JP7278525B2 - 内部構造評価のためのプログラム、方法および装置 - Google Patents

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特許法第３０条第２項適用 ・平成３１年２月１日、電気学会論文誌Ｃ（電子・情報・システム部門誌） ２０１９年１３９巻２号 第１４２～１４８頁

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特開平１１－２７１２８１号公報

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。

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。

（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。

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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

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。

（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。 本発明の装置（ＰＣ）の構成を示すブロック図である。 本発明の方法全体を示すフローチャートである。 イメージング処理を示すフローチャートである。 光音響顕微鏡の照射位置周辺を示す断面図である。 ＣＦＲＰおよび水の特性値を示す表である。 （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）～（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）、（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）、（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。 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。 （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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

（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。

被検体における群速度は、３次元分布ｇ（＝（ｇ_ｘ，ｇ_ｙ，ｇ_ｚ））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。

（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^ｉ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^ｉ，ｔ）と表せる。

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^ｉと散乱源ｒまでの距離ｒ（＝｜ｒ－ｏ^ｉ｜）は式（３）で与えられる。

式（３）を用いて、時刻ｔの振幅値Ｖ（ｏ^ｉ，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_ｉ（ｏ^ｉ，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。

式（４）では、光音響波の到達する範囲（開口ｄ_０）を仮定し、それによる振幅強度の補正ｗを考慮している。

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。

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。

［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。

（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。

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。

（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。

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。

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^３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。

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。

（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。

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。

（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^ｉと散乱源ｒまでの距離ｒ（＝｜ｒ－ｏ^ｉ｜）は式（３）で与えられる。

式（３）を用いて、時刻ｔの振幅値Ｖ（ｏ^ｉ，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_ｉ（ｏ^ｉ，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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

（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＝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。

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。

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。

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。

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_０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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (6)

1. 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、
   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た３次元の群速度であり、
   前記基準データは、ユーザに設定されることを特徴とするプログラム。
2. 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記載のプログラム。
3. 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または請求項２記載のプログラム。
4. 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３のいずれかに記載のプログラム。
5. 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、を含み、
   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た３次元の群速度であり、
   前記基準データは、ユーザに設定されることを特徴とする方法。
6. 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、
   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た３次元の群速度であり、
   前記基準データは、ユーザに設定されることを特徴とする装置。

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