JP2008268164A - 電磁波の偏光特性を利用した非破壊検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 木材や繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などに代表される繊維構造などからなる異方性を内在する部材、あるいは異方性を持たない素材の物質であっても応力によって生じた変形を有する可能性のある部材に、偏光した電磁波を照射し、その透過もしくは反射画像イメージングを行い、部材内部の繊維方向や欠陥の発生や変形などの構造欠陥の検出を行い得る非破壊検査装置を提供する。
【解決手段】 発振素子として１０ＧＨｚから１０ＴＨｚの発振周波数を持ち、偏光特性を有するダイオード発振素子を用いることにより、電磁波を被測定物に透過させ物質中に介在する異方性領域を高感度に検出するものであり、従来検出が難しかった物質中の歪み、および構造欠陥の検出を容易にし、またこれまでのテラヘルツイメージングシステムの大型化、複雑化あるいは高価格化といった問題点も解決するものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、木材や繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などに代表される繊維構造などからなる異方性を内在する部材、あるいは異方性を持たない素材の物質であっても応力によって生じた変形を有する可能性のある部材に、偏光した電磁波を照射し、その透過もしくは反射画像イメージングを行い、部材内部の繊維方向や欠陥の発生や変形などの構造欠陥の検出を行い得る非破壊検査装置に関する。

近年、その応用が注目されているテラヘルツ電磁波（１ＴＨｚ＝１０^１２Ｈｚ）は、光の周波数と電波の周波数の境界に当たる。その周波数はおよそ１００ＧＨｚ−１０ＴＨｚであり、その特異な物性を利用した分光学的検出技術が注目されつつある。テラヘルツ発生においては、その原理的方法に基づきテラヘルツ時間領域分光法、ＧａＰやＬｉＮｂＯ_３結晶内のフォノンを利用したテラヘルツ差周波発生やテラヘルツパラメトリック発振器、あるいはｐ型ゲルマニウムレーザ、共鳴トンネルダイオードや量子カスケードレーザなどの半導体デバイスを用いたテラヘルツ電磁波発生方法が実現されている。これらの技術は大出力のレーザ、大型の強力マグネット、あるいは極低温などいずれかの要素を必要とし、これらを用いたイメージングシステムは装置が高価であり、大型化および複雑化のため製造現場への普及など実用化の面で問題があった。また、これまでは対象物を特定するため、特定波長を用いたイメージングが行われていた。

本発明では、発振素子として１０ＧＨｚから１０ＴＨｚの発振周波数を持ち、偏光特性を有するダイオード発振素子を用いることにより、電磁波を被測定物に透過させ物質中に介在する異方性領域を高感度に検出するものであり、従来検出が難しかった物質中の歪み、および構造欠陥の検出を容易にし、またこれまでのテラヘルツイメージングシステムの大型化、複雑化あるいは高価格化といった問題点も解決するものである。

上記問題を解決するために、本願発明では発振素子としてタンネットダイオードを用い、１０ＧＨｚから１ＴＨｚの発振周波数を、素子構造および共振器構造を選ぶことにより作り分けている。タンネットダイオードはトンネル注入走行時間効果（Ｔｕｎｎｅｌ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｉｔ Ｔｉｍｅ）を利用した負性抵抗ダイオードのことであり、基本波による高出力室温連続発振で高い周波数安定性と出力安定性が得られる素子である。タンネットダイオードの発振周波数を選ぶことにより、各種部材に対する優れた透過率が得られ、またその出力は高い偏光率を有している。タンネットダイオードの他にも、ガンダイオード、インパットダイオード、あるいは共鳴トンネルダイオードを用いることが可能である。また、１ＴＨｚから１０ＴＨｚの領域はｐ型ゲルマニウムレーザや量子カスケードレーザを用いて所定周波数の電磁波を発生させて用いている。量子カスケードレーザは、ナノ構造の半導体多層薄膜によって形成される、半導体中の量子井戸のサブバンド間光学遷移を利用した半導体レーザである。このサブバンド構造を調整し、１〜１０ＴＨｚの基本波連続発振が可能であり、小型の発振器として用いることができる。

偏光した電磁波を用いて、物質中の透過あるいは反射イメージングを行うと、物質内部の異方性を反映した透過特性が得られることから、木材を例にとれば、木目方向の検出や、木材中の虫食いの有無、死節、割れ、腐りなどの構造欠陥の検出、さらには木材中の含水率分布を高感度に検出することが可能になる。本発明は、木材のほかにも繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃ）などに代表される繊維構造からなる異方性構造を内在する部材、あるいは異方性を持たない素材の物質であっても応力によって生じた変形を内在し、この変形によって構造異方性を生じるものについてイメージングを行い、部材をスキャンして異方性の有無や内部構造欠陥を観察できるほか、大型の部材に関しては被測定物をスキャンする変わりに、光源および検出器ユニットを一体化しスキャンするシステムの採用により、固定した部材の内部構造欠陥を簡便に観察できることを特長としている。

本発明の電磁波の偏光特性を利用した非破壊検査装置は、基本波室温連続発振する電磁波発生器を１０ＧＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲から波長選択し、発振出力の偏光特性を利用して、部材の透過強度あるいは反射強度の偏光角度依存性を測定し、部材の異方性や、部材中の構造欠陥を高感度に検出することが可能である。また電磁波発生装置からの出力を電磁波の波長程度まで絞り込むことによって、高分解能の画像化を実現でき、波長を選ぶことにより材料に対する電磁波の進入深さを制御できるので、外部から観察不能な内部構造欠陥の識別が可能となり、部材の非破壊検査や、現場における構造欠陥検査などにおいて有効である。

本発明によるイメージングシステムに用いるタンネットダイオード発振素子の共振器構造を図１に示した。共振器は金属製の共振器基本構造１にステム２、スライディングショート３、バイアスピン４、方形導波路５、ホーンアンテナ６、石英スタンドオフ７、ダイオード素子８、および金リボン９によって形成される。石英スタンドオフ７、およびダイオード素子８の底面側はステム２上に圧着され、それぞれの上面側は金リボン９によって接続される。バイアスピン４はλ／４のチョーク構造を有し、スタンドオフ７に接するように設置され、ダイオード素子８に必要な直流バイアスを供給する。バイアスピン４と石英スタンドオフ７の接点付近と、スライディングショート３で囲む空間長で共振器を形成し、共振器に蓄えられた電磁波は方形導波路５を通してホーンアンテナ６より外部に出力される。

タンネットダイオードの素子構造は図２に示したようにｎ^＋ＧａＡｓ基板結晶８１に低濃度電子密度のＧａＡｓ ｎ⁻層８２、さらに高濃度電子密度のＧａＡｓ ｎ^＋層８３、その上に高濃度正孔密度のＧａＡｓｐ^＋層８４をエピタキシャル成長により形成する。タンネットダイオードは基本波による室温連続発振で１０〜１０００ＧＨｚの電磁波発生器を実現できる。また、１ＴＨｚから１０ＴＨｚの領域は量子カスケードレーザを用いて所定周波数の電磁波を発生させることができる。量子カスケードレーザは、文献（Ｊ．Ｆａｉｓｔ，Ｆ．Ｃａｐａｓｓｏ，Ｄ．Ｌ．Ｓｉｖｃｏ，Ｃ．Ｓｉｒｔｏｒｉ，Ａ．Ｌ．Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ，ａｎｄ Ａ．Ｙ．Ｃｈｏ，Ｓｃｉｅｎｃｅ２６４，５５３−５５６（１９９４））にあるようにナノ構造の半導体多層薄膜によって形成される、半導体中の量子井戸のサブバンド間光学遷移を利用した半導体レーザである。このサブバンド構造を調整することにより、発振周波数帯を選択でき、基本波による１〜１０ＴＨｚの電磁波発生器を実現できる。

前記電磁波発振素子を用いた、本発明によるイメージングシステムを図３に示す。偏光特性を持つ発振素子１０として、タンネットダイオード発振素子のほかに、ガンダイオードやインパットダイオードなどのダイオード発振素子を用いることが可能である。ダイオード発振素子１０より発生した所定周波数の電磁波は素子に付随したホーンアンテナを通して自由空間に放射され、光学レンズ１１によって集光される。タンネットダイオードは高い偏光度を有しているが、偏光特性を持たない光源を使用する際には、光源側に偏光子１７ａを挿入する。部材１３に照射される電磁波は、微小開口１２などを用い、部材の内部および表面付近で微小なビーム径の状態で照射され、ビーム径はほぼ波長サイズとなる。部材１３は駆動機構１６によりｘｙ平面で走査され、部材の各部分における透過電磁波強度はレンズ１１を通して集光され、検出器１４で検出される。検出器としては、ショットキーバリアダイオード検出器（ＳＢＤ）やＳｉボロメータ、あるいは焦電検知器などが用いられる。検出器１４としてＳＢＤを用いた場合には検出器自体が高い偏光度を持つが、Ｓｉボロメータ、あるいは焦電検知器では検出器自体に偏光特性はなく、この場合には偏光子１７ｂを用いることが有効である。

検出器１４からの透過強度信号は、駆動装置からの位置情報と共に信号処理部１５で処理される。微弱な信号検出では、ダイオード発振素子１０を所定のパルス電流で駆動し、信号処理部でロックイン検出することも可能である。

図３に示した装置を用い、電磁波入射方向に垂直な面内での木材の電磁波透過強度の回転角度依存性を測定した結果を図４に示した。用いた電磁波の周波数は１９０ＧＨｚである。ダイオード発振素子１０の方形導波管の短辺方向を基準に取ると、木材１８の木目１９のなす角はθである。ダイオード発振素子１０から放出された電磁波の木材透過出力は同図に示すようにθに依存する。すなわち、木目１９が電磁波の偏光方向と一致した場合（図中９０°および２７０°を表わす）透過強度が最大となり、０°および１８０°では透過強度が最小となる。

図５に示すのは各種木材に対する透過率の厚み依存性を表わしている。この図では木目方向と電磁波偏光方向が平行する場合を０°、木目方向と電磁波偏光方向が直交する場合を９０°として記述してある。この測定結果からわかるように、木材の厚さが増加するに従い透過率は減少するが、同じ種類の木材であっても偏光方向が木目と平行な場合、すなわち９０°の場合は、偏光方向が木目に直交する場合（０°）に比べて１桁以上透過率が高くなることが明らかである。図４および図５の測定例のように木目方向に対して電磁波の吸収特性が顕著に変わることは、木材が方向性を有する繊維構造で形成されていることに起因している。このような電磁波透過特性の角度依存性は繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃ）などでも同様である。

木材の繊維構造は木目方向とほぼ一致し、木材の生育環境などによって変化する。すなわち木材を切り出す際にはこの木目方向を見極める必要があり、木材の表面で観察される木目のみならず、木材内部の構造をも考慮したカッティング方向の決定が必要となる。本発明によれば木目方向を瞬時に検出することができ、また偏光子の角度を最適に選んだ透過イメージングを実施することによって、木材中の虫食いの有無、死節、割れ、腐りなどの構造欠陥の検出、さらには木材中の含水率分布を高感度に検出することが可能になる。含水率の分布に関しては１％（重量％）以下の含水率変化を透過強度測定により測定可能なことを確認し、イメージングを行うことによって、分布する含水率を高感度に画像化できることを確認している。このことは、樹脂、ガラス、セラミックス、ゴム、および布などの一定方向の繊維構造を持たない、いわゆる等方的資材であった場合も、資材中に生じた構造欠陥によって、構造欠陥周辺の物質構造が変形し、テラヘルツ波に対する光学異方性を生じることから、高感度欠陥検出が可能となる。

本発明の装置を用いると木目の検出を容易に行えることから、本発明を用いた木材のカッティングに有効な方法を考案した。本発明方法による木材カッティング方法を説明するための概略図を図６に示した。部材のカッティングしたい位置の概略を決め、本装置を用いて各点における透過強度が最も強くなる角度を設定する。この角度は各点における木材内部の平均的な木目方向、すなわち繊維方向を示している。これらの繊維方向のバラツキは繊維の歪みを反映しており、これらを平均化した方向にカッティングすることにより、木材の内部構造を反映したカッティングを実現でき、これまでに行われた試し切りなどによるムダを解消できる他、外部から観察されない死節や、割れ、および虫食いなどの部分を避けた資材のカッティングが可能となる。

図７は反射イメージングによる実施例である。ダイオード発振素子１０、光学レンズ１１、ビームスプリッタ２０、偏光子１７ａ、１７ｂ、レンズ１１および検出器１４からなり、レンズ１１ｂを調整することによって焦点深度を任意に変えることが可能である。本装置を用いると、厚い木材などの所定深さの内部情報を反射イメージングにより観察することが可能になる。ただし、反射の場合は透過特性と逆になり、木目方向と電磁波の偏光方向が直交する方向が反射強度最大となる。電磁波の偏光方向が木目と平行な場合は電磁波が木材の内部まで浸透しやすく、ひび割れや異物、あるいはその他構造欠陥部分で電磁波の反射を生じやすくなるので、非破壊にて木材内部を観察できる。また、木材以外にも、樹脂、ガラス、セラミックス、ゴム、および布などの一定方向の繊維構造を持たない等方的資材であっても、資材中に生じた構造欠陥によって構造欠陥周辺の物質構造が変形し、テラヘルツ波に対する光学異方性を生じることから、反射イメージングを用いた高感度欠陥検出が可能となる。

反射イメージングの応用例として、図８に示したのは大型の建造物および柱状資材を測定するための反射イメージング装置構成を示している。図７に示した反射イメージング光学系の構成要素を躯体２２上で一体化し、プローブ２３を構成している。プローブ２３は法線方向（ｒ）駆動機構２４、回転方向（θ）駆動機構２５、およびＺ方向駆動機構２６によってｒ−θ−Ｚスキャンされ、各部の反射画像を得ることが可能である。被測定物２７は正確な円筒形である必要はなく、本システムによれば立ち木や四角柱の木材、あるいは不定形の建材などに対し、測定物外周より電磁波を照射し、測定物の内部構造を反映した反射画像を取得することが可能である。木材以外にも、樹脂、ガラス、セラミックス、ゴム、および布などの外部から観察できない構造欠陥などを画像化できる。

以上により、本発明の電磁波の偏光特性を利用した非破壊検査装置を用いると、これまで表面から観察不能な、木材、樹脂、ガラス、セラミックス、ゴム、および布などの内部に存在する構造欠陥を画像化できるので、建材や資材の非破壊検査の新たな手段として有効である。

タンネットダイオード発振素子の共振器構造の概略図である。 タンネットダイオードの素子構造概略図である。 タンネットダイオード発振素子を用いた透過イメージングシステムの概略図である。 木材の電磁波透過強度の回転角度依存性を示す概略図と測定結果である。 各種木材に対する透過率の厚み依存性を表わす測定結果である。 本発明のイメージングシステムを用いた木材カッティング方法を説明するための概略図である。 タンネットダイオード発振素子を用いた反射イメージングシステムの概略図である。 大型の建造物および柱状資材を測定するための反射イメージング装置構成を説明するための概略図である。

符号の説明

１…共振器基本構造
２…ステム
３…スライディングショート
４…バイアスピン
５…方形導波路
６…ホーンアンテナ
７…スタンドオフ
８…ダイオード素子
９…リボン状電極
８１…ｎ^＋ＧａＡｓ基板結晶
８２…ＧａＡｓ ｎ⁻層
８３…ＧａＡｓ ｎ^＋層
８４…ＧａＡｓ ｐ^＋層
１０…ダイオード発振素子
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…レンズ
１３…部材
１４…検出器
１５…信号処理部
１６…駆動機構
１７ａ、１７ｂ…偏光子
１８…木材
１９…木目
２０…図４に示した電磁波透過強度の角度依存性
２１…ビームスプリッタ
２２…躯体
２３…プローブ
２４…法線方向（ｒ）駆動機構
２５…回転方向（θ）駆動機構
２６…Ｚ方向駆動機構
２７…被測定物

Claims (4)

1. ダイオード発振素子によって構成される１０ＧＨｚ−１０ＴＨｚの範囲の所定周波数の電磁波発生源を用い、前記発振素子より発せられる偏光電磁波、もしくは無偏光の電磁波源については偏光手段を具備し、試料位置を走査しながら試料微小部分に前記電磁波を照射し電磁波の透過強度あるいは反射強度を測定し、前記試料内部の異方性を反映した透過あるいは反射イメージング画像を得ることにより、試料中の異方性検出、構造欠陥検出、内在物質の分布、あるいは応力によって生じた変形の検出を行うことを特徴とした電磁波の偏光特性を利用した非破壊検査装置。
2. 前記電磁波の発生手段、偏光手段、集光手段、ビーム分割手段、および検出手段を組み合わせ一体化したプローブとし、前記プローブを走査することにより、試料表面および内部からの電磁波の反射強度を測定し、前記試料の反射イメージング画像を得ることにより試料中の異方性検出、構造欠陥検出、内在物質の分布、あるいは応力によって生じた変形の検出を行うことを特徴とする請求項１に記載の電磁波の偏光特性を利用した非破壊検査装置。
3. 前記試料が、非平面を含む柱状であり、前記プローブが物体表面に対し、法線方向（ｒ）、回転方向（θ）、および長さ方向（Ｚ）に走査されることを特徴とする、請求項２に記載の電磁波の偏光特性を利用した非破壊検査装置。
4. 前記ダイオード発振素子が、ガンダイオード、インパットダイオード、タンネットダイオード、ｐ型ゲルマニウムレーザ、共鳴トンネルダイオードあるいは量子カスケードレーザのいずれかであることを特徴とする請求項１から３に記載の電磁波の偏光特性を利用した非破壊検査装置。

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