KR100762502B1

KR100762502B1 - Laser-ultrasonic apparatus and method for measuring depth of surface-breaking crack

Info

Publication number: KR100762502B1
Application number: KR1020060027573A
Authority: KR
Inventors: 박승규; 백성훈; 임창환; 차형기; 김철중; 정현규; 주영상
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2007-10-02

Abstract

A laser-ultrasonic inspection device and a method thereof are provided to measure the depth of a surface defect accurately and thus to predict a life span of a material. A laser-ultrasonic inspection device(200) for measuring the depth of a surface defect comprises an ultrasonic induction module(1), an ultrasonic signal detecting module(2), a defect depth extraction module(3), and a signal control unit(45). The ultrasonic induction module generates ultrasonic waves on the surface of an object by using laser beam. The ultrasonic signal detecting module radiates the laser beam to the object surface, measures the ultrasonic waves of the object surface by using a regular interference system, and extracts information on an ultrasonic signal. The defect depth extraction module is installed to extract a standardized spectrum from the information and a main frequency value of the standardized spectrum information. The signal control unit takes out the information of the defect depth on the basis of displacement of a high frequency value and the main frequency value, calculated by the ultrasonic signal information.

Description

Laser-Ultrasonic Apparatus and Method for Measuring Depth of Surface-Breaking Crack}

도 1은 일반적인 표면 결함 측정용 레이저-초음파 검사 장치의 종래 구성을 설명하기 위한 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure for demonstrating the conventional structure of the laser-ultrasound inspection apparatus for measuring general surface defects.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 표면 결함 검사 장치를 설명하기 위한 블록도이다.2 is a block diagram illustrating a non-contact surface defect inspection apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 3은 도 2의 신호 처리부를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 3 is a diagram for describing the signal processor of FIG. 2.

도 4는 도 2의 비접촉식 표면 결함 검사 장치를 도시한 도면이다.4 is a view showing the non-contact surface defect inspection apparatus of FIG.

도 5는 도 2의 비접촉식 표면 결함 검사 장치의 내부 구성의 일례를 도시한 구체적인 도면이다.FIG. 5 is a specific view showing an example of an internal configuration of the non-contact surface defect inspection apparatus of FIG. 2.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 표면 결함의 깊이 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.6 is a flowchart illustrating a method for measuring depth of a non-contact surface defect according to an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 표면 결함을 통과한 레이저 초음파 신호의 일례이다. 7 is an example of a laser ultrasound signal passing through a surface defect in accordance with an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 표면 결함을 통과한 레이저 초음파 신호의 다른 예이다.8 is another example of a laser ultrasound signal passing through a surface defect according to an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 표면 결함을 통과한 레이저 초음파 신호의 또 다른 예이다.9 is another example of a laser ultrasound signal passing through a surface defect according to an embodiment of the present invention.

도 10은 레이저 초음파 신호의 주파수 스펙트럼을 설명하기 위한 도면이다.10 is a diagram for explaining a frequency spectrum of a laser ultrasonic signal.

도 11은 레이저 초음파 신호의 표면 결함에 대한 주파수 필터 형상을 설명하기 위한 도면이다.It is a figure for demonstrating the shape of a frequency filter with respect to the surface defect of a laser ultrasonic signal.

도 12는 표면 결함의 깊이에 따른 레이저 초음파 신호의 최대-최소 값을 비교한 도면이다.12 is a diagram comparing the maximum and minimum values of laser ultrasound signals according to the depth of surface defects.

도 13은 표면 결함의 깊이에 따른 레이저 초음파 신호 스펙트럼의 중심 주파수 값을 비교한 도면이다.FIG. 13 is a diagram comparing center frequency values of laser ultrasonic signal spectra with depths of surface defects. FIG.

도 14는 표면 결함의 깊이에 따른 특정 주파수 감쇠 값을 비교한 도면이다. 14 is a diagram comparing specific frequency attenuation values according to the depth of surface defects.

도 15는 표면 결함의 깊이에 따른 평균 주파수 감쇠 값을 비교한 도면이다.15 is a view comparing average frequency attenuation values according to depths of surface defects.

도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 물체의 표면 결함을 측정하는 데 사용될 수 있는 범용 컴퓨터 장치의 내부 블록도이다.16 is an internal block diagram of a general purpose computer device that can be used to measure surface defects of an object in accordance with one embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>

200: 비접촉식 표면 결함 검사 장치200: non-contact surface defect inspection device

1: 초음파 유도 모듈1: ultrasonic induction module

2: 초음파 신호 검출 모듈2: ultrasonic signal detection module

3: 결함 깊이 추출 모듈3: defect depth extraction module

6: 제어부6: control unit

45: 신호 처리부45: signal processing unit

본 발명은 표면 결함 검사 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이저-초음파를 이용하여 물체 표면 결함의 깊이를 비접촉 방식으로 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for inspecting surface defects, and more particularly, to an apparatus and method for measuring a depth of an object surface defect in a non-contact manner using laser-ultrasound.

현재 여러 산업 분야 또는 연구 분야에서 재료의 결함을 검사하기 위한 표면 결함 검사 장치가 사용되고 있으며, 레이저-초음파 검사 장치는 펄스 레이저 빔에 의해 발생된 초음파 신호를 레이저 간섭계를 이용하여 획득하여 표면 결함을 검사하는 장치이다. 특히, 현재 널리 이용되는 레이저-초음파 장치는 기존의 접촉식 탐촉자(transducer)를 사용하는 초음파 검사 장치에 비해 비접촉식으로 초음파를 발생시킬 수 있고 검지할 수 있을 뿐만 아니라, 광대역 주파수 스펙트럼을 가진 초음파 신호를 발생 또는 측정할 수 있어서 연구가 활발히 진행되고 있다. 이와 같은 레이저-초음파 검사 장치의 일례가 도 1에 도시되어 있다.Currently, surface defect inspection apparatuses for inspecting defects of materials are used in various industries or research fields, and laser-ultrasound inspection apparatus inspects surface defects by acquiring an ultrasonic signal generated by a pulsed laser beam using a laser interferometer. Device. In particular, currently widely used laser-ultrasound devices can generate and detect ultrasonic waves in a non-contact manner, compared to conventional ultrasonic transducers using contact transducers, and can also detect ultrasonic signals with a wide frequency spectrum. Research is being actively conducted because it can be generated or measured. An example of such a laser-ultrasound inspection apparatus is shown in FIG. 1.

도 1은 일반적인 표면 결함 측정용 레이저-초음파 검사 장치(100)의 종래 구성을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a conventional configuration of a laser-ultrasound inspection apparatus 100 for measuring a general surface defect.

도 1에서 보는 것과 같이, 상기 레이저-초음파 검사 장치(100)는 초음파 유도 모듈(111)의 선형 펄스 레이저 빔 조사용(irradiated) 집속 광학계(151)에서 조사용 레이저 빔이 조사되어 초음파가 측정 시편(115)의 표면에 전파된다. 전파된 초음파를 측정하기 위해 초음파 신호 검출 모듈(112)은 측정용 레이저 빔 집속 광 학계(153)를 이용하여 상기 측정 시편(115)에 조사하여 초음파 신호를 측정한다. 제어부(116)는 상기 측정된 초음파 신호를 이용하여 상기 측정 시편(115)의 결함을 분석하고, 이에 따라 상기 측정 시편(115)의 표면 결함에 대한 정보를 획득할 수 있다.As shown in FIG. 1, the laser-ultrasound inspection apparatus 100 is irradiated with a laser beam for irradiation from a linear pulsed laser beam irradiated focusing optical system 151 of an ultrasonic wave guide module 111 so that ultrasonic waves are measured. It propagates to the surface of 115. In order to measure the propagated ultrasonic waves, the ultrasonic signal detection module 112 irradiates the measurement specimen 115 by using the laser beam focusing optical system 153 for measuring ultrasonic waves. The controller 116 may analyze the defect of the measurement specimen 115 by using the measured ultrasonic signal, and thus obtain information on the surface defect of the measurement specimen 115.

이와 같은 레이저-초음파 검사 장치(100)는 접촉식 탐촉자(transducer)와 달리 비접촉식으로 초음파를 발생시켜서 검사할 수 있을 뿐만 아니라, 특히 광대역 주파수 스펙트럼을 가진 초음파 신호를 발생 또는 측정할 수 있다는 장점을 가지고 있다.Unlike the contact transducer, the laser-ultrasound inspection apparatus 100 may not only generate and inspect ultrasonic waves in a non-contact manner, but also may generate or measure an ultrasonic signal having a wide frequency spectrum. have.

최근 이와 관련된 선행기술로서 미국 특허 번호 제6,543,288호, 한국 공개 특허 제2001-0026773호, 제2003-0080067호가 있다.Recently, as related arts, there are US Pat. No. 6,543,288, Korean Laid-Open Patent No. 2001-0026773, and 2003-0080067.

미국 특허 번호 제6,543,288호(Laser-ultrasonic measurement of elastic properties of a thin sheet and of tension applied thereon)은 광파이버로 연결된 레이저 초음파를 이용하여 얇은 종이의 탄성 특성을 측정하는 기술이다. 또한, 한국 특허 공개 번호 제2001-0026773호(레이저 초음파를 이용한 내부 결함 검출 장치)에서는 시간 영역에서 레이저 초음파 신호의 변화를 관찰하여 대상 시편 내부의 결함을 검출하는 장치이다. 또한, 한국 특허 공개 번호 제2003-0080067호(레이저-초음파를 이용한 튜브의 결함 측정 시스템)은 레이저 초음파를 이용하여 튜브 결함을 측정하는 구성을 개시한다.US Pat. No. 6,543,288 (Laser-ultrasonic measurement of elastic properties of a thin sheet and of tension applied thereon) is a technique for measuring the elastic properties of thin paper using laser ultrasound connected by optical fiber. In addition, Korean Patent Publication No. 2001-0026773 (Internal Defect Detection Device Using Laser Ultrasound) is a device for detecting defects inside a target specimen by observing a change in a laser ultrasound signal in a time domain. In addition, Korean Patent Publication No. 2003-0080067 (a defect measuring system of a tube using laser-ultrasound) discloses a configuration for measuring tube defects using laser ultrasonic waves.

이와 같이 레이저 초음파를 이용하여 비파괴 검사를 수행할 수 있는 기술은 개발되고 있으나, 그 개발 분야는 레이저 초음파를 효과적으로 발생시키고 측정에 한정되어 있다. 또한, 이러한 결함 측정 방법에서는 주로 시간 영역에서 결함에 의한 진폭 감소나 결함에 의해 가려지는 그림자(shadow) 효과나 결함 끝단의 반사 효과 등을 이용하여 결함 정보를 추출하므로, 결함의 깊이와 같은 구체적인 물체의 결함 정보를 세밀하게 판별할 수 없는 문제점이 있다.As described above, a technology capable of performing nondestructive testing using laser ultrasound has been developed, but its field of development is limited to measuring and generating laser ultrasound effectively. In addition, the defect measurement method mainly extracts the defect information by using the amplitude reduction caused by the defect in the time domain, the shadow effect covered by the defect, or the reflection effect at the end of the defect, and thus the specific object such as the depth of the defect. There is a problem that cannot accurately determine the defect information.

이와 같이 초음파를 이용하여 결함의 존재 유무 검출과 깊이 정보 추출에 대한 기술이 개발되었지만 단순히 초음파 신호의 변화만을 분석하여 결함 정보를 제공하는 결함 검사 장치에 불과하므로 구체적인 깊이 정보를 얻는 것은 불가능하다는 문제점이 있다. As described above, techniques for detecting the presence of defects and extracting depth information by using ultrasonic waves have been developed, but it is simply a defect inspection apparatus that provides defect information by analyzing only changes in ultrasonic signals. Therefore, it is impossible to obtain specific depth information. have.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 광대역 스펙트럼 특성을 가진 레이저-초음파를 이용하여 물체 표면 결함에 대한 깊이를 정밀하게 측정하는 비접촉식 표면 결함 검사 장치를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, and an object of the present invention is to use a non-contact surface defect inspection to precisely measure the depth of object surface defects using a laser-ultrasound having broadband spectral characteristics. To provide a device.

본 발명의 다른 목적은 물체의 결함을 측정할 수 있는 레이저-초음파 장치가 추출한 광대역 스펙트럼을 이용하여 표면 결함의 깊이 정보를 획득하는 비접촉식 표면 결함 검사 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a non-contact surface defect inspection method for acquiring depth information of surface defects by using a broadband spectrum extracted by a laser-ultrasound device capable of measuring a defect of an object.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하고 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 비접촉식 표면 결함 검사 장치는, 적어도 하나의 조사용 레이저 빔을 이용하여 물체의 표면에 초음파를 발생시키는 초음파 유도 모듈; 상기 초음파가 전파되는 상기 물체의 표면에 측정용 레이저 빔을 조사하고 일정 간섭계를 이용하여 상기 물체 표면의 초음파를 측정하여 초음파 신호 정보들을 추출하는 초음파 신호 검출 모듈; 상기 추출된 초음파 신호 정보들의 정규화된 스펙트럼과 중심 주파수값을 추출하는 결함 깊이 추출 모듈; 및 상기 추출된 초음파 신호 정보들의 소정 고주파 성분값의 이동량 및 상기 중심 주파수값의 이동량을 기반으로 결함의 깊이 정보를 추출하는 신호 처리부를 포함한다.Non-contact surface defect inspection apparatus according to the present invention for achieving the object of the present invention as described above and to solve the above-mentioned problems of the prior art, the ultrasonic wave to generate an ultrasonic wave on the surface of the object using at least one laser beam for irradiation Induction module; An ultrasonic signal detection module irradiating a laser beam for measurement on the surface of the object through which the ultrasonic wave propagates and measuring ultrasonic waves on the surface of the object using a predetermined interferometer to extract ultrasonic signal information; A defect depth extraction module for extracting a normalized spectrum and center frequency of the extracted ultrasonic signal information; And a signal processor extracting depth information of a defect based on a movement amount of a predetermined high frequency component value of the extracted ultrasonic signal information and a movement amount of the center frequency value.

상기와 같은 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비접촉식 표면 결함 검사 방법은 물체의 표면에 적어도 하나의 조사용 레이저 빔을 이용하여 초음파를 발생시키는 단계; 상기 물체의 표면에 전파되는 초음파에 측정용 레이저 빔을 상기 물체의 표면에 조사하는 단계; 상기 측정용 레이저 빔을 통하여 초음파 신호를 측정하여 초음파 신호 정보들을 추출하는 단계; 및 상기 추출된 초음파 신호 정보들의 소정 고주파 성분값의 이동량 및 중심 주파수값의 이동량을 기반으로 결함의 깊이 정보를 추출하는 단계를 포함한다.Non-contact surface defect inspection method according to the present invention for achieving another object of the present invention as described above comprises the steps of generating an ultrasonic wave using at least one irradiation laser beam on the surface of the object; Irradiating a surface of the object with a laser beam for measurement to ultrasonic waves propagated on the surface of the object; Extracting ultrasonic signal information by measuring an ultrasonic signal through the measuring laser beam; And extracting depth information of a defect based on a movement amount of a predetermined high frequency component value and a movement amount of a center frequency value of the extracted ultrasonic signal information.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the contents described in the accompanying drawings, but the present invention is not limited or limited to the embodiments. Like reference numerals in the drawings denote like elements.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 표면 결함 검사 장치(200)를 설명하기 위한 블록도이다.2 is a block diagram illustrating a non-contact surface defect inspection apparatus 200 according to an embodiment of the present invention.

도 2에서 보는 것과 같이, 상기 비접촉식 표면 결함 검사 장치(200)는 초음 파 유도 모듈(1), 초음파 신호 검출 모듈(2), 결함 깊이 추출 모듈(3), 및 제어부(6)를 포함한다. 여기서, 상기 제어부(6)는 신호 처리부(45)를 포함하는 컴퓨터(71) 및 소정 장치들을 이송시키기 위한 이송 장치 드라이버(72)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 2, the non-contact surface defect inspection apparatus 200 includes an ultrasonic wave induction module 1, an ultrasonic signal detection module 2, a defect depth extraction module 3, and a controller 6. The controller 6 may include a computer 71 including the signal processor 45 and a transfer device driver 72 for transferring certain devices.

상기 비접촉식 표면 결함 검사 장치(200)는 측정 시편의 표면 결함의 깊이를 측정하기 위해 상기 측정 시편에 초음파를 발생시키고 일정 간섭계를 이용하여 상기 발생된 초음파를 측정하여 측정된 초음파 신호들의 소정 고주파 성분값의 이동량 및 중심 주파수값의 이동량을 기반으로 표면 결함의 깊이 정보를 정밀하게 추출하기 위해 제안되었다. The non-contact surface defect inspection apparatus 200 generates ultrasonic waves in the measurement specimens to measure the depth of the surface defects of the measurement specimens, and measures high frequency component values of the ultrasonic signals measured by measuring the generated ultrasonic waves using a predetermined interferometer. It is proposed to precisely extract the depth information of the surface defects based on the movement amount of and the movement amount of the center frequency.

이를 위하여 본 발명의 일실시예에 따라 비접촉식 표면 결함 검사 장치(200)는 측정 시편의 표면에 적어도 하나의 조사용 레이저 빔을 이용하여 초음파를 발생시킨다. 이때, SLS(scanning laser source)기법의 조사용 레이저 빔(예를 들어, 선형 펄스 레이저 빔)으로 초음파를 유도할 수 있다. 다음에, 상기 측정 시편의 표면에 측정용 레이저 빔을 조사하여 비접촉 방식으로 초음파 신호를 측정하여 초음파 신호 정보들을 추출한다. 상기 초음파 신호 정보들을 획득하기 위해 일정 간격에 위치한 이중 파동 혼합 간섭계(two-wave mixing interferometer)를 이용할 수 있다. 이에 따라 상기 추출된 초음파 신호 정보들의 소정 고주파 성분값의 이동량 및 중심 주파수값의 이동량을 기반으로 결함의 깊이 정보를 추출할 수 있다. 따라서, 상기 비접촉식 표면 결함 검사 장치(200)는 물체의 결함 정보 특히 결함의 높이를 구체적으로 측정하여 제공할 수 있으므로, 재료 수명을 예측하기 위한 방법으 로서 산업상 여러 분야에서 널리 활용할 수 있다. To this end, the non-contact surface defect inspection apparatus 200 according to an embodiment of the present invention generates ultrasonic waves by using at least one irradiation laser beam on the surface of the measurement specimen. In this case, ultrasonic waves may be induced by a laser beam for irradiation (for example, a linear pulsed laser beam) using a scanning laser source (SLS) technique. Next, the ultrasonic signal is extracted by irradiating a measuring laser beam on a surface of the test specimen and measuring the ultrasonic signal in a non-contact manner. In order to obtain the ultrasonic signal information, a two-wave mixing interferometer positioned at a predetermined interval may be used. Accordingly, the depth information of the defect may be extracted based on the movement amount of the predetermined high frequency component value and the movement amount of the center frequency value of the extracted ultrasonic signal information. Therefore, since the non-contact surface defect inspection apparatus 200 can specifically measure and provide defect information of an object, in particular, the height of a defect, it can be widely used in various fields of industry as a method for predicting the life of a material.

상기 초음파 유도 모듈(또는 선형 레이저 빔 조사용 펄스 레이저 장치) (1)은 적어도 하나의 조사용 레이저 빔을 이용하여 물체의 표면에 초음파를 발생시킨다. 즉, 상기 초음파 유도 모듈(1)은 측정 시편에 조사용 레이저 빔을 조사하여 지향성이 우수한 초음파를 유도할 수 있고, 상기 조사용 레이저 빔으로서 펄스 레이저 빔을 사용할 수 있다. 또한, 상기 펄스 레이저 빔은 점형(Spot) 또는 선형(Linear) 형태 등 그 조사 형태에 특별히 제한을 두지 않고 본 발명이 적용될 수 있다. 이하, 설명의 편의상 상기 조사용 레이저 빔을 선형 펄스 레이저 빔으로서 설명한다. 또한, 상기 조사용 레이저 빔은 소정 스캐너에 의해 상기 물체에서 조사하고자 하는 영역(이하, 조사 영역)을 스캔한다. 상기 스캔 동작은 편도 또는 왕복으로 이동할 수 있고, 상기 측정 시편을 1차원 또는 2차원으로 스캐닝하도록 움직일 수 있다. 즉, 상기 스캐너는 상하(또는 좌우)로 움직일 수 있고 거기에 전후로도 움직일 수 있도록 제어하여 보다 세밀한 측정이 가능하도록 할 수 있다.The ultrasonic wave guide module (or pulse laser device for linear laser beam irradiation) 1 generates ultrasonic waves on the surface of an object using at least one laser beam for irradiation. That is, the ultrasonic guide module 1 may induce an ultrasonic wave having excellent directivity by irradiating a laser beam for irradiation to the measurement specimen, and may use a pulsed laser beam as the laser beam for irradiation. In addition, the pulse laser beam may be applied to the present invention without particularly limiting the irradiation form such as spot or linear form. In the following description, the irradiation laser beam is described as a linear pulse laser beam for convenience of explanation. In addition, the irradiation laser beam scans an area (hereinafter, an irradiation area) to be irradiated from the object by a predetermined scanner. The scanning operation may move one way or reciprocating and move to scan the measurement specimen in one or two dimensions. That is, the scanner can be moved up and down (or left and right) and can be moved back and forth therein to allow more detailed measurement.

상기 초음파 신호 검출 모듈(2)(또는 초음파 측정용 레이저 간섭계)은 상기 초음파가 상기 측정 시편의 표면에 전파되면 측정용 레이저 빔을 상기 측정 시편의 표면에 조사하고 이에 따라 반사되는 레이저에 따른 정보가 일정 간섭계를 통하여 유도되는 복수의 초음파 신호 정보들을 추출한다. 상기 초음파 신호 검출 모듈(2)에서 추출된 상기 초음파 신호 정보들에 따라 결함의 구체적인 깊이 정보가 획득될 수 있다. 상기 초음파 신호 검출 모듈(2)은 상기 측정용 레이저 빔으로서 연속 발진 레이저 빔을 사용할 수 있다. 이하, 상기 조사용 레이저 빔의 일례로서 상기 연속 발진 레이저 빔을 설명한다.The ultrasonic signal detection module 2 (or the ultrasonic interferometer for measuring ultrasonic waves) irradiates the surface of the measuring specimen with the measuring laser beam when the ultrasonic waves propagate on the surface of the measuring specimen, and accordingly the information according to the laser reflected A plurality of ultrasonic signal information derived through a constant interferometer is extracted. Specific depth information of a defect may be obtained according to the ultrasonic signal information extracted by the ultrasonic signal detection module 2. The ultrasonic signal detection module 2 may use a continuous oscillation laser beam as the measurement laser beam. Hereinafter, the continuous oscillation laser beam will be described as an example of the irradiation laser beam.

또한, 상기 초음파 신호 검출 모듈(2)은 상기 결함을 측정하기 위하여 일정 간섭계를 형성할 수 있다. 여기서, 상기 간섭계(interferometer)는 동일 광원 또는 반사된 레이저에서 나오는 빛을 적당한 방법으로 둘 또는 그 이상의 광행로로 나누고, 그것을 겹쳐서 간섭시킨 간섭 무늬를 관측하는 장치를 의미하며 빛의 간섭 현상을 이용한 측정기로서 광원으로는 여러 단색광을 사용할 수 있다. 또한, 상기 간섭계는 통상적으로 계측 대상을 통과한 빛과 통과하지 않은 기준 빛과의 간섭 정보를 기반으로 이용하며 파장의 측정, 길이, 거리의 정밀한 비교, 및 광학적 거리의 비교 등을 위해 사용될 수 있다. 본 발명에서는 이중 파동 혼합 간섭계(two-wave mixing interferometer)를 형성하는 예를 들어 설명한다. In addition, the ultrasonic signal detection module 2 may form a constant interferometer to measure the defect. Here, the interferometer refers to a device for dividing the light from the same light source or the reflected laser into two or more light paths in a proper manner, and observing the interference fringes superimposed thereon, the measuring device using the interference phenomenon of light As a light source, various monochromatic light can be used. In addition, the interferometer is typically used based on the interference information between the light passing through the measurement object and the reference light not passed, and may be used for measurement of wavelength, precise comparison of length, distance, and comparison of optical distance. . In the present invention, an example of forming a two-wave mixing interferometer will be described.

상기 결함 깊이 추출 모듈(3)은 상기 추출된 초음파 신호 정보들의 정규화된 스펙트럼과 중심 주파수값을 추출한다. 상기 정규화된 스펙트럼 및 중심 주파수값은 상기 초음파 신호 검출 모듈(2)이 상기 측정 시편의 결함을 통과하기 전/후의 고주파 성분값의 이동량을 측정하는데 필요한 요소이다. 또한, 상기 결함 깊이 추출 모듈(3)은, 상기 초음파 신호의 정규화된 스펙트럼의 중심 주파수 값의 감쇠량이 상기 결함의 깊이에 비례함을 이용하여 상기 결함의 깊이를 추출할 수 있다.The defect depth extraction module 3 extracts a normalized spectrum and center frequency of the extracted ultrasonic signal information. The normalized spectrum and center frequency values are necessary elements for the ultrasonic signal detection module 2 to measure the amount of movement of the high frequency component values before and after passing through the defect of the measurement specimen. In addition, the defect depth extraction module 3 may extract the depth of the defect by using the attenuation amount of the center frequency value of the normalized spectrum of the ultrasonic signal is proportional to the depth of the defect.

상기 제어부(6)는 상기 검출된 초음파 신호 정보들로부터 상기 결함의 깊이 정보로부터 상기 측정 시편의 결함을 보다 정밀하게 계산하고, 이에 따라 결함 측정 위치를 조절할 수 있다. 또한, 상기 제어부(6)는 상기 조사용 레이저 빔에 의해 유도된 초음파가 상기 물체를 전파한 후 상기 간섭계에 의해 감지된 초음파 신 호에서 진폭의 감쇠와 고주파 주파수 성분의 감쇠를 측정하여 물체의 결함 또는 열화 상태 등을 검사할 수 있다. 상기 제어부(6)는 레이저 빔, 신호 정보, 특정 장치의 이동, 분석 동작 등을 제어할 수 있으며 컴퓨터(71) 등을 이용할 수 있다. The controller 6 may more accurately calculate a defect of the measurement specimen from the detected ultrasonic signal information from the depth information of the defect, and adjust the defect measurement position accordingly. In addition, the control unit 6 measures the attenuation of the amplitude and the attenuation of the high frequency frequency component in the ultrasonic signal detected by the interferometer after the ultrasonic wave guided by the irradiation laser beam propagates the object, thereby deteriorating the object. Alternatively, the deterioration state can be checked. The controller 6 may control a laser beam, signal information, movement of a specific device, an analysis operation, and the like, and may use a computer 71 or the like.

또한, 상기 컴퓨터(71)에 포함된 상기 신호 처리부(45)는 상기 추출된 초음파 신호 정보들의 소정 고주파 성분값의 이동량 및 상기 중심 주파수값의 이동량을 기반으로 결함의 깊이 정보를 추출한다. 상기 신호 처리부(45)의 구체적인 구조는 도 3에 나타나 있다.In addition, the signal processor 45 included in the computer 71 extracts depth information of a defect based on a shift amount of a predetermined high frequency component value of the extracted ultrasonic signal information and a shift amount of the center frequency value. The specific structure of the signal processor 45 is shown in FIG.

도 3에서 보는 것과 같이, 상기 신호 처리부(45)는 필터 형상 추출부(40) 및 주파수 감쇠량 측정부(41)를 포함한다. 상기 필터 형상 추출부(40)는 상기 결함 깊이 추출 모듈(3)에서 추출된 초음파 신호 정보들로부터 결함의 형상을 나타내는 소정 전달함수를 계산할 수 있다. 또한, 상기 주파수 감쇠량 측정부(41)는 상기 전달함수가 나타내는 결함의 형상 정보로부터 결함 통과 전후의 소정 고주파 성분값의 이동량을 계산할 수 있다. 또한, 상기 신호 처리부(45)는 상기 결함 깊이 추출 모듈(3)로부터 수신한 초음파 신호 정보를 소정 어플리케이션을 통해 신호 처리하여 이송 장치 드라이버(72)로 소정 제어 신호를 전달할 수 있다.As shown in FIG. 3, the signal processor 45 includes a filter shape extractor 40 and a frequency attenuation measurer 41. The filter shape extractor 40 may calculate a predetermined transfer function indicating a shape of a defect from ultrasonic signal information extracted by the defect depth extraction module 3. In addition, the frequency attenuation measuring unit 41 may calculate the amount of movement of a predetermined high frequency component value before and after the defect passing from the shape information of the defect represented by the transfer function. In addition, the signal processor 45 may process the ultrasonic signal information received from the defect depth extraction module 3 through a predetermined application to transmit a predetermined control signal to the transfer device driver 72.

도 4는 도 2의 비접촉식 표면 결함 검사 장치(200)를 도시한 도면이다.4 is a diagram illustrating the non-contact surface defect inspection apparatus 200 of FIG. 2.

도 4에서 보는 것과 같이, 상기 비접촉식 표면 결함 검사 장치(200)는 초음파 유도 모듈(1), 초음파 신호 검출 모듈(2), 및 결함 깊이 추출 모듈(3) 및 제어부(6)를 포함할 수 있다. 또한, 도 1의 종래의 레이저-초음파 검사 장치와 비교해 보면, 측정 시편(5)의 결함 깊이를 추출하기 위해 두 개의 집광계들(52, 53)을 이 용한다. 그리고, 검출된 초음파 신호를 이용하여 결함 깊이를 측정하기 위한 초음파 신호 정보를 추출하는 결함 깊이 추출 모듈(3)이 사용된다.As shown in FIG. 4, the non-contact surface defect inspection apparatus 200 may include an ultrasonic induction module 1, an ultrasonic signal detection module 2, a defect depth extraction module 3, and a controller 6. . In addition, in comparison with the conventional laser-ultrasound inspection apparatus of FIG. 1, two light collectors 52 and 53 are used to extract the defect depth of the measurement specimen 5. Then, the defect depth extraction module 3 for extracting the ultrasonic signal information for measuring the defect depth using the detected ultrasonic signal is used.

상기 측정 시편(5)은 도 4에는 도시되어 있지 않으나, 이송 장치에 부착되어 상하 2차원 운동을 할 수 있다. 따라서, 상기 결함 검사는 상기 측정 시편(5)의 이동 중에 수행될 수 있고 상기 측정 시편(5)의 원하는 부분을 검사할 수 있다. 또한, 상기 비접촉 표면 결함 검사 장치(200)에서 상기 측정 시편(5)의 결함 검사를 수행하기 위해 사용되는 상기 초음파 유도 모듈(1) 및 상기 초음파 신호 검출 모듈(2) 각각은 집속 광학계(52, 53)를 가진다. 또한, 상기 초음파 유도 모듈(1)은 펄스레이저 빔의 조사를 담당하는 집속 광학계(51)를 가진다. 그리고, 상기 결함 검사를 위한 집속 광학계들(51, 52, 53)은 하나의 바에 고정 설치되어 있으며 스캐너(4)에 부착되어 전/후/좌/우로 이동되면서 상기 측정 시편(5)을 검사할 수 있다. 상기 측정 시편에서 위치 A는 상기 초음파 유도 모듈(1)의 집속 광학계(51)로부터 레이저 초음파가 조사되는 곳이고, 위치 B는 상기 초음파 신호 검출 모듈(2)의 집속 광학계(52)로부터 측정용 레이저 초음파가 조사되는 곳이다. 무결함 위치 B에서 상기 초음파 유도 모듈(1)에 의해 유도된 초음파의 상기 측정 시편(5)에서의 변화가 측정된다. 또한, 상기 초음파 신호 검출 모듈(2)은 결함을 지난 위치 D에서 집속 광학계(53)를 이용하여 상기 측정 시편(5)상의 초음파의 변화를 측정한다.Although the measurement specimen 5 is not shown in FIG. 4, it may be attached to a transfer device to perform two-dimensional up and down movement. Thus, the defect inspection can be performed during the movement of the measurement specimen 5 and can inspect the desired portion of the measurement specimen 5. In addition, each of the ultrasonic guidance module 1 and the ultrasonic signal detection module 2 used to perform defect inspection of the measurement specimen 5 in the non-contact surface defect inspection apparatus 200 may include a focusing optical system 52, 53). In addition, the ultrasonic induction module 1 has a focusing optical system 51 that is responsible for irradiation of the pulsed laser beam. In addition, the focusing optical systems 51, 52, and 53 for inspecting the defect are fixed to one bar and attached to the scanner 4 to move the front / rear / left / right to inspect the measurement specimen 5. Can be. In the measurement specimen, position A is where laser ultrasonic waves are irradiated from the focusing optical system 51 of the ultrasonic induction module 1, and position B is laser for measuring from the focusing optical system 52 of the ultrasonic signal detection module 2. This is where ultrasonic waves are irradiated. The change in the measurement specimen 5 of the ultrasonic wave guided by the ultrasonic wave guide module 1 at the defect position B is measured. In addition, the ultrasonic signal detection module 2 measures the change of the ultrasonic wave on the measurement specimen 5 using the focusing optical system 53 at the position D after the defect.

이와 같은 방법으로, 상기 비접촉식 표면 결함 검사 장치(200)가 동작하면 물체의 결함 깊이 측정을 위해 레이저 초음파 신호의 주파수 감쇠 정보가 이용되어 결함 깊이 정보에 대한 더욱 상세한 정보를 획득할 수 있는 장점이 있다.In this manner, when the non-contact surface defect inspection apparatus 200 operates, the frequency attenuation information of the laser ultrasound signal is used to measure the defect depth of an object, thereby obtaining more detailed information about the defect depth information. .

본 발명에 따른 비접촉식 표면 결함 검사 장치(200)의 보다 구체적인 내부 구조는 도 5에 나타나 있다. 이하에서는 도 5를 참조하면서 지금까지 설명한 본 발명에 따른 비접촉식 표면 결함 검사 장치(200)를 동작 과정의 단계에 따라 설명을 하기로 한다.A more specific internal structure of the non-contact surface defect inspection apparatus 200 according to the present invention is shown in FIG. Hereinafter, the non-contact surface defect inspection apparatus 200 according to the present invention described above with reference to FIG. 5 will be described according to the steps of the operation process.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 표면 결함 검사 장치(200)의 내부 구성의 일례를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 표면 결함의 깊이 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.5 is a view for explaining an example of the internal configuration of the non-contact surface defect inspection apparatus 200 according to an embodiment of the present invention, Figure 6 is a depth measuring method of the non-contact surface defects according to an embodiment of the present invention It is a flowchart for explanation.

도 5에서 보는 것과 같이, 상기 비접촉식 표면 결함 검사 장치(200)는 크게 초음파 유도 모듈(1), 초음파 신호 검출 모듈(2), 결함 깊이 추출 모듈(3) 및 제어부(6)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제어부(6)는 신호 처리부(45)를 포함하는 컴퓨터(71) 및 소정 장치들을 이송시키기 위한 이송 장치 드라이버(72)를 포함할 수 있다. 상기 이송 장치 드라이버(72)의 제어에 의하여 스캐너(4) 및 이송 장치(7)가 필요한 위치로 이송될 수 있다.As shown in FIG. 5, the non-contact surface defect inspection apparatus 200 may largely include an ultrasonic induction module 1, an ultrasonic signal detection module 2, a defect depth extraction module 3, and a controller 6. . The controller 6 may include a computer 71 including the signal processor 45 and a transfer device driver 72 for transferring certain devices. Under the control of the transfer device driver 72, the scanner 4 and the transfer device 7 can be transferred to the required position.

먼저, 상기 비접촉식 표면 결함 검사 장치(200)의 상기 초음파 유도 모듈(1)은 상기 측정 시편(5)의 표면에 적어도 하나의 조사용 레이저 빔을 이용하여 초음파를 발생시킨다(S610).First, the ultrasonic induction module 1 of the non-contact surface defect inspection apparatus 200 generates ultrasonic waves using at least one irradiation laser beam on the surface of the measurement specimen 5 (S610).

상기 초음파 유도 모듈(1)은 상기 조사용 레이저 빔을 조사하기 위해서 구비된 펄스 레이저 장치(11)를 이용하여, 하나 이상의 조사용 레이저 빔을 상기 측정 시편(5)의 위치 A에 조사할 수 있다. 여기서, 상기 초음파 유도 모듈(1)은 상기 조사된 펄스 레이저 빔을 보다 정밀하게 조절하기 위해 상기 펄스 레이저 빔을 필요에 따라 차단 또는 통과시키는 셔터(12), 상기 셔터를 거친 상기 펄스 레이저 빔의 세기를 조절하는 중성 농도 필터(Neutral density filter)(13), 상기 중성 농도 필터(13)를 거친 상기 펄스 레이저 빔의 입사 각도를 변환시키는 거울(14) 및 상기 거울(14)을 지난 상기 펄스 레이저 빔을 집속하는 광결합기(16)를 더 포함할 수 있다. The ultrasonic guidance module 1 may irradiate the position A of the measurement specimen 5 with one or more irradiation laser beams by using the pulse laser device 11 provided to irradiate the irradiation laser beam. . Here, the ultrasonic guidance module 1 is a shutter 12 for blocking or passing the pulsed laser beam as necessary to more precisely control the irradiated pulsed laser beam, the intensity of the pulsed laser beam through the shutter Neutral density filter 13 for adjusting the mirror, a mirror 14 for converting the angle of incidence of the pulsed laser beam passing through the neutral density filter 13 and the pulsed laser beam passing through the mirror 14 It may further include an optical coupler 16 for focusing.

또한, 상기 광결합기(16)는 상기 펄스 레이저 빔을 광파이버(61) 안으로 집속시키며, 조사용 집속 광학계(51)는 광파이버(61)를 통과한 상기 펄스 레이저 빔을 적어도 하나의 선형 펄스 레이저 빔으로 만든 후에 측정 시편(5)의 표면 위치 A에 조사할 수 있다.In addition, the optical coupler 16 focuses the pulsed laser beam into the optical fiber 61, and the irradiation focusing optical system 51 converts the pulsed laser beam passing through the optical fiber 61 into at least one linear pulsed laser beam. After making it, it can irradiate to the surface position A of the measurement specimen 5.

이때 상기 선형 펄스 레이저 빔이 상기 측정 시편(5)의 일측 위치(A) 지점에서 조사되면 상기 제어부(6)의 컴퓨터(71)는 상기 선형 펄스 레이저 빔의 일부 광신호를 포착하여 초음파 신호를 얻기 위한 동기 신호로 사용할 수 있다. 이 때, 상기 펄스 레이저 빔은 빔 샘플러(15)에 의해 극히 일부의 빔이 블록(17)에서 조사된 후 여러 방향으로 산란 반사해서 흩어지는 현상이 발생할 수 있다. 또한, 도 5에 도시하지는 않았으나, 상기 제어부(6)의 컴퓨터(71)는 상기 조사용 레이저 빔의 출력치를 측정하고, 상기 출력치에 소정의 상수값을 더한 후 그 결과치를 상기 초음파 신호 정보에 반영하여 상기 펄스 레이저 빔의 오차를 보정하는 오차 보정부를 포함할 수 있다. 즉, A/D 변환기(18)에 부착된 광센서(8)에서 획득되는 펄스 레이저 빔의 출력을 측정한 후 상기 측정한 값에 미리 결정된(predetermined) 상수 값 을 더한 후 그 결과치를 상기 초음파 신호 값에 나누어 줌으로써 출력 변화에 따른 초음파 신호에서 발생할 수 있는 에러를 보정하도록 할 수 있다.At this time, when the linear pulsed laser beam is irradiated at a position A of one side of the measurement specimen 5, the computer 71 of the controller 6 captures a part of the optical signal of the linear pulsed laser beam to obtain an ultrasonic signal It can be used as a synchronization signal. In this case, the pulsed laser beam may be scattered by scattering and reflecting in various directions after a part of the beam is irradiated from the block 17 by the beam sampler 15. Although not shown in FIG. 5, the computer 71 of the control unit 6 measures an output value of the irradiation laser beam, adds a predetermined constant value to the output value, and then adds the result value to the ultrasonic signal information. It may include an error correction unit for reflecting and correcting the error of the pulsed laser beam. That is, after measuring the output of the pulsed laser beam obtained from the optical sensor 8 attached to the A / D converter 18, the predetermined value is added to the measured value and then the result is the ultrasonic signal By dividing by the value, it is possible to correct an error that may occur in the ultrasonic signal according to the output change.

다음에, 상기 측정 시편(5)의 표면에 전파되는 초음파에 측정용 레이저 빔을 상기 측정 시편(5)의 표면에 조사한다(S620). 상기 측정 시편(5)에 표시된 위치 A, 위치 B, 및 위치 D는 도 4에서 설명한 위치와 같다.Next, the ultrasonic wave propagated on the surface of the measurement specimen 5 is irradiated with the laser beam for measurement on the surface of the measurement specimen 5 (S620). Position A, position B, and position D indicated on the measurement specimen 5 are the same as those described with reference to FIG. 4.

상기 조사된 적어도 하나의 선형 펄스 레이저 빔에 의해 초음파가 발생되고 발생된 초음파는 상기 측정 시편(5)의 표면을 따라 타측 위치 B 방향으로 전파해 나가며, 초음파 신호 검출 모듈(2)은 무결함 위치 B 및 결함 위치 D를 지나가는 초음파를 수신한다. Ultrasonic waves are generated by the irradiated at least one linear pulsed laser beam, and the generated ultrasonic waves propagate along the surface of the test specimen 5 in the other position B direction, and the ultrasonic signal detection module 2 is in a defect-free position. Ultrasound passing through B and defect location D is received.

여기서, 상기 초음파 신호 검출 모듈(2)은 상기 집속된 펄스 레이저 빔에 의해 유도되어 상기 측정 시편(5)의 표면을 따라 전파된 초음파 신호를 수신하는 간섭계(interferometer)를 포함할 수 있고, 그 간섭계의 일례로서 이중 파동 혼합 간섭계(two-wave mixing interferometer)를 사용할 수 있다. 이와 같은 상기 간섭계는 측정용 레이저(또는 연속 발진 레이저)를 조사하는 연속 발진 레이저 장치(21)와 연속 발진 레이저를 나누는 빔가르개(22)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 빔가르개(22)에 의해 나뉘어져 반사된 레이저 빔(이하, 기준빔)의 편광을 회전시키는 반파장판(31)과 상기 반파장판(31)에서 나온 빔을 비스듬하게 광굴절 결정(30)으로 직접 입사시키는 거울(32)이 사용될 수 있다.Here, the ultrasonic signal detection module 2 may include an interferometer guided by the focused pulsed laser beam to receive an ultrasonic signal propagated along the surface of the test specimen 5, the interferometer As an example, a two-wave mixing interferometer can be used. Such an interferometer may include a continuous oscillation laser device 21 for irradiating a measuring laser (or a continuous oscillation laser) and a beam splitter 22 for dividing the continuous oscillation laser. In addition, the half-wave plate 31 for rotating the polarization of the laser beam (hereinafter referred to as a reference beam) reflected by the beam splitter 22 and the beam from the half-wave plate 31 at an angle to the optical refraction crystal 30 A mirror 32 that directly enters into may be used.

이때, 상기 초음파 신호 정보를 추출하기 위하여 조사 영역은 복수 개의 측정용 레이저 빔을 사용할 수 있다. 그리고, 상기 측정용 레이저 빔은 상기 조사용 레이저 빔의 스캔 축 상에서 일정한 간격을 두고 위치할 수 있다.In this case, a plurality of measurement laser beams may be used as the irradiation area to extract the ultrasonic signal information. The laser beam for measurement may be positioned at regular intervals on the scan axis of the irradiation laser beam.

또한, 상기 연속 발진 레이저 장치(21)는 상기 빔가르개(22)에 의해 구분된 상기 연속 발진 레이저 빔 중에 다른 한 빔인 물체빔을 거울(23)에 입사시켜서, 상기 물체빔의 입사 각도를 변환시킨다. 상기 거울(23)에 의해 입사된 빔은 편광 빔가르개(24)에 의해 편광 반사되고 1/4 파장판(25)을 거쳐서 상기 편광 반사된 빔의 편광 상태를 변경시킨다. 상기 1/4 파장판(25)으로부터 나온 빔을 광결합기(26)를 이용하여 광파이버(62)로 전송시킬 수 있다. 상기 광파이버(62)를 통과한 레이저 빔을 상기 측정 시편(5)에 조사시킨 다음, 집속 광학계(53)는 반사되는 레이저 빔을 수신한다. In addition, the continuous oscillation laser apparatus 21 enters an object beam, which is another beam among the continuous oscillation laser beams divided by the beam splitter 22, into the mirror 23, thereby converting the incident angle of the object beam. Let's do it. The beam incident by the mirror 23 is polarized and reflected by the polarization beam splitter 24 and changes the polarization state of the polarized reflected beam via the quarter wave plate 25. The beam from the quarter wave plate 25 may be transmitted to the optical fiber 62 using the optical coupler 26. After irradiating the laser beam passing through the optical fiber 62 to the measurement specimen 5, the focusing optical system 53 receives the reflected laser beam.

이에 따라, 상기 측정 시편(5)에서 산란되어 나온 빛은 다시 광파이버(62)를 통해 상기 광결합기(26) 및 1/4 파장판(25)을 거쳐서 편광이 90도 회전되어 편광 빔가르개(24)를 투과한다. 상기 산란되어 나온 빛은 상기 집속된 레이저 빔인 물체빔을 입사받는 광굴절 결정(30)을 통과하여 물체빔과 광굴절 결정에서 회절된 기준빔이 만드는 간섭무늬를 집속하는 영상 렌즈(33)를 통해 고이득 광센서(34)로 전송된다. 상기 고이득 광센서(34)는 집속된 간섭 무늬를 입사 받아 광신호를 검출할 수 있다. 상기 검출된 광신호는 상기 결함 깊이 추출 모듈(3)의 A/D 변환기(36)로 전송되어 디지털 전기 신호로 변환되도록 한다. Accordingly, the light scattered from the measurement specimen 5 is rotated by 90 degrees through the optical coupler 26 and the quarter wave plate 25 through the optical fiber 62, thereby polarizing the beam 24). The scattered light passes through the optical refraction crystal 30 which receives the object beam, which is the focused laser beam, through the image lens 33 which focuses the interference fringes generated by the reference beam diffracted by the object beam and the optical refraction crystal. To the high gain optical sensor 34. The high gain optical sensor 34 may receive the focused interference fringe and detect an optical signal. The detected optical signal is sent to the A / D converter 36 of the defect depth extraction module 3 to be converted into a digital electrical signal.

여기서, 상기 편광 반사된 빔의 편광 상태를 바꾸는 1/4 파장판(28)이 사용될 수 있고, 상기 1/4 파장판(28)으로부터 나온 빔을 광파이버(63)와 결합시키는 광결합기(29)가 사용될 수 있다. 또한, 상기 측정 시편(5)에서 산란된 빛을 모은 후 상기 광결합기(29)와 1/4 파장판(28)을 거쳐 편광이 90도 회전되어 편광 빔가르개(27)를 투과한 후 집속된 레이저 빔(물체빔)을 입사 받는 상기 광굴절 결정(30)이 포함될 수 있다. 상기 광굴절 결정(30)을 통과한 물체빔과 상기 광굴절 결정(30)에서 회절된 기준빔이 만드는 간섭 무늬를 집속하는 영상 렌즈(33)가 사용될 수 있다. 상기 물체빔은 상기 집속된 간섭 무늬를 입사 받아 광신호를 검출하는 고이득 광센서(35)와 연결될 수 있다.Here, a quarter wave plate 28 for changing the polarization state of the polarized reflected beam can be used, and the optical coupler 29 for coupling the beam from the quarter wave plate 28 with the optical fiber 63. Can be used. In addition, after collecting the light scattered from the measurement specimen (5) through the optical coupler 29 and the quarter wave plate 28, the polarization is rotated 90 degrees through the polarizing beam splitter 27 and then focused The photorefractive crystal 30 that receives the laser beam (object beam) may be included. An image lens 33 may be used to focus an interference fringe formed by an object beam passing through the photorefractive crystal 30 and a reference beam diffracted by the photorefractive crystal 30. The object beam may be connected to a high gain optical sensor 35 that receives the focused interference fringe and detects an optical signal.

또한, 상기 연속 발진 레이저 장치(21)에서 출력된 발진 레이저는 상기 거울(23)에 입사되어 편광 빔가르개(24)에 의해 입사된 빔을 편광 투과시킨다. 상기 편광 빔가르개(24)에 의해 편광 투과된 빔을 편광 빔가르개(27)에 의해 반사시켜서 1/4 파장판(28)에서 상기 편광 반사된 빔의 편광 상태를 조절한다. In addition, the oscillation laser output from the continuous oscillation laser device 21 is incident on the mirror 23 and transmits the beam incident by the polarization beam splitter 24 to be polarized. The polarized beams transmitted by the polarization beam splitter 24 are reflected by the polarization beam splitter 27 to adjust the polarization state of the polarized reflected beam at the quarter wave plate 28.

상기 1/4 파장판(28)으로부터 나온 빔은 광결합기(29) 및 광파이버(63)를 통과하여 상기 발진 레이저 빔을 상기 측정 시편(5)에 조사시킨 후 집속 광학계(52)를 통해 반사되는 빛을 수신한다. 상기 반사되어 재입사된 초음파 신호는 다시 상기 광결합기(29) 및 1/4 파장판(28)를 거쳐 편광 빔가르개(27)에서 반사되고, 편광 빔가르개(24)에서 재 반사되어 광굴절 결정(30)을 통과한 상기 초음파 신호는 영상 렌즈(33)를 통과하여 상기 고이득 광센서(35)에 집속된다. 앞서 설명한 것과 같이, 상기 영상 렌즈(33)는 상기 물체빔과 상기 기준빔을 집속한다. 상기 고이득 광센서(35)에 집속된 광신호는 상기 결함 깊이 추출 모듈(3)에서 A/D 변환기(37)를 통해 디지털 전기 신호로 변환되도록 한다.The beam from the quarter wave plate 28 passes through the optical coupler 29 and the optical fiber 63 to irradiate the oscillation laser beam to the measurement specimen 5 and then is reflected through the focusing optical system 52. Receive the light. The reflected and re-incident ultrasonic signal is again reflected by the polarization beam splitter 27 through the optical coupler 29 and the quarter wave plate 28, and is reflected back by the polarization beam splitter 24 to receive light. The ultrasonic signal passing through the refraction crystal 30 passes through the image lens 33 and is focused on the high gain optical sensor 35. As described above, the image lens 33 focuses the object beam and the reference beam. The optical signal focused on the high gain optical sensor 35 is converted into a digital electrical signal through the A / D converter 37 in the defect depth extraction module 3.

여기서, 상기 편광 빔가르개(27)는 상기 편광 빔가르개(24)와 비교하여 미소 한 각도로 틀어져 있어서 위치 B에서 반사된 물체빔은 광굴절결정(30)에 입사될 때 위치 D에서 반사된 물체빔과는 입사 경로가 다르게 하여 위치 B에서 측정되는 초음파 신호는 고이득 광센서(35)에서 획득되도록 하며 위치 D에서 측정되는 초음파 신호는 고이득 광센서(34)에 획득되도록 할 수 있다.Here, the polarization beam splitter 27 is twisted at a slight angle compared to the polarization beam splitter 24 so that the object beam reflected at position B is reflected at position D when incident on the photorefractive crystal 30. The ultrasound signal measured at the position B may be acquired by the high gain optical sensor 35 and the ultrasonic signal measured at the position D may be obtained by the high gain optical sensor 34 because the incident path is different from that of the object beam. .

또한, 상기 고이득 광센서(34)에서 획득되는 초음파 신호는 상기 측정 시편(5)의 결함을 통과한 후의 초음파 신호이고, 상기 고이득 광센서(35)에서 획득되는 초음파 신호는 상기 측정 시편의 결함을 통과하기 전의 초음파 신호이다.In addition, the ultrasonic signal obtained by the high gain optical sensor 34 is an ultrasonic signal after passing the defect of the measurement specimen 5, the ultrasonic signal obtained by the high gain optical sensor 35 is Ultrasonic signal before passing the defect.

여기서, 상기 초음파 신호 검출 모듈(2)은 둘 이상의 위치(예를 들어, B, D)에서 상기 초음파를 측정할 경우에는 상기 측정 시편(5)의 표면의 결함을 통과하기 전의 초음파 신호 및 상기 결함을 통과한 후의 초음파 신호를 측정할 수 있다. 또한, 한 위치(예를 들어, D)에서 초음파 신호를 측정하는 경우에는 상기 결함을 통과한 후의 초음파 신호를 측정하고, 소정 메모리에 저장되어 있는 결함이 없는 측정 시편(5)에서 획득한 초음파 신호를 상기 결함을 통과하기 전의 초음파 신호가 될 수 있다. 상기 메모리는 상기 제어부(6)의 컴퓨터(71)의 메모리 등이 사용될 수 있다. 따라서, 상기 측정 시편(5)의 결함 및 무결함 부분의 초음파 신호를 비교하여 결함 깊이를 측정할 수 있다.Here, when measuring the ultrasonic wave at two or more positions (for example, B, D), the ultrasonic signal detecting module 2 includes an ultrasonic signal before passing a defect on the surface of the measurement specimen 5 and the defect. The ultrasonic signal after passing through can be measured. In addition, when measuring the ultrasonic signal at one position (for example, D), the ultrasonic signal after passing through the defect is measured, and the ultrasonic signal obtained from the defect-free measuring specimen 5 stored in a predetermined memory. May be an ultrasonic signal before passing the defect. The memory may be a memory of the computer 71 of the controller 6 or the like. Therefore, it is possible to measure the depth of the defect by comparing the ultrasonic signals of the defects and defects of the measurement specimen (5).

그 다음에, 상기 측정용 레이저 빔을 통하여 측정된 초음파 신호들로부터 초음파 신호 정보들을 추출한다(S630).Next, ultrasonic signal information is extracted from the ultrasonic signals measured through the measuring laser beam (S630).

상기 결함 깊이 추출 모듈(또는 결함 깊이 정밀 추출 장치)(3)에서는 상기 고이득 광센서(34)에서 검출된 광신호를 디지털 전기 신호로 변환하는 A/D 변환기 (36)와 연결된다. 또한, 상기 고이득 광센서(35)에서 검출된 광신호를 디지털 전기 신호로 변환하는 A/D 변환기(37)와 연결된다. 이때, 상기 A/D 변환기(36) 및 상기 A/D 변환기(37)로부터의 디지털 값을 저장하는 저장 장치가 사용될 수 있다.The defect depth extraction module (or precision defect depth extraction device) 3 is connected to an A / D converter 36 that converts the optical signal detected by the high gain optical sensor 34 into a digital electrical signal. In addition, the A / D converter 37 converts the optical signal detected by the high gain optical sensor 35 into a digital electric signal. At this time, a storage device for storing digital values from the A / D converter 36 and the A / D converter 37 may be used.

이와 같이 생성되는 상기 A/D 변환기(36) 및 상기 A/D 변환기(37)로부터의 디지털 값들은 상기 정규화 스펙트럼 추출부(38)로 전송되고, 상기 정규화 스펙트럼 추출부(38)는 상기 추출된 초음파 신호 정보들로부터 정규화된 스펙트럼을 추출한다. 중심 주파수 값 추출부(39)는 상기 정규화된 스펙트럼의 중심 주파수값을 추출한다.The digital values generated in this way from the A / D converter 36 and the A / D converter 37 are transmitted to the normalized spectrum extractor 38, and the normalized spectrum extractor 38 is extracted. The normalized spectrum is extracted from the ultrasonic signal information. The center frequency value extractor 39 extracts a center frequency value of the normalized spectrum.

즉, 결함 깊이 정밀 추출 장치(39)의 결함 통과 전의 초음파 신호와 결함 통과 후의 초음파 신호로부터 정규화 스펙트럼 추출 장치(38)에 의하여 정규화된 스펙트럼 신호가 얻어지고, 이로부터 결함 통과전의 초음파 신호를 기준으로 결함 통과 후의 초음파 신호를 비교하여 중심 주파수 값의 이동량을 분석하기 위하여 상기 중심 주파수값을 추출하는 상기 중심주파수 값 추출 장치(39)가 사용될 수 있다.That is, the spectral signal normalized by the normalized spectrum extraction device 38 is obtained from the ultrasonic signal before the defect passing and the ultrasonic signal after the defect passing by the defect depth precision extraction device 39, and from this the reference is made based on the ultrasonic signal before the defect passing. The center frequency value extracting device 39 may be used to extract the center frequency value in order to analyze the amount of movement of the center frequency value by comparing the ultrasonic signals after the defect passes.

이에 따라, 상기 추출된 초음파 신호 정보들의 소정 고주파 성분값의 이동량 및 중심 주파수값의 이동량을 기반으로 결함의 깊이 정보를 추출한다(S640).Accordingly, the depth information of the defect is extracted based on the movement amount of the predetermined high frequency component value and the movement amount of the center frequency value of the extracted ultrasonic signal information (S640).

상기 제어부(6)는 상기 결함 깊이 추출 모듈(3)의 상기 정규화 스펙트럼 추출부(38)의 정규화된 스펙트럼 및 상기 중심 주파수 값 추출부(39)의 스펙트럼의 중심 주파수값을 수신한다. 또한, 상기 초음파 유도 모듈(1)의 A/D 변환기(18)로부터 수신한 초음파 신호 정보도 상기 제어부(6)에 전송되어 상기 결함의 깊이 정 보를 추출하는데 사용될 수 있다.The controller 6 receives a normalized spectrum of the normalized spectrum extractor 38 of the defect depth extraction module 3 and a center frequency value of the spectrum of the center frequency value extractor 39. In addition, ultrasonic signal information received from the A / D converter 18 of the ultrasonic guidance module 1 may also be transmitted to the controller 6 to be used to extract the depth information of the defect.

상기 제어부(6)는 상기 컴퓨터(71)와 상기 이송 장치 드라이버(72)를 포함할 수 있고, 상기 컴퓨터(71)는 앞서 설명한 것과 같이 상기 신호 처리부(45)를 포함할 수 있다. 상기 신호 처리부(45)는 상기 추출된 초음파 신호 정보들에 대한 결함의 형상을 나타내는 소정 전달함수를 계산하고, 상기 전달함수가 나타내는 결함의 형상 정보로부터 결함 통과 전후의 소정 고주파 성분값의 이동량을 계산하여 상기 컴퓨터(71)의 소정 어플리케이션에 전송할 수 있다. 따라서, 상기 컴퓨터(71)는 상기 전송된 이동량에 따라 상기 측정 시편(5)의 결함 깊이를 계산할 수 있다.The controller 6 may include the computer 71 and the transfer device driver 72, and the computer 71 may include the signal processor 45 as described above. The signal processor 45 calculates a predetermined transfer function indicating a shape of a defect with respect to the extracted ultrasonic signal information, and calculates a movement amount of a predetermined high frequency component value before and after the defect from the shape information of the defect represented by the transfer function. Can be transmitted to a predetermined application of the computer 71. Thus, the computer 71 can calculate the defect depth of the measurement specimen 5 according to the transferred amount of movement.

상기 컴퓨터(71)의 상기 연산 결과에 따라 상기 컴퓨터(71)에 저장된 어플리케이션이 동작하고, 또한 그 동작에 의해 상기 이송 장치 드라이버(72)가 특정 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 이송 장치(7)를 일정 크기 전/후진 시킬 수 있고 상기 스캐너(4)를 일정 크기 상/하로 이동되도록 제어할 수 있다.An application stored in the computer 71 operates according to the calculation result of the computer 71, and the transfer device driver 72 may perform a specific operation by the operation. For example, the transfer device 7 may be moved forward / backward by a certain size and the scanner 4 may be controlled to be moved up / down by a certain size.

또한, 상기 제어부(6)는 이송 장치 드라이버(72)를 이용하여 스캐너(4)를 제어하고 각종 신호 처리와 시스템 운영을 담당한다. 이를 위하여, 상기 제어부(6)는 상기 초음파 유도 모듈(1), 상기 초음파 신호 검출 모듈(2), 및 상기 결함 깊이 추출 모듈(3)를 전체적으로 제어하고 상기 초음파 신호 검출 모듈(2), 및 상기 결함 깊이 추출 모듈(3)로부터 수신한 데이터를 신호 처리하여 상기 결함의 깊이 정보도 추출할 수 있다. The control unit 6 also controls the scanner 4 using the transfer device driver 72 and is responsible for various signal processing and system operations. To this end, the control unit 6 controls the ultrasonic guidance module 1, the ultrasonic signal detection module 2, and the defect depth extraction module 3 as a whole, and the ultrasonic signal detection module 2, and the The data received from the defect depth extraction module 3 may be signal processed to extract depth information of the defect.

상기 제어부(6)는 상기 정규화 스펙트럼 추출부(38) 및 상기 중심 주파수값 추출부(39)로부터 수신한 신호 정보들을 종합적으로 분석하여 사용자에게 제공할 수 있다. 이를 위해 도 3과 같이 상기 필터 형상 추출부(40) 및 상기 주파수 감쇠량 측정부(41)를 가진 신호 처리부(45)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 주파수 감쇠량 측정부(41)는 상기 결함의 형상에서 특정 고주파 성분에 대한 복수의 감쇠량들을 측정하고, 상기 복수의 감쇠량들의 평균인 평균 감쇠량으로부터 상기 결함의 깊이 정보를 측정할 수 있다. 또한, 상기 결함의 깊이 정보는 상기 추출된 초음파 신호 정보의 정규화된 스펙트럼의 고주파 성분의 감쇠량에 비례 관계로 나타날 수 있다.The controller 6 may comprehensively analyze signal information received from the normalized spectrum extractor 38 and the center frequency value extractor 39, and provide the same to the user. To this end, as shown in FIG. 3, the filter processor 45 may include the filter shape extractor 40 and the frequency attenuation measurer 41. Here, the frequency attenuation measuring unit 41 may measure a plurality of attenuation amounts for a specific high frequency component in the shape of the defect, and measure depth information of the defect from an average attenuation amount that is an average of the plurality of attenuation amounts. In addition, the depth information of the defect may appear in proportion to the attenuation amount of the high frequency component of the normalized spectrum of the extracted ultrasonic signal information.

상기 스캐너(4)는 상기 집속 광학계들(51, 52, 53)을 이동시키는 기능을 하는데, 상기 제어부(6)는 이송 장치 드라이버(72)에 따라 상기 스캐너(4)가 동작하도록 제어할 수 있다. 즉, 초음파 신호를 하나 이상의 지점에서 비접촉식으로 측정하기 위하여 상기 스캐너(4)는 펄스 레이저 빔 조사용 집속 광학계(51)와 레이저 간섭계의 집속 광학계들(52, 53)을 하나의 바(bar)에 함께 고정시켜 상기 측정 시편(5)을 스캔할 수 있도록 한다. The scanner 4 functions to move the focusing optical systems 51, 52, and 53, and the controller 6 may control the scanner 4 to operate according to the transfer device driver 72. . That is, in order to measure the ultrasonic signal at one or more points in a non-contact manner, the scanner 4 combines the focusing optical system 51 for irradiating the pulsed laser beam and the focusing optical systems 52 and 53 of the laser interferometer to one bar. Secure together to allow the measurement specimen 5 to be scanned.

이하에서는 본 발명을 실시한 실험 결과를 예로 들어 설명하기로 한다.Hereinafter, the experimental results of the present invention will be described as an example.

도 7 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 다양한 깊이의 표면 결함을 통과한 레이저 초음파 신호의 예이다.7-9 are examples of laser ultrasound signals that have passed through surface defects of varying depths in accordance with one embodiment of the present invention.

상기 비접촉식 표면 결함 검사 장치(200)를 이용하여 표면 결함 깊이가 0 μm, 100μm, 200μm, 300μm, 400μm, 500μm인 측정 시편들에 앞서 설명한 것과 같은 방법으로 레이저 초음파를 발생시키고 발생된 초음파를 측정한다. 여기서, 상기 표면 결함의 폭은 300μm로 모두 동일하게 설정되어 있다. 또한, 각각 다른 표 면 결함 깊이(6 종류)를 가진 측정 시편을 일정 횟수 이상(예컨대, 40회) 상기 초음파 유도 모듈(1)을 통해 레이저 초음파를 발생시켜 상기 초음파 신호 검출 모듈(2)을 통해 상기 발생된 초음파 신호를 각각 측정한다. 다음에, 상기 측정된 초음파 신호를 각각 평균화한 후에 레이저 표면파 신호를 확대시키면 도 7 내지 도 9와 같이 나타난다. 도 7 내지 도 9의 그래프에서 가로축은 마이크로 초(μsec), 세로축은 초음파 신호의 전압(mV)을 나타낸다.The non-contact surface defect inspection apparatus 200 generates laser ultrasonic waves and measures the generated ultrasonic waves in the same manner as described above with respect to measurement specimens having a surface defect depth of 0 μm, 100 μm, 200 μm, 300 μm, 400 μm, and 500 μm. . Here, the width | varieties of the said surface defect are all set to the same at 300 micrometers. In addition, by using the ultrasonic signal detection module 2 by generating a laser ultrasonic wave through the ultrasonic guide module 1 for a predetermined number of times (for example 40 times) measuring specimens having different surface defect depths (6 types) Each of the generated ultrasonic signals is measured. Next, when the measured ultrasonic signals are averaged, the laser surface wave signal is enlarged, as shown in FIGS. 7 to 9. In the graphs of FIGS. 7 to 9, the horizontal axis represents microseconds (μsec) and the vertical axis represents voltage (mV) of the ultrasonic signal.

6개의 초음파 신호들은 상기 측정 시편의 표면 결함 깊이가 증가할수록 진폭이 작아진다. 즉, 상기 표면 결함 깊이가 0.0mm 일 때 상기 초음파 신호의 최대 전압이 약 70 mV 가 되고, 상기 표면 결함 깊이가 0.1mm 일 때 최대 전압이 약 45 mV 가 되며, 상기 표면 결함 깊이가 0.5mm 일 때 최대 전압이 약 10 mV 가 되는 형태로 진폭이 점차 작아짐을 확인할 수 있다. 또한, 상기 측정 시편의 표면 결함 깊이가 증가할수록 주기가 길어짐을 알 수 있고 고주파 성분이 많이 감소되는 것도 확인할 수 있다. The six ultrasonic signals decrease in amplitude as the surface defect depth of the test specimen increases. That is, when the surface defect depth is 0.0mm, the maximum voltage of the ultrasonic signal is about 70 mV, when the surface defect depth is 0.1mm, the maximum voltage is about 45 mV, and the surface defect depth is 0.5mm When the maximum voltage is about 10 mV, the amplitude gradually decreases. In addition, it can be seen that the period becomes longer as the surface defect depth of the test specimen increases, and it is also confirmed that a lot of high frequency components are reduced.

도 10에서 주파수에 따른 초음파 신호의 변화를 보면 상기 측정 시편(5)의 표면 결함 깊이에 따라 다른 진폭값이 나타난다.In FIG. 10, when the ultrasonic signal changes with frequency, different amplitude values appear according to the depth of surface defects of the measurement specimen 5.

앞서 설명한 것과 같이, 상기 결함 깊이 추출 모듈(3)은 상기 고이득 광센서(34, 35)로부터 초음파의 영상 신호를 수신하여 상기 A/D 변환기(36,37)를 통해 디지털 신호로 변환하고, 정규화 스펙트럼 추출부(38)를 통해 상기 추출된 초음파 신호 정보들의 정규화된 스펙트럼을 추출한다. 또한, 중심 주파수값 추출부(39)를 통해 상기 정규화된 스펙트럼으로부터 상기 추출된 초음파 신호 정보들의 중심 주파수값을 추출한다.As described above, the defect depth extraction module 3 receives an ultrasound image signal from the high gain optical sensors 34 and 35 and converts it into a digital signal through the A / D converters 36 and 37, The normalized spectrum extractor 38 extracts the normalized spectrum of the extracted ultrasonic signal information. In addition, the center frequency value extractor 39 extracts the center frequency values of the extracted ultrasonic signal information from the normalized spectrum.

따라서, 도 10의 스펙트럼은 도 7 내지 도 9의 신호를 주파수 변환한 결과의 스펙트럼이다. 상기 표면 결함 깊이가 증가할수록 주파수의 고주파 성분의 감쇠는 증가하고 상기 중심 주파수 값은 작아짐을 확인할 수 있다.Therefore, the spectrum of FIG. 10 is a spectrum of the result of frequency converting the signal of FIGS. As the surface defect depth increases, the attenuation of the high frequency component of the frequency increases and the center frequency value decreases.

상기 측정 시편(5)의 표면 결함을 통과한 초음파 신호는 상기 초음파 신호 검출 모듈(2)의 집속 광학계들(52, 53)에서 측정될 수 있다. 상기 표면 결함의 존재는 저주파 통과 필터(LPF) 기능을 한다.The ultrasonic signal passing through the surface defect of the measurement specimen 5 may be measured by the focusing optical systems 52 and 53 of the ultrasonic signal detection module 2. The presence of the surface defects functions as a low pass filter (LPF).

또한, 앞서 설명한 것과 같이, 상기 제어부(6)의 필터 형상 추출부(40)는 표면 결함에 대한 형상을 나타내는 전달함수를 구한다. 상기 표면 결함에 대한 전달함수인 저주파 통과 필터 형상이 구해지면 주파수 감쇠량 측정부(41)는 고주파 성분에 대한 주파수 감쇠량을 측정하여 상기 표면 결함의 깊이 정보를 예측할 수 있다. 상기 표면 결함에 대한 전달함수는 시간 영역에서 [수학식 1]과 같다.In addition, as described above, the filter shape extraction unit 40 of the control unit 6 obtains a transfer function representing the shape of the surface defect. When the low pass filter shape, which is a transfer function for the surface defects, is obtained, the frequency attenuation measuring unit 41 may estimate the depth information of the surface defects by measuring the frequency attenuation amount for the high frequency component. The transfer function for the surface defect is represented by Equation 1 in the time domain.

[수학식 1][Equation 1]

상기 [수학식 1]에서 t는 현재 시간 인덱스, m은 샘플링 시간 인덱스이며, 함수 i는 결함을 통과하기 전의 초음파 신호를 의미하고 함수 p는 결함을 통과한 후의 레이저 초음파 신호를 의미한다. 그리고 함수 g는 표면 결함의 깊이에 대응하는 표면파의 투과 특성을 나타내는 표면 결함에 대한 전달함수이다. In Equation 1, t denotes a current time index and m denotes a sampling time index. A function i denotes an ultrasonic signal before passing a defect and a function p denotes a laser ultrasonic signal after passing a defect. And the function g is a transfer function for the surface defect indicating the transmission characteristic of the surface wave corresponding to the depth of the surface defect.

상기 표면 결함에 대한 전달함수를 [수학식 1]과 같은 시간 영역에서 구하기 위한 계산 절차는 복잡하므로 [수학식 2]를 이용하여 주파수 영역에서 전달함수를 구한다.Since the calculation procedure for obtaining the transfer function for the surface defect in the time domain as shown in [Equation 1] is complicated, the transfer function is calculated in the frequency domain using [Equation 2].

[수학식 2][Equation 2]

[수학식 2]에서 함수 I, 함수 P, 및 함수 G 각각은 [수학식 1]의 함수 i(입력 신호)와 함수 p(결함 통과 신호) 및 함수 g(결함 전달함수)를 주파수 변환한 함수이다.In Equation 2, functions I, P, and G are each a frequency-converted function of function i (input signal), function p (defect pass signal), and function g (defect transfer function) in Equation 1 to be.

여기서, 상기 필터 형상 추출부(40)는 [수학식 1]과 [수학식 2]를 이용하여 결함의 필터 형상을 추출하고, 주파수 감쇠량 측정부(41)는 추출된 결함의 필터 형상으로부터 결함 통과전의 초음파의 필터 스펙트럼을 기준으로 결함을 통과한 후의 필터 형상에서 고주파 성분의 감쇠량을 측정한다. 이렇게 측정된 감쇠량으로부터 상기 제어부(6)는 상기 표면 결함의 깊이 값을 계산한다.Here, the filter shape extraction unit 40 extracts the filter shape of the defect using Equation 1 and Equation 2, and the frequency attenuation measuring unit 41 passes the defect from the extracted filter shape of the defect. The attenuation amount of the high frequency component is measured in the filter shape after passing a defect based on the filter spectrum of the previous ultrasonic wave. The control unit 6 calculates the depth value of the surface defect from the measured attenuation amount.

도 11에서 보는 것과 같이, [수학식 2]를 사용하여 결함 없는 측정 시편과 깊이가 100μm에서부터 500μm사이인 표면 결함에 대한 전달함수를 주파수 영역에서 구한 다음 진폭을 정규화 시킨 결과를 나타낸다.As shown in FIG. 11, using Equation 2, the transfer function for defect-free test specimens and surface defects having a depth of 100 μm to 500 μm in the frequency domain is shown, and then the amplitude is normalized.

또한, 표면 결함이 없는 측정 시편(5)에서는 모든 주파수 대역에서 주파수 감쇠가 없으며 표면 결함의 깊이가 증가할수록 고주파 성분은 더욱 많이 손실됨을 알 수 있다. 상기 초음파의 표면파 신호는 시편 표면상으로부터 각 신호의 1 파장 깊이 이내에 대부분의 에너지가 존재하므로 상기 표면 결함 깊이가 증가할수록 고주파 성분의 감쇠는 비례적으로 증가함을 알 수 있다.In addition, it can be seen that in the measurement specimen 5 without surface defects, there is no frequency attenuation in all frequency bands, and as the depth of the surface defects increases, more high frequency components are lost. Since the surface wave signal of the ultrasonic wave has most of energy within one wavelength of each signal from the surface of the specimen, the attenuation of the high frequency component increases proportionally as the surface defect depth increases.

도 12는 도 7 내지 도 9의 상기 측정 시편(5)의 다양한 결함 깊이에 따라 측정된 초음파 신호의 최대-최소 값을 나타낸다. 즉, 깊이가 다른 각각의 표면 결함에서 40번씩 초음파를 발생시켜 최대-최소 값을 구한 후에 평균값을 구한 결과이다. 도 12의 결과에서 볼 수 있듯이 표면 결함의 깊이가 증가할수록 표면파 신호의 진폭은 반비례적으로 작아지기는 하지만, 일반적인 트랜스듀스 방식의 초음파 신호와 마찬가지로 상기 측정된 초음파 신호에서도 각 샘플마다 발생되는 초음파 진폭 크기의 변화가 심하여 선형적 반비례 관계는 아님을 알 수 있다.FIG. 12 shows the maximum-minimum values of the ultrasonic signals measured according to various defect depths of the measurement specimen 5 of FIGS. 7 to 9. In other words, the ultrasonic wave is generated 40 times at each of the surface defects having different depths to obtain the maximum and minimum values, and then the average value is obtained. As can be seen from the results of FIG. 12, as the depth of the surface defect increases, the amplitude of the surface wave signal decreases in inverse proportion. However, the ultrasonic amplitude generated for each sample also exists in the measured ultrasonic signal as in the normal transduced ultrasonic signal. It can be seen that the magnitude of the change is so great that it is not a linear inverse relationship.

도 13은 도 7 내지 도 9의 측정 시편의 다양한 결함 깊이에 따라 측정된 각각의 초음파 신호의 중심 주파수 값을 나타낸다. 즉, 깊이가 다른 각각의 표면 결함에서 40번씩 초음파를 발생시켜 상기 초음파 신호에 대한 표면파 스펙트럼의 중심 주파수값을 구한 후에 평균화하여 나타낸 그래프이다. 도 13을 통해, 상기 측정 시편의 표면 결함의 깊이가 증가할수록 중심 주파수 값은 반비례적으로 감소함 을 알 수 있다. 여기서, 도 12과 도 13의 실험 결과를 비교해 보면 주파수 영역에서의 중심 주파수 추출법이 시간 영역에서의 최대-최소값 관찰법 보다 더욱 정밀한 정보를 제공한다는 것도 확인할 수 있다.FIG. 13 shows a center frequency value of each ultrasonic signal measured according to various defect depths of the measurement specimens of FIGS. 7 to 9. That is, it is a graph showing 40 times of ultrasonic waves generated at each surface defect having different depths and averaging the center frequency values of the surface wave spectrum with respect to the ultrasonic signals. 13, it can be seen that as the depth of the surface defect of the test specimen increases, the center frequency value decreases in inverse proportion. Here, comparing the experimental results of FIGS. 12 and 13, it can also be seen that the center frequency extraction method in the frequency domain provides more precise information than the maximum-minimum observation method in the time domain.

도 14에서 보는 것과 같이, 결함 깊이가 증가함에 따라 상기 초음파 신호의 정규화된 진폭은 감소함을 확인할 수 있다. 앞서 설명했듯이, 본 발명의 주파수 감쇠량 측정부(41)는 상기 측정 시편(5)의 결함 깊이에 따른 주파수 감쇠량을 측정하여, 도 14와 같은 그래프를 나타낼 수 있다. 도 14에서는 결함 깊이에 따른 특정 주파수(여기서는 2.93MHz)성분의 감쇠를 조사한 결과이다. 상기 결함의 깊이 정보는 상기 추출된 초음파 신호 정보의 정규화된 스펙트럼의 고주파 성분의 감쇠량에 비례 관계가 될 수 있다.As shown in FIG. 14, as the defect depth increases, the normalized amplitude of the ultrasound signal decreases. As described above, the frequency attenuation measuring unit 41 of the present invention may measure the frequency attenuation according to the depth of the defect of the measurement specimen 5 and may display a graph as shown in FIG. 14. In FIG. 14, the attenuation of a specific frequency (here 2.93 MHz) component according to a defect depth is examined. The depth information of the defect may be proportional to the attenuation amount of the high frequency component of the normalized spectrum of the extracted ultrasonic signal information.

도 15는 표면 결함의 깊이에 따른 중심 주파수 감쇠 값을 비교한 도면이다.15 is a diagram comparing center frequency attenuation values with depths of surface defects.

도 15에서 보는 것과 같이, 상기 측정 시편(5)의 결함 깊이에 따라 특정 주파수 영역(실험 결과에서는 1.95MHz에서부터 5.37MHz 사이)의 주파수 계수의 평균값을 도시한 결과이다. 도 13과 같이, 결함 깊이가 증가함에 따라 상기 초음파 신호의 정규화된 중심 주파수는 감소함을 확인할 수 있다. 도 14 및 도 15의 실선은 선형 피팅(fitting)한 결과를 나타낸다.As shown in FIG. 15, the average value of frequency coefficients in a specific frequency region (1.95 MHz to 5.37 MHz in the experimental result) is shown according to the defect depth of the measurement specimen 5. As shown in FIG. 13, as the defect depth increases, the normalized center frequency of the ultrasound signal decreases. Solid lines in FIGS. 14 and 15 show the results of linear fitting.

지금까지 표면파를 이용하여 다양한 깊이의 표면 결함을 검출한 본 발명의 실험 결과에서 알 수 있듯이, 결함 깊이의 증가에 따라 레이저 초음파 신호의 진폭 감소와 고주파 성분의 감소가 비례적으로 나타난다. 또한, 같은 깊이의 표면 결함 에 대하여 초음파의 더 큰 고주파 성분일수록 더 크게 감소함을 알 수 있다. 또한, 표면 결함의 깊이가 증가할수록 결함 전달함수의 고주파 성분 감쇠는 선형적으로 증가함을 알 수 있다. As can be seen from the experimental results of the present invention in which surface defects of various depths are detected using surface waves, the amplitude of the laser ultrasonic signal and the decrease of the high frequency component are proportionally increased as the depth of the defect increases. In addition, it can be seen that the larger the high frequency components of the ultrasonic waves, the greater the surface defects of the same depth. In addition, it can be seen that as the depth of the surface defect increases, the high frequency component attenuation of the defect transfer function increases linearly.

표면 결함을 통과한 레이저 표면파 신호의 최대-최소값과 주파수 스펙트럼의 중심주파수 값도 반비례적으로 감소함을 확인할 수 있다. 하지만, 본 실험의 결과에서 알 수 있듯이 레이저 초음파 신호는 강도 변화가 심한 특징으로 인하여 표면 결함 해석 시에 시간 영역에서의 진폭 해석 보다는 주파수 영역에서의 중심 주파수 해석이 더욱 정확한 깊이 정보를 제공함을 알 수 있었다.It can be seen that the maximum-minimum value of the laser surface wave signal passing through the surface defect decreases in inverse proportion to the center frequency value of the frequency spectrum. However, as can be seen from the results of this experiment, the laser ultrasonic signal has a characteristic of high intensity variation, so the center frequency analysis in the frequency domain provides more accurate depth information than the amplitude analysis in the time domain when analyzing surface defects. there was.

본 발명에 따른 비접촉식 표면 결함 검사 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 상기 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The non-contact surface defect inspection method according to the present invention can be implemented in the form of program instructions that can be executed by various computer means and recorded in a computer readable medium. The computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. Program instructions recorded on the media may be those specially designed and constructed for the purposes of the present invention, or they may be of the kind well-known and available to those having skill in the computer software arts. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tape, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic disks, such as floppy disks. Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. The medium may be a transmission medium such as an optical or metal wire, a waveguide, or the like including a carrier wave for transmitting a signal specifying a program command, a data structure, or the like. Examples of program instructions include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, the present invention has been described by specific embodiments such as specific components and the like, but the embodiments and the drawings are provided only to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments. For those skilled in the art, various modifications and variations are possible from such description.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and all the things that are equivalent to or equivalent to the claims as well as the following claims will belong to the scope of the present invention. .

도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 물체의 결함 깊이를 측정하는 데 사용될 수 있는 제어부(6)의 컴퓨터(71)로 사용될 수 있는 범용 컴퓨터 장치(1600)의 내부 블록도이다.FIG. 16 is an internal block diagram of a general purpose computer device 1600 that can be used as the computer 71 of the control unit 6 that can be used to measure the defect depth of an object in accordance with one embodiment of the present invention.

상기 컴퓨터 장치(1600)는 램(RAM: Random Access Memory)(1620)과 롬(ROM: Read Only Memory)(1630)을 포함하는 주기억장치와 연결되는 적어도 하나의 프로세서(1610)를 포함한다. 프로세서(1610)는 중앙처리장치(CPU)로 불리기도 한다. 본 기술분야에서 널리 알려져 있는 바와 같이, 롬(1630)은 데이터(data)와 명령 (instruction)을 단방향성으로 CPU에 전송하는 역할을 하며, 램(1620)은 통상적으로 데이터와 명령을 양방향성으로 전송하는 데 사용된다. 램(1620) 및 롬(1630)은 컴퓨터 판독 가능 매체의 어떠한 적절한 형태를 포함할 수 있다. 대용량 기억장치(Mass Storage)(1640)는 양방향성으로 프로세서(1610)와 연결되어 추가적인 데이터 저장 능력을 제공하며, 상기된 컴퓨터 판독 가능 기록 매체 중 어떠한 것일 수 있다. 대용량 기억장치(1640)는 프로그램, 데이터 등을 저장하는데 사용되며, 통상적으로 주기억장치보다 속도가 느린 하드 디스크와 같은 보조기억장치이다. CD 롬(1660)과 같은 특정 대용량 기억장치가 사용될 수도 있다. 프로세서(1610)는 비디오 모니터, 트랙볼, 마우스, 키보드, 마이크로폰, 터치스크린 형 디스플레이, 카드 판독기, 자기 또는 종이 테이프 판독기, 음성 또는 필기 인식기, 조이스틱, 또는 기타 공지된 컴퓨터 입출력장치와 같은 적어도 하나의 입출력 인터페이스(1650)와 연결된다. 마지막으로, 프로세서(1610)는 네트워크 인터페이스(1670)를 통하여 유선 또는 무선 통신 네트워크에 연결될 수 있다. 이러한 네트워크 연결을 통하여 상기된 방법의 절차를 수행할 수 있다. 상기된 장치 및 도구는 컴퓨터 하드웨어 및 소프트웨어 기술 분야의 당업자에게 잘 알려져 있다.The computer device 1600 includes at least one processor 1610 connected to a main memory including a random access memory (RAM) 1620 and a read only memory (ROM) 1630. The processor 1610 is also called a central processing unit (CPU). As is well known in the art, the ROM 1630 serves to transfer data and instructions to the CPU unidirectionally, and the RAM 1620 typically transfers data and instructions bidirectionally. Used to. RAM 1620 and ROM 1630 may include any suitable form of computer readable media. Mass storage 1640 is bidirectionally coupled to processor 1610 to provide additional data storage capability and may be any of the computer readable recording media described above. The mass storage device 1640 is used to store programs, data, and the like, and is a secondary memory device such as a hard disk which is generally slower than the main memory device. Certain mass storage devices such as CD ROM 1660 may be used. The processor 1610 includes at least one input and output such as a video monitor, trackball, mouse, keyboard, microphone, touchscreen display, card reader, magnetic or paper tape reader, voice or handwriting reader, joystick, or other known computer input / output device. Is connected to the interface 1650. Finally, the processor 1610 may be connected to a wired or wireless communication network through the network interface 1670. Through this network connection, the procedure of the method described above can be performed. The apparatus and tools described above are well known to those skilled in the computer hardware and software arts.

상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있다.The hardware device described above may be configured to operate as at least one software module to perform the operations of the present invention.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 비접촉식 표면 결함 검사 장치 및 방법은 초음파를 이용하여 결함의 구체적인 깊이 정보를 제공할 수 있으므로 재료의 수명 등을 예측할 수 있고 산업상 여러 분야에서 널리 활용할 수 있도록 하는 효과가 있다.As described above, the non-contact surface defect inspection apparatus and method according to the present invention can provide specific depth information of defects using ultrasonic waves, thereby predicting the life of the material, etc., and having the effect of being widely used in various fields of industry. have.

Claims

An ultrasonic induction module for generating ultrasonic waves on an object surface using at least one irradiation laser beam;

An ultrasonic signal detection module irradiating a laser beam for measurement on the surface of the object to which the ultrasonic wave propagates and measuring ultrasonic waves on the surface of the object using a predetermined interferometer to extract ultrasonic signal information;

A defect depth extraction module extracting a normalized spectrum from the extracted ultrasonic signal information and extracting a center frequency value of the ultrasonic signal information from the extracted normalized spectrum; And

Depth information of the defect is extracted based on the amount of movement of the high frequency component value before and after the defect passing through the transfer function calculated in association with the extracted ultrasonic signal information and the amount of movement of the center frequency value extracted. Signal processing unit

Non-contact surface defect inspection apparatus comprising a.

delete

The method of claim 1,

The signal processing unit,

A filter shape extracting unit configured to calculate a transfer function indicating a shape of a defect from the extracted ultrasonic signal information; And

Frequency attenuation measuring unit for calculating the amount of movement of the high frequency component value before and after the defect passing from the shape information of the defect represented by the transfer function

Non-contact surface defect inspection apparatus comprising a.

The method of claim 3,

The frequency attenuation measuring unit,

Measuring a plurality of attenuation amounts for the high frequency component from the shape information of the defect, and calculating an average attenuation amount obtained by averaging the plurality of attenuation amounts.

Non-contact surface defect inspection device, characterized in that.

The method of claim 1,

The ultrasonic signal detection module,

And an ultrasonic signal after passing the defect on the surface of the object and an ultrasonic signal after passing the defect on the surface of the object.

The method of claim 5,

The ultrasonic signal detection module,

In the case of measuring the ultrasonic signal at one position, the ultrasonic signal after passing the defect on the surface of the object is measured, and the ultrasonic signal obtained from the defect object stored in the memory before passing the defect on the surface of the object. Thing

Non-contact surface defect inspection device, characterized in that.

The method of claim 1,

The defect depth extraction module,

Extracting depth information of the defect using the attenuation amount of the center frequency value being proportional to the depth of the defect

Non-contact surface defect inspection device, characterized in that.

The method of claim 1,

The depth information of the defect is proportional to the attenuation amount of the high frequency component of the normalized spectrum.

Non-contact surface defect inspection device, characterized in that.

Generating ultrasonic waves on an object surface using at least one irradiation laser beam;

Irradiating a laser beam for measurement on the surface of the object to which the ultrasonic wave propagates and measuring ultrasonic waves on the surface of the object using a predetermined interferometer to extract ultrasonic signal information;

Extracting a normalized spectrum from the extracted ultrasonic signal information and extracting a center frequency value of the ultrasonic signal information from the extracted normalized spectrum; And

Depth information of the defect is extracted based on the amount of movement of the high frequency component value before and after the defect passing through the transfer function calculated in association with the extracted ultrasonic signal information and the amount of movement of the center frequency value extracted. Steps to

Non-contact surface defect inspection method comprising a.

A computer-readable recording medium having recorded thereon a program for executing the method of claim 9.