JP2003505683A - 熱共振撮像方法 - Google Patents

熱共振撮像方法

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Abstract

(57)【要約】 赤外線（ＩＲ）過渡サーモグラフィーシステムでは、ＩＲ感応フォーカルプレーンアレイカメラから連続した画像フレームが得られる。連続して得られた各画像フレームは画素アレイから構成され、経過時間に対応して割り当てられたフレーム番号を有する。各画素に対応する温度対時間（Ｔ−ｔ）データは、連続する多数の画像フレームから作成される。多数の熱データ画像フレームの解析方法では、各画素から正規化されたＴ−ｔデータ曲線の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の実数成分もしくは虚数成分のいずれか一方を用いてオブジェクトの厚さを求めて、色分けされたマップ、もしくは、グレイスケールの厚さマップを作成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本願は、１９９９年７月２１日に出願された米国仮出願６０／１４４，８８５
の特典を請求するものであって、その全内容は本願の援用文献である。
【０００２】
【技術分野】
本発明は、オブジェクトの厚さを求めるための、サーモグラフィーに基づく非
破壊試験技術に関する。特に、本発明は、高速フーリエ変換熱共振関数を使って
、多数の熱データ画像フレームを分析することによって厚さを求める赤外線過渡
サーモグラフィー法に関する。
【０００３】
【背景】
ここ何年もの間、様々な非破壊超音波測定技術を使って、鋳物やその他の固体
物の断面厚を測定している。従来は、オブジェクトに超音波を当てて試験を行っ
ており、超音波は、オブジェクトの表層を突き抜け、反対側の内部で反射するか
、あるいは表面で反射する。そして、反射波の受信に要した時間をもとに反対側
（背面）までの距離を測定し、それをその点におけるオブジェクトの厚さとして
いる。しかしながら、この種の超音波測定を行って、たいていのオブジェクトの
断面厚を検査するには、通常、トランスデューサを使った、煩わしくて時間のか
かる全表面の機械的走査が必要になる。さらに、トランスデューサとオブジェク
ト表面との間を音響的に十分に密着させるには、その表面に液体の接触媒質を途
切れなく供給するか、あるいは、オブジェクト全体を接触媒質中に浸す必要があ
る。しかし、多くの場合、そのようなことは実際的ではないし、多くの構造上か
つ素材上の理由から実現さえ不可能である。例えば、幾何学的に入り組んだ部分
を走査して、分析できる超音波システムは、一般的には非常に高価であり、複雑
である。さらには、トランスデューサによる大型オブジェクトの表面の機械的な
走査には、事実上、何時間もかかる。
【０００４】 さらに、ある金属オブジェクトを超音波測定する場合、その金属の内部結晶方
向と構造により、望ましくないノイズと方向性効果が発生し、それが原因となっ
て、得られたデータに誤りが生ずる。このような超音波測定に固有の限界が、最
新のタービン翼によく使用される結晶金属、あるいは「方向性のある」金属から
なる部品の試験を行う際の重大な欠点となる。
【０００５】 これとは対照的に、赤外線（ＩＲ）過渡サーモグラフィーは、幾分か用途の広
い非破壊試験技術である。この技術は、オブジェクトを介した熱転写の時間的な
測定結果をもとに、そのオブジェクトの構造と完全性に関する情報を提供するも
のである。オブジェクトを介した熱流は、実質的には、そのオブジェクトの素材
のミクロ構造や単結晶方向に影響されないため、赤外線過渡サーモグラフィー分
析には、本来、超音波測定に対するような制限はない。たいていの超音波技術と
は対照的に、過渡赤外線サーモグラフィー分析方法では、被検査オブジェクトの
大きさ、外形、あるいは形状によって著しく妨げられることはなく、被検査オブ
ジェクトの表面積が大きければ、従来のほとんどの超音波による方法よりも、１
０倍から１００倍も速く試験ができる。
【０００６】 過渡サーモグラフィーについて知られた最近の適用例として、固体非金属合成
物中の傷の大きさと、「相対的な」位置（深さ）を測定できるものが、「過渡深
度サーモグラフィー非破壊試験」と題する、リンガーマシャー他による米国特許
第５，７１１，６０３号で明らかにされており、本願の援用文献でもある。この
技術は、基本的にオブジェクトの表面を加熱して、その表面上の非常に狭い領域
、すなわち「分解要素」に渡って、時間に対する温度変化を記録するものである
。表面温度の変化は、そのオブジェクトを介した熱流についての特有の動的特性
に関連しており、それは傷の存在の影響を受ける。従って、傷の「相対的な」深
さ（即ち、オブジェクト中の他の傷に対する深さ）を示す大きさおよび値は、そ
のオブジェクトの表面における各分解要素で起こる温度変化を注意深く分析する
ことで決定できる。上記リンガーマシャーの特許には明確に開示されていないが
、既知の深さのところに空隙がある「標準ブロック」、すなわち、オブジェクト
上の熱的に厚い（「無限の半空間」）基準領域が、相対的な深さの値との比較の
ため、サーモグラフィーデータの取得と分析の一部として含まれていなければ、
傷の「実際の」深さ（すなわち、オブジェクトの表面から傷までの深さ）を求め
ることはできない。
【０００７】 過渡サーモグラフィーを使用して正確な熱測定を行うには、オブジェクトの表
面を短時間に特定の温度にまで加熱して、そのオブジェクトの他の部分が大幅に
加熱されるのを避ける必要がある。被検査オブジェクトの厚さと素材の特性に応
じて、従来は、石英灯、あるいは高輝度のストロボを使用して、適度な強さと持
続時間を持った熱パルスを発生させている。しかし、オブジェクトの表面を加熱
するための具体的なメカニズムとしては、例えば、パルスレーザ光のように、サ
ーモグラフィー観測ができる程度の温度まで表面を瞬時に加熱できるものであれ
ば何でもよい。いったんオブジェクトの表面が加熱されてしまえば、その表面に
おける温度変化をグラフ化して記録し、分析できる。
【０００８】 従来は、赤外線（ＩＲ）ビデオカメラを使用して、加熱後のオブジェクト表面
に関する連続した熱画像（フレーム）を記録し、蓄積している。各ビデオ画像は
一定数の画素から構成される。この場合、画素とは、撮像するオブジェクト表面
の「分解要素」と呼ばれる矩形領域に対応する画像列あるいはフレーム中の小さ
なピクチャ要素である。各分解要素における温度は、対応する画素の輝度に直接
関連しているため、オブジェクト表面の各分解要素における温度変化は、画素の
コントラストの変化という観点から分析することができる。既知の時点を示す、
特定の画像フレームに対する画素の輝度の平均値を、同じ時点における個々の画
素の輝度から減算することによって、格納されたＩＲビデオ画像を使って、画像
フレーム内の各画素のコントラストが求められる。
【０００９】 その結果、各画素のコントラストデータのタイムドメイン解析（すなわち、多
数の画像フレームに渡る解析）を行って、オブジェクト中の傷の相対的な深さと
数学的な関係があるコントラスト曲線データの「変曲点」が発生する時間を特定
する。基本的には、一貫した素材からなる厚さＬの典型的な「プレート状」のオ
ブジェクトに適用した場合、オブジェクトに入射する移動性熱流束パルスは、そ
のオブジェクト中を通って反対側（背面）に達し、撮像している前面部に戻って
くるまで、ある「固有時間」Ｔｃを要する。この固有時間Ｔｃは、オブジェクト
の厚さに関係しており、その素材の熱拡散係数を考慮した以下の式１に基づくも
のである。
【００１０】
【数７】
【００１１】 ここで、Ｌはオブジェクトの厚さ（ｃｍ）、αは素材の熱拡散係数（ｃｍ2／秒
）である。（また、オブジェクトは熱流束源の反対側にあるオブジェクトの側か
ら熱的に撮像される。これは、４という因数に従ってＴｃの値が異なるという結
果になるだけである。） 経験的観測によれば、熱パルスがプレート状オブジェクトに入射した後での、
そのオブジェクトの同じ側（つまり、前面）から観測した表面温度もまた、その
素材の厚さと熱拡散係数に依存しながら上昇することが知られている。さらに、
表面の時間対温度（Ｔ−ｔ）の履歴グラフから、「変曲点」と呼ばれるＴ−ｔ曲
線上の特有な点によって固有時間Ｔｃを決定することができる。この変曲点ｔin fl は、Ｔ−ｔ曲線上で最大の傾きを持つ点（すなわち、ピーク傾斜時間）で示さ
れ、以下の式２で表される固有時間Ｔｃに関係する。
【００１２】
【数８】
【００１３】 変曲点と固有時間との関係は、上記の式２で表されるように、二次元（２−Ｄ
）熱流分析のみならず、一次元（１−Ｄ）熱流分析でもほぼ１％になっている。
Ｔ−ｔ応答から変曲点ｔinflが決まれば、オブジェクトの相対的な厚さＬは、そ
の素材の既知の熱拡散係数αを用いた上記の式１と、式２による実際のＴｃの値
から決定することができる。
【００１４】 この点に関して、ピーク傾斜時間（変曲点）と上記のごとく規定される「固有
時間」との間の熱流の不変な関係は、本願の援用文献である、プレナム出版（ニ
ューヨーク）から１９９８年５月に刊行された「サーマルイメージングのための
平底ホール基準に向けて」と題するリンガーマシャー他による論文中の「定量的
非破壊評価の向上についての考察」に詳細に論じられている。
【００１５】 残念ながら、上述したリンガーマシャー他による米国特許第５，７１１，６０
３号の装置と方法は、単に「相対的な」深さの測定結果しか得られないため、金
属オブジェクトの所望地点での実際の厚さの定量的な値を得る目的には使用でき
ない。従って、金属オブジェクトの実際の厚さを求めるにはＩＲ過渡サーモグラ
フィーを実行し、得られたデータを処理するための改良された方法が必要になる
。１９９９年４月４日に出願され、通常譲渡されたリンガーマシャー他による米
国特許出願09/292,886（特願2000-612695）に、その方法と装置が開示されてい
る。基本的に、その出願で開示された構成では、ＩＲ画像データを取得するため
のフォーカルプレーンアレイカメラと高出力ストロボを用いて、所望の被検査オ
ブジェクトと共に、同じ素材からなって既知の厚さの部分（オプションとして、
被検査オブジェクトの「熱的に厚い」部分を「無限の半空間」の熱的な基準とし
て用いることができる）を有するスラブ規格の基準オブジェクトの表面が素早く
加熱される。ストロボにはスペクトル調整された光学フィルタが取り付けられて
いるので、長波長ＩＲ「残光」の放出量が最小になり、熱測定の精度に影響する
背景放射の影響がなくなる。ストロボ点灯後、所定の時間に渡る所定数のＩＲ画
像フレームが得られ、記録される。これによってオブジェクト表面の温度−時間
（Ｔ−ｔ）履歴（および基準となる規格値）が作成可能になる。その後、画像の
各画素のコントラスト対時間データが作成され、画素位置に対応するオブジェク
トの位置での厚さを測定することができる。
【００１６】 上述の方法では、各画素の温度−時間データからスラブの温度−時間データ基
準規格値（即ち、オブジェクトの熱的に厚い「深部の」基準領域の温度−時間デ
ータ）を減算することによって、コントラスト−時間データが作成される。残念
なことに、本方法には、表面の均一度が変化するオブジェクトを撮像する際に幾
分かの誤差が発生するという欠点がある。さらに、その基準領域が利用可能であ
ると仮定すると、画像にスラブの規格値が存在することが必要である、即ち、オ
ブジェクトの深部の基準領域の温度対時間データを使う必要がある。さらに、普
通は、ＩＲ撮像前にオブジェクトの表面（とスラブの規格値）に特定の被膜を施
して、光吸収度を高めて、表面の均一性を改善する必要がある。
【００１７】
【発明の開示】
本発明は、高速赤外線（ＩＲ）過渡サーモグラフィーを使用して、オブジェク
トの実際の厚さを測定して表示する非破壊試験方法および装置に関する。改良さ
れた高速ＩＲ過渡サーモグラフィー分析方法を用いて、オブジェクトの厚さを正
確に測定し、そのオブジェクトの所望領域の断面厚を示す色分け表示を、目に見
える形で行う。改善された本方法の重要な特徴は、高速フーリエ変換共振関数を
用いて厚さを求めることである。有益な一態様によれば、本発明の過渡サーモグ
ラフィー方法では、画像に基準となるスラブ規格値が存在する必要がない、即ち
、被検査オブジェクトに利用可能な基準領域が必要とされない。さらに、被検査
オブジェクトの光吸収度を高めるため、即ち、表面の均一性を改善するために、
特定の表面を用意したり、表面に特定の被膜を施す必要がない。
【００１８】 本発明は、基本的には、急速に加熱されたオブジェクトの温度対時間（Ｔ−ｔ
）応答曲線の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の実数成分と虚数成分を分析して、熱
パルスがオブジェクトを通る特定の固有時間Ｔｃに直接関連する周波数値を得る
方法と装置を提供する。固有時間が得られると、それを用いて、２つの表面間の
所望地点でのオブジェクトの厚さＬの定量値を式１から計算できる。所定の観測
期間のＩＲカメラの連続画像フレームから得られる熱データからＴ−ｔ応答が初
期的に決定されるが、それは、オブジェクトの同じ面（前面）を観測することに
よって得られることが望ましい。（理想的には、この観測期間は、評価している
オブジェクトの厚さの推定値をもとに上記の式１より得られる予測固有時間より
も、少なくとも幾分長いことが望ましい。） 本質的には、得られた熱データを集めて、画像の各画素に対する個別のＴ−ｔ
応答曲線を形成する。各画素のＴ−ｔ応答曲線データを正規化し、高速フーリエ
変換（ＦＦＴ）を施してデータを周波数領域に変換する。次に、複素ＦＦＴの実
数成分（もしくは、その代わりとしての虚数成分）を分析して、周波数領域のＴ
−ｔ応答の変曲点を見つける。この変曲点での周波数値は、以下の式３と式４か
ら与えられる関係に基づいて、熱固有時間Ｔｃに関連付けられる。
【００１９】
【数９】
【００２０】
【数１０】
【００２１】 ここで、ｆReは、各画素のＴ−ｔ応答データの変曲点での高速フーリエ変換の実
数成分、ｆImは、各画素のＴ−ｔ応答データの変曲点での高速フーリエ変換の虚
数成分である。
【００２２】 Ｔ−ｔ応答データのＦＦＴの実数成分は、「共振関数」であって、変曲点での
周波数の半値幅が固有時間Ｔｃに直接関連する周波数領域の「熱吸収」関数と同
様に作用する。同様に、Ｔ−ｔ応答データのＦＦＴの虚数成分は「ピーク関数」
であって、周波数ピークｆImが固有時間Ｔｃに直接関連する周波数領域の「熱拡
散」関数と同様に作用する。従って、ＦＦＴの実数成分の導関数のピークを特定
することによって、もしくは、ＦＦＴの虚数成分のピーク値を特定することによ
って、周波数領域の変曲点の位置を見つけることができる、即ち、固有時間を測
定できる。
【００２３】 図１に示されるように、本発明の装置は、専用の光学フィルタが取り付けられ
た１個以上の高出力ストロボと、データ取得のためのＩＲ感応フォーカルプレー
ンアレイカメラと、表示用モニタを含む撮像システムを備える。コンピュータシ
ステムによって、この撮像システムを制御し、ＩＲカメラを介して得た表面温度
データを記録、並びに解析し、そして、オブジェクトの厚さに正確に対応する色
分け、もしくは、グレイパターン化された画像を表示用モニタに供給する。
【００２４】 ストロボを点灯してオブジェクトに光を当てることによって、表面温度データ
の取得が開始される。スペクトル調整された光学フィルタを用いて、３〜５ミク
ロンのＩＲ放射を吸収したり、ストロボに対して反射させる。これによって、一
般的にストロボ消灯後にストロボ内の過熱された金属元素から発生する好ましく
ない長波長のＩＲ「残光」の放出が、オブジェクトやカメラに達するのを防止す
ることができる。
【００２５】 そして、ストロボ点灯後の期間で所定数の画像フレームが記録される。記録さ
れた各画像フレームは、フレームデータを得たときのオブジェクトの表面温度と
相関する輝度を持つ所定の（ｎ×ｍ）画素アレイからなり、各画素は、特定の分
解要素に対応する画像フレーム内での（ｘ，ｙ）位置が指定されている。次に、
記録されたＩＲ画像データを用いて、オブジェクト表面上の注目領域に基本的な
領域、即ち、「分解要素」毎の温度−時間（Ｔ−ｔ）履歴を作成する。次に、各
画素のＴ−ｔ履歴データから形成された固有曲線で「膝」地点を求める。全画素
データを正規化するために、Ｔ−ｔデータ曲線をクリップして、その地点を越え
て一定期間引き延ばすことによって、クリップ時点の曲線値に等しい一定温度値
が連続する「平らな」曲線部を作成することができる。
【００２６】 次に、ＦＦＴの実数成分の数学上の導関数曲線を計算して、周波数領域のＴ−
ｔ応答データの変曲点ｆReを特定する。例えば、第２のサンプル点の画像フレー
ム番号の値と比例する第１と第３のサンプル点が離れている３点データサンプリ
ングを利用することによって、導関数曲線を正確に計算することができる。微分
演算で得られるローカル「ピーク」の全てを求めて、それにフィルタ処理を施す
ことが望ましい。（例えば、重み関数を用いてそのローカルピークの有効度を調
整することによって、実際の変曲点の周波数を最適に求めることができる。）最
後に、式１と式３に基づいて、各画素に対応する位置でのオブジェクトの固有時
間Ｔｃと厚さＬが定量的に求められる。
【００２７】 別の方法では、ＦＦＴの虚数成分のピークを用いて、周波数領域のＴ−ｔ応答
データの変曲点ｆImを求めることもできる。この場合、従来の演算方法を用いて
、ピークを容易に求めることができる。式１と式４に基づいて、各画素に対応す
る位置でのオブジェクトの固有時間Ｔｃと厚さＬを定量的に求められる。 特に、添付の図面を参照して以下の好適な実施形態の詳細について注意深く考慮
することによって、本発明の目的と本発明によって得られるメリットを理解する
ことができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１は、オブジェクト、例えば、意図的な空隙４を有する金属タービン翼１の
厚さを求めて表示するＩＲ過渡サーモグラフィーシステム１０の一例を示す。以
降における議論のため、オブジェクトの「厚さ」とは、中空、もしくは、半中空
のオブジェクト（即ち、意図的な空隙を有するオブジェクト）の前面の厚さ、即
ち、表面の厚さである。
【００２９】 図１に示されるように、ストロボ熱パルス源１１を用いて測定オブジェクトの
表面を素早く加熱する。ストロボ熱パルス源１１に適した装置としては、例えば
、各々が約４．８キロジュールの出力が可能であって個別に電源を備える、４個
組や８個組の高速／高出力の写真用ストロボ（例えば、イリノイ州シカゴのスピ
ードトロン社で製造されたストロボ）がある。
【００３０】 金属は、非金属よりもはるかに大きな熱伝導率を持つため、金属中の熱流に対
する固有時間は、例えば、プラスチックや複合材料のものよりもはるかに短い。
従って、通常、非金属に限定される従来のＩＲサーモグラフィー技術を金属に適
用しようとすると、加えた熱を急激に遮断する必要がある。これを達成するには
、（被膜した）ストロボ１１と注目オブジェクト１との間に３〜５ミクロン用の
反射型フィルタ１８を使用して、照射後にストロボが冷えるときにオブジェクト
に余熱を当てないようにする。
【００３１】 実際は、１個以上のフィルタ（例えば、各ストロボに１つのフィルタ）を使用
する。これらのフィルタの機能は、通常、過熱されたストロボ内の金属元素の「
残光」から発生する長波長の直接波放射がストロボに常に残ったり、目標物に衝
突したり、あるいは、反射してフォーカルプレーンアレイカメラ１３に戻るのを
防ぐことである。早期の熱データ取得時に、このようなストロボ１１からの初期
の残光放射が目標物からの長波長の赤外線放射と競合し、また、干渉する可能性
があるので、一定の目標から発せられたＩＲ放射を覆い隠して、最終的に画像コ
ントラストと画質を低下させることがある。従って、これらの専用フィルタを使
用することで、十分に急峻な熱パルスが生成され、金属内の短い熱移動時間を検
出することができる。
【００３２】 図１に示される実施形態の一例のストロボフィルタ１８は、Ｐｙｒｅｘ（商標
）、石英ガラスＢＫ７（商標）、あるいは、その他の光学材料からなる。尚、そ
の他の光学材料とは、可視光と紫外線を通し、ストロボの対向側に赤外線反射被
膜を有し、３〜５ミクロンの範囲内の全放射をストロボに対して反射する材料で
ある。（光学ガラスと被膜が施されたフィルタは、例えば、コネチカット州のス
トラトフォードにあるオリールのような、一般の実験用光学材料や光学ガラスの
製造業者より入手するか、あるいは特注可能である。） ＩＲ感応フォーカルプレーンアレイカメラ１３（例えば、カリフォルニア州ゴ
レタのアンバーエンジニアリング、レイセオン社から入手可能なＲａｄｉａｎｃ
ｅＨＳ赤外線カメラ）と制御用電子回路１４とフレームデータメモリ１５と制御
コンピュータ／画像処理プロセッサ１６と表示用モニタ１７を備える赤外線（Ｉ
Ｒ）感応撮像システムを使って、熱パルスが当てられたオブジェクト１の表面温
度の測定結果を取得することができる。
【００３３】 熱データの取得は、光学的に始動させるか、あるいは、その他の適当な手段に
よってストロボを点灯したときに開始するのが望ましい。ストロボの点灯は、シ
ステムコンピュータ１６上で動作する通常のビデオフレーム取得用ソフトウエア
で管理された通常のストロボ用電子回路１４で制御される（例えば、アンバー社
のＩｍａｇｅＤｅｓｋ（商標）というフレーム取得システムで提供されているも
のや、その他の通常のフレーム取得およびストロボ制御用のソフトウエア、例え
ば、ミシガン州ラスラップビレッジにあるサーマルウエーブイメージング社より
市販されているものがある）。
【００３４】 システム制御コンピュータ／画像処理プロセッサ１６は、特別にプログラムさ
れた汎用デジタルコンピュータであって、本発明の方法に係るデジタル画像処理
／表示に加えて、周辺機器を制御したり、通信機能を実行することができる。シ
ステムコンピュータ１６は、カメラおよびストロボ用電子回路１４とフレームデ
ータメモリ１５を制御して、オブジェクト表面の所定数の連続熱画像フレームを
取得する。これらの熱画像フレームは、その後の分析のためにメモリ１５に格納
される。
【００３５】 熱撮像処理を始める前に、ここで説明する「全領域」デュアルイメージ較正技
術を使用して、最初にＩＲカメラ１３を較正することが望ましい。この較正技術
は、基本的に２つの「黒体」（ＢＢ）画像較正レファレンス、すなわち、（１）
室温のフラットブラックプレートを使用したＢＢ「低温」源と、（２）加熱した
フラットブラックプレートを使用したＢＢ「高温」源とを用いた技術である。例
えば、ＢＢ「低温」源の較正画像を得るためには、カメラのレンズに対して４５
°に配された室温のフラットブラックプレートを封じ込めたフラットブラック塗
装された箱を、そのレンズの真正面に配置する。ＢＢ「高温」源の較正画像を得
るためには、フラットブラックプレートを周囲よりも公称約１０°Ｃ高く加熱し
た後、上記と同じフラットブラック塗装された箱の中にカメラのレンズを置いて
、そのカメラが全領域に渡って加熱されたプレートの画像を撮るようにする。上
述したデュアルイメージ較正技術が望ましいとは言っても、高コントラストの撮
像に対して重要で、かつ、改善された熱精度を得ることのできる画像領域内の均
一性を最大化する較正技術であれば何でも使用できる。
【００３６】 撮像処理期間に取得した各画像フレームは、Ｎ×Ｎの画素からなり、各画素は
オブジェクト上の分解要素に対応している。ここで、Ｎは、所望の解像度や精度
に応じて、一般的には１２８か２５６とする。各画素は、格納メモリの約２バイ
トを占め、例えば、１２ビット以上の２進数で表される。格納された画像フレー
ムは昇順のフレーム番号値でシーケンシャルに特定され、そのフレーム番号値は
、ストロボ１１の熱パルスを当てた後の所定期間でのオブジェクト１の前面の温
度対時間（Ｔ−ｔ）特性履歴の記録を提供するように働く。
【００３７】 制御コンピュータ１６によるストロボ１１の点灯後の金属オブジェクトの評価
期間に、カメラ１３によって画像データフレームを取得し、その画像の各分解要
素のＩＲ強度をデジタル的に記録して、フレームデータ記録部１５に格納する。
オブジェクトの素材で推定された少なくとも１つの「固有時間」で意味のあるＴ
−ｔ履歴を得るために、シーケンシャルで十分な所定数の画像フレームのデータ
の取得が続けられる。取得した画像フレームの総数は、所望の精度と画像の解像
度によって変わり、毎秒５５０フレーム程度のデータ取得が可能である。 フレームデータ記録部１５は、プロセッサ１６内蔵の従来のデジタルメモリか、
あるいは、プロセッサ１６がアクセスできる適当なビデオフレームデータ格納装
置でよい。取得された連続する熱画像フレームの各々には、実時間の経過に対応
させて、昇順のフレーム番号Ｚが付けられる。結果として生じるデータフレーム
の「束」は、先にその概要を述べたように、一次元熱流分析法によって分析され
る。本分析法に基づく本発明の方法は、連続するＩＲ画像フレームの各画素の時
間対温度（Ｔ−ｔ）の履歴で示される既知の熱不変特性を利用しており、その特
性をもとに、「変曲点」の位置、即ち、ピーク傾斜時間、つまり、Ｔ−ｔデータ
曲線上で最大の傾きとなる点の位置を特定する。
【００３８】 ここで、図２を参照すると、本発明の熱共振撮像技術によって過渡ＩＲサーモ
グラフィーを行う処理工程の一例が示されている。これらの工程は、例えば、既
知の従来のプログラム言語／技術を用いてコンピュータ１６（図１）を適切にプ
ログラムすることによって実現できる。
【００３９】 最初に、ブロック２０で示されるように、システムのオペレータが、オブジェ
クトを検査するための関連パラメータに関する情報、例えば、オブジェクトの熱
拡散係数等を選択／入力して、オブジェクト１上の注目領域を特定する（即ち、
注目領域を捕らえるように、ＩＲカメラの焦点を合わせる）。次に、図２のブロ
ック２０で示されるように、システム制御コンピュータは、ストロボ用電子回路
に対してストロボ１１を点灯するよう命令し、フォーカルプレーンアレイＩＲカ
メラ１３より画像フレームデータの取得を開始する。データ取得は、連続する所
定数の画像フレームで続行される。次に２１で示されるように、連続するフレー
ム番号Ｚによって、取得した画像フレーム各々を特定し、連続する画像をフレー
ムメモリ１５に格納する。
【００４０】 次に、２２で示されるように、連続する全フレームについて、オブジェクト表
面の注目領域の各分解要素の位置に対応する熱画像の各画素に対する熱データが
特定される。次に、２３で示されるように、評価のために一画素が選択される。
次に、２４で示されるように、フレーム番号を時間的な縦座標として用いて、各
画素のＴ−ｔ曲線データを求める。また、初期的にＩＲ加熱する（「ストロボ」
）時間（フレーム番号）が特定され、第１の未飽和状態のデータフレームを特定
する。
【００４１】 次に、２５で示されるように、各画素に固有な各Ｔ−ｔデータ曲線の「膝」部
を特定する。次に、各画素のＴ−ｔデータ曲線をクリップし、そのこの「膝部」
を越えて一定期間引き延ばすことによって、クリップ時点のＴ−ｔデータ値に等
しい一定の温度値を含む連続する「フラットな」曲線部分を生成できる。曲線の
膝部に対応する公称の時間値の範囲よりも幾分高く、かつ、少なくとも時間ｔ＝
Ｌ2／π2αよりも高いデータクリップ時点ＴCptを選択することが好ましい。選
択されたクリップ地点ＴCptの正確な値つまり時は重要ではないが、その選択に
よって、最終的に生成される画像の画質が左右される。従って、特定された膝部
の末端付近の固有Ｔ−ｔデータ曲線に沿った領域から選択された近くの様々なク
リップ地点を用いて作成された画像と経験的な比較を行うことによって、少なく
とも時間ｔ＝Ｌ2／π2αより大きな値の適切なクリップ時点が最適に選択される
。また、全画素データを正規化するために、一定の温度値に対応する「平らな」
部分がゼロと等しくなるように選択されたバイアス値によって、各画素のＴ−ｔ
曲線が補正される。
【００４２】 次に、２６に示されるように、正規化した曲線データ上で高速フーリエ変換（
ＦＦＴ）を実行し、結果として得られた変換データの実数成分もしくは虚数成分
を分析し、周波数領域の変曲点が特定される。もし実数成分を選択されると、ブ
ロック２７、２８に示すように、まずＦＦＴの実数成分の数学的な導関数データ
を求める。導関数データを計算するために、可変幅の基底間隔を用いてもよい。
例えば、実数成分データ曲線に沿って選択された点の場合、導関数を計算するた
めの基底間隔をＩＲ画像フレーム番号Ｚの平方根に比例させる。
【００４３】 次に、工程２８では、導関数曲線中の全てのローカルピークを特定し、有効度
／重み付けフィルタを用いて適切なピークを見つけて、変曲点として解釈する。
例えば、全てのピークフレームと振幅のリストをコンピュータのメモリに保持す
る。このリストに所定の適切な重み付け関数を適用することで、各ローカルピー
クの有効度を調整できるため、例えば、データ取得の初期的な時間で発生するノ
イズの影響を有効に削減することができる。次に、これらのピークは、降順の有
効度／重みに従って区分され、最大の（即ち、最も重要な）重み値を持つピーク
は変曲点を示すものとして選択される。工程３０で示されるように、このピーク
の周波数ｆReを用いて、（上の）式１と式３に基づいて、各画素に対応する位置
でのオブジェクトの固有時間Ｔｃと厚さＬを定量的に求める。
【００４４】 別の方法では、工程２７と工程２８の代わりに、工程２９で示されるように、
Ｔ−ｔ応答データのＦＦＴの虚数成分のピークを用いて周波数領域の変曲点を特
定してもよい。この場合、通常、従来の計算方法によって虚数成分のピークを求
めることができる。工程３０で示されるように、このピークの周波数ｆImを用い
て、（上の）式１と式４に基づいて、各画素に対応する位置でのオブジェクトの
固有時間Ｔｃと厚さＬを求めることができる。
【００４５】 最後に、工程３１では、計算した厚さ値Ｌをメモリに格納し、それを用いて表
示もしくは印刷するためにオブジェクト表面上の注目領域のカラーマップ化もし
くはグレースケール化した画像を生成する。個々の色もしくはグレーシェードが
特定の厚さに対応する。その後、工程２３への矢印で示されるように、次の画素
が選択されて、ＩＲ画像を構成する各画素に対して上記の工程を繰り返す。上述
した装置と共に上述の熱データの取得／分析工程を用いて過渡サーモグラフィー
サーモグラフィー分析を行うことによって、図１に示されるようにタービンエア
フォイルでよく見られる、例えば、肋骨状構造を持つ被検査オブジェクトの一部
を構成したり、もしくはそれに接続可能な間隔の狭い後壁構造や内部構造であっ
ても、その正確な壁厚値を得ることができる。
【００４６】 最後に、図３は、多層オブジェクトブロックのＩＲ過渡サーモグラフィーサー
モグラフィー表示画像を示す。図３に示すオブジェクトブロック３２は、異なる
厚さの６つの正方形の区域を有する。６つの正方形の区域の各々の厚さは、画像
の右側に表示されたバースケールの厚さキーの中の類似の色や陰影に対応して生
成された画像（本願では、異なるクロスハッチングで示されている）内で様々な
色やグレー階調で示される。本例のバースケールには、０．０１３〜０．０５６
インチ（０．３３〜１．４２mm）の範囲の厚さを表す印が含まれるが、表示され
たバースケールが厚さ値の異なる範囲を備えていても、本発明で容易に実施可能
であることは、当業者にとって明らかなことである。
【００４７】 現状で最も実際的で好適な実施形態と考えられるものに関連して本発明を説明
したが、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではなく、添付の請求
項の精神と範囲内にある様々な修正と等価な構成を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、オブジェクトの実際の厚さを求めて表示する本発明の赤外線過渡サー
モグラフィーシステムの構成例を示す模式図である。
【図２】 図２は、本発明に係る図１のシステムで実行される赤外線画像データの取得処
理と分析処理を示すフローチャートである。
【図３】 図３は、多層のオブジェクトのＩＲ過渡サーモグラフィー画像の表示例を示す
図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＢＲ，ＪＰ，Ｋ Ｒ，ＳＧ，ＴＲ

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 画素アレイとして視覚化可能な表面を備えるオブジェクトの
    厚さを求める方法であって、 （ａ）オブジェクトの表面を急速に加熱する工程と、 （ｂ）連続するＩＲ画像中の画素輝度を記録する工程であって、各画像には、工
    程（ａ）で前記オブジェクトの表面を加熱してからの経過時間に関連して連続す
    るフレーム番号が割り当てられる、当該工程と、 （ｃ）フレーム番号の値に基づいて、前記連続する画像フレームの画素に対応す
    る温度対時間（Ｔ−ｔ）データを作成する工程と、 （ｄ）工程（ｃ）で作成された前記Ｔ−ｔデータを、実数成分と虚数成分を有す
    る複素周波数領域データに変換する工程と、 （ｅ）少なくとも前記複素周波数領域データと前記オブジェクトの熱流束移動固
    有時間に基づいて画素に対応する一地点での前記オブジェクトの厚さ値を求める
    工程を備える方法。
  2. 【請求項２】 前記オブジェクトは、ストロボデバイスを用いて加熱される
    、請求項１の方法。
  3. 【請求項３】 画素に対応する温度対時間（Ｔ−ｔ）データを作成する前記
    工程は、 （ｉ）前記Ｔ−ｔデータの膝部を特定し、前記膝部に対応する時間値の範囲より
    も高いデータクリップ時点を選択し、 （ｉｉ）工程（ｉ）で特定されたデータクリップ時点のＴ−ｔデータをクリップ
    して、前記データクリップ時点の温度値に等しいＴ−ｔデータ値を備える前記デ
    ータクリップ時点よりも大きな時間値に対するＴ−ｔデータを一定に引き延ばし
    、 （ｉｉｉ）前記データクリップ時点よりも大きな時間値に対する前記Ｔ−ｔデー
    タがゼロと等しくなるように、前記Ｔ−ｔデータをバイアス値によって補うこと
    によって、前記Ｔ−ｔデータを正規化する工程をさらに含む、請求項１の方法。
  4. 【請求項４】 前記Ｔ−ｔデータを変換して、複素周波数領域データを作成
    する前記工程は、前記Ｔ−ｔデータの高速フーリエ変換を計算することによって
    達成される、請求項１の方法。
  5. 【請求項５】 前記データクリップ時点ＴCptを選択する工程は、前記特定
    された膝部の末端付近の固有Ｔ−ｔデータ曲線に沿った領域から選択されるが、
    少なくとも時間ｔ ＝ Ｌ2／π2αよりも大きな値の近傍の様々なクリップ時点
    を用いて作成された画像の経験的な比較を行う工程をさらに備え、Ｌは前記オブ
    ジェクトの厚さ（ｃｍ）であって、αは前記素材の熱拡散係数（ｃｍ2／秒）で
    ある、請求項３の方法。
  6. 【請求項６】 ＩＲ感応フォーカルプレーンアレイカメラを用いてオブジェ
    クトの厚さを求める赤外線（ＩＲ）過渡サーモグラフィー方法であって、 （ａ）前記オブジェクトの連続するＩＲ画像フレームから画素輝度データを取
    得する工程であって、各画像フレームは複数の画素を備え、経過時間に関して連
    続するフレーム番号が割り当てられる、当該工程と、 （ｂ）連続する画像フレームのフレーム番号の値に基づいて工程（ａ）で取得
    した画素輝度データから画素に対応する温度対時間（Ｔ−ｔ）データを作成する
    工程と、 （ｃ）工程（ｂ）で作成した温度対時間（Ｔ−ｔ）データに高速フーリエ変換
    を施して、実数成分と虚数成分を備える周波数領域データを作成する工程と、 （ｄ）工程（ｃ）で得られた前記周波数領域データの実数成分の導関数データ
    を求める工程と、 （ｅ）前記導関数データのピーク周波数値ｆReを特定する工程と、 （ｆ）工程（ｅ）で特定した前記ピーク周波数値ｆReに基づいて、厚さ値Ｌを
    求める工程を備える方法。
  7. 【請求項７】 次の関係 【数１】 に基づいて、厚さ値ＬをｆImの定量的な値から求め、Ｌは前記オブジェクトの厚
    さ（ｃｍ）であって、αは前記素材の熱拡散係数（ｃｍ2／秒）である、請求項
    ６のＩＲ過渡サーモグラフィー方法。
  8. 【請求項８】 次の２つの関係 【数２】 と、 【数３】 に基づいて厚さ値ＬをｆReの定量的な値から求め、Ｔｃはオブジェクトの熱流束
    パルス移動固有時間値であって、Ｌは前記オブジェクトの厚さ（ｃｍ）であって
    、αは前記オブジェクトの熱拡散係数である、請求項６のＩＲ過渡サーモグラフ
    ィー方法。
  9. 【請求項９】 前記オブジェクトは、ストロボデバイスを用いて加熱される
    、請求項６の方法。
  10. 【請求項１０】 画素に対応する温度対時間（Ｔ−ｔ）データを作成する前
    記工程は、 （ｉ）前記Ｔ−ｔデータの膝部を特定し、前記膝部に対応する時間値範囲よりも
    高いデータクリップ時点を選択する工程と、 （ｉｉ）工程（ｉ）で特定されたデータクリップ時点のＴ−ｔデータをクリップ
    して、前記データクリップ時点の温度値に等しいＴ−ｔデータ値を備える前記デ
    ータクリップ時点よりも大きな時間値に対するＴ−ｔデータを一定に引き延ばし
    、 （ｉｉｉ）前記データクリップ時点よりも大きな時間値に対する前記Ｔ−ｔデー
    タがゼロと等しくなるように、前記Ｔ−ｔデータをバイアス値によって補うこと
    によって、前記Ｔ−ｔデータを正規化する工程をさらに含む、請求項６のＩＲ過
    渡サーモグラフィー方法。
  11. 【請求項１１】 前記データクリップ時点ＴCptを選択する工程は、前記特
    定された膝部の末端付近の固有Ｔ−ｔデータ曲線に沿った領域から選択されるが
    、少なくとも時間ｔ ＝ Ｌ2／π2αよりも大きな値の近傍の様々なクリップ時
    点を用いて作成された画像の経験的な比較を行う工程をさらに備え、Ｌは前記オ
    ブジェクトの厚さ（ｃｍ）であって、αは前記素材の熱拡散係数（ｃｍ2／秒）
    である、請求項１０のＩＲ過渡サーモグラフィー方法。
  12. 【請求項１２】 ＩＲ感応フォーカルプレーンアレイカメラを用いてオブジ
    ェクトの厚さを求める赤外線（ＩＲ）過渡サーモグラフィー方法であって、 （ａ）前記オブジェクトの連続するＩＲ画像フレームから画素輝度データを取
    得する工程であって、各画像フレームは複数の画素を備え、経過時間に関して連
    続するフレーム番号が割り当てられる、当該工程と、 （ｂ）連続する画像フレームのフレーム番号の値に基づいて、工程（ａ）で取
    得した画素輝度データから画素に対応する温度対時間（Ｔ−ｔ）データを作成す
    る工程と、 （ｃ）工程（ｂ）で作成した温度対時間（Ｔ−ｔ）データに高速フーリエ変換
    を施して、実数成分と虚数成分を有する周波数領域データを作成する工程と、 （ｄ）工程（ｃ）で取得した前記周波数領域データの虚数成分のピーク周波数
    値ｆImを求める工程と、 （ｆ）工程（ｄ）で特定した前記ピーク周波数値ｆImに基づいて厚さ値Ｌを求
    める工程を備える方法。
  13. 【請求項１３】 次の関係 【数４】 に基づいて、厚さ値ＬをｆImの定量的な値から求め、Ｌは前記オブジェクトの厚
    さ（ｃｍ）であって、αは前記素材の熱拡散係数（ｃｍ2／秒）である、請求項
    １２のＩＲ過渡サーモグラフィー方法。
  14. 【請求項１４】 次の２つの関係 【数５】 と、 【数６】 に基づいて厚さ値ＬをｆImの定量的な値から求め、Ｔｃはオブジェクトの熱流束
    パルス移動固有時間値であって、Ｌは前記オブジェクトの厚さ（ｃｍ）であって
    、αは前記オブジェクトの熱拡散係数である、請求項１２のＩＲ過渡サーモグラ
    フィー方法。
  15. 【請求項１５】 前記オブジェクトは、ストロボデバイスを用いて加熱され
    る、請求項１２の方法。
  16. 【請求項１６】 画素に対応する温度対時間（Ｔ−ｔ）データを作成する前
    記工程は、 （ｉ）前記Ｔ−ｔデータの膝部を特定し、前記膝部に対応する時間値の範囲より
    も高いデータクリップ時点を選択し、 （ｉｉ）工程（ｉ）で特定されたデータクリップ時点のＴ−ｔデータをクリップ
    して、前記データクリップ時点の温度値に等しいＴ−ｔデータ値を備える前記デ
    ータクリップ時点よりも大きな時間値に対するＴ−ｔデータを一定に引き延ばし
    、 （ｉｉｉ）前記データクリップ時点よりも大きな時間値に対する前記Ｔ−ｔデー
    タがゼロと等しくなるように、前記Ｔ−ｔデータをバイアス値によって補うこと
    によって、前記Ｔ−ｔデータを正規化する工程をさらに含む、請求項１２のＩＲ
    過渡サーモグラフィー方法。
  17. 【請求項１７】 前記データクリップ時点ＴCptを選択する工程は、前記特
    定された膝部の末端付近の固有Ｔ−ｔデータ曲線に沿った領域から選択されるが
    、少なくとも時間ｔ ＝ Ｌ2／π2αよりも大きな値の近傍の様々なクリップ時
    点を用いて作成された画像の経験的な比較を行う工程をさらに備え、Ｌは前記オ
    ブジェクトの厚さ（ｃｍ）であって、αは前記素材の熱拡散係数（ｃｍ2／秒）
    である、請求項１６のＩＲ過渡サーモグラフィー方法。
  18. 【請求項１８】 画素アレイとして視覚化可能な表面を備えるオブジェクト
    の厚さを求める装置であって、 オブジェクトの前記表面を急速に加熱する熱源と、 一連のＩＲ画像の画素輝度を記録する手段と、 ＩＲ画像に割り当てられたフレーム番号の値に基づいて記録された画素輝度か
    ら温度対時間データを求める手段と、 温度対時間データを複素周波数領域データに変換する手段と、 前記複素周波数領域データとオブジェクトの過渡熱パルス固有時間に基づいて
    、オブジェクトの厚さを求める手段を備える装置。
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