KR20160018744A

KR20160018744A - 규칙성 모양에 의한 변위 분포를 위한 측정방법, 장치 및 그 프로그램

Info

Publication number: KR20160018744A
Application number: KR1020167000473A
Authority: KR
Inventors: 시엔 리; 히로시 츠다
Original assignee: 내셔날 인스티튜트 오브 어드밴스드 인더스트리얼 사이언스 앤드 테크놀로지
Priority date: 2013-07-18
Filing date: 2013-12-05
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2033-12-05
Also published as: KR101796129B1; US20160161249A1; WO2015008404A1; JPWO2015008404A1; JP6120459B2

Abstract

규칙성이 있는 줄무늬 모양, 흑백비가 1:1인 여현파 또는 구형파 모양을 이용해서 무아레 줄무늬를 발생시키고, 그 무아레 줄무늬의 위상정보를 해석하여 변형 전후의 무아레 줄무늬의 위상차분포를 산출함으로써, 미소변위 분포를 계측할 수 있는 샘플링 무아레법의 종전의 방법은, 나노마이크로재료나 대형구조물에는 적합하지 않고, 또한, 2주기 이상의 임의의 반복이 있는 규칙성 모양에 적용한경우, 종래의 해석방법에서는 큰 오차가 발생한다는 문제점이 있었다.
본 발명은, 물체표면에 인공적으로 제작된 또는 물체표면에 미리 존재하고 있는 1차원 또는 2차원의 반복을 갖는 임의의 규칙성 모양을 이용해서 발생시킨무아레 줄무늬의 고차 주파수 또는 복수의 주파수 성분에서의 위상정보를 이용함으로써 그 결점을 개선하고, 측정 정밀도의 향상 및 측정할 수 있는 스케일 한계를 비약적으로 높이는 것에 성공하였다.

Description

규칙성 모양에 의한 변위 분포를 위한 측정방법, 장치 및 그 프로그램{METHOD AND DEVICE FOR MEASURING DISPLACEMENT DISTRIBUTION USING REGULAR PATTERN, AND PROGRAM FOR SUCH METHOD AND DEVICE}

본 발명은, 광학카메라로 촬영된 물체위의 임의의 반복이 있는 규칙성 모양으로부터 물체의 변위 분포를 간편하고 또한 고분해능, 고정밀도 고속으로 측정할수 있는 해석방법, 장치 및 그 프로그램에 관한 것이다.

조물의 변위분포를 계측하는 기술은, 나노마이크로재료의 기계적특성평가로부터 대형인프라 구조물의 건전성평가까지 폭넓게 이용되고 있다. 기계적 접촉식 변위계나 비접촉식 레이저 변위계가 자주 사용되지만, 1점 1방향의 변위정보밖에 얻을 수 없어, 구조물 전체의 변위거동을 파악하는데 적합하지 않다.

따라서, 광학식카메라를 사용해서 촬영된 화상내의 변위분포를 구할 수 있는 변위분포(전체시야)계측법이 유효하다.

디지털화상을 사용해서 변위분포를 산출하는방법의 하나로서, 디지털화상상관법이 있고, 현재 많은 분야에서 활용되고 있다.

이 디지털화상상관법은 규칙성을 갖지않는 랜덤한 패턴을 사용하고 있는 것이 특징이다.

한편, 특허문헌1에 기재되어 있는 바 와 같이, 이것과는 역발상으로, 의도적으로 규칙성의 격자모양을 이용하여, 미소변위분포를 계측하는 방법도 제안되어 있다.

특허문헌1: 일본특허 제4831703호

비특허문헌1: 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.

종래의 디지털화상에 의한 변위분포계측방법으로는, 흔히 대상물표면에 존재하거나 또는 의도적으로 도장한 랜덤한 패턴을 이용하는 디지털화상상관법이있다.

비특허문헌1에 기재하고 있는 변위분포계측기술은, 변형 전후의 랜덤한 패턴에 대하여, 일정한 평가영역(서브세트)의 상관을 구함으로써 변형량을 산출하고 있으나, 고분해능의 화상의 경우 많은 계산시간을 필요로 한다.

또한, 계측할 수 있는 정밀도는 1/20~1/50화소가 한계이다. 또한, 나노마이크로 스케일의 대상물에 대하여 임의의 랜덤패턴을 도장하는 것이 기술적으로 곤란하다. 반대로 수 미터 이상과 같은 메가 스케일의 대상물에 랜덤한 모양을 도장하는 것이 용이하지 않아, 수고와 비용이 드는 문제점이 있다. 또한, 미관적으로도 바람직하지 않다.

이에 대해, 규칙성이 있는 줄무늬 모양을 이용하여, 디지털카메라로 촬영한 줄무늬 화상에 대하여 무아레(Moire)줄무늬를 발생시켜, 그 무아레 줄무늬의위상정보를 산출함으로써, 미소변위분포를 계측할 수 있는 샘플링 무아레법(특허문헌1)이 개발되었다.

본 계측기술은 구조물 표면에 접착한 격자피치의 1/1000의 정밀도로 미소변위분포를 측정할 수 있지만, 측정에서 사용하고 있는 격자는 흑백비가 1:1인 정현파(혹은 여현파) 또는 구형파 모양이며, 나노마이크로재료나 대형구조물을 대상으로 했을 경우, 구조물 표면에 반드시 이 모양이 접착된다고는 한정되지 않아 적용할 수 있는 한계가 있었다. 또한, 2주기 이상의 임의의 반복이 있는 규칙성 모양에 적용한 경우, 종래의 해석방법에서는 큰 오차가 발생한다는 문제점이 있다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에서는, 도1에 도시한 바와 같은 나노스케일부터 메가 스케일까지의 구조물 표면에 존재하는 규칙성 모양을 활용하여 간편하고 또한, 고정밀도고속으로 변위 분포를 측정하는 것이다. 해석하는 규칙성 모양 화상의 형태에 따라, 2개의 변위분포계측방법이 고려되고, 이하에 각각의 측정방법에 대하여 설명한다.

또한, 도1은 본 발명에 있어서, 적용할 수 있는 규칙성을 갖는 모양의 예를 나타내는것으로, 규칙성 모양을 한정하는 것은 아니다.

또한, 다음에 설명하는 2개의 방법(수단)은 대상으로 하는 각 물체의 규칙성 모양에 적합한 방법이지만 각 규칙성 모양을, 예시하는 규칙성 모양으로 한정하는 것은 아니다.

(1) 변위분포해석방법1: 단일 고차주파수를 사용한 임의의 해석피치에 의한변위분포해석방법

본 발명은, 물체표면에 인공적으로 제작된(예를들어, 격자모양의 접착이나 패턴의전사) 또는 물체표면에 미리 존재하고 있는 1차원의 등간격피치의 반복을 갖는 규칙성 모양의 화상데이터에 기초하여 무아레 줄무늬를 발생시켜, 어떤 특정 고차주파수에 관한 위상정보에 의해 변위 분포를 측정한다.

이 간편하고 고속처리가 가능한 변위분포해석방법은, 보다 상세하게는, 물체표면 상에 접착되어 등간격피치로 수평방향 또는수직방향의 휘도분포에 측정하고싶은 정밀도에 따른 반복을 갖는 규칙성모양(예를 들어, 접착된 정현파 격자나 구형파 격자) 또는 물체표면 상에 존재하고 등간격피치(P)로 수평방향 또는 수직방향의 휘도분포에 측정하고 싶은 정밀도를 기대할 수 있는 반복을 갖는 규칙성모양(예를 들어, 물체의 구조인 외 벽면에 나타나는 세로(가로)줄무늬 모양)에 바람직하게 적용할 수 있다.

또한, 상기한 규칙성 모양은, 규칙성 모양의 예시이며, 본 발명의 적용 가능한 규칙성모양을 한정하는 것은 아니다.

도 2에 제1수단(1)인 임의의 해석피치에 의한 변위 분포해석의 원리와 화상처리방법을 도시한다. 측정대상물 표면에 접착한 등간격피치로 수평방향 또는 수직방향의 휘도분포에 측정하고 싶은 정밀도에 따른 규칙성이 있는 모양, 예를 들어,정현파 또는 구형파의 줄무늬 격자를 광학식 카메라로 촬영하면, 근사적으로 <수학식1>에 의해 표현되는 바와 같은 휘도분포를 갖는 1매의 줄무늬 격자화상이 얻어진다.

<수학식1>

여기서, f(i, j)은 촬영화상의(i, j) 좌표 상의 휘도값(밝기)이며, a는 줄무늬 격자의 진폭, b는 배경휘도, φ0은 줄무늬 격자의초기위상, φ은 구한줄무늬 격자의위상값이다. 또한 P는 촬영화상 상의 i방향의 격자 피치간격이다.

촬영된 이 1매의 줄무늬 격자화상을, 임의의 피치간격M(일반적으로, 정수임)으로 i방향에 대하여 씨닝 개시점m을 1화소씩 바꾸면서 화상의 씨닝처리를 행하고, 인접하고 있는 화상의 휘도값을 사용해서 휘도보간을 행하는 처리에 의해, 위상이 시프트 된 M매의 무아레 줄무늬 화상이 얻어진다.

<수학식2>

여기에서 씨닝처리 및 휘도보간의 화상처리방법은 특허문헌1에 기재하고 있는 것과 동일하지만, 해석피치(M, 화상데이터상의 규칙성 피치)가 격자모양의 피치간격(P, 등간격 피치)에 일치할 필요가 없고 임의의 씨닝간격으로 해석할 수 있는 점이 요점이다.

또한, 이것은 제2수단에 있어서도 마찬가지이다.

씨닝과 휘도 보간에 의해 얻어지는 이들 복수매의 무아레 줄무늬에 대하여, <수학식3>에 나타내는 이산푸리에변환을 적용하면, 무아레 줄무늬의 임의의 주파수성분(ω)에서의 위상분포φM(i, j; ω)을 구할 수 있다.

<수학식3>

변형 후의 모양에 대하여, 동일한 화상처리를 행하고, 마찬가지로 변형 후의 무아레 줄무늬의 임의의 주파수 성분에서의 위상분포φ’M(i, j; ω)을 구할 수 있다. 최종적으로 수학식<4>에 나타내는 바와 같이, 변형 전후의 무아레 줄무늬의 위상차 ΔφM= φ’M- φM으로부터 x 방향의 변위 분포 u(i, j; ω)를 산출하는 것은 가능하다.

<수학식4>

마찬가지로 y 방향에 대하여 상기의 화상처리를 행하면, y 방향의 변위 분포 v(i, j; ω)를 구하는 것이 가능하다.

(2) 변위 분포 해석방법2: 복수의 주파수 성분을 사용한 임의의 규칙성모양에 의한 변위 분포의 해석방법

도 3에 제2수단(2)인 일상생활에서 보이는 임의의 규칙성 모양에 의한 변위 분포 해석의 원리와 화상처리방법을 나타낸다.

이들 규칙성 모양은, 육안으로 보았을 경우에 모양의 규칙성이 다르게 보이므로, 대략, 물체표면 상에 존재하거나 또는 접착된 수평방향과 수직방향으로 각 등간격피치로 2주기 이상의 반복을 갖는 1차원 규칙성 모양(예를 들어, 물체의구조인 외벽 타일모양이나 고층빌딩의 창 모양등)과, 물체표면 상에 존재하거나 또는 접착된 수평방향 또는 수직방향으로 등간격 피치로 동일한 패턴이 2개 이상의 반복을 갖는 2차원 규칙성 모양(예를 들어, 영숫자, 꽃 모양 등 임의의 패턴의 것)으로 분류할 수 있지만, 그 휘도분포 데이터인 화상데이터에 대한 적절한 처리는 다음에 나타내는 바와 같이 동일하다.

또한, 위에서 설명한, 일상생활에서 보이는 임의의 규칙성 모양이라 함은, 물체표면 상에 존재하거나 또는 접착된 등간격 피치로 적어도 수평방향 또는 수직방향의 휘도분포에 측정하고 싶은 정밀도를 기대할 수 있는 반복을 갖는 규칙성 모양이라고 해도 좋다.

측정대상물 표면에 임의의 반복이 있는규칙성 모양을 광학식 카메라로 촬영하면, 식(5)에 의해 표현되는 바와 같은 휘도분포를 갖는 1매의 줄무늬 격자화상이 얻어진다. 이것은 임의의 규칙성 모양은 고차 주파수를 포함하는 복수의 푸리에급수로 표현할 수 있기 때문이다.

<수학식5>

여기서, g(i, j)는 임의의 규칙성 모양의 촬영화상의(i, j)좌표 상의 휘도값(밝기)이다. W는 고차 주파수의 차수이며, aω는 각각의 주파수에서의 줄무늬 격자의진폭(복수존재함), b는 배경휘도, φ0은 줄무늬 격자의 초기위상, φ은 구한줄무늬 격자의 위상값이다. 또한 P는 촬영화상 상의 i방향의 격자피치간격이다.

<수학식6>

무아레는 일종의 확대현상이므로, 여기에서 얻어진 공간주파수가 낮은 무아레 줄무늬도 규칙적이고, 식(6)에 나타낸 바와 같이, 고차주파수를 포함하는 푸리에 급수로 표현할 수 있다.

본 발명은 이러한 성질을 이용해서 복수의 주파수 성분을 동시에 추출한다.이산푸리에 변환에 의해 복수 개의 주파수 성분의 진폭정보(또는 파워 스펙트럼정보) 및 위상정보를 동시에 산출한다.

마찬가지로, 물체변형 후의 규칙성 모양을 촬영하여, 상기한 씨닝처리 및 휘도보간을 행하고, 또한, 푸리에변환으로부터, 변형 후의 무아레 줄무늬의 복수 개의 주파수 성분의 위상정보를 동시에 산출한다.

변형 전후의 무아레 줄무늬의 복수 개의 각각의 주파수의 위상차로부터 식(4)에 의해, 복수개의 x 방향의 변위 분포 u(i, j; ω)를 산출하는 것이 가능하다. 마지막으로 구한 각 주파수의 진폭 또는 파워로 가중치를 부여하여 합성하고, 최종변위 분포 u(i, j)를 구한다.

이상의 방법으로부터, 기본주파수인 주파수1의 성분 뿐만아니라, 고차의 주파수 성분도 고려하고 있기 때문에, 임의의 규칙성 모양에 대응할 수 있고, 또한 측정오차가 적은 고정밀도의 변위 분포 계측이 가능해진다.

마찬가지로, y 방향에 대하여 상기의 화상처리를 행하면, y 방향의 변위 분포 v(i, j)를 구하는 것이 가능하다.

본 발명에 의해, 측정대상물표면에 임의의 반복이 있는 규칙성 모양이 있으면, 간편하게 고정밀도 고속의 변위 분포를 해석할 수 있다.

효과1로서, 규칙성 모양에 대하여, 해석피치의 간격을 한정할 필요가 없고, 보다 간편하고 또한 고정밀도로 변위 분포를 얻는 것이 가능하다.

효과2로서, 임의의 반복이 있는 규칙성 모양으로 적용할 수 있기 때문에, 적용 가능 범위가 넓다.

도1 은, 본 발명이 적용 가능한 규칙성 모양을 예시한 도면이다.
도2 는, 규칙성 모양에 대하여, 임의의 해석피치에 의한 변위 분포 계측의원리를 도시하는 도면이다.
도3 은, 임의의 반복이 있는 규칙성 모양을 이용한 변위 분포 계측의 원리를 나타내는 도면이다.
도4 는, 금속재료의 미소휨분포계측을 위한 3점 굽힘실험장치의 사진이다.
도5 는, 금속재료의 미소휨분포계측의 실험결과를 도시하는 도면이다.
도6 은, 시뮬레이션에 의한 1차원 규칙성 모양을 사용한 경우의 계측정밀도의 비교를 나타내는 도면이다.
도7 은, 해석주파수의 차수와 계측오차의 관계의시뮬레이션 결과를 도시하는 도면이다.
도8 은, 1차원 규칙성 모양에 의한 변위계측의 광학계를 나타내는 도면이다.
도9 는, 1차원 규칙성 모양에 의한 변위계측의 실험결과를 도시하는 도면이다.
도10 은, 2차원 규칙성 모양에 의한 변위계측의 광학계를 나타내는 도면이다.
도11 은, 2차원 규칙성 모양에 의한 변위계측의 실험결과를 도시하는 도면이다.

이하, 첨부도면을 사용하여 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다.

실시예1

(단일 고차 주파수에 의한 변위 분포의 계측정밀도의 향상)

본 발명의 제1수단(1)에 기초하는 임의의 주파수 성분에 의한 변위계측정밀도의 향상을 실증하기 위한 금속재료 3점 굽힘시험의 실험결과를 이하에 나타낸다. 도4 에 실험의 광학계를 나타낸다. 본 실험에서는, 사이즈가 360X12X12mm인 알루미늄 막대의 표면에 피치간격이 1.13mm인 정현파형 상격자를 접착한 후, 지지점거리가 250mm인 중앙위치에 9.8N(1kg)과 19.6N(2kg)의하중을 부하하고, 범용CCD카메라에 의해 변형 전후의 각각 1매의 격자화상을 촬영하였다. 격자피치에 1주기가 촬영화상 상에서 5화소로 되도록 카메라를 설치하였다.

이들 동일한 격자화상에 대하여, 종래의 측정방법(샘플링피치를 5화소로 해석)과 본 발명의 측정방법(샘플링 피치를 15화소로 해석)에서 얻어진 휨분포를비교함으로써, 본 발명의 유효성을 확인한다.

도5(a)에 하중점 부근의 중앙1화소에서의 푸리에 스펙트럼분포를 나타낸다.종래방법에서는 샘플링피치를 격자피치와 거의 동일한 5화소로 해석하므로, 도5(a)에 도시한 바와 같이, 주파수1의 성분에 큰 진폭이 나타난다.

한편, 본 발명의 수단(1)에 의한 방법에서는, 샘플링 피치를 3주기로 확대하여 해석하고 있기 때문에, 도5(b)에 도시한 바와 같이, 주파수3의 성분에 큰 진폭이 나타난다.

도5(c) 및 도5(d)에 종래방법과 본발명에 의해 측정된 가로 중앙1라인의 휨분포를 나타낸다.

도5(c)는 종래의 기본주파수1을 사용해서 해석한 결과이며, 도5(d)는 본 발명에 의한 주파수3을 사용해서 해석한 결과이다.

본 발명에 따르면, CCD 카메라의 랜덤 노이즈에 기인하는 측정편차가 저감되어, 편차가 적은 변위(휨) 분포를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

실시예2

(시뮬레이션에 의한 규칙성 모양의 변위 분포 계측정밀도 향상의 검증)

본 발명의 제2수단(2)에 기재되어 있는 방법의 유효성을 확인하기 위해서, 시뮬레이션에 의해 그 효과를 확인하였다.

여기에서는, 백색이 밝기1, 흑색이 0인 1주기 20화소(1mm의 격자피치로간주함)의 타일 모양을 2종류 제작하였다. 하나는 20화소 가운데 백색이 2화소, 흑색이 18화소인 흑백비가1:9인 타일 모양과, 백색이 1화소, 흑색이 19화소인 흑백비가 1:19인 타일모양이다. 이 2종류의 격자화상을 컴퓨터 상에서 0mm에서 1mm까지 0.05mm씩 변위를 부여한 경우의 계측오차를 조사하였다.

실제의 계측 시에 디지털 카메라의 소자에 발생하는 노이즈를 고려하여, 각각의 위치의 타일모양 화상에 대하여 10%의 랜덤한 노이즈를 부가한 상태에서변위량의 해석을 행하였다. 해석에서는 씨닝수를 20으로 하고, 종래의 특허문헌1에 기재하고 있는 주파수1만을 해석한 결과와, 본 발명에 의한 5차까지의 주파수성분을 고려해서 해석한 결과를 비교한다.

도6에 2종류의 흑백비가 다른 타일 모양에 대하여, 변위량과 해석오차의 관계를 나타낸다. 여기에서는, 화상중앙 20X20화소의 평가영역에서의 해석한 변위량과 이론변위량의 차인 RMS(제곱평균평방근) 오차를 플롯하고 있다.

도6에 나타내는 바와 같이, 흑백비가 1:9인 타일모양에서는, 종래 방법에서는 14.9um에 대하여, 본발명에 따르면, 4.1um로 1/3이상의 노이즈 저감의 효과가 있는 것을 확인할 수 있었다.

흑백비가 1:19인 타일 모양에서는, 종래방법에서는 29.4um에 대하여, 본발명에 따르면, 해석오차는1/4이하인 7.2um로, 정밀도를 향상 할 수 있는 것을확인할 수 있었다.

본 시뮬레이션으로부터, 임의의 규칙성 모양에 대하여, 복수의 고차 주파수성분을 고려함으로써 랜덤노이즈를 대폭으로 저감할 수 있고, 편차가 적고 안정된 변위계측을 실시할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

도7에, 본 발명에 있어서, 해석에서 사용한 주파수의 차수와 계측오차의 관계를 나타낸다. 이로부터 주파수1성분만을 사용하는 종래방법 보다, 복수의 주파수 성분을 고려함으로써 계측정밀도를 향상할 수 있는 것을 알 수 있다.

실시예3

(실험에 의한1 차원 규칙성 모양의 변위 분포 계측정 밀도 향상의 검증)

본 발명의 제2수단(2)에 기재되어 있는 방법의 유효성을 확인하기 위해서, 도8에 나타내는 광학계를 사용하여, 1차원의 규칙성을 갖는 타일모양을 이용한 변위 분포 해석의 실험결과를 도9에 나타낸다.

본 실험에서는, 폭95mm, 간극5mm인 실물타일을 사용하였다. 이 경우, 흑백비가 1:19이며, 실시예2 시뮬레이션의 타일모양의 하나와 동일한 흑백비이다.

본 타일을 이동스테이지의 평면판 상에 고정하고, 4.5m로부터 이격된 장소에 설치한 광학 카메라로 화상촬영을 행하였다.

이때, 카메라화상상에서의 격자피치는 40화소였다. 이동스테이지로부터 0mm에서 2mm까지0.1mm씩 수평방향으로 이동시켜, 각각의 위치(이동량)에서의화상을 촬영하고, 1차의 주파수성분만을 사용하는 종래방법과 5차의 주파수성분까지 고려한 본 발명에 의한 변위량을 각각 해석하고, 화상중앙의 40X10화소의 평가 영역에서의 실험치와 스테이지의 변위량의 계측오차의 평균값과 표준편차를산출하였다.

도9(a)에 이동량에 대하여 종래방법과 본 발명에 의해 얻어진 평균오차를나타내고 있다. 본 실험결과로부터 본발명에 따르면, 보다 고정밀도의 변위계측을 실시할수 있는 것을 알 수 있다.

도9(b)에 이동량에 대하여 종래방법과 본 발명에 의해 얻어진 계측오차의표준편차를 나타내고 있다. 종래방법보다도 4배 이상의 편차를 저감할 수 있었다.

실시예4

(실험에 의한 2차원 규칙성 모양의 변위 분포 계측정밀도 향상의 검증)

본 발명의 제2수단(2)에 기재되어 있는 방법의 유효성을 확인하기 위해서, 도10에 도시하는 광학계를 사용하여, 2차원의 규칙성을 갖는 모양을 이용한 변위 분포 해석의 실험결과를 도11에 도시한다.

본 실험에서는, 종래방법에서 사용되는 구형파 모양(비교를 위하여)에 더하여, 피치간격이 10mm인 2차원 규칙성 모양 3종류(알파벳의“A”, 숫자의“3”, 한자의 “림(林)”)을 사용하였다.

이들 합계 4종류의 모양을 이동스테이지의 평면판 상에 고정하고, 135cm로부터 이격된 장소에 설치한 광학카메라로 화상촬영을 행하였다.

이때, 카메라화상 상에서의 격자피치는 20화소였다. 이동스테이지로부터 0mm에서 1mm까지 0.02mm씩 수평방향으로 이동시켜, 각각의 위치(이동량)에서의 화상을 촬영하고, 1차 주파수 성분만을 사용하는 종래방법과 5차 주파수 성분까지 고려한 본 발명에 의한 변위량을 각각 해석하고, 화상 중앙에 20X20화소의평가영역에서의 실험치와 스테이지의 변위량의 계측오차의 제곱평균평방근(RMS)을 산출하였다.

도11에 이동량에 대하여 종래방법과 본 발명에 의해 얻어진 RMS 오차를나타내고 있다. 3종류의 2차원 규칙성 모양에 있어서, 모두 대폭적으로 계측정밀도를 향상시키는 것에 성공하였다.

구체적으로는, 숫자인“3”의 반복 모양의 경우, 종래방법의 RMS평균오차는26.3um인것에 대하여, 본 발명은 12.1um로 2.2배 정밀도가 향상되었다.

한자의“림”의 반복 모양의 경우, 종래방법의 RMS평균오차는 76.6um인 것에 대하여, 본 발명은 12.2um로 6.3배 정밀도가 향상되었다.

알파벳의“A”의 반복 모양의 경우, 종래방법의 RMS 평균오차는 112.4um인인 것 대하여, 본 발명은10.0um로 11.2배 정밀도가 향상되었다.

한편, 종래방법에서 사용되고 있는 구형파 모양의 경우, 종래방법의 RMS평균오차는 8.7um인 것에 대하여, 본 발명은 9.6um로 동일정도의 정밀도이다.

본 발명에 따르면, 이 실험에서 사용한 3종류의 2차원 규칙성 모양에 대하여, 모두 10um 정도의 정밀도로 미소변위 분포를 계측하는 것에 성공하였다.

이것은 모양 피치인 10mm에 대하여 실로1/1000이라고하는 경이적으로 높은 계측정밀도이다. 즉, 전자현미경으로 관찰되는 나노 스케일의 원자배열을 해석하면, 원자보다도 미소한 서브 옴스트롱 오더의 변위 분포를 이론상 해석할수 있다.

반대로, 1미터 간격으로 배열되어 있는 고층빌딩의 창유리를 규칙성 모양으로 간주해서 해석하면, 광학카메라를 멀리서 촬영하는 것 만으로 빌딩 전체의 흔들림이나 휨을 mm 오더의 정밀도로 검출 가능해진다.

실시예5

상술한 실시예에 있어서는 C언어와 C++언어로프로그램을 제작하여 각 변위 분포 측정방법을 실행해서 변위 분포를 측정하였다.

또한, 프로그램 언어는 C언어와 C++언어에 한정 되지 않고, RAM에 로드되는 프로그램이어도 좋고, ROM에 고정되는 프로그램이어도 좋다.

실시예6

상술한 실시예에 있어서는, 광학식 카메라로부터 얻은 화상데이터에 대하여 퍼스널 컴퓨터를 사용해서 처리하여 각 변위 분포의 측정결과를 얻었다.

변위 분포 측정장치는, 광학식 카메라와 분리해서 구성해도 좋고, 광학식 카메라와 일체적으로 구성해도 좋다.

또한, 변위 분포 해석장치에 내장해도 좋고, 적절히 입출력 사양을 설정해 원칩으로해서 각종 측정장치에 내장할 수 있다.

1: 시료
2: 하중기구
3: 지지대
4: 격자패턴의 확대도
5: 카메라
6: 1차원 반복모양
7: 이동방향
8: 이동스테이지
9: 2차원 반복모양

Claims

광학식 카메라를 사용하여, 물체표면 상에 접착되어 등간격 피치로 수평방향 또는 수직방향의 휘도분포에 측정하고 싶은 정밀도에 따른 반복을 갖는 규칙성 모양(예를 들어, 정현파나 구형파 격자) 또는 물체표면 상에 존재하여 등간격 피치(P)로 수평방향 또는 수직방향의 휘도분포에 측정하고 싶은 정밀도를 기대할 수 있는 반복을 갖는 규칙성 모양(예를 들어, 물체의 구조인 외 벽면에 나타나는 세로(가로)줄무늬 모양)을 변형 전후의 디지털 화상을 촬영하고, 변위분포측정장치에 있어서 상기 디지털화상을 처리하여 물체의 변위 분포를 측정하는 방법에 있어서,
상기 변형 전후의 모양 화상을 취득하는 스텝과, 상기 모양 화상의 휘도데이터에 대하여 수평방향 또는 수직방향으로 임의의 일정한 샘플링간격(M)(해석주파수, 규칙성 모양의 피치와 일치하지 않아도 됨)으로 씨닝 처리와 휘도보간을 행하여, 위상이 시프트된 복수매의 공간주파수가 낮은 무아레 줄무늬 화상을 생성하는 스텝과, 상기 위상이 시프트된 무아레줄 무늬화상에 대하여 푸리에 변환을 행하고, 상기 해석주파수에 대응하는 특정(예를 들어, 진폭 혹은 파워의 가장 큰 것)주파수 성분의 정보를 추출해서 수평방향 또는 수직방향의 기본 주파수 또는 고차 주파수(기본 주파수의 경우에는 해석 주파수와 규칙성 모양의 피치는 일치하고 있지 않은 것으로 함)의 무아레 줄무늬 화상의 위상분포를 구하는 스텝과,변형 전후의 무아레 줄무늬의 위상분포로부터 얻어지는 위상차분포로부터, 물체의 변위 분포를 산출하는 스텝을 갖는 것을 특징으로 하는 물체의 변위분포측정방법.
다음에 무아레 줄무늬의 특정주파수ω에 있어서의 위상차분포로부터 변위분포u를 구하는 수식을 나타낸다. i, j는 촬영화상의 수평좌표 및 수직좌표, p는 수평방향 또는 수직방향의 규칙성 모양의 피치간격의 실제치수값, M은 해석주파수, ω는 기본주파수 또는 고차주파수(단,ω가기본주파수인 경우에는 해석주파수와규칙성 모양의 피치는 일치하고 있지 않은 것으로 함), Ф는위상분포함수.
<수학식7>
광학식 카메라를 사용하여, 물체 표면 상에 존재하거나 또는 접착된 수평 방향과 수직방향으로 각 등간격 피치로 2 주기 이상의 반복을 갖는 1차원 규칙성 모양(예를 들어, 물체의 구조인 외벽 타일모양이나 고층빌딩의 창모양등)을 변형 전후의 디지털화상을 촬영하고, 변위 분포측정장치에있어서 상기 디지털화상을 처리하여 물체의 변위 분포를 측정하는 방법에 있어서,
상기 변형 전후의 1차원 규칙성 모양화상을 취득하는 스텝과,
상기 1차원 규칙성 모양화상의 휘도데이터에 대하여 수평방향 또는 수직방향으로 임의의 일정한 샘플링간격(M)(해석주파수, 규칙성 모양 피치와 일치하지 않아도 됨)으로 씨닝 처리와 휘도 보간을 행하여, 위상이 시프트된 복수매의 무아레 줄무늬화상을 생성하는 스텝과,
상기 위상이 시프트된 무아레 줄무늬 화상에 대하여 푸리에 변환을 행하고, 상기 해석 주파수에 대응하는 복수의 주파수 성분의 정보를 동시에 추출해서 수평방향 또는 수직방향의 복수개의 주파수의 무아레 줄무늬 화상의 위상분포를 구하는 스텝과,
변형 전후의 무아레 줄무늬의 위상분포로부터 얻어지는 이들 복수개의 위상차분포를 기초로 각 주파수의 진폭 또는 파워로 가중치를 부여하여 합성하고, 소정의 반복모양을 대상으로 측정오차가 적은 물체의 변위 분포를 산출하는 스텝을 갖는 것을 특징으로 하는 물체의 변위분포측정방법.
광학식 카메라를 사용하여, 물체표면 상에 존재하거나 또는 접착된 수평 방향 또는 수직 방향으로 등간격 피치로 동일한 패턴이 2개 이상의 반복을 갖는 2차원 규칙성 모양(예를 들어, 영숫자, 꽃무늬 등 임의의 패턴)을 변형 전후의 디지털화상을 촬영하고, 변위 분포측정장치에 있어서 상기 디지털화상을 처리하여 물체의 변위 분포를 측정하는 방법에 있어서,
상기 변형 전후의 2차원 규칙성 모양 화상을 취득하는 스텝과,
상기 2차원 규칙성 모양 화상의 휘도데이터에 대하여 수평 방향 또는 수직방향으로 임의의 일정한 샘플링간격(M)(해석주파수, 규칙성 모양 피치와 일치하지 않아도 됨)으로 씨닝처리와 휘도 보간을 행하여, 위상이 시프트된 복수매의 무아레 줄무늬 화상을 생성하는 스텝과,
상기 위상이 시프트된 무아레 줄무늬 화상에 대하여 푸리에변환을 행하고, 상기 해석주파수에 대응하는 복수의 주파수 성분의 정보를 동시에 추출해서 수평방향 또는 수직방향의 복수 개의 주파수의 무아레 줄무늬 화상의 위상분포를 구 하는 스텝과,
변형 전후의 무아레 줄무늬의 위상분포로부터 얻어지는 이들 복수 개의 위상차분포를 기초로 각 주파수의 진폭 또는 파워로 가중치를 부여하여 합성해서 소정의 반복모양을 대상으로 측정오차가 적은 물체의 변위 분포를 산출하는 스텝을 갖는 것을 특징으로 하는 물체의 변위분포측정방법.
광학식 카메라를 사용하여, 물체표면 상에 존재하거나 또는 접착된 등간격피치로 적어도 수평방향 또는 수직방향의 휘도분포에 측정하고 싶은 정밀도를 기대할 수 있는 반복을 갖는 규칙성 모양을 변형 전후의 디지털화상을 촬영하고, 변위 분포측정장치에 있어서, 상기 디지털화상을 처리하여 물체의 변위 분포를 측정하는 방법에 있어서,
상기 변형 전후의 규칙성 모양 화상을 취득하는 스텝과,
상기 규칙성 모양 화상의 휘도데이터에 대하여 수평방향 또는 수직방향으로 임의의 일정한 샘플링 간격(M)(해석주파수,규칙성 모양피치와 일치하지 않아도 됨)으로 씨닝 처리와 휘도 보간을 행하여, 위상이 시프트 된 복수매의 무아레 줄무늬 화상을 생성하는 스텝과,
상기 위상이 시프트 된 무아레 줄무늬 화상에 대하여 푸리에 변환을 행하고, 상기 해석 주파수에 대응하는 복수의 주파수 성분의 정보를 동시에 추출해서수평방향 또는 수직방향의 복수 개의 주파수의 무아레 줄무늬 화상의 위상분포를구하는 스텝과,
변형 전후의 무아레 줄무늬의 위상분포로부터 얻어지는 이들 복수 개의 위상차분포를 기초로 각 주파수의 진폭 또는 파워로 가중치를 부여하여 합성하고, 소정의 반복모양을 대상으로 측정오차가 적은 물체의 변위 분포를 산출하는 스텝을 갖는 것을 특징으로 하는 물체의 변위분포측정방법.
물체의 변위 분포해석 프로그램에 있어서, 제1항에 기재된 수순을 실행하는 것을 특징으로 하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
물체의 변위 분포해석 프로그램에 있어서, 제2항에 기재된 수순을 실행하는 것을 특징으로 하는, 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
물체의 변위 분포해석 프로그램에 있어서, 제3항에 기재된 수순을 실행하는 것을 특징으로 하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
물체의 변위 분포해석 프로그램에 있어서, 제4항에 기재된 수순을 실행하는 것을 특징으로 하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
물체의 변위 분포 측정장치이며, 제1항에 기재하는 방법을 실시해서 물체의 변위 분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 변위분포측정장치.
물체의 변위 분포측정장치에 있어서, 제2항에 기재하는방법을 실시해서 물체의 변위 분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 변위분포측정장치.
물체의 변위 분포측정장치에 있어서, 제3항에 기재하는 방법을 실시해서 물체의 변위 분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 변위분포측정장치.
물체의 변위 분포 측정장치에 있어서, 제4항에 기재하는 방법을 실시해서물체의 변위 분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 변위분포측정장치.