JPH11508039A

JPH11508039A - 物体の表面検査

Info

Publication number: JPH11508039A
Application number: JP9502739A
Authority: JP
Inventors: クェンティンクラーク、マーク
Original assignee: ブリテイツシユ・ニユクリアー・フユールズ・ピー・エル・シー
Priority date: 1995-06-15
Filing date: 1995-06-15
Publication date: 1999-07-13
Also published as: KR19990022929A; DE69530007D1; EP0838026A1; EP0838026B1; US5991017A; WO1997000438A1

Abstract

(57)【要約】回動する物体（１）の表面を検査する装置であって、物体を保持し、かつ回動させる物体保持手段と、同物体保持手段が物体を保持し、かつ回動させた際、光学放射線からなる第１のビームを物体の表面に対して照射する手段（３）と、物体保持手段が物体を保持し、かつ回動させた際、光学放射線からなる第２のビームを物体の表面に対して照射する手段（５）と、第２のビームは第１のビームとは異なる種類のビームとして検出可能であることと、物体の表面で反射された第１のビームからの放射線を検出し、かつ物体の表面で反射された第２のビームからの放射線を検出する検出器手段（７）と、検出器手段が形成した信号を受信し、かつ同信号を分析するための信号プロセッサ（１５）と、第１のビーム及び第２のビームはそれぞれ互いに異なる波長であるか、またはそれぞれ互いに異なる波長帯に属し、検出器手段は物体の表面の同一の照射領域から伝搬された第１のビーム及び第２のビームからの放射線を同時に受け取り、かつ検出し、さらには第１の出力信号及び第２の出力信号をそれぞれ形成可能であり、第１の出力信号は物体の照射領域内の複数の面積単位からの第１のビームの反射の変化を示す成分を有し、第２の出力信号は物体の照射領域内の複数の面積単位からの第２のビームの反射の変化を示す成分を有し、信号プロセッサは第１の出力信号の成分を第２の出力信号の成分に対して関連付けることにより、物体の表面の複数の面積単位における反射率に関する情報を強調することに適合していることを含む装置。

Description

【発明の詳細な説明】物体の表面検査本発明は物体の表面を検査する装置及び方法に関する。複数の製品表面検査プロシージャが各種産業において広く使用されている。慎重な表面検査を必要とする産業の１つとしては、核燃料の生産が挙げられる。核燃料ペレットは常には高い品質基準で製造される。更に、同核燃料ペレットは製造及び検査の後で燃料棒または燃料ピンと称されるチューブ内に挿入される。複数の燃料棒または燃料ピンは原子炉内で使用すべく一緒に組み立てられ、かつ炉心内に収容される。燃料ペレットをピン内へ挿入する前に、全ての燃料ペレットを検査することを顧客は要求している。この検査は欠陥ペレットを供給する可能性を低減し、同欠陥ペレットは使用時に高温及び高圧に露出された際にピンの損傷を招来する。現時点では、核燃料ペレット検査は訓練された検査官がペレットをトレイ上に保持して行っている。この手作業による検査は複数の問題点、即ち、（ａ）検査基準が各検査官の主観的判断に基づいて変化し得るとともに、オペレータによるエラーを避けられないことと、（ｂ）検査官は燃料ペレットに接近する必要があり、同燃料ペレットが酸化ウラン及び酸化プルトニウムの混合物等を含むＭＯＸ（混合酸化物）燃料ペレットを有する場合、検査官が燃料ペレットに接近することは安全上の問題から許容できないことと、（ｃ）検査を実施するために必要とされる時間及び人件費が大きいことを含む。核燃料ペレット等の物体を自動検査するための光学技術は当該技術分野において既に知られている。例えば、本願出願人による欧州特許出願公開第０５８３０９２号は被検査物体からのレーザ・ビーム・スポットの反射を利用した自動検査技術を開示している。光線の反射を利用した従来の技術が解決できない主な問題点としては、複数の種類の表面欠陥が光線を同じようにそれぞれ反射する点が挙げられる。これは、反射された光線が提供する欠陥に関する情報が制限され得ることを意味する。幾つかのケースでは、検出システムが異なる種類の欠陥を識別すること、または表面の外観の正常な範囲内のばらつき及び欠陥を識別することは困難である。本発明では、回動する物体の表面を検査する装置であって、物体を保持し、かつ回動させる物体保持手段と、物体保持手段が物体を保持し、かつ回動させた際、光学放射線からなる第１のビームを物体の表面に対して照射する手段（以下、第１の照射手段と称する）と、物体保持手段が物体を保持し、かつ回動させた際、光学放射線からなる第２のビームを物体の表面に対して照射する手段（以下、第２の照射手段と称する）と、第２のビームは第１のビームとは異なる種類のビームとして検出可能であることと、物体の表面で反射された第１のビームからの放射線を検出し、かつ物体の表面で反射された第２のビームからの放射線を検出する検出器手段と、検出器手段が形成した信号を受信し、かつ同信号を分析するための信号プロセッサと、第１のビーム及び第２のビームはそれぞれ互いに異なる波長であるか、またはそれぞれ互いに異なる波長帯に属し、検出器手段は物体の表面の同一の照射領域から伝搬された第１のビーム及び第２のビームからの放射線を同時に受け取り、かつ検出し、さらには第１の出力信号及び第２の出力信号をそれぞれ形成可能であり、第１の出力信号は物体の照射領域内の複数の面積単位（Ｕnits of area）からの第１のビームの反射の変化を示す成分を有し、第２の出力信号は物体の照射領域内の複数の面積単位からの第２のビームの反射の変化を示す成分を有し、信号プロセッサは第１の出力信号の成分を第２の出力信号の成分に対して関連付けることにより、物体の表面の複数の面積単位における反射率に関する情報を強調することに適合していることを含む装置を提供する。本発明に基づく装置は異なる波長であるか、または異なる波長帯に属する光学放射線からなるビームをそれぞれ物体の表面に照射する１つ以上の別の手段を任意で有し、前記の各ビームは他のビームとは異なる種類のビームとして検出可能であり、検出器手段は表面によって反射された各ビームからの放射線を同時に検出し、かつ同ビームに関する出力信号を形成可能であって、同出力信号は物体の照射領域内の複数の面積単位からの各ビームの反射の変化を示す成分を有する。本発明の装置は亀裂、チップ、ピット、介在物及び未浄化表面領域等の表面欠陥を検出すべく物体の表面を検査するために提供し得る。第１のビームは赤色等の第１の色の光線を有し、第２のビームは緑色等の第２の色の光線を有し得る。他のビームは他の色の光線を有し得る。更に、第１のビーム及び第２のビームはその異なる偏光によって識別可能である。また、第１のビーム及び第２のビームをパルス・ビームとして照射する場合、第１のビーム及び第２のビームはパルス長またはパルス・コードによって識別できる（以下に詳述する検出システムは異なる複数のパルスを認識するために同期信号を受信すべく形成されている）。前記の複数のビームのうちの少なくとも１つは２０度以下の角度発散を有することが望ましい。本発明の１つの実施の形態において、複数のビームのうちの別の１つは２０度を越す角度発散（例：４５度を越す角度発散）を有する。同実施の形態において、前記の角度発散の大きい方のビームは物体の表面を拡散照射し、同拡散照射の範囲は光源において９０度を越す角度範囲に及ぶ。前記の角度発散の小さい方のビームは物体の表面に対する接線に対して３０度未満の入射角度で同物体の表面に入射させ得る。この実施の形態において、入射点において表面に垂直に延びる垂線にほぼ平行をなす方向に沿って反射された放射線は以下に詳述する方法で検出される放射線である。本発明の別の実施の形態では、最初に述べたビームの他に、第２の放射線ビームは２０度以下の角度分散を有する。同実施の形態において、前記の低い発散角度を有する２つのビームは同ビームが入射する物体の表面に対して垂直に延びる垂線に対して４５度未満の角度で入射させることが望ましい。この実施の形態では、前記のビームが入射するポイントにおいて物体の表面に対して垂直に延びる垂線に対して０〜６０度（例えば、２０〜６０度）等の角度をなす方向に沿って反射された放射線は以下に詳述する方法で検出される放射線である。前記の第１の照射手段は矩形等の長形またはペンシル形等の卵形の横断面を備えたビームを形成する光源を含む。更に、第１の照射手段はビームを物体上にフォーカスし、これによって照射された線を物体の表面上に形成するフォーカス手段を任意で有し得る。前記の別の実施の形態において、別の照射手段は照射された線を同じように物体の表面上に形成し得る。第１の照射手段及び第２の照射手段、並びに任意の他の照射手段は従来の色付き光源をそれぞれ有し得る。色付き光源の例としては、カラー・フィルタを備えた白色光源と、水銀灯等のガス放電灯に代表される色付き光源と、１つ以上の半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）と、ルミネッセント光源と、直流エレクトロルミネッセント光源等のエレクトロルミネッセント光源と、１つ以上のプラズマ・パネル・セル・エミッタとのうちのいずれか１つが挙げられる。カラー・フィルタを備えた白色光源を有する照射手段の場合、形成された光線は物体の表面を拡散照射すべく配向可能である。光ファイバ・ガイドは光源からの光線を、物体の表面の照射に光線を必要とする領域まで伝搬すべく使用できる。異なる複数の光源から放射された放射線の強度は調整可能であることが望ましい。この結果、ユーザが用途に適したシステムに基づいて選択した出力強度として、異なる複数の出力強度を提供できる。異なる複数の光源から放射された放射線の波長帯は適切な照射装置の選択を可能にすべく変更できることが望ましい。被検査物体の同一表面を同時に照射する２つ以上の装置を提供することにより、表面に関する情報の２つ以上のチャネルを同時に得ることができる。そして、同２つ以上のチャネルは任意の１つのチャネルよりも更に大きな情報の出力を提供すべく以下に詳述する方法によって互いに関連付けできる。これは表面欠陥の種類を従来の信号認識技術を用いて更に簡単に認識できるようにする。更に、任意の欠陥に関する更に大量の情報を含む情報のチャネルを選択するか、または異なる複数のチャネル内でそれぞれ検出された複数の信号を比較及び対比することにより、任意の欠陥に関する情報を最大限にできる。これらのオペレーションは以下に詳述する方法で従来の信号処理技術を用いることにより実施できる。２色の光線を使用する複数の検査システムが既に知られているが、同システムは他の目的に使用されてきた。このため、同システムは本明細書に開示する方法に基づいて物体の表面から反射された複数のマルチカラー・ビームからの情報を検出し、処理し、かつ互いに関連付けできない。本発明は核燃料ペレットの自動検査に特に使用できる。ペレットは中空またはソリッドのほぼ直円柱体等のよく知られた形状を有し得る。ペレットの複数の端面は平坦面であるか、または凸状湾曲を有し得る。例えば、ペレットはＡＧＲ（改良型ガス冷却炉）型原子炉またはＬＷＲ（軽水炉）型原子炉に使用するペレットであり得る。ペレットは酸化ウランを含むことが可能であって、同酸化ウランは任意にてニオビア（Ｎiobia）またはガドリニア（Ｇadolinia）等の従来の１つ以上の添加物をドープできる。これに代えて、ペレットは前記のようにＭＯＸペレットを含み得る。この場合、ペレットは酸化プルトニウムを格納するグローブボッタス等の格納容器（Ｃontainment）内に常には収容され、これにより外部汚染を防止する。本発明に基づく装置の部品は格納容器の外側に配置可能である。格納容器は高純度ガラス等から形成された窓を有し得る。窓は格納容器内に収容されたペレットを検査すべく格納容器の内側及び外側への光学放射線の通過を可能にする。任意の１回の検査を実施するために、格納容器内へ配置する必要のあるペレットの数量は僅かである。このため、窓は放射線シールドとして機能する必要はない。中性子及びガンマ線をシールドする従来の材料を本発明の装置の部品の周囲に配置でき、同装置の部品は被検査ペレットを収容した格納容器の外側に位置する。本発明の装置において、ディテクタ手段、即ち検出器手段はフォトディテクタを有し得る。フォトディテクタは第１のビームから反射された放射線（第２のビームからの放射線を含まない）のみを検出する複数のフォトディテクタ・セルの第１のセットと、第２のビームから反射された別の任意の波長帯に属する光線のみを検出する複数のフォトディテクタ・セルの第２のセットとを有する。任意にて、第３のビームから反射された更に別の波長帯に属する光線のみを検出すべく複数のフォトディテクタ・セルの第３のセットを提供し得る。特に、フォトディテクタ・デバイスに詳しい当業者にとって明らかであるように、複数のフォトディテクタ・セルは互いに分離した複数のセルであるか、または１つの一体式ディテクタ上の複数の領域であり得る。検出器手段は複数の感光セルを並べた１つ、２つまたは３つの列を有するラインスキャン・フォトディテクタを含み得る。検出器手段は被検査物体上の線から反射された放射線をラインスキャン・フォトディテクタ上にフォーカスすべく、１つのレンズと、複数のレンズからなる組立体とのうちのいずれか一方を含むことができ、これによりフォトディテクタの列内の各セルは被検査物体の線上の１つのポイントに対応する。ラインスキャン・フォトディテクタがフォトディテクタ・セルの列を２つ有する場合、一方の列は第１のビームから反射された放射線のみを検出するセルを有し、他方の列は第２のビームから反射された放射線のみを検出するセルを有し得る。ラインスキャン・フォトディテクタがフォトディテクタ・セルの列を１つ有する場合、第１のビームから反射された放射線のみを検出するセルと、第２のビームから反射された放射線のみを検出するセルを同列内において交互に配置し得る。例えば、前記の交互に配置された複数のセルのうちの一方を赤色光線ディテクタとし、他方を緑色光線ディテクタとし得る。更に、別の色に感応する別のセルを各対を構成する赤色光線ディテクタ及び緑色光線ディテクタの間にそれぞれ配置し得る。被検査物体が実質的な直円柱を含む場合、同物体を自身の軸線の周囲において１０ｍｍ／秒より大きい表面回動速度、例えば、５０ｍｍ／秒より大きい表面回動速度、例えば、約７５ｍｍ／秒の表面回動速度で回動させ得る。ラインスキャン・フォトディテクタを使用して前記の方法で検査された表面上の複数の線は順番に撮影された互いに隣接する異なる複数の線であって、かつ完全な回動面を形成する。従って、回動面の完全なイメージ、即ち全体イメージは順次撮影された複数のイメージ線（例：数百本のイメージ線）から構成され、各線は同線上に並んだ複数のポイントからなる列に関する情報を示す。従って、完全なイメージは表面上に形成された線上に並べられた複数の独立したポイントである複数の独立したピクセルをそれぞれ示す複数の信号のセットを有する。本発明に基づく装置において、被検査物体の同時に行われる回動及び直動は水平面に対して傾斜したトラックに沿って移動させ得る連続ベルトと、同ベルトの表面を横断して延びるプレートとを有する装置を使用することによって従来の方法で行い得る。ベルトの側縁に対するプレートの角度は調整可能であることが望ましい。円柱核燃料ペレット等の物体はプレートの上方においてベルト上に供給され、かつプレートによってベルト上で支持される。ベルトの移動は物体を同物体の軸線の周囲において回動させる。更に、ベルトを横断して延びるプレートの側縁が水平面からずれて傾斜していることにより、物体の横方向への直動を側方への物体の滑動によって達成し得る。直動の方向はプレートが左側または右側のいずれの側に傾斜しているかに基づいて正または負となり得る。物体の回動速度はベルトの速度を調整することによって調整できる。更に、直動はベルトの側縁に対するプレートの角度を調整することによって調整できる。これに代えて、プレートの固定位置に対するベルトの進路の角度を変更することにより、直動を形成し得る。これら両方の選択肢において、直動の大きさはベルト及びプレート間の角度によって決定される。本発明の別の実施の形態において、物体を回動させる手段は本願出願人による欧州特許出願公開第０５８３０９２号に開示されている互いに隣接する複数のローラーと、同複数のローラーを同様に回動させることによって同ローラー上に配置された物体を同物体の軸線の周囲において複数のローラーとともに回動させる手段とを含む。複数のローラーはベース上に取付け可能であり、同ベースは適切なリニア・アクチュエータ（Ｌinear actuator）によって従来の方法で軸線に沿って一定速度で移動し得る。適切なリニア・アクチュエータの例としては、リードスクリュ（Ｌeadscrew）が挙げられ、同リードスクリュはローラの軸線と、同ローラ上の物体の軸線とに対して平行に延びる軸線に沿った移動を提供する。アタチュエータによる直動の最期において、同直動の方向は逆方向へ切り替えられる。これにより、ベースは再スタート位置へ戻される。複数の物体（例：２乃至５つの物体）は複数のローラを含む本発明の装置による検査を実施すべく同一の複数のローラ上に配置可能である。専用の検査ステーション及び検査装置か各物体に提供されており、同検査装置はプロジェクション手段及び検出手段を有する。複数の物体を一緒にローラ上へ配置し得る。これに代えて、１つの検査装置を２つ以上の物体間で共用し得る。例えば、１つの物体をローラ上で検査する間に、別の物体を取り除き、かつ新たな物体と置換する等といったことが可能である。複数のローラを含む本発明の装置では、複数の物体はピック・アンド・プレイス装置（Ｐick and place machine）によってローラ上へ配置され、次いで同ローラ上から取り除かれる。物体をローラ上へ配置し、次いで同物体をローラ上から取り除く際、物体はピックアップ位置において把持され、かつローラの軸線にほぼ直交する方向へ移動される。物体は検査され、検査結果は同物体をローラ上から取り除く前に得られる。物体が基準に適合していることを検査結果が示す場合、同物体をピック・アンド・プレイス装置によって取り除き、かつ合格品位置へ搬送し得る。物体が基準に適合していないことを検査結果が示す場合、物体をピック・アンド・プレイス装置によって取り除き、かつ不合格品位置へ搬送し得る。物体を蓄える場所の選択を制御するために、検査装置からの適切な信号はプログラマブル・ロジック・コントローラ(Ｐrogrammable logic controller;略してＰＬＣ)等の従来の適切なコントローラを通じてピック・アンド・プレイス装置を動作させるべく使用できる。複数の物体は適切な合格品位置及び／または不合格品位置において一緒に蓄え得る。核燃料ペレットの自動ハンドリングでは、本発明に基づく検査を実施すべくペレットは“クッション・トランスファ（Ｃushion Ｔransfer；商標名）”技術と称される技術によりペレット検査装置まで搬送できる。クッション・トランスファ技術の詳細はイギリス国特許出願公開第２２２３９９８号に開示されている。複数のローラを含む本発明の装置では、クッション・トランスファ・コンベヤを使用することにより、核燃料ペレットをピックアップ位置へ搬送し、さらには核燃料ペレットを合格品位置から離間する方向へ搬送し得る。ペレットをベルト及びプレートによって回動及び直動させる本発明の装置では、１つのクッション・トランスファ搬送トラック（Ｃushion Ｔransfer conveyi ng track）は複数のトラック（例：５つのトラック）に分割可能であり、各トラッタはペレットを同トラックに付随する独立した検査ステーションへ供給する。各ステーションは同ステーションに付随する独立したペレット回動及び直動手段、並びにプロジェクション及び検出手段を有し得る。異なる複数のトラックに沿ってそれぞれ移動する複数のペレットは検査後に１つのトラック上へ再び集め得る。その一方で、検出された欠陥を有するペレットは検査装置を通過した後でトラックから自動的に除去可能であり、例えば、同除去はシュート（Ｃhute）を動作させることによって行い得る。このオペレーションは検査装置内へ供給されたペレットの数量を数え、次いで欠陥ペレットの数量を記録し、さらには検査装置から送り出されるペレットの数量を欠陥ペレットに達するまで数えることによって行い得る。これらのオペレーションはカウンタ及びカウント・レコーダを使用することにより自動的に実施できる。この種のシステムは“先入れ先出し（Ｆir st in first out；略してＦＩＦＯ）”として知られている。各検査装置は欠陥の無い表面を有する既知の寸法の較正用ペレットと、既知の寸法の欠陥を有する既知の寸法の較正用ペレットとを使用して運転時に時々較正することが望ましい。本発明の実施の形態を本発明の例示を目的として添付図面に基づいて以下に詳述する。図１は本発明の検査装置の概略図であり、同検査装置の回路を部分的にブロック図として示す。図２は図１の装置に使用する別のライティング装置を示す概略図である。図３は図１または図２に示す装置を使用して物体を回動及び直動させるための装置を示す側面図である。図４は図３の装置の正面図（図３のIV−IV方向からの正面図）である。図１は本発明の実施の形態に基づく検査装置を含む装置のレイアウトを示す。核燃料ペレット等の実質的に直円柱をなす物体１は図３及び図４に基づいて以下に詳述する装置によって自身の軸線の周囲で回動され、かつ軸線に沿ってＸ方向へゆっくりと移動される。物体１は第１の光源３及び第２の光源５からそれぞれ放射された光線によって照射される。第１の光源３は第１の色（例：赤色）の光線を比較的狭いビーム（例：光源３において５度未満の角度内に存在するビーム）として放射する。光源３から放射された光線は物体上へ、その軸線に対して狭い角度（例：３０度未満の角度）で入射する。第２の光源５は第２の色（例：緑色）の光線を広い角度のビーム（例：光源５において９０度を越す角度内に内在するビーム）として提供し、これによって殆どの光線は物体１上へ軸線に対して３０度を越す角度で入射する。従って、光源３は高コントラスト・ライティングを提供し、光源５は拡散する低コントラスト・ライティングを提供する。２つの光源３，５は形成された光線が適切な狭い波長帯内に存在することを保証すべくフィルタ（図示略）をそれぞれ有し得る。照射された物体１のイメージはカメラ７によって撮影される。カメラ７において、レンズ９は物体１から反射した光線をラインスキャン・フォトディテクタ１１上へフォーカスする。カメラ７の視野は照射された物体１上の任意の線からの光線のみを入射させるべく意図的に制限されている。従って、前記の線のイメージはフォトディテクタ１１上に形成される。フォトディテクタ１１は複数のフォトセルを並べた列を有する。列内において、赤色光線に感応するフォトセル及び緑色光線に感応するフォトセルが交互に配置されている。従って、列内の幾つかのフォトセルは物体１上の選択された線の赤色イメージのみを検出し、同列内の別の幾つかのフォトセルは物体１上の選択された線の緑色イメージのみを検出する。フォトディテクタ１１はコントローラ１３によって制御されており、同コントローラ１３はフォトディテクタ１１からの出力を受信し、かつ同出力を数値化する。コントローラ１３からの出力は信号プロセッサ１５によって処理され、処理結果はディスプレイ１７上に表示される。実用する際、信号プロセッサ１５はディジタル・パーソナル・コンピュータを含み、コントローラ１３はコンピュータに接続するための印刷回路基板を有し得る。コンピュータ信号処理速度を高めるべくアクセラレータ・ボード等の１つ以上の別の回路基板を加え得る。例えば、フォトディテクタ１１はデータ・トランスレーションＤＴ２８５６ラインスキャン・コントローラ・ボード（Ｄata Ｔranslation ＤＴ 2856 Ｌinescan Ｃontro ller Ｂoard）とともに使用するＥ＆ＧレティコンＬＣ１９２２ラインスキャン・カメラ（Ｅ＆ＧＲeticon ＬＣ1922 Ｌinescan Ｃamera）を有し得る。ＤＴ２８５６はＤＴコネクト（ＤＴ-Ｃonnect）をサポートしている。ＤＴコネクトはＤＴ２８５６ボードと、コンピュータに接続された他のボードとの間におけるデータの高速転送を行うバスである。アラクロンＦＴ２００（Ａlacron ＦＴ 200 ）はアクセラレータ・ボードとして使用し得る。パーソナル・コンピュータは８０３８６または４８６のＣＰＵを使用するＩＢＭパーソナル・コンピュータ等を含み得る。物体１の曲面全体のイメージを形成すべく、複数の線イメージのシーケンスが前記のようにフォトディテクタ１１上で形成される。物体１の回動中、形成された複数の線イメージは物体１の軸線に平行な方向に沿って同物体１を横切って延びる連続した複数の線に対応している。最終的に、前記の複数の線は１回転分、即ち一周分の曲面を含むエリア・スキャンをカバーする。撮影された各線イメージ内の最小の面積単位はピクセルであり、かつカメラ７によって検出された物体１の線上の面積単位に対応している。ピクセルの幅はフォトディテクタ内のフォトセルの幅と、カメラ７の倍率とによって決定される。線イメージ内の各ピクセルの高さは物体１の回動速度と、コントローラ１３によるフォトディテクタ１１の走査速度とに基づいて決定される。図１に示す装置を核燃料ペレット（即ち、同ペレットは図１に示す物体１）の表面上の欠陥または同表面に隣接する欠陥を検出すべく使用する場合、表面亀裂の検出は特に重要である。亀裂はペレットを形成するための焼結中に発生する内部応力によって生じる。ペレットは亀裂によって複数の部分に分裂し得るまで脆弱になる。これは原子炉内性能に対して悪影響を及ぼし得る。従って、全てのペレットは亀裂について検査する必要があり、安全な範囲を越えた亀裂ペレットは不良品として処分する必要がある。 “エンド・キャッピング（Ｅnd capping）”と称される亀裂は核燃料ペレットの端部付近に発生する亀裂であって、かつペレットの周方向に沿って延びる複数の周方向亀裂を特徴的に有する。これはペレットの残りの部分に対するペレット端部の結合を弱める。光線ビームを用いて検査する表面亀裂の最も顕著な特徴としては、亀裂の幅よりも亀裂の深さが大きいことにより、亀裂が暗く見える点が挙げられる。亀裂内に入射した光線は同亀裂から出射する前に複数の反射を繰り返す。各反射は光線強度を大幅に低減させる。最も信頼できる亀裂検出では、亀裂は撮影されたイメージにおいて可能な限り暗く見える必要がある。ピクセル・サイズを減少させることにより、更に狭い亀裂を検出できる。この検出は更に多くのデータ処理を行い、かつ更に長い撮影時間をかけることによって達成される。ピクセルを横切るサブピクセル幅のクラックは同ピクセルの平均光線強度を低減する。この値が亀裂検出閾値より小さい場合、同ピクセルは亀裂ピクセルと見なされる。閾値を正常なペレットから得られる信号レベルに更に近い値に設定することにより、更に狭い亀裂を検出できる。閾値の設定は可能な限り多くの情報をイメージから引き出すことと、亀裂をノイズと間違えないことの間における妥協といえる。ノイズ・レベルが低い場合、更に多くの情報をイメージから安全に獲得できる。閾値化されたイメージ（Ｔhresholded image）に含まれるノイズはライティング装置によって左右される。光源３からの高コントラスト・ライティングは照射／検査された表面の配向に関する情報を提供すべく使用される。これは表面配向が変化することによってチップのエッジの検出を可能にする。高コントラストの明るいイメージは各グレイン・ファセット（Ｇrain facets）の配向に関する情報を有する。これはイメージをディスプレイ１７上の画像として見た際に粒子の粗いイメージ、即ちノイズの多いイメージを形成する。光源５からの低コントラスト・ライティングによって、正常なペレット表面は撮影されたイメージ中において僅かなノイズをともなう滑らかな表面として見える。前記のように、ノイズが減少することにより、欠陥閾値の設定をペレット表面の平均レベルに更に近づけ得る。これは更に小さい亀裂の検出を可能にする。ドライ・グラウンド・ペレット（Ｄry ground pellets）の場合、低コントラスト・ライティングは亀裂を隠す。そして、図２に基づいて以下に詳述する別の実施の形態を代わりに使用できる。図１に示す装置は亀裂の軸線方向長さ成分及び周方向長さ成分を測定し、かつ亀裂の範囲を確定すべく同軸線方向長さ成分及び周方向長さ成分を組み合わせるために使用できる。以下に詳述する他の複数の種類のペレット表面欠陥を本発明の装置を用いて認識及び測定できる。チップチップは常にはペレットの表面に存在する材料が損失した浅い領域である。チップの異なる複数の部分は光源の位置に基づいて異なる反射を形成する。ＮＣＵ表面処理が施されていないために滑らかであるペレットの表面領域はＮＣＵと称される。ライティング・システムに基づいて、ＮＣＵは正常な表面より明るく見えるか、または暗く見える。ピット及び孔ピットはペレットの表面に形成された円形またはほぼ円形のキャビティである。ピットは視認可能なキャビティの底によって孔と区別される。本発明の装置はピット及び孔の両方を検査し得る。ピット及び孔はほぼ一定の高さ／幅アスペクト比を有するため、亀裂との区別が可能である。亀裂のアスペクト比は更に大きい。介在物介在物はペレット母材とは異なる材料の領域である。この材料は常には加工中に形成されたＵ₃Ｏ₈または金属ウランである。これらの材料はイメージ中において母材より更に暗くまたは更に明るく見え、かつ視認可能である。従って、プロセッサ１５はイメージ内の更に暗い反射率の領域または更に明るい反射率の領域を識別すべく使用される。以下の検査、欠陥識別及び制御プロシージャは図１の装置を使用して実施し得る。最初に、イメージをフォトディテクタ１１及びコントローラ１３を用いて撮影する。次いで、イメージの複数のピクセル成分を所定の閾値と信号プロセッサ１５内で比較する。そして、従来の３ｘ３ローカル・オペレータ・ファンクション（3 by 3 local operator function）をプロセッサ１５内において形成されたイメージ信号に対して適用する。これは任意の亀裂状の特徴を僅かに拡張（拡大）する一方で、個々のノイズ・ピクセルを除去する効果を有する。ローカル・オペレータ・ファンクションは各ピクセルの前の値と、同ピクセルの周囲に位置する８個のピクセルの前の値とに基づいて新たな明度または暗度を各ピクセルに対して割り当てる。次いで、イメージ信号を亀裂、チップ、ピット、孔、ＮＣＵ及び介在物の各軸方向成分及び周方向成分に関してプロセッサ１５内で分析する。これらの各種欠陥は信号プロセッサ１５によって以下の方法で認識及び測定される。最初に、複数の種類の欠陥は一緒に使用する異なる２つのライティング及びイメージング・システムからの各結果、即ち、赤色光源３による物体１の照射によってフォトディテクタ１１内で形成されたイメージからの結果と、緑色光源５による物体１の照射によってフォトディテクタ１１内で形成されたイメージからの結果とを信号プロセッサ１５内で比較することによって識別される。例えば、（ａ）亀裂及びピットは両方のライティング・システムの下で暗く見え得る。（ｂ）介在物は両方のライティング・システムの下で明るく見え得る。（ｃ）ＮＣＵは一方のライティング・システム（赤色）の下で暗く見え、かつ他方のライティング・システム（緑色）の下で明るく見え得る。（ｄ）チップの前縁は一方のライティング・システム（赤色）の下で明るく見え、かつ他方のライティング・システム（緑色）の下で灰色（即ち、明及び暗の中間）に見え得る。（ｅ）チップの後縁は一方のライティング・システム（赤色）の下で暗く見え、かつ他方のライティング・システム（緑色）の下で灰色に見え得る。（ｆ）正常なペレット表面（即ち、欠陥を全く含まない）は両方のライティング・システムの下で灰色に見え得る。従って、物体１の表面にほぼ正接する方向からの照射を行う第１のライティング・システム（赤色）はチップ検出に適する。第２のライティング・システム（緑色）は表面仕上げ及び損傷の影響を低減する柔らかな低コントラストのイルミネーションを形成する。これは異なる情報を提供し、同情報は複数の種類の欠陥をプロセッサ１５が簡単に識別できるようにすべく第１のシステムからの情報と対比可能である。検出された複数の種類の欠陥のうちの任意の１つの複数のサイズまたは寸法のうちの任意の１つが所定の閾値を越えた場合、信号プロセッサ１５は不合格品信号を形成する。不合格品信号は従来の不合格品コントローラ（Ｒeject controll er）１９へ入力される。不合格品コントローラ１９は検査されたペレットをペレットのストリームから選択的に除去する。不合格品信号が形成されなかった場合、ペレットを燃料ペレット・ピンを含むチューブ内へ挿入すべく、同ペレットはメイン・ストリーム内に存続可能である。図２は図１の検出装置、即ち、カメラ７、フォトディテクタ１１、コントローラ１３及び信号プロセッサ１５との併用が可能な別のライティング装置を示す。図２において、カメラ７は異なる２つの光源Ｓ１，Ｓ２からの光線によって形成された物体１の表面上の線を軸線Ｘ１に沿って見るために配置されている。軸線Ｘ１は照射された線が位置する表面上において同表面に垂直方向に延びる垂線Ｎに対して角度θでオフセットしている。２つの光源Ｓ１，Ｓ２は高コントラスト・ライティング・ビームＢ１，Ｂ２をそれぞれ形成する。ビームＢ１を垂線Ｎに対して角度θで提供し、かつ同ビームＢ１を物体１の表面からビームＢ３としてカメラ７に向けて鏡面反射させるべく、複数の光源のうちの１つＳ１は配置されている。ビームＢ２を垂線Ｎに対して小さい角度（例：１０度未満）で提供すべく別の光源Ｓ２は配置されており、これにより光線はビームＢ２からの非鏡面反射によってカメラ７に到達するのみである。図２に示す装置を使用して、ピット、チップ、亀裂及び孔等のペレット１の表面から材料が失われた領域は光源Ｓ１から伝搬された光線によって形成されたイメージ内において暗く見え、かつ簡単に閾値化できる。ＮＣＵは非常に明るく見える。光源Ｓ２から伝搬された光線によって形成されたイメージ内において、チップは部分的に視認可能であり、ＮＣＵは更に暗いか、または平均光線強度を有する。輝介在物（Ｂright inclusions）は両方のイメージ内において更に明るく見える。第３の光源は第３の色の光線を提供すべく図１及び図２に示すライティング装置内に任意で使用できる。第３の光源から伝搬された光線は各装置内の別の２つの光源から伝搬された光線に符合する線イメージを物体１の表面上に形成する。第３の光源を使用することにより、フォトディテクタは同第３の光源からの光線に対して前記の複数の方法のうちの１つにて感応する。図３及び図４は物体１を回動及び直動させる装置の１つの形態を示し、同装置は図１または図２に示す装置と併用される。サーボ・モータ（図示略）によって一定速度で駆動される連続したゴム・ベルト２３は複数のローラ２５，２７の周囲を矢印Ｑの方向へ移動する。ベルト２３はローラ２５より高い位置にあるローラ２７によって傾斜されている。被検査物体１はプレート２９によってベルト２３上に支持されている。ベルト２３の複数の側縁に対するプレート２９の角度は調整可能である。しかし、図４において、同角度は一端２９ａが他端２９ｂより低くなるように調整されている。ベルト２３の移動によって物体１は回動する。更に、物体１がプレート２９上において横方向へ滑り落ちることにより、同物体１は自身の軸線に対して平行な方向Ｘに沿って横方向へ移動、即ち直動する。プレート２９の角度が変化することによって端２９ａが端２９ｂより上に配置された場合、物体１の横方向への移動は逆方向に行われる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８【提出日】１９９７年７月３１日【補正内容】請求の範囲１．回動する物体の表面を検査する装置であって、前記物体を回動中に保持するための物体保持手段と、光学放射線からなる第１のビームを物体の表面に照射する手段と、光学放射線からなる第２のビームを物体の表面に照射する手段と、前記光学放射線からなる第１のビーム及び第２のビームは両者間に検出可能な違いがあり、前記第１のビーム及び第２のビームは互いに異なる波長または波長帯を有することと、物体の表面から反射された第１のビームの放射線を検出し、かつ物体の表面の同一の照射領域から反射された第２のビームの放射線を検出する検出器手段と、前記検出器手段は第１の出力信号及び第２の出力信号を形成し、前記第１の出力信号は前記照射領域内の複数の面積単位からの第１のビームの反射の変化を示す成分を有し、前記第２の出力信号は前記照射領域内の複数の面積単位からの第２のビームの反射の変化を示す成分を有することと、前記第１の出力信号及び第２の出力信号を受信し、かつ分析するための信号プロセッサと、前記第１の出力信号及び第２の出力信号の各成分は前記物体の複数の面積単位の反射率に関する情報を強調すべく互いに関連付けられ、前記関連付けられた出力反射率情報は欠陥か照射領域内に存在するか否かを示すことを含む装置。２．連続する複数の線イメージが検出器手段上に形成され、前記複数の線イメージは複数の面積単位、即ち複数のピクセルからなる請求項１に記載の装置。３．前記ピクセルの光線強度が確定され、かつ閾値と比較され、閾値より暗いピクセルは亀裂ピクセルと見なされる請求項２に記載の装置。４．前記物体は高コントラスト・ビーム及び低コントラスト・ビームによってそれぞれ照射される請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。５．高コントラスト・ビームは物体の表面に対する接線に対して３０度未満の入射角度で前記物体の表面に入射するビームによって提供する請求項４に記載の装置。６．前記低コントラスト・ビームは４５度より大きい角度分散を有するビームによって提供する請求項４または５に記載の装置。７．検出されたピクセルは信号プロセッサによって暗、明または灰色（即ち、中間）であると確定され、欠陥の種類の確定は前記第１の出力信号及び第２の出力信号に基づいて行われたピクセルの確定に基づいて実施される請求項４乃至６のいずれか一項に記載の装置。８．高コントラスト・ビーム及び低コントラスト・ビームの両者における暗ピクセルは亀裂またはピットを示すものとして取り扱われる請求項７に記載の装置。９．高コントラスト・ビームからの暗ピクセル及び低コントラスト・ビームからの明ピクセルはＮＣＵを示すものとして取り扱われる請求項７または８に記載の装置。１０．高コントラスト・ビーム及び低コントラスト・ビームの両者における明ピクセルは介在物を示すものとして取り扱われる請求項７乃至９のいずれか一項に記載の装置。１１．高コントラスト・ビームからの明ピクセル及び低コントラスト・ビームからの灰色ピクセルはチップの前縁を示すものとして取り扱われる請求項７乃至１０のいずれか一項に記載の装置。１２．高コントラスト・ビームからの暗ピクセル及び低コントラスト・ビームからの灰色ピクセルはチップの後縁を示すものとして取り扱われる請求項７乃至１１のいずれか一項に記載の装置。１３．高コントラスト・ビーム及び低コントラスト・ビームの両者からの灰色ピクセルは正常な表面を示すものとして取り扱われる請求項７乃至１２のいずれか一項に記載の装置。１４．前記ピクセルは所定の閾値と比較され、従来の３ｘ３オペレータ・ファンクションは各ノイズ・ピクセルを除去し、かつ亀裂の特徴を拡大すべく適用され、前記ローカル・オペレータは新たな明値または暗値を各ピクセルの前の値と、同ピクセルを取り囲む８個のピクセルの前の値とに基づいて前記各ピクセルに対して割り当てるとともに、亀裂の軸線方向成分及び周方向成分を分析し、かつ欠陥の種類を確定する請求項４乃至１３のいずれか一項に記載の装置。１５．前記物体は第１の高コントラスト・ビーム及び第２の高コントラスト・ビームによってそれぞれ照射される請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。１６．前記検出器手段は照射された表面の一部分に対して垂直に延びる垂線に対して角度Ａをなす軸線Ｘ１上に位置し、前記第１の光線ビーム源は検出器手段とは反対側において前記垂線に対して角度Ａをなす位置に配置され、前記第２の光線ビーム源は検出器手段とは反対側において前記垂線に対して角度Ｂをなす位置に配置され、角度Ｂは前記垂線に対して４５度未満であって、かつ角度Ａより小さい請求項１５に記載の装置。１７．検出されたピクセルは信号プロセッサによって暗、明または灰色（即ち、中間）であると確定され、欠陥の種類の確定は前記第１の出力信号及び第２の出力信号に基づいて行われたピクセルの確定に基づいて実施される請求項１５または１６に記載の装置。１８．第１の光線ビームからの暗ピクセル及び第２の光線ビームからの明ピクセルはピット、チップ、亀裂または孔等といった表面から材料が失われている状態を示すものとして取り扱われる請求項１７に記載の装置。１９．第１の光線ビームからの明ピクセル及び第２の光線ビームからの灰色ピクセルまたは暗ピクセルはＮＣＵを示すものとして取り扱われる請求項１７または１８に記載の装置。２０．第１の光線ビーム及び第２の光線ビームの両者からの明ピクセルは輝介在物を示すものとして取り扱われる請求項１７乃至１９のいずれか一項に記載の装置。２１．請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の装置の使用を含む物体の表面を検査する方法。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】内の複数の面積単位からの第１のビームの反射の変化を示す成分を有し、第２の出力信号は物体の照射領域内の複数の面積単位からの第２のビームの反射の変化を示す成分を有し、信号プロセッサは第１の出力信号の成分を第２の出力信号の成分に対して関連付けることにより、物体の表面の複数の面積単位における反射率に関する情報を強調することに適合していることを含む装置。

Claims

【特許請求の範囲】１．回動する物体の表面を検査する装置であって、物体を保持し、かつ回動させる物体保持手段と、前記物体保持手段が物体を保持し、かつ回動させた際、光学放射線からなる第１のビームを物体の表面に対して照射する手段と、前記物体保持手段が物体を保持し、かつ回動させた際、光学放射線からなる第２のビームを物体の表面に対して照射する手段と、前記第２のビームは第１のビームとは異なる種類のビームとして検出可能であることと、物体の表面で反射された第１のビームからの放射線を検出し、かつ物体の表面で反射された第２のビームからの放射線を検出する検出器手段と、検出器手段が形成した信号を受信し、かつ同信号を分析するための信号プロセッサと、第１のビーム及び第２のビームはそれぞれ互いに異なる波長であるか、またはそれぞれ互いに異なる波長帯に属し、前記検出器手段は物体の表面の同一の照射領域から伝搬された第１のビーム及び第２のビームからの放射線を同時に受け取り、かつ検出し、さらには第１の出力信号及び第２の出力信号をそれぞれ形成し、前記第１の出力信号は物体の照射領域内の複数の面積単位からの第１のビームの反射の変化を示す成分を有し、前記第２の出力信号は物体の照射領域内の複数の面積単位からの第２のビームの反射の変化を示す成分を有し、前記信号プロセッサは第１の出力信号の成分を第２の出力信号の成分に対して関連付けることにより、物体の表面の複数の面積単位における反射率に関する情報を強調することに適合していることを含む装置。２．異なる波長であるか、または異なる波長帯に属する光学放射線からなるビームをそれぞれ前記表面に照射する１つ以上の別の手段を有し、前記各ビームは他のビームとは異なる種類のビームとして検出可能であり、前記検出器手段は表面によって反射された各ビームからの放射線を同時に検出し、かつ同ビームに関する出力信号を形成可能であって、同出力信号は物体の照射領域内の複数の面積単位からの各ビームの反射の変化を示す成分を有する請求項１に記載の装置。３．物体の表面上に位置する亀裂、チップ、ピット、介在物及び末浄化表面領域等の表面欠陥を検出すべく物体の表面を検査する請求項１または２に記載の装置。４．ほぼ直円柱体を含む被検査物体を有する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。５．前記物体は核燃料ペレットを含み、前記ペレットはソリッドまたは中空のの円柱体である請求項４に記載の装置。６．前記ペレットはＭＯＸ燃料ペレットであって、かつ前記装置による検査中はシールドされた格納容器の内側にある請求項５に記載の装置。７．前記複数のビームは互いに異なる色を有する複数の光線ビームを含む請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置。８．前記複数のビームは一致した線を物体の表面上に形成すべく配置されている請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置。９．前記検出器手段はラインスキャン・フォトディテクタを有し、同ラインスキャン・フォトディテクタは物体によって反射された互いに異なる色の光線を形成する複数の光源からの光線を検出し得る請求項８に記載の装置。１０．前記フォトディテクタは視野を有するカメラ内に組み込まれ、前記視野は検査下にある物体の表面上の線にほぼ限定され、前記線は複数の光源から伝搬された互いに異なる色の光線によって同時に照射される請求項９に記載の装置。１１．前記物体は同物体の軸線の周囲を回動され、かつ前記線によって照射される請求項１０に記載の装置。１２．前記物体は同物体の軸線にほぼ平行をなす方向へ直動される請求項１１に記載の装置。１３．前記検出器手段の出力を処理するための信号プロセッサを有し、前記出力信号は検査下にある物体によって反射された互いに異なる色の光線の検出に符合し、前記プロセッサは欠陥の種類を前記信号から検出し、かつ検出された欠陥の寸法またはサイズを確定し、さらには確定された寸法及びサイズを予め記録された閾値と比較し、前記確定された寸法またはサイズが対応する閾値を越えた際に不合格品信号を形成することに適合している請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の装置。