JPS647322B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は物体に応力を加えることによつて物体
の表面上に生じた変形を作図するための方法およ
び装置に関し、特に干渉写真技術を用いる方法に
関する。

物体が応力を受けた際に物体中に生ずる変形模
様についての知識は、応力分析、振動研究、構造
中の隠れた疵の検査、材料の性質の評価、速度測
定、温度測定、及び光学的要素の試験などの分野
に於て有用である。以下に用いる「変形」という
用語は、応力から生ずる全体にわたる均一な変位
とは反対に、加えられた応力から生ずる物体の表
面上の点の互に相対的な変位を指す。

このような表面の変形を決定する最も単純で且
つ最も古い方法においては、歪ゲージによる接触
表面の測定から高度に精密な光学干渉技術に至る
までの範囲にわたる種々の測定技術の何れかを用
いて、応力を加える前後での物体表面の一点ずつ
の作図が行われていた。

これらの方法は本来的にきわめて手間のかかる
ものであるか又は物体表面上の比較的僅かな点に
関する情報を与えるものであつて、製品検査用の
如く規則的に繰返さなければならない形式の試験
の形式としては何れも一般的に不適当である。

1960年代に於ける実際的なホログラフイの発明
により、加えられた応力から生ずる全物体表面の
変位を作図するためのホログラフイ干渉計技術の
開発が導かれた。このような技術に於ては、物体
は干渉性の光で照明され、物体から反射された結
像していない光と照明源からの干渉性の光の干渉
光束との間の干渉模様によつて写真媒体は露出さ
れる。リアルタイム法について説明をすれば、写
真媒体を現像してホログラムを形成し、次に物体
に応力を加えてこれを干渉性の光で照明し、試験
前の物体のホログラムからの干渉性再構成像が物
体自身の上に重ね合わされる。現実の時間経過中
の物体から反射された光と再構成された像との干
渉によつて、物体上に干渉縞の列が生じ、この縞
の列は応力を加えた結果として物体に生じた変形
の関数として配置される。二重露出法について説
明をすれば、写真媒体は物体が応力を受ける前後
で行われる二回の露出を受ける。物体の像が干渉
性の光を用いてそのホログラムから再構成された
とき、二重露出間の干渉から生じ且つ二重露出間
の物体の変形の関数として配列された干渉縞の列
が物体の表面上で見られることになる。

これらの変位作図技術はグランド等の米国特許
第3545259号中に開示されている。彼等は製造さ
れた物体中の表面下の疵や類似の欠陥を分析する
のに或る程度の商業的成功をおさめたが、然しホ
ログラフイの比較的厳しい制限のためにその応力
は限定された。ホログラフイの実際に於ては、モ
デルと光学装置とは高度な正確さで整列されなけ
ればならず、又設備は高度に安定し且つ振動を制
する重いテーブルなどを用いて起り得る如何なる
振動からも隔離しなければならない。分析し得る
物体の大きさはレーザーの干渉性長さときわめて
高い分解能とによつて厳しく制限され、低い感光
度の写真媒体を使用しなければならなかつた。工
程はレーザーにより与えられる以上の周囲光は何
も存在させないで遂行しなければならなかつた
し、又光は単一の周波数に制限された。

これらのホログラフイ干渉計技術は、加えられ
た応力の結果としての物体表面上の点の相対的変
位を測定するのではなく、むしろ変形と剛体運動
による全体的並進運動変位を測定する技術であ
る。物体中の種々の欠陥や不均一性に帰すことの
できる干渉縞を、応力の結果として物体の全体的
変形から生ずる干渉縞から区別する際に大きな困
難に遭遇する。例えば、もしも表面下の不均一箇
所について分析されるべきゴムタイヤがタイヤ上
の周囲圧力を加減することにより応力を加えられ
たならば、検査中の表面は全体的変形を受け、疵
の真上にある表面領域はより大きな変形を受ける
筈である。結果として生ずる二重露出ホログラム
からの物体の像の再構成に於て、変則的変形から
生ずる縞の群を均一な変形から生ずる縞の群から
分離することは困難である。全体にわたる変形か
ら生ずる縞を最小にするために露光間の光学的組
立てを修正する努力が為されたけれども、例えば
ケルシユ等の米国特許第3860346号参照、この問
題は決して十分に解決されなかつたし、又ホログ
ラフイ干渉計技術の応用を非常に制限した。

本発明は、組立て、支持及びその他の精度につ
いて先行技術のように制限を受けることなく、二
重露出ホログラフイ干渉計と同一の広いタイプの
分析を行うための干渉計技術に広く向けられてお
り、更に応力の結果としての物体の均一な変形か
ら生ずる縞により隠された変則的変形を代表する
縞についての問題を除去する方法にも向けられて
いる。本発明の方法は、また、生ずる干渉縞を観
察するために干渉性光源を用いる必要性を除去す
る。

本発明は応力を物体に加える前後で為される露
出でもつて干渉的に照明された物体表面の写真二
重露出干渉記録の形成を広く包含する。干渉記録
の各露出は干渉記録それ自身を表わしており、そ
れは、干渉光で照明された物体表面の一対の像が
それらの領域の大部分は重なるが然し一致しない
ように、一つの像を他の像に関して僅かに変位さ
せて写真媒体上にそれらの像の焦点を合わせるこ
とによつて作られる。これにより僅かにボケた像
が生じ、それは重ね合わされた干渉模様と共に写
真媒体上に記録される。二回の露出は互いに一致
するように行われ、このため、もしも物体が露出
と露出の間で応力を加えられなかつたならば、二
つの均等な干渉記録が１つの現像された媒体とし
て現われることになる。二重露出間に写真媒体上
に記録された二つの干渉模様の一方は物体に応力
を加える前のものであり、他方は応力を加えた後
のものであり、これは干渉して一つの干渉模様を
形成する。僅かにボケているが然し明瞭に認識し
得る物体の像と一緒に、この干渉模様が現像され
た写真媒体上に現われる。

本発明の機構をより良く理解するために、二回
の露出の間で物体に加わる応力が光学の中心軸線
に対して直交する方向に物体を僅かに均一に並進
運動させた場合を考えてみることにする。第１と
第２の干渉模様の間に生ずる干渉模様は、２つの
相互に等しい格子の重ね合わせによつて作られた
均一な模様の態様で物体の全領域にわたり均一で
ある。実際の場合には、物体に加えられる応力
は、物体の構造上の設計及び／又は物体中の種々
の欠陥のために物体中に全体として均一な歪を生
じさせない。従つて、二回の露出の間に記録され
る干渉模様は等しくなく、又二つの別々の干渉模
様の間の干渉を表わすべくフイルム上に記録され
た最終的な干渉模様は不均一であり、干渉線の周
波数は物体の表面にわたり変化する。物体表面上
の如何なる点に於いても干渉周波数は物体表面の
変形の測定基準である。

この最終的な干渉記録に生ずる縞は本質的に一
定の振幅で且一定のデユーテイサイクル（duty
cycle）であり、典型的には全く細かく繊細であ
る。それ故、この現象された干渉記録中に物体の
像を見ることが出来るが、繊細な干渉模様の平均
密度が物体の表面にわたり均一であり、従つて、
たとえそれが加えられる応力により引き起される
物体表面中の変位の相違によつて生じた縞周波数
が比較的大きな変動を含んでいるとしても、それ
を分析することは困難である。

重ね合わされた干渉記録をもつ現像された写真
上の如何なる点に於ける繊細な縞周波数も顕微鏡
のような器具を用いて測定することが可能である
けれども、本発明の好ましい実施例によれば、
縞・周波数識別フイルターを介しての二重露出法
から生ずる、現像された像干渉記録を処理するこ
とによつて、これら縞を肉眼で見ることができる
ようになる。このフイルターは選択された縞周波
数帯に対する絞りをもつフーリエ（Fourier）平
面フイルターの形式をとるのが好ましい。

本発明の好ましい実施例に於ては、写真媒体は
透明画として現像され、又は透明画が陽画焼付け
から作られる。この透明画は点光源から発する光
束により照明され、光束が焦点を合わせられる。
光源は干渉性である必要はない。絞りは、フーリ
エ平面即ち点光源の像平面に於て、照明源から透
明画の反対側に於て支持されている。絞りは低周
波数の縞を妨げるために光学軸の中央に置くこと
もできるし、又高周波数の縞を妨げるために形を
環状にすることができる。物体の像に有害な効果
を持たないときには低周波数阻止の使用が望まし
い。対物レンズは、最終結果を眼で見て観察でき
るように、濾過された干渉記録をスクリーン上で
結像させる。他の実施例として、写真記録を濾過
された像から作ることができる。この最終の像の
中で、種々の縞の列を明瞭に見ることができる。
縞の列は、加えられる応力の結果として、物体の
最大の不均一な歪の点の周りに集中する。

最終の像に於て、全体にわたる変形から生ずる
縞は一定の周波数であり、フーリエ濾過法により
全部通過されるか又は全部阻止され、従つて最終
の像の均一な光学的密度を生ずるので、物体の均
一な変形から生ずる眼に見える縞は存在しない。
唯々、単に、部分の変則的な運動を表わす縞のみ
を見ることができる。

この変則的な変形は、物体の設計から生じたの
かも知れないし、或いは亀裂、表面下の分離、空
隙、含有物又は表面の変形に影響を及ぼす不均一
強度の領域のような物体の変則的な構造特性から
生じたのかも知れない。従つて、本発明は設計の
助けとして、又原型や製造部品の試験として有用
である。

本発明は溶接部中の亀裂の探知、表面下の空
隙、分離、及び自動車タイヤ中の不均一部分、サ
ンドイツチ、はちの巣状物及び他の組立て構造等
分離の探知を含み、ホログラフイ干渉計として推
奨されてきたすべての応力に用いることができ
る。本発明の方法は、位置決め要件、観察する干
渉性の光の必要、及び複雑な振動の隔離の必要の
緩和のために、ホログラフイ干渉計よりも実施す
るのにはるかに簡単である。本発明の方法から得
られる結果は、各部分において均一でない変形の
領域を図に表わしている縞が良く見えること及び
均一な変形から生ずる干渉縞がない、という理由
で秀れている。

本発明の好ましい実施例に於ては、干渉記録
は、レンズの構成以外は構造が従来通りのカメラ
を用いて形成される。レンズは、物体の表面の二
個の別々の像を写真媒体上に焦点を合わせるため
に２個の切片に分割される。１個の切片は従来通
りのものとすることができ、他方の切片はプリズ
ムのような契形状をもつことができ、その結果そ
れが作る焦点の合つた像を通常の切片で形成され
た像と実質的に重なるようにレンズの光軸に対し
直交する方向に変位させる。カメラは従来の方法
で使用することができ、従来の正確さの制限がそ
の作業に於て強いられる。二つの像の形成の間に
於ける物体の全体的運動は何れも、比較的に広い
範囲内で、現像された写真干渉記録上に均一な干
渉模様を生じさせるのであつて、本発明の実施を
妨げるものではない。

本発明は振動中の物体が受ける変形の傾斜を作
図するためにも用いることができる。本発明のこ
の実施例に於ては、一様な状態の振動を受けてい
る物体が色々の振動期間の露出時間を通じて本発
明の特殊カメラによつて映される。フイルムは振
動中の物体の二つの優勢な時間的平均位置の間で
時間合成された干渉模様を記録する。この像は、
振動の振幅の傾斜として配列された眼に見える干
渉模様を発生させるために、本発明の他の実施例
で得られる二重露出像と同じ方法で処理すること
ができる。

本発明の使用によつて得られる変則的変形模様
を代表する縞の群は、ホログラフイ干渉計の実施
から得られる干渉記録よりも解釈するのに容易で
ある。というのは、縞が鮮明であり、又均一な物
体運動を代表する縞は何も存在しないからであ
る。

本発明の他の目的、利点及び応用は本発明の好
ましい実施態様についての以下の詳細な説明によ
つて明らかになる。この説明は添付図面を参照し
て行なう。

第１図に示す装置は、物体上の周囲圧力を変え
ることによつて研究中の或る物体１０上に加えら
れた応力の結果として物体１０の表面に生ずる歪
模様を分析するようになつた装置である。本発明
は、物体１０の応力の変化による表面２０の小さ
い変位だけに係るものであり、表面の反射率又は
表面２０に設けられた模様に係るものでないか
ら、表面２０には特別の処理をなすことを要しな
い。このような圧力変化は、ドーム型圧力カバー
１４内でテーブル１２上に物体１０を支持するこ
とによつて行われる。空気ポンプ１６はその一端
に於て大気に連結され、しかも弁１８を介してカ
バー１４とテーブル１２との間の空気と連通す
る。ポンプ１６及び弁１８を制御することによつ
てカバー１４内の圧力を制御することができ、そ
の圧力は大気と等しくすることも、大きくするこ
とも又小さくすることもできる。第１図の装置を
用いる場合、二重露出法のうちの第１回目の露出
は第１の圧力で行われ、次に圧力は第２の圧力レ
ベルに変えられて、その後第２回目の露出が行わ
れ、これにより該圧力変化から生ずる物体の表面
上の歪を分析することがてきる。

本発明の選択的な実施例に於て、研究中の物体
に他の方法でもつて応力を加えることができる。
例えば、物体の温度を変えることにより、また物
体の機械的荷重を変えることによつても行うこと
ができる。本発明はこれらの応力を加える方法に
よつては制限されない。

第１図に於て、物体１０はテーパー付ブロツク
として図示されている。ブロツクは、例えば、試
験されるべき表面２０の付近の含有物を検査すべ
きゴム鋳型である。

研究されるべき表面２０の部分はレーザー２２
から出る干渉性の光で照明される。レーザー光束
は発散レンズ２４及びピンホールフイルター２６
を通過させうる。二者択一的にスリガラス発散器
などを用いて光束を発散させることもできる。こ
のような装置はドーム型圧力カバー１４内に含ま
れているものとして図示されているが、選択的な
実施例に於ては、該照明装置を外部に設けて照明
光束を適当な窓（図示していない）を介してカバ
ー１４内に入れるようにすることもできる。

ブロツクの表面２０から反射された干渉性の光
は特別なレンズ３０によつて写真板２８に焦点を
合わされる。レンズ３０はシアリングレンズ
（shearing lens）と呼ばれるものであつて後で詳
述される。シアリングレンズ３０及び写真板２８
はドーム型カバー１４の外部のカメラの内に支持
させることもできる。このとき、表面からカメラ
に反射された光をカバー１４を介して通過させる
ために窓が設けられる。

シアリングレンズ３０の光学的性質は第２ｂ図
に示されている。シアリングレンズ３０は２つの
部品から成る。両部品は表面２０からの光を写真
板２８上に合焦させる。１つの部品３２は、光軸
３１を有する通常の両凸面カメラレンズを構成す
る。光学ガラスの球面楔３４はレンズ３２の２分
の１を覆う。レンズ３２の覆われていない方の半
分は、照明された表面２０からの光３３がそこを
通過して、通常の態様で写真板２８上に結像する
ように作用する。例えば、第２ａ図の球面楔３４
のない光学系に示すように、表面２０上の点Ａか
らの光は写真媒体２８上の点A′上に結像され、
表面２０上の点Ｂからの光も点B′に結像される。

物体表面２０から球面楔３４を通つて通過する
光３５もシアリングレンズ３０により写真板２８
上に結像されて、写真板上に表面２０の像が形成
されるが、しかし、生じた像は、覆われていない
レンズ部分を通過する光により生じた像に関して
僅かに変位される。例えば、第２ｂ図に示すよう
に、物体上の点Ａから反射された光は写真表面２
８上の点A″に於て結像する。従つて、それは凸
レンズ３２のみを通過する点Ａからの光と一致せ
ず、むしろ点B′に達することになる。

かくして、シアリングレンズ３０の使用によつ
て、物体上の点Ａ及びＢからの光は点A″−B′に
於て互いに干渉する。同様に、覆われているレン
ズ部分と覆われていないレンズ部分とによつて写
真媒体２８上に結像された２つの像は、それらの
重なり領域に於て互いに干渉する。球面楔３４に
より生じた変位は、結像した像の全寸法に比べて
比較的に僅かであるのが好ましい。それ故に、も
しも写真板２８が現像されたならば、露出中に動
いた物体を通常のカメラでもつて撮影した場合に
観察される像と非常によく似た僅かにボケた物体
の像を見ることができるであろう。ボケた像はそ
の表面に干渉模様を有し、この干渉模様は物体の
２つのずれた像からのコヒーレント干渉から生ず
る。この干渉模様は、周波数と振幅の両方に於て
均一である。ずれた重複像を作り得る他の光学要
素をシアリングレンズ３０の代りとして用いるこ
とができる。

写真板２８上へのかかる第１の像の記録に続い
て、写真板を変位させたり写真板上に記録された
像を現像したりせずに、物体に応力を加える。こ
れは、好ましくは、ポンプ１６を用いてドーム型
カバー１４内の圧力を変えることによつて行われ
る。圧力は最初の露出の際に圧力に比較して増加
させることもできるし又減少させることもでき
る。次に、レーザー２２を点灯して、照明された
物体表面２０のもう１つの露出を写真板２８に行
なう。

圧力変化が物体表面２０上に歪を生じなかつた
と仮定する。その時には、写真媒体２８には２つ
の同一なずらされた像が露出され、写真板２８を
現像した際には、等しい周波数の等しい振幅の縞
の線の規則的な模様をもつ僅かにボケた物体表面
２０の像が観察されることになる。

更に、圧力の変化が写真媒体に関して物体の表
面２０の位置に或る均一な変化を生じさせたと仮
定する。例えば、写真媒体の方への僅かな変位又
は写真媒体から横方向への僅かな変位が生じたと
仮定する。この場合には、物体の第２のボケた像
は、最初の干渉縞を第２のボケた像から生じた干
渉縞に干渉させることによつて得られた干渉模様
と一緒に写真板上に記録されることになる。２つ
の干渉模様は互いに干渉して全体的な干渉模様を
生じさせることになる。物体の均一な移動によ
り、かかる模様は物体の全表面にわたり規則的に
なる。媒体が現像されたとき、物体のボケた像が
見られ、規則的な干渉模様はほとんど見ることが
できない。その理由は、それが細かく繊細である
からであり、また規則的な振幅をもつて規則的に
間隔を置いた縞が全体の像の上に均一な暗いレベ
ルで生じているからである。しかし、表面２０上
の個々の点は、なお現像された写真板２８上で確
認可能である。

しかしながら、実際の場合の様に、圧力の変化
が物体表面２０上に不規則な歪を生じさせたと仮
定する。例えば、もしも表面２０に極めて接近し
た一点３６′（第１図参照）に於て物体中に空隙
が存在しているような場合には、周囲圧力の変化
は物体の均衡に関してその点に比較的大きな撓み
を生じさせることになる。この場合には、第１の
露出と第２の露出との際に生じた２つの模様の干
渉の結果として写真板上に生じた干渉模様は不規
則的であり、縞の周波数は２つの露出の間に於け
る物体の表面上の各点の変位の関数として変化す
ることになる。

結果として生ずる縞模様は、高い周波数と低い
周波数との環状縞が交互に変則的な歪点を取り囲
むような模様となる。第３図はかような結果とし
て生ずる干渉記録の小さい部分の拡大図である。
点３６が表面２０（第１図参照）上の点３６′に
対応し、物体１０が変則的な変形を受けたと仮定
すると、環状縞３８が点３６を取り囲むことにな
る。しかしながら、これらの縞模様は、肉眼で見
るのがきわめて困難である。その理由は、縞が細
かく繊細であるからであり、また均一な照明レベ
ルが得られるように縞の振幅とそのデユーテイサ
イクル（duty cycle）とが等しいからである。

縞の周波数に於けるこれらの変化を容易に見る
ことができるようにするために、現象された二重
露出干渉記録４０は第４図の装置でもつて処理さ
れる。干渉記録４０は透明画の形式に現像するの
が望ましい。選択的な実施態様に於ては陽画を作
ることもできるし、又濾過を他の方法で行うこと
もできる。第４図の装置に於て、透明画４０は、
普通の非干渉性光源４２からピンホールフイルタ
ー４４を介して出た収斂光束でもつて照明され
る。ピンホールからの光束は対物レンズ４６によ
つて集められ、透明画４０を通過する。フーリエ
平面４８には中央絞り５０が位置する。この絞り
は所定の周波数以下のすべての縞の通過を妨げる
ように作用する。生ずる虚像はスクリーン５４上
にレンズ５２によつて投影される。かくして、ス
クリーン５４はその上に形成された縞の列と共に
物体のボケた像を現わす。低周波数の縞が妨げら
れているので、低周波数の縞の位置に於て像の上
に暗い領域が現われる。結果として生じた像は第
５図に示されている。暗くされた領域５６は物体
表面２０に於ける変形の変態を作図している。

本発明の選択的な実施態様に於ては、他の形式
の縞周波数の濾過手段を用いることができる。例
えば、環状の高周波数縞絞りをフーリエ平面中に
用いることもできる。

物体の振動振幅の傾斜を分析するために、物体
１０を適当な装置を用いて振動させることができ
るし、又化学的装置を用いて単一の露出のみを行
なうことができる。現像された露出は二重露出プ
リントと同じ方法で処理することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は干渉光で照明された物体表面の二重露
出干渉記録を物体上の周囲圧力の二つの値に於て
形成するための装置の斜視図である。第２ａ図及
び第２ｂ図はシアリングレンズを説明するための
光学図であつて、第２ａ図は球面楔を含まないも
のを示し、第２ｂ図は球面楔を含むものを示す。
第３図は本発明の方法を用いて干渉記録上で得ら
れる一定振幅、可変周波数の縞を図示している干
渉記録の小さい部分の拡大図である。第４図はフ
ーリエ（Fourier）平面フイルターを用いて本発
明の干渉記録を写真板に複写するための装置の概
要図である。第５図は応力が加わつている間の模
様の変則的変形の関数として配列された重ね合わ
せ縞模様をもつ物体の像の実例であつて、第４図
の装置を用いて写真版に複写した後に得られたも
のである。 １０……物体、１２……テーブル、１４……ド
ーム型圧力カバー、１６……空気ポンプ、１８…
…弁、２０……表面、２２……レーザー
（laser）、２４……発散レンズ、２６……ピンホ
ールフイルター、２８……写真板、感光板、感光
面、写真媒体、３０……シアリングレンズ、３２
……一要素（one part）、３４……楔、シアリン
グレンズ、楔断面、３６……点、３８……縞、４
０……透明画（スライド）、４２……非干渉性光
源、４４……ピンホールフイルター、４６……対
物レンズ、４８……フーリエ（Fourier）平面、
５０……中央絞り、５２……レンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 応力の適用によつて生じた物体上の歪を分析
   するための方法であつて、干渉性光源で物体を照
   明すること；物体から反射された光を光学的中心
   軸線を備えた光学的要素を通して通過させ、前記
   光学要素に入射した反射光のすべてを集めて、上
   記中心軸線に対し互に横方向に変位された前記物
   体の少なくとも１対の合焦像を形成すること；前
   記光学的要素の像面に写真媒体を配置してこれに
   前記合焦像を露光すること；物体に応力を加える
   こと；物体に応力を加えた後、前記光学的要素か
   ら得られた前記第１の一対の合焦像と同じように
   互に変位された物体の第２の一対の合焦像を前記
   写真媒体に露光すること；前記写真媒体を現像す
   ること；及び前記物体からの像を絞・周波数フイ
   ルターによつて分析して、前記物体の応力の関数
   として重合されかつ配列された縞の群によつて前
   記物体の像を形成すること；よりなることを特徴
   とする方法。 ２ 前記光学的要素は、中心軸線を横切る平面内
   でほぼ円形である特許請求の範囲第１項に記載の
   方法。 ３ 前記光学的要素は、その表面の一部を被う契
   形プリズムを有する被覆レンズからなる特許請求
   の範囲第１項記載の方法。 ４ 加えられた応力によつて物体に生じる歪の関
   数として配列された干渉縞を有する物体像を形成
   する装置において、物体を照明する光束を形成す
   るためのレーザー；すべての入射光を集光させ
   て、互に変位していて、その大部分の領域におい
   て重合つている２つの像を包含する、物体の合焦
   像を形成するための集光レンズを有するカメラ；
   及び高コントラストの干渉縞によつて物体の像を
   形成するためのフーリエ平面の縞・周波数識別フ
   イルター；を有することを特徴とする装置。 ５ 前記集光レンズは、その表面の大部分を契形
   プリズムによつて被れている特許請求の範囲第４
   項に記載の方法。