JP4621781B2 - Laser ultrasonic inspection equipment - Google Patents
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Description
本発明は、例えば小型、高温、稼動部など接触や近接が困難な原子炉の炉底部構造物を計測対象とし、その計測対象が水中環境下、粉塵環境下、狭隘環境下に設置された場合において、き裂や欠陥の検査あるいは材料評価を非接触かつ非破壊で高精度に行うことのできるレーザ超音波検査装置に関する。 In the present invention, for example, a reactor bottom structure of a nuclear reactor that is difficult to contact or approach, such as a small size, high temperature, or operating part, is measured, and the measurement target is installed in an underwater environment, a dust environment, or a narrow environment. The present invention relates to a laser ultrasonic inspection apparatus capable of performing non-contact, non-destructive and high-precision inspection of cracks and defects or material evaluation.
近年、例えば発電プラントの機器や構造材料のき裂検査の一手法としては、レーザ超音波法が提案されている。この技術の概要については、例えば「山脇:“レーザ超音波と非接触材料評価”、溶接学会誌、第64巻、No.2、P.104−108(1995年発行)」(例えば、非特許文献1参照)などの文献に記載されている。 In recent years, for example, a laser ultrasonic method has been proposed as a technique for crack inspection of equipment and structural materials in power plants. For an overview of this technology, for example, “Yamawaki:“ Laser Ultrasound and Non-Contact Material Evaluation ”, Journal of Welding Society, Vol. 64, No. 2, P. 104-108 (issued in 1995)” (for example, non-patent It is described in documents such as Document 1).
この文献に記載されたレーザ超音波法は、多くの場合被検査材に対してパルスレーザ光を照射することで発生する熱的応力あるいは気化反力を利用して超音波を送信する一方、多くの場合連続発振する別のレーザ光を受信点に照射し、その直進性や可干渉性を利用して超音波によって誘起される変位または振動速度を受信する技術である。 The laser ultrasonic method described in this document often transmits ultrasonic waves using thermal stress or vaporization reaction force generated by irradiating a material to be inspected with pulsed laser light. In this case, the receiving point is irradiated with another laser beam that continuously oscillates, and the displacement or vibration speed induced by the ultrasonic wave is received using the straightness and coherence.
このように超音波を用いて材料のき裂や内在欠陥を検出したりあるいは材料特性の評価を行うことは、公知の技術であるものの、レーザ超音波法によれば、これらを非接触で行うことが可能であり、さまざまな材料評価分野への応用が期待されている。 Although it is a known technique to detect a crack or intrinsic defect of a material or to evaluate a material characteristic using ultrasonic waves in this way, according to a laser ultrasonic method, these are performed in a non-contact manner. Therefore, it is expected to be applied to various material evaluation fields.
レーザ超音波法における超音波の送受信手法としては、いくつか異なる光学系が提案されており、特に受信用光学系としては、マイケルソン干渉法、マッハツェンダ干渉法、ファブリ・ペロー法、位相共役法、ナイフエッジ法などが提案されている。ここでは本発明に関係が深い、パルスレーザ光照射による超音波発生方法と、位相共役法を用いた超音波の受信手段について、図23に代表的な従来のレーザ超音波検査装置のブロック構成図を示す。 Several different optical systems have been proposed as ultrasonic transmission / reception methods in the laser ultrasonic method, and in particular, as a receiving optical system, Michelson interferometry, Mach-Zehnder interferometry, Fabry-Perot method, phase conjugation method, A knife edge method has been proposed. Here, a block diagram of a typical conventional laser ultrasonic inspection apparatus shown in FIG. 23 is shown for an ultrasonic generation method using pulsed laser light irradiation and ultrasonic reception means using a phase conjugate method, which are closely related to the present invention. Indicates.
図23に示すように、超音波を発生させる超音波発生用レーザ光源1から発振したパルスレーザ光PLは、照射光学系2を介して被検査材3表面の所定位置に所定のビーム形状で照射される。ここで、超音波発生用レーザ光源1としては、QスイッチYAGレーザなどが多く用いられる。
As shown in FIG. 23, pulse laser light PL oscillated from an ultrasonic wave generation laser light source 1 for generating ultrasonic waves is irradiated to a predetermined position on the surface of the
このようにパルスレーザ光PLを被検査材3表面に照射すると、被検査材3とパルスレーザ光PLとの相互作用により、被検査材3には縦波、横波、表面波など種々のモードの超音波USが発生し、その超音波USは被検査材3に含まれるき裂や欠陥、あるいは被検査材3の材料特性により反射、散乱、音速変化などの現象を発生するが、ここではそれらについては詳細に論じない。いずれにせよ、ある伝播過程に基づいて伝播した超音波USが被検査材3上の任意の計測点に到達すると、その部位に変位を生じる。
When the surface of the
一方、超音波USを検出するために超音波検出用レーザ光源4から発振したレーザ光ILは、受信用光学系OPにおける位相共役素子5に入射される。ここで、位相共役素子5の結晶としては、強誘電体結晶(BaTiO3、LiNbO3など)、常誘電体結晶(BSOなど)、半導体(GaAs、InP、GaPなど)が使用される。
On the other hand, the laser light IL oscillated from the
そして、位相共役素子5を透過したレーザ光ILは、コリメータM1で第1の光ファイバ6に入射され、この光ファイバ6から出射したレーザ光ILは、対物レンズM2を経て被検査材3の所望の計測点に照射される。この被検査材3に照射されたレーザ光ILの散乱光(散乱成分の一部)SLは、第2の対物レンズM3で集光され、第2の光ファイバ7、第2のコリメータM4を介して位相共役素子5に再び入射される。
Then, the laser beam IL transmitted through the phase conjugate
通常の場合、被検査材3の表面が光学的に粗面である場合には、散乱光SLの波面が歪み、干渉効率が極めて低くなって干渉信号は得られないものの、この光学系の配置においては、位相共役効果により散乱光SLが干渉し、ミラー8およびレンズM5を介して光検出器9で比較的高効率で干渉信号を検出することができる。この光検出器9で検出された信号は、信号処理装置10にて適宜信号処理され、表示、記録される。
In the normal case, when the surface of the
ここで、光検出器9としては、PIN型フォトダイオード(以下、PIN−PDという)、あるいはアバランシェフォトダイオード(以下、APDという)が多く用いられ、これらは第1の外部電源11から定常的なバイアス電圧を印加することで動作する。また、位相共役素子5も第2の外部電源12から数kV〜数十オーダーのバイアス電圧を印加することで動作し、このバイアス電圧を位相共役素子5のドリフトを抑制するためにパルス状に印加する動作モードとしている。
Here, as the
さらに、トリガー発振器13は、超音波発生用レーザ光源1の動作タイミングと第2の外部電源12の動作とを同期させ、超音波計測時刻で位相共役素子5において最大の干渉効率が得られるよう動作する。
Furthermore, the
一方、図24に示した構造を用いて超音波送信側に比較的高いパルスエネルギーを有する超音波発生用レーザ光源1の発振光PLを光ファイバに入射する手法もある。この手法は、第1および第2のレンズ系14,16間に微小レンズアレイ15を配置してコリメートレンズユニットCLを構成することにより、焦点を拡散させ、第3の光ファイバ17の損傷を回避するものであり、本構造を用いれば、送受信光の両方を光ファイバ伝送することも可能である。
On the other hand, there is also a method in which the oscillation light PL of the ultrasonic wave generation laser light source 1 having relatively high pulse energy is incident on the optical fiber using the structure shown in FIG. In this method, the collimating lens unit CL is configured by disposing the
上述したように従来手法によるレーザ超音波検査装置は、原理的に被検査材3が高温、高所、高放射線場、複雑形状部など接触が困難であったり近接性が悪く遠隔非接触の検査手法が求められる部位であったりする場合に有効であり、光ファイバ技術を適用することで、狭隘部や遮蔽物の内側などレーザビームを空間的に伝送することが困難な部位の場合にも効果的である。 As described above, the laser ultrasonic inspection apparatus according to the conventional method is in principle a remote non-contact inspection in which the material to be inspected 3 is difficult to contact or has poor proximity such as high temperature, high place, high radiation field, complicated shape part, etc. This is effective when the method is required, and it is also effective when the laser beam is difficult to transmit spatially by applying optical fiber technology, such as inside narrow spaces or shields. Is.
しかしながら、被検査材3には、水中環境あるいは粉塵環境などの検査環境下に設置されている場合も多い。特に、水中環境下に設置された被検査材3に対して表面波を用いた検査を行う場合には、表面波信号成分の減衰による信号/ノイズ比(以下、S/N比という)の低下が懸念される。
However, the inspected
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、水中環境下において高感度に信号を検知するとともに、ノイズを効率的に低減可能なレーザ超音波検査装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a laser ultrasonic inspection apparatus capable of detecting a signal with high sensitivity in an underwater environment and efficiently reducing noise.
上述した課題を解決するため、本発明の実施形態のレーザ超音波検査装置は、被検査材に超音波を発生させるための第1のレーザ光を発振する第1のレーザ光源と、前記被検査材に発生した超音波信号を受信するために前記被検査材に照射される第2のレーザ光を発振する第2のレーザ光源と、前記第2のレーザ光の前記被検査材表面における反射成分から前記超音波に関する情報を光学的に検知するための受信用光学系と、前記受信用光学系において受信された超音波信号を電気信号に変換する信号変換手段と、前記信号変換手段の出力信号を信号処理し、超音波の伝播に関する情報を表示および記録する信号処理装置と、を備え、前記第1のレーザ光源がQスイッチパルスレーザ光源であって、発振するパルス光のパルス幅が100ナノ秒から1マイクロ秒の範囲で可変なパルス幅可変レーザ光源であることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a laser ultrasonic inspection apparatus according to an embodiment of the present invention includes a first laser light source that oscillates a first laser beam for generating an ultrasonic wave in a material to be inspected, and the inspection object. A second laser light source that oscillates a second laser beam applied to the material to be inspected in order to receive an ultrasonic signal generated on the material; and a reflection component of the second laser light on the surface of the material to be inspected Receiving optical system for optically detecting information on the ultrasonic wave from, a signal converting means for converting an ultrasonic signal received in the receiving optical system into an electrical signal, and an output signal of the signal converting means And a signal processing device for displaying and recording information relating to ultrasonic propagation, wherein the first laser light source is a Q-switch pulse laser light source, and the pulse width of the oscillating pulse light is 100 nanometers Characterized in that from a variable pulse width variable laser light source in the range of 1 microsecond.
本発明の実施形態のレーザ超音波検査装置によれば、所望の周波数帯域に合わせたパルス幅の送信レーザ光を照射することで、より高いS/N比で超音波信号を送受信することが可能となる。 According to the laser ultrasonic inspection apparatus of the embodiment of the present invention, it is possible to transmit and receive an ultrasonic signal with a higher S / N ratio by irradiating a transmission laser beam having a pulse width matched to a desired frequency band. It becomes.
請求項1記載のレーザ超音波検査装置は、被検査材に超音波を発生させるための第1のレーザ光を発振する第1のレーザ光源と、前記被検査材に発生した超音波信号を受信するために前記被検査材に照射される第2のレーザ光を発振する第2のレーザ光源と、前記第2のレーザ光の前記被検査材表面における反射成分を受光する照射・集光機構と、前記照射・集光機構で集光された前記反射成分から前記超音波に関する情報を光学的に検知するための受信用光学系と、前記受信用光学系において受信された超音波信号を電気信号に変換する信号変換手段と、前記信号変換手段の出力信号を信号処理し、超音波の伝播に関する情報を表示および記録する信号処理装置と、前記第1のレーザ光の照射により発生し、周辺環境媒質を伝播して前記受信光学系にて受信され、前記超音波信号よりも大振幅な信号成分の振幅を計測するリファレンス信号振幅計測手段と、前記リファレンス信号振幅計測手段の出力が最大となるように前記照射・集光機構を駆動制御する光学系駆動制御機構と、を備えたことを特徴とする。 The laser ultrasonic inspection apparatus according to claim 1 receives a first laser light source that oscillates a first laser beam for generating ultrasonic waves in a material to be inspected, and an ultrasonic signal generated in the material to be inspected. A second laser light source that oscillates a second laser beam applied to the material to be inspected, and an irradiation / condensing mechanism that receives a reflection component of the second laser light on the surface of the material to be inspected. A receiving optical system for optically detecting information related to the ultrasonic wave from the reflected component collected by the irradiation / condensing mechanism, and an ultrasonic signal received by the receiving optical system. A signal converting means for converting the signal into the signal, a signal processing device for processing and processing the output signal of the signal converting means, and displaying and recording information relating to the propagation of the ultrasonic wave, and the ambient environment generated by the irradiation of the first laser beam. Propagating through the medium Is received by an optical system, the ultrasonic than wave signal and the reference signal amplitude measuring means for measuring the amplitude of the large amplitude signal components, the reference signal amplitude measuring means and the irradiation-condensing mechanism such that the output becomes the maximum And an optical system drive control mechanism for controlling the drive of the optical system.
請求項1記載のレーザ超音波検査装置によれば、第1のレーザ光の照射により発生し、周辺環境媒質を伝播して受信光学系にて受信され、前記超音波信号よりも大振幅な信号成分の振幅を計測するリファレンス信号振幅計測手段と、このリファレンス信号振幅計測手段の出力が最大となるように照射・集光機構を駆動制御する光学系駆動制御機構とを有することにより、信号成分よりも大振幅な環境媒質などを伝播する信号成分が観察し得る場合には、それをリファレンスとし、その信号振幅が最大となるように焦点位置を合わせることで、より高感度な信号検知が可能となる。 According to the laser ultrasonic inspection apparatus according to claim 1, generated by irradiation of the first laser light is received by the receiving optical system to propagate the surrounding environment medium, the large amplitude signal than the ultrasonic signal By having a reference signal amplitude measuring means for measuring the amplitude of the component and an optical system drive control mechanism for driving and controlling the irradiation / condensing mechanism so that the output of the reference signal amplitude measuring means is maximized. If a signal component propagating through a large-amplitude environmental medium can be observed, it can be used as a reference, and the focus position can be adjusted so that the signal amplitude is maximized. Become.
本発明の実施形態のレーザ超音波検査装置は、被検査材に超音波を発生させるための第1のレーザ光を発振する第1のレーザ光源と、前記第1のレーザ光を前記被検査材に照射するための照射機構と、前記被検査材に発生した超音波信号を受信するために前記被検査材に照射される第2のレーザ光を発振する第2のレーザ光源と、前記第2のレーザ光の前記被検査材表面における反射成分を受光する照射・集光機構と、前記照射・集光機構で集光された前記反射成分から前記超音波に関する情報を光学的に検知するための受信用光学系と、前記受信用光学系において受信された超音波信号を電気信号に変換する信号変換手段と、前記信号変換手段の出力信号を信号処理し、超音波の伝播に関する情報を表示および記録する信号処理装置と、前記照射機構と前記照射・集光機構との位置関係を固定しつつ前記被検査材上の1軸方向に走査する走査手段と、を備え、前記信号処理装置においてX軸方向に前記走査手段による走査空間を、Y軸方向に時間をとって表面波成分、体積波成分およびそれらから派生する反射・透過・回折成分を二次元表示することを特徴とする。 A laser ultrasonic inspection apparatus according to an embodiment of the present invention includes a first laser light source that oscillates a first laser beam for generating an ultrasonic wave in a material to be inspected, and the first laser light as the material to be inspected. An irradiation mechanism for irradiating the inspection object; a second laser light source for oscillating a second laser light applied to the inspection material in order to receive an ultrasonic signal generated on the inspection material; An irradiation / condensation mechanism for receiving a reflection component of the laser beam on the surface of the object to be inspected, and optically detecting information on the ultrasonic wave from the reflection component condensed by the irradiation / condensation mechanism A receiving optical system, a signal converting means for converting an ultrasonic signal received by the receiving optical system into an electric signal, an output signal of the signal converting means is signal-processed, and information on ultrasonic propagation is displayed and Signal processing device to record and before A scanning unit that scans in a single axial direction on the material to be inspected while fixing a positional relationship between an irradiation mechanism and the irradiation / condensing mechanism, and scans by the scanning unit in the X-axis direction in the signal processing device. The space is displayed in two dimensions by taking time in the Y-axis direction and displaying the surface wave component, the volume wave component, and the reflection / transmission / diffraction component derived therefrom.
本発明の実施形態のレーザ超音波検査装置によれば、き裂検査の場合には、き裂はある長さと深さを有するため、走査しながらき裂から反射・透過・回折される超音波を記録すれば、き裂に応じたあるパターンが形成される。ノイズ成分はランダムである一方、このパターンはき裂形状に応じた規則性を有するため、このように計測された二次元表示によれば、ノイズ成分と同じ程度の振幅しかない信号成分も分布形状として検知することが可能となる。 According to the laser ultrasonic inspection apparatus of the embodiment of the present invention, in the case of crack inspection, since the crack has a certain length and depth, the ultrasonic wave reflected, transmitted, and diffracted from the crack while scanning. Is recorded, a pattern corresponding to the crack is formed. While the noise component is random, this pattern has regularity according to the crack shape, so according to the two-dimensional display measured in this way, the signal component that has the same amplitude as the noise component is also distributed. Can be detected.
本発明の実施形態のレーザ超音波検査装置は、前記照射・集光機構と、前記受信用光学系と、前記信号変換手段と、前記信号処理装置とから構成される受信系を複数チャンネル具備したことを特徴とする。 A laser ultrasonic inspection apparatus according to an embodiment of the present invention includes a plurality of channels of a reception system including the irradiation / condensing mechanism, the reception optical system, the signal conversion unit, and the signal processing device. It is characterized by that.
本発明の実施形態のレーザ超音波検査装置によれば、微小なき裂信号を検知する場合、き裂の透過波(および場合によっては前方回折波)と反射波(および場合によっては後方回折波)の両方を検知することで信頼性を向上させることができる。そこで、請求項9記載のレーザ超音波検査装置のように受信系を複数チャンネル具備することで、多くの情報源からき裂の性状を計測し、信頼性の高いき裂検査をすることが可能となる。
According to the laser ultrasonic inspection apparatus of the embodiment of the present invention, when a minute crack signal is detected, a transmitted wave (and a forward diffracted wave in some cases) and a reflected wave (and a backward diffracted wave in some cases) are detected. By detecting both, the reliability can be improved. Therefore, by providing a plurality of reception systems as in the laser ultrasonic inspection apparatus according to
本発明によれば、水中環境下において高感度に信号を検知するとともに、ノイズを効率的に低減することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to detect a signal with high sensitivity in an underwater environment and efficiently reduce noise.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1実施形態]
図1は本発明に係るレーザ超音波検査装置の第1実施形態を示すブロック構成図である。なお、従来の構成と同一または対応する部分には、図23および図24と同一の符号を用いて説明する。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of a laser ultrasonic inspection apparatus according to the present invention. Parts that are the same as or correspond to those in the conventional configuration will be described using the same reference numerals as in FIGS.
図1に示すように、本実施形態のレーザ超音波検査装置は、被検査材3に超音波を発生させるための第1のレーザ光としてのパルスレーザ光PLを発振する第1のレーザ光源である超音波発生用レーザ光源1と、パルスレーザ光PLを被検査材3に照射するために図23に示す照射光学系2が装着されたプローブ18と、被検査材3にて発生した超音波信号を受信するために被検査材3に照射される第2のレーザ光としてのレーザ光ILを発振する第2のレーザ光源である超音波検出用レーザ光源4とを備え、プローブ18内には、上記照射光学系2の他、レーザ光ILの被検査材3表面における反射成分を受光する照射・集光機構である対物レンズM2および第2の対物レンズM3が装着されている。
As shown in FIG. 1, the laser ultrasonic inspection apparatus of the present embodiment is a first laser light source that oscillates a pulsed laser light PL as a first laser light for generating an ultrasonic wave in the
また、本実施形態のレーザ超音波検査装置は、プローブ18内の対物レンズM2および第2の対物レンズM3で集光された上記反射成分から上記超音波に関する情報を光学的に検知するための受信用光学系OPと、この受信用光学系OPにおいて受信された超音波信号を電気信号に変換する信号変換手段としての光検出器9と、この光検出器9の出力信号を信号処理し、超音波の伝播に関する情報を表示および記録する信号処理装置10とを備えている。
In addition, the laser ultrasonic inspection apparatus of the present embodiment receives for optically detecting information on the ultrasonic wave from the reflected component collected by the objective lens M2 and the second objective lens M3 in the
さらに、光検出器9は、第1の外部電源11から定常的なバイアス電圧を印加することで動作し、受信用光学系OP内に設けられた位相共役素子5も第2の外部電源12から数kV〜数十オーダーのバイアス電圧を印加することで動作する。そして、トリガー発振器13は、超音波発生用レーザ光源1の動作タイミングと第2の外部電源12の動作とを同期させる。
Further, the
したがって、パルスレーザ光PLによって被検査材3に励起された超音波USは、超音波検出用レーザ光源4から発振したレーザ光ILの反射成分から受信用光学系OPを用いて光検出器9で検知され、この光検出器9で検知した信号が信号処理装置10において処理され、表示および記録する動作については、図23および図24に示す構成の動作と同様である。
Therefore, the ultrasonic wave US excited on the
さらに、本実施形態では、第1、第2および第3の光ファイバ6,7,17の先端が図示しない照射光学系2、対物レンズM2および第2の対物レンズM3が装着されたプローブ18に接続されている。
Further, in the present embodiment, the tips of the first, second and third
このプローブ18には配管19の一端が接続され、この配管19の他端はポンプ20に接続され、これらプローブ18、配管19およびポンプ20により置換手段を構成し、このポンプ20を駆動することにより、配管19からプローブ18に超音波発生用レーザ光源1の波長および超音波検出用レーザ光源4の波長が透過し易い、つまり透過度の高い透明の流体FLとしての水を媒質(水)MD中に設置された被検査材3に流し、パルスレーザ光PL、レーザ光ILの反射光および超音波USの伝播経路を流体FLで置換する。
One end of a
図2は図1におけるプローブ18を示す拡大断面図である。なお、図2は各光系統で個別のプローブを用いた場合であり、そのうちレーザ光ILの照射系統のみを示している。
FIG. 2 is an enlarged sectional view showing the
図2に示すように、受信用のレーザ光ILを伝送する第1の光ファイバ6は、プローブ18に接続されており、レーザ光ILはプローブ18から第1および第2のプレート21a,21bにより支持され、かつ対物レンズM2を構成するコリメートレンズM2aおよびM2bを経て被検査材3に照射される。
As shown in FIG. 2, the first
また、第1および第2のプレート21a,21bには、図3(A),(B)に示すように流体FLを流通するための小孔23が複数周方向に穿設されている。そして、プローブ18には、図2に示すように流体用の配管19もレーザ光ILと流れがほぼ同軸となるよう挿入されており、この配管19から供給された流体FLがプローブ18内を完全に満たしつつ、この流体FLが複数の小孔23から被検査材3に吹き付けられる。
Further, as shown in FIGS. 3A and 3B, a plurality of small holes 23 for circulating the fluid FL are formed in the first and
さらに、図2および図3(A),(B)に示すようにプローブ18の先端には、円筒状に形成された第1および第2の逆流防止板22a,22b…が同心状に設置されている。
Further, as shown in FIG. 2 and FIGS. 3A and 3B, the first and second backflow prevention plates 22a, 22b,... Formed in a cylindrical shape are concentrically installed at the tip of the
次に、本実施形態の作用を説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
被検査材3への超音波の送信効率および超音波信号の受信感度は、それぞれ超音波発生用レーザ光源1および超音波検出用レーザ光源4の出力に応じて変化するものの、例えば透明度の低い水中環境下あるいは粉塵環境下などでは、光の伝播経路上で散乱などによる損失が生じ、効率的な信号送受信が不可能となる。
Although the transmission efficiency of ultrasonic waves to the
そこで、本実施形態では、ポンプ20を駆動することにより、配管19からプローブ18に超音波発生用レーザ光源1の波長および超音波検出用レーザ光源4の波長に対して透過し易い透明な流体FLとしての水を供給し、プローブ18内を流体FLで完全に満たしつつ、この流体FLを複数の小孔23から媒質(水)MD中に設置された被検査材3に吹き付け、パルスレーザ光PL、レーザ光ILの反射光および超音波USの伝播経路を流体FLで置換する。これにより、高効率な信号送受信が可能となる。
Therefore, in the present embodiment, by driving the
ここで、流体FLの流量によっては光路および超音波伝播経路の近傍が全て流体FLで置換されるものの、条件によっては逆流が生じて周辺の媒質MDが光路などに混入する場合がある。つまり、水中環境を気体で置換する場合には、気体流量などによっては流路に水が巻き込まれ、置換が正常に行われない場合が懸念される。 Here, depending on the flow rate of the fluid FL, the vicinity of the optical path and the ultrasonic wave propagation path are all replaced with the fluid FL, but depending on the conditions, a backflow may occur and the surrounding medium MD may be mixed into the optical path or the like. That is, when the underwater environment is replaced with gas, there is a concern that water may be involved in the flow path depending on the gas flow rate and the replacement may not be performed normally.
そこで、本実施形態では、図2および図3(A),(B)に示すようにプローブ18の先端に円筒状に形成された第1および第2の逆流防止板22a,22b…を同心状に設置して逆流を防止することで、逆流に阻害されることなく置換を十分に行うことができる。このように機械的な構造などで上記巻き込みを防止することで、幅広い条件で光路の確保が可能となる。 Therefore, in the present embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3A and 3B, the first and second backflow prevention plates 22a, 22b,. It is possible to sufficiently perform the replacement without being hindered by the backflow by preventing the backflow. Thus, by preventing the above entrainment with a mechanical structure or the like, it is possible to secure an optical path under a wide range of conditions.
また、本実施形態によれば、被検査材3が水中環境に設置されており、透明な流体の媒質が水であることにより、環境および被検査材3へ悪影響を与えることなく、高効率化な信号送受信が可能となる。
In addition, according to the present embodiment, since the material to be inspected 3 is installed in an underwater environment, and the transparent fluid medium is water, high efficiency is achieved without adversely affecting the environment and the material under
なお、本実施形態では、3本の光ファイバ6,7,17とそれに接続される3系統の光学系を1つのプローブ18として統合しているが、各々独立のプローブとすることも可能である。その場合、配管19は、各々のプローブに接続してもよく、また流量によっては1本の配管から3プローブの経路をまとめて流体を供給するようにしてもよい。さらに、図1では、流体FLを光軸と平行に流しているが、配管19の位置を変更して、被検査材3と平行に流すようにしてもよい。
In the present embodiment, the three
また、本実施形態では、媒質MDが水であり、かつ流体FLも水である場合について説明したが、これに限らず媒質MDが水であり、かつ流体FLが不活性気体であってもよい。この場合の流体FLとしては、窒素、アルゴンなどの不活性気体を用いれば、被検査材3の材料が腐食性の金属などであっても何ら化学的作用を生じないため有効であるものの、被検査材3の材料によってはより安価な圧縮空気などを用いてもよい。
In the present embodiment, the case where the medium MD is water and the fluid FL is water has been described. However, the present invention is not limited to this, and the medium MD may be water and the fluid FL may be an inert gas. . As the fluid FL in this case, if an inert gas such as nitrogen or argon is used, it is effective because no chemical action is caused even if the material of the material to be inspected 3 is a corrosive metal. Depending on the material of the
すなわち、この場合は、被検査材3が水中環境に設置されており、かつ検知すべき主たる超音波成分が表面波であって、透明な流体FLの媒質MDが表面波の伝播経路を含む範囲を置換可能な不活性気体とした場合である。
That is, in this case, the
水中環境下においては、特に表面波を送受信する場合、被検査材3表面が水と接触していることによる減衰が生じる。そこで、光路および表面波の伝播経路を清浄な気体で置換することで、光学的に高効率な信号送受信だけでなく、超音波的にも減衰の少ない環境を形成することが可能となる。 In an underwater environment, particularly when transmitting and receiving surface waves, attenuation occurs due to the surface of the material to be inspected 3 being in contact with water. Therefore, by replacing the optical path and the propagation path of the surface wave with a clean gas, it becomes possible to form an environment with less attenuation not only in optically efficient signal transmission / reception but also in ultrasonic.
さらに、本実施形態では、レーザ光ILの被検査材3表面に至る光路において環境に露出している部分を水で置換するようにしたが、これに限らずパルスレーザ光PLの被検査材3表面に至る光路において環境に露出している部分を水で置換するようにしてもよく、要するに、レーザ光ILまたはパルスレーザ光PLの少なくとも一方の被検査材3表面に至る光路において環境に露出している部分を水で置換すればよい。
Furthermore, in the present embodiment, the portion exposed to the environment in the optical path reaching the surface of the
[第2実施形態]
図4は本発明に係るレーザ超音波検査装置の第2実施形態を示すブロック構成図である。なお、前記第1実施形態と同一の部分には同一の符号を付して重複する説明は省略するとともに、異なる構成および作用のみを説明する。その他の実施形態および変形例についても同様である。
[Second Embodiment]
FIG. 4 is a block diagram showing a second embodiment of the laser ultrasonic inspection apparatus according to the present invention. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Only different configurations and operations will be described. The same applies to other embodiments and modifications.
本実施形態では、図1に示したレーザ超音波検査装置の構成に加えて、プローブ18に光音響遮蔽手段としての第1の光音響遮蔽板24が設けられている。
In the present embodiment, in addition to the configuration of the laser ultrasonic inspection apparatus shown in FIG. 1, the
すなわち、本実施形態では、第1のレーザ光としてのパルスレーザ光PLの被検査材3への照射位置と、第2のレーザ光としてのレーザ光ILの被検査材3への照射位置との間に挿入されるとともに、周辺環境媒質と大きく異なる音響インピーダンスを有し、かつ超音波発生用レーザ光源1の波長および超音波検出用レーザ光源4の波長が過不能な第1の光音響遮蔽板24がプローブ18に設けられている。
That is, in the present embodiment, the irradiation position of the pulsed laser light PL as the first laser light to the
次に、本実施形態の作用を説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
レーザ超音波検査装置は、その構成上、比較的高出力であるパルスレーザ光PLの近傍で、レーザ光ILのうち粗面から反射・散乱してくる微弱な信号を検出することになる。パルスレーザ光PLも被検査材3表面で反射・散乱され、それが受信系に混入すると、計測上のノイズとなり得る。また、パルスレーザ光PLの照射によって発生し、被検査材3表面および内部を経由せずに受信系に到達する超音波経路もあり、それらは計測に対してはノイズとなる。
The laser ultrasonic inspection apparatus detects a weak signal reflected / scattered from the rough surface of the laser light IL in the vicinity of the pulse laser light PL having a relatively high output due to its configuration. The pulse laser beam PL is also reflected / scattered on the surface of the
そこで、本実施形態では、それらを遮蔽する第1の光音響遮蔽板24を有することで、信号成分の検知をより簡易かつ高いS/N比で行うことが可能となる。
Therefore, in the present embodiment, by having the first
すなわち、本実施形態では、プローブ18に第1の光音響遮蔽板24を設けたことにより、比較的高強度の送信用のパルスレーザ光PLの反射成分が、図示しない照射・集光用光学系である第2の対物レンズM3、第2の光ファイバ7を介して受信用光学系OP、光検出器9に混入するのを防止することができる。
In other words, in the present embodiment, the first
[第1変形例]
図5(A),(B)は本発明に係るレーザ超音波検査装置の第2実施形態の第1変形例による作用を示す説明図である。
[First Modification]
FIGS. 5A and 5B are explanatory views showing the operation of the first modification of the second embodiment of the laser ultrasonic inspection apparatus according to the present invention.
超音波的なノイズに関しては、図5(A)に示すような場合が考えられる。すなわち、送信用のパルスレーザ光PLの照射によって媒質MD側に伝播するノイズ成分NUSが第2の光音響遮蔽板24aに入射し、その内部あるいは表面を伝播(図中、NNUS)して超音波的なモード変換あるいは漏洩などを発生し得る部位において、再度ノイズ超音波NNNUSを放射する場合である。この成分によって受信用のレーザ光ILの伝播経路上の屈折率が変化したり、あるいは照射・集光用光学系としての第2の対物レンズM3を直接振動させたりして計測信号にノイズが混入する場合がある。
With respect to ultrasonic noise, a case as shown in FIG. That is, the noise component NUS propagating to the medium MD side by irradiation with the pulse laser beam PL for transmission enters the second
すなわち、ノイズとなる超音波成分は、第2の光音響遮蔽板24aによって主に遮蔽されるものの、その際、その成分の一部(NNUS)が第2の光音響遮蔽板24aの内部を伝播し、その形状によってはノイズ超音波NNNUSとして環境に再放出されてノイズとなる可能性がある。
That is, although the ultrasonic component that becomes noise is mainly shielded by the second
そこで、本変形例では、図5(B)に示すように第3の光音響遮蔽板24bを構造上、2次音源となりにくい滑らかな曲面形状に形成したことで、2次的なノイズ超音波成分NNNUSの放射を減少させ、ノイズをより一層減少させることが可能となる。 Therefore, in this modified example, as shown in FIG. 5B, the third photoacoustic shielding plate 24b is formed in a smooth curved surface shape that is difficult to become a secondary sound source due to its structure, so that secondary noise ultrasonic waves are formed. It is possible to reduce the radiation of the component NNNUS and further reduce the noise.
[第2変形例]
図6(A),(B),(C)は本発明に係るレーザ超音波検査装置の第2実施形態の第2変形例による作用を示す説明図である。
[Second Modification]
6 (A), 6 (B), and 6 (C) are explanatory views showing the operation of the second modification of the second embodiment of the laser ultrasonic inspection apparatus according to the present invention.
第2の光音響遮蔽板24aの内部を伝播し、再度放射されるノイズ成分(図6(A)参照)に関しては、図6(B)に示すように第1の光音響遮蔽板24を第1および第2の薄膜24c,24d…の積層構造とすることで、内部を伝播する超音波NNUSを多数回反射・散乱させ、受信側へのノイズ成分の放射を低減するものである。
As for the noise component that propagates inside the second
すなわち、図6(A)に示すようにノイズとなる超音波成分は、第2の光音響遮蔽板24aによって主に遮蔽されるものの、その際、その成分の一部が第2の光音響遮蔽板24aの内部を伝播し、その形状によっては環境に再放出されてノイズとなる可能性がある。
That is, as shown in FIG. 6A, the ultrasonic component that becomes noise is mainly shielded by the second
そこで、本変形例は、図6(B)に示すように第1の光音響遮蔽板24を第1および第2の薄膜24c,24d…の積層構造とすることにより、機構内部に入射した超音波成分が反射・散乱を繰り返して即座に減衰させることで、ノイズをより一層減少させることが可能となる。
Therefore, in this modification, as shown in FIG. 6B, the first
また、本変形例では、図6(C)に示すように第1の光音響遮蔽板24の内部を中空に形成することで、受信側へのノイズ成分の放射を低減するものである。ここで、中空構造の内部24fは、構造材24eと音響インピーダンスが大きく異なる媒質であれば十分(例えば、構造材24eが金属の場合には内部24fは大気でよい)であるが、内部24fを真空にすれば、内部24fを透過する超音波成分を完全に防止することもできる。
Moreover, in this modification, as shown in FIG.6 (C), the inside of the 1st
したがって、本変形例では、機構内部に入射した超音波成分が到達面の裏面に到達して再放出されないように、図6(C)に示すように第1の光音響遮蔽板24の内部を中空構造とすることで、ノイズをより一層減少させることが可能となる。
Therefore, in the present modification, the inside of the first
[第3変形例]
図7(A),(B)は本発明に係るレーザ超音波検査装置の第2実施形態の第3変形例による作用を示す説明図である。
[Third Modification]
FIGS. 7A and 7B are explanatory views showing the operation of the third modification of the second embodiment of the laser ultrasonic inspection apparatus according to the present invention.
図7(A)に示すように被検査材3の表面近傍の媒質を伝播する超音波成分、あるいは被検査材3表面を伝播する表面波成分がノイズとなる場合には、図7(B)に示すように第4の光音響遮蔽板24gの先端にゴム24hなどの弾性体を固定し、このゴム24hを被検査材3に押し付けることで、媒質MD中の伝播経路を遮断するとともに、表面変位を誘起しつつ伝播する表面波成分も減衰させることができる。
As shown in FIG. 7A, when the ultrasonic wave component propagating through the medium near the surface of the material to be inspected 3 or the surface wave component propagating through the surface of the material to be inspected 3 becomes noise, FIG. As shown in FIG. 4, an elastic body such as
[第4変形例]
図8は本発明に係るレーザ超音波検査装置の第2実施形態の第4変形例を示すブロック構成図である。
[Fourth Modification]
FIG. 8 is a block diagram showing a fourth modification of the second embodiment of the laser ultrasonic inspection apparatus according to the present invention.
第4変形例では、図8に示すように図1の構成に加えて図7(B)で説明した第1の光音響遮蔽板24が設置されており、この第1の光音響遮蔽板24の先端には、図7(B)に示すゴム24hなどの弾性体層が固定され、この弾性体層に接触検知手段としての接触センサ25が取り付けられている。この接触センサ25としては、電気抵抗式のセンサをはじめ、光学的なタッチセンサ、超音波距離計測式のタッチセンサなども用いることができる。
In the fourth modified example, as shown in FIG. 8, the first
第1の光音響遮蔽板24は、プローブ18に設置されたモータ26で駆動され、その際、被検査材3と第1の光音響遮蔽板24との接触が接触センサ25によりモニタされ、その接触位置は接触位置調整手段としてのコントローラ27で制御される。
The first
ここで、上記接触位置は、被検査材3と第1の光音響遮蔽板24とが接触する位置だけでなく、コントローラ27によって制御することで、ノイズ成分が最小となる最適位置に挿入することができる。
Here, the contact position is inserted not only at the position where the material to be inspected 3 and the first
次に、第4変形例の作用を説明する。 Next, the operation of the fourth modification will be described.
この第4変形例では、第1の光音響遮蔽板24の接触位置を調整する接触位置調整手段としてのコントローラ27を有している。すなわち、第4変形例では、検知すべき主たる超音波成分が体積波の場合であり、第1の光音響遮蔽板24が先端にゴム24hなどの弾性体層を有し、かつ被検査材3表面とゴム24hとを密着させるコントローラ27を備えている。
In the fourth modification, a
ノイズとなる超音波成分および光成分は、被検査材3の形状、あるいは検査用のレーザ光の照射条件によって経路が一義的に決まらないため、その主要な成分を効率的に遮蔽するために第1の光音響遮蔽板24の位置を調整することで、ノイズをより一層減少させることが可能となる。
The ultrasonic component and the light component that are noises are not uniquely determined by the shape of the
つまり、ノイズとなる超音波成分および光成分は、上記のように被検査材3の形状、あるいは検査用のレーザ光の照射条件によって経路が一義的には決まらない。仮に、主要なノイズ成分の伝播経路が被検査材3の表面近傍で位置した場合で、かつ被検査材3が曲面形状を有する場合には、第1の光音響遮蔽板24が剛な構造体であると、被検査材3と第1の光音響遮蔽板24との間に間隙が生じ、ノイズ成分が透過し易くなる。
That is, the path of the ultrasonic component and the light component that are noises is not uniquely determined by the shape of the
そこで、第4変形例のように第1の光音響遮蔽板24の少なくとも先端をゴム24hなどの弾性体とし、被検査材3に押し付けて間隙を最小とすることで、ノイズをより一層減少させることが可能となる。この場合、送信された表面波成分の多くが弾性体によって吸収され、体積波を観察し易くなるという効果も得られる。
Therefore, as in the fourth modification, at least the tip of the first
[第3実施形態]
図9は本発明に係るレーザ超音波検査装置の第3実施形態を示すブロック構成図である。
[Third Embodiment]
FIG. 9 is a block diagram showing a third embodiment of the laser ultrasonic inspection apparatus according to the present invention.
図9に示すように、超音波信号の受信側は、図23に基づいて説明した従来の装置と構成および動作は同様である。本実施形態は、送信用のパルスレーザ光PLの光路上に、プロファイル調整手段としてのプロファイル調整用光学系28および照射スポット形状調整用の照射用光学系29が配置されている。
As shown in FIG. 9, the ultrasonic signal receiving side has the same configuration and operation as the conventional apparatus described with reference to FIG. In this embodiment, a profile adjusting
このように構成したことにより、照射スポット上でエネルギーの偏りがなく、局所的なアブレーションを伴わずに効率的な超音波送信が可能となる。ここで、プロファイルを均一化するためのプロファイル調整用光学系28としては、カライドスコープやマイクロレンズアレイ(フライアイレンズ)、あるいはコア径の比較的太いマルチモード光ファイバなどが用いられる。
With this configuration, there is no energy bias on the irradiation spot, and efficient ultrasonic transmission is possible without local ablation. Here, as the profile adjusting
また、照射スポット形状および寸法を調整することで、送信される超音波の周波数や指向性をある程度制御可能であることが知られており、その調整用の照射用光学系29としては、ライン状スポットが得られるシリンドリカルレンズ、一次元的あるいは二次元的なアレイ状スポットが得られるマイクロレンズアレイ、中空状のスポットが得られるアキシコンレンズ、あるいはスポット寸法を調整可能なビームエキスパンダーなどが用いられる。 Further, it is known that the frequency and directivity of transmitted ultrasonic waves can be controlled to some extent by adjusting the irradiation spot shape and dimensions. A cylindrical lens from which a spot is obtained, a microlens array from which a one-dimensional or two-dimensional array spot is obtained, an axicon lens from which a hollow spot is obtained, or a beam expander capable of adjusting the spot size is used.
次に、本実施形態の作用を説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
水中環境下、粉塵環境下などでは、信号である超音波成分の減衰、レーザ光による超音波送信・受信効率の低下により、高感度の計測が困難になる。そのため、パルスレーザ光PLのエネルギーを増加して、より大きな超音波信号を送信する手段が考えられるが、その場合、パルスレーザ光PLが空間的に強度ピークを有していると、高強度のレーザ光照射によるピーク位置での被検査材3表面のアブレーション損傷が懸念される。
In an underwater environment, a dust environment, etc., high-sensitivity measurement becomes difficult due to attenuation of ultrasonic components as signals and a decrease in ultrasonic transmission / reception efficiency by laser light. Therefore, means for increasing the energy of the pulse laser beam PL and transmitting a larger ultrasonic signal can be considered. In this case, if the pulse laser beam PL has a spatial intensity peak, a high intensity There is concern about ablation damage on the surface of the
そこで、本実施形態では、送信用のパルスレーザ光PLの光路上に、第1のレーザ光としてのパルスレーザ光PLの空間的なエネルギー分布を均一化するためのプロファイル調整用光学系28と、このプロファイル調整用光学系28の出力光の照射形状を調整するための照射用光学系29とを配置したことにより、パルスレーザ光PLの空間的なプロファイルを均一とし、トータルのエネルギーを同一としながらもアブレーション損傷のない計測が可能となる。
Therefore, in the present embodiment, the profile adjusting
[第4実施形態]
図10は本発明に係るレーザ超音波検査装置の第4実施形態を示すブロック構成図である。
[Fourth Embodiment]
FIG. 10 is a block diagram showing a fourth embodiment of the laser ultrasonic inspection apparatus according to the present invention.
図10に示すように、本実施形態では、送信用の第1のレーザ光源として100ナノ秒から1マイクロ秒の間でパルス幅可変なパルス光源30を用いている。このように構成したことにより、約1MHzから10MHzのき裂検査に適用し易い周波数帯域の超音波を選択的に送信可能となる。このような用途に用いることのできるパルス光源としては、光音響効果によるQスイッチを用いたパルス光源などを用いることができる。
As shown in FIG. 10, in this embodiment, a
次に、本実施形態の作用を説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
水中環境下、粉塵環境下などでは、信号である超音波成分の減衰、レーザ光による超音波送信・受信効率の低下により、高感度の計測が困難になる。ここで、き裂検査に用いられる超音波の周波数成分は1MHzから10MHz程度であるのが一般的であるが、その周波数帯域を効率的に送信可能な送信レーザ光のパルス幅は逆数である100ナノ秒から1マイクロ秒であることが知られている。 In an underwater environment, a dust environment, etc., high-sensitivity measurement becomes difficult due to attenuation of ultrasonic components as signals and a decrease in ultrasonic transmission / reception efficiency by laser light. Here, the frequency component of the ultrasonic wave used for the crack inspection is generally about 1 MHz to 10 MHz, but the pulse width of the transmission laser beam capable of efficiently transmitting the frequency band is an inverse number 100. It is known to be from nanoseconds to 1 microsecond.
そこで、本実施形態のように第1のレーザ光源がQスイッチパルスレーザ光源であり、発振するパルス光のパルス幅が100ナノ秒から1マイクロ秒の範囲で可変なパルス幅可変レーザ光源としてのパルス光源30から所望の周波数帯域に合わせたパルス幅の送信用のパルスレーザ光PLを照射することで、より高いS/N比で超音波信号を送受信することが可能となる。
Therefore, as in the present embodiment, the first laser light source is a Q-switched pulse laser light source, and the pulse as a pulse width variable laser light source whose pulse width of the oscillating pulse light is variable in the range of 100 nanoseconds to 1 microsecond. By irradiating the pulse laser beam PL for transmission having a pulse width matched with a desired frequency band from the
[第5実施形態]
図11は本発明に係るレーザ超音波検査装置の第5実施形態を示すブロック構成図である。
[Fifth Embodiment]
FIG. 11 is a block diagram showing a fifth embodiment of the laser ultrasonic inspection apparatus according to the present invention.
図11に示すように、本実施形態は、前記第1実施形態における第1の外部電源11をパルス的に電源動作するパルス電源31とし、トリガー発振器13の出力信号Trg2を入力信号として、それと同期して動作することにある。
As shown in FIG. 11, in the present embodiment, the first
すなわち、本実施形態では、受信用光学系OPが位相共役素子5を用いた2光波混合干渉計であり、位相共役素子5への駆動電圧と同期して一定のタイミングでトリガー信号を発振するトリガー発振器13とを備えている。
That is, in the present embodiment, the receiving optical system OP is a two-wave mixing interferometer using the
次に、本実施形態の動作を図12に基づいて詳細に説明する。 Next, the operation of the present embodiment will be described in detail with reference to FIG.
まず、トリガー発振器13から発振される第1のトリガー信号Trg1は、位相共役素子5を駆動する第2の外部電源12に入力され、これによって位相共役素子5にパルス状にバイアス電圧Veが印加される。しかし、位相共役素子5が計測に適した状況になるまでには遅れ時間Tdが生じる。ここで、遅れ時間Tdは、位相共役素子5の基本特性である素子応答速度の2〜5倍程度がよいことが経験的に分かっている。
First, the first trigger signal Trg1 oscillated from the
そこで、第1のトリガー信号Trg1から遅れる遅れ時間Td後に、第2のトリガー信号Trg2を送信用パルス光源である超音波発生用レーザ光源1に入力し、送信用のパルスレーザ光PLを発振させる。ここで、従来の構成では、第1の外部電源11によって、例えばAPDなどの光検出器9に定常的にバイアス電圧VBを印加していたが、高いバイアス電圧は向上させる一方で過剰電流による熱雑音の増加あるいは熱的な素子の損傷を招くため、定常的に印加し続けることはできない。
Therefore, after a delay time Td delayed from the first trigger signal Trg1, the second trigger signal Trg2 is input to the ultrasonic wave generation laser light source 1 which is a transmission pulse light source, and the transmission pulse laser light PL is oscillated. Here, in the conventional configuration, the bias voltage VB is steadily applied to the
しかしながら、本実施形態では、実際に超音波を計測すべき時間は、非常に短時間(例えば、表面波で30cm程度の範囲のき裂検知を行うために必要な観察時間は、高々100マイクロ秒程度)なため、第2のトリガー信号Trg2と同期してパルス電源31からパルス的にバイアス電圧VBを光検出器9に印加することで、高感度な計測が可能となる。ここで、パルス電源31からパルス的にバイアス電圧VBを光検出器9に印加する時間は、図12においてTMで示されている。
However, in the present embodiment, the time for actually measuring the ultrasonic wave is very short (for example, the observation time required for detecting cracks in the range of about 30 cm with surface waves is at most 100 microseconds. Therefore, by applying the bias voltage VB to the
ここで、光検出器9にバイアス電圧を印加する際にも、位相共役素子5の場合と同じように遅れ時間TDが発生する。この遅れ時間TDによって送信用のパルスレーザPLの光を光検出器9が検知しないよう調整することもできる。
Here, when a bias voltage is applied to the
すなわち、水中環境下、粉塵環境下などでは、信号である超音波成分の減衰、レーザ光による超音波送信・受信効率の低下により、感度の良い計測が困難になる。信号変換手段としての光検出器9がPIN−PDやAPDの場合、印加するバイアス電圧が高ければ信号検出感度は向上する一方、高電圧を印加し続けると熱雑音が発生し、さらには素子そのものが熱損傷する場合がある。
That is, in an underwater environment, a dust environment, etc., it is difficult to measure with high sensitivity due to attenuation of an ultrasonic component that is a signal and a decrease in ultrasonic transmission / reception efficiency by laser light. When the
そこで、本実施形態によれば、超音波の計測タイミングに同期してパルス電源31から光検出器9に高バイアス電圧をパルス状に印加することで、熱損傷を防止しつつ光検出器9の信号検出感度を向上させることが可能となる。
Therefore, according to the present embodiment, a high bias voltage is applied in a pulse form from the
[第6実施形態]
図13は本発明に係るレーザ超音波検査装置の第6実施形態を示すブロック構成図である。
[Sixth Embodiment]
FIG. 13 is a block diagram showing a sixth embodiment of the laser ultrasonic inspection apparatus according to the present invention.
図13に示すように、本実施形態では、プローブ18が第1の検査機構32上で焦点方向の第1の駆動機構33によって保持されている。送信用のパルスレーザ光PLおよび受信用のレーザ光ILの照射によって計測された超音波信号成分のうち、表面波成分、体積波成分あるいはノイズ超音波成分のいずれか最も検知し易い信号をリファレンス信号として信号処理装置10でモニタし、その振幅値が最大となるようコントローラ34によって第1の駆動機構33が制御駆動されるものである。また、同様の構成を用いて、常にリファレンス信号が最大値となるようにではなく、常に一定値を取るよう制御すれば、計測の安定性を向上させることができる。
As shown in FIG. 13, in this embodiment, the
すなわち、本実施形態では、パルスレーザ光PLの照射により発生し、周辺環境の媒質MDを伝播し、受信光学系OPにて受信される信号成分の振幅を計測するリファレンス信号振幅計測手段としての信号処理装置10と、この信号処理装置10の出力が最大となるよう、受信用のレーザ光ILの照射・集光機構としての対物レンズM2および第2の対物レンズM3を駆動制御する光学系駆動制御手段としてのコントローラ34とを有している。
That is, in the present embodiment, a signal serving as a reference signal amplitude measuring unit that is generated by irradiation with the pulse laser beam PL, propagates through the medium MD in the surrounding environment, and measures the amplitude of the signal component received by the receiving optical system OP. Optical system drive control for driving and controlling the objective lens M2 and the second objective lens M3 as the irradiation / condensing mechanism of the laser beam IL for reception so that the output of the
次に、本実施形態の作用を説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
水中環境下、粉塵環境下などでは、信号である超音波成分の減衰、レーザ光による超音波送信・受信効率の低下により、高感度の計測が困難になる。特に、受信用のレーザ光ILの照射に関しては、焦点ずれが感度低下の大きな原因となるので、精密な位置合わせが重要である。 In an underwater environment, a dust environment, etc., high-sensitivity measurement becomes difficult due to attenuation of ultrasonic components as signals and a decrease in ultrasonic transmission / reception efficiency by laser light. In particular, with respect to the irradiation of the laser beam IL for reception, precise alignment is important because defocusing greatly causes a decrease in sensitivity.
そこで、本実施形態では、信号成分よりも大振幅な環境媒質などを伝播する信号成分が観察し得る場合には、それをリファレンスとし、その信号振幅が最大となるように焦点位置を合わせることで、より高感度な信号検知が可能となる。 Therefore, in this embodiment, when a signal component propagating through an environmental medium having a larger amplitude than the signal component can be observed, this is used as a reference, and the focal position is adjusted so that the signal amplitude is maximized. Higher sensitivity signal detection is possible.
[第7実施形態]
図14は本発明に係るレーザ超音波検査装置の第7実施形態を示すブロック構成図である。
[Seventh Embodiment]
FIG. 14 is a block diagram showing a seventh embodiment of the laser ultrasonic inspection apparatus according to the present invention.
図14に示すように、本実施形態では、プローブ18が第1の検査機構32上で被検査材3と平行方向の第2の駆動機構35によって保持されている。この第2の駆動機構35は、走査制御装置36によって任意の方位に一次元的に適切な速度で走査される。ここで、適切な速度とは、観察すべき超音波信号の伝播時間、送信パルス幅、信号処理時間などの計測条件と、検知すべき劣化現象の空間的な範囲・寸法に依存し、一概には決められない。一般に、高速なほど検査作業は短時間になるものの、検査分解能は低下する。
As shown in FIG. 14, in the present embodiment, the
走査制御装置36あるいは第2の駆動機構35上の図示しないポジションセンサから、現在における第2の駆動機構35の位置、すなわち検査位置情報が第1の二次元画像化装置37に入力される。そして、信号処理装置10で計測された超音波信号も同時に第1の二次元画像化装置37に入力され、各検査位置における計測信号が可視化される。
The current position of the
すなわち、本実施形態では、上記照射機構と上記照射・集光機構との位置関係を固定しながら被検査材3上の1軸方向に走査するための第2の駆動機構35を有し、さらに信号処理装置10において、X軸方向に第2の駆動機構35による走査空間を、Y軸方向に時間をとって表面波成分、体積波成分およびこれらから派生する反射・透過・回折成分を二次元表示するようにしている。
That is, in this embodiment, it has the
次に、本実施形態の作用を説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
水中環境下、粉塵環境下などでは、信号である超音波成分の減衰、レーザ光による超音波送信・受信効率の低下により、検知すべき超音波信号の反射・透過・回折成分が微小な場合には、ノイズ成分と判別が不可能となる。ここで、特にき裂検査の場合には、き裂はある長さおよび深さを有するため、走査しながらき裂から反射・透過・回折される超音波を記録すれば、き裂に応じたあるパターンが形成される。ノイズ成分はランダムである一方、このパターンはき裂形状に応じた規則性を有するため、このように計測された二次元表示によれば、ノイズ成分と同じ程度の振幅しかない信号成分も分布形状として検知することが可能となる。 In an underwater environment or dust environment, when the reflected, transmitted, or diffracted component of the ultrasonic signal to be detected is very small due to attenuation of the ultrasonic component that is a signal or a decrease in ultrasonic transmission / reception efficiency due to laser light. Cannot be distinguished from noise components. Here, especially in the case of crack inspection, since the crack has a certain length and depth, if ultrasonic waves reflected, transmitted, and diffracted from the crack are recorded while scanning, the crack will be matched. A pattern is formed. While the noise component is random, this pattern has regularity according to the crack shape, so according to the two-dimensional display measured in this way, the signal component that has the same amplitude as the noise component is also distributed. Can be detected.
[第8実施形態]
図15は本発明に係るレーザ超音波検査装置の第8実施形態を示すブロック構成図である。
[Eighth Embodiment]
FIG. 15 is a block diagram showing the eighth embodiment of the laser ultrasonic inspection apparatus according to the present invention.
図1に示したようなレーザ超音波検査装置は、例えばパルスエコー法によるき裂検知、あるいは表面波透過法によるき裂深さ計測などには適した構成であるが、例えばき裂の深さ計測を高い信頼度で行うためには、反射波、透過波、回折波などさまざまな信号波から情報を取り出すべきである。 The laser ultrasonic inspection apparatus as shown in FIG. 1 has a configuration suitable for, for example, crack detection by the pulse echo method or crack depth measurement by the surface wave transmission method. In order to perform measurement with high reliability, information should be extracted from various signal waves such as reflected waves, transmitted waves, and diffracted waves.
そこで、図15に示すように、本実施形態では、1送信1受信(従来の二探触子法)ではなく、1送信2受信(あるいは多数点受信)を実現するものである。ここで、超音波検出用レーザ光源4などは、ハーフミラー38およびミラー8などを配置してレーザ光ILa,ILbを透過および反射させて共有化してもよいし、各受信系統で独立して個別に有していてもよい。また、プローブ18も必ずしも全チャンネルを統合化する必要はなく、送受信独立、あるいは各受信系独立などの構成であってもよい。
Therefore, as shown in FIG. 15, in this embodiment, one transmission and two receptions (or multipoint reception) are realized instead of one transmission and one reception (conventional two-probe method). Here, the
すなわち、本実施形態では、図15に示すように上記照射・集光機構と、受信用光学系OPa,OPbと、光検出器9a,9bと、信号処理装置10a,10bとから構成される受信系が複数チャンネル具備されている。そして、受信用光学系OPa,OPbは複数備えていることから、第1の光ファイバおよび第2の光ファイバも6a,6b、7a,7bとして複数設けられている。
That is, in the present embodiment, as shown in FIG. 15, the receiving / condensing mechanism, the receiving optical systems OPa and OPb, the
次に、本実施形態の作用を説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
微小なき裂信号を検知する場合には、き裂の透過波(および場合によっては前方回折波)と反射波(および場合によっては後方回折波)の双方を検知することで、信頼性を向上させることができる。 When detecting small crack signals, reliability is improved by detecting both the transmitted wave (and forward diffracted wave) and reflected wave (and possibly backward diffracted wave) of the crack. be able to.
そこで、上記のように本実施形態では、上記受信系を複数チャンネル具備したことにより、多くの情報源からき裂の性状を計測し、信頼性の高いき裂検査を行うことが可能となる。 Thus, as described above, in the present embodiment, since the receiving system includes a plurality of channels, it is possible to measure crack properties from many information sources and perform highly reliable crack inspection.
[第9実施形態]
図16は本発明に係るレーザ超音波検査装置の第9実施形態を示すブロック構成図である。
[Ninth Embodiment]
FIG. 16 is a block diagram showing a ninth embodiment of the laser ultrasonic inspection apparatus according to the present invention.
図16に示すように、本実施形態では、前記第8実施形態の構成に加え、1系統の送信系と2系統の受信系を含むプローブ18は、第2の検査機構39上で被検査材3と平行方向の第2の駆動機構35によって保持されている。この場合には、プローブ18は統合化されていなくともよいが、本実施形態において送信系と各受信系との互いの位置関係は、一連の検査作業中に変化しないことが重要である。
As shown in FIG. 16, in this embodiment, in addition to the configuration of the eighth embodiment, the
また、走査制御装置36は、第2の駆動機構35を任意の方位に一次元的に適切な速度で走査するように制御する。ここで、この適切な速度とは、観察すべき超音波信号の伝播時間、送信パルス幅、信号処理時間などの計測条件と、検知すべき劣化現象の空間的な範囲・寸法に依存し、一概には決められない。
The
一般に、高速なほど検査作業は、短時間になるものの検査分解能は低下する。走査制御装置36あるいは第2の駆動機構35上の図示しないポジションセンサから、現在における第2の駆動機構35の位置、すなわち検査位置情報が第2の二次元画像化装置40に入力される。
In general, the higher the speed, the shorter the inspection work, but the lower the inspection resolution. The current position of the
また、信号処理装置10a,10b…で計測された超音波信号も同時に第2の二次元画像化装置40に入力され、各検査位置における計測信号が可視化される。可視化の方法としては、各チャンネル毎に個別に可視化する方法、三次元的に表示する方法などが考えられる。第2の二次元画像化装置40は、検知された信号成分の伝播時間、周波数特性、伝達特性などから、き裂の位置、形状、深さ分布を可視化するものである。
In addition, ultrasonic signals measured by the
このように本実施形態では、前記第8実施形態のレーザ超音波検査装置によって被検査材3上のき裂検査を行う場合であり、複数の受信系のうち、き裂への入射表面波およびき裂からの反射表面波を受信可能なチャンネルにおいて受信される反射表面波の有無からき裂の有無と位置、回折体積波の伝播時間からき裂深さ、き裂を透過する表面波を受信可能なチャンネルにおいて受信される透過表面波と上記入射表面波の伝達特性とからき裂の深さ、回折体積波の伝播時間からき裂深さ、をそれぞれ計測するようにしたものである。
As described above, in this embodiment, the laser ultrasonic inspection apparatus of the eighth embodiment is used to perform a crack inspection on the
次に、本実施形態の作用を図17〜図20に基づいて説明する。 Next, the effect | action of this embodiment is demonstrated based on FIGS.
第2の二次元画像化装置40による被検査材3の可視化結果を図17および図18に示す。図17は第1の受信系の可視化結果であり、図18は第2の受信系の可視化結果である。図17および図18の横軸は、第2の駆動機構35の駆動方向と同一方向の位置座標を表し、縦軸は計測された時刻を表している。なお、深さ分布の可視化は、図16に示すレーザ超音波検査装置の構成においてTOFD(Time Of Flight Diffraction)法を適用したものである。
The visualization result of the
図17および図18の可視化結果は、図19における被検査材3のき裂41が第1の受信系と第2の受信系との間に存在し、第2の駆動機構35がき裂41に対して平行に移動する場合の例である。また、被検査材3における実際のき裂41の深さは、図19に破線で示すように中央部が深くなる形状である。
The visualization results of FIGS. 17 and 18 show that the
図17では、き裂41に対する超音波の透過波42および回折波43が可視化される一方、図18では、送信系から第2の受信系へ直接伝播する超音波による直接波44、さらにき裂41に対する超音波の反射波45、回折波43が可視化されている。
In FIG. 17, the ultrasonic transmitted
続いて、第2の駆動機構35が被検査材3のき裂41に対して垂直に移動する場合の第1の受信系による可視化結果を図20に示す。図20において、横軸は第2の駆動機構35の移動距離を表し、縦軸は計測された時刻を表している。図20では、送信系から第1の受信系へ直接伝播する超音波による直接波44、さらにき裂41に対する超音波の反射波45、回折波43、透過波42が可視化されている。なお、第2の受信系についても同様に可視化することができる。
Then, the visualization result by the 1st receiving system in case the
ところで、微小なき裂の深さ情報を計測する場合には、き裂の透過波(および場合によっては前方回折波)と反射波(および場合によっては後方回折波)の双方の情報を解析することで、計測深さの信頼性を向上させることができる。 By the way, when measuring the depth information of a minute crack, it is necessary to analyze both the transmitted wave (and forward diffracted wave) and reflected wave (and backward diffracted wave) of the crack. Thus, the reliability of the measurement depth can be improved.
そこで、本実施形態では、受信系を複数チャンネル具備し、その受信系から得られる複数の情報からき裂の性状を計測することにより、信頼性の高いき裂深さ計測を行うことが可能となる。 Therefore, in this embodiment, it is possible to measure the crack depth with high reliability by providing a plurality of channels for the receiving system and measuring the properties of the crack from a plurality of information obtained from the receiving system. .
[第10実施形態]
図21は本発明に係るレーザ超音波検査装置の第10実施形態を示すブロック構成図である。
[Tenth embodiment]
FIG. 21 is a block diagram showing a laser ultrasonic inspection apparatus according to the tenth embodiment of the present invention.
図21に示すように、本実施形態では、前記第9実施形態の構成に加え、第2の二次元画像化装置40による第1および第2の受信系の可視化情報は、第2の駆動機構35の位置などの検査位置情報とともに、第3の二次元画像化装置46へ入力される。この第3の二次元画像化装置46では、第1および第2の受信系によって検知された信号成分の伝播時間、周波数特性、伝達特性などを組み合わせ、き裂の位置、形状、深さ分布を可視化するものである。
As shown in FIG. 21, in this embodiment, in addition to the configuration of the ninth embodiment, the visualization information of the first and second reception systems by the second two-
すなわち、本実施形態は、前記第9実施形態のレーザ超音波検査装置において、複数チャンネルの受信系の計測結果を組み合わせ、反射表面波の有無からき裂の有無と位置、回折体積波の伝播時間からき裂深さ、透過表面波と入射表面波の伝達特性からき裂の深さ、回折体積波の伝播時間からき裂深さを、それぞれ計測するようにしたものである。 That is, this embodiment is based on the laser ultrasonic inspection apparatus of the ninth embodiment, combining the measurement results of the reception system of a plurality of channels, based on the presence or absence of a reflected surface wave, the presence or absence of a crack, and the propagation time of a diffraction volume wave. The crack depth is measured from the crack depth, the transmission characteristics of the transmitted surface wave and the incident surface wave, and the crack depth is measured from the propagation time of the diffracted volume wave.
次に、本実施形態の作用を図22に基づいて説明する。 Next, the effect | action of this embodiment is demonstrated based on FIG.
第3の二次元画像化装置46による被検査材3の可視化結果を図22に示す。図22において、横軸は第2の駆動機構35の駆動方向と同一方向の位置座標を表し、縦軸は計測された時刻を表している。深さ分布の可視化は、前記第9実施形態のレーザ超音波検査装置の構成においてTOFD法を適用したものである。図22に示す可視化結果は、被検査材3のき裂41が第1の受信系と第2の受信系との間に存在し、第2の駆動機構35がき裂41に対して平行に移動する場合の例である。図22ではき裂41に対する超音波に関し、第1の受信系の透過波47、第2の受信系の反射波48、さらに第2の受信系へ直接伝播する直接波49が可視化される。また、第1および第2の受信系による回折波50は、き裂の位置、形状、深さ分布に関して両受信系で重み付け平均され可視化されている。
The visualization result of the
ところで、微小なき裂の深さ情報を計測する場合には、各チャンネルの受信系によるき裂の透過波と反射波を組み合わせて解析することにより、計測深さの信頼性を向上させることができる。 By the way, when measuring the depth information of a minute crack, the reliability of the measurement depth can be improved by combining the transmitted wave and the reflected wave of the crack by the receiving system of each channel. .
そこで、本実施形態では、受信系を複数チャンネル具備し、その受信系から得られる各チャンネルの情報からき裂の性状を計測することにより、信頼性の高いき裂深さ計測を行うことが可能となる。 Therefore, in this embodiment, it is possible to perform a highly reliable crack depth measurement by measuring a crack property from information of each channel obtained from the reception system having a plurality of channels. Become.
1 超音波発生用レーザ光源(第1のレーザ光源)
2 光学系
3 被検査材
4 超音波検出用レーザ光源(第2のレーザ光源)
5 位相共役素子
6 第1の光ファイバ
7 第2の光ファイバ
8 ミラー
9 光検出器(信号変換手段)
10 信号処理装置(リファレンス信号振幅計測手段)
11 第1の外部電源
12 第2の外部電源
13 トリガー発振器(同期信号生成手段)
14 第1のレンズ系
15 微小レンズアレイ
16 第2のレンズ系
17 第3の光ファイバ
18 プローブ(置換手段)
19 配管(置換手段)
20 ポンプ(置換手段)
21a 第1のプレート
21b 第2のプレート
22a 第1の逆流防止板
22b 第2の逆流防止板
23 小孔
24 第1の光音響遮蔽板(光音響遮蔽手段)
24a 第2の光音響遮蔽板(光音響遮蔽手段)
24b 第3の光音響遮蔽板(光音響遮蔽手段)
24c 第1の薄膜
24d 第2の薄膜
24e 構造材
24f 中空構造の内部
24g 第4の光音響遮蔽板
24h ゴム
25 接触センサ
26 モータ
27 コントローラ(接触位置調整手段)
28 プロファイル調整光学系(プロファイル調整手段)
29 照射用光学系
30 パルス光源
31 パルス電源(同期パルス高電圧発生手段)
32 第1の検査機構
33 第1の駆動機構
34 コントローラ(光学系駆動制御手段)
35 第2の駆動機構(走査手段)
36 走査制御装置
37 第1の二次元画像化装置
38 ハーフミラー
39 第2の検査機構
40 第2の二次元画像化装置
41 き裂
42 透過波
43 回折波
44 直接波
45 反射波
46 第3の二次元画像化装置
47 第1の受信系の透過波
48 第2の受信系の反射波
49 第2の受信系へ直接伝播する直接波
50 第1および第2の受信系による回折波
1 Laser light source for ultrasonic generation (first laser light source)
2
5
10 Signal processing device (reference signal amplitude measuring means)
11 First
14
19 Piping (substitution)
20 Pump (replacement means)
24a Second photoacoustic shielding plate (photoacoustic shielding means)
24b Third photoacoustic shielding plate (photoacoustic shielding means)
24c 1st
28 Profile adjustment optical system (profile adjustment means)
29 Optical system for
32 First inspection mechanism 33
35 Second drive mechanism (scanning means)
36
Claims (1)
前記被検査材に発生した超音波信号を受信するために前記被検査材に照射される第2のレーザ光を発振する第2のレーザ光源と、
前記第2のレーザ光の前記被検査材表面における反射成分を受光する照射・集光機構と、
前記照射・集光機構で集光された前記反射成分から前記超音波に関する情報を光学的に検知するための受信用光学系と、
前記受信用光学系において受信された超音波信号を電気信号に変換する信号変換手段と、
前記信号変換手段の出力信号を信号処理し、超音波の伝播に関する情報を表示および記録する信号処理装置と、
前記第1のレーザ光の照射により発生し、周辺環境媒質を伝播して前記受信光学系にて受信され、前記超音波信号よりも大振幅な信号成分の振幅を計測するリファレンス信号振幅計測手段と、
前記リファレンス信号振幅計測手段の出力が最大となるように前記照射・集光機構を駆動制御する光学系駆動制御機構と、を備えたことを特徴とするレーザ超音波検査装置。 A first laser light source that oscillates a first laser beam for generating an ultrasonic wave on a material to be inspected;
A second laser light source that oscillates a second laser beam applied to the inspection material in order to receive an ultrasonic signal generated in the inspection material;
An irradiation / condensing mechanism for receiving a reflection component of the second laser beam on the surface of the material to be inspected;
A receiving optical system for optically detecting information on the ultrasonic wave from the reflected component condensed by the irradiation / condensing mechanism;
Signal converting means for converting an ultrasonic signal received in the receiving optical system into an electrical signal;
A signal processing device that performs signal processing on an output signal of the signal conversion means, and displays and records information on propagation of ultrasonic waves;
A reference signal amplitude measuring means that is generated by the irradiation of the first laser light, propagates through a surrounding environment medium, is received by the receiving optical system, and measures an amplitude of a signal component having a larger amplitude than the ultrasonic signal ; ,
An laser ultrasonic inspection apparatus comprising: an optical system drive control mechanism that drives and controls the irradiation / condensing mechanism so that the output of the reference signal amplitude measuring means is maximized.
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