JP2008232686A - 変形測定装置、変形測定方法および変形測定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】リアルタイムで高精度に測定対象物の変形量を測定可能にする変形測定装置、変形測定方法および変形測定プログラムを提供する。
【解決手段】本発明の変形測定装置１０は、スペックルパターンを検出し、検出されたスペックルパターンを、各時刻に対応付けられた散乱光の強度値として記憶し、記憶されたスペックルパターンの領域内の任意の位置で、散乱光の強度変化周期を算出する。そして、散乱光の強度変化周期の大小を判定するための基準値を記憶しておき、基準値に基づいて、特定位置の散乱光の強度変化周期が十分に小さいか否かを判定する。特定位置の散乱光の強度変化周期が十分に小さいと判定されたとき、強度変化周期が十分に小さいと判定された位置での強度値の変化から、この位置に対応する位置での測定対象物の変形量を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、検出されたスペックルパターンから測定対象物の変形を測定する変形測定装置、変形測定方法および変形測定プログラムに関する。

従来、レーザ光を用いて、測定資料の変形を計測する方法として、二光速干渉法を利用した電子スペックル干渉法が知られている。この方法はレーザ光の干渉により得られたスペックルパターンから変形量を求めるものである。

その求め方の１つには、異なる時点で得られたスペックルパターンによって形成される相関縞から測定試料の変形を求める方法がある（たとえば、特許文献１参照）。また、各スペックル点および各時間の強度信号を求め、この強度信号から位相変化、この位相変化から変形量を求める方法がある（たとえば、特許文献２および３参照）。この方法によれば分解能は２０ｎｍ程度であり、高精度の測定が可能となる。

また、相関縞や強度信号はノイズを含む周期信号であるため、その信号の中に含まれる成分を求めるには、ある種の変換処理を行う必要がある。例えば、フーリエ変換、ウェーブレット変換、ヒルベルト変換による方法等が知られている。
特開平１０−３８５３０号公報 特開２００３−１２１１２０号公報 特開２００４−１０９０７５号公報

上記の特許文献１に記載されるように、相関縞から変形量を求める方法は、リアルタイムでの計測を可能にする。しかし、一般に材料試験において、測定試料が破断に近づくと変形が大きく、かつ特異的となり、相関縞の集中が起こる。集中度が高くなると相関縞の集中部分が一様に白色となって検出されてしまい相関縞の周期等の測定が難しくなる。高解像度の画像データにより適切に相関縞を検出することも可能であるが、処理装置の付加が高まり、測定精度に限界がある。

一方、特許文献２または３に記載されているような強度信号から変形量を求める方法では、相関縞の集中が起きても、これには関係しないため測定精度に影響はない。しかしながら、処理にかかる負担が大きいため、リアルタイムで変形量を測定するのは困難である。

スペックルパターンの検出にはレーザ干渉によって得られるスペックル点よりも高解像度の画像データを用いる必要がある。そして、特許文献２または３に記載されるような従来の装置は、測定試料全領域についての変形量を求めるのに、高解像度の画像データの全ての点において強度信号から位相および変形量を求める演算処理を行う。そのような演算処理を行うと、負荷の小さいヒルベルト変換法を用いても、現在の処理装置の能力では実時間に対して処理が間に合わない。そのため、上記のような装置では、スペックルパターンデータを一旦取り込んだ後で、時間をかけて処理を行っている。

しかしながら、材料試験では破断に至るまでの変形の様子を確認しながら連続して計測することが求められており、リアルタイムで高精度に測定対象物の変形量を測定することが重要である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、リアルタイムで高精度に測定対象物の変形量を測定可能にする変形測定装置、変形測定方法および変形測定プログラムを提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明に係る変形測定装置は、変形している測定対象物の表面でレーザ光が散乱されて生じたスペックルパターンを検出する検出部と、前記検出されたスペックルパターンを、各時刻に対応付けられた散乱光の強度値として記憶するスペックルパターン記憶部と、前記記憶されたスペックルパターンの領域内の任意の位置で、散乱光の強度変化周期を算出する周期算出部と、散乱光の強度変化周期の大小を判定するための基準値を記憶する基準値記憶部と、前記基準値に基づいて、特定位置の散乱光の強度変化周期が十分に小さいか否かを判定する判定部と、前記判定の結果、前記特定位置の散乱光の強度変化周期が十分に小さいと判定されたとき、前記強度変化周期が十分に小さいと判定された位置での強度値の変化から、この位置に対応する位置での前記測定対象物の変形量を算出する変形量算出部と、を備えることを特徴としている。

このように、測定対象物の変形量が大きい領域で強度信号が短周期変化することを利用して、そのような領域で変形量を算出する。その結果、測定対象物の変形が大きい位置を容易に検出することができる。そして、測定対象物の変形が大きい位置においてのみ強度信号から位相および変形量を求める変換処理をすることにより、演算処理の負荷を大幅に低減し、リアルタイムでの変形計測が可能となる。このようにリアルタイムで高精度の変形量計測が可能になる結果、材料試験で破断に至るまでの変形の様子を確認しながら連続して計測することができる。

また、相関縞法では測定試料が破断に近づくと変形が大きくなり相関縞の集中という特異的な挙動を示すようになるため、縞の検出が不可能になるが、上記のように強度値の変化から変形量を求めるため、そのような不都合はなく定量的に変形量を測定できる。また、相関縞が集中するような領域の変形量を測定する場合でも高解像度の画像データが不要となり、装置の負荷も低減される。

（２）また、本発明に係る変形測定装置は、前記測定対象物の初期の塑性変形時に、前記記憶されたスペックルパターンの領域内の位置で算出された散乱光の強度変化周期を前記基準値として抽出し、前記基準値記憶部に記憶させる基準値抽出部を更に備えることを特徴としている。このように、初期の一様な塑性変形時の強度変化周期を基準値として抽出することにより、容易かつ自動的に基準値を抽出し、強度変化周期の大小を適切に判定することができる。

（３）また、本発明に係る変形測定装置は、前記変形量算出部は、前記記憶されたスペックルパターンの所定領域内で前記強度変化周期が十分に小さいと判定された位置について算出された変形量を、前記所定領域内にわたって積算することを特徴としている。このように、変形量の大きい領域では所定領域について各位置で算出された変形量を積算するため、精度の高い変形量を得ることができる。

（４）また、本発明に係る変形測定装置は、前記変形量算出部は、前記記憶されたスペックルパターンの所定領域内で測定対象物の変形の小さい変形量として、散乱光の強度変化周期が小さいと判定されなかったいずれかの位置で算出された前記測定対象物の変形量で代表させることを特徴としている。

強度信号が短周期変化していないスペックル点の領域では、特異的かつ大きな変形は起こらず、全体に一様な変形である。このため、強度信号が短周期変化していない領域ではすべての点について測定する必要が小さい。上記のように、強度信号が短周期変化していない領域ではいずれかの位置で算出された測定対象物の変形量で全体の変形量を代表させるため、全体としての測定精度を維持しつつ、処理の効率を高めることができる。

（５）また、本発明に係る変形測定装置は、測定者からの領域を指定する操作を受付ける操作部と、前記操作に基づき、指定された領域を表示する出力部と、を更に備え、前記変形量算出部は、予め測定者の操作により決定された領域を前記所定領域内として前記測定対象物の変形量を算出することを特徴としている。

このように、測定領域を調整することにより、領域を細分化し変形計測精度を向上させたり、領域を粗く分化して処理効率を高めることができる。このように、測定者が領域を調整することにより、測定目的にあわせて測定精度、実時間応答性を調整することが可能となる。

（６）また、本発明に係る変形測定装置は、前記変形量算出部は、ヒルベルト変換、フーリエ変換、またはウェーブレット変換を含む処理を行うことにより、前記測定対象物の変形量を算出することを特徴としている。

このように、ヒルベルト変換、フーリエ変換、またはウェーブレット変換により変形量を算出するため、変形量を正確に算出することができる。また、変形量を算出すべき領域を選択して、上記の変換を行うため、効率よく正確な値を算出することができる。

（７）また、本発明に係る変形測定方法は、変形させている測定対象物の表面でレーザ光が散乱されて生じたスペックルパターンを検出する検出ステップと、前記検出されたスペックルパターンを、各時刻に対応付けられた散乱光の強度値として記憶するスペックルパターン記憶ステップと、前記記憶されたスペックルパターンの領域内の任意の位置で、散乱光の強度変化周期を算出する周期算出ステップと、散乱光の強度変化周期の大小を判定するための基準値に基づいて、特定位置の散乱光の強度変化周期が十分に小さいか否かを判定する判定ステップと、前記判定の結果、前記特定位置の散乱光の強度変化周期が十分に小さいと判定されたとき、前記強度変化周期が十分に小さいと判定された位置での強度値の変化から、この位置に対応する位置での前記測定対象物の変形量を算出する変形量算出ステップと、を含むことを特徴としている。

このように、本発明の変形測定方法は、測定対象物の変形量が大きい領域で変形量を算出するため、測定対象物の変形が大きい位置においてのみの強度信号から変形量を求め、演算処理の負荷を大幅に低減し、リアルタイムでの変形を計測することが可能となる。

（８）また、本発明に係る変形測定プログラムは、変形させている測定対象物の表面でレーザ光が散乱されて生じたスペックルパターンを検出し、各時刻に対応付けられた散乱光の強度値として記憶し、記憶されたスペックルパターンから測定対象物の変形量を測定する装置に用いられる変形測定プログラムであって、前記記憶されたスペックルパターンの領域内の任意の位置で、散乱光の強度変化周期を算出する周期算出処理と、散乱光の強度変化周期の大小を判定するための基準値に基づいて、特定位置の散乱光の強度変化周期が十分に小さいか否かを判定する判定処理と、前記判定の結果、前記特定位置の散乱光の強度変化周期が十分に小さいと判定されたとき、前記強度変化周期が十分に小さいと判定された位置での強度値の変化から、この位置に対応する位置での前記測定対象物の変形量を算出する変形量算出処理と、をコンピュータに実行させることを特徴としている。

このように、本発明の変形測定プログラムは、測定対象物の変形量が大きい領域で変形量を算出するため、測定対象物の変形が大きい位置においてのみの強度信号から変形量を求め、演算処理の負荷を大幅に低減し、リアルタイムでの変形を計測することが可能となる。

本発明に係る変形算出装置によれば、測定対象物の変形が大きい位置においてのみの強度信号から変形量を求め、演算処理の負荷を大幅に低減し、リアルタイムでの変形を計測することが可能となる。

本発明者らは、疲労試験等に用いられる変形測定装置を開発するにあたり、測定対象物の変形が大きい位置でスペックルパターンの強度信号の周期が小さくなる点に着目した。そして、周期の小さい位置に集中して位相から変形量の変換処理を行うことにより、本発明を完成させるに至った。

本発明の変形測定装置は、変形させている測定対象物の表面でレーザ光が散乱されて生じたスペックルパターンを検出し、強度値として記憶させる。そして、変形測定装置は、基準値に基づいて、特定位置の散乱光の強度変化周期が十分に小さいか否かを判定し、判定の結果、特定位置の散乱光の強度変化周期が十分に小さいと判定されたとき、その位置に対応する測定対象物の変形量を算出する。これにより、リアルタイムでの高精度の変形測定が可能となり、材料試験等では変形の様子を確認しながら測定することを可能にしている。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。また、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

（実施形態１）
図１は、変形測定システム１の構成の概要を示す概念図である。変形測定システム１は、測定対象物７を引っ張って変形させるとともに、その表面７ａの反射で生じたスペックルパターンの変化により変形量を測定するためのシステムである。図１に示すように、変形測定システム１は、レーザ光源２、ミラー３、４、レンズ５、６、８、測定対象物７、高速度カメラ１１（検出部）、解析装置２０、治具５１、５２、制御装置５３、疲労試験制御装置５４から構成されている。変形測定装置１０は、高速度カメラ１１および解析装置２０により構成されている。

レーザ光源２は、所定波長のレーザ光を発生させる。ミラー３は、ハーフミラーであり、レーザ光源２が照射するレーザ光の一部を反射させ、残りを透過させる。ミラー３は、透過光が測定対象物７の表面７ａに入射角αで入射し、反射光がミラー４の方向に進行するように配置されている。ミラー４は、ミラー３で反射され分岐した光の進行方向に配置されており、ミラー４で反射されたレーザ光は測定対象物７の表面７ａに入射角αで入射する。

レンズ５、６は、それぞれミラー３、４の方向から入射する光を拡大し、拡大されたレーザ光が測定対象物７の表面７ａを幅広く照射するように配置されている。

測定対象物７は、変形量を測定する対象物である。測定対象物７は、板状に形成されており、その表面は粗面になるように処理されている。測定対象物７としては、アルミニウム等の金属板が測定に適している。レンズ８は、測定対象物７の表面７ａで反射されたレーザ光を高速度カメラ１１の受光面に散乱光を集光し、スペックルパターンを結像させる。

高速度カメラ１１（検出部）は、たとえば１２８×１２８チャンネルのＣＣＤ２次元センサを有しており、そのイメージセンサの受光面に測定対象物７からの散乱光を集光して、スペックルパターンの２次元画像データの信号を解析装置２０に送信する。このようにして、高速度カメラ１１は、変形している測定対象物の表面でレーザ光が散乱されて生じたスペックルパターンを検出する。

解析装置２０は、高速度カメラ１１からのスペックルパターンの光の信号を、デジタル信号に変換して記憶し、スペックルパターンの解析を行う。一方で、解析装置２０は、疲労試験制御装置５４に接続されており、応力の測定結果を取得することができる。治具５１、５２は、疲労試験用の試験片つかみ具である。治具５１、５２は、測定対象物７の両端部をつかみ、一定方向に引っ張るのに用いられる。

制御装置５３は、たとえば治具５１、５２を一定の変位速度で移動させる制御を行い、治具５１、５２の移動によって生じる応力を検知する。疲労試験制御装置５４は、疲労試験を行うのに用いられ、制御装置５３および治具５１、５２を制御する。また、疲労試験制御装置５４は、制御装置５３から応力の測定結果を検出し、解析装置２０に送信する。次に、疲労試験を行った場合のスペックルパターンの例および応力と時間との関係を簡単に説明する。

図２（ａ）は、検出されるスペックルパターンの一例を示す図である。スペックルパターンとは、干渉性の良いレーザ光を２分し、それぞれを粗面に当てるとそれらが干渉しあって生じるランダムな斑点模様であり、位相情報を有している。その粗面が変位するとそれによる位相差のために、スペックルパターンの明暗が変わる。粗面物体の各部が変形するとそれに応じてスペックルパターンの明暗分布が縞になって現れ、変位分布を測定することができる。

図２（ｂ）は、信号強度の時間変化を示すグラフである。図２（ｂ）において、縦軸のＩｎｔｅｎｓｉｔｙは、各ピクセルにおける光強度を表している。横軸のＴｉｍｅ（Ｆｒａｍｅ）は、ＣＣＤカメラによって撮像される間隔を時間の単位として時間を表している。なお、一般的に、ＣＣＤカメラとして１秒間に３０Ｆｒａｍｅ程度撮像するものが使われることが多い。解析装置２０は、各時刻のスペックルパターンを記憶し、各スペックル点について信号強度の変化を検出する。

次に、変形測定装置１０の構成について説明する。図３は、変形測定装置１０の構成を示すブロック図である。変形測定装置１０は、高速度カメラ１１（検出部）、スペックルパターン記憶部２１、基準値抽出部２３、基準値記憶部２４、操作部２６、領域記憶部２７、周期算出部２９、判定部３０、変形量算出部３１、干渉パターン算出部３２、測定データ記憶部３３、出力部３４および測定制御部３５を備えている。図中の矢印は情報の流れを示している。

高速度カメラ１１は、たとえばＣＣＤカメラであり、光から発生した電荷を受光素子により読み出し、画像を電気信号に変換する。高速度カメラ１１は、変形している測定対象物の表面でレーザ光が散乱されて生じたスペックルパターンを検出する。

スペックルパターン記憶部２１は、検出されたスペックルパターンを、各時刻に対応付けられた散乱光の強度値として記憶する。スペックルパターン記憶部２１は、第１のメモリ２１ａ、強度演算部２１ｂおよび第２のメモリ２１ｃを備えている。第１のメモリ２１ａは、高速度カメラ１１からの画像信号を、一旦二次元画像データとして記憶する。強度演算部２１ｂは、記憶された二次元画像データを各ピクセル位置における強度信号に変換する。第２のメモリ２１ｃは、各ピクセル位置の強度信号を記憶する。スペックルパターン記憶部２１は、ＣＰＵおよびメモリから構成される。

基準値抽出部２３は、測定対象物７の初期の塑性変形時に、記憶されたスペックルパターンの領域内で算出された散乱光の強度変化周期を基準値として抽出する。抽出は１点もしくは数点で行えば十分である。そして、抽出した基準値を基準値記憶部２４に記憶させる。初期の塑性変形時は、以下のようにして基準値抽出部２３により判断する。引張試験中、疲労試験制御装置５４に「時間−応力」のデータがリアルタイムで検出され、基準値抽出部２３はそのデータを受信する。基準値抽出部２３は、この「応力−時間」のデータが、比例を示す直線から所定値以上外れたか否かを判定する。そして、所定値以上外れた段階で、何らかの信号を発し自動的に計測を開始する。このようにして、応力−時間グラフにおける比例関係の終了時点を検知し、その時点から自動計測を開始する。

弾性変形時に周期を検出して基準としてもよいが、基本的に塑性変形時とは強度信号波形の周期が異なるため、塑性変形時に比べると弾性変形時に周期を周期の長短を判断する基準とすることは難しい。したがって、塑性変形時の周期を基準とすることが好ましい。また、塑性変形の進行期や破壊直前期に比べると、塑性変形の初期に基準となる周期を検出するのが好ましい。微小な領域における変形計測や正確な変形計測を行う場合では、塑性変形の進行段階によって生じる周期の微妙な相違が波形の判断に大きな影響を及ぼす。しかし、初期の塑性変形時の強度変化周期は、スペックルパターンの全領域にわたってほぼ一様である。したがって、後に変形に偏りが生じたときには、初期の塑性変形時の強度変化周期を平均的な基準の周期とすることができる。

なお、初期の塑性変形時であることを判断するためには、画面上に表示される応力−時間グラフや相関縞の局所的な集中をもとにユーザが判断することとしてもよい。また、装置が基準値を抽出するのではなく、ユーザが操作部２６から基準値を入力することとしてもよい。基準値抽出部２３は、ＣＰＵにより構成される。

基準値記憶部２４、散乱光の強度変化周期の大小を判定するための基準値を記憶する。基準値記憶部２４は、メモリまたは外部記憶装置により構成される。操作部２６は、たとえばキーボードであり、測定者からの領域を指定する操作を受付ける。所定領域（分割領域）は、予め測定者の操作により所定の大きさに決定される。所定領域では、変形量算出部３３が変形量を積算したり、特定の位置の変形量で全体を代表させたりする。領域記憶部２７は、操作部２６に入力された操作により決定された領域を記憶する。領域記憶部２７は、メモリまたは外部記憶装置により構成されている。領域記憶部２７は、メモリまたは外部記憶装置により構成される。

周期算出部２９は、スペックルパターン記憶部２１に記憶されたスペックルパターンの領域内の任意の位置で、散乱光の強度変化周期を算出する。周期は、極小または極大の強度を取る時刻の差から算出される。基準となる周期は、周期が一定（もしくは周期が一定に近い）と見なされる部分を判定し、その周期を抽出することで行われる。たとえば、スペックルパターン内のランダムに選択された位置で、散乱光の強度値が変化する周期を算出するのが好適である。これにより、偏りのない位置で強度を測定することができ、バランスよく強度変化を測定することができる。また、局所的に生じる特異な現象による影響を避けることができる。ランダムに位置を選択するためには、乱数発生部（図示せず）により乱数を発生させて、選択することができる。周期算出部２９は、ＣＰＵにより構成される。

判定部３０は、基準値に基づいて、特定位置の散乱光の強度変化周期が十分に小さいか否かを判定する。そして、特定位置の散乱光の強度変化周期が十分に小さい場合には、変形量算出部にその位置で位相変化から変形量を算出させる。判定部３０は、基準値抽出部２３が基準値を抽出した後から判定を行う。すなわち、測定対象物７が初期の塑性変形の段階に入ってから判定を行う。なお、判定部３０は、ＣＰＵにより構成される。

干渉パターン算出部３２は、所定時間だけ異なる時刻のスペックルパターンの強度の差をとることで干渉パターンを算出する。出力部３４は、領域指定操作モードのときには、操作に基づき、指定された領域を表示する。また、測定時には、スペックルパターンを表示するとともに、変形の大きい位置の変形量を表示する。出力部３４は、たとえばＣＰＵ、表示回路、画面により構成される。測定データ記憶部３３は、メモリまたは外部記憶装置により構成され、測定され解析されたデータを記憶する。次に、変形の段階を検出する手法について説明する。

変形量算出部３１は、スペックルパターンの特定の位置で散乱光強度の周期的変化の位相を検出し、対応する測定対象物７の位置での測定対象物７の変形量を算出する。変形量の算出は、以下のようにして行う。位置ｘ、ｙで時刻ｔにおけるスペックルパターンの強度Ｉ（ｘ，ｙ，ｔ）は、バイアス強度をＩ_０とすると、時間項も含めて（１）式のように表現できる。このときのＩ_ｃに共役な関数Ｉ_ｓ（ｘ，ｙ，ｔ）を、ヒルベルト変換により求める。特に、ヒルベルト変換法は位相を求めるため演算が簡易であるため演算装置の負荷を低減することができる。

そして、ＩｃおよびＩｓに基づいて、スペックル位相を求める。そして、各時点で（２）式により得られる位相値との差を計算して、変形による位相の時間変化φを求める。

さらに、（３）式を用い、測定している方向の変形量ｕを求める。このような処理を行い、変形量の算出を行う。

なお、上記の例では、Ｉ_ｃに共役な関数Ｉ_ｓを求める際にヒルベルト変換を用いているが、フーリエ変換やウェーブレット変換を用いてもよい。このように、ヒルベルト変換、フーリエ変換、またはウェーブレット変換により変形量を算出するため、変形量を正確に算出することができる。また、変形量を算出すべき領域を選択して、上記の変換を行うため、効率よく正確な値を算出することができる。

また、変形量算出部３１は、記憶されたスペックルパターンの所定領域内で算出された変形量を、その領域内にわたって積算する機能も有している。また、スペックルパターンの所定領域内で測定対象物の変形の小さい変形量として、散乱光の強度変化周期が小さいと判定されなかったいずれかの位置で算出された測定対象物の変形量で代表させる。その際には、１点で変形量を演算してその結果により変形量を代表させてもよいし、数点で変形量を演算してその結果により変形量を代表させてもよい。１点もしくは数点の周期を求めるのに必要な処理能力は、計測範囲のすべての点において強度信号を求め、位相から変形量を求めるといった一連の作業に必要な処理能力と比較すると、格段に小さいため、周期の小さい領域に絞って変形量を算出することにより処理が効率化される。また、その結果、ユーザはリアルタイムで測定結果を得ることができる。変形量算出部３１は、ＣＰＵにより構成される。

測定制御部３５は、変形測定の処理を進めるために各部の制御を行う。たとえば、測定制御部３５は、一領域当たりの位置選択回数または時間を決定し、最初に測定する領域を決定する。また、測定制御部３５は決定された領域内でランダムに特定位置を選択する。その他、主に判定や処理の開始、終了を行う。測定制御部３５は、ＣＰＵにより構成されている。なお、図３では、便宜的に測定制御部３５と各部とを結ぶ矢印は省略している。

図４は、測定対象物が変形を受けているときの変形量とかかっている力との関係を示すグラフである。図４において、時間と応力が直線関係にある部分、すなわち約０ｓｅｃ〜７０ｓｅｃの時間は、弾性変形時である。初期の塑性変形時は、約７０ｓｅｃ〜３００ｓｅｃの時間である。図４では、約７０ｓｅｃ以降に測定対象物は塑性変形を続け、３５００ｓｅｃあたりで破断している。基準値抽出部２３は、たとえば、図４の時間と応力とが直線の関係から外れたときに初期の塑性変形時と判定する。

上記の例では、基準値抽出部２３は、「応力−時間」のデータが、比例を示す直線から所定値以上外れたか否かにより初期の塑性変形時であることを判断しているが、相関縞の局所的な集中を捉えることで初期の塑性変形時であることを判断してもよい。図５は、変形の各時点に対応するスペックルパターンの差画像を示す図である。（Ａ）〜（Ｈ）は、図４の各時点Ａ〜Ｈに対応している。

干渉パターン算出部３２は、所定時間だけ異なる時刻のスペックルパターンの強度の差をとることで干渉パターンを算出する。図５に示すようなスペックルパターンの差画像をリアルタイムで検出し、弾性領域に入った段階で観察される相関縞の局所的な集中を、特徴量を抽出する画像処理により捉えることで、自動計測を開始することができる。たとえば、図５（Ｂ）の領域６１は、相関縞が離散しており、変形量が小さいことを示しているが、領域６２は、相関縞が局所的に集中しており、変形量が大きいことを示している。次に、画面表示例を用いてユーザインタフェースを説明する。

図６は、マスクページ７０（領域設定用画面）の表示例を示す図である。図６に示すように、マスクページ７０は、スペックルパターンを読み込んだ画像を測定対象表示領域７１に表示し、その中にマスクされてない測定領域７２を表示している。マスクページ７０はユーザがマウス等のデバイスを操作することで設定可能である。マスクページ７０で設定した計測範囲は、差分画像のリアルタイム表示部分に表示される。

図７は、計測用モニター画面８０の表示例を示す図である。計測用モニター画面８０は、「計測範囲を表示する」のチェックボックスを表示しており、これをチェックすると、マスクページ７０で設定した測定領域７２がスペックルパターンの差分画像を差分画像表示領域８１に表示される。なお、計測用モニター画面８０では初期設定時では領域表示を行わない。また、計測用モニター画面８０は、波形表示部８３に特定の点についての強度信号を波形表示する。結果表示領域８４は、特定の点についての強度信号を波形表示する。

次に、以上のように構成された変形測定装置１０を用いて、測定対象物７の変形を測定する測定方法を説明する。まず、レーザ光源２からレーザ光を照射し、スペックルパターンを結像させる。同時に、高速度カメラ１１により、スペックルパターンを撮像し、各時刻のスペックルパターンをスペックルパターン記憶部２１に記憶する。

測定対象物７の変形が弾性領域を超えると、初期の塑性変形が始まる。このときに、記憶されたスペックルパターンのいずれかの点で変形量を算出し、基準値として記憶しておく。そして、さらに変形が進むと、局所的に大きい変形が生じるようになる。

変形測定装置１０は、局所的に大きい変形が生じるようになったときに、周期を用いた変形測定を行う。図８は、変形測定装置１０によって行われる特徴的な変形測定方法を示すフローチャートである。まず、変形測定装置１０は、操作部２６から領域分割の指定を受付ける（ステップＳ１）。次に、測定制御部３５が一領域当たりの位置選択回数を決定し（ステップＳ２）、最初に測定する領域を決定する（ステップＳ３）。

次に、測定制御部３５は決定された領域内でランダムに特定位置を選択する（ステップＳ４）。そして、周期算出部２９は、選択された位置で強度変化の周期を算出する（ステップＳ５）。判定部３０は、基準値記憶部２４から基準値を読み出し、周期算出部２９により算出された周期が、基準値より小さいか否かを判定する（ステップＳ６）。判定部３０は、周期が基準値以上であったと判定したときには、さらに変形が小さい位置の変形量の記憶が無いか否かを判定する（ステップＳ７）。変形が小さい位置の変形量の記憶があると判定されたときは、変形量算出部３１は、その記憶されている変形量を読み出し、これを変形が小さい領域を代表する変形量として処理を進める（ステップＳ８）。

一方、変形が小さい位置の変形量の記憶が無いと判定された場合、または周期が基準値より小さいと判定された場合には、変形量算出部３１は、選択された位置での変形量を算出し（ステップＳ９）、測定データ記憶部３３は、算出された変形量を記憶する（ステップＳ１０）。干渉パターン算出部３２は、所定時間だけ異なる時刻のスペックルパターンの強度の差をとることで干渉パターンを算出する。出力部３４は、算出された干渉パターンとともに算出された変形量をリアルタイムで画面に出力する（ステップＳ１１）。

次に、測定制御部３５は所定回数の選択が終了したか否かを判定する（ステップＳ１２）。所定回数の選択が終了していないと判定されたときには、ステップＳ４に戻る。所定回数の選択が終了したと判定された場合には、測定制御部３５は変形が小さい位置の変形量として記憶されている変形量の記憶を削除する（ステップＳ１３）。

そして、測定制御部３５は変形量の算出が終了したか否かについて判定する（ステップＳ１４）。変形量の算出が終了していないと判定された場合には、次の領域を決定し（ステップＳ１５）、ステップＳ４に戻る。算出が終了したと判定された場合には、変形測定の処理を終了する。

なお、上記の実施形態では、計測位置をランダムに決定するが、計測位置を所定の位置としてもよい。たとえば、等間隔に離れた所定位置についてスペックル点で周期を求めることができる。その場合、計測が正確かつ効果的になる。また、領域がごく小さい場合には、計測点（ピクセル）が少なくなるため、全計測点について周期計測してもよい。なお、上記の動作例では所定回数の選択を繰り返すこととしているが、回数ではなく時間を基準としてもよい。

また、上記の実施形態では、変形が小さい領域では、１点の変形量で他の点の変形量を代表させているが、１点のみではなく等間隔に配置された数点においてそれぞれの変形量を求めてもよい。その場合、１点の変形量で代表させている場合よりも正確な計測を行うことができる。

変形測定システムの構成の概要を示す概念図である。 （ａ）検出されるスペックルパターンの一例を示す図である。（ｂ）散乱光の強度の時間変化を示すグラフである。 本発明に係る変形測定装置の構成を示すブロック図である。 測定対象物が変形を受けているときの変形量と応力との関係を示すグラフである。 測定対象物の変形の各時点に対応するスペックルパターンの差画像を示す図である。 測定結果画面の表示例を示す図である。 測定結果画面の表示例を示す図である。 本発明に係る変形測定方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 変形測定システム
２ レーザ光源
３、４ ミラー
５、６、８ レンズ
７ 測定対象物
７ａ 測定対象物の表面
１０ 変形測定装置
１１ 高速度カメラ
２０ 解析装置
２１ スペックルパターン記憶部
２１ａ 第１のメモリ
２１ｂ 強度演算部
２１ｃ 第２のメモリ
２３ 基準値抽出部
２４ 基準値記憶部
２６ 操作部
２７ 領域記憶部
２９ 周期算出部
３０ 判定部
３１ 変形量算出部
３２ 干渉パターン算出部
３３ 測定データ記憶部
３４ 出力部
３５ 測定制御部
５１、５２ 治具
５３ 制御装置
５４ 疲労試験制御装置
７０ マスクページ
７１ 測定対象表示領域
７２ 測定領域
８０ 計測用モニター画面
８１ 差分画像表示領域
８３ 波形表示部
８４ 結果表示領域
ｔ 時刻
ｘ 位置
ｕ 変形量
α 入射角
φ 位相の時間変化

Claims (8)

1. 変形している測定対象物の表面でレーザ光が散乱されて生じたスペックルパターンを検出する検出部と、
   前記検出されたスペックルパターンを、各時刻に対応付けられた散乱光の強度値として記憶するスペックルパターン記憶部と、
   前記記憶されたスペックルパターンの領域内の任意の位置で、散乱光の強度変化周期を算出する周期算出部と、
   散乱光の強度変化周期の大小を判定するための基準値を記憶する基準値記憶部と、
   前記基準値に基づいて、特定位置の散乱光の強度変化周期が十分に小さいか否かを判定する判定部と、
   前記判定の結果、前記特定位置の散乱光の強度変化周期が十分に小さいと判定されたとき、前記強度変化周期が十分に小さいと判定された位置での強度値の変化から、この位置に対応する位置での前記測定対象物の変形量を算出する変形量算出部と、を備えることを特徴とする変形測定装置。
2. 前記測定対象物の初期の塑性変形時に、前記記憶されたスペックルパターンの領域内の位置で算出された散乱光の強度変化周期を前記基準値として抽出し、前記基準値記憶部に記憶させる基準値抽出部を更に備えることを特徴とする請求項１記載の変形測定装置。
3. 前記変形量算出部は、前記記憶されたスペックルパターンの所定領域内で前記強度変化周期が十分に小さいと判定された位置について算出された変形量を、前記所定領域内にわたって積算することを特徴とする請求項１から請求項２のいずれかに記載の変形測定装置。
4. 前記変形量算出部は、前記記憶されたスペックルパターンの所定領域内で測定対象物の変形の小さい変形量として、散乱光の強度変化周期が小さいと判定されなかったいずれかの位置で算出された前記測定対象物の変形量で代表させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の変形測定装置。
5. 測定者からの領域を指定する操作を受付ける操作部と、
   前記操作に基づき、指定された領域を表示する出力部と、を更に備え、
   前記変形量算出部は、予め測定者の操作により決定された領域を前記所定領域内として前記測定対象物の変形量を算出することを特徴とする請求項３または請求項４記載の変形測定装置。
6. 前記変形量算出部は、ヒルベルト変換、フーリエ変換、またはウェーブレット変換を含む処理を行うことにより、前記測定対象物の変形量を算出することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の変形測定装置。
7. 変形させている測定対象物の表面でレーザ光が散乱されて生じたスペックルパターンを検出する検出ステップと、
   前記検出されたスペックルパターンを、各時刻に対応付けられた散乱光の強度値として記憶するスペックルパターン記憶ステップと、
   前記記憶されたスペックルパターンの領域内の任意の位置で、散乱光の強度変化周期を算出する周期算出ステップと、
   散乱光の強度変化周期の大小を判定するための基準値に基づいて、特定位置の散乱光の強度変化周期が十分に小さいか否かを判定する判定ステップと、
   前記判定の結果、前記特定位置の散乱光の強度変化周期が十分に小さいと判定されたとき、前記強度変化周期が十分に小さいと判定された位置での強度値の変化から、この位置に対応する位置での前記測定対象物の変形量を算出する変形量算出ステップと、を含むことを特徴とする変形測定方法。
8. 変形させている測定対象物の表面でレーザ光が散乱されて生じたスペックルパターンを検出し、各時刻に対応付けられた散乱光の強度値として記憶し、記憶されたスペックルパターンから測定対象物の変形量を測定する装置に用いられる変形測定プログラムであって、
   前記記憶されたスペックルパターンの領域内の任意の位置で、散乱光の強度変化周期を算出する周期算出処理と、
   散乱光の強度変化周期の大小を判定するための基準値に基づいて、特定位置の散乱光の強度変化周期が十分に小さいか否かを判定する判定処理と、
   前記判定の結果、前記特定位置の散乱光の強度変化周期が十分に小さいと判定されたとき、前記強度変化周期が十分に小さいと判定された位置での強度値の変化から、この位置に対応する位置での前記測定対象物の変形量を算出する変形量算出処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする変形測定プログラム。