[go: up one dir, main page]

WO2011065175A1 - 応力計測装置及び応力計測方法 - Google Patents

応力計測装置及び応力計測方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2011065175A1
WO2011065175A1 PCT/JP2010/069043 JP2010069043W WO2011065175A1 WO 2011065175 A1 WO2011065175 A1 WO 2011065175A1 JP 2010069043 W JP2010069043 W JP 2010069043W WO 2011065175 A1 WO2011065175 A1 WO 2011065175A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
model
transmissive member
light transmissive
stress
refractive index
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/069043
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
田中　洋介
Original Assignee
国立大学法人京都工芸繊維大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 国立大学法人京都工芸繊維大学 filed Critical 国立大学法人京都工芸繊維大学
Priority to US13/511,840 priority Critical patent/US20120250001A1/en
Priority to JP2011543180A priority patent/JPWO2011065175A1/ja
Publication of WO2011065175A1 publication Critical patent/WO2011065175A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/247—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet using distributed sensing elements, e.g. microcapsules
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/04—Processes or apparatus for producing holograms
    • G03H1/0443—Digital holography, i.e. recording holograms with digital recording means
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/0005—Adaptation of holography to specific applications
    • G03H2001/0033—Adaptation of holography to specific applications in hologrammetry for measuring or analysing

Definitions

  • the present invention relates to a stress measuring apparatus and a stress measuring method for measuring a three-dimensional stress of a product, and more particularly, to a stress measuring apparatus and a stress measuring method using rapid prototyping.
  • design verification using three-dimensional CAD and rapid prototyping (hereinafter sometimes abbreviated as “RP”) is given as product design verification.
  • three-dimensional CAD refers to a tool for inputting a three-dimensional coordinate to construct a three-dimensional model.
  • RP refers to a technique for quickly forming a prototype of a product having a design shape.
  • CAD is generally used for designing such products as automobiles.
  • designers can check 3D images on a computer screen, so workability is improved, and with the recent spread of RP, designers use real parts.
  • a three-dimensional model having the shape of the object can be created in a much shorter time without creating a prototype. For this reason, the convenience and accuracy of design verification have improved significantly.
  • RP model As an example of an RP device for creating a prototype modeled by RP (hereinafter sometimes simply referred to as “RP model”), for example, a liquid resin or the like based on three-dimensional CAD data is used as a laser beam.
  • RP model a liquid resin or the like based on three-dimensional CAD data is used as a laser beam.
  • stereolithography apparatuses that are cured by ultraviolet rays or ultraviolet rays.
  • the photoelastic method is one of the effective methods in stress analysis. By applying an external force to the RP model, the state of the stress field generated inside the RP model can be measured.
  • an RP model is formed using a photoelastic material having a property of causing birefringence by application of an external force. Then, the RP model is left for a predetermined time and at a constant temperature while applying a predetermined load (this process is referred to as “process 1”).
  • process 2 the RP model is cut into a plurality of plate-like layers, and the stress field in each layer is measured using a known photoelasticity measuring device (this process is referred to as “process 2”).
  • the stress field inside the RP model can be obtained three-dimensionally by substituting the two-dimensional stress field in each layer into the governing equation of elastic mechanics.
  • the above-described method has a problem that enormous time and labor are required to measure the change over time of the three-dimensional stress field of the product.
  • an image of a particle or region is picked up by a two-dimensional CCD camera with an objective lens focused on the particle or region to be detected mixed in the adhesive.
  • the temporal position change of the particles is captured as an image.
  • Japanese Patent Publication Japanese Patent Laid-Open No. 2005-350524 (published on December 22, 2005)”
  • the object of the present invention is to measure the three-dimensional stress over time with high accuracy even when an RP model having a complicated shape is used when measuring three-dimensional stress using rapid prototyping (RP).
  • RP rapid prototyping
  • a stress measuring apparatus performs image processing on each of a plurality of particles dispersed inside a light transmissive member to which light is irradiated so that the inside of the light transmissive member.
  • a stress measurement device that calculates each moving direction and moving amount, and measures the three-dimensional stress generated in the light transmissive member using the calculated results, refraction that matches the refractive index of the light transmissive member.
  • the “load applying mechanism” applies a load to the light transmissive member
  • various stress distributions such as a compressive stress, a shear stress, and a bending stress are realized in the light transmissive member.
  • a load can be applied to the light transmissive member while immersing the light transmissive member to be subjected to stress measurement in a refractive index matching liquid having a refractive index that matches the refractive index.
  • the stress measurement method performs image processing on each of a plurality of particles dispersed inside a light transmissive member irradiated with light, and determines each movement direction and amount of movement inside the light transmissive member.
  • a refractive index matching liquid having a refractive index that matches a refractive index of the light transmissive member.
  • a load can be applied to the light transmissive member while immersing the light transmissive member as a stress measurement target in a refractive index matching liquid having a refractive index that matches the refractive index.
  • the stress measuring device of the present invention performs image processing on each of a plurality of particles dispersed inside the light transmissive member irradiated with light, and moves each direction inside the light transmissive member.
  • a stress measurement device that calculates a three-dimensional stress generated in the light transmissive member by using the calculation result and the amount of movement, a refraction having a refractive index that matches the refractive index of the light transmissive member
  • the rate matching liquid includes a holding unit that holds the light transmissive member while being immersed therein, and a load application mechanism that applies a load to the light transmissive member held by the holding unit.
  • the stress measurement method performs image processing on each of a plurality of particles dispersed inside the light transmissive member irradiated with light, and moves each inside the light transmissive member.
  • the refractive index matches a refractive index of the light transmissive member.
  • the optically transparent member is held while being immersed in the refractive index matching liquid, and a load is applied to the optically transparent member immersed in the refractive index matching liquid while the inside of the optically transparent member is The time-dependent change of the three-dimensional stress generated in the measurement is measured.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating image data obtained by viewing the region indicated by C in FIGS. 8 and 9 from the y direction and image data viewed from the z direction.
  • the stress measurement apparatus measures an internal stress field of an RP model using an RP model formed by three-dimensional CAD and RP technology.
  • the stress measurement apparatus can measure a time-dependent change in the stress field generated inside the RP model while applying a load to the RP model.
  • the three-dimensional CAD is a general-purpose CAD that forms a three-dimensional model of an object.
  • the three-dimensional model formed by the three-dimensional CAD can faithfully reproduce the outline of the object as a solid model. Any technique known in the art can be applied to such CAD, regardless of its name.
  • the RP technique is a technique for quickly forming an RP model having an outer shape of an object corresponding to input data.
  • the RP technique is realized using, for example, an optical modeling apparatus that cures a liquid resin with laser light or ultraviolet rays. Any technique known in the art can be applied to the RP technique.
  • the RP model is formed using a transparent material that transmits light.
  • a transparent material for example, a transparent resin such as acrylic is preferably used.
  • acrylic is preferably used.
  • the present invention is not limited to such a resin.
  • any photoelastic material may be used as long as it does not cause birefringence when an external force is applied.
  • tracer particles particles
  • Each of these tracer particles follows the displacement of each part of the RP model included, and moves together with each part.
  • Particle Image Velocity A measurable particle image fluid velocimeter (Particle Image Velocity, hereinafter referred to as “PIV”) has been developed.
  • PIV using this image processing technology is mostly mixed in the flow, and tracer particles that sufficiently follow the flow are irradiated with pulsed laser light to track their movement, and the movement of the tracer particle group using a video camera or the like.
  • Shoot. This is based on the principle that an image obtained by photographing the distance traveled by the tracer particle group at a time interval sufficiently smaller than the time scale of the flow is obtained, and the velocity is obtained by dividing the travel distance by the minute photographing time interval.
  • PIV measures the average fluid velocity within a certain range where a plurality of tracer particles exist, it is possible to determine spatially uniform measurement points by increasing the number of tracer particles. Therefore, PIV has an advantage that it is easy to obtain a spatial differential of speed. For these reasons, it can be said that PIV is a very effective means for measuring the speed and vorticity necessary for extracting the structure of the flow field.
  • the stress measurement apparatus uses such a PIV analysis to measure a change with time of a stress field generated inside the RP model.
  • a large number of tracer particles are dispersed in advance in the RP model. These many tracer particles do not move inside the RP model, and their positions inside the RP model are fixed. In addition, it is preferable that a large number of tracer particles be more uniformly distributed inside the RP model.
  • the term “uniformly” in “uniformly distributed” means not only that it is completely uniform, but also includes cases where it can be said that it is substantially uniform. Specifically, when the relative movement distance ⁇ r represented by the following equation is used as an index of the degree to which the tracer particles are dispersed inside the RP model, the range of 0 ⁇ r ⁇ 1 is uniform. It can be said that they are distributed.
  • ⁇ r when the relative movement distance ⁇ r is 1 or more, it is difficult to associate and track the particle images individually, and therefore it is necessary that ⁇ r ⁇ 1.
  • 0 ⁇ r is set so that r max (maximum moving distance), N o (number of particles in the hologram reproduction volume), V o (one particle moves by the next time) in the above formula.
  • the size of the potential region) and ⁇ are both derived from positive values.
  • tracer particles may be dispersed in the portion that is the measurement target in the RP model than the portion that is not the measurement target, that is, the tracer particles may be locally concentrated in the measurement target portion.
  • an RP model in which a large number of tracer particles are dispersed inside is used. Then, while applying a load to the RP model, the speed of a large number of tracer particles dispersed inside the RP model is obtained based on PIV analysis.
  • the obtained velocity of each tracer particle represents the velocity of each part of the RP model, and as a result, the moving distance and moving direction in each part of the RP model can be measured.
  • the stress measurement device Based on the results measured in this way, the stress measurement device according to an embodiment of the present invention measures the change over time of the stress field generated inside the RP model.
  • the stress measuring device 100 is a three-dimensional stress measuring device using an in-line holographic imaging system using one camera.
  • the present invention is not limited to the embodiment of the inline three-dimensional stress measurement apparatus using one camera.
  • a stereo method in which a plurality of cameras are arranged side by side and measurement is performed based on the principle of triangulation may be used.
  • an in-line type in which a plurality of cameras are arranged on the same optical axis may be used, or an off-axis type in which a plurality of cameras are arranged on different optical axes for measurement. It may be.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a stress measuring apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the stress measuring device 100 includes a light source 11, a first optical system 12, a second optical system 13, a camera 14, a control device 15, a holding unit 20, and a load application mechanism. 31, a load application mechanism 32, and an image processing device 40.
  • the light source 11 for example, a laser light source that emits laser light can be used.
  • a CW laser or a pulse laser may be used.
  • a laser light source capable of obtaining a high output is preferable.
  • FIG. 1 only the optical path of the laser light emitted from the light source 11 is indicated by an arrow A in the drawing for easy viewing.
  • laser light source used for the light source 11
  • this embodiment is not limited to this.
  • laser light ultrasonic waves, X-rays, light from LEDs, light from superluminescent diodes, light from halogen lamps, light from xenon lamps, light from mercury lamps, light from sodium lamps, Microwave, terahertz light, electron beam, or radio wave may be used.
  • the first optical system 12 is an optical system for collimating the laser light emitted from the light source 11, and a collimator lens, for example, may be used.
  • the laser light emitted from the light source 11 is uniformly diffused by passing through the first optical system 12 composed of such a collimating lens, and becomes parallel light.
  • the holding part 20 is irradiated with the laser light thus made parallel.
  • the holding unit 20 is for housing an RP model that is a measurement target on which the stress measurement apparatus 100 performs stress measurement.
  • the holding unit 20 accommodates an RP model (light transmissive member) 21 therein. Further, the holding unit 20 is filled with the refractive index matching liquid 22, and the RP model 21 is stored inside the holding unit 20 while being entirely immersed in the refractive index matching liquid 22. It will be.
  • Both the holding unit 20 and the refractive index matching liquid 22 filled therein transmit the laser light emitted from the light source 11. For this reason, after the laser beam emitted from the light source 11 passes through the first optical system 12, it passes through the side wall of the holding unit 20 and the refractive index matching liquid 22 in this order, and enters the RP model 21. It will be.
  • the laser light entering the RP model 21 is diffracted by the tracer particles existing inside the RP model 21, and is not diffracted. It is emitted from the RP model 21 together with the laser beam. At this time, the laser light that has not been diffracted becomes the reference light, and as a result, the reference light interferes with the object light that is the diffracted laser light.
  • a collimating lens can be used for the second optical system 13 as in the first optical system 12.
  • the second optical system 13 is an optical system for converting the laser light (object light and reference light) emitted from the holding unit 20 into parallel light and entering the camera 14 again.
  • a combination of a plurality of collimating lenses may be used.
  • the camera 14 for example, a known camera such as a CCD camera, a high-speed CCD camera, an EMCCD camera, an IICCD camera, or a CMOS camera can be used.
  • the image data captured by the camera 14 is output to the image processing device 40, and the moving distance and moving direction of the tracer particles inside the RP model 21 are calculated in the image processing device 40 based on such image data.
  • the laser light emitted from the RP model 21 includes the object light and the reference light, and these two lights interfere with each other.
  • the camera 14 has an inside of the RP model 21. A digital holographic image of each tracer particle present is taken.
  • the camera 14 records the captured digital holographic image as digital data, for example, and outputs the digital data to the image processing device 40.
  • the image processing apparatus 40 performs three-dimensional image processing based on the digital holographic image captured by the camera 14.
  • the image processing apparatus 40 includes an analysis unit 41 for executing the above-described PIV analysis.
  • This analysis unit 41 applies a digital holographic image captured by the camera 14 for each tracer particle inside the RP model 21. 3D PIV analysis is performed.
  • the image processing device 40 calculates the three-dimensional position of each tracer particle at that time from a digital holography image captured at, for example, time t0 based on the three-dimensional PIV analysis executed by the analysis unit 41. Similarly, the three-dimensional position of each tracer particle at the time t0 + ⁇ t is calculated from the digital holographic image captured at the time t0 + ⁇ t. Then, the velocity vector of each tracer particle can be calculated by dividing the difference between the three-dimensional positions at each time by ⁇ t.
  • the image processing device 40 measures the time-dependent change in the stress field in the RP model 21 from time t0 to time t0 + ⁇ t from the velocity vector of each tracer particle in the RP model 21 thus calculated.
  • the load application mechanism 31 and the load application mechanism 32 are mechanisms for applying a load to the RP model 21 housed in the holding unit 20.
  • the load application mechanism 31 and the load application mechanism 32 can realize various types of stress distribution such as compressive stress, shear stress, and bending stress in the RP model 21 by adjusting the manner in which the load is applied to the RP model 21. .
  • the load application mechanism 31 and the load application mechanism 32 support the RP model 21 housed in the holding unit 20 while being immersed in the refractive index matching liquid 22 from the vertical direction (y-axis direction in FIG. 1). .
  • the load is applied downward (the negative direction of the y axis in FIG. 1) from the load application mechanism 31 to the RP model 21 and upward (the y axis in FIG. 1). Apply load in the positive direction.
  • the control device 15 is electrically connected to each of the light source 11, the camera 14, and the load application mechanism 31 and the load application mechanism 32 so that various control signals can be exchanged between them. Has been.
  • the control device 15 controls the driving operation of the light source 11, the photographing operation of the camera 14, and the load application operations of the load application mechanism 31 and the load application mechanism 32.
  • the control device 15 may synchronize, for example, the emission timing of the laser light from the light source 11, the application timing of the load by the load application mechanism 31 and the load application mechanism 32, and the photographing timing by the camera 14.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining the RP model 21 and the refractive index matching liquid 22.
  • FIG. 2 only the optical path of the laser light emitted from the light source 11 is indicated by an arrow A in the drawing for easy viewing.
  • a range indicated by B in the figure is an irradiation region of the laser light emitted from the light source 11 in the RP model 21.
  • a large number of tracer particles 23 are dispersed inside the RP model 21.
  • the type of the tracer particles 23 is not particularly limited in the present invention, but is appropriately selected according to the type of photoelastic material constituting the RP model 21.
  • the RP model 21 is accommodated in the holding unit 20, and the inside of the holding unit 20 is filled with the refractive index matching liquid 22. That is, as shown in FIG. 2, the periphery of the RP model 21 is surrounded by the refractive index matching liquid 22.
  • This refractive index matching liquid 22 has a refractive index that matches the refractive index of the photoelastic material constituting the RP model 21. Specifically, the refractive index matching liquid 22 has substantially the same refractive index as the refractive index of the photoelastic material constituting the RP model 21.
  • the difference in refractive index between the photoelastic material constituting the RP model 21 and the refractive index matching liquid 22 is around 1%, it can be said that the refractive indexes of both are substantially the same.
  • both the object light diffracted by the numerous tracer particles 23 inside the RP model 21 and the reference light that has not been diffracted by the numerous tracer particles 23 enter the refractive index matching liquid 22 from the RP model 21. There is no refraction at their interface.
  • the laser light emitted from the light source 11 enters the RP model 21 without being refracted at the interface between the refractive index matching liquid 22 and the RP model 21.
  • the object light diffracted in the RP model 21 and the reference light that has not been diffracted enter the refractive index matching liquid 22 without being refracted at the interface between the refractive index matching liquid 22 and the RP model 21.
  • the camera 14 can accurately capture both the object light diffracted by the numerous tracer particles 23 inside the RP model 21 and the reference light that has not been diffracted by the numerous tracer particles 23.
  • the difference in refractive index between the RP model 21 and its surroundings is such that the more complicated the shape of the RP model 21 is, the more the laser light that passes through these interfaces will be refracted and the accurate imaging by the camera 14 will be hindered. The degree increases.
  • the periphery of the RP model 21 is surrounded by the refractive index matching liquid 22 having the same refractive index as that of the RP model 21 as described above. Can solve various problems.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a specific example of the RP model 21.
  • the material constituting the RP model 21 is a light-transmitting acrylic resin (refractive index: 1.4883, elastic modulus: 3317 Mpa). Its size is 7.9 ⁇ 50 ⁇ 7.9 mm 3 .
  • the load application mechanism 31 and the load application mechanism 32 that apply a load to the RP model 21 support the RP model 21 by the two load application mechanisms 32 and also the RP model by the one load application mechanism 31.
  • a pressure (load) is applied in the vicinity of the center point in the longitudinal direction 21 (x-axis direction in FIG. 3).
  • the pressure applied from the load application mechanism 31 is 100N.
  • the average value of the diameter of the tracer particles 23 is 60 ⁇ m.
  • the refractive index matching liquid 22 is a sodium iodide solution, and its refractive index is the same as that of the acrylic resin constituting the RP model 21.
  • the three-dimensional position of each tracer particle 23 in the RP model 21 is measured, and the velocity vector of each tracer particle 23 before and after application of this pressure (load). Is calculated.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining recording and reproduction of a digital holographic image by the image processing apparatus 40.
  • the ⁇ - ⁇ plane represents the coordinates of one particle (tracer particle 23) that exists in the three-dimensional space in the RP model 21.
  • the object light diffracted by the particles (tracer particles 23) and the reference light not diffracted by the particles (tracer particles 23) are recorded as light intensity I d (x, y, 0) on the imaging surface of the camera 14.
  • I d light intensity
  • the imaging surface of the camera 14 is on the xy plane that is separated from the above-described particle (tracer particle 23) on the ⁇ - ⁇ plane by a distance d.
  • j represents an imaginary unit
  • ⁇ represents the wavelength of the laser beam.
  • L is between the the x-y plane and x z -y z plane, the distance between the corresponding two points is expressed by the following equation.
  • the light intensity I z (x z , y z ) is calculated from the following equation.
  • the particles are regenerated on the x d -y d plane that is separated from the xy plane by the distance d.
  • FIGS. 5 and 6 are conceptual diagrams for explaining the process from the recording of the digital holographic image by the image processing apparatus 40 to the derivation of the three-dimensional stress field.
  • step 1 digital holographic images by the camera 14 are recorded on the RP model 21 before and after the load application to the RP model 21 by the load application mechanism 31 and the load application mechanism 32, respectively (step 1).
  • each digital holographic image is reproduced, and the three-dimensional position of each tracer particle 23 is detected (step 2).
  • the three-dimensional vector field of each tracer particle 23 before and after this load application is calculated (step 3).
  • a three-dimensional displacement field is calculated using the following equation.
  • a second embodiment of the present invention will be described.
  • a large number of tracer particles are dispersed in a structure such as a vehicle body or various parts contained in the vehicle body, and the displacement, that is, the movement direction and the movement amount of the large number of tracer particles is tracked.
  • the embodiment measures the three-dimensional stress of the structure.
  • the said structure is an object which combined various members so that it can resist loads, such as external force.
  • the second embodiment of the present invention measures the time-dependent change of the three-dimensional stress in the structure and the time of the three-dimensional velocity of the fluid in the three-dimensional space where the structure and the fluid exist simultaneously. This is an embodiment in which change measurement is performed simultaneously.
  • a large number of tracer particles are dispersed in the structure as in the first embodiment. Further, a large number of tracer particles are dispersed in the fluid. However, the tracer particles dispersed in the structure and the tracer particles dispersed in the fluid have different particle sizes.
  • Embodiment 2 of the present invention two types of tracer particles having different particle sizes are dispersed in the structure and the fluid, respectively. Then, the stress measurement device and the stress measurement method of the first embodiment are applied to each of the two kinds of tracer particles, and the three-dimensional stress with time is measured for the structure, while the fluid is It measures the change with time of the three-dimensional velocity.
  • the change with time of the three-dimensional velocity of the fluid can be measured by tracking the displacement of a large number of tracer particles as in the first embodiment.
  • a stress is generated inside the structure when a load is applied.
  • the fluid is a fluid or a deformed body, and when a load is applied, the fluid flows and deforms in the direction of application. Therefore, in the case of a structure, the displacement of the tracer particle represents a change with time of the three-dimensional stress in the structure, and in the case of a fluid, the displacement of the tracer particle represents a change with time of the three-dimensional velocity of the fluid.
  • Embodiment 2 of the present invention is not limited to the three-dimensional space in which the structure and the fluid exist simultaneously. For example, measuring a time-dependent change in three-dimensional stress in two or more structures in a three-dimensional space where two or more structures interact with each other (for example, applying a load to each other). Is also possible.
  • FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a stress measurement apparatus 100a according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the stress measuring device 100a includes a light source 11, a first optical system 12, a second optical system 13, a camera 14, a control device 15a, a holding unit 20, and an image processing device. 40.
  • a sealed container 51 Inside the holding unit 20, there are a sealed container 51, a stirring liquid 52 filled in the sealed container 51 and stirred, and an RP model (light transmissive member) 53 fixed to the inner wall of the sealed container 51.
  • a stirring member 54 for stirring the stirring liquid 52 in the sealed container 51 is provided.
  • the sealed container 51 includes an RP model 53 that is the above-described structure that is a measurement target for which the stress measurement device 100a performs stress measurement, and an agitation liquid 52 that is the fluid that is the measurement target for which the stress measurement device 100a performs speed measurement. It is for storage.
  • the RP model 53 is housed inside the sealed container 51 while being entirely immersed in the stirring liquid 52.
  • Both the sealed container 51 and the stirring liquid 52 filled therein transmit the laser light emitted from the light source 11. For this reason, after the laser beam emitted from the light source 11 passes through the first optical system 12, it passes through the side wall of the holding unit 20, the refractive index matching liquid 22, and the side wall of the sealed container 51 in this order. Then, the liquid enters the stirring liquid 52 and the RP model 53.
  • a large number of tracer particles are dispersed inside the RP model 53, as in the first embodiment, and the laser light that has entered the RP model 53 is diffracted by the tracer particles existing inside the RP model 53, and It is emitted from the RP model 53 together with the laser light that has not been diffracted. At this time, the laser light that has not been diffracted becomes the reference light, and as a result, the reference light interferes with the object light that is the diffracted laser light.
  • These reference light and object light are used to track the displacement of the tracer particles in the RP model 53.
  • the reference light and the object light used for tracking the displacement of the tracer particles in the RP model 53 are referred to as “RP model reference light” and “RP model object light”, respectively.
  • the laser light emitted from the RP model 53 that is, the RP model object light and the RP model reference light, are both the stirring liquid 52, the side wall of the sealed container 51, the refractive index matching liquid 22, and the side wall of the holding unit 20. , In this order, and enters the second optical system 13. A part of each of the RP model object light and the RP model reference light may be diffracted again by the tracer particles 56 in the stirring liquid 52. In that case, the diffracted light will not be used to track the displacement of the tracer particles in the RP model 53.
  • a large number of tracer particles 56 are dispersed inside the stirring liquid 52, and the laser light that has entered the stirring liquid 52 is diffracted by the tracer particles 56 existing inside the stirring liquid 52. Then, it is emitted from the stirring liquid 52 together with the laser light that has not been diffracted. At this time, the laser light that has not been diffracted becomes the reference light, and as a result, the reference light interferes with the object light that is the diffracted laser light.
  • These reference light and object light are used to track the displacement of the tracer particles 56 in the stirring liquid 52.
  • the reference light and the object light used to track the displacement of the tracer particles 56 in the stirring liquid 52 are referred to as “stirring liquid reference light” and “stirring liquid object light”, respectively.
  • the laser light emitted from the stirring liquid 52 that is, both the stirring liquid object light and the stirring liquid reference light, pass through the side wall of the sealed container 51, the refractive index matching liquid 22, and the side wall of the holding unit 20 in this order. Pass through and enter the second optical system 13.
  • a part of each of the stirring liquid object light and the stirring liquid reference light may be diffracted again by the tracer particles in the RP model 53. In that case, the diffracted light will not be used to track the displacement of the tracer particles in the stirring liquid 52.
  • the stirring member 54 is a member for stirring the stirring liquid 52.
  • the agitating member 54 is for causing the agitating liquid 52 to flow according to the direction of rotation, for example, by performing a self-rotating operation like this.
  • the stirring member 54 can cause the stirring liquid 52 to flow clockwise or counterclockwise in the xz plane.
  • the flow of the right rotation or the left rotation as described above occurs in the stirring liquid 52, and as a result, a part of the stirring liquid 52 collides with the RP model 53.
  • This collision applies a load to the RP model 53 in the same manner as the load applied to the RP model 21 by the load applying mechanism 31 and the load applying mechanism 32 in the first embodiment.
  • a load in a direction parallel to the xz plane (the direction of the arrow indicated by D in FIG. 8) is applied to the RP model 53.
  • the flow of the stirring liquid 52 by the stirring member 54 is a load application mechanism that applies a load to the RP model 53.
  • the stirring member 54 includes, for example, a support 54 a that extends toward the outside of the holding unit 20, and the support 54 a is connected to the drive circuit 55.
  • the drive circuit 55 drives the rotation operation of the stirring member 54 described above by rotating the column 54a. As will be described later, the drive operation of the drive circuit 55 is controlled by the control circuit 15a.
  • the camera 14 images the RP model reference light and the RP model object light described above, and the stirring liquid reference light and the stirring liquid object light. That is, the image data obtained by the camera 14 capturing the RP model reference light and the RP model object light is output to the image processing device 40, and the RP model 53 inside the image processing device 40 is based on such image data. The moving distance and moving direction of the tracer particles are calculated. On the other hand, the image data obtained by photographing the stirring liquid reference light and the stirring liquid object light by the camera 14 is output to the image processing apparatus 40, and the inside of the stirring liquid 52 is stored in the image processing apparatus 40 based on such image data. The moving distance and moving direction of the tracer particles 56 are calculated.
  • the RP model object beam and the RP model reference beam which are laser beams emitted from the RP model 53, interfere with each other.
  • the digital holographic image of each tracer particle existing inside the RP model 53 is displayed on the camera 14. Imaged.
  • the camera 14 records the captured digital holographic image as digital data, for example, and outputs the digital data to the image processing device 40.
  • the image processing apparatus 40 performs three-dimensional image processing based on the digital holographic image captured by the camera 14.
  • the analysis unit 41 performs a three-dimensional PIV analysis on the digital holographic image captured by the camera 14 for each tracer particle inside the RP model 53.
  • the image processing device 40 calculates the three-dimensional position of each tracer particle at that time from a digital holography image captured at, for example, time t0 based on the three-dimensional PIV analysis executed by the analysis unit 41. Similarly, the three-dimensional position of each tracer particle at the time t0 + ⁇ t is calculated from the digital holographic image captured at the time t0 + ⁇ t. Then, the velocity vector of each tracer particle can be calculated by dividing the difference between the three-dimensional positions at each time by ⁇ t.
  • the image processing apparatus 40 measures the change over time of the stress field in the RP model 53 from time t0 to time t0 + ⁇ t from the velocity vector of each tracer particle in the RP model 53 calculated in this way.
  • stirring liquid object light and the stirring liquid reference light which are laser beams emitted from the stirring liquid 52, interfere with each other, and as a result, each of the tracer particles 56 existing in the stirring liquid 52 is transmitted to the camera 14. A digital holographic image is captured.
  • the camera 14 records the captured digital holographic image as digital data, for example, and outputs the digital data to the image processing device 40.
  • the image processing apparatus 40 performs three-dimensional image processing based on the digital holographic image captured by the camera 14.
  • the analysis unit 41 performs a three-dimensional PIV analysis on the digital holographic image captured by the camera 14 for each tracer particle 56 inside the stirring liquid 52.
  • the image processing device 40 calculates the three-dimensional position of each tracer particle 56 at that time from, for example, a digital holographic image captured at time t0 based on the three-dimensional PIV analysis executed by the analysis unit 41. Similarly, the three-dimensional position of each tracer particle 56 at time t0 + ⁇ t is calculated from the digital holographic image captured at time t0 + ⁇ t. Then, the velocity vector of each tracer particle 56 can be calculated by dividing the difference between the three-dimensional positions at each time by ⁇ t.
  • the image processing device 40 measures the change over time of the velocity field of the agitating liquid 52 from time t0 to time t0 + ⁇ t from the velocity vector of each tracer particle 56 inside the agitating liquid 52 thus calculated.
  • the control device 15a is electrically connected to each of the light source 11, the camera 14, and the drive circuit 55 so that various control signals can be exchanged.
  • the control device 15 controls the driving operation of the light source 11, the photographing operation of the camera 14, and the driving operation of the driving circuit 55.
  • the control device 15 may synchronize the emission timing of the laser light from the light source 11, the driving timing of the stirring member 54 by the driving circuit 55, and the imaging timing by the camera 14, for example.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram for explaining the stirring liquid 52 and the RP model 53.
  • the optical path of the laser light emitted from the light source 11 is indicated by an arrow A in FIG.
  • the range shown by C in the figure is an irradiation region of the laser light emitted from the light source 11 in the stirring liquid 52 and the RP model 53.
  • a large number of tracer particles 57 are dispersed inside the RP model 53.
  • the type and the like of the tracer particles 57 are not particularly limited in the present invention, but are appropriately selected according to the type and the like of the photoelastic material constituting the RP model 53.
  • the RP model 53 is fixed to the inner wall of the sealed container 51, and the inside of the sealed container 51 is filled with the stirring liquid 52. That is, as shown in FIG. 8, the periphery of the RP model 53 is surrounded by the stirring liquid 52.
  • the stirring liquid 52 has a refractive index that matches the refractive index of the photoelastic material constituting the RP model 53. Specifically, the stirring liquid 52 has substantially the same refractive index as that of the photoelastic material constituting the RP model 53. From this, it can be said that the stirring liquid 52 has the same function as the refractive index matching liquid 22 surrounding the RP model 21 in the first embodiment.
  • the difference in refractive index between the photoelastic material constituting the RP model 53 and the stirring liquid 52 is around 1%, it can be said that the refractive indexes of both are substantially the same.
  • both the RP model object light diffracted by the large number of tracer particles 57 inside the RP model 53 and the RP model reference light not diffracted by the large number of tracer particles 57 enter the stirring liquid 52 from the RP model 53. However, there is no refraction at the interface between them.
  • the laser light emitted from the light source 11 enters the RP model 53 without being refracted at the interface between the stirring liquid 52 and the RP model 53. Then, the RP model object light and the RP model reference light diffracted in the RP model 53 enter the stirring liquid 52 without being refracted at the interface between the stirring liquid 52 and the RP model 53.
  • the camera 14 can accurately capture both the RP model object light diffracted by the numerous tracer particles 57 inside the RP model 53 and the RP model reference light that has not been diffracted by the numerous tracer particles 57. it can.
  • the difference in refractive index between the RP model 53 and its surroundings is such that the more complicated the shape of the RP model 53, the more the laser light that passes through these interfaces will be refracted and the accurate imaging by the camera 14 will be hindered. The degree increases.
  • the periphery of the RP model 53 is surrounded by the stirring liquid 52 having the same refractive index as that of the RP model 53 as described above. Can solve various problems.
  • the sealed container 51 is accommodated in the holding unit 20, and the inside of the holding unit 20 is filled with the refractive index matching liquid 22. That is, as shown in FIG. 8, the periphery of the sealed container 51 is surrounded by the refractive index matching liquid 22.
  • the refractive index matching liquid 22 has a refractive index that matches the refractive index of the transparent material that constitutes the sealed container 51 and transmits light.
  • the sealed container 51 is configured using the same photoelastic material as the RP model 53
  • the refractive index matching liquid 22 the sealed container 51, the stirring liquid 52, and the RP model 53 have substantially the same refractive index. If you do.
  • the effect of the refractive index matching liquid 22 and the sealed container 51 having the same refractive index is the same as the above-described effect of the stirring liquid 52 and the RP model 53 having the same refractive index. I won't repeat it.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a specific example of the stirring liquid 52 (part thereof) and the RP model 53.
  • the material constituting the RP model 53 is a light-transmitting acrylic resin (refractive index: 1.4883, elastic modulus: 3317 Mpa). Its shape is a columnar shape, its cross-sectional diameter is 2 mm, and its length is 11.5 mm. The average value of the diameter of the tracer particles 57 dispersed in the RP model 53 is 100 ⁇ m.
  • FIG. 10 shows the tracer particles 57 dispersed in the RP model 53.
  • the sealed container 51 to which the RP model 53 is fixed to the inner wall has a cylindrical outer appearance, and the cross-sectional diameter (inner wall diameter) d is 41 mm.
  • the RP model 53 is fixed at a position where the height h from the bottom surface of the sealed container 51 is 20 mm.
  • the stirring liquid 52 is a sodium iodide solution, and the refractive index thereof has the same refractive index as that of the acrylic resin constituting the RP model 53.
  • Its kinematic viscosity coefficient (dynamic viscosity) is 1.365 mm / sec 2 at 30.4 ° C.
  • the average value of the diameter of the tracer particles 56 dispersed in the stirring liquid 52 is 60 ⁇ m.
  • the range indicated by C in FIGS. 8 and 9 is an irradiation region of the laser light emitted from the light source 11 in the stirring liquid 52 and the RP model 53, and the size thereof is 30.72 ⁇ 30.72 ⁇ 6. 0.0 mm 2 .
  • FIG. 11 is a diagram showing image data obtained by the camera 14 capturing the stirring liquid reference light and the stirring liquid object light. As shown in FIG. 11, the tracer particles 56 in the stirring liquid 52 are photographed.
  • FIG. 12 is a diagram showing image data obtained by photographing the RP model reference light and the RP model object light by the camera 14. As shown in FIG. 12, the tracer particles 57 in the RP model 53 are photographed.
  • the stress measuring device 100a simultaneously measures the time-dependent change in the three-dimensional stress in the RP model 53 and the time-dependent change in the three-dimensional speed of the stirring liquid 52. Therefore, it is necessary to distinguish and photograph the tracer particles 56 and the tracer particles 57. Therefore, for example, by using the particle mask correlation method described in detail on July 20th, 2002, the Tracer Particle 56 and the Tracer are described in detail, for example, the Visualization Society of Japan, “PIV Handbook”, Morikita Publishing Co., Ltd. Each can be imaged separately from the particles 57.
  • ideal particle images of the tracer particles 56 and the tracer particles 57 are prepared in advance as respective templates. Using the respective templates, regions similar to the respective templates are extracted as the respective particle images of the tracer particles 56 and the tracer particles 57 from the image data in which the respective particle images of the tracer particles 56 and the tracer particles 57 are mixed. .
  • FIG. 13 shows the width of each template of the tracer particle 56 and the tracer particle 57. In the case of FIG. 13, the width of the template of the tracer particle 56 (first particle) in the stirring liquid 52 is ⁇ 2 to 2 pixels, and the width of the template of the tracer particle 57 (second particle) in the RP model 53. Is -3 to 3 pixels.
  • the tracer particles 56 and the tracer particles 57 have different particle sizes, it is possible to distinguish and photograph both as described above.
  • FIG. 14 is a diagram showing image data when the region indicated by C in FIGS. 8 and 9 is viewed from the y direction and image data when viewed from the z direction. As shown in FIG. 14, the tracer particles 56 in the stirring liquid 52 and the tracer particles 57 in the RP model 53 are photographed.
  • the stress measuring device performs image processing on each of a plurality of particles dispersed inside a light transmissive member irradiated with light, and determines each moving direction and amount of movement inside the light transmissive member.
  • a stress measuring device that calculates and measures the three-dimensional stress generated inside the light transmissive member using the calculation results, a refractive index matching liquid having a refractive index that matches the refractive index of the light transmissive member.
  • a holding part that holds the light-transmitting member while immersing it, and a load application mechanism that applies a load to the light-transmitting member held by the holding part.
  • the “load applying mechanism” applies a load to the light transmissive member
  • various stress distributions such as a compressive stress, a shear stress, and a bending stress are realized in the light transmissive member.
  • a load can be applied to the light transmissive member while immersing the light transmissive member to be subjected to stress measurement in a refractive index matching liquid having a refractive index that matches the refractive index.
  • the light transmitting member and the refractive index matching liquid have substantially the same refractive index.
  • the light transmissive member has a complicated shape, the refraction of light at the interface between the light transmissive member and the refractive index matching liquid can be effectively suppressed, and the three-dimensional stress of the light transmissive member can be reduced. Changes over time can be measured with high accuracy.
  • “same” of “the same refractive index” means not only completely matching but also substantially matching. Specifically, if the difference in refractive index between the light transmissive member and the refractive index matching liquid is around 1%, it can be said that the refractive indexes of both are the same.
  • the plurality of particles are uniformly dispersed inside the light transmissive member.
  • the three-dimensional stress of the light transmissive member can be measured with higher accuracy.
  • uniform of “keep uniformly dispersed” means not only completely uniform but also includes a case where it can be said that it is substantially uniform.
  • the plurality of particles are dispersed inside the light transmissive member so as to be locally concentrated in a part of the light transmissive member that is to be measured by the stress measuring device. Is preferred.
  • the light transmissive member is preferably a rapid prototyping model formed using rapid prototyping based on a three-dimensional CAD model for designing complex shapes of products.
  • a conventional rapid prototyping device can be used.
  • the stress measurement method performs image processing on each of a plurality of particles dispersed inside a light transmissive member irradiated with light, and determines each movement direction and amount of movement inside the light transmissive member.
  • a refractive index matching liquid having a refractive index that matches a refractive index of the light transmissive member.
  • a load can be applied to the light transmissive member while immersing the light transmissive member as a stress measurement target in a refractive index matching liquid having a refractive index that matches the refractive index.
  • the load application mechanism is a stirring liquid that is stirred while all of the light transmissive member is immersed, and the stirring liquid is the refractive index matching liquid, and inside the stirring liquid, A plurality of particles having a particle size different from a plurality of particles dispersed inside the light transmissive member are dispersed, and the stress measuring device is applied with a load by stirring the stirring liquid. It is preferable to measure a three-dimensional stress generated in the interior of the glass.
  • the stress measuring device further calculates each moving direction and moving amount inside the stirring liquid by performing image processing on each of the plurality of particles dispersed inside the stirring liquid irradiated with light, and It is preferable to measure the three-dimensional velocity of the stirring liquid using the calculation result.
  • the load applied to the light transmissive member is applied to the light transmissive member by stirring the stirring liquid while immersing all of the light transmissive member in the stirring liquid.
  • the particles are preferably dispersed.
  • the present invention is suitable for a stress measurement apparatus and a stress measurement method for measuring a time-dependent change of a three-dimensional stress field of an RP model formed using three-dimensional CAD and RP based on a three-dimensional holographic PIV or a three-dimensional stereo PIV. is there.
  • a stress measuring device that simultaneously measures the time-dependent change of the three-dimensional stress in the RP model and the time-dependent change of the three-dimensional velocity of the fluid in a three-dimensional space where the RP model and the fluid exist simultaneously. It can also be used for being suitable for a stress measurement method.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

　ラピッドプロトタイピング（ＲＰ）を用いた３次元応力を計測する際に、複雑な形状を持つＲＰモデルを用いた場合でも、高精度に３次元応力の経時変化を計測することができる応力計測装置及び応力計測方法を提供する。応力計測装置（１００）は、光が照射されるＲＰモデル（２１）の内部に分散された複数の粒子のそれぞれについて画像処理してＲＰモデル（２１）の内部におけるそれぞれの移動方向及び移動量を算出し、それらの算出結果を用いてＲＰモデル（２１）の内部に生じる３次元応力を計測する。応力計測装置（１００）は、ＲＰモデル（２１）の屈折率に整合する屈折率を持つ屈折率整合液（２２）の中にＲＰモデル（２１）を浸しながら保持する保持部（２０）と、保持部（２０）に保持されているＲＰモデル（２１）に荷重を印加する荷重印加機構（３１）及び荷重印加機構（３２）とを備えている。

Description

応力計測装置及び応力計測方法
　本発明は、製品の３次元応力を計測するための応力計測装置及び応力計測方法に係り、特に、ラピッドプロトタイピング（Ｒａｐｉｄ　Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ）を用いた応力計測装置及び応力計測方法に関する。
　従来、製品の設計検証として、３次元ＣＡＤ及びラピッドプロトタイピング（以下、「ＲＰ」と略す場合もある。）を利用した設計検証が挙げられる。ここで、「３次元ＣＡＤ」は、３次元座標を入力して立体的なモデルを構築するツールのことをいう。「ＲＰ」は、設計形状を有する製品の試作品を速やかに造形する技術のことをいう。
　一般に、自動車などの車体の内部に配置される部品を設計する際には、車体に部品が収まるかどうかだけでなく、自動車の衝突安全試験として、衝突時における車体や各部品などのひずみ解析も事前に設計段階で検証する必要がある。
　そこで、このような自動車などの製品の設計には、一般に、ＣＡＤが使用されている。特に、最近の３次元ＣＡＤの普及により、設計者は３次元像をコンピュータ画面上で確認できるので作業性は向上し、また、最近のＲＰの普及により、設計者は、現実の部品を使用して試作品を作成することなく、はるかに短時間で対象物の形状を有する３次元モデルを作成することができる。このため、設計検証の利便性と正確性は格段に向上した。
　ＲＰによって造形された試作品（以下、単に、「ＲＰモデル」と呼ぶ場合もある。）を作成するためのＲＰ装置の一例としては、例えば、３次元ＣＡＤデータに基づいて液体樹脂などをレーザ光や紫外線で硬化する光造形装置が既に知られている。
　ところで、このようなＲＰモデルを用いて、上述したような、衝突時における車体や各部品などのひずみ解析といった、製品の３次元応力を計測する場合において、公知の光弾性法を利用する手法が提案されている（例えば、非特許文献１を参照。）。
　光弾性法は、応力解析における有効な手法の１つである。ＲＰモデルに外力を加えて、そのＲＰモデルの内部に生じる応力の場の状態を計測することができる。
　この方法では、外力の印加により複屈折を起こす性質を持つ光弾性材料を用いてＲＰモデルを形成する。そして、そのＲＰモデルに所定の荷重を加えながら、一定時間、且つ、一定温度の下、放置する（この工程を「プロセス１」と呼ぶ。）。
　次に、そのＲＰモデルを複数の板状の層に切断し、各層における応力場を公知の光弾性計測装置を用いて計測する（この工程を「プロセス２」と呼ぶ。）。
　最後に、各層における２次元応力場を今度は弾性力学の支配方程式に代入することによって、そのＲＰモデルの内部における応力場を３次元的に得ることができる。
　しかしながら、上記の手法では、荷重と共に刻々と変わっていく応力場の変化を計測しようとした場合、所定の時間経過ごとに、上述したような、プロセス１とプロセス２とを何度も繰り返さなければならない。
　すなわち、上記の手法には、製品の３次元応力場の経時的変化を計測するためには莫大な時間と人手による手間がかかってしまうといった課題があった。
　この課題は、製品開発の高速化を図る上で致命的な欠陥となる。
　一方、接着剤に多数の粒子を混入し、それら粒子の動きを検出して、接着剤の硬化収縮による流動を可視化する。そして、接着剤の硬化状態の検出や、接着剤の硬化を狙った位置に対するエネルギー照射の位置決めをするなどして、接着の品質を向上させる。そうすることにより、接着剤と被着体との界面での接着破壊の抑制、接着剤の硬化収縮による残留応力の低減、被着体上における接着剤の硬化を狙う位置決めの精度の向上、及び接着剤の経時変化の低減を可能とする接着方法及び接着装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
　この接着方法及び接着装置では、接着剤に混入されている検出対象の粒子または領域に焦点を合わせた対物レンズにより、粒子または領域の画像を２次元ＣＣＤカメラにより撮像する。時系列で複数回撮像して複数画像を取得することによって、粒子の時間的な位置変化を画像として捉える。
　そうすることにより、接着剤硬化による残留応力の経時変化を高速に検出することができる。
　しかしながら、上記の接着方法及び接着装置では、被計測対象物である接着剤とその周囲の雰囲気ガス（通常、空気）との間に屈折率の違いが生じてしまう。
　このため、接着剤からの散乱光が、接着剤から周囲の雰囲気ガスへ進入する際、それらの界面における接着剤と周囲の雰囲気ガスとの間の屈折率の違いにより屈折し、その結果、２次元ＣＣＤカメラがその散乱光を正確に撮像することができないといった課題があった。
　この課題は、特に、被計測対象物が複雑な形状を持つ場合、それらの界面における被計測対象物とその周囲との屈折率の違いによる散乱光の屈折が重畳するため、２次元ＣＣＤカメラによる撮像の精度を大きく低下させてしまう。
日本国公開特許公報「特開２００５－３５０５２４号公報（２００５年１２月２２日公開）」
Robertson, K.: Photoelastic stress analysis, John Wiler & Sons, (1977), 362-367.
　上記課題に鑑み、本発明の目的は、ラピッドプロトタイピング（ＲＰ）を用いた３次元応力を計測する際に、複雑な形状を持つＲＰモデルを用いた場合でも、高精度に３次元応力の経時変化を計測することができる応力計測装置及び応力計測方法を提供することである。
　上記目的を達成するために、本発明に係る応力計測装置は、光が照射される光透過性部材の内部に分散された複数の粒子のそれぞれについて画像処理して前記光透過性部材の内部におけるそれぞれの移動方向及び移動量を算出し、それらの算出結果を用いて前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測する応力計測装置において、前記光透過性部材の屈折率に整合する屈折率を持つ屈折率整合液の中に、前記光透過性部材を浸しながら保持する保持部と、前記保持部に保持されている前記光透過性部材に荷重を印加する荷重印加機構とを備えている。
　ここで、「荷重印加機構」が光透過性部材に荷重を印加することで、光透過性部材に圧縮応力、せん断応力、曲げ応力といった各種の応力分布が実現される。
　上記の応力計測装置では、応力計測対象である光透過性部材を、その屈折率と整合する屈折率を有する屈折率整合液に浸しながら、その光透過性部材に荷重を印加することができる。
　このため、光透過性部材と屈折率整合液との界面における光の屈折を抑えながら、荷重が印加されている光透過性部材の３次元応力を計測することができるので、光透過性部材の３次元応力の経時変化を高精度に計測することができる。
　本発明に係る応力計測方法は、光が照射される光透過性部材の内部に分散された複数の粒子のそれぞれについて画像処理して前記光透過性部材の内部におけるそれぞれの移動方向及び移動量を算出し、それらの算出結果を用いて前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測する応力計測方法において、前記光透過性部材の屈折率に整合する屈折率を持つ屈折率整合液の中に、前記光透過性部材を浸しながら保持し、前記屈折率整合液の中に浸されている前記光透過性部材に荷重を印加しつつ、前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力の経時変化を計測する。
　上記の応力計測方法では、応力計測対象である光透過性部材を、その屈折率と整合する屈折率を有する屈折率整合液に浸しながら、その光透過性部材に荷重を印加することができる。
　このため、光透過性部材と屈折率整合液との界面における光の屈折を抑えながら、荷重が印加されている光透過性部材の３次元応力を計測することができるので、光透過性部材の３次元応力の経時変化を高精度に計測することができる。
　本発明の応力計測装置は、以上のように、光が照射される光透過性部材の内部に分散された複数の粒子のそれぞれについて画像処理して前記光透過性部材の内部におけるそれぞれの移動方向及び移動量を算出し、それらの算出結果を用いて前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測する応力計測装置において、前記光透過性部材の屈折率に整合する屈折率を持つ屈折率整合液の中に、前記光透過性部材を浸しながら保持する保持部と、前記保持部に保持されている前記光透過性部材に荷重を印加する荷重印加機構とを備えている。
　本発明に係る応力計測方法は、以上のように、光が照射される光透過性部材の内部に分散された複数の粒子のそれぞれについて画像処理して前記光透過性部材の内部におけるそれぞれの移動方向及び移動量を算出し、それらの算出結果を用いて前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測する応力計測方法において、前記光透過性部材の屈折率に整合する屈折率を持つ屈折率整合液の中に、前記光透過性部材を浸しながら保持し、前記屈折率整合液の中に浸されている前記光透過性部材に荷重を印加しつつ、前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力の経時変化を計測する。
　それゆえ、ラピッドプロトタイピング（ＲＰ）を用いた３次元応力を計測する際に、複雑な形状を持つＲＰモデルを用いた場合でも、高精度に３次元応力の経時変化を計測することができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る応力計測装置の概略構成図である。 上記の応力計測装置に用いられるＲＰモデル及び屈折率整合液を説明するための概念図である。 上記のＲＰモデルの具体例を示す断面図である。 上記の応力計測装置が備えている画像処理装置によるデジタルホログラフィ画像の記録及びその再生を説明するための概念図である。 上記の画像処理装置によるデジタルホログラフィ画像の記録から３次元応力場を導出するまでの処理について説明するための概念図である（その１）。 上記の画像処理装置によるデジタルホログラフィ画像の記録から３次元応力場を導出するまでの処理について説明するための概念図である（その２）。 本発明の他の実施形態に係る応力計測装置の概略構成図である。 上記の応力計測装置に用いられるＲＰモデル及び撹拌液を説明するための概念図である。 上記のＲＰモデルの具体例を示す断面図である。 上記のＲＰモデル内に分散されたトレーサ粒子の画像データを表わす図である。 上記の撹拌液から出射された撹拌液参照光及び撹拌液物体光を上記の画像処理装置が撮影した画像データを表わす図である。 上記のＲＰモデルから出射されたＲＰモデル参照光及びＲＰモデル物体光を上記の画像処理装置が撮影した画像データを表わす図である。 粒子マスク相関法に用いられるテンプレートを説明するためのグラフである。 図８及び図９中Ｃで示す領域をｙ方向から見た画像データ及びｚ方向から見た画像データを表わす図である。
　〔実施の形態１〕
　本発明の一実施形態について図１～図６に基づいて説明すれば、以下の通りである。
　（応力計測の原理）
　本発明の一実施形態に係る応力計測装置は、３次元ＣＡＤ及びＲＰ技術によって造形されたＲＰモデルを用いてＲＰモデルの内部の応力場を計測するものである。特に、本発明の一実施形態に係る応力計測装置は、ＲＰモデルに荷重を印加しながら、ＲＰモデルの内部に生じる応力場の経時変化を計測することができるものである。
　なお、３次元ＣＡＤは、対象物の３次元モデルを形成する汎用のＣＡＤである。３次元ＣＡＤが形成する３次元モデルは、ソリッドモデルとしての対象物の外形輪郭を忠実に再現することができる。このようなＣＡＤには、その名称の如何に関わらず、当業界で周知のいかなる技術も適用することができる。
　また、ＲＰ技術は、入力されたデータに対応する対象物の外形形状を有するＲＰモデルを速やかに造形する技術である。ＲＰ技術は、例えば、液体樹脂をレーザ光や紫外線で硬化する光造形装置を用いて実現される。このようなＲＰ技術は、当業界で周知のいかなる技術も適用することができる。
　本発明の実施の形態では、このＲＰモデルは、光を透過する透明材料を用いて形成される。この透明材料としては、例えばアクリル等の透明樹脂を用いることが好ましい。もちろん、本発明はこのような樹脂に限られるものではない。要は、外力の印加により複屈折を起こさない性質を持つ光弾性材料であればよい。
　そして、そのＲＰモデル内部には、多数のトレーサ粒子（粒子）が均一に分散される。これらのトレーサ粒子はそれぞれが含まれる、ＲＰモデルの各部位の変位に追従し、各部位と共に移動する。
　先ず、ＲＰモデルに分散される多数のトレーサ粒子について簡単に説明する。
　近年、流動場における可視化技術の研究が進み、画像処理技術を応用した速度の全域計測技術の一例として、複雑な流動場における流体の速度を、画像処理技術を利用して高精度、かつ精密に測定可能な粒子画像流体速度計（Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｉｍａｇｅ　Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ、以下「ＰＩＶ」と称する。）が開発されている。
　この画像処理技術を利用したＰＩＶは、その多くが流れの中に混入され、流れに十分追従するトレーサ粒子にパルスレーザ光を照射してその運動を追跡し、ビデオカメラなどでトレーサ粒子群の動きを撮影する。流れのタイムスケールに比べて十分小さい時間間隔でトレーサ粒子群が移動した距離を撮影した画像を求め、その移動距離を微小撮影時間間隔で割って速度を求めるという原理に基づくものである。
　ＰＩＶでは複数のトレーサ粒子が存在するある範囲内の平均的な流体速度を計測することとなることから、トレーサ粒子の個数を多くすることで空間的に一様な計測点を定めることができる。そのため、ＰＩＶでは速度の空間微分を得やすい利点がある。これらの理由から、流動場の組織構造の抽出に必要な速度や渦度の計測にはＰＩＶは非常に有効な手段であるといえる。
　このようなＰＩＶ解析については、例えば、社団法人可視化情報学会、「ＰＩＶハンドブック」、森北出版株式会社、２００２年７月２０日に詳しく記載されている。
　本発明の一実施形態に係る応力計測装置では、このようなＰＩＶ解析を利用し、ＲＰモデルの内部に生じた応力場の経時変化を計測するものである。
　すなわち、本発明の一実施形態では、ＲＰモデルに多数のトレーサ粒子を予め分散させておく。それら多数のトレーサ粒子はＲＰモデル内部において移動することは無く、ＲＰモデル内部における位置が固定されている。また、多数のトレーサ粒子はＲＰモデルの内部により多く、そして、均一に分散させておくことが好ましい。ここで、この「均一に分散させておく」の「均一」は、完全に均一であるのみならず、実質的に均一と言える場合も含むことを意味する。具体的には、トレーサ粒子がＲＰモデルの内部に分散される度合いの指標として、以下の式で表わされる相対移動距離ρｒを用いた場合、０＜ρｒ＜１の範囲であれば、均一に分散されていると言える。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　上記の式において、相対移動距離ρｒが１以上である場合、粒子像を個々に対応付けし、追跡することが困難となるため、ρｒ＜１である必要がある。一方、０＜ρｒとするのは、上記の式において、ｒｍａｘ（最大移動距離）、Ｎｏ（ホログラム再生体積内の粒子数）、Ｖｏ（ある１つの粒子が次時刻までに移動する可能性をもつ領域の大きさ）及びπはいずれも正の値であることから導き出される。
　なお、本発明の一実施形態では、ＲＰモデルの内部に多数のトレーサ粒子を均一に分散される例を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。
　例えば、ＲＰモデルの内部における計測対象である部分に、計測対象外である部分よりも多くのトレーサ粒子を分散させる、つまり、その計測対象である部分にトレーサ粒子を局所的に集中させてもよい。
　そうすることにより、トレーサ粒子が局所的に集中して分散された部分における計測点を増加させることができるので、計測対象であるその部分の計測精度を高めることができる。
　このようなＲＰモデルに荷重を印加すれば、その荷重の印加に伴い、ＲＰモデルの各部位に変位が生じる。ＲＰモデルの各部位に存在するトレーサ粒子は、各部位と共に移動する。
　したがって、ＲＰモデルに分散された多数のトレーサ粒子それぞれの動きを追跡すれば、ＲＰモデルの各部位の変位を観測することが可能となる。
　そこで、本発明の一実施形態に係る応力計測装置では、このようにして多数のトレーサ粒子が、その内部に分散されたＲＰモデルを用いる。そして、そのＲＰモデルに荷重を印加させながら、ＲＰモデル内部に分散された多数のトレーサ粒子の速度をＰＩＶ解析に基づき求めるものである。
　そして、その求めた各トレーサ粒子の速度は、ＲＰモデルの各部位の速度を表わしており、その結果、ＲＰモデルの各部位における移動距離及び移動方向を計測することができる。
　このようにして計測された結果を基に、本発明の一実施形態に係る応力計測装置は、ＲＰモデルの内部に生じた応力場の経時変化を計測する。
　（応力計測装置１００）
　次に、本発明の一実施形態に係る応力計測装置１００について説明する。応力計測装置１００は、１台のカメラを用いたインラインホログラフィ撮影システムを用いた３次元応力計測装置である。
　なお、本発明は、１台のカメラを用いたインライン３次元応力計測装置の実施形態に限定されるものではない。例えば、複数台のカメラを並べて三角測量の原理で計測を行なうステレオ法であってもよい。また、そのようなステレオ法のうち、複数台のカメラを同じ光軸に配置して計測するインライン型であってもよいし、複数台のカメラを異なる光軸に配置して計測するオフアクシス型であってもよい。
　また、以下では、光源から出射された光がトレーサ粒子によって回折されて物体光となる例を示すが、本発明はこれに限るものではない。トレーサ粒子自身から光が放射された物体光となってもよい。
　図１は、本発明の一実施形態に係る応力計測装置１００の概略構成図である。応力計測装置１００は、図１に示すように、光源１１と、第１の光学系１２と、第２の光学系１３と、カメラ１４と、制御装置１５と、保持部２０と、荷重印加機構３１及び荷重印加機構３２と、画像処理装置４０と、を備えている。
　光源１１は、例えばレーザ光を出射するレーザ光源を用いることができる。この場合、ＣＷレーザでもパルスレーザであってもよい。ただし、後述するトレーサ粒子からの物体光の強度を十分に確保する観点からいえば、高出力が得られるレーザ光源であることが好ましい。図１では、図面の見易さのため、光源１１から出射されたレーザ光については、その光路のみを図中Ａで示す矢印で示している。
　なお、以下では、光源１１にレーザ光源を用いた場合について説明するが、本実施形態はこれに限定されることはない。レーザ光の替わりに、超音波、Ｘ線、ＬＥＤからの光、スーパールミネッセントダイオードからの光、ハロゲンランプからの光、キセノンランプからの光、水銀ランプからの光、ナトリウムランプからの光、マイクロ波、テラヘルツ光、電子線、またはラジオ波を用いてもよい。
　第１の光学系１２は、光源１１から出射されたレーザ光を平行光化するための光学系であり、例えばコリメートレンズを用いればよい。光源１１から出射されたレーザ光は、このようなコリメートレンズからなる第１の光学系１２を通過することにより均一に拡散され、平行光となる。このようにして平行光化されたレーザ光が保持部２０に照射されることになる。
　保持部２０は、応力計測装置１００が応力計測を行なう計測対象であるＲＰモデルを収納するためのものである。保持部２０は、その内部に、ＲＰモデル（光透過性部材）２１を収納する。また、保持部２０は、その内部に、屈折率整合液２２が満たされており、ＲＰモデル２１は、その全部がこの屈折率整合液２２に浸されながら、保持部２０の内部に収納されることになる。
　保持部２０及びその内部に満たされている屈折率整合液２２はいずれも、光源１１から出射されたレーザ光を透過させる。このため、光源１１から出射されたレーザ光は、第１の光学系１２を通過した後、保持部２０の側壁と、屈折率整合液２２とをこの順で通過し、ＲＰモデル２１に進入することになる。
　ＲＰモデル２１の内部には、後述するように、多数のトレーサ粒子が分散されており、ＲＰモデル２１に進入したレーザ光は、ＲＰモデル２１の内部に存在するトレーサ粒子により回折され、回折されなかったレーザ光とともにＲＰモデル２１から出射される。このとき、回折されなかったレーザ光が参照光となり、その結果、この参照光と、回折されたレーザ光である物体光とが干渉することになる。
　そして、ＲＰモデル２１から出射されたレーザ光、つまり、物体光と参照光は共に、屈折率整合液２２と、保持部２０の側壁とをこの順で通過し、第２の光学系１３に進入する。
　第２の光学系１３は、第１の光学系１２と同様、例えばコリメートレンズを用いることができる。第２の光学系１３は、保持部２０から出射されたレーザ光（物体光及び参照光）を再び平行光化し、カメラ１４に入射するための光学系である。例えば、複数のコリメートレンズの組み合わせを用いてもよい。
　カメラ１４（撮像部）は、例えばＣＣＤカメラや高速ＣＣＤカメラ、ＥＭＣＣＤカメラ、ＩＩＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ等の公知のカメラを用いることができる。カメラ１４が撮影した画像データは画像処理装置４０に出力され、そのような画像データを基に、この画像処理装置４０内でＲＰモデル２１内部のトレーサ粒子の移動距離や移動方向が算出される。
　上述したように、ＲＰモデル２１から出射されるレーザ光は、物体光と参照光とを含んでおり、これら２つの光は互いに干渉しあい、その結果、カメラ１４には、ＲＰモデル２１の内部に存在する各トレーサ粒子のデジタルホログラフィ画像が撮像される。
　そして、カメラ１４は、その撮像されたデジタルホログラフィ画像を例えばデジタルデータとして記録し、そのデジタルデータを画像処理装置４０に出力する。
　画像処理装置４０は、カメラ１４が撮影したデジタルホログラフィ画像を基に、３次元画像処理を実行する。画像処理装置４０は、上述したＰＩＶ解析を実行するための解析部４１を有しており、この解析部４１は、ＲＰモデル２１内部の各トレーサ粒子について、カメラ１４が撮影したデジタルホログラフィ画像に対して３次元ＰＩＶ解析を実行する。
　画像処理装置４０は、解析部４１により実行される３次元ＰＩＶ解析に基づき、例えば時刻ｔ０に撮像されたデジタルホログラフィ画像からその時刻における各トレーサ粒子の３次元位置を算出する。同様に、時刻ｔ０＋Δｔに撮像されたデジタルホログラフィ画像からその時刻ｔ０＋Δｔにおける各トレーサ粒子の３次元位置を算出する。そして、各時刻における３次元位置の差分をΔｔで除算することにより、各トレーサ粒子の速度ベクトルを算出することができる。
　画像処理装置４０は、このようして算出されたＲＰモデル２１内部の各トレーサ粒子の速度ベクトルから、時刻ｔ０から時刻ｔ０＋Δｔまでの間におけるＲＰモデル２１内部の応力場の経時変化を計測する。
　荷重印加機構３１及び荷重印加機構３２は、保持部２０の内部に収納されているＲＰモデル２１に荷重を印加するための機構である。荷重印加機構３１及び荷重印加機構３２は、ＲＰモデル２１への荷重の印加の仕方を調節することで、ＲＰモデル２１に圧縮応力、せん断応力、曲げ応力といった各種の応力分布を実現することができる。
　荷重印加機構３１及び荷重印加機構３２は、保持部２０の内部に屈折率整合液２２に浸されながら収納されているＲＰモデル２１をその上下方向（図１におけるｙ軸方向）から支持している。このような状況において、ＲＰモデル２１に対し、荷重印加機構３１からは下向き（図１におけるｙ軸の負の向き）に荷重を印加し、荷重印加機構３２からは上向き（図１におけるｙ軸の正の向き）に荷重を印加する。
　制御装置１５は、光源１１と、カメラ１４と、荷重印加機構３１及び荷重印加機構３２のそれぞれとの間において、各種の制御信号のやり取りを行なうことができるよう、これらの各々と電気的に接続されている。制御装置１５は、例えば、光源１１の駆動動作と、カメラ１４の撮影動作と、荷重印加機構３１及び荷重印加機構３２の各荷重印加動作とを制御する。
　制御装置１５は、例えば、光源１１からのレーザ光の出射タイミングと、荷重印加機構３１及び荷重印加機構３２による荷重の印加タイミングと、カメラ１４による撮影タイミングとを、同期させればよい。
　（ＲＰモデル２１及び屈折率整合液２２）
　次に、ＲＰモデル２１及び屈折率整合液２２について説明する。図２は、ＲＰモデル２１及び屈折率整合液２２を説明するための概念図である。図２では、図面の見易さのため、光源１１から出射されたレーザ光については、その光路のみを図中Ａで示す矢印で示している。なお、図中Ｂで示す範囲は、ＲＰモデル２１における、光源１１から出射されたレーザ光の照射領域である。
　図２に示すように、ＲＰモデル２１の内部には多数のトレーサ粒子２３が分散されている。なお、トレーサ粒子２３の種類等は本発明では特に限定するものではないが、ＲＰモデル２１を構成する光弾性体材料の種類等に応じて適宜選択される。
　また、上述したように、ＲＰモデル２１は保持部２０の内部に収納されており、その保持部２０の内部は屈折率整合液２２で満たされている。つまり、図２に示すように、ＲＰモデル２１の周囲は屈折率整合液２２で取り囲まれている。
　この屈折率整合液２２は、ＲＰモデル２１を構成する光弾性体材料が持つ屈折率に整合する屈折率を有している。具体的には、屈折率整合液２２は、ＲＰモデル２１を構成する光弾性体材料が持つ屈折率と実質的に同一の屈折率を有している。
　なお、ＲＰモデル２１を構成する光弾性体材料と屈折率整合液２２との屈折率の差が１％前後であれば、両者の屈折率は実質的に同一であるといえる。
　ＲＰモデル２１の屈折率と屈折率整合液２２の屈折率が同一であれば、ＲＰモデル２１と屈折率整合液２２との間の界面における屈折率の差が解消されることになる。
　このため、光源１１から出射されたレーザ光が、屈折率整合液２２と、ＲＰモデル２１とを、この順で通過する際、それらの界面において屈折することがない。
　また、ＲＰモデル２１内部の多数のトレーサ粒子２３に回折された物体光及び、多数のトレーサ粒子２３に回折されなかった参照光はいずれも、ＲＰモデル２１から屈折率整合液２２に進入する際、それらの界面において屈折することがない。
　したがって、光源１１から出射されたレーザ光が、屈折率整合液２２とＲＰモデル２１との界面において屈折することなく、ＲＰモデル２１に進入する。そして、ＲＰモデル２１内で回折された物体光及び、回折されなかった参照光が、屈折率整合液２２とＲＰモデル２１との界面において屈折することなく、屈折率整合液２２に進入する。
　このため、カメラ１４は、ＲＰモデル２１内部の多数のトレーサ粒子２３に回折された物体光及び、多数のトレーサ粒子２３に回折されなかった参照光のいずれも正確に撮像することができる。
　ＲＰモデル２１とその周囲との間における屈折率の差は、ＲＰモデル２１の形状が複雑になればなるほど、それらの界面を通過するレーザ光を大きく屈折させ、カメラ１４による正確な撮像を阻害する度合いが大きくなる。
　本発明の一実施形態に係る応力計測装置１００では、このようにＲＰモデル２１の周囲を、ＲＰモデル２１の屈折率と同一の屈折率を有する屈折率整合液２２で取り囲むことで、上記のような課題を解消することができる。
　（実施例）
　次に、ＲＰモデル２１及び屈折率整合液２２の実施例について説明する。図３は、ＲＰモデル２１の具体例を示す断面図である。
　図３に示す実施例では、ＲＰモデル２１を構成する材料は、光透過性のアクリル樹脂（屈折率１．４８８３、弾性係数３３１７Ｍｐａ）である。そのサイズは７．９×５０×７．９ｍｍ３である。
　また、ＲＰモデル２１に荷重を印加する荷重印加機構３１及び荷重印加機構３２は、上述したように、２つの荷重印加機構３２によりＲＰモデル２１を支持すると共に、１つの荷重印加機構３１によりＲＰモデル２１の長手方向（図３におけるｘ軸方向）の中心点付近に圧力（荷重）を印加する。２つの荷重印加機構３２が支持する箇所は、ＲＰモデル２１の上記の中心点から互いに距離Ｌ（＝１５ｍｍ）だけ離れた位置にある。
　本実施例では、荷重印加機構３１から印加される圧力は１００Ｎである。
　トレーサ粒子２３の直径の平均値は６０μｍである。
　屈折率整合液２２は、ヨウ化ナトリウム溶液であり、その屈折率はＲＰモデル２１を構成するアクリル樹脂と同一の屈折率を持つ。
　この圧力（荷重）の印加の前後において、上述したように、ＲＰモデル２１内部の各トレーサ粒子２３の３次元位置を計測し、この圧力（荷重）の印加の前後における各トレーサ粒子２３の速度ベクトルを算出する。
　（画素処理装置４０）
　次に、画像処理装置４０による画像処理について説明する。先ず、画像処理装置４０による、カメラ１４が撮影したデジタルホログラフィ画像の記録及びその再生について説明する。図４は、画像処理装置４０によるデジタルホログラフィ画像の記録及びその再生を説明するための概念図である。
　図４に示すように、ξ‐η平面は、ＲＰモデル２１内の３次元空間において実存する１つの粒子（トレーサ粒子２３）の座標を表わしている。
　この粒子（トレーサ粒子２３）により回折した物体光及び、この粒子（トレーサ粒子２３）により回折しなかった参照光は、カメラ１４の撮像面において光強度Ｉｄ（ｘ，ｙ，０）として記録される。なお、カメラ１４の撮像面は、ξ‐η平面上における上記の粒子（トレーサ粒子２３）から距離ｄだけ離れたｘ‐ｙ平面上にある。
　次に、ｚ軸上の任意の位置ｚ＝ｄ’における光振幅場ｈｚ（ｘｚ，ｙｚ）は、以下の式で表わすことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、ｊは虚数単位を示し、λはレーザ光の波長を示している。また、Ｌは、ｘ‐ｙ平面とｘｚ‐ｙｚ平面との間における、対応する２点間の距離であり、以下の式で表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　そして光強度Ｉｚ（ｘｚ，ｙｚ）は、以下の式から算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　このようにして、ｘ‐ｙ平面から距離ｄだけ離れたｘｄ‐ｙｄ平面上において上記の粒子（トレーサ粒子２３）が再生される。
　次に、画像処理装置４０による、カメラ１４が撮影したデジタルホログラフィ画像の記録から３次元応力場を導出するまでについて説明する。図５及び図６は、画像処理装置４０によるデジタルホログラフィ画像の記録から３次元応力場を導出するまでについて説明するための概念図である。
　図５に示すように、先ず、ＲＰモデル２１に荷重印加機構３１及び荷重印加機構３２によるＲＰモデル２１への荷重印加の前後において、カメラ１４によるデジタルホログラフィ画像がそれぞれ記録される（ステップ１）。
　上述したように、各デジタルホログラフィ画像が再生され、各トレーサ粒子２３の３次元位置が検出される（ステップ２）。
　この荷重印加の前後における各トレーサ粒子２３の３次元ベクトル場を算出する（ステップ３）。
　誤った３次元ベクトル場を削除する（ステップ４）。
　３次元ベクトル場を再配置する（ステップ５）。
　３次元ベクトル場をスムージングする（ステップ６）。
　このようにして得られたＲＰモデル２１への荷重印加の前後における３次元ベクトル場から、以下の式を用いて３次元変位場を算出する。
　ε (εx, εy, εz) = ∂U/∂x = (∂u/∂x, ∂v/∂y, ∂w/∂z)　…（４）
　そして、図６に示すように、式（４）から得られた３次元変位場（図６の（ａ））から、以下の式を用いて３次元応力場（図６の（ｂ））を算出する。
　σ(σx, σy, σz)= E・ε= (E・εx, E・εy, E・εz)　…（５）
　このようにして、画像処理装置４０はＲＰモデル２１への荷重印加の前後における３次元応力場を算出する。
　〔実施の形態２〕
　次に、本発明の実施の形態２について説明する。上記の実施の形態１では、多数のトレーサ粒子を例えば車体やその車体に収められる各種の部品といった構造体に分散させ、それら多数のトレーサ粒子の変位、つまり、移動方向及び移動量を追跡することにより、構造体の３次元応力を計測する実施の形態であった。なお、上記構造体とは、外力などの荷重に抵抗できるように、各種の部材を組み合わせた物体のことである。
　これに対し、本発明の実施の形態２は、上記構造体と流体とが同時に存在する３次元空間内における、上記構造体内の３次元応力の経時変化の計測と上記流体の３次元速度の経時変化の計測とを同時に行なう実施の形態である。
　具体的には、本発明の実施の形態２は、上記実施の形態１と同様に、上記構造体内に多数のトレーサ粒子を分散させる。さらに、上記流体内にも多数のトレーサ粒子を分散させる。ただし、上記構造体内に分散されるトレーサ粒子と上記流体内に分散されるトレーサ粒子とでは、それらの粒径が異なっている。
　すなわち、本発明の実施の形態２では、このような互いに異なる粒径を持つ２種類のトレーサ粒子をそれぞれ、上記構造体と上記流体とに分散させる。そして、それら２種類のトレーサ粒子の各々に対し、上記実施の形態１の応力計測装置及び応力計測方法を適用し、上記構造体については３次元応力の経時変化を計測する一方、上記流体に関しては３次元速度の経時変化を計測するものである。
　流体の３次元速度の経時変化は、上記実施の形態１と同様にして多数のトレーサ粒子の変位を追跡することにより、計測することができる。構造体であれば、その形状が固定であるがゆえに、荷重が印加されればその内部に応力が発生する。これに対し、流体は流動体、変形体であり、荷重が印加されればその印加の向きに流動、変形する。したがって、構造体であればトレーサ粒子の変位は構造体内の３次元応力の経時変化を表わすことになり、流体であればトレーサ粒子の変位は流体の３次元速度の経時変化を表わすことになる。
　なお、本発明の実施の形態２は、上記のような、構造体と流体とが同時に存在する３次元空間に限られるものでは無い。例えば、２つ以上の構造体が相互に作用を及ぼしあう（例えば、相互に荷重を印加しあう）３次元空間内における、それら２つ以上の構造体内の３次元応力の経時変化を計測することも可能である。
　以下では、上で述べたように、上記構造体と流体とが同時に存在する３次元空間内における、上記構造体内の３次元応力の経時変化の計測と上記流体の３次元速度の経時変化の計測とを同時に行なう実施の形態について説明する。
　（応力計測装置１００ａ）
　図７は、本発明の実施の形態２に係る応力計測装置１００ａの概略構成図である。以下、上記の実施の形態１と同様の部分については、同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　応力計測装置１００ａは、図７に示すように、光源１１と、第１の光学系１２と、第２の光学系１３と、カメラ１４と、制御装置１５ａと、保持部２０と、画像処理装置４０と、を備えている。
　そして、保持部２０の内部には、密閉容器５１と、密閉容器５１内に満たされ、撹拌される撹拌液５２と、密閉容器５１の内壁に固定されたＲＰモデル（光透過性部材）５３と、密閉容器５１内の撹拌液５２を撹拌するための撹拌部材５４と、が設けられている。
　密閉容器５１は、応力計測装置１００ａが応力計測を行なう計測対象である上記構造体であるＲＰモデル５３と、応力計測装置１００ａが速度計測を行なう計測対象である上記流体である撹拌液５２と、収納するためのものである。ＲＰモデル５３は、その全部がこの撹拌液５２に浸されながら、密閉容器５１の内部に収納されることになる。
　密閉容器５１及びその内部に満たされている撹拌液５２はいずれも、光源１１から出射されたレーザ光を透過させる。このため、光源１１から出射されたレーザ光は、第１の光学系１２を通過した後、保持部２０の側壁と、屈折率整合液２２と、密閉容器５１の側壁と、をこの順で通過し、撹拌液５２及びＲＰモデル５３に進入することになる。
　ＲＰモデル５３の内部には、上記実施の形態１と同様、多数のトレーサ粒子が分散されており、ＲＰモデル５３に進入したレーザ光は、ＲＰモデル５３の内部に存在するトレーサ粒子により回折され、回折されなかったレーザ光とともにＲＰモデル５３から出射される。このとき、回折されなかったレーザ光が参照光となり、その結果、この参照光と、回折されたレーザ光である物体光とが干渉することになる。これら参照光と物体光とは、ＲＰモデル５３内のトレーサ粒子の変位を追跡するために利用される。以下、ＲＰモデル５３内のトレーサ粒子の変位を追跡するために利用される参照光及び物体光をそれぞれ、「ＲＰモデル参照光」及び「ＲＰモデル物体光」と呼ぶ。
　そして、ＲＰモデル５３から出射されたレーザ光、つまり、ＲＰモデル物体光とＲＰモデル参照光は共に、撹拌液５２と、密閉容器５１の側壁と、屈折率整合液２２と、保持部２０の側壁とをこの順で通過し、第２の光学系１３に進入する。なお、このＲＰモデル物体光とＲＰモデル参照光とのそれぞれの一部は、撹拌液５２内のトレーサ粒子５６により、再び回折される場合もある。その場合、その回折された光は、ＲＰモデル５３内のトレーサ粒子の変位を追跡するためには利用されないことになる。
　さらに、ＲＰモデル５３と同様、撹拌液５２の内部には、多数のトレーサ粒子５６が分散されており、撹拌液５２に進入したレーザ光は、撹拌液５２の内部に存在するトレーサ粒子５６により回折され、回折されなかったレーザ光とともに撹拌液５２から出射される。このとき、回折されなかったレーザ光が参照光となり、その結果、この参照光と、回折されたレーザ光である物体光とが干渉することになる。これら参照光と物体光とは、撹拌液５２内のトレーサ粒子５６の変位を追跡するために利用される。以下、撹拌液５２内のトレーサ粒子５６の変位を追跡するために利用される参照光及び物体光をそれぞれ、「撹拌液参照光」及び「撹拌液物体光」と呼ぶ。
　そして、撹拌液５２から出射されたレーザ光、つまり、撹拌液物体光と撹拌液参照光は共に、密閉容器５１の側壁と、屈折率整合液２２と、保持部２０の側壁とをこの順で通過し、第２の光学系１３に進入する。なお、この撹拌液物体光と撹拌液参照光とのそれぞれの一部は、ＲＰモデル５３内のトレーサ粒子により、再び回折される場合もある。その場合、その回折された光は、撹拌液５２内のトレーサ粒子の変位を追跡するためには利用されないことになる。
　撹拌部材５４は、撹拌液５２を撹拌させるための部材である。撹拌部材５４は、例えば、こまのように自転動作を行なうことにより、その自転の向きに従う流れを撹拌液５２に引き起こすためのものである。図７の場合であれば、撹拌部材５４は、ｘｚ平面における右回転または左回転の流れを撹拌液５２に引き起こすことができる。これにより、撹拌液５２の中に上で述べたような右回転や左回転の流れが生じ、その結果、撹拌液５２の一部はＲＰモデル５３に衝突することになる。この衝突は、上記の実施の形態１において荷重印加機構３１及び荷重印加機構３２がＲＰモデル２１に印加する荷重と同様、ＲＰモデル５３に荷重を印加することになる。図７の場合、撹拌部材５４がｘｚ平面における右回転または左回転すると、ｘｚ平面に平行な向き（図８中Ｄで示す矢印の向き）の荷重がＲＰモデル５３に印加されることになる。
　すなわち、撹拌部材５４による撹拌液５２の流れはＲＰモデル５３に荷重を印加する荷重印加機構であるといえる。
　また、撹拌部材５４は、例えば、保持部２０の外部に向かって延在する支柱５４ａを備えており、この支柱５４ａが駆動回路５５に接続されている。駆動回路５５は、支柱５４ａを回転させることにより、上で述べた撹拌部材５４の自転動作を駆動させる。駆動回路５５は、後述するように、制御回路１５ａにその駆動動作が制御されている。
　応力計測装置１００ａでは、上で述べたＲＰモデル参照光及びＲＰモデル物体光と、撹拌液参照光及び撹拌液物体光とを、カメラ１４が撮像することになる。すなわち、ＲＰモデル参照光及びＲＰモデル物体光をカメラ１４が撮影した画像データは、画像処理装置４０に出力され、そのような画像データを基に、この画像処理装置４０内でＲＰモデル５３内部のトレーサ粒子の移動距離や移動方向が算出される。一方、撹拌液参照光及び撹拌液物体光をカメラ１４が撮影した画像データは、画像処理装置４０に出力され、そのような画像データを基に、この画像処理装置４０内で撹拌液５２内部のトレーサ粒子５６の移動距離や移動方向が算出される。
　ＲＰモデル５３から出射されるレーザ光である、ＲＰモデル物体光とＲＰモデル参照光は互いに干渉しあい、その結果、カメラ１４には、ＲＰモデル５３の内部に存在する各トレーサ粒子のデジタルホログラフィ画像が撮像される。
　そして、カメラ１４は、その撮像されたデジタルホログラフィ画像を例えばデジタルデータとして記録し、そのデジタルデータを画像処理装置４０に出力する。
　画像処理装置４０は、カメラ１４が撮影したデジタルホログラフィ画像を基に、３次元画像処理を実行する。解析部４１は、ＲＰモデル５３内部の各トレーサ粒子について、カメラ１４が撮影したデジタルホログラフィ画像に対して３次元ＰＩＶ解析を実行する。
　画像処理装置４０は、解析部４１により実行される３次元ＰＩＶ解析に基づき、例えば時刻ｔ０に撮像されたデジタルホログラフィ画像からその時刻における各トレーサ粒子の３次元位置を算出する。同様に、時刻ｔ０＋Δｔに撮像されたデジタルホログラフィ画像からその時刻ｔ０＋Δｔにおける各トレーサ粒子の３次元位置を算出する。そして、各時刻における３次元位置の差分をΔｔで除算することにより、各トレーサ粒子の速度ベクトルを算出することができる。
　画像処理装置４０は、このようして算出されたＲＰモデル５３内部の各トレーサ粒子の速度ベクトルから、時刻ｔ０から時刻ｔ０＋Δｔまでの間におけるＲＰモデル５３内部の応力場の経時変化を計測する。
　同様に、撹拌液５２から出射されるレーザ光である、撹拌液物体光と撹拌液参照光は互いに干渉しあい、その結果、カメラ１４には、撹拌液５２の内部に存在する各トレーサ粒子５６のデジタルホログラフィ画像が撮像される。
　そして、カメラ１４は、その撮像されたデジタルホログラフィ画像を例えばデジタルデータとして記録し、そのデジタルデータを画像処理装置４０に出力する。
　画像処理装置４０は、カメラ１４が撮影したデジタルホログラフィ画像を基に、３次元画像処理を実行する。解析部４１は、撹拌液５２内部の各トレーサ粒子５６について、カメラ１４が撮影したデジタルホログラフィ画像に対して３次元ＰＩＶ解析を実行する。
　画像処理装置４０は、解析部４１により実行される３次元ＰＩＶ解析に基づき、例えば時刻ｔ０に撮像されたデジタルホログラフィ画像からその時刻における各トレーサ粒子５６の３次元位置を算出する。同様に、時刻ｔ０＋Δｔに撮像されたデジタルホログラフィ画像からその時刻ｔ０＋Δｔにおける各トレーサ粒子５６の３次元位置を算出する。そして、各時刻における３次元位置の差分をΔｔで除算することにより、各トレーサ粒子５６の速度ベクトルを算出することができる。
　画像処理装置４０は、このようして算出された撹拌液５２内部の各トレーサ粒子５６の速度ベクトルから、時刻ｔ０から時刻ｔ０＋Δｔまでの間における撹拌液５２の速度場の経時変化を計測する。
　制御装置１５ａは、光源１１と、カメラ１４と、駆動回路５５のそれぞれとの間において、各種の制御信号のやり取りを行なうことができるよう、これらの各々と電気的に接続されている。制御装置１５は、例えば、光源１１の駆動動作と、カメラ１４の撮影動作と、駆動回路５５の駆動動作とを制御する。
　制御装置１５は、例えば、光源１１からのレーザ光の出射タイミングと、駆動回路５５による撹拌部材５４の駆動タイミングと、カメラ１４による撮影タイミングとを、同期させればよい。
　（撹拌液５２及びＲＰモデル５３）
　次に、撹拌液５２及びＲＰモデル５３について説明する。図８は、撹拌液５２及びＲＰモデル５３を説明するための概念図である。図８では、図面の見易さのため、光源１１から出射されたレーザ光については、その光路のみを図中Ａで示す矢印で示している。なお、図中Ｃで示す範囲は、撹拌液５２及びＲＰモデル５３における、光源１１から出射されたレーザ光の照射領域である。
　図８に示すように、ＲＰモデル５３の内部には多数のトレーサ粒子５７が分散されている。トレーサ粒子５７の種類等は本発明では特に限定するものではないが、ＲＰモデル５３を構成する光弾性体材料の種類等に応じて適宜選択される。
　また、上述したように、ＲＰモデル５３は密閉容器５１の内壁に固定されており、その密閉容器５１の内部は撹拌液５２で満たされている。つまり、図８に示すように、ＲＰモデル５３の周囲は撹拌液５２で取り囲まれている。
　この撹拌液５２は、ＲＰモデル５３を構成する光弾性体材料が持つ屈折率に整合する屈折率を有している。具体的には、撹拌液５２は、ＲＰモデル５３を構成する光弾性体材料が持つ屈折率と実質的に同一の屈折率を有している。このことから、攪拌液５２は、上記実施の形態１においてＲＰモデル２１の周囲を取り囲む屈折率整合液２２と同様の機能を有するものといえる。
　なお、ＲＰモデル５３を構成する光弾性体材料と撹拌液５２との屈折率の差が１％前後であれば、両者の屈折率は実質的に同一であるといえる。
　ＲＰモデル５３の屈折率と撹拌液５２の屈折率が同一であれば、ＲＰモデル５３と撹拌液５２との間の界面における屈折率の差が解消されることになる。
　このため、光源１１から出射されたレーザ光が、撹拌液５２と、ＲＰモデル５３とを、この順で通過する際、それらの界面において屈折することがない。
　また、ＲＰモデル５３内部の多数のトレーサ粒子５７に回折されたＲＰモデル物体光及び、多数のトレーサ粒子５７に回折されなかったＲＰモデル参照光はいずれも、ＲＰモデル５３から撹拌液５２に進入する際、それらの界面において屈折することがない。
　したがって、光源１１から出射されたレーザ光が、撹拌液５２とＲＰモデル５３との界面において屈折することなく、ＲＰモデル５３に進入する。そして、ＲＰモデル５３内で回折されたＲＰモデル物体光及びＲＰモデル参照光が、撹拌液５２とＲＰモデル５３との界面において屈折することなく、撹拌液５２に進入する。
　このため、カメラ１４は、ＲＰモデル５３内部の多数のトレーサ粒子５７に回折されたＲＰモデル物体光及び、多数のトレーサ粒子５７に回折されなかったＲＰモデル参照光のいずれも正確に撮像することができる。
　ＲＰモデル５３とその周囲との間における屈折率の差は、ＲＰモデル５３の形状が複雑になればなるほど、それらの界面を通過するレーザ光を大きく屈折させ、カメラ１４による正確な撮像を阻害する度合いが大きくなる。
　本発明の実施の形態２に係る応力計測装置１００ａにおいても、このようにＲＰモデル５３の周囲を、ＲＰモデル５３の屈折率と同一の屈折率を有する撹拌液５２で取り囲むことで、上記のような課題を解消することができる。
　なお、本実施の形態２においては、密閉容器５１が保持部２０の内部に収納されており、その保持部２０の内部は屈折率整合液２２で満たされている。つまり、図８に示すように、密閉容器５１の周囲が屈折率整合液２２で取り囲まれている。
　このため、屈折率整合液２２は、密閉容器５１を構成する、光を透過する透明材料が持つ屈折率に整合する屈折率を有している。例えば、密閉容器５１をＲＰモデル５３と同一の光弾性体材料を用いて構成すれば、屈折率整合液２２、密閉容器５１、撹拌液５２及びＲＰモデル５３は実質的に同一の屈折率を有していればよい。屈折率整合液２２と密閉容器５１とが同一の屈折率を有することによる効果は、上述した、撹拌液５２とＲＰモデル５３とが同一の屈折率を有することによる効果と同様であり、ここでは繰り返して説明しない。
　（実施例）
　次に、撹拌液５２及びＲＰモデル５３の実施例について説明する。図９は、撹拌液５２（その一部）及びＲＰモデル５３の具体例を示す断面図である。
　図９に示す実施例では、ＲＰモデル５３を構成する材料は、光透過性のアクリル樹脂（屈折率１．４８８３、弾性係数３３１７Ｍｐａ）である。その形状は円柱形状であり、その断面の直径が２ｍｍ、その長さが１１．５ｍｍである。ＲＰモデル５３に分散されたトレーサ粒子５７の直径の平均値は１００μｍである。図１０に、ＲＰモデル５３に分散されたトレーサ粒子５７を示す。
　なお、図８に示すように、ＲＰモデル５３が、その内壁に固定される密閉容器５１は、その外観形状が円柱形状であり、その断面の直径（内壁の直径）ｄは４１ｍｍである。ＲＰモデル５３は、この密閉容器５１の底面からの高さｈが２０ｍｍの位置に固定されている。
　撹拌液５２は、屈折率整合液２２と同様、ヨウ化ナトリウム溶液であり、その屈折率はＲＰモデル５３を構成するアクリル樹脂と同一の屈折率を持つ。その動粘性係数（動的粘度）は、３０．４℃において１．３６５ｍｍ／ｓｅｃ２である。撹拌液５２に分散されたトレーサ粒子５６の直径の平均値は６０μｍである。
　なお、図８及び図９中Ｃで示す範囲は、撹拌液５２及びＲＰモデル５３における、光源１１から出射されたレーザ光の照射領域であるが、そのサイズは３０．７２×３０．７２×６．０ｍｍ２である。
　図１１は、撹拌液参照光及び撹拌液物体光をカメラ１４が撮影した画像データを表わす図である。図１１に示すように、撹拌液５２内のトレーサ粒子５６が撮影されている。
　図１２は、ＲＰモデル参照光及びＲＰモデル物体光をカメラ１４が撮影した画像データを表わす図である。図１２に示すように、ＲＰモデル５３内のトレーサ粒子５７が撮影されている。
　なお、応力計測装置１００ａは、上述したように、ＲＰモデル５３内の３次元応力の経時変化の計測と撹拌液５２の３次元速度の経時変化の計測とを同時に行なうものである。したがって、トレーサ粒子５６とトレーサ粒子５７とを区別し、撮影する必要がある。このため、例えば、例えば、社団法人可視化情報学会、「ＰＩＶハンドブック」、森北出版株式会社、２００２年７月２０日に詳しく記載されている、粒子マスク相関法を用いることにより、トレーサ粒子５６とトレーサ粒子５７と区別し、それぞれを撮影することができる。
　この粒子マスク相関法では、トレーサ粒子５６及びトレーサ粒子５７の各々の理想的な粒子像をそれぞれのテンプレートとして予め準備する。それぞれのテンプレートを用いて、トレーサ粒子５６及びトレーサ粒子５７のそれぞれの粒子画像が混在する画像データの中から、各テンプレートに類似する領域をトレーサ粒子５６及びトレーサ粒子５７のそれぞれの粒子像として抽出する。図１３は、トレーサ粒子５６及びトレーサ粒子５７の各テンプレートの幅を示すものである。図１３の場合、撹拌液５２内のトレーサ粒子５６（第１の粒子）のテンプレートの幅が－２～２ピクセルであり、ＲＰモデル５３内のトレーサ粒子５７（第２の粒子）のテンプレートの幅が－３～３ピクセルとなっている。
　本実施形態２においては、トレーサ粒子５６及びトレーサ粒子５７が互いに異なる粒径を持つことにより、上記のようにして、両者を区別し、撮影することが可能となる。
　図１４は、図８及び図９中Ｃで示す領域をｙ方向から見た画像データ及びｚ方向から見た画像データを表わす図である。図１４に示すように、撹拌液５２内のトレーサ粒子５６及びＲＰモデル５３内のトレーサ粒子５７が撮影されている。
　本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
　本発明に係る応力計測装置は、光が照射される光透過性部材の内部に分散された複数の粒子のそれぞれについて画像処理して前記光透過性部材の内部におけるそれぞれの移動方向及び移動量を算出し、それらの算出結果を用いて前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測する応力計測装置において、前記光透過性部材の屈折率に整合する屈折率を持つ屈折率整合液の中に、前記光透過性部材を浸しながら保持する保持部と、前記保持部に保持されている前記光透過性部材に荷重を印加する荷重印加機構とを備えている。
　ここで、「荷重印加機構」が光透過性部材に荷重を印加することで、光透過性部材に圧縮応力、せん断応力、曲げ応力といった各種の応力分布が実現される。
　上記の応力計測装置では、応力計測対象である光透過性部材を、その屈折率と整合する屈折率を有する屈折率整合液に浸しながら、その光透過性部材に荷重を印加することができる。
　このため、光透過性部材と屈折率整合液との界面における光の屈折を抑えながら、荷重が印加されている光透過性部材の３次元応力を計測することができるので、光透過性部材の３次元応力の経時変化を高精度に計測することができる。
　前記光透過性部材と前記屈折率整合液とは、それぞれの屈折率が実質的に同一であることが好ましい。
　この場合、光透過性部材が複雑な形状を持つ場合でも、光透過性部材と屈折率整合液との界面における光の屈折を効果的に抑えることができ、光透過性部材の３次元応力の経時変化を高精度に計測することができる。
　ここで、「それぞれの屈折率が同一である」の「同一」は、完全に一致するのみならず、実質的に一致する場合を含むことを意味する。具体的には、光透過性部材と屈折率整合液との屈折率の差は、１％前後であれば、両者の屈折率は同一であるといえる。
　前記複数の粒子は、前記光透過性部材の内部に均一に分散されていることが好ましい。
　この場合、光透過性部材の３次元応力の計測をより精度良く行なうことができる。
　ここで、この「均一に分散させておく」の「均一」は、完全に均一であるのみならず、実質的に均一と言える場合も含むことを意味する。
　前記複数の粒子は、前記光透過性部材の内部のうち前記応力計測装置による計測対象となる一部の部分に局所的に集中するようにして前記光透過性部材の内部に分散されていることが好ましい。
　この場合、計測対象となる一部の部分に多くの粒子が分散されているので、その部分の計測精度を高めることができる。
　前記光透過性部材は、製品の複雑な形状を設計するための３次元ＣＡＤモデルに基づき、ラピッドプロトタイピングを利用して形成されたラピッドプロトタイピングモデルであることが好ましい。
　この場合、従来からのラピッドプロトタイピング装置を用いることができる。
　本発明に係る応力計測方法は、光が照射される光透過性部材の内部に分散された複数の粒子のそれぞれについて画像処理して前記光透過性部材の内部におけるそれぞれの移動方向及び移動量を算出し、それらの算出結果を用いて前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測する応力計測方法において、前記光透過性部材の屈折率に整合する屈折率を持つ屈折率整合液の中に、前記光透過性部材を浸しながら保持し、前記屈折率整合液の中に浸されている前記光透過性部材に荷重を印加しつつ、前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力の経時変化を計測する。
　上記の応力計測方法では、応力計測対象である光透過性部材を、その屈折率と整合する屈折率を有する屈折率整合液に浸しながら、その光透過性部材に荷重を印加することができる。
　このため、光透過性部材と屈折率整合液との界面における光の屈折を抑えながら、荷重が印加されている光透過性部材の３次元応力を計測することができるので、光透過性部材の３次元応力の経時変化を高精度に計測することができる。
　前記荷重印加機構は、前記光透過性部材の全部が浸されながら、撹拌される撹拌液であり、且つ、前記撹拌液が前記屈折率整合液となっており、前記撹拌液の内部には、前記光透過性部材の内部に分散される複数の粒子とは異なる粒径を持つ複数の粒子が分散され、前記応力計測装置は、前記撹拌液の撹拌により荷重が印加される前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測することが好ましい。
　この場合、流体である撹拌液の撹拌により荷重が印加される光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測することができる。
　このため、構造体であるＲＰモデルと流体である攪拌液とが同時に存在し、相互に作用しあう３次元空間内における、ＲＰモデル内の３次元応力の経時変化を計測することができる。
　前記応力計測装置はさらに、光が照射される前記撹拌液の内部に分散された複数の粒子のそれぞれについて画像処理して前記撹拌液の内部におけるそれぞれの移動方向及び移動量を算出し、それらの算出結果を用いて前記撹拌液の３次元速度を計測することが好ましい。
　この場合、ＲＰモデル内の３次元応力の経時変化の計測と攪拌液の３次元速度の経時変化の計測とを同時に行なうことが実現される。
　上記の応力計測方法において、前記光透過性部材に印加される荷重は、撹拌液に前記光透過性部材の全部を浸しながら、前記撹拌液を撹拌することにより前記光透過性部材に印加される荷重であり、且つ、前記撹拌液が前記屈折率整合液となっており、前記撹拌液の内部には、前記光透過性部材の内部に分散される複数の粒子とは異なる粒径を持つ複数の粒子が分散されていることが好ましい。
　この場合、流体である撹拌液の撹拌により荷重が印加される光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測することができる。
　このため、構造体であるＲＰモデルと流体である攪拌液とが同時に存在し、相互に作用しあう３次元空間内における、ＲＰモデル内の３次元応力の経時変化を計測することができる。
　本発明は、３次元ＣＡＤ及びＲＰを用いて形成されたＲＰモデルの３次元応力場の経時変化を３次元ホログラフィックＰＩＶや３次元ステレオＰＩＶに基づき計測する応力計測装置及び応力計測方法に好適である。また、上記ＲＰモデルと流体とが同時に存在する３次元空間内における、上記ＲＰモデル内の３次元応力の経時変化の計測と上記流体の３次元速度の経時変化の計測とを同時に行なう応力計測装置及び応力計測方法に好適であるにも利用可能である。さらに、２つ以上のＲＰモデルが相互に作用を及ぼしあう３次元空間内における、それら２つ以上のＲＰモデル内の３次元応力の経時変化を同時に計測する応力計測装置及び応力計測方法にも好適である。
　１１　　光源
　１２　　第１の光学系
　１３　　第２の光学系
　１４　　カメラ
　１５、１５ａ　　制御装置
　２０　　保持部
　２１、５３　　ＲＰモデル（光透過性部材）
　２２　　屈折率整合液
　２３　　トレーサ粒子（粒子）
　３１、３２　　荷重印加機構
　４０　　画像処理装置
　４１　　解析部
　５１　　密閉容器
　５２　　撹拌液
　５４　　撹拌部材
　５５　　駆動回路
　１００、１００ａ　　応力計測装置

Claims (9)

  1. 　光が照射される光透過性部材の内部に分散された複数の粒子のそれぞれについて画像処理して前記光透過性部材の内部におけるそれぞれの移動方向及び移動量を算出し、それらの算出結果を用いて前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測する応力計測装置において、
    　前記光透過性部材の屈折率に整合する屈折率を持つ屈折率整合液の中に、前記光透過性部材を浸しながら保持する保持部と、
    　前記保持部に保持されている前記光透過性部材に荷重を印加する荷重印加機構と
    を備えていることを特徴とする応力計測装置。
  2. 　前記光透過性部材と前記屈折率整合液とは、それぞれの屈折率が同一であることを特徴とする請求項１に記載の応力計測装置。
  3. 　前記複数の粒子は、前記光透過性部材の内部に均一に分散されていることを特徴とする請求項１または２に記載の応力計測装置。
  4. 　前記複数の粒子は、前記光透過性部材の内部のうち前記応力計測装置による計測対象となる一部の部分に局所的に集中するようにして前記光透過性部材の内部に分散されていることを特徴とする請求項１または２に記載の応力計測装置。
  5. 　前記光透過性部材は、製品の複雑な形状を設計するための３次元ＣＡＤモデルに基づき、ラピッドプロトタイピングを利用して形成されたラピッドプロトタイピングモデルであることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の応力計測装置。
  6. 　光が照射される光透過性部材の内部に分散された複数の粒子のそれぞれについて画像処理して前記光透過性部材の内部におけるそれぞれの移動方向及び移動量を算出し、それらの算出結果を用いて前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測する応力計測方法において、
    　前記光透過性部材の屈折率に整合する屈折率を持つ屈折率整合液の中に、前記光透過性部材を浸しながら保持し、
    　前記屈折率整合液の中に浸されている前記光透過性部材に荷重を印加しつつ、前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力の経時変化を計測することを特徴とする応力計測方法。
  7. 　前記荷重印加機構は、前記光透過性部材の全部が浸されながら、撹拌される撹拌液であり、且つ、前記撹拌液が前記屈折率整合液となっており、
    　前記撹拌液の内部には、前記光透過性部材の内部に分散される複数の粒子とは異なる粒径を持つ複数の粒子が分散され、前記応力計測装置は、前記撹拌液の撹拌により荷重が印加される前記光透過性部材の内部に生じる３次元応力を計測することを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の応力計測装置。
  8. 　前記応力計測装置はさらに、光が照射される前記撹拌液の内部に分散された複数の粒子のそれぞれについて画像処理して前記撹拌液の内部におけるそれぞれの移動方向及び移動量を算出し、それらの算出結果を用いて前記撹拌液の３次元速度を計測することを特徴とする請求項７に記載の応力計測装置。
  9. 　前記光透過性部材に印加される荷重は、撹拌液に前記光透過性部材の全部を浸しながら、前記撹拌液を撹拌することにより前記光透過性部材に印加される荷重であり、且つ、前記撹拌液が前記屈折率整合液となっており、
    　前記撹拌液の内部には、前記光透過性部材の内部に分散される複数の粒子とは異なる粒径を持つ複数の粒子が分散されていることを特徴とする請求項６に記載の応力計測方法。
PCT/JP2010/069043 2009-11-27 2010-10-27 応力計測装置及び応力計測方法 WO2011065175A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/511,840 US20120250001A1 (en) 2009-11-27 2010-10-27 Stress measurement device and stress measurement method
JP2011543180A JPWO2011065175A1 (ja) 2009-11-27 2010-10-27 応力計測装置及び応力計測方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009-270501 2009-11-27
JP2009270501 2009-11-27

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2011065175A1 true WO2011065175A1 (ja) 2011-06-03

Family

ID=44066279

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2010/069043 WO2011065175A1 (ja) 2009-11-27 2010-10-27 応力計測装置及び応力計測方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20120250001A1 (ja)
JP (1) JPWO2011065175A1 (ja)
WO (1) WO2011065175A1 (ja)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102519628A (zh) * 2011-12-16 2012-06-27 清华大学 颗粒三维受力与二维流速场的耦合测量装置
JP2016024002A (ja) * 2014-07-18 2016-02-08 日本電気硝子株式会社 透明物品の応力測定方法
KR20160018485A (ko) * 2013-06-05 2016-02-17 에베 그룹 에. 탈너 게엠베하 압력 맵을 결정하기 위한 측정 장치 및 방법
TWI716183B (zh) * 2018-11-20 2021-01-11 財團法人工業技術研究院 應力測量裝置和應力測量方法
US11408730B2 (en) 2018-11-20 2022-08-09 Industrial Technology Research Institute Stress measuring device and stress measuring method
KR20230026792A (ko) * 2021-08-18 2023-02-27 한국과학기술원 비정규 상태기반 페리다이나믹스와 디지털 이미지 상관법을 이용한 불연속 영역을 포함하는 구조물의 변위장 및 응력장 측정방법

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2992309B1 (en) 2013-05-03 2020-08-19 Indian Council of Medical Research A non-contact method for measurement of strain profile at a location interposed within a soft deformable object with dynamic evolution of the strain under dynamic loading or fracture of the object
EP3324166A1 (en) * 2016-11-22 2018-05-23 Nokia Technologies OY Force sensing
CN110208080B (zh) * 2019-06-21 2021-08-13 华东交通大学 一种颗粒材料接触应力可视化试验加载设备及其使用方法
CN113108964A (zh) * 2021-04-20 2021-07-13 昆明理工大学 一种基于数字全息技术的玻璃应力检测方法与检测装置
CN113551818B (zh) * 2021-07-23 2023-03-14 西安建筑科技大学 一种基于负泊松比结构的测量方法及系统

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6141933A (ja) * 1984-08-03 1986-02-28 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 物体内の応力測定方法および装置
JPH08211087A (ja) * 1993-08-20 1996-08-20 Hirobumi Onari 流れの可視化画像解析装置
JP2000227384A (ja) * 1999-02-08 2000-08-15 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 風洞試験用模型
JP2001091530A (ja) * 1999-09-22 2001-04-06 Mitsuba Corp 流体の可視化
JP2001116631A (ja) * 1999-10-21 2001-04-27 Mitsuba Corp 翼面上の流れ計測方法
JP2003315184A (ja) * 2002-03-18 2003-11-06 Samsung Electronics Co Ltd 光ファイバの残留応力測定装置
JP2006003137A (ja) * 2004-06-16 2006-01-05 Toudai Tlo Ltd 光学式触覚センサ及び該センサにおける情報取得方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2341422A (en) * 1941-07-09 1944-02-08 Mississippi Valley Res Lab Inc Photoelastic instrument
US2645151A (en) * 1948-12-29 1953-07-14 Carlton H Hastings Apparatus for dynamic determination of reduction in area of specimens during mechanical tests
JP4568883B2 (ja) * 2006-01-20 2010-10-27 独立行政法人産業技術総合研究所 応力・歪みの解析方法及び装置
GB0602923D0 (en) * 2006-02-14 2006-03-22 Univ Catholique Louvain Thermal stress actuated micro- and nanomachines for testing mechanical propertis of micro and nano-sized material samples
US7377181B2 (en) * 2006-03-10 2008-05-27 Northrop Grumman Corporation In-situ large area optical strain measurement using an encoded dot pattern

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6141933A (ja) * 1984-08-03 1986-02-28 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 物体内の応力測定方法および装置
JPH08211087A (ja) * 1993-08-20 1996-08-20 Hirobumi Onari 流れの可視化画像解析装置
JP2000227384A (ja) * 1999-02-08 2000-08-15 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 風洞試験用模型
JP2001091530A (ja) * 1999-09-22 2001-04-06 Mitsuba Corp 流体の可視化
JP2001116631A (ja) * 1999-10-21 2001-04-27 Mitsuba Corp 翼面上の流れ計測方法
JP2003315184A (ja) * 2002-03-18 2003-11-06 Samsung Electronics Co Ltd 光ファイバの残留応力測定装置
JP2006003137A (ja) * 2004-06-16 2006-01-05 Toudai Tlo Ltd 光学式触覚センサ及び該センサにおける情報取得方法

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102519628A (zh) * 2011-12-16 2012-06-27 清华大学 颗粒三维受力与二维流速场的耦合测量装置
KR20160018485A (ko) * 2013-06-05 2016-02-17 에베 그룹 에. 탈너 게엠베하 압력 맵을 결정하기 위한 측정 장치 및 방법
KR102075191B1 (ko) * 2013-06-05 2020-02-07 에베 그룹 에. 탈너 게엠베하 압력 맵을 결정하기 위한 측정 장치 및 방법
JP2016024002A (ja) * 2014-07-18 2016-02-08 日本電気硝子株式会社 透明物品の応力測定方法
TWI716183B (zh) * 2018-11-20 2021-01-11 財團法人工業技術研究院 應力測量裝置和應力測量方法
US11408730B2 (en) 2018-11-20 2022-08-09 Industrial Technology Research Institute Stress measuring device and stress measuring method
KR20230026792A (ko) * 2021-08-18 2023-02-27 한국과학기술원 비정규 상태기반 페리다이나믹스와 디지털 이미지 상관법을 이용한 불연속 영역을 포함하는 구조물의 변위장 및 응력장 측정방법
KR102653004B1 (ko) 2021-08-18 2024-04-01 한국과학기술원 비정규 상태기반 페리다이나믹스와 디지털 이미지 상관법을 이용한 불연속 영역을 포함하는 구조물의 변위장 및 응력장 측정방법

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2011065175A1 (ja) 2013-04-11
US20120250001A1 (en) 2012-10-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2011065175A1 (ja) 応力計測装置及び応力計測方法
Haleem et al. Exploring the potential of 3D scanning in Industry 4.0: An overview
Su et al. Characterizing dynamic deformation of marine propeller blades with stroboscopic stereo digital image correlation
Melde et al. Holograms for acoustics
Yao et al. Generalized mesh-based Monte Carlo for wide-field illumination and detection via mesh retessellation
EP3367106B1 (en) Rainbow particle imaging velocimetry for dense 3d fluid velocity imaging
Khan et al. Vision guided robotic inspection for parts in manufacturing and remanufacturing industry
CN107850867A (zh) 动态全息聚焦深度打印装置
CN110392817A (zh) 用于散斑减少激光线生成的系统和方法
EP3492861B1 (en) Image processing system and image processing method
Delpiano et al. Performance of optical flow techniques for motion analysis of fluorescent point signals in confocal microscopy
Koch et al. Theory-assisted optical ray tracing to extract cavitation-bubble shapes from experiment
JP2023505910A (ja) 体積マイクロリソグラフィ
CN106769701A (zh) 一种颗粒球形度同轴数字全息检测装置及检测方法
CN109827756A (zh) 一种车载whud虚像测试系统及测试方法
JP6176054B2 (ja) 液滴内流動観察方法及び液滴内流動観察装置
KR102058776B1 (ko) 비가시광 적외선 다점 레이저빔과 적외선 카메라 영상기반 물체의 3차원 미세진동 측정에 의한 음원 진단 방법 및 장치
JP2006309012A (ja) ホログラムデータ生成装置、方法およびプログラム、ならびにホログラムデータ生成システムおよびホログラム表示システム
Emde et al. Validating a simulation of a single ray based laser scanner used in mobile robot applications
Ueda et al. Fringe projection profilometry system verification for 3D shape measurement using virtual space of game engine
Butz et al. Data assimilation of structural deformation using finite element simulations and single-perspective projection data based on the example of X-ray imaging
JP2010281786A (ja) 視覚検査装置の評価システム
Bista et al. Using GPUs for realtime prediction of optical forces on microsphere ensembles
Kovaleva et al. Application of leading and innovative 3D technologies for crime investigation
Botto et al. High-frequency nonlinear vibration analysis through low-frequency stereo-camera systems

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10833022

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2011543180

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13511840

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 10833022

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1