(57)【要約】【課題】非破壊・非接触で、検査対象内部の欠陥検査や構造解析を、空間解像度がナノメータオーダでも行えるといったレーザ励起超音波画像装置を提供する。【解決手段】検査対象Ｐに対して超音波励起用レーザＬ１を放射し、その内部等を伝播する超音波を励起させる超音波励起用レーザ放射部１と、超音波が検査対象Ｐ内部の欠陥などに起因して発生する超音波エコーを検出するための参照光Ｌ２を放射する参照光放射部２と、参照光Ｌ２が検査対象Ｐに反射又は散乱した際に、その表面で参照光Ｌ２と超音波エコーとの相互作用によって生じた光強度又は光周波数の変化等を含む反射光または散乱光Ｌ３を受光し、この反射光または散乱光Ｌ３によって電子を放出する光電面４と、光電面４から放出された電子の軌道を掃引するための対を成す掃引電極５１を備えた掃引部５と、掃引部５で掃引された電子を光変換する蛍光面７と、蛍光面７に現れる輝点を画像化して出力する画像出力部８とを具備して成るようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象に対してパルスレーザを放射し、前記検査対象の表面または内部を伝播する超音波を励起させる超音波励起用レーザ放射部と、
前記超音波が前記検査対象内部の欠陥或いは内部構造などに起因して発生する超音波エコーを検出するための参照光を放射する参照光放射部と、
前記参照光が検査対象に反射又は散乱した際に、その表面で前記参照光と前記超音波エコーとの相互作用によって生じた光強度又は光周波数の変化等を含む反射光または散乱光を受光し、この反射光または散乱光によって電子を放出する光電面と、
前記光電面から放出された電子の軌道を掃引するための対を成す掃引電極を備えた掃引部と、
前記掃引部で掃引された電子を光変換する蛍光面と、
前記蛍光面に現れる輝点を画像化して出力する画像出力部とを具備して成ることを特徴とするレーザ励起超音波画像装置。
【請求項２】
前記パルスレーザのパルス幅が、数百ピコ秒以下であることを特徴とする請求項１記載のレーザ励起超音波画像装置。
【請求項３】
前記参照光放射部が放射する参照光が、レーザであることを特徴とする請求項１または２記載のレーザ励起超音波画像装置。
【請求項４】
前記掃引方向と直交する方向に長手寸法を有するスリットを設けていることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載のレーザ励起超音波画像装置。
【請求項５】
前記対を成す掃引電極と前記蛍光面との間に、掃引電極で掃引された電子を検出し、増倍させた電子を蛍光面に対して出力する電子増倍部を設けていることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載のレーザ励起超音波画像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触や近接が困難な計測対象に対して、亀裂や欠陥の検査あるいは構造解析を、非接触かつ非破壊で高精度に行うためのレーザ励起超音波画像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、超音波エコーを利用して、検査対象の断面映像を捉えることにより、非破壊で検査対象の亀裂や欠陥などの検査を行えるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、レーザー超音波法を利用して、非破壊、非接触で検査対象の亀裂や欠陥などの内部欠陥の検査を行えるようにした検査装置が知られている。
【０００４】
このレーザー超音波法を用いた検査装置は、以下のようにして使用される。
【０００５】
まず、検査対象の表面にレーザービームを照射し、検査対象の表面又は内部に超音波を励起させる。この超音波が検査対象を伝播する過程で欠陥に当たると、そこで超音波のエコーが発生する。検査対象には、超音波発生用のレーザービームとは別に、超音波検出用のレーザービームを照射する。この照射部位に欠陥からのエコーが到達すると、その表面には超音波振動が生じるので、レーザービームの反射波はドップラーシフトを受け、その光周波数が変位する。この光周波数の変位を、例えばファブリ・ペロー干渉計で透過光強度の変位に変換し、光検出器に入射させる。その結果、検査対象内部の欠陥は、光検出器の出力信号の変化として検出することが可能となる（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２０００−２８５８９号公報
【特許文献２】特開２００２−２２８６３９号公報（第２頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載の構成では、超音波を試料に伝えるための媒体として水が必要である。このため、検査対象が、例えば、吸湿等によって形状や電気的特性が変化するものであれば、正確な検査を行うことができないといった問題点を有している。また、圧電素子によって発生することができる超音波の周波数は、数百ＭＨｚが上限であるため、画像の解像度が、数十ミクロン程度までに制限されてしまうといった問題点を有している。
【０００７】
また、特許文献２記載の構成では、例えば、超音波発生用のビームのパルス幅を狭くしたとしても、ファブリ・ペロー干渉計および光検出器の応答速度に制限され、ナノメータオーダー以下の空間解像度の画像を得ることは困難である。さらに、零次元計測のため、試料全体を検査するためには、計測点を２次元走査する必要があり、長い時間がかかってしまうという問題点がある。
【０００８】
そこで本発明は、非破壊・非接触で、検査対象内部の欠陥検査や構造解析を、（１）空間解像度がナノメータオーダで且つ（２）速い検査速度で行えるといったレーザ励起超音波画像装置を提供することを、その主たる課題としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明に係るレーザ励起超音波画像装置は、検査対象に対してパルスレーザを放射し、前記検査対象の表面または内部を伝播する超音波を励起させる超音波励起用レーザ放射部と、前記超音波が前記検査対象内部の欠陥或いは内部構造などに起因して発生する超音波エコーを検出するための参照光を放射する参照光放射部と、前記参照光が検査対象に反射又は散乱した際に、その表面で前記参照光と前記超音波エコーとの相互作用によって生じた光強度又は光周波数の変化等を含む反射光または散乱光を受光し、この反射光または散乱光によって電子を放出する光電面と、前記光電面から放出された電子の軌道を掃引するための対を成す掃引電極を備えた掃引部と、前記掃引部で掃引された電子を光変換する蛍光面と、前記蛍光面に現れる輝点を画像化して出力する画像出力部とを具備して成ることを特徴とする。
【００１０】
このようなものによれば、光電面から放出され、少しずつ遅れてやってくる各電子は、掃引部において、掃引方向における少しずつ異なった方向に偏位され、蛍光面に到達する。すなわち、掃引部で電子を高速に掃引することにより、反射光または散乱光の時間的・空間的な光強度変化を、高精度に蛍光面上で画像として捉えることができる。したがって、例えば、パルスレーザのパルス幅を数百ピコ秒以下とすれば、固体中であれば一般に時間分解能１ピコ秒で５ｎｍ、１００ピコ秒で５００ｎｍと、ナノメータ空間解像度の画像を得られるので、この画像を利用して、非常に細かな欠陥を見つけ出すことが可能になり、また、内部構造の高精度な解析も可能となる。
【００１１】
すなわち、非破壊・非接触で、検査対象内部の欠陥検査や構造解析を、空間解像度がナノメータオーダで且つ速い検査速度で行えるといったレーザ励起超音波画像装置を提供することができる。
【００１２】
前記参照光放射部が放射する参照光が、レーザであれば、上述した本発明の効果は顕著となる。
【００１３】
前記掃引方向と直交する方向に長手寸法を有するスリットを設けているのであれば、蛍光面上における掃引方向と同一方向を時間軸、直交する方向を空間軸として設定することができ、多点同時計測を行うことができる。これにより計測時間を短縮することができる。
【００１４】
微弱な光を十分な光量まで倍増でき、高精度な解析に資するようにするには、前記対を成す掃引電極と前記蛍光面との間に、掃引電極で掃引された電子を検出し、増倍させた電子を蛍光面に対して出力する電子増倍部を設けていることが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
このように本発明に係るレーザ励起超音波画像装置は、光電面から放出され、少しずつ遅れてやってくる各電子は、掃引部において、掃引方向における少しずつ異なった方向に偏位され、蛍光面に到達する。すなわち、掃引部で電子を高速に掃引することにより、反射光または散乱光の時間的・空間的な光強度変化を、蛍光面上で２次元画像として捉えることができる。したがって、例えば、パルスレーザのパルス幅を数百ピコ秒以下とすれば、ナノメータ空間解像度の画像を得られるので、この画像を利用して、非常に細かな欠陥を見つけ出すことが可能になり、また、内部構造の高精度な解析も可能となる。
【００１６】
すなわち、非破壊・非接触で、検査対象内部の欠陥検査や構造解析を、空間解像度がナノメータオーダで且つ速い検査速度で行えるといったレーザ励起超音波画像装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１８】
本実施形態のレーザ励起超音波画像装置Ａは、検査対象Ｐ（例えば、鋼材）のレーザ励起超音波の圧力による表面反射率の変動や表面位置の変動による参照光強度の変調を計測することで、その検査対象Ｐの内部の欠陥を非破壊・非接触で検査する検査装置や検査対象Ｐの内部構造を解析する解析装置などとして用いられるものである。そして、このレーザ励起超音波画像装置Ａは、図１、図２、図３に示すように、検査対象Ｐ内に超音波を励起させるための超音波励起用レーザＬ１（本発明の「パルスレーザ」に相当）を放射する超音波励起用レーザ放射部１と、前記超音波によって検査対象Ｐ内に発生した超音波エコーを検出するための参照光としての参照レーザＬ２を放射する参照レーザ放射部２（本発明の「参照光放射部」に相当）と、超音波エコー及び参照レーザＬ２から得られる反射光または散乱光としての反射レーザＬ３を通過させるためのスリット３と、受光した光を電子に変換して放出する光電面４と、対を成す掃引電極５１ａ、５１ｂを備えた掃引部５と、掃引された電子を倍増させるための電子増倍部６と、電子を光変換する蛍光面７と、この蛍光面７で得られる光学像を出力するための画像出力部８（図示せず）とを具備して成るに加え、超音波励起用レーザ放射部１、参照レーザ放射部２、掃引部５の動作をそれぞれ制御するための制御部９を設けている。なお、本実施形態では、スリット３、光電面４、掃引部５、電子増倍部６、蛍光面７および画像出力部８は、カメラユニットＡＵとして一体的に組みつけてある。以下、各部を具体的に説明する。
【００１９】
超音波励起用レーザ放射部１は、検査対象Ｐに対して超音波励起用レーザＬ１を放射し、前記検査対象Ｐの表面または内部を伝播する超音波を励起させるものである。具体的には、超音波励起用レーザ放射部１から放射された超音波励起用レーザＬ１が、検査対象Ｐの表面に照射されると、この照射点には熱的応力などによって超音波が発生することで、検査対象Ｐ内部を伝播する超音波が励起される。なお、本実施形態では、この超音波励起用レーザＬ１のパルス幅を、数百ピコ秒以下としている。
【００２０】
参照レーザ放射部２は、前記超音波が前記検査対象Ｐ内部の欠陥或いは内部構造などに起因して発生する超音波エコーを検出するための参照レーザＬ２を放射するものである。なお、本実施形態では、参照レーザＬ２の放射方向と、超音波励起用レーザＬ１の放射方向とを同一方向となるように設定している（図２参照）。なお、参照レーザＬ２の放射方向および超音波励起用レーザＬ１の放射方向は、同一方向でなくても良く、超音波励起用レーザＬ１の放射角度に略制限は無い。また、本実施形態では、この参照レーザＬ２を、連続発振（ＣＷ）レーザとしているが、これに限らず、白色光などの複数波長の混じりあった光や単一波長の光でも良く、また、パルスレーザを用いることを妨げない。
【００２１】
スリット３は、前記掃引方向５Ｈと直交する方向に長手寸法を有する横長略矩形状のものである。本実施形態では、前記参照レーザＬ２が検査対象Ｐに反射した際に、その表面で前記参照レーザＬ２と前記超音波エコーとの相互作用によって生じた光強度又は光周波数の変化等を含む反射レーザＬ３を通過させる位置に配している。
【００２２】
光電面４は、前記スリット３を通過してきた反射レーザＬ３を受光し電子を放出するものである。
【００２３】
掃引部５は、前記光電面４から放出された電子の軌道を掃引するための対を成す掃引電極５１ａ、５１ｂ（以下、掃引電極５１と総称する）を備えるものである。本実施形態では、一方の掃引電極５１を掃引回路に接続する一方、他方の掃引電極５１を接地させている。そして、後述する制御部９が、掃引電極５１間を通過する電子を、上方または下方へと振るように、掃引電極５１間の掃引電圧を制御するように構成している。
【００２４】
電子増倍部６は、前記対を成す掃引電極５１と前記蛍光面７との間に配され、掃引電極５１で掃引された電子を検出し、増倍させた電子を蛍光面７に対して出力するものであって、一般的にマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）と呼ばれるものを用いている。本実施形態では、この電子増倍部６が、電子の数を約数千倍程度に倍増するように構成しているが、これに限られるものではない。
【００２５】
蛍光面７は、電子増倍部６で倍増された電子を受光し光変換するものである。
【００２６】
画像出力部８は、蛍光面７に現れる輝点を画像化し光学像として出力するものである。なお、この画像出力部８が出力する光学像は、外部のビデオカメラで撮影し得る状態で出力するようにしているが、これに限られるものではない。
【００２７】
制御部９は、超音波励起用レーザＬ１の放射タイミング、参照レーザＬ２の放射タイミングおよび掃引電極５１ａ、５１ｂへの掃引電圧の印加タイミングをそれぞれ制御するものである。例えば、超音波励起用レーザＬ１の放射タイミングと参照レーザＬ２の放射タイミングとを同期制御したり、また、掃引電圧の印加タイミングを、数十ｐｓ以下の掃引時間レンジ制御したりすることなどができる。
【００２８】
次に上記構成のレーザ励起超音波画像装置Ａの動作について説明する。
【００２９】
まず、制御部９に制御されて超音波励起用レーザ放射部１から放射された超音波励起用レーザＬ１を、図４（ａ）に示す検査対象Ｐ（例えば、鋼材）の表面に照射すると、この照射点には熱的応力などによって超音波が発生し、検査対象Ｐ内部を伝播する超音波Ｓ１が励起される。
【００３０】
そして、検査対象Ｐ内部に、欠陥があった場合（例えば、欠陥Ｋ）、その内部を伝播する超音波Ｓ１は、その欠陥Ｋによって反射され超音波エコーＳ２が発生する。
【００３１】
一方、制御部９に制御されて参照レーザ放射部２から放射された参照レーザＬ２が、検査対象Ｐに反射する際、その表面で前記参照レーザＬ２と前記超音波エコーＳ２との相互作用によって生じた光強度又は光周波数の変化等を含む反射レーザＬ３が生じる。
【００３２】
このようにして生じた反射レーザＬ３は、スリット３を介して、光電面４に到達する。具体的には、図５に示すように、スリット３を介して、反射レーザＬ３ａ、Ｌ３ｂ、Ｌ３ｃ、Ｌ３ｄ、Ｌ３ｅの順に、光電面４に到達する。
【００３３】
光電面４に到達した反射レーザＬ３は、電子となって放出される。
【００３４】
そして光電面４から放出される電子Ｅａ、Ｅｂ、Ｅｃ、Ｅｄ、Ｅｅは、掃引部５の掃引電極５１間で掃引され、図５に示すように偏位された状態で、順に電子増倍部６に到達する。
【００３５】
このようにして電子増倍部６に到達した電子は、増倍され蛍光面７に到達することとなる。
【００３６】
しかして、蛍光面７に到達した電子は光変換されて、輝点Ｆ（Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃ、Ｆｄ、Ｆｅ）として現れ、画像出力部８によって、画像Ｚとして画像出力される。このようにして、ナノオーダの空間解像度の情報を持つ画像Ｚを得ることができる（図４（ｂ）参照）。
【００３７】
したがって、このようなレーザ励起超音波画像装置Ａによれば、光電面４から放出され、少しずつ遅れてやってくる各電子Ｅａ、Ｅｂ、Ｅｃ、Ｅｄ、Ｅｅは、掃引部５において高速に掃引され、掃引方向５Ｈにおける少しずつ異なった方向に偏位され、蛍光面７に到達し輝点Ｆとして現れる。すなわち、反射レーザＬ３の時間的・空間的な光強度変化を、高精度に蛍光面７上で画像（光学像）として捉えることができる。
【００３８】
すなわち、非破壊・非接触で、検査対象Ｐ内部の非常に細かい欠陥Ｋの検査や構造解析を、空間解像度がナノメータオーダで且つ速い検査速度で行えるといった、優れたレーザ励起超音波画像装置Ａを提供することができる。
【００３９】
前記掃引方向５Ｈと直交する方向に長手寸法を有するスリット３を設けているため、蛍光面７上における掃引方向５Ｈと同一方向を時間軸、直交する方向を空間軸として設定することができ、多点同時計測を行うことができる。これにより計測時間を短縮することができる。
【００４０】
前記対を成す掃引電極５１と前記蛍光面７との間に、掃引電極５１で掃引された電子を検出し、増倍させた電子を蛍光面７に対して出力する電子増倍部６を設けているため、微弱な光を十分な光量まで倍増でき、高精度な解析に用いることができる。
【００４１】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
【００４２】
例えば、スリット３を用いない構成零次元計測をすることができる。
【００４３】
また、図６に示すように、電子増倍部６を用いない構成とすることもできる。
【００４４】
また、参照レーザ放射部２に代えて、例えば、インコヒーレントな白色光を参照光として発光する参照光放射部を用いることもできる。
【００４５】
また、検査対象は、鋼材に限られるものではない。
【００４６】
また、レーザ励起超音波画像装置Ａは欠陥の検査に限らず、内部構造の解析にも用いることができる。
【００４７】
また、カメラユニットＡＵとして一体的に組み付ける各部の種類も本実施形態のものに限られるものではなく、また、一体的に組み付けなくても構わない。
【００４８】
また、超音波励起用レーザ放射部１が放射する超音波励起用レーザＬ１のパルス幅を、数百ピコ秒以下としているが、これに限らず、ナノ秒以上とすることを妨げない。
【００４９】
また、蛍光面７の後段にイメージインテンシファイアを配置することにより、蛍光面７に現れる輝点の光増倍部を設けるといった実施態様も考えられる。
【００５０】
また、図１、図３、および図７に示す本発明の他の実施形態、すなわち、光干渉光学系を用いたレーザ励起超音波による検査対象Ｐの表面変位の計測をすることで、その検査対象Ｐの内部の欠陥を非破壊・非接触で検査する検査装置や検査対象Ｐの内部構造を解析する解析装置などとして用いることもできる。
【００５１】
この場合には、図７に示すように、カメラユニットＡＵを、ハーフミラーＨＭを介してピエゾステージＰＳに対面配置する。そして、検査対象Ｐ内に生じたレーザ励起超音波の圧力によって検査対象Ｐの表面位置が変動することにより検査対象Ｐ表面からの反射光パスと、ピエゾステージＰＳからの反射光パスの光路差が変わることにより、カメラユニットＡＵで生じる光干渉の光強度の変動を計測などすればよい。
【００５２】
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ励起超音波画像装置の機能構成図。
【図２】同実施形態における各レーザの放射及び反射態様を説明するための説明図。
【図３】同実施形態におけるＡＵ要部の構成を示す概略構成図。
【図４】同実施形態における超音波エコー等の発生態様を説明するための説明図及び得られる画像例を示す図。
【図５】同実施形態におけるレーザ励起超音波画像装置の動作を説明するための説明図。
【図６】本発明の他の実施形態における要部の構成を示す概略構成図。
【図７】本発明の他の実施形態に係るレーザ励起超音波画像装置を用いた光干渉計測系を示す図。
【符号の説明】
【００５４】
Ａ・・・・・・・・・・・・・レーザ励起超音波画像装置
Ｆ（Ｆａ〜Ｆｅ）・・・・・・輝点
Ｋ・・・・・・・・・・・・・欠陥
Ｌ１・・・・・・・・・・・・パルスレーザ（超音波励起用レーザ）
Ｌ２・・・・・・・・・・・・参照光（参照レーザ）
Ｌ３・・・・・・・・・・・・反射光または散乱光（反射レーザ）
Ｐ・・・・・・・・・・・・・検査対象
Ｓ１・・・・・・・・・・・・超音波
Ｓ２・・・・・・・・・・・・超音波エコー
Ｚ・・・・・・・・・・・・・画像
１・・・・・・・・・・・・・超音波励起用レーザ放射部
２・・・・・・・・・・・・・参照光放射部（参照レーザ放射部）
３・・・・・・・・・・・・・スリット
４・・・・・・・・・・・・・光電面
５・・・・・・・・・・・・・掃引部
５Ｈ・・・・・・・・・・・・掃引方向
６・・・・・・・・・・・・・電子増倍部
７・・・・・・・・・・・・・蛍光面
８・・・・・・・・・・・・・画像出力部
５１（５１ａ、５１ｂ）・・・掃引電極
【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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