Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-05-15T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 34 s
Description: 学ぶレーザー光熱サーモグラフィーによる構造化加熱を用いた非破壊検査法。鋼材の地中欠陥を高感度で検出し、材料の安全性と性能評価に貢献する革新的な熱画像技術です。

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Taarna StudemundとHagen Wendlerに実験設定の写真を撮ってもらい、Figureの出版の準備をしてくれたことに感謝したいと思います。さらに、Anne Hildebrandt氏とSreedhar Unnikrishnakurup氏、Alexander Battig氏、Felix Fritzsche氏に感謝の言葉を述べていただきました。

<ol><li>Thiel, E., Kreutzbruck, M., Ziegler, M. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4963139?journalCode=apl">Laser-projected photothermal thermography using thermal wave field interference for subsurface defect characterization.</a> Appl. Phys. Lett. 109 (12), 123504(2016).</li>
<li>Ibarra-Castanedo, C., Tarpani, J. R., Maldague, X. P. V. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0143-0807/34/6/S91/meta">Nondestructive testing with thermography.</a> Eur. J. Phys. 34 (6), 91-109 (2013).</li>
<li>Maldague, X. P. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/228794492_Introduction_to_NDT_by_active_infrared_thermography">Introduction to NDT by active infrared thermography.</a> Mater. Eval. 60 (9), 1060-1073 (2002).</li>
<li>Li, T., Almond, D. P., Rees, D. A. S. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0963869510001076">Crack imaging by scanning pulsed laser spot thermography.</a> Ndt&E Int. 44 (2), 216-225 (2011).</li>
<li>Lugin, S. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0963869513000315">Detection of hidden defects by lateral thermal flows.</a> Ndt&E Int. 56, 48-55 (2013).</li>
<li>Li, T., Almond, D. P., Rees, D. A. S. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-0233/22/3/035701/meta">Crack imaging by scanning laser-line thermography and laser-spot thermography.</a> Meas. Sci. Technol. 22 (3), (2011).</li>
<li>Pech-May, N. W., Oleaga, A., Mendioroz, A., Salazar, A. <a target="_blank" href="http://link.springer.com/article/10.1007/s10921-016-0344-x">Fast Characterization of the Width of Vertical Cracks Using Pulsed Laser Spot Infrared Thermography.</a> Journal of Nondestructive Evaluation. 35 (2), 22(2016).</li>
<li>Thiel, E., Kreutzbruck, M., Ziegler, M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aThiel%2C+E+%22Proc.+SPIE+9761%22">Proc. SPIE 9761</a>. Douglass, M. R., King, P. S., Lee, B. L. , Spie-Int Soc Optical Engineering. (2016).</li>
<li>Thiel, E., Kreutzbruck, M., Ziegler, M. <a target="_blank" href="https://www.wcndt2016.com/">Proc. WCNDT 2016</a>. , 6(2016).</li>
<li>Mandelis, A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMandelis%2C+A+%22Diffusion-Wave+Fields%3A+mathematical+methods+and+Green+functions%22">Diffusion-Wave Fields: mathematical methods and Green functions</a>. , Springer-Verlag. (2001).</li>
<li>Almond, D., Patel, P. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAlmond%2C+D+%22Photothermal+Science+and+Techniques%22">Photothermal Science and Techniques</a>. 10, Chapman & Hall. (1996).</li>
<li>Salazar, A. <a target="_blank" href="http://www.ehu.eus/photothermal/EurJPhys2006.pdf">Energy propagation of thermal waves.</a> Eur. J. Phys. 27 (6), 1349-1355 (2006).</li>
<li>Bennett, C. A., Patty, R. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+wave+interferometry%3A+a+potential+application+of+the+photoacoustic+effect%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Thermal wave interferometry: a potential application of the photoacoustic effect.</a> Appl. Opt. 21 (1), 49-54 (1982).</li>
<li>Busse, G. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.93942?journalCode=apl">Stereoscopic depth analysis by thermal wave transmission for nondestructive evaluation.</a> Appl. Phys. Lett. 42 (4), 366(1983).</li>
<li>Holtmann, N., Artzt, K., Gleiter, A., Strunk, H. P., Busse, G. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/17686733.2012.741919">Iterative improvement of Lockin-thermography results by temporal and spatial adaption of optical excitation.</a> Qirt J. 9 (2), 167-176 (2012).</li>
<li>Pribe, J. D., Thandu, S. C., Yin, Z., Kinzel, E. C. <a target="_blank" href="http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=2522861">Toward DMD illuminated spatial-temporal modulated thermography.</a> Proc. SPIE 9861. , (2016).</li>
<li>Ravichandran, A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Spatial+and+temporal+modulation+of+heat+source+using+light+modulator+for+advanced+thermography%22">Spatial and temporal modulation of heat source using light modulator for advanced thermography</a>. , Missouri University of Science and Technology. (2015).</li>
<li><a target="_blank" href="http://www.mouser.com/ds/2/405/dlps013d-261248.pdf">DLP 0.55 XGA Series 450 DMD</a>. , TexasInstruments. (2015).</li>
<li>Application Note - DLP System Optics. , TexasInstruments. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?baseLiteratureNumber=dlpa022&keyMatch=dlpa022&tisearch=Search-EN-Everything">http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?baseLiteratureNumber=dlpa022&keyMatch=dlpa022&tisearch=Search-EN-Everything</a> (2010).</li>
<li>DLP LightCommander Control Software - User Manual. , LogicPD. Available from: 
 <a target="_blank" href="https://support.logicpd.com/ProductDownloads/LegacyProducts/DLPLightCommander.aspx?_sw_csrfToken=318b0448">https://support.logicpd.com/ProductDownloads/LegacyProducts/DLPLightCommander.aspx?_sw_csrfToken=318b0448</a> (2011).</li>
<li>White Paper - Laser Power Handling for DMDs. , TexasInstruments. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?literatureNumber=dlpa027&fileType=pdf">http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?literatureNumber=dlpa027&fileType=pdf</a> (2012).</li>
<li>Moench, H., et al. <a target="_blank" href="http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=2206439">High-power VCSEL systems and applications.</a> Proc. SPIE 9348. , (2015).</li>
</ol>

著者は何も開示することはない。

提示された議定書は、表面に垂直に配向された人工表面下欠陥の発見方法を説明している。この方法の主な考え方は、地下欠陥と相互作用する干渉熱波場を作り出すことである。最も重要なステップは、（i）サンプル表面に2つの交互の高出力照明パターンを生成するために、SLMとダイオードレーザとを組み合わせること、これらのパターンは光熱的にコヒーレントな熱波場に変換され、（ii）表面下の欠陥と相互作用する間に破壊的に干渉するようにし、（iii）熱的イメージングを用いて試料表面の動的温度の表面走査からこれらの欠陥を見つけるIRカメラ。このアプローチは、隠れた欠陥1に対して非常に敏感であるため、絶対温度値ではなくゆっくりと変化する平均値の周りの温度の相対振動だけが必要である。 最も重要なステップの1つ構造化加熱のためにSLM結合レーザ源を使用する場合（ステップ1.10参照）、照明ビームプロファイルの十分な均質性を確立することである。ダイオードレーザは、高い放射照度を提供するが、正しいビーム直径および方向性を有するSLMを含むプロジェクタに供給されなければなら...

レーザー投影光熱サーモグラフィー（LPPT）法は、試験片の体積に埋め込まれ、その表面に対して主に垂直に配向された表面下の欠陥を突き止めるために使用される。 この方法は、 図1bに示すような同じ伸びと周波数の2つの逆位相熱波場の破壊的干渉を使用する。等方性の無欠陥材料では、熱波は、コヒーレントな重ね合わせによって対称面で破壊的に（ すなわち、ゼロ温度振動）中和する。表面下欠陥を有する材料の場合、この方法は、一時的な熱流とこの欠陥との間の横方向（ すなわち 、面内）成分の相互作用を利用する。この相互作用は、サンプル表面上の対称線における再現された振動温度の伸びで測定することができる。ここで、欠陥含有試料は、重畳された熱波場によって走査され、サンプルの位置に関連して温度の伸びのレベルが測定される。対称性のために、欠陥が対称面を横切ると、破壊的干渉条件が再び満たされる。これにより、欠陥を非常に敏感に見つけることができます。さらに、破壊的干渉の最大外乱のレベルは欠陥の深さと相関するので、温度走査1を解析することによってその深さを決定することが可能である。 LPPTは能動的なサーモグラフィー方法論に割り当てられます。これは、過渡的な加熱が活発に行われ、結果的に過渡的な温度分布がサーマルIRカメラによって測定される、十分に確立された非破壊的な方法です。一般に、この方法論の感度は、過渡熱流に対して本質的に垂直に配向する欠陥に限定される。さらに、支配的な過渡熱伝導方程式は放物線部分差分体積式への熱の流れは強く減衰する。結果として、能動サーモグラフィー法のプロービング深さは、通常はミリメートル範囲の表面近傍領域に限定される。最も一般的なアクティブサーモグラフィー技術の2つは、パルス式およびロックインサーモグラフィーです。それらは、平面光学面照明2により高速であるが、表面に垂直な一時的な熱流をもたらす。したがって、これらの技術の感度は、加熱された試料表面に対して主に平行に配向された欠陥（ 例えば層間剥離または空隙）に限定される。パルスサーモグラフィの経験則では、「検出可能な最小欠陥の半径は、表面下の深さの少なくとも1〜2倍にすべきである」 3と述べている3 。垂直に配向した欠陥（ 例えば亀裂）と熱流との間の有効相互作用領域を増加させるために、熱流の方向はかわった。局所的な励起は、例えば線状または円形のスポットを有する集束レーザを使用することにより、垂直欠陥4,5,6,7と効果的に相互作用することができる面内成分を有する熱流を生成する。 この方法では、横方向の熱流成分を用いて表面下の欠陥を検出するが、熱波を重ねることができるが、欠陥、特に垂直方向の欠陥はこの重なりを妨げる。このように、提示された方法は、1 / 8,9以下の幅/深さ比で人工地下欠陥を検出することが可能であるため、基準のない対称で非常に敏感な方法に似ている。今まで、十分なエネルギーを供給している2つの逆位相熱波場を作り出すことは困難でした。我々はこれを達成した空間光変調器（SLM）を高出力ダイオードレーザに結合することにより、レーザシステムの高い光学パワーをSLMの空間的および時間的解像度（ 図2参照）と高出力プロジェクタ。熱波場は、投影された画像のピクセル輝度を介して、2つの逆位相正弦波変調された線パターンの光熱変換によって生成される（ 図2 、 図1a参照）。これは、試料表面の構造化された加熱をもたらし、明確に破壊的に干渉する熱波場をもたらす。表面下の欠陥を見つけるために、破壊的な推論の外乱は、IRカメラを用いて表面の温度振動として測定される。 熱波という用語は、熱伝播の拡散特性のために熱波がエネルギーを輸送しないため、議論の余地がある。それでも、hea<html>実際の波と拡散過程10,11,12との間で類似点を使用することを可能にする。したがって、熱波は伝搬方向に高度に減衰されているものと理解できますが、時間とともに周期的に変化します（ 図1b ）。特徴的な熱拡散長<img alt="式1" src="/files/ftp_upload/55733/55733eq1.jpg" /> （熱伝導率k 、熱容量c p 、密度ρ ）と励振周波数fで説明する。熱波は強く減衰していますが、波の性質を応用してサンプルの特性を把握することができます。熱波干渉の第1の適用を用いて層の厚さを決定した。我々の方法とは対照的に、干渉効果は、深さ寸法（ すなわち 、表面に垂直）で使用され、<html>レーザビームを分割することによって干渉の概念を第2の次元に拡張すると、表面欠陥14のサイズを決めるのに熱波干渉が用いられた。この方法は透過構造にも適用された。さらに、1つのレーザ源のみが使用されているため、この方法は建設的な干渉が適用されるため、無欠陥の基準が必要となります。光出力パワーが著しく制限された光源を内蔵した無修正液晶ディスプレイ（LCD）プロジェクタを使用して、Holtmann らによって時間的に制御された加熱が行われた.PribeとRavichandranによるさらなるアプローチは、レーザをSLM16にも結合することによって、<html> s = &quot;xref&quot;&gt; 17。 本明細書に提示されるプロトコルは、鋼サンプルの表面に対して垂直に配向された表面下欠陥を見つけるためにLPPT法を適用する方法を説明する。この方法は初期段階にありますが、提案されたアプローチを検証するのに十分強力です。しかし、それは実験セットアップの達成可能な光出力の点で依然として制限されている。光出力の増加は依然として課題であるので、提示された方法は、人工放電加工ノッチを含む被覆鋼に適用される。それにもかかわらず、プロトコルの最も重要で最も重要なステップは、均質な構造照明を生成し、破壊的な熱波干渉の前提条件を満たすこと、および欠陥を見つけることは、依然としてより要求の厳しい欠陥を保持することである。支配的な量は熱拡散長μであるので、LPPT法は多数の異なる材料にも適用することができる。 nt &quot;&gt; <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/55733/55733fig1.jpg" /> 図1：破壊的干渉効果の原理 （ a ）実験中に使用された照明パターンの概略図。サンプルは、πの位相シフトを有する2つの周期的に照射されたパターンによって空間的および時間的に加熱される。破線は、両方のパターン間の対称線を表す。このラインは、評価用に「空乏線」として使用されます。 （ b ）熱的熱伝導方程式の解析解から計算された、空間的および時間的に分解された交互熱結果の図。これは、（a）の照明に対して、 P opt 1 = 1.5Wsin（2π0.125Hz t ）+ 1.5WとP opt 2 = 1.5Wsin（2π0.125Hz t ）の2つのパターンの放射照度に対する応答熱波を示す+π）+建築用鋼ρの 1.5W </k p = 461 J /（kg・K）、 k = 54W /（m・K）である。破線の温度プロファイルは、均質で等方性の材料の熱振動を示していない。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55733/55733fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/55733/55733fig2.jpg" /> 図2：アクティブサーモグラフィーで使用される構造化加熱の測定原理の略図。トップハットプロファイルにホモジナイズされたガウスビームは、空間光変調器（Spatial Light Modulator：SLM）に適用される。 SLMは、その切り替え可能要素によって空間的にかつ時間的にそのスイッチング速度によってビームを空間的に分解する。各要素はSLMピクセルを表します。この実験では、SLMはデジタルマイクロミラーデバイス（DMD）である。時間決定論的制御ソフトウェアを用いてピクセル輝度Aを変調することによって、サンプル表面構造化された方法で加熱される。提示された実験の場合、角周波数ωでコヒーレントに干渉する熱波場の起源である2つの逆位相線（位相：φ= 0、π）を変調する。波面は試料の内部構造と相互作用し、表面の温度場にも影響を与えます。これは、中波赤外線カメラによる熱放射によって測定されます。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55733/55733fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a>

<table><tbody><tr><td>500 W ダイオード レーザー システム、940 nm</td><td>レーザーライン</td><td>LDM 500 - 20</td><td>パイロット レーザー クラス 2 @ 650&nbsp;nm、ダイオードレーザーはクラス4レーザーシステムです-->特別な実験室が必要</td></tr><tr><td>レーザーコントロールボックス</td><td>レーザーライン</td><td>レーザーコントロールボックスLDM</td><td>レーザーシステムに追加し、電子的に、レーザーしきい値、シャッター、0Vのレーザーを切り替えるために使用されます。5 V TTL</td></tr><tr><td>コントロールボックススキャナー</td><td>レーザーライン</td><td></td>は<td>、レーザーシステムに追加し、0&nbsp;Vからのアナログ信号を介して光出力電力を調整するために使用されます。10 V</td></tr><tr><td>ファイバー レーザー マウント 2"、f = 80 mm</td><td>レーザーライン</td><td></td><td>レーザー システムに追加</td></tr><tr><td>多機能データ取得 (DAQ) デバイス + BNC 端子</td><td>ナショナルインスツルメンツ</td><td>NI-USB 6251</td><td>DAQ カードは、IR カメラをトリガーするために使用されます。&nbsp; DLP Light Commander 5500、制御レーザーおよびダイオード PDA 36A</td></tr><tr><td>標準 - PC&nbsp;</td><td></td><td></td><td>制御PC - 2画面用グラフィックカード、USB×4以上、Windowsベースの</td></tr><tr><td>BNCケーブル</td><td></td><td></td><td>標準ケーブル</td></tr><tr><td>HDMIケーブル</td><td></td><td></td><td>標準ケーブル</td></tr><tr><td>マイクロUSB-USBケーブル</td><td></td><td></td><td>標準ケーブル</td></tr><tr><td>LabVIEW 2013 SP1 開発システム</td><td>ナショナルインスツルメンツ</td><td></td><td>デバイス制御用開発環境</td></tr><tr><td>LPPT制御ソフトウェア</td><td>BAM</td><td></td><td>LabVIEW 2013 SP1 LPPT強度</td></tr><tr><td>&nbsp; ソフトウェア</td><td>BAM</td><td></td><td>LPPTソフトウェアパッケージの一部 LabVIEW 2013 SP1</td></tr><tr><td>LPPTレーザー制御ソフトウェア</td><td>BAM</td><td></td><td>の一部 LabVIEW 2013 SP1</td></tr><tr><td>Matlab 2016b</td><td>MathWorks</td><td></td>による<td>LPPT</td></tr><tr><td>ソフトウェアパッケージの一部LPPT後処理ソフトウェア</td><td>BAM</td><td></td><td>測定データの後処理</td></tr><tr><td>IRカメラ制御PC</td><td>InfraTec</td><td></td><td>制御PCは、カメラディストリビューターIR</td></tr><tr><td>カメラ制御ソフトウェア</td><td>InfraTec</td><td>Irbis 3 Professional</td><td></td></tr><tr><td>InfraTec SDK</td><td>InfraTec</td><td></td><td>ダイナミックリンクライブラリによって供給されます Infratecのネイティブデータ収集フォーマットとMatlabの間のインターフェースとして</td></tr><tr><td>赤外線カメラ</td><td>InfraTec</td><td>Image IR 8300</td><td>640 x 512、冷却InSb検出器、波長2&nbsp;&micro;m..5.7 & マイクロ;m、ノイズ= 20&nbsp;mK +アクセサリー(LANケーブル、デジタル入出力ケーブル、スペースリング、電源、ケース)</td></tr><tr><td>三脚</td><td>マンフロット</td><td>161MK2B</td><td></td></tr><tr><td>IRカメラマウント</td>マン<td>フロット</td><td>405</td><td></td></tr><tr><td>デジタル光処理(DLP)技術用プロジェクター開発キット(PDK)(DLP Light Commander 5500)</td><td>ロジックPD</td><td>DLP-LC-DLP5500-10R</td><td>DLP5500 テキサス・インスツルメンツのデジタル・マイクロミラー・デバイスが付属し、ライト・エンジンとケースを分解する必要があります</td></tr><tr><td>PDK制御ソフトウェア</td><td>ロジックPD</td><td></td><td>配送時に付属、DLP Light Commander制御ソフトウェア</td></tr><tr>PDK <td>BAM</td><td></td><td>用メカニカル・プラットフォーム</td><td>自作(140×230×420)mm3</td></tr><tr><td>パワーメーター・コントロール・ユニット</td><td>Ophir</td><td>Vega</td><td>USBインターフェース</td></tr><tr><td>30 Wパワーメーターヘッド&nbsp;</td><td>Ophir</td><td>30(150)A-LP1-18</td><td>決定するパワーメーターヘッド プロジェクターシステムの伝送</td></tr><tr><td>500 Wパワーメーターヘッド</td><td>Ophir</td><td>FL500A</td><td>プロセス監督用パワーメーター</td></tr><tr><td>モーションコントローラー</td><td>Newport</td><td>ESP301</td><td>with USB Interface</td></tr><tr><td>Translation stage</td><td>Newport</td><td>M-ILS200CC</td><td>ESP301に接続</td></tr><tr><td>フォトダイオードとアンプ</td><td>Thorlabs</td><td>PDA 36A-EC</td><td>1インチマウント</td></tr><tr><td>反射フィルター ND1</td><td>Thorlabs</td><td>ND10A</td><td>PDA 36A</td></tr><tr><td>ピンホールに取り付けられる 1"</td><td>Thorlabs</td><td>P1000S</td><td>PDA 36Aにマウントされる</td></tr><tr><td>光学アルミブレッドボード&nbsp;</td><td>Thorlabs</td><td>MB60120/M</td><td>(1,200 mm x 900 mm) ベース</td></tr><tr><td>平面凸レンズ f = 200 mm</td><td>Thorlabs</td><td>LA1979-B</td><td>IR用コーティング、第1望遠鏡レンズ</td></tr><tr><td>平面凸レンズ f = 75 mm</td><td>Thorlabs</td><td>LA1145-B</td><td>IR用コーティング、第2望遠鏡レンズ</td></tr><tr><td>xy-translation stage</td><td>Newport</td><td>M401</td><td>テレコー</td></tr>プ<tr><td>ビームサンプラー</td>の調整に使用 <td>Thorlabs</td><td>BSF20-B&nbsp;</td><td>プロジェクタシステムの光入力を減らすために使用される光出力を分割</td></tr>します<tr><td>ミラー</td><td>Thorlabs</td><td>BB2-E03</td><td>DLPライトコマンダーにビームを結合するためのミラー</td></tr><tr><td>ヘビーデューティラボジャック</td><td>Thorlabs</td><td>L490</td><td>ファイバーマウントに使用され、リニアステージの上部でサンプルを位置決めします (2x)</td></tr><tr><td>PDK-objective&nbsp;</td><td>ニコン</td><td>ニコン AF ニッコール 50 mm 1:1:8:D&nbsp;</td><td>DLP 軽戦車長用対物レンズ、50 mm</td></tr><tr><td>プラノコンベックスレンズ f = 100 mm</td><td>Thorlabs</td><td>LA1050 -B</td><td>レンズはニコン対物レンズに取り付けられています</td></tr><tr><td>バイコンベックスレンズ f = 60&nbsp;mm</td><td>Thorlabs</td><td>LB1723 -B</td><td>30 W 測定ヘッドで光透過率を決定するためにニコン対物</td></tr>レンズに取り付けられるレンズ <tr><td>正方形保護ゴールドミラー</td><td>Thorlabs</td><td>PFSQ20-03-M01</td><td></td></tr><tr><td>ハイパワー IR センサーカード</td><td>ニューポート</td><td>F-IRC-HP-M</td><td>光路を確認するセンサーカード</td></tr><tr><td>2" 十字線</td><td>BAM</td><td></td><td>自作</td></tr><tr><td>1" 十字線</td><td>BAM</td><td></td><td>自作</td></tr><tr><td>ブルズアイレベル</td><td>Thorlabs</td><td>LCL01</td><td></td></tr><tr><td>翻訳ステージ</td><td>ニューポート</td><td>M-UMR8.25</td><td>ビームプロファイルの測定に使用</td></tr><tr><td>マイクロメーターネジ</td><td>ニューポート</td><td>DM17-25</td><td>翻訳ステージ M-UMR8.25</td></tr><tr><td>マウント ゼロ開口アイリス</td><td>Thorlabs</td><td>ID75Z/M</td> 光学<td>のチェックに使用経路</td></tr><tr><td>ベースとポストホルダー エッセンシャルキット、メトリックおよびユニバーサルコンポーネント</td><td>Thorlabs</td><td>ESK01/M</td><td>ベーシス</td></tr><tr><td>ポスト &付属品 エッセンシャルキット、メトリックおよびユニバーサルコンポーネント</td><td>Thorlabs</td><td>ESK03/M</td><td></td></tr><tr><td>M6 キャップスクリューおよびハードウェアキット</td><td>Thorlabs</td><td>HW-KIT2/M</td><td></td></tr><tr><td>建設用レール</td><td>Thorlabs</td><td>XE25L700/M</td><td></td></tr><tr><td>1インチ 建設用キューブ</td><td>Thorlabs</td><td>RM1G</td><td>建設用レールの取り付けに使用</td></tr><tr><td>放電加工</td><td>Sodick</td><td>AG60L</td><td>www.sodick.de</td></tr><tr><td>鋼鉄 (100 x 100 x 40)mm3</td><td>BAM</td><td></td><td>の自作、0.25の残りの壁厚さの隠れた欠陥のSt37ブロック。mm、0.5 mm、0.70 mm、1.25 &nbsp;mm(図5)</td></tr><tr><td>St37鋼ブロック (100 x 100 x 40)mm</td><td>BAM</td><td></td><td>自作、残りの壁厚が1&nbspの隠れた欠陥。mm, 1.5&nbsp;mm、1.75 mm、2 mm (図 5 で表示)</td></tr> <tr><td>グラファイト スプレー</td><td>CRC Industries Europe NV</td><td>GRAPHIT 33</td><td>Ref. 20760、200 mL エアロゾル (Kontakt-Chemie)</td></tr><tr><td>保護テープ</td><td>Tesa</td><td>tesakrepp 4348</td><td>コーティング中に隠れた欠陥を保護するために使用されます</td></tr></tbody></table>

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

Subsurface Defect Localization by Structured Heating Using Laser Projected Photothermal Thermography

提示された方法は、表面に対して垂直に配向された表面下の欠陥を見つけるために使用される。これを達成するために、我々は欠陥によって妨害される破壊的に干渉する熱波場を作り出す。この影響を測定し、欠陥の位置を特定するために使用する。我々は、修正されたプロジェクタを使用して、破壊的干渉波フィールドを形成する。プロジェクタの元の光エンジンは、ファイバ結合された高出力ダイオードレーザに置き換えられています。そのビームは、プロジェクタの空間光変調器に合わせて整形され、最初にビームプロファイルを特徴づけることによって、最適な光学スループットと均一投影に最適化され、機械的および数値的に修正されます。厳密な幾何学的状況（幾何学的画像歪みの補正を含む）および試料表面での弱い温度振動を検出するための要件に従って、高性能赤外線（IR）カメラが設定される。データ収集は一度同期することができます個々の熱波場源、走査ステージ、およびIRカメラの間のローレンスは、調査される特定の材料に調整される必要がある専用の実験装置を使用することによって確立される。データ後処理の間に、サンプルの表面の下の欠陥の存在に関する関連情報が抽出される。それは、試料表面のいわゆる空乏線からの取得された熱放射の振動部分から取り出される。欠陥の正確な位置は、最終ステップにおけるこれらの振動の空間 - 時間的形状の分析から推論される。この方法は、リファレンスフリーであり、熱波場内の変化に対して非常に敏感である。これまでのところ、この方法は鋼サンプルで試験されているが、異なる材料、特に温度に敏感な材料にも適用可能である。

プロトコルに従って、0.25mmの深さに表面下欠陥を有する鋼サンプルの側面1を選択して、代表的な結果を生成した。欠陥は当初、照明された領域のほぼ中央に位置していた。次いで、サンプルを0.05mm / sの速度でリニアステージを介して-5mmから5mmに移動させた。これらのパラメータを使用して、 図11aは、空白線からそれらを抽出した後のスキャンデータを示す。この段階では、生データがIRカメラ制御ソフトウェアからプレビューとして入手できるので、実験の成功を見積もることができます（オプション：データをプレビューするためにラインツールを使用します（ 図8のステップi.4を参照） 。さらなる信号後処理に続いて、 図11bは、0.3mmにおけるヒルベルト曲線（青色）の最小値における欠陥位置を示す。 実験を検証するには、曲線をh以下の特性を有する...

この方法は、垂直方向の地下欠陥を見つけることを目的としている。ここでは、レーザーを空間光変調器と結合し、高解像度の熱画像を取得しながら、2つの逆位相変調線で決定的にサンプル表面を加熱するためにビデオ入力をトリガーします。欠陥位置は、熱波干渉極小値の評価から検索される。

The presented method is used to locate subsurface defects oriented perpendicularly to the surface. To achieve this, we create destructively interfering ...

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。

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