JPH09297008A - Laser noncontact extensometer - Google Patents
Laser noncontact extensometerInfo
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- JPH09297008A JPH09297008A JP11271496A JP11271496A JPH09297008A JP H09297008 A JPH09297008 A JP H09297008A JP 11271496 A JP11271496 A JP 11271496A JP 11271496 A JP11271496 A JP 11271496A JP H09297008 A JPH09297008 A JP H09297008A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、被測定試料にレー
ザ光を照射して得られるスペックルパターンを利用し
て、その試料の伸びを非接触のもとに計測することので
きるレーザ非接触伸び計に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention utilizes a speckle pattern obtained by irradiating a sample to be measured with a laser beam to measure the elongation of the sample without contact. Regarding extensometer.
【０００２】[0002]
【従来の技術】物体にレーザビームを照射したときの散
乱光に含まれるスペックルパターンを利用して、その物
体の伸び等の面内歪みを計測する方法として、スペック
ル干渉法が知られている。スペックル干渉法には幾つか
の方法があるが、最も実用的な方法として二光束法を用
いたスペックル干渉法を挙げることができる。2. Description of the Related Art Speckle interferometry is known as a method for measuring in-plane strain such as elongation of an object using a speckle pattern contained in scattered light when an object is irradiated with a laser beam. There is. There are several speckle interferometry methods, and the most practical method is the speckle interferometry method using the two-beam method.
【０００３】二光束法を用いたスペックル干渉法では、
レーザビームをビームスプリッタによって２つの光路に
分岐させた後、被測定試料の表面に対して歪みの計測方
向に角度を持たせて重ね合わせて照射する。そして、そ
のレーザビームの被測定試料による散乱光を２次元イメ
ージセンサによって画像化する。このようにして得られ
る画像データを、試料の変形前後で得られたものどうし
加減算しすると、散乱光に含まれるスペックルパターン
が試料の変形前後で移動することに起因して、加減算後
の画像に干渉縞が生じる。この干渉縞は試料の歪み分布
が等高線の形で現れたものであるが、この干渉縞の１周
期に相当する歪み量は、レーザビームの波長と２つのビ
ームの角度によって決まり、従ってその干渉縞の位相を
求めることで、試料の面内歪み分布を求めることができ
る。In the speckle interferometry using the two-beam method,
After the laser beam is split into two optical paths by a beam splitter, the surface of the sample to be measured is overlapped and irradiated with an angle in the strain measurement direction. Then, the scattered light of the measured sample of the laser beam is imaged by the two-dimensional image sensor. When the image data obtained in this way is added or subtracted between those obtained before and after the deformation of the sample, the speckle pattern included in the scattered light moves before and after the deformation of the sample. Interference fringes are generated. The interference fringes appear in the strain distribution of the sample in the form of contour lines, and the amount of strain corresponding to one period of the interference fringes is determined by the wavelength of the laser beam and the angle of the two beams. The in-plane strain distribution of the sample can be obtained by obtaining the phase of.
【０００４】このようなスペックル干渉法によれば、干
渉縞の１周期に相当する歪み量がサブミクロンオーダー
と小さいため、高い分解能のもとに試料の歪みを計測す
ることができるという利点がある。According to such a speckle interferometry method, the strain amount corresponding to one period of the interference fringes is small on the order of submicron, so that the strain of the sample can be measured with high resolution. is there.
【０００５】一方、同じく物体にレーザビームを照射し
たときの散乱光に含まれるスペックルパターンを利用し
て、その物体の変位情報を得る方法として、スペックル
相関法が知られている。スペックル相関法は、被測定試
料にレーザ光を照射して得られる散乱光をイメージセン
サで受光し、試料の変位前後におけるイメージセンサ出
力（スペックル画像情報）の相互相関関数を演算し、そ
の相関ピーク位置からスペックルパターンの移動量を求
め、その移動量から試料の変位情報を得る。なお、この
スペックル相関法では、スペックル画像情報は１次元で
十分であり、イメージセンサとしては１次元のものを用
いることができる。On the other hand, the speckle correlation method is known as a method for obtaining displacement information of an object by utilizing a speckle pattern included in scattered light when the object is irradiated with a laser beam. The speckle correlation method receives scattered light obtained by irradiating a sample to be measured with laser light, receives the scattered light with an image sensor, calculates a cross-correlation function of the image sensor output (speckle image information) before and after the displacement of the sample, and The movement amount of the speckle pattern is obtained from the correlation peak position, and the displacement information of the sample is obtained from the movement amount. In this speckle correlation method, one-dimensional speckle image information is sufficient, and a one-dimensional image sensor can be used.
【０００６】このスペックル相関法を応用することによ
り、試料の２箇所（標点）間の伸びを非接触のもとに測
定することができる（例えば特開平８−４３０６号）。
すなわち、試料からの散乱光を結像光学系によってイメ
ージセンサの受光面上に結像させ、そのイメージセンサ
の各チャンネル出力のうち、試料表面上にあらかじめ設
定された２箇所（標点）に対応する各複数チャンネルず
つの出力を用いて、それぞれの箇所におけるスペックル
パターンの移動量を個別に求めるとともに、その差を算
出することによって、試料上の２標点間の伸びを求める
ことができる。By applying this speckle correlation method, the elongation between two points (reference points) of the sample can be measured without contact (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 8-4306).
That is, the scattered light from the sample is imaged on the light-receiving surface of the image sensor by the imaging optical system, and among the channel outputs of the image sensor, it corresponds to two positions (marks) preset on the sample surface. By using the output of each of the plurality of channels, the movement amount of the speckle pattern at each position is individually calculated, and the difference between them is calculated, so that the elongation between the two gauge marks on the sample can be obtained.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】スペックルパターンを
利用した上記２つの方法のうち、二光束法を用いたスペ
ックル干渉法は、前記したように高い分解能のもとに試
料の面内歪み分布を計測することができるものの、次の
ような欠点がある。Among the two methods using the speckle pattern, the speckle interferometry method using the two-beam method is the in-plane strain distribution of the sample under the high resolution as described above. Can be measured, but has the following drawbacks.
【０００８】すなわち、この方法では、互いに異なる時
点における２つの画像を加減算することによって得られ
る干渉縞パターンを基に歪み分布を算出するが、試料の
歪みが大きい場合には干渉縞の間隔が細かくなり、縞の
検索が不可能となる。つまり、２つの画像を用いて計測
可能な歪みには量的な上限がある。従って、この方法に
よって引張試験時における試験片の伸びを計測するよう
な場合、試験片の伸びの速度が速い場合には、連続して
サンプリングした２つの画像の間での伸びが上記した上
限を越えてしまい、計測不能となってしまう。That is, in this method, the distortion distribution is calculated based on the interference fringe pattern obtained by adding and subtracting two images at different time points, but when the sample distortion is large, the intervals of the interference fringes are small. It becomes impossible to search for stripes. That is, there is a quantitative upper limit to the distortion that can be measured using two images. Therefore, in the case of measuring the elongation of a test piece during a tensile test by this method, when the elongation rate of the test piece is high, the elongation between two continuously sampled images exceeds the above upper limit. It will be exceeded and measurement will be impossible.
【０００９】一方、スペックル相関法では、異なる時点
で得られたイメージセンサ出力の相互相関関数のピーク
位置さえ判別できれば変位情報を得ることができるた
め、この方法を利用して伸びを計測する場合において、
２つの画像情報を得る間に生じる伸びの測定可能な上限
値はより大きなものとなり、引張試験時における試験片
の伸びの計測のような用途には、その速度が速くても十
分に計測可能である。しかし、このスペックル相関法
は、スペックル干渉法に比して分解能は劣る。On the other hand, in the speckle correlation method, displacement information can be obtained as long as the peak position of the cross-correlation function of the image sensor output obtained at different times can be determined. Therefore, when measuring elongation using this method. At
The measurable upper limit of elongation that occurs during the acquisition of two pieces of image information becomes larger, and for applications such as measuring the elongation of a test piece during a tensile test, even if the speed is fast, it can be measured sufficiently. is there. However, the speckle correlation method is inferior in resolution to the speckle interferometry method.
【００１０】従って、引張試験等の材料試験時における
試験片の伸びを非接触のもとに計測する必要がある場
合、ユーザーは、その伸びの速度や必要とする精度に応
じて、上記した２つの方法に基づく２種の非接触伸び計
を用意する必要があり、非経済的であるばかりでなく、
いずれかの伸び計を選択的にセットする必要があって、
その労力も要する。Therefore, when it is necessary to measure the elongation of a test piece in a material test such as a tensile test in a non-contact manner, the user can adjust the above-mentioned 2 according to the speed of the elongation and the required accuracy. Not only is it uneconomical to have to prepare two types of non-contact extensometers based on one method,
It is necessary to selectively set one of the extensometers,
That effort is also required.
【００１１】また、前記したスペックル干渉法において
は、実際に試料が変形しないと干渉縞が生成されないこ
とから、この方法を用いた伸び計ではシステムそのもの
の検定をすることが極めて困難または不可能である。す
なわち、理論式からは干渉縞１本がどれだけの歪みに相
当するかを知ることができるが、それには正確にビーム
の角度を知っておく必要があり、この角度をも含めて検
定するためには、物体を再現性よく既知量だけ変形させ
る必要があるが、これを実現させることは極めて困難で
あるという問題もある。Further, in the above-mentioned speckle interferometry, since the interference fringes are not generated unless the sample is actually deformed, it is extremely difficult or impossible to calibrate the system itself with the extensometer using this method. Is. In other words, it is possible to know how much distortion one interference fringe corresponds to from the theoretical formula, but it is necessary to know the beam angle accurately, and this angle is included in the verification. Requires the object to be deformed by a known amount with good reproducibility, but there is also a problem that this is extremely difficult to realize.
【００１２】本発明の第１の目的は、１つのレーザ非接
触伸び計により、進行が遅くて高分解能の測定を要する
場合でも、進行の速い伸びでも計測することのできるレ
ーザ非接触伸び計を提供することにある。A first object of the present invention is to provide a laser non-contact extensometer capable of measuring even a fast progressing elongation even when the progress is slow and high resolution measurement is required by one laser non-contact extensometer. To provide.
【００１３】また、本発明の第２の目的は、例えば鋼の
引張試験において荷重制御で試験を行う場合等のよう
に、引張負荷を与えた後に材料の比例弾性限までの領域
においては伸びの進行が遅く、かつ、その領域を越えた
後は伸びが速い速度で進行するとともに、比例弾性限内
においてはその伸びを高精度に測定必要があり、かつ、
最大荷重や破断伸びを知るためにその全領域にわたって
リアルタイムでの伸びを測定する必要があるような測定
に対して、十分にその要求を満足し得るレーザ非接触伸
び計を提供することにある。A second object of the present invention is to increase the elongation in the region up to the proportional elastic limit of the material after applying a tensile load, such as in the case of conducting a load control test in a tensile test of steel. The progress is slow, and after exceeding that region, the stretch proceeds at a high speed, and it is necessary to measure the stretch with high accuracy within the proportional elastic limit, and
It is an object of the present invention to provide a laser non-contact extensometer that can sufficiently satisfy the requirements for measurements in which real-time elongation needs to be measured over the entire area in order to know maximum load and breaking elongation.
【００１４】更に、本発明の第３の目的は、スペックル
干渉法に基づく伸びの計測機能を持つ伸び計において、
そのシステム全体の検定を容易に行うことのできるレー
ザ非接触伸び計を提供することにある。Furthermore, a third object of the present invention is to provide an extensometer having an elongation measuring function based on speckle interferometry,
It is to provide a laser non-contact extensometer that can easily perform verification of the entire system.
【００１５】[0015]
【課題を解決するための手段】本発明のレーザ非接触伸
び計は、レーザビームをビームスプリッタによって２つ
の光路に分岐させた後、被測定試料Ｗの表面に伸びの計
測方向に所定の角度を持たせて重ね合わせて照射する照
射光学系１と、そのレーザビームの試料Ｗによる散乱光
に含まれるスペックルパターンを検出するためのイメー
ジセンサ２１と、そのイメージセンサ２１からの出力を
用い、互いに異なる時点で得られた２つの画像によって
できる干渉縞パターンから試料の歪み分布を算出して、
あらかじめ設定された試料の２点間の伸びを算出する第
１の演算手段と、上記イメージセンサ２１からの出力を
用い、互いに異なる時点で得られた画像間の相互相関関
数を演算し、その演算結果に基づいてあらかじめ設定さ
れた試料の２点における変位情報を個別に求めるととも
に、その各変位情報の差からその２点間の伸びを算出す
る第２の演算手段４２を備える、という構成を採用して
いる（図１参照）。In the laser non-contact extensometer of the present invention, a laser beam is split into two optical paths by a beam splitter, and then a predetermined angle is set on the surface of the sample W to be measured in the direction of elongation measurement. An irradiation optical system 1 for irradiating the laser beam with the laser beam overlapped, an image sensor 21 for detecting a speckle pattern included in scattered light of the sample W of the laser beam, and an output from the image sensor 21 are used. The strain distribution of the sample is calculated from the interference fringe pattern formed by the two images obtained at different time points,
Using a preset first calculating means for calculating the elongation between two points of the sample and the output from the image sensor 21, a cross-correlation function between images obtained at mutually different time points is calculated, and the calculation is performed. A configuration is adopted in which displacement information at two points of a sample set in advance based on the result is individually obtained, and second expansion means 42 for calculating the elongation between the two points is calculated from the difference between the displacement information. (See FIG. 1).
【００１６】また、本発明は、上記の構成に加えて、第
１または第２の演算手段４１または４２による伸びの算
出結果が、あらかじめ設定された値αに達していない状
態では第１の演算手段４１による伸びの算出結果を出力
し、かつ、その値αに達した後には出力を第２の演算手
段４２による伸びの算出結果に自動的に切り換える出力
自動切り換え手段４３を設けた構成を採用することがで
きる。Further, according to the present invention, in addition to the above configuration, the first calculation is performed in a state where the calculation result of the elongation by the first or second calculation means 41 or 42 has not reached the preset value α. A configuration is provided in which the output calculation result of the expansion by the means 41 is output, and after the value α is reached, the output is automatically switched to the expansion calculation result by the second calculation device 42. can do.
【００１７】更に、本発明における第２の演算手段４２
に、イメージセンサからの出力を用いて、試料の１点の
変位情報を出力する機能を併せ持たせることにより、第
３の目的を達成することができる。Further, the second calculation means 42 in the present invention.
In addition, the third object can be achieved by additionally providing the function of outputting the displacement information of one point of the sample by using the output from the image sensor.
【００１８】本発明は、スペックル干渉法において用い
られる照射光学系、つまりレーザビーム２つの光路に分
岐させた後に、所定角度で試料の表面に重ね合わせて照
射する光学系を用いた場合における散乱光をそのまま用
いても、スペックル相関法に基づく変位情報を得ること
が可能であることを見いだしたことに関連してなされた
ものである。The present invention is a scattering method in the case of using an irradiation optical system used in speckle interferometry, that is, an optical system in which a laser beam is branched into two optical paths and then is superposed and irradiated on the surface of a sample at a predetermined angle. This was done in connection with the finding that it is possible to obtain displacement information based on the speckle correlation method even when light is used as it is.
【００１９】すなわち、スペックル相関法では、１本の
ビームを試料の表面に照射して得られる散乱光に含まれ
るスペックルパターンの移動量を求めるのであるが、ス
ペックル干渉法における照射方法のように、所定角度で
２本のビームを重ね合わせて試料表面に照射して得られ
る散乱光を用いても、相関法に基づいてスペックルパタ
ーンの移動量を算出することが可能であることが判明し
た。That is, in the speckle correlation method, the movement amount of the speckle pattern included in the scattered light obtained by irradiating the surface of the sample with one beam is obtained. As described above, it is possible to calculate the amount of movement of the speckle pattern based on the correlation method even by using scattered light obtained by overlapping two beams at a predetermined angle and irradiating the sample surface. found.
【００２０】従って本発明の構成によれば、１つの照射
光学系１と１つのイメージセンサ２１を用いて、システ
ムに書き込むべき演算プログラムさえ干渉法および相関
法それぞれに基づく２種のプログラムを用意すること
で、互いに一長一短の機能を有するスペックル干渉法お
よびスペックル相関法に基づく計測を選択することが可
能となる。Therefore, according to the configuration of the present invention, by using one irradiation optical system 1 and one image sensor 21, even two calculation programs to be written in the system are prepared based on the interferometry method and the correlation method. As a result, it is possible to select the measurement based on the speckle interferometry and the speckle correlation method, which have both advantages and disadvantages.
【００２１】ここで、鋼等の引張試験における本発明の
使用方法としては、比例弾性限を越えるまではスペック
ル干渉法を選択するとともに、それを越えた後、伸びの
速度が余り速くなっていない適宜の時点で、スペックル
相関法に切り換えることで第２の目的を達成することが
できる。しかし、このような用途にあっては、上記した
出力自動切り換え手段４３を設けることにより、比例弾
性限を包含する比較的伸びの進行の遅い領域ではスペッ
クル干渉法に基づく高精度の伸びの計測結果が出力され
るとともに、その領域を越えて伸びの速度が速くなった
ときに自動的にスペックル相関法に基づく伸びの計測結
果が出力されることになり、必要とする領域のみ高精度
の伸びの計測結果を得ると同時に、伸びの進行の速い領
域でもリアルタイムでの伸びの計測結果を得ることが可
能となる。Here, as a method of using the present invention in the tensile test of steel or the like, the speckle interferometry is selected until the proportional elastic limit is exceeded, and after that, the elongation speed becomes too fast. The second purpose can be achieved by switching to the speckle correlation method at an appropriate time. However, in such an application, by providing the above-mentioned automatic output switching means 43, highly accurate elongation measurement based on the speckle interferometry in the region where the elongation is relatively slow, including the proportional elastic limit. As the result is output, the elongation measurement result based on the speckle correlation method is automatically output when the elongation speed increases beyond that area, and only the required area is highly accurate. At the same time as obtaining the measurement result of elongation, it becomes possible to obtain the measurement result of elongation in real time even in the region where the progress of elongation is fast.
【００２２】また、スペックル相関法においては、スペ
ックルパターンの移動量から試料の変位情報を得る関係
上、試料を変形させることなく、単に移動させることに
よってその移動量を求めることができる。スペックル相
関法に基づく第２の演算手段４２に、試料の２点におけ
るそれぞれの変位情報から伸びを算出する機能に加え
て、その過程で得られる試料の１点での変位情報を直接
的に出力する機能を持たせると、試料を既知量だけ移動
させたときにこの第２の演算手段４２により得られる試
料の変位情報と、その既知の移動量とから、この第２の
演算手段４２によるスペックル相関法を用いた検定が可
能である。ここで、本発明では、スペックル相関法とス
ペックル干渉法に基づく測定を、全く同じ光学系を用い
て行っているため、相関法の検定によって結果的に干渉
法の検定を行ったことになり、第３の目的を達成するこ
とができる。Further, in the speckle correlation method, since the displacement information of the sample is obtained from the amount of movement of the speckle pattern, the amount of movement can be obtained by simply moving the sample without deforming it. The second computing means 42 based on the speckle correlation method has a function of directly calculating the displacement information at one point of the sample obtained in the process in addition to the function of calculating the elongation from the displacement information at each of the two points of the sample. When the output function is provided, the second computing means 42 calculates the displacement information of the sample obtained by the second computing means 42 when the sample is moved by a known amount and the known movement amount. A test using the speckle correlation method is possible. Here, in the present invention, since the measurement based on the speckle correlation method and the speckle interferometry is performed using exactly the same optical system, it is determined that the interferometry test is eventually performed by the correlation test. Therefore, the third object can be achieved.
【００２３】[0023]
【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態の構成
図で、光学的構成を示す模式図と、電気的構成を示すブ
ロック図とを併記して示す図である。1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, in which a schematic diagram showing an optical configuration and a block diagram showing an electrical configuration are shown together.
【００２４】被測定試料Ｗには図中上下方向（ｘ方向）
への引張負荷が付与され、試料Ｗはそのｘ方向に伸び
る。このような試料Ｗの表面に対し、レーザビーム照射
光学系１からのレーザビームが照射され、そのレーザビ
ームの試料表面からの散乱光が２次元イメージセンサを
撮像素子とするカメラにによって計測されるようになっ
ている。The sample W to be measured is in the vertical direction (x direction) in the figure.
Is applied to the sample W, and the sample W extends in the x direction. The surface of the sample W is irradiated with the laser beam from the laser beam irradiation optical system 1, and the scattered light from the sample surface of the laser beam is measured by a camera having a two-dimensional image sensor as an image sensor. It is like this.
【００２５】レーザビーム照射光学系１は、半導体レー
ザ１１、ビーム形成光学系１２、ハーフミラー１３、お
よび２つのミラー１４，１５によって構成されている。
半導体レーザ１１からの出力光は、ビーム成形光学系１
２によって所定の広がりを持つレーザビームに成形され
た後、ハーフミラー１３によって２つのビームに分離さ
れ、その各ビームはミラー１４，１５によって被測定試
料Ｗの表面に互いに異なる光路を経由して導かれ、試料
表面上でｘ方向に一定の角度をもって互いに重なり合う
ように照射される。The laser beam irradiation optical system 1 is composed of a semiconductor laser 11, a beam forming optical system 12, a half mirror 13, and two mirrors 14 and 15.
Output light from the semiconductor laser 11 is transmitted to the beam shaping optical system 1.
After being shaped into a laser beam having a predetermined spread by 2, the half mirror 13 splits the beam into two beams, each of which is guided to the surface of the sample W to be measured by different mirrors 14 and 15 via different optical paths. Then, the sample surface is irradiated so as to overlap each other at a constant angle in the x direction.
【００２６】カメラ２は、例えば５００チャンネル×５
００チャンネルのＣＣＤ２次元イメージセンサ２１と、
そのイメージセンサ２１の受光面に試料Ｗからの散乱光
を集光して、そこに含まれるスペックルパターンを結像
させるための結像光学系２２によって構成されている。The camera 2 has, for example, 500 channels × 5.
00 channel CCD two-dimensional image sensor 21,
An image forming optical system 22 for condensing scattered light from the sample W on the light receiving surface of the image sensor 21 and forming an image of the speckle pattern contained therein is formed.
【００２７】イメージセンサ２１の出力は、増幅器３１
で増幅された後、Ａ−Ｄ変換器３２によってデジタル化
され、２次元画像データとして刻々とメモリ３３に格納
されるが、この画像データは、後述する演算に供された
後、不要なものについては直ちに捨てられる。The output of the image sensor 21 is the amplifier 31.
After being amplified by, the data is digitized by the AD converter 32 and stored in the memory 33 as two-dimensional image data every moment. Is immediately discarded.
【００２８】メモリ３３内に１つの画像データがサンプ
リングされるごとに、そのデータは演算装置４０によっ
て後述の演算に供される。演算装置４０には、試料Ｗの
２つの標点を設定するための設定器５１と、スペックル
干渉法とスペックル相関法のいずれの方法に基づく計測
をするのか、および、これらの各方法に基づく計測を伸
びの計測中に自動的に切り換えるのか、の合計３つの計
測方法のいずれかを選択するための選択スイッチ５２が
接続されている。Every time one image data is sampled in the memory 33, the data is supplied to the later-described calculation by the calculation device 40. The computing device 40 includes a setter 51 for setting two reference points of the sample W, which of the speckle interferometry method and the speckle correlation method is used for the measurement, and each of these methods. A selection switch 52 is connected to select one of a total of three measurement methods, that is, whether to automatically switch the measurement based on the elongation during the measurement of elongation or to select one of the three measurement methods.
【００２９】演算装置４０は、実際にはＣＰＵまたはＤ
ＳＰを主体としてその周辺機器によって構成され、プロ
グラムに従った動作を実行するのであるが、図ではその
機能別にブロック図で示している。すなわち、この演算
装置４０は、メモリ３３にサンプリングされた画像デー
タを用いてスペックル干渉法に基づく伸びの計算を行う
第１の演算部４１と、同じくメモリ３３にサンプリング
された画像データを用いてスペックル相関法に基づく伸
びの計算を行う第２の演算部４２と、これらの各演算部
４１，４２による伸びの計算結果のうち、いずれか一方
を自動的に選択して伸びの計測値として出力するための
出力自動切り換え部４３を備えている。The arithmetic unit 40 is actually a CPU or D.
The SP is mainly composed of its peripheral devices and executes the operation in accordance with the program. In the figure, the block diagram is shown for each function. That is, the arithmetic unit 40 uses the first arithmetic unit 41 that calculates the elongation based on the speckle interferometry using the image data sampled in the memory 33, and the image data sampled in the memory 33 as well. A second calculation unit 42 that calculates the elongation based on the speckle correlation method and one of the calculation results of the elongation by these calculation units 41 and 42 are automatically selected and used as the measurement value of the elongation. The automatic output switching unit 43 for outputting is provided.
【００３０】第１の演算部４１においては、メモリ３３
に刻々とサンプリングされる各画像データを用いて、互
いに異なる時点でサンプリングされた画像データを相互
に加算もしくは減算する。これにより、干渉縞が生成さ
れた画像データが得られるが、この加減算後の画像デー
タについて、スムージング処理を施した後、ｘ方向に直
交する方向の画素データを相互にたし込み、干渉縞の位
相情報を得た後、位相の連続化処理を行い、試料Ｗの歪
み分布を算出する。この演算は公知のスペックル干渉法
に基づく演算である。次に、その歪み分布情報から、設
定器５１によって設定された２つの標点間の伸びを求め
る。これは、例えば２つの標点間の歪み分布をｘ方向に
積分する等によって容易に行うことができる。このよう
な演算を新たな画像データがサンプリングされるごとに
繰り返すことにより、第１の演算部４１からスペックル
干渉法に基づく試料Ｗの刻々の伸びｘ1 が出力される。In the first arithmetic unit 41, the memory 33
The image data sampled at every moment is used to add or subtract the image data sampled at different time points. As a result, the image data in which the interference fringes are generated can be obtained. After the smoothing processing is performed on the image data after the addition / subtraction, the pixel data in the direction orthogonal to the x direction is added to each other to generate the interference fringes. After obtaining the phase information, the phase continuation process is performed to calculate the strain distribution of the sample W. This calculation is a calculation based on the known speckle interferometry. Next, the extension between the two gauge points set by the setter 51 is obtained from the strain distribution information. This can be easily done, for example, by integrating the strain distribution between two gauge points in the x direction. By repeating such calculation every time new image data is sampled, the first calculation unit 41 outputs the increment x 1 of the sample W based on the speckle interferometry.
【００３１】なお、第１の演算部４１において、互いに
異なる時点の画像を用いて以上のような演算を行うに際
し、ある時点でサンプリングされた画像を基準画像と
し、その基準画像と以後の刻々のサンプリング画像との
間で上記の演算を施すとともに、干渉縞の間隔がある一
定の間隔にまで狭くなった時点で、基準画像を適宜の時
点におけるサンプリング画像と更新する、という方法を
採用することもできる。In the first calculation unit 41, when performing the above calculation using images at different times, an image sampled at a certain time is used as a reference image, and the reference image and the subsequent moments are changed. It is also possible to adopt a method of performing the above calculation with the sampling image and updating the reference image with the sampling image at an appropriate time when the interval of the interference fringes becomes narrow to a certain interval. it can.
【００３２】一方、第２の演算部４２においては、メモ
リ３３に刻々とサンプリングされる２次元画像データの
うち、ｘ方向に伸びる例えば１本のチャンネル列のデー
タ、つまり１次元の画像データを用いる。そして、試験
開始当初にサンプリングされた１次元画像データのう
ち、設定器５１によって設定された２つの標点の位置に
対応する各複数チャンネルずつのデータを、それぞれの
標点の基準データとしてメモリ３３の特定のエリアに記
憶する。そして、試験開始後に刻々とサンプリングされ
る２次元画像データのうち、上記した各複数チャンネル
ずつのデータを各標点のサンプリングデータとし、その
各サンプリングデータと対応する基準データとの間でそ
れぞれに相互相関関数を演算する。この相互相関関数の
ピーク位置は、基準データのサンプリング時点と新たな
サンプリング時点との間におけるスペックルパターンの
移動量を表し、これによって各標点の変位情報が得られ
る。そして、各標点の変位量の差を求めることによっ
て、標点間の伸びを求める。各基準データは、例えば各
標点の変位量が増大してサンプリングデータとの間の相
互相関関数のピーク位置の識別が困難となる前の適宜の
時点で、新たなサンプリングデータに更新され、このよ
うな演算の繰り返しにより、第２の演算部４２からスペ
ックル相関法に基づく試料Ｗの刻々の伸びｘ2 が出力さ
れる。On the other hand, in the second calculation section 42, of the two-dimensional image data sampled in the memory 33 every second, for example, the data of one channel row extending in the x direction, that is, one-dimensional image data is used. . Then, among the one-dimensional image data sampled at the beginning of the test, the data of each plurality of channels corresponding to the positions of the two mark points set by the setter 51 is used as the reference data of each mark point in the memory 33. Store in a specific area of. Then, among the two-dimensional image data sampled every moment after the start of the test, the above-mentioned data for each of the plurality of channels is used as the sampling data of each reference point, and the sampling data and the corresponding reference data are mutually interrelated. Calculate the correlation function. The peak position of this cross-correlation function represents the amount of movement of the speckle pattern between the sampling time of the reference data and the new sampling time, and the displacement information of each reference point is obtained by this. Then, the difference between the displacement amounts of the respective control points is calculated to obtain the elongation between the control points. Each reference data is updated to new sampling data, for example, at an appropriate time before it becomes difficult to identify the peak position of the cross-correlation function between the reference data and the sampling data due to an increase in displacement of each reference point. By repeating such calculation, the second calculation unit 42 outputs the stretch x 2 of the sample W based on the speckle correlation method.
【００３３】出力自動切り換え部４３は、選択スイッチ
５２によって出力自動切り換え状態が選択されている状
態で動作し、第２の演算部４２による伸びの計測結果ｘ
2 を刻々と監視して、その値があらかじめ設定されたα
に達するまでは第１の演算部４１の出力ｘ1 を選択し
て、伸びの計測値として出力するとともに、αに達した
後は第２の演算部４２の出力を選択して、伸びの計測値
として出力する。なお、このαの値は自由に選択できる
ようにしておくことが望ましい。The automatic output switching section 43 operates in a state in which the automatic output switching state is selected by the selection switch 52, and the elongation measurement result x obtained by the second computing section 42.
2 is monitored moment by moment, and the value is preset to α
The output x 1 of the first calculation unit 41 is selected and output as the measurement value of the elongation until the value reaches, and the output of the second calculation unit 42 is selected after the value reaches α to measure the expansion. Output as a value. It is desirable that the value of α be freely selectable.
【００３４】以上の本発明の実施の形態を用いる当た
り、伸びが緩やかに進行して、しかも高精度の伸びの計
測結果が必要な場合には、選択スイッチ５２によって第
１の演算部４１によるスペックル干渉法に基づく伸びの
計測結果ｘ1 を選択して出力させるとともに、伸びの速
度が速い試料の計測に際しては、選択スイッチ５２によ
って第２の演算部４２によるスペックル相関法に基づく
伸びの計測結果ｘ2 を計測値として出力させる。これに
より、１つの伸び計を用いて、計測目的に叶った最適な
方法に基づく計測が可能となる。When the above-described embodiment of the present invention is used and the elongation progresses slowly, and a highly accurate measurement result of the elongation is required, the selection switch 52 is used to specify the specifications of the first arithmetic unit 41. In addition to selecting and outputting the elongation measurement result x 1 based on the speckle correlation method based on the speckle correlation method, the second calculation unit 42 uses the selection switch 52 to measure the elongation based on the speckle correlation method. The result x 2 is output as the measured value. As a result, it is possible to use one extensometer and perform measurement based on an optimal method that meets the measurement purpose.
【００３５】また、鋼の引張試験等を荷重制御で行うよ
うな場合には、選択スイッチ５２により出力の自動切り
換えを選択する。この場合、αの値を、材料の予想され
る比例弾性限における伸びよりもある程度大きな値とし
ておく。これにより、試験開始当初は第１の演算部４１
によるスペックル干渉法に基づく高精度の伸びの計測結
果ｘ1 が出力されるとともに、試験が進行して材料の比
例弾性限をある程度越えた時点で、その出力は自動的に
第２の演算部４２によるスペックル相関法に基づく伸び
の計測結果ｘ2 に切り換わる。従って、この場合には、
比例弾性限を含む伸びの進行の遅い領域では高精度の伸
びの計測結果が得られると同時に、その後、速い速度で
伸びが進行してもその全領域にわたってリアルタイムで
伸びの計測結果を得ることができ、直ちに最大荷重や破
断伸びを求めることができる。When a steel tensile test or the like is performed under load control, the selection switch 52 is used to select automatic output switching. In this case, the value of α is set to a value somewhat larger than the expected elongation of the material in the proportional elastic limit. As a result, at the beginning of the test, the first arithmetic unit 41
The high-precision elongation measurement result x 1 based on the speckle interferometry method is output, and when the test progresses and exceeds the proportional elastic limit of the material to some extent, the output is automatically output to the second computing unit. The measurement result of the elongation based on the speckle correlation method by 42 is switched to x 2 . Therefore, in this case,
It is possible to obtain highly accurate measurement results of elongation in the region where the progress of elongation is slow, including the proportional elastic limit, and at the same time, obtain measurement results of elongation in real time over the entire region even if elongation proceeds at a high speed. The maximum load and elongation at break can be immediately obtained.
【００３６】さて、以上の本発明の実施の形態におい
て、第２の演算部４２では設定された２つの標点に対応
する各複数のチャンネル群からのデータを用いて、それ
ぞれの標点の変位情報を得て、その差から標点間の伸び
を算出しているが、このような演算過程において得られ
る変位情報を出力する機能を持たせることによって、シ
ステムの検定を行うことができる。In the above-described embodiment of the present invention, the second computing section 42 uses the data from each of the plurality of channel groups corresponding to the two set reference points to shift the respective reference points. Although the information is obtained and the elongation between the gauge points is calculated from the difference, the system can be verified by having a function of outputting the displacement information obtained in such a calculation process.
【００３７】すなわち、図２に本発明の他の実施の形態
の要部構成を示すように、検定動作選択用のスイッチ６
１を設け、このスイッチ６１の操作によって、第２の演
算部４２から、設定器５１で設定された試料Ｗ上の１点
の変位情報を出力するように構成する。この変位情報
は、前記した第２の演算部４２による伸びの計測時にお
ける各標点に対応するそれぞれのスペックルパターンの
移動量の計算を、単に１点について行うことによって得
られ、その結果を出力すればよい。That is, as shown in FIG. 2 which shows the configuration of the main part of another embodiment of the present invention, the switch 6 for selecting the verification operation is selected.
1 is provided and the displacement of one point on the sample W set by the setting device 51 is output from the second calculation unit 42 by operating the switch 61. This displacement information is obtained by simply calculating, for one point, the amount of movement of each speckle pattern corresponding to each reference point when measuring the elongation by the second computing unit 42, and the result is obtained. You can output it.
【００３８】このような試料Ｗの１点の変位情報を用い
ることにより、次の手順で全システムの検定を行うこと
ができる。すなわち、試料Ｗを測定部位にセットして、
レーザビーム照射光学系１からのレーザビームを照射し
ながら、その照射領域内の任意の１点を設定器５１で設
定した後、その試料Ｗを既知量だけ移動させる。これに
より、第２の演算部４２はスペックル相関法に基づい
て、設定された１点の変位情報を算出して出力するが、
その出力結果と試料Ｗの既知の移動量とを比較すれば、
スペックル相関法に基づく伸びの計測システムを検定す
ることができる。ここで、本発明の実施の形態において
は、相関法と干渉法とを、同一の光学系を用いているた
め、その検定結果は干渉法にも等しく適用できる。By using the displacement information of one point of the sample W as described above, the verification of the entire system can be performed in the following procedure. That is, the sample W is set at the measurement site,
While irradiating the laser beam from the laser beam irradiating optical system 1, an arbitrary one point in the irradiating area is set by the setter 51, and then the sample W is moved by a known amount. As a result, the second calculation unit 42 calculates and outputs the displacement information of one set point based on the speckle correlation method.
By comparing the output result with the known movement amount of the sample W,
An elongation measuring system based on the speckle correlation method can be tested. Here, in the embodiment of the present invention, since the correlation method and the interferometry method use the same optical system, the test result can be equally applied to the interferometry method.
【００３９】なお、本発明においては、スペックル干渉
法に基づく第１の演算部４１と、スペックル相関法に基
づく第２の演算部４２とは、必ずしも同時に動作させる
必要はなく、選択されたもののみを動作させてもよい。
ただし、計測の途中で手動または出力自動切り換え部４
３によって出力を切り換える場合には、計測出力の接続
のために、少なくとも、スペックル相関法に基づく第２
の演算部４２は計測中全期間において動作させることが
望ましい。In the present invention, the first calculation unit 41 based on the speckle interferometry method and the second calculation unit 42 based on the speckle correlation method do not necessarily have to operate simultaneously, and are selected. Only one may be operated.
However, during measurement, the manual or automatic output switching unit 4
In the case of switching the output according to the third method, at least the second method based on the speckle correlation method is used for connecting the measurement output.
It is desirable that the calculation unit 42 of is operated during the entire measurement period.
【００４０】また、スペックル相関法を選択している場
合には、この方法は元来的に１本のレーザビームを試料
表面に照射することから、レーザビーム照射光学系１か
らの２本のレーザビームのうち、いずれか一方をシャッ
ター等で遮蔽して、試料Ｗの表面に到達しないように構
成してもよいことは勿論である。When the speckle correlation method is selected, this method originally irradiates one laser beam on the sample surface, and therefore two laser beams from the laser beam irradiation optical system 1 are used. Of course, one of the laser beams may be shielded by a shutter or the like so as not to reach the surface of the sample W.
【００４１】更に、図１の実施の形態では、出力自動切
り換え手段４３において、出力の切り換え判定のために
第２の演算部４２の出力を監視したが、第１の演算部４
１の出力を監視してもよい。Furthermore, in the embodiment of FIG. 1, the output automatic switching means 43 monitors the output of the second arithmetic unit 42 for the output switching judgment.
The output of 1 may be monitored.
【００４２】[0042]
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、１つの
照射光学系と１つのイメージセンサを用いて、スペック
ル干渉法とスペックル相関法の双方に基づく伸びの計測
を選択できるため、１台の伸び計を用いて多くの計測目
的をこなすことができ、経済的であると同時に、伸び計
の交換作業を不要とすることができる。As described above, according to the present invention, it is possible to select elongation measurement based on both the speckle interferometry method and the speckle correlation method using one irradiation optical system and one image sensor. Since one extensometer can be used for many measurement purposes, it is economical, and at the same time, extensometer replacement work is unnecessary.
【００４３】また、各方法による計測結果を、試料の伸
びの状況に応じて自動的に切り換えて出力する機能を付
加することによって、例えば鋼材の引張試験等におい
て、比例弾性限までの領域の伸びを常に高精度に計測
し、しかも、その後の伸びの速い領域でも材料の破断に
到るまで高い応答速度でリアルタイムでの計測が可能と
なる。Further, by adding a function of automatically switching and outputting the measurement result of each method according to the elongation condition of the sample, for example, in the tensile test of steel material, the elongation of the region up to the proportional elastic limit is obtained. Can be measured with high accuracy at all times, and even in the region of rapid elongation thereafter, it is possible to measure in real time at a high response speed until the material breaks.
【００４４】更に、スペックル相関法に基づく演算の過
程で得られる試料の変位情報を出力する機能を持たせる
ことにより、試料を移動させるだけで、干渉法と共用す
る光学系を含めて、システムの検定が可能となる。Further, by providing the function of outputting the displacement information of the sample obtained in the process of the calculation based on the speckle correlation method, the system including the optical system shared with the interferometry method can be simply moved by moving the sample. It becomes possible to test.
【図１】本発明の実施の形態の構成図で、光学系の構成
を示す模式図と、電気的構成を示すブロック図とを併記
して示す図FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment of the present invention in which a schematic diagram showing a configuration of an optical system and a block diagram showing an electrical configuration are shown together.
【図２】本発明の他の実施の形態の要部構成を示すブロ
ック図FIG. 2 is a block diagram showing a main configuration of another embodiment of the present invention.
１ レーザビーム照射光学系 １１ 半導体レーザ １２ ビーム形成光学系 １３ ハーフミラー １４，１５ ミラー ２ カメラ ２１ ２次元イメージセンサ ２２ 結像光学系 ３３ メモリ ４０ 演算装置 ４１ 第１の演算部 ４２ 第２の演算部 ４３ 出力自動切り換え部 ５１ 設定器 ５２ 選択スイッチ ６１ 検定用スイッチ Ｗ 被測定試料 1 Laser Beam Irradiation Optical System 11 Semiconductor Laser 12 Beam Forming Optical System 13 Half Mirror 14, 15 Mirror 2 Camera 21 Two-dimensional Image Sensor 22 Imaging Optical System 33 Memory 40 Computing Device 41 First Computing Unit 42 Second Computing Unit 43 Automatic output switching unit 51 Setting device 52 Selection switch 61 Verification switch W W DUT
Claims (3)
て２つの光路に分岐させた後、被測定試料の表面上に伸
びの計測方向に所定の角度を持たせて重ね合わせて照射
する照射光学系と、そのレーザビームの試料による散乱
光に含まれるスペックルパターンを検出するためのイメ
ージセンサと、そのイメージセンサからの出力を用い、
互いに異なる時点で得られた２つの画像によってできる
干渉縞パターンから試料の歪み分布を算出して、あらか
じめ設定された試料の２点間の伸びを算出する第１の演
算手段と、上記イメージセンサからの出力を用い、互い
に異なる時点で得られた画像間の相互相関関数を演算
し、その演算結果に基づいてあらかじめ設定された試料
の２点における変位情報を個別に求めるとともに、その
各変位情報の差からその２点間の伸びを算出する第２の
演算手段を備えていることを特徴とするレーザ非接触伸
び計。1. An irradiation optical system for irradiating a surface of a sample to be measured with a laser beam splitting it into two optical paths by superimposing it on a surface of the sample to be measured at a predetermined angle, and an irradiation optical system thereof. An image sensor for detecting the speckle pattern included in the scattered light of the laser beam sample and the output from the image sensor are used.
From the image sensor, the first calculation means for calculating the strain distribution of the sample from the interference fringe pattern formed by the two images obtained at different time points and calculating the preset elongation between the two points of the sample. The output of is used to calculate the cross-correlation function between images obtained at different times, and the displacement information at two points of the preset sample is individually calculated based on the calculation result, and the displacement information of each displacement information is calculated. A laser non-contact extensometer, comprising a second arithmetic means for calculating the elongation between the two points from the difference.
びの算出結果が、あらかじめ設定された値に達していな
い状態では第１の演算手段による伸びの算出結果を出力
し、かつ、上記値に達した以後には、その出力を第２の
演算手段による伸びの算出結果に自動的に切り換える出
力自動切り換え手段を備えていることを特徴とする、請
求項１に記載のレーザ非接触伸び計。2. The elongation calculation result by the first arithmetic means is output when the elongation calculation result by the first or second arithmetic means does not reach a preset value, and the above-mentioned value is obtained. 2. The laser non-contact extensometer according to claim 1, further comprising an output automatic switching means for automatically switching the output to a result of elongation calculation by the second computing means after reaching the temperature. .
ンサからの出力を用いて、試料の１点の変位情報を出力
する機能を併せ持っていることを特徴とする、請求項１
または２に記載のレーザ非接触伸び計。3. The second computing means also has a function of outputting displacement information of one point of the sample by using an output from the image sensor.
Alternatively, the laser non-contact extensometer according to item 2.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11271496A JPH09297008A (en) | 1996-05-07 | 1996-05-07 | Laser noncontact extensometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11271496A JPH09297008A (en) | 1996-05-07 | 1996-05-07 | Laser noncontact extensometer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09297008A true JPH09297008A (en) | 1997-11-18 |
Family
ID=14593683
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11271496A Pending JPH09297008A (en) | 1996-05-07 | 1996-05-07 | Laser noncontact extensometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09297008A (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004068071A1 (en) * | 2003-01-29 | 2004-08-12 | Hentze-Lissotschenko Patentverwaltungs Gmbh & Co. Kg | Apparatus for determining the vertical profile of an object |
| JP2008232686A (en) * | 2007-03-19 | 2008-10-02 | Saitama Prefecture | Deformation measuring device, deformation measuring method, and deformation measuring program |
| DE102010038062A1 (en) | 2010-10-08 | 2012-04-12 | Messphysik Materials Testing Gmbh | Method for contactless localization of resilient/plastic deformation locations of samples of materials of variable form, size and surface roughness, involves arranging electronically digitized camera systems to image test area |
| CN102914273A (en) * | 2012-10-25 | 2013-02-06 | 清华大学 | Multi-functional moire interfering and grating-making system |
| CN103760025A (en) * | 2014-02-10 | 2014-04-30 | 深圳三思纵横科技股份有限公司 | Extensometer and measuring method thereof |
-
1996
- 1996-05-07 JP JP11271496A patent/JPH09297008A/en active Pending
Cited By (7)
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| DE102010038062B4 (en) * | 2010-10-08 | 2013-05-23 | Messphysik Materials Testing Gmbh | Location determination and determination of the displacement of places by non-contact distance measurement in a material test |
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