JPH1038530A - レーザ非接触歪み計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 二光束干渉法により得られる干渉縞パターン
を高速度で解析して、引張試験時における試験片の伸び
等をリアルタイムで高精度に測定することのできるレー
ザ非接触歪み計を提供する。 【解決手段】 二光束干渉法に基づいて得られた干渉縞
パターンデータの自己相関関数を演算して干渉縞の周期
を求めることで、引張試験時における試験片の伸び等、
観察領域中での歪みの平均値ないしは総量を、高速度の
データ処理に基づくリアルタイム処理によって連続的に
高精度に測定することを可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はスペックル干渉法を
用いて被測定試料の面内歪みを非接触のもとに計測する
歪み計に関し、特に材料試験機等における試料の伸び等
をリアルタイムで連続的に計測するのに適したレーザ非
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、二光束干渉法を利用した電
子式スペックル干渉法が知られている。

【０００３】この方法では、レーザビームをハーフミラ
ー等によって２つの光路に分岐させた後に、図４に例示
するように、被測定試料Ｗの表面に対して歪みの計測方
向に所定の角度θ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Ｗの表面による散乱光
を、イメージセンサ等の光検出手段Ｓによって画像化す
る。このようにして得られる画像データについて、図５
（Ａ）および（Ｂ）に模式的に示すような、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変化するこ
とに起因して、加減算後の画像には、同図（Ｃ）に示す
ような干渉縞が生じる。この干渉縞の１周期に相当する
歪み量は、λをレーザ波長とすると、λ／2sinθで表さ
れる。従って、上記のようにして得られた干渉縞の位相
を求めることによって、被測定試料の歪み分布を求める
ことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上のような二光束干
渉法に基づく電子式スペックル干渉法は、被測定試料の
面内歪みの分布を高精度に測定することができ、従来、
例えば物体の欠陥などによる微小な変形の可視化等、任
意の変形を測定できるようにするため歪みの空間分布を
正確に求めることのできる方法として利用されている。
しかし、この方法を例えば引張試験における試験片の標
点間の伸びの測定等、材料試験機に装着するための歪み
計に利用しようとしたとき、以下に示す問題が生じる。

【０００５】すなわち、単に変形前後の画像を加減算し
て得られる干渉縞は、そのパターンのＳＮが一般に良好
でなく、正確な解析ができない。目によって縞の数が数
えられれば、実験装置等としてはそれで足りるが、上記
のように材料試験機に適用するような場合には、計算機
によって何らかのアルゴリズムのもとに連続的に処理す
る必要がある。

【０００６】また、この二光束干渉法に基づく歪み測定
においては、歪みが大きくなれば縞の間隔が細かくなっ
て縞の計数が不可能となる関係上、実用的にはイメージ
センサ等の光検出手段による視野内での縞の数が十数本
程度で歪み量の測定限界に達する。材料試験機による引
張試験時における試験片の標点間の伸び等を測定する場
合には、より大きな歪みを連続的にリアルタイムで測定
することが要求され、そのため、例えば経時的にＡ，
Ｂ，Ｃ，Ｄと連続的に得られる画像から、Ａ，Ｂ間、
Ｂ，Ｃ間、Ｃ，Ｄ間に発生した歪みをそれぞれに縞の解
析から個々に求め、それらの合計からＡ，Ｄ間における
歪みを求めるといった手法が要求される。このような場
合、それぞれの縞の解析の時点において縞の数を小数点
以下の精度で求めておかなければ、誤差が累積する恐れ
がある。

【０００７】以上のことから、干渉縞パターンを平滑化
処理してから、直接的にそのパターンのピークの数を数
えるようなアルゴリズムを採用した場合には、ノイズの
影響を受けやすく、縞の数を小数点以下の精度で求めよ
うとした場合にはそのノイズの影響は深刻な問題とな
る。

【０００８】信号処理装置に能力がある場合、縞の解析
にフーリエ変換を用いるフーリエ変換法が知られてい
る。この方法は、干渉縞パターンのデータをフーリエ変
換し、縞の周期成分をフィルタ処理した後、逆変換によ
って位相成分を求める方法である。この方法では、周期
が視野の全領域（例えば２つの標点間の距離）の整数分
の一でない場合、フーリエ変換においては与えられたデ
ータが無限に連続すると仮定しているが故に、データの
端での不連続の成分に起因して、縞の周期を小数点以下
の精度で正確に求めることはできない。よってこの方法
は、引張試験時における試験片の２標点間の伸び等、比
較的大きな歪みを連続的に測定する用途には向かない。
また、一般の計測分野においても、処理速度の点からこ
のようなフーリエ変換処理をリアルタイム処理に応用さ
れた例はなく、材料試験における試験片の伸びの計測等
のリアルタイム処理が要求されるような用途に適用する
には不適当である。

【０００９】また、これ以外の方法でも、干渉縞パター
ンデータを取り込んだ後で、時間をかけて処理を行えば
種々の手法によって縞の周期を解析することが可能であ
ろうが、材料試験機における伸びの測定等への実際の応
用ではリアルタイム処理が重要であり、そのような事後
処理による解析手法は採用することはできない。

【００１０】一方、二光束干渉法におけるデータのＳ／
Ｎを上げる方法として、位相シフト法が提案されてい
る。この方法は、被測定試料が変形していない状態で２
つ以上の異なった位相の参照光のパスをもって、異なる
位相の参照データを設ける方法である。具体的には、レ
ーザビームを２つの光路に分岐した後に、図４に示した
ように角度θをもって照射される２本のレーザビームの
うち、一方のレーザビームを試料Ｗに導くべく配置され
たミラー等をピエゾ素子等で移動させ、２つの光路のう
ちの一方に位相差を与えて、２種以上の画像を参照デー
タとして取り込む。しかし、この方法では、引張試験中
の試験片のように時々刻々と変形している試料に対して
は、位相を変えて異なる参照データを採取する処理が追
いつかないので、参照データを更新せずに測定できる歪
みの範囲を越えて、連続してリアルタイムで処理を行う
ことは困難であり、結局、引張試験時等における試験片
の伸びの測定に供することは実質的に不可能である。

【００１１】本発明の目的は、面内歪みを高精度のもと
に計測し得る二光束干渉法により得られる干渉縞パター
ンを、従来のこの種の方法における解析手法に比してよ
り高速度で解析して、被測定試料の所定の領域内におけ
る平均の歪みをリアルタイムで高精度のもとに計測する
ことができ、もって材料試験機に装着して引張試験時に
おける試験片の伸び等を測定するのに適した二光束干渉
法に基づくレーザ非接触歪み計を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明のレーザ非接触歪み計は、レーザビームを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重ねて照射する照
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入力し、互いに異なる
時点で得られた２つのスペックルパターンデータによっ
て形成される干渉縞パターンデータの縞の周期から試料
の歪みを算出する演算装置を備えるとともに、その演算
装置は、上記干渉縞パターンデータの自己相関関数を演
算する自己相関演算手段を含み、その自己相関関数を用
いて縞の周期を求めることによって特徴づけられる。

【００１３】本発明は、例えば引張試験時における試験
片の標点間の伸びは、特に高精度の測定が要求される材
料の弾性領域において試験片は標点間でほぼ均一に変形
すること、および、一定の周期成分を持つデータの自己
相関関数は、その周期成分の１周期に対応するところに
ピーク値が現れること、更に、自己相関関数は同じデー
タをフーリエ変換する場合に比して大幅に短時間のもと
に算出可能であることを利用したものである。

【００１４】すなわち、以上の本発明の構成において、
干渉縞パターンデータを得るまでの構成は、二光束干渉
法を用いた公知の電子式スペックル干渉法と同等である
が、本発明においては、得られた干渉縞パターンデータ
の自己相関関数を算出する。前記したように、材料試験
機に装着する歪み計にあっては、引張試験時における試
験片の標点間の伸びに代表されるように、対象領域内に
おける試料の変形がほぼ一様であるため、上記のように
して得られる干渉縞パターンデータでは、その縞の周期
はほぼ一様となる。従ってその自己相関関数には、縞の
周期の１周期に対応するところにピーク値が現れ、その
ピークの位置を求めることによって干渉縞パターンの縞
の周期、ひいては対象領域内の平均的な歪みを求めるこ
とができる。そして、自己相関関数は比較的単純なアル
ゴリズムのもとに算出可能であるから、干渉縞パターン
データを採取するごとに、そのデータの自己相関関数を
算出して平均的な歪みを求めていくことで、リアルタイ
ムで連続的に試料の歪みを得ることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態の全体
構成図で、光学系の構成を示す模式図と、電気的構成示
すブロック図とを併記して示す図である。

【００１６】被測定試料Ｗは、その両端が例えば材料試
験機の２つの掴み具に把持され、図中上下方向への引張
負荷が付与され、これによって試料Ｗはその方向に伸び
る。このような試料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２次元イメージセンサを
撮像素子とするカメラ２によって測定される。

【００１７】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、その各ビームはそれぞれミラー１４，１５によって
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Ｗの表面上に図中上下方向、つまり伸びの計測方向に
互いに同じ角度θを以て重なり合うように照射される。

【００１８】カメラ２は、例えば１２８×１２８チャン
ネルのＣＣＤ２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によって構成されている。

【００１９】イメージセンサ２１の出力は、増幅器３１
で増幅された後、Ａ−Ｄ変換器３２によってデジタル化
され、スペックルパターンの２次元画像データとして一
定の周期で刻々とメモリ３３に格納される。このメモリ
３３に格納されたデータは、以下に示す演算装置４０に
よる演算に供される。

【００２０】演算装置４０は、干渉縞パターンデータ形
成部４１と、自己相関関数演算部４２、ピーク位置算出
部４３、および伸び算出部４４によって構成され、メモ
リ３３内に格納された画像データから試料Ｗの伸びを刻
々と算出して出力する。なお、この演算装置４０は、図
１においては各機能別にブロック図で示しているが、実
際にはＣＰＵないしはＤＳＰを主体としてその周辺機器
からなるハードウエアと、以下に示す各機能を達成する
ためのソフトウエアによって構成されている。

【００２１】干渉縞パターンデータ形成部４１では、メ
モリ３３に刻々と格納される画像データを用いて、互い
に異なる時点における２つの画像データを相互に減算な
いしは加算することによって、図２（Ａ）に例示するよ
うな干渉縞パターンを表す２次元の濃淡データを得ると
ともに、そのパターンを試料Ｗの伸びと直交する方向に
加算することにより、同図（Ｂ）にグラフで例示するよ
うな縞の濃淡データを得る。そして、濃淡データをスム
ージング処理を行うことによって、同図（Ｃ）に同じく
グラフで例示するような干渉縞パターンデータを得る。
この図２（Ｃ）のグラフは、横軸が試料Ｗの伸び方向へ
のイメージセンサ２１の画素位置ｘ、縦軸が強度プロフ
ァイルＰ（ｘ）を示している。ここで、図１のように試
料Ｗの両端を把持して引張荷重を与え、その中間にレー
ザ光の照射領域を設けた場合、その照射領域内で試料Ｗ
はほぼ均一に伸びるため、以上のようにして得られた干
渉縞パターンデータは、縞の周期がほぼ一様となる。

【００２２】自己相関関数演算部４２は、以上のように
して得られた干渉縞パターンデータの自己相関関数Ａ
ｃ、すなわち、

【００２３】

【数１】

【００２４】を算出し、ピーク位置算出部４３に供給す
る。ここで、ｄはｘ方向への画素ピッチ相当距離を表
す。図３は図２（Ｃ）のデータの実際の自己相関関数Ａ
ｃを表すグラフであり、ピーク位置算出部４３では、そ
の自己相関関数Ａｃにおけるｄ＝０の位置に続いて現れ
る最初のピークＡｃｐを検索し、その位置ｄｐを求め
る。このピーク位置ｄｐは、図２（Ｃ）に示した元の干
渉縞パターンデータをｘ方向にｄずつずらしていったと
きに、そのずらしたデータと元のデータとの相関が最初
に最大となる位置であるから、干渉縞パターンデータに
おける縞（周期成分）の１周期の間隔を表すことにな
る。

【００２５】以上のようにして得られたピーク位置ｄｐ
は、次段の伸び算出部４４によって試料Ｗの伸びに換算
される。すなわち、図３の例ではピーク位置ｄｐはｄ＝
２２、つまりｘ方向に２２番目の画素の位置においてピ
ークが生じており、２次元イメージセンサ２１の伸びの
計測方向への画素数が前記のように１２８であれば、そ
の視野内に５．８本の縞が生じていることになる。一
方、干渉縞の１周期当たりの歪み量、換言すれば縞１本
当たりにの歪み量（伸び量）は、前記したようにλ／2s
inθで表され、レーザ光の波長をλ＝０．７μｍとし、
θを４５°とすると、縞１本当たりの伸び量は０．５μ
ｍとなる。伸び算出部４４においては、ピーク位置ｄｐ
から視野中における縞の数を上記のようにして求めると
ともに、その縞の数と縞１本当たりの伸び量から、５．
８本×０．５μｍ／本＝２．９μｍの演算によって視野
中の伸びを２．９μｍと算出する。イメージセンサ２１
による試料Ｗのｘ方向への視野が２５ｍｍであるとする
と、２５ｍｍ当たりに２．９μｍだけ試料Ｗがｘ方向に
伸びていることが判る。

【００２６】演算装置４０の各部は、１つの画像データ
を採取するごとに、その採取データと、それよりも以前
のある時点で採取されて参照データとしてメモリ３３内
に保存されている画像データとの組み合わせにより、上
記した一連の処理を行う。参照データは、伸びが一定値
を越えるごとにそれよりも以後に採取された画像データ
によって適宜に更新され、これにより、視野内の干渉縞
の周期が読み取り限度を越えて細かくなることに起因す
る歪みの測定限界を実質的に無くし、大きな伸びでも連
続的に測定することが可能となる。このとき、伸び算出
部４４では、参照データを更新するごとに、一つの参照
データを基準として刻々と採取される画像データとの間
で形成される干渉縞パターンデータを基に算出した伸び
の値を加算していく。その加算値は引張負荷開始時点か
らの試料Ｗの伸びを表すことになる。

【００２７】なお、以上の実施の形態では、自己相関関
数のピーク位置情報を、イメージセンサ２１の画素ピッ
チｄの分解能で求めたが、補間演算によってピーク位置
をより細かい分解能で求めることも可能である。

【００２８】また、自己相関関数Ａｃの演算は、（１）
式におけるｄの値をｘ方向への全画素分に対応させて行
う必要はなく、ピーク位置ｄｐが得られた時点で、それ
以降の演算を中止してもよいことは勿論である。また、
自己相関関数Ａｃを用いて縞の周期を求めるに当たり、
上記の実施の形態のように最初の山のピーク位置ｄｐに
代えて、最初の谷のピーク（底）位置を求めて、縞の１
／２周期を知ってもよく、この場合、演算処理時間の短
縮に繋がる。

【００２９】更に、自己相関関数Ａｃの演算は、ｄ＝０
から行うのではなく、ピーク位置（山または谷のピーク
位置、以下同）の推定に基づいて決定された所定の範囲
内とすることができる。すなわち、演算装置４０では、
１つの画像データを採取するごとに、参照データとの間
で形成される干渉縞パターンデータの自己相関関数のピ
ーク位置を刻々と算出しており、また、引張試験時にお
ける試験片の伸びの測定等にあってはその伸びの変化速
度は極めて急激に変わることはなく、従って、自己相関
関数Ａｃのピーク位置はそれまでの推移にほぼ従って推
移すると見なせる。よって１つの画像データを採取して
得られた干渉縞パターンデータの自己相関関数の演算に
当たって、その時点までのピーク位置の変遷から今回の
自己相関関数のピーク位置を推定することができ、その
推定位置を中心とした所定の範囲内のｄの値について自
己相関関数を算出することで、その範囲内からピーク位
置を検索することが可能となり、この場合にも演算処理
時間の短縮に繋がる。

【００３０】更にまた、以上の実施の形態では、引張試
験時における試験片の伸びの計測に本発明を適用した例
を示したが、本発明はこれに限定されることなく、試料
の特定領域中における伸びや縮み等の平均値や、同領域
中での伸びや縮みの総量を測定するような歪み計に対し
て広く適用し得ることは言うまでもない。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、二光束
法に基づいて得られる干渉縞パターンデータの自己相関
関数を求めて、そのピーク位置から干渉縞の周期を求め
るから、Ｓ／Ｎの悪い干渉縞パターンデータであって
も、従来のフーリエ変換法に比して極めて短い処理時間
のもとに、観察領域内での平均的な歪みを高精度に測定
することができ、特に引張試験時における試験片の伸び
のように、一定の領域内での歪みをリアルタイムで測定
するような用途でも、十分に二光束法に基づく測定が可
能となった。また、本発明は、干渉縞パターンデータの
採取においては、位相シフト法のように光学系に特に複
雑な構造が要求されることがないので、システムの応答
速度が速く、連続的な歪みのリアルタイム測定が可能と
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図で、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

【図２】本発明の実施の形態の干渉縞パターンデータ形
成部４１により得られるデータの説明図で、（Ａ）は２
つの画像データから得られる２次元の濃淡情報の説明
図、（Ｂ）はその濃淡情報から得られる干渉縞の濃淡デ
ータの例を示すグラフ、（Ｃ）はその濃淡データをスム
ージングして得られる干渉縞パターンデータの例を示す
グラフ

【図３】本発明の実施の形態の自己相関関数演算部４２
により得られる自己相関関数の例を示すグラフ

【図４】二光束干渉法を利用した公知の電子式スペック
ル干渉法におけるデータ採取手法の説明図

【図５】図４の電子式スペックル干渉法で得られる２つ
の画像データを用いて形成される干渉縞パターンの模式
的説明図

【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 ２次元イメージセンサ ２２ 結像光学系 ３３ メモリ ４０ 演算装置 ４１ 干渉縞パターンデータ形成部 ４２ 自己相関関数演算部 ４３ ピーク位置算出部 ４４ 伸び算出部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザビームを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
   角度を持たせて重ね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
   らの出力を入力し、互いに異なる時点で得られた２つの
   スペックルパターンデータによって形成される干渉縞パ
   ターンデータの縞の周期から試料の歪みを算出する演算
   装置を備えた歪み計であって、その演算装置は、上記干
   渉縞パターンデータの自己相関関数を演算する自己相関
   演算手段を含み、その自己相関関数を用いて縞の周期を
   求めることを特徴とするレーザ非接触歪み計。