図６は、位相差分布を示す画像である。図６から本発明により変位計測が可能なことがわかる。
【００１５】
本明細書中のCarre、photoelectrique、interferentialは、それぞれ
2007071593.tif 000022
、
2007071593.tif 000023
、
2007071593.tif 000024
に置き換えられたい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による位相シフトデジタルホログラフィを利用した変位分布計測方法を実施するための光学系の一例を示す線図である。
【図２】球面波参照光がＣＣＤ面に伝播する様子を示す線図である。
【図３】等速位相シフト法の位相のシフト量を示す線図である。
【図４】参照面と物体面と点光源の関係を示す線図である。
【図５】ａは変位前の再生像を示す画像であり、ｂは変位後の再生像を示す画像である。
【図６】位相差分布を示す画像である。
【符号の説明】
【００１７】
１  レーザ光源
２  空間フィルタ
３  ハーフミラー
４  計測物体
５  ＣＣＤカメラ
６  しぼり
７  減光フィルタ
８  ＰＺＴステージ
９  ミラー
【図１】
2007071593.tif 000025
【図２】
2007071593.tif 000026
【図３】
2007071593.tif 000027
【図４】
2007071593.tif 000028
【図５】
2007071593.tif 000029
【図６】
2007071593.tif 000030