(57)【要約】【課題】測定対象を光音響セルに封入しないことで非接触的に測定を行う事ができ、しかも測定対象試料の光学的な吸収係数に対して直線性の良い光音響信号を生じることができ、かつ測定波長域に光導入系の材料による制限を受けないで測定可能な光音響分光イメージング手段を提供する。【解決手段】回転楕円体型空洞共鳴器を用いて音響的な共鳴を活用するが、測定対象試料を光音響セルに封入する事をせず、音響的な開放構造をとることによって、試料に対して非接触、かつ自由に走査範囲を設定できるイメージングシステムを構築し、同時に光導入窓を取り払うことによって、分光測定の波長の窓材料による制限をも取り払って高感度検出システムを実現する。【選択図】図２
2013181866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転楕円体型の音響共鳴器を密閉構造にすることなく、開放構造にして試料に対して移動・走査することにより、試料の光音響イメージングを可能とすることを特徴とする映像装置及び方法。
【請求項２】
第１項に述べた原理に立脚し、回転楕円体型の音響共鳴器に光ビームを導入する窓を取り払うことによって、使用するレーザー光の波長の制限を除去した広帯域な分光イメージングが可能であることを特徴とする映像装置及び方法。
【請求項３】
第１項および第２項に述べた装置であって、試料を照射するレーザー光を検出器の音響共鳴周波数と同じ周期を有するパルスあるいは正弦波で変調した後、その包絡線を１）さらに別の周期の正弦波で変調するか、または２）ランダムパルスで変調することによって、前者の場合には、試料内部から発生する被変調温度信号の振幅と位相から、後者の場合には振幅と遅れ時間から試料の内部構造に関する情報を得ることを特徴とする映像装置及び方法。
【請求項４】
第１項に述べた構造をとる場合、回転楕円体型共鳴器の共鳴周波数のシフトが存在するので、音響共鳴器のサイズを適切に選び、さらに気体の漏えい流量が調整可能なリーク部を設けることによって、マイクロフォンに代表される音響センサに対して共鳴周波数を適合させることを特徴とする映像装置及び方法。
【請求項５】
第１項から第４項に述べた装置であって、半導体レーザーまたは高輝度発光ダイオードと高感度音響センサを用いたボールペン程度の手に持って走査ができるコンパクトなサイズから、航空機部品などの大型機器の非破壊検査にも応用できる大型サイズまでの範囲の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は非破壊検査や試料の分光イメージングに応用される光音響イメージング装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光を物質に照射して、熱に転換されたエネルギーを空気中の音波、あるいは固体中の熱弾性波としてとらえる光音響法は、内部が見えない固体試料内部の非破壊検査や試料の分光イメージングを行う光音響顕微鏡、あるいは光音響映像法に応用されてきた。
【０００３】
光音響イメージングを行う装置においては、試料を密閉セルに封入するガス=マイクロフォン法[文献１]か、試料に圧電素子を貼り付ける方法[文献２]の2つが主流であった。前者では試料を光音響セルに封入しなければならず、後者では光音響信号の分光学的な直線性が問題になる［文献３］。
【０００４】
さらに、ヘルムホルツ共鳴器[文献４]や回転楕円体型音響共鳴器[文献５]を用いる光音響センサも実現されてはいたが、分光のためのセンサとしてのみ用いられており、まだイメージング用のセンサとしては用いられてこなかった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】R. L. Thomas, J. J. Pouch, Y. H. Wong, L. D.Favro, P. K. Kuo, and A. Rosencwaig: J. Appl.     Phys.,51, 1152(1980).
【非特許文献２】A.Rosencwaig and G. Busse: Appl. Phys. Lett., 36, 725 (1980).
【非特許文献３】W.Jackson and N. M. Amer: J. Appl. Phys., 51, 3343 (1980).
【非特許文献４】A.Miklos, P. Hess and Z. Bozoki: Rev. Sci. Instr., 72, 1937 (2001).
【非特許文献５】和田森直、松田甚一：信学技報MBE2003-61(2003-09)
【非特許文献６】西巻正郎：電気音響振動学（コロナ社, 1960）.
【非特許文献７】C. T. M.Chang: J. Acoust. Soc. Amer., 49, 611 (1971)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、圧電素子では難しい分光学的な直線性を保証した形で、微小サイズから大型サイズまでの試料を、測定対象を光音響セルに封入せずに、音響的には開放された空洞共鳴器を用いて非接触的に、かつ光導入に光学窓や光ファイバを必要としないため、きわめて広帯域な波長範囲で測定できる光音響イメージング手段を実現する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者は、これまで密閉構造でしか用いられてこなかった回転楕円体型音響共鳴器を用いた光音響測定において、開放構造をとった場合には音響的な共振に基づく光音響信号の低下が、共鳴器と試料との間隔を１mm程度離した場合でも減少量が４０％程度と少ないこと、ならびに共鳴周波数のシフトが高周波側に生じることを新たに発見した。
【０００８】
この事実に立脚し、回転楕円体型音響共鳴器において、あえて開放構造をとることによって、これまでの２つの手法では得られない３つの利点つまり、１）微小なサイズから大型の構造物まで、光音響セルへの封入や圧電素子の貼り付けから自由な非接触・非破壊検査の実現、２）窓が不要なための測定波長域の制限の撤廃、３）ガス=マイクロフォン法を用いるための分光学的直線性の保証、を実現する。
【発明の効果】
【０００９】
この発明は、密閉構造を取らない音響共鳴器を活用して、測定対象を光音響セルに封入せずに、微小サイズから大型サイズまでの試料を音響的に開放された測定系で非接触測定可能な光音響イメージング手段を実現する効果がある。
【００１０】
また、光源となる光を導入する窓や光ファイバを用いた密閉構造を採用しないため、極めて広範囲な波長範囲の光源を用いた分光イメージングを可能にする効果がある。
【００１１】
さらに、試料を照射するレーザー光を検出器の音響共鳴周波数と同じ周期を有するパルス、あるいは正弦波で変調した後、その包絡線を１）さらに別の周期の正弦波で変調するか、または２）ランダムパルスで変調することによって、前者の場合には、試料内部から発生する被変調温度信号の振幅と位相から、後者の場合には振幅と遅れ時間から試料の内部構造に関する情報を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は本発明の請求項の１および２の説明をなすもので、基本的な構成を示したものである。
【図２】図２は本発明の請求項１の説明をなすもので、請求項に述べる光音響イメージング装置の具体的な構成を示したものである。
【図３】図３は本発明の請求項の３の説明をなすもので、実験データの説明となっている。密閉度は「0mm閉」（密閉時）、「0mm閉  ハリガネ」（共鳴器と試料とを密着させ間に針金を挿入した時）、「1mm開  ラップ」（共鳴器と試料との間隔が1mmで開放し、ラップで閉じた時）、「1mm開 」（共鳴器と試料との間隔が1mmの開放時）で、共鳴周波数もこの順で高周波側に上昇する形でシフトしている。
【図４】図４は本発明の請求項の３の説明をなすもので、音響系の等価回路表現[文献6]を表す。電圧が圧力を、電流が体積速度を表し、音響インピーダンスは圧力／体積速度比を表す。図にYcavityと示したRLC並列共振回路が回転楕円体共振器を表し、左側のYholeと示した直列回路は気体の流出に伴う放射インピーダンスをアドミッタンスに直したものを示している。
【図５】図５は試料に用いた、アルミニウム金属板に４色の塗料を塗布したものである。色は上段、左から右へ青色、赤色、下段左から右へ黒色、緑色の順である。
【図６】図６は、図５に示した試料を本装置で光音響イメージングした振幅像である。走査範囲は２３ｍｍｘ２３ｍｍである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明に関わる共鳴型光音響映像装置を応用した場合について、本発明の原理ならびに実施形態を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明に関わる共鳴型光音響映像装置を光音響分光イメージングに応用した実施例である。まず図の様に、直方体内部を回転楕円体型にくりぬいた空洞音響共鳴器（１）に入射用開口部（５）を通して、強度変調したレーザー光（４）（可変波長光源としてレーザー光を光パラメトリック発振器で波長変換する場合をも含むものとする）を、試料（３）を照射するように入射させる。試料の過熱によって発生した光音響信号は、共鳴器と試料との間隔が近距離であれば音響共鳴器を通して高感度マイクロフォン（２）に到達する。
【実施例２】
【００１５】
図２の実施例は、本装置を光音響イメージング装置として用いた場合の応用例である。発振器（６）により変調したレーザー（７）の光をミラー（８）で反射させた後に、回転楕円体音響共鳴器（１）に開けた光導入開口部（５）を通して試料（３）に照射する。光音響効果により発生した音波は音響共鳴器を通過して高感度マイクロフォン（２）で検出する。電気信号はロックインアンプ（１０）により変調信号を利用して同期検波される。その振幅と位相とは、信号転送バスライン（１１）を経由してパーソナルコンピューター（１３）に転送される。試料は走査ステージ（９）により２次元的に走査され、その制御はステージコントローラー（１２）とパーソナルコンピューターにより行われる。
【００１６】
走査の1点1点から発生した光音響信号は振幅画像および位相画像として表示される。開口部に窓を装着し、イメージングしようとする固体試料を音響共鳴器に密着させた場合には、その共鳴周波数は回転楕円体の共鳴周波数[文献７]となる。
【００１７】
しかし、試料を音響共鳴器に密着させない場合には、発生した音波が外部へ流出する音響的アダミッタンス（体積速度／圧力の比）に従って共鳴周波数がシフトする。共鳴周波数のシフト量の実例を図３に示す。楕円の長軸の半分の長さを85.5 mm, 長軸と短軸との長さの比を9.0 に選んだ場合、完全に密閉した状態での光音響信号の共鳴周波数は1360Hz、信号電圧が128μVであったが、共鳴器と試料とを1 mm離した場合、1490 Hz, 83μVとなり、約１０％の高周波側への周波数シフト、４０％程度の信号の低下という結果であった。このため、このタイプの共鳴型光音響測定では、試料と共鳴器とを離したままイメージングすることが十分に可能であることが示された。
【００１８】
回転楕円体の共鳴を音響回路を用いて表現すると、図４に示すRLC並列共振回路で表現できる。密閉状態ではこの回路のみが光音響効果によって発生する音源につながっているだけであるが、音響的な開放系で漏えいが存在する場合には、図に示す音響的放射アドミッタンスが加わるため、このリアクタンス分（等価的にインダクタンスとなる）が並列回路に加わる。そのため、共鳴周波数のシフトは高周波数側にシフトし、その量も計算でき、設計することが可能となる。
【００１９】
図４中で１６は穴の存在によって生じたリアクタンス成分であって、開放部や穴のない場合の共鳴周波数に対する共鳴周波数のシフトを引き起こす原因となっている。穴が存在しない場合、空洞共鳴器の共鳴周波数は下記の数式（１）であるが、穴が存在する場合には、共鳴周波数は記の数式（２）で示されるように、高周波数側にシフトする。
【００２０】
【数１】
2013181866.tif 000003
【００２１】
【数２】
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【００２２】
なお、周波数シフト量は共鳴器と試料との距離には比例せず、飽和傾向にあることが実験的に得られた。
【００２３】
図５および図６は光音響イメージングの実施例２の具体例である。図５の試料に対して、ＹＡＧレーザーの第２高調波（波長５３２ｎｍ）を光源にした場合に得られた光音響信号画像を階調表示したもの（白色が強く黒色が弱い）を図６に示す。この波長においては試料の光吸収は、黒色＞赤色＞青色＞緑色の順に強いので、この順に光音響信号が強い画像となっている。試料を音響セルに密着させない状態くでも光音響イメージングができる事を示している。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明の産業上での応用としては、まず不可視試料内部の構造物の分光的検出があげられる。つまり、試料の表層に可視光線は吸収するが、赤外線は透過する材料があり、その内部に表層を透過してきた赤外線を吸収するような構造物や成分がある場合、内部での光吸収に基づく光音響信号の発生があるので、それをこの装置では非常に広い波長域にわたって分光分析しながら、内部の空間分布まで測定可能な顕微分光イメージング装置として機能する。
【００２５】
次に本装置の応用が期待されるのは、ペンサイズで軽量な音響共鳴器と小型の高感度マイクロフォンと半導体レーザーまたは高輝度発光ダイオードと組み合わせると、小型軽量で低価格な光音響非破壊検査装置ができる。
【符号の説明】
【００２６】
１      回転楕円体音響共鳴器
２      音響センサ（高感度マイクロフォン）
３      測定試料
４      レーザービーム
５      光導入開口部
６      発振器
７      レーザー
８      ミラー
９      走査ステージ
１０    ロックインアンプ
１１    信号転送バスライン
１２    ステージコントローラー
１３    パーソナルコンピューター
１４    光音響効果によって発生する圧力源を意味する体積速度源
１５    放射インピーダンスの実数部 (RH)
１６    放射インピーダンスのリアクタンス部 (LH)
１７    回転楕円体音響共鳴器の音響抵抗 (RA)
１８    回転楕円体音響共鳴器のイナータンス(LA)
１９    回転楕円体音響共鳴器の音響容量 (CA)
２０    マイクロフォンに入射する圧力
【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】
2013181866.tif 000009
【図６】
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