JP2010038880A - Device and method for laser ultrasonography - Google Patents
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Description
この発明は被検査対象面にレーザ光を照射して非破壊で被検査対象面の欠陥などを検査するためのレーザ超音波検査装置およびレーザ超音波検査方法に関する。 The present invention relates to a laser ultrasonic inspection apparatus and a laser ultrasonic inspection method for irradiating a surface to be inspected with a laser beam and inspecting a defect on the surface to be inspected nondestructively.
非破壊で検査を行なう手法として超音波探傷が挙げられる。超音波探傷は材料の特性や劣化を検出することができるため、様々な分野で広く使用されている。超音波探傷を行なう手段としては、圧電素子を用いる方法や、電磁気、レーザを用いた手法が挙げられる。これらの手法を用いてある対象を検査する場合、多くの場合は1点のみ計測を行なうのではなく、対象のある領域、若しくは全面に亘って広く検査することが求められることが多い。そのため、一般的には1つのセンサを走査させる方法や、センサをアレイ化して広い範囲の検査に対応しているのが現状である。 Ultrasonic flaw detection is an example of a non-destructive inspection method. Ultrasonic flaw detection is widely used in various fields because it can detect material characteristics and deterioration. Examples of means for performing ultrasonic flaw detection include a method using a piezoelectric element, a method using an electromagnetic, and a laser. When inspecting a certain object using these methods, in many cases, it is often required not to measure only one point, but to inspect widely over a certain region or the entire surface of the object. For this reason, in general, a method of scanning one sensor or an array of sensors to deal with a wide range of inspections.
そのような手法をさらに高度化した超音波検出手法として、レーザ光を用いた2次元計測手法が近年提案されている。レーザ光による2次元計測手法例として、スペックルを用いた計測手法が知られている(特許文献1)。これは、レーザ光を対象に照射した際に生じるスペックルを計測し、超音波を発生させた際に再度スペックルを計測し、2つのスペックルの差を取ることで、超音波の伝播によるスペックルの変化、すなわち超音波が対象内で受ける物性や劣化等の影響を計測することが可能になる技術である。 In recent years, a two-dimensional measurement method using a laser beam has been proposed as an ultrasonic detection method in which such a method is further advanced. As an example of a two-dimensional measurement method using laser light, a measurement method using speckle is known (Patent Document 1). This is due to the propagation of ultrasonic waves by measuring speckles that occur when the target is irradiated with laser light, measuring the speckles again when ultrasonic waves are generated, and taking the difference between the two speckles. This is a technique that enables measurement of changes in speckle, that is, the influence of physical properties, deterioration, etc., on an ultrasonic wave.
また、フォトリフラクティブ効果を用いたレーザ光による2次元干渉計測手法も提案されている(特許文献2)。これは、図11に示すようにレーザ光源2から出射したレーザ光を、レーザ光分岐機構3により照射レーザ光Iiとリファレンス用レーザ光Irに分岐させ、照射レーザ光Iiが被検査対象物1の表面で反射して超音波成分を含んだレーザ光Isと、リファレンス用レーザ光Irを位相変調器4で変調させた2つのレーザ光をフォトリフラクティブ結晶6に入射させる。これにより、フォトリフラクティブ結晶6内部に回折格子が形成され、それにより干渉計測を行なう。干渉後のレーザ光Iは被検査対象物1の表面に照射した2次元形状像を保ちながら、その形状像を受光機構13で計測することが可能である。このように、2次元的な超音波信号の分布状態の計測が可能である。
上述の特許文献1で提案されている手法は超音波を励起する前のデータを使用する必要があることから、1回の超音波送信で検査することができない問題がある。それに対して特許文献2に開示された方法は、一般的な超音波検査のように超音波信号そのものを検出する手法である。
Since the technique proposed in the above-mentioned
図11で示した計測装置において、超音波信号を検出するために干渉計測を可能にするフォトリフラクティブ結晶をBSO(Bismuth Silicon Oxide)結晶としている。この結晶は可視光に対して動作が可能であることを特徴としている。そのため、干渉信号を廉価なCCD(Charge Coupled Device)カメラで計測することが可能である。しかし、BSO結晶は干渉を行なうためにフォトリフラクティブ素子に回折格子を形成する応答時間が遅いという問題がある。これにより、干渉計測する際に計測可能な超音波信号の周波数に制限が生じることとなる。 In the measurement apparatus shown in FIG. 11, a photorefractive crystal that enables interference measurement to detect an ultrasonic signal is a BSO (Bismuth Silicon Oxide) crystal. This crystal is characterized in that it can operate with respect to visible light. Therefore, it is possible to measure the interference signal with an inexpensive CCD (Charge Coupled Device) camera. However, the BSO crystal has a problem that the response time for forming a diffraction grating in the photorefractive element is slow because of interference. This limits the frequency of ultrasonic signals that can be measured when performing interference measurement.
そのために、図11の位相変調器4によりリファレンス用レーザ光Irの位相を変調させ、実際に計測したい超音波信号による変調との差周波数を低くなるようにすることで、高い周波数を持った超音波の計測を可能にしている。しかし、位相変調器の多くは高価であることや、レーザ光により損傷する可能性があること、計測したい超音波信号の周波数をある程度事前に決定する必要があることなどの問題がある。 For this purpose, the phase modulator 4 in FIG. 11 modulates the phase of the reference laser beam Ir so that the difference frequency from the modulation by the ultrasonic signal that is actually desired to be measured is reduced. Sound wave measurement is possible. However, many phase modulators are expensive, may be damaged by laser light, and require that the frequency of the ultrasonic signal to be measured needs to be determined to some extent in advance.
また、BSO結晶は光学活性がある結晶のため、結晶内をレーザ光が透過する際に偏光が旋光する特徴がある。そのため、BSO結晶でフォトリフラクティブ効果を効率よく生じさせるために、偏光状態を調整する必要がある。そのため、光学素子配置が増加し、装置が複雑化すること、および、光学ロスが発生するため検出感度の低下につながる。 Further, since the BSO crystal is an optically active crystal, there is a feature that the polarized light is rotated when the laser beam is transmitted through the crystal. Therefore, it is necessary to adjust the polarization state in order to efficiently generate the photorefractive effect in the BSO crystal. Therefore, the arrangement of optical elements increases, the apparatus becomes complicated, and an optical loss occurs, leading to a decrease in detection sensitivity.
このような問題があるにもかかわらず、BSO結晶を使用するのは次の理由による。すなわち、他の時定数の速いフォトリフラクティブ結晶にはInP、GaAs、または量子井戸型半導体などがあるがいずれも近赤外の波長に対してフォトリフラクティブ効果を持ち、可視光では使用が困難であるためである。可視でないことは、光学系の調整が困難であることに加えて、検出器に問題が生じる。現在汎用のCCDカメラやC−MOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)カメラの多くは、可視光を効率よく検出できるように設計されており、近赤外の波長に対してはCCDカメラの検出性能が低下する。また、近赤外用のCCDカメラは性能が悪いだけでなく、コスト的にも可視光用のCCDカメラに比べて高くて不利である。 Despite these problems, the BSO crystal is used for the following reason. That is, other photorefractive crystals with a fast time constant include InP, GaAs, and quantum well semiconductors, all of which have a photorefractive effect for near infrared wavelengths and are difficult to use with visible light. Because. Invisibility makes it difficult to adjust the optical system and causes problems for the detector. Many general-purpose CCD cameras and C-MOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) cameras are designed so that visible light can be detected efficiently, and the detection performance of CCD cameras deteriorates for near-infrared wavelengths. To do. In addition, the near-infrared CCD camera not only has poor performance, but is also expensive and disadvantageous compared to a visible light CCD camera.
そこで、本発明の第一の課題は、周波数応答が高く、可視光用のCCDなどを使用することが可能なレーザ超音波検査手法を提供することである。 Accordingly, a first object of the present invention is to provide a laser ultrasonic inspection method having a high frequency response and capable of using a visible light CCD or the like.
一方、受光機構には、CCDカメラやC−MOSカメラが有力な候補であるが、それらにはダイナミックレンジの問題が生じる。CCDやC−MOSは高い画素分解能を持ち、数十万個から数百万個もの光検出器でリアルタイムに信号を収録することが可能であるが、光強度に対するダイナミックレンジは一般的なフォトダイオードを利用した場合に比べて悪いという問題がある。また、光信号を電気信号に変換後、デジタル信号として出力する際に、多くのCCDは8ビットの分解能、すなわち光強度がフルスケールに対して256階調という低分解能で変換される。そのため、暗い光から明るい光まで一度に検出をするのが困難である。 On the other hand, CCD cameras and C-MOS cameras are promising candidates for the light receiving mechanism, but they have a problem of dynamic range. CCD and C-MOS have high pixel resolution and can record signals in real time with hundreds of thousands to millions of photodetectors, but the dynamic range for light intensity is a general photodiode. There is a problem that it is worse than when using. Further, when an optical signal is converted into an electrical signal and then output as a digital signal, many CCDs are converted with an 8-bit resolution, that is, with a light resolution of 256 gradations relative to full scale. Therefore, it is difficult to detect from dark light to bright light at once.
これは、たとえば図11のような検査手法において問題が生じる。被検査対象1を上部から見た状態を想定するとき、超音波励起点Gに超音波を励起すると、発生した超音波は同心円状に伝播していく。この場合、超音波励起点Gの近傍で最も超音波振幅が大きく、伝播が進むにつれ距離減衰や材料特性による散乱・減衰が生じるため超音波振幅が小さくなっていく。すなわち、光強度変化が小さくなっていく。したがって、超音波励起点G近傍と、離れた場所では検出する光強度のダイナミックレンジが大きく異なる。そのため、超音波励起点近傍の光強度変化を検出すべくCCDの感度を調整すると、超音波励起点から離れた場所での光強度変化はCCDの分解能が低いことから光強度変化の検出分解能が低くなる問題がある。
This causes a problem in the inspection method as shown in FIG. Assuming that the
そこで、本発明の第二の課題は、分解能が低いCCDなどにおいても大きな光強度変化から小さな光強度変化まで検出することが可能なレーザ超音波検査手法を提供することである。 Therefore, a second problem of the present invention is to provide a laser ultrasonic inspection method capable of detecting from a large light intensity change to a small light intensity change even in a CCD having a low resolution.
本発明は上記第1または第2の課題を解決するものであって、その目的は、周波数応答が高くて安価なCCDなどの撮像素子を利用できるレーザ超音波検査手法、または、分解能が低い安価なCCDなどの撮像素子を利用しても大きな光強度変化から小さな光強度変化まで検出することが可能なレーザ超音波検査手法を提供することである。 The present invention solves the first or second problem, and an object of the present invention is to provide a laser ultrasonic inspection method capable of using an image pickup device such as a CCD having a high frequency response and a low cost, or an inexpensive low resolution. It is to provide a laser ultrasonic inspection method capable of detecting from a large light intensity change to a small light intensity change even if an image pickup device such as a CCD is used.
上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ超音波検査装置の一つの態様は、レーザ光を発生させるレーザ光源と、前記レーザ光源で発生したレーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させるレーザ光分岐手段と、前記照射レーザ光を被検査対象面に照射するレーザ照射手段と、前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光するレーザ集光手段と、前記レーザ集光手段を通った照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とを受光して干渉計測を行なうためのフォトリフラクティブ結晶と、前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光の波長を変換する波長変換手段と、前記波長変換手段で波長が変換されたレーザ光を受光する受光手段と、を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, one aspect of a laser ultrasonic inspection apparatus according to the present invention includes a laser light source that generates a laser beam, a laser beam emitted from the laser light source, a laser beam that is irradiated, and a reference laser beam. A laser beam splitting unit that splits the target laser beam, a laser irradiation unit that irradiates the surface to be inspected with the irradiation laser light, a laser condensing unit that condenses the irradiation laser light reflected by the surface to be inspected, and the laser collector A photorefractive crystal for receiving interference laser light passing through the optical means and the reference laser light and performing interference measurement; and wavelength converting means for converting the wavelength of the laser light subjected to interference by the photorefractive crystal; And a light receiving means for receiving the laser light whose wavelength is converted by the wavelength converting means.
また、本発明に係るレーザ超音波検査装置の他の一つの態様は、レーザ光を発生させるレーザ光源と、前記レーザ光源で発生したレーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させるレーザ光分岐手段と、前記照射レーザ光を被検査対象面に照射するレーザ照射手段と、前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光するレーザ集光手段と、前記レーザ集光手段を通った照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とを受光して干渉計測を行なうためのフォトリフラクティブ結晶と、前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光のプロファイルを変化させるプロファイル制御手段と、前記プロファイル制御手段でプロファイルを変化したレーザ光を受光する受光手段と、を有することを特徴とする。 Another aspect of the laser ultrasonic inspection apparatus according to the present invention is a laser light source that generates laser light, and a laser that splits the laser light generated by the laser light source into irradiation laser light and reference laser light. A light branching means, a laser irradiation means for irradiating the surface to be inspected with the irradiation laser light, a laser condensing means for condensing the irradiation laser light reflected by the surface to be inspected, and a laser condensing means. A photorefractive crystal for performing interference measurement by receiving the irradiated laser beam and the reference laser beam, profile control means for changing a profile of the laser beam that has received interference by the photorefractive crystal, and the profile control And a light receiving means for receiving the laser light whose profile has been changed by the means.
また、本発明に係るレーザ超音波検査方法の一つの態様は、レーザ光を発生させ、前記レーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させ、前記照射レーザ光を被検査対象面に照射して反射させ、前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光し、前記集光された照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とをフォトリフラクティブ結晶で受光して干渉計測を行ない、前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光の波長を変換し、前記波長が変換されたレーザ光を受光すること、を有することを特徴とする。 In one aspect of the laser ultrasonic inspection method according to the present invention, a laser beam is generated, the laser beam is branched into an irradiation laser beam and a reference laser beam, and the irradiation laser beam is applied to a surface to be inspected. Irradiating and reflecting, condensing the irradiation laser light reflected by the surface to be inspected, receiving the collected irradiation laser light and the reference laser light with a photorefractive crystal, and performing interference measurement, Converting the wavelength of the laser beam that has received interference by the photorefractive crystal, and receiving the laser beam having the converted wavelength.
また、本発明に係るレーザ超音波検査方法の他の一つの態様は、レーザ光を発生させ、前記レーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させ、前記照射レーザ光を被検査対象面に照射して反射させ、前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光し、前記集光された照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とをフォトリフラクティブ結晶で受光して干渉計測を行ない、前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光のプロファイルを変化させ、前記プロファイルが変化したレーザ光を受光すること、を有することを特徴とする。 In another aspect of the laser ultrasonic inspection method according to the present invention, a laser beam is generated, the laser beam is branched into an irradiation laser beam and a reference laser beam, and the irradiation laser beam is inspected. Irradiate the surface and reflect it, condense the irradiated laser beam reflected by the surface to be inspected, and receive the collected irradiated laser beam and the reference laser beam with a photorefractive crystal to measure interference And changing the profile of the laser beam that has been interfered with by the photorefractive crystal, and receiving the laser beam having the changed profile.
本発明によれば、周波数応答が高くて安価なCCDなどの撮像素子を利用できるレーザ超音波検査手法、または、分解能が低い安価なCCDなどの撮像素子を利用しても大きな光強度変化から小さな光強度変化まで検出することが可能なレーザ超音波検査手法を提供することができる。 According to the present invention, a laser ultrasonic inspection method that can use an inexpensive image pickup device such as a CCD with a high frequency response, or an inexpensive image pickup device such as a low-resolution CCD can use a small light intensity change. A laser ultrasonic inspection method capable of detecting even a change in light intensity can be provided.
以下、本発明に係るレーザ超音波検査装置の実施形態について、図1ないし図10を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of a laser ultrasonic inspection apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. Here, the same or similar parts are denoted by common reference numerals, and redundant description is omitted.
(第1の実施形態)
図1を用いて本発明に係るレーザ超音波検査装置の第1の実施形態について説明する。ここで、図1は第1の実施形態のレーザ超音波検査装置を模式的に示す縦断面図である。
(First embodiment)
A first embodiment of a laser ultrasonic inspection apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. Here, FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically showing the laser ultrasonic inspection apparatus of the first embodiment.
第1の実施形態のレーザ超音波検査装置は、レーザ光源2と、レーザ光分岐機構3と、レーザ照射機構30と、レーザ集光機構31と、偏光子11と、フォトリフラクティブ結晶6と、波長変換素子14と、受光機構13とを有する。
The laser ultrasonic inspection apparatus of the first embodiment includes a
レーザ光源2は、被検査対象物1の表面にレーザ光Iiを照射させるためのもので、たとえば、1064nmの波長を持つ近赤外線領域のレーザ光を発光するものである。それ以外にフォトリフラクティブ結晶6に対して動作可能な波長をもつ他のレーザ光の波長も考えられる。また、レーザ光源2は連続光だけでなく、ピークパワーが高いパルスレーザ光を使用することも可能である。
The
レーザ光源2から発射されたレーザ光はレーザ光分岐機構3に入射されて照射レーザ光Iiとリファレンス用レーザ光Irに分岐される。
The laser light emitted from the
レーザ光分岐機構3で分岐した照射レーザ光Iiは、レーザ照射機構30で、観測したい2次元領域にレーザ光が照射されるように任意の形状に変えられて被検査対象物1の表面に照射される。レーザ照射機構30は、たとえば光学レンズ7および反射鏡8を含んでいる。
The irradiated laser beam Ii branched by the laser
照射レーザ光Iiが被検査対象物1の表面に照射されると、照射レーザ光Iiは表面の超音波振動により影響を受け、超音波成分を含んだ照射レーザ光Isとなって反射される。この超音波成分を含んだ照射レーザ光Isはレーザ集光機構31で集光される。レーザ集光機構31は、たとえば光学レンズ9、10を含んでいる。レーザ集光機構31は、レンズを組み合わせた機構のほか、ファイバにて像転送を行なうことが可能なイメージングファイバなどを使用することも可能である(図示せず)。
When the irradiation laser beam Ii is irradiated onto the surface of the
レーザ集光機構31から出射した照射レーザ光Isは偏光子11を通ってフォトリフラクティブ結晶6に入射される。一方、レーザ光分岐機構3で分岐したリファレンス用レーザ光Irはそのままフォトリフラクティブ結晶6に入射される。フォトリフラクティブ結晶6は超音波成分を含んだ照射レーザ光Isとレーザ光Irとを干渉させる。すなわち、レーザ光Irとレーザ光Isがフォトリフラクティブ結晶4に照射されると、2つのレーザ光によりフォトリフラクティブ結晶内部に回折格子が形成される。この回折格子によって、超音波振動の影響を受けているIsは干渉を受け、干渉の影響を受けたレーザ光Iとなる。
The irradiated laser light Is emitted from the
フォトリフラクティブ結晶6として使用できる結晶は、GaAs、GaP、InP系(たとえばInP:Fe)、CdTe系(たとえばCdTe:V)、量子井戸構造を持った素子(たとえばAlGaAs/GaAs)、などが挙げられる。
Crystals that can be used as the
フォトリフラクティブ結晶6で干渉を受けたレーザ光Iは波長変換素子14を通され、受光機構13が持つ最適な感度となる波長を持つレーザ光Iwに変換される。波長変換素子14は、好ましくは可視光の波長を持つレーザ光に変換することができる素子を使用するとし、たとえばBiBO系結晶、BBO系結晶、KTP系結晶、LBO系結晶、LiNbO系結晶などあり、また他の結晶も考えられる。
The laser beam I that has received interference by the
波長変換素子14で波長変換されたレーザ光Iwは受光機構13で受光する。受光機構13は、CCDカメラやC−MOSカメラ、フォトダイオードアレイやその他2次元的に光を計測できる機構、またはリニアアレイセンサ等の1次元的に光を計測できる機構である。レーザ光Iwは空間的にプロファイルを持っていることから、受光機構13によって、被検査対象物1の表面の超音波の状態を一般的な点計測ではなく、1次元的または2次元的に計測することが可能である。
The laser beam Iw wavelength-converted by the
つぎに、以上説明した実施形態の効果について説明する。 Next, effects of the embodiment described above will be described.
一般に、フォトリフラクティブ素子としてBSO結晶など、可視光で動作する結晶を使用する場合、レーザ光が目視で確認できるため光学系の調整が容易である。また、使用できる受光機構13にCCDカメラやC−MOSカメラを使用する場合、それらの装置は可視光下での使用を想定している場合が多いため、可視光に最適化された機能を持っていること、および多彩な機能やコストの点からも可視光で動作するCCDやC−MOSカメラが優れていることから、可視光で動作する結晶を用いるのが適している。
In general, when a crystal that operates with visible light, such as a BSO crystal, is used as a photorefractive element, adjustment of an optical system is easy because laser light can be visually confirmed. In addition, when a CCD camera or C-MOS camera is used for the
一方で、可視光で動作するBSO結晶は、回折格子を形成する応答速度が遅いという問題がある。そのため、回折格子が形成される時間が遅くなることから、高い周波数を持った超音波の計測に不向きである。また、BSO結晶が持つ光学活性は、結晶内部で伝播するレーザ光の偏光を変化させてしまう。そのため、光学素子配置が複雑になる。 On the other hand, the BSO crystal operating with visible light has a problem that the response speed for forming the diffraction grating is slow. Therefore, since the time for forming the diffraction grating is delayed, it is not suitable for measuring ultrasonic waves having a high frequency. Further, the optical activity of the BSO crystal changes the polarization of the laser light propagating inside the crystal. This complicates the arrangement of the optical elements.
一方で、主に波長900nmから1500nmのレーザ光で動作することができるGaAs結晶やInP結晶、CdTe結晶などは、より速い応答速度を持っていることや、光学活性がないことから、BSO結晶より高い周波数を持った超音波の計測が容易になり、且つ光学素子配置を簡単にすることが可能である。 On the other hand, GaAs crystals, InP crystals, CdTe crystals, etc., which can be operated mainly with laser light having a wavelength of 900 nm to 1500 nm, have a faster response speed and no optical activity. Measurement of ultrasonic waves having a high frequency is facilitated, and the arrangement of optical elements can be simplified.
そこで、レーザ光源2として、上記結晶を動作させることが可能な近赤外の波長(900nm〜1500nm)を持つレーザ光源を使用し、GaAs結晶やInP結晶、CdTe結晶などの結晶を用いることで速い応答速度を持つ干渉計とすることができる。干渉後のレーザ光Iは、そのままでは近赤外の波長を持つが、これを波長変換機構にて可視光波長を持つレーザ光Iwに変換することで、高機能、高感度の可視光用CCDカメラやC−MOSカメラを適用することができる。このように本実施の形態により、本発明における第一の課題である、周波数応答が高く、可視光用のCCDを使用することが可能なレーザ超音波検査手法を提供することができる。
Therefore, a laser light source having a near-infrared wavelength (900 nm to 1500 nm) capable of operating the above crystal is used as the
(第2の実施形態)
図2を用いて本発明に係るレーザ超音波検査装置の第2の実施形態について説明する。ここで、図2は第2の実施形態のレーザ超音波検査装置を模式的に示す縦断面図である。この実施形態は、第1の実施形態(図1)の変形例であって、レーザ光分岐機構3で分岐したリファレンス用レーザ光Irがフォトリフラクティブ結晶6に入射される前に、位相変調器4を通過する構成となっている。この構成であっても、第1の実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the laser ultrasonic inspection apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. Here, FIG. 2 is a longitudinal sectional view schematically showing the laser ultrasonic inspection apparatus of the second embodiment. This embodiment is a modification of the first embodiment (FIG. 1), and before the reference laser beam Ir branched by the laser
(第3の実施形態)
図3を用いて本発明に係るレーザ超音波検査装置の第3の実施形態について説明する。ここで、図3は第3の実施形態のレーザ超音波検査装置を模式的に示す縦断面図である。
(Third embodiment)
A third embodiment of the laser ultrasonic inspection apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. Here, FIG. 3 is a longitudinal sectional view schematically showing a laser ultrasonic inspection apparatus according to the third embodiment.
第3の実施形態のレーザ超音波検査装置は、レーザ光源2と、レーザ光分岐機構3と、レーザ照射機構30と、レーザ集光機構31と、偏光子11と、フォトリフラクティブ結晶6と、波長変換素子14と、受光機構13とを有するほかに、アイソレータ19と、光学レンズ37と、反射鏡38とを有する。
The laser ultrasonic inspection apparatus of the third embodiment includes a
レーザ光源2から発射されたレーザ光はアイソレータ19を経て、レーザ光分岐機構3に入射され、照射レーザ光Iiとリファレンス用レーザ光Irに分岐される。
The laser light emitted from the
レーザ光分岐機構3で分岐した照射レーザ光Iiはレーザ照射機構30で、観測したい2次元領域にレーザ光が照射されるように任意の形状に変えられて被検査対象物1の表面に照射される。この実施形態では、レーザ照射機構30は光学レンズ7と、偏光ビームスプリッタ17と、1/4波長板18とを有する。レーザ光分岐機構3で分岐した照射レーザ光Iiは光学レンズ7、偏光ビームスプリッタ17、1/4波長板18の順に通り、被検査対象物1に照射される。この実施形態では、照射レーザ光Iiが被検査対象物1の表面に対して垂直に入射される。
The irradiated laser beam Ii branched by the laser
被検査対象物1の表面に照射された照射レーザ光は、超音波振動により影響を受け、超音波成分を含んだ照射レーザ光Isとなって反射される。この超音波成分を含んだ照射レーザ光Isは、1/4波長板18を経て再び偏光ビームスプリッタ17に入射され、ここで向きを変えて、レーザ集光機構31で集光される。レーザ集光機構31は、たとえば光学レンズから構成されている。
The irradiation laser light irradiated on the surface of the
レーザ集光機構31から出射した照射レーザ光Isは偏光子11を通ってフォトリフラクティブ結晶6に入射される。一方、レーザ光分岐機構3で分岐したリファレンス用レーザ光Irは、光学レンズ37および反射鏡38を通ってフォトリフラクティブ結晶6に入射される。フォトリフラクティブ結晶6は超音波成分を含んだ照射レーザ光Isとレーザ光Irとを干渉させる。これにより、超音波振動の影響を受けているIsは干渉を受け、干渉の影響を受けたレーザ光Iとなる。
The irradiated laser light Is emitted from the
レーザ光Iは波長変換素子14を通され、受光機構13が持つ最適な感度となる波長を持つレーザ光Iwに変換される。波長変換素子14で波長変換されたレーザ光Iwは受光機構13で受光する。
The laser light I passes through the
この実施形態によれば、被検査対象物1に対して正対させてレーザ光を照射することができる。
According to this embodiment, it is possible to irradiate a laser beam with the
(第4の実施形態)
図4を用いて本発明に係るレーザ超音波検査装置の第4の実施形態について説明する。ここで、図4は第4の実施形態のレーザ超音波検査装置を模式的に示す縦断面図である。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the laser ultrasonic inspection apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. Here, FIG. 4 is a longitudinal sectional view schematically showing a laser ultrasonic inspection apparatus of the fourth embodiment.
第4の実施形態は第2の実施形態(図2)の変形であって、可視光源15を有し、可視光源15から出射された可視光Vは、レーザ光分岐機構3で照射レーザ光Iiと重畳される。可視光源15としてはレーザ光源2で使用しているレーザ光の波長にできるだけ近い波長を持つ光源を使用すると、光学素子それぞれで受ける収差等の影響が小さいことから望ましい。
The fourth embodiment is a modification of the second embodiment (FIG. 2), and has a visible
第2の実施形態で、レーザ光源2を可視光の波長を持つレーザ光から、高速応答時間を持つフォトリフラクティブ結晶6が動作可能な近赤外の波長を持つレーザ光源にした際、レーザ光は多くの場合、目で見ることはできない。そのため、被検査対象物1の表面のどこにレーザ光Iiが照射されているか、または様々な箇所で使用されている光学素子の位置調整や、受光機構13で得る像の確認が困難になってしまう。
In the second embodiment, when the
この第4の実施形態では、可視光Vを可視光源15から出射し、レーザ光Iiとほぼ同じ光路となるように調整することで、これらの問題を解決できる。しかも、前述の第一の課題である周波数応答が高く、可視光用のCCDを使用することが可能なレーザ超音波検査手法を提供することができる。
In the fourth embodiment, the visible light V is emitted from the visible
(第5の実施形態)
図5を用いて本発明に係るレーザ超音波検査装置の第5の実施形態について説明する。ここで、図5は第5の実施形態のレーザ超音波検査装置を模式的に示す縦断面図である。
(Fifth embodiment)
A fifth embodiment of the laser ultrasonic inspection apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. Here, FIG. 5 is a longitudinal sectional view schematically showing a laser ultrasonic inspection apparatus of the fifth embodiment.
第5の実施形態は第2の実施形態(図2)の変形であって、第2の実施形態の波長変換素子14の代わりにプロファイル制御機構16を配置したものである。ここで、プロファイル制御機構16としては、ND(Neutral Density)フィルタ(減速フィルタ)や、フーリエレンズ、回折格子など、レーザ光Iのプロファイルを変化させることが可能なものである。干渉の影響を受けたレーザ光Iはプロファイル制御機構16によって、プロファイルを成形された干渉後のレーザ光I’に変化する。
The fifth embodiment is a modification of the second embodiment (FIG. 2), in which a
フォトリフラクティブ結晶6において干渉計測されたレーザ光Iは、計測された超音波のプロファイルに応じた強度プロファイルとなっている。そこで、プロファイルを持ったレーザ光Iをプロファイル制御機構16に透過させることで、そのプロファイルを変化させることが可能である。たとえば、超音波信号により得られたプロファイルが図7および図8に示すように同心円波形状である場合、プロファイル制御機構16を図9の実線40に示すような透過量をもつ機構とすると、出力されるレーザ光Iのプロファイルを図10のようにすることが可能である。
The laser beam I measured by interference in the
また、フーリエレンズをプロファイル制御機構16として使用する場合、規則的な周期性を持つプロファイルをレーザ光Iが持っていた場合、その空間周波数に応じた2次元周波数変換結果としてレーザ光Iのプロファイルが変換されることとなる。
Further, when the Fourier lens is used as the
一般に、たとえば図8ではCCDカメラのダイナミックレンジをR1に設定しなければならないが、この場合、R2部分の強度変化に対しては、分解能が低い部分で計測しなければならないため、低SNで計測せざるを得ない問題が生じる。一方、本実施形態によれば、図9のようなレーザ光の透過量を変化させることができるプロファイル制御機構16により、レーザ光Iのプロファイルを変化させることができ、レーザ光Iのプロファイルは図10のように変換される。変換されたレーザ光Iのプロファイルは、あるダイナミックレンジR3のみで、プロファイル分布を均一化することができるため、プロファイルの場所によって感度低下などを生じさせず、計測することが可能になる。
In general, for example, in FIG. 8, the dynamic range of the CCD camera must be set to R1, but in this case, the intensity change in the R2 portion must be measured at a low resolution portion, so measurement is performed at a low SN. There is a problem that must be done. On the other hand, according to the present embodiment, the profile of the laser beam I can be changed by the
また、プロファイル制御機構16をフーリエレンズとした場合、規則性のある超音波波形によるプロファイル変化は、規則性が破れた場合にいつもと違うレーザ光のプロファイル変化を出力することになり、プロファイル的に微少な変化でも、大きなプロファイルの変化に変換することが可能である。
Further, when the
このように、本実施の形態により、本発明における第二の課題である、分解能が低いCCDにおいても大きな光強度変化から小さな光強度変化まで検出することが可能なレーザ超音波検査手法を提供することが可能である。 As described above, the present embodiment provides a laser ultrasonic inspection method capable of detecting a large light intensity change to a small light intensity change even in a CCD having a low resolution, which is a second problem in the present invention. It is possible.
(第6の実施形態)
図6を用いて本発明に係るレーザ超音波検査装置の第6の実施形態について説明する。ここで、図6は第6の実施形態のレーザ超音波検査装置を模式的に示す縦断面図である。
(Sixth embodiment)
A sixth embodiment of the laser ultrasonic inspection apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. Here, FIG. 6 is a longitudinal sectional view schematically showing a laser ultrasonic inspection apparatus according to the sixth embodiment.
第6の実施形態は第1の実施形態(図1)の変形または第5の実施形態(図5)の変形であって、第1の実施形態の波長変換素子14と受光機構13の間に、第5の実施形態と同様のプロファイル制御機構16を挿入した構成である。また、第5の実施形態の構成から位相変調器4を削除したものであるともいえる。この構成により、第5の実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。
The sixth embodiment is a modification of the first embodiment (FIG. 1) or a modification of the fifth embodiment (FIG. 5), and between the
(他の実施形態)
以上説明した各実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。
(Other embodiments)
Each embodiment described above is merely an example, and the present invention is not limited thereto.
たとえば、第6の実施形態の変形例として、プロファイル制御機構16を波長変換素子14の前に配置することもできる。
For example, as a modification of the sixth embodiment, the
また、第3または第4の実施形態のフォトリフラクティブ結晶6をプロファイル制御機構16で置き換えることや、第3または第4の実施形態のフォトリフラクティブ結晶6の前方または後方にプロファイル制御機構16を追加することなど、各実施形態の特徴を種々に組み合わせることもできる。
Further, the
1 : 被検査対象物
2 : レーザ光源
3 : レーザ光分岐機構
4 : 位相変調器
5 : 偏光子
6 : フォトリフラクティブ結晶
7 : 光学レンズ
8 : 反射鏡
9 : 光学レンズ
10 : 光学レンズ
11、12 : 偏光子
13 : 受光機構
14 : 波長変換素子
15 : 可視光源
16 : プロファイル制御機構
17 : 偏光ビームスプリッタ
18 : 1/4波長板
19 : アイソレータ
30 : レーザ照射機構
31 : レーザ集光機構
37 : 光学レンズ
38 : 反射鏡
1: Object to be inspected 2: Laser light source 3: Laser beam branching mechanism 4: Phase modulator 5: Polarizer 6: Photorefractive crystal 7: Optical lens 8: Reflector 9: Optical lens 10:
Claims (13)
前記レーザ光源で発生したレーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させるレーザ光分岐手段と、
前記照射レーザ光を被検査対象面に照射するレーザ照射手段と、
前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光するレーザ集光手段と、
前記レーザ集光手段を通った照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とを受光して干渉計測を行なうためのフォトリフラクティブ結晶と、
前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光の波長を変換する波長変換手段と、
前記波長変換手段で波長が変換されたレーザ光を受光する受光手段と、
を有することを特徴とするレーザ超音波検査装置。 A laser light source for generating laser light;
A laser beam branching means for branching the laser beam generated by the laser light source into an irradiation laser beam and a reference laser beam;
Laser irradiation means for irradiating the surface to be inspected with the irradiation laser light; and
Laser condensing means for condensing the irradiation laser light reflected by the surface to be inspected;
A photorefractive crystal for performing interference measurement by receiving the irradiation laser light and the reference laser light that have passed through the laser focusing means;
Wavelength converting means for converting the wavelength of the laser light that has received interference in the photorefractive crystal;
A light receiving means for receiving the laser light whose wavelength has been converted by the wavelength converting means;
A laser ultrasonic inspection apparatus characterized by comprising:
前記レーザ光源で発生したレーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させるレーザ光分岐手段と、
前記照射レーザ光を被検査対象面に照射するレーザ照射手段と、
前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光するレーザ集光手段と、
前記レーザ集光手段を通った照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とを受光して干渉計測を行なうためのフォトリフラクティブ結晶と、
前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光のプロファイルを変化させるプロファイル制御手段と、
前記プロファイル制御手段でプロファイルを変化したレーザ光を受光する受光手段と、
を有することを特徴とするレーザ超音波検査装置。 A laser light source for generating laser light;
A laser beam branching means for branching the laser beam generated by the laser light source into an irradiation laser beam and a reference laser beam;
Laser irradiation means for irradiating the surface to be inspected with the irradiation laser light; and
Laser condensing means for condensing the irradiation laser light reflected by the surface to be inspected;
A photorefractive crystal for performing interference measurement by receiving the irradiation laser light and the reference laser light that have passed through the laser focusing means;
Profile control means for changing the profile of the laser beam that has received interference in the photorefractive crystal;
A light receiving means for receiving laser light whose profile has been changed by the profile control means;
A laser ultrasonic inspection apparatus characterized by comprising:
前記被検査対象面で反射した照射レーザ光が前記偏光ビームスプリッタを通って前記レーザ集光手段へ入射されるように構成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか一項に記載のレーザ超音波検査装置。 The laser irradiation means includes a polarization beam splitter,
9. The irradiation laser light reflected by the surface to be inspected is configured to be incident on the laser condensing unit through the polarization beam splitter. The laser ultrasonic inspection apparatus according to item.
前記レーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させ、
前記照射レーザ光を被検査対象面に照射して反射させ、
前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光し、
前記集光された照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とをフォトリフラクティブ結晶で受光して干渉計測を行ない、
前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光の波長を変換し、
前記波長が変換されたレーザ光を受光すること、
を有することを特徴とするレーザ超音波検査方法。 Generate laser light,
The laser beam is branched into an irradiation laser beam and a reference laser beam,
Irradiate and irradiate the irradiated laser light to the surface to be inspected,
Condensing the irradiation laser light reflected by the surface to be inspected,
The focused irradiation laser beam and the reference laser beam are received by a photorefractive crystal to perform interference measurement,
Converting the wavelength of the laser beam that has received interference in the photorefractive crystal,
Receiving laser light having the wavelength converted;
A laser ultrasonic inspection method characterized by comprising:
前記レーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させ、
前記照射レーザ光を被検査対象面に照射して反射させ、
前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光し、
前記集光された照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とをフォトリフラクティブ結晶で受光して干渉計測を行ない、
前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光のプロファイルを変化させ、
前記プロファイルが変化したレーザ光を受光すること、
を有することを特徴とするレーザ超音波検査方法。 Generate laser light,
The laser beam is branched into an irradiation laser beam and a reference laser beam,
Irradiate and irradiate the irradiated laser light to the surface to be inspected,
Condensing the irradiation laser light reflected by the surface to be inspected,
The focused irradiation laser beam and the reference laser beam are received by a photorefractive crystal to perform interference measurement,
Changing the profile of the laser beam that has been interfered with by the photorefractive crystal;
Receiving a laser beam whose profile has changed,
A laser ultrasonic inspection method characterized by comprising:
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JP2008205622A JP2010038880A (en) | 2008-08-08 | 2008-08-08 | Device and method for laser ultrasonography |
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