KR101380491B1 - Non-destructive inspection using laser-ultrasound and infrared thermography - Google Patents

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Abstract

표적 물질(216)의 내부 구조를 검사하기 위해 검사 시스템(200)이 제공된다. 이 검사 시스템은 발생 레이저(210)와, 초음파 검출 시스템(220, 226, 228, 230)과, 열 이미징 시스템(234)과, 프로세서/제어 모듈(232)을 포함한다. 상기 발생 레이저(210)는, 표적 물질(216)에서 초음파 변위 및 열 과도부를 유도하는 펄스형 레이저 빔(212)을 생산한다. 초음파 검출 시스템은 표적 물질(216)에서 초음파 표면 변위를 검출한다. 상기 열 이미징 시스템(234)은 표적 물질(216)에서의 열 과도부를 검출한다. 프로세서(232)는 표적 물질(216)의 검출된 초음파 변위와 열 이미지 모두 분석하여, 표적 물질의 내부 구조에 관한 정보를 생산할 수 있다. 상기 표적 물질(216)은 복합 물질을 포함하는 것이 바람직하다.

Figure R1020097013388

An inspection system 200 is provided to inspect the internal structure of the target material 216. The inspection system includes a generation laser 210, ultrasonic detection systems 220, 226, 228, 230, thermal imaging system 234, and a processor / control module 232. The generating laser 210 produces a pulsed laser beam 212 that induces ultrasonic displacement and thermal transients in the target material 216. The ultrasonic detection system detects ultrasonic surface displacements in the target material 216. The thermal imaging system 234 detects thermal transients in the target material 216. The processor 232 may analyze both the detected ultrasonic displacement and the thermal image of the target material 216 to produce information about the internal structure of the target material. The target material 216 preferably includes a composite material.

Figure R1020097013388

Description

레이저-초음파 및 적외선 서모그래피를 이용하는 비파괴적 검사{NON-DESTRUCTIVE INSPECTION USING LASER-ULTRASOUND AND INFRARED THERMOGRAPHY}NON-DESTRUCTIVE INSPECTION USING LASER-ULTRASOUND AND INFRARED THERMOGRAPHY}

본 발명은 비파괴적 테스트에 관한 것이며, 더 구체적으로, 물질의 내부 구조를 검사하기 위한 열 이미징(thermal imaging) 및 초음파 테스트에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to nondestructive testing, and more particularly to thermal imaging and ultrasonic testing for examining the internal structure of materials.

최근 들어, 항공 우주, 자동차 및 그 밖의 다른 다수의 상업적 산업에서 개선된 복합 구조를 사용하는 것이 상당한 성장을 이루었다. 복합 물질은 성능의 상당한 개선을 제공하지만, 제조 공정 중과, 물질이 완제품으로 서비스된 후, 모두에서 엄격한 품질 제어 절차를 필요로 한다. 특히, 비파괴적 평가(NDE: Non-Destructive Evaluation)법으로 복합 물질의 구조적 무결성(structural integrity)을 평가해야 한다. 적합한 평가는 표면 근방 영역과 심층 내부 영역 모두에서, 내부결함(inclusion), 균열(delamination), 기공(porosity)을 검출할 수 있어야 한다.In recent years, the use of improved composite structures in aerospace, automotive and many other commercial industries has seen significant growth. Composite materials provide a significant improvement in performance, but require stringent quality control procedures both during the manufacturing process and after the material has been serviced as a finished product. In particular, the non-destructive evaluation (NDE) method should evaluate the structural integrity of the composite material. Appropriate assessments should be able to detect internal defects, delamination and porosity in both the near surface and deep interior regions.

복합 구조의 구조적 무결성을 평가하기 위해 다양한 방법 및 장치가 제안되었다. 하나의 해결책에서, 표적 물질에서 초음파 표면 변위(ultrasonic surface displacement)를 발생시키기 위해 초음파 소스를 사용한다. 그 후, 상기 초음파 표면 변위가 측정되고 분석된다. 초음파의 소스는 표적으로 향해지는 펄스형(pulsed) 발생 레이저 빔(generation laser beam)일 수 있다. 개별 검출 레이저로부터의 레이저 광은 초음파 표면 변위를 조명하고, 워크피스 표면에 의해 산란된다. 그 후, 채집 광소자(collection optic)가 산란된 레이저 에너지를 채집한다. 상기 채집 광소자는 간섭계(interferometer)나 그 밖의 다른 장치로 연결되며, 산란된 레이저 에너지의 분석을 통해 복합 구조물의 구조적 무결성이 획득될 수 있다. 제조 공정 동안 부품을 검사하기에 레이저 초음파는 매우 효과적인 것으로 알려져 왔다. Various methods and apparatus have been proposed for evaluating the structural integrity of composite structures. In one solution, an ultrasonic source is used to generate an ultrasonic surface displacement in the target material. The ultrasonic surface displacement is then measured and analyzed. The source of ultrasound may be a pulsed generation laser beam directed to the target. Laser light from the individual detection lasers illuminates the ultrasonic surface displacement and is scattered by the workpiece surface. The collection optics then collect the scattered laser energy. The collected optical element is connected to an interferometer or other device, and the structural integrity of the complex structure can be obtained through analysis of the scattered laser energy. Laser ultrasound has been known to be very effective for inspecting parts during the manufacturing process.

통상적으로, 간섭계로 연결되는 프로브 레이저 빔이 표면 변위나 속도를 검출하는 동안, 표면 상의 국소 부위에서의 열 팽창에 의해, 레이저 소스가 음파(sound)를 발생시킨다. 발생 레이저의 흡수로 인한 열팽창이 변위를 생성하며, 상기 변위는 레이저-초음파 검출 시스템에 의해 복조되어, 레이저-초음파 신호의 시작부분에서 펄스를 도출한다. 이러한 에코(echo)는 보통, 표면 에코(surface echo)라고 일컬어진다. 상기 표면 에코는 샘플 표면에 가까이 위치하는 결함에 의해 생성되는 임의의 에코를 차단할 수 있다. 표면 에코의 지속길이는 검출 시스템의 발생 레이저 펄스 지속길이와 주파수 대역폭에 따라 달라진다. 통상적으로, 검출을 위한 CO2 발생 레이저 및 공초점 패브리-페롯(confocal Fabry-Perot)을 이용하여, 표면 에코는 수 마이크로초까지 지속될 수 있다. 따라서 상기 시간 동안 에코를 생성하는 임의의 결함이 차단될 수 있다. 이러한 이유로, 레이저-초음파 검사는, 내부 깊이 위치하는 결함에 민감하고, 표면에 가까이 위치하는 결함에는 덜 민 감하다.Typically, while the probe laser beam connected to the interferometer detects surface displacement or velocity, thermal expansion at localized areas on the surface causes the laser source to generate sound. Thermal expansion due to absorption of the generated laser produces a displacement, which is demodulated by a laser-ultrasonic detection system, leading to a pulse at the beginning of the laser-ultrasonic signal. This echo is usually referred to as surface echo. The surface echoes can block any echoes created by defects located close to the sample surface. The duration of the surface echo depends on the laser pulse duration and the frequency bandwidth of the detection system. Typically, CO 2 for detection Using a generated laser and confocal Fabry-Perot, the surface echo can last up to several microseconds. Thus any defect that produces an echo during this time can be blocked. For this reason, laser-ultrasound inspection is sensitive to defects located deep inside and less sensitive to defects located close to the surface.

또 다른 NDE법인 과도 적외선(IR) 서모그래피(thermography)는 폴리머-기질 부분에서 수 ㎜보다 깊이 위치하는 결함을 감지하지 않기 때문에, 폴리머-기질 복합물의 효율적인 검사를 가능하게 하지 않는다. Another NDE method, transient infrared (IR) thermography, does not detect defects located more than a few millimeters deep in the polymer-substrate portion, and thus does not enable efficient inspection of polymer-substrate composites.

본 발명의 실시예는 앞서 언급된 필요성 및 그 밖의 다른 필요성을 충분히 해결하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예는 다음의 상세한 설명과 청구범위에서 더 설명된다. 본 발명의 실시예의 이점과 특징은 상세한 설명과, 함께 첨부된 도면 및 청구범위를 통해 명백해질 수 있다.Embodiments of the present invention relate to systems and methods that fully address the aforementioned and other needs. Embodiments of the invention are further described in the following detailed description and claims. Advantages and features of embodiments of the present invention will become apparent from the detailed description, together with the accompanying drawings and the claims.

본 발명의 실시예는 레이저 초음파 기법과 열 이미징 기법을 조합하여, 앞서 언급된 필요성 및 그 밖의 다른 필요성을 충분히 해결한다. 과도 열원을 제공하기 위해 레이저 초음파 발생 기법이 사용될 수 있다. 따라서 과도 적외선(IR) 서모그래피가 레이저 초음파와 조합되어, 폴리머-기질 부분(즉, 복합 물질)의 더 완전한 비파괴적 검사가 제공될 수 있다. Embodiments of the present invention combine laser laser techniques with thermal imaging techniques to sufficiently address the aforementioned and other needs. Laser ultrasonic generation techniques can be used to provide the transient heat source. Thus, transient infrared (IR) thermography can be combined with laser ultrasound to provide a more complete non-destructive inspection of the polymer-substrate portion (i.e., composite material).

하나의 실시예가, 표적 물질의 표면 근방 내부 구조와 심층 내부 구조를 검사하기 위한 검사 시스템을 제공한다. 이 검사 시스템은 발생 레이저와, 초음파 검출 시스템과, 열 이미징 시스템과, 프로세서/제어 모듈을 포함한다. 상기 발생 레이저는, 표적 물질에서 초음파 변위부와 열 과도부 모두를 유도하기 위해 동작하는 펄스형 레이저 빔을 생성한다. 상기 초음파 검출 시스템은 표적 물질에서 초음파 표면 변위를 검출한다. 상기 열 이미징 시스템은 표적 물질에서 열 과도부를 검출한다. 상기 프로세서/제어기는 표적 물질의 검출된 초음파 변위부와 열 이미지 모두를 분석하고 상관시켜서, 표적 물질의 표면 근방 내부 구조와 심층 내부 구조에 관한 정보를 생산할 수 있다.One embodiment provides an inspection system for inspecting internal structures near the surface and deep internal structures of the target material. The inspection system includes a generation laser, an ultrasonic detection system, a thermal imaging system, and a processor / control module. The generating laser produces a pulsed laser beam that is operative to guide both the ultrasonic displacement portion and the thermal transient portion in the target material. The ultrasonic detection system detects ultrasonic surface displacement in the target material. The thermal imaging system detects thermal transients in the target material. The processor / controller may analyze and correlate both the detected ultrasonic displacements and thermal images of the target material to produce information about the internal and deep internal structures near the surface of the target material.

또 하나의 실시예는 표적의 내부 구조를 검사하기 위한 방법을 제공한다. 이 방법은 표적 물질에서 초음파 변위부와 열 과도부 모두를 유도하는 단계를 포함한다. 단일 펄스형 발생 레이저 빔을 이용하여, 이들 초음파 변위부 및 열 과도부는 생성될 수 있다. 표적의 표면으로 향해지는 발생 레이저 빔에 의해 발생된 초음파 변위부와 열 과도부가 검출되고 분석될 수 있다. 발생 및 분석은, 표적의 구조에 관한 더 완전한 이해를 산출하기 위해, 초음파 정보와 열 정보 모두의 동기화와 상관을 포함할 수 있다. 예를 들어, 초음파 변위부를 분석함으로써, 복합 물질 내의 심층 내부 구조에 관한 정보를 생산할 수 있다. 열 이미지는 복합 물질의 표면 근방 내부 구조에 관한 정보를 생산할 수 있다. 초음파 정보와 열 이미지 정보를 상관시킴으로써, 표적의 전체 내부 구조에 대해 더 잘 이해할 수 있다.Another embodiment provides a method for examining the internal structure of a target. The method includes inducing both an ultrasonic displacement portion and a thermal transient in the target material. Using a single pulsed generation laser beam, these ultrasonic displacements and thermal transients can be generated. Ultrasonic displacements and thermal transients generated by the generated laser beam directed towards the surface of the target can be detected and analyzed. Generation and analysis may include synchronization and correlation of both ultrasound and thermal information to yield a more complete understanding of the structure of the target. For example, by analyzing the ultrasonic displacements, it is possible to produce information about the deep internal structure in the composite material. Thermal images can produce information about the internal structure near the surface of the composite material. By correlating the ultrasound information with the thermal image information, a better understanding of the overall internal structure of the target can be obtained.

또 다른 실시예는 복합 물질 검사 시스템을 제공한다. 이 복합 물질 검사 시스템은 복합 물질에서 초음파 변위부 및 열 과도부를 유도하는 펄스형 레이저 빔을 발생하기 위한 발생 레이저를 포함한다. 복합 물질에서의 초음파 표면 변위를 검출하기 위해 초음파 검출 시스템이 제공된다. 복합 물질에서 열 과도부를 검출하기 위한 열 이미징 시스템이 제공된다. 제어 모듈은 열 이미징 프레임 획득률을 발생 레이저 빔의 펄스 레이트로 정합시킬 수 있다. 표적의 전체 내부 구조에 관한 정보를 생산하기 위해, 검출된 초음파 변위부와 열 이미지를 분석하고 상관시키는 프로세서가 제공된다. Yet another embodiment provides a composite material inspection system. The composite material inspection system includes a generation laser for generating a pulsed laser beam that guides the ultrasonic displacement portion and the thermal transient portion in the composite material. An ultrasonic detection system is provided for detecting ultrasonic surface displacement in a composite material. A thermal imaging system is provided for detecting thermal transients in composite materials. The control module may match the thermal imaging frame acquisition rate to the pulse rate of the generating laser beam. In order to produce information about the overall internal structure of the target, a processor is provided for analyzing and correlating the thermal image with the detected ultrasonic displacement.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라, 초음파 변위부와 열 과도부를 발생하고 검출하기 위한 발생 레이저 빔과 검출 레이저 빔의 사용을 도시한다. 1 illustrates the use of a generation laser beam and a detection laser beam for generating and detecting ultrasonic displacements and thermal transients, in accordance with an embodiment of the invention.

도 2는 레이저 초음파/열 이미징 시스템의 기본 구성을 나타내기 위한 블록 다이어그램을 제공한다.2 provides a block diagram for illustrating the basic configuration of a laser ultrasound / thermal imaging system.

도 3은 본 발명의 실시예에 따르는 레이저 초음파 및 IR 이미징 시스템의 블록 다이어그램, 또는 기능 다이어그램을 제공한다. 3 provides a block diagram, or functional diagram, of a laser ultrasound and IR imaging system in accordance with an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라, 표적의 표면 근방 내부 구조에 관한 정보를 수집하기 위해 사용되는 IR 이미지의 프로세싱을 묘사한다.4 depicts the processing of an IR image used to collect information about an internal structure near the surface of a target, in accordance with an embodiment of the invention.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라, 평면 바닥 구멍을 갖는 폴리머 판 상을 펄스형 CO2 레이저 빔으로 스캐닝함으로써 얻어지는 적외선 결과를 도시한다.FIG. 5 shows infrared results obtained by scanning a polymer plate with a planar bottom hole with a pulsed CO 2 laser beam, in accordance with an embodiment of the invention.

도 6은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따르는 논리 흐름 다이어그램을 제공한다.6 provides a logic flow diagram in accordance with one or more embodiments of the present invention.

도 7은 본 발명의 실시예에 따르는 초음파 변위부 및 열 과도부를 발생하기 위한 발생 레이저의 블록 다이어그램을 도시한다. 7 shows a block diagram of a generation laser for generating an ultrasonic displacement portion and a thermal transient in accordance with an embodiment of the invention.

본 발명의 바람직한 실시예는 도면에서 도시되며, 이때 유사한 도면부호는 여러 도면의 대응하는 유사한 부분을 일컫기 위해 사용된다. Preferred embodiments of the invention are shown in the drawings, wherein like reference numerals are used to refer to corresponding like parts of the various figures.

본 발명의 실시예는 레이저-초음파 기법과 열 이미징(thermal imaging) 기법을 조합하여, 표적 물질(제한받지 않는 예를 들자면, 폴리머-기질 부분(즉, 복합 물질))의 더 완전한 비파괴적 검사를 제공할 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예는 표적 물질의 내부 구조를 검사하도록 동작하는 검사 시스템을 제공한다. 이 검사 시스템은 발생 레이저와, 초음파 검출 시스템과, 열 이미징 시스템과, 프로세서/제어 모듈을 포함한다. 상기 발생 레이저는 표적 물질에서 초음파 변위부와 열 과도부(thermal transient) 모두를 유도하기 위해 기능하는 펄스형 레이저 빔을 생성한다. 초음파 검출 시스템은 표적 물질에서 초음파 표면 변위를 검출한다. 열 이미징 이미지는 표적 물질에서 열 과도부를 검출한다. 프로세서는 표적 물질의 검출된 초음파 변위부와 열 이미지 모두를 분석하고, 상관(correlate)시켜서, 표적 물질의 전체 내부 구조에 관한 정보를 생성할 수 있다. 본 발명의 실시예는 더 빠른 검사 속도와, 개선된 시스템 신뢰도와, 더 낮은 작업 비용을 위해 제공된다.Embodiments of the present invention combine a laser-ultrasound technique with a thermal imaging technique to provide a more complete non-destructive examination of a target material (e.g., without limitation, polymer-substrate portion (i.e., composite material)). Can provide. One embodiment of the present invention provides an inspection system operative to inspect the internal structure of a target material. The inspection system includes a generation laser, an ultrasonic detection system, a thermal imaging system, and a processor / control module. The generating laser produces a pulsed laser beam that functions to induce both ultrasonic displacement and thermal transients in the target material. The ultrasonic detection system detects ultrasonic surface displacements in the target material. The thermal imaging image detects thermal transients in the target material. The processor can analyze and correlate both the detected ultrasonic displacements and thermal images of the target material to generate information about the overall internal structure of the target material. Embodiments of the present invention are provided for faster inspection speeds, improved system reliability, and lower operating costs.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라, 레이저 초음파 변위부와 열 과도부를 발생하고 검출하기 위한 발생 레이저 빔(generation laser beam) 및 검출 레이저 빔(detection laser beam)의 사용을 도시한다. 테스트 중, 레이저 빔(102)이 초음파 및 열 과도부를 발생하는 동안, 조명(검출) 레이저 빔(104)은, 복합 물질 등의 표적(106)에서 초음파를 검출한다. 나타나다시피, 이들 레이저는 표적(106)에 동축으로 적용될 수 있다. 발생 레이저 빔(102)은 표적(106)에서 열 탄성 팽창(112)을 야기하고, 상기 열 탄성 팽창(112)은 초음파 변형의 형상이나 파형(108)을 도출한다. 변형, 또는 초음파(108)는 표적(106)에서 전파되고, 검출 레이저 빔(104)을 변조, 산란 및 반사시켜서, 표적(106)으로부터 멀어지는 방향의 위상 변조된 광(110)을 생성할 수 있다. 상기 광(110)들이 채집되고, 처리되어, 표적(106)의 내부 구조를 설명하는 정보가 획득될 수 있다.1 illustrates the use of a generation laser beam and a detection laser beam to generate and detect laser ultrasonic displacement and thermal transients, in accordance with an embodiment of the invention. During the test, the illumination (detection) laser beam 104 detects ultrasound at a target 106, such as a composite material, while the laser beam 102 generates ultrasound and thermal transients. As can be seen, these lasers can be applied coaxially to the target 106. The generated laser beam 102 causes thermal elastic expansion 112 at the target 106, which leads to the shape or waveform 108 of the ultrasonic deformation. The deformation, or ultrasound, 108 propagates at the target 106 and modulates, scatters, and reflects the detection laser beam 104 to produce phase modulated light 110 in a direction away from the target 106. . The lights 110 may be collected and processed to obtain information describing the internal structure of the target 106.

도 2는 초음파 레이저 테스팅 및 적외선(TR) 서모그래피를 수행하기 위한 기본 구성요소를 갖는 블록 다이어그램을 제공한다. 발생 레이저(210)가 발생 레이저 빔(212)을 발생하며, 광학 조립체(214)가 상기 발생 레이저 빔(212)을 표적(216)으로 향하게 한다. 나타나다시피, 광학 조립체(214)는 스캔(또는 테스트) 플랜(218)을 따라 레이저 빔(212)을 이동시키는 스캐너, 또는 그 밖의 다른 유사한 수단을 포함한다. 광학 조립체(214)는 시각 카메라(visual camera), 깊이 카메라(depth camera), IR 카메라, 거리 검출기(range detector), 협대역 카메라(narrowband camera), 또는 이와 유사한 해당업계 종사자에게 알려진 그 밖의 다른 광학 센서를 포함할 수 있다. 이들 광학 센서들은 각각, 검사를 수행하기에 앞서서 교정(calibration)을 필요로 할 수 있다. 이러한 교정에 의해, 다양한 센서에 의해 수집된 정보들을 통합시키기 위한 시스템의 기능이 검증된다. 발생 레이저(210)는 표적(216) 내에서 초음파 물결(108)와 열 과도부(thermal transient)를 발생시킨다. 열 이미징 시스템(232)이 표적의 열 이미지를 캡처한다. 이러한 이미지들은 처리되어, 표적(216)의 표면 근방 내부 구조물(near surface internal structure)에 대한 정보를 생성할 수 있다. 이러한 처리는 도 3을 참조하여 이하에서 더 상세히 설명될 것이다.FIG. 2 provides a block diagram with basic components for performing ultrasonic laser testing and infrared (TR) thermography. Generation laser 210 generates generation laser beam 212, with optical assembly 214 directing generation laser beam 212 to target 216. As shown, the optical assembly 214 includes a scanner that moves the laser beam 212 along a scan (or test) plan 218, or other similar means. The optical assembly 214 can be a visual camera, depth camera, IR camera, range detector, narrowband camera, or other optics known to those skilled in the art. It may include a sensor. Each of these optical sensors may require calibration prior to performing the inspection. This calibration verifies the system's ability to integrate the information collected by the various sensors. The generating laser 210 generates an ultrasonic wave 108 and a thermal transient in the target 216. Thermal imaging system 232 captures a thermal image of the target. These images can be processed to generate information about the near surface internal structure of the target 216. This process will be described in more detail below with reference to FIG.

초음파 물결(108)과 열 과도부를 생성하는 열 탄성 팽창(112)은 복합 물질이 발생 레이저 빔을 흡수한 결과이다. 복합 물질(216)은 부식이나 단절(break down) 없이, 발생 레이저 빔(212)을 쉽게 흡수한다. 신호 대 노이즈 비(SNR) 문제를 극복하기 위해, 더 높은 파워를 지닌 발생 레이저가 반드시 선호되는 것은 아닌데, 왜냐하면 워크피스의 표면에서의 물질의 부식을 초래하고, 잠재적으로는 구성요소에 손상을 입힐 수 있기 때문이다. 또 다른 실시예에서, 테스트되는 물질에 따라서, 검출된 신호의 SNR을 증가시키기 위해, 약간의 부식이 허용될 수 있다. 발생 레이저 빔(212)은, 초음파 표면 변위 및 적정한 열 과도부를 유도하기에 적합한 펄스 지속시간, 파워, 주파수를 갖는다. 예를 들어, TEA(transverse-excited atmospheric) CO2 레이저는 100나노초(nanosecond) 펄스 폭에 대해 10.6미크론의 파장을 갖는 빔을 생성할 수 있다. 레이저의 파워는, 예를 들어, 0.25줄(joule) 펄스를 표적으로 전달하기에 충분해야 하며, 이는 400㎐의 펄스 반복률에서 동작하는 100와트 레이저를 필요로 할 수 있다. 발생 레이저 빔(212)이 표적의 표면으로 열로서 흡수되며, 이로 인해서, 부식없는 열 탄성 팽창이 발생된다.The ultrasonic wave 108 and the thermoelastic expansion 112 generating thermal transitions are the result of the composite material absorbing the generated laser beam. Composite material 216 readily absorbs the generated laser beam 212 without corrosion or break down. In order to overcome the signal-to-noise ratio (SNR) problem, higher power generating lasers are not necessarily preferred because they cause material corrosion on the surface of the workpiece and potentially damage components. Because it can. In another embodiment, depending on the material being tested, some corrosion may be allowed to increase the SNR of the detected signal. The generating laser beam 212 has a pulse duration, power, and frequency suitable for inducing ultrasonic surface displacement and appropriate thermal transients. For example, TEA laser (transverse-excited atmospheric) CO 2 can produce a beam having a wavelength of 10.6 microns to 100 nanoseconds (nanosecond) pulse width. The power of the laser must be sufficient to deliver, for example, 0.25 joule pulses to the target, which may require a 100 watt laser operating at a pulse repetition rate of 400 Hz. The generated laser beam 212 is absorbed as heat to the surface of the target, whereby corrosion-free thermoelastic expansion occurs.

펄스 모드나 CW 모드에서 동작하는 검출 레이저(220)는 초음파 변위부를 유도하지 않는다. 예를 들어, Nd:YAG 레이저가 사용될 수 있다. 이 레이저의 파워는, 예를 들어, 1킬로와트(KW) 레이저를 필요로 할 수 있는 100밀리줄(milli-joule)의 100마이크로초(microsecond)의 펄스를 전달하기에 충분해야 한다. 검출 레이저(220)는 검출 레이저 빔(222)을 발생한다. 검출 레이저(220)는 필터링 수단(224)을 포함하거나, 상기 필터링 수단(224)으로 광학적으로 연결되어, 검출 레이저 빔(224)으로부터 노이즈를 제거할 수 있다. 광학 조립체(214)는 검출 레이저 빔(224)을 복합 물질(216)의 표면으로 향하게 하며, 상기 표면은 검출 레이저 빔(224)을 산란 및/또는 반사시킨다. 최종 위상 변조된 광이 채집 광섬유(226)에 의해 채집된다. 여기서 나타나는 바와 같이, 산란 및/또는 반사된 검출 레이저 광이 광학 조립체(214)를 통과해 되돌아 이동한다. 선택사항인 광학 프로세서(228) 및 간섭계(230)가 위상 변조된 광을 처리하여, 복합 물질(216)의 표면에서의 초음파 변위부를 나타내는 정보가 포함된 신호를 생성할 수 있다. 데이터 처리 및 제어 시스템(232)은 레이저 초음파 시스템 구성요소와 열 이미징 구성요소의 동작을 조정하여, 표적의 내부 구조에 관한 정보를 생성할 수 있다.The detection laser 220 operating in the pulse mode or the CW mode does not guide the ultrasonic displacement portion. For example, an Nd: YAG laser may be used. The power of this laser should be sufficient to deliver 100 microsecond pulses of 100 milli-joules, which may require, for example, a 1 kilowatt (KW) laser. The detection laser 220 generates the detection laser beam 222. The detection laser 220 may include a filtering means 224 or may be optically connected to the filtering means 224 to remove noise from the detection laser beam 224. The optical assembly 214 directs the detection laser beam 224 to the surface of the composite material 216, which scatters and / or reflects the detection laser beam 224. The final phase modulated light is collected by the collecting fiber 226. As shown here, scattered and / or reflected detection laser light passes back through the optical assembly 214. Optional optical processor 228 and interferometer 230 may process the phase modulated light to generate a signal containing information indicative of the ultrasonic displacement at the surface of composite material 216. The data processing and control system 232 may coordinate the operation of the laser ultrasound system component and the thermal imaging component to generate information about the internal structure of the target.

데이터 처리 및 제어 시스템(232)은 하나의 단일 처리 장치, 또는 다수의 처리 장치일 수 있다. 이러한 처리 장치는, 마이크로프로세서, 마이크로제어기, 디지털 신호 프로세서, 마이크로컴퓨터, 중앙 처리 유닛, 현장 프로그램가능한 게이트 어레이(field programmable gate array), 프로그램가능한 로직 디바이스(programmable logic device), 디지털 회로, 메모리에 저장된 동작 인스트럭션을 바탕으로 (아날로그 및/또는 디지털) 신호를 조작하는 임의의 장치 중 하나 이상일 수 있다. 상기 메모리는 단일 메모리 디바이스, 또는 다수의 메모리 디바이스일 수 있다. 이러한 메모리 디바이스는 판독 전용 메모리, 랜덤 액세스 메모리, 휘발성 메모리, 비-휘발성 메모리, 정적 메모리, 동적 메모리, 플래쉬 메모리, 캐쉬 메모리(cache memory), 디지털 정보를 저장하는 임의의 디바이스 중 하나 이상일 수 있다. 추후 설명될 단계 및/또는 기능 중 일부, 또는 전부에 대응하는 동작 인스트럭션을, 상기 메모리가 저장하고, 데이터 처리 및 제어 시스템(232)이 실행한다.The data processing and control system 232 may be one single processing device, or multiple processing devices. Such processing devices may include microprocessors, microcontrollers, digital signal processors, microcomputers, central processing units, field programmable gate arrays, programmable logic devices, digital circuits, and memories. It may be one or more of any device that manipulates (analog and / or digital) signals based on operational instructions. The memory may be a single memory device or multiple memory devices. Such a memory device may be one or more of read only memory, random access memory, volatile memory, non-volatile memory, static memory, dynamic memory, flash memory, cache memory, any device that stores digital information. The memory stores the operation instructions corresponding to some or all of the steps and / or functions described later, and the data processing and control system 232 executes.

도 3은 본 발명의 실시예에 따르는 레이저 초음파 및 IR 영상 시스템(300)의 블록, 또는 기능 다이어그램을 제공한다. 레이저 초음파 및 IR 영상 시스템(300)은 발생 레이저(302)와, 제어 모듈(304)과, 레이저 초음파 검출 시스템(306)과, 열 이미징 시스템(308)과, 처리 모듈(310)과, 광학 시스템(312)을 포함한다. 발생 레이저(302)는 발생 레이저 빔을 생성하며, 상기 발생 레이저 빔은 광학 시스템(312)에 의해 물질(예를 들어, 복합 물질)로 만들어진 표적(314)으로 향해지고, 앞서 설명된 바와 같이, 상기 물질에서, 초음파 변위부가 유도된다. 레이저 초음파 검출 시스템(306)은 검출 레이저 빔을 발생하고, 상기 검출 레이저 빔은 광학 시스템(312)에 의해 표적으로 향해지며, 이때, 표적(314)의 표면에서의 초음파 변위부에 의해, 검출 레이저 빔이 위상 변조될 수 있다. 상기 검출 레이저 빔은 표적의 표면에 의해 산란된다. 또한 광학 시스템(312)이 이러한 산란된 위상 변조된 광을 채집한다. 상기 레이저 초음파 검출 시스템(306)이 상기 채집된 위상 변조된 광을 처리하여, 초음파 변위부에 관한 정보를 포함하는 신호를 전개할 수 있다. 이 신호는 처리 모듈(310)로 제공된다.3 provides a block, or functional diagram, of a laser ultrasound and IR imaging system 300 in accordance with an embodiment of the present invention. The laser ultrasound and IR imaging system 300 includes a generation laser 302, a control module 304, a laser ultrasound detection system 306, a thermal imaging system 308, a processing module 310, and an optical system. 312. The generating laser 302 generates a generating laser beam which is directed by the optical system 312 to a target 314 made of a material (eg, a composite material), as described above, In this material, ultrasonic displacements are induced. The laser ultrasonic detection system 306 generates a detection laser beam, which is directed to the target by the optical system 312, whereby the detection laser beam is detected by the ultrasonic displacement at the surface of the target 314. The beam may be phase modulated. The detection laser beam is scattered by the surface of the target. Optical system 312 also collects this scattered phase modulated light. The laser ultrasonic detection system 306 may process the collected phase modulated light to develop a signal including information about an ultrasonic displacement portion. This signal is provided to the processing module 310.

또한 표적(314)의 서모그래픽 측정을 위해 발생 레이저(302)가 열 과도부를 생성한다. IR 카메라(308)와 같은 열 이미징 시스템이 열 이미지, 또는 표적(314) 내의 열 과도부의 프레임을 획득한다. 각각의 발생 레이저 펄스에 대하여 하나의 이미지가 획득된다. 각각의 발생 펄스 후 지정된 시간에서 추가적인 이미지가 획득될 수 있다. 이 여러 다른 이미지들은 처리되어, 레이저-초음파에 의해 검사되는 완전한 영역의 서모그래피 검사를 발생시킬 수 있다. The generation laser 302 also generates a thermal transient for thermographic measurements of the target 314. A thermal imaging system, such as an IR camera 308, acquires a thermal image, or a frame of thermal transients within the target 314. One image is obtained for each generated laser pulse. Additional images may be obtained at a designated time after each generating pulse. These different images can be processed to generate a complete area of thermography inspection which is examined by laser-ultrasound.

상기 서모그래피의 결과는 레이저-초음파 결과를 보안하고, 이러한 방식으로 더 완전하고 더 신뢰할만한 검사를 제공한다. 과도 IR 서모그래피는 혼자 힘으로는, 예를 들어 폴리머 기질 복합물과 같은 복합 부분의 효율적인 검사를 제공하지 않는다. 폴리머 기질 상에서의 낮은 열전도율 때문에, 과도 IR 서모그래피는 상기 복합 부분의 상부 표면에만 반응한다. 따라서 IR 서모그래피는, 폴리머 기질, 즉, 복합 부분 내에서 깊이 위치하는 결함을 검출하고 식별하기 위해서는 사용될 수 없다. The results of the thermography secure the laser-ultrasonic results and in this way provide a more complete and more reliable inspection. Transient IR thermography alone does not provide efficient inspection of composite parts such as, for example, polymer matrix composites. Due to the low thermal conductivity on the polymer substrate, transient IR thermography reacts only on the upper surface of the composite portion. Thus IR thermography cannot be used to detect and identify polymer substrates, ie, defects located deep within the composite portion.

레이저 초음파 및 IR 이미징 시스템(300)은, 심층 내부 검사 시스템을 제공하는 레이저 초음파와, 표적(314)의 표면 근방 영역을 해결하는 열 이미징을 모두 포함한다. 이는 레이저 초음파 검사가 표면 근방 영역의 결함에는 덜 반응적이라는 점과 관련된 문제를 해결한다. 이들 2가지 기법을 조합함으로써, 레이저 초음파만, 또는 IR 서모그래피만 사용할 때 가능했던 것보다, 복합 부분, 또는 복합 물질의 더 완전한 비-파괴적 검사가 가능하다. The laser ultrasound and IR imaging system 300 includes both laser ultrasound providing a deep internal inspection system and thermal imaging that resolves the area near the surface of the target 314. This solves the problem associated with laser ultrasound that is less responsive to defects in the near surface area. Combining these two techniques allows for a more complete non-destructive inspection of the composite portion, or composite material, than was possible when using only laser ultrasound or IR thermography alone.

도 4는 표적(314)의 내부 구조에 관한 정보를 모으기 위한 IR 이미지의 프로세싱을 묘사한다. 발생 레이저 빔이 발사될 때마다, 또는 발사된 후 지정된 시간 후에, 열 이미지가 모아질 수 있다. 표적(314A)에서 발생 레이저 빔이 발사되거나 펄스됨에 따라, 스캔 경로(316)를 따라 상기 발생 레이저 빔이 스캐닝될 것이다. 발생 레이저 빔이 향해지는 포인트(318) 각각은 열 과도부(320)를 가질 것이다. 표적(314N)은, 발생 레이저 빔을 이용해 표적(314)을 반복적으로 조명하고, 다수의 열 이미지를 채집함으로써 경로(316)의 스캐닝을 보여준다. 이들 열 과도부는 표적 물질과 연계되는 열 속성을 판단하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 표적에서의 시간에 따른 열 이미지를 분석함으로써, 정량적 열 벽 두께(quantitative thermal wall thickness)가 판단될 수 있다. 이는 도 5에서 나타나는 바와 같이, 합성 시각적 이미지로서 제공될 수 있다. 이러한 프로세싱 접근법은 적외선 이미지(더 구체적으로는, 서로 다른 범위의 시간의 함수로서의 온도 변화)를 분석한다. 상대 온도 변화 곡선이 IR 카메라의 각각의 포인트에 대한 모든 IR 이미지로부터 구축되었다.4 depicts the processing of an IR image to gather information about the internal structure of the target 314. Each time a generated laser beam is fired, or after a designated time after it is fired, a thermal image can be collected. As the generating laser beam is fired or pulsed at the target 314A, the generating laser beam will be scanned along the scan path 316. Each point 318 to which the generated laser beam is directed will have a thermal transition 320. Target 314N shows the scanning of path 316 by repeatedly illuminating target 314 using a generated laser beam and collecting multiple thermal images. These thermal transients can be used to determine the thermal properties associated with the target material. For example, by analyzing the thermal image over time at the target, quantitative thermal wall thickness can be determined. This may be provided as a composite visual image, as shown in FIG. 5. This processing approach analyzes infrared images (more specifically, temperature changes as a function of time in different ranges). Relative temperature change curves were built from all IR images for each point of the IR camera.

또 다른 실시예가 표면 근방 결함(near surface defect)에 대해 물질을 검사하기 위해 스캐닝된 IR 서모그래피 기법을 제공할 수 있다. 이로 인해서, 표적의 피크(peak) 열적 부하가 제한될 수 있는데, 이때, 표적의 작은 부분만이 한 번에 가열된다. 이러한 시스템은 열 과도부를 유도하기 위해 스캔된 레이저(scanned laser)를 사용한다. Another embodiment may provide a scanned IR thermography technique to inspect material for near surface defects. This may limit the peak thermal load of the target, where only a small portion of the target is heated at a time. Such systems use a scanned laser to induce thermal transients.

도 5는 평면 바닥 구멍을 갖는 폴리머 판을 펄스형 CO2 레이저 빔으로 스캐닝함으로써, 획득된 적외선 결과를 나타낸다. 표적(502)의 결함은 그레이 스케일 이미지(500)에서 선명하게 나타난다. 이미지(500)는 물질(502) 내의 다양한 포인트(504)를 포함한다. 이 이미지는, US 특허 제6,367,969호 “Synthetic reference thermal imaging method”에서 기재된 이미징법을 이용하여 생성될 수 있으며, 상기 특허는 본원에서 참조로서 인용된다. 표적의 두께를 정확히 측정하고, 표적의 요망 영역에서의 단면 두께를 나타내는 시각적으로 코딩된 디스프레이를 제공하기 위해, IR 과도 서모그래피 분석 접근법이 사용될 수 있다.5 shows the infrared results obtained by scanning a polymer plate with a flat bottom hole with a pulsed CO 2 laser beam. Defects in the target 502 are clearly visible in the gray scale image 500. Image 500 includes various points 504 within material 502. This image can be generated using the imaging method described in US Pat. No. 6,367,969 “Synthetic reference thermal imaging method”, which is incorporated herein by reference. An IR transient thermography analysis approach can be used to accurately measure the thickness of the target and provide a visually coded display indicative of the cross-sectional thickness in the desired area of the target.

기본적으로, IR 과도 서모그래피는, 바람직하게는 “프론트-사이드(front-side)” IR 카메라 관찰치로부터 획득되는, 빠르게 가열되는 표적의 표면의 온도-시(T-t) 응답 분석에서의 변곡점을 사용한다. 이 변곡점은 T-t 응답에서 비교적 이르게 발생하며, 본질적으로 횡방향의 열 손실 메커니즘에 독립적이다. (이러한 고려사항은, 금속을 갖고 작업 할 때, 금속의 높은 열전도율 때문에, 금속 표적물의 열 응답이 꽤 빠르며, 따라서 열 데이터 측정치를 획득하기 위한 시간이 보통 짧기 때문에, 특히 관련성을 가질 수 있다.) 연속하는 IR 카메라 이미지 프레임으로부터 지정된 시간 주기 동안 획득된 열 데이터로부터 변곡점이 추출된다. 이러한 시간 주기는, 평가되는 표적의 두께의 추정치를 바탕으로, 예상되는 특징적 시간보다 다소 더 긴 것이 바람직하다. Basically, IR transient thermography uses an inflection point in the temperature-at-time (Tt) response analysis of the surface of a rapidly heating target, preferably obtained from “front-side” IR camera observations. . This inflection point occurs relatively early in the T-t response and is essentially independent of the transverse heat loss mechanism. (This consideration may be particularly relevant when working with metals, because of the high thermal conductivity of the metal, the thermal response of the metal target is quite fast, and therefore the time to obtain thermal data measurements is usually short. An inflection point is extracted from the thermal data obtained for a specified time period from successive IR camera image frames. This time period is preferably somewhat longer than the expected characteristic time, based on an estimate of the thickness of the target being evaluated.

이미징된 표적의 각각의 (x, y) 픽셀 위치에 대해 열 기준 데이터(thermal reference data)가 계산되어, 그 후, 각각의 픽셀에 대해 시간의 함수로서 콘트라스트(contrast)를 판단하기 위해 사용된다. 컴퓨터 시스템은 이미징 시스템을 제어하고, IR 카메라를 통해 획득된 표면 온도 데이터를 기록 및 분석하여, 표적의 두께에 정확하게 대응하는 컬러, 또는 그레이 패턴 키잉(keying)된 이미지를 제공할 수 있다. 이 정보가 레이저 초음파 데이터와 합쳐져서, 표적의 더 상세한 내부 사진이 생성될 수 있다.Thermal reference data is calculated for each (x, y) pixel position of the imaged target and then used to determine the contrast as a function of time for each pixel. The computer system may control the imaging system and record and analyze surface temperature data obtained through the IR camera to provide color or gray pattern keyed images that accurately correspond to the thickness of the target. This information can be combined with the laser ultrasound data to produce a more detailed internal picture of the target.

상기 표적의 표면의 일부분을 조명하고 가열하기 위해, 발생 레이저를 점화함으로써, 표면 온도 데이터의 획득이 개시된다. 그 후 각각의 발생 레이저 펄스 후 일정한 시간 주기 동안 열 이미지 프레임이 기록되고, 상기 기록된 이미지는 온 도-시(T-t) 히스토리(가령, 열 과도부와 연계된 히스토리)를 형성하기 위해 사용된다.Acquisition of surface temperature data is initiated by igniting a generating laser to illuminate and heat a portion of the surface of the target. Then a thermal image frame is recorded for a period of time after each generating laser pulse, which is used to form a T-t history (e.g., history associated with a thermal transient).

그 후, 획득된 이미지 프레임의 각각의 픽셀에 대해 T-t 히스토리의 열 흐름 분석이 실시되어, 각각의 분해능 요소의 위치에서의 표적의 두께를 판단할 수 있다. 관습적으로, 표적의 고체 부분을 통과하는 과도 열 흐름의 분석은, 열에너지의 “펄스”가 제 1 표면에서 표적을 관통하고, 반대쪽 표면에서 반사되어, 상기 제 1 표면으로 되돌아오기 위해 필요한 특징적 시간을 결정하는 단계를 필요로 한다. 이러한 특징적 시간은 2개의 표면 사이의 간격에 관련되어 있기 때문에, 희망 포인트에서의 2개의 표면들 간의 표적의 두께를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 표적 표면의 각각의 분해능 요소에 대응하는 각각의 (x, y) 픽셀 위치에 대해 콘트라스트-대-시간 곡선(contrast-versus-time curve)이 판단된다.Then, heat flow analysis of the T-t history may be performed on each pixel of the acquired image frame to determine the thickness of the target at the location of each resolution element. Conventionally, the analysis of the transient heat flow through the solid portion of the target is characterized by the characteristic time required for a “pulse” of thermal energy to penetrate the target at the first surface and be reflected at the opposite surface, returning to the first surface. It needs a step to determine. Since this characteristic time is related to the spacing between the two surfaces, it can be used to determine the thickness of the target between the two surfaces at the desired point. A contrast-versus-time curve is determined for each (x, y) pixel location corresponding to each resolution element of the target surface.

도 6은 본 발명의 실시예에 따라, 복합 물질 등의 물질을 검사하기 위한 방법을 설명하는 로직 흐름 다이어그램을 제공한다. 작업(600)은 테스트 대상인 물질의 내부 구조를 검사하고 조사하기 위해, 레이저 초음파 기법과 열 이미징, 또는 적외선 서모그래피 기법 모두를 적용한다. 작업(600)은, 표적 물질에서 초음파 변위부와 열 과도부가 유도되는 단계(602)에서 시작한다. 이들은 모두, 레이저 초음파 시스템과 연계되는 발생 레이저 빔을 이용하여 이뤄질 수 있다. 도 1 및 4를 참조하여 설명된 바와 같이, 이 발생 레이저 빔은 표적 물질의 표면으로 향해질 때 초음파 변위부와 열 과도부를 모두 발생시킨다. 단계(604)에서, 초음파 변위부와 열 과도부가 검출된다. 초음파 변위부는, 초음파 시스템, 예를 들어, 레이저 초음파 시스템을 이용하여 검출될 수 있다. 열 과도부는, 표적 물질의 열 이미지를 획득함으로써, 검출될 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 열 과도부와 초음파의 발생은 동기화되거나, 상관될 수 있다. 이 정보는 단계(606)에서 수행되는 분석의 결과와 일치하도록 사용될 수 있다. 단계(606)에서, 검출된 초음파 변위부와 열 이미지 모두 분석된다. 검출된 초음파 변위부는, 표적 물질의 깊이 위치하는 내부 구조에 관한 정보를 제공할 것이며, 반면에, 열 과도부의 열 이미지는 표면 물질 내의 표면 근방 구조를 판단하기 위해 처리될 수 있다. 초음파 변위부와 열 과도부는 동일한 발생 레이저 빔에 의해 생성되기 때문에, 이 정보는 검출된 초음파 변위부와 열 이미지를 쉽게 상관시키기 위해 사용될 수 있다. 단계(608)에서 이는 표적 물질의 표면 근방 구조와 심층 내부 구조 모두에 대한 상세하고 복합적인 이해를 가능하게 한다. 6 provides a logic flow diagram illustrating a method for inspecting a material, such as a composite material, in accordance with an embodiment of the invention. Task 600 applies both laser ultrasound techniques and thermal imaging or infrared thermography techniques to examine and examine the internal structure of the material under test. Operation 600 begins at step 602 where ultrasonic displacements and thermal transients are induced in the target material. These can all be accomplished using a generated laser beam in conjunction with the laser ultrasound system. As described with reference to FIGS. 1 and 4, this generating laser beam generates both an ultrasonic displacement portion and a thermal transient when directed to the surface of the target material. In step 604, ultrasonic displacements and thermal transients are detected. The ultrasonic displacement portion may be detected using an ultrasonic system, for example a laser ultrasonic system. Thermal transients can be detected by obtaining a thermal image of the target material. As mentioned above, the generation of thermal transients and ultrasound can be synchronized or correlated. This information can be used to match the results of the analysis performed at step 606. In step 606, both detected ultrasonic displacements and thermal images are analyzed. The detected ultrasonic displacement will provide information regarding the deeply located internal structure of the target material, while the thermal image of the thermal transition can be processed to determine the near surface structure in the surface material. Since the ultrasonic displacement portion and the thermal transient portion are generated by the same generated laser beam, this information can be used to easily correlate the detected ultrasonic displacement portion with the thermal image. In step 608 this enables a detailed and complex understanding of both the near surface structure and the deep internal structure of the target material.

획득된 열 이미지에 타임 스탬프(time stamp)를 적용시킴으로써, 상관은 부분적으로 이뤄질 수 있다. 또한 열 이미지 획득의 프레임 레이트(frame rate)가 발생 레이저 빔의 펄스 레이트로 일치될 수 있다. 서모그래피에 의해, 표적 물질의 또 다른 표현으로서 합성 이미지가 판단될 수 있다. 이는 열 이미지를 분석함으로써 도달된 정량적 열 두께(quantitative thermal thickness)에 대한 판단과 관련될 수 있다. 상기 정량적 열 벽 두께의 변화는, 정량적 열 벽 두께의 예기치 않은 변화가 발생하는 포인트에서 표적 물질의 표면 근방에 위치하는 흠이 존재함을 나타낼 수 있다. 이 정보는 콘트라스트 디스플레이에 의해 시각화될 수 있으며, 상기 콘트라스트 디스플레이에서, 갑작스러운 콘트라스트의 변화는 정량적 열 벽 두께의 불연속, 또는 변화를 나타낸다. By applying a time stamp to the obtained thermal image, the correlation can be partially made. The frame rate of thermal image acquisition can also be matched to the pulse rate of the generated laser beam. By thermography, a composite image can be determined as another representation of the target material. This may involve a determination of the quantitative thermal thickness reached by analyzing the thermal image. The change in quantitative heat wall thickness may indicate that there is a flaw located near the surface of the target material at a point where an unexpected change in quantitative heat wall thickness occurs. This information can be visualized by the contrast display, in which the sudden change in contrast represents a discontinuity, or variation, of the quantitative thermal wall thickness.

발생 레이저 빔은 중적외선(mid-IR) 초음파 발생 레이저일 수 있다. 이러한 발생 레이저는 초음파 및 열 과도부를 발생하기 위해, 소형의 고 평균 파워(high-average power) mid-IR 레이저를 제공한다. 도 7에서 도시되는 바와 같이, 상기 발생 레이저(700)는, 그 내부에 섬유 레이저(fiber laser)를 갖는 펌프 레이저 헤드(pump laser head)(702)를 포함하며, 이때, 섬유는 발생 레이저 헤드(704)로 연결된다. 섬유 레이저를 이용함으로써, 상기 레이저 펌프는 발생 레이저 헤드(704)에서 멀리 떨어져(remotely) 위치할 수 있다. 상기 펌프 레이저 헤드는 광 섬유(702)를 통해 발생 레이저 헤드(704)로 연결될 수 있다. The generating laser beam may be a mid-IR ultrasonic generating laser. This generating laser provides a compact high-average power mid-IR laser to generate ultrasonic and thermal transients. As shown in FIG. 7, the generation laser 700 includes a pump laser head 702 having a fiber laser therein, wherein the fiber is a generation laser head ( 704). By using a fiber laser, the laser pump can be located remotely from the generating laser head 704. The pump laser head may be connected to the generating laser head 704 via an optical fiber 702.

펌프 레이저 헤드(702)를 발생 레이저 빔 전달 헤드(704)에서 멀리 위치시킴으로써, 전체 페이로드(payload)를 감소시키고, 발생 레이저 빔을 전달하고, 열 이미지를 획득하는 로봇 시스템에 대한 안정성 요구치를 감소시키는 소형의 mid-IR 발생 레이저 헤드가 가능해진다. 발생 레이저 빔 전달 헤드와 IR 카메라를 포함하는 소형의 광-중량 모듈(light-weight module)은 로봇 시스템의 검사 헤드 내에 장착될 필요가 있다. 이로 인해서, 더 작은 로봇을 이용하는 mid-IR 레이저 소스의 형태가 가능해진다. 따라서 휴대용 레이저 초음파 시스템 및 IR 서모그래피 시스템을 이용하여, 인-필드 복합 NDE를 위한 새로운 복합 검사 기회가 생성된다. 이러한 접근법은 US 특허 출원 No.1 “FIBER LASER TO GENERATE ULTRASOUND"에서 설명되어 있으며, 상기 특허 출원은 본원에서 참조로서 인용된다.By positioning the pump laser head 702 away from the generating laser beam delivery head 704, the overall payload is reduced, the stability requirements for the robotic system delivering the generated laser beam and obtaining thermal images are reduced. The compact mid-IR generating laser head is enabled. A compact light-weight module comprising a generating laser beam delivery head and an IR camera needs to be mounted in the inspection head of the robotic system. This allows the form of a mid-IR laser source using a smaller robot. Thus, using portable laser ultrasound systems and IR thermography systems, new complex inspection opportunities for in-field complex NDEs are created. This approach is described in US patent application No.1 " FIBER LASER TO GENERATE ULTRASOUND ", which is incorporated herein by reference.

요컨대, 본 발명의 실시예는 표적 물질의 내부 구조를 검사할 수 있는 검사 시스템을 제공한다. 이러한 검사 시스템은 발생 레이저와, 초음파 검출 시스템과, 열 이미징 시스템과, 프로세서/제어 모듈을 포함한다. 상기 발생 레이저는 표적 물질에서 초음파 변위부 및 열 과도부를 유도할 수 있는 펄스형 레이저 빔을 생성한다. 초음파 검출 시스템은 표적 물질에서의 초음파 표면 변위를 검출한다. 열 이미징 시스템은 표적 물질에서 열 과도부를 검출한다. 상기 프로세서는 표적 물질의 검출된 초음파 변위부와 열 이미지를 모두 분석하여, 표적 물질의 내부 구조에 대한 정보를 생산할 수 있다. In short, embodiments of the present invention provide an inspection system capable of inspecting the internal structure of a target material. Such inspection systems include generating lasers, ultrasonic detection systems, thermal imaging systems, and processor / control modules. The generating laser generates a pulsed laser beam capable of inducing ultrasonic displacement and thermal transients in the target material. The ultrasonic detection system detects ultrasonic surface displacements in the target material. The thermal imaging system detects thermal transients in the target material. The processor may analyze both the detected ultrasonic displacement portion and the thermal image of the target material to produce information about the internal structure of the target material.

해당업계 종사자라면, 용어 “실질적으로”, 또는 “거의”는 본원에서 사용될 때, 대응하는 용어에 산업적으로 허용되는 오차를 제공한다. 이러한 산업적으로 허용되는 오차는 1% 이하 내지 20%의 범위를 갖고, 성분 값, 집적 회로 프로세스 변화, 온도 변화, 상승 및 하강 시간, 열 노이즈 중 하나 이상에 대응한다. 해당업계 종사자라면, 용어 “기능적으로 연결된”은 본원에서 사용될 때, 직접 연결과, 또 다른 구성요소, 요소, 회로, 또는 모듈을 통한 간접 연결을 포함하며, 이때, 간접 연결에 있어서, 중간 구성요소, 요소, 회로, 또는 모듈은 신호의 정보를 수정하지 않지만, 전류 레벨, 전압 레벨, 파워 레벨 중 하나 이상은 조정할 수 있다. 해당업계 종사자라면, 논리적 연결(즉, 하나의 요소가 또 다른 요소로 논리적으로 연결되어 있는 연결)은 2개의 요소들 간에 직접 및 간접 연결을 포함한다. 해당업계 종사자라면, 용어 “바람직한 비교”는 본원에서 사용될 때, 둘 이상의 요소, 아이템, 신호 등 간의 비교가 바람직한 관계를 제공함을 나타낸다. 예를 들어, 바람직한 관계가 신호 1이 신호 2보다 더 큰 크기를 갖는 것일 때, 신호 1의 크기가 신호2의 크기보다 클 때, 또는 신호 2의 크기가 신호 1의 크기보다 작을 때, 바람직한 비교가 얻어질 수 있다.The skilled artisan will appreciate that the term " substantially ", or " substantially ", when used herein, provides industry acceptable tolerances for corresponding terms. These industrially acceptable errors range from less than 1% to 20% and correspond to one or more of component values, integrated circuit process variations, temperature variations, rise and fall times, and thermal noise. As used herein, the term " functionally linked " as used herein includes, but is not limited to, a direct connection and an indirect connection through another component, element, circuit or module, , An element, a circuit, or a module does not modify the information in the signal, but one or more of the current level, the voltage level, and the power level may be adjusted. For those skilled in the art, logical connections (ie, connections in which one element is logically connected to another) include direct and indirect connections between two elements. The skilled artisan will appreciate that the term " preferred comparison " when used herein, indicates that a comparison between two or more elements, items, signals, etc. provides a desirable relationship. For example, when the preferred relationship is that signal 1 has a magnitude greater than signal 2, when the magnitude of signal 1 is greater than the magnitude of signal 2, or when the magnitude of signal 2 is less than the magnitude of signal 1, the desired comparison Can be obtained.

Claims (25)

표적을 검사하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은:A method for examining a target, the method comprising: 발생 레이저 빔(generation laser beam)을 표적의 표면으로 발사함으로써, 상기 표적에 초음파 변위부(ultrasonic displacement)와 열 과도부(thermal transient)를 발생시키는 단계와,Generating a ultrasonic displacement and thermal transient to the target by firing a generation laser beam onto the surface of the target, 표적에서 초음파 변위부를 검출하는 단계와,Detecting an ultrasonic displacement at the target, 표적의 열 이미지를 획득하여, 상기 표적에서 열 과도부를 검출하는 단계와, Obtaining a thermal image of the target, detecting a thermal transient at the target, 표적에서 검출된 초음파 변위부를 분석하는 단계, 및Analyzing the ultrasonic displacement portion detected at the target, and 표적의 검출된 열 과도부를 분석하는 단계를 포함하며,Analyzing the detected thermal transient of the target, 각각의 프레임이 픽셀의 어레이를 갖도록 표적의 이미지 프레임을 획득하는 단계와,Obtaining an image frame of the target such that each frame has an array of pixels; 각각의 프레임에, 시간 경과에 대응하는 프레임 번호를 할당하는 단계, 및Assigning each frame a frame number corresponding to the passage of time, and 열 이미지의 순차적인 프레임을 분석하여, 정량적 열 벽 두께를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표적을 검사하기 위한 방법. Analyzing the sequential frames of the thermal image to determine a quantitative thermal wall thickness. 제 1 항에 있어서, The method according to claim 1, 상기 표적은 복합 물질(composite material)을 포함하는 것을 특징으로 하는 표적을 검사하기 위한 방법. And the target comprises a composite material. 제 1 항에 있어서, The method according to claim 1, 검출된 초음파 변위부를 분석함으로써, 표적의 심층 내부 구조에 관한 정보를 획득하는 단계와, Obtaining information about the deep internal structure of the target by analyzing the detected ultrasonic displacement; 표적의 검출된 열 과도부를 분석함으로써, 표적의 표면 근방 내부 구조에 관한 정보를 획득하는 단계와,Obtaining information about the internal structure near the surface of the target by analyzing the detected thermal transients of the target; 표적의 심층 내부 구조에 관한 정보와 상기 표적의 표면 근방 내부 구조에 관한 정보를 상관시키는 단계Correlating the information about the deep internal structure of the target with the information about the internal structure near the surface of the target. 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표적을 검사하기 위한 방법. The method for testing a target, characterized in that it further comprises. 제 1 항에 있어서, The method according to claim 1, 발생 레이저 빔의 펄스 레이트(pulse rate)에 상기 열 이미지 획득률을 정합시키는 단계Matching the thermal image acquisition rate to a pulse rate of a generated laser beam 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표적을 검사하기 위한 방법. The method for testing a target, characterized in that it further comprises. 제 1 항에 있어서, 표적에서의 열 이미지를 분석함으로써, 정량적 열 벽 두께(quantitative thermal wall thickness)가 검출되는 것을 특징으로 하는 표적을 검사하기 위한 방법. The method of claim 1, wherein quantitative thermal wall thickness is detected by analyzing a thermal image at the target. 제 5 항에 있어서, 상기 정량적 열 벽 두께의 예기치 않은 변화는 상기 예기치 않은 변화 부분에서의 표적의 결함을 나타냄을 특징으로 하는 표적을 검사하기 위한 방법. 6. The method of claim 5, wherein an unexpected change in the quantitative thermal wall thickness indicates a defect in the target at the unexpected change portion. 삭제delete 제 1 항에 있어서, 표적에서의 열 이미지의 분석은 적외선(IR) 과도 서모그래피의 이용을 포함하는 것을 특징으로 하는 표적을 검사하기 위한 방법. The method of claim 1, wherein analysis of the thermal image at the target includes the use of infrared (IR) transient thermography. 표적을 검사하기 위한 검사 시스템에 있어서, 상기 검사 시스템은:A test system for testing a target, the test system comprising: 표적에서 초음파 변위부(ultrasonic displacement)와 열 과도부(thermal transient)를 유도하기 위해 펄스형 레이저 빔(pulsed laser beam)을 발생하기 위한 발생 레이저(generation laser)와,A generation laser for generating a pulsed laser beam to induce ultrasonic displacement and thermal transient at the target, 상기 표적에서 초음파 표면 변위부를 검출하기 위한 초음파 검출 시스템과,An ultrasonic detection system for detecting an ultrasonic surface displacement at the target; 상기 표적에서 열 과도부를 검출하기 위한 열 이미징 시스템, 및A thermal imaging system for detecting a thermal transient at the target, and 표적에서 검출된 초음파 변위부와 표적의 열 이미지 모두를 분석하여 표적의 내부 구조에 관한 정보를 산출해내는 프로세서를 포함하며,A processor for analyzing both the ultrasonic displacement portion detected at the target and the thermal image of the target to produce information about the internal structure of the target, 열 이미지 프레임 획득률을 발생 레이저 빔의 펄스 레이트에 정합시키기 위한 제어 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 검사 시스템. And a control module for matching the thermal image frame acquisition rate to the pulse rate of the generated laser beam. 제 9 항에 있어서, 상기 초음파 검출 시스템은The method of claim 9, wherein the ultrasonic detection system 표적에서의 초음파 표면 변위부를 조명하기 위한 검출 레이저 빔을 발생하기 위한 검출 레이저(detection laser)와,A detection laser for generating a detection laser beam for illuminating the ultrasonic surface displacement at the target, 상기 표적 표면에서 산란된 검출 레이저 빔으로부터 초음파 표면 변위부에 의해 위상-변조되는 광을 채집하기 위한 채집 광소자와,An acquisition optical element for collecting light phase-modulated by an ultrasonic surface displacement portion from the detection laser beam scattered at the target surface; 상기 위상 변조된 광을 처리하고 하나 이상의 출력 신호를 발생하기 위한 간섭계(interferometer)와,An interferometer for processing the phase modulated light and generating one or more output signals; 표적에서의 초음파 표면 변위부를 나타내는 데이터를 획득하기 위해 하나 이상의 출력 신호를 처리하는 프로세싱 유닛Processing unit processing one or more output signals to obtain data indicative of ultrasonic surface displacement at the target 을 포함하는 것을 특징으로 하는 검사 시스템. Inspection system comprising a. 제 9 항에 있어서, 상기 열 이미징 시스템은 적외선(IR) 과도부 서모그래피 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 검사 시스템. 10. The inspection system of claim 9, wherein the thermal imaging system comprises an infrared (IR) transient thermography system. 제 11 항에 있어서, 상기 IR 과도부 서모그래피 시스템은, 발생 레이저 빔에 의해 조명되는 표적의 이미지 프레임을 얻기 위한 IR 감지형 카메라(IR sensitive camera)를 포함하는 것을 특징으로 하는 검사 시스템. 12. The inspection system of claim 11, wherein the IR transient thermography system comprises an IR sensitive camera for obtaining an image frame of a target illuminated by the generated laser beam. 제 9 항에 있어서, 상기 프로세서는 검출된 초음파 변위부와 열 이미지를 상관(correlate)시키는 것을 특징으로 하는 검사 시스템. 10. The inspection system of claim 9, wherein the processor correlates the detected ultrasonic displacement with a thermal image. 삭제delete 제 9 항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 표적은 복합 물질(composite material)을 포함하는 것을 특징으로 하는 검사 시스템. And the target comprises a composite material. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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