JPWO2019235409A1 - 変位量測定装置、変位量測定方法、およびプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、構造物の欠陥を非接触で精度良く検出することを可能とすることにある。
(変位量測定装置100)
図1は、本発明の第一の実施形態に係わる変位量測定装置100の構成を示すブロック図である。図1に示すように、変位量測定装置100は、撮像装置1および信号処理部2を備えている。
図2は、撮像装置1の構成を概略的に示す図である。図2に示すように、撮像装置1は、レンズ12および撮像素子13を備えている。また、撮像装置1は、光路長変換部11をさらに備えている。光路長変換部11は、レンズ12に対して、撮像素子13と反対側に配置されている。光路長変換部11は、例えば平板ガラスであってよい。あるいは、光路長変換部11は、空気よりも高い屈折率を有する他の材料で形成されていてもよい。光路長変換部11は、光路長変換手段の一例である。
図1に示すように、変位量測定装置100が備えた信号処理部2は、全変位量算出部3と、面外変位算出部4と、面内変位算出部5とを備える。
図3は、撮像装置1による被検物の撮影時における光学配置を示す。
図3を参照して、面外変位算出部4が面外変位を算出する方法を説明する。
(式2)
(式3)
(式6)
(式7)
図4は、撮像素子13の視野を示す。より詳細には、図4は、撮像素子13から、被検物10がどのように見えるかを示す。図4において、符号V1は、光路長変換部11を介さない撮像素子13の視野を表す。符号V2は、光路長変換部11を介した撮像素子13の視野を表す。図4では、光路長変換部11は、撮像素子13の全視野のおおよそ半分を覆っている。しかしながら、光路長変換部11の形状および配置は特に限定されない。
図5aは、面内変位がない場合における、被検物10の表面内の全変位量を示す図である。面内変位が存在しない場合、全変位量は面外変位と一致する。
図6aは、面内変位がある場合における、被検物10の表面内の全変位量を示す図である。面内変位がある場合の全変位量は、投影面外変位と面内変位との総和である。
(式9)
(式13)
(式14)
(式15)
こうして求められたMgx_rep、Max_repを、式6、式7のMgx(xi)、Max(xi)として、式6、式7のそれぞれに代入すると、以下の式16、17が得られる。
(式16)
(式17)
図7は、本実施形態に係わる光路長変換部11の一変形例に係わる光路長変換部11aを示す図である。図7に示すように、光路長変換部11aは、複数のミラー51で構成されている。光路長変換部11aにおいては、被検物10からの光が、複数のミラー51の間で何度も反射した後、レンズ12に入射する。
図8は、本実施形態に係わる光路長変換部11の他の変形例に係わる光路長変換部11bを示す図である。図8に示すように、光路長変換部11bは、複数の部分111、112を含む。複数の部分111、112は、互いに異なる屈折率を有する。そのため、部分111を介した撮像素子13の視野と、部分112を介した撮像素子13の視野とでは、拡大率が異なるので、撮像素子13からの被検物10の見え方は、部分111と部分112との間で異なる。
図9を参照して、変位量測定装置100の動作フローを説明する。図9は、変位量測定装置100が実行する変位量測定方法の流れを示すフローチャートである。
図10〜図14を参照して、荷重によって構造物20に生じる欠陥と、構造物20の表面内における変位量との関係を説明する。ここでいう変位量とは、面内変位のことである。撮像装置1が撮影する表面は、荷重がかかる表面に対して、反対側の表面であるとする。また、構造物20の両端は固定されているとする。
図10は、構造物20が健全である場合に、荷重によって構造物20にどのような応力が生じるのかを示す。図10に示すように、構造物20が健全である場合、構造物20の表面には、圧縮応力および引張応力が生じる。歪量とは、構造物20の変形の大きさおよび方向を表す値であり、面内変位の微分によって算出される。
(ケース1.ひび割れ)
図11は、撮像装置1が撮影する構造物20の表面にひび割れが存在する場合に、荷重によって構造物20に生じる応力および歪を示す。図11に示すように、撮像装置1が撮影する表面において、ひび割れの近傍では、引張応力による歪および面内変位が存在する。しかしながら、ひび割れから離れた領域では、引張応力の伝達が弱まるため、歪量は小さくなり、面内変位は一定になることが特徴である。
図12は、撮像装置1が撮影する構造物20の表面に剥離が存在する場合に、荷重によって構造物20に生じる応力および歪を示す。図12に示すように、撮像装置1が撮影する表面において、構造物20の表面が剥離している部分では、歪量はほとんど0に近いため、面内変位は一定である。しかし、構造物20の表面が剥離していない部分では、引張応力による面外変位および歪が生じるため、面内変位が変化する。
図13は、構造物20の内部に空洞が存在する場合に、荷重によって構造物20に生じる応力および歪を示す。図13に示すように、内部空洞は、荷重による応力を分散させる働きをするので、撮像装置1が撮影する表面において、歪量は小さくなる。すなわち、構造物20にひび割れが存在する場合と同様に、構造物20の内部に空洞が存在する場合も、撮像装置1が撮影する表面において、面内変位はほとんど一定である。
本実施形態の構成によれば、構造物と撮像素子との間に、撮像素子の視野の一部を覆うように、光路長変換部が配置される。光路長変換部を介した撮像素子の視野の一部において、被検物から撮像素子までの間の光路長が長くなる。すなわち、撮像素子は、一度に2つの異なる光路長から、構造物の表面を撮像することができる。
本発明の他の実施形態について、以下で説明する。本実施形態では、変位量および奥行距離を算出した後、欠陥の有無及び欠陥の種類を判定する構成を説明する。
図14は、本実施形態に係わる変位量測定装置200の構成を示すブロック図である。変位量測定装置200は、撮像装置1を用いて、構造物20の表面の時系列画像を撮像し、時系列画像から構造物20の各部分の変位を算出するとともに、撮像装置1から構造物20までの距離も算出する。
図15は、本実施形態に係わる変位量測定装置200による状態判定方法を示すフローチャートである。図15において、ステップS1からステップS6までは、図9のフローチャートに示す変位量測定方法と同様である。なお、本実施形態では、ステップS1からステップS6までの説明を省略する。
本実施形態の構成によれば、構造物の表面内における変位量および奥行距離を一度に算出する。そして、算出した変位量および奥行距離に基づいて、構造物の欠陥の有無、および欠陥の種類を判定する。そのため、構造物の遠隔から非接触で、構造物の状態を診断することができる。
本発明の他の実施形態について、以下で説明する。本実施形態では、構造物に瞬間的な荷重(本実施形態では撃力と呼ぶ)を与えた場合の、構造物の応答について説明する。
図16は、構造物20の表面に対し、極短時間の撃力を与えた場合(インパルス刺激という)の応答(インパルス応答という)を示すグラフである。インパルス応答とは、インパルス刺激に対する、構造物20の変位および歪の時間変化のことである。
本実施形態の構成によれば、インパルス応答が示す構造物の特性を利用して、構造物の状態を判定する。したがって、構造物が欠陥を有するかどうかを、より正確に判定することができる。
本発明の他の実施形態について、以下で説明する。本実施形態では、課題を解決するための必須構成について説明する。
図17は、本実施形態に係わる変位量測定装置300の構成を示すブロック図である。図17に示すように、変位量測定装置300は、撮像素子310、光路長変換部320、画像解析部330、および面外変位算出部340を備えている。
本実施形態の構成によれば、被検物と撮像素子との間に、撮像部の視野の一部を覆うように、光路長変換部が配置される。そのため、撮像部の撮像素子は、一度に2つの異なる光路長から、被検物を撮像することができる。このように撮像素子が撮像することによって得られた画像から、被検物の表面内における変位量および奥行距離を一度に算出することができる。これにより、構造物の欠陥を非接触で精度良く検出することができる。
本開示の各実施形態において、各装置の各構成要素は、機能単位のブロックを示している。各装置の各構成要素の一部又は全部は、例えば図18に示すような情報処理装置900とプログラムとの任意の組み合わせにより実現される。図18は、各装置の各構成要素を実現する情報処理装置900のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。
図18に示すように、情報処理装置900は、一例として、以下のような構成を含む。
・ROM(Read Only Memory)902
・RAM(Random Access Memory)903
・RAM903にロードされるプログラム904
・プログラム904を格納する記憶装置905
・記録媒体906の読み書きを行うドライブ装置907
・通信ネットワーク909と接続する通信インタフェース908
・データの入出力を行う入出力インタフェース910
・各構成要素を接続するバス911
各実施形態における各装置の各構成要素は、これらの機能を実現するプログラム904をCPU901が取得して実行することで実現される。各装置の各構成要素の機能を実現するプログラム904は、例えば、予め記憶装置905やROM902に格納されており、必要に応じてCPU901がRAM903にロードして実行される。なお、プログラム904は、通信ネットワーク909を介してCPU901に供給されてもよいし、予め記録媒体906に格納されており、ドライブ装置907が当該プログラムを読み出してCPU901に供給してもよい。
本実施形態の構成によれば、前記のいずれかの実施形態において説明した装置が、ハードウェアとして実現される。したがって、前記のいずれかの実施形態において説明した効果と同様の効果を、ハードウェア資源を用いて達成することができる。
この出願は、2018年6月5日に出願された日本出願特願2018−107913を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
2 信号処理部
3 全変位量算出部
4 面外変位算出部
5 面内変位算出部
10 被検物
11 光路長変換部
12 レンズ
13 撮像素子
300 変位量測定装置
310 撮像素子
320 光路長変換部
330 画像解析部
340 面外変位算出部
Claims (8)
- 被検物の表面を撮像する撮像素子と、
前記被検物と前記撮像素子との間に、前記撮像素子の視野の一部を覆うように配置された光路長変換手段と、
前記撮像素子が撮影した画像を用いて、前記光路長変換手段に覆われていない前記撮像素子の視野で得られた、前記被検物の表面内における第一の変位量と、前記光路長変換手段に覆われた前記撮像素子の視野で得られた、前記被検物の表面内における第二の変位量とを算出する画像解析手段と、
前記第一の変位量および前記第二の変位量に基づいて、前記被検物から前記撮像素子までの距離、および、前記被検物の面外変位を算出する面外変位算出手段と、を備えた
変位量測定装置。 - 前記光路長変換手段は、屈折率が1よりも大きい透明な材料で構成されている
ことを特徴とする請求項1に記載の変位量測定装置。 - 前記光路長変換手段は、前記撮像素子の撮像面に対して平行な平板の形状である
ことを特徴とする請求項1または2に記載の変位量測定装置。 - 前記画像解析手段が算出した前記第一の変位量および前記第二の変位量と、前記面外変位算出手段が算出した前記面外変位とに基づいて、前記被検物の面内変位を算出する面内変位算出手段をさらに備えた
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の変位量測定装置。 - 前記面外変位算出手段が算出した前記距離の変位および前記面外変位と、前記面内変位算出手段が算出した前記面内変位とに基づいて、前記被検物の状態を判定する状態判定手段をさらに備えた
ことを特徴とする請求項4に記載の変位量測定装置。 - 前記状態判定手段は、インパルス応答の特徴的なパターンに基づいて、前記被検物が健全な状態であるか、あるいは欠陥を有するかどうかを判定する
ことを特徴とする請求項5に記載の変位量測定装置。 - 被検物の表面を撮像する撮像素子と、前記被検物と前記撮像素子との間に、前記撮像素子の視野の一部を覆うように配置された光路長変換手段と、を備えた装置を用いて行う変位量測定方法であって、
前記撮像素子が撮影した画像を用いて、前記光路長変換手段に覆われていない前記撮像素子の視野で得られた、前記被検物の表面内における第一の変位量と、前記光路長変換手段に覆われた前記撮像素子の視野で得られた、前記被検物の表面内における第二の変位量とを算出することと、
前記第一の変位量および前記第二の変位量に基づいて、前記被検物から前記撮像素子までの距離、および、前記被検物の面外変位を算出することとを含む
変位量測定方法。 - 被検物の表面を撮像する撮像素子と、前記被検物と前記撮像素子との間に、前記撮像素子の視野の一部を覆うように配置された光路長変換手段と、を備えた装置を用いて、
前記撮像素子が撮影した画像を用いて、前記光路長変換手段に覆われていない前記撮像素子の視野で得られた、前記被検物の表面内における第一の変位量と、前記光路長変換手段に覆われた前記撮像素子の視野で得られた、前記被検物の表面内における第二の変位量とを算出することと、
前記第一の変位量および前記第二の変位量に基づいて、前記被検物から前記撮像素子までの距離、および、前記被検物の面外変位を算出することと
をコンピュータに実行させるためのプログラムを格納した、一時的でない記録媒体。
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