JP2018169204A - 振動測定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】被検査物体の測定領域をムラなく検査することができる欠陥検査装置を提供する。【解決手段】対象物体Ｓに振動を励起する励振部１２と、レーザ光源１３と、レーザ光源１３の光を測定領域の一部領域に照射し照射領域を測定領域内で移動させる走査部１５と、測定領域の各点に順次、照明時間幅を振動の周期の１/３以下としたレーザ光を照射する照射制御部２２と、対象物体Ｓからの物体光を２分割した両光束に角度差をつけて干渉させて得られる干渉光を測定領域の各点について測定して照射領域内の近接した２点間の相対的な前後方向の変位を測定する変位測定部１７と、測定領域の各点における位相に同期した時刻の振動の1周期内の相異なる３点以上の時刻における近接２点間の前後方向の変位に基づき測定領域全体の振動の状態を決定する振動状態決定部２３とを備えた振動測定装置。【選択図】図２

Description

本発明は、コンクリートや鉄鋼構造物等の物体の表面及び内部の欠陥を非接触で検出・測定する等のために、該物体の表面の振動を測定する方法及び装置に関する。
コンクリートや鉄鋼構造物等の物体の表面及び内部の欠陥を非接触で検出・測定するために、それらを振動子で励振しつつ表面の振動振幅の分布を光学的に測定し、振動解析することが行われる（例えば、特許文献１）。振動解析の結果の画像には、該物体内部の欠陥に起因する不連続性が現れることから、これにより内部欠陥の非接触検出が可能となる。
特許文献１には表面が粗面の物体を検査する方法が記載されている。この方法では、被検査物体の検査領域全体に、レーザビームをエキスパンダで拡大したレーザ光を照射する。レーザ光は表面の粗面で散乱され、互いに干渉してスペックルと呼ばれる明暗のパターンを生成する。このスペックルパターンと、照射レーザビームから分岐させた参照レーザ光を干渉させ、CCDカメラ等で撮影する。この画像を、与えた弾性波により物体に変位が生じる前後で2枚撮影し、この2枚の画像から検査領域の変位の分布を算出する。これにより、検査領域全体の変位を一度で測定することができる。
特開2004-101189号公報
中島俊典,「ホログラフィによる振動解析」,応用物理 第41巻第6号（1972）pp. 560-573 菅野芳章等,「ホログラフィによる水晶振動子の振動状態の測定」,北海道大学工学部研究報告, 第109号（1982）pp. 13-20
特許文献１の方法では、スペックルパターンが弾性波の励起前後の２点でしか測定されず、弾性波のある１つの位相状態しか測定することができない。例えば、弾性波の波長が測定領域の大きさに対して短い場合、測定領域内に波の振幅が大きい部分と小さい部分が存在する。波の状態に応じて欠陥部での変位が異なるため、1つの位相状態の測定のみでは場所によって欠陥検査能にムラが生じることになる。
本発明が解決しようとする課題は、被検査物体の測定領域をムラなく検査することができる振動測定方法及び装置を提供することである。
本件出願人は、上記課題を解決すべく先の出願（特願2016-111302）において振動測定方法を提案した。この振動測定方法（以下、「先願の方法」等と呼ぶ。）は、被検査物体に弾性波を励起する工程と、前記被検査物体の表面の測定領域にストロボ照明を行う工程と、前記弾性波の位相と前記ストロボ照明のタイミングを制御することにより、該弾性波の互いに異なる少なくとも3つの位相において前記測定領域各点の前後方向の変位を一括測定する工程と、前記少なくとも3つの位相における前記測定領域各点の前後方向の変位に基き、該測定領域における欠陥を検出する工程とを含んでいる。
先願の方法では、時間波形が連続な周期関数で表される振動を測定対象とする。測定の際は、振動している対象物体の測定領域全域をレーザ光によって一括して照明する。照明は、レーザ光を所定の点灯時間幅tsで振動の位相と同期して点灯させ（ストロボ照明）、この位相同期点灯を多数回の周期に亘って繰り返すことによって行う。
照明された対象物体の表面から反射された光（物体光）と、対象物体に照射しない光（参照光）を同一の面に導き、そこで両光を干渉させて撮影することで、干渉像が得られる（参照光法）。物体光と参照光の光路の相対的長さを変化させ、干渉像の各画素の輝度変化を測定することにより、各画素に投影されている物体光と参照光の光位相差を求めることができ、この光位相差から物体の各点における変位を求めることができる。この時求められる変位は、ストロボ照明された振動の位相時刻における変位である。ストロボ照明と振動の位相時刻の関係をシフトさせることで、異なる位相時刻での変位を計測することができる。振動が単一の周波数成分を持つものである場合、3点以上の位相時刻での変位を計測すれば、最小二乗法による近似によって元の振動の時間波形を再現でき、振動の振幅と位相を算出することができる。振動が、単一周波数ではなく第n次の高調波成分を含むものであった場合は、[2n+1]点以上の位相時刻で変位を求めることで、第n次の高調波成分の振幅と位相を求めることができる。
このような測定を行う際、一回の点灯時間幅tsの間で振動による変位が生じると、得られる画像のコントラストが低下する。よって、コントラストの高い測定結果を得るためには、レーザ光の点灯時間幅tsは振動が近似的に静止していると見なせるほど短くする必要がある。一方、点灯時間幅tsをあまりに短くすると光量（の積算値）が低下してしまい、SN比が低下する。期待するコントラストに対する適切な点灯時間幅tsは振動振幅aの大きさによって異なるため、適切な点灯時間幅tsは測定したい振動に合わせて検討する必要があるが、通常は振動周期の1/8〜1/50程度とされる（非特許文献１、非特許文献２）。
先願の方法を用いた測定では、測定領域が大きくなると各点における照度、すなわち単位面積あたりの光量が低下し、SN比が低下する。そこで、本発明者は、先願の方法を改良し、対象物体の測定領域が大きくなっても、コントラストの高い測定を行い、且つ、各点における照度を低下させることなくSN比の高い測定を行うことができる振動測定方法及び装置を検討した結果、本発明に想到した。
上記事項を踏まえて成された本発明に係る第1の振動測定方法は、
a) 対象物体に振動を励起する工程と、
b) 前記対象物体の測定領域の一部の領域にレーザ光を照射し、該照射領域を前記測定領域内で移動させることにより、前記測定領域の各点において前記振動の位相と同期した時刻に、照明時間幅を前記振動の周期の1/3以下としたレーザ光を照射する工程と、
c) 前記測定領域の各点について、前記レーザ光を前記照射領域に照射する前に分割して取り出した参照光と、前記照射により前記点から反射してくる物体光の干渉光を測定する工程と、
d) 前記測定領域の各点について、前記参照光と前記物体光の相対的光路長を前記レーザ光の波長に応じた距離だけ変化させることにより、該点の前後方向の変位を測定する工程と、
e) 前記測定領域の各点における前記位相に同期した時刻の、前記振動の1周期内の相異なる3点以上の時刻における前後方向の変位に基き、前記測定領域全体の振動の状態を決定する工程と
を含む。
本発明に係る第1の振動測定方法では、対象物体に振動を励起しつつ（工程a)）、該対象物体の測定領域の一部の領域（照射領域）にレーザ光を照射し、該照射領域を測定領域内で順次移動させる（工程b)）。すなわち、測定領域をレーザ光で走査する。このとき、測定領域内の各点におけるレーザ光の照明時間は前記振動の周期の1/3以下とし、その照射時刻は、該振動の位相と同期した時刻とする。測定領域内の全ての照射点における照射位相時刻（振動の1周期内における位相位置）は必ずしも同一でなくてもよく、各点で異なる照射位相時刻であってもよい。
このような測定領域の走査を、各点について前記振動の周期の1周期内の相異なる3点以上の照射位相時刻で行う（工程e)）。各点におけるレーザ光の照明時間を振動の周期の1/3以下としたのは、このためである。本発明に係る振動測定方法では、測定領域の一部にレーザ光を照射し、これを該照射領域内で移動させるため、例えば前記振動の周期と同じ周期で走査する場合、点灯時間幅が前記振動の周期の1/3以上であるレーザ光源を用いつつ該測定領域の各点における照明時間幅を該振動の周期の1/3以下とすることができる。さらに、前記測定領域の1/3以下の領域にレーザ光を照射してこれを該測定領域内で移動する場合には連続光を発するレーザ光源を用いることもできる。
このようなレーザ光照射による測定領域の走査の間、レーザ光を前記照射領域に照射する前に分割して取り出した参照光と、照射により対象物体から反射してくる物体光の干渉光を測定し（工程c)）、これら参照光と物体光の相対的光路長を前記レーザ光の波長に応じた距離だけ変化させることにより、各点の前後方向の変位を測定する（工程d)）。これは従来行われている参照光法による変位測定法である。この方法では、変位の絶対距離を測定することができる。
こうして測定した、測定領域の各点における前後方向の変位に基き、測定領域全体の振動の状態を決定することができる（工程e)）。
対象物体の測定領域内に何らかの欠陥が存在する場合、その領域内の各点の前後方向の変位は、その欠陥の箇所において不連続的に変化する。本発明を用いて上記のように対象物体の測定領域における振動の状態を検出することにより、該測定領域内における欠陥を検出することができる。
この方法を図１により具体的に説明する。この例では、全測定領域A中の一部の領域である幅Wlの領域（照射領域）Pに照射して、その照射領域Pを1次元的に移動させる（走査する）。まず、振動周波数fvと走査周波数fsが同じである場合を考える。この時、照明エリアである照射領域Pの長さWlと測定領域Aの長さWmの比Wl/Wmを例えば1/8にすることで、測定領域Aの各点における点灯時間幅Tlは振動周期Tvの1/8となる。この走査の間、光源は連続点灯させることができるので、全測定領域Aを一括して振動周期Tvの1/8の時間幅だけパルス状に照射する従来技術の場合に比べ、8倍の高輝度化が可能である。
このようなライン走査照明を用いて、従来技術と同様に光干渉計測を行い、振動による変位を計測する。さらに、走査と振動子の位相関係をシフトさせて3点以上の振動の位相時刻における変位を計測し、測定領域内の各点における振動の位相と振幅を求める。以下、振動子そのものの振動の位相時刻を「振動子位相時刻」と表現し、これを基準とする。本方法では、各点における照明が開始される振動子位相時刻（初期位相時刻と呼ぶ）が異なるが、求めた振動の位相を各点の初期位相時刻で補正することによって、全ての点で同一の振動子位相時刻での振動状態を算出することができる。
次に、振動周波数fvと走査周波数fsが異なる場合について考える。この時、走査周波数fsは、測定対象の振動周波数fvの1/N（Nは2以上の整数）であればよい。これは、高い周波数の振動を測定したいが、用いる走査機構の走査可能な周波数の上限が振動周波数に満たない場合に有効である。例えば、振動周波数と走査周波数の比fv/fs=5の時には、Wl/Wm=1/40とすることで、Tl/Tvを1/8にすることができる。このように、ライン走査の時には、照明エリアと測定領域の長さの比を適切に設定することで、各点における点灯時間幅を制御することができる。
上記例は測定領域をライン状の照射領域により1次元的に走査するものであるが、微小照射領域により2次元的に走査するようにしてもよい。
また、上記事項を踏まえて成された本発明に係る第2の振動測定方法は、干渉光を得るための方法としてスペックルシェアリング法を用いた方法であり、
a) 対象物体に振動を励起する工程と、
b) 前記対象物体の測定領域の一部の領域にレーザ光を照射し、該照射領域を前記測定領域内で移動させることにより、前記測定領域の各点において前記振動の位相と同期した時刻に、照明時間幅を前記振動の周期の1/3以下としたレーザ光を照射する工程と、
c) 前記対象物体から反射してくる物体光を2分割した両光束に角度差をつけて干渉させることにより得られる干渉光を前記測定領域の各点について測定することにより、該照射領域内の近接した2点間の相対的な前後方向の変位を測定する工程と、
d) 前記測定領域の各点における前記位相に同期した時刻の、前記振動の1周期内の相異なる3点以上の時刻における近接した2点間の相対的な前後方向の変位に基き、前記測定領域全体の振動の状態を決定する工程と
を含むものである。
上記いずれの方法においても、変位測定を行う、位相に同期した時刻の数は最低3であるが、位相に同期した時刻の数を[2n+1]（nは2以上の自然数）以上とし、これにより前記測定領域の各点の前後方向の変位から対象物体に励起された弾性波のn次の成分（第n高調波成分）を検出することが好ましい。対象物体に欠陥が存在する場合、その場所において生じる前記の不連続的変化には高調波成分も多く含まれ、欠陥が小さいほどその割合が高くなるため、これを検出することにより、欠陥検出の精度をより高めることができる。
上記第1の振動測定方法（参照光法）を実施するための本発明に係る振動測定装置は、
a) 対象物体に振動を励起する励振部と、
b) レーザ光源と、
c) 前記レーザ光源からの光を前記対象物体の表面の測定領域の一部の領域に照射し、該照射領域を該測定領域内で移動させる走査部と、
d) 前記励振部と前記レーザ光源と前記走査部を制御することにより、前記測定領域の各点に順次、前記振動の位相と同期した時刻に、照明時間幅を前記振動の周期の1/3以下としたレーザ光を照射する照射制御部と、
e) 前記測定領域の各点について、前記レーザ光を前記照射領域に照射する前に分割して取り出した参照光と、前記照射により該点から反射してくる物体光の干渉光を測定する干渉光測定部と、
f) 前記測定領域の各点について、前記参照光と前記物体光の相対的光路長を前記レーザ光の波長に応じた距離だけ変化させることにより、該点の前後方向の変位を測定する変位測定部と、
g) 前記測定領域の各点における前記位相に同期した時刻の、前記振動の1周期内の相異なる3点以上の時刻における前後方向の変位に基き、前記測定領域全体の振動の状態を決定する振動状態決定部と
を備えるものである。
また、上記第2の振動測定方法（スペックルシェアリング法）を実施するための本発明に係る振動測定装置は、
a) 対象物体に振動を励起する励振部と、
b) レーザ光源と、
c) 前記レーザ光源からの光を前記対象物体の表面の測定領域の一部の領域に照射し、該照射領域を該測定領域内で移動させる走査部と、
d) 前記励振部と前記レーザ光源と前記走査部を制御することにより、前記測定領域の各点に順次、前記振動の位相と同期した時刻に、照明時間幅を前記振動の周期の1/3以下としたレーザ光を照射する照射制御部と、
e) 前記対象物体から反射してくる物体光を2分割した両光束に角度差をつけて干渉させることにより得られる干渉光を前記測定領域の各点について測定することにより、該照射領域内の近接した2点間の相対的な前後方向の変位を測定する変位測定部と、
f) 前記測定領域の各点における前記位相に同期した時刻の、前記振動の1周期内の相異なる3点以上の時刻における近接した2点間の前後方向の変位に基き、前記測定領域全体の振動の状態を決定する振動状態決定部と
を備えるものである。
本発明に係る振動測定装置では、レーザ光の照射領域を測定領域内で順次移動させて測定を行うため、対象物体の測定領域が大きくなっても、各点における照度を低下させることなくSN比の高い測定を行うことができる。また、各点における照明時間を短くすることができるため、振動によるブレが現れない、コントラストの高い測定を行うことができる。
本発明に係る振動測定装置において測定領域A内でレーザ光の照射領域Pを走査する動作を説明する図。 本発明に係る振動測定装置の一実施例である欠陥検査装置の概略構成図。 本発明に係る振動測定方法の一実施例である欠陥検査方法のフローチャート。 本実施例の欠陥検査方法の原理を説明するためのグラフ。 本実施例の欠陥検査装置の変形例の概略構成図。 変形例の欠陥検査装置において測定領域Aをレーザ光で走査する動作を説明する図。 本発明に係る振動測定装置の別の実施例である欠陥検査装置の概略構成図。 測定領域Aを走査する走査周波数を説明する図。 測定領域Aをレーザ光で2次元的に走査する例を説明する図。
図１〜図９を用いて、本発明に係る振動測定方法及び振動測定装置の実施例について説明する。本実施例の振動測定方法及び振動測定装置は、物体の表面及び内部の欠陥を非接触で検出・測定する欠陥検査方法及び欠陥検査装置として用いられるが、欠陥検査装置以外にも、構造物の内部構造を非破壊で検査する等、種々の目的に用いることができる。
図２は、本実施例の欠陥検査装置１０の概略構成図である。この欠陥検査装置１０は、信号発生器１１、振動子１２、レーザ光源１３、ミラー１４、偏向部１５、照明光レンズ１６、スペックル・シェアリング干渉計１７、及び制御・処理部２０を備える。
信号発生器１１はケーブルで振動子１２に接続されており、交流電気信号を発生させて該振動子１２に送信する。振動子１２は、被検査物体Sに接触させて用いられ、信号発生器１１から交流電気信号を受信して機械的振動に変換し、該機械的振動を被検査物体Sに付与する。これにより、該被検査物体Sに弾性波の振動を励起する。これら信号発生器１１及び振動子１２は、前述の励振部に相当する。
信号発生器１１はまた、振動子１２と接続するケーブルとは別のケーブルで偏向部１５にも接続されており、偏向部１５は、前記交流電気信号の周期と同期してレーザ光源１３から発せられる光を被検査物体Sの測定領域内で移動する。これら信号発生器１１及び偏向部１５は、前述の走査部に相当する。
レーザ光源１３は連続的にレーザ光を発する光源であり、該レーザ光源１３からの光はミラー１４で反射され偏向部１５で偏向されたあと、さらに照明光レンズ１６で成形されて被検査物体Sの測定領域A（図１参照）に照射される。照明光レンズ１６は、レーザ光源１３からの光を被検査物体Sの表面の測定領域A内で走査する照射領域Pの大きさに拡げる役割を有しており、例えば直交する2方向に異なる曲率を持つ凹レンズからなる。本実施例において、測定領域Aと照射領域Pはいずれも矩形状であって、照射領域Pの一方の長さ（図１の縦方向）は測定領域Aと同じ、照射領域Pの他方の長さWl（図１の横方向）は測定領域Aの長さWmの8分の1である。即ち、照射領域Pの面積は測定領域Aの8分の1である。
スペックル・シェアリング干渉計１７は前述の変位測定部に相当し、被検査物体Sから反射してくる物体光を2分割した両光束を互いに僅かの角度差を付けて干渉させるものである。スペックル・シェアリング干渉計１７は、ビームスプリッタ１７１、第１反射鏡１７２１、第２反射鏡１７２２、位相シフタ１７３、集光レンズ１７４及びイメージセンサ１７５を有する。ビームスプリッタ１７１は、被検査物体Sの表面の測定領域Aで反射した照明光（物体光）が入射する位置に配置されたハーフミラーである。第１反射鏡１７２１はビームスプリッタ１７１で反射される物体光の光路上に配置されており、第２反射鏡１７２２はビームスプリッタ１７１を透過する物体光の光路上に配置されている。位相シフタ１７３は、ビームスプリッタ１７１と第１反射鏡１７２１の間に配置されており、該位相シフタ１７３を通過する光の位相を変化（シフト）させるものである。イメージセンサ１７５は、ビームスプリッタ１７１で反射された後に第１反射鏡１７２１で反射されてビームスプリッタ１７１を透過する物体光、及びビームスプリッタ１７１を透過した後に第２反射鏡１７２２で反射されてビームスプリッタ１７１で反射される物体光の光路上に配置されている。集光レンズ１７４は、ビームスプリッタ１７１とイメージセンサ１７５の間に配置されている。
第１反射鏡１７２１は、その反射面がビームスプリッタ１７１の反射面に対して45°の角度になるように配置されている。それに対して第２反射鏡１７２２は、その反射面がビームスプリッタ１７１の反射面に対して45°からわずかに傾斜した角度になるように配置されている。これら第１反射鏡１７２１及び第２反射鏡１７２２の配置により、イメージセンサ１７５では、被検査物体Sの表面上のある点X及び第１反射鏡１７２１で反射される物体光（図２中の一点鎖線）と、該表面上の点Xからわずかにずれた位置にある点Y及び第２反射鏡１７２２で反射される物体光（図２中の破線）が、イメージセンサ１７５の同じ位置に入射して干渉する。イメージセンサ１７５には検出素子が多数、2次元的に配置されており、被検査物体Sの表面に分布する各点（前記の点X）から第１反射鏡１７２１及び位相シフタ１７３を通してイメージセンサ１７５に入射する光を、それぞれ異なる検出素子で検出する。前記の点Yについても同様に、多数の点から第２反射鏡１７２２を通してイメージセンサ１７５に入射する光を、それぞれ異なる検出素子で検出する。イメージセンサ１７５の視野は、測定領域A全体を捉えるように調整されている。
制御・処理部２０は、記憶部２１のほか、機能ブロックとして測定制御部２２及び振動状態決定部２３を備えている。測定制御部２２は、信号発生器１１を制御する。また、振動状態決定部２３は、イメージセンサ１７５の各検出素子から得られる検出信号に基づいてデータ処理を行う。記憶部２１は、イメージセンサ１７５の各検出素子から得られる検出信号や、振動状態決定部２３による処理後のデータを記憶する。制御・処理部２０の実体はパーソナルコンピュータであり、上記の機能ブロックは、コンピュータのＣＰＵにより振動測定用ソフトウェアを実行することにより具現化される。また、制御・処理部２０には、キーボードやマウスからなる入力部３０と表示部４０が接続されている。
以下、図３のフローチャート及び図４のグラフを用いて、本実施例の欠陥検査装置１０の動作を説明する。本実施例では、レーザ光の照射領域Pを被検査物体Sの測定領域Aの一方の端部（図１の左方）から他方の端部（図１の右方）に走査周波数fsで走査する。ここでは走査周波数fsは振動子１２から付与され被検査物体Sを伝搬する機械的振動の振動周波数fvと同じ（fs=fv）である。測定領域Aの長さWmの8分の1であることから、本実施例では測定領域Aの各点での照明時間幅が機械的振動の周期の1/8となる。なお、後述するようにこれらは必ずしも同じでなくてもよい。レーザ光が測定領域Aを移動する間、イメージセンサ１７５のシャッタを開放しておき、レーザ光が測定領域Aを移動する間にイメージセンサ１７５の各検出素子に入射する光の強度を積算する。
本実施例では、振動子１２の振動の位相が異なる、mmax≧3の時点（3点以上の異なる振動子位相時刻）で測定を行う。ここで「振動子１２の振動の位相」とは、信号発生器１１から振動子１２に送信される交流電気信号の位相であり、被検査物体Sに励振される弾性波の、振動子１２が接触する点における位相に相当する。以下では、各回の測定を、数値k（1〜mmaxの間のいずれかの自然数）を用いて「k回目の振動子位相時刻の測定」と表す。また、以下の説明では、まずは最も単純な例としてmmax=3である場合について全てのステップを説明し、その後、mmaxがより大きな値である場合について説明する。
まず、kの値を1に設定し（ステップＳ１）、信号発生器１１から振動子１２に交流電気信号を送信することにより、振動子１２から被検査物体Sへの振動の付与を開始する（ステップＳ２）。これにより、被検査物体Sに弾性波が励起される。
次に、振動子１２の振動の位相が、所定の初期値φ0（例えばφ0=0）を用いて[φ0+2π(k-1)/mmax]で表されるタイミング（振動子位相時刻[φ0+2π(k-1)/mmax]）で、信号発生器１１は偏向部１５にパルス信号を送信する。この段階ではk=1であるため、パルス信号が送信されるときの振動子１２の振動の位相はφ0である。偏向部１５はパルス信号を受信すると、照射領域Pのレーザ光を測定領域Aの一方からレーザ光の移動を開始する。前述のとおり、このレーザ光は照明光レンズ１６により拡径され、被検査物体Sの測定領域Aの8分の1の面積に相当する照射領域Pに照射される（ステップＳ３）。
照明光は被検査物体Sの表面で反射され、該表面からの物体光はスペックル・シェアリング干渉計１７のビームスプリッタ１７１に入射する。その物体光の一部はビームスプリッタ１７１で反射され、位相シフタ１７３を通過した後に第１反射鏡１７２１で反射され、再度位相シフタ１７３を通過した後に一部がビームスプリッタ１７１を通過し、イメージセンサ１７５に入射する。また、ビームスプリッタ１７１に入射した物体光の残りは、ビームスプリッタ１７１を透過して第２反射鏡１７２２で反射され、一部がビームスプリッタ１７１で反射されてイメージセンサ１７５に入射する。前述の通り、イメージセンサ１７５では、被検査物体Sの表面上の多数の点で反射された物体光をそれぞれ異なる検出素子で検出する。また、イメージセンサ１７５では、レーザ光が測定領域Aを移動する間に入射する光の強度が積算される。これにより、測定領域A全体のスペックル像が得られる。ただし、ここで得られたスペックル像を形成する各点の強度信号は異なる振動子位相時刻のものである。つまり、測定領域Aのうち、レーザ光の移動開始側の端部の振動子位相時刻がφ0=0であり、そこから移動終了側の端部までの間で1周期となるように変化する振動子位相時刻での光強度を反映したスペックル像となる。このように、スペックル像では各点において照明が開始される振動子位相時刻（初期位相時刻と呼ぶ）が異なるが、求めた振動の位相を各点の初期位相時刻で補正することによって、全ての点で同一の振動子位相時刻での振動状態を算出することができる。
照明領域Pを所定時間、測定領域A内で走査させると、位相シフタ１７３を予め決められた距離Δdだけ移動させ、該位相シフタ１７３を通過する物体光（すなわち、点Xからの物体光）の位相を変化（シフト）させて、再び上記同様の測定を行う。これにより、点Xからの物体光と点Yからの物体光の位相差が変化する。続いて、さらに位相シフタ１７３を予め決められた距離Δdだけ移動させ（即ち初期位置から2×Δd移動させ）、該位相シフタ１７３を通過する物体光（すなわち、点Xからの物体光）の位相を変化（シフト）させて、再び上記同様の測定を行う。これにより、測定領域Aを形成する各点について、3つの異なる位相シフト量（図４(a)中に黒丸で示す3点）での干渉光強度が得られる。この3点の強度に基づき、図４(a)に示すように、振動子１２の振動の位相がφ0であるときの、位相シフタ１７３による位相のシフト量と、イメージセンサ１７５の検出素子で検出される干渉光の強度のグラフが得られる（ステップＳ４）。図４では検出強度が位相シフト量に対して正弦波状に変化する関係が連続的な曲線で示されているが、実際に観測されるのは離散的なデータであり、観測されたデータから最小二乗法等により上記の連続的な正弦波形を再現する。そのため、本実施例のように少なくとも3つの異なる位相シフト量での強度を検出する必要がある。本実施例では3つの異なる位相シフト量で干渉光強度を測定するが、4つ以上の位相シフト量で干渉光強度を測定するようにしてもよい。
続いて、kの値がmmaxに達しているか否かを確認する（ステップＳ５）。この段階では未だk=1であってmmax(この例では3)に達していないため、ステップＳ５での判定は「NO」となる。「NO」のときにはステップＳ６に進み、kの値を1だけ増加させて「2」とする（ステップＳ４での判定が「YES」の場合については後述する）。
次に、ステップＳ３に戻り、振動子１２の振動の位相が[φ0+2π(k-1)/mmax]においてk=2、すなわち[φ0+2π/3]≡φ1であるタイミング（振動子位相時刻φ1）毎に、信号発生器１１は偏向部１５にパルス信号を送信し、偏向部１５は該パルス信号を受信したタイミングで被検査物体Sの測定領域Aでのレーザ光の走査を開始する。そして、イメージセンサ１７５の各検出素子は点Xで反射されて位相シフタ１７３等を通過した物体光と点Yで反射された物体光の干渉光の強度を検出し、先の測定と同様に、レーザ光の走査中にイメージセンサ１７５の各検出素子に入射した光の強度を積算して記憶部２１に保存する。ここでも、上記同様に、測定領域Aを形成する各点について、3つの異なる位相シフト量での干渉光強度を測定し、振動子位相時刻φ1での、位相シフタ１７３による位相のシフト量と、イメージセンサ１７５の検出素子で検出される干渉光の強度のグラフを得る（ステップＳ４）。
図４(b)に、振動子位相時刻φ1における、位相シフタ１７３による位相のシフト量と、イメージセンサ１７５の検出素子で検出される干渉光の強度をグラフで示す。この図４(b)と前出の図４(a)を対比すると、干渉光の強度のピーク位置が両者でδφ1-δφ2だけでずれている。このずれは、点Xからの光路と点Yからの光路の位相差が、検出時の振動子１２の振動の位相の相違により変化したことを示している。この光路の位相差の変化は、点Xと点Yの面外方向の相対的な変位が変化していることを示している。
k=2における測定を実行した時点では、未だmmax(=3)に達していないため（ステップＳ５でNO）、ステップＳ６においてkの値を1だけ増加させて「3」とする。その後、ステップＳ３に戻り、振動子１２の振動の位相が[φ0+2π(k-1)/mmax]においてk=3、すなわち[φ0+4π/3]≡φ2であるタイミング（振動子位相時刻φ2）毎に、偏向部１５が被検査物体Sの測定領域Aでレーザ光を走査し、イメージセンサ１７５の各検出素子により干渉光の強度を測定する。ここでも、上記同様に、測定領域Aを形成する各点について、3つの異なる位相シフト量での干渉光強度を測定し、振動子位相時刻φ2での、位相シフタ１７３による位相のシフト量と、イメージセンサ１７５の検出素子で測定される干渉光の強度のグラフを得る（図４(c)、ステップＳ４）。
その後、ステップＳ５では、kの値が3であってmmaxに達しているため（ステップＳ５でYES）、ステップＳ７に移る。ステップＳ７では、信号発生器１１から振動子１２への交流電気信号の送信を停止し、それにより振動子１２が振動を停止する。ここまでの一連の動作は、測定制御部２２による制御の下で行われる。本実施例では、初期位相時刻を固定して3点の異なる位相シフト量で干渉データを取得するという手順で測定を行っているが、位相シフト量を固定して初期位相時刻を変更するという手順で測定を行うこともできる。即ち、ステップＳ４（3点以上の異なる位相シフト量での干渉データを取得）をステップＳ５でYESと判定した後に行い、併せてkの値を1に戻してステップＳ３に戻るようにすることもできる。
次に、振動状態決定部２３が、ステップＳ８及びＳ９において、以下の操作によって測定領域の各点における弾性波の振動状態（振幅及び位相）を求める。
まず、イメージセンサ１７５の各検出素子の測定信号（スペックル像を構成する信号）を各点の初期位相時刻で補正することによって、全ての測定信号を同一の振動子位相時刻のものに補正する。その後、イメージセンサ１７５の各検出素子につき、各振動の位相φ0、φ1、及びφ2においてそれぞれ、位相シフタ１７３による位相のシフト量を変化させた間に検出素子の出力が最大となる最大出力位相シフト量δφ0、δφ1、δφ2を求める（図４(a)〜(c)のグラフ参照）。さらに、振動の位相が異なる最大出力位相シフト量の差(δφ1-δφ0)、(δφ2-δφ1)、及び(δφ0-δφ2)を求める（ステップＳ８）。これら3つの最大出力位相シフト量の差は、点Xと点Yの面外方向の相対的な変位を、振動子１２の振動の位相が異なる（すなわち振動子位相時間が異なる）2つのデータで3組示している。これら3組の相対的な変位に基づいて、測定領域Aの各点における振動の振幅、振動の位相、及び振動の中心値（DC成分）、という3つのパラメータの値が得られる（ステップＳ９）。
こうして得られた各点の振動の振幅の値に基づき被検査物体Sの画像を作成する（ステップＳ１０）。例えば、測定点の振幅が大きいほど、その測定点に対応する画素の輝度を高くすることにより、振動の振幅の相違を画像の明暗の相違で表すことができる。
このように作成した画像に対して、既知の画像処理技術を用いて処理を行うことにより、被検査物体Sの表面の欠陥Dを検出する（ステップＳ１１）。例えば、画像上の位置の移動に伴って、画素の明暗が急変するところを欠陥として検出する。なお、この欠陥の検出は、画像処理で行う代わりに、検査者が画像を目視して行ってもよい。あるいは、画像を作成することなく、例えば不連続点を検出すること等により該測定領域内の欠陥を検出するようにしてもよい。このステップＳ１１の処理が終了すれば、本実施例の欠陥検査装置１０の動作及び欠陥検査方法の全ての工程が終了する。
本発明は上記実施例には限定されない。
上記の例ではmmax=3としたが、mmaxを[2n+1]（nは2以上の自然数）で表される数以上とし、これにより被検査物体Sに励起された弾性波のn次の成分（第n高調波成分）までを検出するように構成することができる。すなわち、点Xと点Yの面外方向の相対的な変位が(2n+1)組以上得られることから、基本波の振幅、基本波の位相、第２高調波の振幅、第２高調波の位相、…第n高調波の振幅、第n高調波の位相、及び弾性波のDC成分、という(2n+1)個のパラメータの値が得られる。
また、上記実施例では信号発生器１１と振動子１２、及び信号発生器１１と偏向部１５をケーブル（有線）で接続しているが、これらを無線で接続していてもよい。特に、信号発生器１１と振動子１２は無線で接続されていることが好ましい。信号発生器１１と振動子１２が無線で接続されていることにより、振動子１２を被検査物体Sに接触させたうえで、振動子１２以外の欠陥検査装置１０の構成要素が被検査物体Sから離れた位置に配置されていても、長いケーブルを用意する必要がない。このような無線を用いた構成は、例えば橋梁等のインフラ構造物のような大掛かりな被検査物体Sを検査する場合に有益である。
上記実施例では被検査物体Sの表面に接触させて使用する振動子１２を用いたが、その代わりに、被検査物体Sの表面に接触させない位置に置かれた強力なスピーカ等を振動子として用いてもよい。
また、上記実施形態における被検査物体Sからの反射光がイメージセンサへ入射するまでの光路上に、光学部品の保護や装置のSN比の向上等を目的として、ウィンドウや、種々の光学フィルタを配置しても良い。種々の光学フィルタとは、例えば偏光板、波長板、バンドパスフィルタ、ショートパスフィルタ、ロングパスフィルタ等である。
さらに、上記実施形態では、集光レンズ１７４は、ビームスプリッタ１７１とイメージセンサ１７５の間に配置されているが、この配置に限定されるものではない。また、集光レンズ１７４は、複数のレンズまたは複数のレンズ群によって構成されるものでもよい。例えば、集光レンズ１７４を第１レンズ群と第２レンズ群によって構成し、第１レンズ群を被検査物体Sとビームスプリッタ１７１の間、第２レンズ群をビームスプリッタ１７１とイメージセンサ１７５の間に配置することができる。この時、第１レンズ群をスペックル・シェアリング干渉計１７の筐体を分解することなく脱着可能な構成とした上で、第１レンズ群を焦点距離の異なる別のレンズ群と交換することにより、画角を簡便に変更することができる。これにより、例えば被検査物体Sとスペックル・シェアリング干渉計１７との間の距離に応じて画角を調整し、適切な測定領域の大きさを設定することで、様々な位置にある被検査物体に対して欠陥の検査が実現できるようになる。第１レンズ群に用いることのできるレンズは、例えば、望遠レンズ、広角レンズ、マクロレンズ、ズームレンズ等である。
その他、上記実施例では、１組の光源部（レーザ光源１３、ミラー１４、偏向部１５、及び照明光レンズ１６）のみを用いて測定領域Aを走査する構成としたが、２組以上の光源部を備えた構成を採ることもできる。例えば、図５（スペックル・シェアリング干渉計１７の内部構成の図示略）に示すように2組の光源部（レーザ光源１３a、ミラー１４a、偏向部１５a、及び照明光レンズ１６aからなる組と、レーザ光源１３b、ミラー１４b、偏向部１５b、及び照明光レンズ１６bからなる組）を用いる構成を採ることができる。この場合、図６に示すように測定領域Aを2つのレーザ光で走査し、測定に要する時間を半分に短縮することができる。
さらに、上記実施例では、スペックル・シェアリング法を用いて干渉像を取得する構成としたが、レーザ光を2つに分け、一方のみを被検査物体Sに照射して反射光を取得し、これを被検査物体Sに照射しない光と同一面に導いて干渉させる、参照光法を用いて干渉像を取得することもできる。
図７に参照光法を用いる振動測定装置の概略構成を示す。図２と共通の構成要素については下2桁又は3桁に同一の符号を付して説明を省略する。
この振動測定装置では、偏向部１１５及び照明光レンズ１１６を通過した光をビームスプリッタ１１８で2分割し、一方の光（透過光）を被検査物体Sに照射する。被検査物体Sの照射領域Pに照射され反射した光は、ビームスプリッタ１１８で反射されイメージセンサ１１７５に入射する。照明光レンズ１１６を通過しビームスプリッタ１１８で反射された他方の光（反射光）は、可動ミラー１１９で反射され、ビームスプリッタ１１８を通過してイメージセンサ１１７５に入射する。被検査物体Sの照射領域P内の点Zからの反射光と、被検査物体Sに照射されなかった、可動ミラー１１９上の点Z’からの反射光の干渉光は、集光レンズ１７４を通過してイメージセンサ１１７５の検出面の1点に入射する。こうして、イメージセンサ１１７５の検出面上に照射領域Pの干渉像が形成される。なお、被検査物体Sの測定領域Aをレーザ光で走査する手順は上記実施例と同様であり、また可動ミラー１１９を用いて位相シフト量を変化させる手順は従来知られたものであるため、これらの説明は省略する。
上記の各実施例では、図８の中段に示すようにレーザ光の走査周波数fsを振動子１２から付与され被検査物体Sを伝搬する機械的振動の振動周波数fsと同じ（fv=fs）としたが、必ずしもこれらを一致させる必要はない。例えば、図８の下段に示すように、レーザ光の走査周波数fsを振動周波数fvの半分、つまり、レーザ光で測定領域Aを1回走査する間に機械的振動が2周期進行するようにしてもよい。偏向部１５の構成上、レーザ光の走査周波数fsに上限があり、機械的振動の周波数fvに一致させることが難しい場合にはこの構成を採ることができる。このとき、測定領域A内の各点におけるレーザ光の点灯時間幅Tlと振動周期Tvは次式で表される。
Figure 2018169204
 式(1)において、Wmは測定領域の走査方向の長さ、Wlは照明領域の走査方向への長さ、fvは振動周波数、fsは走査周波数である。
上記実施例では、レーザ光の照射面積Pを測定領域Aの8分の1とし、測定領域Aの各点にレーザ光が照射される時間を振動周期の8分の1としたが、各点への照射時間は振動周期の3分の1以下であればよい。照射時間が短くなるほど干渉像のコントラストは向上する一方、照明光の光量は低下するため、これらの兼ね合いで適宜に決めればよく、8分の1〜50分の1程度とすることが好ましい。また、上記実施例では測定領域をライン状の照射領域により1次元的に走査したが、図９に示すように照射領域Pcを2次元的に走査するようにしてもよい。
１０、１０a、１１０…欠陥検査装置
１１、１１１…信号発生器
１２、１１２…振動子
１３、１３a、１３b、１１３…レーザ光源
１４、１４a、１４b、１１４…ミラー
１５、１５a、１５b、１１５…偏向部
１６、１６a、１６b…照明光レンズ
１７…スペックル・シェアリング干渉計
１７１…ビームスプリッタ
１７２１…第１反射鏡
１７２２…第２反射鏡
１７３…位相シフタ
１７４…集光レンズ
１７５、１１７５…イメージセンサ
１１８…ビームスプリッタ
１１９…可動ミラー
２０…制御・処理部
２１…記憶部
２２…測定制御部
２３…振動状態決定部
３０…入力部
４０…表示部
Ｄ…欠陥
Ｓ…被検査物体

Claims (11)

  1. a) 対象物体に振動を励起する励振部と、
    b) レーザ光源と、
    c) 前記レーザ光源からの光を前記対象物体の表面の測定領域の一部の領域に照射し、該照射領域を該測定領域内で移動させる走査部と、
    d) 前記励振部と前記レーザ光源と前記走査部を制御することにより、前記測定領域の各点に順次、前記振動の位相と同期した時刻に、照明時間幅を前記振動の周期の1/3以下としたレーザ光を照射する照射制御部と、
    e) 前記対象物体から反射してくる物体光を2分割した両光束に角度差をつけて干渉させることにより得られる干渉光を前記測定領域の各点について測定することにより、該照射領域内の近接した2点間の相対的な前後方向の変位を測定する変位測定部と、
    f) 前記測定領域の各点における前記位相に同期した時刻の、前記振動の1周期内の相異なる3点以上の時刻における近接した2点間の前後方向の変位に基き、前記測定領域全体の振動の状態を決定する振動状態決定部と
    を備えることを特徴とする振動測定装置。
  2. a) 対象物体に振動を励起する励振部と、
    b) レーザ光源と、
    c) 前記レーザ光源からの光を前記対象物体の表面の測定領域の一部の領域に照射し、該照射領域を該測定領域内で移動させる走査部と、
    d) 前記励振部と前記レーザ光源と前記走査部を制御することにより、前記測定領域の各点に順次、前記振動の位相と同期した時刻に、照明時間幅を前記振動の周期の1/3以下としたレーザ光を照射する照射制御部と、
    e) 前記測定領域の各点について、前記レーザ光を前記照射領域に照射する前に分割して取り出した参照光と、前記照射により該点から反射してくる物体光の干渉光を測定する干渉光測定部と、
    f) 前記測定領域の各点について、前記参照光と前記物体光の相対的光路長を前記レーザ光の波長に応じた距離だけ変化させることにより、該点の前後方向の変位を測定する変位測定部と、
    g) 前記測定領域の各点における前記位相に同期した時刻の、前記振動の1周期内の相異なる3点以上の時刻における前後方向の変位に基き、前記測定領域全体の振動の状態を決定する振動状態決定部と
    を備えることを特徴とする振動測定装置。
  3. 前記照射領域の面積が前記測定領域の面積の50分の1から8分の1の範囲内であることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動測定装置。
  4. 前記走査部による前記照射領域の走査周波数が前記振動の振動周波数の1/m（mは自然数）であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の振動測定装置。
  5. 前記位相に同期した時刻の数が[2n+1]（nは自然数）以上であって、前記測定領域の各点の前後方向の変位から前記振動のn次の高調波成分を検出することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の振動測定装置。
  6. 前記レーザ光源の点灯時間幅が前記振動の周期の1/3以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の振動測定装置。
  7. 前記レーザ光源が複数であり、それぞれのレーザ光源から前記対象物体の表面の測定領域の互いに異なる一部の領域に照射し、該照射領域を該測定領域内で移動させることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の振動測定装置。
  8. 請求項１から７のいずれかに記載の振動測定装置を備えた欠陥検査装置。
  9. a) 対象物体に振動を励起する工程と、
    b) 前記対象物体の測定領域の一部の領域にレーザ光を照射し、該照射領域を前記測定領域内で移動させることにより、前記測定領域の各点において前記振動の位相と同期した時刻に、照明時間幅を前記振動の周期の1/3以下としたレーザ光を照射する工程と、
    c) 前記対象物体から反射してくる物体光を2分割した両光束に角度差をつけて干渉させることにより得られる干渉光を前記測定領域の各点について測定することにより、該照射領域内の近接した2点間の相対的な前後方向の変位を測定する工程と、
    d) 前記測定領域の各点における前記位相に同期した時刻の、前記振動の1周期内の相異なる3点以上の時刻における近接した2点間の相対的な前後方向の変位に基き、前記測定領域全体の振動の状態を決定する工程と
    を含むことを特徴とする振動測定方法。
  10. a) 対象物体に振動を励起する工程と、
    b) 前記対象物体の測定領域の一部の領域にレーザ光を照射し、該照射領域を前記測定領域内で移動させることにより、前記測定領域の各点において前記振動の位相と同期した時刻に、照明時間幅を前記振動の周期の1/3以下としたレーザ光を照射する工程と、
    c) 前記測定領域の各点について、前記レーザ光を前記照射領域に照射する前に分割して取り出した参照光と、前記照射により前記点から反射してくる物体光の干渉光を測定する工程と、
    d) 前記測定領域の各点について、前記参照光と前記物体光の相対的光路長を前記レーザ光の波長に応じた距離だけ変化させることにより、該点の前後方向の変位を測定する工程と、
    e) 前記測定領域の各点における前記位相に同期した時刻の、前記振動の1周期内の相異なる3点以上の時刻における前後方向の変位に基き、前記測定領域全体の振動の状態を決定する工程と
    を含むことを特徴とする振動測定方法。
  11. 請求項９または１０に記載の振動測定方法の各工程を含む欠陥検査装置。
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