JPH0769153B2 - 被検体の非破壊的解析方法及び装置 - Google Patents

被検体の非破壊的解析方法及び装置

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JPH0769153B2
JPH0769153B2 JP63309779A JP30977988A JPH0769153B2 JP H0769153 B2 JPH0769153 B2 JP H0769153B2 JP 63309779 A JP63309779 A JP 63309779A JP 30977988 A JP30977988 A JP 30977988A JP H0769153 B2 JPH0769153 B2 JP H0769153B2
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    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/168—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by means of polarisation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/241—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet by photoelastic stress analysis

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、被検体の非破壊解析方法および装置に関す
るものである。特に、加工部分の微細な欠陥を検出する
ために有用である。物の欠陥は異常ひずみをもたらすこ
とが多く、この異常ひずみは本発明によって得られる干
渉縞のパターンにより確認できる。また、この発明を他
の目的に用いることもできる。例えば、超高感度の全方
向（whole−field）ひずみゲージである。このひずみゲ
ージは、従来のゲージやトランスデューサを用いること
なく、広範囲におけるひずみの分布を測定することがで
きる。
［従来の技術およびその課題］ 被検体を解析する１つの方法として、従来、シアログラ
フィ（shearography）が知られている。この方法によれ
ば、被検体について横方向にずれた２つの映像が作ら
れ、互いに干渉させられ、干渉縞が形成される。その干
渉縞はランダムであり、被検体の表面の特徴に影響され
る。被検体が、温度、圧力等によりひずまされると、ラ
ンダムな干渉縞が変化する。その変化量は、被検体の正
常性（欠陥がないこと）に依存する。被検体がひずんで
いる状態とひずんでいない状態での干渉縞を比較するこ
とにより、被検体の構造的正常性についての情報が得ら
れる。被検体についてのその１つの映像は、もう一方の
映像に比べて、横方向にずらされもしくはせん断されて
いるので、シアログラフィと呼ばれる。
シアログラフィ技術を行う方法の一例が、米国特許第4,
139,302号に開示されている。この特許においては、く
さび形のプリズムをレンズの一部にそって置くことによ
り、映像がずらされている（shearing）。プリズムを通
った光ビームは、プリズムを通っていない光ビームに比
べ、移動させられる。したがって、レンズ・くさび系
（lens and wedge system）により、被検体についての
横方向にずれた２つの映像が得られる。
従来におけるシアログラフィ方法の問題点として大きな
ものは、高い周波数を有する（high spatial frequenc
y）パターンが得られてしまう点にある。ここで、パタ
ーンについての周波数（spatial frequency、空間的な
周波数）とは、単位長当りの縞の数をいう。このパター
ン周波数（spatial frequency）が高いと、高解像度フ
ィルムを用いて干渉縞を記録しなければならなくなる。
干渉縞のパターン周波数ｆは下式により表わされる。
ｆ＝（2sin（α/2））／λ ここで、 α＝干渉する放射線のなす角度、 λ＝光の波長 である。
通常、λはαの値に比べ極めて小さいので、パターン周
波数はかなり高くなり得る。例えば、αが20゜でλが0.
5μｍであるとき、パターン周波数は1mmにつき約700本
となる。このような微細なパターンをビデオカメラで見
ることは不可能であり、高解像度フィルムを用いなれば
ならない。
レンズと映像との間の距離を大きくすることによってα
を小さくし、パターン周波数を小さくするようにするこ
ともできる。しかし、この方法では映像がかなり大きく
なるので扱いにくく、最悪の場合には、方法の実施がで
きなくなってしまう。映像とレンズを互いの距離が遠く
なるように動かすと、映像が大きくなり、ビデオカメラ
はほぼ点から点へ映像をスキャンすることが必要となっ
てしまう。さらに、パターンの全体的な強度が減少し、
コヒーレント光源にハイパワーのものが必要となる。ま
た、くさびシアリング法（wedge−shearing system）に
おいては、干渉ビームはレンズの半分ずつから得られる
ので、干渉ビームのなす角度は本質的に大きくなる。し
たがって、くさびシアリングは、本質的に、高いパター
ン周波数をもつ干渉縞を形成することとなり、ビデオカ
メラの解像能力を越えてしまう。
くさびシアリングの他の問題点は、干渉縞を光学的にフ
ィルタする必要があることである。くさびシアリングに
よる高いパターン周波数の縞は、肉眼によって観測する
ことは極めて困難である。したがって、光学的ハイパス
フィルタが必要となる。すなわち、光学的ハイパスフィ
ルタによって、低周波縞を排除し、被検体の欠陥部分に
対応する可視暗帯を有するパターンを生成する必要があ
る。光学フィルムを用いる必要があり、また、記録前に
光学フィルタをかける必要があるので、くさびシアリン
グ法を被検体の検査に用いるときは、面倒であり時間も
かかる。一般に、この手法は、製造ラインで要求される
スピードを満足できない。
くさびシアリングにおいて用いられる光学的ハイパスフ
ィルタの詳細は、Optical Engineering、５月〜６月、1
982年、21巻第３号、391〜５頁のY.Y.Hung“Shearograp
hy:a New Optical Method for Strain Measurement and
Nondestructive Testing"に記載されている。
極めて高いパターン周波数によってもたらされる問題を
解決する従来技術の一方法は、電子スペックルパターン
干渉法（electronic speckle pattern interferometry
（ESPI））として知られている。この技術の一例は、米
国特許第3,816,649号に述べられている。ESPIにおいて
は、コヒーレント光のビームが被検体に照射され、イメ
ージセンサに反射される。同時に、参照ビームもセンサ
に向けて照射される。参照ビームは「純粋な」ビームと
すべきであり、「参照」物体から反射されるべきであ
る。被検体からのビームも参照ビームも、イメージセン
サに到達するときには、ほぼ平行であるから、干渉縞の
パターン周波数は比較的低い。したがって、イメージセ
ンサは、ビデオカメラまたはそれと同等のものを用いる
ことができる。
ESPIはビデオカメラによって干渉縞を直接観測すること
を可能にするが、大きな問題点を有する。ESPIは、コヒ
ーレント光による物体からのビームと参照ビームを必要
とする点において、ホログラフィ（holography）に類似
している。２つのビームがあるということは、光学系を
複雑なものにしている。被検体からの反射ビーム参照ビ
ームの強度比は注意深くコントロールされなければなら
ず、両ビームの通過距離は合致されなければならない。
おそらく、最も重要なことは、ホログラフィに似たESPI
は、振動を感じやすいということであろう。被検体もし
くは参照光のガイド装置のいずれかが少しでも動くと、
パターンが壊れてしまう。したがって、ESPIにおいて
は、振動を分離する特別な予防策が必要であり、工場や
野外においての加工品検査を実現することはできない。
さらに、ESPIにおいては、絶対的な表面変位を測定する
が、本発明においては、ひずみに直接関連する相対的な
変位を測定する。被検体のひずみは、通常、ひずみの集
中を生じるので、異常ひずみは異常変位より、容易に欠
陥に対応させることができる。
この発明は単一ビームを用いるとともにフィルム使用の
必要性をなくした被検体の解析方法・装置を提供するも
のであり、これにより、上述のような従来技術の問題点
を克服するものである。この発明によれば、干渉パター
ンは、ビデオカメラもしくは他の電子的イメージセンサ
に、直接、記録され、その間に現像は必要でなく、光学
的なフィルタを行うステップも必要でない。したがっ
て、この発明では、ビデオの速度、すなわち１秒間に約
30フレーム以上の速度で、被検体を解析することができ
る。カメラの出力は、極めて高速にデータを記録し解析
することのできるコンピュータに接続することができ
る。したがって、この発明によれば、一般に製造プロセ
スで要求されるような迅速さで、物の検査を行うことが
可能である。
単一のビームしか用いないので、この発明により得られ
るパターンは、比較的、装置の振動を感じにくい。した
がって、この発明は、特殊な振動対策装置を用いずと
も、一般の工場や野外において使用することが可能であ
る。また、単一ビーム法によれば、ESPIのもつ問題であ
る光学配置の複雑さを回避することもできる。
また、この発明は、極めて高い精度で被検体のひずみを
計測する手段を提供するものである。したがって、この
発明は全方向（whole−field）ひずみゲージとしても用
いることができ、被検体の欠陥を検査するための使用に
限定されるものではない。
また、この発明は、安全振動下にある物体の振動勾配
（amplitude gradient）を測定する手段を提供する。振
動振幅の勾配を測定すれば、振動体の最大変位を知るこ
とができる。この発明は、物体の過渡的なひずみを測定
する手段も提供する。
［発明の概要］ この発明に係る装置は、一部もしくは全部がコヒーレン
トである放射線の放射源を有している。この放射線に
は、可視光を含むが、これに限定されるものではない。
放射源は、被検体に向けられる。被検体からの反射光
は、光学系を通過する。実施例において、この光学系
は、複屈折手段、レンズ、偏光子を有する。光学系を通
った後に、光は、イメージ検出器に入力される。このイ
メージ検出器としては、ビデオカメラもしくは同様の機
能を有する光電子デバイスを用いることができる。イメ
ージ検出器は、各フレームのデータを記憶し解析するこ
とのできるコンピュータ等に接続される。
複屈折手段はシアン映像を生成する。複屈折手段として
は、炭酸カルシウムの結晶を用いることができ、これは
入射したビームを、互いに垂直な方向に偏光された２つ
のビームに分離するものである。そして、異なる速度で
ビームを通過させる。物体には、特異な一対の点が存在
する。すなわち、複屈折手段を通過すると、その一対の
点から反射された光ビームがほぼ平行になるという一対
の点がある。
レンズは、複屈折手段からの光を、映像面に集光する。
映像面に到達する前に、光は偏光子を通過する。偏光子
は、互いに垂直な方向に偏光されたビームを、同方向に
偏光された成分に分解する。したがって、偏光子からの
一対のビームは互いに干渉し、映像面に干渉パターンを
生じる。
被検体の一対の点からの一対のビームはほぼ平行ビーム
として映像面に到着するので、干渉パターンのパターン
周波数は比較的低く、極めて高い解像度のイメージ検出
器は必要でない。したがって、イメージ検出器として、
通常のビデオカメラ等を用いることができる。カメラ
は、コンピュータに接続され、データ解析が迅速になさ
れる。
他の実施例においては、複屈折手段と偏光子との間に、
1/4波長板が挿入される。これにより、干渉パターンの
位相をずらすことができる。移相量は、偏光子の方向を
調節することにより、変化させられる。このような位相
シフトを行う機能は、被検体を大きな精度で変形するこ
とを可能とし、この発明を、たとえば超高感度の全方向
（whole−field）ひずみゲージとして用いることを可能
とする。
また、コヒーレント光のみを通す狭帯域バンドパスフィ
ルタを、被検体と複屈折手段の間に挿入することもでき
る。これにより、実質上、外乱光がイメージセンサに入
るのを防ぐことができ、この発明を太陽光の下において
も用いることが可能となる。
さらに別個の1/4波長板を、被検体と複屈折手段の間、
もしくは（バンドパスフィルタを用いる場合には）バン
ドパスフィルタと複屈折手段との間に置いてもよい。こ
れにより、複屈折手段に入射する光を円偏光されたもの
とすることができる。この波長板による偏光は、複屈折
手段から発せられる全てのビームの強度を等しくするた
めのものである。
この発明の目的は、被検体の非破壊検査方法および装置
を提供することにある。
他の目的は、イメージ検出器としてビデオカメラ等を用
いることができ、写真フィルムを用いる必要のない検査
方法および装置を提供することにある。
さらに他の目的は、データ解析を迅速に行うため、コン
ピュータを簡単に用いることのできる検査方法および装
置を提供することにある。
さらに他の目的は、物体の検査に要する費用と時間を低
減することにある。
さらに他の目的は、イメージ検知装置により、“リアル
タイム”に干渉パターンを検出することのできる非破壊
検査装置を提供することにある。
さらに他の目的は、被検体をビデオの速度で解析するこ
とのできる非破壊検査方法および装置を提供することに
ある。
さらに他の目的は、上記のような装置において、特別な
振動対策を施す必要のない装置を提供することにある。
さらに他の目的は、１本の光ビームしか必要としないよ
うな物品検査装置および方法を提供することにある。
さらに他の目的は、通常の生産工程において用いるに十
分な速さで検査できる検査方法を提供することにある。
さらに他の目的は、被検体の特異点（differential ano
malies）を測定するに適した方法および装置を提供する
ことにある。
さらに他の目的は、正確にひずみを測定する装置および
方法を提供することにある。
さらに他の目的は、上記のような装置および方法におい
て、被検体による干渉パターンの位相を調節でき、干渉
パターンを高精度で解析することのできるものを提供す
ることである。
さらに他の目的は、不要な振動のある工場や屋外におい
て、被検体の検査を行うことができ、また、外乱光の影
響を無視できるような装置および方法を提供することに
ある。
この発明の他の目的および効果は、図面の簡単な説明、
発明の詳細な説明および特許請求の範囲の記載から、当
業者にとって明らかである。
［実施例］ この発明は、シアログラフィック技術（shearographic
technique）に基本をおくものである。すなわち、この
発明においては、被検体の横方向へずらした２つの映像
を生成し、縞模様を作るためにこれらを干渉させる。２
つの変形状態での２つのパターンの比較は、被検体の表
面状態の情報を与えてくれる。
上述のように、従来技術のシアログラフィック技術（sh
earographic technique）では、干渉パターンが高いパ
ターン周波数（すなわち、単位長当りの縞の数）を有す
ることとなるので、高解像度のフィルムが必要である。
パターン周波数、干渉ビームのなす角度、光の波長の間
の関係を以下に導き出す。
第１図に示すように、２つの点光源A,Bからの光ビーム
の干渉において、古典的なヤングの実験を考えてみる。
ＡとＢは、距離ｄだけ離れている。点A,Bからのビーム
が、遠方のスクリーン上の点Ｐ（x,y,z）で交わるもの
とする。ここで、平行縞からなる干渉パターンが観測さ
れる。この干渉パターンは、下式で表わされる。
Ｉ＝a2（１＋cosθ） ……（１） ここで、Ｉは強度（光度）であり、ａは光の振幅であ
る。θは、光路差に関係したものであり、下式で表わさ
れる。
ここで、λは光の波長であり、 である。
したがって、 である。
スクリーンは遠方にあるものと仮定するので、▲▼
▲▼であると近似すれば、下式を得る、 黒い縞は、 １＋cosθ＝０ もしくは、 θ＝Ｎπ,N＝1,3,5,・・・・・ のときに生じる。
したがって、隣接する黒い縞のθの差は２πであり、x1
とx2の位置にある隣り合った黒い縞の間隔は、 から得られる。
よって、 であり、パターン周波数は次式で得られる。
ここで、▲▼≫ｄならば、 である。
したがって、干渉縞のパターン周波数は下式に近似され
る。
したがって、この発明の本質は、αの値を十分に小さく
した干渉パターンを得て、式（５）で得られるパターン
周波数を、ビデオカメラやその他の写真方式でないセン
サの解像力の範囲内におさめることである。この発明に
係る装置は、被検体の横方向にずれた２つの映像を生成
する。この２つの映像は、互いに干渉させられ、かなり
低いパターン周波数を有する干渉パターンを形成する。
シア効果（shearing effect）を生じる手段としては、
炭酸カルシウム結晶（calcite crystal）のような複屈
折手段もしくは２つの屈折率を呈する材料、手段が好ま
しい。複屈折手段は、２つの主軸（principal axes of
transmission）を有しており、入射光ビームを２つのビ
ームに分割する。分割された２つのビームは、その物質
内での速度が異なる。これらのビームは複屈折手段の主
軸の互いに直交する方向に偏光され、各ビームは常光線
ビーム（ordinary beam）および異常光線ビーム（extra
ordinary beam）として知られている。１つのビームが
２つに分割されることが、第３図に模式的に表わされて
いる。第３図は台形シンボルで模式化した複屈折手段８
と入射ビーム２を示している。点は常光線ビームを示し
ており、横線は異常光線ビームを示している。したがっ
て、物体からの光が複屈折手段を通過すると、横方向に
ずれた映像が、映像面に形成されることとなる。
炭酸カルシウム結晶を含めて含屈折手段についての詳細
は、Optical Industry and Systems Purchasing Direct
ory（1982）の“Laser Polarizers"にある。
この発明の理解のため、複屈折手段中の光伝達を他の方
法で見てみる。光学系を通過する光線路は、可逆的なも
のである。すなわち、入射ビームを放射ビームとするこ
とができ、その逆も成り立つ。複屈折手段は１つのビー
ムを２つの非平行ビームに分割する。したがって、複屈
折手段を通った後に平行となる特別な２つのビームが存
在することは間違いない。この現象が第２図に模式的に
示されている。
第２図は物体１と複屈折手段３を示している。光ビーム
５と７、すなわち、コヒーレントあるいは部分的にコヒ
ーレントな光源（図示せず）からの光が物体において反
射された光は、複屈折手段に入射する。伝達されたビー
ムは、ビーム９に示すように、ほぼ一致する。これらの
ビームは、互いに垂直に偏光されており、互いに干渉す
ることはない。
そこからの反射光が一対のほぼ平行なビームを形成する
ような２つの点が（ただ、２つの点が）物体上に存在す
る。物体全体は、一対のほぼ平行なビームを与える特異
な一対の点の集合であると概念化することができる。
“ほぼ”という言葉を用いたのは次の理由によるもので
ある。実際には、物体の点から散乱した光は円錐状に進
んで行き、平行ビームではない。よって、複屈折手段の
光学的特性のわずかな変動により、入射角が変化し、物
体からの一対のビームのうちほとんどは、正確には、平
行でなくなる。
第４図は本発明の一実施例の概略図である。レーザ11が
物体13を照らし、その光は物体で反射される。物体表面
は、散乱反射もしくは鏡面反射をする。反射された光
は、複屈折手段15、レンズ17、偏光子19を備えた光学系
を通過する。レンズは、その光をイメージセンサ21の映
像面に集光する。イメージセンサ21としては、ビデオカ
メラを用いることができる。イメージセンサは、データ
解析のためのコンピュータ23に接続される。コンピュー
タは、各イメージごともしくはフレームごとに情報を記
録し、ディジタル化し、処理する回路を有するものであ
る。コンピュータは表示装置24に接続される。
被検体上の２点29と31からの反射光ビーム25と27は、複
屈折手段を通過し、ほぼ平行ではあるが垂直方向に偏光
されたビームとなる。偏光子19の偏光軸は、複屈折手段
の主軸に対して45゜傾いており、各ビームを、もとの偏
光方向から45゜異なる方向へ偏光した成分に分解する。
結果としてその振幅は減少してはいるが、同方向に偏光
された一対の平行ビームとなる。したがって、この平行
ビームを干渉させて、イメージセンサ上に干渉パターン
を得ることができる。２つの点、２つのビームによって
示された上記のことは、実質上、被検体の全ての一対の
点についても同じように生じるものである。
映像面上の各点は、物体上の２点からの光を受ける。し
たがって、その干渉パターンは、被検体に関する横方向
にずらせた（もしくはせん断した）映像を重ね合わせた
ものと等価である。
この発明は、可視光線の使用に限定されるものではな
い。この発明は、赤外線、紫外線あるいはＸ線において
も実施することができる。この発明では、干渉可能な種
類の放射線であることだけが必要とされる。したがっ
て、この明細書において、“光”という用語は、上述の
ような他の放射すべてを含むものである。このようなこ
とから、この明細書において“偏光”とは、偏波をも含
むものである。
また、この発明は、検討する物体のタイプにより制限さ
れるものでもない。被検体は、どんな材料のものでもよ
く、生物組織あるいは有機体でもよい。
レンズは、システムのほとんどどこに置いてもよい。た
とえば物体と複屈折手段との間、複屈折手段と偏光子と
の間、偏光子とイメージセンサとの間に置くことができ
る。イメージセンサがビデオカメラである場合には、レ
ンズ17はカメラレンズとすることができる。したがっ
て、図中におけるレンズの配置は、単なる例示であり、
それに限定するものではない。また、レンズは単一レン
ズ（simple lens）でもよく、複合レンズ（compound le
ns）でもよい。
物体の表面は平坦ではないから、干渉パターンはランダ
ムな特性となる。とはいえ、そのランダムな干渉パター
ンは、被検体の変形状態に関する情報担体となる。物体
が変形されるかもしくはすでに変形しているものがさら
に変形されると、干渉パターンはわずかに変化する。被
検体がわずかに変形した２つの状態における干渉パター
ンを比べることで、表面の変形を表わす異なる縞模様が
観測される。この縞模様は、二義的縞模様（secondary
fringe pattern）と呼ばれることが多い。二義的縞模様
は光学的干渉から直接得られるものではなく、むしろ、
後述のアルゴリズムにしたがってプログラムされたコン
ピュータによる比較の結果、得られるものである。
干渉パターンは、コンピュータもしくは同等の装置によ
り、解析される。２つの変形状態の個々の干渉パターン
をビデオモニタで直接観測することは可能であるが、物
体の変形状態の違いを見出すことは、２つのパターンの
比較によらねばならない。
干渉パターン観測のためのコンピュータの必要性から離
れて考えても、コンピュータは処理を行うため、多数の
映像を保存し、映像を選択するのに有用である。
この発明においては、“コンピュータ”という言葉は、
各種の装置を含み、メモリ容量の異なる種々のマイクロ
プロセッサを含んでいる。また、この“コンピュータ”
という言葉は、２つの映像を比較することのできる何等
かの装置を含むものである。
この発明の作用を下記に要約する。コヒーレントな光ビ
ームもしくは部分的にコヒーレントである光ビームが被
検体に向けられ、干渉パターンが観測および（または）
記録される。そして、熱、圧力、振動励振もしくはその
他のひずみを加える手段によって、物体がひずまされ
る。ここで、別の干渉パターンが得られる。ひずみ状態
と非ひずみ状態での干渉パターンを比較することによ
り、被検体の無傷性の情報が得られる。なお、最初の状
態はひずみ状態でもよく、さらにひずみを加えた後に干
渉パターンを得るようにしてもよい。この発明では、２
つのひずみ状態から得られるパターンを比較する。その
特殊なケースとして、最初はひずんでいない場合があ
る。
第５図に、この発明の他の実施例を示す。光源42からの
光は、被検体40で反射されて、複屈折手段44、レンズ4
6、偏光子48に向う。映像は、イメージセンサ50で受け
られる。このイメージセンサ50は、コンピュータ52およ
び表示装置54に接続されている。前述のように、“光”
という言葉は、可干渉な放射のすべてを意味しており、
レンズは物体とイメージセンサの間のどこに置いてもよ
い。ここまで述べたすべての要素は、第４図に示したも
のと類似している。第５図の実施例においては、光学的
バンドパスフィルタ56（band−pass optical filte
r）、1/4波長板58、1/4波長板60が含まれている。
バンドパスフィルタ56は、物体から反射したコヒーレン
ト光の周波数だけを通過させるものである。事実上、す
べての外乱光は排除される。したがって、このフィルタ
を使うことにより、この装置を極めて外乱光の強い場所
（たとえば太陽光の下）で、動作させることが可能とな
る。
1/4波長板58は、物体からの反射光が直線的に偏光され
ている（linearly polarized）場合に有効である。この
場合において、複屈折手段から出る２つのビームの強度
をほぼ等しくするために、複屈折手段の主軸は、反射ビ
ームの偏光面に対して45゜の方向性を持つことが必要で
ある。複屈折手段の前に置かれた1/4波長板58は、入射
ビームを円偏光にし、複屈折手段からのビーム成分の強
度をほぼ等しくするものである。したがって、1/4波長
板58は、複屈折手段が特定の方向にあることの必要性を
なくするものである。
1/4波長板60は偏光子48と共同して干渉パターンの位相
を制御する作用を行う。1/4波長板60の機能は、後で詳
細に述べる。
第５図に示されたバンドパスフィルタ、第１の1/4波長
板58、第２の1/4波長板60は、すべて必須のものではな
い。さらに、これら３つの要素は単独でも動作し、また
適当に組み合わせて用いてもよい。バンドパスフィルタ
は、物体とイメージセンサとの間であればどこに置いて
もよい。1/4波長板58を用いる場合には、物体と複屈折
手段との間に置くとよい。1/4波長板60を用いるのであ
れば、複屈折手段とイメージセンサとの間に置く必要が
ある。
第４図、第５図の装置によって生成される干渉パターン
は、下記により、技術的に解明される。イメージセンサ
で受光されたシア映像（sheared images）の波面は、 ｕ（x,y）＝aeθ（x,y） ……（6a） と ｕ（ｘ＋δx,y）＝aeθ（ｘ＋δx,y） ……（6b） で表わされる。ここで、θ（x,y）とθ（ｘ＋δx,y）
は、それぞれ、点Ｐ（x,y）と接続点Ｐ（ｘ＋δx,y）か
らの光の位相を表わしており、ａは光の振幅を表わして
いる。光の振幅は、２つの接続点において、等しいもの
と仮定する。
したがって、イメージセンサで受光されるトータルな光
振幅UTは、 UT＝ｕ（x,y）＋ｕ（ｘ＋δx,y） ……（７） であり、映像の強度Iuは、 Iu＝UTUT ＊＝2a2［１＋cosφ］ ……（８） である。ここで、φ＝θ（x,y）−θ（ｘ＋δx,y）は、
ランダムな位相角を表わしている。一般に、物体の表面
は光学的に粗く、その表面のでこぼこ（depth variatio
n）は不規則であるから、位相角φはランダムとなる。I
uは物体の映像を表わしている。この映像は、ランダム
な干渉パターン（RIP）によって変調され、ランダムな
位相角を有している。
物体が変形されると、表面のひずみにより光路が変化す
る。光路の変化は、ずらされた２つの波面（shared wav
efronts）間に相対的な位相差をもたらし、RIPがわずか
に変化する。したがって、（８）式は、 Id＝2a2［１＋cos（φ＋Δ）］ ……（９） となる。ここで、Idは、変形後の強度分布であり、Δは
点Ｐ（x,y）と点Ｐ（ｘ＋δx,y）間の相対的変位による
相対的位相変化である。相対的位相変化と相対的変位と
の関係は、後に述べる。
被検体の状態を示す縞模様を生成するため、まずIuがデ
ィジタル化され、コンピュータメモリに記憶される。そ
の後、物体が変形され（あるいは、変形した物体がさら
に変形され）、ひずみ映像（deformed image）Idがディ
ジタル化され、記憶される。IuとIdは、コンピュータ等
により、下記のいずれかの方法により比較される： 1.減算 これは被検体解析の技術として最もシンプルなものであ
る。コンピュータは、強度分布Ｉを演算する。ここで、
Ｉ＝Id−Iuあるいは、 Ｉ＝2a2［cos（φ＋Δ）−cosφ］ ……（10） である。
式（10）の強度分布は、変形に関するΔを示す二義的干
渉パターンを表わしている。この縞模様は、コンピュー
タによって、モニタ上に表示でき、肉眼で直接、解析す
ることができる。（10）式は、Ｎを偶数の整数として、
Δ＝Ｎπのとき、縞模様中の暗帯となることを示してい
る。また、Ｎを奇数の整数として、Δ＝Ｎπのとき、明
帯となることを示している。
2.加算 IdとIuの和を計算するように、コンピュータをプログラ
ムすることができる。結果として得られるのは、 Ｉ＝2a2［２＋cos（φ＋Δ）＋cosφ］ ……（11） である。式（11）は、Ｎを奇整数として、Δ＝Ｎπのと
きに縞模様の暗帯となり、Ｎを偶整数として、Δ＝Ｎπ
のときに暗帯となることを示している。
IuとIdの加算によって得られたパターンは、“暗”帯が
比較的明るいため、減算によるパターンに比べて観測が
容易ではない。しかしながら、（11）式を一定期間中減
算していくようにコンピュータがプログラムされていれ
ば、容易に結果を見ることができる。その他の映像強調
技術（image enhancement techniques）によっても、縞
模様のコントラストを高めることが可能である。
3.乗算 この場合には、強度分布は互いに掛け合わされる。結果
として得られるのは である。式（12）は、Ｎを奇数の半整数（例えば、1/2,
3/2,5/2,・・・）として、Δ/2＝Ｎπであるとき、縞模
様中の暗帯となり、Ｎを偶数として、Δ/2＝Ｎπのと
き、明帯となることを定義している。加算の場合がそう
であったように、（12）式で表わされるパターンは、減
算の場合に比べ、直接観測が容易でない。
4.除算 ひずみ下および非ひずみ下での強度の商は下式で与えら
れる。
式（13）は、Ｎを整数として、Δ/2＝Ｎπのとき、縞模
様の暗帯となることを定義している。明帯は、Ｎを奇数
の半整数として、Δ/2＝Ｎπのとき、生じる。暗帯はラ
ンダム干渉パターン（RIP）のない部分に対応してお
り、明帯はRIPが最もよく見えている部分に対応する。
上述のように、除算による物体解析の技術は、物体から
の反射と照明とを分離するという利点を有する。すなわ
ち、IdをIuで割ると、光強度分布a2がキャンセルされ、
縞模様で変調された一様な映像強度が得られる。実際に
は、照明（illumination）と反射（reflectivity）は、
物体の一点から他の点へ変えてもよい。除算によれば、
得られる結果は、照明と反射の独立したものとなる。か
なり一様な映像を得る必要があるときや、縞模様の疑似
カラーコードを必要とするときには、除算を行うことが
特に有効である。カラーコードは、縞模様中の異常を見
出しやすくするために役立つものである。カラーコード
を用いる場合には、物体に沿う光強度の変化によってパ
ターンが乱されないということが重要である。
相対的な位相変化Δと相対的な変位との関係は上述のHu
ngの論文中に説明されている。
この論文は相対的な位相変化が により与えられることを示している。ここで、（δu,δ
v,δｗ）はＰ（x,y）とＰ（ｘ＋δx,y）との間の相対的
移動ベクトルである。A,B,Cは感度についてのファクタ
ーであり、照明点Ｓ（xs,ys,zs）とカメラレンズの位置
Ｓ（x0,y0,z0）に関係するものであって： によって表わされる。ここで R0 2＝x0 2＋y0 2＋z0 2 Rs 2＝xs 2＋ys 2＋zs 2 である。
シア量（magnitude of shearing）が小さい場合には、
対象となる点の距離で割った相対的変位は、シア方向
（direction of shearing）に関して導き出された変位
に近似される。ここで、導き出された変位は、物体のひ
ずみに直接関係していることに注意が必要である。した
がって、この発明は、別個の処理をしないで、直接、ひ
ずみを得たい場合に、特に適している。
一般に、式（14）は３つの未知変数を持つ。相対的変位
δu,δv,δｗを分離して得るためには、カメラ位置およ
び照明点を異ならせて、３回、分析を行う必要がある。
これにより、異なる値の係数A,B,Cの組が得られる。そ
して、３つの未知数による、３つの式を得る。したがっ
て、三次元測定の場合には、ひずみベクトルの決定のた
め、６つの照光（Δの各測定ごとに２つの照光）が必要
である。値A,B,Cは、与えられた点（x,y,z）の定数とし
て扱うことができる。すなわち、A,B,Cは、物体のひず
みからは独立したものである。もちろん、A,B,Cはx,y,z
の関係であり、他の点におけるひずみを測定する際に
は、計算し直す必要がある。
また、この発明は、安定振動下にある被検体の相対変位
を計測することも適用できる。安定に振動している物体
は、その振動の極（振動振幅が最大となる位置）付近に
とどまる時間が長いので、これから得られる縞模様は振
動体の最大相対変位を表わすものとなる。得られたパタ
ーンは、時間平均パターンであり、それは、振動してい
ない物体から得られたパターンに比べ、やや不鮮明であ
る。とはいえ、縞を観測することは可能である。
また、この発明は、衝撃等により被検体が受ける一時的
なひずみの測定に適用することもできる。この場合、一
時的なひずみを捕えるために、極めて間隔の短い（例え
ば、20nsecオーダーの）照射パルスを発するパルスレー
ザが必要である。これを行う場合、まず最初に、第１の
パルスを物体に向け、干渉パターンを記録する。次に、
物体を叩いた後、第２のパルスを物体に向ける。この２
つのパターンを前述したように比較する。上記におい
て、レーザは２つのパルスのために別個にチャージされ
ているものと仮定した。また、約１秒のインターバルを
もつ２つのパルスを向け、各パルスによるイメージを記
録するようにしてもよい。
上述のように、干渉パターンの位相調節のため、1/4波
長板60が偏光子48とともに用いられる。縞模様を非常に
細かく解析する必要がある場合には、位相シフトは重要
である。パターンの不規則性のため、縞の部分の明度の
グラデーション（gradation）を細かく確認すること
は、通常、不可能である。縞において、細かく確認を行
うことのできる部分は、最も明るい部分か最も暗い部分
（すなわち、極大、極小部分）だけである。位相シフト
により、映像面上の対象点が極大もしくは極小の明度を
もつようにすることが可能となる。位相シフトをどれだ
け行ったかということは、物体上の２つの対象点の間の
相対的変位を推量するのに用いることができるので、ひ
ずみに関する情報を得ることができる。
第６、７、８図を参照しつつ、制御された位相シフトの
理論を説明する。第６図は、複屈折手段、1/4波長板6
0、偏光子を模式的に示している。1/4波長板は２つの軸
を有する材料であり、入射ビームを、垂直に偏光された
２つのビームに変換する。すなわち、２つのビームは、
90゜（1/4波長）の位相差を有する。1/4波長板は、商業
的に入手可能である。1/4波長板による偏光軸は“ファ
ースト（fast）”軸と“スロー（slow）”軸として知ら
れている。“ファースト”と“スロー”という用語は、
伝達された一方のビームの位相が、他のビームの位相よ
りも遅れるということにのみ関連させて用いている。
最大の効果を得るためには、第６図の1/4波長板のファ
ースト軸を、複屈折手段もしくは複屈折“板”の主軸
“1"に対して45゜の方向に向ける。他の方法を用いるこ
ともできるが、最善の結果は得られないであろう。
複屈折板の主軸“1"と“2"を通過した波面を、それぞれ
u1,u2とする。ここで、u1は物体の点Ｐ（x,y）からの光
を表わし、u2は隣接する点Ｐ（ｘ＋δx,y）からの光を
表わしている。この２つの波面は、 u1（x,y）＝acosωｔ ……（16a） と u2（ｘ＋δx,y）＝acos（ωｔ−φ） ……（16b） で表わされる。ここで、ａは光の振幅、ωは光波の角速
度、ｔは時間、φ＝θ（ｘ＋δx,y）−θ（x,y）は２つ
の隣接点の相対的位相差を示すランダム位相角である。
ファースト軸が主軸“1"に対して45゜傾けられた1/4波
長板から現われた波面は、ファースト軸に平行な成分
u1,u2に分解して得られる。第７図はこの分解を示して
いる。ファースト軸から現われた波面ufは、 で表わされる。スロー軸から現われた波面usは、ファー
スト軸を通った波面に対し、π/2で遅らされている。し
たがって、 となる。
ここで、偏光子の作用を考える。偏光子の偏光軸が、ス
ロー軸に対して角度β傾けられていると仮定する。第８
図に示すように、偏光子を通った波面は、偏光軸に沿っ
た成分ufとusに分解して得られる。したがって、偏光子
を通った波面upは、 で表わされる。
したがって、伝達された光波の強度は、 である。
式（20）は、位相シフトβが、隣接した点Ｐ（x,y）と
Ｐ（ｘ＋δx,y）からの２つの波面を結びつけているこ
とを示している。位相シフトの量は、偏光子の方向角β
を調節することにより、簡単にコントロールできる。
干渉パターンの位相調節は、1/4波長板60、偏光子が無
いと行えないものではなく、複屈折手段によっても行う
ことができるということに注意すべきである。1/4波長
板に入射する２つの垂直偏光ビームを作るのは、複屈折
手段である。従来のシアリング技術、例えば、くさびシ
ェアリング法（wedge−shearing method）においては、
最終パターンの位相をコントロールすることはできなか
った。
干渉パターンの位相についての知識は、強力な手段とな
る。例えば、この発明に係る装置を超高感度のひずみゲ
ージに変えてしまうことである。物体の与えられた点の
付近でのひずみを測定する方法は、下記の通りである。
最初に、複屈折手段等の配置に関する幾何学定理から、
コンピュータは、物体上の与えられた点に対応する映像
面上の位置を計算する。物体が照射され、第１の縞模様
がコンピュータに記録される。次に、物体が変形され
る。物体がひずんだ状態にある間、コンピュータは連続
して縞模様をサンプリングし、これらの各パターンを当
初のパターンと比較して、（上述のアルゴリズムのいず
れか一つを用いて）二義的縞模様を生成する。一方、二
義的縞模様が映像上の対象点で極大もしくは極小となる
まで、偏光子の方向が調節される（手動、自動のいずれ
でもよい）。式（20）のβの値は、偏光子の方向から、
直接知ることができる。
今、二義的縞模様の生成に用いるアルゴリズムを、減算
であると仮定する。Ｎを奇整数であるとして、二義的縞
模様の明帯は、△＝Ｎπの時に観測される。式（20）と
式（９）とを比較すると、式（９）において、位相シフ
トは、△に２βを加えると効果があることが示されてい
る。このことは、Ｎを奇整数として、△＋２β＝Ｎπが
極大の条件である事を示している。
縞模様を観測して、Ｎを直接、計数することが可能であ
り、対象点のパターンの境界から、縞の数を計数するこ
とも可能である。
Ｎを知り、βを知ることによって、△を容易に算出する
ことができる。そして、式（14）を用いて、相対的変位
を求めることができる。比較のアルゴリズムとして減算
以外の方法を用いる場合にも、同様の解法を用いること
ができる。
［発明の効果］ この発明は、従来の干渉技術を越えた、大きな効果をも
たらすものである。上述のくさびシアリング技術とは異
なり、この発明では、ビデオカメラやCCD（charge−cou
pled device）もしくはこれらと同等の手段を用いるこ
とができ、高解像度の写真フィルムを必要としない。し
たがって、この発明によれば、フィルムの費用を削減で
き、現像の時間を削減することができる。さらに、くさ
びシアリング法とは異なり、この発明では、干渉パター
ンを観測可能とするための光学的なフィルタを必要とし
ない。したがって、この発明によれば、物体をビデオカ
メラの速度で検査することができる。１分間に約30個も
の映像が記録できる。したがって、この発明は、“リア
ルタイム”に検査を行う手段を提供し、通常の生産ライ
ンで要求される速度に十分応えるように動作させること
ができる。データは、まず、コンピュータにより解析さ
れるため、その後の解析のために、データの一部または
全部を記憶しておくことが極めて容易である。
上述のように、この発明によれば、干渉パターンの位相
を調整することができるので、ひずみを高精度に測定す
ることができる。従来技術には、このような効果はな
い。ただ１つの対象点を設定し、その点だけの情報を得
るような従来技術のひずみゲージと異なり、この発明に
おけるひずみゲージは、センサの位置決めをする必要な
く、物体の任意の点を解析することができる。このシス
テムは、装置の物理的移動を行うことなく、映像のコン
ピュータ解析によって対象点のひずみを解析する。
この発明における他の効果は、高出力の光源を用いる必
要がないことである。この効果は、ビデオカメラやその
他同等の電子装置が、高解像度の写真感光体より感度が
高いという事実によってもたらされるものである。映像
増強器（image intensifier）を装着したビデオカメラ
により、被検体を照す光の照度は、かなり低くすること
が可能となる。さらに、この発明において、ｆナンバー
が1.2未満の大口径レンズを用いれば、光源からの光は
より効果的となる。低出力レーザを用いることは、低コ
ストであることにとどまらず、高出力レーザを用いた場
合の安全性の問題を解決できる。
また、この発明は、ESPI（electronic speckle pattern
interferometyr）を越える十分な効果を有している。
この発明では、２つではなく、ただ１つのビームのみが
必要であり、参照光は不要である。したがって、ESPIの
ような光学的配置の問題がない。さらに、参照光と物体
からの光の強度比を調節する必要もない。そして、参照
光を用いていないので、特別な振動対策の必要がなく、
生産もしくは野外において実施することができる。被検
体が剛体であれば、シア映像による干渉パターンは、装
置のわずかなゆれを感じるものではない。
この発明によれば、ビームに要求されるコヒーレント長
（coherent length）は、比較的低い。ホログラフィー
やESPIの場合には、物体を照す前に、源ビームが２つの
ビームに分割されるので、物体からのビームと参照ビー
ムの光路マッチングをする必要がある。この発明におい
ては、２つのビームは物体の隣接する２点から来るの
で、光路長は自動的にマッチングされる。実際のとこ
ろ、放射線が妥当な程度にコヒーレントである限り、レ
ーザを用いないでも実施することが可能である。どれだ
けのコヒーレント（可干渉性、degree of coherence）
が要求されるかは、ある程度、外乱光がどの程度あるか
による。仮に、外乱光が極めて強い場合には、要求され
るコヒーレントは大きくなる。
この発明は、被検体のひずみを直接測定するので、非破
壊検査において、特に有用である。欠陥部材の初期故障
は、通常、欠陥によるストレスが原因している。このス
トレスは、直接観測可能なひずみに、直接関係してい
る。
詳細な実施例によりこの発明を述べてきたが、発明の態
様を変化させうることが理解できる。この発明は、特定
の種類の複屈折手段に限定されるものではなく、光学要
素の特定の手段に限定されるものではない。複屈折手段
はレンズに近い方が便利であるが、レンズから離しても
よい。場合によっては、完全にレンズを取り除いてもよ
い。また、この発明のコンセプトは、複屈折手段を使う
ことに限定されるものではなく、物体の点からの一対の
非平行ビームを、１対のほぼ平行な干渉ビームに変換す
るための他の手段、材料を含むものと解釈されねばなら
ない。また、この発明は、用いるコンピュータにより限
定されるものではない。これらもしくは類似する他の変
更は、特許請求の範囲に記載した発明の意図および範囲
の中にあると解釈されねばならない。
【図面の簡単な説明】
第１図は、パターン周波数の式を導くために用いる図で
あり、光源からの２本の光ビームがスクリーン上で干渉
しているのを示している。 第２図は、被検体の２点からの光ビームが複屈折手段を
通っていくところを示した概略図である。 第３図は、複屈折手段によって、入射ビームが２つのビ
ームに分割されるところを示した概略図である。 第４図は、この発明の一実施例の概略図である。 第５図は、干渉パターンの位相を細かく調整することの
できる他の実施例を示す概略図である。 第６図は、複屈折手段からの光ビームが、1/4波長板、
偏光子を通過していくときの偏光を示した図である。 第７図は、この発明で用いた1/4波長板の作用を示す図
である。 第８図は、この発明において、干渉パターンの位相を調
節するために用いた偏光子の作用を示す図である。 11……レーザ 15,44……複屈折手段 17,46……レンズ 19,48……偏光子 21,50……イメージセンサ 23,52……コンピュータ 24,54……表示装置 42……光源

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】（ａ）コヒーレント（可干渉）な放射線を
    被検体に照射し、 （ｂ）被検体から反射した非平行な放射線を複屈折手段
    を通過させて平行な放射線とした上で、偏光手段を通過
    させ、 （ｃ）偏光手段からの放射線を検出手段に導くことによ
    り、複屈折手段と偏光手段との協働の結果として検出手
    段にてランダムな干渉パターン（干渉縞）を形成させる
    とともに、形成されたランダムな干渉パターンを記憶さ
    せ、 （ｄ）被検体をひずませ、被検体がひずんだ状態にある
    間に上記ステップ（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）を繰り返し
    て行い、 （ｅ）被検体がひずんだ状態とひずまない状態とにある
    場合にそれぞれ形成されるランダムな干渉パターンを非
    光学的手段により電子的に比較して二義的パターンを形
    成する、 各ステップを含む非検体の非破壊的解析方法。
  2. 【請求項２】上記比較するステップが、それぞれのラン
    ダムな干渉パターンにおける各ポイントのエネルギー量
    の差を演算するステップを含む、請求項１に記載の被検
    体の非破壊的解析方法。
  3. 【請求項３】上記比較するステップが、それぞれのラン
    ダムな干渉パターンにおける各ポイントのエネルギー量
    の和を演算するステップを含む、請求項１に記載の被検
    体の非破壊的解析方法。
  4. 【請求項４】上記比較するステップが、それぞれのラン
    ダムな干渉パターンにおける各ポイントのエネルギー量
    の積を演算するステップを含む、請求項１に記載の被検
    体の非破壊的解析方法。
  5. 【請求項５】上記比較するステップが、それぞれのラン
    ダムな干渉パターンにおける各ポイントのエネルギー量
    の商を演算するステップを含む、請求項１に記載の被検
    体の非破壊的解析方法。
  6. 【請求項６】（ａ）コヒーレントな放射線を発生すると
    ともに、発生された放射線を被検体に照射して反射させ
    るべく配置された放射線源と、 （ｂ）被検体から反射した非平行な放射線を受けて平行
    な放射線とするように配置された複屈折手段と、 （ｃ）複屈折手段からの放射線を受けるように配置され
    た偏光手段と、 （ｄ）偏光手段からの放射線を受けるように配置され、
    複屈折手段と偏光手段との協働により形成されるランダ
    ムな干渉パターンを検出するための映像検知手段と、 （ｅ）少なくとも一対のランダムな干渉パターンを記憶
    して、電子的に比較することにより二義的パターンを形
    成するようプログラムされた非光学的な映像処理手段
    と、 を含む被検体の非破壊的解析装置。
  7. 【請求項７】（ａ）被検体のひずんでいない状態におい
    て、被検体の横方向にずらされた映像の重ね合わせを表
    す第１の干渉パターンを発生させ、 （ｂ）被検体のひずんでいる状態において、被検体の横
    方向にずらされた映像の重ね合わせを表す第２の干渉パ
    ターンを連続して発生させるとともに、それぞれの第２
    の干渉パターンを第１の干渉パターンと電子的に比較し
    て決めた第３の干渉パターンを繰り返し発生させ、更に
    発生された各干渉パターンをコンピュータにて記憶さ
    せ、 （ｃ）第３の干渉パターンの１つにおいて、被検体に対
    応する点を選択し、 （ｄ）光学要素を調整することにより、上記選択した点
    において、対応する第３の干渉パターンが極大のパター
    ンを有するようになるまで、形成されつつある第２の干
    渉パターンの位相を調整量を測定しつつ調整し、 （ｅ）測定された位相の調整量を被検体の点の間の変位
    量に変換する、 各ステップを含む被検体の２点間の変位を測定する方
    法。
  8. 【請求項８】上記光学要素は偏光手段を含んでおり、第
    １及び第２の干渉パターンの発生を、 （ａ）コヒーレントな放射線を被検体に照射し、 （ｂ）被検体から反射した非平行な放射線を複屈折手段
    を通過させて平行な放射線とした上で、偏光手段を通過
    させ、 （ｃ）偏光手段からの放射線を検出手段に導くことによ
    り、複屈折手段と偏光手段との協働の結果として検出手
    段にてランダムな干渉パターンを形成させるとともに、
    形成されたランダムな干渉パターンを記憶させる、 各ステップにより行う、請求項７に記載の方法。
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