JP2021039032A

JP2021039032A - 非接触計測装置

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Publication number: JP2021039032A
Application number: JP2019161340A
Authority: JP
Inventors: 幸次荒川; Koji Arakawa; 信弥宮崎; Shinya Miyazaki
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2019-09-04
Filing date: 2019-09-04
Publication date: 2021-03-11
Anticipated expiration: 2039-09-04
Also published as: JP7276016B2

Abstract

【課題】金属材料の変化量を従来よりも正確に計測する。【解決手段】金属材料の表面に形成されている模様を撮像する撮像装置と、前記撮像装置により撮像された撮像画像に基づいて、デジタル画像相関法により前記金属材料の変化量を計測する変化量計測部と、を備え、前記模様は、前記金属材料に含まれる結晶粒の形に由来する模様及び前記金属材料に含まれる化合物からなる模様の少なくともいずれかである。【選択図】図１

Description

本発明は、非接触計測装置に関する。

金属材料の変位量や変形量（以下、単に「変化量」という。）を、デジタル画像相関法を用いて非接触で計測する方法がある。

上記方法では、金属材料にランダムな模様を塗装し、変化前の前記模様の画像と変化後の前記模様の画像とに対してデジタル画像相関法を適用することにより金属材料の変化量を計測する場合がある。

特開２０１０−２０３９９９号公報

ただし、金属材料に塗装された模様は、ある一定以上伸びると剥げてしまい、金属材料の変化量を正確に計測することができない場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、金属材料の変化量を従来よりも正確に計測することができる非接触計測装置を提供することである。

（１）本発明の一態様は、金属材料の表面に形成されている模様を撮像する撮像装置と、前記撮像装置により撮像された撮像画像に基づいて、デジタル画像相関法により前記金属材料の変化量を計測する変化量計測部と、を備え、前記模様は、前記金属材料に含まれる結晶粒の形に由来する模様及び前記金属材料に含まれる化合物からなる模様の少なくともいずれかであることを特徴とする、非接触計測装置である。

（２）上記（１）の非接触計測装置であって、前記撮像装置は、前記撮像画像を前記金属材料の変化前後で撮像し、前記変化量計測部は、前記撮像装置により撮像された前記変化前の撮像画像である第１の画像と、前記撮像装置により撮像された前記変化後の撮像画像である第２の画像と、に対してデジタル画像相関法を適用することにより前記変化量を計測してもよい。

（３）上記（１）又は（２）の非接触計測装置であって、前記化合物は、前記金属材料の介在物を含んでもよい。

（４）上記（２）又は上記（３）の非接触計測装置であって、前記変化量計測部は、第１の画像において前記化合物が所定値以上含まれる領域を所定の領域として設定し、前記金属材料が変化した後の前記所定の領域の位置を第２の画像内の領域からデジタル画像相関法により特定し、前記所定の領域の変化量を前記金属材料の変化量として計測してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、金属材料の変化量を従来よりも正確に計測することができる。

本実施形態に係る非接触計測装置１の概略構成の一例を示す図である。本実施形態に係る撮像装置２が撮像した金属材料Ｗの溶接部に含まれる化合物からなる模様Ｐの一例である。本実施形態に係る表示装置４及び情報処理装置５の概略構成図。本実施形態に係る非接触計測装置１の動作の流れを説明する図である。本実施形態に係るデジタル画像相関法の一例について説明する図である。

以下、本実施形態に係る非接触計測装置を、図面を用いて説明する。

本実施形態に係る非接触計測装置１は、被計測物である金属材料Ｗの表面に形成された模様Ｐを撮像し、その撮像画像に対してデジタル画像相関法（Digital Image Correlation）を適用することにより金属材料Ｗが変化した量（変化量）を計測する。ここで、変化とは、金属材料Ｗの状態が変化することであり、例えば、外力による金属材料Ｗの変形や変位である。金属材料Ｗに外力を与える場合とは、例えば、金属材料Ｗに対して曲げ試験や引張・圧縮等の強度試験を行う場合である。したがって、金属材料Ｗの変化前とは、例えば、強度試験を行う場合に外力を金属材料Ｗに与える前である。一方、金属材料Ｗの変化後とは、例えば、強度試験を行う場合に外力を金属材料Ｗに与えた後である。

模様Ｐは、金属材料Ｗに含まれる結晶粒の形に由来する模様及び金属材料Ｗに含まれる化合物からなる模様の少なくともいずれかである。金属材料Ｗに含まれる金属結晶の結晶粒の形に由来する模様は、例えば、金属結晶の結晶粒界によって形成された模様であって、当然に面心立方格子構造などの結晶構造の意味するものではない。
例えば、金属材料Ｗは、炭素鋼である。また、金属材料Ｗは、金属結晶の成長がランダムに発生する材料であってもよい。例えば、金属材料Ｗは、ニッケル基系合金やアルミニウム系合金である。

模様Ｐが金属材料Ｗに含まれる化合物からなる模様である場合には、例えば、金属材料Ｗは、母材である第１の金属材料と溶接部材である第２の金属材料とが溶接により接合した構造体である。この場合には、溶接が施された部分（以下、「溶接部」という。）には、化合物がランダムに点在する。したがって、金属材料Ｗに含まれる化合物からなる模様とは、例えば、溶接部において、溶接金属に含まれる化合物がランダムに点在することで溶接部の表面に現れた模様である。化合物は、介在物であってもよいし、析出物であってもよいし、その両方であってもよい。

以下において、本実施形態に係る非接触計測装置１の概略構成を、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る非接触計測装置１の概略構成の一例を示す図である。

非接触計測装置１は、撮像装置２、冶具３、表示装置４及び情報処理装置５を備える。例えば、撮像装置２及び表示装置４は、いわゆるマイクロスコープ（デジタル顕微鏡）であってよい。

撮像装置２は、金属材料Ｗの表面に形成されている模様Ｐを撮像する。具体的には、撮像装置２は、所定の拡大率（以下、「所定の倍率」という。）で模様Ｐを撮像する。ここで、上記金属結晶や上記化合物のサイズは、数マイクロ〜数百マイクロメートル程度である場合が多い。したがって、上記所定の倍率は、数百マイクロ〜数マイクロメートル程度の大きさの上記金属結晶や上記化合物からなる模様が撮像可能な倍率であることが望ましい。

例えば、撮像装置２は、図２に示す模様Ｐを撮像する。図２は、撮像装置２が撮像した金属材料Ｗの溶接部に含まれる化合物からなる模様Ｐの一例である。図２に示す例では、模様Ｐは、溶接部に含まれる介在物Ｉ（黒く映っている物体）がランダムに点在することで溶接部の表面に現れた点在模様である。
撮像装置２は、同一の位置及び同一の倍率において、模様Ｐの撮像画像を金属材料Ｗの変化前後で撮像する。

本実施形態に係る撮像装置２は、光学系２１及び撮像部２２を備える。
光学系２１は、照明装置及びレンズユニットを備える。光学系２１では、前記照明装置から金属材料Ｗに照射した光の反射光を、前記レンズユニットで集光して所定の倍率で結像させる。例えば、前記レンズユニットは、対物レンズ及びズームレンズを備える。なお、対物レンズ及びズームレンズは、それぞれ公知の技術であるため、説明を省略する。

撮像部２２は、所定の倍率で拡大された上記結像を撮像することにより、模様Ｐの画像データを生成する。例えば、撮像部２２は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の撮像素子である。撮像部２２は、撮像素子で生成されたアナログの画像データをデジタルの画像データ（以下、「撮像画像」という。」）に変換して、表示装置４に送信する。

ここで、光学系２１は、光学顕微鏡や電子顕微鏡等の顕微鏡であってもよい。撮像部２２は、カメラであって、例えば、スマートフォンやタブレット端末であってもよい。

冶具３は、可動ホルダー３１及び可動ステージ３２を備える。

可動ホルダー３１は、対物レンズの中心軸の方向（Ｘ方向）に垂直な方向（以下、「Ｚ方向」という。）に移動可能に撮像装置２を保持する保持手段である。本実施形態に係るＺ方向は、鉛直方向である。例えば、可動ホルダー３１には、第１の位置調整部が取り付けられており、当該第１の位置調整部がユーザにより操作されることによって撮像装置２のＺ軸方向の位置を調整可能である。

可動ステージ３２は、Ｚ方向に交差する面（以下、ＸＹ平面）内において、撮像装置２を移動可能である。具体的には、可動ステージ３２には、第２の位置調整部が取り付けられており、当該第２の位置調整部がユーザにより操作されることによってＸＹ平面内における撮像装置２の位置を調整することができる。

次に、表示装置４及び情報処理装置５の構成について、図３を用いて説明する。図３は、本実施形態に係る表示装置４及び情報処理装置５の概略構成図である。
まず、本実施形態に係る表示装置４の構成について説明する。
表示装置４は、表示部４１、操作部４２及び表示制御部４３を備える。例えば、表示装置４は、撮像部２２をさらに備えたスマートフォンやタブレット端末であってもよい。

表示部４１は、種々の情報を表示可能であって、例えば、液晶パネルや有機ＥＬ等を有する。

操作部４２は、ユーザからの操作を受け付ける。操作部４２は、キーボード、各種入力ボタンやスイッチ、ジョイスティック、表示部４１の表示画面に対するポイント操作に用いられるマウス等のポインティングデバイス等の入力デバイスを備える。操作部４２は、ユーザからの操作を受け付けると、その操作に応じた信号を表示制御部４３に出力する。例えば、操作部４２は、上記入力デバイスを介して入力された信号を受け付け、表示制御部４３に出力する。
ユーザは、操作部４２を操作することにより、撮像装置２が撮像した撮像画像の中から第１の画像及び第２の画像を選択することができる。すなわち、操作部４２は、ユーザからの操作に基づいて、撮像装置２から送信された撮像画像のうち、第１の画像及び第２の画像を選択する。第１の画像とは、金属材料Ｗの状態が変化する前の撮像画像である。第２の画像とは、金属材料Ｗの状態が変化した後の撮像画像である。さらに、ユーザは、操作部４２を操作することにより上記所定の倍率を変更可能である。

表示制御部４３は、撮像装置２から送信される撮像画像を表示装置４に表示する。
表示制御部４３は、ユーザの操作に基づいて操作部４２が選択した第１の画像及び第２の画像を情報処理装置５に送信する。表示制御部４３は、ＣＰＵ又はＭＰＵなどのマイクロプロセッサ、ＭＣＵなどのマイクロコントローラなどにより構成されてよい。

情報処理装置５は、画像取得部５１及び変化量計測部５２を備える。情報処理装置５は、ＣＰＵ又はＭＰＵなどのマイクロプロセッサ、ＭＣＵなどのマイクロコントローラなどにより構成されてよい。例えば、情報処理装置５は、コンピュータである。

画像取得部５１は、表示制御部４３から第１の画像及び第２の画像を取得する。

変化量計測部５２は、画像取得部５１が取得した第１の画像及び第２の画像に対して、公知のデジタル画像相関法を適用することにより金属材料Ｗの変化前後での模様Ｐの変化を金属材料Ｗの変化量として計測する。
このように、変化量計測部５２は、撮像装置２により撮像された金属材料Ｗの変化前の撮像画像である第１の画像と、撮像装置２により撮像された金属材料Ｗの変化後の撮像画像である第２の画像と、に対してデジタル画像相関法を適用することにより金属材料Ｗの変化量を計測する。

以下に、本実施形態に係る非接触計測装置１の動作の流れについて、図４を用いて説明する。図４は、本実施形態に係る非接触計測装置１の動作の流れを説明する図である。

非接触計測装置１は、金属材料Ｗの変化前において、所定の倍率で模様Ｐを撮像して、第１の画像を取得する（ステップＳ１０１）。例えば、撮像装置２は、所定の倍率で模様Ｐを撮像して、その撮像した撮像画像を表示装置４に送信する。表示装置４の表示制御部４３は、操作部４２に対して第１の操作が行われた場合には、表示部４１に表示されている撮像画像を第１の画像として情報処理装置５に出力する。ここで、第１の操作は、上記入力デバイスへの操作であり、例えば、表示部４１の表示画面に対するポイント操作である。

非接触計測装置１は、金属材料Ｗの変化後において、上記所定の倍率で模様Ｐを撮像して、第２の画像を取得する（ステップＳ１０２）。例えば、撮像装置２は、所定の倍率で模様Ｐを撮像して、その撮像した撮像画像を表示装置４に送信する。表示装置４の表示制御部４３は、操作部４２に対して第１の操作とは異なる第２の操作が行われた場合には、表示部４１に表示されている撮像画像を第２の画像として情報処理装置５に出力する。ここで、第２の操作は、上記入力デバイスへの操作であり、例えば、表示部４１の表示画面に対するポイント操作である。
なお、ステップＳ１０２における撮像装置２の位置及び撮像画像の倍率は、ステップＳ１０１における撮像装置２の位置及び撮像画像の倍率と同一である。すなわち、金属材料Ｗの変化前後において、撮像装置２の位置及び撮像画像の倍率は変更されない。

変化量計測部５２は、表示装置４から取得した第１の画像及び第２の画像に対して、公知のデジタル画像相関法を適用することにより金属材料Ｗの変化前後での模様Ｐの変化を金属材料Ｗの変化量として計測する（ステップＳ１０３）。このように、本実施形態の非接触計測装置１は、金属材料Ｗの結晶模様や化合物からなる模様を用いてデジタル画像相関法を適用することで属材料Ｗの変化量を非接触で計測する。これにより、被計測物である金属材料Ｗの変化量を非接触で計測するにあたって、金属材料Ｗに所定のランダムパターンの模様を塗布する必要がない。したがって、塗装が剥げてしまう事象がそもそも起こり得ず、非接触計測装置１は、金属材料Ｗの変化量を従来よりも正確に計測することができる。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

（変形例１）上記実施形態では、変化量計測部５２は、操作部４２に対する操作に応じて金属材料Ｗの変化前後の画像（第１の画像及び第２の画像）を取得したが、これに限定されない。変化量計測部５２は、第１の画像及び第２の画像を取得できればよく、その取得方法には特に限定されない。例えば、変化量計測部５２は、時刻ｔのときの撮像画像を第１の画像として取得し、時刻ｔから所定時間Δｔ後の時刻ｔ＋Δｔのときの撮像画像を第２の画像として取得してもよい。

（変形例２）上記実施形態では、変化量計測部５２は、第１の画像及び第２の画像に対して、公知のデジタル画像相関法を適用することにより金属材料Ｗの変化前後での模様Ｐの変化を金属材料Ｗの変化量として計測したが、これに限定されない。例えば、変化量計測部５２は、デジタル画像相関法を用いた以下の方法により金属材料Ｗの変化量を計測してもよい。
例えば、図５に示すように、変化量計測部５２は、第１の画像において、第１の領域Ｃ１を設定する（図５（ａ））。ここで、第１の領域Ｃ１は、化合物が１以上含まれる領域である。例えば、変化量計測部５２は、第１の画像において、化合物が所定値以上含まれる領域を第１の領域Ｃ１として設定する。変化量計測部５２は、第１の領域Ｃ１を設定すると、金属材料Ｗが変化した後の第１の領域Ｃ１の位置である第２の領域Ｃ２を第２の画像内の領域からデジタル画像相関法により特定する（図５（ｂ））。すなわち、変化量計測部５２は、デジタル画像相関法により第１の領域Ｃ１におけるサブセットＨと同じ輝度体情報を有する位置を変化後画像から探索することで第２の領域Ｃ２を特定する。変化量計測部５２は、第１の領域Ｃ１から第２の領域Ｃ２への変化量を、金属材料Ｗの変化量として計測する。

（変形例３）上記実施形態では、撮像装置２は、可動ホルダー３１の第１の位置調整部がユーザにより操作されることによってＺ軸方向の位置が調整されたが、これに限定されない。また、撮像装置２は、可動ステージ３２の第２の位置調整部がユーザにより操作されることによってＸＹ平面内における撮像装置２の位置が調整されたが、これに限定されない。例えば、非接触計測装置１は、可動ホルダー３１及び可動ステージ３２のそれぞれを駆動する機能を備えてもよい。例えば、非接触計測装置１は、第１の画像を取得するにあたって、金属材料Ｗの変化前において、撮像装置２をＺ方向及びＹ方向（ＸＺ平面に垂直な方向）を走査して撮像装置２の位置ごとに複数の撮像画像を取得する。なお、各撮像画像は、撮像画像を撮像したときの撮像装置２の位置情報がそれぞれ関連付けられている。そして、非接触計測装置１（表示制御部４３又は変化量計測部５２）は、金属材料Ｗの変化前において、複数の撮像画像のうち、介在物等の化合物が最も多い撮像画像を第１の画像に選択し、当該第１の画像に関連付けられた位置情報が示す位置に撮像装置２を移動させてもよい。

（変形例４）本実施形態では、表示装置４及び情報処理装置５は、別体である場合について説明したが、一体で構成されてもよい。例えば、表示装置４及び情報処理装置５は、一つのコンピュータとして構成されてもよい。当該コンピュータは、第１の画像及び第２の画像に対してデジタル画像相関法を適用することにより金属材料Ｗの変化量を求める各種処理を行うプログラムをインストールし、このプログラムをコンピュータに実行させることで、構成してもよい。

以上、説明したように、本実施形態に係る非接触計測装置１は、金属材料Ｗの結晶粒の形に由来する模様及び金属材料Ｗに含まれる化合物からなる模様の少なくともいずれかの模様Ｐを撮像する撮像装置と、撮像装置により撮像された撮像画像に基づいて、デジタル画像相関法により金属材料Ｗの変化量を計測する情報処理装置５と、を備える。

このような構成によれば、金属材料Ｗに所定のランダムパターンの模様を塗布する必要がなく、金属材料Ｗの変化量を従来よりも正確に計測することができる。

１非接触計測装置
２撮像装置
４表示装置
５情報処理装置
５２変化量計測部

Claims

金属材料の表面に形成されている模様を撮像する撮像装置と、
前記撮像装置により撮像された撮像画像に基づいて、デジタル画像相関法により前記金属材料の変化量を計測する変化量計測部と、
を備え、
前記模様は、前記金属材料に含まれる結晶粒の形に由来する模様及び前記金属材料に含まれる化合物からなる模様の少なくともいずれかであることを特徴とする、非接触計測装置。
前記撮像装置は、前記撮像画像を前記金属材料の変化前後で撮像し、
前記変化量計測部は、前記撮像装置により撮像された前記変化前の撮像画像である第１の画像と、前記撮像装置により撮像された前記変化後の撮像画像である第２の画像と、に対してデジタル画像相関法を適用することにより前記変化量を計測する、
ことを特徴とする、請求項１に記載の非接触計測装置。
前記化合物は、前記金属材料の介在物を含むことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の非接触計測装置。
前記変化量計測部は、第１の画像において前記化合物が所定値以上含まれる領域を所定の領域として設定し、前記金属材料が変化した後の前記所定の領域の位置を第２の画像内の領域からデジタル画像相関法により特定し、前記所定の領域の変化量を前記金属材料の変化量として計測することを特徴とする、請求項２又は請求項３に記載の非接触計測装置。