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JP5819901B2 - Displacement / strain distribution measuring device by digital holography - Google Patents

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JP5819901B2
JP5819901B2 JP2013189840A JP2013189840A JP5819901B2 JP 5819901 B2 JP5819901 B2 JP 5819901B2 JP 2013189840 A JP2013189840 A JP 2013189840A JP 2013189840 A JP2013189840 A JP 2013189840A JP 5819901 B2 JP5819901 B2 JP 5819901B2
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Description

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。   The present invention relates to a displacement / strain distribution measuring apparatus using a holographic technique.

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。   In Patent Document 1, after separating a light source into an object and incident light and reference light, a piezo element is attached to a mirror that reflects the reference light so as to perform phase shift, and an interferometer including the same mirror is provided. A technique that is separately constructed and generates a camera trigger signal based on a change in brightness of interference fringes obtained by the interferometer is disclosed.

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。   Further, Patent Document 2 discloses an optical that makes it possible to obtain a displacement in three directions and a strain distribution in two directions by using a structure in which a plurality of image pickup devices are arranged around a light beam incident on an object. A system and its calibration technique are disclosed.

特開2012−181027号公報JP 2012-181027 A 特開2012−220349号公報JP 2012-220349 A

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。
In the technique of Patent Document 1, it is necessary to install in the optical path of the reference light, and the design of the optical system is limited. Further, in the technique of Patent Document 2, an optical system for creating reference light is complicated.
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above-described problems of the prior art, an object of the present invention is to simplify an optical system for performing phase shift of reference light, and to reduce the size of a measurement head unit (portion approaching a measurement object). It is possible to provide a displacement / strain distribution measuring apparatus by digital holography that can be used.

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または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または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または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または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または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、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に記載の変位または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またはひずみ分布計測装置である。
The invention according to claim 1 of the present application is an optical system used in a displacement or strain distribution measuring apparatus by digital holography, and includes incident light that irradiates an object with laser light from a laser light source and a plurality of imaging elements. Means for separating the reference light, and the separating means functions as a curved mirror convex toward the light source side of the incident light, and when the incident light irradiated on the object is parallel light, A means for generating reference light incident on a plurality of image sensors,
The plurality of imaging means are disposed around an optical path of the incident light, and the incident light is incident on the object and received by overlapping the object light reflected from the object and the reference light.
This is an optical system.
According to a second aspect of the present invention, in the displacement or strain distribution measuring apparatus using digital holography, means for separating the laser light from the laser light source into incident light that irradiates an object and reference light that is incident on a plurality of imaging elements; A head having the plurality of imaging means arranged around the optical path of the incident light, a light source device including an interferometer that determines imaging timing of the laser light source and the plurality of imaging elements, and the light source device An apparatus for measuring a displacement or strain distribution, comprising: an optical fiber that transmits laser light from a laser light source to the head.
According to a third aspect of the present invention, in the displacement or strain distribution measuring apparatus using digital holography, means for separating the laser light from the laser light source into incident light that irradiates an object and reference light that is incident on a plurality of imaging elements; A head having the plurality of imaging means arranged around the optical path of the incident light, a light source device including an interferometer that determines imaging timing of the laser light source and the plurality of imaging elements, and the light source device An optical fiber that transmits laser light from a laser light source to the head, and the means for separating functions as a curved mirror that is convex toward the light source side of incident light and irradiates the object with incident light. Is a means for generating reference light that is incident on the plurality of imaging elements when the light is parallel light, and the plurality of imaging means are arranged around an optical path of the incident light, and the incident light is Entering the serial object received superimposed reflected object light of the reference light from said object, it is the displacement or strain distribution measurement device and said.
The invention according to claim 4, in the case of the imaging device 4 or more, and obtains four or more displacement of three directions forming a three-dimensional space from the phase difference by using the pseudo-inverse matrix A displacement or strain distribution measuring device according to claim 2 or 3.
According to a fifth aspect of the present invention, the interferometer is configured so that the phase shift amount of the reference light with respect to the movement amount of the separating unit is the same as the phase shift amount of the interference fringes in the interferometer that determines the photographing timing. The displacement or strain distribution measuring device according to any one of claims 2 to 4, wherein an equipped mirror is set.

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。   According to the present invention, a displacement / strain distribution measuring device by digital holography capable of simplifying an optical system for performing a phase shift of reference light and miniaturizing a measurement head portion (a portion approaching a measurement object). Can provide.

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。It is a figure explaining the relationship between a displacement vector and a sensitivity vector. 本発明の計測装置を説明する図である。It is a figure explaining the measuring device of the present invention. 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)。It is a figure which shows the structure which obtains the reference light by installing a reflective mirror in an irradiation light path (structure in case irradiation light is made into a plane wave). 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)。It is a figure which shows the structure which obtains the reference light by installing a reflective mirror in an irradiation optical path (structure which makes a reflective mirror a plane). 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)。It is a figure which shows the phase shift mechanism of the reference light by an actuator (structure in case irradiation light is made into a plane wave). 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)。It is a figure which shows the phase shift mechanism of the reference light by an actuator (structure in case irradiation light is made into a spherical wave). 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。It is a figure explaining the example of the structure which determines imaging | photography timing from the change of the interference fringe obtained by an interferometer. 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。It is a figure explaining the example of the structure which determines imaging | photography timing from the change of the interference fringe obtained by an interferometer. ヘッド分離形計測装置の基本構造を説明する図である。It is a figure explaining the basic structure of a head separation type measuring device. 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。It is a figure explaining the experimental apparatus of the imaging signal generation by an interferometer. 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。It is a figure explaining the relationship between the input voltage to a piezoelectric element, the intensity | strength of an interference fringe, and a camera trigger signal. 変位計測実験への適用(位相差分布)を説明する図である。It is a figure explaining the application (phase difference distribution) to a displacement measurement experiment. 本発明に係る計測システムの構成を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the measurement system which concerns on this invention. 試作した撮像素子部と回路の構成を説明する図である。It is a figure explaining the structure of a trial image pick-up element part and a circuit.

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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<Basic configuration for miniaturization>
First, the basic principle of displacement measurement by digital holography will be described. As shown in FIG. 1A, the direction of an angle that is half the angle formed by the incident light from the light source and the light that enters the image sensor is called a sensitivity vector. The phase difference of the complex amplitude of the reproduced image before and after the deformation means the displacement component in the sensitivity vector direction. Note that displacement measurement by digital holography is a known technique.

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。 As shown in FIG. 1B, conventionally, three independent sensitivity vectors e 1 , e 2 , and e 3 can be obtained by using three incident lights. Displacement components in the sensitivity vector direction are obtained from the phase difference before and after deformation, respectively, and displacements in the x, y, and z directions are calculated therefrom (see Patent Document 2). However, in order to create three incident lights and separate them to obtain respective reproduced images, it is necessary to prepare three different lasers, and an optical system such as a lens and a mirror three times as much is required. .

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。   In the present invention, as shown in FIG. 1C, the incident light is one in the center, and at least three image sensors are used. The idea of using multiple cameras has never been seen in conventional digital holography research.

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。   Further, as shown in FIG. 2, incident light from a light source (laser light source) is passed through the center, and an image sensor is arranged around the optical path of the incident light, so that it is included in scattered light (object light) from the object surface. The displacement information can be obtained efficiently. As a result, the size can be reduced to a size that can be held with one hand. In FIG. 2, eight image sensors are evenly arranged around the optical path of incident light.

<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。
<How to create a reference beam>
(1) Method of arranging an optical component that partially reflects in the optical path of the incident light to the object As shown in FIG. 3, a part of the optical path of the incident light to the object that is the measurement object 2 in the optical system 1 By arranging an optical component that reflects the reference light, it becomes possible to make the reference light incident on the image sensor installed around the incident light. In FIG. 3, a glass plate that is convex toward the light source side of incident light is used. This glass plate acts as a mirror that reflects a portion of the incident light. By making the incident light from the light source incident on the convex surface as parallel light, the reflection angle of the incident light changes depending on the angle of the convex surface, and can be incident on the image sensor as reference light. The light transmitted through the convex surface is irradiated onto the object.
(2) Method for enabling use of planar optical component using spherical wave In FIG. 4, incident light from the light source of FIG. 3 is converted into a spherical wave by a convex lens. And the structure which can be made to inject into the image pick-up element arrange | positioned around incident light as reference light by injecting the spherical wave into a planar glass plate is shown.

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。
This glass plate acts as a mirror that reflects a portion of the incident light. An optical component can be easily created by using a flat glass plate. In addition, suburban design becomes easy. The object to be measured is irradiated with a spherical wave, and the scattered light on the surface of the object passes through the glass plate and enters the image sensor to be photographed as a hologram.
(3) Method for enabling phase shift of reference light by attaching an actuator As shown in FIGS. 5 and 6, an optical component that partially reflects in the optical path of incident light to an object has an out-of-plane direction. An actuator that moves minutely (in other words, the incident light incident direction) is attached. 5 and 6, a piezoelectric element is attached as an actuator. By sending a signal to this actuator and expanding and contracting it, the phase of the reference light incident on the image sensor can be shifted.
(4) Mechanism for determining imaging timing from change in interference fringes obtained by interferometer As shown in FIG. 7, a part of light emitted from a light source is taken out to construct an interferometer. An actuator (piezo element (PZT) in FIG. 7) having a known correspondence relationship with an object attached to the optical component that performs phase shift of the reference light is also attached to the reflective optical component that constitutes the interferometer. By driving with a signal corresponding to the correspondence, the imaging timing is determined from the change in interference fringes obtained by the interferometer. Even when an actuator having a hysteresis in the relationship between the input voltage and the displacement amount, such as a piezo element, photographing can be performed when the predetermined phase shift amount is obtained with good reproducibility.

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。   In the case of FIG. 7, a piezoelectric element (PZT) is used for the actuator. Further, four piezo elements of the same type as the piezo elements attached to the optical component that performs phase shift of the reference light are bonded in series to form one actuator. At this time, drive signals are input in parallel to the individual piezoelectric elements. As this drive signal, the same signal as that of a piezo element attached to an optical component that performs phase shift of the reference light (corresponding to a reflection mirror that reflects a part of FIGS. 5 and 6) is input.

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。   By doing so, the amount of movement of the actuator that moves the mirror of the interferometer that determines the imaging timing is exactly four times the amount of displacement of the actuator for phase shifting. That is, when the light and darkness of the interference fringes obtained by the interferometer that determines the photographing timing changes by one cycle, the phase shift amount of the reference light becomes a quarter cycle (phase shift amount π / 2). As a result, it is possible to take an image that is not affected by the hysteresis characteristic of the piezo element and is phase-shifted by a quarter period.

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。
At this time, the angle of incidence on the mirror attached to the actuator of the interferometer that determines the imaging timing according to the reflection direction of the reference light is set as shown in FIG. In the case of the phase shift mechanism of the reference light by the actuator shown in FIG. 6 (configuration in which the irradiation light is a spherical wave), this angle is set to the same value as the inclination of the image sensor, and the phase of the reference light with respect to the amount of movement of the mirror The angle is set so that the phase shift amount of the interference fringes is the same as the amount of movement of the mirror in the interferometer that determines the shift amount and the imaging timing. In this way, when the same type of piezo element is used, it is possible to capture an image that is phase-shifted by ¼ period with high accuracy.
(5) Structure in which the interferometer portion and the digital holography imaging apparatus are separated by connecting with a signal transmission means such as an optical fiber. FIG. 9 shows the basic structure of the head-separated measuring apparatus. An interferometer for detecting the phase shift amount described in (4) above and determining the photographing timing is incorporated in the left part of the figure. The light emitted from the laser light source is sent to the digital holography imaging device via an optical fiber. From the piezo driver, the same signal is sent to the head portion and the interferometer portion through a signal line. A camera trigger signal is generated from the photo sensor of the interferometer, and is input to the driver circuit of the image sensor.
(6) Calibration method The method disclosed in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2012-220349) is used for calibration. Thus, in the above (4), even when the phase shift amount is not completely shifted by 1 / N period (N is an integer) due to a shift at the time of installation of the optical system, the obtained phase difference is obtained. And the displacement amount can be obtained for each pixel, so that the displacement distribution and strain distribution can be measured.

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。 The displacements of the object in the x, y, and z directions are d x , d y , and d z , respectively. At this time, when the phase differences obtained by the plurality of image sensors are respectively set to Δφ i (1 ≦ i ≦ N), the relationship of the formula 1 is established.

Figure 0005819901
Figure 0005819901

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。 Here, S is an N × 3 matrix, which is called a sensitivity matrix. This sensitivity matrix is a matrix that relates to how much the phase difference obtained by each image sensor becomes relative to the displacement of the object, and each component of this matrix is a constant determined if the optical system is determined. Assuming that the pseudo inverse matrix of S is S + , Equation 2 is obtained.

Figure 0005819901
Figure 0005819901

+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。 S + is a 3 × N matrix. By using this equation, the displacements d x , d y , and d z of the object in the x, y, and z directions can be obtained from the phase difference obtained by each image sensor.

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。 Matrix S, using the reference plane used in the calibration are shown in Patent Document 2, it is moved three independent directions (or more) and the phase difference [Delta] [phi i obtained by moving the reference plane displacement It can be obtained from the quantities d x , d y , d z . For example, when moved in three directions, Equation 3 is obtained. Here, the right subscript j, (Δφ ij , d xj , d yj , d zj ) represents the number of times of movement.

Figure 0005819901
Figure 0005819901

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。   Then, Equation 3 can be transformed into Equation 4, from which the matrix S can be obtained.

Figure 0005819901
Figure 0005819901

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。
Further, the value of each component of the matrix S + can be obtained as a pseudo inverse matrix of the matrix S.
(7) Method for obtaining displacement and distortion from phase differences obtained by a plurality of image sensors Next, a method for obtaining displacement and distortion from phase differences obtained by a plurality of image sensors will be described. The value of each component of the pseudo inverse matrix S + is expressed by Equation 5.

Figure 0005819901
Figure 0005819901

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。 The displacements in the x, y, and z directions can be obtained from Equation 6 using the phase differences obtained by a plurality of image sensors and the values of each component of the matrix S + .

Figure 0005819901
Figure 0005819901

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。 The strains ε x and ε y and the strain γ xy in the x and y directions can be obtained as shown in Equation 7.

Figure 0005819901
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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。 Thus, the phase difference obtained by a plurality of image sensors and the value of each component of the matrix S + can be obtained as shown in Equation 8.

Figure 0005819901
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<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。
<Embodiment>
(1) Embodiment of trigger signal generation by interferometer An embodiment of image signal generation by the above-described interferometer will be described. FIG. 10 shows an experimental apparatus for generating an imaging signal by an interferometer. This optical system is a digital holographic optical system that measures the out-of-plane displacement of a measurement target object using one image sensor.

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。   The light from the light source is divided into two, and one of them is incident on an interferometer for determining the photographing timing of the image sensor. Four piezo stages are attached in series to one mirror of the interferometer, and the voltage output from the piezo driver is applied to each piezo element in parallel. The same voltage is also applied to a piezo element that displaces one of the mirrors of the digital holographic optical system. By doing so, the interferometer for determining the imaging timing is subjected to the four-phase phase shift while the displacement measurement optical system performs the one-phase phase shift. In the interferometer for determining the imaging timing, the light and darkness of the interferometer is converted into a voltage signal by the photosensor, and the trigger signal of the camera is generated by binarizing it with an electric circuit.

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。   The piezo driver receives a triangular wave signal from a signal generator. Thus, every time the displacement measurement optical system performs a phase shift of ¼ period, a trigger signal of the camera is generated, and a hologram with a phase shift of exactly ¼ period is photographed.

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。   FIG. 11 shows the input voltage to the piezo element, the interference fringe intensity obtained by this apparatus, and the camera trigger signal. FIG. 12 shows the phase difference distribution obtained with this apparatus. In these cases, the displacement near the sample tip is 10 micrometers, 30 micrometers, and 50 micrometers.

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。   When the results of the displacement obtained from these were compared with the measurement results when the mirror was positioned with an accuracy of 1 nanometer or less using a piezo stage with feedback, an error of 20 meters in displacement was found. As a result, almost good results were obtained.

(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。
(2) Embodiment of trigger signal generation by interferometer FIG. 13 shows an example of a displacement / strain distribution measurement system. A glass element for reflecting the reference light and entering the imaging element is arranged in front of the object. A part of the incident light is reflected to become reference light, and the transmitted light is irradiated to the object from the front.

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。   Furthermore, the phase shift of the reference light can be performed by moving the glass element in the direction of the incident light using the piezo element. Also, by stacking multiple piezo elements made according to the same standard and applying a voltage in parallel, it is possible to obtain multiple phase shift amounts of the reference light. ), The reference light can be phase-shifted a plurality of times during one period.

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。   FIG. 14 shows a prototype image sensor unit for a small measuring apparatus. The φ10 hole at the center (the portion surrounded by reference numerals 1, 2, 3, and 4) is a portion through which incident light passes. An image sensor with a side of 2.0 mm is disposed around the hole. The image sensor is attached so as to face the central direction at an angle of 15 degrees. FIG. 14C shows a schematic block diagram of the prototyped circuit.

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)。
The present invention can achieve the following effects.
(1) The optical system is simplified, and an inexpensive and small measuring device can be made.
(2) The measurement head portion (portion approaching the measurement object) becomes smaller and lighter and can be used at the inspection site of a large structure.
(3) Even if the number of image sensors increases, the optical system does not become complicated, and a large number of image sensors can be used. If the number of image sensors is increased, noise is reduced by the effect of averaging, and measurement accuracy is improved.
(4) Depending on the inclination of the object, there may be an image sensor in which the reproduced image of the object and its phase difference distribution cannot be obtained with high accuracy, and this may cause a region that cannot be measured. Therefore, the possibility is reduced (a reproduction image of an object and its phase difference distribution need only be obtained with a minimum of three image sensors).

1 光学系
2 計測対象
1 Optical system 2 Measurement target

Claims (5)

デジタルホログラフィによる変位または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。
An optical system used in a displacement or strain distribution measuring device by digital holography,
Means for separating laser light from a laser light source into incident light that irradiates an object and reference light that enters a plurality of image sensors;
The means for separating functions as a curved mirror that is convex toward the light source side of incident light. When the incident light that irradiates the object is parallel light, the reference light that is incident on the plurality of image sensors is used. Means to generate,
The plurality of imaging means are disposed around an optical path of the incident light, and the incident light is incident on the object and received by overlapping the object light reflected from the object and the reference light.
An optical system characterized by that.
デジタルホログラフィによる変位または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またはひずみ分布計測装置。
In displacement or strain distribution measuring equipment by digital holography,
Laser light from a laser light source includes incident light that irradiates an object, reference light that is incident on a plurality of imaging elements, and a plurality of imaging means that are arranged around the optical path of the incident light. Head,
A light source device comprising an interferometer that determines the imaging timing of the laser light source and the plurality of image sensors;
An optical fiber that transmits laser light from the laser light source of the light source device to the head;
A displacement or strain distribution measuring apparatus comprising:
デジタルホログラフィによる変位または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またはひずみ分布計測装置。
In displacement or strain distribution measuring equipment by digital holography,
Laser light from a laser light source includes incident light that irradiates an object, reference light that is incident on a plurality of imaging elements, and a plurality of imaging means that are arranged around the optical path of the incident light. Head,
A light source device comprising an interferometer that determines the imaging timing of the laser light source and the plurality of image sensors;
An optical fiber that transmits laser light from the laser light source of the light source device to the head;
With
The means for separating functions as a curved mirror that is convex toward the light source side of incident light. When the incident light that irradiates the object is parallel light, the reference light that is incident on the plurality of image sensors is used. Means to generate,
The plurality of imaging means are arranged around the optical path of the incident light, and the incident light is incident on the object and is received by overlapping the object light reflected from the object and the reference light.
Displacement or strain distribution measuring device characterized by that.
前記撮像素子が4個以上の場合に、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に記載の変位またはひずみ分布計測装置。 In the case of the imaging device 4 or more, according to claim 2 or 3, wherein the determination of the four or more displacement three directions forming a three-dimensional space from the phase difference by using the pseudo-inverse matrix Displacement or strain distribution measuring device. 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またはひずみ分布計測装置。 The mirror provided in the interferometer is set so that the phase shift amount of the reference light with respect to the movement amount of the separating means and the phase shift amount of the interference fringes in the interferometer that determines the photographing timing are the same. The displacement or strain distribution measuring device according to any one of claims 2 to 4, wherein the device is a displacement or strain distribution measuring device.
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