JPWO2011065175A1 - 応力計測装置及び応力計測方法 - Google Patents

応力計測装置及び応力計測方法 Download PDF

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Abstract

ラピッドプロトタイピング（ＲＰ）を用いた３次元応力を計測する際に、複雑な形状を持つＲＰモデルを用いた場合でも、高精度に３次元応力の経時変化を計測することができる応力計測装置及び応力計測方法を提供する。応力計測装置（１００）は、光が照射されるＲＰモデル（２１）の内部に分散された複数の粒子のそれぞれについて画像処理してＲＰモデル（２１）の内部におけるそれぞれの移動方向及び移動量を算出し、それらの算出結果を用いてＲＰモデル（２１）の内部に生じる３次元応力を計測する。応力計測装置（１００）は、ＲＰモデル（２１）の屈折率に整合する屈折率を持つ屈折率整合液（２２）の中にＲＰモデル（２１）を浸しながら保持する保持部（２０）と、保持部（２０）に保持されているＲＰモデル（２１）に荷重を印加する荷重印加機構（３１）及び荷重印加機構（３２）とを備えている。

Description

本発明は、製品の３次元応力を計測するための応力計測装置及び応力計測方法に係り、特に、ラピッドプロトタイピング（Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ）を用いた応力計測装置及び応力計測方法に関する。
従来、製品の設計検証として、３次元ＣＡＤ及びラピッドプロトタイピング（以下、「ＲＰ」と略す場合もある。）を利用した設計検証が挙げられる。ここで、「３次元ＣＡＤ」は、３次元座標を入力して立体的なモデルを構築するツールのことをいう。「ＲＰ」は、設計形状を有する製品の試作品を速やかに造形する技術のことをいう。
一般に、自動車などの車体の内部に配置される部品を設計する際には、車体に部品が収まるかどうかだけでなく、自動車の衝突安全試験として、衝突時における車体や各部品などのひずみ解析も事前に設計段階で検証する必要がある。
そこで、このような自動車などの製品の設計には、一般に、ＣＡＤが使用されている。特に、最近の３次元ＣＡＤの普及により、設計者は３次元像をコンピュータ画面上で確認できるので作業性は向上し、また、最近のＲＰの普及により、設計者は、現実の部品を使用して試作品を作成することなく、はるかに短時間で対象物の形状を有する３次元モデルを作成することができる。このため、設計検証の利便性と正確性は格段に向上した。
ＲＰによって造形された試作品（以下、単に、「ＲＰモデル」と呼ぶ場合もある。）を作成するためのＲＰ装置の一例としては、例えば、３次元ＣＡＤデータに基づいて液体樹脂などをレーザ光や紫外線で硬化する光造形装置が既に知られている。
ところで、このようなＲＰモデルを用いて、上述したような、衝突時における車体や各部品などのひずみ解析といった、製品の３次元応力を計測する場合において、公知の光弾性法を利用する手法が提案されている（例えば、非特許文献１を参照。）。
光弾性法は、応力解析における有効な手法の１つである。ＲＰモデルに外力を加えて、そのＲＰモデルの内部に生じる応力の場の状態を計測することができる。
この方法では、外力の印加により複屈折を起こす性質を持つ光弾性材料を用いてＲＰモデルを形成する。そして、そのＲＰモデルに所定の荷重を加えながら、一定時間、且つ、一定温度の下、放置する（この工程を「プロセス１」と呼ぶ。）。
次に、そのＲＰモデルを複数の板状の層に切断し、各層における応力場を公知の光弾性計測装置を用いて計測する（この工程を「プロセス２」と呼ぶ。）。
最後に、各層における２次元応力場を今度は弾性力学の支配方程式に代入することによって、そのＲＰモデルの内部における応力場を３次元的に得ることができる。
しかしながら、上記の手法では、荷重と共に刻々と変わっていく応力場の変化を計測しようとした場合、所定の時間経過ごとに、上述したような、プロセス１とプロセス２とを何度も繰り返さなければならない。
すなわち、上記の手法には、製品の３次元応力場の経時的変化を計測するためには莫大な時間と人手による手間がかかってしまうといった課題があった。
この課題は、製品開発の高速化を図る上で致命的な欠陥となる。
一方、接着剤に多数の粒子を混入し、それら粒子の動きを検出して、接着剤の硬化収縮による流動を可視化する。そして、接着剤の硬化状態の検出や、接着剤の硬化を狙った位置に対するエネルギー照射の位置決めをするなどして、接着の品質を向上させる。そうすることにより、接着剤と被着体との界面での接着破壊の抑制、接着剤の硬化収縮による残留応力の低減、被着体上における接着剤の硬化を狙う位置決めの精度の向上、及び接着剤の経時変化の低減を可能とする接着方法及び接着装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
この接着方法及び接着装置では、接着剤に混入されている検出対象の粒子または領域に焦点を合わせた対物レンズにより、粒子または領域の画像を２次元ＣＣＤカメラにより撮像する。時系列で複数回撮像して複数画像を取得することによって、粒子の時間的な位置変化を画像として捉える。
そうすることにより、接着剤硬化による残留応力の経時変化を高速に検出することができる。
しかしながら、上記の接着方法及び接着装置では、被計測対象物である接着剤とその周囲の雰囲気ガス（通常、空気）との間に屈折率の違いが生じてしまう。
このため、接着剤からの散乱光が、接着剤から周囲の雰囲気ガスへ進入する際、それらの界面における接着剤と周囲の雰囲気ガスとの間の屈折率の違いにより屈折し、その結果、２次元ＣＣＤカメラがその散乱光を正確に撮像することができないといった課題があった。
この課題は、特に、被計測対象物が複雑な形状を持つ場合、それらの界面における被計測対象物とその周囲との屈折率の違いによる散乱光の屈折が重畳するため、２次元ＣＣＤカメラによる撮像の精度を大きく低下させてしまう。
日本国公開特許公報「特開２００５−３５０５２４号公報（２００５年１２月２２日公開）」
Robertson, K.: Photoelastic stress analysis, John Wiler & Sons, (1977), 362-367.
上記課題に鑑み、本発明の目的は、ラピッドプロトタイピング（ＲＰ）を用いた３次元応力を計測する際に、複雑な形状を持つＲＰモデルを用いた場合でも、高精度に３次元応力の経時変化を計測することができる応力計測装置及び応力計測方法を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明に係る応力計測装置は、光が照射される光透過性部材の内部に分散された複数の粒子のそれぞれについて画像処理して前記光透過性部材の内部におけるそれぞれの移動方向及び移動量を算出し、それらの算出結果を用いて前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測する応力計測装置において、前記光透過性部材の屈折率に整合する屈折率を持つ屈折率整合液の中に、前記光透過性部材を浸しながら保持する保持部と、前記保持部に保持されている前記光透過性部材に荷重を印加する荷重印加機構とを備えている。
ここで、「荷重印加機構」が光透過性部材に荷重を印加することで、光透過性部材に圧縮応力、せん断応力、曲げ応力といった各種の応力分布が実現される。
上記の応力計測装置では、応力計測対象である光透過性部材を、その屈折率と整合する屈折率を有する屈折率整合液に浸しながら、その光透過性部材に荷重を印加することができる。
このため、光透過性部材と屈折率整合液との界面における光の屈折を抑えながら、荷重が印加されている光透過性部材の３次元応力を計測することができるので、光透過性部材の３次元応力の経時変化を高精度に計測することができる。
本発明に係る応力計測方法は、光が照射される光透過性部材の内部に分散された複数の粒子のそれぞれについて画像処理して前記光透過性部材の内部におけるそれぞれの移動方向及び移動量を算出し、それらの算出結果を用いて前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測する応力計測方法において、前記光透過性部材の屈折率に整合する屈折率を持つ屈折率整合液の中に、前記光透過性部材を浸しながら保持し、前記屈折率整合液の中に浸されている前記光透過性部材に荷重を印加しつつ、前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力の経時変化を計測する。
上記の応力計測方法では、応力計測対象である光透過性部材を、その屈折率と整合する屈折率を有する屈折率整合液に浸しながら、その光透過性部材に荷重を印加することができる。
このため、光透過性部材と屈折率整合液との界面における光の屈折を抑えながら、荷重が印加されている光透過性部材の３次元応力を計測することができるので、光透過性部材の３次元応力の経時変化を高精度に計測することができる。
本発明の応力計測装置は、以上のように、光が照射される光透過性部材の内部に分散された複数の粒子のそれぞれについて画像処理して前記光透過性部材の内部におけるそれぞれの移動方向及び移動量を算出し、それらの算出結果を用いて前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測する応力計測装置において、前記光透過性部材の屈折率に整合する屈折率を持つ屈折率整合液の中に、前記光透過性部材を浸しながら保持する保持部と、前記保持部に保持されている前記光透過性部材に荷重を印加する荷重印加機構とを備えている。
本発明に係る応力計測方法は、以上のように、光が照射される光透過性部材の内部に分散された複数の粒子のそれぞれについて画像処理して前記光透過性部材の内部におけるそれぞれの移動方向及び移動量を算出し、それらの算出結果を用いて前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測する応力計測方法において、前記光透過性部材の屈折率に整合する屈折率を持つ屈折率整合液の中に、前記光透過性部材を浸しながら保持し、前記屈折率整合液の中に浸されている前記光透過性部材に荷重を印加しつつ、前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力の経時変化を計測する。
それゆえ、ラピッドプロトタイピング（ＲＰ）を用いた３次元応力を計測する際に、複雑な形状を持つＲＰモデルを用いた場合でも、高精度に３次元応力の経時変化を計測することができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る応力計測装置の概略構成図である。 上記の応力計測装置に用いられるＲＰモデル及び屈折率整合液を説明するための概念図である。 上記のＲＰモデルの具体例を示す断面図である。 上記の応力計測装置が備えている画像処理装置によるデジタルホログラフィ画像の記録及びその再生を説明するための概念図である。 上記の画像処理装置によるデジタルホログラフィ画像の記録から３次元応力場を導出するまでの処理について説明するための概念図である（その１）。 上記の画像処理装置によるデジタルホログラフィ画像の記録から３次元応力場を導出するまでの処理について説明するための概念図である（その２）。 本発明の他の実施形態に係る応力計測装置の概略構成図である。 上記の応力計測装置に用いられるＲＰモデル及び撹拌液を説明するための概念図である。 上記のＲＰモデルの具体例を示す断面図である。 上記のＲＰモデル内に分散されたトレーサ粒子の画像データを表わす図である。 上記の撹拌液から出射された撹拌液参照光及び撹拌液物体光を上記の画像処理装置が撮影した画像データを表わす図である。 上記のＲＰモデルから出射されたＲＰモデル参照光及びＲＰモデル物体光を上記の画像処理装置が撮影した画像データを表わす図である。 粒子マスク相関法に用いられるテンプレートを説明するためのグラフである。 図８及び図９中Ｃで示す領域をｙ方向から見た画像データ及びｚ方向から見た画像データを表わす図である。
〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について図１〜図６に基づいて説明すれば、以下の通りである。
（応力計測の原理）
本発明の一実施形態に係る応力計測装置は、３次元ＣＡＤ及びＲＰ技術によって造形されたＲＰモデルを用いてＲＰモデルの内部の応力場を計測するものである。特に、本発明の一実施形態に係る応力計測装置は、ＲＰモデルに荷重を印加しながら、ＲＰモデルの内部に生じる応力場の経時変化を計測することができるものである。
なお、３次元ＣＡＤは、対象物の３次元モデルを形成する汎用のＣＡＤである。３次元ＣＡＤが形成する３次元モデルは、ソリッドモデルとしての対象物の外形輪郭を忠実に再現することができる。このようなＣＡＤには、その名称の如何に関わらず、当業界で周知のいかなる技術も適用することができる。
また、ＲＰ技術は、入力されたデータに対応する対象物の外形形状を有するＲＰモデルを速やかに造形する技術である。ＲＰ技術は、例えば、液体樹脂をレーザ光や紫外線で硬化する光造形装置を用いて実現される。このようなＲＰ技術は、当業界で周知のいかなる技術も適用することができる。
本発明の実施の形態では、このＲＰモデルは、光を透過する透明材料を用いて形成される。この透明材料としては、例えばアクリル等の透明樹脂を用いることが好ましい。もちろん、本発明はこのような樹脂に限られるものではない。要は、外力の印加により複屈折を起こさない性質を持つ光弾性材料であればよい。
そして、そのＲＰモデル内部には、多数のトレーサ粒子（粒子）が均一に分散される。これらのトレーサ粒子はそれぞれが含まれる、ＲＰモデルの各部位の変位に追従し、各部位と共に移動する。
先ず、ＲＰモデルに分散される多数のトレーサ粒子について簡単に説明する。
近年、流動場における可視化技術の研究が進み、画像処理技術を応用した速度の全域計測技術の一例として、複雑な流動場における流体の速度を、画像処理技術を利用して高精度、かつ精密に測定可能な粒子画像流体速度計（Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ、以下「ＰＩＶ」と称する。）が開発されている。
この画像処理技術を利用したＰＩＶは、その多くが流れの中に混入され、流れに十分追従するトレーサ粒子にパルスレーザ光を照射してその運動を追跡し、ビデオカメラなどでトレーサ粒子群の動きを撮影する。流れのタイムスケールに比べて十分小さい時間間隔でトレーサ粒子群が移動した距離を撮影した画像を求め、その移動距離を微小撮影時間間隔で割って速度を求めるという原理に基づくものである。
ＰＩＶでは複数のトレーサ粒子が存在するある範囲内の平均的な流体速度を計測することとなることから、トレーサ粒子の個数を多くすることで空間的に一様な計測点を定めることができる。そのため、ＰＩＶでは速度の空間微分を得やすい利点がある。これらの理由から、流動場の組織構造の抽出に必要な速度や渦度の計測にはＰＩＶは非常に有効な手段であるといえる。
このようなＰＩＶ解析については、例えば、社団法人可視化情報学会、「ＰＩＶハンドブック」、森北出版株式会社、２００２年７月２０日に詳しく記載されている。
本発明の一実施形態に係る応力計測装置では、このようなＰＩＶ解析を利用し、ＲＰモデルの内部に生じた応力場の経時変化を計測するものである。
すなわち、本発明の一実施形態では、ＲＰモデルに多数のトレーサ粒子を予め分散させておく。それら多数のトレーサ粒子はＲＰモデル内部において移動することは無く、ＲＰモデル内部における位置が固定されている。また、多数のトレーサ粒子はＲＰモデルの内部により多く、そして、均一に分散させておくことが好ましい。ここで、この「均一に分散させておく」の「均一」は、完全に均一であるのみならず、実質的に均一と言える場合も含むことを意味する。具体的には、トレーサ粒子がＲＰモデルの内部に分散される度合いの指標として、以下の式で表わされる相対移動距離ρｒを用いた場合、０＜ρｒ＜１の範囲であれば、均一に分散されていると言える。
上記の式において、相対移動距離ρｒが１以上である場合、粒子像を個々に対応付けし、追跡することが困難となるため、ρｒ＜１である必要がある。一方、０＜ρｒとするのは、上記の式において、ｒｍａｘ（最大移動距離）、Ｎｏ（ホログラム再生体積内の粒子数）、Ｖｏ（ある１つの粒子が次時刻までに移動する可能性をもつ領域の大きさ）及びπはいずれも正の値であることから導き出される。
なお、本発明の一実施形態では、ＲＰモデルの内部に多数のトレーサ粒子を均一に分散される例を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。
例えば、ＲＰモデルの内部における計測対象である部分に、計測対象外である部分よりも多くのトレーサ粒子を分散させる、つまり、その計測対象である部分にトレーサ粒子を局所的に集中させてもよい。
そうすることにより、トレーサ粒子が局所的に集中して分散された部分における計測点を増加させることができるので、計測対象であるその部分の計測精度を高めることができる。
このようなＲＰモデルに荷重を印加すれば、その荷重の印加に伴い、ＲＰモデルの各部位に変位が生じる。ＲＰモデルの各部位に存在するトレーサ粒子は、各部位と共に移動する。
したがって、ＲＰモデルに分散された多数のトレーサ粒子それぞれの動きを追跡すれば、ＲＰモデルの各部位の変位を観測することが可能となる。
そこで、本発明の一実施形態に係る応力計測装置では、このようにして多数のトレーサ粒子が、その内部に分散されたＲＰモデルを用いる。そして、そのＲＰモデルに荷重を印加させながら、ＲＰモデル内部に分散された多数のトレーサ粒子の速度をＰＩＶ解析に基づき求めるものである。
そして、その求めた各トレーサ粒子の速度は、ＲＰモデルの各部位の速度を表わしており、その結果、ＲＰモデルの各部位における移動距離及び移動方向を計測することができる。
このようにして計測された結果を基に、本発明の一実施形態に係る応力計測装置は、ＲＰモデルの内部に生じた応力場の経時変化を計測する。
（応力計測装置１００）
次に、本発明の一実施形態に係る応力計測装置１００について説明する。応力計測装置１００は、１台のカメラを用いたインラインホログラフィ撮影システムを用いた３次元応力計測装置である。
なお、本発明は、１台のカメラを用いたインライン３次元応力計測装置の実施形態に限定されるものではない。例えば、複数台のカメラを並べて三角測量の原理で計測を行なうステレオ法であってもよい。また、そのようなステレオ法のうち、複数台のカメラを同じ光軸に配置して計測するインライン型であってもよいし、複数台のカメラを異なる光軸に配置して計測するオフアクシス型であってもよい。
また、以下では、光源から出射された光がトレーサ粒子によって回折されて物体光となる例を示すが、本発明はこれに限るものではない。トレーサ粒子自身から光が放射された物体光となってもよい。
図１は、本発明の一実施形態に係る応力計測装置１００の概略構成図である。応力計測装置１００は、図１に示すように、光源１１と、第１の光学系１２と、第２の光学系１３と、カメラ１４と、制御装置１５と、保持部２０と、荷重印加機構３１及び荷重印加機構３２と、画像処理装置４０と、を備えている。
光源１１は、例えばレーザ光を出射するレーザ光源を用いることができる。この場合、ＣＷレーザでもパルスレーザであってもよい。ただし、後述するトレーサ粒子からの物体光の強度を十分に確保する観点からいえば、高出力が得られるレーザ光源であることが好ましい。図１では、図面の見易さのため、光源１１から出射されたレーザ光については、その光路のみを図中Ａで示す矢印で示している。
なお、以下では、光源１１にレーザ光源を用いた場合について説明するが、本実施形態はこれに限定されることはない。レーザ光の替わりに、超音波、Ｘ線、ＬＥＤからの光、スーパールミネッセントダイオードからの光、ハロゲンランプからの光、キセノンランプからの光、水銀ランプからの光、ナトリウムランプからの光、マイクロ波、テラヘルツ光、電子線、またはラジオ波を用いてもよい。
第１の光学系１２は、光源１１から出射されたレーザ光を平行光化するための光学系であり、例えばコリメートレンズを用いればよい。光源１１から出射されたレーザ光は、このようなコリメートレンズからなる第１の光学系１２を通過することにより均一に拡散され、平行光となる。このようにして平行光化されたレーザ光が保持部２０に照射されることになる。
保持部２０は、応力計測装置１００が応力計測を行なう計測対象であるＲＰモデルを収納するためのものである。保持部２０は、その内部に、ＲＰモデル（光透過性部材）２１を収納する。また、保持部２０は、その内部に、屈折率整合液２２が満たされており、ＲＰモデル２１は、その全部がこの屈折率整合液２２に浸されながら、保持部２０の内部に収納されることになる。
保持部２０及びその内部に満たされている屈折率整合液２２はいずれも、光源１１から出射されたレーザ光を透過させる。このため、光源１１から出射されたレーザ光は、第１の光学系１２を通過した後、保持部２０の側壁と、屈折率整合液２２とをこの順で通過し、ＲＰモデル２１に進入することになる。
ＲＰモデル２１の内部には、後述するように、多数のトレーサ粒子が分散されており、ＲＰモデル２１に進入したレーザ光は、ＲＰモデル２１の内部に存在するトレーサ粒子により回折され、回折されなかったレーザ光とともにＲＰモデル２１から出射される。このとき、回折されなかったレーザ光が参照光となり、その結果、この参照光と、回折されたレーザ光である物体光とが干渉することになる。
そして、ＲＰモデル２１から出射されたレーザ光、つまり、物体光と参照光は共に、屈折率整合液２２と、保持部２０の側壁とをこの順で通過し、第２の光学系１３に進入する。
第２の光学系１３は、第１の光学系１２と同様、例えばコリメートレンズを用いることができる。第２の光学系１３は、保持部２０から出射されたレーザ光（物体光及び参照光）を再び平行光化し、カメラ１４に入射するための光学系である。例えば、複数のコリメートレンズの組み合わせを用いてもよい。
カメラ１４（撮像部）は、例えばＣＣＤカメラや高速ＣＣＤカメラ、ＥＭＣＣＤカメラ、ＩＩＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ等の公知のカメラを用いることができる。カメラ１４が撮影した画像データは画像処理装置４０に出力され、そのような画像データを基に、この画像処理装置４０内でＲＰモデル２１内部のトレーサ粒子の移動距離や移動方向が算出される。
上述したように、ＲＰモデル２１から出射されるレーザ光は、物体光と参照光とを含んでおり、これら２つの光は互いに干渉しあい、その結果、カメラ１４には、ＲＰモデル２１の内部に存在する各トレーサ粒子のデジタルホログラフィ画像が撮像される。
そして、カメラ１４は、その撮像されたデジタルホログラフィ画像を例えばデジタルデータとして記録し、そのデジタルデータを画像処理装置４０に出力する。
画像処理装置４０は、カメラ１４が撮影したデジタルホログラフィ画像を基に、３次元画像処理を実行する。画像処理装置４０は、上述したＰＩＶ解析を実行するための解析部４１を有しており、この解析部４１は、ＲＰモデル２１内部の各トレーサ粒子について、カメラ１４が撮影したデジタルホログラフィ画像に対して３次元ＰＩＶ解析を実行する。
画像処理装置４０は、解析部４１により実行される３次元ＰＩＶ解析に基づき、例えば時刻ｔ０に撮像されたデジタルホログラフィ画像からその時刻における各トレーサ粒子の３次元位置を算出する。同様に、時刻ｔ０＋Δｔに撮像されたデジタルホログラフィ画像からその時刻ｔ０＋Δｔにおける各トレーサ粒子の３次元位置を算出する。そして、各時刻における３次元位置の差分をΔｔで除算することにより、各トレーサ粒子の速度ベクトルを算出することができる。
画像処理装置４０は、このようして算出されたＲＰモデル２１内部の各トレーサ粒子の速度ベクトルから、時刻ｔ０から時刻ｔ０＋Δｔまでの間におけるＲＰモデル２１内部の応力場の経時変化を計測する。
荷重印加機構３１及び荷重印加機構３２は、保持部２０の内部に収納されているＲＰモデル２１に荷重を印加するための機構である。荷重印加機構３１及び荷重印加機構３２は、ＲＰモデル２１への荷重の印加の仕方を調節することで、ＲＰモデル２１に圧縮応力、せん断応力、曲げ応力といった各種の応力分布を実現することができる。
荷重印加機構３１及び荷重印加機構３２は、保持部２０の内部に屈折率整合液２２に浸されながら収納されているＲＰモデル２１をその上下方向（図１におけるｙ軸方向）から支持している。このような状況において、ＲＰモデル２１に対し、荷重印加機構３１からは下向き（図１におけるｙ軸の負の向き）に荷重を印加し、荷重印加機構３２からは上向き（図１におけるｙ軸の正の向き）に荷重を印加する。
制御装置１５は、光源１１と、カメラ１４と、荷重印加機構３１及び荷重印加機構３２のそれぞれとの間において、各種の制御信号のやり取りを行なうことができるよう、これらの各々と電気的に接続されている。制御装置１５は、例えば、光源１１の駆動動作と、カメラ１４の撮影動作と、荷重印加機構３１及び荷重印加機構３２の各荷重印加動作とを制御する。
制御装置１５は、例えば、光源１１からのレーザ光の出射タイミングと、荷重印加機構３１及び荷重印加機構３２による荷重の印加タイミングと、カメラ１４による撮影タイミングとを、同期させればよい。
（ＲＰモデル２１及び屈折率整合液２２）
次に、ＲＰモデル２１及び屈折率整合液２２について説明する。図２は、ＲＰモデル２１及び屈折率整合液２２を説明するための概念図である。図２では、図面の見易さのため、光源１１から出射されたレーザ光については、その光路のみを図中Ａで示す矢印で示している。なお、図中Ｂで示す範囲は、ＲＰモデル２１における、光源１１から出射されたレーザ光の照射領域である。
図２に示すように、ＲＰモデル２１の内部には多数のトレーサ粒子２３が分散されている。なお、トレーサ粒子２３の種類等は本発明では特に限定するものではないが、ＲＰモデル２１を構成する光弾性体材料の種類等に応じて適宜選択される。
また、上述したように、ＲＰモデル２１は保持部２０の内部に収納されており、その保持部２０の内部は屈折率整合液２２で満たされている。つまり、図２に示すように、ＲＰモデル２１の周囲は屈折率整合液２２で取り囲まれている。
この屈折率整合液２２は、ＲＰモデル２１を構成する光弾性体材料が持つ屈折率に整合する屈折率を有している。具体的には、屈折率整合液２２は、ＲＰモデル２１を構成する光弾性体材料が持つ屈折率と実質的に同一の屈折率を有している。
なお、ＲＰモデル２１を構成する光弾性体材料と屈折率整合液２２との屈折率の差が１％前後であれば、両者の屈折率は実質的に同一であるといえる。
ＲＰモデル２１の屈折率と屈折率整合液２２の屈折率が同一であれば、ＲＰモデル２１と屈折率整合液２２との間の界面における屈折率の差が解消されることになる。
このため、光源１１から出射されたレーザ光が、屈折率整合液２２と、ＲＰモデル２１とを、この順で通過する際、それらの界面において屈折することがない。
また、ＲＰモデル２１内部の多数のトレーサ粒子２３に回折された物体光及び、多数のトレーサ粒子２３に回折されなかった参照光はいずれも、ＲＰモデル２１から屈折率整合液２２に進入する際、それらの界面において屈折することがない。
したがって、光源１１から出射されたレーザ光が、屈折率整合液２２とＲＰモデル２１との界面において屈折することなく、ＲＰモデル２１に進入する。そして、ＲＰモデル２１内で回折された物体光及び、回折されなかった参照光が、屈折率整合液２２とＲＰモデル２１との界面において屈折することなく、屈折率整合液２２に進入する。
このため、カメラ１４は、ＲＰモデル２１内部の多数のトレーサ粒子２３に回折された物体光及び、多数のトレーサ粒子２３に回折されなかった参照光のいずれも正確に撮像することができる。
ＲＰモデル２１とその周囲との間における屈折率の差は、ＲＰモデル２１の形状が複雑になればなるほど、それらの界面を通過するレーザ光を大きく屈折させ、カメラ１４による正確な撮像を阻害する度合いが大きくなる。
本発明の一実施形態に係る応力計測装置１００では、このようにＲＰモデル２１の周囲を、ＲＰモデル２１の屈折率と同一の屈折率を有する屈折率整合液２２で取り囲むことで、上記のような課題を解消することができる。
（実施例）
次に、ＲＰモデル２１及び屈折率整合液２２の実施例について説明する。図３は、ＲＰモデル２１の具体例を示す断面図である。
図３に示す実施例では、ＲＰモデル２１を構成する材料は、光透過性のアクリル樹脂（屈折率１．４８８３、弾性係数３３１７Ｍｐａ）である。そのサイズは７．９×５０×７．９ｍｍ３である。
また、ＲＰモデル２１に荷重を印加する荷重印加機構３１及び荷重印加機構３２は、上述したように、２つの荷重印加機構３２によりＲＰモデル２１を支持すると共に、１つの荷重印加機構３１によりＲＰモデル２１の長手方向（図３におけるｘ軸方向）の中心点付近に圧力（荷重）を印加する。２つの荷重印加機構３２が支持する箇所は、ＲＰモデル２１の上記の中心点から互いに距離Ｌ（＝１５ｍｍ）だけ離れた位置にある。
本実施例では、荷重印加機構３１から印加される圧力は１００Ｎである。
トレーサ粒子２３の直径の平均値は６０μｍである。
屈折率整合液２２は、ヨウ化ナトリウム溶液であり、その屈折率はＲＰモデル２１を構成するアクリル樹脂と同一の屈折率を持つ。
この圧力（荷重）の印加の前後において、上述したように、ＲＰモデル２１内部の各トレーサ粒子２３の３次元位置を計測し、この圧力（荷重）の印加の前後における各トレーサ粒子２３の速度ベクトルを算出する。
（画素処理装置４０）
次に、画像処理装置４０による画像処理について説明する。先ず、画像処理装置４０による、カメラ１４が撮影したデジタルホログラフィ画像の記録及びその再生について説明する。図４は、画像処理装置４０によるデジタルホログラフィ画像の記録及びその再生を説明するための概念図である。
図４に示すように、ξ‐η平面は、ＲＰモデル２１内の３次元空間において実存する１つの粒子（トレーサ粒子２３）の座標を表わしている。
この粒子（トレーサ粒子２３）により回折した物体光及び、この粒子（トレーサ粒子２３）により回折しなかった参照光は、カメラ１４の撮像面において光強度Ｉｄ（ｘ，ｙ，０）として記録される。なお、カメラ１４の撮像面は、ξ‐η平面上における上記の粒子（トレーサ粒子２３）から距離ｄだけ離れたｘ‐ｙ平面上にある。
次に、ｚ軸上の任意の位置ｚ＝ｄ’における光振幅場ｈｚ（ｘｚ，ｙｚ）は、以下の式で表わすことができる。
ここで、ｊは虚数単位を示し、λはレーザ光の波長を示している。また、Ｌは、ｘ‐ｙ平面とｘｚ‐ｙｚ平面との間における、対応する２点間の距離であり、以下の式で表わされる。
そして光強度Ｉｚ（ｘｚ，ｙｚ）は、以下の式から算出される。
このようにして、ｘ‐ｙ平面から距離ｄだけ離れたｘｄ‐ｙｄ平面上において上記の粒子（トレーサ粒子２３）が再生される。
次に、画像処理装置４０による、カメラ１４が撮影したデジタルホログラフィ画像の記録から３次元応力場を導出するまでについて説明する。図５及び図６は、画像処理装置４０によるデジタルホログラフィ画像の記録から３次元応力場を導出するまでについて説明するための概念図である。
図５に示すように、先ず、ＲＰモデル２１に荷重印加機構３１及び荷重印加機構３２によるＲＰモデル２１への荷重印加の前後において、カメラ１４によるデジタルホログラフィ画像がそれぞれ記録される（ステップ１）。
上述したように、各デジタルホログラフィ画像が再生され、各トレーサ粒子２３の３次元位置が検出される（ステップ２）。
この荷重印加の前後における各トレーサ粒子２３の３次元ベクトル場を算出する（ステップ３）。
誤った３次元ベクトル場を削除する（ステップ４）。
３次元ベクトル場を再配置する（ステップ５）。
３次元ベクトル場をスムージングする（ステップ６）。
このようにして得られたＲＰモデル２１への荷重印加の前後における３次元ベクトル場から、以下の式を用いて３次元変位場を算出する。
ε (εx, εy, εz) = ∂U/∂x = (∂u/∂x, ∂v/∂y, ∂w/∂z) …（４）
そして、図６に示すように、式（４）から得られた３次元変位場（図６の（ａ））から、以下の式を用いて３次元応力場（図６の（ｂ））を算出する。
σ(σx, σy, σz)= E・ε= (E・εx, E・εy, E・εz) …（５）
このようにして、画像処理装置４０はＲＰモデル２１への荷重印加の前後における３次元応力場を算出する。
〔実施の形態２〕
次に、本発明の実施の形態２について説明する。上記の実施の形態１では、多数のトレーサ粒子を例えば車体やその車体に収められる各種の部品といった構造体に分散させ、それら多数のトレーサ粒子の変位、つまり、移動方向及び移動量を追跡することにより、構造体の３次元応力を計測する実施の形態であった。なお、上記構造体とは、外力などの荷重に抵抗できるように、各種の部材を組み合わせた物体のことである。
これに対し、本発明の実施の形態２は、上記構造体と流体とが同時に存在する３次元空間内における、上記構造体内の３次元応力の経時変化の計測と上記流体の３次元速度の経時変化の計測とを同時に行なう実施の形態である。
具体的には、本発明の実施の形態２は、上記実施の形態１と同様に、上記構造体内に多数のトレーサ粒子を分散させる。さらに、上記流体内にも多数のトレーサ粒子を分散させる。ただし、上記構造体内に分散されるトレーサ粒子と上記流体内に分散されるトレーサ粒子とでは、それらの粒径が異なっている。
すなわち、本発明の実施の形態２では、このような互いに異なる粒径を持つ２種類のトレーサ粒子をそれぞれ、上記構造体と上記流体とに分散させる。そして、それら２種類のトレーサ粒子の各々に対し、上記実施の形態１の応力計測装置及び応力計測方法を適用し、上記構造体については３次元応力の経時変化を計測する一方、上記流体に関しては３次元速度の経時変化を計測するものである。
流体の３次元速度の経時変化は、上記実施の形態１と同様にして多数のトレーサ粒子の変位を追跡することにより、計測することができる。構造体であれば、その形状が固定であるがゆえに、荷重が印加されればその内部に応力が発生する。これに対し、流体は流動体、変形体であり、荷重が印加されればその印加の向きに流動、変形する。したがって、構造体であればトレーサ粒子の変位は構造体内の３次元応力の経時変化を表わすことになり、流体であればトレーサ粒子の変位は流体の３次元速度の経時変化を表わすことになる。
なお、本発明の実施の形態２は、上記のような、構造体と流体とが同時に存在する３次元空間に限られるものでは無い。例えば、２つ以上の構造体が相互に作用を及ぼしあう（例えば、相互に荷重を印加しあう）３次元空間内における、それら２つ以上の構造体内の３次元応力の経時変化を計測することも可能である。
以下では、上で述べたように、上記構造体と流体とが同時に存在する３次元空間内における、上記構造体内の３次元応力の経時変化の計測と上記流体の３次元速度の経時変化の計測とを同時に行なう実施の形態について説明する。
（応力計測装置１００ａ）
図７は、本発明の実施の形態２に係る応力計測装置１００ａの概略構成図である。以下、上記の実施の形態１と同様の部分については、同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
応力計測装置１００ａは、図７に示すように、光源１１と、第１の光学系１２と、第２の光学系１３と、カメラ１４と、制御装置１５ａと、保持部２０と、画像処理装置４０と、を備えている。
そして、保持部２０の内部には、密閉容器５１と、密閉容器５１内に満たされ、撹拌される撹拌液５２と、密閉容器５１の内壁に固定されたＲＰモデル（光透過性部材）５３と、密閉容器５１内の撹拌液５２を撹拌するための撹拌部材５４と、が設けられている。
密閉容器５１は、応力計測装置１００ａが応力計測を行なう計測対象である上記構造体であるＲＰモデル５３と、応力計測装置１００ａが速度計測を行なう計測対象である上記流体である撹拌液５２と、収納するためのものである。ＲＰモデル５３は、その全部がこの撹拌液５２に浸されながら、密閉容器５１の内部に収納されることになる。
密閉容器５１及びその内部に満たされている撹拌液５２はいずれも、光源１１から出射されたレーザ光を透過させる。このため、光源１１から出射されたレーザ光は、第１の光学系１２を通過した後、保持部２０の側壁と、屈折率整合液２２と、密閉容器５１の側壁と、をこの順で通過し、撹拌液５２及びＲＰモデル５３に進入することになる。
ＲＰモデル５３の内部には、上記実施の形態１と同様、多数のトレーサ粒子が分散されており、ＲＰモデル５３に進入したレーザ光は、ＲＰモデル５３の内部に存在するトレーサ粒子により回折され、回折されなかったレーザ光とともにＲＰモデル５３から出射される。このとき、回折されなかったレーザ光が参照光となり、その結果、この参照光と、回折されたレーザ光である物体光とが干渉することになる。これら参照光と物体光とは、ＲＰモデル５３内のトレーサ粒子の変位を追跡するために利用される。以下、ＲＰモデル５３内のトレーサ粒子の変位を追跡するために利用される参照光及び物体光をそれぞれ、「ＲＰモデル参照光」及び「ＲＰモデル物体光」と呼ぶ。
そして、ＲＰモデル５３から出射されたレーザ光、つまり、ＲＰモデル物体光とＲＰモデル参照光は共に、撹拌液５２と、密閉容器５１の側壁と、屈折率整合液２２と、保持部２０の側壁とをこの順で通過し、第２の光学系１３に進入する。なお、このＲＰモデル物体光とＲＰモデル参照光とのそれぞれの一部は、撹拌液５２内のトレーサ粒子５６により、再び回折される場合もある。その場合、その回折された光は、ＲＰモデル５３内のトレーサ粒子の変位を追跡するためには利用されないことになる。
さらに、ＲＰモデル５３と同様、撹拌液５２の内部には、多数のトレーサ粒子５６が分散されており、撹拌液５２に進入したレーザ光は、撹拌液５２の内部に存在するトレーサ粒子５６により回折され、回折されなかったレーザ光とともに撹拌液５２から出射される。このとき、回折されなかったレーザ光が参照光となり、その結果、この参照光と、回折されたレーザ光である物体光とが干渉することになる。これら参照光と物体光とは、撹拌液５２内のトレーサ粒子５６の変位を追跡するために利用される。以下、撹拌液５２内のトレーサ粒子５６の変位を追跡するために利用される参照光及び物体光をそれぞれ、「撹拌液参照光」及び「撹拌液物体光」と呼ぶ。
そして、撹拌液５２から出射されたレーザ光、つまり、撹拌液物体光と撹拌液参照光は共に、密閉容器５１の側壁と、屈折率整合液２２と、保持部２０の側壁とをこの順で通過し、第２の光学系１３に進入する。なお、この撹拌液物体光と撹拌液参照光とのそれぞれの一部は、ＲＰモデル５３内のトレーサ粒子により、再び回折される場合もある。その場合、その回折された光は、撹拌液５２内のトレーサ粒子の変位を追跡するためには利用されないことになる。
撹拌部材５４は、撹拌液５２を撹拌させるための部材である。撹拌部材５４は、例えば、こまのように自転動作を行なうことにより、その自転の向きに従う流れを撹拌液５２に引き起こすためのものである。図７の場合であれば、撹拌部材５４は、ｘｚ平面における右回転または左回転の流れを撹拌液５２に引き起こすことができる。これにより、撹拌液５２の中に上で述べたような右回転や左回転の流れが生じ、その結果、撹拌液５２の一部はＲＰモデル５３に衝突することになる。この衝突は、上記の実施の形態１において荷重印加機構３１及び荷重印加機構３２がＲＰモデル２１に印加する荷重と同様、ＲＰモデル５３に荷重を印加することになる。図７の場合、撹拌部材５４がｘｚ平面における右回転または左回転すると、ｘｚ平面に平行な向き（図８中Ｄで示す矢印の向き）の荷重がＲＰモデル５３に印加されることになる。
すなわち、撹拌部材５４による撹拌液５２の流れはＲＰモデル５３に荷重を印加する荷重印加機構であるといえる。
また、撹拌部材５４は、例えば、保持部２０の外部に向かって延在する支柱５４ａを備えており、この支柱５４ａが駆動回路５５に接続されている。駆動回路５５は、支柱５４ａを回転させることにより、上で述べた撹拌部材５４の自転動作を駆動させる。駆動回路５５は、後述するように、制御回路１５ａにその駆動動作が制御されている。
応力計測装置１００ａでは、上で述べたＲＰモデル参照光及びＲＰモデル物体光と、撹拌液参照光及び撹拌液物体光とを、カメラ１４が撮像することになる。すなわち、ＲＰモデル参照光及びＲＰモデル物体光をカメラ１４が撮影した画像データは、画像処理装置４０に出力され、そのような画像データを基に、この画像処理装置４０内でＲＰモデル５３内部のトレーサ粒子の移動距離や移動方向が算出される。一方、撹拌液参照光及び撹拌液物体光をカメラ１４が撮影した画像データは、画像処理装置４０に出力され、そのような画像データを基に、この画像処理装置４０内で撹拌液５２内部のトレーサ粒子５６の移動距離や移動方向が算出される。
ＲＰモデル５３から出射されるレーザ光である、ＲＰモデル物体光とＲＰモデル参照光は互いに干渉しあい、その結果、カメラ１４には、ＲＰモデル５３の内部に存在する各トレーサ粒子のデジタルホログラフィ画像が撮像される。
そして、カメラ１４は、その撮像されたデジタルホログラフィ画像を例えばデジタルデータとして記録し、そのデジタルデータを画像処理装置４０に出力する。
画像処理装置４０は、カメラ１４が撮影したデジタルホログラフィ画像を基に、３次元画像処理を実行する。解析部４１は、ＲＰモデル５３内部の各トレーサ粒子について、カメラ１４が撮影したデジタルホログラフィ画像に対して３次元ＰＩＶ解析を実行する。
画像処理装置４０は、解析部４１により実行される３次元ＰＩＶ解析に基づき、例えば時刻ｔ０に撮像されたデジタルホログラフィ画像からその時刻における各トレーサ粒子の３次元位置を算出する。同様に、時刻ｔ０＋Δｔに撮像されたデジタルホログラフィ画像からその時刻ｔ０＋Δｔにおける各トレーサ粒子の３次元位置を算出する。そして、各時刻における３次元位置の差分をΔｔで除算することにより、各トレーサ粒子の速度ベクトルを算出することができる。
画像処理装置４０は、このようして算出されたＲＰモデル５３内部の各トレーサ粒子の速度ベクトルから、時刻ｔ０から時刻ｔ０＋Δｔまでの間におけるＲＰモデル５３内部の応力場の経時変化を計測する。
同様に、撹拌液５２から出射されるレーザ光である、撹拌液物体光と撹拌液参照光は互いに干渉しあい、その結果、カメラ１４には、撹拌液５２の内部に存在する各トレーサ粒子５６のデジタルホログラフィ画像が撮像される。
そして、カメラ１４は、その撮像されたデジタルホログラフィ画像を例えばデジタルデータとして記録し、そのデジタルデータを画像処理装置４０に出力する。
画像処理装置４０は、カメラ１４が撮影したデジタルホログラフィ画像を基に、３次元画像処理を実行する。解析部４１は、撹拌液５２内部の各トレーサ粒子５６について、カメラ１４が撮影したデジタルホログラフィ画像に対して３次元ＰＩＶ解析を実行する。
画像処理装置４０は、解析部４１により実行される３次元ＰＩＶ解析に基づき、例えば時刻ｔ０に撮像されたデジタルホログラフィ画像からその時刻における各トレーサ粒子５６の３次元位置を算出する。同様に、時刻ｔ０＋Δｔに撮像されたデジタルホログラフィ画像からその時刻ｔ０＋Δｔにおける各トレーサ粒子５６の３次元位置を算出する。そして、各時刻における３次元位置の差分をΔｔで除算することにより、各トレーサ粒子５６の速度ベクトルを算出することができる。
画像処理装置４０は、このようして算出された撹拌液５２内部の各トレーサ粒子５６の速度ベクトルから、時刻ｔ０から時刻ｔ０＋Δｔまでの間における撹拌液５２の速度場の経時変化を計測する。
制御装置１５ａは、光源１１と、カメラ１４と、駆動回路５５のそれぞれとの間において、各種の制御信号のやり取りを行なうことができるよう、これらの各々と電気的に接続されている。制御装置１５は、例えば、光源１１の駆動動作と、カメラ１４の撮影動作と、駆動回路５５の駆動動作とを制御する。
制御装置１５は、例えば、光源１１からのレーザ光の出射タイミングと、駆動回路５５による撹拌部材５４の駆動タイミングと、カメラ１４による撮影タイミングとを、同期させればよい。
（撹拌液５２及びＲＰモデル５３）
次に、撹拌液５２及びＲＰモデル５３について説明する。図８は、撹拌液５２及びＲＰモデル５３を説明するための概念図である。図８では、図面の見易さのため、光源１１から出射されたレーザ光については、その光路のみを図中Ａで示す矢印で示している。なお、図中Ｃで示す範囲は、撹拌液５２及びＲＰモデル５３における、光源１１から出射されたレーザ光の照射領域である。
図８に示すように、ＲＰモデル５３の内部には多数のトレーサ粒子５７が分散されている。トレーサ粒子５７の種類等は本発明では特に限定するものではないが、ＲＰモデル５３を構成する光弾性体材料の種類等に応じて適宜選択される。
また、上述したように、ＲＰモデル５３は密閉容器５１の内壁に固定されており、その密閉容器５１の内部は撹拌液５２で満たされている。つまり、図８に示すように、ＲＰモデル５３の周囲は撹拌液５２で取り囲まれている。
この撹拌液５２は、ＲＰモデル５３を構成する光弾性体材料が持つ屈折率に整合する屈折率を有している。具体的には、撹拌液５２は、ＲＰモデル５３を構成する光弾性体材料が持つ屈折率と実質的に同一の屈折率を有している。このことから、攪拌液５２は、上記実施の形態１においてＲＰモデル２１の周囲を取り囲む屈折率整合液２２と同様の機能を有するものといえる。
なお、ＲＰモデル５３を構成する光弾性体材料と撹拌液５２との屈折率の差が１％前後であれば、両者の屈折率は実質的に同一であるといえる。
ＲＰモデル５３の屈折率と撹拌液５２の屈折率が同一であれば、ＲＰモデル５３と撹拌液５２との間の界面における屈折率の差が解消されることになる。
このため、光源１１から出射されたレーザ光が、撹拌液５２と、ＲＰモデル５３とを、この順で通過する際、それらの界面において屈折することがない。
また、ＲＰモデル５３内部の多数のトレーサ粒子５７に回折されたＲＰモデル物体光及び、多数のトレーサ粒子５７に回折されなかったＲＰモデル参照光はいずれも、ＲＰモデル５３から撹拌液５２に進入する際、それらの界面において屈折することがない。
したがって、光源１１から出射されたレーザ光が、撹拌液５２とＲＰモデル５３との界面において屈折することなく、ＲＰモデル５３に進入する。そして、ＲＰモデル５３内で回折されたＲＰモデル物体光及びＲＰモデル参照光が、撹拌液５２とＲＰモデル５３との界面において屈折することなく、撹拌液５２に進入する。
このため、カメラ１４は、ＲＰモデル５３内部の多数のトレーサ粒子５７に回折されたＲＰモデル物体光及び、多数のトレーサ粒子５７に回折されなかったＲＰモデル参照光のいずれも正確に撮像することができる。
ＲＰモデル５３とその周囲との間における屈折率の差は、ＲＰモデル５３の形状が複雑になればなるほど、それらの界面を通過するレーザ光を大きく屈折させ、カメラ１４による正確な撮像を阻害する度合いが大きくなる。
本発明の実施の形態２に係る応力計測装置１００ａにおいても、このようにＲＰモデル５３の周囲を、ＲＰモデル５３の屈折率と同一の屈折率を有する撹拌液５２で取り囲むことで、上記のような課題を解消することができる。
なお、本実施の形態２においては、密閉容器５１が保持部２０の内部に収納されており、その保持部２０の内部は屈折率整合液２２で満たされている。つまり、図８に示すように、密閉容器５１の周囲が屈折率整合液２２で取り囲まれている。
このため、屈折率整合液２２は、密閉容器５１を構成する、光を透過する透明材料が持つ屈折率に整合する屈折率を有している。例えば、密閉容器５１をＲＰモデル５３と同一の光弾性体材料を用いて構成すれば、屈折率整合液２２、密閉容器５１、撹拌液５２及びＲＰモデル５３は実質的に同一の屈折率を有していればよい。屈折率整合液２２と密閉容器５１とが同一の屈折率を有することによる効果は、上述した、撹拌液５２とＲＰモデル５３とが同一の屈折率を有することによる効果と同様であり、ここでは繰り返して説明しない。
（実施例）
次に、撹拌液５２及びＲＰモデル５３の実施例について説明する。図９は、撹拌液５２（その一部）及びＲＰモデル５３の具体例を示す断面図である。
図９に示す実施例では、ＲＰモデル５３を構成する材料は、光透過性のアクリル樹脂（屈折率１．４８８３、弾性係数３３１７Ｍｐａ）である。その形状は円柱形状であり、その断面の直径が２ｍｍ、その長さが１１．５ｍｍである。ＲＰモデル５３に分散されたトレーサ粒子５７の直径の平均値は１００μｍである。図１０に、ＲＰモデル５３に分散されたトレーサ粒子５７を示す。
なお、図８に示すように、ＲＰモデル５３が、その内壁に固定される密閉容器５１は、その外観形状が円柱形状であり、その断面の直径（内壁の直径）ｄは４１ｍｍである。ＲＰモデル５３は、この密閉容器５１の底面からの高さｈが２０ｍｍの位置に固定されている。
撹拌液５２は、屈折率整合液２２と同様、ヨウ化ナトリウム溶液であり、その屈折率はＲＰモデル５３を構成するアクリル樹脂と同一の屈折率を持つ。その動粘性係数（動的粘度）は、３０．４℃において１．３６５ｍｍ／ｓｅｃ２である。撹拌液５２に分散されたトレーサ粒子５６の直径の平均値は６０μｍである。
なお、図８及び図９中Ｃで示す範囲は、撹拌液５２及びＲＰモデル５３における、光源１１から出射されたレーザ光の照射領域であるが、そのサイズは３０．７２×３０．７２×６．０ｍｍ２である。
図１１は、撹拌液参照光及び撹拌液物体光をカメラ１４が撮影した画像データを表わす図である。図１１に示すように、撹拌液５２内のトレーサ粒子５６が撮影されている。
図１２は、ＲＰモデル参照光及びＲＰモデル物体光をカメラ１４が撮影した画像データを表わす図である。図１２に示すように、ＲＰモデル５３内のトレーサ粒子５７が撮影されている。
なお、応力計測装置１００ａは、上述したように、ＲＰモデル５３内の３次元応力の経時変化の計測と撹拌液５２の３次元速度の経時変化の計測とを同時に行なうものである。したがって、トレーサ粒子５６とトレーサ粒子５７とを区別し、撮影する必要がある。このため、例えば、例えば、社団法人可視化情報学会、「ＰＩＶハンドブック」、森北出版株式会社、２００２年７月２０日に詳しく記載されている、粒子マスク相関法を用いることにより、トレーサ粒子５６とトレーサ粒子５７と区別し、それぞれを撮影することができる。
この粒子マスク相関法では、トレーサ粒子５６及びトレーサ粒子５７の各々の理想的な粒子像をそれぞれのテンプレートとして予め準備する。それぞれのテンプレートを用いて、トレーサ粒子５６及びトレーサ粒子５７のそれぞれの粒子画像が混在する画像データの中から、各テンプレートに類似する領域をトレーサ粒子５６及びトレーサ粒子５７のそれぞれの粒子像として抽出する。図１３は、トレーサ粒子５６及びトレーサ粒子５７の各テンプレートの幅を示すものである。図１３の場合、撹拌液５２内のトレーサ粒子５６（第１の粒子）のテンプレートの幅が−２〜２ピクセルであり、ＲＰモデル５３内のトレーサ粒子５７（第２の粒子）のテンプレートの幅が−３〜３ピクセルとなっている。
本実施形態２においては、トレーサ粒子５６及びトレーサ粒子５７が互いに異なる粒径を持つことにより、上記のようにして、両者を区別し、撮影することが可能となる。
図１４は、図８及び図９中Ｃで示す領域をｙ方向から見た画像データ及びｚ方向から見た画像データを表わす図である。図１４に示すように、撹拌液５２内のトレーサ粒子５６及びＲＰモデル５３内のトレーサ粒子５７が撮影されている。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明に係る応力計測装置は、光が照射される光透過性部材の内部に分散された複数の粒子のそれぞれについて画像処理して前記光透過性部材の内部におけるそれぞれの移動方向及び移動量を算出し、それらの算出結果を用いて前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測する応力計測装置において、前記光透過性部材の屈折率に整合する屈折率を持つ屈折率整合液の中に、前記光透過性部材を浸しながら保持する保持部と、前記保持部に保持されている前記光透過性部材に荷重を印加する荷重印加機構とを備えている。
ここで、「荷重印加機構」が光透過性部材に荷重を印加することで、光透過性部材に圧縮応力、せん断応力、曲げ応力といった各種の応力分布が実現される。
上記の応力計測装置では、応力計測対象である光透過性部材を、その屈折率と整合する屈折率を有する屈折率整合液に浸しながら、その光透過性部材に荷重を印加することができる。
このため、光透過性部材と屈折率整合液との界面における光の屈折を抑えながら、荷重が印加されている光透過性部材の３次元応力を計測することができるので、光透過性部材の３次元応力の経時変化を高精度に計測することができる。
前記光透過性部材と前記屈折率整合液とは、それぞれの屈折率が実質的に同一であることが好ましい。
この場合、光透過性部材が複雑な形状を持つ場合でも、光透過性部材と屈折率整合液との界面における光の屈折を効果的に抑えることができ、光透過性部材の３次元応力の経時変化を高精度に計測することができる。
ここで、「それぞれの屈折率が同一である」の「同一」は、完全に一致するのみならず、実質的に一致する場合を含むことを意味する。具体的には、光透過性部材と屈折率整合液との屈折率の差は、１％前後であれば、両者の屈折率は同一であるといえる。
前記複数の粒子は、前記光透過性部材の内部に均一に分散されていることが好ましい。
この場合、光透過性部材の３次元応力の計測をより精度良く行なうことができる。
ここで、この「均一に分散させておく」の「均一」は、完全に均一であるのみならず、実質的に均一と言える場合も含むことを意味する。
前記複数の粒子は、前記光透過性部材の内部のうち前記応力計測装置による計測対象となる一部の部分に局所的に集中するようにして前記光透過性部材の内部に分散されていることが好ましい。
この場合、計測対象となる一部の部分に多くの粒子が分散されているので、その部分の計測精度を高めることができる。
前記光透過性部材は、製品の複雑な形状を設計するための３次元ＣＡＤモデルに基づき、ラピッドプロトタイピングを利用して形成されたラピッドプロトタイピングモデルであることが好ましい。
この場合、従来からのラピッドプロトタイピング装置を用いることができる。
本発明に係る応力計測方法は、光が照射される光透過性部材の内部に分散された複数の粒子のそれぞれについて画像処理して前記光透過性部材の内部におけるそれぞれの移動方向及び移動量を算出し、それらの算出結果を用いて前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測する応力計測方法において、前記光透過性部材の屈折率に整合する屈折率を持つ屈折率整合液の中に、前記光透過性部材を浸しながら保持し、前記屈折率整合液の中に浸されている前記光透過性部材に荷重を印加しつつ、前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力の経時変化を計測する。
上記の応力計測方法では、応力計測対象である光透過性部材を、その屈折率と整合する屈折率を有する屈折率整合液に浸しながら、その光透過性部材に荷重を印加することができる。
このため、光透過性部材と屈折率整合液との界面における光の屈折を抑えながら、荷重が印加されている光透過性部材の３次元応力を計測することができるので、光透過性部材の３次元応力の経時変化を高精度に計測することができる。
前記荷重印加機構は、前記光透過性部材の全部が浸されながら、撹拌される撹拌液であり、且つ、前記撹拌液が前記屈折率整合液となっており、前記撹拌液の内部には、前記光透過性部材の内部に分散される複数の粒子とは異なる粒径を持つ複数の粒子が分散され、前記応力計測装置は、前記撹拌液の撹拌により荷重が印加される前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測することが好ましい。
この場合、流体である撹拌液の撹拌により荷重が印加される光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測することができる。
このため、構造体であるＲＰモデルと流体である攪拌液とが同時に存在し、相互に作用しあう３次元空間内における、ＲＰモデル内の３次元応力の経時変化を計測することができる。
前記応力計測装置はさらに、光が照射される前記撹拌液の内部に分散された複数の粒子のそれぞれについて画像処理して前記撹拌液の内部におけるそれぞれの移動方向及び移動量を算出し、それらの算出結果を用いて前記撹拌液の３次元速度を計測することが好ましい。
この場合、ＲＰモデル内の３次元応力の経時変化の計測と攪拌液の３次元速度の経時変化の計測とを同時に行なうことが実現される。
上記の応力計測方法において、前記光透過性部材に印加される荷重は、撹拌液に前記光透過性部材の全部を浸しながら、前記撹拌液を撹拌することにより前記光透過性部材に印加される荷重であり、且つ、前記撹拌液が前記屈折率整合液となっており、前記撹拌液の内部には、前記光透過性部材の内部に分散される複数の粒子とは異なる粒径を持つ複数の粒子が分散されていることが好ましい。
この場合、流体である撹拌液の撹拌により荷重が印加される光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測することができる。
このため、構造体であるＲＰモデルと流体である攪拌液とが同時に存在し、相互に作用しあう３次元空間内における、ＲＰモデル内の３次元応力の経時変化を計測することができる。
本発明は、３次元ＣＡＤ及びＲＰを用いて形成されたＲＰモデルの３次元応力場の経時変化を３次元ホログラフィックＰＩＶや３次元ステレオＰＩＶに基づき計測する応力計測装置及び応力計測方法に好適である。また、上記ＲＰモデルと流体とが同時に存在する３次元空間内における、上記ＲＰモデル内の３次元応力の経時変化の計測と上記流体の３次元速度の経時変化の計測とを同時に行なう応力計測装置及び応力計測方法に好適であるにも利用可能である。さらに、２つ以上のＲＰモデルが相互に作用を及ぼしあう３次元空間内における、それら２つ以上のＲＰモデル内の３次元応力の経時変化を同時に計測する応力計測装置及び応力計測方法にも好適である。
１１ 光源
１２ 第１の光学系
１３ 第２の光学系
１４ カメラ
１５、１５ａ 制御装置
２０ 保持部
２１、５３ ＲＰモデル（光透過性部材）
２２ 屈折率整合液
２３ トレーサ粒子（粒子）
３１、３２ 荷重印加機構
４０ 画像処理装置
４１ 解析部
５１ 密閉容器
５２ 撹拌液
５４ 撹拌部材
５５ 駆動回路
１００、１００ａ 応力計測装置

Claims (9)

  1. 光が照射される光透過性部材の内部に分散された複数の粒子のそれぞれについて画像処理して前記光透過性部材の内部におけるそれぞれの移動方向及び移動量を算出し、それらの算出結果を用いて前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測する応力計測装置において、
    前記光透過性部材の屈折率に整合する屈折率を持つ屈折率整合液の中に、前記光透過性部材を浸しながら保持する保持部と、
    前記保持部に保持されている前記光透過性部材に荷重を印加する荷重印加機構と
    を備えていることを特徴とする応力計測装置。
  2. 前記光透過性部材と前記屈折率整合液とは、それぞれの屈折率が同一であることを特徴とする請求項１に記載の応力計測装置。
  3. 前記複数の粒子は、前記光透過性部材の内部に均一に分散されていることを特徴とする請求項１または２に記載の応力計測装置。
  4. 前記複数の粒子は、前記光透過性部材の内部のうち前記応力計測装置による計測対象となる一部の部分に局所的に集中するようにして前記光透過性部材の内部に分散されていることを特徴とする請求項１または２に記載の応力計測装置。
  5. 前記光透過性部材は、製品の複雑な形状を設計するための３次元ＣＡＤモデルに基づき、ラピッドプロトタイピングを利用して形成されたラピッドプロトタイピングモデルであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の応力計測装置。
  6. 光が照射される光透過性部材の内部に分散された複数の粒子のそれぞれについて画像処理して前記光透過性部材の内部におけるそれぞれの移動方向及び移動量を算出し、それらの算出結果を用いて前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測する応力計測方法において、
    前記光透過性部材の屈折率に整合する屈折率を持つ屈折率整合液の中に、前記光透過性部材を浸しながら保持し、
    前記屈折率整合液の中に浸されている前記光透過性部材に荷重を印加しつつ、前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力の経時変化を計測することを特徴とする応力計測方法。
  7. 前記荷重印加機構は、前記光透過性部材の全部が浸されながら、撹拌される撹拌液であり、且つ、前記撹拌液が前記屈折率整合液となっており、
    前記撹拌液の内部には、前記光透過性部材の内部に分散される複数の粒子とは異なる粒径を持つ複数の粒子が分散され、前記応力計測装置は、前記撹拌液の撹拌により荷重が印加される前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の応力計測装置。
  8. 前記応力計測装置はさらに、光が照射される前記撹拌液の内部に分散された複数の粒子のそれぞれについて画像処理して前記撹拌液の内部におけるそれぞれの移動方向及び移動量を算出し、それらの算出結果を用いて前記撹拌液の３次元速度を計測することを特徴とする請求項７に記載の応力計測装置。
  9. 前記光透過性部材に印加される荷重は、撹拌液に前記光透過性部材の全部を浸しながら、前記撹拌液を撹拌することにより前記光透過性部材に印加される荷重であり、且つ、前記撹拌液が前記屈折率整合液となっており、
    前記撹拌液の内部には、前記光透過性部材の内部に分散される複数の粒子とは異なる粒径を持つ複数の粒子が分散されていることを特徴とする請求項６に記載の応力計測方法。
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