JP3955513B2 - 欠陥検査装置及び欠陥検査方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、欠陥検査装置及び欠陥検査方法に係り、特に、各種構造材及び部材等の表面欠陥を、全検査領域を一括して、遠隔、非接触で検査し、検出した欠陥の長さ及び深さのサイジングを行う欠陥検査装置及び欠陥検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非接触式の欠陥検査に関する従来技術の１つとして、レーザ超音波法が知られている。このレーザ超音波法は、被検査部材にパルスレーザを照射して超音波を励起し、その後レーザ光を照射して反射光を検出することにより、表面欠陥部で反射した超音波の表面変位をレーザ干渉計により計測し探傷を行うというものである。表面欠陥の深さのサイジングは、表面欠陥開口部で反射した超音波の受信時間と表面欠陥の底部で反射した超音波の受信時間との時間差、及び、超音波の速度より求めるという方法で行うことができる。また、表面欠陥の長さのサイジングは、超音波の励起点と受信点とを同時に表面欠陥と平行に走査して、表面欠陥開口部での反射波と表面欠陥底部での反射波とを計測できた距離から求めるという方法で行うことができる。
【０００３】
また、他の従来技術として、ＣＣＤカメラ等の電子デバイスを用いて、検査部位からの反射レーザ光と物体と参照光とをＣＣＤ素子上に直接露光させ、スペックルパターンを撮影し、探傷画像をデジタルデータとして直接取り込む電子的スペックル干渉法を用いた表面欠陥検査方法が知られている。
【０００４】
なお、電子的スペックル干渉法を用いた表面欠陥検査方法に関する従来技術として、例えば、特開２００１−３４３４８１号公報等に記載された技術が知られている。また、この電子的スペックル干渉法を用いた表面欠陥検査方法は、表面欠陥の深さの寸法を測定するために、超音波探傷法やレーザ超音波法を用いる必要がある。
【０００５】
前述した電子的スペックル干渉法を用いた表面欠陥検査方法は、レーザ光のようなコヒーレントな光を用いて、照射した光が粗面で散乱され、複雑に干渉し合うことにより得られるスペックルパターンの像を、広域を一括してＣＣＤカメラ等の撮影手段を用いて撮影し、広域での変位の計測を行う技術である。この方法の原理は、測定対象にレーザ光を照射し、これにより生じるスペックルパターンと照射光から分岐させた参照光とを撮影面で干渉させて露光し、その像を変位が生じる前後で２枚撮影し、この２枚のスペックルパターンの画像に画像処理を施し、広域を一括して変位分布を算出するというものである。変位分布の算出の手法としては、フーリエ変換法や位相シフト法等を用いることができ、変位が生じることによる対物光の光路長の変化に対応した干渉縞として結果を得ることができる。
【０００６】
なお、電子式スペックルパターン干渉法、その画像処理法であるフーリエ変換法や位相シフト法については、例えば、論文（G.Pedrini,H.J.Tiziani and Y.Zon:Digital Double Pulse-TV-Horography,Opt.Laser Eng.,(26),pp.199-219,(1997)）に詳細が説明されており、この技術によれば、使用するレーザ光の約半波長の縞感度で変位を計測することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述したレーザ超音波法による非接触検査方法の従来技術は、超音波受信部であるレーザ干渉計のプローブレーザ光が点状であるため、プローブレーザ光を検査領域全体にわたって機械的あるいは光学的に操作して走査する必要があり、検査に時間がかかる点という問題点を有し、また、検査対象面の表面が粗面である場合に、プローブ光が散乱されることによるＳ／Ｎ比の低下が生じため、積算処理が不可欠であるという問題点を有している。
【０００８】
また、前述した電子式レーザスペックル干渉法による表面欠陥検査方法の従来技術は、広域の検査対象面を非接触で一括して検査することができるため、短時間で検査を行うことができる。しかし、この従来技術による方法を使用して、表面欠陥深さの寸法測定を直接的に行うことを可能にする技術は知られていなかった。このため、この従来技術は、表面欠陥深さの寸法測定のため、超音波探傷法やレーザ超音波法による再測定が必要となり、検査が２度手間となっていたという問題点を有している。
【０００９】
本発明の目的は、前述した従来技術の問題点を解決し、電子式レーザスペックル干渉法により、広域の検査対象面を非接触で一括して計測して表面欠陥を検出し、探傷画像を用いて表面欠陥の長さをサイジングし、さらに、表面欠陥の長さと表面欠陥部での表面変位あるいは相対的な表面変位を用いて欠陥の深さのサイジングを行うことを可能にした欠陥検査装置及び欠陥検査方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば前記目的は、レーザ発振器にパルスレーザ光を発振させ、検査対象からの反射光と参照光とを干渉させてスペックルパターンを撮影するスペックルパターン撮影手段と、検査対象に弾性波を励起する弾性波励起手段と、前記スペックルパターン撮影手段により撮影した弾性波励起前の第１のスペックルパターン及び弾性波励起後の第２のスペックルパターンの２枚のパターンの画像から探傷画像を求める画像処理手段とを備えた電子的スペックル干渉法を用いた欠陥検査装置において、前記弾性波を励起した際の力、探傷画像中での弾性波励起位置と表面欠陥位置及び表面欠陥形状とに対応した、表面欠陥部での表面変位量あるいは相対的な表面変位量の実験値あるいは計算値のデータベースを備え、該データベース内の表面変位量と探傷画像とから表面欠陥の長さ及び深さをサイジングすることにより達成される。
【００１１】
また、前記目的は、各種構造材及び部材などの検査対象にパルスレーザ光、機械式ハンマリング、電磁式ハンマリング、圧電素子、磁歪効果による弾性波励起手段のうち少なくとも何れか一つを用いて弾性波を励起し、パルスレーザ照射によるスペックルパターンにより弾性波により生じた表面変位を広域非接触で計測し、弾性波の表面欠陥部での変動から表面欠陥を検出し、探傷画像における弾性波の変動部分の長さから表面欠陥長さをサイジングして、表面欠陥の長さと探傷画像より得られる表面変位量とを用いて表面欠陥の深さを求めることにより達成される。
【００１２】
また、前記目的は、前記検査対象の材質、形状、弾性波の励起方法、弾性波を励起した際の力、探傷画像中での弾性波励起位置と表面欠陥位置及び表面欠陥形状に対応した、表面欠陥部での表面変位量あるいは相対的な表面変位量の実験値あるいは計算値のデータベースを基として、該データベースと探傷データとにより表面欠陥の深さを求めことにより達成される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による欠陥検査装置及び欠陥検査方法の実施形態を図面により詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の第１の実施形態による欠陥検査装置の構成を示すブロック図、図２は本発明の第１の実施形態での画像解析時のデータ処理について説明する図、図３は表面欠陥の深さのサイジング方法について説明する図である。図１において、１は検査対象、２は表面欠陥、３は弾性波、４は弾性波励起部、５は弾性波励起用パルスレーザ発振器、６はスペックルパターン形成用パルスレーザ発振器、７はレーザ集光レンズ、８はレーザビームエキスパンダ、９はパルスレーザ光、１０は参照光分岐用ビームスプリッタ、１１は参照光伝送用光ファイバ、１２は反射光、１３はレーザスペックルパターン計測用ＣＣＤカメラ、１４はタイミング調節手段、１５は画像処理装置、１６は表面欠陥サイジング用データベースである。
【００１５】
図１に示す本発明の一実施形態は、弾性波励起方法としてパルスレーザにより検査対象に弾性波を励起する場合の例であり、弾性波励起用パルスレーザ発振器５、スペックルパターン形成用パルスレーザ発振器６、レーザ集光レンズ７、レーザビームエキスパンダ８、参照光分岐用ビームスプリッタ１０、参照光伝送用光ファイバ１１、レーザスペックルパターン計測用ＣＣＤカメラ１３、タイミング調節手段１４、画像処理装置１５、表面欠陥サイジング用データベース１６を備えて構成される。
【００１６】
図１に示す本発明の第１の実施形態において、まず、弾性波励起前のスペックルパターンを計測するため、スペックルパターン形成用レーザ発振器６にパルスレーザ光を発振させ、参照光分岐用ビームスプリッタ１０、レーザビームエキスパンダ８を介して検査対象１の全面にレーザ光を照射し、検査対象１からの反射光１２をレーザスペックルパターン計測用ＣＣＤカメラ１３で計測する。この際、スペックルパターン形成用レーザ発振器６からのパルスレーザ光は、参照光分岐用ビームスプリッタ１０で分岐され、参照光として参照光伝送用光ファイバ１１によりＣＣＤカメラ１３に導かれる。これにより、ＣＣＤカメラ１３のＣＣＤ素子上で参照光と反射光１２とが干渉したスペックルパターンを計測することができる。なお、レーザ光によるスペックルパターンとは、コヒーレントな光が粗面により散乱されることにより生じるコントラストの高い粒状模様である。
【００１７】
次に、弾性波励起用パルスレーザ５にパルスレーザ光を発振させ、レーザ集光レンズ７により集光して、検査対象１に設けられる弾性波励起部４を照射して弾性波を励起させる。弾性波励起部４から発生した弾性波３は、時間の経過に伴い、検査対象１上を広がる。この弾性波３の伝播により検査対象１に表面変位が生じ、もし、表面欠陥２が検査領域内に存在していた場合には、表面欠陥部での弾性波３の反射や透過により、弾性波の波面に変動が生じる。この変動は、弾性波励起前と同様の方法で、スペックルパターン形成用パルスレーザ発振器６より発せられた第２のパルスレーザ光によるスペックルパターンとしてレーザスペックルパターン計測用ＣＣＤカメラ１３により撮影される。
【００１８】
弾性波励起後のスペックルパターンは、弾性波により生じた表面変位により、スペックルパターン形成用パルスレーザ発振器６から検査対象で反射してレーザスペックルパターン計測用ＣＣＤカメラ１３に至る光路長が変化するため、弾性波励起前のスペックルパターンとは異なるスペックルパターンとなる。このような操作で得られた２枚のスペックルパターンの画像は、画像処理装置１５に取り込まれ、２枚のスペックルパターンを用いた画像処理が施される。これにより、検査対象１を伝播する弾性波３により生じた表面変位分布を探傷画像として求めることができる。ここでの画像処理方法は、検査対象１に変位が生じる前後で撮影した２枚のスペックルパターンの画像を用いて表面変位分布を求める処理であり、主な方法として、フーリエ変換法と位相シフト法を用いることができる。
【００１９】
前述において、弾性波励起用パルスレーザ発振器５とスペックルパターン形成用パルスレーザ発振器６とからのレーザ光を検査対象１に照射するタイミングは、それぞれをタイミング調節手段１４で個別に調節し、任意のタイミングでの探傷画像を得ることができるので、検査対象の探傷範囲の大きさや形状に合わせてそれぞれのパルスレーザ光の照射タイミングの調節を行う。表面欠陥のサイジングについては以下で詳細に説明するが、表面欠陥サイジング用データベースを用いて、探傷画像から欠陥をサイジングする。
【００２０】
次に、図２を参照して、本発明の実施形態による欠陥検査装置における画像処理装置でのデータ処理について説明する。図２において、１７はスペックルパターンの画像処理により得られる探傷画像、１８は表面欠陥による弾性波の変動部、１９は弾性波励起部、２０は弾性波励起部と表面欠陥の中央を通る線分、２１は弾性波励起部と健全部とを通る線分、２２は弾性波励起点と表面欠陥の中央部とを通る線分の表面変位、２３は弾性波励起部と健全部とを通る線分の表面変位、２４は表面欠陥部と健全部とを通る表面変位の差、２５は表面変位の差の表面欠陥部にけるピーク高さ（表面欠陥部での相対的な変位量を表す）である。
【００２１】
図２（ａ）に示す探傷画像１７は、約２００ｍｍ角の探傷範囲で撮影したものである。そして、弾性波の励起方法としては、鋼球によるハンマリングによっても可能であるため、ここに示す例は、鋼球によるハンマリングによって弾性波を励起した場合のものである。そして、探傷画像１７は、図１に示す欠陥検査装置の画像処理装置１５において得られたものでり、スペックルパターン形成用レーザ光を検査対象に対し垂直から照射し、垂直に位置するスペックルパターン撮影用ＣＣＤカメラにより撮影した場合の画像であり、弾性波により検査対象１に生じた変位の等高線を示している。この探傷画像１７において、弾性波励起点から左斜め上方のパターンを形成していない部分は、励起点にハンマリングさせた鋼球が存在するために生じている部分である。そして、それ以外の部分のリング状のパターンの黒から白までの間隔は、スペックルパターン形成用レーザ光の半波長に対応しており、例えば、スペックルパターン形成用レーザ発振器にＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）を用いた場合、等高線の縞間隔は２６６ｎｍとなる。
【００２２】
図２（ａ）に示す探傷画像１７において、鋼球衝突による点状に励起した弾性波の波面は、弾性波励起部１９を中心として同心円状に伝播し、画像中ではすり鉢状の変位を生じている。そして、検査対象１に表面欠陥があった場合、表面欠陥での弾性波の反射と透過に伴う波面に変動が生じ、これにより表面欠陥を検出することができ、また、この変動の生じた部分の長さより表面欠陥の長さをサイジングすることができる。
【００２３】
図２（ａ）に示す探傷画像１７において、その右中央部に弾性波の変動を捉え、欠陥ができていることが判る。そして、撮影範囲の寸法が判っている場合、弾性波の変動が生じている部分の長さから欠陥の長さをサイジングする。また、検査対象の寸法が判っている場合、検査を行う場合と同一の撮影範囲で、ＣＣＤカメラにより検査対象を撮影し、検査対象の画像と探傷画像とを比較することにより欠陥の長さを決定する。さらに、撮影範囲が判らないような場合、２つ以上のマーカ用のレーザ光を検査対象に並行に照射して、その間隔を基準として欠陥の長さを測定する。
【００２４】
また、この探傷画像１７では、弾性波の同一円周上と比較して、表面欠陥部１８が盛り上がるように高くなっている。これを表面欠陥の無い健全部と比較したものが、図２（ｂ）の上段に示す弾性波励起点部から表面欠陥の中央を通る線分２０の表面変位２２と弾性波励起点から健全部を通る線分２１の表面変位２３とである。前述したように、表面欠陥部１８では盛り上がるように表面が変位していることが判る。また、これらを用いて、該表面欠陥部の表面変位２２と健全部の表面変位２３の差を求めると、相対的な表面変位量２４が図２（ｂ）の下段に示すように得ることができ、表面欠陥部での変動に伴う表面変位である表面欠陥部でのピーク２５を得ることができる。前述したように、探傷画像に変動の生じている部分の長さから、表面欠陥の長さをサイジングすることも可能であるが、弾性波の波面の円周に沿って相対的な表面変位量を求めながらスキャンし、相対的な表面変位量にピークが得られる弾性波の波面の円周に沿った部分の長さから表面欠陥の長さをサイジングしても良い。
【００２５】
なお、図２（ｂ）の上段に示す弾性波励起点部から表面欠陥の中央を通る線分２０の表面変位２２と弾性波励起点から健全部を通る線分２１の表面変位２３とが、共に弾性波励起点から遠くなるに従ってその変位が大きくなっている理由は、鋼球衝突により弾性波を励起したときに、検査対象１の励起点が窪み、周辺部が盛り上がるためである。
【００２６】
次に、図３を参照して、表面欠陥の深さのサイジング方法について説明する。図３は本発明の実施形態における表面欠陥サイジング用データの例である。そして、図３（ａ）における２６は、ある特定の力で弾性波を励起した際の表面欠陥の深さに対する表面変位の差の表面欠陥部でのピーク高さを示す特性であり、表面欠陥のアスペクト比（深さ／長さ）毎に整理して示しており、図３（ｂ）における２７は、表面欠陥の断面積ＤＬ（図３（ｂ）ではｄｌと表記）に対する表面変位の差の表面欠陥部でのピーク高さΔＺの２乗を表した特性である。
【００２７】
図２（ｂ）の下段に示した表面欠陥部の表面変位２２と健全部の表面変位２３との差による表面欠陥部での相対的な表面変位量のピーク２５は、表面欠陥のサイズ（深さ、長さ）によりそれぞれ異なっており、それらをまとめると、図３（ａ）に示すような表面欠陥の深さに対する表面変位の差におけるピーク高さ２６のような結果を得ることができる。これは、相対的な表面変位量が表面欠陥の深さと長さとの両方に依存して変化していることを示している。また、このデータを表面欠陥の断面積に対する相対的な表面変位量のピーク高さの２乗として、図３（ｂ）に示す２７のようにまとめると、比例関係を得ることができる。元来、振動のエネルギーは、振幅の２乗に比例するといわれており、弾性波のエネルギーが表面欠陥部で反射されるため、反射されたエネルギーに相当する表面変位の差における表面欠陥のピーク高さの２乗は、表面欠陥の断面積に比例することになり、ここで例として示した実験データはその関係を示している。これらの関係を関係式として示すと、次に示す式（１）のように表すことができる。
【００２８】
ΔＺ2 ＝ａＤＬ ……（１）
式（１）において、ΔＺは表面欠陥部での相対的な表面変位を表す表面変位の差にける表面欠陥のピーク高さ、ａは定数、Ｄは表面欠陥の深さ、Ｌは表面欠陥の長さである。
【００２９】
この式（１）を用いることにより、表面欠陥の深さをサイジングすることができる。すなわち、前述したように、探傷画像から得られる表面欠陥の長さＬと、表面欠陥部と健全部とを通る表面変位の差により得られる相対的な表面変位量のピーク高さΔＺを式（１）に代入することにより、表面欠陥の深さＤを求めることができる。表面欠陥の検出からサイジングまでの一連の検査を行うためには、実際の検査対象の材質や形状に合わせて予め式（１）のような参照データを求めておけばよい。これらは、図１の表面欠陥サイジング用データベース１６の中にある検査対象１の材質、弾性波を励起する際のエネルギー及び表面欠陥サイズに対応した表面欠陥部での相対的な表面変位量についての参照データ、あるいは、参照線が持つ比例定数ａの値を用いて算出することができる。表面欠陥サイジング用データベース１６の中の参照データや参照線は、実験による実測値のみならず、数値計算手法を用いて算出しても良い。また、表面欠陥のサイジングは、探傷と同時に行っても、探傷データをデータ記憶媒体に記録しておいて、後から行ってもよい。
【００３０】
図４は前述した本発明の実施形態による欠陥検査と表面欠陥が検出された際の表面欠陥の長さ及び深さのサイジング方法の処理動作を説明するフローチャートであり、次に、これについて説明する。なお、ここに示すフローは、すでに説明した動作を纏めたものであり、弾性波による探傷画像のフリンジの歪んだ部分の長さより、表面欠陥の長さをサイジングし、これと表面欠陥部での相対的な表面変位量のピーク高さから、データベースを参照して表面欠陥の深さを求める場合の例である。
【００３１】
（１）まず、弾性波励起前の第１のスペックルパターンを計測するため、スペックルパターン形成用レーザ発振器６にパルスレーザ光を発振させ、検査対象１からの反射光１２と参照光分岐用ビームスプリッタ１０で分岐された参照光とをＣＣＤ素子上で干渉させて第１のスペックルパターンを撮影する（ステップＳ１）。
【００３２】
（２）次に、弾性波励起用パルスレーザ５にパルスレーザ光を発振させ、レーザ集光レンズ７により集光して、検査対象１に設けられる弾性波励起部４を照射して弾性波を励起させる。弾性波励起部４から発生した弾性波３は、時間の経過に伴って検査対象１上に広がる（ステップＳ２）。
【００３３】
（３）ステップＳ１での弾性波励起前の処理と同様の方法で、第２のスペックルパターン形成するためパルスレーザ発振器６より第２のパルスレーザ光を発し、第２のパルスレーザ光による第２のスペックルパターンーンをレーザスペックルパターン計測用ＣＣＤカメラ１３により撮影する（ステップＳ３）。
【００３４】
（４）ステップＳ１、Ｓ３の操作で得られた２枚のスペックルパターンの画像を画像処理装置１５に取り込み、２枚のスペックルパターンに対して画像像処理を施し、これにより、検査対象１を伝播する弾性波３により生じた表面変位分布を探傷画像として求める。画像処理の詳細はすでに説明した通りである（ステップＳ４）。
【００３５】
（５）次に、ステップＳ４で求められた探傷画像より欠陥の長さを計測する。この長さの計測方法の詳細は、図２を参照して、すでに説明した通りである（ステップＳ５）。
【００３６】
（６）次に、ステップＳ４で求められた探傷画像より、表面欠陥部の表面変位と健全部の表面変位との差を算出し、この差と、ステップＳ５で求めた欠陥の長さとより、すでに説明したように作成されているデータベースを参照して欠陥の深さをサイジングする。前述の変位の差の算出方法、データベースの作成方法及び欠陥深さのサイジング方法は、図２、図３を参照して、すでに説明した通りである（ステップＳ６〜Ｓ８）。
【００３７】
（７）以上説明した各ステップの処理により、検査対象の表面欠陥を検出し、検出された表面欠陥の長さと深さとをサイジングすることができる（ステップＳ９）。
【００３８】
図５は前述した本発明の実施形態による欠陥検査と表面欠陥が検出された際の表面欠陥の長さ及び深さのサイジング方法の処理動作の他の例を説明するフローチャートであり、次に、これについて説明する。なお、ここに示すフローは、すでに説明した動作を纏めたものであり、探傷画像にける同一円周で変位の差を求めながら、表面変位の差における表面欠陥でのピークの現われる長さを用いて、表面欠陥の長さをサイジングし、これと同時に得られる相対的な表面変位量のピーク高さからデータベースを参照して表面欠陥の深さを求める場合の例である。
【００３９】
図５に示すフローにおけるステップＳ１〜Ｓ４及びＳ７〜Ｓ９での処理は、図４により説明した対応する各ステップでの処理と同一である。そして、ここでの処理では、ステップＳ４での画像処理により探傷画像を求めた後、ステップＳ１０において、求められた探傷画像から弾性波の波面の円周に沿って表面欠陥部の表面変位と健全部の表面変位との差を算出し、その後、ステップＳ１１において、ステップＳ４で求められた探傷画像より欠陥の長さを計測している。
【００４０】
図６は本発明の第２の実施形態による欠陥検査装置の構成を示すブロック図及びこれにより得られた探傷画像の例を示す図である。図６において、２８は遮光カバー、２９は照射ヘッド、３０は光ファイバ、３１は探傷画像であり、他の符号は図１の場合と同一である。
【００４１】
本発明の第２の実施形態は、図６（ａ）に示すように、パルスレーザ光照射による眼の損傷などの事故を防ぐためのレーザ光の遮光カバー２８を備えている。この遮光カバー２８は、スペックルパターン形成時のノイズとなる外部の光を遮断する役目も果たしており、特に明るい場所で探傷を行う際にはノイズとなる外部の光の遮断に有効である。遮光カバー２８の上部には、弾性波励起用レーザ光伝送用光ファイバ３０で伝送されるパルスレーザ光の照射ヘッド２９が備えられており、スペックルパターン形成用パルスレーザ照射ヘッド、探傷ヘッドであるＣＣＤカメラを備える。このような本発明の第２の実施形態によれば、コンパクトかつ安全に探傷を行うことのできる表面欠陥探傷システムを提供することができる。
【００４２】
図６（ｂ）に、遮光カバー２８内を撮像して得られた探傷画像３１の例を示しており、本発明の第２の実施形態は、遮光カバー２８内を全域に渡って一括して探傷することができる。表面欠陥の長さ及び深さのサイジングは、前述で説明した本発明の第１の実施形態の場合と同様に、図４及び図５の欠陥検査装置におけるデータ処理の流れに従って行われる。
【００４３】
図７は本発明の第３の実施形態による欠陥検査装置の構成を示すブロック図及びこれにより得られた探傷画像の例を示す図、図８は多数の弾性波励起手段を備えた場合の探傷画像の例を示す図である。図７、図８において、３２は弾性波励起手段、３３〜３６は探傷画像であり、他の符号は図１、図６の場合と同一である。
【００４４】
図７（ａ）に示す本発明の第３の実施形態は、レーザ光遮光カバー２８の先端部に１つあるいは複数の機械式ハンマリング、電磁式ハンマリング、圧電素子からなる弾性波励起手段３２のいずれかを備えて構成される。これら弾性波励起手段３２は、該タイミング調節手段により個別に弾性波の励起タイミングを調節することができ、１つあるいは複数により弾性波を励起する。
【００４５】
まず、１つの弾性波励起手段により弾性波を励起した場合の探傷画像の例を説明する。図７（ｂ）に示す探傷画像３３の例は、左部の弾性波励起手段による探傷画像であり、図７（ｃ）に示す探傷画像３４の例は、下部の弾性波励起手段による探傷画像である。図７（ｂ）、図７（ｃ）に示す探傷画像の例から判るように、異なる場所にある弾性波励起手段により励起した弾性波は、表面欠陥に対して弾性波の入射角度が異なる。このため、図７（ｃ）に示すように、表面欠陥の検出が難しい下部の弾性波励起手段による探傷画像のような場合でも、図７（ｂ）に示すように、左部の弾性波励起手段による探傷画像を求めることにより、表面欠陥検出の漏れを少なくすることができる。なお、表面欠陥を検出した後の表面欠陥の寸法測定に関しては、図４及び図５の欠陥検査装置におけるデータ処理の流れに従って行われる。
【００４６】
次に、さらに多くの弾性波励起手段を備えた場合の探傷画像の例を図８を参照して説明する。ここでは、円形の遮光カバーの先端に複数の弾性波励起手段を備えた場合の例について説明する。
【００４７】
図８（ａ）に示す探傷画像３５の例は、遮光カバーの先端を円形とし、その円周に沿って配置された複数の弾性波励起手段３２の全てを同時に励起することにより、円形の弾性波をその中心で収束させるようにした場合の例である。この例によっても、探傷領域である遮光カバー内部に表面欠陥が存在する場合、探傷画像のゆがみとして表面欠陥を検出することができる。このような円形の弾性波をその中心で収束させるようにする機構は、検査対象での弾性波の減衰が大きい場合に有効である。
【００４８】
また、図８（ｂ）に示す探傷画像３６の例は、複数の弾性波励起手段３２のうちの一部を用いて、時間をずらしながら弾性波を励起し、擬似的な平面形状の弾性波を励起した場合の例である。この場合も、検査対象での弾性波の減衰が大きい場合に有効である。
【００４９】
なお、図８（ａ）、図８（ｂ）の場合も、表面欠陥の長さ及び深さのサイジングについては、第１の実施形態の場合と同様に、図４及び図５により説明した欠陥検査装置におけるデータ処理の流れに従って行われる。
【００５０】
前述した本発明の各実施形態における検査範囲は、弾性波の励起強度、検査対象での弾性波の減衰の程度にもよるが、数１０ｃｍ四方から数ｍ四方の範囲とすることができる。また、検査対象は、特に限定されないが、広い面積を持つ壁面、容器の壁面等であってよい。
【００５１】
前述したように、本発明の各実施形態によれば、励起した弾性波の表面欠陥部での弾性波の変動に基づいて、広域な検査対象を一括して検査し、表面欠陥を検出し、弾性波の変動部分の長さから表面欠陥の長さをサイジングすると共に、サイジングした表面欠陥の長さと表面欠陥部での相対的な表面変位量とを用いて、データベースを参照することにより、表面欠陥深さを求めることができるため、検査時間の大幅な短縮を図ることができる。また、探傷ヘッド部にレーザ光の遮光カバーを採用しているため、レーザを用いた検査における作業員の安全性も確保することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、広域の検査対象面を非接触で一括して計測して表面欠陥を検出し、探傷画像を用いて表面欠陥の長さをサイジングし、さらに、表面欠陥の長さと表面欠陥部での表面変位あるいは相対的な表面変位を用いて欠陥の深さのサイジングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による欠陥検査装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態での画像解析時のデータ処理について説明する図である。
【図３】表面欠陥の深さのサイジング方法について説明する図である。
【図４】本発明の実施形態による欠陥検査と表面欠陥が検出された際の表面欠陥の長さ及び深さのサイジング方法の処理動作を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態による欠陥検査と表面欠陥が検出された際の表面欠陥の長さ及び深さのサイジング方法の処理動作の他の例を説明するフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施形態による欠陥検査装置の構成を示すブロック図及びこれにより得られた探傷画像の例を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態による欠陥検査装置の構成を示すブロック図及びこれにより得られた探傷画像の例を示す図である。
【図８】多数の弾性波励起手段を備えた場合の探傷画像の例を示す図である。
【符号の説明】
１ 検査対象
２ 表面欠陥
３ 弾性波
４ 弾性波励起部
５ 弾性波励起用パルスレーザ発振器
６ スペックルパターン形成用パルスレーザ発振器
７ レーザ集光レンズ
８ レーザビームエキスパンダ
９ パルスレーザ光
１０ 参照光分岐用ビームスプリッタ
１１ 参照光伝送用光ファイバ
１２ 反射光
１３ ＣＣＤカメラ
１４ タイミング調節手段
１５ 画像処理装置
１６ 表面欠陥サイジング用データベース
２８ 遮光カバー
２９ 照射ヘッド
３０ 光ファイバ
３１、３３〜３６ 探傷画像
３２ 弾性波励起手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、欠陥検査装置及び欠陥検査方法に係り、特に、各種構造材及び部材等の表面欠陥を、全検査領域を一括して、遠隔、非接触で検査し、検出した欠陥の長さ及び深さのサイジングを行う欠陥検査装置及び欠陥検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非接触式の欠陥検査に関する従来技術の１つとして、レーザ超音波法が知られている。このレーザ超音波法は、被検査部材にパルスレーザを照射して超音波を励起し、その後レーザ光を照射して反射光を検出することにより、表面欠陥部で反射した超音波の表面変位をレーザ干渉計により計測し探傷を行うというものである。表面欠陥の深さのサイジングは、表面欠陥開口部で反射した超音波の受信時間と表面欠陥の底部で反射した超音波の受信時間との時間差、及び、超音波の速度より求めるという方法で行うことができる。また、表面欠陥の長さのサイジングは、超音波の励起点と受信点とを同時に表面欠陥と平行に走査して、表面欠陥開口部での反射波と表面欠陥底部での反射波とを計測できた距離から求めるという方法で行うことができる。
【０００３】
また、他の従来技術として、ＣＣＤカメラ等の電子デバイスを用いて、検査部位からの反射レーザ光と物体と参照光とをＣＣＤ素子上に直接露光させ、スペックルパターンを撮影し、探傷画像をデジタルデータとして直接取り込む電子的スペックル干渉法を用いた表面欠陥検査方法が知られている。
【０００４】
なお、電子的スペックル干渉法を用いた表面欠陥検査方法に関する従来技術として、例えば、特開２００１−３４３４８１号公報等に記載された技術が知られている。また、この電子的スペックル干渉法を用いた表面欠陥検査方法は、表面欠陥の深さの寸法を測定するために、超音波探傷法やレーザ超音波法を用いる必要がある。
【０００５】
前述した電子的スペックル干渉法を用いた表面欠陥検査方法は、レーザ光のようなコヒーレントな光を用いて、照射した光が粗面で散乱され、複雑に干渉し合うことにより得られるスペックルパターンの像を、広域を一括してＣＣＤカメラ等の撮影手段を用いて撮影し、広域での変位の計測を行う技術である。この方法の原理は、測定対象にレーザ光を照射し、これにより生じるスペックルパターンと照射光から分岐させた参照光とを撮影面で干渉させて露光し、その像を変位が生じる前後で２枚撮影し、この２枚のスペックルパターンの画像に画像処理を施し、広域を一括して変位分布を算出するというものである。変位分布の算出の手法としては、フーリエ変換法や位相シフト法等を用いることができ、変位が生じることによる対物光の光路長の変化に対応した干渉縞として結果を得ることができる。
【０００６】
なお、電子式スペックルパターン干渉法、その画像処理法であるフーリエ変換法や位相シフト法については、例えば、論文（G.Pedrini,H.J.Tiziani and Y.Zon:Digital Double Pulse-TV-Horography,Opt.Laser Eng.,(26),pp.199-219,(1997)）に詳細が説明されており、この技術によれば、使用するレーザ光の約半波長の縞感度で変位を計測することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述したレーザ超音波法による非接触検査方法の従来技術は、超音波受信部であるレーザ干渉計のプローブレーザ光が点状であるため、プローブレーザ光を検査領域全体にわたって機械的あるいは光学的に操作して走査する必要があり、検査に時間がかかる点という問題点を有し、また、検査対象面の表面が粗面である場合に、プローブ光が散乱されることによるＳ／Ｎ比の低下が生じため、積算処理が不可欠であるという問題点を有している。
【０００８】
また、前述した電子式レーザスペックル干渉法による表面欠陥検査方法の従来技術は、広域の検査対象面を非接触で一括して検査することができるため、短時間で検査を行うことができる。しかし、この従来技術による方法を使用して、表面欠陥深さの寸法測定を直接的に行うことを可能にする技術は知られていなかった。このため、この従来技術は、表面欠陥深さの寸法測定のため、超音波探傷法やレーザ超音波法による再測定が必要となり、検査が２度手間となっていたという問題点を有している。
【０００９】
本発明の目的は、前述した従来技術の問題点を解決し、電子式レーザスペックル干渉法により、広域の検査対象面を非接触で一括して計測して表面欠陥を検出し、探傷画像を用いて表面欠陥の長さをサイジングし、さらに、表面欠陥の長さと表面欠陥部での表面変位あるいは相対的な表面変位を用いて欠陥の深さのサイジングを行うことを可能にした欠陥検査装置及び欠陥検査方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば前記目的は、レーザ発振器にパルスレーザ光を発振させ、検査対象からの反射光と参照光とを干渉させてスペックルパターンを撮影するスペックルパターン撮影手段と、検査対象に弾性波を励起する弾性波励起手段と、前記スペックルパターン撮影手段により撮影した弾性波励起前の第１のスペックルパターン及び弾性波励起後の第２のスペックルパターンの２枚のパターンの画像から探傷画像を求める画像処理手段とを備えた電子的スペックル干渉法を用いた欠陥検査装置において、前記弾性波を励起した際の力、探傷画像中での弾性波励起位置と表面欠陥位置及び表面欠陥形状とに対応した、表面欠陥部での表面変位量あるいは相対的な表面変位量の実験値あるいは計算値のデータベースを備え、該データベース内の表面変位量と探傷画像とから表面欠陥の長さ及び深さをサイジングすることにより達成される。
【００１１】
また、前記目的は、各種構造材及び部材などの検査対象にパルスレーザ光、機械式ハンマリング、電磁式ハンマリング、圧電素子、磁歪効果による弾性波励起手段のうち少なくとも何れか一つを用いて弾性波を励起し、パルスレーザ照射によるスペックルパターンにより弾性波により生じた表面変位を広域非接触で計測し、弾性波の表面欠陥部での変動から表面欠陥を検出し、探傷画像における弾性波の変動部分の長さから表面欠陥長さをサイジングして、表面欠陥の長さと探傷画像より得られる表面変位量とを用いて表面欠陥の深さを求めることにより達成される。
【００１２】
また、前記目的は、前記検査対象の材質、形状、弾性波の励起方法、弾性波を励起した際の力、探傷画像中での弾性波励起位置と表面欠陥位置及び表面欠陥形状に対応した、表面欠陥部での表面変位量あるいは相対的な表面変位量の実験値あるいは計算値のデータベースを基として、該データベースと探傷データとにより表面欠陥の深さを求めことにより達成される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による欠陥検査装置及び欠陥検査方法の実施形態を図面により詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の第１の実施形態による欠陥検査装置の構成を示すブロック図、図２は本発明の第１の実施形態での画像解析時のデータ処理について説明する図、図３は表面欠陥の深さのサイジング方法について説明する図である。図１において、１は検査対象、２は表面欠陥、３は弾性波、４は弾性波励起部、５は弾性波励起用パルスレーザ発振器、６はスペックルパターン形成用パルスレーザ発振器、７はレーザ集光レンズ、８はレーザビームエキスパンダ、９はパルスレーザ光、１０は参照光分岐用ビームスプリッタ、１１は参照光伝送用光ファイバ、１２は反射光、１３はレーザスペックルパターン計測用ＣＣＤカメラ、１４はタイミング調節手段、１５は画像処理装置、１６は表面欠陥サイジング用データベースである。
【００１５】
図１に示す本発明の一実施形態は、弾性波励起方法としてパルスレーザにより検査対象に弾性波を励起する場合の例であり、弾性波励起用パルスレーザ発振器５、スペックルパターン形成用パルスレーザ発振器６、レーザ集光レンズ７、レーザビームエキスパンダ８、参照光分岐用ビームスプリッタ１０、参照光伝送用光ファイバ１１、レーザスペックルパターン計測用ＣＣＤカメラ１３、タイミング調節手段１４、画像処理装置１５、表面欠陥サイジング用データベース１６を備えて構成される。
【００１６】
図１に示す本発明の第１の実施形態において、まず、弾性波励起前のスペックルパターンを計測するため、スペックルパターン形成用レーザ発振器６にパルスレーザ光を発振させ、参照光分岐用ビームスプリッタ１０、レーザビームエキスパンダ８を介して検査対象１の全面にレーザ光を照射し、検査対象１からの反射光１２をレーザスペックルパターン計測用ＣＣＤカメラ１３で計測する。この際、スペックルパターン形成用レーザ発振器６からのパルスレーザ光は、参照光分岐用ビームスプリッタ１０で分岐され、参照光として参照光伝送用光ファイバ１１によりＣＣＤカメラ１３に導かれる。これにより、ＣＣＤカメラ１３のＣＣＤ素子上で参照光と反射光１２とが干渉したスペックルパターンを計測することができる。なお、レーザ光によるスペックルパターンとは、コヒーレントな光が粗面により散乱されることにより生じるコントラストの高い粒状模様である。
【００１７】
次に、弾性波励起用パルスレーザ５にパルスレーザ光を発振させ、レーザ集光レンズ７により集光して、検査対象１に設けられる弾性波励起部４を照射して弾性波を励起させる。弾性波励起部４から発生した弾性波３は、時間の経過に伴い、検査対象１上を広がる。この弾性波３の伝播により検査対象１に表面変位が生じ、もし、表面欠陥２が検査領域内に存在していた場合には、表面欠陥部での弾性波３の反射や透過により、弾性波の波面に変動が生じる。この変動は、弾性波励起前と同様の方法で、スペックルパターン形成用パルスレーザ発振器６より発せられた第２のパルスレーザ光によるスペックルパターンとしてレーザスペックルパターン計測用ＣＣＤカメラ１３により撮影される。
【００１８】
弾性波励起後のスペックルパターンは、弾性波により生じた表面変位により、スペックルパターン形成用パルスレーザ発振器６から検査対象で反射してレーザスペックルパターン計測用ＣＣＤカメラ１３に至る光路長が変化するため、弾性波励起前のスペックルパターンとは異なるスペックルパターンとなる。このような操作で得られた２枚のスペックルパターンの画像は、画像処理装置１５に取り込まれ、２枚のスペックルパターンを用いた画像処理が施される。これにより、検査対象１を伝播する弾性波３により生じた表面変位分布を探傷画像として求めることができる。ここでの画像処理方法は、検査対象１に変位が生じる前後で撮影した２枚のスペックルパターンの画像を用いて表面変位分布を求める処理であり、主な方法として、フーリエ変換法と位相シフト法を用いることができる。
【００１９】
前述において、弾性波励起用パルスレーザ発振器５とスペックルパターン形成用パルスレーザ発振器６とからのレーザ光を検査対象１に照射するタイミングは、それぞれをタイミング調節手段１４で個別に調節し、任意のタイミングでの探傷画像を得ることができるので、検査対象の探傷範囲の大きさや形状に合わせてそれぞれのパルスレーザ光の照射タイミングの調節を行う。表面欠陥のサイジングについては以下で詳細に説明するが、表面欠陥サイジング用データベースを用いて、探傷画像から欠陥をサイジングする。
【００２０】
次に、図２を参照して、本発明の実施形態による欠陥検査装置における画像処理装置でのデータ処理について説明する。図２において、１７はスペックルパターンの画像処理により得られる探傷画像、１８は表面欠陥による弾性波の変動部、１９は弾性波励起部、２０は弾性波励起部と表面欠陥の中央を通る線分、２１は弾性波励起部と健全部とを通る線分、２２は弾性波励起点と表面欠陥の中央部とを通る線分の表面変位、２３は弾性波励起部と健全部とを通る線分の表面変位、２４は表面欠陥部と健全部とを通る表面変位の差、２５は表面変位の差の表面欠陥部にけるピーク高さ（表面欠陥部での相対的な変位量を表す）である。
【００２１】
図２（ａ）に示す探傷画像１７は、約２００ｍｍ角の探傷範囲で撮影したものである。そして、弾性波の励起方法としては、鋼球によるハンマリングによっても可能であるため、ここに示す例は、鋼球によるハンマリングによって弾性波を励起した場合のものである。そして、探傷画像１７は、図１に示す欠陥検査装置の画像処理装置１５において得られたものでり、スペックルパターン形成用レーザ光を検査対象に対し垂直から照射し、垂直に位置するスペックルパターン撮影用ＣＣＤカメラにより撮影した場合の画像であり、弾性波により検査対象１に生じた変位の等高線を示している。この探傷画像１７において、弾性波励起点から左斜め上方のパターンを形成していない部分は、励起点にハンマリングさせた鋼球が存在するために生じている部分である。そして、それ以外の部分のリング状のパターンの黒から白までの間隔は、スペックルパターン形成用レーザ光の半波長に対応しており、例えば、スペックルパターン形成用レーザ発振器にＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）を用いた場合、等高線の縞間隔は２６６ｎｍとなる。
【００２２】
図２（ａ）に示す探傷画像１７において、鋼球衝突による点状に励起した弾性波の波面は、弾性波励起部１９を中心として同心円状に伝播し、画像中ではすり鉢状の変位を生じている。そして、検査対象１に表面欠陥があった場合、表面欠陥での弾性波の反射と透過に伴う波面に変動が生じ、これにより表面欠陥を検出することができ、また、この変動の生じた部分の長さより表面欠陥の長さをサイジングすることができる。
【００２３】
図２（ａ）に示す探傷画像１７において、その右中央部に弾性波の変動を捉え、欠陥ができていることが判る。そして、撮影範囲の寸法が判っている場合、弾性波の変動が生じている部分の長さから欠陥の長さをサイジングする。また、検査対象の寸法が判っている場合、検査を行う場合と同一の撮影範囲で、ＣＣＤカメラにより検査対象を撮影し、検査対象の画像と探傷画像とを比較することにより欠陥の長さを決定する。さらに、撮影範囲が判らないような場合、２つ以上のマーカ用のレーザ光を検査対象に並行に照射して、その間隔を基準として欠陥の長さを測定する。
【００２４】
また、この探傷画像１７では、弾性波の同一円周上と比較して、表面欠陥部１８が盛り上がるように高くなっている。これを表面欠陥の無い健全部と比較したものが、図２（ｂ）の上段に示す弾性波励起点部から表面欠陥の中央を通る線分２０の表面変位２２と弾性波励起点から健全部を通る線分２１の表面変位２３とである。前述したように、表面欠陥部１８では盛り上がるように表面が変位していることが判る。また、これらを用いて、該表面欠陥部の表面変位２２と健全部の表面変位２３の差を求めると、相対的な表面変位量２４が図２（ｂ）の下段に示すように得ることができ、表面欠陥部での変動に伴う表面変位である表面欠陥部でのピーク２５を得ることができる。前述したように、探傷画像に変動の生じている部分の長さから、表面欠陥の長さをサイジングすることも可能であるが、弾性波の波面の円周に沿って相対的な表面変位量を求めながらスキャンし、相対的な表面変位量にピークが得られる弾性波の波面の円周に沿った部分の長さから表面欠陥の長さをサイジングしても良い。
【００２５】
なお、図２（ｂ）の上段に示す弾性波励起点部から表面欠陥の中央を通る線分２０の表面変位２２と弾性波励起点から健全部を通る線分２１の表面変位２３とが、共に弾性波励起点から遠くなるに従ってその変位が大きくなっている理由は、鋼球衝突により弾性波を励起したときに、検査対象１の励起点が窪み、周辺部が盛り上がるためである。
【００２６】
次に、図３を参照して、表面欠陥の深さのサイジング方法について説明する。図３は本発明の実施形態における表面欠陥サイジング用データの例である。そして、図３（ａ）における２６は、ある特定の力で弾性波を励起した際の表面欠陥の深さに対する表面変位の差の表面欠陥部でのピーク高さを示す特性であり、表面欠陥のアスペクト比（深さ／長さ）毎に整理して示しており、図３（ｂ）における２７は、表面欠陥の断面積ＤＬ（図３（ｂ）ではｄｌと表記）に対する表面変位の差の表面欠陥部でのピーク高さΔＺの２乗を表した特性である。
【００２７】
図２（ｂ）の下段に示した表面欠陥部の表面変位２２と健全部の表面変位２３との差による表面欠陥部での相対的な表面変位量のピーク２５は、表面欠陥のサイズ（深さ、長さ）によりそれぞれ異なっており、それらをまとめると、図３（ａ）に示すような表面欠陥の深さに対する表面変位の差におけるピーク高さ２６のような結果を得ることができる。これは、相対的な表面変位量が表面欠陥の深さと長さとの両方に依存して変化していることを示している。また、このデータを表面欠陥の断面積に対する相対的な表面変位量のピーク高さの２乗として、図３（ｂ）に示す２７のようにまとめると、比例関係を得ることができる。元来、振動のエネルギーは、振幅の２乗に比例するといわれており、弾性波のエネルギーが表面欠陥部で反射されるため、反射されたエネルギーに相当する表面変位の差における表面欠陥のピーク高さの２乗は、表面欠陥の断面積に比例することになり、ここで例として示した実験データはその関係を示している。これらの関係を関係式として示すと、次に示す式（１）のように表すことができる。
【００２８】
ΔＺ2 ＝ａＤＬ ……（１）
式（１）において、ΔＺは表面欠陥部での相対的な表面変位を表す表面変位の差にける表面欠陥のピーク高さ、ａは定数、Ｄは表面欠陥の深さ、Ｌは表面欠陥の長さである。
【００２９】
この式（１）を用いることにより、表面欠陥の深さをサイジングすることができる。すなわち、前述したように、探傷画像から得られる表面欠陥の長さＬと、表面欠陥部と健全部とを通る表面変位の差により得られる相対的な表面変位量のピーク高さΔＺを式（１）に代入することにより、表面欠陥の深さＤを求めることができる。表面欠陥の検出からサイジングまでの一連の検査を行うためには、実際の検査対象の材質や形状に合わせて予め式（１）のような参照データを求めておけばよい。これらは、図１の表面欠陥サイジング用データベース１６の中にある検査対象１の材質、弾性波を励起する際のエネルギー及び表面欠陥サイズに対応した表面欠陥部での相対的な表面変位量についての参照データ、あるいは、参照線が持つ比例定数ａの値を用いて算出することができる。表面欠陥サイジング用データベース１６の中の参照データや参照線は、実験による実測値のみならず、数値計算手法を用いて算出しても良い。また、表面欠陥のサイジングは、探傷と同時に行っても、探傷データをデータ記憶媒体に記録しておいて、後から行ってもよい。
【００３０】
図４は前述した本発明の実施形態による欠陥検査と表面欠陥が検出された際の表面欠陥の長さ及び深さのサイジング方法の処理動作を説明するフローチャートであり、次に、これについて説明する。なお、ここに示すフローは、すでに説明した動作を纏めたものであり、弾性波による探傷画像のフリンジの歪んだ部分の長さより、表面欠陥の長さをサイジングし、これと表面欠陥部での相対的な表面変位量のピーク高さから、データベースを参照して表面欠陥の深さを求める場合の例である。
【００３１】
（１）まず、弾性波励起前の第１のスペックルパターンを計測するため、スペックルパターン形成用レーザ発振器６にパルスレーザ光を発振させ、検査対象１からの反射光１２と参照光分岐用ビームスプリッタ１０で分岐された参照光とをＣＣＤ素子上で干渉させて第１のスペックルパターンを撮影する（ステップＳ１）。
【００３２】
（２）次に、弾性波励起用パルスレーザ５にパルスレーザ光を発振させ、レーザ集光レンズ７により集光して、検査対象１に設けられる弾性波励起部４を照射して弾性波を励起させる。弾性波励起部４から発生した弾性波３は、時間の経過に伴って検査対象１上に広がる（ステップＳ２）。
【００３３】
（３）ステップＳ１での弾性波励起前の処理と同様の方法で、第２のスペックルパターン形成するためパルスレーザ発振器６より第２のパルスレーザ光を発し、第２のパルスレーザ光による第２のスペックルパターンーンをレーザスペックルパターン計測用ＣＣＤカメラ１３により撮影する（ステップＳ３）。
【００３４】
（４）ステップＳ１、Ｓ３の操作で得られた２枚のスペックルパターンの画像を画像処理装置１５に取り込み、２枚のスペックルパターンに対して画像像処理を施し、これにより、検査対象１を伝播する弾性波３により生じた表面変位分布を探傷画像として求める。画像処理の詳細はすでに説明した通りである（ステップＳ４）。
【００３５】
（５）次に、ステップＳ４で求められた探傷画像より欠陥の長さを計測する。この長さの計測方法の詳細は、図２を参照して、すでに説明した通りである（ステップＳ５）。
【００３６】
（６）次に、ステップＳ４で求められた探傷画像より、表面欠陥部の表面変位と健全部の表面変位との差を算出し、この差と、ステップＳ５で求めた欠陥の長さとより、すでに説明したように作成されているデータベースを参照して欠陥の深さをサイジングする。前述の変位の差の算出方法、データベースの作成方法及び欠陥深さのサイジング方法は、図２、図３を参照して、すでに説明した通りである（ステップＳ６〜Ｓ８）。
【００３７】
（７）以上説明した各ステップの処理により、検査対象の表面欠陥を検出し、検出された表面欠陥の長さと深さとをサイジングすることができる（ステップＳ９）。
【００３８】
図５は前述した本発明の実施形態による欠陥検査と表面欠陥が検出された際の表面欠陥の長さ及び深さのサイジング方法の処理動作の他の例を説明するフローチャートであり、次に、これについて説明する。なお、ここに示すフローは、すでに説明した動作を纏めたものであり、探傷画像にける同一円周で変位の差を求めながら、表面変位の差における表面欠陥でのピークの現われる長さを用いて、表面欠陥の長さをサイジングし、これと同時に得られる相対的な表面変位量のピーク高さからデータベースを参照して表面欠陥の深さを求める場合の例である。
【００３９】
図５に示すフローにおけるステップＳ１〜Ｓ４及びＳ７〜Ｓ９での処理は、図４により説明した対応する各ステップでの処理と同一である。そして、ここでの処理では、ステップＳ４での画像処理により探傷画像を求めた後、ステップＳ１０において、求められた探傷画像から弾性波の波面の円周に沿って表面欠陥部の表面変位と健全部の表面変位との差を算出し、その後、ステップＳ１１において、ステップＳ４で求められた探傷画像より欠陥の長さを計測している。
【００４０】
図６は本発明の第２の実施形態による欠陥検査装置の構成を示すブロック図及びこれにより得られた探傷画像の例を示す図である。図６において、２８は遮光カバー、２９は照射ヘッド、３０は光ファイバ、３１は探傷画像であり、他の符号は図１の場合と同一である。
【００４１】
本発明の第２の実施形態は、図６（ａ）に示すように、パルスレーザ光照射による眼の損傷などの事故を防ぐためのレーザ光の遮光カバー２８を備えている。この遮光カバー２８は、スペックルパターン形成時のノイズとなる外部の光を遮断する役目も果たしており、特に明るい場所で探傷を行う際にはノイズとなる外部の光の遮断に有効である。遮光カバー２８の上部には、弾性波励起用レーザ光伝送用光ファイバ３０で伝送されるパルスレーザ光の照射ヘッド２９が備えられており、スペックルパターン形成用パルスレーザ照射ヘッド、探傷ヘッドであるＣＣＤカメラを備える。このような本発明の第２の実施形態によれば、コンパクトかつ安全に探傷を行うことのできる表面欠陥探傷システムを提供することができる。
【００４２】
図６（ｂ）に、遮光カバー２８内を撮像して得られた探傷画像３１の例を示しており、本発明の第２の実施形態は、遮光カバー２８内を全域に渡って一括して探傷することができる。表面欠陥の長さ及び深さのサイジングは、前述で説明した本発明の第１の実施形態の場合と同様に、図４及び図５の欠陥検査装置におけるデータ処理の流れに従って行われる。
【００４３】
図７は本発明の第３の実施形態による欠陥検査装置の構成を示すブロック図及びこれにより得られた探傷画像の例を示す図、図８は多数の弾性波励起手段を備えた場合の探傷画像の例を示す図である。図７、図８において、３２は弾性波励起手段、３３〜３６は探傷画像であり、他の符号は図１、図６の場合と同一である。
【００４４】
図７（ａ）に示す本発明の第３の実施形態は、レーザ光遮光カバー２８の先端部に１つあるいは複数の機械式ハンマリング、電磁式ハンマリング、圧電素子からなる弾性波励起手段３２のいずれかを備えて構成される。これら弾性波励起手段３２は、該タイミング調節手段により個別に弾性波の励起タイミングを調節することができ、１つあるいは複数により弾性波を励起する。
【００４５】
まず、１つの弾性波励起手段により弾性波を励起した場合の探傷画像の例を説明する。図７（ｂ）に示す探傷画像３３の例は、左部の弾性波励起手段による探傷画像であり、図７（ｃ）に示す探傷画像３４の例は、下部の弾性波励起手段による探傷画像である。図７（ｂ）、図７（ｃ）に示す探傷画像の例から判るように、異なる場所にある弾性波励起手段により励起した弾性波は、表面欠陥に対して弾性波の入射角度が異なる。このため、図７（ｃ）に示すように、表面欠陥の検出が難しい下部の弾性波励起手段による探傷画像のような場合でも、図７（ｂ）に示すように、左部の弾性波励起手段による探傷画像を求めることにより、表面欠陥検出の漏れを少なくすることができる。なお、表面欠陥を検出した後の表面欠陥の寸法測定に関しては、図４及び図５の欠陥検査装置におけるデータ処理の流れに従って行われる。
【００４６】
次に、さらに多くの弾性波励起手段を備えた場合の探傷画像の例を図８を参照して説明する。ここでは、円形の遮光カバーの先端に複数の弾性波励起手段を備えた場合の例について説明する。
【００４７】
図８（ａ）に示す探傷画像３５の例は、遮光カバーの先端を円形とし、その円周に沿って配置された複数の弾性波励起手段３２の全てを同時に励起することにより、円形の弾性波をその中心で収束させるようにした場合の例である。この例によっても、探傷領域である遮光カバー内部に表面欠陥が存在する場合、探傷画像のゆがみとして表面欠陥を検出することができる。このような円形の弾性波をその中心で収束させるようにする機構は、検査対象での弾性波の減衰が大きい場合に有効である。
【００４８】
また、図８（ｂ）に示す探傷画像３６の例は、複数の弾性波励起手段３２のうちの一部を用いて、時間をずらしながら弾性波を励起し、擬似的な平面形状の弾性波を励起した場合の例である。この場合も、検査対象での弾性波の減衰が大きい場合に有効である。
【００４９】
なお、図８（ａ）、図８（ｂ）の場合も、表面欠陥の長さ及び深さのサイジングについては、第１の実施形態の場合と同様に、図４及び図５により説明した欠陥検査装置におけるデータ処理の流れに従って行われる。
【００５０】
前述した本発明の各実施形態における検査範囲は、弾性波の励起強度、検査対象での弾性波の減衰の程度にもよるが、数１０ｃｍ四方から数ｍ四方の範囲とすることができる。また、検査対象は、特に限定されないが、広い面積を持つ壁面、容器の壁面等であってよい。
【００５１】
前述したように、本発明の各実施形態によれば、励起した弾性波の表面欠陥部での弾性波の変動に基づいて、広域な検査対象を一括して検査し、表面欠陥を検出し、弾性波の変動部分の長さから表面欠陥の長さをサイジングすると共に、サイジングした表面欠陥の長さと表面欠陥部での相対的な表面変位量とを用いて、データベースを参照することにより、表面欠陥深さを求めることができるため、検査時間の大幅な短縮を図ることができる。また、探傷ヘッド部にレーザ光の遮光カバーを採用しているため、レーザを用いた検査における作業員の安全性も確保することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、広域の検査対象面を非接触で一括して計測して表面欠陥を検出し、探傷画像を用いて表面欠陥の長さをサイジングし、さらに、表面欠陥の長さと表面欠陥部での表面変位あるいは相対的な表面変位を用いて欠陥の深さのサイジングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による欠陥検査装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態での画像解析時のデータ処理について説明する図である。
【図３】表面欠陥の深さのサイジング方法について説明する図である。
【図４】本発明の実施形態による欠陥検査と表面欠陥が検出された際の表面欠陥の長さ及び深さのサイジング方法の処理動作を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態による欠陥検査と表面欠陥が検出された際の表面欠陥の長さ及び深さのサイジング方法の処理動作の他の例を説明するフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施形態による欠陥検査装置の構成を示すブロック図及びこれにより得られた探傷画像の例を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態による欠陥検査装置の構成を示すブロック図及びこれにより得られた探傷画像の例を示す図である。
【図８】多数の弾性波励起手段を備えた場合の探傷画像の例を示す図である。
【符号の説明】
１ 検査対象
２ 表面欠陥
３ 弾性波
４ 弾性波励起部
５ 弾性波励起用パルスレーザ発振器
６ スペックルパターン形成用パルスレーザ発振器
７ レーザ集光レンズ
８ レーザビームエキスパンダ
９ パルスレーザ光
１０ 参照光分岐用ビームスプリッタ
１１ 参照光伝送用光ファイバ
１２ 反射光
１３ ＣＣＤカメラ
１４ タイミング調節手段
１５ 画像処理装置
１６ 表面欠陥サイジング用データベース
２８ 遮光カバー
２９ 照射ヘッド
３０ 光ファイバ
３１、３３〜３６ 探傷画像
３２ 弾性波励起手段
Claims (10)
- レーザ発振器にパルスレーザ光を発振させ、検査対象からの反射光と参照光とを干渉させてスペックルパターンを撮影するスペックルパターン撮影手段と、検査対象に弾性波を励起する弾性波励起手段と、前記スペックルパターン撮影手段により撮影した弾性波励起前の第１のスペックルパターン及び弾性波励起後の第２のスペックルパターンの２枚のパターンの画像から探傷画像を求める画像処理手段とを備えた電子的スペックル干渉法を用いた欠陥検査装置において、前記弾性波を励起した際の力、探傷画像中での弾性波励起位置と表面欠陥位置及び表面欠陥形状とに対応した、表面欠陥部での表面変位量あるいは相対的な表面変位量の実験値あるいは計算値のデータベースを備え、該データベース内の表面変位量と探傷画像とから表面欠陥の長さ及び深さをサイジングすることを特徴とする欠陥検査装置。
- 前記弾性波を励起するための弾性波励起手段がパルスレーザ光、機械式ハンマリング、電磁式ハンマリング、圧電素子、磁歪効果による弾性波励起手段のうち何れか１つであることを特徴とする請求項１記載の欠陥検査装置。
- 前記弾性波励起手段を複数備え、１または複数の弾性波励起手段により弾性波を励起することを特徴とする請求項１または２記載の欠陥検査装置。
- 前記１または複数の弾性波励起手段及びスペックルパターン撮影手段の作動タイミングを個別に調節するタイミング調節手段を備えることを特徴とする請求項１、２または３記載の欠陥検査装置。
- 検査対象とスペックルパターン撮影手段との間に遮光カバーを備えたことを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１記載の欠陥検査装置。
- 前記遮光カバーの内部あるいは先端に弾性波励起手段を備えることを特徴とする請求項５記載の欠陥検査装置。
- レーザ発振器にパルスレーザ光を発振させ、検査対象からの反射光と参照光とを干渉させて、検査対象に弾性波を励起する前後の２枚のスペックルパターンを撮影し、２枚のパターンの画像から探傷画像を求める電子的スペックル干渉法を用いた欠陥検査方法において、前記探傷画像における弾性波の変動部分の長さから表面欠陥長さをサイジングし、この表面欠陥の長さと探傷画像より得られる表面変位量とを用いて表面欠陥の深さを求めることを特徴とする欠陥検査方法。
- 表面欠陥が検出された前記探傷画像の表面欠陥が検出された部位と表面欠陥がない部位との表面変位の差により、表面欠陥部での相対的な表面変位量を求め、求められた相対的な表面変位により表面欠陥を検出し、前記相対的な表面変位が連続的に生じている部分の長さから表面欠陥の長さをサイジングすることを特徴とする請求項７記載の欠陥検査方法。
- 前記表面欠陥部での表面変位あるいは相対的な表面変位と表面欠陥の長さ及び深さの関係式を用いて、前記探傷画像から得られる表面欠陥部での表面変位あるいは相対的な表面変位量と表面欠陥の長さとを用いて、表面欠陥の深さを求めることを特徴とする請求項７または８記載の欠陥検査方法。
- 検査対象の材質、形状、弾性波の励起方法、弾性波を励起した際の力、前記探傷画像中での弾性波励起位置と表面欠陥位置及び表面欠陥形状に対応した、表面欠陥部での表面変位量あるいは相対的な表面変位量の実験値あるいは計算値のデータベースを基として、該データベースと前記探傷画像とから表面欠陥の深さを求めことを特徴とする請求項７、８または９記載の欠陥検査方法。
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