JP2003215111A - レーザ計測用プローブおよびレーザ計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】被検体の位置変動や形状変化が生じたような場
合でも、精度の高い測定を行なうこと。 【解決手段】被検体9の一面にレーザ光源1から連続的に
レーザ光を照射し、被検体9の超音波探傷のための超音
波信号による被検体9表面の微小振動を、被検体9から反
射されるレーザ光の反射前後での位相または周波数の変
化として連続的に測定器13で測定することにより、被検
体9の非破壊検査を行なうレーザ計測装置であって、被
検体9と所定の間隔を存して配設されて、被検体9へのレ
ーザ光の照射、および被検体9からの反射レーザ光の受
光の媒体となるレーザ計測用プローブとして、光が光軸
（プローブ光軸）に対して物体側および像側の両側で平
行となる両側テレセントリック系14Aからなる光学系か
ら構成されるレーザ計測用プローブ14を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検体の非破壊検
査装置のうちの一つであるレーザ計測装置、およびそれ
に用いられるレーザ計測用プローブに係り、特に被検体
の位置変動や形状変化が生じたような場合でも、精度の
高い測定を行なえるようにしたレーザ計測用プローブお
よびそれを用いたレーザ計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、例えば建設、造船、圧力容
器、レール、コンクリート等を取り扱う分野において
は、被検体（ワーク）を非破壊検査する非破壊検査装置
の一つとして、超音波探傷装置が多く採用されてきてい
る。

【０００３】超音波探傷装置は、非破壊検査装置の代表
的なものであり、超音波を使用して探傷を行なうもの
で、主としてパルス反射式により、被検体内部の欠陥の
検出や位置、大きさを検出することができるものであ
る。

【０００４】このパルス反射式による超音波探傷装置の
一例としては、被検体に接触させた状態で、例えば超音
波送信用の探触子と超音波受信用の探触子とを取付け、
被検体の一面から超音波を入射し、向かい合った他端面
および中間の欠陥から反射されてくる超音波の状況を、
ブラウン管上で観察するものである。

【０００５】しかしながら、この種の従来のパルス反射
式による超音波探傷装置においては、被検体に接触させ
た状態で探触子を取付ける必要があることから、狭隘部
や複雑形状部への適用が難しく、また高温、放射線等の
悪環境下での作業となる場合には適用が難しいという問
題点がある。

【０００６】さらに、探触子を取付ける側の被検体の表
面に、超音波を効率よく伝搬させるための接触媒質を塗
布する必要があることから、その分だけ工程数が増大す
るという問題点がある。

【０００７】そこで、近年では、このような問題点が生
じないようにするために、レーザ光を用いて非接触で超
音波探傷を行なう超音波探傷装置（以下、レーザ計測装
置と称する）が研究・開発されてきている。

【０００８】この種のレーザ計測装置は、狭隘部や複雑
形状部への適用が、極めて容易である。

【０００９】また、被検体の表面に、超音波を効率よく
伝搬させるための接触媒質を塗布することも不要であ
る。

【００１０】図５は、この種の従来のレーザ計測装置の
基本的な原理を説明するための概要図である。

【００１１】図５に示すように、被検体の表面に、高出
力のパルスレーザ（ＹＡＧレーザ、ＣＯ₂レーザ等）か
らレーザビームを照射して、被検体を局所加熱し、膨張
収縮により弾性波である超音波信号を発生させて、被検
体内を伝搬させる。

【００１２】一方、被検体の一面に、レーザ光源である
連続波レーザから光ファイバを通して連続的にレーザ光
を照射し、被検体の超音波探傷のための超音波信号、す
なわち、上記被検体内を伝搬してきた超音波信号による
被検体表面の微小振動を、被検体から反射されるレーザ
光を光ファイバを通して測定器であるレーザ干渉計（マ
イケルソン、ファブリペロー、フォトリフラクティブ
等）で、レーザ光の反射前後での位相または周波数の変
化として連続的に測定することにより、被検体の非破壊
検査を行なう。

【００１３】ところで、このようなレーザ計測装置にお
いては、例えば図６に示すように、レーザビームの照射
により発生した超音波信号が被検体内を伝搬する時に、
材料の不均一な部分（粒界等）での超音波信号の散乱が
生じ、ノイズ信号が発生することがある。

【００１４】また、このノイズ信号は、検出器のノイ
ズ、すなわち光受信デバイス（フォトダイオード等）の
ショットノイズによっても発生することがある。

【００１５】そして、このようなノイズ信号が発生した
ような場合には、測定を精度よく行なえなくなることも
考えられる。

【００１６】そこで、最近では、測定の高精度化を図る
ようにするために、フェイズドアレイ法を適用した多点
計測により、例えば図７に示すように、被検体内を伝搬
してきた超音波信号を複数のレーザ光で受信し、得られ
た信号を重合わせて平均化することが提案されてきてい
る。

【００１７】すなわち、ノイズ信号は、ランダムである
ことから、平均化することによってキャンセルされるこ
とになり、測定に対するノイズ信号の影響を無くして、
測定精度を高めることができる。

【００１８】図８は、この種の従来のフェイズドアレイ
法を適用したレーザ計測装置の全体構成例を示す概要図
である。

【００１９】図８において、レーザ光源（例えば、連続
波レーザ）１から出射された連続レーザ光は、レンズ２
で集光され、光ファイバ入射部３を通して光ファイバ４
内に導入される。

【００２０】この導入された光は、光ファイバ４内を伝
搬し、光スイッチ５を経由し、光ファイバ６を通して、
レーザ計測用プローブ７に到達する。

【００２１】光スイッチ５は、レーザ計測用プローブ７
に繋がる複数本の光ファイバ６のうち、所望の１本の光
ファイバ６に、伝搬してきた光を導入させるように、光
ファイバ４−光ファイバ６間の切換え、結合を行なう。

【００２２】レーザ計測用プローブ７まで伝搬してきた
光は、光ファイバ入出射部８を通して、レーザ計測用プ
ローブ７内の光学系を構成するレンズ（レンズ群）７Ａ
によって、被検体９表面の所望の位置に、所望の大きさ
で集光された状態で照射される。

【００２３】被検体９表面に照射された光の一部（被検
体９の表面状態、照射条件等で光量が異なる）は反射さ
れ、レーザ計測用プローブ７内の光学系を構成するレン
ズ（レンズ群）７Ａ、光ファイバ入出射部８、光ファイ
バ６を通して伝搬し、光スイッチ５に到達する。

【００２４】光スイッチ５では、測定器に伝搬させる光
ファイバ１０に結合し、光を当該光ファイバ１０に伝搬
させる（この光スイッチ５の切換え動作は、上記光スイ
ッチ５の切換え、結合の時点で、同時に行なわれるよう
にしてもよい）。

【００２５】当該光ファイバ１０を伝搬した光は、光フ
ァイバ出射部１１から出射され、レンズ１２で、測定器
１３に入射するのに適正な条件に集光（または拡大）さ
れた後に、測定器１３に入射する。

【００２６】測定器１３（例えば、マイケルソン、ファ
ブリペロー、フォトリフラクティブ等のレーザ干渉計）
では、入射してきた光の位相または周波数を連続的に測
定する。

【００２７】前記高出力のパルスレーザ（ＹＡＧレー
ザ、ＣＯ₂レーザ等）からのレーザビームの照射により
発生した被検体９の超音波探傷のための超音波信号が、
被検体９内を伝搬して被検体９の表面に到達した場合、
被検体９の表面が微小に振動する（ナノメータ（ｎｍ）
オーダ）。

【００２８】この場合、光は、被検体９表面での反射前
後で、位相または周波数の変化が生じる。

【００２９】そして、測定器１３では、この位相または
周波数の変化を連続的に検出することで、超音波信号を
得て、被検体９の非破壊検査を行なう。

【００３０】なお、超音波信号は、連続ではなく、ある
一定周期で到達する。

【００３１】また、光スイッチ５の切換えは、あらかじ
め上記の超音波信号の周期に合わせて設定されたタイム
チャートにしたがって行なわれる。

【００３２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述したよ
うなレーザ計測装置においては、被検体９の位置変動や
形状変化が生じて、被検体９とレーザ計測用プローブ７
との間の位置関係が変動したような場合には、精度の高
い測定を行なうことが困難となるという問題点がある。

【００３３】すなわち、この種のレーザ計測装置では、
レーザ計測用プローブ７から被検体９の表面に照射され
るレーザ光の照射パターン（ビーム間隔）、および被検
体９から反射されて受信されるレーザ光の光量が、一定
であること、つまり安定していることが求められる。

【００３４】一般に、測定器１３から得られる超音波信
号レベルは、受信レーザ光量ＩのＩ ^1/2に比例すること
から、受信レーザ光量Ｉが安定であることが、安定した
超音波信号を得るための条件である。

【００３５】しかしながら、従来では、図９に示すよう
に、レーザ計測用プローブ７内の光学系を通常のレンズ
（レンズ群）７Ａを用いて構成していることから、光軸
に傾きを生じることになる。

【００３６】このため、被検体９から反射されるレーザ
光は、厳密には正反射とならず、被検体９の位置変動や
形状変化が生じたような場合に、受信レーザ光量が不安
定となる。

【００３７】また、この種のレーザ計測装置では、受信
レーザ光量の適正条件として、 （光ファイバ６のコア径）×（光ファイバ６の受光角）
＝（レーザ計測用プローブ７のレンズ７Ａの受光角）×
（被検体９上のビーム径） であることが、安定した超音波信号を得るための条件で
ある。

【００３８】しかしながら、従来では、図９に示すよう
に、被検体９の位置変動や形状変化が生じたような場合
に、被検体９上のビーム径がレーザ計測用プローブ７か
らの距離により変化する。

【００３９】このため、受信レーザ光量が不安定とな
る。

【００４０】さらに、フェイズドアレイ法を適用した従
来のレーザ計測装置においては、被検体９の位置変動や
形状変化が生じたような場合に、複数の受信レーザ光間
の位置関係、つまりビーム間隔が、レーザ計測用プロー
ブ７からの距離により変化する。

【００４１】フェイズドアレイ法を適用した従来のレー
ザ計測装置では、複数の受信レーザ光間の位置関係は、
欠陥信号と他の超音波信号とが重ならないように設定さ
れている。

【００４２】が、この関係が狂うと、欠陥信号が他の超
音波信号と重なって埋もれてしまう可能性があり、受信
レーザ光量が不安定となる。

【００４３】以上のような理由によって、超音波信号レ
ベルが低下し、結果として精度の高い測定を行なうこと
が困難となる。

【００４４】従って、本発明の目的は、被検体の位置変
動や形状変化が生じたような場合でも、精度の高い測定
を行なうことが可能なレーザ計測用プローブおよびそれ
を用いたレーザ計測装置を提供することにある。

【００４５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、被検体の一面に連続的にレーザ光を照射し、被検
体の超音波探傷のための超音波信号による被検体表面の
微小振動を、被検体から反射されるレーザ光の反射前後
での位相または周波数の変化として連続的に測定するこ
とにより、被検体の非破壊検査を行なうレーザ計測装置
に用いられ、被検体と所定の間隔を存して配設されて、
被検体へのレーザ光の照射、および被検体からの反射レ
ーザ光の受光の媒体となる、光学系から構成されるレー
ザ計測用プローブにおいて、請求項１に対応する発明で
は、上記光学系として、光が光軸（プローブ光軸）に対
して物体側および像側の両側で平行となる両側テレセン
トリック系からなる光学系を用いている。

【００４６】従って、請求項１に対応する発明のレーザ
計測用プローブにおいては、光学系として、光が光軸に
対して物体側および像側の両側で平行となる両側テレセ
ントリック系からなる光学系を用いることにより、送受
光される光が物体側および像側の両側で光軸に対して平
行となるため、被検体から反射されるレーザ光は、正反
射となり、被検体の位置変動や形状変化が生じたような
場合にも、被検体からの反射光が確実に帰ることとな
り、受信レーザ光量が安定となる。これにより、被検体
の位置変動や形状変化が生じたような場合でも、精度の
高い測定を行なうことができる。

【００４７】また、請求項２に対応する発明では、上記
光学系として、光が光軸（プローブ光軸）に対して物体
側および像側の両側で平行となる両側テレセントリック
系と、点光源から光軸に沿って結像を作るアキシコンレ
ンズとを組合せてなる光学系を用いている。

【００４８】従って、請求項２に対応する発明のレーザ
計測用プローブにおいては、光学系として、光が光軸に
対して物体側および像側の両側で平行となる両側テレセ
ントリック系を一つの構成要素として用いることによ
り、送受光される光が物体側および像側の両側で光軸に
対して平行となるため、被検体から反射されるレーザ光
は、正反射となり、また点光源から光軸に沿って結像を
作るアキシコンレンズをもう一つの構成要素として用い
ることにより、焦点深度が深い光学系となるため、被検
体の位置変動や形状変化が生じたような場合にも、被検
体からの反射光が確実に帰ることとなり、また被検体上
のレーザ光の照射パターン（ビーム間隔）が、レーザ計
測用プローブからの距離によらず一定となり、受信レー
ザ光量が安定となる。これにより、被検体の位置変動や
形状変化が生じたような場合でも、精度の高い測定を行
なうことができる。

【００４９】一方、被検体の一面にレーザ光源から連続
的にレーザ光を照射し、被検体の超音波探傷のための超
音波信号による被検体表面の微小振動を、被検体から反
射されるレーザ光の反射前後での位相または周波数の変
化として連続的に測定器で測定することにより、被検体
の非破壊検査を行なうレーザ計測装置であって、請求項
３に対応する発明では、被検体と所定の間隔を存して配
設されて、被検体へのレーザ光の照射、および被検体か
らの反射レーザ光の受光の媒体となるレーザ計測用プロ
ーブとして、光が光軸（プローブ光軸）に対して物体側
および像側の両側で平行となる両側テレセントリック系
からなる光学系から構成されるレーザ計測用プローブを
備えている。

【００５０】従って、請求項３に対応する発明のレーザ
計測装置においては、被検体へのレーザ光の照射、およ
び被検体からの反射レーザ光の受光の媒体となるレーザ
計測用プローブとして、光が光軸に対して物体側および
像側の両側で平行となる両側テレセントリック系からな
る光学系から構成されるレーザ計測用プローブを備える
ことにより、送受光される光が物体側および像側の両側
で光軸に対して平行となるため、被検体から反射される
レーザ光は、正反射となり、被検体の位置変動や形状変
化が生じたような場合にも、被検体からの反射光が確実
に帰ることとなり、受信レーザ光量が安定となる。これ
により、被検体の位置変動や形状変化が生じたような場
合でも、精度の高い測定を行なうことができる。

【００５１】また、請求項４に対応する発明では、被検
体と所定の間隔を存して配設されて、被検体へのレーザ
光の照射、および被検体からの反射レーザ光の受光の媒
体となるレーザ計測用プローブとして、光が光軸（プロ
ーブ光軸）に対して物体側および像側の両側で平行とな
る両側テレセントリック系と、点光源から光軸に沿って
結像を作るアキシコンレンズとを組合せてなる光学系か
ら構成されるレーザ計測用プローブを備えている。

【００５２】従って、請求項４に対応する発明のレーザ
計測装置においては、被検体へのレーザ光の照射、およ
び被検体からの反射レーザ光の受光の媒体となるレーザ
計測用プローブとして、光が光軸に対して物体側および
像側の両側で平行となる両側テレセントリック系と、点
光源から光軸に沿って結像を作るアキシコンレンズとを
組合せてなる光学系から構成されるレーザ計測用プロー
ブを備えることにより、送受光される光が物体側および
像側の両側で光軸に対して平行となるため、被検体から
反射されるレーザ光は、正反射となり、また焦点深度が
深い光学系となるため、被検体の位置変動や形状変化が
生じたような場合にも、被検体からの反射光が確実に帰
ることとなり、また被検体上のレーザ光の照射パターン
（ビーム間隔）が、レーザ計測用プローブからの距離に
よらず一定となり、受信レーザ光量が安定となる。これ
により、被検体の位置変動や形状変化が生じたような場
合でも、より一層精度の高い測定を行なうことができ
る。

【００５３】さらに、請求項５に対応する発明では、上
記請求項３または請求項４に対応する発明のレーザ計測
装置において、レーザ計測用プローブで受光されて測定
器に入射する被検体からの反射レーザ光の一部をモニタ
ーし、当該受光レーザ光量が最大値もしくはその近傍と
なるように、被検体とレーザ計測用プローブとの間の相
対的な位置を制御する位置制御手段を付加している。

【００５４】従って、請求項５に対応する発明のレーザ
計測装置においては、レーザ計測用プローブで受光され
て測定器に入射する被検体からの反射レーザ光の一部を
モニターして、当該受光レーザ光量が最大値もしくはそ
の近傍となるように、被検体とレーザ計測用プローブと
の間の相対的な位置を制御することにより、測定器に入
射するレーザ光のパワーを最大にできるため、測定器の
出力信号を最大にすることができる。

【００５５】これにより、被検体の位置変動や形状変化
が生じて、固定条件の光学系の機能のみによっては対応
しきれないような場合でも、精度の高い測定を行なうこ
とができる。

【００５６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００５７】（第１の実施の形態）図１は、本実施の形
態によるフェイズドアレイ法を適用しないレーザ計測装
置の全体構成例を示す概要図である。

【００５８】なお、図８と同一要素には同一符号を付し
てその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ
述べる。

【００５９】すなわち、本実施の形態によるレーザ計測
装置は、図１に示すように、前記図８におけるレーザ計
測装置にフェイズドアレイ法を適用しないものとし、さ
らに前記レーザ計測用プローブ７を省略し、これに代え
て、新たなレーザ計測用プローブ１４を備えた構成とし
ている。

【００６０】レーザ計測用プローブ１４は、光が光軸
（プローブ光軸）に対して物体側および像側の両側で平
行となる両側テレセントリック系１４Ａからなる光学系
から構成している。

【００６１】次に、以上のように構成した本実施の形態
によるフェイズドアレイ法を適用しないレーザ計測装置
の作用について説明する。

【００６２】図１において、レーザ光源１から出射され
た連続レーザ光は、レンズ２で集光され、光ファイバ入
射部３を通して光ファイバ４内に導入される。

【００６３】この導入された光は、光ファイバ４内を伝
搬し、光スイッチ５を経由し、光ファイバ６を通して、
レーザ計測用プローブ１４に到達する。

【００６４】光スイッチ５は、レーザ計測用プローブ１
４に繋がる２本の光ファイバ６のうち、１本の光ファイ
バ６に、伝搬してきた光を導入させるように、光ファイ
バ４−光ファイバ６間の切換え、結合を行なう。

【００６５】レーザ計測用プローブ１４まで伝搬してき
た光は、光ファイバ入出射部８を通して、レーザ計測用
プローブ１４内の光学系を構成する両側テレセントリッ
ク系１４Ａによって、被検体９表面の所望の位置に、所
望の大きさで集光された状態で照射される。

【００６６】被検体９表面に照射された光の一部（被検
体９の表面状態、照射条件等で光量が異なる）は反射さ
れ、レーザ計測用プローブ１４内の光学系を構成する両
側テレセントリック系１４Ａ、光ファイバ入出射部８、
光ファイバ６を通して伝搬し、光スイッチ５に到達す
る。

【００６７】光スイッチ５では、測定器に伝搬させる光
ファイバ１０に結合し、光を当該光ファイバ１０に伝搬
させる（この光スイッチ５の切換え動作は、上記光スイ
ッチ５の切換え、結合の時点で、同時に行なわれるよう
にしてもよい）。

【００６８】当該光ファイバ１０を伝搬した光は、光フ
ァイバ出射部１１から出射され、レンズ１２で、測定器
１３に入射するのに適正な条件に集光（または拡大）さ
れた後に、測定器１３に入射する。

【００６９】測定器１３（例えば、マイケルソン、ファ
ブリペロー、フォトリフラクティブ等のレーザ干渉計）
では、入射してきた光の位相または周波数を連続的に測
定する。

【００７０】前述した高出力のパルスレーザからのレー
ザビームの照射により発生した被検体９の超音波探傷の
ための超音波信号が、被検体９内を伝搬して被検体９の
表面に到達した場合に、被検体９の表面が微小に振動す
る（ナノメータ（ｎｍ）オーダ）。

【００７１】この場合、光は、被検体９表面での反射前
後で、位相または周波数の変化が生じる。

【００７２】そして、測定器１３では、この位相または
周波数の変化を連続的に検出することで、超音波信号を
得て、被検体９の非破壊検査を行なう。

【００７３】なお、超音波信号は、連続ではなく、ある
一定周期で到達する。

【００７４】また、光スイッチ５の切換えは、あらかじ
め超音波信号の周期に合わせて設定されたタイムチャー
トにしたがって行なわれる。

【００７５】一方、本実施の形態では、被検体９へのレ
ーザ光の照射、および被検体９からの反射レーザ光の受
光の媒体となるレーザ計測用プローブとして、光が光軸
に対して物体側および像側の両側で平行となる両側テレ
セントリック系１４Ａからなる光学系から構成されるレ
ーザ計測用プローブ１４を備えていることにより、被検
体９へ照射されるレーザ光、および被検体９からの反射
されるレーザ光が、物体側および像側の両側で光軸に対
して平行となる。

【００７６】このため、被検体９から反射されるレーザ
光は、正反射となり、被検体９の位置変動や形状変化が
生じたような場合にも、被検体９からの反射光が確実に
帰ることとなり、受信レーザ光量が安定となる。

【００７７】これにより、被検体９の位置変動や形状変
化が生じたような場合でも、精度の高い測定を行なうこ
とができる。

【００７８】上述したように、本実施の形態によるフェ
イズドアレイ法を適用しないレーザ計測装置では、被検
体９の位置変動や形状変化が生じたような場合でも、送
受光される光が物体側および像側の両側で光軸に対して
平行となるため、精度の高い測定を行なうことが可能と
なる。

【００７９】（第２の実施の形態）図２は、本実施の形
態によるフェイズドアレイ法を適用しないレーザ計測装
置の全体構成例を示す概要図である。

【００８０】なお、図８と同一部分には同一符号を付し
てその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ
述べる。

【００８１】すなわち、本実施の形態によるレーザ計測
装置は、図２に示すように、前記図８におけるレーザ計
測装置にフェイズドアレイ法を適用しないものとし、さ
らに前記レーザ計測用プローブ７を省略し、これに代え
て、新たなレーザ計測用プローブ１４’を備えた構成と
している。

【００８２】レーザ計測用プローブ１４’は、光が光軸
（プローブ光軸）に対して物体側および像側の両側で平
行となる両側テレセントリック系１４Ａと、点光源から
上記光軸に沿って結像を作るアキシコンレンズ１４Ｂと
を組合せてなる光学系から構成している。

【００８３】次に、以上のように構成した本実施の形態
によるフェイズドアレイ法を適用しないレーザ計測装置
の作用について説明する。

【００８４】図２において、レーザ光源１から出射され
た連続レーザ光は、レンズ２で集光され、光ファイバ入
射部３を通して光ファイバ４内に導入される。

【００８５】この導入された光は、光ファイバ４内を伝
搬し、光スイッチ５を経由し、光ファイバ６を通して、
レーザ計測用プローブ１４’に到達する。

【００８６】光スイッチ５は、レーザ計測用プローブ１
４’に繋がる２本の光ファイバ６のうち、１本の光ファ
イバ６に、伝搬してきた光を導入させるように、光ファ
イバ４−光ファイバ６間の切換え、結合を行なう。

【００８７】レーザ計測用プローブ１４’まで伝搬して
きた光は、光ファイバ入出射部８を通して、レーザ計測
用プローブ１４内の光学系を構成する両側テレセントリ
ック系１４Ａおよびアキシコンレンズ１４Ｂによって、
被検体９表面の所望の位置に、所望の大きさで集光され
た状態で照射される。

【００８８】被検体９表面に照射された光の一部（被検
体９の表面状態、照射条件等で光量が異なる）は反射さ
れ、レーザ計測用プローブ１４’内の光学系を構成する
両側テレセントリック系１４Ａ、光ファイバ入出射部
８、光ファイバ６を通して伝搬し、光スイッチ５に到達
する。

【００８９】光スイッチ５では、測定器に伝搬させる光
ファイバ１０に結合し、光を当該光ファイバ１０に伝搬
させる（この光スイッチ５の切換え動作は、上記光スイ
ッチ５の切換え、結合の時点で、同時に行なわれるよう
にしてもよい）。

【００９０】当該光ファイバ１０を伝搬した光は、光フ
ァイバ出射部１１から出射され、レンズ１２で、測定器
１３に入射するのに適正な条件に集光（または拡大）さ
れた後に、測定器１３に入射する。

【００９１】測定器１３（例えば、マイケルソン、ファ
ブリペロー、フォトリフラクティブ等のレーザ干渉計）
では、入射してきた光の位相または周波数を連続的に測
定する。

【００９２】前述した高出力のパルスレーザからのレー
ザビームの照射により発生した被検体９の超音波探傷の
ための超音波信号が、被検体９内を伝搬して被検体９の
表面に到達した場合に、被検体９の表面が微小に振動す
る（ナノメータ（ｎｍ）オーダ）。

【００９３】この場合、光は、被検体９表面での反射前
後で、位相または周波数の変化が生じる。

【００９４】そして、測定器１３では、この位相または
周波数の変化を連続的に検出することで、超音波信号を
得て、被検体９の非破壊検査を行なう。

【００９５】なお、超音波信号は、連続ではなく、ある
一定周期で到達する。

【００９６】また、光スイッチ５の切換えは、あらかじ
め超音波信号の周期に合わせて設定されたタイムチャー
トにしたがって行なわれる。

【００９７】一方、本実施の形態では、被検体９へのレ
ーザ光の照射、および被検体９からの反射レーザ光の受
光の媒体となるレーザ計測用プローブとして、光が光軸
に対して物体側および像側の両側で平行となる両側テレ
セントリック系１４Ａと、点光源から光軸に沿って結像
を作るアキシコンレンズ１４Ｂとを組合せてなる光学系
から構成されるレーザ計測用プローブ１４’を備えてい
ることにより、被検体９へ照射されるレーザ光、および
被検体９からの反射されるレーザ光が、物体側および像
側の両側で平行となる。

【００９８】このため、被検体９から反射されるレーザ
光は、正反射となり、被検体９の位置変動や形状変化が
生じたような場合にも、被検体９からの反射光が確実に
帰ることとなり、受信レーザ光量が安定となる。

【００９９】また、アキシコンレンズ１４Ｂにより、テ
レセントリックレンズ系を維持した状態で、レーザ光を
０次ベッセルビーム状態にすることができ、その結果、
焦点深度が深い光学系となるため、被検体９の位置変動
や形状変化が生じたような場合にも、被検体９上のビー
ム径がレーザ計測用プローブ１４’からの距離によらず
一定となり、受信レーザ光量が安定となる。

【０１００】これにより、被検体９の位置変動や形状変
化が生じたような場合でも、より一層精度の高い測定を
行なうことができる。

【０１０１】上述したように、本実施の形態によるフェ
イズドアレイ法を適用しないレーザ計測装置では、前述
した第１の実施の形態と同様の効果を得ることが可能で
あるのに加えて、被検体９の位置変動や形状変化が生じ
たような場合でも、焦点深度が深い光学系となるため、
より一層精度の高い測定を行なうことが可能となる。

【０１０２】（第３の実施の形態）図３は、本実施の形
態によるフェイズドアレイ法を適用しないレーザ計測装
置の全体構成例を示す概要図である。

【０１０３】なお、図１または図２と同一部分には同一
符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分に
ついてのみ述べる。

【０１０４】すなわち、本実施の形態によるレーザ計測
装置は、図３に示すように、前記図１または図２におけ
るレーザ計測装置に、部分ミラー１５と、パワーモニタ
ー１６と、制御装置１７と、スキャナドライバ１８と、
スキャナ１９とからなる位置制御手段を付加した構成と
している。

【０１０５】すなわち、位置制御手段は、レーザ計測用
プローブ１４または１４’で受光されて測定器１３に入
射する被検体９からの反射レーザ光の一部を部分ミラー
１５で分岐して、パワーモニター１６でモニターし、当
該受光レーザ光量が最大値もしくはその近傍となるよう
に、制御装置１７でスキャナドライバ１８、スキャナ１
９を介して、レーザ計測用プローブ１４または１４’の
位置を移動することにより、被検体９とレーザ計測用プ
ローブ１４または１４’との間の相対的な位置を制御す
る。

【０１０６】次に、以上のように構成した本実施の形態
によるフェイズドアレイ法を適用しないレーザ計測装置
の作用について説明する。

【０１０７】なお、図１または図２と同一部分の作用に
ついてはその説明を省略し、ここでは異なる部分の作用
についてのみ述べる。

【０１０８】図３において、前述した第１または第２の
実施の形態によるフェイズドアレイ法を適用しないレー
ザ計測装置で、光スイッチ５による光ファイバ４−光フ
ァイバ６間の切換え、結合が終了した後、レーザ計測用
プローブ１４または１４’で受光された光が、測定器１
３に入射される。

【０１０９】この場合、測定器１３に入射される光の一
部を部分ミラー１５で分岐して、パワーモニター１６に
入射させて光量を測定する。

【０１１０】制御装置１７は、レーザ計測用プローブ１
４または１４’の現在位置から被検体９までの距離を、
±数ｍｍ〜数十ｍｍ程度変化させて、掃引するようにス
キャナドライバ１８に指示し、スキャナドライバ１８は
与えられた指示にしたがってスキャナ１９を駆動し、被
検体９とレーザ計測用プローブ１４または１４’との間
の位置を変化させる。

【０１１１】この場合、スキャナ１９の駆動中に、パワ
ーモニター１６で光量を測定する。

【０１１２】制御装置１７は、この測定した光量とスキ
ャナ１９の移動位置との関係を求め、光量が最大光量も
しくはその近傍（例えば、最大値の＞９５％）となる位
置になるように、スキャナ１９でレーザ計測用プローブ
１４または１４’の位置を移動させることにより、被検
体９とレーザ計測用プローブ１４または１４’との間の
相対的な位置を制御する。

【０１１３】測定器１３では、このような条件下で、入
射してきた光の位相または周波数を連続的に測定する。

【０１１４】本実施の形態では、レーザ計測用プローブ
１４または１４’で受光されて測定器１３に入射する被
検体９からの反射レーザ光の一部をモニターして、当該
受光レーザ光量が最大値もしくはその近傍となるよう
に、被検体９とレーザ計測用プローブ１４または１４’
との間の相対的な位置を制御していることにより、測定
器１３に入射するレーザ光のパワーを最大にできるた
め、測定器１３の出力信号を最大にすることができる。

【０１１５】これにより、被検体９の位置変動や形状変
化が生じて、固定条件の光学系の機能のみによっては対
応しきれないような場合でも、精度の高い測定を行なう
ことができる。

【０１１６】上述したように、本実施の形態によるフェ
イズドアレイ法を適用しないレーザ計測装置では、前述
した第１または第２の実施の形態と同様の効果を得るこ
とが可能であるのに加えて、測定器１３に入射するレー
ザ光のパワーを最大にできるため、測定器１３の出力信
号を最大にして、より一層精度の高い測定を行なうこと
が可能となる。

【０１１７】（変形例） （ａ）本実施の形態では、レーザ計測用プローブ１４ま
たは１４’で受光されて測定器１３に入射する被検体９
からの反射レーザ光の一部を、部分ミラー１５で分岐し
て、パワーモニター１６でモニターする構成とする場合
について説明したが、これに限らず、レーザ計測用プロ
ーブ１４または１４’で受光されて測定器１３に入射す
る被検体９からの反射レーザ光を全反射ミラーに反射さ
せた後、測定器１３に入射させるようにしてもよい。

【０１１８】この場合、当該全反射ミラーから漏れる少
量の光（全入射光量の９９．９％以下の量の光）をパワ
ーモニター１６でモニターする構成としても、前述の場
合と同様の作用効果を奏することができる。

【０１１９】（ｂ）本実施の形態では、レーザ計測用プ
ローブ１４または１４’で受光されて測定器１３に入射
する被検体９からの反射レーザ光の一部を、部分ミラー
１５で分岐して、パワーモニター１６でモニターする構
成とする場合について説明したが、これに限らず、レー
ザ計測用プローブ１４または１４’で受光されて測定器
１３に入射する被検体９からの反射レーザ光の一部を、
ウェッジ基板を使用し、分岐して、パワーモニター１６
でモニターする構成としても、前述の場合と同様の作用
効果を奏することができる。

【０１２０】（その他の実施の形態）尚、本発明は、上
記各実施の形態に限定されるものではなく、実施段階で
はその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形して実施す
ることが可能である。 （ａ）前述した第１または第２または第３のいずれか一
つの実施の形態を、前述したフェイズドアレイ法を適用
したレーザ計測装置に適用するようにしてもよい。

【０１２１】また、前述した第１および第３の実施の形
態を組合わせもの、または第２および第３の実施の形態
を組合わせものを、前述したフェイズドアレイ法を適用
したレーザ計測装置に適用するようにしてもよい。

【０１２２】図４は、本実施の形態によるフェイズドア
レイ法を適用したレーザ計測装置の一つの全体構成例を
示す概要図である。

【０１２３】なお、図１または図２、または図３、およ
び図８と同一部分には同一符号を付してその説明を省略
し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。

【０１２４】すなわち、本実施の形態によるレーザ計測
装置は、図４に示すように、レーザ計測用プローブとし
て、前述した第１の実施の形態のレーザ計測用プローブ
１４、または前述した第２の実施の形態のレーザ計測用
プローブ１４’を適用したレーザ計測用プローブ１
４’’を備え、さらに前述した第３の実施の形態の位置
制御手段を備えた構成としている。

【０１２５】以上のように構成した本実施の形態による
フェイズドアレイ法を適用したレーザ計測装置において
は、前述した第１または第２または第３の実施の形態と
同様の効果を得ることが可能であるのに加えて、被検体
９の位置変動や形状変化が生じたような場合において
も、複数の受信レーザ光間の位置関係、つまりビーム間
隔がレーザ計測用プローブ７からの距離により変化しな
いため、受信レーザ光量が安定となる。

【０１２６】すなわち、フェイズドアレイ法を適用した
レーザ計測装置では、複数の受信レーザ光間の位置関係
は、欠陥信号と他の超音波信号とが重ならないように設
定されているが、この関係が狂うと、前述したように、
欠陥信号が他の超音波信号と重なって埋もれてしまう可
能性があり、受信レーザ光量が不安定となるが、この点
本実施の形態によるフェイズドアレイ法を適用したレー
ザ計測装置では、超音波信号レベルが低下しないため、
結果として精度の高い測定を行なうことが可能となる。

【０１２７】（ｂ）前述した実施の形態では、位置制御
手段としては、レーザ計測用プローブ１４または１４’
の位置を移動することにより、被検体９とレーザ計測用
プローブ１４または１４’との間の相対的な位置を制御
する場合について説明したが、これに限らず、被検体９
の位置を移動することにより、被検体９とレーザ計測用
プローブ１４または１４’との間の相対的な位置を制御
するように構成しても、前述の場合と同様の作用効果が
得られるものである。

【０１２８】また、各実施の形態は可能な限り適宜組合
わせて実施してもよく、その場合には組合わせた作用効
果を得ることができる。 さらに、上記各実施の形態には種々の段階の発明が含ま
れており、開示される複数の構成要件における適宜な組
合わせにより、種々の発明を抽出することができる。 例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの
構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題
の欄で述べた課題（の少なくとも一つ）が解決でき、発
明の効果の欄で述べられている効果（の少なくとも一
つ）が得られる場合には、この構成要件が削除された構
成を発明として抽出することができる。

【０１２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザ計
測用プローブおよびそれを用いたレーザ計測装置によれ
ば、光学系として、光が光軸に対して物体側および像側
の両側で平行となる両側テレセントリック系を一つの構
成要素として用い、さらに必要に応じて、点光源から光
軸に沿って結像を作るアキシコンレンズをもう一つの構
成要素として用いるようにしているので、被検体の位置
変動や形状変化が生じたような場合でも、受信レーザ光
量が安定となり、極めて精度の高い測定を行なうことが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態によるフェイズドア
レイ法を適用しないレーザ計測装置の全体構成例を示す
概要図。

【図２】本発明の第２の実施の形態によるフェイズドア
レイ法を適用しないレーザ計測装置の全体構成例を示す
概要図。

【図３】本発明の第３の実施の形態によるフェイズドア
レイ法を適用しないレーザ計測装置の全体構成例を示す
概要図。

【図４】本発明のその他の実施の形態によるフェイズド
アレイ法を適用したレーザ計測装置の全体構成例を示す
概要図。

【図５】従来のレーザ計測装置の基本的な原理を説明す
るための概要図。

【図６】従来のレーザ計測装置におけるノイズ信号の発
生要因を説明するための概要図。

【図７】従来のフェイズドアレイ法を適用したレーザ計
測装置の原理を説明するための概要図。

【図８】従来のフェイズドアレイ法を適用したレーザ計
測装置の全体構成例を示す概要図。

【図９】従来のレーザ計測装置における問題点を説明す
るための概要図。

【符号の説明】

１…レーザ光源 ２…レンズ ３…光ファイバ入射部 ４…光ファイバ ５…光スイッチ ６…光ファイバ ７…レーザ計測用プローブ ７Ａ…レンズ（レンズ群） ８…光ファイバ入出射部 ９…被検体 １０…光ファイバ １１…光ファイバ出射部 １２…レンズ １３…測定器 １４…レーザ計測用プローブ １４’…レーザ計測用プローブ １４’’…レーザ計測用プローブ １４Ａ…両側テレセントリック系 １４Ｂ…アキシコンレンズ １５…部分ミラー １６…パワーモニター １７…制御装置 １８…スキャナドライバ １９…スキャナ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池田 弘昭 広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 平賀 誠治 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１ 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内 Ｆターム(参考） 2F068 AA01 AA49 AA50 GG07 TT07 2G047 AA10 AC02 AC09 BC07 CA04 EA10 GA19 GF25 2G059 AA05 BB08 EE02 EE16 GG01 GG05 JJ11 JJ13 JJ17 JJ22 KK01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検体の一面に連続的にレーザ光を照射
   し、前記被検体の超音波探傷のための超音波信号による
   被検体表面の微小振動を、前記被検体から反射されるレ
   ーザ光の反射前後での位相または周波数の変化として連
   続的に測定することにより、前記被検体の非破壊検査を
   行なうレーザ計測装置に用いられ、 前記被検体と所定の間隔を存して配設されて、前記被検
   体へのレーザ光の照射、および前記被検体からの反射レ
   ーザ光の受光の媒体となる、光学系から構成されるレー
   ザ計測用プローブにおいて、 前記光学系として、光が光軸（プローブ光軸）に対して
   物体側および像側の両側で平行となる両側テレセントリ
   ック系からなる光学系を用いたことを特徴とするレーザ
   計測用プローブ。
2. 【請求項２】 被検体の一面に連続的にレーザ光を照射
   し、前記被検体の超音波探傷のための超音波信号による
   被検体表面の微小振動を、前記被検体から反射されるレ
   ーザ光の反射前後での位相または周波数の変化として連
   続的に測定することにより、前記被検体の非破壊検査を
   行なうレーザ計測装置に用いられ、 前記被検体と所定の間隔を存して配設されて、前記被検
   体へのレーザ光の照射、および前記被検体からの反射レ
   ーザ光の受光の媒体となる、光学系から構成されるレー
   ザ計測用プローブにおいて、 前記光学系として、光が光軸（プローブ光軸）に対して
   物体側および像側の両側で平行となる両側テレセントリ
   ック系と、点光源から前記光軸に沿って結像を作るアキ
   シコンレンズとを組合せてなる光学系を用いたことを特
   徴とするレーザ計測用プローブ。
3. 【請求項３】 被検体の一面にレーザ光源から連続的に
   レーザ光を照射し、前記被検体の超音波探傷のための超
   音波信号による被検体表面の微小振動を、前記被検体か
   ら反射されるレーザ光の反射前後での位相または周波数
   の変化として連続的に測定器で測定することにより、前
   記被検体の非破壊検査を行なうレーザ計測装置であっ
   て、 前記被検体と所定の間隔を存して配設されて、前記被検
   体へのレーザ光の照射、および前記被検体からの反射レ
   ーザ光の受光の媒体となるレーザ計測用プローブとし
   て、 光が光軸（プローブ光軸）に対して物体側および像側の
   両側で平行となる両側テレセントリック系からなる光学
   系から構成されるレーザ計測用プローブを備えて成るこ
   とを特徴とするレーザ計測装置。
4. 【請求項４】 被検体の一面にレーザ光源から連続的に
   レーザ光を照射し、前記被検体の超音波探傷のための超
   音波信号による被検体表面の微小振動を、前記被検体か
   ら反射されるレーザ光の反射前後での位相または周波数
   の変化として連続的に測定器で測定することにより、前
   記被検体の非破壊検査を行なうレーザ計測装置であっ
   て、 前記被検体と所定の間隔を存して配設されて、前記被検
   体へのレーザ光の照射、および前記被検体からの反射レ
   ーザ光の受光の媒体となるレーザ計測用プローブとし
   て、 光が光軸（プローブ光軸）に対して物体側および像側の
   両側で平行となる両側テレセントリック系と、点光源か
   ら前記光軸に沿って結像を作るアキシコンレンズとを組
   合せてなる光学系から構成されるレーザ計測用プローブ
   を備えて成ることを特徴とするレーザ計測装置。
5. 【請求項５】 前記請求項３または請求項４に記載のレ
   ーザ計測装置において、 前記レーザ計測用プローブで受光されて前記測定器に入
   射する前記被検体からの反射レーザ光の一部をモニター
   し、当該受光レーザ光量が最大値もしくはその近傍とな
   るように、前記被検体と前記レーザ計測用プローブとの
   間の相対的な位置を制御する位置制御手段を付加して成
   ることを特徴とするレーザ計測装置。