レーザー光熱サーモグラフィーを用いた構造化加熱による地中欠陥局在

本手法の全体的な目的は、構造化加熱と高分解能の熱画像撮影を非破壊かつ非接触で行い、鋼材試料の表面に対して垂直方向に配置された表面下の欠陥を特定することです。この手法は、熱画像分野における重要な課題の解決に寄与します。例えば、欠陥がどの程度の小ささと深さまでであれば検出可能か、といった点です。

この手法の主な利点は、観測面内に伝播する熱波場を生成できるため、垂直方向に向いた欠陥に対して非常に高い感度を持つことです。このレーザー投影型光熱サーモグラフィシステムは、ベンチトップのブレッドボード上に配置されています。本システムは、実験に使用するために必要な準備手順の大部分を完了しています。

ビームパスの先端にはレーザー光源があります。このレーザーファイバーは、レーザーファイバーマウントによって保持されています。次に、望遠鏡を用いてレーザーのビーム径を、後のビームラインに適したサイズまで縮小します。

ビームサンプラーの後方では、500 Wのパワーメーターヘッドがビームエネルギーの大部分を吸収し、レーザーをフルパワーで動作させます。ビームサンプラーからのビームは、ミラーを経由してプロジェクター開発キットへと送られます。これは、光源エンジンとレンズを取り除いた、分解済みの市販プロジェクターです。

実験では、ビームをコリメートしてプロジェクターに導入します。プロジェクターを通過したビームは、コンピュータ制御の移動ステージ上に設置された試料に当たります。このセットアップを完了させるために、プロジェクター用に焦点距離100 millimeterのレンズを用意してください。

レンズを、翻訳ステージの直前のプロジェクター対物レンズに取り付けます。次に、LEDフラッシュライトをプロジェクターへの入力光源として使用します。対物レンズの前に白い紙を置き、紙の上に鮮明に照らされた長方形が現れ、像平面の位置が示されるまで紙を移動させます。

この時点で、実験に使用するサンプルを入手します。ラボジャックを備えたリニアステージを用いて、ビーム光路上のサンプルを設置します。ラボジャックでサンプルを上昇させ、サンプル上面を投影された矩形の上端に合わせてください。

欠陥が像面の照明領域内にあることを確認します。次に、ポスト上に金鏡を設置し、赤外線写真撮影の準備を行います。このミラーにより、散乱光がカメラに反射されます。

プロジェクターの近くのポストホルダーにミラーを取り付けます。ミラーはサンプルの上端を反射させ、サンプル表面をできるだけ広く観察できる角度に調整してください。ミラーで反射した光は、三脚に設置された赤外線カメラに入射します。

ゴールドミラーを介して投影された白色像が見えるよう、プロジェクター対物レンズの高さに配置します。カメラをコンピューターで制御できるように設定し、ウォームアップさせます。カメラを制御ソフトウェアに接続した後、鋼製定規を用意します。

定規をサンプルの表面に当て、手動でカメラのフォーカスを合わせます。スチール定規との温度コントラストを利用すると、フォーカス合わせが容易になります。最も鮮明な画像が得られるように調整してください。

最も重要なステップの一つは、試料表面において十分な横解像度を達成することです。これは、脱色ライン（line of depletion）を分解能を持って観察する必要があるため重要です。レーザーソフトウェアを使用して、レーザー電圧を10 voltsに設定し、レーザーを起動してください。

カメラソフトウェアを使用して、プロジェクターとカメラの関係性を調整します。上部のオプションから「Measure」を選択します。「Measure areas」ツールバーに移動し、「cross tool」オプションを選択します。

レーザーがオンになると、サーマルイメージが表示されます。ツールを使用して、フレーム上を左クリックして画像の四隅をマークし、その座標を記録してください。カメラ制御ソフトウェアは、実験に合わせて設定しておく必要があります。

まず、カメラパネルに切り替えます。そこで、「Remote」ボタンをクリックしてリモートコントロールパネルを開きます。ドロップダウンメニューから「Process-IO」オプションを選択してください。

次に、「Sync In」オプションと「Gate」オプションをクリックします。その後、メニューを閉じます。「Acquisitions」パラメータタブから、「Acquisition」メニューを開きます。

ドロップダウンメニューからExternal Syncを選択します。Folderフィールドにファイル名とフォルダ名を入力してください。次に、Countフィールドに移動して、あらかじめ計算しておいたフレーム数を入力し、Acquisitionメニューを閉じます。

「Record」を選択してカメラのデータ収集を開始します。次に、実験制御ソフトウェアに移動します。「Activate」をクリックしてモーションコントローラーを有効にします。

次に、スキャン範囲に欠陥が含まれるように、開始位置と終了位置をミリメートルで編集します。その後、速度を秒間ミリメートルで入力してください。「Start Measurement」をクリックします。

「Choose Area Color」フィールドを左クリックします。カラーダイアログで、パターン領域の色を選択します。描画ツールバーに移動し、長方形ツールを選択します。

画像領域に移動し、ツールを使用して、以前に特定したプロジェクターのピクセル領域と一致する長方形を作成します。次に、[define Area]（領域定義）をクリックします。ダイアログボックスで、投影パターンのプロパティを設定できます。

「Signal Type」ドロップダウンメニューから「Sine Wave」を選択します。正弦波を定義するために、「Phase Shift」フィールドを0度に設定します。さらに、周波数をHzで設定します。

振幅（Amplitude）を最大に設定します。次に、電圧（Voltage）フィールドにレーザー電圧をV単位で入力します。「1周期あたりの画像数（Pictures per period）」フィールドには、あらかじめ算出した値を入力してください。

「次へ」をクリックします。同様の手順に従い、180度の位相シフトを持つ、異なる色の2つ目の長方形を作成します。プレビュースライダーを使用して、一連の画像のシーケンスを確認します。

次に、Startボタンを押して実験を開始します。翻訳ステージがサンプルを選択した範囲内でゆっくりと移動させ、投影された振動構造照明に異なる領域をさらします。この実験の総移動時間は200秒です。

サンプルの移動に伴い、熱赤外線カメラが40 Hzで熱画像をキャプチャします。この一連の熱画像は、照明によって生成された熱波場の例を示しています。すべてのフレームの取得が完了したら、実験を終了してください。

必要な後処理を行うために、後処理ソフトウェアにデータフレームを読み込みます。データの変換後、以前に算出した投影点の座標を入力します。[Transform]をクリックして、データをプロジェクターの画素ドメインに変換します。

温度情報を抽出するために、2点の座標を入力して枯渇線を定義します。実験開始時におけるサンプルの速度パラメータを入力してください。また、赤外線カメラのFrameRateおよびパターンの正弦波Frequencyを入力します。

最後に、データ後処理パラメータが正しいことを確認してください。準備ができたら、Evaluateをクリックします。亀裂の位置はハイライトされたフィールドに表示されます。

これらのデータは、約1/4 mmの深さに欠陥があるテストサンプルから収集されました。サンプルは0.05 mm/sで走査されました。黒色の曲線は温度の時間関数を表しており、時間は上部の水平軸に沿っています。

時間は、底辺の軸に沿った位置に変換することもできます。赤色の実線は、非振動的な温度上昇へのフィッティングを示しています。赤色の破線は欠陥の位置を示しています。

以下は、追加の後処理を行った後の同一データです。青色の曲線はヒルベルト曲線であり、欠陥が最小になっています。これらのデータは、走査速度を0.1 millimeters per secondに倍増させた後に収集されました。

1回目の測定と比較して、伸びは同じですが、振動周波数は減少しています。サンプルが新しい位置に移動したことが測定結果に反映されている点に注意してください。このプロトコルを表面から1 mm下の欠陥に使用した場合、その位置を特定することは可能ですが、不確実性は増大します。これらのプロットはどちらも、走査速度 0.1 mm/s で収集したデータを使用しています。

この手法の開発により、非破壊検査分野の研究者が構造化照明の利用を模索する道が開かれました。本手順に従うことで、他のより複雑な照明パターンを用いて、別の種類の欠陥を検出することが可能です。これまでは鋼材のみがテストされていますが、適用される熱ストレスが低いため、特にプラスチックや複合材料、その他の非常に敏感な材料に対して非常に有望な手法です。

現在の実験系のボトルネックは、空間光変調器の熱ストレス限界にあります。そのため、測定時間は2〜3分以内に抑える必要があります。これまでに生成された積分熱源は2つのみです。

しかし、原理的にはこのセットアップを用いることで、最大100万個の熱源を生成・制御することが可能であり、これにより任意の正規波整形という新たな分野が開かれます。このビデオを視聴することで、レーザー投影フォトサーマルサーモグラフィを用いて内部欠陥を特定する方法について、十分に理解できたはずです。クラス4の高出力赤外線レーザーの使用は極めて危険であるため、レーザー保護ゴーグルの着用などの予防策を常に講じることを忘れないでください。