JP2008116209A

JP2008116209A - 超音波多重エコー計測装置

Info

Publication number: JP2008116209A
Application number: JP2006296901A
Authority: JP
Inventors: Makoto Ochiai; 誠落合; Takahiro Miura; 崇広三浦; Kazumi Watabe; 和美渡部
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-10-31
Filing date: 2006-10-31
Publication date: 2008-05-22
Anticipated expiration: 2026-10-31
Also published as: JP4783263B2

Abstract

【課題】被測定物の板厚や材料特性値の計測を非接触かつ非破壊で精度よく行なうことができる超音波多重エコー計測装置を提供する。
【解決手段】レーザ超音波法を利用した超音波多重エコー計測装置２０において、被測定物２４の材料に照射することで材料中に超音波を発生せしめるための送信レーザ光のスポット口径ａと被測定物２４の材料を伝播した超音波を検出する受信レーザ光のスポット口径ｂの少なくとも一方を、被測定物の板厚ｄ、利用する超音波波長λ０との関係から調整する機能を備えることにより、超音波多重エコー信号の減衰を極小とする。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザ超音波法を利用した超音波計測技術に係り、特に被測定物の板厚や材料特性値を非破壊かつ非接触で正確に精度よく計測することができる超音波多重エコー計測装置に関する。

被測定物の超音波計測技術は、被測定物である構造物や部品の欠陥の非破壊検査、液位や流量等のプロセス計測あるいは医療診断等の幅広い技術分野に応用されるようになってきた。

なかでも、被測定物の対象材料の表面から材料内部に送信した超音波（縦波、横波等の体積波）が材料裏面で反射され、再び材料表面に到達して反射され、再送信されるという超音波多重反射現象により得られる繰り返し信号（多重エコー信号）は、その伝播時間や共振周波数に着目した被測定物の板厚・寸法計測、その減衰量に着目した材料特性計測等に応用され、超音波計測における基本かつ重要な計測対象の一つである。

多重エコー信号観察に基づく超音波計測を実現する一般的な超音波計測装置構成を図９に示す。

この超音波測定装置１では、超音波を送受信する圧電素子等の超音波送受信素子２を音響結合剤であるカプラント３を介して被測定物４の材料に接触させる。この超音波送受信素子２に対しパルサレシーバ５より送信電気信号Ｔを印加すると、超音波送受信素子２における電気信号−超音波の変換過程により超音波が発生し、カプラント３を経て被測定物４の材料内部に超音波信号ＵＳが送信される。この超音波信号ＵＳは材料裏面に到達すると反射され、カプラント３を経て再び超音波送受信素子２に到達するが、その際、その超音波エネルギの一部は電気信号−超音波の逆変換過程により電気信号Ｂとして検知され、パルサレシーバ５により計測される。

一方、大部分の超音波エネルギは被測定物の材料表面で反射されて裏面に向かって再び伝播する。この多重反射（エコー）現象が繰り返されることによって電気信号（多重エコー信号）Ｂ_ｎ（ｎ＝１，２，…，ｎ）が順次計測される。パルサレシーバ５にオシロスコープ等適当な時系列電気信号観察装置６を接続すれば、この現象は模式的に図１０に示すように観察される。

ここで、超音波計測装置１はパルサレシーバ５または時系列電気信号観察装置６の付加機能として、２つの電気信号Ｂ_ｎの時間間隔、例えばＢ_１とＢ_２の時間間隔ｔ１を計測すれば、予め既知の超音波音速Ｖを用いて、被測定物材料４の板厚ｄは

また、パルサレシーバ５または時系列電気信号観察装置６の別の付加機能として、電気信号Ｂ_１、Ｂ_２…Ｂ_ｎの減衰率、例えばＢ_１とＢ_２の振幅減衰率α１を計測すれば、超音波信号の減衰率とその伝播経路の材料特性（例えば被測定物の対象４が結晶質の場合はその粒径、多孔質の場合は気孔率等）と密接な関係にあるため、それらの材料特性量を推定することもできる。

超音波送受信素子２を用いた超音波多重エコー計測装置１は幅広く用いられているが、液体接触媒質が必須であること、被測定物４の材料に超音波送受信素子２を接触させる必要があることから、例えば圧延工程等、対象とする被測定物４の材料が高温あるいは高速で移動する製造プロセス等の計測手法として適用するためには、冷却システム等、大掛かりな追加付帯設備が必要となる。

非接触の超音波送受信法として電磁超音波探触子を用いる方法も提案されているが、電磁超音波探触子は接触媒質が不要となるものの、その非接触距離は高々数ｍｍであり、製造プロセスへの適用には課題がある。

そこで、超音波送受信素子を超音波送信用・受信用のレーザ技術で代替するレーザ超音波法、例えば非特許文献１を用いた超音波計測装置が提案されている。レーザ超音波法は原理的に非接触であり、被測定物が高温、高速移動体等接触が困難な状況下での計測手法としての応用が期待されている。

レーザ超音波法による超音波受信には、超音波受信用のレーザ光（以下、受信レーザ光）の直進性や干渉性を利用して、超音波によって誘起される受信点の表面変位または振動速度を検出する技術が用いられる。超音波信号検出用の光学系としては、マイケルソン干渉法、マッハツェンダ干渉法、共焦点ファブリペロー干渉計、位相共役光学素子を用いた干渉計、ナイフエッジ法等が提案されている（例えば、非特許文献２）。

また、レーザ超音波法による超音波送信は、時間的にパルス状あるいは強度変調された光（以下、送信レーザ光）を被測定物の材料に照射することで行う。例えば、平均出力１０Ｗ程度の中規模レーザ光源でも、そのレーザ発振を時間的に数百マイクロ秒からナノ秒オーダのパルス状に時間制御し、更にその照射スポットを空間的に絞り込めば、集光点に照射されるレーザパワーとしてＧＷ／ｃｍ^２クラスを実現することができる。このようなレーザ光を被測定物の材料に照射すると、入射パワーは１０Ｗ程度でしかないため被測定物の材料全体を加熱する効果はごく小さいが、被測定物の材料表面の極微小領域を加熱したり、被測定物の材料表面の数原子層をプラズマ化したりすることは十分可能である。

レーザ光のパワー密度が小さい場合には、被測定物の表面微小領域の急加熱−急冷却過程により熱応力が発生し、これが歪み元となって超音波信号が発生する（熱歪みモード）。一方、パワー密度が大きいと対象表面の数原子層がプラズマ化し、プラズマ膨張の反力として材料に圧力が加わって振動が発生する（アブレーションモード）。

レーザ技術による超音波の送信・受信方法を組み合わせることで、圧延工程等、被測定物の材料が高温かつ高速で移動する製造プロセスの計測手法として適用可能な遠隔・非接触の超音波送受信法であるレーザ超音波法を実現することができる。

レーザ超音波法を利用した超音波多重エコー計測装置の一例として、特許文献１および２に記載された多重エコー信号の減衰を利用した金属粒径の計測装置が提案されている。

特許文献１に記載された結晶粒径測定装置は、レーザ装置である送信レーザ光源７から発振した送信レーザ光ＬＢを、集光レンズ８によって集光して被測定物４の材料の表面に照射して超音波ＵＳを発生させる。一方、受信用レーザ光源９から発振した受信レーザ光ＲＬＢは光ファイバ１０によって伝送され、上記超音波ＵＳの発生位置と同一位置に照射する。この照射レーザ光により反射された散乱光は光学ヘッド１１で捕集し、光ファイバ１２によって共焦点ファブリペロー干渉計１３に伝送する。共焦点ファブリペロー干渉計１３は散乱光の強度変化を検出して超音波信号検出部１４で超音波の強度を測定する。超音波信号検出部１４の電気的出力信号から被測定物の材料４中の超音波信号減衰を求め、被測定物の材料４の結晶粒径を算出する信号処理部１５で構成される装置である。
特開２００６−８４３９２号公報特開２００１−３４３３６６号公報 C. B. Scruby and L. E. Drain; "Laser Ultrasonics Technique and Applications" Adam Hilger, Bristol, Philadelphia and New York, (1990) 447p. 山脇："レーザー超音波と非接触材料評価"、溶接学会誌、第６４巻、No.2、P.104-108 (1995)

特許文献１に記載されたレーザ超音波計測装置は、送信レーザ光源７からの送信レーザ光ＬＢを集光レンズ８によってスポット状に集光し、極力大振幅の超音波信号を発生させており、この送信レーザ光ＬＢの照射によって被測定物４の材料の表面に発生するプラズマ発光の影響が共焦点ファブリペロー干渉計１３に混入して光ノイズとなることを避けるため、共焦点ファブリペロー干渉計１３に適切に時間管理される高速シャッターを具備したものである。

このレーザ超音波計測装置においては、多重エコー信号の初期において比較的大きな信号−ノイズ比（ＳＮ比）が得られるメリットがあるものの、極短時間に開閉動作する高速シャッターが必要となり、超音波計測装置が複雑かつ高価になる。

また、このレーザ超音波計測装置構成では、原理的に、被測定物材料４が薄板でない限り、レーザ光の光回折を補正する処理工程が必要となる。すなわち、図１２に模式的に示すとおり、微小なスポットに集光されたレーザビームＬＢで形成された音源は“点音源Ｐ”として振る舞い、これによって発生する超音波は、概略、被測定物材料４の内部を点線で示すような波面を有する球面波状となって伝播する。これを一定距離伝播させた後検出すれば、超音波信号は原理的に避けられない被測定物材料４の特性による減衰だけでなく、超音波自体の拡散（回折）現象による減衰を受けることとなる。これは多重エコー信号を用いた被測定物の板厚や材料特性値の計測誤差を大きくする要因となり得る。

例えば被測定物材料４の板厚ｄを測定する場合、図９の例では第１エコー電気信号（Ｂ_１）と第２エコー電気信号（Ｂ_２）の時間差を用いたが、減衰が小さい。すなわち、ｎが大きい第ｎエコー電気信号（Ｂ_ｎ）まで十分良好なＳＮ比で観察が可能であれば、時間間隔を測定する２つの電気信号を例えばＢ_ｎ−１とＢ_ｎとし、その時間間隔ｔ_ｎ−１を計測することにより、被測定物材料４の板厚ｄを

また、減衰率測定の場合、光回折現象はある程度理論的に補正することも可能であるが、比較的大きな回折減衰の中から微小な散乱減衰を定量的に求めるのは誤差が大きくなる要因となり、ひいては減衰率に基づいて推定される材料特性値の計測誤差も大きくなる。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、レーザ超音波法を利用して超音波多重エコー信号の回折減衰を極小とすることで被測定物の板厚や材料特性値の計測を正確に精度よく、非接触かつ非破壊で計測することができる超音波多重エコー計測装置を提供することを目的とする。

本発明に係る超音波多重エコー計測装置は、上述した課題を解決するために、被測定物の材料に照射することで材料中に超音波を発生せしめる送信レーザ光源と、前記送信レーザ光源から発振した送信レーザ光を被測定物の材料に照射する照射光学系と、前記被測定物の材料を伝播した超音波を検出する受信レーザ光源と、前記受信レーザ光源から発振した受信レーザ光を前記送信レーザ光の照射位置と同位置もしくはその近傍に照射し、その反射光を捕集する照射・集光光学系と、前記照射・集光光学系で補集した前記受信レーザ光の反射成分から超音波信号成分を検出するための超音波受信用光学手段と、前記超音波受信用光学手段で光学的に検出された超音波信号を電気信号に変換する光電変換手段と、前記光電変換手段の出力信号を入力信号とし、前記被測定物の材料中を伝播した超音波信号の信号変換処理、信号処理、特徴量抽出処理、表示処理および記録処理の少なくとも一つの処理機能を有する信号処理手段とから構成され、前記照射光学系および照射集光光学系の少なくとも一方は、前記被測定物の材料表面に対して前記照射光学系によって照射される前記送信レーザ光のスポット口径ａ、前記被測定物の材料表面に対して前記照射・集光光学系によって照射される前記受信レーザ光のスポット口径ｂ、前記被測定物の材料の板厚ｄ、利用する超音波波長λ_０として、

また、本発明に係る超音波多重エコー計測装置は、上述した課題を解決するために、被測定物の材料に照射することで材料中に超音波を発生せしめる送信レーザ光源と、前記送信レーザ光源から発振した送信レーザ光を前記被測定物の材料に照射する照射光学系と、前記材料を伝播した超音波を検出する受信レーザ光源と、前記受信レーザ光源から発振した受信レーザ光を前記送信レーザ光の照射位置における前記被測定物の材料表面垂線と前記送信レーザ光を照射した材料表面の裏面との交点位置もしくはその近傍に照射し、その反射光を捕集する照射・集光光学系と、前記照射・集光光学系で補集した前記受信レーザ光の反射成分から超音波信号成分を検出する超音波受信用光学手段と、前記超音波受信用光学手段で光学的に検出された超音波信号を電気信号に変換する光電変換手段と、前記光電変換手段の出力信号を入力信号とし、前記被測定物の材料中を伝播した超音波信号の信号変換処理、信号処理、特徴量抽出処理、表示処理および記録処理の少なくとも一つの処理機能を有する信号処理手段とから構成され、前記照射光学系および照射集光光学系の少なくとも一方は、前記被測定物の材料表面に対して前記照射光学系によって照射される前記送信レーザ光のスポット口径ａ、前記被測定物の材料裏面に対して前記照射・集光光学系によって照射される前記受信レーザ光のスポット口径ｂ、前記被測定物の材料の板厚ｄ、利用する超音波波長λ_０として、

さらに、本発明に係る超音波多重エコー計測装置は、上述した課題を解決するために、前記送信レーザ光源から発振した前記送信レーザ光の空間的なエネルギ密度分布を平坦化するエネルギ密度分布平坦化光学系と、前記エネルギ密度分布平坦化光学系を通過した送信レーザ光を前記照射光学系まで伝送するための光ファイバケーブルとを具備するものである。

本発明に係る超音波多重エコー計測装置は、レーザ超音波法を利用して超音波多重エコー信号の回折減衰を極小とすることで多重エコー信号を用いた被測定物の板厚や材料特性値を正確に精度よく、しかも非接触かつ非破壊で計測することができる。

本発明に係る超音波多重エコー計測装置の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る超音波多重エコー計測装置の第１実施形態を示す構成図である。

第１実施形態に示す超音波多重エコー計測装置２０は、レーザ超音波法を利用した超音波計測装置であり、この超音波多重エコー計測装置２０は、レーザ装置として送信レーザ光源２１と受信レーザ光源２２とを有する。送信レーザ光源２１は波長領域が例えば近紫外領域から近赤外領域で、パルス幅が１ナノ秒から１０マイクロ秒、パルスエネルギが１０マイクロジュールから１ジュールの範囲内のパルスレーザ光が多く用いられる。

送信レーザ光源２１から発振されたパルス状または光強度変調された送信レーザ光ＬＢが、照射光学系２３を経由して被測定物２４の材料表面に照射され、レーザビームＬＢで形成された音源によって超音波信号ＵＳを発生させる。照射光学系２３は、被測定物２４の材料表面へのレーザ光の集光条件を適切に定めるものである。

一方、超音波多重エコー計測装置２０は、被測定物２４の材料を伝播した超音波を検出する受信レーザ光源２２と、この受信レーザ光源２２から発振した受信レーザ光ＲＬＢを送信レーザ光ＬＢの照射位置と同位置もしくはその近傍に照射し、その反射光を捕集する照射・集光光学系２５と、この照射・集光光学系２５で補集した受信レーザ光ＲＬＢの反射成分から超音波信号成分を検出するための超音波受信用光学手段３７と、この超音波受信用光学手段２７で光学的に検出された超音波信号を電気信号に変換するための光電変換手段３０と、この光電変換手段３０の出力信号を入力信号とし、材料中を伝播した超音波信号の信号変換処理、信号処理、特徴量抽出処理、表示処理、記録処理の少なくとも一つの処理機能を有する信号処理手段３１とから構成される。

また、受信レーザ光源２２から発振された受信レーザ光ＲＬＢは照射・集光光学系２５の光ファイバケーブル２６を通って伝送され、被測定物２４の材料表面に照射される。この被測定物２４の材料表面に対して照射光学系２３を介して照射される前記送信レーザ光１０のスポット口径ａ、照射・集光光学系２５によって照射される受信レーザ光ＲＬＢのスポット口径ｂ、被測定物２４の材料の板厚ｄ、利用する超音波波長λ_０として、

受信レーザ光ＲＬＢの照射により、反射された散乱光ＤＬは超音波受信用光学手段を構成する光学ヘッド２７を経て、光ファイバケーブル２８によって共焦点ファブリペロー干渉計２９に伝送される。受信レーザ光源２２からの受信レーザ光ＲＬＢには、波長領域が例えば近紫外領域から近赤外領域で連続発振あるいはパルス幅１０マイクロ秒以上で発振するロングパルスレーザ光が多く用いられる。

この超音波多重エコー計測装置２０では、超音波ＵＳを受信する干渉計として共焦点ファブリペロー干渉計を用いているが、マイケルソン干渉法、マッハツェンダ干渉法、位相共役光学素子を用いた干渉計、ナイフエッジ法等、超音波信号を光の干渉効果、偏向効果で検出するいずれの光学系で置き換えることも可能である。なお、共焦点ファブリペロー干渉計２９は、共焦点ファブリペロー干渉計に通常含まれる高速シャッター機能は含まれていない。

共焦点ファブリペロー干渉計２９では散乱光の強度変化を検出して光電変換手段としての超音波信号検出手段３０で超音波の強度を測定する。超音波信号検出手段３０の出力である電気信号は信号処理手段３１に伝送される。信号処理手段３１では、超音波多重エコー信号を含む電気信号の表示、記録、周波数フィルタリング等の信号処理と、多重エコー信号の伝播時間や減衰率の計測、それらに基づく被測定物２４の板厚や材料物性値の推定処理が含まれる。信号処理手段３１は信号処理と信号の時間等の計測測定処理とを行なうものである。

このレーザ超音波法を利用した超音波多重エコー計測装置２０においては、送信レーザ光源２１から被測定物２４の材料表面にパルス状の送信レーザ光（レーザビーム）ＬＢを空間的に照射する照射光路上に照射光学系２３を備えた。照射光学系２３は、被測定物２４の材料表面に送信レーザ光ＬＢを極小スポットに集光させるのではなく、そのスポット口径ａが被測定物２４の材料板厚ｄおよび利用する超音波波長λ_０に対して、フレネルパラメータｓが

照射光学系２３からの送信レーザ光のスポットａが、被測定物２４の板厚ｄ、波長λ_０に対して（５）式を満足する状況を図２に模式的に示す。

この場合、照射光学系２３で、スポット口径ａの円形状に集光された送信レーザ光ＬＢの光ビームは、被測定物２４の板厚ｄ、波長λ_０においては面音源Ｆとして振る舞う。この面音源Ｆによって発生する超音波は、測定対象物である被測定物２４の内部のある伝播距離（ｋ・ｄ）の範囲内を平面波状に伝播する。この平面状伝播は、波長λ_０が短いほど、また伝播距離（ｋ・ｄ）が短いほど、さらに、スポット口径ａが大きいほど、（５）式のパラメータｓが小さくなり、超音波の伝播は平面波的になる。

ここで、（５）式より、パラメータｓが１より小さい場合は超音波の伝播は平面波と見做して回折減衰は無視できる。一方、パラメータｓが１０より大きいとほぼ球面波と見做すことができ、大きな回折減衰が観察される。なお、
［数７］
１＜パラメータｓ＜１０
の場合には、超音波の伝播は境界領域となり、超音波の伝播挙動は複雑となる。

照射光学系２３は、固定方式であっても、移動方式に構成してもよいが、照射光学系２３と被測定物２４の材料との距離が変動する場合には、ビームエキスパンダ−コリメータ光学系等が適切である。距離変動が無視できる場合には単レンズをデフォーカスして用いることもできる（図２参照）。またスポット口径ａは照射光学系２３を手動で駆動することでも調整可能であるが、何らかの手法によって被測定物２４の材料の厚さｄを別途測定し、それをフィードバックして照射光学系２３を自動駆動制御することも可能である。

スポット口径ａの差異による多重エコー信号の減衰の違いの例を図３に示す。図３の上部は従来の超音波計測装置の例のようにスポット口径ａが小さい（パラメータｓが大きい場合）である。被測定物に入射された超音波ＵＳが材料表面側で反射するＢ_１、Ｂ_２等、初期エコー電気信号としては大振幅の信号が得られているが、多重エコー信号である繰り返し信号の減衰は、波長曲線Ｃ_１で示すように、大きく、ｎの大きいエコー電気信号Ｂ_ｎは十分なＳＮ比が得られないことが分かる。

また、図３の下部は、図１および図２に示す超音波多重エコー計測装置２０で示すように、照射光学系２３を備えて、スポット口径ａが大きい（パラメータｓが小さい場合）である。Ｂ_１、Ｂ_２等、初期エコー電気信号の振幅は従来例と比較して小さいが、繰り返し信号の減衰は被測定物に入射された超音波ＵＳがその材料表面側で反射する小さく、ｎの大きいエコー電気信号Ｂ_ｎ（ｎ＝１，２，…，１７，…，ｎ）でも十分なＳＮ比が得られることが分かる。

このようにすれば、例えば伝播時間測定においては多重エコー数ｎの大きいエコー電気信号Ｂ_ｎ（後半のエコー）を有効に活用することができ、測定精度を向上させることができる。

また、図３から明らかなように、超音波多重エコー計測装置２０は、被測定物２４の材料表面に照射される照射光学系２３からの送信レーザ光ＬＢのスポット口径ａを大きくすると、超音波信号Ｂ_ｎ（ｎ＝１，２，…，ｎ）の減衰は小さくなり、回折強度の影響は小さいため、精度の良い減衰率計測が可能となる。

従来の超音波多重エコー計測装置では、初期の超音波エコー信号Ｂ_１，Ｂ_２等の活用に着目しているため、超音波送信初期と時間的に重なる送信レーザ照射で誘起されるプラズマ発光の影響を低減する必要があり、そのための高速シャッターを具備しなければならなかった。

しかし、超音波多重エコー計測装置２０に照射光学系２３を備えて、照射光学系２３から被測定物２４の材料表面に所要値のスポット口径で送信レーザ光を照射させると、超音波エコー信号Ｂｎの電気信号振幅減衰が、減衰曲線Ｃ_２で示すように小さいので、プラズマ発光が終了した時刻より時間的に後でもエコー電気信号が観察できるため、高価な高速シャッター機能を備える必要がなくなる。

［第２の実施形態］
図４は、本発明に係る超音波多重エコー計測装置の第２実施形態を示す構成図である。

この実施形態に示された超音波多重エコー計測装置２０Ａは、被測定物２４の表裏面と送信レーザ光ＬＢおよび受信レーザ光ＲＬＢを照射したものであり、他の構成および作用は第１実施形態に示された超音波多重エコー計測装置と異ならないので、同じ構成には同一符号を付して重複説明を省略あるいは簡素化する。

第１実施形態の超音波多重エコー計測装置２０においては、送信レーザ光ＬＢと受信レーザ光ＲＬＢとを被測定物２４の材料表面の同一位置上に照射した例を示したが、図４の超音波多重エコー計測装置は、被測定物２４の材料表裏面に送信レーザ光ＬＢと受信レーザ光ＲＬＢとを個別に各々照射可能な場合を示している。

第２実施形態に示された超音波多重エコー計測装置２０Ａは、被測定物２４の材料に照射することで材料中に超音波を発生せしめる送信レーザ光源２１と、この送信レーザ光源２１から発振した送信レーザ光ＬＢを被測定物２４の材料に照射する照射光学系２３と、被測定物２４の材料を伝播した超音波を検出する受信レーザ光源２２と、この受信レーザ光源２２から発振した受信レーザ光ＲＬＢを送信レーザ光ＬＢの照射位置における被測定物２４の材料表面垂線と送信レーザ光ＬＢを照射した被測定物２４の材料裏面との交点位置もしくはその近傍に照射し、その反射光を捕集する照射・集光光学系２５と、この照射・集光光学系２５で補集した受信レーザ光ＲＬＢの反射成分から超音波信号成分を検出するための超音波受信用光学手段２７，２８，２９と、この超音波受信用光学手段２７，２８，２９で光学的に検出された超音波信号を電気信号に変換するための光電変換手段３０と、この光電変換手段３０の出力信号を入力信号とし、被測定物２４の材料中を伝播した超音波信号の信号変換処理、信号処理、特徴量抽出処理、表示処理および記録処理の少なくとも一つの処理機能を有する信号処理手段３１とから構成される。

送信レーザ光ＬＢと受信レーザ光ＲＬＢとを被測定物２４の材料表裏面に個別に照射する場合には、式（５）は次の式（６）を満足すればよい。

この超音波多重エコー計測装置２０Ａにおいては、照射光学系２３によって照射される送信レーザ光ＬＢのスポット口径ａ、被測定物２４の材料表面に照射・集光光学系２５によって照射される受信レーザ光ＲＬＢのスポット口径ｂ、被測定物２４の材料板厚ｄ、利用する超音波波長λ_０として、

第１実施形態の超音波多重エコー計測装置２０では、送信レーザ光源２１から照射される送信レーザ光ＬＢのスポット口径ａに着目して述べたが、スポット口径ａの議論を全て受信レーザ光ＲＬＢのスポット口径ｂに置き換えても全く同じ現象が計測可能である。

なお、（５）式、（６）式においては、送信レーザ光ＬＢのスポット口径ａと受信レーザ光ＲＬＢのスポット口径ｂとの関係は、ａ≦５ｂかつｂ≦５ａであることを想定している。仮にａ≒１０ｂまたはｂ≒１０ａの場合には、（５）式、（６）式は各々、

［第３の実施形態］
図５は、本発明に係る超音波多重エコー計測装置の第３実施形態を示す構成図である。

第３実施形態に示された超音波多重エコー計測装置２０Ｂは、送信レーザ光源２１から発振され、被測定物２４の材料表面に照射される送信照射光学系３５を限定したものであり、他の構成および作用は第１実施形態に示された超音波多重エコー計測装置２０と異ならないので、同じ構成には同一符号を付して重複説明を省略あるいは簡素化する。

第３実施形態に示された超音波多重エコー計測装置２０Ｂは、送信照射光学系３５を改良したもので、送信レーザ光源２１のレーザ発振側に光ファイバ入射用光学系３６を設け、この光ファイバ入射用光学系３６と送信レーザ光ＬＢを所要のスポット口径ａに絞り込む照射光学系２３との間に光ファイバケーブル３７を設けたものである。

図５に示された超音波多重エコー計測装置２０Ｂは、レーザ超音波法を用いたものにおいて、特に送信レーザＬＢを光ファイバ入射用光学系３６と光ファイバケーブル３７を用いて伝送させるものである。送信レーザ光ＬＢを受信レーザ光ＲＬＢを伝送する光ファイバケーブル２６とともに用いることにより、曲線路や狭隘路であっても、送信レーザ光ＬＢや受信レーザ光ＲＬＢを光伝送させることができる。

第１実施形態に示された超音波多重エコー計測装置２０においては、送信レーザ光源２１から発振したパルス状あるいは強度変調された送信レーザ光ＬＢは、照射光学系２３を経由して被測定物２４の材料表面に照射して超音波信号ＵＳを発生させている。この場合、送信レーザ光源２１から被測定物２４の材料まで送信レーザ光は空間伝送されるため、直線状の光路の確保、方向制御のためのミラー等の送信光学系の配置が必要であり、産業的な超音波計測装置への応用には不向きであった。

しかしながら、第３実施形態に示された超音波多重エコー計測装置２０Ｂは、送信レーザ光ＬＢに数十ＭＷクラスの大出力パルスレーザ光源２１が用いられる。大出力パルスレーザ光源２１を用いると、通常のレーザ光の光ファイバ伝送と同じように単レンズで集光して光ファイバケーブル３５に入射することが難しい。送信レーザ光ＬＢのエネルギ密度分布は図６（Ａ）に示すように、一般にガウス分布（曲線Ｃ参照）であるため、中央のピーク近傍領域で光ファイバケーブル３５材質の損傷しきい値Ｆを超えて最大入射エネルギが十分確保できない問題があるためである。

第３実施形態に示されたレーザ超音波法を利用した超音波多重エコー計測装置２０Ｂでは、図６（Ｂ）に示すように光ファイバ入射光学系３６においてエネルギ密度分布（曲線Ｇ参照）を平坦化し、中心部での局所的なパワー集中を防止するための光ファイバ入射光学系３６を具備する。光ファイバ入射光学系３６の出力光を光ファイバケーブル３７に入射するものである。光ファイバケーブル３７の出口側は照射光学系２３と光学的に接続されており、光ファイバ伝送された送信レーザ光ＬＢは照射光学系２３により被測定物２４の材料に照射される。ここで光ファイバケーブル３７としては例えばファイバコア径φ３ｍｍ以下の石英マルチモードファイバ等が用いられる。

光ファイバ入射光学系３６は、図６（Ｂ）に示すように、送信レーザ光源２１から発振された送信レーザビームＬＢの口径を拡大するためのビームエキスパンダ３８、拡大されたレーザビームを空間的に分割するためのレンズアレイ３９、分割されたレーザビーム束を光ファイバ端面に集光するレンズ４０から構成される。レンズアレイ３９を構成する個々のレンズに入射されるレーザビームのエネルギ密度分布はほぼ一様とみなせるため、各入射レーザビームを光ファイバ入射端面で一つに重ね合わせた結果、得られる光ファイバ入射端面でのエネルギ密度分布も分散されて二次元平面で略均一となり、ガウス分布ビームよりも大きなエネルギを光ファイバに入射できるようになる。

この超音波多重エコー計測装置２０Ｂにおいては、送信レーザ光源２１からの送信レーザ光ＬＢを空間伝送する必要がなくなり、送信レーザ光路のスペース確保や送信レーザ光の方向制御のための送信照射光学系３５にミラーやミラーを組み合せた光学系が不要となる。

また、図５に示された超音波多重エコー計測装置２０Ｂで、精度の高い多重エコー信号の観察のために、被測定物２４の同面で送信レーザ光ＬＢと受信レーザ光ＲＬＢを送受信する場合は送信レーザ光ＬＢの照射スポットと受信レーザ光ＲＬＢの照射スポットの中心を精度良く同点とすることが必要であり、第２実施形態に示す被測定物２４の両面にアクセス可能である場合には、送信レーザ光ＬＢの照射スポットと受信レーザ光ＲＬＢの照射スポットの中心を精度良く表裏同点に合わせることが望ましい。そこで、光学ヘッド２７と照射用光学系２３に光学系駆動機構（図示せず）を設け、両者からの被測定物の材料への照射位置を調整する機構を具備することも有効である。

［第４の実施形態］
図７は、本発明に係る超音波多重エコー計測装置の第４実施形態を示す構成図である。

この超音波多重エコー計測装置２０Ｃは、第１誌実施形態ないし第３実施形態に示された超音波多重エコー計測装置２０，２０Ａ，２０Ｂと全体的な構成を同じくするので、図１，図４および図５を参照し、同じ構成には同一符号を付して重複説明および図示を省略する。第４実施形態の超音波多重エコー計測装置２０Ｃは、レーザ超音波法を利用した超音波多重エコー計測装置において、信号処理手段３１に高精度測定機能を具備させたものである。

信号処理手段３１は、アナログの超音波信号波形をデジタル信号に変換する信号変換機能のＡＤ変換手段４４と、変換されたデジタル信号を（５）式または（６）式を満たす超音波波長λ（周波数ｆ＝Ｖ／λ）を通過するよう適切に設定された周波数フィルタリングおよびアベレージング等の前処理する前処理機能を備えた前処理手段４５と、前処理されたデジタル信号の任意の一部または全部の領域を切り出すゲート機能を備えたゲート手段４６と、ゲート機能で切り出されたデジタル信号の自己相関を求める自己相関計算機能を有する自己相関計算手段４７と、自己相関計算機能の出力信号である相関関数を構成する各データ点間を適切なデータ数と手法で補間するデータ補間手段４８と、データ補間された自己相関関数から、各ピークの間隔を求める多重エコー信号の伝播時間計測手段４９とから構成される。

第４実施形態に示された超音波多重エコー計測装置２０Ｃにおいて、信号処理手段３１を図７に示すように構成することにより、図３に示すように、超音波多重エコー信号Ｂ_ｎの波形のピークや立ち上がり検知して伝播時間間隔測定を行なうよりも高精度な伝播時間間隔測定が可能となる。なお、信号変換機能をもつＡＤ変換手段４４としては、（５）式または（６）式を満たす超音波周波数ｆ＝Ｖ／λよりも２倍以上高速な変換レートを有し、最低８ビットの分解能を有するものを用意した。また、データ補間機能を備えた補間手段４８としては、スプライン補間、線形補間、多項式補間、指数補間、有理補間等の種々の手法が用いられる。

［第５の実施形態］
図８は、本発明に係る超音波多重エコー計測装置の第５実施形態を示す図である。

この超音波多重エコー計測装置２０Ｄは、第１実施形態ないし第３実施形態に示された
超音波多重エコー計測装置２０，２０Ａ，２０Ｂと全体的な構成を同じくするので、図１，図４および図５を参照し、同じ構成には同一符号を付して重複説明および図示を省略する。第５実施形態に示された超音波多重エコー計測装置２０Ｄは、第１実施形態ないし第３実施形態で説明されたレーザ超音波法を利用した超音波多重エコー計測装置において、特に信号処理状態３１が多重エコー信号の減衰率を測定する機能を具備していることが特徴である。

第５実施形態に示された超音波多重エコー計測装置２０Ｄは、信号処理手段３１が、超音波信号波形をデジタル信号に信号変換するＡＤ変換手段４４と、変換されたデジタル信号を（３）式または（４）式を満たす超音波波長λ（周波数ｆ＝Ｖ／λ）を通過するように適切に設定された周波数フィルタリングおよびアベレージング等の前処理する前処理機能を備えた前処理手段４６と、前処理された多重エコー信号から電気信号Ｂ_ｎ（伝播時間ｔ_ｎ）と電気信号Ｂ_ｎ＋ｍ（伝播時刻ｔ_ｎ＋ｍ）の２信号を適切なゲート幅で切り出すゲート機能を備えたゲート手段４６と、切り出された各ゲートの信号をフーリエ変換する周波数分析機能を有する周波数分析手段４１と、フーリエ変換された２つの周波数分布から、各周波数における減衰量α_ｍ（ｆ）を算出する積算減衰量算出機能を備えた積算減衰量算出手段５２と、積算減衰量機能で求めた減衰量α_ｍ（ｆ）から、単位長さあたりの減衰量（減衰率）α（ｆ）を

ゲート手段４６は、ゲート機能で切り出される２つの電気信号のうち、伝播時間の長いＢ_ｎ＋ｍ（伝播時刻ｔ_ｎ＋ｍ）の伝播距離Ｌが

超音波多重エコー計測装置２０Ｄにおいて、信号処理手段３１を図８に示すように構成し、多重エコー信号・減衰率を測定することにより、超音波多重エコー信号Ｂ_ｎは回折減衰の影響を受けることなく、２つのエコー電気信号の振幅減衰だけでなく、各周波数ごとの減衰率評価等減衰現象の詳細な解析をすることが可能となる。

本発明に係る超音波多重エコー計測装置の第１実施形態を示す構成図。比較的大きなスポット口径の送信レーザ光を照射した場合に発生する超音波の伝播を示す模式図。送信レーザ光のスポット口径の違いによる多重エコー信号の減衰の差異の一例を示す図。本発明に係る超音波多重エコー計測装置の第２実施形態を示す構成図。本発明に係る超音波多重エコー計測装置の第３実施形態を示す構成図。（Ａ），（Ｂ）は、送信レーザ光の従来と本発明の光ファイバ伝送方式をそれぞれ示す模式図。本発明に係る超音波多重エコー計測装置の第４実施形態を示すもので、信号処理手段の構成例を示す図。本発明に係る超音波多重エコー計測装置の第５実施形態を示すもので、信号処理手段の他の例を示す図。従来の超音波多重エコー計測装置の一例を示す構成図。代表的な多重エコー信号とその特徴量を示す模式図。従来のレーザ超音波法を利用した超音波多重エコー計測装置の構成図。比較的大きなスポット口径の送信レーザ光を照射した場合に発生する超音波の伝播を示す模式図。

符号の説明

２０，２０Ａ，２０Ｂ超音波多重エコー計測装置
２１送信レーザ光源
２２受信レーザ光源
２３照射光学系
２４被測定物（測定対象物）
２５照射・集光光学系
２６光ファイバケーブル
２７光学ヘッド（超音波受信用光学手段）
２８光ファイバケーブル
２９共焦点ファブリペロー干渉計
３０超音波信号検出手段（光電変換手段）
３１信号処理手段
３５送信照射光学系
３６光ファイバ入射用光学系
３７光ファイバケーブル
３８ビームエキスパンダ
３９レンズアレイ
４０レンズ
４４ＡＤ変換手段
４５前処理手段
４６ゲート手段
４７自己相関計算手段
４８データ補間手段
４９伝播時間計測手段
５１周波数分析手段
５２積算減衰量算出手段
５３減衰量算出手段

Claims

被測定物の材料に照射することで材料中に超音波を発生せしめる送信レーザ光源と、
前記送信レーザ光源から発振した送信レーザ光を被測定物の材料に照射する照射光学系と、
前記被測定物の材料を伝播した超音波を検出する受信レーザ光源と、
前記受信レーザ光源から発振した受信レーザ光を前記送信レーザ光の照射位置と同位置もしくはその近傍に照射し、その反射光を捕集する照射・集光光学系と、
前記照射・集光光学系で補集した前記受信レーザ光の反射成分から超音波信号成分を検出するための超音波受信用光学手段と、
前記超音波受信用光学手段で光学的に検出された超音波信号を電気信号に変換する光電変換手段と、
前記光電変換手段の出力信号を入力信号とし、前記被測定物の材料中を伝播した超音波信号の信号変換処理、信号処理、特徴量抽出処理、表示処理および記録処理の少なくとも一つの処理機能を有する信号処理手段とから構成され、
前記照射光学系および照射集光光学系の少なくとも一方は、前記被測定物の材料表面に対して前記照射光学系によって照射される前記送信レーザ光のスポット口径ａ、前記被測定物の材料表面に対して前記照射・集光光学系によって照射される前記受信レーザ光のスポット口径ｂ、前記被測定物の材料の板厚ｄ、利用する超音波波長λ_０として、

を満足するよう前記スポット口径ａおよびｂの少なくとも一方を調整する機能を備えることを特徴とするレーザ超音波法を利用した超音波多重エコー計測装置。
被測定物の材料に照射することで材料中に超音波を発生せしめる送信レーザ光源と、
前記送信レーザ光源から発振した送信レーザ光を前記被測定物の材料に照射する照射光学系と、
前記材料を伝播した超音波を検出する受信レーザ光源と、
前記受信レーザ光源から発振した受信レーザ光を前記送信レーザ光の照射位置における前記被測定物の材料表面垂線と前記送信レーザ光を照射した材料表面の裏面との交点位置もしくはその近傍に照射し、その反射光を捕集する照射・集光光学系と、
前記照射・集光光学系で補集した前記受信レーザ光の反射成分から超音波信号成分を検出する超音波受信用光学手段と、
前記超音波受信用光学手段で光学的に検出された超音波信号を電気信号に変換する光電変換手段と、
前記光電変換手段の出力信号を入力信号とし、前記被測定物の材料中を伝播した超音波信号の信号変換処理、信号処理、特徴量抽出処理、表示処理および記録処理の少なくとも一つの処理機能を有する信号処理手段とから構成され、
前記照射光学系および照射集光光学系の少なくとも一方は、前記被測定物の材料表面に対して前記照射光学系によって照射される前記送信レーザ光のスポット口径ａ、前記被測定物の材料裏面に対して前記照射・集光光学系によって照射される前記受信レーザ光のスポット口径ｂ、前記被測定物の材料の板厚ｄ、利用する超音波波長λ_０として、

を満足するよう前記スポット口径ａおよびｂの少なくとも一方を調整する機能を備えることを特徴とするレーザ超音波法を利用した超音波多重エコー計測装置。
前記送信レーザ光源から発振した前記送信レーザ光の空間的なエネルギ密度分布を平坦化するエネルギ密度分布平坦化光学系と、前記エネルギ密度分布平坦化光学系を通過した送信レーザ光を前記照射光学系まで伝送するための光ファイバケーブルとを具備する請求項１または２記載の超音波多重エコー計測装置。
前記照射光学系および前記照射・集光光学系の少なくとも一方に、照射位置を調整するための照射位置調整機構を具備する請求項１、２または３記載の超音波多重エコー計測装置。
前記信号処理手段は、超音波信号波形をデジタル信号に変換する信号変換手段と、変換されたデジタル信号を前処理する前処理手段と、前記前処理手段の出力信号の任意の一部または全部の領域を抽出するゲート手段と、前記ゲート手段で切り出されたデジタル信号の自己相関を求める自己相関計算手段と、前記自己相関計算手段の出力信号を補間するデータ補間手段と、前記データ補間手段の出力信号から多重エコー信号のピーク間時間を算出する伝播時間計測手段と、を具備する請求項１、２または３記載の超音波多重エコー計測装置。
前記信号処理手段は、超音波信号波形をデジタル信号に変換する信号変換手段と、変換されたデジタル信号を前処理する前処理手段と、前記前処理手段の出力信号の少なくとも２部分以上の任意幅領域を抽出するゲート手段と、前記ゲート手段で抽出された各領域の周波数分布を求める周波数分析手段と、前記周波数分析手段の出力信号を比較することで伝播距離全体にわたる積算減衰量の周波数分布を求める積算減衰量算出手段と、前記積算減衰量算出手段の出力信号から減衰率を求める減衰率算出手段と、を具備する請求項１、２または３記載の超音波多重エコー計測装置。