KR20100099040A - 레이저-초음파 및 적외선 서모그래피를 이용하는 비파괴적 검사 - Google Patents

레이저-초음파 및 적외선 서모그래피를 이용하는 비파괴적 검사 Download PDF

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도날드 로버트 하워드
헨리 이스라엘 링거마체르
마크 두보이스
토마스 이. 주니어. 드레이크
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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.

Description

레이저-초음파 및 적외선 서모그래피를 이용하는 비파괴적 검사{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.
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 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.
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.
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.
하나의 실시예가, 표적 물질의 표면에 가까운 내부 구조와 깊은 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 변위와 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 변위와 열 이미지 모두를 분석하고 상관시켜서, 표적 물질의 표면에 가까운 내부 구조와 깊은 내부 구조에 관한 정보를 생산할 수 있다.
또 하나의 실시예는 표적의 내부 구조를 검사하기 위한 방법을 제공한다. 이 방법은 표적 물질에서 초음파 변위와 열 과도부 모두를 유도하는 단계를 포함한다. 단일 펄스형 발생 레이저 빔을 이용하여, 이들 초음파 변위 및 열 과도부는 생성될 수 있다. 표적의 표면으로 향해지는 발생 레이저 빔에 의해 발생된 초음파 변위와 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 변위를 분석함으로써, 복합 물질 내의 깊은 내부 구조에 관한 정보를 생산할 수 있다. 열 이미지는 복합 물질의 표면에 가까운 내부 구조에 과한 정보를 생산할 수 있다. 초음파 정보와 열 이미지 정보를 상관시킴으로써, 표적의 전체 내부 구조에 대해 더 잘 이해할 수 있다.
또 다른 실시예는 복합 물질 검사 시스템을 제공한다. 이 복합 물질 검사 시스템은 복합 물질에서 초음파 변위 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 변위와 열 이미지를 분석하고 상관시키는 프로세서가 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라, 초음파 변위와 열 과도부를 발생하고 검출하기 위한 발생 레이저 빔과 검출 레이저 빔의 사용을 도시한다.
도 2는 레이저 초음파/열 이미징 시스템의 기본 구성을 나타내기 위한 블록 다이어그램을 제공한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따르는 레이저 초음파 및 IR 이미징 시스템의 블록 다이어그램, 또는 기능 다이어그램을 제공한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라, 표적의 표면에 가까운 내부 구조에 관한 정보를 수집하기 위해 사용되는 IR 이미지의 프로세싱을 묘사한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라, 평면 바닥 구멍을 갖는 폴리머 판 상을 펄스형 CO2 레이저 빔으로 스캐닝함으로써 얻어지는 적외선 결과를 도시한다.
도 6은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따르는 논리 흐름 다이어그램을 제공한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따르는 초음파 변위 및 열 과도부를 발생하기 위한 발생 레이저의 블록 다이어그램을 도시한다.
본 발명의 바람직한 실시예는 도면에서 도시되며, 이때 유사한 도면부호는 여러 도면의 대응하는 유사한 부분을 일컫기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예는 레이저-초음파 기법과 열 이미징(thermal imaging) 기법 을 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 변위와 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 변위와 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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라, 레이저 초음파 변위와 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.
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, 범위 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 표면에 가까운 내부 구조물(near surface internal structure)에 대한 정보를 생성할 수 있다. 이러한 처리는 도 3을 참조하여 이하에서 더 상세히 설명될 것이다.
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.
펄스 모드나 CW 모드에서 동작하는 검출 레이저(220)는 초음파 변위를 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 변위를 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.
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.
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 변위가 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 변위에 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 변위에 관한 정보를 포함하는 신호를 전개할 수 있다. 이 신호는 처리 모듈(310)로 제공된다.
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.
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.
레이저 초음파 및 IR 이미징 시스템(300)은, 깊은 내부 검사 시스템을 제공하는 레이저 초음파와, 표적(314)의 표면에서 가까운 곳을 해결하는 열 이미징을 모두 포함한다. 이는 레이저 초음파 검사가 표면에 가까운 곳의 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.
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.
또 다른 실시예가 표면에 가까이 위치하는 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.
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.
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 온 도-시(T-t) 히스토리(가령, 열 과도부와 연계된 히스토리)를 형성하기 위해 사용된다.
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.
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 변위와 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 변위와 열 과도부를 모두 발생시킨다. 단계(604)에서, 초음파 변위와 열 과도부가 검출된다. 초음파 변위는, 초음파 시스템, 예를 들어, 레이저 초음파 시스템 을 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 변위와 열 이미지 모두 분석된다. 검출된 초음파 변위는, 표적 물질의 깊이 위치하는 내부 구조에 관한 정보를 제공할 것이며, 반면에, 열 과도부의 열 이미지는 표면 물질 내의 표면에 가까운 구조를 판단하기 위해 처리될 수 있다. 초음파 변위와 열 과도부는 동일한 발생 레이저 빔에 의해 생성되기 때문에, 이 정보는 검출된 초음파 변위와 열 이미지를 쉽게 상관시키기 위해 사용될 수 있다. 단계(608)에서 이는 표적 물질의 표면 가까운 구조와 깊은 내부 구조 모두에 대한 상세하고 복합적인 이해를 가능하게 한다.
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 예측되지 않은 변화가 발생하는 포인트에서 표적 물질의 표면 가까이 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.
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.
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.
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 변위 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 변위와 열 이미지를 모두 분석하여, 표적 물질의 내부 구조에 대한 정보를 생산할 수 있다.
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.

Claims (25)

  1. 표적을 검사하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은
    표적에서 초음파 변위(ultrasonic displacement)와 열 과도부(thermal transient)를 유도하도록 동작하는 발생 레이저 빔(generation laser beam)을 생성하는 단계와,
    상기 발생 레이저 빔을 표적의 표면으로 향하게 하는 단계로서, 이때, 상기 발생 레이저 빔은 표적에서 초음파 변위 및 열 과도부를 생성하는 단계와,
    상기 표적에서의 초음파 변위와 열 과도부를 검출하는 단계와,
    표적에 관한 정보를 생성하기 위해, 표적에서 검출된 초음파 변위와 표적의 열 이미지(thermal imagery) 모두를 분석하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 표적을 검사하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 표적은 복합 물질(composite material)을 포함하며,
    검출된 초음파 변위를 분석하는 단계는 상기 복합 물질의 깊은 내부 구조에 관한 정보를 생산하며,
    표적에서의 열 이미지를 분석하는 단계는 복합 물질의 표면에서 가까운 내부 구조에 관한 정보를 생산하는 것을 특징으로 하는 표적을 검사하기 위한 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    복합 물질의 깊은 내부 구조와 복합 물질의 표면에서 가까운 내부 구조에 관한 정보를 상관(correlating)시키는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표적을 검사하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    검출된 초음파 변위와 열 이미지를 상관하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표적을 검사하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 표적에서 초음파 변위와 열 과도부를 검출하는 단계는
    발생 레이저 빔의 펄스 레이트(pulse rate)에 열 이미징을 정합시키는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표적을 검사하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 표적에서 초음파 변위와 열 과도부를 검출하는 단계는
    발생 레이저 빔의 펄스 레이트(pulse rate)에 열 이미징 프레임 레이트를 정합시키는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표적을 검사하기 위한 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 열 이미지의 시야(field of view)는 발생 레이저 빔의 스캔 계획을 포함하는 것을 특징으로 하는 표적을 검사하기 위한 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 정량적 열 벽 두께가 표적에서의 열 이미지를 분석함으로써 판단되는 것을 특징으로 하는 표적을 검사하기 위한 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 정량적 열 벽 두께의 예측되지 않는 변화는 상기 예측되지 않은 변화 부분에서 표적의 결함을 나타내는 것을 특징으로 하는 표적을 검사하기 위한 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 표적에서 열 이미지를 분석하는 단계는 적외선(IR) 과도부 서모그래피(IR transient thermography)를 포함하는 것을 특징으로 하는 표적을 검사하기 위한 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    검출 레이저 빔을 발생하는 단계와,
    상기 검출 레이저 빔을 표적의 표면으로 향하게 하는 단계와,
    표적의 표면에서 상기 검출 레이저 빔을 산란시켜, 초음파 표면 변위에 의해 위상-변조되는 광을 생성하는 단계와,
    상기 위상-변조된 광을 채집하는 단계와,
    상기 위상 변조된 광을 처리하여, 표면에서의 초음파 표면 변위를 나타내는 데이터를 획득하는 단계와,
    상기 표적 내부의 구조를 분석하기 위한 정보를 포함하는 데이터를 채집하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표적을 검사하기 위한 방법.
  12. 표적의 내부 구조를 검사하기 위한 검사 시스템에 있어서, 상기 검사 시스템은
    표적에서 초음파 변위와 열 과도부를 유도하기 위한 펄스형 레이저 빔(pulsed laser beam)을 발생하기 위한 발생 레이저(generation laser),
    표적에서의 초음파 표면 변위를 검출하기 위한 초음파 검출 시스템(ultrasonic detection system),
    표적에서의 열 과도두를 검출하기 위한 열 이미징 시스템(thermal imaging system),
    표적의 내부 구조에 관한 정보를 생산하도록, 표적에서 검출된 초음파 변위와 표적의 열 이미지 모두 분석하기 위한 프로세서
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 검사 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 초음파 검출 시스템은
    표적에서의 초음파 표면 변위를 조명하기 위한 검출 레이저 빔을 발생하기 위한 검출 레이저,
    상기 표적 표면에서 산란된 검출 레이저 빔으로부터 초음파 표면 변위에 의해 위상-변조되는 광을 채집하기 위한 채집 광소자(collection optics),
    상기 위상 변조된 광을 처리하고 하나 이상의 출력 신호를 발생하기 위한 간섭계(interferometer),
    표적에서의 초음파 표면 변위를 나타내는 데이터를 획득하기 위해 하나 이상의 출력 신호를 처리하기 위한 프로세싱 유닛
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 검사 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 열 이미징 시스템은 적외선(IR) 과도부 서모그래피 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 검사 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 IR 과도부 서모그래피 시스템은, 발생 레이저 빔에 의해 조명되는 표적의 이미지 프레임을 얻기 위한 IR 민감형 카메라(IR sensitive camera)를 포함하는 것을 특징으로 하는 검사 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 표적의 이미지 프레임은 픽셀의 어레이를 포함하고, 경과된 시간(elapsed time)에 해당하는 프레임 번호를 할당받으며, 이때, 정량적 열 벽 두께가 열 이미지의 일련의 프레임을 분석함으로써, 판단되는 것을 특징으로 하는 검사 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 프로세싱 유닛은 검출된 초음파 변위와 열 이미지를 상관시키는 것을 특징으로 하는 검사 시스템.
  18. 제 15 항에 있어서,
    열 이미지 프레임 획득률을 발생 레이저 빔의 펄스 레이트에 정합시키기 위한 제어 모듈
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 검사 시스템.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 표적은 복합 물질(composite material)을 포함하며,
    상기 프로세싱 유닛은,
    상기 복합 물질의 깊은 내부 구조에 관한 정보를 생산하기 위해 검출된 초음파 변위를 분석하고,
    상기 복합 물질의 표면에 가까운 내부 구조에 관한 정보를 생산하기 위해 표적에서의 열 이미지를 분석하며,
    상기 복합 물질의 깊은 내부 구조에 관한 정보와 상기 복합 물질의 표면에 가까운 내부 구조에 관한 정보를 상관시키는 것을 특징으로 하는 검사 시스템.
  20. 넓은 면적 복합 검사 시스템에 있어서, 상기 검사 시스템은
    복합 물질에서 초음파 변위와 열 과도부를 유도하기 위한 펄스형 레이저 빔을 발생하기 위한 발생 레이저,
    복합 물질에서 초음파 표면 변위를 검출하기 위한 초음파 검출 시스템,
    복합 물질에서 열 과도부를 검출하기 위한 열 이미징 시스템,
    열 이미징 프레임 획득율을 발생 레이저 빔의 펄스 레이트에 정합시키기 위한 제어 모듈,
    표적의 내부 구조에 관한 정보를 생산하기 위해, 복합 물질에서의 검출된 초음파 변위와 표적의 열 이미지 모두를 분석하기 위한 프로세서
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 검사 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 프로세싱 유닛은
    복합 물질의 깊은 내부 구조에 관한 정보를 생산하기 위해 검출된 초음파 변위를 분석하며,
    복합 물질의 표면에 가까운 내부 구조에 관한 정보를 생산하기 위해 표적에서의 열 이미지를 분석하고,
    복합 물질의 깊은 내부 구조에 관한 정보와 복합 물질의 표면에 가까운 내부 구조에 관한 정보를 상관시키는 것을 특징으로 하는 검사 시스템.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 초음파 검출 시스템은
    표적에서 초음파 표면 변위를 조명하기 위한 검출 레이저 빔을 발생하기 위 한 검출 레이저,
    표적 표면에서 산란된 검출 레이저 빔으로부터 초음파 표면 변위에 의해 위상-변조된 광을 채집하기 위한 채집 광소자,
    상기 위상 변조된 광을 처리하고, 하나 이상의 출력 신호를 발생하기 위한 간섭계,
    표적에서 초음파 표면 변위를 나타내는 데이터를 획득하기 위한 하나 아싱의 출력 신호를 처리하는 프로세싱 유닛
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 검사 시스템.
  23. 제 20 항에 있어서, 상기 열 이미징 시스템은 적외선(IR) 광도부 서모그래피 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 검사 시스템.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 IR 과도부 서모그래피 시스템은 발생 레이저 빔에 의해 조명되는 표적의 이미지 프레임을 획득하기 위한 IR 민감형 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 검사 시스템.
  25. 제 20 항에 있어서, 상기 이미지 프레임은 픽셀의 어레이를 포함하고, 경과된 시간에 해당하는 프레임 번호를 할당받으며, 이때, 정량적 열 벽 두께는 열 이미지의 일련의 프레임을 분석함으로써 판단되는 것을 특징으로 하는 검사 시스템.
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