JP3401793B2 - 光学装置 - Google Patents
光学装置Info
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- Liquid Crystal (AREA)
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、液晶素子を応用した光
学装置に関する。
学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】物体形状あるいはその変化を計測する手
段として、ホログラフィ干渉計が広く利用されてきた。
ホログラフィ干渉計には、基準形状あるいは変形前の物
体形状を記録、再生する手段が必要であり、一般にはホ
ログラムが用いられる。
段として、ホログラフィ干渉計が広く利用されてきた。
ホログラフィ干渉計には、基準形状あるいは変形前の物
体形状を記録、再生する手段が必要であり、一般にはホ
ログラムが用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、計測の対象が
変わるたびにホログラムを作り直さなければならず、こ
のために多くの工数を費やしていた。
変わるたびにホログラムを作り直さなければならず、こ
のために多くの工数を費やしていた。
【０００４】本発明はこのような問題点を解決するもの
であって、その目的は、簡便な手段により物体形状およ
びその変化を高精度に計測できる汎用的な光学装置を提
供するところにある。
であって、その目的は、簡便な手段により物体形状およ
びその変化を高精度に計測できる汎用的な光学装置を提
供するところにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は物体の形状を計測する光学装置において、
光源、前記光源側に反射面を有する複屈折板、液晶素
子、前記液晶素子の光出射側に配置した偏光板及び撮像
素子と、を有してなり、前記光源からの光は、直線偏光
として前記複屈折板に入射し、前記反射面によって反射
される参照光及び、前記複屈折板を透過する物体光に分
離され、前記複屈折板を透過した後に前記物体で反射さ
れて再び前記複屈折板を透過した前記物体光の偏光方位
と、前記参照光の偏光方位と、が互いに直交するよう
に、前記光源及び前記複屈折板を配置してなり、前記液
晶素子は、入射する前記参照光及び前記複屈折板を二度
透過した前記物体光のうち前記物体光を位相変調し、前
記液晶素子を透過した前記参照光及び前記位相変調され
た前記物体光が前記偏光板に入射され、前記偏光板から
出射する前記物体光及び前記参照光により形成される干
渉縞が前記撮像素子に入力されることを特徴とする。前
記物体光の偏光方位と前記参照光の偏光方位との間に設
定されてなると好ましい。
に、本発明は物体の形状を計測する光学装置において、
光源、前記光源側に反射面を有する複屈折板、液晶素
子、前記液晶素子の光出射側に配置した偏光板及び撮像
素子と、を有してなり、前記光源からの光は、直線偏光
として前記複屈折板に入射し、前記反射面によって反射
される参照光及び、前記複屈折板を透過する物体光に分
離され、前記複屈折板を透過した後に前記物体で反射さ
れて再び前記複屈折板を透過した前記物体光の偏光方位
と、前記参照光の偏光方位と、が互いに直交するよう
に、前記光源及び前記複屈折板を配置してなり、前記液
晶素子は、入射する前記参照光及び前記複屈折板を二度
透過した前記物体光のうち前記物体光を位相変調し、前
記液晶素子を透過した前記参照光及び前記位相変調され
た前記物体光が前記偏光板に入射され、前記偏光板から
出射する前記物体光及び前記参照光により形成される干
渉縞が前記撮像素子に入力されることを特徴とする。前
記物体光の偏光方位と前記参照光の偏光方位との間に設
定されてなると好ましい。
【０００６】また、前記光源と前記複屈折板との間に設
けたコリメートレンズを更に有することを特徴とする。
けたコリメートレンズを更に有することを特徴とする。
【０００７】また、前記光源からの光を透過して前記複
屈折板に向けて出射すると共に、前記物体光及び前記参
照光を反射し前記液晶素子に向けて出射するハーフミラ
ーを更に具備することを特徴とする。
屈折板に向けて出射すると共に、前記物体光及び前記参
照光を反射し前記液晶素子に向けて出射するハーフミラ
ーを更に具備することを特徴とする。
【０００８】また、本発明は、物体の形状を計測する光
学装置において、光源、前記光源とは反対側に反射面を
有する第１の液晶素子、複屈折板、第２の液晶素子、前
記第２の液晶素子の光出射側に配置した偏光板及び撮像
素子と、を有してなり、前記光源からの光は、直線偏光
として前記第１の液晶素子を透過し、前記反射面によっ
て反射される参照光及び、前記第１の液晶素子を透過し
前記複屈折板に入射する物体光とに分離され、前記複屈
折板を透過した後に前記物体で反射されて再び前記複屈
折板を透過した前記物体光の偏光方位と、前記参照光の
偏光方位とが互いに直交するように、前記光源及び前記
複屈折板を配置してなり、前記第１の液晶素子は、前記
参照光を位相変調し、前記第２の液晶素子は、入射する
前記第１の液晶素子によって位相変調された前記参照光
及び前記複屈折板を二度透過した前記物体光のうち前記
物体光を位相変調し、前記第１の液晶素子によって位相
変調された前記参照光、及び前記第２の液晶素子によっ
て位相変調された前記物体光が前記偏光板に入射され、
前記偏光板から出射する前記物体光及び前記参照光によ
り形成される干渉縞が前記撮像素子に入力されることを
特徴とする。更には、第２の液晶素子の出射側に配した
偏光板を更に有し、前記偏光板の透過軸は、前記物体光
の偏光方位と前記参照光の偏光方位との間に設定されて
なることを特徴とする。
学装置において、光源、前記光源とは反対側に反射面を
有する第１の液晶素子、複屈折板、第２の液晶素子、前
記第２の液晶素子の光出射側に配置した偏光板及び撮像
素子と、を有してなり、前記光源からの光は、直線偏光
として前記第１の液晶素子を透過し、前記反射面によっ
て反射される参照光及び、前記第１の液晶素子を透過し
前記複屈折板に入射する物体光とに分離され、前記複屈
折板を透過した後に前記物体で反射されて再び前記複屈
折板を透過した前記物体光の偏光方位と、前記参照光の
偏光方位とが互いに直交するように、前記光源及び前記
複屈折板を配置してなり、前記第１の液晶素子は、前記
参照光を位相変調し、前記第２の液晶素子は、入射する
前記第１の液晶素子によって位相変調された前記参照光
及び前記複屈折板を二度透過した前記物体光のうち前記
物体光を位相変調し、前記第１の液晶素子によって位相
変調された前記参照光、及び前記第２の液晶素子によっ
て位相変調された前記物体光が前記偏光板に入射され、
前記偏光板から出射する前記物体光及び前記参照光によ
り形成される干渉縞が前記撮像素子に入力されることを
特徴とする。更には、第２の液晶素子の出射側に配した
偏光板を更に有し、前記偏光板の透過軸は、前記物体光
の偏光方位と前記参照光の偏光方位との間に設定されて
なることを特徴とする。
【０００９】更には、前記光源と前記複屈折板との間に
設けたコリメートレンズを更に有することを特徴とす
る。そして、前記光源からの光を透過して前記複屈折板
に向けて出射すると共に、前記物体光及び前記参照光を
反射し前記液晶素子に向けて出射するハーフミラーを更
に具備することを特徴とする。
設けたコリメートレンズを更に有することを特徴とす
る。そして、前記光源からの光を透過して前記複屈折板
に向けて出射すると共に、前記物体光及び前記参照光を
反射し前記液晶素子に向けて出射するハーフミラーを更
に具備することを特徴とする。
【００１０】
【実施例】以下では実施例にもとづき、本発明の内容に
ついて詳しく説明する。
ついて詳しく説明する。
【００１１】（実施例１）図１に本実施例の光学装置の
構成を示す。レーザ光源１００から出射した光をビーム
エクスパンダ１０１とコリメートレンズ１０２で平行に
した後に、レンズ１０４とレンズ１０５を介して四分の
一波長板１０６へ導く。四分の一波長板１０６は、レー
ザ光源に近い側の表面が反射面になっていて、この面で
入射光を分割して参照光をつくる。また、四分の一波長
板１０６の進相軸（あるいは遅相軸）は、入射直線偏光
の方位に対して４５°だけ傾いている。四分の一波長板
１０６を透過した光は物体表面１０７で反射され、ふた
たび、四分の一波長板１０６を透過する。したがって、
物体表面からの光、すなわち、物体光は、参照光と偏光
方位が直交する直線偏光になっている。参照光と物体光
は液晶素子１０８を通過した後で、その直後に配置され
た偏光板１０９の作用により、干渉縞を形成する。偏光
板１０９の透過軸は、参照光の偏光方位と物体光の偏光
方位のほぼ中間に設定されている。こうして得られた干
渉縞は物体表面の形状に対応するものであり、この縞を
結像レンズ１１１でカメラ１１３の撮像面上に結像す
る。カメラ１１３の出力は、Ａ／Ｄ変換され、コンピュ
ータ１１４へ取り込まれる。
構成を示す。レーザ光源１００から出射した光をビーム
エクスパンダ１０１とコリメートレンズ１０２で平行に
した後に、レンズ１０４とレンズ１０５を介して四分の
一波長板１０６へ導く。四分の一波長板１０６は、レー
ザ光源に近い側の表面が反射面になっていて、この面で
入射光を分割して参照光をつくる。また、四分の一波長
板１０６の進相軸（あるいは遅相軸）は、入射直線偏光
の方位に対して４５°だけ傾いている。四分の一波長板
１０６を透過した光は物体表面１０７で反射され、ふた
たび、四分の一波長板１０６を透過する。したがって、
物体表面からの光、すなわち、物体光は、参照光と偏光
方位が直交する直線偏光になっている。参照光と物体光
は液晶素子１０８を通過した後で、その直後に配置され
た偏光板１０９の作用により、干渉縞を形成する。偏光
板１０９の透過軸は、参照光の偏光方位と物体光の偏光
方位のほぼ中間に設定されている。こうして得られた干
渉縞は物体表面の形状に対応するものであり、この縞を
結像レンズ１１１でカメラ１１３の撮像面上に結像す
る。カメラ１１３の出力は、Ａ／Ｄ変換され、コンピュ
ータ１１４へ取り込まれる。
【００１２】干渉縞から物体表面の形状を算出するには
縞走査法（たとえば、谷田貝豊彦：応用光学 光計測入
門（丸善、１９８８）、ｐ.１３１参照）を使う。この
ために、図１の液晶素子１０８を位相シフタとして用い
て、物体光にだけ位相シフトを与える。ここでは、０、
π/２、π、３π/２の位相シフトを与えて、４枚の縞画
像から物体表面の形状を算出する。そして、この形状デ
ータをもう一度液晶素子１０８へ戻して表示する。こう
して、物体表面の形状に対応する位相分布が液晶素子１
０８へ記録できたことになる。物体が変形すると、物体
光の波面の形状も変化するので、液晶素子へ記録された
変形前の波面と変形後の波面のあいだで干渉縞が得られ
る。この干渉縞をふたたび縞走査法で解析すれば、物体
の面外変形量が求まる。この時も液晶素子１０８を位相
シフタに用いる。図中の１１６は液晶素子１０８の駆動
回路である。
縞走査法（たとえば、谷田貝豊彦：応用光学 光計測入
門（丸善、１９８８）、ｐ.１３１参照）を使う。この
ために、図１の液晶素子１０８を位相シフタとして用い
て、物体光にだけ位相シフトを与える。ここでは、０、
π/２、π、３π/２の位相シフトを与えて、４枚の縞画
像から物体表面の形状を算出する。そして、この形状デ
ータをもう一度液晶素子１０８へ戻して表示する。こう
して、物体表面の形状に対応する位相分布が液晶素子１
０８へ記録できたことになる。物体が変形すると、物体
光の波面の形状も変化するので、液晶素子へ記録された
変形前の波面と変形後の波面のあいだで干渉縞が得られ
る。この干渉縞をふたたび縞走査法で解析すれば、物体
の面外変形量が求まる。この時も液晶素子１０８を位相
シフタに用いる。図中の１１６は液晶素子１０８の駆動
回路である。
【００１３】図１の構成で、物体の表面１０７と液晶素
子１０８の表示面は、共通の光軸上に配置されていて、
レンズ１０４と１０５で構成される共焦点結像系によ
り、互いに共役な関係で結ばれている。この共焦点結像
系の倍率は物体の大きさに合わせて、自由に選ぶことが
できる。不要な回折波を除くために、結像レンズ１１１
の焦点面に空間フィルタ１１２が配置されている。図中
１０３はハーフミラー、１１０は光路折り曲げ用の全反
射ミラーである。また、１１５はＴＶモニタであり、物
体の変形をあらわす干渉縞を実時間で表示する。本実施
例の液晶素子１０８には、マトリクス駆動型液晶素子を
用いた。この液晶素子は、各画素にＴＦＴ（薄膜トラン
ジスタ）を備え、画素間のクロストークが小さくかつ充
分な階調性が得られる。液晶分子の初期配向はホモジニ
アスであり、２π以上の連続的な位相変調が得られる
（第５１回応用物理学会講演予稿集２６ａ−Ｈ−１０参
照）。この液晶素子は、一方の直線偏光にだけ位相変調
を与えるので、さきに述べたように、参照光の偏光方位
を物体光の偏光方位と直交させておくことにより、共通
光路であっても物体光の位相だけに変調を加えることが
可能になる。この点が、液晶素子で位相変調をおこな
う、本発明の共通光路型干渉計の特徴でもある。
子１０８の表示面は、共通の光軸上に配置されていて、
レンズ１０４と１０５で構成される共焦点結像系によ
り、互いに共役な関係で結ばれている。この共焦点結像
系の倍率は物体の大きさに合わせて、自由に選ぶことが
できる。不要な回折波を除くために、結像レンズ１１１
の焦点面に空間フィルタ１１２が配置されている。図中
１０３はハーフミラー、１１０は光路折り曲げ用の全反
射ミラーである。また、１１５はＴＶモニタであり、物
体の変形をあらわす干渉縞を実時間で表示する。本実施
例の液晶素子１０８には、マトリクス駆動型液晶素子を
用いた。この液晶素子は、各画素にＴＦＴ（薄膜トラン
ジスタ）を備え、画素間のクロストークが小さくかつ充
分な階調性が得られる。液晶分子の初期配向はホモジニ
アスであり、２π以上の連続的な位相変調が得られる
（第５１回応用物理学会講演予稿集２６ａ−Ｈ−１０参
照）。この液晶素子は、一方の直線偏光にだけ位相変調
を与えるので、さきに述べたように、参照光の偏光方位
を物体光の偏光方位と直交させておくことにより、共通
光路であっても物体光の位相だけに変調を加えることが
可能になる。この点が、液晶素子で位相変調をおこな
う、本発明の共通光路型干渉計の特徴でもある。
【００１４】本実施例によれば、１）変形前の物体表面
の形状を記録する手段として液晶素子を用いることによ
り、形状データを更新するだけでさまざまな物体の変形
を容易にかつ高精度に計測できる、２）共通光路型の光
学配置を採用することによって、空気ゆらぎ等の外乱に
影響されにくくなり、計測精度が向上する、という効果
が生まれる。
の形状を記録する手段として液晶素子を用いることによ
り、形状データを更新するだけでさまざまな物体の変形
を容易にかつ高精度に計測できる、２）共通光路型の光
学配置を採用することによって、空気ゆらぎ等の外乱に
影響されにくくなり、計測精度が向上する、という効果
が生まれる。
【００１５】（実施例２）図２に本実施例の光学装置の
構成を示す。実施例１の構成と異なるのは、四分の一波
長板１０６の手前に、液晶セル２０１を配置した点であ
る。液晶セル２０１は、レーザ光源１００に近い側の表
面には反射防止膜が、反対側の面には反射増加膜が付加
されている。そして、この反射面で光を分割して参照光
を得る。他方、四分の一波長板１０６の両側の表面に
は、反射防止膜が付加されている。本実施例では、液晶
セル２０１を位相シフタとして使用し、液晶素子１０８
には物体の形状に対応する位相分布を表示するだけの機
能をさせる。
構成を示す。実施例１の構成と異なるのは、四分の一波
長板１０６の手前に、液晶セル２０１を配置した点であ
る。液晶セル２０１は、レーザ光源１００に近い側の表
面には反射防止膜が、反対側の面には反射増加膜が付加
されている。そして、この反射面で光を分割して参照光
を得る。他方、四分の一波長板１０６の両側の表面に
は、反射防止膜が付加されている。本実施例では、液晶
セル２０１を位相シフタとして使用し、液晶素子１０８
には物体の形状に対応する位相分布を表示するだけの機
能をさせる。
【００１６】本実施例の構成の要件である液晶セル２０
１はベタ電極構造である。もうひとつの液晶素子１０８
と同じく、液晶分子の初期配向はホモジニアスであり、
２π以上の連続的かつ線形的な位相変調が可能である。
この液晶セル２０１で位相変調を加える偏光方位を、液
晶素子１０８で位相変調を加える方位と直交させてお
く。このようにして、参照光にだけ位相シフトを与え
る。図中の２０２は液晶セルの駆動回路である。
１はベタ電極構造である。もうひとつの液晶素子１０８
と同じく、液晶分子の初期配向はホモジニアスであり、
２π以上の連続的かつ線形的な位相変調が可能である。
この液晶セル２０１で位相変調を加える偏光方位を、液
晶素子１０８で位相変調を加える方位と直交させてお
く。このようにして、参照光にだけ位相シフトを与え
る。図中の２０２は液晶セルの駆動回路である。
【００１７】液晶セル２０１を位相シフタとして使っ
て、実施例１と同じように、縞走査法により物体表面の
形状を求める。そして、求めた形状データを液晶素子１
０８へ戻して表示する。干渉縞を発生させる方法ならび
に解析する方法は、実施例１と同じである。
て、実施例１と同じように、縞走査法により物体表面の
形状を求める。そして、求めた形状データを液晶素子１
０８へ戻して表示する。干渉縞を発生させる方法ならび
に解析する方法は、実施例１と同じである。
【００１８】本実施例によれば、平らな波面を有する参
照光へ位相シフトを与えることができるので、計測精度
が一段と向上するという効果が加わる。
照光へ位相シフトを与えることができるので、計測精度
が一段と向上するという効果が加わる。
【００１９】なお、上記ふたつの実施例で引用したマト
リクス駆動型液晶素子の代わりに、光アドレス型液晶素
子を用いても同等以上の効果が得られる。
リクス駆動型液晶素子の代わりに、光アドレス型液晶素
子を用いても同等以上の効果が得られる。
【００２０】
【発明の効果】上記の実施例では、本発明を物体の変形
の計測へ応用した場合の効果について述べてきた。この
他にも、参照物体に対する被験物体の形状誤差を計測す
る用途にも、本発明は大きな効果をあげる。
の計測へ応用した場合の効果について述べてきた。この
他にも、参照物体に対する被験物体の形状誤差を計測す
る用途にも、本発明は大きな効果をあげる。
【図１】 本発明の実施例１の構成を示す平面図であ
る。
る。
【図２】 本発明の実施例２の構成を示す平面図であ
る。
る。
１００・・・・・・レーザ光源
１０１・・・・・・ビームエクスパンダ
１０２・・・・・・コリメートレンズ
１０３・・・・・・ハーフミラー
１０４・・・・・・レンズ
１０５・・・・・・レンズ
１０６・・・・・・四分の一波長板
１０７・・・・・・物体
１０８・・・・・・液晶素子
１０９・・・・・・偏光板
１１０・・・・・・全反射ミラー
１１１・・・・・・結像レンズ
１１２・・・・・・空間フィルタ
１１３・・・・・・カメラ
１１４・・・・・・コンピュータ
１１５・・・・・・ＴＶモニタ
１１６・・・・・・液晶素子の駆動回路
２０１・・・・・・液晶セル
２０２・・・・・・液晶セルの駆動回路
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平２−21207（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−245006（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−66378（ＪＰ，Ａ)
特表 平１−502616（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01B 9/00 - 11/30
G02F 1/13
Claims (8)
- 【請求項１】物体の形状を計測する光学装置において、 光源、前記光源側に反射面を有する複屈折板、液晶素
子、前記液晶素子の光出射側に配置した偏光板及び撮像
素子と、を有してなり、 前記光源からの光は、直線偏光として前記複屈折板に入
射し、前記反射面によって反射される参照光及び、前記
複屈折板を透過する物体光に分離され、 前記複屈折板を透過した後に前記物体で反射されて再び
前記複屈折板を透過した前記物体光の偏光方位と、前記
参照光の偏光方位と、が互いに直交するように、前記光
源及び前記複屈折板を配置してなり、 前記液晶素子は、入射する前記参照光及び前記複屈折板
を二度透過した前記物体光のうち前記物体光を位相変調
し、前記液晶素子を透過した 前記参照光及び前記位相変調さ
れた前記物体光が前記偏光板に入射され、前記偏光板か
ら出射する前記物体光及び前記参照光により形成される
干渉縞が前記撮像素子に入力されることを特徴とする光
学装置。 - 【請求項２】請求項１に記載の光学装置において、 前記偏光板の透過軸は、前記物体光の偏光方位と前記参
照光の偏光方位との間に設定されてなることを特徴とす
る光学装置。 - 【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の光学装置に
おいて、 前記光源と前記複屈折板との間に設けたコリメートレン
ズを更に有することを特徴とする光学装置。 - 【請求項４】請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記
載の光学装置において、 前記光源からの光を透過して前記複屈折板に向けて出射
すると共に、前記物体光及び前記参照光を反射し前記液
晶素子に向けて出射するハーフミラーを更に具備するこ
とを特徴とする光学装置。 - 【請求項５】物体の形状を計測する光学装置において、 光源、前記光源とは反対側に反射面を有する第１の液晶
素子、複屈折板、第２の液晶素子、前記第２の液晶素子
の光出射側に配置した偏光板及び撮像素子と、を有して
なり、 前記光源からの光は、直線偏光として前記第１の液晶素
子を透過し、前記反射面によって反射される参照光及
び、前記第１の液晶素子を透過し前記複屈折板に入射す
る物体光とに分離され、 前記複屈折板を透過した後に前記物体で反射されて再び
前記複屈折板を透過した前記物体光の偏光方位と、前記
参照光の偏光方位とが互いに直交するように、前記光源
及び前記複屈折板を配置してなり、 前記第１の液晶素子は、前記参照光を位相変調し、 前記第２の液晶素子は、入射する前記第１の液晶素子に
よって位相変調された前記参照光及び前記複屈折板を二
度透過した前記物体光のうち前記物体光を位相変調し、前記第１の液晶素子によって位相変調された 前記参照
光、及び前記第２の液晶素子によって位相変調された前
記物体光が前記偏光板に入射され、前記偏光板から出射
する前記物体光及び前記参照光により形成される干渉縞
が前記撮像素子に入力されることを特徴とする光学装
置。 - 【請求項６】請求項５に記載の光学装置において、 前記第２の液晶素子の出射側に配した偏光板を更に有
し、前記偏光板の透過軸は、前記物体光の偏光方位と前
記参照光の偏光方位との間に設定されてなることを特徴
とする光学装置。 - 【請求項７】請求項５又は請求項６に記載の光学装置に
おいて、 前記光源と前記複屈折板との間に設けたコリ
メートレンズを更に有することを特徴とする光学装置。 - 【請求項８】請求項５乃至請求項７のうちいずれかに記
載の光学装置において、 前記光源からの光を透過して前記複屈折板に向けて出射
すると共に、前記物体光及び前記参照光を反射し前記液
晶素子に向けて出射するハーフミラーを更に具備するこ
とを特徴とする光学装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32599391A JP3401793B2 (ja) | 1991-12-10 | 1991-12-10 | 光学装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32599391A JP3401793B2 (ja) | 1991-12-10 | 1991-12-10 | 光学装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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