JPH081371B2 - 実時間変位分布測定方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、変形格子パターンに間引き処理を施して形
成した等変位線を表わすモアレ縞により変位分布を測定
する変位分布測定方法および装置、特に、実時間で間引
き処理を施し得るようにした実時間変位分布測定方法お
よび装置に関するものである。

（従来の技術） 一般に、表面上に整一な純正格子パターンを描いた紙
を貼布するなどして純正格子パターンを表わした被測定
物を変形させたときに形成される変形格子パターンに間
引き処理を施すことにより、等変位線を表わすモアレ縞
が発生する。このようにモアレ縞を伴った変形格子パタ
ーンに画像処理を施すと、極めて正確に高速で被測定物
の変位分布を解析することが可能となり、その実用性は
高い。従来は、かかる変位分布の解析に必要な画像処理
を、例えばIMU−6004型の画像処理ユニットとPIMPOM式
のパーソナルコンピュータ用画像処理プログラムとを用
いて行なっていたが、パーソナルコンピュータを用いる
と、極めて多くのデータの処理を正確に行ない得る反
面、画像処理ユニットに取込んだ画像データをパーソナ
ルコンピュータに転送して解析するので、所要のモアレ
縞を得るまでに極めて多くの時間を要していた。

本発明者は、上述したモアレ縞による変位分布の解析
を極めて迅速に行ない得るようにするために、変形格子
パターンをテレビジョンカメラにより撮像した画像デー
タを処理して等変位線を表わすモアレ縞を伴った格子パ
ターンを表示する走査モアレ法をさきに提案した。

（発明が解決しょうとする問題点） しかしながら、上述した従来の走査モアレ法において
は、テレビジョンカメラによって変形格子パターンを撮
像した画像信号の走査線を間引くのに画像処理装置を用
いていたので、処理装置が高価であるのみならず、画像
処理装置による撮像出力画像信号の処理になお相当の時
間を必要とし、実時間で簡易に変位分布を測定し得な
い、という問題点があった。

本発明の目的は、上述した従来の問題点を解決し、変
形格子パターンの撮像出力画像信号から走査線を間引く
代りに、変形格子パターンの撮像出力画像信号を適切な
等間隔でサンプリングし、そのサンプル信号を一定時間
保持した後に出力することにより、間引きと同じ作用高
価を与えて、ほぼ実時間で等変位線を表わすモアレ縞を
発生させるようにした実時間変位分布測定方法および装
置を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明の特徴とする所は下記の通りである。

第１発明 被測定物の表面上に表わした純正格子パターンの当該
表面に生じて分布する変位に応じた変形により形成され
た変形格子パターンを撮像するテレビジョン撮像工程
と、その撮像工程により得た撮像出力画像信号を所定の
周期で標本化する標本化工程と、その標本化工程により
標本化した前記撮像出力画像信号の画素を前記変位の大
きさに適応して間引きする工程と、前記間引き工程の間
引き指数に対応した前記画像信号の所要画素の間引き期
間保持する保持工程と、その保持工程により保持された
標本化撮像出力画像信号のうち間引かれない画素の間引
かれた画素の当該保持期間に亘り継続的に表示装置に供
給してモアレ縞を形成する格子パターンをテレビジョン
画面として表示する表示工程と、前記画面のモアレ縞に
基づいて前記画像信号の１画面上の変位分布をテレビジ
ョン撮像のほぼ実時間である1/30秒以下で測定する工程
とを特徴とする実時間変位分布測定方法。

第２発明 被測定物の表面上に表わした純正格子パターンの当該
表面に生じて分布する変位に応じた変形により形成され
た変形格子パターンを撮像するテレビジョン撮像回路
と、その撮像回路により得た撮像出力画像信号を所定の
周期で標本化する標本化回路と、その標本化回路により
標本化した前記撮像出力画像信号の画素を前記変位の大
きさに適応して間引する間引き回路と、前記間引き回路
の間引き指数に対応した期間保持する保持回路と、その
保持回路により保持した標本化撮像出力画像信号のうち
間引かれない画素を間引かれた画素の当該保持期間に亘
り継続的に供給してモアレ縞を形成する格子パターンを
テレビジョン画面として表示する表示装置と、前記画面
のモアレ縞に基づいて前記画像信号の１画面上の変位分
布をテレビジョン撮像のほぼ実時間である1/30秒以下で
測定するよう構成したことを特徴とする実時間変位分布
測定装置。

（作 用） 本発明によれば、テレビジョンカメラを用いる走査モ
アレ法によりテレビジョン撮像のほぼ実時間である1/30
秒以下で被測定物の変位分布を測定することができる。

（実施例） 以下に図面を参照して実施例につき本発明を詳細に説
明する。

まず、被測定物の歪み分布や変位分布を測定するため
のモアレ法についてその一般的基礎を説明する。

一般に、規則正しく繰返す格子状の二つの画像を少し
ずらして重ね合わせたり、縮小や拡大をして重ね合わせ
ると、規則正しいモアレ縞が発生する。さらに、規則正
しい格子の一方がわずかに歪むとモアレ縞のパターンが
変化する。すなわち、この規則正しい格子を物体に描い
ておき、物体を変形させた後、別の変形していない規則
正しい格子と重ね合わせると、その物体の変形を示すモ
アレ縞が発生する。そのモアレ縞のパターンを解析する
ことにより格子の変形やひずみの分布を測定することが
できる。この測定法をモアレ法と呼び、このモアレ法に
ついては多くの文献があるが、ここでは、モアレ法の基
本的事項についてのみ具体例を示しながら説明する。

第１図（ａ）に示すように、正確にｙ方向に等間隔に
引いたｘ方向に平行な格子線を、変形について調べたい
試料に描いておき、これを変形させて第１図（ｂ）に示
すようになったとする。ここでは簡単のために一次元変
形を考え、各点が格子線に垂直の方向、すなわち、ｙ方
向にのみ移動したとする。この試料面上の変形した格子
をモデルグリッドと呼ぶ。第１図（ａ）のように変形し
ていない格子線を描いた透明な板を用意し、これをマス
タグリッドと呼ぶ。このマスタグリッドを変形したモデ
ルグリッドの上に重ね合わせると、第１図（ｃ）に示す
ようにモアレ縞が発生する。このモアレ縞の一部を拡大
して第１図（ｄ）に示す。第１図（ｄ）において、モア
レ縞の白い部分は、マスタグリッドの黒い線とモデルグ
リッドの黒い線との重なり合った部分およびマスタグリ
ッドの白い線とモデルグリッドの白い線とが重なり合っ
た部分であり、前者は黒色、後者は白色となり、縞の色
としては平均的に灰色となる。一方、モアレ縞の黒い部
分はマスタグリッドの黒い線とモデルグリッドの白い線
とおよびマスタグリッドの白い線とモデルグリッドの黒
い線とがそれぞれ重なり合った部分であり、いずれも黒
色となり、縞の色としても結果的に黒色となる。かかる
モアレ縞においてマスタグリッドの黒い線とモデルグリ
ッドの黒い線との重なり合った部分は、モデルグリッド
の黒い線が変形前の位置からその線のピッチp₀の整数倍
すなわちN_f倍だけずれたことを表わしている。一本に連
なっている縞はそのN_fの値が等しい線を表わしており、
結局、モアレ縞はピッチのN_f倍だけの変位u_yを表わす等
変位線であることが判る。すなわち、 u_y＝N_f・p₀ （１） が成立つ。この整数N_fを縞次数と呼ぶ。

かかるモアレ縞の縞間隔δ_ｙは、その間隔での変位量
が１ピッチ分であることを示している。したがって、オ
イラ歪みε_ｙは、 によって表わされ、縞間隔δ_ｙを測定すれば歪みが求ま
る。あるいは、 と表わされるので、縞次数N_fと距離ｙとの関係を示すグ
ラフを描き、そのグラフ上で縞次数N_fの勾配を測定して
も歪みが求まる。

第１図（ａ）に示すマスタグリッドを縮小あるいは拡
大してそのピッチを変えたものを元のマスタグリッドと
重ね合わせると、やはり第１図（ｅ）に示すようにモア
レ縞が発生する。そのうちの一方のグリッドをグリッド
線に垂直の方向に平行移動させると、その移動速度より
もはるかに高速でモアレ縞が移動する。これを利用し
て、ある一点を通過したモアレ縞の本数を数えることに
より、高感度のディジタル変位計が作られている。ま
た、この縮小あるいは拡大したマスタグリッドを変形し
たモデルグリッドに重ね合わせると、第１図（ｆ）に示
すようなモアレ縞が現われる。これは拡大や縮小をしな
いマスタグリッドを用いたときに発生する第１図（ｃ）
のモアレ縞とは異なっており、これを利用して、変形が
少ない場合にもモアレ縞の本数を増加させて計測精度を
上げることができる。このように、マスタグリッドとモ
デルグリッドとのピッチを変えたモアレ法をミスマッチ
モアレ法と呼ぶ。

一方、第１図（ａ）の変形していないマスタグリッド
を二枚重ね合わせた後に一方を他方に対してわずかに回
転させて傾けると、第１図（ｇ）に示すように、格子線
に垂直の方向に等間隔の平行なモアレ縞が発生する。ま
た、第１図（ａ）の変形していないマスタグリッドを第
１図（ｂ）の変形したモデルグリッドに重ねてわずかに
回転させると、第１図（ｈ）に示すモアレ縞が発生す
る。これは、第１図（ｃ）のモアレ縞と比べると、その
縞の形状は異なっているが、同様の変位の情報を有して
おり、これを解析することによって歪み分布を求めるこ
とができる。このように、モデルグリッドに対してマス
タグリッドを傾けて重ね合わせる方法をミスアライメン
トモアレ法と呼ぶ。この場合にも、ミスマッチモアレ法
と同様に、変形が少ない場合にモアレ縞の本数を増加さ
せて解析の精度を上げることができる。

以上に述べたモアレ法はグリッドを描いた面内の変形
について行なうものであったが、さらに、その面に垂直
の面外の変形を計測するモアレ法として、シャドウモア
レ法や反射モアレ法がある。

シャドウモアレ法においては、面外変形をした試料の
手前に基準格子を置き、さらにその手前に光源を置いて
試料の面上に投影された基準格子の変形した影と元の基
準格子との干渉によって同様にモアレ縞を発生させ、そ
のモアレ縞を解析することによって試料の面外変形を測
定する。また、反射モアレ法は、鏡面にした試料の表面
が面外に変形したときに映す基準格子の変形した像を別
の基準格子と重ね合わせることによって発生するモアレ
縞を解析するモアレ法であり、捩り問題の薄膜類似解析
などに用いられる。

さらに、凹凸のある試料面上に一方向からグリッドを
投影し、他の方向からカメラでその投影したグリッドを
撮影したときにフィルムの前面に投影したグリッドと同
じグリッドを重ねて置くと、このグリッドと撮影したグ
リッドとの干渉によってフィルム面上にモアレ縞が発生
する。このモアレ縞は試料の等高線を表わしている。こ
のモアレ法はモアレトポグラフィと呼ばれ、人体の形状
計測などに利用されている。

このように、モアレ縞を用いて種々の変形を計測する
ことが可能であるが、ここでは、面内変形の場合におけ
る歪み計測の例について述べる。

モアレ縞から歪みを解析するには、式（２）を用いて
縞間隔を測定するか、あるいは、式（３）を用いて等変
位線を表わすモアレ縞の縞次数をグラフ用紙にプロット
してその勾配を求めればよい。しかしながら、このモア
レ法は非常に手間が掛り、解析が困難である。そこで、
コンピュータを利用した画像処理により、モアレ縞の解
析の自動化を行なう研究がいくつか発表されている。

しかして、画像処理装置は、従来は極めて高価であ
り、誰でも簡単に使うというわけにいかなかったが、最
近はパーソナルコンピュータを用いた画像処理システム
も用いられるようになり、安価に手軽に画像処理が行な
えるようになった。本発明者もパーソナルコンピュータ
用会話型汎用高速画像処理プログラム“PIMPOM"を開発
して公開している。写真などの画像処理は、今後、この
ようにコンピュータを用いた画像処理に置き換わるもの
と考えられる。

上述のようにコンピュータを利用することにより、モ
アレ縞解析の手間が省かれて解析時間が短くなるだけで
はなく、コンピュータが有する種々の利点を活用するこ
とにより、人手で解析していた従来の方法では不可能な
新しい解析方法を開発することも可能である。以下に述
べるシフトモアレ法や走査モアレ法もその利点を有効に
活用したものである。

以下に、本発明者が使用しているモアレ法、すなわ
ち、 （１） 変形したモデルグリッドを平行移動（シフト）
させて重ね合わせることにより発生する等歪み線を示す
モアレ法（シフト法） （２） モデルグリッドとテレビジョンカメラの走査線
との干渉によってモアレ縞を発生させる走査モアレ法 （３） 高感度のモアレ法としてのモアレ干渉法 について、その基本原理と画像処理による解析技術とを
詳細に説明する。

（１） シフト法による歪み計測 第１図（ａ）に示したように、変形前にはｙ方向に垂
直であってピッチがp₀の等間隔であったモデルグリッド
が第１図（ｂ）に示したようにｙ方向にのみ変形した場
合における歪み分布を考える。このように変形したグリ
ッドをｙ方向に平行移動させて平行移動前のグリッドと
重ね合わせると、第２図（ａ）に示すようなモアレ縞が
発生する。

いま、平行移動量をＳとし、各点におけるモアレ縞の
縞次数をN_fとし、変形後のグリッド間隔すなわちピッチ
をｐとすると、Ｓ＝N_f・ｐの関係が成立つところにモア
レ縞が発生する。このとき、オイラ歪みε_ｙは、 で表わされる。すなわち、縞次数N_fが同じであれば、歪
みε_ｙも同じになり、そのときのモアレ縞は等歪み線を
表わしている。

さて、上述の平行移動は、従来のモアレ法においては
正確に平行に移動させるのが困難であったが、画像処理
装置を用いて平行移動を行なうと、容易に正確に行なう
ことができる。また、従来のグリッドを二枚重ねるモア
レ法においては、一般に濃度値の積の演算が行なわれ
る。すなわち、黒を０、白を１で表わすと、黒と白とが
重なった部分は０×１＝０で黒となり、モアレ縞の黒い
縞が現われる。ところが、モアレ縞の白い縞が現われる
黒と黒とおよび白と白との重なりが繰返される部分に
は、演算の結果、黒と白とが交互に現われる。このよう
に、積の演算が行なわれる場合には、第２図（ａ）に示
したように、白い縞の部分には黒と白との元のグリッド
も現われ、縞のコントラストも悪く、モアレ縞のみを抽
出するのが困難である。これに反し、画像処理装置を用
いると、第２図（ｂ）に示すように二枚のグリッドの濃
度値の差の絶対値などを簡単に演算して求めることがで
き、その演算結果を画像として出力すると、黒と黒とお
よび白と白とが重なり合った部分はいずれも黒となり、
逆に、黒と白との重なった部分は白となる。したがっ
て、白と縞と黒い縞とを完全に分離することができ、モ
アレ縞のコントラストを高くして見易くすることができ
る。また、第２図（ｃ）に示すように、第２図（ｂ）に
示した画像に平滑化と二値化との処理を施して元のグリ
ッド像を完全に消去し、モアレ縞のみを抽出することも
容易である。かかるモアレ縞を細線化して等歪み線を求
めた結果を第２図（ｄ）に示す。

また、剪断歪み分布も、平行移動をｘ方向に行なうこ
とにより、同様の手続きによって容易に求めることがで
き、その例を第２図（ｅ）および（ｆ）にそれぞれ示
す。

上述のような平行移動の重ね合わせによるモアレ法
は、直接に等歪み線を求めるのであるが、歪みの値が広
い範囲に亘って分布していないと解析しにくい。すなわ
ち、歪み分布が均質な場合には、等歪み線の本数が０本
となり、解析し得ず、また、このモアレ法においては、
結果的に平行移動によってずらしな長さの部分の平均的
歪みを求めているのであるから、急激に変化する歪みの
値は正確には計測し得ない。しかも、平行移動によって
ずらした面積の分だけ重ね合わせることができない領域
が生ずるので、歪み分布が得られる領域が狭くなるとい
う欠点がある。しかしながら、マスタグリッドが不要で
あって、テレビジョンカメラによって変形したモデルグ
リッドを撮像することさえできれば、歪み分布を求める
までの処理が容易であり、極めて高速で解析を行ない得
るので、便利である。

つぎに、第３図（ａ）〜（ｃ）には、円孔を有するゴ
ム帯板の歪み分布を求めた例を示す。変形前に横方向に
平行なグリッドを描いたゴム帯板を上下方向に引張った
場合には、図示のように、最初真円であった孔が大きく
変形して長円になっている。第３図（ａ）はテレビジョ
ンカメラにより撮像した入力画像であり、変形前100本
のグリッドが400画素の長さになるようにしてある。ま
た、第３図（ｂ）には、変形後の画像を80画素分下方に
ずらして元の画像と重ね合わせ、濃度値の差の絶対値を
求めたものを示し、さらに、第３図（ｃ）には、これを
二値化、細線化して求めた等歪み線を示す。

（２） 走査モアレ法による歪み解析 走査モアレ法は、マスタグリッドの代わりにテレビジ
ョンカメラの走査線を利用するモアレ法である。したが
って、シフト法におけると同様に、マスタグリッドが不
要であり、試料にモデルグリッドを描くことができれ
ば、どのような物体の計測にも利用することができる。

この走査モアレ法によりモアレ縞の発生の原理は、サ
ンプリング理論とフーリエ変換とを用いて説明すること
ができるが、ここでは、第４図を用いて簡単に説明す
る。第４図における図形（ａ）は、テレビジョンカメラ
の走査線の位置を示し、図形（ｂ）は試料に描いたモデ
ルグリッドの変形後の状態を示す。なお，変形前にはモ
デルグリッドのピッチを走査線のピッチに一致させてお
く。しかして、図形（ｂ）のモデルグリッドが図形
（ａ）の走査線の位置でサンプリングされたときに、走
査線がモデルグリッドの黒い線の上にあれば、黒い線の
画像が得られ、また、走査線がモデルグリッドの白い線
の上にあれば、白い線の画像が得られる。このようにし
て得られた画像を図形（ｃ）に示す。試料の歪みが小さ
いときは、モデルグリッドのピッチとテレビジョンカメ
ラの走査線のピッチとはほぼ等しく、図形（ｃ）に示し
たように、白い線の画像と黒い線の画像とが塊まって現
われ、認識し易いモアレ縞を表わす。ところが、図形
（ｄ）に示すモデルグリッドのように、歪みが大きくな
った場合には、モデルグリッドのピッチが走査線のピッ
チのほぼ３倍になっている。かかるモデルグリッドをテ
レビジョンカメラによって撮像したときの画像は、図形
（ｅ）に示すように、白い線の画像と黒い線の画像とが
ほぼ交互に現われ、モアレ縞として認識するのが困難で
ある。かかる場合には、走査線を２本毎に１本ずつ間引
くと、図形（ｆ）に示すように、白い像と黒い像とが分
離されて認識可能なモアレ縞が現われる。また、逆に間
引かれた走査線による画像のみを取出すと、すなわち、
間引きの位相をπだけずらすと、図形（ｇ）に示すよう
になる。一方、図形（ｅ）の画像の走査線を３本毎に１
本ずつ取出すようにして間引くと、図形（ｈ）に示すよ
うになる。なお、図形（ｈ）は３本のうち最初の１本目
の走査線を取出したものであるが、最初から２本目の走
査線だけを取出すと、図形（ｉ）の画像になり、３本目
の走査線だけを取出すと、図形（ｊ）の画像になる。こ
のように、間引きの際に何本目の走査線を取出すかを決
める位相を変更すると、その分だけ縞の位相も変化す
る。したがって、間引きの位相を変えることによって小
数次数のモアレ縞を発生させることも可能となる。とこ
ろで、図形（ｆ）〜（ｊ）に示した画像のように、走査
線を間引いたままでは見難い画像となるので、間引いた
部分にはそのすぐ上の間引かなかった走査線の画像をそ
のまま表わして描くと見易い画像となる。図形（ｋ）は
図形（ｊ）の画像をそのまま表わして得られた画像であ
る。

上述の間引き処理は一種のミスマッチモアレ法であ
り、かかる走査線間引きは画像処理装置によって行なう
ことができる。いま、第１図（ｂ）に示したと同じ変形
モデルグリッドをテレビジョンカメラによって撮像し、
その出力画像信号の走査線を間引いてＮ本毎に１本の走
査線を取出して間引き指数Ｎとすると、モアレ縞が現わ
れる。そのモアレ縞におけるｙ方向の縞間隔δ_ｙと歪み
ε_ｙとの間にはつぎの関係がある。

ここで、λはミスマッチ係数であり、テレビジョンカ
メラの走査線のピッチｐ′と変形前のマスタグリッドの
ピッチp₀との比である。

このモアレ法を用いると、応力集中などのように、計
測したい試料の領域の一部に大きい歪みを含む場合にお
いても、変形したモデルグリッドをテレビジョンカメラ
によって撮像することにより得られた１枚の画像があれ
ば、間引き指数Ｎを変えることによって現われる縞間隔
を変えることができ、大きい歪みも小さい歪みも解析す
ることができる。また、一般に、モアレ法においては、
注目している縞の隣の縞の縞次数が増えているのか減っ
ているのかを判定するのが困難であるが、走査モアレ法
においては、間引きの際に、Ｎ本のうちの何本目の走査
線を取出すかという間引きの位相を変えて縞が移動する
方向を見れば、変位の増減を容易に調べることができ
る。第５図は、第１図（ｂ）に示した100本の格子線か
らなるモデルグリッド走査線400本でテレビジョンカメ
ラにより撮像し、間引き指数Ｎ＝４の間引きを施すこと
によって得られたモアレ縞であり、この図の左半分は、
４本のうち最初の１本目の走査線を取出すことによって
得られたモアレ縞であり、また、右半分は４本のうち最
初から２本目の走査線を取出すことによって得られたモ
アレ縞である。すなわち、引張領域である図の上側で
は、右の縞が左の縞よりπ/2の位相分だけ下側にあり、
逆に、圧縮領域である図の下側では、右の縞が左の縞よ
りπ/2の位相分だけ上側にある。したがって、上側では
下へ行くほど縞次数が増加し、逆に、下側では下へ行く
ほど縞次数が減少していることが判る。

この走査モアレ法を用いたモアレ縞解析の例を第６図
（ａ），（ｂ）および第７図（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ
示す。第６図（ａ），（ｂ）は、変形前に横方向に平行
のグリッドを描いたステンレス鋼の帯板を上下方向に引
張った場合に生じたクラックの近傍の変形を解析したも
のである。同図（ａ）は変形中にテレビジョンカメラに
よって撮像した入力画像を示し、同図（ｂ）は同図
（ａ）の走査線を４本に１本だけ取出して他を間引いた
場合に現れたモアレ縞を示す。これらのモアレ縞は0.1m
mごとの等変位線を表わしている。

一方、第７図（ａ）〜（ｃ）は第３図（ａ）に示した
ゴム帯板を走査モアレ法によって解析した例であり、同
図（ａ）には走査線を間引いて４本に１本の走査線を取
出した場合すなわち間引き指数Ｎ＝４の場合に発生する
モアレ縞を示し、同図（ｂ）には同様に走査線を間引い
て６本に１本の走査線を取出した場合すなわちＮ＝６の
場合に発生するモアレ縞を示す。なお、同図（ｃ）は、
同図（ｂ）のモアレ縞から数百点の歪みを求め、スプラ
イン関数による補間平滑化によって得られた歪み分布を
示したものである。

（３） モアレ干渉法 モアレ干渉法は、ディ・ポストらによって開発された
変位分布測定方法であり、加藤らにより改良され、応用
されている。この変位分布測定方法は、試料格子として
空間周波数500〜2000本/mmの回折格子を用いているの
で、前述したモアレ法や走査モアレ法よりも遥かに微小
な変位を測定することができる。

第８図に示すように、試料の表面にピッチd₀、空間周
波数f₀＝1/d₀の回折格子を貼り付ける。この回折格子
は、極めて薄いアルミニウムの蒸着膜からなっており、
レーザ光線の干渉縞を記録したホログラフィ用乾板を型
にして作成する。いま、この試料に平面波頭を有する平
行なレーザ光線Ａを角度αで入射させて、 sinα＝f₀λ （６） としたときに、一次の回折光A_dは平面の波頭をもって試
料面に垂直に現われる。ここで、λは使用する光の波長
である。回折光B₀も同様に入射角−αで入射させる。

これらの回折光ＡとＢとの交わる領域においては、互
いが干渉し合って三次元的な干渉縞が存在している。こ
の干渉縞の試料面上での周波数ｆは、試料格子の周波数
f₀のちょうど２倍となっており、したがって、この系は
周波数f/2の試料格子と周波数ｆの参照格子とを重ね合
わせたモアレ法とみなすことができる。

試料が変形していないときには、回折光A_d,B_dともに
試料の表面に平行な平面波頭をもって現われるために干
渉縞は生じないが、試料が変形するとその変形に伴って
試料格子も歪むので、回折光の角度がわずかにずれ、回
折光A_dとB_dとの波頭が平行ではなくなる。かかる二つの
回折光の重ね合わせによって干渉縞が生ずる。このと
き、N_f次の干渉縞は Ｕ＝N_f/f₀ （７） によって表わされる変位Ｕの等高線となっている。

上述したモアレ干渉法の長所の一つは、A,Bいずれか
一方の回折光の入射角をわずかに変化させることによ
り、ミスマッチやミスアライメントを簡単に与えられる
ことである。すなわち、試料が変形していないときに、
一方の回折光の入射角を少しだけ変えると、第１図
（ｈ）に示したミスアライメントの場合と同様に、干渉
縞がピッチの等しい平行なものとなり、この縞は試料の
変形の情報は何も含んでいない。かかる縞をキャリアと
呼ぶ。かかる状態において試料が変形すると、キャリア
はその変形に応じて少し変化し、変形の情報を含むこと
になる。試料の変形前と変形後とにおけるキャリアパタ
ーンを１枚のフィルムに二重露光すると、通常のモアレ
法におけるグリッドの重ね合わせの場合と同様にモアレ
縞が生ずる。したがって、このモアレ縞から変位を計算
することができる。

上述したモアレ干渉法の適用例として、第３図（ａ）
〜（ｃ）に示した場合と同じような形状の円孔を有する
プラスチック帯板の引張りを行なった場合における歪み
分布の解析例を第９図（ａ），（ｂ）に示す。第９図
（ａ），（ｂ）は円孔の近傍の応力集中部のみを拡大し
て表示したものであり、同図（ａ）は変形後の帯板にレ
ーザ光線の入射角をわずかに変えてミスアライメントを
与えた場合のキャリアパターンをテレビジョンカメラに
よって撮像した画像を示し、その画像を画像処理によっ
てシフトさせて重ね合わせた結果、得られた等歪み線を
同図（ｂ）に示す。なお、縞１本が6.0×10^-4の歪みを
表わしている。

以上に詳述したように、モアレ法は比較的古くから用
いられている歪みや変位の計測法であるが、その解析に
長大な時間を要するために、従来の解析の適用例は歪み
ゲージによるものほど多くない。しかしながら、二次元
の歪み分布が得られるので、その解析の有効性は大き
い。前述したように、最近、画像処理装置を用いて解析
が容易に行なえるようになったので、このモアレ法は今
後ますます使われるようになるとみられる。

上述したシフト法を用いると容易に歪み分布を求める
ことができたが、本発明者は、さらに、テレビジョンカ
メラの出力から直接にハードウェアによって画像の重ね
合わせを行ない、テレビジョン撮像のほぼ実時間である
1/30秒以下で歪み分布や変位分布を求める方法および装
置を開発したので、極めて簡単に歪み分布を求めること
ができるようになった。

さらに、モアレ干渉法を用いれば微小歪みも解析する
ことができるので、モアレ法の適用範囲が拡大される
が、このモアレ干渉法においては、回折格子を作製し、
試料の表面上に貼り付けるのに技術と時間とを必要とす
るので、これを容易に行なうことができるようにするた
めに、本発明者は、熱プレスを用いて安価で大量に製作
し得るシート状の回折格子を開発し、容易に弾性歪み分
布や変位分布を計測し得るようにして、その利用度をま
すます増大させた。

なお、モアレ縞の解析に用いた画像処理システムには
安価なパーソナルコンピュータを用いて、使い易くして
あり、本発明者は、この画像処理システムを用いて、ホ
ログラフィ干渉法による三次元変形計測や粉体の粒子形
状解析なども行ない、さらに、画像データをフロッピィ
ディスクに入れれば、特別な画像処理装置を用いずに、
パーソナルコンピュータのみを用いて画像処理を行ない
得るプログラムも開発したので、かかる安価な画像処理
システムを用いた解析の増大が見込まれる。

しかして、前述したように、変形前にピッチP₀のマス
タグリッドが、ピッチＰのモデルグリッドに変形したと
すると、このときの歪みεは、オイラの歪みを用いて表
わすと、 となり、変形後のピッチＰは、 となる。いま、長さＳだけ変形した方向にモデルグリッ
ドをずらして重ね合わせたときに生ずるモアレ縞は、長
さＳにおける平均ピッチＰと長さＳとの間にＳ＝NPなる
関係が成立する場所に発生する。ここで、Ｎは整数であ
り、モアレ縞の縞次数を表わす。

よって（２）式より、長さＳは となり、歪みεについて解くと、 となる。式（10）は、移動前と移動後との間の平均歪み
を表わしている。また、剪断歪みγ_xyは、平面において
は、u,vをそれぞれx,yの変位成分とすると、 と表わされるが、一次元の変形の場合には、ｕ＝０とし
て となるので、垂直歪みが と表わされることを考えれば、剪断歪みについては、変
形した方向に対して垂直の方向にモデルグリッドをずら
して重ね合わせるのがよいことが判る。

なお、前述した歪み解析装置の機能について略述する
と、 この装置は、実時間で映像信号を処理することを目的
として設計したものであり、その特徴はつぎのとおりで
ある。

（１） １画面（1050画素×512画素）の画像処理を高
速（30画面／秒）に行えるので、荷重が変化していると
きの等歪み線や等変位線を目視することができる。

（２） 等歪み線を表示させる場合に、横方向の移動量
は最大1050画素まで、縦方向の移動量は最大13画素ま
で、ともに１画素ずつ設定することができる。縦方向の
移動量はメモリ容量を増やすことにより増大させること
が可能である。

（３） 等変位線を表示させる場合に、間引き量を最大
255画素まで１画素ずつ設定することができる。

（４） テレビジョンカメラとモニタとの間にこの装置
をアダプタとして接続するだけで映像信号の処理を行な
うことができ、しかも、装置の体積が小さいので、簡単
に移動させることができる。

また、この装置の構成は第10図に示すとおりである。

第10図示の構成中、要部のみについて若干説明すれば
つぎのとおりである。

（ａ） サンプリング回路 この装置が扱っている画像信号は、入出力ともにモノ
クロームもしくはNTSCコンポジット信号であり、入力装
置にはテレビジョンカメラを用いる。NTSC信号の水平走
査期間は63.5μｓであるが、この期間内には水平同期パ
ルスと水平帰線消去パルスとが含まれており、実際に表
示に関係する有効水平走査期間は52.5μｓである。この
装置のテレビジョン画像に対するサンプリング周波数は
20MHzであるので、１水平走査期間当りの画素数は1050
画素となる。１画素当りの濃度レベルは１ビットであ
り、入力段階でコンパレータを用いて二値化を行なって
いる。コンパレータにしきい値すなわち比較基準電位と
映像信号とを入力すると、第11図に示すように、二値化
レベルよりも電圧の高い所はハイレベルで白くなり、低
いところはロウレベルで黒くなる。

（ｂ） 同期信号の分離 NTSC信号は複合映像信号であり、１本のケーブルで映
像を送ることができるようにするために、同期に必要な
垂直同期信号と水平同期信号とが映像信号とともに送ら
れている。この装置は同期信号を作成する回路を有して
いないので、テレビジョンカメラから入力した複合映像
信号より複合同期信号を分離し、後で再び映像信号に合
成して出力している。なお同期信号の分離はコンパレー
タにより簡単に行なえる。NTSC信号においては、第12図
に示すように、同期信号期間の信号レベルがブランキン
グレベル以下であるので、コンパレータのしきい値をブ
ランキングレベル以下の適当な値にセットすれば同期信
号を分離することができる。また、この信号をもとにし
て帰線消去パルスを合成している。

（ｃ） 画像メモリ 画像メモリは、16キロビット／チップのスタティック
RAMを用いている。１水平走査期間を記憶するのに1264
画素×１ビット必要とするので、縦13画素分まで移動さ
せることができる。使用したメモリはHM6116型であり、
アクセスタイムは150nsである。この装置のメモリサイ
クルは400nsであり、メモリにはシフトレジスタを用い
て８画素分のデータの読出しおよび書込みを同時に行な
っている。したがって、１画素当りのサンプリング周期
は50nsとなり、画像の入出力を極めて高速で行なうこと
ができる。第13図は二値化した画像データをシフトレジ
スタにより８画素分のパラレルデータに変換する回路を
示す。シフトレジスタにはサンプリング周波数f_sが加え
られ、シフトレジスタの出力は８ビットのレジスタに接
続されている。このレジスタにはサンプリング周波数と
してf_s/8が加えられており、シフトレジスタから出力す
るパラレルデータを８画素ずつ１度に記憶する。

この装置の画像メモリにおける１メモリサイクルの使
用法としては、最初の半サンクルでアドレス生成回路に
より生成されたアドレスＸに８画素分の書込みが行なわ
れ、次の半サイクルでアドレスＸにオフセットＹが加え
られたアドレス（Ｘ＋Ｙ）から８画素分の読出しが行な
われる。画像の処理としては、アドレスＸの内容とアド
レス（Ｘ＋Ｙ）の内容とをそれぞれシフトレジスタによ
りシリアルデータに変換して１画素分ずつ差の絶対値を
とる演算が行なわれる。

また、第10図示の装置に対するリアルタイム歪み解析
装置としての使用方法はつぎのとおりである。

（ａ） 装置の設定方法 この装置のビデオ信号は、入出力ともに、モノクローム
もしくはNTSC方式を用いてある。黒いピンジャックは入
力端子であり、テレビジョンカメラからの出力を接続す
る。赤いピンジャックは出力端子であり、モニターの入
力に接続してある。コネクタCN1にGND、＋5Vを接続し、
コネクタCN2に＋12V、GND、−12Vを接続する。

ボリュームVR1およびVR3はそれぞれ垂直同期分離レベ
ルおよび帰線消去期間の調整用ボリュームであり、通常
は使用しない。ボリュームVR2は二値化を行なうレベル
を設定するものであり、画像を見ながら適当なレベルに
調整する。

（ｂ） シフト法による垂直歪みの表示方法 スイッチSW16をオンにして、スイッチSW15をシフト側
にすることにより、入力した画像を表示している状態に
なるので、テレビジョンカメラのピントや絞りなどの調
整を行なう。この調整が終ると、スイッチSW16をオフに
する。この状態ですでにシフト法による重ね合わせが行
なわれているので、スイッチSW1からスイッチSW14まで
を使ってシフト量を設定する。その設定方法は、スイッ
チの並び方が２進数表現になっており、スイッチSW1が
最小桁、スイッチSW14が最大桁である。例えば、133画
素シフトさせたい場合には、133＝１×2⁷＋１×2²＋１
×2⁰であるので、スイッチSW8,SW3,SW1をオンにすれば
よい。

（ｃ） 間引きによる等変位線の表示方法 テレビジョンカメラの調整方法や間引きの画素数の設
定方法については、シフト法の場合と同じであり、間引
き表示への切替えは、選択回路10をシフト側の排他的オ
アゲート９より間引側のレジスタ12に切替えればよい。

この場合は回路３より回路９は切離され、二値化回路
１の出力が直接レジスタ12に入る。変位の大きさに適応
して設定される間引き指数Ｎの設定はカウンタ13で行な
う。最初に標本化された画像信号はレジスタ12に記憶さ
れ、さらに、設定されたカウンタ数の画素分だけ同じ画
像信号が保持される。すなわち、標本化した撮像出力画
像信号の画素を間引きし、間引き指数に対応した所要画
素数のメモリ分、その信号を保持し、継続的に出力す
る。間引きされた出力信号はミクサ22において、同期信
号分離回路２で分離した同期信号と合成された後、モニ
タテレビ23に送られ、モアレ縞を形成する格子パターン
をテレビジョン画面として実時間に表示する。この画面
のモアレ縞に基づいて、画像信号の１画面上の変位分布
をテレビジョン撮像の実時間である1/30秒以下で測定す
ることができるようにしたものである。この場合には、
回路３ないし９及び回路14〜17の歪測定回路は選択回路
10の切替えにより切離され間引き表示回路になる。な
お、間引き量の設定は最大で256画素である。なお、前
記の同期信号は特に同期分離回路２を設けずに別途に作
ったもので同期をとってもよい。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、被
測定物の表面に描いた変形格子パターンをテレビジョン
カメラにより撮像した画像信号を即時に処理して、テレ
ビジョン撮像のほぼ実時間である1/30秒以下で変位分布
の測定を行うことができるので、従来法ではこの処理に
コンピュータを使用し、モアレ縞の歪量を書込み、読出
しを同時に行う等する複雑な画像処理に１分〜30分を要
したものを、本発明では1/30秒即ち1/1800〜1/54000も
の短時間で処理できる工業上顕著な効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図（ａ）〜（ｈ）はモアレ縞発生原理を順次に示す
線図、 第２図（ａ）〜（ｆ）はシフト法による歪み分布計測の
態様をそれぞれ示す線図、 第３図（ａ）〜（ｃ）はシフト法による歪み分布計測の
他の態様をそれぞれ示す線図、 第４図は走査モアレ法の測定原理を順次に示す線図、 第５図は間引き位相を変えた場合におけるモアレ縞発生
の態様を示す線図、 第６図（ａ），（ｂ）は走査モアレ法による変位分布解
析の態様をそれぞれ示す線図、 第７図（ａ）〜（ｃ）は走査モアレ法による歪み分布解
析の態様をそれぞれ示す線図、 第８図はモアレ干渉法の測定原理を示す線図、 第９図（ａ），（ｂ）はモアレ干渉法にる歪み分布解析
の態様をそれぞれ示す線図、 第10図は本発明装置の構成例を示すブロック線図、 第11図は同じくその装置の要部の動作波形の例を示す信
号波形図、 第12図は同じくその装置の他の要部の動作波形の例を示
す信号波形図、 第13図は同じくその装置のさらに他の要部の詳細構成の
例を示すブロック線図である。 １……二値化回路、２……同期分離回路 ３……直並列変換回路、4,5,21……ラッチ回路 6,8……並直列変換回路、７……メモリ ９……排他的オアゲート、10,17……選択回路 11……ミクサ、12……レジスタ 13……カウンタ、14……アドレスカウンタ 15……オフセット回路、16……加算器 18……コンパレータ、19……ポテンシォメータ 20……シストレジスタ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定物の表面上に表わした純正格子パタ
   ーンの当該表面に生じて分布する変位に応じた変形によ
   り形成された変形格子パターンを撮像するテレビジョン
   撮像工程と、その撮像工程により得た撮像出力画像信号
   を所定の周期で標本化する標本化工程と、その標本化工
   程により標本化した前記撮像出力画像信号の画素を前記
   変位の大きさに適応して間引きする工程と、前記間引き
   工程の間引き指数に対応した前記画像信号の所要画素の
   間引き期間保持する保持工程と、その保持工程により保
   持された標本化撮像出力画像信号のうち間引かれない画
   素を間引かれた画素の当該保持期間に亘り継続的に表示
   装置に供給してモアレ縞を形成する格子パターンをテレ
   ビジョン画面として表示する表示工程と、前記画面のモ
   アレ縞に基づいて前記画像信号の１画面上の変位分布を
   テレビジョン撮像のほぼ実時間である1/30秒以下で測定
   する工程とを特徴とする実時間変位分布測定方法。
2. 【請求項２】被測定物の表面上に表わした純正格子パタ
   ーンの当該表面に生じて分布する変位に応じた変形によ
   り形成された変形格子パターンを撮像するテレビジョン
   撮像回路と、その撮像回路により得た撮像出力画像信号
   を所定の周期で標本化する標本化回路と、その標本化回
   路により標本化した前記撮像出力画像信号の画素を前記
   変位の大きさに適応して間引きする間引き回路と、前記
   間引き回路の間引き指数に対応した期間保持する保持回
   路と、その保持回路により保持した標本化撮像出力画像
   信号のうち間引かれない画素を間引かれた画素の当該保
   持期間に亘り継続的に供給してモアレ縞を形成する格子
   パターンをテレビジョン画面として表示する表示装置
   と、前記画面のモアレ縞に基づいて前記画像信号の１画
   面上の変位分布をテレビジョン撮像のほぼ実時間である
   1/30秒以下で測定するよう構成したことを特徴とする実
   時間変位分布測定装置。