干渉縞安定化装置およびそれを用いた非破壊検査装置
【課題】参照光と検査対象物で反射され周波数変調された信号光との干渉縞を安定化することが可能な干渉縞安定化装置、および検査対象物の内部欠陥の検出精度の向上が可能な非破壊検査装置を提供する。
【解決手段】非破壊検査装置は、検出用レーザ１１と、弾性波励起用レーザ２１と、信号光と参照光とを干渉させ検査対象物Ｏｂの振動を検出する振動検出手段３０と、干渉縞安定化装置４０とを備える。干渉縞安定化装置４０は、信号光から分岐された補正用信号光と参照光から分岐された補正用参照光との干渉縞を検出する干渉縞検出手段４１と、補正用参照光を分岐する前の参照光の光路上に配設され参照光の波面を制御する波面制御用ミラー４２と、干渉縞検出手段４１により検出される干渉縞の安定状態からの位相シフトを抑制するように波面制御用ミラー４２の位置を制御する制御手段４３とを備える。
【解決手段】非破壊検査装置は、検出用レーザ１１と、弾性波励起用レーザ２１と、信号光と参照光とを干渉させ検査対象物Ｏｂの振動を検出する振動検出手段３０と、干渉縞安定化装置４０とを備える。干渉縞安定化装置４０は、信号光から分岐された補正用信号光と参照光から分岐された補正用参照光との干渉縞を検出する干渉縞検出手段４１と、補正用参照光を分岐する前の参照光の光路上に配設され参照光の波面を制御する波面制御用ミラー４２と、干渉縞検出手段４１により検出される干渉縞の安定状態からの位相シフトを抑制するように波面制御用ミラー４２の位置を制御する制御手段４３とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉縞安定化装置およびそれを用いた非破壊検査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の非破壊検査装置として、コンクリート構造物、金属構造物などの検査対象物の内部欠陥の有無や深さなどの検査が可能なレーザ超音波リモートセンシング装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ここにおいて、特許文献１に開示されている非破壊検査装置は、図７に示すように、連続出力のレーザ光からなる信号光を出力する検出用レーザ１１と、検査対象物Ｏｂに弾性波（超音波）を励起させるためのパルスレーザ光からなる励起光を出力する弾性波励起用レーザ２１と、検出用レーザ１１と検査対象物Ｏｂとの間の光路上に配設され検出用レーザ１１から出力された信号光の一部を参照光として分岐する偏光ビームスプリッタ１０４と、検出用レーザ１１から出力され検査対象物Ｏｂで反射され周波数変調された信号光と偏光ビームスプリッタ１０４で分岐された参照光とが所定の角度で交差するように入射する干渉計を構成するフォトリフラクティブ結晶１０９と、フォトリフラクティブ結晶１０９から出射されビームスプリッタ１１２で分岐された干渉光を検出する２つの光検出器１１３ａ，１１３ｂと、光検出器１１３ａ，１１３ｂの出力を記録するオシロスコープ１１４とを備え、オシロスコープ１１４において各光検出器１１３ａ，１１３ｂの出力に対して適宜の周波数解析を行うことにより検査対象物Ｏｂの内部欠陥を検出するように構成されている。
【０００４】
上述の非破壊検査装置では、参照光と周波数変調された信号光とによりフォトリフラクティブ結晶１０９の内部にダイナミックホログラムが形成され、ダイナミックホログラムにより参照光が回折され、参照光の一部と信号光との干渉光がフォトリフラクティブ結晶１０９から出射される。
【０００５】
なお、上記特許文献１に開示された非破壊検査装置は、フォトリフラクティブ結晶１０９から参照光の入射方向に沿った方向へ出射される信号光の強度を検出する信号光モニタ１１６と、信号光モニタ１１６の出力に基づいて、信号光と参照光との強度比が略一定となるように、検出用レーザ１１と偏光ビームスプリッタ１０４との間の光路上に配設されている濃度可変フィルタ１０２の透過率をフィードバック制御するフィードバック制御手段とを備えており、可動ミラー１０７を駆動して信号光を検査対象物Ｏｂの表面で走査させた場合でも内部欠陥を検出することができる。
【０００６】
ところで、上述の非破壊検査装置では、ダイナミックホログラムで回折される参照光の光量を多くする（つまり、回折効率を向上させる）ことで検出感度を高めるために、フォトリフラクティブ結晶１０９に高電界を印加するとともに、フォトリフラクティブ結晶１０９へ入射させる参照光を位相シフトさせる位相シフトミラーを設けて参照光を位相シフトさせることにより、フォトリフラクティブ結晶１０９での回折効率を向上させることが考えられる。
【特許文献１】特開２００５−１４７８１３号公報（段落〔００２２〕−〔００５０〕、図１−５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に開示された非破壊検査装置では、検査対象物Ｏｂが当該非破壊検査装置の遠方に存在している場合、当該非破壊検査装置と検査対象物Ｏｂとが独立して振動しており、弾性波励起用レーザ２１からの励起光を検査対象物Ｏｂに照射していない状態でも干渉縞が振動して（明るい部分と暗い部分とが交互に並んでいる方向に動いて）、干渉縞のコントラストが悪くなり、内部欠陥の検出精度や検出感度が低下してしまう。
【０００８】
また、上記特許文献１に開示された非破壊検査装置に上述の位相シフトミラーを設けた場合、位相シフトミラーの変位に比べて非破壊検査装置と検査対象物Ｏｂとの相対振動での変位量が大きいので、参照光を位相シフトさせてもフォトリフラクティブ結晶１０９の回折効率を向上させることができなかった。
【０００９】
また、フォトリフラクティブ結晶１０９に入射させる参照光を位相シフトさせて回折効率を向上させる場合、非破壊検査装置の振動に起因して、参照光にリニアな位相シフトを与えることができなかった。
【００１０】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、参照光と検査対象物で反射され周波数変調された信号光との干渉縞を安定化することが可能な干渉縞安定化装置、および検査対象物の内部欠陥の検出精度の向上が可能な非破壊検査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、検査対象物で反射され周波数変調された信号光から分岐された補正用信号光と参照光から分岐された補正用参照光との干渉縞を検出する干渉縞検出手段と、補正用参照光を分岐する前の参照光の光路上に配設され参照光の波面を制御する波面制御用ミラーと、干渉縞検出手段により検出される干渉縞の安定状態からの位相シフトを抑制するように波面制御用ミラーの位置を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、検査対象物で反射され周波数変調された信号光から分岐された補正用信号光と参照光から分岐された補正用参照光との干渉縞を検出する干渉縞検出手段と、補正用参照光を分岐する前の参照光の光路上に配設され参照光の波面を制御する波面制御用ミラーと、干渉縞検出手段により検出される干渉縞の安定状態からの位相シフトを抑制するように波面制御用ミラーの位置を制御する制御手段とを備えているので、制御手段によって、干渉縞検出手段により検出される干渉縞の安定状態からの位相シフトが抑制されるように波面制御用ミラーの位置が制御されるから、当該干渉縞安定化装置と検査対象物との相対的な振動に起因して補正用参照光と補正用信号光とが独自に振動するのを防止できて補正用参照光と補正用信号光との干渉縞の位相シフトを抑制でき、参照光と検査対象物で反射され周波数変調された信号光との干渉縞を安定化することが可能になる。
【００１３】
請求項２の発明は、レーザ光を出力する検出用レーザと、検査対象物に弾性波を励起させるための励起光を出力する弾性波励起用レーザと、検出用レーザと検査対象物との間の光路上に配設され検出用レーザから出力されたレーザ光の一部を参照光として分岐するビーム分岐手段と、検出用レーザから出力されて検査対象物で反射され周波数変調された信号光とビーム分岐手段で分岐された参照光とを干渉させる位相共役素子を有し当該位相共役素子から出射される干渉光を利用して検査対象物の振動を検出する振動検出手段と、振動検出手段の出力に基づいて検査対象物の内部欠陥を検出する欠陥検出手段と、請求項１記載の干渉縞安定化装置とを備えることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、請求項１記載の干渉縞安定化装置を備えているので、当該非破壊検査装置と検査対象物との相対的な振動に起因して参照光と信号光とが独自に振動するのを防止できて参照光と信号光との干渉縞の位相シフトを抑制でき、遠方に存在する検査対象物の内部欠陥の検出精度の向上が可能になる。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記振動検出手段は、参照光の位相をシフトさせる位相シフトミラーと、位相シフトミラーにより位相シフトされた参照光と検査対象物で反射され周波数変調された信号光とが所定の角度で交差するように入射する前記位相共役素子であるフォトリフラクティブ結晶と、フォトリフラクティブ結晶に電界を印加するための一対の電極と、フォトリフラクティブ結晶から出射される干渉光を検出する光検出器とを備えることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、前記振動検出手段が、参照光の位相をシフトさせる位相シフトミラーと、前記位相共役素子であるフォトリフラクティブ結晶に電界を印加するための一対の電極とを備えているので、前記位相共役素子であるフォトリフラクティブ結晶での回折効率を向上でき、前記欠陥検出手段での内部欠陥の検出感度を向上できる。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項２または請求項３の発明において、信号光を前記検査対象物の表面で走査させる信号光走査手段を備えることを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、前記検査対象物の広い範囲に亘って内部欠陥の検査を行うことができる。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１の発明では、干渉縞安定化装置と検査対象物との相対的な振動に起因した干渉縞の位相シフトを抑制でき、参照光と検査対象物で反射され周波数変調された信号光との干渉縞を安定化することが可能になるという効果がある。
【００２０】
請求項２の発明では、非破壊検査装置と検査対象物との相対的な振動に起因した干渉縞の位相シフトを抑制でき、遠方に存在する検査対象物の内部欠陥の検出精度の向上が可能になるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本実施形態の非破壊検査装置（レーザ超音波リモートセンシング装置）は、図１に示すような構成であって、レーザ光（レーザビーム）を出力する検出用レーザ１１と、検査対象物Ｏｂに弾性波（超音波）を励起させるための励起光を出力する弾性波励起用レーザ２１と、検出用レーザ１１と検査対象物Ｏｂとの間の光路上に配設され検出用レーザ１１から出力されたレーザ光から参照光を分岐させる第１のビーム分岐手段１２と、検出用レーザ１１から出力されて検査対象物Ｏｂで反射されて周波数変調された信号光と第１のビーム分岐手段１２で分岐された参照光とを干渉させる位相共役素子３３を有し当該位相共役素子３３から出射される干渉光を利用して検査対象物Ｏｂの振動を検出する振動検出手段３０と、振動検出手段３０の出力に基づいて検査対象物Ｏｂの内部欠陥Ｄｅを検出する欠陥検出手段７０と、参照光から分岐された補正用参照光と検査対象物Ｏｂで反射され周波数変調された信号光から分岐された補正用信号光との干渉縞を安定化する干渉縞安定化装置４０と、検出用レーザ１１からの信号光を検査対象物Ｏｂの表面で走査させる信号光走査手段５０と、信号光走査手段５０を制御するマイクロコンピュータなどからなる走査制御装置６０とを備えている。なお、図１中の矢印は、検出用レーザ１１から出力されたレーザ光の進行経路を示している。また、本実施形態の非破壊検査装置は、エアーサスペンション付きの光学定盤（図示せず）上に設置されている。
【００２２】
本実施形態では、検査対象物Ｏｂとして、コンクリート構造物を想定し、検査対象物Ｏｂの内部欠陥Ｄｅとして、空洞、クラック、ジャンカなどを想定しており、検出用レーザ１１として、波長５３２ｎｍのレーザ光を連続出力するＮｄ：ＹＡＧレーザ（２倍高調波）を採用し、弾性波励起用レーザとして、パルス幅が１０ｎｓのパルスレーザ光を出力するＮｄ：ＹＡＧレーザ（基本波）を採用しているが、検査対象物Ｏｂおよび各レーザ１１，１２は特に限定するものではない。
【００２３】
上述の第１のビーム分岐手段１２は、ビームスプリッタにより構成され、信号光走査手段５０は、走査ミラー（スキャンニングミラー）５１と走査ミラー５１を駆動する駆動装置（スキャンニング装置）５２とで構成されている。
【００２４】
また、本実施形態の非破壊検査装置は、第１のビーム分岐手段１２と走査ミラー５１との間の光路上に２つのハーフミラー１３，１４が配設されている。ここにおいて、ビーム分岐手段１２に近い側のハーフミラー１３は、検出用レーザ１１からの信号光を反射する一方で弾性波励起用レーザ２１からの励起光を透過する。また、第１のビーム分岐手段１２から遠い側のハーフミラー１４は、信号光および励起光を反射する一方で、検査対象物Ｏｂで反射され周波数変調された信号光を透過する。また、本実施形態の非破壊検査装置は、ハーフミラー１４における走査ミラー５１側とは反対側に、ハーフミラー１４を透過した信号光から補正用信号光を分岐させるビームスプリッタからなる第２のビーム分岐手段１５が配置されている。また、第２のビーム分岐手段１５と干渉縞安定化装置４０との間には、補正用信号光を干渉縞安定化装置４０側へ反射するミラー１６が配置されている。
【００２５】
振動検出手段３０は、参照光の位相をシフトさせる位相シフトミラー３２と、位相シフトミラー３２により位相シフトされた参照光と検査対象物Ｏｂで反射されて周波数変調された信号光とが所定の角度で交差するように入射するフォトリフラクティブ結晶（例えば、Ｂｉ12ＳｉＯ20結晶など）からなる位相共役素子３３と、位相共役素子３３に電界を印加するための一対の電極３４，３４と、一対の電極３４，３４間に電圧を印加する電源回路（図示せず）と、位相共役素子３３から出射される干渉光を検出する光電子増倍管からなる光検出器３５とを備えている。なお、位相共役素子３３は、フォトリフラクティブ結晶に限らず、位相共役現象が起こるとともに２光波混合が起こる非線形光学素子であればよい。
【００２６】
ここにおいて、位相共役素子３３として、Ｂｉ12ＳｉＯ20結晶からなるフォトリフラクティブ結晶を用いた場合には、図２に示すように、電界強度Ｅを高くし、入射する信号光と参照光との交差角を小さくするほど、ゲイン（２光波混合利得）が高くなる。また、位相共役素子３３は、位相シフトミラー３２により参照光の位相をシフトさせる（遅らせる）ことにより、干渉光の強度が高くなる。要するに、本実施形態の非破壊検査装置では、振動検出手段３０が、参照光の位相をシフトさせる位相シフトミラー３２と、位相共役素子３３であるフォトリフラクティブ結晶に電界を印加するための一対の電極３４，３４とを備えているので、位相共役素子３３であるフォトリフラクティブ結晶での回折効率を向上でき、欠陥検出手段７０での内部欠陥の検出感度を向上できる。
【００２７】
欠陥検出手段７０は、光検出器３５の出力を記録してＦＦＴ（高速フーリエ変換）による周波数解析を行うＦＦＴ演算部を有するオシロスコープと、オシロスコープのＦＦＴ演算部での周波数解析の結果に基づいて検査対象物Ｏｂの内部欠陥の有無および深さを評価するマイクロコンピュータからなる信号処理部とで構成されている。ここにおいて、欠陥検出手段７０は、検査対象物Ｏｂの内部欠陥Ｄｅの深さや大きさに応じた検査対象物Ｏｂの表面の振動スペクトルの周波数解析を行い内部欠陥Ｄｅの有無、深さを評価する振動スペクトル法の原理を適用して内部欠陥Ｄｅを検出する機能と、レーザ光を検査対照物Ｏｂに照射してから多重反射エコーが検出までの時間差により内部欠陥Ｄｅの有無、深さを評価する反射エコー法の原理を適用して内部欠陥Ｄｅを検出する機能とを有している。
【００２８】
ここで、振動スペクトル法を適用する場合には、検査対象物Ｏｂの表面の振動スペクトルを求めると、内部欠陥Ｄｅがない部分では周波数スペクトルに特徴的なピークは存在しないが、内部欠陥Ｄｅがある場合には、内部欠陥Ｄｅの深さに応じて周波数スペクトルに特徴的なピーク（１次モードの振動周波数のピーク）が現れるので、信号処理部に１次モードの振動周波数と内部欠陥Ｄｅの深さとの関係テーブルを予め記憶させておけば、信号処理部において内部欠陥Ｄｅの有無および深さを評価できる。また、多重反射エコー法を適用する場合には、検査対象物Ｏｂの内部欠陥Ｄｅの深さに応じて縦波の多重反射エコーの周波数スペクトルが異なるので、信号処理部において多重反射周波数と検査対象物Ｏｂ内の縦波の速度とに基づいて内部欠陥Ｄｅの深さを求めることができる。
【００２９】
干渉縞安定化装置４０は、検査対象物Ｏｂで反射され周波数変調された信号光から分岐された補正用信号光と参照光から分岐された補正用参照光との干渉縞を検出する干渉縞検出手段４１と、補正用参照光を分岐する前の参照光の光路上に配設され参照光の波面を制御する波面制御用ミラー４２と、干渉縞検出手段４１により検出される干渉縞の安定状態からの位相シフトを抑制するように波面制御用ミラー４２の位置を制御する制御手段４３とを備えている。ここにおいて、波面制御用ミラー４２は、第１のビーム分岐手段１２と振動検出手段３０の位相シフトミラー３２との光路上に配設されている。ただし、波面制御用ミラー４２と振動検出手段３０との間には、参照光から補正用参照光を分岐させるビームスプリッタからなる第３のビーム分岐手段１７が配置されており、第３のビーム分岐手段１７と干渉縞安定化装置４０との間には、補正用参照光を干渉縞安定化装置４０側へ反射するミラー１８が配置されている。ここで、上述の振動検出手段３０は、第３のビーム分岐手段１７と位相シフトミラー３２との間に配置されて第３のビーム分岐手段１７側からの参照光を位相シフトミラー３２側へ反射するミラー３１を備えている。
【００３０】
干渉縞検出手段４１は、複数個（例えば、８個）の受光部１４１ａが一平面上に配列された複数チャネルの受光素子１４１と、受光素子１４１の各受光部１４１ａの出力（アナログの電圧信号）からオフセット電圧を除去するオフセット電圧除去回路およびオフセット電圧除去後の出力を増幅するアンプを有する信号処理回路部１４２とを備えている。ここにおいて、受光素子１４１としては、８個の受光部１４１ａが一平面上で１次元アレイ状に配列されたリニアアレイ素子を用いており、受光部１４１ａの受光面（有効光電面）のサイズ（チャネルサイズ）が２．０ｍｍ×２．５ｍｍ、受光部１４１ａの受光面のピッチ（チャネルピッチ）が２．８ｍｍに設定されている。なお、受光素子１４１の各受光部１４１ａは、受光感度波長域が３００〜８８０ｎｍの光電子増倍管により構成されているが、受光素子１４１としてＣＣＤカメラを用い、当該ＣＣＤカメラの画素が受光部１４１ａを構成するようにしてもよい。
【００３１】
また、制御手段４３は、波面制御用ミラー４２を駆動するピエゾトランスレータからなるアクチュエータ４４と、アクチュエータ４４を駆動する駆動回路部４５と、信号処理回路部１４２の出力に基づいて駆動回路部４５を制御するマイクロコンピュータなどからなる制御部４６とを備えており、制御部４６は、信号処理回路部１４２の出力をアナログ−デジタル変換するＡ／Ｄコンバータ４６ａ、駆動回路部４５へ与える制御信号をデジタル−アナログ変換するＤ／Ａコンバータ４６ｂ、制御部４６の各種設定（アクチュエータのサーボ設定、原点復帰）などを行うため適宜のプログラムを搭載したパーソナルコンピュータからなる支援装置４８を接続するインタフェース４６ｃなどを備えている。制御手段４３は、支援装置４８の操作部（例えば、キーボード、ポインティングデバイスなど）を適宜操作することによって制御部４６の各種設定を行い、支援装置４８のディスプレイからなる表示部５０に運転状態や設定状態や受光素子１４１の受光状態などを表示させることができるようになっている。なお、干渉縞安定化装置４０は、商用電源などの交流電源の出力をＡＣ／ＤＣ変換して得た直流電圧を降圧して制御部４６へ供給する電源回路４７を備えている。また、上述の支援装置４８において、制御部４６、検出用レーザ１１、振動励起用レーザ２１、振動検出手段３０、駆動装置６０などを一括して連動制御するようにするようにすれば、非破壊検査装置の自動化が容易になる。
【００３２】
制御部４６は、受光素子１４１の８個の受光部１４１ａのうちの３個の受光部１４１ａ（以下、説明の便宜上、チャネル１の受光部１４１ａ１、チャネル２の受光部１４１ａ２、チャネル３の受光部１４１ａ３と称する）の出力に基づいて干渉縞の安定状態からの位相シフトを抑制する（つまり、干渉縞が安定化する）ように波面制御用ミラー４２の位置を制御する（波面制御用ミラー４２を変位させる）。
【００３３】
ここで、制御部４６において、波面制御用ミラー４２の変位量Δｄを決める原理について説明してから、具体的な動作について説明する。
【００３４】
いま、検査対象物Ｏｂと非破壊検査装置との相対的な振動のような外乱の影響のない状態で受光素子１４１の表面に形成される干渉縞が、図３（ａ）に示すよう干渉パターンであって図４（ａ）に示すような光強度分布（干渉強度分布）を有している場合、干渉縞の位相シフト量（図４（ａ）における横軸方向の変位量）をφとし、各チャネル１，２，３それぞれの受光部１４１ａ１，１４１ａ２，１４１ａ３が図３（ａ）および図４（ａ）においてＣｈ１，Ｃｈ２，Ｃｈ３で示した位置（ただし、Ｃｈ３は、Ｃｈ１とＣｈ２との中間位置）の光強度を検出するものとし、チャネル１，２，３それぞれの受光部１４１ａ１，１４１ａ２，１４１ａ３からの出力を信号Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３とすれば、
Ｕ１＝０．５Ｕmax（−sinφ＋１）
Ｕ２＝０．５Ｕmax＝０．５Ｕmax（sinφ＋１）
Ｕ３＝０．５Ｕmax（−cosφ＋１）
となる。つまり、Ｕ１とＵ２とは位相が１８０°だけ異なっている。ここにおいて、φは、検出用レーザ１１から出力されるレーザ光の波長をλとすれば、
φ＝（２π／λ）λ
で表される。
【００３５】
また、チャネル１の受光部１４１ａ１からの信号Ｕ１とチャネル２の受光部１４１ａ２からの信号Ｕ２とを用いて干渉縞のコントラストの良否を判断するための信号コントラストＫを、
Ｋ＝（Ｕ２−Ｕ１）／（Ｕ２＋Ｕ１）＝sinφ
と定義すれば、Δφ＝０のとき（つまり、干渉縞が安定状態にあるとき）、Ｋ＝０となる。また、本実施形態では、図３（ｂ）に一点鎖線で示すように、図３（ａ）の干渉縞からの位相シフト量がΔφ＝π／１０（Δλ＝λ／２０に相当する）以下であれば、干渉縞が安定しているとみなすようにしている。具体的には、Ｕ１＝０．３４Ｕmax、Ｕ２＝０．６５Ｕmaxとなり、Ｋ＝０．３１となるので、コントラスト値Ｋを用いて干渉縞が安定しているか否かを判断するための信号コントラストＫの閾値Ｋｓを０．３１（Δλ＝λ／２０に相当する）に設定してあり、信号コントラストＫがＫｓよりも大きい場合には参照光の位相制御を行う。したがって、例えば、図３（ｃ），（ｄ）および図４（ｃ），（ｄ）に示すように干渉縞の位相シフト量Δφがπ／１０よりも大きい場合には参照光の位相制御を行う。
【００３６】
また、波面制御用ミラー４２の変位量をΔｄ、波面制御用ミラー４２への参照光の入射角をθとすると、
Δλ＝２Δｄcosθ
となる。ここで、図３（ｃ）に示す干渉縞のように図３（ａ）から位相が大きくずれている場合に干渉縞を安定化のための波面制御ミラーの変位量をΔｄstabとし、信号コントラストをＫとすると、
Δｄstab＝λsin-1Ｋ／４πcosθ
となる。また、図３（ｄ）に示す干渉縞のように図３（ａ）から位相が１８０°だけずれている場合など、Ｕ３＞０．５の場合、波面をΔλ＝λだけシフトして補正するための波面制御用ミラー４２の補正変位量をΔｄcorrとすると、
Δｄcorr＝λ／４cosθ
となり、安定状態にない全ての条件の干渉縞を安定状態となるように補正するための波面制御用ミラーｄの変位量をΔｄとすると、
Δｄ＝Δｄstab＋Δｄcorr
となるので、制御部４６において、波面制御用ミラー４２の変位量がΔｄとなるように波長制御用ミラー４２の位置を制御することにより、干渉縞を安定化させることができる。
【００３７】
次に、制御部４６の動作を具体的に説明する。
【００３８】
弾性波励起用レーザ２１からパルスレーザ光が出力され（Ｓ１）、支援装置４８から同期パルスが入力されると（Ｓ２）、制御部４６は、Ａ／Ｄコンバータ４６ａを通して各チャネル１，２，３の受光部１４１ａ１，１４１ａ２，１４１ａ３からの信号を読み込み（Ｓ３）、信号Ｕ１と信号Ｕ２とを用いて信号コントラストＫ＝（Ｕ２−Ｕ１）／（Ｕ２＋Ｕ１）を演算する（Ｓ４）。Ｓ４の後、信号コントラストＫを予め設定した閾値Ｋｓ（＝０．３）と比較し（Ｓ５）、｜Ｋ｜≦Ｋｓの条件を満たしていたとき、Ｕ３の値を読み込んでＵ３＜０．５であれば（Ｓ６）、図３（ａ）に示すような安定状態の干渉縞が形成されているとみなすことができるので、干渉縞が安定化されていると判断され、振動検出手段３０の光検出部３５において振動信号が記録される（Ｓ７）。
【００３９】
一方、Ｓ５において、｜Ｋ｜＞Ｋｓであれば、図３（ｂ），（ｃ）あるいは図３（ｄ）に示すような干渉縞が形成されているとみなすことができるので、干渉縞を安定化するための波面制御用ミラー４２の変位量Δｄstabに対応するデジタル値Ｕstabを求め（Ｓ８）、その後、干渉縞を安定させるための波面制御用ミラー４２の変位量Δｄに対応するデジタル値Ｕpiezo＝Ｕstab＋Ｕcorrを演算して当該デジタル値ＵpiezoをＤ／Ａコンバータ４６ｂでアナログの電圧信号に変換して駆動回路部４５に与えることで波面制御用ミラー４２をΔｄだけ変位させ（Ｓ９）、Ｓ２に戻る。また、Ｓ６において、Ｕ３≧０．５であれば図３（ｄ）に示すような干渉縞が形成されているとみなすことができるので、上述の補正変位量ｄcorrに対応するデジタル値Ｕcorrを求め（Ｓ１０）、その後、Ｓ９を行い、Ｓ２に戻る。
【００４０】
上述の動作説明から分かるように、制御部４６では、干渉縞が安定化するまでデジタル値Ｕpiezoが繰り返し得られ、デジタル値Ｕpiezoが得られるたびに、波面制御用ミラー４２の位置を制御する。この波面制御用ミラー４２の位置を繰り返し制御する周波数（上述の同期パルスの周波数）は、検査対象物Ｏｂの振動周波数の最低周波数の１０分の１程度の周波数に設定することが望ましい。例えば、検査対象物Ｏｂがコンクリート構造物の場合、最低周波数が１ｋＨｚとすれば、波面制御用ミラー４２の位置を繰り返し制御する周波数は、１００ｋＨｚ程度に設定することが望ましい。なお、検査対象物Ｏｂが金属構造物の場合、最低周波数を１ＭＨｚとすれば、波面制御用ミラー４２の位置を繰り返し制御する周波数は１００ｋＨｚ程度とすることが望ましい。また、本実施形態では、波面制御用ミラー４２の最大変位量を５μｍに設定してある。
【００４１】
ここで、図６（ａ）に、検査対象物Ｏｂを本実施形態の非破壊検査装置の光学定盤上に配置し、検査対象物Ｏｂと非破壊検査装置との相対振動がない場合に受光素子１４１表面に形成される干渉縞を示し、同図（ｂ）に、検査対象物Ｏｂを非破壊検査装置の光学定盤から離して配置して検査対象物Ｏｂと非破壊検査装置との相対振動がある状態（相対振動の周波数は２０Ｈｚが大きな割合を占めていた）として干渉縞安定化装置４０の運転を停止させている場合に受光素子１４１表面に形成される干渉縞を示し、同図（ｃ）に、検査対象物Ｏｂと非破壊検査装置との相対振動がある状態として干渉縞安定化装置４０により干渉縞を安定化させた場合に受光素子１４１表面に形成される干渉縞を示す。図６から、干渉縞安定化装置４０により、干渉縞を安定化できることが分かる。
【００４２】
以上説明した本実施形態における干渉縞安定化装置４０では、検査対象物Ｏｂで反射され周波数変調された信号光から分岐された補正用信号光と参照光から分岐された補正用参照光との干渉縞を検出する干渉縞検出手段４１と、補正用参照光を分岐する前の参照光の光路上に配設され参照光の波面を制御する波面制御用ミラー４２と、干渉縞検出手段４１により検出される干渉縞の安定状態からの位相シフトを抑制するように波面制御用ミラー４２の位置を制御する制御手段４３とを備えているので、制御手段４３によって、干渉縞検出手段４１により検出される干渉縞の安定状態からの位相シフトが抑制されるように波面制御用ミラー４２の位置が制御されるから、当該干渉縞安定化装置４０と検査対象物Ｏｂとの相対的な振動に起因して補正用参照光と補正用信号光とが独自に振動するのを防止できて補正用参照光と補正用信号光との干渉縞の位相シフトを抑制でき、参照光と検査対象物Ｏｂで反射され周波数変調された信号光との干渉縞を安定化することが可能になる。
【００４３】
また、本実施形態の非破壊検査装置は、上述の干渉縞安定化装置４０を備えているので、当該非破壊検査装置と検査対象物Ｏｂとの相対的な振動に起因して参照光と信号光とが独自に振動するのを防止できて参照光と信号光との干渉縞の位相シフトを抑制でき、遠方に存在する検査対象物Ｏｂの内部欠陥Ｄｅの検出精度の向上が可能になる。
【００４４】
なお、コンクリート構造物などの検査対象物Ｏｂの表面状態や、検出用レーザ１１から出力されたレーザ光の検査対象物Ｏｂの表面での集光状態などに起因して補正用信号光にスペックルパターンが多い、あるいはスペックルパターンが細かく干渉縞に影響を与えるときには、補正用信号光を分岐する前の信号光の光軸上にスペイシャルフィルタなどの高次波面パターンを低減させる装置を挿入することにより、スペックルパターンが干渉縞に与える影響を少なくすることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施形態における非破壊検査装置を示し、（ａ）は概略構成図、（ｂ）は要部構成図である。
【図２】同上におけるフォトリフラクティブ結晶の特性説明図である。
【図３】同上の動作説明図である。
【図４】同上の動作説明図である。
【図５】同上の動作説明図である。
【図６】同上の動作説明図である。
【図７】従来例を示す非破壊検査装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００４６】
１１ 検出用レーザ
１２ ビーム分岐手段
２１ 弾性波励起用レーザ
３０ 振動検出手段
３２ 位相シフトミラー
３３ 位相共役素子（フォトリフラクティブ結晶）
３４ 電極
３５ 光検出器
４０ 干渉縞安定化装置
４１ 干渉縞検出手段
４２ 波面制御用ミラー
４３ 制御手段
５０ 信号光走査手段
７０ 欠陥検出手段
Ｏｂ 検査対象物
Ｄｅ 内部欠陥
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉縞安定化装置およびそれを用いた非破壊検査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の非破壊検査装置として、コンクリート構造物、金属構造物などの検査対象物の内部欠陥の有無や深さなどの検査が可能なレーザ超音波リモートセンシング装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ここにおいて、特許文献１に開示されている非破壊検査装置は、図７に示すように、連続出力のレーザ光からなる信号光を出力する検出用レーザ１１と、検査対象物Ｏｂに弾性波（超音波）を励起させるためのパルスレーザ光からなる励起光を出力する弾性波励起用レーザ２１と、検出用レーザ１１と検査対象物Ｏｂとの間の光路上に配設され検出用レーザ１１から出力された信号光の一部を参照光として分岐する偏光ビームスプリッタ１０４と、検出用レーザ１１から出力され検査対象物Ｏｂで反射され周波数変調された信号光と偏光ビームスプリッタ１０４で分岐された参照光とが所定の角度で交差するように入射する干渉計を構成するフォトリフラクティブ結晶１０９と、フォトリフラクティブ結晶１０９から出射されビームスプリッタ１１２で分岐された干渉光を検出する２つの光検出器１１３ａ，１１３ｂと、光検出器１１３ａ，１１３ｂの出力を記録するオシロスコープ１１４とを備え、オシロスコープ１１４において各光検出器１１３ａ，１１３ｂの出力に対して適宜の周波数解析を行うことにより検査対象物Ｏｂの内部欠陥を検出するように構成されている。
【０００４】
上述の非破壊検査装置では、参照光と周波数変調された信号光とによりフォトリフラクティブ結晶１０９の内部にダイナミックホログラムが形成され、ダイナミックホログラムにより参照光が回折され、参照光の一部と信号光との干渉光がフォトリフラクティブ結晶１０９から出射される。
【０００５】
なお、上記特許文献１に開示された非破壊検査装置は、フォトリフラクティブ結晶１０９から参照光の入射方向に沿った方向へ出射される信号光の強度を検出する信号光モニタ１１６と、信号光モニタ１１６の出力に基づいて、信号光と参照光との強度比が略一定となるように、検出用レーザ１１と偏光ビームスプリッタ１０４との間の光路上に配設されている濃度可変フィルタ１０２の透過率をフィードバック制御するフィードバック制御手段とを備えており、可動ミラー１０７を駆動して信号光を検査対象物Ｏｂの表面で走査させた場合でも内部欠陥を検出することができる。
【０００６】
ところで、上述の非破壊検査装置では、ダイナミックホログラムで回折される参照光の光量を多くする（つまり、回折効率を向上させる）ことで検出感度を高めるために、フォトリフラクティブ結晶１０９に高電界を印加するとともに、フォトリフラクティブ結晶１０９へ入射させる参照光を位相シフトさせる位相シフトミラーを設けて参照光を位相シフトさせることにより、フォトリフラクティブ結晶１０９での回折効率を向上させることが考えられる。
【特許文献１】特開２００５−１４７８１３号公報（段落〔００２２〕−〔００５０〕、図１−５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に開示された非破壊検査装置では、検査対象物Ｏｂが当該非破壊検査装置の遠方に存在している場合、当該非破壊検査装置と検査対象物Ｏｂとが独立して振動しており、弾性波励起用レーザ２１からの励起光を検査対象物Ｏｂに照射していない状態でも干渉縞が振動して（明るい部分と暗い部分とが交互に並んでいる方向に動いて）、干渉縞のコントラストが悪くなり、内部欠陥の検出精度や検出感度が低下してしまう。
【０００８】
また、上記特許文献１に開示された非破壊検査装置に上述の位相シフトミラーを設けた場合、位相シフトミラーの変位に比べて非破壊検査装置と検査対象物Ｏｂとの相対振動での変位量が大きいので、参照光を位相シフトさせてもフォトリフラクティブ結晶１０９の回折効率を向上させることができなかった。
【０００９】
また、フォトリフラクティブ結晶１０９に入射させる参照光を位相シフトさせて回折効率を向上させる場合、非破壊検査装置の振動に起因して、参照光にリニアな位相シフトを与えることができなかった。
【００１０】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、参照光と検査対象物で反射され周波数変調された信号光との干渉縞を安定化することが可能な干渉縞安定化装置、および検査対象物の内部欠陥の検出精度の向上が可能な非破壊検査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、検査対象物で反射され周波数変調された信号光から分岐された補正用信号光と参照光から分岐された補正用参照光との干渉縞を検出する干渉縞検出手段と、補正用参照光を分岐する前の参照光の光路上に配設され参照光の波面を制御する波面制御用ミラーと、干渉縞検出手段により検出される干渉縞の安定状態からの位相シフトを抑制するように波面制御用ミラーの位置を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、検査対象物で反射され周波数変調された信号光から分岐された補正用信号光と参照光から分岐された補正用参照光との干渉縞を検出する干渉縞検出手段と、補正用参照光を分岐する前の参照光の光路上に配設され参照光の波面を制御する波面制御用ミラーと、干渉縞検出手段により検出される干渉縞の安定状態からの位相シフトを抑制するように波面制御用ミラーの位置を制御する制御手段とを備えているので、制御手段によって、干渉縞検出手段により検出される干渉縞の安定状態からの位相シフトが抑制されるように波面制御用ミラーの位置が制御されるから、当該干渉縞安定化装置と検査対象物との相対的な振動に起因して補正用参照光と補正用信号光とが独自に振動するのを防止できて補正用参照光と補正用信号光との干渉縞の位相シフトを抑制でき、参照光と検査対象物で反射され周波数変調された信号光との干渉縞を安定化することが可能になる。
【００１３】
請求項２の発明は、レーザ光を出力する検出用レーザと、検査対象物に弾性波を励起させるための励起光を出力する弾性波励起用レーザと、検出用レーザと検査対象物との間の光路上に配設され検出用レーザから出力されたレーザ光の一部を参照光として分岐するビーム分岐手段と、検出用レーザから出力されて検査対象物で反射され周波数変調された信号光とビーム分岐手段で分岐された参照光とを干渉させる位相共役素子を有し当該位相共役素子から出射される干渉光を利用して検査対象物の振動を検出する振動検出手段と、振動検出手段の出力に基づいて検査対象物の内部欠陥を検出する欠陥検出手段と、請求項１記載の干渉縞安定化装置とを備えることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、請求項１記載の干渉縞安定化装置を備えているので、当該非破壊検査装置と検査対象物との相対的な振動に起因して参照光と信号光とが独自に振動するのを防止できて参照光と信号光との干渉縞の位相シフトを抑制でき、遠方に存在する検査対象物の内部欠陥の検出精度の向上が可能になる。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記振動検出手段は、参照光の位相をシフトさせる位相シフトミラーと、位相シフトミラーにより位相シフトされた参照光と検査対象物で反射され周波数変調された信号光とが所定の角度で交差するように入射する前記位相共役素子であるフォトリフラクティブ結晶と、フォトリフラクティブ結晶に電界を印加するための一対の電極と、フォトリフラクティブ結晶から出射される干渉光を検出する光検出器とを備えることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、前記振動検出手段が、参照光の位相をシフトさせる位相シフトミラーと、前記位相共役素子であるフォトリフラクティブ結晶に電界を印加するための一対の電極とを備えているので、前記位相共役素子であるフォトリフラクティブ結晶での回折効率を向上でき、前記欠陥検出手段での内部欠陥の検出感度を向上できる。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項２または請求項３の発明において、信号光を前記検査対象物の表面で走査させる信号光走査手段を備えることを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、前記検査対象物の広い範囲に亘って内部欠陥の検査を行うことができる。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１の発明では、干渉縞安定化装置と検査対象物との相対的な振動に起因した干渉縞の位相シフトを抑制でき、参照光と検査対象物で反射され周波数変調された信号光との干渉縞を安定化することが可能になるという効果がある。
【００２０】
請求項２の発明では、非破壊検査装置と検査対象物との相対的な振動に起因した干渉縞の位相シフトを抑制でき、遠方に存在する検査対象物の内部欠陥の検出精度の向上が可能になるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本実施形態の非破壊検査装置（レーザ超音波リモートセンシング装置）は、図１に示すような構成であって、レーザ光（レーザビーム）を出力する検出用レーザ１１と、検査対象物Ｏｂに弾性波（超音波）を励起させるための励起光を出力する弾性波励起用レーザ２１と、検出用レーザ１１と検査対象物Ｏｂとの間の光路上に配設され検出用レーザ１１から出力されたレーザ光から参照光を分岐させる第１のビーム分岐手段１２と、検出用レーザ１１から出力されて検査対象物Ｏｂで反射されて周波数変調された信号光と第１のビーム分岐手段１２で分岐された参照光とを干渉させる位相共役素子３３を有し当該位相共役素子３３から出射される干渉光を利用して検査対象物Ｏｂの振動を検出する振動検出手段３０と、振動検出手段３０の出力に基づいて検査対象物Ｏｂの内部欠陥Ｄｅを検出する欠陥検出手段７０と、参照光から分岐された補正用参照光と検査対象物Ｏｂで反射され周波数変調された信号光から分岐された補正用信号光との干渉縞を安定化する干渉縞安定化装置４０と、検出用レーザ１１からの信号光を検査対象物Ｏｂの表面で走査させる信号光走査手段５０と、信号光走査手段５０を制御するマイクロコンピュータなどからなる走査制御装置６０とを備えている。なお、図１中の矢印は、検出用レーザ１１から出力されたレーザ光の進行経路を示している。また、本実施形態の非破壊検査装置は、エアーサスペンション付きの光学定盤（図示せず）上に設置されている。
【００２２】
本実施形態では、検査対象物Ｏｂとして、コンクリート構造物を想定し、検査対象物Ｏｂの内部欠陥Ｄｅとして、空洞、クラック、ジャンカなどを想定しており、検出用レーザ１１として、波長５３２ｎｍのレーザ光を連続出力するＮｄ：ＹＡＧレーザ（２倍高調波）を採用し、弾性波励起用レーザとして、パルス幅が１０ｎｓのパルスレーザ光を出力するＮｄ：ＹＡＧレーザ（基本波）を採用しているが、検査対象物Ｏｂおよび各レーザ１１，１２は特に限定するものではない。
【００２３】
上述の第１のビーム分岐手段１２は、ビームスプリッタにより構成され、信号光走査手段５０は、走査ミラー（スキャンニングミラー）５１と走査ミラー５１を駆動する駆動装置（スキャンニング装置）５２とで構成されている。
【００２４】
また、本実施形態の非破壊検査装置は、第１のビーム分岐手段１２と走査ミラー５１との間の光路上に２つのハーフミラー１３，１４が配設されている。ここにおいて、ビーム分岐手段１２に近い側のハーフミラー１３は、検出用レーザ１１からの信号光を反射する一方で弾性波励起用レーザ２１からの励起光を透過する。また、第１のビーム分岐手段１２から遠い側のハーフミラー１４は、信号光および励起光を反射する一方で、検査対象物Ｏｂで反射され周波数変調された信号光を透過する。また、本実施形態の非破壊検査装置は、ハーフミラー１４における走査ミラー５１側とは反対側に、ハーフミラー１４を透過した信号光から補正用信号光を分岐させるビームスプリッタからなる第２のビーム分岐手段１５が配置されている。また、第２のビーム分岐手段１５と干渉縞安定化装置４０との間には、補正用信号光を干渉縞安定化装置４０側へ反射するミラー１６が配置されている。
【００２５】
振動検出手段３０は、参照光の位相をシフトさせる位相シフトミラー３２と、位相シフトミラー３２により位相シフトされた参照光と検査対象物Ｏｂで反射されて周波数変調された信号光とが所定の角度で交差するように入射するフォトリフラクティブ結晶（例えば、Ｂｉ12ＳｉＯ20結晶など）からなる位相共役素子３３と、位相共役素子３３に電界を印加するための一対の電極３４，３４と、一対の電極３４，３４間に電圧を印加する電源回路（図示せず）と、位相共役素子３３から出射される干渉光を検出する光電子増倍管からなる光検出器３５とを備えている。なお、位相共役素子３３は、フォトリフラクティブ結晶に限らず、位相共役現象が起こるとともに２光波混合が起こる非線形光学素子であればよい。
【００２６】
ここにおいて、位相共役素子３３として、Ｂｉ12ＳｉＯ20結晶からなるフォトリフラクティブ結晶を用いた場合には、図２に示すように、電界強度Ｅを高くし、入射する信号光と参照光との交差角を小さくするほど、ゲイン（２光波混合利得）が高くなる。また、位相共役素子３３は、位相シフトミラー３２により参照光の位相をシフトさせる（遅らせる）ことにより、干渉光の強度が高くなる。要するに、本実施形態の非破壊検査装置では、振動検出手段３０が、参照光の位相をシフトさせる位相シフトミラー３２と、位相共役素子３３であるフォトリフラクティブ結晶に電界を印加するための一対の電極３４，３４とを備えているので、位相共役素子３３であるフォトリフラクティブ結晶での回折効率を向上でき、欠陥検出手段７０での内部欠陥の検出感度を向上できる。
【００２７】
欠陥検出手段７０は、光検出器３５の出力を記録してＦＦＴ（高速フーリエ変換）による周波数解析を行うＦＦＴ演算部を有するオシロスコープと、オシロスコープのＦＦＴ演算部での周波数解析の結果に基づいて検査対象物Ｏｂの内部欠陥の有無および深さを評価するマイクロコンピュータからなる信号処理部とで構成されている。ここにおいて、欠陥検出手段７０は、検査対象物Ｏｂの内部欠陥Ｄｅの深さや大きさに応じた検査対象物Ｏｂの表面の振動スペクトルの周波数解析を行い内部欠陥Ｄｅの有無、深さを評価する振動スペクトル法の原理を適用して内部欠陥Ｄｅを検出する機能と、レーザ光を検査対照物Ｏｂに照射してから多重反射エコーが検出までの時間差により内部欠陥Ｄｅの有無、深さを評価する反射エコー法の原理を適用して内部欠陥Ｄｅを検出する機能とを有している。
【００２８】
ここで、振動スペクトル法を適用する場合には、検査対象物Ｏｂの表面の振動スペクトルを求めると、内部欠陥Ｄｅがない部分では周波数スペクトルに特徴的なピークは存在しないが、内部欠陥Ｄｅがある場合には、内部欠陥Ｄｅの深さに応じて周波数スペクトルに特徴的なピーク（１次モードの振動周波数のピーク）が現れるので、信号処理部に１次モードの振動周波数と内部欠陥Ｄｅの深さとの関係テーブルを予め記憶させておけば、信号処理部において内部欠陥Ｄｅの有無および深さを評価できる。また、多重反射エコー法を適用する場合には、検査対象物Ｏｂの内部欠陥Ｄｅの深さに応じて縦波の多重反射エコーの周波数スペクトルが異なるので、信号処理部において多重反射周波数と検査対象物Ｏｂ内の縦波の速度とに基づいて内部欠陥Ｄｅの深さを求めることができる。
【００２９】
干渉縞安定化装置４０は、検査対象物Ｏｂで反射され周波数変調された信号光から分岐された補正用信号光と参照光から分岐された補正用参照光との干渉縞を検出する干渉縞検出手段４１と、補正用参照光を分岐する前の参照光の光路上に配設され参照光の波面を制御する波面制御用ミラー４２と、干渉縞検出手段４１により検出される干渉縞の安定状態からの位相シフトを抑制するように波面制御用ミラー４２の位置を制御する制御手段４３とを備えている。ここにおいて、波面制御用ミラー４２は、第１のビーム分岐手段１２と振動検出手段３０の位相シフトミラー３２との光路上に配設されている。ただし、波面制御用ミラー４２と振動検出手段３０との間には、参照光から補正用参照光を分岐させるビームスプリッタからなる第３のビーム分岐手段１７が配置されており、第３のビーム分岐手段１７と干渉縞安定化装置４０との間には、補正用参照光を干渉縞安定化装置４０側へ反射するミラー１８が配置されている。ここで、上述の振動検出手段３０は、第３のビーム分岐手段１７と位相シフトミラー３２との間に配置されて第３のビーム分岐手段１７側からの参照光を位相シフトミラー３２側へ反射するミラー３１を備えている。
【００３０】
干渉縞検出手段４１は、複数個（例えば、８個）の受光部１４１ａが一平面上に配列された複数チャネルの受光素子１４１と、受光素子１４１の各受光部１４１ａの出力（アナログの電圧信号）からオフセット電圧を除去するオフセット電圧除去回路およびオフセット電圧除去後の出力を増幅するアンプを有する信号処理回路部１４２とを備えている。ここにおいて、受光素子１４１としては、８個の受光部１４１ａが一平面上で１次元アレイ状に配列されたリニアアレイ素子を用いており、受光部１４１ａの受光面（有効光電面）のサイズ（チャネルサイズ）が２．０ｍｍ×２．５ｍｍ、受光部１４１ａの受光面のピッチ（チャネルピッチ）が２．８ｍｍに設定されている。なお、受光素子１４１の各受光部１４１ａは、受光感度波長域が３００〜８８０ｎｍの光電子増倍管により構成されているが、受光素子１４１としてＣＣＤカメラを用い、当該ＣＣＤカメラの画素が受光部１４１ａを構成するようにしてもよい。
【００３１】
また、制御手段４３は、波面制御用ミラー４２を駆動するピエゾトランスレータからなるアクチュエータ４４と、アクチュエータ４４を駆動する駆動回路部４５と、信号処理回路部１４２の出力に基づいて駆動回路部４５を制御するマイクロコンピュータなどからなる制御部４６とを備えており、制御部４６は、信号処理回路部１４２の出力をアナログ−デジタル変換するＡ／Ｄコンバータ４６ａ、駆動回路部４５へ与える制御信号をデジタル−アナログ変換するＤ／Ａコンバータ４６ｂ、制御部４６の各種設定（アクチュエータのサーボ設定、原点復帰）などを行うため適宜のプログラムを搭載したパーソナルコンピュータからなる支援装置４８を接続するインタフェース４６ｃなどを備えている。制御手段４３は、支援装置４８の操作部（例えば、キーボード、ポインティングデバイスなど）を適宜操作することによって制御部４６の各種設定を行い、支援装置４８のディスプレイからなる表示部５０に運転状態や設定状態や受光素子１４１の受光状態などを表示させることができるようになっている。なお、干渉縞安定化装置４０は、商用電源などの交流電源の出力をＡＣ／ＤＣ変換して得た直流電圧を降圧して制御部４６へ供給する電源回路４７を備えている。また、上述の支援装置４８において、制御部４６、検出用レーザ１１、振動励起用レーザ２１、振動検出手段３０、駆動装置６０などを一括して連動制御するようにするようにすれば、非破壊検査装置の自動化が容易になる。
【００３２】
制御部４６は、受光素子１４１の８個の受光部１４１ａのうちの３個の受光部１４１ａ（以下、説明の便宜上、チャネル１の受光部１４１ａ１、チャネル２の受光部１４１ａ２、チャネル３の受光部１４１ａ３と称する）の出力に基づいて干渉縞の安定状態からの位相シフトを抑制する（つまり、干渉縞が安定化する）ように波面制御用ミラー４２の位置を制御する（波面制御用ミラー４２を変位させる）。
【００３３】
ここで、制御部４６において、波面制御用ミラー４２の変位量Δｄを決める原理について説明してから、具体的な動作について説明する。
【００３４】
いま、検査対象物Ｏｂと非破壊検査装置との相対的な振動のような外乱の影響のない状態で受光素子１４１の表面に形成される干渉縞が、図３（ａ）に示すよう干渉パターンであって図４（ａ）に示すような光強度分布（干渉強度分布）を有している場合、干渉縞の位相シフト量（図４（ａ）における横軸方向の変位量）をφとし、各チャネル１，２，３それぞれの受光部１４１ａ１，１４１ａ２，１４１ａ３が図３（ａ）および図４（ａ）においてＣｈ１，Ｃｈ２，Ｃｈ３で示した位置（ただし、Ｃｈ３は、Ｃｈ１とＣｈ２との中間位置）の光強度を検出するものとし、チャネル１，２，３それぞれの受光部１４１ａ１，１４１ａ２，１４１ａ３からの出力を信号Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３とすれば、
Ｕ１＝０．５Ｕmax（−sinφ＋１）
Ｕ２＝０．５Ｕmax＝０．５Ｕmax（sinφ＋１）
Ｕ３＝０．５Ｕmax（−cosφ＋１）
となる。つまり、Ｕ１とＵ２とは位相が１８０°だけ異なっている。ここにおいて、φは、検出用レーザ１１から出力されるレーザ光の波長をλとすれば、
φ＝（２π／λ）λ
で表される。
【００３５】
また、チャネル１の受光部１４１ａ１からの信号Ｕ１とチャネル２の受光部１４１ａ２からの信号Ｕ２とを用いて干渉縞のコントラストの良否を判断するための信号コントラストＫを、
Ｋ＝（Ｕ２−Ｕ１）／（Ｕ２＋Ｕ１）＝sinφ
と定義すれば、Δφ＝０のとき（つまり、干渉縞が安定状態にあるとき）、Ｋ＝０となる。また、本実施形態では、図３（ｂ）に一点鎖線で示すように、図３（ａ）の干渉縞からの位相シフト量がΔφ＝π／１０（Δλ＝λ／２０に相当する）以下であれば、干渉縞が安定しているとみなすようにしている。具体的には、Ｕ１＝０．３４Ｕmax、Ｕ２＝０．６５Ｕmaxとなり、Ｋ＝０．３１となるので、コントラスト値Ｋを用いて干渉縞が安定しているか否かを判断するための信号コントラストＫの閾値Ｋｓを０．３１（Δλ＝λ／２０に相当する）に設定してあり、信号コントラストＫがＫｓよりも大きい場合には参照光の位相制御を行う。したがって、例えば、図３（ｃ），（ｄ）および図４（ｃ），（ｄ）に示すように干渉縞の位相シフト量Δφがπ／１０よりも大きい場合には参照光の位相制御を行う。
【００３６】
また、波面制御用ミラー４２の変位量をΔｄ、波面制御用ミラー４２への参照光の入射角をθとすると、
Δλ＝２Δｄcosθ
となる。ここで、図３（ｃ）に示す干渉縞のように図３（ａ）から位相が大きくずれている場合に干渉縞を安定化のための波面制御ミラーの変位量をΔｄstabとし、信号コントラストをＫとすると、
Δｄstab＝λsin-1Ｋ／４πcosθ
となる。また、図３（ｄ）に示す干渉縞のように図３（ａ）から位相が１８０°だけずれている場合など、Ｕ３＞０．５の場合、波面をΔλ＝λだけシフトして補正するための波面制御用ミラー４２の補正変位量をΔｄcorrとすると、
Δｄcorr＝λ／４cosθ
となり、安定状態にない全ての条件の干渉縞を安定状態となるように補正するための波面制御用ミラーｄの変位量をΔｄとすると、
Δｄ＝Δｄstab＋Δｄcorr
となるので、制御部４６において、波面制御用ミラー４２の変位量がΔｄとなるように波長制御用ミラー４２の位置を制御することにより、干渉縞を安定化させることができる。
【００３７】
次に、制御部４６の動作を具体的に説明する。
【００３８】
弾性波励起用レーザ２１からパルスレーザ光が出力され（Ｓ１）、支援装置４８から同期パルスが入力されると（Ｓ２）、制御部４６は、Ａ／Ｄコンバータ４６ａを通して各チャネル１，２，３の受光部１４１ａ１，１４１ａ２，１４１ａ３からの信号を読み込み（Ｓ３）、信号Ｕ１と信号Ｕ２とを用いて信号コントラストＫ＝（Ｕ２−Ｕ１）／（Ｕ２＋Ｕ１）を演算する（Ｓ４）。Ｓ４の後、信号コントラストＫを予め設定した閾値Ｋｓ（＝０．３）と比較し（Ｓ５）、｜Ｋ｜≦Ｋｓの条件を満たしていたとき、Ｕ３の値を読み込んでＵ３＜０．５であれば（Ｓ６）、図３（ａ）に示すような安定状態の干渉縞が形成されているとみなすことができるので、干渉縞が安定化されていると判断され、振動検出手段３０の光検出部３５において振動信号が記録される（Ｓ７）。
【００３９】
一方、Ｓ５において、｜Ｋ｜＞Ｋｓであれば、図３（ｂ），（ｃ）あるいは図３（ｄ）に示すような干渉縞が形成されているとみなすことができるので、干渉縞を安定化するための波面制御用ミラー４２の変位量Δｄstabに対応するデジタル値Ｕstabを求め（Ｓ８）、その後、干渉縞を安定させるための波面制御用ミラー４２の変位量Δｄに対応するデジタル値Ｕpiezo＝Ｕstab＋Ｕcorrを演算して当該デジタル値ＵpiezoをＤ／Ａコンバータ４６ｂでアナログの電圧信号に変換して駆動回路部４５に与えることで波面制御用ミラー４２をΔｄだけ変位させ（Ｓ９）、Ｓ２に戻る。また、Ｓ６において、Ｕ３≧０．５であれば図３（ｄ）に示すような干渉縞が形成されているとみなすことができるので、上述の補正変位量ｄcorrに対応するデジタル値Ｕcorrを求め（Ｓ１０）、その後、Ｓ９を行い、Ｓ２に戻る。
【００４０】
上述の動作説明から分かるように、制御部４６では、干渉縞が安定化するまでデジタル値Ｕpiezoが繰り返し得られ、デジタル値Ｕpiezoが得られるたびに、波面制御用ミラー４２の位置を制御する。この波面制御用ミラー４２の位置を繰り返し制御する周波数（上述の同期パルスの周波数）は、検査対象物Ｏｂの振動周波数の最低周波数の１０分の１程度の周波数に設定することが望ましい。例えば、検査対象物Ｏｂがコンクリート構造物の場合、最低周波数が１ｋＨｚとすれば、波面制御用ミラー４２の位置を繰り返し制御する周波数は、１００ｋＨｚ程度に設定することが望ましい。なお、検査対象物Ｏｂが金属構造物の場合、最低周波数を１ＭＨｚとすれば、波面制御用ミラー４２の位置を繰り返し制御する周波数は１００ｋＨｚ程度とすることが望ましい。また、本実施形態では、波面制御用ミラー４２の最大変位量を５μｍに設定してある。
【００４１】
ここで、図６（ａ）に、検査対象物Ｏｂを本実施形態の非破壊検査装置の光学定盤上に配置し、検査対象物Ｏｂと非破壊検査装置との相対振動がない場合に受光素子１４１表面に形成される干渉縞を示し、同図（ｂ）に、検査対象物Ｏｂを非破壊検査装置の光学定盤から離して配置して検査対象物Ｏｂと非破壊検査装置との相対振動がある状態（相対振動の周波数は２０Ｈｚが大きな割合を占めていた）として干渉縞安定化装置４０の運転を停止させている場合に受光素子１４１表面に形成される干渉縞を示し、同図（ｃ）に、検査対象物Ｏｂと非破壊検査装置との相対振動がある状態として干渉縞安定化装置４０により干渉縞を安定化させた場合に受光素子１４１表面に形成される干渉縞を示す。図６から、干渉縞安定化装置４０により、干渉縞を安定化できることが分かる。
【００４２】
以上説明した本実施形態における干渉縞安定化装置４０では、検査対象物Ｏｂで反射され周波数変調された信号光から分岐された補正用信号光と参照光から分岐された補正用参照光との干渉縞を検出する干渉縞検出手段４１と、補正用参照光を分岐する前の参照光の光路上に配設され参照光の波面を制御する波面制御用ミラー４２と、干渉縞検出手段４１により検出される干渉縞の安定状態からの位相シフトを抑制するように波面制御用ミラー４２の位置を制御する制御手段４３とを備えているので、制御手段４３によって、干渉縞検出手段４１により検出される干渉縞の安定状態からの位相シフトが抑制されるように波面制御用ミラー４２の位置が制御されるから、当該干渉縞安定化装置４０と検査対象物Ｏｂとの相対的な振動に起因して補正用参照光と補正用信号光とが独自に振動するのを防止できて補正用参照光と補正用信号光との干渉縞の位相シフトを抑制でき、参照光と検査対象物Ｏｂで反射され周波数変調された信号光との干渉縞を安定化することが可能になる。
【００４３】
また、本実施形態の非破壊検査装置は、上述の干渉縞安定化装置４０を備えているので、当該非破壊検査装置と検査対象物Ｏｂとの相対的な振動に起因して参照光と信号光とが独自に振動するのを防止できて参照光と信号光との干渉縞の位相シフトを抑制でき、遠方に存在する検査対象物Ｏｂの内部欠陥Ｄｅの検出精度の向上が可能になる。
【００４４】
なお、コンクリート構造物などの検査対象物Ｏｂの表面状態や、検出用レーザ１１から出力されたレーザ光の検査対象物Ｏｂの表面での集光状態などに起因して補正用信号光にスペックルパターンが多い、あるいはスペックルパターンが細かく干渉縞に影響を与えるときには、補正用信号光を分岐する前の信号光の光軸上にスペイシャルフィルタなどの高次波面パターンを低減させる装置を挿入することにより、スペックルパターンが干渉縞に与える影響を少なくすることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施形態における非破壊検査装置を示し、（ａ）は概略構成図、（ｂ）は要部構成図である。
【図２】同上におけるフォトリフラクティブ結晶の特性説明図である。
【図３】同上の動作説明図である。
【図４】同上の動作説明図である。
【図５】同上の動作説明図である。
【図６】同上の動作説明図である。
【図７】従来例を示す非破壊検査装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００４６】
１１ 検出用レーザ
１２ ビーム分岐手段
２１ 弾性波励起用レーザ
３０ 振動検出手段
３２ 位相シフトミラー
３３ 位相共役素子（フォトリフラクティブ結晶）
３４ 電極
３５ 光検出器
４０ 干渉縞安定化装置
４１ 干渉縞検出手段
４２ 波面制御用ミラー
４３ 制御手段
５０ 信号光走査手段
７０ 欠陥検出手段
Ｏｂ 検査対象物
Ｄｅ 内部欠陥
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象物で反射され周波数変調された信号光から分岐された補正用信号光と参照光から分岐された補正用参照光との干渉縞を検出する干渉縞検出手段と、補正用参照光を分岐する前の参照光の光路上に配設され参照光の波面を制御する波面制御用ミラーと、干渉縞検出手段により検出される干渉縞の安定状態からの位相シフトを抑制するように波面制御用ミラーの位置を制御する制御手段とを備えることを特徴とする干渉縞安定化装置。
【請求項２】
レーザ光を出力する検出用レーザと、検査対象物に弾性波を励起させるための励起光を出力する弾性波励起用レーザと、検出用レーザと検査対象物との間の光路上に配設され検出用レーザから出力されたレーザ光の一部を参照光として分岐するビーム分岐手段と、検出用レーザから出力されて検査対象物で反射され周波数変調された信号光とビーム分岐手段で分岐された参照光とを干渉させる位相共役素子を有し当該位相共役素子から出射される干渉光を利用して検査対象物の振動を検出する振動検出手段と、振動検出手段の出力に基づいて検査対象物の内部欠陥を検出する欠陥検出手段と、請求項１記載の干渉縞安定化装置とを備えることを特徴とする非破壊検査装置。
【請求項３】
前記振動検出手段は、参照光の位相をシフトさせる位相シフトミラーと、位相シフトミラーにより位相シフトされた参照光と検査対象物で反射され周波数変調された信号光とが所定の角度で交差するように入射する前記位相共役素子であるフォトリフラクティブ結晶と、フォトリフラクティブ結晶に電界を印加するための一対の電極と、フォトリフラクティブ結晶から出射される干渉光を検出する光検出器とを備えることを特徴とする請求項２記載の非破壊検査装置。
【請求項４】
信号光を前記検査対象物の表面で走査させる信号光走査手段を備えることを特徴とする請求項２または請求項３記載の非破壊検査装置。
【請求項１】
検査対象物で反射され周波数変調された信号光から分岐された補正用信号光と参照光から分岐された補正用参照光との干渉縞を検出する干渉縞検出手段と、補正用参照光を分岐する前の参照光の光路上に配設され参照光の波面を制御する波面制御用ミラーと、干渉縞検出手段により検出される干渉縞の安定状態からの位相シフトを抑制するように波面制御用ミラーの位置を制御する制御手段とを備えることを特徴とする干渉縞安定化装置。
【請求項２】
レーザ光を出力する検出用レーザと、検査対象物に弾性波を励起させるための励起光を出力する弾性波励起用レーザと、検出用レーザと検査対象物との間の光路上に配設され検出用レーザから出力されたレーザ光の一部を参照光として分岐するビーム分岐手段と、検出用レーザから出力されて検査対象物で反射され周波数変調された信号光とビーム分岐手段で分岐された参照光とを干渉させる位相共役素子を有し当該位相共役素子から出射される干渉光を利用して検査対象物の振動を検出する振動検出手段と、振動検出手段の出力に基づいて検査対象物の内部欠陥を検出する欠陥検出手段と、請求項１記載の干渉縞安定化装置とを備えることを特徴とする非破壊検査装置。
【請求項３】
前記振動検出手段は、参照光の位相をシフトさせる位相シフトミラーと、位相シフトミラーにより位相シフトされた参照光と検査対象物で反射され周波数変調された信号光とが所定の角度で交差するように入射する前記位相共役素子であるフォトリフラクティブ結晶と、フォトリフラクティブ結晶に電界を印加するための一対の電極と、フォトリフラクティブ結晶から出射される干渉光を検出する光検出器とを備えることを特徴とする請求項２記載の非破壊検査装置。
【請求項４】
信号光を前記検査対象物の表面で走査させる信号光走査手段を備えることを特徴とする請求項２または請求項３記載の非破壊検査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図７】
【図４】
【図６】
【図２】
【図３】
【図５】
【図７】
【図４】
【図６】
【公開番号】特開２００９−３０９９６（Ｐ２００９−３０９９６Ａ）
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１９２２４８（Ｐ２００７−１９２２４８）
【出願日】平成１９年７月２４日（２００７．７．２４）
【出願人】（５９１１１４８０３）財団法人レーザー技術総合研究所 (36)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月２４日（２００７．７．２４）
【出願人】（５９１１１４８０３）財団法人レーザー技術総合研究所 (36)
【Ｆターム（参考）】
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