JP2020153866A - Program, method and device for evaluating internal structure - Google Patents

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Abstract

To provide a program, a method and a device for evaluating an internal structure of an analyte with high accuracy by taking into consideration a velocity distribution of an acoustic wave.SOLUTION: Provided is a program for evaluating an internal structure of an analyte S1 by using scattered waves according to an optoacoustic method. The program makes a computer execute: processing for preparing reference data assuming a velocity distribution of an acoustic wave in the analyte S1; processing for calculating a position of a scattering source where an optoacoustic wave is scattered from a specific position, on the basis of measurement data expressing an amplitude of the acoustic wave measured per time at the specific position among plural irradiation positions on the analyte S1 irradiated with pulse laser, and on the basis of the reference data; processing for mapping the measurement data to the position of the scattering source; and processing for repeating the calculation and mapping of the position of the scattering source, and superimposing the mappings for each of the plurality of the irradiation positions.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、光音響法を用いた被検体の内部構造評価のためのプログラム、方法および装置に関する。 The present invention relates to a program, method and apparatus for evaluating the internal structure of a subject using a photoacoustic method.

炭素繊維強化樹脂(Carbon Fiber Reinforced Plastic、CFRP)の重量比強度は鋼材のおよそ10倍であり、耐腐食性、耐疲労性等の長所を活かして、航空機産業をはじめとして幅広い分野で使用されている。FRPの市場は、CFRPだけでなくガラス繊維を利用したGlass FRPを含め、ますます広がりを見せている。このような市場において、日本が高い国際競争力を維持するためには、高い品質の製品を提供することはもちろん、使用時の安全性を担保するメンテナンス技術の確立が急務である。CFRPの部材に対し、現状の非破壊検査技術で検出および評価が困難とされるきずは、層間剥離(デラミネーション)や繊維−樹脂の界面剥離(デボンディング)等の損傷、繊維うねりや樹脂リッチ部などの形成不良部、コーティング剤の塗装不良などである。 Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) has a weight specific strength about 10 times that of steel, and is used in a wide range of fields including the aircraft industry, taking advantage of its advantages such as corrosion resistance and fatigue resistance. There is. The market for FRP is expanding more and more, including not only CFRP but also Glass FRP using glass fiber. In order for Japan to maintain a high level of international competitiveness in such a market, it is urgent to establish maintenance technology that not only provides high-quality products but also ensures safety during use. The flaws that are difficult to detect and evaluate with the current non-destructive inspection technology for CFRP members are damage such as delamination and fiber-resin interface peeling (debonding), fiber swell and resin rich. Poorly formed parts such as parts, poor coating of coating agent, etc.

航空機のCFRP部材の検査には、主に超音波探傷試験(Ultrasonic Testing、UT)と放射線透過試験が用いられている。特に、CFRP内部の面状きずの深さの推定にはUTが有効といわれている。しかし、一般的なパルスエコーUTでは、送信用の超音波プローブの帯域特性によって入射波のプロファイルが決まるため、表層付近のきずを評価したい場合、表面反射波のテール(尾引)に紛れてしまい検出が困難な場合がある。この検出が困難な領域は超音波の不感帯(Dead zone)と呼ばれる。 Ultrasonic testing (UT) and radiation transmission tests are mainly used for inspection of CFRP members of aircraft. In particular, UT is said to be effective in estimating the depth of planar flaws inside CFRP. However, in a general pulse echo UT, the profile of the incident wave is determined by the band characteristics of the ultrasonic probe for transmission, so if you want to evaluate the flaw near the surface layer, it will be confused with the tail of the surface reflected wave. It may be difficult to detect. This difficult-to-detect area is called the dead zone of ultrasonic waves.

このような超音波エコーにレーザを応用した技術として、レーザを被検体表面に照射し、その反射光が超音波エコーによってドップラーシフトを受けることを利用する方法も研究されている(特許文献1参照)。この方法では、ドップラーシフトを受けたレーザの観測タイミングのデータに基づいて開口合成法を適用し、欠陥の位置を特定している。 As a technique for applying a laser to such an ultrasonic echo, a method of irradiating the surface of a subject with a laser and utilizing the reflected light undergoing Doppler shift by the ultrasonic echo is also being studied (see Patent Document 1). ). In this method, the aperture synthesis method is applied based on the observation timing data of the laser subjected to the Doppler shift to identify the position of the defect.

近年では、レーザを用いた非接触UTも適用が試みられている。レーザ強度が低く、パルス幅が小さい場合など、一定条件下で光吸収による断熱膨張が起こり、熱弾性波が発生する。この熱弾性波は光音響波(Photoacoustic wave)と呼ばれている。光音響波は、特に医療の分野で盛んに利用が進んでおり、人体の場合は光が内部まで浸透することを利用して、皮膚の診断や血管イメージングへの応用が研究されている。 In recent years, non-contact UTs using lasers have also been attempted to be applied. Under certain conditions, such as when the laser intensity is low and the pulse width is small, adiabatic expansion occurs due to light absorption, and thermoelastic waves are generated. This thermoelastic wave is called a photoacoustic wave. Photoacoustic waves are being actively used especially in the medical field, and in the case of the human body, application to skin diagnosis and blood vessel imaging is being studied by utilizing the penetration of light into the inside.

一方、レーザ強度が高くなると、照射部位の物質の除去(アブレーション)が生じ、物質飛散の反力として圧力波が発生する。さらにレーザ強度を上げると、物質がイオン化してプラズマが生成され、それに伴い強い圧力波が発生する。これはレーザ誘起応力波あるいはフォトメカニカル波などと呼ばれる。 On the other hand, when the laser intensity becomes high, the substance at the irradiation site is removed (ablation), and a pressure wave is generated as a reaction force of the substance scattering. When the laser intensity is further increased, the substance is ionized to generate plasma, and a strong pressure wave is generated accordingly. This is called a laser-induced stress wave or a photomechanical wave.

特開平11−271281号公報JP-A-11-271281

上記のように、レーザを用いた非接触UTで発生した光音響波は、CFRPのように音響異方性のある被検体内部では弾性波として伝搬する。例えば、CFRPは繊維の配向や積層数によって強度が変化し、材料強度の方向依存性は音響異方性として表れる。それは結果として、超音波のエネルギー伝搬(波束)の速度が方向によって変化することになる。特に、一方向に強化したCFRPの場合、同じ縦波伝搬でも最も速い方向と遅い方向とでは3倍近い群速度の差が生じる。したがって、これらを考慮しないで映像化を行うと、きずでないものが誤って再構成されたり、あるいはきずが検出できなかったり、検査の精度を大きく損ねることになる。 As described above, the photoacoustic wave generated by the non-contact UT using a laser propagates as an elastic wave inside a subject having acoustic anisotropy such as CFRP. For example, the strength of CFRP changes depending on the orientation of fibers and the number of layers, and the direction dependence of material strength appears as acoustic anisotropy. As a result, the speed of ultrasonic energy propagation (wave packet) changes depending on the direction. In particular, in the case of CFRP reinforced in one direction, a difference in group velocity of nearly three times occurs between the fastest direction and the slowest direction even in the same longitudinal wave propagation. Therefore, if the visualization is performed without considering these, the non-scratched parts are erroneously reconstructed, the scratches cannot be detected, and the accuracy of the inspection is greatly impaired.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、音響波の速度分布を考慮して高精度で被検体の内部構造を評価することができるプログラム、方法および装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a program, a method and an apparatus capable of evaluating the internal structure of a subject with high accuracy in consideration of the velocity distribution of acoustic waves. The purpose.

(1)上記の目的を達成するため、本発明のプログラムは、光音響法による散乱波を用いた被検体の内部構造評価のためのプログラムであって、被検体内における音響波の速度分布を仮定する基準データを準備する処理と、パルスレーザを照射した前記被検体上の複数の照射位置のうちの特定位置において時刻ごとに測定された音響波の振幅を表す測定データおよび前記基準データに基づいて、前記特定位置から光音響波が散乱された散乱源の位置を算出する処理と、前記測定データを前記散乱源の位置にマッピングする処理と、前記複数の照射位置の各々に対して、前記散乱源の位置の算出および前記マッピングを繰り返させ、前記マッピングを重ね合わせる処理と、をコンピュータに実行させることを特徴としている。 (1) In order to achieve the above object, the program of the present invention is a program for evaluating the internal structure of a subject using scattered waves by a photoacoustic method, and determines the velocity distribution of acoustic waves in the subject. Based on the process of preparing the assumed reference data, the measurement data representing the amplitude of the acoustic wave measured at each time at a specific position among the plurality of irradiation positions on the subject irradiated with the pulse laser, and the reference data. The process of calculating the position of the scattering source in which the photoacoustic wave is scattered from the specific position, the process of mapping the measurement data to the position of the scattering source, and the above-mentioned processing for each of the plurality of irradiation positions. It is characterized in that the calculation of the position of the scattering source and the process of repeating the mapping and superimposing the mapping are performed by a computer.

このように、被検体内における音響波の速度分布を仮定する基準データを用いて散乱源の位置を算出するため、音響波の速度分布を考慮して高精度で被検体の内部構造を評価することができる。また、レーザ光を入力源とするため、光の入射方法によって広い周波数帯域を有するパルス状の光音響波が発生でき、不感帯の影響を小さくできる。 In this way, in order to calculate the position of the scattering source using the reference data that assumes the velocity distribution of the acoustic wave in the subject, the internal structure of the subject is evaluated with high accuracy in consideration of the velocity distribution of the acoustic wave. be able to. Further, since the laser beam is used as an input source, a pulsed photoacoustic wave having a wide frequency band can be generated depending on the method of incident light, and the influence of the dead zone can be reduced.

(2)また、本発明のプログラムは、前記基準データが、前記被検体内において音響波の速度分布に異方性を有するように設定されていることを特徴としている。これにより、音響異方性を有し、超音波のエネルギー伝搬(波束)の速度が方向によって変化する被検体に対しても、高精度で内部構造を評価することができる。 (2) Further, the program of the present invention is characterized in that the reference data is set so that the velocity distribution of the acoustic wave has anisotropy in the subject. As a result, the internal structure can be evaluated with high accuracy even for a subject having acoustic anisotropy and the velocity of ultrasonic energy propagation (wave packet) changing depending on the direction.

(3)また、本発明のプログラムは、前記基準データにおいて、事前に把握された前記被検体の形状または構造に応じて音響波の速度分布が設定されていることを特徴としている。これにより、実際の被検体と基準データとの間で整合性を高めてさらに高精度に内部構造を評価できる。 (3) Further, the program of the present invention is characterized in that the velocity distribution of the acoustic wave is set according to the shape or structure of the subject grasped in advance in the reference data. As a result, it is possible to improve the consistency between the actual subject and the reference data and evaluate the internal structure with higher accuracy.

(4)また、本発明のプログラムは、前記散乱源の位置での光音響波の速度で前記光音響波が前記特定位置から前記散乱源で散乱され前記特定位置に戻ってくると仮定し、前記散乱源の位置を算出することを特徴としている。これにより、照射方向の軸に対して対称な速度分布を有する被検体に対して効率的に散乱源の位置を算出できる。 (4) Further, the program of the present invention assumes that the photoacoustic wave is scattered by the scattering source from the specific position at the speed of the photoacoustic wave at the position of the scattering source and returns to the specific position. It is characterized in that the position of the scattering source is calculated. This makes it possible to efficiently calculate the position of the scattering source for a subject having a velocity distribution symmetrical with respect to the axis of the irradiation direction.

(5)また、本発明のプログラムは、前記測定データが、開口合成法で取得されたことを特徴としている。これにより、光音響波は照射位置で卓越して発生しているものと仮定でき、効率的に散乱源の位置を算出できる。 (5) Further, the program of the present invention is characterized in that the measurement data is acquired by the aperture synthesis method. As a result, it can be assumed that the photoacoustic wave is generated predominantly at the irradiation position, and the position of the scattering source can be calculated efficiently.

(6)また、本発明の方法は、光音響法による散乱波を用いた被検体の内部構造評価のための方法であって、被検体内における音響波の速度分布を仮定する基準データを準備するステップと、パルスレーザを照射した前記被検体上の複数の照射位置のうちの特定位置において時刻ごとに測定された音響波の振幅を表す測定データおよび前記基準データに基づいて、前記特定位置から光音響波が散乱された散乱源の位置を算出するステップと、前記測定データを前記散乱源の位置にマッピングするステップと、前記複数の照射位置の各々に対して、前記散乱源の位置の算出および前記マッピングを繰り返させ、前記マッピングを重ね合わせるステップと、を含むことを特徴としている。これにより、音響波の速度分布を考慮して高精度で被検体の内部構造を評価することができる。また、不感帯の影響を小さくできる。 (6) Further, the method of the present invention is a method for evaluating the internal structure of a subject using scattered waves by a photoacoustic method, and prepares reference data assuming a velocity distribution of acoustic waves in the subject. From the specific position based on the step to be performed and the measurement data representing the amplitude of the acoustic wave measured at each time at a specific position among the plurality of irradiation positions on the subject irradiated with the pulse laser and the reference data. The step of calculating the position of the scattering source in which the photoacoustic wave is scattered, the step of mapping the measurement data to the position of the scattering source, and the calculation of the position of the scattering source for each of the plurality of irradiation positions. It is characterized by including a step of repeating the mapping and superimposing the mapping. This makes it possible to evaluate the internal structure of the subject with high accuracy in consideration of the velocity distribution of the acoustic wave. Moreover, the influence of the dead zone can be reduced.

(7)また、本発明の装置は、光音響法による散乱波を用いた被検体の内部構造評価のための装置であって、被検体内における音響波の速度分布を仮定する基準データを管理する基準データ管理部と、パルスレーザを照射した前記被検体上の複数の照射位置のうちの特定位置において時刻ごとに測定された音響波の振幅を表す測定データおよび前記基準データに基づいて、前記特定位置から光音響波が散乱された散乱源の位置を算出する位置算出部と、前記測定データを前記散乱源の位置にマッピングするマッピング部と、前記複数の照射位置の各々に対して、前記散乱源の位置の算出および前記マッピングを繰り返させ、前記マッピングを重ね合わせるマッピング重畳部と、を備えることを特徴としている。これにより、音響波の速度分布を考慮して高精度で被検体の内部構造を評価することができる。また、不感帯の影響を小さくできる。 (7) Further, the apparatus of the present invention is an apparatus for evaluating the internal structure of a subject using scattered waves by a photoacoustic method, and manages reference data assuming a velocity distribution of acoustic waves in the subject. Based on the reference data management unit, measurement data representing the amplitude of the acoustic wave measured at each time at a specific position among the plurality of irradiation positions on the subject irradiated with the pulse laser, and the reference data. The position calculation unit that calculates the position of the scattering source in which the photoacoustic wave is scattered from the specific position, the mapping unit that maps the measurement data to the position of the scattering source, and the plurality of irradiation positions are described. It is characterized by including a mapping superimposing portion in which the calculation of the position of the scattering source and the mapping are repeated and the mappings are superimposed. This makes it possible to evaluate the internal structure of the subject with high accuracy in consideration of the velocity distribution of the acoustic wave. Moreover, the influence of the dead zone can be reduced.

本発明によれば、音響波の速度分布を考慮して高精度で被検体の内部構造を評価することができる。 According to the present invention, the internal structure of the subject can be evaluated with high accuracy in consideration of the velocity distribution of the acoustic wave.

(a)、(b)それぞれ本発明の光音響測定システムおよび光音響顕微鏡を示す概略図である。(A) and (b) are schematic views showing the photoacoustic measurement system and the photoacoustic microscope of the present invention, respectively. 本発明の装置(PC)の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the apparatus (PC) of this invention. 本発明の方法全体を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the whole method of this invention. イメージング処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the imaging process. 光音響顕微鏡の照射位置周辺を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the periphery of the irradiation position of a photoacoustic microscope. CFRPおよび水の特性値を示す表である。It is a table which shows the characteristic value of CFRP and water. (a)〜(c)それぞれCFRP供試体の外観を示す写真、構造を示す概略図および顕微鏡写真である。(A) to (c) are photographs showing the appearance of the CFRP specimen, schematic views showing the structure, and micrographs, respectively. (a)〜(c)CFRPの供試体における速度分布の斜視図、xy断面図およびzx断面図である。(A) to (c) are perspective views, xy cross-sectional views, and zx cross-sectional views of the velocity distribution in the CFRP specimen. (a)、(b)供試体中の剥離の位置を示す斜視図および写真である。(A) and (b) are perspective views and photographs showing the positions of peeling in the specimen. (a)、(b)それぞれA点およびB点における光音響波を示すグラフである。(A) and (b) are graphs showing photoacoustic waves at points A and B, respectively. 光音響波のフーリエ変換スペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the Fourier transform spectrum of a photoacoustic wave. (a)〜(c)それぞれフィルタありでのイメージングの結果を示す斜視図、xz図、フィルタなしでのイメージングの結果を示すxz図である。(A) to (c) are a perspective view showing the result of imaging with a filter, an xz diagram, and an xz diagram showing the result of imaging without a filter, respectively.

[光音響測定システムの構成]
図1(a)、(b)は、それぞれ光音響測定システム100および光音響顕微鏡130を示す概略図である。図1(a)に示すように光音響測定システム100は、PC110、スキャナコントローラ122、スイッチング回路125、パルスレーザ光源128、光音響顕微鏡130、ステージ140、フォトデテクタ150、DAQ160、アンプ170、レシーバ180を有している。
[Configuration of photoacoustic measurement system]
1 (a) and 1 (b) are schematic views showing a photoacoustic measurement system 100 and a photoacoustic microscope 130, respectively. As shown in FIG. 1A, the photoacoustic measurement system 100 includes a PC 110, a scanner controller 122, a switching circuit 125, a pulse laser light source 128, a photoacoustic microscope 130, a stage 140, a photodetector 150, a DAC, an amplifier 170, and a receiver 180. have.

また、光音響顕微鏡130は、ファイバ132、レンズ134、ビームスプリッタ135、アキシコンレンズ136、反射プリズム137、トランスデューサ138を有しており、焦点領域C1へパルスレーザを集光するとともに、生じた光音響波の反射波を検出する。 Further, the photoacoustic microscope 130 includes a fiber 132, a lens 134, a beam splitter 135, an axicon lens 136, a reflection prism 137, and a transducer 138, and the pulse laser is focused on the focal region C1 and the generated light is generated. Detects reflected waves of acoustic waves.

光音響測定システム100では、水に浸した被検体S1に対してレーザを照射し、被検体S1で発生した超音波領域の光音響波を受信して、それをもとに内部像をイメージングする。光音響測定システム100では、特にCFRPの表面直下のきずの非破壊評価を行うのに適している。 The photoacoustic measurement system 100 irradiates a subject S1 immersed in water with a laser, receives a photoacoustic wave in an ultrasonic region generated by the subject S1, and images an internal image based on the received ultrasonic wave. .. The photoacoustic measurement system 100 is particularly suitable for non-destructive evaluation of flaws just below the surface of CFRP.

PC110は、システム内の各部を制御するとともに、内部構造評価のために処理を行う装置としても機能する。具体的には、PC110は、ユーザから被検体S1の情報や測定条件の入力を受け付け、パルスレーザの照射、音響波のデータ収集に関する制御および収集されたデータの処理を行う。 The PC 110 controls each part in the system and also functions as a device that performs processing for evaluating the internal structure. Specifically, the PC 110 receives the input of the information of the subject S1 and the measurement conditions from the user, controls the irradiation of the pulse laser, the data collection of the acoustic wave, and processes the collected data.

スキャナコントローラ122は、測定条件に応じてラスタスキャンのためのステージ移動の制御を行う。その結果、反射プリズム137およびトランスデューサ138を被検体S1に対して走査できる。そして、この2次元走査により被検体S1にフォーカスされたパルス光の焦点とトランスデューサ138の音波焦点の位置を移動し、各測定位置において光音響波を検出することで2次元面の光音響信号データを取得できる。このようにして2Dラスタスキャンを行うことができる。 The scanner controller 122 controls the stage movement for raster scan according to the measurement conditions. As a result, the reflection prism 137 and the transducer 138 can be scanned with respect to the subject S1. Then, the position of the pulsed light focused on the subject S1 and the position of the sound wave focal point of the transducer 138 are moved by this two-dimensional scanning, and the photoacoustic wave is detected at each measurement position to obtain the photoacoustic signal data of the two-dimensional surface. Can be obtained. In this way, 2D raster scan can be performed.

スイッチング回路125は、印加される電圧に基づいてQ値を決定し、Qスイッチレーザによって励起された波長可変レーザを含む波長可変パルスレーザを生成する。Q−スイッチ法では、非常に多数の原子が励起状態になるまでQ値を低くして発振を抑え、励起状態の原子が十分に多くなったのち再びQ値を高くし発振させる方法である。 The switching circuit 125 determines the Q value based on the applied voltage and produces a tunable pulsed laser including a tunable laser excited by the Q-switched laser. The Q-switch method is a method in which the Q value is lowered until a very large number of atoms are in an excited state to suppress oscillation, and after the number of atoms in the excited state is sufficiently large, the Q value is raised again to oscillate.

レーザ発振の開始条件は、光共振器の性能、すなわち共振の鋭さを表すQ値に強く依存する。レーザ媒質が励起を受けている間、Q値を小さく抑えておいて、反転分布が十分に大きくなったところで短時間内にQ値を高めると、媒質内に蓄えられたエネルギーが一度に放出される。 The start condition of laser oscillation strongly depends on the performance of the optical resonator, that is, the Q value representing the sharpness of resonance. If the Q value is kept small while the laser medium is being excited and the Q value is increased within a short time when the population inversion is sufficiently large, the energy stored in the medium is released at once. To.

パルスレーザ光源128はPC110の制御によりパルス光を発光する。光音響顕微鏡130は、レーザ光を入力源とするため、光の入射方法によって広い周波数帯域を有するパルス状の光音響波を発生でき、不感帯の影響を小さくできる。 The pulsed laser light source 128 emits pulsed light under the control of the PC 110. Since the photoacoustic microscope 130 uses laser light as an input source, a pulsed photoacoustic wave having a wide frequency band can be generated depending on the method of incident light, and the influence of the dead zone can be reduced.

光音響顕微鏡130は、散乱された光音響波を検出する反射型の光音響顕微鏡130である。光音響顕微鏡130には、開口合成法が適用されていることが好ましい。これにより、光音響波は照射位置で卓越して発生しているものと仮定でき、効率的に散乱源の位置を算出できる。ファイバ132は、パルス光を被検体S1に照射するための光学系に導光する。発生したパルスレーザ光はファイバ132を介して光学系に導入される。レンズ134は、ファイバ132から出たパルスレーザ光をコリメートする。ビームスプリッタ135は、光学系において一部のパルスレーザ光を反射させる。 The photoacoustic microscope 130 is a reflection type photoacoustic microscope 130 that detects scattered photoacoustic waves. It is preferable that the aperture synthesis method is applied to the photoacoustic microscope 130. As a result, it can be assumed that the photoacoustic wave is generated predominantly at the irradiation position, and the position of the scattering source can be calculated efficiently. The fiber 132 guides the pulsed light to the optical system for irradiating the subject S1. The generated pulsed laser beam is introduced into the optical system via the fiber 132. The lens 134 collimates the pulsed laser beam emitted from the fiber 132. The beam splitter 135 reflects some pulsed laser light in the optical system.

ファイバ132から出た光はコリメートされ、アキシコンレンズ136は、ビームスプリッタ135を透過したパルスレーザ光を円環状に広げる。そして、コンデンサレンズで集光されたパルスレーザは対象位置に照射される。なお、光音響波の測定時には被検体S1上に光焦点が位置するように位置合わせをする。トランスデューサ138と被検体S1との間には、水が存在する。このようにして、パルス光は被検体S1に吸収され光音響波が発生する。 The light emitted from the fiber 132 is collimated, and the axicon lens 136 spreads the pulsed laser beam transmitted through the beam splitter 135 in an annular shape. Then, the pulsed laser focused by the condenser lens is irradiated to the target position. When measuring the photoacoustic wave, the alignment is performed so that the optical focus is located on the subject S1. Water is present between the transducer 138 and the subject S1. In this way, the pulsed light is absorbed by the subject S1 and a photoacoustic wave is generated.

トランスデューサ138は、反射プリズム137の中央付近に設置されている。トランスデューサ138は、音響レンズを有し、その焦点位置から発生した音波を高い感度で検出できる。 The transducer 138 is installed near the center of the reflection prism 137. The transducer 138 has an acoustic lens and can detect sound waves generated from its focal position with high sensitivity.

また、トランスデューサ138は、コンデンサレンズの内側に集束型超音波プローブを有しており、発生した光音響波を検出し、音圧強度変化を電気信号に変換する。音響レンズの焦点位置は、集光された光の焦点位置に一致する。プローブで得られた信号はアンプ170で増幅された後、レシーバ180で受信される。 Further, the transducer 138 has a focusing type ultrasonic probe inside the condenser lens, detects the generated photoacoustic wave, and converts the change in sound pressure intensity into an electric signal. The focal position of the acoustic lens coincides with the focal position of the focused light. The signal obtained by the probe is amplified by the amplifier 170 and then received by the receiver 180.

ステージ140は、被検体S1を載置でき、x−y軸の移動により2次元面上の走査可能にする。また、ステージ140は、走査可能な2次元面と垂直な方向の調整を行う機構の上に設置されている。 The stage 140 can carry the subject S1 and can scan on a two-dimensional surface by moving the xy axis. Further, the stage 140 is installed on a mechanism for adjusting the direction perpendicular to the scannable two-dimensional surface.

フォトデテクタ150は、ビームスプリッタ135で反射されレンズで集光された一部のパルス光を参照光として検知する。フォトデテクタ150で検知されたパルス光信号は、例えば光量変動に起因する誤差の補正または測定タイミングのトリガ信号として使用される。 The photodetector 150 detects a part of the pulsed light reflected by the beam splitter 135 and focused by the lens as reference light. The pulsed light signal detected by the photodetector 150 is used, for example, as a trigger signal for correcting an error caused by a fluctuation in the amount of light or measuring timing.

DAQ160は、検知された光音響信号を量子化してデジタル信号に変換する。DAQ160に蓄積されたデータはPC110に送信され、PC110のメモリに蓄積する。PC110は信号処理および画像処理を行う。PC110は、画像処理されたデータをディスプレイに出力する。アンプ170は、電気信号に変換された光音響信号の信号強度を増幅する。レシーバ180は、増幅された光音響信号を受信し、DAQ160を介してPC110へ送信する。 The DATA 160 quantizes the detected photoacoustic signal and converts it into a digital signal. The data stored in the DATA 160 is transmitted to the PC 110 and stored in the memory of the PC 110. The PC 110 performs signal processing and image processing. The PC 110 outputs the image-processed data to the display. The amplifier 170 amplifies the signal strength of the photoacoustic signal converted into an electrical signal. The receiver 180 receives the amplified photoacoustic signal and transmits it to the PC 110 via the DAQ 160.

[処理装置としてのPCの構成]
図2は、PC110の構成を示すブロック図である。PC110は、プロセッサおよびメモリを有する内部構造評価のための装置の一例であり、光音響法による測定データを用いて被検体S1の内部構造を評価する。PC110は、パルスレーザ制御部111、モニタデータ管理部112、基準データ管理部113、測定データ管理部114、位置算出部115、マッピング部116、マッピング重畳部117および再構成部118を有している。
[Configuration of PC as processing device]
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the PC 110. The PC 110 is an example of a device for evaluating an internal structure having a processor and a memory, and evaluates the internal structure of the subject S1 using measurement data by a photoacoustic method. The PC 110 includes a pulse laser control unit 111, a monitor data management unit 112, a reference data management unit 113, a measurement data management unit 114, a position calculation unit 115, a mapping unit 116, a mapping superimposition unit 117, and a reconstruction unit 118. ..

パルスレーザ制御部111は、測定条件に応じて被検体S1へのパルスレーザの照射を制御するとともに、パルスレーザが照射されるステージ140の移動も制御し、ラスタスキャンを可能にする。 The pulsed laser control unit 111 controls the irradiation of the subject S1 with the pulsed laser according to the measurement conditions, and also controls the movement of the stage 140 to which the pulsed laser is irradiated, enabling raster scanning.

モニタデータ管理部112は、ビームスプリッタで反射された一部のパルス光(参照光)の信号をモニタデータとして管理し、光音響信号の光量変動に起因する誤差を補正したり、光音響波の測定タイミングを決めたりする。 The monitor data management unit 112 manages a signal of a part of pulsed light (reference light) reflected by the beam splitter as monitor data, corrects an error caused by a fluctuation in the amount of light of the photoacoustic signal, and corrects an error caused by a fluctuation in the amount of light of the photoacoustic signal. Determine the measurement timing.

基準データ管理部113は、被検体S1内における音響波の速度分布を仮定する基準データを管理する。基準データは、被検体S1内の位置において異方性を有する音響波の速度分布が設定されている場合に有効である。これにより、音響異方性を有し、超音波のエネルギー伝搬(波束)の速度が方向によって変化する部材に対しても、高精度で内部構造を評価できる。 The reference data management unit 113 manages reference data that assumes the velocity distribution of the acoustic wave in the subject S1. The reference data is effective when the velocity distribution of the acoustic wave having anisotropy is set at the position in the subject S1. As a result, the internal structure can be evaluated with high accuracy even for a member having acoustic anisotropy and the velocity of ultrasonic energy propagation (wave packet) changing depending on the direction.

基準データは、事前に把握された被検体S1の形状または構造に応じて音響波の速度分布が設定されていることが好ましい。例えば、長方形の板の長手方向に異方性が大きい場合には形状から内部における音響波の速度分布を設定できる。なお、被検体S1の形状または構造には、外部から観察できる被検体の外形だけでなく、被検体の内部構造を含む。例えば、被検体S1の内部が2層構造を有し、2層それぞれの速度分布が異なる場合が挙げられる。そして、実際の被検体S1と基準データとの間で整合性を高めてさらに高精度に内部構造を評価できる。測定データ管理部114は、パルスレーザの照射位置において測定された位置および時間に対応付けた振幅のデータを測定データとして管理する。 As the reference data, it is preferable that the velocity distribution of the acoustic wave is set according to the shape or structure of the subject S1 grasped in advance. For example, when the anisotropy is large in the longitudinal direction of the rectangular plate, the velocity distribution of the acoustic wave inside can be set from the shape. The shape or structure of the subject S1 includes not only the outer shape of the subject that can be observed from the outside but also the internal structure of the subject. For example, there is a case where the subject S1 has a two-layer structure and the velocity distributions of the two layers are different. Then, the consistency between the actual subject S1 and the reference data can be improved, and the internal structure can be evaluated with higher accuracy. The measurement data management unit 114 manages the amplitude data associated with the measured position and time at the irradiation position of the pulse laser as the measurement data.

位置算出部115は、測定データおよび基準データに基づいて、特定位置から光音響波が散乱された散乱源の位置を算出する。パルスレーザを照射した被検体S1上の複数の照射位置のうちの特定位置において時刻ごとに測定された音響波の振幅を表す。このように速度分布を仮定した基準データを用いることで、距離と方向により散乱源の位置を特定できる。このようにして音響波の速度分布を考慮して高精度で被検体S1の内部構造を評価することができる。散乱源の位置の算出の詳細は後述する。 The position calculation unit 115 calculates the position of the scattering source in which the photoacoustic wave is scattered from the specific position based on the measurement data and the reference data. It represents the amplitude of the acoustic wave measured for each time at a specific position among a plurality of irradiation positions on the subject S1 irradiated with the pulse laser. By using the reference data assuming the velocity distribution in this way, the position of the scattering source can be specified by the distance and the direction. In this way, the internal structure of the subject S1 can be evaluated with high accuracy in consideration of the velocity distribution of the acoustic wave. Details of the calculation of the position of the scattering source will be described later.

マッピング部116は、測定データから音響波の振幅を散乱源の位置にマッピングする。マッピング重畳部117は、複数の照射位置の各々に対して、散乱源の位置の算出およびマッピングを繰り返させ、マッピングを重ね合わせる。再構成部118は、色をつけた3次元イメージでマッピングを重ね合わせた結果をディスプレイ等により出力できる。 The mapping unit 116 maps the amplitude of the acoustic wave from the measurement data to the position of the scattering source. The mapping superimposition unit 117 repeats the calculation and mapping of the position of the scattering source for each of the plurality of irradiation positions, and superimposes the mapping. The reconstruction unit 118 can output the result of superimposing the mapping on the colored three-dimensional image on a display or the like.

[内部構造評価の手順]
次に、上記のように構成された光音響測定システム100を用いた内部構造評価のための方法を説明する。図3は、被検体S1の内部構造評価のための方法全体を示すフローチャートである。
[Procedure for internal structure evaluation]
Next, a method for evaluating the internal structure using the photoacoustic measurement system 100 configured as described above will be described. FIG. 3 is a flowchart showing the entire method for evaluating the internal structure of the subject S1.

まず、ステージ140に被検体を設置し、水に浸す(ステップS101)。そして、ユーザは装置110に被検体の情報および測定条件を入力する(ステップS102)。被検体の情報には、設置された被検体の大きさ、形状等の情報および各位置における音響波の速度の情報が含まれる。なお、速度は、大きさおよび向きからなるベクトル量であり、通常は被検体内で、照射軸に対して対称に分布する。また、測定条件には、パルスレーザの強度、被検体における測定範囲の情報が挙げられる。 First, the subject is placed on the stage 140 and immersed in water (step S101). Then, the user inputs the subject information and the measurement conditions into the device 110 (step S102). The subject information includes information such as the size and shape of the installed subject and information on the velocity of the acoustic wave at each position. The velocity is a vector quantity consisting of magnitude and direction, and is usually distributed symmetrically with respect to the irradiation axis in the subject. Further, the measurement conditions include information on the intensity of the pulsed laser and the measurement range in the subject.

例えば、CFPRのプリプレグが被検体である場合には、照射面に平行かつ互いに垂直な各層の繊維方向にx方向およびy方向をとり、xおよびy方向に向かう音響波の速度は他の方向に比べて速さを大きく設定することができる。また、被検体の厚み方向であるz方向については、音響波の速度を一様に設定してもよいし、細かく各層の速度分布を設定してもよい。 For example, when the CFPR prepreg is a subject, the fibers of each layer parallel to the irradiation surface and perpendicular to each other have x and y directions, and the velocity of the acoustic wave toward the x and y directions is in the other direction. The speed can be set larger than that. Further, in the z direction, which is the thickness direction of the subject, the velocity of the acoustic wave may be set uniformly, or the velocity distribution of each layer may be set finely.

次に、測定条件に従って、特定位置にパルスレーザを被検体に照射する(ステップS103)。光音響測定システム100では、ステージ140の移動とレーザの照射とが連動しており、各位置でz方向に発振されたレーザは被検体S1表面に照射される。そして、レーザ照射とともにパルスレーザにより生じた光音響波を検出する(ステップS104)。 Next, the subject is irradiated with a pulse laser at a specific position according to the measurement conditions (step S103). In the photoacoustic measurement system 100, the movement of the stage 140 and the irradiation of the laser are linked, and the laser oscillated in the z direction at each position irradiates the surface of the subject S1. Then, the photoacoustic wave generated by the pulse laser is detected together with the laser irradiation (step S104).

ラスタスキャンによる照射位置のすべてに照射が終了したか否かを判定し(ステップS105)、終了していない場合には、イメージング処理を行い(ステップS106)、次の特定位置に照射先を移動し(ステップS107)、ステップS103に戻る。照射位置のすべてへの照射が終了した場合には、測定を終了する。イメージング処理の詳細については以下に説明する。 It is determined whether or not the irradiation has been completed at all the irradiation positions by the raster scan (step S105), and if not, the imaging process is performed (step S106), and the irradiation destination is moved to the next specific position. (Step S107), the process returns to step S103. When the irradiation to all the irradiation positions is completed, the measurement is terminated. Details of the imaging process will be described below.

なお、上記の例では、照射位置が変わるごとにイメージング処理し、音響波の測定と並行してイメージング処理を行っているが、完全にデータ収集を終了してからデータの処理を行ってもよい。 In the above example, the imaging process is performed every time the irradiation position changes, and the imaging process is performed in parallel with the measurement of the acoustic wave. However, the data may be processed after the data collection is completely completed. ..

図4は、イメージング処理を示すフローチャートである。基準データはあらかじめ準備されているものとする。まず、PC110は、測定データの入力を受け付ける(ステップS201)。そして、測定データと基準データに基づいて、各時刻にパルスレーザの照射位置に振幅をもたらす光音響波の散乱源の位置を算出する(ステップS202)。なお、散乱源の位置の算出の詳細については後述する。 FIG. 4 is a flowchart showing the imaging process. It is assumed that the reference data is prepared in advance. First, the PC 110 accepts the input of measurement data (step S201). Then, based on the measurement data and the reference data, the position of the scattering source of the photoacoustic wave that brings the amplitude to the irradiation position of the pulse laser at each time is calculated (step S202). The details of calculating the position of the scattering source will be described later.

得られた散乱源の位置に、振幅をマッピングし(ステップS203)、各時刻のマッピングを重ね合わせる(ステップS204)。すべての照射位置でのマッピングが終了したか否かを判定し(ステップS205)、終了していない場合には、ステップS203に戻り、照射位置を変えてマッピングの重ね合わせを繰り返す。一方、すべての照射位置でのマッピングの重ね合わせが終了した場合には、マッピング結果を3次元イメージに再構成して出力し(ステップS206)、マッピングのデータ処理を終了する。 The amplitude is mapped to the position of the obtained scattering source (step S203), and the mapping of each time is superimposed (step S204). It is determined whether or not the mapping at all the irradiation positions is completed (step S205), and if not, the process returns to step S203, the irradiation positions are changed, and the mapping is repeated. On the other hand, when the superposition of the mapping at all the irradiation positions is completed, the mapping result is reconstructed into a three-dimensional image and output (step S206), and the mapping data processing is completed.

[散乱源の算出方法]
(光音響波の発生原理)
レーザ光を物質に照射すると、物質の光学特性に従って散乱あるいは吸収される。吸収されたエネルギーで光熱的作用や光化学的作用が生じる。非常に短いパルス幅で光を物質に照射すると短時間に熱膨張が生じ、これによって応力が生じる。この原理を利用して、超音波領域の光音響波を発生させる。発生した光音響波のプロファイルは、使用するレーザ光の波長やパルス幅に依存する。また、z=0にレーザ光が一様に照射されたときの深さ+z方向に分布する光音響波の圧力pは、光吸収係数とグリュナイゼン係数Γ(=K/Cp/ρ)に比例する。
[Calculation method of scattering source]
(Principle of photoacoustic wave generation)
When a substance is irradiated with laser light, it is scattered or absorbed according to the optical properties of the substance. The absorbed energy causes photothermal and photochemical actions. Irradiating a substance with light with a very short pulse width causes thermal expansion in a short time, which causes stress. Using this principle, a photoacoustic wave in the ultrasonic region is generated. The profile of the generated photoacoustic wave depends on the wavelength and pulse width of the laser beam used. Further, the pressure p of the photoacoustic wave distributed in the depth + z direction when the laser beam is uniformly irradiated at z = 0 is proportional to the light absorption coefficient and the Grüneisen coefficient Γ (= K / Cp / ρ). ..

ここで、Cpは物質の定圧比熱、は熱膨張係数、Kは体積弾性率、ρは密度であり、Fはフルエンス(単位面積あたりの入射光のエネルギー)である。この圧力分布が波源となって、光音響波は−zと+z方向に伝搬していく。 Here, Cp is the constant pressure specific heat of the substance, is the coefficient of thermal expansion, K is the volume elasticity, ρ is the density, and F is the fluence (energy of incident light per unit area). This pressure distribution serves as a wave source, and the photoacoustic wave propagates in the −z and + z directions.

(光音響波の群速度)
群速度gは、式(2)によって算出できる。ρは密度、vは位相速度、cは弾性スティフネス、dは波動の偏向方向、nは、位相の伝搬方向であり、i,l,kには総和規約を適用している。
(Group velocity of photoacoustic waves)
The group velocity g can be calculated by the equation (2). ρ is the density, v is the phase velocity, c is the elastic stiffness, d is the wave deflection direction, n is the phase propagation direction, and the summation rule is applied to i, l, and k.

被検体における群速度は、3次元分布g(=(g,g,g))として得られる。したがって、被検体に音響異方性がある場合、方向によって異なる群速度が得られる。このような群速度を用いることで、音速の方向依存性を考慮した映像化アルゴリズムを実現できる。 The group velocity in the subject is obtained as a three-dimensional distribution g (= (g x , gy , g z )). Therefore, when the subject has acoustic anisotropy, different group velocities can be obtained depending on the direction. By using such a group velocity, it is possible to realize a visualization algorithm considering the direction dependence of the speed of sound.

(開口合成法)
ここでは開口合成法(SAFT)による被検体内部の3次元映像化を行う。図5は、光音響顕微鏡130の照射位置周辺を示す断面図である。音速分布の方向依存性を考慮したSAFTにおいて、図5に示すようにレーザ光の照射点の座標をoとすると、i点でレーザ光を照射後、同位置で受信した光音響波形はV(o,t)と表せる。
(Aperture synthesis method)
Here, three-dimensional visualization of the inside of the subject is performed by the aperture synthesis method (SAFT). FIG. 5 is a cross-sectional view showing the periphery of the irradiation position of the photoacoustic microscope 130. In SAFT considering the direction dependence of the sound velocity distribution, assuming that the coordinates of the irradiation point of the laser beam are o i as shown in FIG. 5, the photoacoustic waveform received at the same position after the laser beam is irradiated at the i point is V. I expressed (o i, t) and.

このとき、時刻tの波動の発生源を推定する。式(1)と図6より、CFRPのような被検体では、光音響波は水との接触面(被検体表面)で卓越して発生しているものと仮定できる。すなわち、時刻tの波動は、レーザ光の照射点の被検体表面で発生した光音響波が、内部の散乱体から戻ってくるまでの時間とみなすことができる。光音響波の速度分布gを考慮すると、照射点oと散乱源rまでの距離r(=|r−o|)は式(3)で与えられる。
At this time, the source of the wave at time t is estimated. From equation (1) and FIG. 6, it can be assumed that in a subject such as CFRP, the photoacoustic wave is predominantly generated on the contact surface with water (subject surface). That is, the wave motion at time t can be regarded as the time until the photoacoustic wave generated on the surface of the subject at the irradiation point of the laser beam returns from the internal scatterer. Considering the velocity distribution g of the photoacoustic wave, the distance r (= | r−o i |) between the irradiation point o i and the scattering source r is given by the equation (3).

式(3)を用いて、時刻tの振幅値V(o,t)は位置rで発生した波動だとみなし、この振幅値を位置rにh(o,r)としてマッピングする。レーザ光の照射点を移動しながら、振幅値を重ね合わせる。
Using equation (3), the amplitude value V of the time t (o i, t) is regarded as it waves generated at the position r, h i (o i, r) in the amplitude value location r mapped as. The amplitude values are superimposed while moving the irradiation point of the laser beam.

式(4)では、光音響波の到達する範囲(開口d)を仮定し、それによる振幅強度の補正wを考慮している。
In the equation (4), the reachable range of the photoacoustic wave (opening d 0 ) is assumed, and the correction w of the amplitude intensity due to this is taken into consideration.

ここでdは、図5に示すように、レーザ光の照射点の法線方向と位置rとの距離を表す。そして、レーザ光の照射位置を変えながら対象領域の全ての位置でHを計算し、それに色を付けて表示する。 Here, d represents the distance between the normal direction of the irradiation point of the laser beam and the position r, as shown in FIG. Then, H is calculated at all positions in the target region while changing the irradiation position of the laser beam, and the H is colored and displayed.

式(3)に示すように、散乱源の位置を算出する際には、散乱源の位置での光音響波の速度で光音響波が特定位置から散乱源で散乱され特定位置に戻ってくると仮定し、散乱源の位置を算出することが好ましい。これにより、照射方向の軸に対して対称な速度分布を有する被検体に対して効率的に散乱源の位置を算出できる。 As shown in equation (3), when calculating the position of the scattering source, the photoacoustic wave is scattered from the specific position by the scattering source at the speed of the photoacoustic wave at the position of the scattering source and returns to the specific position. It is preferable to calculate the position of the scattering source on the assumption that. This makes it possible to efficiently calculate the position of the scattering source for a subject having a velocity distribution symmetrical with respect to the axis of the irradiation direction.

[実施例]
(概要)
CFRPの光学特性について調査し、CFRP内部を伝搬する光音響波の群速度について確認した。積層方向が互いに直交するCFRP(クロスプライCFRP)の供試体を用意し、その表面直下に深さの異なる人工剥離を作成した。光音響波がCFRPの表層で主に発生することを利用し、光を供試体の表面に集束させた。光音響波の検出には開口合成法を適用した。
[Example]
(Overview)
The optical characteristics of CFRP were investigated, and the group velocity of photoacoustic waves propagating inside CFRP was confirmed. Specimens of CFRP (cross-ply CFRP) whose stacking directions are orthogonal to each other were prepared, and artificial peeling having different depths was created just below the surface. Light was focused on the surface of the specimen by utilizing the fact that photoacoustic waves are mainly generated on the surface layer of CFRP. Aperture synthesis was applied to detect photoacoustic waves.

(水とCFRP)
光音響測定システム100では、被検体を水没させて測定がなされる。図6は、CFRPおよび水の特性値を示す表である。図6には、CFRPと水のグリュナイゼン係数が記載されている。CFRPのパラメータは、炭素繊維と樹脂のパラメータから複合則を用いて算出できる。光音響波は被検体の表面から伝搬を開始するものとして、アルゴリズムを構築することができる。
(Water and CFRP)
In the photoacoustic measurement system 100, the subject is submerged in water for measurement. FIG. 6 is a table showing the characteristic values of CFRP and water. FIG. 6 shows the Grüneisen coefficient of CFRP and water. The CFRP parameters can be calculated from the carbon fiber and resin parameters using the composite law. The algorithm can be constructed assuming that the photoacoustic wave starts propagating from the surface of the subject.

また、レーザ光の波長が532nmのとき、CFRPの光吸収係数は200cm−1であり、水のそれは0.45×10−3cm−1程度である。これらの値を式(1)に当てはめると、水中よりもCFRPの方が発生する光音響波の圧力が格段に大きいことがわかる。また、μが大きいためにCFRP表面で大振幅の光音響波が発生し、内部では強度が急激に小さくなることがわかる。 When the wavelength of the laser beam is 532 nm, the light absorption coefficient of CFRP is 200 cm -1 , and that of water is about 0.45 × 10 -3 cm -1 . When these values are applied to Eq. (1), it can be seen that the pressure of the photoacoustic wave generated by CFRP is much higher than that in water. In addition, it can be seen that a large amplitude photoacoustic wave is generated on the CFRP surface due to the large μ, and the intensity sharply decreases inside.

(CFRP内での光音響波の群速度)
CFRPは、炭素繊維の配向方向や積層数によって強度が変化する。図7(a)〜(c)は、それぞれCFRP供試体の外観を示す写真、構造を示す概略図および顕微鏡写真である。図7(a)、(b)に示すように、CFRP供試体は、炭素繊維がx方向とy方向に交互に配向したクロスプライ(CP)CFRPである。
(Group velocity of photoacoustic waves in CFRP)
The strength of CFRP changes depending on the orientation direction of carbon fibers and the number of layers. 7 (a) to 7 (c) are photographs showing the appearance of the CFRP specimen, schematic views showing the structure, and micrographs, respectively. As shown in FIGS. 7A and 7B, the CFRP specimen is a cross-ply (CP) CFRP in which carbon fibers are alternately oriented in the x-direction and the y-direction.

マトリクスはエポキシ樹脂(東レ社#2592)であり、炭素繊維は東レ社のT700Sを用いた。8枚のプリプレグを積層し([(0°=90°)2]s)、130℃に保ったまま、0.5MPaでオートクレーブ成形した。成形後は供試体のx,y,z方向の長さがそれぞれ20.0mm、20.0mm、1.15mmになるようにカットした。 The matrix was an epoxy resin (Toray Industries, Inc. # 2592), and the carbon fiber used was Toray Industries, Inc. T700S. Eight prepregs were laminated ([(0 ° = 90 °) 2] s) and autoclaved at 0.5 MPa while maintained at 130 ° C. After molding, the specimen was cut so that the lengths in the x, y, and z directions of the specimen were 20.0 mm, 20.0 mm, and 1.15 mm, respectively.

図7(c)は、走査型電子顕微鏡による拡大写真である。炭素繊維の直径は約7μmであり、繊維の含有率は約60%、成形後のCFRPの密度はそれぞれ1.6g/cmである。CFRPの弾性スティフネスcがわかれば、式(2)によって位相速度vから群速度を求めることができる。 FIG. 7 (c) is an enlarged photograph taken by a scanning electron microscope. The diameter of the carbon fiber is about 7 [mu] m, the content of the fibers is about 60%, the density of CFRP after molding are respectively 1.6 g / cm 3. If the elastic stiffness c of CFRP is known, the group velocity can be obtained from the phase velocity v by the equation (2).

図8(a)〜(c)は、CFRPの供試体における速度分布の斜視図、xy断面図およびzx断面図である。図8(a)〜(c)に示されているのはCFRPの縦波の群速度分布である。図8(a)は群速度の3次元分布g(=(gx,gy,gz))であり、図8(b)、(c)は面内の分布を表したものである。群速度は方向によって異なっており、xとy方向の縦波速度はおよそ6km/sであるが、z方向は3.1km/sである。したがって、レーザ光をCFRP表面に照射した場合、等方性材料のように球面状に拡がらないため、音速の方向依存性を考慮した映像化アルゴリズムを適用した。 8 (a) to 8 (c) are perspective views, xy cross-sectional views, and zx cross-sectional views of the velocity distribution in the CFRP specimen. Shown in FIGS. 8A to 8C are group velocity distributions of longitudinal waves of CFRP. FIG. 8A shows a three-dimensional distribution g (= (gx, gy, gz)) of the group velocity, and FIGS. 8B and 8C show the in-plane distribution. The group velocity differs depending on the direction, and the longitudinal wave velocity in the x and y directions is about 6 km / s, but the z direction is 3.1 km / s. Therefore, when the CFRP surface is irradiated with a laser beam, it does not spread in a spherical shape unlike an isotropic material, so a visualization algorithm considering the direction dependence of the speed of sound was applied.

(使用装置)
パルスレーザ光源はLitron社製NanoL90−100を用いた。小型QスイッチNd:YAGレーザを用いた。光の波長は532nmであり、パルス幅は4ns、周波数は100Hzであり、光源から出射したレーザ光の強度は0.6mJであった。
(Device used)
As the pulsed laser light source, NanoL90-100 manufactured by Litron was used. A small Q-switched Nd: YAG laser was used. The wavelength of the light was 532 nm, the pulse width was 4 ns, the frequency was 100 Hz, and the intensity of the laser light emitted from the light source was 0.6 mJ.

光がファイバに導入されるときのスポット径は170μmであった。発生した光音響波を受信する集束型超音波プローブには、50MHzを中心とする広帯域型の圧電型プローブ(オリンパス社、V214−BB−RM)を用いた。レーザ光の集光点とプローブの集束点を一致させるように設計し、光の焦点はコンデンサ底面から約6.5mmであった。フォトデテクタ(Thorlabs社、DET10a/M)で参照光を受信した。 The spot diameter when the light was introduced into the fiber was 170 μm. A wideband piezoelectric probe (Olympus, V214-BB-RM) centered at 50 MHz was used as the focused ultrasonic probe for receiving the generated photoacoustic wave. It was designed so that the focusing point of the laser beam and the focusing point of the probe coincided with each other, and the focal point of the light was about 6.5 mm from the bottom surface of the capacitor. The reference light was received by a photodetector (Thorlabs, DET10a / M).

(開口合成法)
式(1)と図6より、CFRPにおける光音響波は水との接触面(CFRP表面)で卓越して発生しているものと仮定した。すなわち、時刻tの波動は、レーザ光の照射点のCFRP表面で発生した光音響波が、内部の散乱体から戻ってくるまでの時間とみなすことができる。光音響波の速度分布gを考慮すると、照射点oと散乱源rまでの距離r(=|r−o|)は式(3)で与えられる。
(Aperture synthesis method)
From equation (1) and FIG. 6, it is assumed that the photoacoustic wave in CFRP is predominantly generated on the contact surface with water (CFRP surface). That is, the wave motion at time t can be regarded as the time until the photoacoustic wave generated on the CFRP surface at the irradiation point of the laser beam returns from the internal scatterer. Considering the velocity distribution g of the photoacoustic wave, the distance r (= | r−o i |) between the irradiation point o i and the scattering source r is given by the equation (3).

式(3)を用いて、時刻tの振幅値V(o,t)は位置rで発生した波動だとみなし、この振幅値を位置rにh(o,r)としてマッピングした。そして、レーザ光の照射点を移動しながら、振幅値を重ね合わせた。 Using equation (3), the amplitude value V (o i, t) at time t is considered that it is a wave generated at the position r, and mapped as h i (o i, r) in the amplitude value location r. Then, the amplitude values were superposed while moving the irradiation point of the laser beam.

(CFRP供試体)
光音響測定システム100で得られた波形を元に、SAFTを用いたCFRP中の人工剥離の映像化について検証する。図9(a)、(b)は、供試体中の剥離の位置を示す斜視図および写真である。図9(a)、(b)に示す供試体は、映像化実験のために作製したものである。
(CFRP specimen)
Based on the waveform obtained by the photoacoustic measurement system 100, the visualization of artificial peeling in CFRP using SAFT will be verified. 9 (a) and 9 (b) are perspective views and photographs showing the positions of peeling in the specimen. The specimens shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b) were prepared for a visualization experiment.

材料は図7(a)〜(c)で用いたものと同じであり、内部に人工剥離を作成した。幅5mm、長さ20mmのニトフロンシートをプリプレグの間に埋め込み、樹脂が硬化した後にシートを引き抜いて、人工剥離を作製した。人工剥離は、3層と4層目の間、4層と5層目の間に設けた。 The material was the same as that used in FIGS. 7 (a) to 7 (c), and artificial peeling was created inside. A nitoflon sheet having a width of 5 mm and a length of 20 mm was embedded between the prepregs, and after the resin was cured, the sheet was pulled out to prepare an artificial peeling. Artificial peeling was provided between the 3rd and 4th layers and between the 4th and 5th layers.

(計測波形例)
図10(a)、(b)は、それぞれA点およびB点における光音響波を示すグラフである。図10(a)、(b)には、光音響測定システム100で取得した波形の例が示されている。図10(a)、(b)は、図9(b)に示すA点とB点で、それぞれ取得した波形である。
(Example of measurement waveform)
10 (a) and 10 (b) are graphs showing photoacoustic waves at points A and B, respectively. 10 (a) and 10 (b) show examples of waveforms acquired by the photoacoustic measurement system 100. 10 (a) and 10 (b) are waveforms acquired at points A and B shown in FIG. 9 (b), respectively.

図10(a)、(b)のいずれにおいても、CFRPの表面で発生した光音響信号が0.9μs付近の波形に表れた。図10(a)において、表面からの光音響信号に続いて約0.74μs後に計測される波動は、CFRPの裏面からの反射波であると考えられる。z方向の音速が3.1km/sであることを考れば、光音響波が進む路程は約2.3mmになる。この路程はCFRP供試体の厚さ(1.15mm)の約2倍である。すなわち、光音響波はCFRPの表面で卓越して発生し、それが底面で反射したものが計測されていることを裏付けるものである。 In both FIGS. 10A and 10B, the photoacoustic signal generated on the surface of the CFRP appeared in a waveform in the vicinity of 0.9 μs. In FIG. 10A, the wave measured about 0.74 μs after the photoacoustic signal from the front surface is considered to be the reflected wave from the back surface of the CFRP. Considering that the speed of sound in the z direction is 3.1 km / s, the path along which the photoacoustic wave travels is about 2.3 mm. This route is about twice the thickness of the CFRP specimen (1.15 mm). That is, the photoacoustic wave is predominantly generated on the surface of CFRP, and the reflection on the bottom surface is measured.

図10(b)において、CFRPの供試体表面からの光音響信号に続いて約0.37μs後に計測される波動は、4層目と5層目に作成した人工剥離からの反射波であることがわかる。 In FIG. 10B, the wave measured about 0.37 μs after the photoacoustic signal from the surface of the CFRP specimen is the reflected wave from the artificial peeling prepared in the 4th and 5th layers. I understand.

図11は、光音響波のフーリエ変換スペクトルを示すグラフである。図11は、B点からの波形のフーリエスペクトルを示している。図11から、30MHz付近を中心に非常に広帯域の波形が得られている。発生する光音響波はプローブの公称中心周波数(50MHz)よりも中心周波数は低いが、低周波から100MHzまで広帯域の周波数特性を有することがわかる。 FIG. 11 is a graph showing a Fourier transform spectrum of a photoacoustic wave. FIG. 11 shows the Fourier spectrum of the waveform from point B. From FIG. 11, a very wide band waveform is obtained around 30 MHz. It can be seen that the generated photoacoustic wave has a center frequency lower than the nominal center frequency (50 MHz) of the probe, but has a wide frequency characteristic from a low frequency to 100 MHz.

(イメージング結果)
パルスレーザの照射をラスタスキャンし、CFRP供試体の3次元像をイメージングした。x−yステージのスキャンピッチは50μmであり、サンプリングレートは500MHzであった。SAFTで用いた開口はd=0.5mmであった。また、100kHzのハイパスフィルタを受信波形に作用させた。
(Imaging result)
A raster scan of pulsed laser irradiation was performed to image a three-dimensional image of the CFRP specimen. The scan pitch of the xy stage was 50 μm and the sampling rate was 500 MHz. The opening used in SAFT was d 0 = 0.5 mm. In addition, a 100 kHz high-pass filter was applied to the received waveform.

図12(a)〜(c)は、それぞれフィルタありでのイメージングの結果を示す斜視図、xz図、フィルタなしでのイメージングの結果を示すxz図である。図12(a)〜(c)は、イメージングの結果を示している。ここでは、3D高速ビューアであるKURUMIを用いて、しきい値を超えるHについて深さ方向(z方向)に色を変えながらプロットしている。 12 (a) to 12 (c) are a perspective view showing the result of imaging with a filter, an xz diagram, and an xz diagram showing the result of imaging without a filter, respectively. 12 (a) to 12 (c) show the results of imaging. Here, using KURUMI, which is a 3D high-speed viewer, H exceeding the threshold value is plotted while changing the color in the depth direction (z direction).

図12(a)は鳥瞰的に供試体内部を表示したもの、図12(b)は、供試体のx−z断面を表している。これらの結果から、CFRP中の2つの人工剥離(Delamination 1, 2)の位置と形状が鮮明に再構成されているのがわかる。また、図12(a)に示す人工剥離の模様には、その直上のプリプレグの炭素繊維方向が反映されている。 FIG. 12 (a) shows the inside of the specimen from a bird's-eye view, and FIG. 12 (b) shows the xx cross section of the specimen. From these results, it can be seen that the positions and shapes of the two artificial delaminations (Delamination 1, 2) in CFRP are clearly reconstructed. Further, the pattern of artificial peeling shown in FIG. 12A reflects the carbon fiber direction of the prepreg immediately above the pattern.

図12(c)は、図12(b)に示す場合のHのしきい値よりも小さくしてプロットしたもの結果を示している。このとき、人工剥離だけでなく、積層したプリプレグの境界が現れた。一般的な超音波パルスエコー法では、きずの位置が浅い場合、表面からの反射波が尾引くことで表面直下のきずからの散乱波と重なってしまうことが問題である。しかし、本手法では1層目と2層目のプリプレグの境界も表面から分離して確認することができ、高い空間分解能を有していることが示された。 FIG. 12 (c) shows the results of plotting smaller than the threshold value of H in the case shown in FIG. 12 (b). At this time, not only the artificial peeling but also the boundary of the laminated prepreg appeared. In the general ultrasonic pulse echo method, when the position of the flaw is shallow, the problem is that the reflected wave from the surface trails and overlaps with the scattered wave from the flaw just below the surface. However, in this method, the boundary between the prepregs of the first layer and the second layer can also be confirmed separately from the surface, demonstrating that it has high spatial resolution.

なお、光音響波を利用したSAFTイメージングは、光のスポット径に合わせて内部の光音響波の拡がりdを決定したり、検査したい対象の深さに合わせて超音波プローブの周波数帯域を変更したりする必要がある。SAFTは、取得した波形をビームの拡がりを考慮して重ね合わせるため、スキャンピッチをある程度粗くできるのがメリットである。これは、高速スキャンにもつながることになり、非破壊検査の対象が大断面である場合には有用である。 Incidentally, SAFT imaging using photoacoustic waves, determines an extent d 0 of the interior of the photoacoustic wave in accordance with the spot diameter of the light, change the frequency band of the ultrasonic probe in accordance with the depth of the object to be inspected You need to do it. Since SAFT superimposes the acquired waveforms in consideration of the spread of the beam, it has an advantage that the scan pitch can be made rough to some extent. This will also lead to high-speed scanning, which is useful when the target of non-destructive inspection is a large cross section.

上記のイメージングの結果は、式(3)を用いて散乱源の位置を算出しているが、供試体の内部で群速度が一様であると仮定してイメージングを行うことも可能である。この場合には、実際の散乱源の位置とは異なる位置が散乱源の位置として算出されるため、同じCFPR供試体をイメージングした場合、精度が低くなり人工剥離の位置がもっと不鮮明になる。 In the above imaging result, the position of the scattering source is calculated using the equation (3), but it is also possible to perform imaging on the assumption that the group velocity is uniform inside the specimen. In this case, since the position different from the actual position of the scattering source is calculated as the position of the scattering source, when the same CFPR specimen is imaged, the accuracy becomes low and the position of the artificial peeling becomes more unclear.

(結論)
本発明の光音響波を利用した非破壊検査法により、CFRPの表面直下の剥離の評価において表面直下の剥離のイメージングが可能になった。光音響波を発生する光音響測定システム100により、532nmのレーザ光をCFRPの上部から照射し、CFRPの表面で発生したMHz帯の光音響波を集束型プローブで受信した。
(Conclusion)
The non-destructive inspection method using the photoacoustic wave of the present invention has made it possible to image the peeling just below the surface in the evaluation of the peeling just below the surface of CFRP. The photoacoustic measurement system 100 that generates photoacoustic waves irradiates a laser beam of 532 nm from the upper part of the CFRP, and receives the photoacoustic waves in the MHz band generated on the surface of the CFRP with a focused probe.

その結果、光音響波の発生強度は、光吸収係数とグリュナイゼン係数に比例することを示し、CFRPにレーザ光を照射した場合、表面から卓越して光音響波が発生することを示した。これは、光音響顕微鏡で計測した波形の出現時刻からも妥当であることを確認した。 As a result, it was shown that the generation intensity of the photoacoustic wave is proportional to the light absorption coefficient and the Grüneisen coefficient, and that when the CFRP is irradiated with the laser beam, the photoacoustic wave is predominantly generated from the surface. It was confirmed that this is also valid from the appearance time of the waveform measured by the photoacoustic microscope.

CFRP内部で発生した光音響波は、CFRPの材料異方性のために方向によって音速(群速度)が異なる。したがって、CFRPの内部像を高精度にイメージングするために、CFRP表面から球面状に光音響波が拡がることと音速分布の方位依存性を考慮しながら波形を合成した。 The sound velocity (group velocity) of the photoacoustic wave generated inside the CFRP differs depending on the direction due to the material anisotropy of the CFRP. Therefore, in order to image the internal image of CFRP with high accuracy, the waveform was synthesized while considering the spherical spread of the photoacoustic wave from the CFRP surface and the orientation dependence of the sound velocity distribution.

開口合成法(SAFT)を用いて、光音響顕微鏡で得られた波形を合成し、CFRP内部の3次元イメージングを行った。発生する光音響波の広帯域性によって、通常のUTでは不感帯となるようなCFRPの表面直下のきずをイメージングできることを示した。 Waveforms obtained with a photoacoustic microscope were synthesized using the aperture synthesis method (SAFT), and three-dimensional imaging inside the CFRP was performed. It was shown that the wide band of the generated photoacoustic wave makes it possible to image a flaw just below the surface of CFRP, which is a dead zone in a normal UT.

このような結果から、繊維うねりや樹脂過多領域(繊維不足領域)についても、同様の映像化が見込まれる。また、CFRP検査の実用化の観点から、光音響波の受信プローブとしてエアカップル超音波プローブを用いて完全非接触法への展開も見込める。 From these results, similar visualization is expected for fiber swells and resin-rich areas (fiber-deficient areas). In addition, from the viewpoint of practical application of CFRP inspection, it is expected that an air couple ultrasonic probe will be used as a photoacoustic wave receiving probe to develop a completely non-contact method.

100 光音響測定システム
110 装置
111 パルスレーザ制御部
112 モニタデータ管理部
113 基準データ管理部
114 測定データ管理部
115 位置算出部
116 マッピング部
117 マッピング重畳部
118 再構成部
122 スキャナコントローラ
125 スイッチング回路
128 パルスレーザ光源
130 光音響顕微鏡
132 ファイバ
134 レンズ
135 ビームスプリッタ
136 アキシコンレンズ
137 反射プリズム
138 トランスデューサ
140 ステージ
150 フォトデテクタ
160 DAQ
170 アンプ
180 レシーバ
C1 焦点領域
S1 被検体
100 Photoacoustic measurement system 110 Device 111 Pulse laser control unit 112 Monitor data management unit 113 Reference data management unit 114 Measurement data management unit 115 Position calculation unit 116 Mapping unit 117 Mapping superimposition unit 118 Reconstruction unit 122 Scanner controller 125 Switching circuit 128 Pulse Laser light source 130 Photoacoustic microscope 132 Fiber 134 Lens 135 Beam splitter 136 Axicon lens 137 Reflection prism 138 Transducer 140 Stage 150 Photodetector 160 DAQ
170 Amplifier 180 Receiver C1 Focus area S1 Subject

Claims (7)

光音響法による散乱波を用いた被検体の内部構造評価のためのプログラムであって、
被検体内における音響波の速度分布を仮定する基準データを準備する処理と、
パルスレーザを照射した前記被検体上の複数の照射位置のうちの特定位置において時刻ごとに測定された音響波の振幅を表す測定データおよび前記基準データに基づいて、前記特定位置から光音響波が散乱された散乱源の位置を算出する処理と、
前記測定データを前記散乱源の位置にマッピングする処理と、
前記複数の照射位置の各々に対して、前記散乱源の位置の算出および前記マッピングを繰り返させ、前記マッピングを重ね合わせる処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
A program for evaluating the internal structure of a subject using scattered waves by the photoacoustic method.
The process of preparing reference data that assumes the velocity distribution of acoustic waves in the subject, and
Based on the measurement data representing the amplitude of the acoustic wave measured at each time at a specific position among the plurality of irradiation positions on the subject irradiated with the pulse laser and the reference data, the photoacoustic wave is generated from the specific position. The process of calculating the position of the scattered scattering source and
The process of mapping the measurement data to the position of the scattering source, and
A program characterized in that the calculation of the position of the scattering source and the mapping are repeated for each of the plurality of irradiation positions, and the processing of superimposing the mappings is executed by a computer.
前記基準データは、前記被検体内において音響波の速度分布に異方性を有するように設定されていることを特徴とする請求項1記載のプログラム。 The program according to claim 1, wherein the reference data is set so that the velocity distribution of the acoustic wave has anisotropy in the subject. 前記基準データにおいて、事前に把握された前記被検体の形状または構造に応じて音響波の速度分布が設定されていることを特徴とする請求項1または請求項2記載のプログラム。 The program according to claim 1 or 2, wherein the velocity distribution of the acoustic wave is set according to the shape or structure of the subject grasped in advance in the reference data. 前記散乱源の位置での光音響波の速度で前記光音響波が前記特定位置から前記散乱源で散乱され前記特定位置に戻ってくると仮定し、前記散乱源の位置を算出することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載のプログラム。 It is characterized in that the position of the scattering source is calculated on the assumption that the photoacoustic wave is scattered by the scattering source from the specific position and returns to the specific position at the velocity of the photoacoustic wave at the position of the scattering source. The program according to any one of claims 1 to 3. 前記測定データは、開口合成法で取得されたことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載のプログラム。 The program according to any one of claims 1 to 4, wherein the measurement data is acquired by an aperture synthesis method. 光音響法による散乱波を用いた被検体の内部構造評価のための方法であって、
被検体内における音響波の速度分布を仮定する基準データを準備するステップと、
パルスレーザを照射した前記被検体上の複数の照射位置のうちの特定位置において時刻ごとに測定された音響波の振幅を表す測定データおよび前記基準データに基づいて、前記特定位置から光音響波が散乱された散乱源の位置を算出するステップと、
前記測定データを前記散乱源の位置にマッピングするステップと、
前記複数の照射位置の各々に対して、前記散乱源の位置の算出および前記マッピングを繰り返させ、前記マッピングを重ね合わせるステップと、を含むことを特徴とする方法。
It is a method for evaluating the internal structure of a subject using scattered waves by the photoacoustic method.
Steps to prepare reference data that assumes the velocity distribution of acoustic waves in the subject,
Based on the measurement data representing the amplitude of the acoustic wave measured at each time at a specific position among the plurality of irradiation positions on the subject irradiated with the pulse laser and the reference data, the photoacoustic wave is generated from the specific position. Steps to calculate the location of the scattered scattering source,
The step of mapping the measurement data to the position of the scattering source,
A method comprising, for each of the plurality of irradiation positions, a step of repeating the calculation of the position of the scattering source and the mapping, and superimposing the mapping.
光音響法による散乱波を用いた被検体の内部構造評価のための装置であって、
被検体内における音響波の速度分布を仮定する基準データを管理する基準データ管理部と、
パルスレーザを照射した前記被検体上の複数の照射位置のうちの特定位置において時刻ごとに測定された音響波の振幅を表す測定データおよび前記基準データに基づいて、前記特定位置から光音響波が散乱された散乱源の位置を算出する位置算出部と、
前記測定データを前記散乱源の位置にマッピングするマッピング部と、
前記複数の照射位置の各々に対して、前記散乱源の位置の算出および前記マッピングを繰り返させ、前記マッピングを重ね合わせるマッピング重畳部と、を備えることを特徴とする装置。
A device for evaluating the internal structure of a subject using scattered waves by the photoacoustic method.
A reference data management unit that manages reference data that assumes the velocity distribution of acoustic waves in a subject,
Based on the measurement data representing the amplitude of the acoustic wave measured at each time at a specific position among the plurality of irradiation positions on the subject irradiated with the pulse laser and the reference data, the photoacoustic wave is generated from the specific position. A position calculation unit that calculates the position of the scattered scattering source,
A mapping unit that maps the measurement data to the position of the scattering source,
An apparatus comprising, for each of the plurality of irradiation positions, a mapping superimposing unit for repeating the calculation of the position of the scattering source and the mapping and superimposing the mapping.
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