JP2007024674A - Surface/surface layer inspection device and surface/surface layer inspection method - Google Patents
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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。 The present invention relates to a surface / surface layer inspection apparatus that performs nondestructive inspection of a surface and a surface layer to be inspected with high sensitivity using laser interferometry, and a surface / surface layer inspection method that is executed by the apparatus.
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。 As a rapid inspection technique for the surface and the surface layer, in recent years, a thermography method or a laser shearography method is used for inspection of peeling of FRP, which is an aircraft material.
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。 First, in the thermography method, the measurement surface is heated and the temperature distribution is observed with an infrared camera, and the defective part such as delamination has a different thermal conductivity than the healthy part. The defect is detected using the fact that it appears. More recently, as shown in Non-Patent Document 1, high-sensitivity inspection is possible by heating in pulses and capturing minute time changes in temperature distribution.
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。 On the other hand, the laser shearography method is similar to the thermography in that the measurement surface is heated, but is characterized in that a thermal strain generated around the defect accompanying the heating is detected as a vertical displacement of the surface. The surface displacement can be measured with high accuracy on the order of several tens of nanometers using the interference phenomenon of laser light, and as shown in Non-Patent Document 2, a wide range can be measured at once, so that rapid measurement is possible.
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。 For example, speckle interferometry and shearing interferometry are also known as laser interferometry. Among them, speckle interferometry is a method in which light scattered by minute irregularities on the surface of an inspection object irradiated with laser light is slightly shifted with respect to reference light through an optical system and imaged with a CCD camera. Since coherent light is used, fine speckled patterns called speckle patterns are recorded (see FIGS. 3A and 3B described later). In this way, the gradient of the surface displacement perpendicular to the direction of the shift can be known. Therefore, it is possible to know the surface displacement gradient by shifting from various directions, and to create a map relating to the gradient of the surface displacement from these, and based on these, an image as shown in FIG. .
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。
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。 However, in the thermography method, the peeling can be inspected, but the detection of the surface crack (crack entering the direction perpendicular to the surface) to be inspected cannot be expected. In addition, since the laser shearography method can only measure at a certain time, there are cases where the sensitivity is insufficient and information in the depth direction cannot be obtained. Furthermore, since laser shearography is a further development of speckle interferometry and strain interference, there are similar problems with laser shearography in speckle interferometry and strain interferometry. It was.
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。 The present invention has been made in view of the actual situation of such a prior art, and its purpose is not only the inspection of peeling in the inspection object, but also the detection of surface cracks (cracks that enter the direction perpendicular to the surface) An object of the present invention is to detect various defects near the surface with high sensitivity and information in the depth direction.
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。 In order to achieve the above object, the first means is a surface / surface inspection apparatus comprising a heat application means for applying heat to a surface to be inspected, and a surface displacement measurement means for measuring surface displacement by laser interferometry. It is characterized by comprising time-resolved image measuring means for time-resolved measurement of a laser interference image generated by laser interferometry.
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。 In this case, a streak camera or a CCD line sensor camera is used as the time-resolved image measuring means, a pulse light source or a pulse high-frequency source is used as the heat applying means, and a laser shearography method or laser speckle is used as the surface displacement measuring means. A measuring device that uses the interferometry is used. Furthermore, it is possible to provide signal processing means for logarithmically processing the laser interference image signal measured by the time-resolved image measuring means.
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。 The second means is characterized in that a defect detection means for detecting a defect on the surface to be inspected based on inspection data obtained by a surface / surface inspection apparatus is provided for the first means.
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。 A third means is a surface / surface layer inspection method in which heat is applied to a surface to be inspected and surface displacement is measured by laser interferometry, and a laser interference image generated by the laser interferometry is time-resolved to measure It is characterized by inspecting the surface and surface layer.
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。 The fourth means applies heat to the surface to be inspected, generates a laser interference image by laser interferometry, time-resolves the generated laser interference image, and applies the time-resolved laser interference image signal to heat. It is characterized by a surface / surface inspection method in which each measurement is performed before and after, or at two different times after heat application, and the measured laser interference image signal is subjected to differential processing to evaluate defects.
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。 In this case, it is possible to evaluate a defect by using a line image at an initial time of the time-resolved laser interference image signal as a reference and differentially processing the subsequent line image. Further, the defect can be evaluated by logarithmically processing the time-resolved laser interference image signal and discriminating between the steady change portion and the non-steady change portion.
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。 According to the present invention, since the laser interference image generated by the laser interferometry is time-resolved and inspected on the surface to be inspected, not only the inspection of the surface to be inspected but also the surface crack (perpendicular to the plane) It is possible to detect cracks that have entered and various defects in the vicinity of the surface with high sensitivity and information in the depth direction. In addition, since the surface to be inspected is heated, a defect inspection is possible even with a material having extremely high thermal conductivity.
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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
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。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a time-resolved laser shearography apparatus according to an embodiment of the present invention. In the figure, a time-resolved laser shearography apparatus includes a laser beam emitting device 3, a lens 4 that spreads the laser beam emitted from the laser beam emitting device 3 and irradiates the surface of the
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。
The shearing
In the time-resolved laser shearography apparatus generally configured as described above, first, the surface of the
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。
The principle of detecting surface displacement by the laser shearography method is shown in FIG. The laser beam 5 irradiated on the surface of the
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。
FIG. 3 shows an example of an image in a conventional laser shearography method that is not time-resolved. In the conventional laser shearography method, the time-resolved
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。
As described above, this embodiment is characterized in that a time-resolved image is obtained using the time-resolved
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。 Next, two methods can be applied for obtaining the reference in the present embodiment. First, the first method is shown in FIG. This method is the same as the conventional method, and is a method of taking a reference image before applying heat and taking a difference from the image after applying heat. In FIG. 5, the vertical axis is the time axis, that is, the result of time-resolved measurement. As a supplement, since it is a time-resolved image, it is not a dot-like speckle pattern as shown in FIG. 3, but a time change of speckle, so that a line-like pattern is measured in the time direction. There are features. Further, instead of taking a reference image before applying heat, a reference image may be taken at an arbitrary time after applying heat and a difference between the reference image and an image at a different time may be taken. Thereby, there exists an advantage by which the measurement before heat provision becomes unnecessary. In this case, if the image of FIG. 5B is a reference image, it means that a difference from an image having a different time start point on the vertical axis is taken.
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。
Next, FIG. 6 shows how to take the second reference. Since the present invention takes a time-resolved image, the line being measured is fixed as described above. Therefore, a line with a time-resolved image (dashed pixel row in FIG. 6) can be used as a reference. Therefore, it is possible to obtain a difference image as shown in FIG. 5C and FIG. 6B by performing a difference process on the value of this pixel row from the measurement value at each time, and the time resolution of the defect. An image can be obtained. The signal processing as described above is performed by the image
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。 In the above description, the laser shearography method is mainly described as the surface displacement measuring means. However, the laser speckle interferometry is also possible.
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。 Further, in the difference image of FIG. 5C or FIG. 6B, the location and width (size) where there is a defect can be specified, but cannot be detected at the depth of the defect. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 7C, the size of the defect in the depth direction is also known by performing signal processing with the vertical axis representing the logarithm of strain displacement. That is, FIG. 7A is a difference image obtained as shown in FIG. 5C or FIG. 6C, where a broken line in the time axis direction indicates a defective portion and a solid line indicates a healthy portion line. Yes. FIG. 7B shows the change over time with the strain displacement as the vertical axis for these two lines. In the case of a very small defect, the difference between the defective portion and the healthy portion is also small as shown in FIG. Although FIG. 7B intentionally displays a difference, it is actually smaller. In the case of such a very small defect, as shown in FIG. 7C, when signal processing is performed with the logarithm of strain displacement on the vertical axis and the time axis on the horizontal axis, the difference between the defective portion and the healthy portion is determined. Appears greatly, and the difference between the two can be clearly shown.
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。
This is effective in detecting the amount of minute thermal strain accompanying thermal excitation, and can be realized only by performing time resolution. Further, since the time position of this time change includes information in the depth direction, it is possible to grasp the depth of the defect by capturing the time position with the change. The signal processing as described above is performed by the image
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。
FIG. 8 shows a schematic configuration of a time-resolved laser shearography apparatus according to another embodiment. FIG. 8 is obtained by adding a
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。
The position, size, depth, and the like of the defect are performed by the image
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)
1 Pulse heating means 2 Pulse heating light (high frequency)
3 Laser beam emitting device 4 Lens 5 Laser beam 6 Condensing lens 7 Half mirror (prism)
8, 9 Mirror 10
Claims (13)
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。 Heat application means for applying heat to the surface to be inspected;
Surface displacement measuring means for measuring surface displacement by laser interferometry;
In the surface / surface inspection apparatus having
A surface / surface layer inspection apparatus comprising time-resolved image measuring means for time-resolved measurement of a laser interference image generated by the laser interferometry.
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。 In the surface / surface inspection method in which heat is applied to the surface to be inspected and surface displacement is measured by laser interferometry,
A surface / surface layer inspection method, wherein a laser interference image generated by the laser interferometry is time-resolved to inspect a surface / surface layer to be inspected.
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。 Applying heat to the surface to be inspected,
Laser interference image is generated by laser interferometry,
Time-resolved measurement of the generated laser interference image,
Measure the time-resolved laser interference image signal before and after heat application,
A surface / surface inspection method, wherein a defect is evaluated by performing differential processing on a measured laser interference image signal.
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。 Applying heat to the surface to be inspected,
Laser interference image is generated by laser interferometry,
Time-resolved measurement of the generated laser interference image,
Time-resolved laser interference image signals are measured at two different times after heat application,
A surface / surface inspection method, wherein a defect is evaluated by performing differential processing on a measured laser interference image signal.
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