JP2007024674A - 表面・表層検査装置、及び表面・表層検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高感度に表面および表層のはく離やき裂などの欠陥を検出する。
【解決手段】パルス加熱手段により熱を検査対象表面に付与し、レーザ干渉法を使用したせん断光学系２０によってレーザ干渉像を生成し、前記生成されたレーザ干渉像を時間分解型カメラ１３によって時間分解測定し、画像信号処理装置１４によって前記時間分解したレーザ干渉画像信号を、熱付与前と後で、それぞれ測定し、測定されたレーザ干渉画像信号を差分処理して欠陥を評価する。その際、時間分解したレーザ干渉画像信号を対数処理し、定常変化部と非定常変化部を識別することにより欠陥を高感度に検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ干渉法を利用して検査対象表面および表層を高感度で非破壊検査する表面・表層検査装置、及びその装置で実行される表面・表層検査方法に関する。

表面および表層の迅速検査技術として、近年、航空機材料であるＦＲＰなどのはく離の検査などにサーモグラフィ法やレーザシェアログラフィ法が用いられている。

まず、サーモグラフィ法は、測定面を加熱し、その温度分布を赤外線カメラで観測して、剥離などの欠陥部では、健全部に比べ、熱伝導率が異なるため、それが表面の温度分布の違いとなって現れることを利用して、欠陥を検出するものである。更に最近では、非特許文献１に示すように、パルス的に加熱し、温度分布の微小な時間変化を捉えることで高感度な検査が可能になっている。

一方、レーザシェアログラフィ法は、測定面を加熱する点はサーモグラフィと同様であるが、加熱に伴い欠陥周辺で発生する熱歪みを、表面の垂直方向の変位として検出する点に特徴がある。表面変位はレーザ光の干渉現象を用いて、数１０ｎｍレベルの高精度な測定が可能で、非特許文献２に示すように、広範囲を一括計測できることから迅速測定が可能である。

なお、レーザ干渉法として、例えばスペックル干渉法（Speckle Interferometry)、ひずみ干渉法（Shearing Interferometry）も知られている。このうちスペックル干渉法は、レーザ光により照射された検査対象の表面の微少な凹凸で散乱した光が、光学系を通して基準光に対して少しシフトしてＣＣＤカメラで撮像すると、前記レーザ光としてコヒーレントな光が使用されるので、スペックルパターンと呼ばれる細かい斑点状の模様が記録される（後述の図３（ａ），（ｂ）参照）。この方法でシフトの方向に垂直な表面変位の勾配を知ることができる。そこで、種々の方向からシフトして表面変位勾配を知り、これらから表面変位の勾配に関するマップを作成することができ、これらに基づいて後述の図３（ｃ）のような画像を得ることができる。

また、ひずみ干渉法は、検査対象物の表面からの反射レーザ光のイメージと、稼働または機械的ストレスによって歪みを発生し、移動した同一デバイスの表面からの反射レーザ光のイメージを、光学系で少しシフトしてＣＣＤカメラで撮像すると、前述のスペックル干渉法と同様に細かい斑点状の模様（干渉模様）が観察できる。そこではある画素の強度は、サンプルの微小距離離れた２点からの光の強度と、それらの位相差に依存するので、無負荷時と歪みを発生したときの画像を合わせて所定の画像処理を行うと、デバイスの歪みをナノメートルの解像度で時間の関数として直接目に見えるようにすることができる。
SAMPE Journal, vol.39, No.5, September/October 2003, P53-58 Wolfgang Steinchen, Lianxiang Yang著、"Digital Shearography" Chapter 6, SPIE PRESS, 2003.

しかしながら、前記サーモグラフィ法では、剥離の検査は可能な反面、検査対象の表面き裂（面に垂直方向に入ったき裂）の検出はあまり期待できなかった。また、レーザシェアログラフィ法は、ある時刻での測定しかできないため、感度の面において不十分な場合があったり、また、深さ方向の情報が得られなかった。更に、レーザシェアログラフィ法は、スペックル干渉法やひずみ干渉法をさらに発展させたものであるので、スペックル干渉法やひずみ干渉法の場合にもレーザシェアログラフィ法と同様の問題があった。

本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、検査対象における剥離の検査のみでなく、表面き裂（面に垂直方向に入ったき裂）の検出や、表面近傍の種々の欠陥を、高感度に、かつ、深さ方向の情報も含めて検出することができるようにすることにある。

前記目的を達成するため、第１の手段は、熱を検査対象表面に付与する熱付与手段と、レーザ干渉法で表面変位を計測する表面変位計測手段とを有する表面・表層検査装置において、前記レーザ干渉法で生成されたレーザ干渉像を時間分解測定する時間分解画像計測手段を備えていることを特徴とする。

この場合、時間分解画像計測手段としてストリークカメラあるいはＣＣＤラインセンサカメラが使用され、熱付与手段としてパルス光源あるいはパルス高周波源が使用され、また、表面変位計測手段としてレーザシェアログラフィ法またはレーザスペックル干渉法で計測する計測装置が使用される。更に、前記時間分解画像計測手段によって時間分解して計測されたレーザ干渉画像信号を対数処理する信号処理手段を設けることもできる。

第２の手段は、前記第１の手段に対して、表面・表層検査装置によって得られた検査データに基づいて前記検査対象表面の欠陥を検知する欠陥検知手段を設けたことを特徴とする。

第３の手段は、熱を検査対象表面に付与し、レーザ干渉法で表面変位を計測する表面・表層検査方法において、前記レーザ干渉法で生成されたレーザ干渉像を時間分解測定し、検査対象表面・表層の検査を行うことを特徴とする。

第４の手段は、熱を検査対象表面に付与し、レーザ干渉法でレーザ干渉像を生成し、前記生成されたレーザ干渉像を時間分解測定し、時間分解したレーザ干渉画像信号を、熱付与前と後でそれぞれ測定し、あるいは熱付与後の異なる２つの時間でそれぞれ測定し、測定されたレーザ干渉画像信号を差分処理して欠陥を評価する表面・表層検査方法を特徴とする。

この場合、時間分解したレーザ干渉画像信号の初期の時間のライン画像をレファレンスとし、その後のライン画像を差分処理して欠陥を評価することができる。また、時間分解したレーザ干渉画像信号を対数処理し、定常変化部と非定常変化部を識別することで欠陥を評価することもできる。

本発明によれば、レーザ干渉法で生成されたレーザ干渉像を時間分解測定し、検査対象表面の検査を行うので、検査対象表面の剥離の検査のみでなく、表面き裂（面に垂直方向に入ったき裂）の検出や、表面近傍の種々の欠陥を、高感度に、かつ、深さ方向の情報も含めて検出することができる。また、検査対象表面を加熱することから、極めて熱伝導性の高い物質でも、欠陥検査が可能になる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態に係る時間分解型レーザシェアログラフィ装置の概略構成を示す図である。同図において、時間分解型レーザシェアログラフィ装置は、レーザ光出射装置３、レーザ光出射装置３から出射されたレーザ光を広げて検査対象５１の表面に照射するレンズ４、検査対象５１表面の反射光を取り込む集光レンズ６、この集光レンズ６から取り込まれた反射光を時間分解型カメラ１３に導くせん断光学系２０、前記時間分解型カメラ１３で時間分解された画像信号処理する画像信号処理装置１４からなる測定系と、検査対象５１表面の表面を加熱するパルス加熱手段１とから主に構成されている。

せん断光学系２０は、前記集光レンズ６の後段に配置されたハーフミラー７、このハーフミラー７を間において前記集光レンズ６と対向する側に配置されたミラー９、同じくハーフミラー７を間において前記時間分解型カメラ１３と対向する側に配置されたミラー８、及び前記ミラー９の角度を調整する調整機構１０からなる。ミラー８は、ハーフミラー７が集光レンズ６から入射した反射光を反射する側に配置され、ミラー９は透過する側に配置されている。なお、ハーフミラー７に替えて、同様の機能を有するプリズムを使用することもできる。
大略上記のように構成された時間分解型レーザシェアログラフィ装置では、まず、パルス加熱手段１により検査対象５１の表面を局所的に加熱し、検査対象５１表面に熱歪みを発生させる。このとき、検査対象５１にき裂やはく離５２があると、その部分での熱歪みが大きくなり、検査対象面に対して垂直な方向に微少な変位（表面変位）が生じる。そこで、レーザ光出射装置３から出射されたレーザ光５をレンズ４により広げて検査対象５１の表面に照射し、検査対象面に生じた表面変位をレーザ干渉を用いたレーザシェアログラフィ法により高感度に検出する。パルス加熱手段１は検査対象に対してパルス加熱光２を出射するが、パルス光源としてフラッシュランプやパルスレーザなどを用いることができる。また、パルス的高周波源により高周波２を出射しても良い。

レーザシェアログラフィ法により表面変位を検出する原理を図２に示す。検査対象５１表面に照射されたレーザ光５は、検査対象表面の微少な凹凸により干渉を起こし、干渉により生じたスペックルパターン像が計測される。その際、図１に示す時間分解型カメラ１３の前に設置されたせん断光学系２０のハーフミラー７により、検査対象の画像を２分割するとともに、角度調整機構１０の付いたミラー９の角度を調整することにより、ある一定の画素数だけ任意の方向にずらして画像を時間分解型カメラ１３上に２重露光する。図１にミラー８による光路を示す矢印１１と、角度調整機構付ミラー９による光路を示す矢印１２を図示している。これにより、検査対象の表面歪みの一次微分値を直接計測することになる。図２（ａ）は位置と実際の表面変位との関係を示す図、図２（ｂ）は位置と観測される微分値の関係を示す図である。検出画像は、任意の方向への変位１次微分値となるため、図２（ｃ）に示すように欠陥の検出画像はバタフライパターンと呼ばれる特徴的な画像となる。

図３には、時間分解型ではない従来のレーザシェアログラフィ法における画像の例を示している。従来のレーザシェアログラフィ法では、図１に示したような時間分解型カメラ１３は使用されず、通常のＣＣＤカメラなどが用いられる。その場合の計測画像は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、縦軸、横軸ともに空間軸であり、図３（ａ）は熱付与前のレファレンスのスペックルパターン像、図３（ｂ）は熱付与後のスペックルパターン像である。従来では、この２つの画像の差分処理など別途行うことにより、最終的に図３（ｃ）の画像を得ることができる。この場合もバタフライパターンの有無により、欠陥の有無を判定できる。なお、最終的に得られた図３（ｃ）の画像は図２（ｃ）の画像と等価であるが、図２（ｃ）では、差分処理などの画像処理を行うことなく結果の有無が判定できる。

このように本実施形態では、時間分解型カメラ１３を用いて時間分解画像を得る点に特徴がある。時間分解型カメラ１３としては、ストリークカメラやＣＣＤラインセンサカメラを用いる。ストリークカメラはフェムト秒レベルから数１００マイクロ秒レベルまでの高い時間分解能を有するものが利用できる。また、最速で数１００マイクロ秒レベルでの時間分解能を持たせることが可能である。この時間分解型カメラ１３を用いる場合の視野を、従来のＣＣＤカメラの視野と比較した図を図４に示す。時間分解型カメラ１３を用いる場合の視野は、空間軸は１軸のみとなるため、この図では空間Ｘを測定するが、空間Ｙに関しては、ある１ラインに限定することになる。

次に、本実施形態におけるレファレンスの取り方については２つの方法が適用できる。まず、第１の方法を図５に示す。この方法は、従来から行われている方法と同様で、熱付与前にレファレンス像を取り、熱付与後の画像との差分を取る方法である。図５において縦軸は時間軸であり、すなわち時間分解測定の結果となっている。補足であるが、時間分解画像であるため、図３に示したような点状のスペックルパターンではなく、スペックルの時間変化となるため、時間方向にライン状のパターンが測定される点に特徴がある。また、熱付与前にレファレンス像を取る代わりに、熱付与後の任意の時間にレファレンス像を取り、レファレンス像と異なる時間の画像との差分を取っても良い。これにより、熱付与前の測定が不要となる利点がある。この場合には、図５（ｂ）の画像をレファレンス像とすると、縦軸の時間開始点が異なる画像との差分を取ることを意味する。

次に図６に第２のレファレンスの取り方を示す。本発明は時間分解像を取るため、測定しているラインは固定されていることは、前述のとおりである。したがって、時間分解画像のあるライン（図６中の破線のピクセル行）をレファレンスに取ることができる。よって、このピクセル行の値をそれぞれの時間での測定値から差分処理することで、図５（ｃ）及び図６（ｂ）に示すような差分画像を得ることが可能となり、欠陥の時間分解像を得ることができる。以上のような信号処理は、画像信号処理装置１４で行う。

なお、以上では表面変位計測手段として、レーザシェアログラフィ法を中心に記載したが、レーザスペックル干渉法でも同様に可能である。

また、図５（ｃ）あるいは図６（ｂ）の差分画像では、欠陥がある個所と幅（サイズ）は特定できるが、欠陥の深さまでは検出することはできない。そこで、本実施形態では、図７（ｃ）に示すように縦軸を歪変位の対数とする信号処理を行うことにより、深さ方向の欠陥のサイズも分かるようにした。すなわち、図７（ａ）は、図５（ｃ）あるいは図６（ｃ）のようにして得られた差分画像であり、時間軸方向の破線は欠陥部、実線は健全部のラインを示している。この２つのラインについて歪変位を縦軸にとって経時的な変化を示したものが図７（ｂ）である。非常に微小な欠陥の場合、この図７（ｂ）に示すように欠陥部と健全部の差も微小になる。なお、この図７（ｂ）では意図的に差を付けて表示しているが、実際には、もっと小さいものである。そのような非常に微小な欠陥の場合において、図７（ｃ）に示すように、歪変位の対数を縦軸に、時間軸を横軸に取る信号処理をすると、欠陥部の健全部に対する差が大きく表れ、両者の差を明確に示すことが可能となる。

これは、熱励起に伴う微少な熱歪の量を検出するのに有効であり、時間分解を行うことにより初めて実現可能である。また、この時間変化の時間位置は、深さ方向の情報を含んでいることから、変化のある時間位置を捉えることで、欠陥の深さを把握することも可能である。以上のような信号処理は、画像信号処理装置１４で行う。

図８に他の実施形態に係る時間分解型レーザシェアログラフィ装置の概略構成を示す。図８は図１の装置構成に、画像信号処理装置１４で処理された画像信号から検査物表面・表層の欠陥を判定する欠陥判定装置１５を追加したものである。

欠陥の位置、サイズ、深さなどは画像信号処理装置１４で行われるが、欠陥判定装置１５では、欠陥の有無を判定する。欠陥の有無は、検査対象の用途や重要度に応じて、欠陥のサイズや深さなどに応じて設定される。その際、欠陥と見なすべきか健全と見なすべきかの判断基準を閾値として設定しておき、適宜判定する。当然、欠陥が少しでもあれば、欠陥と判定する場合も含まれる。

本発明の実施形態に係る時間分解型レーザシェアログラフィ装置の概略構成を示す図である。 レーザシェアログラフィ法により表面変位を検出する原理を示す図である。 時間分解型ではない従来のレーザシェアログラフィ法における画像の例を示す図である。 時間分解型カメラを用いる場合の視野を、従来のＣＣＤカメラの視野と比較した図である。 本発明の実施形態におけるレファレンスの取り方の第１の方法を示す図である。 本発明の実施形態におけるレファレンスの取り方の第１の方法を示す図である。 本発明の実施形態における高感度検出のための信号処理の具体例を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る時間分解型レーザシェアログラフィ装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ パルス加熱手段
２ パルス加熱光（高周波）
３ レーザ光出射装置
４ レンズ
５ レーザ光
６ 集光レンズ
７ ハーフミラー（プリズム）
８，９ ミラー
１０ 角度調整機構
１３ 時間分解型カメラ
１４ 画像信号処理装置
１５ 欠陥判定装置
２０ せん断光学系
５１ 検査対象
５２ き裂（剥離）

Claims (13)

1. 熱を検査対象表面に付与する熱付与手段と、
   レーザ干渉法で表面変位を計測する表面変位計測手段と、
   を有する表面・表層検査装置において、
   前記レーザ干渉法で生成されたレーザ干渉像を時間分解測定する時間分解画像計測手段を備えていることを特徴とする表面・表層検査装置。
2. 前記時間分解画像計測手段はストリークカメラであることを特徴とする請求項１記載の表面・表層検査装置。
3. 前記時間分解画像計測手段はＣＣＤラインセンサカメラであることを特徴とする請求項１記載の表面・表層検査装置。
4. 前記熱付与手段はパルス光源であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の表面・表層検査装置。
5. 前記熱付与手段はパルス高周波源であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の表面・表層検査装置。
6. 前記表面変位計測手段はレーザシェアログラフィ法またはレーザスペックル干渉法で計測する計測装置であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の表面・表層検査装置。
7. 前記時間分解画像計測手段によって時間分解して計測されたレーザ干渉画像信号を対数処理する信号処理手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の表面・表層検査装置。
8. 得られた検査データに基づいて前記検査対象表面・表層の欠陥を検知する欠陥検知手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の表面・表層検査装置。
9. 熱を検査対象表面に付与し、レーザ干渉法で表面変位を計測する表面・表層検査方法において、
   前記レーザ干渉法で生成されたレーザ干渉像を時間分解測定し、検査対象表面・表層の検査を行うことを特徴とする表面・表層検査方法。
10. 熱を検査対象表面に付与し、
    レーザ干渉法でレーザ干渉像を生成し、
    前記生成されたレーザ干渉像を時間分解測定し、
    時間分解したレーザ干渉画像信号を、熱付与前と後で、それぞれ測定し、
    測定されたレーザ干渉画像信号を差分処理して欠陥を評価することを特徴とする表面・表層検査方法。
11. 熱を検査対象表面に付与し、
    レーザ干渉法でレーザ干渉像を生成し、
    前記生成されたレーザ干渉像を時間分解測定し、
    時間分解したレーザ干渉画像信号を、熱付与後の異なる２つの時間で、それぞれ測定し、
    測定されたレーザ干渉画像信号を差分処理して欠陥を評価することを特徴とする表面・表層検査方法。
12. 時間分解したレーザ干渉画像信号の初期の時間のライン画像をレファレンスとし、その後のライン画像を差分処理して欠陥を評価することを特徴とする請求項１０又は１１記載の表面・表層検査方法。
13. 時間分解したレーザ干渉画像信号を対数処理し、定常変化部と非定常変化部を識別することで欠陥を評価することを特徴とする請求項１０又は１１記載の表面・表層検査方法。

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