JPH10260163A - レーザー超音波検査装置 - Google Patents
レーザー超音波検査装置Info
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- JPH10260163A JPH10260163A JP9065107A JP6510797A JPH10260163A JP H10260163 A JPH10260163 A JP H10260163A JP 9065107 A JP9065107 A JP 9065107A JP 6510797 A JP6510797 A JP 6510797A JP H10260163 A JPH10260163 A JP H10260163A
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- laser beam
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 検査対象に損傷を与えることなく、高いＳＮ
比で欠陥から反射又は散乱される超音波を検出する新た
な手法に基づくレーザー超音波検査装置を提供する。 【解決手段】 レーザー光源１０から発せられたレーザ
ービーム１１は、ビームセパレータ１２で例えば１０本
の平行なレーザービームに分割される。分割されたそれ
ぞれのレーザービームは、少なくともこのビーム数と同
数チャンネルを有するマルチチャンネル音響光学素子１
３のそれぞれのチャンネルに入射する。各チャンネルか
ら出射したレーザービームはビームエキスパンダ１４に
入射し、横方向に引き伸ばされて進行方向に垂直な断面
が略直線のビームとされる。このビームは鋼材１６の表
面に直線状にラインフォーカスされ、且つこれらの直線
状の照射ラインが互いに平行となるように照射される。
比で欠陥から反射又は散乱される超音波を検出する新た
な手法に基づくレーザー超音波検査装置を提供する。 【解決手段】 レーザー光源１０から発せられたレーザ
ービーム１１は、ビームセパレータ１２で例えば１０本
の平行なレーザービームに分割される。分割されたそれ
ぞれのレーザービームは、少なくともこのビーム数と同
数チャンネルを有するマルチチャンネル音響光学素子１
３のそれぞれのチャンネルに入射する。各チャンネルか
ら出射したレーザービームはビームエキスパンダ１４に
入射し、横方向に引き伸ばされて進行方向に垂直な断面
が略直線のビームとされる。このビームは鋼材１６の表
面に直線状にラインフォーカスされ、且つこれらの直線
状の照射ラインが互いに平行となるように照射される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、被検体にレーザー
ビームを照射して超音波を発生させ、被検体を伝播した
この超音波を検出することにより、被検体の状態を検査
するレーザー超音波検査装置に関連する。
ビームを照射して超音波を発生させ、被検体を伝播した
この超音波を検出することにより、被検体の状態を検査
するレーザー超音波検査装置に関連する。
【０００２】
【従来の技術】各種材料の内部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もの
がある。これについては、例えば「超音波ＴＥＣＨＮＯ
５月号」（vol.5, No.5, p38 (1993) 日本工業出版）に
おいて説明されている。この方法は、レーザービームを
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。したがって、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、セラミックス材料の
品質検査、航空機部品の内部検査、その他金属、複号材
料の品質検査等への応用が期待されている。
一つとして、いわゆるレーザー超音波法と呼ばれるもの
がある。これについては、例えば「超音波ＴＥＣＨＮＯ
５月号」（vol.5, No.5, p38 (1993) 日本工業出版）に
おいて説明されている。この方法は、レーザービームを
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。したがって、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、セラミックス材料の
品質検査、航空機部品の内部検査、その他金属、複号材
料の品質検査等への応用が期待されている。
【０００３】代表的なレーザー超音波検査装置は、一例
として、検査対象内部に超音波を励起させるためのレー
ザー光源（例えばＱスイッチＹＡＧレーザー）と、検査
対象中を伝播する超音波を検出するプローブ用レーザー
光源（例えばＨｅ−Ｎｅレーザー）を備えている。適当
な励起用レーザービームを検査対象に照射すると、熱的
応力又は蒸発反力によって検査対象中に超音波が発生す
る。この超音波は検査対象中を伝播する際に、内部に欠
陥があればそこで反射又は散乱される。検査対象中を伝
播する超音波の検出は、プローブ用レーザービームの位
相変化やドップラーシフトを観測することによって行う
ことができる。そして、超音波の発生位置から検出位置
までに超音波が伝播するのに要した時間や振幅の変化等
から、内部の欠陥の存否あるいは欠陥の存在する位置を
推定することが可能となる。
として、検査対象内部に超音波を励起させるためのレー
ザー光源（例えばＱスイッチＹＡＧレーザー）と、検査
対象中を伝播する超音波を検出するプローブ用レーザー
光源（例えばＨｅ−Ｎｅレーザー）を備えている。適当
な励起用レーザービームを検査対象に照射すると、熱的
応力又は蒸発反力によって検査対象中に超音波が発生す
る。この超音波は検査対象中を伝播する際に、内部に欠
陥があればそこで反射又は散乱される。検査対象中を伝
播する超音波の検出は、プローブ用レーザービームの位
相変化やドップラーシフトを観測することによって行う
ことができる。そして、超音波の発生位置から検出位置
までに超音波が伝播するのに要した時間や振幅の変化等
から、内部の欠陥の存否あるいは欠陥の存在する位置を
推定することが可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、欠陥で反射
又は散乱される超音波の強度は非常に弱く、このため高
いＳＮ比でこの信号を検出することは難しい。欠陥で反
射又は散乱される超音波の強度を高めるには、励起用レ
ーザーの出力を上げて発生させる超音波の強度を高める
ことが考えられる。しかし、検査対象の表面の一か所に
集中して照射する励起用レーザービームの出力を上げる
と、検査対象の表面にはレーザービームに起因する損傷
が生じるため、励起用レーザーの出力を上げることには
限界がある。
又は散乱される超音波の強度は非常に弱く、このため高
いＳＮ比でこの信号を検出することは難しい。欠陥で反
射又は散乱される超音波の強度を高めるには、励起用レ
ーザーの出力を上げて発生させる超音波の強度を高める
ことが考えられる。しかし、検査対象の表面の一か所に
集中して照射する励起用レーザービームの出力を上げる
と、検査対象の表面にはレーザービームに起因する損傷
が生じるため、励起用レーザーの出力を上げることには
限界がある。
【０００５】また、検査対象の表面の一か所に励起用レ
ーザービームを照射して超音波を発生させるようにした
場合、超音波はその点から球面状に広がって検査対象の
内部へ伝播する。このため、レーザーによって励起され
た超音波のエネルギーうち、欠陥で反射又は散乱される
超音波に寄与するものの割合は非常に低くなる。このよ
うに微弱な超音波を検出する場合にはＳＮ比が低下する
ため、検出手段について特別の配慮が必要となり、困難
を伴う。
ーザービームを照射して超音波を発生させるようにした
場合、超音波はその点から球面状に広がって検査対象の
内部へ伝播する。このため、レーザーによって励起され
た超音波のエネルギーうち、欠陥で反射又は散乱される
超音波に寄与するものの割合は非常に低くなる。このよ
うに微弱な超音波を検出する場合にはＳＮ比が低下する
ため、検出手段について特別の配慮が必要となり、困難
を伴う。
【０００６】本発明は上記事情に基づいてなされたもの
であり、検査対象に損傷を与えることなく、高いＳＮ比
で欠陥から反射又は散乱される超音波を検出する新たな
手法に基づくレーザー超音波検査装置を提供することを
目的とする。
であり、検査対象に損傷を与えることなく、高いＳＮ比
で欠陥から反射又は散乱される超音波を検出する新たな
手法に基づくレーザー超音波検査装置を提供することを
目的とする。
【０００７】
【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、励起用レーザー光源と、前
記励起用レーザー光源より発せられたレーザービームを
複数のレーザービームとするビーム分割手段と、少なく
とも前記複数のレーザービームと同数のチャンネルを有
し、各チャンネルごとに独立して設けられた音響光学素
子に前記複数のレーザービームを通過させる音響光学手
段と、前記音響光学手段の各チャンネルから出射するレ
ーザービームを、その進行方向に垂直な断面が直線状と
なるように各レーザービームを平行に引き伸ばすビーム
伸張手段と、前記音響光学手段の各チャンネルの音響光
学素子に所定の電気信号を供給して前記音響光学手段の
各チャンネルから出射するレーザービームの強度及び方
向の少なくとも一方を制御する信号発生手段と、前記ビ
ーム伸張手段を経て検査対象に照射されたレーザー光に
よって前記検査対象に生じた超音波又はこれが欠陥によ
り反射もしくは散乱された超音波を検出する超音波検出
手段とを具備することを特徴とする。
めの請求項１記載の発明は、励起用レーザー光源と、前
記励起用レーザー光源より発せられたレーザービームを
複数のレーザービームとするビーム分割手段と、少なく
とも前記複数のレーザービームと同数のチャンネルを有
し、各チャンネルごとに独立して設けられた音響光学素
子に前記複数のレーザービームを通過させる音響光学手
段と、前記音響光学手段の各チャンネルから出射するレ
ーザービームを、その進行方向に垂直な断面が直線状と
なるように各レーザービームを平行に引き伸ばすビーム
伸張手段と、前記音響光学手段の各チャンネルの音響光
学素子に所定の電気信号を供給して前記音響光学手段の
各チャンネルから出射するレーザービームの強度及び方
向の少なくとも一方を制御する信号発生手段と、前記ビ
ーム伸張手段を経て検査対象に照射されたレーザー光に
よって前記検査対象に生じた超音波又はこれが欠陥によ
り反射もしくは散乱された超音波を検出する超音波検出
手段とを具備することを特徴とする。
【０００８】請求項７記載の発明は、励起用レーザー光
源と、前記励起用レーザー光源より発せられたレーザー
ビームを複数のレーザービームとするビーム分割手段
と、少なくとも前記複数のレーザービームと同数のチャ
ンネルを有し、各チャンネルごとに独立して設けられた
音響光学素子に前記複数のレーザービームを通過させる
音響光学手段と、前記音響光学手段の各チャンネルから
出射するレーザービームを、その進行方向に垂直な断面
がそれぞれに異なる半径の円環状にするとともに、これ
らが検査対象の表面上において複数の同心環状に照射さ
れるようにする光学手段と、前記音響光学手段の各チャ
ンネルの音響光学素子に所定の電気信号を供給して、前
記複数の同心環の外側から内側に向かって所定のタイミ
ングで順番に照射されるように制御する信号発生手段
と、前記光学手段をへて検査対象に照射されたレーザー
光によって前記検査対象に生じた超音波又はこれが欠陥
により反射もしくは散乱された超音波を検出する超音波
検出手段とを具備することを特徴とする。
源と、前記励起用レーザー光源より発せられたレーザー
ビームを複数のレーザービームとするビーム分割手段
と、少なくとも前記複数のレーザービームと同数のチャ
ンネルを有し、各チャンネルごとに独立して設けられた
音響光学素子に前記複数のレーザービームを通過させる
音響光学手段と、前記音響光学手段の各チャンネルから
出射するレーザービームを、その進行方向に垂直な断面
がそれぞれに異なる半径の円環状にするとともに、これ
らが検査対象の表面上において複数の同心環状に照射さ
れるようにする光学手段と、前記音響光学手段の各チャ
ンネルの音響光学素子に所定の電気信号を供給して、前
記複数の同心環の外側から内側に向かって所定のタイミ
ングで順番に照射されるように制御する信号発生手段
と、前記光学手段をへて検査対象に照射されたレーザー
光によって前記検査対象に生じた超音波又はこれが欠陥
により反射もしくは散乱された超音波を検出する超音波
検出手段とを具備することを特徴とする。
【０００９】請求項１記載の発明は、前記より、音響光
学素子は供給する電気信号を変えることによってそのチ
ャンネルから出射するレーザービームの特性を制御する
ことができる。具体的には、供給する信号をオン・オフ
することによってレーザービームの出射・非出射を切り
換えることができ、また、供給する信号の周波数を変え
ることによって音響光学媒体中に発生する超音波の周波
数を変え、これにより出射するレーザービームの回折角
を制御することができる。例えば音響光学手段の各チャ
ンネルから出射するレーザービームが、検査対象の表面
上において一定のライン間隔となるようにし、かつ、一
ライン間隔の距離をその検査対象の物質の表面超音波が
伝播するのに要する時間のタイミングとして順番に照射
されるようにすると、一つ一つのレーザービームを照射
するたびに表面超音波の振幅を次第に大きくしてゆくこ
とができる。これを欠陥の検出に利用すれば、高いＳＮ
比が実現できる。また、複数のチャンネルからのレーザ
ービームを同時に検査対象に照射し、供給する電気信号
の周波数を変えることによって音響光学手段から出射す
るレーザービームの屈折角を変化させ、これにより検査
対象に照射したレーザービームを検査対象の表面上で走
査させることができる。この走査速度を適当な値とする
と、検査対象には表面を伝播する超音波あるいは物質中
を伝播する指向性を持った超音波を生じさせることがで
き、これを欠陥の検出に利用すれば、高いＳＮ比を実現
することができる。
学素子は供給する電気信号を変えることによってそのチ
ャンネルから出射するレーザービームの特性を制御する
ことができる。具体的には、供給する信号をオン・オフ
することによってレーザービームの出射・非出射を切り
換えることができ、また、供給する信号の周波数を変え
ることによって音響光学媒体中に発生する超音波の周波
数を変え、これにより出射するレーザービームの回折角
を制御することができる。例えば音響光学手段の各チャ
ンネルから出射するレーザービームが、検査対象の表面
上において一定のライン間隔となるようにし、かつ、一
ライン間隔の距離をその検査対象の物質の表面超音波が
伝播するのに要する時間のタイミングとして順番に照射
されるようにすると、一つ一つのレーザービームを照射
するたびに表面超音波の振幅を次第に大きくしてゆくこ
とができる。これを欠陥の検出に利用すれば、高いＳＮ
比が実現できる。また、複数のチャンネルからのレーザ
ービームを同時に検査対象に照射し、供給する電気信号
の周波数を変えることによって音響光学手段から出射す
るレーザービームの屈折角を変化させ、これにより検査
対象に照射したレーザービームを検査対象の表面上で走
査させることができる。この走査速度を適当な値とする
と、検査対象には表面を伝播する超音波あるいは物質中
を伝播する指向性を持った超音波を生じさせることがで
き、これを欠陥の検出に利用すれば、高いＳＮ比を実現
することができる。
【００１０】請求項７記載の発明は、前記より、音響光
学素子に供給する電気信号を適当に変えて、検査対象の
表面に照射される複数の同心環状のレーザービームにつ
いて外側から内側に向かって所定のタイミングで順番に
照射されるように制御すると、検査対象の一点に収束す
る超音波を発生させることができる。この点に欠陥があ
ればそこから大きく反射もしくは散乱される超音波が発
生するので、この超音波を検出することによって欠陥の
有無を調べることが可能となる。
学素子に供給する電気信号を適当に変えて、検査対象の
表面に照射される複数の同心環状のレーザービームにつ
いて外側から内側に向かって所定のタイミングで順番に
照射されるように制御すると、検査対象の一点に収束す
る超音波を発生させることができる。この点に欠陥があ
ればそこから大きく反射もしくは散乱される超音波が発
生するので、この超音波を検出することによって欠陥の
有無を調べることが可能となる。
【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は本発明の第１実施形
態のレーザー超音波検査装置の全体構成を示した概略
図、図２はマルチチャンネル音響光学素子の概略図、図
３は検査対象の表面に照射されるラインフォーカスされ
たレーザービームの様子を示す概略斜視図、図４は音響
光学素子における光の回折を説明するための図、図５は
複数のレーザービームを順次照射することによって超音
波の振幅が徐々に増大してゆく様子を模式的に示した図
である。
実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形
態のレーザー超音波検査装置の全体構成を示した概略
図、図２はマルチチャンネル音響光学素子の概略図、図
３は検査対象の表面に照射されるラインフォーカスされ
たレーザービームの様子を示す概略斜視図、図４は音響
光学素子における光の回折を説明するための図、図５は
複数のレーザービームを順次照射することによって超音
波の振幅が徐々に増大してゆく様子を模式的に示した図
である。
【００１２】図１に示すように、第１実施形態のレーザ
ー超音波検査装置は、検査対象である鋼材１６の表面に
超音波を発生させる超音波発生部１と鋼材１６の表面を
伝播する超音波を検出する超音波検出部２を有する。超
音波発生部１は、レーザー光源１０、ビームセパレータ
１２、マルチチャンネル音響光学素子１３、ビームエキ
スパンダ１４、そしてマルチチャンネル音響光学素子１
３に所定の信号を供給する発振器１５を有する。超音波
検出部２は、レーザー干渉計２０などを使って鋼材１６
の表面の超音波変位を検出する。
ー超音波検査装置は、検査対象である鋼材１６の表面に
超音波を発生させる超音波発生部１と鋼材１６の表面を
伝播する超音波を検出する超音波検出部２を有する。超
音波発生部１は、レーザー光源１０、ビームセパレータ
１２、マルチチャンネル音響光学素子１３、ビームエキ
スパンダ１４、そしてマルチチャンネル音響光学素子１
３に所定の信号を供給する発振器１５を有する。超音波
検出部２は、レーザー干渉計２０などを使って鋼材１６
の表面の超音波変位を検出する。
【００１３】超音波発生部１のレーザー光源１０は超音
波励起用のレーザー光源であり、本実施形態ではＮｄ：
ＹＡＧレーザーを使用する。レーザー光源１０から発せ
られたレーザービーム１１はビームセパレータ１２に入
り、ここで例えば１０本の平行なレーザービームに分割
される。ビームセパレータ１２としては、光学研磨され
た平行平面基板の両面に誘電体あるいは金属体をコーテ
ィングした膜による反射・透過によってレーザービーム
を複数に分割するようにした市販の光学素子を利用する
ことができる。分割されたそれぞれのレーザービーム
は、図２に示すように、少なくともこのビーム数と同じ
チャンネルを有するマルチチャンネル音響光学素子１３
のそれぞれのチャンネルに入射する。マルチチャンネル
音響光学素子１３は、例えば１０チャンネルの独立した
音響光学素子からなるもので、信号発生手段である発振
器１５からそれぞれの音響光学素子に所定の信号を供給
することにより、各チャンネルの音響光学素子がそのチ
ャンネルに入射したレーザービームに対して後述する種
々の作用を及ぼす。
波励起用のレーザー光源であり、本実施形態ではＮｄ：
ＹＡＧレーザーを使用する。レーザー光源１０から発せ
られたレーザービーム１１はビームセパレータ１２に入
り、ここで例えば１０本の平行なレーザービームに分割
される。ビームセパレータ１２としては、光学研磨され
た平行平面基板の両面に誘電体あるいは金属体をコーテ
ィングした膜による反射・透過によってレーザービーム
を複数に分割するようにした市販の光学素子を利用する
ことができる。分割されたそれぞれのレーザービーム
は、図２に示すように、少なくともこのビーム数と同じ
チャンネルを有するマルチチャンネル音響光学素子１３
のそれぞれのチャンネルに入射する。マルチチャンネル
音響光学素子１３は、例えば１０チャンネルの独立した
音響光学素子からなるもので、信号発生手段である発振
器１５からそれぞれの音響光学素子に所定の信号を供給
することにより、各チャンネルの音響光学素子がそのチ
ャンネルに入射したレーザービームに対して後述する種
々の作用を及ぼす。
【００１４】マルチチャンネル音響光学素子１３の各チ
ャンネルから出射したレーザービームは伸張手段である
ビームエキスパンダ１４に入射する。レーザービーム
は、ビームエキスパンダ１４に入射する前は進行方向に
垂直な断面が略円形であるが、ビームエキスパンダ１４
に入射するとビームが横方向に引き伸ばされ、出射する
ときは進行方向に垂直な断面が略直線状のビームとされ
る。このように断面が略直線状とされた各レーザービー
ムは、図３に示すように検査対象である鋼材１６の表面
に直線状にラインフォーカスされ、且つこれらの直線状
の照射ラインが互いに平行となるように照射される。
ャンネルから出射したレーザービームは伸張手段である
ビームエキスパンダ１４に入射する。レーザービーム
は、ビームエキスパンダ１４に入射する前は進行方向に
垂直な断面が略円形であるが、ビームエキスパンダ１４
に入射するとビームが横方向に引き伸ばされ、出射する
ときは進行方向に垂直な断面が略直線状のビームとされ
る。このように断面が略直線状とされた各レーザービー
ムは、図３に示すように検査対象である鋼材１６の表面
に直線状にラインフォーカスされ、且つこれらの直線状
の照射ラインが互いに平行となるように照射される。
【００１５】レーザービームが照射されると、鋼材１６
の照射ラインの部分には熱的応力又は蒸発反力によって
超音波が発生する。この超音波には、鋼材１６の内部へ
伝播してゆくものと鋼材１６の表面を伝播するものがあ
る。本実施形態では、このうち表面を伝播する超音波を
欠陥の検出に利用する。鋼材１６の表面を伝播する超音
波が鋼材１６の表面の欠陥に当たって散乱されると、そ
こを源とする超音波が発生し鋼材１６の表面を伝播す
る。この超音波を超音波検出部２で検出する。超音波発
生部１と超音波検出部２の幾何学的な配置は予め分かっ
ているので、超音波検出部２によって超音波が検出され
たタイミングから、鋼材１６の表面に欠陥があるかどう
かが、また欠陥がある場合にはその位置が分かる。
の照射ラインの部分には熱的応力又は蒸発反力によって
超音波が発生する。この超音波には、鋼材１６の内部へ
伝播してゆくものと鋼材１６の表面を伝播するものがあ
る。本実施形態では、このうち表面を伝播する超音波を
欠陥の検出に利用する。鋼材１６の表面を伝播する超音
波が鋼材１６の表面の欠陥に当たって散乱されると、そ
こを源とする超音波が発生し鋼材１６の表面を伝播す
る。この超音波を超音波検出部２で検出する。超音波発
生部１と超音波検出部２の幾何学的な配置は予め分かっ
ているので、超音波検出部２によって超音波が検出され
たタイミングから、鋼材１６の表面に欠陥があるかどう
かが、また欠陥がある場合にはその位置が分かる。
【００１６】次に、図２及び図４を参照してマルチチャ
ンネル音響光学素子１３の原理について簡単に説明す
る。音響光学素子は、テルライトガラスやモリブデン酸
鉛単結晶などの音響光学媒体に圧電素子を接着したもの
で、各チャンネル用の発振器１５1 〜１５10から圧電素
子に電気信号を供給して音響光学媒体中に超音波を発生
させると、光弾性効果によって音響光学媒体中に周期的
な屈折率変化が生じ、これを回折格子として作用させる
ものである。光と超音波の相互作用距離をＬ（図４参
照）、真空中での光の波長をλ0 、媒体の音速をＶ、超
音波周波数（駆動周波数）をｆa 、媒体の屈折率をｎと
すると、 ２πλ0 Ｌｆa 2 ／ｎＶ2 ＞４π （１） が成立するときにブラッグ回折が生じ、回折を受けない
０次光のほか、図４に示す光強度の高い一次回折光を得
る。この一次回折光の方向（回折角）θB は、媒体の光
入出射面での屈折を考慮すると、 θB ＝ sin-1（λ0 ｆa ／２Ｖ） （２） で与えられる。ブラッグ回折では光入射角をθB とした
ときに最も高い回折効率か得られる。
ンネル音響光学素子１３の原理について簡単に説明す
る。音響光学素子は、テルライトガラスやモリブデン酸
鉛単結晶などの音響光学媒体に圧電素子を接着したもの
で、各チャンネル用の発振器１５1 〜１５10から圧電素
子に電気信号を供給して音響光学媒体中に超音波を発生
させると、光弾性効果によって音響光学媒体中に周期的
な屈折率変化が生じ、これを回折格子として作用させる
ものである。光と超音波の相互作用距離をＬ（図４参
照）、真空中での光の波長をλ0 、媒体の音速をＶ、超
音波周波数（駆動周波数）をｆa 、媒体の屈折率をｎと
すると、 ２πλ0 Ｌｆa 2 ／ｎＶ2 ＞４π （１） が成立するときにブラッグ回折が生じ、回折を受けない
０次光のほか、図４に示す光強度の高い一次回折光を得
る。この一次回折光の方向（回折角）θB は、媒体の光
入出射面での屈折を考慮すると、 θB ＝ sin-1（λ0 ｆa ／２Ｖ） （２） で与えられる。ブラッグ回折では光入射角をθB とした
ときに最も高い回折効率か得られる。
【００１７】一次回折光の強度Ｉ1 は媒体中の超音波の
パワーＰa に依存し、その関係式は、 Ｉ1 ∝ sin2 （Ｋ1 （ＭｅＰa ）1/2 ／λ0 ） （３） で示される。ここで、Ｍｅは音響光学媒体の物性値で決
まる定数で、この値が大きいほど高い回折効率が得ら
れ、媒体の性能指数と呼ばれる。また、Ｋ1 は素子によ
る定数である。尚、以上の音響光学素子に関する説明
は、ＨＯＹＡ−ＳＣＨＯＴＴ株式会社の光応用製品のカ
タログに基づくものである。
パワーＰa に依存し、その関係式は、 Ｉ1 ∝ sin2 （Ｋ1 （ＭｅＰa ）1/2 ／λ0 ） （３） で示される。ここで、Ｍｅは音響光学媒体の物性値で決
まる定数で、この値が大きいほど高い回折効率が得ら
れ、媒体の性能指数と呼ばれる。また、Ｋ1 は素子によ
る定数である。尚、以上の音響光学素子に関する説明
は、ＨＯＹＡ−ＳＣＨＯＴＴ株式会社の光応用製品のカ
タログに基づくものである。
【００１８】上記（２）式から分かるように、一次回折
光の回折角θB は、超音波の周波数ｆa に依存する。し
たがって、ｆa を変えることによって一次回折光の角度
θBを制御することができる。このことを利用して、そ
れぞれのチャンネルごとに適当なｆa を選択することに
より、図３に示す鋼材１６上に複数のレーザービーム
を、その照射ラインが所定の間隔となるように照射する
ことができる。
光の回折角θB は、超音波の周波数ｆa に依存する。し
たがって、ｆa を変えることによって一次回折光の角度
θBを制御することができる。このことを利用して、そ
れぞれのチャンネルごとに適当なｆa を選択することに
より、図３に示す鋼材１６上に複数のレーザービーム
を、その照射ラインが所定の間隔となるように照射する
ことができる。
【００１９】次に、上記（３）式から分かるように、音
響光学媒体中の超音波のパワーＰaがある値のとき、す
なわち音響光学媒体中に超音波が発生しているときは一
次回折光の強度Ｉ1 もその超音波のパワーにＰa に応じ
たある値を有するが、超音波のパワーＰa がゼロのと
き、すなわち音響光学媒体中に超音波が発生していない
ときは一次回折光の強度Ｉ1 もゼロである。そして、こ
の音響光学媒体中の超音波は圧電素子に電力を供給する
ことによって発生する。したがって、マルチチャンネル
音響光学素子１３の各チャンネルの圧電素子に供給する
電力をオン・オフすることによって、鋼材１６の表面に
照射されるレーザービームのオン・オフを切り替えるこ
とができる。これより、鋼材１６の表面に、マルチチャ
ンネル音響光学素子１３の各チャンネルに対応するレー
ザービームを所望の順番で照射することが可能となる。
響光学媒体中の超音波のパワーＰaがある値のとき、す
なわち音響光学媒体中に超音波が発生しているときは一
次回折光の強度Ｉ1 もその超音波のパワーにＰa に応じ
たある値を有するが、超音波のパワーＰa がゼロのと
き、すなわち音響光学媒体中に超音波が発生していない
ときは一次回折光の強度Ｉ1 もゼロである。そして、こ
の音響光学媒体中の超音波は圧電素子に電力を供給する
ことによって発生する。したがって、マルチチャンネル
音響光学素子１３の各チャンネルの圧電素子に供給する
電力をオン・オフすることによって、鋼材１６の表面に
照射されるレーザービームのオン・オフを切り替えるこ
とができる。これより、鋼材１６の表面に、マルチチャ
ンネル音響光学素子１３の各チャンネルに対応するレー
ザービームを所望の順番で照射することが可能となる。
【００２０】本実施形態では、マルチチャンネル音響光
学素子１３の各チャンネルの音響光学媒体中に発生させ
る超音波の周波数ｆa とその超音波のパワーＰa をコン
トロールすることによって、各レーザービームを照射す
る時間間隔がΔｔ、各照射ラインの間隔をｄ0 となるよ
うに、鋼材１６の表面に順番にレーザービームを照射す
る。但し、Δｔとｄ0 は、 ｄ0 ＝ｖ・Δｔ （４） の関係を満たすようにする。ここで、ｖは、鋼材１６の
表面を伝播する超音波の音速である。
学素子１３の各チャンネルの音響光学媒体中に発生させ
る超音波の周波数ｆa とその超音波のパワーＰa をコン
トロールすることによって、各レーザービームを照射す
る時間間隔がΔｔ、各照射ラインの間隔をｄ0 となるよ
うに、鋼材１６の表面に順番にレーザービームを照射す
る。但し、Δｔとｄ0 は、 ｄ0 ＝ｖ・Δｔ （４） の関係を満たすようにする。ここで、ｖは、鋼材１６の
表面を伝播する超音波の音速である。
【００２１】このようなライン間隔及び時間間隔で各レ
ーザービームを順番に照射してゆくと、鋼材１６の表面
を伝播する超音波はレーザービームが照射されるたびに
そのエネルギーを吸収し、図５（ａ），（ｂ），
（ｃ），（ｄ），・・・に示すように振幅が徐々に増大
してエネルギーが高まる。このように所定のライン間隔
及び時間間隔でレーザービームを照射することによって
段階的に超音波の振幅を増大させることについては、Ul
trasonics, Vol.31, No.6, 1993, pp387-394において実
験的研究が示されている。
ーザービームを順番に照射してゆくと、鋼材１６の表面
を伝播する超音波はレーザービームが照射されるたびに
そのエネルギーを吸収し、図５（ａ），（ｂ），
（ｃ），（ｄ），・・・に示すように振幅が徐々に増大
してエネルギーが高まる。このように所定のライン間隔
及び時間間隔でレーザービームを照射することによって
段階的に超音波の振幅を増大させることについては、Ul
trasonics, Vol.31, No.6, 1993, pp387-394において実
験的研究が示されている。
【００２２】ところで、レーザー超音波検査装置は、欠
陥で散乱された超音波による表面の変位を検出するが、
欠陥で散乱された超音波は非常に弱いので、高分解能の
レーザー干渉計を用いる必要がある。しかし、高分解能
のレーザー干渉計を用いても、信号強度がノイズ強度と
同程度では十分なＳＮ比は得られず、高い精度での欠陥
検出は困難である。欠陥で散乱される超音波の強度を高
めるには、励起用レーザーによって発生させる超音波の
エネルギーを高めればよいが、そのためには励起用レー
ザーの出力を高めなければならない。しかし、出力の大
きな励起用レーザーからのビームが鋼材１６に照射され
ると、レーザービームが照射された表面部分に重大な損
傷が生じる。このため、従来は検査対象に損傷を与えな
い程度の出力の励起用レーザーを使用せざるを得ず、こ
のため超音波のエネルギーが小さく、したがって十分な
ＳＮ比が得られなかった。
陥で散乱された超音波による表面の変位を検出するが、
欠陥で散乱された超音波は非常に弱いので、高分解能の
レーザー干渉計を用いる必要がある。しかし、高分解能
のレーザー干渉計を用いても、信号強度がノイズ強度と
同程度では十分なＳＮ比は得られず、高い精度での欠陥
検出は困難である。欠陥で散乱される超音波の強度を高
めるには、励起用レーザーによって発生させる超音波の
エネルギーを高めればよいが、そのためには励起用レー
ザーの出力を高めなければならない。しかし、出力の大
きな励起用レーザーからのビームが鋼材１６に照射され
ると、レーザービームが照射された表面部分に重大な損
傷が生じる。このため、従来は検査対象に損傷を与えな
い程度の出力の励起用レーザーを使用せざるを得ず、こ
のため超音波のエネルギーが小さく、したがって十分な
ＳＮ比が得られなかった。
【００２３】これに対して、本実施形態のように複数の
レーザービームを使用し、それぞれのレーザービームの
出力をある範囲内に抑えておけば、鋼材１６に損傷を与
えることはない。しかも、これら複数のレーザービーム
を所定のライン間隔及び時間間隔で順次照射することで
超音波のエネルギーを徐々に増大させることができるの
で、欠陥検出のＳＮ比が向上する。更に、鋼材１６に照
射されるレーザービームは互いに平行な直線状の照射ラ
インであるため、表面を伝播する超音波は照射ラインと
垂直に伝播するもののみが存続しつづける。これによ
り、鋼材１６の表面を伝播する超音波に指向性を持たせ
ることができるので、欠陥の位置特定の精度が向上す
る。
レーザービームを使用し、それぞれのレーザービームの
出力をある範囲内に抑えておけば、鋼材１６に損傷を与
えることはない。しかも、これら複数のレーザービーム
を所定のライン間隔及び時間間隔で順次照射することで
超音波のエネルギーを徐々に増大させることができるの
で、欠陥検出のＳＮ比が向上する。更に、鋼材１６に照
射されるレーザービームは互いに平行な直線状の照射ラ
インであるため、表面を伝播する超音波は照射ラインと
垂直に伝播するもののみが存続しつづける。これによ
り、鋼材１６の表面を伝播する超音波に指向性を持たせ
ることができるので、欠陥の位置特定の精度が向上す
る。
【００２４】次に、本発明の第２実施形態について説明
する。本実施形態では、図１に示した装置で、鋼材１６
の表面に複数（例えば１０本）のラインフォーカスした
レーザービームを平行に同時に照射し、これらを鋼材１
６の表面でレーザービームの配列方向に所定の速度で一
斉に走査させる。図６は、鋼材１６にラインフォーカス
された一つのレーザービームＬを示している。同図にお
いて、Ｐ点はこのレーザービームがマルチチャンネル音
響光学素子１３から出射する点、Ｏ点はＰ点から鋼材１
６の表面に下ろした垂線の足であり、ｌはＰ点からＯ点
までの長さを表す。また、鋼材１６の表面において、レ
ーザービームの配列方向をＸ方向とし、Ｏ点からＸ方向
に沿って測ったレーザービームＬまでの距離をｘとす
る。尚、ここでは簡単のために、ビームエキスパンダに
ついては考えないものとする。
する。本実施形態では、図１に示した装置で、鋼材１６
の表面に複数（例えば１０本）のラインフォーカスした
レーザービームを平行に同時に照射し、これらを鋼材１
６の表面でレーザービームの配列方向に所定の速度で一
斉に走査させる。図６は、鋼材１６にラインフォーカス
された一つのレーザービームＬを示している。同図にお
いて、Ｐ点はこのレーザービームがマルチチャンネル音
響光学素子１３から出射する点、Ｏ点はＰ点から鋼材１
６の表面に下ろした垂線の足であり、ｌはＰ点からＯ点
までの長さを表す。また、鋼材１６の表面において、レ
ーザービームの配列方向をＸ方向とし、Ｏ点からＸ方向
に沿って測ったレーザービームＬまでの距離をｘとす
る。尚、ここでは簡単のために、ビームエキスパンダに
ついては考えないものとする。
【００２５】図６において、一次回折光の方向θB は
（２）式で与えられるが、ここでθBが十分に小さけれ
ば、θB は、 θB ＝λ0 ｆa ／２Ｖ （５） とおくことができる。すなわち、回折角θB は音響光学
媒体中の超音波の周波数ｆa に依存する。したがって、
ｆa を変えることによってレーザービームの回折角θB
を制御することができる。また、図６から、 ｘ＝ｌ tanθB （６） の関係がある。ここで、上記と同様にθB が十分に小さ
ければ、（６）は、 ｘ＝ｌθB （７） とおくことができる。鋼材１６の表面におけるレーザー
ビームの走査速度をｖとすると、ｖ＝ｄｘ／ｄｔであ
り、これに（７）式及び（５）式を代入すると、 ｖ＝ｌ（ｄθB ／ｄｔ）＝（λ0 ｌ／２Ｖ）・ｄｆa ／ｄｔ （８） となる。したがって、マルチチャンネル音響光学素子１
３の音響光学媒体中の超音波の周波数ｆa を（８）式に
従って時間的に変化させると、鋼材１６の表面に照射さ
れたレーザービームが速度ｖで走査する。
（２）式で与えられるが、ここでθBが十分に小さけれ
ば、θB は、 θB ＝λ0 ｆa ／２Ｖ （５） とおくことができる。すなわち、回折角θB は音響光学
媒体中の超音波の周波数ｆa に依存する。したがって、
ｆa を変えることによってレーザービームの回折角θB
を制御することができる。また、図６から、 ｘ＝ｌ tanθB （６） の関係がある。ここで、上記と同様にθB が十分に小さ
ければ、（６）は、 ｘ＝ｌθB （７） とおくことができる。鋼材１６の表面におけるレーザー
ビームの走査速度をｖとすると、ｖ＝ｄｘ／ｄｔであ
り、これに（７）式及び（５）式を代入すると、 ｖ＝ｌ（ｄθB ／ｄｔ）＝（λ0 ｌ／２Ｖ）・ｄｆa ／ｄｔ （８） となる。したがって、マルチチャンネル音響光学素子１
３の音響光学媒体中の超音波の周波数ｆa を（８）式に
従って時間的に変化させると、鋼材１６の表面に照射さ
れたレーザービームが速度ｖで走査する。
【００２６】ところで、ラインフォーカスされた複数の
平行なレーザービームを試料表面に照射すると、試料の
表面には非常に狭帯域の表面超音波、すなわちトーンバ
ースト状の信号波形を有する表面超音波が発生すること
が知られている。そして更に、このラインフォーカスさ
れた複数の平行なレーザービームを、試料表面で配列方
向に表面超音波の音速と同じ速度で走査させると、上記
トーンバーシト状の超音波の強度を上げることができる
ことが知られている。これについては、例えば山中、永
田、甲田「レーザの位相速度走査による単一モード超音
波の発生法」（日本音響学会誌４８巻８号（1992）p.56
4-571 ）及びJin Huang,Sridhar Krishnaswamy, and Ja
n D. Achenbach「 Laser generation of narrow-band s
urface waves」（J. Acourst. Soc. Am., 92(5) p.2527
-2531 ）などを参照することができる。
平行なレーザービームを試料表面に照射すると、試料の
表面には非常に狭帯域の表面超音波、すなわちトーンバ
ースト状の信号波形を有する表面超音波が発生すること
が知られている。そして更に、このラインフォーカスさ
れた複数の平行なレーザービームを、試料表面で配列方
向に表面超音波の音速と同じ速度で走査させると、上記
トーンバーシト状の超音波の強度を上げることができる
ことが知られている。これについては、例えば山中、永
田、甲田「レーザの位相速度走査による単一モード超音
波の発生法」（日本音響学会誌４８巻８号（1992）p.56
4-571 ）及びJin Huang,Sridhar Krishnaswamy, and Ja
n D. Achenbach「 Laser generation of narrow-band s
urface waves」（J. Acourst. Soc. Am., 92(5) p.2527
-2531 ）などを参照することができる。
【００２７】したがって、（８）式のｆa の時間的な変
化率を適当な値とし、鋼材１６の表面を走査するレーザ
ービームの速度ｖを鋼材１６の表面を伝播する超音波の
音速と同じ値にすることによって、鋼材１６の表面を伝
播するトーンバースト状の超音波を発生させることがで
き、しかもその強度を高めることができるので、これを
第１実施例の場合と同様にして鋼材１６の表面の欠陥検
出に用いることが可能となる。
化率を適当な値とし、鋼材１６の表面を走査するレーザ
ービームの速度ｖを鋼材１６の表面を伝播する超音波の
音速と同じ値にすることによって、鋼材１６の表面を伝
播するトーンバースト状の超音波を発生させることがで
き、しかもその強度を高めることができるので、これを
第１実施例の場合と同様にして鋼材１６の表面の欠陥検
出に用いることが可能となる。
【００２８】ところで本実施形態において、レーザービ
ームを走査させるために必要なことは、マルチチャンネ
ル音響光学素子１３の音響光学媒質中の超音波の周波数
を時間的に変えることであり、そのためにはマルチチャ
ンネル音響光学素子１３のそれぞれのチャンネルに発振
器１５から供給する駆動用の交流信号の周波数を所望の
変化率で変化させればよい。すなわち、電気的な制御で
鋼材１６の表面に照射するレーザービームの走査速度を
変えることができる。しかも、交流信号の周波数を所望
の周波数で変化させることは周知の技術で可能であり、
比較的簡単である。この所望の周波数は、（８）式を変
形して、 ｄｆa ／ｄｔ＝（２Ｖ／λ0 ｌ）・ｖ （９） より求めることができる。（９）式において、検査対象
が鋼板である場合には、ｖは約３０００ｍ／ｓｅｃであ
り、使用するマルチチャンネル音響光学素子の音響光学
媒体が二酸化テルル（ＴｅＯ2 ）単結晶である場合のＶ
は約４２００ｍ／ｓｅｃである。
ームを走査させるために必要なことは、マルチチャンネ
ル音響光学素子１３の音響光学媒質中の超音波の周波数
を時間的に変えることであり、そのためにはマルチチャ
ンネル音響光学素子１３のそれぞれのチャンネルに発振
器１５から供給する駆動用の交流信号の周波数を所望の
変化率で変化させればよい。すなわち、電気的な制御で
鋼材１６の表面に照射するレーザービームの走査速度を
変えることができる。しかも、交流信号の周波数を所望
の周波数で変化させることは周知の技術で可能であり、
比較的簡単である。この所望の周波数は、（８）式を変
形して、 ｄｆa ／ｄｔ＝（２Ｖ／λ0 ｌ）・ｖ （９） より求めることができる。（９）式において、検査対象
が鋼板である場合には、ｖは約３０００ｍ／ｓｅｃであ
り、使用するマルチチャンネル音響光学素子の音響光学
媒体が二酸化テルル（ＴｅＯ2 ）単結晶である場合のＶ
は約４２００ｍ／ｓｅｃである。
【００２９】次に、本発明の第３実施形態について説明
する。図７は、検査対象である鋼材１６の表面上で、照
射した複数のレーザービーム３０を右方向へ走査させて
いる様子を示す概略横断面図である。前記第２実施形態
では、ラインフォーカスした複数のレーザービームを表
面超音波の伝播速度と同じ速度で走査させることによっ
て鋼材１６の表面を伝播する超音波を発生させた。これ
に対し本実施形態では、鋼材１６の表面からその内部へ
伝播してゆく超音波を発生させる。その場合、レーザー
ビームの走査速度をｖ、鋼材１６のバルク内での音速を
ｃとすると、図７に示すように、 θ＝ sin-1（ｃ／ｖ） （１０） で表される角度θの方向に向けて、指向性を持った超音
波が伝播する。レーザービームの走査は、第２実施形態
と同様に図２のマルチチャンネル音響光学素子１３のそ
れぞれのチャンネルへ供給する交流信号の周波数を所定
の時間変化率で変化させればよい。この変化率を変えれ
ばレーザービームの走査速度が変わるので、上記のθも
変わる。すなわち、マルチチャンネル音響光学素子１３
に供給する電気信号によって、超音波の伝播方向を制御
することができる。
する。図７は、検査対象である鋼材１６の表面上で、照
射した複数のレーザービーム３０を右方向へ走査させて
いる様子を示す概略横断面図である。前記第２実施形態
では、ラインフォーカスした複数のレーザービームを表
面超音波の伝播速度と同じ速度で走査させることによっ
て鋼材１６の表面を伝播する超音波を発生させた。これ
に対し本実施形態では、鋼材１６の表面からその内部へ
伝播してゆく超音波を発生させる。その場合、レーザー
ビームの走査速度をｖ、鋼材１６のバルク内での音速を
ｃとすると、図７に示すように、 θ＝ sin-1（ｃ／ｖ） （１０） で表される角度θの方向に向けて、指向性を持った超音
波が伝播する。レーザービームの走査は、第２実施形態
と同様に図２のマルチチャンネル音響光学素子１３のそ
れぞれのチャンネルへ供給する交流信号の周波数を所定
の時間変化率で変化させればよい。この変化率を変えれ
ばレーザービームの走査速度が変わるので、上記のθも
変わる。すなわち、マルチチャンネル音響光学素子１３
に供給する電気信号によって、超音波の伝播方向を制御
することができる。
【００３０】Generation and Directivity Control of
Bulk Acoustic Waves by Phase Velocity Scanning of
Laser Interference Fringes (Hideo NISHINO et.al.,
Jpn.J. Appl. Vol. 34 (1995) pp.2874-2878 ）には、
光周波数が僅かに異なる二つのレーザービームを試料表
面に照射することによってその干渉縞を試料表面上で走
査させ、これによって試料内部の特定の方向へ向けて超
音波ＢＡＷ（Bulk Acoustic Waves ）を伝播させうるこ
とが示されている。しかしながら、この場合、光周波数
が僅かに異なるレーザービームを二つ用意しなければな
らず、また、これらを所定の角度で試料表面に照射しな
ければならないため、装置の構成が複雑となる。また、
超音波の伝播方向を変えるためには、試料表面に照射す
るレーザービームの角度を変えなければならないため、
伝播方向の制御が困難となる。これに対して本実施形態
の装置では、上記のようにマルチチャンネル音響光学素
子１３に供給する交流信号の電気的な制御だけで超音波
の伝播方向を制御することができる。このため超音波の
伝播方向の制御が大幅に容易となり、指向性を持たせて
目的とする方向に簡単に超音波を伝播させることができ
る。
Bulk Acoustic Waves by Phase Velocity Scanning of
Laser Interference Fringes (Hideo NISHINO et.al.,
Jpn.J. Appl. Vol. 34 (1995) pp.2874-2878 ）には、
光周波数が僅かに異なる二つのレーザービームを試料表
面に照射することによってその干渉縞を試料表面上で走
査させ、これによって試料内部の特定の方向へ向けて超
音波ＢＡＷ（Bulk Acoustic Waves ）を伝播させうるこ
とが示されている。しかしながら、この場合、光周波数
が僅かに異なるレーザービームを二つ用意しなければな
らず、また、これらを所定の角度で試料表面に照射しな
ければならないため、装置の構成が複雑となる。また、
超音波の伝播方向を変えるためには、試料表面に照射す
るレーザービームの角度を変えなければならないため、
伝播方向の制御が困難となる。これに対して本実施形態
の装置では、上記のようにマルチチャンネル音響光学素
子１３に供給する交流信号の電気的な制御だけで超音波
の伝播方向を制御することができる。このため超音波の
伝播方向の制御が大幅に容易となり、指向性を持たせて
目的とする方向に簡単に超音波を伝播させることができ
る。
【００３１】図８は、本実施形態の変形例の概略を示す
図である。すなわち、鋼材１６の表面の左側と右側に別
々にラインフォーカスされた複数のレーザービームを照
射し、これらを互いに近づく方向に同じ走査速度で走査
させる。すると、図に示すように、右側のレーザービー
ムからは角度θの方向に超音波が伝播し、左側のレーザ
ービームからは角度−θの方向に超音波が伝播する。こ
れらの超音波は点Ｑに収束し、点Ｑにおける超音波のエ
ネルギーは非常に大きくなる。この点Ｑに欠陥があれ
ば、そこからは大きな散乱波が発生するので、これを検
出することによってその欠陥の存在を知ることができ
る。超音波が収束する点Ｑの位置は予め分かっており、
角度θを変えることによって簡単に鋼材１６内部の各点
について欠陥の有無を調べることができるので、鋼材１
６の内部を高い検出精度で検査することが可能となる。
図である。すなわち、鋼材１６の表面の左側と右側に別
々にラインフォーカスされた複数のレーザービームを照
射し、これらを互いに近づく方向に同じ走査速度で走査
させる。すると、図に示すように、右側のレーザービー
ムからは角度θの方向に超音波が伝播し、左側のレーザ
ービームからは角度−θの方向に超音波が伝播する。こ
れらの超音波は点Ｑに収束し、点Ｑにおける超音波のエ
ネルギーは非常に大きくなる。この点Ｑに欠陥があれ
ば、そこからは大きな散乱波が発生するので、これを検
出することによってその欠陥の存在を知ることができ
る。超音波が収束する点Ｑの位置は予め分かっており、
角度θを変えることによって簡単に鋼材１６内部の各点
について欠陥の有無を調べることができるので、鋼材１
６の内部を高い検出精度で検査することが可能となる。
【００３２】次に、本発明の第４実施形態について説明
する。図９は、第４実施形態のレーザー超音波検査装置
の概略を示す図である。第１乃至第３実施形態では、マ
ルチチャンネル音響光学素子１３から出射したレーザー
ビームをビームエキスパンダで引き伸ばして進行方向に
垂直な断面が直線となるようし、これらをラインフォー
カスして鋼材１６の表面に照射した。これに対し本実施
形態では、マルチチャンネル音響光学素子１３から出射
した１０本のレーザービーム４０1 ，４０2 ，・・・，
４０10のそれぞれを、対応する周知のアキシコンレンズ
５０1 ，５０2，・・・，５０10を通すことによって進
行方向に垂直な断面が円環状となるレーザービームと
し、これらを適当な光学系を用いて鋼材１６の表面に同
心環状に照射する。図９の構成では、レーザービーム４
０1 〜４０10及びアキシコンレンズ５０1 〜５０10は直
線状に配置されている。
する。図９は、第４実施形態のレーザー超音波検査装置
の概略を示す図である。第１乃至第３実施形態では、マ
ルチチャンネル音響光学素子１３から出射したレーザー
ビームをビームエキスパンダで引き伸ばして進行方向に
垂直な断面が直線となるようし、これらをラインフォー
カスして鋼材１６の表面に照射した。これに対し本実施
形態では、マルチチャンネル音響光学素子１３から出射
した１０本のレーザービーム４０1 ，４０2 ，・・・，
４０10のそれぞれを、対応する周知のアキシコンレンズ
５０1 ，５０2，・・・，５０10を通すことによって進
行方向に垂直な断面が円環状となるレーザービームと
し、これらを適当な光学系を用いて鋼材１６の表面に同
心環状に照射する。図９の構成では、レーザービーム４
０1 〜４０10及びアキシコンレンズ５０1 〜５０10は直
線状に配置されている。
【００３３】各アキシコンレンズレンズ５０1 等から出
たそれぞれの環状のレーザービームを鋼材１６の表面の
特定の点を中心とする同心環状に照射するためには、同
じく直線状に配置した１０枚のハーフミラー５１1 ，５
１2 ，・・・，５１10を用いることができる。このう
ち、ハーフミラー５１2 〜５１9 は、対応するアキシコ
ンレンズからのレーザービームを反射し、その他のレー
ザービームを透過する。ハーフミラー５１1 は、対応す
るアキシコンレンズ５０1 からのレーザービームは透過
するが、その他のハーフミラーから反射されてきたレー
ザービームは反射する。また、ハーフミラー５１10は、
アキシコンレンズ５０10からのレーザービームを反射す
るのみである。更に、各環状のレーザービームが、検査
対象である鋼材１６の表面上の点Ｏを中心として、同心
環状に照射されるように、それぞれの光学系を調節す
る。検出用のレーザービームを照射するためのミラー５
５は、点Ｏの上部に配置する。このミラー５５は、鋼材
１６の表面で反射した光も反射して、干渉計（図示せ
ず）へ導く役割も有する。
たそれぞれの環状のレーザービームを鋼材１６の表面の
特定の点を中心とする同心環状に照射するためには、同
じく直線状に配置した１０枚のハーフミラー５１1 ，５
１2 ，・・・，５１10を用いることができる。このう
ち、ハーフミラー５１2 〜５１9 は、対応するアキシコ
ンレンズからのレーザービームを反射し、その他のレー
ザービームを透過する。ハーフミラー５１1 は、対応す
るアキシコンレンズ５０1 からのレーザービームは透過
するが、その他のハーフミラーから反射されてきたレー
ザービームは反射する。また、ハーフミラー５１10は、
アキシコンレンズ５０10からのレーザービームを反射す
るのみである。更に、各環状のレーザービームが、検査
対象である鋼材１６の表面上の点Ｏを中心として、同心
環状に照射されるように、それぞれの光学系を調節す
る。検出用のレーザービームを照射するためのミラー５
５は、点Ｏの上部に配置する。このミラー５５は、鋼材
１６の表面で反射した光も反射して、干渉計（図示せ
ず）へ導く役割も有する。
【００３４】このように、それぞれのレーザービームを
同心環状に照射できるようにし、更に外側のレーザービ
ームから内側のレーザービームへという順番で、かつ所
定のタイミングで順次切り換えて照射してゆくと、図９
に示すように、鋼材１６の内部の特定の一点に収束する
ように超音波が伝播する。したがって、この点に欠陥が
あれば、そこからは大きな散乱波が発生するので、これ
を検出することによってその欠陥の存在を知ることがで
きる。超音波が収束する点の位置は、レーザービームを
切り換えるタイミングによって、点Ｏを通る表面に垂直
な直線上で変えることができる。これにより、簡単に検
査対象内部の各点について欠陥の有無を調べることがで
きるので、検査対象の内部を高い検出精度で検査するこ
とが可能となる。なお、このように、進行方向に垂直な
断面が環状となるレーザービームを照射して検査対象内
部の欠陥を検出することについては、Cielo P. 1985 In
ternational Advances in NDT vol.11, ed W.J.McGonna
gle, p-175 及び P. Cielo and C. K. Jen, and T. Ko
da, Appl. Phys. Lett. 58, 1591-1593 (1991)などを参
照することができる。
同心環状に照射できるようにし、更に外側のレーザービ
ームから内側のレーザービームへという順番で、かつ所
定のタイミングで順次切り換えて照射してゆくと、図９
に示すように、鋼材１６の内部の特定の一点に収束する
ように超音波が伝播する。したがって、この点に欠陥が
あれば、そこからは大きな散乱波が発生するので、これ
を検出することによってその欠陥の存在を知ることがで
きる。超音波が収束する点の位置は、レーザービームを
切り換えるタイミングによって、点Ｏを通る表面に垂直
な直線上で変えることができる。これにより、簡単に検
査対象内部の各点について欠陥の有無を調べることがで
きるので、検査対象の内部を高い検出精度で検査するこ
とが可能となる。なお、このように、進行方向に垂直な
断面が環状となるレーザービームを照射して検査対象内
部の欠陥を検出することについては、Cielo P. 1985 In
ternational Advances in NDT vol.11, ed W.J.McGonna
gle, p-175 及び P. Cielo and C. K. Jen, and T. Ko
da, Appl. Phys. Lett. 58, 1591-1593 (1991)などを参
照することができる。
【００３５】尚、本発明は上記各実施形態に限定される
ものではなく、その要旨の範囲内で種々の変更が可能で
ある。例えば上記各実施形態では、検査対象が鋼材であ
ったが、鋼材以外の種々の物質について非破壊で表面又
は内部の欠陥の有無及びその位置を検査することが可能
である。また、第４実施形態では、アキシコンレンズ、
ハーフミラー等を直線的に配置して同心環状のレーザー
ビームを照射したが、同心環状のレーザービームを照射
するための光学系の配置はこれに限られず、収受の方法
が考えられる。
ものではなく、その要旨の範囲内で種々の変更が可能で
ある。例えば上記各実施形態では、検査対象が鋼材であ
ったが、鋼材以外の種々の物質について非破壊で表面又
は内部の欠陥の有無及びその位置を検査することが可能
である。また、第４実施形態では、アキシコンレンズ、
ハーフミラー等を直線的に配置して同心環状のレーザー
ビームを照射したが、同心環状のレーザービームを照射
するための光学系の配置はこれに限られず、収受の方法
が考えられる。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
音響光学手段の各チャンネルの音響光学素子に所定の電
気信号を供給して音響光学手段の各チャンネルから出射
するレーザービームの特性を制御することにより、例え
ば検査対象の表面上において所定の時間間隔及び所定の
ライン間隔で順番に照射されるようにすれば、一つ一つ
のレーザービームの強度はそれほど大きくなくても、検
査対象の表面を伝播する超音波の強度を徐々に大きくし
てゆくことができるので、これを欠陥検出に用いること
により、検査対象に損傷を与えることなく、高いＳＮ比
の検出信号が得られ、検査精度を高めることができる。
また、音響光学素子に所定の電気信号を供給することに
より、所定ライン間隔のレーザービームを同時に検査対
象の表面に照射し、これらを同時に表面上を走査させる
こともでき、これにより表面を伝播する超音波や内部へ
伝播する超音波を発生させ、しかもこれらに指向性を持
たせることができるので、検査対象に損傷を与えること
なく、高いＳＮ比の検出信号が得られ、より検査精度を
高めることができる。
音響光学手段の各チャンネルの音響光学素子に所定の電
気信号を供給して音響光学手段の各チャンネルから出射
するレーザービームの特性を制御することにより、例え
ば検査対象の表面上において所定の時間間隔及び所定の
ライン間隔で順番に照射されるようにすれば、一つ一つ
のレーザービームの強度はそれほど大きくなくても、検
査対象の表面を伝播する超音波の強度を徐々に大きくし
てゆくことができるので、これを欠陥検出に用いること
により、検査対象に損傷を与えることなく、高いＳＮ比
の検出信号が得られ、検査精度を高めることができる。
また、音響光学素子に所定の電気信号を供給することに
より、所定ライン間隔のレーザービームを同時に検査対
象の表面に照射し、これらを同時に表面上を走査させる
こともでき、これにより表面を伝播する超音波や内部へ
伝播する超音波を発生させ、しかもこれらに指向性を持
たせることができるので、検査対象に損傷を与えること
なく、高いＳＮ比の検出信号が得られ、より検査精度を
高めることができる。
【００３７】また、音響光学手段の各チャンネルから出
射するレーザービームを、その進行方向に垂直な断面が
それぞれに異なる半径の円環状にするとともに、これら
が検査対象の表面上において複数の同心環状に照射され
るようにする光学手段を設け、音響光学素子に供給する
電気信号を適当に変えて、検査対象の表面に照射される
複数の同心環状のレーザービームについて外側から内側
に向かって所定のタイミングで順番に照射されるように
制御すると、検査対象の一点に収束する超音波を発生さ
せることができる。このように超音波を収束させると、
この点に欠陥があったときにそこから反射もしくは散乱
される超音波も大きくなるので、ＳＮ比を高め、検査精
度を上げることができる。しかも、音響光学素子に供給
する電気信号を変えることによって、超音波が収束する
点の深さを変えることができる。
射するレーザービームを、その進行方向に垂直な断面が
それぞれに異なる半径の円環状にするとともに、これら
が検査対象の表面上において複数の同心環状に照射され
るようにする光学手段を設け、音響光学素子に供給する
電気信号を適当に変えて、検査対象の表面に照射される
複数の同心環状のレーザービームについて外側から内側
に向かって所定のタイミングで順番に照射されるように
制御すると、検査対象の一点に収束する超音波を発生さ
せることができる。このように超音波を収束させると、
この点に欠陥があったときにそこから反射もしくは散乱
される超音波も大きくなるので、ＳＮ比を高め、検査精
度を上げることができる。しかも、音響光学素子に供給
する電気信号を変えることによって、超音波が収束する
点の深さを変えることができる。
【図１】本発明の第１実施形態のレーザー超音波検査装
置の全体構成を示した概略図である。
置の全体構成を示した概略図である。
【図２】マルチチャンネル音響光学素子の概略図であ
る。
る。
【図３】検査対象の表面に照射されるラインフォーカス
されたレーザービームの様子を示した概略斜視図であ
る。
されたレーザービームの様子を示した概略斜視図であ
る。
【図４】音響光学素子における光の回折を説明するため
の図である。
の図である。
【図５】第２実施形態で、複数のレーザービームを順次
照射することによって超音波の振幅が徐々に増大してゆ
く様子を模式的に示した図である。
照射することによって超音波の振幅が徐々に増大してゆ
く様子を模式的に示した図である。
【図６】鋼材の表面にラインフォーカスされた一つのレ
ーザービームＬを示した図である。
ーザービームＬを示した図である。
【図７】鋼材の表面上で、照射した複数のレーザービー
ムを右方向へ走査させる第３実施形態のを示した概略横
断面図である。
ムを右方向へ走査させる第３実施形態のを示した概略横
断面図である。
【図８】第３実施形態の変形例を示した図である。
【図９】第４実施形態のレーザー超音波検査装置の概略
を示した図である。
を示した図である。
１ 超音波発生部 ２ 超音波検出部 １０ レーザー光源 １１ レーザービーム １２ ビームセパレータ １３ マルチチャンネル音響光学素子 １４ ビームエキスパンダ １５，１５1 〜１５10 発振器 １６ 鋼材 ２０ レーザー干渉計 ４０1 ，４０2 レーザービーム ５０1 ，５０2 アキシコンレンズ ５１1 ，５１2 ハーフミラー ５５ ミラー
Claims (7)
- 【請求項１】 励起用レーザー光源と、 前記励起用レーザー光源より発せられたレーザービーム
を複数のレーザービームとするビーム分割手段と、 少なくとも前記複数のレーザービームと同数のチャンネ
ルを有し、各チャンネルごとに独立して設けられた音響
光学素子に前記複数のレーザービームを通過させる音響
光学手段と、 前記音響光学手段の各チャンネルから出射するレーザー
ビームを、その進行方向に垂直な断面が直線状となるよ
うに各レーザービームを平行に引き伸ばすビーム伸張手
段と、 前記音響光学手段の各チャンネルの音響光学素子に所定
の電気信号を供給して前記音響光学手段の各チャンネル
から出射するレーザービームの強度及び方向の少なくと
も一方を制御する信号発生手段と、 前記ビーム伸張手段を経て検査対象に照射されたレーザ
ー光によって前記検査対象に生じた超音波又はこれが欠
陥により反射もしくは散乱された超音波を検出する超音
波検出手段と、 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】 前記信号発生手段は、前記音響光学手段
の各チャンネルから出射するレーザービームが、検査対
象の表面上において所定の時間間隔及び所定のライン間
隔で順番に照射されるような電気信号を、前記音響光学
手段の各音響光学素子に供給するものである請求項１記
載のレーザー超音波検査装置。 - 【請求項３】 前記信号発生手段は、前記音響光学手段
の複数のチャンネルから出射する各レーザービームが、
検査対象の表面上に所定のライン間隔で同時に照射さ
れ、且つこれらが前記検査対象の表面上において所定の
速度でライン方向と垂直な方向に走査されるような電気
信号を、前記音響光学手段の各音響光学素子に供給する
ものである請求項１記載のレーザー超音波検査装置。 - 【請求項４】 前記所定の速度は、前記検査対象を構成
する物質の表面を伝播する超音波の音速と同じ速度であ
る請求項３記載のレーザー超音波検査装置。 - 【請求項５】 前記所定の速度は、前記検査対象を構成
する物質の内部を伝播する超音波の音速によって定まる
速度である請求項３記載のレーザー超音波検査装置。 - 【請求項６】 前記所定の速度は、前記検査対象を構成
する物質の内部を伝播する超音波の音速によって定まる
第１の速度と、前記第１の速度と大きさが同じで向きが
反対の第２の速度からなり、前記複数のチャンネルから
出射するレーザービームのうち半分を第１の速度、残り
の半分を第２の速度とし、それぞれが前記検査対象の表
面を互いに近づく方向に走査されるようにした請求項３
記載のレーザー超音波装置。 - 【請求項７】 励起用レーザー光源と、 前記励起用レーザー光源より発せられたレーザービーム
を複数のレーザービームとするビーム分割手段と、 少なくとも前記複数のレーザービームと同数のチャンネ
ルを有し、各チャンネルごとに独立して設けられた音響
光学素子に前記複数のレーザービームを通過させる音響
光学手段と、 前記音響光学手段の各チャンネルから出射するレーザー
ビームを、その進行方向に垂直な断面がそれぞれに異な
る半径の円環状にするとともに、これらが検査対象の表
面上において複数の同心環状に照射されるようにする光
学手段と、 前記音響光学手段の各チャンネルの音響光学素子に所定
の電気信号を供給して、前記複数の同心環の外側から内
側に向かって所定のタイミングで順番に照射されるよう
に制御する信号発生手段と、 前記光学手段をへて検査対象に照射されたレーザー光に
よって前記検査対象に生じた超音波又はこれが欠陥によ
り反射もしくは散乱された超音波を検出する超音波検出
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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9065107A JPH10260163A (ja) | 1997-03-18 | 1997-03-18 | レーザー超音波検査装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9065107A JPH10260163A (ja) | 1997-03-18 | 1997-03-18 | レーザー超音波検査装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10260163A true JPH10260163A (ja) | 1998-09-29 |
Family
ID=13277356
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9065107A Withdrawn JPH10260163A (ja) | 1997-03-18 | 1997-03-18 | レーザー超音波検査装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10260163A (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004333175A (ja) * | 2003-04-30 | 2004-11-25 | Nippon Steel Corp | 多重ビームの照射によるレーザ超音波発生装置 |
| JP2009053043A (ja) * | 2007-08-27 | 2009-03-12 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | 表面傷検出用超音波探傷方法及び装置 |
| JP2010071884A (ja) * | 2008-09-19 | 2010-04-02 | Nippon Steel Corp | レーザ超音波法による材料中の縦波と横波の音速の計測方法及び装置 |
| JP2010071888A (ja) * | 2008-09-19 | 2010-04-02 | Nippon Steel Corp | レーザ超音波法による材料中の縦波と横波の音速の計測方法及び装置 |
| CN103808802A (zh) * | 2014-02-26 | 2014-05-21 | 南京理工大学 | 一种材料内部缺陷的全光学激光超声测定方法 |
| CN105301097A (zh) * | 2015-06-25 | 2016-02-03 | 浙江大学 | 一种激光超声激发与检测系统及其检测方法 |
| JP2019095419A (ja) * | 2017-11-22 | 2019-06-20 | 株式会社東芝 | レーザ励起超音波発生装置、レーザ超音波検査装置、及びレーザ超音波検査方法 |
| JP2021097098A (ja) * | 2019-12-16 | 2021-06-24 | 株式会社ディスコ | 検出装置 |
| JP2021103732A (ja) * | 2019-12-25 | 2021-07-15 | 株式会社ディスコ | ウエーハ生成方法、及びウエーハ生成装置 |
| JP2021193372A (ja) * | 2020-05-20 | 2021-12-23 | ザ・ボーイング・カンパニーThe Boeing Company | レーザー超音波検査システムのためのビームステアリング |
| CN116105907A (zh) * | 2022-12-03 | 2023-05-12 | 北京翔博科技股份有限公司 | 基于doe分束器的激光超声应力检测系统及方法 |
-
1997
- 1997-03-18 JP JP9065107A patent/JPH10260163A/ja not_active Withdrawn
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004333175A (ja) * | 2003-04-30 | 2004-11-25 | Nippon Steel Corp | 多重ビームの照射によるレーザ超音波発生装置 |
| JP2009053043A (ja) * | 2007-08-27 | 2009-03-12 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | 表面傷検出用超音波探傷方法及び装置 |
| JP2010071884A (ja) * | 2008-09-19 | 2010-04-02 | Nippon Steel Corp | レーザ超音波法による材料中の縦波と横波の音速の計測方法及び装置 |
| JP2010071888A (ja) * | 2008-09-19 | 2010-04-02 | Nippon Steel Corp | レーザ超音波法による材料中の縦波と横波の音速の計測方法及び装置 |
| CN103808802A (zh) * | 2014-02-26 | 2014-05-21 | 南京理工大学 | 一种材料内部缺陷的全光学激光超声测定方法 |
| CN105301097A (zh) * | 2015-06-25 | 2016-02-03 | 浙江大学 | 一种激光超声激发与检测系统及其检测方法 |
| JP2019095419A (ja) * | 2017-11-22 | 2019-06-20 | 株式会社東芝 | レーザ励起超音波発生装置、レーザ超音波検査装置、及びレーザ超音波検査方法 |
| JP2021097098A (ja) * | 2019-12-16 | 2021-06-24 | 株式会社ディスコ | 検出装置 |
| JP2021103732A (ja) * | 2019-12-25 | 2021-07-15 | 株式会社ディスコ | ウエーハ生成方法、及びウエーハ生成装置 |
| JP2021193372A (ja) * | 2020-05-20 | 2021-12-23 | ザ・ボーイング・カンパニーThe Boeing Company | レーザー超音波検査システムのためのビームステアリング |
| CN116105907A (zh) * | 2022-12-03 | 2023-05-12 | 北京翔博科技股份有限公司 | 基于doe分束器的激光超声应力检测系统及方法 |
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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: 20040601 |