JPH09297010A - レーザ非接触歪み計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 二光束法を用いた電子式スペックル干渉法に
基づく歪み計における歪みの算出周期を、従来のこの種
の装置における周期に比して大幅に短くすることがで
き、引張試験や振動試験等のより高速の歪みの計測にも
十分に適用可能なレーザ非接触歪み計を提供する。 【解決手段】 試料Ｗからの散乱光に含まれるスペック
ルパターンを、１次元イメージセンサ２１で検出し、か
つ、その１次元イメージセンサ２１をそのフレーム周期
より長い周期でチャンネル列に直交する方向に振動さ
せ、その振動中に得られる複数のフレームデータで２次
元状の画像を得て、演算部３０による歪みの算出に供す
ることで、歪み算出周期を高速化し、高応答の歪み計を
得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スペックル干渉法
を用いて被測定試料の面内歪みを被接触のもとに計測す
る歪み計に関し、特に、材料試験機における試料の伸び
等、比較的速い速度の歪みの計測に適したレーザ非接触
歪み計に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザビームを用いて被測定試料の面内
歪みを計測する方法として、二光束法を用いた電子式ス
ペックル干渉法が知られている。

【０００３】この方法では、レーザビームをビームスプ
リッタによって２つの光路に分岐させた後に、被測定試
料の表面に対して歪みの計測方向に角度を持たせて重ね
て照射する。そして、そのレーザビームの被測定試料の
表面による散乱光を２次元イメージセンサで画像化す
る。このようにして得られる画像データを、試料の変形
前後で得られたものどうし加減算すると、散乱光に含ま
れるスペックルパターンが試料の変形前後で移動するこ
とに起因して、加減算後の画像に干渉縞が生じる。この
干渉縞は試料の歪み分布が等高線の形で現れたものであ
るが、この干渉縞の１周期に相当する歪み量は、レーザ
ビームの波長と２つのビームの角度によって決まり、従
ってその干渉縞の位相を求めることで、試料の面内歪み
分布を求めることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上のよう
な二光束法を用いた電子式スペックル干渉法によれば、
比較的高い分解能のもとに試料の歪み分布を計測するこ
とができるという利点があるものの、例えば引張試験で
の材料の伸びの計測等、比較的速い速度で生じる歪みを
速い応答のもとに刻々と計測することはできない。

【０００５】すなわち、この種の方法を用いて歪みの経
時的な変化を観察する場合、その応答周期、つまり刻々
の歪みの算出周期は、画像のサンプリング周期によって
決まる。従来のこの種の方法においては、散乱光画像を
２次元イメージセンサを用いて得ており、例えば５００
×５００画素の２次元イメージセンサを用いた場合に
は、その画像のサンプリング周期、すなわちフレーム周
期は約１／３０ｓｅｃ程度となる。このような応答周期
では、上記したような引張試験時における材料の刻々の
伸び等を観察するには不十分である。

【０００６】本発明の目的は、二光束法を用いた電子式
スペックル干渉法に基づく歪み計における歪みの算出周
期を、従来のこの種の装置における周期に比して大幅に
短くすることができ、もって引張試験時における材料の
刻々の伸びの計測等にも十分に適用することのできるレ
ーザ非接触歪み計を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ非接触歪
み計では、レーザビームをビームスプリッタによって２
つの光路に分岐させた後、被測定試料の表面上に当該試
料の変形方向に所定の角度を持たせて照射する照射光学
系と、そのレーザビームの試料による散乱光に含まれる
スペックルパターンを検出するための光検出手段と、そ
の光検出手段からの出力を用い、互いに異なる時点で得
られた２つの画像によってできる干渉縞パターンからそ
の時点間の試料の歪み分布を算出する演算手段を備えた
歪み計において、以下の構成を採用することによって、
所期の目的を達成している。

【０００８】すなわち、スペックルパターンを検出して
画像化するための光検出手段を、試料の変形方向にチャ
ンネル列が沿うように配置した１次元イメージセンサ
と、その１次元イメージセンサに対し、そのフレーム周
期より長い周期で、当該イメージセンサの受光面に略沿
った平面上で、かつ、そのチャンネルの配列方向に直交
する方向への振動を与える振動付与機構によって構成す
る一方、歪み分布を算出する演算手段においては、その
１次元イメージセンサの振動中の異なる位置で得られる
複数のフレームデータを一つの画像データとして、歪み
分布の算出に供する。

【０００９】本発明は以下の原理に基づいている。すな
わち、１次元イメージセンサを、そのフレーム周期より
も長い周期で、画素の配列方向に直交する方向に振動さ
せると、その振動の１周期当たりに複数の１次元フレー
ムデータが得られ、かつ、その各フレームデータは、１
次元イメージセンサの振動中における互いに異なる位置
での入射光を画像化したものであるから、その複数のフ
レームデータの集合により、実質的に２次元の画像が得
られる。その２次元画像の各方向の画素数は、１次元イ
メージセンサの画素の配列方向にはそのセンサの画素数
と等しく、それに直交する方向の画素数は、１次元イメ
ージセンサの振動周期をセンサのフレーム周期で除した
値に等しくなる。

【００１０】ここで、引張試験における材料の伸びを電
子式スペックル干渉法を用いて計測する場合、必要なの
は引張負荷の付与方向への材料の２つの標点間の伸び情
報であり、それに直交する方向への伸びの情報は不要で
ある。市販されている２次元イメージセンサは、前記し
たように５００×５００画素等、正方形またはそれに準
じた２次元画像を得るための構成が採られており、この
ような画像を用いて材料の標点間の伸びを算出する際に
は、材料の伸び方向に直交する方向への画素数は過分で
あり、同方向への画素情報の多くは不要となる。

【００１１】そこで、このような引張試験時における材
料の伸びの計測等、１次元の歪み情報を得るに当たって
は、散乱光を受光するセンサを１次元イメージセンサと
してもよいと考えられるが、実際には、変形前後に得ら
れた２つの１次元画像を加減算しても、良好な干渉縞を
得ることができない。

【００１２】本発明では、１次元イメージセンサを上記
のように振動させつつフレームデータをサンプリングし
ていくことにより、その振動方向に実質的に複数の画素
を有する２次元画像を得て、しかも同方向への画素数
は、センサの振動周期とセンサのフレーム周期によって
任意の数とすることができ、不要な画素情報をサンプリ
ングすることがない。すなわち、例えば５００画素の１
次元イメージセンサを、そのフレーム周期の１０倍の周
期で振動を与えることにより、１つの振動周期中に実質
的に５００×１０画素の２次元画像を得ることができ
る。このような２次元画像を用いると、２つの画像の加
減算によって鮮明な干渉縞が得られ、かつ、２次元イメ
ージセンサを用いた場合のように余分な画素情報がない
分だけ、画像のサンプリング周期を短くすることがで
き、より速い応答速度で刻々と歪み情報をえることが可
能となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態の構成
図で、光学系の構成を示す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ある。

【００１４】この例は、本発明を、材料試験機による引
張試験に供される試験片を被測定試料Ｗとし、その伸び
を計測する場合に適用した例である。被測定試料Ｗには
図中上下方向（ｘ方向）への引張負荷が付与され、その
ｘ方向に伸びる。このような被測定試料Ｗの表面に対
し、レーザビーム照射光学系１からのレーザビームが照
射され、そのレーザビームの試料表面からの散乱光がＣ
ＣＤ１次元イメージセンサを撮像素子とするカメラ２に
よって計測されるようになっている。

【００１５】レーザビーム照射光学系１は、半導体レー
ザ１１、ビーム成形光学系１２、ハーフミラー１３、お
よび２つのミラー１４，１５によって構成されている。
半導体レーザ１１からの出力光は、ビーム成形光学系１
２によって所定の広がりを持つレーザビームに成形され
た後、ハーフミラー１３によって２つのビームに分離さ
れ、その各ビームはミラー１４，１５によって被測定試
料Ｗの表面に互いに異なる光路を経由して導かれ、試料
表面上でｘ方向（試料Ｗの伸び方向）に一定の角度をも
って互いに重なりあうように照射される。このレーザビ
ーム照射領域は、図示のようにｘ方向を長辺とする略長
方形である。

【００１６】カメラ２の光学的構成は、例えば５００チ
ャンネルのＣＣＤ１次元イメージセンサ２１と、そのイ
メージセンサ２１の受光面に試料Ｗからの散乱光を集光
して、そこに含まれるスペックルパターンを結像させる
ための結像光学系２２を主とするものであるが、１次元
イメージセンサ２１はカメラ２内において振動付与機構
２３によって支持されている。

【００１７】振動付与機構２３は、図２に斜視図を示す
ように、パラレルガイド２３ａと、そのパラレルガイド
２３ａを介して１次元イメージセンサ２１に対して振動
を与えるためのピエゾアクチュエータ２３ｂによって構
成されている。１次元イメージセンサ２１は、そのチャ
ンネル列が試料Ｗの伸び方向であるｘ方向に沿うように
パラレルガイド２３ａに固着されている。

【００１８】パラレルガイド２３ａは、ロバーバル機構
とも称される平行バネ機構を用いた公知の機構で、一端
側の固定部に対して他端側の可動部の変位が特定の方向
に規制される機構であって、固定部はカメラ２のフレー
ム等に固定され、可動部に１次元イメージセンサ２１が
取り付けられている。

【００１９】ピエゾドライバ２３ｂは、後述する演算部
３０からの指令に従って動作するピエゾドライバ３４か
ら供給される後述するような三角波状の電圧信号によっ
て駆動制御され、このピエゾアクチュエータ２３ｂを駆
動することによって、１次元イメージセンサ２１には、
その受光面に略沿った平面上で、かつ、そのチャンネル
列に直交する方向（ｙ方向）への振動が与えられる。

【００２０】すなわち、パラレルガイド２３ａの可動部
の変位の方向は、１次元イメージセンサ２の受光面に沿
った平面上で、かつ、そのチャンネル列と直交するｙ方
向となっており、ピエゾアクチュエータ２３ｂは、電圧
信号によってそのｙ方向に伸縮するようになっている。

【００２１】なお、カメラ２と前記したレーザビーム照
射光学系１は、それぞれに対応する窓１０ａ〜１０ｃを
備えた１つの筐体１０内に収容されている。１次元イメ
ージセンサ２１からの出力は、増幅器３１で増幅された
後、Ａ−Ｄ変換器３２でデジタル化されてメモリ３３に
順次格納され、演算部３０による演算に供される。

【００２２】演算部３０は、ＣＰＵまたはＤＳＰを主体
としてその周辺機器によって構成され、メモリ３３内の
画像データを用いた以下の演算によって試料Ｗの刻々の
伸びを算出しつつ、ピエゾドライバ３４に指令を発し
て、１次元イメージセンサ２１のフレーム周期Ｔに同期
して、例えばその２０倍の周期２０Ｔで、三角波状に変
化する電圧信号を発生させる。

【００２３】図３は１次元イメージセンサ２１のフレー
ム走査信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３・・とピエゾドライバ３４か
ら出力される電圧信号Ｖp の関係を示すタイムチャート
であり、このような動作によれば、１次元イメージセン
サ２１は、ある一定の振幅でｙ方向への振動が与えられ
つつ、その振動の１周期（２０Ｔ）の間に２０個のフレ
ームデータを出力する。その振動振幅をＡとしたとき、
振動周期の前半１０Ｔの間にｙ方向所定の向きにＡだけ
移動し、後半１０Ｔの間にその逆向きにＡだけ移動し、
それぞれの向きの移動中に各１０個のフレームデータを
出力する。１次元イメージセンサ２１のｙ方向への振幅
Ａの振動により、このセンサ２１の各チャンネルには、
試料Ｗの表面からの散乱光のうち、伸びの計測方向ｘに
直交するｙ方向に距離Ａだけ広がった領域の散乱光が入
射することになる。

【００２４】従ってメモリ３３には、時間１０Ｔごと
に、１次元イメージセンサ２１からのｘ方向へのライン
状の画像データが１０個格納されることになり、かつ、
その各画像データは、互いにｙ方向にずれた位置での散
乱光を受光して得られたものであるから、結局メモリ３
３には、時間１０Ｔごとに、図４に模式的に示すよう
に、ｘ方向５００画素、ｙ方向１０画素からなる実質的
に２次元状の画像データが刻々とサンプリングされるこ
とになる。ここで、１次元イメージセンサ２１のフレー
ム周期内における変位量は、スペックル平均径よりも大
きくすることが望ましい。

【００２５】演算部３０においては、以上のようにして
時間１０Ｔごとにサンプリングされる２次元状の画像を
用いて、従来の２次元イメージセンサを用いたこの種の
測定装置と同等の演算により、試料Ｗの伸びを算出す
る。すなわち、互いに異なる時点で得られた各２次元状
の画像データを相互に加算もしくは減算する。これによ
り、干渉縞が生成された画像データが得られるわけであ
るが、この干渉縞は、２つの画像を取り込む間に生じた
試料Ｗの歪みを等高線の形で表したものとなり、また、
その干渉縞の１本当たりの変形量は、レーザビームの波
長と２本のレーザビームの角度によって決まる。実際の
演算にあっては、２つの画像を加減算した後のデータを
スムージング処理した後、各画素データを一方向、つま
りｙ方向にたし込み、縞の位相情報得た後、位相の連続
化処理を行い、試料の各位置における伸びの分布を得
て、例えば試料Ｗにあらかじめ設定されている標点間の
伸びを算出する。なお、比較的大きな伸びの計測が必要
である場合には、ある時点で得られた２次元状の画像を
基準画像として、以後の刻々のサンプリング画像との間
で上記した演算を施すとともに、適宜時点において基準
画像をサンプリング画像によって更新する、という動作
を繰り返す。

【００２６】ここで、以上の実施の形態においては、ｙ
方向への画素数が１０の画像を用いてスペックル干渉法
に基づく歪み分布の算出を行うわけであるが、この場
合、２つの画像の対応する画素どうしを加減算した後の
画像データについて、ｙ方向に並ぶ画素の全てをたし込
んだ後のデータは、図５（Ａ）に例示する通りとなり、
明確に干渉縞の位置を検索することが可能となる。ちな
みに、１次元イメージセンサ２１を振動させることな
く、一定の位置において得られた１本のライン状の画像
データを用いた場合には、試料Ｗの変形前後の２つの画
像データを加減算しても、同図（Ｂ）に示すように、干
渉縞パターンがスペックルパターンに埋没した状態とな
って、干渉縞の検索は実質的に不可能である。

【００２７】そして、５００×５００画素の２次元イメ
ージセンサを用いた従来の装置によれば、そのフレーム
周期である約１／３０ｓｅｃごとにしか画像データが得
られないことから、伸びの算出レートは約３０Ｈｚであ
ったのに対し、本発明の実施の形態では、各画素ごとの
走査周期が同一であれば、その１／５０の周期で１０×
５００画素の２次元画像が得られる結果、伸びの算出レ
ートは約１．５ｋＨｚとなる。

【００２８】また、２次元イメージセンサを用いた場合
には、図１のような引張試験に供される試料Ｗの伸びの
計測において、そのレーザビームの照射領域から明らか
なように、ｙ方向へのチャンネル数が過剰であってその
多くが演算に供されることなく捨てられるのに対し、本
発明の実施の形態では、１次元イメージセンサ２１の振
動振幅Ａによって決まる領域からの散乱光のみを受光
し、かつ、その領域の散乱光を、同センサ２１のフレー
ム周期と振動周期との関係で一意的に決まるｙ方向画素
数で分割した２次元画像を得るが故に、必要な画素情報
のみを得るように設定可能であるため、画素情報が不足
する恐れもない。

【００２９】なお、以上の実施の形態では、１次元イメ
ージセンサの振動の半周期ごとに得られる複数のフレー
ムデータを用いて２次元画像を得たが、振動の全周期に
得られる複数のフレームデータを用いて２次元画像を構
築してもよい。この場合、１次元イメージセンサ２１は
Ａの領域を往復するため、各フレームデータは重複する
こともあるが、上記したスペックル干渉法に基づく歪み
分布の演算には特に影響を及ぼすことはない。

【００３０】また、以上の実施の形態では、１次元イメ
ージセンサ２１の振動周期をそのフレーム周期に同期し
た整数倍としたが、特に整数倍としなくても、２画像を
加減算したときに得られる干渉縞の検索が可能であれ
ば、任意の倍数とすることができる。

【００３１】更に、以上の実施の形態では、本発明を引
張試験時における試料の伸びの計測に適用したが、本発
明はある一定の方向への材料の歪みを計測する、例えば
振動試験、疲労試験等の、あらゆる用途に適用すること
ができることは言うまでもない。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、二光束
法を用いた電子式スペックル干渉法に基づくレーザ非接
触歪み計において、被測定試料からの散乱光を１次元イ
メージセンサで受光するとともに、そのイメージセンサ
をフレーム周期よりも長い周期でチャンネル列に直交す
る方向に振動させ、その振動中に得られる複数のフレー
ムデータによって実質的に２次元画像を得て歪み分布の
算出に供するから、従来の２次元イメージセンサを用い
る場合に比して、歪みの算出周期を大幅に短くすること
が可能となり、引張試験や振動試験等、高速度で進行す
る試料の歪みの計測にも十分に適用することが可能とな
った。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の構成図で、光学系の構成
を示す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

【図２】その振動付与機構２３の構成を示す斜視図

【図３】本発明の実施の形態における１次元イメージセ
ンサ２１のフレーム走査信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３・・とピエ
ゾドライバ３４から出力される電圧信号Ｖp の関係を示
すタイムチャート

【図４】本発明の実施の形態において時間１０Ｔごとに
得られる画像データの模式的説明図

【図５】本発明の実施の形態における演算部３０の演算
過程で得られる干渉縞情報の説明図（Ａ）と、１次元イ
メージセンサを固定して得られる画像データを用いた場
合の演算過程で得られる干渉縞情報の説明図（Ｂ）

【符号の説明】

１ レーザビーム照射光学系 １１ 半導体レーザ １２ ビーム成形光学系 １３ ハーフミラー １４，１５ ミラー ２ カメラ ２１ １次元イメージセンサ ２２ 結像光学系 ２３ 振動付与機構 ２３ａ パラレルガイド ２３ｂ ピエゾアクチュエータ ３０ 演算部 ３３ メモリ ３４ ピエゾドライバ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザビームをビームスプリッタによっ
   て２つの光路に分岐させた後、被測定試料の表面上に当
   該試料の変形方向に所定の角度を持たせて照射する照射
   光学系と、そのレーザビームの試料による散乱光に含ま
   れるスペックルパターンを検出するための光検出手段
   と、その光検出手段からの出力を用い、互いに異なる時
   点で得られた２つの画像によってできる干渉縞パターン
   からその時点間の試料の歪み分布を算出する演算手段を
   備えた歪み計において、上記光検出手段が、試料の変形
   方向にチャンネル列が沿うように配置された１次元イメ
   ージセンサと、その１次元イメージセンサに対し、その
   フレーム周期より長い周期で、当該イメージセンサの受
   光面に略沿った平面上で、かつ、そのチャンネルの配列
   方向に直交する方向への振動を与える振動付与機構によ
   って構成されているとともに、上記演算手段は、その１
   次元イメージセンサの振動中の異なる位置で得られる複
   数のフレームデータを一つの画像データとして、歪み分
   布の算出に供することを特徴とするレーザ非接触歪み
   計。