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干渉計測装置および干渉計測方法 新技術説明会

国内特許コード P140010335
掲載日 2014年2月25日
出願番号 特願2010-550426
登録番号 特許第5648193号
出願日 平成22年1月13日(2010.1.13)
登録日 平成26年11月21日(2014.11.21)
国際出願番号 JP2010000132
国際公開番号 WO2010092739
国際出願日 平成22年1月13日(2010.1.13)
国際公開日 平成22年8月19日(2010.8.19)
優先権データ
  • 特願2009-031449 (2009.2.13) JP
発明者
  • 粟辻 安浩
  • 田原 樹
出願人
  • 国立大学法人京都工芸繊維大学
発明の名称 干渉計測装置および干渉計測方法 新技術説明会
発明の概要 動的な変化を伴う被写体の3次元情報を得るための干渉像を得ることができる干渉計測装置を実現する。本発明のデジタルホログラフィ装置(60)は、レーザ光源(1)と、レーザ光を参照光および物体光に分割するビームスプリッタ(6)と、撮像素子(2)とを備え、参照光と、被写体(20)を介して到達する物体光との干渉パターンを撮像素子(2)が撮像する干渉計測装置であって、物体光を互いに偏光方向が異なる2種類の物体光に分割し、それぞれの伝播方向に角度差を生じさせる偏光分割素子(11)と、第1偏光子領域および第2偏光子領域が複数配置され、参照光と、被写体(20)を介して到達する物体光とを通過させる偏光子アレイデバイス(30)とを備え、偏光子アレイデバイス(30)の第1偏光子領域および第2偏光子領域は互いに異なる方向の偏光成分を通過させるので、一回の撮像で位相接続に必要な複数の干渉パターンを得ることができる。
従来技術、競合技術の概要



以後の文章中で位相の単位はラジアンで表す。加工技術の精密化や多様化に伴い、物体の3次元形状等の高度な計測や解析が求められ、様々な測定法が開発されている。該測定法のうち、光の干渉を利用した干渉計測技術、特にデジタルホログラフィは、非接触かつ非破壊で、物体の3次元情報を得ることができるため、近年、注目を集めている測定法の一つとなっている。





デジタルホログラフィは、3次元物体への光照射によって得られる干渉パターン(干渉縞)から、コンピュータを用いて3次元物体の像を再生する技術である。具体的には例えば、3次元物体への光照射によって得られる物体光と、該物体光に対して可干渉である参照光とが作る干渉パターンを、CCD(charge coupled device)等の撮像素子を用いて記録する。記録された干渉パターンに基づいて、コンピュータでフレネル(Fresnel)変換し、3次元物体の像を再生する。





図26は、従来のデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である(非特許文献1)。デジタルホログラフィ装置120は、レーザ光源101を含む光学系と、CCDカメラ102と、コンピュータ110とを備える。レーザ光源101から出射されたレーザ光は、ビームエキスパンダ103およびコリメータレンズ104を通過することにより平行光となる。それから、レーザ光はビームスプリッタ105によって参照光と物体光とに分割される。物体光は可動ミラー106よって反射され被写体111に照射される。被写体111によって反射された物体光は、ハーフミラー107を通過しCCDカメラ102の撮像面に到達する。一方、参照光は、ミラー108、PZTミラー109およびハーフミラー107によって反射され、CCDカメラ102の撮像面に到達する。CCDカメラ102は、撮像面に到達した物体光と参照光とが作る干渉パターンを記録する。記録された干渉パターンに対して、コンピュータ110がフレネル変換する等の計算処理を施すことにより、被写体111の再生像が得られる。





被写体111は、位置xの奥行き方向(CCDカメラ102の撮像面に対して垂直な方向)の高さがh(x)である。





上記のデジタルホログラフィ装置120では、CCDカメラ102の撮像面に対して参照光がほぼ垂直に入射する。すなわち、CCDカメラ102の撮像面には、参照光と物体光とがほぼ同じ方向から入射する。そのため、干渉パターンをフレネル変換して得られる再生像は、0次回折像および±1次回折像が重なったものとなり、被写体111の鮮明な再生像を得ることが困難となっている。





そこで、0次回折像および±1次回折像を分離し、高精度な再生像を得るために、参照光の位相を複数段階にシフトさせ、得られた複数の干渉パターンから所望の再生像を得る位相シフト法という技術がある(特許文献1、非特許文献1)。または、被写体と撮像素子との距離が異なる複数の干渉パターンを用いて所望の再生像を得る技術がある(非特許文献2)。以後、この技術を光路長シフト法と呼ぶ。





デジタルホログラフィ装置120では、圧電素子によってPZTミラー109を微小変位させることにより、参照光の位相を3段階または4段階にシフトさせ、それぞれの干渉パターンを順次記録する。そして、記録した複数の干渉パターンに基づき計算処理を行うことで、0次回折像または±1次回折像を独立に得ることができる。





この段階では、位相分布から得られる被写体111の奥行き方向の位置情報は、レーザ光の波長の範囲に折り畳まれている。この折り畳みを解消し、被写体111の奥行き方向の本来の波長以上の範囲の位置情報を得るためには、位相接続を行う必要がある。1つの干渉パターンから得られる位置情報に基づいて、計算によって位相接続をする場合、被写体111に急な段差等があると正しく位相接続できず、得られる位置情報は誤差を多く含む精度の低いものとなる。そこで、精度の高い位置情報を得るために、以下に示す光学的手法による位相接続を行う必要がある。





デジタルホログラフィ装置120では、可動ミラー106の角度を(Δθ/2)変化させることにより、被写体111に照射する物体光の伝播方向の角度がΔθ変化した干渉パターンを記録する。被写体111に照射する物体光の伝播方向の角度が互いにΔθ異なる2つの干渉パターンを用いることにより位相接続を行うことができる(非特許文献1)。





別の光学的手法として、2つの異なる波長のレーザ光を用いる位相接続法がある(非特許文献3)。この方法によれば、2波長の組み合わせにより、合成波長の長さを自由に変更することができる。また、1波長を用いた場合に比べ、非常に長い合成波長で記録したのと同等の位相分布を得ることができ、位相の折り畳みが少ない。また、さらに用いる波長を増やすことにより、位相接続可能な奥行き方向の範囲を広げることができる。

産業上の利用分野



本発明は、参照光と物体光との干渉像を測定し、被写体の形状を測定する干渉計測装置および干渉計測方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
コヒーレントな光を発生する光源と、上記光源から出射される光を参照光および物体光に分割する光分割部と、撮像部とを備え、参照光と、被写体を介して到達する物体光とが作る干渉像を上記撮像部が撮像する干渉計測装置において、
上記光分割部から出射される物体光を、第1方向に偏光した第1の物体光と、上記第1方向とは異なる第2方向に偏光した第2の物体光との2種類の物体光に分割し、それぞれの物体光の伝播方向に角度差を生じさせる偏光分割部と、
第1偏光子領域および第2偏光子領域が複数配置され、上記第1偏光子領域は、上記第1方向に偏光した物体光と参照光の上記第1方向の偏光成分とを通過させ、上記第2偏光子領域は、上記第2方向に偏光した物体光と参照光の上記第2方向の偏光成分とを通過させる偏光子アレイ部と、
複数の上記第1偏光子領域に対応した複数の第1画素および複数の上記第2偏光子領域に対応した複数の第2画素を有し、上記第1方向に偏光した物体光と参照光の上記第1方向の偏光成分とが干渉した第1干渉パターンを上記複数の第1画素で撮像すると同時に、上記第2方向に偏光した物体光と参照光の上記第2方向の偏光成分とが干渉した第2干渉パターンを上記複数の第2画素で撮像する撮像部とを備えることを特徴とする干渉計測装置。

【請求項2】
上記干渉像から上記第1干渉パターンおよび上記第2干渉パターンに対応する画素を抽出し、上記第1干渉パターンおよび上記第2干渉パターンを用いて位相接続を行う再生部をさらに備え、
上記再生部は、上記被写体の3次元情報を求めることを特徴とする請求項1に記載の干渉計測装置。

【請求項3】
第1方向と第2方向とが直交することを特徴とする請求項1または2に記載の干渉計測装置。

【請求項4】
第1位相シフト領域および第2位相シフト領域が複数配置され、参照光を通過させる位相シフトアレイ部をさらに備え、
上記位相シフトアレイ部は、第1位相シフト領域を通過した参照光の位相と、第2位相シフト領域を通過した参照光の位相とを互いに異ならせることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の干渉計測装置。

【請求項5】
第1光路長シフト領域および第2光路長シフト領域が複数配置され、参照光および物体光を通過させる光路長シフトアレイ部を上記被写体と撮像部との間にさらに備え、
上記光路長シフトアレイ部は、第1光路長シフト領域を通過した参照光の位相と、第2光路長シフト領域を通過した参照光の位相とを互いに異ならせ、第1光路長シフト領域を通過した物体光の位相と、第2光路長シフト領域を通過した物体光の位相とを互いに異ならせることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の干渉計測装置。

【請求項6】
複数の上記光源と、波長選択フィルタとを備え、
上記複数の光源は、それぞれが互いに異なる波長のコヒーレントな光を発生し、
上記波長選択フィルタは、通過させる光の波長が異なる複数の波長選択領域を有し、参照光および物体光を上記波長選択領域毎に波長に応じて選択的に通過させることを特徴とする請求項1、3、4、または5に記載の干渉計測装置。

【請求項7】
上記再生部は、上記被写体の再生像を生成し、上記3次元情報として上記被写体の高さ分布を求めることを特徴とする請求項2に記載の干渉計測装置。

【請求項8】
上記干渉像から上記第1干渉パターンおよび上記第2干渉パターンに対応する画素を抽出し、上記被写体の3次元情報および再生像を生成する再生部をさらに備え、
上記再生部は、
上記干渉像に基づき上記複数の波長毎に上記被写体の再生像を求める再生処理部と、
上記干渉像に基づき上記複数の波長毎に位相接続を行い上記被写体の高さ分布を求める位相接続処理部と、
上記再生像を構成する画素のうちの注目画素を含む所定の領域について各波長の上記所定の領域を代表する再生光の強度を比較し、最も上記再生光の強度が大きい波長の上記高さ分布を上記注目画素の高さ分布として抽出する抽出処理部とを備えることを特徴とする請求項6に記載の干渉計測装置。

【請求項9】
サイズ計測部と、制御部と、角度差調節部とをさらに備え、
上記サイズ計測部は、上記被写体の撮像部から見た奥行き方向におけるサイズを計測し、
上記制御部は、上記サイズ計測部が計測した上記サイズに基づき、位相接続可能な範囲を決定し、決定した上記範囲に応じて上記角度差調節部に指示を与え、
上記角度差調節部は
上記制御部からの指示に基づき、上記偏光分割部が分割する2種類の物体光の上記角度差を変更する、または
上記制御部からの指示に基づき、上記偏光分割部が分割する2種類の物体光の上記角度差、および、上記撮像部の撮像面に直交する軸と第1の物体光か第2の物体光かのいずれかとがなす角度を変更することを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の干渉計測装置。

【請求項10】
コヒーレントな光を参照光および物体光に分割し、参照光と、被写体を介して到達する物体光とが作る干渉像を撮像する干渉計測方法であって、
参照光から分割された物体光を、第1方向に偏光した第1の物体光と、上記第1方向とは異なる第2方向に偏光した第2の物体光との2種類の物体光に分割し、それぞれの物体光の伝播方向に角度差を生じさせ、
第1偏光子領域および第2偏光子領域が複数配置された偏光子アレイ部により、上記第1偏光子領域において上記第1方向に偏光した物体光と参照光の上記第1方向の偏光成分とを通過させ、かつ上記第2偏光子領域において上記第2方向に偏光した物体光と参照光の上記第2方向の偏光成分とを通過させ、
複数の上記第1偏光子領域に対応した複数の第1画素および複数の上記第2偏光子領域に対応した複数の第2画素を有する撮像部により、上記第1方向に偏光した物体光と参照光の上記第1方向の成分とが干渉した第1干渉パターンを上記複数の第1画素で撮像すると同時に、上記第2方向に偏光した物体光と参照光の上記第2方向の成分とが干渉した第2干渉パターンを上記複数の第2画素で撮像することを特徴とする干渉計測方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 登録
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