KR101057586B1 - 기형 초음파 전파 영상화 장치 - Google Patents

기형 초음파 전파 영상화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기형 초음파 전파 영상화 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 기형 초음파 전파 영상화 장치는 검사하고자 하는 대상체에 펄스레이저빔을 조사하는 레이저 조사부와, 펄스레이저빔의 초점을 조절하는 빔확장기, 펄스레이저빔이 대상체의 스캐닝 패스를 따라 조사되도록 하는 2축 레이저 거울 스캐너와, 펄스레이저빔을 조사받은 대상체에서 생성되는 초음파를 감지하는 센서와 , 센서에서 감지되는 초음파로부터 정상 초음파를 제거하여 3차원 초음파 구조를 생성하고, 3차원 초음파 구조의 시간축을 분할하여 기형 초음파 전파 영상을 생성하는 영상처리 제어부 및 기형 초음파 전파 영상을 출력하는 출력부를 포함한다. 이에 따라, 단순 초음파 전파 영상을 통해 분석하기 어려운 복잡한 구조에서 손상의 크기를 정량화하여 계측할 수 있다.

Description

기형 초음파 전파 영상화 장치{APPARATUS FOR IMAGING ANOMALOUS ULTRASONIC WAVE PROPAGATION}
본 발명은 기형 초음파 전파 영상화 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단순 초음파 전파 영상에서 분석하기 어려운 복잡한 구조에서 손상의 크기를 정량화할 수 있는 기형 초음파 전파 영상화 장치에 관한 것이다.
3차원 초음파 영상화는 2차원 공간 정보에 시간축을 추가하여 2차원 공간에서의 음향초음파의 시간에 따른 변화, 즉, 전파 양상을 가시화할 수 있게 하는 초음파 영상화 기술이다.
이와 같은 디스플레이 방식에 대한 연구들은 2005년 최초 보고된 이래로 후속 연구개발이 뒤따르고 있다.
도 1 은 종래의 미국 Georgia 공대 연구팀에 의해 개발된 초음파 영상화 장비의 스캐닝 결과이다. 도 1을 참조하면, Air-coupled transducer를 이용한 접근법에 따라 평판 구조에만 계측이 가능하며, 원거리 계측은 불가능한 비접촉식이다. 또한, 평면 운동에 의한 스캐닝만 지원하기 때문에 스캐닝 시간이 과도하게 소요되며, 18.75mm 열린 균열(open crack)과 7.8mm 동공(open hole) 등 과도한 손상에서만 가시적인 결과를 출력하는바, 검출능이 현저히 낮다.
도 2는 종래의 영국 Sheffield 대학 연구팀에 의해 개발된 초음파 영상화 장비이다. 도 3은 도 2의 초음파 영상화 장비의 스캐닝 결과이다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 레이저 도플러 진동계(독일 Polytec사 PSV-400)를 사용하여 비접촉 원거리 스캐닝이 가능해 졌으나, 곡률부 스캐닝을 위해 초점 조정 모듈의 장착을 요구하며 초점 조정을 위해 과도한 검사 시간이 소요된다. 또한, 낮은 공간 해상도와 감도, ±20°의 수신레이저빔 입사각의 한계, 초점조정을 위한 시간, 과도한 시스템 가격(대당 2억원)의 한계를 가지고 있으며, 41.5mm 열린 균열의 과도한 손상에서만 가시적인 결과를 출력하였고, 가로 110mm, 세로 60mm 영역에 405점에 불과한 스캐닝 점을 갖는 현저히 낮은 공간해상도를 가진 초음파 전파 영상을 출력하였다.
도 4는 종래의 일본 산업기술총합연구소 연구팀에 의해 개발된 초음파 영상화 장비의 스캐닝 결과이다.
도 4를 참조하면, 펄스드 레이저를 사용하기 때문에 곡률부 레이저빔 회전 스캐닝이 가능하나, 무거운 레이저헤드의 회전 스캐닝 방식을 적용함에 따라 스캐닝 속도가 느리고, 스캐닝 시스템의 부피가 불필요하게 큰 단점이 있다. 또한,펄스드 레이저의 느린 조사 반복속도(repetition rate) 때문에 검사시간이 길고 낮은 안정도로 인해 신호 재현성이 미흡하기 때문에 본 발명에서 기술하는 기형 초음파 전파 영상화 기술을 적용할 수 없다. 또한 큰 손상에 해당하는 16mm 열린 균열에 대한 결과를 출력에 대한 결과만을 출력하였다.
도 5 내지 도 6은 종래의 초음파 영상화 장비의 스캐닝 결과이다.
도 5 내지 도 6을 참조하면, Q-스위치 CW 레이저를 사용하기 때문에 수 kHz의 조사 반복속도를 구현할 수 있고 이를 갈바노모터를 기반으로 하는 2축 레이저 거울 스캐너를 통해 고속 제어 스캐닝을 수행할 수 있어 검사시간이 도 4의 펄스드 레이저 및 헤드스캐닝 방식보다 최소 50배에서 250배의 빠른 검사가 가능해졌다. 그러나 형상이 복잡한 구조에서 경계, 접착, 체결부에서의 초음파의 반사파, 굴절파, 분산파 등이 정상적으로 진행하는 파와 간섭을 일으키고 파장(wavefield)이 매우 복잡해져 손상에 의해 유도된 파를 식별할 수 없는 경우가 많다.
즉, 도 1 내지 도 6에 도시된 종래의 초음파 영상화 장치들은 원거리 계측이 불가능하거나, 곡면구조 스캐닝이 불가능하며, 레이저헤드 스캐닝방식 및 느린 조사 반복속도에 의해 과도한 검사시간을 요구하거나 공간해상도가 낮다.
또한 펄스드 레이저의 낮은 신호 재현성과 느린 조사 반복속도에 의해 과도한 손상에서만 제한적으로 사용할 수밖에 없거나 복잡한 구조에서 반사파, 굴절파, 분산파등이 정상적으로 진행하는 파와 간섭을 일으켜 전파양상이 매우 복잡해져 손상을 구별해 낼 수 없는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하고자 안출된 것으로서, 정상적으로 전파하는 초음파를 제거하고 기형적 전파 특성의 초음파만을 삼차원 영상화하여 단순 초음파 영상에서 분석하기 어려운 복잡한 구조에서 손상의 크기를 정량화하는 기형 초음파 전파 영상화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 기형 초음파 전파 영상화 장치는 펄스레이저빔을 조사하는 레이저 조사부, 대상체에 펄스레이저빔을 조사하기위해 초점을 조절하는 빔확장기, 대상체 내의 검사영역내에서 레이저빔 조사점의 경로를 따라 펄스레이저빔이 조사되도록 하는 2축 레이저 거울 스캐너, 펄스레이저빔을 조사받은 대상체가 생성하는 초음파를 감지하는 센서, 센서로부터 감지된 초음파 신호를 증폭하는 증폭기와 초음파 신호에 존재하는 노이즈를 제거하고 초음파 신호 중에 특정한 주파수 대역만을 통과시키는 대역통과필터로 구성된 제 1 영상처리 제어부, 제 1 영상처리 제어부에서 생성된 초음파에서 대상체 내부에 결함이 없을 경우에 생성되는 정상 초음파를 제거하고 대상체 내부에 결함이 있을 경우에 생성되는 기형 초음파를 이용하여 3차원 초음파 구조로 재구성하는 제 2 영상처리 제어부 및 제 2 영상처리 제어부로부터 생성된 3차원 초음파 구조를 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.
레이저 조사부는 Q-스위치 CW 레이저인 것을 특징으로 하며 Q-스위치 CW 레이저는 10Hz 내지 10KHz의 반복속도로 조사하며 조사 출력은 0.1mJ 내지 99mJ일 수 있다.
빔확장기는 현미경렌즈와 초점조정렌즈로 구성되며. 현미경렌즈의 확장비는 펄스레이저빔의 빔직경과 2축 레이저 거울 스캐너의 거울크기 및 초점의 재조정이 가능한 현미경렌즈의 확장비를 고려하여 결정될 수 있다.현미경렌즈와 초점조정렌즈의 렌즈 손상 한계는 펄스레이저빔의 단위면적당 출력으로 결정될 수 있다.
센서는 대상체에 부착된 접촉형 또는 대상체와 이격된 비접촉형 두 종류로 사용될 수 있다.
비접촉형 센서는 레이저빔 또는 공기를 매질로 사용할 수 있다.
비접촉형 센서 중 레이저 초음파 수신기는 펄스레이저빔과 수신레이저빔을 같은 레이저빔 경로 상에 결합하고 레이저빔 조사점과 센서가 초음파를 감지하는 점을 일치시켜서 초음파가 대상체의 두께방향으로 전달되는 면외(out-of-plane) 전파 파형을 감지하는데 사용될 수 있다.
제 2 영상처리 제어부는 레이저빔 조사점 중 제 1 조사점에서 감지되는 제 1 초음파와 제 1 조사점과 레이저빔 조사점의 경로를 따라 인접한 제 2 조사점에서 감지되는 제 2 초음파를 연산을 위해 독출하는 초음파 인식부, 제 1 초음파를 시간축으로 샘플링 간격의 배수만큼 좌측방향 또는 우측방향으로 이동시켜 제 3 초음파를 생성하는 스케일링부, 제 3 초음파와 제 2 초음파의 시간에 따른 진폭의 차이인 제 4 초음파를 생성하는 제 1 연산부, 제 4 초음파의 RMS(Root Mean Square)를 계산하는 제 2 연산부, 계산된 RMS 값 중에 최소가 되는 제 5 초음파를 선택하는 제 3 연산부 및 제 5 초음파를 레이저빔 조사점에 배치하여 3차원 초음파 구조를 생성하는 구성부를 포함할 수 있다.
출력부는 제 2 영상처리 제어부로부터 생성된 3차원 초음파 구조를 시간에 따라 분할하고 진폭의 크기를 컬러(colar) 혹은 그레이(gray) 스케일로 공간상에 연속적으로 출력할 수 있다.
또한 이러한 기본적인 구성에 원격 스캐닝 검사를 수행할 때 대상체를 원격으로 확인하기 위한 카메라, 2축 레이저 거울스캐너와 연결되어 있고, 2축 레이저 거울스캐너가 레이저빔을 조사할 수 있는 각도의 한계를 넘는 곳에 위치한 대상체를 2축 레이저 거울 스캐너의 출구로 향하도록 하는 중공모터회전기를 추가하여 구성할 수 있다.
중공모터회전기는 레이저 조사부로부터 발진한 펄스레이저빔이 통과할 수 있는 중공부와 펄스레이저빔이 조사되는 방향에 따라 회전할 수 있도록 하는 회전부를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 고안정도 Q-스위치 CW 레이저에 의해 조사되는 펄스레이저빔을 이용하여 대상체에서 발생하는 초음파를 높은 재현성을 가지고 고속으로 원격 수집할 수 있다.
또한 인접한 두 스캐닝 점에서의 초음파의 파형이 서로 매우 유사하다는 특징을 이용하여 정상적으로 전파하는 초음파를 제거하고 기형적 전파 특성의 초음파만을 삼차원 영상화하여 단순 초음파 전파 영상을 통해 분석하기 어려운 복잡한 구조에서 손상의 크기를 정량화하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 미국 Georgia 공대 연구팀에 의해 개발된 초음파 전파 영상화 장비의 스캐닝 결과이다.
도 2는 종래의 영국 Sheffield 대학 연구팀에 의해 개발된 초음파 전파 영상화 장비이다.
도 3은 도 2에 도시된 초음파 전파 영상화 장비의 스캐닝 결과이다.
도 4는 종래의 일본 산업기술총합연구소 연구팀에 의해 개발된 초음파 전파 영상화 장비의 스캐닝 결과이다.
도 5는 종래에 수행된 초음파 전파 영상화를 위해 사용된 복합재 앞전 시편이다.
도 6은 도 5에 도시된 시편에 대한 단순 초음파 전파 영상화 결과이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기형 초음파 전파 영상화 장치의 개략적인 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기형 초음파 전파 영상화 장치를 적용하는 충격손상을 가진 복합재 날개 시편의 사진이다.
도 9는 도 8의(a)에 도시된 복합재 날개 외부면을 단순 초음파 전파 영상화한 결과이다.
도 10은 도 8의(a)에 도시된 복합재 날개 외부면을 본 발명인 기형 초음파 전파 영상화 장치를 사용하여 영상화한 기형 초음파 전파 영상이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 거울 스캐너에 의해 펄스레이저빔이 대상체에 스캐닝 조사되는 경로이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서에 의해 감지되는 인접한 i번째와 i+1번째 조사점에서 획득된 초음파 파형들(yi(t), yi +1(t))을 나타낸 결과이며 두 파형의 차이를 최소화 되도록 조정한 후 두 파형의 차이(yi +1- yi)를 나타내는 파형을 i번째 조사점에 시간축이 깊이 방향이 되도록 배치한 결과이다.
도 13은 기형 초음파 전파 영상을 영상화하는 순서도이다.
도 14는 인접한 두 조사점에서 획득한 초음파 파형(yi(t), yi +1(t)) 중 하나를 샘플링 간격만큼 이동시켜가며 두 파형의 차를 획득한 결과의 그래프이다.
도 15는 두 파형의 차이(yi +1- yi)를 나타내는 파형을 이용하여 얻은 3차원 초음파 구조를 특정시간에서 분할하여 진폭의 크기를 공간상에 컬러(colar)스케일로 출력한 기형 초음파 영상도이다.
도 16은 기형 초음파 전파 영상화를 완전 비접촉으로 수행하는 모바일 형식의 장치 구성의 일 예이다.
도 17은 기형 초음파 전파 영상화를 접촉 및 비접촉으로 수행하는 격납고 고정 및 모바일 형식의 장치 구성의 일 예이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한 본 발명에 관련된 공지기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기형 초음파 전파 영상화 장치의 개략적인 블록도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 기형 초음파 전파 영상화 장치(100)는 레이저 조사부(120), 빔확장기(160), 2축 레이저 거울 스캐너(130), 센서(140) 및 영상처리 제어부(150)를 포함한다.
구체적으로, Q-스위치 CW 레이저(120)는 펄스레이저빔을 10 Hz 내지 10 kHz의 반복속도(repetition rate)로 조사한다. 이때 조사되는 펄스레이저빔은 펄스 대 펄스 불안정도(표준편차/평균)가 2%이하일 수 있으며, 에너지는 대상체(110)에 초음파를 발생하는 수분의 1mJ(millijoule) 내지 수십 mJ, 바람직하게는 0.1mJ 내지 99mJ의 영역으로 조절될 수 있고, 펄스레이저빔 조사의 지속시간(duration)은 수십 피코초 내지 수백 나노초로 조절될 수 있다.
빔확장기(160)는 현미경렌즈와 앞뒤로 움직이며 초점 조정이 가능한 초점조정렌즈 및 펄스레이저빔의 조사출력과 파장을 고려하여 렌즈의 손상을 방지하는 코팅으로 구성된다. 이때 현미경렌즈는 확장비가 10배에서 20배로 조정되며 레이저 조사부(120)의 빔직경과 2축 레이저 거울 스캐너(130)의 거울 직경 및 초점의 재조정이 가능한지를 고려하여 확장비를 결정한다.
2축 레이저 거울 스캐너(130)는 갈바노 모터(galvanomotor, galvanometer)로 구동되는 2축의 회전부를 구비하여 레이저 조사부(120)에서 조사된 펄스레이저빔을 대상체(110)로 향하도록 한다. 펄스레이저빔은 도 11에 도시된 바와 같이, 스캐닝 패스를 따라 조사된다. 스캐닝 패스를 따라 조사된 초음파 신호는 도 12 에 도시된 바와 같다. 스캐닝패스는 대상체(110)에 따라 직교좌표계 혹은 각좌표계를 사용하거나 스캔 간격을 일정하게 혹은 단계적으로 조절하는 등 특정한 패턴을 그리게 된다. 센서(140)의 신호 대 잡음비가 근본적으로 낮을 때에는 스캐닝 패스를 여러 번 반복 수행하여 같은 조사점에서 획득된 신호들을 평균화하여 신호 대 잡음비를 크게 향상시킬 수 있다.
센서(140)는 대상체(110)에 구비되어 대역통과필터 및 증폭기를 포함하며, 대상체(110)에 펄스레이저빔을 조사하여 발생되는 초음파가 대상체의 면내(in-plane)에서 혹은 면외(out-of-plane)에서 일정거리를 전파한 후의 일차원 초음파를 감지한다. 일차원 초음파는 도 12 에 도시된 바와 같이 시간대 초음파의 진폭으로 이뤄진 신호들이다.
센서(140)를 통해 감지되는 일차원 초음파 신호는 레이저빔 조사점에 따라 진폭 및 전파시간이 상이해진다. 센서(140)와 연결된 대역통과필터 및 증폭기를 통해 신호의 증폭과 노이즈를 제거함과 아울러 특정 주파수 대역만 통과시켜 보정된 일차원 초음파 신호로 추출한다.
한편, 본 발명에 따른 센서(140)는 압전재료 기반 초음파센서(세라믹, 단일결정, Air-coupled transducer, Macro fiber composite, Polyvinylidene fluoride), 전자기초음파센서(Electro-magnetic acoustic transducer), 레이저간섭계 기반 초음파센서(Doppler vibrometer, laser ultrasonic multidetector receiver) 또는 광섬유 초음파 센서 (FBG, Sagnac, EFPI) 중에 어느 하나로 구성될 수 있다. 센서(140)는 접촉 혹은 비접촉으로 복수개로 구비될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기형 초음파 전파 영상화 장치를 적용하는 충격손상을 가진 복합재 날개 시편의 사진들이며 도 9는 도 8의(a)에 도시된 복합재 날개 외부면을 단순 초음파 전파 영상화한 결과이다. 또한 도 10은 도 8의(a)에 도시된 복합재 날개 외부면을 본 발명인 기형 초음파 전파 영상화 장치를 사용하여 영상화한 기형 초음파 전파 영상이다.
도 8의 복합재 날개 손상은 단순 초음파 전파 영상으로 영상화(도 9참조)하였을 때 도 8의(b)와 같이 복잡한 내부 구조로 인해 초음파 양상이 매우 복잡해져 분석이 불가능하다. 따라서 도 8의(b)와 같이 복잡한 구조의 손상가시화를 위해 기형 초음파 전파 영상화를 수행하며 도 13 및 도 14를 참조하여 기형 초음파 전파 영상화 과정에 대하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 13은 기형 초음파 전파 영상을 영상화하는 순서도이고 도 14는 인접한 두 조사점에서 획득한 초음파 파형(yi(t), yi +1(t)) 중 하나를 샘플링 간격만큼 이동시켜가며 두 파형의 차를 획득한 결과의 그래프이다.
스캐닝 패스를 따라 인접한 두 조사점에서 측정된 초음파는 파형과 도착시간의 차이가 거의 없기 때문에 도 14의(b)와 같이 인접한 두 조사점에서 획득된 신호들 중 하나를 샘플링 간격만큼 이동시킨 후 도 14의(d)와 같이 두 신호의 차이를 샘플링점별로 계산한다. 두 신호의 차이의 제곱평균의 제곱근이 최소화될 때의 두 파형의 차를 나타내는 파형을 3차원 구조로 출력할 경우 정상적으로 전파하는 파형은 매우 작아지고 기형적으로 전파하는 초음파는 상대적으로 큰 진폭으로 측정된다.
도 13의 기형 초음파 전파를 영상화하는 알고리즘에 따라, 도 12에서 획득된 인접한 두 스캐닝 점들에 대해서 각각 획득된 초음파, yi + 1(t)와 yi(t)를 읽어 들인다(S111). 읽어 들인 yi + 1(t)와 yi(t)의 파형은 도 14의(a) 및 도 14의(c)와 같다. yi+1(t)는 샘플링 간격(Δt)을 이용해 파형을 이동(S112)하는데, 도 14의(b)에는 yi+1(t)를 Δt 시간 샘플링 간격만큼 좌측으로 이동한 yi +1(t+Δt)의 파형이 도시되어 있다. yi +1(t+Δt)에서 yi(t)의 차이를 나타내는 파형은 도 14의(d)에 도시되어 있다. 이러한 방법으로 인접한 두 조사점에서 획득된 신호를 샘플링 간격의 배수만큼 좌우로 이동시키고 두 신호의 차이를 얻는다.
두 신호의 차이가 최소가 되도록 하기 위하여는 두 신호의 차이를 yi +1-yi라하면, yi를 샘플링간격의 배수만큼 좌측방향 또는 우측방향으로 이동시켜가며 구한 각각의 yi +1-yi의 제곱평균의 제곱근(RMS)을 계산(S113)하여, 가장 작은 RMS를 나타내는 신호를 선택(S114)한다. 선택된 신호 즉, 두 인접 조사점에서 획득된 파형의 차를 나타내는 yi 또는 yi + 1를 획득하기 위해 조사한 위치에 도 12와 같이 위치 시키고 다른 조사점들에도 동일한 방법으로 획득된 파형들을 이용하여 3차원 초음파 구조를 생성(S115)하여 특정시간에서 검사영역에 해당하는 진폭분포를 시간축을 따라 컬러(colar) 혹은 그레이(gray) 스케일을 이용하여 연속적으로 출력(S116)하면, 기형 초음파 전파 영상을 얻는다.
도 15는 도 13의 기형 초음파 전파를 영상화하는 알고리즘에 따라 생성된 3차원 초음파 구조에서 특정한 시간에서의 공간상의 기형 초음파 전파를 영상화하는 과정 및 결과이다.
도 16은 기형 초음파 전파 영상화를 완전 비접촉으로 수행하는 모바일 형식의 장치 구성의 일 예이고 도 17은 기형 초음파 전파 영상화를 접촉 및 비접촉으로 수행하는 격납고 고정 및 모바일 형식의 장치 구성의 일 예이다.
기형 초음파 전파 영상화 장치는, 도 16과 같이 이동식(mobile) 장치로 구성할 수 있다. 또한 구조건전성관리 측면에서 일체형 센서를 포함하는 수송체(예, 항공기, 기차등) 또는 고정된 구조에 대해 도 17과 같이 자동검사를 수행할 수 있다. 도 17에서는 펄스레이저빔의 조사 영역을 확대하기 위해 Q 스위치 CW 레이저로부터 발진한 레이저빔이 통과할 수 있는 중공 모터 회전기(170, hollow motorized rotator)와 검사영역을 시각화할 수 있는 카메라(180)를 더 포함한다. 검사절차와 검사결과 분석은 중앙통제실(200)에서 수행될 수 있다. 상기의 이동식 및 고정식 기형 초음파 전파 영상화 장치는 발전설비, 인프라구조, 수송체구조의 제품 품질평가, 실구조 현장 건전성 평가 등에 활용된다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 기형 초음파 전파 영상화 장치 110: 대상체
111: 대상체 내 검사영역 120: 레이저 조사부
130: 2축 레이저 거울 스캐너 140: 센서
150: 영상처리 제어부 151: 제 1 영상처리 제어부
152: 제 2 영상처리 제어부 153: 제 3 영상처리 제어부
160: 빔확장기 161: 현미경렌즈
162: 초점조정렌즈 170: 중공모터회전기
171: 중공부 172: 회전부
180: 카메라 190: 출력부
200: 중앙통제실

Claims (13)

  1. 대상체 내부에 결함이 있는지를 검사하는 기형 초음파 전파 영상화장치에 있어서,
    펄스레이저빔을 조사하는 레이저 조사부;
    상기 펄스레이저빔의 초점을 조절하는 빔확장기;
    상기 대상체 내의 검사영역에 존재하는 레이저빔 조사점의 경로를 따라 상기 펄스레이저빔이 조사되도록 상기 펄스레이저빔의 조사경로를 조절하는 2축 레이저 거울 스캐너;
    상기 펄스레이저빔을 조사받은 상기 대상체가 생성하는 초음파를 감지하는 센서;
    상기 센서로부터 감지된 초음파 신호를 증폭하는 증폭기와 상기 초음파 신호에 존재하는 노이즈를 제거하고 상기 초음파 신호 중에 특정한 주파수 대역만을 통과시키는 대역통과필터로 구성된 제 1 영상처리 제어부;
    상기 제 1 영상처리 제어부에서 생성된 초음파에서 상기 대상체 내부에 결함이 없을 경우에 생성되는 정상 초음파를 제거하고 상기 대상체 내부에 결함이 있을 경우에 생성되는 기형 초음파를 이용하여 3차원 초음파 구조로 재구성하는 제 2 영상처리 제어부; 및
    상기 제 2 영상처리 제어부에서 생성된 상기 3차원 초음파 구조를 출력하는 출력부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 기형 초음파 전파 영상화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 조사부는
    Q-스위치 CW 레이저인 것을 특징으로 하는 기형 초음파 전파 영상화 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 Q-스위치 CW 레이저는
    상기 펄스레이저빔을 10Hz 내지 10KHz의 반복속도로 조사하는 것을 특징으로 하는 기형 초음파 전파 영상화 장치.
  4. 제2항에 있어서
    상기 Q-스위치 CW 레이저는
    상기 펄스레이저빔의 조사출력을 0.1mJ 내지 99mJ로 조사하는 것을 특징으로 하는 기형 초음파 전파 영상화 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 빔확장기는
    현미경 렌즈와 초점조정렌즈로 구성되고,
    상기 현미경 렌즈에 입사가능한 상기 펄스레이저빔의 빔직경, 초점 재조정이 가능한 상기 현미경 렌즈의 확장비, 상기 2축 레이저 거울 스캐너의 거울 크기를 고려하여 상기 현미경 렌즈의 확장비를 결정하는 것을 특징으로 하며,
    상기 현미경렌즈와 초점조정렌즈의 렌즈 손상 한계는 상기 펄스레이저빔의 단위면적당 출력으로 결정되는 것을 특징으로 하는 기형 초음파 전파 영상화 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 센서는
    상기 대상체에 부착된 접촉형 또는 상기 대상체와 이격된 비접촉형인 것을 특징으로 하는 기형 초음파 전파 영상화 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 비접촉형 센서는
    상기 펄스레이저빔 또는 공기를 매질로 사용하고 있는 것을 특징으로 하는 기형 초음파 전파 영상화 장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 비접촉형 센서는
    상기 레이저빔 조사점과 상기 센서가 상기 초음파를 감지하는 점을 일치시켜 상기 대상체의 두께방향으로 전달되는 면외(out-of-plane) 전파 파형을 감지하는 레이저 초음파 수신기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기형 초음파 전파 영상화 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 영상처리 제어부는
    상기 레이저빔 조사점 중 제 1 조사점에서 감지되는 제 1 초음파와 상기 레이저빔 조사점의 경로를 따라 상기 제 1 조사점과 인접한 제 2 조사점에서 감지되는 제 2 초음파를 독출하는 초음파 인식부;
    상기 제 1 초음파를 시간축에 대하여 샘플링 간격의 배수만큼 좌측방향 또는 우측방향으로 이동시켜 제 3 초음파를 생성하는 스케일링부;
    상기 제 3 초음파와 상기 제 2 초음파의 시간에 따른 진폭의 차이인 제 4 초음파를 생성하는 제 1 연산부;
    상기 제 4 초음파의 RMS(Root Mean Square)를 계산하는 제 2 연산부;
    상기 계산된 RMS 값 중에 최소가 되는 제 5 초음파를 선택하는 제 3 연산부;및
    상기 제 5 초음파를 상기 레이저빔 조사점에 배치하여 상기 3차원 초음파 구조를 생성하는 구조부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기형 초음파 전파 영상화 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 출력부는
    상기 제 2 영상처리 제어부에서 생성된 상기 3차원 초음파 구조를 시간에 따라 분할하고 진폭의 크기를 컬러(colar) 또는 그레이(gray) 스케일로 공간상에 연속적으로 출력하는 것을 특징으로 하는 기형 초음파 전파 영상화 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 펄스레이저빔을 조사할 때 상기 대상체를 원격으로 확인하기 위한 카메라를 더 포함하는 기형 초음파 전파 영상화 장치.
  12. 제 1항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 2축 레이저 거울스캐너와 연결되어 있고,
    상기 2축 레이저 거울스캐너가 상기 펄스레이저빔을 조사할 수 있는 각도의 한계를 넘는 곳에 위치한 대상체를 상기 2축 레이저 거울 스캐너의 출구로 향하도록 하는 중공모터회전기
    를 더 포함하는 기형 초음파 전파 영상화 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 중공모터회전기는
    상기 레이저 조사부로부터 조사된 상기 펄스레이저빔이 통과하는 중공부; 및
    상기 펄스레이저빔이 조사되는 방향에 따라 회전하는 회전부
    를 포함하는 기형 초음파 전파 영상화 장치.




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