(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体に２つの異なる方向からそれぞれ異なる波長のレーザ光Ｌ1、Ｌ2を同時に照射するレーザ光照射手段と、
前記各レーザ光Ｌ1、Ｌ2が前記物体の表面で同時に散乱して生じた散乱レーザ光から波長別に前記レーザ光Ｌ1、Ｌ2を検知する散乱レーザ光検知手段と、
前記散乱レーザ光検知手段で波長別に検知された前記各レーザ光Ｌ1、Ｌ2からそれぞれスペックル干渉縞を形成して該スペックル干渉縞の位相差を求めて２つの異なる方向別に前記物体の見掛けの変形量を求める第１の変形量演算手段と、前記第１の変形量演算手段で求めた前記各見掛けの変形量から前記物体に生じている真の変形量及び変形方向を演算する第２の変形量演算手段とを有し、
前記レーザ光Ｌ1は２つの異なる光路を経由して水平方向から、前記レーザ光Ｌ2は２つの異なる光路を経由して垂直方向から同時に前記物体に照射され、前記物体の見掛けの変形量は水平方向及び垂直方向別に求められることを特徴とするスペックルを用いた２方向変形同時計測装置。
【請求項２】
請求項１記載のスペックルを用いた２方向変形同時計測装置において、前記散乱レーザ光検知手段には、前記散乱レーザ光を前記波長別のレーザ光Ｌ1、Ｌ2に分離する波長分離器と、前記波長分離器により分離された各レーザ光Ｌ1、Ｌ2をそれぞれ検知する２台の受光器が設けられていることを特徴とするスペックルを用いた２方向変形同時計測装置。
【請求項３】
請求項２記載のスペックルを用いた２方向変形同時計測装置において、前記波長分離器は干渉によりレーザ光の波長の選択を行う第１〜第３の波長選択フィルターを有し、前記第１の波長選択フィルターは前記物体の表面の法線に対して所定の角度をなして設けられ前記散乱レーザ光から前記レーザ光Ｌ1を選択透過させて前記レーザ光Ｌ2を反射し、前記第２の波長選択フィルターは前記レーザ光Ｌ1を検知する前記受光器の受光窓に取付けられ前記レーザ光Ｌ1のみを透過し、前記第３の波長選択フィルターは前記レーザ光Ｌ1を検知する前記受光器の受光窓に取付けられ前記レーザ光Ｌ2のみを透過することを特徴とするスペックルを用いた２方向変形同時計測装置。
【請求項４】
請求項１記載のスペックルを用いた２方向変形同時計測装置において、前記散乱レーザ光検知手段には、前記散乱レーザ光を一括して受光し、受光した前記散乱レーザ光から波長別に前記レーザ光Ｌ1、Ｌ2を選択検知してその検知信号を出力することが可能な波長識別受光器が設けられていることを特徴とするスペックルを用いた２方向変形同時計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の表面に異なる２方向からレーザ光を照射して得られるスペックルパターンを用いてスペックル干渉縞を形成して物体の変形量と変形方向の計測を同時に行うことが可能なスペックルを用いた２方向変形同時計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光が物体表面の粗面等によって散乱反射することで生じるスペックルパターンを利用した変形量の計測は、一般的に粗面で構成される実構造物の表面の変形量の計測に非常に適している。また、レーザ光の可干渉性を利用しているため、高温又は低温下での物体の変形量の計測、静的及び動的な荷重が加えられる環境下での物体の変形量の計測が可能となっている。更に、理論的には、広範囲領域から微小領域に到るまでの変形量の計測が可能である。
スペックルパターンを利用した変形量の計測は、分解能が数十μｍと比較的粗いスペックル相関法と、分解能が１μｍ以下となるスペックル干渉法に大別される。スペックル相関法は、直接スペックルパターンの移動より変形量を計測するため、変形方向を含めた変形量の絶対値計測が可能になるという利点があるが、分解能が粗いため精度の高い計測や微小な変形量の計測には適さないという問題がある。このため、精度の高い計測や微小な変形量の計測には、分解能が１μｍ以下となるスペックル干渉法が採用されている。
しかし、スペックル干渉法では物体の変形方向の変形量を直接計測することができず、スペックル干渉縞を形成するために照射するレーザ光の照射方向に関する変形量しか計測できないという問題がある、そのため、一般的な変形（物体の変形方向が照明方向からずれている）の場合は、物体に対して異なる２つの方向からレーザ光をそれぞれ照射して計測を行ない、各計測方向における計測結果を合成して、物体としての真の変形量と、その変形方向を求める必要があった。従って、スペックル干渉法を用いて物体の変形量を計測する場合は、レーザ光を異なる２方向から別々に照射する照射切替機構を計測装置に設けて、レーザ光の照射方向を切り換えながら、それぞれの方向の変形量を計測していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レーザ光の照射方向を切り換えながらそれぞれの方向の変形量を計測する場合、レーザ光の照射方向の切替には所定の時間を要するため、それぞれの方向の変形量を計測する時刻に、切替に必要な所定の時間だけの時間差が生じることになる。このため、変形速度が速い場合の計測や、非常に精度の高い計測を必要とする場合は、計測誤差が大きくなるという問題があった。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、物体の真の変形量を計測するに際し、異なる２方向から同時にレーザ光を照射して変形量と変形方向の計測が可能となるスペックルを用いた２方向変形同時計測装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う本発明に係るスペックルを用いた２方向変形同時計測装置は、物体に２つの異なる方向からそれぞれ異なる波長のレーザ光Ｌ1、Ｌ2を同時に照射するレーザ光照射手段と、
前記各レーザ光Ｌ1、Ｌ2が前記物体の表面で同時に散乱して生じた散乱レーザ光から波長別に前記レーザ光Ｌ1、Ｌ2を検知する散乱レーザ光検知手段と、
前記散乱レーザ光検知手段で波長別に検知された前記各レーザ光Ｌ1、Ｌ2からそれぞれスペックル干渉縞を形成して該スペックル干渉縞の位相差を求めて２つの異なる方向別に前記物体の見掛けの変形量を求める第１の変形量演算手段と、前記第１の変形量演算手段で求めた前記各見掛けの変形量から前記物体に生じている真の変形量及び変形方向を演算する第２の変形量演算手段とを有し、
前記レーザ光Ｌ1は２つの異なる光路を経由して水平方向から、前記レーザ光Ｌ2は２つの異なる光路を経由して垂直方向から同時に前記物体に照射され、前記物体の見掛けの変形量は水平方向及び垂直方向別に求められる。
【０００５】
レーザ光照射手段により、例えば、波長がλ1のレーザ光Ｌ1を、物体に対して一方の方向（水平方向）から、その散乱レーザ光によりスペックルパターンが形成される条件で照射する。同時にレーザ光照射手段により、波長がλ2のレーザ光Ｌ2を、物体に対して他方の方向（垂直方向）から、その散乱レーザ光がスペックルパターンを形成する条件で照射する。このような構成とすることにより、物体の表面で散乱した散乱レーザ光は、水平方向から照射した波長がλ1のレーザ光Ｌ1と、垂直方向から照射した波長がλ2のレーザ光Ｌ2から構成されることになる。
【０００６】
物体の表面で散乱したレーザ光Ｌ1、Ｌ2を、波長λ1と波長λ2を個別に検知する散乱レーザ光検知手段に入力すると、波長λ1のレーザ光Ｌ1の検知信号と、波長λ2のレーザ光Ｌ2の検知信号がそれぞれ個別に得られる。これらの各検知信号を第１の変形量演算手段に入力すると、波長λ1のレーザ光Ｌ1の検知信号からは波長λ1のレーザ光Ｌ1を物体に対して水平方向から照射したときに得られるスペックルパターンが得られ、波長λ2のレーザ光Ｌ2の検知信号からは波長λ2のレーザ光Ｌ2を物体に対して垂直方向から照射したときに得られるスペックルパターンがそれぞれ得られる。
また、波長がλ1のレーザ光Ｌ1と波長がλ2のレーザ光Ｌ2を同時に２方向から物体に照射してその散乱レーザ光を検知している状態で物体の変形を行うと、各波長のレーザ光Ｌ1、Ｌ2に基づいた物体の変形前後のスペックルパターンを得ることができる。そして、検知した波長λ1、λ2の各レーザ光Ｌ1、Ｌ2から得られた変形前後のスペックルパターンよりスペックル干渉縞をそれぞれ形成することができる。
【０００７】
スペックル干渉縞は、レーザ光を散乱する物体表面の散乱点の位置が変形前後で移動することによりレーザ光の光路長が変化し、レーザ光に位相差が生じることにより発生する。そして、位相差は、レーザ光の波長、レーザ光と物体法線がなす角度、及び変形前後の物体表面での散乱点の位置変化量に依存している。
従って、位相差を求めることにより、変形前後の物体表面での散乱点の位置変化量、すなわち物体表面の変形量を、レーザ光の波長、レーザ光と物体法線がなす角度から算出することができる。ここで、レーザ光と物体法線がなす角度は測定条件から決定でき、位相差は干渉縞の位相情報から別途求めることができる。
また、波長λ1のレーザ光Ｌ1のスペックル干渉縞は物体の水平方向に対する見掛けの変形量に起因した干渉縞であり、波長λ2のレーザ光Ｌ2のスペックル干渉縞は物体の垂直方向に対する見掛けの変形量に起因した干渉縞となっている。このため、波長λ1のレーザ光Ｌ1のスペックル干渉縞から求めた変形量は水平方向に対する見掛けの変形量に対応し、波長λ2のレーザ光Ｌ2のスペックル干渉縞から求めた変形量は垂直方向に対する見掛けの変形量に対応している。
従って、第１の変形量演算手段により、物体の水平方向に対する見掛けの変形量と、垂直方向に対する見掛けの変形量をそれぞれ求めることができる。
【０００８】
第１の変形量演算手段により得られた物体の水平方向に対する見掛けの変形量と、垂直方向に対する見掛けの変形量を、第２の変形量演算手段に入力すると、水平方向に対する変形ベクトルと垂直方向に対する変形ベクトルがそれぞれ決定される。次いで、水平方向に対する変形ベクトルと垂直方向に対する変形ベクトルの合成演算が行われる。従って、得られた合成ベクトルの絶対値から物体としての真の変形量、合成ベクトルの方向から物体としての変形方向をそれぞれ決定することができる。
【０００９】
本発明に係るスペックルを用いた２方向変形同時計測装置において、前記散乱レーザ光検知手段には、前記散乱レーザ光を前記波長別のレーザ光Ｌ1、Ｌ2に分離する波長分離器と、前記波長分離器により分離された各レーザ光Ｌ1、Ｌ2をそれぞれ検知する２台の受光器が設けた構成とすることができる。
波長分離器を設けることにより、波長λ1のレーザ光Ｌ1と波長λ2のレーザ光Ｌ2からなる散乱レーザ光を、波長λ1のレーザ光Ｌ1と波長λ2のレーザ光Ｌ2に分離することができる。そして分離された波長λ1のレーザ光Ｌ1と波長λ2のレーザ光Ｌ2をそれぞれ専用の受光器で受光することにより、波長λ1のレーザ光Ｌ1の情報と、波長λ2のレーザ光Ｌ2の情報をそれぞれ個別に得ることができる。
【００１０】
本発明に係るスペックルを用いた２方向変形同時計測装置において、前記波長分離器は干渉によりレーザ光の波長の選択行う第１〜第３の波長選択フィルターを有し、前記第１の波長選択フィルターは前記物体の表面の法線に対して所定の角度をなして設けられ前記散乱レーザ光から前記レーザ光Ｌ1を選択透過させて前記レーザ光Ｌ2を反射し、前記第２の波長選択フィルターは前記レーザ光Ｌ1を検知する前記受光器の受光窓に取付けられ前記レーザ光Ｌ1のみを透過し、前記第３の波長選択フィルターは前記レーザ光Ｌ2を検知する前記受光器の受光窓に取付けられ前記レーザ光Ｌ2のみを透過することが好ましい。
第１の波長選択フィルターを物体の表面の法線に対して所定の角度をなして設けることにより、散乱レーザ光から一方の波長、例えば波長λ1のレーザ光Ｌ1を選択透過させ、他方の波長、例えば波長λ2のレーザ光Ｌ2を反射することができる。更に、波長λ1、λ2のレーザ光Ｌ1、Ｌ2からなる散乱レーザ光を、波長λ1のレーザ光Ｌ1及び波長λ2のレーザ光Ｌ2に分離すると共に、同時に光路の分離も行うことができる。
その結果、例えば、波長λ1のレーザ光Ｌ1を検知する受光器の受光窓に波長λ1のレーザ光Ｌ1を選択透過する第２の波長選択フィルターを配置し、波長λ2のレーザ光Ｌ2を検知する受光器の受光窓に波長λ2のレーザ光Ｌ2を選択透過する第３の波長選択フィルターを配置することにより、各受光器に受光される各レーザ光Ｌ1、Ｌ2の波長選択性の精度を向上させることができる。
ここで、所定の角度とは、例えば、３０〜６０°の範囲の角度であり、より好ましくは４５°の角度である。一般的に市販されている波長選択フィルターは入射角が４５°もしくは０°入射の仕様に設定されており、それをはずれた場合は、反射率、透過率が悪くなるという計測上の問題点が生じる。そのため、角度を４５°に設定することで、第１の波長選択フィルターで分離される波長λ1のレーザ光Ｌ1の強度と波長λ2のレーザ光Ｌ2の強度を実質的に等しく調整することができる。
【００１１】
本発明に係るスペックルを用いた２方向変形同時計測装置において、前記散乱レーザ光検知手段には、前記散乱レーザ光を一括して受光し、受光した前記散乱レーザ光から波長別に前記レーザ光Ｌ1、Ｌ2を選択検知してその検知信号を出力することが可能な波長識別受光器を設けた構成とすることができる。
散乱レーザ光検知手段に、使用する波長λ1とλ2の各レーザ光Ｌ1、Ｌ2を選択検知することができる波長識別受光器を用いることにより、波長λ1及びλ2の各レーザ光Ｌ1、Ｌ2からなる散乱レーザ光より、波長λ1のレーザ光Ｌ1と波長λ2のレーザ光Ｌ2の各情報を直接得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の一実施の形態に係るスペックルを用いた２方向変形同時計測装置の構成を示す概念図、図２は同スペックルを用いた２方向変形同時計測装置の散乱レーザ光検知手段の構成を示す概念図、図３は同スペックルを用いた２方向変形同時計測装置のブロック構成図、図４は同スペックルを用いた２方向変形同時計測装置の計測部本体の構成を示すブロック図、図５は同スペックルを用いた２方向変形同時計測装置の変形例に係る散乱レーザ光検知手段の構成を示す概念図である。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係るスペックルを用いた２方向変形同時計測装置１０は、物体１１に水平方向から波長λ1のレーザ光Ｌ1、垂直方向から波長λ2のレーザ光Ｌ2を同時に照射するレーザ光照射手段１４と、各レーザ光Ｌ1、Ｌ2が物体１１の表面で散乱して生じた散乱レーザ光１５を波長別に分離して波長λ1のレーザ光Ｌ1及び波長λ2のレーザ光Ｌ2としてそれぞれ検知する散乱レーザ光検知手段１６を有している。
また、スペックルを用いた２方向変形同時計測装置１０には、散乱レーザ光検知手段１６から出力される波長λ1のレーザ光Ｌ1及び波長λ2のレーザ光Ｌ2の各検知信号からそれぞれスペックル干渉縞を形成しスペックル干渉縞から物体１１の水平方向の見掛けの変形量と垂直方向の見掛けの変形量を算出して物体１１としての真の変形量と変形方向を決定する計測部本体１７が設けられている。以下、これらについて詳細に説明する。
【００１３】
レーザ光照射手段１４は、例えば、波長λ1のレーザ光Ｌ1を発振するレーザ発振器１９と、波長λ2のレーザ光Ｌ2を発振するレーザ発振器２０と、ハーフミラー２１、２２と、ミラー２３、２４、２５と、レンズ２６、２６ａ、２７、２７ａ、２８、２８ａ、２９、２９ａを備えている。レーザ発振器１９で得られた波長λ1のレーザ光Ｌ1の進行方向内にハーフミラー２１を配置し、レーザ光Ｌ1の光束の一部をハーフミラー２１で反射させてレーザ光Ｌ1の光束の一部を分岐すると共に、レーザ光Ｌ1の残りの光束はハーフミラー２１を透過させる。そして、透過したレーザ光Ｌ1の進行方向内にレンズ２６、２６ａを配置しレーザ光Ｌ1を平行光線として、物体１１に対して水平方向から、更に、物体１１の法線に対して入射角θ1で照射するようにする。また、ハーフミラー２１で反射して分岐したレーザ光Ｌ1の進行方向内にミラー２３を配置して、ミラー２３で反射したレーザ光Ｌ1がレンズ２７、２７ａを介し平行光線として、物体１１に対して水平方向から、更に、物体１１の法線に対してレンズ２６、２６ａを介して照射されるレーザ光Ｌ1と対称となる方向から入射角θ1で照射するようにする。
レーザ発振器２０で得られた波長λ2のレーザ光Ｌ2の進行方向内にハーフミラー２２を配置し、レーザ光Ｌ2の光束の一部をハーフミラー２２で反射させてレーザ光Ｌ2の光束の一部を分岐すると共に、レーザ光Ｌ2の残りの光束はハーフミラー２２を透過させる。そして、ハーフミラー２２で分岐したレーザ光Ｌ2の進行方向内にミラー２５を配置して、ミラー２５で反射したレーザ光Ｌ2がレンズ２９、２９ａを介し平行光線として、物体１１に対して垂直方向から、更に、物体１１の法線に対して入射角θ2で照射するようにする。また、ハーフミラー２２を透過したレーザ光Ｌ2の進行方向内にミラー２４を配置して、ミラー２４で反射したレーザ光Ｌ2がレンズ２８、２８ａを介し平行光線として、物体１１に対して垂直方向から、物体１１の法線に対してレンズ２９、２９ａを介して照射するレーザ光Ｌ2と対称となる方向から入射角θ2で照射するようにする。
【００１４】
このような構成とすることにより、レーザ発振器１９で発生させた波長λ1のレーザ光Ｌ1を２つの異なる光路を経由するレーザ光Ｌ1として、物体１１に対して水平方向から、更に、物体１１の法線に対してそれぞれ対称の関係となる入射角θ1で重ね合わせて照射することができる。
また、レーザ発振器２０で発生させた波長λ2のレーザ光Ｌ2を２つの異なる光路を経由するレーザ光Ｌ2として、物体１１に対して垂直方向から、更に、物体１１の法線に対してそれぞれ対称の関係となる入射角θ2で重ね合わせて照射することができる。
なお、波長λ1のレーザ光Ｌ1としては、例えば赤色レーザ光、波長λ2のレーザ光Ｌ2としては、例えば青色レーザ光をそれぞれ使用することができる。
【００１５】
図２に示すように、散乱レーザ光検知手段１６には、散乱レーザ光１５から波長λ1のレーザ光Ｌ1と波長λ2のレーザ光Ｌ2を分離する波長分離器３７と、波長分離器３７により分離された波長λ1のレーザ光Ｌ1を検知する受光器の一例であるＣＣＤカメラ４０と、波長λ2のレーザ光Ｌ2を検知する受光器の一例であるＣＣＤカメラ４１が設けられている。
また、波長分離器３７は、干渉によりレーザ光の波長の選択を行なう第１〜第３の波長選択フィルター４２、４３、４４を使用して構成している。すなわち、波長分離器３７は、例えば、物体１１の表面の法線に対して４５°の角度をなして設けられ散乱レーザ光１５から波長λ1のレーザ光Ｌ1のみを透過させて、波長λ2のレーザ光Ｌ2を反射する第１の波長選択フィルター４２が設けられている。更に、波長分離器３７には、透過した波長λ1のレーザ光Ｌ1を検知するＣＣＤカメラ４０の受光窓に取付けられ波長λ1のレーザ光Ｌ1のみを透過する第２の波長選択フィルター４３と、第１の波長選択フィルター４２で反射した波長λ2のレーザ光Ｌ2を検知するＣＣＤカメラ４１の受光窓に取付けられ波長λ2のレーザ光Ｌ2のみを透過する第３の波長選択フィルター４４が設けられている。なお、ＣＣＤカメラ４０に設けられたレンズ部４０ａ、ＣＣＤカメラ４１に設けられたレンズ部４１ａにはそれぞれ絞りが設けられており、この絞りを調節することにより、各ＣＣＤカメラ４０、４１の解像限界よりも十分に粗いスペックルパターンが得られるように調整する。
【００１６】
このような構成とすることにより、始めに、散乱レーザ光１５を第１の波長選択フィルター４２により波長λ1のレーザ光Ｌ1と波長λ2のレーザ光Ｌ2とに分離すると共に、波長λ1のレーザ光Ｌ1と波長λ2のレーザ光Ｌ2の進行方向もそれぞれ分離することができる。そして、波長λ1のレーザ光Ｌ1は第２の波長選択フィルター４３を介してＣＣＤカメラ４０に導入されるので、ＣＣＤカメラ４０では波長λ1のレーザ光Ｌ1のみに関する情報、すなわち、物体１１に対して水平方向から照射されて物体１１で散乱されたレーザ光に関する情報のみを出力することができる。同時に、波長λ2のレーザ光Ｌ2は第３の波長選択フィルター４４を介してＣＣＤカメラ４１に導入されるので、ＣＣＤカメラ４１では波長λ2のレーザ光Ｌ2のみに関する情報、すなわち、物体１１に対して垂直方向から照射されて物体１１で散乱されたレーザ光に関する情報のみを出力することができる。
【００１７】
図３、図４に示すように、計測部本体１７は、散乱レーザ光検知手段１６で散乱レーザ光１５から波長別に分離されてそれぞれ検知された波長λ1のレーザ光Ｌ1と波長λ2のレーザ光Ｌ2からそれぞれスペックルパターンを形成し、スペックルパターンからスペックル干渉縞を形成して干渉縞の位相差を求め、物体１１の水平方向及び垂直方向の各見掛けの変形量を求める第１の変形量演算手段４５を有している。更に、計測部本体１７は第１の変形量演算手段４５で求めた物体１１の水平及び垂直方向の各見掛けの変形量から物体１１としての真の変形量と変形方向を演算する第２の変形量演算手段４６を有している。
【００１８】
第１の変形量演算手段４５には、波長λ1のレーザ光Ｌ1と波長λ2のレーザ光Ｌ2からそれぞれスペックル情報を求めるλ1演算系４７とλ2演算系４８が設けられている。λ1演算系４７には、ＣＣＤカメラ４０からの出力信号に基づいてスペックルパターンを形成するスペックルパターン形成部４９と、変形前後のスペックルパターンの輝度の差の絶対値、すなわち、減算スペックルパターンの強度を求めることによりスペックル干渉縞を形成するスペックル干渉縞形成部５０と、得られた干渉縞の画像からフーリエ変換を利用して位相差を演算する位相情報演算部５１と、位相情報演算部５１の演算結果に基づいて水平方向の見掛けの変形量を演算しその結果を出力する変形量演算部５２が設けられている。
同様に、λ2演算系４８には、ＣＣＤカメラ４１からの出力信号に基づいてスペックルパターンを形成するスペックルパターン形成部５３と、変形前後のスペックルパターンの輝度の差の絶対値、すなわち、減算スペックルパターンの強度を求めることによりスペックル干渉縞を形成するスペックル干渉縞形成部５４と、得られた干渉縞の画像からフーリエ変換を利用して位相差を演算する位相情報演算部５５と、位相情報演算部５５の演算結果に基づいて垂直方向の見掛けの変形量を演算しその結果を出力する変形量演算部５６が設けられている。ここで、ＣＣＤカメラ４１で撮像される画像は、第１の波長選択フィルター４２で反射されたレーザ光Ｌ2により形成されるものであるため、物体１１から実際に得られる画像と比較して反転した画像となっている。このため、スペックルパターン形成部５３ではスペックルパターンを形成する際に画像の反転処理を行って、物体１１から実際に得られる画像に戻している。
なお、各スペックルパターン形成部４９、５３で得られた各スペックルパターン、各スペックル干渉縞形成部５０、５４で得られた各スペックル干渉縞、及び各変形量演算部５２、５６で得られた各見掛けの変形量は、モニター５７にそれぞれ表示することができる。
【００１９】
第２の変形量演算手段４６には、各変形量演算部５２、５６からの出力信号に基づいて、各見掛けの変形量に対する変形ベクトルを求めるベクトル演算部５８と、求めた各変形ベクトルを合成して物体１１としての合成ベクトルを求めるベクトル合成部５９が設けられている。また、ベクトル合成部５９では、合成ベクトルの方向を物体１１の変形方向、合成ベクトルの絶対値を物体１１の真の変形量としてモニター５７にそれぞれ出力する。
ここで、計測部本体１７としては、例えばパーソナルコンピュータを使用することができ、モニター５７としては、例えば、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイ、プラズマ・ディスプレイなどの各種表示機器が使用できる。
【００２０】
次に、本発明の一実施の形態に係るスペックルを用いた２方向変形同時計測装置１０の使用方法について詳細に説明する。
レーザ光照射手段１４のレーザ発振器１９、ハーフミラー２１、ミラー２３、レンズ２６、２６ａ、２７、２７ａの位置をそれぞれ調整して、レーザ発振器１９で発生させた波長λ1のレーザ光Ｌ1の内でハーフミラー２１を透過したレーザ光Ｌ1がレンズ２６を介して物体１１に対して水平方向から、更に、物体１１の法線に対して入射角θ1で照射するようにする。同時に、ハーフミラー２１で反射したレーザ光Ｌ1が再度ミラー２３で反射してレンズ２７を介して物体１１に対して水平方向から、更に、物体１１の法線に対してレンズ２６を介して照射されるレーザ光Ｌ1と対称となる入射角θ1の方向から照射するようにする。
同時に、レーザ光照射手段１４のレーザ発振器２０、ハーフミラー２２、ミラー２４、２５、レンズ２８、２８ａ、２９、２９ａの位置をそれぞれ調整して、レーザ発振器２０で発生させた波長λ2のレーザ光Ｌ2の内でハーフミラー２２を透過したレーザ光Ｌ2がミラー２４で反射しレンズ２８を介して物体１１に対して垂直方向から、更に、物体１１の法線に対して入射角θ2で照射するようにする。同時に、ハーフミラー２２で反射したレーザ光Ｌ2が再度ミラー２５で反射しレンズ２９を介して物体１１に対して垂直方向から、更に、物体１１の法線に対してレンズ２８を介して照射されるレーザ光Ｌ2と対称となる入射角θ2の方向から照射するようにする。
【００２１】
続いて、散乱レーザ光検知手段１６、計測部本体１７、モニター５７をそれぞれ起動する。
先ず、レーザ発振器１９を発振させてレーザ光Ｌ1をハーフミラー２１とミラー２３により２つのレーザ光Ｌ1に分けて物体１１に対して水平方向から照射し、物体１１の表面で散乱したレーザ光Ｌ1をＣＣＤカメラ４０で受光し、スペックルパターン形成部４９により形成させたスペックルパターンをモニター５７に表示する。表示されたスペックルパターンの状況を見ながら、レーザ発振器１９の出力を調整してスペックルパターンの輝度調整を行うと共に、ＣＣＤカメラ４０のレンズ部４０ａに設けられている絞りを調節して、ＣＣＤカメラ４０の解像限界よりも十分に粗いスペックルパターンが得られるようにする。
次いで、レーザ発振器２０を発振させてレーザ光Ｌ2をハーフミラー２２とミラー２４、２５により２つのレーザ光Ｌ2に分けて物体１１に対して垂直方向から照射し、物体１１の表面で散乱したレーザ光Ｌ2をＣＣＤカメラ４１で受光し、スペックルパターン形成部５３により形成させたスペックルパターンをモニター５７に表示する。表示されたスペックルパターンの状況を見ながら、レーザ発振器２０の出力を調整してスペックルパターンの輝度調整を行うと共に、ＣＣＤカメラ４１のレンズ部４１ａに設けられている絞りを調節して、ＣＣＤカメラ４１の解像限界よりも十分に粗いスペックルパターンが得られるようにする。
レーザ発振器１９、２０の出力と、各ＣＣＤカメラ４０、４１のレンズ部４０ａ、４１ａにそれぞれ設けられている絞りの調整が完了すると、散乱レーザ光検知手段１６からの出力信号をデータ処理してその結果をモニター５７に表示させる計測条件を計測部本体１７に入力する。
【００２２】
レーザ発振器１９を発振させてレーザ光Ｌ1をハーフミラー２１とミラー２３により２つのレーザ光Ｌ1に分けて物体１１に対して水平方向から照射し、更に、レーザ発振器２０を発振させてレーザ光Ｌ2をハーフミラー２２とミラー２４、２５により２つのレーザ光Ｌ2に分けて物体１１に対して垂直方向から照射しながら、物体１１に変形を加える。このとき、物体１１で散乱した散乱レーザ光１５を、第１の波長選択フィルター４２により波長λ1のレーザ光Ｌ1と波長λ2のレーザ光Ｌ2とに分離し、波長λ1のレーザ光Ｌ1は第２の波長選択フィルター４３を介してＣＣＤカメラ４０で受光し、波長λ2のレーザ光Ｌ2は第３の波長選択フィルター４４を介してＣＣＤカメラ４１で受光させる。そして、各ＣＣＤカメラ４０、４１は、受光した波長λ1のレーザ光Ｌ1と波長λ2のレーザ光Ｌ2の検知信号をそれぞれ出力する。
ＣＣＤカメラ４０、４１からの各出力信号を、第１の変形量演算手段４５に設けられたλ1演算系４７、λ2演算系４８にそれぞれ入力する。λ1演算系４７に入力されたＣＣＤカメラ４０の出力信号は予め設定されたデータ収集速度、すなわち予め設定された時間間隔でスペックルパターン形成部４９に入力されて逐次スペックルパターンを形成する。これによって、物体１１の変形に伴う波長λ1のレーザ光Ｌ1に基づくスペックルパターンが逐次形成されることになる。また、λ2演算系４８に入力されたＣＣＤカメラ４１の出力信号は予め設定されたデータ収集速度、すなわち予め設定された時間間隔でスペックルパターン形成部５３に入力されて逐次スペックルパターンを形成する。これによって、物体１１の変形に伴う波長λ2のレーザ光Ｌ2に基づくスペックルパターンが逐次形成されることになる。
【００２３】
スペックルパターン形成部４９、５３で得られた各スペックルパターンのデータは、それぞれスペックル干渉縞形成部５０、５４に入力される。各スペックル干渉縞形成部５０、５４では、変形前のスペックルパターンの輝度ＩＢと変形後のスペックルパターンの輝度ＩＡとの差の絶対値｜ＩＢ−ＩＡ｜を演算する。ここで、ａ1、ａ2を物体１１の表面の法線に対して対称となる２つの方向から照射されるレーザ光の振幅、φを反射レーザ光及び透過レーザ光の位相差、Δφを変形により生じた位相差とすると、｜ＩＢ−ＩＡ｜は次式で表される。
｜ＩＢ−ＩＡ｜＝
２｜ａ1ａ2｛ｃｏｓφ−ｃｏｓ（φ＋Δφ）｝｜      ・・・・・（１）
（１）式では、位相差Δφがπの奇数倍のときは｜ＩＢ−ＩＡ｜＝４｜（ａ1ａ2ｃｏｓφ）｜となって強度が最大となる。一方、位相差Δφがπの偶数倍のときは０となって強度が最低となる。これによって、変形前後のスペックルパターンからスペックル干渉縞が形成される。
従って、各スペックル干渉縞形成部５０、５４からは、形成された各スペックル干渉縞の画像データが出力されて、それぞれ位相情報演算部５１、５５に入力される。各位相情報演算部５１、５５では、各スペックル干渉縞の画像データからフーリエ変換を利用して位相差Δφがそれぞれ求められる。得られた各位相差Δφは、各変形量演算部５２、５６に入力される。
なお、モニター５７には、スペックルパターン形成部４９、５３で得られた各スペックルパターン、スペックル干渉縞形成部５０、５４で得られた各スペックル干渉縞を表示する。
【００２４】
いま、物体１１が変形して、水平方向にｕ、垂直方向にｖだけのそれぞれ見掛けの変形量が発生したとすると、スペックルを形成する散乱点の位置も水平方向にｕ、垂直方向にｖだけ移動している。このため、波長λ1のレーザ光Ｌ1を２つのレーザ光Ｌ1に分けて物体１１に対して水平方向から照射して散乱したレーザ光Ｌ1をＣＣＤカメラ４０で受光する場合、変形前後で２つのレーザ光Ｌ1の各光路の間に光路差が生じて、ＣＣＤカメラ４０に到達する２つのレーザ光Ｌ1の位相に差が生じる。このときの位相差Δφ1は次式で表される。
Δφ1＝４πｕ（ｓｉｎθ1）／λ1      ・・・・・（２）
従って、変形量演算部５２では（２）式から、位相情報演算部５１で出力された位相差Δφ1を用いて物体１１の水平方向の見掛けの変形量ｕを求める。一干渉縞当たりの変形量は、Δφ1＝２πなので、ｕ＝λ1／（２ｓｉｎθ1）となる。
また、波長λ2のレーザ光Ｌ2を２つのレーザ光Ｌ2に分けて物体１１に対して垂直方向から照射して物体１１の表面で散乱したレーザ光Ｌ2をＣＣＤカメラ４１で受光する場合、変形前後で２つのレーザ光Ｌ2の各光路の間に光路差が生じて、ＣＣＤカメラ４１に到達する２つのレーザ光Ｌ2の位相に差が生じる。このときの位相差Δφ2は次式で表される。
Δφ2＝４πｖ（ｓｉｎθ2）／λ2      ・・・・・（３）
従って、変形量演算部５６では（３）式から、位相情報演算部５５で出力された位相差Δφ2を用いて物体１１の垂直方向の見掛けの変形量ｖを求める。一干渉縞当たりの変形量は、Δφ2＝２πなので、ｖ＝λ2／（２ｓｉｎθ2）となる。
【００２５】
変形量演算部５２で求められた物体１１の水平方向に対する見掛けの変形量ｕと、変形量演算部５６で求められた物体１１の垂直方向に対する見掛けの変形量ｖは、第２の変形量演算手段４６に設けられたベクトル演算部５８に入力される。ベクトル演算部５８では、各変形量演算部５２、５６から入力された水平及び垂直方向の各見掛けの変形量ｕ、ｖから、それぞれ変形ベクトルを演算する。そして、得られた各変形ベクトルは、ベクトル合成部５９に入力されて各変形ベクトルのベクトル和である合成ベクトルが演算される。このとき得られる合成ベクトルの方向が物体１１の変形方向に対応し、合成ベクトルの絶対値が物体１１の変形方向に対する真の変形量に対応する。得られた物体１１の変形方向及び真の変形量は、モニター５７に入力されて表示される。
【００２６】
また、図５に変形例に係る散乱レーザ光検知手段の構成図を示す。
図５では、散乱レーザ光検知手段として、散乱レーザ光６３を一括して受光し各波長のレーザ光Ｌ1、Ｌ2を選択検知してその検知信号をそれぞれ出力することが可能な波長識別受光器の一例である３ＣＣＤカメラ６２を使用している。３ＣＣＤカメラ６２には、赤色レーザ光、青色レーザ光、及び緑色レーザ光をそれぞれ個別に検知する受光素子が設けられている。このため、レーザ発振器１９に赤色レーザ光の発振器を用いて、物体１１に対して水平方向から照射し、レーザ発振器２０に青色レーザ光の発振器を用いて、物体１１に対して垂直方向からそれぞれ照射する。物体１１で散乱した散乱レーザ光６３は赤色レーザ光と青色レーザ光から構成されることになるので、散乱レーザ光６３を３ＣＣＤカメラ６２で受光すると、赤色レーザ光は赤色レーザ光の受光素子により、青色レーザ光は青色レーザ光の受光素子でそれぞれ検知されて、３ＣＣＤカメラ６２からは赤色レーザ光と青色レーザ光の各検知信号が出力されることになる。なお、３ＣＣＤカメラ６２が受光するレーザ光Ｌ1、Ｌ2の光量の制御は、３ＣＣＤカメラ６２のレンズ部６２ａに設けられた絞りを調節することにより行う。
従って、レーザ発振器１９で赤色レーザ光を物体１１に対して水平方向から照射し、レーザ発振器２０で青色レーザ光を物体１１に対して垂直方向からそれぞれ照射しながら物体１１に変形を加える。その際に、物体１１で散乱した散乱レーザ光６３を３ＣＣＤカメラ６２で検知し、赤色レーザ光と青色レーザ光の各検知信号を計測部本体１７に入力すると、赤色レーザ光から得られるスペックルパターンから物体１１の水平方向に対する見掛けの変形量が得られる。また、青色レーザ光から得られるスペックルパターンから物体１１の垂直方向に対する見掛けの変形量が得られる。そして、水平及び垂直の各方向の見掛けの変形量から、物体１１としての変形方向とその方向に対する真の変形量が求まる。
【００２７】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、例えば、レーザ発振器から得られたレーザ光はハーフミラーとミラーを用いて２光路のレーザ光を得たが、レーザ発振器から得られたレーザ光を光ファイバーに導入し５０：５０に分ける光ファイバーカプラを介して接続した２本の光ファイバーに導入することにより２光路のレーザ光を得ることも可能である。また、物体にレーザ光を照射する際は２個のレンズを使用して平行光線としたが、光ファイバーで２光路のレーザ光を形成した場合、凹面鏡やレンズ等を使用してレーザ光を平行光線とすることも可能である。
変形の時間経過と共に変化するスペックルパターンを順次形成して計測部本体に設けた記憶部に取り込むと共に、それらのスペックルパターンを記憶部から順次読み出して解析を行うことにより、動的試験環境下における変形量の絶対値計測、一般構造物の実使用環境下における変形量の絶対値計測を行うことができる。また、計測部本体に設けたスペックル干渉縞形成部、位相情報演算部、変形量演算部、ベクトル演算部、ベクトル合成部は、いずれも各機能を発現させるプログラムをパーソナルコンピュータに搭載することにより形成したが、上記各部の全て、あるいは一部を専用のマイクロコンピュータを用いて構成することも可能である。各機能を専用のマイクロコンピュータを使用して構成することにより、スペックルパターンの形成とその処理の高速化が可能になって、動的環境下での変形量の絶対値計測が更に容易となる。
更に、波長の異なる２つのレーザ光Ｌ1、Ｌ2として、赤色レーザ光と青色レーザ光を使用したが、レーザ光の波長（色）は赤、緑、青の３色の中から任意に選択した２色の組合せであってもよい。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１〜４記載のスペックルを用いた２方向変形同時計測装置においては、物体に２つの異なる方向からそれぞれ異なる波長のレーザ光Ｌ1、Ｌ2を同時に照射するレーザ光照射手段と、各レーザ光Ｌ1、Ｌ2が物体の表面で同時に散乱して生じた散乱レーザ光から波長別にレーザ光Ｌ1、Ｌ2を検知する散乱レーザ光検知手段と、散乱レーザ光検知手段で波長別に検知された各レーザ光Ｌ1、Ｌ2からそれぞれスペックル干渉縞を形成してスペックル干渉縞の位相差を求めて２つの異なる方向別に物体の見掛けの変形量を求める第１の変形量演算手段と、第１の変形量演算手段で求めた各見掛けの変形量から物体に生じている真の変形量及び変形方向を演算する第２の変形量演算手段とを有するので、各波長別に求めた変形量が各波長のレーザ光Ｌ1、Ｌ2を照射した方向の見掛けの変形量に対応することから、物体の２方向に対する見掛けの変形量を同時に計測することが可能となる。その結果、異なる２方向の見掛けの変形量を計測する際に各方向の計測時刻に時間差が生じないため、変形速度が速い場合の物体の真の変形量及び変形方向の計測、非常に精度の高い物体の真の変形量及び変形方向の計測が可能となる。
【００２９】
特に、請求項２記載のスペックルを用いた２方向変形同時計測装置においては、散乱レーザ光検知手段には、散乱レーザ光を波長別のレーザ光Ｌ1、Ｌ2に分離する波長分離器と、波長分離器により分離された各レーザ光Ｌ1、Ｌ2をそれぞれ検知する２台の受光器が設けられているので、波長別の各レーザ光Ｌ1、Ｌ2の情報をそれぞれ得ることができ、各波長別のレーザ光Ｌ1、Ｌ2のスペックルパターン及びスペックル干渉縞を容易に形成することが可能となる。
【００３０】
請求項３記載のスペックルを用いた２方向変形同時計測装置においては、波長分離器は干渉によりレーザ光の波長の選択を行う第１〜第３の波長選択フィルターを有し、第１の波長選択フィルターは物体の表面の法線に対して所定の角度をなして設けられ散乱レーザ光からレーザ光Ｌ1を選択透過させてレーザ光Ｌ2を反射し、第２の波長選択フィルターはレーザ光Ｌ1を検知する受光器の受光窓に取付けられレーザ光Ｌ1のみを透過し、第３の波長選択フィルターはレーザ光Ｌ2を検知する受光器の受光窓に取付けられレーザ光Ｌ2のみを透過するので、各受光器に受光されるレーザ光Ｌ1、Ｌ2の波長選択の精度を向上させて精緻なスペックルパターン及びスペックル干渉縞を得ることができ、精度の高い真の変形量の絶対値計測を行うことが可能となる。
【００３１】
請求項４記載のスペックルを用いた２方向変形同時計測装置においては、散乱レーザ光検知手段には、散乱レーザ光を一括して受光し、受光した散乱レーザ光から波長別にレーザ光Ｌ1、Ｌ2を選択検知してその検知信号を出力することが可能な波長識別受光器が設けられているので、２つの波長のレーザ光Ｌ1、Ｌ2を有する散乱レーザ光から各波長別のレーザ光Ｌ1、Ｌ2の情報を直接得ることができ、散乱レーザ光検知手段の構成を簡単にすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るスペックルを用いた２方向変形同時計測装置の構成を示す概念図である。
【図２】同スペックルを用いた２方向変形同時計測装置の散乱レーザ光検知手段の構成を示す概念図である。
【図３】同スペックルを用いた２方向変形同時計測装置のブロック構成図である。
【図４】同スペックルを用いた２方向変形同時計測装置の計測部本体の構成を示すブロック図である。
【図５】同スペックルを用いた２方向変形同時計測装置の変形例に係る散乱レーザ光検知手段の別の構成を示す概念図である。
【符号の説明】
１０：スペックルを用いた２方向変形同時計測装置、１１：物体、１４：レーザ光照射手段、１５：散乱レーザ光、１６：散乱レーザ光検知手段、１７：計測部本体、１９、２０：レーザ発振器、２１、２２：ハーフミラー、２３〜２５：ミラー、２６、２６ａ、２７、２７ａ、２８、２８ａ、２９、２９ａ：レンズ、３７：波長分離器、４０：ＣＣＤカメラ、４０ａ：レンズ部、４１：ＣＣＤカメラ、４１ａ：レンズ部、４２：第１の波長選択フィルター、４３：第２の波長選択フィルター、４４：第３の波長選択フィルター、４５：第１の変形量演算手段、４６：第２の変形量演算手段、４７：λ1演算系、４８：λ2演算系、４９：スペックルパターン形成部、５０：スペックル干渉縞形成部、５１：位相情報演算部、５２：変形量演算部、５３：スペックルパターン形成部、５４：スペックル干渉縞形成部、５５：位相情報演算部、５６：変形量演算部、５７：モニター、５８：ベクトル演算部、５９：ベクトル合成部、６２：３ＣＣＤカメラ、６２ａ：レンズ部、６３：散乱レーザ光
【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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