JP3065446B2 - 超音波振動測定方法 - Google Patents
超音波振動測定方法Info
- Publication number
- JP3065446B2 JP3065446B2 JP5080406A JP8040693A JP3065446B2 JP 3065446 B2 JP3065446 B2 JP 3065446B2 JP 5080406 A JP5080406 A JP 5080406A JP 8040693 A JP8040693 A JP 8040693A JP 3065446 B2 JP3065446 B2 JP 3065446B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- sample
- ultrasonic
- ultrasonic vibration
- interferometer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は，超音波振動測定方法に
係り，例えば材料試験，評価等に利用される超音波振動
測定方法に関するものである。
係り，例えば材料試験，評価等に利用される超音波振動
測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】材料表面での超音波の発生と，材料中を
伝播した後，材料表面に到達する超音波の検出を，いず
れもレーザを用いて非接触で行う技術として，レーザ超
音波法が知られている。同手法に於ける超音波発生法
は，試料表面に大出力のパルスレーザを照射することに
より実現される。他方，超音波の検出は，試料表面に検
出用の連続発振レーザ（ＣＷレーザ）を照射しておき，
超音波の到達に伴う試料表面振動をレーザ反射光の光干
渉を利用してとらえるというものである。レーザ超音波
法で利用されるパルスレーザ励起の超音波は短いパルス
状波形をしており，高周波数の超音波や高空間分解能が
要求される用途でも適用が可能である。レーザ超音波法
に関する技術として，例えば，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎ
ｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｖ
ｏｌ．２，Ｎｏ．７，６２８〜６３４ページ，１９９
１）及び第３１回計測自動制御学会予稿集（２３７〜
２３８ページ，１９９２）に紹介されたものがあげられ
る。これらの例，では試料の一方の面にパルスレー
ザ光を照射して超音波を発生させ，超音波発生面の反対
側の面で，試料内部を伝播した超音波の検出を行ってい
る所謂透過配置の超音波振動測定方法が用いられてい
る。またレーザ超音波法における超音波検出法としては
種々の方法が知られているが，これらの例，で用い
られている方法はファブリペロー干渉計を利用したもの
である。 但し，例では測定光の干渉計への入射方向
と，干渉光の出射方向とが透過的な所謂透過型のファブ
リペロー干渉計を用い，例では測定光の干渉計への入
射方向と，干渉光の出射方向とが反射的な所謂反射型の
ファブリペロー干渉計を用いている。図５は上記方法を
適用しうる従来の超音波振動測定装置Ａ０１の一例にお
ける概略構成を示す模式図，図６は光の周波数と光量と
の関係を示すグラフ，図７は装置Ａ０１により測定され
た結果を示すグラフ（ａ），（ｂ），図８は装置Ａ０１
でのファブリペロー干渉計を反射型とした装置により測
定された結果を示すグラフ（ａ），（ｂ）である。図５
に示す如く，装置Ａ０１では，超音波の発生には大出力
のパルスレーザ発振器１からのレーザ光を，発生側凸レ
ンズ２で集光し，試料３の表面に照射する。試料３の表
面では急速な熱膨張あるいはアブレーションと呼ばれる
プラズマ爆発によって弾性変形が起こり，超音波として
試料３中に伝播していく。この超音波の検出には，ＣＷ
レーザ発振器４からの検出レーザ光を検出側凸レンズ７
で絞って，試料３の超音波発生側と反対側の検出面に照
射しておく。検出面からの反射光は，表面の粗さが原因
で拡散され，スペックルと呼ばれる光の斑が生ずるが，
凸レンズ８及び凹レンズ９によって拡散による広がり分
は細く絞られ，ファブリペロー干渉計（以下，干渉計と
記す）１２に導光される。超音波が検出面に到達した場
合，反射光は表面振動に伴う周波数変調（ドップラーシ
フト）を受けるが，干渉計１２の周波数変調の復調特性
により光量変化に変換されて，干渉計１２からの反射光
となる。その反射光は１／４波長板１１によって偏向方
向を変えられ，偏光ビームスプリッタ（以下，ＰＢＳと
記す）１０によって取り出される。取り出された検出光
は，フォトダイオード１４で検出され，負荷抵抗１５で
電流電圧変換された後，増幅器１６で増幅され，測定器
１７により測定される。この装置Ａ０１で超音波を検出
する場合，図６に示すように干渉計１２の干渉特性に対
して検出レーザ光の発振周波数が適当な値（動作点）に
くるように調整しなければならない。それは，生ずる多
光束干渉現像が光の周波数変調に関して復調特性を示す
ためである。干渉計１２では，ある特定の周波数以外の
光はすべて反射されるが，干渉計１２内でうまく干渉す
る周波数の光（干渉周波数）だけは反射光量が減少す
る。超音波を検出するには，この干渉周波数とわずかに
ずれた周波数に，検出レーザ光の周波数を合わせておく
必要がある。理想的には干渉周波数において反射光量が
５０％以上減少するが，スペックルを含んだ光では干渉
による減光分は入射光の１０％にも満たない。実際に得
られる干渉特性は図７（ａ）に示す通りであり，減光分
の小さいことがわかる。この検出光学系によって検出さ
れる超音波は，上記干渉による減光分に相当する振幅な
いしはそれ以下の振幅の波形信号として検出される。図
７（ｂ）は板厚２ｍｍの鋼板に対して，超音波を発生
し，検出した結果の一例であり，図７（ａ）よりも測定
感度を上げている。超音波励起レーザ光によって発生し
たパルス状超音波波形が，試料３中の往復伝播に要する
時間間隔毎に検出されているのがわかる。この波形は動
作点に定めた光量を中心として変化するため，測定器１
７では動作点の変動である直流分を除去する交流結合で
測定したものである。従来は，この装置Ａ０１を用いて
材料試験，評価等を行っていた。
伝播した後，材料表面に到達する超音波の検出を，いず
れもレーザを用いて非接触で行う技術として，レーザ超
音波法が知られている。同手法に於ける超音波発生法
は，試料表面に大出力のパルスレーザを照射することに
より実現される。他方，超音波の検出は，試料表面に検
出用の連続発振レーザ（ＣＷレーザ）を照射しておき，
超音波の到達に伴う試料表面振動をレーザ反射光の光干
渉を利用してとらえるというものである。レーザ超音波
法で利用されるパルスレーザ励起の超音波は短いパルス
状波形をしており，高周波数の超音波や高空間分解能が
要求される用途でも適用が可能である。レーザ超音波法
に関する技術として，例えば，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎ
ｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｖ
ｏｌ．２，Ｎｏ．７，６２８〜６３４ページ，１９９
１）及び第３１回計測自動制御学会予稿集（２３７〜
２３８ページ，１９９２）に紹介されたものがあげられ
る。これらの例，では試料の一方の面にパルスレー
ザ光を照射して超音波を発生させ，超音波発生面の反対
側の面で，試料内部を伝播した超音波の検出を行ってい
る所謂透過配置の超音波振動測定方法が用いられてい
る。またレーザ超音波法における超音波検出法としては
種々の方法が知られているが，これらの例，で用い
られている方法はファブリペロー干渉計を利用したもの
である。 但し，例では測定光の干渉計への入射方向
と，干渉光の出射方向とが透過的な所謂透過型のファブ
リペロー干渉計を用い，例では測定光の干渉計への入
射方向と，干渉光の出射方向とが反射的な所謂反射型の
ファブリペロー干渉計を用いている。図５は上記方法を
適用しうる従来の超音波振動測定装置Ａ０１の一例にお
ける概略構成を示す模式図，図６は光の周波数と光量と
の関係を示すグラフ，図７は装置Ａ０１により測定され
た結果を示すグラフ（ａ），（ｂ），図８は装置Ａ０１
でのファブリペロー干渉計を反射型とした装置により測
定された結果を示すグラフ（ａ），（ｂ）である。図５
に示す如く，装置Ａ０１では，超音波の発生には大出力
のパルスレーザ発振器１からのレーザ光を，発生側凸レ
ンズ２で集光し，試料３の表面に照射する。試料３の表
面では急速な熱膨張あるいはアブレーションと呼ばれる
プラズマ爆発によって弾性変形が起こり，超音波として
試料３中に伝播していく。この超音波の検出には，ＣＷ
レーザ発振器４からの検出レーザ光を検出側凸レンズ７
で絞って，試料３の超音波発生側と反対側の検出面に照
射しておく。検出面からの反射光は，表面の粗さが原因
で拡散され，スペックルと呼ばれる光の斑が生ずるが，
凸レンズ８及び凹レンズ９によって拡散による広がり分
は細く絞られ，ファブリペロー干渉計（以下，干渉計と
記す）１２に導光される。超音波が検出面に到達した場
合，反射光は表面振動に伴う周波数変調（ドップラーシ
フト）を受けるが，干渉計１２の周波数変調の復調特性
により光量変化に変換されて，干渉計１２からの反射光
となる。その反射光は１／４波長板１１によって偏向方
向を変えられ，偏光ビームスプリッタ（以下，ＰＢＳと
記す）１０によって取り出される。取り出された検出光
は，フォトダイオード１４で検出され，負荷抵抗１５で
電流電圧変換された後，増幅器１６で増幅され，測定器
１７により測定される。この装置Ａ０１で超音波を検出
する場合，図６に示すように干渉計１２の干渉特性に対
して検出レーザ光の発振周波数が適当な値（動作点）に
くるように調整しなければならない。それは，生ずる多
光束干渉現像が光の周波数変調に関して復調特性を示す
ためである。干渉計１２では，ある特定の周波数以外の
光はすべて反射されるが，干渉計１２内でうまく干渉す
る周波数の光（干渉周波数）だけは反射光量が減少す
る。超音波を検出するには，この干渉周波数とわずかに
ずれた周波数に，検出レーザ光の周波数を合わせておく
必要がある。理想的には干渉周波数において反射光量が
５０％以上減少するが，スペックルを含んだ光では干渉
による減光分は入射光の１０％にも満たない。実際に得
られる干渉特性は図７（ａ）に示す通りであり，減光分
の小さいことがわかる。この検出光学系によって検出さ
れる超音波は，上記干渉による減光分に相当する振幅な
いしはそれ以下の振幅の波形信号として検出される。図
７（ｂ）は板厚２ｍｍの鋼板に対して，超音波を発生
し，検出した結果の一例であり，図７（ａ）よりも測定
感度を上げている。超音波励起レーザ光によって発生し
たパルス状超音波波形が，試料３中の往復伝播に要する
時間間隔毎に検出されているのがわかる。この波形は動
作点に定めた光量を中心として変化するため，測定器１
７では動作点の変動である直流分を除去する交流結合で
測定したものである。従来は，この装置Ａ０１を用いて
材料試験，評価等を行っていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記したような従来の
超音波測定装置Ａ０１を実際に利用する場合，超音波発
生点と検出点とが試料３を挟んだ反対側の面であるよ
り，両者が同一面であるほうが都合がよい。同一面で超
音波の発生と検出とを行うことにより，レーザ照射光学
系の設置が容易になり，試料３の裏側にはレーザが照射
できない場合でも適用でき，またレーザに関する安全対
策を施しやすいなどの利点があるためである。さらには
試料３の位置が動くような場合，超音波励起パルスレー
ザ光と検出レーザ光との両者の光軸を一致させることに
より超音波発生点と検出点との相対関係を一定にでき
る。この点で，超音波励起パルスレーザ光と検出光とが
試料３に対して同一側から照射される所謂反射配置の装
置による超音波振動測定方法が有利であると考えられ
る。しかし，この反射配置の超音波振動測定方法では，
以下の問題が生じる場合がある。それは，超音波励起パ
ルスレーザ光の照射に伴う試料３の表面粗さの変化が，
干渉計１２への入射光量変化の原因となることである。
試料３の表面からの反射光は，凸レンズ７のような集光
光学系によってある程度は集光できるが，試料３の表面
粗さの変化に伴う反射拡散状態，即ちスペックル発生状
態の変化によって，干渉計１２に導光できる量（有効光
量）がどうしても変化してしまう。変化の程度は予想で
きるものではなく，しかも超音波励起レーザ光照射後，
瞬時にステップ状に変化する。この変化状態を調べるた
め従来装置０１を単純に反射配置に改造した装置によっ
て測定した結果を図８（ａ），（ｂ）に示す。この測定
例では，超音波励起パルスレーザとしてパルスＹＡＧレ
ーザ，超音波検出レーザとしてＡｒレーザを使用した。
図中の点線はＹＡＧレーザを照射した瞬間を示してい
る。図８（ａ）はＹＡＧレーザ照射後，有効光量が５０
％程減少した例であり，図８（ｂ）は逆に１０％程増加
した例である。ＹＡＧレーザ照射の瞬間直後の鋭い立ち
上がりは，照射したＹＡＧレーザ光及びアブレーション
による発光が検出されたものである。検出されるべき超
音波波形は，このステップ状に変化した後の光量レベル
に対して数％の振幅をもった信号として含まれている訳
である。この微小な超音波信号を測定器１７で検出する
ためには，測定器１７の感度を上げ，光量レベルの直流
分を除去するように交流結合で測定しなければならな
い。この点は前述の通りである。しかし，超音波の信号
振幅に比べステップ状光量レベル変動が１０倍〜１００
倍程度大きいため，一般の測定器ではステップ変動分だ
けでオーバーレンジを起こしてしまい，目的の信号を捕
らえることが困難である。検出信号にバンドパスフィル
タを適用して，ステップ変動の影響を減少させることも
考えられるが，検出信号波形も同時にフィルタリングさ
れてしまうため実用的ではない。本発明はこのような従
来の技術における課題を解決するために，超音波振動測
定方法を改良し，超音波発生点と検出点とを同一面とし
ても試料表面の状態の影響を受けるおそれのない超音波
振動測定方法の提供を目的とするものである。
超音波測定装置Ａ０１を実際に利用する場合，超音波発
生点と検出点とが試料３を挟んだ反対側の面であるよ
り，両者が同一面であるほうが都合がよい。同一面で超
音波の発生と検出とを行うことにより，レーザ照射光学
系の設置が容易になり，試料３の裏側にはレーザが照射
できない場合でも適用でき，またレーザに関する安全対
策を施しやすいなどの利点があるためである。さらには
試料３の位置が動くような場合，超音波励起パルスレー
ザ光と検出レーザ光との両者の光軸を一致させることに
より超音波発生点と検出点との相対関係を一定にでき
る。この点で，超音波励起パルスレーザ光と検出光とが
試料３に対して同一側から照射される所謂反射配置の装
置による超音波振動測定方法が有利であると考えられ
る。しかし，この反射配置の超音波振動測定方法では，
以下の問題が生じる場合がある。それは，超音波励起パ
ルスレーザ光の照射に伴う試料３の表面粗さの変化が，
干渉計１２への入射光量変化の原因となることである。
試料３の表面からの反射光は，凸レンズ７のような集光
光学系によってある程度は集光できるが，試料３の表面
粗さの変化に伴う反射拡散状態，即ちスペックル発生状
態の変化によって，干渉計１２に導光できる量（有効光
量）がどうしても変化してしまう。変化の程度は予想で
きるものではなく，しかも超音波励起レーザ光照射後，
瞬時にステップ状に変化する。この変化状態を調べるた
め従来装置０１を単純に反射配置に改造した装置によっ
て測定した結果を図８（ａ），（ｂ）に示す。この測定
例では，超音波励起パルスレーザとしてパルスＹＡＧレ
ーザ，超音波検出レーザとしてＡｒレーザを使用した。
図中の点線はＹＡＧレーザを照射した瞬間を示してい
る。図８（ａ）はＹＡＧレーザ照射後，有効光量が５０
％程減少した例であり，図８（ｂ）は逆に１０％程増加
した例である。ＹＡＧレーザ照射の瞬間直後の鋭い立ち
上がりは，照射したＹＡＧレーザ光及びアブレーション
による発光が検出されたものである。検出されるべき超
音波波形は，このステップ状に変化した後の光量レベル
に対して数％の振幅をもった信号として含まれている訳
である。この微小な超音波信号を測定器１７で検出する
ためには，測定器１７の感度を上げ，光量レベルの直流
分を除去するように交流結合で測定しなければならな
い。この点は前述の通りである。しかし，超音波の信号
振幅に比べステップ状光量レベル変動が１０倍〜１００
倍程度大きいため，一般の測定器ではステップ変動分だ
けでオーバーレンジを起こしてしまい，目的の信号を捕
らえることが困難である。検出信号にバンドパスフィル
タを適用して，ステップ変動の影響を減少させることも
考えられるが，検出信号波形も同時にフィルタリングさ
れてしまうため実用的ではない。本発明はこのような従
来の技術における課題を解決するために，超音波振動測
定方法を改良し，超音波発生点と検出点とを同一面とし
ても試料表面の状態の影響を受けるおそれのない超音波
振動測定方法の提供を目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は，励起光の照射により試料に超音波振動を誘
起すると共に，上記試料の励起光の照射部分に照射され
る測定用の放射光の該試料での反射光を光干渉計を用い
て検出し，該検出データに基づいて上記試料の超音波振
動を測定する超音波振動測定方法において，上記試料で
の反射光を二分割し，該分割された反射光の一方を上記
光干渉計を経由させて検出すると共に，他方を上記光干
渉計を経由させずに検出し，両検出データを比較するこ
とによって上記試料の超音波振動を測定してなることを
特徴とする超音波振動測定方法として構成されている。
に本発明は，励起光の照射により試料に超音波振動を誘
起すると共に，上記試料の励起光の照射部分に照射され
る測定用の放射光の該試料での反射光を光干渉計を用い
て検出し，該検出データに基づいて上記試料の超音波振
動を測定する超音波振動測定方法において，上記試料で
の反射光を二分割し，該分割された反射光の一方を上記
光干渉計を経由させて検出すると共に，他方を上記光干
渉計を経由させずに検出し，両検出データを比較するこ
とによって上記試料の超音波振動を測定してなることを
特徴とする超音波振動測定方法として構成されている。
【０００５】
【作用】本発明によれば，励起光の照射により試料に超
音波振動を誘起すると共に，試料の励起光の照射部分に
照射される測定用の放射光の該試料での反射光を光干渉
計を用いて検出し，該検出データに基づいて上記試料の
超音波振動を測定する際に，上記試料での反射光が二分
割され，該分割された反射光の一方が上記光干渉計を経
由して検出されると共に他方が上記光干渉計を経由せず
に検出され，両検出データが比較されることによって，
上記試料の超音波振動が測定される。上記光干渉計から
の反射光はステップ状光量変化と超音波検出信号として
の光量変化とを含んでいる一方，上記干渉計を経由しな
い反射光はステップ状光量変化のみを含んでいる。両者
の差分演算によりステップ状光量変化分は相殺され，超
音波検出信号のみが残る。このようにして超音波励起光
照射により生ずる試料表面粗さの変化が原因となる検出
光の反射光量変化の影響を減少させた測定が実現され
る。したがって，超音波発生点と検出点とを同一面とし
ても試料の表面の状態の影響を受けるおそれのない超音
波振動測定方法を得ることができる。
音波振動を誘起すると共に，試料の励起光の照射部分に
照射される測定用の放射光の該試料での反射光を光干渉
計を用いて検出し，該検出データに基づいて上記試料の
超音波振動を測定する際に，上記試料での反射光が二分
割され，該分割された反射光の一方が上記光干渉計を経
由して検出されると共に他方が上記光干渉計を経由せず
に検出され，両検出データが比較されることによって，
上記試料の超音波振動が測定される。上記光干渉計から
の反射光はステップ状光量変化と超音波検出信号として
の光量変化とを含んでいる一方，上記干渉計を経由しな
い反射光はステップ状光量変化のみを含んでいる。両者
の差分演算によりステップ状光量変化分は相殺され，超
音波検出信号のみが残る。このようにして超音波励起光
照射により生ずる試料表面粗さの変化が原因となる検出
光の反射光量変化の影響を減少させた測定が実現され
る。したがって，超音波発生点と検出点とを同一面とし
ても試料の表面の状態の影響を受けるおそれのない超音
波振動測定方法を得ることができる。
【０００６】
【実施例】以下添付図面を参照して，本発明を具体化し
た実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以
下の実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発
明の技術的範囲を限定する性格のものではない。ここ
に，図１は本発明の一実施例に係る超音波振動測定装置
Ａ１の概略構成を示す模式図，図２は装置Ａ１による測
定結果を示すグラフ，図３は本発明の他の実施例に係る
超音波測定装置の概略部分構成を示す模式図（ａ），
（ｂ），図４は本発明の他の実施例に係る超音波振動測
定装置の概略部分構成を示す模式図である。尚，前記図
５に示した従来の超音波振動測定装置Ａ０１の一例にお
ける概略構成を示す模式図と共通する要素には同一の符
号を使用する。図１に示すごとくこの装置Ａ１による超
音波振動測定方法では，大出力パルスレーザ発振器１か
らのパルスレーザ光（励起光に相当）の照射により，試
料３に超音波振動を誘起すると共に，試料３のパルスレ
ーザ光の照射部分に照射されるＣＷレーザ発振器４から
の検出レーザ光（放射光に相当）の試料３での反射光を
光干渉計の一種であるファブリぺロー干渉計（以下，干
渉計と記す）１２を用いて検出し，この検出データに基
づいて試料３の超音波振動を測定する点で従来例と同様
である。しかし本実施例では，試料３での反射光を二分
割し，分割された反射光の一方を干渉計１２を経由させ
て検出すると共に，他方を干渉計１２を経由させずに検
出し，両検出データを比較することによって試料３の超
音波振動を測定する点で従来例と異なる。尚，干渉計１
２については，前記透過型と反射型とで超音波振動測定
上の特性が異なるため，ここでは本実施例に対しより好
適な特性を示す反射型の干渉計を用いる。但し透過型を
用いてもよいものとする。以下この装置Ａ１による測定
方法についてより具体的に説明する。大出力パルスレー
ザ発振器１からのパルスレーザ光は，発生側凸レンズ４
で集光され，ダイクロイックミラー１８により偏向され
て試料３の表面に反射される。この照射点でパルス状超
音波が発生する。一方検出側では，超音波検出用のＣＷ
レーザ発振器４からの検出レーザ光がＰＢＳ５により偏
向され，１／４波長板６，検出側凸レンズ７，ダイクロ
イックミラー１８を通過後，上記照射点と一致する位置
に照射される。試料３で反射された検出レーザ光の反射
光は，検出側凸レンズ７により概略平行光となり，再び
１／４波長板６，ＰＢＳ５を通過して取り出される。取
り出された反射光は凸レンズ８，凹レンズ９によって細
く絞られる。そして，適当な反射率を有する分割ミラー
１９により二分割される。分割された一方の光はＰＢＳ
１０，１／４波長板１１を通過後，干渉計１２に導光さ
れる。干渉計１２から反射された多光束干渉光は，再び
１／４波長板１１，ＰＢＳ１０を通過することにより取
り出される。この多光束干渉光と分割された他方の光と
を測定するため，一方のアノードと他方のカソードとを
結ぶように直接接続したフォトダイオード２０，２１か
らなる検出器を用いる。フォトダイオード２０には干渉
計１２からの多光束干渉光を，フォトダイオード２１に
は分割ミラー１９により分割された残りの検出光を照射
する。二つのフォトダイオード２０，２１からの光電流
は，両フォトダイオードの接続点から取り出され，負荷
抵抗１５によって電流電圧変換され，増幅器１６により
増幅された後，測定器１７により測定される。
た実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以
下の実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発
明の技術的範囲を限定する性格のものではない。ここ
に，図１は本発明の一実施例に係る超音波振動測定装置
Ａ１の概略構成を示す模式図，図２は装置Ａ１による測
定結果を示すグラフ，図３は本発明の他の実施例に係る
超音波測定装置の概略部分構成を示す模式図（ａ），
（ｂ），図４は本発明の他の実施例に係る超音波振動測
定装置の概略部分構成を示す模式図である。尚，前記図
５に示した従来の超音波振動測定装置Ａ０１の一例にお
ける概略構成を示す模式図と共通する要素には同一の符
号を使用する。図１に示すごとくこの装置Ａ１による超
音波振動測定方法では，大出力パルスレーザ発振器１か
らのパルスレーザ光（励起光に相当）の照射により，試
料３に超音波振動を誘起すると共に，試料３のパルスレ
ーザ光の照射部分に照射されるＣＷレーザ発振器４から
の検出レーザ光（放射光に相当）の試料３での反射光を
光干渉計の一種であるファブリぺロー干渉計（以下，干
渉計と記す）１２を用いて検出し，この検出データに基
づいて試料３の超音波振動を測定する点で従来例と同様
である。しかし本実施例では，試料３での反射光を二分
割し，分割された反射光の一方を干渉計１２を経由させ
て検出すると共に，他方を干渉計１２を経由させずに検
出し，両検出データを比較することによって試料３の超
音波振動を測定する点で従来例と異なる。尚，干渉計１
２については，前記透過型と反射型とで超音波振動測定
上の特性が異なるため，ここでは本実施例に対しより好
適な特性を示す反射型の干渉計を用いる。但し透過型を
用いてもよいものとする。以下この装置Ａ１による測定
方法についてより具体的に説明する。大出力パルスレー
ザ発振器１からのパルスレーザ光は，発生側凸レンズ４
で集光され，ダイクロイックミラー１８により偏向され
て試料３の表面に反射される。この照射点でパルス状超
音波が発生する。一方検出側では，超音波検出用のＣＷ
レーザ発振器４からの検出レーザ光がＰＢＳ５により偏
向され，１／４波長板６，検出側凸レンズ７，ダイクロ
イックミラー１８を通過後，上記照射点と一致する位置
に照射される。試料３で反射された検出レーザ光の反射
光は，検出側凸レンズ７により概略平行光となり，再び
１／４波長板６，ＰＢＳ５を通過して取り出される。取
り出された反射光は凸レンズ８，凹レンズ９によって細
く絞られる。そして，適当な反射率を有する分割ミラー
１９により二分割される。分割された一方の光はＰＢＳ
１０，１／４波長板１１を通過後，干渉計１２に導光さ
れる。干渉計１２から反射された多光束干渉光は，再び
１／４波長板１１，ＰＢＳ１０を通過することにより取
り出される。この多光束干渉光と分割された他方の光と
を測定するため，一方のアノードと他方のカソードとを
結ぶように直接接続したフォトダイオード２０，２１か
らなる検出器を用いる。フォトダイオード２０には干渉
計１２からの多光束干渉光を，フォトダイオード２１に
は分割ミラー１９により分割された残りの検出光を照射
する。二つのフォトダイオード２０，２１からの光電流
は，両フォトダイオードの接続点から取り出され，負荷
抵抗１５によって電流電圧変換され，増幅器１６により
増幅された後，測定器１７により測定される。
【０００７】フォトダイオード２０，２１にそれぞれ照
射される光量は，分割ミラー１９の反射率を適当に選ぶ
か，又はフォトダイードの直前にＮＤフィルタを装入す
ることにより調整でき，両フォトダイオードの接続点か
ら取り出される光電流を０ないしは０に近い値になるま
で減少させることができる。これは干渉計１２から取り
出される光の中で多光束干渉を生じていない直流成分的
な光量分を差し引いたことに相当する。この時，干渉計
１２からの光は試料３の表面での超音波振動によるドッ
プラーシフトを復調した光量変化と試料３の表面粗さの
変化によるステップ状の光量変化とを含んでいる。一
方，分割ミラー１９により分割された残りの光は試料３
の表面粗さ変化による光量変化だけを含んでいることか
ら，取り出される光電流は大部分が超音波検出信号によ
る変化量となっている。本実施例では，フォトダイオー
ド２０，２１を直列接続することにより，差分演算を実
行しているため構成が簡単であり，高速作動増幅器のよ
うな高価な装置が必要でない。またパルスレーザとして
パルスＹＡＧレーザを用い，ＣＷレーザとしてＡｒレー
ザを用いて，超音波発生及び検出を行った場合の測定結
果の一例を図３に示す。前記図８で見られたようなＹＡ
Ｇレーザ照射の直後のステップ的な信号レベル変化はほ
とんど認められず，超音波信号が検出できるような感度
まで測定器１７の感度を上げてもオーバーレンジが生じ
ないことがわかる。図中のＹＡＧレーザ照射直後の鋭い
立下り変化は，二つのフォトダイオード２０，２１での
光量バランスが完全に一致していないため，ＹＡＧレー
ザの反射光をキャンセルしきれなかったためである。測
定対象とする試料３が例えば厚さ２ｍｍの鋼板とする
と，発生超音波が試料３の内部を一往復するのに０．７
μＳかかり，ＹＡＧレーザ光に対する反応時間に比べる
と充分長く実用上の問題はない。尚，図１の装置Ａ１に
おけるフォトダイオード２１への分割光を遮光すると，
図８での測定結果とほぼ同じステップ状変化を示すこと
から，本発明の有効性が確認できた。以上より，超音波
発生点と検出点を同一面としても試料の表面の状態に影
響されるおそれのない超音波振動測定方法を得ることが
できる。尚，上記実施例ではパルスレーザ光とＣＷレー
ザ光との光軸を一致させているが，特に両光軸を一致さ
せる必要はなく，上記二種のレーザ光が試料３の表面で
同一点に照射されていればよい。尚，上記実施例では光
センサとしてフォトダイオード２０，２１を用いている
が，これは例えば高感度ダイオードとして知られている
アンバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いても
よい。ＡＰＤを用いた場合，試料からの反射光が少ない
場合でも感度を上げることができるため，増幅器を省略
できる。また，バイアス電圧を変えることにより感度が
変えられるため，二つのＡＰＤの感度バランス調整が容
易になる。尚，上記実施例では二つのフォトダイオード
２０，２１からの光電流を電流電圧変換するため，直接
負荷抵抗を接続しているが，高速増幅器として知られて
いるＯＰアンプ２２を用いた電流増幅器を用いてもよい
（図３（ａ）参照）。また，高速可変ゲインアンプ２４
を用いてもよい。この場合，アンプの入力には干渉計か
ら取り出された信号を用い，ゲイン調整信号には干渉計
を経由しない信号を用いる（図３（ｂ）参照）。尚，上
記実施例では多光束干渉計としてファブリペロー干渉計
を用いているが，リング干渉計２３を用いてもよい。こ
の場合，干渉計廻りの構成は図４に示すようになる。
射される光量は，分割ミラー１９の反射率を適当に選ぶ
か，又はフォトダイードの直前にＮＤフィルタを装入す
ることにより調整でき，両フォトダイオードの接続点か
ら取り出される光電流を０ないしは０に近い値になるま
で減少させることができる。これは干渉計１２から取り
出される光の中で多光束干渉を生じていない直流成分的
な光量分を差し引いたことに相当する。この時，干渉計
１２からの光は試料３の表面での超音波振動によるドッ
プラーシフトを復調した光量変化と試料３の表面粗さの
変化によるステップ状の光量変化とを含んでいる。一
方，分割ミラー１９により分割された残りの光は試料３
の表面粗さ変化による光量変化だけを含んでいることか
ら，取り出される光電流は大部分が超音波検出信号によ
る変化量となっている。本実施例では，フォトダイオー
ド２０，２１を直列接続することにより，差分演算を実
行しているため構成が簡単であり，高速作動増幅器のよ
うな高価な装置が必要でない。またパルスレーザとして
パルスＹＡＧレーザを用い，ＣＷレーザとしてＡｒレー
ザを用いて，超音波発生及び検出を行った場合の測定結
果の一例を図３に示す。前記図８で見られたようなＹＡ
Ｇレーザ照射の直後のステップ的な信号レベル変化はほ
とんど認められず，超音波信号が検出できるような感度
まで測定器１７の感度を上げてもオーバーレンジが生じ
ないことがわかる。図中のＹＡＧレーザ照射直後の鋭い
立下り変化は，二つのフォトダイオード２０，２１での
光量バランスが完全に一致していないため，ＹＡＧレー
ザの反射光をキャンセルしきれなかったためである。測
定対象とする試料３が例えば厚さ２ｍｍの鋼板とする
と，発生超音波が試料３の内部を一往復するのに０．７
μＳかかり，ＹＡＧレーザ光に対する反応時間に比べる
と充分長く実用上の問題はない。尚，図１の装置Ａ１に
おけるフォトダイオード２１への分割光を遮光すると，
図８での測定結果とほぼ同じステップ状変化を示すこと
から，本発明の有効性が確認できた。以上より，超音波
発生点と検出点を同一面としても試料の表面の状態に影
響されるおそれのない超音波振動測定方法を得ることが
できる。尚，上記実施例ではパルスレーザ光とＣＷレー
ザ光との光軸を一致させているが，特に両光軸を一致さ
せる必要はなく，上記二種のレーザ光が試料３の表面で
同一点に照射されていればよい。尚，上記実施例では光
センサとしてフォトダイオード２０，２１を用いている
が，これは例えば高感度ダイオードとして知られている
アンバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いても
よい。ＡＰＤを用いた場合，試料からの反射光が少ない
場合でも感度を上げることができるため，増幅器を省略
できる。また，バイアス電圧を変えることにより感度が
変えられるため，二つのＡＰＤの感度バランス調整が容
易になる。尚，上記実施例では二つのフォトダイオード
２０，２１からの光電流を電流電圧変換するため，直接
負荷抵抗を接続しているが，高速増幅器として知られて
いるＯＰアンプ２２を用いた電流増幅器を用いてもよい
（図３（ａ）参照）。また，高速可変ゲインアンプ２４
を用いてもよい。この場合，アンプの入力には干渉計か
ら取り出された信号を用い，ゲイン調整信号には干渉計
を経由しない信号を用いる（図３（ｂ）参照）。尚，上
記実施例では多光束干渉計としてファブリペロー干渉計
を用いているが，リング干渉計２３を用いてもよい。こ
の場合，干渉計廻りの構成は図４に示すようになる。
【０００８】
【発明の効果】本発明に係る超音波振動測定方法は，上
記したように構成されているため超音波励起光照射によ
り生ずる試料表面粗さの変化が原因となる検出光の反射
光量変化の影響を減少させた測定が実現される。その結
果，超音波発生点と検出点とを同一面としても試料の表
面の状態の影響を受けるおそれのない超音波振動測定方
法を得ることができる。
記したように構成されているため超音波励起光照射によ
り生ずる試料表面粗さの変化が原因となる検出光の反射
光量変化の影響を減少させた測定が実現される。その結
果，超音波発生点と検出点とを同一面としても試料の表
面の状態の影響を受けるおそれのない超音波振動測定方
法を得ることができる。
【図１】 本発明の一実施例に係る超音波振動測定装置
Ａ１の概略構成を示す模式図。
Ａ１の概略構成を示す模式図。
【図２】 装置Ａ１による測定結果を示すグラフ。
【図３】 本発明の他の実施例に係る超音波振動測定装
置の概略部分構成を示す模式図（ａ），（ｂ）。
置の概略部分構成を示す模式図（ａ），（ｂ）。
【図４】 本発明の他の実施例に係る超音波振動測定装
置の概略部分構成を示す模式図。
置の概略部分構成を示す模式図。
【図５】 従来の超音波振動測定装置Ａ０１の概略構成
を示す模式図。
を示す模式図。
【図６】 装置Ａ０１における光の周波数と光量との関
係を示すグラフ。
係を示すグラフ。
【図７】 装置Ａ０１による測定結果を示すグラフ
（ａ），（ｂ）。
（ａ），（ｂ）。
【図８】 装置Ａ０１でのファブリペロー干渉計を反射
型にした装置による測定結果を示すグラフ（ａ），
（ｂ）。
型にした装置による測定結果を示すグラフ（ａ），
（ｂ）。
Ａ１…超音波振動測定装置 １…パルスレーザ発振器 ３…試料 ４…ＣＷレーザ発振器 １２…ファブリペロー干渉計 １７…測定器 １９…分割ミラー ２０，２１…フォトダイオード
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高松 弘行 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所 神戸総合技術研 究所内 (72)発明者 新井 明男 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所 神戸総合技術研 究所内 (72)発明者 柳井 敏志 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所 神戸総合技術研 究所内 (72)発明者 赤松 勝 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所 神戸総合技術研 究所内 (72)発明者 森本 勉 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所 神戸総合技術研 究所内 (56)参考文献 特開 昭58−160865（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−90164（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−58660（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 29/00 - 29/28
Claims (1)
- 【請求項１】 励起光の照射により試料に超音波振動を
誘起すると共に，上記試料の励起光の照射部分に照射さ
れる測定用の放射光の該試料での反射光を光干渉計を用
いて検出し，該検出データに基づいて上記試料の超音波
振動を測定する超音波振動測定方法において，上記試料
での反射光を二分割し，該分割された反射光の一方を上
記光干渉計を経由させて検出すると共に，他方を上記光
干渉計を経由させずに検出し，両検出データを比較する
ことによって上記試料の超音波振動を測定してなること
を特徴とする超音波振動測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5080406A JP3065446B2 (ja) | 1993-04-07 | 1993-04-07 | 超音波振動測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5080406A JP3065446B2 (ja) | 1993-04-07 | 1993-04-07 | 超音波振動測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06294777A JPH06294777A (ja) | 1994-10-21 |
| JP3065446B2 true JP3065446B2 (ja) | 2000-07-17 |
Family
ID=13717419
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5080406A Expired - Fee Related JP3065446B2 (ja) | 1993-04-07 | 1993-04-07 | 超音波振動測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3065446B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100471352B1 (ko) * | 2001-07-10 | 2005-03-07 | 기아자동차주식회사 | 비접촉 진동측정에 의한 볼트체결 확인방법 |
| KR100817615B1 (ko) * | 2005-09-20 | 2008-03-31 | 한국원자력연구원 | 물체의 결함을 측정하기 위한 레이저 유도 초음파 검사장치 및 그 구현 방법 |
| CN101374578B (zh) * | 2006-01-26 | 2012-02-29 | 东洋制罐株式会社 | 消泡方法 |
| JP2007271288A (ja) * | 2006-03-30 | 2007-10-18 | Graduate School For The Creation Of New Photonics Industries | レーザ励起超音波画像装置 |
| CN109444265B (zh) * | 2018-12-19 | 2024-04-02 | 莆田学院 | 一种激光超声振动检测装置及方法 |
-
1993
- 1993-04-07 JP JP5080406A patent/JP3065446B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06294777A (ja) | 1994-10-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7060980B2 (en) | Method and system for combined photothermal modulated reflectance and photothermal IR radiometric system | |
| US6876441B2 (en) | Optical sensor for distance measurement | |
| US6657733B1 (en) | Method and apparatus for detecting ultrasonic surface displacements using post-collection optical amplification | |
| JP2931226B2 (ja) | 光帰還式光検出装置 | |
| US6122060A (en) | Method and apparatus for detecting ultrasonic surface displacements using post-collection optical amplification | |
| JP2004527765A5 (ja) | ||
| JPH0650903A (ja) | 表面粒子検出装置及び方法 | |
| JP3500216B2 (ja) | 電圧測定装置 | |
| US20080007717A1 (en) | Noise Reduction Of Laser Ultrasound Detection System | |
| JPS6162885A (ja) | 距離速度計 | |
| JP3065446B2 (ja) | 超音波振動測定方法 | |
| US6844936B2 (en) | Device for the non-contacting measurement of an object to be measured, particularly for distance and/or vibration measurement | |
| JP3544783B2 (ja) | レーザ超音波探傷装置 | |
| CA2651611A1 (en) | Method and apparatus for ultrasonic laser testing | |
| JP2717600B2 (ja) | 薄膜評価装置 | |
| EP1092123B1 (en) | Method and apparatus for detecting ultrasonic surface displacements using post-collection optical amplification | |
| JP3112095B2 (ja) | 眼軸長測定装置 | |
| EP0341960A2 (en) | Method for improving performance of a laser interferometer in the presence of wavefront distortion | |
| KR100588532B1 (ko) | 반사형 광검지기를 이용한 초음파 측정장치 | |
| JPH1183812A (ja) | レーザ光による超音波検出方法及びその装置 | |
| JPH11101741A (ja) | ファイバ液体検出装置 | |
| JP2000249651A (ja) | 非接触蒸気漏洩検知方法および装置 | |
| JPH08285819A (ja) | レーザー超音波検査装置 | |
| JP2023085855A (ja) | ガス分析システム及びガス分析方法 | |
| JP2672758B2 (ja) | 試料の熱弾性評価装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |