JPH08327335A

JPH08327335A - レーザ非接触伸び計

Info

Publication number: JPH08327335A
Application number: JP13017695A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kamegawa; 正之亀川
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1995-05-29
Filing date: 1995-05-29
Publication date: 1996-12-13

Abstract

(57)【要約】【目的】試験体がイメージセンサに接近・離反する方
向に変位したり傾斜しても、その影響を受けることな
く、常に正確な伸び（伸縮量）を測定することのできる
レーザ非接触伸び計を提供する。【構成】前後方向変位測定手段６１ａ〜６４ａ，６４
ｂ〜６４ｂにより、試験体Ｗのｘ方向への変位Ｄｘ₁，
Ｄｘ₂を非接触で測定し、これらを用いて移動量算出手
段４ａ，４ｂによるスペックルパターンの移動量に基づ
く試験体Ｗの標点Ａ１，Ａ２の移動量算出結果Ｄｚ₁，
Ｄｚ₂を補正演算手段７ａ，７ｂで補正し、補正後の移
動量Ｄｚ₁′，Ｄｚ₂′を用いて伸縮量算出手段５で標
点間の伸縮量を算出することで、試験体Ｗのｘ方向への
変位や傾斜の影響を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば材料試験機等に
おける試験体の伸縮量を、レーザ光を用いて非接触で測
定することのできる伸び計に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光等の干渉性の良好な光を物体の
表面に照射したときに得られるスペックルパターンを利
用することにより、物体の微小な変位や変形量等を非接
触のもとに測定できることは既に知られている。このス
ペックルパターンを利用して変位情報を得る場合、基本
的には、試験体表面からのレーザ光の散乱光を複数チャ
ンネルのイメージセンサによって光電変換して、スペッ
クルパターンに応じた電気信号を刻々と得るとともに、
その刻々の信号の相互相関関数を求めることにより、ス
ペックルパターンの移動量を求め、そのスペックルパタ
ーンの移動量から試験体の変位情報を得る。

【０００３】本発明者は、このようなスペックルパター
ンの移動量を計測することにより、材料試験に供される
試験体の標点間の刻々の伸びないしは縮み量を測定する
技術を既に提案している（例えば特開平７−４９２８
号）。すなわち、試験体の２点におけるスペックルパタ
ーンの移動量を個別に算出し、その両者の差を算出する
ことにより、その２点間の伸びまたは縮み量を算出する
ことができる。

【０００４】ここで、本発明者のその後の研究により、
試験体表面からのレーザ光の散乱光は、イメージセンサ
で直接受光するよりも、散乱光を集光レンズ等の結像光
学系によってイメージセンサの受光面上に結像させた方
が、雰囲気のゆらぎの影響を除去しやすく、また、散乱
光の空間分布と試験体表面上での位置の対応をとれるが
故に、例えば試験体に当初に設定した２点の試験の進行
に伴う変位を、データの演算上で追尾できる等の点で有
利であることが判明している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、例えば材料
試験機により試験体に引張荷重を与えつつ、試験体の２
点間の伸縮量を測するに当たり、イメージセンサに接近
・離反する方向、つまり前後方向に僅かに変位したり、
傾斜する場合がある。この現象は、試験体の両端を把持
するための材料試験機の上下の掴み具の中心の相互のず
れ、あるいは試験体の中心軸と材料試験機による引張方
向との不平行に起因するもの考えられ、特に試験開始直
後、ある程度の引張荷重がかかるまでの間に顕著に現れ
る。

【０００６】試験体表面からの散乱光を結像光学系によ
りイメージセンサの受光面上に結像させる場合、試験体
の前後方向への変位は、イメージセンサ上での結像位置
の計測すべき伸縮方向へのずれとなって現れ、伸縮量の
計測結果に誤差を含む原因となる。実験によると、材料
試験機で引張試験を行う場合、試験体の前後方向への変
位や傾斜の量は０．１〜０．５ｍｍ程度であり、求めら
れる伸縮量への影響はその１／１０程度のオーダーとな
るものの、伸縮量の少ない材料では無視できない。そし
て、この現象が試験開始当初において顕著に現れるこ
と、つまり試験体の比例弾性限内において顕著に現れる
ことから、試験体の弾性率の算出に影響を及ぼす等の問
題が生じる。

【０００７】本発明の目的は、試験体がイメージセンサ
に接近・離反する方向（結像光学系の光軸方向）に変位
したり傾斜しても、その影響を受けることなく、常に正
確な伸び（または縮み）量を測定することのできるレー
ザ非接触伸び計を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの構成を、実施例図面である図１を参照しつつ説明す
ると、本発明のレーザ非接触伸び計は、試験体Ｗの表面
にレーザ光を照射する照射光学系１と、そのレーザ光の
試験体Ｗの表面による散乱光を結像光学系２を介して受
光して、その散乱光に含まれるスペックルパターンを検
出する複数チャンネルの光検出手段（例えば１次元イメ
ージセンサ）３と、その光検出手段３の出力を用いて、
試験体Ｗの表面で互いに所定の距離を隔てた２箇所にお
けるスペックルパターンの刻々の移動量を個別に算出す
る移動量算出手段４ａ，４ｂと、その算出された各移動
量から試験体の上記２箇所間の伸縮量を算出する伸縮量
算出手段５を備えた伸び計において、光検出手段３に対
して接近・離反する方向への試験体Ｗの変位を非接触で
測定する前後方向変位測定手段（半導体レーザ６１ａ，
６１ｂ、ＰＳＤ６３ａ，６３ｂ、変位演算部６４ａ，６
４ｂ等）と、その変位測定結果に基づいて、移動量算出
手段４ａ，４ｂによる各スペックルパターンの移動量を
それぞれ補正する補正演算手段７ａ，７ｂを有し、伸縮
量算出手段５は、その補正後の各移動量を用いて、試験
体の伸縮量を算出することによって特徴づけられる。

【０００９】

【作用】光検出手段３に接近・離反する方向（以下、前
後方向と称する）への試験体Ｗの変位と、計測すべき伸
縮方向（以下、上下方向と称する）への光検出手段３上
での結像位置のずれとの関係は、図１０に定性的に示す
通りである。すなわち、図１０は、試験体Ｗが一定量だ
け前（光検出手段３に接近する向き）および後ろ（同じ
く離反する向き）に移動した場合に、光検出手段３への
結像位置の上下方向へのずれ量を表すグラフで、横軸は
結像光学系２の光軸上の点を０として表す光検出手段３
上での上下方向位置で、縦軸は結像位置のずれ量であ
る。このグラフから明らかなように、試験体が前後いず
れかに移動すると、結像位置は結像光学系の光軸上では
ずれないものの、光軸から遠ざかるほどずれが大とな
り、光軸を挟んでその両側では互いに逆向きにずれる。

【００１０】試験体Ｗからの散乱光を結像光学系２によ
り光検出手段３上に結像させ、その光検出手段３の出力
を用いて、試験体Ｗの表面上で上下に所定距離を隔てた
２箇所におけるそれぞれのスペックルパターンの移動量
を算出する構成において、試験体Ｗが前後いずれかに一
定量だけ移動すると、各箇所におけるスペックルパター
ンは、光検出手段３上での結像光学系２の光軸からの距
離に応じた量だけ上下方向にずれて結像されてしまい、
その結像位置のずれがスペックルパターンの見かけ上の
移動量となって現れる。これが伸縮量の誤差となる。試
験体Ｗの前後方向への変位に伴うスペックルパターンの
上下方向への見かけ上の移動量は、光検出手段３上での
結像光学系２の光軸からの距離と、試験体Ｗの前後方向
への変位量によって決まり、結局、図１１に示すよう
に、前後方向（結像光学系２の光軸方向）をｘ軸とし、
上下方向をｚ軸として、そのｚ軸上での０点を結像光学
系２の光軸位置としたとき、試験体Ｗの表面上の任意の
点に注目し、その点のｚ軸方向への移動量をＤｚ、その
点の前後方向（ｘ方向）への変位量をＤｘとし、結像光
学系２の倍率をＭ、光検出器３上でのその点のｚ方向へ
の結像位置をＳｚとすると、その点の光検出器３上での
ｚ方向への移動量Ｐｚは、Ｐｚ＝（Ｄｚ／Ｍ）＋ｋ・Ｄｘ・Ｓｚ・・（１）となる。ここでｋは、結像光学系２と試験体Ｗの表面と
の位置関係が一定であれば一義的に定まる定数であり、
あらかじめ求めておくことができる。この（１）式の右
辺の第２項が試験体Ｗのｘ方向への変位に伴う見かけ上
のｚ方向への移動量である。

【００１１】さて、本発明では、各移動量算出手段４
ａ，４ｂによる、光検出器３上でのスペックルパターン
の移動量Ｐｚ₁，Ｐｚ₂を基にして得た試験体Ｗの表面
上に設定された２箇所の移動量の算出結果をそれぞれＤ
ｚ₁，Ｄｚ₂とすると、これらには、それぞれ（１）式
の右辺第２項で表される誤差が含まれているため、前後
方向変位検出手段により試験体Ｗの上記２箇所での前後
方向（ｘ方向）への変位Ｄｘ₁，Ｄｘ₂を刻々と測定
し、その変位測定結果と、試験体Ｗに設定された２箇所
の光検出手段３上への結像位置Ｓｚ（各箇所の結像位置
は異なるため、実際にはＳｚ₁とＳｚ₂）とから、それ
ぞれの箇所についての（１）式右辺第２項を算出して、
各移動量算出手段４ａ，４ｂによる算出結果から減算す
ることで、試験体Ｗの前後方向への変位の影響を除去す
ることができ、その除去後の各移動量を用いれば、試験
体Ｗの前後方向への変位の影響を受けない正確な伸縮量
を算出することができる。

【００１２】

【実施例】図１は本発明実施例の構成図で、（Ａ）は横
から見た光学系の模式図と電気的構成を示すブロック図
とを併記して示す図で、（Ｂ）は上から見た光学系の要
部の模式図である。なお、図１（Ａ）においては、ダイ
クロイックミラー２０の図示を省略している。

【００１３】試験体Ｗは、材料試験機の上下の掴み具
（図示せず）にその両端が把持された状態で、図中上下
方向に例えば引張荷重が与えられる。この試験体Ｗに
は、照射光学系１から、その伸び方向に所定の長さにわ
たって一様なレーザ光が照射される。

【００１４】照射光学系１は、出力波長が例えば６８０
ｎｍの半導体レーザ１ａと、その半導体レーザ１ａから
の出力光をスポット状の平行光束に成形するコリメータ
レンズ１ｂ、およびそのレンズ１ｂを経たレーザ光を上
下方向にのみ拡大して試験体Ｗに導くシリンドリカルレ
ンズ１ｃ，１ｄによって構成されている。

【００１５】照射光学系１からのレーザ光の試験体Ｗの
表面による散乱光は、この例において１つの集光レンズ
によって構成された結像光学系２によって１次元イメー
ジセンサ３の受光面上に結像される。結像光学系２と１
次元イメージセンサ３との間に介在するダイクロイック
ミラー２０は、波長６８０ｎｍのレーザ光を透過させ、
後述する測距用の７８０ｎｍの波長のレーザ光を反射さ
せる。１次元イメージセンサ３は、例えば５０００個の
画素が所定のピッチで計測すべき伸び方向（図１（Ａ）
において上下方向）に配列された５０００チャンネルの
１次元イメージセンサである。

【００１６】１次元イメージセンサ３の各チャンネルか
らの出力は、増幅器１０で増幅された後、Ａ−Ｄ変換器
１１でデジタル化され、メモリ１２に格納される。メモ
リ１２には、１次元イメージセンサ３の各チャンネルご
とにデータの格納アドレスが設定されており、各チャン
ネルからのデータは該当のアドレスに格納される。この
メモリ１２内の各チャンネルのデータは、後述する基準
データとして用いるデータを除いて、データが到来する
ごとに刻々と演算部１３に読みだされ、その一部が後述
する演算に供された後、全データが直ちに捨てられ、１
次元イメージセンサ３からの次回のデータの到来を待つ
ようになっている。

【００１７】演算部１３は、図においては各機能ごとの
ブロック図で示しているが、実際には高速信号処理回路
とＣＰＵによって構成されている。この演算部１３に
は、１次元イメージセンサ３の各チャンネルからのデー
タのうち、試験開始前に試験体Ｗの２つの標点に該当す
る２箇所からの散乱光データを、それぞれ観測点データ
として設定するための設定器１４が接続されている。す
なわち、この設定器１４は、１次元イメージセンサ３の
５０００チャンネル分のデータのうち、計測すべき伸び
方向に互いに所定のチャンネル分だけ離れた、それぞれ
複数チャンネル分のデータをそれぞれ初期観測点データ
として設定するためのものである。この各初期観測点デ
ータは、図１（Ａ）においてＡ１およびＡ２で示す試験
体Ｗの表面上での２つの標点からの散乱光のデータに対
応する。

【００１８】演算部１３内の２つの移動量算出部４ａ，
４ｂは、設定器１４によって初期設定された上下の初期
観測点データについて、それぞれ経時的に変化するデー
タの相互相関関数を個々に算出して、各箇所からのスペ
ックルパターンの移動量を求める。具体的には、各観測
点データの初期値をそれぞれ基準データとして、その各
基準データと以後の刻々の各観測点データの相互相関関
数を算出して、その最大相関強度の位置の移動量を求め
る。そして、その２箇所における各スペックルパターン
の移動量が、あらかじめ設定された一定量に達するごと
に、観測点データとして用いるチャンネル群をその移動
の向きに一定のチャンネル分だけシフトする。このチャ
ンネルシフトに際しては、それまで使用していた基準デ
ータを廃棄し、シフト後のチャンネル群からの当初デー
タを新たに基準データとし、以後の同チャンネル群から
のデータとの相互相関関数を刻々と算出する。つまり、
各移動量算出部４ａ，４ｂでは、当初に設定された２つ
の標点Ａ１，Ａ２からのスペックルパターンの移動量を
算出しつつ、その移動に追従させて使用するチャンネル
を逐次変更していくことにより、実質的に試験体Ｗに当
初に設定した２つの標点Ａ１，Ａ２を追尾しながら、こ
れらの部分からのスペックルパターンの移動量、ひいて
はこれら各標点の移動量を求めていく。

【００１９】すなわち、各標点Ａ１（Ａ２）の伸びの計
測方向（ｚ方向）への移動量Ｄｚ₁（Ｄｚ₂）は、移動
量算出部４ａ（４ｂ）からのスペックルパターンの移動
量ｓ１（ｓ２）と、チャンネルシフト量の１次元イメー
ジセンサ３上での距離換算量ｃ１（ｃ２）の和に、結像
光学系２の倍率Ｍを乗じることによって算出することが
できる。伸縮量算出部５において、２つの標点Ａ１，Ａ
２についてのｚ方向への移動量Ｄｚ₁，Ｄｚ₂の差を算
出すれば、標点Ａ１，Ａ２間の伸び（伸縮量）を算出す
ることができる。ただし、この各移動量Ｄｚ₁およびＤ
ｚ₂には、試験体Ｗが結像光学系２の光軸方向（ｘ方
向）に移動した場合には、前記（１）式の右辺第２項に
表される誤差が含まれることになり、本発明実施例で
は、以下に示す前後方向変位測定手段によって試験体Ｗ
の各標点Ａ１，Ａ２の個々の前後方向（ｘ方向）への変
位量を刻々と測定し、その測定結果を用いて、補正演算
部７ａ，７ｂにより各移動量算出部４ａ，４ｂからの出
力を補正する。

【００２０】前後方向変位量測定手段は、照射光学系１
からのレーザ光波長とは異なる例えば７８０ｎｍの出力
波長を持つ２つの半導体レーザ６１ａ，６１ｂと、その
各半導体レーザ６１ａ，６１ｂからの出力光をスポット
状に成形して試験体Ｗの表面に導く２つのレンズ６２
ａ，６２ｂ、および、これらのレーザスポット光の試験
体Ｗの表面による反射光を、ダイクロイックミラー２０
を介して個別に受光する２つのＰＳＤ（ポジションセン
シティブデテクタ）６３ａ，６３ｂ、およびその各ＰＳ
Ｄ６３ａ，６３ｂからの出力から各レーザスポット光の
照射位置における試験体Ｗのｘ方向への変位量を算出す
る変位演算部６４ａ，６４ｂによって構成されている。

【００２１】各半導体レーザ６１ａ，６１ｂから出力さ
れ、スポット状に成形された各レーザ光は、それぞれ、
試験体Ｗの表面に初期設定された２つの標点Ａ１，Ａ２
に、その法線方向に対して一定の角度θをもって照射さ
れる。その各反射光は、結像光学系２を介してダイクロ
イックミラー２０によって再度反射され、それぞれに対
応したＰＳＤ６３ａ，６３ｂに導かれる。各ＰＳＤ６３
ａ，６３ｂは、それぞれ光の入射位置に応じた出力を発
生するが、その各出力はそれぞれＡ−Ｄ変換器（図示せ
ず）によってデジタル化された後、対応する変位演算部
６４ａ，６４ｂに導かれ、三角測量法に基づいて各標点
Ａ１，Ａ２での試験体Ｗのｘ方向への変位Ｄｘ₁，Ｄｘ
₂に換算される。すなわち、図２に三角測量法に基づく
測距方法の原理を模式的に示すように、試験体Ｗがｘ方
向にＤｘだけ移動すると、レーザスポットの照射位置は
試験体Ｗの表面上でｚ方向にＤｘ・ｔａｎθだけ移動
し、その反射光は倍率Ｍの結像光学系２を介してＰＳＤ
６３ａ（６３ｂ）上で当初の入射位置から（Ｄｘ・ｔａ
ｎθ）／Ｍだけずれた位置に入射する。変位演算部６４
ａ，６４ｂは、このＰＳＤ６３ａ，６３ｂへのレーザス
ポットの試験体Ｗによる入射位置の変化に伴う出力変化
から、試験体Ｗの各レーザスポット照射位置のｘ方向へ
の変位量Ｄｘ₁，Ｄｘ₂を算出する。

【００２２】さて、このようにして測定された試験体Ｗ
の表面上の各標点Ａ１，Ａ２のｘ方向への変位量Ｄ
ｘ₁，Ｄｘ₂は、それぞれ各移動量算出部４ａ，４ｂに
よる移動量算出結果Ｄｚ₁，Ｄｚ₂とともに補正演算部
７ａ，７ｂに取り込まれる。各補正演算部７ａ，７ｂで
は、前記した（１）式に基づく下記の（２），（３）式
により、移動量算出結果Ｄｚ₁，Ｄｚ₂から、各標点Ａ
１，Ａ２での試験体Ｗのｘ方向への変位に伴う誤差を除
去する。ここで、Ｓｚ₁およびＳｚ₂は、１次元イメー
ジセンサ３上での結像光学系２の光軸位置を原点とした
ときの、それぞれ初期設定された標点Ａ１，Ａ２に対応
する１次元イメージセンサ３の２群のチャンネル群それ
ぞれの中央位置のｚ方向位置である。

【００２３】Ｄｚ₁′＝Ｄｚ₁−ｋ′・Ｄｘ₁・Ｓｚ₁ ・・（２）Ｄｚ₂′＝Ｄｚ₂−ｋ′・Ｄｘ₂・Ｓｚ₂ ・・（３）そして、この各補正演算部７ａ，７ｂによって補正され
た後の移動量Ｄｚ₁′およびＤｚ₂′が伸縮量算出部５
に供給され、ここで両者の差を算出することによって初
期設定された標点Ａ１，Ａ２間の伸び（伸縮量）が求め
られる。

【００２４】ここで、この実施例において、各標点Ａ
１，Ａ２は、試験の進行に伴ってｚ方向に移動し、その
移動は、各移動量算出部４ａ，４ｂによる演算過程で１
次元イメージセンサ３の各チャンネルデータのうち、使
用するチャンネルをシフトすることで実質的に追尾され
るが、ｘ方向への変位量Ｄｘ₁，Ｄｘ₂の各測定ポイン
トは固定されている。これは、試験体Ｗの前後方向（ｘ
方向）への変位が、試験開始当初において顕著に現れ、
しかも、引張試験において特に重要なのは試験体Ｗが比
例弾性限内にあるときの伸びであることに基づいてい
る。つまり、試験体Ｗは、試験開始当初にある程度の荷
重が作用するまでにｘ方向に変位ないしは傾斜するもの
の、その変位ないしは傾斜は、初期設定された２つの標
点Ａ１，Ａ２が殆どｚ方向に移動しない時点で止まり、
以降殆どｘ方向には変位ないし傾斜しない。従って、ｘ
方向への変位の各計測点は、試験の進行に伴う各標点Ａ
１，Ａ２のｚ方向への移動を追尾することなく、試験開
始当初の標点Ａ１，Ａ２の位置で固定しておけば足り
る。

【００２５】試験体Ｗのｘ方向への変位を非接触で測定
する手段は、以上の実施例に限られることなく、他の多
くの変形が考えられ、以下、その幾つかを列挙する。図
３に示す例は、ダイクロイックミラーを用いず、照射光
学系１によるスペックルパターン計測用のレーザ光の照
射領域から、上下に若干離れた２つの位置に、上記と同
様に半導体レーザ６１ａ，６１ｂからのレーザスポット
光を照射し、その反射光を直接的に先の例と同様のＰＳ
Ｄ６３ａ，６３ｂで受光し、その各出力をそれぞれ変位
演算部６５ａ，６５ｂに導入している。この構成によれ
ば、ＰＳＤ６３ａ，６３ｂの出力からは、試験体Ｗのス
ペックルパターン計測用レーザ光の照射領域の上下端近
傍位置でのｘ方向への変位量が測定されるが、この２点
のｘ方向への変位測定結果を用いることにより、試験体
Ｗのｚ方向任意位置でのｘ方向変位量を算出することが
できる。すなわち、図４に示すように、試験体Ｗのｚ方
向に互いに距離Ａだけ離れたａおよびｂの２点でのｘ方
向への変位Ｄａ，Ｄｂを計測すると、試験体Ｗ上での任
意の点ｃにおけるｘ方向への変位Ｄｃは、点ｃと点ａと
のｚ方向への距離をＣとすると、Ｄｃ＝Ｄａ＋（Ｄｂ−Ｄａ）・Ｃ／Ａ・・（４）によって算出することができる。従って、変位演算部６
５ａ，６５ｂでは、この（４）式の演算によって各ＰＳ
Ｄ６３ａ，６３ｂの出力を各標点Ａ１，Ａ２での変位量
Ｄｘ₁，Ｄｘ₂に変換した後に先の例と全く同様の補正
演算部に供給して（２），（３）式の補正演算を施せ
ば、全く同様の作用を奏することができる。

【００２６】図５に示す例は、三角測量法に基づくｘ方
向への変位を、別途ＰＳＤ等の他のセンサを設けること
なく、スペックルパターン検出用の１次元イメージセン
サ３を用いて行うものである。すなわち、この図５の例
において、ｘ方向変位測定用の２つの半導体レーザ６１
ａ，６１ｂからのレーザスポット光は、図３の例と同様
にスペックルパターン計測用のレーザ光の照射領域の上
下端からそれぞれ若干離れた位置に照射されるが、その
反射光はそれぞれ、結像光学系２を介して１次元イメー
ジセンサ３のスペックルパターン計測用レーザ光の受光
領域とは重ならない位置に入射するようになっている。
すなわち、スペックルパターン計測用レーザ光は、１次
元イメージセンサ３の上下両端の所定チャンネル群ずつ
を除いた領域により受光され、その受光領域から若干離
れた複数チャンネルずつによってｘ方向変位測定用レー
ザスポット光が受光される。また、半導体レーザ６１
ａ，６１ｂの出力パワーは、これらの各出力光の試験体
Ｗの表面による反射光が１次元イメージセンサ３上でス
ポットのプロファイルを形成するように調整される。

【００２７】以上の構成により、１次元イメージセンサ
３からは、図６に例示するように、スペックルパターン
の検出出力と、２つのｘ方向変位測定用レーザスポット
の反射光の検出出力が独立的に得られる。各ｘ方向変位
測定用レーザスポットの反射光の検出出力は、メモリ１
２を介して変位演算部に供給されるが、この実施例にお
ける変位演算部では、各ｘ方向変位測定用レーザスポッ
トの反射光の検出出力から、補間演算によってそれぞれ
のプロァイルのピーク位置を求める。これにより、１次
元イメージセンサ３の空間分解能の１／１０程度の精度
で各ｘ方向変位測定用レーザスポットの入射位置を求め
ることができ、その結果を前記した（４）式のＤａ，Ｄ
ｂとして用い、各標点Ａ１，Ａ２のｘ方向への変位量を
求める。

【００２８】図７に示す例では、（Ａ）にその光学系を
横から見た図を、（Ｂ）に同じく光学系を上から見た図
を示すように、スペックルパターン検出用のイメージセ
ンサとして、先の各例のように１次元イメージセンサを
用いずに２次元イメージセンサ３０を用い、この２次元
イメージセンサ３０によってスペックルパターン計測用
のライン状のレーザ光を受光している。この例におい
て、スペックルパターン計測用のレーザ光は結像光学系
２の光軸に対して所定の角度を以て試験体Ｗに照射され
ている関係上、試験体Ｗがｘ方向に平行移動すると、２
次元イメージセンサ３への試験体Ｗによる散乱光の入射
位置は、図８（Ａ）に例示するように、レーザ散乱光の
強い箇所の帯状の分布がαから試験体Ｗの移動の向きに
応じてβもしくはγの位置に左右に移動する。また、試
験体Ｗがｘ方向に傾斜した場合には、同じく帯状の分布
が、図８（Ｂ）に示すように試験体Ｗの傾斜の向きに応
じて傾く。従って、このような散乱光の入射位置の変化
を２次元イメージセンサ３０の出力から捕らえることに
より、試験体Ｗの各標点Ａ１，Ａ２でのｘ方向変位量を
算出することができる。つまり、２次元イメージセンサ
３０の各チャンネル出力を変位演算部に導入し、その変
位演算部では、散乱光の帯状分布の各標点Ａ１，Ａ２に
対応する箇所の、当初のαの位置からの左右方向への移
動量を求め、その結果に基づいて各標点Ａ１，Ａ２のｘ
方向変位量を算出する。

【００２９】ところで、前記した（１）式等から明らか
なように、結像光学系２の光軸上の点では、試験体Ｗが
ｘ方向に変位しても結像位置のｚ方向へのずれは生じな
い。図９に示す例はこの点を利用したものである。すな
わち、この例では、当初に設定する２つの標点Ａ１，Ａ
２のうちの一方、例えばＡ１を、スペックルパターン検
出用の１次元イメージセンサ３上で結像光学系２の光軸
Ｌの位置に設定している。そして、１個の半導体レーザ
６１ｂからの１つのレーザスポットを、他方の標点Ａ２
にのみ照射し、その反射光を図３の例と同様にダイクロ
イックミラー（図示せず）を介してＰＳＤ６３ｂによっ
て受光している。そして、このＰＳＤ６３ｂの出力を図
３の例と同様の変位演算部に導いて同様の演算を行い、
標点Ａ２のｘ方向変位量のみを算出すするとともに、こ
の標点Ａ２用の補正演算部のみを設けて、Ａ２に関する
移動量算出部の出力のみを補正し、Ａ１に関する移動量
算出部の出力は補正せずにそのまま伸縮量算出部に供給
する。以上の構成において、標点Ａ１がｘ方向に変位し
ても、その箇所からのレーザ散乱光は１次元イメージセ
ンサ３上の結像光学系２の光軸位置に入射するため、そ
の箇所からの散乱光の結像位置は１次元イメージセンサ
３上においてｚ方向にずれず、従ってこの図９の構成で
も先の各例と同様の作用を奏することができる。

【００３０】なお、図１の実施例の説明において、各標
点Ａ１，Ａ２の移動量を算出する移動量算出部４ａ，４
ｂが、それぞれのスペックルパターンの移動量が所定量
を越えたときにチャンネルをシフトすることで、各標点
を演算上で追尾する旨を述べたが、試験体Ｗの伸び（伸
縮量）が小さい場合には、このような追尾は必ずしも必
要ではなく、本発明は、このような追尾機能を持たない
構成のものをも含むことは勿論である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
試験体の前後方向（結像光学系の光軸方向）への変位を
非接触のもとに測定する手段を設けるとともに、その前
後方向への変位測定結果に基づいて、スペックルパター
ンの移動量を算出して得た各標点の上下方向（伸縮量計
測方向）への移動量を補正し、その補正後の各標点の移
動量を用いて試験体の標点間の伸縮量を求めるから、試
験体が前後に変位したり傾斜しても、その影響を受ける
ことなく、常に正確な伸縮量が得られ、特に伸縮量の小
さい試験体の計測や、試験体の弾性率の計算等に有効で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の全体構成図で、（Ａ）は横から
見た光学系の模式図と電気的構成を示すブロック図とを
併記して示す図で、（Ｂ）は上から見た光学系の要部の
模式図

【図２】本発明実施例の前後方向変位量測定手段による
三角測量法に基づく前後方向変位量の算出法の原理説明
図

【図３】本発明の他の実施例の要部構成図

【図４】図３の実施例による試験体Ｗ上の２点のｘ方向
変位量測定結果から２つの標点におけるｘ方向変位量へ
の換算手法の説明図

【図５】本発明の更に他の実施例の要部構成図

【図６】図５の実施例における１次元イメージセンサ３
の各チャンネル出力例を示すグラフ

【図７】本発明の更にまた他の実施例の光学系の要部構
成図で、（Ａ）は横から見て示す図であり、（Ｂ）は上
から見て示す図

【図８】図７の実施例における２次元イメージセンサ３
０への散乱光の入射位置の説明図で、（Ａ）は試験体Ｗ
が前後方向に平行移動した場合の図、（Ｂ）は試験体Ｗ
が傾斜した場合の図

【図９】本発明のまた更に他の実施例の要部構成図

【図１０】光検出手段３に接近・離反する方向（ｘ方
向）への試験体Ｗの変位と、計測すべき伸縮方向（ｚ方
向）への光検出手段３上での結像位置のずれとの関係を
定性的に示すグラフ

【図１１】試験体Ｗの１点が上下方向（ｚ方向）に移動
し、かつ、前後方向（ｘ方向）にも変位したとき、光検
出手段３により観察される見かけの移動量の説明図

【符号の説明】

１照射光学系２結像光学系３１次元イメージセンサ４ａ，４ｂ移動量算出部５伸縮量算出部６１ａ，６１ｂ半導体レーザ６２ａ，６２ｂレンズ６３ａ，６３ｂＰＳＤ（ポジションセンシティブデテ
クタ）６４ａ，６４ｂ変位演算部７ａ，７ｂ補正演算部１１Ａ−Ｄ変換器１２メモリ１４設定器２０ダイクロイックミラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試験体表面にレーザ光を照射する照射光
学系と、そのレーザ光の試験体表面による散乱光を結像
光学系を介して受光して、その散乱光に含まれるスペッ
クルパターンを検出する複数チャンネルの光検出手段
と、その光検出手段の出力を用いて、試験体表面で互い
に所定の距離を隔てた２箇所におけるスペックルパター
ンの刻々の移動量を個別に算出する移動量算出手段と、
その算出された各移動量から試験体の上記２箇所間の伸
縮量を算出する伸縮量算出手段を備えた伸び計におい
て、上記光検出手段に対して接近・離反する方向への試
験体の変位を非接触で測定する前後方向変位測定手段
と、その変位測定結果に基づいて、上記移動量算出手段
による各スペックルパターンの移動量をそれぞれ補正す
る補正演算手段を有し、上記伸縮量算出手段は、その補
正後の各移動量を用いて試験体の伸縮量を算出すること
を特徴とするレーザ非接触伸び計。