レーザ超音波検査装置およびレーザ超音波検査方法
【課題】周波数応答が高くて安価な撮像素子を利用できるレーザ超音波検査手法、または、分解能が低い安価な撮像素子を利用しても大きな光強度変化から小さな光強度変化まで検出することが可能なレーザ超音波検査手法を提供する。
【解決手段】レーザ超音波検査装置は、レーザ光源２と、レーザ光を照射レーザ光Ｉｉとリファレンス用レーザ光Ｉｒとに分岐させるレーザ光分岐機構３と、照射レーザ光を被検査対象面１に照射するレーザ照射機構３０と、被検査対象面１で反射した照射レーザ光を集光するレーザ集光機構３１と、照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とを受光して干渉計測を行なうためのフォトリフラクティブ結晶６と、フォトリフラクティブ結晶６で干渉を受けたレーザ光の波長を変換する波長変換機構１４と、波長が変換されたレーザ光を受光する受光機構１３と、を有する。
【解決手段】レーザ超音波検査装置は、レーザ光源２と、レーザ光を照射レーザ光Ｉｉとリファレンス用レーザ光Ｉｒとに分岐させるレーザ光分岐機構３と、照射レーザ光を被検査対象面１に照射するレーザ照射機構３０と、被検査対象面１で反射した照射レーザ光を集光するレーザ集光機構３１と、照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とを受光して干渉計測を行なうためのフォトリフラクティブ結晶６と、フォトリフラクティブ結晶６で干渉を受けたレーザ光の波長を変換する波長変換機構１４と、波長が変換されたレーザ光を受光する受光機構１３と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は被検査対象面にレーザ光を照射して非破壊で被検査対象面の欠陥などを検査するためのレーザ超音波検査装置およびレーザ超音波検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非破壊で検査を行なう手法として超音波探傷が挙げられる。超音波探傷は材料の特性や劣化を検出することができるため、様々な分野で広く使用されている。超音波探傷を行なう手段としては、圧電素子を用いる方法や、電磁気、レーザを用いた手法が挙げられる。これらの手法を用いてある対象を検査する場合、多くの場合は１点のみ計測を行なうのではなく、対象のある領域、若しくは全面に亘って広く検査することが求められることが多い。そのため、一般的には１つのセンサを走査させる方法や、センサをアレイ化して広い範囲の検査に対応しているのが現状である。
【０００３】
そのような手法をさらに高度化した超音波検出手法として、レーザ光を用いた２次元計測手法が近年提案されている。レーザ光による２次元計測手法例として、スペックルを用いた計測手法が知られている（特許文献１）。これは、レーザ光を対象に照射した際に生じるスペックルを計測し、超音波を発生させた際に再度スペックルを計測し、２つのスペックルの差を取ることで、超音波の伝播によるスペックルの変化、すなわち超音波が対象内で受ける物性や劣化等の影響を計測することが可能になる技術である。
【０００４】
また、フォトリフラクティブ効果を用いたレーザ光による２次元干渉計測手法も提案されている（特許文献２）。これは、図１１に示すようにレーザ光源２から出射したレーザ光を、レーザ光分岐機構３により照射レーザ光Ｉｉとリファレンス用レーザ光Ｉｒに分岐させ、照射レーザ光Ｉｉが被検査対象物１の表面で反射して超音波成分を含んだレーザ光Ｉｓと、リファレンス用レーザ光Ｉｒを位相変調器４で変調させた２つのレーザ光をフォトリフラクティブ結晶６に入射させる。これにより、フォトリフラクティブ結晶６内部に回折格子が形成され、それにより干渉計測を行なう。干渉後のレーザ光Ｉは被検査対象物１の表面に照射した２次元形状像を保ちながら、その形状像を受光機構１３で計測することが可能である。このように、２次元的な超音波信号の分布状態の計測が可能である。
【特許文献１】特開２００４−１０１１８９号公報
【特許文献２】米国特許第 6,175,411号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の特許文献１で提案されている手法は超音波を励起する前のデータを使用する必要があることから、１回の超音波送信で検査することができない問題がある。それに対して特許文献２に開示された方法は、一般的な超音波検査のように超音波信号そのものを検出する手法である。
【０００６】
図１１で示した計測装置において、超音波信号を検出するために干渉計測を可能にするフォトリフラクティブ結晶をＢＳＯ（Bismuth Silicon Oxide）結晶としている。この結晶は可視光に対して動作が可能であることを特徴としている。そのため、干渉信号を廉価なＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラで計測することが可能である。しかし、ＢＳＯ結晶は干渉を行なうためにフォトリフラクティブ素子に回折格子を形成する応答時間が遅いという問題がある。これにより、干渉計測する際に計測可能な超音波信号の周波数に制限が生じることとなる。
【０００７】
そのために、図１１の位相変調器４によりリファレンス用レーザ光Ｉｒの位相を変調させ、実際に計測したい超音波信号による変調との差周波数を低くなるようにすることで、高い周波数を持った超音波の計測を可能にしている。しかし、位相変調器の多くは高価であることや、レーザ光により損傷する可能性があること、計測したい超音波信号の周波数をある程度事前に決定する必要があることなどの問題がある。
【０００８】
また、ＢＳＯ結晶は光学活性がある結晶のため、結晶内をレーザ光が透過する際に偏光が旋光する特徴がある。そのため、ＢＳＯ結晶でフォトリフラクティブ効果を効率よく生じさせるために、偏光状態を調整する必要がある。そのため、光学素子配置が増加し、装置が複雑化すること、および、光学ロスが発生するため検出感度の低下につながる。
【０００９】
このような問題があるにもかかわらず、ＢＳＯ結晶を使用するのは次の理由による。すなわち、他の時定数の速いフォトリフラクティブ結晶にはＩｎＰ、ＧａＡｓ、または量子井戸型半導体などがあるがいずれも近赤外の波長に対してフォトリフラクティブ効果を持ち、可視光では使用が困難であるためである。可視でないことは、光学系の調整が困難であることに加えて、検出器に問題が生じる。現在汎用のＣＣＤカメラやＣ−ＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）カメラの多くは、可視光を効率よく検出できるように設計されており、近赤外の波長に対してはＣＣＤカメラの検出性能が低下する。また、近赤外用のＣＣＤカメラは性能が悪いだけでなく、コスト的にも可視光用のＣＣＤカメラに比べて高くて不利である。
【００１０】
そこで、本発明の第一の課題は、周波数応答が高く、可視光用のＣＣＤなどを使用することが可能なレーザ超音波検査手法を提供することである。
【００１１】
一方、受光機構には、ＣＣＤカメラやＣ−ＭＯＳカメラが有力な候補であるが、それらにはダイナミックレンジの問題が生じる。ＣＣＤやＣ−ＭＯＳは高い画素分解能を持ち、数十万個から数百万個もの光検出器でリアルタイムに信号を収録することが可能であるが、光強度に対するダイナミックレンジは一般的なフォトダイオードを利用した場合に比べて悪いという問題がある。また、光信号を電気信号に変換後、デジタル信号として出力する際に、多くのＣＣＤは８ビットの分解能、すなわち光強度がフルスケールに対して２５６階調という低分解能で変換される。そのため、暗い光から明るい光まで一度に検出をするのが困難である。
【００１２】
これは、たとえば図１１のような検査手法において問題が生じる。被検査対象１を上部から見た状態を想定するとき、超音波励起点Ｇに超音波を励起すると、発生した超音波は同心円状に伝播していく。この場合、超音波励起点Ｇの近傍で最も超音波振幅が大きく、伝播が進むにつれ距離減衰や材料特性による散乱・減衰が生じるため超音波振幅が小さくなっていく。すなわち、光強度変化が小さくなっていく。したがって、超音波励起点Ｇ近傍と、離れた場所では検出する光強度のダイナミックレンジが大きく異なる。そのため、超音波励起点近傍の光強度変化を検出すべくＣＣＤの感度を調整すると、超音波励起点から離れた場所での光強度変化はＣＣＤの分解能が低いことから光強度変化の検出分解能が低くなる問題がある。
【００１３】
そこで、本発明の第二の課題は、分解能が低いＣＣＤなどにおいても大きな光強度変化から小さな光強度変化まで検出することが可能なレーザ超音波検査手法を提供することである。
【００１４】
本発明は上記第１または第２の課題を解決するものであって、その目的は、周波数応答が高くて安価なＣＣＤなどの撮像素子を利用できるレーザ超音波検査手法、または、分解能が低い安価なＣＣＤなどの撮像素子を利用しても大きな光強度変化から小さな光強度変化まで検出することが可能なレーザ超音波検査手法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ超音波検査装置の一つの態様は、レーザ光を発生させるレーザ光源と、前記レーザ光源で発生したレーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させるレーザ光分岐手段と、前記照射レーザ光を被検査対象面に照射するレーザ照射手段と、前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光するレーザ集光手段と、前記レーザ集光手段を通った照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とを受光して干渉計測を行なうためのフォトリフラクティブ結晶と、前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光の波長を変換する波長変換手段と、前記波長変換手段で波長が変換されたレーザ光を受光する受光手段と、を有することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係るレーザ超音波検査装置の他の一つの態様は、レーザ光を発生させるレーザ光源と、前記レーザ光源で発生したレーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させるレーザ光分岐手段と、前記照射レーザ光を被検査対象面に照射するレーザ照射手段と、前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光するレーザ集光手段と、前記レーザ集光手段を通った照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とを受光して干渉計測を行なうためのフォトリフラクティブ結晶と、前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光のプロファイルを変化させるプロファイル制御手段と、前記プロファイル制御手段でプロファイルを変化したレーザ光を受光する受光手段と、を有することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係るレーザ超音波検査方法の一つの態様は、レーザ光を発生させ、前記レーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させ、前記照射レーザ光を被検査対象面に照射して反射させ、前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光し、前記集光された照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とをフォトリフラクティブ結晶で受光して干渉計測を行ない、前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光の波長を変換し、前記波長が変換されたレーザ光を受光すること、を有することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係るレーザ超音波検査方法の他の一つの態様は、レーザ光を発生させ、前記レーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させ、前記照射レーザ光を被検査対象面に照射して反射させ、前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光し、前記集光された照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とをフォトリフラクティブ結晶で受光して干渉計測を行ない、前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光のプロファイルを変化させ、前記プロファイルが変化したレーザ光を受光すること、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、周波数応答が高くて安価なＣＣＤなどの撮像素子を利用できるレーザ超音波検査手法、または、分解能が低い安価なＣＣＤなどの撮像素子を利用しても大きな光強度変化から小さな光強度変化まで検出することが可能なレーザ超音波検査手法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係るレーザ超音波検査装置の実施形態について、図１ないし図１０を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００２１】
（第１の実施形態）
図１を用いて本発明に係るレーザ超音波検査装置の第１の実施形態について説明する。ここで、図１は第１の実施形態のレーザ超音波検査装置を模式的に示す縦断面図である。
【００２２】
第１の実施形態のレーザ超音波検査装置は、レーザ光源２と、レーザ光分岐機構３と、レーザ照射機構３０と、レーザ集光機構３１と、偏光子１１と、フォトリフラクティブ結晶６と、波長変換素子１４と、受光機構１３とを有する。
【００２３】
レーザ光源２は、被検査対象物１の表面にレーザ光Ｉｉを照射させるためのもので、たとえば、１０６４ｎｍの波長を持つ近赤外線領域のレーザ光を発光するものである。それ以外にフォトリフラクティブ結晶６に対して動作可能な波長をもつ他のレーザ光の波長も考えられる。また、レーザ光源２は連続光だけでなく、ピークパワーが高いパルスレーザ光を使用することも可能である。
【００２４】
レーザ光源２から発射されたレーザ光はレーザ光分岐機構３に入射されて照射レーザ光Ｉｉとリファレンス用レーザ光Ｉｒに分岐される。
【００２５】
レーザ光分岐機構３で分岐した照射レーザ光Ｉｉは、レーザ照射機構３０で、観測したい２次元領域にレーザ光が照射されるように任意の形状に変えられて被検査対象物１の表面に照射される。レーザ照射機構３０は、たとえば光学レンズ７および反射鏡８を含んでいる。
【００２６】
照射レーザ光Ｉｉが被検査対象物１の表面に照射されると、照射レーザ光Ｉｉは表面の超音波振動により影響を受け、超音波成分を含んだ照射レーザ光Ｉｓとなって反射される。この超音波成分を含んだ照射レーザ光Ｉｓはレーザ集光機構３１で集光される。レーザ集光機構３１は、たとえば光学レンズ９、１０を含んでいる。レーザ集光機構３１は、レンズを組み合わせた機構のほか、ファイバにて像転送を行なうことが可能なイメージングファイバなどを使用することも可能である（図示せず）。
【００２７】
レーザ集光機構３１から出射した照射レーザ光Ｉｓは偏光子１１を通ってフォトリフラクティブ結晶６に入射される。一方、レーザ光分岐機構３で分岐したリファレンス用レーザ光Ｉｒはそのままフォトリフラクティブ結晶６に入射される。フォトリフラクティブ結晶６は超音波成分を含んだ照射レーザ光Ｉｓとレーザ光Ｉｒとを干渉させる。すなわち、レーザ光Ｉｒとレーザ光Ｉｓがフォトリフラクティブ結晶４に照射されると、２つのレーザ光によりフォトリフラクティブ結晶内部に回折格子が形成される。この回折格子によって、超音波振動の影響を受けているＩｓは干渉を受け、干渉の影響を受けたレーザ光Ｉとなる。
【００２８】
フォトリフラクティブ結晶６として使用できる結晶は、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ系（たとえばＩｎＰ：Ｆｅ）、ＣｄＴｅ系（たとえばＣｄＴｅ：Ｖ）、量子井戸構造を持った素子（たとえばＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ）、などが挙げられる。
【００２９】
フォトリフラクティブ結晶６で干渉を受けたレーザ光Ｉは波長変換素子１４を通され、受光機構１３が持つ最適な感度となる波長を持つレーザ光Ｉｗに変換される。波長変換素子１４は、好ましくは可視光の波長を持つレーザ光に変換することができる素子を使用するとし、たとえばＢｉＢＯ系結晶、ＢＢＯ系結晶、ＫＴＰ系結晶、ＬＢＯ系結晶、ＬｉＮｂＯ系結晶などあり、また他の結晶も考えられる。
【００３０】
波長変換素子１４で波長変換されたレーザ光Ｉｗは受光機構１３で受光する。受光機構１３は、ＣＣＤカメラやＣ−ＭＯＳカメラ、フォトダイオードアレイやその他２次元的に光を計測できる機構、またはリニアアレイセンサ等の１次元的に光を計測できる機構である。レーザ光Ｉｗは空間的にプロファイルを持っていることから、受光機構１３によって、被検査対象物１の表面の超音波の状態を一般的な点計測ではなく、１次元的または２次元的に計測することが可能である。
【００３１】
つぎに、以上説明した実施形態の効果について説明する。
【００３２】
一般に、フォトリフラクティブ素子としてＢＳＯ結晶など、可視光で動作する結晶を使用する場合、レーザ光が目視で確認できるため光学系の調整が容易である。また、使用できる受光機構１３にＣＣＤカメラやＣ−ＭＯＳカメラを使用する場合、それらの装置は可視光下での使用を想定している場合が多いため、可視光に最適化された機能を持っていること、および多彩な機能やコストの点からも可視光で動作するＣＣＤやＣ−ＭＯＳカメラが優れていることから、可視光で動作する結晶を用いるのが適している。
【００３３】
一方で、可視光で動作するＢＳＯ結晶は、回折格子を形成する応答速度が遅いという問題がある。そのため、回折格子が形成される時間が遅くなることから、高い周波数を持った超音波の計測に不向きである。また、ＢＳＯ結晶が持つ光学活性は、結晶内部で伝播するレーザ光の偏光を変化させてしまう。そのため、光学素子配置が複雑になる。
【００３４】
一方で、主に波長９００ｎｍから１５００ｎｍのレーザ光で動作することができるＧａＡｓ結晶やＩｎＰ結晶、ＣｄＴｅ結晶などは、より速い応答速度を持っていることや、光学活性がないことから、ＢＳＯ結晶より高い周波数を持った超音波の計測が容易になり、且つ光学素子配置を簡単にすることが可能である。
【００３５】
そこで、レーザ光源２として、上記結晶を動作させることが可能な近赤外の波長（９００ｎｍ〜１５００ｎｍ）を持つレーザ光源を使用し、ＧａＡｓ結晶やＩｎＰ結晶、ＣｄＴｅ結晶などの結晶を用いることで速い応答速度を持つ干渉計とすることができる。干渉後のレーザ光Ｉは、そのままでは近赤外の波長を持つが、これを波長変換機構にて可視光波長を持つレーザ光Ｉｗに変換することで、高機能、高感度の可視光用ＣＣＤカメラやＣ−ＭＯＳカメラを適用することができる。このように本実施の形態により、本発明における第一の課題である、周波数応答が高く、可視光用のＣＣＤを使用することが可能なレーザ超音波検査手法を提供することができる。
【００３６】
（第２の実施形態）
図２を用いて本発明に係るレーザ超音波検査装置の第２の実施形態について説明する。ここで、図２は第２の実施形態のレーザ超音波検査装置を模式的に示す縦断面図である。この実施形態は、第１の実施形態（図１）の変形例であって、レーザ光分岐機構３で分岐したリファレンス用レーザ光Ｉｒがフォトリフラクティブ結晶６に入射される前に、位相変調器４を通過する構成となっている。この構成であっても、第１の実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。
【００３７】
（第３の実施形態）
図３を用いて本発明に係るレーザ超音波検査装置の第３の実施形態について説明する。ここで、図３は第３の実施形態のレーザ超音波検査装置を模式的に示す縦断面図である。
【００３８】
第３の実施形態のレーザ超音波検査装置は、レーザ光源２と、レーザ光分岐機構３と、レーザ照射機構３０と、レーザ集光機構３１と、偏光子１１と、フォトリフラクティブ結晶６と、波長変換素子１４と、受光機構１３とを有するほかに、アイソレータ１９と、光学レンズ３７と、反射鏡３８とを有する。
【００３９】
レーザ光源２から発射されたレーザ光はアイソレータ１９を経て、レーザ光分岐機構３に入射され、照射レーザ光Ｉｉとリファレンス用レーザ光Ｉｒに分岐される。
【００４０】
レーザ光分岐機構３で分岐した照射レーザ光Ｉｉはレーザ照射機構３０で、観測したい２次元領域にレーザ光が照射されるように任意の形状に変えられて被検査対象物１の表面に照射される。この実施形態では、レーザ照射機構３０は光学レンズ７と、偏光ビームスプリッタ１７と、１／４波長板１８とを有する。レーザ光分岐機構３で分岐した照射レーザ光Ｉｉは光学レンズ７、偏光ビームスプリッタ１７、１／４波長板１８の順に通り、被検査対象物１に照射される。この実施形態では、照射レーザ光Ｉｉが被検査対象物１の表面に対して垂直に入射される。
【００４１】
被検査対象物１の表面に照射された照射レーザ光は、超音波振動により影響を受け、超音波成分を含んだ照射レーザ光Ｉｓとなって反射される。この超音波成分を含んだ照射レーザ光Ｉｓは、１／４波長板１８を経て再び偏光ビームスプリッタ１７に入射され、ここで向きを変えて、レーザ集光機構３１で集光される。レーザ集光機構３１は、たとえば光学レンズから構成されている。
【００４２】
レーザ集光機構３１から出射した照射レーザ光Ｉｓは偏光子１１を通ってフォトリフラクティブ結晶６に入射される。一方、レーザ光分岐機構３で分岐したリファレンス用レーザ光Ｉｒは、光学レンズ３７および反射鏡３８を通ってフォトリフラクティブ結晶６に入射される。フォトリフラクティブ結晶６は超音波成分を含んだ照射レーザ光Ｉｓとレーザ光Ｉｒとを干渉させる。これにより、超音波振動の影響を受けているＩｓは干渉を受け、干渉の影響を受けたレーザ光Ｉとなる。
【００４３】
レーザ光Ｉは波長変換素子１４を通され、受光機構１３が持つ最適な感度となる波長を持つレーザ光Ｉｗに変換される。波長変換素子１４で波長変換されたレーザ光Ｉｗは受光機構１３で受光する。
【００４４】
この実施形態によれば、被検査対象物１に対して正対させてレーザ光を照射することができる。
【００４５】
（第４の実施形態）
図４を用いて本発明に係るレーザ超音波検査装置の第４の実施形態について説明する。ここで、図４は第４の実施形態のレーザ超音波検査装置を模式的に示す縦断面図である。
【００４６】
第４の実施形態は第２の実施形態（図２）の変形であって、可視光源１５を有し、可視光源１５から出射された可視光Ｖは、レーザ光分岐機構３で照射レーザ光Ｉｉと重畳される。可視光源１５としてはレーザ光源２で使用しているレーザ光の波長にできるだけ近い波長を持つ光源を使用すると、光学素子それぞれで受ける収差等の影響が小さいことから望ましい。
【００４７】
第２の実施形態で、レーザ光源２を可視光の波長を持つレーザ光から、高速応答時間を持つフォトリフラクティブ結晶６が動作可能な近赤外の波長を持つレーザ光源にした際、レーザ光は多くの場合、目で見ることはできない。そのため、被検査対象物１の表面のどこにレーザ光Ｉｉが照射されているか、または様々な箇所で使用されている光学素子の位置調整や、受光機構１３で得る像の確認が困難になってしまう。
【００４８】
この第４の実施形態では、可視光Ｖを可視光源１５から出射し、レーザ光Ｉｉとほぼ同じ光路となるように調整することで、これらの問題を解決できる。しかも、前述の第一の課題である周波数応答が高く、可視光用のＣＣＤを使用することが可能なレーザ超音波検査手法を提供することができる。
【００４９】
（第５の実施形態）
図５を用いて本発明に係るレーザ超音波検査装置の第５の実施形態について説明する。ここで、図５は第５の実施形態のレーザ超音波検査装置を模式的に示す縦断面図である。
【００５０】
第５の実施形態は第２の実施形態（図２）の変形であって、第２の実施形態の波長変換素子１４の代わりにプロファイル制御機構１６を配置したものである。ここで、プロファイル制御機構１６としては、ＮＤ（Neutral Density）フィルタ（減速フィルタ）や、フーリエレンズ、回折格子など、レーザ光Ｉのプロファイルを変化させることが可能なものである。干渉の影響を受けたレーザ光Ｉはプロファイル制御機構１６によって、プロファイルを成形された干渉後のレーザ光Ｉ’に変化する。
【００５１】
フォトリフラクティブ結晶６において干渉計測されたレーザ光Ｉは、計測された超音波のプロファイルに応じた強度プロファイルとなっている。そこで、プロファイルを持ったレーザ光Ｉをプロファイル制御機構１６に透過させることで、そのプロファイルを変化させることが可能である。たとえば、超音波信号により得られたプロファイルが図７および図８に示すように同心円波形状である場合、プロファイル制御機構１６を図９の実線４０に示すような透過量をもつ機構とすると、出力されるレーザ光Ｉのプロファイルを図１０のようにすることが可能である。
【００５２】
また、フーリエレンズをプロファイル制御機構１６として使用する場合、規則的な周期性を持つプロファイルをレーザ光Ｉが持っていた場合、その空間周波数に応じた２次元周波数変換結果としてレーザ光Ｉのプロファイルが変換されることとなる。
【００５３】
一般に、たとえば図８ではＣＣＤカメラのダイナミックレンジをＲ１に設定しなければならないが、この場合、Ｒ２部分の強度変化に対しては、分解能が低い部分で計測しなければならないため、低ＳＮで計測せざるを得ない問題が生じる。一方、本実施形態によれば、図９のようなレーザ光の透過量を変化させることができるプロファイル制御機構１６により、レーザ光Ｉのプロファイルを変化させることができ、レーザ光Ｉのプロファイルは図１０のように変換される。変換されたレーザ光Ｉのプロファイルは、あるダイナミックレンジＲ３のみで、プロファイル分布を均一化することができるため、プロファイルの場所によって感度低下などを生じさせず、計測することが可能になる。
【００５４】
また、プロファイル制御機構１６をフーリエレンズとした場合、規則性のある超音波波形によるプロファイル変化は、規則性が破れた場合にいつもと違うレーザ光のプロファイル変化を出力することになり、プロファイル的に微少な変化でも、大きなプロファイルの変化に変換することが可能である。
【００５５】
このように、本実施の形態により、本発明における第二の課題である、分解能が低いＣＣＤにおいても大きな光強度変化から小さな光強度変化まで検出することが可能なレーザ超音波検査手法を提供することが可能である。
【００５６】
（第６の実施形態）
図６を用いて本発明に係るレーザ超音波検査装置の第６の実施形態について説明する。ここで、図６は第６の実施形態のレーザ超音波検査装置を模式的に示す縦断面図である。
【００５７】
第６の実施形態は第１の実施形態（図１）の変形または第５の実施形態（図５）の変形であって、第１の実施形態の波長変換素子１４と受光機構１３の間に、第５の実施形態と同様のプロファイル制御機構１６を挿入した構成である。また、第５の実施形態の構成から位相変調器４を削除したものであるともいえる。この構成により、第５の実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。
【００５８】
（他の実施形態）
以上説明した各実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００５９】
たとえば、第６の実施形態の変形例として、プロファイル制御機構１６を波長変換素子１４の前に配置することもできる。
【００６０】
また、第３または第４の実施形態のフォトリフラクティブ結晶６をプロファイル制御機構１６で置き換えることや、第３または第４の実施形態のフォトリフラクティブ結晶６の前方または後方にプロファイル制御機構１６を追加することなど、各実施形態の特徴を種々に組み合わせることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明に係るレーザ超音波検査装置の第１の実施形態を模式的に示す縦断面図。
【図２】本発明に係るレーザ超音波検査装置の第２の実施形態を模式的に示す縦断面図。
【図３】本発明に係るレーザ超音波検査装置の第３の実施形態を模式的に示す縦断面図。
【図４】本発明に係るレーザ超音波検査装置の第４の実施形態を模式的に示す縦断面図。
【図５】本発明に係るレーザ超音波検査装置の第５の実施形態を模式的に示す縦断面図。
【図６】本発明に係るレーザ超音波検査装置の第６の実施形態を模式的に示す縦断面図。
【図７】本発明に係るレーザ超音波検査装置の第５の実施形態の効果を説明するための図であって、超音波信号の強度の２次元分布を明るさの分布として示すグラフ。
【図８】図７のVIII−VIII線に沿う強度分布のプロファイルを示すグラフ。
【図９】本発明に係るレーザ超音波検査装置の第５の実施形態におけるプロファイル制御装置の透過量特性を示すグラフ。
【図１０】本発明に係るレーザ超音波検査装置の第５の実施形態において図９の特性を有するプロファイル制御装置に図８に示す信号を透過した後の強度分布のプロファイルを示すグラフ。
【図１１】従来のレーザ超音波検査装置の一例を模式的に示す縦断面図。
【符号の説明】
【００６２】
１ ： 被検査対象物
２ ： レーザ光源
３ ： レーザ光分岐機構
４ ： 位相変調器
５ ： 偏光子
６ ： フォトリフラクティブ結晶
７ ： 光学レンズ
８ ： 反射鏡
９ ： 光学レンズ
１０ ： 光学レンズ
１１、１２ ： 偏光子
１３ ： 受光機構
１４ ： 波長変換素子
１５ ： 可視光源
１６ ： プロファイル制御機構
１７ ： 偏光ビームスプリッタ
１８ ： １／４波長板
１９ ： アイソレータ
３０ ： レーザ照射機構
３１ ： レーザ集光機構
３７ ： 光学レンズ
３８ ： 反射鏡
【技術分野】
【０００１】
この発明は被検査対象面にレーザ光を照射して非破壊で被検査対象面の欠陥などを検査するためのレーザ超音波検査装置およびレーザ超音波検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非破壊で検査を行なう手法として超音波探傷が挙げられる。超音波探傷は材料の特性や劣化を検出することができるため、様々な分野で広く使用されている。超音波探傷を行なう手段としては、圧電素子を用いる方法や、電磁気、レーザを用いた手法が挙げられる。これらの手法を用いてある対象を検査する場合、多くの場合は１点のみ計測を行なうのではなく、対象のある領域、若しくは全面に亘って広く検査することが求められることが多い。そのため、一般的には１つのセンサを走査させる方法や、センサをアレイ化して広い範囲の検査に対応しているのが現状である。
【０００３】
そのような手法をさらに高度化した超音波検出手法として、レーザ光を用いた２次元計測手法が近年提案されている。レーザ光による２次元計測手法例として、スペックルを用いた計測手法が知られている（特許文献１）。これは、レーザ光を対象に照射した際に生じるスペックルを計測し、超音波を発生させた際に再度スペックルを計測し、２つのスペックルの差を取ることで、超音波の伝播によるスペックルの変化、すなわち超音波が対象内で受ける物性や劣化等の影響を計測することが可能になる技術である。
【０００４】
また、フォトリフラクティブ効果を用いたレーザ光による２次元干渉計測手法も提案されている（特許文献２）。これは、図１１に示すようにレーザ光源２から出射したレーザ光を、レーザ光分岐機構３により照射レーザ光Ｉｉとリファレンス用レーザ光Ｉｒに分岐させ、照射レーザ光Ｉｉが被検査対象物１の表面で反射して超音波成分を含んだレーザ光Ｉｓと、リファレンス用レーザ光Ｉｒを位相変調器４で変調させた２つのレーザ光をフォトリフラクティブ結晶６に入射させる。これにより、フォトリフラクティブ結晶６内部に回折格子が形成され、それにより干渉計測を行なう。干渉後のレーザ光Ｉは被検査対象物１の表面に照射した２次元形状像を保ちながら、その形状像を受光機構１３で計測することが可能である。このように、２次元的な超音波信号の分布状態の計測が可能である。
【特許文献１】特開２００４−１０１１８９号公報
【特許文献２】米国特許第 6,175,411号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の特許文献１で提案されている手法は超音波を励起する前のデータを使用する必要があることから、１回の超音波送信で検査することができない問題がある。それに対して特許文献２に開示された方法は、一般的な超音波検査のように超音波信号そのものを検出する手法である。
【０００６】
図１１で示した計測装置において、超音波信号を検出するために干渉計測を可能にするフォトリフラクティブ結晶をＢＳＯ（Bismuth Silicon Oxide）結晶としている。この結晶は可視光に対して動作が可能であることを特徴としている。そのため、干渉信号を廉価なＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラで計測することが可能である。しかし、ＢＳＯ結晶は干渉を行なうためにフォトリフラクティブ素子に回折格子を形成する応答時間が遅いという問題がある。これにより、干渉計測する際に計測可能な超音波信号の周波数に制限が生じることとなる。
【０００７】
そのために、図１１の位相変調器４によりリファレンス用レーザ光Ｉｒの位相を変調させ、実際に計測したい超音波信号による変調との差周波数を低くなるようにすることで、高い周波数を持った超音波の計測を可能にしている。しかし、位相変調器の多くは高価であることや、レーザ光により損傷する可能性があること、計測したい超音波信号の周波数をある程度事前に決定する必要があることなどの問題がある。
【０００８】
また、ＢＳＯ結晶は光学活性がある結晶のため、結晶内をレーザ光が透過する際に偏光が旋光する特徴がある。そのため、ＢＳＯ結晶でフォトリフラクティブ効果を効率よく生じさせるために、偏光状態を調整する必要がある。そのため、光学素子配置が増加し、装置が複雑化すること、および、光学ロスが発生するため検出感度の低下につながる。
【０００９】
このような問題があるにもかかわらず、ＢＳＯ結晶を使用するのは次の理由による。すなわち、他の時定数の速いフォトリフラクティブ結晶にはＩｎＰ、ＧａＡｓ、または量子井戸型半導体などがあるがいずれも近赤外の波長に対してフォトリフラクティブ効果を持ち、可視光では使用が困難であるためである。可視でないことは、光学系の調整が困難であることに加えて、検出器に問題が生じる。現在汎用のＣＣＤカメラやＣ−ＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）カメラの多くは、可視光を効率よく検出できるように設計されており、近赤外の波長に対してはＣＣＤカメラの検出性能が低下する。また、近赤外用のＣＣＤカメラは性能が悪いだけでなく、コスト的にも可視光用のＣＣＤカメラに比べて高くて不利である。
【００１０】
そこで、本発明の第一の課題は、周波数応答が高く、可視光用のＣＣＤなどを使用することが可能なレーザ超音波検査手法を提供することである。
【００１１】
一方、受光機構には、ＣＣＤカメラやＣ−ＭＯＳカメラが有力な候補であるが、それらにはダイナミックレンジの問題が生じる。ＣＣＤやＣ−ＭＯＳは高い画素分解能を持ち、数十万個から数百万個もの光検出器でリアルタイムに信号を収録することが可能であるが、光強度に対するダイナミックレンジは一般的なフォトダイオードを利用した場合に比べて悪いという問題がある。また、光信号を電気信号に変換後、デジタル信号として出力する際に、多くのＣＣＤは８ビットの分解能、すなわち光強度がフルスケールに対して２５６階調という低分解能で変換される。そのため、暗い光から明るい光まで一度に検出をするのが困難である。
【００１２】
これは、たとえば図１１のような検査手法において問題が生じる。被検査対象１を上部から見た状態を想定するとき、超音波励起点Ｇに超音波を励起すると、発生した超音波は同心円状に伝播していく。この場合、超音波励起点Ｇの近傍で最も超音波振幅が大きく、伝播が進むにつれ距離減衰や材料特性による散乱・減衰が生じるため超音波振幅が小さくなっていく。すなわち、光強度変化が小さくなっていく。したがって、超音波励起点Ｇ近傍と、離れた場所では検出する光強度のダイナミックレンジが大きく異なる。そのため、超音波励起点近傍の光強度変化を検出すべくＣＣＤの感度を調整すると、超音波励起点から離れた場所での光強度変化はＣＣＤの分解能が低いことから光強度変化の検出分解能が低くなる問題がある。
【００１３】
そこで、本発明の第二の課題は、分解能が低いＣＣＤなどにおいても大きな光強度変化から小さな光強度変化まで検出することが可能なレーザ超音波検査手法を提供することである。
【００１４】
本発明は上記第１または第２の課題を解決するものであって、その目的は、周波数応答が高くて安価なＣＣＤなどの撮像素子を利用できるレーザ超音波検査手法、または、分解能が低い安価なＣＣＤなどの撮像素子を利用しても大きな光強度変化から小さな光強度変化まで検出することが可能なレーザ超音波検査手法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ超音波検査装置の一つの態様は、レーザ光を発生させるレーザ光源と、前記レーザ光源で発生したレーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させるレーザ光分岐手段と、前記照射レーザ光を被検査対象面に照射するレーザ照射手段と、前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光するレーザ集光手段と、前記レーザ集光手段を通った照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とを受光して干渉計測を行なうためのフォトリフラクティブ結晶と、前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光の波長を変換する波長変換手段と、前記波長変換手段で波長が変換されたレーザ光を受光する受光手段と、を有することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係るレーザ超音波検査装置の他の一つの態様は、レーザ光を発生させるレーザ光源と、前記レーザ光源で発生したレーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させるレーザ光分岐手段と、前記照射レーザ光を被検査対象面に照射するレーザ照射手段と、前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光するレーザ集光手段と、前記レーザ集光手段を通った照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とを受光して干渉計測を行なうためのフォトリフラクティブ結晶と、前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光のプロファイルを変化させるプロファイル制御手段と、前記プロファイル制御手段でプロファイルを変化したレーザ光を受光する受光手段と、を有することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係るレーザ超音波検査方法の一つの態様は、レーザ光を発生させ、前記レーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させ、前記照射レーザ光を被検査対象面に照射して反射させ、前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光し、前記集光された照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とをフォトリフラクティブ結晶で受光して干渉計測を行ない、前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光の波長を変換し、前記波長が変換されたレーザ光を受光すること、を有することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係るレーザ超音波検査方法の他の一つの態様は、レーザ光を発生させ、前記レーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させ、前記照射レーザ光を被検査対象面に照射して反射させ、前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光し、前記集光された照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とをフォトリフラクティブ結晶で受光して干渉計測を行ない、前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光のプロファイルを変化させ、前記プロファイルが変化したレーザ光を受光すること、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、周波数応答が高くて安価なＣＣＤなどの撮像素子を利用できるレーザ超音波検査手法、または、分解能が低い安価なＣＣＤなどの撮像素子を利用しても大きな光強度変化から小さな光強度変化まで検出することが可能なレーザ超音波検査手法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係るレーザ超音波検査装置の実施形態について、図１ないし図１０を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００２１】
（第１の実施形態）
図１を用いて本発明に係るレーザ超音波検査装置の第１の実施形態について説明する。ここで、図１は第１の実施形態のレーザ超音波検査装置を模式的に示す縦断面図である。
【００２２】
第１の実施形態のレーザ超音波検査装置は、レーザ光源２と、レーザ光分岐機構３と、レーザ照射機構３０と、レーザ集光機構３１と、偏光子１１と、フォトリフラクティブ結晶６と、波長変換素子１４と、受光機構１３とを有する。
【００２３】
レーザ光源２は、被検査対象物１の表面にレーザ光Ｉｉを照射させるためのもので、たとえば、１０６４ｎｍの波長を持つ近赤外線領域のレーザ光を発光するものである。それ以外にフォトリフラクティブ結晶６に対して動作可能な波長をもつ他のレーザ光の波長も考えられる。また、レーザ光源２は連続光だけでなく、ピークパワーが高いパルスレーザ光を使用することも可能である。
【００２４】
レーザ光源２から発射されたレーザ光はレーザ光分岐機構３に入射されて照射レーザ光Ｉｉとリファレンス用レーザ光Ｉｒに分岐される。
【００２５】
レーザ光分岐機構３で分岐した照射レーザ光Ｉｉは、レーザ照射機構３０で、観測したい２次元領域にレーザ光が照射されるように任意の形状に変えられて被検査対象物１の表面に照射される。レーザ照射機構３０は、たとえば光学レンズ７および反射鏡８を含んでいる。
【００２６】
照射レーザ光Ｉｉが被検査対象物１の表面に照射されると、照射レーザ光Ｉｉは表面の超音波振動により影響を受け、超音波成分を含んだ照射レーザ光Ｉｓとなって反射される。この超音波成分を含んだ照射レーザ光Ｉｓはレーザ集光機構３１で集光される。レーザ集光機構３１は、たとえば光学レンズ９、１０を含んでいる。レーザ集光機構３１は、レンズを組み合わせた機構のほか、ファイバにて像転送を行なうことが可能なイメージングファイバなどを使用することも可能である（図示せず）。
【００２７】
レーザ集光機構３１から出射した照射レーザ光Ｉｓは偏光子１１を通ってフォトリフラクティブ結晶６に入射される。一方、レーザ光分岐機構３で分岐したリファレンス用レーザ光Ｉｒはそのままフォトリフラクティブ結晶６に入射される。フォトリフラクティブ結晶６は超音波成分を含んだ照射レーザ光Ｉｓとレーザ光Ｉｒとを干渉させる。すなわち、レーザ光Ｉｒとレーザ光Ｉｓがフォトリフラクティブ結晶４に照射されると、２つのレーザ光によりフォトリフラクティブ結晶内部に回折格子が形成される。この回折格子によって、超音波振動の影響を受けているＩｓは干渉を受け、干渉の影響を受けたレーザ光Ｉとなる。
【００２８】
フォトリフラクティブ結晶６として使用できる結晶は、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ系（たとえばＩｎＰ：Ｆｅ）、ＣｄＴｅ系（たとえばＣｄＴｅ：Ｖ）、量子井戸構造を持った素子（たとえばＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ）、などが挙げられる。
【００２９】
フォトリフラクティブ結晶６で干渉を受けたレーザ光Ｉは波長変換素子１４を通され、受光機構１３が持つ最適な感度となる波長を持つレーザ光Ｉｗに変換される。波長変換素子１４は、好ましくは可視光の波長を持つレーザ光に変換することができる素子を使用するとし、たとえばＢｉＢＯ系結晶、ＢＢＯ系結晶、ＫＴＰ系結晶、ＬＢＯ系結晶、ＬｉＮｂＯ系結晶などあり、また他の結晶も考えられる。
【００３０】
波長変換素子１４で波長変換されたレーザ光Ｉｗは受光機構１３で受光する。受光機構１３は、ＣＣＤカメラやＣ−ＭＯＳカメラ、フォトダイオードアレイやその他２次元的に光を計測できる機構、またはリニアアレイセンサ等の１次元的に光を計測できる機構である。レーザ光Ｉｗは空間的にプロファイルを持っていることから、受光機構１３によって、被検査対象物１の表面の超音波の状態を一般的な点計測ではなく、１次元的または２次元的に計測することが可能である。
【００３１】
つぎに、以上説明した実施形態の効果について説明する。
【００３２】
一般に、フォトリフラクティブ素子としてＢＳＯ結晶など、可視光で動作する結晶を使用する場合、レーザ光が目視で確認できるため光学系の調整が容易である。また、使用できる受光機構１３にＣＣＤカメラやＣ−ＭＯＳカメラを使用する場合、それらの装置は可視光下での使用を想定している場合が多いため、可視光に最適化された機能を持っていること、および多彩な機能やコストの点からも可視光で動作するＣＣＤやＣ−ＭＯＳカメラが優れていることから、可視光で動作する結晶を用いるのが適している。
【００３３】
一方で、可視光で動作するＢＳＯ結晶は、回折格子を形成する応答速度が遅いという問題がある。そのため、回折格子が形成される時間が遅くなることから、高い周波数を持った超音波の計測に不向きである。また、ＢＳＯ結晶が持つ光学活性は、結晶内部で伝播するレーザ光の偏光を変化させてしまう。そのため、光学素子配置が複雑になる。
【００３４】
一方で、主に波長９００ｎｍから１５００ｎｍのレーザ光で動作することができるＧａＡｓ結晶やＩｎＰ結晶、ＣｄＴｅ結晶などは、より速い応答速度を持っていることや、光学活性がないことから、ＢＳＯ結晶より高い周波数を持った超音波の計測が容易になり、且つ光学素子配置を簡単にすることが可能である。
【００３５】
そこで、レーザ光源２として、上記結晶を動作させることが可能な近赤外の波長（９００ｎｍ〜１５００ｎｍ）を持つレーザ光源を使用し、ＧａＡｓ結晶やＩｎＰ結晶、ＣｄＴｅ結晶などの結晶を用いることで速い応答速度を持つ干渉計とすることができる。干渉後のレーザ光Ｉは、そのままでは近赤外の波長を持つが、これを波長変換機構にて可視光波長を持つレーザ光Ｉｗに変換することで、高機能、高感度の可視光用ＣＣＤカメラやＣ−ＭＯＳカメラを適用することができる。このように本実施の形態により、本発明における第一の課題である、周波数応答が高く、可視光用のＣＣＤを使用することが可能なレーザ超音波検査手法を提供することができる。
【００３６】
（第２の実施形態）
図２を用いて本発明に係るレーザ超音波検査装置の第２の実施形態について説明する。ここで、図２は第２の実施形態のレーザ超音波検査装置を模式的に示す縦断面図である。この実施形態は、第１の実施形態（図１）の変形例であって、レーザ光分岐機構３で分岐したリファレンス用レーザ光Ｉｒがフォトリフラクティブ結晶６に入射される前に、位相変調器４を通過する構成となっている。この構成であっても、第１の実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。
【００３７】
（第３の実施形態）
図３を用いて本発明に係るレーザ超音波検査装置の第３の実施形態について説明する。ここで、図３は第３の実施形態のレーザ超音波検査装置を模式的に示す縦断面図である。
【００３８】
第３の実施形態のレーザ超音波検査装置は、レーザ光源２と、レーザ光分岐機構３と、レーザ照射機構３０と、レーザ集光機構３１と、偏光子１１と、フォトリフラクティブ結晶６と、波長変換素子１４と、受光機構１３とを有するほかに、アイソレータ１９と、光学レンズ３７と、反射鏡３８とを有する。
【００３９】
レーザ光源２から発射されたレーザ光はアイソレータ１９を経て、レーザ光分岐機構３に入射され、照射レーザ光Ｉｉとリファレンス用レーザ光Ｉｒに分岐される。
【００４０】
レーザ光分岐機構３で分岐した照射レーザ光Ｉｉはレーザ照射機構３０で、観測したい２次元領域にレーザ光が照射されるように任意の形状に変えられて被検査対象物１の表面に照射される。この実施形態では、レーザ照射機構３０は光学レンズ７と、偏光ビームスプリッタ１７と、１／４波長板１８とを有する。レーザ光分岐機構３で分岐した照射レーザ光Ｉｉは光学レンズ７、偏光ビームスプリッタ１７、１／４波長板１８の順に通り、被検査対象物１に照射される。この実施形態では、照射レーザ光Ｉｉが被検査対象物１の表面に対して垂直に入射される。
【００４１】
被検査対象物１の表面に照射された照射レーザ光は、超音波振動により影響を受け、超音波成分を含んだ照射レーザ光Ｉｓとなって反射される。この超音波成分を含んだ照射レーザ光Ｉｓは、１／４波長板１８を経て再び偏光ビームスプリッタ１７に入射され、ここで向きを変えて、レーザ集光機構３１で集光される。レーザ集光機構３１は、たとえば光学レンズから構成されている。
【００４２】
レーザ集光機構３１から出射した照射レーザ光Ｉｓは偏光子１１を通ってフォトリフラクティブ結晶６に入射される。一方、レーザ光分岐機構３で分岐したリファレンス用レーザ光Ｉｒは、光学レンズ３７および反射鏡３８を通ってフォトリフラクティブ結晶６に入射される。フォトリフラクティブ結晶６は超音波成分を含んだ照射レーザ光Ｉｓとレーザ光Ｉｒとを干渉させる。これにより、超音波振動の影響を受けているＩｓは干渉を受け、干渉の影響を受けたレーザ光Ｉとなる。
【００４３】
レーザ光Ｉは波長変換素子１４を通され、受光機構１３が持つ最適な感度となる波長を持つレーザ光Ｉｗに変換される。波長変換素子１４で波長変換されたレーザ光Ｉｗは受光機構１３で受光する。
【００４４】
この実施形態によれば、被検査対象物１に対して正対させてレーザ光を照射することができる。
【００４５】
（第４の実施形態）
図４を用いて本発明に係るレーザ超音波検査装置の第４の実施形態について説明する。ここで、図４は第４の実施形態のレーザ超音波検査装置を模式的に示す縦断面図である。
【００４６】
第４の実施形態は第２の実施形態（図２）の変形であって、可視光源１５を有し、可視光源１５から出射された可視光Ｖは、レーザ光分岐機構３で照射レーザ光Ｉｉと重畳される。可視光源１５としてはレーザ光源２で使用しているレーザ光の波長にできるだけ近い波長を持つ光源を使用すると、光学素子それぞれで受ける収差等の影響が小さいことから望ましい。
【００４７】
第２の実施形態で、レーザ光源２を可視光の波長を持つレーザ光から、高速応答時間を持つフォトリフラクティブ結晶６が動作可能な近赤外の波長を持つレーザ光源にした際、レーザ光は多くの場合、目で見ることはできない。そのため、被検査対象物１の表面のどこにレーザ光Ｉｉが照射されているか、または様々な箇所で使用されている光学素子の位置調整や、受光機構１３で得る像の確認が困難になってしまう。
【００４８】
この第４の実施形態では、可視光Ｖを可視光源１５から出射し、レーザ光Ｉｉとほぼ同じ光路となるように調整することで、これらの問題を解決できる。しかも、前述の第一の課題である周波数応答が高く、可視光用のＣＣＤを使用することが可能なレーザ超音波検査手法を提供することができる。
【００４９】
（第５の実施形態）
図５を用いて本発明に係るレーザ超音波検査装置の第５の実施形態について説明する。ここで、図５は第５の実施形態のレーザ超音波検査装置を模式的に示す縦断面図である。
【００５０】
第５の実施形態は第２の実施形態（図２）の変形であって、第２の実施形態の波長変換素子１４の代わりにプロファイル制御機構１６を配置したものである。ここで、プロファイル制御機構１６としては、ＮＤ（Neutral Density）フィルタ（減速フィルタ）や、フーリエレンズ、回折格子など、レーザ光Ｉのプロファイルを変化させることが可能なものである。干渉の影響を受けたレーザ光Ｉはプロファイル制御機構１６によって、プロファイルを成形された干渉後のレーザ光Ｉ’に変化する。
【００５１】
フォトリフラクティブ結晶６において干渉計測されたレーザ光Ｉは、計測された超音波のプロファイルに応じた強度プロファイルとなっている。そこで、プロファイルを持ったレーザ光Ｉをプロファイル制御機構１６に透過させることで、そのプロファイルを変化させることが可能である。たとえば、超音波信号により得られたプロファイルが図７および図８に示すように同心円波形状である場合、プロファイル制御機構１６を図９の実線４０に示すような透過量をもつ機構とすると、出力されるレーザ光Ｉのプロファイルを図１０のようにすることが可能である。
【００５２】
また、フーリエレンズをプロファイル制御機構１６として使用する場合、規則的な周期性を持つプロファイルをレーザ光Ｉが持っていた場合、その空間周波数に応じた２次元周波数変換結果としてレーザ光Ｉのプロファイルが変換されることとなる。
【００５３】
一般に、たとえば図８ではＣＣＤカメラのダイナミックレンジをＲ１に設定しなければならないが、この場合、Ｒ２部分の強度変化に対しては、分解能が低い部分で計測しなければならないため、低ＳＮで計測せざるを得ない問題が生じる。一方、本実施形態によれば、図９のようなレーザ光の透過量を変化させることができるプロファイル制御機構１６により、レーザ光Ｉのプロファイルを変化させることができ、レーザ光Ｉのプロファイルは図１０のように変換される。変換されたレーザ光Ｉのプロファイルは、あるダイナミックレンジＲ３のみで、プロファイル分布を均一化することができるため、プロファイルの場所によって感度低下などを生じさせず、計測することが可能になる。
【００５４】
また、プロファイル制御機構１６をフーリエレンズとした場合、規則性のある超音波波形によるプロファイル変化は、規則性が破れた場合にいつもと違うレーザ光のプロファイル変化を出力することになり、プロファイル的に微少な変化でも、大きなプロファイルの変化に変換することが可能である。
【００５５】
このように、本実施の形態により、本発明における第二の課題である、分解能が低いＣＣＤにおいても大きな光強度変化から小さな光強度変化まで検出することが可能なレーザ超音波検査手法を提供することが可能である。
【００５６】
（第６の実施形態）
図６を用いて本発明に係るレーザ超音波検査装置の第６の実施形態について説明する。ここで、図６は第６の実施形態のレーザ超音波検査装置を模式的に示す縦断面図である。
【００５７】
第６の実施形態は第１の実施形態（図１）の変形または第５の実施形態（図５）の変形であって、第１の実施形態の波長変換素子１４と受光機構１３の間に、第５の実施形態と同様のプロファイル制御機構１６を挿入した構成である。また、第５の実施形態の構成から位相変調器４を削除したものであるともいえる。この構成により、第５の実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。
【００５８】
（他の実施形態）
以上説明した各実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００５９】
たとえば、第６の実施形態の変形例として、プロファイル制御機構１６を波長変換素子１４の前に配置することもできる。
【００６０】
また、第３または第４の実施形態のフォトリフラクティブ結晶６をプロファイル制御機構１６で置き換えることや、第３または第４の実施形態のフォトリフラクティブ結晶６の前方または後方にプロファイル制御機構１６を追加することなど、各実施形態の特徴を種々に組み合わせることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明に係るレーザ超音波検査装置の第１の実施形態を模式的に示す縦断面図。
【図２】本発明に係るレーザ超音波検査装置の第２の実施形態を模式的に示す縦断面図。
【図３】本発明に係るレーザ超音波検査装置の第３の実施形態を模式的に示す縦断面図。
【図４】本発明に係るレーザ超音波検査装置の第４の実施形態を模式的に示す縦断面図。
【図５】本発明に係るレーザ超音波検査装置の第５の実施形態を模式的に示す縦断面図。
【図６】本発明に係るレーザ超音波検査装置の第６の実施形態を模式的に示す縦断面図。
【図７】本発明に係るレーザ超音波検査装置の第５の実施形態の効果を説明するための図であって、超音波信号の強度の２次元分布を明るさの分布として示すグラフ。
【図８】図７のVIII−VIII線に沿う強度分布のプロファイルを示すグラフ。
【図９】本発明に係るレーザ超音波検査装置の第５の実施形態におけるプロファイル制御装置の透過量特性を示すグラフ。
【図１０】本発明に係るレーザ超音波検査装置の第５の実施形態において図９の特性を有するプロファイル制御装置に図８に示す信号を透過した後の強度分布のプロファイルを示すグラフ。
【図１１】従来のレーザ超音波検査装置の一例を模式的に示す縦断面図。
【符号の説明】
【００６２】
１ ： 被検査対象物
２ ： レーザ光源
３ ： レーザ光分岐機構
４ ： 位相変調器
５ ： 偏光子
６ ： フォトリフラクティブ結晶
７ ： 光学レンズ
８ ： 反射鏡
９ ： 光学レンズ
１０ ： 光学レンズ
１１、１２ ： 偏光子
１３ ： 受光機構
１４ ： 波長変換素子
１５ ： 可視光源
１６ ： プロファイル制御機構
１７ ： 偏光ビームスプリッタ
１８ ： １／４波長板
１９ ： アイソレータ
３０ ： レーザ照射機構
３１ ： レーザ集光機構
３７ ： 光学レンズ
３８ ： 反射鏡
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発生させるレーザ光源と、
前記レーザ光源で発生したレーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させるレーザ光分岐手段と、
前記照射レーザ光を被検査対象面に照射するレーザ照射手段と、
前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光するレーザ集光手段と、
前記レーザ集光手段を通った照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とを受光して干渉計測を行なうためのフォトリフラクティブ結晶と、
前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光の波長を変換する波長変換手段と、
前記波長変換手段で波長が変換されたレーザ光を受光する受光手段と、
を有することを特徴とするレーザ超音波検査装置。
【請求項２】
前記レーザ光源で発生するレーザ光は近赤外の波長のレーザ光であって、前記波長変換手段は、赤外線領域の波長のレーザ光を可視光領域の波長のレーザ光に変換するものであること、を特徴とする請求項１に記載のレーザ超音波検査装置。
【請求項３】
前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けて前記受光手段に入射される前のレーザ光のプロファイルを変化させるプロファイル制御手段をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ超音波検査装置。
【請求項４】
レーザ光を発生させるレーザ光源と、
前記レーザ光源で発生したレーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させるレーザ光分岐手段と、
前記照射レーザ光を被検査対象面に照射するレーザ照射手段と、
前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光するレーザ集光手段と、
前記レーザ集光手段を通った照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とを受光して干渉計測を行なうためのフォトリフラクティブ結晶と、
前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光のプロファイルを変化させるプロファイル制御手段と、
前記プロファイル制御手段でプロファイルを変化したレーザ光を受光する受光手段と、
を有することを特徴とするレーザ超音波検査装置。
【請求項５】
前記プロファイル制御手段はＮＤフィルタを含むことを特徴とする請求項３または請求項４に記載のレーザ超音波検査装置。
【請求項６】
前記プロファイル制御手段はフーリエレンズを含むことを特徴とする請求項３または請求項４に記載のレーザ超音波検査装置。
【請求項７】
前記レーザ光源がパルスレーザ光源であることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載のレーザ超音波検査装置。
【請求項８】
前記レーザ光分岐手段で分岐した前記照射レーザ光に位相変調を行なって前記フォトリフラクティブ結晶に受光させる位相変調手段をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のレーザ超音波検査装置。
【請求項９】
前記レーザ照射手段は偏光ビームスプリッタを含み、
前記被検査対象面で反射した照射レーザ光が前記偏光ビームスプリッタを通って前記レーザ集光手段へ入射されるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載のレーザ超音波検査装置。
【請求項１０】
前記レーザ光分岐手段および前記レーザ照射手段を通して前記照射レーザ光に重ねて前記被検査対象面に可視光を照射する可視光源をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載のレーザ超音波検査装置。
【請求項１１】
前記受光手段は可視光用ＣＣＤカメラまたはＣ−ＭＯＳカメラを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載のレーザ超音波検査装置。
【請求項１２】
レーザ光を発生させ、
前記レーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させ、
前記照射レーザ光を被検査対象面に照射して反射させ、
前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光し、
前記集光された照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とをフォトリフラクティブ結晶で受光して干渉計測を行ない、
前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光の波長を変換し、
前記波長が変換されたレーザ光を受光すること、
を有することを特徴とするレーザ超音波検査方法。
【請求項１３】
レーザ光を発生させ、
前記レーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させ、
前記照射レーザ光を被検査対象面に照射して反射させ、
前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光し、
前記集光された照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とをフォトリフラクティブ結晶で受光して干渉計測を行ない、
前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光のプロファイルを変化させ、
前記プロファイルが変化したレーザ光を受光すること、
を有することを特徴とするレーザ超音波検査方法。
【請求項１】
レーザ光を発生させるレーザ光源と、
前記レーザ光源で発生したレーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させるレーザ光分岐手段と、
前記照射レーザ光を被検査対象面に照射するレーザ照射手段と、
前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光するレーザ集光手段と、
前記レーザ集光手段を通った照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とを受光して干渉計測を行なうためのフォトリフラクティブ結晶と、
前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光の波長を変換する波長変換手段と、
前記波長変換手段で波長が変換されたレーザ光を受光する受光手段と、
を有することを特徴とするレーザ超音波検査装置。
【請求項２】
前記レーザ光源で発生するレーザ光は近赤外の波長のレーザ光であって、前記波長変換手段は、赤外線領域の波長のレーザ光を可視光領域の波長のレーザ光に変換するものであること、を特徴とする請求項１に記載のレーザ超音波検査装置。
【請求項３】
前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けて前記受光手段に入射される前のレーザ光のプロファイルを変化させるプロファイル制御手段をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ超音波検査装置。
【請求項４】
レーザ光を発生させるレーザ光源と、
前記レーザ光源で発生したレーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させるレーザ光分岐手段と、
前記照射レーザ光を被検査対象面に照射するレーザ照射手段と、
前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光するレーザ集光手段と、
前記レーザ集光手段を通った照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とを受光して干渉計測を行なうためのフォトリフラクティブ結晶と、
前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光のプロファイルを変化させるプロファイル制御手段と、
前記プロファイル制御手段でプロファイルを変化したレーザ光を受光する受光手段と、
を有することを特徴とするレーザ超音波検査装置。
【請求項５】
前記プロファイル制御手段はＮＤフィルタを含むことを特徴とする請求項３または請求項４に記載のレーザ超音波検査装置。
【請求項６】
前記プロファイル制御手段はフーリエレンズを含むことを特徴とする請求項３または請求項４に記載のレーザ超音波検査装置。
【請求項７】
前記レーザ光源がパルスレーザ光源であることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載のレーザ超音波検査装置。
【請求項８】
前記レーザ光分岐手段で分岐した前記照射レーザ光に位相変調を行なって前記フォトリフラクティブ結晶に受光させる位相変調手段をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のレーザ超音波検査装置。
【請求項９】
前記レーザ照射手段は偏光ビームスプリッタを含み、
前記被検査対象面で反射した照射レーザ光が前記偏光ビームスプリッタを通って前記レーザ集光手段へ入射されるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載のレーザ超音波検査装置。
【請求項１０】
前記レーザ光分岐手段および前記レーザ照射手段を通して前記照射レーザ光に重ねて前記被検査対象面に可視光を照射する可視光源をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載のレーザ超音波検査装置。
【請求項１１】
前記受光手段は可視光用ＣＣＤカメラまたはＣ−ＭＯＳカメラを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載のレーザ超音波検査装置。
【請求項１２】
レーザ光を発生させ、
前記レーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させ、
前記照射レーザ光を被検査対象面に照射して反射させ、
前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光し、
前記集光された照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とをフォトリフラクティブ結晶で受光して干渉計測を行ない、
前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光の波長を変換し、
前記波長が変換されたレーザ光を受光すること、
を有することを特徴とするレーザ超音波検査方法。
【請求項１３】
レーザ光を発生させ、
前記レーザ光を照射レーザ光とリファレンス用レーザ光とに分岐させ、
前記照射レーザ光を被検査対象面に照射して反射させ、
前記被検査対象面で反射した照射レーザ光を集光し、
前記集光された照射レーザ光と前記リファレンス用レーザ光とをフォトリフラクティブ結晶で受光して干渉計測を行ない、
前記フォトリフラクティブ結晶で干渉を受けたレーザ光のプロファイルを変化させ、
前記プロファイルが変化したレーザ光を受光すること、
を有することを特徴とするレーザ超音波検査方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−３８８８０（Ｐ２０１０−３８８８０Ａ）
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０５６２２（Ｐ２００８−２０５６２２）
【出願日】平成２０年８月８日（２００８．８．８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月８日（２００８．８．８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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