JP2000238491A - 非破壊検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定対象の表面及び表面近傍内部について
の静的・動的弾性特性を、大気の揺らぎや被測定対象の
表面凹凸に影響されることなく安定・高精度・高感度に
非接触・非破壊で１フレーム同時一括収集して構造検査
や探傷等を動的・静的に診断する非破壊検査装置を提供
すること。 【解決手段】 被測定対象の略同一位置に励起光ビーム
及びプローブ光ビームを照射し、被測定対象の表面及び
表面近傍内部を弾性限界内で可逆的に塑性変形させ、表
面及び表面近傍内部に弾性振動を生起する送信光学系
と、被測定対象で反射されてきたプローブ光ビームを光
ヘテロダイン検波して連続ストロボ動画としての静的・
動的ホログラフィックイメージをストロボ撮影して被測
定対象の表面や表面下の静的弾性特性及び／または動的
弾性特性を求める受信光学系とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非破壊検査技術に
係り、特に、被測定対象（特に、高速道路や渠梁の構造
物、ビルディングの外壁等、直接プローブを接触させて
強度等の診断が難しいような構造物）に対して、被測定
対象の表面及び表面近傍内部についての静的・動的弾性
特性を、大気の揺らぎや被測定対象の表面凹凸に影響さ
れることなく安定・高精度・高感度に非接触・非破壊で
１フレーム同時一括収集して構造検査や探傷等を動的・
静的に診断する非破壊検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光音響効果（Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉ
ｃ Ｅｆｆｅｃｔ）は、１８８１年チンダル（Ｔｙｎｄ
ａｌｌ）、ベル（Ｂｅｌｌ）、レントゲン（Ｒｅｎｔｏ
ｇｅｎ）らによって発見された。すなわち、図３に示す
ように、強度変調した光（断続光）Ｐ１９を励起光とし
て、レンズＰ５により試料Ｐ７上に集光して照射する
と、光吸収領域（Ｖ_ｏｐ）Ｐ２１において熱が発生し、
熱拡散長（μ_ｓ）Ｐ２２で与えられる熱拡散領域（Ｖ
_ｔｈ）Ｐ２３を周期的に拡散し、この熱歪波によって弾
性波（音波）が発生する現象である。上記音波、すなわ
ち光音響信号をマイクロホン（音響電気変換器）や圧電
素子を用いて、あるいは試料表面に生じた周期的熱膨張
変位を光干渉計を用いて検出し、励起光の変調周波数と
同期した信号成分を求めることにより、試料の表面及び
内部の情報を得ることができる。熱拡散長（μ_ｓ）Ｐ２
２は、励起光の変調周波数をｆ_Ｅとして、試料Ｐ７の熱
伝導率κ、密度ρ、及び比熱ｃより、次式で与えられ
る。

【０００３】 μ_ｓ＝（κ／π・ｆ_Ｅ・ρ・ｃ）_１ ^／ _２ …（式１） 上記光音響信号の検出方法に関しては、例えば、文献
「非破壊検査；第３６巻第１０号，ｐ．７３０〜ｐ．７
３６（昭和６２年１０月）」や「アイ・イー・イー・イ
ー１９８６ウルトラ・ソニックス・シンポジウム；ｐ．
５１５〜ｐ．５２６（１９８６年）（ＩＥＥＥ１９８６
ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ；ｐ．
５１５〜ｐ．５２６（１９８６））」において論じられ
ている（第１従来技術）。

【０００４】第１従来技術を、図２に基づいて説明す
る。レーザＰ１から出射した平行光を音響光学変調素子
（ＡＯ変調器）Ｐ２により強度変調し、その断続光、す
なわち励起光をビームエキスパンダＰ３により所望のビ
ーム径の平行光Ｐ１９とした後、ハーフミラーＰ４で反
射させ、レンズＰ５によりＸＹステージＰ６上の試料Ｐ
７の表面に集光させる。試料Ｐ７上の集光部Ｐ２１から
生じた熱歪波により音波が発生し、同時に試料Ｐ７表面
に微小な周期的熱膨張変位が生じる。この微小変位を以
下に述べるマイケルソン干渉計で検出する。レーザＰ８
から出射した平行光をビームエキスパンダＰ９により所
望のビーム径に拡大した後、ハーフミラーＰ１０で２つ
の光路に分離し、一方はプローブ光Ｐ２４としてレンズ
Ｐ５により試料Ｐ７上のＰ２１の位置に集光させる。他
方は参照ミラーＰ１１に照射させる。試料Ｐ７からの反
射光と参照ミラーＰ１１からの反射光とは、ハーフミラ
ーＰ１０上で互いに干渉し、この干渉光がレンズＰ１２
によりフォトダイオード等の光電変換素子Ｐ１３上に集
光される。光電変換された干渉強度信号はプリアンプＰ
１４で増幅された後、ロックインアンプＰ１６に送られ
る。ロックインアンプＰ１６では、音響光学変調素子Ｐ
２の駆動に用いる発振器Ｐ１５からの変調信号を参照信
号として、干渉強度信号に含まれる変調周波数成分だけ
が抽出される。この周波数成分がその周波数に応じた試
料Ｐ７の表面あるいは内部の情報を持つ。（式１）よ
り、変調周波数を変えることにより熱拡散長（μ_ｓ）Ｐ
２２を変えることができ、試料の深さ方向の情報を得る
ことができる。熱拡散領域（Ｖ_ｔｈ）Ｐ２３内にクラッ
ク等の内部欠陥があれば、熱膨張変位が変化し、干渉強
度信号中の変調周波数成分の振幅と、変調周波数信号に
対する位相が変化するので、その存在を知ることができ
る。ＸＹステージＰ６の移動信号とロックインアンプＰ
１６からの出力信号は計算機Ｐ１７で処理され、試料上
の各点における光音響信号がモニタテレビジョン等の表
示器Ｐ１８に２次元画像情報として出力される。

【０００５】しかしながら、第１従来技術の光音響検出
方法は、非接触・非破壊で光音響信号を検出できる有効
な手段であるが、ハーフミラーＰ１０から試料Ｐ７に至
る光路と、ハーフミラーＰ１０から参照ミラーＰ１１に
至る光路の間で、空気の揺らぎや振動等の外乱が生じた
場合、干渉信号が大きく変動し、光音響信号のＳ／Ｎ比
（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ：信号
対雑音比）が大幅に低下するという問題点があった。

【０００６】このような外乱の影響を低減する光干渉法
として、図４に示す共通光路形の干渉計が考えられる
（第２従来技術）。第２従来技術における励起光学系の
部分は、図２に示す光学系と同様である。第２従来技術
の干渉計では、レーザＰ８から出射した平行光をビーム
エキスパンダＰ９により所望のビーム径に拡大した後、
レンズＰ３０を介し、ハーフミラーＰ３９で反射させ
て、方解石Ｐ３１ａ，Ｐ３１ｂ等で構成した複屈折素子
Ｐ３１に入射する。複屈折素子Ｐ３１では、入射光が互
いに直交する２つの偏光成分Ｐ３５（実線）とＰ３６
（破線）に分離される。レンズＰ３２及びＰ５により、
偏光成分Ｐ３５は試料Ｐ７上の励起光の集光点と同じ位
置Ｐ３７に集光され、偏光成分Ｐ３６は、それからわず
か離れた位置Ｐ３８に集光される。すなわち、偏光成分
Ｐ３５はプローブ光として用い、偏光成分Ｐ３６は参照
光として用いる。プローブ光には、励起光の照射によっ
て生じた試料表面の熱膨張変位による位相変化が生じ
る。両反射光は再び同一光路を経た後、複屈折素子Ｐ３
１で合成され、ハーフミラーＰ３９を透過した後、レン
ズＰ１２によりフォトダイオード等の光電変換素子Ｐ１
３上に集光される。互いに直交する偏光成分から成るこ
の合成光は、光路中に設けた偏光板Ｐ３３により偏光干
渉する。光電変換された干渉強度信号の処理は、第１従
来技術（図２）に示した光学系と全く同様であるので、
説明を省略する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、第１従
来技術の光音響検出方法は、非接触・非破壊で光音響信
号を検出できる有効な手段であるが、ハーフミラーＰ１
０から試料Ｐ７に至る光路と、ハーフミラーＰ１０から
参照ミラーＰ１１に至る光路の間で、空気の揺らぎや振
動等の外乱が生じた場合、干渉信号が大きく変動し、光
音響信号のＳ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ／Ｎｏｉｓｅ）比が大
幅に低下するという問題点があった。

【０００８】一方第２従来技術の光音響検出方法では、
プローブ光Ｐ３５と参照光Ｐ３６とがほぼ同一の光路を
通過するため、空気の揺らぎや振動等の外乱の影響を受
けにくく、従来の方式に比べ高い検出精度が期待できる
ものの、以下に掲げる問題点があった。第１に、試料Ｐ
７のより深い情報を得ようとする場合は、励起光の強度
変調周波数ｆ_Ｅを低下させて、熱拡散長（μ_ｓ）Ｐ２２
で与えられる熱拡散領域（Ｖ_{ｔ ｈ}）Ｐ２３を大きくする
必要があるが、この時、変調周波数によっては、図５に
示すように、熱拡散長（μ_ｓ）Ｐ２２、すなわち熱膨張
変位が生じる領域がプローブ光３５と参照光Ｐ３６との
間隔Ｓよりも大きくなるケースが生じてしまう可能性が
ある結果、本来検出されるべき熱膨張変位ｈに対し、実
際に検出される変位がｈ_Ｄと小さくなってしまい、光音
響信号の検出感度が低下してしまうという問題点があっ
た。また熱拡散長の増加に応じて、プローブ光Ｐ３５と
参照光Ｐ３６との間隔Ｓを大きくすることも可能である
が、空間分解能の低下という新たな問題点が生じてしま
う。第２に、図６に示すように、試料Ｐ７の表面Ｐ４０
が粗面あるいは微小な凹凸を有している場合、プローブ
光Ｐ３５及び参照光Ｐ３６の両反射光が散乱し、コヒー
レンスが低下してしまい、熱膨張変位による位相変化を
正確に検出することが困難になるという問題点があっ
た。さらに加えて、第１従来技術及び第２従来技術の光
音響検出方法は、共通して以下に掲げる問題点があっ
た。第１に、ＸＹステージＰ６を移動させながら試料Ｐ
７の表面Ｐ４０をプローブ光３５で２次元スキャニング
して１画面の静止イメージ（静的弾性特性の診断情報）
を作成するため、１画面の静止イメージの光学的解像度
（空間的解像度）がプローブ光Ｐ３５のビーム径程度と
なってしまうという問題点があった。特に被測定対象
（特に、高速道路や渠梁の構造物、ビルディングの外壁
等、直接プローブを接触させて強度等の診断が難しいよ
うな構造物）に対して、構造検査や探傷等を高精度・高
感度で非接触・非破壊で実行するようなケースでは高い
解像度が要求されるが、１画面の静止イメージ（静的弾
性特性の診断情報）の高解像度化とフレーム作成時間が
トレード・オフの関係にあるため、高い解像度の要求に
答えてプローブ光３５のビーム径を小さくした場合、１
画面の静止イメージ（静的弾性特性の診断情報）を構成
する画素数が２乗の割合で増加してしまう結果、１画面
の静止イメージ（静的弾性特性の診断情報）を構成する
ための所要時間が２乗の割合で増加してしまうといった
律則状態が発生してしまうという問題点があった。例え
ば、１画面の静止イメージを構成する画素数１０００×
１０００、１画素の処理時間＝１０μｓとすると、１画
面の静止イメージのフレーム作成時間は１０秒程度とな
り、プローブ光３５のビーム径を１／２に小さくした場
合、１画面の静止イメージを構成する画素数２０００×
２０００、１画素の処理時間＝１０μｓとすると、１画
面の静止イメージのフレーム作成時間が４倍になってし
まう。その結果、内部欠陥（傷）の大きさや存在する深
度、内部欠陥（傷）の成長可能性（すなわち、今後内部
欠陥が成長して大きくなるか否か）等に対する静的弾性
特性（例えば、振動モードの定常特性など）の診断をリ
アルタイムで行うことが難しいというという問題点があ
った。第２に、ＸＹステージＰ６を移動させながら試料
Ｐ７の表面Ｐ４０をプローブ光３５で２次元スキャニン
グして１画面の静止イメージ（静的弾性特性の診断情
報）を作成するため、吸収波長依存性や熱拡散領域依存
性を求めるためにプローブ光３５のレーザ波長や変調周
波数を所定範囲でスイープしてスペクトル特性を求める
ことを考えた場合、１画面の静止イメージ（静的弾性特
性の診断情報）のフレーム作成時間が更に増加してしま
うという問題点があった。例えば、前述の条件で、レー
ザ波長を１０点（スイープではない）とした場合、１画
面の静止イメージを構成する画素数１０００×１０００
とすると１画面の静止イメージのフレーム作成時間は１
００秒程度となり、１画面の静止イメージを構成する画
素数２０００×２０００とすると、１画面の静止イメー
ジのフレーム作成時間が４倍（４００秒程度）になって
しまう。この状態で、変調周波数を１０点（スイープで
はない）とした場合、１画面の静止イメージを構成する
画素数１０００×１０００とすると１画面の静止イメー
ジのフレーム作成時間は１０００秒程度となり、１画面
の静止イメージを構成する画素数２０００×２０００と
すると、１画面の静止イメージのフレーム作成時間が４
倍（４０００秒程度、なんと１画面）になってしまう。
その結果、内部欠陥（傷）の大きさや存在する深度、内
部欠陥（傷）の成長可能性（すなわち、今後内部欠陥が
成長して大きくなるか否か）等に対する動的弾性特性
（例えば、振動モード特性、スペクトル特性、励起波長
依存性、変調周波数依存性、あるいはこれらの過渡特性
など）の診断をリアルタイムで行うことが難しいという
問題点があった。

【０００９】本発明は、このような従来の問題点を解決
することを課題としており、特に、被測定対象（特に、
高速道路や渠梁の構造物、ビルディングの外壁等、直接
プローブを接触させて強度等の診断が難しいような構造
物）に対して、被測定対象の表面及び表面近傍内部につ
いての静的・動的弾性特性を、大気の揺らぎや被測定対
象の表面凹凸に影響されることなく安定・高精度・高感
度に非接触・非破壊で１フレーム同時一括収集して構造
検査や探傷等を動的・静的に診断する非破壊検査装置を
提供する点にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の要旨は、直接プローブを接触させることが難しいよう
な被測定対象の表面及び表面近傍内部についての静的・
動的弾性特性を、大気の揺らぎや被測定対象の表面凹凸
に影響されることなく安定・高精度・高感度に非接触・
非破壊で１フレーム同時一括収集して構造検査や探傷等
を動的・静的に診断する非破壊検査装置であって、前記
被測定対象の略同一位置に励起光ビーム及びプローブ光
ビームを照射し、当該被測定対象の表面及び表面近傍内
部に当該励起光ビームに応じた光音響信号を発生させ、
当該光音響信号によって前記被測定対象の表面及び表面
近傍内部に摂動を与え、表面及び表面近傍内部を弾性限
界内で可逆的に塑性変形させ、当該表面及び表面近傍内
部に弾性振動を生起する送信光学系と、前記被測定対象
で反射されてきた前記プローブ光ビームを受光し、当該
受光したプローブ光ビームを、当該受光したプローブ光
ビームが照射された測定面内全体に渡って光学的に連続
したイメージ形態で一括して同時に光ヘテロダイン検波
して連続ストロボ動画としての静的・動的ホログラフィ
ックイメージを生成し、当該光ヘテロダイン検波時に生
成・出力されるビート周波数をストロボ周波数として当
該静的・動的ホログラフィックイメージをストロボ撮影
し、当該静的・動的ホログラフィックイメージの情報に
基づいて前記被測定対象の表面や表面下における弾性構
造評価や探傷結果の評価に係る前記静的弾性特性及び／
または前記動的弾性特性を求める受信光学系とを有する
ことを特徴とする非破壊検査装置に存する。また本発明
の請求項２に記載の要旨は、前記静的弾性特性は前記被
測定対象の表面及び表面近傍内部についての振動モード
の定常特性を含むことを特徴とする請求項１に記載の非
破壊検査装置に存する。また本発明の請求項３に記載の
要旨は、前記動的弾性特性は、前記被測定対象の表面及
び表面近傍内部についての振動モード特性、スペクトル
特性、励起波長依存性、変調周波数依存性、あるいはこ
れらの過渡特性の少なくともいずれかを含むことを特徴
とする請求項１に記載の非破壊検査装置に存する。また
本発明の請求項４に記載の要旨は、前記弾性振動に主因
して前記プローブ光ビームに重畳される光学的変調の状
態は、前記光ビート動画信号における位相シフト及び／
または前記ビート周波数を含むことを特徴とする請求項
１に記載の非破壊検査装置に存する。また本発明の請求
項５に記載の要旨は、前記受信光学系は、前記被測定対
象で反射されてきた前記プローブ光ビームを受信し、前
記表面及び表面近傍内部に生起される前記弾性振動に主
因して当該プローブ光ビームに重畳される光ビート動画
信号を、前記励起光ビームを参照光とする前記光ヘテロ
ダイン検波である光混合検波を用いて検知し、当該検出
した光ビート動画信号をストロボ周期とし光学的変調の
度合いをホログラフィックイメージとする連続ストロボ
動画である前記静的・動的ホログラフィックイメージを
生成・出力する光ヘテロダイン干渉光学系と、前記静的
・動的ホログラフィックイメージを前記ストロボ周期に
基づいて受光して光電変換信号を生成・出力するととも
に、当該静的・動的ホログラフィックイメージの可視化
を行う画像表示系と、前記静的・動的ホログラフィック
イメージに基づいて、前記被測定対象の表面及び表面近
傍内部における傷・内部欠陥の大きさ若しくは存在する
深度、及び／または傷・内部欠陥の成長可能性を含む前
記静的弾性特性及び／または前記動的弾性特性の解析・
診断を、前記静的・動的ホログラフィックイメージ（連
続ストロボ動画）の前記ストロボ周期に同期してリアル
タイムで実行する解析・診断処理系とを有することを特
徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の非破壊
検査装置に存する。また本発明の請求項６に記載の要旨
は、前記送信光学系は、所定の第１変調周波数及び／ま
たは所定の第１パルス変調度で変調された所定の第１波
長を有する励起光を所定径のビーム状にコリメーション
してターゲットとなる前記被測定対象の表面に照射する
励起光送信光学系と、所定の第２変調周波数及び／また
は所定の第２パルス変調度に応じてパルス変調された第
２波長λ_２を有するプローブ光を第２ビーム径のビーム
状にコリメーションして前記プローブ光ビームを生成す
るとともに、前記励起光ビームを照射する前記被測定対
象の表面と略同一位置に当該プローブ光ビームを照射す
るプローブ光送信光学系とを備えることを特徴とする請
求項２乃至５のいずれか一項に記載の非破壊検査装置に
存する。また本発明の請求項７に記載の要旨は、前記励
起光送信光学系は、所定波長、所定パワーの励起光を生
成・出力する励起光生成手段と、前記励起光生成手段が
生成・出力する励起光を前記第１変調周波数で所定のパ
ルス変調度で変調して出力するものであって、所定の第
１同期信号に同期して前記第１変調周波数及び前記パル
ス変調度に応じた変調処理を行うための駆動信号を生成
・出力する駆動用ドライバと、前記第１同期信号に同期
して駆動信号に応じた変調を行った後の励起光を生成・
出力する電気光学素子を備えた励起光用位相変調手段
と、前記第１同期信号に同期して駆動信号に応じた変調
を行った後の励起光を、前記被測定対象上の観測エリア
に応じたビーム断面積を有する平行光である前記励起光
ビームに変換する励起光ビーム生成手段と、前記励起光
ビーム生成手段でコリメーションされた前記励起光ビー
ムを所定面に偏向させるミラーとを有することを特徴と
する請求項６に記載の非破壊検査装置に存する。また本
発明の請求項８に記載の要旨は、前記励起光の前記第１
パルス変調度と前記プローブ光の前記第２パルス変調度
とは独立して設定されていることを特徴とする請求項６
に記載の非破壊検査装置に存する。また本発明の請求項
９に記載の要旨は、前記励起光生成手段は、前記第１波
長として２００ｎｍ程度の近紫外波長乃至１００μｍ程
度の遠赤外波長領域を励起光の波長範囲とする少なくと
も１種類以上の励起光用レーザを備えることを特徴とす
る請求項６に記載の非破壊検査装置に存する。また本発
明の請求項１０に記載の要旨は、前記プローブ光送信光
学系は、前記第２波長、所定パワーのプローブ光を生成
・出力するプローブ光用レーザであるプローブ光生成手
段と、前記プローブ光生成手段が生成・出力するプロー
ブ光を前記第２変調周波数で前記第２パルス変調度に応
じてパルス変調して出力するものであって、前記第２同
期信号に同期して前記第２変調周波数及び／または前記
第２パルス変調度に応じた変調処理を行うための駆動信
号を生成・出力する駆動用ドライバと、前記第２同期信
号に同期して駆動信号に応じた変調を行った後のプロー
ブ光を生成・出力する電気光学素子を備えたプローブ光
用位相変調手段と、前記第２同期信号に同期して駆動信
号に応じた変調を行った後のプローブ光を、前記被測定
対象上の観測エリアに応じた前記第２ビーム径を有する
平行光である前記プローブ光ビームに変換して出力する
プローブ光ビーム生成手段と、前記プローブ光ビーム生
成手段から出射した前記プローブ光ビームを２分すると
ともに、当該２分した一方のプローブ光ビームを参照光
として前記光ヘテロダイン干渉光学系に与え、当該２分
した他方のプローブ光ビームを合波手段に与えるプロー
ブ光分割手段と、前記励起光送信光学系の前記ミラーか
ら受け取った前記励起光ビームと前記プローブ光分割手
段から受け取ったプローブ光ビームを同一光軸上に重ね
合わせて前記被測定対象上の観測エリアに照射する合波
手段とを有することを特徴とする請求項１乃至９のいず
れか一項に記載の非破壊検査装置に存する。また本発明
の請求項１１に記載の要旨は、前記プローブ光生成手段
は、前記第２波長として２００ｎｍ程度の近紫外波長乃
至１００μｍ程度の遠赤外波長領域を励起光の波長範囲
とする少なくとも１種類以上の励起光用レーザを備える
ことを特徴とする請求項１０に記載の非破壊検査装置に
存する。また本発明の請求項１２に記載の要旨は、前記
受信光学系は、前記励起光ビームのエネルギーを受けて
前記被測定対象の光吸収領域や熱拡散長で決まる表面下
近傍から出射される前記光音響信号に応じた変調を受け
た前記プローブ光ビームを前記被測定対象上の観測エリ
アから反射されるレーザ光の中から選択して前記光ヘテ
ロダイン干渉光学系に導き、前記光ヘテロダイン干渉光
学系内に設けられた複屈折光学結晶内で光ヘテロダイン
検波を実行し、プローブ光のビーム断面内で２次元的な
分布特性を有する前記位相シフト及び前記ビート周波数
を有する前記光ビート動画信号を光混合検波により生起
して前記画像表示系に与えるように構成されていること
を特徴とする請求項４乃至１１のいずれか一項に記載の
非破壊検査装置に存する。また本発明の請求項１３に記
載の要旨は、前記被測定対象上の観測エリアから反射さ
れるレーザ光をレンズで集光するとともに、集光したレ
ーザ光をコリメータでコリメーションして後段の波長選
択手段に与える受光手段と、前記受光手段から受け取っ
たレーザ光の中に含まれる前記光音響信号に応じた変調
を受けた前記プローブ光ビームを少なくとも選択して後
段の前記光ヘテロダイン干渉光学系に与える波長選択手
段と、前記波長選択手段から受け取った前記光音響信号
に応じた変調を受けた前記プローブ光ビームと前記参照
光としてのプローブ光ビームとを、所定のブラッグ回折
角を有する複屈折光学手段内で干渉させて光ヘテロダイ
ン検波を実行し、プローブ光のビーム断面内の２次元的
な分布特性を有する前記位相シフト及び前記ビート周波
数を有する前記光ビート動画信号を光ヘテロダイン検波
（光混合検波、光ビート検波）によって生起して画像表
示系に与える前記光ヘテロダイン干渉光学系とを有する
ことを特徴とする請求項１２に記載の非破壊検査装置に
存する。また本発明の請求項１４に記載の要旨は、前記
光ヘテロダイン干渉光学系は、干渉ミラーと共にマイケ
ルソン干渉光学系を構成し、前記光音響信号に応じた変
調を受けたプローブ光ビームを前記波長選択手段から受
け取るとともに、前記プローブ光分割手段から前記参照
光としてのプローブ光ビームを受け取り、当該光音響信
号に応じた変調を受けたプローブ光ビームと当該参照光
としてのプローブ光ビームとを前記複屈折光学手段内で
直交・干渉させて前記光混合検波を実行して前記光ビー
ト動画信号を出力するように構成されていることを特徴
とする請求項１３に記載の非破壊検査装置に存する。ま
た本発明の請求項１５に記載の要旨は、前記複屈折光学
手段は、複屈折光学結晶を含むことを特徴とする請求項
１４に記載の非破壊検査装置に存する。また本発明の請
求項１６に記載の要旨は、前記複屈折光学結晶は、ビス
マス・シリコン酸化物の光学結晶を含むことを特徴とす
る請求項１４に記載の非破壊検査装置に存する。また本
発明の請求項１７に記載の要旨は、前記複屈折光学結晶
は、方解石の光学結晶を含むことを特徴とする請求項１
４に記載の非破壊検査装置に存する。また本発明の請求
項１８に記載の要旨は、前記解析・診断処理系は、前記
画像形成手段から受け取った前記静的・動的ホログラフ
ィックイメージを第４同期信号に同期してサンプリング
し、前記静的弾性特性及び／または前記動的弾性特性の
解析や診断に用いる前記静的・動的ホログラフィックイ
メージに係るデータを生成・出力するデータ収集手段を
備えることを特徴とする請求項２乃至１７のいずれか一
項に記載の非破壊検査装置に存する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に示す実施形態の特徴は、被
測定対象６０（特に、高速道路や渠梁の構造物、ビルデ
ィングの外壁等、直接プローブを接触させて強度等の診
断が難しいような構造物）に対して、被測定対象６０の
表面及び表面近傍内部についての静的弾性特性（例え
ば、振動モードの定常特性など）や動的弾性特性（例え
ば、振動モード特性、スペクトル特性、励起波長依存
性、変調周波数依存性、あるいはこれらの過渡特性な
ど）の解析・診断を、ビーム断面内の２次元的な分布特
性を有する位相シフトΔψ及びビート周波数Δｆ（＝ス
トロボ周波数）に基づいて静的・動的ホログラフィック
イメージ（連続ストロボ動画）を用いてリアルタイム・
短時間で実行し、大気の揺らぎや被測定対象６０の表面
凹凸に影響されることなく安定・高精度・高感度に非接
触・非破壊で１フレーム同時一括収集（例えば、ストロ
ボ周波数＝３０Ｈｚとすれば、１フレーム当たり１／３
０秒）して構造検査や探傷等を動的・静的に診断する点
に特徴を有している。また、被測定対象６０の表面や光
吸収領域Ｖ_ｏｐや熱拡散長μ_ｓ（熱拡散領域（Ｖ_ｔｈ）
で決まる表面下近傍における弾性構造や傷・内部欠陥６
２に関する静的・動的ホログラフィックイメージ（連続
ストロボ動画）を、ビート周波数Δｆに応じたリアルタ
イム処理下で可視化したその場観測によって生成でき、
可視化には既存の市販の画像形成手段をそのまま活用で
き、特に、傷・内部欠陥６２に対する静的・動的ホログ
ラフィックイメージでは、傷・内部欠陥６２の成長可能
性（すなわち、今後内部欠陥が成長して大きくなるか否
か）の診断を実行できる点に特徴を有している。これに
より、従来のように測定面内でレーザビームを２次元ス
キャニングしてドット・イメージを合成する方式に代え
て、測定面内全体に渡って光学的に連続したイメージ形
態で一括して同時に光学処理して静的・動的ホログラフ
ィックイメージ（連続ストロボ動画）をビート周波数Δ
ｆに応じてリアルタイムでストロボ撮影（ストロボ周波
数＝ビート周波数Δｆ）するので、被測定対象６０の表
面や表面下における弾性構造評価や探傷結果の評価を、
ビート周波数Δｆに応じてリアルタイムで可視化したそ
の場観測によって実現できるといった効果を奏する。以
下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明す
る。

【００１２】図１は本発明にかかる非破壊検査装置の一
実施形態を説明するための光学システム図である。図１
を参照すると、本実施形態の非破壊検査装置は、被測定
対象６０（特に、高速道路や渠梁の構造物、ビルディン
グの外壁等、直接プローブを接触させて強度等の診断が
難しいような構造物）に励起光ビーム（平行光）１４ａ
及びプローブ光ビーム（平行光）２４ａを照射する送信
光学系と、被測定対象６０で反射されてきたレーザ光を
受信して被測定対象６０の表面及び表面近傍内部につい
ての静的弾性特性（例えば、振動モードの定常特性な
ど）や動的弾性特性（例えば、振動モード特性、スペク
トル特性、励起波長依存性、変調周波数依存性、あるい
はこれらの過渡特性など）を求める受信光学系を備えて
いる。

【００１３】送信光学系は、励起光送信光学系とプロー
ブ光送信光学系を備えている。励起光送信光学系は、所
定の第１変調周波数ｆ_１で所定のパルス変調（第１パル
ス変調度δ_１）された励起光（第１波長λ_１）を所定径
（第１ビーム径φ_１）のビーム状にコリメーションして
ターゲットとなる被測定対象６０の表面に照射する光学
系であって、励起光生成手段（励起光用レーザ）１０、
励起光用位相変調手段（電気光学素子（ＥＯ）、駆動用
ドライバ）１２、励起光ビーム生成手段（励起光用コリ
メータ）１４、ミラー１６、タイミング制御手段（ファ
ンクションジェネレータ）４４を中心にして構成されて
いる。これにより、被測定対象６０（特に、高速道路や
渠梁の構造物、ビルディングの外壁等、直接プローブを
接触させて強度等の診断が難しいような構造物）に対し
て、構造検査や探傷等を高解像度・高精度・高感度で非
接触・非破壊で実行できるようになる。

【００１４】励起光の第１パルス変調度δ_１とプローブ
光の第２パルス変調度δ_２とは独立して設定可能であ
る。励起光の第１波長λ_１は、第１変調周波数ｆ_１にお
ける被測定対象６０の物性（主に音響特性）、光吸収
長、熱伝搬領域、さらに加えて、伝播する大気の状態
（揺らぎ、気温、湿度、気圧等）、被測定対象６０の表
面状態（荒れや微小凹凸）、検査対象の種類・材質等を
考慮して最適な波長に選択されている。すなわち、励起
光としてパルス変調光（第１パルス変調度δ_１、励起波
長（第１波長）λ_１、第１変調周波数ｆ_１）を用い、被
測定対象６０の表面及び表面近傍内部に励起光ビーム１
４ａに応じた光音響信号６４を発生させ、この光音響信
号６４によって活性化された被測定対象６０の表面及び
表面近傍内部（特に傷・内部欠陥６２）からの弾性振動
を光ビート動画信号３６ａ（位相シフトΔψ及びビート
周波数Δｆ（＝ストロボ周波数））を用いて検知してい
るので、傷・内部欠陥６２の大きさや存在する深度、傷
・内部欠陥６２の成長可能性（すなわち、今後内部欠陥
が成長して大きくなるか否か）等の静的弾性特性（例え
ば、振動モードの定常特性など）や動的弾性特性（例え
ば、振動モード特性、スペクトル特性、励起波長依存
性、変調周波数依存性、あるいはこれらの過渡特性な
ど）の解析・診断を、静的・動的ホログラフィックイメ
ージ（連続ストロボ動画）を用いてリアルタイム・短時
間で実行できるようになる。換言すれば、被測定対象６
０の表面及び表面近傍内部に励起光ビーム１４ａに応じ
た光音響信号６４を発生させ、この光音響信号６４によ
って被測定対象６０の表面及び表面近傍内部（特に傷・
内部欠陥６２）に摂動を与え、表面及び表面近傍内部
（特に傷・内部欠陥６２）を弾性限界内で可逆的に塑性
変形させ、このときに表面及び表面近傍内部（特に傷・
内部欠陥６２）に生起される弾性振動（フォノンを含む
光音響信号６６の一種）によって生じるブルリアン散乱
やレーリー散乱等の音響・弾性散乱現象やアコースティ
ックエミッション（ＡＥ）に主因してプローブ光ビーム
２４ａに重畳されると考えられるドップラーシフト等の
光学的変調の状態（すなわち、光ビート動画信号３６ａ
（位相シフトΔψ及びビート周波数Δｆ（＝ストロボ周
波数）））を光ヘテロダイン検波（光混合検波、光ビー
ト検波）で検知し、検出した光ビート動画信号３６ａ
（位相シフトΔψ及びビート周波数Δｆ（＝ストロボ周
波数））の光学的変調の度合いに基づいて傷・内部欠陥
６２の大きさや存在する深度、傷・内部欠陥６２の成長
可能性（すなわち、今後内部欠陥が成長して大きくなる
か否か）等の静的弾性特性（例えば、振動モードの定常
特性など）や動的弾性特性（例えば、振動モード特性、
スペクトル特性、励起波長依存性、変調周波数依存性、
あるいはこれらの過渡特性など）の解析・診断を、静的
・動的ホログラフィックイメージ（連続ストロボ動画）
を用いてリアルタイム・短時間で実行できるようにな
る。また、励起光の第１パルス変調度δ_１、励起波長
（第１波長）λ_１、第１変調周波数ｆ_１を、被測定対象
６０の物性（主に音響特性）、光吸収長、熱伝搬領域、
さらに加えて、伝播する大気の状態（揺らぎ、気温、湿
度、気圧等）、被測定対象６０の表面状態（荒れや微小
凹凸）、検査対象の種類・材質等を考慮して自在に変更
できるので、傷・内部欠陥６２の大きさや存在する深
度、傷・内部欠陥６２の成長方向等の静的弾性特性の診
断を実行できるようになる。同様に、プローブ光は、伝
播する大気の状態（揺らぎ、気温、湿度、気圧等）、被
測定対象６０の表面状態（荒れや微小凹凸）、検査対象
の種類・材質等を考慮するとともに、励起光による測定
場を乱さないような第２波長λ_２とパワーＰ_２に最適化
されているので、被測定対象６０の表面及び表面近傍内
部についての静的弾性特性や動的弾性特性の解析・診断
情報や静的弾性特性の診断情報を解像度良く遠隔検出で
きるようになる。

【００１５】図１を参照すると、励起光生成手段１０
は、所定波長（第１波長λ_１）、所定パワーの励起光を
生成・出力する励起光用レーザである。本実施形態で
は、２００ｎｍ程度の近紫外波長乃至１００μｍ程度の
遠赤外波長領域を励起光の波長範囲としているため、エ
キシマレーザ（波長２００〜３００ｎｍ程度）、チタン
・サファイアレーザ（波長１０６０ｎｍ程度）等の固体
レーザ、アルゴンレーザ（波長５１５ｎｍ）、ＣＯ_２レ
ーザ（波長１０．６ｎｍ程度）、ＣＨ_３ＯＨレーザ（波
長１１８ｎｍ程度）、ＨＣＮレーザ（波長３３７ｎｍ程
度）等のガスレーザ、及びこれらと組み合わせて構成さ
れた色素レーザ等を用いている。これにより、被測定対
象６０の表面及び表面近傍内部に励起光ビーム１４ａに
応じた光音響信号６４を発生させ、この光音響信号６４
によって被測定対象６０の表面及び表面近傍内部（特に
傷・内部欠陥６２）に摂動を与え、表面及び表面近傍内
部（特に傷・内部欠陥６２）を弾性限界内で可逆的に塑
性変形させ、このときに表面及び表面近傍内部（特に傷
・内部欠陥６２）に生起される弾性振動（フォノンを含
む光音響信号６６の一種）によって生じるブルリアン散
乱やレーリー散乱等の音響・弾性散乱現象やアコーステ
ィックエミッション（ＡＥ）を発生させることができ
る。その結果、弾性振動やＡＥに主因してプローブ光ビ
ーム２４ａに重畳されると考えられるドップラーシフト
等の光学的変調の状態（すなわち、光ビート動画信号３
６ａ（位相シフトΔψ及びビート周波数Δｆ（＝ストロ
ボ周波数）））を光ヘテロダイン検波（光混合検波、光
ビート検波）で検知し、検出した光ビート動画信号３６
ａ（位相シフトΔψ及びビート周波数Δｆ（＝ストロボ
周波数））の光学的変調の度合いに基づいて傷・内部欠
陥６２の大きさや存在する深度、傷・内部欠陥６２の成
長可能性（すなわち、今後内部欠陥が成長して大きくな
るか否か）等の静的弾性特性や動的弾性特性の解析・診
断を静的・動的ホログラフィックイメージ（連続ストロ
ボ動画）を用いてリアルタイム・短時間で実行できるよ
うになる。

【００１６】励起光用位相変調手段（図中でＥ／Ｏと表
記）１２は、励起光生成手段１０が生成・出力する励起
光を第１変調周波数ｆ_１で所定のパルス変調（第１パル
ス変調度δ_１）に応じたパルス変調）を実行して出力す
るものであって、タイミング制御手段（ファンクション
ジェネレータ）４４からの第１同期信号４４ａに同期し
て第１変調周波数ｆ_１及び第１パルス変調度δ_１に応じ
た変調処理を行うための駆動信号を生成・出力する駆動
用ドライバと、第１同期信号４４ａに同期して駆動信号
に応じた変調を行った後の励起光を生成・出力する電気
光学素子（ＥＯ）を備えている。励起光用位相変調手段
１２が生成・出力する励起光をＥ_１とすると、 Ｅ_１＝Ａ_１・ｅｘｐ｛−ｉ・δ_１・ｓｉｎ（ω_１・ｔ＋ψ_１）｝ （第１式 ） で表すことができる。ここで、Ａ_１は振幅、ｉは虚数演
算子、ω_１は角周波数（＝２π・ｆ_１）、ｔは時間、ψ
_１は位相を意味している。

【００１７】励起光ビーム生成手段（励起光用コリメー
タ）１４は、第１同期信号４４ａに同期して駆動信号に
応じた変調を行った後の励起光Ｅ_１｛δ_１，ω_１，ｔ，
ψ_１｝を、被測定対象６０（特に、高速道路や渠梁の構
造物、ビルディングの外壁等、直接プローブを接触させ
て強度等の診断が難しいような構造物）上の観測エリア
に応じたビーム断面積（第１ビーム径φ_１）を有する平
行光（励起光ビーム１４ａ）に変換する光学素子であっ
て、コリメータを中心にして構成されている。

【００１８】ミラー１６は、励起光ビーム生成手段（励
起光用コリメータ）１４でコリメーションされた励起光
ビーム１４ａ（第１変調周波数ｆ_１、第１位相ψ_１、第
１ビーム径φ_１）を合波手段（合波用ビームスプリッタ
（ＢＳ））２８の所定面に偏向させるための光学素子で
ある。

【００１９】プローブ光送信光学系は、所定の第２変調
周波数ｆ_２で第２パルス変調度δ_２に応じたパルス変調
されたプローブ光（第２波長λ_２）を所定径（第２ビー
ム径φ_２）のビーム状にコリメーションしてプローブ光
ビーム２４ａ（第２変調周波数ｆ_２、第２位相ψ_２、第
２ビーム径φ_２）を生成するとともに、励起光ビーム１
４ａ（第１変調周波数ｆ_１、第１位相ψ_１、第１ビーム
径φ_１）を照射する被測定対象６０の表面と同じ位置に
照射する光学系であって、プローブ光生成手段（プロー
ブ光用レーザ）２０、プローブ光用位相変調手段（電気
光学素子（ＥＯ）、駆動用ドライバ）２２、プローブ光
ビーム生成手段（プローブ光用コリメータ）２４、プロ
ーブ光分割手段（プローブ光用ビームスプリッタ（Ｂ
Ｓ））２６、合波手段（合波用ビームスプリッタ（Ｂ
Ｓ））２８、タイミング制御手段（ファンクションジェ
ネレータ）４４を中心にして構成されている。

【００２０】これにより、被測定対象６０（特に、高速
道路や渠梁の構造物、ビルディングの外壁等、直接プロ
ーブを接触させて強度等の診断が難しいような構造物）
に対して、構造検査や探傷等を高解像度・高精度・高感
度で非接触・非破壊で実行できるようになる。すなわ
ち、表面及び表面近傍内部（特に傷・内部欠陥６２）を
弾性限界内で可逆的に塑性変形させたときに表面及び表
面近傍内部（特に傷・内部欠陥６２）に生起される弾性
振動（フォノンを含む光音響信号６６の一種）によって
生じるブルリアン散乱やレーリー散乱等の音響・弾性散
乱現象やアコースティックエミッション（ＡＥ）等をド
ップラーシフト等の光学的変調の状態（すなわち、光ビ
ート動画信号３６ａ（位相シフトΔψ及びビート周波数
Δｆ（＝ストロボ周波数）））を遠隔から検知するプロ
ーブ手段を実現できる。その結果、プローブ光ビーム２
４ａに重畳される光ビート動画信号３６ａ（位相シフト
Δψ及びビート周波数Δｆ（＝ストロボ周波数））の光
学的変調の度合いに基づいて傷・内部欠陥６２の大きさ
や存在する深度、傷・内部欠陥６２の成長可能性（すな
わち、今後内部欠陥が成長して大きくなるか否か）等の
静的弾性特性（例えば、振動モードの定常特性など）や
動的弾性特性（例えば、振動モード特性、スペクトル特
性、励起波長依存性、変調周波数依存性、あるいはこれ
らの過渡特性など）の解析・診断を、静的・動的ホログ
ラフィックイメージ（連続ストロボ動画）を用いてリア
ルタイム・短時間で実行できるようになる。また、励起
光Ｅ_１｛δ_１，ω_１，ｔ，ψ_１｝の第１パルス変調度δ
_１、励起波長（第１波長）λ_１、第１変調周波数ｆ
_１を、被測定対象６０の物性（主に音響特性）、光吸収
長、熱伝搬領域、さらに加えて、伝播する大気の状態
（揺らぎ、気温、湿度、気圧等）、被測定対象６０の表
面状態（荒れや微小凹凸）、検査対象の種類・材質等を
考慮して自在に変更できるので、傷・内部欠陥６２の大
きさや存在する深度、傷・内部欠陥６２の成長方向等の
静的弾性特性の診断を実行できるようになる。同様に、
プローブ光は、伝播する大気の状態（揺らぎ、気温、湿
度、気圧等）、被測定対象６０の表面状態（荒れや微小
凹凸）、検査対象の種類・材質等を考慮するとともに、
励起光Ｅ_１｛δ_１，ω_１，ｔ，ψ_１｝による測定場を乱
さないような第２波長λ_２とパワーＰ_２に最適化されて
いるので、被測定対象６０の表面及び表面近傍内部につ
いての静的弾性特性や動的弾性特性の解析・診断情報や
静的弾性特性の診断情報を解像度良く遠隔検出できるよ
うになる。また解像度と１画面を構成するための所要時
間との間に律則状態は生じない。

【００２１】図１を参照すると、プローブ光生成手段
（プローブ光用レーザ）２０は、所定波長（第２波長λ
_２）、所定パワーのプローブ光を生成・出力するプロー
ブ光用レーザである。プローブ光は、伝播する大気の状
態（揺らぎ、気温、湿度、気圧等）、被測定対象６０の
表面状態（荒れや微小凹凸）、検査対象の種類・材質等
を考慮するとともに、励起光Ｅ_１｛δ_１，ω_１，ｔ，ψ
_１｝による測定場を乱さないような第２波長λ_２とパワ
ーＰ_２に最適化されている。本実施形態では、２００ｎ
ｍ程度の近紫外波長乃至１００μｍ程度の遠赤外波長領
域をプローブ光の波長範囲としているため、エキシマレ
ーザ（波長２００〜３００ｎｍ程度）、チタン・サファ
イアレーザ（波長１０６０ｎｍ程度）等の固体レーザ、
アルゴンレーザ（波長５１５ｎｍ）、ＣＯ_２レーザ（波
長１０．６ｎｍ程度）、ＣＨ_３ＯＨレーザ（波長１１８
ｎｍ程度）、ＨＣＮレーザ（波長３３７ｎｍ程度）等の
ガスレーザ、及びこれらと組み合わせて構成された色素
レーザ等を用いている。

【００２２】プローブ光用位相変調手段（電気光学素子
（ＥＯ）、駆動用ドライバ）２２（図中でＥ／Ｏと表
記）は、プローブ光生成手段（プローブ光用レーザ）２
０が生成・出力するプローブ光を第２変調周波数ｆ_２で
所定のパルス変調（第２パルス変調度δ_２に応じたパル
ス変調）を実行して出力するものであって、タイミング
制御手段（ファンクションジェネレータ）４４からの第
２同期信号４４ｂに同期して第２変調周波数ｆ_２及び第
２パルス変調度δ_２に応じた変調処理を行うための駆動
信号を生成・出力する駆動用ドライバと、第２同期信号
４４ｂに同期して駆動信号に応じた変調を行った後のプ
ローブ光を生成・出力する電気光学素子（ＥＯ）を備え
ている。

【００２３】励起光Ｅ_１｛δ_１，ω_１，ｔ，ψ_１｝の第
１変調周波数ｆ_１とプローブ光の第２変調周波数ｆ_２と
は独立して設定可能である。励起光Ｅ_１｛δ_１，ω_１，
ｔ，ψ_１｝の第１パルス変調度δ_１とプローブ光の第２
パルス変調度δ_２とは独立して設定可能である。プロー
ブ光用位相変調手段２２が生成・出力する励起光をＥ _１
とすると、 Ｅ_２＝Ａ_２・ｅｘｐ｛−ｉ・δ_２・ｓｉｎ（ω_２・ｔ＋ψ_２）｝ （第２式 ） で表すことができる。ここで、Ａ_２は振幅、ｉは虚数演
算子、ω_２は角周波数（＝２π・ｆ_２）、ｔは時間、ψ
_２は位相を意味している。

【００２４】プローブ光ビーム生成手段（プローブ光用
コリメータ）２４は、第２同期信号４４ｂに同期して駆
動信号に応じた変調を行った後のプローブ光Ｅ
_２｛δ_２，ω _２，ｔ，ψ_２｝を、被測定対象６０（特
に、高速道路や渠梁の構造物、ビルディングの外壁等、
直接プローブを接触させて強度等の診断が難しいような
構造物）上の観測エリアに応じたビーム断面積（第２ビ
ーム径φ_２）を有する平行光（プローブ光ビーム２４
ａ）に変換する光学素子であって、コリメータを中心に
して構成されている。

【００２５】プローブ光分割手段（プローブ光用ビーム
スプリッタ（ＢＳ））２６は、プローブ光ビーム生成手
段（プローブ光用コリメータ）２４から出射したプロー
ブ光ビーム２４ａ（第２変調周波数ｆ_２、第２位相
ψ_２、第２ビーム径φ_２）を２分するとともに、２分し
た一方のプローブ光ビーム（参照光）２４ｂ（第２変調
周波数ｆ_２、第２位相ψ_２、第２ビーム径φ_２）を光ヘ
テロダイン干渉光学系に与え、２分した他方のプローブ
光ビーム２４ｃ（第２変調周波数ｆ_２、第２位相ψ _２、
第２ビーム径φ_２）を合波手段（合波用ビームスプリッ
タ（ＢＳ））２８に与える光学素子である。

【００２６】合波手段（合波用ビームスプリッタ（Ｂ
Ｓ））２８は、ミラー１６から受け取った励起光ビーム
１４ａ（第１変調周波数ｆ_１、第１位相ψ_１、第１ビー
ム径φ _１）とプローブ光分割手段（プローブ光用ビーム
スプリッタ（ＢＳ））２６から受け取ったプローブ光ビ
ーム２４ｃ（第２変調周波数ｆ_２、第２位相ψ_２、第２
ビーム径φ_２）を同一光軸上に重ね合わせて被測定対象
６０上の観測エリアに照射するための光学素子である。

【００２７】受信光学系は、励起光ビーム１４ａ（第１
変調周波数ｆ_１、第１位相ψ_１、第１ビーム径φ_１）の
エネルギーを受けて被測定対象６０の光吸収領域Ｖ_ｏｐ
や熱拡散長μ_ｓや熱拡散領域（Ｖ_ｔｈ）で決まる表面下
近傍から出射される光音響信号６６に応じた変調を受け
たプローブ光ビーム２４ｄ（第２変調周波数ｆ_２＋Δ
ｆ、第２位相ψ_２＋Δψ）を被測定対象６０上の観測エ
リアから反射されるレーザ光の中から選択して光ヘテロ
ダイン干渉光学系に導き、光ヘテロダイン干渉光学系内
に設けられた複屈折光学結晶内で光ヘテロダイン検波
（光混合検波、光ビート検波とも呼ばれる検波）を実行
し、プローブ光Ｅ_２｛δ_２，ω_２，ｔ，ψ_２｝のビーム
断面内で２次元的な分布特性を有する位相シフトΔψ及
びビート周波数Δｆ（＝ストロボ周波数）を有する光ビ
ート動画信号３６ａを光ヘテロダイン検波（光混合検
波、光ビート検波）により生起して画像表示系に与える
ものであって、受光手段（レンズ、コリメータ）３０、
波長選択手段（分光器）３２、光ヘテロダイン干渉光学
系、画像表示系、診断処理系を備えている。

【００２８】これにより、被測定対象６０（特に、高速
道路や渠梁の構造物、ビルディングの外壁等、直接プロ
ーブを接触させて強度等の診断が難しいような構造物）
に対して、構造検査や探傷等を高解像度・高精度・高感
度で非接触・非破壊で実行できるようになる。すなわ
ち、励起光Ｅ_１｛δ_１，ω_１，ｔ，ψ_１｝としてパルス
変調光（第１パルス変調度δ_１、励起波長（第１波長）
λ_１、第１変調周波数ｆ _１）を用い、被測定対象６０の
表面及び表面近傍内部に励起光ビーム１４ａに応じた光
音響信号６４を発生させ、この光音響信号６４によって
活性化された被測定対象６０の表面及び表面近傍内部
（特に傷・内部欠陥６２）からの弾性振動を、光ヘテロ
ダイン検波（光混合検波、光ビート検波）で求めた光ビ
ート動画信号３６ａ（位相シフトΔψ及びビート周波数
Δｆ（＝ストロボ周波数））を用いて検知しているの
で、傷・内部欠陥６２の大きさや存在する深度、傷・内
部欠陥６２の成長可能性（すなわち、今後内部欠陥が成
長して大きくなるか否か）等の静的弾性特性（例えば、
振動モードの定常特性など）や動的弾性特性（例えば、
振動モード特性、スペクトル特性、励起波長依存性、変
調周波数依存性、あるいはこれらの過渡特性など）の解
析・診断を、静的・動的ホログラフィックイメージ（連
続ストロボ動画）を用いてリアルタイム・短時間で実行
できるようになる。換言すれば、被測定対象６０の表面
及び表面近傍内部に励起光ビーム１４ａに応じた光音響
信号６４を発生させ、この光音響信号６４によって被測
定対象６０の表面及び表面近傍内部（特に傷・内部欠陥
６２）に摂動を与え、表面及び表面近傍内部（特に傷・
内部欠陥６２）を弾性限界内で可逆的に塑性変形させ、
このときに表面及び表面近傍内部（特に傷・内部欠陥６
２）に生起される弾性振動（フォノンを含む光音響信号
６６の一種）によって生じるブルリアン散乱やレーリー
散乱等の音響・弾性散乱現象やアコースティックエミッ
ション（ＡＥ）に主因してプローブ光Ｅ_２｛δ_２，
ω_２，ｔ，ψ_２｝に重畳されると考えられるドップラー
シフト等の光学的変調の状態（すなわち、光ビート動画
信号３６ａ（位相シフトΔψ及びビート周波数Δｆ（＝
ストロボ周波数）））を光ヘテロダイン検波（光混合検
波、光ビート検波）で検知し、検出した光ビート動画信
号３６ａ（位相シフトΔψ及びビート周波数Δｆ（＝ス
トロボ周波数））の光学的変調の度合いに基づいて傷・
内部欠陥６２の大きさや存在する深度、傷・内部欠陥６
２の成長可能性（すなわち、今後内部欠陥が成長して大
きくなるか否か）等の静的弾性特性や動的弾性特性の解
析・診断を、静的・動的ホログラフィックイメージ（連
続ストロボ動画）を用いてリアルタイム・短時間で実行
できるようになる。また、励起光Ｅ_１｛δ_１，ω_１，
ｔ，ψ_１｝の第１パルス変調度δ_１、励起波長（第１波
長）λ_１、第１変調周波数ｆ_１を、被測定対象６０の物
性（主に音響特性）、光吸収長、熱伝搬領域、さらに加
えて、伝播する大気の状態（揺らぎ、気温、湿度、気圧
等）、被測定対象６０の表面状態（荒れや微小凹凸）、
検査対象の種類・材質等を考慮して自在に変更できるの
で、傷・内部欠陥６２の大きさや存在する深度、傷・内
部欠陥６２の成長方向等の静的弾性特性の診断を実行で
きるようになる。同様に、プローブ光Ｅ_２｛δ_２，
ω_２，ｔ，ψ_２｝は、伝播する大気の状態（揺らぎ、気
温、湿度、気圧等）、被測定対象６０の表面状態（荒れ
や微小凹凸）、検査対象の種類・材質等を考慮するとと
もに、励起光Ｅ_１｛δ_１，ω_１，ｔ，ψ_１｝による測定
場を乱さないような第２波長λ_２とパワーＰ_２に最適化
されているので、被測定対象６０の表面及び表面近傍内
部についての静的弾性特性や動的弾性特性の解析・診断
情報や静的弾性特性の診断情報を解像度良く遠隔検出で
きるようになる。

【００２９】すなわち、ビーム断面内の２次元的な分布
特性を有する位相シフトΔψ及びビート周波数Δｆ（＝
ストロボ周波数）に基づいて静的・動的ホログラフィッ
クイメージ（連続ストロボ動画）を生成するような受信
光学系を設けることにより、被測定対象６０（特に、高
速道路や渠梁の構造物、ビルディングの外壁等、直接プ
ローブを接触させて強度等の診断が難しいような構造
物）に対して、被測定対象６０の表面及び表面近傍内部
についての静的弾性特性や動的弾性特性の解析・診断情
報や静的弾性特性の診断情報を、大気の揺らぎや被測定
対象６０の表面凹凸に影響されることなく安定・高精度
・高感度に非接触・非破壊で１フレーム同時一括収集
（例えば、ストロボ周波数＝３０Ｈｚとすれば、１フレ
ーム当たり１／３０秒）して構造検査や探傷等を動的・
静的に診断することができるようになる。

【００３０】図１を参照すると、受光手段（レンズ、コ
リメータ）３０は、被測定対象６０（特に、高速道路や
渠梁の構造物、ビルディングの外壁等、直接プローブを
接触させて強度等の診断が難しいような構造物）上の観
測エリアから反射されるレーザ光をレンズで集光すると
ともに、集光したレーザ光をコリメータでコリメーショ
ンして後段の波長選択手段（分光器）３２に与える光学
素子である。被測定対象６０上の観測エリアから反射さ
れるレーザ光には、被測定対象６０上の観測エリアに照
射した励起光ビーム１４ａ（第１変調周波数ｆ_１、第１
位相ψ_１、第１ビーム径φ_１）、励起光ビーム１４ａ
（第１変調周波数ｆ_１、第１位相ψ_１、第１ビーム径φ
_１）のエネルギーを受けて被測定対象６０の光吸収領域
Ｖ_ｏｐや熱拡散長μ_ｓや熱拡散領域（Ｖ_ｔｈ）で決まる
表面下近傍から出射される光音響信号６６に応じた変調
を受けたプローブ光ビーム２４ｄ（第２変調周波数ｆ_２
＋Δｆ、第２位相ψ_２＋Δψ）が含まれている。

【００３１】波長選択手段（分光器）３２は、受光手段
（レンズ、コリメータ）３０から受け取ったレーザ光の
中に含まれるプローブ光ビーム２４ｄ（第２変調周波数
ｆ_２＋Δｆ、第２位相ψ_２＋Δψ）を少なくとも選択し
て後段の光ヘテロダイン干渉光学系に与えるものであ
る。波長選択手段（分光器）３２としては、市販のモノ
クロメータ等を用いることができる。

【００３２】光ヘテロダイン干渉光学系は、波長選択手
段（分光器）３２から受け取ったプローブ光ビーム２４
ｄ（第２変調周波数ｆ_２＋Δｆ、第２位相ψ_２＋Δψ）
をプローブ光ビーム（参照光）２４ｂ（第２変調周波数
ｆ_２、第２位相ψ_２、第２ビーム径φ_２）と干渉させて
光ヘテロダイン検波（光混合検波、光ビート検波とも呼
ばれる検波）を実行し、プローブ光のビーム断面内の２
次元的な分布特性を有する位相シフトΔψ及びビート周
波数Δｆ（＝ストロボ周波数）を有する光ビート動画信
号３６ａを光ヘテロダイン検波（光混合検波、光ビート
検波）によって生起して画像表示系に与えるものであ
り、複屈折光学手段（ＢＳＯ）３６、ミラー（Ｍ）３
８、干渉ミラー（Ｍ）４０を備えている。

【００３３】すなわち、ビーム断面内の２次元的な分布
特性を有する位相シフトΔψ及びビート周波数Δｆ（＝
ストロボ周波数）に基づいて静的・動的ホログラフィッ
クイメージ（連続ストロボ動画）を生成する光ヘテロダ
イン干渉光学系を設けることにより、被測定対象６０
（特に、高速道路や渠梁の構造物、ビルディングの外壁
等、直接プローブを接触させて強度等の診断が難しいよ
うな構造物）の表面や光吸収領域Ｖ_ｏｐや熱拡散長μ_ｓ
や熱拡散領域（Ｖ_ｔｈ）で決まる表面下近傍における弾
性構造や傷・内部欠陥６２に関する静的・動的ホログラ
フィックイメージ（連続ストロボ動画）をビート周波数
Δｆに応じてリアルタイムでストロボ撮影（ストロボ周
波数＝ビート周波数Δｆ）できるようになる。可視化に
は既存の市販の画像形成手段（ＣＣＤ）４２をそのまま
活用できる。特に、傷・内部欠陥６２に対する静的・動
的ホログラフィックイメージでは、傷・内部欠陥６２の
成長可能性（すなわち、今後内部欠陥が成長して大きく
なるか否か）の診断を実行できる。その結果、被測定対
象６０の表面及び表面近傍内部についての静的弾性特性
（例えば、振動モードの定常特性など）や動的弾性特性
（例えば、振動モード特性、スペクトル特性、励起波長
依存性、変調周波数依存性、あるいはこれらの過渡特性
など）の解析・診断情報や静的弾性特性の診断情報を、
大気の揺らぎや被測定対象６０の表面凹凸に影響される
ことなく安定・高精度・高感度に非接触・非破壊で１フ
レーム同時一括収集（例えば、ストロボ周波数＝３０Ｈ
ｚとすれば、１フレーム当たり１／３０秒）して構造検
査や探傷等を動的・静的に診断することができるように
なる。その結果、従来のように測定面内でレーザビーム
を２次元スキャニングしてドット・イメージを合成する
方式に代えて、測定面内全体に渡って光学的に連続した
イメージ形態で一括して同時に光学処理して、静的・動
的ホログラフィックイメージ（連続ストロボ動画）をビ
ート周波数Δｆに応じてリアルタイムでストロボ撮影
（ストロボ周波数＝ビート周波数Δｆ）するので、被測
定対象６０の表面や表面下における弾性構造評価や探傷
結果の評価を、ビート周波数Δｆに応じたリアルタイム
処理下で可視化したその場観測によって実現できる。

【００３４】図１を参照すると、複屈折光学手段３６は
干渉ミラー（Ｍ）４０と共にマイケルソン干渉光学系を
構成し、プローブ光ビーム２４ｄ（第２変調周波数ｆ_２
＋Δｆ、第２位相ψ_２＋Δψ）を波長選択手段（分光
器）３２から受け取るとともに、プローブ光分割手段
（プローブ光用ビームスプリッタ（ＢＳ））２６からプ
ローブ光ビーム（参照光）２４ｂ（第２変調周波数
ｆ_２、第２位相ψ_２、第２ビーム径φ_２）を受け取り、
プローブ光ビーム２４ｄ（第２変調周波数ｆ_２＋Δｆ、
第２位相ψ_２＋Δψ）とプローブ光ビーム（参照光）２
４ｂ（第２変調周波数ｆ _２、第２位相ψ_２、第２ビーム
径φ_２）を直交させて干渉させることにより、光ヘテロ
ダイン検波（光混合検波、光ビート検波とも呼ばれる検
波）を実行して光ビート動画信号３６ａをミラー（Ｍ）
３８側に出力する光学素子であって、ＢＳＯ（Ｂｉｓｍ
ｕｔｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｘｉｄｅ）や方解石を用い
ることができる。複屈折光学手段（ＢＳＯ）３６は、プ
ローブ光ビーム２４ｄ（第２変調周波数ｆ_２＋Δｆ、第
２位相ψ_２＋Δψ）に対してブラッグ回折角θに固定さ
れている。

【００３５】ミラー（Ｍ）３８は、複屈折光学手段（Ｂ
ＳＯ）３６から受け取った光ビート動画信号３６ａを画
像形成手段（ＣＣＤ）４２の受光面に折り返すためのも
のである。干渉ミラー（Ｍ）４０は、複屈折光学手段
（ＢＳＯ）３６と共に（マイケルソン）干渉光学系を構
成している。

【００３６】プローブ光分割手段（プローブ光用ビーム
スプリッタ（ＢＳ））２６から複屈折光学手段（ＢＳ
Ｏ）３６にブラッグ回折角θに沿って入射したプローブ
光ビーム（参照光）２４ｂ（第２変調周波数ｆ_２、第２
位相ψ_２、第２ビーム径φ_２）は、複屈折光学手段（Ｂ
ＳＯ）３６を通過して干渉ミラー（Ｍ）４０に出射さ
れ、干渉ミラー（Ｍ）４０によって入射方向に折り返さ
れた反射光として再び複屈折光学手段（ＢＳＯ）３６内
に戻る。このような干渉光学系において、プローブ光ビ
ーム（参照光）２４ｂ（第２変調周波数ｆ_２、第２位相
ψ_２、第２ビーム径φ_２）とプローブ光ビーム２４ｄ
（第２変調周波数ｆ_２＋Δｆ、第２位相ψ_２＋Δψ）を
複屈折光学手段（ＢＳＯ）３６内で光ヘテロダイン検波
（光混合検波、光ビート検波）することで、ビート周波
数Δｆ（＝ストロボ周波数）及び位相シフトΔψを求め
ることができる。

【００３７】このような光ヘテロダイン干渉光学系によ
り、送信光学系から被測定対象６０の表面を経由して受
信光学系に至る光路上に重畳する外乱（空気流、エアロ
ゾル等に起因するレーザ光への影響）を低減することが
できるようになる。

【００３８】画像表示系は、光ヘテロダイン検波（光混
合検波、光ビート検波）で求めたビート周波数Δｆ（＝
ストロボ周波数）をフレーム周波数（繰り返し周波数）
とするとともに、位相シフトΔψを輝度信号とする静的
・動的ホログラフィックイメージ（連続ストロボ動画）
を生成するものであって、画像形成手段（ＣＣＤ）４
２、画像表示手段（ビデオモニタ）５２、タイミング制
御手段（ファンクションジェネレータ）４４を備えてい
る。

【００３９】画像形成手段４２は、第３同期信号４４ｃ
に同期して、光ヘテロダイン検波（光混合検波、光ビー
ト検波）で求めた光ビート動画信号３６ａを複屈折光学
手段（ＢＳＯ）３６から受け取り、光ビート動画信号３
６ａのビート周波数Δｆ（＝ストロボ周波数）をフレー
ム周波数（繰り返し周波数）とするとともに、光ヘテロ
ダイン検波（光混合検波、光ビート検波）で求めた光ビ
ート動画信号３６ａの位相シフトΔψを輝度信号とし
て、光ビート動画信号３６ａを静的・動的ホログラフィ
ックイメージ（動画面信号＝映像信号）に変換して画像
表示手段（ビデオモニタ）５２に出力する光電変換素子
であって、既存のＣＣＤ（固体撮像素子）カメラ、市販
のビデオカメラ等を用いることができる。その結果、従
来のように測定面内でレーザビームを２次元スキャニン
グしてドット・イメージを合成する方式に代えて、測定
面内全体に渡って光学的に連続したイメージ形態で一括
して同時に光学処理して静的・動的ホログラフィックイ
メージ（連続ストロボ動画）をビート周波数Δｆに応じ
てリアルタイムでストロボ撮影（ストロボ周波数＝ビー
ト周波数Δｆ）するので、被測定対象６０の表面や表面
下における弾性構造評価や探傷結果の評価を、ビート周
波数Δｆに応じたリアルタイム処理下で可視化したその
場観測によって実現できる。

【００４０】すなわち、光ヘテロダイン検波（光混合検
波、光ビート検波）で求めたビート周波数Δｆ（＝スト
ロボ周波数）を画像形成手段（ＣＣＤ）４２のフレーム
周波数（通常３０Ｈｚ程度）と同期させることにより、
既存の市販の画像形成手段（ＣＣＤ）４２で静的・動的
ホログラフィックイメージ（連続ストロボ動画）を撮影
して可視化することができる。画像形成手段（ＣＣＤ）
４２で可視化された静的・動的ホログラフィックイメー
ジは、２次元スキャニングによって１画面のイメージを
作成する従来の光音響イメージング方式と異なり、１回
のプローブ動作で１画面のイメージ（静的・動的ホログ
ラフィックイメージ）を生成することができるようにな
る。すなわち、１秒間にフレーム周波数（＝ビート周波
数Δｆ＝ストロボ周波数、例えば、３０Ｈｚ）に応じた
画面数のイメージ（静的・動的ホログラフィックイメー
ジ）を生成することができる結果、被測定対象６０の表
面や光吸収領域Ｖ_ｏｐや熱拡散長μ_ｓや熱拡散領域（Ｖ
_ｔｈ）で決まる表面下近傍における弾性構造や傷・内部
欠陥６２に関する静的・動的ホログラフィックイメージ
（連続ストロボ動画）をフレーム周波数（＝ビート周波
数Δｆ＝ストロボ周波数、例えば、３０Ｈｚ）に応じて
リアルタイムでストロボ撮影（ストロボ周波数＝ビート
周波数Δｆ）できるようになる。

【００４１】画像表示手段（ビデオモニタ）５２は、静
的・動的ホログラフィックイメージ（動画面信号＝映像
信号）を表示（可視化）するモニタであって、既存のテ
レビモニタ等を用いることができる。

【００４２】タイミング制御手段（ファンクションジェ
ネレータ）４４は、励起光用位相変調手段１２の駆動用
ドライバに与える第１同期信号４４ａ、プローブ光用位
相変調手段２２の駆動用ドライバに与える第２同期信号
４４ｂ、画像形成手段（ＣＣＤ）４２に与える第３同期
信号４４ｃ、データ収集手段（ロックインアンプ）５０
に与える第４同期信号４４ｄをそれぞれ生成・出力する
ものであって、具体的には、周波数シンセサイズ機能を
備えたファンクションジェネレータを用いている。第１
同期信号４４ａ、第２同期信号４４ｂ、第３同期信号４
４ｃ及び第４同期信号４４ｄのそれぞれは、所定の位相
関係を保持している。また第１同期信号４４ａ、第２同
期信号４４ｂ、第３同期信号４４ｃ及び第４同期信号４
４ｄのそれぞれの間の位相関係は任意に変更することが
できる。また同期信号間の位相を連続的に変更すること
もできる。これにより、被測定対象６０の表面や光吸収
領域Ｖ_ｏｐや熱拡散長μ_ｓや熱拡散領域（Ｖ_ｔｈ）で決
まる表面下近傍における弾性構造や傷・内部欠陥６２に
関する静的・動的ホログラフィックイメージ（連続スト
ロボ動画）をビート周波数Δｆに応じてリアルタイムで
ストロボ撮影（ストロボ周波数＝ビート周波数Δｆ）で
きるようになる。可視化には既存の市販の画像形成手段
（ＣＣＤ）４２をそのまま活用できる。特に、傷・内部
欠陥６２に対する静的・動的ホログラフィックイメージ
では、傷・内部欠陥６２の成長可能性（すなわち、今後
内部欠陥が成長して大きくなるか否か）の診断を実行で
きる。

【００４３】解析・診断処理系は、画像形成手段（ＣＣ
Ｄ）４２から受け取った静的・動的ホログラフィックイ
メージ（動画面信号＝映像信号）に基づいて、傷・内部
欠陥６２の大きさや存在する深度、傷・内部欠陥６２の
成長可能性（すなわち、今後内部欠陥が成長して大きく
なるか否か）等に対する静的弾性特性（例えば、振動モ
ードの定常特性など）や動的弾性特性（例えば、振動モ
ード特性、スペクトル特性、励起波長依存性、変調周波
数依存性、あるいはこれらの過渡特性など）の解析や診
断を、ビート周波数Δｆに応じたリアルタイム処理下で
可視化したその場観測により実行し、その結果を表示す
る処理装置であり、診断手段（パーソナルコンピュータ
（ＰＣ））４６、診断表示手段（ディスプレイ（ＣＲ
Ｔ））４８、データ収集手段（ロックインアンプ（Ｌｏ
ｃｋ ｉｎ Ａｍｐ．））５０を中心にして構成されて
いる。

【００４４】静的弾性特性は、励起光ビーム１４ａの諸
変数（パラメータ）を特定した状態での静的・動的ホロ
グラフィックイメージ、プローブ光ビーム２４ｃの諸変
数（パラメータ）を特定した状態での静的・動的ホログ
ラフィックイメージに基づいて解析できる。換言すれ
ば、励起光ビーム１４ａの第１パルス変調度δ_１や励起
波長（第１波長）λ_１や第１変調周波数ｆ_１等のパラメ
ータ、あるいはプローブ光ビーム２４ｃの第２変調周波
数ｆ_２や第２位相ψ_２や第２ビーム径φ_２等のパラメー
タを固定した状態で、静的・動的ホログラフィックイメ
ージの静的弾性特性（光ビート動画信号３６ａの周波数
偏位Δｆや位相偏位Δψ等の定常特性）を解析すること
で求めることができる。可視化には既存の市販の画像形
成手段（ＣＣＤ）４２をそのまま活用できる。

【００４５】動的弾性特性は、静的・動的ホログラフィ
ックイメージと励起光ビーム１４ａの諸変数（パラメー
タ）との関係、静的・動的ホログラフィックイメージと
プローブ光ビーム２４ｃの諸パラメータとの関係に基づ
いて解析できる。換言すれば、励起光ビーム１４ａの第
１パルス変調度δ_１や励起波長（第１波長）λ_１や第１
変調周波数ｆ_１等の変数（パラメータ）、あるいはプロ
ーブ光ビーム２４ｃの第２変調周波数ｆ_２や第２位相ψ
_２や第２ビーム径φ_２等の変数（パラメータ）に対す
る、静的・動的ホログラフィックイメージの動的弾性特
性（光ビート動画信号３６ａの周波数偏位Δｆや位相偏
位Δψ等の依存性や過渡特性）を解析することで求める
ことができる。例えば、静的・動的ホログラフィックイ
メージの動的弾性特性としては、励起光ビーム１４ａの
第１パルス変調度δ_１や励起波長（第１波長）λ_１や第
１変調周波数ｆ_１等の変数（パラメータ）、あるいはプ
ローブ光ビーム２４ｃの第２変調周波数ｆ_２や第２位相
ψ_２や第２ビーム径φ_２等の変数（パラメータ）を所定
範囲でスイープして求めたスペクトル特性が挙げられ
る。これにより、被測定対象６０の表面や光吸収領域Ｖ
_ｏｐや熱拡散長μ_ｓや熱拡散領域（Ｖ_ｔｈ）で決まる表
面下近傍における弾性構造や傷・内部欠陥６２に関する
静的・動的ホログラフィックイメージ（連続ストロボ動
画）をビート周波数Δｆに応じてリアルタイムでストロ
ボ撮影（ストロボ周波数＝ビート周波数Δｆ）できるよ
うになる。可視化には既存の市販の画像形成手段（ＣＣ
Ｄ）４２をそのまま活用できる。特に、傷・内部欠陥６
２に対する静的・動的ホログラフィックイメージでは、
傷・内部欠陥６２の成長可能性（すなわち、今後内部欠
陥が成長して大きくなるか否か）の診断を実行できる。
その結果、傷・内部欠陥６２の大きさや存在する深度、
傷・内部欠陥６２の成長可能性（すなわち、今後内部欠
陥が成長して大きくなるか否か）等に対する動的弾性特
性（例えば、振動モード特性、スペクトル特性、励起波
長依存性、変調周波数依存性、あるいはこれらの過渡特
性など）の診断をビート周波数Δｆに応じてリアルタイ
ムで行うことができる。

【００４６】データ収集手段５０は、画像形成手段（Ｃ
ＣＤ）４２から受け取った静的・動的ホログラフィック
イメージ（動画面信号＝映像信号）を第４同期信号４４
ｄ（参照信号）に同期してサンプリングし、静的弾性特
性（例えば、振動モードの定常特性など）や動的弾性特
性の解析や診断に用いる静的・動的ホログラフィックイ
メージデータを生成・出力する測定手段であって、具体
的には、ロックインアンプやボックスカー積分器を用い
ることができる。

【００４７】診断手段４６は、データ収集手段５０が収
集した静的弾性特性や動的弾性特性の解析や診断に用い
る静的・動的ホログラフィックイメージデータに基づい
て、静的・動的ホログラフィックイメージの静的弾性特
性（光ビート動画信号３６ａの周波数偏位Δｆや位相偏
位Δψ等の定常特性）や、静的・動的ホログラフィック
イメージの動的弾性特性（光ビート動画信号３６ａの周
波数偏位Δｆや位相偏位Δψ等の依存性や過渡特性）を
解析し、傷・内部欠陥６２の大きさや存在する深度、傷
・内部欠陥６２の成長可能性（すなわち、今後内部欠陥
が成長して大きくなるか否か）等を診断する機能を有
し、パーソナルコンピュータ等を用いて実現できる。

【００４８】診断表示手段４８は、診断手段４６からの
診断結果、すなわち、傷・内部欠陥６２の大きさや存在
する深度、傷・内部欠陥６２の成長可能性（すなわち、
今後内部欠陥が成長して大きくなるか否か）等の診断結
果を表示する表示装置であって、具体的には、ＣＲＴデ
ィスプレイや液晶ディスプレイを用いることができる。

【００４９】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、励起光Ｅ_１｛δ_１，ω_１，ｔ，ψ _１｝（励起光ビー
ム１４ａ）としてパルス変調光（第１パルス変調度
δ_１、励起波長（第１波長）λ_１、第１変調周波数
ｆ_１）を用い、被測定対象６０（特に、高速道路や渠梁
の構造物、ビルディングの外壁等、直接プローブを接触
させて強度等の診断が難しいような構造物）の表面及び
表面近傍内部に励起光ビーム１４ａに応じた光音響信号
６４を発生させ、この光音響信号６４によって活性化さ
れた被測定対象６０の表面及び表面近傍内部（特に傷・
内部欠陥６２）からの弾性振動を、光ヘテロダイン検波
（光混合検波、光ビート検波）で求めた光ビート動画信
号３６ａ（位相シフトΔψ及びビート周波数Δｆ（＝ス
トロボ周波数））を用いて検知しているので、傷・内部
欠陥６２の大きさや存在する深度、傷・内部欠陥６２の
成長可能性（すなわち、今後内部欠陥が成長して大きく
なるか否か）等の静的弾性特性（例えば、振動モードの
定常特性など）や動的弾性特性の解析・診断を、静的・
動的ホログラフィックイメージ（連続ストロボ動画）を
用いてリアルタイム・短時間で実行できるようになる。

【００５０】換言すれば、被測定対象６０の表面及び表
面近傍内部にパルス変調光（＝励起光ビーム１４ａ（第
１パルス変調度δ_１、励起波長（第１波長）λ_１、第１
変調周波数ｆ_１））に応じた光音響信号６４を発生さ
せ、この光音響信号６４によって被測定対象６０の表面
及び表面近傍内部（特に傷・内部欠陥６２）に摂動を与
え、表面及び表面近傍内部（特に傷・内部欠陥６２）を
弾性限界内で可逆的に塑性変形させ、このときに表面及
び表面近傍内部（特に傷・内部欠陥６２）に生起される
弾性振動（フォノンを含む光音響信号６６の一種）によ
って生じるブルリアン散乱やレーリー散乱等の音響・弾
性散乱現象やアコースティックエミッション（ＡＥ）に
主因してプローブ光ビーム２４ｄ（第２変調周波数ｆ_２
＋Δｆ、第２位相ψ_２＋Δψ）に重畳されると考えられ
るドップラーシフト等の光学的変調の状態（すなわち、
光ビート動画信号３６ａ（位相シフトΔψ及びビート周
波数Δｆ（＝ストロボ周波数）））を検知し、検出した
光ビート動画信号３６ａ（位相シフトΔψ及びビート周
波数Δｆ（＝ストロボ周波数））の光学的変調の度合い
に基づいて傷・内部欠陥６２の大きさや存在する深度、
傷・内部欠陥６２の成長可能性（すなわち、今後内部欠
陥が成長して大きくなるか否か）等の静的弾性特性や動
的弾性特性の解析・診断を、静的・動的ホログラフィッ
クイメージ（連続ストロボ動画）を用いてリアルタイム
・短時間で実行できるようになる。

【００５１】また、励起光Ｅ_１｛δ_１，ω_１，ｔ，
ψ_１｝（励起光ビーム１４ａ）の第１パルス変調度
δ_１、励起波長（第１波長）λ_１、第１変調周波数ｆ_１
を、被測定対象６０の物性（主に音響特性）、光吸収
長、熱伝搬領域、さらに加えて、伝播する大気の状態
（揺らぎ、気温、湿度、気圧等）、被測定対象６０の表
面状態（荒れや微小凹凸）、検査対象の種類・材質等を
考慮して自在に変更できるので、傷・内部欠陥６２の大
きさや存在する深度、傷・内部欠陥６２の成長方向等の
静的弾性特性の診断を実行できるようになる。

【００５２】同様に、プローブ光Ｅ_２｛δ_２，ω_２，
ｔ，ψ_２｝（プローブ光ビーム２４ａ）は、伝播する大
気の状態（揺らぎ、気温、湿度、気圧等）、被測定対象
６０の表面状態（荒れや微小凹凸）、検査対象の種類・
材質等を考慮するとともに、励起光Ｅ_１｛δ_１，ω_１，
ｔ，ψ_１｝（励起光ビーム１４ａ）による測定場を乱さ
ないような第２波長λ_２とパワーＰ_２に最適化されてい
るので、被測定対象６０の表面及び表面近傍内部につい
ての静的弾性特性や動的弾性特性の解析・診断情報や静
的弾性特性の診断情報を解像度良く遠隔検出できるよう
になる。

【００５３】なお、本発明が上記各実施形態に限定され
ず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施形態は
適宜変更され得ることは明らかである。また上記構成部
材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、
本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にするこ
とができる。また、各図において、同一構成要素には同
一符号を付している。

【００５４】

【発明の効果】本発明にかかる非破壊検査装置によれ
ば、被測定対象（特に、高速道路や渠梁の構造物、ビル
ディングの外壁等、直接プローブを接触させて強度等の
診断が難しいような構造物）に対して、被測定対象の表
面及び表面近傍内部についての静的・動的弾性特性を、
ビーム断面内の２次元的な分布特性を有する位相シフト
及びビート周波数（＝ストロボ周波数）に基づいて静的
・動的ホログラフィックイメージ（連続ストロボ動画）
を生成する結果、大気の揺らぎや被測定対象の表面凹凸
に影響されることなく安定・高精度・高感度に非接触・
非破壊で１画面同時一括収集して構造検査や探傷等を動
的・静的に診断することができるようになるといった効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる非破壊検査装置の一実施形態を
説明するための光学システム図である。

【図２】第１従来技術の光音響検出方法を説明するため
の光音響検出光学システム図である。

【図３】光音響効果の原理を説明するための表面近傍の
試料断面図である。

【図４】共通光路形干渉計を用いた第２従来技術の光音
響検出方法を説明するための光音響検出光学システム図
である。

【図５】図４の共通光路形干渉計において、熱拡散長の
増加による熱膨張変位検出感度の低下の様子を説明する
ための表面近傍の試料断面図である。

【図６】図４の共通光路形干渉計において、試料表面の
荒れや微小凹凸によるプローブ光及び参照光のコヒーレ
ンスの低下の様子を説明するための表面近傍の試料断面
図である。

【符号の説明】

１０…励起光生成手段（励起光用レーザ） １２…励起光用位相変調手段（電気光学素子、駆動用ド
ライバ） １４…励起光ビーム生成手段（励起光用コリメータ） １４ａ…励起光ビーム（平行光） １６…ミラー ２０…プローブ光生成手段（プローブ光用レーザ） ２２…プローブ光用位相変調手段（電気光学素子、駆動
用ドライバ） ２４…プローブ光ビーム生成手段（プローブ光用コリメ
ータ） ２４ａ…プローブ光ビーム（平行光） ２４ｂ…プローブ光ビーム（参照光） ２６…プローブ光分割手段（プローブ光用ビームスプリ
ッタ） ２８…合波手段（合波用ビームスプリッタ） ３０…受光手段（レンズ、コリメータ） ３２…波長選択手段（分光器） ３６…複屈折光学手段（ＢＳＯ） ３６ａ…光ビート動画信号 ３８…ミラー ４０…干渉ミラー ４２…画像形成手段（ＣＣＤ） ４４…タイミング制御手段（ファンクションジェネレー
タ） ４４ａ…第１同期信号 ４４ｂ…第２同期信号 ４４ｃ…第３同期信号 ４４ｄ…第４同期信号 ４６…診断手段（パーソナルコンピュータ） ４８…診断表示手段（ディスプレイ） ５０…データ収集手段（ロックインアンプ） ５２…画像表示手段（ビデオモニタ） θ…ブラッグ回折角 ６０…被測定対象 ６２…傷・内部欠陥 ６４…光音響信号、アコースティックエミッション

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直接プローブを接触させることが難しい
   ような被測定対象の表面及び表面近傍内部についての静
   的・動的弾性特性を、大気の揺らぎや被測定対象の表面
   凹凸に影響されることなく安定・高精度・高感度に非接
   触・非破壊で１フレーム同時一括収集して構造検査や探
   傷等を動的・静的に診断する非破壊検査装置であって、 前記被測定対象の略同一位置に励起光ビーム及びプロー
   ブ光ビームを照射し、当該被測定対象の表面及び表面近
   傍内部に当該励起光ビームに応じた光音響信号を発生さ
   せ、当該光音響信号によって前記被測定対象の表面及び
   表面近傍内部に摂動を与え、表面及び表面近傍内部を弾
   性限界内で可逆的に塑性変形させ、当該表面及び表面近
   傍内部に弾性振動を生起する送信光学系と、 前記被測定対象で反射されてきた前記プローブ光ビーム
   を受光し、当該受光したプローブ光ビームを、当該受光
   したプローブ光ビームが照射された測定面内全体に渡っ
   て光学的に連続したイメージ形態で一括して同時に光ヘ
   テロダイン検波して連続ストロボ動画としての静的・動
   的ホログラフィックイメージを生成し、当該光ヘテロダ
   イン検波時に生成・出力されるビート周波数をストロボ
   周波数として当該静的・動的ホログラフィックイメージ
   をストロボ撮影し、当該静的・動的ホログラフィックイ
   メージの情報に基づいて前記被測定対象の表面や表面下
   における弾性構造評価や探傷結果の評価に係る前記静的
   弾性特性及び／または前記動的弾性特性を求める受信光
   学系とを有することを特徴とする非破壊検査装置。
2. 【請求項２】 前記静的弾性特性は前記被測定対象の表
   面及び表面近傍内部についての振動モードの定常特性を
   含むことを特徴とする請求項１に記載の非破壊検査装
   置。
3. 【請求項３】 前記動的弾性特性は、前記被測定対象の
   表面及び表面近傍内部についての振動モード特性、スペ
   クトル特性、励起波長依存性、変調周波数依存性、ある
   いはこれらの過渡特性の少なくともいずれかを含むこと
   を特徴とする請求項１に記載の非破壊検査装置。
4. 【請求項４】 前記弾性振動に主因して前記プローブ光
   ビームに重畳される光学的変調の状態は、前記光ビート
   動画信号における位相シフト及び／または前記ビート周
   波数を含むことを特徴とする請求項１に記載の非破壊検
   査装置。
5. 【請求項５】 前記受信光学系は、 前記被測定対象で反射されてきた前記プローブ光ビーム
   を受信し、前記表面及び表面近傍内部に生起される前記
   弾性振動に主因して当該プローブ光ビームに重畳される
   光ビート動画信号を、前記励起光ビームを参照光とする
   前記光ヘテロダイン検波である光混合検波を用いて検知
   し、当該検出した光ビート動画信号をストロボ周期とし
   光学的変調の度合いをホログラフィックイメージとする
   連続ストロボ動画である前記静的・動的ホログラフィッ
   クイメージを生成・出力する光ヘテロダイン干渉光学系
   と、 前記静的・動的ホログラフィックイメージを前記ストロ
   ボ周期に基づいて受光して光電変換信号を生成・出力す
   るとともに、当該静的・動的ホログラフィックイメージ
   の可視化を行う画像表示系と、 前記静的・動的ホログラフィックイメージに基づいて、
   前記被測定対象の表面及び表面近傍内部における傷・内
   部欠陥の大きさ若しくは存在する深度、及び／または傷
   ・内部欠陥の成長可能性を含む前記静的弾性特性及び／
   または前記動的弾性特性の解析・診断を、前記静的・動
   的ホログラフィックイメージ（連続ストロボ動画）の前
   記ストロボ周期に同期してリアルタイムで実行する解析
   ・診断処理系とを有することを特徴とする請求項２乃至
   ４のいずれか一項に記載の非破壊検査装置。
6. 【請求項６】 前記送信光学系は、 所定の第１変調周波数及び／または所定の第１パルス変
   調度で変調された所定の第１波長を有する励起光を所定
   径のビーム状にコリメーションしてターゲットとなる前
   記被測定対象の表面に照射する励起光送信光学系と、 所定の第２変調周波数及び／または所定の第２パルス変
   調度に応じてパルス変調された第２波長を有するプロー
   ブ光を第２ビーム径のビーム状にコリメーションして前
   記プローブ光ビームを生成するとともに、前記励起光ビ
   ームを照射する前記被測定対象の表面と略同一位置に当
   該プローブ光ビームを照射するプローブ光送信光学系と
   を備えることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一
   項に記載の非破壊検査装置。
7. 【請求項７】 前記励起光送信光学系は、 所定波長、所定パワーの励起光を生成・出力する励起光
   生成手段と、 前記励起光生成手段が生成・出力する励起光を前記第１
   変調周波数で所定のパルス変調度で変調して出力するも
   のであって、所定の第１同期信号に同期して前記第１変
   調周波数及び前記パルス変調度に応じた変調処理を行う
   ための駆動信号を生成・出力する駆動用ドライバと、前
   記第１同期信号に同期して駆動信号に応じた変調を行っ
   た後の励起光を生成・出力する電気光学素子を備えた励
   起光用位相変調手段と、 前記第１同期信号に同期して駆動信号に応じた変調を行
   った後の励起光を、前記被測定対象上の観測エリアに応
   じたビーム断面積を有する平行光である前記励起光ビー
   ムに変換する励起光ビーム生成手段と、 前記励起光ビーム生成手段でコリメーションされた前記
   励起光ビームを所定面に偏向させるミラーとを有するこ
   とを特徴とする請求項６に記載の非破壊検査装置。
8. 【請求項８】 前記励起光の前記第１パルス変調度と前
   記プローブ光の前記第２パルス変調度とは独立して設定
   されていることを特徴とする請求項６に記載の非破壊検
   査装置。
9. 【請求項９】 前記励起光生成手段は、前記第１波長と
   して２００ｎｍ程度の近紫外波長乃至１００μｍ程度の
   遠赤外波長領域を励起光の波長範囲とする少なくとも１
   種類以上の励起光用レーザを備えることを特徴とする請
   求項６に記載の非破壊検査装置。
10. 【請求項１０】 前記プローブ光送信光学系は、 前記第２波長、所定パワーのプローブ光を生成・出力す
    るプローブ光用レーザであるプローブ光生成手段と、 前記プローブ光生成手段が生成・出力するプローブ光を
    前記第２変調周波数で前記第２パルス変調度に応じてパ
    ルス変調して出力するものであって、前記第２同期信号
    に同期して前記第２変調周波数及び／または前記第２パ
    ルス変調度に応じた変調処理を行うための駆動信号を生
    成・出力する駆動用ドライバと、前記第２同期信号に同
    期して駆動信号に応じた変調を行った後のプローブ光を
    生成・出力する電気光学素子を備えたプローブ光用位相
    変調手段と、 前記第２同期信号に同期して駆動信号に応じた変調を行
    った後のプローブ光を、前記被測定対象上の観測エリア
    に応じた前記第２ビーム径を有する平行光である前記プ
    ローブ光ビームに変換して出力するプローブ光ビーム生
    成手段と、 前記プローブ光ビーム生成手段から出射した前記プロー
    ブ光ビームを２分するとともに、当該２分した一方のプ
    ローブ光ビームを参照光として前記光ヘテロダイン干渉
    光学系に与え、当該２分した他方のプローブ光ビームを
    合波手段に与えるプローブ光分割手段と、 前記励起光送信光学系の前記ミラーから受け取った前記
    励起光ビームと前記プローブ光分割手段から受け取った
    プローブ光ビームを同一光軸上に重ね合わせて前記被測
    定対象上の観測エリアに照射する合波手段とを有するこ
    とを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の
    非破壊検査装置。
11. 【請求項１１】 前記プローブ光生成手段は、前記第２
    波長として２００ｎｍ程度の近紫外波長乃至１００μｍ
    程度の遠赤外波長領域を励起光の波長範囲とする少なく
    とも１種類以上の励起光用レーザを備えることを特徴と
    する請求項１０に記載の非破壊検査装置。
12. 【請求項１２】 前記受信光学系は、前記励起光ビーム
    のエネルギーを受けて前記被測定対象の光吸収領域や熱
    拡散長で決まる表面下近傍から出射される前記光音響信
    号に応じた変調を受けた前記プローブ光ビームを前記被
    測定対象上の観測エリアから反射されるレーザ光の中か
    ら選択して前記光ヘテロダイン干渉光学系に導き、前記
    光ヘテロダイン干渉光学系内に設けられた複屈折光学結
    晶内で光ヘテロダイン検波を実行し、プローブ光のビー
    ム断面内で２次元的な分布特性を有する前記位相シフト
    及び前記ビート周波数を有する前記光ビート動画信号を
    光混合検波により生起して前記画像表示系に与えるよう
    に構成されていることを特徴とする請求項４乃至１１の
    いずれか一項に記載の非破壊検査装置。
13. 【請求項１３】 前記被測定対象上の観測エリアから反
    射されるレーザ光をレンズで集光するとともに、集光し
    たレーザ光をコリメータでコリメーションして後段の波
    長選択手段に与える受光手段と、 前記受光手段から受け取ったレーザ光の中に含まれる前
    記光音響信号に応じた変調を受けた前記プローブ光ビー
    ムを少なくとも選択して後段の前記光ヘテロダイン干渉
    光学系に与える波長選択手段と、 前記波長選択手段から受け取った前記光音響信号に応じ
    た変調を受けた前記プローブ光ビームと前記参照光とし
    てのプローブ光ビームとを、所定のブラッグ回折角を有
    する複屈折光学手段内で干渉させて光ヘテロダイン検波
    を実行し、プローブ光のビーム断面内の２次元的な分布
    特性を有する前記位相シフト及び前記ビート周波数を有
    する前記光ビート動画信号を光ヘテロダイン検波（光混
    合検波、光ビート検波）によって生起して画像表示系に
    与える前記光ヘテロダイン干渉光学系とを有することを
    特徴とする請求項１２に記載の非破壊検査装置。
14. 【請求項１４】 前記光ヘテロダイン干渉光学系は、干
    渉ミラーと共にマイケルソン干渉光学系を構成し、前記
    光音響信号に応じた変調を受けたプローブ光ビームを前
    記波長選択手段から受け取るとともに、前記プローブ光
    分割手段から前記参照光としてのプローブ光ビームを受
    け取り、当該光音響信号に応じた変調を受けたプローブ
    光ビームと当該参照光としてのプローブ光ビームとを前
    記複屈折光学手段内で直交・干渉させて前記光混合検波
    を実行して前記光ビート動画信号を出力するように構成
    されていることを特徴とする請求項１３に記載の非破壊
    検査装置。
15. 【請求項１５】 前記複屈折光学手段は、複屈折光学結
    晶を含むことを特徴とする請求項１４に記載の非破壊検
    査装置。
16. 【請求項１６】 前記複屈折光学結晶は、ビスマス・シ
    リコン酸化物の光学結晶を含むことを特徴とする請求項
    １４に記載の非破壊検査装置。
17. 【請求項１７】 前記複屈折光学結晶は、方解石の光学
    結晶を含むことを特徴とする請求項１４に記載の非破壊
    検査装置。
18. 【請求項１８】 前記解析・診断処理系は、前記画像形
    成手段から受け取った前記静的・動的ホログラフィック
    イメージを第４同期信号に同期してサンプリングし、前
    記静的弾性特性及び／または前記動的弾性特性の解析や
    診断に用いる前記静的・動的ホログラフィックイメージ
    に係るデータを生成・出力するデータ収集手段を備える
    ことを特徴とする請求項２乃至１７のいずれか一項に記
    載の非破壊検査装置。