(57)【要約】【課題】スペックルパターンを撮像する際にノイズが含まれると、正常にスペックルパターンを対比できず、結果として測定対象物の変化量を正しく検出できない。【解決手段】測定対象物１の表面に対し光を照射する光源２と、測定対象物１の表面を撮像するカメラ装置３と、測定対象物１とカメラ装置３との間に設けられ、スペックルパターンを撮像する際にノイズとなる光成分を遮光する性質を有するフィルタ４１により光学系を構成することにより、ノイズとなる光をフィルタ４１で遮光し、スペックルパターンの検出精度を高める。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
経時的に所定方向への長さを伸張せしめられる被測定対象物の表面を光学系により撮像して得られるスペックルパターンに基づき前記被測定対象物の変化量を測定する非接触計測機器であって、
前記光学系は、前記被測定対象物の表面に対し光を照射する光源と、
前記被測定対象物の表面を撮像するカメラ装置と、
前記被測定対象物と前記カメラ装置との間に設けられ、前記スペックルパターンを撮像する際にノイズとなる光成分を遮光する性質を有するフィルタとを備えるものであることを特徴とする非接触計測機器。
【請求項２】
前記フィルタは前記光源により照射される光の波長帯域を透過しやすく、それ以外の波長帯域を透過し難いよう構成された遮光フィルタであることを特徴とする請求項１記載の非接触計測機器。
【請求項３】
前記被測定対象物と前記光源との間に、前記光源から照射される光を偏光とする第一の偏光フィルタを設けると共に、
前記被測定対象物と前記カメラ装置との間に設けられるフィルタを、前記第一の偏光フィルタを透過して形成された偏光を透過しやすく、それ以外の光を透過し難いよう構成された第二の偏光フィルタとして形成したものであることを特徴とする請求項１記載の非接触計測機器。
【請求項４】
被測定対象物のうち対向する２端部を保持する治具を有し、前記治具を移動させることによって前記被測定対象物に荷重を加える材料試験機であって、
前記材料試験機は更に、前記被測定対象物の表面に対し光を照射する光源と、
前記被測定対象物の表面を撮像し、前記被測定対象物の表面形状に応じて生じるスペックルパターンを検出するカメラ装置と、
前記被測定対象物と前記カメラ装置との間に設けられ、前記スペックルパターンを撮像する際にノイズとなる光成分を遮光する性質を有するフィルタとを備えた光学系と、
前記光学系の一部又は全部を、前記治具の移動に伴い、当該治具の移動方向に移動させる光学系移動部と、
前記光学系により予め取得した第一のスペックルパターンと、前記光学系移動部により前記光学系が移動する過程で前記光学系により取得した第二のスペックルパターンとを比較し、前記第一および第二のスペックルパターンが同一とみなしうるかを判断するとともに、
前記第一及び第二のスペックルパターンが同一とみなしえない場合には前記光学系移動部に対し前記光学系を所定量移動させるよう指示し、
前記第一及び第二のスペックルパターンが同一とみなしえた場合には前記光学系移動部に対し指示した前記光学系の移動量の総和に基づき前記被測定対象物の加重方向の変化量を算出する制御部と
を備えたことを特徴とする材料試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は非接触に測定対象物の変化量を計測する非接触計測機器に関し、より詳しくは測定対象物に対しレーザ光を照射したときに生じるスペックルパターンを検知して試験体の変化量を測定する非接触計測機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、物体（測定対象物）の変位量を計測することで当該物体の位置や速度等を求めたり、あるいは物体の変形を計測することで物体に加わった力の大きさや、物体の物性（ヤング率など）を間接的に求める手法が多々知られている（以下、測定対象物に対して加えられた外力に基づいて当該測定対象物に生じる、位置・形状・姿勢といった３次元空間内の状態変化を単に“変化”と総称し、また、当該状態変化の度合いを“変化量”と総称する）。このような場合において測定対象物の変化量を測定するために直接測定対象物に接触しなければならないとすると、測定するという行為自体が試験体に対して想定外の荷重を加えてしまい、正しく測定対象物の変化量を測定できなくなるおそれがあることから、測定対象物に接触することなくその変化量を検出可能な非接触計測機器が求められていた。
【０００３】
かような要求を満たす測定手法として、測定対象物表面にレーザ光を照射することによって、被照射位置の表面形状に応じて観察されるスペックルパターンを光学的に測定し、当該スペックルパターンの推移を検出することで間接的かつ非接触での変化量検出を行う装置が知られている（特許文献１）。詳細は後述するが、この種の装置においては一般的に、検出対象物が変化したとしても、変化の前後でそれぞれ対応する測定対象物の所定箇所において取得されるスペックルパターンには一定の相関性が見られることに基づき、測定対象物の変化前に予め基準となるスペックルパターンを取得したうえで、変化後にこれと相関性が認められるスペックルパターンが取得される測定対象物上の所定位置を探索し、両スペックルパターンの取得位置のずれ量に基づき、検出対象物の変化量を算出する。このとき、スペックルパターン同士の相関性の認定方法については例えば位相限定相関法（ＰＯＣ：特許文献２）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２７８１１１号公報
【特許文献２】特開平９−２２４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のスペックルパターンを用いて変化量を検出する非接触計測機器の例を図１に示す。図１において、１は測定対象物、２はレーザ光源、３はカメラ装置である。測定対象物１の両端は図示しない試験機の治具に固定され、図中の矢印Ｆの方向に所定の荷重を受け、矢印Ｆの方向に伸張する。レーザ光源２は測定対象物１の一部又は全部、ここでは図中点線で囲う領域（以下、測定領域）に対してレーザ光を照射するものである。また、カメラ装置３は測定対象物１の表面で反射したレーザ光を受光することで、測定対象物１の表面の凹凸等に応じて生じるスペックルパターンを撮像するものである。
【０００６】
図２は測定対象物１の伸張に伴う外観の変化を示すものである。図２（ａ）が伸張前の測定対象物１を示すもの、図２（ｂ）が伸張した測定対象物１を示すものとなっている。このような変化に際して測定対象物１の伸張方向長さの変化量をスペックルパターンを用いて検出する手法として、通常は図２（ａ）における測定領域と同一あるいは同一とみなしうる程度に相関性のあるスペックルパターンを示す測定対象物１上の位置を図２（ｂ）における測定対象物１上から探し、その位置の変化に基づいて測定対象物１の伸張方向長さの変化量を算出する。
【０００７】
図３（ａ）（ｂ）はそれぞれ、図２（ａ）（ｂ）に示した測定領域におけるスペックルパターンを撮像したものである。図３（ａ）（ｂ）のそれぞれは互いに同一とみなしうる程度に相関性があると解しうる。なお、これらスペックルパターンの相関性の認定方法については先に述べたＰＯＣをはじめ、従来知られている種々の画像比較手法から適宜なものを用いればよい。このように、測定対象物１が伸張した場合であっても、その伸張長さに応じて測定領域を移動させることでほぼ同一のスペックルパターンを検出することが可能となる。図４に測定領域の移動を模式的に示す。図４に示すように、伸張方向にレーザ光源２およびカメラ装置３からなる光学系を平行移動させることによって、測定領域を移動させることが可能となる。即ち、試験の開始に併せて光学系の平行移動を開始し、図２（ｂ）に相当するスペックルパターンを検出するまで移動を継続し、当該検出に至った場合、光学系を移動させた移動量に基づいて測定領域の変化量、ひいては測定対象物１の伸び量を算出することが可能となる。
【０００８】
しかしながら測定対象物１には種々の素材が用いられることが想定されるが、測定対象物１の材質や色彩によっては正確なパターンが検出できない場合があった。図５は、図３に示したスペックルパターンが検出された測定対象物１と同じ材料（ゴム）を用い、その色彩を黒から白へと変更した場合のスペックルパターンである。
【０００９】
図５（ａ）は伸張前の測定対象物１を示すもの、図５（ｂ）が伸張した測定対象物１を示すものであり、図３（ａ）（ｂ）と同じ試験片１の伸張長さ条件にてスペックルパターンを検出したものであるが、本来材質が同じ、即ち試験片１の伸張の仕方が同一であるので図５（ａ）（ｂ）は図５（ａ）（ｂ）と同様、ほぼ同一のスペックルパターンを示さなければならないところ、明らかに異なるスペックルパターンが検出されている。
【００１０】
本発明は、従来手法によっては図５（ａ）（ｂ）のようなスペックルパターンしか検出できず、ひいては測定対象物１の変化量の算出が困難となる原因の一つを解消する非接触計測機器を提供し、もって種々の測定対象物１を用いた場合であっても、従来の非接触計測機器よりも高精度の変化量測定が可能な非接触計測機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１に係る発明は、経時的に所定方向への長さを伸張せしめられる被測定対象物の表面を光学系により撮像して得られるスペックルパターンに基づき前記被測定対象物の変化量を測定する非接触計測機器であって、前記光学系は、前記被測定対象物の表面に対し光を照射する光源と、前記被測定対象物の表面を撮像するカメラ装置と、前記被測定対象物と前記カメラ装置との間に設けられ、前記スペックルパターンを撮像する際にノイズとなる光成分を遮光する性質を有するフィルタとを備えるものであることを特徴とする非接触計測機器である。
【００１２】
請求項２に係る発明は請求項１に係る発明に対し更に前記フィルタは前記光源により照射される光の波長帯域を透過しやすく、それ以外の波長帯域を透過し難いよう構成された遮光フィルタであることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項３に係る発明は請求項１に係る発明に対し更に前記被測定対象物と前記光源との間に、前記光源から照射される光を偏光とする第一の偏光フィルタを設けると共に、前記被測定対象物と前記カメラ装置との間に設けられるフィルタを、前記第一の偏光フィルタを透過して形成された偏光を透過しやすく、それ以外の光を透過し難いよう構成された第二の偏光フィルタとして形成したものであることを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項４に係る発明は被測定対象物のうち対向する２端部を保持する治具を有し、前記治具を移動させることによって前記被測定対象物に荷重を加える材料試験機であって、前記材料試験機は更に、前記被測定対象物の表面に対し光を照射する光源と、前記被測定対象物の表面を撮像し、前記被測定対象物の表面形状に応じて生じるスペックルパターンを検出するカメラ装置と、前記被測定対象物と前記カメラ装置との間に設けられ、前記スペックルパターンを撮像する際にノイズとなる光成分を遮光する性質を有するフィルタとを備えた光学系と、前記光学系の一部又は全部を、前記治具の移動に伴い、当該治具の移動方向に移動させる光学系移動部と、前記光学系により予め取得した第一のスペックルパターンと、前記光学系移動部により前記光学系が移動する過程で前記光学系により取得した第二のスペックルパターンとを比較し、前記第一および第二のスペックルパターンが同一とみなしうるかを判断するとともに、前記第一及び第二のスペックルパターンが同一とみなしえない場合には前記光学系移動部に対し前記光学系を所定量移動させるよう指示し、前記第一及び第二のスペックルパターンが同一とみなしえた場合には前記光学系移動部に対し指示した前記光学系の移動量の総和に基づき前記被測定対象物の加重方向の変化量を算出する制御部とを備えたことを特徴とする材料試験機である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の請求項１に係る発明に拠れば、スペックルパターンを検出するにあたり、ノイズとなる成分を予め除去することができるので、従来に比してより高精度にスペックルパターンを検出し、ひいては高精度に被測定対象物の変化量を検出することが可能となる。
【００１６】
本発明の請求項２に係る発明に拠れば、従来の非接触計測機器において生じていた外乱光によるノイズを遮光フィルタにより除去することができるので、従来に比してより高精度にスペックルパターンを検出することが可能となる。
【００１７】
本発明の請求項３に係る発明に拠れば、もっぱら被測定対象物の表面において鏡面反射した光のみをカメラ装置にて撮像、換言すれば当該鏡面反射した光以外の光成分を第二の偏光フィルタによってほぼ除去することができるので、被測定対象物の内部で乱反射した光や外乱光などのノイズを除去することができ、従来に比してより高精度にスペックルパターンを検出することが可能となる。
【００１８】
そして本発明の請求項４に係る発明に拠れば、上述のような利点を備えた材料試験機を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の非接触計測機器を示す構成図である。
【図２】測定対象物の伸張に伴う外観の変化を示す模式図である。
【図３】実際に撮像したスペックルパターンの例を示す図である。
【図４】測定対象物の伸張に伴い光学系を移動させる様子を示す模式図である。
【図５】実際に撮像した、正常にスペックルパターンの対比が行えない場合の例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る非接触計測機器を示す構成図である。
【図７】本発明の他の実施の形態に係る非接触計測機器を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、先に述べた従来の非接触計測機器と同等の構成については同番号を付して説明を省略する。
【００２１】
図６は本発明を適用した非接触計測機器の一例である。４１は遮光フィルタである。先に述べた従来の非接触計測機器においては光学系としてレーザ光源２、カメラ装置３を挙げ、これらを測定対象物１の伸張に併せて平行移動させるものとしたが、これらに加えて遮光フィルタ４１を光学系に含め、同様に平行移動させる構成とする。
【００２２】
本来、スペックルパターンを検出するにあたっては測定領域にて反射したレーザ光源２からのレーザ光のみをカメラ装置３で検出すべきところ、スペックルパターンはレーザ光源でなく、日光や照明などの外乱光によっても微弱ながら検出されうるため、測定対象物１上の測定領域外において反射した外乱光がカメラ装置３に到達した場合にはノイズとして検出されてしまう。
【００２３】
一般的に測定対象物１の表面の反射率が低いほど、すなわち反射光がカメラ装置３に到達する際の光強度が比較的低くなる環境であるほど前述のノイズの影響は小さくなる傾向が見られる。これは、レーザ光は元々十分な光強度を有しているために、このような条件を満たす測定対象物１の表面においてもある程度の光強度を有する反射光が得られるのに対して、レーザ光に対して比較的強度の弱い外乱光成分は測定対象物１の表面からの反射光がカメラ装置３の最低被写体照度を下回る、即ちカメラ装置３による撮像に影響を及ぼさないようになるためである。これに対して測定対象物１の表面の反射率が十分に高い場合において、すなわち表面での全反射が生じやすい場合にはレーザ光のみならず外乱光成分の反射光についてもカメラ装置３の最低被写体照度を上回ってしまい、外乱光成分反射光がカメラ装置３の撮像に影響を与えることとなる。そして当該影響が即ちノイズとなるので、スペックルパターンに乱れが生じる結果となる。なお、物体の表面処理状態などにより大きく左右されるものの、一例として測定対象物１の表面色彩が黒色であれば比較的ノイズの影響が小さくなり、表面色彩が白であれば逆に比較的ノイズの影響が大きくなる傾向が見られる。
【００２４】
一般的に、非接触計測機器においてレーザ光源２としては比較的安価な赤色のレーザ光源、たとえば波長６５０〜７００ｎｍ程度のものが用いられることが多い。これを考慮して、本実施の形態においては波長６５０〜７００ｎｍの光を透過しやすく、それ以外の波長の光を吸収しやすいバンドパスフィルタとして機能する遮光フィルタ４１を設けたものである。
【００２５】
遮光フィルタ４１は一般的に用いられるような、ガラス基板上に前述の光学特性を有するような薄膜を形成したものを適宜用いればよい。
【００２６】
外乱光には様々な波長の光成分が含まれることが考えられるため、遮光フィルタ４１において外乱光を完全に遮断するものではないが、このような構成に拠れば従来の図３（ａ）（ｂ）に示すようなスペックルパターンしか検出できなかった場合に比べ、大幅に外乱光の影響を除去し、図２（ａ）（ｂ）に近い、安定したスペックルパターンの検出が可能となる。
【００２７】
なお、上述した実施の形態において遮光フィルタ４１は厳密にレーザ光源２の波長域のみを透過しやすい設計にせず、設計的に許容されうる程度の帯域を透過しやすいものとすれば良い。
【００２８】
図７は本発明の他の実施の形態に係る非接触計測機器である。ここで、４２，４３は偏光フィルタである。
【００２９】
測定対象物１の材質、色彩によってはレーザ光源２からのレーザ光や外乱光の全てが表面で反射するのではなく、測定対象物１の内部に進入した光成分が当該内部にて乱反射して測定対象物１の外部に放出され、更にはカメラ装置３へと到達する現象が生じやすいものがある。
【００３０】
スペックルパターンは被反射体（測定対象物１）の反射面の形状によって通常決定されるところ、前述のような現象が生じた場合、これによりカメラ装置３に到達する光は測定対象物１の表面にて反射したものではないので、スペックルパターンを検出するうえでノイズとして検出されることとなる。
【００３１】
本実施の形態は前述の原因により生じるノイズを除去することを目的とするものであり、レーザ光源２からのレーザ光を予め偏光フィルタ４２を通すことにより所定の偏光、例えば直線偏光のみを測定対象物１に向けて照射する。測定対象物１の表面にて反射する光成分については測定対象物１の表面は鏡面とみなせるので、表面で正反射した反射光はそのままカメラ装置３側に設けられた偏光フィルタ４３を透過し、カメラ装置３へと到達する。これに対し、測定対象物１の内部にて乱反射した光成分は、乱反射によって更に偏光の方向が変化してしまうため、偏光フィルタ４３を透過できずカメラ装置３へと到達しない。結果として、ノイズの低減が可能となる。
【００３２】
本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えても構わない。例えば上述した実施の形態ではレーザ光源２を赤色のものとしたがこれに限らず、紫外線領域や赤外線領域を含めた各種波長域の光源、あるいはスペックルパターンを検出するに際して十分な輝度を有するＬＥＤやＬＥＤと集光レンズとの組み合わせを用いても構わないし、フィルタの材質、製法についても同様の効果を得られる限りどのようなものであっても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
上述したとおり、本発明によれば、従来の非接触計測機器よりも高精度の変化量測定が可能な非接触計測機器およびこれを適用した材料試験機を提供することが可能となる。
【符号の説明】
【００３４】
１    試験体
２    レーザ光源
３    カメラ装置
４１    遮光フィルタ
４２    偏光フィルタ
４３    偏光フィルタ
【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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【図６】
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【図７】
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