(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱流サーモグラフィ法を用いた試料（２）の非破壊かつ非接触の画像形成検査のための方法であって、前記検査では、試料（２）の表面からのそれぞれの深さ距離における熱流速度の勾配の有無を評価し、
前記試料（２）は、少なくとも一つの励起光源からの熱パルスによって少なくとも２回それぞれ独立して励起され、
前記熱パルスに由来する熱流の複数の熱画像が少なくとも一つの赤外線カメラ（１２）で撮影され、
前記複数の熱画像は、信号及び画像処理によって評価され、位置及び時間分解能で熱流を示す、前記方法において、
前記熱パルスの第１のトリガーから、前記試料（２）の表面からの第１の深さにおける熱流速度の勾配に対して特有の第１の時間距離Δｔ１における前記試料（２）の表面の第１の熱画像を取得し、
前記熱パルスの第２のトリガーから、前記第１の深さよりも深い第２の深さにおける熱流速度の勾配に対して特有の第２の時間距離Δｔ２における前記試料（２）の表面の第２の熱画像を取得し、
前記熱パルスの次のトリガーのいずれかから、前記第２の深さよりも深い複数の深さにおける熱流速度の勾配に対して特有の複数の次の時間距離Δｔｎにおける前記試料（２）の表面の複数の熱画像を取得し、
前記複数の熱画像から、前記試料（２）の表面からのそれぞれの深さ距離における熱流速度の勾配の有無についての指標を取り出し、
前記時間距離Δｔｎはそれぞれ独立して調節可能であること、を特徴とする。
【請求項２】
前記請求項１に記載の方法において、前記時間距離Δｔｎは、前記試料（２）の熱流速度の勾配のモデルから選択される。
【請求項３】
前記請求項１に記載の方法は、
前記第１の熱画像を含む複数の熱画像からなる第１のシーケンスを取得し、
前記試料（２）の表面の前記第２の熱画像を含む複数の熱画像からなる第２のシーケンスを取得し、
前記試料（２）の表面の別の複数の熱画像を含む熱画像からなる別のシーケンスを取得する、ことを特徴とする。
【請求項４】
前記請求項１から３のいずれかに記載の方法において、全ての撮影画像シーケンスが同じ強度オフセットを有するように、前記撮影画像シーケンス画像のそれぞれの画像強度を補正する。
【請求項５】
前記請求項１から３のいずれかに記載の方法において、全ての撮影画像が同じ強度オフセットを有するように、前記熱画像のそれぞれを補正する。
【請求項６】
前記請求項１から５のいずれかに記載の方法において、前記撮影画像の１つが、他の残りの撮影画像シーケンスの画像強度を補正するための基準として用いられる。
【請求項７】
前記請求項６に記載の方法において、前記第１の撮影画像が、他の残りの撮影画像の画像強度を補正するための基準画像として用いられる。
【請求項８】
前記請求項１から５のいずれかに記載の方法において、前記撮影画像シーケンスのうちの１つが、他の残りの撮影画像シーケンスの画像強度を補正するための基準シーケンスとして用いられる。
【請求項９】
前記請求項８に記載の方法において、前記第１の撮影画像シーケンスが、他の残りの撮影画像の画像強度を補正するための基準として用いられる。
【請求項１０】
前記請求項１に記載の方法において、前記試料（２）は、前記試料（２）の表面の近くに欠陥のある基板又は工作物を有し、前記欠陥とは、前記試料（２）の表面から試料（２）の本体へ向かう熱流によって観察される熱流速度の勾配であり、
特定の欠陥の有無及び／又は深さ距離についての指標は、前記欠陥における前記試料（２）の表面からの深さ距離に関連づけられた、試料（２）を励起してからの時間距離で得られた各画像におけるホットスポット（１４）である。
【請求項１１】
前記請求項１に記載の方法において、前記指標の取り出しは、Δｔ２-Δｔ１により分割される前記カメラの熱画像撮影期間に対応する熱パルス量（ｈｅａｔ  ｐｕｌｓｅ  ｑｕａｎｔｉｔｙ）より少ない熱パルスに基づく。
【請求項１２】
熱流サーモグラフィを用いた試料（２）の非破壊かつ非接触の画像形成検査のためのシステムであって、前記検査では、試料（２）の表面からのそれぞれの深さ距離における熱流速度の勾配の有無を評価し、
前記システムは、
前記試料（２）を熱パルスによって励起するように構成された少なくとも一つの励起光源と、
表示装置を有する、信号及び画像処理コントローラとを備え、
前記コントローラは、
前記熱パルスによって少なくとも２回それぞれ独立して前記試料（２）を励起するように前記励起光源を制御し、
前記励起光源からの熱パルスに由来する熱流の複数の熱画像を撮影するようにカメラ（１２）を制御し、
前記熱画像を評価して時間及び位置分解能で熱流を示す、ように構成され、
前記システムにおいて、前記コントローラはさらに、
次の誘発された熱パルスいずれかのトリガーから、前記試料（２）の表面よりも深いそれぞれの深さ距離における熱流速度の勾配に対して特有の複数の時間距離Δｔｎにおける前記試料（２）の表面の複数の熱画像を撮影するようにカメラ（１２）を制御し、
前記複数の熱画像から、前記試料（２）の表面からのそれぞれの深さ距離における熱流速度の勾配の有無についての指標を取り出す、ように構成され、
前記コントローラは、前記複数の時間距離Δｔｎをそれぞれ独立して調節するようにさらに構成されていることを特徴とする。
【請求項１３】
前記請求項１２に記載のシステムにおいて、前記コントローラは、前記試料（２）の熱流速度の勾配のモデルから前記複数の時間距離Δｔｎを選択するようにさらに構成され、前記モデルはコントローラの中に保存されている。
【請求項１４】
前記請求項１２または１３に記載のシステムにおいて、前記コントローラは、前記カメラ（１２）を制御し、
前記第１の熱画像を含む複数の熱画像からなる第１のシーケンスを取得し、
前記試料（２）の表面の前記第２の熱画像を含む複数の熱画像からなる第２のシーケンスを取得し、
前記試料（２）の表面の別の複数の熱画像を含む熱画像からなる別のシーケンスを取得するようにさらに構成されている。
【請求項１５】
前記請求項１２に記載のシステムにおいて、前記指標の取り出しは、Δｔｎにより分割される前記カメラの熱画像撮影期間に対応する熱パルス量より少ない熱パルスに基づく。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱流サーモグラフィを用いた試料の非破壊かつ非接触の画像形成検査方法及びシステムに関し、この検査では、試料の表面からのそれぞれの深さ距離における熱流速度の勾配の有無を評価する。前記試料は、少なくとも一つの励起光源の熱パルスによって励起され、この熱パルスに由来する熱流の熱画像は、少なくとも一つの赤外線カメラで撮影される。この熱画像は、信号及び画像処理を用いて評価され、時間及び位置分解能で熱流を示す。
【背景技術】
【０００２】
層状物質の物理的熱的特性の非破壊かつ非接触の測定は、例えば、複数の正確な検出器に加えて正確なレーザー励起を用いて実行することができる（ロシア特許第２３４３４６５号）。ここで、表面を確実に測定するために、検出器に加えてレーザー光源を、検査対象の物質の表面に沿って動かす。しかしこの方法も、産業の製造に追い付くように適応していない
上述した層状物質の層構造を評価する公知の非破壊方法に加えて、例えば超音波、磁界、及び渦電流を用いた方法として、近年、アクティブ熱流サーモグラフィが画像測定方法において用いられている。この方法で用いる手順は、透過又は反射において表面温度の機能として測定される物質を通る熱輸送の評価に基づいている。この熱流は、単一のエネルギーパルス又は周期的に繰り返すエネルギーパルスによって励起され、その後赤外線カメラを用いて一連の画像として撮影される。画素に関連する熱流速度における勾配を分析することにより、層構造を通る熱線の時間的な挙動を示し、別の破壊又は接触方法で計測された層の厚さに関する、特有の数値が得られる（例えば、フーリエ変換又はロックイン相関）（『非破壊検査のための赤外線技術の理論及び実践』、Ｘａｖｉｅｒ  Ｐ．Ｖ．  Ｍａｌｄａｇｕｅ、ジョン・ウィリ＆サンズ社、２００１）。このような方法におけるパルス状の励起として、それぞれ加熱又は冷却用ガスを噴射（flash）（欧州特許第１２０３２２４号）又は短時間供給することができる（独国特許第１０２００６０４３３３９号）。
【０００３】
過去、非接触かつ非破壊検査方法として上記熱流サーモグラフィが用いられている。この方法によると、熱流を発生させるために少なくとも一つの励起源により試料を励起する。試料から直接放射される熱は、少なくとも一つの赤外線カメラによって連続した画像として撮影され、計算ユニットに伝達される。この演算ユニットでは様々な種類の画像が生成可能で、それにより、熱画像又は振幅又は位相画像がそれぞれ取得される（『非破壊検査のための赤外線技術の理論及び実践』、Ｘａｖｉｅｒ  Ｐ．Ｖ．  Ｍａｌｄａｇｕｅ、ジョン・ウィリ＆サンズ社、２００１）。
【０００４】
サーモグラフィにより結合部分を検査する方法は独国特許第１０２００１１２０  ８０８．２号に開示されており、ここでは、そのような熱的に薄い層における結合部分（例えば、抵抗溶接点又はレーザー溶接継目）について両方のパラメーターを検査することで計測可能な、画像、時間及び位置について高い分解能が設けられている。それによって、例えば検査対象の抵抗溶接点における溶接レンズが周囲（溶接用接着剤）と区別される。この状況で、物質の厚さに加えて励起光源の強度変化、物質表面の状態及び特性は、測定結果に実質的に影響がないとされている。したがって、得られた画像は、検査対象の溶接接合を介して熱流又は速度の絶対値をそれぞれ表すために用いられるのではなく、熱流の対応する位置における速度の違いを表すために用いられる。そのような画像としては、例えば、いわゆる位相画像を生成する赤外線ロックインサーモグラフィによって生成されるものがある（『非破壊検査のための赤外線技術の理論及び実践』、Ｘａｖｉｅｒ  Ｐ．Ｖ．  Ｍａｌｄａｇｕｅ、ジョン・ウィリ＆サンズ社、２００１）。そのような位相画像は、材料組立体における熱波の実行時間を示す。したがって、測定対象の物質結合の異なる像点間における熱伝導度の違いが可視化される。
【０００５】
ここで、高分解能のカメラ及びそれぞれの対物レンズを用いて、測定システムの幾何学分解能をほとんど任意で拡張してもよい。しかし、最大時間分解能はカメラシステムによって固定的に決定される。現在入手可能な復号器（例えば、フル画像モード＝６４０×５１２画素）を全て用いた場合、近年の赤外線カメラの検出器列によって達成可能な画像反復率は毎秒１００から２００枚の範囲である。これは、さらに薄い層又はいわゆる熱的に薄い層を構成する熱の動きが速い材料からなる層の温度応答信号を分解するには不十分である。
【０００６】
米国特許出願第２００５／０５６７８６号は、サーモグラフィ撮像法に用いる熱源の励起を制御するパルス制御装置を開示している。このパルス制御装置は、電源と、該電源に結合した熱源と、前記電源に結合して熱源に電力供給するように電源に信号を送る装置と、熱源への電力の供給を検知するセンサーと、該センサーに結合して継続時間を計測するフラッシュ継続モジュールと、該フラッシュ継続モジュールに結合して熱源で利用される電力をゲート制御するゲート装置とを備える。試料をサーモグラフィで評価するための方法も開示されている。ただし、この要約は、調査者や他の読者が素早く技術的開示の主題を理解できる要約を求める規則に従って述べられている。本要約は、特許請求の範囲の技術的範囲又は意味を解釈又は限定するためには使用されないとの理解に基づいて提出されるものである。
【０００７】
米国特許出願第２００５／００８２１５号は、サーモグラフィデータを集計する方法に関し、この方法は、試験片が有する単調に変化する特性を示すデータを取得することと、前記データ又は前記データの代理物を複数のグループに配列し、前記データの属性又は前記代理データの属性の度数分布を各グループ内でカテゴリー化することと、１又は複数のグループから、前記度数分布のうちの２つ以上を集めたものを集計することとを備える。
【０００８】
米国特許出願第２００３／１３７３１８号は、赤外線サーモグラフィを使用して、改善された欠陥検出及び解析を提供する方法及びシステムを述べている。テストベクタにより、テスト対象デバイスの各部分を加熱して欠陥を識別する際に有用な熱特性を生成する。テストベクタは、欠陥とそれを取り囲む部分との間の熱コントラストを高めるように調節されるので、ＩＲ撮像装置は改善されたサーモグラフ画像を取得することができる。いくつかの実施形態では、ＡＣ及びＤＣテストベクタを組み合わせることにより、電力伝送を最大化して加熱を加速し、それにより検査を加速する。改善された画像に数学的変換を適用することにより、欠陥検出及び解析をさらに加速する。欠陥のうちのいくつかは、画像アーチファクト又は、欠陥を見つけにくくして欠陥位置の特定を困難にする「欠陥アーチファクト」を生成する。また、いくつかの実施形態では、欠陥アーチファクトを解析して該当する欠陥の位置を正確に特定する欠陥位置特定アルゴリズムを採用する。
【０００９】
米国特許出願第２０１０／１６３７３２号によると、熱流サーモグラフィを用いる溶接継目の自動検査のための方法において、検出される熱流の時間経過を表す特徴ベクトルが規定される。特徴ベクトルは、一連の熱画像から、検査されるべき対象物を通る最小熱流に対応する第一特徴熱画像、及び、対象物を通る最大熱流に対応する第二特徴熱画像を決定するために用いられ、励起源からの直接の熱流は、すでに消散されている。適当な熱画像が、一連の熱画像から、種々の欠陥タイプの欠陥に対して溶接継目を検出及び評価するために用いられ、各欠陥タイプのために、特徴熱画像が、それぞれの適当な熱画像を決定するための基準として用いられる。
【００１０】
現在、これは、例えば１６×１６画素の高感度の検出器表面（部分的画像モード）を大きく制限することによって達成するように試みられているが、結果として幾何学分解能が失われることになり、それにもかかわらず、十分な時間分解能を確実に得ることができない。現在の層状物質は、主にそのようないわゆる熱的に薄い層からなる。したがって、高い時間及び位置分解能で層状物質の全体の層構造を検査することは、非常に経済的で技術的に価値があるものである。
【００１１】
製造ラインにおいて欠陥付近の表面をできるだけ早期に判断する観点から、高付加価値製品から故障箇所を防がなければならない。したがって、次の機械加工の前に原料部品から気泡、空孔、クラック等の欠陥を検出しなければならない。そのため、高い時間及び位置分解能で鋳造部品の表面を検査することは、非常に経済的で技術的に価値があるものである。
【発明の概要】
【００１２】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、熱流サーモグラフィ法を用いた試料の非破壊かつ非接触の画像形成検査のための方法及びシステムであって、前記検査では、試料の表面からの熱流速度の勾配（欠陥）の有無及び／又は深さ距離を高い時間及び位置分解能で評価する、方法及びシステムを提供することを目的とする。
【００１３】
この目的を達成するため、本発明に係る方法は請求項１の特徴を備える。この方法によると、毎秒少なくとも１００００フレームまでの隣接する無限の仮想フレームレートで熱画像を得られるように時間距離Δｔｎを選択しつつフルフレームカメラ（例えば、６４０×５１２画素のカメラ）を使用可能であるため、熱画像について要求される分解能を得ることができる。このような仮想フレームレートを用いると、試料がアルミニウム製、銅製、又は鋼製である場合に試料の材料によって放熱プロセスがそれぞれ０．５ｍｓ、５ｍｓ、又は５〜５０ｍｓであっても、試料が熱流を高速で放熱するのを計測できる。各試料について、測定プロセス全体を非常に短い時間、つまり２秒よりも短い時間内、で完了することができる。
【００１４】
換言すれば、検討対象の有用な熱画像はいくつかのループで取得され、各ループは励起パルスのトリガーと、次の検討対象の少なくとも一つの熱画像の記録と、ループの終端である記録と、からなる。
【００１５】
本発明に係る方法の好ましい実施形態によると、時間距離Δｔｎはそれぞれ独立して調節可能であり、時間距離Δｔｎを適切に選択することにより、所望の仮想フレームレートを設定することができる。
【００１６】
本発明に係る方法の好ましい実施形態によると、前記時間距離Δｔｎは、前記試料の熱流速度の勾配のモデルから選択される。前記モデルは、特定の試料の必要条件、例えばアルミニウム又は鋼で鋳造されたピストンにおける必要条件、に適応可能であるため、この特定の試料に対する時間距離は、必要とされる結果、つまり熱流速度の勾配（試料における欠陥）の存在及び深さの鮮明な画像、を受け取るように容易に設定できる。
【００１７】
本発明に係る方法の好ましい実施形態によると、上記方法は、前記第１の熱画像を含む複数の熱画像からなる第１のシーケンスを取得することと、前記試料の表面の前記第２の熱画像を含む複数の熱画像からなる第２のシーケンスを取得することと、前記試料の表面の別の複数の熱画像を含む熱画像からなる別のシーケンスを取得することと、をさらに含む。これにより、１ループあたり１つの画像のみを撮影するように構成されたカメラに加えて、熱画像のシーケンスを撮影するように構成されたカメラによって、半導体検出列を有する使用可能な赤外線カメラの範囲を拡大することができる。この場合、試料の検査でさらに対象となる有用な熱画像として各ループにおける各シーケンスの第１の画像を選択することが可能であり、この第１の画像を、その後同じループにおいて定義された時間距離で記録された画像と関連付けすることができる。
【００１８】
本発明に係る方法のさらに好ましい実施形態によると、全ての画像が同じ強度オフセットを有するように撮影画像のそれぞれの画像強度を補正する、又は、全ての撮影画像シーケンスが同じ強度オフセットを有するように撮影画像シーケンスのそれぞれの画像強度を補正する。これにより、評価対象のエリアにおいて、同じ位置であるが別々に励起されている強度値を比較できるように補正され、それによって、数学的に明確に処理することができる。
【００１９】
本発明に係る方法のさらに好ましい実施形態によると、前記撮影画像の１つが、他の残りの撮影画像の画像強度を補正するための基準画像として用いられる、又は、前記撮影画像シーケンスのうちの１つが、他の残りの撮影画像シーケンスの画像強度を補正するための基準シーケンスとして用いられる。それにより、すべての撮影画像に対して同じ強度が確実に得られる。
【００２０】
本発明に係る方法のさらに好ましい実施形態によると、前記第１の撮影画像が、他の残りの撮影画像シーケンスの画像強度を補正するための基準画像として用いられる、又は、別のシーケンスの第１の撮影画像が他の残りの撮影画像の画像強度を補正するための基準画像として用いられる。それにより、残りの前記画像を、後の処理のために補正して用いることができる。
【００２１】
本発明の別の態様によると、前記試料は、前記試料の表面の近くに欠陥のある基板又は工作物を有し、前記欠陥とは、前記試料の表面から試料の本体へ向かう熱流によって観察される熱流速度の勾配であり、特定の欠陥の有無及び／又は深さ距離についての指標は、前記欠陥における前記試料の表面からの深さ距離に関連づけられた、試料を励起してからの時間距離で得られた各画像におけるホットスポットである。
【００２２】
本発明の別の態様は、請求項１２のシステムを提供する。
【００２３】
本発明に係るシステムの好ましい実施形態によると、前記コントローラは、前記複数の時間距離Δｔｎをそれぞれ独立して調節するようにさらに構成されている。
【００２４】
本発明に係るシステムのさらに好ましい実施形態によると、前記コントローラは、前記試料の熱流速度の勾配のモデルから前記複数の時間距離Δｔｎを選択するようにさらに構成され、前記モデルはコントローラの中に保存されている。
【００２５】
本発明に係るシステムのさらに好ましい実施形態によると、前記コントローラは、前記カメラを制御し、前記第１の熱画像を含む複数の熱画像からなる第１のシーケンスを取得し、前記試料の表面の前記第２の熱画像を含む複数の熱画像からなる第２のシーケンスを取得し、前記試料の表面の別の複数の熱画像を含む熱画像からなる別のシーケンスを取得するようにさらに構成されている。
【００２６】
上述の記載から明らかなように、本発明に係る方法及びシステムは、サーモグラフィ曲線の熱流放熱曲線又は強度曲線の経時変化が速すぎて、フルレンジカメラ、例えば、６４０×５１４画素フルフレームのカメラ、が熱流の画像における強度の変化を記録できない場所で、試料又は基板における熱流速度の勾配を検出する場合に適用できる。換言すれば、本発明の方法は、カメラの速度、つまり、１秒当たり撮影可能なフレーム数、が遅すぎて熱流の画像において強度の変化を撮影できない場合に適用できる。例えば、６４０×５１２画素フルフレームのカメラは、毎秒２００フレームの速度を有するが、表面付近に欠陥のある上述の試料の検査の場合は、毎秒２０００フレームのフレームレート又は毎秒４０００フレームを超えるフレーム数が要求される。このような場合、試料の表面からの各深さ距離における熱流速度の勾配の有無についての指標を見つけるために熱画像が用いられる。時間距離Δｔｎを互いに独立して選択することができるため、熱流の記録の所望の仮想時間分解能を得ることができる。
【００２７】
本発明の実施形態は、フラッシュの後の位相がずれたトリガーで画像又はシーケンスの記録が開始するものではない方法又はシステムをさらに備える。ここで用いる用語は、原則的な機能を含む基本的な機構を述べるためだけに用いられる。ここで、フラッシュを発射する前に記録を開始し、以下の複数のフレームのいずれかが、この前後で用いられている本発明の目的に有用な第１のフレームである。
【００２８】
本発明のさらなる利点、特徴、潜在的な用途を、図面に示す実施形態と関連して以下の記載から得てもよい。
【００２９】
本説明、請求項、及び図面を通じて、用語及びそれに関連する参照符号は、添付の参照符号の一覧から分かるものとして用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明の実施形態による試料の反射における全体の熱流プロセスのそれぞれを撮影するシステムの模式図である。
【図２】図２は、試料から欠陥を示す熱画像を取得する原理を示す模式図である。
【図３】図３は、従来の赤外線カメラのフレームレートの画像を撮影するタイミングを示す模式図である。
【図４】図４は、それぞれ調節される各熱画像の時間遅延を有する画像シーケンスを撮影するタイミングを示す模式図である。
【図５】図５は、それぞれ調節される各熱画像の時間遅延を有する撮影画像のタイミングを示す模式図である。
【図６】図６は、それぞれ調節される各熱画像の時間遅延を有する撮影単一画像のタイミングを示す模式図である。
【図７】図７は、励起後の熱流の時間に対する強度の特性曲線を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１は、欠陥の一例として一般に空気を内包する孔４を有する試料２の反射における各熱流プロセスの全体を撮影するシステムの模式図である。試料は、金属基板、半導体基板、又は構造物の構成要素の上面であってもよい。基板２の表面６は、２つのフラッシュ灯８、１０のフラッシュパルスで励起され、フラッシュ灯８、１０による励起後の放熱中における表面の熱画像を撮るために、カメラ１２が試料６に向けられている
図２は、例えば銅製又はアルミニウム製のピストンである工作物であって、孔４を有する試料２に本発明の方法を適用した様子を示す。試料２はまた、高い熱流速度特性を有するものであれば、金属基板、半導体基板、又は構造物の構成要素の上面であってもよい。矢印Ｈで示すように、基板２は、図１に示すフラッシュ灯８、１０によってパルス状に再び加熱される。このように加熱されると、孔４は、基板において試料の表面６から試料２へと向かう（図２における上から下）熱流の障害となる。
【００３２】
孔４が熱流の障害となるのは、層状の勾配であるために基板２から孔４に向けて熱流速度が分布しているからである。孔４では、試料内部の熱流が妨げられて、その結果横方向への動きによって減衰して（図２に図示）ホットスポット１４を発生させる。ホットスポット１４の形状は孔４の形を反映しており、図２で示すように試料２において横方向に放熱する効果をもたらす。ホットスポット１４と基板の表面の残りの部分の画像１６が、カメラ１２によって矢印Ｐで示す方向に沿って撮影される。カメラ１２は、孔４で生成されたホットスポット１４がはっきりと見える画像１６を生成する。
【００３３】
孔４で反射した熱流によってホットスポット１４が生じるタイミングは試料２の表面６から孔４の上縁までの距離によって決まるので、孔４の画像は、孔４と表面６との間の熱流の実行による励起フラッシュに対して遅延する画像に現れる。したがって、基板の異なる深さにおける孔４等の様々な欠陥の場合、励起フラッシュから異なる時間距離で画像に現れる。上述のような方法で画像を撮影して評価することにより、基板２の孔の存在を確認できるだけでなく、励起フラッシュのトリガーからの各画像の時間遅延と関連づけることでそれぞれの欠陥の深さ位置も確認できる。
【００３４】
各撮影画像の強度値を補正しない限り、表面強度の評価された画素に関する機能の時間分解能は向上するが、明確な方法で数学的に処理することができない。上記補正において、第１の画像は基準として使用され、全ての撮影画像は同じ強度オフセットを有する。したがって、全ての撮影画像が同じ強度オフセットを有するように熱画像を補正するか、又は、全ての撮影画像シーケンスが同じ強度オフセットを有するように各撮影画像シーケンスを補正する。さらに、撮影画像のうちの一つが残りの撮影画像シーケンスの画像強度を補正するための基準として用いられるか、又は、第１の撮影画像が残りの撮影画像の画像強度を補正するための基準画像として用いられる。それにより、撮影画像の強度値がそれぞれ補正される。
【００３５】
図１及び図２に示すように、本発明に係るシステムは、表示装置を有する信号及び画像処理コントローラ１８を備える。コントローラ１８は励起光源８又は励起光源８、１０に接続され、熱パルスによって少なくとも２回それぞれ独立して試料２を励起するように励起光源８、１０を制御する。このコントローラ１８はカメラ１２にも接続され、励起光源８、１０からの熱パルスに由来する熱流の熱画像を撮影するようにカメラを制御する。コントローラ１８のプロセッサは、熱画像を評価し、熱流の時間及び位置分解能を示すように構成されている。コントローラ１８はさらに、次の誘発された熱パルスのいずれかのトリガーから、試料２の表面よりも深いそれぞれの深さ距離における熱流速度の勾配に対して特有の時間距離Δｔｎにおける試料２の表面の熱画像を取得するようにカメラ１２を制御するように構成されている。これらの熱画像から、試料２の表面からのそれぞれの深さ距離における熱流速度の勾配の有無の指標が、コントローラ１８によって取り出される。
【００３６】
特に、コントローラ１８はさらに、時間距離Δｔｎをそれぞれ独立して調節するように構成されている。好ましくは、コントローラ１８は、試料２の熱流速度の勾配のモデルから時間距離Δｔｎを選択するように構成されており、前記モデルはコントローラ１８に保存されている。
【００３７】
本発明のある実施形態において、コントローラ１８は、第１の熱画像を含む複数の熱画像からなる第１のシーケンスを取得し、試料２の表面の第２の熱画像を含む複数の熱画像からなる第２のシーケンスを取得し、試料２の表面の別の複数の熱画像を含む熱画像からなる別のシーケンスを取得するようにカメラ１２を制御するようにさらに構成されている。
【００３８】
以下、従来の赤外線カメラのフレームレートで画像を撮影するタイミングを模式的に示す図３を参照して本発明の背景を説明する。図３は、赤外線カメラで撮影された、例えば毎秒２００フレームのフレームレートの画像のシーケンスである３枚の画像を示す。上述したように、試料の表面における熱流特性に関して、フラッシュ励起で開始し、試料の表面における熱流特性に関してフラッシュ励起から平衡温度へ急激に減少するタイミングは０．５ｍｓから５ｍｓ以内である。有用な熱画像は熱流特性の放熱領域の間に撮影されなければならないので、図３から明らかなように、従来の赤外線カメラが有する毎秒２００フレームの通常のフレームレートは、いかなる試料の欠陥の有無及び深さ分布を分析するように適応していない。
【００３９】
図４は、フラッシュのトリガーに関する各熱画像の時間遅延をそれぞれ独立して調節できる画像を撮影するタイミングを模式的に示す。画像１のトリガーΔt１の後の変位は、例えば後で詳しく述べるように、アルミニウム製の試料２の表面から２２０μｍ下、又は、鋼製の試料の場合は試料２の表面から８．２μｍ下、にある欠陥にホットスポットが現れる、フラッシュ後０．５ｍｓに画像１が撮影されるように調節できる。
【００４０】
図４に示すように、ループ２の画像１は、フラッシュトリガーに対してΔｔ２遅延し、この時間差Δｔ２は、シーケンス同士の距離、つまりループ１の画像１の開始点からループ２の画像１までの差である距離Δｔ２−Δｔ１、を調節することで調節可能である。熱流特性の放熱領域の別の時間分解能がさらに必要な場合は、時間差Δｔｎを調節することでさらに別の画像を別のループに取り込み、ループ１の画像１で撮影された深さとループ２の画像１で撮影された深さとの間に位置する欠陥の画像を撮影する。ループの数は調節可能なので、試料の中の異なる深さに位置する欠陥同士の差を区別するために、任意の数のループを用いてもよい。
【００４１】
図５は、各熱画像の時間遅延をそれぞれ調節した、撮影画像シーケンスのタイミングを模式的に示す。図５において、カメラで撮影された熱放射発生の強度が、ミリセカンド単位の時間に対して任意の単位で示されている。図から明らかなように、ループ１のシーケンスの画像１は、Δｔ１だけ遅延し、ループ２のシーケンスの画像１はΔｔ２だけ遅延し、ループ３のシーケンスの画像１はΔｔ３だけ遅延し、ループ４のシーケンスの画像１はΔｔ４だけ遅延する。さらに、遅延Δｔ１と遅延Δｔ４との間の時間差は３ｍｓだけである（つまり、本発明で述べるカメラの仮想フレームレートは、カメラの法線フレームレートに対して非常に短い）一方、ループ１〜４のシーケンスの第２の画像は約１０ｍｓと離れており、通常の赤外線カメラでは必要な時間分解能が得られないことが明らかである。
【００４２】
図６は、各熱画像の時間遅延をそれぞれ調節した、撮影熱画像のタイミングを模式的に示す。図６は、単一の画像を撮影し、図５で用いたシーケンスを撮影しないという点以外は図５と非常に似ている。これにより、各ループの少なくとも２つの画像からなるシーケンスを記録する場合に比べて、試料画像記録ループ１〜４を検査するのに必要な時間をさらに短縮できる。
【００４３】
図７は励起後の熱流の時間に対する表面強度を示す特性曲線の例を示し、この曲線は、特定の試料、例えばアルミニウム製のピストン又は鋼製のピストン、に対する時間距離Δｔｎを選択するモデルとして用いられる。
【００４４】
図７のグラフは、鋼製のピストンの試料の場合を示す。図示された５つの曲線のパラメーターは、それぞれ深さ０．６ｍｍ、１．２ｍｍ、２．２ｍｍ、４．２ｍｍ、８．３ｍｍにおける試料内の欠陥の深さである。試料の表面から欠陥までの距離は、深さはｔに比例するという関係によって、時間（熱流の実行時間）と関連づけられる。したがって、欠陥が試料の表面から０．６ｍｍの深さにある場合は、フラッシュのトリガーの後０．２ｍｓ、つまり、０．６ｍｍのパラメーターの曲線が他の多くの曲線と互いに実質的に平行である時点、で有用な画像を撮影しなければならない。１．２ｍｍの深さについては、各時間遅延は０．８ｍｓである。２．２ｍｍのパラメーターの曲線における時間遅延は約２ｍｓであり、４．２ｍｍのパラメーターの曲線における時間遅延は約４ｍｓであるのに対し、８．３ｍｍの深さにおける欠陥はもはや確認できない。
【００４５】
ヒートスポットの期間は与えられた熱勾配によって決まり、逆もまた同様である。これが欠陥によって増大する。そのため、絶対的な加熱及び欠陥のサイズによっては、後にさらに深いところの欠陥を見つけたときに欠陥付近の表面が可視化する可能性がある。
【００４６】
別の例では、試料はアルミニウム製のピストンであり、試料の表面からの欠陥の深さは、０．５ｍｓ、１ｍｓ、及び５ｍｓの時間遅延に対してそれぞれ０．２２ｍｍ、０．３２ｍｍ、及び０．７０ｍｍである。したがって、試料を構成する異なる材料に対して時間遅延がそれぞれ異なる。しかし、有用な写真を撮影する時間遅延を試料における欠陥の深さに適応させる原則は、別の任意の材料についても適用できる。
【００４７】
上述の記載より、本発明は例示した２つの場合に限定されないことは明らかである。むしろ、本発明に係る方法は、カメラのスピード（毎秒のフレーム数）が熱流速度の勾配の有無及び／又は深さの位置を特定するのに必要な画像シーケンスを生成するのに不十分である全ての場合、例えば、基板又は工作物内の欠陥、同様の孔、及び切込み等に加えて異なる流速特性を有する層の境界面といった場合、にも適用できる。
【符号の説明】
【００４８】
２    試料
４    孔
６    表面
８    フラッシュ灯
１０    フラッシュ灯
１２    カメラ
１４    ホットスポット
１６    画像
１８    コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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