JPH09281085A - レーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法 - Google Patents
レーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法Info
- Publication number
- JPH09281085A JPH09281085A JP8095082A JP9508296A JPH09281085A JP H09281085 A JPH09281085 A JP H09281085A JP 8095082 A JP8095082 A JP 8095082A JP 9508296 A JP9508296 A JP 9508296A JP H09281085 A JPH09281085 A JP H09281085A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- subject
- ultrasonic
- laser
- diffraction grating
- laser beam
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 238000007689 inspection Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims abstract description 22
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 16
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims description 8
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 claims description 8
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 abstract description 7
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 9
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 6
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 6
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 従来の利点を維持したまま欠陥位置を決定す
る際の距離分解能が向上するレーザー超音波検査装置及
びレーザー超音波検査方法を提供する。 【解決手段】 回転機構３０は、被検体１６の矢印の方
向における傾きの角度を変えるためのものである。被検
体１６を傾けると、回折格子１５おいて回折された光
は、ある程度の角度をもって被検体１６に照射される。
レーザー光の中心軸に対して被検体１６が傾いている
と、被検体１６の上部は回折格子１５に近づき、被検体
１６の下部は回折格子１５から離れる。被検体１６の表
面において生じる干渉縞のピッチは、上部では短く、下
部では長くなる。このようなレーザービームによって発
生する超音波の波形はチャープ波形となる。
る際の距離分解能が向上するレーザー超音波検査装置及
びレーザー超音波検査方法を提供する。 【解決手段】 回転機構３０は、被検体１６の矢印の方
向における傾きの角度を変えるためのものである。被検
体１６を傾けると、回折格子１５おいて回折された光
は、ある程度の角度をもって被検体１６に照射される。
レーザー光の中心軸に対して被検体１６が傾いている
と、被検体１６の上部は回折格子１５に近づき、被検体
１６の下部は回折格子１５から離れる。被検体１６の表
面において生じる干渉縞のピッチは、上部では短く、下
部では長くなる。このようなレーザービームによって発
生する超音波の波形はチャープ波形となる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、被検体にレーザー
光を照射して超音波を発生させ、被検体を伝播した超音
波を検出することによって被検体の状態を検査するレー
ザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法に関す
る。
光を照射して超音波を発生させ、被検体を伝播した超音
波を検出することによって被検体の状態を検査するレー
ザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】各種材料の内部や表面の欠陥等を検出す
る方法の一つとして、いわゆるレーザー超音波法と呼ば
れる検査方法がある。この方法については、例えば超音
波ＴＥＣＨＮＯ５月号（vol.5, No.5, p38(1993)日本工
業出版）等を参照することができる。この方法は、レー
ザー光を用いて超音波を発生させるとともに、別のレー
ザー光を用いてこの超音波を検出するので、検査対象に
接触することができない状況での検査に有利であり、種
々の分野での利用が検討されている。
る方法の一つとして、いわゆるレーザー超音波法と呼ば
れる検査方法がある。この方法については、例えば超音
波ＴＥＣＨＮＯ５月号（vol.5, No.5, p38(1993)日本工
業出版）等を参照することができる。この方法は、レー
ザー光を用いて超音波を発生させるとともに、別のレー
ザー光を用いてこの超音波を検出するので、検査対象に
接触することができない状況での検査に有利であり、種
々の分野での利用が検討されている。
【０００３】また、J. Huang, S. Krishnaswamy and J.
D. Achenbach による「Laser Generation of narrow-b
and surface waves 」（J. Acoust. Soc. Am. 92(5) 19
92,p2527-2531）には、レーザー超音波法の他の例が記
載されている。この論文では、図９に示す構成のレーザ
ー超音波発生装置が記載されている。図９の装置は、単
一のレーザー光５０を回折格子５１に照射し、回折格子
５１における回折によって多数に分岐したレーザービー
ム５２を被検体であるアルミニウムのブロック５３にほ
ぼ垂直に照射することによって、被検体５３の表層部分
に超音波を発生させる。このような方法で多数に分岐し
たレーザービームを照射する目的は、単一の強力なレー
ザー光を直接照射することによって生じる被検体表面の
損傷を避けるために、被検体に損傷を与えない熱弾性領
域で超音波を発生させるとともに、その超音波の強度を
検出に十分なＳＮ比が確保できる程度に高めるためであ
る。
D. Achenbach による「Laser Generation of narrow-b
and surface waves 」（J. Acoust. Soc. Am. 92(5) 19
92,p2527-2531）には、レーザー超音波法の他の例が記
載されている。この論文では、図９に示す構成のレーザ
ー超音波発生装置が記載されている。図９の装置は、単
一のレーザー光５０を回折格子５１に照射し、回折格子
５１における回折によって多数に分岐したレーザービー
ム５２を被検体であるアルミニウムのブロック５３にほ
ぼ垂直に照射することによって、被検体５３の表層部分
に超音波を発生させる。このような方法で多数に分岐し
たレーザービームを照射する目的は、単一の強力なレー
ザー光を直接照射することによって生じる被検体表面の
損傷を避けるために、被検体に損傷を与えない熱弾性領
域で超音波を発生させるとともに、その超音波の強度を
検出に十分なＳＮ比が確保できる程度に高めるためであ
る。
【０００４】回折格子５１によって回折されたレーザー
ビーム５２は、図１０に示すような縞状の強度分布をも
って被検体５３に照射される。同図において、斜線の部
分は強度の高い部分、その間の白の部分は強度の低い部
分を模式的に示している。図１０に示すように、各縞の
間隔は、レーザービーム５２を被検体に垂直に照射した
ために、等間隔となっている。前掲論文によると、この
強度分布のピークの間隔が適当な値となるように回折格
子の格子間隔その他を調整することによって、図１１に
示すようなトーンバースト状の超音波、すなわちほぼ一
定の周波数及び振幅が一定期間にわたって持続する超音
波が発生する。
ビーム５２は、図１０に示すような縞状の強度分布をも
って被検体５３に照射される。同図において、斜線の部
分は強度の高い部分、その間の白の部分は強度の低い部
分を模式的に示している。図１０に示すように、各縞の
間隔は、レーザービーム５２を被検体に垂直に照射した
ために、等間隔となっている。前掲論文によると、この
強度分布のピークの間隔が適当な値となるように回折格
子の格子間隔その他を調整することによって、図１１に
示すようなトーンバースト状の超音波、すなわちほぼ一
定の周波数及び振幅が一定期間にわたって持続する超音
波が発生する。
【０００５】被検体にクラックその他の欠陥が存在する
と、被検体中を伝播する超音波は欠陥部において反射さ
れ、エコーが生じる。このエコーは、被検体の他の位置
においてヘテロダインレーザー干渉計５４によって検出
され、位相検波その他の処理が行われる。この処理後の
信号から、被検体に欠陥が存在するか否かを知ることが
でき、また欠陥が存在する場合には、既知である被検体
の音速及び観測された到達時間から、その位置を知るこ
とができる。図１１に示すような狭帯域のトーンバース
ト信号を発生させることによって、従来のように広帯域
の超音波しか発生できなかった装置に比べて、欠陥検出
のＳＮ比が数十倍程度向上する。
と、被検体中を伝播する超音波は欠陥部において反射さ
れ、エコーが生じる。このエコーは、被検体の他の位置
においてヘテロダインレーザー干渉計５４によって検出
され、位相検波その他の処理が行われる。この処理後の
信号から、被検体に欠陥が存在するか否かを知ることが
でき、また欠陥が存在する場合には、既知である被検体
の音速及び観測された到達時間から、その位置を知るこ
とができる。図１１に示すような狭帯域のトーンバース
ト信号を発生させることによって、従来のように広帯域
の超音波しか発生できなかった装置に比べて、欠陥検出
のＳＮ比が数十倍程度向上する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、トーン
バースト状の超音波は、図１１に示すように、ある時間
的な幅を持っている。このため、このトーンバースト信
号を用いて欠陥の位置を決定しようとした場合、この時
間幅分だけ距離分解能が低下するという問題がある。
バースト状の超音波は、図１１に示すように、ある時間
的な幅を持っている。このため、このトーンバースト信
号を用いて欠陥の位置を決定しようとした場合、この時
間幅分だけ距離分解能が低下するという問題がある。
【０００７】そこで、本発明は、従来の利点を維持した
まま欠陥位置を決定する際の距離分解能が向上するレー
ザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法を提供
することを目的とする。
まま欠陥位置を決定する際の距離分解能が向上するレー
ザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法を提供
することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１記載の発明であるレーザー超音波走査装
置は、超音波励起用のレーザー光を発生し、所定の部位
に照射するレーザー光源手段と、前記レーザー光を回折
してレーザービームを複数に分岐させる回折格子と、複
数に分岐された前記レーザービームが被検体に照射され
ることにより発生する超音波の周波数が、時間的に変化
するように、前記被検体を前記回折格子に対して所定の
角度に傾ける被検体傾斜手段と、前記被検体を伝播する
前記超音波を検出する超音波検出手段と、前記超音波検
出手段によって検出された超音波信号に対して所定の処
理を施し、前記被検体における欠陥の存在及びその位置
を検出する信号処理手段と、を具備することを特徴とす
る。
めに、請求項１記載の発明であるレーザー超音波走査装
置は、超音波励起用のレーザー光を発生し、所定の部位
に照射するレーザー光源手段と、前記レーザー光を回折
してレーザービームを複数に分岐させる回折格子と、複
数に分岐された前記レーザービームが被検体に照射され
ることにより発生する超音波の周波数が、時間的に変化
するように、前記被検体を前記回折格子に対して所定の
角度に傾ける被検体傾斜手段と、前記被検体を伝播する
前記超音波を検出する超音波検出手段と、前記超音波検
出手段によって検出された超音波信号に対して所定の処
理を施し、前記被検体における欠陥の存在及びその位置
を検出する信号処理手段と、を具備することを特徴とす
る。
【０００９】請求項２記載の発明の発明であるレーザー
超音波検査方法は、超音波励起用のレーザー光源からの
レーザー光を回折格子に照射して複数に分岐したレーザ
ービームを生成し、これらを、前記回折格子に対して所
定の角度だけ傾けて配置した被検体に照射することによ
り、周波数が時間的に変化する超音波を前記被検体に発
生させ、前記被検体を伝播する前記超音波を検出し、こ
の超音波信号に対して所定の信号処理を行うことによっ
て、前記被検体における欠陥の存在及びその位置を検査
することを特徴とするものである。
超音波検査方法は、超音波励起用のレーザー光源からの
レーザー光を回折格子に照射して複数に分岐したレーザ
ービームを生成し、これらを、前記回折格子に対して所
定の角度だけ傾けて配置した被検体に照射することによ
り、周波数が時間的に変化する超音波を前記被検体に発
生させ、前記被検体を伝播する前記超音波を検出し、こ
の超音波信号に対して所定の信号処理を行うことによっ
て、前記被検体における欠陥の存在及びその位置を検査
することを特徴とするものである。
【００１０】
【作用】回折を利用して複数に分岐させたレーザービー
ムを被検体に垂直に照射すると、前記の論文に記載され
ているように、いわゆるトーンバースト状の超音波が発
生する。この超音波は、その周波数及び振幅がほぼ一定
であり、一定の時間にわたり持続する。これに対し、上
記のように回折格子に対して被検体を傾け、回折格子か
ら分岐したそれぞれのレーザービームが、場所によって
異なる入射角で被検体に入射するように配置すると、被
検体に照射されるレーザービームの縞状のパターンの幅
が序々に変化する。このため、これら複数のレーザービ
ームによって発生する超音波は、その周波数が時間的に
変化する、いわゆるチャープ波となる。この超音波が被
検体の表層部を伝播して欠陥に当たると、ここで反射さ
れる。チャープ波を利用して、高い分解能で目標物を観
測する技術は、レーダー技術の分野において知られてい
る。レーダーに使用する電磁波も固体中を伝播する超音
波も、どちらも波動である点では共通し、数学的に同様
の取扱いが可能である。したがって、レーダー技術にお
いて用いられているのと同様の信号処理を超音波信号に
対して行うことによって、高い分解能で被検体中の欠陥
の存在及びその位置を検出することができる。
ムを被検体に垂直に照射すると、前記の論文に記載され
ているように、いわゆるトーンバースト状の超音波が発
生する。この超音波は、その周波数及び振幅がほぼ一定
であり、一定の時間にわたり持続する。これに対し、上
記のように回折格子に対して被検体を傾け、回折格子か
ら分岐したそれぞれのレーザービームが、場所によって
異なる入射角で被検体に入射するように配置すると、被
検体に照射されるレーザービームの縞状のパターンの幅
が序々に変化する。このため、これら複数のレーザービ
ームによって発生する超音波は、その周波数が時間的に
変化する、いわゆるチャープ波となる。この超音波が被
検体の表層部を伝播して欠陥に当たると、ここで反射さ
れる。チャープ波を利用して、高い分解能で目標物を観
測する技術は、レーダー技術の分野において知られてい
る。レーダーに使用する電磁波も固体中を伝播する超音
波も、どちらも波動である点では共通し、数学的に同様
の取扱いが可能である。したがって、レーダー技術にお
いて用いられているのと同様の信号処理を超音波信号に
対して行うことによって、高い分解能で被検体中の欠陥
の存在及びその位置を検出することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、本発明の
実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形
態のレーザー超音波検査装置の概略構成図であり、従来
装置を示した図９に対応する。超音波を発生させるため
のレーザー光源１０には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーを使用
する。光源１０から発せられたレーザー光は、ミラー１
１，１２、拡散用レンズ１３、フォーカス用レンズ１４
を経て、回折格子１５に到達する。拡散用レンズ１３
は、ビーム幅を広げるためのレンズであり、フォーカス
用レンズ１４は、レーザービームを被検体に焦点合わせ
するためのレンズである。回折格子１５に到達したレー
ザー光は、ここで様々な方向に回折されるが、そのうち
一定の光路差をもつもの同士が被検体１６の表面におい
て干渉し、強め合う。これによって、被検体１６の表面
における強度分布は、回折格子１５の格子方向と垂直な
方向において波状に変化する。
実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形
態のレーザー超音波検査装置の概略構成図であり、従来
装置を示した図９に対応する。超音波を発生させるため
のレーザー光源１０には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーを使用
する。光源１０から発せられたレーザー光は、ミラー１
１，１２、拡散用レンズ１３、フォーカス用レンズ１４
を経て、回折格子１５に到達する。拡散用レンズ１３
は、ビーム幅を広げるためのレンズであり、フォーカス
用レンズ１４は、レーザービームを被検体に焦点合わせ
するためのレンズである。回折格子１５に到達したレー
ザー光は、ここで様々な方向に回折されるが、そのうち
一定の光路差をもつもの同士が被検体１６の表面におい
て干渉し、強め合う。これによって、被検体１６の表面
における強度分布は、回折格子１５の格子方向と垂直な
方向において波状に変化する。
【００１２】被検体のうち、レーザー光の強度が高い部
分では、超音波が励起され、被検体を媒体として、その
表面の約２〜３ｍｍの領域を伝播する。このとき、レー
ザー光の強度は、回折格子１５の格子方向と平行な方向
においてはほぼ一定であるため、超音波は、回折格子１
５の格子の方向と垂直な方向に伝播しやすくなり、伝播
方向に指向性が現れる。
分では、超音波が励起され、被検体を媒体として、その
表面の約２〜３ｍｍの領域を伝播する。このとき、レー
ザー光の強度は、回折格子１５の格子方向と平行な方向
においてはほぼ一定であるため、超音波は、回折格子１
５の格子の方向と垂直な方向に伝播しやすくなり、伝播
方向に指向性が現れる。
【００１３】図２は、この超音波が被検体の表層部を伝
播する経路を模式的に描いた図である。同図において、
４０で示す領域で発生された超音波は、矢印ａ1 ，ａ2
で示す方向に伝播する。ａ1 方向に伝播する超音波が欠
陥４１で反射され、その反射波がａ3 で示す方向に伝播
し、４２で示す超音波検出領域に達すると、ここでその
反射波が検出される。超音波発生領域４０及び超音波検
出領域４２の相対的な位置関係は予め分かっており、ま
た、被検体中における超音波の音速も既知であるから、
レーザーを照射してから超音波を検出するまでの時間を
観測すれば、簡単な計算によって欠陥４１の位置を特定
することができる。そして、超音波発生領域４０と超音
波検出領域４２の相対的な位置関係を保ったまま、被検
体１６を図２の上下方向に走査させることによって、被
検体１６の表層部全体の欠陥検査を行うことが可能とな
る。
播する経路を模式的に描いた図である。同図において、
４０で示す領域で発生された超音波は、矢印ａ1 ，ａ2
で示す方向に伝播する。ａ1 方向に伝播する超音波が欠
陥４１で反射され、その反射波がａ3 で示す方向に伝播
し、４２で示す超音波検出領域に達すると、ここでその
反射波が検出される。超音波発生領域４０及び超音波検
出領域４２の相対的な位置関係は予め分かっており、ま
た、被検体中における超音波の音速も既知であるから、
レーザーを照射してから超音波を検出するまでの時間を
観測すれば、簡単な計算によって欠陥４１の位置を特定
することができる。そして、超音波発生領域４０と超音
波検出領域４２の相対的な位置関係を保ったまま、被検
体１６を図２の上下方向に走査させることによって、被
検体１６の表層部全体の欠陥検査を行うことが可能とな
る。
【００１４】被検体を伝播する超音波の検出には、図１
に示すレーザー干渉計２０を用いる。レーザー干渉計２
０としては、超音波振動の存在によって被検体１６の表
面に照射したプローブ用レーザー光の反射光の位相変化
を検出するヘテロダイン型干渉計やホモダイン型干渉
計、或いは被検体表面の超音波振動によってプローブ用
レーザー光の反射光が受けるドップラーシフトを検出す
るファブリペロー型干渉計を使用することができる。レ
ーザー干渉計２０の出力信号は、コンピュータ２１に送
られ、ここで計算等の処理が行われ、その結果は必要に
応じて記憶される。また、処理の結果はＣＲＴ２２に表
示することができる。
に示すレーザー干渉計２０を用いる。レーザー干渉計２
０としては、超音波振動の存在によって被検体１６の表
面に照射したプローブ用レーザー光の反射光の位相変化
を検出するヘテロダイン型干渉計やホモダイン型干渉
計、或いは被検体表面の超音波振動によってプローブ用
レーザー光の反射光が受けるドップラーシフトを検出す
るファブリペロー型干渉計を使用することができる。レ
ーザー干渉計２０の出力信号は、コンピュータ２１に送
られ、ここで計算等の処理が行われ、その結果は必要に
応じて記憶される。また、処理の結果はＣＲＴ２２に表
示することができる。
【００１５】図１のレーザー超音波検査装置には、回転
機構３０及び３１が設けられている。回転機構３０，３
１の制御は、コンピュータ２１によって行われる。回転
機構３０は、被検体１６の矢印Ａの方向における傾きの
角度を変えるためのものである。被検体１６を傾ける
と、回折格子１５おいて回折された光は、ある程度の角
度をもって被検体１６に照射される。この点が、回折後
のレーザービームを被検体に垂直に照射する図９の従来
装置と大きく異なる点である。また、回転機構３０によ
って被検体の角度が変わると、回転機構３１がこれに連
動し、レーザー干渉計２０から発生されたプローブ用レ
ーザー光を反射するミラー２３の角度を変える。これ
は、プロープ用レーザー光が、常に被検体１６に垂直に
照射されるようにするためである。
機構３０及び３１が設けられている。回転機構３０，３
１の制御は、コンピュータ２１によって行われる。回転
機構３０は、被検体１６の矢印Ａの方向における傾きの
角度を変えるためのものである。被検体１６を傾ける
と、回折格子１５おいて回折された光は、ある程度の角
度をもって被検体１６に照射される。この点が、回折後
のレーザービームを被検体に垂直に照射する図９の従来
装置と大きく異なる点である。また、回転機構３０によ
って被検体の角度が変わると、回転機構３１がこれに連
動し、レーザー干渉計２０から発生されたプローブ用レ
ーザー光を反射するミラー２３の角度を変える。これ
は、プロープ用レーザー光が、常に被検体１６に垂直に
照射されるようにするためである。
【００１６】図１に示すようにレーザー光に対して被検
体１６が傾いていると、被検体１６の上部は回折格子１
５に近づき、被検体１６の下部は回折格子１５から離れ
る。図３は、レーザー光に対して被検体を傾けたときに
どのようにビームが当たるかを拡大して示した図であ
る。同図において、ｍ＝０，±１，±２，・・・は、回
折の次数、θm はｍ次の回折ビームの角度、αは被検体
の傾きを垂直方向から計った角度、Ｌ0 は回折格子と被
検体との距離、ｙは被検体表面におけるビームの当たる
位置（ｙ＝０の位置をｍ＝０のビームが当たる点とす
る）、Δｙはビームとビームの間隔を示す。このように
傾いた被検体に回折格子回折したレーザー光を照射した
ときの干渉縞のパターンを模式的に示すと、図４のよう
になる。すなわち、被検体１６の表面において生じる干
渉縞の間隔は、上部では短く、下部では長くなる。この
点が、干渉縞の間隔がほぼ等しい図１０とは異なる。被
検体１６の傾きと、干渉縞の間隔との関係は、次のよう
になる。
体１６が傾いていると、被検体１６の上部は回折格子１
５に近づき、被検体１６の下部は回折格子１５から離れ
る。図３は、レーザー光に対して被検体を傾けたときに
どのようにビームが当たるかを拡大して示した図であ
る。同図において、ｍ＝０，±１，±２，・・・は、回
折の次数、θm はｍ次の回折ビームの角度、αは被検体
の傾きを垂直方向から計った角度、Ｌ0 は回折格子と被
検体との距離、ｙは被検体表面におけるビームの当たる
位置（ｙ＝０の位置をｍ＝０のビームが当たる点とす
る）、Δｙはビームとビームの間隔を示す。このように
傾いた被検体に回折格子回折したレーザー光を照射した
ときの干渉縞のパターンを模式的に示すと、図４のよう
になる。すなわち、被検体１６の表面において生じる干
渉縞の間隔は、上部では短く、下部では長くなる。この
点が、干渉縞の間隔がほぼ等しい図１０とは異なる。被
検体１６の傾きと、干渉縞の間隔との関係は、次のよう
になる。
【００１７】 ｙ＝Ｌ0 tanθm ｛ cosα＋ sinα・ tan（α＋θm ）｝ （ｍ≧０） ｙ＝Ｌ0 tanθm ／｛ cosα＋ sinα・ tanθm ）｝ （ｍ＜０） θm ≪１のときは、ｍ≧０の場合には、 Δｙ＝Ｌ0 Ａ｛ cosα＋α sinα｝＋Ｌ0 Ａ2 （２ｍ＋１） sinα ＝Ｃ1 ＋Ｃ1 ｍ となる。
【００１８】このように、間隔が徐々に変化する干渉縞
を被検体１６に照射すると、これによって被検体１６に
生じる超音波の周波数は、図５に示すように変化する。
この図において、右側の周波数の高い部分は、干渉縞の
間隔が短い被検体１６の上部（図４の上部）において発
生した波に対応し、左側の周波数の低い部分は、干渉縞
の間隔が長い下部（図４の下部）において発生した波に
対応する。そして、この間における周波数の変化をグラ
フで示すと、図６のように直線的となる。尚、同図の横
軸は時間、縦軸は周波数である。このように周波数が直
線的に変化する波は、一般にチャープ波と呼ばれる。こ
のような波形の超音波を被検体１６の表層部において伝
播さたとき、この超音波が被検体の欠陥（もし存在すれ
ば）に当たると、そこで反射を受ける。そして、この反
射波の超音波の波形もやはりチャープ波形である。
を被検体１６に照射すると、これによって被検体１６に
生じる超音波の周波数は、図５に示すように変化する。
この図において、右側の周波数の高い部分は、干渉縞の
間隔が短い被検体１６の上部（図４の上部）において発
生した波に対応し、左側の周波数の低い部分は、干渉縞
の間隔が長い下部（図４の下部）において発生した波に
対応する。そして、この間における周波数の変化をグラ
フで示すと、図６のように直線的となる。尚、同図の横
軸は時間、縦軸は周波数である。このように周波数が直
線的に変化する波は、一般にチャープ波と呼ばれる。こ
のような波形の超音波を被検体１６の表層部において伝
播さたとき、この超音波が被検体の欠陥（もし存在すれ
ば）に当たると、そこで反射を受ける。そして、この反
射波の超音波の波形もやはりチャープ波形である。
【００１９】レーダー技術の分野において、このような
チャープ波を目標に向けて送信し、その反射波を受信し
た後、所定の信号処理（パルス圧縮という）を行うこと
によって、高い距離分解能で目標の位置を特定する方法
が知られている。これについては、例えば「計測・セン
サにおけるディジタル信号処理」（近藤倫正、大橋由
昌、実森彰郎共著、昭晃堂）の４４ページ以降に記載さ
れている。同書によれば、チャープ波の信号をｓ1(t)と
すると、
チャープ波を目標に向けて送信し、その反射波を受信し
た後、所定の信号処理（パルス圧縮という）を行うこと
によって、高い距離分解能で目標の位置を特定する方法
が知られている。これについては、例えば「計測・セン
サにおけるディジタル信号処理」（近藤倫正、大橋由
昌、実森彰郎共著、昭晃堂）の４４ページ以降に記載さ
れている。同書によれば、チャープ波の信号をｓ1(t)と
すると、
【００２０】
【数１】 と書くことができる。ここで、ｆ0 は中心周波数、ｋは
ｓ1(t)の瞬時周波数
ｓ1(t)の瞬時周波数
【００２１】
【数２】 の時間に対する変化率、Ｔはｓ1(t)の持続時間であり、
rect関数は、次式で定義される。
rect関数は、次式で定義される。
【００２２】
【数３】 式（１）及び式（２）から明らかなように、ｓ1(t)の瞬
時周波数の変化量Ｂは、ｋＴとなる。ｓ1(t)のスペクト
ルはｓ1(t)をフーリエ変換することにより得られ、
時周波数の変化量Ｂは、ｋＴとなる。ｓ1(t)のスペクト
ルはｓ1(t)をフーリエ変換することにより得られ、
【００２３】
【数４】 となる。ここにＺ(y) は複素フレネル積分で、
【００２４】
【数５】 により表せる。そして、ｙ1 ，ｙ2 はそれぞれ次式によ
り定義される。
り定義される。
【００２５】
【数６】
【００２６】
【数７】 式（４）で表されるスペクトルＳ1(f)の振幅及び位相
は、ＴＢが約１００とすれば、図７（ａ）（ｂ）に示す
ようになる。ここで、パルス圧縮のフィルタのインパル
スレスポンスとして、次式で与えられるものを考える。
は、ＴＢが約１００とすれば、図７（ａ）（ｂ）に示す
ようになる。ここで、パルス圧縮のフィルタのインパル
スレスポンスとして、次式で与えられるものを考える。
【００２７】
【数８】 式（８）から分かるように、入力信号ｓ1(t)の瞬時周波
数が（ｆ0 −ｋＴ／２）から（ｆ0 ＋ｋＴ／２）に変化
するのに対し、ｈ(t) の瞬時周波数は（ｆ0 ＋ｋＴ／
２）から（ｆ0 −ｋＴ／２）に変化する。すなわち、瞬
時周波数の特性が逆になっている。このフィルタの伝達
特性はｈ(t) をフーリエ変換することにより、
数が（ｆ0 −ｋＴ／２）から（ｆ0 ＋ｋＴ／２）に変化
するのに対し、ｈ(t) の瞬時周波数は（ｆ0 ＋ｋＴ／
２）から（ｆ0 −ｋＴ／２）に変化する。すなわち、瞬
時周波数の特性が逆になっている。このフィルタの伝達
特性はｈ(t) をフーリエ変換することにより、
【００２８】
【数９】 で表される。パルス圧縮フィルタに信号ｓ1(t)が入力さ
れれば、時間領域におけるその出力はｓ1(t)とｈ(t) の
コンボリューション積分によって与えられ、
れれば、時間領域におけるその出力はｓ1(t)とｈ(t) の
コンボリューション積分によって与えられ、
【００２９】
【数１０】 となる。ここで、sinc関数は、次式で定義される。
【００３０】
【数１１】 式（１０）で表される出力信号ｓ2(t)は，入力信号ｓ
1(t)に比べて、振幅において電圧で（ＴＢ）1/2 倍、電
力においてＴＢとなり、パルス幅は約１／ＴＢ倍となる
ことがわかる（ｓ1(t)のパルス幅がＴであり、ｓ2(t)の
パルス幅が約１／Ｂとなる）。ＴＢで表されるこの量を
圧縮率という。パルス圧縮フィルタの周波数領域におけ
る出力は、ｓ2(t)のフーリエ変換又はＳ1(f)とＨ(f) の
積で表され、
1(t)に比べて、振幅において電圧で（ＴＢ）1/2 倍、電
力においてＴＢとなり、パルス幅は約１／ＴＢ倍となる
ことがわかる（ｓ1(t)のパルス幅がＴであり、ｓ2(t)の
パルス幅が約１／Ｂとなる）。ＴＢで表されるこの量を
圧縮率という。パルス圧縮フィルタの周波数領域におけ
る出力は、ｓ2(t)のフーリエ変換又はＳ1(f)とＨ(f) の
積で表され、
【００３１】
【数１２】 となる。次に、パルス圧縮フィルタがマッチドフィルタ
として構成されている場合を考える。マッチドフィルタ
とは、そのフィルタの入力におけるＳＮ比（ピーク信号
電力対平均雑音電力）を固定したとき出力のＳＮ比が最
大となるフィルタをいう。但し、ここでは雑音はホワイ
トガウシアンとする。このときマッチドフィルタの伝達
関数は、出力信号の遅延を無視すれば、
として構成されている場合を考える。マッチドフィルタ
とは、そのフィルタの入力におけるＳＮ比（ピーク信号
電力対平均雑音電力）を固定したとき出力のＳＮ比が最
大となるフィルタをいう。但し、ここでは雑音はホワイ
トガウシアンとする。このときマッチドフィルタの伝達
関数は、出力信号の遅延を無視すれば、
【００３２】
【数１３】 で与えられる。ここに、アスタリスク「＊」は、共役複
素数を表す。また、フィルタのインパルスレスポンス
は、
素数を表す。また、フィルタのインパルスレスポンス
は、
【００３３】
【数１４】 で表される。したがって、時間領域における出力信号ｓ
1(t)とｈM (t) のコンボリューション積分により得ら
れ、
1(t)とｈM (t) のコンボリューション積分により得ら
れ、
【００３４】
【数１５】 となる。式（１０）との比較を容易にするために、式
（１５）を正規化すれば、最終的に得られる波形の振幅
は
（１５）を正規化すれば、最終的に得られる波形の振幅
は
【００３５】
【数１６】 となる。式（１６）において、振幅のピークが生じるｔ
＝０より時間軸方向に離れるにしたがって分子の第２項
は小さくなるので、式（１６）は、式（１０）で表され
る波形の振幅とほぼ同じになる。式（１０）の波形を図
示すると、図８のようになる。この図から、周波数偏移
Ｂを大きくする程、図８の波形のパルス幅は狭くなり、
高さは高くなることがわかる。このことは、目標から反
射されて返ってきたチャープ波を上記のように信号処理
することによって、距離分解能を高めることができるこ
とを意味する。
＝０より時間軸方向に離れるにしたがって分子の第２項
は小さくなるので、式（１６）は、式（１０）で表され
る波形の振幅とほぼ同じになる。式（１０）の波形を図
示すると、図８のようになる。この図から、周波数偏移
Ｂを大きくする程、図８の波形のパルス幅は狭くなり、
高さは高くなることがわかる。このことは、目標から反
射されて返ってきたチャープ波を上記のように信号処理
することによって、距離分解能を高めることができるこ
とを意味する。
【００３６】以上の議論は、主としてレーダー技術にお
ける電磁波に対する信号処理を対象としているが、レー
ザー超音波検査装置における超音波信号に対する信号処
理にも同様の議論がそのまま適用できる。図１の装置の
被検体１６において発生させるチャープ波の超音波につ
いてＢを大きくするには、被検体１６の傾きを大きくす
ればよい。もっとも、上記の説明では、図１に示した被
検体１６を傾ける角度が大きくなればなる程、位置分解
能は高くなるが、一方で、被検体を傾けることによる超
音波を発生させるためのレーザー光の単位面積当たりの
強度が低下して、十分な強度の超音波が発生できなくな
るという問題がある。したがって、被検体１６を傾ける
角度には、位置分解能とレーザー光の強度との兼ね合い
で、適当な角度とする必要がある。
ける電磁波に対する信号処理を対象としているが、レー
ザー超音波検査装置における超音波信号に対する信号処
理にも同様の議論がそのまま適用できる。図１の装置の
被検体１６において発生させるチャープ波の超音波につ
いてＢを大きくするには、被検体１６の傾きを大きくす
ればよい。もっとも、上記の説明では、図１に示した被
検体１６を傾ける角度が大きくなればなる程、位置分解
能は高くなるが、一方で、被検体を傾けることによる超
音波を発生させるためのレーザー光の単位面積当たりの
強度が低下して、十分な強度の超音波が発生できなくな
るという問題がある。したがって、被検体１６を傾ける
角度には、位置分解能とレーザー光の強度との兼ね合い
で、適当な角度とする必要がある。
【００３７】本発明は上記実施の形態に限定されるもの
ではなく、その要旨の範囲内で種々の変形が可能であ
る。
ではなく、その要旨の範囲内で種々の変形が可能であ
る。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被検体を所定の角度に傾けて配置し、これに、回折格子
を利用して多数分岐させたレーザービームを照射するこ
とによって、多数のレーザービームの照射によって被検
体中に生じる超音波を、時間的に直線的に変化する波
形、すわなちチャープ波形とすることができるため、こ
の超音波を検出し、レーダー技術の分野において知られ
ている所定の信号処理を行うことによって、トーンバー
スト状の超音波を発生させた場合に問題となる欠陥の位
置分解能の低下という問題を回避して、高い分解能で欠
陥の位置を検出することが可能となり、同時に、回折格
子で多数に分岐したレーザービームで超音波を発生させ
ることによって高いＳＮ比が得られるという従来の利点
を維持することも可能となるレーザー超音波検査装置及
びレーザー超音波検査方法を提供することができる。
被検体を所定の角度に傾けて配置し、これに、回折格子
を利用して多数分岐させたレーザービームを照射するこ
とによって、多数のレーザービームの照射によって被検
体中に生じる超音波を、時間的に直線的に変化する波
形、すわなちチャープ波形とすることができるため、こ
の超音波を検出し、レーダー技術の分野において知られ
ている所定の信号処理を行うことによって、トーンバー
スト状の超音波を発生させた場合に問題となる欠陥の位
置分解能の低下という問題を回避して、高い分解能で欠
陥の位置を検出することが可能となり、同時に、回折格
子で多数に分岐したレーザービームで超音波を発生させ
ることによって高いＳＮ比が得られるという従来の利点
を維持することも可能となるレーザー超音波検査装置及
びレーザー超音波検査方法を提供することができる。
【図１】本発明の一実施形態のレーザー超音波検査装置
の概略構成図である。
の概略構成図である。
【図２】レーザーの照射によって発生された超音波が被
検体の表層部を伝播する経路を模式的に描いた図であ
る。
検体の表層部を伝播する経路を模式的に描いた図であ
る。
【図３】レーザー光に対して被検体を傾けたときにどの
ようにビームが当たるかを拡大して示した図である。
ようにビームが当たるかを拡大して示した図である。
【図４】傾いた被検体に回折格子で回折したレーザー光
を照射したときの干渉縞のパターンを模式的に示す図で
ある。
を照射したときの干渉縞のパターンを模式的に示す図で
ある。
【図５】間隔が徐々に変化する干渉縞を被検体に照射し
たときに発生する超音波の波形を示す図である。
たときに発生する超音波の波形を示す図である。
【図６】間隔が徐々に変化する干渉縞を被検体に照射し
たときに発生する超音波の周波数の時間的な変化を示す
図である。
たときに発生する超音波の周波数の時間的な変化を示す
図である。
【図７】チャープ波のスペクトルの位相及び振幅の様子
を示す図である。
を示す図である。
【図８】チャープ波に対する信号処理の結果得られた信
号の波形を示す図である。
号の波形を示す図である。
【図９】従来のレーザー超音波装置の概略構成図であ
る。
る。
【図１０】回折格子によって回折されたレーザービーム
を被検体に垂直に照射したときの縞状の強度分布を示す
図である。
を被検体に垂直に照射したときの縞状の強度分布を示す
図である。
【図１１】多数分岐したレーザービームを被検体にほぼ
垂直に照射したときに生じるトーンバースト状の超音波
の波形を示す図である。
垂直に照射したときに生じるトーンバースト状の超音波
の波形を示す図である。
１０ レーザー光源 １１，１２ ミラー １３ 拡散用レンズ １４ フォーカス用レンズ １５，５１ 回折格子 １６ 被検体 ２０ レーザー干渉計 ２１ コンピュータ ２２ ＣＲＴ ３０，３１ 回転機構 ４０ 超音波発生領域 ４１ 欠陥 ４２ 超音波検出領域 ５２ レーザービーム ５３ アルミニウムブロック
Claims (2)
- 【請求項１】 超音波励起用のレーザー光を発生し、所
定の部位に照射するレーザー光源手段と、 前記レーザー光を回折してレーザービームを複数に分岐
させる回折格子と、 複数に分岐された前記レーザービームが被検体に照射さ
れることにより発生する超音波の周波数が、時間的に変
化するように、前記被検体を前記回折格子に対して所定
の角度に傾ける被検体傾斜手段と、 前記被検体を伝播する前記超音波を検出する超音波検出
手段と、 前記超音波検出手段によって検出された超音波信号に対
して所定の処理を施し、前記被検体における欠陥の存在
及びその位置を検出する信号処理手段と、 を具備することを特徴とするレーザー超音波検査装置。 - 【請求項２】 超音波励起用のレーザー光源からのレー
ザー光を回折格子に照射して複数に分岐したレーザービ
ームを生成し、これらを、前記回折格子に対して所定の
角度だけ傾けて配置した被検体に照射することにより、
周波数が時間的に変化する超音波を前記被検体に発生さ
せ、前記被検体を伝播する前記超音波を検出し、この超
音波信号に対して所定の信号処理を行うことによって、
前記被検体における欠陥の存在及びその位置を検査する
ことを特徴とするレーザー超音波検査方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8095082A JPH09281085A (ja) | 1996-04-17 | 1996-04-17 | レーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8095082A JPH09281085A (ja) | 1996-04-17 | 1996-04-17 | レーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09281085A true JPH09281085A (ja) | 1997-10-31 |
Family
ID=14128032
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8095082A Withdrawn JPH09281085A (ja) | 1996-04-17 | 1996-04-17 | レーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09281085A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100446181C (zh) * | 2001-09-25 | 2008-12-24 | 株式会社半导体能源研究所 | 激光照射方法和激光照射器件以及制造半导体器件的方法 |
| US7943885B2 (en) | 2001-09-25 | 2011-05-17 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Laser irradiation method and method of manufacturing semiconductor device |
| WO2011140911A1 (zh) * | 2010-05-14 | 2011-11-17 | Wang Bo | 探伤系统及探伤方法 |
-
1996
- 1996-04-17 JP JP8095082A patent/JPH09281085A/ja not_active Withdrawn
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100446181C (zh) * | 2001-09-25 | 2008-12-24 | 株式会社半导体能源研究所 | 激光照射方法和激光照射器件以及制造半导体器件的方法 |
| US7943885B2 (en) | 2001-09-25 | 2011-05-17 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Laser irradiation method and method of manufacturing semiconductor device |
| US8686315B2 (en) | 2001-09-25 | 2014-04-01 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Laser irradiation method and laser irradiation device and method of manufacturing semiconductor device |
| US9748099B2 (en) | 2001-09-25 | 2017-08-29 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Laser irradiation method and laser irradiation device and method of manufacturing semiconductor device |
| US10366885B2 (en) | 2001-09-25 | 2019-07-30 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Laser irradiation method and laser irradiation device and method of manufacturing semiconductor device |
| US10910219B2 (en) | 2001-09-25 | 2021-02-02 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Laser irradiation method and laser irradiation device and method of manufacturing semiconductor device |
| WO2011140911A1 (zh) * | 2010-05-14 | 2011-11-17 | Wang Bo | 探伤系统及探伤方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2201227C (en) | Method and system for laser ultrasonic imaging of an object | |
| US6128092A (en) | Method and system for high resolution ultrasonic imaging of small defects or anomalies. | |
| US4541280A (en) | Efficient laser generation of surface acoustic waves | |
| Hayashi et al. | Generation of narrowband elastic waves with a fiber laser and its application to the imaging of defects in a plate | |
| JP5306919B2 (ja) | 超音波探傷法及び装置 | |
| US11408861B2 (en) | Transducer and transducer arrangement for ultrasonic probe systems, ultrasonic probe system and inspection method | |
| Hayashi et al. | Imaging defects in a plate with full non-contact scanning laser source technique | |
| JP5413051B2 (ja) | 超音波検査システム | |
| EP2594935A1 (en) | Method of determining a size of a defect using an ultrasonic linear phased array | |
| Mitsui et al. | Artifact reduction in tomographic images for nondestructive testing of square billets using ultrasonic computerized tomography | |
| KR100924199B1 (ko) | 다중 레이저 표면파를 이용한 표면 결함 검사 장치 및 방법 | |
| JPH09281085A (ja) | レーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法 | |
| US5796004A (en) | Method and apparatus for exciting bulk acoustic wave | |
| Clark et al. | Non-contact acoustic microscopy | |
| Ermolov | Progress in the theory of ultrasonic flaw detection. Problems and prospects | |
| Bolotina et al. | 3D Ultrasonic Imaging by Cone Scans and Acoustic Antennas | |
| JP2002168838A (ja) | 内部欠陥検出方法、およびそれを用いて内部欠陥を検出する超音波顕微鏡 | |
| Mallert et al. | The van Cittert-Zernike theorem in pulsed ultrasound-implications for ultrasonic imaging | |
| NL1019020C2 (nl) | Endfire-bundelpatroonverwerking voor akoestische interferometer. | |
| JP3730429B2 (ja) | 超音波探傷結果の表示方法及び超音波探傷装置 | |
| Lukacs et al. | Grating-lobe suppression through angular weighting for laser induced phased arrays | |
| Huang et al. | Laser-based ultrasonics for flaw detection | |
| Aldridge et al. | B-scan Fourier transform holography | |
| Whitman et al. | Novel Technique for Real‐Time Depth‐Gated Acoustic Image Holography | |
| CA1210128A (en) | Efficient laser generation of surface acoustic waves |
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: 20030701 |