(57)【要約】  規則性のある縞模様、白黒比が１：１の余弦波または矩形波模様を利用してモアレ縞を発生させ、そのモアレ縞の位相情報を解析して変形前後のモアレ縞の位相差分布を算出することで微小変位分布を計測できるサンプリングモアレ法の従前の手法は、ナノマイクロ材料や大型構造物には不向きであり、また、２周期以上の任意の繰り返しのある規則性模様に適用した場合、従来の解析方法では大きな誤差が発生するという問題点があった。  本発明は、物体表面に人工的に作製された、または物体表面に予め存在している１次元または２次元の繰り返しを有する任意の規則性模様を利用して発生させたモアレ縞の高次周波数または複数の周波数成分における位相情報を利用することでその欠点を改善し、測定精度の向上および測定し得るスケール限界を飛躍的に高めることに成功した。
2015008404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学式カメラを用いて、物体表面上に貼付けられ等間隔ピッチで水平方向または垂直方向の輝度分布に測定したい精度に応じた繰り返しを有する規則性模様(例えば正弦波や矩形波格子)、または物体表面上に存在して等間隔ピッチ(ｐ)で水平方向または垂直方向の輝度分布に測定したい精度を期待し得る繰り返しを有する規則性模様(例えば物体の構造である外壁面にあらわれる縦(横)縞模様)を変形前後のデジタル画像を撮影して、変位分布測定装置において該デジタル画像を処理し物体の変位分布を測定する方法において、
前記変形前後の模様画像を取得するステップと、
前記の模様画像の輝度データに対して水平方向または垂直方向に任意の一定のサンプリング間隔(Ｍ)(解析周波数、規則性模様のピッチと一致しなくてもよい)で間引き処理と輝度補間を行い、位相がシフトされた複数枚の空間周波数の低いモアレ縞画像を生成するステップと、
前記位相がシフトされたモアレ縞画像に対しフーリエ変換を行い、該解析周波数に対応する特定(例えば振幅あるいはパワーの最も大きいもの)の周波数成分の情報を抽出して水平方向または垂直方向の高次周波数のモアレ縞画像の位相分布を求めるステップと、
変形前後のモアレ縞の位相分布から得られる位相差分布から、物体の変位分布を算出するステップを有することを、
特徴とする物体の変位分布測定方法。
次にモアレ縞の特定の周波数ωにおける位相差分布から変位分布uを求める数式を示す。i,jは撮影画像の水平座標および垂直座標、pは水平方向または垂直方向の規則性模様のピッチ間隔の実寸値、Ｍは解析周波数、ωは特定の高次周波数成分、φは位相分布関数。
【数７】
2015008404.tif 000009
【請求項２】
光学式カメラを用いて、物体表面上に存在しまたは貼付けられた水平方向と垂直方向に各等間隔ピッチで２周期以上の繰り返しを有する１次元規則性模様(例えば物体の構造である外壁のタイル模様や高層ビルの窓模様など)を変形前後のデジタル画像を撮影して、変位分布測定装置において該デジタル画像を処理し物体の変位分布を測定する方法において、
前記変形前後の１次元規則性模様画像を取得するステップと、
前記の１次元規則性模様画像の輝度データに対して水平方向または垂直方向に任意の一定のサンプリング間隔(Ｍ)(解析周波数、規則性模様ピッチと一致しなくてもよい)で間引き処理と輝度補間を行い、位相がシフトされた複数枚のモアレ縞画像を生成するステップと、
前記位相がシフトされたモアレ縞画像に対しフーリエ変換を行い、該解析周波数に対応する複数の周波数成分の情報を同時に抽出して水平方向または垂直方向の複数個の周波数のモアレ縞画像の位相分布を求めるステップと、
変形前後のモアレ縞の位相分布から得られるこれらの複数個の位相差分布を基に各周波数の振幅またはパワーで重み付けして合成して、所定の繰り返し模様を対象に測定誤差の少ない物体の変位分布を算出するステップを有することを、
特徴とする物体の変位分布測定方法。
【請求項３】
光学式カメラを用いて、物体表面上に存在しまたは貼付けられた水平方向または垂直方向に等間隔ピッチで同じパターンが２個以上の繰り返しを有する２次元規則性模様(例えば英数字、花柄など任意のパターン)を変形前後のデジタル画像を撮影して、変位分布測定装置において該デジタル画像を処理し物体の変位分布を測定する方法において、
前記変形前後の２次元規則性模様画像を取得するステップと、
前記の２次元規則性模様画像の輝度データに対して水平方向または垂直方向に任意の一定のサンプリング間隔(Ｍ)(解析周波数、規則性模様ピッチと一致しなくてもよい)で間引き処理と輝度補間を行い、位相がシフトされた複数枚のモアレ縞画像を生成するステップと、
前記位相がシフトされたモアレ縞画像に対しフーリエ変換を行い、該解析周波数に対応する複数の周波数成分の情報を同時に抽出して水平方向または垂直方向の複数個の周波数のモアレ縞画像の位相分布を求めるステップと、
変形前後のモアレ縞の位相分布から得られるこれらの複数個の位相差分布を基に各周波数の振幅またはパワーで重み付けして合成して、所定の繰り返し模様を対象に測定誤差の少ない物体の変位分布を算出するステップを有することを、
特徴とする物体の変位分布測定方法。
【請求項４】
光学式カメラを用いて、物体表面上に存在しまたは貼付けられた等間隔ピッチで少なくとも水平方向または垂直方向の輝度分布に測定したい精度を期待し得る繰り返しを有する規則性模様を変形前後のデジタル画像を撮影して、変位分布測定装置において該デジタル画像を処理し物体の変位分布を測定する方法において、
前記変形前後の規則性模様画像を取得するステップと、
前記の規則性模様画像の輝度データに対して水平方向または垂直方向に任意の一定のサンプリング間隔(Ｍ)(解析周波数、規則性模様ピッチと一致しなくてもよい)で間引き処理と輝度補間を行い、位相がシフトされた複数枚のモアレ縞画像を生成するステップと、
前記位相がシフトされたモアレ縞画像に対しフーリエ変換を行い、該解析周波数に対応する複数の周波数成分の情報を同時に抽出して水平方向または垂直方向の複数個の周波数のモアレ縞画像の位相分布を求めるステップと、
変形前後のモアレ縞の位相分布から得られるこれらの複数個の位相差分布を基に各周波数の振幅またはパワーで重み付けして合成して、所定の繰り返し模様を対象に測定誤差の少ない物体の変位分布を算出するステップを有することを、
特徴とする物体の変位分布測定方法。
【請求項５】
物体の変位分布解析プログラムにおいて、請求項１に記載の手順を実行することを特徴とするプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項６】
物体の変位分布解析プログラムにおいて、請求項２に記載の手順を実行することを特徴とするプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項７】
物体の変位分布解析プログラムにおいて、請求項３に記載の手順を実行することを特徴とするプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項８】
物体の変位分布解析プログラムにおいて、請求項４に記載の手順を実行することを特徴とするプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項９】
物体の変位分布測定装置であって、請求項１に記載する方法を実施して物体の変位分布を測定することを特徴とする変位分布測定装置。
【請求項１０】
物体の変位分布測定装置であって、請求項２に記載する方法を実施して物体の変位分布を測定することを特徴とする変位分布測定装置。
【請求項１１】
物体の変位分布測定装置であって、請求項３に記載する方法を実施して物体の変位分布を測定することを特徴とする変位分布測定装置。
【請求項１２】
物体の変位分布測定装置であって、請求項４に記載する方法を実施して物体の変位分布を測定することを特徴とする変位分布測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学カメラで撮影された物体上の任意の繰り返しのある規則性模様から物体の変位分布を簡便かつ高分解能、高精度高速で測定できる解析手法、装置およびそのプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物の変位分布を計測する技術は、ナノマイクロ材料の機械的特性評価から大型インフラ構造物の健全性評価まで幅広く利用されている。【０００３】
機械的接触式変位計や非接触式レーザ変位計がよく用いられるが、１点１方向の変位情報しか得られず、構造物全体の変位挙動を把握するのに不向きである。【０００４】
したがって、光学式カメラを用いて撮影された画像内の変位分布が求められる変位分布(全視野)計測法が有効である。【０００５】
デジタル画像を用いて変位分布を算出する方法の一つとして、デジタル画像相関法があり、現在多くの分野で活用されている。【０００６】
このデジタル画像相関法は規則性を有しないランダムなパターンを用いているのが特徴である。【０００７】
一方、特許文献１に記載されているように、これと逆の発想で意図的に規則性の格子模様を利用して、微小変位分布を計測する方法も発案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４８３１７０３号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Chu, T. C., Ranson, W. F. Sutton, M. A. and Peters, W. H.,Applications of Digital-Image-Correlation Techniques to Experimental Mechanics,Experimental Mechanics, Vol.25, No.3 (1985), pp.232-244.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来のデジタル画像による変位分布計測手法では、よく対象物表面に存在するまたは意図的に塗装したランダムなパターンを利用するデジタル画像相関法がある。
非特許文献１に記載している変位分布計測技術は、変形前後のランダムなパターンに対して、一定の評価領域(サブセット)の相関を求めることで変形量を算出しているが、高分解能な画像の場合多くの計算時間を要する。【００１１】
また計測できる精度は1/20〜1/50画素が限界である。さらにナノマイクロスケールの対象物に対して任意のランダムパターンを塗装することが技術的に困難である。反対に数メートル以上のようなメガスケールの対象物にランダムな模様を塗装することも容易ではなく、手間とコストがかかるという問題点がある。加えて美観的にも好ましくない。【００１２】
これに対して、規則性のある縞模様を利用して、デジタルカメラで撮影した縞画像に対してモアレ縞を発生させ、そのモアレ縞の位相情報を算出することで微小変位分布を計測できるサンプリングモアレ法(特許文献１)が開発された。
本計測技術は構造物表面に貼付けた格子ピッチの1/1000の精度で微小変位分布を測定できるが、測定で用いている格子は白黒比が１：１の正弦波(もしくは余弦波)または矩形波模様であり、ナノマイクロ材料や大型構造物を対象とした場合、構造物表面にかならずしもこれらの模様が貼付けられるとは限らず適用できる限界があった。また２周期以上の任意の繰り返しのある規則性模様に適用した場合、従来の解析方法では大きな誤差が発生するという問題点がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明では、図１に示すようなナノスケールからメガスケールまでの構造物表面に存在する規則性模様を活用して簡便かつ高精度高速に変位分布を測定するものである。解析する規則性模様画像の形態によって、２つの変位分布計測方法が考えられ、以下にそれぞれの測定方法について説明する。
なお、図１に本発明において、適用できる規則性を有する模様の例を示すものであり、規則性模様を限定するものではない。
また次に説明する２つの方法(手段)は各対象とする物体の規則性模様に好適な方法であるが各規則性模様を例示の規則性模様に限定するものではない。【００１４】
（１）  変位分布解析手法１：単一高次周波数を用いた任意の解析ピッチによる変位分布解析方法
本発明は、物体表面に人工的に作製された(例えば格子模様の貼付けやパターンの転写)、または物体表面に予め存在している１次元の等間隔ピッチの繰り返しを有する規則性模様の画像データに基づいてモアレ縞を発生させ、ある特定の高次周波数に関する位相情報により変位分布を測定する。
この簡便で高速処理が可能な変位分布解析方法は、より詳しくは、物体表面上に貼付けられ等間隔ピッチで水平方向または垂直方向の輝度分布に測定したい精度に応じた繰り返しを有する規則性模様(例えば貼り付けられた正弦波格子や矩形波格子)、または物体表面上に存在し等間隔ピッチ(ｐ)で水平方向または垂直方向の輝度分布に測定したい精度を期待し得る繰り返しを有する規則性模様(例えば物体の構造である外壁面にあらわれる縦(横)縞模様)に好適に適用できる。
なお、上にあげた規則性模様は、規則性模様の例示であって、本発明の適用可能な規則性模様を限定するものではない。
図２に第１の手段(１)である任意の解析ピッチによる変位分布解析の原理と画像処理方法を示す。測定対象物表面に貼付した等間隔ピッチで水平方向または垂直方向の輝度分布に測定したい精度に応じた規則性のある模様、例えば正弦波または矩形波の縞格子を光学式カメラで撮影すると、近似的に式(１)により表されるような輝度分布をもつ１枚の縞格子画像が得られる。【００１５】
【数１】
2015008404.tif 000003
【００１６】
ここで、ｆ(ｉ,ｊ)は撮影画像の(ｉ,ｊ)座標上の輝度値(明るさ)であり、ａは縞格子の振幅、ｂは背景輝度、φ0は縞格子の初期位相、φは求めた縞格子の位相値である。またＰは撮影画像上のｉ方向の格子ピッチ間隔である。【００１７】
撮影されたこの１枚の縞格子画像を、任意のピッチ間隔Ｍ(一般的に整数である)でｉ方向に対して間引きのスタート点ｍを１画素ずつ変えながら画像の間引き処理を行い、隣接している画像の輝度値を用いて輝度補間を行う処理によって、位相がシフトされたＭ枚のモアレ縞画像が得られる。【００１８】
【数２】
2015008404.tif 000004
【００１９】
ここでの間引き処理および輝度補間の画像処理方法は特許文献１に記載しているものと同じであるが、解析ピッチ(Ｍ、画像データ上の規則性ピッチ)が格子模様のピッチ間隔(Ｐ、等間隔ピッチ)に一致する必要がなく任意の間引き間隔で解析できる点がキーポイントである。
またこれは第２の手段においても同様である。【００２０】
間引きと輝度補間によって得られるこれらの複数枚のモアレ縞に対して、式(３)に示す離散フーリエ変換を適用すれば、モアレ縞の任意の周波数成分（ω）における位相分布φM(ｉ,ｊ;ω)を求めることができる。【００２１】
【数３】
2015008404.tif 000005
【００２２】
変形後の模様に対して、同じ画像処理を行い、同様に変形後のモアレ縞の任意の周波数成分における位相分布φ’M(ｉ,ｊ;ω)を求めることができる。最終的に式(４)に示す通り、変形前後のモアレ縞の位相差ΔφM=φ’M-φMからｘ方向の変位分布ｕ(ｉ,ｊ;ω)を算出することは可能である。【００２３】
【数４】
2015008404.tif 000006
【００２４】
同様にｙ方向について上記の画像処理を行えば、ｙ方向の変位分布ｖ(ｉ,ｊ;ω)を求めることが可能である。【００２５】
（２）  変位分布解析手法２：複数の周波数成分を用いた任意の規則性模様による変位分布の解析方法
図３に第２の手段(２)である日常生活で見かける任意の規則性模様による変位分布解析の原理と画像処理方法を示す。
これらの規則性模様は、目視した場合に模様の規則性が異なって見えるので、大まかに、物体表面上に存在しまたは貼付けられた水平方向と垂直方向に各等間隔ピッチで２周期以上の繰り返しを有する１次元規則性模様(例えば物体の構造である外壁のタイル模様や高層ビルの窓模様など)と、物体表面上に存在しまたは貼付けられた水平方向または垂直方向に等間隔ピッチで同じパターンが２個以上の繰り返しを有する２次元規則性模様(例えば英数字、花柄など任意のパターンもの)とに分類できるが、その輝度分布データである画像データに対する適切な処理は次に示すように同一である。
また上に述べた日常生活で見かける任意の規則性模様とは、物体表面上に存在しまたは貼付けられた等間隔ピッチで少なくとも水平方向または垂直方向の輝度分布に測定したい精度を期待し得る繰り返しを有する規則性模様と言ってもよい。【００２６】
測定対象物表面に任意の繰り返しのある規則性模様を光学式カメラで撮影すると、式(５)により表されるような輝度分布をもつ１枚の縞格子画像が得られる。これは任意の規則性模様は高次周波数を含む複数のフーリエ級数で表現できるためである。【００２７】
【数５】
2015008404.tif 000007
【００２８】
ここで、ｇ(ｉ,ｊ)は任意の規則性模様の撮影画像の(ｉ,ｊ)座標上の輝度値(明るさ)である。Ｗは高次周波数の次数であり、ａωはそれぞれの周波数における縞格子の振幅(複数存在する)、ｂは背景輝度、φ0は縞格子の初期位相、φは求めた縞格子の位相値である。またＰは撮影画像上のｉ方向の格子ピッチ間隔である。【００２９】
撮影されたこの１枚の縞格子画像を、任意のピッチ間隔Ｍ(一般的に整数である)でｉ方向に対して間引きのスタート点ｍを１画素ずつ変えながら画像の間引き処理を行い、隣接している画像の輝度値を用いて輝度補間を行う処理によって、位相がシフトされたＭ枚のモアレ縞画像が得られる。【００３０】
【数６】
2015008404.tif 000008
【００３１】
モアレは一種の拡大現象であるため、ここで得られた空間周波数の低いモアレ縞も規則的であり、式(６)に示すように、高次周波数を含むフーリエ級数で表現できる。
本発明はこの性質は利用して複数の周波数成分を同時に抽出する。離散フーリエ変換により複数個の周波数成分の振幅情報(またはパワースペクトル情報)および位相情報を同時に算出する。【００３２】
同様に物体変形後の規則性模様を撮影し、前記の間引き処理および輝度補間を行い、さらにフーリエ変換より、変形後のモアレ縞の複数個の周波数成分の位相情報を同時に算出する。
変形前後のモアレ縞の複数個のそれぞれの周波数の位相差から式(４)より、複数個のｘ方向の変位分布ｕ(ｉ,ｊ;ω)を算出することが可能である。最後に求めた各周波数の振幅またはパワーで重み付けして合成し、最終の変位分布ｕ(ｉ,ｊ)を求める。【００３３】
以上の方法より、基本周波数である周波数１の成分のみならず、高次の周波数成分も考慮しているため、任意の規則性模様に対応でき、かつ測定誤差の少ない高精度な変位分布計測が可能になる。
同様にｙ方向について上記の画像処理を行えば、ｙ方向の変位分布ｖ(ｉ,ｊ)を求めることが可能である。
【発明の効果】
【００３４】
本発明により、測定対象物表面に任意の繰り返しのある規則性模様があれば、簡便に高精度高速な変位分布を解析できる。
効果の１として、規則性模様に対して、解析ピッチの間隔を限定する必要がなく、より簡便かつ高精度で変位分布を得ることが可能である。
効果の２として、任意の繰り返しのある規則性模様で適用できるため、適用可能範囲が広い。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明が適用可能な規則性模様を例示した図である。
【図２】規則性模様に対して、任意の解析ピッチによる変位分布計測の原理を示す図である。
【図３】任意の繰り返しのある規則性模様を利用した変位分布計測の原理を示す図である。
【図４】金属材料の微小たわみ分布計測のための３点曲げ実験装置の写真である。
【図５】金属材料の微小たわみ分布計測の実験結果を示す図である。
【図６】シミュレーションによる１次元規則性模様を用いた場合の計測精度の比較を示す図である。
【図７】解析周波数の次数と計測誤差の関係のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】１次元規則性模様による変位計測の光学系を表わす図である。
【図９】１次元規則性模様による変位計測の実験結果を示す図である。
【図１０】２次元規則性模様による変位計測の光学系を表わす図である。
【図１１】２次元規則性模様による変位計測の実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下に添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
【実施例１】
【００３７】
（単一の高次周波数による変位分布の計測精度の向上）【００３８】
本発明の第１手段(１)に基づく任意の周波数成分による変位計測精度の向上を実証するための金属材料３点曲げ試験の実験結果を以下に示す。図４に実験の光学系を示す。本実験では、サイズが360×12×12mmのアルミ棒の表面にピッチ間隔が1.13mmの正弦波状格子を貼付けた後、支点距離が250mmの中央位置に9.8N(1kg)と19.6N(2kg)の荷重を負荷し、汎用なＣＣＤカメラより変形前後のそれぞれ１枚の格子画像を撮影した。格子ピッチの１周期が撮影画像上で5画素になるようにカメラを設置した。【００３９】
これら同じ格子画像に対して、従来の測定方法(サンプリングピッチを5画素で解析)と本発明の測定方法(サンプリングピッチを15画素で解析)で得られたたわみ分布を比較することで、本発明の有効性を確認する。【００４０】
図５(ａ)に荷重点付近の中央１画素におけるフーリエスペクトル分布を示す。従来方法ではサンプリングピッチを格子ピッチとほぼ同じである5画素で解析するため、図５(ａ)に示すように周波数１の成分に大きな振幅が現れる。【００４１】
一方、本発明の手段(１)による方法では、サンプリングピッチを３周期に拡大して解析しているため、図５(ｂ)に示すように周波数３の成分に大きな振幅が現れる。【００４２】
図５(ｃ)および図５(ｄ)に従来方法と本発明より測定された横中央１ラインのたわみ分布を示す。図５(ｃ)は従来の基本周波数１を用いて解析した結果であり、図５(ｄ)は本発明による周波数３を用いて解析した結果である。【００４３】
本発明によれば、ＣＣＤカメラのランダムノイズに起因する測定のばらつきが低減され、ばらつきの少ない変位(たわみ)分布を得られることを確認できた。
【実施例２】
【００４４】
（シミュレーションによる規則性模様の変位分布計測精度向上の検証）
本発明の第２の手段(２)に記されている方法の有効性を確認するために、シミュレーションによりその効果を確認した。【００４５】
ここでは、白が明るさ１、黒が０の１周期20画素(1mmの格子ピッチとみなす)のタイル模様を２種類作成した。一つは20画素のうち白が2画素、黒が18画素の白黒比が1：9のタイル模様と、白が1画素、黒が19画素の白黒比が1：19のタイル模様である。この２種類の格子画像をコンピュータ上で0mmから1mmまで0.05mmずつ変位を与えた場合の計測誤差を調査した。【００４６】
実際の計測時にデジタルカメラの素子に発生するノイズを考慮し、それぞれの位置のタイル模様画像に対して10％のランダムなノイズを加えた状態で変位量の解析を行った。解析では間引き数を20とし、従来の特許文献１に記載している周波数１のみを解析した結果と、本発明による５次までの周波数成分を考慮して解析した結果を比較する。【００４７】
図６に２種類の白黒比が異なるタイル模様に対して、変位量と解析誤差の関係を示す。ここでは、画像中央20×20画素の評価領域における解析した変位量と理論の変位量の差のRMS(二乗平均平方根)誤差をプロットしている。【００４８】
図６に示す通り、白黒比が1：9のタイル模様では、従来方法では14.9μmに対して、本発明によれば、4.1μmと1/3以上のノイズ低減の効果があることを確認できた。【００４９】
白黒比が1：19のタイル模様では、従来方法では29.4μmに対して、本発明によれば、解析誤差は1/4以下の7.2μmであり、精度を向上できることを確認できた。【００５０】
本シミュレーションより、任意の規則性模様に対して、複数の高次周波数成分を考慮することでランダムノイズを大幅に低減でき、ばらつきの少なく安定した変位計測が行えることを確認できた。【００５１】
図７に本発明において、解析で用いた周波数の次数と計測誤差の関係を示す。これより周波数１成分のみを用いる従来方法より、複数の周波数成分を考慮することで計測精度を向上できることがわかる。
【実施例３】
【００５２】
（実験による１次元規則性模様の変位分布計測精度向上の検証）
本発明の第２の手段(２)に記されている方法の有効性を確認するために、図８に示す光学系を用いて、１次元の規則性を有するタイル模様を利用した変位分布解析の実験結果を図９に示す。【００５３】
本実験では、幅95mm、隙間5mmの実物のタイルを用いた。この場合、白黒比が1：19であり、実施例２シミュレーションのタイル模様のひとつと同じ白黒比である。
本タイルを移動ステージの平面板上に固定し、4.5mから離れた場所に設置した光学カメラで画像撮影を行った。【００５４】
このとき、カメラ画像上での格子ピッチは40画素であった。移動ステージより0mmから2mmまで0.1mmずつ水平方向に移動させ、それぞれの位置(移動量)での画像を撮影し、１次の周波数成分のみを用いる従来方法と５次の周波数成分まで考慮した本発明による変位量をそれぞれ解析し、画像中央の40×10画素の評価エリアにおける実験値とステージの変位量の計測誤差の平均値と標準偏差を算出した。【００５５】
図９(ａ)に移動量に対して従来方法と本発明によって得られた平均誤差を示している。本実験結果から本発明によればより高精度な変位計測が行えることがわかる。【００５６】
図９(ｂ)に移動量に対して従来方法と本発明によって得られた計測誤差の標準偏差を示している。従来方法よりも４倍以上のばらつきを低減することができた。
【実施例４】
【００５７】
（実験による２次元規則性模様の変位分布計測精度向上の検証）【００５８】
本発明の第２の手段(２)に記されている方法の有効性を確認するために、図１０に示す光学系を用いて、２次元の規則性を有する模様を利用した変位分布解析の実験結果を図１１に示す。【００５９】
本実験では、従来方法で用いられる矩形波模様(比較のため)に加えて、ピッチ間隔が10mmの２次元規則性模様３種類(アルファベットの「Ａ」、数字の「３」、漢字の「林」)を用いた。
これらの計４種類の模様を移動ステージの平面板上に固定し、135cmから離れた場所に設置した光学カメラで画像撮影を行った。【００６０】
このとき、カメラ画像上での格子ピッチは20画素であった。移動ステージより0mmから1mmまで0.02mmずつ水平方向に移動させ、それぞれの位置(移動量)での画像を撮影し、１次の周波数成分のみを用いる従来方法と５次の周波数成分まで考慮した本発明による変位量をそれぞれ解析し、画像中央の20×20画素の評価エリアにおける実験値とステージの変位量の計測誤差の二乗平均平方根(ＲＭＳ)を算出した。【００６１】
図１１に移動量に対して従来方法と本発明によって得られたＲＭＳ誤差を示している。３種類の２次元規則性模様において、いずれも大幅に計測精度を向上させることに成功した。【００６２】
具体的には、数字の「３」の繰り返し模様の場合、従来方法のＲＭＳ平均誤差は26.3μmであるのに対して、本発明は12.1μmであり2.2倍の精度向上ができた。【００６３】
漢字の「林」の繰り返し模様の場合、従来方法のＲＭＳ平均誤差は76.6μmであるのに対して、本発明は12.2μmであり6.3倍の精度向上ができた。【００６４】
アルファベットの「Ａ」の繰り返し模様の場合、従来方法のＲＭＳ平均誤差は112.4μmであるのに対して、本発明は10.0μmであり11.2倍の精度向上ができた。【００６５】
一方、従来方法で用いられている矩形波模様の場合、従来方法のＲＭＳ平均誤差は8.7μmであるのに対して、本発明は9.6μmと同程度の精度である。【００６６】
本発明によれば、この実験で用いた３種類の２次元規則性模様に対して、いずれも10μm程度の精度で微小変位分布を計測することに成功した。【００６７】
これは模様ピッチである10mmに対して実に1/1000という驚くべき高い計測精度である。すなわち、電子顕微鏡で観察されるナノスケールの原子配列模様を解析すれば、原子よりも微小なサブオングストロングオーダーの変位分布が理論上解析できる。【００６８】
反対に１メートル間隔に並んでいる高層ビルの窓ガラスを規則性模様と見なして解析すれば、光学カメラを遠くで撮影するだけでビル全体の揺れやたわみをmmオーダーの精度で検出可能になる。
【実施例５】
【００６９】
上述の実施例においてはＣ言語とＣ＋＋言語でプログラム作成し各変位分布測定方法を実行して変位分布を測定した。
なおプログラム言語はＣ言語とＣ＋＋言語に限定されず、またＲＡＭにロードされるプログラムであってもよいしＲＯＭに固定されるプログラムであってもよい。
【実施例６】
【００７０】
上述の実施例においては、光学式カメラから得た画像データについてパーソナルコンピュータを使用して処理し各変位分布の測定結果を得た。
変位分布測定装置は、光学式カメラと分離して構成してもよいし、光学式カメラと一体的に構成してもよい。
また変位分布解析装置に組み込んでもよいし、適宜入出力仕様を設定しワンチップにして各種測定装置に組み込むことができる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は任意の規則性模様に適用できるため、新規開発材料の機械的特性評価やインフラ構造物の健全性診断に適用するのに好適なものである。ナノマイクロスケールからメガスケールまで幅広いレンジの対象物を扱える。
より具体的に応用展開できる産業分野は、ナノサイエンス分野、機械材料、インフラ土木分野、およびバイオミメティックス分野が挙げられる。
【符号の説明】
【００７２】
１  試料
２  荷重機構
３  支持台
４  格子パターンの拡大図
５  カメラ
６  １次元繰り返し模様
７  移動方向
８  移動ステージ
９  ２次元繰り返し模様
【図１】
2015008404.tif 000010
【図２】
2015008404.tif 000011
【図３】
2015008404.tif 000012
【図４】
2015008404.tif 000013
【図５】
2015008404.tif 000014
【図６】
2015008404.tif 000015
【図７】
2015008404.tif 000016
【図８】
2015008404.tif 000017
【図９】
2015008404.tif 000018
【図１０】
2015008404.tif 000019
【図１１】
2015008404.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成26年3月25日(2014.3.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学式カメラを用いて、物体表面上に貼付けられ等間隔ピッチで水平方向または垂直方向の輝度分布に測定したい精度に応じた繰り返しを有する規則性模様（例えば正弦波や矩形波格子）、または物体表面上に存在して等間隔ピッチ（ｐ）で水平方向または垂直方向の輝度分布に測定したい精度を期待し得る繰り返しを有する規則性模様（例えば物体の構造である外壁面にあらわれる縦（横）縞模様）を変形前後のデジタル画像を撮影して、変位分布測定装置において該デジタル画像を処理し物体の変位分布を測定する方法において、
前記変形前後の模様画像を取得するステップと、
前記の模様画像の輝度データに対して水平方向または垂直方向に任意の一定のサンプリング間隔（Ｍ）（解析周波数、規則性模様のピッチと一致しなくてもよい）で間引き処理と輝度補間を行い、位相がシフトされた複数枚の空間周波数の低いモアレ縞画像を生成するステップと、
前記位相がシフトされたモアレ縞画像に対しフーリエ変換を行い、該解析周波数に対応する特定（例えば振幅あるいはパワーの最も大きいもの）の周波数成分の情報を抽出して水平方向または垂直方向の基本周波数または高次周波数（基本周波数の場合は解析周波数と規則性模様のピッチは一致していないものとする）のモアレ縞画像の位相分布を求めるステップと、
変形前後のモアレ縞の位相分布から得られる位相差分布から、物体の変位分布を算出するステップを有することを、特徴とする物体の変位分布測定方法。
次にモアレ縞の特定の周波数ωにおける位相差分布から変位分布ｕを求める数式を示す。ｉ，ｊは撮影画像の水平座標および垂直座標、ｐは水平方向または垂直方向の規則性模様のピッチ間隔の実寸値、Ｍは解析周波数、ωは基本周波数または高次周波数（ただしωが基本周波数の場合は解析周波数と規則性模様のピッチは一致していないものとする）、φは位相分布関数。
【数７】
2015008404.tif 000021
【請求項２】
光学式カメラを用いて、物体表面上に存在しまたは貼付けられた水平方向と垂直方向に各等間隔ピッチで２周期以上の繰り返しを有する１次元規則性模様（例えば物体の構造である外壁のタイル模様や高層ビルの窓模様など）を変形前後のデジタル画像を撮影して、変位分布測定装置において該デジタル画像を処理し物体の変位分布を測定する方法において、
前記変形前後の１次元規則性模様画像を取得するステップと、
前記の１次元規則性模様画像の輝度データに対して水平方向または垂直方向に任意の一定のサンプリング間隔（Ｍ）（解析周波数、規則性模様ピッチと一致しなくてもよい）で間引き処理と輝度補間を行い、位相がシフトされた複数枚のモアレ縞画像を生成するステップと、
前記位相がシフトされたモアレ縞画像に対しフーリエ変換を行い、該解析周波数に対応する複数の周波数成分の情報を同時に抽出して水平方向または垂直方向の複数個の周波数のモアレ縞画像の位相分布を求めるステップと、
変形前後のモアレ縞の位相分布から得られるこれらの複数個の位相差分布を基に各周波数の振幅またはパワーで重み付けして合成して、所定の繰り返し模様を対象に測定誤差の少ない物体の変位分布を算出するステップを有することを、
特徴とする物体の変位分布測定方法。
【請求項３】
光学式カメラを用いて、物体表面上に存在しまたは貼付けられた水平方向または垂直方向に等間隔ピッチで同じパターンが２個以上の繰り返しを有する２次元規則性模様（例えば英数字、花柄など任意のパターン）を変形前後のデジタル画像を撮影して、変位分布測定装置において該デジタル画像を処理し物体の変位分布を測定する方法において、
前記変形前後の２次元規則性模様画像を取得するステップと、
前記の２次元規則性模様画像の輝度データに対して水平方向または垂直方向に任意の一定のサンプリング間隔（Ｍ）（解析周波数、規則性模様ピッチと一致しなくてもよい）で間引き処理と輝度補間を行い、位相がシフトされた複数枚のモアレ縞画像を生成するステップと、
前記位相がシフトされたモアレ縞画像に対しフーリエ変換を行い、該解析周波数に対応する複数の周波数成分の情報を同時に抽出して水平方向または垂直方向の複数個の周波数のモアレ縞画像の位相分布を求めるステップと、
変形前後のモアレ縞の位相分布から得られるこれらの複数個の位相差分布を基に各周波数の振幅またはパワーで重み付けして合成して、
所定の繰り返し模様を対象に測定誤差の少ない物体の変位分布を算出するステップを有することを、
特徴とする物体の変位分布測定方法。
【請求項４】
光学式カメラを用いて、物体表面上に存在しまたは貼付けられた等間隔ピッチで少なくとも水平方向または垂直方向の輝度分布に測定したい精度を期待し得る繰り返しを有する規則性模様を変形前後のデジタル画像を撮影して、変位分布測定装置において該デジタル画像を処理し物体の変位分布を測定する方法において、
前記変形前後の規則性模様画像を取得するステップと、
前記の規則性模様画像の輝度データに対して水平方向または垂直方向に任意の一定のサンプリング間隔（Ｍ）（解析周波数、規則性模様ピッチと一致しなくてもよい）で間引き処理と輝度補間を行い、位相がシフトされた複数枚のモアレ縞画像を生成するステップと、
前記位相がシフトされたモアレ縞画像に対しフーリエ変換を行い、該解析周波数に対応する複数の周波数成分の情報を同時に抽出して水平方向または垂直方向の複数個の周波数のモアレ縞画像の位相分布を求めるステップと、
変形前後のモアレ縞の位相分布から得られるこれらの複数個の位相差分布を基に各周波数の振幅またはパワーで重み付けして合成して、所定の繰り返し模様を対象に測定誤差の少ない物体の変位分布を算出するステップを有することを、
特徴とする物体の変位分布測定方法。
【請求項５】
物体の変位分布解析プログラムにおいて、請求項１に記載の手順を実行することを特徴とするプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項６】
物体の変位分布解析プログラムにおいて、請求項２に記載の手順を実行することを特徴とするプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項７】
物体の変位分布解析プログラムにおいて、請求項３に記載の手順を実行することを特徴とするプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項８】
物体の変位分布解析プログラムにおいて、請求項４に記載の手順を実行することを特徴とするプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項９】
物体の変位分布測定装置であって、請求項１に記載する方法を実施して物体の変位分布を測定することを特徴とする変位分布測定装置。
【請求項１０】
物体の変位分布測定装置であって、請求項２に記載する方法を実施して物体の変位分布を測定することを特徴とする変位分布測定装置。
【請求項１１】
物体の変位分布測定装置であって、請求項３に記載する方法を実施して物体の変位分布を測定することを特徴とする変位分布測定装置。
【請求項１２】
物体の変位分布測定装置であって、請求項４に記載する方法を実施して物体の変位分布を測定することを特徴とする変位分布測定装置。
【手続補正書】
【提出日】平成28年10月13日(2016.10.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体表面上にあらわれ、等ピッチで水平方向と垂直方向の少なくとも一方向に繰り返しを有する規則性模様のデジタル画像である模様画像を変位分布測定装置が処理して前記物体の変位分布を測定する方法において、
変形前後の前記模様画像を取得するステップと、
変形前後の前記模様画像の輝度データのそれぞれに対して前記少なくとも一方向に前記規則性模様のピッチと一致しない一定の解析ピッチで間引き処理と輝度補間を行い、１画素ずつ位相がシフトされた複数枚のモアレ縞画像を生成するステップと、
変形前後の前記モアレ縞画像のそれぞれに対しフーリエ変換を行って振幅またはパワーを算出し、前記振幅またはパワーが最も大きい周波数の前記モアレ縞画像の位相分布を求めるステップと、
変形前後の前記モアレ縞画像の位相分布から得られる位相差分布と前記周波数と前記少なくとも一方向のピッチ間隔の実寸値から、前記物体の前記少なくとも一方向の変位分布を算出するステップを有することを、特徴とする変位分布測定方法。
【請求項２】
物体表面上にあらわれ、水平方向と垂直方向の少なくとも一方向に等ピッチで２周期以上の繰り返しを有する１次元規則性模様のデジタル画像である１次元規則性模様画像を変位分布測定装置が処理して前記物体の変位分布を測定する方法において、
変形前後の前記１次元規則性模様画像を取得するステップと、
変形前後の前記１次元規則性模様画像の輝度データのそれぞれに対して前記少なくとも一方向に前記１次元規則性模様画像のピッチと一致しない一定の解析ピッチで間引き処理と輝度補間を行い、１画素ずつ位相がシフトされた複数枚のモアレ縞画像を生成するステップと、
変形前後の前記モアレ縞画像のそれぞれに対しフーリエ変換を行い、前記解析ピッチに対応する基本周波数と高次周波数のそれぞれの周波数の前記モアレ縞画像の位相分布と振幅もしくはパワーを求めるステップと、
変形前後の前記モアレ縞画像の位相分布から得られる位相差分布を前記それぞれの周波数について、当該周波数と前記少なくとも一方向のピッチ間隔の実寸値から算出される前記物体の前記少なくとも一方向の変位分布を前記振幅もしくは前記パワーで重み付けして、前記物体の変位分布を算出するステップを有することを
特徴とする変位分布測定方法。
【請求項３】
物体表面上にあらわれ、水平方向と垂直方向の少なくとも一方向に等ピッチで２周期以上の繰り返しを有する２次元規則性模様のデジタル画像である２次元規則性模様画像を変位分布測定装置が処理して前記物体の変位分布を測定する方法において、
変形前後の前記２次元規則性模様画像を取得するステップと、
変形前後の前記２次元規則性模様画像の輝度データのそれぞれに対して前記少なくとも一方向に前記２次元規則性模様画像のピッチと一致しない一定の解析ピッチで間引き処理と輝度補間を行い、１画素ずつ位相がシフトされた複数枚のモアレ縞画像を生成するステップと、
変形前後の前記モアレ縞画像のそれぞれに対しフーリエ変換を行い、前記解析ピッチに対応する基本周波数と高次周波数のそれぞれの周波数の前記モアレ縞画像の位相分布と振幅もしくはパワーを求めるステップと、
変形前後の前記モアレ縞画像の位相分布から得られる位相差分布を前記それぞれの周波数について、当該周波数と前記少なくとも一方向のピッチ間隔の実寸値から算出される前記物体の前記少なくとも一方向の変位分布を前記振幅もしくは前記パワーで重み付けして、前記物体の変位分布を算出するステップを有することを、
特徴とする変位分布測定方法。
【請求項４】
物体表面上にあらわれ、等ピッチで少なくとも水平方向と垂直方向の一方向に繰り返しを有する規則性模様のデジタル画像である規則性模様画像を変位分布測定装置が処理して前記物体の変位分布を測定する方法において、
変形前後の前記規則性模様画像を取得するステップと、
変形前後の前記規則性模様画像の輝度データのそれぞれに対して前記少なくとも一方向に前記規則性模様のピッチと一致しない一定の解析ピッチで間引き処理と輝度補間を行い、１画素ずつ位相がシフトされた複数枚のモアレ縞画像を生成するステップと、
変形前後の前記モアレ縞画像のそれぞれに対しフーリエ変換を行い、前記解析ピッチに対応する基本周波数と高次周波数のそれぞれの周波数の前記モアレ縞画像の位相分布と振幅もしくはパワーを求めるステップと、
変形前後の前記モアレ縞画像の位相分布から得られる位相差分布を前記それぞれの周波数について、当該周波数と前記少なくとも一方向のピッチ間隔の実寸値から算出される前記物体の前記少なくとも一方向の変位分布を前記振幅もしくは前記パワーで重み付けして、前記物体の変位分布を算出するステップを有することを
特徴とする変位分布測定方法。
【請求項５】
コンピュータに請求項１に記載の変位分布測定方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項６】
コンピュータに請求項２に記載の変位分布測定方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項７】
コンピュータに請求項３に記載の変位分布測定方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項８】
コンピュータに請求項４に記載の変位分布測定方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項９】
変位分布測定装置であって、請求項１に記載の変位分布測定方法を実行することを特徴とする変位分布測定装置。
【請求項１０】
変位分布測定装置であって、請求項２に記載の変位分布測定方法を実行することを特徴とする変位分布測定装置。
【請求項１１】
変位分布測定装置であって、請求項３に記載の変位分布測定方法を実行することを特徴とする変位分布測定装置。
【請求項１２】
変位分布測定装置であって、請求項４に記載の変位分布測定方法を実行することを特徴とする変位分布測定装置。
【国際調査報告】
2015008404.tif 000022
2015008404.tif 000023
2015008404.tif 000024
2015008404.tif 000025