JPH1078415A - Method and device for noncontact and non-destructive material evaluation, and method and device for elastic wave excitation - Google Patents

Method and device for noncontact and non-destructive material evaluation, and method and device for elastic wave excitation

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JPH1078415A
JPH1078415A JP8299285A JP29928596A JPH1078415A JP H1078415 A JPH1078415 A JP H1078415A JP 8299285 A JP8299285 A JP 8299285A JP 29928596 A JP29928596 A JP 29928596A JP H1078415 A JPH1078415 A JP H1078415A
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祐輔 塚原
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    • G01N2291/02Indexing codes associated with the analysed material
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    • G01N2291/02827Elastic parameters, strength or force

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an elastic wave exciting method for exciting a bulk elastic wave foucused in the inside of a specimen and a non-contact and non-destructive method and device for evaluating defects and characteristics of material with high space resolution and in a non-contact and non-destructive state by using the bulk elastic wave. SOLUTION: A coherent parallel energy beam 1 and a focusing energy beam 2 different in frequencies are emitted from a laser beam light source 13, a specimen 3 is irradiated by overlapping them, and an interference fringe 5 is formed on the surface 4 thereof. The interference fringe 5 excites a bulk elastic wave 7 focusing toward the point 8 of the inside of the specimen 3. The specimen 3 is irradiated with probe light 10 from a laser beam light source 18a for detection while the specimen 3 is scanned with a specimen moving device 19a, and defects and characteristics of material of the specimen 3 can be evaluated by detecting and analyzing the reflection light 11 with a detection and analysis means. In addition, if an aspherical lens is used as a beam irradiation means, the bulk elastic wave can be focused without aberration on one point of the specimen 3.

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、被検体の表面から
内部の微小領域に向かって集束するバルク弾性波を励起
する方法及び装置と、この弾性波を用いて被検体内部の
材料特性を非接触非破壊で検出して材料評価を行なう非
接触非破壊の材料評価方法とその装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for exciting a bulk acoustic wave converging from a surface of an object to a small area inside the object, and a method of using the elastic wave to change material properties inside the object. The present invention relates to a non-contact non-destructive material evaluation method for detecting and evaluating a material by contact non-destructive, and an apparatus therefor.

【0002】[0002]

【従来の技術】セラミックの微小亀裂やICパッケージ
のボイド等、材料や構造物の強度や信頼性を損なう微小
欠陥の検出法として周波数50乃至100MHz以上の
超音波による超音波顕微鏡(SAM)やレーザ走査型超
音波顕微鏡(SLAM)を用いた欠陥の映像法が有用で
あり([1]I,R,Smith,R,A,Harve
y and D,J,Fathers,IEEE,Tr
an,Sknics and Ultrason,SU
−32(1985)274、[2]L,W,Kesse
lav,J,Acoust,Soc,Am,55(19
74)909参照)、SAMで亀裂を観察したときに発
生するフリンジによる評価が知られている([3]K,
Yamanaka and Y,Enomoto,J,
Appl,Phys,53(1982)846参照)。
2. Description of the Related Art Ultrasonic microscopes (SAM) and lasers using ultrasonic waves having a frequency of 50 to 100 MHz or more are used as a method for detecting minute defects that impair the strength and reliability of materials and structures, such as ceramic micro-cracks and IC package voids. Defect imaging using a scanning ultrasonic microscope (SLAM) is useful ([1] I, R, Smith, R, A, Harve).
y and D, J, Fathers, IEEE, Tr
an, Skinks and Ultrason, SU
−32 (1985) 274, [2] L, W, Kessse
lav, J, Acoustic, Soc, Am, 55 (19
74) 909), and evaluation by fringe generated when a crack is observed by SAM is known ([3] K,
Yamanaka and Y, Enomoto, J,
Appl, Phys, 53 (1982) 846).

【0003】また、カプラーを用いない超音波顕微鏡を
開発するために、レーザ超音波法を拡張してレーザビー
ムを超音波の位相速度で走査することにより、大振幅単
一モードの表面波を非接触で励起する位相速度走査(P
VS)法が提案されている。([4]X,Ymanak
a,Y,Nagata and J,Koda;App
l,Phys,Latt,58(1991)1591、
[5]K,Ymanaka,Y,Nagata and
T,Koda;Review of Progrem
in Quantitative Nond est
ructiveEvaluation,ads,D,
O,Thompson and D,E,Chimen
ti(Plenum,New York,1992)V
ol,11,P,633参照)。非破壊検査で使用され
る熱弾性効果によるレーザ超音波発生法([6]D,
A,Hutchine;Physical Acous
tics,ads,W,P,Mason and R,
N,Thuraton(Academic,San D
iego,1988)Vol,XVIII,P,21参
照)では一般に振幅の小さな超音波しか発生できない
が、前記方法ではこれを解決している。
In order to develop an ultrasonic microscope that does not use a coupler, the laser ultrasonic method is extended to scan a laser beam at the phase velocity of an ultrasonic wave, so that a large-amplitude single-mode surface wave can be obtained. Phase velocity scanning (P
The VS) method has been proposed. ([4] X, Ymanak
a, Y, Nagata and J, Koda; App
1, Phys, Latt, 58 (1991) 1591;
[5] K, Ymanaka, Y, Nagata and
T, Koda; Review of Progress
in Quantitative Non est
activeEvaluation, ads, D,
O, Thompson and D, E, Chimen
ti (Plenum, New York, 1992) V
ol, 11, P, 633). Laser ultrasonic wave generation method by thermoelastic effect used in nondestructive inspection ([6] D,
A, Hutchine; Physical Acous
tics, ads, W, P, Mason and R,
N, Thuraton (Academic, San D
iego, 1988) Vol, XVIII, P, 21) generally produces only ultrasound with small amplitude, but the above method solves this.

【0004】周波数が100MHz以上の場合は単一ビ
ームの代わりに干渉縞を位相速度で走査する走査干渉縞
(SIF)方式が開発されている([7]H,Nisi
no,Y,Tsukahara,Y,Nagata,
T,Koda and K,Yamanaka;App
l,Phys,Lett,62(1993)2036、
[8]K,Yamanaka,O,V,Koloso
v,Y,Nagata,T,Koda,H,Nishi
no and Y,Tsukahara;J,App
l,Phys,74(1993)6511、[9]H,
Nishino,Y,Tsukahare,Y,Nag
ata,T,Koda and K,Yamanak
a;Tpn,Appl,Phys,33(1994)3
26.参照)。また、走査干渉縞(SIF)方式を指向
性のあるバルク超音波の励起に拡張ものもある(平成4
年特許願第355522号)。このバルク超音波の励起
法では、特にその中で位相速度走査法が有用で発生する
弾性波の放射方向の制御が可能であり、また、試料表面
でのエネルギー密度を低くでき、試料の損傷が起きにく
く、且つ任意の周波数の弾性波を励起でき、周波数と指
向性の独立制御が可能である利点を有する。
When the frequency is 100 MHz or higher, a scanning interference fringe (SIF) system for scanning an interference fringe at a phase speed instead of a single beam has been developed ([7] H, Nisi).
no, Y, Tsukahara, Y, Nagata,
T, Koda and K, Yamanaka; App
1, Phys, Lett, 62 (1993) 2036;
[8] K, Yamanaka, O, V, Koloso
v, Y, Nagata, T, Koda, H, Nishi
no and Y, Tsukahara; J, App
1, Phys, 74 (1993) 6511, [9] H,
Nishino, Y, Tsukahara, Y, Nag
ata, T, Koda and K, Yamanak
a; Tpn, Appl, Phys, 33 (1994) 3
26. reference). In addition, there is an extension of the scanning interference fringe (SIF) method to the excitation of bulk ultrasonic waves having directivity (Heisei 4).
Patent Application No. 355522). In this bulk ultrasonic excitation method, the phase velocity scanning method is particularly useful in this method, and it is possible to control the radiation direction of the generated elastic wave, and also to reduce the energy density on the sample surface, and damage the sample. There is an advantage that it is difficult to occur and an elastic wave of an arbitrary frequency can be excited, and independent control of frequency and directivity is possible.

【0005】また、弾性表面波を試料の表面に励起する
方法として、2本に分けたレーザビームの一方を円錐
(AXICON)レンズに通過させるなどし、更にどち
らかのレーザビームの周波数を僅かに変え、両者2本の
レーザビームを試料表面で干渉させ、同心円の中心に向
けて移動する等間隔の干渉縞を形成し、試料表面上の一
点に集束する弾性表面波を励起する方法が次の文献に記
載されている。(United States Pat
ent,(Patent Number 4,541,
280 Date of Patent Sep.1
7,1985)「EFFICIENT LASER G
ENERATION OF SURFACEACOUS
TIC WAVES」)。しかし、この場合には試料表
面上にのみ伝搬する弾性表面波の励起しか想定しておら
ず、材料内部の欠陥の評価や探傷検査は出来なかった。
As a method of exciting a surface acoustic wave to the surface of a sample, one of the two laser beams is passed through a conical (AXICON) lens, and the frequency of either laser beam is slightly reduced. Then, the two laser beams interfere with each other on the sample surface, form equidistant interference fringes moving toward the center of the concentric circle, and excite a surface acoustic wave focused on one point on the sample surface. It is described in the literature. (United States Pat
ent, (Patent Number 4,541,
280 Date of Patent Sep. 1
7, 1985) "EFFICIENT LASER G
ENERATION OF SURFACEACOUS
TIC WAVES ”). However, in this case, only excitation of surface acoustic waves propagating only on the surface of the sample is assumed, and the evaluation of defects in the material and the inspection for flaws cannot be performed.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】以上に述べた従来の技
術は大部分平行ビームを用いて被検体の検査を行なうた
めに高い分解能での評価が出来なかった。また、集束ビ
ームを用いた場合でも被検体の表面でのみ集束する弾性
表面波の励起しかできないなどの問題点がある。特に平
行ビームを用いて被検体の内部の非破壊検査をする場合
には高い空間分解能を実現することが難しいことを意味
している。被検体表面で干渉縞を作るにはある程度のス
ポットサイズを持ったレーザビームを用いることが必要
であるが、励起される超音波もレーザビーム幅程度の広
がりを持ち、微小領域に集束するプローブ光を用いて検
出したとしても高い空間分解能が得られず、材料内部の
微小欠陥等を正確に捉えることができない問題点があ
る。
In the above-mentioned prior arts, the inspection with a high resolution cannot be performed because the inspection of the object is performed using mostly parallel beams. In addition, there is a problem that even when a focused beam is used, only surface acoustic waves that are focused only on the surface of the subject can be excited. This means that it is difficult to achieve high spatial resolution particularly when performing nondestructive inspection of the inside of the subject using a parallel beam. It is necessary to use a laser beam with a certain spot size to form interference fringes on the surface of the subject. However, there is a problem that a high spatial resolution cannot be obtained even if detection is performed by using the method, and a minute defect or the like inside the material cannot be accurately detected.

【0007】本発明は、以上の問題点を解決するもの
で、被検体の内部の微小領域に弾性波を集束して励起す
ることができる集束弾性波励起方法及び装置を提供する
と共に、材料内部で弾性波が集束する深さ位置を高速で
変化させることで、被検体内部の微小領域の欠陥や構
造、膜厚等を精密に評価出来る非接触非破壊材料評価方
法とその装置を提供することを目的とし、更に、被検体
の一点に集束するバルク弾性波を励起して被検体の内部
を超音波の波長程度の高い空間分解能で計測し得る弾性
波励起装置を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above problems, and provides a focused elastic wave excitation method and apparatus capable of focusing and exciting an elastic wave in a minute area inside a subject. To provide a non-contact non-destructive material evaluation method and apparatus capable of precisely evaluating a defect, a structure, a film thickness, and the like of a minute region inside a subject by changing a depth position at which an elastic wave is focused at a high speed. Further, an object of the present invention is to provide an elastic wave excitation device capable of exciting a bulk elastic wave focused on one point of a subject and measuring the inside of the subject with a high spatial resolution of about the wavelength of an ultrasonic wave. .

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の目的を
達成するために、可干渉性で互いに異なる周波数の平行
エネルギービームと集束エネルギービームとを被検体の
表面部位に重ねて照射して被検体の固有音速度よりも早
い進行速度で同心状に内側に向かって進行する干渉縞を
生成し、この干渉縞の熱的作用によって前記被検体の前
記表面部位に前記干渉縞と同じ間隔を持つ歪み分布を形
成し、該歪み分布に応じて、前記被検体の固有音速度と
前記干渉縞の進行速度とで決まる記被検体内部の微小領
域に向かって集束する弾性波を励起する弾性波励起方法
を特徴とする。また、可干渉性で互いに異なる周波数の
平行エネルギービームと集束エネルギービームとを被検
体の表面部位に重ねて照射して被検体の固有音速度より
も早い進行速度で同心状に内側に向かって進行する干渉
縞を生成し、この干渉縞の熱的作用によって前記被検体
の前記表面部位に前記干渉縞と同じ間隔を持つ歪み分布
を形成し、該歪み分布に応じて、前記被検体の固有音速
度と前記干渉縞の進行速度とで決まる前記被検体内部の
微小領域に向かって集束する弾性波を励起する一方、前
記微小領域から反射又は通過して被検体の表面又は裏面
に達した前記弾性波をプローブ光により非接触非破壊で
検出し、更に前記平行エネルギービーム及び集束エネル
ギービーム又はプローブ光に対して前記被検体を相対的
に走査して逐次得られる前記弾性波の検出結果に基づ
き、前記被検体の材料特性を解析する非接触非破壊材料
評価方法を特徴とする。また、前記プローブ光を用いて
光学的ナイフエッジ法,ヘテロダイン干渉法,ファブリ
ペロー干渉法,ホモダイン干渉法又は電磁超音波トラン
スデューサによる方法により前記弾性波を検出する非接
触非破壊材料評価方法を特徴とする。
According to the present invention, in order to achieve the above object, a coherent parallel energy beam and a focused energy beam having different frequencies from each other are irradiated onto a surface portion of an object in a superimposed manner. Generates an interference fringe that travels concentrically inward at a speed that is faster than the natural sound velocity of the subject, and the thermal action of the interference fringes causes the same spacing as the interference fringes on the surface portion of the subject. An elastic wave that excites an elastic wave that converges toward a minute area inside the subject, which is determined by the inherent sound velocity of the subject and the traveling speed of the interference fringes, according to the strain distribution. It is characterized by an excitation method. Also, a coherent parallel energy beam and a focused energy beam of different frequencies are superimposed on the surface of the subject and irradiated concentrically inward at a traveling speed higher than the inherent sound velocity of the subject. Generating a strain distribution having the same interval as the interference fringes on the surface of the subject due to the thermal action of the interference fringes, and according to the strain distribution, a characteristic sound of the subject. While exciting an elastic wave converging toward a minute region inside the subject determined by a velocity and a traveling speed of the interference fringes, the elastic wave reflected from or passed through the minute region to reach the front or back surface of the subject. The wave is detected in a non-contact and non-destructive manner by a probe light, and the elasticity is sequentially obtained by scanning the subject relatively to the parallel energy beam and the focused energy beam or the probe light. Based on the detection result, and wherein the non-contact non-destructive material evaluation method of analyzing material characteristics of the subject. Further, a non-contact non-destructive material evaluation method for detecting the elastic wave using the probe light by an optical knife edge method, a heterodyne interferometry, a Fabry-Perot interferometry, a homodyne interferometry, or a method using an electromagnetic ultrasonic transducer is characterized. I do.

【0009】また、所定の周波数を有する平行エネルギ
ービームおよび前記平行エネルギービームと異なる周波
数を有する集束エネルギービームを形成する形成手段
と、前記平行エネルギービームおよび集束エネルギービ
ームを被検体の表面部位に互いに干渉せしめて照射し、
被検体内部の微小領域に指向する弾性波を励起するビー
ム照射手段と、前記微小領域から前記被検体の表面又は
裏面に達した前記弾性波をプローブ光で非接触非破壊に
検出して前記被検体の材料特性を解析する検出・解析手
段と、前記平行エネルギービームおよび集束エネルギー
ビーム又はプローブ光に対し前記被検体を相対的に走査
する走査手段とを設けてなる非接触非破壊材料評価装置
を構成するものである。また、前記照射手段には平行エ
ネルギービームおよび集束エネルギービームを完全に干
渉させるため両ビームのエネルギー密度を同一にする調
整手段が設けられてなる非接触非破壊の材料評価装置を
構成する。
A forming means for forming a parallel energy beam having a predetermined frequency and a focused energy beam having a different frequency from the parallel energy beam; and causing the parallel energy beam and the focused energy beam to interfere with each other on a surface portion of the subject. At least irradiate,
Beam irradiating means for exciting an elastic wave directed to a minute region inside the subject; and detecting the elastic wave reaching the front or back surface of the subject from the minute region in a non-contact and non-destructive manner by using probe light. A non-contact non-destructive material evaluation apparatus including a detection / analysis unit for analyzing a material property of a specimen and a scanning unit for relatively scanning the specimen with respect to the parallel energy beam and the focused energy beam or the probe light. Make up. In addition, a non-contact non-destructive material evaluation apparatus is provided in which the irradiation means is provided with an adjusting means for making the energy densities of the parallel energy beam and the focused energy beam the same in order to completely interfere with each other.

【0010】更に、可干渉性で波長λを有し周波数差が
fの平行エネルギービームと集束エネルギービームを固
有音速度がVの被検体の表面部位に重ねて照射し、且つ
集束エネルギービームは被検体表面からf・(λ2+2
λa)1/2>Vの関係式を満たす深さ(a)に焦点を位
置させることによって、同心状に内側に向かって進行す
る干渉縞を被検体表面に生成し、この干渉縞の熱的作用
によって前記被検体の表面部位に前記干渉縞と同じ分布
を持つ歪みを形成し、該歪み分布に応じて前記被検体の
深部のある特定の微小領域に向かって集束する弾性波を
励起する弾性波励起方法を特徴とする。また、被検体内
部に向かって励起される集束弾性波が集束する被検体内
部の微小領域の深さ方向位置を変更するため、被検体表
面に照射される集束エネルギービームの焦点位置を被検
体表面の深さ方向に沿って変更する弾性波励起方法を特
徴とする。また、被検体内部に向かって励起される集束
弾性波が集束する被検体内部の微小領域の深さ方向位置
を変更するため、被検体表面に照射される集束エネルギ
ービームと平行エネルギービームの周波数差fを変更す
る弾性波励起方法を特徴とする。また、被検体内部に向
かって励起される集束弾性波が被検体内部で集束する被
検体内部の微小領域の位置を被検体表面と平行な方向に
沿って変更するため被検体表面に照射される平行エネル
ギービームの入射角度を変更する弾性波励起方法を特徴
とする。
Further, a parallel energy beam having a wavelength λ and a focused energy beam having a frequency difference of f and a focused energy beam are superposed on the surface of the subject having a natural sound velocity of V, and the focused energy beam is irradiated with the focused energy beam. F · (λ 2 +2
By setting the focal point at a depth (a) that satisfies the relational expression of λa) 1/2 > V, an interference fringe traveling inward concentrically is generated on the surface of the subject, and the thermal interference of this interference fringe is generated. An elasticity that forms a strain having the same distribution as the interference fringes on the surface portion of the subject by the action, and excites an elastic wave focused toward a specific minute region in the deep part of the subject according to the strain distribution. It features a wave excitation method. Further, in order to change the depth direction position of the minute region inside the subject where the focused elastic wave excited toward the inside of the subject is focused, the focal position of the focused energy beam applied to the subject surface is changed. The method is characterized by an elastic wave excitation method that changes along the depth direction of the elastic wave. Further, in order to change the depth direction position of the minute region inside the subject where the focused elastic wave excited toward the inside of the subject is focused, the frequency difference between the focused energy beam and the parallel energy beam applied to the subject surface is changed. It is characterized by an elastic wave excitation method for changing f. In addition, the focused elastic wave excited toward the inside of the subject irradiates the subject surface to change the position of the minute region inside the subject that is focused inside the subject along a direction parallel to the subject surface. An elastic wave excitation method for changing the incident angle of the parallel energy beam is characterized.

【0011】また、平行レーザビーム及び前記平行レー
ザビームに対し周波数差fを有する集束レーザビームを
波長λで形成し、前記平行レーザビーム及び集束レーザ
ビームを固有音速度がVの被検体の表面部位に互いに干
渉せしめて照射するレーザ照射手段を有し、前記レーザ
照射手段は集束レーザビームの焦点を被検体表面に対し
てf・(λ2+2λa)1/2>Vの関係式を満足する深さ
(a)に位置させ被検体内部の微小領域に弾性波を励起
して集束するものであって、且つ前記レーザ照射手段
は、集束レーザビームが通過する経路中に焦点位置aを
深さ方向に沿って変更するレンズ或いは反射体の集合か
らなる光学系を有することによって前記弾性波が集束す
る被検体内の微小領域の深さ方向位置を変更する手段を
持つ弾性波励起装置を構成するものである。また、平行
レーザビーム及び前記平行レーザビームに対し周波数差
fを有する集束レーザビームを波長λで形成し、前記平
行レーザビーム及び集束レーザビームを固有音速度がV
の被検体の表面部位に互いに干渉せしめて照射するレー
ザ照射手段を有し、前記レーザ照射手段は集束レーザビ
ームの焦点を被検体表面に対してf・(λ2+2λa)
1/2>Vの関係式を満足する深さ(a)に位置させ被検
体内部の微小領域に弾性波を励起して集束するものであ
って、且つ前記レーザ照射手段は、集束レーザビームと
平行レーザビームの相対的な周波数差fを変更する手段
によって前記弾性波が集束する被検体内部の微小領域の
深さ方向位置を変更する弾性波励起装置を構成するもの
である。また、平行レーザビームと集束レーザビームを
被検体の表面部位に互いに干渉せしめて照射し被検体内
部に向かって集束する弾性波を励起すると共に、2本の
レーザビームの間の周波数差が時間的に変化するレーザ
照射手段を有し、被検体中に励起された弾性波が被検体
内部を通過或いは反射して再び被検体表面に伝搬すると
きの被検体表面の変位を観測して電気信号に変換する受
信手段と、前記受信手段から出力された表面変位を表す
電気信号を周波数分析する解析手段を有し、被検体内部
の連続的又は段階的に異なる深さ方向位置の構造や弾性
の評価を行なう弾性波励起装置を構成するものである。
A parallel laser beam and a focused laser beam having a frequency difference f with respect to the parallel laser beam are formed at a wavelength λ. Laser irradiating means for irradiating the focused laser beam with the laser beam. The laser irradiating means focuses the focused laser beam on the surface of the object with respect to a depth satisfying a relational expression of f · (λ 2 + 2λa) 1/2 > V The laser irradiation means is positioned at (a) to excite and focus an elastic wave in a minute area inside the subject, and the laser irradiating means moves the focal position a in a depth direction in a path through which the focused laser beam passes. Acoustic wave excitation device having means for changing the position in the depth direction of a minute region in the subject on which the elastic wave is focused by having an optical system consisting of a lens or a set of reflectors changing along And it constitutes. Further, a parallel laser beam and a focused laser beam having a frequency difference f with respect to the parallel laser beam are formed at a wavelength λ, and the parallel laser beam and the focused laser beam have a natural sound velocity of V.
Laser irradiation means for irradiating the surface portion of the object with interference with each other, and the laser irradiation means focuses the focused laser beam on the surface of the object by f · (λ 2 + 2λa)
The laser irradiation means is located at a depth (a) satisfying the relational expression of 1/2 > V to excite and focus an elastic wave in a minute area inside the subject, and the laser irradiation means includes a focused laser beam and The elastic wave excitation device is configured to change the position in the depth direction of a minute region inside the subject where the elastic wave is focused by means for changing the relative frequency difference f of the parallel laser beams. In addition, the parallel laser beam and the focused laser beam interfere with each other to irradiate the surface portion of the object to excite an elastic wave focused toward the inside of the object, and the frequency difference between the two laser beams is temporally changed. Has a laser irradiation means that changes in the direction, and observes the displacement of the surface of the subject when the elastic wave excited in the subject passes or reflects inside the subject and propagates again to the surface of the subject, and converts the signal into an electric signal. It has a receiving means for converting, and an analyzing means for frequency-analyzing an electric signal representing the surface displacement outputted from the receiving means, and evaluates the structure and elasticity at different depth positions in the subject continuously or stepwise. This constitutes an elastic wave excitation device that performs the following.

【0012】また、可干渉性で互に異なる周波数の平行
エネルギービームと集束エネルギービームとを被検体の
表面部位に重ねて照射して被検体の固有音速度よりも早
い進行速度で同心状に内側に向かって進行する干渉縞を
生成するビーム照射手段を有し、前記干渉縞の熱的作用
によって前記被検体の前記表面部位に前記干渉縞と同じ
間隔を持つ歪み分布を形成し該歪み分布に応じて前記被
検体の固有音速度と前記干渉縞の進行速度とで決まる前
記被検体内部の微小領域に向かって集束する弾性波を励
起する弾性波励起装置であって、前記ビーム照射手段
は、非球面レンズからなる集束レンズを備えており、前
記集束エネルギービームを整形して前記弾性波が前記非
検体内部の微小領域に向かって実質的に点集束可能にし
た弾性波励起装置を構成するものである。また、前記非
球面レンズは、前記被検体の表面で同心円の中心のc点
からxだけ前記被検体の表面に沿って離れた位置におけ
る前記集束エネルギービームの成分の入射方向の延長線
が前記c点直下から少なくとも以下の式を満たす深さa
の点を通過するように設計されており、等方性材料から
なる前記被検体の前記c点から深さazの点に位置する
微小領域に前記弾性波を点集束させるものである請求項
17に記載の弾性波励起装置を特徴とする。 x=az・tan[sin-1(V・x/λ・f・(a2
21/2)] ここで、fは平行エネルギービームと集束エネルギービ
ームの周波数差,λは前記集束エネルギービームの波
長,Vは被検体の固有音速度である。また、前記非球面
レンズは、前記被検体の表面で同心円の中心のc点から
xだけ前記被検体の表面に沿って離れた位置R点におけ
る前記集束エネルギービームの成分の入射方向の延長線
が前記c点直下から少なくとも以下の式を満たす深さa
の点を通過するように設計されており、異方性材料から
なる前記被検体の前記c点から深さazの点に位置する
微小領域Q点に前記弾性波を点集束させるものである請
求項17に記載の弾性波励起装置を特徴とするものであ
る。 x=az・tan[sin-1(V′・x/λ・f・(a2
+x21/2)] ここで、fは平行エネルギービームと集束エネルギービ
ームの周波数差,λは前記集束エネルギービームの波
長,V′は被検体の前記R点とQ点とを結ぶ方向におけ
る音速度である。
Further, a coherent parallel energy beam and a focused energy beam having different frequencies are superimposed on the surface of the subject and irradiated concentrically at a traveling speed higher than the natural sound speed of the subject. Beam irradiating means for generating an interference fringe that travels toward the surface, and forms a strain distribution having the same interval as the interference fringe on the surface portion of the subject due to the thermal action of the interference fringe. An elastic wave excitation device that excites an elastic wave converging toward a minute region inside the subject, which is determined by the inherent sound speed of the subject and the traveling speed of the interference fringes accordingly, wherein the beam irradiation unit includes: An elastic wave excitation device comprising a focusing lens formed of an aspherical lens, wherein the focused energy beam is shaped so that the elastic wave can be substantially point-focused toward a minute area inside the non-sample. It is intended to formed. Further, the aspheric lens may be such that an extension line of the incident direction of the component of the focused energy beam at a position away from the point c at the center of the concentric circle on the surface of the subject by x along the surface of the subject is c. Depth a that satisfies at least the following formula from just below the point
And the point of the elastic wave is focused on a minute region located at a depth az from the point c of the subject made of an isotropic material. 17. An elastic wave excitation device according to item 17. x = a z tan [sin -1 (V x / λ f (a 2 +
x 2) 1/2)] where, f is the frequency difference between the parallel energy beam and focused energy beam, lambda is the wavelength of the focused energy beam, V is a specific sound velocity of the subject. Further, the aspherical lens has an extension line in the incident direction of the component of the focused energy beam at a point R at a position R away from the point c at the center of the concentric circle on the surface of the subject by x along the surface of the subject. A depth a that satisfies at least the following equation from immediately below the point c.
, And the point is focused on a point Q in the minute region located at a depth az from the point c of the subject made of an anisotropic material. An elastic wave excitation device according to claim 17 is characterized. x = a z tan [sin -1 (V ′ · x / λ · f · (a 2
+ X 2 ) 1/2 )] where f is the frequency difference between the parallel energy beam and the focused energy beam, λ is the wavelength of the focused energy beam, and V ′ is the direction connecting the R point and the Q point of the subject. Sound velocity.

【0013】被検体の内部の一点で周波数fの弾性波が
発生すると仮定した場合に被検体の表面に伝搬する弾性
波の位相分布を推定し、被検体表面における弾性波の位
相分布と等しいか或いは近似した歪み分布を発生するた
めに可干渉性で互いに周波数差fを持った平行エネルギ
ービームと集束エネルギービームを被検体の表面部位に
重ねて照射して、内側に向かって進行する干渉縞を生成
し、この干渉縞の熱的作用によって前記被検体の表面部
位に前記位相分布と同じ分布を持つ歪みを形成し、前記
被検体の内部の前記一点に向かって集束する弾性波を励
起する弾性波励起方法を特徴とする。また、被検体内部
に向かって励起される集束弾性波が被検体内部で集束す
る一点の深さ方向位置を変更するため被検体表面に照射
される集束エネルギービームの焦点位置を被検体表面の
深さ方向に沿って変更する弾性波励起方法を特徴とす
る。また、被検体内部に向かって励起される集束弾性波
が被検体内部で集束する一点の深さ方向位置を変更する
ため、被検体表面に照射される集束エネルギービームと
平行エネルギービームの周波数差fを変更する弾性波励
起方法を特徴とする。また、被検体内部に向かって励起
される集束弾性波が被検体内部で集束する一点を被検体
表面と平行な方向に沿って変更するため被検体表面に照
射される平行エネルギービームの入射角度を変更する弾
性波励起方法を特徴とする。
When it is assumed that an elastic wave having a frequency f is generated at one point inside the object, the phase distribution of the elastic wave propagating on the surface of the object is estimated, and whether the phase distribution is equal to the phase distribution of the elastic wave on the surface of the object. Alternatively, in order to generate an approximated strain distribution, a parallel energy beam and a focused energy beam having coherence and having a frequency difference f are superimposed on the surface of the object to irradiate the interference fringes traveling inward. Elasticity that generates and forms a distortion having the same distribution as the phase distribution on the surface portion of the subject due to the thermal action of the interference fringes, and excites an elastic wave focused toward the one point inside the subject. It features a wave excitation method. Further, the focal position of the focused energy beam applied to the surface of the object is changed in order to change the position in the depth direction of a point at which the focused elastic wave excited toward the inside of the object is focused inside the object. The method is characterized by an elastic wave excitation method that changes along the vertical direction. Further, in order to change the position in the depth direction of one point where the focused elastic wave excited toward the inside of the subject is focused inside the subject, the frequency difference f between the focused energy beam and the parallel energy beam applied to the subject surface is changed. Is characterized by an elastic wave excitation method for changing Further, in order to change a point at which the focused elastic wave excited toward the inside of the subject is focused inside the subject along a direction parallel to the subject surface, the incident angle of the parallel energy beam applied to the subject surface is changed. It is characterized by an elastic wave excitation method to be changed.

【0014】本発明の第一側面によれば、平行エネルギ
ービームおよびこれと周波数の僅かに違う集束エネルギ
ービームとして、例えば、2本の可干渉性レーザビーム
を被検体上の意図した部位に照射させることで同心状に
走査される干渉縞を生成し、この干渉縞の作用によって
被検体表面に干渉縞と同じ間隔を持つ歪み分布を形成す
る。この歪み分布は、前記被検体を伝搬する弾性波の固
有音速度と干渉縞の進行速度とで決まる被検体内の微小
領域に向かって集束するバルク弾性波を励起する。一般
の固体では、横波音速度と縦波音速度の2つを有する
が、ここでは固有音速度とは被検体内部に励起したいバ
ルク弾性波が横波の場合は横波音速度を指し、縦波の場
合は縦波音速度を指すものとする。更に、前記被検体の
表面又は裏面に向かって照射したプローブ光によって被
検体から出射するバルク弾性波を非接触非破壊に検出
し、前記被検体又は前記可干渉性のエネルギービーム及
びプローブ光のうち少なくとも一つを走査することによ
って非接触検出点を移動し、被検体内部に励起された超
音波の集束近傍における欠陥や材質の変化に非常に敏感
な検出信号を得ることができる。また、本発明の第二側
面によれば、集束エネルギービームの焦点位置又は平行
エネルギービームと集束エネルギービームの周波数差を
変化させることでバルク弾性波が集束する被検体内部の
微小領域の深さ方向位置を連続的又は段階的に調整可能
である。これにより、高速で内部探傷検査を実現でき
る。更に、本発明の第三側面によれば、被検体が弾性力
学的に異方性を有する場合でも、被検体内部の一点で弾
性波が発生すると仮定し異方性を考慮した演算を行なっ
て弾性波の被検体表面における位相分布を推定してい
る。なお、異方性媒質中の特定の点から発生した音波が
表面に作る波面や、物体表面に同心円以外の形状の位相
分布をもつレーザ光を照射する方法は弾性学や光学で公
知であり、ここでは議論しない。この位相分布に対応し
た干渉縞を生成することにより、逆に前記一点に集束す
るバルク弾性波を励起可能である。即ち、異方性を有す
る材料でもこれに応じた干渉縞を生成することで自在に
所望の深さ位置に向かってバルク弾性波を指向できる。
以上のように、本発明では被検体内部の微小領域にピン
ポイントで集束するバルク弾性波を励起できる上、実用
上問題となるバルク弾性波の集束位置を自在、且つ高速
で変更できるので極めて三次元的に空間分解能が高い材
料検査を非接触非破壊で行なえる。
According to the first aspect of the present invention, for example, two coherent laser beams are irradiated to an intended portion on a subject as a parallel energy beam and a focused energy beam having a slightly different frequency from the parallel energy beam. As a result, an interference fringe that is scanned concentrically is generated, and a strain distribution having the same interval as the interference fringe is formed on the surface of the subject by the action of the interference fringe. This strain distribution excites a bulk acoustic wave that converges toward a minute region in the subject determined by the natural sound velocity of the elastic wave propagating through the subject and the traveling speed of the interference fringes. In general, a solid has two waves, shear wave velocity and longitudinal wave velocity. Here, the intrinsic sound velocity refers to the transverse sound velocity when the bulk acoustic wave to be excited inside the subject is the transverse wave, and the longitudinal sound velocity Denotes longitudinal wave sound velocity. Furthermore, non-contact and non-destructive detection of bulk acoustic waves emitted from the subject by the probe light radiated toward the front or back surface of the subject, among the subject or the coherent energy beam and the probe light By scanning at least one, the non-contact detection point is moved, and a detection signal which is extremely sensitive to a defect or a change in material near the focus of the ultrasonic wave excited inside the subject can be obtained. Further, according to the second aspect of the present invention, by changing the focal position of the focused energy beam or the frequency difference between the parallel energy beam and the focused energy beam, the depth direction of the minute region inside the subject where the bulk acoustic wave is focused is changed. The position can be adjusted continuously or stepwise. Thereby, the internal flaw detection can be realized at high speed. Furthermore, according to the third aspect of the present invention, even when the subject has elastic anisotropy, it is assumed that an elastic wave is generated at one point inside the subject, and the calculation is performed in consideration of the anisotropy. The phase distribution of the elastic wave on the surface of the subject is estimated. In addition, a method of irradiating a wavefront generated by a sound wave generated from a specific point in an anisotropic medium on the surface, or a method of irradiating a laser beam having a phase distribution with a shape other than concentric circles on the surface of an object is known in elasticity and optics, Not discussed here. By generating an interference fringe corresponding to this phase distribution, it is possible to excite a bulk acoustic wave converging on the one point. That is, even if the material has anisotropy, by generating interference fringes corresponding to the material, the bulk acoustic wave can be freely directed to a desired depth position.
As described above, the present invention can excite a bulk acoustic wave that focuses on a minute area inside a subject at a pinpoint, and can freely change the focus position of the bulk elastic wave, which is a practical problem, at a high speed. Originally, material inspection with high spatial resolution can be performed in a non-contact and non-destructive manner.

【0015】また、前記のものはビーム照射手段として
特定の条件で設計された非球面レンズを用いることによ
りピンポイントで一点への集束が可能となり、材料評価
精度の一層の向上が図れる。
In the above-described apparatus, the use of an aspherical lens designed under specific conditions as a beam irradiation means enables focusing to one point at a pinpoint, thereby further improving the accuracy of material evaluation.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る非接触非破壊
の材料評価方法とその装置及び弾性波励起方法と集束レ
ーザ弾性波励起装置を図面を参照して詳述する。まず、
図1乃至図6により集束性のバルク弾性波の励起方法を
説明する。図1の(a),(b)に示すように、角周波
数ωの平行エネルギービーム1と角周波数ω′の集束エ
ネルギービーム2を例えば、レーザビーム光源から放射
し、図2に示すようにそれぞれのエネルギービームを被
検体3の表面部位に例えば垂直に、且つ重ねて照射す
る。平行エネルギービーム1と集束エネルギービーム2
の一本一本の線が同じ位相を持つ波面を模式的に表わし
ており、図2に示すように被検体3の表面4において平
行エネルギービーム1と集束エネルギービーム2は位相
干渉し、これによって図3に示すような同心状の干渉縞
5が発生する。この干渉縞5の明暗部分、例えば、5a
の明部分と5bの暗部分では被検体3に与える熱エネル
ギー量が異なり、これによって膨張量に差が生じ、干渉
縞5の同心円に沿った力学的な歪みが生じる。なお、干
渉縞5は外側周辺から内側中心に向かって進行し、等方
性材料では中心に向かうほど間隔が大きなパターンにな
る。図4に示すように、被検体3の表面4にエネルギー
ビームによって加熱膨張した領域6(図に模式的に示さ
れている)が生じ力学的な歪み分布が発生して表面から
内部に向かって角周波数|ω′−ω|で振動するバルク
弾性波7を励起させる。このバルク弾性波7は被検体3
内部の微小領域である集束点8に向かって集束する弾性
波である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A non-contact non-destructive material evaluation method and apparatus, an elastic wave excitation method and a focused laser elastic wave excitation apparatus according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. First,
A method of exciting a converging bulk acoustic wave will be described with reference to FIGS. As shown in FIGS. 1A and 1B, a parallel energy beam 1 having an angular frequency ω and a focused energy beam 2 having an angular frequency ω ′ are radiated from, for example, a laser beam source, and as shown in FIG. Is irradiated onto the surface portion of the subject 3 in a perpendicular and overlapping manner, for example. Parallel energy beam 1 and focused energy beam 2
Each line schematically represents a wavefront having the same phase. As shown in FIG. 2, the parallel energy beam 1 and the focused energy beam 2 interfere with each other on the surface 4 of the subject 3. Concentric interference fringes 5 as shown in FIG. 3 are generated. Bright and dark portions of the interference fringe 5, for example, 5a
The amount of thermal energy applied to the subject 3 differs between the light portion of the light beam 5b and the dark portion of the light beam 5b. This causes a difference in the amount of expansion, and a mechanical distortion occurs along the concentric circle of the interference fringe 5. Note that the interference fringes 5 progress from the outer periphery to the inner center, and in the case of an isotropic material, the pattern becomes larger as it approaches the center. As shown in FIG. 4, a region 6 (schematically shown in the figure) that has been heated and expanded by the energy beam is generated on the surface 4 of the subject 3, and a mechanical strain distribution is generated, and from the surface toward the inside. The bulk acoustic wave 7 oscillating at the angular frequency | ω′−ω | is excited. This bulk acoustic wave 7 is
This is an elastic wave that is focused toward the focusing point 8 which is an internal minute region.

【0017】図5は以上の作用を模式的に示したもので
ある。図において被検体3の表面4をy=0とし表面4
から集束エネルギービームの集束点8′までの距離をa
とする。前記したように表面4からは被検体3の内部に
向かうバルク弾性波7が励起され、集束点8に向かって
集束される。y=0の表面4上で集束点8の真上に一致
するx点をx=0とすると各x点からは放射角φのバル
ク弾性波7が被検体3の内部の集束点8に向かって照射
される。前記したように平行エネルギービーム1および
集束エネルギービーム2の角振動数をω,ω′とし、集
束エネルギービームの波長をλとすると干渉縞5の間隔
bは(1)式により示される。
FIG. 5 schematically shows the above operation. In the figure, the surface 4 of the subject 3 is set to y = 0 and the surface 4
Is the distance from the focal point 8 'of the focused energy beam to
And As described above, the bulk acoustic wave 7 traveling from the surface 4 toward the inside of the subject 3 is excited and focused toward the focusing point 8. Assuming that x = 0 on the surface 4 where y = 0 and just above the focal point 8, a bulk acoustic wave 7 with a radiation angle φ is directed from each x point to the focal point 8 inside the subject 3. Irradiated. As described above, when the angular frequencies of the parallel energy beam 1 and the focused energy beam 2 are ω and ω ′, and the wavelength of the focused energy beam is λ, the interval b between the interference fringes 5 is expressed by the following equation (1).

【0018】◎

【数1】 (Equation 1)

【0019】干渉縞5はf=|ω′−ω|/2πの周波
数をもつため、xにおける干渉縞5の外側から中心に向
かう走査スピード(進行速度)vは(2)式で表わされ
る。
Since the interference fringe 5 has a frequency of f = | ω'-ω | / 2π, the scanning speed (traveling speed) v from the outside to the center of the interference fringe 5 at x is expressed by the following equation (2).

【0020】◎

【数2】 (Equation 2)

【0021】次に、被検体3のそれ自体の固有音速度を
Vとした場合、(2)式で示した干渉縞5の走査スピー
ドvと前記の固有音速度Vとの間でv>Vの条件が成立
すると、被検体3の内部に向かうバルク弾性波7が放射
される。このバルク弾性波7の各x点における放射角φ
はスネルの法則により、次の(3)式から求められる。
Next, assuming that the natural sound velocity of the subject 3 itself is V, v> V between the scanning speed v of the interference fringe 5 shown in the equation (2) and the aforementioned natural sound velocity V. When the condition (1) is satisfied, the bulk acoustic wave 7 traveling toward the inside of the subject 3 is emitted. Radiation angle φ at each x point of this bulk acoustic wave 7
Is obtained from the following equation (3) according to Snell's law.

【0022】◎

【数3】 (Equation 3)

【0023】図6は、前式を用いてシミュレートされた
集束点8に集束するバルク弾性波7を示すものである。
シミュレートの条件は、エネルギービームとして波長λ
=532nmのレーザビームを用い、f=|ω′−ω|
/2π=100MHzの変調を行なう。但し、ω′>ω
である必要があり、逆の場合だと放射状に拡散する弾性
波が励起されてしまう。被検体3内の固有音速度Vを5
000m/sとした。また、集束レーザビームの集束点
8′は被検体3の表面下a=10cmに位置する。図6
は単位がメートルで表示されるもので図示のように約
0.6[mm]のビーム半径の干渉縞5の場合には深さ
約1[mm]の集束位置に約150[μm]の幅でバル
ク弾性波が集束している様子がわかる。なお、この計算
では集束レーザビームとして完全に球形の位相面を持つ
球面波を仮定しているが、後記するように、レーザ光源
からの平行ビームを集束ビームに変換するレンズとして
非球面レンズを用いれば、ほぼ完全に微小領域に一点で
集束するバルク超音波を励起できる。また、完全な平行
レーザビームでなくともある程度焦点距離の長いレンズ
で形成されたビームであれば集束するバルク弾性波を励
起できる。
FIG. 6 shows a bulk acoustic wave 7 focusing on a focal point 8 simulated using the above equation.
The simulation conditions are as follows: energy beam wavelength λ
= 532nm laser beam, f = | ω'-ω |
/ 2π = 100 MHz modulation is performed. Where ω ′> ω
In the opposite case, radially diffused elastic waves are excited. The inherent sound velocity V in the subject 3 is set to 5
000 m / s. The focal point 8 ′ of the focused laser beam is located a = 10 cm below the surface of the subject 3. FIG.
Is a unit expressed in meters, and in the case of an interference fringe 5 having a beam radius of about 0.6 [mm] as shown in the figure, a width of about 150 [μm] at a focus position of a depth of about 1 [mm] Shows that the bulk acoustic waves are focused. In this calculation, a spherical wave having a perfectly spherical phase surface is assumed as the focused laser beam. However, as described later, an aspheric lens is used as a lens that converts a parallel beam from a laser light source into a focused beam. For example, it is possible to excite bulk ultrasonic waves that are almost completely focused on a minute area at one point. Even if the beam is not a perfect parallel laser beam but is formed by a lens having a long focal length to some extent, a focused bulk acoustic wave can be excited.

【0024】更に、集束レーザビームと平行レーザビー
ムを被検体表面に照射すれば常に、被検体内部にバルク
弾性波を十分に集中することが出来る分けではない。図
7に示すように、集束エネルギービームの焦点Oが一定
以上の深部に位置することが必要である。有限で平行な
発振面から波動が放射されてある位置(焦点)で集束す
る場合、その集束性は発振面内の波の位相が何周期分含
まれるかによって近似的に評価することが出来る。被検
体表面から深さaの位置に波長λの集束エネルギービー
ムの焦点Oが位置し、平行エネルギービームが被検体表
面に垂直に入射している状態を仮定する。集束エネルギ
ービームと平行エネルギービームの周波数差をfとし、
励起された弾性波に十分な集束性が得られる発振面内の
歪みの波の位相変化を少なくとも1周期とすると、図7
に示すようにO点の真上表面位置から1周期の位置Pま
での距離における平均の波面の位相速度はf・(λ2
2λa)1/2で表される。この位相速度が被検体材料の
固有音速度Vより速い場合に、弾性波は十分な集束性を
もって被検体の内部に進入して集束することが出来る。
なお、一般の等方性の固体材料における弾性波は縦波と
横波の2種類があり夫々異なる固有音速度を持つが、f
・(λ2+2λa)1/2>Vに用いるVは集束させる弾性
波の種類に従って代入して用いる。
Further, if a focused laser beam and a parallel laser beam are applied to the surface of the subject, it is not always possible to sufficiently concentrate the bulk acoustic waves inside the subject. As shown in FIG. 7, it is necessary that the focal point O of the focused energy beam be located at a certain depth or more. When a wave is radiated from a finite and parallel oscillating surface and is focused at a certain position (focal point), the convergence can be approximately evaluated by how many phases of the wave in the oscillating surface are included. It is assumed that the focal point O of the focused energy beam having the wavelength λ is located at the position of the depth a from the subject surface, and the parallel energy beam is perpendicularly incident on the subject surface. Let f be the frequency difference between the focused energy beam and the parallel energy beam,
Assuming that the phase change of the strain wave in the oscillation plane where sufficient convergence is obtained for the excited elastic wave is at least one cycle, FIG.
As shown in the figure, the average phase velocity of the wavefront at the distance from the surface position directly above the point O to the position P of one cycle is f · (λ 2 +
2λa) 1/2 . When the phase velocity is higher than the inherent sound velocity V of the subject material, the elastic wave can enter the subject with sufficient convergence and be focused.
Elastic waves in general isotropic solid materials include two types of longitudinal waves and transverse waves, each having a different natural sound velocity.
V used for (λ 2 + 2λa) 1/2 > V is used by substituting according to the type of elastic wave to be focused.

【0025】集束エネルギービームの焦点の被検体表面
からの深さa或いは、集束エネルギービームと平行エネ
ルギービームの周波数差fを変えることによって、被検
体の内部で励起される弾性波の集束位置を変更すること
が出来る。集束エネルギービームの焦点深さ(a)を変
えた時に励起される弾性波の集束深さの変化を以下の表
1に示す。なお、被検体の音速Vを3000m/s、周
波数差fが100MHzを仮定している。表1に示すよ
うに、集束エネルギービームの焦点深さaが深くなると
被検体内部に励起される弾性波の集束深さがそれに伴っ
て深くなる。図8は以上のことを図示したものである。
即ち、集束エネルギービームの焦点位置がAのように浅
い場合には励起される弾性波の集束位置はA′点にく
る。一方、集束エネルギービームの焦点位置がA点より
も深いB点にある場合には弾性波の集束位置はA′点よ
りも深い図示のB′点に励起される。以上のように、集
束エネルギービームの焦点深さaを変化させることによ
り弾性波の集束位置を自由に変えることができる。
By changing the depth a of the focus of the focused energy beam from the surface of the subject or the frequency difference f between the focused energy beam and the parallel energy beam, the focusing position of the elastic wave excited inside the subject is changed. You can do it. Table 1 below shows changes in the focal depth of the elastic wave excited when the focal depth (a) of the focused energy beam is changed. It is assumed that the sound velocity V of the subject is 3000 m / s and the frequency difference f is 100 MHz. As shown in Table 1, as the focal depth a of the focused energy beam increases, the focal depth of the elastic wave excited inside the subject increases accordingly. FIG. 8 illustrates the above.
That is, when the focal position of the focused energy beam is shallow, such as A, the focused position of the excited elastic wave comes to point A '. On the other hand, when the focal position of the focused energy beam is at point B, which is deeper than point A, the focused position of the elastic wave is excited at point B 'shown, which is deeper than point A'. As described above, the focal position of the elastic wave can be freely changed by changing the focal depth a of the focused energy beam.

【0026】◎

【表1】 [Table 1]

【0027】前記のように弾性波の集束位置を被検体の
深さ方向(垂直方向)に沿って移動させるには集束エネ
ルギービームの焦点深さを変更すればよいが、その変更
手段としては図9に示すように集束エネルギービームの
形成手段の集光レンズ26や被検体3を機械的に移動す
ればよい。その具体的方法としては図示のように集光レ
ンズ26をレンズ移動装置26aにより矢印方向に沿っ
て移動するか又は被検体3を被検体移動装置19aによ
り移動させればよい。この場合これ等の移動距離は焦点
深さの移動距離の数十倍だけ移動させなければならな
い。但し一般にズームレンズと呼ばれる焦点距離変更機
構を用いればごく短距離のレンズの移動により焦点位置
の大幅な変更が可能であり、深さ方向の高速な多点測定
が可能になる。
As described above, in order to move the focus position of the elastic wave along the depth direction (vertical direction) of the subject, the focal depth of the focused energy beam may be changed. As shown in FIG. 9, the converging lens 26 of the means for forming a focused energy beam and the subject 3 may be moved mechanically. As a specific method, the focusing lens 26 may be moved in the direction of the arrow by the lens moving device 26a as shown in the drawing, or the subject 3 may be moved by the subject moving device 19a. In this case, these moving distances must be moved by several tens times the moving distance of the focal depth. However, if a focal length changing mechanism generally called a zoom lens is used, the focal position can be significantly changed by moving the lens over a very short distance, and high-speed multipoint measurement in the depth direction becomes possible.

【0028】次に、周波数差fを変えることによって、
励起された弾性波の集束深さを変えることが可能であ
る。被検体の音速度を3000m/s、集束エネルギー
ビームの焦点深さaを10cmとして、周波数差fを変
えた時に励起される弾性波の集束深度の変化を表2に示
す。
Next, by changing the frequency difference f,
It is possible to change the focusing depth of the excited elastic wave. Table 2 shows the change in the focal depth of the elastic wave excited when the frequency difference f is changed when the sound velocity of the subject is 3000 m / s and the focal depth a of the focused energy beam is 10 cm.

【0029】◎

【表2】 [Table 2]

【0030】周波数fの変更は図10に示すように、例
えば、平行エネルギービームと集束エネルギービームの
周波数差fを作るために導入される音響光学素子(AO
素子)に入力する電気信号の周波数を変えることで可能
である。例えば、音響光学素子にチャープ信号を用いる
こと等によって平行エネルギービームと集束エネルギー
ビームの周波数の差を、一回のエネルギービームの照射
中に連続的に変更すれば、異なる深さに集束される弾性
波が一度に励起される。更に、励起された弾性波が被検
体の表面に生成する変位を例えば光学的手段をもって観
測し、得られた表面変位の信号を周波数分析すれば、被
検体の弾性特性が反映した結果を得ることが出来る。即
ち、図11(a)は周波数差fの変化により集束深さが
変化する状態を示す図であり、周波数差f1の時の集束
深さの場所に欠陥が生じている場合を示すものである。
図11(b)は横軸に変位の周波数をとり縦軸に被検体
の弾性特性を反映した強度を表示したものである。欠陥
のある部分からの弾性波が被検体の表面に生成する変位
は欠陥のない部分から被検体の表面に生成される変位と
異なるためその変位を光学的手段により観察することに
より被検体内部に生じている欠陥の存在とその深度を図
11(b)に示す周波数分析により検出することができ
る。
As shown in FIG. 10, the frequency f can be changed, for example, by using an acousto-optic device (AO) introduced to create a frequency difference f between the parallel energy beam and the focused energy beam.
This can be achieved by changing the frequency of the electric signal input to the element. For example, if the frequency difference between the parallel energy beam and the focused energy beam is continuously changed during a single irradiation of the energy beam by using a chirp signal for the acousto-optic element, the elasticity focused to different depths can be obtained. The waves are excited at once. Furthermore, the displacement generated by the excited elastic wave on the surface of the subject is observed by, for example, an optical means, and the obtained surface displacement signal is subjected to frequency analysis to obtain a result reflecting the elastic characteristic of the subject. Can be done. That is, FIG. 11 (a) is a diagram showing a state where the focusing depth by a change in the frequency difference f is changed, shows the case where a defect occurs in the focusing depth of the location when the frequency difference f 1 is there.
FIG. 11B shows the displacement frequency on the horizontal axis and the intensity reflecting the elasticity of the subject on the vertical axis. Since the displacement generated on the surface of the subject by the elastic wave from the defective part is different from the displacement generated on the surface of the subject from the part without the defect, the displacement is observed inside the subject by observing the displacement by optical means. The presence and depth of the generated defect can be detected by the frequency analysis shown in FIG.

【0031】また、図12に示すように、平行エネルギ
ービームを被検体表面に対してある傾斜角度をもって入
射することで被検体内部におけるバルク弾性波の集束位
置を水平方向に沿って変更出来る。これによれば、被検
体或いはエネルギービーム照射手段を移動することなく
弾性波の集束位置或いは観測点を変更することが出来
る。図13のように表面凹凸関係で被検体表面上に干渉
縞を形成可能な領域が狭いときに、平行エネルギービー
ムの入射角を変えるだけで集束位置の水平方向に沿った
変更が可能になる利点がある。
Further, as shown in FIG. 12, the focusing position of the bulk acoustic wave inside the subject can be changed along the horizontal direction by causing the parallel energy beam to enter the subject surface at a certain inclination angle. According to this, the focus position or observation point of the elastic wave can be changed without moving the subject or the energy beam irradiation means. As shown in FIG. 13, when the area where interference fringes can be formed on the surface of the subject is narrow due to the surface unevenness, the advantage that the focusing position can be changed in the horizontal direction only by changing the incident angle of the parallel energy beam. There is.

【0032】次に、本発明に係る非接触非破壊の材料評
価方法を図14により模式的に説明する。被検体3の裏
面側には微小領域を通過したバルク弾性波7が到達す
る。この裏面にレーザ光源9からプローブ光10を照射
するとバルク弾性波7に起因する裏面の微小変形に対応
した反射光11が反射される。これを後に説明する各種
の検出・解析手段12により検出および解析することに
より被検体3の材料特性の分析や被検体3の内部に存在
する材料欠陥等の異常を非接触非破壊で発見することが
できる。なお、プローブ光10は裏面でなく表面に照射
して微小領域から反射するバルク超音波を検出してもよ
い。
Next, a non-contact non-destructive material evaluation method according to the present invention will be schematically described with reference to FIG. The bulk acoustic wave 7 that has passed through the minute region reaches the back side of the subject 3. When the back surface is irradiated with the probe light 10 from the laser light source 9, the reflected light 11 corresponding to the minute deformation of the back surface caused by the bulk acoustic wave 7 is reflected. This is detected and analyzed by various detection / analysis means 12 to be described later to analyze the material characteristics of the subject 3 and to detect anomalies such as material defects existing inside the subject 3 in a non-contact and non-destructive manner. Can be. Note that the probe light 10 may be applied to the front surface instead of the back surface to detect bulk ultrasonic waves reflected from a minute region.

【0033】次に、本発明に係る非接触非破壊の材料評
価装置を説明する。図15は本装置の全体構成を示すブ
ロック図である。図に示すように、レーザビーム光源1
3からのレーザビームは光学系14を介して平行エネル
ギービーム形成手段15および集束エネルギービーム形
成手段16により角振動数ωの平行エネルギービーム1
および角振動数ω′の集束エネルギービーム2となる。
これらの平行および集束エネルギービーム1,2はビー
ム照射手段17を介して被検体3の表面4に照射され
る。前記したように、被検体3には集束点8に集束する
バルク弾性波7が発生する。一方、プローブ光10はプ
ローブ光形成手段18から出射され、被検体3に照射さ
れる。被検体3からの反射光11は前記したように材料
特性を検出および解析する検出・解析手段12に入力さ
れ所定の検出および解析が行なわれる。また、被検体3
にはこれをx,y軸方向に移動させる走査手段19が付
設される。被検体3を走査手段19により適宜移動させ
ることにより、被検体3のすべての部位の検査が可能に
なる。また、ビーム照射手段17には平行エネルギービ
ーム1および集束エネルギービーム2を完全に干渉させ
るために両ビームのエネルギー密度を同一にするための
調整手段20が設けられる。以上の構成により、被検体
3内部の微小領域に集束する弾性波を励起することがで
きると共に、そのバルク弾性波を利用して材料の特性を
非接触非破壊で検出および解析する材料評価を行なうこ
とができる。
Next, a non-contact non-destructive material evaluation apparatus according to the present invention will be described. FIG. 15 is a block diagram showing the overall configuration of the present apparatus. As shown in FIG.
The laser beam from 3 is converted into a parallel energy beam 1 having an angular frequency ω by a parallel energy beam forming means 15 and a focused energy beam forming means 16 via an optical system 14.
And a focused energy beam 2 having an angular frequency ω ′.
These parallel and focused energy beams 1 and 2 are irradiated on the surface 4 of the subject 3 via the beam irradiation means 17. As described above, the subject 3 generates the bulk acoustic wave 7 that is focused on the focusing point 8. On the other hand, the probe light 10 is emitted from the probe light forming means 18 and irradiates the subject 3. The reflected light 11 from the subject 3 is input to the detecting / analyzing means 12 for detecting and analyzing the material properties as described above, and predetermined detection and analysis are performed. The subject 3
Is provided with a scanning means 19 for moving it in the x and y axis directions. By appropriately moving the subject 3 by the scanning means 19, all parts of the subject 3 can be inspected. The beam irradiation means 17 is provided with an adjustment means 20 for making the energy densities of the parallel energy beam 1 and the focused energy beam 2 equal to each other so as to completely interfere with each other. With the above configuration, it is possible to excite an elastic wave focused on a minute area inside the subject 3 and to perform material evaluation for detecting and analyzing the characteristics of the material in a non-contact and non-destructive manner using the bulk elastic wave. be able to.

【0034】図16は本発明に係る非接触非破壊の材料
評価装置の具体的な一例を示す構成図である。レーザビ
ーム光源13から出射されたレーザビーム21はハーフ
ミラー22により2つのレーザビーム21a,21bに
分割される。レーザビーム21aは前記した調整手段2
0の一つであるビーム径調整機構20aを介し、平行エ
ネルギービーム形成手段15およびビーム照射手段17
の一つであるビームスプリッタ23を介し平行エネルギ
ービーム1となり、被検体3に照射される。一方、レー
ザビーム21bはミラー24を介し、広帯域信号発生器
Sと連結される変調素子(AO素子)Mで周波数変調さ
れ、集束エネルギービーム形成手段16およびビーム照
射手段17の一つであるミラー25,集光レンズ26お
よびビームスプリッタ23を介して被検体3の表面4に
照射される集束エネルギービーム2となる。以上によ
り、被検体3内には集束点8に集光するバルク弾性波7
が生じる。なお、図示のように、被検体3にはこれを例
えば、x方向に沿って走査する走査手段19の一つであ
る被検体移動装置19aが付設される。また、広帯域信
号発生器Sから出力される制御信号の周波数を変化させ
ることで集束点8を垂直方向に移動可能である。
FIG. 16 is a block diagram showing a specific example of a non-contact non-destructive material evaluation apparatus according to the present invention. The laser beam 21 emitted from the laser beam light source 13 is split by the half mirror 22 into two laser beams 21a and 21b. The laser beam 21a is adjusted by the adjusting means 2 described above.
0, a parallel energy beam forming means 15 and a beam irradiating means 17 via a beam diameter adjusting mechanism 20a.
The beam becomes a parallel energy beam 1 via a beam splitter 23 which is one of them, and is irradiated on the subject 3. On the other hand, the laser beam 21b is frequency-modulated by a modulating element (AO element) M connected to the broadband signal generator S via a mirror 24, and is a mirror 25 which is one of the focused energy beam forming means 16 and the beam irradiating means 17. The focused energy beam 2 is irradiated to the surface 4 of the subject 3 via the condenser lens 26 and the beam splitter 23. As described above, the bulk acoustic waves 7 converged on the focal point 8 in the subject 3
Occurs. As shown in the figure, the subject 3 is provided with a subject moving device 19a, which is one of the scanning means 19 for scanning the subject 3 in the x direction, for example. Further, the focal point 8 can be moved in the vertical direction by changing the frequency of the control signal output from the wideband signal generator S.

【0035】一方、プローブ光形成手段18の一つであ
る検出用レーザビーム光源18aから出射されたプロー
ブ光10は集光レンズ27を介し被検体3に照射され
る。その反射光11は検出・解析手段12の一例である
ナイフエッジ法の原理に基づくナイフエッジ法検出・解
析手段12aにより検出および解析される。ナイフエッ
ジ法検出・解析手段12aは集光レンズ28と、ナイフ
エッジ29と、フォトダイオード30およびオシロスコ
ープ31等からなる。被検体3からの反射光11は被検
体表面の振動に起因した傾斜により、その反射する方向
を僅かに変える。これによりバルク弾性波に応じた被検
体表面の凹凸による反射波11の変化を検出できバルク
弾性波7の強度測定が正確に行なわれる。なお、オシロ
スコープ31や被検体移動装置19aはFFT計算機C
に連結されている。この計算機Cは材料欠陥や材料特性
の解析演算を行なう。
On the other hand, the probe light 10 emitted from the detection laser beam light source 18a, which is one of the probe light forming means 18, is applied to the subject 3 via the condenser lens 27. The reflected light 11 is detected and analyzed by a knife edge method detection / analysis means 12a based on the principle of the knife edge method, which is an example of the detection / analysis means 12. The knife edge method detection / analysis means 12a includes a condenser lens 28, a knife edge 29, a photodiode 30, an oscilloscope 31, and the like. The reflected light 11 from the subject 3 slightly changes its reflecting direction due to the inclination caused by the vibration of the surface of the subject. This makes it possible to detect a change in the reflected wave 11 due to the unevenness of the surface of the subject according to the bulk acoustic wave, and to accurately measure the intensity of the bulk acoustic wave 7. Note that the oscilloscope 31 and the subject moving device 19a are
It is connected to. The computer C performs an analysis operation on material defects and material characteristics.

【0036】図16の実施例を次に説明する。被検体3
の表面4におけるビーム半径を約0.5[mm]とす
る。また、被検体3は厚さ1[mm]の銅板を用いる。
この場合、銅の固有音速度(縦波)は約4700m/s
である。完全に偏光された波長532[nm]のレーザ
ビームをQ−スイッチNd:YAGパルスレーザの第2
高調波を用いて発振し、そのパルス幅を50nsecと
した。ビームスプリッタによって二経路に分割し、一方
は音響光学素子Mによって100MHzだけレーザビー
ム21bの周波数変調を行なった。2つのレーザビーム
が完全に干渉するために、ビーム径調整機構20a等を
用いて平行エネルギービーム1と集束エネルギービーム
2の被検体表面におけるエネルギー密度を同一に調整す
る。図17は励起されたバルク弾性波の集束性を評価し
た結果を示すのである。被検体表面と平行にx座標をと
り、検出解析手段のみを移動させて縦軸にバルク弾性波
の相対強度を表示したものである。図17に示すよう
に、集束点8直下の裏面にバルク弾性波が集束して到達
していることがナイフエッジ法により検出された。
Next, the embodiment shown in FIG. 16 will be described. Subject 3
The beam radius on the surface 4 is about 0.5 [mm]. The test object 3 uses a copper plate having a thickness of 1 [mm].
In this case, the natural sound velocity (longitudinal wave) of copper is about 4700 m / s
It is. A completely polarized laser beam having a wavelength of 532 [nm] is converted to a second light of a Q-switched Nd: YAG pulse laser.
Oscillation was performed using harmonics, and the pulse width was set to 50 nsec. The beam was split into two paths by a beam splitter, and one of them was subjected to frequency modulation of the laser beam 21b by 100 MHz by an acousto-optic element M. In order for the two laser beams to completely interfere with each other, the energy densities of the parallel energy beam 1 and the focused energy beam 2 on the surface of the subject are adjusted to the same using the beam diameter adjusting mechanism 20a or the like. FIG. 17 shows the result of evaluating the convergence of the excited bulk acoustic waves. The x-coordinate is taken parallel to the surface of the subject, and only the detection and analysis means is moved, and the vertical axis indicates the relative intensity of bulk acoustic waves. As shown in FIG. 17, it was detected by the knife edge method that the bulk acoustic wave was focused and reached the back surface immediately below the focusing point 8.

【0037】前記の実施例では、検出・解析手段12と
してナイフエッジ法検出・解析手段12aについて説明
したが、それ以外にもヘテロダイン干渉法やファブリペ
ロー干渉法,ホモダイン干渉法や電磁超音波トランスデ
ューサによる検出・解析手段が採用される。
In the above embodiment, the knife edge method detecting / analyzing means 12a has been described as the detecting / analyzing means 12, but other than the above, the heterodyne interferometry, Fabry-Perot interferometry, homodyne interferometry, and electromagnetic ultrasonic transducer may be used. Detection and analysis means are employed.

【0038】図18は、ヘテロダイン干渉法検出・解析
手段12bの原理構成を示すものである。レーザ光源3
3から振動数Fの光が発振され、ハーフミラー34によ
り2つに分岐され、その一方は、周波数変調素子である
AO素子32によりF+fの振動数に変調され、被検体
3の変位部分35に照射される。他方の光はハーフミラ
ー34を通過する。通過した光と変位部分35から反射
した光はハーフミラー36で一本の光束に合体するが、
振動数がFとF+fのため干渉が生じる。このため、
「うなり」が発生する。この光の強度をフォトダイオー
ド37で電気信号に変換してオシロスコープ38で観測
することができる。ところで、試料表面がその振動によ
って元の高さからレーザ光の1/4波長分だけ高くなっ
たと仮定するとレーザ光束と他方の表面を介さないレー
ザ光の干渉によって生じたうなりの位相もうなりの半波
長分ずれたことになる。うなりの信号自体は変調周波数
程度の低い周波数を持った信号のため、その位相の変化
は容易にオシロスコープ38で観測することができる。
以上のように、うなりの位相変化を測定して表面の光の
波長程度のごくわずかな変位を観測することがこの方法
により可能になる。
FIG. 18 shows the principle configuration of the heterodyne interferometry detection / analysis means 12b. Laser light source 3
3, light having a frequency F is oscillated, and is split into two by a half mirror 34, one of which is modulated to a frequency of F + f by an AO element 32, which is a frequency modulation element, to a displacement portion 35 of the subject 3. Irradiated. The other light passes through the half mirror 34. The transmitted light and the light reflected from the displacement portion 35 are combined into one light flux by the half mirror 36,
Since the frequencies are F and F + f, interference occurs. For this reason,
A "beat" occurs. The light intensity is converted into an electric signal by the photodiode 37 and can be observed by the oscilloscope 38. By the way, assuming that the sample surface is raised from its original height by one-fourth wavelength of the laser beam due to its vibration, half of the beat phase generated by the interference between the laser beam and the laser beam that does not pass through the other surface. That is, it is shifted by the wavelength. Since the beat signal itself is a signal having a frequency as low as the modulation frequency, the change in phase can be easily observed with the oscilloscope 38.
As described above, this method makes it possible to measure the phase change of the beat and observe a very small displacement of about the wavelength of light on the surface.

【0039】図19はファブリペロー干渉法検出・解析
手段12cを示す。これはファブリペロー干渉計を使用
するもので特定の振動数(波長)の光を抽出して出力す
る半透明の鏡39,40を使用するものである。レーザ
光源41から出射した振動数Fの光は被検体3の振動数
fで振動する変位部分42に当ると、その反射光がドプ
ラー効果により振動数Fと異なる振動数F′の波を出射
する。ファブリペロー干渉計は振動数F以外の例えば、
振動数F′の光のみを抽出するように鏡39,40を配
置することにより振動数F′の光がフォトダイオード4
3に入力され、電気変換される。これをオシロスコープ
44で観察することにより被検体3に生じた波動の観察
が可能になる。なお、ホモダイン干渉法や電磁超音波ト
ランスデューサによる方法についてはその内容の説明を
省略したが公知文献に記載されているものでありここで
は触れない。
FIG. 19 shows the Fabry-Perot interferometry detection / analysis means 12c. This uses a Fabry-Perot interferometer and uses translucent mirrors 39 and 40 that extract and output light having a specific frequency (wavelength). When the light of frequency F emitted from the laser light source 41 strikes the displacement portion 42 vibrating at the frequency f of the subject 3, the reflected light emits a wave of frequency F 'different from the frequency F due to the Doppler effect. . The Fabry-Perot interferometer has a frequency other than F, for example.
By disposing the mirrors 39 and 40 so as to extract only the light having the frequency F ', the light having the frequency F'
3 and is converted into an electric signal. By observing this with the oscilloscope 44, it is possible to observe the wave generated in the subject 3. The description of the method using the homodyne interferometry and the electromagnetic ultrasonic transducer is omitted from the description, but is described in a publicly known document and is not described here.

【0040】前記の説明では、図3に示すように間隔が
連続的に変化する干渉縞5が形成された場合について説
明したが、これは集束エネルギービーム2として完全に
球形の位相面を持った球面波を採用したためである。仮
りに、円錐レンズを用いて円錐状の位相をもつ集束エネ
ルギービームを採用すると、例えば、図20に示すよう
に等間隔な同心円状の干渉縞5′が形成される。但し、
干渉縞の間隔をhとしてf=(ω′−ω)2tとすれ
ば、V<f・hの関係が必要である。(図21に示すよ
うに、この干渉縞5′により被検体3の表面4に生じる
歪み分布に応じてバルク弾性波7は垂直直線状の集束位
置8aに集束することになる。これにより、広範囲の材
料特性の検査が垂直方向に一度に行なわれ、材料評価工
数の効率化が図れる。勿論、集束エネルギービームの形
状を変化させることにより前記以外の形状の干渉縞を形
成することができる。例えば、円筒形の位相面を持った
集束エネルギビームを用いれば、水平直線上にバルク弾
性波を集束できる。
In the above description, the case where the interference fringes 5 whose intervals change continuously as shown in FIG. 3 has been described, but this has a perfectly spherical phase surface as the focused energy beam 2. This is because a spherical wave was adopted. If a focused energy beam having a conical phase is adopted using a conical lens, for example, concentric interference fringes 5 'at equal intervals are formed as shown in FIG. However,
Assuming that the interval between interference fringes is h and f = (ω′−ω) 2t, a relationship of V <f · h is required. (As shown in FIG. 21, the bulk acoustic wave 7 is focused on a vertical linear focusing position 8a in accordance with the strain distribution generated on the surface 4 of the subject 3 due to the interference fringes 5 '. As a result, a wide range is obtained. Inspection of the material characteristics is performed in the vertical direction at a time, so that the efficiency of the material evaluation man-hour can be improved, and of course, interference fringes having other shapes can be formed by changing the shape of the focused energy beam. If a focused energy beam having a cylindrical phase surface is used, a bulk acoustic wave can be focused on a horizontal straight line.

【0041】更に、異方性材料では方向や入射角度によ
って固有音速度が異なり、励起された弾性波が被検体内
部で集束するに必要な干渉縞のパターンは同心円とはな
らないが、集束エネルギービーム或いは平行エネルギー
ビームを歪ませることによって所望のバルク弾性波を励
起することが可能である。即ち、この場合には図22に
示すように異方性の被検体の内部のS点から放射される
弾性波により被検体の表面には変形された位相分布が形
成される。従って、異方性材料の場合には被検体の内部
の一点(S点)で周波数fの弾性波が発生すると仮定し
て図22に示したような位相分布の弾性波が被検体の表
面に伝搬されたと推定する。この弾性波の位相分布と等
しいか又は近似した歪みの分布を発生する可干渉性で互
いに周波数差を持った平行エネルギービームと集光エネ
ルギービームを被検体の表面部位に照射し、周囲から内
側に向かって進行する干渉縞を生成し、この干渉縞の熱
的作用によって被検体の表面部位に前記位相分布と同じ
位相分布を持つ歪みを形成することができる。これによ
って被検体の内部の前記S点に向かって集光するバルク
弾性波を励起することができる。また、図23は弾性異
方性を有する表面位相分布の他の例を示す参考図であ
る。
Further, in the case of anisotropic materials, the natural sound velocity varies depending on the direction and the incident angle, and the pattern of interference fringes necessary for the excited elastic wave to be focused inside the subject is not concentric, but the focused energy beam Alternatively, it is possible to excite a desired bulk acoustic wave by distorting the parallel energy beam. That is, in this case, as shown in FIG. 22, a deformed phase distribution is formed on the surface of the subject by the elastic wave radiated from the point S inside the anisotropic subject. Therefore, in the case of an anisotropic material, it is assumed that an elastic wave having a frequency f is generated at one point (point S) inside the subject, and an elastic wave having a phase distribution as shown in FIG. Presumed to have been propagated. The surface area of the subject is irradiated with a parallel energy beam and a focused energy beam having a coherent and frequency difference from each other to generate a strain distribution equal to or approximate to the phase distribution of the elastic wave, from the periphery to the inside. An interference fringe traveling toward the target is generated, and a distortion having the same phase distribution as the above-mentioned phase distribution can be formed on the surface of the subject by the thermal action of the interference fringes. As a result, a bulk acoustic wave focused toward the point S inside the subject can be excited. FIG. 23 is a reference diagram showing another example of a surface phase distribution having elastic anisotropy.

【0042】次に、ビーム照射手段として非球面レンズ
を用いた場合の実施の形態を図24,図25により説明
する。前記の実施の形態ではビーム照射手段として球面
レンズを用いているため球面レンズによって励起された
集束バルク超音波はその集束性が完全でなく図6に示す
ように若干の収差を伴って一点に集まる。被検体の内部
を超音波の波長程度の高い空間分解能で計測する場合に
は、ほぼ完全に点集束させたいこともある。そこで本例
では球面レンズの替りにビーム照射手段として非球面レ
ンズを用いて被検体表面における集束ビームの位相分布
を調整し、励起される弾性波の完全な点集束化を図って
いる。
Next, an embodiment in which an aspheric lens is used as the beam irradiation means will be described with reference to FIGS. In the above embodiment, since a spherical lens is used as the beam irradiating means, the focused bulk ultrasonic waves excited by the spherical lens are not completely focused and converge at one point with some aberration as shown in FIG. . When measuring the inside of a subject with a high spatial resolution of about the wavelength of an ultrasonic wave, it is sometimes necessary to achieve almost perfect point focusing. Therefore, in this embodiment, the phase distribution of the focused beam on the surface of the subject is adjusted by using an aspherical lens as a beam irradiation means instead of the spherical lens, thereby achieving perfect point focusing of the excited elastic wave.

【0043】図24に点集束バルク超音波の励起原理を
示す。被検体3′の図示のC点が垂直方向Zの原点と
し、C点から水平に被検体3′の表面に沿う方向をr軸
とする。ビームスプリッタ23′を通過した平行エネル
ギービーム1′は被検体3′の表面に入射角0度で入射
される。一方、平行エネルギービーム1′よりも周波数
がfだけ大きいもう1つの平行エネルギービーム47は
非球面レンズからなる集光レンズ46を通り、集束エネ
ルギービーム48となり、ビームスプリッタ23′で反
射した成分の集束エネルギービーム2′は被検体3′の
表面に入射される。平行エネルギービーム1′と集束エ
ネルギービーム2′とは被検体3′の表面で交差し、そ
の平面に同心円状に内側に向かって進行する干渉縞(以
下、集束型走査干渉縞5′)を形成する。この集束型走
査干渉縞5′が被検体3′の内部に集点8′に点集束す
る集束バルク超音波7′(バルク弾性波)を励起する。
FIG. 24 shows the principle of excitation of a point-focused bulk ultrasonic wave. The illustrated point C of the subject 3 ′ is the origin in the vertical direction Z, and the direction along the surface of the subject 3 ′ horizontally from the point C is the r axis. The parallel energy beam 1 'having passed through the beam splitter 23' is incident on the surface of the subject 3 'at an incident angle of 0 degree. On the other hand, another parallel energy beam 47 whose frequency is higher by f than the parallel energy beam 1 'passes through a condenser lens 46 composed of an aspherical lens, becomes a focused energy beam 48, and focuses a component reflected by the beam splitter 23'. The energy beam 2 'is incident on the surface of the subject 3'. The parallel energy beam 1 'and the focused energy beam 2' intersect at the surface of the subject 3 ', and form an interference fringe (hereinafter, a converging-type scanning interference fringe 5') concentrically traveling inward on the plane. I do. This focused scanning interference fringe 5 'excites a focused bulk ultrasonic wave 7' (bulk elastic wave) which is focused on a focal point 8 'inside the subject 3'.

【0044】図24に示すように、c点を原点として被
検体表面に沿ってx離れたR点に入射する集束エネルギ
ービーム48の成分は前記(3)式に示す角度φで被検
体3′内に放射されるバルク弾性波7′を励起する。更
に、バルク弾性波7′を収束させるとしてその位置8を
c点直下azの深さの点とすると、以下の(4)式に示
すようにx=az・tanφの関係になくてはならな
い。c点から位置x離れた位置に入射する集束エネルギ
ービーム48の成分がc点直下から式4を満たす深さa
の点8′を通過する方向に入射されるように非球面レン
ズ46を設計することにより等方性材料からなる被検体
3′のc点からの深さazの点に位置する微小領域8
(Q点)にバルク弾性波7′を点集束させなくてはなら
ない。
As shown in FIG. 24, the component of the focused energy beam 48 incident on the point R which is x away from the point c along the surface of the object with the point c as the origin is the object 3 'at the angle φ shown in the above equation (3). To excite bulk acoustic waves 7 'radiated therein. Further, assuming that the position 8 of the bulk acoustic wave 7 'is converged and the position 8 is a point at a depth az just below the point c, there must be a relation of x = az · tanφ as shown in the following equation (4). No. The depth a at which the component of the focused energy beam 48 incident at a position x away from the point c satisfies the equation 4 from immediately below the point c.
By designing the aspherical lens 46 so as to be incident in the direction passing through the point 8 ', the minute region 8 located at a point at a depth az from the point c of the subject 3' made of an isotropic material.
The point (Q point) of the bulk acoustic wave 7 'must be focused.

【0045】◎

【数4】 ここで、fは平行エネルギービームと集束エネルギービ
ームとの周波数差、λは前記集束エネルギービームの波
長Vは被検体3′のR点とQ点を結ぶ方向における固有
音速度である。
(Equation 4) Here, f is the frequency difference between the parallel energy beam and the focused energy beam, and λ is the wavelength V of the focused energy beam, which is the natural sound velocity in the direction connecting the points R and Q of the subject 3 ′.

【0046】次に、被検体3′が異方性材料の場合にも
同様の議論が可能であり、以下の(5)式が成立する。
Next, the same discussion can be made when the subject 3 'is an anisotropic material, and the following equation (5) is satisfied.

【0047】◎

【数5】 ここで、V′は被検体3′のR点とQ点を結ぶ方向にお
ける被検体3′の音速度である。
(Equation 5) Here, V 'is the sound velocity of the subject 3' in the direction connecting the points R and Q of the subject 3 '.

【0048】前記V′は実際に被検体材料を測定するこ
とによっても理論的に異方性弾性定数から求めることも
できるが、このことは弾性学状の公知理論であり、これ
以上言及しない。また、被検体3′の任意の位置(例え
ばR点)に意図した方向で入射するエネルギービームを
形成するための非球面レンズの設計方法についても光学
上公知でありこれ以上言及しない。
The above-mentioned V 'can be theoretically obtained from the anisotropic elastic constant by actually measuring the sample material, but this is a well-known theory of elasticity and will not be described further. Also, a method of designing an aspheric lens for forming an energy beam incident on an arbitrary position (for example, point R) of the subject 3 'in an intended direction is optically known and will not be further described.

【0049】次に、非球面の集束レンズ46を用いた非
接触非破壊材料評価装置の具体的な構成を図25に示
す。レーザビーム光源13′から出射されたレーザビー
ム21′は、ビームスプリッタ22′によって2つのレ
ーザビーム21a′と21b′に分割される。レーザビ
ーム21a′はビーム系調整機構20a′により被検体
3′に照射する径に調整される。調整されビームスプリ
ッタ23′を通過したレーザビーム1′は被検体3′に
照射される。一方、レーザビーム21b′はミラー2
4′を介した後、TeO2の音響光学素子45に導入さ
れ、TeO2の音響光学素子45の駆動周波数だけ周波
数が高い方向にシフトされる。周波数がシフトされたレ
ーザビーム21b′はミラー25′を介して非球面の集
束レンズ46を通り集束レーザビーム48となり、ビー
ムスプリッタ23′で反射した成分がレーザビーム2′
となる。レーザビーム1′と2′とは被検体1の表面で
交差し、干渉し、内側に向かって走査される干渉縞が形
成され、これにより所望の一点を焦点8′とする集束バ
ルク超音波7′が生成される。一方、生じた集束バルク
超音波7′は、例えば、光学的ナイフエッジ法を用いた
以下の光学系で検出を行なう。検出用レーザビーム光源
18a′から出射したプローブビーム10′は集光レン
ズ27′により前記集束バルク超音波の波長程度に集光
される。被検体3′で反射したプローブビーム11′は
集光レンズ28′で調整され、アバランシェフォトダイ
オード30′の受光面に導かれる。アバランシェフォト
ダイオード30′の手前に設置したナイフエッジを調整
することで、集束バルク超音波7′を計測しオシロスコ
ープ31′で観測する。なお、必要に応じて被検体移動
装置19a′を用いて被検体3′を移動させることで、
計測したい複数部分を計測することが可能である。な
お、前記の実施例では集束バルク超音波の検出方法とし
て、光学的ナイフエッジ法を用いたが、これに限定する
ものではなく、超音波を非接触で検出する一般的な方法
であればよい。また、本例ではレーザビームの周波数を
シフトする手段として音響光学素子45を採用している
が、これに限定するものではない。
Next, a specific configuration of a non-contact non-destructive material evaluation apparatus using an aspherical focusing lens 46 is shown in FIG. A laser beam 21 'emitted from a laser beam light source 13' is split into two laser beams 21a 'and 21b' by a beam splitter 22 '. The diameter of the laser beam 21a 'is adjusted by the beam system adjusting mechanism 20a' to the diameter for irradiating the subject 3 '. The adjusted laser beam 1 ′ that has passed through the beam splitter 23 ′ is applied to the subject 3 ′. On the other hand, the laser beam 21b '
After passing through the 4 ', is introduced into the acousto-optic device 45 of the TeO 2, frequency by the drive frequency of the acousto-optic device 45 of TeO 2 is shifted to a higher side. The frequency-shifted laser beam 21b 'passes through an aspherical focusing lens 46 via a mirror 25' to become a focused laser beam 48, and the component reflected by the beam splitter 23 'is a laser beam 2'
Becomes The laser beams 1 ′ and 2 ′ intersect and interfere with each other on the surface of the subject 1 to form an interference fringe which is scanned inward, thereby forming a focused bulk ultrasonic wave 7 having a desired point as a focal point 8 ′. 'Is generated. On the other hand, the generated focused bulk ultrasonic wave 7 'is detected by, for example, the following optical system using an optical knife edge method. The probe beam 10 'emitted from the detection laser beam light source 18a' is condensed by the condenser lens 27 'to the wavelength of the focused bulk ultrasonic wave. The probe beam 11 'reflected by the subject 3' is adjusted by the condenser lens 28 'and guided to the light receiving surface of the avalanche photodiode 30'. By adjusting the knife edge provided in front of the avalanche photodiode 30 ', the focused bulk ultrasonic wave 7' is measured and observed with the oscilloscope 31 '. By moving the subject 3 'using the subject moving device 19a' as necessary,
It is possible to measure a plurality of parts to be measured. In the above-described embodiment, the optical knife edge method is used as a method for detecting the focused bulk ultrasonic wave. However, the present invention is not limited to this, and any general method for detecting the ultrasonic wave without contact may be used. . In this example, the acousto-optic device 45 is used as a means for shifting the frequency of the laser beam, but the invention is not limited to this.

【0050】[0050]

【発明の効果】本発明によれば、次のような顕著な効果
を奏する。 1)周波数の異なる干渉性の平行エネルギービームと集
束エネルギービームを被検体の表面に照射し、干渉縞を
形成し、この干渉縞の進行速度が被検体の固有音速度よ
り大きいことを条件として弾性波(バルク弾性波)を被
検体内部に励起することが容易に実現できる。 2)前記バルク弾性波は集束エネルギービームの形状に
より被検体の内部の特定部位に集束することができ、場
合によっては直線に沿う集束位置にそれぞれ集束するこ
とが容易にできる。 3)プローブ光を照射すると共に被検体を走査すること
により、被検体の内部の微小領域における材料の欠陥や
材質,特性等が非接触非破壊で正確に検出することがで
きる。 4)従来技術に比べて高精度且つ高空間分解能で且つ高
効率の材料評価が可能になる。 5)集束エネルギービームの焦点位置又は平行エネルギ
ービームと集束エネルギービームの周波数差を変えるこ
とによりバルク弾性波が集束する被検体内部の微小領域
の深さ位置を連続的又は段階的に調整できるので内部探
傷検査を高速に実現することができる。 6)被検体が弾性力学的に異方性を有する場合でも被検
体内部の一点で弾性波が発生すると仮定し異方性を考慮
した演算を行なって弾性波の表面位相分布推定しこの位
相分布に対応した干渉縞を生成することにより前記一点
に集束するバルク弾性波を励起することができる。これ
により異方性のある被検体を異方性のない被検体と同様
に取り扱うことができる。 7)非球面レンズを用いた本発明の弾性波励起装置によ
れば、バルク超音波を一点に集束することができるた
め、焦点での振幅が大きくなり、高い信号対雑音比で検
出が可能になる。また、超音波顕微鏡並みの分解能で音
響材料評価が可能になる。また、以上の効果が非接触で
得られるため、あらゆる環境下,極限雰囲気での超音波
顕微鏡レベルの音響的計測評価が可能になる。
According to the present invention, the following remarkable effects are obtained. 1) The surface of the subject is irradiated with coherent parallel energy beams and focused energy beams having different frequencies to form interference fringes, and the elasticity is provided on condition that the traveling speed of the interference fringes is higher than the inherent sound speed of the subject. Excitation of a wave (bulk elastic wave) inside the subject can be easily realized. 2) The bulk acoustic wave can be focused on a specific portion inside the subject depending on the shape of the focused energy beam, and in some cases, can be easily focused on each of the focusing positions along a straight line. 3) By irradiating the probe light and scanning the object, it is possible to accurately detect a defect, a material, a characteristic, and the like of a material in a minute region inside the object in a non-contact and non-destructive manner. 4) Material evaluation with high accuracy, high spatial resolution, and high efficiency as compared with the prior art is enabled. 5) By changing the focal position of the focused energy beam or the frequency difference between the parallel energy beam and the focused energy beam, the depth position of the minute region inside the subject where the bulk acoustic wave is focused can be adjusted continuously or stepwise. Flaw detection can be performed at high speed. 6) Assuming that an elastic wave is generated at one point inside the object even when the object has anisotropic elasticity, the surface phase distribution of the elastic wave is estimated by performing a calculation in consideration of the anisotropy. By generating the interference fringes corresponding to the above, it is possible to excite the bulk acoustic wave focused on the one point. Thus, an anisotropic subject can be handled in the same manner as a non-anisotropic subject. 7) According to the elastic wave excitation device of the present invention using the aspherical lens, since the bulk ultrasonic wave can be focused at one point, the amplitude at the focal point becomes large and the detection can be performed with a high signal-to-noise ratio. Become. Also, it is possible to evaluate acoustic materials with a resolution comparable to that of an ultrasonic microscope. In addition, since the above effects can be obtained in a non-contact manner, acoustic measurement and evaluation at the level of an ultrasonic microscope can be performed in any environment and in an extreme atmosphere.

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

【図1】本発明に使用される平行エネルギービームおよ
び集束エネルギービームを示す模式図。
FIG. 1 is a schematic view showing a parallel energy beam and a focused energy beam used in the present invention.

【図2】平行エネルギービームと集束エネルギービーム
の干渉状態を示す模式図。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an interference state between a parallel energy beam and a focused energy beam.

【図3】本発明の干渉縞を示す平面図。FIG. 3 is a plan view showing interference fringes of the present invention.

【図4】本発明の干渉縞により被検体内に発生するバル
ク弾性波を示す模式図。
FIG. 4 is a schematic diagram showing bulk acoustic waves generated in a subject by the interference fringes of the present invention.

【図5】本発明のバルク弾性波の集束状態および放射角
を理論的に求めるための模式図。
FIG. 5 is a schematic diagram for theoretically obtaining a focused state and a radiation angle of a bulk acoustic wave of the present invention.

【図6】本発明のバルク弾性波の集束位置を示す線図。FIG. 6 is a diagram showing a focus position of a bulk acoustic wave of the present invention.

【図7】被検体表面に生じた波面の位相速度を求めるた
めの模式図。
FIG. 7 is a schematic diagram for obtaining a phase velocity of a wavefront generated on the surface of a subject.

【図8】焦点エネルギービームの集束位置の変化を示す
模式図。
FIG. 8 is a schematic diagram showing a change in a focusing position of a focal energy beam.

【図9】レーザビームの集束位置の移動を説明するため
の構成図。
FIG. 9 is a configuration diagram for explaining movement of a focus position of a laser beam.

【図10】チャープ信号を示す線図。FIG. 10 is a diagram showing a chirp signal.

【図11】被検体の深さ位置に応じた周波数に被検体の
弾性特性が反映した結果を示す線図。
FIG. 11 is a diagram illustrating a result in which elastic characteristics of a subject are reflected on a frequency corresponding to a depth position of the subject.

【図12】被検体表面に対し角度を持って平行エネルギ
ービームを入射した場合の集束位置変化を示す模式図。
FIG. 12 is a schematic diagram showing a change in a focusing position when a parallel energy beam is incident on the surface of a subject at an angle.

【図13】干渉縞の形成領域が狭い場合のビーム照射方
法を示す模式図。
FIG. 13 is a schematic diagram showing a beam irradiation method when an interference fringe formation region is narrow.

【図14】バルク弾性波を利用した本発明の非接触非破
壊の材料評価方法を説明するための模式図。
FIG. 14 is a schematic diagram for explaining a non-contact non-destructive material evaluation method of the present invention using bulk acoustic waves.

【図15】本発明の非接触非破壊の材料評価装置の概要
構成を示すブロック図。
FIG. 15 is a block diagram showing a schematic configuration of a non-contact and non-destructive material evaluation device of the present invention.

【図16】本発明の非接触非破壊の材料評価装置の一例
を示す構成図。
FIG. 16 is a configuration diagram showing an example of a non-contact and non-destructive material evaluation device of the present invention.

【図17】本発明の検出結果を示す相対強度線図。FIG. 17 is a relative intensity diagram showing a detection result of the present invention.

【図18】本発明における検出・解析手段の一例を示す
構成図。
FIG. 18 is a configuration diagram illustrating an example of a detection / analysis unit according to the present invention.

【図19】本発明における検出・解析手段の他の例を示
す構成図。
FIG. 19 is a configuration diagram showing another example of the detection / analysis means in the present invention.

【図20】本発明における等間隔同心円状の干渉縞を示
す平面図。
FIG. 20 is a plan view showing equally spaced concentric interference fringes in the present invention.

【図21】図20におけるバルク弾性波の直線状の集束
状態を示す模式図。
FIG. 21 is a schematic diagram showing a linear focusing state of bulk acoustic waves in FIG. 20;

【図22】被検体内部から放射される弾性波の作る位相
分布を示す模式図。
FIG. 22 is a schematic diagram showing a phase distribution generated by an elastic wave radiated from the inside of the subject.

【図23】弾性異方性を持つ被検体表面の位相分布の他
の例を示す模式図。
FIG. 23 is a schematic diagram showing another example of the phase distribution on the surface of the subject having elastic anisotropy.

【図24】非球面レンズを用いて一点集束のバルク超音
波を励起する原理を説明するための模式図。
FIG. 24 is a schematic diagram for explaining the principle of exciting a point-focused bulk ultrasonic wave using an aspheric lens.

【図25】非球面レンズを用いた本発明の非接触非破壊
材料評価装置の具体的構成を示す構成図。
FIG. 25 is a configuration diagram showing a specific configuration of a non-contact non-destructive material evaluation device of the present invention using an aspheric lens.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,1′ 平行エネルギービーム 2,2′,47,48 集束エネルギービーム 3,3′ 被検体 4 表面 5,5′ 干渉縞 5a 干渉縞の明部分 5b 干渉縞の暗部分 6 領域 7,7′ バルク弾性波 8 集束点 8′ 集束エネルギービーム
の焦点 8a 集束位置 9,33,41 レーザ光源 10 プローブ光 11 反射光 12,12a,12b,12c 検出・解析手段 13 レーザビーム光源 14 光学系 15 平行エネルギービーム
形成手段 16 集束エネルギービーム
形成手段 17,17a ビーム照射手段 18 プローブ光形成手段 18a 検出用レーザビーム光
源 19 走査手段 19a 被検体移動装置 20 調整手段 20a ビーム径調整機構 21,21a,21b レーザビーム 22,34,36 ハーフミラー 23,23′ ビームスプリッタ 24,25 ミラー 26,27,28 集光レンズ 29 ナイフエッジ 30,37,43 フォトダイオード 30′ アバランシェフォトダ
イオード 31,38,44 オシロスコープ 32 AO素子(周波数変調
素子) 35,42 変位部分 39,40 鏡 45 音響光学素子 46 非球面の集束レンズ
1,1 'parallel energy beam 2,2', 47,48 focused energy beam 3,3 'subject 4 surface 5,5' interference fringe 5a bright part of interference fringe 5b dark part of interference fringe 6 area 7,7 ' Bulk elastic wave 8 Focusing point 8 'Focus of focused energy beam 8a Focusing position 9,33,41 Laser light source 10 Probe light 11 Reflected light 12,12a, 12b, 12c Detecting and analyzing means 13 Laser beam light source 14 Optical system 15 Parallel energy Beam forming means 16 Focused energy beam forming means 17, 17a Beam irradiating means 18 Probe light forming means 18a Detection laser beam light source 19 Scanning means 19a Subject moving device 20 Adjusting means 20a Beam diameter adjusting mechanism 21, 21a, 21b Laser beam 22 , 34,36 Half mirror 23,23 'Beam split 24,25 mirror 26,27,28 condenser lens 29 knife edge 30,37,43 photodiode 30 'avalanche photodiode 31,38,44 oscilloscope 32 AO element (frequency modulation element) 35,42 displacement part 39,40 mirror 45 Acousto-optic element 46 Aspherical focusing lens

Claims (19)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 可干渉性で互いに異なる周波数の平行エ
ネルギービームと集束エネルギービームとを被検体の表
面部位に重ねて照射して被検体の固有音速度よりも早い
進行速度で同心状に内側に向かって進行する干渉縞を生
成し、この干渉縞の熱的作用によって前記被検体の前記
表面部位に前記干渉縞と同じ間隔を持つ歪み分布を形成
し、該歪み分布に応じて、前記被検体の固有音速度と前
記干渉縞の進行速度とで決まる前記被検体内部の微小領
域に向かって集束する弾性波を励起することを特徴とす
る弾性波励起方法。
1. A coherent parallel energy beam and a focused energy beam having different frequencies are superimposed on a surface portion of a subject and radiated concentrically inside at a traveling speed higher than a natural sound speed of the subject. An interference fringe is generated, and a thermal distribution of the interference fringes is formed on the surface of the subject by the thermal action of the interference fringes. An elastic wave exciting method which excites an elastic wave converging toward a minute area inside the subject, which is determined by a natural sound velocity of the subject and a traveling speed of the interference fringes.
【請求項2】 可干渉性で互いに異なる周波数の平行エ
ネルギービームと集束エネルギービームとを被検体の表
面部位に重ねて照射して被検体の固有音速度よりも早い
進行速度で同心状に内側に向かって進行する干渉縞を生
成し、この干渉縞の熱的作用によって前記被検体の前記
表面部位に前記干渉縞と同じ間隔を持つ歪み分布を形成
し、該歪み分布に応じて、前記被検体の固有音速度と前
記干渉縞の進行速度とで決まる前記被検体内部の微小領
域に向かって集束する弾性波を励起する一方、前記微小
領域から反射又は通過して被検体の表面又は裏面に達し
た前記弾性波をプローブ光により非接触非破壊で検出
し、更に前記平行エネルギービーム及び集束エネルギー
ビーム又はプローブ光に対して前記被検体を相対的に走
査して逐次得られる前記弾性波の検出結果に基づき、前
記被検体の材料特性を解析することを特徴とする非接触
非破壊の材料評価方法。
2. A coherent parallel energy beam and a focused energy beam having different frequencies are superimposed on a surface portion of a subject and radiated concentrically inside at a traveling speed higher than a natural sound speed of the subject. An interference fringe is generated, and a thermal distribution of the interference fringes is formed on the surface of the subject by the thermal action of the interference fringes. While exciting an elastic wave converging toward a minute region inside the subject determined by the inherent sound velocity of the subject and the traveling speed of the interference fringes, the acoustic wave is reflected from or passes through the minute region to reach the front or back surface of the subject. Before the elastic wave is detected in a non-contact and non-destructive manner by the probe light, and the object is scanned relative to the parallel energy beam and the focused energy beam or the probe light before being sequentially obtained. A non-contact, non-destructive material evaluation method, comprising analyzing material properties of the subject based on a detection result of the elastic wave.
【請求項3】 前記プローブ光を用いて光学的ナイフエ
ッジ法,ヘテロダイン干渉法,ファブリペロー干渉法,
ホモダイン干渉法又は電磁超音波トランスデューサによ
る方法により前記弾性波を検出することを特徴とする請
求項2に記載の非接触非破壊の材料評価方法。
3. An optical knife edge method, a heterodyne interferometer, a Fabry-Perot interferometer,
The non-contact non-destructive material evaluation method according to claim 2, wherein the elastic wave is detected by a method using a homodyne interferometry or an electromagnetic ultrasonic transducer.
【請求項4】 所定の周波数を有する平行エネルギービ
ームおよび前記平行エネルギービームと異なる周波数を
有する集束エネルギービームを形成する形成手段と、前
記平行エネルギービームおよび集束エネルギービームを
被検体の表面部位に互いに干渉せしめて照射し、被検体
内部の微小領域に指向する弾性波を励起するビーム照射
手段と、前記微小領域から前記被検体の表面又は裏面に
達した前記弾性波をプローブ光で非接触非破壊に検出し
て前記被検体の材料特性を解析する検出・解析手段と、
前記平行エネルギービームおよび集束エネルギービーム
又はプローブ光に対し前記被検体を相対的に走査する走
査手段とを設けることを特徴とする非接触非破壊の材料
評価装置。
4. A forming means for forming a parallel energy beam having a predetermined frequency and a focused energy beam having a different frequency from the parallel energy beam, and causing the parallel energy beam and the focused energy beam to interfere with each other on a surface portion of a subject. A beam irradiating means for irradiating at least and exciting an elastic wave directed to a minute region inside the subject, and the elastic wave reaching the front surface or the back surface of the subject from the minute region in a non-contact and non-destructive manner with probe light. Detection and analysis means for detecting and analyzing the material properties of the subject,
A non-contact non-destructive material evaluation apparatus, comprising: a scanning unit that relatively scans the subject with respect to the parallel energy beam, the focused energy beam, or the probe light.
【請求項5】 前記照射手段には平行エネルギービーム
および集束エネルギービームを完全に干渉させるため両
ビームのエネルギー密度を同一にする調整手段が設けら
れていることを特徴とする請求項4に記載の非接触非破
壊の材料評価装置。
5. The apparatus according to claim 4, wherein said irradiating means is provided with an adjusting means for equalizing the energy densities of the parallel energy beam and the focused energy beam in order to completely interfere the two energy beams. Non-contact non-destructive material evaluation device.
【請求項6】 可干渉性で波長λを有し周波数差がfの
平行エネルギービームと集束エネルギービームを固有音
速度がVの被検体の表面部位に重ねて照射し、且つ集束
エネルギービームは被検体表面から下記の関係式を満た
す深さ(a)に焦点を位置させることによって、同心状
に内側に向かって進行する干渉縞を被検体表面に生成
し、この干渉縞の熱的作用によって前記被検体の表面部
位に前記干渉縞と同じ分布を持つ歪みを形成し、該歪み
分布に応じて前記被検体の深部のある特定の微小領域に
向かって集束する弾性波を励起することを特徴とする弾
性波励起方法。 f・(λ2+2λa)1/2>V
6. A coherent parallel energy beam having a wavelength λ and a frequency difference of f and a focused energy beam are irradiated onto a surface portion of a subject having a natural sound velocity of V in a superimposed manner, and the focused energy beam is irradiated with the focused energy beam. By placing the focal point at a depth (a) that satisfies the following relational expression from the surface of the specimen, an interference fringe traveling concentrically toward the inside is generated on the surface of the object, and the thermal action of the interference fringes generates the above-mentioned interference fringes. Forming a strain having the same distribution as the interference fringes on the surface portion of the subject, and exciting an elastic wave focused toward a specific minute region in the deep part of the subject according to the strain distribution. Elastic wave excitation method. f · (λ 2 + 2λa) 1/2 > V
【請求項7】 被検体内部に向かって励起される集束弾
性波が集束する被検体内部の微小領域の深さ方向位置を
変更するため、被検体表面に照射される集束エネルギー
ビームの焦点位置を被検体表面の深さ方向に沿って変更
することを特徴とする請求項6に記載の弾性波励起方
法。
7. A focal position of a focused energy beam applied to a surface of a subject is changed in order to change a position in a depth direction of a minute region inside the subject where a focused elastic wave excited toward the inside of the subject is focused. The method according to claim 6, wherein the change is performed along the depth direction of the surface of the subject.
【請求項8】 被検体内部に向かって励起される集束弾
性波が集束する被検体内部の微小領域の深さ方向位置を
変更するため、被検体表面に照射される集束エネルギー
ビームと平行エネルギービームの周波数差fを変更する
ことを特徴とする請求項6に記載の弾性波励起方法。
8. A focused energy beam and a parallel energy beam applied to a surface of a subject in order to change a position in a depth direction of a minute region inside the subject where a focused elastic wave excited toward the inside of the subject is focused. The elastic wave excitation method according to claim 6, wherein the frequency difference f is changed.
【請求項9】 被検体内部に向かって励起される集束弾
性波が集束する被検体内部の微小領域の位置を被検体表
面と平行な方向に沿って変更するため被検体表面に照射
される平行エネルギービームの入射角度を変更すること
を特徴とする請求項6に記載の弾性波励起方法。
9. A parallel irradiating surface of a subject to change a position of a minute region inside the subject where a focused elastic wave excited toward the inside of the subject converges along a direction parallel to the surface of the subject. The elastic wave excitation method according to claim 6, wherein an incident angle of the energy beam is changed.
【請求項10】 平行レーザビーム及び前記平行レーザ
ビームに対し周波数差fを有する集束レーザビームを波
長λで形成し、前記平行レーザビーム及び集束レーザビ
ームを固有音速度がVの被検体の表面部位に互いに干渉
せしめて照射するレーザ照射手段を有し、前記レーザ照
射手段は集束レーザビームの焦点を被検体表面に対して
下記の関係式を満足する深さ(a)に位置させ被検体内
部の微小領域に弾性波を励起して集束するものであっ
て、且つ前記レーザ照射手段は、集束レーザビームが通
過する経路中に焦点位置aを深さ方向に沿って変更する
レンズ或いは反射体の集合からなる光学系を有すること
によって前記弾性波が集束する被検体内の微小領域の深
さ方向位置を変更する手段を持つ弾性波励起装置。 f・(λ2+2λa)1/2>V
10. A parallel laser beam and a focused laser beam having a frequency difference f with respect to the parallel laser beam are formed at a wavelength λ, and the parallel laser beam and the focused laser beam are surface portions of a subject having a natural sound velocity of V. Laser irradiating means for irradiating the focused laser beam at a depth (a) that satisfies the following relational expression with respect to the surface of the object, A laser or irradiating means for exciting and converging an elastic wave in a minute area, and wherein the laser irradiating means is a set of lenses or reflectors for changing a focal position a along a depth direction in a path through which the focused laser beam passes. An elastic wave excitation apparatus having means for changing a depth direction position of a minute region in a subject where the elastic wave is focused by having an optical system comprising: f · (λ 2 + 2λa) 1/2 > V
【請求項11】 平行レーザビーム及び前記平行レーザ
ビームに対し周波数差fを有する集束レーザビームを波
長λで形成し、前記平行レーザビーム及び集束レーザビ
ームを固有音速度がVの被検体の表面部位に互いに干渉
せしめて照射するレーザ照射手段を有し、前記レーザ照
射手段は集束レーザビームの焦点を被検体表面に対して
下記の関係式を満足する深さ(a)に位置させ被検体内
部の微小領域に弾性波を励起して集束するものであっ
て、且つ前記レーザ照射手段は、集束レーザビームと平
行レーザビームの相対的な周波数差fを変更する手段に
よって前記弾性波が集束する被検体内部の微小領域の深
さ方向位置を変更する弾性波励起装置。 f・(λ2+2λa)1/2>V
11. A parallel laser beam and a focused laser beam having a frequency difference f with respect to the parallel laser beam are formed at a wavelength λ, and the parallel laser beam and the focused laser beam are surface portions of an object having a natural sound velocity of V. Laser irradiating means for irradiating the focused laser beam at a depth (a) that satisfies the following relational expression with respect to the surface of the object, An object that excites and focuses an elastic wave on a minute region, and wherein the laser irradiation means is configured to change the relative frequency difference f between the focused laser beam and the parallel laser beam so that the elastic wave is focused on the subject. An elastic wave excitation device that changes the position in the depth direction of a small area inside. f · (λ 2 + 2λa) 1/2 > V
【請求項12】 平行レーザビームと集束レーザビーム
を被検体の表面部位に互いに干渉せしめて照射し被検体
内部に向かって集束する弾性波を励起すると共に、2本
のレーザビームの間の周波数差が時間的に変化するレー
ザ照射手段を有し、被検体中に励起された弾性波が被検
体内部を通過或いは反射して再び被検体表面に伝搬する
ときの被検体表面の変位を観測して電気信号に変換する
受信手段と、前記受信手段から出力された表面変位を表
す電気信号を周波数分析する解析手段を有し、被検体内
部の連続的又は段階的に異なる深さ方向位置の構造や弾
性の評価を行なう弾性波材料評価装置。
12. A parallel laser beam and a focused laser beam are irradiated on a surface portion of an object by interfering with each other to excite an elastic wave focused toward the inside of the object and a frequency difference between the two laser beams. Has a laser irradiation means that changes with time, and observes the displacement of the subject surface when the elastic wave excited in the subject passes or reflects inside the subject and propagates again to the subject surface. Receiving means for converting to an electric signal, and having an analyzing means for frequency-analyzing the electric signal representing the surface displacement output from the receiving means, the structure of the depth direction position continuously or stepwise different inside the subject or An elastic wave material evaluation device that evaluates elasticity.
【請求項13】 被検体の内部の一点で周波数fの弾性
波が発生すると仮定した場合に被検体の表面に伝搬する
弾性波の位相分布を推定し、被検体表面における弾性波
の位相分布と等しいか或いは近似した歪み分布を発生す
るために可干渉性で互いに周波数差fを持った平行エネ
ルギービームと集束エネルギービームを被検体の表面部
位に重ねて照射して、内側に向かって進行する干渉縞を
生成し、この干渉縞の熱的作用によって前記被検体の表
面部位に前記位相分布と同じ分布を持つ歪みを形成し、
前記被検体の内部の前記一点に向かって集束する弾性波
を励起することを特徴とする弾性波励起方法。
13. Assuming that an elastic wave having a frequency f is generated at one point inside the object, the phase distribution of the elastic wave propagating on the surface of the object is estimated, and the phase distribution of the elastic wave on the surface of the object is estimated. In order to generate an equal or approximate strain distribution, a coherent parallel energy beam and a focused energy beam having a frequency difference f from each other are irradiated on the surface of the subject in a superimposed manner, and the interference proceeds inward. Generate a fringe, form a distortion having the same distribution as the phase distribution in the surface portion of the subject by the thermal action of the interference fringes,
An elastic wave excitation method comprising: exciting an elastic wave converging toward the one point inside the subject.
【請求項14】 被検体内部に向かって励起される集束
弾性波が被検体内部で集束する一点の深さ方向位置を変
更するため被検体表面に照射される集束エネルギービー
ムの焦点位置を被検体表面の深さ方向に沿って変更する
ことを特徴とする請求項13に記載の弾性波励起方法。
14. The focal position of a focused energy beam applied to a surface of a subject to change a depth position of a point at which a focused elastic wave excited toward the inside of the subject is focused inside the subject. 14. The method according to claim 13, wherein the change is performed along a depth direction of the surface.
【請求項15】 被検体内部に向かって励起される集束
弾性波が被検体内部で集束する一点の深さ方向位置を変
更するため、被検体表面に照射される集束エネルギービ
ームと平行エネルギービームの周波数差fを変更するこ
とを特徴とする請求項13に記載の弾性波励起方法。
15. A focused energy beam and a parallel energy beam applied to a surface of a subject to change a depth position of a point at which a focused elastic wave excited toward the inside of the subject is focused inside the subject. 14. The elastic wave excitation method according to claim 13, wherein the frequency difference f is changed.
【請求項16】 被検体内部に向かって励起される集束
弾性波が被検体内部で集束する一点を被検体表面と平行
な方向に沿って変更するため被検体表面に照射される平
行エネルギービームの入射角度を変更することを特徴と
する請求項13に記載の弾性波励起方法。
16. A parallel energy beam applied to a subject surface to change a point at which a focused elastic wave excited toward the inside of the subject converges inside the subject along a direction parallel to the subject surface. 14. The method according to claim 13, wherein the incident angle is changed.
【請求項17】 可干渉性で互に異なる周波数の平行エ
ネルギービームと集束エネルギービームとを被検体の表
面部位に重ねて照射して被検体の固有音速度よりも早い
進行速度で同心状に内側に向かって進行する干渉縞を生
成するビーム照射手段を有し、前記干渉縞の熱的作用に
よって前記被検体の前記表面部位に前記干渉縞と同じ間
隔を持つ歪み分布を形成し該歪み分布に応じて前記被検
体の固有音速度と前記干渉縞の進行速度とで決まる前記
被検体内部の微小領域に向かって集束する弾性波を励起
する弾性波励起装置であって、前記ビーム照射手段は、
非球面レンズからなる集束レンズを備えており、前記集
束エネルギービームを整形して前記弾性波が前記非検体
内部の微小領域に向かって実質的に点集束可能にしたこ
とを特徴とする弾性波励起装置。
17. A coherent parallel energy beam and a focused energy beam having mutually different frequencies are radiated on a surface portion of a subject so as to be concentrically inward at a traveling speed higher than a natural sound speed of the subject. Beam irradiating means for generating an interference fringe that travels toward the surface, and forms a strain distribution having the same interval as the interference fringe on the surface portion of the subject due to the thermal action of the interference fringe. An elastic wave excitation device that excites an elastic wave converging toward a minute region inside the subject, which is determined by the inherent sound speed of the subject and the traveling speed of the interference fringes accordingly, wherein the beam irradiation unit includes:
An acoustic wave excitation comprising a focusing lens comprising an aspherical lens, wherein the focused energy beam is shaped so that the elastic wave can be substantially point-focused toward a minute area inside the non-analyte. apparatus.
【請求項18】 前記非球面レンズは、前記被検体の表
面で同心円の中心のc点からxだけ前記被検体の表面に
沿って離れた位置における前記集束エネルギービームの
成分の入射方向の延長線が前記c点直下から少なくとも
以下の式を満たす深さaの点を通過するように設計され
ており、等方性材料からなる前記被検体の前記c点から
深さazの点に位置する微小領域に前記弾性波を点集束
させるものである請求項17に記載の弾性波励起装置。 x=az・tan[sin-1(V・x/λ・f・(a2
21/2)] ここで、fは平行エネルギービームと集束エネルギービ
ームの周波数差,λは前記集束エネルギービームの波
長,Vは被検体の固有音速度である。
18. The aspheric lens according to claim 1, wherein the component of the focused energy beam is an extension of the incident direction of the focused energy beam at a position away from the point c of the center of the concentric circle on the surface of the object by x along the surface of the object. Is designed to pass through a point having a depth a that satisfies at least the following expression from immediately below the c point, and is located at a point having a depth az from the c point of the subject made of an isotropic material. The elastic wave excitation device according to claim 17, wherein the elastic wave is point-focused on a minute area. x = a z tan [sin -1 (V x / λ f (a 2 +
x 2) 1/2)] where, f is the frequency difference between the parallel energy beam and focused energy beam, lambda is the wavelength of the focused energy beam, V is a specific sound velocity of the subject.
【請求項19】 前記非球面レンズは、前記被検体の表
面で同心円の中心のc点からxだけ前記被検体の表面に
沿って離れた位置R点における前記集束エネルギービー
ムの成分の入射方向の延長線が前記c点直下から少なく
とも以下の式を満たす深さaの点を通過するように設計
されており、異方性材料からなる前記被検体の前記c点
から深さazの点に位置する微小領域Q点に前記弾性波
を点集束させるものである請求項17に記載の弾性波励
起装置。 x=az・tan[sin-1(V′・x/λ・f・(a2
+x21/2)] ここで、fは平行エネルギービームと集束エネルギービ
ームの周波数差,λは前記集束エネルギービームの波
長,V′は被検体の前記R点とQ点とを結ぶ方向におけ
る音速度である。
19. The aspherical lens according to claim 1, wherein the focus energy beam component at the point R at a position R away from the center point c of the concentric circle on the surface of the subject by x along the surface of the subject. The extension line is designed to pass through a point having a depth a that satisfies at least the following equation from immediately below the point c, and a point having a depth az from the point c of the subject made of an anisotropic material. 18. The elastic wave excitation device according to claim 17, wherein the elastic wave is point-focused at a located minute region Q. x = a z tan [sin -1 (V ′ · x / λ · f · (a 2
+ X 2 ) 1/2 )] Here, f is the frequency difference between the parallel energy beam and the focused energy beam, λ is the wavelength of the focused energy beam, and V ′ is the direction connecting the R point and the Q point of the subject. Sound velocity.
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