(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可干渉性で互いに異なる周波数の平行エネルギービームと集束エネルギービームとを被検体の表面部位に重ねて照射して被検体の固有音速度よりも早い進行速度で同心状に内側に向かって進行する干渉縞を生成し、この干渉縞の熱的作用によって前記被検体の前記表面部位に前記干渉縞と同じ間隔を持つ歪み分布を形成し、該歪み分布に応じて、前記被検体の固有音速度と前記干渉縞の進行速度とで決まる前記被検体内部の微小領域に向かって集束する弾性波を励起することを特徴とする弾性波励起方法。
【請求項２】
可干渉性で互いに異なる周波数の平行エネルギービームと集束エネルギービームとを被検体の表面部位に重ねて照射して被検体の固有音速度よりも早い進行速度で同心状に内側に向かって進行する干渉縞を生成し、この干渉縞の熱的作用によって前記被検体の前記表面部位に前記干渉縞と同じ間隔を持つ歪み分布を形成し、該歪み分布に応じて、前記被検体の固有音速度と前記干渉縞の進行速度とで決まる前記被検体内部の微小領域に向かって集束する弾性波を励起する一方、前記微小領域から反射又は通過して被検体の表面又は裏面に達した前記弾性波をプローブ光により非接触非破壊で検出し、更に前記平行エネルギービーム及び集束エネルギービーム又はプローブ光に対して前記被検体を相対的に走査して逐次得られる前記弾性波の検出結果に基づき、前記被検体の材料特性を解析することを特徴とする非接触非破壊の材料評価方法。
【請求項３】
前記プローブ光を用いて光学的ナイフエッジ法、ヘテロダイン干渉法又はファブリペロー干渉法により前記弾性波を検出することを特徴とする請求項２に記載の非接触非破壊の材料評価方法。
【請求項４】
所定の周波数を有する平行エネルギービームおよび前記平行エネルギービームと異なる周波数を有する集束エネルギービームを形成する形成手段と、前記平行エネルギービームおよび集束エネルギービームを被検体の表面部位に互いに干渉せしめて照射し、被検体内部の微小領域に指向する弾性波を励起するビーム照射手段と、前記微小領域から前記被検体の表面又は裏面に達した前記弾性波をプローブ光で非接触非破壊に検出して前記被検体の材料特性を解析する検出・解析手段と、前記平行エネルギービームおよび集束エネルギービーム又はプローブ光に対し前記被検体を相対的に走査する走査手段とを設けることを特徴とする非接触非破壊の材料評価装置。
【請求項５】
前記照射手段には平行エネルギービームおよび集束エネルギービームを完全に干渉させるため両ビームのエネルギー密度を同一にする調整手段が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の非接触非破壊の材料評価装置。
【請求項６】
可干渉性で波長λを有し周波数差がｆの平行エネルギービームと集束エネルギービームを固有音速度がＶの被検体の表面部位に重ねて照射し、且つ集束エネルギービームは被検体表面から下記の関係式を満たす深さ（ａ）に焦点を位置させることによって、同心状に内側に向かって進行する干渉縞を被検体表面に生成し、この干渉縞の熱的作用によって前記被検体の表面部位に前記干渉縞と同じ分布を持つ歪みを形成し、該歪み分布に応じて前記被検体の深部のある特定の微小領域に向かって集束する弾性波を励起することを特徴とする弾性波励起方法。
ｆ・（λ2＋２λａ）1/2＞Ｖ
【請求項７】
被検体内部に向かって励起される集束弾性波が集束する被検体内部の微小領域の深さ方向位置を変更するため、被検体表面に照射される集束エネルギービームの焦点位置を被検体表面の深さ方向に沿って変更することを特徴とする請求項６に記載の弾性波励起方法。
【請求項８】
被検体内部に向かって励起される集束弾性波が集束する被検体内部の微小領域の深さ方向位置を変更するため、被検体表面に照射される集束エネルギービームと平行エネルギービームの周波数差ｆを変更することを特徴とする請求項６に記載の弾性波励起方法。
【請求項９】
被検体内部に向かって励起される集束弾性波が集束する被検体内部の微小領域の位置を被検体表面と平行な方向に沿って変更するため被検体表面に照射される平行エネルギービームの入射角度を変更することを特徴とする請求項６に記載の弾性波励起方法。
【請求項１０】
平行レーザビーム及び前記平行レーザビームに対し周波数差ｆを有する集束レーザビームを波長λで形成し、前記平行レーザビーム及び集束レーザビームを固有音速度がＶの被検体の表面部位に互いに干渉せしめて照射するレーザ照射手段を有し、前記レーザ照射手段は集束レーザビームの焦点を被検体表面に対して下記の関係式を満足する深さ（ａ）に位置させ被検体内部の微小領域に弾性波を励起して集束するものであって、且つ前記レーザ照射手段は、集束レーザビームが通過する経路中に焦点位置ａを深さ方向に沿って変更するレンズ或いは反射体の集合からなる光学系を有することによって前記弾性波が集束する被検体内の微小領域の深さ方向位置を変更する手段を持つ弾性波励起装置。
ｆ・（λ2＋２λａ）1/2＞Ｖ
【請求項１１】
平行レーザビーム及び前記平行レーザビームに対し周波数差ｆを有する集束レーザビームを波長λで形成し、前記平行レーザビーム及び集束レーザビームを固有音速度がＶの被検体の表面部位に互いに干渉せしめて照射するレーザ照射手段を有し、前記レーザ照射手段は集束レーザビームの焦点を被検体表面に対して下記の関係式を満足する深さ（ａ）に位置させ被検体内部の微小領域に弾性波を励起して集束するものであって、且つ前記レーザ照射手段は、集束レーザビームと平行レーザビームの相対的な周波数差ｆを変更する手段によって前記弾性波が集束する被検体内部の微小領域の深さ方向位置を変更する弾性波励起装置。
ｆ・（λ2＋２λａ）1/2＞Ｖ
【請求項１２】
平行レーザビームと集束レーザビームを被検体の表面部位に互いに干渉せしめて照射し被検体内部に向かって集束する弾性波を励起すると共に、２本のレーザビームの間の周波数差が時間的に変化するレーザ照射手段を有し、被検体中に励起された弾性波が被検体内部を通過或いは反射して再び被検体表面に伝搬するときの被検体表面の変位を観測して電気信号に変換する受信手段と、前記受信手段から出力された表面変位を表す電気信号を周波数分析する解析手段を有し、被検体内部の連続的又は段階的に異なる深さ方向位置の構造や弾性の評価を行なう弾性波材料評価装置。
【請求項１３】
被検体の内部の一点で周波数ｆの弾性波が発生すると仮定した場合に被検体の表面に伝搬する弾性波の位相分布を推定し、被検体表面における弾性波の位相分布と等しいか或いは近似した歪み分布を発生するために可干渉性で互いに周波数差ｆを持った平行エネルギービームと集束エネルギービームを被検体の表面部位に重ねて照射して、内側に向かって進行する干渉縞を生成し、この干渉縞の熱的作用によって前記被検体の表面部位に前記位相分布と同じ分布を持つ歪みを形成し、前記被検体の内部の前記一点に向かって集束する弾性波を励起することを特徴とする弾性波励起方法。
【請求項１４】
被検体内部に向かって励起される集束弾性波が被検体内部で集束する一点の深さ方向位置を変更するため被検体表面に照射される集束エネルギービームの焦点位置を被検体表面の深さ方向に沿って変更することを特徴とする請求項１３に記載の弾性波励起方法。
【請求項１５】
被検体内部に向かって励起される集束弾性波が被検体内部で集束する一点の深さ方向位置を変更するため、被検体表面に照射される集束エネルギービームと平行エネルギービームの周波数差ｆを変更することを特徴とする請求項１３に記載の弾性波励起方法。
【請求項１６】
被検体内部に向かって励起される集束弾性波が被検体内部で集束する一点を被検体表面と平行な方向に沿って変更するため被検体表面に照射される平行エネルギービームの入射角度を変更することを特徴とする請求項１３に記載の弾性波励起方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体の表面から内部の微小領域に向かって集束するバルク弾性波を励起する方法及び装置と、この弾性波を用いて被検体内部の材料特性を非接触非破壊で検出して材料評価を行なう非接触非破壊の材料評価方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックの微小亀裂やＩＣパッケージのボイド等、材料や構造物の強度や信頼性を損なう微小欠陥の検出法として周波数５０乃至１００ＭＨｚ以上の超音波による超音波顕微鏡（ＳＡＭ）やレーザ走査型超音波顕微鏡（ＳＬＡＭ）を用いた欠陥の映像法が有用であり（［１］Ｉ，Ｒ，Ｓｍｉｔｈ，Ｒ，Ａ，Ｈａｒｖｅｙ  ａｎｄ  Ｄ，Ｊ，Ｆａｔｈｅｒｓ，ＩＥＥＥ，Ｔｒａｎ，Ｓｋｎｉｃｓ  ａｎｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｎ，ＳＵ−３２（１９８５）２７４、［２］Ｌ，Ｗ，Ｋｅｓｓｅｌａｖ，Ｊ，Ａｃｏｕｓｔ，Ｓｏｃ，Ａｍ，５５（１９７４）９０９参照）、ＳＡＭで亀裂を観察したときに発生するフリンジによる評価が知られている（［３］Ｋ，Ｙａｍａｎａｋａ  ａｎｄ  Ｙ，Ｅｎｏｍｏｔｏ，Ｊ，Ａｐｐｌ，Ｐｈｙｓ，５３（１９８２）８４６参照）。
【０００３】
また、カプラーを用いない超音波顕微鏡を開発するために、レーザ超音波法を拡張してレーザビームを超音波の位相速度で走査することにより、大振幅単一モードの表面波を非接触で励起する位相速度走査（ＰＶＳ）法が提案されている。（［４］Ｘ，Ｙｍａｎａｋａ，Ｙ，Ｎａｇａｔａ  ａｎｄ  Ｊ，Ｋｏｄａ；Ａｐｐｌ，Ｐｈｙｓ，Ｌａｔｔ，５８（１９９１）１５９１、［５］Ｋ，Ｙｍａｎａｋａ，Ｙ，Ｎａｇａｔａ  ａｎｄ  Ｔ，Ｋｏｄａ；Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｐｒｏｇｒｅｍ  ｉｎ  Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ  Ｎｏｎｄ  ｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅＥｖａｌｕａｔｉｏｎ，ａｄｓ，Ｄ，Ｏ，Ｔｈｏｍｐｓｏｎ  ａｎｄ  Ｄ，Ｅ，Ｃｈｉｍｅｎｔｉ（Ｐｌｅｎｕｍ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１９９２）Ｖｏｌ，１１，Ｐ，６３３参照）。非破壊検査で使用される熱弾性効果によるレーザ超音波発生法（［６］Ｄ，Ａ，Ｈｕｔｃｈｉｎｅ；Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，ａｄｓ，Ｗ，Ｐ，Ｍａｓｏｎ  ａｎｄ  Ｒ，Ｎ，Ｔｈｕｒａｔｏｎ（Ａｃａｄｅｍｉｃ，Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ，１９８８）Ｖｏｌ，ＸＶＩＩＩ，Ｐ，２１参照）では一般に振幅の小さな超音波しか発生できないが、前記方法ではこれを解決している。
【０００４】
周波数が１００ＭＨｚ以上の場合は単一ビームの代わりに干渉縞を位相速度で走査する走査干渉縞（ＳＩＦ）方式が開発されている（［７］Ｈ，Ｎｉｓｉｎｏ，Ｙ，Ｔｓｕｋａｈａｒａ，Ｙ，Ｎａｇａｔａ，Ｔ，Ｋｏｄａ  ａｎｄ  Ｋ，Ｙａｍａｎａｋａ；Ａｐｐｌ，Ｐｈｙｓ，Ｌｅｔｔ，６２（１９９３）２０３６、［８］Ｋ，Ｙａｍａｎａｋａ，Ｏ，Ｖ，Ｋｏｌｏｓｏｖ，Ｙ，Ｎａｇａｔａ，Ｔ，Ｋｏｄａ，Ｈ，Ｎｉｓｈｉｎｏ  ａｎｄ  Ｙ，Ｔｓｕｋａｈａｒａ；Ｊ，Ａｐｐｌ，Ｐｈｙｓ，７４（１９９３）６５１１、［９］Ｈ，Ｎｉｓｈｉｎｏ，Ｙ，Ｔｓｕｋａｈａｒｅ，Ｙ，Ｎａｇａｔａ，Ｔ，Ｋｏｄａ  ａｎｄ  Ｋ，Ｙａｍａｎａｋａ；Ｔｐｎ，Ａｐｐｌ，Ｐｈｙｓ，３３（１９９４）３２６．参照）。また、走査干渉縞（ＳＩＦ）方式を指向性のあるバルク超音波の励起に拡張ものもある（平成４年特許願第３５５５２２号）。このバルク超音波の励起法では、特にその中で位相速度走査法が有用で発生する弾性波の放射方向の制御が可能であり、また、試料表面でのエネルギー密度を低くでき、試料の損傷が起きにくく、且つ任意の周波数の弾性波を励起でき、周波数と指向性の独立制御が可能である利点を有する。
【０００５】
また、弾性表面波を試料の表面に励起する方法として、２本に分けたレーザビームの一方を円錐（ＡＸＩＣＯＮ）レンズに通過させるなどし、更にどちらかのレーザビームの周波数を僅かに変え、両者２本のレーザビームを試料表面で干渉させ、同心円の中心に向けて移動する等間隔の干渉縞を形成し、試料表面上の一点に集束する弾性表面波を励起する方法が次の文献に記載されている。（Ｕｎｉｔｅｄ  Ｓｔａｔｅｓ  Ｐａｔｅｎｔ，（Ｐａｔｅｎｔ  Ｎｕｍｂｅｒ  ４，５４１，２８０  Ｄａｔｅ  ｏｆ  Ｐａｔｅｎｔ  Ｓｅｐ．１７，１９８５）「ＥＦＦＩＣＩＥＮＴ  ＬＡＳＥＲ  ＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮ  ＯＦ  ＳＵＲＦＡＣＥＡＣＯＵＳＴＩＣ  ＷＡＶＥＳ」）。しかし、この場合には試料表面上にのみ伝搬する弾性表面波の励起しか想定しておらず、材料内部の欠陥の評価や探傷検査は出来なかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上に述べた従来の技術は大部分平行ビームを用いて被検体の検査を行なうために高い分解能での評価が出来なかった。また、集束ビームを用いた場合でも被検体の表面でのみ集束する弾性表面波の励起しかできないなどの問題点がある。特に平行ビームを用いて被検体の内部の非破壊検査をする場合には高い空間分解能を実現することが難しいことを意味している。被検体表面で干渉縞を作るにはある程度のスポットサイズを持ったレーザビームを用いることが必要であるが、励起される超音波もレーザビーム幅程度の広がりを持ち、微小領域に集束するプローブ光を用いて検出したとしても高い空間分解能が得られず、材料内部の微小欠陥等を正確に捉えることができない問題点がある。
【０００７】
本発明は、以上の問題点を解決するもので、被検体の内部の微小領域に弾性波を集束して励起することができる集束弾性波励起方法及び装置を提供すると共に、材料内部で弾性波が集束する深さ位置を高速で変化させることで、被検体内部の微小領域の欠陥や構造、膜厚等を精密に評価出来る非接触非破壊材料評価方法とその装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以上の目的を達成するために、可干渉性で互いに異なる周波数の平行エネルギービームと集束エネルギービームとを被検体の表面部位に重ねて照射して被検体の固有音速度よりも早い進行速度で同心状に内側に向かって進行する干渉縞を生成し、この干渉縞の熱的作用によって前記被検体の前記表面部位に前記干渉縞と同じ間隔を持つ歪み分布を形成し、該歪み分布に応じて、前記被検体の固有音速度と前記干渉縞の進行速度とで決まる記被検体内部の微小領域に向かって集束する弾性波を励起する弾性波励起方法を特徴とする。また、可干渉性で互いに異なる周波数の平行エネルギービームと集束エネルギービームとを被検体の表面部位に重ねて照射して被検体の固有音速度よりも早い進行速度で同心状に内側に向かって進行する干渉縞を生成し、この干渉縞の熱的作用によって前記被検体の前記表面部位に前記干渉縞と同じ間隔を持つ歪み分布を形成し、該歪み分布に応じて、前記被検体の固有音速度と前記干渉縞の進行速度とで決まる前記被検体内部の微小領域に向かって集束する弾性波を励起する一方、前記微小領域から反射又は通過して被検体の表面又は裏面に達した前記弾性波をプローブ光により非接触非破壊で検出し、更に前記平行エネルギービーム及び集束エネルギービーム又はプローブ光に対して前記被検体を相対的に走査して逐次得られる前記弾性波の検出結果に基づき、前記被検体の材料特性を解析する非接触非破壊材料評価方法を特徴とする。また、前記プローブ光を用いて光学的ナイフエッジ法、ヘテロダイン干渉法又はファブリペロー干渉法により前記弾性波を検出する非接触非破壊材料評価方法を特徴とする。
【０００９】
また、所定の周波数を有する平行エネルギービームおよび前記平行エネルギービームと異なる周波数を有する集束エネルギービームを形成する形成手段と、前記平行エネルギービームおよび集束エネルギービームを被検体の表面部位に互いに干渉せしめて照射し、被検体内部の微小領域に指向する弾性波を励起するビーム照射手段と、前記微小領域から前記被検体の表面又は裏面に達した前記弾性波をプローブ光で非接触非破壊に検出して前記被検体の材料特性を解析する検出・解析手段と、前記平行エネルギービームおよび集束エネルギービーム又はプローブ光に対し前記被検体を相対的に走査する走査手段とを設けてなる非接触非破壊材料評価装置を構成するものである。また、前記照射手段には平行エネルギービームおよび集束エネルギービームを完全に干渉させるため両ビームのエネルギー密度を同一にする調整手段が設けられてなる非接触非破壊の材料評価装置を構成する。
【００１０】
更に、可干渉性で波長λを有し周波数差がｆの平行エネルギービームと集束エネルギービームを固有音速度がＶの被検体の表面部位に重ねて照射し、且つ集束エネルギービームは被検体表面からｆ・（λ2＋２λａ）1/2＞Ｖの関係式を満たす深さ（ａ）に焦点を位置させることによって、同心状に内側に向かって進行する干渉縞を被検体表面に生成し、この干渉縞の熱的作用によって前記被検体の表面部位に前記干渉縞と同じ分布を持つ歪みを形成し、該歪み分布に応じて前記被検体の深部のある特定の微小領域に向かって集束する弾性波を励起する弾性波励起方法を特徴とする。また、被検体内部に向かって励起される集束弾性波が集束する被検体内部の微小領域の深さ方向位置を変更するため、被検体表面に照射される集束エネルギービームの焦点位置を被検体表面の深さ方向に沿って変更する弾性波励起方法を特徴とする。また、被検体内部に向かって励起される集束弾性波が集束する被検体内部の微小領域の深さ方向位置を変更するため、被検体表面に照射される集束エネルギービームと平行エネルギービームの周波数差ｆを変更する弾性波励起方法を特徴とする。また、被検体内部に向かって励起される集束弾性波が被検体内部で集束する被検体内部の微小領域の位置を被検体表面と平行な方向に沿って変更するため被検体表面に照射される平行エネルギービームの入射角度を変更する弾性波励起方法を特徴とする。
【００１１】
また、平行レーザビーム及び前記平行レーザビームに対し周波数差ｆを有する集束レーザビームを波長λで形成し、前記平行レーザビーム及び集束レーザビームを固有音速度がＶの被検体の表面部位に互いに干渉せしめて照射するレーザ照射手段を有し、前記レーザ照射手段は集束レーザビームの焦点を被検体表面に対してｆ・（λ2＋２λａ）1/2＞Ｖの関係式を満足する深さ（ａ）に位置させ被検体内部の微小領域に弾性波を励起して集束するものであって、且つ前記レーザ照射手段は、集束レーザビームが通過する経路中に焦点位置ａを深さ方向に沿って変更するレンズ或いは反射体の集合からなる光学系を有することによって前記弾性波が集束する被検体内の微小領域の深さ方向位置を変更する手段を持つ弾性波励起装置を構成するものである。また、平行レーザビーム及び前記平行レーザビームに対し周波数差ｆを有する集束レーザビームを波長λで形成し、前記平行レーザビーム及び集束レーザビームを固有音速度がＶの被検体の表面部位に互いに干渉せしめて照射するレーザ照射手段を有し、前記レーザ照射手段は集束レーザビームの焦点を被検体表面に対してｆ・（λ2＋２λａ）1/2＞Ｖの関係式を満足する深さ（ａ）に位置させ被検体内部の微小領域に弾性波を励起して集束するものであって、且つ前記レーザ照射手段は、集束レーザビームと平行レーザビームの相対的な周波数差ｆを変更する手段によって前記弾性波が集束する被検体内部の微小領域の深さ方向位置を変更する弾性波励起装置を構成するものである。また、平行レーザビームと集束レーザビームを被検体の表面部位に互いに干渉せしめて照射し被検体内部に向かって集束する弾性波を励起すると共に、２本のレーザビームの間の周波数差が時間的に変化するレーザ照射手段を有し、被検体中に励起された弾性波が被検体内部を通過或いは反射して再び被検体表面に伝搬するときの被検体表面の変位を観測して電気信号に変換する受信手段と、前記受信手段から出力された表面変位を表す電気信号を周波数分析する解析手段を有し、被検体内部の連続的又は段階的に異なる深さ方向位置の構造や弾性の評価を行なう弾性波励起装置を構成するものである。
【００１３】
被検体の内部の一点で周波数ｆの弾性波が発生すると仮定した場合に被検体の表面に伝搬する弾性波の位相分布を推定し、被検体表面における弾性波の位相分布と等しいか或いは近似した歪み分布を発生するために可干渉性で互いに周波数差ｆを持った平行エネルギービームと集束エネルギービームを被検体の表面部位に重ねて照射して、内側に向かって進行する干渉縞を生成し、この干渉縞の熱的作用によって前記被検体の表面部位に前記位相分布と同じ分布を持つ歪みを形成し、前記被検体の内部の前記一点に向かって集束する弾性波を励起する弾性波励起方法を特徴とする。また、被検体内部に向かって励起される集束弾性波が被検体内部で集束する一点の深さ方向位置を変更するため被検体表面に照射される集束エネルギービームの焦点位置を被検体表面の深さ方向に沿って変更する弾性波励起方法を特徴とする。また、被検体内部に向かって励起される集束弾性波が被検体内部で集束する一点の深さ方向位置を変更するため、被検体表面に照射される集束エネルギービームと平行エネルギービームの周波数差ｆを変更する弾性波励起方法を特徴とする。また、被検体内部に向かって励起される集束弾性波が被検体内部で集束する一点を被検体表面と平行な方向に沿って変更するため被検体表面に照射される平行エネルギービームの入射角度を変更する弾性波励起方法を特徴とする。
【００１４】
本発明の第一側面によれば、平行エネルギービームおよびこれと周波数の僅かに違う集束エネルギービームとして、例えば、２本の可干渉性レーザビームを被検体上の意図した部位に照射させることで同心状に走査される干渉縞を生成し、この干渉縞の作用によって被検体表面に干渉縞と同じ間隔を持つ歪み分布を形成する。この歪み分布は、前記被検体を伝搬する弾性波の固有音速度と干渉縞の進行速度とで決まる被検体内の微小領域に向かって集束するバルク弾性波を励起する。一般の固体では、横波音速度と縦波音速度の２つを有するが、ここでは固有音速度とは被検体内部に励起したいバルク弾性波が横波の場合は横波音速度を指し、縦波の場合は縦波音速度を指すものとする。更に、前記被検体の表面又は裏面に向かって照射したプローブ光によって被検体から出射するバルク弾性波を非接触非破壊に検出し、前記被検体又は前記可干渉性のエネルギービーム及びプローブ光のうち少なくとも一つを走査することによって非接触検出点を移動し、被検体内部に励起された超音波の集束近傍における欠陥や材質の変化に非常に敏感な検出信号を得ることができる。また、本発明の第二側面によれば、集束エネルギービームの焦点位置又は平行エネルギービームと集束エネルギービームの周波数差を変化させることでバルク弾性波が集束する被検体内部の微小領域の深さ方向位置を連続的又は段階的に調整可能である。これにより、高速で内部探傷検査を実現できる。更に、本発明の第三側面によれば、被検体が弾性力学的に異方性を有する場合でも、被検体内部の一点で弾性波が発生すると仮定し異方性を考慮した演算を行なって弾性波の被検体表面における位相分布を推定している。なお、異方性媒質中の特定の点から発生した音波が表面に作る波面や、物体表面に同心円以外の形状の位相分布をもつレーザ光を照射する方法は弾性学や光学で公知であり、ここでは議論しない。この位相分布に対応した干渉縞を生成することにより、逆に前記一点に集束するバルク弾性波を励起可能である。即ち、異方性を有する材料でもこれに応じた干渉縞を生成することで自在に所望の深さ位置に向かってバルク弾性波を指向できる。以上のように、本発明では被検体内部の微小領域にピンポイントで集束するバルク弾性波を励起できる上、実用上問題となるバルク弾性波の集束位置を自在、且つ高速で変更できるので極めて三次元的に空間分解能が高い材料検査を非接触非破壊で行なえる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る非接触非破壊の材料評価方法とその装置及び弾性波励起方法と集束レーザ弾性波励起装置を図面を参照して詳述する。まず、図１乃至図６により集束性のバルク弾性波の励起方法を説明する。図１の（ａ），（ｂ）に示すように、角周波数ωの平行エネルギービーム１と角周波数ω′の集束エネルギービーム２を例えば、レーザビーム光源から放射し、図２に示すようにそれぞれのエネルギービームを被検体３の表面部位に例えば垂直に、且つ重ねて照射する。平行エネルギービーム１と集束エネルギービーム２の一本一本の線が同じ位相を持つ波面を模式的に表わしており、図２に示すように被検体３の表面４において平行エネルギービーム１と集束エネルギービーム２は位相干渉し、これによって図３に示すような同心状の干渉縞５が発生する。この干渉縞５の明暗部分、例えば、５ａの明部分と５ｂの暗部分では被検体３に与える熱エネルギー量が異なり、これによって膨張量に差が生じ、干渉縞５の同心円に沿った力学的な歪みが生じる。なお、干渉縞５は外側周辺から内側中心に向かって進行し、等方性材料では中心に向かうほど間隔が大きなパターンになる。図４に示すように、被検体３の表面４にエネルギービームによって加熱膨張した領域６（図に模式的に示されている）が生じ力学的な歪み分布が発生して表面から内部に向かって角周波数｜ω′−ω｜で振動するバルク弾性波７を励起させる。このバルク弾性波７は被検体３内部の微小領域である集束点８に向かって集束する弾性波である。
【００１７】
図５は以上の作用を模式的に示したものである。図において被検体３の表面４をｙ＝０とし表面４から集束エネルギービームの集束点８′までの距離をａとする。前記したように表面４からは被検体３の内部に向かうバルク弾性波７が励起され、集束点８に向かって集束される。ｙ＝０の表面４上で集束点８の真上に一致するｘ点をｘ＝０とすると各ｘ点からは放射角φのバルク弾性波７が被検体３の内部の集束点８に向かって照射される。前記したように平行エネルギービーム１および集束エネルギービーム２の角振動数をω，ω′とし、集束エネルギービームの波長をλとすると干渉縞５の間隔ｂは（１）式により示される。
【００１８】
◎
【数１】
0003704843.tif 000002
【００１９】
干渉縞５はｆ＝｜ω′−ω｜／２πの周波数をもつため、ｘにおける干渉縞５の外側から中心に向かう走査スピード（進行速度）ｖは（２）式で表わされる。
【００２０】
◎
【数２】
0003704843.tif 000003
【００２１】
次に、被検体３のそれ自体の固有音速度をＶとした場合、（２）式で示した干渉縞５の走査スピードｖと前記の固有音速度Ｖとの間でｖ＞Ｖの条件が成立すると、被検体３の内部に向かうバルク弾性波７が放射される。このバルク弾性波７の各ｘ点における放射角φはスネルの法則により、次の（３）式から求められる。
【００２２】
◎
【数３】
0003704843.tif 000004
【００２３】
図６は、前式を用いてシミュレートされた集束点８に集束するバルク弾性波７を示すものである。シミュレートの条件は、エネルギービームとして波長λ＝５３２ｎｍのレーザビームを用い、ｆ＝｜ω′−ω｜／２π＝１００ＭＨｚの変調を行なう。但し、ω′＞ωである必要があり、逆の場合だと放射状に拡散する弾性波が励起されてしまう。被検体３内の固有音速度Ｖを５０００ｍ／ｓとした。また、集束レーザビームの集束点８′は被検体３の表面下ａ＝１０ｃｍに位置する。図６は単位がメートルで表示されるもので図示のように約０．６［ｍｍ］のビーム半径の干渉縞５の場合には深さ約１［ｍｍ］の集束位置に約１５０［μｍ］の幅でバルク弾性波が集束している様子がわかる。なお、この計算では集束レーザビームとして完全に球形の位相面を持つ球面波を仮定しているが、後記するように、レーザ光源からの平行ビームを集束ビームに変換するレンズとして非球面レンズを用いれば、ほぼ完全に微小領域に一点で集束するバルク超音波を励起できる。また、完全な平行レーザビームでなくともある程度焦点距離の長いレンズで形成されたビームであれば集束するバルク弾性波を励起できる。
【００２４】
更に、集束レーザビームと平行レーザビームを被検体表面に照射すれば常に、被検体内部にバルク弾性波を十分に集中することが出来る分けではない。図７に示すように、集束エネルギービームの焦点Ｏが一定以上の深部に位置することが必要である。有限で平行な発振面から波動が放射されてある位置（焦点）で集束する場合、その集束性は発振面内の波の位相が何周期分含まれるかによって近似的に評価することが出来る。被検体表面から深さａの位置に波長λの集束エネルギービームの焦点Ｏが位置し、平行エネルギービームが被検体表面に垂直に入射している状態を仮定する。集束エネルギービームと平行エネルギービームの周波数差をｆとし、励起された弾性波に十分な集束性が得られる発振面内の歪みの波の位相変化を少なくとも１周期とすると、図７に示すようにＯ点の真上表面位置から１周期の位置Ｐまでの距離における平均の波面の位相速度はｆ・（λ2＋２λａ）1/2で表される。この位相速度が被検体材料の固有音速度Ｖより速い場合に、弾性波は十分な集束性をもって被検体の内部に進入して集束することが出来る。なお、一般の等方性の固体材料における弾性波は縦波と横波の２種類があり夫々異なる固有音速度を持つが、ｆ・（λ2＋２λａ）1/2＞Ｖに用いるＶは集束させる弾性波の種類に従って代入して用いる。
【００２５】
集束エネルギービームの焦点の被検体表面からの深さａ或いは、集束エネルギービームと平行エネルギービームの周波数差ｆを変えることによって、被検体の内部で励起される弾性波の集束位置を変更することが出来る。集束エネルギービームの焦点深さ（ａ）を変えた時に励起される弾性波の集束深さの変化を以下の表１に示す。なお、被検体の音速Ｖを３０００ｍ／ｓ、周波数差ｆが１００ＭＨｚを仮定している。表１に示すように、集束エネルギービームの焦点深さａが深くなると被検体内部に励起される弾性波の集束深さがそれに伴って深くなる。図８は以上のことを図示したものである。即ち、集束エネルギービームの焦点位置がＡのように浅い場合には励起される弾性波の集束位置はＡ′点にくる。一方、集束エネルギービームの焦点位置がＡ点よりも深いＢ点にある場合には弾性波の集束位置はＡ′点よりも深い図示のＢ′点に励起される。以上のように、集束エネルギービームの焦点深さａを変化させることにより弾性波の集束位置を自由に変えることができる。
【００２６】
◎
【表１】
0003704843.tif 000005
【００２７】
前記のように弾性波の集束位置を被検体の深さ方向（垂直方向）に沿って移動させるには集束エネルギービームの焦点深さを変更すればよいが、その変更手段としては図９に示すように集束エネルギービームの形成手段の集光レンズ２６や被検体３を機械的に移動すればよい。その具体的方法としては図示のように集光レンズ２６をレンズ移動装置２６ａにより矢印方向に沿って移動するか又は被検体３を被検体移動装置１９ａにより移動させればよい。この場合これ等の移動距離は焦点深さの移動距離の数十倍だけ移動させなければならない。但し一般にズームレンズと呼ばれる焦点距離変更機構を用いればごく短距離のレンズの移動により焦点位置の大幅な変更が可能であり、深さ方向の高速な多点測定が可能になる。
【００２８】
次に、周波数差ｆを変えることによって、励起された弾性波の集束深さを変えることが可能である。被検体の音速度を３０００ｍ／ｓ、集束エネルギービームの焦点深さａを１０ｃｍとして、周波数差ｆを変えた時に励起される弾性波の集束深度の変化を表２に示す。
【００２９】
◎
【表２】
0003704843.tif 000006
【００３０】
周波数ｆの変更は図１０に示すように、例えば、平行エネルギービームと集束エネルギービームの周波数差ｆを作るために導入される音響光学素子（ＡＯ素子）に入力する電気信号の周波数を変えることで可能である。例えば、音響光学素子にチャープ信号を用いること等によって平行エネルギービームと集束エネルギービームの周波数の差を、一回のエネルギービームの照射中に連続的に変更すれば、異なる深さに集束される弾性波が一度に励起される。更に、励起された弾性波が被検体の表面に生成する変位を例えば光学的手段をもって観測し、得られた表面変位の信号を周波数分析すれば、被検体の弾性特性が反映した結果を得ることが出来る。即ち、図１１（ａ）は周波数差ｆの変化により集束深さが変化する状態を示す図であり、周波数差ｆ1の時の集束深さの場所に欠陥が生じている場合を示すものである。図１１（ｂ）は横軸に変位の周波数をとり縦軸に被検体の弾性特性を反映した強度を表示したものである。欠陥のある部分からの弾性波が被検体の表面に生成する変位は欠陥のない部分から被検体の表面に生成される変位と異なるためその変位を光学的手段により観察することにより被検体内部に生じている欠陥の存在とその深度を図１１（ｂ）に示す周波数分析により検出することができる。
【００３１】
また、図１２に示すように、平行エネルギービームを被検体表面に対してある傾斜角度をもって入射することで被検体内部におけるバルク弾性波の集束位置を水平方向に沿って変更出来る。これによれば、被検体或いはエネルギービーム照射手段を移動することなく弾性波の集束位置或いは観測点を変更することが出来る。図１３のように表面凹凸関係で被検体表面上に干渉縞を形成可能な領域が狭いときに、平行エネルギービームの入射角を変えるだけで集束位置の水平方向に沿った変更が可能になる利点がある。
【００３２】
次に、本発明に係る非接触非破壊の材料評価方法を図１４により模式的に説明する。被検体３の裏面側には微小領域を通過したバルク弾性波７が到達する。この裏面にレーザ光源９からプローブ光１０を照射するとバルク弾性波７に起因する裏面の微小変形に対応した反射光１１が反射される。これを後に説明する各種の検出・解析手段１２により検出および解析することにより被検体３の材料特性の分析や被検体３の内部に存在する材料欠陥等の異常を非接触非破壊で発見することができる。なお、プローブ光１０は裏面でなく表面に照射して微小領域から反射するバルク超音波を検出してもよい。
【００３３】
次に、本発明に係る非接触非破壊の材料評価装置を説明する。図１５は本装置の全体構成を示すブロック図である。図に示すように、レーザビーム光源１３からのレーザビームは光学系１４を介して平行エネルギービーム形成手段１５および集束エネルギービーム形成手段１６により角振動数ωの平行エネルギービーム１および角振動数ω′の集束エネルギービーム２となる。これらの平行および集束エネルギービーム１，２はビーム照射手段１７を介して被検体３の表面４に照射される。前記したように、被検体３には集束点８に集束するバルク弾性波７が発生する。一方、プローブ光１０はプローブ光形成手段１８から出射され、被検体３に照射される。被検体３からの反射光１１は前記したように材料特性を検出および解析する検出・解析手段１２に入力され所定の検出および解析が行なわれる。また、被検体３にはこれをｘ，ｙ軸方向に移動させる走査手段１９が付設される。被検体３を走査手段１９により適宜移動させることにより、被検体３のすべての部位の検査が可能になる。また、ビーム照射手段１７には平行エネルギービーム１および集束エネルギービーム２を完全に干渉させるために両ビームのエネルギー密度を同一にするための調整手段２０が設けられる。以上の構成により、被検体３内部の微小領域に集束する弾性波を励起することができると共に、そのバルク弾性波を利用して材料の特性を非接触非破壊で検出および解析する材料評価を行なうことができる。
【００３４】
図１６は本発明に係る非接触非破壊の材料評価装置の具体的な一例を示す構成図である。レーザビーム光源１３から出射されたレーザビーム２１はハーフミラー２２により２つのレーザビーム２１ａ，２１ｂに分割される。レーザビーム２１ａは前記した調整手段２０の一つであるビーム径調整機構２０ａを介し、平行エネルギービーム形成手段１５およびビーム照射手段１７の一つであるビームスプリッタ２３を介し平行エネルギービーム１となり、被検体３に照射される。一方、レーザビーム２１ｂはミラー２４を介し、広帯域信号発生器Ｓと連結される変調素子（ＡＯ素子）Ｍで周波数変調され、集束エネルギービーム形成手段１６およびビーム照射手段１７の一つであるミラー２５，集光レンズ２６およびビームスプリッタ２３を介して被検体３の表面４に照射される集束エネルギービーム２となる。以上により、被検体３内には集束点８に集光するバルク弾性波７が生じる。なお、図示のように、被検体３にはこれを例えば、ｘ方向に沿って走査する走査手段１９の一つである被検体移動装置１９ａが付設される。また、広帯域信号発生器Ｓから出力される制御信号の周波数を変化させることで集束点８を垂直方向に移動可能である。
【００３５】
一方、プローブ光形成手段１８の一つである検出用レーザビーム光源１８ａから出射されたプローブ光１０は集光レンズ２７を介し被検体３に照射される。その反射光１１は検出・解析手段１２の一例であるナイフエッジ法の原理に基づくナイフエッジ法検出・解析手段１２ａにより検出および解析される。ナイフエッジ法検出・解析手段１２ａは集光レンズ２８と、ナイフエッジ２９と、フォトダイオード３０およびオシロスコープ３１等からなる。被検体３からの反射光１１は被検体表面の振動に起因した傾斜により、その反射する方向を僅かに変える。これによりバルク弾性波に応じた被検体表面の凹凸による反射波１１の変化を検出できバルク弾性波７の強度測定が正確に行なわれる。なお、オシロスコープ３１や被検体移動装置１９ａはＦＦＴ計算機Ｃに連結されている。この計算機Ｃは材料欠陥や材料特性の解析演算を行なう。
【００３６】
図１６の実施例を次に説明する。被検体３の表面４におけるビーム半径を約０．５［ｍｍ］とする。また、被検体３は厚さ１［ｍｍ］の銅板を用いる。この場合、銅の固有音速度（縦波）は約４７００ｍ／ｓである。完全に偏光された波長５３２［ｎｍ］のレーザビームをＱ−スイッチＮｄ：ＹＡＧパルスレーザの第２高調波を用いて発振し、そのパルス幅を５０ｎｓｅｃとした。ビームスプリッタによって二経路に分割し、一方は音響光学素子Ｍによって１００ＭＨｚだけレーザビーム２１ｂの周波数変調を行なった。２つのレーザビームが完全に干渉するために、ビーム径調整機構２０ａ等を用いて平行エネルギービーム１と集束エネルギービーム２の被検体表面におけるエネルギー密度を同一に調整する。図１７は励起されたバルク弾性波の集束性を評価した結果を示すのである。被検体表面と平行にｘ座標をとり、検出解析手段のみを移動させて縦軸にバルク弾性波の相対強度を表示したものである。図１７に示すように、集束点８直下の裏面にバルク弾性波が集束して到達していることがナイフエッジ法により検出された。
【００３７】
前記の実施例では、検出・解析手段１２としてナイフエッジ法検出・解析手段１２ａについて説明したが、それ以外にもヘテロダイン干渉法やファブリペロー干渉法，ホモダイン干渉法や電磁超音波トランスデューサによる検出・解析手段が採用される。
【００３８】
図１８は、ヘテロダイン干渉法検出・解析手段１２ｂの原理構成を示すものである。レーザ光源３３から振動数Ｆの光が発振され、ハーフミラー３４により２つに分岐され、その一方は、周波数変調素子であるＡＯ素子３２によりＦ＋ｆの振動数に変調され、被検体３の変位部分３５に照射される。他方の光はハーフミラー３４を通過する。通過した光と変位部分３５から反射した光はハーフミラー３６で一本の光束に合体するが、振動数がＦとＦ＋ｆのため干渉が生じる。このため、「うなり」が発生する。この光の強度をフォトダイオード３７で電気信号に変換してオシロスコープ３８で観測することができる。ところで、試料表面がその振動によって元の高さからレーザ光の１／４波長分だけ高くなったと仮定するとレーザ光束と他方の表面を介さないレーザ光の干渉によって生じたうなりの位相もうなりの半波長分ずれたことになる。うなりの信号自体は変調周波数程度の低い周波数を持った信号のため、その位相の変化は容易にオシロスコープ３８で観測することができる。以上のように、うなりの位相変化を測定して表面の光の波長程度のごくわずかな変位を観測することがこの方法により可能になる。
【００３９】
図１９はファブリペロー干渉法検出・解析手段１２ｃを示す。これはファブリペロー干渉計を使用するもので特定の振動数（波長）の光を抽出して出力する半透明の鏡３９，４０を使用するものである。レーザ光源４１から出射した振動数Ｆの光は被検体３の振動数ｆで振動する変位部分４２に当ると、その反射光がドプラー効果により振動数Ｆと異なる振動数Ｆ′の波を出射する。ファブリペロー干渉計は振動数Ｆ以外の例えば、振動数Ｆ′の光のみを抽出するように鏡３９，４０を配置することにより振動数Ｆ′の光がフォトダイオード４３に入力され、電気変換される。これをオシロスコープ４４で観察することにより被検体３に生じた波動の観察が可能になる。なお、ホモダイン干渉法や電磁超音波トランスデューサによる方法についてはその内容の説明を省略したが公知文献に記載されているものでありここでは触れない。
【００４０】
前記の説明では、図３に示すように間隔が連続的に変化する干渉縞５が形成された場合について説明したが、これは集束エネルギービーム２として完全に球形の位相面を持った球面波を採用したためである。仮りに、円錐レンズを用いて円錐状の位相をもつ集束エネルギービームを採用すると、例えば、図２０に示すように等間隔な同心円状の干渉縞５′が形成される。但し、干渉縞の間隔をｈとしてｆ＝（ω′−ω）２ｔとすれば、Ｖ＜ｆ・ｈの関係が必要である。（図２１に示すように、この干渉縞５′により被検体３の表面４に生じる歪み分布に応じてバルク弾性波７は垂直直線状の集束位置８ａに集束することになる。これにより、広範囲の材料特性の検査が垂直方向に一度に行なわれ、材料評価工数の効率化が図れる。勿論、集束エネルギービームの形状を変化させることにより前記以外の形状の干渉縞を形成することができる。例えば、円筒形の位相面を持った集束エネルギビームを用いれば、水平直線上にバルク弾性波を集束できる。
【００４１】
更に、異方性材料では方向や入射角度によって固有音速度が異なり、励起された弾性波が被検体内部で集束するに必要な干渉縞のパターンは同心円とはならないが、集束エネルギービーム或いは平行エネルギービームを歪ませることによって所望のバルク弾性波を励起することが可能である。即ち、この場合には図２２に示すように異方性の被検体の内部のＳ点から放射される弾性波により被検体の表面には変形された位相分布が形成される。従って、異方性材料の場合には被検体の内部の一点（Ｓ点）で周波数ｆの弾性波が発生すると仮定して図２２に示したような位相分布の弾性波が被検体の表面に伝搬されたと推定する。この弾性波の位相分布と等しいか又は近似した歪みの分布を発生する可干渉性で互いに周波数差を持った平行エネルギービームと集光エネルギービームを被検体の表面部位に照射し、周囲から内側に向かって進行する干渉縞を生成し、この干渉縞の熱的作用によって被検体の表面部位に前記位相分布と同じ位相分布を持つ歪みを形成することができる。これによって被検体の内部の前記Ｓ点に向かって集光するバルク弾性波を励起することができる。また、図２３は弾性異方性を有する表面位相分布の他の例を示す参考図である。
【００４２】
次に、ビーム照射手段として非球面レンズを用いた場合の実施の形態を図２４，図２５により説明する。前記の実施の形態ではビーム照射手段として球面レンズを用いているため球面レンズによって励起された集束バルク超音波はその集束性が完全でなく図６に示すように若干の収差を伴って一点に集まる。被検体の内部を超音波の波長程度の高い空間分解能で計測する場合には、ほぼ完全に点集束させたいこともある。そこで本例では球面レンズの替りにビーム照射手段として非球面レンズを用いて被検体表面における集束ビームの位相分布を調整し、励起される弾性波の完全な点集束化を図っている。
【００４３】
図２４に点集束バルク超音波の励起原理を示す。被検体３′の図示のＣ点が垂直方向Ｚの原点とし、Ｃ点から水平に被検体３′の表面に沿う方向をｒ軸とする。ビームスプリッタ２３′を通過した平行エネルギービーム１′は被検体３′の表面に入射角０度で入射される。一方、平行エネルギービーム１′よりも周波数がｆだけ大きいもう１つの平行エネルギービーム４７は非球面レンズからなる集光レンズ４６を通り、集束エネルギービーム４８となり、ビームスプリッタ２３′で反射した成分の集束エネルギービーム２′は被検体３′の表面に入射される。平行エネルギービーム１′と集束エネルギービーム２′とは被検体３′の表面で交差し、その平面に同心円状に内側に向かって進行する干渉縞（以下、集束型走査干渉縞５′）を形成する。この集束型走査干渉縞５′が被検体３′の内部に集点８′に点集束する集束バルク超音波７′（バルク弾性波）を励起する。
【００４４】
図２４に示すように、ｃ点を原点として被検体表面に沿ってｘ離れたＲ点に入射する集束エネルギービーム４８の成分は前記（３）式に示す角度φで被検体３′内に放射されるバルク弾性波７′を励起する。更に、バルク弾性波７′を収束させるとしてその位置８をｃ点直下ａzの深さの点とすると、以下の（４）式に示すようにｘ＝ａz・ｔａｎφの関係になくてはならない。ｃ点から位置ｘ離れた位置に入射する集束エネルギービーム４８の成分がｃ点直下から式４を満たす深さａの点８′を通過する方向に入射されるように非球面レンズ４６を設計することにより等方性材料からなる被検体３′のｃ点からの深さａzの点に位置する微小領域８（Ｑ点）にバルク弾性波７′を点集束させなくてはならない。
【００４５】
◎
【数４】
0003704843.tif 000007
ここで、ｆは平行エネルギービームと集束エネルギービームとの周波数差、λは前記集束エネルギービームの波長Ｖは被検体３′のＲ点とＱ点を結ぶ方向における固有音速度である。
【００４６】
次に、被検体３′が異方性材料の場合にも同様の議論が可能であり、以下の（５）式が成立する。
【００４７】
◎
【数５】
0003704843.tif 000008
ここで、Ｖ′は被検体３′のＲ点とＱ点を結ぶ方向における被検体３′の音速度である。
【００４８】
前記Ｖ′は実際に被検体材料を測定することによっても理論的に異方性弾性定数から求めることもできるが、このことは弾性学状の公知理論であり、これ以上言及しない。また、被検体３′の任意の位置（例えばＲ点）に意図した方向で入射するエネルギービームを形成するための非球面レンズの設計方法についても光学上公知でありこれ以上言及しない。
【００４９】
次に、非球面の集束レンズ４６を用いた非接触非破壊材料評価装置の具体的な構成を図２５に示す。レーザビーム光源１３′から出射されたレーザビーム２１′は、ビームスプリッタ２２′によって２つのレーザビーム２１ａ′と２１ｂ′に分割される。レーザビーム２１ａ′はビーム系調整機構２０ａ′により被検体３′に照射する径に調整される。調整されビームスプリッタ２３′を通過したレーザビーム１′は被検体３′に照射される。一方、レーザビーム２１ｂ′はミラー２４′を介した後、ＴｅＯ2の音響光学素子４５に導入され、ＴｅＯ2の音響光学素子４５の駆動周波数だけ周波数が高い方向にシフトされる。周波数がシフトされたレーザビーム２１ｂ′はミラー２５′を介して非球面の集束レンズ４６を通り集束レーザビーム４８となり、ビームスプリッタ２３′で反射した成分がレーザビーム２′となる。レーザビーム１′と２′とは被検体１の表面で交差し、干渉し、内側に向かって走査される干渉縞が形成され、これにより所望の一点を焦点８′とする集束バルク超音波７′が生成される。一方、生じた集束バルク超音波７′は、例えば、光学的ナイフエッジ法を用いた以下の光学系で検出を行なう。検出用レーザビーム光源１８ａ′から出射したプローブビーム１０′は集光レンズ２７′により前記集束バルク超音波の波長程度に集光される。被検体３′で反射したプローブビーム１１′は集光レンズ２８′で調整され、アバランシェフォトダイオード３０′の受光面に導かれる。アバランシェフォトダイオード３０′の手前に設置したナイフエッジを調整することで、集束バルク超音波７′を計測しオシロスコープ３１′で観測する。なお、必要に応じて被検体移動装置１９ａ′を用いて被検体３′を移動させることで、計測したい複数部分を計測することが可能である。なお、前記の実施例では集束バルク超音波の検出方法として、光学的ナイフエッジ法を用いたが、これに限定するものではなく、超音波を非接触で検出する一般的な方法であればよい。また、本例ではレーザビームの周波数をシフトする手段として音響光学素子４５を採用しているが、これに限定するものではない。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、次のような顕著な効果を奏する。
１）周波数の異なる干渉性の平行エネルギービームと集束エネルギービームを被検体の表面に照射し、干渉縞を形成し、この干渉縞の進行速度が被検体の固有音速度より大きいことを条件として弾性波（バルク弾性波）を被検体内部に励起することが容易に実現できる。
２）前記バルク弾性波は集束エネルギービームの形状により被検体の内部の特定部位に集束することができ、場合によっては直線に沿う集束位置にそれぞれ集束することが容易にできる。
３）プローブ光を照射すると共に被検体を走査することにより、被検体の内部の微小領域における材料の欠陥や材質，特性等が非接触非破壊で正確に検出することができる。
４）従来技術に比べて高精度且つ高空間分解能で且つ高効率の材料評価が可能になる。
５）集束エネルギービームの焦点位置又は平行エネルギービームと集束エネルギービームの周波数差を変えることによりバルク弾性波が集束する被検体内部の微小領域の深さ位置を連続的又は段階的に調整できるので内部探傷検査を高速に実現することができる。
６）被検体が弾性力学的に異方性を有する場合でも被検体内部の一点で弾性波が発生すると仮定し異方性を考慮した演算を行なって弾性波の表面位相分布推定しこの位相分布に対応した干渉縞を生成することにより前記一点に集束するバルク弾性波を励起することができる。これにより異方性のある被検体を異方性のない被検体と同様に取り扱うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に使用される平行エネルギービームおよび集束エネルギービームを示す模式図。
【図２】平行エネルギービームと集束エネルギービームの干渉状態を示す模式図。
【図３】本発明の干渉縞を示す平面図。
【図４】本発明の干渉縞により被検体内に発生するバルク弾性波を示す模式図。
【図５】本発明のバルク弾性波の集束状態および放射角を理論的に求めるための模式図。
【図６】本発明のバルク弾性波の集束位置を示す線図。
【図７】被検体表面に生じた波面の位相速度を求めるための模式図。
【図８】焦点エネルギービームの集束位置の変化を示す模式図。
【図９】レーザビームの集束位置の移動を説明するための構成図。
【図１０】チャープ信号を示す線図。
【図１１】被検体の深さ位置に応じた周波数に被検体の弾性特性が反映した結果を示す線図。
【図１２】被検体表面に対し角度を持って平行エネルギービームを入射した場合の集束位置変化を示す模式図。
【図１３】干渉縞の形成領域が狭い場合のビーム照射方法を示す模式図。
【図１４】バルク弾性波を利用した本発明の非接触非破壊の材料評価方法を説明するための模式図。
【図１５】本発明の非接触非破壊の材料評価装置の概要構成を示すブロック図。
【図１６】本発明の非接触非破壊の材料評価装置の一例を示す構成図。
【図１７】本発明の検出結果を示す相対強度線図。
【図１８】本発明における検出・解析手段の一例を示す構成図。
【図１９】本発明における検出・解析手段の他の例を示す構成図。
【図２０】本発明における等間隔同心円状の干渉縞を示す平面図。
【図２１】図２０におけるバルク弾性波の直線状の集束状態を示す模式図。
【図２２】被検体内部から放射される弾性波の作る位相分布を示す模式図。
【図２３】弾性異方性を持つ被検体表面の位相分布の他の例を示す模式図。
【図２４】非球面レンズを用いて一点集束のバルク超音波を励起する原理を説明するための模式図。
【図２５】非球面レンズを用いた本発明の非接触非破壊材料評価装置の具体的構成を示す構成図。
【符号の説明】
１，１′                      平行エネルギービーム
２，２′，４７，４８          集束エネルギービーム
３，３′                      被検体
４                            表面
５，５′                      干渉縞
５ａ                          干渉縞の明部分
５ｂ                          干渉縞の暗部分
６                            領域
７，７′                      バルク弾性波
８                            集束点
８′                          集束エネルギービームの焦点
８ａ                          集束位置
９，３３，４１                レーザ光源
１０                          プローブ光
１１                          反射光
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ  検出・解析手段
１３                          レーザビーム光源
１４                          光学系
１５                          平行エネルギービーム形成手段
１６                          集束エネルギービーム形成手段
１７，１７ａ                  ビーム照射手段
１８                          プローブ光形成手段
１８ａ                        検出用レーザビーム光源
１９                          走査手段
１９ａ                        被検体移動装置
２０                          調整手段
２０ａ                        ビーム径調整機構
２１，２１ａ，２１ｂ          レーザビーム
２２，３４，３６              ハーフミラー
２３，２３′                  ビームスプリッタ
２４，２５                    ミラー
２６，２７，２８              集光レンズ
２９                          ナイフエッジ
３０，３７，４３              フォトダイオード
３０′                        アバランシェフォトダイオード
３１，３８，４４              オシロスコープ
３２                          ＡＯ素子（周波数変調素子）
３５，４２                    変位部分
３９，４０                    鏡
４５                          音響光学素子
４６                          非球面の集束レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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