JPH10260163A - Laser ultrasonic wave inspecting device - Google Patents

Laser ultrasonic wave inspecting device

Info

Publication number
JPH10260163A
JPH10260163A JP9065107A JP6510797A JPH10260163A JP H10260163 A JPH10260163 A JP H10260163A JP 9065107 A JP9065107 A JP 9065107A JP 6510797 A JP6510797 A JP 6510797A JP H10260163 A JPH10260163 A JP H10260163A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
laser
acousto
laser beam
optic
ultrasonic
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.)
Withdrawn
Application number
JP9065107A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasuaki Nagata
泰昭 永田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Steel Corp filed Critical Nippon Steel Corp
Priority to JP9065107A priority Critical patent/JPH10260163A/en
Publication of JPH10260163A publication Critical patent/JPH10260163A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser ultrasonic wave inspecting device which, based on a new method, detects the ultrasonic wave reflected or scattered at a defective place with high SN ratio, without damaging an object to be inspected. SOLUTION: Laser beam 11 emitted from a laser light source 10 is split into, for example, ten parallel laser beams with a beam separator 12. The respective split laser beam is made incident on, respective channel of a multi- channel acoustic optical element 13 comprising, at least, the same number of channels as the beam. The laser beam coming out of each channel is made incident on a beam expander 14, and expanded in lateral direction to be such beam whose cross section vertical to advancing direction is almost straight line. The beam is line-focused linearly on the surface of a steel material 16, with these straight irradiation lines being irradiated almost in parallel.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、被検体にレーザー
ビームを照射して超音波を発生させ、被検体を伝播した
この超音波を検出することにより、被検体の状態を検査
するレーザー超音波検査装置に関連する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser ultrasonic wave for irradiating an object with a laser beam to generate ultrasonic waves, and detecting the ultrasonic waves propagated through the object to inspect the state of the object. Related to inspection equipment.

【0002】[0002]

【従来の技術】各種材料の内部欠陥等を検出する方法の
一つとして、いわゆるレーザー超音波法と呼ばれるもの
がある。これについては、例えば「超音波TECHNO
5月号」(vol.5, No.5, p38 (1993) 日本工業出版)に
おいて説明されている。この方法は、レーザービームを
用いて超音波を検出するので、接触して検査することが
できない材料等の内部状態を調べる非接触の検査に用い
ることができる。したがって、製鉄工程における品質検
査、鉄骨加工における溶接の検査、セラミックス材料の
品質検査、航空機部品の内部検査、その他金属、複号材
料の品質検査等への応用が期待されている。
2. Description of the Related Art As one of methods for detecting internal defects and the like in various materials, there is a so-called laser ultrasonic method. For this, for example, "Ultrasonic TECHNO
May issue "(vol.5, No.5, p38 (1993) Nippon Kogyo Shuppan). Since this method detects an ultrasonic wave using a laser beam, it can be used for a non-contact inspection for examining an internal state of a material or the like that cannot be inspected by contact. Therefore, application to quality inspection in the iron making process, inspection of welding in steel processing, quality inspection of ceramic materials, internal inspection of aircraft parts, quality inspection of other metals and composite materials, etc. are expected.

【0003】代表的なレーザー超音波検査装置は、一例
として、検査対象内部に超音波を励起させるためのレー
ザー光源(例えばQスイッチYAGレーザー)と、検査
対象中を伝播する超音波を検出するプローブ用レーザー
光源(例えばHe−Neレーザー)を備えている。適当
な励起用レーザービームを検査対象に照射すると、熱的
応力又は蒸発反力によって検査対象中に超音波が発生す
る。この超音波は検査対象中を伝播する際に、内部に欠
陥があればそこで反射又は散乱される。検査対象中を伝
播する超音波の検出は、プローブ用レーザービームの位
相変化やドップラーシフトを観測することによって行う
ことができる。そして、超音波の発生位置から検出位置
までに超音波が伝播するのに要した時間や振幅の変化等
から、内部の欠陥の存否あるいは欠陥の存在する位置を
推定することが可能となる。
A typical laser ultrasonic inspection apparatus is, for example, a laser light source (for example, a Q-switched YAG laser) for exciting ultrasonic waves inside an inspection object, and a probe for detecting ultrasonic waves propagating in the inspection object. Laser light source (for example, He-Ne laser). When an appropriate excitation laser beam is applied to the test object, ultrasonic waves are generated in the test object due to thermal stress or evaporation reaction force. When the ultrasonic wave propagates through the inspection object, if there is a defect inside, the ultrasonic wave is reflected or scattered there. The detection of the ultrasonic wave propagating in the inspection object can be performed by observing the phase change and the Doppler shift of the probe laser beam. Then, it is possible to estimate the presence or absence of the internal defect or the position where the defect exists from the change of the time and amplitude required for the ultrasonic wave to propagate from the generation position of the ultrasonic wave to the detection position.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところで、欠陥で反射
又は散乱される超音波の強度は非常に弱く、このため高
いSN比でこの信号を検出することは難しい。欠陥で反
射又は散乱される超音波の強度を高めるには、励起用レ
ーザーの出力を上げて発生させる超音波の強度を高める
ことが考えられる。しかし、検査対象の表面の一か所に
集中して照射する励起用レーザービームの出力を上げる
と、検査対象の表面にはレーザービームに起因する損傷
が生じるため、励起用レーザーの出力を上げることには
限界がある。
By the way, the intensity of the ultrasonic wave reflected or scattered by the defect is very weak, and it is difficult to detect this signal at a high SN ratio. In order to increase the intensity of the ultrasonic wave reflected or scattered by the defect, it is conceivable to increase the intensity of the ultrasonic wave generated by increasing the output of the excitation laser. However, increasing the output of the excitation laser beam, which irradiates the laser beam in one location on the surface of the inspection target, may cause damage to the surface of the inspection target due to the laser beam. Has limitations.

【0005】また、検査対象の表面の一か所に励起用レ
ーザービームを照射して超音波を発生させるようにした
場合、超音波はその点から球面状に広がって検査対象の
内部へ伝播する。このため、レーザーによって励起され
た超音波のエネルギーうち、欠陥で反射又は散乱される
超音波に寄与するものの割合は非常に低くなる。このよ
うに微弱な超音波を検出する場合にはSN比が低下する
ため、検出手段について特別の配慮が必要となり、困難
を伴う。
When an excitation laser beam is applied to one portion of the surface of the inspection object to generate an ultrasonic wave, the ultrasonic wave spreads spherically from that point and propagates inside the inspection object. . For this reason, the ratio of the energy of the ultrasonic wave excited by the laser which contributes to the ultrasonic wave reflected or scattered by the defect becomes extremely low. As described above, when a weak ultrasonic wave is detected, the SN ratio is reduced, so that special consideration is required for the detection means, which is accompanied by difficulty.

【0006】本発明は上記事情に基づいてなされたもの
であり、検査対象に損傷を与えることなく、高いSN比
で欠陥から反射又は散乱される超音波を検出する新たな
手法に基づくレーザー超音波検査装置を提供することを
目的とする。
[0006] The present invention has been made based on the above circumstances, and is based on a new method of detecting ultrasonic waves reflected or scattered from a defect at a high SN ratio without damaging the inspection object. It is an object to provide an inspection device.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの請求項1記載の発明は、励起用レーザー光源と、前
記励起用レーザー光源より発せられたレーザービームを
複数のレーザービームとするビーム分割手段と、少なく
とも前記複数のレーザービームと同数のチャンネルを有
し、各チャンネルごとに独立して設けられた音響光学素
子に前記複数のレーザービームを通過させる音響光学手
段と、前記音響光学手段の各チャンネルから出射するレ
ーザービームを、その進行方向に垂直な断面が直線状と
なるように各レーザービームを平行に引き伸ばすビーム
伸張手段と、前記音響光学手段の各チャンネルの音響光
学素子に所定の電気信号を供給して前記音響光学手段の
各チャンネルから出射するレーザービームの強度及び方
向の少なくとも一方を制御する信号発生手段と、前記ビ
ーム伸張手段を経て検査対象に照射されたレーザー光に
よって前記検査対象に生じた超音波又はこれが欠陥によ
り反射もしくは散乱された超音波を検出する超音波検出
手段とを具備することを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided an excitation laser light source, and a laser beam emitted from the excitation laser light source is provided as a plurality of laser beams. A splitting means, an acousto-optic means having at least the same number of channels as the plurality of laser beams, and passing the plurality of laser beams through an acousto-optic element provided independently for each channel; and Beam expansion means for extending the laser beam emitted from each channel in parallel so that the cross section perpendicular to the traveling direction becomes linear, and a predetermined electric power to the acousto-optic element of each channel of the acousto-optic means. At least one of the intensity and direction of the laser beam emitted from each channel of the acousto-optic means by supplying a signal; A signal generating means for controlling the ultrasonic wave generated in the inspection object by the laser light applied to the inspection object through the beam extending means or an ultrasonic detection means for detecting the ultrasonic wave reflected or scattered by the defect and It is characterized by having.

【0008】請求項7記載の発明は、励起用レーザー光
源と、前記励起用レーザー光源より発せられたレーザー
ビームを複数のレーザービームとするビーム分割手段
と、少なくとも前記複数のレーザービームと同数のチャ
ンネルを有し、各チャンネルごとに独立して設けられた
音響光学素子に前記複数のレーザービームを通過させる
音響光学手段と、前記音響光学手段の各チャンネルから
出射するレーザービームを、その進行方向に垂直な断面
がそれぞれに異なる半径の円環状にするとともに、これ
らが検査対象の表面上において複数の同心環状に照射さ
れるようにする光学手段と、前記音響光学手段の各チャ
ンネルの音響光学素子に所定の電気信号を供給して、前
記複数の同心環の外側から内側に向かって所定のタイミ
ングで順番に照射されるように制御する信号発生手段
と、前記光学手段をへて検査対象に照射されたレーザー
光によって前記検査対象に生じた超音波又はこれが欠陥
により反射もしくは散乱された超音波を検出する超音波
検出手段とを具備することを特徴とする。
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided an excitation laser light source, beam splitting means for converting a laser beam emitted from the excitation laser light source into a plurality of laser beams, and at least the same number of channels as the plurality of laser beams. Acousto-optic means for passing the plurality of laser beams through the acousto-optic element provided independently for each channel, and a laser beam emitted from each channel of the acousto-optic means, perpendicular to the traveling direction Optical means for making the various cross-sections annular with different radii and irradiating them in a plurality of concentric rings on the surface to be inspected; and acousto-optical elements in each channel of the acousto-optical means. Are supplied in order from the outside to the inside of the plurality of concentric rings at predetermined timing. Signal generation means for controlling so as to detect an ultrasonic wave generated in the inspection object by a laser beam applied to the inspection object through the optical means or an ultrasonic wave reflected or scattered by a defect. Means.

【0009】請求項1記載の発明は、前記より、音響光
学素子は供給する電気信号を変えることによってそのチ
ャンネルから出射するレーザービームの特性を制御する
ことができる。具体的には、供給する信号をオン・オフ
することによってレーザービームの出射・非出射を切り
換えることができ、また、供給する信号の周波数を変え
ることによって音響光学媒体中に発生する超音波の周波
数を変え、これにより出射するレーザービームの回折角
を制御することができる。例えば音響光学手段の各チャ
ンネルから出射するレーザービームが、検査対象の表面
上において一定のライン間隔となるようにし、かつ、一
ライン間隔の距離をその検査対象の物質の表面超音波が
伝播するのに要する時間のタイミングとして順番に照射
されるようにすると、一つ一つのレーザービームを照射
するたびに表面超音波の振幅を次第に大きくしてゆくこ
とができる。これを欠陥の検出に利用すれば、高いSN
比が実現できる。また、複数のチャンネルからのレーザ
ービームを同時に検査対象に照射し、供給する電気信号
の周波数を変えることによって音響光学手段から出射す
るレーザービームの屈折角を変化させ、これにより検査
対象に照射したレーザービームを検査対象の表面上で走
査させることができる。この走査速度を適当な値とする
と、検査対象には表面を伝播する超音波あるいは物質中
を伝播する指向性を持った超音波を生じさせることがで
き、これを欠陥の検出に利用すれば、高いSN比を実現
することができる。
According to the first aspect of the present invention, the characteristics of the laser beam emitted from the channel can be controlled by changing the electric signal supplied to the acousto-optic element. Specifically, the emission and non-emission of the laser beam can be switched by turning on / off the supplied signal, and the frequency of the ultrasonic wave generated in the acousto-optic medium can be changed by changing the frequency of the supplied signal. And thereby the diffraction angle of the emitted laser beam can be controlled. For example, the laser beam emitted from each channel of the acousto-optic means is set to have a constant line interval on the surface of the inspection target, and the surface ultrasonic wave of the substance to be inspected propagates over a distance of one line interval. When the laser beam is sequentially irradiated as the timing of the time required, the amplitude of the surface ultrasonic wave can be gradually increased each time a laser beam is irradiated. If this is used for defect detection, a high SN
The ratio can be realized. In addition, laser beams from a plurality of channels are simultaneously irradiated on the inspection object, and the refraction angle of the laser beam emitted from the acousto-optic means is changed by changing the frequency of the supplied electric signal. The beam can be scanned over the surface to be inspected. If this scanning speed is set to an appropriate value, an ultrasonic wave propagating on the surface or a directional ultrasonic wave propagating in the material can be generated in the inspection object, and if this is used for defect detection, A high SN ratio can be realized.

【0010】請求項7記載の発明は、前記より、音響光
学素子に供給する電気信号を適当に変えて、検査対象の
表面に照射される複数の同心環状のレーザービームにつ
いて外側から内側に向かって所定のタイミングで順番に
照射されるように制御すると、検査対象の一点に収束す
る超音波を発生させることができる。この点に欠陥があ
ればそこから大きく反射もしくは散乱される超音波が発
生するので、この超音波を検出することによって欠陥の
有無を調べることが可能となる。
According to a seventh aspect of the present invention, an electric signal supplied to the acousto-optic element is appropriately changed, and a plurality of concentric annular laser beams irradiated on the surface of the inspection object are directed from the outside to the inside. By controlling the irradiation in order at a predetermined timing, it is possible to generate an ultrasonic wave that converges at one point of the inspection target. If there is a defect at this point, an ultrasonic wave that is largely reflected or scattered is generated from the defect, and it is possible to check for the presence or absence of the defect by detecting the ultrasonic wave.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、本発明の
実施形態について説明する。図1は本発明の第1実施形
態のレーザー超音波検査装置の全体構成を示した概略
図、図2はマルチチャンネル音響光学素子の概略図、図
3は検査対象の表面に照射されるラインフォーカスされ
たレーザービームの様子を示す概略斜視図、図4は音響
光学素子における光の回折を説明するための図、図5は
複数のレーザービームを順次照射することによって超音
波の振幅が徐々に増大してゆく様子を模式的に示した図
である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing the entire configuration of a laser ultrasonic inspection apparatus according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic diagram of a multi-channel acousto-optic device, and FIG. FIG. 4 is a schematic perspective view showing the state of a laser beam obtained, FIG. 4 is a view for explaining light diffraction in an acousto-optic device, and FIG. 5 is a diagram showing the amplitude of ultrasonic waves gradually increased by sequentially irradiating a plurality of laser beams. It is the figure which showed the mode that it was going on typically.

【0012】図1に示すように、第1実施形態のレーザ
ー超音波検査装置は、検査対象である鋼材16の表面に
超音波を発生させる超音波発生部1と鋼材16の表面を
伝播する超音波を検出する超音波検出部2を有する。超
音波発生部1は、レーザー光源10、ビームセパレータ
12、マルチチャンネル音響光学素子13、ビームエキ
スパンダ14、そしてマルチチャンネル音響光学素子1
3に所定の信号を供給する発振器15を有する。超音波
検出部2は、レーザー干渉計20などを使って鋼材16
の表面の超音波変位を検出する。
As shown in FIG. 1, the laser ultrasonic inspection apparatus according to the first embodiment includes an ultrasonic generator 1 for generating ultrasonic waves on the surface of a steel material 16 to be inspected and an ultrasonic wave propagating on the surface of the steel material 16. It has an ultrasonic detector 2 for detecting sound waves. The ultrasonic generator 1 includes a laser light source 10, a beam separator 12, a multi-channel acousto-optic device 13, a beam expander 14, and a multi-channel acousto-optic device 1.
3 has an oscillator 15 for supplying a predetermined signal. The ultrasonic detection unit 2 uses a laser interferometer 20 or the like to
The ultrasonic displacement of the surface of the object is detected.

【0013】超音波発生部1のレーザー光源10は超音
波励起用のレーザー光源であり、本実施形態ではNd:
YAGレーザーを使用する。レーザー光源10から発せ
られたレーザービーム11はビームセパレータ12に入
り、ここで例えば10本の平行なレーザービームに分割
される。ビームセパレータ12としては、光学研磨され
た平行平面基板の両面に誘電体あるいは金属体をコーテ
ィングした膜による反射・透過によってレーザービーム
を複数に分割するようにした市販の光学素子を利用する
ことができる。分割されたそれぞれのレーザービーム
は、図2に示すように、少なくともこのビーム数と同じ
チャンネルを有するマルチチャンネル音響光学素子13
のそれぞれのチャンネルに入射する。マルチチャンネル
音響光学素子13は、例えば10チャンネルの独立した
音響光学素子からなるもので、信号発生手段である発振
器15からそれぞれの音響光学素子に所定の信号を供給
することにより、各チャンネルの音響光学素子がそのチ
ャンネルに入射したレーザービームに対して後述する種
々の作用を及ぼす。
The laser light source 10 of the ultrasonic generator 1 is a laser light source for exciting an ultrasonic wave, and in this embodiment, Nd:
A YAG laser is used. A laser beam 11 emitted from a laser light source 10 enters a beam separator 12, where it is split into, for example, ten parallel laser beams. As the beam separator 12, a commercially available optical element that splits a laser beam into a plurality of parts by reflection and transmission by a film in which a dielectric or metal body is coated on both surfaces of an optically polished parallel flat substrate can be used. . As shown in FIG. 2, each of the split laser beams is a multi-channel acousto-optical element 13 having at least the same number of channels as the number of beams.
Incident on each channel. The multi-channel acousto-optic element 13 is composed of, for example, 10 independent acousto-optic elements, and a predetermined signal is supplied to each acousto-optic element from the oscillator 15 which is a signal generating means, so that The element exerts various actions described later on the laser beam incident on the channel.

【0014】マルチチャンネル音響光学素子13の各チ
ャンネルから出射したレーザービームは伸張手段である
ビームエキスパンダ14に入射する。レーザービーム
は、ビームエキスパンダ14に入射する前は進行方向に
垂直な断面が略円形であるが、ビームエキスパンダ14
に入射するとビームが横方向に引き伸ばされ、出射する
ときは進行方向に垂直な断面が略直線状のビームとされ
る。このように断面が略直線状とされた各レーザービー
ムは、図3に示すように検査対象である鋼材16の表面
に直線状にラインフォーカスされ、且つこれらの直線状
の照射ラインが互いに平行となるように照射される。
The laser beam emitted from each channel of the multi-channel acousto-optic device 13 enters a beam expander 14 which is an expanding means. Before the laser beam enters the beam expander 14, the cross section perpendicular to the traveling direction is substantially circular.
When the beam is incident on the beam, the beam is expanded in the lateral direction, and when the beam is emitted, the beam has a substantially straight cross section perpendicular to the traveling direction. Each laser beam having a substantially linear cross section is linearly focused on the surface of the steel material 16 to be inspected as shown in FIG. 3, and these linear irradiation lines are parallel to each other. Irradiation.

【0015】レーザービームが照射されると、鋼材16
の照射ラインの部分には熱的応力又は蒸発反力によって
超音波が発生する。この超音波には、鋼材16の内部へ
伝播してゆくものと鋼材16の表面を伝播するものがあ
る。本実施形態では、このうち表面を伝播する超音波を
欠陥の検出に利用する。鋼材16の表面を伝播する超音
波が鋼材16の表面の欠陥に当たって散乱されると、そ
こを源とする超音波が発生し鋼材16の表面を伝播す
る。この超音波を超音波検出部2で検出する。超音波発
生部1と超音波検出部2の幾何学的な配置は予め分かっ
ているので、超音波検出部2によって超音波が検出され
たタイミングから、鋼材16の表面に欠陥があるかどう
かが、また欠陥がある場合にはその位置が分かる。
When the laser beam is irradiated, the steel 16
Ultrasonic waves are generated in the irradiation line portion by thermal stress or evaporation reaction force. The ultrasonic waves include those that propagate inside the steel material 16 and those that propagate on the surface of the steel material 16. In the present embodiment, the ultrasonic wave propagating on the surface is used for detecting a defect. When the ultrasonic wave propagating on the surface of the steel material 16 scatters upon hitting a defect on the surface of the steel material 16, the ultrasonic wave originating therefrom is generated and propagates on the surface of the steel material 16. This ultrasonic wave is detected by the ultrasonic wave detection unit 2. Since the geometric arrangement of the ultrasonic wave generating unit 1 and the ultrasonic wave detecting unit 2 is known in advance, it is determined whether or not the surface of the steel material 16 has a defect from the timing when the ultrasonic wave is detected by the ultrasonic wave detecting unit 2. If there is a defect, its position is known.

【0016】次に、図2及び図4を参照してマルチチャ
ンネル音響光学素子13の原理について簡単に説明す
る。音響光学素子は、テルライトガラスやモリブデン酸
鉛単結晶などの音響光学媒体に圧電素子を接着したもの
で、各チャンネル用の発振器151 〜1510から圧電素
子に電気信号を供給して音響光学媒体中に超音波を発生
させると、光弾性効果によって音響光学媒体中に周期的
な屈折率変化が生じ、これを回折格子として作用させる
ものである。光と超音波の相互作用距離をL(図4参
照)、真空中での光の波長をλ0 、媒体の音速をV、超
音波周波数(駆動周波数)をfa 、媒体の屈折率をnと
すると、 2πλ0 Lfa 2 /nV2 >4π (1) が成立するときにブラッグ回折が生じ、回折を受けない
0次光のほか、図4に示す光強度の高い一次回折光を得
る。この一次回折光の方向(回折角)θB は、媒体の光
入出射面での屈折を考慮すると、 θB = sin-1(λ0 a /2V) (2) で与えられる。ブラッグ回折では光入射角をθB とした
ときに最も高い回折効率か得られる。
Next, the principle of the multi-channel acousto-optic device 13 will be briefly described with reference to FIGS. Acousto-optical element is obtained by bonding the piezoelectric element to the acoustic-optic medium, such as tellurite glass or lead molybdate single crystals, acousto-optic and supplies an electric signal to the piezoelectric element from the oscillator 15 1-15 10 for each channel When an ultrasonic wave is generated in the medium, a periodic change in the refractive index occurs in the acousto-optic medium due to the photoelastic effect, which acts as a diffraction grating. The interaction distance between light and ultrasonic L (see FIG. 4), 0 the wavelength of light λ in vacuum, the acoustic velocity of the medium V, and ultrasonic frequency (driving frequency) f a, the refractive index of the medium n when, 2πλ 0 Lf a 2 / nV 2> Bragg diffraction occurs when 4π (1) is satisfied, other zero-order light which is not subjected to diffraction, obtaining the first-order diffracted light of high light intensity shown in FIG. The direction of the first-order diffracted light (diffraction angle) θ B is given by θ B = sin −10 f a / 2V) (2) in consideration of the refraction at the light entrance / exit surface of the medium. Obtained or highest diffraction efficiency when a light incident angle is theta B in Bragg diffraction.

【0017】一次回折光の強度I1 は媒体中の超音波の
パワーPa に依存し、その関係式は、 I1 ∝ sin2 (K1 (MePa 1/2 /λ0 ) (3) で示される。ここで、Meは音響光学媒体の物性値で決
まる定数で、この値が大きいほど高い回折効率が得ら
れ、媒体の性能指数と呼ばれる。また、K1 は素子によ
る定数である。尚、以上の音響光学素子に関する説明
は、HOYA−SCHOTT株式会社の光応用製品のカ
タログに基づくものである。
The intensity I 1 of the primary diffracted light depends on the power P a of the ultrasound in the medium, the relationship is, I 1 α sin 2 (K 1 (MeP a) 1/2 / λ 0) (3 ). Here, Me is a constant determined by the physical property value of the acousto-optic medium, and the larger this value is, the higher the diffraction efficiency is obtained, which is called the index of performance of the medium. Also, K 1 is a constant dependent element. The above description of the acousto-optic device is based on the catalog of optical applied products of HOYA-SCHOTT Co., Ltd.

【0018】上記(2)式から分かるように、一次回折
光の回折角θB は、超音波の周波数fa に依存する。し
たがって、fa を変えることによって一次回折光の角度
θBを制御することができる。このことを利用して、そ
れぞれのチャンネルごとに適当なfa を選択することに
より、図3に示す鋼材16上に複数のレーザービーム
を、その照射ラインが所定の間隔となるように照射する
ことができる。
As can be seen from the above equation (2), the diffraction angle θ B of the first-order diffracted light depends on the frequency f a of the ultrasonic wave. Therefore, by changing f a , the angle θ B of the first-order diffracted light can be controlled. By utilizing this, by selecting the appropriate f a for each channel, a plurality of laser beams on the steel 16 as shown in FIG. 3, that the irradiation line is irradiated to a predetermined distance Can be.

【0019】次に、上記(3)式から分かるように、音
響光学媒体中の超音波のパワーPaがある値のとき、す
なわち音響光学媒体中に超音波が発生しているときは一
次回折光の強度I1 もその超音波のパワーにPa に応じ
たある値を有するが、超音波のパワーPa がゼロのと
き、すなわち音響光学媒体中に超音波が発生していない
ときは一次回折光の強度I1 もゼロである。そして、こ
の音響光学媒体中の超音波は圧電素子に電力を供給する
ことによって発生する。したがって、マルチチャンネル
音響光学素子13の各チャンネルの圧電素子に供給する
電力をオン・オフすることによって、鋼材16の表面に
照射されるレーザービームのオン・オフを切り替えるこ
とができる。これより、鋼材16の表面に、マルチチャ
ンネル音響光学素子13の各チャンネルに対応するレー
ザービームを所望の順番で照射することが可能となる。
Next, as can be seen from equation (3), when the value in ultrasonic power P a in the acoustooptic medium, i.e. when during the acoustooptic medium, ultrasonic waves generated primary diffraction has an intensity I 1 is also a value corresponding to P a to the ultrasonic power of the light, when ultrasound power P a is zero, or primary when no ultrasonic wave is generated in the acoustooptic medium The intensity I 1 of the diffracted light is also zero. Ultrasonic waves in the acousto-optic medium are generated by supplying electric power to the piezoelectric element. Therefore, by turning on / off the power supplied to the piezoelectric element of each channel of the multi-channel acousto-optic element 13, it is possible to switch on / off of the laser beam applied to the surface of the steel material 16. This makes it possible to irradiate the surface of the steel material 16 with a laser beam corresponding to each channel of the multi-channel acousto-optic element 13 in a desired order.

【0020】本実施形態では、マルチチャンネル音響光
学素子13の各チャンネルの音響光学媒体中に発生させ
る超音波の周波数fa とその超音波のパワーPa をコン
トロールすることによって、各レーザービームを照射す
る時間間隔がΔt、各照射ラインの間隔をd0 となるよ
うに、鋼材16の表面に順番にレーザービームを照射す
る。但し、Δtとd0 は、 d0 =v・Δt (4) の関係を満たすようにする。ここで、vは、鋼材16の
表面を伝播する超音波の音速である。
[0020] In this embodiment, by controlling the ultrasonic frequency f a and the ultrasonic power P a to be generated during the acoustooptic medium for each channel of the multi-channel acousto-optic device 13, irradiation of each laser beam The surface of the steel material 16 is irradiated with a laser beam in order so that the time interval between the irradiations becomes Δt and the interval between the irradiation lines becomes d 0 . Here, Δt and d 0 satisfy the relationship of d 0 = v · Δt (4). Here, v is the sound speed of the ultrasonic wave propagating on the surface of the steel material 16.

【0021】このようなライン間隔及び時間間隔で各レ
ーザービームを順番に照射してゆくと、鋼材16の表面
を伝播する超音波はレーザービームが照射されるたびに
そのエネルギーを吸収し、図5(a),(b),
(c),(d),・・・に示すように振幅が徐々に増大
してエネルギーが高まる。このように所定のライン間隔
及び時間間隔でレーザービームを照射することによって
段階的に超音波の振幅を増大させることについては、Ul
trasonics, Vol.31, No.6, 1993, pp387-394において実
験的研究が示されている。
When each laser beam is sequentially irradiated at such a line interval and a time interval, the ultrasonic wave propagating on the surface of the steel material 16 absorbs its energy every time the laser beam is irradiated, and FIG. a), (b),
(C), (d),..., The amplitude gradually increases and the energy increases. Regarding the stepwise increase in the amplitude of the ultrasonic wave by irradiating the laser beam at a predetermined line interval and time interval in this way, Ul.
Experimental studies are shown in trasonics, Vol. 31, No. 6, 1993, pp387-394.

【0022】ところで、レーザー超音波検査装置は、欠
陥で散乱された超音波による表面の変位を検出するが、
欠陥で散乱された超音波は非常に弱いので、高分解能の
レーザー干渉計を用いる必要がある。しかし、高分解能
のレーザー干渉計を用いても、信号強度がノイズ強度と
同程度では十分なSN比は得られず、高い精度での欠陥
検出は困難である。欠陥で散乱される超音波の強度を高
めるには、励起用レーザーによって発生させる超音波の
エネルギーを高めればよいが、そのためには励起用レー
ザーの出力を高めなければならない。しかし、出力の大
きな励起用レーザーからのビームが鋼材16に照射され
ると、レーザービームが照射された表面部分に重大な損
傷が生じる。このため、従来は検査対象に損傷を与えな
い程度の出力の励起用レーザーを使用せざるを得ず、こ
のため超音波のエネルギーが小さく、したがって十分な
SN比が得られなかった。
By the way, a laser ultrasonic inspection device detects a surface displacement caused by ultrasonic waves scattered by a defect.
The ultrasonic waves scattered by the defect are very weak and require the use of a high-resolution laser interferometer. However, even if a high-resolution laser interferometer is used, a sufficient signal-to-noise ratio cannot be obtained if the signal intensity is almost equal to the noise intensity, and it is difficult to detect defects with high accuracy. In order to increase the intensity of the ultrasonic wave scattered by the defect, the energy of the ultrasonic wave generated by the excitation laser may be increased, but for that purpose, the output of the excitation laser must be increased. However, when the beam from the high-power excitation laser is irradiated on the steel material 16, serious damage occurs on the surface portion irradiated with the laser beam. For this reason, conventionally, an excitation laser having an output that does not damage the inspection target has to be used, and as a result, the energy of the ultrasonic wave is small, and a sufficient SN ratio cannot be obtained.

【0023】これに対して、本実施形態のように複数の
レーザービームを使用し、それぞれのレーザービームの
出力をある範囲内に抑えておけば、鋼材16に損傷を与
えることはない。しかも、これら複数のレーザービーム
を所定のライン間隔及び時間間隔で順次照射することで
超音波のエネルギーを徐々に増大させることができるの
で、欠陥検出のSN比が向上する。更に、鋼材16に照
射されるレーザービームは互いに平行な直線状の照射ラ
インであるため、表面を伝播する超音波は照射ラインと
垂直に伝播するもののみが存続しつづける。これによ
り、鋼材16の表面を伝播する超音波に指向性を持たせ
ることができるので、欠陥の位置特定の精度が向上す
る。
On the other hand, if a plurality of laser beams are used as in this embodiment and the output of each laser beam is kept within a certain range, the steel material 16 will not be damaged. In addition, the energy of the ultrasonic wave can be gradually increased by sequentially irradiating the plurality of laser beams at predetermined line intervals and time intervals, so that the SN ratio for defect detection is improved. Further, since the laser beam applied to the steel material 16 is a linear irradiation line parallel to each other, only ultrasonic waves propagating on the surface that propagate perpendicular to the irradiation line continue. Thereby, the ultrasonic wave propagating on the surface of the steel material 16 can be given directivity, so that the accuracy of determining the position of the defect is improved.

【0024】次に、本発明の第2実施形態について説明
する。本実施形態では、図1に示した装置で、鋼材16
の表面に複数(例えば10本)のラインフォーカスした
レーザービームを平行に同時に照射し、これらを鋼材1
6の表面でレーザービームの配列方向に所定の速度で一
斉に走査させる。図6は、鋼材16にラインフォーカス
された一つのレーザービームLを示している。同図にお
いて、P点はこのレーザービームがマルチチャンネル音
響光学素子13から出射する点、O点はP点から鋼材1
6の表面に下ろした垂線の足であり、lはP点からO点
までの長さを表す。また、鋼材16の表面において、レ
ーザービームの配列方向をX方向とし、O点からX方向
に沿って測ったレーザービームLまでの距離をxとす
る。尚、ここでは簡単のために、ビームエキスパンダに
ついては考えないものとする。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the apparatus shown in FIG.
A plurality (for example, 10) of line-focused laser beams are simultaneously irradiated in parallel to the surface of
6 are simultaneously scanned at a predetermined speed in the arrangement direction of the laser beams. FIG. 6 shows one laser beam L line-focused on the steel material 16. In the figure, point P is a point at which this laser beam is emitted from the multi-channel acousto-optic element 13, and point O is a point from the point P to the steel material 1.
6 is a perpendicular leg lowered on the surface, and 1 represents the length from point P to point O. Further, on the surface of the steel material 16, the arrangement direction of the laser beams is defined as the X direction, and the distance from the point O to the laser beam L measured along the X direction is defined as x. Here, for simplicity, a beam expander is not considered.

【0025】図6において、一次回折光の方向θB
(2)式で与えられるが、ここでθBが十分に小さけれ
ば、θB は、 θB =λ0 a /2V (5) とおくことができる。すなわち、回折角θB は音響光学
媒体中の超音波の周波数fa に依存する。したがって、
a を変えることによってレーザービームの回折角θB
を制御することができる。また、図6から、 x=l tanθB (6) の関係がある。ここで、上記と同様にθB が十分に小さ
ければ、(6)は、 x=lθB (7) とおくことができる。鋼材16の表面におけるレーザー
ビームの走査速度をvとすると、v=dx/dtであ
り、これに(7)式及び(5)式を代入すると、 v=l(dθB /dt)=(λ0 l/2V)・dfa /dt (8) となる。したがって、マルチチャンネル音響光学素子1
3の音響光学媒体中の超音波の周波数fa を(8)式に
従って時間的に変化させると、鋼材16の表面に照射さ
れたレーザービームが速度vで走査する。
In FIG. 6, the direction θ B of the first-order diffracted light is given by the equation (2). Here, if θ B is sufficiently small, θ B becomes θ B = λ 0 f a / 2V (5) Can be saved. That is, the diffraction angle θ B depends on the frequency f a of the ultrasonic wave in the acousto-optic medium. Therefore,
By changing f a , the diffraction angle θ B of the laser beam
Can be controlled. Further, from FIG. 6, there is a relation of x = l tan θ B (6). Here, as in the above, if θ B is sufficiently small, (6) can be set as x = lθ B (7). Assuming that the scanning speed of the laser beam on the surface of the steel material 16 is v, v = dx / dt. By substituting the equations (7) and (5), v = l (dθ B / dt) = (λ 0 l / 2V) · df a / dt (8) Therefore, the multi-channel acousto-optic device 1
When the frequency f a of the ultrasonic wave in the acousto-optic medium 3 is temporally changed according to the equation (8), the laser beam irradiated on the surface of the steel material 16 scans at the speed v.

【0026】ところで、ラインフォーカスされた複数の
平行なレーザービームを試料表面に照射すると、試料の
表面には非常に狭帯域の表面超音波、すなわちトーンバ
ースト状の信号波形を有する表面超音波が発生すること
が知られている。そして更に、このラインフォーカスさ
れた複数の平行なレーザービームを、試料表面で配列方
向に表面超音波の音速と同じ速度で走査させると、上記
トーンバーシト状の超音波の強度を上げることができる
ことが知られている。これについては、例えば山中、永
田、甲田「レーザの位相速度走査による単一モード超音
波の発生法」(日本音響学会誌48巻8号(1992)p.56
4-571 )及びJin Huang,Sridhar Krishnaswamy, and Ja
n D. Achenbach「 Laser generation of narrow-band s
urface waves」(J. Acourst. Soc. Am., 92(5) p.2527
-2531 )などを参照することができる。
When a plurality of line-focused parallel laser beams are irradiated on the sample surface, a very narrow band surface ultrasonic wave, that is, a surface ultrasonic wave having a tone burst signal waveform is generated on the sample surface. It is known to Further, it is known that when the plurality of line-focused parallel laser beams are scanned on the sample surface in the arrangement direction at the same speed as the sound speed of the surface ultrasonic wave, the intensity of the tone versatile ultrasonic wave can be increased. Have been. Regarding this, for example, Yamanaka, Nagata and Koda, “Generation of Single Mode Ultrasound by Laser Phase Velocity Scanning” (Journal of the Acoustical Society of Japan, 48, 8 (1992), p. 56).
4-571) and Jin Huang, Sridhar Krishnaswamy, and Ja
n D. Achenbach “Laser generation of narrow-band s
urface waves "(J. Acourst. Soc. Am., 92 (5) p.2527
-2531) can be referred to.

【0027】したがって、(8)式のfa の時間的な変
化率を適当な値とし、鋼材16の表面を走査するレーザ
ービームの速度vを鋼材16の表面を伝播する超音波の
音速と同じ値にすることによって、鋼材16の表面を伝
播するトーンバースト状の超音波を発生させることがで
き、しかもその強度を高めることができるので、これを
第1実施例の場合と同様にして鋼材16の表面の欠陥検
出に用いることが可能となる。
Therefore, the temporal change rate of f a in the equation (8) is set to an appropriate value, and the speed v of the laser beam scanning the surface of the steel material 16 is the same as the sound speed of the ultrasonic wave propagating on the surface of the steel material 16. By setting the value, it is possible to generate a tone-burst ultrasonic wave propagating on the surface of the steel material 16 and to increase the intensity thereof. It can be used for the detection of defects on the surface.

【0028】ところで本実施形態において、レーザービ
ームを走査させるために必要なことは、マルチチャンネ
ル音響光学素子13の音響光学媒質中の超音波の周波数
を時間的に変えることであり、そのためにはマルチチャ
ンネル音響光学素子13のそれぞれのチャンネルに発振
器15から供給する駆動用の交流信号の周波数を所望の
変化率で変化させればよい。すなわち、電気的な制御で
鋼材16の表面に照射するレーザービームの走査速度を
変えることができる。しかも、交流信号の周波数を所望
の周波数で変化させることは周知の技術で可能であり、
比較的簡単である。この所望の周波数は、(8)式を変
形して、 dfa /dt=(2V/λ0 l)・v (9) より求めることができる。(9)式において、検査対象
が鋼板である場合には、vは約3000m/secであ
り、使用するマルチチャンネル音響光学素子の音響光学
媒体が二酸化テルル(TeO2 )単結晶である場合のV
は約4200m/secである。
In the present embodiment, what is necessary for scanning the laser beam is to change the frequency of the ultrasonic wave in the acousto-optic medium of the multi-channel acousto-optic element 13 with time. The frequency of the driving AC signal supplied from the oscillator 15 to each channel of the channel acousto-optic element 13 may be changed at a desired rate. That is, the scanning speed of the laser beam applied to the surface of the steel material 16 can be changed by electrical control. Moreover, it is possible to change the frequency of the AC signal at a desired frequency by a known technique,
Relatively simple. The desired frequency can be obtained by modifying the equation (8) to obtain df a / dt = (2V / λ 0 l) · v (9). In the equation (9), when the inspection target is a steel plate, v is about 3000 m / sec, and V when the acousto-optic medium of the multi-channel acousto-optic element to be used is tellurium dioxide (TeO 2 ) single crystal.
Is about 4200 m / sec.

【0029】次に、本発明の第3実施形態について説明
する。図7は、検査対象である鋼材16の表面上で、照
射した複数のレーザービーム30を右方向へ走査させて
いる様子を示す概略横断面図である。前記第2実施形態
では、ラインフォーカスした複数のレーザービームを表
面超音波の伝播速度と同じ速度で走査させることによっ
て鋼材16の表面を伝播する超音波を発生させた。これ
に対し本実施形態では、鋼材16の表面からその内部へ
伝播してゆく超音波を発生させる。その場合、レーザー
ビームの走査速度をv、鋼材16のバルク内での音速を
cとすると、図7に示すように、 θ= sin-1(c/v) (10) で表される角度θの方向に向けて、指向性を持った超音
波が伝播する。レーザービームの走査は、第2実施形態
と同様に図2のマルチチャンネル音響光学素子13のそ
れぞれのチャンネルへ供給する交流信号の周波数を所定
の時間変化率で変化させればよい。この変化率を変えれ
ばレーザービームの走査速度が変わるので、上記のθも
変わる。すなわち、マルチチャンネル音響光学素子13
に供給する電気信号によって、超音波の伝播方向を制御
することができる。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a state where a plurality of irradiated laser beams 30 are scanned rightward on the surface of the steel material 16 to be inspected. In the second embodiment, ultrasonic waves that propagate on the surface of the steel material 16 are generated by scanning a plurality of line-focused laser beams at the same speed as the propagation speed of the surface ultrasonic waves. On the other hand, in the present embodiment, an ultrasonic wave that propagates from the surface of the steel material 16 to the inside thereof is generated. In this case, assuming that the scanning speed of the laser beam is v and the sound speed in the bulk of the steel material 16 is c, the angle θ represented by θ = sin −1 (c / v) (10) as shown in FIG. Directional ultrasonic waves propagate in the direction of. The scanning of the laser beam may be performed by changing the frequency of the AC signal supplied to each channel of the multi-channel acousto-optic device 13 in FIG. 2 at a predetermined time change rate, as in the second embodiment. If the rate of change is changed, the scanning speed of the laser beam is changed, so that the above θ is also changed. That is, the multi-channel acousto-optic device 13
The direction of propagation of the ultrasonic wave can be controlled by the electric signal supplied to the.

【0030】Generation and Directivity Control of
Bulk Acoustic Waves by Phase Velocity Scanning of
Laser Interference Fringes (Hideo NISHINO et.al.,
Jpn.J. Appl. Vol. 34 (1995) pp.2874-2878 )には、
光周波数が僅かに異なる二つのレーザービームを試料表
面に照射することによってその干渉縞を試料表面上で走
査させ、これによって試料内部の特定の方向へ向けて超
音波BAW(Bulk Acoustic Waves )を伝播させうるこ
とが示されている。しかしながら、この場合、光周波数
が僅かに異なるレーザービームを二つ用意しなければな
らず、また、これらを所定の角度で試料表面に照射しな
ければならないため、装置の構成が複雑となる。また、
超音波の伝播方向を変えるためには、試料表面に照射す
るレーザービームの角度を変えなければならないため、
伝播方向の制御が困難となる。これに対して本実施形態
の装置では、上記のようにマルチチャンネル音響光学素
子13に供給する交流信号の電気的な制御だけで超音波
の伝播方向を制御することができる。このため超音波の
伝播方向の制御が大幅に容易となり、指向性を持たせて
目的とする方向に簡単に超音波を伝播させることができ
る。
Generation and Directivity Control of
Bulk Acoustic Waves by Phase Velocity Scanning of
Laser Interference Fringes (Hideo NISHINO et.al.,
Jpn.J. Appl. Vol. 34 (1995) pp.2874-2878)
By irradiating the sample surface with two laser beams having slightly different optical frequencies, the interference fringes are scanned on the sample surface, and the ultrasonic BAW (Bulk Acoustic Waves) propagates in a specific direction inside the sample. It is shown that it can be done. However, in this case, two laser beams having slightly different optical frequencies must be prepared, and these must be irradiated on the sample surface at a predetermined angle, which complicates the configuration of the apparatus. Also,
In order to change the direction of ultrasonic wave propagation, the angle of the laser beam applied to the sample surface must be changed.
It becomes difficult to control the propagation direction. On the other hand, in the device of the present embodiment, the propagation direction of the ultrasonic wave can be controlled only by the electrical control of the AC signal supplied to the multi-channel acousto-optic element 13 as described above. Therefore, the control of the propagation direction of the ultrasonic wave is greatly facilitated, and the ultrasonic wave can be easily propagated in a target direction with directivity.

【0031】図8は、本実施形態の変形例の概略を示す
図である。すなわち、鋼材16の表面の左側と右側に別
々にラインフォーカスされた複数のレーザービームを照
射し、これらを互いに近づく方向に同じ走査速度で走査
させる。すると、図に示すように、右側のレーザービー
ムからは角度θの方向に超音波が伝播し、左側のレーザ
ービームからは角度−θの方向に超音波が伝播する。こ
れらの超音波は点Qに収束し、点Qにおける超音波のエ
ネルギーは非常に大きくなる。この点Qに欠陥があれ
ば、そこからは大きな散乱波が発生するので、これを検
出することによってその欠陥の存在を知ることができ
る。超音波が収束する点Qの位置は予め分かっており、
角度θを変えることによって簡単に鋼材16内部の各点
について欠陥の有無を調べることができるので、鋼材1
6の内部を高い検出精度で検査することが可能となる。
FIG. 8 is a diagram schematically showing a modification of the present embodiment. That is, a plurality of laser beams that are separately line-focused on the left side and the right side of the surface of the steel material 16 are irradiated, and these are scanned at the same scanning speed in directions approaching each other. Then, as shown in the figure, the ultrasonic wave propagates from the right laser beam in the direction of angle θ, and the ultrasonic wave propagates from the left laser beam in the direction of angle −θ. These ultrasonic waves converge on the point Q, and the energy of the ultrasonic waves at the point Q becomes very large. If there is a defect at this point Q, a large scattered wave is generated therefrom, so that the presence of the defect can be known by detecting this. The position of the point Q where the ultrasonic wave converges is known in advance,
By changing the angle θ, it is possible to easily check the presence or absence of a defect at each point inside the steel material 16.
6 can be inspected with high detection accuracy.

【0032】次に、本発明の第4実施形態について説明
する。図9は、第4実施形態のレーザー超音波検査装置
の概略を示す図である。第1乃至第3実施形態では、マ
ルチチャンネル音響光学素子13から出射したレーザー
ビームをビームエキスパンダで引き伸ばして進行方向に
垂直な断面が直線となるようし、これらをラインフォー
カスして鋼材16の表面に照射した。これに対し本実施
形態では、マルチチャンネル音響光学素子13から出射
した10本のレーザービーム401 ,402 ,・・・,
4010のそれぞれを、対応する周知のアキシコンレンズ
501 ,502,・・・,5010を通すことによって進
行方向に垂直な断面が円環状となるレーザービームと
し、これらを適当な光学系を用いて鋼材16の表面に同
心環状に照射する。図9の構成では、レーザービーム4
1 〜4010及びアキシコンレンズ501 〜5010は直
線状に配置されている。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a diagram schematically illustrating a laser ultrasonic inspection apparatus according to the fourth embodiment. In the first to third embodiments, the laser beam emitted from the multi-channel acousto-optical element 13 is expanded by a beam expander so that the cross section perpendicular to the traveling direction becomes a straight line, and these are line-focused to obtain a surface of the steel material 16. Irradiation. On the other hand, in the present embodiment, ten laser beams 40 1 , 40 2 ,.
40 10 respectively of the corresponding known axicon lens 50 1, 50 2, ..., 50 10 cross section perpendicular to a laser beam of an annular in the traveling direction by passing the these appropriate optics Is used to irradiate the surface of the steel material 16 concentrically. In the configuration of FIG.
0 1 to 40 10 and axicon lenses 50 1 to 50 10 are linearly arranged.

【0033】各アキシコンレンズレンズ501 等から出
たそれぞれの環状のレーザービームを鋼材16の表面の
特定の点を中心とする同心環状に照射するためには、同
じく直線状に配置した10枚のハーフミラー511 ,5
2 ,・・・,5110を用いることができる。このう
ち、ハーフミラー512 〜519 は、対応するアキシコ
ンレンズからのレーザービームを反射し、その他のレー
ザービームを透過する。ハーフミラー511 は、対応す
るアキシコンレンズ501 からのレーザービームは透過
するが、その他のハーフミラーから反射されてきたレー
ザービームは反射する。また、ハーフミラー5110は、
アキシコンレンズ5010からのレーザービームを反射す
るのみである。更に、各環状のレーザービームが、検査
対象である鋼材16の表面上の点Oを中心として、同心
環状に照射されるように、それぞれの光学系を調節す
る。検出用のレーザービームを照射するためのミラー5
5は、点Oの上部に配置する。このミラー55は、鋼材
16の表面で反射した光も反射して、干渉計(図示せ
ず)へ導く役割も有する。
[0033] 10 sheets of each of the annular laser beam emitted from the axicon lens lens 50 1 and the like in order to irradiate the concentric annular around the specific point on the surface of the steel material 16, which also are arranged in a straight line Half mirror 51 1 , 5
1 2, ..., can be used 51 10. Among them, the half mirror 51 2-51 9 reflects the laser beam from the corresponding axicon lens, transmits the other laser beam. Half mirror 51 1, the laser beam from the corresponding axicon lens 50 1 is transmitted through, the laser beam that has been reflected from the other of the half mirror reflects. Also, the half mirror 51 10
The laser beam from the axicon lens 50 10 is only reflected. Further, each optical system is adjusted so that each annular laser beam is irradiated concentrically around a point O on the surface of the steel material 16 to be inspected. Mirror 5 for irradiating laser beam for detection
5 is arranged above the point O. The mirror 55 also has a role of reflecting light reflected on the surface of the steel material 16 and guiding the light to an interferometer (not shown).

【0034】このように、それぞれのレーザービームを
同心環状に照射できるようにし、更に外側のレーザービ
ームから内側のレーザービームへという順番で、かつ所
定のタイミングで順次切り換えて照射してゆくと、図9
に示すように、鋼材16の内部の特定の一点に収束する
ように超音波が伝播する。したがって、この点に欠陥が
あれば、そこからは大きな散乱波が発生するので、これ
を検出することによってその欠陥の存在を知ることがで
きる。超音波が収束する点の位置は、レーザービームを
切り換えるタイミングによって、点Oを通る表面に垂直
な直線上で変えることができる。これにより、簡単に検
査対象内部の各点について欠陥の有無を調べることがで
きるので、検査対象の内部を高い検出精度で検査するこ
とが可能となる。なお、このように、進行方向に垂直な
断面が環状となるレーザービームを照射して検査対象内
部の欠陥を検出することについては、Cielo P. 1985 In
ternational Advances in NDT vol.11, ed W.J.McGonna
gle, p-175 及び P. Cielo and C. K. Jen, and T. Ko
da, Appl. Phys. Lett. 58, 1591-1593 (1991)などを参
照することができる。
As described above, it is possible to irradiate each laser beam concentrically, and to irradiate the laser beam sequentially from the outer laser beam to the inner laser beam at a predetermined timing. 9
As shown in FIG. 5, the ultrasonic wave propagates so as to converge on a specific point inside the steel material 16. Therefore, if there is a defect at this point, a large scattered wave is generated from the defect. By detecting this, the existence of the defect can be known. The position of the point where the ultrasonic wave converges can be changed on a straight line perpendicular to the surface passing through the point O by the timing of switching the laser beam. This makes it possible to easily check the presence or absence of a defect at each point inside the inspection target, thereby enabling inspection inside the inspection target with high detection accuracy. As described above, detecting a defect inside an inspection object by irradiating a laser beam whose cross section perpendicular to the traveling direction is annular is described in Cielo P. 1985 In.
ternational Advances in NDT vol.11, ed WJMcGonna
gle, p-175 and P. Cielo and CK Jen, and T. Ko
da, Appl. Phys. Lett. 58, 1591-1593 (1991).

【0035】尚、本発明は上記各実施形態に限定される
ものではなく、その要旨の範囲内で種々の変更が可能で
ある。例えば上記各実施形態では、検査対象が鋼材であ
ったが、鋼材以外の種々の物質について非破壊で表面又
は内部の欠陥の有無及びその位置を検査することが可能
である。また、第4実施形態では、アキシコンレンズ、
ハーフミラー等を直線的に配置して同心環状のレーザー
ビームを照射したが、同心環状のレーザービームを照射
するための光学系の配置はこれに限られず、収受の方法
が考えられる。
The present invention is not limited to the above embodiments, and various changes can be made within the scope of the invention. For example, in each of the above-described embodiments, the inspection target is a steel material, but it is possible to non-destructively inspect the presence or absence of a surface or internal defect and the position of various materials other than the steel material. In the fourth embodiment, an axicon lens,
Although a half mirror or the like is arranged linearly to irradiate a concentric annular laser beam, the arrangement of an optical system for irradiating a concentric annular laser beam is not limited to this, and a collection method may be considered.

【0036】[0036]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
音響光学手段の各チャンネルの音響光学素子に所定の電
気信号を供給して音響光学手段の各チャンネルから出射
するレーザービームの特性を制御することにより、例え
ば検査対象の表面上において所定の時間間隔及び所定の
ライン間隔で順番に照射されるようにすれば、一つ一つ
のレーザービームの強度はそれほど大きくなくても、検
査対象の表面を伝播する超音波の強度を徐々に大きくし
てゆくことができるので、これを欠陥検出に用いること
により、検査対象に損傷を与えることなく、高いSN比
の検出信号が得られ、検査精度を高めることができる。
また、音響光学素子に所定の電気信号を供給することに
より、所定ライン間隔のレーザービームを同時に検査対
象の表面に照射し、これらを同時に表面上を走査させる
こともでき、これにより表面を伝播する超音波や内部へ
伝播する超音波を発生させ、しかもこれらに指向性を持
たせることができるので、検査対象に損傷を与えること
なく、高いSN比の検出信号が得られ、より検査精度を
高めることができる。
As described above, according to the present invention,
By controlling the characteristics of the laser beam emitted from each channel of the acousto-optic means by supplying a predetermined electrical signal to the acousto-optic element of each channel of the acousto-optic means, for example, at a predetermined time interval and on the surface of the inspection object By irradiating the laser beam sequentially at predetermined line intervals, even if the intensity of each laser beam is not so large, the intensity of the ultrasonic wave propagating on the surface of the inspection object can be gradually increased. Since it can be used for defect detection, a detection signal having a high SN ratio can be obtained without damaging the inspection object, and inspection accuracy can be improved.
In addition, by supplying a predetermined electric signal to the acousto-optic element, a laser beam having a predetermined line interval can be simultaneously irradiated on the surface of the inspection object, and these can be simultaneously scanned on the surface, thereby transmitting the surface. Ultrasonic waves and ultrasonic waves propagating inside can be generated, and these can be given directivity, so that a detection signal with a high SN ratio can be obtained without damaging the inspection object, and the inspection accuracy can be further improved. be able to.

【0037】また、音響光学手段の各チャンネルから出
射するレーザービームを、その進行方向に垂直な断面が
それぞれに異なる半径の円環状にするとともに、これら
が検査対象の表面上において複数の同心環状に照射され
るようにする光学手段を設け、音響光学素子に供給する
電気信号を適当に変えて、検査対象の表面に照射される
複数の同心環状のレーザービームについて外側から内側
に向かって所定のタイミングで順番に照射されるように
制御すると、検査対象の一点に収束する超音波を発生さ
せることができる。このように超音波を収束させると、
この点に欠陥があったときにそこから反射もしくは散乱
される超音波も大きくなるので、SN比を高め、検査精
度を上げることができる。しかも、音響光学素子に供給
する電気信号を変えることによって、超音波が収束する
点の深さを変えることができる。
Further, the laser beam emitted from each channel of the acousto-optic means is formed into an annular shape having different radii in cross sections perpendicular to the traveling direction thereof, and these are formed into a plurality of concentric annular shapes on the surface of the inspection object. Providing optical means for irradiating, appropriately changing an electric signal supplied to the acousto-optic element, and setting a predetermined timing from the outside to the inside for a plurality of concentric annular laser beams irradiated on the surface of the inspection object , It is possible to generate ultrasonic waves that converge on one point of the inspection target. When the ultrasound is converged in this way,
When there is a defect at this point, the ultrasonic wave reflected or scattered therefrom also becomes large, so that the SN ratio can be increased and the inspection accuracy can be increased. Moreover, the depth of the point where the ultrasonic wave converges can be changed by changing the electric signal supplied to the acousto-optic element.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1実施形態のレーザー超音波検査装
置の全体構成を示した概略図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a laser ultrasonic inspection apparatus according to a first embodiment of the present invention.

【図2】マルチチャンネル音響光学素子の概略図であ
る。
FIG. 2 is a schematic diagram of a multi-channel acousto-optic device.

【図3】検査対象の表面に照射されるラインフォーカス
されたレーザービームの様子を示した概略斜視図であ
る。
FIG. 3 is a schematic perspective view illustrating a state of a line-focused laser beam applied to a surface of an inspection target.

【図4】音響光学素子における光の回折を説明するため
の図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining light diffraction in the acousto-optic element.

【図5】第2実施形態で、複数のレーザービームを順次
照射することによって超音波の振幅が徐々に増大してゆ
く様子を模式的に示した図である。
FIG. 5 is a diagram schematically showing a state in which the amplitude of an ultrasonic wave is gradually increased by sequentially irradiating a plurality of laser beams in the second embodiment.

【図6】鋼材の表面にラインフォーカスされた一つのレ
ーザービームLを示した図である。
FIG. 6 is a diagram showing one laser beam L line-focused on the surface of a steel material.

【図7】鋼材の表面上で、照射した複数のレーザービー
ムを右方向へ走査させる第3実施形態のを示した概略横
断面図である。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a third embodiment in which a plurality of irradiated laser beams are scanned rightward on the surface of a steel material.

【図8】第3実施形態の変形例を示した図である。FIG. 8 is a diagram showing a modification of the third embodiment.

【図9】第4実施形態のレーザー超音波検査装置の概略
を示した図である。
FIG. 9 is a diagram schematically illustrating a laser ultrasonic inspection apparatus according to a fourth embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 超音波発生部 2 超音波検出部 10 レーザー光源 11 レーザービーム 12 ビームセパレータ 13 マルチチャンネル音響光学素子 14 ビームエキスパンダ 15,151 〜1510 発振器 16 鋼材 20 レーザー干渉計 401 ,402 レーザービーム 501 ,502 アキシコンレンズ 511 ,512 ハーフミラー 55 ミラーDESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic wave generation part 2 Ultrasonic wave detection part 10 Laser light source 11 Laser beam 12 Beam separator 13 Multichannel acousto-optic element 14 Beam expander 15, 15 1-15 10 oscillator 16 Steel material 20 Laser interferometer 40 1 , 40 2 Laser beam 50 1, 50 2 axicon lens 51 1, 51 2 a half mirror 55 mirror

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 励起用レーザー光源と、 前記励起用レーザー光源より発せられたレーザービーム
を複数のレーザービームとするビーム分割手段と、 少なくとも前記複数のレーザービームと同数のチャンネ
ルを有し、各チャンネルごとに独立して設けられた音響
光学素子に前記複数のレーザービームを通過させる音響
光学手段と、 前記音響光学手段の各チャンネルから出射するレーザー
ビームを、その進行方向に垂直な断面が直線状となるよ
うに各レーザービームを平行に引き伸ばすビーム伸張手
段と、 前記音響光学手段の各チャンネルの音響光学素子に所定
の電気信号を供給して前記音響光学手段の各チャンネル
から出射するレーザービームの強度及び方向の少なくと
も一方を制御する信号発生手段と、 前記ビーム伸張手段を経て検査対象に照射されたレーザ
ー光によって前記検査対象に生じた超音波又はこれが欠
陥により反射もしくは散乱された超音波を検出する超音
波検出手段と、 を具備することを特徴とするレーザー超音波検査装置。
1. An excitation laser light source, beam splitting means for converting a laser beam emitted from the excitation laser light source into a plurality of laser beams, and at least the same number of channels as the plurality of laser beams. Acousto-optic means for passing the plurality of laser beams through an acousto-optic element provided independently for each laser beam, and a laser beam emitted from each channel of the acousto-optic means has a linear cross section perpendicular to its traveling direction. Beam expanding means for extending each laser beam in parallel so as to provide a predetermined electric signal to the acousto-optic element of each channel of the acousto-optic means, and the intensity and intensity of the laser beam emitted from each channel of the acousto-optic means A signal generating means for controlling at least one of the directions, and an inspection object via the beam extending means Reflected or scattered and an ultrasonic detecting means for detecting the ultrasonic wave, laser ultrasonic inspection apparatus characterized by comprising by ultrasound or which defects generated on the test object by irradiated laser beam.
【請求項2】 前記信号発生手段は、前記音響光学手段
の各チャンネルから出射するレーザービームが、検査対
象の表面上において所定の時間間隔及び所定のライン間
隔で順番に照射されるような電気信号を、前記音響光学
手段の各音響光学素子に供給するものである請求項1記
載のレーザー超音波検査装置。
2. The electric signal according to claim 1, wherein the signal generating means is configured to irradiate a laser beam emitted from each channel of the acousto-optic means on the surface of the inspection object in order at a predetermined time interval and a predetermined line interval. 2. The laser ultrasonic inspection apparatus according to claim 1, wherein the laser ultrasonic inspection apparatus supplies the laser beam to each of the acousto-optic elements of the acousto-optic means.
【請求項3】 前記信号発生手段は、前記音響光学手段
の複数のチャンネルから出射する各レーザービームが、
検査対象の表面上に所定のライン間隔で同時に照射さ
れ、且つこれらが前記検査対象の表面上において所定の
速度でライン方向と垂直な方向に走査されるような電気
信号を、前記音響光学手段の各音響光学素子に供給する
ものである請求項1記載のレーザー超音波検査装置。
3. The signal generation means, wherein each laser beam emitted from a plurality of channels of the acousto-optic means,
The electrical signal of the acousto-optic means is applied to the surface of the inspection object at the same time at predetermined line intervals, and is scanned at a predetermined speed on the surface of the inspection object in a direction perpendicular to the line direction. 2. The laser ultrasonic inspection apparatus according to claim 1, wherein the apparatus is supplied to each acousto-optic element.
【請求項4】 前記所定の速度は、前記検査対象を構成
する物質の表面を伝播する超音波の音速と同じ速度であ
る請求項3記載のレーザー超音波検査装置。
4. The laser ultrasonic inspection apparatus according to claim 3, wherein the predetermined velocity is the same velocity as a sound velocity of an ultrasonic wave propagating on a surface of a substance constituting the inspection object.
【請求項5】 前記所定の速度は、前記検査対象を構成
する物質の内部を伝播する超音波の音速によって定まる
速度である請求項3記載のレーザー超音波検査装置。
5. The laser ultrasonic inspection apparatus according to claim 3, wherein the predetermined velocity is a velocity determined by a sound velocity of an ultrasonic wave propagating inside a substance constituting the inspection target.
【請求項6】 前記所定の速度は、前記検査対象を構成
する物質の内部を伝播する超音波の音速によって定まる
第1の速度と、前記第1の速度と大きさが同じで向きが
反対の第2の速度からなり、前記複数のチャンネルから
出射するレーザービームのうち半分を第1の速度、残り
の半分を第2の速度とし、それぞれが前記検査対象の表
面を互いに近づく方向に走査されるようにした請求項3
記載のレーザー超音波装置。
6. The predetermined speed is equal to a first speed determined by a sound speed of an ultrasonic wave propagating inside a substance constituting the inspection object and opposite in direction to the first speed. A second speed, wherein half of the laser beams emitted from the plurality of channels are the first speed, and the other half are the second speed, each of which scans the surface of the inspection object in a direction approaching each other. Claim 3
The laser ultrasound device as described.
【請求項7】 励起用レーザー光源と、 前記励起用レーザー光源より発せられたレーザービーム
を複数のレーザービームとするビーム分割手段と、 少なくとも前記複数のレーザービームと同数のチャンネ
ルを有し、各チャンネルごとに独立して設けられた音響
光学素子に前記複数のレーザービームを通過させる音響
光学手段と、 前記音響光学手段の各チャンネルから出射するレーザー
ビームを、その進行方向に垂直な断面がそれぞれに異な
る半径の円環状にするとともに、これらが検査対象の表
面上において複数の同心環状に照射されるようにする光
学手段と、 前記音響光学手段の各チャンネルの音響光学素子に所定
の電気信号を供給して、前記複数の同心環の外側から内
側に向かって所定のタイミングで順番に照射されるよう
に制御する信号発生手段と、 前記光学手段をへて検査対象に照射されたレーザー光に
よって前記検査対象に生じた超音波又はこれが欠陥によ
り反射もしくは散乱された超音波を検出する超音波検出
手段と、 を具備することを特徴とするレーザー超音波検査装置。
7. An excitation laser light source, beam splitting means for converting a laser beam emitted from the excitation laser light source into a plurality of laser beams, and at least the same number of channels as the plurality of laser beams. Acousto-optic means for passing the plurality of laser beams through an acousto-optic element provided independently for each laser beam, and a laser beam emitted from each channel of the acousto-optic means having a different cross section perpendicular to the traveling direction. Optical means for forming a ring of a radius and irradiating them in a plurality of concentric rings on the surface of the object to be inspected; and supplying a predetermined electric signal to the acousto-optic element of each channel of the acousto-optic means. And controlling the plurality of concentric rings so that they are sequentially irradiated from the outside to the inside at a predetermined timing. Signal generating means, and ultrasonic detecting means for detecting ultrasonic waves generated in the inspection object by the laser light applied to the inspection object through the optical means or ultrasonic waves reflected or scattered by the defect. A laser ultrasonic inspection apparatus characterized in that:
JP9065107A 1997-03-18 1997-03-18 Laser ultrasonic wave inspecting device Withdrawn JPH10260163A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP9065107A JPH10260163A (en) 1997-03-18 1997-03-18 Laser ultrasonic wave inspecting device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP9065107A JPH10260163A (en) 1997-03-18 1997-03-18 Laser ultrasonic wave inspecting device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH10260163A true JPH10260163A (en) 1998-09-29

Family

ID=13277356

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP9065107A Withdrawn JPH10260163A (en) 1997-03-18 1997-03-18 Laser ultrasonic wave inspecting device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH10260163A (en)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004333175A (en) * 2003-04-30 2004-11-25 Nippon Steel Corp Laser ultrasonic wave generating device by radiation of multiple beam
JP2009053043A (en) * 2007-08-27 2009-03-12 Central Res Inst Of Electric Power Ind Ultrasonic flaw detection method and apparatus for detecting surface flaw
JP2010071888A (en) * 2008-09-19 2010-04-02 Nippon Steel Corp Method and device for measuring acoustic velocity of longitudinal wave and transverse wave in material by laser ultrasonic method
JP2010071884A (en) * 2008-09-19 2010-04-02 Nippon Steel Corp Method and device for measuring acoustic velocity of longitudinal wave and transverse wave in material by laser ultrasonic method
CN103808802A (en) * 2014-02-26 2014-05-21 南京理工大学 Full-optical laser ultrasonic measuring method for internal defect of material
CN105301097A (en) * 2015-06-25 2016-02-03 浙江大学 Laser ultrasonic excitation and detection system as well as detection method using same
JP2019095419A (en) * 2017-11-22 2019-06-20 株式会社東芝 Laser excitation ultrasonic generator, laser ultrasonic inspection device, and method for laser ultrasonic inspection
JP2021097098A (en) * 2019-12-16 2021-06-24 株式会社ディスコ Detection device
JP2021103732A (en) * 2019-12-25 2021-07-15 株式会社ディスコ Wafer generation method and wafer generation device

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004333175A (en) * 2003-04-30 2004-11-25 Nippon Steel Corp Laser ultrasonic wave generating device by radiation of multiple beam
JP2009053043A (en) * 2007-08-27 2009-03-12 Central Res Inst Of Electric Power Ind Ultrasonic flaw detection method and apparatus for detecting surface flaw
JP2010071888A (en) * 2008-09-19 2010-04-02 Nippon Steel Corp Method and device for measuring acoustic velocity of longitudinal wave and transverse wave in material by laser ultrasonic method
JP2010071884A (en) * 2008-09-19 2010-04-02 Nippon Steel Corp Method and device for measuring acoustic velocity of longitudinal wave and transverse wave in material by laser ultrasonic method
CN103808802A (en) * 2014-02-26 2014-05-21 南京理工大学 Full-optical laser ultrasonic measuring method for internal defect of material
CN105301097A (en) * 2015-06-25 2016-02-03 浙江大学 Laser ultrasonic excitation and detection system as well as detection method using same
JP2019095419A (en) * 2017-11-22 2019-06-20 株式会社東芝 Laser excitation ultrasonic generator, laser ultrasonic inspection device, and method for laser ultrasonic inspection
JP2021097098A (en) * 2019-12-16 2021-06-24 株式会社ディスコ Detection device
JP2021103732A (en) * 2019-12-25 2021-07-15 株式会社ディスコ Wafer generation method and wafer generation device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6668654B2 (en) Method and apparatus for generating specific frequency response for ultrasound testing
JP4386709B2 (en) Material nondestructive inspection method and apparatus by laser ultrasonic wave
KR20020034995A (en) System and method for ultrasonic laser testing using a laser source to generate ultrasound having a tunable wavelength
JP2000180418A (en) Surface inspecting apparatus
Hayashi et al. Generation of narrowband elastic waves with a fiber laser and its application to the imaging of defects in a plate
JP2009030996A (en) Device for stabilizing interference fringe and non-destructive inspection device using it
JPH10260163A (en) Laser ultrasonic wave inspecting device
JP2019095419A (en) Laser excitation ultrasonic generator, laser ultrasonic inspection device, and method for laser ultrasonic inspection
JP3704843B2 (en) Non-contact non-destructive material evaluation method and apparatus, elastic wave excitation method and elastic wave excitation apparatus
JP3477330B2 (en) Ultrasonic generator
JP3545611B2 (en) Laser ultrasonic inspection apparatus and laser ultrasonic inspection method
JP2002257793A (en) Lasor ultrasonic inspection device
US5796004A (en) Method and apparatus for exciting bulk acoustic wave
JP2004125615A (en) Laser ultrasonic inspection device
JP3294148B2 (en) Laser ultrasonic flaw detector
JP2000065803A (en) Laser ultrasonic inspecting device and method therefor
JP4027261B2 (en) Laser ultrasonic generator using multiple beam irradiation
JP4059418B2 (en) Laser ultrasonic inspection method
JPH09257755A (en) Laser ultrasonic inspection apparatus and method therefor
KR101008172B1 (en) Laser ultrasonic inspecting method using thermoelastic effect of laser pulse
JPH0232578B2 (en)
JPH10260164A (en) Laser ultrasonic wave inspecting device
JPH11271281A (en) Laser ultrasonic inspection device and method
JP2003215111A (en) Probe for laser measurement and laser measurement device
JPH10260165A (en) Laser ultrasonic wave inspecting device

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Withdrawal of application because of no request for examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20040601