JPH09297009A - レーザ非接触歪み計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 二光束方を用いた電子式スペックル干渉法に
基づくレーザ非接触歪み計において、比較的大きな歪み
でも連続的に、かつ、高速の演算装置を用いることなく
リアルタイムでの計測を可能とする。 【解決手段】 異なる時点で得た複数の画像を記憶する
記憶手段３３に、基準画像のほかに、その基準画像を用
いて歪みを算出している間に得た少なくとも一つの画像
を記憶し、演算部３０による歪みの算出は基準画像と刻
々のサンプリング画像との間で行い、かつ、ある歪み量
に達した時点で基準画像を更新するが、新基準画像は、
更新前のある時点で記憶したサンプリング画像とするこ
とで、更新直後のサンプリング画像との間に既に所定の
歪みが生じている状態とし、測定結果にブランクを生じ
ることなく大きな歪みをリアルタイムで連続的に測定す
ることを可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スペックル干渉法
を用いて被測定試料の面内歪みを非接触のもとに計測す
る歪み計に関し、特に、材料試験における試料の伸び等
を計測するのに適したレーザ非接触歪み計に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザビームを用いて被測定試料の面内
歪みを計測する方法として、二光束法を用いた電子式ス
ペックル干渉法が知られている。

【０００３】この方法では、レーザビームをビームスプ
リッタによって２つの光路に分岐させた後に、被測定試
料の表面に対して歪み計測方向に角度を持たせて重ねて
照射する。そして、そのレーザビームの被測定試料の表
面による散乱光をイメージセンサで受光して画像化す
る。このようにして得られる画像データを、試料の変形
前後で加減算すると、散乱光に含まれるスペックルパタ
ーンが試料の変形前後で生じる位相差に起因して、加減
算後の画像に干渉縞が生じる。この干渉縞は試料の歪み
分布が等高線の形で現れたものであるが、この干渉縞の
１周期に相当する歪み量は、レーザビームの波長と２つ
のビームの角度によって決まり、従ってその干渉縞の位
相を求めることで、試料の歪み分布を求めることができ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上のよう
な二光束法を用いた電子式スペックル干渉法は、例えば
材料の引張試験のように、試料上の２つの標点間の刻々
の伸びを連続的に、しかも大きな伸びに到るまで計測す
るような用途にはそのまま適用することはできない。

【０００５】すなわち、この方法は、前記したように変
形前後の試料の散乱光を受光して得られる２つの画像を
用いて得られる干渉縞から歪み分布を算出するのである
が、試料の歪みが大きくなると干渉縞の間隔が細かくな
り、縞をカウントすることができない。よって、２つの
画像間で測定できる歪み量には上限がある。従って、こ
の種の方法によって比較的大きな伸びを連続的に計測す
る場合には、試料の変形開始前に採取した画像を基準画
像とし、変形中に刻々と得られるサンプリング画像と基
準画像とを用いて、新たなサンプリング画像が得られる
ごとに刻々と伸びを算出するとともに、当初の基準画像
とサンプリング画像との間での算出される伸びが上記し
た上限に達してしまうまでに、例えばその直前で、基準
画像を更新する必要が生じる。このような基準画像の更
新の方法として、試料の伸びが現時点における基準画像
を用いて算出可能な伸びの上限に近づいて基準画像の更
新が必要となった時点で得られたサンプリング画像を、
新たな基準画像として記憶する方法等が考えられる。

【０００６】ところが、このような対策を施してもな
お、連続的な伸びを計測することはできない。すなわ
ち、この種の方法においては、試料の歪みが小さい場合
には干渉縞の間隔が粗くなるため、例えば２つの標点間
等の観察領域内における伸びが小さい場合にはその間に
干渉縞が出現せず、伸びを算出することができない。よ
って、この種の方法では、一旦干渉縞が生じた後は高い
分解能のもとに歪みの計測を行うことができるものの、
２つの画像を用いて算出を開始できる歪み量には下限が
ある。従って、材料試験における伸びの計測に適用すべ
く、伸びが計測可能な上限に近づいたときに前記したよ
うな方法で基準画像を更新したとき、その更新時点から
の伸びが上述の下限に達するまでの間、伸びの計測結果
にブランクが生じ、連続的な伸びの計測を行うことはで
きない。

【０００７】ここで、スペックル干渉法のうち参照光法
と称される方法を用いて面外歪みを計測する方法におい
て、従来、試料の歪みが継続している間に得られる画像
データの全てを記憶し、後で適当な２つの画像を組み合
わせてその間の歪みを算出する処理を繰り返し、それぞ
れによって得られた歪み量を加算することで、比較的大
きな面外歪みを測定する方法が提案されているが（特公
平７−４６０４５号参照）、このような方法では、膨大
なメモリを必要とするばかりでなく、材料試験のように
リアルタイムでの歪み情報が必要な場合には極めて高速
の演算装置を用いる必要が生じ、実質的にはリアルタイ
ム測定は不可能である。

【０００８】本発明はこのような実情に鑑みてなされた
もので、比較的大きな歪みでも連続的に、かつ、特に高
速の演算装置を用いることなくリアルタイムで計測可能
なレーザ非接触歪み計の提供を目的としている。

【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、本発明のレーザ非接触歪み計は、レーザビームをビ
ームスプリッタによって２つの光路に分岐させた後、被
測定試料の表面上に当該試料の変形方向に所定の角度を
持たせて照射する照射光学系と、そのレーザビームの試
料による散乱光に含まれるスペックルパターンを検出す
るためイメージセンサと、そのイメージセンサからの出
力を用い、被測定試料の変形前後に得られた２つの画像
のパターンによってできる干渉縞から被測定試料の歪み
分布を算出する演算部を備えた、いわゆる二光束法を用
いた電子式スペックル干渉法に基づく歪み計において、
以下の手段を採用している。

【００１０】すなわち、互いに異なる時点で得られた複
数の画像のデータを記憶する記憶手段を設け、歪み分布
を算出する演算部では、所定の時点で得られて記憶手段
に記憶されている画像を基準画像として、イメージセン
サから新たな画像が取り込まれるごとに、そのサンプリ
ング画像と基準画像を用いて刻々の歪みを算出する。ま
た、その歪みの量が当該基準画像と刻々のサンプリング
画像とを用いて算出可能な上限に達するまでの所定のタ
イミングで基準画像を更新する。そして、一つの基準画
像が使用されている間に刻々と得られるサンプリング画
像のうちの少なくとも一つを記憶手段に記憶し、その記
憶されたサンプリング画像を、基準画像の更新時におけ
る新たな基準画像として採用する。

【００１１】本発明においては、基準画像と刻々のサン
プリング画像との２つの画像を用いて刻々の歪みを算出
するとともに、算出された歪みが、現時点における基準
画像を用いた場合の上限に達するまでに、基準画像の更
新を行うのであるが、新たに基準画像となる画像は、基
準画像の更新が必要となった時点で得られたサンプリン
グ画像ではなく、その更新が必要となるまでに既に記憶
されている画像とするため、基準画像の更新時点に得ら
れたサンプリング画像との間には、既に適当な歪みが生
じている。つまり、基準画像更新直後において、新たな
基準画像とサンプリング画像とを用いて算出される歪み
は０ではなく、測定可能な下限を越えた歪みから算出を
開始することが可能となって、基準画像更新直後におけ
る計測結果のブランクが生じない。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態の構成
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。

【００１３】この例は、本発明を、材料試験機による引
張試験に供される試験片を被測定試料Ｗとし、その伸び
を計測する場合に適用した例である。被測定試料Ｗに
は、図中上下方向への引張負荷が付与され、同方向に伸
びる。このような被測定試料Ｗの表面に対し、レーザビ
ーム照射光学系１からのレーザビームが照射され、その
レーザビームの試料Ｗの表面からの散乱光がＣＣＤイメ
ージセンサを用いたカメラ２によって計測されるように
なっている。

【００１４】レーザビーム照射光学系１は、半導体レー
ザ１１、ビーム成形光学系１２、ハーフミラー１３、お
よび２つのミラー１４，１５によって構成されている。
半導体レーザ１１からの出力光は、ビーム成形光学系１
２によって所定の広がりを持つレーザビームに成形され
た後、ハーフミラー１３によって２つのビームに分離さ
れ、その各ビームはミラー１４，１５を介して被測定試
料Ｗの表面に導かれ、それぞれ上下方向（伸び方向）に
一定の角度をもって試料表面上で互いに重なりあうよう
に照射される。

【００１５】カメラ２は、ＣＣＤ２次元イメージセンサ
２１と、そのイメージセンサ２１の受光面に試料Ｗから
の散乱光を集光して、そこに含まれるスペックルパター
ンを結像させる結像光学系２２によって構成されてい
る。そして、このカメラ２と、前記したレーザビーム照
射光学系１は１つの筐体１０内に収容されている。な
お、１０ａ〜１０ｃは窓である。

【００１６】イメージセンサ２１からは、例えば１／３
０ｓｅｃごとに１フレーム分の画像データが得られ、そ
の刻々の１フレーム分の画像データは、増幅器３１で増
幅された後、Ａ−Ｄ変換器３２でデジタル化されてメモ
リ３３に順次格納され、後述するものを除いては、以下
の演算部３０による演算に供された後に直ちに捨てられ
る。

【００１７】演算部３０は、ＣＰＵまたはＤＳＰを主体
としてその周辺機器によって構成され、メモリ３３内の
画像データを用いて以下の演算によって、試料Ｗの刻々
の伸びを算出する。

【００１８】すなわち、演算部３０では、計測開始指令
が与えられた時点における画像データを当初の基準画像
とし、以後、イメージセンサ２１から１フレーム分の画
像データがサンプリングされるごとに、この種のスペッ
クル干渉法において公知の手法を用いて、サンプリング
画像と基準画像とを加算もしくは減算することによっ
て、干渉縞が生成された画像データを得る。そのデータ
をスムージングした後、各画素データを一方向、つまり
伸びの計測方向と直交する方向にたし込み、縞の位相情
報を得た後、位相の連続化処理を行い、試料Ｗの各位置
における歪み分布情報を得る。この歪み分布情報から、
試料Ｗにあらかじめ設定された２つの標点Ａ，Ｂ間の伸
びを算出する。

【００１９】ここで、このような演算方法においては、
前記したように、２つの画像を用いて得られる伸びの量
には、縞の間隔が接近してしまうことに起因する上限
と、縞が生成されないことに起因する下限とが存在し、
例えば、干渉縞を誤差なく十分にカウント可能で正確な
伸びを算出可能な上限の伸びを２０μｍ、下限を１μｍ
とする。

【００２０】さて、計測開始当初に得られた基準画像を
Ｉmoとし、イメージセンサ２１から刻々と得られるサン
プリング画像（１フレーム分の画像データ）をＩmxとし
たとき、演算部３０では、この刻々のサンプリング画像
Ｉmxが得られるごとに上記した演算を行って標点間の伸
びを算出するわけであるが、伸びの測定可能な下限の存
在により、伸びが１μｍに達しない間は実質的に伸びの
算出が不能である。伸びが１μｍに達するまでのサンプ
リング画像Ｉmxは一時的にメモリ３３に格納されて演算
に供された後に直ちに捨てられていくが、伸びが１μｍ
に達した時点でのサンプリング画像Ｉm1は、演算に供さ
れた後にメモリ３３に格納される。

【００２１】伸びが１μｍに達した後は、サンプリング
画像Ｉmxと基準画像Ｉmoとを用いて干渉縞を形成するこ
とができ、また、その間隔は試料Ｗの伸びに従って変化
するため、例えば０．２μｍ程度の分解能のもとに伸び
の計測が可能となり、演算部３０では新たなサンプリン
グ画像Ｉmxが得られるごとに、そのサンプリング画像Ｉ
mxと基準画像Ｉmoを用いて伸びを算出し、表示器ないし
はプロッタ等（図示せず）に出力する。その間、刻々の
サンプリング画像Ｉmxは演算に供された後に直ちに捨て
られていくが、伸びの算出値が１μｍの倍数に達するご
とに、その各時点におけるサンプリング画像Ｉm2，Ｉm
3，・・，Ｉmi，・・がメモリ３３に格納されると同時に、
その直前に格納された画像を除いてより古い画像が捨て
られ、結局メモリ３３には、基準画像Ｉmoを除いて、常
に伸びが１μｍの倍数に達したときのサンプリング画像
Ｉmiのうち、最新の２つのサンプリング画像ＩmiとＩmi
-1が格納された状態となる。つまり、伸びがｉμｍ（ｉ
＝３，４，５，・・）に達するごとに、そのときのサンプ
リング画像Ｉmiがメモリ３３に格納され、その時点で格
納されているサンプリング画像Ｉmi-1とＩmi-2のうち、
古い方のＩmi-2が捨てられる。

【００２２】以上のような動作を継続して、やがて伸び
が測定可能な上限である２０μｍに達した時点では、図
２に横軸を時間軸として模式的なタイムチャートを示す
ように、メモリ３３には、基準画像Ｉmoのほかに、伸び
が１９μｍに達した時点でのサンプリング画像Ｉm19
と、同じく２０μｍに達した時点でのサンプリング画像
Ｉm20 が格納されている状態となる。そして、次にサン
プリング画像Ｉmxが得られた時点では、元の基準画像Ｉ
moを用いては正確な伸びの算出が困難となる可能性があ
るため、その時点で基準画像を更新する。このとき、新
基準画像Ｉmo′はＩm19 とし、その新基準画像Ｉmo′と
最新のサンプリング画像Ｉmxを用いて伸びを算出する。
このとき、新基準画像Ｉmo′のサンプリング時点と最新
の画像Ｉmxのサンプリング時点との間には１μｍ以上の
伸びが生じているから、この新基準画像Ｉmo′と最新の
サンプリング画像Ｉmxを用いて直ちに伸びの算出が可能
である。そして、そのようにして算出された伸びが例え
ば１．２μｍであったとすると、伸びの測定値は１９μ
ｍ＋１．２μｍ＝２０．２μｍによって計算して出力す
る。

【００２３】以上の動作を繰り返し実行することによ
り、試料Ｗの標点間の伸びがどのように増大しても、こ
れらの標点がレーザビームの照射領域に収まっている限
り、連続してリアルタイムで伸びの計測を継続すること
ができる。

【００２４】なお、以上の実施の形態においては、伸び
の算出値がその算出可能な下限値である１μｍの倍数に
達するごとにそのサンプリング画像をメモリ３３に記憶
し、かつ、常に２つのサンプリング画像がメモリ３３に
格納されている状態として、基準画像の更新に際しては
そのうちの古い方のサンプリング画像を新たな基準画像
として採用することにより、更新直後のサンプリング画
像と新基準画像との間に少なくとも下限値である１μｍ
以上の伸びが生じた状態としたが、本発明はこのような
記憶の仕方に限らず、要は、基準画像の更新時点におい
て、新基準画像と更新直後のサンプリング画像との間
に、下限を越える伸びが生じているようなサンプリング
画像が少なくとも１つだけ記憶されていれば、記憶すべ
きサンプリング画像は任意とすることができる。

【００２５】すなわち、例えば伸びを正確に算出可能な
上限値が２０μｍであったとしたとき、伸びが２０μｍ
に達した時点で基準画像を更新するように設定した場
合、基準画像との間の伸びが例えば１９μｍに達した時
点のサンプリング画像のみを記憶して、それ以外は全て
演算に供した後に廃棄し、基準画像の更新に際してはそ
のただ一つの記憶画像データである１９μｍの伸びを得
たサンプリング画像を採用する、といった方法等を採用
することができる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、二光束を用いた電子式
スペックル干渉法を用いた歪み計において、メモリに記
憶した基準画像と刻々のサンプリング画像を用いて刻々
の歪みを算出し、かつ、必要に応じて基準画像を更新す
るように構成するとともに、一つの基準画像を用いて歪
みを算出している間のサンプリング画像の少なくとも一
つを記憶しておき、基準画像の更新に際しては、最新の
サンプリング画像を新基準画像とするのではなく、前も
って記憶しているサンプリング画像を新基準画像とする
ため、基準画像の更新タイミングを、干渉縞を誤差なく
カウントできて正確な伸びを算出できている時点とする
ことにより、大きな歪みでも誤差のない正確な測定が可
能となり、しかも、新基準画像と更新直後のサンプリン
グ画像を用いて直ちに歪みの算出が可能であることか
ら、歪みの計測結果にはブランクが生じず、特に記憶容
量や高速の演算装置を用いることなく、リアルタイムで
連続的な歪みの計測が可能となり、特に材料試験におけ
る伸びの測定等に適したレーザ非接触歪み計が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の構成図で、光学系の模式
図と電気的構成のブロック図とを併記して示す図

【図２】本発明の実施の形態の動作説明のための模式的
タイムチャート

【符号の説明】 １ レーザビーム照射光学系 １１ 半導体レーザ １２ ビーム成形光学系 １３ ビームスプリッタ １４，１５ ミラー ２ カメラ ２１ イメージセンサ ２２ 結像光学系 ３０ 演算部 ３３ メモリ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザビームをビームスプリッタによっ
   て２つの光路に分岐させた後、被測定試料の表面上に当
   該試料の変形方向に所定の角度を持たせて照射する照射
   光学系と、そのレーザビームの試料による散乱光に含ま
   れるスペックルパターンを検出するためイメージセンサ
   と、そのイメージセンサからの出力を用い、被測定試料
   の変形前後に得られた２つの画像のパターンによってで
   きる干渉縞から被測定試料の歪み分布を算出する演算部
   を備えた歪み計において、 互いに異なる時点で得られた複数の画像のデータを記憶
   する記憶手段を有し、上記演算部は、所定の時点で得ら
   れて記憶手段に記憶されている画像を基準画像として、
   上記イメージセンサから新たな画像が取り込まれるごと
   に、そのサンプリング画像と基準画像を用いて刻々の歪
   みを算出し、かつ、その歪みの量が当該基準画像と刻々
   のサンプリング画像とを用いて算出可能な上限に達する
   までの所定のタイミングで基準画像を更新するよう構成
   されているとともに、一つの基準画像が使用されている
   間に刻々と得られるサンプリング画像のうちの少なくと
   も一つを記憶手段に記憶し、その記憶されたサンプリン
   グ画像を、基準画像の更新時における新たな基準画像と
   して採用することを特徴とするレーザ非接触歪み計。