JP7126938B2 - ３次元歪測定のためのフィールドスプリッタ - Google Patents

Description

本願は、２０１５年８月２７日に出願された米国仮特許出願第６２／２１０，５１３号の米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づく優先権を主張する。この米国仮特許出願の内容は、引用することによって、その全内容があらゆる目的で本明細書の一部をなす。

本開示は、単一のイメージセンサ上で指定された荷重を受けている同じ物体の２つのビューを撮像し、それによって、３次元歪測定のためのデータを提供する３次元歪測定のためのフィールドスプリッタに関する。

歪測定を伴う材料試験において、３次元歪測定のほとんどの技法は、物体の異なる角度からの画像を必要とする。現在又は従来の技術の３次元歪測定デバイスは、通常、２つのカメラを利用して、それぞれ異なる視点の下で物体を撮像する。双方のカメラは、時間を同期させる必要があり、較正後に、一定の幾何学的位置合わせを必要とする。

更なる従来技術として、非特許文献１及び非特許文献２がある。

Genovese他「Stereo-Digital Image Correlation (DIC) Measurements with a Single Camera Using a Biprism」Optics and Lasers In Engineering, Volume 51, Issue 3, March 2013, pages 278-285 Pankow他「3D Digital Image Correlation Using a Single High-Speed Camera for Out-of-Plane Displacements at High Rates」Fifteenth International Conference on Experimental Mechanics, Paper Reference 2927

したがって、本開示の目的は、３次元歪測定の分野において装置に改良をもたらすことである。

したがって、本開示の更なる目的は、単一のカメラ又は同様のデジタル撮像デバイスを用いる３次元歪測定の装置を提供することである。

これらの目的及び他の目的は、材料／複合物試験の状況における３次元歪測定を目的として、フィールドスプリッタ又はビームスプリッタを用いて、材料試験を受けている試験サンプルの異なる角度からの２つの画像を受信し、単一のカメラ又は同様のデジタル撮像デバイスによって受信されたそれらの画像を組み合わせて単一の画像にする装置及び方法を提供する本開示によって達成される。本方法及び本装置によって、同期の困難さを回避又は最小化する利点を有する単一のイメージセンサ上での撮像が可能になる。加えて、カメラの電子機器を２倍にする必要がなく、それによって、撮像システムの重量が削減されるとともに、撮像システムの機械的安定性が向上する。

本開示の更なる目的及び利点は、以下の説明及び添付図面から明らかになる。

２次元歪を光学的に測定する一般的な従来技術の装置構成の概略図である。 図１に関する実験用の従来技術の装置構成の概略図である。 図２Ａの実験用の従来技術の装置構成を用いると起こり得るような２つのビデオターゲットのｘ軸位置合わせ不良を有する材料サンプルの概略図である。 ２次元歪の荷重を受けていない状態（左側）及び荷重を受けている状態（右側）で示された標本のビューに基づく歪の計算の概略図である。 標本をレンズから遠ざけると、２次元歪測定の知覚されるドット位置がどのように変化するのかを示す図である。 ２つのイメージセンサを用いた３次元歪測定の従来技術の配置構成を示す図である。 ３次元歪測定のための本開示のデバイスの概略図である。 本開示の一実施形態を用いて３次元歪を計算するフィールドスプリッタ及び単一のイメージセンサの使用の概略図である。 フィールドスプリッタへの２つの入力をもたらす２つの窓を視認する本開示のデジタル撮像デバイスの正面図である。 本開示のフィールドスプリッタアセンブリの背面図である。 歪検出器として動作するための通常の視界を更に示す本開示のフィールドスプリッタアセンブリの側面図である。 歪検出器として動作するための通常の視界を更に示す本開示のフィールドスプリッタアセンブリの端面図である。 材料サンプルの２つの異なるビューを示す本開示のフィールドスプリッタの合成画像の概略図である。

次に、図を詳細に参照すると、図１～図４は、従来技術の２次元歪測定を示し、図５は、デュアルカメラ及びデュアルイメージセンサを用いた従来技術の３次元歪測定を示していることが分かる。これらの図において、同様の参照符号は、幾つかの図にわたって同様の要素を指す。図５の装置は、双方のカメラを互いに対して固定して設置しなければならず、時間を同期させなければならないという点で不利であり得る。

特に、図１は、ビデオデバイス又はカメラ１０００（通常、ＣＣＤ又は類似の技術を用いる）が、グリップ１０２、１０４によって引張荷重等の応力誘発荷重を受けた状態にある材料サンプル２００の光学画像を取り込む従来技術のデバイスを示している。図３の左側に示すように、材料サンプル２００は、ゲージ長（ＧＬ）によって隔てられた第１のビデオターゲット２０２及び第２のビデオターゲット２０４を備える。ビデオターゲット２０２、２０４の位置及び相対運動は、歪対応力曲線を計算するために、材料試験の間、ビデオデバイス１０００によってモニタリング、計算、及び記録される。図３の右側に示すように、第１のビデオターゲットと第２のビデオターゲットとの間の並進運動の相違は、ゲージ長の変化を計算するのに用いることができる。このゲージ長の変化を図３の左側の当初のゲージ長によって除算したものが、歪を計算するのに用いられる。図２Ａに示すように、図１の構成は、ビデオデバイス又はカメラ１０００の運動又は不正確な配置に起因する誤差の影響を受けやすい。これらの運動又は不正確な配置は、Ｘ軸回転、すなわちノディング（nodding）、Ｙ軸回転、すなわちシェーキング（shaking）、又はＺ軸回転等であるが、これらに限定されるものではない。ビデオデバイス又はカメラ１０００との間の作動距離Ｚは、Ｚ軸に沿って位置決めされる。図２Ｂに示すように、ビデオデバイス若しくはカメラ１０００又は材料サンプル２００の任意のそのような運動又は不正確な配置の結果、図示するように、Ｘ軸等に沿った不正確さ又は位置合わせ不良がもたらされるおそれがある。

同様に、図４に示すように、サンプル２００の変位は、Δｘの較正平面の変位をもたらし、それによって、ビデオデバイス又はカメラ１０００によるビデオターゲット２０２の知覚及び計算される位置は変化する。

図５は、従来技術のシステムを更に示している。このシステムでは、３次元データが、第１のビデオデバイス又はカメラ１０１及び第２のビデオデバイス又はカメラ１０２によって収集される。これらのビデオデバイス又はカメラは、２つの異なる角度からサンプル２００（ビデオターゲット２０２、２０４を含む）の画像データを取り込み、それによって、３次元データを計算して歪計算を実行するデジタル画像処理ユニット２２０によって解析される第１のデータ画像２１０及び第２のデータ画像２１２を作成する。画像解釈のネイティブ結果（native result）は、歪を計算して出力するのに用いられる第３のマークロケーションとすることができる。２つの利用可能なデータ画像２１０、２１２から、標本２００が試験中に移動した場合であっても、任意の座標系において利用可能な歪を計算することができる。

図６及び図７は、フィールドスプリッタ（又はビームスプリッタ）１１０を用いて、第１の画像ビーム２１０及び第２の画像ビーム２１２を単一のカメラ又は同様のデジタルデバイス１００（イメージセンサを備える）上に分配し、それによって、３次元歪に関する解析のための第１の画像ビーム２１０及び第２の画像ビーム２１２からのデータを含む単一の画像２１１を生成する本開示の一実施形態を示している。従来技術のフィールドスプリッタは、米国特許第３，２１８，９０８号から知ることができる。フィールドスプリッタは、通常、視認器具と、２つの対物レンズと、対物レンズを通して２つの画像ビームを受信し、視認器具の焦点面上においてそれらの２つの画像を（通常は横並びで）組み合わせて最終の単一画像にするプリズム又は同様のデバイスとを用いる。これらの２つの画像は、同じ物体の２つの異なるビューであってもよい。フィールドスプリッタは、更に、通常は、最終の単一画像において２つの画像の位置を調整する能力を有する。これは、プリズム又は同様のデバイスの位置及び／又は向きを調整することによって行うことができる。

図８～図１２は、本開示の一実施形態のフィールドスプリッタアセンブリ３００（内部にフィールドスプリッタ１１０を備える）を示している。フィールドスプリッタアセンブリ３００の開示された実施形態は、ハウジングを有する。このハウジングは、方形の前面３０６、背面３０８、上面３１０及び底面３１２とともにほぼ正方形の端部キャップ３０２、３０４を備え、それによって、直交した側面を有する筐体を形成する。ただし、更なる実施形態は、フィールドスプリッタアセンブリ３００の異なる幾何形状を有してもよい。様々な表面が、フィールドスプリッタアセンブリ３００の位置を固定する任意選択の取り付けスタッド３１４を備えることができる。同様に、キャップヘッドアセンブリ３１５（ワッシャー又は同様の機械デバイスを備えてもよい）は、フィールドスプリッタアセンブリ３００の構造的完全性を維持し、様々な面から突出することができる。図８に示すように、前面３０６は、ビデオターゲット２０２、２０４（通常、材料試験サンプル２００の対比色のものであり、それによって、それらのロケーションを光学的方法によって測定することを可能にする）を含む材料サンプル２００の異なる角度からの第１の画像ビーム２１０及び第２の画像ビーム２１２（図６参照）をフィールドスプリッタ１１０（図６参照）に提供するとともに、その後、カメラ１００に提供するために、これらの画像ビームを受信する第１の窓（又は光路）３１６及び第２の窓３１８を備える。背面３０８は、中央円形出力窓３２０を備える。ターゲット２０２、２０４の間のゲージ長の変化を計算するためのビデオターゲット２０２、２０４の３次元の時間依存変位及び応力依存変位を計算するために、従来のレンズマウント４０２が、デジタル画像処理ユニット２２０への単一の合成画像２１１を生成するイメージセンサを備えるデジタルカメラ又は同様のデジタルデバイス（図６及び図７のデバイス１００等）への取り付けのために提供されるように、この中央円形出力窓（又は第３の光路）３２０は、デジタル写真レンズ４００（図１０及び図１１参照）の前端又は近位端に係合するデバイスをその周囲に備える。このデバイスは、雄ネジリング３２２等であるが、これに限定されるものではない。ゲージ長の変化を当初のゲージ長（図３参照）によって除算したものが、材料試験セッションの過程において材料サンプル２００に対する時間依存歪及び応力依存歪を計算するのに用いられる。デジタル写真レンズ４００及び従来のレンズマウント４０２の限定ではなく一般的な例は、Ｃマウントを有するＦｕｊｉｎｏｎ ＨＦ９ＨＡ－１Ｂレンズである。異なる実施形態については、異なる焦点距離、Ｆストップ及びマウントを有する異なるレンズが適切又は適用可能な場合がある。

図１０及び図１１に示す寸法、角度、及び関係は、例示であることが意図されている。異なる実施形態は、異なる寸法、角度、及び関係を実施してもよい。図１０に示すように、材料サンプル２００は、レンズマウント４０２の平面から約４９０ｍｍ（最適な視認エリア５００の中心までの４４０ｍｍに、最適な視認エリア５００の深度の２分の１である５０ｍｍを加えたもの）に配置することができる。最適な視認エリア５００は、長さ（フィールドスプリッタアセンブリ３００に平行）が約２００ｍｍであり、深度（フィールドスプリッタアセンブリに垂直）が１００ｍｍである。第１の窓３１６及び第２の窓３１８のビューの中心線５０２、５０４は、２０度隔てることができ、各中心線は、最適な視認エリア５００の中心に収束するように中心線５０６から１０度隔てられている。同様に、図１１に示すように、第１の窓３１６及び第２の窓３１８の視野は、中心線５０６の両側に約８度（全範囲が１６度の場合）にわたることができ、その結果、幅は約１００ｍｍとなる。使用中、フィールドスプリッタアセンブリ３００は、図１のデジタルデバイス又はカメラ１０００に同様に取り付けることができ、それによって、通常、フィールドスプリッタアセンブリ３００及び関連装置を既存の取り付け装置及びグリップ１０２、１０４と組み合わせて用いることが可能になる。

図１２は、合成画像２１１の更なる説明を含む。図１２では、第１の画像２１０及び第２の画像２１２は、同じ方向に向けられているのに対して、図７では、それらの画像は、反対方向に向けられている。いずれの構成が実施されてもよい。図１２では、第１の画像２１０及び第２の画像２１２の視野は、イメージセンサ１００上に横並びに投影される。このイメージセンサは、２０４８×１０８０ピクセルを有するＣＭＯＳイメージセンサとして実施することができ、各ピクセルは、サイズが５ミクロン×５ミクロンである。画像は、通常、視野の２００ｍｍの長手軸（図１０参照）に平行な２０４８ピクセル軸（図１２の縦軸）に沿って分割される。センサ１００は、第１の４６２×９２４ピクセル領域２３０及び第２の４６２×９２４ピクセル領域２３２を備える（バッファーゾーン２３４が２００ピクセルによってこれらの２つのピクセル領域を分割している）。その結果得られる構成は、ピクセル当たり約２１６ミクロンのピクセル解像度と、約１／４３の光学倍率とを有する。

２つの視野は、物体平面上で共通のｘｙエリアに重なり、上述したように、材料サンプル２００に対して異なる角度の視点からのものである。この異なる角度の視点は、図１０に示すように、２０度隔てることができる。物体空間における共通の視野は、縦（Ｙ）２００ｍｍ及び横（Ｘ）１００ｍｍとすることができる。ピクセル空間上に投影された２００ｍｍ×１００ｍｍの物体視野は、遷移領域を除外することができ、クロストークの影響がないものとすることができる。物体（例えば、材料サンプル２００の画像）は、Ｚ軸において＋５０ｍｍ又は－５０ｍｍ移動する場合があり、それによって、１００ｍｍの被写界深度が必要となる。全体的な光学系（図示せず）は、通常、６３０ナノメートル（ＬＥＤ）等の単一の波長において撮像することができる。この光学系の通常の構成では、最小集光能力は、５．６のＦストップ数と同等である。さらに、この光学系は、通常、当該光学系の端部から物体平面までの最小明瞭作動距離が約３００ｍｍである偏波面維持型でなければならない。イメージセンサ１００（図７参照）に伴うプリズム／ミラーアセンブリは、感度及び振動を最小にするように設計されるべきである。結果として得られる光学系の重量は、最適には、２．０キログラム未満であることが更に予想される。

図５の実施形態を上回る図６～図１２における実施形態の一般的な利点は、以下のものを含む。

１．図６～図１２の実施形態は、通常、広範な既存のカメラを拡張したものとして実施することができる。

２．図６～図１２の実施形態は、通常、２つの別個のカメラを互いに同期させることを要しない。

３．図６～図１２の実施形態は、通常、必要とする質量が図５の実施形態よりも少なく、それによって、振動に対する安定性が改善される。

４．図６～図１２の実施形態は、通常、２つのカメラ及び撮像レンズを有する実施形態よりも安価である。

５．図６～図１２の実施形態は、１つの撮像レンズ及び１つカメラしか較正する必要がないので、通常、３次元での較正がより容易である。

一方の画像の視点は変化しないので、図７に示す非対称なアームの長さによって、通常、既存のハードウェア及びソフトウェアとの完全な後方互換性が可能になることに更に留意されたい。

このように、幾つかの上述した目的及び利点は、最も効果的に達成される。本発明の好ましい実施形態が、本明細書において詳細に開示及び説明されてきたが、本発明は、それによって決して限定されるものでないことが理解されるべきである。

Claims (12)

1. 第１の対物レンズ及び第２の対物レンズを含むフィールドスプリッタであって、第１の角度及び第２の角度からのそれぞれの第１の対物レンズ及び第２の対物レンズを通した材料試験サンプルの第１の画像ビーム及び第２の画像ビームを受信し、該第１の画像ビーム及び該第２の画像ビームを組み合わせて単一の合成画像ビームにするフィールドスプリッタと、
   前記単一の合成画像ビームを受信し、単一のデジタル画像を生成する第１のデバイスと、
   前記単一のデジタル画像を受信する第２のデバイスであって、選択されたゲージ長を測定し、その後、歪を計算するために、前記選択されたゲージ長の少なくとも１つの変化を計算する３次元計算を実行することによって、前記材料試験サンプルに関して歪計算を実行する第２のデバイスと、
   を備える、歪の測定及び計算のためのデバイス。
2. 前記選択されたゲージ長の少なくとも一つの変化は、時間依存歪を計算するための、前記選択されたゲージ長の時間依存変化である、請求項１に記載の歪の測定及び計算のためのデバイス。
3. 前記単一のデジタル画像を受信し、材料試験サンプルに関して歪計算を実行する前記第２のデバイスは、前記ゲージ長を、材料試験サンプル上の第１のビデオターゲットと第２のビデオターゲットとの間の距離であると定義し、第１のビデオターゲットと第２のビデオターゲットとの間の距離は、引張荷重を受けると増加する、請求項１に記載の歪の測定及び計算のためのデバイス。
4. 前記フィールドスプリッタは、ハウジングを含んでおり、該ハウジングは、前記第１の画像ビーム及び前記第２の画像ビームをそれぞれ受信する第１の光路及び第２の光路を備え、該ハウジングは、光学レンズの関連マウントを有する第３の光路を更に備え、前記単一の合成画像ビームは、該第３の光路を通って外部へ送信される、請求項３に記載の歪の測定及び計算のためのデバイス。
5. 前記単一の合成画像ビームを受信し、単一のデジタル画像を生成する前記第１のデバイスは、前記光学レンズの関連マウントに取り付けられたレンズを備える、請求項４に記載の歪の測定及び計算のためのデバイス。
6. 前記単一の合成画像ビームを受信し、単一のデジタル画像を生成する前記第１のデバイスは、デジタルカメラである、請求項４に記載の歪の測定及び計算のためのデバイス。
7. 第１の対物レンズ及び第２の対物レンズを含むフィールドスプリッタを準備するステップであって、ぞれぞれの前記第１の対物レンズ及び前記第２の対物レンズによる第１の角度及び第２の角度からの材料試験サンプルの第１の画像ビーム及び第２の画像ビームを受信するフィールドスプリッタを準備するステップと、
   前記第１の画像ビーム及び前記第２の画像ビームを組み合わせて単一の合成画像ビームにするステップと、
   前記単一の合成画像ビームを受信し、単一のデジタル画像を生成するステップと、
   前記単一のデジタル画像を受信するステップと、
   前記材料試験サンプルに関して前記単一のデジタル画像に対して歪計算を実行するステップであって、選択されたゲージ長を測定し、その後、歪を計算するために、前記選択されたゲージ長の少なくとも１つの変化を計算する３次元計算を実行するステップを更に含む、歪計算を実行するステップと、
   を含む歪の測定及び計算の方法。
8. 前記選択されたゲージ長の少なくとも一つの変化は、時間依存歪を計算するための、前記選択されたゲージ長の時間依存変化である、請求項７に記載の歪の測定及び計算の方法。
9. 前記材料試験サンプルに関して歪計算を実行するステップは、前記ゲージ長を、材料試験サンプル上の第１のビデオターゲットと第２のビデオターゲットとの間の距離であると定義するステップを更に含み、第１のビデオターゲットと第２のビデオターゲットとの間の距離は、引張荷重を受けると増加する、請求項７に記載の歪の測定及び計算の方法。
10. 前記フィールドスプリッタのハウジングを設けるステップを更に含み、該ハウジングは、前記第１の画像ビーム及び前記第２の画像ビームをそれぞれ受信する第１の光路及び第２の光路を備え、該ハウジングは、光学レンズの関連マウントを有する第３の光路を更に備え、前記単一の合成画像ビームは、該第３の光路を通って外部へ送信される、請求項９に記載の歪の測定及び計算の方法。
11. 前記単一の合成画像ビームを受信するステップは、前記光学レンズの関連マウントに取り付けられるレンズを準備するステップを含む、請求項１０に記載の歪の測定及び計算の方法。
12. 前記単一の合成画像ビームを受信し、単一のデジタル画像を生成するステップは、デジタルカメラによって実行される、請求項１０に記載の歪の測定及び計算の方法。

Images