JPS62150111A - レ−ザスペツクル歪計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、セラミックスやＣＦＲＰ等の新素材について
の強度実験における歪計測、タービン翼やエンジン等に
ついての強度実験における歪計測、ボイラや橋梁さらに
は船舶等の各種構造物における歪計測などに用いられる
レーザスペックル歪計測装置に関する。

〔従来の技術〕

第２図は従来のレーザスペックル歪計測装置の構成を示
す図である。第２図中、１は試験片であり、上端を固定
治具２により固定されている。３は上記試験片１の下端
に取付けられ上記試験片１に荷重をかけるための重９で
ある。４はコンビーータなどの演算器であり、後述する
イメージセンサ７，８の出力信号を受信し相互相関関数
を算出し、スペックル移動などを求めるものである。５
は入出力装置であり、演算器４の操作および演算結果の
表示などを行なう装置である。６はＨｅ−Ｎｅレーザな
どのレーザ光源であシ、発生したレーザ光線を試験片１
上の測定点に照射するものとなっている。７および８は
一対のイメージセンサであシ、上記測定点から反射する
レーザ反射光を受光して、その情報を含む電気信号を演
算器４に送信するものとなっている。

上記の装置は次のように作動する。先ず試験片１にＭＦ
）３を取付けない状態において、レーザ光源６から発生
したレーザ光線を試験片１の測定点に照射する。そうす
ると、レーザ光線は干渉性の良い光であるので、その反
射光にはスペックルと呼ばれる斑点模様が現れる。その
スペックルをイメージセンサ７．８で検出し、″電気信
号として演算器４に送信し、記憶させておく。

次に１上記試験片１におもり３を取付けて荷重をかけ、
歪を発生させる。この状態にて、レーザ光源６から発生
し九レーザ光線を上記測定点に照射する。そしてその反
射光をイメージセンサ７．８で受光してス４ツクルを検
出し、電気信号として演算器４に送信し、記憶させる。

第３図は試験片１に重シ３を取付けて荷重をかけたとき
の試験片１の変形とスペックルの関係を示す図であシ、
Ｍは物体面を示し、Ｎは観測面を示している。図示の座
標系に示すように、試験片１の変形によって生じるスペ
ックルのＸ方向の移動量Ａ工は、レーザ光線を測定点の
法線方向より照射すれば次式で与えられる。

ただし、上式中ａ□ａ２は測定点のＸ方向、２方向の変
位（並進）、〜はｙ軸まわシの回転、εＸＸはＸ方向の
歪、θ。は測定点法線とイメージセンサ７．８とのなす
角度、Ｌｏは測定点とイメージセンサ７．８との距離、
である。

上記二つのイメージセンサ７．８により検出されるスペ
ックルの移動の差ΔＡｘをとると、次のようになる。

ΔＡｘ−Ａｘ（θ。）　−Ａｘ（−００）＝　　−２Ｌ
　　　ｔ　　　　ｔａｎ　θ　　−２ｍ５ｉｎ　θ　　
　　　　　　・・・　（２）ｏｘｘｏ　　　　　　　ｚ
。

すなわち、２方向への並進＆２が十分に小さいときは、 ΔＡＸ＝＝−２Ｌ０εｘｘｔａｎθ。

となり、歪εＸＸは次の計算式で求められる。

したがって、演算器４においては、試験片１に荷重が加
わる前後の二つのイメージセンサ７゜８からの出力間の
相互相関関数のピーク位置を算出し、その二つのイメー
ジセンサ７．８の位イホでのスペックル移動Ａｘ（θ。

）及びＡＸ（−００）を求め、スペックル移動の差ΔＡ
ｘ＝Ａｘ（０゜）−Ａｘ（−〇。）を得たのち、第（３
）式により、歪εｘｘを算出する。

そして、その結果を入出力装置５にて表示する。

以上のように第２図示のレーザスペックル歪計測装置は
試験片１にストレングージや格子などを貼りつけること
なく、レーザ光線を照射することにより自然に発生する
スペックルを利用して、歪を非接触方式で計測可能な特
徴がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかるに前述のレーザスペックル歪計測装置は、第（２
）式及び第（３）式より明らかのように、ｌＬ２すなわ
ち面外変位が十分に小さい場合、例えば一様な引張り試
験片を用いての歪計測などには適用可能であるが、面外
変位ａ、を含む変形の場合には適用できないという問題
があった。

そこで本発明は面外変位ａ２を含んだ物体変形による歪
をも計測することができるレーザスペックル歪計測装置
を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明は上
記問題点を解決し目的を達成するために、次の如き手段
を講じ之ことを特徴としている。

（１）４個のスペックル検出器としての例えばイメージ
センサを、各イメージセンサと測定点法線とのなす角度
θ、各イメムノセンサと測定点との距離りが次のような
関係を有するように配置する。

第１のイメージセンサ・・・・・・θ＝θ　Ｌ　＝　Ｌ
０Ｉ 第２のイメージセンサ・・・・・・θ＝−θ　Ｌ＝Ｌ。

θ′ 第３のイメージセンサ・・・・・・θ＝θ。、　Ｌ＝Ｌ
ｏ＋Ａ０第４のイメージセンサ・・・・・・θ＝−θ。

、Ｌ＝Ｌｏ＋ｔ。

（２）　　上記第１．第２のイメージ七／すでそれぞれ
検出したスペックル移動ｆｆ１Ａｘ（θｏ）、Ａ工（−
〇。）から両者の差ΔＡｘを第（２）式と同様に求める
。すなわち ΔＡｘ＝ＡＸ（θ。）　−Ａｘ（−００）ニー　２　ｔ
ｘｘＬｏｔａｎθｏ　　２ａｚｓｉｎθ。−（４）さら
に、第３．第４のイメージセンサでそれぞれ検出したス
ペックル移動ｔＡ／ｘ（θ。）　ｌ　”Ｘ　（−〇。）
から両者の差ΔＡ′工を求める。

ΔＡ′工＝：　Ａ／ｘ（θ。）−Ａ’Ｘ（−〇。）＝−
２εｘｘ（”ｏ十ｔ。）　ｔａｎθｏ　　２　’　、５
Ｌｌｌθ。・（５）（３）上記第（４）式及び第（５）
式より、面外変位ａ２を次のように消去して歪を求める
。

ΔＡＸ−ΔＡ’、　＝　２１０εｘ、Ａａｎθ。−＜６
）したがって歪εｘｘは、 〔実施例〕 第１図は本発明の一実施例を示す図である。

なお第２図と同一部分には同一符号を付しである。

第１図において、１１〜１４は第１〜第４のスペックル
検出器としてのイメージ七／すであり、試験片ｌの測定
点から反射されるレーザ反射光を受光して、その強さの
分布すなわちスペックルを電気信号として演算器４に送
信するものとなっている。２１．２２は第１．第２０ビ
ームスプリツタであり、前記測定点からのレーザ反射光
の一部を反射して第１．第２のイメージセンサ１１，１
２へ入射させると共に、上記反射光の他の一部を透過し
て第３．第４のイメージセンサ１３，１４へ入射させる
。なお、第１、第２のイメージセンサ１１．１２と測定
点との距離はり。、第３．第４のイメージセンサ１３゜
１４と測定点との距離はＬ０＋ｔ０に設定されている。

上記の如く構成された本装置は、次のように作動する。

先ず試験片１に重り３を取付けない状態す々わち無負状
態において、レーザ光源６から発したレーザ光線を測定
点に対して法線方向から照射する。そうすると測定点か
らのレーザ反射光がビームスグリツタ２１．２２を介し
て第１〜第４のイメージセンサ１１〜２４に入射する。

このため第１〜第４のイメージ七／す１１〜１４におい
て、それぞれスペックルパターンが検出され、電気信号
として演算器４に送信される。送信された信号は演算器
４内のメモリ部に記憶される。

次に、上記試験片１に重り３を取付けて荷重をかけ、変
形させて歪を発生させる。この状態にてレーザ６から発
生したレーザ光線を上記測定点に照射させ、第１〜第４
のイメージセンサ１１〜１４でスペックルパターンを検
出し、検出した電気信号を演算器４に送信し記憶させる
。

演算器４は記憶された試験片Ｉの変形の前後における観
測点４ケ所でのスペックルパターンの相互相関関数を算
出し、そのピーク位置からスペックルの移動を求める。

すなわち、第１〜第４のイメージセンサＩＩ〜１４での
スペックルパターン強度分布を、変形が生じる前後にお
いて 第４のイメージセンサ・・・・・・・・・ｆ、、（Ｘ、
Ｙ）と　１１□（ｘ、ｙ）第２のイメージセンサ・・・
・・・・・・Ｉ　２　、（Ｘ、Ｙ）とＩ２□（ｘ、ｙ）
第３のイメージセンサ・・・・・・・・・ｌ５１（Ｘ、
Ｙ）　と　Ｉ、□（Ｘ、Ｙ）第４のイメー・ゾセンサ・
・・・・・・・・ｒ４．（ｘ、ｙ）とＩ４２（Ｘ、Ｙ）
とすると、それぞれの相互相関関数ｃ（ｘ、ｙ）は、ｃ
、（又、、Ｙｌ）＝＜Ｉｌ、　（Ｘ、Ｙ）　Ｉ　、　２
（Ｘ夜、　、ｙ＋ｙ、）　＞・・・（８） Ｃ２（Ｉ２．Ｉ２）＝〈Ｉ２．（Ｘ、Ｙ）工２□（ｘ＋
ｘ、、、ｙ十ｙ２＞　＞・・・（９） Ｃ３（Ｉ３．Ｉ３）＝＜Ｉ、（Ｘ、Ｙ）Ｉ、（Ｘ＋Ｘ、
、ｙ＋Ｙ、）＞・・・ａｏ Ｃ４（Ｉ４．Ｉ４）＝＝＜Ｉ４１（Ｘ、Ｙ）Ｉ４２（Ｘ
＋Ｘ４．Ｙ十Ｙ４）＞・・・α優 なわち、（又１．Ｙ１）　、（Ｘ２＋Ｙ２）　ｒ　（Ｘ
３Ｊ３）　、及び（Ｉ４．Ｉ４）はスペックルの移動量
を意味する。

し念がって、第３図に示すＸ方向のスペックルの移動量
は、上記４つのセンサ１１〜１４の場所にて、それぞれ
、 ＡＸ（０ｏ）　＝　ｘｌ−・・−・（１２ＡＸ（−θ。

）＝Ｘ２　　　　　　　　　　・・・・・・　（至）Ａ
／、　（ａｏ）＝ｘ３　　　　　　　　　　・・・・・
・　０４Ａ′！（−〇。）＝乙　　　　　　　　・・・
・・・　（１９となる。

次に演算器４は第（２）式と同様のスペックルの移動の
差ΔＡｘを、第１．第２のイメージセンサ１１．１２の
信号から求めた第（６）式と第（２）式に示されるスペ
ックル移動量を用いて、次式により算出する。

ΔＡｘ＝Ａｘ（ａｏ）−Ａｘ（−〇。）＝Ｘ１−Ｘ２　
　　　　　　　　　・・・・・・α０同様に第３．第４
のイメージセンサ１３．１４の信号から求めた第α◆式
と第（２）式に示されるスペックル移動量を用いて次式
により算出する。

ΔＡ／、　＝＝　Ａ／ｘ（ａｏ）−Ａ／、（−〇。）＝
ｘ３−ｘ４　　　　　　　　　　・・・・・・的上記第
（１１式、第６９式と第（２）式から次の二つの関係式
が得られる。

ΔＡｘｚＸ１−Ｘ２＝−２ＬＯＩ！Ｘｘｔａｎθ。−２
ａ、ｓｉｎθ。

・・・・・・ａ→ ΔＡ／、　＝＝又、−又、＝＝　−２（Ｌｏ十ｔ０）ε
ｚｘｔａＩＩｆｔ。−２ａ２ｓｉｎθ。

・・・・・・　α陽 そこで演算器４において ΔＡｘ−ΔＡ’、　：　（Ｘ、−Ｉ２）　−（Ｉ３−Ｉ
４）＝２ｔ０εｘｘｔａＩｌθ。　　　　　　・・・・
・・　（イ）すなわち、 なる演算を行なう。ただし、θ。は測定点の法線とイメ
ージセンサのなす角度、ｔｏは測定点と第１のイメージ
センサ１１の距離、及び測定点と第２のイメージセンサ
１２の距離の差である。このようにして得られた歪εｘ
ｘの値は入出力装置５に表示される。

以上述べた如く、本装置によれば面外変位ａ、Ｌの影響
を受けないで、歪εｘｘを計測できる。

なお本発明は上記実施例に限定されるものではない。

たとえば上記実施例ではスペックルの移動検＃測定する
ようにしてもよい。このほか本発明の要旨を逸脱しない
範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来のレーザスペックル歪計測法が適
用できなかった面外変位を含んだ物体変形による歪をも
計測することができ、適用範囲が広〈産業上の利用価値
の高いレーザスペックル歪計測装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示す図である。第２
図は従来例の構成を示す図、第３図は解決すべき問題点
を説明するための図で試験片の変形とスペックルとの関
係を示す図である。 １・・・試験片、２・・・固定治具、３・・・重り、４
・・・演算器（コンピュータ）、５・・・入出力装置夕
、６・・・レーザ光源、７．８および１１〜１４・・・
イメ−シセンサ、２１．２２・・・ビームスプリッタ。 出願人復代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 物体の表面にレーザ光線を照射するレーザ光源と、この
   レーザ光源から発したレーザ光線を軸として線対称な二
   方向に反射した反射光の各光路上であって反射点からの
   距離が等しい二点にそれぞれ配置された第１、第２のス
   ペックル検出器と、前記反射光の各光路上であって前記
   第１、第２のスペックル検出器とは異なる位置でかつ前
   記反射点からの距離が等しい二点にそれぞれ配置された
   第３、第４のスペックル検出器と、前記第１、第２のス
   ペックル検出器でそれぞれ検出されたスペックル模様の
   移動量の差と前記第３、第４のスペックル検出器でそれ
   ぞれ検出されたスペックル模様の移動の差および前記二
   つの反射光の反射角度差に基いて前記物体に生じた歪の
   変化を算出する演算器と、を備え、前記物体の面外変位
   を消去して歪を求めるようにしたことを特徴とするレー
   ザスペックル歪計測装置。