JP2920122B2 - 管内検査方法及び管内検査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、管内検査方法及び
管内検査装置、特に直径１〜５mm程度の精度の高い細管
の検査方法及び検査装置に関し、例えば原子力発電所や
光通信用の光コネクタ等で使用される高精度細管の内面
形状を検査するのに適用して有効な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子力発電所や光通信用の光コネクタ等
においては、極めて精度が高くかつ内径の小さい細管が
使用されている。従来、このような径の小さい高精度細
管の内径を測定する際には、その細管内に所定の外径の
限界ゲージを挿入し、その挿入具合、すなわち細管内に
ゲージが、ぴったり入る、緩く入る、あるいは入らない
という判断基準に基づいて、細管が所定の径の寸法交差
内の径になっているか否かを判断している。管の内径に
限らず小さい穴の径を測定する際も同様である。

【０００３】また、細管の内面形状を調べるに方法とし
て、極めて高精度の接触式プローブを使用し、そのプロ
ーブで管内をこすることにより、管の内面の凹凸を検出
する方法がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、管や穴
の中に挿入した限界ゲージの入り具合が、ぴったりであ
るかあるいは緩いかということは、感覚的なことであ
り、測定者の熟練度によって判断が異なったり、同じ測
定者でもその都度判断が変わる虞があるので、細管の内
径を正確に測定することは極めて困難である。

【０００５】また、接触式プローブを使用する方法で
は、極めて高度な操作技能が必要であるため、誰でもが
簡単に測定を行うことができるというわけではなく、し
かも測定に長時間を要するのに加えて、測定装置自体が
極めて高価であるという欠点もある。

【０００６】本発明は、上記事情に鑑みなされたもの
で、細管の内径や内面形状の測定を正確かつ容易に行な
い得る管内検査方法及びそれに用いる管内検査装置を提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明者は本発明者等が先に出願した光学装置（特
願平７−１６７１２４号）を応用して、管内の検査を行
うことを思いついた。その光学装置とは、レーザー光線
をコリメーターレンズにより平行光線に変換し、それを
所定長さの光ファイバーや円柱状ロッドに入射させて均
一な強度の円環状の光線に変換し、さらにそれを円錐プ
リズムにより光軸に対して任意の角度でもって拡がるス
リットビームを得るというものである。

【０００８】本発明は、上記先願技術を発展させて完成
されたものであり、請求項１記載の発明は、管内に光を
入射させ、その入射光を前記管の内面で反射させ、その
反射光に基づいて前記管の内面を観察する管内検査方法
において、光軸に対して垂直な仮想平面への照射形状が
円環状をなし、かつ光の伝播に伴って収束するような環
状光線束を、一旦前記管の手前もしくは管の入射端付近
で焦点を結ばせてから同管内に入射させ、その入射光を
前記管の内面の所定範囲内を走査させながら反射させる
ようにしたことを特徴とするものである。

【０００９】この発明によれば、環状の光線束を、一旦
被検査物である管の手前もしくは管の入射端付近で焦点
を結ばせてから同管内に入射させるようにしたため、環
状光線束を細いビームに絞って管内に入射させることが
できる。

【００１０】請求項２記載の発明は、管内に光を入射さ
せ、その入射光を前記管の内面で反射させ、その反射光
に基づいて前記管の内面を観察する管内検査装置であっ
て、光軸に対して垂直な仮想平面への照射形状が円環状
をなし、かつ光の伝播に伴って収束し前記管に入射する
前もしくは入射直後に焦点を結ぶような環状光線束を出
射可能な環状光線出射手段と、該環状光線出射手段から
出射され前記管内で反射して同管から出射する光を受け
る受光手段と、該受光手段の受光信号に基づいて前記管
の内面の状態を評価可能な評価手段とを備えたことを特
徴とするものである。

【００１１】この発明によれば、環状光線出射手段から
出射された環状光線束が、一旦被検査物である管の手前
もしくは管の入射端付近で焦点を結んでから同管内に入
射するため、環状光線束が細いビームに絞られて管内に
入射する。

【００１２】請求項３記載の発明は、請求項２記載の発
明において、前記環状光線出射手段は、光軸に対して発
散する光を出射する光源と、該光源から発せられた光を
光軸に対して発散及び収束することなく伝播する平行光
線束に変換するコリメータレンズと、該コリメータレン
ズにより変換された平行光線束を、光軸に対して垂直な
仮想平面への照射形状が円環状でかつ光の伝播に伴って
拡大するような環状光線束に変換して出射可能な環状光
線生成部と、該環状光線束を光軸に対して平行に伝播す
る光線束に変換する環状光線変換部と、該環状光線変換
部により変換された光線束を前記管の手前もしくは管の
入射端付近の所定位置で焦点を結ばせるとともに、焦点
を結んだ後の光線束の拡がり角を前記管の径に対応して
調整するズームレンズとを備えている。

【００１３】この発明によれば、光源から発せられた光
は、コリメータレンズにより平行光線束に変換され、環
状光線生成部により光の伝播に伴って拡大するような環
状光線束に変換され、環状光線変換部により光軸に対し
て平行に伝播する環状光線束に変換され、ズームレンズ
により被検査物である管の手前もしくは管の入射端付近
で焦点を結ぶとともに、焦点を結んだ後に管の径に対応
して拡がるような光線束に変換される。

【００１４】

【実施の形態】以下に、本発明に係る光学装置の一例を
図面を参照しつつ説明する。この管内検査装置は、図２
に示すように、光軸Ａ−Ａ（一点鎖線で示す）に対して
垂直な仮想平面Ｐ（二点鎖線で示す）への照射形状が円
環状をなす環状光線束Ｌを用い、図１に示すようにその
環状光線束Ｌ（図１では、Ｌ５に相当する）を、被検査
物である管１の手前もしくは管１の入射端付近の所定位
置Ｆで一旦焦点を結ばせてから該管１の内面１ａで反射
させるようにしたものである。そして、この管内検査装
置では、管１の内面１ａで反射されて管１の反対側の開
口端から出射される光線束Ｌ６を受光し、その受光信号
に基づいて管１の内面１ａの検査を行うようになってい
る。

【００１５】所定位置Ｆで焦点を結ぶ環状光線束Ｌ５を
出射する手段（環状光線出射手段）は、例えば、光軸
（図示せず）に対して発散する光Ｌ１を出射する光源２
と、その光源２から発せられた光Ｌ１を光軸に対して発
散及び収束することなく伝播する平行光線束（コリメー
トビーム）Ｌ２に変換するコリメータレンズ３と、コリ
メータレンズ３により変換された平行光線束Ｌ２を、光
軸に対して垂直な仮想平面への照射形状が円環状でかつ
光の伝播に伴ってその円環の半径が拡大するような環状
光線束Ｌ３（図２の環状光線束Ｌと同じである）に変換
して出射可能な環状光線生成部４と、その環状光線束Ｌ
３を光軸に対して平行に伝播する環状光線束Ｌ４に変換
する環状光線変換部５と、環状光線変換部５により変換
された平行な環状光線束Ｌ４を所定位置Ｆで焦点を結ば
せるとともに、焦点を結んだ後の環状光線束Ｌ５の拡が
り角を管１の径に対応して調整するズームレンズ６とを
備えている。

【００１６】光源２は、半導体レーザー、固体レーザ
ー、気体レーザー、色素レーザー、エキシマーレーザー
もしくは自由電子レーザーなどの各種レーザー光源、ま
たはＬＥＤ（発光ダイオード）やその他の単色光などの
光源である。なお、図示省略したが、光源２には、各種
レーザー等に対応した駆動装置等が接続されている。

【００１７】環状光線生成部４は、光ファイバー、特に
ステップインデックス型の光ファイバー（以下、単に光
ファイバーと称する）、または透明な円柱状ロッドより
なる光学素子などである。これら光ファイバーまたは円
柱状ロッドの、コリメータレンズ３から出射された平行
光線束Ｌ２が入射する側の端面（入射端面）は、光軸に
対して斜めに傾いて成形されており、一方、環状光線束
Ｌ３を出射する側の端面（出射端面）は、光軸に対して
垂直に成形されている。このように光ファイバーまたは
円柱状ロッドの入射端面が傾斜していることにより、光
ファイバーまたは円柱状ロッドに入射した光Ｌ２はその
内部で数回反射しながら出射端面に向かって伝播するこ
ととなる。それによって、その入射光は環状光線生成部
４の内壁においてスキュー反射を繰り返した後、出射端
面から環状光線束Ｌ３として出射する。このときの環状
光線束Ｌ３は照射幅の狭いスリットビームとなってい
る。

【００１８】具体的には、環状光線生成部４として光フ
ァイバーを用いる場合には、例えばコア径が０．５mmで
あるものや１．０mmであるものを用いることができる。
また、光ファイバーの長さは、光ファイバー内での入射
光の反射回数が３回よりも多くなるような長さ、好まし
くは３．９回〜１０．８回となるような長さであるとよ
い。さらに、光ファイバーの入射端面の傾斜角は、コア
の屈折率にもよるが、略１０°〜略２０°程度であるの
が適当である。それらの理由は、光学系を用いて本発明
者等が行った実験に基づいている（特願平７−１６７１
２４号に詳細に記載されている）。

【００１９】また、環状光線生成部４として円柱状ロッ
ドを用いる場合には、特に限定されないが、例えば直径
が略４mm〜略６mmであるものを用いることができる。ま
た、円柱状ロッドの長さは、ロッド内での入射光の反射
回数が４回以上になるような長さ、好ましくは４．２回
〜７．６回となるような長さであるとよい。さらに円柱
状ロッドの入射端面の傾斜角は、その屈折率にもよる
が、略３０°〜略４５°程度であるのが適当である。そ
れらの理由は、光学系を用いて本発明者等が行った実験
に基づいている（特願平７−１６７１２４号に詳細に記
載されている）。

【００２０】環状光線変換部５は、例えば円形の平坦面
と円錐状の外周面を有するプリズム（以下、円錐プリズ
ムと称す）である。円錐プリズムは、その平坦面が光軸
に対して垂直でかつ光ファイバーもしくは円柱状ロッド
に対向し、円錐形状の頂点が光軸に一致するように配置
される。

【００２１】ズームレンズ６から出射され、被検査物で
ある管１内に入射した光線束Ｌ５は管１の内面１ａで反
射される。その反射されて管１から出射する環状の光線
束Ｌ６を受ける受光手段は、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒ
ｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ、電荷結合素子）
を用いたＣＣＤカメラ７により構成されている。このＣ
ＣＤカメラ７は、受光した光線束Ｌ６の散乱量を電気信
号に変換する。

【００２２】ＣＣＤカメラ７等の受光手段から出力され
た電気信号は、画像処理装置８、コンピュータ９及び表
示装置１０等からなる評価手段により処理される。それ
によって、表示装置１０に、管１の内周形状が環状の画
像として表示されるので、測定者が目視により管１の内
面１ａの状態を評価することができる。

【００２３】この管内検査装置には、特に図示しない
が、被検査物である管１を、その長手方向すなわち光軸
方向に前後移動させ得る駆動装置が設けられており、管
１をズームレンズ６側からＣＣＤカメラ７側（または、
その反対の向き）に向かって移動させながら管内検査を
行うことによって、管１の一端から他端まで、あるいは
両端の間の任意の範囲の内面１ａの状態を検査すること
ができるようになっている。あるいは、管１を固定し
て、ＣＣＤカメラ７等を含む光学系を前後に移動させる
ようになっていてもよい。その他、前記管１の内面１ａ
の所定範囲内を走査させる方法としては、環状光線生成
部４の入射端面に対する入射光束の入射角を変えると環
状光線束Ｌ３の拡がり角が変わることに着目し、環状光
線生成部４の光軸に対して入射光束を傾けて入射させ、
この環状光線生成部４をその光軸を中心に回転させるよ
うにしてもよい。即ち図３に示したように、環状光線生
成部４の入射端面が光軸に対して傾斜状に形成されてい
るから、その光軸に対して入射光束を傾けて入射させる
とともにその光軸を中心に回転させる（例えば図３
（ａ）の回転０度の位置から図３（ｂ）のように徐々に
１８０度回転させる）と、入射角がθr(0)からθr(180)
に徐々に且つ連続的に変化し、環状光線束Ｌ３の拡がり
角がθout(0)からθout(180)に徐々に且つ連続的に変化
する。その結果、焦点Ｆの位置を管１の中心線に沿って
移動させることができ、管１の内面１ａの所定範囲内を
走査することもできる。

【００２４】図１に示す構成の管内検査装置の作用は以
下の通りである。すなわち、光源２から発せられた、光
軸に対して発散する光Ｌ１は、コリメータレンズ３を透
過することにより、光軸に対して発散及び収束すること
なく伝播する平行光線束Ｌ２に変換される。変換された
平行光線束Ｌ２は、光ファイバーや円柱状ロッド等の環
状光線生成部４に入射し、光軸に対して垂直な仮想平面
への照射形状が円環状でかつ光の伝播に伴ってその円環
の半径が拡大するような環状光線束Ｌ３に変換され、環
状光線生成部４から出射する。環状光線生成部４から出
射した環状光線束Ｌ３は、円錐プリズム等の環状光線変
換部５に入射し、光軸に対して環状のまま平行に伝播す
る環状光線束Ｌ４に変換されて環状光線変換部５から出
射する。環状光線変換部５から出射した環状光線束Ｌ４
は、ズームレンズ６に入射し、所定位置Ｆで焦点を結ぶ
とともに管１の径に対応して焦点後の光線束Ｌ５の拡が
り角が適切に調整されてなる環状光線束Ｌ５に変換され
てズームレンズ６から出射する。ズームレンズ６から出
射した環状光線束Ｌ５は、所定位置Ｆで焦点を結びかつ
管１内に入射する。管１に入射した光線束Ｌ５は、管１
の内面１ａで反射され、再び焦点を結んだ後、ＣＣＤカ
メラ７により受光される。その受光信号は電気信号に変
換され、画像処理装置８及びコンピュータ９により画像
処理される。それによって、表示装置１０に、管１の内
面１ａの、環状光線束Ｌ５の反射部位の形状が画像表示
される。この検査中においては、管１を光学系に対して
相対的に前後移動させることにより、環状光線束Ｌ５を
管１の内面１ａに対して走査させるようにして、管１の
内面全体の検査を行う。

【００２５】上記実施形態によれば、光軸に対して垂直
な仮想平面への照射形状が円環状をなす環状光線束Ｌ５
を、所定位置Ｆで一旦焦点を結ばせるとともに、管１の
内面１ａで反射させ、その反射光線束Ｌ６を受光して管
１の内面１ａの検査を行うようにしたため、環状光線束
Ｌ５が細いビームに絞られて管１内に入射するので、そ
の入射ビームが管１の内面１ａで反射された光を検出す
ることにより、内径が数μｍ〜数mm程度の極めて細い管
であっても、反射時の散乱量に基づいて、容易に管１の
内径及び内面１ａの状態を正確に測定することができ
る。

【００２６】なお、本発明は上記各実施例に限らず、種
々変更可能である。例えば、環状光線変換部５は、円錐
プリズムと同等の機能を有するものであれば、円錐プリ
ズム以外の光学素子でもよい。また、受光手段はＣＣＤ
カメラ７に限らない。さらに、評価手段は、画像処理装
置８、コンピュータ９及び表示装置１０に限らない。さ
らにまた、円環状のビームを一旦所定位置Ｆで焦点を結
ばせるとともに管１内に入射させ、さらに焦点後に広が
る円環状のビームを管１の内面１ａで反射させることが
できれば、環状光線変換部５及びズームレンズ６の一方
または両方とも設けられていなくてもよい。

【００２７】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、光軸に対
して垂直な仮想平面への照射形状が円環状をなし、かつ
光の伝播に伴って収束するような環状光線束を、一旦前
記管の手前もしくは管の入射端付近で焦点を結ばせてか
ら同管内に入射させ、その入射光を前記管の内面の所定
範囲内を走査させながら反射させるようにしたため、環
状光線束を細いビームに絞って管内に入射させることが
できるので、その入射ビームが管の内面で反射された光
を検出することにより、極めて内径の小さい管であって
も、反射時の散乱量に基づいて、容易に管の内径及び内
面の状態を正確に測定することができる。

【００２８】請求項２記載の発明によれば、光軸に対し
て垂直な仮想平面への照射形状が円環状をなし、かつ光
の伝播に伴って収束し前記管に入射する前もしくは入射
直後に焦点を結ぶような環状光線束を出射可能な環状光
線出射手段と、該環状光線出射手段から出射され前記管
内で反射して同管から出射する光を受ける受光手段と該
受光手段の受光信号に基づいて前記管の内面の状態を評
価可能な評価手段とを備えているため、この装置を用い
れば、環状光線束が細いビームに絞られて管内に入射す
るので、その入射ビームが管の内面で反射された光を検
出することにより、極めて内径の小さい管であっても、
反射時の散乱量に基づいて、容易に管の内径及び内面の
状態を正確に測定することができる。

【００２９】請求項３記載の発明によれば、環状光線出
射手段は、光軸に対して発散する光を出射する光源と、
該光源から発せられた光を光軸に対して発散及び収束す
ることなく伝播する平行光線束に変換するコリメータレ
ンズと、該コリメータレンズにより変換された平行光線
束を、光軸に対して垂直な仮想平面への照射形状が円環
状でかつ光の伝播に伴って拡大するような環状光線束に
変換して出射可能な環状光線生成部と、該環状光線束を
光軸に対して平行に伝播する光線束に変換する環状光線
変換部と、該環状光線変換部により変換された光線束を
前記管の手前もしくは管の入射端付近の所定位置で焦点
を結ばせるとともに、焦点を結んだ後の光線束の拡がり
角を前記管の径に対応して調整するズームレンズとを備
えているため、この装置を用いれば、光源から発せられ
た光が、コリメータレンズにより平行光線束に変換さ
れ、環状光線生成部により光の伝播に伴って拡大するよ
うな環状光線束に変換され、環状光線変換部により光軸
に対して平行に伝播する環状光線束に変換され、ズーム
レンズにより被検査物である管の手前もしくは管の入射
端付近で焦点を結ぶとともに、焦点を結んだ後に管の径
に対応して拡がるような光線束に変換されるので、環状
光線束を細いビームに絞って管内に入射させることがで
き、その入射ビームが管の内面で反射された光を検出す
ることにより、極めて内径の小さい管であっても、反射
時の散乱量に基づいて、容易に管の内径及び内面の状態
を正確に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る管内検査装置の構成の一例を示す
概略図である。

【図２】本発明に係る管内検査装置において生成され使
用される環状光線束を示す模式図である。

【図３】（ａ）及び（ｂ）は環状光線束Ｌ３の拡がり角
を連続的に変化させる場合の構成例図である。

【符号の説明】

Ａ−Ａ 光軸 Ｆ 焦点を結ぶ所定位置 Ｌ，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６ 環状光線束 Ｌ１ 光源から出射された光 Ｌ２ 平行光線束 Ｐ 光軸に対して垂直な仮想平面 １ 管（被検査物） １ａ 管の内面 ２ 光源（環状光線出射手段） ３ コリメータレンズ（環状光線出射手段） ４ 環状光線生成部（環状光線出射手段） ５ 環状光線変換部（環状光線出射手段） ６ ズームレンズ（環状光線出射手段） ７ ＣＣＤカメラ（受光手段） ８ 画像処理装置（評価手段） ９ コンピュータ（評価手段） １０ 表示装置（評価手段）

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01B 21/88

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 管内に光を入射させ、その入射光を前記
   管の内面で反射させ、その反射光に基づいて前記管の内
   面を観察する管内検査方法において、光軸に対して垂直
   な仮想平面への照射形状が円環状をなし、かつ光の伝播
   に伴って収束するような環状光線束を、一旦前記管の手
   前もしくは管の入射端付近で焦点を結ばせてから同管内
   に入射させ、その入射光を前記管の内面の所定範囲内を
   走査させながら反射させるようにしたことを特徴とする
   管内検査方法。
2. 【請求項２】 管内に光を入射させ、その入射光を前記
   管の内面で反射させその反射光に基づいて前記管の内面
   を観察する管内検査装置であって、光軸に対して垂直な
   仮想平面への照射形状が円環状をなし、かつ光の伝播に
   伴って収束し前記管に入射する前もしくは入射直後に焦
   点を結ぶような環状光線束を出射可能な環状光線出射手
   段と、該環状光線出射手段から出射され前記管内で反射
   して同管から出射する光を受ける受光手段と、該受光手
   段の受光信号に基づいて前記管の内面の状態を評価可能
   な評価手段とを備えたことを特徴とする管内検査装置。
3. 【請求項３】 前記環状光線出射手段は、光軸に対して
   発散する光を出射する光源と、該光源から発せられた光
   を光軸に対して発散及び収束することなく伝播する平行
   光線束に変換するコリメータレンズと、該コリメータレ
   ンズにより変換された平行光線束を、光軸に対して垂直
   な仮想平面への照射形状が円環状でかつ光の伝播に伴っ
   て拡大するような環状光線束に変換して出射可能な環状
   光線生成部と、該環状光線束を光軸に対して平行に伝播
   する光線束に変換する環状光線変換部と、該環状光線変
   換部により変換された光線束を前記管の手前もしくは管
   の入射端付近の所定位置で焦点を結ばせるとともに、焦
   点を結んだ後の光線束の拡がり角を前記管の径に対応し
   て調整するズームレンズとを備えたことを特徴とする請
   求項２記載の管内検査装置。