JP5164086B2 - Method and apparatus for detecting distortion of an object - Google Patents

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Description

本発明は、光学的手法を用いた物体の歪を検出する方法およびその装置に関する。より詳細には、本発明は、引張応力による構造色変化を利用し、物体の歪分布を可視化して検出する方法、および、その装置に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for detecting distortion of an object using an optical technique. More specifically, the present invention relates to a method for visualizing and detecting a strain distribution of an object using structural color change due to tensile stress, and an apparatus therefor.

従来、物体の歪を測定するために、歪ゲージを用いた方法、光学的手法を用いた方法、および、圧電材料を用いた方法が知られている。なかでも、光学的手法には、光弾性法、光塑性法、光干渉法、コースティックス法、スペックル干渉法、ホログラフィ干渉法、モアレ法、格子法が挙げられる。特に、モアレ法および格子法は、簡素であるため歪測定に広く用いられている。二次電子の発生量の違いによるモアレ縞を用いて物体の変形量を測定する技術がある(例えば、特許文献1を参照)。また、圧電材料を用いて、歪分布を可視化する技術がある(例えば、特許文献2を参照)。   Conventionally, a method using a strain gauge, a method using an optical technique, and a method using a piezoelectric material are known for measuring the strain of an object. Among them, examples of the optical method include a photoelastic method, a photoplastic method, a light interference method, a caustics method, a speckle interference method, a holographic interference method, a moire method, and a lattice method. In particular, the moire method and the lattice method are widely used for strain measurement because they are simple. There is a technique for measuring the amount of deformation of an object using moire fringes due to differences in the amount of secondary electrons generated (see, for example, Patent Document 1). There is also a technique for visualizing strain distribution using a piezoelectric material (see, for example, Patent Document 2).

図10は、従来技術による物体の変形量を測定するフローチャートである。各工程を説明する。
工程S1010:試料表面に、試料とは二次電子発生量の異なる物質を2種以上の線密度で配設してモデルグリッドを構成する。このようなモデルグリッドは、気相蒸着と、電子線、リソグラフィ法またはレーザ干渉法とによって形成される。
工程S1020:工程S1010で形成されたモデルグリッドに粒子線を2種以上の線密度で照射する。これにより、二次電子発生量の違いによる2種以上のモアレ縞が形成される。
工程S1030:形成されたモアレ縞を用いて、試料の変形量を測定する。詳細には、工程S1020で得られた、コントラストの異なるモアレ縞において、間隔または角度のずれを測定することにより変形量を求めることができる。
FIG. 10 is a flowchart for measuring the amount of deformation of an object according to the prior art. Each process will be described.
Step S1010: A model grid is configured by disposing a substance having a secondary electron generation amount different from that of the sample on the sample surface with two or more kinds of linear densities. Such a model grid is formed by vapor deposition and electron beam, lithography, or laser interferometry.
Step S1020: The model grid formed in Step S1010 is irradiated with a particle beam at two or more kinds of line densities. As a result, two or more types of moire fringes due to the difference in the amount of secondary electrons generated are formed.
Step S1030: The deformation amount of the sample is measured using the formed moire fringes. Specifically, the amount of deformation can be obtained by measuring the gap or the angle shift in the moire fringes with different contrasts obtained in step S1020.

図10に示される方法によれば、上記工程によって複合モデルグリッドが形成される。この結果、全体的な変形量および微細な部分の変形量を計測することを可能にする。   According to the method shown in FIG. 10, a composite model grid is formed by the above process. As a result, it is possible to measure the overall deformation amount and the deformation amount of the minute portion.

図11は、従来技術による歪分布表示装置の模式図である。
歪分布表示装置は、エレクトロルミネッセンスシート(ELシート)1100と、圧電材料1110とを含む。ELシート1100は、背面電極1120と表面電極1130とに挟まれている。圧電材料1110は、背面電極1120と電極1140とに挟まれている。このような歪分布表示装置は、物体1170の表面に接着剤1150を介して配置されており、表面電極1130は電気配線1160によって物体1170の表面に接続されている。
FIG. 11 is a schematic diagram of a strain distribution display device according to the prior art.
The strain distribution display device includes an electroluminescence sheet (EL sheet) 1100 and a piezoelectric material 1110. The EL sheet 1100 is sandwiched between the back electrode 1120 and the surface electrode 1130. The piezoelectric material 1110 is sandwiched between the back electrode 1120 and the electrode 1140. Such a strain distribution display device is disposed on the surface of the object 1170 via an adhesive 1150, and the surface electrode 1130 is connected to the surface of the object 1170 by electric wiring 1160.

物体1170に荷重が加わり、歪分布が発生した場合、圧電材料1110のELシート1100側の表面に歪分布に応じた電荷が発生する。発生した電荷は、ELシート1100の背面電極1120で集められ、ELシート1100に導かれ、ELシート1100の背面電極1120を取り付けた領域が発光する。ELシート1100の発光強度は、物体1170の歪の大きさに比例して強くなる。このように、図11に示される歪分布表示装置を用いれば、ELシート1100の発光強度の強弱によって、物体1170の歪分布を可視化することができる。   When a load is applied to the object 1170 and a strain distribution is generated, a charge corresponding to the strain distribution is generated on the surface of the piezoelectric material 1110 on the EL sheet 1100 side. The generated charges are collected by the back electrode 1120 of the EL sheet 1100 and guided to the EL sheet 1100, and the region where the back electrode 1120 of the EL sheet 1100 is attached emits light. The light emission intensity of the EL sheet 1100 increases in proportion to the magnitude of distortion of the object 1170. As described above, if the strain distribution display device shown in FIG. 11 is used, the strain distribution of the object 1170 can be visualized by the intensity of the emission intensity of the EL sheet 1100.

特開2000−155104号公報JP 2000-155104 A 特開2003−302204号公報JP 2003-302204 A

しかしながら、特許文献1に記載の技術あるいは格子法を用いた技術は、予め対象とする物体表面にマーカとなる格子パターンまたは縞パターン(モデルグリッド)を形成する必要がある。このような微細なマーカを物体表面に形成するための技術は(例えば、リソグラフィ法)、一般に高コストであり、煩雑なプロセスを要し、大面積の形成は困難である。現在の技術では、ミリメートルサイズからセンチメートルサイズが限界とされている。また、歪分布を可視化するために、光学顕微鏡、走査電子顕微鏡、または、レーザ装置等の特殊な表示装置を必要とするため、簡便でない。
一方、特許文献2に記載の技術は、特殊な表示装置を別個に設けることなく、歪分布を可視化することができるものの、図11に示したような歪分布表示装置を大面積に形成するのは困難である。
したがって、本発明の目的は、物体の歪による変形量を大面積にわたって、容易に検出する方法、および、その装置を提供することである。
本発明のさらなる目的は、物体の歪による変形量を大面積にわたって、半定量的に目視にて容易に検出する方法、および、その装置を提供することである。
However, the technique described in Patent Document 1 or the technique using the lattice method needs to previously form a lattice pattern or a fringe pattern (model grid) serving as a marker on the target object surface. A technique for forming such a fine marker on the surface of an object (for example, lithography) is generally expensive, requires a complicated process, and it is difficult to form a large area. Current technology limits the millimeter to centimeter size. In addition, in order to visualize the strain distribution, a special display device such as an optical microscope, a scanning electron microscope, or a laser device is required, which is not simple.
On the other hand, although the technique described in Patent Document 2 can visualize the strain distribution without separately providing a special display device, the strain distribution display device as shown in FIG. 11 is formed in a large area. It is difficult.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method and an apparatus for easily detecting a deformation amount due to distortion of an object over a large area.
It is a further object of the present invention to provide a method and apparatus for easily detecting the amount of deformation due to distortion of an object over a large area by visual observation semi-quantitatively.

本発明による物体の歪を検出する方法は、前記物体に検出膜を適用するステップであって、前記検出膜は、周期的に配列した、第1の面間隔を有する粒子と、前記粒子間の間隙を埋める弾性体とを含む、ステップと、光ファイバを用いて前記検出膜を介して前記物体に光を照射するステップであって、前記光は前記物体の表面に対して垂直に照射され、前記光は白色光である、ステップと、前記光ファイバおよび分光スペクトルメータを用いて前記検出膜中の前記粒子で反射された前記光を受光するステップであって、前記物体に歪が生じていない場合、前記第1の面間隔を有する前記粒子で反射された前記光を受光し、前記物体に歪が生じている場合、前記歪に応じて前記第1の面間隔から所定の関係を満たすように変化した第2の面間隔を有する前記粒子で反射された前記光を受光する、ステップと、前記物体に対して前記光を相対的に移動させるステップと、前記受光された光から前記物体の歪を検出するステップであって、前記反射した光の波長から求めた前記第2の面間隔と、前記第1の面間隔とから前記物体の歪量を算出し、前記歪量および/または歪分布を可視化するステップとを包含し、これにより上記目的を達成する。
A method for detecting distortion of an object according to the present invention is a step of applying a detection film to the object, wherein the detection film is arranged periodically between particles having a first interplanar spacing and between the particles. A step of irradiating the object with light through the detection film using an optical fiber, the light being irradiated perpendicularly to the surface of the object ; The light is white light, and a step of receiving the light reflected by the particles in the detection film using the optical fiber and a spectrophotometer, wherein the object is not distorted. In the case where the light reflected by the particles having the first surface interval is received and the object is distorted, the predetermined relationship is satisfied from the first surface interval according to the distortion. The second surface interval changed to Receiving the light reflected by the particles, moving the light relative to the object, and detecting distortion of the object from the received light, Calculating a strain amount of the object from the second surface interval obtained from the wavelength of the reflected light and the first surface interval, and visualizing the strain amount and / or strain distribution. This achieves the above object.

前記粒子は、ポリスチレン粒子、PMMA粒子およびシリカ粒子からなる群から選択され得る。
前記弾性体は、シリコーンゴムまたは人工ゴムであり得る。
The particles may be selected from the group consisting of polystyrene particles, PMMA particles and silica particles.
The elastic body may be silicone rubber or artificial rubber.

前記受光するステップは、前記物体に歪が生じている場合、前記第1の面間隔と前記第2の面間隔との差ΔDが、関係|(λ2−λ1)/2n|≧0.1であることを検出し、ここで、λ1は、前記第1の面間隔を有する前記粒子で反射された前記光の波長であり、λ2は、前記第2の面間隔を有する前記粒子で反射された前記光の波長であり、nは前記検出膜の屈折率であり得る。   In the light receiving step, when the object is distorted, the difference ΔD between the first surface distance and the second surface distance is expressed by the relationship | (λ2−λ1) /2n|≧0.1. Λ1 is the wavelength of the light reflected by the particles having the first face spacing, and λ2 is reflected by the particles having the second face spacing. The wavelength of the light may be n, and n may be a refractive index of the detection film.

前記物体は、金属、プラスチック、複合材料および塑性セラミックからなる群から選択され得る。
前記所定の関係は、前記物体の長手方向における引張変化率が前記第1の面間隔からの変化量に対して比例する関係であり得る。
The object may be selected from the group consisting of metals, plastics, composite materials and plastic ceramics.
The predetermined relationship may be a relationship in which a tensile change rate in the longitudinal direction of the object is proportional to a change amount from the first surface interval.

前記第1の面間隔D1は、前記物体の引張歪に対して300/n<D1(nm)≦400/nとなるように設計されるか、または、前記物体の圧縮歪に対して200/n≦D1(nm)<300/nとなるように設計され、ここで、nは前記検出膜の屈折率であり得る。   The first inter-surface distance D1 is designed to be 300 / n <D1 (nm) ≦ 400 / n with respect to the tensile strain of the object, or 200 / with respect to the compressive strain of the object. n ≦ D1 (nm) <300 / n, where n may be the refractive index of the detection film.

前記第1の面間隔D1は、前記物体の引張歪に対して400/n(nm)となるように
設計されるか、または、前記物体の圧縮歪に対して200/n(nm)となるように設計され、ここで、nは前記検出膜の屈折率であり得る。
The first inter-surface distance D1 is designed to be 400 / n (nm) with respect to the tensile strain of the object, or 200 / n (nm) with respect to the compressive strain of the object. Where n may be the refractive index of the detection film.

前記分光スペクトルメータは、反射型分光スペクトルメータであり得る。The spectrophotometer may be a reflective spectrophotometer.

本発明による検出膜が適用された物体の歪を検出する装置は、前記検出膜が、周期的に配列した、第1の面間隔を有する粒子と、前記粒子間の間隙を埋める弾性体とを含み、前記検出膜を介して前記物体の表面に光を照射する、光源と光ファイバとを含み、前記光は白色光である、光学系と、前記光ファイバを介して、前記検出膜中の前記粒子で反射された前記光を受光する受光手段であって、前記物体に歪が生じていない場合、前記第1の面間隔を有する前記粒子で反射された前記光を受光し、前記物体に歪が生じている場合、前記歪に応じて前記第1の面間隔から所定の関係を満たすように変化した第2の面間隔を有する前記粒子で反射された前記光を受光する、分光スペクトルメータを含む受光手段と、前記物体に対して前記光を相対的に移動させる移動手段と、前記光学系の動作と前記受光手段の動作と前記移動手段の動作とを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記光が前記物体の表面に対して直角に照射されるように、前記光学系の動作を制御し、前記第1の面間隔に関するデータが予め格納され、かつ、前記受光手段で受光された前記反射された光の波長に関するデータを格納する格納部と、前記格納部に格納された前記第1の面間隔に関するデータと前記第2の面間隔に関するデタとに基づいて、前記物体に生じた前記歪量および/または歪分布を算出する算出部と、前記歪量および/または歪分布を表示する表示手段とを備え、これにより上記目的を達成する。 An apparatus for detecting strain of an object to which a detection film according to the present invention is applied includes a particle having a first surface interval, and an elastic body that fills a gap between the particles, the detection film being periodically arranged. Including a light source and an optical fiber that irradiates light on the surface of the object through the detection film, wherein the light is white light, and an optical system in the detection film through the optical fiber. A light receiving means for receiving the light reflected by the particles, and when the object is not distorted, receives the light reflected by the particles having the first spacing and A spectrophotometer that receives the light reflected by the particles having a second interplanar spacing changed so as to satisfy a predetermined relationship from the first interplanar spacing according to the strain when distortion occurs. And a light receiving means including the light relative to the object And a control means for controlling the operation of the optical system, the operation of the light receiving means, and the operation of the movement means, wherein the control means is configured such that the light is perpendicular to the surface of the object. And controls the operation of the optical system so that the data on the first surface interval is stored in advance and the data on the wavelength of the reflected light received by the light receiving means is stored. calculating a storage unit, on the basis of the stored in the storage unit the data relating to the first lattice spacing and the data relating to the second surface spacing, the strain amount and / or strain distribution occurring on the object And a display means for displaying the strain amount and / or strain distribution, thereby achieving the above object.

前記粒子は、ポリスチレン粒子、PMMA粒子およびシリカ粒子からなる群から選択され得る。
前記弾性体は、シリコーンゴムまたは人工ゴムであり得る。
The particles may be selected from the group consisting of polystyrene particles, PMMA particles and silica particles.
The elastic body may be silicone rubber or artificial rubber.

前記受光手段は、前記物体に歪が生じている場合、前記第1の面間隔と前記第2の面間隔との差ΔDが、関係|(λ2−λ1)/2n|≧0.1であることを検出し、ここで、λ1は、前記第1の面間隔を有する前記粒子で反射された前記光の波長であり、λ2は、前記第2の面間隔を有する前記粒子で反射された前記光の波長であり、nは前記検出膜の屈折率であり得る。   In the light receiving means, when the object is distorted, a difference ΔD between the first surface distance and the second surface distance is a relationship | (λ2−λ1) /2n|≧0.1. Where λ1 is the wavelength of the light reflected by the particles having the first spacing and λ2 is reflected by the particles having the second spacing. The wavelength of light, and n may be the refractive index of the detection film.

前記物体は、金属、プラスチック、複合材料および塑性セラミックからなる群から選択され得る。
前記所定の関係は、前記物体の長手方向における引張変化率が前記第1の面間隔からの変化量に対して比例する関係であり得る。
The object may be selected from the group consisting of metals, plastics, composite materials and plastic ceramics.
The predetermined relationship may be a relationship in which a tensile change rate in the longitudinal direction of the object is proportional to a change amount from the first surface interval.

前記分光スペクトルメータは、反射型スペクトルメータであり得る。The spectrophotometer may be a reflection type spectrometer.

本発明による方法は、周期的に配列した、第1の面間隔を有する粒子と、粒子間の間隙を埋める弾性体とを含む検出膜を物体に適用するだけでよいので簡便である。また、この
ような検出膜は、大面積の作製が容易であり、物体の広範囲にわたって適用することができる。物体に歪が生じている場合、歪に応じて変化した第2の面間隔を有する粒子で反射された光を受光する。この反射された光に基づいて歪分布を検出することができる。特に、反射された光が、可視光領域の波長を有する場合には、検出膜の構造色変化として歪分布を目視にて検出することができる。検出された構造色から半定量的に歪量分布を判定することも可能である。
The method according to the present invention is simple because it is only necessary to apply to the object a detection film that includes periodically arranged particles having the first interplanar spacing and an elastic body that fills the gaps between the particles. In addition, such a detection film can be easily manufactured in a large area and can be applied over a wide range of objects. When the object is distorted, the light reflected by the particles having the second surface spacing changed according to the distortion is received. A strain distribution can be detected based on the reflected light. In particular, when the reflected light has a wavelength in the visible light region, the strain distribution can be visually detected as a structural color change of the detection film. It is also possible to determine the strain amount distribution semi-quantitatively from the detected structural color.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図1は、本発明による物体の歪を検出する方法を示すフローチャートである。
図2は、本発明による物体の歪を検出する原理を示す模式図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a flowchart illustrating a method for detecting distortion of an object according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the principle of detecting distortion of an object according to the present invention.

状態200は、物体(初期長L)220に応力が印加される前の状態を示し、状態210は、物体220に応力が印加された後の状態を示す。これら状態200および210を用いて、各ステップを説明する。   A state 200 indicates a state before the stress is applied to the object (initial length L) 220, and a state 210 indicates a state after the stress is applied to the object 220. Using these states 200 and 210, each step will be described.

ステップS110:物体220に検出膜230を適用する。ここで、検出膜230は、周期的に配列した、第1の面間隔D1を有する粒子240と、粒子240間の間隙を埋める弾性体250とを含む。   Step S110: The detection film 230 is applied to the object 220. Here, the detection film 230 includes particles 240 having a first inter-surface distance D1 and elastic bodies 250 that fill gaps between the particles 240, which are periodically arranged.

このような粒子240は、コロイド粒子とも呼ばれ、例えば、ポリスチレン粒子、PMMA粒子(ポリメチルメタクリレート粒子)およびシリカ粒子からなる群から選択される。また、これらの材料を組み合わせた複合粒子であってもよい。なお、複合粒子とは、2種類以上の異なる材料(材質)を組み合わせて構成されており、例えば、一方の材料が他方の材料でカプセル化されて、1つの粒子を形成しているもの、一方の材料が他方の材料に貫入して1つの粒子を形成しているもの、半球状の異なる材料が結合して1つの粒子を形成しているもの等を意味する。   Such particles 240 are also called colloidal particles, and are selected from the group consisting of polystyrene particles, PMMA particles (polymethylmethacrylate particles) and silica particles, for example. Moreover, the composite particle which combined these materials may be sufficient. The composite particles are configured by combining two or more different materials (materials). For example, one material is encapsulated with the other material to form one particle, Means that one material penetrates into the other material to form one particle, or different hemispherical materials combine to form one particle.

第1の面間隔D1とは、光(例えば、可視光)がBragg反射条件を満たす距離である。詳細には、
関係D1=λ1/2n・・・(1)
を満たす。ここで、λ1は、第1の面間隔D1を有する粒子240で反射された光の波長であり、nは検出膜230の屈折率である。なお、このような関係(1)は、粒子に対する入射光の入射角が垂直な場合に成り立つことに留意されたい。後述するように、目視にて半定量的に歪量を検出する場合には、λ1が、400≦λ1(nm)≦800、すなわち、第1の面間隔D1(nm)が、200/n≦D1(nm)≦400/nの範囲となるように検出膜230が設計される。このように設計することによって、圧縮応力または引張応力が物体220に印加される前の初期状態の構造色が目視にて観察できる。
The first surface interval D1 is a distance where light (for example, visible light) satisfies the Bragg reflection condition. In detail,
Relationship D1 = λ1 / 2n (1)
Meet. Here, λ1 is the wavelength of the light reflected by the particles 240 having the first interplanar distance D1, and n is the refractive index of the detection film 230. It should be noted that such relationship (1) holds when the incident angle of the incident light with respect to the particles is vertical. As will be described later, when the strain is visually detected semi-quantitatively, λ1 is 400 ≦ λ1 (nm) ≦ 800, that is, the first inter-surface distance D1 (nm) is 200 / n ≦. The detection film 230 is designed so that D1 (nm) ≦ 400 / n. By designing in this way, the structural color in the initial state before compressive stress or tensile stress is applied to the object 220 can be visually observed.

物体220に引張応力が印加される場合には、好ましくは、第1の面間隔D1(nm)が、300/n<D1(nm)≦400/nとなるように検出膜230が設計される。より好ましくは、第1の面間隔D1がD1(nm)=400/nとなるように検出膜230が設計される。このように設計することにより、目視にて検出される引張応力による物体220の歪量の検出範囲を広く維持することができる。   When a tensile stress is applied to the object 220, the detection film 230 is preferably designed so that the first surface distance D1 (nm) satisfies 300 / n <D1 (nm) ≦ 400 / n. . More preferably, the detection film 230 is designed so that the first inter-surface distance D1 is D1 (nm) = 400 / n. By designing in this way, it is possible to maintain a wide detection range of the strain amount of the object 220 due to the tensile stress detected visually.

同様に、物体220に圧縮応力が印加される場合には、好ましくは、第1の面間隔D1(nm)が、200/n≦D1(nm)<300/nとなるように検出膜230が設計される。より好ましくは、第1の面間隔D1がD1(nm)=200/nとなるように検出膜230が設計される。このように設計することにより、目視にて検出される圧縮応力による物体220の歪量の検出範囲を広く維持することができる。なお、本明細書において
、第1の面間隔D1(nm)の値200/n、300/nおよび400/nは、それぞれ±10nm程度の範囲を含むことに留意されたい。
Similarly, when compressive stress is applied to the object 220, the detection film 230 is preferably set so that the first inter-surface distance D1 (nm) is 200 / n ≦ D1 (nm) <300 / n. Designed. More preferably, the detection film 230 is designed so that the first inter-surface distance D1 is D1 (nm) = 200 / n. By designing in this way, it is possible to maintain a wide detection range of the strain amount of the object 220 due to the compressive stress detected visually. In this specification, it should be noted that the values 200 / n, 300 / n, and 400 / n of the first interplanar spacing D1 (nm) each include a range of about ± 10 nm.

弾性体250は、シリコーンゴムまたは人工ゴムであり得る。人工ゴムは、例えば、ポリジメチルシリコーンエラストマーであり得る。このような検出膜230は、例えば、先に出願した特願2004−204109に記載される技術を用いて製造され得る。簡単に要約して開示すると、単分散ポリスチレン粒子(PS)サスペンジョンを用意し、サスペンジョンを基板上にキャスティングして、コロイド結晶を得、その後液状の弾性体材料を流し込んで、コロイド結晶粒子間に弾性体を充填して製造される。本発明の対象とこの技術によれば、検出膜230は、数十センチメートルからメートルサイズまで適用可能であるため、従来に比べて大面積の測定も容易であり得る。   The elastic body 250 may be silicone rubber or artificial rubber. The artificial rubber can be, for example, a polydimethyl silicone elastomer. Such a detection film 230 can be manufactured using, for example, the technique described in Japanese Patent Application No. 2004-204109 filed earlier. Briefly summarized, a monodisperse polystyrene particle (PS) suspension is prepared, the suspension is cast on a substrate to obtain a colloidal crystal, and then a liquid elastic material is poured into the elastic material between the colloidal crystal particles. Manufactured by filling the body. According to the object of the present invention and this technique, the detection film 230 can be applied from several tens of centimeters to a metric size, and thus can be easily measured in a large area as compared with the conventional case.

ここで、歪による変化を検出可能な物体220は、検出膜230が適用可能であれば任意であり得るが、好ましくは、金属、プラスチック、複合材料および塑性セラミックからなる群から選択される。例えば、物体220の具体的な例として、ポリエステル、ポリ塩化ビニルが挙げられるが、これに限定されない。物体220の厚さは、検出膜230が適用可能であれば、任意であり得る。   Here, the object 220 capable of detecting a change due to strain may be arbitrary as long as the detection film 230 is applicable, but is preferably selected from the group consisting of metal, plastic, composite material, and plastic ceramic. For example, specific examples of the object 220 include polyester and polyvinyl chloride, but are not limited thereto. The thickness of the object 220 may be arbitrary as long as the detection film 230 is applicable.

上述したように、第1の面間隔D1が200/n≦D(nm)≦400/nの範囲内である場合、適用された検出膜230の初期の構造色(すなわち、物体が歪変形する前の状態を示す)が観察される。観察された構造色を目視にて確認しておくことが望ましい。この場合、観察によって得られた構造色は、検出膜の色指標を参照して決定することが好ましい。ここで、色指標とは、同一の検出膜材料からなる検出膜に、意図的に歪を付与することによって生じた色と歪量とを対応させたものである。このように色指標を用いることによって、構造色変化による歪量の半定量的な算出を容易にし得る。   As described above, when the first inter-surface distance D1 is in the range of 200 / n ≦ D (nm) ≦ 400 / n, the initial structural color of the applied detection film 230 (that is, the object is strain-deformed). Indicating the previous state) is observed. It is desirable to visually confirm the observed structural color. In this case, the structural color obtained by observation is preferably determined with reference to the color index of the detection film. Here, the color index is obtained by associating a color generated by intentionally applying strain to a detection film made of the same detection film material with a distortion amount. By using the color index in this way, it is possible to facilitate the semi-quantitative calculation of the amount of distortion due to the structural color change.

第1の面間隔D1が、400/n<D1(nm)であるか、または、D1(nm)<200/nである場合、検出膜230の初期の構造色を目視にて観察することはできない。この場合、反射分光スペクトルメータ等のスペクトルメータを用いて、予め第1の面間隔D1を確定しておけばよい。このようにして得られたデータを記録しておいてもよい。当然のことながら、予め第1の面間隔D1の値が既知であれば(すなわち、構造色が既知の検出膜230を用いる場合)、目視による検出膜230の構造色の確認、および、スペクトルメータを用いた第1の面間隔D1の確定は不要である。   When the first inter-surface distance D1 is 400 / n <D1 (nm) or D1 (nm) <200 / n, the initial structural color of the detection film 230 is visually observed. Can not. In this case, the first surface distance D1 may be determined in advance using a spectrum meter such as a reflection spectrum spectrometer. Data obtained in this way may be recorded. As a matter of course, if the value of the first surface distance D1 is known in advance (that is, when the detection film 230 having a known structural color is used), the structural color of the detection film 230 is visually confirmed, and the spectrometer It is not necessary to determine the first surface interval D1 using

なお、図2を用いた例では、検出膜230を物体220に適用した後に、物体220に応力を印加する場合を示すが、予め適用されるべき検出膜230の構造色をデータとして記録しておくか、または、目視にて確認しておけば、物体220に応力を印加した後に検出膜230を適用してもよい。   2 shows a case where stress is applied to the object 220 after the detection film 230 is applied to the object 220, but the structural color of the detection film 230 to be applied in advance is recorded as data. Alternatively, the detection film 230 may be applied after applying stress to the object 220 if it is confirmed visually.

ステップS120:検出膜230を介して物体220に光を照射する。光は、例えば、光ファイバ等の光源を用い、白色光であり得る。好ましくは、光は、物体220に対して垂直になるように入射する。これにより、受光強度を向上させることができる。光の物体220に対する角度が、90°(垂直)よりも低角になるにしたがって、検出強度が低下
する。これは、検出される分光スペクトルの強度が低下する、および/または、分光スペクトルのピークシフトが生じるためである。
Step S120: The object 220 is irradiated with light through the detection film 230. The light can be white light, for example, using a light source such as an optical fiber. Preferably, the light is incident so as to be perpendicular to the object 220. Thereby, the received light intensity can be improved. The detection intensity decreases as the angle of the light with respect to the object 220 becomes lower than 90 ° (vertical). This is because the intensity of the detected spectrum is reduced and / or a peak shift of the spectrum occurs.

ステップS130:検出膜230中の粒子240で反射した光(反射光)を受光する。反射光の受光は、目視にて直接受光してもよいし、反射分光スペクトルメータ等のスペクトルメータを用いてもよい。また、デジタルカメラ、CCDカメラ、光学顕微鏡、または、これらの組み合わせを用いてもよい。ここで反射光の受光は、目視にて構造色を検出す
る場合、色指標を用いて検出膜230の構造色を確定することを含む。より高精度に構造色を検出する場合、スペクトルメータ等を用いてスペクトルデータ等を獲得することを含む。スペクトルメータは、紫外・可視・近赤外スペクトルメータであり得る。
Step S130: The light (reflected light) reflected by the particles 240 in the detection film 230 is received. The reflected light may be received directly by visual observation, or a spectrum meter such as a reflection spectrum spectrometer may be used. Further, a digital camera, a CCD camera, an optical microscope, or a combination thereof may be used. Here, the reception of the reflected light includes determining the structural color of the detection film 230 using a color index when the structural color is detected visually. In the case of detecting a structural color with higher accuracy, it includes acquiring spectral data or the like using a spectrum meter or the like. The spectrometer may be an ultraviolet / visible / near infrared spectrometer.

物体220に歪が生じていない場合、第1の面間隔D1を有する粒子240で反射光が受光される。この場合の反射光の波長は、図2の状態200において粒子240で反射された光の波長と同じであるため、構造色に変化は見られない。これによって、物体220に歪による変形が生じていないことが判定できる。   When the object 220 is not distorted, the reflected light is received by the particles 240 having the first inter-surface distance D1. The wavelength of the reflected light in this case is the same as the wavelength of the light reflected by the particle 240 in the state 200 of FIG. Thereby, it can be determined that the object 220 is not deformed by distortion.

再度、図2を参照する。状態210は、物体220に歪が生じている場合を示す。物体220に歪が生じている場合、歪に応じて第1の面間隔D1から所定の関係を満たすように変化した第2の面間隔D2を有する粒子240で反射された光が受光される。物体220に印加された応力によって、物体220の長手方向の全体長は、初期長LからL+ΔLだけ伸びたものとする。この物体220の歪によって粒子240の面間隔は、D1からD2へ変化する。変化後の第2の面間隔D2もまたBragg反射条件を満たしている。すなわち、
関係D2=λ2/2n・・・(2)
を満たす。ここで、λ2は、第2の面間隔D2を有する粒子240で反射された光の波長であり、nは検出膜230の屈折率である。関係(1)と同様に、このような関係(2)は、粒子に対する入射光の入射角が垂直な場合に成り立つことに留意されたい。粒子240の面間隔の変化と、物体220の全体長の変化との間の所定の関係は、物体220の長手方向(すなわち、全体長Lの方向)における引張変化率が、面間隔の変化量ΔD(すなわち|D2−D1|)に対して比例する関係を満たす。
Reference is again made to FIG. A state 210 indicates a case where the object 220 is distorted. When the object 220 is distorted, the light reflected by the particles 240 having the second surface distance D2 changed so as to satisfy the predetermined relationship from the first surface distance D1 according to the strain is received. It is assumed that the overall length in the longitudinal direction of the object 220 is extended from the initial length L by L + ΔL due to the stress applied to the object 220. Due to the distortion of the object 220, the surface interval of the particles 240 changes from D1 to D2. The changed second surface distance D2 also satisfies the Bragg reflection condition. That is,
Relationship D2 = λ2 / 2n (2)
Meet. Here, λ2 is the wavelength of the light reflected by the particles 240 having the second inter-surface distance D2, and n is the refractive index of the detection film 230. It should be noted that like the relationship (1), such a relationship (2) holds when the incident angle of incident light on the particle is vertical. The predetermined relationship between the change in the surface spacing of the particles 240 and the change in the overall length of the object 220 is that the tensile change rate in the longitudinal direction of the object 220 (ie, the direction of the overall length L) is the amount of change in the surface spacing. A relationship proportional to ΔD (that is, | D2−D1 |) is satisfied.

以上を考慮すれば、物体220の歪によって生じる検出膜230の構造色変化を、スペクトルメータ等を用いて検出するためには、検出膜230の第1の面間隔D1と、第2の面間隔D2とは、
関係|D2−D1|≧0.1、すなわち、関係|(λ2−λ1)/2n|≧0.1・・・(3)
を満たしていればよい。この面間隔差によって生じるBragg反射のピークシフト量は、標準的なスペクトルメータ等装置の波長分解能に相当し得る。また、構造色に分布が見られれば、物体220に歪分布が生じていることも確認できる。
Considering the above, in order to detect the structural color change of the detection film 230 caused by the distortion of the object 220 using a spectrum meter or the like, the first surface distance D1 and the second surface distance of the detection film 230 are used. What is D2?
Relation | D2-D1 | ≧ 0.1, that is, relation | (λ2-λ1) /2n|≧0.1 (3)
As long as The peak shift amount of the Bragg reflection caused by the difference in surface spacing can correspond to the wavelength resolution of a standard device such as a spectrometer. In addition, if a distribution is seen in the structural color, it can be confirmed that a strain distribution is generated in the object 220.

図3は、面間隔と構造色との関係を示すグラフである。
一般に、200/n≦D2(nm)≦400/nを満たせば、反射光は可視光領域の波長を有し、検出膜230の歪による変化を目視にて構造色として検出することができる。グラフにおいて、nは、検出膜230の平均屈折率を示し、n=1.5(立方最密充填した粒子のモデル)を用いた。第2の面間隔D2が、130nm〜270nmの範囲にあれば、反射光は、可視光領域の波長を有することが分かる。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the surface spacing and the structural color.
In general, when 200 / n ≦ D2 (nm) ≦ 400 / n is satisfied, the reflected light has a wavelength in the visible light region, and a change due to strain of the detection film 230 can be detected as a structural color by visual observation. In the graph, n represents the average refractive index of the detection film 230, and n = 1.5 (a model of cubic close-packed particles) was used. If the second surface interval D2 is in the range of 130 nm to 270 nm, it can be seen that the reflected light has a wavelength in the visible light region.

再度、図1を参照する。
ステップS140:ステップ130において受光された光(反射光)から物体220の歪が検出される。
ステップ130において、色指標を用いて検出膜230の変化後の構造色が確定され、かつ、物体220の歪変化前の検出膜230の構造色が色指標によって確定されるか、または、予め構造色が既知の検出膜230を用いた場合には、色指標に示される歪量の値から物体220の歪量が半定量的に算出される。
Reference is again made to FIG.
Step S140: The distortion of the object 220 is detected from the light (reflected light) received in Step 130.
In step 130, the structural color after the change of the detection film 230 is determined using the color index, and the structural color of the detection film 230 before the distortion change of the object 220 is determined by the color index, or the structure color is determined in advance. When the detection film 230 having a known color is used, the distortion amount of the object 220 is calculated semi-quantitatively from the distortion amount value indicated by the color index.

より詳細には、第1の面間隔D1が200/n≦D1(nm)≦400/nの範囲内であり、かつ、変化後の第2の面間隔D2もまた200/n≦D2(nm)≦400/nの
範囲内である場合、色指標によって半定量的に歪量を判定することができる。また、第1の面間隔D1(nm)=400/nであった場合、最大200/n(=ΔD)nm程度の引張応力による歪量を目視にて半定量的に判定することができる。200/n(=ΔD)nm程度を超える引張応力による歪、または、圧縮応力による歪は、目視にて構造色を観察できないことから、スペクトルメータ等を用いて再度ステップ130を行えばよい。同様に、第1の面間隔D1(nm)=200/nであった場合、最大200/n(=ΔD)nm程度の圧縮応力による歪量を目視にて半定量的に判定することができる。200/n(=ΔD)nm程度を超える圧縮応力による歪、または、引張応力による歪は、目視にて構造色を観察できないことから、スペクトルメータ等を用いて再度ステップ130を行えばよい。
More specifically, the first surface distance D1 is in the range of 200 / n ≦ D1 (nm) ≦ 400 / n, and the second surface distance D2 after the change is also 200 / n ≦ D2 (nm). ) If it is within the range of 400 / n, the amount of distortion can be determined semi-quantitatively by the color index. Further, when the first inter-surface distance D1 (nm) = 400 / n, the amount of strain due to a tensile stress of about 200 / n (= ΔD) nm at the maximum can be visually determined semi-quantitatively. Since strain due to tensile stress exceeding 200 / n (= ΔD) nm or strain due to compressive stress cannot be visually observed, step 130 may be performed again using a spectrum meter or the like. Similarly, when the first inter-surface distance D1 (nm) = 200 / n, the strain amount due to the compressive stress of about 200 / n (= ΔD) nm at the maximum can be visually determined semi-quantitatively. . Since strain due to compressive stress exceeding 200 / n (= ΔD) nm or strain due to tensile stress cannot be observed visually, step 130 may be performed again using a spectrum meter or the like.

一方、ステップS130において、反射光の受光にスペクトルメータを用いた場合、得られたスペクトルデータに基づいて、物体の歪量が定量的に算出される。詳細には、図3に基づいて、反射光の波長から第2の面間隔D2を求める。次いで、上述の物体220の長手方向(すなわち、全体長Lの方向)における引張変化率が、面間隔の変化量ΔD(すなわち|D2−D1|)に対して比例する関係から、物体220の変化量ΔLを求める。この結果、物体220の歪量が算出される。なお、得られた算出結果を、表示装置等を用いて物体220の歪分布として可視化してもよい。この際、中央処理装置等の制御手段を用いて、歪量、歪分布を算出してもよい。   On the other hand, when a spectrum meter is used to receive reflected light in step S130, the amount of distortion of the object is quantitatively calculated based on the obtained spectrum data. Specifically, based on FIG. 3, the second surface distance D2 is obtained from the wavelength of the reflected light. Next, since the tensile change rate in the longitudinal direction of the object 220 (that is, the direction of the overall length L) is proportional to the amount of change ΔD (that is, | D2−D1 |) of the surface interval, the change of the object 220 is changed. The amount ΔL is obtained. As a result, the amount of distortion of the object 220 is calculated. Note that the obtained calculation result may be visualized as a strain distribution of the object 220 using a display device or the like. At this time, the strain amount and strain distribution may be calculated using a control means such as a central processing unit.

物体220の歪の検出とは、物体220に歪が生じていないことを検出することも含むことに留意されたい。詳細には、色指標における変化がない場合には、物体220の歪量が0と算出され、物体220に歪が生じていないことが検出される。また、スペクトルメータによって物体220の変化量ΔLが0である場合には、物体220に歪が生じていないことが検出される。   It should be noted that detecting the distortion of the object 220 includes detecting that the object 220 is not distorted. Specifically, when there is no change in the color index, the amount of distortion of the object 220 is calculated as 0, and it is detected that the object 220 is not distorted. Further, when the change amount ΔL of the object 220 is 0 by the spectrum meter, it is detected that the object 220 is not distorted.

以上、図1を参照して本発明の物体の歪を検出する方法を説明してきた。なお、ステップS120は、物体220に対して光を相対的に移動させるステップをさらに含んでもよい。この場合、光を固定して、物体220を移動させてもよいし、物体220を固定して、光を移動させてもよい。これによって、広範囲にわたって物体220の歪分布・歪変化量を検出することができる。   The method for detecting the distortion of the object of the present invention has been described above with reference to FIG. Note that step S120 may further include a step of moving light relative to the object 220. In this case, the light may be fixed and the object 220 may be moved, or the object 220 may be fixed and the light may be moved. Thereby, it is possible to detect the strain distribution and the strain change amount of the object 220 over a wide range.

次に、本発明の物体の歪を検出する装置を説明する。
図4は、本発明による物体の歪を検出する装置の模式図である。
装置400は、図2を参照して説明した検出膜230が適用された物体220からなる試料410の歪を検出する。装置400は、検出膜230を介して物体220の表面に光を照射する光学系420と、検出膜230中の粒子240で反射された光を受光する受光手段450とを含む。
Next, an apparatus for detecting distortion of an object according to the present invention will be described.
FIG. 4 is a schematic diagram of an apparatus for detecting distortion of an object according to the present invention.
The apparatus 400 detects the distortion of the sample 410 formed of the object 220 to which the detection film 230 described with reference to FIG. 2 is applied. The apparatus 400 includes an optical system 420 that irradiates light onto the surface of the object 220 through the detection film 230, and a light receiving unit 450 that receives light reflected by the particles 240 in the detection film 230.

光学系420は、光源430とファイバープローブ等の光ファイバ440とを含む。光源430は、白色光を発する。光ファイバ440は、光源430の光を試料410に入射させる。この際、好ましくは、光ファイバ440からの光は、試料410の表面に対して直角となるように入射される。これによって、検出強度が向上し得る。   The optical system 420 includes a light source 430 and an optical fiber 440 such as a fiber probe. The light source 430 emits white light. The optical fiber 440 causes the light of the light source 430 to enter the sample 410. At this time, the light from the optical fiber 440 is preferably incident so as to be perpendicular to the surface of the sample 410. Thereby, the detection intensity can be improved.

受光手段450は、例えば、反射型分光スペクトルメータ等の分光スペクトルメータ、光学顕微鏡、デジタルカメラ、CCDカメラ、または、これらの組み合わせであり得る。受光手段450は、検出膜230中の粒子240で反射された光を、光ファイバ440を介して受光する。受光手段450は、物体220に歪が生じていない場合、図2を参照して説明した第1の面間隔D1を有する粒子240で反射された光を受光する。一方、物体220に歪が生じている場合、物体220の歪に応じて変化した第2の面間隔D2を有す
る粒子240で反射された光を受光する。
The light receiving means 450 can be, for example, a spectral spectrometer such as a reflective spectral spectrometer, an optical microscope, a digital camera, a CCD camera, or a combination thereof. The light receiving means 450 receives the light reflected by the particles 240 in the detection film 230 via the optical fiber 440. When the object 220 is not distorted, the light receiving unit 450 receives the light reflected by the particles 240 having the first surface distance D1 described with reference to FIG. On the other hand, when the object 220 is distorted, the light reflected by the particles 240 having the second inter-surface distance D <b> 2 changed according to the distortion of the object 220 is received.

受光手段450が分光スペクトルメータである場合、受光された光をスペクトルデータとして可視化することができる。受光手段450がデジタルカメラである場合、測定範囲を画像データ可視化することができる。予め物体220の歪による変形前の検出膜230によるスペクトルデータ、または、画像データを取得しておけば、検出後のそれらと比較することによって、物体220の歪を検出することができる。   When the light receiving means 450 is a spectrospectrometer, the received light can be visualized as spectrum data. When the light receiving means 450 is a digital camera, the measurement range can be visualized as image data. If spectral data or image data obtained by the detection film 230 before deformation due to distortion of the object 220 is acquired in advance, the distortion of the object 220 can be detected by comparing with the data after detection.

装置400は、試料410に対して光学系420からの光を相対的に移動させる移動手段460、および、光学系430、受光手段450および移動手段460の動作を制御する制御部470をさらに含み得る。   The apparatus 400 may further include a moving unit 460 that moves light from the optical system 420 relative to the sample 410, and a control unit 470 that controls operations of the optical system 430, the light receiving unit 450, and the moving unit 460. .

移動手段460は、光学系420からの光を固定して、試料410を移動させてもよいし、試料410を固定して、光学系420からの光を移動させてもよい。移動手段460による移動は、手動で行ってもよいし、制御部470によって自動で行ってもよい。   The moving means 460 may move the sample 410 while fixing the light from the optical system 420, or may move the light from the optical system 420 while fixing the sample 410. The movement by the moving means 460 may be performed manually or automatically by the control unit 470.

制御部470は、受光手段450で得られたデータを格納する格納部480および格納部480に格納されたデータを用いて計算を行う算出部490を含み得る。   The control unit 470 may include a storage unit 480 that stores data obtained by the light receiving unit 450 and a calculation unit 490 that performs calculation using the data stored in the storage unit 480.

格納部480は、例えば、メモリであり得る。格納部480は、得られたデータに加えて、予め、種々の第1の面間隔D1を有する検出膜230のスペクトルデータ、および/または、種々の検出膜230による物体220の長手方向の引張変化率と面間隔の変化量ΔDとの関係等を格納し得る。算出部490は、例えば、中央演算処理装置(CPU)であり得る。算出部490は、格納部480に格納されたデータに基づいて、歪量および/または歪分布を算出する。制御部470は、ディスプレイ等の表示手段をさらに有していてもよく、算出結果を可視化してもよい。   The storage unit 480 may be a memory, for example. In addition to the obtained data, the storage unit 480 previously stores spectral data of the detection film 230 having various first surface distances D1 and / or tensile changes in the longitudinal direction of the object 220 by the various detection films 230. The relationship between the rate and the change amount ΔD of the surface interval can be stored. The calculation unit 490 can be, for example, a central processing unit (CPU). The calculation unit 490 calculates a strain amount and / or a strain distribution based on the data stored in the storage unit 480. The control unit 470 may further include display means such as a display, and may visualize the calculation result.

制御部470は、また、光学系420が出射する光の強度、光の波長、光径、タイミング等を制御し、受光手段450が試料410で反射された光を受光し、かつ、受光した光に基づくデータを格納部へ送信するように制御し、移動手段460が試料410に対して光学系420からの光を相対的に移動するように制御し得る。   The control unit 470 also controls the intensity of light emitted from the optical system 420, the wavelength of the light, the light diameter, the timing, etc., and the light receiving means 450 receives the light reflected by the sample 410 and receives the received light. It is possible to control so that the data based on the data is transmitted to the storage unit and the moving unit 460 moves the light from the optical system 420 relative to the sample 410.

次に、装置400の動作を説明する。
制御部470は、光学系420が試料410の測定すべき箇所に向けて光を出射するように制御する。光源430が発した光は、光ファイバ440を介して試料410に入射される。検出膜230中の粒子240で反射した光(反射光)は、再度、光ファイバ440を介して受光手段450によって受光される。受光手段450は、得られたデータを格納部480に送信する。
Next, the operation of the apparatus 400 will be described.
The control unit 470 controls the optical system 420 to emit light toward the portion of the sample 410 to be measured. The light emitted from the light source 430 is incident on the sample 410 via the optical fiber 440. The light (reflected light) reflected by the particles 240 in the detection film 230 is received again by the light receiving means 450 through the optical fiber 440. The light receiving unit 450 transmits the obtained data to the storage unit 480.

制御部470は、さらなる測定すべき箇所に光学系420からの光が入射するように、移動手段460が試料410に対して光学系420からの光を相対的に移動するように制御する。この後の動作は、上述した一連の動作と同様であるため省略する。以下、すべての測定すべき箇所のデータを受光手段450が取得し、格納部480にデータが格納される。   The control unit 470 controls the moving unit 460 to move the light from the optical system 420 relative to the sample 410 so that the light from the optical system 420 enters a place to be further measured. The subsequent operations are the same as the above-described series of operations, and are therefore omitted. Thereafter, the light receiving means 450 obtains all the data to be measured, and the data is stored in the storage unit 480.

算出部490は、格納部480のデータに基づいて、歪量および/または歪分布を算出する。詳細には、図1を参照して説明したステップS140と同様であるため省略する。   The calculation unit 490 calculates the strain amount and / or strain distribution based on the data stored in the storage unit 480. In detail, since it is the same as that of step S140 demonstrated with reference to FIG. 1, it abbreviate | omits.

制御部470は、得られた結果を数値、および/または、二次元マッピング像として可視化し得る。   The control unit 470 can visualize the obtained result as a numerical value and / or a two-dimensional mapping image.

本発明による装置400は、検出膜230の構造色変化を目視にて検出できない場合に有効であり得、任意の検出膜230が適用された物体220の歪を高精度に検出することができる。   The apparatus 400 according to the present invention can be effective when the structural color change of the detection film 230 cannot be visually detected, and can detect the distortion of the object 220 to which the arbitrary detection film 230 is applied with high accuracy.

次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。   The present invention will now be described in detail using specific examples, but it should be noted that the present invention is not limited to these examples.

反射光の波長変化(ピークシフト量)と物体の歪変化率との関係を調べた。物体220(図2)として塩化ビニル樹脂(PVC、VSS−HS−220S、住友ベークライト社)を用い、塩化ビニル樹脂上に検出膜230(図2)を適用し、試料を作製した。ここで、検出膜230が適用されたポリ塩化ビニル基板の面積は、350mm2であり、塩化ビ
ニル樹脂の厚さは、0.5mmであり、透明であった。検出膜230の粒子240(図2)としてポリスチレン粒子(平均粒径202nm)を用い、弾性体250(図2)としてポリジメチルシリコーンエラストマーを用いた。
作製直後の試料に白色光を照射したところ、検出膜230は赤色の構造色を示した。分光装置を用いて測定した結果、反射光の波長は665nmであった。これにより、ポリスチレン粒子の第1の面間隔D1(図2)は、約222nmであることが分かった。
The relationship between the wavelength change of reflected light (peak shift amount) and the strain change rate of the object was investigated. A vinyl chloride resin (PVC, VSS-HS-220S, Sumitomo Bakelite Co., Ltd.) was used as the object 220 (FIG. 2), and a detection film 230 (FIG. 2) was applied on the vinyl chloride resin to prepare a sample. Here, the area of the polyvinyl chloride substrate to which the detection film 230 was applied was 350 mm 2 , and the thickness of the vinyl chloride resin was 0.5 mm, which was transparent. Polystyrene particles (average particle size 202 nm) were used as the particles 240 (FIG. 2) of the detection film 230, and polydimethyl silicone elastomer was used as the elastic body 250 (FIG. 2).
When the sample immediately after production was irradiated with white light, the detection film 230 showed a red structural color. As a result of measurement using a spectroscopic device, the wavelength of reflected light was 665 nm. Thereby, it turned out that the 1st surface distance D1 (FIG. 2) of a polystyrene particle is about 222 nm.

次いで、試料を90℃まで昇温し、保持した状態で、0.1mm/分の割合で引張応力を印加した。引き伸ばし器を用いて試料に引張応力を印加した。試料を一定量伸ばすごとに反射分光スペクトルを測定し、反射光の波長変化(ピークシフト量)と物体の伸び率との関係を調べた。測定は、引張応力印加前の測定と合わせて、全部で8回行った。顕微分光スペクトル測定には、反射型分光装置(USB2000 Miniature Fiber Optic Spectrometer、Ocean Optics、U.S.)を用いた。   Next, tensile stress was applied at a rate of 0.1 mm / min while the sample was heated to 90 ° C. and held. A tensile stress was applied to the sample using a stretcher. Each time the sample was extended by a certain amount, the reflection spectrum was measured, and the relationship between the wavelength change of reflected light (peak shift amount) and the elongation of the object was examined. The measurement was performed 8 times in total, including the measurement before applying the tensile stress. A reflection spectroscopic device (USB2000 Miniature Fiber Optic Spectrometer, Ocean Optics, US) was used for the microspectroscopic spectrum measurement.

図5は、本実施例1による(A)顕微分光スペクトルおよび(B)ピークシフト量と試料の伸び率との関係を示す図である。   FIG. 5 is a graph showing the relationship between (A) microspectroscopy spectrum and (B) peak shift amount and sample elongation according to Example 1.

図5(A)には、グラフが複雑になるのを避けるため、上記8回の測定結果のうち最初の5回の測定結果のみを示す。試料の塩化ビニル樹脂の引張応力印加時間が長くなる(すなわち、試料が伸びる)につれて、反射光の波長は、低波長側にシフトすることが確認された。この顕微分光スペクトルからピークシフト量と、試料の伸び率との関係を求めた。試料の伸び率は、1軸ステージが示す値から求めた。この値は、引張応力前の試料の全体長L(図2)、および、引張応力後の各点での全体長L+ΔL(図2)を求めることに相当する。   FIG. 5A shows only the first five measurement results among the eight measurement results in order to avoid complication of the graph. It was confirmed that the wavelength of the reflected light shifts to the lower wavelength side as the tensile stress application time of the vinyl chloride resin of the sample becomes longer (that is, the sample extends). The relationship between the peak shift amount and the elongation percentage of the sample was determined from this microspectroscopic spectrum. The elongation percentage of the sample was obtained from the value indicated by the uniaxial stage. This value corresponds to obtaining the total length L (FIG. 2) of the sample before the tensile stress and the total length L + ΔL (FIG. 2) at each point after the tensile stress.

図5(B)より、反射光の波長のピークシフト量と、塩化ビニル樹脂の伸び率とは比例関係を満たすことが分かった。このことは、反射光の波長のピークシフトは、検出膜230(図2)中の粒子240(図2)の面間隔Dに依存しているため、面間隔の変化量ΔD(|D2−D1|)が、塩化ビニル樹脂の伸び率に比例することに等しい。したがって、検出膜230の構造色変化の変化から容易に物体の歪変形量(塑性変形量)を求めることができる。以上、図5から、検出膜230の伸び率(ΔL/L)と面間隔の変化量ΔDとは、
関係ΔD=K(ΔL/L)・・・(4)
を満たすことが分かった。ここで、Kは、試料固有の係数である。実施例1における試料の検出膜230の場合、K≒1.5(nm/%)であった。
From FIG. 5B, it was found that the peak shift amount of the reflected light wavelength and the elongation rate of the vinyl chloride resin satisfy a proportional relationship. This is because the peak shift of the wavelength of the reflected light depends on the surface distance D of the particles 240 (FIG. 2) in the detection film 230 (FIG. 2), and thus the amount of change ΔD (| D2-D1 of the surface distance). |) Is equal to the elongation percentage of the vinyl chloride resin. Accordingly, the amount of strain deformation (plastic deformation amount) of the object can be easily obtained from the change in the structural color change of the detection film 230. As described above, from FIG. 5, the elongation rate (ΔL / L) of the detection film 230 and the change amount ΔD of the inter-surface spacing are
Relation ΔD = K (ΔL / L) (4)
It turns out that it satisfies. Here, K is a coefficient specific to the sample. In the case of the sample detection film 230 in Example 1, K≈1.5 (nm /%).

したがって、種々の検出膜230を適用した場合の試料の伸び率とピークシフト量との関係が既知であれば、検出膜230の構造色変化(すなわち、ピークシフト量)から目視にて半定量的に試料の変化量(伸び率)を知ることができることが分かる。また、分光スペクトルメータを用いて、ピークシフト量を検出した場合には、試料の変化量(伸び率)を定量的に知ることができる。   Therefore, if the relationship between the elongation percentage of the sample and the peak shift amount when the various detection films 230 are applied is known, the structure color change (that is, the peak shift amount) of the detection film 230 is semi-quantitatively visually. It can be seen that the amount of change (elongation) of the sample can be known. In addition, when the peak shift amount is detected using a spectrophotometer, the amount of change (elongation rate) of the sample can be known quantitatively.

次に、図5の結果を用いて、実施例1の検出膜230を種々の物体に適用した場合の物体の変化量の測定を行った。   Next, using the results of FIG. 5, the amount of change in the object when the detection film 230 of Example 1 was applied to various objects was measured.

図6は、実施例2による実験模式図、および、デジタルカメラ写真を示す図である。
物体220(図2)としてポリエステル(マイラー)フィルムを用い、ポリエステルフィルム上に検出膜230(図2)を適用し、試料500を作製した。ここで、検出膜230が適用されたポリエステルフィルムの面積は、450mm2であり、ポリエステルフィ
ルムの厚さは、25μmであり、透明であった。検出膜230は、実施例1と同様であるため、説明を省略する。
FIG. 6 is a schematic diagram of an experiment according to Example 2 and a photograph of a digital camera.
A polyester (mylar) film was used as the object 220 (FIG. 2), and the detection film 230 (FIG. 2) was applied on the polyester film to prepare a sample 500. Here, the area of the polyester film to which the detection film 230 was applied was 450 mm 2 , and the thickness of the polyester film was 25 μm and was transparent. Since the detection film 230 is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.

作製直後(すなわち、応力を印加する前)の試料600に白色光を照射したところ、検出膜230は赤色の構造色を示した。分光装置を用いて測定した結果、反射光の波長は615nmであった。上式(1)において、n=1.5とすると、ポリスチレン粒子の第1の面間隔D1(図2)は、205nmであることが分かった。次いで、試料600に切れ目を入れた後、試料600の長手方向(矢印で示す)に引張応力を印加した(本明細書では、単に、塑性変形とも言う)。塑性変形後、白色光を試料600に照射し、試料600を目視観察、および、デジタルカメラを用いて撮影した。   When the sample 600 immediately after production (ie, before applying stress) was irradiated with white light, the detection film 230 showed a red structural color. As a result of measurement using a spectroscopic device, the wavelength of reflected light was 615 nm. In the above formula (1), when n = 1.5, it was found that the first interplanar spacing D1 (FIG. 2) of the polystyrene particles was 205 nm. Next, after a cut was made in the sample 600, a tensile stress was applied in the longitudinal direction (indicated by an arrow) of the sample 600 (also referred to simply as plastic deformation in this specification). After plastic deformation, the sample 600 was irradiated with white light, and the sample 600 was visually observed and photographed using a digital camera.

図6のデジタルカメラ写真に示されるように、領域610は、引張応力が集中し、変形した領域であった。領域620は、作製直後の試料600と同じ赤色の構造色を示しており、引張応力による歪・変形は見られなかった。領域630は、領域610の近傍であり、黄色〜緑色の構造色を示しており、引張応力による歪・変形が確認された。   As shown in the digital camera photograph of FIG. 6, the region 610 was a region where tensile stress was concentrated and deformed. The region 620 shows the same red structural color as that of the sample 600 immediately after fabrication, and no distortion or deformation due to tensile stress was observed. A region 630 is in the vicinity of the region 610 and has a yellow to green structural color, and strain and deformation due to tensile stress were confirmed.

次に、試料600の領域610について、より詳細に調べるため顕微分光測定を行った。顕微分光測定は、実施例1と同様の装置を用いて行った。   Next, in order to investigate the region 610 of the sample 600 in more detail, microspectroscopy was performed. The microspectroscopic measurement was performed using the same apparatus as in Example 1.

図7は、実施例2による試料の(A)CCDカメラ写真、および、(B)顕微分光スペクトルを示す図である。   FIG. 7 is a diagram showing (A) a CCD camera photograph and (B) a microspectroscopic spectrum of a sample according to Example 2.

図7(A)は、図6の領域610近傍を、光学顕微鏡を用いて50倍に拡大し、CCDカメラにて撮影した。図7(A)のCCDカメラ写真において、右上から左下にむかって、赤色(スポット1近傍)、黄色(スポット2近傍)、緑色(スポット3近傍)と検出膜23の構造色の変化が確認された。
次いで、歪変形量を定量的に求めるために、反射型分光装置を用いて、各スポット1〜3における反射分光スペクトルを測定した。
In FIG. 7A, the vicinity of the region 610 in FIG. 6 was magnified 50 times using an optical microscope and photographed with a CCD camera. In the CCD camera photograph of FIG. 7A, from the upper right to the lower left, changes in the structural color of the detection film 23 are confirmed from red (near spot 1), yellow (near spot 2), and green (near spot 3). It was.
Next, in order to quantitatively determine the amount of distortion deformation, the reflection spectral spectrum at each of the spots 1 to 3 was measured using a reflection spectrometer.

7(B)のスペクトル1、2および3は、それぞれ、スポット1、2および3の分光スペクトルである。スペクトル1、2および3による反射光の波長は、それぞれ、615nm、580nm、および、560nmであった。スポット1の領域は、試料作製直後の反射光の波長と同じであった。このことから、スポット1における第2の面間隔D2s1は、引張応力を印加する前の第1の面間隔D1と同じであり(すなわち、D2s1=D1=205nm)、ポリエステルフィルムは歪変形していないことが分かった。スポット2の反射光の波長から、スポット2における第2の面間隔D2s2は、約193nmであることが分かった。これにより、面間隔の変化量ΔDs2は約12nmであった。同様に、スポット3の反射光の波長から、スポット3における第2の面間隔D2s3は187nmであり、面間隔の変化量ΔDs3は約18nmであった。得られた面間隔の変化量ΔDs2およびΔDs3それぞれの値に上式(4)を適用すると、スポット1に対する伸び率は、それぞれ、約8%および約13%であった。 The spectra 1, 2 and 3 in FIG. 7B are the spectral spectra of the spots 1, 2 and 3, respectively. The wavelengths of reflected light from the spectra 1, 2 and 3 were 615 nm, 580 nm and 560 nm, respectively. The area of spot 1 was the same as the wavelength of the reflected light immediately after sample preparation. From this, the second surface distance D2 s1 in the spot 1 is the same as the first surface distance D1 before applying the tensile stress (that is, D2 s1 = D1 = 205 nm), and the polyester film is distorted and deformed. I found out. From the wavelength of the reflected light of the spot 2, it was found that the second interplanar distance D2 s2 in the spot 2 was about 193 nm. As a result, the change amount ΔD s2 of the interplanar spacing was about 12 nm. Similarly, from the wavelength of the reflected light of the spot 3, the second interplanar distance D2 s3 in the spot 3 was 187 nm, and the variation ΔD s3 of the interplanar distance was about 18 nm. When the above equation (4) is applied to the values of the obtained change amounts ΔD s2 and ΔD s3 of the interplanar spacing, the elongation rates with respect to the spot 1 are about 8% and about 13%, respectively.

本実施例で用いた顕微分光の場合、50倍に像を拡大しこれを直径200μmの光ファイバを介して分光スペクトルを測定した。したがって、試料上の直径4μmのスポットを測定していることになる。このように、5μm以下の空間分解能で変形領域のマッピング像を構造色のイメージとして可視化することができた。   In the case of the microscopic light used in this example, the image was magnified 50 times, and the spectrum was measured through an optical fiber having a diameter of 200 μm. Therefore, a spot having a diameter of 4 μm on the sample is measured. Thus, the mapping image of the deformation area could be visualized as a structural color image with a spatial resolution of 5 μm or less.

図8は、実施例3による(A)実験模式図、(B)デジタルカメラ写真、および、(C)顕微分光スペクトルを示す図である。   FIG. 8 is a diagram showing (A) an experimental schematic diagram, (B) a digital camera photograph, and (C) a microspectroscopic spectrum according to Example 3.

物体220(図2)としてポリ塩化ビニル基板を用い、ポリ塩化ビニル基板上に検出膜230(図2)を適用し、試料800を作製した。ここで、検出膜230が適用されたポリ塩化ビニル基板の面積は、約400mm2であり、ポリ塩化ビニル基板の厚さは、0.
5mmであり、黒色であった。検出膜230は、実施例1と同様であるため、説明を省略する。
A sample 800 was prepared by using a polyvinyl chloride substrate as the object 220 (FIG. 2) and applying the detection film 230 (FIG. 2) on the polyvinyl chloride substrate. Here, the area of the polyvinyl chloride substrate to which the detection film 230 is applied is about 400 mm 2 , and the thickness of the polyvinyl chloride substrate is 0.
It was 5 mm and was black. Since the detection film 230 is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.

作製直後の試料800に白色光を照射したところ、検出膜230は赤色の構造色を示した。分光装置を用いて測定した結果、反射光の波長は630nmであった。これにより、ポリスチレン粒子の第1の面間隔D1(図2)は、210nmであることが分かった。次いで、図8(A)左図に示されるように、試料800を温度150℃まで加熱して、長手方向(矢印で示す)に約1mm/分の割合で引張応力を印加した。実施例1と同じ引き延ばし器を用いて、ポリ塩化ビニル基板の伸びが3mmとなるまで引っ張り応力を印加し、試料800を変形させた。この温度は、ポリスチレン粒子およびポリ塩化ビニル基板の軟化点温度以上であればよい。図8(B)左図に、昇温および引張応力を印加する直前のデジタルカメラ写真を示す。構造色は赤色を示し、均一であることを確認した。   When the sample 800 immediately after production was irradiated with white light, the detection film 230 showed a red structural color. As a result of measurement using a spectroscopic device, the wavelength of reflected light was 630 nm. Thereby, it turned out that the 1st surface distance D1 (FIG. 2) of a polystyrene particle is 210 nm. Next, as shown in the left diagram of FIG. 8A, the sample 800 was heated to a temperature of 150 ° C., and a tensile stress was applied at a rate of about 1 mm / min in the longitudinal direction (indicated by an arrow). Using the same stretcher as in Example 1, a tensile stress was applied until the elongation of the polyvinyl chloride substrate reached 3 mm, and the sample 800 was deformed. This temperature should just be more than the softening point temperature of a polystyrene particle and a polyvinyl chloride board | substrate. The left figure of FIG. 8 (B) shows a digital camera photograph immediately before the temperature rise and the tensile stress are applied. The structural color was red and was confirmed to be uniform.

塑性変形後、試料800を室温まで冷却した。図8(A)右図に示されるように、試料800のくびれ部分が歪変形したことが目視にて確認された。ここで、領域iは、歪変形量が大きいと考えられる領域を示し、領域iiは、歪変形量がほとんどないと考えられる領域を示す。図8(B)右図に、塑性変形後のデジタルカメラ写真を示す。図8(A)右図の領域iに相当する箇所(図8(B)右図において丸で示す)で構造色の変化が確認された。構造色は、黄色〜緑色を示した。   After plastic deformation, the sample 800 was cooled to room temperature. As shown in the right figure of FIG. 8 (A), it was confirmed visually that the constricted portion of the sample 800 was distorted. Here, the region i indicates a region that is considered to have a large amount of strain deformation, and the region ii indicates a region that is considered to have little strain deformation amount. 8B shows a digital camera photograph after plastic deformation. A change in the structural color was confirmed at a position corresponding to the region i in the right diagram in FIG. 8A (indicated by a circle in the right diagram in FIG. 8B). The structural color was yellow to green.

実施例2と同様に、試料800の領域iおよび領域ii内の特定のスポットについて、より詳細に調べるため顕微分光を行った。図8(C)写真iは、領域iを、光学顕微鏡を用いて50倍に拡大し、CCDカメラにて撮影した写真である。図8(C)写真iiは、同様に、領域iiを、光学顕微鏡を用いて50倍に拡大し、CCDカメラにて撮影した写真である。その他の撮影顕微分光の測定条件は、実施例2と同様である。   In the same manner as in Example 2, microspectroscopy was performed for examining in detail the region i of the sample 800 and a specific spot in the region ii. FIG. 8 (C) Photo i is a photograph taken with a CCD camera, with the area i magnified 50 times using an optical microscope. Similarly, a photograph ii in FIG. 8C is a photograph obtained by enlarging the region ii by 50 times using an optical microscope and photographing with a CCD camera. The other measurement conditions of the imaging microspectroscopic light are the same as those in the second embodiment.

図8(C)写真iの構造色は、図8(B)右図領域iの構造色よりも明瞭な緑色を示した。一方、図8(C)写真iiの構造色は、図8(B)右図領域iiの構造色と同じ赤色であった。図8(C)のスペクトルiおよびiiは、それぞれ、領域iおよび領域ii内の特定のスポットにおけるスペクトルを示し、それぞれの反射光の波長は、545nmおよび630nmであった。領域iiは、試料作製直後(すなわち、塑性変形前)の反射光の波長とほぼ同じであった。このことから、領域iiにおける第2の面間隔D2siiは、
塑性変形前の第1の面間隔D1(図1)と同じであり、ポリ塩化ビニル基板は歪変形していないことが分かった。一方、領域iの反射光の波長から、領域i内の特定のスポットにおける第2の面間隔D2siは、約182nmであることが分かった。面間隔の変化量ΔDsiは約28nmであり、この値を上式(4)に適用すると、領域iに対する領域iiの伸び率は、約19%であることが分かった。
The structural color of the photograph i in FIG. 8C shows a clearer green color than the structural color in the region i on the right side of FIG. On the other hand, the structural color of the photo ii in FIG. 8C was the same red color as the structural color of the right region ii in FIG. The spectra i and ii in FIG. 8C show the spectra at specific spots in the region i and the region ii, respectively, and the wavelengths of the reflected light were 545 nm and 630 nm, respectively. Region ii was almost the same as the wavelength of the reflected light immediately after sample preparation (ie, before plastic deformation). From this, the second surface distance D2 sii in the region ii is
It was the same as the first inter-surface distance D1 (FIG. 1) before plastic deformation, and it was found that the polyvinyl chloride substrate was not strain-deformed. On the other hand, it was found from the wavelength of the reflected light in the region i that the second inter-surface distance D2 si at a specific spot in the region i is about 182 nm. The change amount ΔD si of the inter-surface spacing is about 28 nm, and when this value is applied to the above equation (4), it was found that the elongation rate of the region ii with respect to the region i is about 19%.

なお、検出膜230(図2)の要素(粒子240(図2)および弾性体250(図2))を適宜選択することによって、加熱温度をより高温に設定することもできる。このような温度は、粒子240および弾性体250が、熱分解しない温度であり得る。また、実施例3では、塑性変形後、試料800を室温まで冷却した後に歪検出を行ったが、温度を保持したまま歪検出を行ってもよい。   Note that the heating temperature can be set higher by appropriately selecting the elements of the detection film 230 (FIG. 2) (particles 240 (FIG. 2) and elastic body 250 (FIG. 2)). Such a temperature may be a temperature at which the particles 240 and the elastic body 250 are not thermally decomposed. In Example 3, strain detection was performed after plastic deformation and the sample 800 was cooled to room temperature. However, strain detection may be performed while maintaining the temperature.

実施例2と実施例3とから、物体全体の歪変形量が、μmオーダであっても、mmオーダであっても、本発明の方法を用いれば、物体の局所的かつ広範囲にわたる歪分布を検出することができる。また、検出膜中の粒子で光が反射すればよいので、無色透明を含む任意の色を有する物体の歪を検出することができる。   From Example 2 and Example 3, regardless of whether the strain deformation amount of the entire object is in the order of μm or mm, using the method of the present invention, a local and wide-range strain distribution of the object can be obtained. Can be detected. In addition, since light only needs to be reflected by particles in the detection film, it is possible to detect distortion of an object having an arbitrary color including colorless and transparent.

図9は、実施例4による実験模式図、および、顕微分光スペクトルを示す図である。
試料900の作製は、実施例3と同様であるため説明を省略する。試料900に切れ目を入れた後、試料900の長手方向(矢印で示す)に、昇温した状態で引張応力を印加した。実施例3と同じ温度条件で引張応力を印加した以外は、実施例2と同様であるため、説明を省略する。
FIG. 9 is a schematic diagram of an experiment according to Example 4, and a diagram showing a microspectroscopic spectrum.
The manufacture of the sample 900 is the same as that in Example 3, and thus the description thereof is omitted. After the sample 900 was cut, tensile stress was applied in the longitudinal direction of the sample 900 (indicated by an arrow) while the temperature was raised. Since it is the same as that of Example 2 except having applied the tensile stress on the same temperature conditions as Example 3, description is abbreviate | omitted.

図9の実験模式図に示される引張応力の集中した領域910について、顕微分光測定を行った。図9の挿入図は、領域910を光学顕微鏡にて50倍に拡大し、CCDカメラによる撮影した写真である。領域A、BおよびCの構造色は、それぞれ、緑色、黄色および赤色であった。   The microspectroscopic measurement was performed on the region 910 where the tensile stress was concentrated as shown in the experimental schematic diagram of FIG. The inset in FIG. 9 is a photograph taken with a CCD camera, with the area 910 magnified 50 times with an optical microscope. The structural colors of regions A, B and C were green, yellow and red, respectively.

次いで、歪変形量を定量的に求めるために、反射型分光装置を用いて、各スポットA〜Cにおける反射分光スペクトルを測定した結果を図9に示す。スペクトルA、BおよびCによる反射光の波長は、それぞれ、565nm、590nm、および、630nmであった。スポットCの領域は、試料作製直後の反射光の波長と同じであった。このことから、スポットCにおける第2の面間隔D2sCは、引張応力を印加する前の第1の面間隔D1(=210nm)と同じであり、ポリ塩化ビニル基板は歪変形していないことが分かった。スポットBの反射光の波長から、スポットBにおける第2の面間隔D2sBは、197nmであることが分かった。面間隔の変化量ΔDsBは13nmとなり、この値を上式(4)に適用すると、スポットCに対するスポットBの伸び率は、約9%であった。同様に、スポットAの反射光の波長から、スポットAにおける第2の面間隔DsAは、188nmであることが分かった。面間隔の変化量ΔDsAは22nmとなり、この値を上式(4)に適用すると、スポットCに対するスポットAの伸び率は、約15%であった。 Next, FIG. 9 shows the result of measuring the reflection spectrum at each of the spots A to C using a reflection type spectroscopic device in order to quantitatively determine the strain deformation amount. The wavelengths of reflected light from the spectra A, B, and C were 565 nm, 590 nm, and 630 nm, respectively. The area of the spot C was the same as the wavelength of the reflected light immediately after the preparation of the sample. From this, the second interplanar distance D2 sC in the spot C is the same as the first interplanar distance D1 (= 210 nm) before applying the tensile stress, and the polyvinyl chloride substrate is not strain-deformed. I understood. From the wavelength of the reflected light of the spot B, it was found that the second interplanar distance D2 sB in the spot B was 197 nm. The amount of change ΔD sB in the interplanar spacing was 13 nm. When this value was applied to the above equation (4), the elongation percentage of the spot B with respect to the spot C was about 9%. Similarly, from the wavelength of the reflected light from the spot A, it was found that the second interplanar distance D sA at the spot A was 188 nm. The amount of change ΔD sA in the interplanar spacing was 22 nm. When this value was applied to the above equation (4), the elongation percentage of the spot A with respect to the spot C was about 15%.

実施例2と同様に、厚い物体に対しても微小領域の歪変形を検出することができることがわかった。   Similar to Example 2, it was found that the strain deformation of a minute region can be detected even for a thick object.

以上、実施例1〜4では、物体220(図2)の長手方向に引張応力を印加した場合を示してきたが、本発明の方法は、物体220が圧縮した場合であっても歪を検出することができることに留意されたい。   As described above, in the first to fourth embodiments, the case where the tensile stress is applied in the longitudinal direction of the object 220 (FIG. 2) has been shown. However, the method of the present invention detects strain even when the object 220 is compressed. Note that you can.

以上説明してきたように、本発明の方法を用いれば、物体の歪による変形量を大面積にわたって、容易に検出することができる。本発明による方法は、新規材料の開発における新規な評価方法として採用することができる。例えば、本発明の方法は、新規高分子材料の機械強度特性の評価、熱塑性の評価に適用可能である。また、本発明による方法は、物体の塑性変形の監視または検査に有効であり得る。詳細には、構造材料などの塑性変形を容易に監視し、予兆を早期に発見することによって事故防止をすることができる。   As described above, by using the method of the present invention, it is possible to easily detect a deformation amount due to distortion of an object over a large area. The method according to the present invention can be employed as a novel evaluation method in the development of new materials. For example, the method of the present invention can be applied to the evaluation of mechanical strength properties and thermoplasticity of novel polymer materials. The method according to the invention can also be useful for monitoring or inspecting plastic deformation of objects. Specifically, it is possible to prevent accidents by easily monitoring plastic deformation of structural materials, etc., and finding signs early.

本発明による物体の歪を検出する方法を示すフローチャートFlowchart illustrating a method for detecting distortion of an object according to the present invention. 本発明による物体の歪を検出する原理を示す模式図Schematic diagram illustrating the principle of detecting distortion of an object according to the present invention. 面間隔と構造色との関係を示すグラフGraph showing the relationship between face spacing and structural color 本発明による物体の歪を検出する装置の模式図Schematic diagram of an apparatus for detecting distortion of an object according to the present invention. 実施例1による(A)顕微分光スペクトルおよび(B)ピークシフト量と試料の伸び率との関係を示す図The figure which shows the relationship between the (A) micro-spectral-light spectrum by Example 1, and (B) peak shift amount, and the elongation rate of a sample. 実施例2による実験模式図、および、デジタルカメラ写真を示す図The schematic diagram of experiment by Example 2, and the figure which shows a digital camera photograph 実施例2による試料の(A)CCDカメラ写真、および、(B)顕微分光スペクトルを示す図(A) CCD camera photograph and (B) micro-spectroscopic spectrum of the sample according to Example 2 実施例3による(A)実験模式図、(B)デジタルカメラ写真、および、(C)顕微分光スペクトルを示す図(A) Schematic diagram of experiment, (B) Digital camera photograph, and (C) Microspectroscopy spectrum according to Example 3 実施例4による実験模式図、および、顕微分光スペクトルを示す図The schematic diagram of experiment by Example 4, and the figure which shows a microscopic light spectrum 従来技術による物体の変形量を測定するフローチャートFlow chart for measuring the amount of deformation of an object according to the prior art 従来技術による歪分布表示装置の模式図Schematic diagram of conventional strain distribution display device

符号の説明Explanation of symbols

200 応力印加前の状態
210 応力印加後の状態
220 物体
230 検出膜
240 粒子
250 弾性体
400 装置
410、600、800、900 試料
420 光学系
430 光源
440 光ファイバ
450 受光手段
460 移動手段
470 制御部
610、620、630、910 領域
200 State before stress application 210 State after stress application 220 Object 230 Detection film 240 Particle 250 Elastic body 400 Apparatus 410, 600, 800, 900 Sample 420 Optical system 430 Light source 440 Optical fiber 450 Light receiving means 460 Moving means 470 Control unit 610 , 620, 630, 910 region

Claims (16)

物体の歪を検出する方法であって、
前記物体に検出膜を適用するステップであって、前記検出膜は、周期的に配列した、第1の面間隔を有する粒子と、前記粒子間の間隙を埋める弾性体とを含む、ステップと、
光ファイバを用いて前記検出膜を介して前記物体に光を照射するステップであって、前記光は前記物体の表面に対して垂直に照射され、前記光は白色光である、ステップと、
前記光ファイバおよび分光スペクトルメータを用いて前記検出膜中の前記粒子で反射された前記光を受光するステップであって、前記物体に歪が生じていない場合、前記第1の面間隔を有する前記粒子で反射された前記光を受光し、前記物体に歪が生じている場合、前記歪に応じて前記第1の面間隔から所定の関係を満たすように変化した第2の面間隔を有する前記粒子で反射された前記光を受光する、ステップと、
前記物体に対して前記光を相対的に移動させるステップと、
前記受光された光から前記物体の歪を検出するステップであって、前記反射した光の波長から求めた前記第2の面間隔と、前記第1の面間隔とから前記物体の歪量を算出し、前記歪量および/または歪分布を可視化するステップと
を包含する、方法。
A method for detecting distortion of an object,
Applying a detection film to the object, the detection film comprising: periodically arranged particles having a first inter-surface spacing; and an elastic body filling a gap between the particles;
Irradiating the object with light through the detection film using an optical fiber, wherein the light is irradiated perpendicularly to the surface of the object, and the light is white light; and
The step of receiving the light reflected by the particles in the detection film using the optical fiber and a spectrophotometer, and when the object is not distorted, the first surface interval is provided. When the light reflected by the particles is received and the object is distorted, the object has a second surface interval that is changed from the first surface interval to satisfy a predetermined relationship according to the strain. Receiving the light reflected by the particles; and
Moving the light relative to the object;
A step of detecting distortion of the object from the received light, and calculating a distortion amount of the object from the second surface distance obtained from the wavelength of the reflected light and the first surface distance; And visualizing the strain amount and / or strain distribution.
前記粒子は、ポリスチレン粒子、PMMA粒子およびシリカ粒子からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the particles are selected from the group consisting of polystyrene particles, PMMA particles and silica particles. 前記弾性体は、シリコーンゴムまたは人工ゴムである、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the elastic body is silicone rubber or artificial rubber. 前記受光するステップは、前記物体に歪が生じている場合、前記第1の面間隔と前記第2の面間隔との差ΔDが、関係|(λ2−λ1)/2n|≧0.1であることを検出し、ここで、λ1は、前記第1の面間隔を有する前記粒子で反射された前記光の波長であり、λ2は、前記第2の面間隔を有する前記粒子で反射された前記光の波長であり、nは前記検出膜の屈折率である、請求項1に記載の方法。   In the light receiving step, when the object is distorted, the difference ΔD between the first surface distance and the second surface distance is expressed by the relationship | (λ2−λ1) /2n|≧0.1. Λ1 is the wavelength of the light reflected by the particles having the first face spacing, and λ2 is reflected by the particles having the second face spacing. The method according to claim 1, wherein the wavelength is the light, and n is a refractive index of the detection film. 前記物体は、金属、プラスチック、複合材料および塑性セラミックからなる群から選択される、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the object is selected from the group consisting of metals, plastics, composite materials and plastic ceramics. 前記所定の関係は、前記物体の長手方向における引張変化率が前記第1の面間隔からの変化量に対して比例する関係である、請求項1に記載の方法。   2. The method according to claim 1, wherein the predetermined relationship is a relationship in which a tensile change rate in a longitudinal direction of the object is proportional to an amount of change from the first surface interval. 前記第1の面間隔D1は、前記物体の引張歪に対して300/n<D1(nm)≦400/nとなるように設計されるか、または、前記物体の圧縮歪に対して200/n≦D1(nm)<300/nとなるように設計され、ここで、nは前記検出膜の屈折率である、請求項1に記載の方法。   The first inter-surface distance D1 is designed to be 300 / n <D1 (nm) ≦ 400 / n with respect to the tensile strain of the object, or 200 / with respect to the compressive strain of the object. The method according to claim 1, wherein n ≦ D1 (nm) <300 / n, wherein n is a refractive index of the detection film. 前記第1の面間隔D1は、前記物体の引張歪に対して400/n(nm)となるように設計されるか、または、前記物体の圧縮歪に対して200/n(nm)となるように設計され、ここで、nは前記検出膜の屈折率である、請求項7に記載の方法。   The first inter-surface distance D1 is designed to be 400 / n (nm) with respect to the tensile strain of the object, or 200 / n (nm) with respect to the compressive strain of the object. The method of claim 7, wherein n is a refractive index of the detection film. 前記分光スペクトルメータは、反射型分光スペクトルメータである、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the spectrophotometer is a reflective spectrophotometer. 検出膜が適用された物体の歪を検出する装置であって、前記検出膜は、周期的に配列した、第1の面間隔を有する粒子と、前記粒子間の間隙を埋める弾性体とを含み、前記装置は、
前記検出膜を介して前記物体の表面に光を照射する、光源と光ファイバとを含む光学系であって、前記光は白色光である、光学系と、
前記光ファイバを介して、前記検出膜中の前記粒子で反射された前記光を受光する受光手段であって、前記物体に歪が生じていない場合、前記第1の面間隔を有する前記粒子で反射された前記光を受光し、前記物体に歪が生じている場合、前記歪に応じて前記第1の面間隔から所定の関係を満たすように変化した第2の面間隔を有する前記粒子で反射された前記光を受光する、分光スペクトルメータを含む受光手段と、
前記物体に対して前記光を相対的に移動させる移動手段と、
前記光学系の動作と前記受光手段の動作と前記移動手段の動作とを制御する制御手段と
を備え、前記制御手段は、
前記光が前記物体の表面に対して直角に照射されるように、前記光学系の動作を制御し、
前記第1の面間隔に関するデータが予め格納され、かつ、前記受光手段で受光された前記反射された光の波長に関するデータを格納する格納部と、
前記格納部に格納された前記第1の面間隔に関するデータと前記第2の面間隔に関するデタとに基づいて、前記物体に生じた前記歪量および/または歪分布を算出する算出部と、
前記歪量および/または歪分布を表示する表示手段と
を備える、装置。
An apparatus for detecting distortion of an object to which a detection film is applied, wherein the detection film includes particles having a first surface interval and an elastic body that fills a gap between the particles, which are periodically arranged. The device is
An optical system including a light source and an optical fiber that irradiates light on the surface of the object through the detection film, and the light is white light;
Light receiving means for receiving the light reflected by the particles in the detection film via the optical fiber, and when the object is not distorted, the particles having the first surface spacing In the case where the reflected light is received and the object is distorted, the particles having the second surface spacing changed from the first surface spacing to satisfy a predetermined relationship according to the strain. A light receiving means including a spectrophotometer for receiving the reflected light;
Moving means for moving the light relative to the object;
Control means for controlling the operation of the optical system, the operation of the light receiving means and the operation of the moving means, the control means,
Controlling the operation of the optical system so that the light is illuminated at right angles to the surface of the object;
A storage unit that stores data related to the wavelength of the reflected light received in advance by the light receiving means, wherein data related to the first surface interval is stored in advance.
Based on the data relating to the second surface spacing between data relating to the first surface interval stored in the storage unit, a calculation unit that calculates the distortion amount and / or strain distribution occurring on the object ,
A display means for displaying the strain amount and / or strain distribution.
前記粒子は、ポリスチレン粒子、PMMA粒子およびシリカ粒子からなる群から選択される、請求項10に記載の装置。   The apparatus of claim 10, wherein the particles are selected from the group consisting of polystyrene particles, PMMA particles and silica particles. 前記弾性体は、シリコーンゴムまたは人工ゴムである、請求項10に記載の装置。   The apparatus according to claim 10, wherein the elastic body is silicone rubber or artificial rubber. 前記受光手段は、前記物体に歪が生じている場合、前記第1の面間隔と前記第2の面間隔との差ΔDが、関係|(λ2−λ1)/2n|≧0.1であることを検出し、ここで、λ1は、前記第1の面間隔を有する前記粒子で反射された前記光の波長であり、λ2は、前記第2の面間隔を有する前記粒子で反射された前記光の波長であり、nは前記検出膜の屈折率である、請求項10に記載の装置。   In the light receiving means, when the object is distorted, a difference ΔD between the first surface distance and the second surface distance is a relationship | (λ2−λ1) /2n|≧0.1. Where λ1 is the wavelength of the light reflected by the particles having the first spacing and λ2 is reflected by the particles having the second spacing. The apparatus according to claim 10, wherein the device is a wavelength of light, and n is a refractive index of the detection film. 前記物体は、金属、プラスチック、複合材料および塑性セラミックからなる群から選択される、請求項10に記載の装置。   The apparatus according to claim 10, wherein the object is selected from the group consisting of metal, plastic, composite material and plastic ceramic. 前記所定の関係は、前記物体の長手方向における引張変化率が前記第1の面間隔からの変化量に対して比例する関係である、請求項10に記載の装置。   The apparatus according to claim 10, wherein the predetermined relationship is a relationship in which a tensile change rate in a longitudinal direction of the object is proportional to a change amount from the first surface interval. 前記分光スペクトルメータは、反射型スペクトルメータである、請求項10に記載の装置。
The apparatus according to claim 10, wherein the spectrophotometer is a reflective spectrometer.
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