JPH11271281A

JPH11271281A - レーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法

Info

Publication number: JPH11271281A
Application number: JP10073966A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Nagata; 泰昭永田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-03-23
Filing date: 1998-03-23
Publication date: 1999-10-05

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波探触子を被検体に接触させる必要のな
いレーザー超音波法を用いて、その解像度を向上させ、
かつ、高速な検査を可能にする。【解決手段】レーザー光源１０から発せられたレーザ
ービームは、ビームセパレータ１１で複数のレーザービ
ームに分割され、マルチチャンネル音響光学素子１２に
入り、ここで、オン・オフが切り替えられる。オンとさ
れたレーザー光が被検体３の表面に照射されると超音波
が発生し、これが被検体内部の欠陥に当たると反射さ
れ、超音波エコーが表面へ戻る。レーザー光源２０から
発せられたレーザービームを被検体表面に照射すると、
その反射光は超音波エコーによってドップラーシフトを
受けるので、その観測タイミングのデータに基づいて開
口合成法を適用し、欠陥の位置を特定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、検査対象物にレー
ザービームを照射して検査対象物に超音波を発生させ、
検査対象物を伝播したこの超音波を検出して、検査対象
物の状態を検査するレーザー超音波検査装置及びレーザ
ー超音波検査方法に関連する。

【０００２】

【従来の技術】各種材料の内部欠陥等を検査する方法の
一つとして、いわゆるレーザー超音波法と呼ばれるもの
がある。これについては、例えば「超音波ＴＥＣＨＮＯ
５月号」（vol.5, No.5, p38 (1993) 日本工業出版）に
おいて説明されている。この方法は、検査対象物（被検
体）に超音波発生用のレーザービームを照射することに
よって発生させた超音波を別の超音波検出用レーザービ
ームを用いて検出するもので、非接触、かつ非破壊で被
検体内部の欠陥検査を行うことができる。したがって、
製鉄工程における品質検査、鉄骨加工工程における溶接
部の検査、セラミック材料の品質検査、航空機部品の内
部検査、その他、金属、複合材料の品質検査等への応用
が期待されている。

【０００３】図７は、このレーザー超音波法を用いたレ
ーザー超音波検査装置の一つの構成例を示したブロック
図である。同図において、超音波発生用のレーザー光源
５０は、被検体５５の表面において超音波を発生させる
ためのレーザー光源で、比較的大きな出力のパルスレー
ザービームを放射できるＱスイッチＹＡＧレーザーなど
が使用される。超音波発生用のレーザー光源５０から放
射されたレーザービーム５１は、ビームスプリッタ５２
で一部が光検出器５６の方へ分岐されるが、それ以外の
レーザービームはミラー５３、５４によって被検体５５
の表面に照射される。レーザービーム５１が照射される
と、被検体５５には、熱的応力又は蒸発反力によって超
音波が発生する。この超音波は、被検体内部を伝播して
被検体の裏側の表面に到達して反射され、再びエコーと
して被検体の表側の表面に戻る。あるいは、被検体内部
に欠陥が存在する場合には、超音波は欠陥によっても反
射され、エコーとして表側の表面に戻る。また、ビーム
スプリッタ５２により光検出器５６の方へ分岐された光
は、光検出器５６で電気信号に変換され、オシロスコー
プ５７のトリガー信号として用いられる。

【０００４】一方、超音波発生用レーザー光源５０とは
別に設けられた超音波観測用のレーザー光源６０は、被
検体５５の表面に戻ってきた超音波エコーを観測するた
めのレーザー光源であり、例えば周波数が安定なＨｅ−
Ｎｅレーザーなどが用いられる。レーザー光源６０から
放射された直線偏光とされたレーザービーム６１は、ミ
ラー６２、偏光ビームスプリッタ６３で反射され、１／
４波長板６４を経て、被検体５５の表面に照射される。
この反射光は、１／４波長板６４、偏光ビームスプリッ
タ６３を透過し、レンズ６５を経て、ファブリ・ペロー
干渉計６６に入射する。ファブリ・ペロー干渉計６６を
透過した光は、ホトダイオード６７によって電気信号に
変換される。この信号は、増幅器６８によって増幅さ
れ、低周波雑音を除去するためのハイパスフィルタ６９
を通過した後、オシロスコープ５７に供給される。

【０００５】ファブリ・ペロー干渉計は、共振器長を変
えると、それに伴って透過光強度がピークとなる光周波
数が変化する。このようなファブリ・ペロー干渉計に、
光周波数νが一定のＨｅ−Ｎｅレーザービーム（波長は
６８２．８ｎｍ）を入射させた状態で共振器長を変える
と、Ｈｅ−Ｎｅレーザービームの透過率が変化する。図
８は、ファブリ・ペロー干渉計の共振器長（横軸）を掃
引させて、Ｈｅ−Ｎｅレーザービームの透過光強度を測
定した結果を示す図であり、図９は、ファブリ・ペロー
干渉計の共振器長を一定としたときに光周波数に（横
軸）によって透過光強度がどのように変わるかを示した
図である。図８に示すように、ファブリ・ペロー干渉計
の共振器長を変えると透過光強度がピークとなる光周波
数が変わるが、ここでは、光周波数の変化に対する透過
光強度の変化が最も大きいＡ点に、Ｈｅ−Ｎｅレーザー
ビームの光周波数νが来るように予めファブリ・ペロー
干渉計６６の共振器長を調整し、被検体５５からの反射
光をこのファブリ・ペロー干渉計６６に入射させる。

【０００６】被検体の裏面又は欠陥部において反射され
た超音波エコーによって被検体５５の表面が超音波振動
すると、被検体表面の空間的位置は、この超音波の周期
で変位する。このため、超音波観測用のレーザー光源６
０からのレーザービームは、被検体表面で反射される際
に、この変位に伴うドップラーシフトを受け、波長が変
動する。図９に示すように、被検体５５からの反射光
が、ドップラーシフトによって±Δνの周波数変化を受
けると、それに伴って透過光強度は図のように±ΔＩの
変化を受ける。これによって、被検体５５からの反射光
をファブリ・ペロー干渉計を通すことによって、波長の
変化を強度の変化に変換することができる。

【０００７】したがって、被検体５５の表面と裏面で超
音波エコーが反射を繰り返す場合は、超音波エコーが表
面に戻るたびに光検出器６７の出力信号は大きく変化す
る。この信号をオシロスコープ５７上で、横軸に時間、
縦軸に信号強度をとって表示させると、被検体内部に欠
陥がなければ、被検体内部の音速と被検体の厚さによっ
て決まる一定時間間隔で信号強度が変化する。一方、被
検体内部に空洞や不純物などの欠陥があると、超音波は
この欠陥部で反射され、上記の時間よりも短い時間で信
号強度が変化する。したがって、この時間間隔を調べる
ことによって、被検体内部の欠陥の有無を調べることが
できる。

【０００８】ところで、上記のレーザー超音波法とは異
なり、超音波探触子を用いて被検体内部の欠陥検査を行
う方法が知られている。これは、被検体の表面に接触さ
せて配置した超音波探触子を電気的に励起して被検体内
部に超音波を発生させ、被検体内部から戻ってきた超音
波を同じ超音波探触子で検出して、被検体内部の状態を
探ろうとするものである。

【０００９】この超音波探触子を用いた欠陥検査方法で
は、欠陥の位置を詳しく特定するために、位置分解能を
上げるための種々の工夫が提案されている。その一つ
に、開口合成法の適用を試みた事例が、土木学会論文集
Ｎｏ. ５０７／Ｉ−３０，１２１−１２７，１９９５に
おいて開示されている。開口合成法は、横方向分解能を
改善するために、多点で得られたデータを総合的に処理
する方法であり、リモートセンシングにおけるマイクロ
波を用いたレーダーシステムにより開発されたものであ
る。前掲論文では、この開口合成法を超音波探傷試験へ
適用して、欠陥の位置をより正確に特定するために、分
解能の向上を図る試みがなされている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、超音波探触
子を用いた欠陥検査方法も、レーザー超音波法と同様に
非破壊で被検体の内部を検査できるという利点がある。
しかし、前者の場合に、超音波探触子を直接被検体に接
触させることが必要となため、例えば、製鉄所で溶鉱炉
から取り出されたばかりの高温の鉄鋼製品の内部を検査
するといった場合には、超音波探触子を用いた欠陥検査
方法を実施することはできない。また、仮に、超音波探
触子を被検体に接触させることができるとしても、被検
体の全体を検査しようとすると、複数の超音波探触子
を、相互の位置関係を維持したままで被検体の表面全体
にわたって移動することが必要となるため、高速に検査
するのは困難となる。

【００１１】本発明は、上記事情に基づいてなされたも
のであり、超音波探触子を被検体に接触させる必要のな
いレーザー超音波法を用いて、その解像度を向上させ、
かつ、高速な検査を可能にすることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの請求項１記載の発明であるレーザー超音波検査装置
は、被検体内部に超音波を発生させるための複数の第一
のレーザービームを生成する超音波発生用レーザービー
ム生成手段と、前記複数の第一のレーザービームを前記
被検体表面上の同一直線上の所定の点に照射するととも
に、それぞれの照射タイミングを制御する第一の照射制
御手段と、前記被検体内部の欠陥で反射された超音波エ
コーを観測するための、前記第一のレーザービームと同
数の第二のレーザービームを生成する超音波観測用レー
ザービーム生成手段と、前記第二のレーザービームを前
記被検体表面上の前記複数の第一のレーザービームの対
応するビームが照射された点と同じ点へ照射するととも
に、それぞれの照射タイミングを制御する第二の照射制
御手段と、前記複数の第二のレーザービームの前記被検
体の表面からの反射光を受光し、ドップラーシフトに基
づく光周波数の変化から前記超音波エコーを観測する超
音波エコー観測手段と、前記超音波エコー観測手段によ
り得られた前記複数の第二のレーザービームによる超音
波エコーの観測タイミングから、開口合成法により、前
記被検体中の欠陥の位置を特定するための演算を行う演
算手段と、を具備することを特徴とする。

【００１３】請求項２記載の発明であるレーザー超音波
検査装置は、請求項１記載の発明において、前記第一及
び第二の照射制御手段は、前記第一及び第二のレーザー
ビームのビーム数と同数以上のチャンネルを有し、各チ
ャンネルに入射した光を、信号に基づいて回折して放射
するマルチチャンネル音響光学素子と、前記マルチチャ
ンネル音響光学素子に前記信号を供給するための信号発
生手段からなることを特徴とする。

【００１４】請求項３記載の発明であるレーザー超音波
検査装置は、請求項１又は２記載の発明において、前記
超音波発生用レーザービーム生成手段及び超音波観測用
レーザービーム生成手段のうち少なくとも一方は、単一
のレーザー光源から放射されたレーザービームを、ビー
ムスプリッタで分割して複数のレーザービームを得るこ
とを特徴とする。

【００１５】請求項４記載の発明であるレーザー超音波
検査装置は、請求項２又は３記載の発明において、前記
第一及び第二のマルチチャンネル音響光学素子は、前記
レーザー光源の一回のレーザー発振のパルス幅の期間内
に、前記第一及び第二のレーザービームのビーム数と同
数のチャンネルのオン・オフを切り替え、かつ、超音波
エコー観測手段は、前記パルス幅の期間内に、前記開口
合成法による欠陥位置の特定に必要な数の超音波エコー
の観測を行うことを特徴とする。

【００１６】請求項５記載の発明であるレーザー超音波
検査装置は、請求項１，２，３又は４記載の発明におい
て、前記第一及び第二のレーザービームを、前記被検体
表面上で、ことを特徴とする。請求項６記載の発明であ
るレーザー超音波検査方法は、被検体内部に超音波を発
生させるための複数の第一のレーザービームを、前記被
検体表面上の同一直線上の所定の点に照射する照射タイ
ミングを、第一の照射制御手段により制御し、前記被検
体内部の欠陥で反射された超音波エコーを観測するため
の、前記第一のレーザービームと同数の第二のレーザー
ビームを、前記複数の第一のレーザービームの対応する
ビームが照射された点と同じ点へ照射する照射タイミン
グを、第二の第二の照射制御手段により制御し、超音波
エコー観測手段により、受光した前記複数の第二のレー
ザービームの前記被検体の表面からの反射光のドップラ
ーシフトに基づく光周波数の変化から前記超音波エコー
を観測し、演算手段により、前記超音波エコー観測手段
により得られた前記複数の第二のレーザービームによる
超音波エコーの観測タイミングから、開口合成法によ
り、前記被検体中の欠陥の位置を特定するたその演算を
行うことを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、本発明の
一実施形態について説明する。図１は、本実施形態のレ
ーザー超音波検査装置の全体構成を示したブロック図で
ある。本実施形態のレーザー超音波装置は、図１に示す
ように、大きく分けて、左側の超音波発生部１と、右側
の超音波観測部２から構成されている。超音波発生部１
には、超音波発生用のレーザー光源１０、ビームセパレ
ータ１１、マルチチャンネル音響光学素子１２、ハーフ
ミラー１３が設けられている。超音波観測部２には、超
音波観測用のレーザー光源２０、ビームセパレータ２
１、マルチチャンネル音響光学素子２２、偏光ビームス
プリッタ（ＰＢＳ）２３、１／４波長板２５、光検出部
２６が設けられている。その他に、超音波発生部１、超
音波観測部２それぞれのマルチチャンネル音響光学素子
１２，２２に共通に信号を供給する発振器３０が設けら
れている。

【００１８】超音波発生部１のレーザー光源１０は、被
検体３内部に超音波を発生させるためのレーザー光源で
あり、本実施形態では、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザーを
使用する。レーザー光源１０から発せられたレーザービ
ームは、ビームセパレータ１１に入り、ここで例えば９
本の平行なレーザービームに分割される。ビームセパレ
ータ１１としては、光学研磨された平行平面基板に誘電
体あるいは金属体をコーティングした膜による反射・透
過によってレーザービームを複数に分割するようにした
市販の光学素子を利用することができる。分割されたそ
れぞれのレーザービームは、マルチチャンネル音響光学
素子１２に入る。

【００１９】マルチチャンネル音響光学素子１２は、少
なくとも分割して得られたレーザービームの数と同じチ
ャンネル数を有することを要する。マルチチャンネル音
響光学素子１２は、各チャンネルが独立した音響光学素
子からなるもので、信号発生手段である発振器３０から
供給される電気的な信号によって、各チャンネルごと
に、入射し、回折して放射されるレーザービームに対し
て種々の作用を及ぼすことができる。本実施形態では、
その一次回折光について、各チャンネルの出射（オン）
と遮断（オフ）を、チャンネルごとに順番に切り替え
る。そのための電気的な信号は発振器３０で生成し、マ
ルチチャンネル音響光学素子１２の各チャンネルに供給
する。

【００２０】マルチチャンネル音響光学素子１２から一
次回折光として出射したレーザービームは、フィルタ特
性（光周波数がある範囲の光は透過し、ある範囲の光は
反射するという特性）を有するハーフミラー１３を透過
して、被検体３に照射される。被検体３の表面にレーザ
ービームが照射されると、被検体のその部分には、熱的
応力又は蒸発反力によって超音波が発生する。この超音
波には、被検体の内部に伝播してゆくものと、被検体の
表面を伝わるものがあるが、本実施形態では、被検体内
部に伝播してゆくものを欠陥検出に利用する。被検体の
内部にある欠陥に超音波が当たると、超音波は反射さ
れ、超音波エコーとして被検体の表面へ戻る。

【００２１】超音波観測部２のレーザー光源２０は、被
検体３の表面に戻ってきた超音波エコーを観測するため
のレーザービームを発生する装置であり、本実施形態で
は、例えば周波数が安定なＨｅ−Ｎｅレーザーを用い
る。レーザー光源２０から放射されるレーザービームは
直線偏光とされる。このレーザービームは超音波発生部
１と同様のビームセパレータ２１に入り、ここで超音波
発生部１の場合と同数（９本）の平行なレーザービーム
に分割される。分割されたそれぞれのレーザービーム
は、マルチチャンネル音響光学素子２２に入る。このマ
ルチチャンネル音響光学素子２２も、超音波発生部１の
マルチチャンネル音響光学素子１２と同じであり、か
つ、共通の発振器３０から同様の信号が各チャンネルに
供給される。したがって、超音波発生部１と超音波観測
部２の対応するチャンネル同士は同一のタイミングで制
御される。

【００２２】マルチチャンネル音響光学素子２２から出
射したレーザービームは、偏光ビームスプリッタ２３に
入射する。偏光ビームスプリッタ２３には、特定方向の
直線偏光は反射するが、この方向と９０度異なる方向の
直線偏光は透過するという性質がある。ここでは、レー
ザー光源２０の側から入射する直線偏光を反射するよう
調整しておく。

【００２３】偏光ビームスプリッタ２３によって反射さ
れたレーザービームは、１／４波長板２５を通過する。
直線偏光のレーザービームは、１／４波長板２５に入る
と、特定方向の成分だけが四分の一波長分の位相変化を
受けるため、通過後のレーザービームは円偏光又は楕円
偏光となる（以下では、単に「円偏光」とする）。この
レーザービームは、フィルタ特性を持つハーフミラー１
３において反射され、被検体３の表面に照射される。こ
の照射位置は、超音波発生用のレーザービームが照射さ
れる位置と同じになるよう、予め位置調整を行ってお
く。超音波観測用のレーザービームが被検体３に照射さ
れている期間中に欠陥で反射された超音波エコーが被検
体３の表面に戻ってくると、被検体３の表面で反射され
る超音波観測用のレーザービームはドップラーシフトを
受け、その光周波数が変化する。

【００２４】被検体３の表面で反射された超音波観測用
のレーザービームは、ハーフミラー１３で反射され、１
／４波長板を通過する。このとき、前述の特定方向の成
分について更に四分の一波長分の位相変化を受けるた
め、１／４波長板を通過した後のレーザービームは直線
偏光となり、更にその偏光方向は、レーザー光源２０か
ら放射されたレーザービームの偏光方向と９０°ずれ
る。これにより、このレーザービームは偏光ビームスプ
リッタ２３を通過する。このレーザービームは、その
後、光検出部２６に入射する。光検出部２６は、図７に
おいて説明したものと同じファブリ・ペロー干渉計６
６、光検出器６７、増幅器６８、ハイパスフィルタ６
９、オシロスコープ５７等から構成されている。

【００２５】次に、マルチチャンネル音響光学素子１２
及び２２におけるレーザービームのオン・オフのタイミ
ングについて説明する。前述のように、二つのマルチチ
ャンネル音響光学素子１２及び２２の対応するチャンネ
ルには、発振器３０から同じタイミングで信号が供給さ
れるので、対応するチャンネルにおけるレーザービーム
の出射をオンとするタイミングは同じである。但し、マ
ルチチャンネル音響光学素子２２の場合は、後述のよう
に、各チャンネルの超音波観測用のレーザービームが２
０μｓｅｃの持続時間を持って出射されるようにする。
これに対して、マルチチャンネル音響光学素子１２の場
合は、マルチチャンネル音響光学素子２２の対応するチ
ャンネルと同時に超音波発生用レーザービームをオンと
するが、その持続時間は２０μｓｅｃに比べて極めて短
い時間とする。

【００２６】図２にｔ_wで示した時間は、超音波発生部
１のレーザー光源１０によって放射されるパルスレーザ
ーのパルス幅である。本実施形態では、ｔ_w≒２００μｓｅｃとする。次に、被検体３の厚みをｌ、被検体３中におけ
る音速をｖ₀、被検体３の表面で超音波が発生し、これ
が被検体の裏面で反射して再び表面に戻ってくるまでの
時間をｔ₀とすると、２ｌ＝ｖ₀・ｔ₀ ∴ｔ₀＝２ｌ／ｖ₀ である。ここで、被検体３内部での音速ｖ₀をｖ₀＝６
０００ｍ／ｓｅｃ、被検体３の厚みｌをｌ＝５０ｍｍと
仮定すると、ｔ₀≒１６．７μｓｅｃとなる。

【００２７】ところで、本実施形態では、超音波発生用
のレーザービームパルスを照射した点、すなわち超音波
の発生点のそれぞれにおいて超音波エコーを観測する。
欠陥によって反射される超音波エコーがこれらの点に戻
ってくるまでの時間は各点で異なり、欠陥に近い点ほど
短く、欠陥から遠ざかるほど長い。したがって、欠陥か
ら最も遠い点に超音波エコーが戻ってくる前に次のパル
スが照射されないことを確保する必要がある。一方、パ
ルス幅２００μｓｅｃの時間内で得られるパルスの数が
多ければ多いほど、欠陥の位置を特定する分解能は高く
なる。そこで、これらの点を考慮し、マルチチャンネル
音響光学素子１２のあるチャンネルをオンにしてから次
のチャンネルをオンにするまでの時間間隔を２０μｓｅ
ｃとする。

【００２８】したがって、超音波発生部１のあるチャン
ネルのレーザービームをオンとして被検体３に超音波を
発生させた瞬間から超音波観測部２の対応するチャンネ
ルのレーザービームを２０μｓｅｃの期間中オンとし、
その間に超音波エコーが観測されたかどうかを観測し、
超音波エコーが観測された場合は、超音波発生用のレー
ザービームを照射してからどれだけの時間が経過してか
ら観測されたかを計測する。このようにすれば、例えば
９チャンネル分の観測動作を、１パルス２００μｓｅｃ
のパルス幅の中で実行できる。

【００２９】超音波発生部１のマルチチャンネル音響光
学素子１２の各チャンネルから被検体３に照射されるレ
ーザービーム相互の位置関係は予め定めてあり、例えば
隣合うチャンネルのレーザービームが所定の間隔で被検
体３の表面に照射されるようにしておく。超音波観測部
２からのレーザービームについても同様である。このよ
うにして、各点において超音波エコーが観測された時間
を計測する。

【００３０】図３は、本実施形態の開口合成法によって
欠陥の位置を特定する原理を説明するための図である。
図３では、被検体３の表面と平行にｘ軸をとり、これと
垂直な方向をｙ軸とする。まず、同図に示すように、被
検体３の内部のｘ−ｙ面内に欠陥Ｄが存在するものとす
る。被検体の表面には、ｘ−ｙ面内で、隣合う点の距離
がｄとなるよう直線上に位置するｘ₁からｘ₉までの９
点に超音波発生用レーザービームを照射する。また、そ
れぞれの同じ点に、対応するチャンネルの超音波観測用
のレーザービームを照射する。更に、各点に超音波発生
用のレーザービームが照射されて超音波が発生した時点
から、欠陥Ｄで反射された超音波エコーが同じ点で観測
されるまでの時間をｔ_i（ｉ＝１，２，・・・９）とす
る。この場合、欠陥Ｄが、図３に示すようにｘ₅の真下
にあるとすると、超音波が発生してから超音波エコーが
観測されるまでの時間は、ｔ₅が最も短く、ｔ₁及びｔ
₉が最も長い。したがって、時間ｔ_iを観測し、図示し
ない演算手段により簡単な計算を実行することによっ
て、ｘ−ｙ面内における欠陥Ｄの位置を特定することが
できる。そして、９本のレーザービームの位置関係を保
ったまま、全体をｘ−ｙ面と垂直な方向（ｚ軸方向）に
走査することによって、被検体３全体を検査できる。

【００３１】更に、この開口合成法は、被検体表面と平
行な方向における位置分解能が高いという利点がある。
図４は、このことを説明するための図である。図４にお
いて、図３と同じ記号で示したものは、図３と同じもの
を指している。図４において、被検体３の内部に二つの
欠陥Ｄ₁，Ｄ₂があったとする。点ｘ₅では、二つの欠
陥Ｄ₁，Ｄ₂から同時に超音波エコーが観測されるた
め、点ｘ₅だけにレーザービームを照射した場合は、二
つのＤ₁とＤ₂が存在することを知ることはできない。
しかし、レーザービームの照射位置が点ｘ₅から離れる
ほど、その点からＤ₁までの距離とＤ₂までの距離との
差が大きくなるため、二つの超音波エコーがはっきりと
区別して観測されようになる。そして、その時間差から
Ｄ₁とＤ₂がどの程度離れているかを求めることもでき
る。したがって、複数のレーザービームを用いて開口合
成法を行うと、特に、ｘ軸方向の解像度が向上する。

【００３２】図２との関連で説明したように、本実施形
態では、１パルス２００μｓｅｃ幅の中で、９点につい
て超音波エコーの観測を行うことができる。この９点の
観測を１回の観測動作とすると、１回の観測動作を行っ
たあと、レーザービームの照射位置を、図３のｚ軸方向
に適当な距離だけ移動して、次の観測動作を行う。これ
より、被検体３の表面を略９ｄ分の幅で走査することが
できる。

【００３３】図５は、本実施形態で用いるレーザー光源
１０のパルス発振の様子を示している。図５に示すよう
に、パルス発振の繰り返し周波数は１ｋＨｚ、すなわち
１周期が１ｍｓｅｃであり、このうちレーザー発振の持
続時間は、前述のように２００μｓｅｃ、残りの８００
μｓｅｃがレーザー発振が停止している期間である。従
来のレーザー超音波法では、１回のレーザー発振の持続
時間中に１点ずつのみ超音波エコーの観測を行うのが普
通である。開口合成法は、１点ずつの観測を行い、その
データを合成することによって適用することも可能であ
る。これについては、例えば、Ｐ．Ｗ．Ｌｏｒｒａｉｎ
ｅａｎｄＲ．Ａ．Ｈｅｗｅｓ，“Ｈｉｇｈｒｅｓ
ｏｌｕｔｉｏｎｌａｓｅｒｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｍｅｔａｌｄｅｆｅｃｔ
ｓ”，ｐｐ．５５５−５６２，ＲｅｖｉｅｗｏｆＰ
ｒｏｇｒｅｓｓｉｎＱＮＤＥ，Ｖｏｌ．１６Ａ，Ｅ
ｄｉｔｅｄｂｙＴｈｏｍｐｓｏｎａｎｄＣｈｉ
ｍｅｎｔｉ，ＰｌｅｎｕｍＰｒｅｓｓ，ＮｅｗＹｏｒ
ｋ，１９９７において述べられている。

【００３４】しかし、従来のように、１回のレーザー発
振の持続時間内に１点の観測を行い、次のレーザー発振
までにレーザービームの照射位置を移動し、次のレーザ
ー発振の持続時間内には別の点を観測するという、１回
のレーザー発振の持続時間内に１点ずつ観測を行う方法
だと、その走査経路は図６（ａ）のようになる。これに
対して、本実施形態の場合は、９点分の観測を１回のレ
ーザー発振の持続時間中に行うことができるので、その
走査経路は図６（ｂ）のようになり、同図（ａ）の場合
に比べて、９倍の幅で走査することが可能となる。ま
た、１回のレーザー発振の持続時間内に１点ずつ観測を
行う方法だと、９点分の観測を行うのに９ｍｓｅｃを要
するのに対し、本実施形態では、９点分の観測を行うの
に要する時間は２０μｓｅｃで済む。したがって、９ｍｓｅｃ÷２０μｓｅｃ＝４５となり、観測効率は４５倍となる。

【００３５】本発明は上記実施形態に限定されるもので
はなく、その要旨の範囲内で種々の変更が可能であり、
それらも本発明の技術的範囲に属する。例えば、本発明
の第一の特徴は、開口合成法をレーザー超音波法に適用
して欠陥の位置を特定する分解能を向上させたことであ
り、したがって、上記実施形態のように単一のレーザー
光源を用いる場合に限らず、複数のレーザー光源を用い
て超音波を発生させ、これにより開口合成を行う場合
も、本発明の範囲に属する。また、上記実施形態によれ
ば、レーザー光源の１回のレーザー発振の時間内に９点
分の超音波エコーの観測を行うことによって検査効率を
向上させることができるが、１回のレーザー発振の時間
内に超音波エコーを観測する点の数は９点に限られない
ことはいうまでもない。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザー超音波法を用いて検査するので、例えば、製鉄
所で溶鉱炉から取り出されたばかりの高温の鉄鋼製品の
ように、超音波探触子を直接接触させることができない
ものについても検査でき、かつ、非接触で検査できるた
め、広い範囲にわたって検査位置を容易に変えることが
できる。更に、このようなレーザー超音波法によって得
られたデータに対して開口合成法を適用することによ
り、従来に比べて大幅に高い解像度で欠陥の位置を特定
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態のレーザー超音波検査装置
の全体構成を示したブロック図である。

【図２】超音波発生部１のレーザー光源１０によって放
射されるパルスレーザーのパルスを示した図である。

【図３】開口合成法によって欠陥の位置を特定する原理
を説明するための図である。

【図４】開口合成法は被検体表面と平行な方向における
位置分解能が高いことを説明するための図である。

【図５】本実施形態で用いるレーザー光源１０のパルス
発振の様子を示している。

【図６】従来の走査経路と、本発明の実施形態の走査経
路を比較して示した図である。

【図７】レーザー超音波法を用いたレーザー超音波検査
装置の一つの構成例を示したブロック図である。

【図８】ファブリ・ペロー干渉計の共振器長（横軸）を
掃引させて、Ｈｅ−Ｎｅレーザービームの透過光強度を
測定した結果を示す図である。

【図９】ファブリ・ペロー干渉計の共振器長を一定とし
たときに光周波数に（横軸）によって透過光強度がどの
ように変わるかを示した図である。

【符号の説明】

１超音波発生部２超音波観測部３，５５被検体１０，２０，５０，６０レーザー光源１１，２１ビームセパレータ１２，２２マルチチャンネル音響光学素子１３ハーフミラー２３，６３偏光ビームスプリッタ２５，６４１／４波長板２６光検出部３０発振器５１，６１レーザービーム５２ビームスプリッタ５３，５４，６２ミラー５７オシロスコープ６５レンズ６６ファブリ・ペロー干渉計５６，６７光検出器６８増幅器６９ハイパスフィルタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検体内部に超音波を発生させるための
複数の第一のレーザービームを生成する超音波発生用レ
ーザービーム生成手段と、前記複数の第一のレーザービームを前記被検体表面上の
特定直線上の所定の点に照射するとともに、それぞれの
照射タイミングを制御する第一の照射制御手段と、前記被検体内部の欠陥で反射された超音波エコーを観測
するための、前記第一のレーザービームと同数の第二の
レーザービームを生成する超音波観測用レーザービーム
生成手段と、前記第二のレーザービームを前記被検体表面上の前記複
数の第一のレーザービームの対応するビームが照射され
た点と同じ点へ照射するとともに、それぞれの照射タイ
ミングを制御する第二の照射制御手段と、前記複数の第二のレーザービームの前記被検体の表面か
らの反射光を受光し、ドップラーシフトに基づく光周波
数の変化から前記超音波エコーを観測する超音波エコー
観測手段と、前記超音波エコー観測手段により得られた前記複数の第
二のレーザービームによる超音波エコーの観測タイミン
グから、開口合成法により、前記被検体中の欠陥の位置
を特定するための演算を行う演算手段と、を具備することを特徴とするレーザー超音波検査装置。
【請求項２】前記第一及び第二の照射制御手段は、前
記第一及び第二のレーザービームのビーム数と同数以上
のチャンネルを有し、各チャンネルに入射した光を、信
号に基づいて回折して放射するマルチチャンネル音響光
学素子と、前記マルチチャンネル音響光学素子に前記信
号を供給するための信号発生手段からなることを特徴と
する請求項１記載のレーザー超音波検査装置。
【請求項３】前記超音波発生用レーザービーム生成手
段及び超音波観測用レーザービーム生成手段のうち少な
くとも一方は、単一のレーザー光源から放射されたレー
ザービームを、ビームスプリッタで分割して複数のレー
ザービームを得ることを特徴とする請求項１又は２記載
のレーザー超音波検査装置。
【請求項４】前記第一及び第二のマルチチャンネル音
響光学素子は、前記レーザー光源の一回のレーザー発振
のパルス幅の期間内に、前記第一及び第二のレーザービ
ームのビーム数と同数のチャンネルのオン・オフを切り
替え、かつ、超音波エコー観測手段は、前記パルス幅の
期間内に、前記開口合成法による欠陥位置の特定に必要
な数の超音波エコーの観測を行うことを特徴とする請求
項２又は３記載のレーザー超音波検査装置。
【請求項５】前記第一及び第二のレーザービームを、
前記被検体表面上で、前記特定直線と垂直な方向に走査
させ、前記被検体表面の広範囲で検査できる走査手段を
有することを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の
レーザー超音波装置。
【請求項６】被検体内部に超音波を発生させるための
複数の第一のレーザービームを、前記被検体表面上の同
一直線上の所定の点に照射する照射タイミングを、第一
の照射制御手段により制御し、前記被検体内部の欠陥で反射された超音波エコーを観測
するための、前記第一のレーザービームと同数の第二の
レーザービームを、前記複数の第一のレーザービームの
対応するビームが照射された点と同じ点へ照射する照射
タイミングを、第二の第二の照射制御手段により制御
し、超音波エコー観測手段により、受光した前記複数の第二
のレーザービームの前記被検体の表面からの反射光のド
ップラーシフトに基づく光周波数の変化から前記超音波
エコーを観測し、演算手段により、前記超音波エコー観測手段により得ら
れた前記複数の第二のレーザービームによる超音波エコ
ーの観測タイミングから、開口合成法により、前記被検
体中の欠陥の位置を特定するための演算を行う、ことを特徴とするレーザー超音波検査方法。