CN103154720B - 金属组织以及材质的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明包括：脉冲激光振荡器（11），该脉冲激光振荡器产生第一激光；光分离部，该光分离部将产生的第一激光分成多束分离光；多条光路（12、13、14、15、16），使由光分离部分离出的分离光分别在该多条光路上进行传播，且该多条光路的光传播时间不同；聚焦部，该聚焦部使分别在多条光路上传播的多束分离光重叠照射到被测定材料（100）的同一位置；激光干涉仪部（30），该激光干涉仪部向被测定材料（100）照射第二激光，并基于从被测定材料（100）反射及散射过来的第二激光与基准光进行干涉所产生的光量变化，来对由第一激光激励出并在被测定材料（100）的内部传播的超声波进行检测；以及波形分析部（32），该波形分析部基于由激光干涉仪部（30）所检测出的超声波来计算被测定材料（100）的金属组织及材质。

Description

金属组织以及材质的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种利用由脉冲激光激励的超声波来进行的金属组织以及材质的金属组织以及材质的测量装置及测量方法。

背景技术

利用超声波的金属组织以及材质的测量逐渐得到了广泛应用。例如，专利文献1中揭示了利用以下原理来测定钢板的晶粒直径的晶粒直径测定装置，即，激励超声波并使其在钢板内传播后，其衰减特性会因钢板的晶粒直径而不同。

已知超声波的衰减、晶粒直径、及超声波的频率通常遵从以下（式1）所示的散射定律。

数学式1

$D={(K^{-1}\·\mathrm{\α}\·f^{-n})}^{\frac{1}{n-1}}$     (式1）

这里，α为超声波的衰减率（dB/mm），D为晶粒直径（mm），f为超声波的频率（MHz），n为表示散射形式的系数，通常为1～4左右。

即，随着超声波频率的增大，晶粒中的散射所引起的衰减会增大，而且晶粒越大，该倾向越显著。因此，可以基于该衰减率的不同来测量金属材料的材质，例如晶粒直径。

这里，为了在被测定材料中激励超声波，已知有利用压电振动器的方法（第一方法）、利用电磁力的方法（第二方法）、利用脉冲激光的方法（第三方法）等。其中，第一方法需要经由对音响特性进行了匹配的介质（液体）来使压电振动器紧贴于被测定材料，此外，激励出的超声波的频率通常在几MHz左右以下。第二方法虽然能以非接触的方式来激励超声波，但与被测定材料的间隔（相隔距离）通常限定在几毫米左右，此外，还需要被测定材料为磁性体。即，第二方法无法应用于非磁性体的热加工中（热 奥氏体组织）的碳素钢的检查，也同样无法应用于非磁性体的不锈钢的检查。

相比于此，第三方法具有能进行非接触测定、能允许较大（几百mm）的相隔距离、也能对非磁性体进行测定的优点，因此得到了广泛的应用。

专利文献

专利文献1：日本专利特开2006-84392号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，例如在上述晶粒直径的测量中，若激励出的超声波的频率过高，则晶粒中的散射所引起的衰减率会过大，因此，激励出的超声波在到达检测点之前就会变得微弱，检测出的超声波波形的信噪比会恶化，测量精度会降低。另一方面，若激励出的超声波的频率过低，则与晶粒直径不具有相关性的、由超声波扩散所引起的衰减会变得明显，因此，测量还是难以进行。

因此，在金属组织以及材质的测量中，需要对激励出的超声波的频率进行适当的选择。

然而，利用第三方法所激励出的超声波的频率分布主要取决于所使用的脉冲激光的脉冲宽度等装置固有的因素。由于这依赖于脉冲激光振荡器的结构，故不容易变更，因此，事实上很难根据测定对象来激励出合适频率的超声波。

例如，从动作稳定且在工业中广泛使用的Q开关固体脉冲激光振荡器输出的脉冲激光的脉冲宽度通常在几纳秒以上。若将这种脉冲激光照射于被测定材料，则激励出的超声波为半波长的脉冲超声波，其频率分量主要在20～50（MHz）附近具有峰值，并具有10～100（MHz）的扩展范围。众所周知，利用傅里叶变换、小波变化等频率分析方法，能从检测出的波形中提取特定的频率分量。然而，这些方法具有以下性质，即，作为分析对象的现象的记录时间越短则频率分辨率越低。由于半波长的脉冲超声波的记录时间极短，因此频率分辨率变低，故难以避免混入其它频率分量。

此外，特别是对于高频率的分量，其振幅强度较小，因此信噪比较低。由此，具有在金属组织以及材质的测量、尤其是在对金属材料中的晶粒直 径进行的测定中精度不足的问题。

此外，虽然产生脉冲宽度在1纳秒以下的脉冲激光的短脉冲激光振荡器在市面上有售，但从该短脉冲激光振荡器产生的脉冲激光的每个脉冲的光能都非常小，因此，由该脉冲激光激励出的超声波较微弱，无法获得足够强度的检测信号，信噪比较差，因而具有在金属组织以及材质的测量、尤其是在对金属材料中的晶粒直径进行的测定中精度不足的问题。

本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种金属组织以及材质的测量装置及材质测量方法，其使用通常的脉冲宽度的脉冲激光振荡器，激励出含有更多所期望的频率分量、且持续时间在一个半波长以上的超声波振动，由此来对金属组织以及材质进行测量，特别是以更高的精度对晶粒直径在几微米以下的金属材料的晶粒直径进行测量。

为解决问题所采用的技术方案

为达到上述目的，本发明所涉及的金属组织以及材质的测量装置的第一特征在于，包括：脉冲激光振荡器，该脉冲激光振荡器产生第一激光；光分离部，该光分离部将产生的所述第一激光分成多束分离光；多条光路，使由所述光分离部分离出的分离光分别在该多条光路上进行传播，且该多条光路的光传播时间不同；聚焦部，该聚焦部使分别在所述多条光路上传播的多束分离光重叠照射到被测定材料的同一位置；激光干涉仪部，该激光干涉仪部向所述被测定材料照射第二激光，并基于从所述被测定材料反射及散射过来的第二激光与基准光进行干涉所产生的光量变化，来对由所述第一激光所激励出并在被测定材料的内部传播的超声波进行检测；以及波形分析部，该波形分析部基于由所述激光干涉仪部所检测出的超声波来计算所述被测定材料的金属组织及材质。

本发明所涉及的金属组织以及材质的测量装置的第二特征在于，在第一特征中，还包括光路长度变更部，该光路长度变更部对多条光路中的至少一条光路的长度之差进行变更。

本发明所涉及的金属组织以及材质的测量装置的第三特征在于，在第一特征中，在多条光路中的至少一条光路上包括高折射率材料。

本发明所涉及的金属组织以及材质的测量装置的第四特征在于，在第一特征中，多条光路中，第一光路与光传播时间比之更长的第二光路的长度之差不同于第二光路与光传播时间比之更长的第三光路的长度之差。

本发明所涉及的材质测量方法的第一特征在于，将第一激光分成多束分离光，使所述分离光分别在光传播时间不同的多条光路上传播，使分别在所述多条光路上传播的多束分离光照射到被测定材料的同一位置，向所述被测定材料照射第二激光，基于从所述被测定材料反射及散射过来的第二激光与基准光进行干涉所产生的光量变化，来对由所述第一激光所激励出并在被测定材料的内部传播的超声波进行检测，分析所述超声波的检测波形，并计算所述被测定材料的金属组织及材质。

发明效果

如上所述，根据本发明，使用通常的脉冲宽度的脉冲激光振荡器，激励出含有更多所期望的频率分量、且持续时间在一个半波长以上的超声波振动，由此能对金属组织及材质进行测量，特别是能以更高的精度对晶粒直径在几微米以下的金属材料的晶粒直径进行测量。

附图说明

图1是表示本发明所涉及的实施方式1的金属组织以及材质的测量装置的结构的图。

图2是表示本发明所涉及的实施方式1的金属组织以及材质的测量装置所具备的激光干涉仪的结构的图。

图3(A)是表示由本发明所涉及的实施方式1的金属组织以及材质的测量装置所具备的脉冲激光振荡器所射出的脉冲激光的一个例子的图，图3(B)是表示由本发明所涉及的实施方式1的金属组织以及材质的测量装置所激励出的超声波的一个例子的图。

图4是表示本发明所涉及的实施方式2的金属组织以及材质的测量装置的结构的图。

图5是表示本发明所涉及的实施方式3的金属组织以及材质的测量装置的结构的图。

图6是表示本发明所涉及的实施方式3的金属组织以及材质的测量装置3所具备的半透明反射镜25的一个例子的图。

图7是表示本发明所涉及的实施方式4的金属组织以及材质的测量装置的结构的图。

图8是表示本发明所涉及的实施方式4的金属组织以及材质的测量装置所具备的激光干涉仪33的结构的图。

图9是表示本发明所涉及的实施方式5的金属组织以及材质的测量装置的结构的图。

图10是表示本发明所涉及的实施方式6的金属组织以及材质的测量装置的结构的图。

图11是表示本发明所涉及的实施方式7的金属组织以及材质的测量装置的结构的图。

图12(A)是表示由本发明所涉及的实施方式7的金属组织以及材质的测量装置所具备的脉冲激光振荡器所射出的脉冲激光的一个例子的图，图12(B)是表示由本发明所涉及的实施方式7的金属组织以及材质的测量装置7所激励出的超声波的一个例子的图。

具体实施方式

下面使用附图来说明本发明所涉及的各实施方式。

<实施方式1>

在本发明所涉及的实施方式1中，以在金属材料中激励出超声波从而测量晶粒直径的金属组织以及材质的测量装置为例进行说明。

《金属组织以及材质的测量装置的结构》

图1是表示本发明所涉及的实施方式1的金属组织以及材质的测量装置的结构的图。

如图1所示，本发明所涉及的实施方式1的金属组织以及材质的测量装置1具备脉冲激光振荡器11、1/2波片12、第一偏振光束分离器13、反射镜14、15、第二偏振光束分离器16、聚焦透镜17、激光干涉仪30、示波器31、以及波形分析计算机32。

脉冲激光振荡器11具备采用了Nd:YAG（Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet：掺钕钇铝石榴石）的Q开关固体脉冲激光光源，产生脉冲宽度为几纳秒～十几纳秒左右的脉冲激光201。另外，脉冲激光光源也可以采用例如半导体激励固体激光光源、脉冲气体激光光源、光纤激光光源、半导体激光光源、闪光灯，还可以将这些光源与激光放大器等组合起来使 用。此外，虽然Q开关固体脉冲激光的输出是直线偏振光，但如后述那样，即使偏振光状态不同，也能应用本发明。

1/2波片12是使直线偏振光的偏振方向旋转的光学元件，若使1/2波片12围绕由脉冲激光振荡器11产生的脉冲激光201的光轴旋转，则偏振方向将转过旋转角两倍的角度。这里，以由后述的第一偏振光束分离器13分离出的第一分离光202的光量与第二分离光203的光量之比为1:1的角度对其进行固定。

第一偏振光束分离器13是如下光学元件，即，将脉冲激光201的横偏振光（在与纸面平行的方向上偏振的）分量作为第一分离光202，使其透过，并将脉冲激光201的纵偏振光（在与纸面垂直的方向上偏振的）分量作为第二分离光203，使光路向与光轴成直角的方向进行反射。

反射镜14、15配置成对由第一偏振光束分离器13反射过来的第二分离光203进行反射，并使其入射至后述的第二偏振光束分离器16。

该反射镜14、15配置成使得从分离出第二分离光203到到达被测定材料100为止的时间延迟，以使第一分离光202照射到被测定材料100时激励出的超声波与第二分离光203照射到被测定材料100时激励出的超声波的一部分重合。这里，被测定材料100不限于金属材料，也可以是玻璃、陶瓷、或者硬质塑料等非金属材料。

第二偏振光束分离器16对入射过来的第一分离光202和第二分离光203进行合成。 

聚焦透镜17将由第二偏振光束分离器16合成的第一分离光202和第二分离光203聚焦在被测定材料100的同一位置。由此，在被测定材料100的表面形成等离子，并在被测定材料100内激励出超声波。并且，激励出的超声波在被测定材料100内传播并到达对侧的面后，表现为微小振动。激光干涉仪30将因第一分离光202和第二分离光203照射到被测定材料100而产生的微少振动作为电信号检测出。

示波器31基于由激光干涉仪30所检测出的电信号来显示波形。

波形分析计算机32基于由激光干涉仪30所检测出的电信号来计算被测定材料100的晶粒直径。例如，波形分析计算机32从由激光干涉仪30所检测出的波形中提取纵波超声波的重复反射回声的波形，并对其进行连续小波变换，从而得到按频率区分的振动功率。并且，波形分析计算机32利用对 数函数来对多个纵波回声的振动功率进行调整，得到按频率区分的衰减率α。基于这些值，并使用上述（式1）所示的关系式，由此来计算晶粒直径。

图2是表示本发明所涉及的实施方式1的金属组织以及材质的测量装置1所具备的激光干涉仪30的结构的图。

如图2所示，激光干涉仪30具备窄线宽激光光源101、光束分离器102、聚焦透镜103、104、106、光折变晶体105、以及光电二极管107。

窄线宽激光光源101是将频率稳定性高且可干涉性良好的窄线宽的激光211射出的光源。

光束分离器102将从窄线宽激光光源101射出的激光211分成两束，将一束作为检测光211向聚焦透镜103的方向透过，并将另一束作为泵浦光213，使其折射并入射至光折变晶体105。

聚焦透镜103将检测光211聚焦到与被第一分离光202和第二分离光203照射的被测定材料100的面相对的面上。

聚焦透镜104对被测定材料100所反射出的检测光211进行聚焦，从而使其入射至光折变晶体105。

光折变晶体105是在被光照射时，电荷会根据其明暗而移动，引起折射率变化的晶体。

若将检测光211和泵浦光213入射至光折变晶体105，则它们会在光折变晶体105中相交，产生干涉条纹。于是，根据该干涉条纹的明暗会在光折变晶体105内形成条纹状的折射率分布。其以衍射光栅的方式进行作用，使得一部分泵浦光213向检测光212侧移动。这里，若被测定材料100进行高速振动，使得检测光212的光路产生变化，则检测光212与折射率分布的相位会产生偏差，从泵浦光213向检测光212移动的光量会变化。

光电二极管107将接受到的光转换为电信号，因此，将从泵浦光213向检测光212移动的光量的变化、即被测定材料的高速振动作为电信号检测出。

《金属组织以及材质的测量装置的作用》

接着，参照图1、图2对本发明所涉及的实施方式1的金属组织以及材质的测量装置1的作用进行说明。

从脉冲激光振荡器11射出的脉冲激光201被第一偏振光束分离器13分成第一分离光202和第二分离光203。被第一偏振光束分离器13透过的第一 分离光202也透过第二偏振光束分离器16，到达被测定材料100。

另一方面，被第一偏振光束分离器13反射的第二分离光203被反射镜14、15和第二偏振光束分离器16反射，从而到达被测定材料100。

由此，对于第一分离光202和第二分离光203，在从脉冲激光振荡器11射出到到达被测定材料100为止的光路不同，因此，第二分离光203比第一分离光202晚到达被测定材料100。

图3(A)是表示由本发明所涉及的实施方式1的金属组织以及材质的测量装置1所具备的脉冲激光振荡器11所射出的脉冲激光的一个例子的图，图3(B)是表示由本发明所涉及的实施方式1的金属组织以及材质的测量装置1所激励出的超声波的一个例子的图。

如图3(A)所示，在t1时刻，到达被测定材料100的第一分离光202的光强度最大，在t3时刻，到达被测定材料100的第二分离光203的光强度最大。

并且，如图3(B)所示，在t2时刻，由在t1时刻到达被测定材料100的第一分离光202所激励出的超声波的振幅最大，在t4时刻，由在t3时刻到达被测定材料100的第二分离光203所激励出的超声波的振幅最大。

由此，第二分离光203比第一分离光202晚到达被测定材料100，因此，第一分离光202照射到被测定材料100时所激励出的超声波与第二分离光203照射到被测定材料100时所激励出的超声波的一部分重合。由此，能激励出含有很多特定频率分量的超声波。

这里，设激励出的超声波的频率为f，则第一分离光202与第二分离光203到达被测定材料100表面的时刻之差Δt表示为（式2）。

Δt=k/f    （式2）

式中，k是对于脉冲激光波形的上升、下降特性的修正系数，为0.5～2左右。

为得到该到达时刻差Δt所需的、第一分离光202与第二分离光203的光路长度的差ΔL表示为（式3）。

ΔL=c₀·Δt    （式3）

式中，c₀为空气中的光速，大约为3×10⁸m/s。

因此，只要对反射镜14、15进行设置（即、在大致ΔL/2的位置），使得第一分离光202与第二分离光203的光路长度的差为ΔL即可。

另外，若上述Δt与脉冲激光的脉冲宽度相比过长，则由第一分离光202 所激励出的超声波与由第二分离光203所激励出的超声波不会重合，而是各自分别进行传播，因而无法获得激励出含有很多所期望的频率分量的超声波的效果。

因此，第一分离光202与第二分离光203到达被测定材料100表面的时刻之差Δt相对于脉冲激光的脉冲宽度ｔ_P满足以下的（式4）即可。

Δt＜a·t_P      （式4）

式中，a为常数，为了使由第一分离光202所激励出的超声波与由第二分离光203所激励出的超声波有重合，a大致为5左右即可。 

由此，使用（式2）～（式4）来计算光路长度的差ΔL，并对反射镜14、15进行设置（即、大致在ΔL/2的位置），使得光路长度的差为ΔL，从而能在被测定材料100中激励出含有很多特定频率分量的超声波。

如上所述，根据本发明所涉及的实施方式1的金属组织以及材质的测量装置1，能根据第一分离光202与、通过光传播时间比之更长的光路的第二分离光203到达被测定材料100表面的时刻之差来激励出含有很多特定频率分量的超声波，因而能对金属组织以及材质进行测量，特别是能对金属材料100的晶粒直径进行高精度的测定。

此外，在本发明所涉及的实施方式1的金属组织以及材质的测量装置1中，为了使第一分离光照射至被测定材料100时产生的超声波与第二分离光照射至被测定材料100时产生的超声波的一部分重合，采用了具备用于使第二分离光从分离后到到达被测定材料100为止的时间延迟的反射镜14、15的结构，但并不限于此，也可以采用具备棱镜、后向反射器来代替反射镜14、15的结构。

而且，在本发明所涉及的实施方式1的金属组织以及材质的测量装置1中，采用了具备两光波混合方式的激光干涉仪30、且该激光干涉仪具有光折变晶体105的结构，但并不限于此。激光干涉仪30可以是具备在被测定材料100为粗糙面时也能对高频振动进行测定的法布里-珀罗干涉仪、或在被测定材料100的表面为镜面精加工时能对高频振动进行测定的迈克尔逊干涉仪的结构。

另外，在本发明所涉及的实施方式1中，以对作为被测定材料100的材质之一的晶粒直径进行测量的金属组织以及材质的测量装置1为例进行了说明，但并不限于此，也可以对被测定材料100的拉伸强度、屈服强度、成 形性、被测定材料晶体的配向性等进行测定。

<实施方式2>

在本发明所涉及的实施方式1中，以使用两个光束分离器来对第一分离光202和第二分离光203的光路长度设置差值的金属组织以及材质的测量装置1为例进行了说明，但并不限于此。

在本发明所涉及的实施方式2中，将以使用一个光束分离器来对第一分离光202和第二分离光203的光路长度设置差值的金属组织以及材质的测量装置为例进行说明。

图4是表示本发明所涉及的实施方式2的金属组织以及材质的测量装置的结构的图。

如图4所示，本发明所涉及的实施方式2的金属组织以及材质的测量装置2具备脉冲激光振荡器11、1/2波片12、偏振光束分离器22、聚焦透镜17、反射镜18、19、1/4波片20、21、激光干涉仪30、示波器31、以及波形分析计算机32。

这些结构中，反射镜18、19、1/4波片20、21、偏振光束分离器22以外的结构分别与本发明实施例1中的金属组织以及材质的测量装置1所具备的、分别标有相同标号的结构相同，因此省略说明。

1/4波片20是将直线偏振光转变为圆偏振光、并将圆偏振光转变为直线偏振光的光学元件，且具有如下性质：若直线偏振光通过1/4波片20两次，则偏振方向将旋转90度。1/4波片21也具有与1/4波片20相同的结构。

反射镜18使被第一偏振光束分离器13反射且被1/4波片20转变为圆偏振光的第一分离光202向第一偏振光束分离器13的方向反射。 

反射镜19使被第一偏振光束分离器13透过且被1/4波片21转变为圆偏振光的第二分离光203向第一偏振光束分离器13的方向反射。 

偏振光束分离器22将脉冲激光201的横偏振光（在与纸面平行的方向上偏振的）分量作为第二分离光203，使其透过，并将脉冲激光201的纵偏振光（在与纸面垂直的方向上偏振的）分量作为第一分离光202，使光路向与光轴成直角的方向进行反射。并且，偏振光束分离器22对由反射镜18反射过来的第一分离光202和由反射镜19反射过来的第二分离光203进行合成。

因此，在本发明所涉及的实施方式2的金属组织以及材质的测量装置2中，与本发明所涉及的实施方式1的金属组织以及材质的测量装置1同样， 对反射镜18、19进行设置（即、大致在ΔL/2的位置），使得第一分离光202与第二分离光203的光路长度的差为ΔL。

如上所述，根据本发明所涉及的实施方式2的金属组织以及材质的测量装置1，能使用一个光束分离器来设置第一分离光202与第二分离光203的光路差，并能根据由该光路差所产生的到达被测定材料100表面的时刻之差来激励出含有很多特定频率分量的超声波，因而能对金属组织以及材质进行测量，特别是能对金属材料100的材质、尤其是晶粒直径进行高精度的测定。

<实施方式3>

在本发明所涉及的实施方式1中，以具备产生直线偏振光的脉冲激光的脉冲激光振荡器11、并对从该直线偏振光的脉冲激光中分离出的第一分离光202和第二分离光203的光路长度设置差值的金属组织以及材质的测量装置1为例进行了说明，但脉冲激光并不限于直线偏振光，也可以是非偏振光。

图5是表示本发明所涉及的实施方式3的金属组织以及材质的测量装置的结构的图。

如图5所示，本发明所涉及的实施方式3的金属组织以及材质的测量装置3具备脉冲激光振荡器24、半透明反射镜25、聚焦透镜17、27、反射镜14、15、26、激光干涉仪30、示波器31、以及波形分析计算机32。

这些结构中，脉冲激光振荡器24、半透明反射镜25、反射镜26、聚焦透镜27以外的结构分别与本发明实施例1中的金属组织以及材质的测量装置1所具备的、分别标有相同标号的结构相同，因此省略说明。

脉冲激光振荡器24产生脉冲激光201，该脉冲激光是脉冲宽度在几纳秒～十几纳秒左右的非偏振光的激光。

半透明反射镜25是将由脉冲激光振荡器24产生的脉冲激光201分成第一分离光202和第二分离光203的反射镜。 

图6（A）、（B）是表示本发明所涉及的实施方式3的金属组织以及材质的测量装置3所具备的半透明反射镜25的一个例子的图。

如图6(A)所示，半透明反射镜25中，在使由脉冲激光振荡器24所产生的脉冲激光201透过的透光板301上设有使脉冲激光201反射的反射构件302。将反射构件302制作成使得透光板301的总面积与反射构件302的总面积为1:1。

此外，半透明反射镜25也可以是图6(B)所示的结构。 

在图6(B)所示的例子中，半透明反射镜25中，在使由脉冲激光振荡器24所产生的脉冲激光201反射的反射镜303上设有多个孔304。这里，将孔304设置成使得反射镜303的总面积与孔304的总面积为1:1。

反射镜26使被反射镜15反射过来的第二分离光203向聚焦透镜27的方向反射。 

聚焦透镜27对由反射镜26反射过来的第二分离光203进行聚焦，使其照射在被测定材料100表面上与第一分离光202所聚焦的点大致相同的点上。

因此，在本发明所涉及的实施方式3的金属组织以及材质的测量装置3中，与本发明所涉及的实施方式1的金属组织以及材质的测量装置1同样，对反射镜14、15、26进行设置（即、大致在ΔL/2的位置），使得第一分离光202与第二分离光203的光路长度的差为ΔL。

如上所述，根据本发明所涉及的实施方式3的金属组织以及材质的测量装置3，即使在照射到被测定材料100上的脉冲激光为非偏振光的情况下，也能根据第一分离光202与、通过光传播时间比之更长的光路的第二分离光203到达被测定材料100表面的时刻之差来激励出含有很多特定频率分量的超声波，因而能对金属组织以及材质进行测量，特别是能对金属材料100的材质、尤其是晶粒直径进行高精度的测定。

另外，在本发明所涉及的实施方式3的金属组织以及材质的测量装置3中，采用了具备半透明反射镜25的结构，但也可以采用具备对非偏振光的激光进行分离的非偏振光束分离器来代替半透明反射镜25的结构。

<实施方式4>

在本发明所涉及的实施方式1中，以具备如下这种激光干涉仪30的金属组织以及材质的测量装置1为例进行了说明，即，该激光干涉仪向与被第一分离光202和第二分离光203照射的被测定材料100的表面相对的面照射激光211，并基于从被测定材料100反射过来的激光211与基准光进行干涉所产生的光量变化，来对由上述第一分离光202和第二分离光203所激励出并在被测定材料的内部传播的超声波进行检测，但并不限于此。

在本发明所涉及的实施方式4中，将以具备如下这种激光干涉仪的金属组织以及材质的测量装置4为例进行说明，即，该激光干涉仪向被第一分离光202和第二分离光203照射的被测定材料100的同一个面照射激光211，并基于从被测定材料100反射过来的激光211与基准光进行干涉所产生的光量 变化，来对由上述第一分离光202和第二分离光203所激励出并在被测定材料的内部传播的超声波进行检测。

图7是表示本发明所涉及的实施方式4的金属组织以及材质的测量装置的结构的图。

如图7所示，本发明所涉及的实施方式4的金属组织以及材质的测量装置4具备脉冲激光振荡器11、1/2波片12、第一偏振光束分离器13、反射镜14、15、第二偏振光束分离器16、聚焦透镜17、激光干涉仪33、示波器31、以及波形分析计算机32。

这些结构中，激光干涉仪33以外的结构分别与本发明实施例1中的金属组织以及材质的测量装置1所具备的、分别标有相同标号的结构相同，因此省略说明。

图8是表示本发明所涉及的实施方式4的金属组织以及材质的测量装置4所具备的激光干涉仪33的结构的图。

如图8所示，激光干涉仪30具备窄线宽激光光源101、光束分离器102、聚焦透镜103、104、106、光折变晶体105、光电二极管107、以及波长选择滤光器108。这些结构中，波长选择滤光器108以外的结构分别与本发明实施例1中的金属组织以及材质的测量装置1的激光干涉仪30所具备的、分别标有相同标号的结构相同，因此省略说明。

如图8所示，在激光干涉仪33中，向被测定材料100的被第一分离光202和第二分离光203照射的表面照射从激光211分离出的检测光211，并对由被测定材料100的表面反射过来的检测光211进行聚焦，来使其入射至光折变晶体105。

此时，为了防止由被测定材料100的表面所反射的第一分离光202和第二分离光203入射至光折变晶体105，在检测光211的光路上设有波长选择滤光器108。

如上所述，根据本发明所涉及的实施方式4的金属组织以及材质的测量装置4，通过向被测定材料100的被第一分离光202和第二分离光203所照射的表面照射激光211，能基于从被测定材料100反射过来的激光211与基准光进行干涉所产生的光量变化，来对由上述第一分离光202和第二分离光203所激励出并在被测定材料100的内部传播的超声波进行检测。

<实施方式5>

在本发明所涉及的实施方式1中，以固定有反射镜14、15，使得由第一分离光202所激励的超声波与由第二分离光203所激励的超声波有重合的金属组织以及材质的测量装置1为例进行了说明，但反射镜14、15也可以采用可动式。

在本发明所涉及的实施方式5中，将以固定有可动式的反射镜14、15，使得由第一分离光202所激励的超声波与由第二分离光203所激励的超声波有重合的金属组织以及材质的测量装置1为例进行说明。

图9是表示本发明所涉及的实施方式5的金属组织以及材质的测量装置的结构的图。

如图9所示，本发明所涉及的实施方式5的金属组织以及材质的测量装置5具备脉冲激光振荡器11、1/2波片12、第一偏振光束分离器13、反射镜14、15、第二偏振光束分离器16、聚焦透镜17、激光干涉仪33、示波器31、波形分析计算机32、光路长度运算部41、驱动部42、电动机43、转轴44、以及反射镜壳体45。

这些结构中，光路长度运算部41、驱动部42、电动机43、转轴44、反射镜壳体45以外的结构分别与本发明实施例1中的金属组织以及材质的测量装置1所具备的、分别标有相同标号的结构相同，因此省略说明。这里，将光路长度运算部41、驱动部42、电动机43、转轴44、以及反射镜壳体45称为光路长度变更部。

光路长度运算部41在基于使用者的操作而输入有将要激励的超声波的频率时，计算激励所输入频率的超声波的第二分离光203的光路长度。

驱动部42生成驱动信号，以达到由光路长度运算部41计算出的第二分离光203的光路长度。 

电动机43基于驱动部42所生成的驱动信号来使转轴44旋转，由此来使内部具备反射镜14、15的反射镜壳体45在X1或X2方向上移动。

如上所述，根据本发明所涉及的实施方式5的金属组织以及材质的测量装置5，使第一分离光与、通过光传播时间比之更长的光路的第二分离光到达被测定材料100表面的时刻之差可变，由此能根据测量内容来激励出所需的含有很多特定频率分量的超声波。因此，能根据测量内容来对测量所用的超声波的频率分量进行适当的变更，能对金属组织以及材质进行测量，特别是能对金属材料100的晶粒直径进行高精度的测定。

另外，在本发明所涉及的实施方式5的金属组织以及材质的测量装置5中，通过电动机的驱动来使反射镜壳体45在X1或X2方向上移动，但并不限于此，也可以通过液压或气压并使用气缸来使反射镜壳体45在X1或X2方向上移动。

<实施方式6>

在本发明所涉及的实施方式1中，以设置了反射镜14、15，使得由第一分离光202所激励的超声波与由第二分离光203所激励的超声波有重合的金属组织以及材质的测量装置1为例进行了说明，但为了以更短的光路来使第二分离光到达被测定材料100的时间延迟，也可以在第二分离光的光路上具备高折射率材料。

在本发明所涉及的实施方式6中，以在第二分离光的光路上具备高折射率材料的金属组织以及材质的测量装置为例进行说明。

图10是表示本发明所涉及的实施方式6的金属组织以及材质的测量装置的结构的图。

如图10所示，本发明所涉及的实施方式6的金属组织以及材质的测量装置6具备脉冲激光振荡器11、1/2波片12、第一偏振光束分离器13、反射镜14、15、第二偏振光束分离器16、聚焦透镜17、激光干涉仪30、示波器31、波形分析计算机32、以及高折射率材料51、52。

这些结构中，高折射率材料51、52以外的结构分别与本发明实施例1中的金属组织以及材质的测量装置1所具备的、分别标有相同标号的结构相同，因此省略说明。

高折射率材料51设置在第一偏振光束分离器13与反射镜14之间的第二分离光203的光路上，高折射率材料52设置在反射镜15与第二偏振光束分离器16之间的第二分离光203的光路上。 

为了缩短第二分离光203的光路，高折射率材料51、52由折射率高于空气的介质形成。

这里，折射率高于空气的介质、即高折射率材料51、52中的光速ｃ₁比空气中慢，表示为（式5）。

c₁=c₀/n    （式5）

n为高折射率材料51、52的折射率。因此，本发明所涉及的实施方式6的金属组织以及材质的测量装置6中第一分离光202与第二分离光203的光 路长度的差ΔL'表示为（式6）。

ΔL'=c₁·Δt=c₀·Δt/n    （式6）

由此，例如，在高折射率51、52由折射率n为1.45的石英玻璃形成的情况下，能将第二分离光203的光路长度缩短大约31％。

另外，优选在高折射率材料51、52的第二分离光203的入射面与出射面上设置防反射膜（AR涂层），以抑制这些面上的反射所引起的光量损失。

如上所述，根据本发明所涉及的实施方式6的金属组织以及材质的测量装置6，由于在第二分离光203的光路上具备高折射率材料，因此，在由于装置设置空间的制约等导致在不使用高折射率材料时无法确保足够的第二分离光203的光路长度的情况下，也能根据第一分离光202与、通过光传播时间比之更长的光路的第二分离光203到达被测定材料100表面的时刻之差来激励出含有很多特定频率分量的超声波，因而能对金属组织以及材质进行测量，特别是能对金属材料的晶粒直径进行高精度的测定。

<实施方式7>

在本发明所涉及的实施方式3中，以具备产生非偏振光的脉冲激光的脉冲激光振荡器24、并对从该脉冲激光中分离出的第一分离光202和第二分离光203的光路长度设置差值的金属组织以及材质的测量装置1为例进行了说明。

在本发明所涉及的实施方式7中，将以具备产生非偏振光的脉冲激光的脉冲激光振荡器24、并对从该非偏振光的脉冲激光中分离出的第一分离光202、第二分离光203与第三分离光的光路长度设置差值的金属组织以及材质的测量装置1为例进行说明。

图11是表示本发明所涉及的实施方式7的金属组织以及材质的测量装置的结构的图。

如图11所示，本发明所涉及的实施方式7的金属组织以及材质的测量装置7具备脉冲激光振荡器24、聚焦透镜17、27、64、反射镜14、15、26、62、63、非偏振光束分离器60、61、激光干涉仪30、示波器31、以及波形分析计算机32。

这些结构中，聚焦透镜64、反射镜62、63、非偏振光束分离器60、61以外的结构分别与本发明实施例3中的金属组织以及材质的测量装置3所具备的、分别标有相同标号的结构相同，因此省略说明。

非偏振光束分离器60从脉冲激光振荡器24所产生的脉冲激光201中分离出第一分离光202并使其透过，并使第四分离光205向非偏振光束分离器61的方向反射。这里，将非偏振光束分离器60制作成使得第一分离光202的光量与第四分离光205的光量比为1:2。

非偏振光束分离器61对由非偏振光束分离器60分离出的第四分离光205进行分离，使分离出的第二分离光203向反射镜62的方向反射，并使分离出的第三分离光204透过。这里，将非偏振光束分离器61制作成使得第二分离光203的光量与第三分离光204的光量比为1:1。

反射镜62、63使被非偏振光束分离器61分离出的第二分离光203向聚焦透镜64的方向反射。

聚焦透镜64对由反射镜62、63反射过来的第二分离光203进行聚焦，使其照射在被测定材料100表面上与第一分离202所聚焦的点大致相同的点上。

并且，对非偏振光束分离器60、61、反射镜26、62、63、聚焦透镜64进行配置，使得第二分离光203的光路成为第一分离光202照射到被测定材料100时激励出的超声波和第二分离光203照射到被测定材料100时激励出的超声波有部分重合的光路。

此外，对非偏振光束分离器60、61、反射镜14、15、26、聚焦透镜27进行配置，使得第三分离光204的光路成为第二分离光203照射到被测定材料100时激励出的超声波和第三分离光204照射到被测定材料100时激励出的超声波有部分重合的光路。

如上所述，根据本发明所涉及的实施方式7的金属组织以及材质的测量装置7，通过使产生的脉冲激光中，第一分离光202与、通过光传播时间比之更长的光路的第二分离光203到达被测定材料100表面的时刻之差不同于第二分离光203与、通过光传播时间比之更长的光路的第三分离光204到达被测定材料100表面的时刻之差，从而能够利用一次脉冲激光的照射来激励出频率分量不同的两种超声波，因而能对金属组织以及材质进行测量，特别是能对金属材料的晶粒直径进行高精度的测定。

图12(A)是表示由本发明所涉及的实施方式7的金属组织以及材质的测量装置7所具备的脉冲激光振荡器24所射出的脉冲激光的一个例子的图，图12(B)是表示由本发明所涉及的实施方式7的金属组织以及材质的测量装置 7所激励出的超声波的一个例子的图。

如图12(A)所示，在t11时刻，到达被测定材料100的第一分离光202的光强度最大，在t13时刻，到达被测定材料100的第二分离光203的光强度最大，在t15时刻，到达被测定材料100的第三分离光204的光强度最大。

并且，如图12(B)所示，在t12时刻，由在t11时刻到达被测定材料100的第一分离光202所激励出的超声波的振幅最大，在t14时刻，由在t13时刻到达被测定材料100的第二分离光203所激励出的超声波的振幅最大，在t16时刻，由在t15时刻到达被测定材料100的第三分离光204所激励出的超声波的振幅最大。

由此，第二分离光203比第一分离光202晚到达被测定材料100，因此，第一分离光202照射到被测定材料100时所激励出的超声波与第二分离光203照射到被测定材料100时所激励出的超声波有部分重合。

此外，第二分离光203比第三分离光204晚到达被测定材料100，因此，第二分离光203照射到被测定材料100时所激励出的超声波与第三分离光204照射到被测定材料100时所激励出的超声波有部分重合。

由此，能利用一次脉冲激光的照射来激励出频率分量不同的两种超声波，因而能对金属组织以及材质进行测量，特别是能对金属材料的晶粒直径进行高精度的测定。

另外，本发明所涉及的实施方式7的金属组织以及材质的测量装置7与本发明所涉及的实施方式6的金属组织以及材质的测量装置6相同，也可以在第二分离光203的光路上及第三分离光204的光路上具备高折射率材料。

工业上的实用性

本发明适用于在热轧设备中测量被轧制材料的材质。

标号说明

1、2、3、4、5、6、7…金属组织以及材质的测量装置

11、24…脉冲激光振荡器

12…1/2波片

13…第一偏振光束分离器

14、15、18、19、26、62、63…反射镜

16…第二偏振光束分离器

17、27、64…聚焦透镜

20、21…1/4波片

22…偏振光束分离器

25…半透明反射镜

30、33…激光干涉仪

31…示波器

32…波形分析计算机

41…光路长度运算部

42…驱动部

43…电动机

44…转轴

45…反射镜壳体 

51、52…高折射率材料

60、61…非偏振光束分离器

61…非偏振光束分离器

100…被测定材料 

101…窄线宽激光光源

102…光束分离器 

103、104、106…聚焦透镜

105…光折变晶体 

107…光电二极管 

108…波长选择滤光器 。

Claims (5)

1.一种金属组织以及材质的测量装置，其特征在于，包括：

脉冲激光振荡器，该脉冲激光振荡器产生第一激光；

光分离部，该光分离部将产生的所述第一激光分成多束分离光；

多条光路，使由所述光分离部分离出的分离光分别在该多条光路上进行传播，且该多条光路的光传播时间不同；

聚焦部，该聚焦部使分别在所述多条光路上传播的多束分离光重叠照射到被测定材料的同一位置；

激光干涉仪部，该激光干涉仪部向所述被测定材料照射第二激光，并基于从所述被测定材料反射及散射过来的第二激光与基准光进行干涉所产生的光量变化，来对使由所述多束分离光所激励出的多个超声波有一部分重合而得到的、并在被测定材料的内部传播之后的超声波进行检测；以及

波形分析部，该波形分析部基于由所述激光干涉仪部所检测出的超声波的频率所引起的衰减的差异来计算所述被测定材料的金属组织及材质，

若设所述多束分离光中，先到达所述被测定材料的分离光与后到达所述被测定材料的分离光至所述被测定材料的光传播时间之差为Δt，所述第一激光的脉冲宽度t_P，以使由先到达所述被测定材料的分离光与后到达所述被测定材料的分离光分别激励出的超声波有一部分重合的方式确定的常数为a，则满足

Δt＜a·t_P。

2.如权利要求1所述的金属组织以及材质的测量装置，其特征在于：

还包括光路长度变更部，该光路长度变更部对所述多条光路中的至少一条光路的长度之差进行变更。

3.如权利要求1所述的金属组织以及材质的测量装置，其特征在于：

在所述多条光路中的至少一条光路上包括高折射率材料。

4.如权利要求1所述的金属组织以及材质的测量装置，其特征在于：

所述多条光路中，第一光路与光传播时间比之更长的第二光路的长度之差不同于第二光路与光传播时间比之更长的第三光路的长度之差。

5.一种金属组织以及材质的测量方法，其特征在于，

将第一激光分成多束分离光，

使所述分离光分别在光传播时间不同的多条光路上传播，

使分别在所述多条光路上传播的多束分离光照射到被测定材料的同一位置，

向所述被测定材料照射第二激光，

基于从所述被测定材料反射及散射过来的第二激光与基准光进行干涉所产生的光量变化，来对使由所述多束分离光所激励出的多个超声波有一部分重合而得到的、在被测定材料的内部传播之后的超声波进行检测，

基于检测出的所述超声波的频率所引起的衰减的差异，计算所述被测定材料的金属组织及材质，

若设所述多束分离光中，先到达所述被测定材料的分离光与后到达所述被测定材料的分离光至所述被测定材料的光传播时间之差为Δt，所述第一激光的脉冲宽度t_P，以使由先到达所述被测定材料的分离光与后到达所述被测定材料的分离光分别激励出的超声波有一部分重合的方式确定的常数为a，则满足

Δt＜a·t_P。