KR100946550B1 - 다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 측정 대상체에 레이저 빔을 조사하여 초음파를 발생시키고, 광 간섭계를 이용하여 초음파 탐상 검사를 원격으로 수행하여 고온 및 이동체의 비파괴 결함검사를 수행하는 장치에 관한 것이다.

본 발명은, 레이저 빔을 발생시키는 펄스형 니오디뮴-야그 레이저(pulsed Nd-YAG laser)와, 1개의 고출력 레이저 빔을 다수 가닥의 분리된 레이저 빔으로 형성하는 다수의 빔 분리 기구를 구비하고, 레이저 빔 사이의 거리와 각각의 레이저 빔의 조사 단면적을 조정할 수 있는 조합렌즈기구를 포함하여 한 가닥의 레이저 빔을 다수의 가닥으로 분리하여 측정 대상체에 조사함으로써, 고강도의 다중 펄스 레이저 초음파를 측정 대상체로부터 발생시키는 다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치를 제공한다.

본 발명에 의하면, 고 출력 초음파를 생성시켜 측정 대상체(100)에 입사시킬 수 있으므로 잡음대비 신호비(S/N)가 높은 신호를 취득하여 신뢰성 있는 결정립경 및 내부 결함 평가에 활용될 수 있다.

초음파 출력, 초음파 탐상 검사, 비파괴 결함검사, 레이저 초음파 발생장치, 고 출력 초음파

Description

다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치{AN APPARATUS FOR GENERATING LASER-BASED ULTRASONIC BY MULTI-BEAM IRRADIATION}

제 1도는 본 발명에 따른 다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치를 전체적으로 도시한 구성도;

제 2도는 본 발명에 따른 다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치에서 레이저 빔의 분할이 이루어지는 구성도;

제 3도는 본 발명에 따른 다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치에서 얻어지는 레이저 빔의 궤적을 도시한 설명도;

제 4도는 본 발명에 따른 다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치에 갖춰진 조합 렌즈기구의 상세도;

제 5도는 본 발명에 따른 다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치에서 레이저 빔의 중심 거리에 따른 레이저 초음파의 강도를 도시한 그래프도;

제 6도는 본 발명에 따른 다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치에 의해서 생성시킨 다중 레이저 빔들의 조사형태를 도시한 사진;

제 7도는 본 발명에 따른 다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치의 쐐기형 초점렌즈를 이용하여 조정한 다중 레이저 빔들의 조사형태를 도시한 사진;

제 8도의 a)는 본 발명에 따른 다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치에 의해서 얻은 시간당 초음파 강도를 도시한 그래프도;

b)는 a)도에서 얻은 신호를 처리하여 얻은 주파수별 진폭의 크기를 도시한 그래프도;

제 9도는 본 발명에 따른 다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치에서 빔 사이의 거리를 조정하면서 획득한 초음파 강도를 빔 사이의 거리 함수로서 도시한 그래프도;

제 10도는 일반적인 레이저 조사 강도 밀도에 따른 초음파 포화현상을 도시한 그래프도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10.... 펄스형 야그 레이저 20.... 빔 크기 축소 장치(beam reducer set)

22a... 오목 렌즈 22b... 볼록 렌즈

30.... 제 1빔 분리 기구(beam splitter module)

32.... 빛살 가르개 40.... 제 2 빔 분리 기구(Beam splitter module)

42a... 거울(mirror) 42b.... 빛살 가르개

50.... 제 3빔 분리 기구(beam splitter module)

52a,54a... 빛살 가르개

60.... 조합 렌즈기구(pulse distance controlling focusing lens)

62a.... 대구경 초점렌즈

62b.... 쐐기형 창(wedge-type window)의 광학렌즈

70.... 정밀 모터(step motor) 72.... 조정기(controller)

74.... 자동 렌즈 위치 조정기(automatic lens position controller)

80.... 컴퓨터 100.... 측정 대상체

110... 광 간섭계(interferometer)

P1,P2,P3,P4,P5... 레이저 빔

본 발명은 측정 대상체에 레이저 빔을 조사하여 초음파를 발생시키고, 광 간섭계를 이용하여 초음파 탐상 검사를 원격으로 수행하여 고온 및 이동체의 비파괴 결함검사를 수행하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세히는 레이저 초음파의 발생 효율을 향상시키기 위하여, 다중 레이저 빔을 생성시켜 적절하게 측정 대상체에 조사시킴으로서, 고강도의 초음파를 발생시켜 측정 대상체 내부의 결함 탐상이나 결정립경 등의 제 물성을 정확하게 평가하고, 신뢰성 있는 결정립경 및 내부 결함 평가에 활용될 수 있도록 개선된 다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치에 관한 것이다.

종래에는 초음파의 송,수신 방법으로 압전소자를 이용한 방식이 일반적으로 이용되고 있다. 그러나 제철 공정과 같이 고온의 환경이거나 측정 대상체가 이동하는 경우에는 접촉매질(couplant)를 이용하는 접촉식 압전 초음파법의 사용이 제한된다.

이의 대안으로 로렌츠(Lorentz) 원리를 이용하는 EMAT (electro-magnetic acoustic transducer)와 강자성체의 자왜 현상을 이용하는 MsS (magnetostrictive sensor) 기술이 비접촉식 초음파 발생 및 수신법으로 제안되고 있으나, 측정 대상체와 송수신 탐촉자의 거리가 수 mm에 불과하므로, 주변 기술의 획기적인 진보가 없이는 적용하기가 곤란하다.

이와 같이 레이저를 측정 대상체에 조사시키면 열탄성 (thermoelastic) 및 용발 메카니즘(ablation mechanism)에 의해 측정 대상물체에서 초음파가 발생 된다. 특히 레이저 빔이 고출력에 이르게 되면, 입사 레이저에 의해 매질 표면에서 용발 현상이 일어나서 레이저 유도 플라즈마가 발생되고, 이의 반작용으로 매질 내에 진동파인 고 강도의 초음파가 발생된다.

이러한 용발(ablation)영역에서 발생되는 레이저 초음파는 측정 대상체와의 이격거리(lift-off)가 큰 환경에서도 사용가능하므로 원격(remote) 탐상 방식으로 측정 대상체의 물성을 평가할 수 있다.

그러나, 레이저를 이용한 초음파 발생시에 레이저 강도를 무한히 증가 시킨다고 해서 발생 초음파가 증대 되지는 않는다. 이는 도 10에 그래프로서 도시된 바와 같이, 레이저 강도 300mJ 부근에서는 발생 초음파의 강도가 포화되는 현상이 나타난다. 따라서, 고강도의 초음파를 발생시키기 위해서는 이러한 초음파의 발생 포화현상을 피해야 한다.

이와 같이 레이저 응용 초음파 발생 강도를 증대시키기 위하여, 고강도의 레이저 발생기에서 나오는 레이저 빔을 다수의 레이저 빔으로 분리시켜 측정 대상체에 입사시키는 기술 및 장치 개발이 필요하다.

또한, 종래의 한 가닥의 광 섬유당 펄스형 레이저 에너지 전송 세기는 250mJ 내외 인데, 고 에너지 레이저를 요구하는 계측 분야에서는 이러한 한 가닥의 레이저 만으로는 그 강도가 부족한 것이고, 다수 가닥의 레이저 빔을 다룰 수 있는 광학계와 이에 연계된 다수의 광 섬유가 있어야만 광원부에서 계측 지역으로 효과적인 레이저 에너지의 전송이 가능하게 된다.

종래의 레이저 초음파를 이용한 비파괴 결함검사는 고온의 제철공정에서 재질 물성 평가에 효과적이다. 그렇지만, 높은 잡음대비 신호비(S/N) 값의 신호를 취득하기 위해서는 고출력 초음파 발생용 레이저의 사용이 요구되지만, 레이저 강도 증대에 따라 레이저 초음파의 강도는 포화 되어 효과적인 신호 증대를 꾀하기가 곤란하다.

종래의 레이저를 이용하여 물체의 내부 결함을 비접촉식으로 탐상하는 방법과 장치에 대해서는 여러 발명자들에 의해 다양한 형태의 특허가 제시되어 있다.

레이저 초음파에 대한 이들 발명은, 주로 측정 대상체의 한 면에 레이저를 조사시켜 측정 대상체 내부에 초음파를 발생시키고, 이의 반대편에 비접촉식 초음파 탐촉자로서, 예를들면 광간섭계, 음향 마이크로폰, 공기 충진 탐촉자, 전자기 음향 탐촉자등을 이용하여 신호를 수신하여 내부 결함등을 평가하도록 된 방법과 장치들에 관한 내용들이다.

그리고, 초음파 탐상과 관련한 레이저 빔의 활용 분야에 관한 종래기술로는 미국특허 번호 제5,773,721호의 "Laser beam aiming apparatus for ultrasonic inspection"이 있다. 이는 초음파 탐촉자와 동축으로 가시(visible) 레이저 빔을 측정 대상체에 조사시켜, + 모양을 측정 대상체 표면에 생성시켜 원하는 탐상 위치를 확인하도록 보완해 주는 레이저 조준장치에 대한 발명이다.

그리고, 다중 레이저 빔 조사의 개념을 이용하는 미국특허번호 제6,466,351호의 "Multi-beam optical system "이 있으나, 이는 반도체의 회로를 뜰때, 빔 궤적선(beam spot line)의 휘어짐을 해결하기 위하여 도입된 다중 레이저 빔 활용에 관한 특허로서 초음파 탐상과 관련한 기술내용은 아니다.

따라서, 종래에는 한 가닥의 레이저 빔을 생성시켜 측정 대상체에 조사시킴으로서, 고강도의 초음파를 발생시키지 못하고, 그에 따라서 측정 대상체 내부의 결함 탐상을 신뢰성 있게 행할 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 그 목적은

레이저 강도에 대한 레이저 초음파의 포화현상 없이 최적의 레이저 유기 초음파의 강도 증대를 얻기 위하여, 다중의 레이저 빔을 생성시켜 적절하게 측정 대상체에 조사시킴으로서, 고강도의 초음파를 발생시켜 측정 대상체 내부의 결함 탐상이나 결정립경 등의 제 물성을 정확하게 평가하고, 신뢰성 있는 결정립경 및 내부 결함 평가에 활용될 수 있도록 개선된 다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 측정 대상체에 레이저 빔을 조사하여 초음파를 발생시키고, 광 간섭계를 이용하여 초음파 탐상 검사를 원격으로 수행하여 고온 및 이동체의 비파괴 결함검사를 수행하는 장치에 있어서,

레이저 빔을 발생시키는 펄스형 니오디뮴-야그 레이저(pulsed Nd-YAG laser);

상기 펄스형 야그 레이저로 부터 출사된 1개의 고출력 레이저 빔을 다수 가닥의 분리된 레이저 빔으로 형성하는 다수의 빔 분리 기구;및

상기 빔분리 기구에서 형성된 5개의 레이저 빔 사이의 거리와 각각의 레이저 빔의 조사 단면적을 조정할 수 있는 대구경 초점 렌즈 및 쐐기형 창 초점 렌즈의 조합렌즈기구;를 포함하여 한 가닥의 레이저 빔을 다수의 가닥으로 분리하여 측정 대상체에 조사함으로써, 고강도의 다중 펄스 레이저 초음파를 측정 대상체로부터 발생시키도록 구성됨을 특징으로 하는 다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치를 마련함에 의한다.

이하, 본 발명을 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치(1)는 다중 펄스 레이저 초음파의 발생을 위하여 다중 레이저 빔의 빔간 거리와 빔의 단면을 독립적으로 조절할 수 있도록 구현한 십자 형태로 배치된 5개의 레이저 빔을 발생시킨다.

제1도에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치(1)는 펄스형 야그 레이저(10)의 후방측으로 다수의 오목 및 볼록 (concave 및 convex) 렌즈(22a)(22b)들로 구성된 빔 크기 축소 장치(beam reducer set)(20)를 구비한다.

상기 빔 크기 축소 장치(20)는 수정(quartz)으로 만들어진 볼록-오목 렌즈(convex-concave lens)의 조합으로 고출력 레이저 빔(P0)의 크기를 줄이는 부분이다.

이는 오목 렌즈(22a)를 통하여 초음파 발생용 고 에너지 레이저 빔(P0)이 들어가서 볼록 렌즈(22b)를 통과하면, 오목-볼록 수정 렌즈 집합체(quartz lens set of convex and concave)로써 빔 크기를 줄이는 것이다.

그리고, 상기 빔 크기 축소 장치(20)의 후방측에는 도 2에 상세히 도시된 바와 같이, 레이저 빔(P0)을 40:60의 비율로 분리되도록 하는 빛살 가르개(32)를 구비한 제 1빔 분리 기구(beam splitter module)가 배치되며, 그 후방측에는 제 2빔 분리기구(40)및 제 3빔 분리기구(50)가 배치된다.

상기에서 빛살 가르개(32)는 유리면에 적절한 코팅 처리로서, 빛을 일정 비율 투과시키고, 나머지는 반사시키는 렌즈이다.

상기 제 2 빔 분리 기구(Beam splitter module)(40)는 제 1빔 분리 기구(beam splitter module)(30)에서 40% 반사된 빔을 광 경로를 가지도록 다수의 거울(mirror)(42a)로서 조정한 후, 이를 빛살 가르개(42b)를 통과시켜 50:50으로 분리시켜 측정 대상체(100)의 x-축 상에 조사되는 2개의 레이저 빔(P1)(P2)을 생성시킨다.

그리고, 상기 제 1빔 분리 기구(Beam splitter module)(30)에서 60%로 투과된 레이저를 받고, 상기 제 2빔 분리기구(40)에 교차하도록 배치된 제 3빔 분리 기구(beam splitter module)(50)는 먼저 60%로 투과된 레이저를 33.3% 반사시켜 측정 대상체(100)의 y-축 상에 1개의 레이저 빔(P3)을 조사시키도록 하는 빗살 가르개(beam splitter)(52a)를 구비하고, 나머지 66.7%의 투과된 레이저 빔을 50:50으로 반사 및 투과시키는 빛살 가르개(54a)를 구비하여 측정 대상체(100)의 원점에 1개의 레이저 빔(P4)을 조사시키고, 마지막으로 투과된 레이저를 거울로 반사시켜 측정 대상체(100)의 y-축 상에 최종적으로 1개의 빔(P5)을 조사시키도록 하 는 거울(52b)을 구비한다.

또한, 상기 제 2빔 분리기구(40)와 제 3빔 분리기구(50)의 출측에는 측정 대상체(100) 표면과 펄스간의 거리 조정용 조합 렌즈기구(pulse distance controlling focusing lens)(60)가 배치되어 측정 대상체(100)와의 사이 거리를 적절히 조절함으로써 각 빔 사이의 거리(d)를 효과적으로 조절할 수 있다.

한편, 상기 조합 렌즈기구(60)는 제 4도의 a),b)에 도시된 바와 같이, 볼록렌즈의 대구경 초점렌즈(62a)와 쐐기형 창(wedge-type window)의 광학렌즈(62b)의 조합체를 사용하는 것이다.

만일, 제 4도의 a)에 도시한 것과 같은 일반적인 초점 광학렌즈(62a), 예를 들면 볼록렌즈만을 사용하는 경우라면, 측정 대상체(100)와 렌즈(62a)의 거리 변화에 따라 다수의 레이저 빔간의 거리(d)뿐만이 아니라, 조사된 빔의 크기가 동시에 변화되므로, 만일 적정 레이저 빔간 거리(d)와 빔 크기를 결정한 후에는 제 4도의 a)에 도시된 바와 같은 대구경 초점렌즈(62a)만의 사용으로도 가능하다.

그렇지만, 레이저 빔들의 크기를 빔 크기 축소 장치(20)를 통과시켜 줄이고, 레이저 빔간의 거리(d)만을 감소시키고자 한다면, 빔의 크기가 변화되는 대구경 초점렌즈(62a)로는 안되기 때문에, 도 4b)에 도시된 바와 같은 쐐기형 창(wedge-type window)의 광학렌즈(62b)를 이용하여 빔간 거리(d)를 조절할 수 있는 것이다.

상기 쐐기형 창(wedge-type window)의 광학렌즈(62b)는 측정 대상체(100)와의 거리가 변화되면, 레이저 빔의 크기를 변화시키지 않으면서, 레이저 빔간의 거리(d)를 변화시킬 수 있으므로, 도 4b)에서 화살표에 수직한 방향으로의 레이저 빔간의 거 리(d)는 자동으로 변화되는 것이다. 이러한 구조는 매우 간단하면서 소형의 구조를 갖추고, 레이저 빔간의 거리(d)를 조절할 수 있는 것이다.

따라서, 이와 같이 볼록렌즈의 대구경 초점렌즈(62a)와 쐐기형 창(wedge-type window)의 광학렌즈(62b)의 조합체를 사용하여 필요에 따라서 선택적으로 각각 사용하거나 이들의 조합으로 사용할 수 있는 것이다.

상기 조합 렌즈기구(60)는 볼록렌즈의 대구경 초점렌즈(62a)와 쐐기형 창(wedge-type window)의 광학렌즈(62b)들을 각각 독립적으로 또는 동시에 z-축 방향으로 효과적으로 움직이도록 하기 위하여 정밀 모터(step motor)(70)와 조정기(controller)(72)를 구비한 자동 렌즈 위치 조정기(automatic lens position controller)(74)를 도 1에서와 같이 구비하고 있다.

또한, 상기 펄스형 야그 레이저(10)와 자동 렌즈 위치조정기(74)를 컴퓨터(80)와 연계시켜 컴퓨터(PC) 모니터의 화상 프로그램(MMI) 화면을 통하여 통제할 수 있도록 전기적으로 연결하는 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명은, 5 가닥의 레이저를 측정 대상체(100)에 조사시키면 각 빔(P1)(P2)(P3)(P4)(P5)의 레이저 강도에 따라 열탄성(thermoelastic) 및 용발 메카니즘(ablation mechanism)에 의해 측정 대상물체에서 초음파가 발생된다.

특히 레이저 빔이 고출력에 이르게 되면 입사 레이저에 의해 매질 표면에서 용발 현상이 일어나서 레이저 유도 플라즈마가 발생되고, 이의 반작용으로 매질내에 초음파가 발생되도록 하고, 이를 측정 대상체(100)의 후면에 조사된 검지용 레이저, 즉 광 간섭계(interferometer)(110)로 부터 조사된 별도의 레이저로써 측정 대상체(100) 표면에서 나타나는 미세한 초음파 변위를 측정하도록 되어 있다.

이를 위하여 본 발명은 야그 레이저 발생장치(1)의 후방측으로 다수의 오목 및 볼록 (concave 및 convex) 렌즈(22a)(22b)들로 구성된 빔 크기 축소 장치(beam reducer set)(20)가 배치되어 이를 이용하여 고출력 펄스형 레이저로부터 방출되는 레이저 빔, 즉 본 발명의 야그 레이저(10)로 부터 출사되는 9mm 직경의 빔(P0)을, 측정 대상체(100)에서 레이저 초음파를 발생시키는데 적절한 정도의 레이저 강도를 가지도록 변화시킨다.

즉, 상기 빔 크기 축소 장치(20)는 수정(quartz)으로 만들어진 오목-볼록 수정 렌즈 집합체(quartz lens set of convex and concave)로서 초음파 발생용 고 에너지 레이저 빔(P0)이 들어가면 그 빔의 크기를 줄이는 것이다.

그리고, 상기 빔 크기 축소 장치(20)는 다중으로 측정 대상체(100)로 입사되는 레이저 입사 빔(P1)(P2)(P3)(P4)(P5)들이 각각 레이저 초음파의 발생 시에 초음파 강도의 포화를 일으키지 않는 범위내에서 최대 레이저 강도를 가지도록 상기 레이저 빔(P0)의 크기를 조절한다.

이와 같이 크기가 조절된 레이저 빔(P0)은, 상기 빔 크기 축소 장치(20)의 후방측에 위치한 제 1 빔 분리 기구(beam splitter module)(30)에서 40:60의 비율로 분리되어 그 후방측에 마련된 제 2빔 분리기구(40)및 제 3빔 분리기구(50)측으로 반사 및 투과된다.

상기 제 2 빔 분리 기구(Beam splitter module)(40)에서는 제 1빔 분리 기구(beam splitter module)(1)에서 40% 반사된 빔이 광 경로를 가지도록 거울(mirror)(42a)들로서 조정한 후, 이를 빗살 가르개(42b)로서 50:50으로 분리시켜 측정 대상체(100)의 x-축 상에 조사되는 2개의 레이저 빔(P1)(P2)을 생성시킨다.

그리고, 상기 제 1빔 분리 기구(Beam splitter module)(30)에서 60%로 투과된 레이저는 상기 제 2빔 분리기구(40)에 교차하도록 배치된 제 3빔 분리 기구(beam splitter module)(50)에서, 상기 60%의 레이저 빔을 먼저 빗살 가르개(52a)가 33.3% 반사시켜 측정 대상체(100)의 y-축 상에 1개의 레이저 빔(P3)을 조사시키도록 하고, 나머지 66.7%의 투과된 레이저 빔을 빗살 가르개(54a)로써 50:50으로 반사 및 투과시켜, 측정 대상체(100)의 원점에 1개의 레이저 빔(P4)을 조사시키고, 마지막으로 투과된 레이저는 거울(mirror)(52b)로써 반사시켜 측정 대상체(100)의 y-축 상에 최종적으로 1개의 빔(P5)을 조사시키도록 한다.

이렇게 형성된 x,y축에 걸친 십자(+)형태의 5개의 레이저 빔(P1)(P2)(P3)(P4)(P5)은 거의 동시에 측정 대상체(100)에 조사되도록 각 빔의 행로차를 최소화 하여 상기 광학요소들, 즉 상기 빔 분리 기구(30)(40)(50)들을 배치한다.

상기 방식으로 하여 원하는 빔의 크기를 가진 5개로 분리된 레이저 빔(P1)(P2)(P3)(P4)(P5)을 얻은 후, 이를 측정 대상체(100)에 조사 시킬 때 각 빔 사이의 거리(d)를 효과적으로 통제할 수 있도록 상기 제 2빔 분리기구(40)와 제 3빔 분리기구(50)의 출측에 마련된 상기 조합 렌즈기구(60)중의 볼록렌즈의 대구경 초점렌즈(62a) 또는 쐐기형 창(wedge-type window)의 광학렌즈(62b)중의 어느 하나를 사용하여 측정 대상체(100) 표면과의 거리를 조절함으로써, 도 3에 도시된 바와 같은 5개의 레이저의 각 빔사이의 거리를 효과적으로 조절할 수 있다.

이때, 상기 조합 렌즈기구(60)는 레이저 빔의 크기의 변화없이 레이저 빔간의 거리만을 조절하고자 한다면, 제 4도의 b)에 도시된 바와 같이, 쐐기형 창(wedge-type window) 광학렌즈(62b)만을 사용토록 본 발명에서는 구비하는 것이다.

그리고, 상기 레이저빔 사이의 거리를 변화시키는 쐐기형 창(wedge-type window) 광학렌즈(62b)를 z-축 방향으로 효과적으로 움직이도록 하기 위하여 정밀 모터(step motor)(70)와 조정기(controller)(72)로써 자동 렌즈 위치 조정기(automatic lens position controller)(74)를 구성하며, 상기 야그 레이저(10)와 자동렌즈 위치 조정기(74)들을 모두 컴퓨터(80)와 연계시켜 컴퓨터(PC) 모니터의 화상 프로그램(MMI) 화면을 통하여 통제할 수 있도록 하는 것이다.

상기와 같이 본 발명에서는 대략 1.6Joule의 펄스형 레이저 빔(P0)을 입력시키면, 전송중의 손실등이 발생하여 5개의 레이저 빔(P1)(P2)(P3)(P4)(P5)당 250~300mJ이 측정 대상체(100)의 표면으로 조사된다.

즉, 5개의 레이저 빔(P1)(P2)(P3)(P4)(P5)을 중앙에 1개, 사방 90도 방향으로 4개 배치한 십자(+) 형태 (cross configuration with point symmetry)의 다중 레이저 빔으로 얻을 수 있다.

이와 같이, 십자(+) 형태의 다중 입사 (cross configuration of 5 sources)의 경우에 레이저 원(source)들의 중심 사이의 거리(d)에 따른 발생 레이저 초음파의 강도 변화가 도 5에 그래프로서 도시되어 있다.

도 5에서와 같이, 십자 형태의 다중 빔 입사에 의해 발생되는 초음파(종파)의 강도는 다중 레이저 빔의 입사에 의해 변화됨을 알 수 있다. 즉, 레이저 빔간 거리(d)가 감소할수록 발생 초음파의 강도가 커지고, 주파수가 증가함에 따라 빔간 거리가 수 mm 이내에서 다중 입사에 의한 초음파 강도 증대 효과가 나타남을 볼 수 있다.

또한, 도 6은 본 발명을 활용하여 생성시킨 다중 입사 레이저 빔의 조사 형태를 보여 준다. 이는 빔 직경을 4.5mm로 일정하게 유지한 상태에서 쐐기형 창(wedge-type window)의 초점 렌즈(62b)를 축 방향으로 이동시키면서 빔 사이의 거리(d)를 0, 5, 10, 15 및 20 mm 로 조정한 결과의 실례이다.

그리고, 도 7은 빔 직경을 3.0mm로 일정하게 유지한 상태에서 쐐기형 창(wedge-type window)의 초점 렌즈(62b)를 축 방향으로 이동시키면서 빔 사이의 거리(d)를 0, 4.5, 8.5 및 13mm 로 조정한 결과의 실례이다.

이와 같이 본 발명은 측정 대상체(100)에 조사된 5개의 레이저 빔에 의해서 측정 대상체(100)로 부터 고강도의 초음파가 발생되며, 측정 대상체(100) 후면에 조사된 검지용 레이저, 즉 광 간섭계(interferometer)(110)로써 측정 대상체(100) 표면에서 나타나는 초음파 변위를 측정하도록 되어 있다.

도 8은 본 발명에 의해서 발생시킨 레이저 초음파 신호를 도시한 결과로서, 도 8의 a)와 같이, 시간 축 평면 (time-domain) 상의 취득 신호에서 분석하고자 하는 부분의 첨두(peak) 신호를 빠른 퓨리어 변환(Fast Fourier Transformation) 처리하여 도 8의 b)와 같은 주파수 영역(domain)으로 변환시켜 필요로 하는 정보를 얻는다. 도 9는 레이저 빔의 직경 3.0mm인 상태에서 레이저 빔 사이의 거리(d)를 조정하면 서 획득한 레이저 초음파 신호의 초음파 강도를 레이저 빔 사이의 거리 함수로 도시한 결과의 일례를 보여 준다.

상기와 같이 본 발명은 레이저 빔들 사이에 거리를 주면서, 서로 다른 근접위치에 5개의 레이저 빔을 입사시킴으로서 각각의 레이저 빔의 조사점에서 초음파들을 발생시키게 되고, 각각 발생된 초음파들이 측정 대상체(100)로 부터 전파되는 과정에서 초음파의 보강 간섭현상이 일어나게 되고, 이를 이용하여 종래의 단일 레이저 빔에 의한 초음파 출력 강도보다 매우 큰 강도의 초음파 출력 증대를 이루는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 고 강도의 초음파 출력을 측정 대상체(100)로 부터 얻을 수 있음으로서 초음파 탐상 검사를 원격으로 수행할 수 있으므로 고온 및 이동체를 대상으로 비파괴 결함검사를 쉽게 수행할 수 있다. 즉, 고온의 연주 슬라브나 압연 중에 있는 측정 대상체(100)를 대상으로 고 강도의 초음파를 발생시켜 측정 대상체(100) 내부의 결함 탐상이나 결정립경 등의 제 물성을 온 라인으로 평가 가능하게 해 준다.

그리고, 본 발명에 따른 다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치를 이용하여 초미세립강과 같은 고부가가치강의 제조에 활용할 수도 있고, 고 출력 초음파를 생성시켜 측정 대상체(100)에 입사시킬 수 있으므로 잡음대비 신호비(S/N)가 높은 신호를 취득하여 신뢰성 있는 결정립경 및 내부 결함 평가에 활용될 수 있다.

이러한 평가 결과를 압연 혹은 연주 공정에 피드백 시키게 되면, 연주 슬라브 및 압연제품의 품질을 획기적으로 개선 시킬 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims (5)

1. 측정 대상체(100)에 레이저 빔을 조사하여 초음파를 발생시키고, 광 간섭계를 이용하여 초음파 탐상 검사를 원격으로 수행하여 고온 및 이동체의 비파괴 결함검사를 수행하는 장치에 있어서,

   레이저 빔을 발생시키는 펄스형 니오디뮴-야그 레이저(pulsed Nd-YAG laser)(10);

   상기 펄스형 야그 레이저(10)로 부터 출사된 1개의 고출력 레이저 빔(P0)을 다수 가닥의 분리된 레이저 빔(P1)(P2)(P3)(P4)(P5)으로 형성하는 다수의 빔 분리 기구(30)(40)(50);및

   상기 빔분리 기구(30)(40)(50)에서 형성된 5개의 레이저 빔 사이의 거리(d)와 각각의 레이저 빔의 조사 단면적을 조정할 수 있는 대구경 초점 렌즈(62a) 및 쐐기형 창 초점 렌즈(62b)의 조합렌즈기구(60);를 포함하여 한 가닥의 레이저 빔을 다수의 가닥으로 분리하여 측정 대상체(100)에 조사함으로써, 고강도의 다중 펄스 레이저 초음파를 측정 대상체(100)로부터 발생시키도록 구성됨을 특징으로 하는 다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 펄스형 야그 레이저(10)의 후방측으로는 다수의 오목 및 볼록 (concave 및 convex) 렌즈(22a)(22b)들로 구성된 빔 크기 축소 장치(beam reducer set)(20)가 구비되어 빔(P0) 크기를 줄이는 것임을 특징으로 하는 다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제 1빔 분리 기구(beam splitter module)(30)는 상기 빔 크기 축소 장치(20)의 후방측에서 레이저 빔(P0)을 40:60의 비율로 분리되도록 하는 빛살 가르개(32)를 구비한 것임을 특징으로 하는 다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 제 2 빔 분리 기구(Beam splitter module)(40)는 제 1빔 분리 기구(beam splitter module)(30)에서 40% 반사된 빔을 광 경로를 가지도록 조정하는 다수의 거울(mirror)(42a)들과, 상기 빔을 50:50으로 분리시키는 빛살 가르개(42b)를 구비하여 측정 대상체(100)의 x-축 상에 조사되는 2개의 레이저 빔(P1)(P2)을 생성시킴을 특징으로 하는 다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치.
5. 제1항에 있어서, 제 3빔 분리 기구(beam splitter module)(50)는 상기 제 1빔 분리 기구(Beam splitter module)(30)에서 60%로 투과된 레이저를 받고, 상기 제 2빔 분리기구(40)에 교차하도록 배치되어, 상기 60%로 투과된 레이저 빔을 33.3% 반사시켜 측정 대상체(100)의 y-축 상에 1개의 레이저 빔(P3)을 조사시키도록 하는 빗살 가르개(beam splitter)(52a)를 구비하고, 나머지 66.7%의 투과된 레이저 빔을 50:50으로 반사 및 투과시키는 빛살 가르개(54a)를 구비하여 측정 대상체(100)의 원점에 1개의 레이저 빔(P4)을 조사시키며, 마지막으로 투과된 레이저를 거울로 반 사시켜 측정 대상체(100)의 y-축 상에 최종적으로 1개의 빔(P5)을 조사시키도록 하는 거울(52b)을 구비한 것임을 특징으로 하는 다중 빔 조사에 의한 레이저 초음파의 발생장치.

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