KR101385402B1 - 적외선 서모그래피를 이용하는 개선된 레이저-초음파 검사 - Google Patents

적외선 서모그래피를 이용하는 개선된 레이저-초음파 검사 Download PDF

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Abstract

표적 물질의 내부 구조를 검사하기 위한 검사 시스템이 제공된다. 이 검사 시스템은 초음파 검사 시스템과 서모그래피 검사 시스템을 조합한다. 서모그래피 검사 시스템은 초음파 검사 시스템에 부착되고, 레이저 초음파 검사와 호환가능한 거리에서 표적 물질의 서모그래피 검사를 가능하게 하도록 수정된다. 표적 물질 상의 깊이 적외선(IR) 이미징을 이용하여, 정량적 정보가 얻어진다. 상기 IR 이미징 결과와 레이저-초음파 결과가 조합되어, 복잡한 형태의 복합물의 3D 투사 상으로 투사된다. 서모그래픽 결과는 레이저-초음파 결과를 보완하고, 특히, 표적 물질이 얇은 복합 부분일 때 더 완전하고 더 신뢰할만한 표적 물질의 내부 구조에 관한 정보를 산출한다.

Description

적외선 서모그래피를 이용하는 개선된 레이저-초음파 검사{IMPROVED LASER-ULTRASOUND INSPECTION USING INFRARED THERMOGRAPHY}
본 발명은 비파괴적 테스팅에 관한 것이며, 구체적으로는, 물질의 내부 구조를 검사하기 위해 열 이미징 및 초음파 테스팅을 사용하는 것에 관한 것이다.
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. 적정한 평가는 표면 부근 영역과 깊은 내부 영역 모두에서, 내부결함(inclusion), 균열(delamination), 기공(porosity)을 검출할 수 있는 능력을 요구한다.
복합 구조의 구조적 무결성을 평가하기 위해 다양한 방법 및 장치가 제안되었다. 하나의 해결책은, 표적 물질에서 초음파 표면 변위(ultrasonic surface displacement)를 발생시키기 위해 초음파 소스를 사용하는 것이다. 그 후, 상기 초음파 표면 변위가 측정되고 분석된다. 초음파의 소스는 표적으로 향해지는 펄스 형(pulsed) 발생 레이저 빔(generation laser beam)일 수 있다. 개별 검출 레이저로부터의 레이저 광은 워크피스의 초음파 표면 변위에 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.
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 민감하다.
또 다른 NDE법인 과도 적외선(IR) 서모그래피(thermography)는 폴리머-기질 부분에서 수 ㎜보다 깊이 위치하는 결함에 민감하기 않기 때문에, 폴리머-기질 복합물의 효율적인 검사를 가능하게 하지 않는다.
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.
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.
본 발명의 하나의 실시예가 표적 물질의 표면에 가까운 내부 구조와 깊이 위치하는 내부 구조를 검사하기 위한 검사 시스템을 제공한다. 이 검사 시스템은 초음파 검사 시스템과 서모그래피 검사 시스템을 조합한다. 상기 서모그래픽 검사 시스템은 초음파 검사 시스템에 부착되고, 레이저 초음파 검사와 호환가능한 거리에서 표적 물질의 서모그래피 검사를 가능하게 하도록 수정된다. 표적 물질 상의 깊이 적외선(IR) 이미징을 이용하여, 정량적 정보가 얻어진다. 상기 IR 이미징 결과와 레이저-초음파 결과가 조합되어, 복잡한 형태의 복합물의 3D 투사 상으로 투사된다. 서모그래픽 결과는 레이저-초음파 결과를 보완하고, 특히, 표적 물질이 얇은 복합 부분일 때 더 완전하고 더 신뢰할만한 표적 물질의 내부 구조에 관한 정보를 산출한다.
본 발명의 또 다른 실시예가 표적의 내부 구조를 검사하는 방법을 제공한다. 이 방법은 표적 물질에서 초음파 변위와 열 과도부 모두를 유도하는 단계를 포함한다. 레이저 초음파 시스템을 이용하여, 이러한 초음파 변위가 생산되고 분석될 수 있다. 플래쉬 램프를 이용하여 열 과도부가 생산되고, 서모그래피 검사 시스템을 이용하여 분석될 수 있다. 분석은, 표적의 구조에 관한 더 완전한 이해를 산출하기 위해, 초음파 정보와 열 정보의 상관을 포함할 수 있다. 예를 들어, 초음파 변위를 분석하는 것은 깊은 복합 물질 내의 내부 구조에 관한 정보를 산출할 수 있다. 열 이미지가 복합 물질의 표면에 가까운 내부 구조에 관한 정보를 산출할 수 있다. 초음파 정보 결과와 열 정보 결과를 상관시킴으로써, 표적의 전체 내부 구조에 대해 더 잘 이해할 수 있다.
또 다른 실시예가 복합 물질 검사 시스템을 제공한다. 이러한 검사 시스템은 초음파 검사 시스템과 서모그래피 검사 시스템을 조합한다. 초음파 검출 시스템이, 복합 물질에서의 초음파 표면 변위를 검출하기 위해 제공된다. 복합 물질에서의 열 과도부를 검출하기 위해, 열 이미징 시스템이 제공된다. 제어 모듈이 열 이미징 획득을 레이저 초음파 획득 정보에 정합시켜서, 표적의 전체 내부 구조에 관한 정보를 산출할 수 있도록 레이저 초음파 정보와 열 이미지의 상관을 보조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라, 레이저 초음파 변위와 열 과도부를 발생 및 검출하기 위한 발생 레이저 빔과 검출 레이저 빔의 사용을 도시한다.
도 2는 레이저 초음파/열 이미징 시스템의 기본 구성요소를 나타내는 블록 다이어그램을 제공한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라, 레이저 초음파와 IR 이미징 시스템의 기능적 다이어그램을 제공한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라, 초음파 변위와 열 과도부를 발생하기 위한 발생 레이저의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따르는 서모그래피 검사 시스템의 기능 다이어그램을 제공한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따르는 레이저 초음파와 IR 이미징 시스템의 블록, 또는 기능적 다이어그램을 제공한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라, 평평한 바닥의 구멍을 갖는 폴리머 판 내의 열 과도부를 분석함으로써 얻어진 적외선 결과를 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라, 표적 물질을 검사하기 위한 방법을 설명하는 로직 흐름 다이어그램을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예는 도면에서 도시되어 있으며, 다양한 도면에서 유사한 도면부호는 대응하는 유사한 부분을 일컫는다.
본 발명의 실시예는 레이저 초음파 기법과 열 이미징 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 검사하기 위한 검사 시스템을 제공한다. 본 발명의 하나의 실시예는 표적 물질의 표면에 가까운 곳의 내부 구조(near surface internal structure)와 깊은 곳의 내부 구조(deep internal structure)를 검사하기 위한 검사 시스템을 제공한다. 이러한 검사 시스템은 초음파 검사 시스템 및 서모그래픽 검사 시스템을 조합한다. 상기 서모그래픽 검사 시스템은 초음파 검사에 추가되고, 표적 물질의 서모그래픽 검사를 레이저 초음파 검사와 호환가능하도록 가능하게 하기 위해 수정된다. 표적 물질 상의 깊이 적외선(IR) 이미징을 이용하여, 정량적 정보(quantitative information)가 획득된다. 상기 IR 이미징 및 레이저-초음파 결과가 조합되어, 복잡한 형태의 복합물의 3D 투사 상에 투사된다. 서모그래픽 결과는 레이저 초음파 결과를 보완하고, 특히, 표적 물질이 얇은 복합 부분일 때, 더 완전하고 더 신뢰할만한 표적 물질의 내부 구조에 대한 정보를 생산한다. 본 발명의 실시예는 더 빠른 검사 속도와, 개선된 시스템 신뢰성과, 더 낮은 작동 비용을 위해 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따라, 레이저 초음파 변위(ultrasonic displacement)와 열 과도부(thermal transient)를 발생하고 검출하기 위한 발생 레이저 빔(generation laser beam)과 검출 레이저 빔(detection laser beam)의 사용을 도시한다. 레이저 빔(102)이 초음파를 발생하며, 조명(검출) 레이저 빔(104)이 표적(106)(예를 들어, 테스트되는 복합 물질)에서의 초음파를 검출한다. 표적(106) 에서 열 과도부를 유도하기 위해, 예를 들어, 적외선(IR) 등의 복사(114)를 발사하기 위해, 가령, 플래쉬 램프와 같은 열원(도면상 도시되지 않음)이, 사용될 수 있다. 열 복사는 표적(106)의 전체를 동시에 조명할 수 있다. 마찬가지로, 열 이미징과 초음파 검사 사이에 냉각 시간이 존재할 수 있다. 초음파 검사에 관련된 레이저가 표적(106)으로 동축으로 적용될 수 있다. 발생 레이저 빔(102)은 표적(106)에서 열-탄성 팽창(112)을 야기하며, 이러한 열-탄성 팽창(112)은 초음파 변형의 형상, 또는 물결(108)의 형상을 도출한다. 초음파의 변형(108)은 표적(106)에서 전파되며, 검출 레이저 빔(104)을 변조하고, 산란시키며, 반사시켜서, 표적(106)으로부터 멀리 향하는 위상-변조된 광(110)을 생성할 수 있다. 상기 위상-변조된 광(110)은 수집되고 처리되어, 표적(106)의 내부 구조를 설명하는 정보가 획득될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라, 초음파 테스트와 적외선(IR) 서모그래피를 모두 수행하는 검사 시스템의 투시도를 제공한다. 검사 시스템(200)은 서모그래피 검사 시스템에 연결된 초음파 검사 시스템을 포함한다. 상기 초음파 검사 시스템은 레이저 초음파 포지셔닝 시스템(laser ultrasound positioning system)(202)과, 스캐닝 광소자(scanning optic)(206)를 포함하는 레이저 초음파 헤드(204)를 포함한다. 이들의 동작은 도 3을 참조하여 더 상세히 논의될 것이다.
서모그래피 검사 시스템은 IR 램프(208)와 IR 카메라(210)를 포함한다. 상기 IR 램프는 복합물, 또는 표적 물질(214) 내에서 열 과도부(thermal transient)를 유도한다. IR 카메라(210)는 표적(214)의 열 이미지를 캡처한다. 이 실시예에서 나타나는 바와 같이, 카메라(210)의 시야는 표적(214)의 이미지를 하나의 단일 프레 임으로 캡처하기에 충분히 클 수 있다. 또는 IR 카메라(210)가 복합 열 이미지를 생성하기 위해 사용되는 다수의 프레임을 캡처할 수 있다. 표적(214)의 열 속성을 바탕으로, 복합 이미지를 생성하기 위해, 시계열적 이미지들이 사용될 수 있다. 이는 예를 들어, 정량적 열 벽 두께(quantitative thermal wall thickness)에 대한 판단을 포함할 수 있으며, 이때, 정량적 열 벽 두께의 예상되지 않은 변화는 표적(214) 내의 단절(discontinuity), 잠재적 단절, 또는 흠을 가리킨다.
도 3은 초음파 레이저 테스팅을 수행하기 위한 기본 구성요소를 포함하는 블록 다이어그램을 제공한다. 레이저 초음파 검사 시스템(300)은 발생 레이저(310)와, 검출 레이저(320)와, 광학 조립체(314)와, 채집 광소자(326)와, 광학 프로세서(328)와, 간섭계(330)와, 제어 및 데이터 프로세싱 모듈(332)을 포함한다. 발생 레이저(310)는 발생 레이저 빔(312)을 생성하고, 상기 광학 조립체(314)가 상기 발생 레이저 빔(312)을 표적(316)으로 향하게 한다. 나타나는 바와 같이, 광학 조립체(314)는, 스캔, 또는 테스트 플랜(318)을 따라 레이저 빔(312)을 이동시키는 스캐너, 또는 이와 유사한 그 밖의 다른 수단을 포함한다. 광학 조립체(314)는 시각 카메라(visual camera), 또는 깊이 카메라(depth camera), 또는 IR 카메라, 또는 범위 검출기(range detector), 또는 협대역 카메라(narrowband camera), 또는 이들과 유사한 해당업계에서 알려진 그 밖의 다른 광학 센서를 포함할 수 있다. 각각의 이러한 광학 센서들은, 검사를 수행하기에 앞서, 교정(calibration)을 필요로 할 수 있다. 이러한 교정은, 다양한 센서에 의해 수집된 정보를 통합할 수 있도록 시스템의 기능을 검증한다. 발생 레이저(310)는 초음파 물결(108)과 열 과도부를 생 성한다.
초음파 물결(108)과 열 과도부는, 복합 물질이 발생 레이저 빔을 흡수함에 따른 상기 복합 물질의 열-탄성 팽창(112)의 결과이다. 복합 물질(316)은, 부식이나 깨지지 않고, 발생 레이저 빔(312)을 쉽게 흡수한다. 신호-대-노이즈 비(SNR) 문제를 극복하기 위해 더 높은 파워의 발생 레이저가 반드시 바람직한 것은 아닌데, 왜냐하면, 더 높은 파워의 발생 레이저는 워크피스의 표면에서 물질의 부식을 초래하고, 어쩌면 구성요소에 손상을 입힐 수 있기 때문이다. 또 다른 실시예에서, 테스트되는 물질에 따라서, 검출되는 신호의 SNR을 증가시키기 위해 약간의 부식은 허용될 수 있다. 발생 레이저 빔(312)은 초음파 표면 변형과 적정 열 과도부를 유도하기에 적정한 펄스 지속시간, 파워 및 주파수를 가질 수 있다. 예를 들어, TEA(transverse-excited atmospheric) CO2 레이저가 100 나노초(nanosecond) 펄스 폭에 대해 10.6미크론 파장 빔을 생성할 수 있다. 예를 들어, 레이저의 파워는 0.25줄(joule) 펄스를 표적으로 전달하기에 충분해야 하며, 이는 0.25줄 펄스는 400㎐ 펄스 반복 레이트에서 동작하는 100와트(watt)의 레이저를 필요로 할 수 있다. 발생 레이저 빔(312)은 표적 표면에 열로서 흡수되며, 이에 따라서, 부식 없는 열-탄성 팽창이 도출된다.
펄스 모드(pulsed mode), 또는 CW 모드로 동작하는 검출 레이저(320)는 초음파 변위(ultrasonic displacement)를 유도하지 않는다. 예를 들어, Nd:YAG 레이저가 사용될 수 있다. 이 레이저의 파워는, 예를 들어, 100밀리줄(milli-joule), 100 마이크로초(microsecond)의 펄스를 전달하기에 충분해야 하며, 이는 1킬로와트(KW) 레이저를 필요로 할 수 있다. 검출 레이저(320)는 검출 레이저 빔(322)을 발생한다. 검출 레이저(320)는 필터링 수단(324)을 포함하거나, 상기 필터링 수단(324)에 광학적으로 연결되어, 검출 레이저 빔(324)으로부터 노이즈를 제거할 수 있다. 광학 조립체(314)는 검출 레이저 빔(324)을 복합 물질(316)의 표면으로 향하게 하며, 상기 복합 물질(316)의 표면에서, 상기 검출 레이저 빔(324)은 산란 및/또는 반사된다. 채집 광섬유(326)에 의해, 최종 위상 변조된 광이 채집된다. 본원에서 나타나다시피, 산란 및/또는 반사된 검출 레이저 광은 광학 조립체(314)를 통해 다시 되돌아간다. 선택사항인 광학 프로세서(328) 및 간섭계(330)는 위상 변조된 광을 처리하여, 복합 물질(316)의 표면에서의 초음파 변위를 나타내는 정보를 포함하는 신호를 생성할 수 있다.
발생 레이저 빔은 중적외선(mid-IR) 초음파 발생 레이저일 수 있다. 이러한 발생 레이저는 초음파 물결 및 열 과도부를 발생시키기 위해, 소형의 고평균 파워 mid-IR 레이저를 제공한다. 도 4에서 도시되는 바와 같이, 발생 레이저(700)는 섬유 레이저(fiber laser)를 갖는 펌프 레이저 헤드(pump laser head)(402)를 포함하며, 이때, 섬유는 발생 레이저 헤드(404)로 연결된다. 섬유 레이저를 이용함으로써, 레이저 펌프가 발생 레이저 헤드(404)로부터 원격으로 위치할 수 있다. 상기 펌프 레이저 헤드가, 광 섬유(402)를 통해, 발생 레이저 헤드(404)로 연결될 수 있다.
펌프 레이저 헤드(402)를 발생 레이저 빔 전달 헤드(404)로부터 멀리 떨어지 게 위치시킴으로써, 전체 페이로드(payload)와, 발생 레이저 빔을 전달하고 열 이미지를 획득하기 위해 사용되는 로봇 시스템이나 포지셔닝 시스템에 대한 안정화 요구치를 감소시키는 소형의 mid-IR 발생 레이저 헤드가 가능하다. 발생 레이저 빔 전달 헤드와 IR 카메라를 포함하는 소형의 가벼운 모듈만이 로봇 시스템의 검사 헤드 내에 장착될 필요가 있다. 이로 인해서 더 작은 로봇을 이용하는 mid-IR 레이저 소스의 형태가 가능해진다. 따라서 휴대용 레이저 초음파 시스템과 IR 서모그래피 시스템을 이용하는 현장의 복합 NDE에 대한 새로운 복합 검사의 기회가 창조된다. 이들 접근법은 US 특허 출원 “FIBER LASER TO GENERATE ULTRASOUND"에서 설명되어 있으며, 상기 출원은 본원에서 참조로서 인용된다.
도 5는 서모그래피 검사 시스템의 기능적 블록 다이어그램을 제공한다. 상기 서모그래피 검사 시스템(500)은, 열 이미징 카메라(즉, IR 카메라(210))와, 표적 내에 열 과도부(thermal transient)를 유도하기 위한 IR 플래쉬 램프(208)를 포함한다. 플래쉬 램프(208)는, 희망 위치로 열 복사를 전달할 수 있는 리플렉터(reflector)를 가질 수 있다. 예를 들어, 이들 리플렉터는, 서모그래피에 대해 통상적으로 사용되는 것보다 더 넓은 거리에서의 열 여기(thermal excitation)를 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 이들 리플렉터에 의해, 플래쉬 램프는, 서모그래피 검사를 위한 종래의 1피트(feet) 이격거리(standoff) 대신, 6피트의 이격거리에서 위치할 수 있다. 이로 인해서, 서모그래피 검사 시스템(500)과 레이저 초음파 검사 시스템(300)이 동일한 포지셔닝 시스템 상에 장착될 수 있다. 또한 이로 인해서, 통상의 이격거리와 관련된 시야(504)에 비교할 때, 카메라(210)는 더 넓은 시 야(502)를 가질 수 있다. 서모그래피 검사 시스템(500)은 표적의 열 이미지를 캡처하고 분석한다. 이들 이미지는 처리되어, 표적(316)의 표면에 가까운 내부 구조에 관한 정보가 생산될 수 있다.
데이터 프로세싱 및 제어 시스템(332)은 레이저 초음파 시스템의 구성요소와 열 이미징 구성요소의 동작을 조절하여, 표적의 내부 구조에 관한 정보를 생산할 수 있다. 데이터 프로세싱 및 제어 시스템(332)은 레이저 초음파 검사 시스템(300)과 서모그래피 검사 시스템(400) 모두의 동작을 지시한다. 상기 프로세싱 및 제어 시스템은 검출된 초음파 변위 및 열 이미지를 분석하여, 표적의 내부 구조에 관한 정보를 산출할 수 있다. 그 후, 초음파 검사의 결과와 서모그래픽 검사의 결과가 조합되어, 표적의 내부 구조의 보다 정확한 표현이 제공될 수 있으며, 이때, 이 정보는 표적의 컴퓨터 모델에 매핑될 수 있다. 또한 상기 프로세싱 및 제어 시스템은 검사의 시퀀스를 지시할 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 상기 서모그래픽 검사가 먼저 수행되고, 그 후, 열 과도부가 진정될 수 있도록, 서모그래픽 검사와 초음파 검사 사이에 지정된 시간을 경과시킬 수 있다.
데이터 프로세싱 및 제어 시스템(332)은 단일 프로세싱 장치, 또는 다수의 프로세싱 장치일 수 있다. 이러한 프로세싱 장치는 마이크로프로세서, 마이크로-제어기, 디지털 신호 프로세서, 마이크로컴퓨터, 중앙 처리 유닛, 현장 프로그램가능한 게이트 어레이(field programmable gate array), 프로그램가능한 로직 장치, 상태 머신, 로직 회로, 아날로그 회로, 디지털 회로, 메모리에 저장된 작업 인스트럭션을 바탕으로 신호(아날로그 및/또는 디지털)를 조작하는 임의의 장치 중 하나 이 상일 수 있다. 메모리는 단일 메모리 장치, 또는 다수의 메모리 장치일 수 있다. 이러한 메모리 장치는 판독 전용 메모리, 랜덤 액세스 메모리, 휘발성 메모리, 비-휘발성 메모리, 정적 메모리, 동적 메모리, 플래쉬 메모리, 캐쉬 메모리, 디지털 정보를 저장하는 임의의 장치 중 하나 이상일 수 있다. 이하에서 설명될 단계 및/또는 기능들 중 일부, 또는 전부에 대응하는 작업 인스트럭션은, 메모리에 저장되고, 데이터 프로세싱 및 제어 시스템(332)에 의해 실행된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따르는, 레이저 초음파와 IR 이미징 시스템(600)의 블록, 또는 기능 다이어그램을 제공한다. 레이저 초음파 및 IR 이미징 시스템(600)은 발생 레이저(602)와, 제어 모듈(604)과, 레이저 초음파 검출 시스템(606)과, 열 이미징 시스템(608)과, 프로세싱 모듈(610)과, 광학 시스템(612)과, 플래쉬 램프(616)를 포함한다. 발생 레이저(602)가 발생 레이저 빔을 생산하며, 상기 발생 레이저 빔은 광학 시스템(614)에 의해, 물질(제한받지 않는 예를 들자면, 복합 물질)로 만들어진 표적(614)으로 향해지며, 이때, 상기 표적에서 초음파 변위가 유도된다. 레이저 초음파 검출 시스템(606)은 검출 레이저 빔을 발생하며, 상기 검출 레이저 빔은 광학 시스템(612)에 의해 표적(614)으로 향해지며, 이때, 표적(614)의 표면에서의 초음파 변위에 의해, 검출 레이저 빔은 위상-변조될 수 있다. 또한 광학 시스템(612)이 표적 표면에 의해 산란된 검출 레이저 빔 광을 채집한다. 상기 레이저 초음파 검출 시스템(606)은 채집된 위상 변조된 광을 처리하여, 초음파 변위에 관한 정보를 포함하는 신호를 형성할 수 있다. 이 신호가 프로세싱 모듈(610)로 제공된다.
플래쉬 램프(616)는 표적(614)의 서모그래피 측정을 위한 열 과도부를 생성한다. 열 이미징 시스템, 예를 들면, IR 카메라(608)가 표적(614) 내의 열 과도부의 열 이미지, 또는 프레임을 획득한다. 시야에 의해, 표적(614)의 표면의 단일 프레임 이미지가 가능할 수 있다. 또는, 다수의 프레임이 획득되어, 복합적인 열 이미지를 만들 수 있다. 열 과도부 중의 지정된 시점에서 추가적인 이미지가 획득될 수 있다. 이러한 서로 다른 이미지는 처리되어, 레이저-초음파에 의해 검사되는 완전한 영역의 서모그래픽 검사를 발생시킬 수 있다.
서모그래피의 결과는 레이저-초음파 결과를 보안하고, 이러한 방식으로, 더 완전하고 더 신뢰할 수 있는 검사를 제공한다. 과도 IR 서모그래피는 스스로는 복합 부분(가령, 폴리머 기질 복합물)의 효과적인 검사를 제공하지 않는다. 폴리머 기질의 낮은 열 전도율 EOans에, 과도 IR 서모그래피는 복합 부분의 상부 표면에만 민감하다. 따라서 IR 서모그래피는 폴리머 기질, 또는 복합 부분 내의 깊이 위치하는 결함을 식별하기 위해서는 사용될 수 없다.
레이저 초음파 및 IR 이미징 시스템(600)은 표적(614)의 깊은 내부 검사 시스템을 위해 제공하는 레이저 초음파와, 표면에 가까운 검사를 해결하기 위한 열 이미징을 모두 포함한다. 이는 레이저 초음파 검사는 표면에 가까운 결함에 덜 민감할 수 있다는 점과 관련된 문제를 해결한다. 이들 2개의 기법을 조합함으로써, 레이저 초음파, 또는 IR 서모그래피 하나만 사용하는 경우보다 복합 부분, 또는 물질의 더 완전한 비파괴적 검사가 가능하다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라, 평면 바닥 구멍을 포함하는 폴리머 판(polymer plate) 내의 열 과도부를 분석함으로써 얻어지는 적외선 결과를 도시한다. 플래쉬 램프의 전등에 의해 개시되는 열 과도부 중 지정된 시점에서 일련의 열 이미지가 모아질 수 있다. 표적의 표면 상의 각각의 포인트들은 고유한 열 과도부를 겪는다. 이들 열 과도부는 표적 물질과 연계된 열 속성을 판단하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 표적에서 시간에 따른 열 이미지를 분석함으로써, 정량적 열 벽 두께(quantitative thermal wall thickness)가 판단될 수 있다. 이는 도 7에서 도시되는 바와 같이, 합성 시각 이미지(synthetic visual image)의 형태로 제공될 수 있다. 이 프로세싱 접근법은 적외선 이미지를 분석한다(더 상세히는, 여러 다른 이미지에서 시간의 함수로서의 온도 변화를 분석하는 것이다). IR 카메라의 각각의 포인트에 대한 모든 IR 이미지로부터 상대 온도 변화 곡선이 구축된다.
또 다른 실시예가 표면에 가까운 결함을 검사하기 위한 스캔된 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.
표적(702) 내 결함은 그레이 스케일 이미지(700)에서 선명하게 나타난다. 이미지(700)는 물질(702) 내의 다양한 포인트(704)를 포함한다. 이 이미지는, 예를 들어, US 특허 제6,367,969호 “Synthetic reference thermal imaging method”에서 설명된 이미징 방법에 의해, 발생될 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 분 석 접근법이 사용될 수 있다.
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.
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.
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 온도-시(T-t) 히스토리(가령, 열 과도부와 연계된 히스토리)를 형성하기 위해 사용된다.
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.
도 8은 본 발명의 실시예에 따르는 표적 물질을 검사하기 위한 방법을 설명하는 로직 흐름 다이어그램을 제공한다. 이 방법은 초음파 검사와 서모그래피 검사를 조합하여, 표적 물질의 더 정확하고 신뢰할만한 검사를 제공할 수 있다. 작업(800)은 단계(802)에서 시작한다. 단계(802)에서, 서모그래픽 검사가 수행될 수 있다. 서모그래픽 검사가 수행된 후, 초음파 검사가 수행될 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 초음파 검사 시스템과 서모그래픽 검사 시스템은 공통의 포지셔닝 시스템(positioning system)을 공유하여, 초음파 데이터와 서모그래픽 데이터의 상관을 보조할 수 있다. 단계(804)의 서모그래픽 검사와 초음파 검사 사이에 시간 간격이 존재할 수 있다. 이로 인해서, 표적 물질이 열 평형상태로 복귀되거나, 또는 열 과도부가 진정될 수 있다. 이 시간 간격은 열 과도부가 초음파 검사의 결과에 영향을 미치는 것을 방지한다. 단계(806)에서, 초음파 검사와 관련된 검출된 초음파 변위와, 서모그래픽 검사와 관련된 열 이미지가 분석되어, 초음파 검사 결과 및 서모그래픽 검사 결과가 산출된다. 단계(808)에서, 이들 결과가 조합된다.
서모그래피는 합성 이미지, 또는 표적 물질의 그 밖의 다른 표현을 가능하게 한다. 이는 열 이미지를 분석함으로써 도달된 정량적 열 두께에 대한 판단을 포함할 수 있다. 정량적 열 벽 두께의 변화는, 상기 정량적 벽 두께의 예상되지 않은 변화가 발생한 곳에서 존재하는 표적 물질의 표면에 가까이 위치하는 흠을 가리킬 수 있다. 이 정보는, 콘트라스트 디스플레이에 의해 시각화될 수 있으며, 상기 콘트라스트 디스플레이에서, 급작스러운 콘트라스트의 변화는, 정량적 열 벽 두께의 단절이나 변화를 가리킨다.
이들 결과를 조합함으로써, 표적 물질의 더 정확한 이해가 도출된다. 서모그래픽 검사는 표면 결함에 대해 표적 물질을 검사할 때 더 적합하며, 반면에, 초음파 검사는 더 깊이 위치하는 내부적 결함에 더 적합하다. 단계(810)에서 이들 결과가 조합되고, 컴퓨터 모델로 적용될 수 있다. 서모그래픽 검사 시스템과 초음파 검사 시스템의 조합에 의해, 두 검사 시스템 모두 공통의 포지셔닝 플랫폼(positioning platform)을 공유할 수 있다. 덧붙이자면, 레이저 초음파 포지셔닝이 서모그래픽 검사 시스템의 포지셔닝을 교정하기 위해 사용될 수 있다. 이로 인해서, 더 정확한 분석과 서모그래픽 데이터와 초음파 데이터의 상관이 가능해진다.
요컨대, 표적 물질의 내부 구조를 검사하기 위한 검사 시스템이 제공된다. 이 검사 시스템은 초음파 검사 시스템과 서모그래픽 검사 시스템을 조합한다. 상기 서모그래픽 검사 시스템이 초음파 검사 시스템에 부착되어, 레이저 초음파 검사와 호환될 수 있는 거리에서 서모그래픽 검사가 가능하도록 수정된다. 표적 물질 상의 깊이 적외선(IR) 이미징을 이용하여, 정량적 정보가 획득된다. IR 이미징 결과와 레이저-초음파 결과가 조합되어, 복잡한 형태의 복합물의 3D 투사 상으로 투사된다. 서모그래픽 결과는 레이저-초음파 결과를 보완하고, 특히, 표적 물질이 얇은 복합 부분인 경우, 표적 물질의 내부 구조에 관한, 더 완전하고 더 신뢰할만한 정보를 산출한다.
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 신호 2의 크기보다 클 때, 또는 신호 2의 크기가 신호 1의 크기보다 작을 때, 바람직한 비교가 얻어질 수 있다.

Claims (29)

  1. 표적 물질을 검사하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은:
    표적 물질에 초음파성 음향 진동(ultrasonic acoustic vibration)을 유도하기 위한 발생 레이저(generation laser) 및 상기 진동을 검출하기 위한 검출 레이저(detection laser)를 갖는 레이저 초음파 검사 시스템을 이용하여 상기 표적 물질의 레이저 초음파 검사를 수행하는 단계,
    서모그래픽 검사 시스템(thermographic inspection system)을 이용하여 상기 표적 물질의 서모그래픽 검사를 수행하는 단계, 및
    레이저 초음파 검사 결과와 서모그래픽 검사 결과 모두를 분석하여, 상기 표적 물질의 내부 구조를 판단하는 단계를 포함하고,
    상기 서모그래픽 검사 시스템은 반사성 플래쉬 램프(reflective flash lamp)와 카메라를 포함하며,
    상기 방법은:
    서모그래픽 검사 시스템과 레이저 검사 시스템이 동일한 포지셔닝 시스템(positioning system) 상에 장착되고, 카메라가 더 넓은 시야를 가질 수 있도록, 표준 서모그래픽 검사에 대해 사용되는 것보다는 큰, 레이저 초음파 검사 시스템에 대한 표준 이격거리(standoff distance)에서, 서모그래픽 검사 시스템을 포함하는 레이저 초음파 검사 테스팅 시스템을 제공하고, 상기 이격거리에서 반사성 플래쉬 램프를 이용하여 표적 물질을 조명하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표적 물질을 검사하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 표적 물질의 상기 초음파 검사 결과와 서모그래픽 검사 결과가 표적 물질의 모델(model) 상으로 조합되는 것을 특징으로 하는 표적 물질을 검사하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    정량적 열 벽 두께(quantitative thermal wall thickness)를 판단하는 단계,
    상기 정량적 열 벽 두께의 예측되지 않은 변화가 발생하는 곳에서 표적 물질의 흠을 식별하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표적 물질을 검사하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    서모그래픽 검사의 수행과 초음파 검사의 수행 사이에 지정된 시간 동안 대기하는 단계
    를 더 포함하며, 이때, 표적 물질의 서모그래픽 검사가 표적 물질의 초음파 검사에 앞서서 수행되는 것을 특징으로 하는 표적 물질을 검사하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 서모그래픽 검사는
    표적 물질에 열 과도부(therml transient)를 유도하기 위해 표적 물질을 조명하는 과정,
    시간에 따른 표적 물질의 열 이미지를 획득하는 과정, 및
    표적 물질의 열 이미지를 분석하여, 표적 물질에 관한 정보를 획득하는 과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 표적 물질을 검사하기 위한 방법.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    표적 물질이 복합 물질을 포함할 때 상기 복합 물질의 깊은 내부 구조에 관한 정보가 획득되도록, 초음파 검사 결과에서 검출된 초음파 변위(ultrasonic displacement)를 분석하는 단계와,
    표적 물질이 복합 물질을 포함할 때 상기 복합 물질의 가까운 표면 내부 구조에 관한 정보가 획득되도록, 서모 그래픽 검사 결과로부터 상기 표적 물질의 열 이미지를 분석하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표적 물질을 검사하기 위한 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 초음파 검사는
    검출 레이저 빔을 발생하는 과정과,
    상기 검출 레이저 빔을 표적 물질의 표면으로 향하게 하는 과정과,
    상기 표적 물질의 표면에서 상기 검출 레이저 빔을 산란시켜서, 초음파 표면 변위에 의해 위상-변조된 광을 생성하는 과정과,
    상기 위상-변조된 광을 채집하는 과정과,
    상기 위상-변조된 광을 처리하여, 표면에서의 초음파 표면 변위를 나타내는 데이터를 획득하는 과정과,
    표적 물질을 분석하기 위해 데이터를 채집하는 과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 표적 물질을 검사하기 위한 방법.
  9. 표적의 내부 구조를 검사하기 위한 검사 시스템에 있어서, 상기 검사 시스템은:
    표적에 초음파 변위(ultrasonic displacement)를 생성하고 검출함으로써, 표적의 내부 구조를 검사하기 위한 레이저 초음파 검사 시스템(laser ultrasonic inspection system)과,
    표적의 내부 구조를 검사하고 표적의 열 이미지를 획득하기 위한 서모그래픽 검사 시스템(thermographic inspection system), 및
    프로세싱 및 제어 시스템으로서,
    표적의 열 이미지를 분석하여, 표적의 내부 구조에 관한 서모그래픽 검사 결과를 산출하는 기능과,
    검출된 표적에서의 초음파 변위를 분석하여, 표적의 내부 구조에 관한 초음파 검사 결과를 산출하는 기능과,
    표적 물질의 상기 초음파 검사 결과와 서모그래픽 검사 결과를 조합하여, 표적의 내부 구조에 관한 정보를 획득하는 기능을 수행하는 상기 프로세싱 및 제어 시스템을 포함하며,
    상기 서모그래픽 검사 시스템은:
    표적의 초음파 표면 변위를 조명하기 위한 검출 레이저 빔(detection laser beam)을 발생하기 위한 검출 레이저(detection laser)와,
    표적 표면에 의해 산란된 검출 레이저 빔으로부터 초음파 표면 변위에 의해 위상-변조된 광을 채집하기 위한 채집 광섬유(collection optics)와,
    위상-변조된 광을 프로세싱하고, 하나 이상의 출력 신호를 발생하는 간섭계(interferometer), 및
    상기 하나 이상의 출력 신호를 프로세싱하여, 표적의 초음파 표면 변위를 나타내는 데이터를 획득하는 광 프로세싱 유닛(optical processing unit)을 포함하는 것을 특징으로 하는 검사 시스템.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 서모그래픽 검사 시스템은 적외선(IR) 과도 서모그래피 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 검사 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 초음파 검사 시스템에 의해 발생 레이저 빔(generation laser beam)이 생성되어, 표적에서 진동이 유도되며, 상기 IR 과도 서모그래피 시스템은 상기 발생 레이저 빔에 의해 조명되는 표적의 이미지 프레임을 획득하기 위한 IR 민감형 카메라를 포함하는 것을 특징으로 검사 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 표적의 이미지 프레임은 픽셀의 어레이를 포함하고, 경과된 시간에 대응하는 프레임 번호를 할당받으며, 이때, 열 이미지의 일련의 프레임을 분석함으로써, 정량적 열 벽 두께(quantitative thermal wall thickness)가 판단되는 것을 특징으로 하는 검사 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 프로세싱 유닛은 검출된 초음파 변위와 열 이미지를 상관시키는 것을 특징으로 하는 검사 시스템.
  15. 제 9 항에 있어서,
    열 이미지 프레임 획득률을 발생 레이저 빔의 펄스 레이트에 정합시키는 제어 모듈과,
    프로세싱 유닛으로서, 표적 물질이 복합 물질을 포함할 때,
    검출된 초음파 변위를 분석하여, 상기 복합 물질의 깊은 내부 구조에 관한 정보를 산출하고,
    표적의 열 이미지를 분석하여, 상기 복합 물질의 가까운 표면 내부 구조에 관한 정보를 산출하며,
    복합 물질의 깊은 내부 구조에 관한 정보와 복합 물질의 가까운 표면 내부 구조에 관한 정보를 상관시키는, 상기 프로세싱 유닛
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 검사 시스템.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
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