JPS5977319A - 超音波表面波の測定方法及びその測定装置 - Google Patents

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】 この発明は、超音波表面波の測定方法及びその測定装置
に係シ、特に、広帯域超音波表面波の振幅と伝播方向と
の両方を測定する方法及びその装置に関する。

複数の単色のレーザ・ビームは、これらの相対的な位相
に従って干渉する。この生じた干渉パターンは、干渉し
まといわれる明暗帯からなる強弱分布である。この位相
が波長の２πラジアンの横波で伝わるとき、同一レーザ
・ビーム源から射出された２本のビームの相対的な位相
は、相互間の光路長差と考えられる。波長の整数倍に等
しい光路長差を伴なった像面上の２点は互いに干渉する
。したがって、光路長の半分の光路差では干渉は生じな
い、一方に比較して他方のビームの光路長を同一時間に
変化さすことは、干渉しまの同期の並進運動が起きる。

１波長の変位は干渉ｉ４ターンにおいて１つの干渉しま
の位１ｂ１の移動を生じさす。２本のビーム光路が同じ
距離で同時に変化する場合、干渉しまの並進運動は起き
ない。この干渉しまの並進運動は光学的検出器によって
監視される。

超音波表面波測定のために、２本の単色ビームを超音波
表面波の凶波長だけ離れた試験体の表面に集束させる。

その入射ビームからの反射はその後束ねられて干渉しま
／ＩＰターンを形成し差動干渉側と呼ばれる。言い換え
れば、干渉しまパターンは固定したままで残る。試験体
上に発生した超音波表面波が入射ビームと相互作用した
とき、干渉しまの並進運動は起きる。この相互作用は超
音波表面波によシピームを反射する試駆体表面の変調は
各ビームの光路長を同時に変える。表面超音波の１／２
波長だけ離れて入射された入射光は最大応差の波長の変
調をする。

正確に１波長離れて入射させれば、相互の光路長の変位
は零となシ、干渉しまの移動が起こらない。又、試験体
の並進運動にょシ干渉しまの移動が生じない。

２対のビーム差動干渉計はいくつかの限界がある。焦点
調整は超音波表面波の振幅と、２点を通過する波形に関
して超音波表面波の伝播の角方向とに基づいている。そ
こで、超音波表面波の検出した振幅は、波形に平行な方
向に沿う表面波運動の成分である。従って、振幅が等し
くなくまた角方向の異なる超音波表面波は２光線束干渉
計には同じものに見えることがある。

事実、関連波形に９０度の入射角で伝播する超音波表面
波は、その存在の検出可能な信号が理想的には発生しな
い。

２対の二重ビーム干渉計からの４本のビームを超音波表
面波に集束させられて、この４本のビームは十字状配位
で測定される。すなわち、二重ビームの６対の間の仮想
上直線が互いに垂直となる。反射ビームは対に分けられ
、その後、検・出されて２つの信号を生じる。この２つ
の（ｇ号は処理されて超音波表面波の振幅と伝播方向と
の両方を設定する。この反射ビームの分離は一方の対か
ら異なって他方の二重ビームを偏光することが先に伴な
ってから、この偏光する１対の２木のビームをも超音波
表面波に焦束させられる。

その後、２対の反射ビームは異なる偏光に従って分離さ
れる。

以下添付図面を参照してこの発明の一実施例について説
明する。

第１図中、４５度偏光したレーザ・ビームを発生するレ
ーザ源１１が示され、レーザ源１１からのビーム１２け
ビーム・スプリッタ１５によシ等しい強さの２本のビー
ム１３．１４に分光される。一方のビーム１３はビーム
・スプリッタ１８によシ等しい強さの２本のビーム１６
゜１７にさらに分光される。他方のビーム１４は反射什
Ｊ　９．２ｏによシ夫々反射され、そして、ビーム・ス
プリッタ１８によシ等しい強さの２本のビーム２１．２
２に分光される。ビーム１７．２２は反射鏡２３によシ
反射されて水平面に４５度で固定したドブ・プリズム２
４に入射する。ドブ・プリズム２４はビーム１６゜２１
に関して垂直な方向にビーム１７．２２を回転する。こ
の回転したビーム２ｓ、２６（ビーム２６はビーム２５
の背後にあるので示されない）は反射鏡２７によシ反射
されて偏光ビーム・スプリ、り２８に入る。

また、ビーム１６．２１はビーム・スプリッタ２８へ向
けられ、このビームｅスプリッタ２８はビーム１６．２
１に関して９０度にビーム２５．２６を偏光する。さら
に、４本のビーム全てはビーム・スゾリ、り２８によシ
平行に照準され、また、中心を合わせられる。

ビーム・スプリッタ２８からの２対のビームはビーム・
スゾリ、り２９と可変焦点レンズ３０を通過して超音波
表面波３２が測定される対物表面に入る。対物表面３ノ
上に焦点が合わされた４本のビームの方向は第２図に示
される。

ビーム２５　ｔ、　２６及びビーム１６，２ｘは、超音
波表面波とけ１／２波長離れている。ビームは最大感度
を得るためには（ｎ　＋　１／２　）、ｎ＝０゜１．２
．３．・・・波長離れて選択的に使用され得る。ビーム
２５．２６の中心間の仮想直線４３と、ビーム１６．２
１の中心間の仮想直線４４とは互いに垂直である。

干渉計ビームの両肘は、可変焦点レンズ３０によシ対物
表面３１に延光され、再び集束させられる。レンズ３０
で、対物表面３１上のビーム焦点の分離位置は変えられ
る。しかしながら、ビーム焦点の分離位置は、この系の
前工程でビームが分離されているときには、適当にビー
ムの対をあらかじめ分離することによシ容易におこなえ
る。これは、反射鏡２０と２７の位置を変えることによ
シ達成される。

対物表面３１によシ反射されたビームは、可変焦点レン
ズ３０及びビーム・スゾリ、り２９を通過して偏光ビー
ム・スプリ、り３３に入射する。この偏光ビーム・スゾ
リ、り３３は、反射ビーム１６’　、　２１から反射ビ
ーム２５．２６を分離する。反射ビーム１６　、２１　
ｕ、し”／ス３４、ロンキー格子３５及びレンズ３６を
通過して検出器３７に至る。反射ビーム２５．２６は、
レンズ３８、ロンキー格子３９及びレンズ４０ｆ：通過
して検出器４１に至る。検出器３７からの出力信号Ｘは
、ｉｌｉ！ｉ！４４に沿って超音波表面波３２の運動に
比例しておシ、検出器４１からの出力信号Ｙは、仮想直
線３３に沿って超音波表面波３２の運動に比例している
。この出力信号Ｘ及び出力信号Ｙは信号処理装置４２へ
送られ、この信号処理装置でメ、２　＋　、２　（超音
波表面波３２の振幅）が計算され、ｔａｎ　Ｉ　Ｙ／Ｘ
（超音波表面波３２の伝播方向）が計算される。

ｊａｎ　”Ｙ／Ｘの角度は時計回シ方向で線４４からの
角度である。信号演算処理装置４２はアナログもしくけ
デジタルのどちらかの計算方法でも処理することができ
る。

ロンキー格子３５．３９の目的は、干渉し壕の像を空間
的に濾光することである。干汗じまには１／４波の位相
が格子、９５，３．９へ重ね合わせられる。従って全部
にわたる時間的に変化のない（ｄａ）明るい強度は半減
され、また、干渉しまの移動による調整明るさは、９間
的な虜、光なしの系にわたって効果的に二重となる。

この発明の利点は、この発明が広域帯超音波表面波の振
幅と伝播方向との両方を測定する二重の２光線東干渉計
を設けることである。

２重の２光線束差動干渉計は単一の干渉計に比較してい
かなる不利をも有しない。この二重の２光線束干渉計は
単一の干渉計から改正されない問題である諸限界を有し
ている。この１つの限界は伝播方向を決定できないこと
である。角方向は４５度でビーム焦点の対の両方に入射
する場合を除いて全ての表面超音波に対して決定される
ことができる。この問題は、第３図中に示されるように
もう一方の方向に関して１つの方向の検知の間に時間差
動を作シ出す、２つの直交に偏光された焦点間の分離の
位置をわずかに減少することによって緩和される。

２光線束干渉札１の他の限界は超音波表面波のエツジ効
果及び高周波減衰からの検知された信号に対応す石■シ
である。超音波表面波のエツジ〃１果け、訳りた信号が
発生さぜられる波面に平行な距離を隔てて対差する振幅
を作シ出すことができる。超音波表面波の波面が焦点の
対に平行な入射である場合超音波表面波のエツジ効果は
特に明白である。短い距離を隔てて、減衰による振幅変
化は、信号調整の減損の原因となシ、それによって肪っ
た振幅成分計容の原因となる。

最後に、物質のスポット寸法による装−の検出できる周
波限界がある。対物表面上ＫＮ点が重ね合わせられたビ
ーム焦点は物質の寸法を有し、その寸法の最小値は、２
倍の熱漬レンズの焦点距離に光波長を乗じ、焦点レンズ
のｉＩｒ径で割った値である。実現できる干渉計のため
には、焦点寸法限界は１１は光波長の２倍であることで
ある。また、焦点の直径が超音波表面波の波長の寸法に
近づくとき、調整は平均する効果と々）、検知された振
幅は減少する。焦点寸法が波長に等しくなり、平均する
効果は零調整となる。

従って、表面超音波波長が対物表面上に焦点を合わす干
渉泪ビームに近づく場合検出できる周波数の上限が生じ
ることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例に係るブロック図、第２
図は、表面超音波に焦点が合わせられたビームの位置を
示す概略図、第３図は、表面超音波に焦点が合わせられ
たビームの交互位置を示す植略図である。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）２対のレーデ・ビームを発生する工程と、との各
   対の２本のレーザ・ビームが超音波表面波の１／２波長
   だけ離れるように、また、一方の対の２本のレーデ・ビ
   ームの相互の中心を結フ直線が他方の対の２本のレーザ
   ・ビームの相互の中心を結ぶ直線と垂直になるように被
   測定超音波表面波に前記の２対のレーデ・ビームを集束
   させる工程と、 前記超音波表面波から反射した２対のレーデ・ビームを
   分肉１ｒする工程と、 この分離した２対のレーザ・ビームを検出して前記両直
   線に夫々沿って超音波表面波の運動に比例するＸ信号と
   Ｙ信号とから成る２種の信号を得る工程と、 前記の２種の信号を処理して超音波表面波の振幅と伝播
   方向とを得る工程と から成る広帯域超音波表面波の振幅と伝播方向との両方
   を測定することを特徴とする超音波表面波の測定方法。
2. （２）２対のレーザ・ビームを発生する前記工程は一方
   の対のレーザ・ビームに対して１対のレーザ・ビームを
   直角に偏光する工程を含み、また、反射した２対のレー
   デ・ビームを分離する前記工程は対をなす相互のレーデ
   ・ビームの偏光に従って２対の反射したレーザ・ビーム
   を夫々分離する工程を含むことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の超音波表面波の測定方法。
3. （３）２対のレーザ・ビームを発生する工程、及び、一
   方の対のレーザ・ビームに対して、１対のレーザ・ビー
   ムを直角にする工程を含む前記工程は、単一のレーデ・
   ビームを発生する工程、この単一のレーデ・ビームから
   、分離した２対のレーザ・ビームを発生する工程、一方
   の対のレーデ・ビームに対して、分離した１対のレーザ
   ・ビームを９０度°偏光する工程、及び、これら、２対
   のレーデ・ビームを束ねる工程を含むことを特徴とする
   特許請求の範囲第２項記載の超音波表面波の測定方法。
4. （４）単一のレーザ・ビームを発生する前記工程は、水
   平方向に４５度の偏光角を有す石単−のレーザ・ビーム
   を発生する工程から成シ、かくして、前記の６対のレー
   ザ・ビームは水平方向に４５度の偏光角を有しているこ
   とを特徴とする特許計Ｊ求の範囲第３項記載の超音波表
   面波の測定方法。
5. （５）Ｘ信号と、Ｙ信号と、から成る２種の信号を処理
   する工程は、　Ｘ２＋Ｙ２　　を計算して超音波表面波
   の振幅と、ｊａｎ　Ｉ　Ｙ／Ｘ　を計算して、超音波表
   面波の　伝（小方向とを得ることを特徴とする特許請求
   のｌ１ＩＩＳ囲繊１項ないし、第４項のいずれかに　記
   載の超音波表面波の測定方法。
6. （６）２対の光ビームを発生させる手段と、この一方の
   対の２本の光ビームの相互の中心を結ぶ直線が他方の対
   の２本の光ビームの相互の中心を結ぶ直線と垂直になる
   ように被測定超音波表面波に前記の２対の光ビームが集
   束する手段と、 前記超音波表面波から反射した２対の光ビームが対の光
   ビームに分離される手段と、この分離された２対の光ビ
   ームが検出されて前記両直線に夫々治って超音波表面波
   の運動と比例する、Ｘ信号とＹ信号とから成る２種の信
   号が得られる手段と、 前記の２種の信号を処理して超音波表面波の振幅及び伝
   播方向が得られる手段と から成る広帯域超音波の振幅と伝播方向との両方が測定
   されることを特徴とする超音波表面波の測定装置。
7. （７）２対の光ビームが集束するカッ記手段は、６対の
   ２本の光ビームが超音波表面波のｎ十−波長（ｎ＝Ｏ，
   ｌ、２．３・・・）だけ離れるように集束する手段を含
   むことを特徴とする特許請求の範囲第６項記載の超音波
   表面波の測定装置″。
8. （８）超音波表面波から反射した２対の光ビームが対の
   光ビームに分離される前記手段は、２対の光ビームが超
   音波表面波に集束する前記手段の前に一方の対の光ビー
   ムと異なって他方の対の光ビームが偏光される手段及び
   、対をなす相互の光ビームの異なる偏光に従って２対の
   光ビームが分刻される手段を含むことを特徴とする特許
   請求の範、間第７項記載の超音波表面波の泪：１定装置
   。 光ビーム・スノリツタであることを特徴とする特許請求
   の嵯間第８項記載の超音波表面波の測定装置ｊｊ　０ （Ｉｆ）　　２対の光ビームが検出される前記手段の前
   に検知感度を改着するために、分離された２対のｊＰｌ
   ￥音波表０′Ｉｒ波からの反射光ビームが壁間的にフィ
   ルタされるロンキー格子手段を含むことを特徴とする特
   ＦｉＴ酊ｊ求の範囲第６項ないし第１０項のいずれかに
   記載の超音波表面波の測定装置。 Ｑｌ）２ｆ！ｌ！の（、％号が得られる前記手段は、Ｖ
   つひ−１−１１−が引算されて超音波表面波の振幅及び
   、ｔａｎ　　Ｙ／Ｘが計算されて超音波表面波の伝播方
   向とが得られる手段を含むことを特徴とする特許請求の
   範囲第６項力いし第１１項のいずれかに記載の超音波表
   面波のｎ（１１定装置。