(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスまたは連続発振のレーザー光を対象物に照射して母材に付着した付着物を除去するレーザークリーニング装置において、前記パルスまたは連続発振のレーザー光を伝送および照射するための光学系統の劣化を監視するために劣化が想定される１個または複数個の光学素子の振動を計測する劣化監視手段と、前記劣化監視手段の出力信号から前記光学系統が劣化しているか否かを判断し劣化しているときはレーザー光の照射を停止する劣化確認制御手段とを備えたことを特徴とするレーザークリーニング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、母材表面に付着物が付着している対象に対してレーザー光を照射することで、その付着物のみを除去するレーザークリーニング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
原子力プラントなど放射能を取り扱う施設の機器、配管、容器等の表面には、その使用条件に応じて放射能が付着することがあり、それらの検査補修、長期保管あるいは廃棄の際にはこの付着物を可能な限り除去することが望ましい。また、飛行機、船、電車などの交通機器、あるいは橋梁や鉄塔などの大型構造物については、表面の塗装や酸化物層を定期的に除去・再塗装して防食や外観維持をする必要がある。更に、廃棄物リサイクルの観点からは、廃棄ガラスに貼られたシールや金属材料の塗装などは可能な限り除去し、純粋な材料ごとに選別・分類することが重要である。
【０００３】
これらの放射能、酸化物、塗装、汚れ、接着物などの除去方法としては、ブラシや専用工具で物理的に擦り取る方式や、有機溶剤などを用いて化学的に溶かして洗い流す方式が取られてきたが、例えば、原子力機器や交通機器、あるいは大型構造物に対して物理的な方式で除去を行う場合、その作業は高所、放射線環境下等の過酷な作業となることが多く、時間とコストがかかるという問題があった。一方、化学的な方式の場合、溶剤の処理に大型の処理設備が必要であるという問題があった。
【０００４】
それらの問題点を解決するために、例えば、特開平７−２２５３００号公報に示されるように、レーザー光を用いた表面付着物の除去手法が提案されている。図２２は、従来レーザークリーニング装置の説明図であり、図２２（ａ）はその構成図、図２２（ｂ）はレーザ光のフォーカスの説明図である。
【０００５】
図２２（ａ）において、レーザー発振器１から発振したパルスレーザー光ＰＬは、照射用光学系２ａ、２ｂを介し、シリンドリカルレンズ３によって母材４上の付着物５に線状形状ＬＦにフォーカスされる。母材４および付着物５は移動装置６によって、線状形状ＬＦと垂直方向に相対的に移動される。このような構成において、照射したパルスレーザー光ＰＬによるアブレーション効果を用いて付着物５を除去するものである。除去された付着物５ａは、蒸気、粉体、あるいは固体片などの形態で母材４から脱離し捕集装置７を用いて回収する。なお、付着物５の一部は残留付着物５ｂとして残留することがある。
【０００６】
従来のレーザークリーニング装置においては、レーザー発振器１の発振エネルギーや照射位置の相対移動速度などは、付着物５の厚さや物性値および母材の物性値から決定される一定値である。これは、照射レーザー光のエネルギーあるいは、照射時間を必要以上に高エネルギー、長時間とすると、付着物５ばかりでなく母材表面まで損傷してしまう可能性がある一方、低エネルギー、短時間の施工では、膨大な施工時間がかかったり、除去そのものが不可能であるなどの問題が生じるためである。
【０００７】
そこで、例えば特公平１−４５０３９号公報によれば、原子炉構成要素の放射能で汚染された酸化物層の除去を行うため、付着物表面での単位面積当たりのパルスエネルギーが4.6〜23J/cm2の範囲内の一定値であるパルスレーザー光を照射すべきことが記載されている。また特開平７−２０９４９１号公報では、コンクリート等の表面層を除去するにあたって、施工パラメータとして、レーザー出力密度を2500W/cm2以上、相対移動速度を30〜200mm/sの範囲内の一定値とすべきことを述べている。
【０００８】
これらの固定パラメータによる施工は、施工過程や装置構成が単純であり、特に母材、付着物の特性が既知で、しかも少種多数の対象に対して施工を行う場合は有効な手段である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば鉄塔や橋梁などの構造材料表面の錆や原子力プラント機器表面への放射能の付着を想定すると、その母材や付着物の物性値、厚さは使用条件に応じて多種多様であり、一概に想定することはできない。このような対象に対して従来の手法を適用するためには、施工前にその都度、母材・付着物の材質分析と物性値調査を通じて、最適な照射パラメータを決定する必要があり、これは施工工程や施工コストの増加につながる。
【００１０】
また、基本的にレーザークリーニング装置の設置された専用空間にクリーニングしたい対象を持ち込んで施工することを仮定しており、そのため、光路の安全確保を行うための機能を特に有していない。このことから、鉄塔や橋梁の構造材料を対象とする場合を想定すると、レーザークリーニング装置側にその対象を持ち込むのは不可能であり、レーザークリーニング装置の設置位置から対象位置に至る開空間にレーザー光を伝播させて施工することになる。
【００１１】
ここで、クリーニングに使用されるレーザー光は、一般に人体等にも有害な程度の比較的高いエネルギーをもつので、施工にあたっては施工対象およびレーザー光伝播経路近傍への立ち入り制限などの安全対策を多重に施す必要があり、これが施工工程や施工コストの増加につながる。
【００１２】
さらに、レーザークリーニング装置においては、除去された付着物や施工環境中を浮遊するダストなどの散乱物質がレーザー光路上の光学素子に付着する可能性がある。この場合、光学素子の汚れにより、実際に施工に供される透過レーザーエネルギーの減衰、あるいは付着物がレーザーエネルギーを吸収することによる光学素子の破損などが発生するため、装置の健全性チェックやメンテナンスを頻繁に行う必要がある上、このような状況で装置を運転すると施工そのものの健全性が危ぶまれる可能性もある。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、施工中に光学素子の汚れや破損を監視し、少ない頻度の健全性チェックやメンテナンスで運転でき、かつ施工の健全性を保障できるレーザークリーニング装置を提供することにある。
【００３８】
請求項１に係るレーザークリーニング装置は、パルスまたは連続発振のレーザー光を対象物に照射して母材に付着した付着物を除去するレーザークリーニング装置において、前記パルスまたは連続発振のレーザー光を伝送および照射するための光学系統の劣化を監視するために劣化が想定される１個または複数個の光学素子の振動を計測する劣化監視手段と、前記劣化監視手段の出力信号から前記光学系統が劣化しているか否かを判断し劣化しているときはレーザー光の照射を停止する劣化確認制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係わるレーザークリーニング装置の構成図である。この第１の実施の形態は、図２２（ａ）に示した従来例に対し、付着物５の除去過程を監視するための監視手段８と、その監視手段８の出力信号から付着物５の除去状況を判断する状況判断手段９と、状況判断手段９の判断結果からパルスまたは連続発振のレーザー光の照射条件を制御する制御手段１０とが追加して設けられている。
【００４１】
ここで、レーザー光の照射により付着物５が除去される際には、脱離の反力としての残留する付着物５ｂや母材４中への歪みの発生と伝播、空間中への音響の発生と伝播、アブレーションした付着物５ａのプラズマ発光、付着物５の表面に照射されたレーザー光の散乱・反射などの現象がほぼ同時に生じ、レーザー光の信号レベルが大きく変化する。
【００４２】
図２は、付着物５の除去の前後におけるレーザ光の信号レベルおよびその変化率の特性図である。図２から分かるように、付着物５の除去前後でレーザ光の信号レベルおよびその変化率が大きく変化するため、監視手段８はレーザー光の照射位置における信号レベルを検出し、状況判断手段９に出力する。状況判断手段９では、その信号レベルにより付着物５が除去されたか否かを判定する。
【００４３】
これにより、現在の付着物除去の施工過程の進捗を知ることができるので、制御手段１０は、この状況判断結果に基づきレーザー光の照射条件を決定し制御を行う。すなわち、状況判断手段９の出力信号によって照射するレーザー光を制御し、例えば、レーザー光を長時間照射し続けても付着物５の除去が進まない場合には、レーザー光のエネルギーを増加する。従って、予め最適なレーザー光照射条件を求めることなくして、最適な施工を行うことができる。
【００４４】
次に、図３は、第１の実施の形態に対する第１の実施例の構成図である。
この第１の実施例では、監視手段８として、対象物５上のパルスまたは連続発振のレーザー光の照射位置近傍の振動を監視するレーザー干渉計２０およびそのレーザー干渉計２０の出力信号を処理する信号処理装置２１を設け、状況判断手段９としてのコンパレータ２２で振動の信号レベルや変化率を判断し、制御手段１０としての発振光量制御器２３にて、その振動の信号レベルまたは変化率に基づいてレーザー光の増減停止を行うようにしたものである。
【００４５】
図３において、パルスレーザー光源であるレーザー発振器１から発振されたパルスレーザー光は、ファイバ入射用光学系１７から光ファイバー１８ａに入射され、照射用光学系２を含む照射ヘッド１９を介して、図示省略の母材４とそれに付着した付着物５から構成される対象物に照射される。
【００４６】
このレーザー光照射によるアブレーション作用によって付着物５は除去され、除去された付着物５の大部分は図示省略の捕集装置７によって捕集される。同時に、振動計測用のレーザー干渉計２０のプローブ光も、光ファイバー１８ｂおよび照射ヘッド１９を介して、パルスレーザー光の照射位置近傍に照射され、その位置の振動を計測する。計測された振動信号は、フィルタ、アンプ、ピークホールド回路などで構成される信号処理装置２１によって各時刻における振動レベルあるいはその変化率が読み取られる。
【００４７】
図２に示した通り、付着物５の除去の進捗に応じて振動レベルは大きく変化するので、適当な振動レベルしきい値を設けて、コンパレータ２２で測定信号との大小関係を比較することで、施工の進捗を知ることができる。コンパレータ２２出力は発振光量制御器２３に入力され、施工進捗の早遅に応じて、発振光量が制御される。また、施工が終了した場合にも、母材４の保護の観点から、パルスレーザー光の発振が停止される。
【００４８】
このようにすれば、予め詳細な条件だしをすることなしに、付着物５のみを完全に除去し、かつ母材にはほとんどダメージを与えないクリーニング施工が可能となる。
【００４９】
ここで、レーザー干渉計２０には、マイケルソン型、マッハツェンダー型、ファブリ・ペロー型などを用いることができる。また、発振光量の制御は、電源電圧制御、Ｑスイッチタイミング制御、可変光アッテネータの動作による光量制御などの方法がある。
【００５０】
図４は、第１の実施の形態に対する第２の実施例の構成図である。この第２の実施例では、監視手段８として、対象物５上のパルスまたは連続発振のレーザー光の照射位置近傍の振動を監視する圧電トランスジューサ２８およびそのレーザー干渉計２０の出力信号を処理する信号処理装置２１を設け、状況判断手段９としてのコンパレータ３２で振動の出力信号の周波数あるいはその変化率を判断し、制御手段１０としての台車走査制御器３３および台車駆動器３４にて、レーザー光の照射位置を変更するようにしたものである。
【００５１】
図４において、対象物としての配管の外面をクリーニングする場合を示している。母材上に付着物が存在する施工対象物２４に、真空ポンプ２５で吸着させた軌道２６を介して走査台車２７を設置する。走査台車２７上にパルスレーザー光源であるレーザー発振器１を設置し、そこから発振したパルスレーザー光ＰＬを走査台車２７に接続された照射ヘッド１９を介して施工位置に照射する。
【００５２】
一方、走査台車２７には圧電素子としての圧電トランスジューサ２８も設置されており、付着物５の除去過程での施工対象の振動状態を計測する。また圧電トランスジューサ２８には、施工対象物２４との音響的な接触を促進するため、カプラントタンク２９からポンプ３０を介してカプラントが常時供給される。計測された振動信号は、フィルタ、アンプ、零クロスカウント回路などで構成される信号処理装置２１によって、各時刻レーザーパルス照射ごとにおける振動信号のパルス幅あるいはその変化率が読み取られる。
【００５３】
パルスレーザー光ＰＬが照射される対象が付着物５であるか、母材４であるかによって、振動信号のパルス幅が変化するので、適当なパルス幅しきい値を設けて、コンパレータ３２で測定信号との大小関係を比較することで、施工の進捗を知ることができる。コンパレータ３２の出力は台車走査制御器３３に入力され、施工の進捗に応じて、台車駆動器３４によって照射位置が走査される。
【００５４】
このようにすれば、予め詳細な条件だしをすることなしに、付着物５のみを完全に除去し、かつ母材４にはほとんどダメージを与えないクリーニング施工が可能となる。
【００５５】
ここで、軌道２６の固定には磁気吸着などの方法も用いることができる。また図４ではパルスレーザー光ＰＬは空間伝播しているが、レーザー発振器１を走査台車２７上に設置せず、光ファイバーを用いることも可能である。振動計測には、圧電トランスジューサタイプの他、うず電流変位計、静電容量式変位計、電磁超音波探触子なども使用可能である。また、図４では、圧電トランスジューサ２８は走査台車２７とともに移動する場合を示しているが、施工対象物２４の性状によっては、施工対象物２４上の任意の一点に固定することも可能である。
【００５６】
図５は、第１の実施の形態に対する第３の実施例の構成図である。この第３の実施例では、監視手段８として、対象物５上のパルスまたは連続発振のレーザー光の照射位置近傍から発せられ空間に伝播した音響信号を検出するマイクロフォンおよびその音響信号を処理する信号処理装置２１を設け、状況判断手段９としてのコンパレータ３２でその音響信号のレベルを判断し、制御手段１０としての回転方向台車走査制御器３７および軸方向台車走査制御器３８にて、レーザー光の照射位置を変更するようにしたものである。
【００５７】
図５において、対象物としての配管の内面をクリーニングする場合を示している。母材４上に付着物５が存在する施工対象物２４の内側に、対象に沿って移動可能な走査台車２７を設置する。パルスレーザー光源であるレーザー発振器１から発振したパルスレーザー光ＰＬは、一部のみ図示している光学導波路３５を経由して、照射用光学系２およびレンズ３を介して施工位置に照射する。
【００５８】
一方、走査台車２７上の照射点で発生する音響信号の検出可能な位置には、マイクロフォン３６が設置されており、付着物５の除去過程での施工対象の音響信号を計測する。マイクロフォン３６で計測された音響信号は、フィルタ、アンプ、サンプルホールド回路などで構成される信号処理装置２１によって、各時刻のレーザーパルス照射ごとにおける音響信号のレベルあるいはその変化率が読み取られる。
【００５９】
パルスレーザー光ＰＬが照射される対象が付着物５であるか、母材４であるかによって、音響信号のレベルが変化するので、適当なしきい値を設けて、コンパレータ２２で測定信号との大小関係を比較することで、施工の進捗を知ることができる。コンパレータ２２の出力は、回転方向台車走査制御器３７および軸方向台車走査制御器３８に入力され、施工の進捗に応じて、照射位置が走査される。
【００６０】
このようにすれば、予め詳細な条件だしをすることなしに、配管内面を回転しながら軸方向に進むイメージで付着物５のみを完全に除去し、かつ母材４にはほとんどダメージを与えないクリーニング施工が可能となる。
【００６１】
図６は、第１の実施の形態に対する第４の実施例の構成図であり、図６（ａ）は側面図、図６（ｂ）は正面図である。この第４の実施例では、第３の実施の形態のマイクロフォン３６に代えて、監視手段８として、対象物５上のパルスまたは連続発振のレーザー光の照射位置近傍から発せられ液体中に伝播した音響信号を検出するハイドロフォン（水中マイクロフォン）３９を使用したものである。また、回転方向台車走査制御器３７および軸方向台車走査制御器３８に代えて、縦横方向にハイドロフォン３９やレーザー光照射位置を移動させ変更するための駆動装置３４ａ、３４ｂが設けられている。
【００６２】
図６において、対象物としての溶液タンクの内面をクリーニングする場合を示している。図示省略の母材４上に付着物５が存在する施工対象物に対向して、図示省略の照射ヘッド１９のレンズ３を設置する。図示省略のレーザー発振器１から発振したパルスレーザー光ＰＬは、図示省略の光学導波路３５経由し、照射用光学系２およびレンズ３を介して施工位置に照射される。一方、照射点で発生する音響信号の検出可能な位置には、ハイドロフォン３９が設置され、付着物５の除去過程で施工対象から発生する音響信号を計測する。
【００６３】
ここで、照射用光学系２ｂ、２ｃ、レンズ３およびハイドロフォン３９はステージ４０ａに固定され、駆動装置３４ａによって軌道２６ａ上を動作する。一方、照射用光学系２ａとステージ４０ａ、駆動装置３４ａ、軌道２６ａは、ステージ４０ｂに固定され、駆動装置３４ｂによって軌道２６ｂ上を動作する。ハイドロフォン３９の出力信号は、第３の実施例と同様に処理され、その処理結果に応じて２つの駆動装置３４ａ、３４ｂによって施工位置（照射点）が走査される。
【００６４】
このようにすると、施工位置とハイドロフォン３９の距離関係を固定したまま、施工位置を走査することが可能となる。また、照射ヘッド１９に対して適切な液密構造を採用することにより、本装置を液体中で使用することが可能となる。
【００６５】
図７は、第１の実施の形態に対する第５の実施例の構成図である。この第５の実施例では、監視手段８として、対象物上のパルスまたは連続発振のレーザー光の照射位置において反射されるパルスまたは連続発振レーザー光を選択的に検出する光検出器４３およびその検出信号を処理する信号処理装置２１を設け、状況判断手段９としてのコンパレータ２２でその光の強度を判断し、制御手段１０としての回転駆動制御器４４にて、レーザー光の照射位置を変更するようにしたものである。
【００６６】
図７において、母材４上に付着物５が存在する施工対象物に、レーザー発振器１から発振したパルスレーザー光ＰＬを、レンズ３および照射用光学系２ａ、２ｂを介して施工位置に照射する。
【００６７】
ここで、照射用光学系（ミラー）２ａ、２ｂは、回転駆動装置４１ａ、４１ｂ上に設置されており、パルスレーザー光ＰＬをレーザー光の進行方向を含まない２次元方位に走査できる構成とする。一方、照射点で反射される光信号の検出可能な位置には、パルスレーザー光ＰＬの波長を選択的に透過する共振フィルター４２を有した光検出器４３が設置されており、付着物５の除去過程での施工対象物からの反射光信号を計測する。
【００６８】
光検出器４３で計測された光信号は、フィルタ、アンプ、サンプルホールド回路などで構成される信号処理装置２１によって、各時刻のレーザーパルス照射ごとにおける光信号のレベルあるいはその変化率が読み取られる。例えば、母材４が鉄材であり、付着物５がその酸化成分であるとすると、多くの場合、暗色系統であり、かつ表面粗さも粗い酸化層と光沢のある地金とでは、パルスレーザー光ＰＬが照射された場合の反射率が異なるので、反射光の強度が変化する。
【００６９】
そこで、適当なしきい値を設けて、コンパレータ２２で測定信号との大小関係を比較することで、施工の進捗を知ることができる。コンパレータ２２出力は回転駆動制御器４４に入力され、施工の進捗に応じて、照射位置が走査される。
【００７０】
このようにすれば、予め詳細な条件だしをすることなしに、付着物５のみを完全に除去し、かつ母材４にはほとんどダメージを与えないクリーニング施工が可能となる。
【００７１】
図８は、第１の実施の形態に対する第６の実施例の構成図である。この第６の実施例では、監視手段８として、対象物上のパルスまたは連続発振レーザー光と、付着物または母材との相互作用で発生する特定波長の光を選択的に透過する分光型光検出器４５およびその検出信号を処理する信号処理装置２１を設け、状況判断手段９としてのコンパレータ２２でその光の発光波長を判断し、制御手段１０としての回転駆動制御器４４にて、レーザー光の照射位置を変更するようにしたものである。
【００７２】
一般に、パルスレーザー光をある物質に照射すると、その物質はプラズマ、イオンあるいは励起状態となり、その緩和過程において発光現象が観察される。この場合、発光波長あるいはスペクトルはその物質特有であるため、逆にその波長あるいはスペクトルを観察すれば、特定物質の検出が可能である。
【００７３】
ここで、この第６の実施例においては、クリーニング中には、付着物５の除去直後には母材４がパルスレーザー照射によってプラズマ化しているため、その緩和過程において、各々に特有の波長の発光現象が観察できる。
【００７４】
そこで、母材４上に付着物５が存在する施工対象物に、パルスレーザー光源１から発振したパルスレーザー光ＰＬを、レンズ３および照射用光学系２ａ、２ｂを介して施工位置に照射する。
【００７５】
ここで、照射用光学系であるミラー２ａ、２ｂは回転駆動装置４１ａ、４１ｂ上に設置されており、パルスレーザー光ＰＬをレーザー光の進行方向を含まない２次元方位に走査できる構成とする。
【００７６】
一方、照射点から発光する光信号を検出可能な位置には、母材４あるいは付着物５に特有の発光波長の光を検出可能な分光型光検出器４５が設置されており、付着物５の除去過程での照射点からの発光信号を分光計測する。分光型光検出器４５で計測された光信号のうち、レーザーパルス照射ごとの母材４あるいは付着物５に特有の波長あるいはスペクトルの発光強度が発光強度計測器４６で検出される。
【００７７】
ここで、例えば母材４が鉄材であり、付着物５がその表面塗装であるとする。鉄材の発光スペクトルは代表的には図９のようであり、塗装材はこれとは異なるスペクトルを持つため、例えば波長が373nm〜374nmの発光強度に着目し、その発光現象が始まれば、付着物５の除去が終了し、母材４へのパルスレーザー光ＰＬの照射が開始されたことを知ることができる。逆に付着物５に特有の発光波長に着目し、その発光現象が観察されなくなったことから、除去が終了したことを知ることも可能である。
【００７８】
そこで、適当なしきい値を設けて、コンパレータ２２で発光強度計測器４６の出力信号との大小関係を比較することで、施工の進捗を知ることができる。コンパレータ２２出力は回転駆動制御器４４に入力され、施工の進捗に応じて、照射位置が走査される。
【００７９】
このようにすれば、予め詳細な条件だしをすることなしに、付着物５のみを完全に除去し、かつ母材４にはほとんどダメージを与えないクリーニング施工が可能となる。
【００８０】
なお、図８では、特定波長の検出に分光型光検出器４５を使用したが、母材４と付着物５との発光波長によっては、図７に示した第５の実施例と同様に波長選択機能として共振フィルターや色ガラスフィルターを用いることも可能である。
【００８１】
図１０は、第１の実施の形態に対する第７の実施例の構成図である。この第７の実施例では、監視手段８として、対象物上のレーザーパルスの照射位置を含む画像を撮影するカメラ４８およびレーザー発振器からレーザーパルスが照射されていない時刻にカメラ４８に映像指令を出力するカメラ制御装置４７とを設け、状況判断手段９としての画像処理装置４９で照射領域の面積あるいはその変化率を判断し、制御手段１０としての回転駆動制御器４４にてレーザー光の照射位置を変更するようにしたものである。
【００８２】
図１０において、母材４上に付着物５が存在する施工対象物に、パルスレーザー光源であるレーザー発振器１から発振したパルスレーザー光ＰＬを、レンズ３および照射用光学系２ａ、２ｂを介して施工位置に照射する。
【００８３】
ここで、照射用光学系であるミラー２ａ、２ｂは、回転駆動装置４１ａ、４１ｂ上に設置されており、パルスレーザー光ＰＬをレーザー光の進行方向を含まない２次元方位に走査できる構成とする。
【００８４】
一方、照射点の画像の撮影可能な位置にはカメラ制御装置４７で制御されるカメラ４８が設置されており、付着物５の除去過程での施工対象物の画像を計測する。このカメラ制御装置４７にはレーザー発振器１から発振同期信号が入力され、カメラ４８はパルスレーザー光ＰＬが照射点に照射された直後に、その位置の画像を撮影するように撮像タイミングが制御される。カメラ４８で撮影された画像は、図１１のように構成される画像処理装置４９で処理される。
【００８５】
すなわち、カメラ４８は、その受光量を電気信号に変換してＡ／Ｄ変換手段５０へ送信する。Ａ／Ｄ変換手段５０は、入力信号の同期信号から画像情報の１フレームを識別し、その信号レベルと空間情報とをディジタル画像に変換する。Ａ／Ｄ変換手段５０で変換されたディジタル画像は領域分割処理手段５１に転送される。領域分割処理手段５１は、入力された画像をレーザー照射による表面状態の変化が識別できる信号レベル値で領域分割する。
【００８６】
領域計測手段５２は、その分割された画像からレーザー照射部を表現する領域の面積を計測する。これらの一連の処理は画像転送バス５６および中央演算装置５７からの制御信号を伝送するシステム制御バス５５で接続され、パルスレーザー照射毎に実行することで、その領域の面積と変化率とから付着物５の除去過程を監視する。
【００８７】
例えば、母材４が鉄材であり、付着物５がその酸化成分であるとすると、多くの場合、暗色系統であり、かつ表面粗さも粗い酸化層と光沢のある地金とでは、表面状態の可視像が異なるので、測定された面積情報から施工の進捗を知ることができる。
【００８８】
画像処理装置４９の出力は回転駆動制御器４４に入力され、施工の進捗に応じて照射位置が走査される。このようにすれば、予め詳細な条件だしをすることなしに、付着物５のみを完全に除去し、かつ母材４にはほとんどダメージを与えないクリーニング施工が可能となる。
【００８９】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図１２は本発明の第２の実施の形態に係わるレーザークリーニング装置の構成図である。この第２の実施の形態は、図２２（ａ）に示した従来例に対し、レーザー光の伝送経路および照射位置に存在する物質（障害物）を検知する対象検知手段１１と、対象検知手段１１の出力信号から障害物の有無を判断する対象判断手段１４と、対象判断手段の判断結果からレーザー光の照射条件を制御する制御手段１０とを追加して設けたものである。
【００９０】
図１２に示すように、対象検知手段１１はレーザー発振器１からのレーザー光が対象位置に確実に照射されているか、あるいは光路上またはその周辺部への異物（障害物）が進入していないか否かを検知する。すなわち、対象検知手段１１の微弱レーザー発振器１２は、レーザー発振器１からのレーザー光ＰＬの同軸上を伝播する異物検知用の微弱レーザー光を発振する。そして、その反射光を伝播時間測定器１３で計測し対象判断手段１４に出力する。対象判断手段１４は、その伝播時間からレーザー光ＰＬの光路上に障害物があるか否かを判定する。
【００９１】
図１３は、伝播時間測定器１３の計測結果の一例の説明図である。光路上に異物が混入した場合には、微弱レーザー発振器１２からの微弱レーザー光の反射光は、その伝播時間が変化する。対象判断手段１４はこの伝播時間の変化を検知することで、レーザー光ＰＬの光路上の健全性を知ることができる。
【００９２】
そして、制御手段１０は、対象判断手段１４により伝播時間がある一定値よりも短くなったと判断したときは、例えば、即座にレーザー光ＰＬの発振を停止するなどの照射条件の制御を行う。
【００９３】
このように、レーザー発振器１を対象判断手段１４の出力信号によって動作させることで、人体に直接あるいは鏡面での反射などにより間接的に、レーザー光ＰＬが照射されることがなくなる。従って、周辺区域への立ち入り制限や光路を遮蔽物で完全に覆うなどの処置が必要なくなり、予期せぬ人体等へのレーザー光照射を防止しつつ、施工を行うことができるようになる。
【００９４】
図１４は、第２の実施の形態に対する第８の実施例の構成図である。この第８の実施例では、対象検知手段１１の微弱レーザー発振器１２として、パルス発振のレーザー光ＰＬと同軸で連続発振の微弱レーザー光を照射する対象検知用レーザー光源５８、対象検知用レーザー光源５８からレーザー光軸上の物質への微弱レーザー光の照射によって発生する反射・散乱光を選択的に検知する可変焦点レンズ系６０、ビームスプリッタ６１、光学フィルタ６３、集光用レンズ６４、光検出器４３を設け、対象検知手段１１の伝播時間測定器１３として信号処理装置２１を設ける。そして、対象判断手段１４としてのコンパレータ２２で障害物がレーザー光ＰＬの光路上にあるか否かを判断し、制御手段１０にて、レーザー光ＰＬの照射位置を変更するようにしたものである。
【００９５】
図１４において、母材４上に付着物５が存在する施工対象物に対し、レーザー発振器１から発振したパルスレーザー光ＰＬを、レンズ３および照射用光学系２ａ、２ｂを介して施工位置に照射する。ここで、照射用光学系であるミラー２ａ、２ｂは、回転駆動装置４１ａ、４１ｂ上の設置されており、パルスレーザー光ＰＬをレーザー光の進行方向を含まない２次元方位に走査できる構成とする。
【００９６】
一方、パルスレーザー光ＰＬと同軸上には、パルスレーザー光ＰＬとは異なり、しかも人体等に比較的安全性の高い波長で、さらに人体等に影響を及ぼさない発振出力で連続発振する対象検知用レーザー光源５８から発振されたレーザー光ＣＬを伝播させる。同軸上に２本のレーザー光を重ねあわせるためにはダイクロイックミラー５９を使用する。
【００９７】
また、レーザー光ＣＬは可変焦点レンズ系６０によって対象表面に正確にフォーカスしておく。対象表面での反射・散乱光は照射光路と同じ経路を戻り、ビームスプリッタ６１を通過して光検出器４３で検出される。ここで、戻り光の状況に応じて、対象検知用レーザー光源５８の発振波長のみを選択的に透過する光学フィルター６３、集光用レンズ６４を光検出器４３の直前に配置する。これにより、より高い感度で反射・散乱光を検知できる。
【００９８】
このような構成において、光路の途中、例えばＩの位置にレーザー光の伝播を妨げる何らかの障害物が混入した場合、レーザー光ＣＬは障害物表面で焦点を結ばないため、光検出器４３で検知される光量は減少する。そこで、光検出器４３の出力をフィルタ、アンプ、ピークホールド回路などで構成される信号処理装置２１で処理して、そのレベルあるいは変化率を計測し、適当なしきい値を設けて、コンパレータ２２で測定信号との大小関係を比較することで、光路上の障害物の有無を知ることができる。
【００９９】
コンパレータ２２出力は制御手段１０に入力され、制御手段１０は、もしも光路中に障害物が混入した場合には、直ちにレーザー発振器１からのパルスレーザー光ＰＬの発振を停止するとともに、施工異常を警告する。このようにすれば、予期せぬ障害物の混入などによる施工漏れあるいは人体への危険を最小限としたクリーニング施工が可能となる。
【０１００】
図１５は、第２の実施の形態に対する第９の実施例の構成図である。この第９の実施例では、図１４に示した第８の実施例に対し、レーザー発振器１からレーザー光ＰＬが照射されていない時刻に、そのレーザー光ＰＬと同軸で連続発振の微弱レーザー光を照射するようしたものである。そして、その微弱レーザー光の照射によって発生する反射・散乱光を選択的に検知し、対象判断手段は、対象検知手段の出力信号の到達時間あるいはその変化率を判断する。
【０１０１】
図１５において、母材４上に付着物５が存在する施工対象物に、レーザー発振器１から発振したパルスレーザー光ＰＬを、レンズ３および照射用光学系２ａ、２ｂを介して施工位置に照射する。ここで、照射用光学系（ミラー）２ａ、２ｂは、回転駆動装置４１ａ、４１ｂ上に設置されており、パルスレーザー光ＰＬをレーザー光の進行方向を含まない２次元方位に走査できる構成とする。
【０１０２】
一方、パルスレーザー光ＰＬと同軸上には、パルスレーザー光ＰＬとは異なり、しかも人体等に比較的安全性の高い波長で、更に人体等に影響を及ぼさない発振出力で対象検知用レーザー光源５８から発振されたパルスレーザー光ＰＬ２を伝播させる。同軸上に２本のレーザー光を重ねあわせるためにはダイクロイックミラー５９を使用する。対象表面での反射・散乱光は照射光路と同じ経路を戻り、ビームスプリッタ６１を通過して、発振時刻から、伝播経路の長さに対応した伝播時間だけ遅れて光検出器４３で検出される。ここで、戻り光の状況に応じて、対象検知用レーザー光源５８の発振波長のみを選択的に透過する光学フィルター６３、集光用レンズ６４を光検出器４３の直前に配置すれば、より高い感度で反射・散乱光を検知できる。
【０１０３】
このような構成において、光路の途中、例えばＩの位置にレーザー光の伝播を妨げる何らかの障害物が混入した場合、パルスレーザー光ＰＬ２は対象表面よりも手前の障害物表面で反射・散乱されるため、光検出器４３に到達する時間は短くなる。
【０１０４】
そこで、光検出器４３の出力をフィルタ、アンプ、カウンター回路などで構成される信号処理装置２１でレーザー発振器１の発振時刻信号Ｔｒｇを基準として、その伝播時間あるいは変化率を計測し、適当なしきい値を設けて、コンパレータ２２で測定信号との大小関係を比較することで、光路上の障害物の有無を知ることができる。
【０１０５】
コンパレータ２２の出力は制御手段１０に入力され、制御手段１０はレーザー発振器１を制御する。例えば、もしも光路中に障害物が混入した場合には、直ちにパルスレーザー光ＰＬの発振を停止するとともに、施工の異常を警告する。このようにすれば、予期せぬ障害物の混入などによる施工漏れあるいは人体への危険を最小限としたクリーニング施工が可能となる。
【０１０６】
図１６は、第２の実施の形態に対する第１０の実施例の構成図である。この第１０の実施例では、対象検知手段として、レーザー光の照射位置までの伝送経路および照射位置を含む画像を計測するカメラ４８と、レーザー光の発振タイミングを検知するタイミング検知するカメラ制御装置とを設け、画像計測手段としての画像処理装置は、カメラ制御装置からのタイミング検知信号を基にレーザー光が照射されていない時刻に対象物上のレーザー光の照射位置の画像を計測して画像処理し、画像の差分領域の面積あるいはその変化率により障害物の有無を判断する。
【０１０７】
図１６において、母材４上に付着物５が存在する施工対象物に、レーザー発振器１から発振したパルスレーザー光ＰＬを、レンズ３および照射用光学系２ａ、２ｂを介して施工位置に照射する。ここで、照射用光学系（ミラー）２ａ、２ｂは回転駆動装置４１ａ、４１ｂ上に設置されており、パルスレーザー光ＰＬをレーザー光の進行方向を含まない２次元方位に走査できる構成とする。
【０１０８】
一方、照射点の画像を撮影可能な位置には、カメラ制御装置４７で制御されるカメラ４８が設置されており、付着物５の除去過程での施工対象物の画像を計測する。ここでカメラ制御装置４７にはレーザー発振器１から発振同期信号が入力され、カメラ４８はパルスレーザー光ＰＬが照射点に照射された直後に、その位置の画像を撮影するように撮像タイミングが制御される。カメラ４８で撮影された画像は画像処理装置４９で処理される。
【０１０９】
図１７は、第１０の実施例における画像処理装置４９の構成図である。カメラ４８から連続的に出力される信号は、同期信号毎にＡ／Ｄ変換処理機能５０でディジタル画像に変換され、フレームメモリ５３に順次格納される。
【０１１０】
フレームメモリ５３に格納されたディジタル画像は領域分割処理手段５１に転送され、入力された画像をレーザー照射による表面状態の変化が識別できる信号レベル値で領域分割される。そして、領域計測手段５２により、その分割された画像からレーザー照射部を表現する領域の面積を計測する。
【０１１１】
一方、画素間演算処理手段５４は、フレームメモリ５３に格納された画像を２枚、先頭から順次取り込み、各画素毎にレベル値の差分量を計測する。光路周辺部に障害物が進入した場合、それにより反射される光量が画像間で異なるため、障害物に相当する領域で差分が得られることになる。領域計測手段５２において差分領域の面積を計測すれば、その領域の面積あるいは変化率から光路上の障害物を検知することができる。
【０１１２】
例えば、地上から鉄塔の表面に付着した錆落しの作業を行う場合、通常作業時に撮影される画像は図１８（ａ）のようになる。ここで、パルスレーザー光ＰＬの照射範囲付近に障害物が飛来すると、撮影される画像は図１８（ｂ）のようになり、この２枚の画像の差分をとると、図１８（ｃ）のようになる。したがって、図１８（ｃ）の画面上に現れた差分面積が予め適切に決めておいたしきい値よりも大きければ、照射範囲付近に障害物が近づいていると判断できる。
【０１１３】
画像処理装置４９の出力は制御手段１０に入力され、制御手段１０はレーザー発振器１を制御する。もしも照射範囲付近に障害物が接近している場合には、直ちにパルスレーザー光ＰＬの発振を停止するとともに、施工異常を警告する。このようにすれば、予期せぬ障害物の混入などによる施工漏れあるいは人体への危険を最小限としたクリーニング施工が可能となる。
【０１１４】
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。図１９は本発明の第３の実施の形態に係わるレーザークリーニング装置の構成図である。この第２の実施の形態は、図２２（ａ）に示した従来例に対し、パルスまたは連続発振のレーザー光を伝送および照射するための光学系統の劣化を監視するための劣化監視手段１５と、劣化監視手段１５の出力信号から光学系統が劣化しているか否かを判断し劣化しているときはレーザー光の照射を停止する劣化確認制御手段１６とを追加して設けたものである。
【０１１５】
図１９に示すように、劣化監視手段１５は、光学素子である例えばレンズ３への異物付着あるいはそれに起因する光学特性の劣化を監視するものである。すなわち、レーザー光ＰＬにより脱離した付着物５ａは捕集装置７によって捕集されるが、その一部は捕集されずに照射用光学系２やレンズ３に再付着する。これは光学系の透過・反射などの特性を劣化させる。光学素子に異物付着あるいは劣化が生じると、それを起因として光エネルギーが吸収され、その結果、光学素子中における振動の発生・伝播、光エネルギーの散乱などの現象が生じる。
【０１１６】
劣化確認制御手段１６では、それらの劣化信号を検知すると、レーザ光発振器１を停止する。また、劣化確認制御手段１６の動作により、光学素子のメンテナンス頻度を最少とするとともに、光学素子の破損などの致命的な劣化が発生する前に対処することが可能となり、装置および施工の健全性を知ることができる。
【０１１７】
図２０は、第３の実施の形態に対する第１１の実施例の構成図である。この第１１の実施例では、劣化監視手段１５として、劣化が想定される１個または複数個の光学素子の振動を計測する圧電トランスジューサ６８およびその検出信号を処理する信号処理装置２１を設け、劣化確認制御手段１６としてのコンパレータ２２で、光学系統が劣化しているか否かを判断し劣化しているときはレーザー光の照射を停止するようにしたものである。
【０１１８】
図２０において、母材４上に付着物５が存在する施工対象物に、レーザー発振器１から発振したパルスレーザー光ＰＬを、レンズ３および照射用光学系２ａ、２ｂを介して施工位置に照射する。照射用光学系（ミラー）２ａ、２ｂは回転駆動装置４１ａ、４１ｂ上に設置されており、パルスレーザー光ＰＬをレーザー光の進行方向を含まない２次元方位に走査できる構成となっている。
【０１１９】
ここで、クリーニング施工中に脱離した付着物５ａは捕集装置７によって捕集されるが、その一部は捕集されずに照射用光学系２やレンズ３に再付着することがある。光学素子に付着物５ａが再付着すると、それを起因としてパルスレーザー光ＰＬのエネルギーの一部が吸収され、その結果、光学素子中における振動の発生・伝播、パルスレーザー光ＰＬのエネルギーの散乱などの現象が生じる。
【０１２０】
そこで、再付着が懸念される光学素子、例えばレーザー光ＰＬの出口に位置しているレンズ３に、図示省略のカプラントを介して圧電トランスジューサ６８を設置しておく。通常の状態ではレーザー光ＰＬのエネルギーはほぼ完全にレンズ３を透過し、レンズ３での弾性波の発生は少ないのに対し、レンズ３が再付着などで劣化した場合には、そこを起点としてパルスレーザー光ＰＬのエネルギーが振動エネルギーに変換される。このため、レンズ３を伝播する弾性波のレベルが大きくなる。圧電トランスジューサ６８は、そのような信号を検出する。
【０１２１】
圧電トランスジューサ６８の出力信号は、フィルタ、アンプ、サンプルホールド回路などから構成される信号処理装置２１に入力して信号レベルあるいはその変化率を計測し、コンパレータ２２において、予め最適値に設定したしきい値と比較され、光学素子の劣化状況を知ることが可能となる。
【０１２２】
コンパレータ２２の出力信号はレーザー光発振器１にフィードバックされ、もし劣化の恐れがある場合には、レーザー光ＰＬの発振を停止し、装置の劣化確認を行う。これにより、光学素子への致命的な損傷と、劣化素子を用いたことによる不健全なクリーニング施工を未然に防止することが可能となる。
【０１２３】
図２１は、第３の実施の形態に対する第１２の実施例の構成図である。この第１２の実施例では、劣化監視手段１５として、劣化が想定される１個または複数個の光学素子の散乱光を集光する集光レンズ７０、集光レンズ７０で集光した散乱光を検出する光検出器４３およびその検出信号を処理する信号処理装置２１を設け、劣化確認制御手段１６としてのコンパレータ２２で、光学系統が劣化しているか否かを判断し劣化しているときはレーザー光の照射を停止するようにしたものである。
【０１２４】
図２１において、母材４上に付着物５が存在する施工対象物に、レーザー発振器１から発振したパルスレーザー光ＰＬを、レンズ３および照射用光学系２ａ、２ｂを介して施工位置に照射する。照射用光学系（ミラー）２ａ、２ｂは回転駆動装置４１ａ、４１ｂ上に設置されており、パルスレーザー光ＰＬをレーザー光の進行方向を含まない２次元方位に走査できる構成となっている。
【０１２５】
また、付着物５ａの再付着が懸念される光学素子（レンズ３）には、散乱光を集光するための集光レンズ７０と、集光レンズ７０で集光された光を伝播させるための光ファイバー７１が設置されている。
【０１２６】
光検出器４３は、その検出信号を光ファイバー７１を介して入力し、電気信号に変換する。電気信号に変換された散乱光量信号は、フィルタ、アンプ、サンプルホールド回路などから構成される信号処理装置２１に入力され、信号レベルあるいはその変化率が計測される。
【０１２７】
そして、コンパレータ２２において、予め最適値に設定したしきい値と比較することで、光学素子の劣化状況を知ることが可能となる。コンパレータ２２の出力信号はレーザー発振器１にフィードバックされ、もし劣化の恐れがある場合には、パルスレーザー光ＰＬの発振を停止し、装置の劣化確認を行う。これにより、光学素子への致命的な損傷と、劣化素子を用いたことによる不健全なクリーニング施工を未然に防止することが可能となる。
【０１２８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、付着物除去の施工中の状態を監視し、それを施工条件にフィードバックすることで、予め詳細な材料の分析・調査・施工の条件だしをすることなしに最適な除去施工を行うことが可能となる。
【０１２９】
また、施工中に施工対象物およびレーザー光伝播経路近傍を監視し、計測量を照射条件にフィードバックすることで、障害物による施工漏れや、人体等に不意にレーザー光が照射されるのを防ぐことが可能な、安全なレーザークリーニング装置を提供することが可能になる。
【０１３０】
さらに、施工中に光学素子の汚れや破損を監視し、少ない頻度の健全性チェックやメンテナンスで運転でき、かつ施工の健全性を保障できるレーザークリーニング装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わるレーザークリーニング装置の構成図。
【図２】母材の付着物の除去の前後におけるレーザ光の信号レベルおよびその変化率の特性図。
【図３】本発明の第１の実施例に係わるレーザークリーニング装置の構成図。
【図４】本発明の第２の実施例に係わるレーザークリーニング装置の構成図。
【図５】本発明の第３の実施例に係わるレーザークリーニング装置の構成図。
【図６】本発明の第４の実施例に係わるレーザークリーニング装置の構成図であり、図６（ａ）は側面図、図６（ｂ）は正面図。
【図７】本発明の第５の実施例に係わるレーザークリーニング装置の構成図。
【図８】本発明の第６の実施例に係わるレーザークリーニング装置の構成図。
【図９】付着物の除去施工の進行状態を監視するのに用いる材料の発光スペクトル計測データの説明図。
【図１０】本発明の第７の実施例に係わるレーザークリーニング装置の構成図。
【図１１】本発明の第７の実施例における画像処理装置の構成図。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係わるレーザークリーニング装置の構成図。
【図１３】本発明の第２の実施の形態における伝播時間測定器での計測結果の一例の説明図。
【図１４】本発明の第８の実施例に係わるレーザークリーニング装置の構成図。
【図１５】本発明の第９の実施例に係わるレーザークリーニング装置の構成図。
【図１６】本発明の第１０の実施例に係わるレーザークリーニング装置の構成図。
【図１７】本発明の第１０の実施例における画像処理装置の構成図。
【図１８】本発明の第１０の実施例における画像処理装置での差分画像処理の結果を示す模式図。
【図１９】本発明の第３の実施の形態に係わるレーザークリーニング装置の構成図。
【図２０】本発明の第１０の実施例に係わるレーザークリーニング装置の構成図。
【図２１】本発明の第１２の実施例に係わるレーザークリーニング装置の構成図。
【図２２】従来レーザークリーニング装置の説明図。
【符号の説明】
１…レーザー発振器、２…照射用光学系、３…レンズ、４…母材、５…付着物、６…移動装置、７…捕集装置、８…監視手段、９…状況判断手段、１０…制御手段、１１…対象検知手段、１２…微弱レーザー発振器、１３…伝播時間測定器、１４…対象判断手段、１５…劣化監視手段、１６…劣化確認制御手段、１７…ファイバ入射用光学系、１８…光ファイバー、１９…照射ヘッド、２０…レーザー干渉計、２１…信号処理装置、２２、３２…コンパレータ、２３…発振光量制御器、２４…施工対象物物、２５…真空ポンプ、２６…軌道、２７…走査台車、２８…圧電トランスジューサ、２９…カプラントタンク、３０…ポンプ、３３…台車走査制御器、３４…台車駆動器、３４ａ、３４ｂ…駆動装置、３５…光学導波路、３６…マイクロフォン、３７…回転方向台車走査制御器、３８…軸方向台車走査制御器、３９…ハイドロフォン、４０…ステージ、４１…回転駆動装置、４２…共振フィルター、４３…光検出器、４４…回転駆動制御器、４５…分光型光検出器、４６…発光強度計測器、４７…カメラ制御装置、４８…カメラ、４９…画像処理装置、５０…Ａ／Ｄ変換手段、５１…領域分割処理手段、５２…領域計測手段、５３…フレームメモリ、５４…画素間演算処理手段、５５…システム制御バス、５６…画像転送バス、５７…中央演算処理装置、５８…対象検知用レーザー光源、５９…ダイクロイックミラー、６０…可変焦点レンズ系、６１…ビームスプリッタ、６３…光学フィルター、６４…集光用レンズ、７０…集光レンズ、７１…光ファイバー
【図１】
0004295885.tif 000002
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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