JP2007271288A - Laser excitation ultrasonic image device - Google Patents

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JP2007271288A JP2006093797A JP2006093797A JP2007271288A JP 2007271288 A JP2007271288 A JP 2007271288A JP 2006093797 A JP2006093797 A JP 2006093797A JP 2006093797 A JP2006093797 A JP 2006093797A JP 2007271288 A JP2007271288 A JP 2007271288A
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Teruo Takeshita
照雄 竹下
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser excitation ultrasonic image device, capable of inspecting a defect in an inside of an inspection object and capable of analyzing structure thereof in nondestructive and noncontact manner, with nanometer order of spatial resolution. <P>SOLUTION: This laser excitation ultrasonic image device is provided with an ultrasonic wave exciting laser irradiation part 2 for irradiating the inspection object P with an ultrasonic wave exciting laser L1, and for exciting ultrasonic waves that propagate through its inside or the like; a reference light emitting part 2 for emitting a reference light L2 for detecting ultrasonic echo generated by the ultrasonic waves resulting from the defects in the inside of the inspection object P; a photoelectric face 4 for receiving reflected light or scattered light L3, including changes in the light intensity or the optical frequency or the like generated by an interaction between the reference light L2 and the ultrasonic echo on its surface, when the reference light L2 is reflected or scattered by the inspection object P, and for emitting electrons by the reflected light or scattered light L3; a sweeping part 5 provided with paired sweeping electrodes 51 for sweeping the orbits of the electrons emitted from the photoelectric face 4; a fluorescent face 7 for light-transforming the electron swept by the sweeping part 5; and an image output part 8 for forming a luminescent spot appeared in the fluorescent face 7 into an image to be output. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、接触や近接が困難な計測対象に対して、亀裂や欠陥の検査あるいは構造解析を、非接触かつ非破壊で高精度に行うためのレーザ励起超音波画像装置に関するものである。   The present invention relates to a laser-excited ultrasonic imaging apparatus for performing non-contact, non-destructive and high-accuracy inspection of cracks and defects or structural analysis for a measurement object that is difficult to contact or approach.

従来から、超音波エコーを利用して、検査対象の断面映像を捉えることにより、非破壊で検査対象の亀裂や欠陥などの検査を行えるようにしたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。   2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a technique capable of non-destructively inspecting a crack or a defect of an inspection object by capturing a cross-sectional image of the inspection object using an ultrasonic echo (for example, Patent Document 1). reference).

また、レーザー超音波法を利用して、非破壊、非接触で検査対象の亀裂や欠陥などの内部欠陥の検査を行えるようにした検査装置が知られている。   There is also known an inspection apparatus that can inspect internal defects such as cracks and defects to be inspected in a non-destructive and non-contact manner using a laser ultrasonic method.

このレーザー超音波法を用いた検査装置は、以下のようにして使用される。   The inspection apparatus using this laser ultrasonic method is used as follows.

まず、検査対象の表面にレーザービームを照射し、検査対象の表面又は内部に超音波を励起させる。この超音波が検査対象を伝播する過程で欠陥に当たると、そこで超音波のエコーが発生する。検査対象には、超音波発生用のレーザービームとは別に、超音波検出用のレーザービームを照射する。この照射部位に欠陥からのエコーが到達すると、その表面には超音波振動が生じるので、レーザービームの反射波はドップラーシフトを受け、その光周波数が変位する。この光周波数の変位を、例えばファブリ・ペロー干渉計で透過光強度の変位に変換し、光検出器に入射させる。その結果、検査対象内部の欠陥は、光検出器の出力信号の変化として検出することが可能となる(例えば、特許文献2参照)。
特開2000−28589号公報 特開2002−228639号公報(第2頁)
First, a laser beam is irradiated on the surface of the inspection object, and ultrasonic waves are excited on the surface of the inspection object or inside thereof. When this ultrasonic wave hits a defect in the process of propagating through the inspection object, an ultrasonic echo is generated there. The inspection object is irradiated with a laser beam for ultrasonic detection separately from the laser beam for generating ultrasonic waves. When an echo from a defect reaches this irradiation site, ultrasonic vibration is generated on the surface thereof, so that the reflected wave of the laser beam undergoes a Doppler shift and its optical frequency is displaced. This optical frequency displacement is converted into a transmitted light intensity displacement by a Fabry-Perot interferometer, for example, and is incident on a photodetector. As a result, the defect inside the inspection object can be detected as a change in the output signal of the photodetector (see, for example, Patent Document 2).
JP 2000-28589 A JP 2002-228639 A (2nd page)

しかしながら、特許文献1記載の構成では、超音波を試料に伝えるための媒体として水が必要である。このため、検査対象が、例えば、吸湿等によって形状や電気的特性が変化するものであれば、正確な検査を行うことができないといった問題点を有している。また、圧電素子によって発生することができる超音波の周波数は、数百MHzが上限であるため、画像の解像度が、数十ミクロン程度までに制限されてしまうといった問題点を有している。   However, the configuration described in Patent Document 1 requires water as a medium for transmitting ultrasonic waves to the sample. For this reason, if the object to be inspected changes in shape or electrical characteristics due to moisture absorption or the like, for example, there is a problem that an accurate inspection cannot be performed. Further, since the upper limit of the frequency of ultrasonic waves that can be generated by the piezoelectric element is several hundred MHz, there is a problem that the resolution of the image is limited to about several tens of microns.

また、特許文献2記載の構成では、例えば、超音波発生用のビームのパルス幅を狭くしたとしても、ファブリ・ペロー干渉計および光検出器の応答速度に制限され、ナノメータオーダー以下の空間解像度の画像を得ることは困難である。さらに、零次元計測のため、試料全体を検査するためには、計測点を2次元走査する必要があり、長い時間がかかってしまうという問題点がある。   Further, in the configuration described in Patent Document 2, for example, even if the pulse width of a beam for generating ultrasonic waves is narrowed, the response speed of the Fabry-Perot interferometer and the photodetector is limited, and the spatial resolution of nanometer order or less It is difficult to obtain an image. Furthermore, for zero-dimensional measurement, in order to inspect the entire sample, it is necessary to two-dimensionally scan the measurement point, which causes a problem that it takes a long time.

そこで本発明は、非破壊・非接触で、検査対象内部の欠陥検査や構造解析を、(1)空間解像度がナノメータオーダで且つ(2)速い検査速度で行えるといったレーザ励起超音波画像装置を提供することを、その主たる課題としたものである。   Accordingly, the present invention provides a laser-excited ultrasonic imaging apparatus that can perform non-destructive and non-contact defect inspection and structural analysis inside an inspection target (1) with a spatial resolution of nanometer order and (2) high inspection speed. Doing this is the main challenge.

すなわち、本発明に係るレーザ励起超音波画像装置は、検査対象に対してパルスレーザを放射し、前記検査対象の表面または内部を伝播する超音波を励起させる超音波励起用レーザ放射部と、前記超音波が前記検査対象内部の欠陥或いは内部構造などに起因して発生する超音波エコーを検出するための参照光を放射する参照光放射部と、前記参照光が検査対象に反射又は散乱した際に、その表面で前記参照光と前記超音波エコーとの相互作用によって生じた光強度又は光周波数の変化等を含む反射光または散乱光を受光し、この反射光または散乱光によって電子を放出する光電面と、前記光電面から放出された電子の軌道を掃引するための対を成す掃引電極を備えた掃引部と、前記掃引部で掃引された電子を光変換する蛍光面と、前記蛍光面に現れる輝点を画像化して出力する画像出力部とを具備して成ることを特徴とする。   That is, the laser-excited ultrasonic imaging apparatus according to the present invention emits a pulsed laser to an inspection object, and excites an ultrasonic wave propagating through the surface or inside of the inspection object; When the reference light is reflected or scattered to the inspection object, and the reference light emitting part that emits the reference light for detecting the ultrasonic echo generated due to the defect or the internal structure inside the inspection object. In addition, the surface receives reflected light or scattered light including a change in light intensity or optical frequency caused by the interaction between the reference light and the ultrasonic echo, and emits electrons by the reflected light or scattered light. A photocathode; a sweep unit comprising a pair of sweep electrodes for sweeping an orbit of electrons emitted from the photocathode; a phosphor screen for photoconverting electrons swept by the sweep unit; and the phosphor screen By comprising comprises an image output unit for a bright spot by imaging output appearing characterized.

このようなものによれば、光電面から放出され、少しずつ遅れてやってくる各電子は、掃引部において、掃引方向における少しずつ異なった方向に偏位され、蛍光面に到達する。すなわち、掃引部で電子を高速に掃引することにより、反射光または散乱光の時間的・空間的な光強度変化を、高精度に蛍光面上で画像として捉えることができる。したがって、例えば、パルスレーザのパルス幅を数百ピコ秒以下とすれば、固体中であれば一般に時間分解能1ピコ秒で5nm、100ピコ秒で500nmと、ナノメータ空間解像度の画像を得られるので、この画像を利用して、非常に細かな欠陥を見つけ出すことが可能になり、また、内部構造の高精度な解析も可能となる。   According to such a configuration, each electron emitted from the photocathode and arriving at a slight delay is displaced in the sweep portion in a slightly different direction in the sweep direction and reaches the phosphor screen. That is, by sweeping electrons at high speed by the sweep unit, the temporal and spatial light intensity change of reflected light or scattered light can be captured as an image on the fluorescent screen with high accuracy. Therefore, for example, if the pulse width of a pulse laser is set to several hundred picoseconds or less, an image with a nanometer spatial resolution of 5 nm at a time resolution of 1 picosecond and 500 nm at 100 picoseconds can be obtained in a solid. By using this image, it becomes possible to find very fine defects and to analyze the internal structure with high accuracy.

すなわち、非破壊・非接触で、検査対象内部の欠陥検査や構造解析を、空間解像度がナノメータオーダで且つ速い検査速度で行えるといったレーザ励起超音波画像装置を提供することができる。   That is, it is possible to provide a laser-excited ultrasonic imaging apparatus that can perform defect inspection and structural analysis inside an inspection object in a non-destructive and non-contact manner with a spatial resolution of nanometer order and a high inspection speed.

前記参照光放射部が放射する参照光が、レーザであれば、上述した本発明の効果は顕著となる。   If the reference light emitted from the reference light emitting unit is a laser, the above-described effects of the present invention become significant.

前記掃引方向と直交する方向に長手寸法を有するスリットを設けているのであれば、蛍光面上における掃引方向と同一方向を時間軸、直交する方向を空間軸として設定することができ、多点同時計測を行うことができる。これにより計測時間を短縮することができる。   If a slit having a longitudinal dimension is provided in a direction perpendicular to the sweep direction, the same direction as the sweep direction on the phosphor screen can be set as a time axis, and a direction perpendicular to the sweep direction can be set as a spatial axis. Measurement can be performed. Thereby, measurement time can be shortened.

微弱な光を十分な光量まで倍増でき、高精度な解析に資するようにするには、前記対を成す掃引電極と前記蛍光面との間に、掃引電極で掃引された電子を検出し、増倍させた電子を蛍光面に対して出力する電子増倍部を設けていることが望ましい。   In order to double the weak light to a sufficient amount and contribute to high-accuracy analysis, the electrons swept by the sweep electrode are detected between the pair of sweep electrodes and the phosphor screen, and the gain is increased. It is desirable to provide an electron multiplier that outputs the doubled electrons to the phosphor screen.

このように本発明に係るレーザ励起超音波画像装置は、光電面から放出され、少しずつ遅れてやってくる各電子は、掃引部において、掃引方向における少しずつ異なった方向に偏位され、蛍光面に到達する。すなわち、掃引部で電子を高速に掃引することにより、反射光または散乱光の時間的・空間的な光強度変化を、蛍光面上で2次元画像として捉えることができる。したがって、例えば、パルスレーザのパルス幅を数百ピコ秒以下とすれば、ナノメータ空間解像度の画像を得られるので、この画像を利用して、非常に細かな欠陥を見つけ出すことが可能になり、また、内部構造の高精度な解析も可能となる。   As described above, in the laser-excited ultrasonic imaging apparatus according to the present invention, each electron that is emitted from the photocathode and is gradually delayed is displaced in the sweep portion in a slightly different direction in the sweep direction, and is thus reflected on the phosphor screen. To reach. That is, by sweeping electrons at a high speed by the sweep unit, the temporal and spatial light intensity change of reflected light or scattered light can be captured as a two-dimensional image on the fluorescent screen. Therefore, for example, if the pulse width of the pulse laser is set to several hundred picoseconds or less, an image with a nanometer spatial resolution can be obtained, and this image can be used to find very fine defects. In addition, the internal structure can be analyzed with high accuracy.

すなわち、非破壊・非接触で、検査対象内部の欠陥検査や構造解析を、空間解像度がナノメータオーダで且つ速い検査速度で行えるといったレーザ励起超音波画像装置を提供することができる。   That is, it is possible to provide a laser-excited ultrasonic imaging apparatus that can perform defect inspection and structural analysis inside an inspection object in a non-destructive and non-contact manner with a spatial resolution of nanometer order and a high inspection speed.

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

本実施形態のレーザ励起超音波画像装置Aは、検査対象P(例えば、鋼材)のレーザ励起超音波の圧力による表面反射率の変動や表面位置の変動による参照光強度の変調を計測することで、その検査対象Pの内部の欠陥を非破壊・非接触で検査する検査装置や検査対象Pの内部構造を解析する解析装置などとして用いられるものである。そして、このレーザ励起超音波画像装置Aは、図1、図2、図3に示すように、検査対象P内に超音波を励起させるための超音波励起用レーザL1(本発明の「パルスレーザ」に相当)を放射する超音波励起用レーザ放射部1と、前記超音波によって検査対象P内に発生した超音波エコーを検出するための参照光としての参照レーザL2を放射する参照レーザ放射部2(本発明の「参照光放射部」に相当)と、超音波エコー及び参照レーザL2から得られる反射光または散乱光としての反射レーザL3を通過させるためのスリット3と、受光した光を電子に変換して放出する光電面4と、対を成す掃引電極51a、51bを備えた掃引部5と、掃引された電子を倍増させるための電子増倍部6と、電子を光変換する蛍光面7と、この蛍光面7で得られる光学像を出力するための画像出力部8(図示せず)とを具備して成るに加え、超音波励起用レーザ放射部1、参照レーザ放射部2、掃引部5の動作をそれぞれ制御するための制御部9を設けている。なお、本実施形態では、スリット3、光電面4、掃引部5、電子増倍部6、蛍光面7および画像出力部8は、カメラユニットAUとして一体的に組みつけてある。以下、各部を具体的に説明する。   The laser-excited ultrasonic imaging apparatus A of the present embodiment measures the modulation of the reference light intensity due to the variation in surface reflectance due to the pressure of the laser-excited ultrasonic wave of the inspection object P (for example, steel material) and the variation in the surface position. The inspection apparatus is used as an inspection apparatus for inspecting defects inside the inspection object P in a non-destructive and non-contact manner, an analysis apparatus for analyzing the internal structure of the inspection object P, and the like. As shown in FIGS. 1, 2, and 3, the laser-excited ultrasonic imaging apparatus A has an ultrasonic excitation laser L1 for exciting an ultrasonic wave in the inspection object P (the “pulse laser of the present invention”). And a reference laser radiation unit that emits a reference laser L2 as reference light for detecting an ultrasonic echo generated in the inspection object P by the ultrasonic wave. 2 (corresponding to the “reference light emitting part” of the present invention), the slit 3 for passing the reflected laser L3 as reflected light or scattered light obtained from the ultrasonic echo and the reference laser L2, and the received light as electrons A photoelectric surface 4 that is converted into an electron beam, a sweep unit 5 having a pair of sweep electrodes 51a and 51b, an electron multiplier unit 6 for doubling the swept electrons, and a phosphor screen for photoconverting the electrons 7 and this phosphor screen 7 In addition to an image output unit 8 (not shown) for outputting the obtained optical image, the operations of the ultrasonic excitation laser radiation unit 1, the reference laser radiation unit 2, and the sweep unit 5 are controlled. A control unit 9 is provided. In the present embodiment, the slit 3, the photocathode 4, the sweep unit 5, the electron multiplying unit 6, the phosphor screen 7, and the image output unit 8 are integrally assembled as a camera unit AU. Hereinafter, each part is demonstrated concretely.

超音波励起用レーザ放射部1は、検査対象Pに対して超音波励起用レーザL1を放射し、前記検査対象Pの表面または内部を伝播する超音波を励起させるものである。具体的には、超音波励起用レーザ放射部1から放射された超音波励起用レーザL1が、検査対象Pの表面に照射されると、この照射点には熱的応力などによって超音波が発生することで、検査対象P内部を伝播する超音波が励起される。なお、本実施形態では、この超音波励起用レーザL1のパルス幅を、数百ピコ秒以下としている。   The ultrasonic excitation laser radiating unit 1 emits an ultrasonic excitation laser L1 to the inspection target P and excites ultrasonic waves propagating through the surface or inside of the inspection target P. Specifically, when the ultrasonic excitation laser L1 emitted from the ultrasonic excitation laser emitting unit 1 is irradiated onto the surface of the inspection target P, ultrasonic waves are generated at the irradiation point due to thermal stress or the like. By doing so, the ultrasonic wave propagating through the inspection object P is excited. In the present embodiment, the pulse width of the ultrasonic excitation laser L1 is set to several hundred picoseconds or less.

参照レーザ放射部2は、前記超音波が前記検査対象P内部の欠陥或いは内部構造などに起因して発生する超音波エコーを検出するための参照レーザL2を放射するものである。なお、本実施形態では、参照レーザL2の放射方向と、超音波励起用レーザL1の放射方向とを同一方向となるように設定している(図2参照)。なお、参照レーザL2の放射方向および超音波励起用レーザL1の放射方向は、同一方向でなくても良く、超音波励起用レーザL1の放射角度に略制限は無い。また、本実施形態では、この参照レーザL2を、連続発振(CW)レーザとしているが、これに限らず、白色光などの複数波長の混じりあった光や単一波長の光でも良く、また、パルスレーザを用いることを妨げない。 The reference laser emitting unit 2 emits a reference laser L2 for detecting an ultrasonic echo generated by the ultrasonic wave due to a defect or an internal structure inside the inspection target P. In the present embodiment, the radiation direction of the reference laser L2 and the radiation direction of the ultrasonic excitation laser L1 are set to be the same direction (see FIG. 2). Note that the radiation direction of the reference laser L2 and the radiation direction of the ultrasonic excitation laser L1 do not have to be the same, and the radiation angle of the ultrasonic excitation laser L1 is not substantially limited. Further, in the present embodiment, the reference laser L2, well although a continuous wave (CW) laser, not limited to this, in the light of the light or single wavelength that is mixture of a plurality of wavelengths such as white light and, Use of a pulsed laser is not prevented.

スリット3は、前記掃引方向5Hと直交する方向に長手寸法を有する横長略矩形状のものである。本実施形態では、前記参照レーザL2が検査対象Pに反射した際に、その表面で前記参照レーザL2と前記超音波エコーとの相互作用によって生じた光強度又は光周波数の変化等を含む反射レーザL3を通過させる位置に配している。   The slit 3 has a horizontally long and substantially rectangular shape having a longitudinal dimension in a direction orthogonal to the sweep direction 5H. In the present embodiment, when the reference laser L2 is reflected by the inspection target P, the reflected laser includes a change in light intensity or optical frequency generated by the interaction between the reference laser L2 and the ultrasonic echo on the surface thereof. It is arranged at a position where L3 passes.

光電面4は、前記スリット3を通過してきた反射レーザL3を受光し電子を放出するものである。   The photocathode 4 receives the reflected laser L3 that has passed through the slit 3 and emits electrons.

掃引部5は、前記光電面4から放出された電子の軌道を掃引するための対を成す掃引電極51a、51b(以下、掃引電極51と総称する)を備えるものである。本実施形態では、一方の掃引電極51を掃引回路に接続する一方、他方の掃引電極51を接地させている。そして、後述する制御部9が、掃引電極51間を通過する電子を、上方または下方へと振るように、掃引電極51間の掃引電圧を制御するように構成している。   The sweep unit 5 includes sweep electrodes 51a and 51b (hereinafter collectively referred to as a sweep electrode 51) that form a pair for sweeping the trajectory of electrons emitted from the photocathode 4. In the present embodiment, one sweep electrode 51 is connected to the sweep circuit, while the other sweep electrode 51 is grounded. And the control part 9 mentioned later is comprised so that the sweep voltage between the sweep electrodes 51 may be controlled so that the electron which passes between the sweep electrodes 51 may be swung up or down.

電子増倍部6は、前記対を成す掃引電極51と前記蛍光面7との間に配され、掃引電極51で掃引された電子を検出し、増倍させた電子を蛍光面7に対して出力するものであって、一般的にマイクロチャンネルプレート(MCP)と呼ばれるものを用いている。本実施形態では、この電子増倍部6が、電子の数を約数千倍程度に倍増するように構成しているが、これに限られるものではない。   The electron multiplier 6 is arranged between the pair of sweep electrodes 51 and the phosphor screen 7, detects electrons swept by the sweep electrode 51, and multiplies the electrons with respect to the phosphor screen 7. What outputs is used, and what is generally called a microchannel plate (MCP) is used. In the present embodiment, the electron multiplying unit 6 is configured to double the number of electrons to about several thousand times, but is not limited thereto.

蛍光面7は、電子増倍部6で倍増された電子を受光し光変換するものである。   The phosphor screen 7 receives and double-converts the electrons doubled by the electron multiplier 6.

画像出力部8は、蛍光面7に現れる輝点を画像化し光学像として出力するものである。なお、この画像出力部8が出力する光学像は、外部のビデオカメラで撮影し得る状態で出力するようにしているが、これに限られるものではない。   The image output unit 8 images the bright spots appearing on the phosphor screen 7 and outputs them as an optical image. The optical image output by the image output unit 8 is output in a state where it can be taken by an external video camera, but is not limited thereto.

制御部9は、超音波励起用レーザL1の放射タイミング、参照レーザL2の放射タイミングおよび掃引電極51a、51bへの掃引電圧の印加タイミングをそれぞれ制御するものである。例えば、超音波励起用レーザL1の放射タイミングと参照レーザL2の放射タイミングとを同期制御したり、また、掃引電圧の印加タイミングを、数十ps以下の掃引時間レンジ制御したりすることなどができる。   The controller 9 controls the emission timing of the ultrasonic excitation laser L1, the emission timing of the reference laser L2, and the application timing of the sweep voltage to the sweep electrodes 51a and 51b. For example, the emission timing of the ultrasonic excitation laser L1 and the emission timing of the reference laser L2 can be controlled synchronously, and the application timing of the sweep voltage can be controlled in a sweep time range of several tens of ps or less. .

次に上記構成のレーザ励起超音波画像装置Aの動作について説明する。   Next, the operation of the laser excitation ultrasonic imaging apparatus A having the above configuration will be described.

まず、制御部9に制御されて超音波励起用レーザ放射部1から放射された超音波励起用レーザL1を、図4(a)に示す検査対象P(例えば、鋼材)の表面に照射すると、この照射点には熱的応力などによって超音波が発生し、検査対象P内部を伝播する超音波S1が励起される。   First, when the surface of the inspection object P (for example, steel) shown in FIG. 4A is irradiated with the ultrasonic excitation laser L1 emitted from the ultrasonic excitation laser radiation unit 1 under the control of the control unit 9, An ultrasonic wave is generated at the irradiation point due to thermal stress or the like, and the ultrasonic wave S1 propagating through the inspection object P is excited.

そして、検査対象P内部に、欠陥があった場合(例えば、欠陥K)、その内部を伝播する超音波S1は、その欠陥Kによって反射され超音波エコーS2が発生する。   When there is a defect in the inspection target P (for example, defect K), the ultrasonic wave S1 propagating through the defect is reflected by the defect K and an ultrasonic echo S2 is generated.

一方、制御部9に制御されて参照レーザ放射部2から放射された参照レーザL2が、検査対象Pに反射する際、その表面で前記参照レーザL2と前記超音波エコーS2との相互作用によって生じた光強度又は光周波数の変化等を含む反射レーザL3が生じる。   On the other hand, when the reference laser L2 radiated from the reference laser radiation unit 2 under the control of the control unit 9 is reflected by the inspection target P, it is generated by the interaction between the reference laser L2 and the ultrasonic echo S2 on the surface thereof. A reflected laser L3 including a change in the light intensity or optical frequency is generated.

このようにして生じた反射レーザL3は、スリット3を介して、光電面4に到達する。具体的には、図5に示すように、スリット3を介して、反射レーザL3a、L3b、L3c、L3d、L3eの順に、光電面4に到達する。   The reflection laser L3 generated in this way reaches the photocathode 4 through the slit 3. Specifically, as shown in FIG. 5, the light reaches the photocathode 4 through the slit 3 in the order of the reflected lasers L3a, L3b, L3c, L3d, and L3e.

光電面4に到達した反射レーザL3は、電子となって放出される。   The reflected laser L3 that has reached the photocathode 4 is emitted as electrons.

そして光電面4から放出される電子Ea、Eb、Ec、Ed、Eeは、掃引部5の掃引電極51間で掃引され、図5に示すように偏位された状態で、順に電子増倍部6に到達する。   Then, the electrons Ea, Eb, Ec, Ed, and Ee emitted from the photocathode 4 are swept between the sweep electrodes 51 of the sweep unit 5 and displaced in the order as shown in FIG. Reach 6

このようにして電子増倍部6に到達した電子は、増倍され蛍光面7に到達することとなる。   The electrons that have reached the electron multiplier 6 in this way are multiplied and reach the phosphor screen 7.

しかして、蛍光面7に到達した電子は光変換されて、輝点F(Fa、Fb、Fc、Fd、Fe)として現れ、画像出力部8によって、画像Zとして画像出力される。このようにして、ナノオーダの空間解像度の情報を持つ画像Zを得ることができる(図4(b)参照)。   Thus, the electrons that have reached the phosphor screen 7 are converted into light and appear as bright spots F (Fa, Fb, Fc, Fd, Fe), and are output as an image Z by the image output unit 8. In this way, an image Z having information on the spatial resolution of nano-order can be obtained (see FIG. 4B).

したがって、このようなレーザ励起超音波画像装置Aによれば、光電面4から放出され、少しずつ遅れてやってくる各電子Ea、Eb、Ec、Ed、Eeは、掃引部5において高速に掃引され、掃引方向5Hにおける少しずつ異なった方向に偏位され、蛍光面7に到達し輝点Fとして現れる。すなわち、反射レーザL3の時間的・空間的な光強度変化を、高精度に蛍光面7上で画像(光学像)として捉えることができる。   Therefore, according to such a laser-excited ultrasonic imaging apparatus A, the electrons Ea, Eb, Ec, Ed, and Ee emitted from the photocathode 4 and arriving little by little are swept at a high speed in the sweep unit 5. It is displaced in slightly different directions in the sweep direction 5H, reaches the phosphor screen 7 and appears as a bright spot F. That is, the temporal and spatial light intensity change of the reflected laser L3 can be captured as an image (optical image) on the fluorescent screen 7 with high accuracy.

すなわち、非破壊・非接触で、検査対象P内部の非常に細かい欠陥Kの検査や構造解析を、空間解像度がナノメータオーダで且つ速い検査速度で行えるといった、優れたレーザ励起超音波画像装置Aを提供することができる。   That is, an excellent laser-excited ultrasonic imaging apparatus A that is capable of non-destructive and non-contact inspection and structural analysis of very fine defect K inside the inspection target P with a spatial resolution of nanometer order and high inspection speed. Can be provided.

前記掃引方向5Hと直交する方向に長手寸法を有するスリット3を設けているため、蛍光面7上における掃引方向5Hと同一方向を時間軸、直交する方向を空間軸として設定することができ、多点同時計測を行うことができる。これにより計測時間を短縮することができる。   Since the slit 3 having a longitudinal dimension is provided in a direction orthogonal to the sweep direction 5H, the same direction as the sweep direction 5H on the phosphor screen 7 can be set as a time axis, and a direction orthogonal to the sweep direction 5H can be set as a spatial axis. Simultaneous point measurement can be performed. Thereby, measurement time can be shortened.

前記対を成す掃引電極51と前記蛍光面7との間に、掃引電極51で掃引された電子を検出し、増倍させた電子を蛍光面7に対して出力する電子増倍部6を設けているため、微弱な光を十分な光量まで倍増でき、高精度な解析に用いることができる。   An electron multiplying unit 6 for detecting electrons swept by the sweep electrode 51 and outputting the multiplied electrons to the phosphor screen 7 is provided between the pair of sweep electrodes 51 and the phosphor screen 7. Therefore, the weak light can be doubled to a sufficient amount of light and used for highly accurate analysis.

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。   The present invention is not limited to the above embodiment.

例えば、スリット3を用いない構成零次元計測をすることができる。   For example, configuration zero-dimensional measurement without using the slit 3 can be performed.

また、図6に示すように、電子増倍部6を用いない構成とすることもできる。   Moreover, as shown in FIG. 6, it can also be set as the structure which does not use the electron multiplication part 6. FIG.

また、参照レーザ放射部2に代えて、例えば、インコヒーレントな白色光を参照光として発光する参照光放射部を用いることもできる。   Further, instead of the reference laser radiation unit 2, for example, a reference light radiation unit that emits incoherent white light as reference light may be used.

また、検査対象は、鋼材に限られるものではない。   The inspection object is not limited to steel.

また、レーザ励起超音波画像装置Aは欠陥の検査に限らず、内部構造の解析にも用いることができる。   The laser-excited ultrasonic imaging apparatus A can be used not only for defect inspection but also for analysis of internal structures.

また、カメラユニットAUとして一体的に組み付ける各部の種類も本実施形態のものに限られるものではなく、また、一体的に組み付けなくても構わない。   Further, the type of each part that is integrally assembled as the camera unit AU is not limited to that of the present embodiment, and may not be integrally assembled.

また、超音波励起用レーザ放射部1が放射する超音波励起用レーザL1のパルス幅を、数百ピコ秒以下としているが、これに限らず、ナノ秒以上とすることを妨げない。   In addition, the pulse width of the ultrasonic excitation laser L1 emitted from the ultrasonic excitation laser radiation unit 1 is set to several hundred picoseconds or less, but the present invention is not limited thereto, and it is not prevented from being set to nanoseconds or more.

また、蛍光面7の後段にイメージインテンシファイアを配置することにより、蛍光面7に現れる輝点の光増倍部を設けるといった実施態様も考えられる。   Further, an embodiment in which a photomultiplier for bright spots appearing on the fluorescent screen 7 is provided by arranging an image intensifier after the fluorescent screen 7 is also conceivable.

また、図1、図3、および図7に示す本発明の他の実施形態、すなわち、光干渉光学系を用いたレーザ励起超音波による検査対象Pの表面変位の計測をすることで、その検査対象Pの内部の欠陥を非破壊・非接触で検査する検査装置や検査対象Pの内部構造を解析する解析装置などとして用いることもできる。   In addition, another embodiment of the present invention shown in FIGS. 1, 3, and 7, that is, the surface displacement of the inspection target P is measured by laser-excited ultrasonic waves using an optical interference optical system. It can also be used as an inspection device for inspecting defects inside the target P in a non-destructive / non-contact manner, an analysis device for analyzing the internal structure of the inspection target P, or the like.

この場合には、図7に示すように、カメラユニットAUを、ハーフミラーHMを介してピエゾステージPSに対面配置する。そして、検査対象P内に生じたレーザ励起超音波の圧力によって検査対象Pの表面位置が変動することにより検査対象P表面からの反射光パスと、ピエゾステージPSからの反射光パスの光路差が変わることにより、カメラユニットAUで生じる光干渉の光強度の変動を計測などすればよい。   In this case, as shown in FIG. 7, the camera unit AU is disposed facing the piezo stage PS via the half mirror HM. Then, when the surface position of the inspection target P fluctuates due to the pressure of the laser excitation ultrasonic wave generated in the inspection target P, the optical path difference between the reflected light path from the surface of the inspection target P and the reflected light path from the piezo stage PS is increased. What is necessary is just to measure the fluctuation | variation of the light intensity of the light interference which arises in camera unit AU by changing.

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。   In addition, the specific configuration of each part is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

本発明の一実施形態に係るレーザ励起超音波画像装置の機能構成図。1 is a functional configuration diagram of a laser excitation ultrasonic imaging apparatus according to an embodiment of the present invention. 同実施形態における各レーザの放射及び反射態様を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the radiation | emission and reflection aspect of each laser in the embodiment. 同実施形態におけるAU要部の構成を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows the structure of the AU principal part in the embodiment. 同実施形態における超音波エコー等の発生態様を説明するための説明図及び得られる画像例を示す図。The explanatory view for explaining the generation mode of the ultrasonic echo etc. in the embodiment, and the figure showing the example of the image obtained. 同実施形態におけるレーザ励起超音波画像装置の動作を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating operation | movement of the laser excitation ultrasonic imaging device in the embodiment. 本発明の他の実施形態における要部の構成を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows the structure of the principal part in other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係るレーザ励起超音波画像装置を用いた光干渉計測系を示す図。The figure which shows the optical interference measurement system using the laser excitation ultrasonic imaging device which concerns on other embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

A・・・・・・・・・・・・・レーザ励起超音波画像装置
F(Fa〜Fe)・・・・・・輝点
K・・・・・・・・・・・・・欠陥
L1・・・・・・・・・・・・パルスレーザ(超音波励起用レーザ)
L2・・・・・・・・・・・・参照光(参照レーザ)
L3・・・・・・・・・・・・反射光または散乱光(反射レーザ)
P・・・・・・・・・・・・・検査対象
S1・・・・・・・・・・・・超音波
S2・・・・・・・・・・・・超音波エコー
Z・・・・・・・・・・・・・画像
1・・・・・・・・・・・・・超音波励起用レーザ放射部
2・・・・・・・・・・・・・参照光放射部(参照レーザ放射部)
3・・・・・・・・・・・・・スリット
4・・・・・・・・・・・・・光電面
5・・・・・・・・・・・・・掃引部
5H・・・・・・・・・・・・掃引方向
6・・・・・・・・・・・・・電子増倍部
7・・・・・・・・・・・・・蛍光面
8・・・・・・・・・・・・・画像出力部
51(51a、51b)・・・掃引電極
A ... Laser-excited ultrasonic imaging device F (Fa to Fe) ... Bright spot K ... Defect L1 ..... Pulse laser (ultrasonic excitation laser)
L2 ... Reference light (reference laser)
L3 ..... Reflected light or scattered light (reflected laser)
P ... Inspection object S1 ... Ultrasonic S2 ... Ultrasonic echo Z ········ Image 1 ············································· Part (reference laser radiation part)
3 ... slit 4 ... photocathode 5 ... sweep part 5H ... ····························································································· Phosphor screen ..... Image output unit 51 (51a, 51b) ... Sweep electrode

Claims (5)

検査対象に対してパルスレーザを放射し、前記検査対象の表面または内部を伝播する超音波を励起させる超音波励起用レーザ放射部と、
前記超音波が前記検査対象内部の欠陥或いは内部構造などに起因して発生する超音波エコーを検出するための参照光を放射する参照光放射部と、
前記参照光が検査対象に反射又は散乱した際に、その表面で前記参照光と前記超音波エコーとの相互作用によって生じた光強度又は光周波数の変化等を含む反射光または散乱光を受光し、この反射光または散乱光によって電子を放出する光電面と、
前記光電面から放出された電子の軌道を掃引するための対を成す掃引電極を備えた掃引部と、
前記掃引部で掃引された電子を光変換する蛍光面と、
前記蛍光面に現れる輝点を画像化して出力する画像出力部とを具備して成ることを特徴とするレーザ励起超音波画像装置。
A laser emitting unit for ultrasonic excitation that emits a pulsed laser to the inspection object and excites ultrasonic waves propagating through the surface or inside of the inspection object;
A reference light emitting unit that emits reference light for detecting an ultrasonic echo generated due to a defect or an internal structure of the ultrasonic wave inside the inspection target; and
When the reference light is reflected or scattered on the inspection object, the surface receives reflected or scattered light including a change in light intensity or optical frequency generated by the interaction between the reference light and the ultrasonic echo on the surface. A photocathode that emits electrons by this reflected or scattered light,
A sweep unit comprising a pair of sweep electrodes for sweeping the trajectory of electrons emitted from the photocathode;
A phosphor screen for photoconverting electrons swept by the sweep unit;
A laser-excited ultrasonic imaging apparatus, comprising: an image output unit that images and outputs bright spots appearing on the phosphor screen.
前記パルスレーザのパルス幅が、数百ピコ秒以下であることを特徴とする請求項1記載のレーザ励起超音波画像装置。   The laser-excited ultrasonic imaging apparatus according to claim 1, wherein the pulse width of the pulse laser is several hundred picoseconds or less. 前記参照光放射部が放射する参照光が、レーザであることを特徴とする請求項1または2記載のレーザ励起超音波画像装置。   The laser excitation ultrasonic imaging apparatus according to claim 1 or 2, wherein the reference light emitted from the reference light emitting unit is a laser. 前記掃引方向と直交する方向に長手寸法を有するスリットを設けていることを特徴とする請求項1乃至3いずれか記載のレーザ励起超音波画像装置。   The laser-excited ultrasonic imaging apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein a slit having a longitudinal dimension is provided in a direction orthogonal to the sweep direction. 前記対を成す掃引電極と前記蛍光面との間に、掃引電極で掃引された電子を検出し、増倍させた電子を蛍光面に対して出力する電子増倍部を設けていることを特徴とする請求項1乃至4いずれか記載のレーザ励起超音波画像装置。

An electron multiplier for detecting electrons swept by the sweep electrode and outputting the multiplied electrons to the phosphor screen is provided between the pair of sweep electrodes and the phosphor screen. The laser-excited ultrasonic imaging apparatus according to any one of claims 1 to 4.

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