JP6973206B2 - 変位計測装置および変位計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波を利用して対象物における所定部分の変位を計測する変位計測装置および変位計測方法に関する。

近年、テラヘルツ波イメージングやレーダの研究開発が行われており、非破壊検査やセンシングなどへの応用が期待されている。テラヘルツ波は、樹脂などの非金属材料に照射するとほとんどが透過する一方、金属材料に照射するとほとんどが反射する性質を有する。従来、このようなテラヘルツ波の性質を利用することによって、樹脂などからなる非金属層の下層に存在する金属基体の表面の凹凸性状を測定して、画像化する技術が提案されている（非特許文献１）。

このようなテラヘルツ波の性質を利用して、非金属層の下層の金属基体の表面の凹凸である、金属基体と上層の非金属層との界面部分の凹凸を評価する方法として、２種類の方法が考えられた。すなわち、テラヘルツ波によって金属基体の表面までの距離を測定する方法、および金属基体の表面の性状によるテラヘルツ波の散乱波のパターンから評価する方法である。

山口淳、「テラヘルツイメージングシステムの開発」、ＰＩＯＮＥＥＲ Ｒ＆Ｄ（２０１４）

上述した従来技術において、テラヘルツ波によって金属基体の表面までの距離を測定する方法においては、金属基体の表面で反射されたテラヘルツ波の反射波の伝播時間から距離を求めることができる。この方法において必要十分な計測分解能を得るためには、時間幅の小さなテラヘルツ波のパルス波（以下、テラヘルツパルス波）を利用する必要がある。ところが、テラヘルツパルス波を発生させるためには、煩雑な機構が必要になる。

一方、スペックルパターンのような表面での散乱波のパターンから評価する方法においては、テラヘルツ波を連続的に発信させる、いわゆるテラヘルツ連続波を利用することが可能となる。テラヘルツ連続波を使用する場合、テラヘルツ波の送受信装置の装置構成は、上述したパルス波を用いる場合の装置構成に比して単純になる。ところが、金属基体の上層に非金属層が設けられた対象物に非金属層側からテラヘルツ連続波を照射した場合、非金属層の表面と金属基体の表面とのそれぞれにおいて、反射波が生じる。そのため、非金属層の下層の金属基体の異常をテラヘルツ波の反射波を用いて検出しようとすると、次のような問題が生じる。

すなわち、金属基体の上層に非金属層が設けられた対象物に、非金属層側からテラヘルツ波を照射して反射したテラヘルツ波を測定すると、金属基体の表面の反射波と、非金属層の表面の反射波とから干渉縞が発生する。この場合、非金属層の表面での反射波によって、生じた干渉縞から金属基体の表面の凹凸形状に関する情報だけを抽出することは、極めて困難であった。そのため、金属基体の表面の凹凸形状に起因する情報を識別して、金属基体の異常を検出できる技術が求められていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、テラヘルツ波を含む電磁波を用いて、金属基体の表面の凹凸形状の変位、および上層の非金属層の表面の凹凸形状の変位を計測することができる変位計測装置および変位計測方法を提供することにある。

（１）上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る変位計測装置は、金属基体の上層に非金属層が設けられた対象物の所定位置に、テラヘルツ波を０°より大きい所定の入射角をなして照射可能に構成されたテラヘルツ波発信手段と、前記対象物において反射されたテラヘルツ波を検出可能に構成されたテラヘルツ波検出素子が平面状に複数設けられたテラヘルツ波検出手段と、前記テラヘルツ波検出手段によって得られた前記反射されたテラヘルツ波の観測位置に基づいて、前記所定位置における前記金属基体の表面の変位および前記非金属層の表面の変位の少なくとも一方を導出する解析手段と、を備えることを特徴とする。

（２）本発明の一態様に係る変位計測装置は、上記の（１）の発明において、前記解析手段は、前記対象物において反射されたテラヘルツ波のうちの、前記金属基体の表面において反射されたテラヘルツ波の観測位置に基づいて、前記金属基体の表面の変位を導出することを特徴とする。

（３）本発明の一態様に係る変位計測装置は、上記の（１）または（２）の発明において、前記解析手段は、前記対象物において反射されたテラヘルツ波のうちの、前記非金属層の表面において反射されたテラヘルツ波の観測位置に基づいて、前記非金属層の表面の変位を導出することを特徴とする。

（４）本発明の一態様に係る変位計測装置は、金属基体の上層に非金属層が設けられた対象物の所定位置に、テラヘルツ波を０°より大きい所定の入射角をなして照射可能に構成されたテラヘルツ波発信手段と、前記対象物の所定位置に、電磁波を前記所定の入射角をなして照射可能に構成された電磁波発信手段と、前記対象物において反射されたテラヘルツ波を検出可能に構成されたテラヘルツ波検出素子が平面状に複数設けられたテラヘルツ波検出手段と、前記対象物において反射された電磁波を検出可能に構成された電磁波検出素子が平面状に複数設けられた電磁波検出手段と、前記テラヘルツ波検出手段によって得られた前記反射されたテラヘルツ波の観測位置に基づいて、前記所定位置における前記金属基体の表面の変位を導出し、前記電磁波検出手段によって得られた前記反射された電磁波の観測位置に基づいて、前記所定位置における前記非金属層の表面の変位を導出する解析手段と、を備えることを特徴とする。

（５）本発明の一態様に係る変位計測装置は、上記の（４）の発明において、前記電磁波発信手段から発信される電磁波が、前記テラヘルツ波発信手段から発信されるテラヘルツ波の波長よりも短波長のテラヘルツ波であることを特徴とする。

（６）本発明の一態様に係る変位計測装置は、上記の（１）〜（５）のいずれか１つの発明において、前記金属基体が鋼材であるとともに、前記非金属層が樹脂層であることを特徴とする。

（７）本発明の一態様に係る変位計測方法は、金属基体の上層に非金属層が設けられた対象物の所定位置に、テラヘルツ波を０°より大きい所定の入射角をなして照射する照射ステップと、前記対象物において反射されたテラヘルツ波を、テラヘルツ波検出素子が平面状に複数設けられたテラヘルツ波検出手段によって検出する検出ステップと、前記検出ステップにおいて得られた前記反射されたテラヘルツ波の観測位置に基づいて、前記所定位置における前記金属基体の表面の変位および前記非金属層の変位の少なくとも一方を導出する解析ステップと、を含むことを特徴とする。

（８）本発明の一態様に係る変位計測方法は、金属基体の上層に非金属層が設けられた対象物の所定位置に、テラヘルツ波を０°より大きい所定の入射角をなして照射するテラヘルツ波照射ステップと、前記対象物の所定位置に、電磁波を前記所定の入射角をなして照射する電磁波照射ステップと、前記対象物において反射されたテラヘルツ波を、テラヘルツ波検出素子が平面状に複数設けられたテラヘルツ波検出手段によって検出するテラヘルツ波検出ステップと、前記対象物において反射された電磁波を、電磁波検出素子が平面状に複数設けられた電磁波検出手段によって検出する電磁波検出ステップと、前記テラヘルツ波検出ステップにおいて得られた前記反射されたテラヘルツ波の観測位置に基づいて、前記所定位置における前記金属基体の表面の変位を導出するテラヘルツ波解析ステップと、前記電磁波検出ステップにおいて得られた前記反射された電磁波の観測位置に基づいて、前記所定位置における前記非金属層の表面の変位を導出する電磁波解析ステップと、を含むことを特徴とする。

（９）本発明の一態様に係る変位計測方法は、上記の（７）または（８）の発明において、前記金属基体が鋼材であるとともに、前記非金属層が樹脂層であることを特徴とする。

本発明に係る変位計測装置および変位計測方法によれば、テラヘルツ波を含む電磁波を用いて、金属基体の表面の凹凸形状の変位、および上層の非金属層の表面の凹凸形状の変位を計測することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態による変位計測装置を模式的に示すブロック図である。 図２は、本発明の第１の実施形態による変位計測装置によって対象物の正常部分を計測する場合の第１実施例の計測状態を示す図である。 図３は、本発明の第１の実施形態による変位計測装置によって鋼材の減肉部に樹脂層が充填されている部分を計測する場合の第２実施例の計測状態を示す図である。 図４は、本発明の第１の実施形態による変位計測装置によって鋼材の凹部が空洞である部分を計測する場合の第３実施例の計測状態を示す図である。 図５は、本発明の第１の実施形態による変位計測装置によって鋼材の上層の樹脂層に凸部が生じている部分を計測する場合の第４実施例の計測状態を示す図である。 図６は、本発明の第２の実施形態による電磁波送信器を示すブロック図である。 図７は、本発明の第２の実施形態による変位計測装置を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。また、本発明は以下に説明する実施形態によって限定されるものではない。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態による変位計測装置について説明する。図１は、第１の実施形態による変位計測装置１の構成を示すブロック図である。図１に示すように、第１の実施形態による変位計測装置１は、テラヘルツ波発信器１０、テラヘルツ波検出器２０、および解析制御部３０を備えて構成される。なお、第１の実施形態において検査の対象となる対象物８０は、金属基体としての鋼材８１の上層に、非金属層である防食層としての各種の樹脂からなる樹脂層８２が設けられて構成される。なお、対象物８０としては、例えば塗覆装を有する鋼構造物などの、金属材料からなる基体の所定の面の上層に、非金属層が形成された種々の物体とすることができる。

第１の実施形態による変位計測装置１は、テラヘルツ波Ｌ₁を対象物８０の表面に照射可能に構成されているとともに、対象物８０を反射したテラヘルツ波Ｌ₂を検出可能に構成された反射型のテラヘルツ波計測装置から構成される。すなわち、変位計測装置１は、テラヘルツ波発信手段とテラヘルツ波検出手段とを兼ね備える。ここで、テラヘルツ波は、１テラヘルツ（１ＴＨｚ＝１０¹²Ｈｚ）前後、具体的には、１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚ（１０¹¹〜１０¹³Ｈｚ）の周波数領域である、いわゆるテラヘルツ領域に属する電磁波である。テラヘルツ領域は、光の直進性と電磁波の透過性を兼ね備えた周波数領域である。なお、第１の実施形態においては、テラヘルツ波の周波数は、樹脂層８２の厚さや材質に応じて選定することが可能であり、好適には、０．３ＴＨｚ以上０．６ＴＨｚ以下であるが、必ずしもこの範囲に限定されるものではない。

テラヘルツ波発信手段としてのテラヘルツ波発信器１０は、例えば共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ：Resonant Tunneling Diode）などを備えて構成されるテラヘルツ波発生素子１１と、半球レンズ１２と、コリメートレンズ１３と、対物レンズ１４とを有して構成される。なお、共鳴トンネルダイオードの代わりに、光伝導アンテナ（ＰＣＡ：Photo Conductive Antenna）を用いてもよい。

テラヘルツ波検出器２０は、それぞれが集光レンズおよび半球レンズ（いずれも図示せず）を備えた、テラヘルツ波検出素子２１−１，２１−２，…，２１−ｊ，…，２１−ｎ（ｊ，ｎは自然数）を平面状でアレイ状または列状に複数設けて構成される。テラヘルツ波検出手段としてのテラヘルツ波検出器２０は、テラヘルツ波検出素子２１−１〜２１−ｎによってテラヘルツ波の反射波（テラヘルツ波Ｌ₂）を検出可能な状態で、変位計測装置１に設けられている。すなわち、変位計測装置１において、テラヘルツ波検出器２０の受信面側は、検査される対象物８０に対向するように設けられる。なお、図１においては、受信面と検査される対象物８０の面とは平行であるが、対象物８０の面に対して受信面が所定の角度で傾斜を有していてもよい。

解析手段および制御手段としての解析制御部３０は、信号増幅部３１、バイアス生成部３２、ロックイン検出部３３、および解析処理部３４を備える。解析制御部３０は、テラヘルツ波発信器１０に対する各種制御を行う。また、解析制御部３０は、テラヘルツ波検出器２０によって検出されたテラヘルツ波の信号に対して、各種処理を行う。信号増幅部３１は、テラヘルツ波検出器２０によって検出された信号を増幅し、テラヘルツ波受信データとしてロックイン検出部３３に出力する。バイアス生成部３２は、バイアス電圧を生成してテラヘルツ波発生素子１１およびテラヘルツ波検出素子２１−１〜２１−ｎをバイアスすることによって、バイアス電圧に応じて発信するテラヘルツ波、または検出されたテラヘルツ波を変化させる。テラヘルツ波発生素子１１およびテラヘルツ波検出素子２１−１〜２１−ｎによって発信または検出されたテラヘルツ波は、微弱な場合もある。この場合、テラヘルツ波の検出には、ロックイン検出が用いられる。ロックイン検出の際、テラヘルツ波発信器１０においては、テラヘルツ波発生素子１１のバイアス電圧として変調された参照信号が用いられることにより、テラヘルツ波の検出信号のノイズ成分が除去される。解析処理部３４は、検出されたテラヘルツ波受信データを格納する所定の記録部（図示せず）を備えるとともに、テラヘルツ波受信データに対して解析処理を行う。

（変位計測方法）
上述のように構成された変位計測装置１の動作時においては、まず、テラヘルツ波発信器１０からテラヘルツ波Ｌ₁が発信される。具体的には、テラヘルツ波発生素子１１において発生したテラヘルツ波が、半球レンズ１２、コリメートレンズ１３、および対物レンズ１４を介して、テラヘルツ波Ｌ₁として出力される。ここで、発信されるテラヘルツ波Ｌ₁は、典型的には、連続的に発信されるテラヘルツ連続波であるが、断続的に発信されるテラヘルツパルス波やトーンバースト波であってもよい。

テラヘルツ波発信器１０から発信されたテラヘルツ波Ｌ₁は、対象物８０の表面の所定位置に照射される。対象物８０に対して樹脂層８２の側から照射されるテラヘルツ波Ｌ₁のほとんどは、樹脂層８２を透過して鋼材８１の鋼面８１ａで反射される。対象物８０に照射されたテラヘルツ波Ｌ₁のうちのごく一部は、樹脂層８２の表面８２ａで反射される。反射されたテラヘルツ波Ｌ₂は、テラヘルツ波検出素子２１−１〜２１−ｎのうちの少なくとも１つのテラヘルツ波検出素子２１−ｉ（ｉは自然数）によって受信される。テラヘルツ波検出素子２１−ｉには、テラヘルツ波Ｌ₂が集光レンズによって集光され、半球レンズ（いずれも図示せず）によって集められて検出される。テラヘルツ波Ｌ₂を受信したテラヘルツ波検出素子２１−ｉにおいては、テラヘルツ波Ｌ₂の強度に応じた信号が検出される。

また、テラヘルツ波検出器２０においては、鋼材８１の鋼面８１ａの形状や樹脂層８２の表面８２ａの形状に対応して、反射したテラヘルツ波Ｌ₂を受信するテラヘルツ波検出素子２１−ｉが異なることになる。すなわち、テラヘルツ波発信器１０から連続的に発信されて対象物８０の表面に０°より大きい所定の入射角θ₀で斜めに入射されたテラヘルツ波Ｌ₁は、ごく一部が樹脂層８２の表面８２ａで入射角に等しい反射角で反射する。一方、対象物８０の表面に入射されたテラヘルツ波Ｌ₁は、ほとんどが鋼材８１の鋼面８１ａで入射角に等しい反射角で反射する。この際、入射したテラヘルツ波Ｌ₁および反射したテラヘルツ波Ｌ₂の光路長は、テラヘルツ波発信器１０から鋼面８１ａまでの距離が変化すると増減する。そのため、反射したテラヘルツ波Ｌ₂の到達位置である、テラヘルツ波Ｌ₂を受信したテラヘルツ波検出素子２１−ｉの位置によって、反射された鋼面８１ａの深さとして減肉深さを導出できる。上述したように、テラヘルツ波Ｌ₁のほとんどは樹脂層８２を透過するため、樹脂層８２の上方から下層に存在する鋼材８１の減肉深さを計測可能になる。

（第１実施例）
以上の原理に基づいて、樹脂層８２の下層の鋼材８１における減肉深さを導出する変位計測方法の具体例について説明する。図２は、第１の実施形態による変位計測装置によって対象物の正常部分を計測する場合の第１実施例の計測状態を示す図である。第１実施例においては、次のような方法によって、鋼面８１ａと樹脂層８２の表面８２ａとの距離を求める。すなわち、テラヘルツ波Ｌ₁を対象物８０に対して所定の入射角θ₀で照射させる。テラヘルツ波検出器２０によって、樹脂層８２の表面８２ａでの強度が小さい部分反射、および樹脂層８２の下層の鋼面８１ａでの強度が大きい全反射がそれぞれ検出される。解析制御部３０は、テラヘルツ波検出器２０における部分反射と全反射との観測位置の相違に基づいて、幾何学的に鋼面８１ａと樹脂層８２の表面８２ａとの距離を求めることができる。

具体的には、図２に示すように、テラヘルツ波発信器１０から発信されたテラヘルツ波Ｌ₁は、対象物８０の表面に照射される。この場合、多くのテラヘルツ波Ｌ₁は、樹脂層８２を透過して鋼材８１の鋼面８１ａでテラヘルツ波Ｌ₂₁として反射する。鋼面８１ａで反射したテラヘルツ波Ｌ₂₁は、テラヘルツ波検出器２０における位置Ｐ₁に対応するテラヘルツ波検出素子２１−ｊに到達する。一方、ごく一部のテラヘルツ波Ｌ₁は、樹脂層８２の表面８２ａでテラヘルツ波Ｌ₂₂として反射する。樹脂層８２の表面８２ａで反射したテラヘルツ波Ｌ₂₂は、テラヘルツ波検出器２０における位置Ｐ₂に対応するテラヘルツ波検出素子２１−ｉに到達する。

上述したように、対象物８０に照射されたテラヘルツ波Ｌ₁のほとんどは鋼面８１ａで反射される。すなわち、反射してテラヘルツ波検出器２０に入射されるテラヘルツ波Ｌ₂のうちの、鋼面８１ａで反射したテラヘルツ波Ｌ₂₁の入射強度は、樹脂層８２の表面８２ａで反射したテラヘルツ波Ｌ₂₂の入射強度に比して極めて大きい。そのため、テラヘルツ波検出素子２１−ｉ，２１−ｊが検出した入射強度を互いに比較することによって、鋼面８１ａで反射されたテラヘルツ波Ｌ₂₁と、樹脂層８２の表面８２ａで反射されたテラヘルツ波Ｌ₂₂とを区別できる。対象物８０の正常部分に照射されたテラヘルツ波Ｌ₁における、樹脂層８２の表面８２ａの反射位置は、反射したテラヘルツ波Ｌ₂₂の観測位置であるテラヘルツ波検出素子２１−ｉの位置Ｐ₂から確定できる。同様に、対象物８０の正常部分に照射され、樹脂層８２を透過した後に鋼面８１ａで反射したテラヘルツ波Ｌ₂₁の反射位置は、反射したテラヘルツ波Ｌ₂₁の観測位置であるテラヘルツ波検出素子２１−ｊの位置Ｐ₁から確定できる。テラヘルツ波検出器２０において、位置Ｐ₁，Ｐ₂の間隔Ｗ₀を計測することによって、間隔Ｗ₀と樹脂層８２の材料の屈折率とから、幾何学的に樹脂層８２の厚さｄ₀を導出できる。この場合の位置Ｐ₁，Ｐ₂の間隔Ｗ₀と樹脂層８２の厚さｄ₀との関係を、データベースとして解析処理部３４に格納する。

（第２実施例）
図３は、第１の実施形態による変位計測装置によって鋼材の減肉部に樹脂層が充填されている部分を計測する場合の第２実施例の計測状態を示す図である。第２実施例においては、次のような方法によって、鋼材８１の減肉部８３の鋼面８１ａまでの変位を求める。すなわち、第１実施例において計測した鋼面８１ａと樹脂層８２の表面８２ａとの距離は、正常部分であれば樹脂層８２の厚さｄ₀になる。第２実施例において、鋼材８１が減肉しているとともに減肉部８３の内部に樹脂層８２が充填された状態の場合も同様に、樹脂層８２の厚さを計測できる。この場合、第１実施例において計測した樹脂層８２の厚さｄ₀と、第２実施例によって計測された減肉部８３の内部に樹脂層８２が充填された部分の厚さとを比較することによって、減肉部８３の深さｄ₁を導出できる。

具体的には、図３に示すように、第１実施例と同様にして、テラヘルツ波発信器１０から発信されたテラヘルツ波Ｌ₁を、対象物８０の表面に照射する。樹脂層８２を透過して鋼材８１の鋼面８１ａで反射したテラヘルツ波Ｌ₂₁は、テラヘルツ波検出器２０における位置Ｐ₁のテラヘルツ波検出素子２１−ｊに到達する。一方、樹脂層８２の表面８２ａで反射したテラヘルツ波Ｌ₂₂は、テラヘルツ波検出器２０における位置Ｐ₂に対応するテラヘルツ波検出素子２１−ｉに到達する。なお、テラヘルツ波検出素子２１−ｉ，２１−ｊはそれぞれ、テラヘルツ波Ｌ₂₂，Ｌ₂₁を受信した素子を示すものであって、上述した第１実施例におけるテラヘルツ波検出素子２１−ｉ，２１−ｊと必ずしも同一のものではない。

上述したように、テラヘルツ波検出素子２１−ｉ，２１−ｊが検出した入射強度を互いに比較することで、鋼面８１ａで反射されたテラヘルツ波Ｌ₂₁と、樹脂層８２の表面８２ａで反射されたテラヘルツ波Ｌ₂₂とを区別できる。そのため、テラヘルツ波検出器２０における位置Ｐ₂が第１実施例における位置Ｐ₂と同位置である場合、テラヘルツ波発信器１０と樹脂層８２の表面８２ａとの距離と、対象物８０におけるテラヘルツ波Ｌ₁の入射位置との相対的な位置関係は変わっていないと判断できる。これにより、樹脂層８２の表面８２ａには凹凸が生じていないと判断できる。

その上で、樹脂層８２を透過した後に減肉部８３の底面における鋼面８１ａで反射したテラヘルツ波Ｌ₂₁の反射位置は、テラヘルツ波検出器２０のテラヘルツ波Ｌ₂₁の観測位置であるテラヘルツ波検出素子２１−ｊの位置Ｐ₁から確定できる。テラヘルツ波検出器２０において、位置Ｐ₁，Ｐ₂の間隔Ｗ₁を計測することによって、間隔Ｗ₁と樹脂層８２の材料の屈折率とから、幾何学的に減肉部８３に充填された樹脂層８２の厚さ（ｄ₀＋ｄ₁）を導出できる。解析制御部３０の解析処理部３４は、計測された減肉部８３の樹脂層８２の厚さ（ｄ₀＋ｄ₁）から、解析処理部３４に格納された正常部分の樹脂層８２の厚さｄ₀を減算することによって、減肉部８３の深さｄ₁を導出する。

（第３実施例）
図４は、第１の実施形態による変位計測装置によって鋼材の減肉部が空洞である部分を計測する場合の第３実施例の計測状態を示す図である。第３実施例においては、次のような方法によって、減肉部８３の深さｄ₂を求める。すなわち、図４に示すように、樹脂層８２の下層が空洞８４になっている場合、樹脂層８２の裏面８２ｂにおいて、テラヘルツ波Ｌ₁がさらに反射されてテラヘルツ波Ｌ₂₃が得られる。この場合、反射されたテラヘルツ波Ｌ₂におけるテラヘルツ波検出器２０への入射強度において、少なくとも３つのピークが観察される。この入射強度のピークが３つ観測されることよって、樹脂層８２の下層に空洞８４が存在していると判断できる。さらに、空洞８４における減肉部８３の深さｄ₂は、テラヘルツ波検出器２０において検出された入射強度のピーク間の距離によって評価できる。

具体的には、図４に示すように、第１実施例と同様にして、テラヘルツ波発信器１０から発信されたテラヘルツ波Ｌ₁を対象物８０の表面に照射する。樹脂層８２を透過して鋼材８１の鋼面８１ａで反射したテラヘルツ波Ｌ₂₁は、テラヘルツ波検出器２０における位置Ｐ₁に対応するテラヘルツ波検出素子２１−ｊに到達する。一方、樹脂層８２の表面８２ａで反射したテラヘルツ波Ｌ₂₂は、テラヘルツ波検出器２０における位置Ｐ₂に対応するテラヘルツ波検出素子２１−ｉに到達する。他方、樹脂層８２の裏面８２ｂで反射したテラヘルツ波Ｌ₂₃は、テラヘルツ波検出器２０における位置Ｐ₃に対応するテラヘルツ波検出素子２１−ｋに到達する。なお、テラヘルツ波検出素子２１−ｉ，２１−ｊ，２１−ｋはそれぞれ、テラヘルツ波Ｌ₂₂，Ｌ₂₁，Ｌ₂₃を検出した素子を示すものであって、上述した第１実施例および第２実施例におけるテラヘルツ波検出素子２１−ｉ，２１−ｊと必ずしも同一のものではない。

上述したように、テラヘルツ波検出素子２１−ｉ，２１−ｊ，２１−ｋが検出した際の入射強度を互いに比較することによって、テラヘルツ波Ｌ₂₁，Ｌ₂₂，Ｌ₂₃を互いに区別できる。そのため、テラヘルツ波検出器２０における位置Ｐ₂が第１実施例における位置Ｐ₂と同位置である場合、樹脂層８２の表面８２ａには凹凸が生じていないと判断できる。その上で、樹脂層８２の裏面８２ｂで反射したテラヘルツ波Ｌ₂₃の反射位置は、テラヘルツ波検出器２０のテラヘルツ波Ｌ₂₃の観測位置であるテラヘルツ波検出素子２１−ｋの位置Ｐ₃と、樹脂層８２の屈折率とから導出できる。テラヘルツ波検出器２０において位置Ｐ₂，Ｐ₃の間隔Ｗ₀を計測することによって、間隔Ｗ₀と樹脂層８２の屈折率とから、幾何学的に樹脂層８２の厚さを導出できる。樹脂層８２の材料および厚さが第１実施例と同様の場合、導出される厚さは、第１実施例における樹脂層８２の厚さｄ₀になる。

樹脂層８２を透過した後に減肉部８３の空洞８４の底面の鋼面８１ａで反射したテラヘルツ波Ｌ₂₁が、樹脂層８２を透過して表面８２ａから出射する位置は、テラヘルツ波検出器２０による観測位置であるテラヘルツ波検出素子２１−ｊの位置Ｐ₁から確定できる。テラヘルツ波検出器２０において位置Ｐ₁，Ｐ₃の間隔Ｗ₂を計測することによって、間隔Ｗ₂とテラヘルツ波Ｌ₁の樹脂層８２への入射角θ₀とから、幾何学的に減肉部８３の深さｄ₂を導出できる。解析制御部３０の解析処理部３４は、樹脂層８２の厚さｄ₀、間隔Ｗ₂、および樹脂層８２の屈折率から、幾何学的に減肉部８３の深さｄ₂を導出する。

（第４実施例）
図５は、第１の実施形態による変位計測装置によって鋼材の上層の樹脂層に凸部が生じている部分を計測する場合の第４実施例の計測状態を示す図である。第４実施例においては、次のような方法によって、樹脂層８２の表面８２ａにおける凸部８５の高さｈ₁を求める。すなわち、第４実施例において、鋼材８１の鋼面８１ａが正常な状態であるとともに、樹脂層８２の一部に凸部８５が生じている場合、テラヘルツ波発信器１０と凸部８５の上面８５ａとの距離は、第１実施例におけるテラヘルツ波発信器１０と樹脂層８２の表面８２ａとの距離と異なる。この場合においては、第１実施例および第４実施例において観測された、反射されたテラヘルツ波Ｌ₂₂のそれぞれの観測位置Ｐ₂のずれに基づいて、凸部８５の高さｈ₁を導出できる。

具体的には、図５に示すように、第１実施例と同様にして、テラヘルツ波発信器１０から発信されたテラヘルツ波Ｌ₁を対象物８０の表面に照射する。樹脂層８２を透過して鋼材８１の鋼面８１ａで反射したテラヘルツ波Ｌ₂₁は、テラヘルツ波検出器２０における位置Ｐ₁に対応するテラヘルツ波検出素子２１−ｊに到達する。一方、樹脂層８２の表面８２ａと同様の凸部８５の上面で反射したテラヘルツ波Ｌ₂₂は、テラヘルツ波検出器２０における位置Ｐ₂に対応するテラヘルツ波検出素子２１−ｉに到達する。なお、テラヘルツ波検出素子２１−ｉ，２１−ｊはそれぞれ、テラヘルツ波Ｌ₂₂，Ｌ₂₁を受信した素子を示すものであって、上述した第１〜第３実施例において例示したテラヘルツ波検出素子２１−ｉ，２１−ｊとは必ずしも同一の素子ではない。

上述したように、テラヘルツ波検出素子２１−ｉ，２１−ｊが検出した入射強度を互いに比較することによって、鋼面８１ａで反射されたテラヘルツ波Ｌ₂₁と樹脂層８２の表面８２ａで反射されたテラヘルツ波Ｌ₂₂とを区別できる。そのため、テラヘルツ波検出器２０における位置Ｐ₂が第１実施例における位置Ｐ₂からずれていた場合、テラヘルツ波発信器１０と樹脂層８２の表面８２ａとの距離は、第１実施例における正常部分の距離とは異なると判断できる。さらに、テラヘルツ波検出器２０における位置Ｐ₂の、第１実施例での位置Ｐ₂からのずれ量に基づいて、幾何学的に凸部８５の高さｈ₁を導出できる。また、第１実施例において計測された樹脂層８２の厚さｄ₀から、凸部８５が生じている部分の樹脂層８２の厚さ（ｄ₀＋ｈ₁）を導出できる。

以上説明した第１〜第４実施例における測定において、テラヘルツ波Ｌ₂₁，Ｌ₂₂，Ｌ₂₃が観測される位置Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃と、正常部分での樹脂層８２の厚さｄ₀、減肉部８３の深さｄ₁，ｄ₂、および凸部８５の高さｈ₁との関係を、検量線や標準曲線などのテーブルとして、解析処理部３４の所定の記録部にあらかじめ格納しておくことも可能である。この場合、解析処理部３４は、観測されたテラヘルツ波Ｌ₂₁，Ｌ₂₂，Ｌ₂₃が観測される位置Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃に基づいて、正常部分での樹脂層８２の厚さｄ₀や、減肉部８３の深さｄ₁，ｄ₂や、凸部８５の高さｈ₁を導出することができる。なお、鋼材８１において増肉部が存在している場合においても、上述した測定方法に基づいて、負の深さとして増肉部の高さを導出することが可能である。また、第１〜第４実施例における測定を適宜組み合わせることも可能である。

以上説明した第１の実施形態によれば、テラヘルツ波検出器２０において、鋼材８１の鋼面８１ａの形状や樹脂層８２の表面８２ａの形状に対応して、反射したテラヘルツ波Ｌ₂は、互いに異なるテラヘルツ波検出素子２１−ｉ，２１−ｊ，２１−ｋによって検出される。そのため、反射したテラヘルツ波Ｌ₂を受信したテラヘルツ波検出素子２１−ｉ，２１−ｊ，２１−ｋの位置によって、鋼材８１の減肉深さや樹脂層８２の凸部の高さを導出できる。これにより、鋼材８１の上層の樹脂層８２を剥離させることなく、樹脂層８２の表面８２ａ側から鋼面８１ａの凹凸の状態を導出することが可能になる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図６は、この第２の実施形態による電磁波送信器を示すブロック図である。図７は、この第２の実施形態による変位計測装置を模式的に示す図である。

図６に示すように、電磁波発信器４０は、テラヘルツ波発信手段としてのテラヘルツ波発信部４１、ダイクロイックミラー４２、レンズ４３、および電磁波発信手段としての電磁波発信部４４を有して構成される。テラヘルツ波の発信光学系であるテラヘルツ波発信部４１は、例えばＲＴＤなどを備えて構成されるテラヘルツ波発生素子４１１、半球レンズ４１２、およびコリメートレンズ４１３を有して構成される。なお、ＲＴＤの代わりにＰＣＡを用いてもよい。電磁波の発信光学系としての電磁波発信部４４は、例えば半導体レーザなどを備えて構成される電磁波発生素子４４１、半球レンズ４４２、およびコリメートレンズ４４３を有して構成される。電磁波発信器４０は、電磁波を反射するとともにテラヘルツ波を透過するダイクロイックミラー４２によって、テラヘルツ波と電磁波とを略同一の軸方向に発信可能に構成されている。ここで、電磁波発生素子４４１としては、テラヘルツ波発生素子４１１から発信されるテラヘルツ波の波長よりも、短波長の電磁波を発信する素子であれば、種々の素子を採用することが可能である。なお、鋼面８１ａで反射されたテラヘルツ波と樹脂層８２の表面８２ａで反射される電磁波との分離性能や、計測における分解能からの計測性能の観点からは、電磁波発信部４４から発信される電磁波は、レーザ光であることが望ましい。

図７に示すように、第２の実施形態による変位計測装置２においては、第１の実施形態の変位計測装置１において、テラヘルツ波発信器１０の代わりに図６に示す電磁波発信器４０を備えるとともに、テラヘルツ波検出器２０の代わりに混合波検出器５０を備える。電磁波発信器４０は、対象物８０に対して、０°より大きい所定の入射角をなして、テラヘルツ波および電磁波を照射可能に構成されている。混合波検出器５０は、テラヘルツ波検出器２０におけるテラヘルツ波検出素子２１−１〜２１−ｎと同様の、テラヘルツ波検出手段としてのテラヘルツ波検出素子５１−１，…，５１−ｉ，…，５１−ｊ，…，５１−ｎを備える。混合波検出器５０はさらに、テラヘルツ波検出素子５１−１〜５１−ｎのそれぞれに隣接しつつ平面状に並べて構成された、電磁波検出手段としての電磁波検出素子５２−１，…，５２−ｉ，…，５２−ｊ，…，５２−ｎを備える。電磁波検出素子５２−１〜５２−ｎはそれぞれ、電磁波発生素子４４１から発信されて対象物８０で反射された電磁波を検出可能に構成されている。これにより、混合波検出器５０は、反射されたテラヘルツ波と電磁波とをともに検出可能に構成されている。

以上のように構成された変位計測装置２においては、テラヘルツ波Ｌ₃および電磁波Ｌ₄を、電磁波発信器４０から対象物８０に対して所定の入射角θ₀で照射する。照射されたテラヘルツ波Ｌ₃は鋼面８１ａで反射する。電磁波Ｌ₄は、樹脂層８２の表面８２ａで反射する。混合波検出器５０のうちのテラヘルツ波検出素子５１−１〜５１−ｎによって、鋼面８１ａで反射したテラヘルツ波Ｌ₃₁が検出される。一方、混合波検出器５０のうちの電磁波検出素子５２−１〜５２−ｎによって、樹脂層８２の表面８２ａで反射された電磁波Ｌ₄₁が検出される。混合波検出器５０におけるテラヘルツ波Ｌ₃₁の観測位置Ｐ₃と電磁波Ｌ₄₁の観測位置Ｐ₄との間隔に基づいて、第１の実施形態の第１実施例と同様にして、幾何学的に鋼面８１ａと樹脂層８２の表面８２ａとの距離、すなわち樹脂層８２の厚さｄ₀を導出できる。

具体的には、図７に示すように、電磁波発信器４０から発信されたテラヘルツ波Ｌ₃および電磁波Ｌ₄は、対象物８０の表面に照射される。テラヘルツ波Ｌ₃は、樹脂層８２を透過して鋼面８１ａでテラヘルツ波Ｌ₃₁として反射する。鋼面８１ａで反射したテラヘルツ波Ｌ₃₁は、混合波検出器５０における観測位置Ｐ₃に対応するテラヘルツ波検出素子５１−ｊに到達する。一方、電磁波Ｌ₄は、樹脂層８２の表面８２ａで反射して、電磁波Ｌ₄₁として混合波検出器５０における観測位置Ｐ₄に対応する電磁波検出素子５２−ｉに到達する。混合波検出器５０において、観測位置Ｐ₃，Ｐ₄の間隔を計測することによって、間隔と樹脂層８２の屈折率とから、幾何学的に反射位置のずれを導出でき、樹脂層８２の厚さｄ₀を導出できる。

同様にして、鋼材８１に減肉部８３が生じて樹脂層８２が充填されている場合や、鋼材８１の減肉部８３が空洞である場合や、樹脂層８２に凸部が生じている場合においても、第１の実施形態と同様にして、減肉部８３の深さｄ₁，ｄ₂や凸部の高さｈ₁を導出できる。

（第２の実施形態の変形例）
上述した第２の実施形態による変位計測装置２においては、混合波検出器５０が、テラヘルツ波検出素子５１−１〜５１−ｎと電磁波検出素子５２−１〜５２−ｎとを備える。これにより、混合波検出器５０の構成が複雑になる可能性がある。そこで、変位計測装置２における電磁波発生素子４４１を、テラヘルツ波を発信可能なＲＴＤやＰＣＡなどのテラヘルツ波発生素子から構成し、電磁波発信部４４から発信されるテラヘルツ波の周波数と、テラヘルツ波発信部４１から発信されるテラヘルツ波の周波数とを異なる周波数にする。具体的には、テラヘルツ波発信部４１から発信するテラヘルツ波を、樹脂層８２を透過しやすい、周波数が低い長波長のテラヘルツ波とする一方、電磁波発信部４４から発信するテラヘルツ波を、樹脂層８２の表面８２ａで反射しやすい、周波数が高い短波長のテラヘルツ波とする。これにより、電磁波発信器４０から発信される電磁波がともにテラヘルツ波になることから、混合波検出器５０を用いずに第１の実施形態によるテラヘルツ波検出器２０を用いて、対象物８０を反射した２種類の波長のテラヘルツ波を検出できる。そのため、変位計測装置２の構成を簡略化することが可能になる。

以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた数値、材料、および素子構成はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値、材料、および素子構成を用いてもよく、本発明は、実施形態による本発明の開示の一部をなす記述および図面により限定されることはない。

上述した第１の実施形態においては、テラヘルツ波発生素子として、テラヘルツ波の波長を変更可能な波長可変テラヘルツ素子を用いることも可能である。この場合、樹脂層８２を透過しやすい波長のテラヘルツ波と、樹脂層８２の表面８２ａで反射しやすい波長のテラヘルツ波との２種類のテラヘルツ波を、所定時間間隔で交互に発信するようにしてもよい。これにより、第２の実施形態における電磁波発信器４０と同様の構成を得ることができる。

上述した第２の実施形態において、それぞれのテラヘルツ波検出素子５１−１〜５１−ｎと、それぞれの電磁波検出素子５２−１〜５２−ｎとを平面状に隣接して並べて構成して、テラヘルツ波および電磁波をともに検出可能とした混合波検出器５０を用いているが、必ずしもこの混合波検出器５０の構成に限定されない。例えば、テラヘルツ波検出素子５１−１〜５１−ｎを平面状に並べて構成したテラヘルツ波検出器と、電磁波検出素子５２−１〜５２−ｎを平面状に並べて構成した電磁波検出器とを、別体で構成することも可能である。この場合、電磁波が到達する位置に電磁波検出器を設置し、テラヘルツ波が到達する位置にテラヘルツ波検出器を設置することが好ましい。

１，２ 変位計測装置
１０ テラヘルツ波発信器
１１，４１１ テラヘルツ波発生素子
２０ テラヘルツ波検出器
２１−１，…，２１−２，…，２１−ｉ，…，２１−ｊ，…，２１−ｋ，…，５１−１，…，５１−ｉ，…，５１−ｊ，…，５１−ｎ テラヘルツ波検出素子
３０ 解析制御部
３４ 解析処理部
４０ 電磁波発信器
４１ テラヘルツ波発信部
４４ 電磁波発信部
５０ 混合波検出器
５２−１，…，５２−ｉ，…，５２−ｊ，…，５２−ｎ 電磁波検出素子
８０ 対象物
８１ 鋼材
８１ａ 鋼面
８２ 樹脂層
８２ａ 表面
８２ｂ 裏面
８３ 減肉部
８４ 空洞
８５ 凸部
８５ａ 上面
４４１ 電磁波発生素子
Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₂₁，Ｌ₂₂，Ｌ₂₃，Ｌ₃，Ｌ₃₁ テラヘルツ波
Ｌ₄，Ｌ₄₁ 電磁波

Claims (5)

1. 金属基体の上層に非金属層が設けられた対象物の所定位置に、テラヘルツ波を０°より大きい所定の入射角をなして照射可能に構成されたテラヘルツ波発信手段と、
   前記対象物の所定位置に、電磁波を前記所定の入射角をなして照射可能に構成された電磁波発信手段と、
   前記対象物において反射されたテラヘルツ波を検出可能に構成されたテラヘルツ波検出素子が平面状に複数設けられたテラヘルツ波検出手段と、
   前記対象物において反射された電磁波を検出可能に構成された電磁波検出素子が平面状に複数設けられた電磁波検出手段と、
   前記テラヘルツ波検出手段によって得られた前記反射されたテラヘルツ波の観測位置に基づいて、前記所定位置における前記金属基体の表面の変位を導出し、前記電磁波検出手段によって得られた前記反射された電磁波の観測位置に基づいて、前記所定位置における前記非金属層の表面の変位を導出する解析手段と、を備える
   ことを特徴とする変位計測装置。
2. 前記電磁波発信手段から発信される電磁波が、前記テラヘルツ波発信手段から発信されるテラヘルツ波の波長よりも短波長のテラヘルツ波である
   ことを特徴とする請求項１に記載の変位計測装置。
3. 前記金属基体が鋼材であるとともに、前記非金属層が樹脂層である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の変位計測装置。
4. 金属基体の上層に非金属層が設けられた対象物の所定位置に、テラヘルツ波を０°より大きい所定の入射角をなして照射するテラヘルツ波照射ステップと、
   前記対象物の所定位置に、電磁波を前記所定の入射角をなして照射する電磁波照射ステップと、
   前記対象物において反射されたテラヘルツ波を、テラヘルツ波検出素子が平面状に複数設けられたテラヘルツ波検出手段によって検出するテラヘルツ波検出ステップと、
   前記対象物において反射された電磁波を、電磁波検出素子が平面状に複数設けられた電磁波検出手段によって検出する電磁波検出ステップと、
   前記テラヘルツ波検出ステップにおいて得られた前記反射されたテラヘルツ波の観測位置に基づいて、前記所定位置における前記金属基体の表面の変位を導出するテラヘルツ波解析ステップと、
   前記電磁波検出ステップにおいて得られた前記反射された電磁波の観測位置に基づいて、前記所定位置における前記非金属層の表面の変位を導出する電磁波解析ステップと、を含む
   ことを特徴とする変位計測方法。
5. 前記金属基体が鋼材であるとともに、前記非金属層が樹脂層である
   ことを特徴とする請求項４に記載の変位計測方法。

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