JPWO2016027874A1 - 応力可視化装置および力学物性値可視化装置 - Google Patents
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Abstract
Description
以下、本実施形態に係る応力可視化方法の原理について説明する。
図1は、第1実施形態に係る応力可視化装置の構成を表す概略図である。本実施形態の応力可視化装置は、2偏波を扱うPS−OCTを利用して測定対象Wの応力断層計測を行うものであり、光源100、偏光子102、オブジェクトアーム104、リファレンスアーム106、ビームスプリッタ108、電気光学変調器(Electro-Optic Modulator:以下「EOM」と表記する)110、光検出装置112、制御演算部114および表示装置116を備える。なお、図示の例では、マイケルソン干渉計をベースとした光学系が示されているが、マッハツェンダー干渉計その他の光学系を採用することもできる。
図8は、実施例に係る応力可視化装置の全体構成を表す図である。本実施例の応力可視化装置1は、マイケルソン干渉光学系をベースとしたTD−PS−OCTを利用して測定対象の応力分布を演算するシステムとして構成されている。応力可視化装置1は、OCTによる光学的処理を実行する光学系2と、その処理結果に基づいて測定対象Wの応力分布を演算する制御演算部4とを備える。光学系2は、光源6、偏光子8、カプラー10、リファレンスアーム12、オブジェクトアーム14および光検出装置16等の光学要素を含む。各光学要素は、ファイバーにて互いに接続されている。
次に、第2実施形態について説明する。
本実施形態では、上述した応力断層分布に加え、ひずみ速度断層分布を演算し、これらを用いることにより、測定対象Wの内部の任意位置での力学物性値の断層分布を算出および可視化する。ここでいう「力学物性値」は、応力およびひずみ速度(又はひずみ)から得られる係数であって、弾性係数や粘性係数を含む。
図12(A)〜(C)は、再帰的相互相関法による処理過程を示している。各図にはOCTにより連続的に撮影される前後の断層画像が示されている。左側には先の断層画像(Image1)が示され、右側には後の断層画像(Image2)が示されている。
本実施例では、スペックルノイズの影響を受けたランダム性の強い相関値分布から正確な最大相関値を決定する方法として、隣接相互相関乗法を導入している。下記式(11)により、隣接相互相関乗法では検査領域S1における相関値分布Ri,j(Δx,Δz)と、その検査領域S1にオーバーラップする隣接検査領域に対するRi+Δi,j(Δx,Δz)とRi,j+Δj(Δx,Δz)の乗算を行い、新たな相関値分布R'i,j(Δx,Δz)を用いて最大相関値を検索する。
図13(A)〜(C)は、サブピクセル解析による処理過程を示している。各図にはOCTにより連続的に撮影される前後の断層画像が示されている。左側には先の断層画像(Image1)が示され、右側には後の断層画像(Image2)が示されている。
上述した風上勾配法までは検査領域S1の形状は変更せず、正方形を保ったまま変形ベクトルの算出を行っている。しかし、現実には計測対象の変形に合わせて検査領域S1も変形していると考えられるため、検査領域S1の微小変形を考慮したアルゴリズムを導入し、変形ベクトル算出を高精度にて算出する必要がある。このため、本実施例ではサブピクセル精度での変形ベクトルの算出に画像変形法を導入している。すなわち、材料の変形前の検査領域S1と変形後の伸縮及びせん断変形を考慮した検査領域S1とで相互相関を実施し、相関値ベースの反復計算によってサブピクセル変形量を決定している。なお、検査領域S1の伸縮及びせん断変形は線形で近似している。
ひずみ速度テンソルの算出には移動最小二乗法(Moving Least Square Method:以下「MLSM」という)を用いる。MLSMは、移動量分布を平滑化すると共に、微係数の安定算出を可能とする手法である。MLSMにおいて用いる二乗誤差式は下記式(17)にて表される。
図16は、制御演算部4により実行される力学物性値可視化処理の流れを示すフローチャートである。制御演算部4は、OCTによる測定対象Wの断層画像を連続的に取得する(S210)。そして、その断層画像を用いて応力の断層分布を演算し、画面に表示する(S212)。また、その断層画像を用いひずみ速度の断層分布を演算し、画面に表示する(S214)。そして、それら応力断層分布およびひずみ速度断層分布の演算結果から力学物性値の断層分布を演算し、画面に表示する(S216)。ここで、S212の応力断層分布の演算処理等については、第1実施形態の処理を適用することができる。このため、その説明については省略する。
測定対象の力学物性値の断層分布を可視化する力学物性値可視化装置であって、
光コヒーレンストモグラフィー(OCT)を用いる光学系を含む光学ユニットと、
前記測定対象を変形させるための変形エネルギー(負荷)を付与可能な負荷装置と、
前記光学ユニットおよび前記負荷装置の駆動を制御し、それらの駆動に基づいて前記光学ユニットから出力された光干渉信号を処理し、所定の演算処理を行う制御演算部と、
前記制御演算部の演算結果を表示可能な表示装置と、
を備え、
前記制御演算部は、
前記光学ユニットの駆動に伴って得られた光干渉信号に基づいて、前記測定対象に作用又は内在する応力の断層分布を演算し、
前記光学ユニットおよび前記負荷装置の駆動に伴って得られた光干渉信号に基づいて、前記変形エネルギーによる前記測定対象の断層位置での変形速度ベクトル分布(又は変形ベクトル分布)を演算し、その変形速度ベクトル分布(又は変形ベクトル分布)に基づいてひずみ速度テンソル(又はひずみテンソル)の断層分布を演算し、
前記応力の断層分布の演算結果と、前記ひずみ速度テンソル(又はひずみテンソル)の断層分布の演算結果とに基づいて、前記力学物性値の断層分布を演算し、前記表示装置に可視化表示させることを特徴とする力学物性値可視化装置。
Claims (5)
- 測定対象に作用又は内在する応力の分布を断層可視化する応力可視化装置であって、
低コヒーレンス光又は波長走査した光を出射する光源と、
前記光源から出射された光を直線偏光する偏光子と、
直線偏光された光を前記測定対象を経由するオブジェクトアームと、参照鏡を経由するリファレンスアームとに分けるビームスプリッタと、
前記オブジェクトアームに設けられ、前記直線偏光された光の偏光状態を変化させることが可能な光学変調器と、
前記測定対象にて反射した物体光と前記参照鏡にて反射した参照光とが重畳された干渉光を、その水平偏光成分と垂直偏光成分とに分けて検出する光検出装置と、
前記光学変調器を制御することにより前記偏光状態を調整する一方、前記測定対象の奥行き方向の位置とその直交方向の位置とにより特定される断層位置における応力分布を、前記光検出装置が検出した干渉信号の水平偏光成分と垂直偏光成分との位相差に基づいて演算する制御演算部と、
前記制御演算部の演算結果に基づいて、前記測定対象における応力分布を断層可視化する態様で表示する表示装置と、
を備え、
前記制御演算部は、前記光学変調器による偏光状態を変化させることにより前記測定対象に照射する偏光波の位相をシフトさせ、その偏光波の位相シフトごとに得られる干渉信号の位相差に基づき、その干渉信号の位相差断層分布の空間勾配を演算し、その空間勾配の断層分布を応力の断層分布と対応づけるようにして前記表示装置に可視化表示させることを特徴とする応力可視化装置。 - 前記制御演算部は、
前記測定対象となりうる部材の材質ごとに、前記干渉信号として得られるべき位相差の空間勾配と応力値との対応関係が予め定められた演算マップを保持し、
前記干渉信号の位相差断層分布の空間勾配を演算した後、その演算結果に基づいて前記演算マップを参照することにより応力を算出し、その算出結果としての応力分布を断層可視化することを特徴とする請求項1に記載の応力可視化装置。 - 前記測定対象に外的負荷をかけることなく、その測定対象に内在する残留応力を可視化表示することを特徴とする請求項1または2に記載の応力可視化装置。
- 高分子基材料を前記測定対象とすることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の応力可視化装置。
- 測定対象の力学物性値の断層分布を可視化する力学物性値可視化装置であって、
光コヒーレンストモグラフィーを用いる光学系を含む光学ユニットと、
前記測定対象を変形させるための変形エネルギーを付与可能な負荷装置と、
前記光学ユニットおよび前記負荷装置の駆動を制御し、それらの駆動に基づいて前記光学ユニットから出力された光干渉信号を処理し、所定の演算処理を行う制御演算部と、
前記制御演算部の演算結果を表示可能な表示装置と、
を備え、
前記制御演算部は、
前記光学ユニットの駆動に伴って得られた光干渉信号に基づいて、前記測定対象に作用又は内在する応力の断層分布を演算し、
前記光学ユニットおよび前記負荷装置の駆動に伴って得られた光干渉信号に基づいて、前記変形エネルギーによる前記測定対象の断層位置での変形速度ベクトル分布又は変形ベクトル分布を演算し、その変形速度ベクトル分布又は変形ベクトル分布に基づいてひずみ速度テンソル又はひずみテンソルの断層分布を演算し、
前記応力の断層分布の演算結果と、前記ひずみ速度テンソル又はひずみテンソルの断層分布の演算結果とに基づいて、前記力学物性値の断層分布を演算し、前記表示装置に可視化表示させることを特徴とする力学物性値可視化装置。
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