JPH0835821A - Non-contact displacement or strain gauge - Google Patents
Non-contact displacement or strain gaugeInfo
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- JPH0835821A JPH0835821A JP17115494A JP17115494A JPH0835821A JP H0835821 A JPH0835821 A JP H0835821A JP 17115494 A JP17115494 A JP 17115494A JP 17115494 A JP17115494 A JP 17115494A JP H0835821 A JPH0835821 A JP H0835821A
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- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 高温の試料の計測に際しても光センサのバッ
クグラウンドレベルの上昇を抑制し、正確な測定が可能
な非接触変位または歪計を提供する。
【構成】 被測定試料Wをスポット状に照射する光学系
1と、そのスポット照射光の被測定試料Wによる反射光
を入射する光センサ2と、その光センサ2の出力を用い
て被測定試料Wの変位または歪を算出する演算部3を備
えた装置において、被測定試料Wと光センサにとの間
に、照射光の被測定試料Wからの反射光を集光する集光
レンズ4と、ピンホール51が形成された遮光板5を設
け、ピンホール51を、集光レンズ4による反射光のス
ポット結像面に配置し、かつ、そのスポット像と同等の
孔径とすることにより、スポット照射位置を除く被測定
試料Wの表面からの輻射光等が光センサ2に入射するこ
とを防ぐ。
(57) [Summary] [Purpose] To provide a non-contact displacement or strain gauge capable of performing accurate measurement by suppressing an increase in the background level of an optical sensor even when measuring a high temperature sample. [Structure] An optical system 1 for irradiating a measured sample W in a spot shape, an optical sensor 2 for injecting reflected light of the spot irradiation light by the measured sample W, and an output of the optical sensor 2 for measured sample In a device provided with a calculation unit 3 for calculating the displacement or strain of W, a condenser lens 4 for condensing the reflected light of the irradiated light from the measured sample W between the measured sample W and the optical sensor. By providing the light-shielding plate 5 with the pinhole 51 formed therein, arranging the pinhole 51 on the spot image forming surface of the light reflected by the condenser lens 4 and making the hole diameter equivalent to the spot image, Radiation light or the like from the surface of the sample W to be measured excluding the irradiation position is prevented from entering the optical sensor 2.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、レーザー光等の光を用
いて試料の変位または歪を非接触のもとに測定する、い
わゆる非接触型の変位または歪計に関し、例えば材料試
験機等における試験片の伸縮量等を測定するのに適した
非接触型の変位または歪計に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a so-called non-contact type displacement or strain gauge for measuring displacement or strain of a sample by using light such as laser light in a non-contact manner. The present invention relates to a non-contact type displacement or strain gauge suitable for measuring the amount of expansion and contraction of a test piece.
【0002】[0002]
【従来の技術】レーザー光等の光を被測定試料に照射す
るとともに、その反射光を1次元イメージセンサ等で計
測することによって、被測定試料の変位または歪を非接
触で測定する装置として、スペックルパターンを利用す
るものが知られている。2. Description of the Related Art A device for irradiating a sample to be measured with light such as laser light and measuring the reflected light with a one-dimensional image sensor or the like to measure the displacement or strain of the sample to be measured in a non-contact manner. It is known to use a speckle pattern.
【0003】このようなスペックルパターンを利用した
変位または歪計の測定原理は次の通りである。図6に示
すように、被測定試料Wの表面にレーザー光を照射する
と、観測面上の任意の1点で観測される光の場は、試料
表面の異なる場所から反射されてきたたくさんの光波が
互いに干渉しあうことによって生じる。これらの光波の
持つ位相は、試料表面の凹凸の不規則性を反映してラン
ダムであるため、干渉の結果として生じる観測面上での
光の強度分布もランダムとなる。このパターンはスペッ
クルパターンと称される。観測面上に例えば1次元イメ
ージセンサを置くと、その各画素からの出力は空間的に
ランダムパターンとなり、試料表面が移動もしくは変形
したときには、そのパターンは経時的に移動もしくは変
形する。観測面上にイメージセンサを置くことで得られ
たスペックルパターンの光電変換信号を経時的に採り込
み、刻々と相関関数を求めることにより、スペックルパ
ターンの刻々の移動量を求めることができる。そのスペ
ックルパターンの移動量から、レーザービームの照射部
位における被測定試料の変形量ないしは歪量を算出する
ことができる(例えば特公昭59−52963号)。The measurement principle of the displacement or strain gauge using such a speckle pattern is as follows. As shown in FIG. 6, when the surface of the sample W to be measured is irradiated with laser light, the light field observed at any one point on the observation surface is a large number of light waves reflected from different locations on the sample surface. Are caused by interference with each other. Since the phases of these light waves are random, reflecting the irregularities of the irregularities on the sample surface, the intensity distribution of light on the observation surface, which is the result of interference, is also random. This pattern is called a speckle pattern. When, for example, a one-dimensional image sensor is placed on the observation surface, the output from each pixel has a spatially random pattern, and when the sample surface moves or deforms, the pattern moves or deforms over time. It is possible to obtain the movement amount of the speckle pattern every moment by taking the photoelectric conversion signal of the speckle pattern obtained by placing the image sensor on the observation surface with time and obtaining the correlation function every moment. From the amount of movement of the speckle pattern, the amount of deformation or strain of the sample to be measured at the laser beam irradiation site can be calculated (for example, Japanese Patent Publication No. 59-52963).
【0004】また、本発明者は、このようなスペックル
パターンを利用して、被測定試料の歪方向の2箇所にお
ける変位を計測し、その各計測結果から被測定試料の2
箇所間における歪量(伸びまたは縮み量)を算出するこ
とにより、材料試験機の試験片の標点間の伸びないしは
縮み量を求める装置を提案している。この提案において
は、被測定試料の歪方向の2箇所において個別に計測す
べく、その2箇所に互いに異なる波長を持つレーザー光
を照射するとともに、その各反射光をそれぞれに対応し
て設けたイメージセンサで受光するに当たり、一方の照
射位置からの反射光が他方の照射位置からの反射光を計
測するためのイメージセンサに入射することを防止する
ために、各イメージセンサの入射面の近傍に該当の波長
の光を透過させるバンドパスフィルタを設けた構成を採
っている。Further, the inventor of the present invention utilizes such a speckle pattern to measure the displacement at two points in the strain direction of the sample to be measured, and from the respective measurement results, the two of the sample to be measured are measured.
We have proposed a device that calculates the amount of strain (elongation or contraction) between points to obtain the amount of elongation or contraction between the gauge marks of the test piece of the material testing machine. In this proposal, in order to measure at two points in the strain direction of the sample to be measured individually, the two points are irradiated with laser light having different wavelengths, and each reflected light is provided correspondingly. Corresponds to the vicinity of the incident surface of each image sensor to prevent the reflected light from one irradiation position from entering the image sensor for measuring the reflected light from the other irradiation position when the light is received by the sensor. The configuration is such that a bandpass filter that transmits light of the wavelength is provided.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】ところで、以上のよう
なスペックルパターンを利用した非接触型の変位または
歪計を用いて、高温の試料を計測する場合、試料そのも
のの輻射により、例えバンドパスフィルタを介在させて
いたとしても、イメージセンサのバックグラウンドレベ
ルが上昇し、測定が困難となる。By the way, when a high temperature sample is measured by using the non-contact type displacement or strain gauge utilizing the speckle pattern as described above, the radiation of the sample itself causes the band pass, for example. Even if a filter is interposed, the background level of the image sensor rises, making measurement difficult.
【0006】すなわち、図7に示すように、観測面上の
イメージセンサには、スポット状のレーザー光の反射光
(実線で示す)のみならず、破線で示すように被測定試
料Wの他の位置からの輻射等の光も到来する。このよう
な光はレーザー光とは干渉はしないものの、被測定試料
Wを高温に加熱した状態では、イメージセンサのバック
グラウンドレベルが大きく上昇する。また、試料の加熱
を赤外線加熱炉を用いて行うような材料試験にあって
は、加熱のためのランプ光源がバックグラウンドレベル
を上昇させる。That is, as shown in FIG. 7, in the image sensor on the observation surface, not only the reflected light of the spot-shaped laser light (shown by the solid line) but also the other of the sample W to be measured as shown by the broken line is measured. Light such as radiation from the position also arrives. Although such light does not interfere with the laser light, the background level of the image sensor greatly increases when the sample W to be measured is heated to a high temperature. Further, in a material test in which a sample is heated using an infrared heating furnace, a lamp light source for heating raises the background level.
【0007】センサのバックグラウンドレベルが上昇す
ると、センサの平均出力レベルを上昇させ、ひいてはセ
ンサのダイナミックレンジの上限に達して測定を不可能
としてしまうような事態も生じる。When the background level of the sensor rises, the average output level of the sensor rises, and eventually the upper limit of the dynamic range of the sensor is reached and measurement becomes impossible.
【0008】このような問題に対処すべく、イメージセ
ンサの前段に設けるバンドパスフィルタの帯域幅を狭く
することも有効であるが、フィルタが高価になるばかり
でなく、レーザーの発振波長とバンドパスフィルタの中
心波長とを合わせる必要があるため、より精密な波長コ
ントロールが必要となり、しかも、試料の加熱温度によ
っては、いかにバンドパスフィルタの帯域幅を狭くして
も、試料表面からの輻射の波長レーザー光の波長が重な
ることもあり、結局、バックグラウンドレベルが低下し
ない場合もある。In order to deal with such a problem, it is effective to narrow the band width of the bandpass filter provided in the preceding stage of the image sensor, but not only the filter becomes expensive, but also the oscillation wavelength of the laser and the bandpass filter. Since it is necessary to match the center wavelength of the filter, more precise wavelength control is required. Furthermore, depending on the heating temperature of the sample, no matter how narrow the bandwidth of the bandpass filter, the wavelength of the radiation from the sample surface The wavelengths of the laser beams may overlap, and in the end, the background level may not decrease.
【0009】また、センサの平均出力レベルを低下させ
ることを目的として、センサの入射面にNDフィルタを
配置することによって、センサに入射する全体の光量を
落とし、その出力が飽和しないようにすることも考えら
れるが、この場合、信号強度も減衰させることになり、
正確な測定ができなってしまう。Further, for the purpose of reducing the average output level of the sensor, an ND filter is arranged on the incident surface of the sensor to reduce the total amount of light incident on the sensor and prevent its output from being saturated. However, in this case, the signal strength is also attenuated,
Accurate measurement will not be possible.
【0010】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
ので、高温の試料の計測に際してもイメージセンサのバ
ックグラウンドレベルの上昇を抑制して、正確な測定が
可能な非接触変位または歪計の提供を目的としている。The present invention has been made in view of the above circumstances, and a non-contact displacement or strain gauge capable of performing accurate measurement by suppressing an increase in the background level of the image sensor even when measuring a high temperature sample. The purpose is to provide.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の非接触変位または歪計は、実施例図面であ
る図1に示すように、被測定試料Wをスポット状に照射
する光学系1と、そのスポット照射光の被測定試料によ
る反射光を入射する光センサ2と、その光センサ2の出
力を用いて被測定試料Wの変位または歪を算出する演算
部3を備えた装置において、被測定試料Wと光センサ2
との間に、照射光の被測定試料Wからの反射光を集光す
る集光レンズ4と、ピンホール51が形成された遮光板
5が配置され、そのピンホール51は、集光レンズ4に
よる反射光のスポット結像面に置かれ、かつ、そのスポ
ット像と同等の孔径を有していることによっ特徴づけら
れる。In order to achieve the above object, the non-contact displacement or strain gauge of the present invention irradiates a sample W to be measured in a spot shape as shown in FIG. An optical system 1, an optical sensor 2 that receives reflected light of the spot irradiation light from the measured sample, and an arithmetic unit 3 that calculates the displacement or strain of the measured sample W using the output of the optical sensor 2 are provided. In the device, the sample W to be measured and the optical sensor 2
And the light-shielding plate 5 in which the pinhole 51 is formed and the condenser lens 4 that condenses the reflected light of the irradiation light from the sample W to be measured are arranged. It is characterized in that it is placed on the spot image plane of the reflected light by and has a hole diameter equivalent to that of the spot image.
【0012】[0012]
【作用】図2に示すように、照射光学系1からのスポッ
ト光は被測定試料Wにより反射され、集光レンズ4によ
って集光され、このレンズ4の焦点距離に応じた位置に
一旦結像される。その結像面に、結像されたスポット像
と同等の孔径を持つピンホール51を設けることによ
り、そのピンホール51を通過した光のみをセンサ2に
導くと、レーザースポット照射位置以外の試料表面から
の光はセンサ2に到達しない。すなわち、被測定試料W
の表面からの輻射等は、レーザースポット内のもののみ
がセンサ2に入射するだけであり、スペックルパターン
の信号を減衰させることなく、バックグラウンドレベル
を低下させることができる。As shown in FIG. 2, the spot light from the irradiation optical system 1 is reflected by the sample W to be measured, is condensed by the condenser lens 4, and is once imaged at a position corresponding to the focal length of the lens 4. To be done. By providing a pinhole 51 having a hole diameter equivalent to that of the focused spot image on the imaging surface, and guiding only the light passing through the pinhole 51 to the sensor 2, the sample surface other than the laser spot irradiation position Light from does not reach the sensor 2. That is, the measured sample W
Only the radiation within the laser spot is incident on the sensor 2, and the background level can be reduced without attenuating the signal of the speckle pattern.
【0013】[0013]
【実施例】図1は本発明を変位計に適用した場合の実施
例の、全体構成を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall structure of an embodiment in which the present invention is applied to a displacement meter.
【0014】被測定試料Wには、半導体レーザー11お
よびレンズ12からなる照射光学系1からのスポット状
のレーザー光が照射される。そのレーザー光の被測定試
料Wの表面からの反射光は、スペックルパターンに応じ
た信号を得るための1次元イメージセンサ2によって受
光される。そして、この1次元イメージセンサ2からの
出力、つまりスペックルパターンデータは、刻々と演算
部3に採り込まれる。演算部3では、1次元イメージセ
ンサ2からのスペックルパターンデータの経時的な相互
相関関数を刻々と求めることによって、スペックルパタ
ーンの移動量を求め、公知の手法によってレーザー光照
射位置における被測定試料の変位を算出する。The sample W to be measured is irradiated with spot-like laser light from the irradiation optical system 1 including the semiconductor laser 11 and the lens 12. The reflected light of the laser light from the surface of the measured sample W is received by the one-dimensional image sensor 2 for obtaining a signal according to the speckle pattern. Then, the output from the one-dimensional image sensor 2, that is, the speckle pattern data, is taken into the arithmetic unit 3 every moment. The calculation unit 3 obtains the amount of movement of the speckle pattern by obtaining the cross-correlation function of the speckle pattern data from the one-dimensional image sensor 2 with time, and the measured amount at the laser light irradiation position by a known method. Calculate the displacement of the sample.
【0015】さて、1次元イメージセンサ2と被測定試
料Wとの間には、被測定試料Wにより反射されるレーザ
ー光を集光するための集光レンズ4と、ピンホール51
を備えた遮光板5が配設されている。ピンホール51の
配設位置は、被測定試料Wの表面から反射されるスポッ
ト状のレーザー光の結像位置であり、また、その孔径
は、結像されたスポット像の大きさと同等である。Between the one-dimensional image sensor 2 and the sample W to be measured, a condenser lens 4 for collecting the laser light reflected by the sample W to be measured, and a pinhole 51.
The light-shielding plate 5 having the is arranged. The position where the pinhole 51 is provided is the image forming position of the spot-shaped laser light reflected from the surface of the sample W to be measured, and the hole diameter is the same as the size of the imaged spot image.
【0016】以上の本発明実施例によると、1次元イメ
ージセンサ2に入射する光は、照射光学系1からのレー
ザースポットが照射されている面からの光のみとなる。
すなわち、図2に図1における光学系の作用説明図を示
すように、照射光学系1からのレーザー光は、図中実線
で示すように被測定試料Wの表面にスポット状に照射さ
れた後、試料Wの表面で反射されて集光レンズ4に入射
する。被測定試料Wの表面と集光レンズ4との距離をA
とし、集光レンズ4の焦点距離をfとすると、被測定試
料Wにより反射されたレーザー光は、集光レンズ4に入
射した後、集光レンズ4から距離B=fA/(A−f)
の位置にスポット像を結ぶ。そのスポット像の結像位置
に、そのスポット像と同等の孔径を持つピンホール51
が配置されているため、1次元イメージセンサ2には、
そのレーザースポット像の全てと、レーザースポットの
照射位置における被測定試料Wの表面からの光(輻射光
等)とが入射する。一方、レーザースポット照射位置以
外の被測定試料Wの表面から出た光は、図中破線で示す
ように、その一部は集光レンズ4に入射するものの、ピ
ンホール51を通過せず、遮光板5によって遮断されて
1次元イメージセンサ2に入射しない。According to the above-described embodiment of the present invention, the light incident on the one-dimensional image sensor 2 is only the light from the surface irradiated with the laser spot from the irradiation optical system 1.
That is, as shown in FIG. 2 which is an explanatory view of the operation of the optical system in FIG. 1, after the laser light from the irradiation optical system 1 is irradiated in spots on the surface of the sample W to be measured as shown by the solid line in the figure. , Is reflected by the surface of the sample W and enters the condenser lens 4. The distance between the surface of the sample W to be measured and the condenser lens 4 is A
And the focal length of the condenser lens 4 is f, the laser light reflected by the sample W to be measured enters the condenser lens 4 and then the distance B = fA / (A−f) from the condenser lens 4.
Connect the spot image to the position. A pinhole 51 having a hole diameter equivalent to that of the spot image is formed at the position where the spot image is formed.
Are arranged, the one-dimensional image sensor 2
All of the laser spot image and light (radiation light or the like) from the surface of the measured sample W at the irradiation position of the laser spot are incident. On the other hand, the light emitted from the surface of the measured sample W other than the laser spot irradiation position does not pass through the pinhole 51 but is shielded from light, although a part of the light is incident on the condenser lens 4 as shown by the broken line in the figure. It is blocked by the plate 5 and does not enter the one-dimensional image sensor 2.
【0017】従って、被測定試料Wを高温に加熱した状
態での測定に際して、被測定試料Wの表面から大きなエ
ネルギの輻射があっても、被測定試料Wの表面からの輻
射のうち、レーザースポットの照射位置からのもの以外
は全て遮光板5によって遮断されて1次元イメージセン
サ2に入射しないため、バックグラウンドレベルは殆ど
上昇せず、しかも信号光であるレーザー光の反射光を減
衰させることがない。Therefore, when the sample W to be measured is heated at a high temperature, even if a large amount of energy is radiated from the surface of the sample W to be measured, of the radiation from the surface of the sample W to be measured, a laser spot is generated. Since the light is blocked by the light shielding plate 5 except for the light from the irradiation position of 1 and does not enter the one-dimensional image sensor 2, the background level hardly rises and the reflected light of the laser light as the signal light can be attenuated. Absent.
【0018】ここで、照射光学系1と、1次元イメージ
センサ2を含む検出光学系は、例えば図3に例示するよ
うに、共通の筐体10内に収容して使用することが可能
であり、また、集光レンズ4と被測定試料Wとの間に、
半導体レーザー11の出力波長を選択的に通過させるバ
ンドパスフィルタ9を介在させることも可能である。Here, the irradiation optical system 1 and the detection optical system including the one-dimensional image sensor 2 can be housed and used in a common housing 10 as illustrated in FIG. 3, for example. , Between the condenser lens 4 and the sample W to be measured,
It is also possible to interpose a bandpass filter 9 that selectively passes the output wavelength of the semiconductor laser 11.
【0019】なお、以上の実施例では、照射光学系1か
らのレーザー光の反射光を1つのイメージセンサ2によ
って1箇所において観察して変位を求めたが、本発明
は、被測定試料Wへのレーザースポット照射位置におけ
る歪量を求める装置にも適用できることは勿論である。
すなわち、被測定試料Wからの反射光を2箇所において
観察し、それぞれの観察位置におけるスペックルパター
ンの移動量の差を求め、あるいは、被測定試料Wの同一
点に対して表面法線を挟んで互いに対称な角度で2本の
レーザービームを照射し、それぞれのビームが作るスペ
ックルパターンの移動量の差を求めることによって、ス
ペックルパターンの移動量から被測定試料Wの歪量を抽
出することができる。このような歪量の測定に際して
も、スペックルパターンを検出するためのイメージセン
サの前段に、図1のような集光レンズ並びにピンホール
を持つ遮光板を介在させることにより、バックグラウン
ドレベルを低下させて高温下での測定においても正確な
測定が可能となる。In the above embodiment, the reflected light of the laser light from the irradiation optical system 1 was observed by one image sensor 2 at one location to obtain the displacement. It goes without saying that the present invention can also be applied to a device for obtaining the amount of distortion at the laser spot irradiation position of.
That is, the reflected light from the sample to be measured W is observed at two points and the difference in the movement amount of the speckle pattern at each observation position is obtained, or the surface normal is sandwiched with respect to the same point of the sample to be measured W. By irradiating two laser beams at mutually symmetric angles with each other and obtaining the difference in the movement amount of the speckle pattern formed by each beam, the strain amount of the sample W to be measured is extracted from the movement amount of the speckle pattern. be able to. Even when measuring such distortion amount, the background level is lowered by interposing a condenser lens and a light shielding plate having a pinhole as shown in FIG. 1 in front of the image sensor for detecting the speckle pattern. As a result, accurate measurement is possible even in measurement at high temperature.
【0020】更に、本発明は、以上のような被測定試料
Wの1点における変位ないしは歪のみならず、被測定試
料Wの2点間の伸びを測定するための伸び計(2箇所間
の歪量の測定)にも適用することができる。Further, according to the present invention, not only the displacement or strain at one point of the sample W to be measured as described above, but also an extensometer for measuring the elongation between two points of the sample W to be measured (between two points) is measured. It can also be applied to measurement of strain amount).
【0021】図4はその全体構成を示す模式図である。
この例においては、図1の例と全く同様の照射光学系と
検出光学系を2組設けることにより、被測定試料Wの2
箇所においてスペックルパターンの移動量を算出して、
その差によって被測定試料Wの2箇所間の伸びを算出す
るようにしている。FIG. 4 is a schematic diagram showing the overall structure.
In this example, two sets of the irradiation optical system and the detection optical system which are exactly the same as those in the example of FIG.
Calculate the amount of movement of the speckle pattern at the location,
The difference between the two points of the measured sample W is calculated from the difference.
【0022】被測定試料Wは、その両端が例えば材料試
験機の掴み具に固着されて上下方向への引張荷重が与え
られる。被測定試料Wには、その荷重の作用方向に所定
の距離隔てた2箇所に、それぞれ互いに異なる波長のレ
ーザー光が照射される。すなわち、出力波長λ1 の半導
体レーザー11aとレンズ12a、およびミラー13a
からなる第1の照射光学系1aと、出力波長λ2 の半導
体レーザ11bとレンズ12b、およびミラー13bか
らなる第2の照射光学系1bが設けられており、これら
からのスポットレーザー光は被測定試料Wの表面に互い
に上下に距離Lだけ離れた位置に照射される。Both ends of the sample to be measured W are fixed to, for example, a grip of a material testing machine, and a vertical tensile load is applied. The sample W to be measured is irradiated with laser light having wavelengths different from each other at two positions separated by a predetermined distance in the acting direction of the load. That is, the semiconductor laser 11a having the output wavelength λ 1, the lens 12a, and the mirror 13a.
Is provided, and a second irradiation optical system 1b including a semiconductor laser 11b having an output wavelength λ 2, a lens 12b, and a mirror 13b is provided, and a spot laser beam from these is measured. The surface of the sample W is irradiated at positions vertically separated from each other by a distance L.
【0023】被測定試料Wによるλ1 およびλ2 の各レ
ーザー光の反射光は、それぞれに対応して設けられた2
組の検出光学系によって個別に計測される。この各検出
光学系は、それぞれ図1の例のものと同等であり、集光
レンズ4aまたは4b、ピンホール51aまたは51b
を備えた遮光板5aまたは5b、その後方に置かれた1
次元イメージセンサ2aまたは2bからなっているが、
この実施例においては、各集光レンズ4a,4bとミラ
ー13a,13bとの間に、波長λ1 ないしはλ2 の光
を選択的に通過させるためのフィルタ6aないしは6b
が配置されている。このフィルタ6a,6bの存在によ
り、一方の検出光学系にはそれに対応する一方の照射光
学系からのレーザー光が選択的に入射することになり、
他方の照射光学系からのレーザー光の影響が及ばず、そ
れぞれの照射位置からのスペックルパターンを独立的に
検出することが可能となる。Reflected light of each of the laser lights of λ 1 and λ 2 by the sample W to be measured is provided in a corresponding manner.
Individually measured by a set of detection optics. Each of the detection optical systems is equivalent to that of the example of FIG. 1, and includes a condenser lens 4a or 4b and a pinhole 51a or 51b.
Light-shielding plate 5a or 5b provided with 1 placed behind it
It consists of a three-dimensional image sensor 2a or 2b,
In this embodiment, filters 6a and 6b for selectively passing light of wavelength λ 1 or λ 2 between the condenser lenses 4a and 4b and the mirrors 13a and 13b.
Is arranged. Due to the presence of the filters 6a and 6b, the laser light from the one irradiation optical system corresponding thereto is selectively incident on one detection optical system,
The influence of the laser light from the other irradiation optical system does not affect, and it becomes possible to detect the speckle pattern from each irradiation position independently.
【0024】各1次元イメージセンサ2aおよび2bか
らの出力は、それぞれに設けられたA−D変換器31a
および31bによってデジタル化された後、それぞれ個
別の相関器32aおよび32bによって相関関数が求め
られ、これにより、各レーザー光の照射位置におけるス
ペックルパターンの移動量が得られる。相関器32aお
よび32bの出力は演算器33に採り込まれる。この演
算器33では、各相関器32aおよび32bにより求め
られた各スペックルパターンの移動量の差を求める。各
スペックルパターンの移動量の差をとると、それぞれの
移動量に含まれる被測定試料Wの歪量に係る情報が実質
的にキャンセルされ、各レーザー光の照射位置間におけ
る被測定試料Wの伸び量を求めることができる。Outputs from the respective one-dimensional image sensors 2a and 2b are respectively provided to the A / D converter 31a.
And digitized by 31b, the correlation functions are obtained by the respective correlators 32a and 32b, respectively, whereby the movement amount of the speckle pattern at the irradiation position of each laser beam is obtained. The outputs of the correlators 32a and 32b are input to the calculator 33. The calculator 33 calculates the difference between the movement amounts of the speckle patterns calculated by the correlators 32a and 32b. When the difference in the amount of movement of each speckle pattern is taken, the information regarding the amount of strain of the sample W to be measured included in each amount of movement is substantially canceled, and the sample W to be measured between the irradiation positions of the laser beams. The amount of elongation can be calculated.
【0025】ここで、図4の構成において、集光効率を
向上させることを目的として、各集光レンズ4a,4b
としてNAの大きなレンズを用いる場合、レンズ口径が
大きくなって隣接する受光系と干渉してしまう恐れがあ
る。このような場合、図5に要部光学系を示すように、
2つの検出光学系に共通の集光レンズ40を設け、その
集光レンズ40によって各照射位置から反射されるレー
ザー光の双方を集光する構成を採用することができる。
この構成によると、被測定試料Wの上方への照射光の反
射光は下方の検出光学系に、下方の照射光の反射光は上
方の検出光学系に結像される。そして、この場合、バン
ドパスフィルタ6aおよび6bは、それぞれ遮光板5a
または5bと1次元イメージセンサ2aまたは2bの間
に介在させるとよい。Here, in the configuration of FIG. 4, the respective condenser lenses 4a and 4b are provided for the purpose of improving the condenser efficiency.
When a lens having a large NA is used, the lens aperture becomes large and there is a risk of interference with an adjacent light receiving system. In such a case, as shown in FIG.
It is possible to adopt a configuration in which a condensing lens 40 common to the two detection optical systems is provided and both of the laser beams reflected from the respective irradiation positions are condensed by the condensing lens 40.
With this configuration, the reflected light of the irradiation light to the upper side of the measured sample W is imaged on the lower detection optical system, and the reflected light of the lower irradiation light is imaged on the upper detection optical system. In this case, the bandpass filters 6a and 6b are respectively provided with the light shielding plate 5a.
Alternatively, it may be interposed between 5b and the one-dimensional image sensor 2a or 2b.
【0026】また、本発明の実施の態様として、集光レ
ンズとピンホールのいずれか一方または双方を、測定光
軸に沿って変位させるための移動機構を設けてこれら両
者間の距離を変化させ得るように構成するとともに、そ
の距離を、1次元イメージセンサの出力が最大となるよ
うに自動的に変化させる制御機構を設けた構成を採用す
ることができる。As an embodiment of the present invention, a moving mechanism for displacing one or both of the condenser lens and the pinhole along the measurement optical axis is provided to change the distance between them. It is possible to adopt a configuration in which the control mechanism is provided to automatically change the distance so as to maximize the output of the one-dimensional image sensor.
【0027】すなわち、以上の全ての本発明実施例にお
いて、集光レンズとピンホールのいずれか一方または双
方を、測定光軸に沿って変化させるための移動機構を設
け、その移動機構を制御機構によって制御してこれら両
者間の距離を適宜に変更し得るように構成する。そし
て、その制御機構は、1次元イメージセンサの出力が最
大となるように集光レンズとピンホール(遮光板)間の
距離を適宜に変化させるように動作するようにすれば、
被測定試料の取り付け時に、測定光学系と試料との距離
が変化しても、これを自動的に調整して最適状態での測
定が可能となる。すなわち、1次元イメージセンサの出
力は、ピンホール上での像のフォーカスの状態によって
変化し、ピンホール上で正確に結像されている状態にお
いてセンサ出力が最大となる。よってその1次元イメー
ジセンサの出力をモニタし、その出力が最大となるよう
にピンホールと集光レンズ間の距離を自動的に調整する
と、試料位置が測定ごとに多少ずれて装着されても常に
最適の測定が可能となる。また、この技術は、装置の組
み立てに際しても適用できる。この場合、基準位置に試
料を置いた状態で、1次元イメージセンサに対する集光
レンズ並びにピンホールの位置を適宜に調整することに
より、組み立て調整が容易となる。That is, in all the embodiments of the present invention described above, a moving mechanism for changing one or both of the condenser lens and the pinhole along the measurement optical axis is provided, and the moving mechanism is a control mechanism. It is configured so that the distance between the two can be appropriately changed by controlling by. If the control mechanism operates so as to appropriately change the distance between the condenser lens and the pinhole (light-shielding plate) so that the output of the one-dimensional image sensor is maximized,
Even when the distance between the measurement optical system and the sample changes when the sample to be measured is attached, this can be automatically adjusted to perform measurement in the optimum state. That is, the output of the one-dimensional image sensor changes depending on the state of focus of the image on the pinhole, and the sensor output becomes maximum when the image is accurately formed on the pinhole. Therefore, if the output of the one-dimensional image sensor is monitored and the distance between the pinhole and the condenser lens is automatically adjusted so that the output is maximized, the sample position will always be slightly displaced for each measurement. Optimal measurement is possible. This technique can also be applied when assembling the device. In this case, the assembly and adjustment can be facilitated by appropriately adjusting the positions of the condenser lens and the pinhole with respect to the one-dimensional image sensor with the sample placed at the reference position.
【0028】また、本発明は、レーザースポット形状は
円形のみならず、楕円、長方形などの形状とすることが
できることは勿論で、ピンホールの形状を適宜に選択す
ることで、同様な効果を奏することができる。Further, according to the present invention, the laser spot shape is not limited to a circular shape, but may be an elliptical shape, a rectangular shape or the like, and the same effect can be obtained by appropriately selecting the shape of the pinhole. be able to.
【0029】[0029]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被測定試料からの反射光を、集光レンズによって一旦ス
ポット像に結像させるとともに、そのスポット像の結像
位置に、スポット像と同等の孔径を持つピンホールを配
置し、そのピンホールを経た光をセンサに導くように構
成しているから、センサには、照射光学系からのスポッ
ト光の照射位置からの光(反射光並びに輻射光)のみが
入射することになり、他の位置からの輻射光は入射しな
い。従って、被測定試料を高温に加熱した状態でも、被
測定試料や加熱用ヒータ等からの輻射に起因するバック
グラウンドレベルが殆ど上昇することがなく、かつ、信
号レベルを特に低下させることもなく、正確な測定が可
能となる。As described above, according to the present invention,
The reflected light from the sample to be measured is once formed into a spot image by a condenser lens, and a pinhole having a hole diameter equivalent to that of the spot image is arranged at the spot of the spot image and passed through the pinhole. Since the light is guided to the sensor, only light (reflected light and radiated light) from the irradiation position of the spot light from the irradiation optical system is incident on the sensor, and light from other positions is incident on the sensor. No radiant light is incident. Therefore, even when the sample to be measured is heated to a high temperature, the background level caused by radiation from the sample to be measured or the heater for heating hardly increases, and the signal level is not particularly lowered. Accurate measurement is possible.
【図1】本発明を変位計に適用した実施例の全体構成を
示す模式図FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of an embodiment in which the present invention is applied to a displacement meter.
【図2】その光学系の作用説明図FIG. 2 is an explanatory diagram of the operation of the optical system.
【図3】本発明実施例の光学系の具体的構成例の説明図FIG. 3 is an explanatory diagram of a specific configuration example of the optical system according to the embodiment of the present invention.
【図4】本発明を伸び計に適用した実施例の全体構成を
示す模式図FIG. 4 is a schematic diagram showing an overall configuration of an embodiment in which the present invention is applied to an extensometer.
【図5】本発明を伸び計に適用した他の実施例の要部構
成を示す模式図FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration of a main part of another embodiment in which the present invention is applied to an extensometer.
【図6】スペックルパターンを利用した変位または歪計
の原理説明図FIG. 6 is an explanatory diagram of the principle of a displacement or strain gauge using a speckle pattern.
【図7】スペックルパターンを利用した変位または歪計
において、被測定試料を加熱した場合に生じる問題点の
説明図FIG. 7 is an explanatory diagram of a problem that occurs when a sample to be measured is heated in a displacement or strain gauge using a speckle pattern.
1 照射光学系 11 半導体レーザー 12 レンズ 2 1次元イメージセンサ 3 演算部 4 集光レンズ 5 遮光板 51 ピンホール W 被測定試料 1 Irradiation optical system 11 Semiconductor laser 12 Lens 2 1-dimensional image sensor 3 Calculation part 4 Condenser lens 5 Light-shielding plate 51 Pinhole W Measured sample
Claims (1)
系と、そのスポット照射光の被測定試料による反射光を
入射する光センサと、その光センサの出力を用いて被測
定試料の変位または歪を算出する演算部を備えた装置に
おいて、被測定試料と上記光センサとの間に、上記反射
光を集光する集光レンズと、ピンホールが形成された遮
光板が配設され、上記ピンホールは、上記集光レンズに
よる上記反射光のスポット結像面に設けられ、かつ、そ
のスポット像と同等の孔径を有していることを特徴とす
る非接触変位または歪計。1. An optical system for irradiating a sample to be measured in a spot shape, an optical sensor for injecting reflected light of the spot irradiation light by the sample to be measured, and displacement of the sample to be measured using the output of the optical sensor. In a device including a calculation unit for calculating the strain, a condenser lens that condenses the reflected light and a light shielding plate having a pinhole are arranged between the sample to be measured and the optical sensor, and The non-contact displacement or strain gauge is characterized in that the pinhole is provided on a spot image forming surface of the reflected light by the condenser lens and has a hole diameter equivalent to that of the spot image.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17115494A JPH0835821A (en) | 1994-07-22 | 1994-07-22 | Non-contact displacement or strain gauge |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17115494A JPH0835821A (en) | 1994-07-22 | 1994-07-22 | Non-contact displacement or strain gauge |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0835821A true JPH0835821A (en) | 1996-02-06 |
Family
ID=15917997
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP17115494A Pending JPH0835821A (en) | 1994-07-22 | 1994-07-22 | Non-contact displacement or strain gauge |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0835821A (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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US8166833B2 (en) | 2006-12-22 | 2012-05-01 | Socíété BIC | State of charge indicator and methods related thereto |
US8656793B2 (en) | 2006-12-22 | 2014-02-25 | Societe Bic | State of charge indicator and methods related thereto |
CN108534698A (en) * | 2018-05-16 | 2018-09-14 | 安徽工程大学 | A kind of workpiece through-hole aperture measuring device |
CN109283046A (en) * | 2018-10-17 | 2019-01-29 | 西安电子科技大学 | A non-contact material elastic stress-strain automatic measurement system |
-
1994
- 1994-07-22 JP JP17115494A patent/JPH0835821A/en active Pending
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