JP2005147813A - レーザ超音波による材料非破壊検査方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】材料表面が鏡面である場合は勿論コンクリート構造物のような粗表面であっても極めて高精度で、正確かつ信頼性のある検査を可能とする。
【解決手段】材料非破壊検査装置は、パルスレーザ２０からのパルスレーザ光を可動ミラー７を介して被測定物の材料表面に照射して弾性波（超音波）を生じさせ、連続発振の信号用レーザ１からのレーザ光を偏光ビームスプリッタ４で分岐し、その一方をプローブ光として可動ミラー７を介してパルスレーザ光と同軸上で材料表面に照射し、反射された光が材料表面の散乱面及び弾性波の影響で波面形状の歪んだ、かつ位相変調を受けた信号光として転送され、信号光と参照光を所定の角度で交差してフォトリフラクティブ結晶９によるレーザ光干渉計に入射し、その干渉光の位相変調の変化により材料内部の欠陥の有無を検出するように構成している。
【選択図】図１

Description

この発明は、コンクリート構造物のような表面状態が粗な材料の内部構造の状態を遠隔から迅速、正確、客観的に非破壊検査するレーザ超音波による材料非破壊検査方法及び装置に関する。

コンクリート構造物の検査方法の最も一般的な手法は、目視による表面のひび割れ状況の記録と、検査員のハンマリングによる打音検査で内部欠陥を調べる打音法である。この方法は、検査員の熟練を必要とし、信頼性、再現性が低く、大量の検査対象には対応できない。又、人間の感覚に依存するため、判定の絶対性や経時変化を記録したデータの客観性など長期間のモニタリングが重要なコンクリート構造物の検査法としては不十分である。

上記検査方法はコンクリート構造物が半永久的な強度を維持するという前提で行われていた方法であり、最近のコンクリート壁剥落事故などにより明らかとなったコンクリート構造物への定期的な検査の必要性に対応できる方法ではない。コンクリート異変状態の客観的かつ迅速な検査方法の１つとしてレーザと光検出器を組合わせた表面ひび割れ検出装置が実用化されている。

また、日照や赤外線ランプの熱を利用したサーモグラフィの原理による内部欠陥検出技術も開発中であるが、外的熱環境により測定が不安定となる。従って、剥落などの事故危険性を予知するためには内部欠陥を直接検出する客観的で信頼性の高い検出システムが必要である。そこで、このような問題に対応するため、特許文献１では、弾性波探査法（衝撃弾性波法）、電磁波探査法、超音波探査法について検討した上で、さらにそれぞれの探査法を越える方法としてレーザ超音波によるコンクリート構造物の診断方法及び装置について提案している。

この特許文献１による診断方法は、パルスレーザ光をコンクリート構造物の表面に照射して熱膨張による弾性波を発生させ、その表面を視準するレーザ干渉計で照射時の表面波と発生した弾性波とを経時的に検出し、表面波の検出から弾性波の検出までの波形変化から診断部位でのコンクリート構造物の内部欠陥又は埋設物の有無を診断するというものである。

この診断方法では、パルスレーザの照射で探査対象の表面又は表面近傍に急激な熱膨張を発生させ、熱弾性効果による熱膨張の歪を弾性波（超音波）として対象内に伝播し、その弾性波による影響を受けたレーザ反射光をレーザ干渉計で受信して診断が行われる。弾性波による影響を受けたレーザ反射光は、明記されていないが、表面波による振幅（強度）の変化及びその後伝播される弾性波による振幅の変化を経時的に干渉計内で検出して、表面波及び弾性波を表わす光信号の強度の変化により内部欠陥又は埋設物の存在を検出するものと考えられる。

一方、非特許文献１に記載された非破壊検査で使用される熱弾性効果によるレーザ超音波発生法を適用して広い範囲で被検体の材料評価、即ち欠陥の存在の探知を行える位相速度走査法による非接触非破壊材料評価方法及び装置の発明が特許文献２により公知である。この評価方法では、プローブ光と干渉性エネルギビームを組として、被検体と相対的に操作することにより広い範囲で被検体の材料評価を行うことを目的としている。

この材料評価方法は、２つのわずかに周波数の異なる干渉性エネルギビーム（レーザ光）を被検体上で交差状に走査しながら照射して干渉縞を生成し、干渉縞の作用で被検体表面に干渉縞間隔と同じ間隔を持つ歪み分布を形成することにより被検体内部を伝播する弾性波の音速と干渉縞の走査速度の比で決まる方向に弾性波を放射し、被検体の表面に照射されるプローブ光によって表面から出射されるバルク超音波を非接触で検出し、被検体、レーザ光、プローブ光のうちの一を走査して非接触検出点を移動させるようにしている。

上述した特許文献２による材料評価方法では、２つのわずかに周波数の異なる干渉性エネルギビームであるパルスレーザを入射角θの所定方向に照射してバルク超音波を被検体に伝播させ、内部の欠陥によって反射回折されたバルク超音波が被検体表面上に出ると、これを工学的ナイフエッジ法等によるバルク超音波検出手段で光信号として検出し、内部の欠陥の存在及び材料を評価するデータ等が検出される。

しかし、上記特許文献２の材料評価方法では、材料内部にバルク超音波を発生させるパルスレーザ光を入射角θの所定方向に入射させるようにしているが、これは材料表面が鏡面状態であることを前提としており、コンクリート構造物のような表面が粗な多数の凹凸のある面を有する材料の内部欠陥を検出する方法に適用することはできない。

一方、特許文献１の診断方法はコンクリート構造物の内部欠陥又は埋設物の有無を診断することをねらったものである。複数の被診断部位のそれぞれの方向に向けて出射されたパルスレーザ光の反射光が、レーザ干渉計に受信されるようレーザ装置とレーザ干渉計とを照射向き制御装置により設定し、パルスレーザ光の反射光が最初に表面波の影響を受け、その後遅れて弾性波の影響を受けてレーザ干渉計に受信されたそれぞれの信号光を経時的に検出すると記載されている。

しかし、被診断材料内に発生する表面波、弾性波による影響が反射光に明瞭な影響を与える程の高エネルギのパルス光を照射すると、試験体表面の温度上昇と、音響及びプラズマ発光を伴うプラズマの発生、及び大気絶縁破壊によるプラズマ発生などの現象が起こる。従って、このパルス光の反射光に対しては表面波、弾性波による影響だけでなく、音響とプラズマ発光の影響が及び、レーザ干渉計に対してノイズとなり、正確で信頼性の高いデータが得られない。

反対にパルス光のエネルギレベルを下げて音響、プラズマ発光等が生じないパルス光を照射すると、その反射光は被診断材料の表面が粗な材料では散乱光となり、レーザ干渉計に入射される反射光は微弱となってやはり高い精度で、正確で信頼性のある信号光としては不適当である。また、超音波発生と検出を一つのパルスレーザで行うことになっているが、パルスレーザのパルス幅はナノ秒程度であり、一つのパルスで被試験体内部で反射した弾性波が再び表面に戻ってきたところ（典型的には数十マイクロ秒）を捉えることは不可能であり、この評価方法は物理的に成立しない。

以上のような不都合が生じる原因は、１つのレーザパルス光を弾性波の発生と、その影響を受けた信号光の両方の機能を同時に得んとすることにある。即ち、弾性波を発生させるために要求されるレーザ光に対する条件と信号光が有すべきレーザ光の条件とが大きく相違するにも拘らず、１つのレーザパルス光で全て処理しようとすることに起因するのである。従って、特許文献１の診断方法による診断結果は、当然極めて精度が低く、信頼性のないものであり、理論上はともかく、実際のデータは殆ど使用することができず、被測定材料の内部欠陥や埋設物を正確に診断することはできない。
特開２００２−２９６２４４号公報 特開平９−３３４９０号公報 D.A.Hutchins:Physical Acoustics,eds.W.P.Mason and R.N.Thurston(Academic,San Diego,1998)Vol.XVIII,P21

この発明は、上述した従来の問題点に留意して、レーザ超音波を利用して材料の非破壊検査をする際にレーザ超音波を最も効率よく生じさせ、かつレーザ超音波の影響を受けた信号光も最も効率よく得られるよう性質の異なる２つのレーザ光を用いて、材料表面が鏡面である場合は勿論、コンクリート構造物のような粗表面であっても極めて高精度で、正確かつ信頼性のある検査を可能とするレーザ超音波による材料非破壊検査方法及び装置を提供することを課題とする。

この発明は、上記の課題を解決する手段として、被測定材料表面の所定領域に音響、プラズマ発光及び大気プラズマを伴わない最強レベルのパルスレーザ光を照射し、表面の熱応力に基づく弾性波を被測定材料内に生じさせると共に、連続出力のレーザ光をプローブ光として伝送して上記所定領域内に照射し、材料表面から反射される際にその表面状態に応じて空間的に変化した波面となり、かつ弾性波により周波数変調された信号光を反射させ、この信号光を位相共役鏡を用いたレーザ干渉計に入射して信号光の周波数成分の変化を検出し、これにより材料の内部欠陥を検出するようにしたレーザ超音波による材料非破壊検査方法としたのである。

又、上記材料非破壊検査方法を実施する検査装置として、被測定材料表面の所定領域にパルスレーザ光を音響、プラズマ発光及び大気プラズマを伴わない最強レベルで照射し、表面の熱応力に基づく弾性波を被測定材料内に生じさせる弾性波励起手段と、連続出力のレーザ光をプローブ光として伝送してパルスレーザ光と同軸上で上記所定領域内に照射し、材料表面から反射される際にその表面状態に応じて波面が変化し、かつ弾性波により周波数変調された信号光を転送する信号光伝送手段と、上記信号光と基準となる連続出力レーザからの参照光とを互いに交差して位相共役鏡に入射させ干渉光を生起するレーザ干渉計と、この干渉計から出力される干渉光を光検出器により検出し、信号光の周波数成分の変化により材料の内部欠陥を検出するように構成したレーザ超音波による材料非破壊検査装置とすることができる。

上述した材料非破壊検査方法は、上記検査装置において材料内部の欠陥の有無を表わす高精度で正確な信号を得ることができる方法である。この方法ではパルスレーザ光は主として材料内部に弾性波を生じさせるのに用いられ、適正レーザ条件下で照射される。適正レーザ条件とは、弾性波以外のノイズ源となる他の現象を発生させない静かなインパクトを付与するレーザ強度であって、音響、プラズマ発光及び大気プラズマを伴わない最強レベルのレーザ光である。

一方、材料表面の所定領域内には連続発振のレーザ光がプローブ光として所定のスポット径で照射され、整波面であったプローブ光は材料表面で反射される際に材料表面の凹凸による表面粗度に応じて散乱され、波面が歪んだ散乱光として反射されると共に、上記弾性波による周波数変調を受けた信号光として転送される。弾性波は、材料内部に欠陥が無ければ材料厚さの裏側から表側へ反射され、欠陥が有ればその欠陥に応じた位置から反射される。

このため、信号光は欠陥の有無によって異なる状態の弾性波の影響を受け、それぞれの状態に応じた周波数変調を受けた信号光で、かつ波面の歪んだ信号光として転送される。この信号光は位相共役鏡（フォトリフラクティブ結晶）を用いたレーザ干渉計に入射され、そこで所定角度で交差して入射される参照光と干渉し、この干渉による回折格子が形成され、回折された参照光は信号光と同一波面形状でかつ同一位相変調を受けた強い干渉光として出力される。従って、この干渉光を光検出器で検出することにより材料内部の欠陥の有無が検出される。

この発明の材料非破壊検査方法及び装置は、異なる性質のパルスレーザ光と連続発振のレーザ光を材料表面に照射し、パルスレーザ光により最も有効に弾性波を生じさせ、この弾性波を反映する位相変調を含む信号光を連続発振のレーザ光から得て高いコントラストの干渉信号により材料内部を非接触で検査するようにしたから、材料内部の欠陥の有無を極めて高精度で、正確、迅速に信頼性のあるデータにより検査することができるという顕著な効果が得られる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１はこの発明の材料非破壊検査方法を実施する装置の全体概略構成図である。図示のように、この検査装置は、パルスレーザ光を発生するパルスレーザ２０と、連続発振のレーザ光を発生する信号用レーザ１とを備えている。信号用レーザ１は、波長５３２ｍｍのレーザ光を連続発振するＮｄ：ＹＡＧレーザ（二倍高調波）が用いられている。

又、パルスレーザ２０は、図示の例では、パワーＥ＝０．５Ｊ、パルス周期Ｆ＝１０ｐｐｓのパルスレーザ光を出力するＮｄ：ＹＡＧレーザ（基本波）が用いられ、ミラーＭ₀ 及び可動ミラー７を経て被測定物Ｗの材料表面へパルスレーザ光を照射する。このパルスレーザ光は、被測定物Ｗの材料表面に集光照射する際に、時間的に短パルスで、空間的に狭スポット径に集中し、瞬間的な応力により弾性波を発生する適正レーザ条件を満足するように照射される。

この適正レーザ条件とは、計測の際にノイズ源となる他の現象（音響及びプラズマ発光等）は発生させることなく計測に必要な弾性波だけを選択的に発生させるのに適合するレーザ照射条件であり、静かなインパクトを与える必要があるからである。上記適正レーザ条件として、図示の例では、被測定物Ｗの表面に集光するレーザ光の強度が１００ＭＷ／ｃｍ² となるようにパルス幅、パルスエネルギ、集光スポットサイズを調整する。

ただし、集光スポット径がレーザ出射口と被測定面の距離によって変化しないように充分長い焦点距離のＦ値（Ｆ値１００以上）を有する光学系（ミラーＭ₀ 、可動ミラー７を含む）が用いられる。又、上記集光光学系による照射面のスポット径はインパクトパルスレーザのパワーでも損傷が入らないように、かつ後述するように被測定面からの信号光を十分な光量でレーザ干渉計へ転送できるよう十分大きな口径（図示の例では直径Ｄ＝５ｃｍ）に設定されている。

一方、信号用レーザ１からのレーザ光は、信号光の元光源となるプローブ光と後述するレーザ干渉計で基準となる参照光とを生起するのに用いられる。信号用レーザ１からのレーザ光は、濃度可変フィルタ２を経てλ／２波長板３により紙面に対して４５度偏光を傾け、偏光ビームスプリッタ４でその一部が反射されて２つのレーザ光に分岐され、反射された光はプローブ光として、透過した光は参照光として送られる。

濃度可変フィルタ２は、後述する信号光のパワーを変化させるため、回転方向に透過率が変化するように濃淡を付けたものであり、例えばガラス基板上にクロム又はアルミニウムなどをその金属蒸着膜の厚みに勾配を付けて付着させ、フィルタの透過位置を図示しない回転機構により回転させることによって透過率が変化するようにしたものである。この濃度可変フィルタ２は、後述するレーザ干渉計における信号光／参照光の強度比を適正に保つために設けられ、信号光の強度はレーザ干渉計の後方の信号光レベルを監視する信号光モニタ１６により常に監視される。

偏光ビームスプリッタ４で反射されたレーザ光はプローブ光としてミラーＭ₁ 、Ｍ₂ を経てλ／４波長板５により偏光を直線偏光から円偏光に変換され、拡大レンズ６ａ、対物レンズ６ｂにより形成される望遠鏡で被測定物Ｗの表面に適切なスポット径（ｄ＝２〜３ｍｍ）で集光するよう調整され、可動ミラー７を前述したパルスレーザ光と同軸上で透過して材料表面に照射される。なお、ミラーＭ₁ から可動ミラー７までの光学系はイメージ転送光学系を形成している。

可動ミラー７は、パルスレーザ２０からのパルス光は反射し、偏光ビームスプリッタ４からのプローブ光は透過する一種の偏光ミラーであり、図示しない回転機構により照射方向を種々可変に構成されている。なお、この回転機構は、図示の状態では、１８０°までの大きな角度変化まで測定できるように、天体望遠鏡を回転させる機構と同様な機構が組込まれているが、この発明の趣旨に直接関係ないので詳細は省略している。

照射されたプローブ光は、材料表面の散乱面で散乱光として反射され、かつパルスレーザ光の照射で散乱面に生じている弾性波による振動の影響で位相変調を受けた信号光として反射される。その作用の詳細については後で説明する。反射された信号光は可動ミラー７を透過し、対物レンズ６ｂにより捕集されてイメージ転送光学系を逆方向に進み、再度λ／４波長板５を通過して元の直線偏光に戻される。

ただし、偏光方向はλ／４波長板５を２度透過するため入射光に対して９０度偏光が回転する。このため、ミラーＭ₁ から送られる信号は偏光ビームスプリッタ４で反射されることなく通過し、λ／２波長板８でさらに偏光方向を傾け、集光レンズＬ₁ 、ミラーＭ₄ を経てレーザ干渉計のフォトリフラクティブ結晶９（位相共役鏡）へ入射される。

一方、偏光ビームスプリッタ４へλ／２波長板３を経て送られるレーザ光のうちスプリッタ４を透過したレーザ光は、位相の整った整波面を有するレーザ光として生起され送られて来るから、ミラーＭ₃ 、集光レンズＬ₂ を経て上記信号光に対し参照光としてフォトリフラクティブ結晶９へ所定の交差角度で入射される。

フォトリフラクティブ結晶９は、例えばチタン酸バリウムＢａＴｉＯ₃ 結晶を用いることができ、参照光と信号光の２光波を入射混合したとき、２光波の干渉縞が結晶内に作られてその干渉縞に応じた（屈折）回折格子が書き込まれ、その際２つの光波は回折格子によって回折されると共に互いに結合する。このため、一方の光波（参照光）の波面が他方の光波（信号光）の波面と同じ（位相共役波）となり、このことは一方の光波で他方の光波を増幅（エネルギの移動）させるのと同様な作用を有することとなる。上記フォトリフラクティブ結晶９は、参照光と信号光の波面の不整合（位相変調）を上記回折格子によるダイナミックホログラムの原理により解消するものである。

フォトリフラクティブ結晶９内では信号光から参照光への波面形状のコピーが起こり、回折により信号光と同じ方向へ回折された参照光は信号光と強く干渉し合い、その結果信号光と同じ周波数変調が行われた強い干渉光がフォトリフラクティブ結晶９から出力され、その干渉光は集光レンズＬ₃ 、λ／４波長板１０、λ／２波長板１１を経てビームスプリッタ１２で２つの偏波に分離される。

分離されたそれぞれの干渉光は、光検出器（ピンフォトダイオード）１３ａと１３ｂで受信され、電気信号に変換されてオシロスコープ１４へ入力され、記録される。なお、参照光と同じ方向へ出力される信号光は、偏光子１５を経て信号光モニタ１６で信号光の強度レベルが検出され、この信号を濃度可変フィルタ２の回転機構にフィードバックさせて信号光の光量調整を行うようになっている。

上記のように構成した実施形態の材料非破壊検査装置により材料の内部欠陥の有無や深さを次のようにして検出する。この検査装置では、前述したように、パルスレーザ２０と信号用レーザ１の２つのレーザから所定のタイミングでパルスレーザ光と連続出力（ＣＷ）のレーザ光がそれぞれ被測定物Ｗの表面に可動ミラー７を介して同軸上で照射される。パルスレーザ光は、被測定物の表面にインパクトパルスとして照射することにより局部的な温度上昇を生じさせ、その瞬間的な応力により弾性波を生じさせるために照射される。

パルスレーザ光の照射は、前述したように、適正レーザ条件に適合するように行われる。一般に強力なレーザ光を材料表面に集光照射すると、材料表面に温度上昇、音響とプラズマ発光を伴うプラズマの発生、及び大気絶縁破壊による大気プラズマ発生などの現象が起こる。音響とプラズマ発光はレーザ干渉計に攪乱を与え、計測を困難にする。例えば音響波は信号用レーザ光又は信号光の光路と重なると大気の屈折率を変化させ、光波面の形状に影響を与える。これはレーザ干渉計に対してノイズとなる。

又、プラズマ発光は信号光を検出する光学系、フォトリフラクティブ結晶などを通して光検出器に影響を与える。特にインパクト用のレーザパルス光は強度が高いため、光検出器を飽和させる程強力なレーザ光となる可能性がある。従って、これらノイズ源を可能な限り発生させないようにインパクトパルスレーザは照射する必要がある。勿論、同時に信号光検出系のノイズ除去対策も必要であるが、これについては後で説明する。

上記適正レーザ条件は、主に被測定物Ｗの表面に集光されるレーザ光の強度で決まり、この表面に集光されるレーザ光の強度はパルスエネルギと、パルス幅、集光スポット径によって決まるが、パルスエネルギとパルス幅は使用されるレーザ発生ユニットによって固定されるから、結局表面上のレーザ光強度は集光スポット径によって決まる。従って、前述したように材料表面上のレーザ光強度を１ＭＷ／ｃｍ² 程度（ノイズ低減を重視する場合）、又は１００ＭＷ／ｃｍ² 程度（弾性波強度を重視する場合）となるように集光スポット径を４〜５ｃｍ又は数ｍｍ（１〜２ｍｍ）としたのである。

上記適正レーザ条件に適合するようにパルスレーザ光を被測定物の表面に照射したとしても、さらに表面波の影響も排除する必要がある。パルスレーザ光の照射で材料表面の温度が急激に上昇する際に、レーザ光強度が十分高いと表面温度がプラズマ生成閾値を超えてアブレーション（物質の噴出）が生じる。これら温度膨張又はアブレーションによる運動量の発生で表面に応力が発生し、材料内部に伝播する弾性波（Ｐ波）が発生する。

一方、上記表面応力は水面に小石を投げたときに現れるような表面波（Ｒ波）も発生する。一般にＲ波はＰ波の６０％程度の伝播速度を持つので、送信器と受信器の設置距離によってはＰ波の材料内部での反射タイミングとＲ波が表面を伝わるタイミングが一致し、Ｒ波がＰ波にかぶさって雑音となることがある。

そこで、このような不都合を回避するため、インパクトパルスレーザ光と信号用レーザ光を同軸に入射させ、インパクトパルスレーザ光により発生した表面波が周辺に散逸した後（数２０マイクロ秒）の平穏な表面状態で材料内部から反射される弾性波だけを捉えるようにすればよい。これを実現するために弾性波励起レーザと信号用レーザを同軸に配し、Ｒ波が過ぎ去った後の弾性波を検出することによりノイズの少ない計測を可能としている。

信号用レーザ１からの連続出力のレーザ光は、前述したように、偏光ビームスプリッタ４でプローブ光と参照光に分離される。プローブ光は望遠鏡の対物レンズ６ｂで所定のスポット径（図示の例ではｄ＝２〜３ｍｍ）に集光され、可動ミラー７を透過して被測定物Ｗの表面に照射される。被測定物Ｗは、図示の例ではコンクリートであり、その表面は多数の凹凸のある散乱面である（図２の（ａ）図参照）。

従って、図２の（ｂ）図に示すように、表面で反射される反射光は散乱光として反射され、その際上述したインパクトパルスレーザ光により材料内で伝播される弾性波による影響で位相変調された信号光としてイメージ転送光学系を経由して反対方向に進み、偏光ビームスプリッタ４を経てフォトリフラクティブ結晶９へ入射されるが、同時に偏光ビームスプリッタ４を透過した参照光も上記信号光と所定の角度で交差するように入射される。

このため、フォトリフラクティブ結晶９内では、前述したように、ダイナミックホログラムの原理による回折格子によって前述した周波数変調を受けた信号光と参照光が相互に干渉し、強い干渉光信号（参照光の１次光）が出力されることとなる（図３、図４参照）。この場合、ダイナミックホログラムとは材料表面で弾性波による影響により時間的に変動する波面変動に対応してダイナミックに回折格子も変動して記録されることから上記のような原理名を付している。

なお、フォトリフラクティブ結晶９でのホログラム発生効率は信号光と参照光の強度比に強く依存する。一方、材料表面に照射されるプローブ光の反射率は、材料がコンクリートのような凹凸のある粗表面を有する場合、表面状態により大きく変化するため、信号光の強度も変動する。従って、プローブ光をスキャンして照射する場合、さまざまに変動する信号光の強度レベルに対応してフォトリフラクティブ結晶９内での信号光と参照光の強度比を適正に保つ必要がある。

このため、プローブ光の強度をそれぞれの変動状態に応じた最適の状態に変化させることができるように、濃度可変フィルタ２は、信号光モニタ１６からの検出信号に基づくフィードバック制御により濃度位置が調整される。これにより、信号光の強度が測定位置が次々と移動した場所毎の散乱面で変動しても適正な信号光と参照光の強度比が保持され、散乱面からの信号でも高いコントラストで干渉信号を得ることができることとなる。

上記干渉光は、図１の２つの波長板１０、１１を用いて２つの偏波としてビームスプリッタ１２で分離し、それぞれの偏波の干渉光を２つの光検出器１３ａ、１３ｂで受光し、検出するが、その際両者の位相差を利用して信号光に存在するノイズ源の強度変調（波面歪）と、信号成分である位相変調を分離し、Ｓ／Ｎ比を向上させる。又、それぞれの信号をオシロスコープ１４の記録計に入力する際に、高速（マイクロ波）と低速（ミリ波）の２種類の信号処理部に記録し、高速記録では弾性波の時間履歴、低速記録では弾性波の周波数解析を行い、周波数解析で内部欠陥の有無、時間解析で内部欠陥の深さを検出する。

なお、上記材料非破壊検査装置は、実際には例えば移動台車Ｖｈ上に設置され、図５に示すように、例えばトンネル内のコンクリート層の内部状態を検出するのに用いることができる。移動台車Ｖｈ上には信号用レーザ１と、パルスレーザ２０からのレーザ光を共通ミラーである可動ミラー７を介してトンネル内のコンクリート表層に照射し、コンクリート表層のＰ₁₁〜Ｐ_1n、Ｐ₂₁〜Ｐ_2n、……の多数の計測点に移動しながら照射し、各計測点での材料の内部状態を短時間に迅速に検出することができる。

この発明の材料非破壊検査方法及び装置は、表面が鏡面の材料は勿論、表面がコンクリート構造物のような粗面であっても高いコントラストの干渉信号を得ることができるから、トンネルや道路橋、高層ビル等のコンクリート構造物、あるいは一般材料等あらゆる種類の材料の内部欠陥の検出に適用できる。

実施形態の材料非破壊検査装置の全体概略構成図 材料表面での弾性波と信号光との関係を説明する図 レーザ干渉計による波面補償機能の説明図 位相共役鏡における波面補償機能の説明図 トンネル内での多点位置の非破壊検査状況の説明図

符号の説明

１ 信号用レーザ
２ 濃度可変フィルタ
３ λ／２波長板
４ 偏光ビームスプリッタ
５ λ／４波長板
６ 望遠鏡ユニット
６ａ 拡大レンズ
６ｂ 対物レンズ
７ 可動ミラー
８ λ／２波長板
９ フォトリフラクティブ結晶
１０ λ／４波長板
１１ λ／２波長板
１３ａ、１３ｂ 光検出器
１４ オシロスコープ
１５ 偏光子
１６ 信号光モニタ
２０ パルスレーザ
Ｍ₀ 〜Ｍ₅ ミラー
Ｗ 被測定物

Claims (7)

1. 被測定材料表面の所定領域に音響、プラズマ発光及び大気プラズマを伴わない最強レベルのパルスレーザ光を照射し、表面の熱応力に基づく弾性波を被測定材料内に生じさせると共に、連続出力のレーザ光をプローブ光として伝送して上記所定領域内に照射し、材料表面から反射される際にその表面状態に応じて空間的に変化した波面となり、かつ弾性波により周波数変調された信号光を反射させ、この信号光を位相共役鏡を用いたレーザ干渉計に入射して信号光の周波数成分の変化を検出し、これにより材料の内部欠陥を検出するようにしたレーザ超音波による材料非破壊検査方法。
2. 前記信号光は、パルスレーザ光により材料表面に熱応力を生じさせた際に生じる表面波が消散した後の弾性波のみによる周波数変調を受けた信号光を測定に用いるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ超音波による材料非破壊検査方法。
3. 被測定材料表面の所定領域にパルスレーザ光を音響、プラズマ発光及び大気プラズマを伴わない最強レベルで照射し、表面の熱応力に基づく弾性波を被測定材料内に生じさせる弾性波励起手段と、連続出力のレーザ光をプローブ光として伝送してパルスレーザ光と同軸上で上記所定領域内に照射し、材料表面から反射される際にその表面状態に応じて波面が変化し、かつ弾性波により周波数変調された信号光を転送する信号光伝送手段と、上記信号光と基準となる連続出力レーザからの参照光とを互いに交差して位相共役鏡に入射させ干渉光を生起するレーザ干渉計と、この干渉計から出力される干渉光を光検出器により検出し、信号光の周波数成分の変化により材料の内部欠陥を検出するように構成したレーザ超音波による材料非破壊検査装置。
4. 前記パルスレーザ光と連続出力のレーザ光を同軸上で材料表面の所定領域へ伝送する共通ミラーを設け、この共通ミラーはパルスレーザ光を反射させ、連続出力レーザ光を透過させる偏光ミラーとし、かつこの共通ミラーを回転機構を設けて可動ミラーとして構成したことを特徴とする請求項３に記載のレーザ超音波による材料非破壊検査装置。
5. 前記信号光伝送手段に望遠鏡手段を挿置し、プローブ光を所定領域内で材料表面に対し所定のスポット径で照射できるように望遠鏡手段により調整自在としたことを特徴とする請求項３又は４に記載のレーザ超音波による材料非破壊検査装置。
6. 前記信号光伝送手段の系に偏光ビームスプリッタを設け、連続出力のレーザ光を２つに分岐して一方をプローブ光とし、他方を参照光として異なる方向へ伝送するように構成したことを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載のレーザ超音波による材料非破壊検査装置。
7. 前記信号光伝送手段の系に濃度可変フィルタを設け、レーザ干渉計からの信号光の強度を検出する信号光モニタからの信号に基づいて濃度可変フィルタを変動させ、信号光と参照光の強度比を所定範囲内に保持するように構成したことを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載のレーザ超音波による材料非破壊検査装置。

Images