JPH0942934A - 非接触伸び計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定開始当初において試験体が光検出手段に
接近・離反する方向に変位または傾斜しても、その影響
を抑制し、正確な伸びまはた縮み量を測定することので
きる非接触伸び計を提供する。 【解決手段】 試験体の標点となる２箇所Ａ，Ｂからの
散乱光を、２組の結像光学系と光検出手段によって検出
し、測定開始当初の初期値として用いる各標点Ａ，Ｂか
らのスペックルパターンの検出出力には、光検出手段３
ａ，３ｂの各チャンネル出力のうち、それぞれの結像光
学系２ａ，２ｂの光軸中心Ｌａ，Ｌｂ近傍のチャンネル
出力を用いることで、引張試験開始当初において生じる
試験体Ｗの前後方向への変位等に起因する散乱光の結像
位置のずれによる計測誤差を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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
のもとに測定することのできる、非接触伸び計に関す
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、試験体表面から反射されて散乱したレーザ光を複
数チャンネルのイメージセンサで受光して光電変換し、
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、集光レンズ等の結像光学系によ
って散乱光を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大
きなメリットが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
点間の伸縮量を計測するに当たり、試験体がイメージセ
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などに起因するものと考えら
れ、特に試験開始直後、すなわち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上記した方式
を採用する場合、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。このような前後方向への試験体の変位量は僅かであ
り、伸縮量の計測方向には更にその１／１０程度のオー
ダーで影響を及ぼすものの、このような現象が試験開始
当初の伸びの小さい領域において現れることから、その
誤差の伸びに対する割合が大きく、無視することはでき
ず、また、試験開始当初の試験体の比例弾性限内での伸
びの計測結果は弾性率の算出に供されることも相まっ
て、問題となる。

【０００７】本発明はこのような実情に鑑みてなされた
もので、試験体がイメージセンサに接近・離反する方向
に（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非接触伸び計の提供を目
的としている。

【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、その実施の形態を表す図１を参照しつつ説
明すると、本発明の非接触伸び計は、試験体Ｗの表面に
レーザ光を照射して得られる散乱光を、結像光学系を介
して複数チャンネルの光検出手段によって受光し、その
光検出手段の出力を用いて、試験体Ｗの表面で互いに所
定の距離を隔てた２箇所Ａ，Ｂ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し、その算出された各
移動量から試験体の２箇所間の伸縮量を算出する伸び計
において、結像光学系および光検出手段を２組備え（例
えば集光レンズ２ａと１次元イメージセンサ３ａ、およ
び集光レンズ２ｂと１次元イメージセンサ３ｂ）、これ
ら各組によって上記２箇所Ａ，Ｂのスペックルパターン
を個別に検出するよう構成し、測定開始当初の初期値と
して用いられる上記２箇所Ａ，Ｂのスペックルパターン
の検出出力には、各組の光検出手段３ａ，３ｂの各チャ
ンネル出力のうち、それぞれの結像光学系２ａ，２ｂの
光軸中心近Ｌａ，Ｌｂ近傍のチャンネルの出力を用いる
ように構成したことによって特徴づけられる。

【０００９】

【作用】結像光学系を介して散乱光を受光するための光
検出手段に対して接近・離反する方向（以下、前後方向
と称する）への試験体の変位と、計測すべき伸縮方向
（以下、上下方向と称する）への光検出手段上での散乱
光の結像位置のずれとの関係は、図２に定性的に示す通
りである。

【００１０】図２は、試験体Ｗの前後方向への変位量ｘ
と、光検出手段Ｓへの結像位置の上下方向へのずれ量と
の関係の説明図であり、右側の模式図に示すように、固
定された結像光学系Ｆと光検出手段Ｓに対して、試験体
Ｗがｘだけ前方（光検出手段Ｓに接近する向き）に変位
したとき、光検出手段Ｓへの結像位置は、図の中央に光
検出手段Ｓの受光面を模式的に示すように、当初の結像
位置から、矢印でその向きと大きさを示すようにずれ
る。これをグラフ化すると左側のグラフの通りとなる。

【００１１】この図２から明らかなように、試験体Ｗが
前後いずれかに移動すると、散乱光の結像位置は結像光
学系Ｆの光軸上ではずれず、光軸から遠ざかるほどずれ
量が大となる。

【００１２】本発明はこの点を利用したもので、試験体
Ｗ上の２箇所Ａ，Ｂからのスペックルパターンを、２組
の結像光学系および光検出手段（２ａと３ａ，２ｂと３
ｂ）によって個別に検出し、しかも、その各組の結像光
学系２ａ，２ｂの光軸中心Ｌａ，Ｌｂ上に結像されたス
ペックルパターンを、それぞれ測定開始当初のＡ，Ｂか
らのスペックルパターンとして用いることで、前記した
材料試験開始当初において顕著に現れる試験体Ｗの前後
方向への変位に起因する、散乱光の結像位置の上下方向
へのずれの発生を抑制し、ひいては伸縮量の計測誤差を
抑制することができる。

【００１３】ここで、試験体Ｗ上の２箇所Ａ，Ｂは、伸
縮量を計測するための標点に対応するものであり、この
２つの標点Ａ，Ｂの位置は、本発明の構成において２つ
の結像光学系２ａ，２ｂの光軸中心Ｌａ，Ｌｂの位置で
決まる。任意の位置に２つの標点Ａ，Ｂを設定し、ある
いは標点間距離を任意に設定する必要のある場合におい
ては、試験体Ｗ上の２つの標点Ａ，Ｂとすべき位置にそ
れぞれ光軸中心Ｌａ，Ｌｂを合致させるべく、２組の結
像光学系および光検出手段の双方の組もしくは一方の組
を移動させるようにすればよい。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態の全体
構成の説明図で、光学系の模式図と電気的構成を表すブ
ロック図とを併記して示す図である。

【００１５】試験体Ｗは、例えば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
上下方向に引張荷重が与えられる。この例においては、
通常の材料試験機と同様に、上下の掴み具のうち、上方
の掴み具が上向きに変位が与えられ、下方の掴み具は固
定される。

【００１６】この試験体Ｗには、２つの照射光学系１
ａ，１ｂから、それぞれ、伸びの計測方向（上下方向）
に所定の長さにわたるレーザ光が照射される。各照射光
学系１ａ，１ｂは、それぞれ半導体レーザ１１ａ，１１
ｂとその出力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１２ａ，１２ｂによって構成さ
れており、この各照射光学系１ａ，１ｂによる試験体Ｗ
の表面上へのレーザ光照射領域は、鉛直の一直線上に沿
っている。

【００１７】各照射光学系１ａ，１ｂからの照射光の試
験体Ｗの表面による各散乱光に含まれるそれぞれのスペ
ックルパターンは、２組の結像光学系と光検出手段によ
って個別に検出される。すなわち、２つの照射光学系１
ａ，１ｂに対応して、２つの集光レンズ２ａ，２ｂと２
つの１次元イメージセンサ３ａ，３ｂが設けられてい
る。そして、一方の照射光学系１ａからの照射光の試験
体Ｗの表面による散乱光は、集光レンズ２ａによって一
方の１次元イメージセンサ３ａの受光面上に結像され、
また、他方の照射光学系１ｂからの照射光の試験体Ｗの
表面による散乱光は、集光レンズ２ｂによって他方の１
次元イメージセンサ３ｂの受光面上に結像される。な
お、各１次元イメージセンサ３ａ，３ｂは、それぞれ例
えば５０００個の画素が所定のピッチで計測すべき伸び
方向（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。

【００１８】一方の集光レンズ２ａと１次元イメージセ
ンサ３ａは、１つのカメラユニットとして１つのハウジ
ング４ａ内に一定の位置関係のもとに収容され、また、
他方の集光レンズ２ｂと１次元イメージセンサ３ｂにつ
いても、１つのカメラユニットとして１つのハウジング
４ｂ内に一定の位置関係のもとに収容されている。そし
て、一方のハウジング４ａと一方の照射光学系１ａは、
鉛直コラム等に沿って摺動自在の共通のステージ上に載
せられて一体的に上下動させることができ、また、他方
のハウジング４ｂと他方の照射光学系１ｂについても、
同様に共通のステージに載せられて、上記の一方のユニ
ット等とは独立的に上下動させることができるようにな
っている。

【００１９】そして、２つの１次元イメージセンサ３
ａ，３ｂの各チャンネルからの出力のうち、各センサ３
ａ，３ｂの受光面上において集光レンズ２ａ，２ｂの光
軸中心Ｌａ，Ｌｂを中点とした、それぞれ複数チャンネ
ル分（例えばそれぞれ２００チャンネル分）の出力が、
以下に示す演算部２３において用いる初期観測点データ
となる。この初期観察点データは、図中ＡおよびＢで示
す試験体Ｗの表面上での２つの標点からの散乱光データ
に対応し、この各標点Ａ，Ｂは、それぞれ結像光学系２
ａ，２ｂの光軸中心Ｌａ，Ｌｂ上に位置する。換言すれ
ば、試験体Ｗに対して２つの標点Ａ，Ｂを設定するに
は、所望する位置に結像光学系２ａ，２ｂの光軸中心Ｌ
ａ，Ｌｂが一致するよう、各カメラユニットのハウジン
グ４ａ，４ｂを上下動させればよい。

【００２０】各１次元イメージセンサ３ａ，３ｂの各チ
ャンネルからの出力は、それぞれ増幅器２０ａ，２０ｂ
で増幅された後、Ａ−Ｄ変換器２１ａ，２１ｂでデジタ
ル化され、メモリ２２内に格納される。メモリ２２に
は、それぞれの１次元イメージセンサ３ａ，３ｂ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、各イメージセンサ３ａ，３ｂの各チャンネルからの
データは、該当のアドレスに個別に格納される。このメ
モリ２２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２３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３ａ，３ｂからの次のデータの到来を
待つようになっている。

【００２１】演算部１３は、図において各機能ごとのブ
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。演算部２３内の２つの
移動量算出部２４ａ，２４ｂは、それぞれ前記したよう
に定められた２つの標点Ａ，Ｂに対応する、各１次元イ
メージセンサ３ａ，３ｂからの２つ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２
４ａ，２４ｂでは、当初に２つのカメラユニットのハウ
ジング４ａ，４ｂを移動させることによって設定された
２つの標点Ａ，Ｂからのスペックルパターンの移動量を
それぞれ算出しつつ、その移動量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に当初に設定された２つの標点Ａ，Ｂを追尾しな
がら、これら各標点Ａ，Ｂ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Ａ，Ｂの移動量を求めて
いく。

【００２２】各移動量算出部２４ａ，２４ｂにおける各
標点Ａ，Ｂの移動量の求め方をまとめると、各標点Ａ，
Ｂの移動量は、各点についての刻々のスペックルパター
ンの移動量の積算値と、その動作中において逐次行った
各点についてのチャンネルシフト量の合計値の１次元イ
メージセンサ３ａ，３ｂ上での距離換算量との和に、集
光レンズ２ａ，２ｂによる倍率を乗じることによって算
出することができる。

【００２３】伸縮量算出部２５は、以上のようにして移
動量算出部２４ａ，２４ｂによってそれぞれ算出された
２つの標点Ａ，Ｂについての移動量の差を算出し、その
値を標点間の伸びとして出力する。

【００２４】以上の本発明の実施の形態において、試験
開始前に各カメラユニットのハウジング４ａ，４ｂを適
宜に位置決めして２つの標点Ａ，Ｂを設定した後、試験
体Ｗに対して引張試験を開始すると、その試験開始当初
において試験体Ｗは前後方向に変位ないしは傾斜する。
しかし、この試験開始当初においては、各標点Ａ，Ｂは
各結像光学系２ａ，２ｂの光軸中心Ｌａ，Ｌｂ上に位置
し、その各標点Ａ，Ｂのスペックルパターンの移動量の
算出に供される観測点データは、各１次元イメージセン
サ３ａ，３ｂ上の光軸中心Ｌａ，Ｌｂを中心としたチャ
ンネル群からの出力であるため、図２に示したように、
試験体Ｗの前後方向への移動や傾斜による結像位置のず
れが殆どなく、従って、得られる伸びの算出値にはその
影響が含まれないことになる。ここで、試験の進行に伴
って各標点Ａ，Ｂが移動し、その移動に追随して各観測
点データとして用いるチャンネル群が結像光学系２ａ，
２ｂの光軸中心Ｌａ，Ｌｂから次第に遠ざかることにな
るが、試験体Ｗの前後方向への変位や傾斜は試験開始当
初において顕著に現れ、以後は殆ど現れない点、およ
び、試験が進行するにつれて試験体Ｗの伸びは一般に大
きくなり、伸びの量に対する誤差の割合が少なくなって
無視し得る程度なる点などにより、問題とはならない。

【００２５】なお、図１においては、集光レンズ２ａま
たは２ｂと１次元イメージセンサ３ａまたは３ｂからな
る各カメラユニットにおいて、１次元イメージセンサ３
ａ，３ｂの中心と集光レンズ２ａ，２ｂの光軸中心Ｌ
ａ，Ｌｂとを一致させた図を示したが、このような配置
によると、材料試験機による引張試験等のように試験体
Ｗの各標点Ａ，Ｂが一方向（図１の例では上方）にのみ
変位していく場合には、１次元イメージセンサ３ａ，３
ｂの各チャンネルのうち半分が利用されないことにな
る。そこで、このような使用に際しては、図３に例示す
るように、ハウジング４ａ（４ｂ）内において、集光レ
ンズ２ａ（２ｂ）の光軸中心Ｌａ（Ｌｂ）に対して、１
次元イメージセンサ３ａ（３ｂ）の配設位置を、試験の
進行に伴う各点からの散乱光の入射位置の移動の向きに
ずらす。このような配置により、各イメージセンサ３
ａ，３ｂのチャンネルを有効に利用することができる。

【００２６】また、各標点Ａ，Ｂの位置を設定すべく各
カメラユニットを収容したハウジング４ａ，４ｂを上下
動させるにあたり、図１のように各ハウジング４ａ，４
ｂを縦に一列に配置した場合、標点間距離の最小値はハ
ウジング４ａ，４ｂの上下方向寸法、実質的には各集光
レンズ２ａ，２ｂの直径で決まり、標点間距離をあまり
小さくすることができなくなる。そこで、図４に要部平
面図（Ａ）およびその正面図（Ｂ）を示すように、各カ
メラユニットを収容するハウジング４ａ，４ｂを、平面
視で見て互いにずれた角度で配置すると、標点間距離の
最小値は実質的に０にまで小さくすることができる。

【００２７】なお、２つの標点を常に一定の位置とする
ような測定にあっては、各カメラユニットを上下動させ
る機能は必要ではなく、このような使用に際しては、各
カメラユニットを固定してもよい。

【００２８】また、図１の例においては、各カメラユニ
ットごとに照射光学系１ａ，１ｂを設けて、これらを各
カメラユニットとともに上下動させる例を示したが、各
照射光学系１ａ，１ｂについては必ずしも移動させる必
要はない。ただし、この場合、各照射光学系１ａ，１ｂ
によって各カメラユニットの移動範囲内をカバーできる
ようなレーザ光照射領域を形成する必要がある。更に、
照射光学系を１つとして、その１つの照射光学系によっ
て各カメラユニットによる観測領域の双方をカバーでき
るような１本の長いレーザ光照射領域を形成してもよ
い。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
結像光学系と光検出手段を２組設け、その各組により試
験体表面の２箇所からの散乱光を個別に検出するととも
に、各光検出手段の出力のうち、それぞれの結像光学系
の光軸中心近傍のチャンネルの出力を測定開始当初の初
期観測点データとして用いるように構成したから、測定
開始当初において試験体が前後に変位または傾斜して
も、その変位または傾斜による散乱光結像位置の伸び計
測方向へずれを殆ど０に抑制することができ、特に材料
試験機による引張試験における伸びの測定時のように、
試験開始当初において顕著に現れる試験体の前後方向へ
の変位または傾斜に起因する、伸びの計測誤差を殆ど無
くすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の全体構成の説明図で、光
学系の模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記し
て示す図

【図２】試験体Ｗの前後方向への変位量ｘと、光検出手
段Ｓへの結像位置の上下方向へのずれ量との関係の説明
図

【図３】本発明の他の実施の形態の結像光学系２ａ（２
ｂ）と１次元イメージセンサ３ａ（３ｂ）の位置関係の
説明図

【図４】本発明の更に他の実施の形態における２組の結
像光学系と１次元イメージセンサの配置例を示す要部平
面図（Ａ）とその正面図（Ｂ）

【符号の説明】

１ａ，１ｂ 照射光学系 ２ａ，２ｂ 結像光学系（集光レンズ） ３ａ，３ｂ １次元イメージセンサ ４ａ，４ｂ ハウジング ２０ａ，２０ｂ 増幅器 ２１ａ，２１ｂ Ａ−Ｄ変換器 ２２ メモリ ２３ 演算部 ２４ａ，２４ｂ 移動量算出部 ２５ 伸縮量算出部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【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、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、結
   像光学系および光検出手段を２組備え、これら各組によ
   って上記２箇所のスペックルパターンを個別に検出する
   よう構成されているとともに、測定開始当初の初期値と
   して用いられる上記２箇所のスペックルパターンの検出
   出力には、上記各組の光検出手段の各チャンネル出力の
   うち、それぞれの結像光学系の光軸中心近傍のチャンネ
   ルの出力が用いられるよう構成されていることを特徴と
   する非接触伸び計。