JPH09280832A

JPH09280832A - レーザ非接触伸び計

Info

Publication number: JPH09280832A
Application number: JP8092185A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Maeda; 裕樹前田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1996-04-15
Filing date: 1996-04-15
Publication date: 1997-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】試験の進行に伴って試験片の状態が変化して
も、確実にスペックルパターンを捕らえて伸びを計測し
得るレーザ非接触伸び計を提供する。【解決手段】試験片Ｗによるレーザ光の散乱光を入射
するイメージセンサｂの出力に含まれるスペックルパタ
ーンのコントラストが設定値以上となるように、センサ
駆動回路ｃからのスタートパルスの供給周期を自動的に
変化させるセンサ露光時間制御手段ｅを設けることで、
試験片Ｗの状態変化に対応した最適な露光時間のもとに
スペックルパターンを光電変換する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試験片の表面にレ
ーザ光を照射することによって得られるスペックルパタ
ーンを利用して、その試験片の伸びを非接触のもとに計
測する、いわゆるレーザ非接触伸び計に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光等の干渉性の良好な光を物体の
表面に照射したときに得られるスペックルパターンを利
用することにより、物体の変位情報を非接触のもとに得
る方法が知られている。

【０００３】このようなスペックルパターンを利用して
変位情報を得る場合、基本的には、物体の表面からのレ
ーザ光の散乱光を、イメージセンサによって一定の微小
時間ごとに光電変換することによって刻々のスペックル
パターンに応じた電気信号を得るとともに、その刻々の
信号の相互相関関数を求めることによりスペックルパタ
ーンの刻々の移動量を求め、その移動量から物体の変位
情報を得る。

【０００４】このような原理を用いて、材料試験に供さ
れる試験片の２箇所（標点）間の伸びを非接触のもとに
計測するレーザ非接触伸び計が既に提案されている（例
えば特開平８−４３０６号）。このようなレーザ非接触
伸び計においては、イメージセンサによって受光される
試験片からの散乱光のうち、試験片上にあらかじめ設定
された２箇所（標点）に対応する位置からの散乱光を用
いて、それぞれの箇所におけるスペックルパターンの移
動量を個別に求めるとともに、その差を算出することに
よって、試験片上の２つの標点間の伸びを求める。

【０００５】このようなスペックルパターンを利用した
非接触伸び計によれば、あらかじめマークや突起を設け
た試験片を撮影して、その映像信号から試験片の伸びを
計測する、いわゆる光学式の伸び計に比して、試験片に
マークや突起等を一切設ける必要がない、という利点が
ある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上のよう
なスペックルパターンを利用したレーザ非接触伸び計を
用いて、引張試験における試験片の伸びを計測すると
き、試験の進行に伴って以下に示すような問題が生じ
る。

【０００７】すなわち、試験の進行に伴って試験片の角
度が変化したり、あるいは試験片の幅が変化し、また、
プラスチック等の試験にあっては試験の進行に伴って表
面の反射率が変化することもあり、また、高温雰囲気中
の試験では試験表面に酸化膜が形成され、反射率が変化
することもある。このような場合、試験当初においてイ
メージセンサからの出力から高いコントラストのスペッ
クルパターンデータが得られるように照射レーザ光強度
等を調整していても、試験の進行に伴う試験体自体の上
記のような変化によって、イメージセンサに入射する散
乱光の強度が変化し、センサ出力に含まれるスペックル
パターンのコントラストが低下する。このコントラスト
の低下がある限度を越えた場合には、伸びの計測を継続
することが不可能となってしまう。

【０００８】本発明の目的は、試験の進行に伴って試験
片の角度や幅、あるは反射率等が変化しても、確実にス
ペックルパターンを捕らえて伸びの計測を続けることの
できるレーザ非接触伸び計を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの構成を、図１に示す基本概念図を参照しつつ参照す
ると、本発明のレーザ非接触伸び計は、試験片Ｗの表面
にレーザ光を照射する照射光学系ａと、そのレーザ光の
試験片表面による散乱光を光電変換する複数チャンネル
のイメージセンサｂと、そのイメージセンサｂに対して
刻々と駆動信号を供給して、その信号供給インターバル
に対応する露光時間ごとにイメージセンサｂの各チャン
ネルに蓄積された電荷をセンサ出力として読みだすセン
サ駆動回路ｃと、刻々と読み出されるセンサ出力を用い
て、上記散乱光に含まれるスペックルパターンの移動量
を算出し、その算出結果に基づいて試験片Ｗの伸びを算
出する演算手段ｄを備えた伸び計において、刻々と読み
出されるセンサ出力を用いて、この出力中のスペックル
パターンのコントラストが設定値以上となるよう、セン
サ駆動回路ｃからの駆動信号の供給周期を変化させるセ
ンサ露光時間制御手段ｅを備えていることによって特徴
づけられる。

【００１０】本発明は、試験の進行に伴う試験片の状態
変化に起因するイメージセンサへのレーザ散乱光の入射
量が変化しても、その変化に応じてイメージセンサの露
光時間を変化させることにより、そのセンサ出力中にお
けるスペックルパターンのコントラストの低下を防止し
て、伸びの計測の継続を可能ならしめようとするもので
ある。

【００１１】すなわち、イメージセンサにおいては、一
般に、各チャンネルの光電変換部への光の入射によって
チャンネルごとに蓄積される電荷が、駆動回路から駆動
信号（以下、スタートパルスと称する）が供給されるご
とに一斉に読みだされる。通常のイメージセンサでは、
そのスタートパルスの供給周期（１フレームの走査周
期）は一定であるが、本発明では、イメージセンサの出
力中に現れるスペックルパターンのコントラストが低下
すると、スタートパルスの供給周期を変化させるること
により、その低下を防止する。

【００１２】ここで、スペックルパターンのコントラス
トの低下は、イメージセンサに入射するレーザ散乱光の
強度が減少して各チャンネル出力値が全体的に低下する
ことに起因する場合と、イメージセンサへの入射光量が
増大して各チャンネル出力の一部または全部が飽和する
ことに起因する場合との２つの場合があり、従って本発
明のセンサ露光時間制御手段ｅにおいては、イメージセ
ンサｂへの入射光量の減少によるコントラストの低下に
際してはスタートパルスの供給周期を長くし、逆にイメ
ージセンサｂのへの入射光量の増大によるコントラスト
の低下に際してはスタートパルスの供給周期を短くす
る。

【００１３】本発明におけるセンサ露光時間制御手段ｅ
により、コントラストが設定値以上となるようにセンサ
露光時間を変化させるべく用いる具体的なパラメータと
しては、イメージセンサｂの互いに隣合うチャンネル間
の出力差の総和等といった、スペックルパターンのコン
トラストを表す定量化データと、上記したようにコント
ラスト低下の原因が入射光量の減少によるものか増大に
よるものかを判別すべく、各チャンネル出力の平均値等
といった、イメージセンサｂへの入射光量を表す定量化
データとを併用する例を挙げることができる。

【００１４】なお、本発明においては、イメージセンサ
ｂへの入射光量レベルが所定の範囲に収まっている状態
では、各チャンネル出力が殆ど飽和せずしかもスペック
ルパターンの認識が可能な程度の大きさを有することが
判明している場合には、簡易的に、上記したコントラス
トを表す定量化データを用いず、イメージセンサｂへの
入射光量を表す定量化データのみをパラメータとして、
センサ露光時間を変化させてもよい。

【００１５】

【発明の実施の形態】図２は本発明の実施の形態の要部
構成図で、光学系の構成を示す模式図と電気的構成を示
すブロック図とを併記して示す図である。

【００１６】レーザ光照射光学系１は、半導体レーザ１
ａ、コリメータレンズ１ｂ、および２つのシリンドリカ
ルレンズ１ｃ，１ｄからなるビームエキスパンダによっ
て構成され、半導体レーザ１ａからの出力レーザ光は伸
びの計測方向である図中上下方向にライン状に引き延ば
された状態で被測定試料Ｗの表面に照射される。

【００１７】その照射レーザ光の被測定試料Ｗの表面に
よる散乱光は、集光レンズ２ａによってイメージセンサ
２の受光面に結像される。イメージセンサ２はＣＣＤを
用いた１次元イメージセンサであって、各チャンネル
（画素）に対応した光電変換部と転送部（アナログシフ
トレジスタ）とを備え、その複数個の画素が伸びの計測
方向に沿うように配置されている。

【００１８】イメージセンサ２では、センサ駆動回路３
からスタートパルスが供給されるごとに、各チャンネル
の光電変換部に蓄積されている電荷が、転送部のそれぞ
れの対応領域に一斉に読みだされ、その転送部に読みだ
された内容が、センサ駆動部３からスタートパルスに続
いて供給される転送クロックによって、次のスタートパ
ルスの発生時点までに逐次外部に出力される。

【００１９】イメージセンサ２の転送部から出力された
信号は、増幅器４で増幅された後、Ａ−Ｄ変換器５でデ
ジタル化されてＦＩＦＯメモリ６に取り込まれ、ＣＰＵ
ないしはＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）を主体
とする演算部７による演算に供される。

【００２０】演算部７には、イメージセンサ２の複数チ
ャンネルからの出力のうち、被測定試料Ｗの２箇所の標
点に対応するそれぞれ複数チャンネルずつのデータ群
を、各標点に対応する２つの観察点データとして初期の
参照データとして設定するための設定器８が接続されて
いる。この設定器８により、例えば、イメージセンサ２
が２０００チャンネルであった場合に、伸びの計測を開
始する前に、第１００チャンネル〜第２００チャンネル
の出力が一方の標点ａに対応する観察点データ、第７０
０チャンネル〜第８００チャンネルの出力が他方の標点
ｂに対応する観察点データとして設定される。

【００２１】演算部７には、また、一定の周期Ｔ₁で割
り込み信号を供給する割り込み信号発生器９が接続され
ているとともに、この演算部７から、前記したセンサ駆
動回路３に対してスタートパルスの発生指令が供給され
る。このスタートパルスの発生指令は、後述するよう
に、上記の割り込み信号の周期Ｔ₁のｎ倍（ｎは自然
数）の周期で供給される。

【００２２】伸びの計測状態において演算部７は、イメ
ージセンサ２からの出力データがＦＩＦＯメモリ６にサ
ンプリングされるごとに、各標点ａ，ｂのそれぞれにつ
いて、参照データとサンプリングデータとの相互相関関
数を演算し、その演算結果から各標点ａ，ｂの移動量を
算出し、その差から標点ａ，ｂ間の伸びを算出する。

【００２３】すなわち、試験片Ｗの表面により散乱され
るレーザ光は、試験片Ｗの表面の微妙な凹凸によって相
互に干渉してスペックルパターンを作るが、このスペッ
クルパターンは試験体Ｗの移動に伴って移動する。イメ
ージセンサ２の各チャンネル出力は、散乱光の伸び方向
への１次元空間強度分布を表し、従ってこのイメージセ
ンサ２の出力はスペックルパターンを表すデータとな
る。よってイメージセンサ２からのデータをサンプリン
グするごとに、各標点ａ，ｂに対応する２つのチャンネ
ル群からのデータ、つまり観察点データのそれぞれにつ
いて、サンプリングデータと参照データとの相互相関関
数を演算してそのピーク位置の変化を求めれば、各標点
ａ，ｂごとのスペックルパターンの刻々の移動量を知る
ことができ、ひいては各標点ａ，ｂの刻々の変位量を知
ることができ、その差を求めれば、標点ａ，ｂ間の刻々
の伸びを知ることができる。

【００２４】さて、センサ駆動回路３は、演算部７から
の指令が到来するごとにスタートパルスを発生してイメ
ージセンサ２の各チャンネルデータを読みだすが、この
スタートパルス発生指令は、以下に示す手順のもとに供
給される。

【００２５】図３および図４は演算部７に書き込まれた
プログラムの要部の内容を示すフローチャートで、図３
は試験開始前に実行されるルーチンであり、図４は試験
中に実行されるルーチンを示している。

【００２６】試験開始前に実行される図３に示すルーチ
ンにおいては、まず、割り込み信号の周期Ｔ₁に乗じる
べきｎの値を１とし、周期Ｔ₁でスタートパルス発生指
令をセンサ駆動回路３に供給し、イメージセンサ２の出
力を読みだす。つまり、露光時間をＴ₁としてイメージ
センサ２からの各チャンネル出力Ｄ（ｘ）をＦＩＦＯメ
モリ６に取り込む。なお、ｘはチャンネル番号を表して
いる。そして、そのデータＤ（ｘ）から、

【００２７】

【数１】

【００２８】を算出し、記憶する。このＣの値の意味す
るところは、イメージセンサ２に入射した光強度の各位
置における微分値の絶対値の総和であって、スペックル
パターンのコントラストの大きさを表す定量化データと
なる。具体的には、Ｃはイメージセンサ２の互いに隣合
うチャンネルの出力の差の絶対値の総和に比例する。

【００２９】次に、ｎを１ずつ大きくして、センサ駆動
回路３に対するスタートパルス発生指令の供給周期を整
数倍ずつ長くしながら、従ってイメージセンサ２の露光
時間を２×Ｔ₁，３×Ｔ₁・・・・ｉ×Ｔ₁と長くしなが
ら、各露光時間におけるチャンネル出力Ｄ（ｘ）を取り
込み、上記した（１）式の演算によってＣの値を求めて
記憶していく。そして、ｎがあらかじめ設定された最大
値ｎmax に達した時点で、記憶している各露光時間ごと
のＣの中から最大値Ｃmax を探し出し、そのＣmax が得
られたときのｎの値ｎ₀を記憶し、以後、センサ駆動回
路３へのスタートパルス発生指令の周期をｎ₀×Ｔ₁と
する。

【００３０】以上の動作において、イメージセンサ２の
各チャンネル出力は、図５（Ａ）のように露光不足で全
体的に値が低い状態から、同図（Ｂ）のように露光過剰
で一部が飽和した状態に到るまで変化するが、その中か
ら、同図（Ｃ）のような最大のＣmax が得られる最適露
光時間ｎ₀×Ｔ₁が探し出される。これにより、イメー
ジセンサ２の露光時間は、スペックルパターンが最大の
コントラストとなるように自動的に最適状態に調整され
たことになる。そして、この最適露光時間ｎ₀×Ｔ₁に
おけるイメージセンサ２の各チャンネルの出力Ｄ（ｘ）
の平均値Ｄoa、つまり、イメージセンサ２のチャンネル
数をＮとしたとき

【００３１】

【数２】

【００３２】を算出して記憶する。一方、試験を開始し
た後においては、通常は図４（Ａ）に示すルーチンが実
行されるとともに、割り込み信号発生器９からの割り込
み信号が発生するごとに、同図（Ｂ）に示すルーチンが
実行される。

【００３３】割り込み信号の発生ごとに実行されるルー
チン（Ｂ）では、割り込み信号の発生回数ｍがｎ₀回に
達するごとに、センサ駆動回路３に対してスタートパル
ス発生指令を供給し、これにより、イメージセンサ２の
各チャンネル出力は、露光時間ｎ₀×Ｔ₁で逐次読みだ
され、デジタル化された後にデータＤ（ｘ）としてＦＩ
ＦＯメモリ６に格納されていく。なお、この図４（Ｂ）
のフローチャートにおけるｍは、試験開始指令の発生時
に０にセットされるものとする。

【００３４】通常のルーチン（Ａ）では、ＦＩＦＯメモ
リ６に新たなデータＤ（ｘ）が格納されるごとに、設定
器８によりあらかじめ設定されている２箇所の標点ａ，
ｂそれぞれについて、観察点データと参照データとの相
互相関関数を演算してそれぞれの箇所からのスペックル
パターンの移動量を求め、その差から標点ａ，ｂ間の伸
びを算出する。

【００３５】また、そのサンプリングしたデータＤ
（ｘ）を用いて、前記（１）式を用いてコントラストの
定量化データＣを算出する。そして、そのＣの値があら
かじめ設定されている適切範囲内であるか否かを判別
し、適切範囲内であれば、次の新たなデータＤ（ｘ）の
サンプリングを待つ。Ｃの値が適切範囲よりも下回って
いる場合には、現時点におけるサンプリングデータＤ
（ｘ）の平均値を前記（２）式に準じて算出し、その値
Ｄa と当初の最適露光時間における平均値Ｄoaと比較す
る。現在の平均値Ｄa が当初の平均値Ｄoaよりも大きい
場合は、今回のコントラストの低下が、イメージセンサ
２に入力する散乱光強度が適切な範囲を越えて大とな
り、イメージセンサ２の各チャンネルの出力に飽和して
いるものがあることに起因しているとして、イメージセ
ンサ２の露光時間を短くすべく、割り込みルーチンにお
けるｎ₀の値を１つ減少させる一方、現在の平均値Ｄa
が当初の平均値Ｄoaよりも小さい場合は、今回のコント
ラストの低下が、イメージセンサ２に入射する散乱光強
度が適切な範囲に達していないことに起因しているとし
て、イメージセンサ２の露光時間を長くすべく、ｎ₀の
値を１つ増大させる。

【００３６】以上の本発明の実施の形態の動作によれ
ば、イメージセンサ２からの各チャンネルデータＤ
（ｘ）に含まれるスペックルパターンのコントラストが
刻々とモニタされ、コントラストが適切範囲よりも下回
った場合には、その原因がイメージセンサ２への入射光
量の減少によるものか増大によるものかが判別され、そ
の判別結果に応じてイメージセンサ２の露光時間が自動
的に延長または短縮され、スペックルパターンのコント
ラストの低下が防止される。

【００３７】この実施の形態において特に注目すべき点
は、イメージセンサ２の露光時間を最適化するためのパ
ラメータとして、各チャンネル出力のコントラストを表
す定量化データＣを用いている点であり、これにより、
イメージセンサ２に入射するバックグランド光が変化し
ても、露光時間の調整を誤ることがない。すなわち、例
えば試験片を高温に加熱した状態で伸びを計測するよう
な場合には、試験片自体が発する光がバックグランド光
としてイメージセンサ２に入射するが、試験片の加熱温
度が次第に変化したり、あるいは幅や角度が変化するこ
とによって試験片からの発する光のイメージセンサ２へ
の入射光量が変化しても、これに影響を受けることな
く、常にスペックルパターンのコントラストが大きくな
るように露光時間が調整される、という利点がある。

【００３８】一方、バックグランド光が余り変化しない
ような場合や、あるいは上記のように変化しても、レー
ザ散乱光のレベルに比して無視し得る程度の変化である
場合には、イメージセンサ２の露光時間を最適化するた
めのパラメータとして、上記例における全チャンネル出
力の平均値Ｄa 等、イメージセンサ２への入射光量を表
す定量化データのみを用いてもよい。

【００３９】なお、本発明において、スペックルパター
ンのコントラストを表す定量化データとしては、（１）
式に示したＣに限られることなく、例えばイメージセン
サの各チャンネルの出力値の中から、最も大きい側から
所定番目までのチャンネル出力値の平均値と、最も小さ
い側から所定番目までのチャンネル出力値の平均値の差
などを採用することができ、また、イメージセンサへの
入射光量を表す定量化データとしても、必ずしも全チャ
ンネルの平均値Ｄa を用いる必要はなく、例えば観察点
データとして採用されているチャンネル群の平均値な
ど、適宜のデータを採用し得ることは勿論である。

【００４０】また、本発明は、スペックルパターンのコ
ントラストを最適化するために、以上のようなイメージ
センサの露光時間の調整に加えて、イメージセンサの出
力を増幅する増幅器のゲインとオフセットを調整制御し
てもよく、この場合、コントラストの調整可能な範囲を
より広くすることが可能となる。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、試験の
進行に伴って試験片の角度や幅が変化したり、あるいは
試験片表面の反射率等が変化して、イメージセンサへの
スペックルパターンの入射状態が変化しても、これに追
随してイメージセンサの露光時間が自動的に変更され、
イメージセンサの出力に含まれるスペックルパターンの
コントラストの低下が防止される結果、試験中に試験片
の状態が大きく変化しても伸びの計測を継続することが
可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成を模式的に示すて基本概念図

【図２】本発明の実施の形態の要部構成図

【図３】その演算部７に書き込まれたプログラムのう
ち、試験前に実行されるルーチンを示すフローチャート

【図４】演算部７に書き込まれたプログラムのうち、試
験中に実行されるルーチンの要部を示すフローチャート
（Ａ）と、そのルーチンの実行中に割り込み信号が発生
した時点で実行されるルーチンのフローチャート（Ｂ）

【図５】本発明の実施の形態における試験前のルーチン
の動作説明図

【符号の説明】

１レーザ光照射光学系１ａ半導体レーザ１ｂコリメータレンズ１ｃ，１ｄシリンドリカルレンズ２イメージセンサ３センサ駆動回路６ＦＩＦＯメモリ７演算部８設定器９割り込み信号発生器Ｗ試験片

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試験片の表面にレーザ光を照射する照射
光学系と、そのレーザ光の試験片表面による散乱光を光
電変換する複数チャンネルのイメージセンサと、そのイ
メージセンサに対して刻々と駆動信号を供給して、その
信号供給インターバルに対応する露光時間ごとに当該イ
メージセンサの各チャンネルに蓄積された電荷をセンサ
出力として読みだすセンサ駆動回路と、刻々と読み出さ
れるセンサ出力を用いて、上記散乱光に含まれるスペッ
クルパターンの移動量を算出し、その算出結果に基づい
て試験片の伸びを算出する演算手段を備えた伸び計にお
いて、刻々と読み出されるセンサ出力を用いて、当該出
力中のスペックルパターンのコントラストが設定値以上
となるよう、上記センサ駆動回路からの駆動信号の供給
周期を変化させるセンサ露光時間制御手段を備えている
ことを特徴とするレーザ非接触伸び計。