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技術 統計的干渉計測法を利用した物体のひずみの非接触測定方法及び装置

出願人 ヒーハイスト精工株式会社
発明者 豊岡了門野博史
出願日 1996年3月19日 (24年11ヶ月経過) 出願番号 1996-063593
公開日 1997年10月3日 (23年4ヶ月経過) 公開番号 1997-257432
状態 特許登録済
技術分野 光学的手段による測長装置
主要キーワード 非接触測定装置 面外変位 超音波光変調器 仮想位相 標準物体 レーザースペックル 位相解析 スペックル強度
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1997年10月3日)のものです。
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図面 (13)

課題

電気ひずみゲージを用いた接触式測定方法や、確定的な波面を用いるヘテロダイン干渉計のような光学式の測定方法の問題点を解決する。

解決手段

コヒーレント光源1からの光を2つの平行な光束に分けて被測定物体5上の2点に垂直に照射することにより独立した2つのスペックル場を生じさせて干渉させ、このスペックル場を撮像素子8に入力して統計的干渉計測法により位相解析を行い、被測定物体上の2点の相対的変位に対応する位相変化を求めてひずみを算出する統計的干渉計測法を利用した物体のひずみの非接触測定方法を提案する。

概要

背景

概要

電気ひずみゲージを用いた接触式測定方法や、確定的な波面を用いるヘテロダイン干渉計のような光学式の測定方法の問題点を解決する。

コヒーレント光源1からの光を2つの平行な光束に分けて被測定物体5上の2点に垂直に照射することにより独立した2つのスペックル場を生じさせて干渉させ、このスペックル場を撮像素子8に入力して統計的干渉計測法により位相解析を行い、被測定物体上の2点の相対的変位に対応する位相変化を求めてひずみを算出する統計的干渉計測法を利用した物体のひずみの非接触測定方法を提案する。

目的

効果

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請求項1

コヒーレント光源からの光を2つの平行な光束に分けて被測定物体上の2点に垂直に照射することにより独立した2つのスペックル場を生じさせて干渉させ、このスペックル場を撮像素子に入力して統計的干渉計測法により位相解析を行い、被測定物体上の2点の相対的変位に対応する位相変化を求めてひずみを算出することを特徴とする統計的干渉計測法を利用した物体のひずみの非接触測定方法

請求項2

統計的干渉計測法による位相解析は、2つのスペックル場の少なくとも3つの干渉パターンにつき行うことを特徴とする請求項1記載の統計的干渉計測法を利用した物体のひずみの非接触測定方法

請求項3

光源からの光を被測定物体に導く照明光学系と、物体から生じたスペックル場を撮像素子に入力する撮像系と、撮像素子により入力されたスペックル画像を統計的干渉計測法に基づいて位相解析する演算処理系とから成り、照明光学系は、光源からの光を2つの平行な光束に分けて被測定物体の2点を照射する構成としたことを特徴とする統計的干渉計測法を利用した物体のひずみの非接触測定装置

請求項4

光源からの光を2つの平行な光束に分ける光学系は、ウォラストンプリズム凸レンズにより構成したことを特徴とする請求項3記載の統計的干渉計測法を利用した物体のひずみの非接触測定方法

請求項5

光源からの光を2つの平行な光束に分ける光学系は、グレーティングと凸レンズにより構成したことを特徴とする請求項3記載の統計的干渉計測法を利用した物体のひずみの非接触測定方法

請求項6

光源からの光を2つの平行な光束に分ける光学系は、ケスタープリズムにより構成したことを特徴とする請求項3記載の統計的干渉計測法を利用した物体のひずみの非接触測定方法

請求項7

光源からの光を2つの平行な光束に分ける光学系は、ビームスプリッター光軸を傾斜させたミラーにより構成したことを特徴とする請求項3記載の統計的干渉計測法を利用した物体のひずみの非接触測定方法

技術分野

0001

本発明は、物体のひずみの測定方法、特に光を用い、統計的干渉計測法を利用することにより、物体のひずみを、非接触で、比較的微小な領域で精度良く測定を行える測定方法及び装置に関するものである。

0002

物体のひずみを測定する従来の測定方法として、例えば、機械構造材料等の物体のひずみは、電気ひずみゲージ被測定物体張り付け、物体のひずみに伴うひずみゲージの電気抵抗の変化を計測することにより測定する方法が広く用いられている。

0003

しかしながらこの方法では、被測定物体へのひずみゲージの張り付け方に技術を要する他、表面の柔らかい物体に対する測定はできない等の課題がある。

0004

一方、材料の熱膨張係数の測定等における熱ひずみに関する測定においては、被測定物体をオーブン等に入れて温度を変化させながら測定を行うため、電気的ひずみゲージの使用は適さない。このため従来、熱ひずみの測定は、ひずみゲージに代えて、被測定物体の熱膨張電気マイクロメータ等を用いて測定する方法等が行われている。この方法では、被測定物体と共にそのホルダーが加熱または冷却されるため正確な基準点が得られないので、熱膨張計数が既知である標準物体を用意し被測定物体と比較測定することにより相対的な熱膨張を測定する方法がとられている。

0005

これらの接触式のひずみ測定法では数ミリ以下の微小な測定領域で計測を行うことは困難であり、ある程度大きな試料を必要とする。また、薄いフィルム状の試料に対してこれらの測定法を適用することも困難である。

0006

一方、物体の変位、変形、ひずみを非接触で測定する方法として、光を用いた干渉法があるが、従来の干渉法は確定的な波面を用いる技術であり、高精度化のために精密な光学部品や波面を制御するための変調素子などが必要となる。

0007

例えば、現在最も高精度な干渉計測が可能とされているヘテロダイン干渉計の例では、光源としてゼーマンレーザあるいは超音波光変調器検出装置としてロックインアンプなど複雑かつ高価な装置が必要となる。

0008

また、確定的な波面を用いる干渉法を、光の波長に比べて非常に粗い表面を有する物体に適用しようとすると、レーザースペックルと呼ばれるランダム斑点模様が生じ、このレーザースペックルパターンは、このような干渉法では計測精度を低下させるための有害なノイズとして、その発生を抑制しなければならない。従って、この干渉法では、粗面物体の計測には適用ができず、被測定物体の表面を鏡面状に加工する必要があるため、そのための時間及びコストが大きな問題である。

0009

また、粗面物体に対して適用可能な干渉計測法として、レーザースペックル干渉法あるいは電子的スペックルパターン干渉法ESPI)が知られている。しかし、この技術は通常、物体の2次元的な変位・変形分布を計測する際に有効に用いられているが、スペックルパターンが本来持つ斑点状のランダムなノイズにより物体上の各点における計測精度は高くない。

0010

そこで本発明者は、従来の干渉計測法とは発想を完全に逆転し、確定的な波面を用いるのではなく、スペックル場の完全なランダムさを積極的に利用して計測を行う統計的干渉計測法を提案してきた。この方法は、十分に発達したスペックル場の各点の位相値が−π〜πの範囲で一様に分布する性質を、統計的な意味において位相決定の基準とする新しい干渉計測法である。この方法は、確定的な波面を用い、高精度化のためには精密に波面をコントロールすることが必要な従来の干渉法とは異なり、スペックル場のランダムな波面が本質的な役割を果たすものであるため、用いられる光学素子等に高い面精度が要求されず、計測精度は単に用いられるスペックルデータ点数のみに依存するという特徴を有するものであり、これまでに、物体の面内や面外変位を高精度に計測可能であることを示してきた。尚、統計的干渉計測法については、
[1] H. Kadono and S. Toyooka, "Statistical interferometry based onthe statistics of speckle phase," Opt. Let., Vol.16, pp.883-885(1991).
[2]門野博史、豊岡了、“統計的干渉計測法”,第7回光センシング技術研究会講演論文集,pp.103-109(1991).
[3]門野博史, 武井広志, 豊岡了、“スペックル位相に基づく統計的干渉計測法,“第38回応用物理学関係連合講演会講演予稿集,pp.835(1991).
[4]門野博史、豊岡了、“統計的干渉計測法による高精度変位計測,”光技術コンタクト,Vol.35, pp.249-255(1994).
[5]谷田豊彦,“応用光学光計測入門,”pp.110-111.
等を参照のこと。

0011

本発明は、以上の点に鑑みて創案されたものであり、即ち、上述した統計的干渉計測法を合理的に適用することにより、上述した従来の課題を解決するひずみ測定方法及び装置を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0012

上述した課題を解決するために、本発明では、コヒーレント光源からの光を2つの平行な光束に分けて被測定物体上の2点に垂直に照射することにより独立した2つのスペックル場を生じさせて干渉させ、このスペックル場を撮像素子に入力して統計的干渉計測法により位相解析を行い、被測定物体上の2点の相対的変位に対応する位相変化を求めてひずみを算出する統計的干渉計測法を利用した物体のひずみの非接触測定方法を提案するものである。

0013

以上の方法において、本発明では、統計的干渉計測法による位相解析は、2つのスペックル場の少なくとも3つの干渉パターンにつき行うことを提案する。

0014

また本発明では、光源からの光を被測定物体に導く照明光学系と、物体から生じたスペックル場を撮像素子に入力する撮像系と、撮像素子により入力されたスペックル画像を統計的干渉計測法に基づいて位相解析する演算処理系とから成り、照明光学系は、光源からの光を2つの平行な光束に分けて被測定物体の2点を照射する構成とした統計的干渉計測法を利用した物体のひずみの非接触測定装置を提案する。

0015

以上の構成において、光源からの光を2つの平行な光束に分ける光学系は、例えば、ウォラストンプリズム凸レンズグレーティングと凸レンズ、ケスタープリズム又はビームスプリッター光軸を傾斜させたミラーにより構成する等、適宜に構成することができる。

0016

以上の方法においては、被測定物体上の2点が相対的にΔx変化すると、干渉する2光波間の位相差は、 Ψ=(2π/λ)Δxsinθ だけ変化し、この位相差は、後述するように統計的干渉計測法を利用して求めることができ、従ってΔxを求めることができる。

0017

被測定物体の面内、面外並進運動では2点間相対変化が起らないので測定には影響されず、従って、非常に単純な光学系で、各種の物体のひずみを非接触、高精度に測定することができる。

発明を実施するための最良の形態

0018

次に本発明を、実施の形態と共に詳細に説明する。図1は本発明を適用した物体のひずみ測定系の実施の形態の一例を示すものであり、この測定系は、被測定物体としての紙の、引っ張りによる2点間の微小な面内ひずみを測定するものであり、図中、統計的干渉計測法と記した右側の部分が本発明に対応し、左側の部分は、従来のヘテロダイン干渉法の測定系を示すものである。

0019

本発明に対応する測定系は、光源からの光を被測定物体に導く照明光学系と、物体から生じたスペックル場を撮像素子に入力する撮像系と、撮像素子により入力されたスペックル画像を統計的干渉計測法に基づいて位相解析する演算処理系とから構成している。即ち、照明光学系において、コヒーレント光源としてのHe-Neレーザ1から出射した光は、ミラー2を経てウォラストンプリズム3に入射し、このウォラストンプリズム3により、2つの直交する直線偏光光束L1,L2に分けられ、次いで凸レンズ4で互いに平行にされた後、試料上の2点を照射する。

0020

図1の照明光学系では、光源からの光を2つの平行な光束に分ける光学系は、ウォラストンプリズム3と凸レンズ4により構成しているが、この他、図10に示すようにグレーティングと凸レンズで構成したり、図11に示すようにケスタープリズムで構成したり、又は図12に示すようにビームスプリッターと光軸を傾斜させたミラーにより構成する等、適宜に構成することができる。

0021

被測定物体としての紙5は片側を固定端としており、他端はPZT6により変位可能なホルダ7に固定されている。これにより、任意のひずみを紙5に与えることができる。

0022

紙5表面は光学的に十分粗いため、上述したように紙5の2点の夫々に入射した光束により、夫々独立して十分発達したスペックル場が発生し、これらは互いに重ね合わされランダムな干渉パターンが生じる。

0023

撮像系の撮像素子であるCCDカメラ8は、紙5の法線から角度θ方向に位置させ、紙5とCCDカメラ8間には偏光板9を設置しており、CCDカメラ8により偏光板9を通して検出した干渉画像を演算処理系としてのコンピュータ10に取り込みフレームメモリー上に随時記録する。このようにして演算処理系に取り込んだ、紙5の面内ひずみに対する複数の干渉画像のデータから上述した統計的干渉計測法を用いて、紙5のひずみに対応する未知の位相を求める。尚、上記偏光板9は、光源からの光を2つの平行な光束に分ける光学系としてウォラストンプリズム3を利用する場合等に必要なものであって、必ずしも必須の要素ではない。

0024

図2は本発明の2光束によるひずみ計測の原理概念的に示すもので、図に示すように、被測定物体としての紙5の2点が相対的にΔxだけ変化すると、干渉する2光波間の位相差は、
Ψ=(2π/λ)Δx sinθ (1)
だけ変化する。尚、λは光の波長である。

0025

上述したとおり、本発明では、紙5の2点に、平行な光束を垂直に入射させているため、紙5の面外、面内方向の並進運動では2点間に相対変化が起らず、従って測定に影響を及ぼさない。この点により測定系の簡素化、低価格化を計れ、実用上有益である。

0026

図1に示す測定系では、本発明の方法を適用した測定精度を検討するために、光による測定方法において、最も計測精度が高いとされているヘテロダイン干渉法でも同時に紙5のひずみに対応する変位を測定するように構成している。

0027

即ち、図1のヘテロダイン干渉計と記した左側の光学系がヘテロダイン干渉法の測定系(光学系)である。上述したとおり、ヘテロダイン干渉法では、紙5の全引っ張り量を測定しそれを2点間の距離に換算して、本発明の方法で測定した値と比較する。尚、ヘテロダイン干渉計の動作は周知であるので、説明は省略する。

0028

次に統計的干渉計測法の原理を説明する。図3で示されたコンピュ−タ内のフレームメモリに随時記録された複数の干渉画像から任意の3つの干渉画像の組み合せについて考える。図4下段のフェ−ザ図において、粗面物体変位(ひずみ)の最初(t=t0)と最後(t=tn)の状態をstep1、step3とし、このとき得られる干渉強度パターンを画像I1(X)、I3(X)とする。また、物体変位(ひずみ)の最初の状態から時刻t=tk経過したときの変位(ひずみ)状態をstep2として、この時間的な位相変化に対する干渉強度パターンを干渉画像I2(X)とする。3つの画像の選択は任意であるが、ここでは、物体変位(ひずみ)の最初と最後の状態に対する画像I1(X)、I3(X)を基準画像として固定し、時間的な位相変化に対する干渉画像I2を随時取出、この3つの強度画像間の物体変位(ひずみ)を統計的手法を用いて決定する。そして、時刻t=tkに対する物体変位の位相項が実軸に乗るように回転させた座標系を考える。このような座標系において、step1、step3の位相を、ψ1、ψ3とおく。次に、図4に示すフェ−ザ図のように式的な取扱いを簡単に住めために成分分解を行う。step1、step3の未知の位相量ψ1、ψ3に対して、任意の対称仮想的な位相量−ψ、ψを設定し、これからの差を対称位相量Δψs、反対称位相量Δψaの2つの位相量に分けると、各位相量は、

0029

平均面を中心とする微視的な凹凸標準偏差即ち、表面粗さがレ−ザ光の波長に比べて十分に粗い表面を持つ物体にレ−ザ光を照射して得られる十分に発達したスペックル場でのスペックル位相φの確率密度分布Pφ(φ)は、−π〜πの範囲で一様に分布することが知られている。つまり、

0030

図4で述べた座標変換と成分分解を行ったことにより、任意に選択された3つの干渉画像I1(X)、I2(X)、I3(X)は、

0031

成分分解で用いた対称な仮想位相量ψは既知であり、対称位相量Δψs、反対称位相量Δψaは(26)と(27)式より求められる。従って、最初の状態から時刻t=tkでの時間的な物体変位は
Ψ1=−Ψ−ΔΨs+ΔΨa (31)
として決定される。このように本発明が適用する統計的干渉計測法は、スペックル位相の完全なランダムさを位相決定の基準にしている。このことは粗面の表面粗さ、光学素子の面精度とは無関係な非常に安定した特性である。また、統計的な手法であることから、精度は確率密度分布を計算するときに用いられるデータサンプリングの数のみに依存する。

0032

実施例…1
図1に示した光学系を用いて紙5の面内ひずみ測定を行った。本実施例では2つの光束を照射する2点間の距離は3mmとした。また、上述したとおり本発明による測定精度を検討するために、マイケルソンタイプのヘテロダイン干渉計を組み込み、紙全体の引っ張り量を同時に測定する。図4に紙の面内引っ張りひずみの測定結果を示す。横軸は同時に測定したヘテロダイン干渉法の測定値を示し、縦軸は統計的干渉計測法による測定値である。両測定値は非常によく一致していることが分かる。PZTによる2点間の変形量139nmに対し、2つ方法による測定差は約λ/250程度(ひずみ量:0.8×10‐6ストレイン)であり、高い精度が得られることを確認した。このことから、統計的干渉計測法により2点間の面内ひずみが高精度に測定できることが確かめられた。

0033

実施例…2
次に、本発明により、物体の熱ひずみ測定を行った。図5に測定系を示す。測定系は基本的には図1に示す紙の引っ張りひずみ測定の光学系と同じであり、被測定物体の2点間における微小な面内の熱ひずみを測定する。ここでは、被測定物体の温度制御を行うためにペルチエ素子を被測定物体の裏面にマウントする。実際の温度測定は、試料の表面及び裏面に取り付けられた熱伝対によって測定する。本実験では照射2点間の距離を1.3mmとした。被測定物体にはテフロンを用いる。この物体は、20℃付近転移点をもつことが知られている。

0034

図6にテフロンの冷却時に得られた測定結果、図7に加熱時の測定結果を示す。横軸はテフロンの測定温度を示し、縦軸は本発明による測定値である。この図から分かるように、冷却した場合では21℃付近に、加熱した場合では19℃付近から22℃付近にかけてはっきりと傾きが変わっている。線膨張係数を算出したところ加熱時では16〜19℃では0.69(10-4/℃),19〜22℃では1.83(10-4/℃),22〜28℃では(10-4/℃)となり、16〜19℃での標準偏差は0.03(10-4/℃)となった。

0035

以上説明した本発明では、次のような特徴がある。まず、全体的には、
(1)スペックル場のランダムさが本質的な役割を果たすため、用いる光学素子に高い面精度が要求されない、
(2)試料表面は粗面のままでよい。
(3)計測精度は単に確率密度を計算するために用いるスペックル強度データ点数のみに依存する。数万点の強度データよりλ/1000の計測精度が得られる。そして、数万点の強度データは、高集積度CCD素子により、容易に得ることができる。
(4)非常に単純な光学系により面内、面外、ひずみなどの干渉計側が行える。
また、ひずみの測定に関しては、
(1)従来は、ひずみをひずみゲージを用いて測定していたが、本方法では光を用いることにより非接触で行うことができる。したがって、ひずみゲージを張り付けることのできない柔らかな物体についても測定可能である。
(2)試料上の微小領域の測定が可能である。測定領域の大きさは2つの照射光の距離で決まるが、1mm以下にすることが可能である。
(3)高感度である。基礎実験により1×10−6ストレインの精度を確認した。
(4)従来の干渉光学系に比べて光学系が単純である。また熱ひずみ測定に関しては
(5)従来、被検試料と熱ひずみ量が既知である標準物体を参照物体として熱による物体変位を比較測定していたが、本方法では試料上の2点間のひずみを直接測定することが可能である。
(6)これは、光学系の特性上試料の面内・面外の並進感度を持たないことによる。

発明の効果

0036

本方法では、被測定物体を2つのレーザービームで照射し、物体より生じた物体ひずみに対応するる2つのスペックル場のランダムな干渉パターンを撮像素子を介して取り込んで統計的な手法で解析することにより、非常に単純な光学系で物体のひずみを非接触、高精度に測定することができる。

図面の簡単な説明

0037

図1本発明を適用した物体のひずみ測定系の実施の形態の一例を示すものである。
図2本発明の2光束によるひずみ計測の原理を概念的に示すものである。
図33つの干渉画像の選択方法物体位相の座標変換を示す説明図である。
図4物体位相の成分分解を示す説明図である。
図5スペックル位相の確率密度分布に対するΔΨsとΔΨaの影響を示す説明図である。
図6紙の面内ひずみの測定結果の一例を示すものである。
図7本発明を適用した物体の熱ひずみ測定系の実施の形態の一例を示すものである。
図8テフロン冷却時の測定結果を示すものである。
図9テフロン加熱時の測定結果を示すものである。
図10光を平行な2光束に分ける他の例を示す説明図である。
図11光を平行な2光束に分ける他の例を示す説明図である。
図12光を平行な2光束に分ける他の例を示す説明図である。

--

0038

1 He-Neレ−ザー(コヒレント光源)
2ミラー
3ウォラストンプリズム
4凸レンズ
5 紙
6PZT
7ホルダ
8CCDカメラ
9偏光板
10 コンピュータ

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