(57)【要約】【課題】  本発明は、ＩＲサーモグラフィ・イメージング・システム用ＩＲランプのフラッシュ持続時間を能動的に制御する方法に関する。【解決手段】  赤外線（「ＩＲ」）サーモグラフィ・イメージング・システム（３０）は、撮像されることになる対象物（４０）の表面（４２）を加熱するランプ（１２）と、該ランプを消光する能動消光手段（１４）と、対象物のいくつかのＩＲ画像フレームを取り込むＩＲカメラ（３２）とを含む。フラッシュ持続時間を能動的に制御する方法は、初期制御信号Ｔ０、ランプ制御信号Ｔ１及び制御信号Ｔ２を生成する段階と、初期制御信号Ｔ０に応答して消光手段を作動させてランプに電流Ｉを流す段階と、ランプ・トリガ信号Ｔ１に応答してランプを作動させる段階と、制御信号Ｔ２に応答して消光手段の電源を遮断してランプに対する電流Ｉの供給を停止する段階とを含む。【選択図】      図９
2005043369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線サーモグラフィ・イメージング・システム（３０）であって、
撮像されることになる対象物（４０）の表面（４２）を加熱するように構成された少なくとも１つのランプ（１２）と、
前記少なくとも１つのランプを消光するように構成された少なくとも１つの能動消光手段（１４）と、
前記対象物の複数の赤外線画像フレームを取り込むように構成された赤外線カメラ（３２）と、
を含む赤外線サーモグラフィ・イメージング・システム（３０）。
【請求項２】
前記能動消光手段（１４）が、初期制御信号Ｔ０及び制御信号Ｔ２を受信するように構成され、前記能動消光手段が、前記初期制御信号Ｔ０に応答して前記ランプ（１２）に電流Ｉを流しかつ前記制御信号Ｔ２に応答して前記ランプを消光するようにさらに構成されている、請求項１記載の赤外線サーモグラフィ・イメージング・システム（３０）。
【請求項３】
前記能動消光手段（１４）が、高電圧高電流スイッチ（１３）を含み、前記高電圧高電流スイッチが、初期制御信号Ｔ０に応答して閉じかつ制御信号Ｔ２に応答して開く、請求項２記載の赤外線サーモグラフィ・イメージング・システム（３０）。
【請求項４】
前記初期制御信号Ｔ０及び制御信号Ｔ２を提供しかつランプ・トリガ信号Ｔ１を提供するように構成されたタイミング発生装置（２２）をさらに含み、前記ランプ（１２）が、前記ランプ・トリガ信号Ｔ１に応答して作動する、請求項３記載の赤外線サーモグラフィ・イメージング・システム（３０）。
【請求項５】
前記能動消光手段（１４）が、論理レベル信号を受信しかつそれに応答してスイッチ駆動信号を生成するように構成されたスイッチ駆動回路（１５）をさらに含み、前記制御信号Ｔ２が論理レベル信号であり、前記高電圧高電流スイッチ（１３）が、前記制御信号Ｔ２に対応する前記スイッチ駆動信号に応答して開く、請求項２記載の赤外線サーモグラフィ・イメージング・システム（３０）。
【請求項６】
前記スイッチ駆動信号がスイッチ駆動電圧信号である、請求項５記載の赤外線サーモグラフィ・イメージング・システム（３０）。
【請求項７】
前記高電圧高電流スイッチ（１３）が、出力半導体スイッチを含む、請求項３記載の赤外線サーモグラフィ・イメージング・システム（３０）。
【請求項８】
前記高電圧高電流スイッチ（１３）が、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（１７）を含む、請求項３記載の赤外線サーモグラフィ・イメージング・システム（３０）。
【請求項９】
前記ランプ（１２）が、ハロゲン・ランプを含む、請求項８記載の赤外線サーモグラフィ・イメージング・システム（３０）。
【請求項１０】
前記ランプ（１２）が、フラッシュ・ランプを含む、請求項８記載の赤外線サーモグラフィ・イメージング・システム（３０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には赤外線（「ＩＲ」）サーモグラフィに関し、より具体的にはＩＲサーモグラフィ・イメージング・システム用ＩＲランプのフラッシュ持続時間を能動的に制御することに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＲ過渡サーモグラフィ（ＩＲ  ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  ｔｈｅｒｍｏｇｒａｐｈｙ）は、対象物を通過する熱転移の時間的測定値に基づいて対象物の構造及び健全性に関する情報を得る汎用非破壊試験法である。対象物を通過する熱流は、対象物の材料のミクロ構造及び単結晶方位によって実質的影響を受けないため、ＩＲ過渡サーモグラフィ解析には、壁圧を測定するのに用いられる別の種類の非破壊評価法である超音波測定において生じるような制約が本質的にない。大部分の超音波法とは対照的に、過渡サーモグラフィ解析法は、試験する対象物の大きさ、輪郭又は形状により大きな拘束を受けず、さらに表面積が大きい対象物を試験する場合に、大部分の従来の超音波法よりも１０倍から１００倍の速さで実施することができる。
【０００３】
固体の非金属複合材内の傷の大きさ及び「相対的」位置（深さ）を測定する能力を提供する１つの公知の過渡サーモグラフィの最新用途が、特許文献１に開示されている。基本的に、この方法は、関心のある対象物の表面を加熱する段階と、対象物の表面上の極小領域すなわち「分解要素」の経時温度変化を記録する段階とを含む。これらの表面温度変化は、対象物を通過する熱流の動特性に関連しており、この動特性が傷の存在によって影響を受ける。従って、大きさ及び傷の「相対的」深さ（すなわち、対象物内の他の傷に対する）を示す値は、対象物の表面全体にわたる各分解要素に生じる温度変化の綿密な解析に基づいて求めることができる。
【０００４】
過渡サーモグラフィを用いて正確な温度測定値を得るためには、対象物の表面を十分に短い時間で特定の温度まで加熱し、対象物の残部のあらゆる大きな加熱を避けなければならない。適切な大きさ及び持続時間の熱パルスを生成するために、供試対象物の厚さ及び材料特性に応じ、クォーツ・ランプ又は高輝度フラッシュ・ランプが従来から用いられている。いったん対象物の表面が加熱されると、表面全体にわたる熱変化のグラフィック記録が収集及び解析される。
【０００５】
従来から、加熱後の対象物表面の連続熱画像（フレーム）を記録及び格納するのに、ＩＲビデオ・カメラが用いられている。各ビデオ画像は、固定数の画素で構成されている。この関係において、画素は、撮像される対象物の表面上の、「分解要素」と呼ばれる長方形の領域に対応する画像アレイ又は画像フレーム内の小さい画像素子である。各分解要素における温度が対応する画素の強度に直接関係するため、対象物表面上の各分解要素における温度変化を、画素コントラストの変化の観点から解析することができる。各画素に対するコントラスト・データがその後タイム・ドメインで（すなわち、多くの画像フレーム全体にわたって）解析されて、コントラスト曲線データの「変曲点」の発生時刻を特定し、この発生時刻が対象物内の傷の相対的深さと数学的に関連づけられる。
【０００６】
上述したように、検査対象物の表面がＩＲフラッシュによって加熱された後に、データ収集が開始される。従来のＩＲフラッシュを図８に示す。図８に示すように、フラッシュは、指数関数的漸減部（指数形テール部分）を有し、この指数形テール部分が対象物の表面を加熱し続ける。薄い部品をイメージングする場合には、初期フレームを解析する必要があり、破棄してはならない。本明細書で使用する場合、「初期フレーム」というのは、一連の画像の開始時点におけるフレームを意味する。しかしながら、初期フレームの収集中、指数形テール部分が対象物の表面を加熱し続けるために、初期フレーム内の熱情報は、フラッシュの指数形テール部分により歪曲される。その結果、ＩＲサーモグラフィを用いての薄い対象物の解析には、現在のところ、フラッシュの指数形テール部分のため限界がある。
【特許文献１】特開平１０−１４２１７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、ＩＲサーモグラフィ用フラッシュの持続時間を制御することは、望ましいといえる。さらに、ＩＲサーモグラフィ用フラッシュの持続時間を能動的に制御して、任意の用途に対して所望のフラッシュ持続時間を選択することができるようにすることは、望ましいといえる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
要約すると、本発明の一実施形態によると、能動消光式ランプは、ランプと、該ランプを消光するように構成された能動消光手段とを含む。
【０００９】
さらに、赤外線（「ＩＲ」）サーモグラフィ・イメージング・システムの実施形態を開示する。ＩＲサーモグラフィ・イメージング・システムは、撮像されることになる対象物の表面を加熱するように構成された少なくとも１つのランプと、該少なくとも１つのランプを消光するように構成された少なくとも１つの能動消光手段と、対象物のいくつかのＩＲ画像フレームを取り込むように構成されたＩＲカメラとを含む。
【００１０】
さらに、ＩＲサーモグラフィ用フラッシュの持続時間を能動的に制御する方法の一実施形態を開示する。本方法は、初期制御信号Ｔ０、ランプ制御信号Ｔ１及び制御信号Ｔ２を生成する段階を含む。本方法はさらに、初期制御信号Ｔ０に応答して消光手段を作動させてランプに電流Ｉを流す段階と、ランプ・トリガ信号Ｔ１に応答してランプを作動させる段階と、制御信号Ｔ２に応答して消光手段の電源を遮断してランプに対する電流Ｉの供給を停止する段階とを含む。
【００１１】
本発明のこれら及び他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同じ符号が同じ部品を表している添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、一層よく理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
最初に図１及び図２を参照して、本発明の能動的に消光される（能動消光式）ランプ１０の実施形態を説明する。図１に示すように、能動消光式ランプ１０は、ランプ１２と、該ランプを消光するように構成された能動消光手段１４とを含む。例示的なランプ１２には、ハロゲン・ランプ、フラッシュ・ランプ及びアーク・ランプのような、電源装置３６により駆動されかつ過渡赤外線イメージング用に用いられるクォーツ・ランプ及び高出力フラッシュ・ランプが含まれる。市販されている高出力フラッシュ・ランプの1つは、４．８キロジュール（ＫＪ）の電源装置であるＳｐｅｅｄｏｔｒｏｎ  ４８０３により駆動することができるＳｐｅｅｄｏｔｒｏｎモデル１０５フラッシュ・ランプであり、両方とも、イリノイ州シカゴ所在のＳｐｅｅｄｏｔｒｏｎ  Ｃｏｒｐ.,により製造されている。
【００１３】
図１に示すように、能動消光手段１２は、能動消光式ランプ１０の別個の部品とすることができる。別の構成では、能動消光手段１２は、他の部品内に、例えばランプ１２を駆動する電源装置３６内に含まれることになろう。
【００１４】
図２は、能動消光式ランプ１０に対する例示的なタイミング線図である。図１及び図２に示すように、能動消光手段１４は、初期制御信号Ｔ０を受信し、該初期制御信号Ｔ０に応答してランプ１２に電流Ｉを流すように構成されている。本明細書において使用する場合、「構成されている」という用語は、上述の機能を実行するための回路、ソフトウェア及び／又はハードウェアを備えていることを意味する。さらに、能動消光手段１４は、制御信号Ｔ２を受信し、該制御信号Ｔ２に応答してランプ１２を消光するように構成されている。例えば図３に示すように、例示的な制御信号Ｔ２及びＴ０は、パルス信号のそれぞれ高い部分及び低い部分である。
【００１５】
図１の実施形態において、能動消光式ランプ１０は、初期制御信号及び制御信号Ｔ０、Ｔ２を提供するように構成されたタイミング発生装置２２を含む。タイミング発生装置２２はまた、ランプ・トリガ信号Ｔ１を提供して、ランプ１２を作動させる。例示的なタイミング発生装置２２は、コンピュータである。本発明は、いずれの特定のコンピュータにも限定されないことに留意すべきである。「コンピュータ」という用語は、構造化入力を受けかつ該入力を所定の規則に従って処理して出力を生成することができるあらゆる機械を指すことを意図している。１つの例示的なコンピュータ２２は、デジタルの画像処理及び画像表示に加えて周辺機器の制御機能及び通信機能が可能な、特別にプログラミングされた汎用デジタル・コンピュータである。
【００１６】
ランプ１２の減衰時間定数Ｔは一般的に、抵抗Ｒ及び電源キャパシタンスＣを特徴とする。時間定数Ｔは、フラッシュに対する減衰時間を決定する。点線で図２に示すように、消光させない場合、フラッシュは、指数形テール部分を有する。この指数形テール部分は、データ収集中対象物を加熱し続け、それによりデータ・フレーム内の熱情報を歪曲することになる。消光したフラッシュを、実線で示す。図に示すように、フラッシュは、約Ｄ＝Ｔ２−Ｔ１の持続時間Ｄを有する。所望の持続時間Ｄは、用途により異なり、検査対象物の表面を加熱するのに十分な長さであるが、データ・フレームの収集の前に終了するのに十分な短さである。例示的なフラッシュ・パルスは、約２ミリ秒の所望の持続時間を有する。好都合なことに、指数形テール部分（図２において点線で示す）を絶つことにより、能動消光手段１４が、データ・フレーム内の熱情報の歪曲を減少させるようになる。そして、データ・フレーム内の熱情報の歪曲を減少させることが次ぎに、より正確な解析を可能にする。
【００１７】
より具体的には、所望のパルス持続時間は、特定の用途に用いる場合の赤外線カメラのフレーム周期に等しい。例えば、カメラが毎秒５００フレーム（ＦＰＳ）で作動する場合、フレーム周期は０．００２秒であり、所望のパルス持続時間は、２ｍｓに適切なプレフラッシュ持続時間を加算したものに設定すべきである。
【００１８】
例示的な消光フラッシュを図５〜図７に示し、例示的な非消光フラッシュを図８に示す。図５〜図７の消光フラッシュは、それぞれ２０ｍｓ、１０ｍｓ及び２ｍｓで電源を遮断された。フラッシュは、高速フォトダイオード（図示せず）及びデジタル・ストレージスコープ（これも図示せず）を用いて監視された。図５〜図８には、加えたゲート・パルスと共に、可変消光付随事実を示す。
【００１９】
図３は、例示的な能動消光手段１４のブロック図を示す。図に示すように、能動消光手段１４は、高電圧高電流スイッチ１３を含む。スイッチ１３は、初期制御信号Ｔ０に応答して閉じて、電流をランプ１２に流し、制御信号Ｔ２に応答して開いて、ランプ１２を消光する。例示的な高電圧高電流スイッチ１３は、例えば図４に示すような絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ「ＩＧＢＴ」１７、シリコン制御整流器（図示せず）、ゲートターンオン・サイリスタ（図示せず）、ＭＯＳＦＥＴＳ（図示せず）及び集積ゲート整流サイリスタ（「ＩＧＣＴ」）（図示せず）のような、出力半導体スイッチを含む。好都合なことに、ＩＧＢＴ１７は、大電流大電圧の隔離処理能力を有する。さらに、ＩＧＢＴ１７は、その電圧制御ゲートを用いての制御が比較的容易である。
【００２０】
図４の例示的な実施形態において、ＩＧＢＴ１７コレクタ・エミッタは、ランプ１２の電流供給ラインと直列になっている。上述したように、ＩＧＢＴ１７は、適切なゲート電圧ＶＧによって導通状態になる電圧制御ゲートを有する。この電圧制御ゲートが、ランプ回路を閉じて電流Ｉをランプ１２に流し、フラッシュを開始させる。図４に示す例において、ゲート駆動装置を用いて、ＩＧＢＴ１７に１５Ｖの遅延調整したゲート信号を加えた。タイミング発生装置（又は遅延発生装置）２２によって調整されたゲート・パルスの終端が、ランプ回路を開き、それにより選択した遅延時刻にフラッシュの指数形テール部分を絶ち、図２に実線で示すようなより長方形の形状の光パルスを生成する。
【００２１】
図３及び図４の実施形態において、能動消光手段１４は、論理レベル信号を受信し、それに応答してスイッチ駆動信号を生成するように構成されたスイッチ駆動回路１５（又は「ゲート駆動回路」１５）をさらに含む。例示的な論理レベル信号は、ＴＴＬ、ＣＭＯＳ及びエミッタ結合論理（ＥＣＬ）信号を含む。例示的なスイッチ駆動回路１５は、オプト・カプラ（図示するような）並びに論理レベル・バッファ及びレベル・シフタ（図示せず）を含む。例示的なスイッチ駆動信号は、ＩＧＢＴ１７のような、電圧制御スイッチ１３を作動又は停止させるのに十分な大きさを有する電圧信号である。この実施形態において、初期制御信号Ｔ０及び制御信号Ｔ２は、論理レベル信号であり、高電圧高電流スイッチ１３（ここではＩＧＢＴ１７）は、初期制御信号Ｔ０に対応するスイッチ駆動電圧信号ＴＳ０に応答して閉じ、制御信号Ｔ２に対応するスイッチ駆動電圧信号ＴＳ２に応答して開く。他の例示的なスイッチ駆動回路１５は、論理レベル信号を受信して、それに応答してスイッチ駆動電流信号を生成し、電流制御スイッチを作動又は停止させるように構成されている。
【００２２】
赤外線（「ＩＲ」）サーモグラフィ・イメージング・システム３０を、図９を参照して説明する。図に示すように、ＩＲサーモグラフィ・イメージング・システム３０は、撮像されることになる対象物４０の表面４２を加熱するように構成された少なくとも１つのランプ１２を含む。図９に示す例示的な対象物は翼形部であるが、対象物４０は、どのような形態をとることもできる。イメージング・システム３０はまた、少なくとも１つのランプ１２を消光するように構成された少なくとも１つの能動消光手段１４と、対象物４０のいくつかのＩＲ画像フレームを取り込むように構成されたＩＲカメラ３２とを含む。能動消光手段１４及びランプ１２については上述している。
【００２３】
対象物４０の大きさ、厚さ及び他の要因に応じて、いくつかのランプ１２を用いて表面４２を急速加熱することができる。例えば、ランプ１２の１つの好適な配列は、各々が約４．８キロジュールの出力が可能でかつ個々の電源装置（イリノイ州シカゴ所在のＳｐｅｅｄｏｔｒｏｎ  Ｃｏｒｐ.,により製造されているような）を有する４個又は８個の高速高出力の写真用フラッシュ・ランプの組である。
【００２４】
例示的なＩＲカメラ３６は、ランプ１２による加熱後の対象物表面４２の連続熱画像（フレーム）を記録及び格納するように構成されたＩＲビデオ・カメラである。例えば、ＩＲカメラは、カリフォルニア州ゴレタ所在のＩｎｄｉｇｏ  Ｓｙｓｔｅｍｓから入手できるＩＲ感知フォーカルプレーン・カメラとすることができる。
【００２５】
図９のＩＲサーモグラフィ・イメージング・システム３０の実施形態において、システム３０はさらに、消光手段１４に初期制御信号Ｔ０及び制御信号Ｔ２を提供するように構成された、コンピュータのようなタイミング発生装置２２を含む。タイミング発生装置２２はさらに、ランプ・トリガ信号Ｔ１を提供してランプ１２を作動させるように構成されることができる。
【００２６】
カメラ及びランプの制御電子機器２４は、コンピュータ２２上で動作するビデオフレーム・ソフトウェアにより制御することができる。上述したように、例示的なコンピュータ２２は、デジタルの画像処理及び画像表示に加えて周辺機器の制御機能及び通信機能が可能な、特別にプログラミングされた汎用デジタル・コンピュータである。図９の実施形態において、コンピュータ２２は、カメラ及びランプの電子機器２４並びにフレームデータ・メモリを制御して、対象物表面４２の所定数の連続熱画像フレームを収集し、その連続熱画像フレームを、その後の解析のためにフレームデータ・メモリ２６内に格納する。さらに、表示モニタ２８を設けることができる。
【００２７】
さらに、ＩＲサーモグラフィ用フラッシュの持続時間を能動的に制御する本発明の方法の実施形態を開示する。本方法は、初期制御信号Ｔ０、ランプ制御信号Ｔ１及び制御信号Ｔ２を生成する段階を含む。消光手段１４は、初期制御信号Ｔ０に応答して作動して電流Ｉをランプ１２に流す。ランプは、ランプ・トリガ信号Ｔ１に応答して作動する。消光手段は、制御信号Ｔ２に応答して電源を遮断され、ランプに対する電流Ｉの供給を停止する。
【００２８】
本方法のより具体的な実施形態によると、初期制御信号Ｔ０及び制御信号Ｔ２は、ＴＴＬ、ＣＭＯＳ及びエミッタ結合論理（ＥＣＬ）信号のような、論理レベル信号である。この実施形態において、本方法はさらに、制御信号Ｔ０及びＴ２に応答して、それぞれスイッチ駆動信号ＴＳ０及びＴＳ２を生成する段階を含む。消光手段は、スイッチ駆動信号ＴＳ２に応答してスイッチを開くことによって電源を遮断され、スイッチ駆動信号ＴＳ０に応答してスイッチを閉じることによって電源が投入される。具体的な実施形態によると、スイッチは電圧制御されており、スイッチ駆動信号ＴＳ０及びＴＳ２は、電圧信号である。
【００２９】
本発明の一部の特徴のみを本明細書に例示しかつ説明してきたが、多くの修正及び変更が、当業者の脳裏に浮かぶであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の能動消光式ランプの実施形態を示すブロック図。
【図２】図１の能動消光式ランプに対する例示的なタイミング線図。
【図３】能動消光手段の実施例を示すブロック図。
【図４】図１及び図３の能動消光式ランプ用の例示的な回路構成を示す図。
【図５】２０ｍｓで電源を遮断した消光フラッシュを示す図。
【図６】１０ｍｓで電源を遮断した消光フラッシュを示す図。
【図７】２ｍｓで電源を遮断した消光フラッシュを示す図。
【図８】非消光フラッシュを示す図。
【図９】本発明の赤外線サーモグラフィ・イメージング・システムの実施形態を示す図。
【符号の説明】
【００３１】
１２  ランプ
１４  消光手段
２２  コンピュータ
２４  カメラ及びランプの制御電子機器
２６  フレーム・メモリ
２８  表示モニタ
３２  ＩＲカメラ
３６  電源装置
４０  対象物
４２  対象物の表面
【図１】
2005043369.tif 000003
【図２】
2005043369.tif 000004
【図３】
2005043369.tif 000005
【図４】
2005043369.tif 000006
【図９】
2005043369.tif 000007
【図５】
2005043369.tif 000008
【図６】
2005043369.tif 000009
【図７】
2005043369.tif 000010
【図８】
2005043369.tif 000011