JP7247077B2

JP7247077B2 - 受信用レーザ光受信装置、レーザ超音波計測装置およびレーザ超音波計測方法

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Publication number: JP7247077B2
Application number: JP2019210544A
Authority: JP
Inventors: 岳志星; あずさ菅原; 摂山本
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2023-03-28
Anticipated expiration: 2039-11-21
Also published as: JP2021081361A

Description

本発明の実施形態は、受信用レーザ光受信装置、レーザ超音波計測装置およびレーザ超音波計測方法に関する。

超音波探傷試験（ＵＴ：ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｅｓｔｉｎｇ）は、非破壊で構造材の表面および内部の健全性を確認できる技術であり、様々な分野で欠かせない検査技術となっている。

圧電素子を検査対象に接触させて超音波を送受信する接触式のＵＴ、小型の超音波送受信用圧電素子を並べ、圧電素子ごとにタイミング（遅延時間）をずらして超音波発信することにより任意の波形を形成できるフェーズドアレイ超音波探傷試験（ＰＡＵＴ）は、工業用途で広く用いられている。またパルスレーザの照射により超音波を励起し、別のレーザおよびレーザ干渉計により検査対象表面の微小振動を計測するレーザ超音波法（ＬＵＴ：ＬａｓｅｒＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｅｓｔｉｎｇ）などの方法も利用されている。レーザ超音波法は非接触で検査できるため、溶接施工中の検査などにも適用されている。

超音波信号の処理方法、検査対象内部を映像化するための装置や手法についても用途に応じた多様な形態が提案されており、例えば生体の内部を超音波により映像化する場合、生体内の組織の違いにより音速が異なることから、検査対象のある特定の領域の音速を仮定して超音波の計測を行い、得られた検出結果とあらかじめ想定していた結果との違いから解析する手法等も提案されている。

特許第５６５１５３３号公報特許第４６３２５１７号公報特許第５５２８０８３号公報

レーザ超音波計測により測定対象内の欠陥を検査する場合、受信レーザ光および干渉計を用いて測定対象の表面の振動を計測して超音波波形を得る。すなわち、光学プローブを用いて受信レーザ光を測定対象の表面に照射し、その反射光を受光する必要がある。この際、受信レーザ光の照射方向を、測定対象上の受信レーザ光照射部分における接面に垂直にすることにより、計測に必要な反射光量を得ることができる。

そのために、レーザ超音波計測を行う際は、受信レーザ光の照射方向を計測の都度、調整する必要が生じ、このため調整機構が複雑になり、かつ調整に時間を要するという課題があった。

測定対象上の受信レーザ光照射点における接面に垂直な方向を向いている状態を、受信用光学プローブが測定対象に対して正対していると表現する場合、光学プローブが正対していない状態では、計測に必要な反射光量を得ることができないという課題を解決する必要がある。

そこで、本発明の実施形態は、光学プローブが測定対象に正対していない場合にも、十分な反射光量を受光可能とすることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本実施形態に係る受信用レーザ光受信装置は、受信用レーザ光を測定対象に照射する受信用レーザ光照射部と、測定対象からのレーザ光を受光する受信用レーザ光受光部と、前記受信用レーザ光受光部に向けてレーザ光を集光する第１集光ミラーと、前記受信用レーザ光照射部から照射される受信レーザ照射光を走査する光学機構または駆動機構と、を具備し、前記第１集光ミラーは非球面回転体であり、前記受信用レーザ光受光部は前記第１集光ミラーの中心線上に配されている、ことを特徴とする。

また、本実施形態に係るレーザ超音波計測装置は、前記測定対象に超音波を励起するための超音波発生装置と、上述の受信用レーザ光受信装置と、を備えたことを特徴とする。

第１の実施形態に係る受信用レーザ光受信装置の構成を示す縦断面図である。第１の実施形態に係る受信用レーザ光受信装置の作用の第１の例を概念的に示す縦断面図である。第１の実施形態に係る受信用レーザ光受信装置の作用の第２の例を概念的に示す縦断面図である。第１の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の構成を示すブロック図である。第１の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の変形例の構成を示すブロック図である。第１の実施形態に係るレーザ超音波計測方法の手順を示すフロ―図である。第２の実施形態に係る受信用レーザ光受信装置の構成を概念的に示す縦断面図である。第３の実施形態に係る受信用レーザ光受信装置の構成を概念的に示す縦断面図である。第３の実施形態に係るレーザ超音波計測装置による受信用レーザ光照射部の位置の変更方法の第１の例を示す概念的な斜視図である。第３の実施形態に係るレーザ超音波計測装置による受信用レーザ光照射部の位置の変更方法の第２の例を示す概念的な斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る受信用レーザ光受信装置、レーザ超音波計測装置およびレーザ超音波計測方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重畳する説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る受信用レーザ光受信装置の構成を示す縦断面図である。

受信用レーザ光受信装置１０は、レーザ超音波計測装置１００（図４）において、測定対象１内を伝搬した超音波に含まれる測定対象１内の欠陥などの超音波反射源１ｄに関する情報を取得するために、測定対象１に照射する受信用レーザ光の測定対象１の表面での反射レーザ光を受信することを目的として構成される。

受信用レーザ光受信装置１０は、図１に示すように、受信用レーザ光受光部１２および第１集光ミラー１５を有する。

受信用レーザ光受光部１２は、測定対象１の表面での反射レーザ光を受信する。なお、図１に示す構成では、受信用レーザ光を測定対象１に照射する受信用レーザ光照射部１１ａが設けられ、受信用レーザ光受光部１２と一体に設けられている。

ここで、受信用レーザ光照射部１１ａが使用するレーザは、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、チタンサファイアレーザ、アレキサンドライトレーザ、ルビーレーザ、色素（ダイ）レーザおよびエキシマレーザなどを用いることができる。レーザ光源は連続波またはパルス波のどちらかとなり、1台だけでなく2台以上の複数台から構成してもよい。

受信用レーザ光受光部１２から受光された反射レーザ光を取り出すための光学ファイバ１３が設けられ第１集光ミラー１５を貫通している。なお、光学ファイバ１３は、第１集光ミラー１５を貫通せずに、その内面側を通るようにしてもよい。

第１集光ミラー１５の本体部１５ａは、たとえば回転楕円体などの非球面回転体であり、その形状は、中心線１５ｃを中心に回転対称である。第１集光ミラー１５の凹面側すなわち内面側には、鏡面部１５ｂが設けられている。鏡面部１５ｂは、本体部１５ａの表面を鏡面に仕上げて形成されてもよいし、あるいは、蒸着等により本体部１５ａの表面に設けることでもよい。第１集光ミラー１５の鏡面部１５ｂの反射率は一般的には高いことが望ましいが、表面粗さを変えることで反射率や集光した光の分布を調整することも可能であり、このような調整がなされたものでもよい。

第１集光ミラー１５は、これに向かって中心線１５ｃに平行な光束が１点に結ばれる焦点１５ｆを有する。

受信用レーザ光受光部１２は、第１集光ミラー１５の中心線１５ｃ上で、かつ第１集光ミラー１５の焦点１５ｆと第１集光ミラー１５との間に配されており、鏡面部１５ｂに対向する向きに配されている。一方、受信用レーザ光照射部１１ａは、受信用レーザ光受光部１２とは反対向き、すなわち、測定対象１に対向する側に配されている。

図２は、第１の実施形態に係る受信用レーザ光受信装置の作用の第１の例を概念的に示す縦断面図である。図２では、受信用レーザ光受信装置１０が、受信用レーザ光照射部１ａに正対している場合を示している。

この場合、従来のように第１集光ミラー１５が設けられていない場合であっても、照射部反射光２は、受信用レーザ光受光部１２が設けられている位置Ｐに届くことになるが、本実施形態においては、測定対象１上の受信用レーザ光照射部１ａで散乱した照射部反射光２の一部を鏡面反射光３として集光することにより、位置Ｐにおける受信用レーザ光受光部１２による照射部反射光２の受光量を増加させることができる。

図３は、第１の実施形態に係る受信用レーザ光受信装置の作用の第２の例を概念的に示す縦断面図である。図３では、受信用レーザ光受信装置１０が、受信用レーザ光照射部１ａに正対していない非正対の場合を示している。

この場合、従来のように第１集光ミラー１５が設けられていない場合にあっては、正対していない分だけ受光量が低下する。一方、本実施形態にあっては、測定対象１上の受信用レーザ光照射部１ａで散乱した照射部反射光２の一部を鏡面反射光３として集光することにより、位置Ｐにおける受信用レーザ光受光部１２による照射部反射光２の受光量を増加させることができる。

このように、本実施形態による受信用レーザ光受信装置１０は、散乱した照射部反射光２の一部を鏡面反射光３として集光することにより、受信用レーザ光照射部１ａに正対させるための調整機構などを用いなくても超音波の計測が可能となる。

図４は、第１の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の構成を示すブロック図である。

レーザ超音波計測装置１００は、超音波発生装置５０、受信用レーザ光受信装置１０、および受光機構３０を有する。

本実施形態では、超音波の発生方式が接触式の場合を示しており、超音波発生部５０は、圧電素子あるいは超音波アレイプローブなどの超音波発生部５１を有する。圧電素子は、超音波を発生する機構と、超音波をダンピングするダンピング材と、超音波の発振面に取り付けられた前面板と、いずれかの構成もしくはその組み合わせからなる構成となる。

本実施形態の受信用レーザ光受信装置１０は、照射部反射レーザ光を受光する受信用レーザ光受光部１２とともに測定対象１の受信用レーザ光照射部１ａに、受信用レーザ光源１１からの受信用レーザ光を照射する受信用レーザ光照射部１１ａも有する。

受光機構３０は、干渉計３１、信号処理収録部３２、および画像表示部３３を有する。干渉計３１は、受信レーザ反射光のドップラシフトを計測する。信号処理収録部３２は、計測された超音波波形を開口合成処理、平均化処理、移動平均、フィルタ、FFT、ウェーブレット変換等の信号処理を行った上で収録する。画像表示部３３は、この結果を、画像化し表示する。

以上のような構成によるレーザ超音波計測装置１００の作用を説明する。

超音波発生部５０によりにより測定対象１に入射された入射超音波は、測定対象１の内部に存在する欠陥などの超音波反射源１ｄで反射し、測定対象１の表面に到達する。この結果、超音波により測定対象１の表面に微小振動が生ずる。

この測定対象１の表面の受信用レーザ光照射部１ａに受信用レーザ光照射部１１ａから、受信用レーザ光を照射する。受信用レーザ光が、受信用レーザ光照射部１ａで反射した照射部反射光２が、受信用レーザ光受信装置１０に入る。

受信用レーザ光受信装置１０では、図１ないし図３で説明したように、測定対象１上の受信用レーザ光照射部１ａで散乱した照射部反射光２の一部を鏡面反射光３として集光することにより、位置Ｐにおける受信用レーザ光受光部１２による照射部反射光２の受光量を増加させることができる。

受信用レーザ光受光部１２により受光されたレーザ光は、受光機構３０に送られ、干渉計３１による干渉測定、信号処理収録部３２による信号処理を経て、画像表示部３３により表示される。

図５は、第１の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の変形例の構成を示すブロック図である。この変形例は、超音波の発生について、非接触式の場合を示しており、超音波発生装置５０は、超音波励起用レーザ照射装置６０をさらに有している。

超音波発生装置５０の超音波励起用レーザ照射装置６０は、レーザ光源６１、および光学ミラー６２を有する。レーザ光源６１からの励起用のレーザ光は、必要に応じて、光学ミラー６２等により方向転換され、超音波発生部５１に到達し、超音波発生部５１を励起し、超音波を発生させる。その他の点では、図４に示した場合と同様である。

図６は、第１の実施形態に係るレーザ超音波計測方法の手順を示すフロ―図である。

まず、測定対象１の測定のために、超音波発生装置５０および受信用レーザ光受信装置１０を設置する（ステップＳ０１）。

次に、超音波発生装置５０が測定対象１に超音波を発生させる（ステップＳ０２）。

次に、測定対象１の測定箇所に、受信用レーザ光照射部１１ａが受信用レーザ光を照射する（ステップＳ０３）。

この受信用レーザ光が受信用レーザ光照射部１ａで反射した反射レーザ光２を第１集光ミラー１５で鏡面反射光３として集光する（ステップＳ０４）。この集光された反射レーザ光２を、受信用レーザ光受光部１２が受光する（ステップＳ０５）。

以上のように、本実施形態によって、光学プローブが測定対象に正対していない場合にも、十分な反射光量が受光できる。

［第２の実施形態］
図７は、第２の実施形態に係る受信用レーザ光受信装置の構成を概念的に示す縦断面図である。

本第２の実施形態による受信用レーザ光受信装置１０は、第１集光ミラー１５に加えて、第２集光ミラー１６を有する。第２集光ミラー１６の形状も、非球面回転体である。

第２集光ミラー１６は、第１集光ミラー１５により集光された鏡面反射レーザ光３が集光される位置に配されている。

また、受信用レーザ光受光部１２は、第２集光ミラー１６により集光された鏡面反射レーザ光を受光する。このため、受信用レーザ光受光部１２は、第２集光ミラー１６の焦点距離より第２集光ミラー１６に近い位置に配されている。

受信レーザ反射光が測定対象1の表面の照射部１ａで反射した場合の照射部反射光２の分布は、測定対象1の表面状態に影響される。ここで、測定対象１の表面が鏡面に近い状態の場合は、受信レーザ反射光の分布は、受信レーザ照射光の入射角に対して、同じ角度の反射角の方向に集中する。一方、表面が粗い場合、受信レーザ反射光は、より散乱しやすくなり、広い分布を持つことになる。

このような場合に、第１集光ミラー１５が、粗い面で反射した照射部反射レーザ光２を広く受け、第２集光ミラー１６に向けて反射させる。第２集光ミラー１６が、そのレーザ光を受信用レーザ光受光部１２に伝送することにより、集光量を確保することができる。

［第３の実施形態］
図８は、第３の実施形態に係る受信用レーザ光受信装置の構成を概念的に示す縦断面図である。

本実施形態は、第１の実施形態の変形であり、受信用レーザ光照射部１１ａが、受信用レーザ光受光部１２と別体に構成され、受信用レーザ光照射部１１ａが別置きとなっている。それ以外は、第１の実施形態と同様である。

一般に、第１の実施形態のように受信用光学プローブの照射部と受光部が一体化した構成の場合、照射光と反射光をプローブの内部でビームスプリッタなどの光学素子を用いて分岐する必要がある。このため、受信用レーザ光源から出射したレーザの一部が照射光として用いられることになるのに対し、別体の構成の場合、受信レーザ光を全て照射光として用いることができる。

また、受信用レーザ光照射部１１ａが受信用レーザ光受光部１２と別置きであることから、測定対象１の受信用レーザ光照射部１ａの位置を、光学的あるいは機械的な方法で変化させることが可能となる。この場合でも、第１集光ミラー１５を含めた構成により、反射レーザ光の集光量を確保することができる。

図９は、第３の実施形態に係るレーザ超音波計測装置による受信用レーザ光照射部の位置の変更方法の第１の例を示す概念的な斜視図である。この例では、ガルバノスキャナ１８を用いており、ガルバノスキャナ１８のようにミラーを高速で駆動するシステムにより、高速で受信用レーザ光照射部１ａの位置を変更することができる。

図１０は、第３の実施形態に係るレーザ超音波計測装置による受信用レーザ光照射部の位置の変更方法の第２の例を示す概念的な斜視図である。この例では、駆動ステージ１９により受信用レーザ光照射部１１ａを駆動走査する。

図９および図１０の例のように、受信用レーザ光照射部１１ａが受信用レーザ光受光部１２と別体であることのメリットを活用することができる。

また、送信点だけでなく受信点も高速で移動させながら集光ミラーにより十分な集光ができるため、例えば製造中の溶接構造物や積層造形製品のような高温の被測定対象に対するインプロセス検査などを、被測定対象の形状や必要な計測範囲などに対する制約を低減し、よりロバストな非接触計測を行うことが可能となる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。また、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…測定対象、１ａ…受信用レーザ光照射部、１ｄ…超音波反射源、２…照射部反射光、３…鏡面反射光、１０…受信用レーザ光受信装置、１１…受信用レーザ光源、１１ａ…受信用レーザ光照射部、１２…受信用レーザ光受光部、１３…光学ファイバ、１５…第１集光ミラー、１５ａ…本体部、１５ｂ…鏡面部、１５ｃ…中心線、１５ｆ…焦点、１５ｐ…最奥点、１６…第２集光ミラー、１８…ガルバノスキャナ、１９…駆動部、２０…受信用レーザ照射部、２１…照射用ヘッド、２２…光ファイバ、３０…受光機構、３１…干渉計、３２…信号処理収録部、３３…画像表示部、５０…超音波発生部、６０…超音波励起用レーザ照射装置、６１…レーザ光源、６２…光学ミラー、１００…レーザ超音波計測装置

Claims

受信用レーザ光を測定対象に照射する受信用レーザ光照射部と、
測定対象からのレーザ光を受光する受信用レーザ光受光部と、
前記受信用レーザ光受光部に向けてレーザ光を集光する第１集光ミラーと、
前記受信用レーザ光照射部から照射される受信レーザ照射光を走査する光学機構または駆動機構と、
を具備し、
前記第１集光ミラーは非球面回転体であり、前記受信用レーザ光受光部は前記第１集光ミラーの中心線上に配されている、
ことを特徴とする受信用レーザ光受信装置。
前記受信用レーザ光受光部は前記受信用レーザ光照射部と一体に形成されていることを特徴とする請求項１記載の受信用レーザ光受信装置。
前記第１集光ミラーの焦点と前記測定対象における受信用レーザ光の照射部分との距離は、前記第１集光ミラーにおける前記受信用レーザ光の照射部分からの最遠点と前記受信用レーザ光の照射部分との距離との距離よりも短いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の受信用レーザ光受信装置。
前記受信用レーザ光受光部で受光したレーザ光を干渉計測するための干渉計と、
受信用光学プローブ干渉計により計測された超音波信号を収録し、解析するための信号処理収録部と、
データ収録手段により解析された超音波波形から検査結果を二次元または三次元画像として表示する画像表示部と、
をさらに具備することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の受信用レーザ光受信装置。
前記測定対象に超音波を励起するための超音波発生装置と、
前記請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の受信用レーザ光受信装置と、
を備えたことを特徴とするレーザ超音波計測装置。