JPH08285821A - 超音波検査方法及び超音波検査装置 - Google Patents
超音波検査方法及び超音波検査装置Info
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- JPH08285821A JPH08285821A JP7115170A JP11517095A JPH08285821A JP H08285821 A JPH08285821 A JP H08285821A JP 7115170 A JP7115170 A JP 7115170A JP 11517095 A JP11517095 A JP 11517095A JP H08285821 A JPH08285821 A JP H08285821A
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Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 高精度の調整及びその維持が必要な干渉計を
用いる必要がなく、構成が簡単化され、かつ温度変化が
激しい環境下でも安定して物質内部の状態を検知するこ
とができる超音波検査方法及び超音波検査装置を提供す
る。 【構成】 試料表面３２にプローブ用レーザー光源３１
からプローブ用レーザー光を照射し、その反射光を光検
出器３１で検出すると、試料表面に超音波エコーが戻っ
てくる度に、その強度が変化する。この強度変化は、超
音波エコーによって試料表面が変位すると、反射するプ
ローブ用レーザー光の光路長が変化して、同じビーム内
のレーザー光どうしの干渉性が変わり、その結果、干渉
強度が変化するものであると考えられる。したがって、
この干渉強度の変化を捉えることによって、超音波エコ
ーを検出することができる。
用いる必要がなく、構成が簡単化され、かつ温度変化が
激しい環境下でも安定して物質内部の状態を検知するこ
とができる超音波検査方法及び超音波検査装置を提供す
る。 【構成】 試料表面３２にプローブ用レーザー光源３１
からプローブ用レーザー光を照射し、その反射光を光検
出器３１で検出すると、試料表面に超音波エコーが戻っ
てくる度に、その強度が変化する。この強度変化は、超
音波エコーによって試料表面が変位すると、反射するプ
ローブ用レーザー光の光路長が変化して、同じビーム内
のレーザー光どうしの干渉性が変わり、その結果、干渉
強度が変化するものであると考えられる。したがって、
この干渉強度の変化を捉えることによって、超音波エコ
ーを検出することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、試料の表面で超音波を
発生させ、その超音波エコーをレーザー光で検出するこ
とによって試料を検査する超音波検査方法及び超音波検
査装置に関するものである。
発生させ、その超音波エコーをレーザー光で検出するこ
とによって試料を検査する超音波検査方法及び超音波検
査装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】各種材料の内部欠陥等を検査する方法の
一つとして、レーザー光で超音波エコーを検出する方法
が知られている。これについては、例えば超音波ＴＥＣ
ＨＮＯ５月号（vol.5, No.5, p38 (1993) 日本工業出
版）において詳述されている。この方法は、レーザー光
を用いて超音波を検出するので、接触して検査すること
ができない材料等の内部状態を調べる非接触の検査に用
いることができる。このため、例えば製鉄工程における
品質検査、鉄骨加工における溶接の検査、セラミックス
内部の品質検査、航空機部品の内部検査、その他、金
属、複合材料の品質検査等への応用が期待されている。
一つとして、レーザー光で超音波エコーを検出する方法
が知られている。これについては、例えば超音波ＴＥＣ
ＨＮＯ５月号（vol.5, No.5, p38 (1993) 日本工業出
版）において詳述されている。この方法は、レーザー光
を用いて超音波を検出するので、接触して検査すること
ができない材料等の内部状態を調べる非接触の検査に用
いることができる。このため、例えば製鉄工程における
品質検査、鉄骨加工における溶接の検査、セラミックス
内部の品質検査、航空機部品の内部検査、その他、金
属、複合材料の品質検査等への応用が期待されている。
【０００３】図５は、上記の方法を用いた超音波検査装
置の一例の構成を示した概略ブロック図である。同図に
おいて、励起用レーザー１０は、検査対象となる試料の
表面において超音波を励起させるためのレーザーで、比
較的大きい出力のパルスレーザー光を放射できるもの、
例えばＱスイッチＹＡＧレーザーなどが用いられる。励
起用レーザー１０から放射されたレーザー光１１は、ビ
ームスプリッタ１２、ミラー１３、１４を介して、検査
対象である試料１５の表面に照射される。試料１５の表
面にレーザー光１１が照射されると、試料表面が瞬間的
に蒸発し、そのときの熱的応力又は蒸発反力によって広
帯域の超音波が発生する。この超音波は、試料内部を伝
播して試料の裏面に到達し、ここで反射されたあと再び
エコーとして試料表面に戻る。尚、励起用レーザー１０
からのレーザー光の一部は、ビームスプリッタ１２によ
って、光検出器１６に導かれて検出され、オシロスコー
プ１７のトリガー信号として用いられる。
置の一例の構成を示した概略ブロック図である。同図に
おいて、励起用レーザー１０は、検査対象となる試料の
表面において超音波を励起させるためのレーザーで、比
較的大きい出力のパルスレーザー光を放射できるもの、
例えばＱスイッチＹＡＧレーザーなどが用いられる。励
起用レーザー１０から放射されたレーザー光１１は、ビ
ームスプリッタ１２、ミラー１３、１４を介して、検査
対象である試料１５の表面に照射される。試料１５の表
面にレーザー光１１が照射されると、試料表面が瞬間的
に蒸発し、そのときの熱的応力又は蒸発反力によって広
帯域の超音波が発生する。この超音波は、試料内部を伝
播して試料の裏面に到達し、ここで反射されたあと再び
エコーとして試料表面に戻る。尚、励起用レーザー１０
からのレーザー光の一部は、ビームスプリッタ１２によ
って、光検出器１６に導かれて検出され、オシロスコー
プ１７のトリガー信号として用いられる。
【０００４】一方、励起用レーザー１０とは別に設けら
れたプローブ光源２０は、試料１５の表面に戻ってきた
超音波エコーを検出するためのレーザーであり、例えば
周波数が安定な He-Neレーザーなどが用いられる。プロ
ーブ光源２０から放射されたレーザー光２１は、ミラー
２２、偏光ビームスプリッタ２３、１／４波長板２４を
介して、試料１５の表面のうち、励起用のレーザー光１
１が照射されている近傍に照射される。この反射光は、
１／４波長板２４、偏光ビームスプリッタ２３、レンズ
２５を経て、ファブリ・ペロー干渉計２６に入射する。
ファブリ・ペロー干渉計２６を透過した光は、ホトダイ
オードなどからなる光検出器２７によって電気信号に変
換される。この信号は、増幅器２８によって増幅され、
低周波雑音を除去するためにハイパスフィルタ２９を通
した後、オシロスコープ１７に供給される。
れたプローブ光源２０は、試料１５の表面に戻ってきた
超音波エコーを検出するためのレーザーであり、例えば
周波数が安定な He-Neレーザーなどが用いられる。プロ
ーブ光源２０から放射されたレーザー光２１は、ミラー
２２、偏光ビームスプリッタ２３、１／４波長板２４を
介して、試料１５の表面のうち、励起用のレーザー光１
１が照射されている近傍に照射される。この反射光は、
１／４波長板２４、偏光ビームスプリッタ２３、レンズ
２５を経て、ファブリ・ペロー干渉計２６に入射する。
ファブリ・ペロー干渉計２６を透過した光は、ホトダイ
オードなどからなる光検出器２７によって電気信号に変
換される。この信号は、増幅器２８によって増幅され、
低周波雑音を除去するためにハイパスフィルタ２９を通
した後、オシロスコープ１７に供給される。
【０００５】図６は、ファブリ・ペロー干渉計の共振器
長（横軸）を掃引させて He-Neレーザー光の光周波数を
測定した結果を示す概略図であり、図７は、図６の横軸
を拡大して示した概略図である。すなわち、透過光強度
がピークとなる共振器長が、He-Neレーザー光の波長ν
（６１５．８nm）に対応し、共振器長を変えると干渉計
の透過光強度がピークとなる波長も変わるため、νの波
長の透過光強度は低下する。この特性を利用して、 He-
Neレーザー光の波長νに対する透過光強度が図７のＡ’
点で示す値となるように、予めファブリ・ペロー干渉計
２６の共振器長を調整しておき、試料１５からの反射光
をこのファブリ・ペロー干渉計２６に入射させる。
長（横軸）を掃引させて He-Neレーザー光の光周波数を
測定した結果を示す概略図であり、図７は、図６の横軸
を拡大して示した概略図である。すなわち、透過光強度
がピークとなる共振器長が、He-Neレーザー光の波長ν
（６１５．８nm）に対応し、共振器長を変えると干渉計
の透過光強度がピークとなる波長も変わるため、νの波
長の透過光強度は低下する。この特性を利用して、 He-
Neレーザー光の波長νに対する透過光強度が図７のＡ’
点で示す値となるように、予めファブリ・ペロー干渉計
２６の共振器長を調整しておき、試料１５からの反射光
をこのファブリ・ペロー干渉計２６に入射させる。
【０００６】試料の裏面で反射された超音波エコーによ
って試料１５の表面が超音波振動すると、試料表面の空
間的位置はこの超音波の周期で変位する。したがって、
プローブ光源２０からのレーザー光は、試料表面で散乱
反射される際に、この変位に伴うドップラーシフトを受
け、波長が変動する。図７に示すように、試料１５から
の反射光がドップラーシフトによって±Δν’の周波数
変化を受けると、それに伴って透過光強度は図のように
±ΔＩ’の変化を受ける。すなわち、試料１５からの反
射光をファブリ・ペロー干渉計を通すことによって、波
長の変化を強度の変化に変換することができる。
って試料１５の表面が超音波振動すると、試料表面の空
間的位置はこの超音波の周期で変位する。したがって、
プローブ光源２０からのレーザー光は、試料表面で散乱
反射される際に、この変位に伴うドップラーシフトを受
け、波長が変動する。図７に示すように、試料１５から
の反射光がドップラーシフトによって±Δν’の周波数
変化を受けると、それに伴って透過光強度は図のように
±ΔＩ’の変化を受ける。すなわち、試料１５からの反
射光をファブリ・ペロー干渉計を通すことによって、波
長の変化を強度の変化に変換することができる。
【０００７】このため、試料１５の表面と裏面の間で反
射を繰り返す超音波エコーが、表面に戻るたびに、光検
出器２７の出力信号は大きく変化する。この信号をオシ
ロスコープ１７上で、横軸に時間、縦軸に信号強度をと
って表示させると、試料内に欠陥がなければ、試料内の
音速と試料の厚さによって決まる一定の時間間隔で信号
強度が変化する。一方、試料内部に空洞や不純物などの
欠陥があると、超音波はこの欠陥部で反射され、上記の
時間よりも短い時間で信号強度が変化する。したがっ
て、この時間間隔を調べることにより、試料内部の欠陥
の有無を調べることができる。
射を繰り返す超音波エコーが、表面に戻るたびに、光検
出器２７の出力信号は大きく変化する。この信号をオシ
ロスコープ１７上で、横軸に時間、縦軸に信号強度をと
って表示させると、試料内に欠陥がなければ、試料内の
音速と試料の厚さによって決まる一定の時間間隔で信号
強度が変化する。一方、試料内部に空洞や不純物などの
欠陥があると、超音波はこの欠陥部で反射され、上記の
時間よりも短い時間で信号強度が変化する。したがっ
て、この時間間隔を調べることにより、試料内部の欠陥
の有無を調べることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところで、図５の装置
で使用するファブリ・ペロー干渉計は、複雑な光学系か
らなり、それぞれの光学系について光軸合わせを行う
際、あるいは共振器長等のアライメントを行う際に、高
い精度の調整が要求される。例えば、共振器長について
は、μｍオーダーの調整が必要である。また、共振器長
などは、環境の振動および僅かな温度変化によって伸び
・縮みが生じ、透過光強度の特性が微妙に変化する。こ
のため、このようなずれや伸縮を防止するために、除振
台や恒温槽などの装置が必要となる特に、上記の超音波
検査装置を、製鉄所などの厳しい環境下で利用する場合
には、規模の大きな除振台、恒温槽等が必要となり、装
置全体の規模が大きくならざるを得ず、またコストも嵩
む。上記のファブリ・ペロー干渉計の他にも、ホモダイ
ン干渉方式、ヘテロダイン干渉方式等の干渉計を用いる
ことができるが、いずれの方式も光の干渉を用いること
に変わりはないため、光軸合わせなどに高い精度の調整
が要求されること、特性の維持が困難であること等の問
題がある点は同じである。
で使用するファブリ・ペロー干渉計は、複雑な光学系か
らなり、それぞれの光学系について光軸合わせを行う
際、あるいは共振器長等のアライメントを行う際に、高
い精度の調整が要求される。例えば、共振器長について
は、μｍオーダーの調整が必要である。また、共振器長
などは、環境の振動および僅かな温度変化によって伸び
・縮みが生じ、透過光強度の特性が微妙に変化する。こ
のため、このようなずれや伸縮を防止するために、除振
台や恒温槽などの装置が必要となる特に、上記の超音波
検査装置を、製鉄所などの厳しい環境下で利用する場合
には、規模の大きな除振台、恒温槽等が必要となり、装
置全体の規模が大きくならざるを得ず、またコストも嵩
む。上記のファブリ・ペロー干渉計の他にも、ホモダイ
ン干渉方式、ヘテロダイン干渉方式等の干渉計を用いる
ことができるが、いずれの方式も光の干渉を用いること
に変わりはないため、光軸合わせなどに高い精度の調整
が要求されること、特性の維持が困難であること等の問
題がある点は同じである。
【０００９】本発明は、上記事情に基づいてなされたも
のであり、高精度の調整及びその維持が必要な干渉計を
用いる必要がなく、構成が簡単化され、かつ温度変化が
激しい環境下でも安定して試料内部の状態を検知するこ
とができる超音波検査方法及び超音波検査装置を提供す
ることを目的とするものである。
のであり、高精度の調整及びその維持が必要な干渉計を
用いる必要がなく、構成が簡単化され、かつ温度変化が
激しい環境下でも安定して試料内部の状態を検知するこ
とができる超音波検査方法及び超音波検査装置を提供す
ることを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの請求項１記載の発明は、検査対象である試料の表面
に超音波を発生させ、前記試料の表面にプローブ用レー
ザー光を照射し、超音波エコーによる試料表面の変位に
よって生じる、前記試料の異なる部位から反射される前
記プローブ用レーザー光同士の干渉強度の変化を検知す
ることによって前記超音波エコーを検出することを特徴
とするものである。
めの請求項１記載の発明は、検査対象である試料の表面
に超音波を発生させ、前記試料の表面にプローブ用レー
ザー光を照射し、超音波エコーによる試料表面の変位に
よって生じる、前記試料の異なる部位から反射される前
記プローブ用レーザー光同士の干渉強度の変化を検知す
ることによって前記超音波エコーを検出することを特徴
とするものである。
【００１１】請求項２記載の発明は、検査対象である試
料の表面に超音波を発生させる超音波発生手段と、前記
試料の表面にプローブ用レーザー光を照射するレーザー
光源と、超音波エコーによる試料表面の変位によって生
じる、前記試料の異なる部位から反射されるプローブ用
レーザー光同士の干渉強度の変化を検出する光強度検出
手段と、を具備することを特徴とするものである。
料の表面に超音波を発生させる超音波発生手段と、前記
試料の表面にプローブ用レーザー光を照射するレーザー
光源と、超音波エコーによる試料表面の変位によって生
じる、前記試料の異なる部位から反射されるプローブ用
レーザー光同士の干渉強度の変化を検出する光強度検出
手段と、を具備することを特徴とするものである。
【００１２】請求項３記載の発明は、請求項２記載の発
明において、前記超音波発生手段は、試料表面に照射す
るレーザー光であることを特徴とするものである。
明において、前記超音波発生手段は、試料表面に照射す
るレーザー光であることを特徴とするものである。
【００１３】請求項４記載の発明は、請求項２記載の発
明において、前記超音波発生手段は、圧電発振素子であ
ることを特徴とするものである。
明において、前記超音波発生手段は、圧電発振素子であ
ることを特徴とするものである。
【００１４】
【作用】請求項１記載の発明は、前記の構成により、試
料表面で発生した超音波が試料の裏面で反射し、エコー
として戻ってくると、試料表面は超音波振動して、試料
と垂直な方向に変位する。所定の位置でプローブ用レー
ザー光の散乱反射する光を検出している場合、試料表面
の異なる部位で反射されて検出位置へ達するプローブ用
レーザー光は、そのプローブ光ビーム内でそれぞれの光
路長の差に依存した干渉を生じるが、光路長は試料表面
の変位に伴って変わるため、試料表面が変位すると、こ
の干渉の仕方が変化する。したがって、超音波エコーが
表面に戻るたびに検出位置の干渉強度が変化し、この変
化を捉えることによって、超音波エコーを検出すること
ができる。
料表面で発生した超音波が試料の裏面で反射し、エコー
として戻ってくると、試料表面は超音波振動して、試料
と垂直な方向に変位する。所定の位置でプローブ用レー
ザー光の散乱反射する光を検出している場合、試料表面
の異なる部位で反射されて検出位置へ達するプローブ用
レーザー光は、そのプローブ光ビーム内でそれぞれの光
路長の差に依存した干渉を生じるが、光路長は試料表面
の変位に伴って変わるため、試料表面が変位すると、こ
の干渉の仕方が変化する。したがって、超音波エコーが
表面に戻るたびに検出位置の干渉強度が変化し、この変
化を捉えることによって、超音波エコーを検出すること
ができる。
【００１５】請求項２記載の発明は、前記の構成によ
り、超音波発生装置によって試料表面において発生した
超音波が、試料の裏面で反射し、エコーとして戻ってく
ると、試料表面は超音波振動して、試料と垂直な方向に
変位する。試料表面で散乱反射され、所定位置に設けた
光検出手段へ達するプローブ用レーザー光は、試料表面
の振動にともなって光路長が変わるので、試料表面の異
なる部位で反射されるプローブ用レーザー光は、そのプ
ローブ光ビーム内で光路差を変える。したがって、超音
波エコーが試料表面に戻るたびに光検出装置によって検
出される干渉強度が変化し、これによって超音波エコー
を検出することができる。
り、超音波発生装置によって試料表面において発生した
超音波が、試料の裏面で反射し、エコーとして戻ってく
ると、試料表面は超音波振動して、試料と垂直な方向に
変位する。試料表面で散乱反射され、所定位置に設けた
光検出手段へ達するプローブ用レーザー光は、試料表面
の振動にともなって光路長が変わるので、試料表面の異
なる部位で反射されるプローブ用レーザー光は、そのプ
ローブ光ビーム内で光路差を変える。したがって、超音
波エコーが試料表面に戻るたびに光検出装置によって検
出される干渉強度が変化し、これによって超音波エコー
を検出することができる。
【００１６】
【実施例】以下に図面を参照して、本発明の一実施例に
ついて説明する。図１は、本発明の一実施例である超音
波検査装置の主要部の概略構成図である。図１におい
て、プローブ用レーザー光源３０としては、例えば He-
Neレーザーを用いることができる。また、光検出部３１
は、図５におけるファブリ・ペロー干渉計２６、光検出
器２７、増幅器２８、ハイパスフィルタ２９、オシロス
コープ１７を一括して含むものである。
ついて説明する。図１は、本発明の一実施例である超音
波検査装置の主要部の概略構成図である。図１におい
て、プローブ用レーザー光源３０としては、例えば He-
Neレーザーを用いることができる。また、光検出部３１
は、図５におけるファブリ・ペロー干渉計２６、光検出
器２７、増幅器２８、ハイパスフィルタ２９、オシロス
コープ１７を一括して含むものである。
【００１７】図５に示す従来のレーザー超音波装置で
は、プローブ用レーザー光２１を、偏光ビームスプリッ
タ２３で二つの経路に分け、一方を試料表面に照射し、
その反射光ともう一方の経路の光とを干渉させ、光周波
数のドップラーシフトによる光強度の変化を見なければ
ならない。このため、偏光ビームスプリッタ２３、干渉
計２６をはじめとする複雑な光学装置が必要だった。
は、プローブ用レーザー光２１を、偏光ビームスプリッ
タ２３で二つの経路に分け、一方を試料表面に照射し、
その反射光ともう一方の経路の光とを干渉させ、光周波
数のドップラーシフトによる光強度の変化を見なければ
ならない。このため、偏光ビームスプリッタ２３、干渉
計２６をはじめとする複雑な光学装置が必要だった。
【００１８】ところで、本発明者は、試料表面にプロー
ブ用レーザー光を照射し、その散乱反射した光を特定の
位置で検出すると、試料表面に超音波エコーが戻ってく
る度に、その強度が変化することを見いだした。この強
度変化は、図２に示すように、超音波エコーによって試
料表面が変位すると、反射するプローブ用レーザー光の
光路長が変化して、同じビーム内のレーザー光同士の干
渉の仕方が変わる。すなわち、試料表面がある位置にあ
ったときに点Ｐでレーザー光同士が干渉して強め合って
いても、試料表面の位置が変位すると、同じ点Ｐでレー
ザー光同士が弱め合う。逆に、試料表面がある位置にあ
ったときに点Ｐでレーザー光同士が干渉して弱め合って
いても、試料表面の位置が変位すると、同じ点Ｐでレー
ザー光同士が強め合う。したがって、この干渉強度の変
化を捉えることによって、超音波エコーを検出すること
ができる。
ブ用レーザー光を照射し、その散乱反射した光を特定の
位置で検出すると、試料表面に超音波エコーが戻ってく
る度に、その強度が変化することを見いだした。この強
度変化は、図２に示すように、超音波エコーによって試
料表面が変位すると、反射するプローブ用レーザー光の
光路長が変化して、同じビーム内のレーザー光同士の干
渉の仕方が変わる。すなわち、試料表面がある位置にあ
ったときに点Ｐでレーザー光同士が干渉して強め合って
いても、試料表面の位置が変位すると、同じ点Ｐでレー
ザー光同士が弱め合う。逆に、試料表面がある位置にあ
ったときに点Ｐでレーザー光同士が干渉して弱め合って
いても、試料表面の位置が変位すると、同じ点Ｐでレー
ザー光同士が強め合う。したがって、この干渉強度の変
化を捉えることによって、超音波エコーを検出すること
ができる。
【００１９】図３は、図１の試料１５、プローブ用レー
ザー光３２、そして光検出器３１が置かれる位置Ｐの間
の幾何学的な関係を簡略化して示した図であり、同図を
用いて、超音波エコーによって、特定位置の干渉強度が
変化する原理を簡単に説明する。尚、図３では、入射光
３２は、近似的に試料１５の表面に垂直に入射するもの
とする。図３において、入射するプローブ用レーザー光
３２は、ビーム径が１００μｍ〜１ｍｍ程度の幅を有し
ている。このため、同一のビームに含まれるレーザー光
であっても、微視的に見ると、試料１５の表面の異なる
部位に照射される。また、試料１５の表面は、超音波エ
コーが戻ったときに、ｄ0 の振幅で変位するものとす
る。
ザー光３２、そして光検出器３１が置かれる位置Ｐの間
の幾何学的な関係を簡略化して示した図であり、同図を
用いて、超音波エコーによって、特定位置の干渉強度が
変化する原理を簡単に説明する。尚、図３では、入射光
３２は、近似的に試料１５の表面に垂直に入射するもの
とする。図３において、入射するプローブ用レーザー光
３２は、ビーム径が１００μｍ〜１ｍｍ程度の幅を有し
ている。このため、同一のビームに含まれるレーザー光
であっても、微視的に見ると、試料１５の表面の異なる
部位に照射される。また、試料１５の表面は、超音波エ
コーが戻ったときに、ｄ0 の振幅で変位するものとす
る。
【００２０】ここで、簡単のために、同一ビーム内の二
つの光３２ａ、３２ｂが、図３に示すｘ1 点とｘ2 点に
それぞれ入射し、θ1 及びθ2 の角度で反射して位置Ｐ
に達すると考える。ｘ1 からＰまで、及びｘ2 からＰま
での距離は、それぞれＲ1 、Ｒ2 であるが、試料表面が
ｄだけ変位すると、その距離はそれぞれξ1 、ξ2 にな
るとする。また、プローブ用レーザー光３２を平面波と
考え、角周波数をω、ｘ1 からＰまでの位相をφ1 、ｘ
2 からＰまでの位相をφ2 とする。
つの光３２ａ、３２ｂが、図３に示すｘ1 点とｘ2 点に
それぞれ入射し、θ1 及びθ2 の角度で反射して位置Ｐ
に達すると考える。ｘ1 からＰまで、及びｘ2 からＰま
での距離は、それぞれＲ1 、Ｒ2 であるが、試料表面が
ｄだけ変位すると、その距離はそれぞれξ1 、ξ2 にな
るとする。また、プローブ用レーザー光３２を平面波と
考え、角周波数をω、ｘ1 からＰまでの位相をφ1 、ｘ
2 からＰまでの位相をφ2 とする。
【００２１】光検出部３１の光検出器があるＰの位置に
おいて、プローブ用レーザー光３２ａ、３２ｂの電場
を、それぞれ Ｅ1 ＝ Ａ1 ｅｘｐ｛−ｉ（ωｔ−φ1 ）｝ （１） Ｅ2 ＝ Ａ2 ｅｘｐ｛−ｉ（ωｔ−φ2 ）｝ （２） とすると、合成される電界は、
おいて、プローブ用レーザー光３２ａ、３２ｂの電場
を、それぞれ Ｅ1 ＝ Ａ1 ｅｘｐ｛−ｉ（ωｔ−φ1 ）｝ （１） Ｅ2 ＝ Ａ2 ｅｘｐ｛−ｉ（ωｔ−φ2 ）｝ （２） とすると、合成される電界は、
【数１】 となる。この（３）式で、Ｅ1 2＋Ｅ2 2の部分は定常項で
あり、
あり、
【数２】 の部分は干渉項である。したがって、干渉項として、
【数３】 が得られる。ここでφ1 0、φ2 0は、それぞれ、レーザー
光の波長をλとして、φ1 0＝Ｒ1 ／λ、φ2 0＝Ｒ2 ／λ
であり、δφ1 、δφ2 は、超音波の変位によって生じ
る各々の電場の位相の変化を示す。したがって、（４）
式において、ｅｘｐ｛−ｉ（φ1 0−φ2 0）｝の部分は時
間ｔに依存しないが、ｅｘｐ｛−ｉ（δφ1 −δ
φ2 ）｝の部分は時間ｔに依存して、試料表面の変位に
伴って変化する。
光の波長をλとして、φ1 0＝Ｒ1 ／λ、φ2 0＝Ｒ2 ／λ
であり、δφ1 、δφ2 は、超音波の変位によって生じ
る各々の電場の位相の変化を示す。したがって、（４）
式において、ｅｘｐ｛−ｉ（φ1 0−φ2 0）｝の部分は時
間ｔに依存しないが、ｅｘｐ｛−ｉ（δφ1 −δ
φ2 ）｝の部分は時間ｔに依存して、試料表面の変位に
伴って変化する。
【００２２】図３の幾何学的な関係から、 ξ1 2 ＝（Ｒ1 ｃｏｓθ1 ＋ｄ）2 ＋（Ｒ1 ｓｉｎθ1 ）2 （５） と表すことができるが、変位ｄがプローブ用レーザー光
の波長に比べて十分に小さいと考えられるので、距離ξ
1 は、 ξ1 ＝Ｒ1 ＋ｄｓｉｎθ1 （６） と表すことができる。同様に、距離ξ2 は ξ2 ＝Ｒ2 ＋ｄｓｉｎθ2 （７） と表すことができる。
の波長に比べて十分に小さいと考えられるので、距離ξ
1 は、 ξ1 ＝Ｒ1 ＋ｄｓｉｎθ1 （６） と表すことができる。同様に、距離ξ2 は ξ2 ＝Ｒ2 ＋ｄｓｉｎθ2 （７） と表すことができる。
【００２３】（４）式で、時間とともに変化する位相差
をｄとθで記述すると、 δφ1(t)−δφ2 (t) ＝ｄ（ｃｏｓθ1 −ｃｏｓθ2 ）λ-1 （８） と表される。ここで、試料表面の変位ｄは、 ｄ＝ｄ0 ｓｉｎ（ωu ｔ＋φu ） （９） のように変化すると考えることができる。この式で、添
字ｕは、超音波の周波数及び位相であることを示す。
（８）式及び（９）式を（４）式に代入すると、
をｄとθで記述すると、 δφ1(t)−δφ2 (t) ＝ｄ（ｃｏｓθ1 −ｃｏｓθ2 ）λ-1 （８） と表される。ここで、試料表面の変位ｄは、 ｄ＝ｄ0 ｓｉｎ（ωu ｔ＋φu ） （９） のように変化すると考えることができる。この式で、添
字ｕは、超音波の周波数及び位相であることを示す。
（８）式及び（９）式を（４）式に代入すると、
【数４】 と表すことができる。ここで、試料表面の変位ｄ0 は、
レーザー光の波長λに較べて十分に小さいと仮定した。
（１０）式より、試料表面が超音波エコーによって振動
すると、Ｐの位置において、プローブ用レーザー光の干
渉強度が変化することが分かる。すなわち、干渉強度の
変化が光検出部３１によって捉えられると、超音波エコ
ーが生じたことが検出される。その際、従来のように、
ファブリ・ペロー干渉計等の複雑な光学系は不要とな
り、構成が単純化できるとともに、コストの低減を図る
こともできる。
レーザー光の波長λに較べて十分に小さいと仮定した。
（１０）式より、試料表面が超音波エコーによって振動
すると、Ｐの位置において、プローブ用レーザー光の干
渉強度が変化することが分かる。すなわち、干渉強度の
変化が光検出部３１によって捉えられると、超音波エコ
ーが生じたことが検出される。その際、従来のように、
ファブリ・ペロー干渉計等の複雑な光学系は不要とな
り、構成が単純化できるとともに、コストの低減を図る
こともできる。
【００２４】尚、本発明者が行った実験の過程で、プロ
ーブ用レーザー光を検出する光検出器の受光面積を適当
な範囲とする必要があることが分かった。これは、レー
ザー光の空間コヒーレンスの大きさ、すなわちスペック
ルサイズと関係がある。したがって、どの程度の受光面
積とするかは、それぞれの装置の状況に応じて適当な値
とすることが望ましい。具体的には、プローブ用レーザ
ー光のビーム径を１ｍｍ、試料表面と光検出器との距離
を１ｍとしたときは、光検出器の直径は０．５ｍｍ程度
とする。
ーブ用レーザー光を検出する光検出器の受光面積を適当
な範囲とする必要があることが分かった。これは、レー
ザー光の空間コヒーレンスの大きさ、すなわちスペック
ルサイズと関係がある。したがって、どの程度の受光面
積とするかは、それぞれの装置の状況に応じて適当な値
とすることが望ましい。具体的には、プローブ用レーザ
ー光のビーム径を１ｍｍ、試料表面と光検出器との距離
を１ｍとしたときは、光検出器の直径は０．５ｍｍ程度
とする。
【００２５】超音波発生手段としては、例えば図５に示
した励起用レーザー１０を使用することができる。すな
わち、レーザー光を試料の表面に照射すると、試料表面
の瞬間的な蒸発によって広帯域の超音波が発生する。こ
の超音波のエコーによってプローブ用レーザー光が受け
る干渉強度の変化を光検出部３１で検出する。
した励起用レーザー１０を使用することができる。すな
わち、レーザー光を試料の表面に照射すると、試料表面
の瞬間的な蒸発によって広帯域の超音波が発生する。こ
の超音波のエコーによってプローブ用レーザー光が受け
る干渉強度の変化を光検出部３１で検出する。
【００２６】図４は、超音波発生手段として、図５の励
起用レーザー光源１０の代わりに、ピエゾ発振素子（Ｐ
ＺＴ）４２を用いた実施例の概略ブロック図である。試
料１５の裏面に、ＰＺＴ４２を接触させて取り付け、超
音波発振器４１からＰＺＴ４２へ超音波信号を供給し
て、試料１５の内部に超音波を発生させる。この超音波
が試料内部を伝播して表側に達し、試料表面が変位する
と、プローブ用レーザー光３２の干渉の仕方が変化し、
光検出器３１の位置における干渉強度が変化する。これ
を光検出器３３で捉えることによって、超音波を検出す
ることができる。
起用レーザー光源１０の代わりに、ピエゾ発振素子（Ｐ
ＺＴ）４２を用いた実施例の概略ブロック図である。試
料１５の裏面に、ＰＺＴ４２を接触させて取り付け、超
音波発振器４１からＰＺＴ４２へ超音波信号を供給し
て、試料１５の内部に超音波を発生させる。この超音波
が試料内部を伝播して表側に達し、試料表面が変位する
と、プローブ用レーザー光３２の干渉の仕方が変化し、
光検出器３１の位置における干渉強度が変化する。これ
を光検出器３３で捉えることによって、超音波を検出す
ることができる。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
試料表面に照射したプローブ用レーザー光の反射光を直
接光検出手段に導き、同一ビーム内のレーザー光同士の
干渉強度の変化に基づいて超音波エコーを検出すること
ができるので、高精度の調整及びその維持が必要な干渉
計を用いる必要がなく、構成が簡単化され、したがっ
て、温度変化が激しい環境下でも安定して試料内部の状
態を検知することができる超音波検査方法及び超音波検
査装置を提供することができる。
試料表面に照射したプローブ用レーザー光の反射光を直
接光検出手段に導き、同一ビーム内のレーザー光同士の
干渉強度の変化に基づいて超音波エコーを検出すること
ができるので、高精度の調整及びその維持が必要な干渉
計を用いる必要がなく、構成が簡単化され、したがっ
て、温度変化が激しい環境下でも安定して試料内部の状
態を検知することができる超音波検査方法及び超音波検
査装置を提供することができる。
【図１】本発明の一実施例である超音波検査装置の主要
部の概略構成図である。
部の概略構成図である。
【図２】超音波エコーによって試料表面が変位したとき
に同一ビーム内のレーザー光同士の干渉の仕方が変わる
様子を示した図である。
に同一ビーム内のレーザー光同士の干渉の仕方が変わる
様子を示した図である。
【図３】超音波エコーによって、特定位置の干渉強度が
変化する原理を説明するための図である。
変化する原理を説明するための図である。
【図４】超音波発振手段として、ピエゾ発振素子（ＰＺ
Ｔ）を用いた実施例の概略ブロック図である。
Ｔ）を用いた実施例の概略ブロック図である。
【図５】励起用レーザー光を用いて試料表面に超音波を
発生させる超音波検査装置の一例の構成を示した概略ブ
ロック図である。
発生させる超音波検査装置の一例の構成を示した概略ブ
ロック図である。
【図６】ファブリ・ペロー干渉計の光透過特性を示す概
略図である。
略図である。
【図７】図６の特性を拡大して示した概略図である。
１０ 励起用レーザー １２ ビームスプリッタ １３、１４、２２ ミラー １５ 試料 １６、３３ 光検出器 １７ オシロスコープ ２０ プローブ光源 ２３ 偏光ビームスプリッタ ２４ １／４波長板 ２５ レンズ ２６ ファブリ・ペロー干渉計 ２８ 増幅器 ２９ ハイパスフィルタ ３０ プローブ用レーザー光源 ４１ 超音波発振器 ３１ 光検出部 ４２ ピエゾ発振素子（ＰＺＴ）
Claims (4)
- 【請求項１】 検査対象である試料の表面に超音波を発
生させ、前記試料の表面にプローブ用レーザー光を照射
し、超音波エコーによる試料表面の変位によって生じ
る、前記試料の異なる部位から反射される前記プローブ
用レーザー光同士の干渉強度の変化を検知することによ
って前記超音波エコーを検出することを特徴とする超音
波検査方法。 - 【請求項２】 検査対象である試料の表面に超音波を発
生させる超音波発生手段と、 前記試料の表面にプローブ用レーザー光を照射するレー
ザー光源と、 超音波エコーによる試料表面の変位によって生じる、前
記試料の異なる部位から反射されるプローブ用レーザー
光同士の干渉強度の変化を検出する光強度検出手段と、
を具備することを特徴とする超音波検査装置。 - 【請求項３】 前記超音波発生手段は、試料表面に照射
するレーザー光であることを特徴とする請求項２記載の
超音波検査装置。 - 【請求項４】 前記超音波発生手段は、圧電発振素子で
あることを特徴とする請求項２記載の超音波検査装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7115170A JPH08285821A (ja) | 1995-04-17 | 1995-04-17 | 超音波検査方法及び超音波検査装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7115170A JPH08285821A (ja) | 1995-04-17 | 1995-04-17 | 超音波検査方法及び超音波検査装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08285821A true JPH08285821A (ja) | 1996-11-01 |
Family
ID=14656083
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7115170A Withdrawn JPH08285821A (ja) | 1995-04-17 | 1995-04-17 | 超音波検査方法及び超音波検査装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08285821A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012163426A (ja) * | 2011-02-07 | 2012-08-30 | West Japan Railway Co | 計測装置および除振装置 |
| US9134279B2 (en) | 2010-08-27 | 2015-09-15 | Hitachi, Ltd. | Internal defect inspection method and apparatus for the same |
-
1995
- 1995-04-17 JP JP7115170A patent/JPH08285821A/ja not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9134279B2 (en) | 2010-08-27 | 2015-09-15 | Hitachi, Ltd. | Internal defect inspection method and apparatus for the same |
| JP2012163426A (ja) * | 2011-02-07 | 2012-08-30 | West Japan Railway Co | 計測装置および除振装置 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20020702 |