(57)【要約】  本発明は、熱流サーモグラフィ方法による試料の非破壊、非接触、および画像化検査のための方法を提供する。前記検査は、試料表面下の任意の熱流速変化の有無および／または深さ距離の値を評価することから成る。前記試料は少なくとも１つの励起源の熱パルスによって励起され、そこから発生する熱流は、熱画像の画像シーケンス内において、少なくとも１つの赤外線センサによって捕捉され、前記画像シーケンスから取得した熱画像は、信号および画像処理、ならびに時間および空間分解能によって熱流を表すことによって評価される。【選択図】図２
2015500476.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱流サーモグラフィ方法による、試料の非破壊、非接触および画像化検査方法であって、
前記検査は、前記試料の表面下における任意の熱流速変化の有無、および／または深さ距離の値を評価することから成り、
前記試料は少なくとも１つの励起源の熱パルスによって励起され、そこから発生する熱流は、少なくとも１つの赤外線センサにより、熱画像の画像シーケンスにおいて捕捉され、
前記画像シーケンスから取得された前記熱画像は、信号処理および画像処理、ならびに時間分解能および空間分解能における熱流の描出によって評価され、
前記方法は、
前記励起源からの前記熱パルスによって、相互に独立して少なくとも２回、前記試料を励起し、２回目の励起、および任意の続く励起は、先行する励起に関して時間遅延によって遅延し、捕捉された前記画像シーケンスが、画像シーケンス内の２つの画像間における時間内で、別に定義した時点から始まるステップと、
前記励起と前記試料からの熱応答信号とを含む独立した前記画像シーケンスにおいて、前記試料の前記少なくとも２回の励起処理により生成される各熱流過程全体を、前記赤外線センサによって検出するステップと、
捕捉されたすべての画像シーケンスと画像シーケンス全体とを合成し、すべての画像は、前記パルスのような励起点に関してタイミングを合わせたシーケンスに配置されるステップと、
前記画像シーケンス全体より、既知の方法で前記試料の表面からの熱流速変化の前記深さ距離の指標を抽出するステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記試料の表面からの熱流速変化の深さ距離の指標は、画素に関連する方法における、前記試料の表面領域に関連するランタイムパラメータを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記画像シーケンス全体は、画素に関連する強度曲線が、評価される領域において厳密な単調性（ｍｏｎｏｔｏｎｅｓ）挙動を含むように補正される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記試料への前記励起中に印加される熱の放散に関連して、任意の画像シーケンスは、平衡状態に達する時点まで延長する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記層材料は周期的に励起され、独立した各前記画像シーケンスの撮像始点は、前記周期的な励起の始点に関して、別に定義した時点に移動する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
独立した前記画像シーケンスの前記遅延は等しい時間配分でおこなわれる、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記独立した画像シーケンスの遅延における前記等しい時間配分の長さは、独立して捕捉された前記画像シーケンスｎの数によって除算された、画像シーケンス内の２つの画像間の時間の商として定義される、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
捕捉された各前記画像シーケンスの画像強度は、捕捉されたあらゆる画像シーケンスが同一の強度オフセットを有するように補正される、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
捕捉された前記画像シーケンスのうちの１つは、捕捉された残りの前記画像シーケンスにおける前記画像強度を補正するための参照シーケンスとして用いられる、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
捕捉された前記画像シーケンスのうちの第１の画像シーケンスは、捕捉された残りの前記画像シーケンスにおける前記画像強度を補正するための参照シーケンスとして用いられる、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記試料は、基層および少なくとも１つの追加層を含む層材料の層構造を含み、前記ランタイムパラメータは、前記画像シーケンス全体の画素に関して前記熱流過程から抽出され、そして、前記ランタイムパラメータから、前記層構造の表面からの熱流速変化の各深さ距離が算出されて、前記試料の前記層構造の表面領域を網羅する画像に合成される、請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項１２】
前記層材料の層構造全体のうちの少なくとも１つの層の再構成は、その物理的モデルに基づいておこなわれ、前記画像シーケンス全体の各前記画素に関する熱流過程の前記ランタイムパラメータは、前記層材料の前記各熱応答信号と、異なるランタイムの適切な長さのために先立って算出されたパルス応答信号とを相関させて抽出され、前記層構造の該当する層の拡散率値を用いて、前記抽出されたランタイムパラメータから、あらゆる膜厚値が算出される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記試料として、表面近傍の欠陥を含む基板または部材を含み、前記欠陥は前記試料表面から前記試料内部への前記熱流により起こる熱流速変化で表され、特定の欠陥の有無および深さ距離は、前記画像シーケンスの各画像におけるホットスポットで示され、前記各画像は、前記試料表面からの前記欠陥の深さ距離に関連して、前記試料の前記励起からの時間的距離で取得される、請求項１に記載の方法。
【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方法による、試料の非破壊、非接触、および画像化検査のための方法に関する。前記検査は、試料表面下の任意の熱流速変化（ｈｅａｔ  ｆｌｏｗ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ）の有無および／または深さ距離の値を評価することからなる。前記試料は少なくとも１つの励起源の熱パルスによって励起され、そこから起こる熱流は、少なくとも１つの赤外線センサによって画像シーケンス内において捕捉され、前記画像シーケンスから取得した熱画像は、信号および画像処理、ならびに時間および空間分解能で熱流を表すことによって評価される。
【背景技術】
【０００２】
層材料の物理的熱特性における非破壊および非接触測定は、例えば、時間的正確性を備えるレーザ励起と時間的正確性を有する複数の検出器（露国特許第２３４３４６５Ｃ１号）とによっておこなわれる。そこで、レーザビームと検出器とは、表面被覆測定を確実にするため、検査される物質の表面を移動する。しかし、この方法は、産業用工程に追いつくには至っていない。
【０００３】
層材料の層構造を評価する既知の非破壊法、例えば超音波、磁場および過電流を用いた方法などとは別に、アクティブ熱流サーモグラフィは、画像測定方法用に過去数年で確立されてきた。この方法で用いられる処理は、伝達または反射における表面温度の関数として測定される材料の熱輸送の評価に基づく。発生した熱流は、ひとつのエネルギーパルスによって、または周期的に反復するエネルギーパルスによって励起され、画像シーケンスにおいて赤外線センサで捕捉される。そして、画素に関する遷移の解析により、特徴的な値が抽出される（例えばフーリエ変換またはロックイン相関による）。この特徴的な値は層システムにおける熱波の時間的挙動を示し、そして、他の、破壊または接触法によって評価された膜厚値と相関する（「Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ｐｒａｃｔｉｃｅ  ｏｆ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  ５  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  Ｎｏｎ−ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  Ｔｅｓｔｉｎｇ」、  Ｘａｖｉｅｒ  Ｐ．Ｖ．  Ｍａｌｄａｇｕｅ、Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｓ  ＆Ｓｏｎｓ，  Ｉｎｃ．、（２００１））。このような方法のパルスのような励起として、フラッシュ（欧州特許第１  ２０３  ２２４  Ｂ１号）または加熱もしくは冷却ガスの短い印加がそれぞれ用いられ得る（独国特許第１０  ２００６  ０４３  ３３９  Ｂ４号）。
【０００４】
熱流サーモグラフィは、非接触および非破壊検査方法として過去数年で確立されてきた。この方法によると、試料は、熱流を発生するために、少なくとも１つの源によって励起される。試料からの直接の熱放射は、少なくとも１つの赤外線センサで画像シーケンスにおいて捕捉され、そして算出部に送達される。様々なタイプの結果画像がコンピュータ部で生成され、熱画像または、振幅画像もしくは位相画像がそれぞれ取得される。（Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ｐｒａｃｔｉｃｅ  ｏｆ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  Ｔｅｓｔｉｎｇ、  Ｘａｖｉｅｒ  Ｐ．  Ｖ．  Ｍａｌｄａｇｕｅ、Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ，  Ｉｎｃ．（２００１））。
【０００５】
サーモグラフィによる継手接合の検査方法は、独国特許第１０  ２００１  １２０  ８０８．２号に記載されている。時間的そして局所的な高分解能撮像が提供され、熱薄膜などから、時間的そして局所的パラメータにおいて継手接合（例えば、抵抗溶接点またはレーザ溶接シームなど）の検査測定をすることが可能である。例えば、検査される抵抗溶接点における溶接レンズは、周囲（溶接接着剤）から識別される。この場合、励起源の強度変化、材料表面の状態および特性、ならびに物質の厚みは、実質的に測定結果に影響しないこととされている。そのため、得られた画像は、検査される溶接接合において、熱流または熱流速の絶対値をそれぞれ示すのではなく、むしろ、熱流の局所的な速度差を示すように用いられる。このようにして得た画像は、例えば赤外線ロックインサーモグラフィによって生成され、いわゆる位相画像が生成される（Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ｐｒａｃｔｉｃｅ  ｏｆ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  Ｔｅｓｔｉｎｇ、Ｘａｖｉｅｒ  Ｐ．  Ｖ．  Ｍａｌｄａｇｕｅ、Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ，  Ｉｎｃ．、（２００１））。このような位相画像は、材料組立体の熱波のランタイムを示す。そして、検査される材料の接合部における異なる撮像ポイント間の熱伝導差が可視化される。
【０００６】
測定システムの幾何学的分解能は、高分解能カメラおよび各対物レンズによって、それぞれほぼ任意に拡張され得る。しかし、最高時間分解能は、カメラシステムによって固定的に規定される。現在入手可能なデコーダ素子を用いたとき、現在の検出マトリクスで取得できる反復撮像速度は（フル画像モード）、毎秒１００〜２００画像の範囲である。これは、より薄い層、またはいわゆる熱薄膜を形成する熱的感度が高い材料の層の熱応答信号を分解するには十分ではない。
【０００７】
現在、感知検出面を大きく制限すること、例えば１６×１６画素などで試みられている（部分画像モード）。しかし、幾何学的分解能の損失を招き、十分な時間分解能が確実とは言えない。現代の層材料は主にいわゆる熱薄膜からなる。それゆえ、層材料の層構造全体の、時間的および局所的高分解能を伴う検査は、特に経済的効率そして技術的に重要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本明細書では、熱流サーモグラフィ方法によって、試料の非破壊、非接触および画像化検査を提供することが本発明の目的である。熱流サーモグラフィ方法では、検査は、時間的および局所的高分解能で試料表面の任意の熱流速変化の深さ距離値を評価することから成り、熱材料パラメータは、産業工程下で、柔軟、迅速、そして確実に、再構成、検査される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的のため、本発明の方法は、励起源からの熱パルスによって、相互に独立して少なくとも２回、試料が励起され、２回目の励起、および続く任意の励起は、時間遅延によって先行する励起に関して遅延し、前記時間遅延により、捕捉されたシーケンスが、画像シーケンス内の２つの画像間における時間内で、別に定義した時点から始まること、励起処理と試料からの熱応答信号とを含む独立した画像シーケンスにおいて、試料を少なくとも２回、励起処理することで生成される各熱流過程全体を、赤外線センサによって検出すること、捕捉されたあらゆる画像シーケンスを、パルスのような励起点に関してタイミングを合わせたシーケンスにすべての画像が配置されている画像シーケンス全体に合成すること、そして、試料表面から熱流速変化の深さ距離を示すという既知の方法において、画像シーケンス全体から抽出すること、を含む。
【００１０】
本発明の特定の実施形態によると、試料は少なくとも１つのパルスのような励起源によって励起される。励起は、相互に独立して少なくとも２回おこなわれる。層材料の各熱流過程全体は、独立した画像シーケンスにおいて、少なくとも１つの赤外線センサにより検出される。各画像シーケンスは、励起処理と各層の熱応答信号を含んで、熱平衡の時点まで層材料が評価される。さらに、各捕捉画像シーケンスの開始が画像シーケンス内の２つの画像間における時間ｔ0内の別の定義点にくるように、各画像シーケンスは、パルスのような励起点に関して、遅延Δｔで捕捉される。そして、原理的に、伝達または反射における検査面の強度関数の時間的走査は確実になる。また、捕捉されたあらゆる画像シーケンスは、すべての画像がパルスのような励起時点に関してタイミングを合わせたシーケンスに配置されたシーケンス全体に合成される。これは、例えば、画像シーケンス全体からの画素関連強度曲線が適切に平滑化されることで達成されてもよい。そして、画像シーケンス全体は、層材料の全層構造の少なくとも１つの層を再構成するために用いられる。このため、パラメータが、向上した局所的（完全画像モード）および時間的分解能を有する画像シーケンス全体の画素に関する各熱流過程から抽出される。そして、そこから算出した各膜厚値は、すべての領域を網羅する画像に合成される。
【００１１】
本発明の方法の好ましい実施形態によると、試料表面からの熱流速変化の深さ距離の指標には、画素に関する方法における試料の表面領域に関するランタイムパラメータτを含み、パラメータは、欠陥の位置を評価するための有利な始点である。
【００１２】
本発明の方法のさらなる好ましい実施形態によると、画像シーケンス全体は、画素関連強度曲線が、評価される領域において厳密な単調性（ｍｏｎｏｔｏｎｅｓ）挙動を含むように補正される。画像シーケンス全体は、画像シーケンス全体の画素関連強度曲線が、検査される領域において厳密な単調性挙動を含むように補正され、そして、明確な方法で計算処理をしてもよい。
【００１３】
本発明の方法のさらなる好ましい実施形態によると、任意の画像シーケンスは、全体の熱流処理をおこなうための試料の励起中に印加される熱の放散に関して、平衡状態に達する時点まで延長する。
【００１４】
本発明の方法のさらなる好ましい実施形態によると、層材料の周期的励起が用いられ、各独立画像シーケンスの撮像始点は、周期的励起の始点に関して、別の定義点に移動する。また、各独立画像シーケンスの撮像始点は、周期的励起の始点に関して移動する。そして、画素関連強度曲線の空間および時間における高分解能解析がロックイン相関よって可能になり、層システムにおける熱波時の挙動を表す特性値は、前記ロックイン相関から抽出される。
【００１５】
本発明の方法のさらなる好ましい実施形態によると、独立画像シーケンスの遅延は、等しい時間配分でおこなわれる。本発明の好ましい実施形態によると、独立画像シーケンスの遅延Δｔは、等しい時間配分である。これは、層材料の層構造全体のうち少なくとも１つの層を再構成するために用いられる画像シーケンス全体をつくり上げる特徴になる。
【００１６】
本発明の方法のさらなる好ましい実施形態によると、独立画像シーケンスの遅延時間Δｔにおける等配分の長さは、独立して捕捉された画像シーケンスｎの数によって除算された、画像シーケンス内の２つの画像間の時間ｔ０の商として定義される。そして、検査時の分解能の向上は、捕捉された画像シーケンスの数に比例的に結び付けられる。
【００１７】
本発明の方法のさらなる好ましい実施形態によると、捕捉された各画像シーケンスの画像強度は、すべての捕捉画像シーケンスが同一の強度オフセットを有するように補正される。これは、位置的に同一だが異なる画像シーケンスから派生する強度値が、検査される領域において厳密な単調性挙動を有し、それゆえ、明確に計算処理をされる各画素関連強度曲線に合成されることを確実にする。
【００１８】
本発明の方法のさらなる好ましい実施形態によると、捕捉された画像シーケンスのうちの１つは、捕捉された残りの画像シーケンスの画像強度を補正するための参照シーケンスとして用いられる。そのようにして、前述の同一の強度を、捕捉されたあらゆる画像シーケンスにとって確実にする。
【００１９】
本発明の方法のさらなる好ましい実施形態によると、第一捕捉画像シーケンスは、捕捉された残りの画像シーケンスにおける画像強度を補正するための参照シーケンスとして用いられる。そして、残りの画像シーケンスは、さらなる処理の補正に用いられてもよい。
【００２０】
本発明の方法の別の態様によると、試料は、基層および少なくとも１つの追加層を含む層材料を含み、ランタイムパラメータは、画像シーケンス全体の画素に関して各熱流過程から抽出され、そして、前記ランタイムパラメータによって、層構造の表面から熱流速変化の各深さ距離値が算出されて、試料の層構造の表面領域を網羅する画像に合成される。
【００２１】
層材料構造に対する本発明の方法の適用は、本発明の方法によって可能な多くの適用のうちのただ１つのみである。層材料構造の場合、少なくとも２つの層のうちの１つと隣接層との間の接触面では、１つの層の熱流速ともう１つ層の熱流速との間で熱流速変化が形成される。２つの層が存在することから、定義される熱流速は２つの層において異なる。そのため、熱流速変化の深さ距離は、励起および試料内に入る熱の放散によって取得される熱画像を解析して測定されてもよい。
【００２２】
本発明の方法のさらなる好ましい実施形態によると、層材料の層構造全体のうちの少なくとも１つの層の再構成は物理的モデルに基づいておこなわれ、画像シーケンス全体の画素に関する各熱流過程のランタイムパラメータは、層材料の各熱応答信号と、異なるランタイムの適切な長さのために先立って算出されたパルス応答信号とを相関させて抽出される。また、あらゆる膜厚値は、層構造の該当する層の拡散率値を用いて、検出されたランタイムパラメータから算出される。この本発明の方法の有利な実施形態は、時間を節約し、そして層構造の少なくとも２つの層の間の境界表面または接触面の深さ距離の評価方法そのものを含む。
【００２３】
本発明の方法のさらなる好ましい実施形態によると、層材料の層構造全体のうちの１つの層の再構成、つまり、層とその下の層との間の接触面の再構成は、物理的モデルに基づいておこなわれ、画像シーケンス全体の画素に関する各熱流過程のランタイムパラメータは、層材料の各熱応答信号と、異なるランタイムの適切な長さのために先立って算出されたパルス応答信号とを相関させて抽出される。また、あらゆる膜厚値は、層構造の該当する層の拡散率値を用いて、検出されたランタイムパラメータから算出され、様々なランタイムτの適切な長さのパルス応答ｈ（τ）は予め算出される。その後、層材料の少なくとも１つの層の最適なランタイムパラメータτを、画像シーケンス全体の画素に関する各熱流過程から抽出するために、パルス応答ｈ（τ）は層材料の各熱応答信号に等化される。この方法で、ランタイムパラメータτの迅速で柔軟、そして正確な算出が確実におこなわれる。そして、各膜厚値ｄは、予め得た該当層の拡散率値αを用いて、抽出されたランタイムパラメータτから算出される。いわゆるキャリブレーションノーマルの広範囲なまたは不可能ですらある定義は、所望の膜厚値ｄの評価パラメータを算出するために省略されてもよい。このように、層材料の層構造全体のうちの少なくとも１つの層について、キャリブレーションの必要のない、定量的再構成が確実になる。
【００２４】
本発明は、特に、層材料の層構造全体の、非破壊、非接触そして画像測定の方法に関する。また、ランタイムτなどのパラメータ、および、例えば層材料の個別層の厚さｄまたは拡散率αなどの特性をそれぞれ測定または制御してもよい。同様に、産業用シーケンス製造において、材料の様々な内部欠陥を検査してもよい。
【００２５】
本発明の方法の別の態様によると、試料として基板表面近傍の欠陥を含む基板または部材を含み、その欠陥は試料表面から試料内部への熱流により起こる熱流速変化で表される。また、特定の欠陥の有無および深さ距離は、画像シーケンスの各画像におけるホットスポットで示され、各画像は、試料表面からの欠陥の深さ距離に関連して、試料の励起からの時間的距離で取得される。
【００２６】
前述から明らかなように、本発明の方法は、試料または基板内の熱流速変化が検出される場合に適用可能であるが、サーモグラフィ曲線の熱流放散曲線または強度曲線時の変化は至って速いので、例えば６４０×５１４画素フルフレームカメラなどのフルレンジカメラは熱流画像の強度変化を記録できない。言い換えると、本発明の方法は、カメラの速度、つまり秒毎に撮影されるフレーム数が、熱流画像における強度変化を捕捉するには遅い場合に適用可能である。例えば、６４０×５１４画素フルフレームのカメラは毎秒２００フレームの速度であるが、表面に隣接した欠陥を有する層構造または基板の検査の場合には、毎秒２０００フレームのフレームレートであることが望ましい。この場合、熱流記録の時間分解能を向上させるため、２つ以上の画像シーケンスがインタリーブされてもよい。
【００２７】
本発明の実施形態は、さらなる特徴、適用性および有利性と共に、図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明のひとつの実施例として、基層上の上部層により形成される層材料の反射において、各熱流過程全体を捕捉するための装置を概略的に示す。
【図２】図２は、先行画像シーケンスに対してそれぞれ遅延Δｔを有する５つの画像シーケンスの捕捉タイミングを概略的に示す。
【図３】図３は、５つの画像シーケンスの、まだ補正されていない撮像点の強度値を表す曲線を概略的に示す。
【図４】図４は、５つの画像シーケンスの撮像点の補正した強度値を表す曲線を概略的に示す。
【図５】図５は、２層材料のランタイムパラメータτを評価するため、撮像点において補正したシーケンス全体の特性曲線を示す。
【図６】図６は、本発明の方法の別の実施例として、欠陥を有する基板の反射において、各熱流過程全体を捕捉するための装置を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
＜第１の実施例＞
第１の実施例では、材料１は、上部層２が基層３上に配置されるような、２つの層から形成される（図１）。材料１は、サーモグラフィシステムによって検査される。励起源４としてフラッシュが用いられ、検査される前記材料１は５回励起される。独立した画像シーケンスは、パルスのような各励起で、反射において、赤外線センサ５によって捕捉される（図２）。層材料１における各画素に関する熱流過程全体が捕捉される。各画像シーケンスは、パルスのような励起点に関して遅延Δｔを伴って捕捉され、これにより、第１の画像シーケンスの始点は励起の直後にあり、第２の画像シーケンスは、画像シーケンス内の２つの画像間の時間ｔ０の５分の１である遅延Δｔを伴って捕捉され、そして、第３の画像シーケンスは、時間ｔ０の５分の２である遅延Δｔを伴って捕捉される、というように続く。すべての画像は、各画像シーケンス内で、パルスのような励起点に関して合わせた正確なシーケンスに配置される。そして、各画像シーケンスは、励起処理、そして熱均衡の時点までの、層材料１において検査される各層の熱応答信号を含む。
【００３０】
捕捉された画像シーケンスの各強度値が補正されない場合（図３）、各強度値は、表面強度の画素関連機能の評価において分解能の向上を示すが、評価領域において厳密な単調性挙動を含まないようなシーケンス全体の画素関連強度曲線を形成する。それゆえ、明確な方法で計算処理をすることができない。この補正の後、第１の画像シーケンスは、当該実施例における参照シーケンスとなり、捕捉されたあらゆる画像シーケンスは、同一の強度オフセットになる。そして、評価される領域において、合成したすべての各画素関連強度曲線は（励起後）、厳密に単調になる（図４）。
【００３１】
そして、画像シーケンス全体は、その物理的モデル、および励起源４の既出の励起信号から始まる、層材料１の層構造全体の再構成のために用いられる。このため、異なるランタイムτの適切な長さのためのシステム全体ののパルス応答ｈ（τ）は、例えば、逆ラプラス変換（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈｅａｔ  ｉｎ  Ｓｏｌｉｄｓ，  ２ｎｄＥｄｉｔｉｏｎ，  Ｃａｒｓｌａｗ  Ｈ．Ｓ．およびＪａｅｇｅｒ  Ｊ．Ｃ．，  Ｃｌｅａｒｅｎｄｏｎ  Ｐｒｅｓｓ  Ｏｘｆｏｒｄ，  １９５９，  ２９７〜３２６ページ）によって、検査される材料１の物理的モデルから予め算出される。そして、層材料１の各熱応答信号は、例えば、最小二乗法によって、数学的に等化される（Ｔａｓｃｈｅｎｂｕｃｈ  ｄｅｒ  Ｍａｔｈｅｍａｔｉｋ，  Ｉ．Ｎ．  Ｂｒｏｎｓｔｅｉｎ，  Ｋ．Ａ．  Ｓｅｍｅｎｄｊａｊｅｗ．，  ２５ｔｈｅｄｉｔｉｏｎ，  Ｂ．Ｇ．  Ｔｅｕｂｎｅｒ  Ｖｅｒｌａｇｓｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ，  Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ，  ＬｅｉｐｚｉｇおよびＶｅｒｌａｇ  Ｎａｕｋａ，Ｍｏｓｋａｕ，  １９９１）。最適なランタイムパラメータτｕｐｐｅｒおよびτｂａｓｅは、画像シーケンス全体の強度曲線の各領域から抽出され（図５）、ここで、τｕｐｐｅｒは上部層２のランタイムパラメータであり、τｂａｓｅは、２層材料１の基層３のランタイムパラメータである。そして、検査される層材料の各膜厚値ｄｕｐｐｅｒおよびｄｂａｓｅは、既知の評価法によって、既出の拡散率値αｕｐｐｅｒおよびαｂａｓｅを用いて算出され（Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ｐｒａｃｔｉｃｅ  ｏｆ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  ５  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  Ｔｅｓｔｉｎｇ，  Ｘａｖｉｅｒ  Ｐ．  Ｖ．  Ｍａｌｄａｇｕｅ，  Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ，  Ｉｎｃ．，２００１，５２７〜５３６ページ）、これは、
ｄ＝√ατ
で表される。
【００３２】
その後、これらの値は、全領域を網羅する画像に合成される。
【００３３】
要約すると、層材料１の層構造全体の評価がおこなわれ、評価は、時間的空間的に高分解能の画像によっておこなわれ、両パラメータに関して測定可能である。そして、熱性材料のパラメータのキャリブレーション不要で定量的な再構成は、産業的条件において、柔軟、迅速そして確実におこなわれる。
【００３４】
＜第２の実施例＞
図６は、試料が、例えば空気を含む通常の孔であるような欠陥１１を有する基板１０である場合の本発明の方法の実施例を示す。基板は、金属基板、半導体基板、または、高熱流速を有する金属ピストンなどの構成部材表面であってもよい。基板１０は、矢印Ｈで示すように、例えばフラッシュなどのパルス状である熱源（図示せず）によって温められる。このように温められた場合、孔１１は、基板の表面１２から始まって基板内部へ向かう基板における熱流にとって障害になる（図６において上部から底まで）。
【００３５】
基板１０から孔１１への熱流速が変化するので、孔１１は熱流に対して障害になる。孔１１において、熱流は再び上方向に向かい（図６参照）、ホットスポット１３をつくり、前記ホットスポット１３の形状には、基板１０における側方熱の放散作用を加えた孔１１の形状が反映される（図６参照）。孔１１の下の領域１４（図６参照）は孔１１の「影」になるので、基板の他の部分とは異なる温められ方になる。
【００３６】
基板のホットスポット１３および残りの表面部分の画像は、カメラ１５によって、矢印Ｐの線に沿って捕捉される。カメラ１５は画像１６を生成し、孔１１によって作り出されるホットスポット１３は明確に可視化される。
【００３７】
ホットスポット１３が孔１１から反射される熱流によって作り出されるときの時間は、基板１０の表面１２から孔１１の上部境界の間の距離に依存するので、孔１１の画像は、励起フラッシュに関して、孔１１と表面１２との間の熱流のランタイムによって遅延した画像に現れる。それゆえ、孔１１などの様々な欠陥の場合、異なる基盤の深さは、励起フラッシュからの異なる時間距離の画像において表れる。前述のように画像シーケンスを評価することで、基板１０の任意の孔の有無だけでなく、励起フラッシュによる各画像の時間遅延と相関させることで各欠陥の深さ位置を検証できる。
【００３８】
本発明が、実施例として開示された２つの実施例に制限されないということは、本明細書から明らかである。むしろ、本発明の方法は、カメラの速度（毎秒フレーム数）が、１つの画像シーケンスに基づいて任意の熱流速変化の有無および／または深さ位置を特定するために必要とされる画像シーケンスを生成するのに不十分であるような、あらゆる場合に適用可能である。例としては、層構造において異なる熱流速特性を有する複数の層の間の境界面、または、基板、もしくは車両モータのためのピストンなどの部材の穴、孔、およびき裂等の欠陥などである。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成26年8月19日(2014.8.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱流サーモグラフィ方法による、試料の非破壊、非接触および画像化検査方法であって、
前記検査は、前記試料の表面下における任意の熱流速変化の有無、および／または深さ距離の値を評価することから成り、
前記試料は少なくとも１つの励起源の熱パルスによって励起され、そこから発生する熱流は、少なくとも１つの赤外線センサにより、熱画像の画像シーケンスにおいて捕捉され、
前記画像シーケンスから取得された前記熱画像は、信号処理および画像処理、ならびに時間分解能および空間分解能における熱流の描出によって評価され、
前記方法は、
前記励起源からの前記熱パルスによって、相互に独立して少なくとも２回、前記試料を励起し、２回目の励起、および任意の続く励起は、先行する励起に関して時間遅延によって遅延し、捕捉された前記画像シーケンスが、画像シーケンス内の２つの画像間における時間内で、別に定義した時点から始まるステップと、
前記励起と前記試料からの熱応答信号とを含む独立した前記画像シーケンスにおいて、前記試料の前記少なくとも２回の励起処理により生成される各熱流過程全体を、前記赤外線センサによって検出するステップと、
捕捉されたすべての画像シーケンスと画像シーケンス全体とを合成し、すべての画像は、前記パルスのような励起点に関してタイミングを合わせたシーケンスに配置されるステップと、
前記画像シーケンス全体より、前記試料の表面からの熱流速変化の前記深さ距離の指標を抽出するステップと、を含み、
前記画像シーケンス全体の画素に関する熱流過程から、ランタイムパラメータが抽出され、
前記ランタイムパラメータから、前記試料の表面からの熱流速変化の深さ距離が算出されて、前記試料の前記表面領域を網羅する画像に合成される、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記試料の表面からの熱流速変化の深さ距離の指標は、画素に関連する方法における、前記試料の表面領域に関連するランタイムパラメータを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記画像シーケンス全体は、画素に関連する強度曲線が、評価される領域において厳密な単調性（ｍｏｎｏｔｏｎｅｓ）挙動を含むように補正される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記試料への前記励起中に印加される熱の放散に関連して、任意の画像シーケンスは、平衡状態に達する時点まで延長する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記層材料は周期的に励起され、独立した各前記画像シーケンスの撮像始点は、前記周期的な励起の始点に関して、別に定義した時点に移動する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
独立した前記画像シーケンスの前記遅延は等しい時間配分でおこなわれる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記独立した画像シーケンスの遅延における前記等しい時間配分の長さは、独立して捕捉された前記画像シーケンスｎの数によって除算された、画像シーケンス内の２つの画像間の時間の商として定義される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
捕捉された各前記画像シーケンスの画像強度は、捕捉されたあらゆる画像シーケンスが同一の強度オフセットを有するように補正される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
捕捉された前記画像シーケンスのうちの１つは、捕捉された残りの前記画像シーケンスにおける前記画像強度を補正するための参照シーケンスとして用いられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
捕捉された前記画像シーケンスのうちの第１の画像シーケンスは、捕捉された残りの前記画像シーケンスにおける前記画像強度を補正するための参照シーケンスとして用いられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記試料は、基層および少なくとも１つの追加層を含む層材料の層構造を含み、前記基層のためのランタイムパラメータおよび前記追加層のためのランタイムパラメータは、前記画像シーケンス全体の画素に関して前記熱流過程から抽出され、そして、前記ランタイムパラメータから、前記層構造の表面からの熱流速変化の各深さ距離が算出されて、前記試料の前記層構造の表面領域を網羅する画像に合成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記層材料の層構造全体のうちの少なくとも１つの層の再構成は、その物理的モデルに基づいておこなわれ、前記画像シーケンス全体の各前記画素に関する熱流過程の前記ランタイムパラメータは、前記層材料の前記各熱応答信号と、異なるランタイムの適切な長さのために先立って算出されたパルス応答信号とを相関させて抽出され、前記層構造の該当する層の拡散率値を用いて、前記抽出されたランタイムパラメータから、あらゆる膜厚値が算出される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記試料として、表面近傍の欠陥を含む基板または部材を含み、前記欠陥は前記試料表面から前記試料内部への前記熱流により起こる熱流速変化で表され、特定の欠陥の有無および深さ距離は、前記画像シーケンスの各画像におけるホットスポットで示され、前記各画像は、前記試料表面からの前記欠陥の深さ距離に関連して、前記試料の前記励起からの時間的距離で取得される、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記ランタイムパラメータは、前記画像シーケンス全体の強度曲線の領域から抽出される、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記基層のためのランタイムパラメータおよび前記追加層のためのランタイムパラメータは、前記画像シーケンス全体の前記強度曲線の各領域から抽出される、請求項１１に記載の方法。
【国際調査報告】
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