KR101447392B1 - 금속 조직 및 재질의 계측 장치 및 계측 방법 - Google Patents

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Abstract

제1의 레이저광을 발진하는 펄스 레이저 발진기(11)와, 발진된 제1의 레이저광을 복수의 분할광으로 분할하는 광분할부와, 광분할부에 의해 분할된 분할광을 각각 전파시키고, 그 광전파 시간이 다른 복수의 광로(12, 13, 14, 15, 16)와, 복수의 광로를 각각 전파한 복수의 분할광을 피측정재(100)의 동일 위치에 겹처서 조사하는 집광부와, 피측정재(100)에 제2의 레이저광을 조사하고, 피측정재(100)로부터 반사 및 산란된 제2의 레이저광을 기준광과 간섭시켜서 생기는 광량 변화에 의거하여, 제1의 레이저광에 의해 여기되고, 피측정재(100)의 내부를 전파한 초음파를 검출하는 레이저 간섭계부(30)와, 레이저 간섭계부(30)에 의해 검출된 초음파에 의거하여, 피측정재(100)의 금속 조직 및 재질을 산출하는 파형 해석부(32)를 구비한다.

Description

금속 조직 및 재질의 계측 장치 및 계측 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING METAL STRUCTURE AND MATERIAL}
본 발명은, 펄스 레이저광에 의해 여기되는 초음파에 의한 금속 조직 및 재질의 계측 장치 및 계측 방법에 관한 것이다.
초음파에 의한 금속 조직 및 재질의 계측은 널리 행하여저 왔다. 예를 들면, 특허 문헌 1에는, 초음파를 여기(勵起)하여, 강판 내를 전파시키면, 강판의 결정입경(結晶粒徑)에 따라 감쇠 특성이 다르다는 원리를 이용하여, 강판의 결정입경을 측정하는 결정입경 측정 장치가 개시되어 있다.
초음파의 감쇠, 결정입경, 및, 초음파의 주파수는, 일반적으로 이하의 (식 1)에 표시한 산란칙에 따르는 것이 알려져 있다.
[수식 1]
Figure 112013017478870-pct00001
여기서, α는 초음파의 감쇠율(dB/㎜), D는 결정입경(㎜), f는 초음파의 주파수(MHz), n은 산란 형태를 나타내는 계수이고 통상 1 내지 4 정도이다.
즉, 초음파의 주파수가 높아짐에 따라, 결정립에서의 산란에 의한 감쇠가 커지고, 그 경향은 결정입경이 클수록 현저하게 된다. 그래서, 이 감쇠율의 차이에 의거하여 금속재의 재질, 예를 들면 결정입경의 계측이 가능해진다.
여기서, 피측정재에서 초음파를 여기시키려면, 압전(壓電) 진동자에 의한 방법(제1의 방법), 전자력에 의한 방법(제2의 방법), 펄스 레이저광에 의한 방법(제3의 방법) 등이 알려져 있다. 이 중, 제1의 방법은, 음향 특성을 정합매질 매질(액체)을 통하여 압전 진동자를 피측정재에 밀착시킬 필요가 있고, 또한, 여기되는 초음파의 주파수는 통상, 수MHz 정도 이하이다. 제2의 방법은, 비접촉으로의 초음파 여기가 가능하지만, 피측정재와의 간격(스탠드 오프 거리)은 통상삭 밀리 정도로 한정되고, 또한, 피측정재는 자성체일 필요가 있다. 즉, 제2의 방법은, 비자성체인 열간 가공중(열간 오스테나이트 조직)의 탄소강이나, 마찬가지로 비자성체인 스테인리스강의 검사에는 적용할 수가 없다.
이들에 대해, 제3의 방법은, 비접촉 측정이 가능하고, 스탠드 오프 거리를 크게(수100㎜) 취할 수 있고, 비자성체의 측정도 가능하다는 이점이 있기 때문에, 널리 이용되고 있다.
특허 문헌 1 : 일본국 특개2006-84392호 공보
그러나, 예를 들면 상기한 결정입경의 계측에서, 여기되는 초음파의 주파수가 너무 높으면, 결정립에서의 산란에 의한 감쇠율이 너무 크기 때문에, 여기된 초음파가 검출점에 도달하기 전에 미약하게 되어, 검출한 초음파 파형의 신호 노이즈비(比)가 악화하여, 계측 정밀도가 저하된다. 한편, 여기되는 초음파의 주파수가 너무 낮으면, 결정입경과 상관성이 없는, 초음파의 확산에 의한 감쇠가 현저하게 되기 때문에, 역시 계측이 곤란하게 되어 버린다.
그래서, 금속 조직 및 재질의 계측에서는, 여기되는 초음파의 주파수를 적정하게 선택할 필요가 있다.
그러나, 제3의 방법에 의해 여기된 초음파의 주파수 분포는, 주로 사용하는 펄스 레이저광의 펄스 폭 등의 장치 고유의 인자에 응하여 정하여진다. 이것은 펄스 레이저 발진기의 구조에 의존하기 때문에 변경하는 것은 용이하지가 않기 때문에, 측정 대상에 응하여, 적정한 주파수의 초음파를 여기시키는 것은 사실상 곤란하였다.
예를 들면, 동작이 안정되고, 산업용으로 널리 이용되고 있는 Q스위치 고체 펄스 레이저 발진기로부터 출력되는 펄스 레이저광의 펄스 폭은, 통상, 수나노초 이상이다. 이와 같은 펄스 레이저광을 피측정재에 조사하면, 여기되는 초음파는 반파장의 펄스 초음파이고, 그 주파수 성분은, 주로 20 내지 50(MHz) 부근에 피크를 가지며, 10내지 100(MHz)에 걸치는 확산을 갖는다. 잘 알려져 있는 바와 같이, 푸리에 변환이나 웨이브렛 변환 등의 주파수 분석의 수법에 의하면, 검출한 파형으로부터 특정한 주파수 성분을 취출할 수 있다. 그러나, 이들의 수법에는, 해석 대상으 하는 현상의 기록시간이 짧을수록, 주파수 분해능이 저하되는 성질이 있다. 반파장 펄스 초음파의 기록시간은 극히 짧기 때문에, 주파수 분해능이 낮아지고, 이 때문에, 다른 주파수 성분의 혼재를 피하는 것은 곤란하였다.
또한, 특히 고주파수의 성분에 관해서는, 그 진폭 강도가 작기 때문에, 신호/노이즈비가 낮았다. 이들에 의해, 금속 조직 및 재질의 계측, 특히, 금속재에 있어서의 결정입경의 측정에서는 정밀도가 불충분하게 되는 문제가 있다.
또한, 펄스 폭이 1나노초 이하의 펄스 레이저광을 발진한 단(短)펄스 레이저 발진기는 시판되고 있지만, 이 단펄스 레이저 발진기로부터 발진된 펄스 레이저광의 펄스당(當)의 광 에너지는 매우 작기 때문에, 이 펄스 레이저광으로 여기되는 초음파는 미약하고, 충분한 강도의 검출 신호를 얻을 수가 없고, 신호/노이즈비가 나쁘고, 금속 조직 및 재질의 계측, 특히, 금속재에 있어서의 결정입경의 측정에서는 정밀도가 불충분하게 되는 문제가 있다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이고, 본 발명의 목적은, 통상의 펄스 폭의 펄스 레이저 발진기를 이용하면서, 소망하는 주파수 성분을 보다 많이 포함하고, 1파장반(波長半) 이상의 지속 시간의 초음파 진동을 여기시킴에 의해, 금속 조직 및 재질의 계측, 특히, 결정입경 수미크론 이하의 금속재의 결정입경을 보다 높은 정밀도로 계측하는 금속 조직 및 재질의 계측 장치 및 재질 계측 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 금속 조직 및 재질의 계측 장치의 제1의 특징은, 제1의 레이저광을 발진하는 펄스 레이저 발진기와, 상기 발진된 제1의 레이저광을 복수의 분할광으로 분할하는 광분할부와, 상기 광분할부에 의해 분할된 분할광을 각각 전파시키고, 그 광전파 시간이 다른 복수의 광로와, 상기 복수의 광로를 각각 전파한 복수의 분할광을 피측정재의 동일 위치에 겹처서 조사하는 집광부와, 상기 피측정재에 제2의 레이저광을 조사하고, 상기 피측정재로부터 반사 및 산란된 제2의 레이저광을 기준광과 간섭시켜서 생기는 광량 변화에 의거하여, 상기 제1의 레이저광에 의해 여기되고, 피측정재의 내부를 전파한 초음파를 검출하는 레이저 간섭계부와, 상기 레이저 간섭계부에 의해 검출된 초음파에 의거하여, 상기 피측정재의 금속 조직 및 재질을 산출하는 파형 해석부를 구비한 것에 있다.
본 발명에 관한 금속 조직 및 재질의 계측 장치의 제2의 특징은, 제1의 특징에 있어서, 복수의 광로 중, 적어도 하나의 광로의 길이의 차를 변경하는 광로 길이 변경부를 또한 구비한 것에 있다.
본 발명에 관한 금속 조직 및 재질의 계측 장치의 제3의 특징은, 제1의 특징에 있어서, 복수의 광로 중, 적어도 하나의 광로상에 고굴절률재(高屈折率材)를 구비한 것에 있다.
본 발명에 관한 금속 조직 및 재질의 계측 장치의 제4의 특징은, 제1의 특징에 있어서, 복수의 광로 중, 제1의 광로와 그보다도 광전파 시간이 긴 제2의 광로와의 길이의 차가, 제2의 광로와 그보다도 광전파 시간이 긴 제3의 광로와의 길이의 차와 다른 것에 있다.
본 발명에 관한 재질 계측 방법의 제1의 특징은, 제1의 레이저광을 복수의 분할광으로 분할하고, 상기 분할광을 각각 광전파 시간이 다른 복수의 광로를 전파시키고, 상기 복수의 광로를 각각 전파한 복수의 분할광을 피측정재의 동일 위치에 조사하고, 상기 피측정재에 제2의 레이저광을 조사하고, 상기 피측정재로부터 반사 및 산란된 제2의 레이저광을 기준광과 간섭시켜서 생기는 광량 변화에 의거하여, 상기 제1의 레이저광에 의해 여기되고, 피측정재의 내부를 전파한 초음파를 검출하고, 상기 초음파의 검출 파형을 해석하고, 상기 피측정재의 금속 조직 및 재질을 산출하는 것에 있다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 통상의 펄스 폭의 펄스 레이저 발진기를 이용하면서, 소망하는 주파수 성분을 보다 많이 포함하고, 1파장반 이상의 지속 시간의 초음파 진동을 여기시킴에 의해, 금속 조직 및 재질의 계측, 특히, 결정입경 수미크론 이하의 금속재의 결정입경을 보다 높은 정밀도로 계측할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 제1의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치의 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 관한 제1의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치에 구비된 레이저 간섭계의 구성을 도시한 도면.
도 3(A)는, 본 발명에 관한 제1의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치에 구비된 펄스 레이저 발진기에 의해 사출된 펄스 레이저광의 한 예를 도시한 도면, (B)는, 본 발명에 관한 제1의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치에 의해 여기된 초음파의 한 예를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 관한 제2의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치의 구성을 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 관한 제3의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치의 구성을 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 관한 제3의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(3)에 구비된 하프미러(25)의 한 예를 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 관한 제4의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치의 구성을 도시한 도면.
도 8은 본 발명에 관한 제4의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치에 구비된 레이저 간섭계(33)의 구성을 도시한 도면.
도 9는 본 발명에 관한 제5의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치의 구성을 도시한 도면.
도 10은 본 발명에 관한 제6의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치의 구성을 도시한 도면.
도 11은 본 발명에 관한 제7의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치의 구성을 도시한 도면.
도 12(A)는, 본 발명에 관한 제7의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치에 구비된 펄스 레이저 발진기에 의해 사출된 펄스 레이저광의 한 예를 도시한 도면, (B)는, 본 발명에 관한 제7의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(7)에 의해 여기된 초음파의 한 예를 도시한 도면.
본 발명에 관한 각 실시 형태에 관해, 이하에 도면을 이용하여 설명한다.
<제1의 실시 형태>
본 발명에 관한 제1의 실시 형태에서는, 금속재에, 초음파를 여기시켜서 결정입경을 계측하는 금속 조직 및 재질의 계측 장치를 예로 들어 설명한다.
≪금속 조직 및 재질의 계측 장치의 구성≫
도 1은, 본 발명에 관한 제1의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 본 발명에 관한 제1의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)는, 펄스 레이저 발진기(11)와, 1/2파장판(12)과, 제1의 편광빔 스플리터(13)와, 반사경(14, 15)과, 제2의 편광빔 스플리터(16)와, 집광 렌즈(17)와, 레이저 간섭계(30)와, 오실로스코프(31)와, 파형 해석 컴퓨터(32)를 구비하고 있다.
펄스 레이저 발진기(11)는, Nd:YAG(네오듐 도프 이트륨·알루미늄·가넷)가 채용된 Q스위치 고체 펄스 레이저광원을 구비하고 있고, 펄스 폭 수나노초 내지 10수나노초 정도의 펄스 레이저광(201)을 발진한다. 또한, 펄스 레이저광원은, 예를 들면, 반도체 여기 고체 레이저광원, 펄스 가스 레이저광원, 파이버 레이저광원, 반도체 레이저광원, 플래시 램프를 채용하여도 좋고, 이들의 광원과, 레이저 증폭기 등을 조합시켜서 이용하여도 좋다. 또한, Q스위치 고체 펄스 레이저의 출력은, 직선편광(直線偏光)이지만, 후술하는 바와 같이 편광 상태가 달라도 본 발명을 적용하는 것은 가능하다.
1/2파장판(12)은, 직선편광의 편광 방향을 회전시키는 광학 소자이고, 1/2파장판(12)을 펄스 레이저 발진기(11)에서 발진된 펄스 레이저광(201)의 광축 둘레로 회전시키면, 편광 방향이 회전각의 2배의 각도만큼 회전한다. 여기서는, 후술하는 제1의 편광빔 스플리터(13)에 의해 분할된 제1의 분할광(202)의 광량과 제2의 분할광(203)의 광량과의 비가, 1:1이 되는 각도로 고정되어 있다.
제1의 편광빔 스플리터(13)는, 펄스 레이저광(201)의 횡편광(지면(紙面)에 평행한 방향으로 편광하고 있다) 성분을 제1의 분할광(202)으로서 투과시킴과 함께, 펄스 레이저광(201)의 종편광(지면에 수직한 방향으로 편광하고 있다) 성분을 제2의 분할광(203)으로서 광로를 광축에 대해 직각 방향으로 반사시키는 광학 소자이다.
반사경(14, 15)은, 제1의 편광빔 스플리터(13)에 의해 반사된 제2의 분할광(203)을 반사시켜서, 후술하는 제2의 편광빔 스플리터(16)에 입사되도록 배치되어 있다.
이 반사경(14, 15)은, 제1의 분할광(202)이 피측정재(100)에 조사된 때에 여기되는 초음파와, 제2의 분할광(203)이 피측정재(100)에 조사된 때에 여기되는 초음파가 일부 맞겹치도록, 제2의 분할광(203)이 분할되고 나서 피측정재(100)에 도달하기 까지의 시간을 지연시키도록 배치되어 있다. 여기서, 피측정재(100)는, 금속재로 한하지 않고, 유리, 세라믹스, 또는 경질 플라스틱 등의 비금속재라도 좋다.
제2의 편광빔 스플리터(16)는, 입사된 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)을 합성한다.
집광 렌즈(17)는, 제2의 편광빔 스플리터(16)에 의해 합성된 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)을, 피측정재(100)의 동일 위치에 집광시킨다. 이에 의해, 피측정재(100)의 표면에 플라즈마가 형성되고, 피측정재(100) 내에 초음파가 여기된다. 그리고, 여기한 초음파가, 피측정재(100) 내를 전파하여 대향하는 면에 달하면, 미소 진동으로서 나타난다. 레이저 간섭계(30)는, 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)이 피측정재(100)에 조사됨에 의해 생긴 미소 진동을 전기 신호로서 검출한다.
오실로스코프(31)는, 레이저 간섭계(30)에 의해 검출된 전기 신호에 의거하여 파형을 표시한다.
파형 해석 컴퓨터(32)는, 레이저 간섭계(30)에 의해 검출된 전기 신호에 의거하여, 피측정재(100)의 결정입경을 산출한다. 예를 들면, 파형 해석 컴퓨터(32)는, 레이저 간섭계(30)에 의해 검출된 파형으로부터, 종파(縱波) 초음파의 반복 반사 에코의 파형을 추출하고, 그것을 연속 웨이브렛 변환하여, 주파수별의 진동 파워를 얻는다. 그리고, 파형 해석 컴퓨터(32)는, 복수의 종파 에코의 진동 파워를 대수(對數)함수로 피팅하여, 주파수별의 감쇠율(α)을 얻는다. 이들의 값에 의거하여, 상술한 (식 1)에 표시하는 관계식을 이용함으로써, 결정입경을 산출한다.
도 2는, 본 발명에 관한 제1의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)에 구비된 레이저 간섭계(30)의 구성을 도시한 도면이다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 레이저 간섭계(30)는, 협선폭(狹線幅) 레이저광원(101)과, 빔 스플리터(102)와, 집광 렌즈(103, 104, 106)와, 포토리프랙티브 결정(105)과, 포토 다이오드(107)를 구비한다.
협선폭 레이저광원(101)은, 파수(波數) 안정성이 높고, 가간섭성(可干涉性)이 좋은 협선폭의 레이저광(211)을 사출하는 광원이다.
빔 스플리터(102)는, 협선폭 레이저광원(101)으로부터 사출된 레이저광(211)을 2분할하고, 한쪽을 검출광(211)으로서 집광 렌즈(103) 방향으로 투과하고, 다른쪽을 펌프광(213)으로서 굴절시켜서 포토리프랙티브 결정(105)에 입사시킨다.
집광 렌즈(103)는, 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)이 조사된 피측정재(100)의 면과 대향하는 면에, 검출광(211)을 집광한다.
집광 렌즈(104)는, 피측정재(100)에서 반사된 검출광(211)을 집광하여 포토리프랙티브 결정(105)에 입사시킨다.
포토리프랙티브 결정(105)은, 광이 조사되면, 그 명암(明暗)에 응하여 전하가 이동하고, 굴절률 변화가 유기되는 결정이다.
검출광(211)과 펌프광(213)이 포토리프랙티브 결정(105)에 입사되면, 포토리프랙티브 결정(105)에서 교차하고, 간섭 줄무늬가 생긴다. 그러면, 이 간섭 줄무늬의 명암에 응하여 포토리프랙티브 결정(105) 내에 줄무늬형상(縞狀)의 굴절률 분포가 형성된다. 이것이 회절 격자로서 작용하고, 펌프광(213)의 일부가 검출광(212)측으로 이동한다. 여기서, 피측정재(100)가 고속 진동하고, 검출광(212)의 광로가 변화하면, 검출광(212)과 굴절률 분포의 위상이 어긋나서, 펌프광(213)으로부터 검출광(212)으로 이동하는 광량이 변화한다.
포토 다이오드(107)는, 수광한 광을 전기 신호로 변환하기 때문에, 펌프광(213)으로부터 검출광(212)으로 이동한 광량의 변화, 즉, 피측정재의 고속 진동을 전기 신호로서 검출한다.
≪금속 조직 및 재질의 계측 장치의 작용≫
다음에, 본 발명에 관한 제1의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)의 작용에 관해, 도 1, 도 2를 참조하여 설명한다.
펄스 레이저 발진기(11)로부터 사출된 펄스 레이저광(201)은, 제1의 편광빔 스플리터(13)에 의해, 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)으로 분할된다. 제1의 편광빔 스플리터(13)에 의해 투과된 제1의 분할광(202)은, 제2의 편광빔 스플리터(16)도 투과하고, 피측정재(100)에 도달한다.
한편, 제1의 편광빔 스플리터(13)에 의해 반사된 제2의 분할광(203)은, 반사경(14, 15)과 제2의 편광빔 스플리터(16)에서 반사되어, 피측정재(100)에 도달한다.
이와 같이, 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)은, 펄스 레이저 발진기(11)로부터 사출되고 나서 피측정재(100)에 도달하기 까지의 광로가 다르기 때문에, 제1의 분할광(202)보다 제2의 분할광(203)이 지연되어 피측정재(100)에 도달한다.
도 3(A)는, 본 발명에 관한 제1의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)에 구비된 펄스 레이저 발진기(11)에 의해 사출된 펄스 레이저광의 한 예를 도시한 도면이고, 도 3(B)는, 본 발명에 관한 제1의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)에 의해 여기된 초음파의 한 예를 도시한 도면이다.
도 3(A)에 도시하는 바와 같이, t1시점에서, 피측정재(100)에 도달한 제1의 분할광(202)의 광강도가 최대가 되고, t3시점에서, 피측정재(100)에 도달한 제2의 분할광(203)의 광강도가 최대로 되어 있다.
그리고, 도 3(B)에 도시하는 바와 같이, t2시점에서, t1시점에 피측정재(100)에 도달한 제1의 분할광(202)에 의해 여기된 초음파의 진폭이 최대로 되어 있고, t4시점에서, t3시점에 피측정재(100)에 도달한 제2의 분할광(203)에 의해 여기된 초음파의 진폭이 최대로 되어 있다.
이와 같이, 제1의 분할광(202)보다 제2의 분할광(203)이 지연되어 피측정재(100)에 도달하기 때문에, 제1의 분할광(202)이 피측정재(100)에 조사된 때에 여기된 초음파와 제2의 분할광(203)이 피측정재(100)에 조사된 때에 여기된 초음파가 일부 맞겹친다. 이에 의해, 특정한 주파수 성분을 많이 포함하는 초음파를 여기시킬 수 있다.
여기서, 여기시키는 초음파의 주파수를 f로 한 경우, 제1의 분할광(202)과, 제2의 분할광(203)과의 피측정재(100)의 표면에의 도달 시각의 차(△t)는 (식 2)으로 표시된다.
△t=k/f (식 2)
여기서, k는 펄스 레이저광의 파형의 상승·하강 특성에 대한 보정 계수로, 0.5 내지 2 정도이다.
이 도달 시각차(△t)를 얻기 위해 필요해지는, 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)의 광로의 길이의 차(△L)는, (식 3)으로 표시된다.
△L=c0·△t (식 3)
여기서, c0는 공기중에서의 광속으로, 약 3×108m/s이다.
따라서 반사경(14, 15)을, 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)의 광로의 길이의 차가 △L이 되도록, (즉, 대강 △L/2의 위치에) 마련하면 좋다.
그런데, 상기 △t가 펄스 레이저광의 펄스 폭에 비하여 너무 길으면, 제1의 분할광(202)으로 여기되는 초음파와 제2의 분할광(203)으로 여기되는 초음파가, 맞겹치지 않고, 각각 개별적으로 전파하여, 소망하는 주파수 성분을 많이 포함하는 초음파를 여기시키는 효과를 얻을 수가 없다.
따라서 제1의 분할광(202)과, 제2의 분할광(203)의 피측정재(100) 표면에의 도달 시각의 차(△t)가, 펄스 레이저광의 펄스 폭(tP)에 대해 이하의 (식 4)을 충족시키고 있으면 좋다.
△t<a·tP (식 4)
여기서, a는 정수이고, 제1의 분할광(202)으로 여기되는 초음파와 제2의 분할광(203)으로 여기되는 초음파가 맞겹치기 위해서는, 대강 a는 5 정도면 좋다.
이와 같이, (식 2) 내지 (식 4)을 이용하여, 광로의 길이의 차(△L)를 산출하고, 반사경(14, 15)을, 광로의 길이의 차(△L)가 되도록, (즉, 대강 △L/2의 위치에) 설치함에 의해, 피측정재(100)에, 특정한 주파수 성분을 많이 포함하는 초음파를 여기시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 제1의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)에 의하면, 제1의 분할광(202)과, 그보다도 광전파 시간이 긴 광로를 경유하는 제2의 분할광(203)의 피측정재(100)의 표면에의 도달 시각의 차에 응하여, 특정한 주파수 성분을 많이 포함하는 초음파를 여기시킬 수 있기 때문에, 금속 조직 및 재질의 계측, 특히, 금속재(100)의 결정입경을 정밀도 좋게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 제1의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)에서는, 제1의 분할광이 피측정재(100)에 조사된 때에 발생하는 초음파와 제2의 분할광이 피측정재(100)에 조사된 때에 발생한 초음파가 일부 맞겹치도록, 제2의 분할광이 분할되고 나서 피측정재(100)에 도달하기 까지의 시간을 지연시키기 위한 반사경(14, 15)을 구비하는 구성으로 하였지만, 이것으로 한하지 않고, 반사경(14, 15)에 대신하여, 프리즘이나 레트로리플렉터를 구비하는 구성으로 하여도 좋다.
또한, 본 발명에 관한 제1의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)에서는, 포토리프랙티브 결정(105)을 갖는 2광파 혼합 방식의 레이저 간섭계(30)를 구비하는 구성으로 하였지만, 이것으로 한하지 않는다. 레이저 간섭계(30)는, 피측정재(100)의 조면(粗面)인 경우에도 고주파수의 진동을 측정 가능한 패브리 페로 간섭계나, 피측정재(100)의 표면이 경면 마무리인 경우에 고주파수의 진동을 측정 가능한 마이켈슨 간섭계를 구비하는 구성으로 하여도 좋다.
또한, 본 발명에 관한 제1의 실시 형태에서는, 피측정재(100)의 재질의 하나로서 결정입경을 계측하는 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)를 예로 들어 설명하였지만, 이것으로 한하지 않고, 피측정재(100)의 인장 강도, 항복 강도, 성형성, 피측정재 결정의 배향성 등을 계측하도록 하여도 좋다.
<제2의 실시 형태>
본 발명에 관한 제1의 실시 형태에서는, 2개의 빔 스플리터를 이용하여, 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)의 광로의 길이에 차를 마련하는 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)를 예로 들어 설명하였지만, 이것으로 한하지 않는다.
본 발명에 관한 제2의 실시 형태에서는, 하나의 빔 스플리터를 이용하여, 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)의 광로의 길이에 차를 마련하는 금속 조직 및 재질의 계측 장치를 예로 들어 설명한다.
도 4는, 본 발명에 관한 제2의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 본 발명에 관한 제2의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(2)는, 펄스 레이저 발진기(11)와, 1/2파장판(12)과, 편광빔 스플리터(22)와, 집광 렌즈(17)와, 반사경(18, 19)과, 1/4파장판(20, 21)과, 레이저 간섭계(30)와, 오실로스코프(31)와, 파형 해석 컴퓨터(32)를 구비하고 있다.
이들의 구성 중, 반사경(18, 19)과, 1/4파장판(20, 21)과, 편광빔 스플리터(22) 이외의 구성에 관해서는, 각각 본 발명의 실시례 1인 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)가 구비하는 각각 동일 부호가 부착된 구성과 동일하기 때문에, 설명을 생략한다.
1/4파장판(20)은, 직선편광을 원편광으로, 또한, 원편광을 직선편광으로 바꾸는 광학 소자이고, 직선편광이 1/4파장판(20)을 2회 통과하면, 편광 방향이 90도 회전하는 성질을 갖는다. 1/4파장판(21)도 1/4파장판(20)과 같은 구성을 갖는다.
반사경(18)은, 제1의 편광빔 스플리터(13)에 의해 반사되고, 1/4파장판(20)에 의해 원편광으로 변화된 제1의 분할광(202)을, 제1의 편광빔 스플리터(13) 방향으로 반사시킨다.
반사경(19)은, 제1의 편광빔 스플리터(13)에 의해 투과되고, 1/4파장판(21)에 의해 원편광으로 변화된 제2의 분할광(203)을, 제1의 편광빔 스플리터(13) 방향으로 반사시킨다.
편광빔 스플리터(22)는, 펄스 레이저광(201)의 횡편광(지면에 평행한 방향으로 편광하고 있다) 성분을 제2의 분할광(203)으로서 투과시킴과 함께, 펄스 레이저광(201)의 종편광(지면에 수직한 방향으로 편광하고 있다) 성분을 제1의 분할광(202)으로서 광로를 광축에 대해 직각 방향으로 반사시킨다. 그리고, 편광빔 스플리터(22)는, 반사경(18)에 의해 반사된 제1의 분할광(202)과 반사경(19)에 의해 반사된 제2의 분할광(203)을 합성한다.
따라서 본 발명에 관한 제2의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(2)에서는, 반사경(18, 19)이, 본 발명에 관한 제1의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)와 마찬가지로, 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)의 광로의 길이의 차가 △L이 되도록, (즉, 대강 △L/2의 위치에) 마련되어 있다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 제2의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)에 의하면, 하나의 빔 스플리터를 이용하여, 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)의 광로차를 마련하고, 이 광로차에 의해 생기는 피측정재(100)의 표면에의 도달 시각의 차에 응하여, 특정한 주파수 성분을 많이 포함하는 초음파를 여기시킬 수 있기 때문에, 금속 조직 및 재질의 계측, 특히, 금속재(100)의 재질, 특히 결정입경을 정밀도 좋게 측정할 수 있다.
<제3의 실시 형태>
본 발명에 관한 제1의 실시 형태에서는, 직선편광의 펄스 레이저광을 발진하는 펄스 레이저 발진기(11)를 구비하고, 이 직선편광의 펄스 레이저광으로부터 분할된 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)의 광로의 길이에 차를 마련하는 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)를 예로 들어 설명하였지만, 펄스 레이저광은 직선편광으로 한하지 않고, 무편광이라도 좋다.
도 5는, 본 발명에 관한 제3의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 5에 도시하는 바와 같이, 본 발명에 관한 제3의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(3)는, 펄스 레이저 발진기(24)와, 하프미러(25)와, 집광 렌즈(17, 27)와, 반사경(14, 15, 26)과, 레이저 간섭계(30)와, 오실로스코프(31)와, 파형 해석 컴퓨터(32)를 구비하고 있다.
이들의 구성 중, 펄스 레이저 발진기(24)와, 하프미러(25)와, 반사경(26)과, 집광 렌즈(27) 이외의 구성에 관해서는, 각각 본 발명의 실시례 1인 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)가 구비하는 각각 동일 부호가 부착된 구성과 동일하기 때문에, 설명을 생략한다.
펄스 레이저 발진기(24)는, 펄스 폭 수나노초 내지 10수나노초 정도의 무편광의 레이저광인 펄스 레이저광(201)을 발진한다.
하프미러(25)는, 펄스 레이저 발진기(24)에 의해 발진된 펄스 레이저광(201)을 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)으로 분할하는 반사경이다.
도 6(A), (B)는, 본 발명에 관한 제3의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(3)에 구비된 하프미러(25)의 한 예를 도시한 도면이다.
도 6(A)에 도시하는 바와 같이, 하프미러(25)는, 펄스 레이저 발진기(24)에 의해 발진된 펄스 레이저광(201)을 투과시키는 광투과판(301)에, 펄스 레이저광(201)을 반사시키는 반사부재(302)가 마련되어 있다. 광투과판(301)의 총 면적과 반사부재(302)의 총 면적은, 1:1이 되도록 반사부재(302)가 제작되어 있다.
또한, 하프미러(25)는, 도 6(B)에 도시하는 바와 같이 구성되어도 좋다.
도 6(B)에 도시한 예에서는, 하프미러(25)는, 펄스 레이저 발진기(24)에 의해 발진된 펄스 레이저광(201)을 반사시키는 반사경(303)에 복수의 구멍(304)이 마련되어 있다. 여기서, 반사경(303)의 총 면적과 구멍(304)의 총 면적은, 1:1이 되도록 구멍(304)이 마련되어 있다.
반사경(26)은, 반사경(15)에 의해 반사된 제2의 분할광(203)을 집광 렌즈(27) 방향으로 반사시킨다.
집광 렌즈(27)는, 반사경(26)에 의해 반사된 제2의 분할광(203)을 피측정재(100) 표면의 제1의 분할광(202)이 집광된 점과 개략 동일점에 조사되도록 집광한다.
따라서 본 발명에 관한 제3의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(3)에서는, 반사경(14, 15, 26)이, 본 발명에 관한 제1의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)와 마찬가지로, 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)의 광로의 길이의 차가 △L이 되도록, (즉, 대강 △L/2의 위치에) 마련되어 있다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 제3의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(3)에 의하면, 피측정재(100)에 조사하는 펄스 레이저광이 무편광인 경우에도, 제1의 분할광(202)과, 그보다도 광전파 시간이 긴 광로를 경유하는 제2의 분할광(203)의 피측정재(100)의 표면에의 도달 시각의 차에 응하여, 특정한 주파수 성분을 많이 포함하는 초음파를 여기시킬 수 있기 때문에, 금속 조직 및 재질의 계측, 특히, 금속재(100)의 재질, 특히 결정입경을 정밀도 좋게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 제3의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(3)에서는, 하프미러(25)를 구비하는 구성으로 하였지만, 하프미러(25) 대신에 무편광의 레이저광을 분할하는 무편광 빔 스플리터를 구비하는 구성으로 하여도 좋다.
<제4의 실시 형태>
본 발명에 관한 제1의 실시 형태에서는, 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)이 조사된 피측정재(100)의 표면과 대향하는 면에 레이저광(211)을 조사하고, 피측정재(100)로부터 반사된 레이저광(211)을 기준광과 간섭시켜서 생기는 광량 변화에 의거하여, 상기 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)에 의해 여기되고, 피측정재의 내부를 전파한 초음파를 검출하는 레이저 간섭계(30)를 구비하는 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)를 예로 들어 설명하였지만, 이것으로 한하지 않는다.
본 발명에 관한 제4의 실시 형태에서는, 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)이 조사된 피측정재(100)의 동일면에 레이저광(211)을 조사하고, 피측정재(100)로부터 반사된 레이저광(211)을 기준광과 간섭시켜서 생기는 광량 변화에 의거하여, 상기 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)에 의해 여기되고, 피측정재의 내부를 전파한 초음파를 검출하는 레이저 간섭계를 구비한 금속 조직 및 재질의 계측 장치(4)를 예로 들어 설명한다.
도 7은, 본 발명에 관한 제4의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 7에 도시하는 바와 같이, 본 발명에 관한 제4의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(4)는, 펄스 레이저 발진기(11)와, 1/2파장판(12)과, 제1의 편광빔 스플리터(13)와, 반사경(14, 15)과, 제2의 편광빔 스플리터(16)와, 집광 렌즈(17)와, 레이저 간섭계(33)와, 오실로스코프(31)와, 파형 해석 컴퓨터(32)를 구비하고 있다.
이들의 구성 중, 레이저 간섭계(33) 이외의 구성에 관해서는, 각각 본 발명의 실시례 1인 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)가 구비하는 각각 동일 부호가 부착된 구성과 동일하기 때문에, 설명을 생략한다.
도 8은, 본 발명에 관한 제4의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(4)에 구비된 레이저 간섭계(33)의 구성을 도시한 도면이다.
도 8에 도시하는 바와 같이, 레이저 간섭계(30)는, 협선폭 레이저광원(101)과, 빔 스플리터(102)와, 집광 렌즈(103, 104, 106)와, 포토리프랙티브 결정(105)과, 포토 다이오드(107)와, 파장 선택 필터(108)를 구비한다. 이들의 구성 중, 파장 선택 필터(108) 이외의 구성에 관해서는, 각각 본 발명의 실시례 1인 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)의 레이저 간섭계(30)가 구비한 각각 동일 부호가 부착된 구성과 동일하기 때문에, 설명을 생략한다.
도 8에 도시하는 바와 같이, 레이저 간섭계(33)에서는, 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)이 조사된 피측정재(100)의 표면에, 레이저광(211)으로부터 분할된 검출광(211)을 조사시키고, 피측정재(100)의 표면에서 반사된 검출광(211)을 집광하여 포토리프랙티브 결정(105)에 입사시킨다.
이 때, 피측정재(100)의 표면에서 반사한 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)이 포토리프랙티브 결정(105)에 입사하지 않도록, 검출광(211)의 광로상에 파장 선택 필터(108)가 마련되어 있다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 제4의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(4)에 의하면, 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)이 조사된 피측정재(100)의 표면에 레이저광(211)을 조사함에 의해, 피측정재(100)로부터 반사된 레이저광(211)을 기준광과 간섭시켜서 생기는 광량 변화에 의거하여, 상기 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)에 의해 여기되고, 피측정재(100)의 내부를 전파한 초음파를 검출할 수 있다.
<제5의 실시 형태>
본 발명에 관한 제1의 실시 형태에서는, 제1의 분할광(202)으로 여기되는 초음파와 제2의 분할광(203)으로 여기되는 초음파가 맞겹치도록, 반사경(14, 15)이 고정된 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)를 예로 들어 설명하였지만, 반사경(14, 15)을 가동식으로 하여도 좋다.
본 발명에 관한 제5의 실시 형태에서는, 제1의 분할광(202)으로 여기되는 초음파와 제2의 분할광(203)으로 여기되는 초음파가 맞겹치도록, 가동식의 반사경(14, 15)이 마련된 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)를 예로 들어 설명한다.
도 9는, 본 발명에 관한 제5의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 9에 도시하는 바와 같이, 본 발명에 관한 제5의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(5)는, 펄스 레이저 발진기(11)와, 1/2파장판(12)과, 제1의 편광빔 스플리터(13)와, 반사경(14, 15)과, 제2의 편광빔 스플리터(16)와, 집광 렌즈(17)와, 레이저 간섭계(33)와, 오실로스코프(31)와, 파형 해석 컴퓨터(32)와, 광로 길이 연산부(41)와, 구동부(42)와, 모터(43)와, 회전축(44)과, 반사경 몸체(45)를 구비하고 있다.
이들의 구성 중, 광로 길이 연산부(41)와, 구동부(42)와, 모터(43)와, 회전축(44)과, 반사경 몸체(45) 이외의 구성에 관해서는, 각각 본 발명의 실시례 1인 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)가 구비하는 각각 동일 부호가 부착된 구성과 동일하기 때문에, 설명을 생략한다. 여기서, 광로 길이 연산부(41)와, 구동부(42)와, 모터(43)와, 회전축(44)과, 반사경 몸체(45)를, 광로 길이 변경부라고 한다.
광로 길이 연산부(41)는, 이용자의 조작에 의거하여, 여기되는 초음파의 주파수가 입력되면, 입력된 주파수의 초음파가 여기하는 제2의 분할광(203)의 광로 길이를 산출한다.
구동부(42)는, 광로 길이 연산부(41)에 의해 산출된 제2의 분할광(203)의 광로 길이로 하기 위한 구동 신호를 생성한다.
모터(43)는, 구동부(42)에 의해 생성된 구동 신호에 의거하여, 회전축(44)을 회전시킴에 의해, 반사경(14, 15)을 내부에 구비한 반사경 몸체(45)를 X1 또는 X2 방향으로 이동시킨다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 제5의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(5)에 의하면, 제1의 분할광과, 그보다도 광전파 시간이 긴 광로를 경유하는 제2의 분할광의 피측정재(100) 표면에의 도달 시각의 차를, 가변으로 함으로써, 계측 내용에 응하여 필요하게 되는 특정한 주파수 성분을 많이 포함하는 초음파를 여기시킬 수 있다. 따라서 계측 내용에 응하여, 계측에 이용하는 초음파의 주파수 성분을 적정하게 변경할 수가 있어서, 금속 조직 및 재질의 계측, 특히, 금속재(100)의 결정입경을 정밀도 좋게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 제5의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(5)에서는, 모터의 구동에 의해 반사경 몸체(45)를 X1 또는 X2 방향으로 이동시켰지만, 이것으로 한하지 않고, 유압 또는 공기압에 의해 실린더를 이용하여 반사경 몸체(45)를 X1 또는 X2 방향으로 이동시키도록 하여도 좋다.
<제6의 실시 형태>
본 발명에 관한 제1의 실시 형태에서는, 제1의 분할광(202)으로 여기되는 초음파와 제2의 분할광(203)으로 여기되는 초음파가 맞겹치도록, 반사경(14, 15)이 마련된 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)를 예로 들어 설명하였지만, 보다 짧은 광로로 제2의 분할광의 피측정재(100) 도달 시간을 지연시키기 위해, 제2의 분할광의 광로상에 고굴절률재를 구비하도록 하여도 좋다.
본 발명에 관한 제6의 실시 형태에서는, 제2의 분할광의 광로상에 고굴절률재를 구비한 금속 조직 및 재질의 계측 장치를 예로 들어 설명한다.
도 10은, 본 발명에 관한 제6의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 10에 도시하는 바와 같이, 본 발명에 관한 제6의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(6)는, 펄스 레이저 발진기(11)와, 1/2파장판(12)과, 제1의 편광빔 스플리터(13)와, 반사경(14, 15)과, 제2의 편광빔 스플리터(16)와, 집광 렌즈(17)와, 레이저 간섭계(30)와, 오실로스코프(31)와, 파형 해석 컴퓨터(32)와, 고굴절률재(51, 52)를 구비하고 있다.
이들의 구성 중, 고굴절률재(51, 52) 이외의 구성에 관해서는, 각각 본 발명의 실시례 1인 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)가 구비하는 각각 동일 부호가 부착된 구성과 동일하기 때문에, 설명을 생략한다.
고굴절률재(51)는, 제1의 편광빔 스플리터(13)와 반사경(14)과의 사이의 제2의 분할광(203)의 광로상에 마련되고, 고굴절률재(52)는, 반사경(15)과 제2의 편광빔 스플리터(16)와의 사이의 제2의 분할광(203)의 광로상에 마련되어 있다.
고굴절률재(51, 52)는, 제2의 분할광(203)의 광로를 단축하기 위해, 공기보다 굴절률이 높은 매질에 의해 형성되어 있다.
여기서, 공기보다 굴절률이 높은 매질, 즉 고굴절률재(51, 52)중의 광속(c1)은 공기중보다 늦어지고, (식 5)으로 표시된다.
c1=c0/n (식 5)
n는, 고굴절률재(51, 52)의 굴절률이다. 따라서 본 발명에 관한 제6의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(6)에서의 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)의 광로의 길이의 차(△L')는, (식 6)으로 표시된다.
△L'=c1·△t=c0·△t/n (식 6)
이에 의해, 예를 들면, 고굴절률재(51, 52)가, 굴절률(n)이 1.45인 석영 유리에 의해 형성되어 있는 경우, 제2의 분할광(203)의 광로 길이를 대강 31% 단축할 수 있다.
또한, 고굴절률재(51, 52)의 제2의 분할광(203)의 입사면과 출사면에는, 반사 방지막(AR 코트)을 시행하여, 이들의 면에서의 반사에 의한 광량 로스를 억제하는 것이 바람직하다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 제6의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(6)에 의하면, 제2의 분할광(203)의 광로상에 고굴절률재를 구비하도록 하였기 때문에, 장치의 설치 스페이스의 제약 등에 의해, 고굴절률재를 이용하지 않는 경우에 있어서의 제2의 분할광(203)의 광로의 길이를 충분히 확보할 수가 없는 경우에도, 제1의 분할광(202)과, 그보다도 광전파 시간이 긴 광로를 경유하는 제2의 분할광(203)의 피측정재(100)의 표면에의 도달 시각의 차에 응하여, 특정한 주파수 성분을 많이 포함하는 초음파를 여기시킬 수 있기 때문에, 금속 조직 및 재질의 계측, 특히, 금속재의 결정입경을 정밀도 좋게 측정할 수 있다.
<제7의 실시 형태>
본 발명에 관한 제3의 실시 형태에서는, 무편광의 펄스 레이저광을 발진하는 펄스 레이저 발진기(24)를 구비하고, 이 펄스 레이저광으로부터 분할된 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)의 광로의 길이에 차를 마련하는 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)를 예로 들어 설명하였다.
본 발명에 관한 제7의 실시 형태에서는, 무편광의 펄스 레이저광을 발진하는 펄스 레이저 발진기(24)를 구비하고, 이 무편광의 펄스 레이저광으로부터 분할된 제1의 분할광(202)과 제2의 분할광(203)과 제3의 분할광의 광로의 길이에 차를 마련하는 금속 조직 및 재질의 계측 장치(1)를 예로 들어 설명한다.
도 11은, 본 발명에 관한 제7의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 11에 도시하는 바와 같이, 본 발명에 관한 제7의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(7)는, 펄스 레이저 발진기(24)와, 집광 렌즈(17, 27, 64)와, 반사경(14, 15, 26, 62, 63)과, 무편광 빔 스플리터(60, 61)와, 레이저 간섭계(30)와, 오실로스코프(31)와, 파형 해석 컴퓨터(32)를 구비하고 있다.
이들의 구성 중, 집광 렌즈(64)와, 반사경(62, 63)과, 무편광 빔 스플리터(60, 61) 이외의 구성에 관해서는, 각각 본 발명의 실시례 3인 금속 조직 및 재질의 계측 장치(3)가 구비한 각각 동일 부호가 부착된 구성과 동일하기 때문에, 설명을 생략한다.
무편광 빔 스플리터(60)는, 펄스 레이저 발진기(24)로부터 발진된 펄스 레이저광(201)을 제1의 분할광(202)을 투과시키고, 제4의 분할광(205)을 무편광 빔 스플리터(61) 방향으로 반사시킨다. 여기서, 무편광 빔 스플리터(60)는, 제1의 분할광(202)의 광량과 제4의 분할광(205)의 광량과의 비가 1:2가 되도록 제작되어 있다.
무편광 빔 스플리터(61)는, 무편광 빔 스플리터(60)에 의해 분할된 제4의 분할광(205)을 분할하여, 제2의 분할광(203)으로서 반사경(62) 방향으로 반사시킴과 함께, 제3의 분할광(204)으로서 투과시킨다. 여기서, 무편광 빔 스플리터(61), 제2의 분할광(203)의 광량과 제3의 분할광(204)의 광량과의 비가 1:1이 되도록 제작되어 있다.
반사경(62, 63)은, 무편광 빔 스플리터(61)에 의해 분할된 제2의 분할광(203)을 집광 렌즈(64)의 방향으로 반사시킨다.
집광 렌즈(64)는, 반사경(62, 63)에 의해 반사된 제2의 분할광(203)을, 피측정재(100) 표면의 제1의 분할광(202)이 집광되는 점과 개략 동일점에 조사되도록 집광한다.
그리고, 무편광 빔 스플리터(60, 61)와, 반사경(26, 62, 63)과, 집광 렌즈(64)는, 제2의 분할광(203)의 광로가, 제1의 분할광(202)이 피측정재(100)에 조사된 때에 여기되는 초음파와 제2의 분할광(203)이 피측정재(100)에 조사된 때에 여기되는 초음파가 일부 맞겹치는 광로가 되도록 배치되어 있다.
또한, 무편광 빔 스플리터(60, 61)와, 반사경(14, 15, 26)과, 집광 렌즈(27)는, 제3의 분할광(204)의 광로가, 제2의 분할광(203)이 피측정재(100)에 조사된 때에 여기되는 초음파와 제3의 분할광(204)이 피측정재(100)에 조사된 때에 여기되는 초음파가 일부 맞겹치는 광로가 되도록 배치되어 있다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 제7의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(7)에 의하면, 발진된 펄스 레이저광 중, 제1의 분할광(202)과, 그보다도 광전파 시간이 긴 광로를 경유하는 제2의 분할광(203)의 피측정재(100) 표면에의 도달 시각의 차가, 제2의 분할광(203)과, 그보다도 광전파 시간이 긴 광로를 경유하는 제3의 분할광(204)의 피측정재(100) 표면에의 도달 시각의 차와 다르도록 함에 의해, 1회의 펄스 레이저광의 조사로 주파수 성분이 다른 2종류의 초음파를 여기시킬 수 있고, 금속 조직 및 재질의 계측, 특히, 금속재의 결정입경을 정밀도 좋게 측정할 수 있다.
도 12(A)는, 본 발명에 관한 제7의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(7)에 구비된 펄스 레이저 발진기(24)에 의해 사출된 펄스 레이저광의 한 예를 도시한 도면이고, 도 12(B)는, 본 발명에 관한 제7의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(7)에 의해 여기된 초음파의 한 예를 도시한 도면이다.
도 12(A)에 도시하는 바와 같이, t11시점에서, 피측정재(100)에 도달한 제1의 분할광(202)의 광강도가 최대가 되고, t13시점에서, 피측정재(100)에 도달한 제2의 분할광(203)의 광강도가 최대가 되고, t15시점에서, 피측정재(100)에 도달한 제3의 분할광(204)의 광강도가 최대로 되어 있다.
그리고, 도 12(B)에 도시하는 바와 같이, t12시점에서, t11시점에서 피측정재(100)에 도달한 제1의 분할광(202)에 의해 여기된 초음파의 진폭이 최대가 되고, t14시점에서, t13시점에서 피측정재(100)에 도달한 제2의 분할광(203)에 의해 여기된 초음파의 진폭이 최대가 되고, t16시점에서, t15시점에서 피측정재(100)에 도달한 제3의 분할광(204)에 의해 여기된 초음파의 진폭이 최대로 되어 있다.
이와 같이, 제1의 분할광(202)보다 제2의 분할광(203)이 지연되어 피측정재(100)에 도달하기 때문에, 제1의 분할광(202)이 피측정재(100)에 조사된 때에 여기된 초음파와 제2의 분할광(203)이 피측정재(100)에 조사된 때에 여기된 초음파가 일부 맞겹친다.
또한, 제2의 분할광(203)보다 제3의 분할광(204)이 지연되어 피측정재(100)에 도달하기 때문에, 제2의 분할광(203)이 피측정재(100)에 조사된 때에 여기된 초음파와 제3의 분할광(204)이 피측정재(100)에 조사된 때에 여기되는 초음파가 일부 맞겹친다.
이에 의해, 1회의 펄스 레이저광의 조사로 주파수 성분이 다른 2종류의 초음파를 여기시킬 수가 있어서, 금속 조직 및 재질의 계측, 특히, 금속재의 결정입경을 정밀도 좋게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 제7의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(7)는, 본 발명에 관한 제6의 실시 형태의 금속 조직 및 재질의 계측 장치(6)와 마찬가지로, 제2의 분할광(203)의 광로상 및 제3의 분할광(204)의 광로상에, 고굴절률재를 구비하도록 하여도 좋다.
산업상의 이용의 가능성
본 발명은, 열간압연 설비에 있어서, 피압연재의 재질 계측에 적용할 수 있다.
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 : 금속 조직 및 재질의 계측 장치
11, 24 : 펄스 레이저 발진기
12 : 1/2파장판
13 : 제1의 편광빔 스플리터
14, 15, 18, 19, 26, 62, 63 : 반사경
16 : 제2의 편광빔 스플리터
17, 27, 64 : 집광 렌즈
20, 21 : 1/4파장판
22 : 편광빔 스플리터
25 : 하프미러
30, 33 : 레이저 간섭계
31 : 오실로스코프
32 : 파형 해석 컴퓨터
41 : 광로 길이 연산부
42 : 구동부
43 : 모터
44 : 회전축
45 : 반사경 몸체
51, 52 : 고굴절률재
60, 61 : 무편광 빔 스플리터
61 : 무편광 빔 스플리터
100 : 피측정재
101 : 협선폭 레이저광원
102 : 빔 스플리터
103, 104, 106 : 집광 렌즈
105 : 포토리프랙티브 결정
107 : 포토 다이오드
108 : 파장 선택 필터

Claims (5)

  1. 제1의 레이저광을 발진하는 펄스 레이저 발진기와,
    상기 발진된 제1의 레이저광을 복수의 분할광으로 분할하는 광분할부와,
    상기 광분할부에 의해 분할된 분할광을 각각 전파시키고, 그 광전파 시간이 다른 복수의 광로와,
    상기 복수의 광로를 각각 전파한 복수의 분할광을 피측정재의 동일 위치에 겹쳐서 조사하는 집광부와, 상기 피측정재에 제2의 레이저광을 조사하고, 상기 피측정재로부터 반사 및 산란된 제2의 레이저광을 기준광과 간섭시켜서 생기는 광량 변화에 의거하여, 상기 복수의 분할광에 의해 여기된 복수의 초음파가 일부 겹쳐 맞아 얻어지는 초음파를, 피측정재의 내부를 전파한 후에 검출하는 레이저 간섭계부와,
    상기 레이저 간섭계부에 의해 검출된 초음파의 주파수에 의한 감쇠의 다름에 의거하여, 상기 피측정재의 금속 조직 및 재질을 산출하는 파형 해석부를 구비하고,
    상기 복수의 분할광 중, 먼저 상기 피측정재에 도달한 분할광과 다음에 상기 피측정재에 도달한 분할광에 있어서, 상기 피측정재로의 광전반 시간의 차를 Δt로 하고, 상기 제1의 레이저광의 펄스폭을 tp로하며, 먼저 상기 피측정재에 도달한 분할광과 다음에 상기 피측정재에 도달한 분할광 각각에 의해 여기된 초음파가 일부 겹쳐 맞도록 정해진 정수를 a로 하면,
    Δt<a·tp
    를 만족하는 것을 특징으로 하는 금속 조직 및 재질의 계측 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광로 중, 적어도 하나의 광로의 길이의 차를 변경하는 광로 길이 변경부를 또한 구비한 것을 특징으로 하는 금속 조직 및 재질의 계측 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광로 중, 적어도 하나의 광로상에 고굴절률재를 구비한 것을 특징으로 하는 금속 조직 및 재질의 계측 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광로 중, 제1의 광로와 그보다도 광전파 시간이 긴 제2의 광로와의 길이의 차가, 제2의 광로와 그보다도 광전파 시간이 긴 제3의 광로와의 길이의 차와 다른 것을 특징으로 하는 금속 조직 및 재질의 계측 장치.
  5. 제1의 레이저광을 복수의 분할광으로 분할하고,
    상기 분할광을 각각 광전파 시간이 다른 복수의 광로를 전파시키고,
    상기 복수의 광로를 각각 전파한 복수의 분할광을 피측정재의 동일 위치에 조사하고,
    상기 피측정재에 제2의 레이저광을 조사하고,
    상기 피측정재로부터 반사 및 산란된 제2의 레이저광을 기준광과 간섭시켜서 생기는 광량 변화에 의거하여, 상기 복수의 분할광에 의해 여기된 복수의 초음파가 일부 겹쳐 맞아 얻어지는 초음파를, 피측정재의 내부를 전파한 후에 검출하며,
    상기 검출된 초음파의 주파수에 의한 감쇠의 다름에 의거하여, 상기 피측정재의 금속 조직 및 재질을 산출하고,
    상기 복수의 분할광 중, 먼저 상기 피측정재에 도달한 분할광과 다음에 상기 피측정재에 도달한 분할광에 있어서, 상기 피측정재로의 광전반 시간의 차를 Δt로 하고, 상기 제1의 레이저광의 펄스폭을 tp로하며, 먼저 상기 피측정재에 도달한 분할광과 다음에 상기 피측정재에 도달한 분할광 각각에 의해 여기된 초음파가 일부 겹쳐 맞도록 정해진 정수를 a로 하면,
    Δt<a·tp
    를 만족하는 것을 특징으로 하는 금속 조직 및 재질의 계측 방법.
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