JPH02276961A

JPH02276961A - レーザ超音波探傷装置

Info

Publication number: JPH02276961A
Application number: JP1097419A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Matsumoto; 貴裕松本; Bii Raito Oribaa; オリバー・ビー・ライト; Katsuhiro Kawashima; 川島　捷宏
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-04-19
Filing date: 1989-04-19
Publication date: 1990-11-13

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は被検査体表面をレーザ光線により被接触に観
察するレーザ超音波探傷装置に関するものである。

〔従来の技術〕

レーザ超音波探傷装置においてレーザ光線の軸合せをす
ることなく、非接触、非破壊で物体表面に超音波を発生
させて探傷しないというニーズが高まってきた。

レーザ超音波表面探傷装置として既にあるものは、アキ
シコンレンズ及び光変位干渉計を用いるものである。

（Ｐ、Ｃ１ｅｌｏ、　Ｆ、Ｎａｃｌｅａｕ　ａｎｄ　Ｍ
、Ｌａｍｏｎｔａｇｎｅ、　”Ｌａｓｅｒｇｅｎｅｒａ
ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ　ａｃｏｕｓｔ
ｉｃ　ｗａｖｅｓ　ｆｏｒｍａｔｅｒｉａｌ　１ｎｓｐ
ｅｃｔｉｏｎ”　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、　ｐ５５〜
６２Ｍａｒｃｈ　１９８５．　Ｊ、Ｐ、Ｈｏｎｃｈａｌ
ｉｎ、　Ｒ，Ｈｅｏｎ、　”Ｌａ５ｅｒＶｌｔｒａｓｏ
ｎｉｃ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　０ｐｔｉｃａ
ｌ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｗｉｔｂ　　ａ　　Ｃｏｎｆｏ
ｃａｌ　　Ｆｎｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ　　ｒｎｔｅｒｆｅ
ｒｏｍｅｔｅｒ−Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｅｖａｌｕａｔ
ｉｏｎ、　Ｖｏｌ、４４．　ｐ１２３１〜１２３７゜Ｓ
ｅｐｔｅｍｂｅｒ　１９８６．）その原理は、アキシコンレンズによってリング状に矯正
されたレーザ光線が物体表面に照射されることによって
リング中心部に収束する表面超音波が形成されるという
ものである。リング中心部の収束点で重ね合せられたこ
れらの表面超音波は、大きな変位を形成するので、プロ
ーブレーザ光線及び光変位干渉計等の装置を用いること
によってこの変位を測定することができるのである。し
かし下記レーザ超音波探傷装置では、リング状レーザ光
線を作るためのアキシコンレンズおよびパルスレーザ光
線とプローブレーザ光線のビームを重ね合せるためのダ
イクロイックミラーを使っており物体に対して探傷光源
を動かすことは不可能であるばかりでなく、プローブ光
をリングの中心部に設定するのにも非常に難かしさを要
する。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように従来のレーザ超音波探傷装置においては、レ
ーザ光軸上にダイクロイックミラー、アキシコンレンズ
等が入り光軸合せが非常に難かしく、また物体を探傷す
るために光源を自由に動かすことは不可能である等の問
題があった。

この発明は表面探傷の為のリング状パルスレーザ光線を
発生させるために必要なアキシコンレンズ、ダイクロイ
ックミラー等を用いずにしかも光源の移動を可能にする
装置を提供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明によるレーザ超音波探傷装置は被検査体に対し
、物体に超音波を発生させ、検出するためのパルスレー
ザ及びプローブレーザを有し、プローブレーザ出側には
、光アイソレータ及び偏光ビームスプリッタを置き、両
方のレーザ光を１本の多モードステップ形光ファイバに
入れるための１個または２個の光学レンズ及びカプラと
１本の多モードステップ形光ファイバと、ファイバ出側
にあるプローブ光を物体中心に収束させるためのコリメ
ータと、物体に発生した表面超音波を検出するための共
焦点ファブリペロ−干渉計と、その干渉計の光出力を検
出するための半導体センサーもしくは、光電子増倍管と
、この光検出器の信号を表示するオシロスコープと、オ
シロスコープの同期を取るための光検出器を備えること
を特徴とする。

〔作　用〕

多モードステップ形光ファイバの一端にパルスレーザ光
をファイバ軸に対して傾斜させて入射させることによっ
て、ファイバの選択的モード励起が生じ出射されるレー
ザ光は、ファイバ端面法線方向に対して垂直平面内でリ
ング状になる。次にこの同一ファイバにプローブレーザ
光をファイバ軸に対して平行に入射させることにより、
ファイバの出力端に適当なコリメータを置くことによっ
て、リング中心部に集光するプローブ光線を形成するこ
とができる。尚、適当なコリメータとしては、光学レン
ズの組合せ、または二重構造のレンズを考えることがで
きる。光学レンズの組合せとしてはファイバの出側に凸
レンズ、凹レンズまたはそれらを複数個組み合せたもの
になっているのに対して、二重構造レンズの構成は凸レ
ンズの回りにリング状凸レンズを組み合せたものになる
。

このリング状パルスレーザ光線を物体に照射することに
よって円環中心に収束する表面超音波が発生する。中心
部で重ね合せられたこれらの表面波は中心近傍を０．１
人から数１００人に渡って振動させることが可能であり
、中心から反射したプローブ光周波数を数１０ｋＨｚか
ら数１００ＭＨｚに渡ってドツプラーシフトさせる。こ
のドツプラーシフトした光を同一コリメータを使って再
び同一ファイバにもどし、この光をファブリペロ−干渉
計に入れることによってこのシフトした周波数及び強度
を測定することができる。これらの情報から逆に中心近
傍に生じた表面波の振幅及び周波数を知ることができ、
リング内の表面情報をとらえることが可能となる。光フ
ァイバを用いているので光軸合せが不要であり、物体の
任意の場所を容易に探傷することが可能になる。またこ
の光ファイバ及び共焦点ファブリペロ−干渉計は、電磁
ノイズ、低周波振動に強いなど種々の実用的な利点を持
つ。

〔実施例〕

この発明の一実施例にかかるレーザ超音波探傷装置は第
１図に示すように構成されている。

１はパルスレーザ、２は共焦点ファブリペロー干渉計、
３はプローブレーザ、４は光アイソレータ、５は偏光ビ
ームスプリッタ、６はプローブレーザを光ファイバに入
れるための凸レンズ、７はパルスレーザを光ファイバに
入れるための凸レンズ、２０はファイバ端面を保護する
ためのカプラ、８は多モードステップ形光ファイバ、９
はコリメータ、１０はパルスレーザ用誘電体多層膜ミラ
ー１１は９９％程度パルスレーザ光を透過するビームス
プリッタ、１２　、１３は光検出器、１４はハイパスフ
ィルタ、１５は高周波増幅器、１６はオシロスコープ、
１７は被検査対象物である。１３の光検出器としては、
高速微小信号検出用として、アバランシュホトダイオー
ド、あるいは、光電子増倍管等を用いる。

次にこの装置の動作について説明する。パルスレーザ振
器１より発生したパルスレーザ光はビームスプリッタ１
１、ミラー１０及び凸レンズ７、カプラ２０を通って、
多モードステップ形光ファイバ８にファイバ軸に対して
斜めに集光させられる。一方ブローブレーザ３から発振
したレーザ光線は、光アイソレータ４、偏光ビームスプ
リッタ５、凸レンズ６、カプラ２０を通って、この同一
光ファイバ８にファイバ軸に平行に集光させられる。

尚、光アイソレータ４のある理由は、ファイバ端面及び
、被検査体１７からプローブレーザ３へのもどり光を防
止するためである。

この光ファイバ８に集光させられた両方のレーザ光は、
ファイバ軸に対する入射角の違いによってファイバ中で
のモード励起が異なりコリメータ９を出た後は被検査体
１７に対してリング状に照射されるパルスレーザ光５０
と、その中心部に集光されたプローブレーザ光５２とな
る。このリング状パルスレーザ光５０が被検査体１７に
照射されることによって、リング中心方向に収束する表
面超音波が発生する。リング中心では、これらの表面波
が全て重なり合うために最大の変位が形成される。この
変位はリング中心部に集光されているプローブ光周波数
のドツプラーシフトとして計測される。ドツプラーシフ
トしたプローブレーザ光は再びコリメータ９で集められ
、同一ファイバ８を逆方向に進行し、偏光ビームスプリ
ッタ５を通過して、ファブリペロ−干渉計に入射するこ
とができる。

尚、プローブレーザ３からのレーザ光線は直線漏光した
光であるが、多モードステップ形光ファイバ８を通過し
た後では、非偏光状態になるので、このような光は偏光
ビームスプリッタ５を通過することができるわけである
。

この共焦点ファブリペロ−干渉計２は、共振器長がプロ
ーブ光３の周波数と適当な共振をおこすように固定され
ているのでプローブ光３と多少周波数の異なったドツプ
ラーシフトした光がこの共焦点ファブリペロ−干渉計２
に入射すると、共振周波数の違いから、この干渉計２か
らの光出力強度が変化する。この光出力を光検出器１３
で検出し、その電気信号をハイパスフィルタ１４を通し
高周波増幅器１５で増幅することによってオシロスコー
プ１６上にドツプラーシフトが表示される。

尚、この時、この電気信号の同期を取るために、パルス
レーザからのレーザ光を１％程度ビームスプリッタ１１
で取り出し、光検出器１２に集光する。この光検出器１
２からは電気的同期信号が形成され、これをオシロスコ
ープ１６のトリガ一部に入力することによって、電気信
号の同期を取ることができる。尚、光検出１２　、１３
としてはアバランシュホトダイオード、シリコンダイオ
ード、シリコンＰＩＮダイオード、もしくは光電子増倍
管などが用いられる。

次にファイバコリメータ９のかわりに第３図に示すよう
な凸レンズのまわりにリング状凸レンズを組み合せたレ
ンズを用いた実施例を第２図に示す、第２図の実施例は
第１図と同様であるが、第３図のようなレンズを用いる
ことによって多モードステップ形光ファイバ８の選択的
モード励起によって発生した、リング状パルスレーザ光
５０は被検査体１６上に鋭く集光される。このリング幅
の狭いパルスレーザ光５０は第１図の方法と比較して中
心点での変位をより大きくすることができる。その結果
ドツプラー信号も増大し、超音波の検出がより容易に可
能になるのである。

〔発明の効果〕

この発明のレーザ超音波探傷装置によれば、多モードス
テップ形光ファイバを利用しているので、アキシコンレ
ンズ、ダイクロイックミラー、などを必要とする通常の
レーザ超音波探傷装置よりも、構成が単純になり、しか
もレーザ光の軸合わせが不要になるという利点がある。

また共焦点ファブリペロ−干渉計は、粗い表面の光スペ
ックルの反射に用いられ、低振動のゆらぎに強いなどの
検出利点を持つ、光フアイバ伝送系は電磁ノイズに強く
、かつどんな場所へもレーザ光を導くことができるので
工場のライン等、計測条件の劣悪な環境においても超音
波探傷することが十分可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はこの説明器こよるレーザ超音波探傷装
置の実施例の概略構成を示す図、第３図は第２図実施例
におけるレンズ３つの見取り図である。図中１・・・パルスレーザ、２・・・共焦点ファブリペロー干渉計、３・・・プロー
ブレーザ、　４・・・光アイソレータ、５・・・偏光ビ
ームスプリッタ、６・・・凸レンズ（光学レンズ）、７・・・凸レンズ（光学レンズ）、８・・・多モード光ファイバ、９・・・コリメータ、１０・・・誘電体多層膜ミラー、１１・・・９９％パルスレーザ光透過ビームスプリッタ
、１２・・・光検出器、　　　１３・・・光検出器、１４
・・・ハイパスフィルタ、１５・・・高周波増幅器、　１６・・・オシロスコープ
、１７・・・被検査対象物、３９・・・リング状凸レンズ、２０・・・カプラ。リング状凸レンズを表わす図第３図手続補正書（自発）平成１年乙月　３Ｑ日

Claims

【特許請求の範囲】１、１つのパルスレーザ（１）と、１つのプローブレー
ザ（３）と、プローブレーザ（３）を光導波路としての
多モードステップ形光ファイバ（８）に集光するアイソ
レータ（４）、偏光ビームスプリッタ（５）、および光
学系レンズ（６）と、前記パルスレーザ（１）を前記多
モードステップ形光ファイバ（８）に集光する多層膜ミ
ラー（１０）、および光学系レンズ（７）と、集光され
た光を被検査体（１７）まで導くカプラ（２０）、およ
び前記多モードステップ形光ファイバ（８）と、前記多
モードステップ形光ファイバ（８）からの出力光を物体
に集光するためのコリメータ（９）と、光周波数測定器
としての共焦点ファブリペロー干渉計（２）と、ファブ
リペロー干渉計（２）からの光出力を測定する光検出器
（１３）と、前記光検出器（１３）からの電気信号を交
流電気信号化するハイパスフィルタ（１４）と、前記ハ
イパスフィルタ（１４）からの電気信号を増幅する高周
波増幅器（１５）と、前記高周波増幅器（１５）からの
信号を表示するオシロスコープ（１６）と、前記オシロ
スコープ（１６）の外部同期を取るためのビームスプリ
ッタ（１１）、光検出器（１２）、とからなることを特
徴とするレーザ超音波探傷装置。２、前記コリメータ（９）が、凸レンズの回りにリング
状の凸レンズを組み合せたレンズ（３９）であることを
特徴とする請求項１記載のレーザ超音波探傷装置。３、光検出器（１２、１３）はアバランシュホトダイオ
ード、シリコンダイオード、シリコンＰＩＮダイオード
、もしくは光電子増倍管であることを特徴とする請求項
１記載のレーザ超音波探傷装置。