JP2002039951A

JP2002039951A - セラミック表面クラック自動検出装置

Info

Publication number: JP2002039951A
Application number: JP2000223988A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Tabata; 克彦田畑
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2002-02-06

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は飛しょう体セラミックレドームに生
じるクラックを検出するセラミック表面クラック自動検
出装置に関する。従来クラック検出は肉眼で行われ、長
時間作業となりコストが嵩むと共に、クラック見落しに
より発射後の飛しょう体が空力加熱等により破損するこ
とがあった。本発明は、このような不具合を解消する装
置の提供を課題とする。【解決手段】本発明のセラミック表面クラック検出装置
は、セラミック表面クラックの反射光の振幅分布とクラ
ックなしセラミック表面の反射光の振幅分布とからなる
セラミック表面の反射光の空間周波数情報をフラウンホ
ーファ回折で取り出し、クラック反射光のサイドローブ
を取り出し、クラックなし、ありのセラミック表面から
の反射光フラウンホーファ回折像の振幅分布の重畳領域
を偏向子で除去し、小振幅のサイドローブを検出してク
ラック特徴量を検出し、クラックを自動的に検出できる
ものとした。これにより、従来検出装置の不具合が解消
され、短時間でセラミック表面クラック検出ができ、検
出作業時間が短縮され、クラックの見落しが無くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は飛しょう体のドーム
表面等につや消しとして設けられる、白色のセラミック
製品の表面に発生しているクラックを検知するためのセ
ラミック表面クラック自動検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高速で飛しょうする飛しょう体等におい
ては、高速飛しょう時に空気摩擦によって発生する空力
加熱による高温から、機体および内部搭載機器を保護す
るために、飛しょう体外表面、特に、空気摩擦によって
高温化し易い飛しょう体先端部のレドームの材料はセラ
ミックスであり、その表面はつや消しの白色である。

【０００３】図１９は、このようなセラミックで被覆し
た高速飛しょう体のレドーム（以下セラミックレドーム
という）を示す図である。このセラミックレドーム１
は、耐熱性に富み、さらには熱伝達率が小さいことから
極超音速で飛しょうし、特に、空力加熱が大きくなる機
体先端部を保護できるとともに、空力加熱が問題となる
極超音速での飛しょう時間は比較的短いことから、セラ
ミックレドーム１内部に装備されてホーミング装置等の
機器を高温から保護することができる。

【０００４】一方、セラミックレドーム１は脆性に乏し
く、図に示すように外表面１６にクラック２が発生し易
いという欠点を有する。このクラック２は、旋盤による
セラミックレドーム１表面研削時に発生する場合が多
く、この場合には、レドーム円周方向に発生することに
なり、直線状となり、また、もう一つのクラック２発生
要因である熱膨張等によるひび割れも、セラミックレド
ーム１表面がなだらかな円錐状で凹凸がないため、歪み
力は一方向に集中し、陶器に発生するひびの如く直線状
になり、いずれの場合もクラック２は直線状となる。ま
た、巨視的には湾曲したクラック２が発生したときで
も、クラック２の長さと比較して、後述するように、検
出対象面積が小さく区画されてクラック２検出が行われ
るため、クラック２が多少湾曲していても直線と見なす
ことができる。

【０００５】このような、クラック２が発生すると、高
速で飛しょうしているとき、空気とセラミックレドーム
の外表面１ｂとの空気摩擦により、外表面１６が加熱さ
れ、その結果、セラミックレドーム内表面１ａと外表面
１ｂの温度差が大きくなり、クラック２発生部のセラミ
ックレドーム１には、図２０に示すような、クラック２
を広げようとする熱膨張による力が発生し、しかも、こ
の応力がクラック２発生部に集中するため、セラミック
レドーム１は破損することになる。このような、飛しょ
う体発進時のクラック２見落しに伴う不具合を解消する
ため、図１９に示すように、高速ミサイルのセラミック
レドーム１外表面１ｂにアルコール３を塗布し、クラッ
ク２部のアルコール蒸発４遅れによって生じる暗部を、
作業者６が肉眼にて検査することにより、クラック２を
検出するようにしている。

【０００６】すなわち、セラミックレドーム１外表面に
塗布したアルコール３のうち、クラック２内に入り込ん
だアルコール３は、アルコール蒸発４遅れが生じるため
に、未蒸発のアルコール３と大気の境界面で光が屈折
し、その結果、一部の入射光がクラック２内に閉じ込め
られたアルコール３が、正常に蒸発した他の部分に比べ
て暗く見えることを利用してクラック２の検出を行うよ
うにしている。

【０００７】しかしながら、アルコール３塗布→アルコ
ール蒸発４→クラック２出現→拡大レンズ５による作業
者６の肉眼によるクラック検出作業７のプロセスで、従
来から行われているクラック２検出作業ではアルコール
蒸発４が早く起るため、セラミックドーム１全外周面に
同時にアルコールを塗布して、セラミックドーム１全外
表面１ｂのクラック２検出を短時間で行うことは難し
く、このために、例えばセラミックドーム１外表面１ｂ
のうちの、例えば２００ｍｍ×２００ｍｍの範囲にわた
ってアルコール３を塗布して、クラック２検出を逐次行
うようにしている。このために、従来の肉眼によるクラ
ック２検出では、セラミックドーム１全外表面１ｂのク
ラック２検出に時間がかかり、人手を必要とし、コスト
が嵩むという不具合がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明のセラミック表
面クラック自動検出装置は、上述したように、従来の装
置が作業者の肉眼によるクラック検出のため時間がかか
り、人手を必要とし、コストがかかり、また、クラック
の見落としにより、ミサイル発射時の不具合の原因とな
る問題点を解消するために、レーザ光源から、数ｍｍの
幅を持った平行光（平面波）をセラミックレドーム表面
に照射し、外表面から反射された光波を結像レンズの焦
点面に置かれた電荷結合素子（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐ
ｌｅｄＤｅｖｉｃｅ：以下ＣＣＤという。）によって
撮影し、撮影された画像をパーソナルコンピュータ（Ｐ
ｅｒｓｏｎａｌＣｏｎｐｕｔｅｒ：以下ＰＣとい
う。）により画像処理することによって、クラックの有
無を検出し、また、検出されたクラックの位置は、セラ
ミック全表面を検出するために移動させる検出装置若し
くはセラミックレドームの移動量を算出することにより
得ることのできるセラミック表面クラック自動検出装置
を提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このため、本発明のセラ
ミック表面クラック自動検出装置は、次の手段とした。
セラミック表面に発生しているクラックを自動的に検出
するセラミック表面クラック自動検出装置において、ク
ラックが発生しているセラミック表面から反射した光の
振幅分布と、製作時に発生するもともとの凹凸のみが存
在しクラックのないセラミック表面から反射する光の振
幅分布とが異なる特性を利用し、セラミック表面からの
反射光の空間周波数情報をフラウンホーファ回折により
取り出し、クラックがあるセラミック表面からの反射光
の特徴である空間周波数軸上のサイドローブを取り出
し、クラックのないセラミック表面による反射光のフラ
ウンホーファ回折像の特徴量である振幅分布と、クラッ
クのあるセラミック表面の反射光のフラウンホーファ回
折像の特徴量である振幅分布とが重なる領域を偏向子で
除去し、小振幅のサイドローブを検出できるレンジで検
出したサイドローブをクラック特徴量として検出し、セ
ラミック表面に発生したクラックを自動的に検出できる
ものにした。

【００１０】なお、クラック発生を検出する光として
は、レーザ光源から発信させた数ｍｍ以下の幅を有する
平行光（平面波）を使用し、セラミック表面に発生した
クラックの検出にはＣＣＤ（カメラ）を使用するととも
に、クラックデータの解析並びに小区画に分割してクラ
ック検出するためのセラミック表面及びセラミック表面
クラック検出装置の移動制御にはＰＣを使用することが
好ましい。

【００１１】これにより、従来のセラミック表面クラッ
ク検出装置が作業者の肉眼による検出のために、人手を
要するとともに時間がかかりコストが嵩み、また、セラ
ミック表面クラックの見落としにより生じることのあっ
た不具合が解消され、短時間でセラミック表面クラック
検出ができ、製造時及び発射直前に行われているセラミ
ックレドーム表面クラック検出等の作業時間が短縮さ
れ、飛しょう体の効率的な運用が可能になり、しかも、
セラミック表面クラックの見落としを無くすることがで
きることにより、クラック発生に伴う飛しょう体の破壊
を防止することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明のセラミック表面ク
ラック自動検出装置の実施の一形態を図面にもとづき説
明する。なお、図１９、図２０に示す部材と同一若しく
は類似の部材には同一符号を付して説明は省略する。図
１は、本発明のセラミック表面クラック自動検出装置の
実施の第１形態を示す全体図である。

【００１３】図において、１０はセラミック表面クラッ
ク自動検出装置、１１はレーザ光源、１２は対物レン
ズ、１３はコリメイトレンズ（焦点距離ｆ₀）、１４は
ビームスプリッタ、１５は拡大レンズ、１６は焦点結像
レンズ（焦点距離ｆ₁）、１７は偏光子、１８は結像レ
ンズ、１９はＣＣＤ、２０はＡ／Ｄコンバータ、２１は
クラック検出及びクラック位置記録用ＰＣ、２２は可動
部、２３は回転台、２４はクラック検出装置光学系であ
る。なお、同図において（１）〜（４）は光路順序を示
している。

【００１４】図に示すように、レーザ光源１１から、数
ｍｍ以下の幅を持った平行光（平面波）をセラミック表
面であるセラミックレドーム１外表面に照射する。平行
光が照射されているセラミックレドーム１外表面の一部
分である測定外表面２５から反射した光波は、焦点結像
レンズ１６の焦点面で光強度分布として結像し、焦点面
に置かれた偏光子１７により、クラック２有無の判定に
必要な部分のみが抽出される。偏光子１７により、抽出
された光強度分布をＣＣＤ１９にて撮影した撮影画像を
Ａ／Ｄコンバータ２０で変換してＰＣ２１に入力し、測
定外表面２５のクラック２有無の判定を行い、その結果
をＰＣ２１により記録する。

【００１５】次いで、可動部２２及び回転台２３の移動
量をＰＣ２１により処理することで、平行光で照射する
測定外表面２５の位置を変え、上述した手順と同様にし
て変更された測定外表面２５におけるクラック２の有無
を検出し、セラミックレドーム１に発生しているクラッ
ク２の位置、大きさを記録する。

【００１６】次に、本実施例で用いている計測系につい
て説明する。クラック２の発生部で生じる回折現象は、
照射される平行光の波長と同程度の大きさの測定対象物
で発生するため、良好な回折現象を確認しクラック２発
生の検出精度を上げるためには、波長は短い方が好まし
いが、本実施例では、比較的安価なＨｅ−Ｎｅ（ヘリウ
ム−ネオン）レーザ（波長６３３ｎｍ、直線偏光）を発
信できるレーザ光源１１を用いるようにした。偏光子１
７により抽出された光強度分布を撮影するＣＣＤ（カメ
ラ）１９は、ＣＣＤピクセルサイズを０．２５ｍｍ×
０．２５ｍｍとし、ＣＣＤピクセル数を４０１ピクセル
×４０１ピクセル領域のものとし、そのサイズは、１０
０．２５ｍｍ×１００．２５ｍｍ）になるものとした。

【００１７】また、レンズ及び座標系は、レーザ光源１
１から出た平行光は、対物レンズ１２により放射状に広
がり、焦点距離ｆ₀のコリメイトレンズ１３により、平
面波となるようにしている。その後、この平面光（光
波）はビームスプリッタ１４で反射し、ξ_a−η_a平面
からなるセラミックレドーム１の測定外表面２５に垂直
に照射され、測定外表面２５で反射された反射波は照射
方向に反射する。

【００１８】反射した光波は、ビームスプリッタ１４を
透過し、拡大レンズ１５通過後、Ｘａ′−Ｙａ′平面に
置かれた焦点結像レンズ１６を通り、焦点結像レンズ１
６の焦点距離であるｆ₁だけＸａ′−Ｙａ′平面から離
れたＸａ−Ｙａ平面上である焦点面で結像する。光波の
偏光方向に垂直な方向の振幅成分のみを透過させるＸａ
−Ｙａ平面上に設けた偏光子１７を通過させた後、結像
レンズ１８により、Ｘａ−Ｙａ面上の光強度分布を任意
倍率にして、ＣＣＤ１９が設けられているＸＸａ−ＹＹ
ａ平面上で結像させる。なお、各平面に垂直でビーム中
心が貫く軸をＺ軸とする。また、クラック２の発生を検
出するセラミックレドーム１の表面には、人間の手で確
認できる程度の数十μｍオーダの凹凸を持つ程度のもの
にされている。

【００１９】さらに、セラミックレドーム１の表面に発
生するクラック２は、セラミックレドーム１の厚みか
ら、クラック寸法の最小値は決まり、本実施例の如く飛
しょう体頭部として適用されるセラミックレドーム１
（厚み３０ｍｍ）で発生するクラック寸法の最小値は、
幅２ｂが数μｍ程度、長さ２ａが約８０ｍｍ、深さが約
２ｍｍで、その形状は前述したように直線状のものにな
る。

【００２０】図２（ａ）は、セラミックレドーム１に発
生しているクラック２の表面形状（ξ−η平面）図、図
２（ｂ）はクラック２の発生している位置でのセラミッ
クレドーム１表面の断面図（ξ−Ｚ平面）図、即ちξ軸
空間分布図である。本実施例では、セラミックレドーム
１に発生しているクラック２を検出する手法として、物
質の表面形状を測定する一般的手法であるフラウンホー
ファ回折法を使用するようにした。

【００２１】すなわち、セラミックレドーム１表面に発
生するクラック２は直線状であるため、光波の照射面上
のクラック２位置によらず、レーザ光軸を中心とした点
対称の特徴的な光強度パターンを得ることができる、フ
ラウンホーファ回折光を使用するようにしたフラウンホ
ーファ回折法についてまず説明する。

【００２２】図３は、一般的なフーリエ変換による回折
法を示す図で、図３（ａ）に示すように電気信号に対し
て、フーリエ変換を行うことにより、その電気信号を構
成する信号波の周波数及び電力成分は、図３（ｂ）に示
すようになる。一方、フラウンホーファ回折法において
は、図４（ａ）に示すように、焦点結像レンズ１６入射
面での光振幅分布に対するフーリエ変換で、レンズ入射
面の光振幅分布を構成する空間周波数及び光強度を、焦
点面の空間分布に対応して出力される。ここで、光振幅
分布とは、光強度の分布を位置の関数として表したもの
で、また、空間周波数Ｃ₁は、光振幅分布の１周期を示
す光振幅のピークからピークまでの長さ（空間波長）の
逆数で表される。

【００２３】空間波長の単位はｍ（メートル）であるの
で、空間周波数の単位はｍ^-1で表され、もし、図４
（ｂ）のように、空間周波数Ｃ₁を持つ光振幅分布（正
弦波）が焦点結像レンズ１６に入射し、フラウンホーフ
ァ回折像を焦点面に結像したとすると、空間周波数Ｃ₁
に比例した位置に光強度ピークが発生する。したがっ
て、ある軸（図４（ｂ）におけるｘ′軸）に沿った位置
の関数である反射光の光振幅分布は、フラウンホーファ
回折により、その光振幅分布が持つ空間周波数成分の光
強度が焦点面のｘ軸上に現れる。但し、ｘ軸とｘ′軸
は、ベクトル的に平行な軸である。

【００２４】また、フラウンホーファ回折（フーリエ変
換）の特徴として、レンズ入射面光振幅分布が持つ空間
周波数値を＋と−として焦点面に出力するため、フラウ
ンホーファ回折像は光軸原点（入射面光振幅分布を構成
する空間周波数０に対応）に対称な光強度分布としてＸ
ｐ−Ｘｐの位置に発生する。また、フラウンホーファ回
折の代表的な例としては、図５に示す虫メガネによる結
像が挙げられることができる。

【００２５】図５（ａ）に示す太陽光のように、一定の
光振幅で入射する光は、虫メガネの焦点面で一点に集め
られるが、これは、虫メガネに入射する光振幅分布が図
５（ｂ）に示すように、虫メガネ全面にわたって一定
値、つまり直流成分しか持たないために、フラウンホー
ファ回折（フーリエ変換）によるフーリエ変換後（つま
り焦点面上）には、図５（ｃ）に示すように空間周波数
Ｃ₁＝０に対応する光軸原点にしか光強度が現れない。

【００２６】しかしながら、図５（ｄ）に示すように、
虫メガネに入射している太陽光に手をかざし、太陽光の
入射を妨害すると、レンズ入射面の光強度振幅分布が図
５（ｅ）に示すように一定値とならず、構成する空間周
波数成分が一定値である直流成分から、様々な空間周波
数成分をもった光振幅分布に変化するために、フラウン
ホーファ回折像を示す焦点面の光強度分布は１点に集中
せず、図５（ｆ）に示すように光軸原点を中心としたあ
る広がりを持った分布となる。

【００２７】このように、フラウンホーファ回折像は、
レンズ入射面の光振幅分布のもつ空間周波数成分のみに
依存し、セラミックレドーム１のクラック２部分からの
反射光はクラック２の形状（長方形）となり、その空間
周波数成分は同じであるので、クラック２からの反射光
（レンズ入射面）の光振幅分布の位置によらず、フラウ
ンホーファ回折像（空間周波数分布を示す）は、すべて
同形状を示すこととなる。

【００２８】ただし、クラック２の長辺に垂直な方向の
光振幅分布のフーリエ変換の重ね合わせが、最終的なフ
ラウンホーファ回折像の強度ピーク大となって現れ、換
言すればクラック２の短辺に垂直な方向は、重ね合わせ
領域が短いため、強度ピークは長辺に垂直な方向の強度
ピークより無視できるほど小さいので、図６（ａ）〜図
６（ｄ）に示すように、クラック２の向きにフラウンホ
ーファ回折像の向きも依存することになり、クラック２
の向きにしたがってフラウンホーファ回折像も回転する
ことになる。

【００２９】次に、セラミックレドーム１のクラック検
出メカニズムについて説明するが、この説明において使
用する座標系は、光軸を中心に回転対称であることを考
え、便宜上、計測系の絶対座標と区別するため、図７に
示すように、クラック２の長辺に平行で光軸中心を通る
軸をη軸、クラックの短辺に平行で光軸中心を通る軸を
ξ軸とする。また、焦点結像レンズ１６が設置される光
軸（Ｚ軸）座標で光軸と直交して設けられる平面Ｘａ′
−Ｙａ′、焦点結像レンズ１６の焦点距離で偏光子１７
が設置される光軸座標で光軸と直交して設けられる平面
Ｘａ−ＹａおよびＣＣＤが設置される光軸座標で光軸と
直交して設けられる平面ＸＸａ−ＹＹａで表される計測
系の各平面に、η及びξ軸をそれぞれ投影した軸を、図
７で示すようにそれぞれ、Ｘ′−Ｙ′、Ｘ−Ｙ、ＸＸ−
ＹＹ軸とする。

【００３０】図１における光学系で焦点結像レンズ１６
の焦点距離ｆ₁の焦点面に結像される回折パターンは、
フラウンホーファ回折現象により、数１で示されるもの
が表わされ、この数１によりξ軸の焦点面への投影した
軸であるＸ軸に沿う光振幅分布Ψ（ｘ）及び光強度Ι
（ｘ）は、数２で示されるものが表われる。

【００３１】

【数１】

【００３２】

【数２】

【００３３】但し、数１、数２において、Ι（ｘ）、Ι
（ｘ，ｙ）は、レンズ焦点面における光強度分布、Ψ
（ｘ）、Ψ（ｘ，ｙ）は、レンズ焦点面における光振幅
分布、Ψ ^*（ｘ）、Ψ^*（ｘ，ｙ）はΨ（ｘ）、Ψ
（ｘ，ｙ）の複素共役光振幅分布、Ψ′（ｘ′）、Ψ′
（ｘ′，ｙ′）は、レンズ直前における光振幅分布、λ
は、レーザ光の波長、ｆ₁は、焦点結像レンズの焦点距
離である。

【００３４】上述した数１及び数２より焦点面（Ｘ−Ｙ
平面）および焦点面Ｘ軸方向に結像されるフラウンホー
ファ回折像は、焦点結像レンズ１６上の光振幅分布Ψ′
（ｘ′，ｙ′）、Ψ′（ｘ′）のフーリエ変換となる。
なお、クラック２がある場合のΨ′（ｘ′，ｙ′）は、
クラック２に吸収される直線状の暗部とセラミックレド
ーム１表面から反射される一定周波数の光振幅の重ね合
わせであることから、Ψ′（ｘ′）構成する周波数成分
は、クラック２の位置に関わらず同じであり、常に同様
の形状となる。

【００３５】そこで、焦点結像レンズ１６上の光振幅分
布を考え、反射光の焦点結像レンズ１６上（Ｘ′軸）の
光振幅分布は次の様になる。

【００３６】ア）クラック２がないセラミックレドーム
１表面からの反射光振幅分布（Ｘ′軸）図８に示すように、セラミックレドーム１表面の凹凸は
計測波長λと比べ大きいため、図に示すように凹凸間隔
（空間波長）λ₀を計測波長λのＡ倍とし、λ₀＝Ａ・
λと定義すると、空間周波数Ｃ₀は、Ｃ₀＝１／λ₀＝１／Ａλ で表わされることになる。

【００３７】一方、セラミックレドーム１表面の凹凸の
極大値、及び極小値で、表面からの反射光は最大値を取
るため、図９に示すように、セラミックレドーム１表面
からの反射光の空間波長λ₁は、表面形状空間波長λ₀
の１／２倍となるため、λ₁＝λ₀／２となる。従っ
て、図４（ｂ）で示した反射光の空間周波数Ｃ₁は、Ｃ
₁＝１／λ₁＝２／λ₀＝２Ｃ₀となり、セラミックレ
ドーム１表面の空間周波数Ｃ₀の２倍となる。

【００３８】イ）クラック２があるセラミックレドーム
１表面からの反射光振幅分布（Ｘ′軸）セラミックレドーム１表面に発生するクラック２の幅と
深さの比は１０００倍程度であり、その断面は、図２０
に示すようにくさび状であることから、クラック２部は
ビームスリッタ１４で反射され、入射された光波を吸収
する。すなわち、クラック２による光吸収領域は、図１
０に示すようにＸ′軸方向に２ｂの幅を有するものとな
る。

【００３９】ここで、図１に示す拡大レンズ１５の倍率
をＳ倍に設定すると、表面形状及びクラックのサイズは
すべてＳ倍となるが、本実施例ではＳ＝１（つまり、拡
大レンズ１５を置かない）とする。すなわち、拡大レン
ズ１５の倍率Ｓを大きくする程、クラック２の吸収領域
が拡大され焦点結像レンズ１６に寄与する割合が大きく
なるため、Ｓ／Ｎ（信号対ノイズ比）が改善され、良好
なクラック検出が可能となる反面、単位検出面積が小さ
くなり、計測時間は増大するからである。

【００４０】次に、焦点結像レンズ１６に到達した各ケ
ースにおける反射光の回折像（フーリエ変換像）は、次
の様にして求められる。

【００４１】ア）クラック２がない場合のセラミックレ
ドーム１表面の回折像図８に示すクラック２がないセラミックレドーム１表面
からの反射光のフラウンホーファ回折像を前述した数２
を用いて求めると、図１１に示す強度分布となる。な
お、同図において縦軸である光強度は、光軸中心の強度
Ι₀で規格化した規格化光強度Ι／Ι₀で表している。

【００４２】図１１に示すように、規格化光強度Ι／Ι
₀は、Ｘ＝０及びＸ＝Ｘｐの場所にピーク値が存在する
が、このうち、Ｘ＝０におけるピーク値は、直流成分に
よるものであり、Ｘ＝Ｘｐにおけるピーク値は、レドー
ム表面の凹凸による空間周波数Ｃ₁成分によるものであ
る。ピーク値と原点の距離Ｘｐと光振幅分布の空間周波
数Ｃ₁との関係は、Ｘｐ＝λｆ₁Ｃ₁で表される。

【００４３】ここでＸｐは焦点結像レンズ１６の焦点面
における光軸原点からの距離、λは計測レーザの波長、
ｆ₁は焦点結像レンズ１６の焦点距離を表し、これを焦
点面であるＸ−Ｙ平面で見ると、半径Ｘｐの円周上にピ
ークが現れることになる。すなわち、前述したフラウン
ホーファ回折法で説明したように、フーリエ変換（フラ
ウンホーファ回折）により、焦点結像レンズ１６の入射
面の図４（ｂ）に示す光振幅分布のもつ空間周波数Ｃ₁
成分が、レンズ焦点（光軸）を中心としてレンズ焦点面
上に現れる。

【００４４】特に、クラック２のないセラミックレドー
ム１表面から反射された焦点結像レンズ１６入射面の光
強度分布は、図９に示すように直流成分（入射面光強度
の平均値に対応）と空間周波数Ｃ₁（入射面光強度の凹
凸に対応）の周波数成分しか持たないので、焦点面中心
（光軸）と光軸からＸｐの位置に光強度のピークが現れ
る。前述したように、フラウンホーファ回折法は、焦点
結像レンズ１６入射面の光振幅分布のフーリエ変換でな
され、電気信号等のフーリエ変換は、数３でなされる。

【００４５】

【数３】

【００４６】従って、時間周波数ｆ＝Ｃ₁の正弦波信号
をｆ（ｔ）とし、数３に代入すると、ω＝２πＣ₁で信
号ピークが発生しωの内容（つまり時間周波数Ｃ₁）が
ピークの位置を決定づける。一方、フラウンホーファ回
折像は数２のΨ（ｘ）から、数３、ω＝２πＣ₁のωに
対応する式は、ω＝２πｘ／λｆ₁となり、このωの位
置でピークが発生し、ω＝２πＣ₁と同じく空間周波数
Ｃ₁に対応する位置に、ピークが発生しているので、空
間周波数Ｃ₁とピーク位置ｘは、ｘ＝λｆ₁Ｃ₁で表わ
されることになる。なお、前述したピーク値と原点の距
離と光振幅分布Ｃ₁との関係を表わす式で、ｘをピーク
位置Ｘｐとして表している。

【００４７】イ）クラック２のある場合のセラミックレ
ドーム１表面の回折像図１０に示すクラック２がある場合のセラミックレドー
ム１表面からの反射光のフラウンホーファ回折像を数２
を用いて求めると、図１２に示す規格化光強度（Ｉ／Ｉ
₀）分布となる。図１２では、図１１と同じく光軸中心
及びクラック２表面の空間周波数Ｃ₁に対応する領域に
鋭いピーク値が現れ、さらに図１２では、クラック２が
持つ空間周波数Ｃ₁成分が現れる。この成分の光強度が
０になる点Ｘ_mpは、数４で算出される。

【００４８】

【数４】

【００４９】これより、ｍ＝０の時の距離Ｘ_mpまでの間
が光強度分布のメインローブとなり、ｍ＞１の箇所に、
図１２に示すようにサイドローブが現れ、メインローブ
から近い順に１次、２次、───ｋ次サイドローブと呼
ぶこととすると、ｋ次サイドローブのピークまでの光軸
原点からの距離Ｘ_kpは、数５で表される。

【００５０】

【数５】

【００５１】図１１と図１２の比較より明らかなよう
に、クラック２による成分に注目すると、図１２のメイ
ンローブの光強度分布域においては、クラック２以外か
らの反射成分の強度が大きいため、クラック成分を検出
することは、困難である。このため、本実施の形態では
焦点面Ｘ−Ｙ面に偏光子１７を設置し、この偏光子１７
によりメインローブを除去することにより、図１３に示
すように第１サイドローブを抽出するようにした。この
サイドローブの検出において、サイドローブレベルは、
周囲雑音と比べ十分大きくなるため、周囲雑音平均値を
超えるものを抽出し、抽出したものを画像処理し、点対
称位置になっていれば、クラック２を検出したと判断す
ることとした。

【００５２】次に、クラック２があるセラミックレドー
ム１表面にレーザ光が入射された場合のクラック２の検
出方法を以下に示す。なお、クラック２の幅は２ｂ＝２
μｍとする。

【００５３】（１）レーザ光を図１４（ａ）に示すよう
にセラミックレドーム１表面に入射させる。セラミック
レドーム１計測系の座標をξ_a及びη_aとし、クラック
は、図に示すように、ξ_aに対してθ傾いて存在してい
ると考え、クラック２の長辺に平行な軸をη、短辺に平
行な軸をξと定義する。また、入射光波の直線変更方向
を計測系座標η_aに平行とした。

【００５４】（２）光波がセラミックレドーム１表面か
ら反射した場合の焦点結像レンズ１６直前の光振幅分布
は、図１４（ｂ）となる。

【００５５】本実施の形態では、クラック２がないセラ
ミックレドーム１表面の空間周波数λ₀を、計測レーザ
光の波長λの２０倍としているため、λ₀＝Ａ・λより
λ₀＝１２．６６μｍとなる。また、セラミックレドー
ム１表面からの反射光が極大値をもつ間隔は、λ₁＝λ
₀／２よりセラミックレドーム１表面の空間周波数λ₀
の０．５倍となるため、λ₁＝６．３３μｍとなり、ま
た、クラック２は光波を吸収するため、Ｘ′ａ軸からθ
傾いた方向に直線状の暗部が現れる。

【００５６】（３）光波が焦点結像レンズ１６を通過
し、焦点面（Ｘ−Ｙ面、Ｘａ−Ｙａ面）に結像される光
強度パターン、即ち焦点結像レンズ１６焦点面の光強度
分布は、１４（Ｃ）に示すようになる。このときの正の
Ｘ軸に沿った光強度分布は図１２に示すようになり、正
常セラミックレドーム１表面から反射される光振幅分布
の空間周波数Ｃ₁に対応して、原点、及びＸｐ＝λｆ₁
Ｃ₁式より計算した原点から１５．１ｍｍの距離に光強
度のピークが発生するとともに、クラック２による光振
幅分布の空間周波数Ｃ₁に対応して、原点付近にメイン
ローブ、及び数５より計算した原点から±７１．２ｍｍ
離れたＸ軸上に第１サイドローブのピークが発生する。

【００５７】ここで、レーザ偏光成分（Ｙａ軸に平行）
に垂直な偏光成分（Ｘａ軸に平行）を透過させる半径４
７．５ｍｍの円形偏光子１７により除去する。偏光子１
７でメインローブを除去した後の光強度分布は図１３の
ようになり、メインローブを除去でき、クラック２１に
よるサイドローブ成分のみを取り出せる。

【００５８】（４）焦点面の光強度分布を光軸上の結像
レンズ１８により１／５倍に結像した面に、ＣＣＤ１９
を置き、この時のＣＣＤ１９面における光強度分布を図
１４（ｄ）に示すように撮影するが、この時の正のＸＸ
軸に沿った光強度分布は、図１５に示すようになる。

【００５９】（５）このＣＣＤ１９のピクセルサイズ
は、図１６に示すように０．２５ｍｍ×０．２５ｍｍと
し、ＣＣＤ１９のピクセル数を４０１×４０１ピクセル
とすると、ＣＣＤ１９の画素値からクラック２検出でき
る光検出領域は、１００．２５ｍｍ×１００．２５ｍｍ
となり、ＣＣＤ１９からＰＣ２１が取り込むデータは、
４０１×４０１要素の配列のものとなる。このＣＣＤ１
９画素値からのクラック２検出にあたっては、まず、４
０１×４０１要素のデータの平均値を計算し、ＣＣＤ１
９検出領域の上半分の配列要素（ＹＹ≦２０１）で、平
均値の３倍以上の要素値を持つ配列をピックアップす
る。

【００６０】本レベルの画素値は、クラックの存在によ
り発生する第１サイドローブピークの強度をＩ₀′とす
ると、メインローブ領域を除いた平均強度値は、０．１
４Ｉ ₀′となり、ピークは１／０．１４＝７倍の強度と
なり、第１サイドローブの強度が平均強度値の３倍を超
えるのは、本ケースでは１７ピクセル程度となる。この
処理でピックアップされた配列要素値をＩＩ（ＸＸ，Ｙ
Ｙ）とし、また、ＸＸ＝１００、ＹＹ＝１００を光軸原
点とする。

【００６１】次に、フラウンホーファ回折像の特徴よ
り、ピックアップされた配列要素ＩＩ（ＸＸ，ＹＹ）
は、光軸原点の点対称位置に同等の強度（配列要素値）
が存在するので、点対称位置にあるピクセルの画素値Ｉ
Ｉ（４０１−ＸＸ、４０１−ＹＹ）が平均強度の３倍以
上で抽出されていることを確認し、ＩＩ（４０１−Ｘ
Ｘ、４０１−ＹＹ）が平均強度の３倍以上を持つなら
ば、一致カウントＣに１を加える。ここで、クラック２
がある場合の正のＸＸ軸に沿ったピクセルの画素値を図
１７に示す。

【００６２】第１サイドローブのピーク値は、図１５に
示されているように、軸原点より１４．２ｍｍ離れた地
点に存在し、前述のように平均画素値の３倍以上となる
ピクセルの数Ｃは、１７程度となるが、クラック２の傾
きやノイズ状態によりＣは変動する。このため、マージ
ンを考慮してＣ＝８ピクセル以上に設定し、上記の処理
でＣ＝８以上であれば、クラックを検出したと判断す
る。このように、ＣＣＤ１９から取り込まれたＣＣＤ１
９画素値からクラック２検出を行うＰＣ２１におけるク
ラック検出アルゴリズムのフローチャートを図１８に示
す。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のセラミッ
ク表面クラック検出装置は、セラミック表面のクラック
を自動的に検出するため、セラミック表面クラックから
反射した光の振幅分布と、凹凸のみでクラックのないセ
ラミック表面から反射する光の振幅分布とが異なるのを
利用し、セラミック表面からの反射光の空間周波数情報
をフラウンホーファ回折により取り出し、セラミック表
面クラックからの反射光の空間周波数軸上のサイドロー
ブを取り出して、クラックなしセラミック表面の反射光
フラウンホーファ回折像の振幅分布と、クラックありセ
ラミック表面の反射光のフラウンホーファ回折像の振幅
分布とが重なる領域を偏向子で除去し、振幅の小さいサ
イドローブを検出できるレンジを確保して、サイドロー
ブをクラック特徴として検出し、発生したクラックを自
動的に検出できるものにした。

【００６４】これにより、従来のセラミック表面クラッ
ク検出装置の不具合が解消され、短時間でセラミック表
面クラック検出ができ、検出作業時間が短縮され、しか
も、クラックの見落としを無くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミック表面クラック自動検出装置
の実施の第１形態を示す全体図、

【図２】図１に示すセラミックレドーム１に発生してい
るクラックを示す図で、図２（ａ）はクラック表面形状
（ξ−η平面）図、図２（ｂ）クラックの発生している
位置でのセラミックレドーム表面の断面図（ξ−Ｚ平
面）図、即ち、ξ軸空間分布図、

【図３】一般的なフーリエ変換による回折法を示す図
で、図３（ａ）は変換前の電気信号波を示す図、図３
（ｂ）は図３（ａ）に示す電気信号のフーリエ変換によ
る信号波の周波数及び電力成分を示す図、

【図４】フラウンホーファ回折を示す図で、図４（ａ）
はレンズによるフラウンホーファ回折（フーリエ変換）
を示す図、図４（ｂ）はレンズ入射面光振幅分布を示す
図、図４（ｃ）はレンズ焦点面光強度分布を示す図、

【図５】フラウンホーファ回折の代表例としての虫メガ
ネによる結像を説明する図で、図５（ａ）は虫メガネに
一定の光振幅で入射する光が焦点面で集められることを
示す図、図５（ｂ）は図５（ａ）で示すように虫メガネ
に入射する光振幅分布を示す図、図５（ｃ）は図５
（ｂ）に示す光振幅分布の入射光の虫メガネ焦点面光強
度、図５（ｄ）は図５（ａ）において入射光を手でさえ
ぎった状態を示す図、図５（ｅ）は図５（ｄ）にした状
態における虫メガネ入射面光振幅分布を示す図、図５
（ｆ）は図５（ｄ）に示す光振幅分布の入射光の虫メガ
ネ焦点面光強度、

【図６】フラウンホーファ回折像を示す図で、図６
（ａ）はレンズ入射面光振幅分布図、図６（ｂ）はレン
ズ焦点面光強度分布図、図６（ｃ）は図６（ｂ）に示す
Ｙ軸で切断したセラミック表面断面図、図６（ｄ）は図
６（ｃ）に示すセラミック断面で反射される反射光の光
強度を示す図、

【図７】レドーム表面、焦点結像レンズ座標位置、焦点
面及び偏光子座標位置及びＣＣＤ座標位置での座標系を
示す図、

【図８】クラックのないセラミックを示す図で、図８
（ａ）はセラミック表面図、図８（ｂ）は図８（ａ）に
示すξ軸に沿って切断した断面図、

【図９】図８（ａ）に示すクラックのないセラミック表
面からの反射光の波長と光振幅を示す図、

【図１０】クラックのあるセラミック表面からの反射光
の波長と光振幅を示す図、

【図１１】図８に示すセラミック表面からの反射光のフ
ラウンホーファ回折像を用いて求めた光強度分布図、

【図１２】図１０に示すクラックのあるセラミック表面
からの反射光のフラウンホーファ回折像を用いて求めた
光強度分布図、

【図１３】図１２に示すメインローブを偏光子により除
去することにより得られた第１サイドローブ、第２サイ
ドローブを示す図、

【図１４】クラックがあるセラミック表面にレーザ光を
入射しクラックを検出する方法を示す図で、図１４
（ａ）はクラック表面を示す図、図１４（ｂ）は焦点結
像レンズ直前光振幅分布図、図１４（ｃ）は焦点結像レ
ンズ焦点面強度分布図、図１４（ｄ）はＣＣＤ画面結像
強度分布図、

【図１５】図１４（ｄ）に示すＣＣＤ面結像強度分布図
における各サイドローブの光強度を示す図、

【図１６】図１４（ｄ）に示すＣＣＤ面結像強度分布図
において、光強度が平均値の３倍以上の強度で現われた
ＣＣＤのピクセルを示す図、

【図１７】クラックがある場合のＸＸ軸に沿ったピクセ
ルの画素値を示す図、

【図１８】ＣＣＤに撮影された画素値からクラック検出
を行うＰＣにおけるクラック検出アルゴリズムを示すフ
ローチャート、

【図１９】従来のセラミック表面のクラック検出を行っ
ている状況を示す図、

【図２０】セラミック表面にクラックが発生したとき、
空力加熱等によりクラック部に作用する熱膨張による生
じる応力を示す図である。

【符号の説明】

１セラミックレドーム１ａ内表面１ｂ外表面２クラック３アルコール４アルコール蒸発５拡大レンズ６作業者７クラック検出作業１０セラミック表面クラック自動検出装置１１レーザ光源１２対物レンズ１３コリメイトレンズ１４ビームスプリッタ１５拡大レンズ１６焦点結像レンズ１７偏光子１８結像レンズ１９ＣＣＤ２０Ａ／Ｄコンバータ２１ＰＣ２２可動部２３回転台２４クラック検出装置光学系２５測定外表面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック表面に発生したクラックを自
動的に検出するためのセラミック表面クラック自動検出
装置において、クラックがあるセラミック表面から反射
した光の振幅分布と、もともとの凹凸のみが存在してい
るクラックのないセラミック表面から反射する光の振幅
分布とが異なる特性を利用し、セラミック表面からの反
射光の空間周波数情報をフラウンホーファ回折により取
り出し、クラックがあるセラミック表面からの反射光の
特徴である空間周波数軸上のサイドローブを取り出し
て、クラックのないセラミック表面による反射光のフラ
ウンホーファ回折像の前記振幅分布とクラックのあるセ
ラミック表面の反射光のフラウンホーファ回折像の前記
振幅分布とが重なる領域を偏向子で除去し、小振幅のサ
イドローブを検出できるレンジを確保してサイドローブ
をクラック特徴量として検出し、セラミック表面に発生
したクラックを自動的に検出できるようにしたことを特
徴とするセラミック表面クラック自動検出装置。