レーザ超音波受信装置
【課題】現場での使用に適した装置状態の監視機能および装置状態の最適化機能を有し、安定した状態で長期間に渡って高精度の探傷操作が可能なレーザ超音波受信装置を提供する。
【解決手段】超音波信号を検出すべき被測定物ТＰの表面に照射するレーザ光ＩＬを発振するシードレーザ発振手段１と、前記シードレーザ発振手段１の発振光をパルス状に増幅する光増幅手段２とから構成されるレーザ発振手段ＰＬＤと、前記レーザ光ＩＬが被測定物ТＰ表面で反射・散乱された信号光から、超音波信号を抽出する光学干渉手段ＦＰと、前記光学干渉手段ＦＰの出力信号を処理する信号処理手段１２と、前記レーザ発振手段ＰＬＤの状態を検出する状態検出手段１６とを備えたことを特徴とするレーザ超音波受信装置である。
【解決手段】超音波信号を検出すべき被測定物ТＰの表面に照射するレーザ光ＩＬを発振するシードレーザ発振手段１と、前記シードレーザ発振手段１の発振光をパルス状に増幅する光増幅手段２とから構成されるレーザ発振手段ＰＬＤと、前記レーザ光ＩＬが被測定物ТＰ表面で反射・散乱された信号光から、超音波信号を抽出する光学干渉手段ＦＰと、前記光学干渉手段ＦＰの出力信号を処理する信号処理手段１２と、前記レーザ発振手段ＰＬＤの状態を検出する状態検出手段１６とを備えたことを特徴とするレーザ超音波受信装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ超音波受信装置に係り、特に現場での使用に適した装置状態の監視機能および装置状態の最適化機能を有し、安定した状態で長期間に渡って高精度の探傷操作が可能なレーザ超音波受信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
（公知技術の説明）
超音波技術は材料表面に発生した亀裂や内在欠陥の検出、あるいは材料特性の分析を行う上で極めて有効な手法である。通常の検出操作において、超音波の受信は、例えば圧電素子などの受信素子を超音波の伝播媒質に接触させて行うが、これをレーザ光と受信用光学系を用いて代替することも可能である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
レーザ光による超音波受信手法は原理的に非接触であり、被測定物が高温状態にあったり、高所に配置されていたり、高放射線場に配置されていたり、小型で複雑形状部であったりして検査器具の接触が困難な場合や、近接性が悪く遠隔非接触の測定手法が要求される部位などの種々の産業技術分野への応用が期待されている。
【０００４】
レーザによる超音波受信技術は、連続発振または超音波の伝播時間に比べて十分長いパルスを発振レーザ光を受信点に照射し、その直進性や可干渉性を利用して超音波によって誘起される受信点の表面変位または振動速度を検出する技術である（例えば、非特許文献２参照）。
【０００５】
上記レーザ超音波受信法において使用する光学系としては、マイケルソン干渉法、マッハツェンダ干渉法、ファブリ・ペロー法、位相共役素子による２光波混合法、ナイフエッジ法などが提案されている（例えば、非特許文献３参照）。しかしながら、特に産業的な観点から応用が期待されている手法がファブリ・ペロー法である。
【０００６】
ここで、パルスレーザ光とファブリ・ペロー法とを組み合わせた従来の典型的なレーザ超音波受信方法および装置について、以下に説明する。図７は従来の代表的なレーザ超音波受信装置の構成を示すブロック図である。
【０００７】
図７において、任意の発生過程あるいは伝播過程に基づく超音波信号ＵＳが被測定物ＴＰの表面上における任意の点Ｐに到達し、その部位に振動を生じるとする。ここで、受信パルスレーザ光源ＰＤＬは超音波信号ＵＳと適切に同期してパルスレーザ光ＩＬを発振する。
【０００８】
受信パルスレーザ光源ＰＤＬ内に設置されたシードレーザ１から発振したシードレーザ光は光アイソレータ５ａおよび全反射ミラーＭ１，Ｍ２を経由して光増幅器２（ＭＯＰＡ：Master Oscillator Pulsed Amplifier）に入射し、パルス状に出力を増幅される。ここで、上記シードレーザ１としては、出力数１０ｍＷ〜１Ｗ程度の周波数安定化機能を有する連続発振Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光源などが用いられる。ＭＯＰＡは、光増幅媒質を電源３で励駆動されるフラッシュランプあるいは半導体レーザで励起するものであり、冷却水入口Ｗｉｎから冷却水出口Ｗｏｕｔに還流する冷却水Ｗによって冷却されている。
【０００９】
増幅後の受信パルスレーザ光ＩＬはコリメータレンズＬ１によって第一の光ファイバ４に入射し、照射ヘッドＨ内に設置された第１の対物レンズＬ２によって被測定物ＴＰ上の測定点Ｐに照射される。ここで、各光学素子の端面で反射した反射光がシードレーザ１や光増幅器２に入射すると光学的なノイズが発生するため、シードレーザ１や光増幅器２へ反射光が混入することを防止できる位置に光アイソレータ５ａ、５ｂを設置する場合もある。また、被測定物ＴＰに照射する光出力を調整するための光アッテネータ６を設置する場合もある。
【００１０】
図８に示すように、照射されたレーザ光ＩＬは超音波信号ＵＳに起因する表面振動により±ｖｄだけその光周波数に変調を受け（ドップラーシフト）、その散乱成分の一部ＳＬが照射ヘッドＨ内に設置された第２の対物レンズＬ３で集光され、第２の光ファイバー７、コリメータレンズＬ４を介してファブリ・ペロー干渉計ＦＰに入射する。ここで、ファブリ・ペロー干渉計ＦＰに入射されるレーザ光ＳＬの一部は部分透過ミラーＰＭ１で反射され、リファレンス用光検出器８でその光量が測定される。
【００１１】
上記ファブリ・ペロー干渉計ＦＰは、多くの場合共焦点を有する２枚の部分反射ミラーＣＰＭ１、ＣＰＭ２で構成された共振器であり、入射された光の光周波数と透過する光強度との間には図８に示す関係が成立する。ここで、図８の横軸は光周波数ｖ、縦軸は透過する光強度Ｉを示す。図８に示す通り、ファブリ・ペロー干渉計ＦＰは、その透過光強度Ｉが特定の光周波数においてピークを有し、その前後で速やかに減衰する狭帯域の光周波数フィルタとして動作する。ピークを与える光周波数はファブリ・ペロー干渉計ＦＰの共振器長（すなわちミラーＣＰＭ１、ＣＰＭ２の間隔）を調整することによって変えることができる。そこで、ファブリ・ペロー干渉計ＦＰの入射光量および透過光量の測定値から、図８に示す曲線の傾きが最大となる光周波数（例えば図８のＡ点）をパルスレーザ光ＩＬの光周波数と一致するように、圧電素子９でミラーＣＰＭ１あるいはＣＰＭ２を駆動制御すれば、超音波信号ＵＳによる光周波数の変化±ｖｄを、比較的大きな透過光強度の変化±Ｉｄに変換することが出来る。
【００１２】
ファブリ・ペロー干渉計ＦＰを透過した光信号を、レンズＬ５を介して光検出器１０で検出し、超音波周波数ＵＳに応じた周波数フィルタ（多くの場合にハイパスフィルタを用いる）１１で処理することにより、超音波信号ＵＳに応じた電気信号を得ることができる。検出された電気信号は信号処理装置１２にて適宜、信号変換、信号処理、表示、記録される。ここで、光検出器８および１０としてはフォトダイオード（ＰＤ）、ＰＩＮ型フォトダイオード（ＰＩＮ−ＰＤ）、あるいはアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が多く用いられる。
【００１３】
なお、光検出器１０の出力信号は分岐され、透過光量変化を観察するための周波数フィルタ（多くの場合ローパスフィルタ）１３で処理して圧電素子駆動制御装置１４に入力され、上述の通り共振器長の制御に供給される。
【００１４】
また、上述の説明は、簡単のため、ファブリ・ペロー干渉計ＦＰの透過光に着目して説明したが、ファブリ・ペロー干渉計ＦＰの反射光に関しても類似の動作により超音波信号ＵＳの検出が可能である（例えば、非特許文献４参照）。
【００１５】
また図９に示すように、照射ヘッドＨ内に設置された１枚の対物レンズＬ６および１本の光ファイバ１５を用いて受信レーザ光ＩＬの被測定物ＴＰへの照射と、被測定物ＴＰ表面における散乱成分ＳＬの集光を行う構造も既に公知である（例えば特許文献１参照）。この場合、光ファイバー１５で被測定物ＴＰ側からファブリ・ペロー干渉計ＦＰへと伝送される散乱光ＳＬは、ビームスプリッタ１６で受信用レーザ光ＩＬの光路から分岐され、その後、カプリングレンズＬ７、光ファイバー１７を介してファブリ・ペロー干渉計ＦＰへと導かれる。散乱光ＳＬと超音波受信用レーザ光ＩＬの分岐を効率的に行うため、波長板など偏向制御用の光学素子と偏向ビームスプリッタとを用いた偏向による分岐制御が採用される場合もある。
【００１６】
上記従来のレーザ超音波受信装置は、検査器具が原理的に非接触であるために、被測定物が高温度状態にあったり、高所に配置されたり、高放射線場に配置されたり、小型で複雑形状部を有して検査器具の接触が困難な場合や、近接性が悪く遠隔非接触の測定手法が求められる部位など、様々な技術分野への応用が期待されている。また、公知技術のレーザ超音波受信方法および装置は基本原理としては確立されており、実験室環境など整備された環境下、あるいは短時間の利用には十分に適用できる。
【特許文献１】特開２００１−３１８０８１号公報
【非特許文献１】Monchalin, J. -P., et al., “Optical detection of ultrasound,” IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 33, 1986, pp. 485-499.
【非特許文献２】Choquet, M., et al., “Laser-ultrasonic inspection of the composite structure of an aircraft in a maintenance hanger,” Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, vol.14, 1995, pp. 545-552.
【非特許文献３】山脇：“レーザー超音波と非接触材料評価”、溶接学会誌、第６４巻、No.2、P.104-108(1995)
【非特許文献４】Dewhurst, R. J., et al., “Modelling of confocal Fabry-Perot interferometer for the measurement of ultrasound,” Meas. Sci. Technol. 5 (1994) pp. 655-662.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、上記のような従来のレーザ超音波受信方法および装置を発電プラントや製造ラインなどの現場環境において、超音波による欠陥探傷や測定作業に長時間使用した場合には、装置設置環境における温度変化や振動による光学素子の位置ずれ、および装置で使用する冷却水の水量または温度変化、またレーザ超音波受信方法および装置に用いる受信レーザの励起用フラッシュランプの経時劣化により下記のような装置状態の悪化が提起されていた。
【００１８】
（１）シードレーザ光の出力低下または発振異常
（２）パルスレーザ光の出力低下または波形歪みの発生
（３）光ファイバーカプリング損失の増加
（４）ファブリ・ペロー干渉計の共振器長さの制御不安定または制御不能
【００１９】
すなわち、上記のような装置状態の悪化に起因して探傷操作が不安定になり探傷精度が低下する致命的な問題点があった。また長時間に亘り一定の装置状態を確保するためには頻繁に運転条件を調整する必要があるために運転操作が複雑になり探傷コストが大幅に増加してしまう問題も発生していた。より安定した状態で長期間に渡って高精度の探傷操作を可能とするためには、上記装置状態を適切に監視し、必要に応じて最適条件に再設定する必要がある。
【００２０】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、現場での使用に適した装置状態の監視機能および装置状態の最適化機能を有し、安定した状態で長期間に渡って高精度の探傷操作が可能なレーザ超音波受信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するために請求項１記載のレーザ超音波受信装置は、超音波信号を検出すべき被測定物の表面に照射するシードレーザ光を発振するシードレーザ発振手段と、前記シードレーザ発振手段の発振光をパルス状に増幅する光増幅手段とから構成されるレーザ発振手段と、前記レーザ光が被測定物表面で反射・散乱された信号光から、超音波信号を抽出する光学干渉手段と、前記光学干渉手段の出力信号を処理する信号処理手段と、前記レーザ発振手段の状態を検出する状態検出手段とを備えたことを特徴とする。
【００２２】
また、請求項２記載のレーザ超音波受信装置は、前記状態検出手段は、前記シードレーザ発振手段の発振状態を検出することを特徴とする。
【００２３】
さらに、請求項３記載のレーザ超音波受信装置は、前記状態検出手段は、前記光増幅手段からパルス発振されるレーザ光の状態を検出することを特徴とする。
【００２４】
また、請求項４記載のレーザ超音波受信装置は、前記光増幅手段に含まれる光増幅媒質を励起する励起光源に冷却水を供給し冷却する冷却水供給手段を備え、前記状態検出手段が前記冷却水供給手段から供給される冷却水の状態を検出する操作および冷却水の状態を制御する操作の少なくとも一方の操作を実行することを特徴とする。
【００２５】
さらに、請求項５記載のレーザ超音波受信装置は、超音波信号を検出すべき被測定物の表面に照射するシードレーザ光を発振するシードレーザ発振手段と、前記シードレーザ発振手段の発振光をパルス状に増幅する光増幅手段とから構成されるレーザ発振手段と、入射光量を検出する入射光量検出手段と、出力光量を検出する出力光量検出手段とを有し、前記レーザ光が被測定物表面で反射・散乱された信号光から、超音波信号を抽出するファブリ・ペロー干渉計と、前記光学干渉手段の出力信号を処理する信号処理手段と、上記入射光量検出手段の出力信号および上記出力光量検出手段の出力信号の少なくとも１つを上記信号処理手段の超音波信号と同時性をもって表示および記録する状態検出手段とを備えたことを特徴とする。
【００２６】
さらに、請求項６記載のレーザ超音波受信装置は、前記レーザ発振手段から前記被測定物に照射されるレーザ光を伝送する光ファイバと、この光ファイバの入射端面を検出する画像センサと、この画像センサの検出結果から上記光ファイバへのレーザ光の入射状態を検出する画像処理手段と、この画像処理手段で検出されたレーザ光の入射状態結果から上記レーザ光の上記光ファイバへの入射状態を制御するための制御駆動手段とを備え、前記状態検出手段が上記画像処理手段で検出されたレーザ光の入射状態を表示および記録することを特徴とする。
【００２７】
また、請求項７記載のレーザ超音波受信装置は、前記レーザ発振手段から前記被測定物に照射されるレーザ光を伝送する光ファイバと、この光ファイバからの後方散乱・反射光を検出する端面反射検出手段と、この端面反射検出手段で検出されたレーザ光の入射状態結果から上記レーザ光の上記光ファイバへの入射状態を制御するための制御駆動手段とを備え、前記状態検出手段が上記端面反射検出手段で検出されたレーザ光の入射状態を表示および記録することを特徴とする。
【００２８】
また、請求項８記載のレーザ超音波受信装置は、前記光増幅手段に含まれる光増幅媒質を励起する励起光源を駆動するパルス電源手段を備え、前記状態検出手段が前記パルス電源手段の発振状態を検出する操作および発振状態を制御する操作の少なくとも一方を実行することを特徴とする。
【００２９】
さらに請求項９記載のレーザ超音波受信装置は、前記状態検出手段の出力信号あるいはその特徴量の一部または全部を装置内部に保存するデータ保存手段と、このデータ保存手段に蓄積された信号の一部または全部の読み出し、あるいは制御信号の伝送を行うための通信手段とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
上記構成を有する本発明に係るレーザ超音波受信装置によれば、レーザ超音波受信装置の状態量が適切に監視検出され、外乱による変動が生じた場合においても、その状態量が常に適正値となるように制御されるために、より安定した状態で長期間に渡って高精度の探傷操作が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明に係るレーザ超音波受信装置の実施例について、添付図面を参照して具体的に説明する。
【００３２】
［実施例１］
図１は本実施例に係るレーザ超音波受信装置の構成を示すブロック図である。なお図７に示す従来のレーザ超音波受信装置における基本構成要素と同一の要素には同一符合を付している。図において、ＴＰは被測定物、ＵＳは超音波信号、Ｈは受信レーザ光の照射ヘッドである。
【００３３】
受信パルスレーザ光源ＰＤＬ内のシードレーザ１から発振したレーザ光を光増幅器２でパルス増幅し、カプリングレンズＬ１を介して光ファイバ４に入射する。光ファイバ４の出力光ＩＬは照射ヘッドＨ内の対物レンズＬ２で被測定物ＴＰの照射点Ｐに照射される。ここで被測定物ＴＰの表面に照射された光ファイバ４の出力光ＩＬは超音波信号ＵＳに起因する表面振動により周波数シフトを受け、かつ表面で反射・散乱されて対物レンズＬ３で集光される。集光された散乱光ＳＬは光ファイバ７を経由して受信用干渉計ＤＯＰに導かれる。
【００３４】
散乱光ＳＬの一部は部分反射ミラーＰＭ１で反射され、光検出器８で検出される。一方、部分反射ミラーＰＭ１を透過した光成分は圧電素子９によって共振器長を制御されるファブリ・ペロー干渉計ＦＰに入射され、その透過光はレンズＬ５によって光検出器１０に入力され、ここで超音波信号ＵＳに応じた電気信号に変換される。電気信号に変換された超音波信号は、一方で周波数フィルタ１３、駆動制御装置１４を経由してファブリ・ペロー干渉計ＦＰの共振器長を駆動制御する圧電素子９の駆動信号となる。他方、電気信号に変換された超音波信号は周波数フィルタ１１を経由して超音波信号が抽出され、信号処理装置１２にて適宜、信号変換、信号処理、表示、記録される。
【００３５】
ここで本実施例における第一の特徴は、シードレーザ光源１の出力光の一部（多くの場合、１０％以下）を反射する部分反射ミラーＰＭ２と、それを測定するための光検出器１５を具備し、光検出器１５の出力信号を状態監視装置１９にて適宜、信号変換、信号処理、リアルタイム数値表示またはトレンド表示、記録するとともに、その信号が規定値を逸脱した場合にはその旨の警告、あるいは装置への停止信号を出力することにある。光検出器１５の出力信号とは、光パワー（光エネルギー）、光周波数（波長）などである。
【００３６】
上記のように構成することにより、シードレーザ光源１の経時変化あるいは異常、光学素子の位置ずれによる端面反射のシードレーザ光源１への混入等によるシードレーザ光の出力低下または発振異常などを監視すると共に、装置に何らかの異常が発生した場合には適切かつ迅速に装置運転にフィードバックすることができる。
【００３７】
また本実施例における第二の特徴は、光増幅器２でパルス状に増幅され、光アッテネータ６で適切なパワーに調整された受信レーザ光ＩＬの一部（多くの場合、１０％以下）を反射する部分反射ミラーＰＭ３と、それを測定するための光検出器１６を具備し、光検出器１６の出力信号を状態監視装置１９ａにて適宜、信号変換、信号処理、リアルタイム数値表示またはトレンド表示、記録すると共に、その出力信号が規定値を逸脱した場合にはその旨の警告、あるいは装置への停止信号を出力することにある。上記光検出器１６の出力信号とは、パルス光の時間波形、光パワー（光エネルギー）、光周波数（波長）、パルス幅、発振周波数などである。
【００３８】
上記のように構成することにより、光増幅器２の経時変化あるいは異常、フラッシュランプの経時劣化、光学素子の位置ずれによる端面反射の光増幅器への混入等による受信パルスレーザ光の出力低下または波形歪みの発生などが監視できると共に、装置に何らかの異常が発生した場合には適切かつ迅速に装置運転にフィードバックすることができる。
【００３９】
本実施例における第三の特徴は、受信レーザ光をパルス状に増幅する光増幅器２において、その励起源を冷却するための冷却水系Ｗの状態量を測定する冷却水測定器１７を具備し、冷却水測定器１７の出力信号を状態監視装置１９ａにて適宜、信号変換、信号処理、リアルタイム数値表示またはトレンド表示、記録するとともに、その信号が規定値を逸脱した場合にはその旨の警告、あるいは装置への停止信号を出力することにある。ここで上記冷却水測定器１７の出力信号とは、冷却水の流量および温度などである。
【００４０】
上記のように構成することにより、冷却水量および温度の異常等による受信パルスレーザ光の出力低下または装置の劣化・故障につながる異常高温条件下での運転が監視できると共に、冷却水測定器１７の出力信号とバルブ制御駆動装置１８とにより冷却水を調整するバルブＶの運転または開度を調整することにより、冷却水系に何らかの異常が発生した場合には適切かつ迅速に装置運転にフィードバックすることができる。
【００４１】
本実施例における第四の特徴は、光検出器８および周波数フィルタ１３の２つの出力信号を状態監視装置１９ａにて適宜、信号変換、信号処理、リアルタイムの数値表示またはトレンド表示、記録するとともに、その信号が規定値を逸脱した場合にはその旨の警告、あるいは装置の停止信号を出力することにある。光検出器８および周波数フィルタ１３の２つの出力信号の比率は、装置が健全であれば一定値であるが、何らかの原因で共振器長の制御が不安定になると周波数フィルタ１３の出力値が変動し２つの出力信号の比率が変化する。そのため、このように２信号の比率を常時監視することにより、環境温度変化や環境振動によるファブリ・ペロー干渉計の共振器制御の安定性を監視するとともに、制御が不安定になった場合には適切かつ迅速に装置運転制御にフィードバックすることができる。
【００４２】
さらに、本実施例に示した少なくとも一つの出力信号と、信号処理装置１２にて信号変換または信号処理された超音波信号とを、状態監視装置１９ａにて同時性をもって表示、記録することにより、連続的に採取した超音波信号の個々の波形に対し、それを測定した際の装置状態を把握することが出来る。
【００４３】
［実施例２］
次に、本発明に係るレーザ超音波受信装置の実施例２について図２を参照して説明する。なお実施例１と同一の構成要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４４】
本実施例の特徴は、受信レーザ光ＩＬを入射する光ファイバ４の入射端面を観察するための結像用光学系Ｌ８およびＣＣＤカメラ２０と、このＣＣＤカメラ２０で得られた画像情報から受信レーザ光ＩＬの光ファイバ４への入射位置を検出し、その結果から入射位置を光ファイバ４端面のコア内の適正な位置に制御するための制御信号を生成する画像処理装置２１と、光ファイバ４の端面位置を上述の適正な位置に移動するための移動機構２２とを具備した構成にある。
【００４５】
上記光ファイバ４の入射端面を２次元画像で観察すると、例えば図３に示すように、光ファイバ４の入射端面（中心：Ｃ１）と、受信レーザ光ＩＬの入射位置（中心：Ｃ２）を同時に観察できる。ここで、図３の左側に示す画像処理装置２１によってそれらのずれ量（Ｃ１−Ｃ２）を定量的に測定し、このずれ量を、図３の右側に示すように、移動機構２２により両中心（Ｃ１，Ｃ２）が一致するように補正することにより、常に一定の光ファイバカプリング性能を得ることが出来る。なお上記移動機構２２としては、水平垂直２軸に自由度を有する移動機構、あるいはそれに回転方向の自由度を有する移動機構が使用できる。なお、上記のような光ファイバ４の端面位置でなく、固定された光ファイバ４の端面に対する受信レーザ光ＩＬの入射位置を、図示しない光学系を用いて制御駆動することも可能である。
【００４６】
上記のように構成することにより、装置設置環境の温度変化や振動による光学素子の位置ずれ等による光ファイバカプリング損失の増加が監視できると共に、位置ずれが予め設定した許容範囲を超える場合には、適切かつ迅速にその位置を適正に復帰させることが可能になる。
【００４７】
なお、位置ずれ補正の信号を状態監視装置１９ｂにて適宜、信号変換、信号処理、リアルタイムの数値表示またはトレンド表示、記録するとともに、その信号が規定値を逸脱した場合にはその旨の警告、あるいは装置の停止信号を出力することもできる。
【００４８】
［実施例３］
次に、本発明に係るレーザ超音波受信装置の実施例３について添付した図４を参照して説明する。なお実施例１〜２と同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４９】
本実施例における特徴的構成は、受信レーザ光ＩＬを入射する光ファイバ４から光増幅器２方向に後方反射・散乱される光量（以降、「端面反射光量」と呼ぶ）を測定するための光検出器２３と、その出力信号を一定値に保持するよう受信レーザ光ＩＬの入射位置を光ファイバ４端面のコア内の適正な位置に制御するための制御信号を生成する制御装置２４と、光ファイバ４の端面位置を上述の適正な位置に移動するための移動機構２２とを具備した点にある。上記移動機構２２としては水平垂直２軸方向に自由度を有する移動機構、あるいはそれに回転方向の自由度を有する移動機構が使用できる。
【００５０】
上記受信レーザ光ＩＬは光ファイバ４から照射ヘッドＨを伝播する間、光ファイバ４の入射端面および出射端面、対物レンズＬ２の端面等において、その一部（例えば、光ファイバの材質が石英ガラスで、設置環境が空気中であると仮定すると、約３〜５％の光量）が後方に散乱、反射される。これらの散乱・反射量は装置の状態が定常的であれば常に一定値となるべき数値である。ここで、制御装置２４によって端面反射光量を一定値に保持するように光ファイバ４のカプリングを移動機構２２で補正することにより、常に一定の光ファイバカプリング性能を得ることが出来る。なお、光ファイバ４の端面位置でなく、固定された光ファイバ４の端面に対する受信レーザ光ＩＬの入射位置を、図示しない光学系を用いて制御駆動することも可能である。
【００５１】
上記のように構成することにより、装置設置環境の温度変化や振動による光学素子の位置ずれ等による光ファイバーカプリング損失の増加が監視できるとともに、その位置ずれが予め設定した許容範囲を超える場合には、適切かつ迅速にその適正位置に復帰させることができる。また、移動機構２２の動作によっても光検出器２３の出力信号が正常値に復帰しない場合には、受信レーザ光ＩＬの伝送経路（図４において光ファイバ４や対物レンズＬ２）に何らかの異常があると推定することもできる。
【００５２】
なお、光検出器２３の信号を状態監視装置１９ｃにて適宜、信号変換、信号処理、リアルタイムの数値表示またはトレンド表示、記録すると共に、その信号が規定値を逸脱した場合にはその旨の警告、あるいは装置の停止信号を出力することも可能である。また、この信号と受信用干渉計に入射する散乱光ＳＬの出力を示す光検出器８の出力信号を、同時性をもって観察、記録することにより、光ファイバ４または７あるいは照射ヘッドＨの健全性を推定することもできる。
【００５３】
［実施例４］
次に、本発明に係るレーザ超音波受信装置の実施例４について添付した図５を参照して説明する。なお実施例１〜３と同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５４】
本実施例の特徴的構成は、シードレーザ光源１から発振したレーザ光をパルス増幅する光増幅器２の電源３の発振状態を測定・制御する電源監視制御装置２５を具備し、電源監視制御装置２５の出力信号を状態監視装置１９ｃにて適宜、信号変換、信号処理、リアルタイム数値表示またはトレンド表示、記録するとともに、その信号が規定値を逸脱した場合にはその旨の警告、あるいは装置への停止信号を出力することにある。電源監視制御装置２５の出力信号とは、パルス電源の発振周波数、ピーク電圧、発振パルス数などである。
【００５５】
上記のように構成することにより、励起用フラッシュランプの経時劣化が監視できると共に、受信レーザ光ＩＬの発振出力を絞る場合には、図１に示すような光アッテネータ６に依らずに、電源３の出力を低下させて発振出力を絞ることが可能であり、電源３及びフラッシュランプの寿命の延長を図ることができる。
【００５６】
［実施例５］
次に、本発明に係るレーザ超音波受信装置の実施例５について添付した図６を参照して説明する。なお前記実施例１〜４と同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５７】
本実施例の特徴的構成は、受信パルスレーザ光源ＰＤＬ内および受信用干渉計ＤＯＰ内の少なくとも一方に、実施例１〜４で説明した各監視・制御機能の出力信号あるいはその特徴量の一部または全部を記憶するデータ記憶装置２５と、そのデータを読み出すためのインターフェース２６ａ、２６ｂとを具備すると共に、状態監視装置１９ｄにてインターフェース２６ａ、２６ｂを用いて、適宜そのデータを読み出し、信号変換、信号処理、リアルタイム数値表示またはトレンド表示、記録するとともに、その信号が規定値を逸脱した場合にはその旨の警告、あるいは装置への停止信号を出力するように構成した点にある。インターフェース２６ａ、２６ｂとしては、有線、無線のアナログ形式、デジタル形式のいずれの組合せも考えられる。また、制御信号を状態監視装置１９ｄから受信パルスレーザ光源ＰＤＬ内および受信用干渉計ＤＯＰに伝送し、駆動機構２２の動作、バルブＶの開度、電源監視制御装置２５による発振状態を遠隔で制御することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明に係るレーザ超音波受信装置の第一実施例の構成を示すブロック図。
【図２】本発明に係るレーザ超音波受信装置の第二実施例の構成を示すブロック図。
【図３】光ファイバへの受信レーザ光の入射状態を示す断面図。
【図４】本発明に係るレーザ超音波受信装置の第三実施例の構成を示すブロック図。
【図５】本発明に係るレーザ超音波受信装置の第四実施例の構成を示すブロック図。
【図６】本発明に係るレーザ超音波受信装置の第五実施例の構成を示すブロック図。
【図７】従来のレーザ超音波受信装置の構成を示すブロック図。
【図８】ファブリ・ペロー干渉計の動作を示す説明図。
【図９】従来のレーザ超音波受信装置の他の構成例を示すブロック図。
【符号の説明】
【００５９】
１ シードレーザ光源
２ 光増幅器
３ 電源
４、７、１５、１７ 光ファイバ
８、１０、１５、１６、２３ 光検出器
１１、１３ 周波数フィルタ
１２ 信号処理装置
１７ 冷却水測定器
１８ バルブ制御駆動装置
１９、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ 状態監視装置
２０ ＣＣＤカメラ
２１ 画像処理装置
２２ 入射状態調整用駆動機構
ＴＰ 被検査体
Ｖ 冷却水調整用バルブ
ＰＤＬ 受信パルスレーザ光源
ＤＯＰ 受信用干渉計
Ｈ 照射ヘッド
ＵＳ 超音波信号
Ｗ 冷却水
ＦＰ ファブリ・ペロー干渉計
ＰＭ１、ＰＭ２ 部分反射ミラー
Ｌ レンズ（あるいはレンズ群）
Ｍ ミラー
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ超音波受信装置に係り、特に現場での使用に適した装置状態の監視機能および装置状態の最適化機能を有し、安定した状態で長期間に渡って高精度の探傷操作が可能なレーザ超音波受信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
（公知技術の説明）
超音波技術は材料表面に発生した亀裂や内在欠陥の検出、あるいは材料特性の分析を行う上で極めて有効な手法である。通常の検出操作において、超音波の受信は、例えば圧電素子などの受信素子を超音波の伝播媒質に接触させて行うが、これをレーザ光と受信用光学系を用いて代替することも可能である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
レーザ光による超音波受信手法は原理的に非接触であり、被測定物が高温状態にあったり、高所に配置されていたり、高放射線場に配置されていたり、小型で複雑形状部であったりして検査器具の接触が困難な場合や、近接性が悪く遠隔非接触の測定手法が要求される部位などの種々の産業技術分野への応用が期待されている。
【０００４】
レーザによる超音波受信技術は、連続発振または超音波の伝播時間に比べて十分長いパルスを発振レーザ光を受信点に照射し、その直進性や可干渉性を利用して超音波によって誘起される受信点の表面変位または振動速度を検出する技術である（例えば、非特許文献２参照）。
【０００５】
上記レーザ超音波受信法において使用する光学系としては、マイケルソン干渉法、マッハツェンダ干渉法、ファブリ・ペロー法、位相共役素子による２光波混合法、ナイフエッジ法などが提案されている（例えば、非特許文献３参照）。しかしながら、特に産業的な観点から応用が期待されている手法がファブリ・ペロー法である。
【０００６】
ここで、パルスレーザ光とファブリ・ペロー法とを組み合わせた従来の典型的なレーザ超音波受信方法および装置について、以下に説明する。図７は従来の代表的なレーザ超音波受信装置の構成を示すブロック図である。
【０００７】
図７において、任意の発生過程あるいは伝播過程に基づく超音波信号ＵＳが被測定物ＴＰの表面上における任意の点Ｐに到達し、その部位に振動を生じるとする。ここで、受信パルスレーザ光源ＰＤＬは超音波信号ＵＳと適切に同期してパルスレーザ光ＩＬを発振する。
【０００８】
受信パルスレーザ光源ＰＤＬ内に設置されたシードレーザ１から発振したシードレーザ光は光アイソレータ５ａおよび全反射ミラーＭ１，Ｍ２を経由して光増幅器２（ＭＯＰＡ：Master Oscillator Pulsed Amplifier）に入射し、パルス状に出力を増幅される。ここで、上記シードレーザ１としては、出力数１０ｍＷ〜１Ｗ程度の周波数安定化機能を有する連続発振Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光源などが用いられる。ＭＯＰＡは、光増幅媒質を電源３で励駆動されるフラッシュランプあるいは半導体レーザで励起するものであり、冷却水入口Ｗｉｎから冷却水出口Ｗｏｕｔに還流する冷却水Ｗによって冷却されている。
【０００９】
増幅後の受信パルスレーザ光ＩＬはコリメータレンズＬ１によって第一の光ファイバ４に入射し、照射ヘッドＨ内に設置された第１の対物レンズＬ２によって被測定物ＴＰ上の測定点Ｐに照射される。ここで、各光学素子の端面で反射した反射光がシードレーザ１や光増幅器２に入射すると光学的なノイズが発生するため、シードレーザ１や光増幅器２へ反射光が混入することを防止できる位置に光アイソレータ５ａ、５ｂを設置する場合もある。また、被測定物ＴＰに照射する光出力を調整するための光アッテネータ６を設置する場合もある。
【００１０】
図８に示すように、照射されたレーザ光ＩＬは超音波信号ＵＳに起因する表面振動により±ｖｄだけその光周波数に変調を受け（ドップラーシフト）、その散乱成分の一部ＳＬが照射ヘッドＨ内に設置された第２の対物レンズＬ３で集光され、第２の光ファイバー７、コリメータレンズＬ４を介してファブリ・ペロー干渉計ＦＰに入射する。ここで、ファブリ・ペロー干渉計ＦＰに入射されるレーザ光ＳＬの一部は部分透過ミラーＰＭ１で反射され、リファレンス用光検出器８でその光量が測定される。
【００１１】
上記ファブリ・ペロー干渉計ＦＰは、多くの場合共焦点を有する２枚の部分反射ミラーＣＰＭ１、ＣＰＭ２で構成された共振器であり、入射された光の光周波数と透過する光強度との間には図８に示す関係が成立する。ここで、図８の横軸は光周波数ｖ、縦軸は透過する光強度Ｉを示す。図８に示す通り、ファブリ・ペロー干渉計ＦＰは、その透過光強度Ｉが特定の光周波数においてピークを有し、その前後で速やかに減衰する狭帯域の光周波数フィルタとして動作する。ピークを与える光周波数はファブリ・ペロー干渉計ＦＰの共振器長（すなわちミラーＣＰＭ１、ＣＰＭ２の間隔）を調整することによって変えることができる。そこで、ファブリ・ペロー干渉計ＦＰの入射光量および透過光量の測定値から、図８に示す曲線の傾きが最大となる光周波数（例えば図８のＡ点）をパルスレーザ光ＩＬの光周波数と一致するように、圧電素子９でミラーＣＰＭ１あるいはＣＰＭ２を駆動制御すれば、超音波信号ＵＳによる光周波数の変化±ｖｄを、比較的大きな透過光強度の変化±Ｉｄに変換することが出来る。
【００１２】
ファブリ・ペロー干渉計ＦＰを透過した光信号を、レンズＬ５を介して光検出器１０で検出し、超音波周波数ＵＳに応じた周波数フィルタ（多くの場合にハイパスフィルタを用いる）１１で処理することにより、超音波信号ＵＳに応じた電気信号を得ることができる。検出された電気信号は信号処理装置１２にて適宜、信号変換、信号処理、表示、記録される。ここで、光検出器８および１０としてはフォトダイオード（ＰＤ）、ＰＩＮ型フォトダイオード（ＰＩＮ−ＰＤ）、あるいはアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が多く用いられる。
【００１３】
なお、光検出器１０の出力信号は分岐され、透過光量変化を観察するための周波数フィルタ（多くの場合ローパスフィルタ）１３で処理して圧電素子駆動制御装置１４に入力され、上述の通り共振器長の制御に供給される。
【００１４】
また、上述の説明は、簡単のため、ファブリ・ペロー干渉計ＦＰの透過光に着目して説明したが、ファブリ・ペロー干渉計ＦＰの反射光に関しても類似の動作により超音波信号ＵＳの検出が可能である（例えば、非特許文献４参照）。
【００１５】
また図９に示すように、照射ヘッドＨ内に設置された１枚の対物レンズＬ６および１本の光ファイバ１５を用いて受信レーザ光ＩＬの被測定物ＴＰへの照射と、被測定物ＴＰ表面における散乱成分ＳＬの集光を行う構造も既に公知である（例えば特許文献１参照）。この場合、光ファイバー１５で被測定物ＴＰ側からファブリ・ペロー干渉計ＦＰへと伝送される散乱光ＳＬは、ビームスプリッタ１６で受信用レーザ光ＩＬの光路から分岐され、その後、カプリングレンズＬ７、光ファイバー１７を介してファブリ・ペロー干渉計ＦＰへと導かれる。散乱光ＳＬと超音波受信用レーザ光ＩＬの分岐を効率的に行うため、波長板など偏向制御用の光学素子と偏向ビームスプリッタとを用いた偏向による分岐制御が採用される場合もある。
【００１６】
上記従来のレーザ超音波受信装置は、検査器具が原理的に非接触であるために、被測定物が高温度状態にあったり、高所に配置されたり、高放射線場に配置されたり、小型で複雑形状部を有して検査器具の接触が困難な場合や、近接性が悪く遠隔非接触の測定手法が求められる部位など、様々な技術分野への応用が期待されている。また、公知技術のレーザ超音波受信方法および装置は基本原理としては確立されており、実験室環境など整備された環境下、あるいは短時間の利用には十分に適用できる。
【特許文献１】特開２００１−３１８０８１号公報
【非特許文献１】Monchalin, J. -P., et al., “Optical detection of ultrasound,” IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 33, 1986, pp. 485-499.
【非特許文献２】Choquet, M., et al., “Laser-ultrasonic inspection of the composite structure of an aircraft in a maintenance hanger,” Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, vol.14, 1995, pp. 545-552.
【非特許文献３】山脇：“レーザー超音波と非接触材料評価”、溶接学会誌、第６４巻、No.2、P.104-108(1995)
【非特許文献４】Dewhurst, R. J., et al., “Modelling of confocal Fabry-Perot interferometer for the measurement of ultrasound,” Meas. Sci. Technol. 5 (1994) pp. 655-662.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、上記のような従来のレーザ超音波受信方法および装置を発電プラントや製造ラインなどの現場環境において、超音波による欠陥探傷や測定作業に長時間使用した場合には、装置設置環境における温度変化や振動による光学素子の位置ずれ、および装置で使用する冷却水の水量または温度変化、またレーザ超音波受信方法および装置に用いる受信レーザの励起用フラッシュランプの経時劣化により下記のような装置状態の悪化が提起されていた。
【００１８】
（１）シードレーザ光の出力低下または発振異常
（２）パルスレーザ光の出力低下または波形歪みの発生
（３）光ファイバーカプリング損失の増加
（４）ファブリ・ペロー干渉計の共振器長さの制御不安定または制御不能
【００１９】
すなわち、上記のような装置状態の悪化に起因して探傷操作が不安定になり探傷精度が低下する致命的な問題点があった。また長時間に亘り一定の装置状態を確保するためには頻繁に運転条件を調整する必要があるために運転操作が複雑になり探傷コストが大幅に増加してしまう問題も発生していた。より安定した状態で長期間に渡って高精度の探傷操作を可能とするためには、上記装置状態を適切に監視し、必要に応じて最適条件に再設定する必要がある。
【００２０】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、現場での使用に適した装置状態の監視機能および装置状態の最適化機能を有し、安定した状態で長期間に渡って高精度の探傷操作が可能なレーザ超音波受信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するために請求項１記載のレーザ超音波受信装置は、超音波信号を検出すべき被測定物の表面に照射するシードレーザ光を発振するシードレーザ発振手段と、前記シードレーザ発振手段の発振光をパルス状に増幅する光増幅手段とから構成されるレーザ発振手段と、前記レーザ光が被測定物表面で反射・散乱された信号光から、超音波信号を抽出する光学干渉手段と、前記光学干渉手段の出力信号を処理する信号処理手段と、前記レーザ発振手段の状態を検出する状態検出手段とを備えたことを特徴とする。
【００２２】
また、請求項２記載のレーザ超音波受信装置は、前記状態検出手段は、前記シードレーザ発振手段の発振状態を検出することを特徴とする。
【００２３】
さらに、請求項３記載のレーザ超音波受信装置は、前記状態検出手段は、前記光増幅手段からパルス発振されるレーザ光の状態を検出することを特徴とする。
【００２４】
また、請求項４記載のレーザ超音波受信装置は、前記光増幅手段に含まれる光増幅媒質を励起する励起光源に冷却水を供給し冷却する冷却水供給手段を備え、前記状態検出手段が前記冷却水供給手段から供給される冷却水の状態を検出する操作および冷却水の状態を制御する操作の少なくとも一方の操作を実行することを特徴とする。
【００２５】
さらに、請求項５記載のレーザ超音波受信装置は、超音波信号を検出すべき被測定物の表面に照射するシードレーザ光を発振するシードレーザ発振手段と、前記シードレーザ発振手段の発振光をパルス状に増幅する光増幅手段とから構成されるレーザ発振手段と、入射光量を検出する入射光量検出手段と、出力光量を検出する出力光量検出手段とを有し、前記レーザ光が被測定物表面で反射・散乱された信号光から、超音波信号を抽出するファブリ・ペロー干渉計と、前記光学干渉手段の出力信号を処理する信号処理手段と、上記入射光量検出手段の出力信号および上記出力光量検出手段の出力信号の少なくとも１つを上記信号処理手段の超音波信号と同時性をもって表示および記録する状態検出手段とを備えたことを特徴とする。
【００２６】
さらに、請求項６記載のレーザ超音波受信装置は、前記レーザ発振手段から前記被測定物に照射されるレーザ光を伝送する光ファイバと、この光ファイバの入射端面を検出する画像センサと、この画像センサの検出結果から上記光ファイバへのレーザ光の入射状態を検出する画像処理手段と、この画像処理手段で検出されたレーザ光の入射状態結果から上記レーザ光の上記光ファイバへの入射状態を制御するための制御駆動手段とを備え、前記状態検出手段が上記画像処理手段で検出されたレーザ光の入射状態を表示および記録することを特徴とする。
【００２７】
また、請求項７記載のレーザ超音波受信装置は、前記レーザ発振手段から前記被測定物に照射されるレーザ光を伝送する光ファイバと、この光ファイバからの後方散乱・反射光を検出する端面反射検出手段と、この端面反射検出手段で検出されたレーザ光の入射状態結果から上記レーザ光の上記光ファイバへの入射状態を制御するための制御駆動手段とを備え、前記状態検出手段が上記端面反射検出手段で検出されたレーザ光の入射状態を表示および記録することを特徴とする。
【００２８】
また、請求項８記載のレーザ超音波受信装置は、前記光増幅手段に含まれる光増幅媒質を励起する励起光源を駆動するパルス電源手段を備え、前記状態検出手段が前記パルス電源手段の発振状態を検出する操作および発振状態を制御する操作の少なくとも一方を実行することを特徴とする。
【００２９】
さらに請求項９記載のレーザ超音波受信装置は、前記状態検出手段の出力信号あるいはその特徴量の一部または全部を装置内部に保存するデータ保存手段と、このデータ保存手段に蓄積された信号の一部または全部の読み出し、あるいは制御信号の伝送を行うための通信手段とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
上記構成を有する本発明に係るレーザ超音波受信装置によれば、レーザ超音波受信装置の状態量が適切に監視検出され、外乱による変動が生じた場合においても、その状態量が常に適正値となるように制御されるために、より安定した状態で長期間に渡って高精度の探傷操作が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明に係るレーザ超音波受信装置の実施例について、添付図面を参照して具体的に説明する。
【００３２】
［実施例１］
図１は本実施例に係るレーザ超音波受信装置の構成を示すブロック図である。なお図７に示す従来のレーザ超音波受信装置における基本構成要素と同一の要素には同一符合を付している。図において、ＴＰは被測定物、ＵＳは超音波信号、Ｈは受信レーザ光の照射ヘッドである。
【００３３】
受信パルスレーザ光源ＰＤＬ内のシードレーザ１から発振したレーザ光を光増幅器２でパルス増幅し、カプリングレンズＬ１を介して光ファイバ４に入射する。光ファイバ４の出力光ＩＬは照射ヘッドＨ内の対物レンズＬ２で被測定物ＴＰの照射点Ｐに照射される。ここで被測定物ＴＰの表面に照射された光ファイバ４の出力光ＩＬは超音波信号ＵＳに起因する表面振動により周波数シフトを受け、かつ表面で反射・散乱されて対物レンズＬ３で集光される。集光された散乱光ＳＬは光ファイバ７を経由して受信用干渉計ＤＯＰに導かれる。
【００３４】
散乱光ＳＬの一部は部分反射ミラーＰＭ１で反射され、光検出器８で検出される。一方、部分反射ミラーＰＭ１を透過した光成分は圧電素子９によって共振器長を制御されるファブリ・ペロー干渉計ＦＰに入射され、その透過光はレンズＬ５によって光検出器１０に入力され、ここで超音波信号ＵＳに応じた電気信号に変換される。電気信号に変換された超音波信号は、一方で周波数フィルタ１３、駆動制御装置１４を経由してファブリ・ペロー干渉計ＦＰの共振器長を駆動制御する圧電素子９の駆動信号となる。他方、電気信号に変換された超音波信号は周波数フィルタ１１を経由して超音波信号が抽出され、信号処理装置１２にて適宜、信号変換、信号処理、表示、記録される。
【００３５】
ここで本実施例における第一の特徴は、シードレーザ光源１の出力光の一部（多くの場合、１０％以下）を反射する部分反射ミラーＰＭ２と、それを測定するための光検出器１５を具備し、光検出器１５の出力信号を状態監視装置１９にて適宜、信号変換、信号処理、リアルタイム数値表示またはトレンド表示、記録するとともに、その信号が規定値を逸脱した場合にはその旨の警告、あるいは装置への停止信号を出力することにある。光検出器１５の出力信号とは、光パワー（光エネルギー）、光周波数（波長）などである。
【００３６】
上記のように構成することにより、シードレーザ光源１の経時変化あるいは異常、光学素子の位置ずれによる端面反射のシードレーザ光源１への混入等によるシードレーザ光の出力低下または発振異常などを監視すると共に、装置に何らかの異常が発生した場合には適切かつ迅速に装置運転にフィードバックすることができる。
【００３７】
また本実施例における第二の特徴は、光増幅器２でパルス状に増幅され、光アッテネータ６で適切なパワーに調整された受信レーザ光ＩＬの一部（多くの場合、１０％以下）を反射する部分反射ミラーＰＭ３と、それを測定するための光検出器１６を具備し、光検出器１６の出力信号を状態監視装置１９ａにて適宜、信号変換、信号処理、リアルタイム数値表示またはトレンド表示、記録すると共に、その出力信号が規定値を逸脱した場合にはその旨の警告、あるいは装置への停止信号を出力することにある。上記光検出器１６の出力信号とは、パルス光の時間波形、光パワー（光エネルギー）、光周波数（波長）、パルス幅、発振周波数などである。
【００３８】
上記のように構成することにより、光増幅器２の経時変化あるいは異常、フラッシュランプの経時劣化、光学素子の位置ずれによる端面反射の光増幅器への混入等による受信パルスレーザ光の出力低下または波形歪みの発生などが監視できると共に、装置に何らかの異常が発生した場合には適切かつ迅速に装置運転にフィードバックすることができる。
【００３９】
本実施例における第三の特徴は、受信レーザ光をパルス状に増幅する光増幅器２において、その励起源を冷却するための冷却水系Ｗの状態量を測定する冷却水測定器１７を具備し、冷却水測定器１７の出力信号を状態監視装置１９ａにて適宜、信号変換、信号処理、リアルタイム数値表示またはトレンド表示、記録するとともに、その信号が規定値を逸脱した場合にはその旨の警告、あるいは装置への停止信号を出力することにある。ここで上記冷却水測定器１７の出力信号とは、冷却水の流量および温度などである。
【００４０】
上記のように構成することにより、冷却水量および温度の異常等による受信パルスレーザ光の出力低下または装置の劣化・故障につながる異常高温条件下での運転が監視できると共に、冷却水測定器１７の出力信号とバルブ制御駆動装置１８とにより冷却水を調整するバルブＶの運転または開度を調整することにより、冷却水系に何らかの異常が発生した場合には適切かつ迅速に装置運転にフィードバックすることができる。
【００４１】
本実施例における第四の特徴は、光検出器８および周波数フィルタ１３の２つの出力信号を状態監視装置１９ａにて適宜、信号変換、信号処理、リアルタイムの数値表示またはトレンド表示、記録するとともに、その信号が規定値を逸脱した場合にはその旨の警告、あるいは装置の停止信号を出力することにある。光検出器８および周波数フィルタ１３の２つの出力信号の比率は、装置が健全であれば一定値であるが、何らかの原因で共振器長の制御が不安定になると周波数フィルタ１３の出力値が変動し２つの出力信号の比率が変化する。そのため、このように２信号の比率を常時監視することにより、環境温度変化や環境振動によるファブリ・ペロー干渉計の共振器制御の安定性を監視するとともに、制御が不安定になった場合には適切かつ迅速に装置運転制御にフィードバックすることができる。
【００４２】
さらに、本実施例に示した少なくとも一つの出力信号と、信号処理装置１２にて信号変換または信号処理された超音波信号とを、状態監視装置１９ａにて同時性をもって表示、記録することにより、連続的に採取した超音波信号の個々の波形に対し、それを測定した際の装置状態を把握することが出来る。
【００４３】
［実施例２］
次に、本発明に係るレーザ超音波受信装置の実施例２について図２を参照して説明する。なお実施例１と同一の構成要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４４】
本実施例の特徴は、受信レーザ光ＩＬを入射する光ファイバ４の入射端面を観察するための結像用光学系Ｌ８およびＣＣＤカメラ２０と、このＣＣＤカメラ２０で得られた画像情報から受信レーザ光ＩＬの光ファイバ４への入射位置を検出し、その結果から入射位置を光ファイバ４端面のコア内の適正な位置に制御するための制御信号を生成する画像処理装置２１と、光ファイバ４の端面位置を上述の適正な位置に移動するための移動機構２２とを具備した構成にある。
【００４５】
上記光ファイバ４の入射端面を２次元画像で観察すると、例えば図３に示すように、光ファイバ４の入射端面（中心：Ｃ１）と、受信レーザ光ＩＬの入射位置（中心：Ｃ２）を同時に観察できる。ここで、図３の左側に示す画像処理装置２１によってそれらのずれ量（Ｃ１−Ｃ２）を定量的に測定し、このずれ量を、図３の右側に示すように、移動機構２２により両中心（Ｃ１，Ｃ２）が一致するように補正することにより、常に一定の光ファイバカプリング性能を得ることが出来る。なお上記移動機構２２としては、水平垂直２軸に自由度を有する移動機構、あるいはそれに回転方向の自由度を有する移動機構が使用できる。なお、上記のような光ファイバ４の端面位置でなく、固定された光ファイバ４の端面に対する受信レーザ光ＩＬの入射位置を、図示しない光学系を用いて制御駆動することも可能である。
【００４６】
上記のように構成することにより、装置設置環境の温度変化や振動による光学素子の位置ずれ等による光ファイバカプリング損失の増加が監視できると共に、位置ずれが予め設定した許容範囲を超える場合には、適切かつ迅速にその位置を適正に復帰させることが可能になる。
【００４７】
なお、位置ずれ補正の信号を状態監視装置１９ｂにて適宜、信号変換、信号処理、リアルタイムの数値表示またはトレンド表示、記録するとともに、その信号が規定値を逸脱した場合にはその旨の警告、あるいは装置の停止信号を出力することもできる。
【００４８】
［実施例３］
次に、本発明に係るレーザ超音波受信装置の実施例３について添付した図４を参照して説明する。なお実施例１〜２と同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４９】
本実施例における特徴的構成は、受信レーザ光ＩＬを入射する光ファイバ４から光増幅器２方向に後方反射・散乱される光量（以降、「端面反射光量」と呼ぶ）を測定するための光検出器２３と、その出力信号を一定値に保持するよう受信レーザ光ＩＬの入射位置を光ファイバ４端面のコア内の適正な位置に制御するための制御信号を生成する制御装置２４と、光ファイバ４の端面位置を上述の適正な位置に移動するための移動機構２２とを具備した点にある。上記移動機構２２としては水平垂直２軸方向に自由度を有する移動機構、あるいはそれに回転方向の自由度を有する移動機構が使用できる。
【００５０】
上記受信レーザ光ＩＬは光ファイバ４から照射ヘッドＨを伝播する間、光ファイバ４の入射端面および出射端面、対物レンズＬ２の端面等において、その一部（例えば、光ファイバの材質が石英ガラスで、設置環境が空気中であると仮定すると、約３〜５％の光量）が後方に散乱、反射される。これらの散乱・反射量は装置の状態が定常的であれば常に一定値となるべき数値である。ここで、制御装置２４によって端面反射光量を一定値に保持するように光ファイバ４のカプリングを移動機構２２で補正することにより、常に一定の光ファイバカプリング性能を得ることが出来る。なお、光ファイバ４の端面位置でなく、固定された光ファイバ４の端面に対する受信レーザ光ＩＬの入射位置を、図示しない光学系を用いて制御駆動することも可能である。
【００５１】
上記のように構成することにより、装置設置環境の温度変化や振動による光学素子の位置ずれ等による光ファイバーカプリング損失の増加が監視できるとともに、その位置ずれが予め設定した許容範囲を超える場合には、適切かつ迅速にその適正位置に復帰させることができる。また、移動機構２２の動作によっても光検出器２３の出力信号が正常値に復帰しない場合には、受信レーザ光ＩＬの伝送経路（図４において光ファイバ４や対物レンズＬ２）に何らかの異常があると推定することもできる。
【００５２】
なお、光検出器２３の信号を状態監視装置１９ｃにて適宜、信号変換、信号処理、リアルタイムの数値表示またはトレンド表示、記録すると共に、その信号が規定値を逸脱した場合にはその旨の警告、あるいは装置の停止信号を出力することも可能である。また、この信号と受信用干渉計に入射する散乱光ＳＬの出力を示す光検出器８の出力信号を、同時性をもって観察、記録することにより、光ファイバ４または７あるいは照射ヘッドＨの健全性を推定することもできる。
【００５３】
［実施例４］
次に、本発明に係るレーザ超音波受信装置の実施例４について添付した図５を参照して説明する。なお実施例１〜３と同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５４】
本実施例の特徴的構成は、シードレーザ光源１から発振したレーザ光をパルス増幅する光増幅器２の電源３の発振状態を測定・制御する電源監視制御装置２５を具備し、電源監視制御装置２５の出力信号を状態監視装置１９ｃにて適宜、信号変換、信号処理、リアルタイム数値表示またはトレンド表示、記録するとともに、その信号が規定値を逸脱した場合にはその旨の警告、あるいは装置への停止信号を出力することにある。電源監視制御装置２５の出力信号とは、パルス電源の発振周波数、ピーク電圧、発振パルス数などである。
【００５５】
上記のように構成することにより、励起用フラッシュランプの経時劣化が監視できると共に、受信レーザ光ＩＬの発振出力を絞る場合には、図１に示すような光アッテネータ６に依らずに、電源３の出力を低下させて発振出力を絞ることが可能であり、電源３及びフラッシュランプの寿命の延長を図ることができる。
【００５６】
［実施例５］
次に、本発明に係るレーザ超音波受信装置の実施例５について添付した図６を参照して説明する。なお前記実施例１〜４と同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５７】
本実施例の特徴的構成は、受信パルスレーザ光源ＰＤＬ内および受信用干渉計ＤＯＰ内の少なくとも一方に、実施例１〜４で説明した各監視・制御機能の出力信号あるいはその特徴量の一部または全部を記憶するデータ記憶装置２５と、そのデータを読み出すためのインターフェース２６ａ、２６ｂとを具備すると共に、状態監視装置１９ｄにてインターフェース２６ａ、２６ｂを用いて、適宜そのデータを読み出し、信号変換、信号処理、リアルタイム数値表示またはトレンド表示、記録するとともに、その信号が規定値を逸脱した場合にはその旨の警告、あるいは装置への停止信号を出力するように構成した点にある。インターフェース２６ａ、２６ｂとしては、有線、無線のアナログ形式、デジタル形式のいずれの組合せも考えられる。また、制御信号を状態監視装置１９ｄから受信パルスレーザ光源ＰＤＬ内および受信用干渉計ＤＯＰに伝送し、駆動機構２２の動作、バルブＶの開度、電源監視制御装置２５による発振状態を遠隔で制御することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明に係るレーザ超音波受信装置の第一実施例の構成を示すブロック図。
【図２】本発明に係るレーザ超音波受信装置の第二実施例の構成を示すブロック図。
【図３】光ファイバへの受信レーザ光の入射状態を示す断面図。
【図４】本発明に係るレーザ超音波受信装置の第三実施例の構成を示すブロック図。
【図５】本発明に係るレーザ超音波受信装置の第四実施例の構成を示すブロック図。
【図６】本発明に係るレーザ超音波受信装置の第五実施例の構成を示すブロック図。
【図７】従来のレーザ超音波受信装置の構成を示すブロック図。
【図８】ファブリ・ペロー干渉計の動作を示す説明図。
【図９】従来のレーザ超音波受信装置の他の構成例を示すブロック図。
【符号の説明】
【００５９】
１ シードレーザ光源
２ 光増幅器
３ 電源
４、７、１５、１７ 光ファイバ
８、１０、１５、１６、２３ 光検出器
１１、１３ 周波数フィルタ
１２ 信号処理装置
１７ 冷却水測定器
１８ バルブ制御駆動装置
１９、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ 状態監視装置
２０ ＣＣＤカメラ
２１ 画像処理装置
２２ 入射状態調整用駆動機構
ＴＰ 被検査体
Ｖ 冷却水調整用バルブ
ＰＤＬ 受信パルスレーザ光源
ＤＯＰ 受信用干渉計
Ｈ 照射ヘッド
ＵＳ 超音波信号
Ｗ 冷却水
ＦＰ ファブリ・ペロー干渉計
ＰＭ１、ＰＭ２ 部分反射ミラー
Ｌ レンズ（あるいはレンズ群）
Ｍ ミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波信号を検出すべき被測定物の表面に照射するシードレーザ光を発振するシードレーザ発振手段と、前記シードレーザ発振手段の発振光をパルス状に増幅する光増幅手段とから構成されるレーザ発振手段と、
前記レーザ光が被測定物表面で反射・散乱された信号光から、超音波信号を抽出する光学干渉手段と、
前記光学干渉手段の出力信号を処理する信号処理手段と、
前記レーザ発振手段の状態を検出する状態検出手段とを備えたことを特徴とするレーザ超音波受信装置。
【請求項２】
前記状態検出手段は、前記シードレーザ発振手段の発振状態を検出することを特徴とする請求項１記載のレーザ超音波受信装置。
【請求項３】
前記状態検出手段は、前記光増幅手段からパルス発振されるレーザ光の状態を検出することを特徴とする請求項１記載のレーザ超音波受信装置。
【請求項４】
前記光増幅手段に含まれる光増幅媒質を励起する励起光源に冷却水を供給し冷却する冷却水供給手段を備え、
前記状態検出手段が前記冷却水供給手段から供給される冷却水の状態を検出する操作および冷却水の状態を制御する操作の少なくとも一方の操作を実行することを特徴とする請求項１記載のレーザ超音波受信装置。
【請求項５】
超音波信号を検出すべき被測定物の表面に照射するシードレーザ光を発振するシードレーザ発振手段と、前記シードレーザ発振手段の発振光をパルス状に増幅する光増幅手段とから構成されるレーザ発振手段と、
入射光量を検出する入射光量検出手段と、出力光量を検出する出力光量検出手段とを有し、前記レーザ光が被測定物表面で反射・散乱された信号光から、超音波信号を抽出するファブリ・ペロー干渉計と、
前記光学干渉手段の出力信号を処理する信号処理手段と、
上記入射光量検出手段の出力信号および上記出力光量検出手段の出力信号の少なくとも１つを上記信号処理手段の超音波信号と同時性をもって表示および記録する状態検出手段とを備えたことを特徴とするレーザ超音波受信装置。
【請求項６】
前記レーザ発振手段から前記被測定物に照射されるレーザ光を伝送する光ファイバと、
この光ファイバの入射端面を検出する画像センサと、
この画像センサの検出結果から上記光ファイバへのレーザ光の入射状態を検出する画像処理手段と、
この画像処理手段で検出されたレーザ光の入射状態結果から上記レーザ光の上記光ファイバへの入射状態を制御するための制御駆動手段と
を備え、
前記状態検出手段が上記画像処理手段で検出されたレーザ光の入射状態を表示および記録することを特徴とする請求項１記載のレーザ超音波受信装置。
【請求項７】
前記レーザ発振手段から前記被測定物に照射されるレーザ光を伝送する光ファイバと、
この光ファイバからの後方散乱・反射光を検出する端面反射検出手段と、
この端面反射検出手段で検出されたレーザ光の入射状態結果から上記レーザ光の上記光ファイバへの入射状態を制御するための制御駆動手段と
を備え、
前記状態検出手段が上記端面反射検出手段で検出されたレーザ光の入射状態を表示および記録することを特徴とする請求項１記載のレーザ超音波受信装置。
【請求項８】
前記光増幅手段に含まれる光増幅媒質を励起する励起光源を駆動するパルス電源手段を備え、
前記状態検出手段が前記パルス電源手段の発振状態を検出する操作および発振状態を制御する操作の少なくとも一方を実行することを特徴とする請求項１記載のレーザ超音波受信装置。
【請求項９】
前記状態検出手段の出力信号あるいはその特徴量の一部または全部を装置内部に保存するデータ保存手段と、
このデータ保存手段に蓄積された信号の一部または全部の読み出し、あるいは制御信号の伝送を行うための通信手段と
を備えたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のレーザ超音波受信装置。
【請求項１】
超音波信号を検出すべき被測定物の表面に照射するシードレーザ光を発振するシードレーザ発振手段と、前記シードレーザ発振手段の発振光をパルス状に増幅する光増幅手段とから構成されるレーザ発振手段と、
前記レーザ光が被測定物表面で反射・散乱された信号光から、超音波信号を抽出する光学干渉手段と、
前記光学干渉手段の出力信号を処理する信号処理手段と、
前記レーザ発振手段の状態を検出する状態検出手段とを備えたことを特徴とするレーザ超音波受信装置。
【請求項２】
前記状態検出手段は、前記シードレーザ発振手段の発振状態を検出することを特徴とする請求項１記載のレーザ超音波受信装置。
【請求項３】
前記状態検出手段は、前記光増幅手段からパルス発振されるレーザ光の状態を検出することを特徴とする請求項１記載のレーザ超音波受信装置。
【請求項４】
前記光増幅手段に含まれる光増幅媒質を励起する励起光源に冷却水を供給し冷却する冷却水供給手段を備え、
前記状態検出手段が前記冷却水供給手段から供給される冷却水の状態を検出する操作および冷却水の状態を制御する操作の少なくとも一方の操作を実行することを特徴とする請求項１記載のレーザ超音波受信装置。
【請求項５】
超音波信号を検出すべき被測定物の表面に照射するシードレーザ光を発振するシードレーザ発振手段と、前記シードレーザ発振手段の発振光をパルス状に増幅する光増幅手段とから構成されるレーザ発振手段と、
入射光量を検出する入射光量検出手段と、出力光量を検出する出力光量検出手段とを有し、前記レーザ光が被測定物表面で反射・散乱された信号光から、超音波信号を抽出するファブリ・ペロー干渉計と、
前記光学干渉手段の出力信号を処理する信号処理手段と、
上記入射光量検出手段の出力信号および上記出力光量検出手段の出力信号の少なくとも１つを上記信号処理手段の超音波信号と同時性をもって表示および記録する状態検出手段とを備えたことを特徴とするレーザ超音波受信装置。
【請求項６】
前記レーザ発振手段から前記被測定物に照射されるレーザ光を伝送する光ファイバと、
この光ファイバの入射端面を検出する画像センサと、
この画像センサの検出結果から上記光ファイバへのレーザ光の入射状態を検出する画像処理手段と、
この画像処理手段で検出されたレーザ光の入射状態結果から上記レーザ光の上記光ファイバへの入射状態を制御するための制御駆動手段と
を備え、
前記状態検出手段が上記画像処理手段で検出されたレーザ光の入射状態を表示および記録することを特徴とする請求項１記載のレーザ超音波受信装置。
【請求項７】
前記レーザ発振手段から前記被測定物に照射されるレーザ光を伝送する光ファイバと、
この光ファイバからの後方散乱・反射光を検出する端面反射検出手段と、
この端面反射検出手段で検出されたレーザ光の入射状態結果から上記レーザ光の上記光ファイバへの入射状態を制御するための制御駆動手段と
を備え、
前記状態検出手段が上記端面反射検出手段で検出されたレーザ光の入射状態を表示および記録することを特徴とする請求項１記載のレーザ超音波受信装置。
【請求項８】
前記光増幅手段に含まれる光増幅媒質を励起する励起光源を駆動するパルス電源手段を備え、
前記状態検出手段が前記パルス電源手段の発振状態を検出する操作および発振状態を制御する操作の少なくとも一方を実行することを特徴とする請求項１記載のレーザ超音波受信装置。
【請求項９】
前記状態検出手段の出力信号あるいはその特徴量の一部または全部を装置内部に保存するデータ保存手段と、
このデータ保存手段に蓄積された信号の一部または全部の読み出し、あるいは制御信号の伝送を行うための通信手段と
を備えたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のレーザ超音波受信装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−１７３０１（Ｐ２００７−１７３０１Ａ）
【公開日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１９９４７２（Ｐ２００５−１９９４７２）
【出願日】平成１７年７月７日（２００５．７．７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月７日（２００５．７．７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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