JP2008545147A - サンプル測定 - Google Patents

Abstract

サンプル１０は、例えば、レーザ２２、及び空間光変調器２６を使用することにより、領域１２において超音波を発生させることによって測定される。超音波は、例えば、光学ビーム偏向技術により、領域１６において検出される。領域１２における発生の特性が値の範囲全体にわたって掃引され、超音波の発生の効率を変化させる。領域１６において検出されたピーク振幅に対応する特性の値が識別されて、領域１２における音速の測定値を提供する。本発明の方法は複数の領域１２，２０において実行され、サンプル１０の空間分解された測定値の組を提供する。これは、サンプルの画像が生じることを可能にする。

Description

本発明はサンプル測定に関し、更に詳細には、音響技術によるサンプル測定に関する。

材料の微細構造の構成、特に、チタン合金とアルミニウムのようなマルチグレイン構造、についての情報を得るために音響技術が提案されてきており、チタン合金とアルミニウムのようなマルチグレイン構造は、航空宇宙のような産業の多くの人々にとって大いに興味がある。グレインを画像化する効果において、材料微細構造を素早く、非破壊的方法でマッピングする機能は、プロセス制御の観点と非破壊評価の領域の両方において有用である。

グレイン微細構造を画像化する１つの方法は、Ｖ（ｚ）法を用いて走査型音波顕微鏡の使用を介することである。これは、 R.A. Lemons 氏と C.F. Quate 氏によって「Acoustic microscope - scanning version」(Applied Physics Letters, 24:163-165, 1974)に記載されている。この技術は、超音波速度の作用、言い換えると材料微細構造に関する作用を間接的に測定するための方法を提供する。しかし、この方法は接触方法に固有であることから悪影響を受け、接触のプロセスが測定を乱す。また、それは時間が掛かり、局所速度に依存する可変空間分解能を有する。

他の音響的方法は、単一の結晶材料のスローネス面を測定する。これは、 C.B. Scruby 氏と L.E. Drain 氏によって「Laser Ultrasonics, Techniques and Applications」(Adam Hilger, Bristol, U.K., 1990)に記載されている。しかし、この技術は空間分解能を持たない。更に、それは時間が掛かる。

本発明の実施例はサンプル測定の方法を提供し、この方法では、
音波がサンプル中で発生され、
発生された音波が検出され、
発生の特性の複数の値において発生が引き起こされて、発生の効率を変化させ、
検出された音波が測定されて特性の各値における発生の効率を識別し、それによって発生位置における音速の測定値を提供し、及び
上記の諸ステップはサンプル上の複数の発生位置において実行され、サンプルの空間分解された測定値の組を提供する。

１組の測定値が処理されて、サンプルの画像を提供し得る。

他の側面では、本発明の実施例はサンプルの画像を発生する方法を提供し、この方法では、
音波がサンプル中で発生され、
発生された音波が検出され、
発生の特性の複数の値において発生が引き起こされて、発生の効率を変化させ、
検出された音波が測定されて特性の各値における発生の効率を識別し、それによって発生位置における音速の測定値を提供し、及び
この方法はサンプル上の複数の発生位置において実行され、サンプルの空間分解された測定値の組を提供し、サンプルの空間分解された測定値の組は処理されて、サンプルの画像を提供する。

何れの側面でも、各測定値が処理されて、画像の対応する領域を提供し得る。対応する発生位置における測定に従って、画像の各領域は、外観の範囲から選択された外観を与えられ得る。画像の各領域は着色されるか陰影を付けられ、色又は陰影は、音速の範囲を表すスペクトル又は範囲から選択される。

特性の値が範囲全体にわたって掃引され、複数の値における発生をもたらし得る。或いは、発生は複数の値において同時にもたらされ得る。複数の値は、連続した値、又は離散した値を形成し得る。

音波の振幅が、検出され得る。

各発生位置における音速は、検出された振幅のピークに対応する値から計算され得る。特性は、発生の周波数であり得る。特性は、発生の波数であり得る。

音波は、空間変調された光でサンプルを照射することによって発生させられる。照射光輝度の時間周波数が、掃引され得る。照射光の空間変調は、掃引され得る。

各値における測定値は、測定結果の期待される輪郭を表すデータの組と比較され得る。

複数の発生位置は、規則正しく間隔を空けられ得る。

音波は、超音波であり得る。

また、本発明の実施例は、サンプル測定のための装置も提供し、その装置は、
サンプル中で音波を発生するための音波発生器、及び
発生された音波を検出するための検出器を含み、
音波発生器は、発生の特性の複数の値において発生を引き起こし、発生の効率を変化させるように動作可能であり、
検出器は、検出された音波を測定して特性の各値における発生の効率を識別し、それによって発生位置における音速の測定値を提供するように動作可能であり、
サンプル測定のための装置は、サンプル上の複数の発生位置における測定結果を得て、サンプルの空間分解された測定値の組を提供するように動作可能である。

検出器は、測定値の組を処理して、サンプルの画像を提供するように動作可能であり得る。

他の側面では、本発明の実施例は、サンプルの画像を発生するための装置を提供し、その装置は、
サンプル中で音波を発生するための音波発生器、及び
発生された音波を検出するための検出器を含み、
音波発生器は、発生の特性の複数の値において発生を引き起こし、発生の効率を変化させるように動作可能であり、
検出器は、検出された音波を測定して特性の各値における発生の効率を識別し、それによって発生位置における音速の測定値を提供するように動作可能であり、
サンプルの画像を発生するための装置は、サンプル上の複数の発生位置における測定結果を得て、サンプルの空間分解された測定値の組を提供し、測定結果を処理してサンプルの画像を提供するように動作可能である。

何れの側面でも、装置が各測定値を処理して、画像の対応する領域を提供し得る。対応する発生位置における測定に従って、画像の各領域は、外観の範囲から選択された外観を与えられ得る。画像の各領域は着色されるか陰影を付けられ、色又は陰影は、音速の範囲を表すスペクトル又は範囲から選択される。

音波発生器は、範囲全体にわたって特性の値を掃引し、複数の値における発生をもたらすように動作可能であり得る。或いは、音波発生器は、複数の値における同時発生をもたらし得る。複数の値は、連続した値、又は離散した値を形成し得る。

検出器は、音波の振幅を検出するように動作可能であり得る。

検出器は、各発生位置における音速を、検出された振幅のピークに対応する値から計算し得る。音波発生器は、複数の周波数において発生し得る。音波発生器は、複数の波数において発生し得る。

音波発生器は、空間変調された光でサンプルを照射することによって音波を発生させ得る。音波発生器は、照射光輝度の時間周波数を掃引し得る。音波発生器は、照射光の空間変調を掃引し得る。

検出器は、測定結果を測定結果の期待される輪郭を表すデータの組と比較することによって、各値において測定し得る。

複数の発生位置は、規則正しく間隔を空けられ得る。

音波発生器は、超音波を発生し得る。

図１に戻ると、略図は測定されるサンプル１０を示す。記載されるように、超音波発生領域１２が存在し、超音波発生領域１２において、超音波発生信号１４がサンプル１０の内部で超音波を発生する。記載されるように、超音波検出領域１６は検出信号１８をもたらす。記載されるように、領域１２における発生の特性の複数の値において発生が引き起こされて、発生の効率を変化させる。検出された音波が測定されて特性の各値における発生の効率を識別し、それによって領域１２における音速の測定値を提供する。この方法は複数の発生位置１２，２０において実行され、サンプル１０の空間分解された測定値の組を提供する。

更に詳細には、領域１２における発生は、光源２２の出力による照射に起因する。１実施例では、これは、１０６４ナノメートル波長において動作するＮｄ−ＹＡＧレーザのようなパルスレーザであり得る。レーザ出力２４は、空間光変調器（ＳＬＭ）２６によって処理される。それ自体が既知であるが、ＳＬＭは種々の画像を生成する装置であり、その特性が制御装置２８によって個々に変更できるピクセルの大きな配列を含む。この実施例では、調査中のサンプル１０の表面上で、領域１２において輝線と暗線を交替させる画像の生成のためにＳＬＭが使用される。（図１に示されるように）複数の線を含む画像を適用することは、超音波が発生させられることを可能にし、超音波は線の方向に対して垂直に進む。超音波が発生させられる効率は、線間隔と照射光輝度の時間周波数、即ち、レーザ２２によって１０６４ナノメートル光のパルスが生成されるパルス周波数、に依存する。もしパルスレーザ２２が固定パルス周波数ｆを有するなら、所定の数の線に対して、発生され得る最大振幅の超音波は、
λ＝２πｋ（１）であるときに生じる。
ここで、λは線の間の間隔であり、ｋは発生させられた超音波の波数である。或いは、もしλが固定されていたら、発生され得る最大振幅の超音波は、
ｆ＝Ｃｋ／２π（２）であるときに生じる。
ここで、Ｃは、周知の関係式によって与えられる音速である。即ち、
Ｃ＝２πｆ／ｋ（３）である。

ＳＬＭ装置２６は、サンプル１０上の画像が素早く変更されることを可能にする。従って、パルスレーザ光２４の一連の画像をサンプル１０上に生じさせることができ、各々は異なる線間隔を有するが同じ領域１２に配置され、一定のパルス周波数を有する。上記のように、これは、発生の波数特性を掃引して、超音波が発生させられる効率を変化させることと同等である。波長、又は波数を変化させるための他の方法も、使用され得る。

他の実施例では、レーザ２２は、パルス周波数を変化させるために制御できるレーザであり得る。また上記のように、これは、照射光輝度の時間周波数が値の範囲全体にわたって掃引される発生の特性であることを可能にし、従って、超音波が発生させられる効率を変化させることを可能にする。

図１に示される実施例では、ＳＬＭ装置２６が制御装置２８によって制御され、λが掃引されることを可能にする。別の実施例では、制御装置２８はレーザ２２を制御して、時間周波数ｆが掃引されることを可能にする。

他の実施例では、例えば、広帯域励起源を用いて固定された線間隔を照らすことによって、複数の値の発生特性における発生は同時であり得る。

領域１２において発生させられた超音波は、超音波を検出するための周知の適切な任意の方法を使用して、サンプル１０上の領域１６において検出される。実施例は、光学ビーム偏向、又は光学ビーム干渉のようなレーザに基づく技術を含む。この技術を実演するために組み立てられた機器では、光学ビーム偏向が使用される。これは、第２光源３０からのビーム３２による領域１６の照射として図示され、反射ビーム１８をもたらし、反射ビーム１８は検出器３４に入射する。領域１６における超音波の入射は、ビーム３２の偏向に変化をもたらし、ビーム３２の偏向の変化は、検出器３４において検出された信号強度の変化として測定される。

検出器３４の出力は、３６において制御装置２８に供給され、検出器出力が、発生領域１２における特性の対応する値に関連付けられることを可能にする。

記載中の実施例では、レーザ２２及びＳＬＭ装置２６は超音波の小型高Ｑ／狭帯域源を別々に形成し、超音波源はサンプル中で超音波を発生するために使用される。第２光源３０及び検出器３４は、広帯域（又は、調整可能な）超音波検出器を提供する。この実施例では、記載してきたように、固定パルス周波数ｆにおいて超音波の波数ｋが掃引されるか、又は固定された波数においてパルス周波数ｆが掃引されるかの何れかである。この掃引の間、超音波信号が広帯域超音波検出器によって検出され、制御装置２８によって記録される。超音波検出器の振幅出力が制御装置２８の内部で信号処理され、振幅−波数、又は振幅−周波数のグラフを抽出する。このグラフの極大値は、（現在の周波数ｆに対する）最適な波数値、又は（現在の波数値ｋに対する）最適な周波数値を与える。次に、最適な値が、関係式（３）を使用して、音速測定値Ｃに変換される。

図２は、サンプル１０上の１点において取得されたデータを表す。縦軸は、測定された超音波振幅の大きさを表す。横軸は、特性の値、即ち、波数ｋ又は周波数ｆを表す。データ点は、対角線の交わりによって図２に示される。これらは、３８に明瞭なピークを有する曲線を形成することが分かる。ピーク３８における特性の値（即ち、横軸値）は、発生領域１２の現在の位置に対する音速測定値Ｃを導出するために使用される値である。従って、この実施例では、それは図２に示されるプロットを生じさせる波数、又は周波数を掃引することにより領域１２において音響スペクトルを形成するプロセスであり、図２に示されるプロットを生じさせる波数、又は周波数は、測定点１２における速度を計算するために使用される単一のデータ点の抽出を表す。

広帯域励起が使用される別の実施例では、検出器が超音波信号の全部を検出する。適切な信号処理技術が、発生が最も効率的であり、ピーク３８の周波数と一致し、単一のデータ点を抽出することにも対応する周波数を識別するために使用される。

図２では、曲線３９が収集されたデータ点に重ね合わされることが分かる。この曲線は、異常な測定結果を識別すること、又はピーク３８の位置を識別するための信号処理を補助することに役立てるための、測定結果の期待される輪郭を表す。曲線３９を表すデータは、制御装置２８によるアクセスのために、３９Ａに記憶され得る。

もし領域１２が充分に小さければ、異なる位置１２，２０の各々が単一の固有の位相速度Ｃを有するであろうことを出願人は認識してきた。複数の値における発生の特性を（例えば、固定された時間照射周波数に対する線間隔、又は固定された線間隔に対する時間照射周波数を掃引することによる）記載した方法で測定することは、局所的な固有の位相速度Ｃがピーク振幅３８から測定されることを可能にする。更に、図２に示されるようなプロットを生じさせるために使用される１組の読み取りの間に一定のままである限り、発生領域１２に対する検出領域１６の位置は任意であることを出願人は認識してきた。これは、（特性の領域における）ピーク３８の位置が、領域１２と領域１６の間のサンプル１０の内部で生じさせられる摂動によって影響を及ぼされないからであり、従って、領域１２に対する領域１６の位置によって影響を及ぼされないからである。これらの摂動はピーク３８の高さ、及びピークの形状に影響を及ぼし得るが、位置には影響しない。

いったん音速Ｃに対する値が、上記の方法で読み取りのスペクトルを取得することによって特定の領域１２に対して導出されたら、測定された音速は現在の位置１２に対応する値として制御装置２８によって記録される。サンプル１０、レーザ２２、及びＳＬＭ装置２６の相対運動は、別の発生位置２０が照射されることを可能にする。新しい測定値が同じ方法で発生の特性を走査することによって発生し、図２に示されるようなプロットを生じさせ、ピーク３８の位置から音速を決定する。新しい測定値は、発生位置２０に対応する。この方法を繰り返し実行することは、音速測定が複数の発生位置で行われることを可能にし、複数の発生位置はサンプル１０全体にわたって規則正しく間隔を空けて配置され得る。

いったん所望する組の音速測定が発生位置２０から行われたら、制御装置２８は更にこれらを処理し、画像の形態で出力を提供する。１実施例では、各測定値が処理されて、音速の対応する範囲を表すために選ばれた色のスペクトル、又は密度の範囲に従って、その画像領域を着色すること、又は陰影付けすることによって、画像の対応する領域を提供する。図３は、そのように形成された画像の実施例を示す。図３の画像上の特定の点における陰影付けの密度は、グレースケール４０によって速度値に変換できる。これは、人間のユーザが数値測定値を画像から得ることを可能にする。しかし、音速測定の図３に示される方法での画像表現は、ユーザがサンプルを素早く目測で評価することを可能にするであろうことを出願人は予想する。例えば、図３では、一般に画像の下縁、又は左縁に沿う音速よりも画像の右上隅に向けて高くなる（陰影が薄くなる）ことが分かる。これは、例えば、異なる結晶状態、結晶方向、欠陥、不純物、グレインサイズ変化から、又は他の方法で生じるサンプル１０中の差異を示す。

記載された実施例がレーザによって発生させられて検出される音波を使用すること、従って、完全に非接触的で非破壊的であることが上記の記載から分かる。記載された技術は比較的素早く実施することができ、基本的には、限定されないサイズのサンプルを用いて使用できる。技術の完全に非接触な性質は、超音波システム中で一般に見出される装置の結合から生じる摂動の可能性を除去する。

記載された技術はマルチグレイン材料中での使用に限定されず、材料の厚さにおける空間的変化、被覆の厚さにおける空間的変化、及び類似のもののような他の理由のために存在する空間的情報を得るために使用することができる。

上記の実施例は、検出技術としての光学ビーム偏向と呼ばれてきた。他の検出技術が、ファブリ−ペロ干渉計、マイケルソン干渉計、レーザ振動計、若しくは他の非光学的技術、又は他の型の変換器のように使用できる。音波を生じさせるために他の装置が利用できる。

上記の信号処理は、ピーク３８の位置から情報を抽出する。他の情報は、例えば、ピークの幅から利用可能であり得る。環境の中には、サンプルの厚さによって複数のピークが生じるかも知れず、複数のピークの間隔がサンプルの厚さの測定値のような有用な情報を提供するかも知れないものがある。

以上、本発明の好ましい実施例について図示し記載したが、特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲から逸脱することなしに種々の変形および変更がなし得ることは、当業者には明らかであろう。

本発明の実施例の略図である。 図１の装置の内部で取得され処理されたデータのグラフである。 図１の装置によって提供された画像の実例である。

符号の説明

１０ サンプル
１２，２０ 超音波発生領域
１４ 超音波発生信号
１６ 超音波検出領域
１８ 検出信号
２２ 光源
２４ レーザ出力
２６ 空間光変調器
２８ 制御装置
３０ 第２光源

Claims (45)

1. サンプル測定の方法であって、
   音波が前記サンプル中で発生され、
   前記発生された音波が検出され、
   発生の特性の複数の値において発生が引き起こされて、発生の効率を変化させ、
   前記検出された音波が測定されて前記特性の各値における発生の効率を識別し、それによって発生位置における音速の測定値を提供する方法であって、
   前記サンプル上の複数の発生位置において実行され、前記サンプルの空間分解された測定値の組を提供することを特徴とする方法。
2. １組の測定値が処理されて、前記サンプルの画像を提供し得る、請求項１に記載の方法。
3. サンプルの画像を発生する方法であって、
   音波が前記サンプル中で発生され、
   前記発生された音波が検出され、
   発生の特性の複数の値において発生が引き起こされて、発生の効率を変化させ、
   前記検出された音波が測定されて前記特性の各値における発生の効率を識別し、それによって発生位置における音速の測定値を提供する方法であって、
   前記サンプル上の複数の発生位置において実行され、前記サンプルの空間分解された測定値の組を提供し、前記サンプルの空間分解された測定値の組が処理されて、前記サンプルの画像を提供することを特徴とする方法。
4. 各測定値が処理されて、前記画像の対応する領域を提供する、請求項２又は３の何れか１つに記載の方法。
5. 対応する発生位置における測定に従って、前記画像の各領域は、外観の範囲から選択された外観を与えられる、請求項４に記載の方法。
6. 前記画像の各領域は着色されるか陰影を付けられ、色又は陰影は、音速の範囲を表すスペクトル又は範囲から選択される、請求項５に記載の方法。
7. 特性の値が範囲全体にわたって掃引され、複数の値における発生をもたらす、請求項１から６の何れか１つに記載の方法。
8. 発生が複数の値において同時にもたらされる、請求項１から６の何れか１つに記載の方法。
9. 複数の値が連続する、請求項１から８の何れか１つに記載の方法。
10. 複数の値が離散する、請求項１から８の何れか１つに記載の方法。
11. 前記音波の振幅が検出される、請求項１から１０の何れか１つに記載の方法。
12. 各発生位置における音速が、前記検出された振幅のピークに対応する値から計算される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記特性が発生の周波数である、請求項１から１２の何れか１つに記載の方法。
14. 前記特性が発生の波数である、請求項１から１２の何れか１つに記載の方法。
15. 前記音波が、空間変調された光で前記サンプルを照射することによって発生させられる、請求項１から１４の何れか１つに記載の方法。
16. 照射光輝度の時間周波数が掃引される、請求項１５に記載の方法。
17. 照射光の空間変調が掃引される、請求項１５又は１６の何れか１つに記載の方法。
18. 各値における測定値が、測定結果の期待される輪郭を表すデータの組と比較される、請求項１から１７の何れか１つに記載の方法。
19. 複数の発生位置が、規則正しく間隔を空けられる、請求項１から１８の何れか１つに記載の方法。
20. 前記音波が超音波である、請求項１から１９の何れか１つに記載の方法。
21. 添付の図面を参照して上に実質的に記載された、サンプル測定のための方法。
22. 添付の図面を参照して上に実質的に記載された、画像を発生する方法。
23. サンプル測定のための装置であって、
    サンプル中で音波を発生するための音波発生器、及び
    前記発生された音波を検出するための検出器を含み、
    前記音波発生器は、発生の特性の複数の値において発生を引き起こし、発生の効率を変化させるように動作可能であり、
    前記検出器は、検出された音波を測定して特性の各値における発生の効率を識別し、それによって発生位置における音速の測定値を提供するように動作可能であり、
    前記サンプル上の複数の発生位置における測定結果を得て、サンプルの空間分解された測定値の組を提供するように動作可能であることを特徴とする装置。
24. 前記検出器が測定値の組を処理して、前記サンプルの画像を提供するように動作可能である、請求項２３に記載の装置。
25. サンプルの画像を発生するための装置であって、
    サンプル中で音波を発生するための音波発生器、及び
    前記発生された音波を検出するための検出器を含み、
    前記音波発生器は、発生の特性の複数の値において発生を引き起こし、発生の効率を変化させるように動作可能であり、
    前記検出器は、検出された音波を測定して特性の各値における発生の効率を識別し、それによって発生位置における音速の測定値を提供するように動作可能であり、
    前記サンプル上の複数の発生位置における測定結果を得て、サンプルの空間分解された測定値の組を提供し、測定結果を処理して前記サンプルの画像を提供するように動作可能であることを特徴とする装置。
26. 各測定値を処理して、前記画像の対応する領域を提供する、請求項２４又は２５の何れか１つに記載の装置。
27. 対応する発生位置における測定に従って、前記画像の各領域が、外観の範囲から選択された外観を与えられる、請求項２４から２６の何れか１つに記載の装置。
28. 前記画像の各領域は着色されるか陰影を付けられ、色又は陰影は、音速の範囲を表すスペクトル又は範囲から選択される、請求項２７に記載の装置。
29. 前記音波発生器が、範囲全体にわたって特性の値を掃引し、複数の値における発生をもたらすように動作可能である、請求項２３から２８の何れか１つに記載の装置。
30. 前記音波発生器が、複数の値における同時発生をもたらす、請求項２３から２８の何れか１つに記載の装置。
31. 複数の値が連続する、請求項２３から３０の何れか１つに記載の装置。
32. 複数の値が離散する、請求項２３から３０の何れか１つに記載の装置。
33. 前記検出器が、音波の振幅を検出するように動作可能である、請求項２３から３２の何れか１つに記載の装置。
34. 前記検出器が、各発生位置における音速を、検出された振幅のピークに対応する値から計算する、請求項３３に記載の装置。
35. 前記音波発生器が、複数の周波数において発生するように動作可能である、請求項２３から３４の何れか１つに記載の装置。
36. 前記音波発生器が、複数の波数において発生するように動作可能である、請求項２３から３５の何れか１つに記載の装置。
37. 前記音波発生器が、空間変調された光で前記サンプルを照射することによって音波を発生させる、請求項２３から３６の何れか１つに記載の装置。
38. 前記音波発生器が、照射光輝度の時間周波数を掃引する、請求項２３から３７の何れか１つに記載の装置。
39. 前記音波発生器が、照射光の空間変調を掃引する、請求項２３から３８の何れか１つに記載の装置。
40. 前記検出器が、測定結果を測定結果の期待される輪郭を表すデータの組と比較することによって、各値において測定するように動作可能である、請求項２３から３９の何れか１つに記載の装置。
41. 複数の発生位置が、規則正しく間隔を空けられる、請求項２３から４０の何れか１つに記載の装置。
42. 前記音波発生器が超音波を発生するように動作可能である、請求項２３から４１の何れか１つに記載の装置。
43. 添付の図面を参照して上に実質的に記載された、サンプル測定のための装置。
44. 添付の図面を参照して上に実質的に記載された、画像を発生する装置。
45. 上記の任意の請求項と同一の発明の範囲であってもなくても、又は関連してもしなくても、任意の発明の主題、又は本願明細書で開示された発明の主題を含む組み合わせ。

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