スペックル干渉計によるジュラルミン薄板の引っ張り変形計測 　　　 　　　　　　　　　

      スペックル干渉計によるジュラルミン薄板の引っ張り変形計測 　　　 　　　　　　　　　

金沢大学工学部　◯　安達　正明，　高山稔

   

Deformation measurement of a thin duralumin plate using speckle interferometer Faculty of Engineering, Kanazawa University Masaaki ADACHI, Minoru TAKAYAMA

We propose a new technique of speckle interferometry which can measure a dynamic phase change under unstable modulation of light intensity changes. This technique utilizes an actuator to lengthen one arm of the interferometer with a constant rate. By this lengthener more-sinusoidal light-intensity changes could be obtained, and then phase changes were correctly extracted. This technique was adapted to measure a thin duralumin plate deformation. An initial stage of deformation proces was successively analyzed, but micro deformation in a white band which always appear in a final stage could not be analyzed.

１ ． １ ． １ ．

１ ．１ ．研 究 の 目 的研 究 の 目 的研 究 の 目 的研 究 の 目 的研 究 の 目 的

　スペックル干渉計を用いるとミクロンオーダーの静的変 形量について２次元的な分布を調べることができる．我々 はこれまで静的変形のみでなく動的変形をも測定できるよ うに，干渉像をカメラで高速かつ連続的に取り込み，その 光強度変化から変形の時間変化を求める方法を研究して来

た .^{1)〜 3）}今回はこの方法をさらに発展させ，ジュラルミン

の薄板を一定の速度で引っ張った時の変形現象の測定を試 みた．ジュラルミンの薄板は引っ張りに対して特殊な変形 現象が見られることで注目されている材料である .⁴⁾ ２ ．

２ ．２ ．

２ ．２ ．スペックル干渉計での連続変形計測の原理スペックル干渉計での連続変形計測の原理スペックル干渉計での連続変形計測の原理スペックル干渉計での連続変形計測の原理スペックル干渉計での連続変形計測の原理 ２ ．

２ ．２ ．

２ ．２ ．１　スペックル干渉光学系１　スペックル干渉光学系１　スペックル干渉光学系１　スペックル干渉光学系１　スペックル干渉光学系

　面内変形の測定光学系を図１に示す．CCDカメラが捉え る物体表面の点は，上のミラーで反射されて来たレーザ光 と，下のビームスプリッターを直進して来たレーザ光を，

カメラの方向に反射する．反射点のミクロな凹凸構造はそ れぞれの反射光の強度を決め，両者が干渉して反射点の光 強度としてCCDの画素で観察される．引っ張り試験器が薄 板を上へ引っ張ると，凹凸も移動し，上下２つの光路の差 が変化する．この移動は各画素での光強度の時間変化とし て図２のように観測される．

２ ． ２ ． ２ ．

２ ．２ ．２　位相の高速連続測定２　位相の高速連続測定２　位相の高速連続測定２　位相の高速連続測定２　位相の高速連続測定

　図２に示した光強度変化から，その画素での最大値 I

max

(r)，最小値 I_min(r)，また任意時点の光強度 I(r,t)が分かり，

これらから，式(1)を用いて干渉位相ψ(r,t)に関する絶対値 が分かる．

　　　　　　(1)

そこで測定初期 t₀での位相を求めておき²⁾，± | ψ | を t で の位相の２つの候補として取り上げ，測定点近傍を含む局 所域内の画素で２つの候補から計算した位相の変化を図３ のように複素平面でプロットする .³⁾　変形による位相変化 は域内でほぼ同じになることを利用し，図の白丸は位相が 不揃いなので間違った候補から計算された点，黒丸は正し い候補から計算された点と考え，黒丸から得られる偏角Δ ψを位相の正しい変化量と見なす．しかし，変形が進み表 面凹凸形状が変わり始めるとそれぞれの反射光の光強度も 変化し，スペックル波面の位相と共に光強度変化のモジュ レーションも大きく変化する．そこで，時間と共に変化す

CCD camera

Laser diode φ=0.2rad

Piezo actuator

Zoom lens

図１．測定光学系　左は引っ張り試験器で薄板を引っ張って 　　　いる．引っ張り速度は2.5μm/s,カメラの取込速度は 　　　135frame/s.

I^max(r)

Imin(r) Time Intensity

I(r,t0) I(r,t^j)

△ψ(r,t-t0)

Re Im

図2．変形に伴うある画素での光強度変化

図3．ある画素近傍での光強度変化から位相変化の候補を求 　　　め，候補から計算した複素平面での位相変化プロッ 　　　ト．Δψが位相変化量

2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集

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る I_maxと I_minを更新しながら，また，中途での位相をそれま でに求めた位相変化を用いて再抽出しながら図３の抽出を 繰り返す．このようにするとある程度高精度な変形測定が できる．^5）　測定したアルミニュームの薄板引っ張り変形測 定の結果を図 4 に示す .

２ ． ２ ． ２ ．

２ ．２ ．３　アクチュエータ導入による位相の高精度測定３　アクチュエータ導入による位相の高精度測定３　アクチュエータ導入による位相の高精度測定３　アクチュエータ導入による位相の高精度測定３　アクチュエータ導入による位相の高精度測定 　しかしながら図４からも分かるように正しく変形抽出が 出来ていない箇所も見られる．解析するとこれはある時点 で，表面の上方向への移動よりも表面構造の変化が激しす ぎ，正しく位相抽出が行えなくなったためと考えられた．

そこで，変形中に図 1 のアクチュエータを用いて一定速度 で上の光路を縮ませながら干渉画像を取り込み，強制的に 正弦波的な変化分を含ませてみた．その結果，I_maxと I_minの 激しい変化が抑えられ変形抽出がより正しく行えた．最終 的な位相変化量からアクチュエータによる変化を差し引く ことで変形のみによる位相変化成分を抽出し得た．これを 図 5 に示す．

３ ． ３ ． ３ ．

３ ．３ ．ジュラルミン薄板の測定結果ジュラルミン薄板の測定結果ジュラルミン薄板の測定結果ジュラルミン薄板の測定結果ジュラルミン薄板の測定結果

　以上のようにかなり正しく変形測定が行えるようになっ たので，この方法をジュラルミン薄板の変形測定に応用し てみた．その結果，変形初期では正しく変形測定が行えた．

これを図６に示す．しかし，特殊な変形の象徴であるホワ イトバンドが現れ始めるとその領域では光強度が突然変異 的に激しく変化し，位相測定は不可能となった．この時の ある画素の光強度変化を図 7 に示す．発生点付近の時間拡 大図を図８に示す．この変化に関して詳細を調べたところ，

これは干渉光学系の上方向からの光のみを用いる場合でも 見られることが分かった．すなわち，凹凸の平面移動では 全く説明できない表面の微細構造の激しい変化だったので ある．図９に上方向の光のみで撮影された画像光強度の 2 秒間での変化の絶対値を示す．白の領域は特定の幅を持つ ようであり，動画観察ではこの領域は速いスピードでジャ ンプを含みながら移動をしているように見えることが分 かった．いずれにしても，ホワイトバンドの中は従来の変 形計測では測定は困難であることが分かった．

４ ． ４ ．４ ． ４ ．４ ．結 論結 論結 論結 論結 論

　大変形や高速変形を測定できるようにスペックル干渉計 を用いる変形測定法を改良して来た．その方法をジュラル ミン薄板の変形測定に応用し，ホワイトバンド内の構造解 析を試みてみた．しかしながら，ホワイトバンド内はミク ロな凹凸が突然変異的に激しく変化しており，その解析は 通常の変形計測法では難しいことが分かった．

　　　　　　　　　参 考 文 献参 考 文 献参 考 文 献参 考 文 献参 考 文 献

1） M.Adachi, Y. Ueyama, K. Inabe :  Optical Review, 4, 3 (1997) 429.

2) 安達正明，稲部勝幸：精密工学会誌，66, 9, (2000) 1419.

3) M.Adachi, J. N. Petzing, and D. Kerr :Appl.Opt., 40,34 (2001) 6187.

4) Q.Zhang, et al.,SPIE Vol.3585, (1999) 389.

5) 安達正明他，：精密工学会誌，68, 10, (2002) 1362.

図4．アルミニューム薄板の引っ張り変形測定結果（拡大画像）．

　　引っ張り速度2.5μm/s，画像取込速度は135frame/s，測定 　　時間は開始後2000枚目のもの，最大変形量(最も白い所)は135 　　μm．表示の横幅は22mm,高さ幅は1.1mm

図5．アクチュエータ導入後の改善された測定例（拡大画像），図 　　４と同じくアルミニューム薄板の引っ張り変形.アクチュエー 　　タの移動速度は12μm/s．その他は図4の条件と同じ

図6．ホワイトバンド発生前のジュラルミン薄板での変形測定結果 　　（拡大画像）．横幅は16.6mm,高さ幅は0.83mm，その他の 　　測定条件は図5と同じ

図９．図１の干渉計で下の光路を遮断して測定した光強度の時間変 　　化（拡大画像）．白い部分にホワイトバンドが発生している．

　　２画像の時間差は2秒．測定領域幅は16.6mm×0.83mm.

図7．ホワイトバンド発生によるある画素での光強度変化．5990 　　frame目の取込時にホワイトバンドが発生している．測定条 　　件は図6と同じ

図８．図７の5990frame目前後での光強度変化の拡大図．

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