WO2019193788A1 - 振動計測装置 - Google Patents

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WO2019193788A1
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vibration
speckle
laser light
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貴秀 畠堀
侑也 長田
田窪　健二
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株式会社島津製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a vibration measuring apparatus that can be used for detecting defects in objects such as concrete and steel structures.
  • the laser ultrasonic method One of the techniques for detecting defects on the surface and inside of objects such as concrete and steel structures is the laser ultrasonic method.
  • the surface displacement is measured by exciting vibration of an elastic wave in an object to be inspected, irradiating the object to be inspected with laser light, and detecting reflected light with a laser interferometer. Since the displacement due to vibration changes discontinuously at the location of the defect, the defect can be detected by measuring the distribution of displacement.
  • the detection laser (probe laser) of the laser interferometer is dot-like, it is necessary to scan over the entire inspection region of the object to be inspected, and there is a problem that it takes time.
  • speckle interferometry laser light from a laser light source is split into illumination light and reference light, and the illumination light is used to stroboscopically illuminate the inspection area.
  • the interference pattern by the light reflected by the reference light and the reference light is obtained.
  • Speckle-sharing interferometry uses laser light from a laser light source (does not split reference light) to stroboscopically illuminate the inspection area and reflect it from two adjacent points on the surface of the inspected object in the inspection area. The interference pattern by the incoming light is obtained.
  • Patent Document 1 in a defect detection apparatus using speckle interferometry or speckle shearing interferometry, a continuous wave of elastic waves is excited from an excitation source to an object to be inspected. Interference pattern images are captured by stroboscopic illumination from a pulse laser source in at least three different phases, and the displacement of each point (speckle interferometry) or the relative displacement between two adjacent points (speckle sharing) Measuring interferometry).
  • speckle interferometry speckle interferometry
  • speckle sharing speckle sharing
  • a direct modulation method for controlling the laser drive current There is an external modulation system that combines a continuous wave laser and a modulator. Although the external modulation method can be applied regardless of the type of laser, the direct modulation method is more preferable in terms of downsizing of the apparatus. In particular, the direct modulation method using a semiconductor laser has an advantage of low cost. However, when a general semiconductor laser is used, there may occur an event that an interference image cannot be obtained if the surface of the inspection region has large irregularities.
  • defect detection has been described as an example, but in addition to the case of detecting a defect, for example, as in the internal structure analysis of an object, vibration caused by an elastic wave excited on an object to be inspected is subjected to speckle interferometry or speckle Similar problems arise when measuring using sharing interferometry.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a vibration measuring apparatus capable of obtaining an interference image more reliably and measuring vibration even when inspecting an inspection object having a large surface unevenness using a semiconductor laser. Is to provide.
  • the vibration measuring apparatus which has been made to solve the above problems, An excitation unit that excites an elastic wave to the object to be inspected; An illumination unit that stroboscopically illuminates the measurement area of the surface of the object to be inspected using a wavelength-stabilized laser light source; A displacement measuring unit that collectively measures the displacement in the front-rear direction of each point in the measurement region by speckle interferometry or speckle-sharing interferometry.
  • the speckle interferometry method uses the optical path difference between the illumination light and the reference light, and the speckle-sharing interferometry method uses an object to be inspected in the measurement area (corresponding to the inspection area in the defect inspection described above). It is necessary to make the optical path difference of light reflected from two adjacent points on the surface shorter than the coherent distance over the entire measurement region.
  • the optical path difference becomes longer than the coherence distance in a part of the measurement area, and an interference image is formed in the entire measurement area. I can't get it.
  • the vibration measuring apparatus by using a wavelength-stabilized laser light source as the light source of the illumination unit, it is possible to prevent the oscillation wavelength from changing during lighting, thereby preventing the coherence distance from being shortened. Can do. Thereby, since an interference image can be obtained over the whole measurement area
  • wavelength-stabilized laser light sources can be used.
  • an oscillation laser beam generated by a semiconductor laser is introduced into a grating provided outside the semiconductor laser (where it is not easily affected by temperature changes), and the wavelength is narrower than the wavelength band of the oscillation laser beam from the semiconductor laser.
  • a laser beam that selectively emits a laser beam having a wavelength in the narrow wavelength band by repeatedly returning (feedback) the band light to the semiconductor laser by the grating is used (see, for example, Patent Document 2). be able to.
  • a mechanism for controlling the temperature of the semiconductor laser and a mechanism for detecting the wavelength of the oscillation laser light generated by the semiconductor laser are provided, and the temperature of the semiconductor laser is controlled in accordance with the wavelength deviation of the oscillation laser light from a predetermined wavelength. It is also possible to use a wavelength stabilized laser light source (see, for example, Patent Document 3).
  • the longitudinal displacement of each point in the area changes discontinuously at the position of the defect. Accordingly, by measuring the displacement in the front-rear direction of each point in the measurement region using the vibration measuring apparatus according to the present invention, a defect in the measurement region can be detected.
  • phase shift method that changes the phase of light from two points into at least three different states can be used. Specifically, light from one of the two points is passed through a phase shifter, and the shift amount by the phase shifter is set to at least three different values. Of course, both the light from two points may be passed through the phase shifter to relatively change the phases of the two. As described above, the relative displacement between two adjacent points is measured in at least three different phases of the elastic wave in the entire measurement region.
  • the displacement measuring unit controls each phase in the measurement region in at least three different phases of the elastic wave by controlling the phase of the elastic wave and the timing of the strobe illumination. It is desirable to measure the displacement in the front-rear direction.
  • the displacement measuring unit has a number of phase states in the at least three phases of (2n + 1) or more, where n is a natural number of 2 or more, It is desirable to detect the nth harmonic component of the elastic wave from the longitudinal displacement of each point in the measurement region. If there is a minute defect in the object to be inspected, the discontinuous change occurring at that location may contain a lot of harmonic components. Therefore, by detecting the harmonic component in this way, The detection sensitivity for defects can be increased.
  • an interference image can be obtained more reliably and vibration can be measured even when an inspection object having a large surface irregularity is inspected using a semiconductor laser.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a vibration measuring apparatus according to the present invention.
  • the flowchart which shows an example of the defect detection method using the vibration measuring device of this embodiment.
  • the vibration measuring apparatus 10 of the present embodiment functions as a defect detection apparatus that detects a defect D (see FIG. 1) present on the surface of the inspection object S.
  • the vibration measuring apparatus 10 includes a signal generator 11, a vibrator 12, a wavelength stabilized laser light source 13, an illumination light lens 14, a speckle / sharing interferometer 15, a control unit 16, and a storage unit. 17.
  • the signal generator 11 is connected to the vibrator 12 with a cable, and generates an AC electric signal and transmits it to the vibrator 12.
  • the vibrator 12 is used in contact with the object S to be inspected, receives an AC electric signal from the signal generator 11 and converts it into mechanical vibration, and applies the mechanical vibration to the object S to be inspected. Thereby, an elastic wave is excited in the inspected object S.
  • the signal generator 11 and the vibrator 12 correspond to the above-described excitation unit.
  • the signal generator 11 is also connected to the wavelength-stabilized laser light source 13 by a cable different from the cable connected to the vibrator 12, and the wavelength-stabilized laser at the timing when the AC electric signal has a predetermined phase.
  • a pulsed electric signal (pulse signal) is transmitted to the light source 13.
  • the wavelength-stabilized laser light source 13 uses a grating provided outside the semiconductor laser to oscillate laser light generated by the semiconductor laser, and a wavelength band narrower than the wavelength band of the oscillation laser light.
  • a laser beam that emits laser light with a stable oscillation wavelength is used by performing feedback to selectively return the light to the semiconductor laser.
  • VHG volume holographic grating
  • the use of a volume holographic grating (VHG) produced by transferring a light interference pattern onto a medium such as silica glass or silicate glass as the grating enables high wavelength stability and high efficiency. Interference (coherence distance is 1m or more) can be obtained.
  • the illumination light lens 14 is disposed between the wavelength-stabilized laser light source 13 and the object S to be inspected, and is composed of a concave lens.
  • the illumination light lens 14 has a role of spreading the pulsed laser light from the wavelength stabilized laser light source 13 over the entire measurement region on the surface of the object S to be inspected.
  • These wavelength-stabilized laser light source 13 and illumination light lens 14 stroboscopically illuminate the measurement region on the surface of the object S to be inspected, and correspond to the above-described illumination unit.
  • the speckle / sharing interferometer 15 corresponds to the above-described displacement measuring unit, and includes a beam splitter 151, a first reflecting mirror 1521, a second reflecting mirror 1522, a phase shifter 153, a condensing lens 154, and an image sensor 155.
  • the beam splitter 151 is a half mirror disposed at a position where illumination light reflected by the measurement region on the surface of the inspection object S is incident.
  • the first reflecting mirror 1521 is disposed on the optical path of the illumination light reflected by the beam splitter 151, and the second reflecting mirror 1522 is disposed on the optical path of the illumination light transmitted through the beam splitter 151.
  • the phase shifter 153 is disposed between the beam splitter 151 and the first reflecting mirror 1521, and changes (shifts) the phase of light passing through the phase shifter 153.
  • the image sensor 155 is reflected by the beam splitter 151 and then reflected by the first reflecting mirror 1521 and transmitted through the beam splitter 151. After passing through the beam splitter 151, the image sensor 155 is reflected by the second reflecting mirror 1522 and reflected by the beam splitter. It is arranged on the optical path of the illumination light reflected at 151.
  • the condenser lens 154 is disposed between the beam splitter 151 and the image sensor 155.
  • the first reflecting mirror 1521 is arranged so that its reflecting surface is at an angle of 45 ° with respect to the reflecting surface of the beam splitter 151.
  • the second reflecting mirror 1522 is arranged such that its reflecting surface is slightly inclined with respect to the reflecting surface of the beam splitter 151 from 45 °.
  • the image sensor 155 has a large number of detection elements, and light incident on the image sensor 155 from a large number of points on the surface of the inspection object S through the first reflecting mirror 1521 and the phase shifter 153 is detected by different detection elements. To detect.
  • the image sensor 155 is irradiated with a certain point A on the surface of the object S to be inspected and the first reflecting mirror 1521.
  • the light (dotted line in FIG. 1), the point B at a position slightly shifted from the point A on the surface, and the irradiation light (the broken line) reflected by the second reflecting mirror 1522 are reflected by the image sensor 155. It enters the same position and interferes.
  • the coherence distance becomes shorter than this optical path difference, and there is a possibility that these two irradiation lights do not interfere with each other.
  • the wavelength stabilized laser light source 13 it is possible to prevent the coherence distance from being shortened and thereby cause the two irradiation lights to interfere with each other.
  • the control unit 16 controls the signal generator 11 and performs data processing based on detection signals obtained from the detection elements of the image sensor 155.
  • the storage unit 17 stores detection signals obtained from the respective detection elements of the image sensor 155 and data processed by the control unit 16.
  • measurement of the surface displacement is performed m max ⁇ 3 times with different phases of vibration of the vibrator 12.
  • “Vibration phase of the vibrator 12” is the phase of an AC electrical signal transmitted from the signal generator 11 to the vibrator 12, and the point of contact of the vibrator 12 with the elastic wave excited by the object S to be inspected. This corresponds to the phase at.
  • the initial value of k is set to 1 (step S1), and an AC electrical signal is transmitted from the signal generator 11 to the vibrator 12 to start applying vibration from the vibrator 12 to the object S to be inspected. (Step S2). As a result, an elastic wave is excited in the inspection object S.
  • the wavelength-stabilized laser light source 13 receives a pulse signal, it repeatedly emits illumination light, which is pulsed laser light, at a stable wavelength by feedback using the aforementioned grating.
  • the illumination light is expanded in diameter by the illumination light lens 14 and irradiated to the entire measurement region on the surface of the object S to be inspected (step S3).
  • the illumination light is reflected by the surface of the inspection object S and enters the beam splitter 151 of the speckle shearing interferometer 15. Part of the illumination light is reflected by the beam splitter 151, passes through the phase shifter 153, then is reflected by the first reflecting mirror 1521, passes through the phase shifter 153 again, and then partly passes through the beam splitter 151, so that the image sensor 155 is incident. Further, the remainder of the illumination light incident on the beam splitter 151 passes through the beam splitter 151 and is reflected by the second reflecting mirror 1522, and part of the illumination light is reflected by the beam splitter 151 and enters the image sensor 155. As described above, the image sensor 155 detects the irradiation light reflected at a large number of points on the surface of the inspection object S using different detection elements.
  • the phase shifter 153 changes (shifts) the phase of the irradiation light that passes through the phase shifter 153 (that is, the irradiation light reflected at the point A) while the illumination light that is pulsed laser light is repeatedly output. Go.
  • the phase difference between the irradiation light reflected at the point A and the irradiation light reflected at the point B changes.
  • each detection element of the image sensor 155 interferes with the two irradiation lights.
  • the intensity of the interference light thus detected is detected (step S4).
  • the use of the wavelength-stabilized laser light source 13 prevents the coherence distance from being shortened. Can interfere.
  • the phase of the vibration of the vibrator 12 is obtained when a phi 0, and the shift amount of the phase by the phase shifter 153, the intensity of the interference light detected by the detecting elements of the image sensor 155
  • An example is shown in a graph.
  • the relationship in which the detected intensity changes sinusoidally with respect to the phase shift amount is shown by a continuous curve, but what is actually observed is discrete data, which is observed
  • the continuous sine waveform is reproduced from the data by the least square method or the like. For this purpose, it is necessary to detect the intensity at at least three different phase shift amounts.
  • step S5 it is confirmed whether or not the value of k has reached m max .
  • the determination in step S5 is “NO”. If “NO”, the process proceeds to step S6, and the value of k is increased by 1 to "2" (the case where the determination in step S5 is "YES" will be described later).
  • the signal generator 11 transmits a pulse signal to the wavelength-stabilized laser light source 13, and the wavelength-stabilized laser light source 13 illuminates light that is pulsed laser light on the surface of the inspected object S at the timing of receiving the pulse signal. Irradiate repeatedly. Then, each detection element of the image sensor 155 is reflected at the point A and passes through the phase shifter 153 and the like while changing (shifting) the phase of the irradiation light reflected at the point A by the phase shifter 153 to at least three values. The intensity of the interference light between the irradiation light and the irradiation light reflected at the point B is detected (step S4).
  • the middle diagram of FIG. 3 shows the amount of phase shift by the phase shifter 153 and the intensity of the interference light detected by the detection element of the image sensor 155 obtained when the vibration phase of the vibrator 12 is ⁇ 1. Shown in the graph.
  • the middle diagram and the upper diagram in FIG. 3 are compared, the peak positions of the intensity of the interference light are shifted by ⁇ 1 - ⁇ 0 in both.
  • This shift indicates that the phase difference between the optical path from the point A and the optical path from the point B has changed due to the difference in the phase of vibration of the vibrator 12 at the time of detection.
  • This change in the phase difference of the optical path indicates that the relative displacement in the out-of-plane direction between point A and point B has changed.
  • the relationship between the phase shift amount by the phase shifter 153 and the intensity of the interference light when the phase of the AC electrical signal is ⁇ 2 is obtained.
  • step S5 since the value of k is 3 and has reached m max , “YES” is determined, and the process proceeds to step S7.
  • step S7 the transmission of the AC electrical signal from the signal generator 11 to the vibrator 12 is stopped, and thereby the vibrator 12 stops vibrating.
  • the vibration state (amplitude and phase) of the elastic wave at each point in the measurement region is obtained by the following operation.
  • the phase shift amounts ⁇ 0 , ⁇ 1 , and ⁇ 2 are obtained (refer to the upper, middle, and lower graphs in FIG. 3). Further, differences ( ⁇ 1 - ⁇ 0 ), ( ⁇ 2 - ⁇ 1 ), and ( ⁇ 0 - ⁇ 2 ) between the maximum output phase shift amounts having different vibration phases are obtained (step S8).
  • the difference between these three maximum output phase shift amounts indicates the relative displacement of point A and point B in the out-of-plane direction using two sets of data with two different vibration phases (ie, different times). ing. Based on these three sets of relative displacements, three parameter values are obtained: the amplitude of vibration, the phase of vibration, and the center value (DC component) of vibration at each point in the measurement region (step S9).
  • An image is created on the basis of the vibration amplitude and phase values of each point thus obtained (step S10). For example, by increasing the luminance of the pixel corresponding to the measurement point as the amplitude of the measurement point is increased, the difference in vibration amplitude can be expressed by the difference in brightness of the image.
  • the image created in this way is processed using a known image processing technique to detect a defect D on the surface of the inspection object S (step S11). For example, a point where the brightness of a pixel suddenly changes as the position on the image moves is detected as a defect.
  • this defect detection may be performed by an inspector visually observing the image instead of performing image processing.
  • a defect in the measurement region may be detected without detecting an image, for example, by detecting discontinuous points.
  • m max 3 but by selecting m max to be larger than the number represented by [2n + 1] (n is a natural number of 2 or more), the elastic wave excited on the object S to be inspected is selected. It is possible to detect up to the nth order component (nth harmonic component). That is, since the relative displacement in the out-of-plane direction between point A and point B can be obtained by (2n + 1) or more, the fundamental wave amplitude, fundamental wave phase, second harmonic wave amplitude, second harmonic wave (2n + 1) parameter values, i.e., the amplitude of the nth harmonic, the phase of the nth harmonic, and the DC component of the elastic wave, are obtained.
  • the wavelength stabilized laser light source 13 that stabilizes the wavelength by performing feedback by the volume holographic grating is used.
  • a wavelength stabilized laser having other gratings may be used.
  • a mechanism for controlling the temperature of the semiconductor laser and a mechanism for detecting the wavelength of the oscillation laser light generated by the semiconductor laser are provided, and the temperature of the semiconductor laser is controlled in accordance with the wavelength deviation of the oscillation laser light from a predetermined wavelength.
  • a laser that stabilizes the wavelength by a method other than feedback using a grating, such as a wavelength-stabilized laser, may be used.
  • the signal generator 11 and the vibrator 12, and the signal generator 11 and the wavelength-stabilized laser light source 13 are connected by a cable (wired), but they may be connected wirelessly.
  • the signal generator 11 and the vibrator 12 are preferably connected wirelessly. Since the signal generator 11 and the vibrator 12 are connected wirelessly, the vibrator 12 is brought into contact with the object S to be inspected, and the constituent elements of the vibration measuring apparatus 10 other than the vibrator 12 are inspected object S. It is not necessary to prepare a long cable even if it is arranged at a position away from the cable. Such a configuration using radio is useful when inspecting a large inspected object S such as an infrastructure structure such as a bridge.
  • the vibrator 12 that is used while being in contact with the surface of the inspection object S is used.
  • a speaker or the like placed at a position that is not in contact with the surface of the inspection object S is used as the vibration element. It may be used. This configuration is useful when inspecting the inspection object S at a position or height where it is difficult to bring the vibrator into contact with the surface.
  • the speckle sharing interferometer 15 is used, but a speckle interferometer may be used instead.

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Abstract

振動計測装置１０は、被検査物体Ｓに弾性波を励起する励振部（信号発生器１１及び振動子１２）と、波長安定化レーザ光源１３を用いて被検査物体Ｓの表面の測定領域にストロボ照明を行う照明部（前記波長安定化レーザ光源１３、及び照明光レンズ１４）と、スペックル干渉法又はスペックル・シェアリング干渉法により前記測定領域の各点の前後方向の変位を一括測定する変位測定部（スペックル・シェアリング干渉計１５）とを備える。波長安定化レーザ光源１３を用いることにより、被検査物体Ｓの表面凹凸が大きい場合でも干渉像を得ることができる。

Description

振動計測装置
　本発明は、コンクリートや鉄鋼構造物等の物体の欠陥を検出すること等に用いることができる振動計測装置に関する。
　コンクリートや鉄鋼構造物等の物体の表面及び内部の欠陥を検出する技術の一つに、レーザ超音波法がある。これは、被検査物体中に弾性波の振動を励起し、その状態で被検査物体にレーザ光を照射して反射光をレーザ干渉計で検出することによりその表面変位を測定するものである。振動による変位が欠陥の箇所で不連続に変化することから、変位の分布を測定することにより欠陥を検出することができる。しかし、この方法では、レーザ干渉計の検出用レーザ（プローブレーザ）が点状であるため、被検査物体の検査領域全体に亘ってスキャンする必要があり、時間がかかるという問題がある。
　これを改良した技術として、スペックル干渉法又はスペックル・シェアリング干渉法を用いた欠陥検出装置が提案されている。スペックル干渉法は、レーザ光源からのレーザ光を照明光と参照光に分岐させ、照明光を用いて検査領域にストロボ照明を行い、照明光が検査領域内における被検査物体の表面の各点で反射した光と参照光による干渉パターンを得るものである。スペックル・シェアリング干渉法は、レーザ光源からのレーザ光を用いて（参照光は分岐させない）検査領域にストロボ照明を行い、該検査領域内の被検査物体の表面において近接する2点から反射してくる光による干渉パターンを得るものである。これらの欠陥検出装置では、励振源から被検査物体に弾性波を入力し、入力する前と後でそれぞれ干渉パターンの画像をCCDカメラ等で撮影して、それら2枚の画像から検査領域の前後方向（面外方向）の変位又は相対的変位の分布を算出する。欠陥の箇所では変位又は相対的変位が不連続になることから、検査領域内に存在する欠陥を検出することができる。しかし、これらの方法では弾性波の或る1つの状態しか見ないため、弾性波の波長が検査領域よりも小さい場合には、欠陥がたまたま波の振幅が大きい部分にあれば検出が容易であるものの、振幅が小さい部分に存在する場合には検出が困難となる。すなわち、検査領域内の場所によって欠陥検査能に差異が生じることになる。
　それに対して特許文献１には、スペックル干渉法又はスペックル・シェアリング干渉法を用いた欠陥検出装置において、励振源から被検査物体に弾性波の連続波を励起しつつ、その連続波の互いに異なる少なくとも3つの位相においてそれぞれパルスレーザ光源からストロボ照明を行って干渉パターンの画像を撮影し、各点の変位（スペックル干渉法）又は近接2点間の相対的変位（スペックル・シェアリング干渉法）を測定することが記載されている。これにより、検査領域の大きさと弾性波の波長の関係に関わらず、検査領域のいずれの場所においても弾性波の全振動状態を再現することができ、検査領域内の場所に依ることなく欠陥を精度良く検出することができる。
特開2017-219318号公報 米国特許第5,691,989号明細書 特開2009-081321号公報
　特許文献１に記載の欠陥検出装置においては励起弾性波の位相と同期したストロボ照明を行う必要があるが、ストロボ照明のタイミングを制御する方式として、レーザの駆動電流を制御する直接変調方式と、連続発振レーザと変調器を組み合わせた外部変調方式がある。外部変調方式はレーザの種類に依らずに適用することができるものの、装置の小型化の点では直接変調方式の方が好ましい。特に、半導体レーザを用いた直接変調方式では、低コストという利点もある。しかし、一般的な半導体レーザを用いた場合、検査領域の表面の凹凸が大きいと干渉像が得られないという事象が発生することがある。
　ここまでは欠陥検出を例として説明したが、欠陥を検出する場合以外にも、例えば物体の内部構造解析のように、被検査物体に励起した弾性波による振動をスペックル干渉法又はスペックル・シェアリング干渉法を用いて計測する場合に、同様の問題が生じる。
　本発明が解決しようとする課題は、半導体レーザを用いて表面凹凸の大きい検査対象を検査する場合でも、より確実に干渉像を得ることができ、振動の計測を行うことができる振動計測装置を提供することである。
　上記課題を解決するために成された本発明に係る振動計測装置は、
　被検査物体に弾性波を励起する励振部と、
　波長安定化レーザ光源を用いて前記被検査物体の表面の測定領域にストロボ照明を行う照明部と、
　スペックル干渉法又はスペックル・シェアリング干渉法により前記測定領域の各点の前後方向の変位を一括測定する変位測定部と
　を備えることを特徴とする。
　半導体レーザは、駆動電流を変調すると、点灯中に生じる素子の温度変化等によって発振波長が変化するため、実効的に可干渉距離が短くなる。干渉像を得るためには、スペックル干渉法では照明光と参照光の光路差を、スペックル・シェアリング干渉法では測定領域（前述の欠陥検査における検査領域に相当）内の被検査物体の表面において近接する2点から反射してくる光の光路差を、測定領域の全体に亘って可干渉距離よりも短くする必要がある。しかしながら、被検査物体の表面に凹凸が存在したり、被検査物体が傾いていたりすると、測定領域の一部で光路差が可干渉距離よりも長くなってしまい、測定領域の全体で干渉像を得ることができなくなってしまう。
　そこで、本発明に係る振動計測装置では、照明部の光源に波長安定化レーザ光源を用いることにより、点灯中に発振波長が変化することを防ぎ、それにより可干渉距離が短くなることを防ぐことができる。これにより、測定領域の全体に亘って干渉像を得ることができるため、変位測定部は測定領域内の各点の前後方向の変位の正確な一括測定を行うことができる。
　波長安定化レーザ光源には種々のものを用いることができる。例えば、半導体レーザで生成された発振レーザ光を、半導体レーザの外（温度変化の影響を受けにくい所）に設けたグレーティングに導入し、該半導体レーザからの発振レーザ光の波長帯よりも狭い波長帯の光を該グレーティングによって選択的に半導体レーザに戻す（フィードバック）という動作を繰り返すことによって、当該狭い波長帯の波長を有するレーザ光を選択的に出射するもの（例えば特許文献２参照）を用いることができる。あるいは、半導体レーザの温度を制御する機構と、半導体レーザで生成された発振レーザ光の波長を検出する機構を備え、所定波長からの発振レーザ光の波長のずれに応じて半導体レーザの温度を制御する波長安定化レーザ光源（例えば特許文献３参照）を用いることもできる。
　被検査物体の測定領域内に何らかの欠陥が存在する場合、その領域内の各点の前後方向の変位は、その欠陥の箇所において不連続的に変化する。従って、本発明に係る振動計測装置を用いて測定領域内の各点の前後方向の変位を測定することにより、該測定領域内における欠陥を検出することができる。
　スペックル・シェアリング干渉法において干渉光の位相を求める方法として、2点からの光の位相を少なくとも3つの異なる状態に変化させる位相シフト法を用いることができる。具体的には、2点のうちの1点からの光を位相シフタに通し、該位相シフタによるシフト量を異なる少なくとも3種の値にする。もちろん、2点からの光を共に位相シフタに通して両者の位相を相対的に変化させてもよい。このように測定領域内全域において、近接2点間の相対的変位を、弾性波の互いに異なる少なくとも3つの位相において測定する。
　スペックル・シェアリング干渉法において、前記変位測定部は、前記弾性波の位相と前記ストロボ照明のタイミングを制御することにより、該弾性波の互いに異なる少なくとも3つの位相において前記測定領域内の各点の前後方向の変位を一括測定するものであることが望ましい。
　スペックル・シェアリング干渉法を用いる場合において、前記変位測定部は、前記少なくとも3つの位相における位相状態の数が(2n+1)以上であって、該nが2以上の自然数であり、前記測定領域内の各点の前後方向の変位から前記弾性波のn次の高調波成分を検出することが望ましい。被検査物体に微小な欠陥が存在する場合、その場所において生じる前記の不連続的変化には高調波成分が多く含まれる場合があるため、このように高調波成分を検出することにより、微小な欠陥に対する検出感度を高くすることができる。
　本発明によれば、半導体レーザを用いて表面凹凸の大きい検査対象を検査する場合でも、より確実に干渉像を得ることができ、振動の計測を行うことができる。
本発明に係る振動計測装置の一実施形態を示す概略構成図。 本実施形態の振動計測装置を用いた欠陥検出方法の一例を示すフローチャート。 図２の欠陥検出方法の原理を説明するためのグラフ。
　図１～図３を用いて、本発明に係る振動計測装置の一実施形態を説明する。
　本実施形態の振動計測装置１０は、被検査物体Ｓの表面に存在する欠陥Ｄ（図１参照）を検出する欠陥検出装置として機能するものである。この振動計測装置１０は図１に示すように、信号発生器１１、振動子１２、波長安定化レーザ光源１３、照明光レンズ１４、スペックル・シェアリング干渉計１５、制御部１６、及び記憶部１７を備える。
　信号発生器１１はケーブルで振動子１２に接続されており、交流電気信号を発生させて該振動子１２に送信する。振動子１２は、被検査物体Ｓに接触させて用いられ、信号発生器１１から交流電気信号を受信して機械的振動に変換し、該機械的振動を被検査物体Ｓに付与する。これにより、該被検査物体Ｓに弾性波を励起する。これら信号発生器１１及び振動子１２は、前述の励振部に該当する。
　信号発生器１１はまた、振動子１２と接続するケーブルとは別のケーブルで波長安定化レーザ光源１３にも接続されており、前記交流電気信号が所定の位相となるタイミングで該波長安定化レーザ光源１３にパルス状の電気信号（パルス信号）を送信する。
　波長安定化レーザ光源１３は、本実施形態では前述のように、半導体レーザで生成された発振レーザ光を、該半導体レーザの外に設けたグレーティングによって、発振レーザ光の波長帯よりも狭い波長帯の光を選択的に半導体レーザに戻すフィードバックを行うことにより、安定した発振波長でレーザ光を出射するものを用いる。特に、前記グレーティングとして、シリカガラスやケイ酸塩ガラス等の媒体に光干渉パターンを転写することにより作製されるボリュームホログラフィックグレーティング（Volume Holographic Grating：VHG）を用いることにより、高い波長安定性と可干渉性（可干渉距離が1m以上）を得ることができる。
　照明光レンズ１４は、波長安定化レーザ光源１３と被検査物体Ｓの間に配置されており、凹レンズから成る。照明光レンズ１４は、波長安定化レーザ光源１３からのパルスレーザ光を被検査物体Ｓの表面の測定領域の全体に拡げる役割を有する。これら波長安定化レーザ光源１３と照明光レンズ１４は、被検査物体Ｓの表面の測定領域をストロボ照明するものであり、前述の照明部に該当する。
　スペックル・シェアリング干渉計１５は前述の変位測定部に相当し、ビームスプリッタ１５１、第１反射鏡１５２１、第２反射鏡１５２２、位相シフタ１５３、集光レンズ１５４及びイメージセンサ１５５を有する。ビームスプリッタ１５１は、被検査物体Ｓの表面の測定領域で反射した照明光が入射する位置に配置されたハーフミラーである。第１反射鏡１５２１はビームスプリッタ１５１で反射される照明光の光路上に配置されており、第２反射鏡１５２２はビームスプリッタ１５１を透過する照明光の光路上に配置されている。位相シフタ１５３は、ビームスプリッタ１５１と第１反射鏡１５２１の間に配置されており、該位相シフタ１５３を通過する光の位相を変化（シフト）させるものである。イメージセンサ１５５は、ビームスプリッタ１５１で反射された後に第１反射鏡１５２１で反射されてビームスプリッタ１５１を透過する照明光、及びビームスプリッタ１５１を透過した後に第２反射鏡１５２２で反射されてビームスプリッタ１５１で反射される照明光の光路上に配置されている。集光レンズ１５４は、ビームスプリッタ１５１とイメージセンサ１５５の間に配置されている。
　第１反射鏡１５２１は、その反射面がビームスプリッタ１５１の反射面に対して45°の角度になるように配置されている。それに対して第２反射鏡１５２２は、その反射面がビームスプリッタ１５１の反射面に対して45°からわずかに傾斜した角度になるように配置されている。イメージセンサ１５５は、検出素子を多数有しており、被検査物体Ｓの表面上の多数の点から第１反射鏡１５２１及び位相シフタ１５３を通してイメージセンサ１５５に入射する光を、それぞれ異なる検出素子で検出する。
　第１反射鏡１５２１及び第２反射鏡１５２２が上記のように配置されていることにより、イメージセンサ１５５では、被検査物体Ｓの表面上のある点Ａ及び第１反射鏡１５２１で反射される照射光（図１中の一点鎖線）と、該表面上の点Ａからわずかにずれた位置にある点Ｂ及び第２反射鏡１５２２で反射される照射光（同・破線）は、イメージセンサ１５５の同じ位置に入射して干渉する。ここで、図１に示したように被検査物体Ｓの表面に凹凸が存在すると、該表面上の一部の点において、その点で反射される照射光と隣接する点で反射される照射光の光路差が長くなる。そうすると、照射光の光源として通常の半導体レーザを用いた場合には、この光路差よりも可干渉距離が短くなり、これら2つの照射光が干渉しなくなる可能性がある。しかし、本実施形態では波長安定化レーザ光源１３を用いることにより、可干渉距離が短くなることを防ぎ、それによってそれら2つの照射光を干渉させることができる。
　制御部１６は、信号発生器１１を制御すると共に、イメージセンサ１５５の各検出素子から得られる検出信号に基づいてデータ処理を行う。記憶部１７は、イメージセンサ１５５の各検出素子から得られる検出信号や、制御部１６による処理後のデータを記憶する。
　以下、図２のフローチャート及び図３のグラフを参照しつつ、本発明に係る振動計測装置１０を用いた、被検査物体Ｓの表面に存在する欠陥Ｄの検出方法の一例を説明する。
　ここでは、振動子１２の振動の位相が異なる、mmax≧3回の表面変位の測定を行う。「振動子１２の振動の位相」は、信号発生器１１から振動子１２に送信される交流電気信号の位相であり、被検査物体Ｓに励振される弾性波の、振動子１２が接触する点における位相に相当する。以下では、各回の表面変位の測定を、数値k（1～mmaxの間のいずれかの自然数）を用いて「k回目の測定」と表す。また、以下の説明では、まずは最も単純な例としてmmax=3である場合について全てのステップを説明し、その後、mmaxがさらに大きな数である場合について説明する。
　まず、kの初期値を1に設定し（ステップＳ１）、信号発生器１１から振動子１２に交流電気信号を送信することにより、振動子１２から被検査物体Ｓへの振動の付与を開始する（ステップＳ２）。これにより、被検査物体Ｓに弾性波が励起される。
　次に、振動子１２の振動の位相が、所定の初期値φ0（例えばφ0=0）を用いて[φ0+2π(k-1)/mmax]で表されるタイミング毎に、信号発生器１１は波長安定化レーザ光源１３にパルス信号を送信する。この段階ではk=1であるため、パルス信号が送信されるときの振動子１２の振動の位相はφ0である。波長安定化レーザ光源１３はパルス信号を受ける毎に、前述のグレーティングを用いたフィードバックによって、パルスレーザ光である照明光を安定した波長で繰り返し出射する。この照明光は、照明光レンズ１４により拡径され、被検査物体Ｓの表面の測定領域の全体に照射される（ステップＳ３）。
　照明光は被検査物体Ｓの表面で反射され、スペックル・シェアリング干渉計１５のビームスプリッタ１５１に入射する。その照明光の一部はビームスプリッタ１５１で反射され、位相シフタ１５３を通過した後に第１反射鏡１５２１で反射され、再度位相シフタ１５３を通過した後に一部がビームスプリッタ１５１を通過し、イメージセンサ１５５に入射する。また、ビームスプリッタ１５１に入射した照明光の残りは、ビームスプリッタ１５１を透過して第２反射鏡１５２２で反射され、一部がビームスプリッタ１５１で反射されてイメージセンサ１５５に入射する。前述の通り、イメージセンサ１５５では、被検査物体Ｓの表面上の多数の点で反射される照射光をそれぞれ異なる検出素子で検出する。
　位相シフタ１５３は、パルスレーザ光である照明光が繰り返し出力されている間に、該位相シフタ１５３を通過する照射光（すなわち、点Ａで反射された照射光）の位相を変化（シフト）させてゆく。これにより、点Ａで反射された照射光と点Ｂで反射された照射光の位相差が変化してゆき、この変化の間に、イメージセンサ１５５の各検出素子はこれら2つの照射光が干渉した干渉光の強度を検出してゆく（ステップＳ４）。その際、前述のように、被検査物体Ｓの表面に凹凸が存在していても、波長安定化レーザ光源１３を用いていることにより、可干渉距離が短くなることを防ぎ、それにより両者を干渉させることができる。
　図３の上段の図に、振動子１２の振動の位相がφ0であるときに得られる、位相シフタ１５３による位相のシフト量と、イメージセンサ１５５の検出素子で検出される干渉光の強度の一例をグラフで示す。なお、図３において、検出強度が位相シフト量に対して正弦波状に変化する関係が連続的な曲線で示されているが、実際に観測されるのは離散的なデータであり、観測されたデータから最小二乗法等により上記の連続的な正弦波形を再現する。そのためには、少なくとも3つの異なる位相シフト量での強度を検出する必要がある。
　続いて、ステップＳ５において、kの値がmmaxに達しているか否かを確認する。この段階では未だk=1であってmmax（この例では3）に達していないため、ステップＳ５での判定は「NO」となる。「NO」のときにはステップＳ６に進み、kの値を1だけ増加させて「2」とする（ステップＳ５での判定が「YES」の場合については後述）。
　次に、ステップＳ３に戻り、振動子１２の振動の位相が[φ0+2π(k-1)/mmax]においてk=2、すなわち[φ0+2π/3]≡φ1であるタイミング毎に、信号発生器１１は波長安定化レーザ光源１３にパルス信号を送信し、波長安定化レーザ光源１３は該パルス信号を受信したタイミングで被検査物体Ｓの表面にパルスレーザ光である照明光を繰り返し照射する。そして、位相シフタ１５３により点Ａで反射された照射光の位相を少なくとも3つの値に変化（シフト）させつつ、イメージセンサ１５５の各検出素子は点Ａで反射されて位相シフタ１５３等を通過した照射光と点Ｂで反射された照射光の干渉光の強度を検出してゆく（ステップＳ４）。
　図３の中段の図に、振動子１２の振動の位相がφ1であるときに得られる、位相シフタ１５３による位相のシフト量と、イメージセンサ１５５の検出素子で検出される干渉光の強度をグラフで示す。この図３の中段の図と上段の図を対比すると、干渉光の強度のピーク位置が両者でδφ1-δφ0だけずれている。このずれは、点Ａからの光路と点Ｂからの光路の位相差が、検出時の振動子１２の振動の位相の相違により変化したことを示している。この光路の位相差の変化は、点Ａと点Ｂの面外方向の相対的な変位が変化していることを示している。
　このようにk=2におけるステップＳ４の操作を実行した後、ステップＳ５では未だmmax(=3)に達していないため「NO」と判定し、ステップＳ６においてkの値を1だけ増加させて「3」とする。その後、ステップＳ３に戻り、交流電気信号の位相が[φ0+2π(k-1)/mmax]においてk=3、すなわち[φ0+4π/3]≡φ2であるタイミング毎に、波長安定化レーザ光源１３が被検査物体Ｓの表面にパルスレーザ光である照明光を繰り返し照射し、イメージセンサ１５５の各検出素子は干渉光の強度を検出してゆく（ステップＳ４）。こうして、図３の下段の図に示すように、交流電気信号の位相がφ2であるときの位相シフタ１５３による位相のシフト量と干渉光の強度の関係が得られる。
　なお、k=2及び3のときにもk=1のときと同様に、波長安定化レーザ光源１３を用いていることにより、可干渉距離が短くなることを防ぎ、それにより両者を干渉させることができる。
　その後、ステップＳ５では、kの値が3であってmmaxに達しているため「YES」と判定し、ステップＳ７に移る。ステップＳ７では、信号発生器１１から振動子１２への交流電気信号の送信を停止し、それにより振動子１２が振動を停止する。
　次に、ステップＳ８及びＳ９において、以下の操作によって測定領域の各点における弾性波の振動状態（振幅及び位相）を求める。まず、イメージセンサの各検出素子につき、各振動の位相φ0、φ1、及びφ2においてそれぞれ、位相シフタ１５３による位相のシフト量を変化させた間に検出素子の出力が最大となる最大出力位相シフト量δφ0、δφ1、δφ2を求める（図３の上段、中段及び下段のグラフ参照）。さらに、振動の位相が異なる最大出力位相シフト量の差(δφ1-δφ0)、(δφ2-δφ1)、及び(δφ0-δφ2)を求める（ステップＳ８）。これら3つの最大出力位相シフト量の差は、点Ａと点Ｂの面外方向の相対的な変位を、振動子１２の振動の位相が異なる（すなわち時間が異なる）2つのデータで3組示している。これら3組の相対的な変位に基づいて、測定領域の各点における振動の振幅、振動の位相、及び振動の中心値（DC成分）、という3つのパラメータの値が得られる（ステップＳ９）。
　こうして得られた各点の振動の振幅や位相の値に基づき、画像を作成する（ステップＳ１０）。例えば、測定点の振幅が大きいほど、その測定点に対応する画素の輝度を高くすることにより、振動の振幅の相違を画像の明暗の相違で表すことができる。
　このように作成した画像に対して、既知の画像処理技術を用いて処理を行うことにより、被検査物体Ｓの表面の欠陥Ｄを検出する（ステップＳ１１）。例えば、画像上の位置の移動に伴って、画素の明暗が急変するところを欠陥として検出する。なお、この欠陥の検出は、画像処理で行う代わりに、検査者が画像を目視して行ってもよい。あるいは、画像を作成することなく、例えば不連続点を検出すること等により該測定領域内の欠陥を検出するようにしてもよい。このステップＳ１１の処理が終了すれば、本実施形態の振動計測装置１０を用いた欠陥検出方法の全ての工程が終了する。
　本発明は上記実施形態には限定されない。
　上記の例ではmmax=3としたが、mmaxを[2n+1]（nは2以上の自然数）で表される数より大きく選ぶことにより、被検査物体Ｓに励起された弾性波のn次の成分（第n高調波成分）までを検出することができるようになる。すなわち、点Ａと点Ｂの面外方向の相対的な変位が(2n+1)組以上得られることから、基本波の振幅、基本波の位相、第２高調波の振幅、第２高調波の位相、…第n高調波の振幅、第n高調波の位相、及び弾性波のDC成分、という(2n+1)個のパラメータの値が得られる。
　また、上記実施形態ではボリュームホログラフィックグレーティングによるフィードバックを行うことで波長を安定化する波長安定化レーザ光源１３を用いたが、それ以外のグレーティングを有する波長安定化レーザを用いてもよい。あるいは、半導体レーザの温度を制御する機構と、半導体レーザで生成された発振レーザ光の波長を検出する機構を備え、所定波長からの発振レーザ光の波長のずれに応じて半導体レーザの温度を制御する波長安定化レーザ等、グレーティングによるフィードバック以外の手法で波長を安定化するレーザを用いてもよい。
　上記実施形態では信号発生器１１と振動子１２、及び信号発生器１１と波長安定化レーザ光源１３はケーブル（有線）で接続しているが、これらを無線で接続していてもよい。特に、信号発生器１１と振動子１２は無線で接続されていることが好ましい。信号発生器１１と振動子１２が無線で接続されていることにより、振動子１２を被検査物体Ｓに接触させたうえで、振動子１２以外の振動計測装置１０の構成要素が被検査物体Ｓから離れた位置に配置されていても、長いケーブルを用意する必要がない。このような無線を用いた構成は、例えば橋梁等のインフラ構造物のような大掛かりな被検査物体Ｓを検査する場合に有益である。
　また、上記実施形態では被検査物体Ｓの表面に接触させて使用する振動子１２を用いたが、その代わりに、被検査物体Ｓの表面に接触させない位置に置かれたスピーカ等を振動子として用いてもよい。この構成は、表面に振動子を接触させることが困難な位置や高さにある被検査物体Ｓを検査する場合に有益である。
　上記実施形態ではスペックル・シェアリング干渉計１５を用いたが、その代わりに、スペックル干渉計を用いてもよい。
１０…振動計測装置
１１…信号発生器
１２…振動子
１３…波長安定化レーザ光源
１４…照明光レンズ
１５…スペックル・シェアリング干渉計
１５１…ビームスプリッタ
１５２１…第１反射鏡
１５２２…第２反射鏡
１５３…位相シフタ
１５４…集光レンズ
１５５…イメージセンサ
１６…制御部
１７…記憶部

Claims (5)

  1. 　被検査物体に弾性波を励起する励振部と、
    　波長安定化レーザ光源を用いて前記被検査物体の表面の測定領域にストロボ照明を行う照明部と、
    　スペックル干渉法又はスペックル・シェアリング干渉法により前記測定領域の各点の前後方向の変位を一括測定する変位測定部と
    　を備えることを特徴とする振動計測装置。
  2. 　前記変位測定部が、スペックル・シェアリング干渉法において、前記弾性波の位相と前記ストロボ照明のタイミングを制御することにより、該弾性波の互いに異なる少なくとも3つの位相において前記測定領域の各点の前後方向の変位を一括測定することを特徴とする請求項１に記載の振動計測装置。
  3. 　前記少なくとも3つの位相における位相状態の数が(2n+1)以上であって、該nが2以上の自然数であり、前記測定領域内の各点の前後方向の変位から前記弾性波のn次の高調波成分を検出することを特徴とする請求項２に記載の振動計測装置。
  4. 　前記波長安定化レーザが、半導体レーザと、該半導体レーザからの発振レーザ光の波長帯よりも狭い波長帯の光を選択的に半導体レーザに戻すグレーティングとを備えることを特徴とする請求項１に記載の振動計測装置。
  5. 　前記グレーティングがボリュームホログラフィックグレーティングであることを特徴とする請求項４に記載の振動計測装置。
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