JP2004354097A

JP2004354097A - スペクトル画像化装置

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Publication number: JP2004354097A
Application number: JP2003149600A
Authority: JP
Inventors: Koichi Tsuno; 浩一津野; Kazuya Morita; 一哉森田; Yoshifumi Yasuoka; 善文安岡; Shiro Ochi; 士郎越智
Original assignee: Starlabo Corp
Current assignee: Starlabo Corp
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2004-12-16

Abstract

【課題】検出できる劣化状態を物理的な形状変化を伴うものに限定せずに、線状構造物の劣化部分を自動的に検出する。
【解決手段】スペクトル画像化装置１ａが電車に搭載され、電車の移動に伴ってトンネル壁を走査する。照射部２ａが走査要素領域４ａｎに検査光を照射する。走査要素領域４ａｎで反射した反射光は結像光学系１１で集光され、走査要素領域４ａｎの像が回折格子１３上に結像される。回折格子１３が、走査要素領域４ａｎの像をＣＣＤ１５の撮像面１５ｐの垂直方向にスペクトルが広がるように分光し、撮像面１５ｐ上に二次元スペクトル画像を形成する。ＣＣＤ１５が二次元スペクトル画像を撮像し、走査後にデータ制御・記録部２１がトンネル壁のスペクトル画像を得る。劣化部分検出部２３が、トンネル壁のスペクトル画像の特定の分光波長帯における分光強度からトンネル壁における劣化部分を検出する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、線状構造物の走査領域における劣化部分を検出するために用いられるスペクトル画像化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
トンネル、高架橋、河川橋脚、道路法面、地下構造物、大型建造物などの線状構造物（一方向に長く伸びた表面を有する構造物）は、例えばコンクリート塊剥落事故を防止する目的から定期的に劣化部分の検出がなされる必要がある。従来、検査対象物の劣化状態を検査する装置として、検査対象物をハンマーで叩いた応答音をマイクロホンで採取して内部の空隙を検出する装置、検査対象物にレーザ光を照射し、その反射波を検出することで表面のひび割れを検出する装置などがあった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の検査対象物の劣化状態を検査する装置には、検出できる劣化状態が空隙、ひび割れなどの物理的な形状変化を伴うものに限定されているという問題点があった。さらに、従来の検査対象物の劣化状態を検査する装置には、検査対象領域の大きい線状構造物の劣化部分を自動的に検出することができないという問題点があった。
【０００４】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、検出できる劣化状態が物理的な形状変化を伴うものに限定されず、また線状構造物の劣化部分を自動的に検出することができるスペクトル画像化装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のスペクトル画像化装置は、線状構造物の長さ方向に移動する移動体に搭載され、走査要素領域で反射した反射光を順次受光していくことにより走査して線状構造物の走査領域における劣化部分を検出するために用いられるスペクトル画像化装置であって、走査要素領域で反射した反射光を分光する分光手段と、走査要素領域ごとに、分光手段により分光された反射光の各分光波長における分光強度を含むスペクトル画像を撮像し、移動体の移動に伴い走査領域を走査することにより走査領域のスペクトル画像を得るスペクトル画像撮像手段と、スペクトル画像撮像手段が得た走査領域のスペクトル画像の特定の分光波長帯における分光強度から、走査領域における劣化部分を検出する劣化部分検出手段とを備えたことを特徴とする。
【０００６】
スペクトル画像を用いることにより、例えばコンクリートの中性化など物理的な形状変化を伴わない劣化状態も検出することができる。また、移動体の移動に伴い走査して走査領域のスペクトル画像を取得することにより、線状構造物の劣化部分を自動的に検出することが可能になる。
【０００７】
本発明のスペクトル画像化装置は、スペクトル画像撮像手段が二次元の撮像面を有する二次元イメージセンサを備え、分光手段が、走査要素領域における走査方向に対して垂直な方向の位置を一方の次元とし、分光波長を他方の次元とする二次元スペクトル画像を撮像面に形成し、スペクトル画像撮像手段が、走査要素領域ごとに二次元スペクトル画像を撮像し、移動体の移動に伴い走査領域を走査することにより走査領域における走査方向の位置を第三の次元とする三次元スペクトル画像を得ることが好適である。
【０００８】
分光手段が二次元スペクトル画像を二次元の撮像面に形成することにより、分光波長を走査する手段を要さずに、高速でスペクトル画像を取得することができる。
【０００９】
本発明のスペクトル画像化装置は、移動時の移動体の振動を吸収するスタビライザを備えたことが好適である。これにより、移動体の振動に基因する検出部分のずれを防ぐことができる。
【００１０】
本発明のスペクトル画像化装置は、走査領域に検査光を照射する照射手段を備えたことが好適である。また、本発明のスペクトル画像化装置は、分光強度を、反射光の反射位置との間の距離に対して正規化する正規化手段を備えたことが好適である。これらにより、劣化部分の検出精度が向上する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明のスペクトル画像化装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、同一要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。
【００１２】
図１は、本実施形態のスペクトル画像化装置１ａ〜１ｃを用いて鉄筋コンクリート製のトンネル（線状構造物）４の走査領域４ａ〜４ｃにおける劣化状態を検査する様子を示す図である。本実施形態では、コンクリートの中性化（Ｃａ（ＯＨ）_２＋Ｈ_２ＣＯ_３→ＣａＣＯ_３＋２Ｈ_２Ｏ）が検査される。電車（移動体）３の両側面部及び上面部にスペクトル画像化装置１ａ〜１ｃが搭載されている。スペクトル画像化装置１ａ〜１ｃは、それぞれ照射部２ａ〜２ｃを備える。スペクトル画像化装置１ａ〜１ｃは、電車３がトンネル４内を進行するのに伴ってそれぞれ走査領域４ａ〜４ｃを走査する。以下に、スペクトル画像化装置１ａの構造及びスペクトル画像化装置１ａが走査領域４ａを走査して走査領域４ａにおける劣化状態を検査する動作を説明する。
【００１３】
図２は、スペクトル画像化装置１ａの機能的構成を示す図である。スペクトル画像化装置１ａは、照射部２ａ、結像光学系１１、回折格子１３、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）１５、走査要素領域４ａｋ（スペクトル画像化装置１ａ）の走査方向における位置を計測する位置計測部１６、スペクトル画像化装置１ａと走査要素領域における各地点との間の距離を計測する距離計測部１７、スペクトル画像化装置１ａの角度ずれを計測する角度ずれ計測部１８、ＣＣＤ１５、位置計測部１６、距離計測部１７及び角度ずれ計測部１８が取得したデータを制御・記録するデータ制御・記録部２１、走査領域４ａにおける劣化部分を検出する劣化部分検出部２３、走査領域４ａにおける劣化部分を表示する表示部２５並びにスタビライザ２０を備える。
【００１４】
照射部２ａは、電車３の進行に伴い、走査領域４ａが走査方向に分割された走査要素領域４ａｋ（ｋ＝１、２、３・・・ｎ・・・）に白色光の検査光を順次照射していく。照射部２ａは、スペクトル画像化装置１ａと走査要素領域４ａｎとの間の距離により走査要素領域４ａｎの照度が変化しないように、高い指向性で検査光を照射する。走査要素領域４ａｎが照明されているとき、結像光学系１１は、走査要素領域４ａｎで反射した反射光を集光し、回折格子１３上に走査要素領域４ａｎの像を結像する。回折格子１３は、走査要素領域４ａｎの像を像中の走査方向にスペクトルが広がるように分光し、ＣＣＤ１５の撮像面１５ｐ上に二次元スペクトル画像２ＤＳａｎを形成する。二次元スペクトル画像２ＤＳａｎは、走査方向に対して垂直な方向（図２に示すｙ方向）の位置を一方の次元（図２に示す撮像面１５ｐの水平方向）とし、分光波長を他方の次元（図２に示す撮像面１５ｐの垂直方向）とし、分光強度を濃度分布として表す。
【００１５】
ＣＣＤ１５は、走査要素領域４ａｎの二次元スペクトル画像２ＤＳａｎを撮像する。ＣＣＤ１５は垂直方向にラインセンサを積み重ねた構造になっており、順次各ラインセンサの画素電荷列（特定の分光波長帯における一次元画像）を水平方向に転送することにより、二次元スペクトル画像２ＤＳａｎを撮像する。
【００１６】
同時に、位置計測部１６は、走査要素領域４ａｎの走査方向における一次元位置（図２に示すｘ方向における座標）を計測する。具体的な位置計測部１６の構成としては、電車３の車輪の回転センサと、回転センサの出力から位置を算出する演算部とを備えるものが考えられる。
【００１７】
距離計測部１７は、スペクトル画像化装置１ａ（結像光学系１１）と走査要素領域４ａｎの各地点との間の距離を計測する。図３に、距離計測部１７の機能的構成を示す。距離計測部１７は、レーザ１７１、ハーフミラー１７３、回転ミラー１７５、光検出器１７７及び制御・演算部１７９を備える。ハーフミラー１７３は、レーザ１７１から出射したレーザ光を透過させる。回転ミラー１７５は、ハーフミラー１７３を透過したレーザ光を走査要素領域４ａｎに向けて反射させる。回転ミラー１７５は、反射面に平行でかつ走査方向に平行な軸を中心として回転可能に設置されており、制御・演算部１７９に制御されて反射面の傾きを変化させることにより、走査要素領域４ａｎを走査方向に対して垂直な方向（図２及び３に示すｙ方向）に走査する。走査要素領域４ａｎで反射したレーザ光は、回転ミラー１７５で反射され、さらにハーフミラー１７３で反射されることにより光検出器１７７へ導かれる。制御・演算部１７９は、レーザ１７１がレーザ光を発したタイミングと光検出器１７７がこのレーザ光を検出したタイミングとから、スペクトル画像化装置１ａと走査要素領域４ａｎ中のレーザ光反射点との間の距離を算出する。距離計測部１７は、走査要素領域４ａｎをＡ−Ｂ方向に走査することにより、走査要素領域４ａｎの各地点とスペクトル画像化装置１ａとの間の距離を計測する。
【００１８】
スペクトル画像化装置１ａに角度ずれが生じたとき、すなわちスペクトル画像化装置１ａの姿勢が傾いたとき、走査要素領域４ａｎの計算上の位置が実際の位置からずれてしまう。後述するようにスタビライザ２０が電車３の振動を吸収して角度ずれを防止するが、スタビライザ２０が振動を吸収しきれなかったために生じた角度ずれを角度ずれ計測部１８が計測する。角度ずれ計測部１８の具体的な構成例としては、三軸加速度センサと、三軸加速度センサの出力を２回積分して角度ずれを算出する演算部とを備えるものが考えられる。ＣＣＤ１５が撮像した二次元スペクトル画像並びに位置計測部１６、距離計測部１７及び角度ずれ計測部１８の演算結果はデータ制御・記録部２１に出力され、記録される。
【００１９】
スタビライザ２０にはスペクトル画像化装置１ａを内部で支えるジンバルが構成されており、ジャイロが、電車３の振動を吸収するようにジンバルの内部の姿勢を制御する。
【００２０】
データ制御・記録部２１は、走査領域４ａが走査された後、すべての走査要素領域についての二次元スペクトル画像並びに位置計測部１６、距離計測部１７及び角度ずれ計測部１８の演算結果から、二次元スペクトル画像２ＤＳａｋ（ｋ＝１、２、３・・・ｎ・・・）に走査方向の一次元位置を第三の次元として加えた三次元スペクトル画像３ＤＳａを生成する。図４は、三次元スペクトル画像３ＤＳａの概念図である。三次元スペクトル画３ＤＳａは、ｘ座標を走査方向における位置の座標とし、ｙ座標を走査方向に対して垂直な方向における位置の座標とし、ｚ方向を分光波長の座標とし、分光強度を濃度分布として表す。
【００２１】
劣化部分検出部２３は、三次元スペクトル画像３ＤＳａのｘｙ平面における一定間隔の格子点について、特定の波長帯における分光強度から劣化状態を判断する。表示部２５は、劣化部分検出部２３の判断結果に従って走査領域４ａにおける劣化部分を表示する。
【００２２】
次に、スペクトル画像化装置１ａが走査領域４ａにおける劣化部分を検出する手順の詳細を説明する。図５及び６は、スペクトル画像化装置１ａが走査領域４ａにおける劣化部分を検出して表示する手順を示すフローチャートである。
【００２３】
ＣＣＤ１５が走査要素領域４ａｋ（ｋ＝１、２、３・・・ｎ・・・）の二次元スペクトル画像２ＤＳａｋ（ｋ＝１、２、３・・・ｎ・・・）を撮像する（Ｓ４０２）。位置計測部１６が、走査要素領域４ａｋの走査方向における位置を計測する（Ｓ４０４）。距離計測部１７が、走査要素領域４ａｋの各地点とスペクトル画像化装置１ａとの間の距離Ｒａｋｉ（ｉ＝１、２、３・・・）を計測する（Ｓ４０６）。角度ずれ計測部が、スペクトル画像化装置１ａの角度ずれＡａｋを検出する（Ｓ４０８）。データ制御・記録部２１が、走査要素領域４ａｋの二次元スペクトル画像及び走査要素領域４ａｋの走査方向における位置、距離Ｒａｋｉ並びに角度ずれＡａｋを記録する（Ｓ４１０）。Ｓ４０２〜Ｓ４１０までの処理が各走査要素領域について繰り返される。
【００２４】
データ制御・記録部２１が、走査領域４ａが走査された後、すべての走査要素領域についての二次元スペクトル画像２ＤＳａｋと、位置計測部１６が算出した各走査要素領域の走査方向における一次元位置とから、二次元スペクトル画像２ＤＳａｋに走査要素領域４ａｋの走査方向の一次元位置を第三の次元として加えた三次元スペクトル画像を生成する（Ｓ４１２）。
【００２５】
データ制御・記録部２１が、三次元スペクトル画像における分光強度を、走査領域４ａの各地点とスペクトル画像化装置１ａとの間の距離Ｒａｋｉに対して正規化した正規化三次元スペクトル画像を生成する（Ｓ４１４）。具体的には、分光光度にＲａｋｉの二乗を乗ずる演算をする。これにより、走査領域４ａに凹凸がある場合、あるいはトンネルの形状により走査方向に対して垂直な方向の位置に応じて距離Ｒａｋｉが変化する場合でも、走査領域４ａとスペクトル画像化装置１ａとの間の距離が変化することによる分光強度の変化をデータから除去することができる。これにより、走査領域４ａの反射率を取得する精度が向上する。
【００２６】
なお、高架橋の劣化状態を検査する場合など外部光の影響を考慮しなければならない場合には、分光強度を更に距離Ｒａｋｉが一定となる走査領域４ａにおける走査方向に平行な線上で反射した光の強度で除することにより、分光強度を照射光の強度に対して正規化することができる。
【００２７】
データ制御・記録部２１が、正規化した三次元スペクトル画像３ＤＳａを角度ずれ補正する（Ｓ４１６）。具体的には、角度ずれによって生じる画像上の位置座標の実際の位置からのずれを、角度ずれ計測部１８が算出した角度ずれＡａｋに基づき修正する。
【００２８】
劣化部分検出部２３が、正規化した三次元スペクトル画像３ＤＳａのｘｙ平面における一定間隔の格子点について、特徴波長帯（１９００〜１９８０、２１２０〜２１９０、２３２０〜２３９０ｎｍ）における一次微分値を算出する（Ｓ５０２）。本発明者らは、中性化コンクリートと中性化していないコンクリートにおけるスペクトルを比較することにより、１９００〜１９８０、２１２０〜２１９０、２３２０〜２３９０ｎｍの波長帯における分光強度の一次微分値が、コンクリートの中性化と相関関係にあることを発見した。図７は、中性化コンクリートで反射した光の一次微分スペクトルを示す。中性化コンクリートで反射した光の一次微分スペクトルは、１９００〜１９８０、２１２０〜２１９０、２３２０〜２３９０ｎｍの波長帯おいて、それぞれ大きな値を示す。図８は、中性化していないコンクリートの（分光反射率−分光波長）スペクトル特性を示す。
【００２９】
劣化部分検出部２３が、該当地点における特徴波長帯の一次微分値を以下の式（１）に示す線形回帰分析式に代入して中性化深さＨｔ（コンクリートの表面から中性化が進んでいる深さ）を算出する（Ｓ５０４）。Ｓ５０２及びＳ５０４の処理を走査領域４ａ（正規化した三次元スペクトル画３ＤＳａのｘｙ平面）における一定間隔の各格子点について繰り返して行う。
Ｈ＝ＡＸａ＋ＢＸｂ＋ＣＸｃ＋Ｄ・・・（１）
Ｘａ：１９００〜１９８０ｎｍにおける分光強度の一次微分値
Ｘｂ：２１２０〜２１９０ｎｍにおける分光強度の一次微分値
Ｘｃ：２３２０〜２３９０ｎｍにおける分光強度の一次微分値
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ：定数
【００３０】
劣化部分検出部２３が、走査領域４ａにおいて中性化深さＨｔが閾値Ｈｔｈ以上になっている箇所を抽出し、そこで中性化劣化が生じていると判断する（Ｓ５０６）。
【００３１】
表示部２５が、中性化劣化が生じていると判断された箇所を表示する（Ｓ５０８）。以上により、コンクリートの中性化が進行し鉄筋腐食が起こるおそれのある箇所を知ることができる。
【００３２】
本実施形態ではコンクリートの中性化が検査されるが、線形回帰分析式の定数及び特徴波長帯を変えることにより、塩化物イオン浸透（Ｃａ（ＯＨ）_２＋２Ｃｌ⁻→ＣａＣｌ_２＋２ＯＨ⁻）深さを算出し、塩害劣化箇所を検出することもできる。同様に硫酸塩劣化（Ｃａ（ＯＨ）_２＋ＳＯ_４ ^２−＋２Ｈ_２Ｏ→ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ＋ＯＨ^２−）を検査することもできる。
【００３３】
上記実施形態では、分光強度の一次微分値を線形回帰分析式に代入する方法が用いられているが、これに代えて比演算法を用いることもできる。比演算法では、劣化コンクリートと正常コンクリートとで反射率が特に大きく異なる特徴波長λ１、λ２を抽出する。これらを次の式（２）に示す比演算式に代入することにより劣化深さＨが算出される。
Ｈ＝Ｅ・Ｘλ_１／Ｘλ_２−Ｆ・・・（２）
Ｘλ_１：λ１における分光強度
Ｘλ_２：λ２における分光強度
Ｅ、Ｆ：定数
【００３４】
実施形態の別の変形例として、スペクトル画像化装置１ｄが、走査方向に沿って前方及び後方から走査領域５を照射、撮像する構成が考えられる。図９は、スペクトル画像化装置１ｄの機能的構成を示す図である。スペクトル画像化装置１ｄは、走査方向前方に向かって検査光を照射する照射部２ｄｆ、走査方向後方に向かって検査光を照射する照射部２ｄｂを備える。またスペクトル画像化装置１ｄは、照射部２ｄｆから出射し走査要素領域で反射した反射光を受光する結像光学系１１ｆ、回折格子１３ｆ及びＣＣＤ１５ｆ並びに照射部２ｄｂから出射し走査要素領域で反射した反射光を受光する結像光学系１１ｂ、回折格子１３ｂ及びＣＣＤ１５ｂを備える。この構成によれば、走査領域５に突出部５ｐがあるときでも、突出部５ｐの走査方向に面する前後両側面を検査することができる。
【００３５】
他の特徴波長帯との波長差が大きい特徴波長帯を含むスペクトル画像を撮像するために、スペクトル画像化装置が第２のＣＣＤを備えてもよい。例えば、第１の特徴波長帯が４００〜９００ｎｍの間に存在し、第２の特徴波長帯が９００〜２５００ｎｍの間に存在する場合に、結像光学系と分光手段との間に介在するビームスプリッタが反射光を４００〜９００ｎｍの成分と９００〜２５００ｎｍの成分とに分光し、４００〜９００ｎｍのスペクトル画像をシリコンなどのＣＣＤが撮像し、９００〜２５００ｎｍのスペクトル画像を硫化鉛などのＣＣＤが撮像する構成が考えられる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のスペクトル画像化装置によれば、検出できる劣化状態が物理的な形状変化を伴うものに限定されず、また線状構造物の劣化部分を自動的に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のスペクトル画像化装置１ａ〜１ｃを用いて鉄筋コンクリート製のトンネル（線状構造物）４の走査領域４ａ〜４ｃにおける劣化状態を検査する様子を示す図である。
【図２】スペクトル画像化装置１ａの機能的構成を示す図である。
【図３】距離計測部１７の機能的構成を示す図である。
【図４】三次元スペクトル画像３ＤＳａの概念図である。
【図５】スペクトル画像化装置１ａが走査領域４ａにおける劣化部分を検出して表示する手順を示す第１のフローチャートである。
【図６】スペクトル画像化装置１ａが走査領域４ａにおける劣化部分を検出して表示する手順を示す第２のフローチャートである。
【図７】中性化コンクリートで反射した光の一次微分スペクトルを示す。
【図８】中性化していないコンクリートの（分光反射率−分光波長）スペクトル特性を示す。
【図９】図９は、スペクトル画像化装置１ｄの機能的構成を示す図である。
【符号の説明】
１ａ〜ｃ・・・スペクトル画像化装置、２ａ〜ｃ・・・照射部、３・・・電車、４・・・トンネル、４ａ・・・走査領域、１１・・・結像光学系、１３・・・回折格子、１５・・・ＣＣＤ、１５ｐ・・・撮像面、１６・・・位置計測部、１７・・・距離計測部、１８・・・角度ずれ計測部、２０・・・スタビライザ、２１・・・データ制御・記録部、２３・・・劣化部分検出部、２５・・・表示部、１７１・・・レーザ、１７３・・・ハーフミラー、１７５・・・回転ミラー、１７７・・・光検出器、１７９・・・制御・演算部。

Claims

線状構造物の長さ方向に移動する移動体に搭載され、走査要素領域で反射した反射光を順次受光していくことにより走査して前記線状構造物の走査領域における劣化部分を検出するために用いられるスペクトル画像化装置であって、
前記走査要素領域で反射した反射光を分光する分光手段と、
前記走査要素領域ごとに、前記分光手段により分光された反射光の各分光波長における分光強度を含むスペクトル画像を撮像し、前記移動体の移動に伴い前記走査領域を走査することにより前記走査領域のスペクトル画像を得るスペクトル画像撮像手段と、
前記スペクトル画像撮像手段が得た前記走査領域のスペクトル画像の特定の分光波長帯における分光強度から、前記走査領域における劣化部分を検出する劣化部分検出手段とを備えた
ことを特徴とするスペクトル画像化装置。
前記スペクトル画像撮像手段が二次元の撮像面を有する二次元イメージセンサを備え、
前記分光手段が、前記走査要素領域における前記走査方向に対して垂直な方向の位置を一方の次元とし、分光波長を他方の次元とする二次元スペクトル画像を前記撮像面に形成し、
前記スペクトル画像撮像手段が、前記走査要素領域ごとに前記二次元スペクトル画像を撮像し、前記移動体の移動に伴い前記走査領域を走査することにより前記走査領域における前記走査方向の位置を第三の次元とする三次元スペクトル画像を得る
ことを特徴とする請求項１に記載のスペクトル画像化装置。
移動時の前記移動体の振動を吸収するスタビライザを備えた
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のスペクトル画像化装置。
前記走査領域に検査光を照射する照射手段を備えた
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のスペクトル画像化装置。
前記分光強度を、前記反射光の反射位置との間の距離に対して正規化する正規化手段を備えた
ことを特徴とする請求項４に記載のスペクトル画像化装置。