JPS5890164A - レ−ザ光による超音波発受信方法および装置 - Google Patents

レ−ザ光による超音波発受信方法および装置

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JPS5890164A
JPS5890164A JP56188987A JP18898781A JPS5890164A JP S5890164 A JPS5890164 A JP S5890164A JP 56188987 A JP56188987 A JP 56188987A JP 18898781 A JP18898781 A JP 18898781A JP S5890164 A JPS5890164 A JP S5890164A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザ光を用いて非接触にて超音波を発受信す
る装置において、超音波発生用ならびに受信用レーデ光
を走査する方法および装置に関する。
近来、鉄鋼製造プロセス等の各種製造工程において、早
期の品質管理すなわち製造損失の減少を月相して、熱間
での探傷、測定技術への夢精が高まっている。このよう
な背景に応えて、非接触で超音波発受信が可能な磁界と
電流の相互作用を利用した電磁超音波技術やレーデ光に
よる超音波発受信技術に関する各種の提案がなされてい
る。また、一般に探傷や測定を行なう場合、被測定試料
全面の計測をすることが望まれ、例えば電磁超音波を用
いる場合、超音波発受信技術体を走査する方法、あるい
は、複数の発受信端をならべる方法等が実施されている
。しかし、これらの方法では、発受信端の走査装置や、
多数の発受信端を必要とするなど装置自体が大がかりに
なる欠点があった。
ところで、強力なパルスレーザ光を試料面に照射すると
、試料のごく表面層の物質が瞬時のうち忙蒸発、飛散し
その圧縮応力で試料面に強力なパルス状の超音波が発生
する。このような超音波発生技術は、光学的であるがゆ
えに回転鏡により走査をすることが可能で、これを応用
し、例えば特開昭54−153092号公報に示される
様な、レーザ光を回転鏡で走査することにより超音波を
発生走査し、直線状に配置された多数の電磁超音波検出
端で超音波を検出する方法が提案されている。
1−かじ、電磁超音波法には、試料面と検出端との間隔
の変動が4N号強度に強く影響する、という欠点があり
、複数の検出端の感度調整が困難な事、また前記の如く
装置が犬がかりになる、という欠点もある。
また超音波の受信もレーザ光を用いた光干渉法で行なう
提案がなされている。第1図はその1例でマイケルソン
形干渉計を示したものであり、レーザ源1から発生した
レーザ光は、光ビーム分割器2で測定ビーム3と比較ビ
ーム4に分割でれ、それぞれ試料5および全反射鏡6で
反射された後、合体され光電感知装置7で検出される。
ここで試料面が微小振動した場合、測定ビーム3の位相
が変化し、比較ビーム4との干渉の結果、光強度が変動
する。しかし、この方法では、試料面が光学的に平坦で
あることが要求されるという欠点がある。このような背
景から、特公昭56−19561号公報に示されるよう
な、表面が粗面であっても微小振動が検出可能な方法(
以下過渡干渉計と呼ぶ)が提案された。第2図はその原
理を示すもので、レーザ源1から発生したレーザ光は試
料5の表面で反射し光ビーム分割器2で測定ビーム8a
と比較ビーム8bに分割される。それぞれのビームは全
反射鏡6および9で反射され再び光ビーム分割器で合体
され光電感知装置7に伝達されるが、上記中比較ビーム
8bの伝達経路を測定ビーム8aのそれに比して長くと
ることで両ビーム間に時間的遅延を設けている。したが
って試料5の表面が微小変位した場合、測定ビーム8a
と比較ビーム8b間に時間的遅延に相当する位相ずれに
加えて、試料5の表面変位に相当する位相が付加され、
干渉の結果光強度が変化する。この場合、表面での散乱
光を分割した上干渉させているので、試料表面が粗面で
あっても有用であるが、試料表面を走査する場合、レー
ザ源lと干渉系10が同一点を見込むよう、2枚の回転
鏡を独立に制御する必要があり、また超音波の発生もレ
ーザ光で行なう場合には、さら【もう1枚の回転鏡を付
加する必要性がある。
ここでこの方法の実施例を第3図から第5図に示すが、
第3図や第4図のように被測定対象が複雑な形状の場合
、発生用レーデ光し1%受信用レーザ光L:ならびに受
信用散乱ビームL3が同一点を見込むように3枚の回転
鏡14.15.16の回転角をそれぞれ制御することは
極めて困難である。また第5図のように被測定対象が板
状の場合、回転鏡の回転角制御は前述の例程困難ではな
いが、対象が走行中にばたつくような場合に対す(5) る対応は不可能に近い。
本発明は、上述の欠点を解消し、超音波の発受信ともレ
ーザ光を用いて行ない、かつその走査を可能とすること
を目的とするものである。即ち本発明は、超音波発生な
らびに受信用にそれぞれ別個のレーザ光を使用し、それ
らの光路を被測定物体に到る以前に同一にし、1個の回
転鏡による走査を可能とすることにより任意の形状の対
象についての広い範囲にわたる超音波計測を可能とする
ことを特徴としている。
以下図示の実施例全参照しながらこれを詳細に説明する
第6図は本発明の実施例を示す側面図、第7図は、第6
図のa−b方向に見た正面図である。超音波発生用レー
ザ光源11より発生した時間幅の短かい(例えば20 
naec )高出力(例えば50 MW)のQスイッチ
・fシスレーデ光Lu  (波−1iλ+)Jd波長λ
lに対する全反射鏡25.24によって受信用レーザ光
り、の光路に合体せしめられ、さらに全反射鏡26.2
7に反射され被測定試料5に(6) 到達し超音波を発生する。次に超音波受信用レーザ光源
12より発生したレーザ光L2 (波長λ2、λ2Nλ
1)は、波長λ2に対する光ビーム分割器22、透過鏡
24、全反射鏡26.27を介して、該超音波発生点を
照射する。ここで超音波受信用レーザ光L2は、ノーマ
ル発振のパルス(伝えば)eルス幅200μ5ec)も
しくは連続光である。超音波発生用レーデ光L1によっ
て発生した超音波は被測定試料5の中を伝播(−1他面
で反射しエコーとして超音波発生点オで伝播し機械的変
位を生ぜしめる。超音波受信用レーザ光L2は、該機械
的変位の情報を担って被測定試本ト5の表面で散乱し、
そのうちの回転鏡27の方向へ散乱された光は、波長λ
2に対する全反射鏡27.26、透過鏡24、光ビーム
分割器22を介して干渉系29に到る。その後、該散乱
光は光ビーム分割器21で2つのビーム、1lll+定
ビームL4と比較ビームL5にf)割され、そのうちの
比較ビームL5は、全反射鏡18.19.20で構成さ
れる遅延経路を経た後、全反射億23で反射され戻って
きた測定ビームL4と合体され、光電感知装置17に到
って検出される。ここで第6図中の各種鏡について1と
めると、反射鏡]、 8 、19 、20 、23 、
25 。
26.27は全反射鏡、光ビーム分割器21゜22は波
長λ2に対する光ビーム分割器、反射鏡24は波長λ1
に対して全反射、波長λ2に対して透過であるような波
長選択性全反射鏡である。
なお、このような反射鏡は多層膜蒸着法によって実現さ
れる。以上のよう々配置で、一つの光軸上に合体された
超音波発生用ならびに受信用レーザ光は、回転鏡駆動装
置28によって駆動される回転鏡27で、被測定試料5
の上を走査する。第7図は、その走査の様子を示したも
ので、被測定試料5が、第6図中の白抜き、矢印の方向
へ移動しているものとすれば、広い範囲にわたるジグザ
グ状の走査が可能となる。
ここで、超音波受信用レーザ光り、の被測定試料5での
散乱光が該機械的変位1(よって位相のみずれるとする
と、干渉系29中の遅延経路は、信号の良好ない比を得
るためには、比較ビームL。
と測定ビームL4の光路差が波長λ2のAの奇数倍とな
る必要がある。ところで光波の移動体によって散乱され
るとドッゾラ効果により周波数変調を受ける。したがっ
て、ある時刻tにおける測定ビームL4ならび比較ビー
ムI、、lけそれぞれ(1)。
(2)式のように表わされる。
yl(t) = ’+μs(2πf1t+φ1)   
・・・(1)Y$)= E2所(2πf2t+φ2〕 
  ・・・(2)ここでfl、 f2.φ1.φ2はそ
れぞれのビームの時刻【における周波数および位相を表
わし、典型的な場合として比較ビームL11が超音波エ
コーの到着前、測定ビームL4が到着後の情報全損って
いる時点においては f、=fo十Δf(fo:受信用レーデ光の周波数f2
=fo      Δf:ドッグラ効果による周波数偏
移)φ1=φ、  (φ、:機械的変位に相補する位相
差)φ2=O となる。したがって、光電感知装置17における光電界
e(1)は (9) e(t) ” ”1(t) +”2(t)=Re〔(E
lexp(jφ、)+E、、 6XPj (2πfat
+φ2)Iexp(j2πf、t)〕(fo=f2− 
f、)        ・(3)したがって光電感知装
置17の出力電流は■oc [Ele xp (jφ1
)+E2exp(j(2πfot+φ2))〕×[:E
lexp(−Jφ1)+E2exp (−j(2πfo
t+φ2))〕= E1+FC2+2E1E2cns 
(2πfot+φ2−φ1)・・・(4)検出信号中、
該機械的変位の情報は(4)式右辺第3項である。さて
、Qスイッチされたレーデ光L1によって発生する超音
波は、数MI(zから数10MHzの帯域成分が主成分
であり、一般にこのような周波数範囲の場合、検出信号
には位相偏移より周波数偏移の方が大きく寄与する。し
たがって、干渉系29中の遅延経路長に関しては、前記
のような厳密な調整は要求されない。
以上に述べたように本発明によれば、被測定体(10) と超音波発受信系を数m離し、なおかつ走査し得るとい
う利点があるので、広い範囲にわたって熱間での超音波
による探傷、厚み測定、介在物検出、超音波伝播速度に
よる温度測定など多種多様々適用が可能であり、また光
学的な超音波発受信法であるので、電磁超音波技術を適
用できないような空間的制約のきびしい場所での計測に
も有効である、という利点ヲ有する。また上述のように
各レーザ光の光軸の調整以外は、厳密な調整や制御を必
要としない、という利点があるので、実際の生産工程な
ど悪環境下での実機化に有利である。
なお、以上の実施例においては、2種の波長のレーザ光
の走査に用いる全反射鏡は平面鏡であるものとしたが、
中心軸の1わりを回転する正n角柱形の全反射鏡であっ
てもよい。
また実施例において、干渉系29は、過渡干渉系とした
けれども、マイケルソン型干渉系でも勿論よい。
また更に、第6図の実施例において該2種のレーザ光の
光路を一致させる場合、超音波発生用レーザ光の光路を
受信用レーザ光の光路に一致させ走査したが、発生用レ
ーザ源11、受信用レーザ源12、干渉系29の配置を
適宜変更しても上述と同じ効果が得られる。第8図から
第10図は、本発明の他の実施例を示す。これらの場合
、第6図中の平面鏡22.24に対応する鏡の特性が変
わり、第8図の場合鏡30は、受信用レーザ光の波長λ
2に対する光ビーム分割器、鏡31は発生用レーザ光の
波長λ1に対しては透過、λ、に対しては全反射である
波長選択性全反射鏡である。
第9図の場合、鏡32はλ1に対して透過、λ鵞に対し
て全反射である波長選択性全反射鏡、鏡33は両波長に
対する光ビーム分割器である。捷た第10図の場合は、
鏡34はλlに対して透過、λ鵞に対して全反射である
波長選択性全反射鏡、鏡35は両波長に対する光ビーム
分割器である。
なお、以上に示した本発明の実施例においては、超音波
発生用レーザ光の波長λ!と受信用レーデ光の波長λ2
は、それぞれ異なるものとしたが、これは任意の厚みを
持つ被測定対象に対して適用し得る、という観点からで
あった。すなわち、もし発生および受信用九同波長の光
源を用いると、発生用レーザ光の散乱光を光電感知装置
に到る前に除去することが不可能と力る。そのため、パ
ルス発生時点からある時間間隔の間、不感帯を生じ、も
し被測定対象の肉厚が薄くあるいけ内部欠陥が表Jfi
近くにある場合超音波反射エコーが不感帯の間に到着す
ると計測不能に陥るためであった。したがって、もし被
測定対象の肉厚あるいは内部欠陥深さが不感帯の時間間
隔に和尚する値以上であれば、発生・受信用とも同波長
の光源を用いても検出信号のS/N比は若干低下するが
上述とほぼ同様な効果が得られる。この場合光源ならび
に干渉系の配置は、第6図から第10図に示した配置と
全く同一で、第6図中の平面鏡22.24に対応する鏡
への要求が軽くなる。第11図から第14図は、以上の
内容の実施例を示すもので、超音波発生用レーザ源11
ならびに受信用レーザ源12の出力光の波長λ1 、λ
2は等しく、また各図中の平面鏡36.37は共に該波
長に対する光ビー(13) ム分割器である。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のマイケルソン形干渉計の配置を示す図解
図、第2図は過渡干渉計の原理的な配置を示す図解図で
ある。第3図から第5図は、種々の形状の測定対象に対
してレーザ光により発受信する超音波を走査する場合の
複数の回転鏡を用いる方法を示す図解図である。第6図
は本発明の実施例を示す側面図、第7図は第6図でa−
b線方向に見た部分正面図である。第8図から第10図
は、本発明の他の実施例を示す図解図である。第11図
から第14図は本発明の更に他の実施例を示す図解図で
ある。 ■・・・レーザ、2・・・光ビーム分割器、5・・・被
測定試料、6・・・全反射鏡(平面鏡)、7・・・光電
感知装置、9・・・全反射鏡(平面鏡)、11.12・
・・レーザ、13・・・光干渉装置、14,15.16
・・・回転鏡(平面鏡)、17・・・光電感知装置、1
B、19゜20・・・全反射鏡(平面鏡)、21.22
・・・光ビーム分割器、23・・・全反射鏡(平面鏡)
、24・・・波(14) 長選択性全反射鏡(平面鏡)、25.26・・・全反射
鏡(平面鏡)、27・・・回転鏡(平面鏡)、28・・
・回転鏡駆動装置、30・・・光ビーム分割器、31゜
32・・・波長選択性全反射鏡(平面鏡)、33・・・
光ビーム分割器、34・・・波長選択性全反射鏡(平面
鏡)、35.36.37・・・光ビーム分割器。 第1回 第2z (15) 第3図 第4回 □− 亭6回 第7図 手続補正:’F  (自発) 昭牙1158年2月140 特許庁長官 若 杉 和 夫殿 ■ 事件の表示 昭和56年特許願第188987号 2、 発明の名ゼド レーザ光による超音波発受信方法および装置3、補11
モをする者 事件どの関係 特許出願人 東京都千代II+区大手町ニーJ才16番3−υ(66
5)肪11本製鐵株式會?l。 代入−K 武  1)   豊 4、代理人〒100 東ぢ一部千代111区丸の内二丁114番1号6、 補
正の対象 明細書全文 7、 補正の内容 別紙のとおり 明     細     書 1、発明の名称 レーザ光による超音波発受信方法および装置2、特許請
求の範囲 (1)時間幅の短かい高出力iJ?ルスレーザ光を物体
の表面に照射してノJ?ルス状の超音波を発生させ、該
超音波の反射エコーによって生ずる機械的変位の発生部
分に、さらに他のレーザ光を照射し、その散乱光を用い
た光干渉方式によって前記物体表面の機械的変位を検出
する超音波発受信方法において、前記2種のレーザ光の
光路を被検体に到達する以前に合体せしめることを重機
とするレーザ光による超音波発受信方法。 (2)超音波発生用レーザ光源と、超音波受信用レーザ
光源を設け、前記超音波発生用レーザ光源から発生せし
められたレーザ光り、と超音波受信用レーザ光源からの
レーザ光L2の何れか一方の少なくともその一部を透過
せしめ、他方を反射せしめて、レーザ光L1+L2を合
体せしめる反射鏡を設け、さらに被検体から反射し、前
記レーザ(1) 光L11L2の合体光路上を通るレーザ光を干渉系に霞
く光路を設けてなるレーザ光による超音波発受信装置。 3、明の詳細な説明 接触で超音波を発受信する方法および装酋に関し、就中
、超音波発生用ならびに受信用レーザ光の光路を同一に
して、被検体の疵検用を行なったり、寸法測定を行なっ
たシする方法、装置に関する。 近来、たとえば鉄鋼製造プロセスの如き各種製造工程に
おいて、欠陥を早期に摘出し、製造損失の減少を計るた
めに、中間製品を熱間で探促成は寸法測定するだめの技
術の必要性が高まってきている。 被検体が高温でおる場合、従来の超音波発生用のように
、超音波発生伝達手段と被検体との間に、音響結合媒体
を存在せしめなければならない探傷或は寸法測定技術は
適用できない。 高温の被検体に対し非接触で超音波を退入し、エラーを
検出する技術の1つとして導電性の被検体に対し、磁界
と電流の相互作用を利用した電磁超音波発生検出技術が
ある。 また、被検体に対し非接触で超音波を退入し、エコーを
検出するもう1つの技術としてレーザ光を利用する超音
波発生検出システムがある。 このレーザ光を利用する超音発生システムは、強力なノ
4ルスレーザ光を被検体表面に照射すると、被検体の極
く表面層の物質が瞬時のうちに蒸発、飛散し、その圧縮
応力で被検体表面に強力なパルス状の超音波が発生する
現象を応用している。 このレーザ光によシ超音波を発生し、他の手段で検出す
るシステムの1つにパルス状レーザ光の照射によって被
検体表面に、パルス状の超音波を発生させ、エコーは、
前述の電磁超音波の発生検出システムにおける検出手段
と同様の、磁界と被検体の振動によって誘起される電流
を検出するシステムがある(特開昭54−153092
号公@)。 また超音波の受信もレーザ光を用いた光干渉法で行なう
提案がなされている。第1図はその1例でマイケルソン
形干渉計を示したものであ夛、レ−ザ源1から発生した
レーザ光は、光ビーム分割器2で測定ビーム3と比較ビ
ーム4に分割され、それぞれ試料5および全反射鏡6で
反射された後、合体され光電感知装置7で検出される。 ここで試料面が微小振動した場合、測定ビーム3の位相
が変化し、比較ビーム4との干渉の結果、光強度が変動
する。しかし、この方法では、被検体面が光学的に平坦
であることが要求されるという欠点がある。このような
背景から、特公昭56−19561号公報に示されるよ
うな、表面が粗面であっても微小振動が検出可能な方法
(以下過渡干渉計と呼ぶ)が提案された。第2図はその
原理を示すもので、レーザ源1から発生したレーザ光は
試料5の表面で反射し光ビーム分割器2で測定ビーム8
aと比較ビーム8bに分割される。それぞれのビームは
全反射鏡6および9で反射され再び光ビーム分割器で合
体され光電感知装置7に伝達されるが、上記中比較ビー
ム8bの伝達経路を測定ビーム8aのそれに比して長く
とることで両ビーム間に時間的遅延を設けている。した
がって被検体50表面が微小変位した場合、測定ビーム
8aと比較ビーム8b間に時間的遅延に相当する位相ず
れに加えて、被検体50表表面位に相当する位相が付加
され、干渉の結果光強度が変化する。この場合、光面で
の散乱光を分割した上干渉させているので、被検体面が
粗面であっても有用である。 しかしながら、たとえば鉄鋼製造プロセスにあっては、
鋼管や鋼ストリツプ製造過程のように、平面でないもの
であって動いている対象或は、平面であっても動いてい
てばたつきを伴なっているものを対象として、この対象
の広い面を迅速に、疵検出のだめの走査を行なう必要が
ある場合が多い。 かかる要請に対しては、先に述べた従来の技術的手段は
充分ではない。すなわち、超音波の発生およびそのエコ
ーの検出に、磁界と電流と機械的波動の相互関係を利用
する所謂電磁超音波発生検出技術を適用する場合は、超
音波発生検出ヘッドを被検体表面に沿って走査させるか
、多数のヘッドを配設しなければならないが、超音波発
生、検出ヘッドの走査装置や多数の発生\検出ヘッドを
必要とする等、装置が非常に犬がかシとなシ実際的では
ない・ まだ、超音波の発生にレーザ光を利用し、検出に、機械
的振動と磁界と電流の相互作用を利用する技術を適用す
る場合は、超音波発生用のレーザ光は、それが光である
故に回転鏡によシ被検体表面を走査することが可能であ
るけれども、この技術によって広い面を迅速に走査する
だめには、検出端を多数配設しておかねばならない。 ところが、電磁式超音波検出手段においては、被検体表
面と、検出端との間隔の変動が信号強度に強く影響する
という欠点があシ、複数の検出端の感度調整が困難なこ
と、寸た装置が犬がかりとなりこれも実用的ではない。 さらに、超音波の発生、検出ともにレーザ光を利用する
技術を適用する場合は、被検体表面を走査するとき、レ
ーデ光源lと干渉計10が同一点を見込むよう、2枚の
回転鏡を独立に制御する必要があり、また超音波の発生
もレーザ光で行なう場合には、さらにもう1枚の回転鏡
を付加する必要がある。 ここでこの方法の実施例を第3図から第5図に示すが、
第3図や第4図のように被測定対象が複雑な形状の場合
、発生用レーザ光し1%受信用レーザ光L!ならびに受
信用散乱ビームL3が同一点を見込むように3枚の回転
鏡14115.16の回転角をそれぞれ制御することは
極めて困難である。また第5図のように被測定対象が板
状の場合、回転鏡の回転角制御は前述の例程困難ではな
いが、対象が走行中にばたつくような場合に対する対応
は不可能に近い。 本発明は上に述べた従来技術における問題を解決し、複
雑な形状を有する、或は動いている被検体の広い面を迅
速に走査することが可能な、コンパクトな、レーザ光に
よる超音波発生、検出手段を得ることを目的としている
。 本発明の要旨とするところは下記のとおシである0 (1)時間幅の短かい高山カッ4ルスレーザ光を物体の
表面に照射して/(’ルス状の超音波を発生させ、該超
音波の反射エコーによって生ずる機械的変位の発生部分
に、さらに他のレーザ光を照射し、その散乱光を用いた
光干渉方式によって前記物体表面の機械的変位を検出す
る超音波発受信方法において、前記2種のレーザ光の光
路を被検体に到達する以前に合体せしめることを特徴と
するレーザ光による超音波発受信方法。 (2)超音波発生用レーザ光源と、超音波受信用レーザ
光源を設け、前記超音波発生用レーザ光源から発生せし
められだレーデ光L1と超音波受信用レーザ光源からの
レーザ光L2の伺れか一方の少なくともその一部を透過
せしめ、他方を反射せしめて、レーザ光Lt*Ltを合
体せしめる反射鏡を設け、さらに被検体から反射し、前
記レーザ光LI+L2の合体光路上を通るレーザ光を干
渉系に導く光路を設けてなるレーザ光による超音波発受
信装置。 以下に、本発明の詳細な説明する。 先ず、基本的には、複雑な形状で動いている被検体或は
鋼ストリップのように動いていてばたつきのある被検体
の広い面を迅速に走査するという技術的課題を解決する
ためには、超音波の発生、検出ともに光学的なものでな
ければならない。従って、超音波の発生、検出ともにレ
ーザ光を応用するシステムとなる。 超音波の発生、検出にレーザ光を利用する従来の技術に
おける根本的な問題は超音波発生用ビームと、検出用ビ
ームの光路がばらばらであることに起因している。 発明者等は、この点に着目し、超音波発生用ならびに受
信用に、それぞれ別個のレーザ光を使用するとともに、
それらの光路な被検体に到る以前に同一にし、1箇の回
転鏡による走査を可能にすることによシ、任意の形状の
対象(被検体)の広い面を迅速に走査することが可能な
超音波発生、検出システムを完成させた。 以下図示の実施例を参照しながら本発明をさらに詳細に
説明する。 第6図は本発明の実施例を示す側面図、第7図は、第6
図のa−b方向に見た正面図である。超音波発生用レー
ザ光源11よ多発生した時間幅の短かい(例えば20 
nj+ee )高出力(例えば50MW ) ノQスイ
ッチパルスレーザ光L1  (波長λ1)は波長λ1に
対する全反射鏡25.24によって受信用レーデ光L2
の光路に合体せしめられ、さらに全反射鏡26.27に
反射され被測定試料5に到達し超音波を発生する。次に
超音波受信用レーザ光源12よ多発生したレーザ光L2
  (波長λ2 、λ2Nλl)は、波長λ2に対する
光ビーム分割器22、透過鏡24、全反射鏡26.27
を介して、該超音波発生点を照射する。ここで超音波受
信用レーザ光L2は、ノーマル発振のパルス(例えばパ
ルス幅200μsec )もしくは連続光である。超音
波発生用レーザ光L1によって発生した超音波は被検体
5の中を伝播し、他面で反射しエコーとして超音波発生
点まで伝播し機械的変位を生せしめる。超音波受信用レ
ーザ光L2は、該機械的変位の情報を担って被検体5の
表面で散乱し、そのうちの回転鏡27の方向へ散乱され
た光は、波長λ2に対する全反射鏡27,26、透過鏡
24、光ビーム分割器22を介して干渉計29に到る。 その後、該散乱光は光ビーム分割器21で2つのビーム
、測定ビームL4と比較ビームLfiに分割され、その
うちの比較ビームLMは、全反射鏡18,19.20で
構成される遅延経路を経た後、全反射鏡23で反射され
戻ってきた測定ビームL4 と合体され干渉し、光電感
知装置17に到って検出される。ことで第6図中の各種
鏡についてまとめると、反射鏡18,19,20,23
゜25.26,27は全反射鏡、光ビーム分割器21 
、’22は波長λ2に対する光ビーム分割器、反射鏡2
4は波長λlに対して全反射、波長λ2に対して透過で
あるような波長選択性全反射鏡である。なお、このよう
な反射鏡は誘電体多層膜蒸着によって実現される。 上に述べた、本発明の構成になるレーデ光による超音波
発生、検出シスヂムによれば超音波発生用レーザ光と、
受信用レーザ光が被検体に到達する以前に1つの光軸上
に合体されるから、本発明における技術的課題のすべて
は、よシよく解決される。すなわち、複雑な形状を呈す
る被検体であっても1箇の回転鏡で走査可能である。ま
た、動いているばたつきのある鋼ストリップが被検体で
ある場合でも探傷が可能である。 第6図、記7図に示すように、一つの光軸上に合体され
た超音波発生用ならびに受信用レーザ光は、回転鏡駆動
装[28によって駆動される回転鏡27で、被検体5の
上を走査する。第7図は、その走査の様子を示したもの
で、被検体5が、第6図中の白at矢印の方向へ移動し
ているものとすれば、広い範囲にわたるジグザグ状の走
査が可能となる。 ここで、超音波受信用レーザ光L2の被検体5での散乱
光が該機械的変位によって位相のみずれるとすると、干
渉計29中の遅延経路は、信号の良好なS/N比を得る
ためには、比較ビームL5と測定ビームL40光路差が
波長λ2の1/2の奇数倍となる必要がある。ところで
光波は移動体によって散乱されるとドラグラ効果によシ
周波数変調を受ける。したがって、ある時刻tにおける
測定ビームL4ならびに比較ビームLIlはそれぞれ(
1)。 (2)式のように表わされる。 yl(t) ”” E 1 cm (2πf1t+φ、
)     ・(1)y2(t) = E2邸(2πf
2t+φ2)    ・・・(2)ここでfl z f
2 +φ1.φ2はそれぞれのビームの時刻tにおける
周波数および位相を表わし、典型的な場合として比較ビ
ームL5が超音波エコーの到着前、測定ビームL4が到
着後の情報を担っている時点においては f1=fo十Δf (fo:受信用レーザ光の周波数f
2=fo      Δf:ドッゾラ効果による周波数
偏移)φ =φ  (φt:機械的変位に相当する位相
差)t φ2=φ  (φ :時間遅延に相当する位相差)とな
る。したがって、光電感知装置17における光電界e(
1)は ’(j) ”” yl(t) +3’2(t)= Re
((Elexp(jφ1)+E2expj(2πfOt
十φ2))exp(j2πf1t))Cfo=f2−f
、)        −(3)したがって光電感知装置
17の出力電流はIoc [Eloxp(jφ+) +
Ezexp(j(2πfot+φ2)):IXCg、 
exp(−jφ、) + E2 exp(−j (2π
fot十φ2))〕−E% 十E2’ +2E、E2c
os(2πfot+φ2−φ、 )   −(4)検出
信号中、該機械的変位の情報は(4)式右辺第3項であ
る。さて、Qスイッチされたレーザ光L1によりて発生
する超音波は、数MHzから数lO■(2の帯域成分が
主成分であシ、一般にこのような周波数範囲の場合、検
出信号にf:l、位相偏移よシ周波数偏移の方が大きく
寄与する。したがって、干渉計29中の遅延経路長に関
しては、前記のような厳密な調整は要求されない。 以上に述べたように本発明によれば、被検体と超音波発
受信系を数m離し、なおかつ走査し得るという利点があ
るので、広い範囲にわたって熱間での超音波による探傷
、厚み測定、介在物検出、超音波伝播速度による温度測
定など多種多様な適用が可能であ如、また光学的な超音
波発受信法であるので、電磁超音波技術を適用できない
ような空間的制約のきびしい場所での計測にも有効であ
る、という利点を有する。また上述のように各し一ザ光
の光軸の調整以外は、厳密な調整や制御を必要としない
、という利点がd〉るので、実際の生産工程など悪環境
下での実機化に有利である。 なお、以上の実施例においては、2種の波長のレーザ光
の走査に用いる全反射鏡は平面鏡であるものとしたが、
中心軸のまわシを回転する正n角柱形の全反射鏡であっ
てもよい。 また実施例において、干渉計29は、過渡干渉計とした
けれども、マイケルノン形干渉計でも勿論よい。 また更に、第6図の実施例において該2種のレーザ光の
光路を一致させる場合、超音波発生用レーザ光の光路を
受信用レーザ光の光路に一致させ走査したが、発生用レ
ーザ源11、受信用レーザ源12、干渉計29の配置を
適宜変更しても上述と同じ効果が得られる。第8図から
第1O図は、本発明の他の実施例を示す。これらの場合
、第6図中の平面鏡22.24に対応する鏡の特性が変
わシ、第8図の場合鏡30は、受信用レーデ光の波長λ
2に対する光ビーム分割器、鏡31は発生用レーザ光の
波長λ!に対しては透過、λ2に対しては全反射である
波長選択性全反射鏡である。 第9図の場合、鏡32はλ1に対して透過、λ2に対し
て全反射である波長選択性全反射鏡、鏡33は両波長に
対する光ビーム分割器である。また第10図の場合は、
鏡34はλ1に対して透過、λ2に対して全反射である
波長選択性全反射鏡、鏡35は両波長に対する光ビーム
分割器である。 なお、以上に示した本発明の実施例においては、超音波
発生用レーザ光の波長λ1 と受信用レーザ光の波長λ
2は、それぞれ異なるものとしたが、これは任意の厚み
を持つ被検体に対して適用し得る、という観点からであ
った。すなわち、もし発生および受信用に同波長の光源
を用いると、発生用レーザ光の散乱光を光電感知装置に
到る前に除去することが不可能となる◎そのため、パル
ス発生時点からある時間間隔の間、不感帯を生じ、もし
被検体の肉厚が薄くあるいは内部欠陥が表層近くにある
場合超音波反射エコーが不感帯の間に到着すると計測不
能に陥るためであった・したがって、もし被検体の肉厚
あるいは内部欠陥深さが不感帯の時間間隔に相当する値
以上であれば、発生・受信用とも同波長の光源を用いて
も検出信号のS/N比は若干低下するが上述とほぼ同様
な効果が得られる。この場合光源ならびに干渉計の配置
は、第6図から第10図に示した配置と全く同一で、第
6図中の平面鏡22.24に対応する鏡への要求が軽く
なる。第11図から第14図は、以上の内容の実施例を
示すもので、超音波発生用レーザ源11ならびに受信用
レーザ源12の出力光の波長λ1 、λ2は等しく、ま
だ各図中の平面鏡36゜37は共に該波長に対する光ビ
ーム分割器である。 4、図面の簡単な説明 第1図は従来のマイケルソン形干渉計の配置を示す図解
図、第2図は過度干渉計の原理的な配置を示す図解図で
ある。第3図から第5図は、種々の形状の測定対象に対
してレーザ光によシ発受信する超音波を走査する場合の
複数の回転鏡を用いる方法を示す図解図である。第6図
は本発明の実施例を示す側面図、第7図は第6図でa−
b線方向に見た部分正面図である。第8図から第10図
は、本発明の他の実施例を示す図解図である。第11図
から第14図は本発明の更に他の実施例を示す図解図で
ある。 1・・・レーデ、2・・・光ビーム分割器、5・・・被
検体、6・・・全反射鏡(平面鏡)、7・・・光電感知
装置、9・・・全反射鏡(平面鏡)、11,12・・・
レーザ、13・・・光干渉装置、14,15,16・・
・回転鏡(平面鏡)、17・・・光電感知装置、18,
19,20・・・全反射鏡(平面鏡)、21.22・・
・光ビーム分割器、23・・・全反射鏡(平面鏡)、2
4・・・波長選択性全反射鏡(平面鏡)、25.26・
・・全反射鏡(平面鏡)、27・・・回転鏡(平面鏡)
、28・・・回転鏡駆動装置、30・・・光ビーム分割
器、31゜32・・・波長選択性全反射鏡(平面鏡)、
33・・・光ビーム分割器、34・・・波長選択性全反
射鏡(平面鏡)、35,36,37・・・光ビーム分割
器。 6”s)         −393

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)時間幅の短かい高出力パルスレーザ光を物体の表
    面に照射してパルス状の超音波を発生させ、該超音波の
    反射エコーによって生ずる機械的変位の発生部分に、さ
    らに他のレーデ光を照射し、その散乱光を用いた光干渉
    方式によって前記物体表面の機械的変位を検出する超音
    波発受信方法において、前記2種のレーザ光の光路を被
    測定物体に到達する以前に合体せしめることを特徴とす
    るレーザ光による超音波発受信方法。
  2. (2)超音波発生用レーザ光源と、超音波受信用レーザ
    光源を設け、前記超音波発生用レーザ光源から発生せし
    められたレーザ光Llと超音波受信用レーザ光源からの
    レーザ光L2の何れか一方の少なくともその一部を透過
    せしめ、他方を反射せしめて、レーデ光L1 +Lt’
    に合体せしめる反射鏡を設け、さらに測定対象から反射
    し、前記レーザ光Ll 、L2の合体光路上を通るレー
    ザ光を干渉系に導く光路を設けてなるレーザ光による超
    音波発受信装置。
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