(57)【要約】【課題】高い分解能で被検体の内部を測定できるレーザ超音波測定装置を提供する。【解決手段】レーザを発するレーザ発振器と、前記レーザ発振器からのレーザを分岐する分岐光学系と、分岐された各レーザに対して異なる光路長を付与するディレイ光学系と、前記ディレイ光学系を出射した各レーザを通過させる液晶ＤＯＥと、前記液晶ＤＯＥを通過した各レーザを被検体の表面に照射する集光レンズと、前記被検体からの超音波を検出する超音波センサと、前記液晶ＤＯＥのパターンを変化させて、前記被検体内部における超音波の集束位置を走査する制御部と、を備えるレーザ超音波測定装置。【選択図】図１
2015206739.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザを発するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器からのレーザを分岐する分岐光学系と、
分岐された各レーザに対して異なる光路長を付与するディレイ光学系と、
前記ディレイ光学系を出射した各レーザを通過させる液晶ＤＯＥと、
前記液晶ＤＯＥを通過した各レーザを表面に照射して被検体に超音波を発生させる集光レンズと、
前記被検体内を伝播した超音波を検出する超音波センサと、
前記液晶ＤＯＥのパターンを変化させて、前記被検体内部における超音波の集束位置を走査する制御部と、を備えるレーザ超音波測定装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記被検体の表面における各レーザの照射位置の分布の疎密を変化させるように前記液晶ＤＯＥのパターンを制御することで前記被検体内部における超音波の集束位置を深さ方向に変化させ、かつ、最も長い光路長を付与されたレーザの照射位置を変化させるように前記液晶ＤＯＥのパターンを制御することで前記被検体内部における超音波の集束位置を面内方向に変化させる、請求項１のレーザ超音波測定装置。
【請求項３】
前記ディレイ光学系は、複数の光ファイバで構成され、
該複数の光ファイバは、０．５ｍｍ以上かつ１ｍｍ未満の一定ピッチで配置される、請求項１又は２のレーザ超音波測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ超音波測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は、従来のレーザ超音波測定装置を示す。この装置は、パルスレーザ光源１０と、集光レンズ１１と、被検体１３内部を伝播した超音波を検出する受信装置１５と、検出された超音波信号を処理して判定を行う剥離判定部１７とで構成される。被検体１３には、レーザによる超音波を発生させる中間媒体１２と、中間媒体１２で発生した超音波を被検体１３に効率よく伝播させる接触媒質１４とが設けられる。更に、被検体１３には、超音波検出感度を向上させるめっき層１６が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−５７５２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、図６の従来のレーザ超音波測定装置では、被検体１３の内部で超音波が放射状に伝播するため、超音波の強度が非常に微弱になってしまい、測定分解能が低下するという課題がある。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解消するためのもので、被検体内部を高い分解能で測定できるレーザ超音波測定装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、レーザを発するレーザ発振器と、前記レーザ発振器からのレーザを分岐する分岐光学系と、分岐された各レーザに対して異なる光路長を付与するディレイ光学系と、前記ディレイ光学系を出射した各レーザを通過させる液晶ＤＯＥと、前記液晶ＤＯＥを通過した各レーザを被検体の表面に照射する集光レンズと、前記被検体からの超音波を検出する超音波センサと、前記液晶ＤＯＥのパターンを変化させて、前記被検体内部における超音波の集束位置を走査する制御部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
以上のように、本発明により、被検体内部で超音波を集束させるため、微細な空隙や異物等を高い分解能で測定可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態におけるレーザ超音波検査装置の図
【図２】実施の形態におけるレーザ超音波測定装置において測定を行う被検体の図で、（ａ）は内部の中央の空隙を示す図、（ｂ）は内部の中央の上部の空隙を示す図、（ｃ）は内部の左端の空隙を示す図
【図３】実施の形態における液晶ＤＯＥを通過する各レーザの光路を表す図で、（ａ）は内部中央に空隙が存在する場合のレーザの光路を示す図、（ｂ）は内部中央上部に空隙が存在する場合のレーザの光路を示す図、（ｃ）は内部左端に空隙が存在する場合のレーザの光路を示す図
【図４】実施の形態における被検体内部の傷周辺で超音波が集束する様子を表す図
【図５】実施の形態における測定フローのフローチャート
【図６】従来のレーザ超音波測定装置を表す図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（実施の形態１）
図１に、実施の形態１におけるレーザ超音波測定装置の構成を示す。本装置の測定対象物は、内部に欠陥としての空隙を有する被検体２０である。本装置は、レーザを発するレーザ発振器２１と、レーザ発振器２１からのレーザを多数に分岐する分岐光学系と、分岐された各レーザのエネルギ量を調整するエネルギ調整機構と、を備える。更に、本装置は、分岐された各レーザに対して光路長差を付与するディレイ光学系と、各レーザの照射位置を決定する液晶ＤＯＥ２６と、各レーザを二次元走査するガルバノミラーユニット２７と、ガルバノミラーユニット２７で走査された多分岐レーザを走査領域内に対して同一な状態で照射するｆθレンズである集光レンズ２８と、レーザ照射によって被検体２０で発生した超音波を検出する超音波探触子２９と、を有する。更に、超音波探触子２９によって電気信号に変換された超音波信号を増幅するアンプ３１と、アンプ３１で増幅された信号を集録する集録ボード３２と、ガルバノミラーユニット２７制御するＩ／Ｏボード３３と、を本装置は具備する。
【００１０】
分岐光学系は、ビームスプリッタ２２とミラー２３とで構成される。具体的には、ビームスプリッタ２２に無偏光ハーフミラーを、ミラー２３に全反射ミラーを使用し、１：１のエネルギ割合でレーザを分割する。
【００１１】
エネルギ調整機構は、ＮＤフィルタ２４で構成される。ＮＤフィルタ２４は、被検体２０内部に余分な超音波が発生しないように設けられる。ＮＤフィルタ２４は、測定中にダイナミックにレーザの照射エネルギを変更できるように構成される。具体的には、円形の可変型のＮＤフィルタ２４に自動モータを取り付け、レーザ発振器２１からのトリガ信号と同期して自動モータを駆動させて、レーザの照射エネルギを調整する構成とする。
【００１２】
ディレイ光学系は、カップラーに蒸着されたパワー伝送用の複数の光ファイバ２５で構成される。光ファイバ２５のそれぞれの長さを変えることで各レーザに異なる光路長を付与する。各光ファイバ２５のコア径は、たとえば１００ｕｍである。各光ファイバ２５の先端は、光軸に対して垂直な平面になるように切断され、また、各光ファイバ２５の先端が揃うようにホルダに束ねられる。
【００１３】
集録ボード３２と、Ｉ／Ｏボード３３とは、コンピュータ３４に備えられている。感度を向上させるために超音波探触子２９の先端に接触媒質３０が取り付けられている。
【００１４】
すなわち、本実施の形態にかかるレーザ超音波測定装置は、レーザを発するレーザ発振器２１と、レーザ発振器２１からのレーザを分岐する分岐光学系の一例であるビームスプリッタ２２とミラー２３と、分岐された各レーザに対して異なる光路長を付与するディレイ光学系の一例である光ファイバ２５と、ディレイ光学系を出射した各レーザを通過させる液晶ＤＯＥ２６と、液晶ＤＯＥ２６を通過した各レーザを被検体２０の表面に照射することで被検体２０に超音波を発生させる集光レンズ２８と、被検体２０内を伝播した超音波を検出する超音波センサの一例である超音波探触子２９と、液晶ＤＯＥ２６のパターンを変化させて、被検体２０内部における超音波の集束位置を走査する制御部の一例であるコンピュータ３４と、を具備する。
【００１５】
ここで、レーザ照射により発生した超音波は、被検体２０内を放射状に伝播するため、この超音波をそのまま用いては、測定分解能が低下してしまう。そこで、本レーザ超音波測定装置において、多分岐したレーザにより発生した複数の超音波を集束させることで、測定分解能の向上を図る。複数の超音波を集束させるために重要なのは各レーザ間の光路長差であり、その光路長差は以下の式（１）で求まる。
【００１６】
（光路長差）＝（被検体２０内部での縦波の音速）×（検出したい超音波周波数）×Ｎ…（１）
ここで、Ｎは多分岐したレーザの照射パターンの中心のレーザを０とした時に各照射ポイントに位置するレーザの次数を指す。すなわち、式（１）における光路長差は、光路長が最短のレーザとの光路長差を示す。また、検出したい超音波周波数とは、例えば被検体２０をアルミとしてその内部に存在する０．２ｍｍの異物を検出しようとする場合、アルミ内部での縦波の超音波の音速を６０００ｍ／ｓとすると、５ＭＨｚの周波数である。また、分岐するレーザの数を例えば５本とする。この場合、光路長が最長のものと最短のもとのの光路長差は１４．４ｍｍ、二番目に光路長が長いものと最短のものとの光路長差は７．２ｍｍとなる。
【００１７】
各光ファイバ２５は、隣り合うレーザに影響が出ないようにするために、０．５ｍｍ以上かつ１ｍｍ未満の間隔をあけた一定ピッチで配置するのが望ましい。各光ファイバ２５の間隔が０．５ｍｍ未満の場合、液晶ＤＯＥ２６に入射した際に、隣接するレーザ光が混ざり合ってしまう。また、光ファイバ２５の間隔が１ｍｍ以上離れた場合は、集束する前に超音波が被検体２０内部で減衰して、高分解能化の効果が得られなくなる。
【００１８】
なお、光ファイバ２５の列を複数列並べて平面状にレーザを照射してもよい。平面状にすることにより、集束性能が向上し、被検体２０内部の空隙や異物等の測定分解能をより一層向上させることができる。この場合、ビームスプリッタ２２とミラー２３とで、レーザ発振器２１からのレーザを平面状に分布するように分岐する。
【００１９】
ここで、ＤＯＥとは、Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ、すなわち回折光学素子を指す。このＤＯＥを液晶で構成する（液晶ＤＯＥ２６）ことで、回折パターンを変化させることが可能となり、被検体２０内における超音波の集束位置を走査可能となる。このため、液晶ＤＯＥ２６を具備する本装置は、高い分解能を保ちつつ被検体２０内部の広範囲の探傷を実現できる。超音波の集束位置を走査するためには、被検体２０表面におけるレーザの照射位置を変化させる必要がある。ディレイ光学系である光ファイバ２５における各レーザの光路は固定のため、レーザの照射位置の変化は、液晶ＤＯＥ２６の回折パターンの変化により実現される。
【００２０】
ここで、被検体２０表面における各レーザの照射位置と、被検体２０内部における超音波の集束位置との関係について説明する。
【００２１】
被検体２０内部における超音波の集束位置の深さは、被検体２０表面における各レーザの照射位置の間隔に依存する。つまり、より深い位置に超音波を集束させたい場合は、レーザ照射位置の間隔を広げ、逆に、より浅い位置に超音波を集束させたい場合は、レーザ照射位置の間隔を狭くする。すなわち、制御部の一例であるコンピュータ３４は、被検体２０の表面における各レーザの照射位置の分布の疎密を変化させるように液晶ＤＯＥ２６のパターンを制御することで被検体２０内部における超音波の集束位置を深さ方向に変化させる。
【００２２】
また、被検体２０内部における超音波の集束位置の面内方向の位置は、光路長が最長のレーザの照射位置に依存する。例えば、より右側に超音波を集束させたい場合は、右側に光路長が最長のレーザを照射する。すなわち、制御部の一例であるコンピュータ３４は、最も長い光路長を付与されたレーザの照射位置を変化させるように液晶ＤＯＥ２６のパターンを制御することで被検体２０内部における超音波の集束位置を面内方向に変化させる。
【００２３】
ここで、レーザの照射パターンと、超音波の集束位置との関係について図２を用いて説明する。図２は液晶ＤＯＥ２６と集光レンズ２８と被検体２０の横断面図を表しており、図２（ａ）は面内方向中央、かつ、深さ方向中央に空隙２０ａ、図２（ｂ）は面内方向中央、かつ、深さ方向上方に空隙２０ｂ、図２（ｃ）は面内方向左端、かつ、深さ方向中央に空隙２０ｃがある状態を示す。図２においては、図１のガルバノミラーユニット２７の図示を省略している。
【００２４】
まず、図２（ａ）の空隙２０ａを測定する場合、最短の光路（図１の光ファイバ２５）を通ったレーザが最外郭に、最長の光路を通ったレーザが中心に照射されるように液晶ＤＯＥ２６の回折パターンを調整する。液晶ＤＯＥ２６を通過した各レーザは、集光レンズ２８を介して被検体２０の表面に照射される。レーザの各照射位置において被検体２０内部に同時に超音波が発生する。この場合、図３（ａ）に示すように各レーザが液晶ＤＯＥ２６を通過する。図３は、光路長の異なる複数のレーザが、液晶ＤＯＥ２６に入射する際に進行する光路と、出射する際に進行する光路とを示す図である。図３において、光路長とは、各レーザが通過した図１の光ファイバ２５の長さを示す。かかる構成によると、多点発生した超音波は、図４に示すように最長の光路（図１の光ファイバ２５）を通ったレーザの照射点（照射位置）の真下に集束するため、内部にある傷を高い分解能で検出できる。
【００２５】
また、図２（ｂ）の空隙２０ｂを測定する場合は、上述と同様な系では超音波が空隙２０ｂの位置で集束しないため、空隙２０ｂの検出が困難となる。そのため、各レーザの照射位置のピッチが狭くなるように液晶ＤＯＥ２６の回折パターンを変更する。この場合、図３（ｂ）に示すように各レーザが液晶ＤＯＥ２６を通過する。かかる構成によると、各レーザ照射位置で発生した超音波が集束する時間が早まるため、表面に近い空隙２０ｂを高分解能で測定できる。
【００２６】
そして、図２（ｃ）の空隙２０ｃを測定する場合、最短の光路（図１の光ファイバ）を通ったレーザを右端に、最長の光路を通ったレーザが左端に来るように液晶ＤＯＥ２６の回折パターンを変更する。具体的には、図３（ｃ）に示すように各レーザが液晶ＤＯＥ２６を通過する。かかる構成によると、内部で多点発生した超音波は、最長の光路を通ったレーザの照射位置がある左側に集束するため、内部左端にある空隙２０ｃを高分解能に検出できる。
【００２７】
なお、液晶ＤＯＥ２６のパターンを変える事で超音波の伝播方向を変えることができるため、図１のガルバノミラーユニット２７の角度は、液晶ＤＯＥ２６のパターンに依存することなく一定であってよい。ガルバノミラーユニット２７の角度は、超音波の伝播方向により大きな変化を与える際にのみ調整すればよい。
【００２８】
上述のように、液晶ＤＯＥ２６のパターンによってレーザの照射位置を変更することで、被検体２０内部に伝播する超音波の深さ方向の集束位置を制御できる。この場合、隣り合うレーザ照射位置間の距離は、伝播する超音波の１／１０波長以上とする。例えば、発生する超音波の周波数が５ＭＨｚの時は０．１ｍｍ以上レーザ照射位置を離す必要がある。この距離以上にレーザ照射位置を近づけると、集束する超音波が平面波となり、空隙の両端において超音波が回折して伝播し、分解能が低下する。
【００２９】
なお、図１のビームスプリッタ２２で分岐された各レーザは以下の式（２）で求められるエネルギで被検体２０の表面に照射されることが望ましい。
（各レーザの出力）＝（レーザ発信器の出力）／分岐数×（各レーザ照射点から集束位置までの距離）／（最長光路長のレーザ照射位置から集束位置までの距離）…（２）
上式（２）を満たすことで、集束位置以外での超音波の伝播強度を抑制することできるため、超音波検出系におけるＳＮが向上し、空隙や異物の検出分解能を向上できる。
【００３０】
なお、効率良く測定を行うためには、被検体２０の吸収係数が高い波長のレーザを選ぶ必要がある。例えば、被検体２０が銅の場合は、吸収率の低い赤外光ではなく、可視光レーザを発振する図１のレーザ発振器２１を採用する。
【００３１】
なお、超音波探触子２９の代わりに、超音波センサとして、ファブリペロー干渉計のようなドップラーシフトによる周波数の変化を検出することができる干渉計を採用してもよい。
【００３２】
ここで、図１のレーザ超音波測定装置における動作フローについて、図５のフローチャートを用いて説明する。
【００３３】
図５のステップＳ１では、超音波探触子２９が被検体２０の裏面に取り付けられる。
【００３４】
ステップＳ２では、図１のコンピュータ３４からトリガ信号を出し、式（２）を満たすようにＮＤフィルタ２４を回転させて各レーザの光量（エネルギ）を調整する。
【００３５】
ステップＳ３では、コンピュータ３４からトリガ信号を送り、液晶ＤＯＥ２６のパターンを調整する。初期状態における液晶ＤＯＥ２６のパターンは、超音波の集束位置が、被検体２０の中心に来るように設定する。このパターンにすると、検出される超音波の振幅の差から空隙の面内方向の位置を特定することができ、２回目以降の測定で空隙の位置を特定できる。
【００３６】
ステップＳ４では、ガルバノミラーユニット２７を駆動させる。
【００３７】
ステップＳ５では、Ｉ／Ｏボード３３からレーザ発振器２１と集録ボード３２に対して同タイミングのトリガ信号を送り、レーザ発振器２１から１パルスのレーザを照射させ、その時に超音波探触子２９で検出した超音波信号を集録ボード３２で集録する。
【００３８】
ステップＳ６では、あらかじめ指定されたエリアの走査が完了しているかをコンピュータ３４が判断し、走査が完了している場合はその時点でデータ集録を終了する。走査が完了していない場合はステップＳ２に戻り、液晶ＤＯＥ２６のパターンを変えながら、レーザ照射、および、超音波検出を継続する。
【００３９】
ステップＳ７では、ステップＳ２からステップＳ５で得られた全てのデータに対して、コンピュータ３４内で処理を行い、空隙の位置をコンピュータ３４の画面に表示する。
【００４０】
以上、図５のフローチャートに示した動作により、図１の超音波測定装置１は、被検体２０内部の測定を行う。
【００４１】
以上のように、液晶ＤＯＥ２６を利用することで、高分解能な測定を実施できる。具体的には、本実施の形態により、１００μｍ程度の空隙や異物の測定が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、工場のインライン検査装置として使用できる。
【符号の説明】
【００４３】
１０  パルスレーザ光源
１１  集光レンズ
１２  中間媒体
１３  被検体
１４  接触媒質
１５  受信装置
１６  めっき層
１７  剥離判定部
２０  被検体
２１  レーザ発振器
２２  ビームスプリッタ
２３  ミラー
２４  ＮＤフィルタ
２５  光ファイバ
２６  液晶ＤＯＥ
２７  ガルバノミラーユニット
２８  集光レンズ
２９  超音波探触子
３０  接触媒質
３１  アンプ
３２  集録ボード
３３  Ｉ／Ｏボード
３４  コンピュータ
【図１】
2015206739.tif 000003
【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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