(57)【要約】【課題】プラスチック、ゴム、金属および構造物、構造材などにおける被測定物の広範囲の歪み分布を非接触で容易に計測することができる歪み計測方法及び歪み計測装置を提供するものである。【解決手段】被測定物５の計測箇所９にレーザ光４を照射するレーザ投光機１と、前記レーザ光４の反射光であるレーザスペックルパターン３を撮像する受光部２と、撮像したレーザスペックルパターン３の各スペックルの重心点１２を求める画像処理手段と、各スペックルの重心点１２の移動量と移動方向を検出して被測定物５の歪みを計測する計測手段とから構成してある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の計測箇所にレーザ光を照射し、前記レーザ光の反射光であるレーザスペックルパターンを受光部で撮像し、撮像したレーザスペックルパターンの各スペックルの重心点を求め、各スペックルの重心点の移動量と移動方向を検出して被測定物の歪みを計測する歪み計測方法。
【請求項２】
複数の計測箇所にレーザ光を照射して被測定物の歪みを計測する請求項１に記載の歪み計測方法。
【請求項３】
被測定物の計測箇所にレーザ光を照射するレーザ投光機と、前記レーザ光の反射光であるレーザスペックルパターンを撮像する受光部と、撮像したレーザスペックルパターンの各スペックルの重心点を求める画像処理手段と、各スペックルの重心点の移動量と移動方向を検出して被測定物の歪みを計測する計測手段とからなる歪み計測装置。
【請求項４】
複数組のレーザ投光機と受光部を備え、複数の計測箇所にレーザ光を照射するようにした請求項３に記載の歪み計測装置。
【請求項５】
前記計測手段が、異なるスペックルの重心点の移動量と移動方向を加算して被測定物の歪みを計測する手段を備えた請求項３又は４に記載の歪み計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラスチック、ゴム、金属などの試験片、その他構造物および構造材料等の被測定物の歪み分布を非接触にて計測する歪み計測方法及び歪み計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定物の歪みを計測する方法としては、被測定物に抵抗線歪みゲージを貼り付けて計測する計測方法、あるいは、レーザ光をビームスプリッタで二光束に分け、被測定物の歪みの方向に角度を持たせて重ねて照射して干渉させ、被測定物の変形前後におけるスペックルパターンの変化から歪み量を求める二光束法による電子スペックル干渉法（ＥＳＰＩ）が知られている。
【０００３】
抵抗線歪みゲージによる計測方法は、計測の事前処理として被測定物へ抵抗線歪みゲージを取り付ける必要があり、計測箇所への取り付け方向ならびに取り付け強度にも注意を必要とし、計測者の熟練を要する。さらに、計測中において、被測定物に亀裂や破断を生じた場合には、抵抗線歪みゲージが外れたり、抵抗線歪みゲージに損傷や破壊が生じたりする可能性がある。この為、抵抗線歪みゲージによる計測方法は、被測定物の歪み方向に正しく抵抗線歪みゲージを取り付ける必要があり、抵抗線歪みゲージの計測範囲内で一方向の計測に限定され、ゴムやプラスチックなど伸び率の大きい歪み計測には不向きである。
【０００４】
電子スペックル干渉法は、照射するレーザ光をビームスプリッタにより２つの光路に分岐し、被測定物の歪み方向に２方向から角度を持たせて重ねて照射する必要があり、光学系が精密かつ煩雑となり、計測箇所の歪み方向を予め推測し、歪み方向と平行となるようにレーザ光を重ねて照射する必要があり、被測定物は小さく、狭い範囲内の一方向性のみの歪み計測に限定されていた。
【０００５】
また、本願の発明者により、レーザスペックルパターンを利用し、試験片に非接触でポアソン比をリアルタイムで計測する歪み計測方法及び装置が提案され（特許文献１参照）、また、被計測物に照射するレーザ光をレーザ投光機と被計測物との間に焦点を有するクロス光としたレーザ反射光による被計測物の高精度変位計測方法とその装置が提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−６４８６４号公報
【特許文献２】特開２００８−３０４１９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
抵抗線歪みゲージによる計測方法によれば、被測定物の歪み方向を予め予測して抵抗線歪みゲージを貼り付け、貼り付ける強度や歪み量を予測するなど計測者の熟練を要し、抵抗線歪みゲージの計測範囲内で一方向の計測に限定され、伸び率の大きい被測定物の歪み計測には不向きであるという課題があった。
【０００８】
電子スペックル干渉法によれば、レーザ光をビームスプリッタで２分岐し、計測箇所の歪み方向を予め予測して２分岐したレーザ光を重ね合わせて照射し、狭い範囲内の一方向の計測に限定され、伸び率の大きい被測定物の歪み計測には不向きであり、また、光学系が精密かつ煩雑になるという課題があった。
【０００９】
また、特許文献１に記載の歪み計測方法及び装置は、計測系を試験片の伸び方向に沿って自動追尾するようにしてあるために、歪み方向が一定でない被測定物を測定対象とする場合や、複数の計測系により複数箇所の歪みを計測する場合には、装置の構成が複雑になるという課題があった。
【００１０】
そこで、本発明は、プラスチック、ゴム、金属および構造物、構造材などにおける被測定物の広範囲の歪み分布を非接触で容易に計測することができる歪み計測方法及び歪み計測装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するために、被測定物の計測箇所にレーザ光を照射し、前記レーザ光の反射光であるレーザスペックルパターンを受光部で撮像し、撮像したレーザスペックルパターンの各スペックルの重心点を求め、各スペックルの重心点の移動量と移動方向を検出して被測定物の歪みを計測する歪み計測方法を提供するものである。
【００１２】
また、本発明の歪み計測方法は、複数の計測箇所にレーザ光を照射して被測定物の歪みを計測するものである。
【００１３】
また、本発明は、被測定物の計測箇所にレーザ光を照射するレーザ投光機と、前記レーザ光の反射光であるレーザスペックルパターンを撮像する受光部と、撮像したレーザスペックルパターンの各スペックルの重心点を求める画像処理手段と、各スペックルの重心点の移動量と移動方向を検出して被測定物の歪みを計測する計測手段とからなる歪み計測装置を提供するものである。
【００１４】
また、本発明の歪み計測装置は、複数組のレーザ投光機と受光部を備え、複数の計測箇所にレーザ光を照射するようにしたものである。
【００１５】
また、本発明の歪み計測装置は、前記計測手段が、異なるスペックルの重心点の移動量と移動方向を加算して被測定物の歪みを計測する手段を備えたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の歪み計測方法は、被測定物の計測箇所にレーザ光を照射し、前記レーザ光の反射光であるレーザスペックルパターンを受光部で撮像し、撮像したレーザスペックルパターンの各スペックルの重心点を求め、各スペックルの重心点の移動量と移動方向を検出して被測定物の歪みを計測する構成を有することにより、歪みの計測に際して、事前処理や特別な標識を必要とせず、複雑な光学系も用いず、微小な歪みから大変形の歪みまで、被測定物にレーザ光を照射し、被測定物の歪み量と歪み方向に対応して平行移動するスペックルの重心点の動きを連続して計測することができ、容易にかつ非接触で被測定物の歪み分布を計測することができる効果がある。
【００１７】
また、本発明の歪み計測方法は、複数の計測箇所にレーザ光を照射して被測定物の歪みを計測することにより、大きな被測定物においても全体の歪み分布を計測することができる効果がある。
【００１８】
また、本発明の歪み計測装置は、被測定物の計測箇所にレーザ光を照射するレーザ投光機と、前記レーザ光の反射光であるレーザスペックルパターンを撮像する受光部と、撮像したレーザスペックルパターンの各スペックルの重心点を求める画像処理手段と、各スペックルの重心点の移動量と移動方向を検出して被測定物の歪みを計測する計測手段とからなる構成を有することにより、歪みの計測に際して、事前処理や特別な標識を必要とせず、複雑な光学系も用いず、微小な歪みから大変形の歪みまで、被測定物にレーザ光を照射し、被測定物の歪み量と歪み方向に対応して平行移動するスペックルの重心点の動きを連続して計測することができ、容易にかつ非接触で被測定物の歪み分布を計測することができる効果がある。
【００１９】
また、本発明の歪み計測装置は、複数組のレーザ投光機と受光部を備え、複数の計測箇所にレーザ光を照射するようにしたことにより、大きな被測定物においても全体の歪み分布を計測することができる効果がある。
【００２０】
また、本発明の歪み計測装置は、前記計測手段が、異なるスペックルの重心点の移動量と移動方向を加算して被測定物の歪みを計測する手段を備えたことにより、被測定物の歪み量が大きく、各スペックルが撮像範囲を超えて移動する場合でも、異なるスペックルの重心点の動きを加算するから、スペックルの重心点の動きを連続して計測することができ、伸縮率の大きい被測定物の歪みを計測することが可能になる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明歪み計測装置の一実施例を示す構成図。
【図２】その一実施例のスペックルパターン発生状態を示す図。
【図３】本発明歪み計測装置の他の実施例を示す構成図。
【図４】その実施例のスペックルパターン発生状態を示す図。
【図５】スペックルパターン発生・撮像構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施の形態を図示する実施例に基づいて説明する。
本発明に係る歪み計測装置は、被測定物５の計測箇所９にレーザ光４を照射するレーザ投光機１と、前記レーザ光４の反射光であるレーザスペックルパターン３を撮像する受光部２と、撮像したレーザスペックルパターン３の各スペックルの重心点１２を求める画像処理手段と、各スペックルの重心点１２の移動量と移動方向を検出して被測定物５の歪みを計測する計測手段とから構成してある。
【００２３】
図５は、スペックルパターンの発生及び撮像の構成を示す図である。
図５に示すように、直進性、高輝度、単色光、干渉性に優れたレーザ光４を被測定物５に照射すると、照射レーザ光４は被測定物５の粗面に基づいて空間で乱反射し、レーザスペックルパターン３が発生する。このレーザスペックルパターン３は、被測定物５の表面における２次元的な歪みや変形に伴って平行移動する性質があるから、受光部２でレーザスペックルパターン３を連続撮像し、画像処理装置６にて撮像したレーザスペックル３の移動方向と移動量を検出することにより、被測定物５の表面の歪み方向と歪み量を導き出すことができ、非接触かつ高応答の歪み計測装置を得ることができる。
【００２４】
図１〜図４に示すように、本発明のレーザスペックルパターンによる非接触型歪み分布計測方法は、被測定物５の計測箇所９にレーザ光４を照射し、被測定物５の表面の粗面に基づいて空間に発生したレーザスペックルパターン３をＣＣＤカメラなどの受光部２で連続撮像し、レーザスペックルパターン３の各スペックルの重心点１２を求め、被測定物５の歪みに伴いスペックルの重心点１２が移動する性質を利用し、スペックルの重心点１２の移動量と移動方向を同時に検出して、被測定物の歪み分布を計測するものである。なお、被測定物５の歪み量が大きく、各スペックルが移動して撮像範囲を逸脱する場合には、新たに撮像範囲に入って撮像される各スペックルの重心点１２の移動を加算し続けることにより、大きな歪み量でも連続して計測することが可能である。
【実施例１】
【００２５】
図１は、被測定物５の狭い領域（計測箇所９）における歪み分布計測系を示している。図１において、１０は被測定物５を支持する支持台であり、８は被測定物５に上部から尖端荷重を加える荷重装置である。荷重装置８が、支持台１０に載置した被測定物５の上部より荷重を加えると、被測定物５に荷重が加わり歪みが発生する。
【００２６】
レーザ投光機１は、被測定物５に安定したレーザスペックルパターン３を描くために高輝度で指向性を備えた可視光を使用し、レーザ素子、冷却回路、駆動回路、及びレンズより構成され、ビーム光を照射することができるようにしてある。レーザ投光機１のレンズは、照射するレーザ光４のビーム径を変えることができるように設けてあり、レーザ光４を照射する領域を可変にしてある。また、レーザ光４は、被測定物５の微細な歪みを検出できるようにクロス光を使用することができる他、ストレート光やスポット光を使用することも可能である。
【００２７】
受光部２は、ＣＣＤ素子と、該ＣＣＤ素子の前方に設けた外来光を遮断する暗視筒とからなり、レーザスペックルパターン３を直接撮像するように構成してある。受光部２は、被測定物５に描くレーザスペックルパターン３を撮像し、ＮＴＳＣ信号（アナログ信号）で画像処理装置６へ出力する機能を有している。
【００２８】
画像処理装置６は、受光部２で撮像したスペックルパターン３のＮＴＳＣ信号を入力し、スペックルパターン３の各スペックルの重心点１２を求める画像処理手段を備えている。この画像処理手段は、継続的に各スペックルの重心点１２を求めることができるように構成してあり、重心点１２の移動量と移動方向を検出して各スペックルの移動を検出することができる。なお、重心点の計算には、公知の計算方法を使用することができる。
【００２９】
また、画像処理装置６は、画像処理手段で検出された各スペックルの重心点１２の移動量と移動方向に基づいて、被測定物５の歪みを計測する計測手段を備えている。また、画像処理装置６は、スペックルパターン３及びその重心点、被測定物５の歪み情報を表示装置７に出力するようにしてある。計測手段は、被測定物５の歪み具合をポアソン比などで数値化したり、重心点の位置関係の変化を模式的に表したりすることができる。
【００３０】
図２は、図１に示す実施例において撮像されたスペックルパターン３を示している。図２は、被測定物５に荷重を加えた状態を示している。被測定物５に荷重を加える前では、スペックルパターン３は静止しているが、被測定物５に荷重が加わると、荷重の大きさに比例して被測定物５に歪みが生じ、スペックルパターン３が歪み方向と平行に移動する状態（図中の矢印）が示されている。
【００３１】
図１及び図２に示すように、スペックルパターン３は、被測定物５の表面における歪み方向に平行して移動する性質があるから、荷重装置８により加えられる尖端荷重に対して放射状に各スペックルの重心点１２（図中の黒点）が移動する。従って、本発明に係る歪み計測装置は、撮像したスペックルパターン３における各スペックルの重心点１２の移動量と移動方向を画像処理装置６にて演算することにより、荷重に対する被測定物５の歪み分布を計測することができる。
【実施例２】
【００３２】
図３は、被測定物５の広い領域（計測箇所９ａ〜９ｅ）における歪み分布計測系を示している。図３に示す実施例において、１１ａ〜１１ｅは、図５に示すレーザ投光機１と受光部２で構成された計測系である。計測箇所９ａ〜９ｅは、被測定物５の適宜な計測位置を示すものであり、図示の実施例では、計測系１１ａ〜１１ｅが、被測定物５の中央部と四隅部にレーザ光４を照射して、被測定物５の広い領域の歪み分布を計測することができるようにしてある。レーザ投光機１と受光部２は、一体化して設けることにより、計測系１１ａ〜１１ｅを移動して、任意の計測箇所９ａ〜９ｅにおいて歪みを計測することも可能である。
【００３３】
図３は、尖端荷重に対する被測定物５の広域範囲の歪みを計測する方法を示している。図３に示すように、荷重装置８が、支持台１０に載置した被測定物５の上部より荷重を加えると、被測定物５に荷重が加わり歪みが発生する。
【００３４】
図４は、図３中の各計測箇所９ａ〜９ｅにおけるスペックルパターンを示している。図４は、被測定物５に荷重を加えた状態を示している。被測定物５に荷重を加える前では、各計測箇所９ａ〜９ｅにおけるスペックルパターン３は静止しているが、被測定物５に荷重が加わると、荷重の大きさに比例して被測定物５に歪みが生じ、各計測箇所９ａ〜９ｅのスペックルパターン３が歪み方向と平行に移動する状態が示されている。
【００３５】
画像処理装置６は、画像処理手段と計測手段を備えている。画像処理手段は、各計測箇所９ａ〜９ｅにおけるスペックルの重心点１２を求め、これら重心点１２の移動量と移動方向を検出して各スペックルの移動を検出することができるように構成してある。計測手段は、被測定物５における計測箇所９ａ〜９ｅの位置データと、画像処理手段で検出された計測箇所９ａ〜９ｅにおける各スペックルの重心点１２の移動量と移動方向に基づいて、被測定物５の広い領域の歪み分布を計測することができるようにしてある。
【００３６】
図示の実施例において、画像処理装置６は、複数の計測系１１ａ〜１１ｅ間の処理（歪み分布処理）を時分割処理し、表示装置７に計測系１１ａ〜１１ｅの位置関係を表示し、且つ、各計測系１１ａ〜１１ｅにおける歪み値（左右並びに上下移動量）を表示することができるように構成してある。画像処理装置６は、各計測系１１ａ〜１１ｅから収集する画像情報を、例えば、位相限定相関法、統計干渉、相互相関法などにより順次（時分割）処理し、処理された画像データから歪み値を求めるようにしてある。
【００３７】
なお、画像処理装置６は、各計測系１１ａ〜１１ｅに個別に設けて歪み値を求め、求められた各計測系の歪み値を一括収集する別のコンピュータを備え、表示装置７に各計測系の位置関係を表示するとともに歪み値を表示出力するように構成することも可能である。このように、画像処理装置６を個別に設けることにより、被測定物５の歪み分布計測を高速に得ることができる。
【００３８】
上記実施例では、画像処理手段として重心点１２の移動量と移動方向を例に示しており、精度は１μｍであるが、既存の画像処理である相互相関法や位相限定相関法、統計干渉法などを用いることにより、瞬間的な歪みの計測やサブミクロン単位の精度での計測も可能である。
【００３９】
本発明に係る歪み計測方法及び装置は、上記実施例に示すように、被測定物５へ尖端荷重を加える場合に限らず、風洞試験、流体試験、引張試験機用伸び計、振動試験、疲労試験に於ける被測定物５の歪み分布計測など、多種の用途に適用可能である。
また、本発明に係る歪み計測方法及び装置は、計測系１１を多数用いることにより、被測定物５の総合的な歪み分布計測を可能とするものである。
【００４０】
また、航空機の翼など大きな被測定物５の歪み分布を同時に計測する場合には、一体化したレーザ投光機１と受光部２を被測定物５の適宜な各位置に設置し、同時計測することにより、総合的な歪み計測をすることができる。
【符号の説明】
【００４１】
１  レーザ投光機
２  受光部
３  スペックルパターン
４  レーザ光
５  被測定物
６  画像処理装置
７  表示装置
８  荷重装置
９  計測箇所
１０  支持台
１１  計測系
１２  重心点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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