KR100584010B1

KR100584010B1 - 다중 광센서를 사용하는 레이저 초음파 검사 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100584010B1
Application number: KR1020040104685A
Authority: KR
Inventors: 백성훈; 권덕희; 박승규; 김민석; 임창환; 김철중
Original assignee: 한국원자력연구소
Priority date: 2004-12-13
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2006-05-29

Abstract

본 발명은 다중 광센서를 사용하는 레이저 초음파 검사 장치 및 방법에 관한것으로, 그 목적은 광굴절 결정을 사용하는 이중파동 간섭계(2-wave mixing interferometer)의 영상기록 특성을 이용하여 여러 점에서의 초음파 신호를 여러 개의 광센서로 동시에 획득하는 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 구성은 레이저 초음파 검사장치 중 초음파 신호를 검지하기 위하여 광굴절 물질을 사용하는 레이저 간섭계의 광학적인 구성을 사용하여 측정 대상에 선형이나 점 들의 배열로 측정 레이저빔을 조사하고 여기서 반사한 빛을 광굴절 물질에 입사하여 기록한 후 광굴절 물질에서 합쳐진 간섭 빔을 다중 광 센서로 측정하여 동시에 여러 위치에서의 초음파 신호를 측정하는 장치 및 방법을 그 기술적 특징으로 한다.

다중 광센서, 초음파, 비접촉검사장치, 파동간섭계, 광굴절결정

Description

다중 광센서를 사용하는 레이저 초음파 검사 장치 및 방법{The laser ultrasonic apparatus and method using multi-photosensors}

도 1은 단일 광센서를 사용하여 한 위치에서의 초음파를 측정하는 광학계,

도 2는 다중 광센서를 사용하여 여러 위치에서의 초음파를 측정하는 광학계,

도 3은 다중 광센서를 사용하는 레이저 초음파 측정 장치 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 초음파 여기용 펄스 레이저 (2) : 셔터

(3) : 중성농도 필터(Neutral density filter) (4, 5, 24, 25) : 거울

(6) : 집속렌즈 (10) : 측정 대상체

(21) : 연속발진레이저 (22) : 빔가르개

(23) : 반파장판 (26) : 빔확산 부품

(27) : 편광 빔가르개 (28) : 1/4 파장판

(29) : 집속렌즈 (30) : 광굴절결정

(31) : 영상렌즈 (32) : 다중 광센서

(33) : 신호 수신 장치

본 발명은 다중 광센서를 사용하는 레이저 초음파 검사 장치 및 방법에 관한것으로, 특히 레이저 초음파 검사장치 중 초음파 신호를 검지하기 위하여 광굴절 물질을 사용하는 레이저 간섭계의 광학적인 구성을 사용하여 측정 대상에 선형이나 점 들의 배열로 측정 레이저빔을 조사하고 여기서 반사한 빛을 광굴절 물질에 입사하여 기록한 후 광굴절 물질에서 합쳐진 간섭 빔을 다중 광 센서로 측정하여 동시에 여러 위치에서의 초음파 신호를 측정하는 장치 및 방법에 대한 것이다.

레이저 초음파(ultrasonic) 검사 장치는 레이저로 여기된 초음파 신호를 레이저 간섭계를 이용하여 획득하는 비접촉 검사 장치이다. 이 때 초음파를 여기시키는 레이저빔은 선형(linear)이나 점들의 어레이(array) 형태로 다양하게 변화시켜 사용하지만, 초음파를 수신하는 지점은 항상 점으로 한 지점만을 측정하는 것이 일반적이다.

레이저 초음파 장치는 강한 펄스 레이저빔을 물체의 표면에 조사하여 초음파 신호를 발생시키고, 이 초음파 신호가 물체에서 전파 또는 반사된 후 레이저 간섭계를 이용하여 측정함으로써 물체의 결함이나 특성을 측정하는 장치이다.

레이저 초음파 장치는 기존의 접촉식 탐촉자(transducer)를 사용하는 초음파 검사 장치에 비해 비접촉식으로 초음파를 발생/검지한다는 장점 뿐 아니라, 물체를 광대역 신호를 발생 또는 측정할 수 있다는 장점을 가지고 있어 최근 많이 연구되고 있다.

일반적으로 레이저 초음파 장치는 간섭계를 사용하여 초음파가 만든 미소 변위를 측정하므로 한 점에서의 초음파 신호를 측정하게 된다. 이러한 것은 기존의 탐촉자를 사용하는 초음파 장치에서도 마찬가지로, 여러 점에서의 측정을 위해서는 초음파 측정부를 이송시키면서 측정을 하는 것이 일반적이다.

미국특허 6,725,721(Ultrasonic multi-element transducers and methods for testing)에 의하면 탐촉자 여러 개를 배열하여 한번에 여러 지점에서의 초음파를 측정하는 기술이 발명되었다. 하지만 레이저 초음파 장치에서는 여러 개의 간섭계를 동시에 붙일 수 없으므로 아직 이러한 장치는 없다.

다만 일본 특허 2002-228638(레이저 초음파 검사장치 및 레이저 초음파 검사방법)에서처럼 스캔 거울을 사용하여 한 점을 이송시키면서 측정을 하는 방법이 보통 사용하는 방법이다.

다만, 대한민국 특허 2004-0090665(다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치)에서처럼 여러 개의 빔으로 초음파 신호를 발생시키고 한 점에서 측정하는 방식은 종종 사용되고 있다.

또한 미국특허 6,643,005(Line sensing device for ultrafast laser acoustic inspection using adaptive optics)에서처럼 극초단파 레이저빔을 서로 지연(delay)를 주고 원통형 렌즈(cylindrical lens)를 사용하여 linear photodiode array로 선모양을 감지하여 필름의 두께를 측정하는 방법이 발명되었으나 이는 특정한 경우의 기술이고 일반적인 초음파 장치에 적용할 수 있는 것은 아니다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 광굴절 결정을 사용하는 이중파동 간섭계(2-wave mixing interferometer)의 영상기록 특성을 이용하여 여러 점에서의 초음파 신호를 여러 개의 광센서로 동시에 획득하는 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

본 발명이 또 다른 목적은 광굴절 결정을 일종의 홀로그래피 간섭계로 사용함으로써 동시에 여러 점에서 반사된 레이저빔을 하나의 간섭계로 처리하여 여러 개의 센서로 동시에 측정하도록 하는 일반적인 초음파 검사장치 및 이를 이용한 측정방법을 제공하는데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 광굴절 결정을 이용하는 간섭계(2 파동 간섭계: two-wave mixing interferometer) 수신 광학계에 다중 광센서를 사용함으로써, 한 번에 여러 위치에서의 초음파 신호를 동시에 획득할 수 있는 장치 및 방법을 그 기술적 사상으로 한다.

구체적으로 본 발명은 펄스 레이저로 여기시켜 발생된 초음파가 물체를 전파 한 후 레이저 간섭계로 감지하여 물체의 두께나 결함 등의 상태를 검사하는 레이저 초음파 장치에 있어서,

측정 대상체(10)의 일측 위치(A)로 레이저빔을 조사하는 초음파 여기용 펄스 레이저(1)와, 이로 부터 조사된 빔을 차단 또는 통과시키는 셔터(2)와, 이 셔터를 거친 레이저빔의 세기를 조절하는 중성농도 필터(Neutral density filter)(3)와, 중성농도필터를 거친 레이저빔의 입사각도를 변환시키는 거울(4, 5) 및 거울을 지난 레이저빔을 집속하는 집속렌즈(6)로 구성되는 레이저를 이용한 초음파 여기장치와;

이 집속된 레이저빔에 의해 여기되어 측정대상체의 표면을 따라 타측 위치(B)에 전파된 초음파를 수신하는 간섭계로 구성하되, 이 간섭계는 레이저를 조사하는 연속발진레이저(21)와, 이 안정화된 연속발진 레이저를 나누는 빔가르개(22)와, 빔가르개(22)에 의해 나뉘어져 반사된 빔(기준빔)의 편광을 회전시키는 반파장판(23)과, 반파장판에서 나온 빔을 비스듬하게 광굴절결정(30)으로 직접 입사시키는 거울(24)과, 상기 빔가르개를 투과한 연속발진 레이저빔(물체빔)의 입사각도를 변환시키는 거울(25)과, 이 거울에 의해 입사된 빔을 확산시키는 빔확산 부품(26)과, 빔확산부품을 지난 빔을 편광반사시키는 편광 빔가르개(27)와, 이 편광반사된 빔의 편광상태를 바꾸는 1/4파장판(28)과, 1/4파장판(28)으로부터 나온 빔을 집속시키는 집속렌즈(29)와, 상기 거울(24)에 의해 비스듬한 각도로 반사된 레이저 빔(기준빔)을 직접 입사받음과 동시에 상기 집속렌즈(29)와 1/4 파장판(28)을 거쳐 편광이 90도 회전되어 편광 빔가르개(27)를 투과한 후 집속된 레이저 빔(물체빔)을 입사받는 광굴절결정(30)과, 이 광굴절 결정을 통과한 물체빔과 광굴절 결정에서 회절된 기준빔이 만드는 간섭무늬를 집속하는 영상렌즈(31)와, 집속된 간섭무늬를 입사받아 광신호를 검출하는 다중 광센서(32)와, 다중광센서(32)에서 검출된 다중 광신호를 수신하여 처리하는 신호 수신 장치(33)로 구성되어 여러 점에서의 초음파 신호를 동시에 처리할 수 있는 간섭계 장치로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명 구성의 일부 개념은 기존에 알려진 광굴절을 사용하는 이중파동 간섭계를 사용한 초음파 검지 장치(R.K. Ing, J.-P. Monchalin" Broadband optical dedtection of ultrasound by two-wave mixing in a photorefractive crystal", Applied Physics Letters, Vol. 59, p.3233-3235, 1991)와 유사하게 보일수도 있지만 구체적으로는 상기와 같이 측정을 위한 연속발진 레이저 장치를 측정대상인 물체에 선이나 다중 점으로 뿌리는 장치와 다중 센서를 포함하는 전체적인 구성은 동일 유사하지 않다.

이와 같이 구성된 본 발명의 측정 방법을 설명하면 다음과 같다.

펄스 레이저로 여기시켜 발생된 초음파가 물체를 전파한 후 레이저 간섭계로 감지하여 물체의 두께나 결함 등의 상태를 검사하는 방법에 있어서,

제 1항 내지 3항의 장치를 구비한 후 펄스 레이저로 여기시켜 발생한 초음파 신호가 물체를 전파하거나 반사한 후 측정위치에서 미소한 표면 변위를 일으키는 단계와;

안정화된 연속발진 레이저를 빔가르개로 나누어 반사된 하나의 빔(기준빔)은 반 파장판을 거쳐 광굴절 결정에 비스듬한 각도로 직접 입사시키고, 빔가르개를 투과한 상기한 연속발진 레이저빔(물체빔)은 빔확산 부품을 거쳐 확산시킨 후 편광 빔가르개에서 반사된 후 1/4파장판을 거친 후 집속렌즈에서 집속되어 측정 대상체에 입사되는 단계와;

측정 대상체에서 반사된 연속발진 레이저빔은 다시 집속렌즈와 1/4 파장판을 거쳐 편광이 90도 회전되어 상기한 편광 빔가르개를 투과하여 광굴절 결정에 집속되어 입사되는 단계와;

광굴절 결정을 통과한 물체빔과 광굴절 결정에서 회절된 기준빔은 간섭무늬를 만드는데, 이 간섭무늬를 포함한 빔은 또 다른 영상렌즈에서 집속되어 다중 광센서에 입사하는 단계와;

다중 광센서에서 검출된 다중 광신호는 전용의 신호검출 및 처리 장치로 획득되어 여러 점에서의 초음파 신호를 동시에 처리하는 단계; 로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

발명의 요점은 광굴절 결정 간섭계가 여러 개의 상을 동시에 기록할 수 있다는 특성을 이용하는 것으로 마치 홀로그래피 간섭계에서 다중 상을 기록하는 방법과 비슷하다. 즉, 일반적인 레이저 간섭계에서는 도 1과 같이 물체의 한 점에서 반 사하는 레이저빔을 하나의 센서로 측정을 함으로써 한점에서의 초음파 신호를 측정하는 것이 일반적이지만 본 발명에서는 도 2에서처럼 여러 점에서 반사한 빔을 동시에 여러 개의 센서로 측정함으로써 동시에 많은 위치에서의 초음파 신호를 측정하는 것이 주 차이점이다.

이하의 설명은 아주 일반적인 레이저 초음파 표면 결함 검사 장치에 관한 예를 든 것이나, 종파를 이용한 특성 검사나 두께측정 등의 다른 용도의 레이저 초음파 검사장치에서도 동일한 원리의 적용이 가능하다.

본 발명에서 발명한 파면측정 장치의 구성은 첨부한 도 3과 같다.

초음파 여기용 펄스 레이저(1)로 부터 조사된 빔은 셔터(2)와 중성농도 필터(Neutral density filter)(3)를 거친 후 거울(4)과 거울(5)을 지나 집속렌즈(6)로 집속되어 측정 대상체(10)의 A위치로 입사된다.측정 대상체(10)에서는 레이저빔에 의해 초음파가 여기되고, 그 초음파는 표면을 따라 전파된다. 초음파는 B의 위치에서 그림의 간섭계 장치에 의해 수신된다.

레이저 초음파 수신을 위한 간섭계 장치는 다음과 같이 작동된다.

연속발진 레이저 장치(21)에서 나온 레이저빔은 빔 가르개(22)에서 둘 로 나뉜 후 반사된 빔은 반파장판(23)을 거친 후 광굴절 결정(30)으로 직접 입사된다. 이 빔은 간섭계에서 기준빔(reference beam)의 역할을 한다.

또 하나의 빔, 즉 빔가르개(22)에서 통과된 빔은 거울(25) 및 빔 확산 부품(26)을 거친 후 편광 빔가르개(27)에서 반사되어 1/4 파장판(28)을 거친 후 집속렌즈(29)에서 집속되어 측정 대상체(10)의 B 위치에 입사된다.

상기 빔확산 부품(26)은 원통형 렌즈나 회절 격자를 사용하게 된다.

물체에서 반사된 빔은 다시 집속렌즈(29)와 1/4 파장판(28)을 거친 후 편광이 90도 회전하여 빔가르개(27)을 통과하여 광굴절 결정(30)에 입사하게 된다.

이 빔은 물체빔의 역할을 하게 된다. 광굴절 결정을 통과한 물체빔과 광굴절 결정에서 회절한 기준빔은 영상렌즈(31)에서 집속된 후 다중 광센서(32)로 검출된다.

이 검출된 신호는 신호수신 장치(33)에서 수신되어 처리된다.

상기 도 3의 설명에서 광굴절 결정은 일종의 홀로그램을 기록하는 것과 같은 원리로 작동되기 때문에, 동시에 여러 개의 입사빔에 대한 영상을 기록한 후 빔 가르개 역할을 수행하게 된다. 따라서 동시에 여러 위치에서의 초음파 신호를 잡을 수 있는 다중 간섭계의 역할을 하게 되고, 여러 개의 센서로 동시에 여러 위치에서의 초음파 신호를 측정할 수 있게 되는 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 측정 방법을 설명하면 다음과 같다.

펄스 레이저로 여기시켜 발생한 초음파 신호가 물체를 전파하거나 반사한 후 측정위치에서 미소한 표면 변위를 일으키고, 안정화된 연속발진 레이저를 빔가르개로 나누어 반사된 하나의 빔(기준빔)은 반 파장판을 거쳐 광굴절 결정에 비스듬한 각도로 직접 입사시키고, 빔가르개를 투과한 상기한 연속발진 레이저빔(물체빔)은 빔확산 부품을 거쳐 확산시킨 후 편광 빔가르개에서 반사된 후 1/4파장판을 거친 후 집속렌즈에서 집속되어 측정 대상체에 입사되며, 측정 대상체에서 반사된 연속발진 레이저빔은 다시 집속렌즈와 1/4 파장판을 거쳐 편광이 90도 회전되어 상기한 편광 빔가르개를 투과하여 광굴절 결정에 집속되어 입사되고, 광굴절 결정을 통과한 물체빔과 광굴절 결정에서 회절된 기준빔은 간섭무늬를 만드는데, 이 간섭무늬를 포함한 빔은 또 다른 영상렌즈에서 집속되어 다중 광센서에 입사하고, 다중 광센서에서 검출된 다중 광신호는 전용의 신호검출 및 처리 장치로 획득되어 여러 점에서의 초음파 신호를 동시에 처리하게 된다.

본 발명은 일반적인 레이저 초음파 표면 결함 검사 장치에 관한 예를 든 것이나, 특성 검사나 두께측정 등의 다른 용도의 레이저 초음파 검사장치에서도 동일한 원리의 적용이 가능하다. 특히 가진 레이저의 위치가 측정 물체의 뒷면인 구성도 가능하고, 연속발진 레이저 빔을 물체에 조사할 때 원통형 렌즈를 사용하여 선모양으로 조사시키는 것 뿐 아니라, 회절격자 등을 사용하여 1차원이나 2차원의 특정한 점 배열로 조사시키는 구성 등도 가능하다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에 서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같은 본 발명은 여러 위치에서의 초음파 신호를 동시에 획득하는 것이 가능하고, 따라서 많은 양의 정보를 획득하여 검사의 효율을 올릴 수 있다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.

Claims

펄스 레이저로 여기시켜 발생된 초음파가 물체를 전파한 후 레이저 간섭계로 감지하여 물체의 두께나 결함 등의 상태를 검사하는 레이저 초음파 장치에 있어서,

측정 대상체(10)의 일측 위치(A)로 레이저빔을 조사하는 초음파 여기용 펄스 레이저(1)와, 이로 부터 조사된 빔을 차단 또는 통과시키는 셔터(2)와, 이 셔터를 거친 레이저빔의 세기를 조절하는 중성농도 필터(Neutral density filter)(3)와, 중성농도필터를 거친 레이저빔의 입사각도를 변환시키는 거울(4, 5) 및 거울을 지난 레이저빔을 집속하는 집속렌즈(6)로 구성되는 레이저를 이용한 초음파 여기장치와;

이 집속된 레이저빔에 의해 여기되어 측정대상체의 표면을 따라 타측 위치(B)에 전파된 초음파를 수신하는 간섭계로 구성하되, 이 간섭계는 레이저를 조사하는 연속발진레이저(21)와, 이 안정화된 연속발진 레이저를 나누는 빔가르개(22)와, 빔가르개(22)에 의해 나뉘어져 반사된 빔(기준빔)의 편광을 회전시키는 반파장판(23)과, 반파장판에서 나온 빔을 비스듬하게 광굴절결정(30)으로 직접 입사시키는 거울(24)과, 상기 빔가르개를 투과한 연속발진 레이저빔(물체빔)의 입사각도를 변환시키는 거울(25)과, 이 거울에 의해 입사된 빔을 확산시키는 빔확산 부품(26)과, 빔확산부품을 지난 빔을 편광반사시키는 편광 빔가르개(27)와, 이 편광반사된 빔의 편광상태를 바꾸는 1/4파장판(28)과, 1/4파장판(28)으로부터 나온 빔을 집속시키는 집속렌즈(29)와, 상기 거울(24)에 의해 비스듬한 각도로 반사된 레이저 빔(기준빔)을 직접 입사받음과 동시에 상기 집속렌즈(29)와 1/4 파장판(28)을 거쳐 편광이 90 도 회전되어 편광 빔가르개(27)를 투과한 후 집속된 레이저 빔(물체빔)을 입사받는 광굴절결정(30)과, 이 광굴절 결정을 통과한 물체빔과 광굴절 결정에서 회절된 기준빔이 만드는 간섭무늬를 집속하는 영상렌즈(31)와, 집속된 간섭무늬를 입사받아 광신호를 검출하는 다중 광센서(32)와, 다중광센서(32)에서 검출된 다중 광신호를 수신하여 처리하는 신호 수신 장치(33)로 구성되어 여러 점에서의 초음파 신호를 동시에 처리할 수 있는 간섭계 장치로 구성된 것을 특징으로 하는 다중 광센서를 사용하는 레이저 초음파 검사 장치.
제 1항에 있어서,

상기한 빔가르개를 통과한 물체빔을 확산시키는 확산 광학 부품으로 선모양의 레이저빔을 만들어 측정 대상체에 선모양의 빔으로 조사시키는 원통형 렌즈를 사용하여 구성한 것을 특징으로 하는 다중 광센서를 사용하는 레이저 초음파 검사 장치.
제 1항에 있어서,

상기한 빔가르개를 통과한 물체빔을 확산시키는 확산 광학 부품으로 다중 점모양의 레이저빔을 만들어 측정 대상체에 다중 점모양의 빔으로 조사시키는 회절격자를 사용하여 구성한 것을 특징으로 하는 다중 광센서를 사용하는 레이저 초음파 검사 장치.
펄스 레이저로 여기시켜 발생된 초음파가 물체를 전파한 후 레이저 간섭계로 감지하여 물체의 두께나 결함 등의 상태를 검사하는 방법에 있어서,

제 1항 내지 3항의 장치를 구비한 후 펄스 레이저로 여기시켜 발생한 초음파 신호가 물체를 전파하거나 반사한 후 측정위치에서 미소한 표면 변위를 일으키는 단계와;

안정화된 연속발진 레이저를 빔가르개로 나누어 반사된 하나의 빔(기준빔)은 반 파장판을 거쳐 광굴절 결정에 비스듬한 각도로 직접 입사시키고, 빔가르개를 투과한 상기한 연속발진 레이저빔(물체빔)은 빔확산 부품을 거쳐 확산시킨 후 편광 빔가르개에서 반사된 후 1/4파장판을 거친 후 집속렌즈에서 집속되어 측정 대상체에 입사되는 단계와;

측정 대상체에서 반사된 연속발진 레이저빔은 다시 집속렌즈와 1/4 파장판을 거쳐 편광이 90도 회전되어 상기한 편광 빔가르개를 투과하여 광굴절 결정에 집속되어 입사되는 단계와;

광굴절 결정을 통과한 물체빔과 광굴절 결정에서 회절된 기준빔은 간섭무늬를 만드는데, 이 간섭무늬를 포함한 빔은 또 다른 영상렌즈에서 집속되어 다중 광센서에 입사하는 단계와;

다중 광센서에서 검출된 다중 광신호는 전용의 신호검출 및 처리 장치로 획 득되어 여러 점에서의 초음파 신호를 동시에 처리하는 단계; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 검사 방법.