JPH0875660A - 管内面検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 リング状集光素子を用いた管内検査装置にお
いて，入射光がリング状集光素子で散乱する有害散乱光
の影響を回避できるようにした管内面検査装置を提供す
る。 【構成】 検査光の一部がリング光投光輪帯群１８で散
乱した散乱光が受光用光ファイバーに直接的に向かう有
害散乱光の光路上に散乱光遮蔽輪帯群５が形成されてい
るので，有害散乱光は受光用光ファイバーに入射しな
い。従って，管内面で反射した光を集光して受光用光フ
ァイバーで取り出す光の中に上記有害散乱光が混入する
ことが回避され，リング状集光素子２を用いた管内面検
査装置の優れた特徴を生かして，正確な管内面検査を実
施することができる。上記散乱光遮蔽輪帯群５は，リン
グ光投光輪帯群１８から受光用光ファイバーへ直接向か
う有害散乱光に直交する面を有し，その面が光反射する
ように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，入射光をリング状に集
光させるリング状集光素子を用いてパイプ等の管状物の
内部をリング状に照明し，その反射光を検出することに
より，管状物内面の疵や粗さを光学的に検査する管内面
検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】パイプ等の管状物の内面の疵や粗さを光
学的に計測，検査するために，検査対象とする管内に挿
入された検査ヘッドからリング状に集光させた光を照射
し，その反射光を検出することによって管内面の状態を
検査する管内面検査装置が開発されている。従来，この
種の管内面検査装置の上記検査ヘッドは，レンズや円錐
ミラー等の光学部品を組み合わせることにより上記リン
グ状の管内照明を得ていたため，小型化に限度があり，
小径管に適用することが困難であることや，上記光学部
品の配置が振動等により変化するため安定性に欠ける課
題を有していた。そこで，本願出願人は回折格子を構成
する輪帯群によりリング状に集光させる光学素子を開発
し，これを利用して上記従来装置の課題を解決する管内
面検査装置を特願平５−３１７９３７号として先に出願
した。この管内面検査装置は，図４に示すように構成さ
れている。図４に示す管内検査装置２１は，検査対象と
するパイプ８内に挿入される検査ヘッド２３にリング状
集光素子１７が装着されており，この検査ヘッド２３と
光源２４及び検査装置本体２６との間が光ファイバー２
２で接続されている。光ファイバー２２は，図５に断面
図として示すように，その中心位置に光源２４からの検
査光をリング状集光素子１７に伝送する投光用光ファイ
バー２２ａと，外周位置にリング状集光素子１７で集光
された反射光を撮像素子２５に伝送する受光用光ファイ
バー２２ｂとにより構成されている。

【０００３】上記リング状集光素子１７は，図６の平面
図及び図７の側面図に示すように，基板２０上に複数の
第１の輪帯が同心円状に形成されたリング光投光輪帯群
１８と，その外周に複数の第２の輪帯が同心円状に形成
された受光輪帯群１９とが形成されている。それぞれの
輪帯群は回折格子を構成しており，リング状集光素子１
７の中心部に入射された光を上記リング光投光輪帯群１
８でリング状の焦点Ｆ１に集光させる。この焦点Ｆ１を
検査対象とする管内面に設定すると，管内面で後方散乱
した反射光は上記受光輪帯群１９でリング状の焦点Ｆ２
に集光される。上記構成において，検査ヘッド２３をパ
イプ８内に挿入して，光源２４からの検査光を投光用光
ファイバー２２ａを通じて伝送すると，その光はリング
状集光素子１７のリング光投光輪帯群１８でリング状に
集光されてパイプ８の内面が照明される。パイプ８内面
で後方散乱した反射光は受光輪帯群１９によってリング
状に集光され，受光用光ファイバー２２ｂに入射され
る。この反射光は光ファイバー２２を伝送されて撮像素
子２５に結像するので，検査ヘッド２３を移動させてパ
イプ８内からの反射光を連続的に検出し，検査装置本体
２６に順次入力すると，パイプ８内面の疵や粗さを検査
することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，上記従
来構成になる管内検査装置２１において，リング光投光
輪帯群１８から検査光が出射するとき，リング状集光素
子と空気との屈折率の差による反射があるため検査光の
一部が散乱し，この散乱光が受光用光ファイバー２２ｂ
に入射することにより検出感度が低下する問題点が発見
された。この状態を，図８に示す検査ヘッド２３の拡大
図を参照して説明する。図８において，投光用光ファイ
バー２２ａの端部から投射された検査光１１は，リング
光投光輪帯群１８によってリング状に集光され，パイプ
８の内面を照明するが，リング光投光輪帯群１８から出
射するとき，輪帯表面と空気との屈折率の差から一部の
検査光が散乱し，その散乱光９のうち受光用光ファイバ
ー２２ｂの方向に向かう有害散乱光９が受光用光ファイ
バー２２ｂに入射する。従って，パイプ８の内面で後方
散乱した反射光を受光輪帯群１９でリング状に集光して
受光用光ファイバー２２ｂに入射させる反射光１０に，
上記有害散乱光９が混入することになる。この管内面検
査装置２１では，集光した反射光１０の強度から管内面
の疵や粗さを検出しているので，上記有害散乱光９の混
入により検出感度が低下する。

【０００５】いま，投光用光ファイバー２２ａから出射
する検査光１１の強度をＰ₀ ，リング光投光輪帯群１８
の集光効率をηとし，リング光投光輪帯群１８から出射
するリング状光１２の強度Ｐ₁ をＰ₁ ＝η×Ｐ₀ ，有害
散乱光９の強度Ｐ₂ をＰ₂ ＝（１−η）×Ｐ₀ で表す
と，受光用光ファイバー２２ｂが受光する光の強度Ｐ₃
は，下式（１）のようになる。 Ｐ₃ ＝ｃ×Ｐ₁ ＋Ｐ₂ ＝ｃ×η×Ｐ₀ ＋（１−η）×Ｐ₀ …（１） （但し，ｃ＝管内面の散乱率×第２の輪帯群１９の集光
効率） 従って，有害散乱光９を含む反射光１０の受光強度Ｐ₃
から管内面の疵や粗さを検出する際には，オフセットと
なる有害散乱光９の強度（１−η）×Ｐ₀ を受光強度Ｐ
₃ から差し引いて反射光１０の強度ｃ×η×Ｐ₀ を算出
する必要がある。ところが，散乱光の強度は，投光用光
ファイバー２２ａから伝送されてくる検査光の変動によ
り変化する。即ち，ファイバー光の安定度をｓとする
と，有害散乱光９の強度は（１−η）×Ｐ₀ ×ｓの変動
幅で変化することになる。故に，管内面の疵や粗さの大
きさによっては，反射光１０の強度ｃ×η×Ｐ₀ より有
害散乱光９の変化幅（１−η）×Ｐ₀ ×ｓの方が大きく
なり，正確な管内面検査ができなくなる問題が生じる。
そこで，本発明が目的とするところは，リング状集光素
子を用いた管内検査装置の優れた特徴を生かすべく，上
記有害散乱光の影響を回避できるようにした管内面検査
装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明が採用する手段は，入射された光を回折させて
所定距離隔てた管内面上の第１の焦点にリング状に集光
させる複数の第１の輪帯が基板表面に同心円状に形成さ
れてなるリング光投光輪帯群と，上記第１の焦点から反
射してきた光を回折させて所定距離隔てたリング状の焦
点上に集光させる複数の第２の輪帯が上記基板表面に上
記第１の輪帯と同心円状に形成されてなる受光輪帯群と
が設けられてなるリング状集光素子を，検査対象となる
管内の中心軸線上で移動させつつ投光用光ファイバーに
より伝送された検査光を上記リング光投光輪帯群から上
記第１の焦点にリング状に照射し，上記第１の焦点から
の反射光を上記受光輪帯群で受光して受光用光ファイバ
ーで取り出すことにより，上記管内面の状態を検査する
管内面検査装置において，上記リング光投光輪帯群の表
面で散乱し，上記受光用光ファイバーへ直接向かう有害
散乱光を遮蔽する散乱光遮蔽手段が，上記リング光投光
輪帯群から直接的に上記受光用光ファイバーに向かう光
路上に形成されてなることを特徴とする管内面検査装置
として構成されている。更に，上記散乱光遮蔽手段は，
リング光投光輪帯群から上記受光用光ファイバーへ直接
向かう有害散乱光に直交し，光反射する面を備えた複数
の第４の輪帯群により形成することができる。

【０００７】

【作用】本発明によれば，検査光の一部がリング光投光
輪帯群で散乱した散乱光が受光用光ファイバーに直接的
に向かう有害散乱光の光路上に散乱光遮蔽手段が形成さ
れているので，有害散乱光は受光用光ファイバーに入射
しない。従って，管内面で反射した光を集光して受光用
光ファイバーで取り出す光の中に上記有害散乱光が混入
することが回避され，リング状集光素子を用いた管内面
検査装置の優れた特徴を生かして，正確な管内面検査を
実施することができる。上記散乱光遮蔽手段は，リング
光投光輪帯群から受光用光ファイバーへ直接向かう有害
散乱光に直交する面を有し，その面が光反射するように
構成すると，有害散乱光を逆向させるので受光用光ファ
イバーに入射することがない。

【０００８】

【実施例】以下，添付図面を参照して本発明を具体化し
た実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以
下の実施例は本発明を具体化した一例であって，本発明
の技術的範囲を限定するものではない。ここに，図１は
本実施例に係る管内面検査装置１の構成を示す模式図，
図２は実施例に係る検査ヘッドの拡大図，図３は散乱光
遮蔽の作用を説明する模式図である。尚，従来構成と共
通する要素には同一の符号を付して，その説明は省略す
る。図１において，管内面検査装置１は，検査対象とす
るパイプ８内に挿入される検査ヘッド３と，光源２４及
び検査装置本体２６との間を光ファイバー２２で接続し
て構成されている。光源２４からの検査光を投光用光フ
ァイバー２２ａで検査ヘッド３に伝送し，リング状集光
素子２に形成されたリング光投光輪帯群１８でリング状
に集光させてパイプ８の内面を照明する。パイプ８の内
面で後方散乱した光は受光輪帯群１９で集光され，受光
用光ファイバー２２ｂから撮像素子２５に伝送され，撮
像素子２５から得られる検出信号により検査装置本体２
６はパイプ８内面の疵や粗さの検査を実施する。

【０００９】上記構成において，リング状集光素子２は
従来構成になるリング状集光素子１７と異なる構造に形
成されている。即ち，図２に示すように，基板４の一方
面には従来構成と同様にリング光投光輪帯群１８と受光
輪帯群１９とが同心円状に形成され，基板４の他方面に
散乱光遮蔽輪帯群（散乱光遮蔽手段）５が同心円状に形
成されている。上記散乱光遮蔽輪帯群５は，図２に示す
ように投光用光ファイバー２２ａの端部から投射された
検査光１１がリング光投光輪帯群１８でリング状に集光
されてリング状光１２として投射される際に，リング光
投光輪帯群１８と空気との屈折率の差で検査光１１の一
部が散乱し，受光用光ファイバー２２ｂに直接向かう有
害散乱光９の光路上に形成されている。この散乱光遮蔽
輪帯群５はレジスト，ガラス，プラスチック等の光透過
性材料により，基板４上に上記リング光投光輪帯群１８
及び受光輪帯群１９と同一の光軸６を中心として同心円
に形成されている。この散乱光遮蔽輪帯群５の構成とそ
の作用について以下に説明する。まず，散乱光の発生源
となるリング光投光輪帯群１８の構成について説明す
る。

【００１０】図３において，投光用光ファイバー２２ａ
の出射点と基板４との間隔をｄ，基板４の厚みをｔ，屈
折率をｎｇ，リング光投光輪帯群１８が検査光１１をリ
ング状に集光する距離（焦点距離）をｆ，リング状光１
２の半径をＲ，空気の屈折率をｎｏとしたとき，リング
状投光輪帯群１８を構成する各輪帯のエッジ位置（ｒ
ｍ，ｔ）は，下式（２）（３）から算出できる。

【数１】 （但し，rpm ：rmの位置に入射する光束の基板面での入
射位置）

【数２】 又，各輪帯の高さｈは，下式（４）で与えられる。 ｈ＝λ／（ｎｇ−ｎｏ）…（４） 即ち，リング光投光輪帯群１８の断面形状は，図３に示
すように，点（ｒｍ，ｔ），点（ｒｍ＋１，ｔ＋ｈ），
点（ｒｍ＋１，ｔ）を順に直線で結んだ形になる。

【００１１】投光用光ファイバー２２ａから投射された
検査光１１は，上記点（ｒｍ，ｔ）と点（ｒｍ＋１，ｔ
＋ｈ）とを結んだ輪帯の傾斜面で，その一部が散乱す
る。この散乱光が受光用光ファイバー２２ｂ方向に直接
向かう有害散乱光９を遮蔽する散乱光遮蔽輪帯群５は，
上記有害散乱光９の方向と直交する面を有する輪帯群に
より構成することができる。即ち，図３に示すように，
点（ｑｍ，ｏ），点（ｑｍ′，ｈｍ′），点（ｑｍ＋
１，ｏ）を順次直線で結んだ形に近似できる。上記各点
は下式（５）（６）（７）から得られる。 ｑｍ＝ｒｍ＋ｔ・tan(２θ＋ｉ）…（５） ｑｍ′＝ｑｍ＋（ｑｍ＋１−ｑｍ）・sin²（２θ＋ｉ）…（６） ｈｍ′＝（ｑｍ＋１−ｑｍ）・sin(２θ＋ｉ）・cos(２θ＋ｉ）…（７） 但し，θ＝ｈ／（ｒｍ＋１−ｒｍ），ｍ＝０，±１，±
２，±３…

【００１２】上記数式（５）（６）（７）を演算する具
体的なリング状集光素子２の条件を表１に示す。このリ
ング状集光素子２のリング光投光輪帯群１８を構成する
各輪帯それぞれに対応する散乱光遮蔽輪帯群５の輪帯形
状・位置は，表２に示すように演算結果として示すこと
ができる。

【表１】

【００１３】

【表２】 表２に示す０〜４９の輪帯は，この全てを用いるのでは
なく，図２に示すように投光用光ファイバー２２ａから
投射される検査光１１，受光用光ファイバー２２ｂに入
射する反射光１０を遮らない位置にある輪帯を散乱光遮
蔽輪帯群５として採用する。

【００１４】この散乱光遮蔽輪帯群５を構成する各輪帯
の有害散乱光９が垂直に入射する面，即ち，点（ｑ
ｍ′，ｈｍ′）と点（ｑｍ＋１，ｏ）とを結ぶ直線の面
の表面には，光を反射する物質を蒸着して入射する有害
散乱光９を反射させる。上記のように散乱光遮蔽輪帯群
５を，リング光投光輪帯群１８で散乱した光が受光用光
ファイバー２２ｂに直接的に向かう光路上に形成すると
共に，有害散乱光９の方向に直交する面で反射させるこ
とにより，受光用光ファイバー２２ｂに有害散乱光９が
入射しないので，受光輪帯群１９による管内面反射光の
検出感度を高く保つことができる。又，有害散乱光９が
垂直に入射する面の方向は，点（ｑｍ′，ｈｍ′）と点
（ｑｍ＋１，ｏ）とを結ぶ直線の傾きで決定されるの
で，１つの輪帯をこの傾きをもった複数の輪帯（図３に
一点鎖線で示す）に分割して，実質的な輪帯の高さを表
２に示す輪帯の高さ（ｈｑｍ′）を更に薄くして製作す
る。上記散乱光遮蔽輪帯群５の基板４上への形成は，上
記リング光投光輪帯群１８及び受光輪帯群１９の形成と
同様に，光リソグラフィ法，電子ビームリソグラフィ
法。金型によるプラスチック成形等の製造方法により，
上記リング光投光輪帯群１８及び受光輪帯群１９の形成
時に同時に実施することができる。従って，リング光投
光輪帯群１８に対応させる形状及び位置の製作時のずれ
は問題とならない。

【００１５】

【発明の効果】以上の説明の通り本発明によれば，検査
光の一部がリング光投光輪帯群で散乱した散乱光が受光
用光ファイバーに直接的に向かう光路上に散乱光遮蔽手
段が形成されているので，散乱光は受光用光ファイバー
に入射しない。従って，管内面で反射した光を集光して
受光用光ファイバーで取り出す光の中に上記散乱光が混
入することが回避され，リング状集光素子を用いた管内
面検査装置の優れた特徴を生かしつつ，正確な管内面検
査を実施することができる。上記散乱光遮蔽手段は，リ
ング光投光輪帯群から受光用光ファイバーへ直接向かう
散乱光に直交する面を有し，その面が光吸収するように
構成すると，有害な散乱光を吸収させることができる。
又，散乱光に直交する面が光反射するように構成する
と，散乱光を逆向させるので受光用光ファイバーに入射
することがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例に係る管内面検査装置の構成
を示す模式図。

【図２】 実施例に係る検査ヘッド部の拡大断面図。

【図３】 実施例に係る散乱光遮蔽輪帯群の構成及び作
用を示す説明図。

【図４】 従来例に係る管内面検査装置の構成を示す模
式図。

【図５】 光ファイバーの構成を示す断面図。

【図６】 従来例に係るリング状集光素子の構成を示す
平面図。

【図７】 従来例に係るリング状集光素子の構成と作用
を示す断面図。

【図８】 従来例に係る管内面検査装置における有害散
乱光の影響を説明する検査ヘッド部の拡大断面図。

【符号の説明】

１…管内面検査装置 ２…リング状集光素子 ３…検査ヘッド ４…基板 ５…散乱光遮蔽輪帯群（散乱光遮蔽手段） ９…有害散乱光 １０…反射光 １１…検査光 １２…リング状光 １８…リング光投光輪帯群 １９…受光輪帯群 ２２…光ファイバー ２２ａ…投光用光ファイバー ２２ｂ…受光用光ファイバー

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射された光を回折させて所定距離隔て
   た管内面上の第１の焦点にリング状に集光させる複数の
   第１の輪帯が基板表面に同心円状に形成されてなるリン
   グ光投光輪帯群と，上記第１の焦点から反射してきた光
   を回折させて所定距離隔てたリング状の焦点上に集光さ
   せる複数の第２の輪帯が上記基板表面に上記第１の輪帯
   と同心円状に形成されてなる受光輪帯群とが設けられて
   なるリング状集光素子を，検査対象となる管内の中心軸
   線上で移動させつつ投光用光ファイバーにより伝送され
   た検査光を上記リング光投光輪帯群から上記第１の焦点
   にリング状に照射し，上記第１の焦点からの反射光を上
   記受光輪帯群で受光して受光用光ファイバーで取り出す
   ことにより，上記管内面の状態を検査する管内面検査装
   置において，上記リング光投光輪帯群の表面で散乱し，
   上記受光用光ファイバーへ直接向かう有害散乱光を遮蔽
   する散乱光遮蔽手段が，上記リング光投光輪帯群から直
   接的に上記受光用光ファイバーに向かう光路上に形成さ
   れてなることを特徴とする管内面検査装置。
2. 【請求項２】 上記散乱光遮蔽手段が，リング光投光輪
   帯群から上記受光用光ファイバーへ直接向かう有害散乱
   光に直交し，光反射する面を備えた複数の第４の輪帯に
   より形成されてなる請求項１記載の管内面検査装置。