KR20020034990A - 고속 적외선 과도 서모그래피 방법 및 장치 - Google Patents

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제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹
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Abstract

적외선 과도 서모그래피 이미징 시스템(10)은 스펙트럼적으로 조절된 광학 필터(18)와 적외선 이미지 데이터 수집을 위한 초점면 어레이 카메라(13)가 장착된 높은 전력의 섬광등(11)을 포함한다. 이미지 데이터 처리 제어 컴퓨터(16)는 수집된 적외선 이미지 데이터 프레임을 분석하여 이미지화된 표면 영역에 걸친 물체 두께와 관련된 이미지화된 물체(1)의 컬러-키 디스플레이(17)를 제공한다. 적외선 데이터의 수집은 물체(1)의 표면을 가열하는데 사용되는 섬광등(11)의 점등으로 시작된다. 섬광등의 점등 후 예정된 시간에 걸쳐 예정된 수의 적외선 이미지 프레임이 포착되고 기록되어 물체 표면의 온도-시간(T-t) 이력을 전개한다. 이미지 프레임내의 각 픽셀에 대해 대비 곡선이 산출되며, 각각의 픽셀은 물체 표면상의 화소 영역에 대응한다.

Description

고속 적외선 과도 서모그래피 방법 및 장치{TRANSIENT THERMOGRAPHY MEASUREMENT OF A METAL LAYER THICKNESS}
수년에 걸쳐, 주조 금속 및 기타 고형 물체의 단면 두께를 결정하는데 다양한 비파괴 초음파 측정 기술이 사용되고 있다. 통상적으로, 물체는 표면을 투과하여 물체의 반대측 또는 반대 표면에서 내측으로 반사되는 초음파에 의해 시험된다. 반사된 파를 수신하는데 걸린 시간에 기초하여, 반대측(후면측)까지의 거리가 그 지점에서의 물체의 두께를 나타내는 X로 결정될 수 있다. 불행하게도, 대부분의 물체에 대한 단면 두께를 검사하기 위해 이러한 종류의 초음파 측정을 실행하기는 것은 대개, 변환기로 전체 표면을 기계적으로 스캐닝하는 번거롭고 시간 소모적인작업을 필요로 한다. 또한, 변환기와 물체 표면간의 긴밀한 음파 접촉을 용이하게 하기 위해, 액체 결합제(couplant)의 스트립이 표면에 도포되거나 또는 대안적으로 물체가 결합제내에 완전히 침전되어야 한다. 그러나, 이러한 수행은 많은 구조적 및 재료적 이유 때문에 종종 실행이 어렵거나 실행가능하지 않다. 예를 들면, 기하학적으로 복잡한 부품을 스캐닝하고 분석할 수 있는 초음파 시스템은 통상적으로 매우 고가이고 복잡하다. 또한, 큰 물체의 표면에 걸쳐 변환기를 기계적으로 스캐닝하는 것은 매우 시간이 많이 걸린다.
또한, 특정한 금속 물체에 대한 초음파 측정을 실행하는 경우, 금속의 내부 결정 배향 및 조직은 얻어진 데이터의 부정확성의 원인이 될 수 있는 바람직하지 못한 노이즈 및 방향성 효과를 야기할 수 있다. 이러한 초음파 측정 고유의 한계는 시험 부품이 최신 에어포일에 종종 사용되는 것과 같은 결정성 또는 "방향성" 금속으로 구조된 경우 심각한 결함을 초래함이 밝혀졌다.
이에 비해, 적외선 과도 서모그래피는 물체의 조직 및 모습(integrity)에 관한 정보를 제공하기 위해 물체를 통한 열전달의 순간적 측정에 의존하는 다소 보다 다양하고 비파괴적인 시험 기술이다. 물체를 통한 열 유동은 물체 재료의 미소 조직 및 단결정 배향에 의해 거의 영향을 받지 않기 때문에, 적외선 과도 서모그래피 분석은 본질적으로 초음파 측정에 있어서 발생되는 한계가 없다. 대부분의 초음파 기술에 비해, 과도 서모그래피 분석 방법은 시험될 물체의 크기, 윤곽 및 형성에 의해 크게 방해받지 않으며, 또한 시험 물체가 큰 표면적을 갖는 경우 대부분의 종래의 초음파 방법보다 10배 내지 100배 빨리 수행될 수 있다.
고형의 비금속 화합물내의 흠(flaw)의 크기 및 "상대적" 위치(깊이)를 결정하는 능력을 제공하는, 하나의 공지된 최신 과도 서모그래피의 적용이 링거매쳐 등에 허여된 미국 특허 제 5,711,603 호(발명의 명칭: "Nondestructive Testing Transient Depth Thermography")에 개시되어 있으며, 이것은 본 명세서에 참조로 인용 합체된다. 기본적으로, 이러한 기술은 관심 물체의 표면을 가열하고 물체의 표면상의 매우 작은 영역 또는 "해상도 요소(resolution element)"의 시간 경과에 따른 온도 변화를 기록하는 것을 포함한다. 이러한 표면 온도 변화는 흠의 존재에 의해 영향을 받는 물체를 통한 열 유동의 특성 다이나믹에 관한 것이다. 따라서, 흠의 "상대적"(즉, 물체내의 다른 흠에 대한) 깊이의 크기 및 값 표시(value indicative)가 물체의 표면에 걸친 각 해상도 요소에서 발생하는 온도 변화의 세심한 분석에 기초하여 결정될 수 있다. 상기 링거매쳐의 미국 특허에는 명확히 기재되지 않았지만, 흠의 "실제적" 깊이(븍, 물체의 표면으로부터의 흠의 깊이)는 알려진 깊이에서 보이드를 갖는 "표준 블록" 또는 물체상의 "무한(infinite)" (열적으로 두꺼운) 기준 영역이 상대 깊이 값에 대한 비교를 위해 서모그래픽 데이터 수집 및 분석의 일부로서 포함되지 않는 경우 결정될 수 없다.
과도 서모그래피를 사용하여 정확한 열적 측정을 얻기 위해서, 물체의 표면은 충분히 짧은 시간내에 특정 온도로 가열되어 물체의 나머지에 대한 현저한 가열을 배제하여야 한다. 시험되는 물체의 두께 및 재료 특성에 따라, 석영 램프 또는 높은 세기의 섬광등(high intensity flash-lamp)이 통상적으로 적절한 크기 및 지속기간의 열 펄스를 발생시키는데 사용된다. 그러나, 물체 표면을 가열하는데 사용되는 특정 기구는 표면을 예컨대 펄스형 레이저 광과 같은 서모그래픽 모니터링(X)을 허용하기에 충분한 온도로 급속히 가열할 수 있는 임의의 수단일 수 있다. 일단 물체의 표면이 가열되면, 표면에 걸친 열적 변화의 그래픽 기록이 얻어져서 분석된다.
통상적으로, 물체 표면을 가열한 후 물체 표면의 연속적 열적 이미지(프레임)를 기록 및 저장하는데 적외선 비디오 카메라가 사용되고 있다. 각각의 비디오 이미지는 고정된 수의 픽셀로 구성된다. 이러한 상황에서, 픽셀은 이미지화되는 물체의 표면상의 "해상도 요소"로 지칭되는 직사각형 영역에 대응하는 이미지 어레이 또는 프레임내의 작은 그림(small picture)이다. 각 해상도 요소에서의 온도가 대응하는 픽셀의 세기에 직접 관련되기 때문에, 물체 표면상의 각 해상도 요소에서의 온도 변화는 픽셀 대비(對比: contrast) 변화의 견지에서 분석된다. 저장된 비디오 이미지는 알려진 시점에서의 특정 이미지 프레임에 대한 평균 픽셀 세기를 동일한 시점에서의 개개의 픽셀 세기로부터 뺌으로써 이미지 프레임내의 각 픽셀의 대비를 결정하는데 사용된다.
각 픽셀의 대비 데이터는 물체내의 흠의 상대 깊이에 수학적으로 관련된 대비 곡선 데이터의 "변곡 지점(inflection point)"의 발생 시기를 확인하기 위해 시간 영역에서 분석된다. 기본적으로, 일정한 재료 및 두께(L)를 갖는 물체와 같은 예시적 "판"에 적용되는 경우 물체에 충돌하는 열 유속 펄스는 물체를 통해 반대측(후방 벽)으로 침투하여 이미지화되는 전방 표면으로 돌하오는데 특정한 "특성 시간")(TC)이 걸린다. 이 특성 시간(TC)은 물체의 두께에 관련되며, 다음 식에 의해 재료의 열적 확산도가 주어진다.
TC= 4L2/B2∀ 식(1)
여기서, L은 물체의 두께(㎝)이고, ∀는 재료의 열 확산도(㎠/sec)이다.
실험적 관찰로부터, 열 펄스가 판형 물체에 충돌한 후 물체의 당해 측면(즉, 전방 측면)으로부터 관찰된 표면 온도는 재료의 두께 및 열 확산도에 의존하는 형태로 상승한다는 것이 알려져 있다. 또한, 표면의 시간 대 온도(T-t) 이력의 그래프로부터, "변곡점"이라 불리는 T-t 곡선상의 유일한 점에 대해 특성 시간(TC)을 결정할 수 있다. 이 변곡점(tinfl)은 T-t곡선상의 최대 경사 지점(즉, 피크-경사 시간)에 의해 표시되며 다음 식에 의해 특성 시간(TC)에 관련된다.
tinfl= 0.9055TC식(2)
상기 식(2)에 의해 표현되는 변곡점과 특성 시간 사이의 관계식은 1차원(1-D) 및 2차원(2-D) 열 유동 분석에 대해 약 1%까지 정밀하다. 일단 변곡점(tinfl)이 T-t 응답으로부터 결정되면, 물체의 상대 두께(L)가 식(2)로부터의 TC의 실제값과 재료의 알려진 열 확산도(∀)를 사용하여 식(1)로부터 결정될 수 있다.
이와 관련하여, 위에서 규정된 바와 같은 재료의 "특성 시간"과 피크-경사 시간(변곡점)간의 열 유동 불변 관계에 대한 보다 상세한 논의는 미국 뉴욕주 소재의 플레넘 프레스(Plenum Press)에 의해 1998년 5월 발간된 링거매쳐 등의 논문(제목: Towards A Flat-Bottom hole Standard For Thermal Imaging)의 Review Of Progress In Quantitative Nondestructive Evaluation에 기재되어 있으며, 상기 논문은 본 명세서에 참조로 인용 합체된다.
불행하게도, 상기 링거매쳐 등의 흠 결함에 대한 특허 방법은 세라믹, 플라스틱, 합성물 및 기타 비금속 물체에 대해 효과적일 수 있지만, 금속 물체의 두께를 결정하는데 사용되기에는 특히 부적합하다. 그 이유 중 하나는 금속은 비금속보다 상당히 큰 열전도성 및 열확산 특성을 갖기 때문이다. 이것은 유효 열적 데이터가 수집될 수 있는 시간을 감소시키며 또한 적외선 기록 장비의 민감성을 증가시킬 것을 요구한다. 장비의 증가된 민감성은 섬광등과 같은 다른 적외선 공급원으로부터의 적외선 노이즈에 의해 야기될 수 있는 수집된 데이터의 부정확성을 야기한다. 또한, 상기 링거매쳐 등의 특허의 장치 및 방법은 "상대적" 측정값만을 발생시키기 때문에, 소망 지점에서의 금속 물체의 실제 두께에 대한 값을 얻는데 사용될 수 없다. 결론적으로, 금속 물체의 실제 두께를 결정하기 위한 적외선 과도 서모그래피를 실행 및 처리하는 개선된 방법이 요구된다.
발명의 요약
본 발명은 고속의 적외선 과도 서모그래피를 사용함으로써 물체의 실제 두께를 결정하고 표시하는 비파괴 시험 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 독특한 특징은 관심 대상 물체가 높은 열전도률을 갖는 금속 물질일 수 있다는 것이다.
본 발명에 따르면, 금속 물체(X)내의 공지된 열 유동 다이나믹에 기초한 개선된 고속의 적외선 과도 서모그래피 장치(X)가 금속 물체의 두께를 정확히 측정하여 물체의 소망 영역에 걸친 단면 두께에 대한 시각적 컬러-코드(color-coded) 디스플레이 표시를 제공하는데 사용된다. 또한, 본 발명의 개선된 과도 서모그래픽 기술은 종래의 초음파 방법보다 높은 정확도로 금속 물체의 두께를 측정하는데 사용될 수 있다.
이와 관련하여, 본 발명은 특별히 금속 물체의 분석에 변곡점을 사용하는데, 이는 변곡점이 T-t 응답에서 비교적 빨리 발생되며 본질적으로 측방향 열 손실 기구와 무관하기 때문이다. 이러한 고려는 금속 물체로 작업할 때 중요한데, 이것은 금속의 높은 열전도성에 기인하여 열 응답이 빠르므로 허용가능한 관찰 시간이 짧기 때문이다. 또한 본 발명에 따르면, "전방측" 적외선 카메라 관찰로부터 T-t 곡선이 얻어질 때, 이미지 "대비" 곡선이 가열된 물체 또는 인접한 열적으로 두꺼운 "기준" 블록내의 깊은 내부 "기준 영역"(이 기준 영역은 "무한 두께의" 물체에 가까움)을 반영하는 가설적 또는 측정된 T-t 곡선으로부터 관찰된 T-t 곡선을 뺌으로써 생성된 경우 변곡점에 대한 보다 정확한 결정이 얻어지기 때문이다.
본 발명에 의하면, 변곡점(tinfl)은 연속 적외선 카메라 이미지 프레임으로부터 예정된 시간에 걸쳐 얻어진 열적 데이터로부터 결정된다. 이 시간은 평가될 물체의 두께의 추정에 기초하여 식(1)로부터 얻어진 것과 같은 예상된 특성 시간보다 적어도 약간 긴 것이 바람직하다.
불행하게도, 본 발명의 발명자들에 의해 인식된 바와 같이, 공지된 종래의적외선 과도 서모그래피 장치는 적어도 하나의 결점을 갖는다. 즉, 열 펄스를 발생하기 위해 요구되는 섬광등이 배경 복사로서 물체 및 카메라에 궁극적으로 도달하는 긴 파장의 "잔광(afterglow)" 방사를 발생시킨다는 것이다. 이것은 기록된 적외선 이미지내의 대비를 감소시키며 결과적으로 열적 측정의 정확성에 영향을 미친다. 따라서, 본 발명은 종래의 섬광등 가열 구성에 의해 야기된 "잔광" 적외선 방사와 관련된 문제를 실질적으로 제거하는 개선된 고속 적외선 과도 서모그래피 장치를 제공한다. 또한 본 발명은 터빈 로터 블레이드 등과 같은 금속 물체의 전방 벽 두께의 효과적인 양적 평가를 위한 개선된 적외선 과도 서모그래피 방법 및 장치를 제공한다. 또한, 본 발명은 금속 물체의 두께를 결정하기 위한 개선된 방법 및 장치를 제공하는 바, 두께를 결정하는 데이터를 수집하기 위한 수단이 금속 주조물 및 기타 "방향성" 금속 물체에 일반적인 물체의 특정한 내부 결정성 조직에 의해 거의 영향을 받지 않는다.
본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 장치는 특수 광학 필터가 장착된 하나 이상의 고전력 섬광등과, 데이터 수집을 위한 적외선 민감 초점면 어레이 카메라와 디스플레이 모니터로 구성된 이미징 시스템을 구비한다. 컴퓨터 시스템이 이미징 시스템을 제어하며 적외선 카메라를 통해 수집된 표면 온도 데이터를 기록 및 분석하고 디스플레이 모니터상에 물체의 두께에 정확히 대응하는 컬러-키(color-keyed) 이미지를 제공한다.
표면 온도 데이터의 수집은 섬광등을 점등하여 물체의 표면을 조명함으로써 개시된다. 특수 광학 필터는 3-5 미크론 적외선 복사를 흡수하고 또한/또는 섬광등으로 다시 반사하도록 스펙트럼적으로 조절된다. 이것은 통상적으로 섬광등이 소등된 후(X) 섬광등내의 과열된 금속 요소에 의해 발생되는 긴 파장의 적외선 "잔광" 방사(X)가 물체 또는 카메라에 도달하는 것을 방지한다. 이러한 필터의 사용에 의해 실제 두께의 1% 내지 3%의 정확도 범위내에서 치수 측정을 할 수 있는 보다 정밀한 열적 평가가 가능하게 된다.
그 뒤 섬광등이 점등된 후 소정시간에 걸쳐 예정된 수의 이미지 프레임이 기록되며 기록된 이미지는 물체 표면상의 관심 영역에 걸친 모든 기본 영역 또는 "해상도 요소"에 대한 온도-시간(T-t) 이력을 전개하는데 사용된다. 기록된 이미지 프레임 각각은 그 세기가 프레임 데이터가 수집된 때(X) 물체의 표면 온도와 관련되는 예정된(n x m) 어레이의 이미지 픽셀로 구성되며, 각각의 픽셀은 특정한 해상도 요소에 대응하는 이미지 프레임내에 (x, y) 위치 지정을 갖는다.
T-t 이력의 열 유동 분석은 그 뒤 각 해상도 요소 위치에서 물체의 두께를 결정하기 위해 수집된 이미지 프레임내의 각 픽셀에 대해 수행된다(1차원 또는 다차원 열 유동 분석 방법이 사용될 수 있다). 통상적으로, 물체의 고형 부분을 통한 과도 열 유동에 대한 분석은 물체의 제 1 표면을 침투하여 반대 표면에서 반사되어 제 1 표면으로 돌아오는 열적 에너지의 "펄스"에 대해 요구되는 특성 시간(TC)을 결정할 것을 요구한다. 특성 시간은 두 표면간의 거리와 관계가 있기 때문에, 소망 지점에서의 물체의 두 표면간의 두께를 결정하는데 사용될 수 있다. 다행히, 특성 시간(TC)에 대한 값은 픽셀의 서모그래픽 T-t 이력으로부터 결정될 수 있는데,이는 이것이 상기 식(2)에 따라 픽셀의 기록된 대비 이력에서의 "변곡점"의 발생과 시간적으로 관계가 있기 때문이다.
개선된 열 유동 분석 방법이 또한 다른 것 중에서 대비 이력 "변곡점"의 보다 정확한 결정을 용이하게 하는 본 발명에 의해 제공된다. 상세히 후술되는 바와 같이, 물체 표면의 각 해상도 요소에 대응하는 각 (x, y) 픽셀 위치에 대해 대비 곡선이 먼저 결정된다. 이 대비 곡선은 물체의 또는 측정될 물체와 유사한 열전도성을 갖는 상이한 "기준" 블록의 "열적으로 두꺼운" 부분(양호한 실시예에 있어서, 열적으로 두꺼운 부분은 특정될 물체의 총 두께보다 적어도 5배 큼)을 사용하여 얻어진 평균 픽셀 세기에 기초하여 정형화된다. 양호한 실시예에 있어서, 별개의 열적으로 두꺼운 블록이 측정될 물체에 인접하게 위치되어 그것과 함께 이미지화된다. 다른 실시예에 있어서, 열적으로 두꺼운 부분을 가지며 여러 단계의 공지된 두께를 포함하는 "표준" 블록이 대상 물체와 함께 서모그래피적으로 이미지화된다.
다음에, 픽셀 대비 곡선 데이터의 가우스 순간 평활화(Gaussian temporal smoothing)가 적용되어 측정의 신호 대 노이즈 비를 개선한다. 대비 곡선의 수학적 도함수가 그 뒤 제 2 샘플 지점에서의 이미지 프레임 번호의 값에 비례하는 제 1 및 제 3 샘플 지점 간격을 갖는 3점 데이터 샘플링을 이용하여 계산된다. 다음에, 대비 곡선 데이터의 도함수에서의 국부적 피크가 결정되고 물체 두께를 결정하는데 사용하기 위한 T-t 대비 곡선에서의 가장 양호한 "변곡점"을 확인하도록 각 피크의 중요도를 조절하는데 웨이팅 함수(weighting function)가 사용된다. 이미지 픽셀 데이터의 보정이 또한 적용되어 이미지화된 물체의 표면 곡률에 기인한 변동 적외선 방사율의 영향을 상쇄한다.
본 발명은 물체의 두께를 결정하기 위한 서모그래픽 비파괴 시험 기술(thermographic nondestructive testing techniques)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 금속 터빈 로터 블레이드 등의 벽 두께를 정확히 측정하기 위한 고속 적외선 과도 서모그래피 방법 및 장치(high speed infrared transient thermography method and apparatus)에 관한 것이다.
본 발명의 목적 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 양호한 실시예에 대한 상세한 설명을 세심히 살펴봄으로써 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 물체의 실제 두께를 결정 및 표시하기 위한 예시적 적외선 과도 서모그래피 시스템 구성을 나타내는 개략 다이어그램이다.
도 2는 본 발명에 따른 도 1의 시스템에 의해 수행되는 적외선 이미지 데이처 수집 및 분석의 공정을 나타내는 플로우차트이다.
도 3은 본 발명에 따른 니켈-합금 금속 단계-표준의 적외선 과도 서모그래피 이미지 디스플레이의 예시적 프린트이다.
도 1은 물체, 예컨대 내부 보이드(4)를 갖는 금속 터빈 에어포일(1)의 두께를 결정 및 디스플레이하기 위한 예시적 적외선 과도 서모그래피 시스템(10)을 도시한다. 이후의 논의를 위해, 물체의 "두께"는 중공형 또는 반중공형 물체(즉, 내부 보이드를 갖는 물체)에 있어서의 전방 벽 또는 표면 두께를 지칭하며 "열적으로 두꺼운" 물체는 가설적으로 "무한히" 두꺼운 물체(양호한 실시예에서 측정될 물체의 총 두께보다 적어도 5배 두꺼움)에 가까워지도록 충분히 두꺼운 물체 또는 물체의 부분을 지칭한다.
바람직하게는, 측정될 물체는 먼저 고-자외선 가시 고-적외선-흡수 물질(X) 예를 들면, 그라파이트, 카본, 또는 카본-블랙 수계(water-based) 페인트와 같은 카본계 물질의 얇은 급속-건조 코팅으로 (예컨대, 스프레이, 브러시 또는 롤러에 의해) 도포된다.
본 발명에 있어서, 섬광등 열-펄스 공급원(11)은 측정될 물체의 표면을 급속히 가열하도록 트리거(trigger)된다. 섬광등 열-펄스 공급원(11)에 적합한 일 구성은 예를 들면 [미국 일리노이주 시카고 소재의 스피드오트론 코로레이션(Speedotron, Corp.)에 의해 제조된 것과 같은] 각각 약 4.8KJ의 출력을 낼 수 있으며 개개의 전원을 갖는 4개 또는 8개의 고속 고출력 포토그래픽 섬광등의 세트이다.
금속이 비금속보다 상당히 빠른 열전도율을 갖기 때문에, 금속의 열 유동에 대한 특성 시간은 예컨대 플라스틱 또는 복합 재료의 것보다 매우 빠르다. 그 결과, 종래의 적외선 서모그래피 기술(초기에는 비금속에 한정됨)을 금속에 적용하려는 시도에 있어서, 인가된 열의 신속한 차단이 요구된다. 이것을 얻기 위해, 3-5 미크론 반사 필터(18)가 섬광등(11)과 관련 물체 사이에 (섬광등을 덮도록) 사용되어 섬광등이 노출후 냉각될 때 물체가 잔류 열에 노출되는 것을 방지한다.
실제로, 하나 또는 그 이상의 필터(예컨대, 각 섬광등당 하나)가 사용될 수 있다. 이들 필터는 통상적으로 섬광등내의 과열된 금속 요소의 "잔광"(X)으로부터 발생된 직사 장파 복사(X)가 섬광등을 떠나 타겟에 충돌하거나 또는 초점면 어레이 카메라(13)내로 다시 반사되는 것을 방지하는 작용을 한다. 이러한 섬광등(11)으로부터의 주 잔광 복사는 초기 열적 데이터 수집동안 목표된 물체로부터의 장파 적외선 방사에 필적하여 그것과 간섭될 수 있으며, 그에 따라 진정한 타겟-발생 복사를 방해하여 궁극적인 이미지 대비 및 품질을 감소시킨다. 따라서, 이들 특수 필터의 사용은 검출될 금속내의 열 이동 시간을 보다 짧게 하도록 충분히 예리한 열 펄스를 발생시킨다.
본 발명에 따르면, 섬광등 필터(18)는 가시광선 및 자외선에 대해 투과성이며 섬광등 지향측이 적외선-반사 코팅으로 피복되어 3-5 미크론 범위내의 모든 복사를 섬광등으로 다시 반사하는 파이렉스(Pyrex)(등록상표), 용융 석영, BK7 또는 다른 광학적 재료로 이루어질 수 있다. (광유리 및 코팅된 필터는 미국 커넥티컷주 스트랫포드 소재의 오리엘과 같은 광유리 제조자 및 일반적 과학 광학제품에 의해 수집되거나 특수하게 제조될 수 있다.)
열-펄스가 조사되는 물체(1)의 표면 온도 측정값은 기준 블록(2)과 함께 적외선 민감 초점면 어레이 카메라(13)[예컨대, 미국 캘리포니아주 골레타 소재의 앰버 엔지니어링으로부터 입수가능한 래디언스(Radiance) HS 카메라 X 레이시온 캄파니(Raytheon Company)], 제어 전자부품(14), 프레임 데이터 메모리(15), 제어 컴퓨터/이미지 프로세서(16) 및 디스플레이 모니터(17)를 포함하는 적외선 민감 이미징 시스템을 사용하여 얻어진다.
열적 데이터의 수집은 광학적 트리거링이나 다른 적합한 수단에 의한 섬광등의 점등시에 개시되는 것이 바람직하다. 섬광등의 점등은 [앰버 코포레이션의 ImageDesk(등록상표) 프레임 포착 시스템 또는 예컨대 미국 미시간주 래스럽 빌리지 소재의 서멀 웨이브 이미징 인코포레이티드(Thermal Wave Imaging Inc.)로부터 상업적으로 입수가능한 것과 같은 다른 종래의 프레임 포착 및 섬광등 제어 소프트웨어에 의해 제공되는 것과 같은] 시스템 컴퓨터(16)상에서 수행되는 통상의 비디오 프레임 포착 소프트웨어에 의해 운영되는 통상의 섬광등 전자부품(14)을 통해 제어된다.
시스템 제어 컴퓨터/이미지 프로세서(16)는 본 발명의 방법에 따른 디지털 이미지 프로세싱 및 디스플레이에 부가하여 주변 장치 제어 및 통신 기능을 수행할 수 있는 특수하게 프로그램된 일반적 목적의 디지털 컴퓨터(16)이다. 시스템 컴퓨터(16)는 카메라 및 램프 전자부품(14)과 프레임 데이터 메모리(15)를 제어하여 장래의 분석을 위해 메모리(15)내에 저장되는 물체 표면의 예정된 수의 연속 열적 이미지 프레임을 포착한다.
열적 이미징 프로세스를 시작하기 전에, 적외선 카메라(13)는 먼저 후술되는 바와 같은 "전체-필드(full-field)" 듀얼-이미지 캘리브레이션 기술을 사용하여 캘리브레이션된다. 이 양호한 기술은 두 개의 "흑체(black-body)" 이미지 캘리브레이션 기준 즉, 실온의 평평한 흑판을 사용하는 흑체 "저온" 소스와 가열된 평평한 흑판을 사용하는 흑체 "고온" 소스를 적용한다. 예를 들면, 흑체 "저온" 소스 캘리브레이션 이미지를 포착하기 위해, 카메라 렌즈에 대해 45°각도로 배열된 실온의 평평한 흑판을 둘러싸는 흑색으로 칠해진 평평한 박스가 렌즈의 바로 전방에 위치된다. 흑체 "고온" 소스 캘리브레이션 이미지를 포착하기 위해, 카메라 렌즈는 평평한 흑판(X)을 주변(X)보다 약 10℃로 공칭적으로 가열한 후 동일한 흑색으로칠해진 평평한 박스내에 설치되어 카메라는 그 전체 필드에 걸쳐 가열된 판을 이미지화한다. 상기 듀얼-이미지 캘리브레이션 기술이 바람직하지만, 높은 대비 이미징 및 개선된 열적 정확도(X)를 얻기 위해 중요한 최대 균일성의 이미지 필드(X)를 생성하는 임의의 캘리브레이션 기술이 사용될 수 있다.
이미징 프로세스동안에 포착된 각각의 이미지 프레임은 N x N 픽셀(X)로 구성되는데, 각각의 픽셀은 물체 표면(X)상의 해상도 요소에 대응하며, 여기서 N은 통상적으로 요구되는 해상도 및 정확도에 따라 128 또는 256이다. 각각의 픽셀은 약 2 바이트의 저장 메모리를 점유하며 예를 들면 12-비트 또는 보다 큰 2진수로 표현될 수 있다. 저장된 이미지 프레임은 순차적으로 확인되어 증가하는 프레임 번호 값을 갖는데, 이것은 함께 섬광등(11)에 의해 부여된 열 임펄스(heat impulse)에 의해 충돌된 후 예정된 기간동안 물체(1)의 전방 표면의 온도 대 시간(T-t) 특성의 이력적 기록을 제공하는 기능을 한다.
양호한 실시예에 있어서, 금속 물체의 실제 두께를 결정하기 위해, 관심 대상의 금속 물체는 유사한 조성을 가지며 열적으로 두꺼운 부분(3)을 갖는 별개의 금속 기준 블록(2)에 인접하게 위치되며 동일한 섬광등 가열 펄스를 사용하여 동일한 이미지 프레임내에서 블록(2)과 함께 이미지화된다. 금속 기준 블록(2)의 열적으로 두꺼운 부분(3)은 측정될 물체내에서 내측으로 반사된 열-펄스에 의해 영향을 받지 않는 블록에 대한 평균 픽셀 세기를 도출하는데 사용된다. 이 평균 픽셀 세기는 그 뒤 (후술되는 바와 같은) 개개의 픽셀 대비를 결정하는데 사용되며, 당해 픽셀 "아래의" 금속 층에 대한 정확한 실제 두께 결정을 허용한다.
금속 물체의 평가 동안, 제어 컴퓨터(16)가 섬광등(11)의 점등을 트리거한 후, 이미지 데이터 프레임이 카메라(13)에 의해 포착되고 이미지상의 각 해상도 요소에서의 적외선 세기가 디지털적으로 기록되어 프레임 데이터 레코더(15)내에 저장된다. 데이터 수집은 물체의 재료에 대한 적어도 하나의 평가된 "특성 시간"의 기간에 걸친 의미있는 T-t 이력을 얻기에 충분한 예정된 수의 연속 이미지 프레임에 걸쳐 계속된다. 포착된 이미지 프레임의 수(Z)는 요구되는 정확도 및 이미지 해상도에 따라 변하며 데이터 포착의 초당 550 프레임 정도로 클 수 있다.
프레임 데이터 레코드(15)는 프로세서(16)내부의 통상의 디지털 메모리 또는 프로세서(16)에 의해 접근될 수 있는 임의의 적당한 비디오 프레임 데이터 저장 디바이스일 수 있다. 포착된 각각의 연속된 열적 이미지 프레임은 실제 시간의 경과에 따라 증가하는 프레임 번호(Z)가 할당된다. 결과적인 데이터 프레임 "스택"은 그 뒤 앞에서 개략적으로 설명된 바와 같은 1차원 열 유동 분석 방법을 사용하여 분석된다. 이러한 방법에 따르면, 본 발명의 방법은 "변곡점" 또는 피크-경사 시간 즉, T-t 데이터 곡선상의 최대 경사 때의 지점의 위치를 확인하는 것에 의존하는 연속 적외선 이미지 프레임(X)에 걸친 각각의 이미지 픽셀의 온도 대 시간(T-t) 이력에서 나타나는 공지된 열적 불변 특성(X)을 이용한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 금속 물체에 대한 과도 적외선 서모그래피 및 이미지 데이터 분석을 수행하는 단계들을 나타내는 플로우 다이어그램이 도시되어 있다. 이들 단계는 적절한 상업적으로 입수가능한 소프트웨어 및/또는 공지된 통상의 프로그래밍 기술을 사용하여 프로그램된 시스템 컴퓨터(16)에 의해 실행된다.
먼저, 컴퓨터 조작자는 열확산 계수, 내부 기준 영역 열적 데이터 등과 같은 소망 재료에 대한 관련된 파라미터에 관한 정보를 선택하고 또한/또는 입력하여, 물체상의 관심 영역이 확정된다(즉, 적외선 카메라가 관심 영역 및 요구되는 "열적으로 두꺼운" 영역을 포착하도록 초점조절된다).
다음에, 단계(20)를 참조하면, 시스템 제어 컴퓨터는 섬광등 전자부품에 섬광등(11)을 점등하고 초점면 어레이 적외선 카메라(13)로부터 이미지 프레임 데이터의 포착을 개시하도록 지시한다. 데이터 수집은 예정된 수의 연속 이미지 플레임에 걸쳐 진행된다. 단계(21)을 참조하면, 연속적으로 포착되는 각각의 이미지 프레임이 증가하는 수의 프레임 번호(Z)로 확인되며, 그 뒤 프레임 데이터 메모리에 기록된다.
다음에, 단계(22)를 참조하면, T-t 곡선의 세트가 물체의 표면상의 관심 영역에 걸쳐 각각의 (x, y) 해상도 요소 위치에 따른 열적 이미지 내의 각각의 픽셀에 대해 전개되고, 초기 적외선 가열 "섬광"의 시간 및 프레임 번호가 확인되고, 제 1 불포화 데이터 프레임이 확인되고, "기준" T-t 곡선(기준 곡선)이 생성된다. (단순히 물체상의 다른 위치에 대한 두께 값인 "상대 두께"에 대비되는) 물체상의 해상도 요소 위치에서의 실제 두께를 결정하기 위해, 유사한 열 전도성 특성의 가설적 "무한 두께" 물체의 특성에 가까운 기준 T-t 곡선이 사용되어야 한다. 이러한 기준 곡선을 생성하기 위해, 유사한 조성의 별개의 물품의 열적으로 두꺼운 영역이 물체와 함께 이미지화되어 기준 T-t 곡선 데이터를 제공하는데 사용된다. 대안적으로, 관심 물체의 공지된 열적으로 두꺼운 부분으로부터의 T-t 데이터가 사용될 수 있거나 (또는 상대 두께만이 요구되는 경우, 기준 곡선 데이터는 각각의 이미지 프레임으로부터의 평균 픽셀 세기의 T-t 이력으로부터 얻어질 수 있다).
단계(23, 24)를 참조하면, 그 뒤 제 1 픽셀(또는 다음 픽셀)이 분석을 위해 선택되며 그 T-t 곡선 데이터(T-t 곡선)가 추출된다(즉, 컴퓨터 메모리로부터 불려내어지거나 또는 결정된다). 이 시점에서, 물체 표면상의 곡률에 기인한 변동 방사율 또는 진폭의 감소의 영향을 극복하는 것을 돕도록 광학적 오프셋 및 스케일 (진폭) 조절장치가 사용될 수 있다. 이것을 달성하기 위해, 각 픽셀에 대한 T-t 데이터 곡선이 "표준화된" 기준 곡선상의 특정 지점에 정합되도록 조절된다. 예를 들면, 기준 곡선은 "저온" (예비-섬광) 진폭이 0에 상응하도록 표준화될 수 있다. 그 뒤 각 픽셀에 대한 T-t 곡선이 분석될 때, 먼저 이것을 기준 곡선상의 적절한 지점에 정합시킴으로써 이것은 0의 저온 진폭으로 오프셋된다. 또한, 물체의 표면 곡률 및/또는 가변 표면 조건에 기이한 변동 적외선 방사율의 영향에 대해 보상하도록 픽셀 세기 데이터의 "이득(gain)" 보정이 이 단계에서 각 픽셀 T-t 데이터 곡선에 적용될 수 있다. 또는 예를 들면 픽셀 이득 보정이 적용되어 제 1 불포화 이미지 프레임에서의 픽셀 진폭이 동일한 지점에서의 기준 곡선의 진폭과 시간적으로 정합할 것이다.
다음에, 단계(25)를 참조하면, T-t 곡선의 변곡점을 보다 정확히 결정하기 위해, 픽셀의 T-t 곡선(T-t 곡선)으로부터 "기준" T-t 곡선 데이터(기준 곡선)를 뺌으로써 선택된 픽셀에 대한 "대비" 곡선(대비 곡선)이 결정된다.
다음에, 단계(26)을 참조하면, 대비 곡선 데이터의 가우스 함수 순간 평활화가 수행된다. 여기서, 가우스 평활화 알고리즘에 사용된 "순간 윈도우"는 이미지 프레임 번호(Z)에 비례하도록 함으로써 시간의 함수로 변하도록 만들어진다. 본질적으로, 이러한 평활화 "윈도우"는 최대값의 절반(즉, "2-Φ" 폭)에서 가우스의 전체 폭(full-width)을 제어한다. 이러한 가변 폭 "프레임-번호 평활화" 방법을 취하는 것은 전통적 가우스 평활화를 사용하는 것보다 장점적인데, 이는 이것이 재료내에서의 증가하는 깊이에서의 열 확산의 영향을 보상하는 경향이 있기 때문이다.
바람직하게는, 이 단계에 대해, 선택된 데이터 지점에서의 평활화 윈도우의 폭은 그 지점에서의 이미지 프레임의 제곱근에 비례하도록 된다. 가우스 순간 평활화에 부가하여, 공간 평활화, 초기 및 말기 노이즈 억제, 네가티브 대비 억제 및 대비 쓰레숄딩(thresholding)을 포함하는 많은 소프트웨어 구현 "이미징 필터"가 또한 이 단계에서 대비 곡선 데이터에 적용될 수 있다.
다음에, 단계(27)을 참조하면, 대비 곡선의 수학적 도함수, 변곡점의 표시부가 결정된다. 곡선상의 최대 경사지점은, 곡선을 따라 동일하게 이격된 3개의 연속 데이터 점들이 샘플링되어 제 2 (중간) 데이터 점에서의 곡선의 경사를 계산하는데 사용되는 종래의 3개의 연속점 도함수 알고리즘을 사용함으로써 결정될 수 있다는 것이 잘 알려져 있다. 본 발명에 따르면, 대비 곡선의 도함수를 결정하는데 3점이 여전히 사용될 수 있지만, 제 1 및 제 3 샘플 도함수 점의 간격(즉, 유도 베이스 간격의 폭)이 이미지 프레임 번호를 통해 이미지 평가에서 실시간으로 링크된다. 상세하게는, 대비 곡선을 따른 임의의 선택된 점에서의 도함수 기본 간격의폭은 적외선 이미지 프레임 번호(Z)의 제곱근에 비례하도록 된다.
이러한 방식에 있어서, 신호 대 노이즈(S/N) 특성이 높은 노이즈 레벨의 중간에서 최대화된다. S/N 비의 개선은 보다 큰 간격에 걸친 "샘플링"으로부터 야기되며 따라서 전통적으로 고정된 폭의 3점 미분에 의해 얻어지는 미분 변화보다는 가장 큰 신호 변화를 검출한다. 샘플 점 간격이 전체 가우스 폭과 동일할 때 최대 S/N 비가 얻어지기 때문에, 최대 가능한 S/N 비가 항상 본 발명의 프레임 번호 비례 폭 방벙을 사용하여 달성된다.
다음에, 단계(28)를 참조하면, 도함수 곡선에서의 모든 피크가 확인되며 변곡점(tinfl)으로서 사용되기에 적정한 피크를 평가하는데 중요한 "웨이팅(weighting)" 인자가 사용된다. 이 단계동안에, 모든 피크 위치(시간) 및 진폭의 리스트가 컴퓨터 메모리내에 유지된다. 피크 리스트에 예정된 적절한 웨이팅 함수를 적용함으로써, 예를 들면 데이터 수집 시간의 초기에 발생하는 피크 생성 노이즈 영향이 효과적으로 감소되도록 각 피크의 중요도를 조절할 수 있다. 실험적 증거는 시간적으로 후에 발생하는 피크가 보다 중효하게 되는 경향이 있음을 나타내기 때문에, 순간 웨이팅 함수는 본 발명의 예시적 실시예에 있어서 피크의 진폭을 그것이 발생하는 시간으로 단순히 곱함으로써 구현된다. 피크는 그 뒤 감소하는 중요도(웨이트)에 따라 분류되어 가장 큰 웨이팅 값을 갖는(즉, 가장 중요한) 피크가 적절한 변곡점의 표시로서 선택된다.
다음에, 단계(29)를 참조하면, 선택된 픽셀에 대응하는 해상도 요소의 위치에서의 물체의 두께가 결정된다. 이것은 가장 중요한 피크가 발행하는 프레임 번호를 확인하여 그 값을 실시간으로 전환함으로써 달성된다. 적외선 이미지 프레임 포착이 예정된 공지 속도로 발생하기 때문에, 프레임 번호는 실제 경과 시간과 같게 될 수 있다. 따라서, 가장 중요한 피크를 품는 적외선 이미지 프레임의 프레임 번호는 tinfl에 대한 시간 값을 제공한다. 상기 식 (1) 및 (2)를 사용하여 이 tinfl에 대한 값이 픽셀에 대응하는 해상도 요소의 위치에서의 물체의 실제에 관련된 두께 값(L)으로 변환될 수 있다.
다음에, 단계(30)를 참조하면, 두께 값(L)은 메모리내에 저장되어 디스플레이 또는 프린트를 위해 물체 표면상의 관심 영역의 컬러-맵(color-mapped)(또는 흑백) 이미지를 생성하는데 사용되며, 각각의 컬러는 특정한 두께에 대응한다. 그 뒤 다음 픽셀은 [단계(23)에서] 선택되며 적외선 이미지를 포함하는 각각의 픽셀에 대해 상기 단계들이 다시 수행된다.
위에서 설명한 단계에 부가하여, 확산도 대비, 데이터 분석 시작 지점 및 영역, 순간 평활화 윈도우 크기 범위 및 컬러 맵핑 범위와 같은 다양한 파라미터 값의 입력 및 선택은 시스템 제어 컴퓨터의 통상적인 적절한 프로그래밍을 통해 정확성 및 일관성을 위해 자동화된다.
본 발명에 따른 상기 장치와 관련하여 열적 데이터 수집 및 분석을 위한 상기 단계들을 이용하여 과도 서모그래피 분석을 수행함으로써, 시험 물체(X)의 일부를 형성하거나 또는 그에 결합되는 밀접하게 이격된 지지 벽 또는 내부 구조체, 예컨대 (도 1에 도시된 바와 같은) 터빈 에어포일에서 종종 나타나는 리브형 구조체사이에서도 벽 두께 값이 정확하게 얻어질 수 있는 반면, 종래의 열적 또는 초음파 방법을 사용하면, 이러한 밀접하게 이격된 지지 벽 구조체는 통상적으로 흐린 이미지 또는 왜곡된 데이터를 초래할 것이다.
도 3은 본 발명의 방법 및 장치에 따라 생성된 니켈-합금 금속 단계-표준의 적외선 과도 서모그래피 디스플레이의 예시적 인쇄를 나타낸다. 도 3의 이미지를 생성하는데 사용된 단계-표준은 상이한 두께를 갖는 6개의 정사각형 섹션과, 실제 두께를 결정하는데 필요한 기준 T-t 곡선 데이터를 얻기위해 열적으로 두꺼운 기준 부분으로 사용되는 매우 보다 두꺼운 바닥 영역(도시안됨)을 갖는다. 6개 섹션의 각각의 두께는 이미지 우측에 디스플레이되는 막대-스케일 두께 키(bar-scale thickness key)의 컬러에 대응하는 컬러 음영(또는 회색 색조)으로 표시된다. 본 예에서, 막대-스케일은 0.016 내지 0.064 인치 범위의 두께 표시부를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는 각 픽셀에 대한 대비 값을 얻기 위한 필요성을 제거한다. 본 실시예에 있어서, 측정될 물체와 하나 이상의 공지된 두께의 부분을 갖는 기준 블록 양자의 해상도 요소에 대응하는 픽셀 T-t 세기 곡선에서의 변곡점의 발생 시간이 결정되어 비교된다. 물체의 변곡점에 대한 기준 블록 변곡점의 발생 시간은 물체 두께를 나타낸다. 물체 변곡점이 블록상의 두 상이한 두께 부분에 대응하는 변곡점 사이에 있다면, 보간(interpolation)이 물체 두께를 제공할 수 있다. 양호한 실시예에서 픽셀 대비가 전술된 바와 같이 열적으로 두꺼운 기준을 사용하여 결정되지만, 오직 픽셀 세기 변곡점만을 사용함으로써 픽셀 대비를 결정하기 않고 유효 측정값이 제공될 수도 있다.
본 발명이 현재 가장 양호한 실시예라고 간주되는 것과 관련하여 기술되어 있지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니라, 그와 대조적으로 첨부된 청구범위의 사상 및 범위내에 포함되는 여러 변형 및 균등한 구성을 커버하는 것으로 의도된다.

Claims (25)

  1. 물체(1)의 벽 두께를 결정하기 위한 고속의 적외선 과도 서모그래피 장치(10)에 있어서,
    적외선 응답 초점면 어레이 카메라(13)와,
    열 공급원(11)과,
    장파 적외선 복사의 잔광(afterglow) 방사를 방지하기 위해 상기 열 공급원과 물체 사이에 광학적으로 위치된 스펙트럼적으로 조절된 필터(18)와,
    적외선 이미지 데이터 수집 및 분석을 제어하기 위한 이미지 데이터 프로세싱 시스템을 포함하는
    적외선 과도 서모그래피 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스펙트럼적으로 조절된 필터(18)는 대체로 가시 광선 및 자외선은 투과시키며, 3-5 미크론 범위의 적외선 복사는 반사하는
    적외선 과도 서모그래피 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 스펙트럼적으로 조절된 광학 필터(18)는 섬광등으로부터의 3-5 미크론 범위의 모든 적외선 복사 방사를 저지하는
    적외선 과도 서모그래피 장치.
  4. 물체(12)의 두께를 결정하기 위한 고속의 적외선 과도 서모그래피 방법에 있어서,
    a) 적외선 민감 초점면 어레이 카메라(13)로부터 포착된 예정된 시퀀스의 이미지 프레임으로부터 픽셀 세기 데이터를 저장하는 단계로서, 순차적으로 포착된 이미지 프레임에 경과 시간에 선형적으로 대응하는 증가하는 값의 프레임 번호가 할당되는 단계와,
    b) 상기 이미지 프레임의 시퀀스로부터의 픽셀에 대한 픽셀 세기 데이터로부터 픽셀 대비 곡선을 결정하는 단계와,
    c) 단계 b)에서 전개된 픽셀 대비 곡선 데이터의 가우스 순간 평활화를 수행하는 단계와,
    d) 가우스 순간 평활화 후 상기 대비 곡선을 따라 시간적으로 분리된 데이터 지점으로터 픽셀 대비 곡선 데이터의 시간 도함수를 결정하는 단계와,
    e) 상기 픽셀 대비 곡선 데이터의 시간 도함수에서의 국부적 피크 도함수 값을 확인하는 단계와,
    f) 단계 (e)에서 확인된 상기 국부적 피크 값에 예정된 웨이팅 계수를 적용하여 확인된 각각의 도함수 피크 값에 대한 중요도 값을 결정하는 단계와,
    g) 단계 (f)에서 결정된 가장 중요한 값에 기초하여 하나의 대비 곡선 도함수 피크 값을 선택하는 단계와,
    h) 단계 (g)에서 선택된 대비 곡선 도함수 피크가 발생하는 이미지 프레임의 프레임 번호에 기초하여, 물체 두께를 결정하는 단계를 포함하는
    적외선 과도 서모그래피 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 픽셀 대비 곡선은 픽셀에 대한 픽셀 세기 데이터로부터 픽셀 기준 곡선 데이터를 뺌으로써 결정되는
    적외선 과도 서모그래피 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    픽셀 기준 곡선이 물체의 열적으로 두꺼운 기준 부분의 픽셀 세기 데이터로부터 결정되며, 상기 기준 부분은 가설적으로 무한한 두꺼운 물체의 특성에 가까운
    적외선 과도 서모그래피 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    픽셀 기준 곡선이, 실질적으로 유사한 열 전도 특성을 가지며 물체와 함께 이미지화되는 열적으로 두꺼운 영역의 별개의 금속 기준 물품으로부터 입수된 픽셀 세기 데이터로부터 결정되는
    적외선 과도 서모그래피 방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    이미지화된 물체의 표면 곡률 및/또는 가변 표면 조건에 의해 야기되는 가변 방사율이 픽셀 세기 데이터를 선택된 픽셀에 대한 예정된 이득 계수만큼 수정함으로써 보상되는
    적외선 과도 서모그래피 방법.
  9. 제 4 항에 있어서,
    선택된 픽셀에 대한 픽셀 세기 데이터는 물체의 표면 곡률에 기인한 변동 적외선 방사율의 효과를 보상하도록 수정되는
    적외선 과도 서모그래피 방법.
  10. 제 4 항에 있어서,
    예정된 시간에 걸쳐 수집된 픽셀 세기 데이터를 포함하는 픽셀 세기 곡선은 픽셀 세기 곡선내의 선택된 지점을 표준화된 픽셀 기준 곡선내의 선택된 지점과 정합시킴으로써 오프셋되는
    적외선 과도 서모그래피 방법.
  11. 제 4 항에 있어서,
    픽셀 대비 곡선 데이터의 가우스 평활화를 위해 적용된 순간 평활화 윈도우 크기는 평활화 윈도우의 시작 시간에 대응하는 프레임 번호에 비례하여 평활화 윈도우 크기가 시간이 경과함에 따라 증가하는
    적외선 과도 서모그래피 방법.
  12. 제 4 항에 있어서,
    픽셀 대비 곡선 데이터의 가우스 평활화를 위해 적용된 순간 평활화 윈도우 크기는 평활화 윈도우의 시작 시간에 대응하는 프레임 번호의 제곱근에 비례하는
    적외선 과도 서모그래피 방법.
  13. 제 4 항에 있어서,
    픽셀 대비 곡선 데이터의 시간 도함수는, 제 1 및 제 3 지점이 제 2 (중간) 데이터 지점에 대한 프레임 번호 값의 제곱근에 비례하는 시간만큼 이격되도록 대비 곡선을 따라 시간적으로 동일하게 이격된 3개의 데이터 지점을 선택함으로써 수정된 통상의 3점 도함수 알고리즘을 이용하여 전개되는
    적외선 과도 서모그래피 방법.
  14. 제 4 항에 있어서,
    두께(L)는 다음 식 TC= 4L2/B2∀ 및 tinfl= 0.9055TC(여기서, ∀는 재료의 열 확산도(㎠/sec)이고, tinfl는 가장 큰 중요도의 대비 곡선 도함수 피크가 발생하는 이미지 프레임의 프레임 번호의 값에 직접 관련됨)에 따라 결정되는
    적외선 과도 서모그래피 방법.
  15. 제 4 항에 있어서,
    물체는 적외선 이미지 프레임을 포착하기에 앞서 높은 자외선-가시 적외선 방사율 물질의 얇은 층으로 코팅되는
    적외선 과도 서모그래피 방법.
  16. 픽셀의 어레이로 가시화될 수 있는 표면을 갖는 물체의 두께를 결정하는 장치에 있어서,
    물체(1)의 표면을 급속하게 가열하는 열 공급원(11)과,
    일련의 적외선 이미지로 픽셀 세기를 기록하는 수단과,
    기록된 픽셀 세기로부터 픽셀 대비 데이터를 결정하는 수단과,
    적외선 이미지에 할당된 프레임 번호에 기초하여 대비 데이터의 도함수를 결정하는 수단과,
    픽셀 대비 및 이미지 프레임 번호에 기초하여 물체의 다른 부분에 대한 물체의 두께를 결정하는 수단을 포함하는
    물체의 두께 결정 장치.
  17. 물체의 실제 두께를 결정하기 위한 고속의 적외선 과도 서모그래피 방법에 있어서,
    a) 적외선 민감 초점면 어레이 카메라를 사용하여 예정된 시퀀스의 적외선 이미지 프레임으로부터 픽셀 세기 데이터를 수집하는 단계로서, 각각의 이미지 프레임은 다수의 픽셀을 포함하는, 단계와,
    b) 물체의 열적으로 두꺼운 기준 부분에 대응하는 픽셀 세기 데이터로부터 평균 픽셀 세기를 나타내는 값을 얻는 단계와,
    c) 픽셀에 대해 픽셀 세기 데이터로부터 상기 평균 픽셀 세기를 나타내는 값을 뺌으로써 픽셀 대비 데이터를 결정하는 단계와,
    d) 상기 시퀀스의 적외선 이미지 프레임의 각 프레임에 대해 단계 (b) 및 (c)를 반복하여 픽셀에 대한 온도-시간(T-t) 대비 곡선을 전개하는 단계와,
    e) 상기 대비 곡선을 사용하여 픽셀에 대응하는 물체의 해상도 요소에서의 실제 두께를 결정하는 단계로서, 상기 결정은 대비 곡선애의 변곡점과 물체의 열 확산도에 따른 열유동 특성 시간 사이의 열-유동 불변 관계에 기초하는, 단계를 포함하는
    적외선 과도 서모그래피 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 대비 곡선을 사용하여 픽셀에 대응하는 물체의 해상도 요소에서의 실제 두께를 결정하는 단계는
    픽셀 대비 곡선 데이터의 순간 평활화를 수행하는 단계와,
    대비 곡선을 따라 시간적으로 이격된 데이터 지점으로부터 픽셀 대비 곡선 데이터의 시간 도함수를 결정하는 단계와,
    픽셀 대비 곡선 데이터의 시간 도함수의 국부적 피크 도함수 값을 확인하는 단계와,
    상기 국부적 피크 값에 예정된 웨이팅 함수를 적용하여 확인된 각 도함수 피크 값에 대한 중요도 값을 결정하는 단계와,
    상기 중요도 값에 기초하여 하나의 대비 곡선 도함수 피크 값을 선택하는 단계와,
    선택된 대비 곡선 도함수 피크 값이 발생하는 이미지 프레임의 프레임 번호에 기초하여 상기 해상도 요소에서의 실제 물체 두께를 결정하는 단계를 추가로 포함하는
    적외선 과도 서모그래피 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    픽셀 대비 곡선 데이터의 가우스 평활화를 위해 적용된 순간 평활화 윈도우 크기는 평활화 윈도우의 시작 시간에 대응하는 프레임 번호에 비례하여 평활화 윈도우 크기가 시간이 경과함에 따라 증가하는
    적외선 과도 서모그래피 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    픽셀 대비 곡선 데이터의 가우스 평활화를 위해 적용된 순간 평활화 윈도우 크기는 평활화 윈도우의 시작 시간에 대응하는 프레임 번호의 제곱근에 비례하는
    적외선 과도 서모그래피 방법.
  21. 물체의 실제 두께를 결정하기 위한 고속의 적외선 과도 서모그래피 방법에 있어서,
    a) 적외선 민감 초점면 어레이 카메라를 사용하여 물체 및 상기 물체와 함께 이미지화되는 인접한 별개의 기준 물품의 예정된 시퀀스의 적외선 이미지 프레임으로부터 픽셀 세기 데이터를 수집하는 단계로서, 각각의 이미지 프레임은 다수의 픽셀을 포함하며 상기 기준 물품은 물체와 실질적으로 유사한 열전도 특성의 열적으로 두꺼운 기준 부분을 갖는, 단계와,
    b) 상기 기준 물품의 열적으로 두꺼운 기준 부분에 대응하는 픽셀 세기 데이터로부터 평균 픽셀 세기를 나타내는 값을 얻는 단계와,
    c) 픽셀에 대해 픽셀 세기 데이터로부터 상기 평균 픽셀 세기를 나타내는 값을 뺌으로써 픽셀 대비 데이터를 결정하는 단계와,
    d) 상기 시퀀스의 적외선 이미지 프레임의 각 프레임에 대해 단계 (b) 및 (c)를 반복하여 픽셀에 대한 온도-시간(T-t) 대비 곡선을 전개하는 단계와,
    e) 상기 대비 곡선을 사용하여 픽셀에 대응하는 물체의 해상도 요소에서의 실제 두께를 결정하는 단계로서, 상기 결정은 대비 곡선내의 변곡점과 물체의 열 확산도에 따른 열유동 특성 시간 사이의 열-유동 불변 관계에 기초하는, 단계를 포함하는
    적외선 과도 서모그래피 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 대비 곡선을 사용하여 픽셀에 대응하는 물체의 해상도 요소에서의 실제 두께를 결정하는 단계는
    픽셀 대비 곡선 데이터의 순간 평활화를 수행하는 단계와,
    대비 곡선을 따라 시간적으로 이격된 데이터 지점으로부터 픽셀 대비 곡선 데이터의 시간 도함수를 결정하는 단계와,
    픽셀 대비 곡선 데이터의 시간 도함수의 국부적 피크 도함수 값을 확인하는 단계와,
    상기 국부적 피크 값에 예정된 웨이팅 함수를 적용하여 확인된 각 도함수 피크 값에 대한 중요도 값을 결정하는 단계와,
    상기 중요도 값에 기초하여 하나의 대비 곡선 도함수 피크 값을 선택하는 단계와,
    선택된 대비 곡선 도함수 피크 값이 발생하는 이미지 프레임의 프레임 번호에 기초하여 상기 해상도 요소에서의 실제 물체 두께를 결정하는 단계를 추가로 포함하는
    적외선 과도 서모그래피 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    픽셀 대비 곡선 데이터의 가우스 평활화를 위해 적용된 순간 평활화 윈도우 크기는 평활화 윈도우의 시작 시간에 대응하는 프레임 번호에 비례하여 평활화 윈도우 크기가 시간이 경과함에 따라 증가하는
    적외선 과도 서모그래피 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    픽셀 대비 곡선 데이터의 가우스 평활화를 위해 적용된 순간 평활화 윈도우 크기는 평활화 윈도우의 시작 시간에 대응하는 프레임 번호의 제곱근에 비례하는
    적외선 과도 서모그래피 방법.
  25. 물체의 실제 두께를 결정하기 위한 고속의 적외선 과도 서모그래피 방법에 있어서,
    a) 적외선 민감 초점면 어레이 카메라를 사용하여 물체 및 상기 물체와 함께 이미지화되는 인접한 별개의 기준 물품의 예정된 시퀀스의 적외선 이미지 프레임으로부터 픽셀 세기 데이터를 수집하는 단계로서, 각각의 이미지 프레임은 다수의 픽셀을 포함하며 상기 기준 물품은 알려진 두께 및 물체와 실질적으로 유사한 열전도 특성의 열적으로 두꺼운 기준 부분을 갖는, 단계와,
    b) 물체의 해상도 요소 및 기준 물품상의 알려진 두께의 상이한 부분에 대응하는 하나 이상의 해상도 요소에 대응하는 픽셀 T-t 세기 곡선내의 변곡점을 결정하는 단계와,
    c) 단계 (b)에서 결정된 변곡점의 발생에 대한 상대 시간을 비교하고 기준 물품상의 알려진 두께의 부분으로부터 불체에 대한 두께 값을 보외(extrapolating)하거나 또는 보간(interpolating)함으로써 물체의 해상도 요소에서의 물체의 실제 두께를 결정하는 단계를 포함하는
    적외선 과도 서모그래피 방법.
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