【発明の詳細な説明】
光誘導画像生成装置及び方法
本発明は光誘導画像生成技術、特に渦電流プローブ及び熱波を使用して、試料又
は渦電流プローブの応答パターンを画像生成することに関する。
【ｉ且工二月１
渦電流プローブくちある種の非破壊検査法（ＮＤＥ）として使用されている。材
料を走査するさいに生じる渦電流プローブのインダクタンス変化をモニターする
と、この材料の構造に関する情報をめることができる。渦電流プローブは非接触
式なため、また比較的小型で比較的低コストなため、有用な装置ではあるが、こ
の種のプローブには制限がある。即ち、対象が導電性材料のみで、未使用の表面
領域か薄いプレートに場合にのみ情報の信頼性が扁い。また、渦電流プローブの
空間解像力はプローブのサイズによって制限される。
さらに、渦電流プローブは再現性が低（、挙動にバラツキがある。加えて、一般
に用途に応じて大きさ、形状、構成や操作について異なるものを多数を用意して
お（必要がある。例えば、操作周波数が異なる場合は異なるプローブが必要であ
る。さらに別な例では、即ち検査領域が広い場合には、大形のプローブが必要で
ある。
従って、渦電流プローブを較正する必要が実際にめられいる。ところが、各種の
渦電流プローブに使用できる簡単かつ効率のよい方法は知られていない。現在利
用されている較正方法では、検査する必要があるそれぞれの傷、材料や幾何学的
形状に応じて作成したいわゆる“人為的基準物” （換言すれば、傷をシュミー
レージ四ンしたものを含む基準物）を利用して〜）るため、各種広範囲なこれら
人為的基準物を用意し、特性化し、分類しておく必要があるが、これは時間がか
がる上に、コストがかかる。
従って、本発明の目的は渦電流プローブを較正するために簡単かつ効率よ（使用
できる光誘導画像生成手段を提供することにある。
本発明の別な目的は大きさ、形状、構成、操作が異なる各種の渦電流プローブに
使用できる、上記手段及び方法を提供することにある。
本発明のさらに別な目的は渦電流プローブの特性応答パターンについて画像生成
できる上記手段及び方法を提供することにある。
本発明のさらに別な目的は非破壊的で、かつ経済的・効率的に計測機器に組み込
むことができる、上記手段及び方法を提供することにある。よく知られているよ
うに、渦電流プローブはＮＤＥ探傷に使用されている。なお、本発明による光誘
導画像生成技術は探傷にも利用でき、この探傷技術は渦電流プローブのみを利用
する探傷技術よりも優れている。また、光誘導画像生成技術を利用すると、空間
解像力を渦電流プローブを単独で使用する場合よりも高くできる。
従って、本発明のさらに別な目的は良好な解像力で材料を非破壊検査できる光誘
導画像生成手段及び方法を提供することにある。
さらに本発明の別な目的は材料の探傷に有効な上記手段及び方法を提供すること
にある。
以下、本発明を添付図面により説明するが、これから本発明の上記その他の目的
、特徴、利点があきらかになるはずである。
ｌ１亘Ｉｊ
本発明は導電性材料の光誘導画像生成手段及び方法、一般にはこれら材料の表面
付近層について、あるいは非導電性や部分導電性の基体上の薄いプレートやシー
ト材料または薄い導電性フィルムについての光誘導画像生成手段及び方法に関す
る。本発明手段及び方法は渦電流プローブの較正・渦電流プローブ応答のマツピ
ングに、あるいは例えば材料の非破壊的画像生成による探傷に有効である。
渦電流プローブは試料に近接して設ける。この試料としては、被分析試料や被Ｗ
Ｉ像生成試料でもよ（、あるいは較正に使用する無傷の対照試料のいずれでもよ
い。プローブを構成する場合には、プローブ及び試料を静止させた状態で、局部
加熱源を試料の反対側でラスター走査して、局部的な熱波を発生し、プローブと
同時に試料を加熱する。
次に、渦電流プローブの読みを時間について記録紙、ラスター走査に対する渦電
流プローブの電気インピーダンス変化のマツプ、即ち画像を生成する。
この方法で得られるのは基本的には対象プローブの応答パターンの画像、即ちマ
ツプである。この応答パターンから、プローブの特性を識別でき、プローブを較
正でき る。
試料について画像生成する場合には、渦電流プローブ及び局部加熱源により試料
間をラスター走査する。あるいは、試料及び渦電流プローブを静止状態においた
まま、局部加熱源により試料間をラスクー走査してもよい。次に、渦電流プロー
ブの出力を記録し、既にラスター走査した試料の当該部分の画像を出力する。材
料に傷があると、傷のない材料部分に比較した場合、温度変化にバラツキがでる
ので、画像が良好な位置解像力で試料の当該部分のマツプを描き、閉塞部、孔や
亀裂等の傷の位置を示す。
の 単な２
第１図は光誘導画像生成システムの一実施例を示す概略図である。
第２図は光誘導画像生成方法を示す概略図である第３ａ〜３ｄ図はアルミニウム
試料（第３ｃ図及び第３ｄ図）上に設けた２つの黒色ストリップを光誘導画像生
成する状態を示す図である。即ち、第３ａ図は画像の時間に対する渦電流プロー
ブ振幅の関係を示す図で、そして第３ｂ図は画像の時間に対する位相シフトの関
係を示す図である。
第４ａ図及び第４ｂ図は２つの異なる渦電流プローブについて応答パターンを光
誘導画像生成する状態を説明する図である。
第６ａ図及び第６ｂ図は有孔試料を実際にラスター走査している状態を示す図で
ある。即ち、第Ｂａ１ｍは孔のない試料部分の走査状態を示す図であり、そして
第６ｂ図は孔部分間の走査を示す図である。
第７図は本発明により形成した光誘導画像を斜視図であ る。
な の 細 なＸ
以下、本発明の理解を助けるために、添付図面について本発明の好適な実施例を
説明する。勿論、各図の部材等には参照符号を付けである。
第１図は光誘導画像生成システム１０のブロック図である。導電性材料の薄いシ
ート、例えば金属箔からなる試料１２は公知の渦電流プローブ１４に近接して設
ける。
当業者ならが知悉しているように、この実施例では、渦電流プローブ１４及び試
料１２をホルダー内に収容し、次にＸ−Ｙ併進器１６に接続する。この併進器１
６によりマイクロコンピュータ１８からの指示に従ってプローブ１４及び試料１
２を移動させる。
アルゴン・イオンレーザ−２０はビーム２２を発失し、これをチョッパー機構２
４に送る。チＷ”）パー機構２４は公知のものであればよく、基本的にはこれが
レーザーをパルス化して、レンズ２６に送り、ビーム２２を試料１２に集光する
ため、試料のごく一部、即ち小面積部にビーム２２が直接衝突し、熱波を発生す
ることによって、チ筺ツビング周波数に依存する加熱深さまで試料１２の上記部
分を加熱する。
チーツバ−２４は各周波数につき制御可能で、レーザー２０のビーム２２を変調
する。
公知渦スコープを渦電流プローブ１４のコイル３０に接続し、さらにロック命イ
ン形増幅器３２に接続する。
このロック書イン形増幅器３２とチーツバ−２４は同調している。
渦スコープ２８からの信号がロック・イン形増幅器３２により分析されると、振
幅成分と位相成分が発生する。
これら各成分はロック・イン形増幅器３２からそれぞれ別な電圧計３４．３６に
送られる。電圧計３４．３８からのアナログ出力信号は垂直位置センサーからの
信号と合わせて、線形可能差動変圧器（ｌｖｄｔ）等のｘ−ｙ記録計３８．４０
の水平チャネルに送る。一方、Ｘ−ｙＥｆ＆計３８．４０の水平チャネルには水
平位置センサーからの信号を送る。ｘ−ｙ記録計３８．４０の信号は渦電流プロ
ーブ１４のインピーダンスの変調を表し、チｇッピング処理レーザービーム２２
に同調している。この信号はまたプローブ１４位置のサンプル画像を表す。
’ｘ−ｙ併進器併進−１６プローブが試料と共にコンピュータ制御方式でビーム
２２内を移動する。なお、この移動は合理的な方式であるならどんな移動方式で
もよ〜）が、ラスクー走査方式にすると、識別できる画像を信頼性高く得ること
ができるので有利である。
第２図は第１図のシステム１０を使用した光誘導画像生成方法の細部を示す概略
図である。試料１２の一面に変調レーザービーム２２を集光し、試料１２の導電
率に局部的な温度により変動を誘導すると、熱波が（金属箔の）試料１２に発生
し、試料１２０反対側の設けた渦電流プローブ１４がこれら変動を同期的に検出
する。なお、プローブは試料１２の同じ側に設けることもできるはいうまでもな
い。熱拡散長さ・電磁表皮深さは埴ずれも試料１２の厚みに比較して大きい。ビ
ーム２２により試料１２間をラスター走査すると、試料１２の熱吸収特性の光誘
導画像生成が生じる。これは試料１２表面の黒色マーク−これについては第３ａ
〜３ｄ図に言及するさいに説明する−と、試料中の小孔−これについては第５図
及び第６ａ〜６ｂ図について言及するさいに説明する−によって生じるものであ
る。渦電流信号はすぐれた空間解像力を与える。一方、熱波はこの解像力を強め
、簡単な小型の非接触式渦電流検出器の使用を可能にする。従って、表面亀裂等
の傷の検出性が向上する。
第３ａ図及び第３ｂ図に、直径が３０μｍのスポットに集光した公称１ワツトの
レーザービーム２２により、傷が存在しているように表面に２つの黒インクスト
リップを設けた（第３ｃ図及び第３ｄ図を参照）アルミニウム箔試料１２（厚み
＝ ２０μｍ）間をラスター走査して得た振幅及び位相画像を示す。空隙等の傷
が存在する場合と同様に、黒色領域があるとレーザー加熱強度が強（な る。
第３ａ図から、温度誘導抵抗の増大に対応する黒色領域において振幅画像信号が
強くなると、渦電流プローブ１４のインピーダンスが高くなることがわかる。左
側のストリップ中心の振幅画像の窪み構造は金属分のほとんどない領域によるも
のである。
第３ｂ図の位相画像コントラストは主にノイズ・リダクシ１ン機構によるものと
考えられる。この１ｉｌｉｉ像はそれぞれ１３Ｈｚ及び１００ｋＨｚのレーザー
変調周波数及び渦電流プローブ周波数で得たものであり、従って熱波減衰長さ及
び電磁表皮深さが２０μｍの試料厚みよりも大きかった。画像生成時この試料を
渦電流プローブに固定した状態で、レーザービームにより試料間をラスター走査
した。 第３ｃ図及び第３ｄ図の黒色ストリップの長さは１ｍｍであった。ロッ
ク・イン形増幅器３２の感度は７ｍＶで、時定数は１２５ｍ５であった。
なお、システム１０を操作する場合、レーザービーム２２に対して試料及びプロ
ーブを一緒に移動させてもよく、あるいは試料及びプローブを固定した状態でビ
ーム２２により走査してもよい。いずれの場合も、第３ａ図及び第３ｂ図の画像
が得られる。というのは、プローブ１４の感度領域は画像領域よりもかなり大き
いからである。
第５図及び第６８・６ｂ図には、本発明の別な画像生成能力を示す。第５図に渦
電流プローブの単巻きコイルの直下に小孔があるアルミニウム箔試料間をレーザ
ービーム２２で走査した場合の信号の理論的計算法を示す。
小孔の輪郭を明瞭にみることができる。
第６ａ図は小孔から離れた位置にある試料部分を通る１本のラスター走査線を示
す図である。また、第６ｂ図は小孔を直接通る１本の走査線を示す図であり、本
発明の高い解像力を示す小孔のシャープな縁部を図示しである。小孔縁部の、均
質ではない信号構造はこの小孔を与えるさいに使用した針により生じたインキ膜
の擦過傷に得られたと考えられる。
解像力については、渦電流プローブを単独で使用した場合よりも高い。渦電流画
像生成の解像力の支配因子はプローブの大きさである。光誘導画像生成を利用す
る本発明では、解像力の支配因子は熱スポットの大きさ、即ちレーザー集光スポ
ットの直径である。Ｍ ６ ａ・６ｂ図の画像生成例では、レーザーエネルギー
の吸収を嵩くするために箔試料を黒色化した。
第７図に複合試料、即ちガラス層３４に付着堆積処理した金フィルムについての
実施例を示す。また、第７図に示すように、この金フィルム上には白抜き文字“
ＮＤＥ ＩＩを書き込んでおいた。
本発明の画像生成法を使用することによって、第７図の概略図でガラス層３４の
下に示される、三次元光誘導画像３６を誘導できた。図から理解できるように、
黒色インキは、第３ ａ −ｄ図の黒色ストリップの場合と同様に、ガラス層３
４間でプローブ及び局部加熱スポットを走査すると、導電率が変化する。Ｉｉ！
ｉ像３６像上６に、文字“ＮＤＥ”の三次元画像を明瞭に示すことができる。
従うで、本発明は熱を吸収する例えば空隙、傷や亀裂等を画像生成するのに有用
である。また、本発明システムは極めて薄いシートや箔だけでなく、これらより
も厚い材料にも適用できる。
また、この画像生成性は渦電流グローブ応答の較正やマツピングにも有用である
。
上記の光誘導画像生成の場合と同様に、第１図システム１０は漏電流プローブを
較正するために使用できる。
この場合の被分析試料１２は較正材料からなる。例えば、この較正材料はプロー
ブを用いて検査する材料と同じ材料からなる薄いプレート、プローブがボルト孔
等の孔を検査するようになっている場合には湾曲材料、位相転移を起こし易い磁
性材料や半導体材料等の特に感度の扁い材料からなる材料や、導電率の温度係数
の高い材料であればよい。さらに、プローブにより検査しようとする形状をもつ
ようにしてもよい。
上記と同様に、レーザービーム２２等の局部加熱源を使用して、較正材料の局部
に導電率変化を起こす。この導電率にバラツキがある部分を走査し、渦電流プロ
ーブの電気インピーダンスの変化を記録し、プローブの応答パターンのマツプを
作成する。この応答パターンを次に使用して較正等を行う。
第４ａ図及び第４ｂ図に２つの異なる渦電流プローブの応答パターンマツプを示
す。第４ａ図の応答パターンは２ＭＨｚのプローブに、そして第４ｂ図の応答パ
ターンは１００ｋＨｚのプローブに関するものである。第４ａ図及び第４ｂ図の
比較から理解できるように、応答の最大強度とパターンの形状が明らかに相違し
ている。これは用途が特殊なプローブを選択するさいに有用である。
なお、応答パターンを使用すると、プローブの較正やプローブ品質の分析を行え
る。このプローブ品質の評価は較正材料に対してプローブを並進、あるいは回動
すれば実施できる。
プローブの磁場（その基本的物性）も応答パターンから定量的に決定できる。
第４ａ＠４ｂ図のプローブ応答パターンの光誘導画像から、磁場パターンを反映
する導電性較正材料の電流分布を示す円形特性パターンを知ることができる。ま
た、第４ａｅ４ｂ図のプローブ応答パターンから、次のようにすれば、プローブ
較正について正確な情報を得ることができる。
例えば、パターンの対称性からプローブ構成における何らかの傾斜や欠陥を知る
ことができる。また、パターンの相対的な垂直変位はプローブの磁場強度に比例
するため、垂直変位が大きくなると、磁場強度が強くなる。
即ち、プローブの感度が扁くなる。さらに、この垂直変位から単位励起電流当た
りのプローブ磁場の実際の量的強度をめることも可能である。
なお、本発明では上記以外の実施例も多数可能である。
即ち、本発明の要旨及び精神は後記請求の範囲で定義された範囲にあるもので、
本明細書に開示した実施例は発明の範囲を制限するものではない。
例えば、試料や較正材料の導電率の局部的変化は各種手段により簡単に起こすこ
とができる。以下に例示のみを目的として実例をあげれば、レーザービーム、集
光した電磁線（白熱光源からの光ビームを含む）、電子ビームやその他の粒子ビ
ームやＸ線ビーム等であり、これらを使用すれば、表面を局部的に加熱でき、導
電率を局部的に変化させることができる。また、より厚い材料や試料を走査する
場合には、渦電流プローブ及びレーザービームを同じ側から入射すればよい。
また、試料や較正材料への熱入力を変えると、加熱スポットを変更できる。
好適な実施例では、チσツバ−を使用して、レーザービームを変調する。ある種
の熱源の場合、チ覆ツバ−ではなく電気パルスを使用して変調を行う。あるいは
、よく知られているように、音／光変調器を使用してもよい。
勿論他の方法も可能である。なお、慎重に変調周波数を選択すれば、加熱スポッ
トの大きさをプローブの大きさよりもかなり小さくできるが、これは重要である
。
また、ＣＲＴに接続すれば、画像やプローブマツプを表示することができる。あ
るいは、制御装置を付加すれば、動作周波数や表示装置の感度を副面することが
できる。さらに、異なるプラグ・イン形モジュールをもつ接続手段を使用すれば
、システムにプローブを簡単に接続できる。
なお、用途や考えにより、 （レーザービーム等の）熱源及びプローブ測定コン
ダクタントは試料の反対側に設けることもできる。あるいは、これらは同じ側に
設けてもよＩｌ）。第１図及び第２図の実施例では、両画に設けている。また、
より厚い材料の場合には同じ側に設けるが、このためには熱源をその可動範囲内
で試料に向けることができる導電性プローブを使用すればよい。実例をあげれば
、巻き数の多いコイルであり、この場合隣接巻き線部分の間に十分な間隔がある
ため、あるいはそれを作ることができるため、集光レーザービームやその他の狭
い熱源を通すことができる。
狭い熱源の別な実例は光ファイバーであり、これを用いてもレーザービーム等の
エネルギーを試料のある局部に向けることができる。レンズの代わりに光ファイ
バーを用いても、幅を狭くでき、かつ熱源を局部に当てることができる。よく知
られているように、光フアイバーカップラーがチ、ツピング処理したレーザービ
ームを受け取り、渦電流プローブ等のプローブに物理的に挿入できる光ファイバ
ーを介してこれを試料に送る。
さらに、本発明は導電性プレートやシート、あるいは厚い導電性材料等の単一試
料だけでなく、第７図に示すガラスプレートに付着堆積処理した金フィルム等の
、非導電性か部分導電性の基体に固着した導電性フィルムにも適用できる。
第１図に示した本発明の好適な実施例の場合、各種の機器類が使用できる。例え
ば、加熱源としてはカリフォルニア、マウンテン争ビューのスペクトラ・フィシ
ツク社の製品、モデル２ｏ１０が、ビームチョブバーとしてはニューヨーク州、
イタ牛のイタコ社の製品、ＨＭＳライト・ビームΦチａツバ−モデル２２２が使
用できる。
レーザービームを集光するレンズとしては簡単な正レンズであればよく、好まし
くは、小さな集光スポットが得られる顕微鏡対物レンズを使用する。 渦スコー
プとしてはワシントン州、ケネクィックのノルチック社の製品、モデルＮＤＴ−
１９であればよく、また渦電流プローブもノルチック社製のものであればよい。
ｘ−ｙ併進器についても公知のものであればよく、例えばコンピュータ制御式の
複雑なローラベアリング並進テーブルであればよい。ｘ−ｙ記録計は各社、例え
ばヒラ−レット・バラカード社の製品であればよい。また、ロック・イン形増幅
器はニューシャーシー州、プリンストンのＦＣ＆Ｇ／プリンストン応用研究所の
製作したモデル５２０日であればよい。電圧計については公知のものがいずれも
使用でき、マイクロコンピュータは汎用マイクロコンピュータであればよ（、例
をあげればＩＢＭＰＣがある。
本発明が渦電流プローブを単独で使用した場合よりもいかにすぐれているかは亀
裂検出の場合において明らかである。なお、研削や打撃により亀裂が生じると、
基本的に渦電流に短絡が起きるため、信号強度が低くなり、従って渦電流プロー
ブを単独で使用した場合に検出の精度及び信頼性が低下する。ところが、本発明
ではレーザー等の加熱源により試料の亀裂上をその周囲を含めて加熱するので、
信号強度が高（なる。
トーーー ２順プ“−グ ＦＩＧ、 ４Ａ１ｍｍ
Ｋ）ＯｋＨｌＦＩＧ、 ４Ｂ
補正書の写しく翻訳文）提出書
（特許法第１８４条の７第１項の規定による書面）平成 ３年１２月１７日
１、特許出願の表示
ＰＣＴ／ＵＳ９０１０４１２０
２、発明の名称
ヒカリｌウドウ カ゛ソ゛ウ ｔイ ｔイ ソウ チ オヨ ネウ 本つ光誘導
画像生成装置及び方法
３、特許出願人
住所 アメリカ合衆国 アイオワ州 ５００１０． エイムズ。
ビアドシア ホール ３１５
名称 アイオワ ステイト ユニヴアーシティ リサーチファンディジ日ン、イ
ンコーポレイテッド国籍 アメリカ合衆国
４、代 理 人
住所 〒１００ 東京都千代田区丸の内２丁目４番１号丸ノ内ビルヂング４５２
区
電話 ３２０１−３４９７． ３２１４−６８９２西暦１９９１年６月１２日
原請求項第１〜５項と第７項を削除する。他の請求項には変化なし。
請求の範囲
１、検出領域をもつ渦電流プローブに隣接して較正材料を設け、
変調熱源を発生し、
該変調熱源を該較正材料の局部に向け、該プローブ手段の該検出領域の少な（と
も１部分に対応する該較正材料の局部を走査して、熱波を発生し、該較正材料に
温度変化を起こし、
該プローブ手段により、該較正材料に発生した温度の局部変化によって生じた該
局部の導電率変化を検出し、そして
検出された導電率変化を記録して、該プローブの応答領域のマツプを作成するこ
とからなる渦電流プローブの応答パターンをマツピングする方法。
２、較正すべき渦電流プローブに対して較正材料を保持する保持手段、
該較正材料に熱エネルギーを加える熱エネルギ一手段、較正材料に設ける前に熱
エネルギー源を変調する変調手段、
該変調熱エネルギー源により渦電流プローブの少なくとも検出領域間を走査する
走査手段、
該変調熱エネルギー源によって走査された局部領域の導電率変化に関係する信号
を該渦電流プローブから受信する受信手段、及び
検出された導電率変化を記録して、渦電流プローブの応答パターンのマツプを作
成する記録手段から渦電流プローブの較正手段。
国際調査報告 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Light-guided imaging apparatus and method The present invention uses light-guided imaging techniques, particularly eddy current probes and thermal waves, to
relates to imaging response patterns of eddy current probes. Eddy current probes are used as a type of non-destructive testing method (NDE). material
Monitor the inductance change of an eddy current probe as it scans the material
information about the structure of this material. Although eddy current probes are useful devices because they are noncontact, relatively small, and relatively low cost, they
species probes have limitations. That is, the information is only reliable if the target is only conductive material, such as an unused surface area or a thin plate. Additionally, the spatial resolution of eddy current probes is limited by the size of the probe. Furthermore, eddy current probes have low reproducibility (and inconsistent behavior.
For example, different operating frequencies may require different probes.
Ru. In yet another example, a large probe is required if the inspection area is large. Therefore, there is a real need to calibrate eddy current probes. However, there is no known simple and efficient method that can be used with various types of eddy current probes. current interest
The calibration method used involves a so-called “artificial reference” (in other words, a simulated flaw) created for each flaw, material or geometry that needs to be examined.
In order to make use of a wide variety of artificial reference materials (including those that have been synthesized by artificial intelligence), it is necessary to prepare, characterize, and classify a wide variety of these artificial reference materials, which is a time-consuming process. On top of that, it costs money. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a light-induced image generation means that can be easily and efficiently used to calibrate eddy current probes.Another object of the invention is to provide a light-induced image generation means that can be easily and efficiently used to calibrate eddy current probes. It is an object of the present invention to provide such means and methods that can be used with different types of eddy current probes.A further object of the present invention is to provide such means and methods that can generate images of characteristic response patterns of eddy current probes. A further object of the present invention is to non-destructively, economically and efficiently incorporate the present invention into measuring equipment.
The object of the present invention is to provide the above-mentioned means and method, which can be used to achieve the desired results. It's well known
Eddy current probes are used for NDE flaw detection. It should be noted that the optical attraction according to the present invention
Guided image generation technology can also be used for flaw detection, which is superior to flaw detection techniques that utilize only eddy current probes. Additionally, the use of light-induced imaging techniques can provide higher spatial resolution than when using eddy current probes alone. It is therefore a further object of the present invention to provide a photo-inductive method for non-destructive testing of materials with good resolution.
An object of the present invention is to provide a guided image generation means and method. Another object of the present invention is to provide the above means and method that are effective for flaw detection of materials. The present invention will be explained below with reference to the accompanying drawings, from which the above-mentioned and other objects, features, and advantages of the present invention will become clear. The present invention relates to means and methods for light-induced imaging of conductive materials, generally for near-surface layers of these materials, or for thin plates or sheets on non-conductive or partially conductive substrates.
Means and method for producing light-induced images on conductive materials or thin conductive films
Ru. The means and method of the present invention provides a method for calibrating eddy current probes and mapping eddy current probe responses.
For example, it is useful for flaw detection by non-destructive imaging of materials. The eddy current probe is placed close to the sample. This sample can be either the sample to be analyzed or the sample to be imaged (or an intact control sample used for calibration).
stomach. When constructing a probe, with the probe and sample stationary, a local heating source is raster-scanned on the opposite side of the sample to generate a localized heat wave that heats the probe and the sample at the same time. Next, record the eddy current probe readings over time on a recording paper, then scan the eddy current against the raster scan.
A map or image of the electrical impedance changes of the flow probe is generated. What this method basically obtains is an image of the response pattern of the target probe, that is, a map of the response pattern of the target probe.
It's Tsupu. From this response pattern, characteristics of the probe can be identified and probes can be compared.
I can correct it. When imaging a sample, an eddy current probe and a local heating source are used to raster scan the sample. Alternatively, the sample and eddy current probe may be left stationary and a localized heating source may be used to scan the sample between samples. Next, the eddy current probe
record the output of the sample and output the image of that part of the sample that has already been raster scanned. material
If there is a flaw in the material, the temperature change will vary when compared to the unscratched part of the material, so the image depicts a map of that part of the sample with good positional resolution and identifies flaws such as occlusions, holes, and cracks. Indicates the location of Figure 1 is a schematic diagram illustrating one embodiment of a light-guided imaging system. Figure 2 is a schematic diagram illustrating a method for producing light-induced images; Figures 3a-3d show two black strips on an aluminum sample (Figures 3c and 3d);
FIG. That is, Figure 3a shows the eddy current profile of the image over time.
Figure 3b shows the relationship between phase shift and image time;
FIG. Figures 4a and 4b are diagrams illustrating optically induced imaging of response patterns for two different eddy current probes. Figures 6a and 6b are diagrams showing the state in which a perforated sample is actually raster scanned. That is, Ba1m is a diagram showing a scanning state of a sample portion without holes, and FIG. 6b is a diagram showing scanning between hole portions. FIG. 7 is a perspective view of a light-guided image formed according to the present invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In order to facilitate understanding of the present invention, preferred embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. Of course, reference numerals are attached to members in each figure. FIG. 1 is a block diagram of a light-guided image generation system 10. As shown in FIG. A thin sheet of conductive material
A sample 12 made of metal foil, for example, is placed close to a known eddy current probe 14.
Let's go. As one skilled in the art would know, in this embodiment the eddy current probe 14 and
The material 12 is placed in the holder and then connected to the X-Y translator 16. This translator 16 moves the probe 14 and sample 12 according to instructions from the microcomputer 18. An argon ion laser 20 emits a beam 22 which is sent to a chopper mechanism 24. The laser mechanism 24 may be of any known type; basically, it pulses the laser, sends it to the lens 26, and focuses the beam 22 on the sample 12, so that only a small portion of the sample, i.e. The beam 22 directly collides with a small area and generates a heat wave.
By heating the above part of the sample 12 to a heating depth that depends on the tuning frequency.
Heat for a minute. The cheat bar 24 is controllable at each frequency and modulates the beam 22 of the laser 20. A known eddy scope is connected to the coil 30 of the eddy current probe 14, and a lock command is activated.
connected to the amplifier 32. The lock-in type amplifier 32 and the cheat bar 24 are in phase. When the signal from the vortex scope 28 is analyzed by the lock-in amplifier 32, the vibration
A width component and a phase component are generated. Each of these components is sent from the lock-in amplifier 32 to a separate voltmeter 34,36. The analog output signal from the voltmeter 34.38 is coupled with the signal from the vertical position sensor to the horizontal channel of an x-y recorder 38.40, such as a linearizable differential transformer (LVDT). On the other hand, there is water in the horizontal channel of X-yEf & total 38.40.
Sends the signal from the horizontal position sensor. The signal of x-y recorder 38.40 is eddy current pro
It represents the modulation of the impedance of the probe 14 and is tuned to the chipping laser beam 22. This signal also represents a sample image of the probe 14 position. An 'x-y translator translation-16 probe moves within the beam 22 in a computer-controlled manner with the sample. This movement can be done by any reasonable method.
However, the Lasceux scanning method is advantageous because it can reliably obtain distinguishable images. FIG. 2 is a schematic diagram illustrating details of a method for producing light-guided images using the system 10 of FIG. When the modulated laser beam 22 is focused on one side of the sample 12 and the conductivity of the sample 12 is induced to fluctuate due to local temperature, a heat wave is generated in the (metal foil) sample 12, causing a heat wave to be generated on the opposite side of the sample 120. An eddy current probe 14 synchronously detects these fluctuations. It goes without saying that the probes can also be provided on the same side of the sample 12.
stomach. The thermal diffusion length and electromagnetic skin depth are large compared to the thickness of sample 12. B
When the sample 12 is raster scanned by the beam 22, the light absorption characteristics of the sample 12 are detected.
Guided image generation occurs. This is due to the black marks on the surface of sample 12, which will be explained when referring to Figures 3a-3d, and the small holes in the sample, which will be explained when referring to Figures 5 and 6a-6b. It is caused by -
Ru. Eddy current signals provide excellent spatial resolution. Heat waves, on the other hand, enhance this resolution and allow the use of simple, compact, non-contact eddy current detectors. Therefore, the detectability of flaws such as surface cracks is improved. Figures 3a and 3b show that a laser beam 22 of nominally 1 watt focused on a spot 30 μm in diameter produces two black ink marks on the surface, indicating the presence of scratches.
Amplitude and phase images obtained by raster scanning between lipped aluminum foil samples 12 (thickness = 20 μm) (see Figures 3c and 3d) are shown. As with the presence of flaws such as voids, the presence of black areas increases the laser heating intensity (Fig. 3a). It can be seen that the impedance of the current probe 14 increases.Left
The concave structure in the amplitude image at the center of the side strip is due to the area with almost no metal content.
It is. The phase image contrast in Figure 3b is thought to be mainly due to the noise reduction mechanism. This 1illii image was obtained at a laser modulation frequency and an eddy current probe frequency of 13 Hz and 100 kHz, respectively, and therefore the thermal wave attenuation length and
The electromagnetic skin depth was greater than the sample thickness of 20 μm. During image generation, the sample was fixed to the eddy current probe and a laser beam was used to raster scan the sample. The length of the black strip in Figures 3c and 3d was 1 mm. Lot
The sensitivity of the amplifier 32 was 7 mV and the time constant was 125 m5. Note that when operating the system 10, the laser beam 22 is
The probe may be moved with the probe, or the sample and probe may be fixed.
It may also be scanned by the camera 22. In either case, the images shown in Figures 3a and 3b are obtained. This is because the sensitive area of the probe 14 is much larger than the image area.
It is the body. Figures 5 and 68-6b illustrate additional image generation capabilities of the present invention. Figure 5 shows a laser beam passing between aluminum foil samples with a small hole directly below the single-turn coil of the eddy current probe.
2 shows a theoretical method for calculating the signal when scanning with the -beam 22. The outline of the small hole can be clearly seen. Figure 6a shows one raster scan line passing through a portion of the sample at a distance from the small hole.
This is a diagram. FIG. 6b also shows a single scan line passing directly through the aperture, illustrating the sharp edges of the aperture that exhibit the high resolution of the present invention. Evenness of the edge of the small hole
The non-quality signal structure is thought to have been obtained from the abrasion of the ink film caused by the needle used to make this small hole. The resolution is higher than when using the eddy current probe alone. eddy current drawing
The determining factor in the resolution of image generation is the size of the probe. Using light-induced image generation
In the present invention, the controlling factor for resolution is the size of the heat spot, that is, the laser condensing spot.
is the diameter of the cut. In the image generation example shown in Figures M6a and 6b, the foil sample was blackened to increase the absorption of laser energy. FIG. 7 shows an example of a composite sample, that is, a gold film deposited on a glass layer 34. Further, as shown in FIG. 7, white characters "NDE II" were written on the gold film. By using the image generation method of the present invention, the glass layer 34 in the schematic diagram of FIG. A three-dimensional light-guided image 36, shown below, could be induced. As can be seen from the figure, the black ink was probed between the glass layers 34, as in the case of the black strip in Figures 3a-d. and scanning the local heating spot, the conductivity changes.Ii!i image 36 A three-dimensional image of the letters "NDE" can be clearly shown on the image 6. Therefore, the present invention absorbs heat. For example, it is useful for imaging voids, scratches, cracks, etc. The system can also be applied not only to very thin sheets and foils, but also to thicker materials. It is also useful for calibrating and mapping current globe responses. As with the light-induced imaging described above, the system 10 of FIG. 1 can be used to calibrate leakage current probes. Consists of calibration material. For example, this calibration material
Thin plates made of the same material as the material to be inspected using the probe, curved materials when the probe is designed to inspect holes such as bolt holes, magnetic materials that are prone to phase transitions, etc.
Any material may be used as long as it is made of a material with particularly low sensitivity, such as a conductive material or a semiconductor material, or a material with a high temperature coefficient of conductivity. Furthermore, it may have a shape to be inspected by a probe. Similar to above, a localized heating source, such as laser beam 22, is used to create a localized conductivity change in the calibration material. The area where the conductivity varies is scanned and the eddy current
It records the changes in the electrical impedance of the probe and creates a map of the probe's response pattern. This response pattern is then used for calibration, etc. Figures 4a and 4b show response pattern maps of two different eddy current probes.
vinegar. The response pattern in Figure 4a is applied to the 2MHz probe and the response pattern in Figure 4b is
The turns are for a 100kHz probe. As can be seen from the comparison of Figures 4a and 4b, the maximum intensity of the response and the shape of the pattern are clearly different. This is useful when selecting probes for specific applications. Note that response patterns can be used to calibrate probes and analyze probe quality.
Ru. This evaluation of probe quality can be performed by translating or rotating the probe relative to the calibration material. The probe's magnetic field (its fundamental physical properties) can also be quantitatively determined from the response pattern. From the light-induced image of the probe response pattern in Figure 4a@4b, a circular characteristic pattern can be seen that shows the current distribution in the conductive calibration material that reflects the magnetic field pattern. Ma
In addition, from the probe response patterns in Figures 4ae4b, accurate information about probe calibration can be obtained as follows. For example, the symmetry of the pattern can indicate any tilt or defect in the probe configuration. Furthermore, since the relative vertical displacement of the pattern is proportional to the magnetic field strength of the probe, the larger the vertical displacement, the stronger the magnetic field strength. That is, the sensitivity of the probe becomes low. Furthermore, from this vertical displacement, per unit excitation current
It is also possible to determine the actual quantitative strength of the probe magnetic field. Note that the present invention can include many other embodiments other than those described above. That is, the gist and spirit of the present invention is within the scope defined in the claims below, and the embodiments disclosed in this specification are not intended to limit the scope of the invention. For example, local changes in the conductivity of a sample or calibration material can be easily caused by various means.
I can do it. The following examples, for illustrative purposes only, include laser beams, focused electromagnetic radiation (including light beams from incandescent sources), electron beams and other particle beams.
These beams can be used to locally heat the surface and conduct
Electricity can be locally changed. Additionally, when scanning thicker materials or samples, the eddy current probe and laser beam can be launched from the same side. Also, by changing the heat input to the sample or calibration material, the heating spot can be changed. In the preferred embodiment, a laser beam is used to modulate the laser beam. For some heat sources, modulation is accomplished using electrical pulses rather than a chimney. Alternatively, a sound/light modulator may be used, as is well known. Of course, other methods are also possible. Note that if the modulation frequency is carefully selected, the heating spot can be
The size of the tip can be much smaller than the size of the probe, which is important. Furthermore, if connected to a CRT, images and probe maps can be displayed. a
Alternatively, by adding a control device, the operating frequency and sensitivity of the display device can be adjusted. Furthermore, connection means with different plug-in modules allow easy connection of the probe to the system. Depending on the purpose and idea, heat sources (such as laser beams) and probe measurement components may be used.
The ductant can also be provided on the opposite side of the sample. Alternatively, they can be placed on the same side. In the embodiments shown in FIGS. 1 and 2, they are provided in both images. In the case of thicker materials, they may be placed on the same side; for this purpose, a conductive probe can be used that allows the heat source to be directed at the sample within its range of motion. A practical example would be a coil with a large number of turns, where there is, or can be created, sufficient spacing between adjacent windings to facilitate the use of a focused laser beam or other narrow
It can pass through a strong heat source. Another example of a narrow heat source is an optical fiber, which can also be used to direct energy such as a laser beam to a localized area of the sample. Optical fiber instead of lens
Even if a bar is used, the width can be narrowed and the heat source can be applied locally. As is well known, optical fiber couplers are made of laser beams that have been processed by chipping and twisting.
an optical fiber that can receive a beam and be physically inserted into a probe, such as an eddy current probe
This is sent to the sample via the Additionally, the present invention provides a method for making single samples such as conductive plates, sheets, or thick conductive materials.
It is also applicable to conductive films fixed to non-conductive or partially conductive substrates, such as gold films deposited on glass plates as shown in FIG. In the preferred embodiment of the invention shown in FIG. 1, a variety of equipment can be used. example
For example, as a heating source, use Spectra Fissure in California, Mt.
The model 2o10 manufactured by Tsuku Co., Ltd. is used as a beam chop bar, and the HMS Light Beam Φcha Tuber Model 222, manufactured by Itaco Co., Ltd. in New York State, is used as a beam chop bar.
Can be used. A simple positive lens may be used as the lens for focusing the laser beam, and is preferable.
If possible, use a microscope objective that produces a small focused spot. vortex squawk
The probe may be a model NDT-19 manufactured by Nortic, Kennequick, Wash., and the eddy current probe may be manufactured by Nortic, Inc., model NDT-19. The x-y translator may also be of any known type, such as a complex computer-controlled roller bearing translation table. For example, x-y recorders are available from various companies.
Any product manufactured by Hilleret Barakad may be used. Also, lock-in type amplification
The container may be a Model 520 manufactured by FC&G/Princeton Applied Research Institute in Princeton, New Chassis. Any known voltmeter can be used, and the microcomputer can be any general-purpose microcomputer (for example, an IBM PC). Iruka is a turtle
This is evident in the case of cleft detection. It should be noted that cracks caused by grinding or striking essentially short circuit the eddy currents, resulting in lower signal strength and therefore lower eddy current probes.
Detection accuracy and reliability decrease when used alone. However, in the present invention, the cracks in the sample, including the surrounding area, are heated using a heating source such as a laser, so the signal strength is high. Copy and translation) Submission (Document pursuant to the provisions of Article 184-7, Paragraph 1 of the Patent Law) December 17, 1991 1. Indication of patent application PCT/US90104120 2. Name of invention 3. Apparatus and method for optically guided image generation 3. Patent applicant Address 315 Beardshire Hall, Ames, Iowa 50010, USA Name Iowa State University Research Fund, Japan
Incorporated Nationality: United States of America 4. Agent Address: 452 Marunouchi Building, 2-4-1 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo 100 Telephone: 3201-3497.3214-6892 June 12, 1991 Original Claims 1-5 Delete paragraph and paragraph 7. No change to other claims. Claims 1. Providing a calibration material adjacent to an eddy current probe having a detection area, generating a modulated heat source, directing the modulated heat source to a localized area of the calibration material,
scanning a localized portion of the calibration material corresponding to one portion of the calibration material to generate a heat wave to cause a temperature change in the calibration material; Detecting local conductivity changes and recording the detected conductivity changes to create a map of the response area of the probe.
A method for mapping the response pattern of an eddy current probe consisting of 2. holding means for holding the calibration material relative to the eddy current probe to be calibrated; a thermal energy means for applying thermal energy to the calibration material; modulation means for modulating the thermal energy source prior to application to the calibration material; scanning means for scanning at least a detection area of the eddy current probe with an energy source; receiving means for receiving from the eddy current probe a signal related to a conductivity change in a localized area scanned by the modulated thermal energy source; to create a map of the response pattern of the eddy current probe.
The calibration means of the eddy current probe from the recording means comprising. international search report