超音波測定装置及び超音波測定方法
【課題】偏波保持光ファイバのように偏波方向により屈折率の異なる複屈折性を有する共振器媒質を用いる、安定的に高感度な測定が可能なファブリ・ペロー干渉計を用いた超音波測定装置と方法を提供する。
【解決手段】測定対象物からのレーザビームの反射光である信号光と、測定対象物に照射するレーザビームの一部を分岐して得られる安定化光とを、光スイッチ４で切り替えファブリ・ペロー干渉計６へ入力し、干渉計６からの出力を光検出器を経てサンプル・ホールド部７へ入力し、サンプル・ホールド部７は、干渉計６に安定化光が入力される期間は、光検出器から入力をそのまま出力し、干渉計への入力が安定化光から信号光へ切り換える前に入力された値をサンプル・ホールドし、干渉計に信号光が入力される期間は、ホールドされたレベルで出力することを特徴とする超音波測定装置。
【解決手段】測定対象物からのレーザビームの反射光である信号光と、測定対象物に照射するレーザビームの一部を分岐して得られる安定化光とを、光スイッチ４で切り替えファブリ・ペロー干渉計６へ入力し、干渉計６からの出力を光検出器を経てサンプル・ホールド部７へ入力し、サンプル・ホールド部７は、干渉計６に安定化光が入力される期間は、光検出器から入力をそのまま出力し、干渉計への入力が安定化光から信号光へ切り換える前に入力された値をサンプル・ホールドし、干渉計に信号光が入力される期間は、ホールドされたレベルで出力することを特徴とする超音波測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファブリ・ペロー干渉計を用いた超音波測定装置に関するものであって、特に、ファブリ・ペロー干渉計を構成する媒質が複屈折性を有する場合において、測定の安定性と感度を向上させたファブリ・ペロー干渉計方式の超音波測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、超音波が測定対象物体の表面に到達すると、その超音波により、対象物体の表面が振動する。このとき、レーザビームを測定対象物体の表面に照射すると、超音波による物体表面の振動により、その対象物体の表面で反射・散乱された散乱光は、微少ではあるが、照射前の周波数に比べ周波数がシフトする。
【０００３】
これは、ドップラーシフトと呼ばれる現象であり、周波数のシフト量は、およそ表面変位の速度、すなわち、超音波による変位の微分量に比例する。この現象を用いて、対象物体に伝達された超音波の特性を測定することができる。
【０００４】
ドップラーシフトによる超音波の測定には、ファブリ・ペロー干渉計が広く用いられている。ファブリ・ペロー干渉計は、入力された周波数変調された光を強度変調された光に変換し出力するもので、出力された光を高速光検出器で検出し、高速オシロスコープで観測すれば、超音波の変位速度におよそ比例した、超音波の振動波形が得られる。
【０００５】
また、測定対象物体の表面にレーザパルスビームを照射し、アブレーション現象や熱弾性現象を引き起こして、超音波を発生させる方法がある。これらを併せて用いれば、超音波の発生・検出をすべて非接触で行うことができる。
【０００６】
このような超音波の測定技術は、レーザ超音波技術として知られており、金属や複合材料など対象物体の機械的特性や微細組織など、材質物性の測定方法として広範囲に用いられる。レーザ超音波技術は非接触での測定を可能とし、その測定方法は、特に高温や狭間部など、超音波の発生や検出に使用するセンサが苦手とする環境下でよく用いられる有効な方法である。
【０００７】
非特許文献１には、共振器媒質が空気で、共振器ミラーの焦点が一致するように配置された共焦点型ファブリ・ペロー干渉計を、超音波の検出に用いる方法が記載されている。
【０００８】
非特許文献１に記載の方法では、検出用レーザビームの一部を分岐して得られる安定化光と、対象物体からの散乱光である信号光とを、偏光ビームスプリッタなどの偏光素子を利用し、偏波状態を変えて干渉計に入射させる。
【０００９】
ファブリ・ペロー干渉計からの光出力には安定化光と信号光が混合されているが、両者の偏波状態の違いを利用して、偏光ビームスプリッタなどの偏光素子を利用して空間的に分離することができる。ファブリ・ペロー干渉計から出力された安定化光の光強度が、最大値の半分になるようにピエゾ素子で干渉計の共振器長を微少量だけ制御することで感度を高くし、安定的にＳ／Ｎのよい超音波信号が得られる。
【００１０】
しかし、空気を媒質とする共焦点型ファブリ・ペロー干渉計は、共振器長を長くすると振動などの外乱に弱くなり、また調整にも手間がかかるため、実質的に共振器長を長くすることはできない。
【００１１】
これに対して、共振器として光ファイバを用いたファブリ・ペロー干渉計では、光ファイバの長さを変えることで、共振器長を変えることができる。
【００１２】
特許文献１には、共振器として偏波保持光ファイバを用いたファイバ型ファブリ・ペロー干渉計を使用する発明が開示されている。このファブリ・ペロー干渉計は、共振器長となる光ファイバの長さを変えることにより、測定する超音波の帯域に最適な周波数特性を持たせることが可能である。
【００１３】
ファイバ型ファブリ・ペロー干渉計は、広帯域のファブリ・ペロー干渉計を容易に構成できる点で、共焦点型ファブリ・ペロー干渉計よりも優れている。
【００１４】
ファイバ型ファブリ・ペロー干渉計の共振器である偏波保持光ファイバは、複屈折性を持つので、屈折率の最も小さい速軸方向、又は屈折率が最も大きく速軸方向に直交する遅軸方向に平行に偏波した直線偏光のみを、その偏波状態を変えることなく伝播させることができる。
【００１５】
偏波保持光ファイバは、偏波方向により屈折率が異なるため偏波方向により光路長が変わり、干渉計の出力光の透過特性も異なってくる。
【００１６】
図６に、それぞれ速軸方向と遅軸方向に平行に偏波した直線偏光をファイバ型ファブリ・ペロー干渉計に入射させ、共振器長である偏波保持光ファイバの長さを変化させた場合の、透過特性の一例を示す。横軸は偏波保持光ファイバの長さの変化量、縦軸は透過率を示している。図６に示すように、透過率が最大値の半分となるファイバの長さ（干渉計の動作点）が、速軸方向と遅軸方向では異なる。
【００１７】
このため、ファブリ・ペロー干渉計に偏波の異なる安定化光と信号光を入射した場合、両者の透過特性は異なるものとなる。その結果、干渉計の共振器長を、安定化光の光強度が最大値の半分になる長さに調整しても、安定した感度の高い超音波信号を得ることはできない。
【００１８】
また、偏波の異なる安定化光と信号光をファイバ型ファブリ・ペロー干渉計に入射した場合、偏波保持光ファイバ内で偏波モード間の結合が起こり、両者間でエネルギーの交換が行われ、偏波状態を保持することができなくなる。これらの理由により、共焦点型ファブリ・ペロー干渉計のように、その出力を偏波状態により空間的に分離できない。
【００１９】
以上のように、偏波方向により屈折率の異なる偏波保持光ファイバを共振器媒質として用いたファイバ型ファブリ・ペロー干渉計では、安定化光と信号光を両方同時に入れて、出力を空間的に分離できないため、安定化が困難であった。
【００２０】
上記の問題を解決するために、特許文献１では、物体からの反射散乱光である信号光のみを干渉計に入れ、光検出器で電気信号に変換した後、電気信号を二分岐し、一方は超音波の検出に、もう一方はローパスフィルタを通した後、安定化光として用いている。測定対象物が、反射散乱光の強度がほぼ一定となる表面状態ならば、この方法で安定化が可能であり、超音波信号を感度よく検出可能である。
【００２１】
しかしながら、測定対象物体の表面状態によっては信号光の強度が大きく変化するため、動作点の透過光強度の設定が困難であり、また、測定対象物からの反射散乱光が弱い場合には安定化できず超音波信号を検出できないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特許第３９７９９６１号公報
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】J.-P. Monchalin and R. Heon, “Laser ultrasonic generation and optical detectionwith a confocal Fabry-Perot interferometer,” Mater. Eval., 44 (1986) 1231-1237
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明は、前記の問題点を解決するべく成されたもので、特に、偏波保持光ファイバのように、偏波方向により屈折率の異なる共振器媒質であっても、安定的に高感度な測定が可能な、ファブリ・ペロー干渉計を用いた超音波測定装置、及び、超音波測定方法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】
【００２５】
本発明者らは、安定して高感度な測定が可能な、ファブリ・ペロー干渉計を用いた超音波測定方法について鋭意検討した。その結果、安定化光と測定対象物からの反射光（信号光）を適切なタイミングで切り替えてファブリ・ペロー干渉計に入力し、安定化光の入力レベルを基に、信号光が入力される際のファブリ・ペロー干渉計の共振器長を制御することで、安定して高感度な測定が可能となることを見出した。
【００２６】
本発明は、上記の知見に基づきなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
【００２７】
（１）測定対象物にレーザビームを照射し、該測定対象物中を伝搬する超音波による該レーザビームの反射光のドップラーシフト量を、複屈折性物質を共振器媒質とするファブリ・ペロー干渉計を用いて測定し、該測定対象物中を伝搬する超音波を測定する超音波測定装置において、
前記測定対象物からのレーザビームの反射光である信号光と、測定対象物に照射するレーザビームの一部を分岐して得られる安定化光とを入力して、該信号光と該安定化光とのいずれか一方を出力し、前記ファブリ・ペロー干渉計へ入力する光スイッチと、
前記ファブリ・ペロー干渉計の出力を検出する光検出器と、
前記光検出器の出力を入力するサンプル・ホールド部と、
前記サンプル・ホールド部の出力を入力し、該入力に応じてファブリ・ペロー干渉計の共振器長を調整する信号を出力する安定化回路と、
前記光スイッチの出力光を切り換えるタイミング、及び、前記サンプル・ホールド部のサンプル・ホールド動作のタイミングを制御する制御信号を発生する信号発生部と
を備え、
前記サンプル・ホールド部は、前記光スイッチが安定化光を出力する期間は、前記光検出部から入力された値をそのまま出力し、光スイッチの出力光を安定化光から信号光へ切り換える前に、前記光検出部から入力された値をサンプル・ホールドし、光スイッチの出力が信号光である期間は、該ホールドした値を出力する
ことを特徴とする超音波測定装置。
【００２８】
（２）前記ファブリ・ペロー干渉計の共振器媒質が、偏波保持光ファイバであることを特徴とする前記（１）の超音波測定装置。
【００２９】
（３）測定対象物にレーザビームを照射し、該測定対象物中を伝搬する超音波による該レーザビームの反射光のドップラーシフト量を、複屈折性物質を共振器媒質とするファブリ・ペロー干渉計を用いて測定し、該測定対象物中を伝搬する超音波の特性を測定する超音波測定方法において、
前記測定対象物からのレーザビームの反射光である信号光と、測定対象物に照射するレーザビームの一部を分岐して得られる安定化光とを光スイッチに入力するステップと、
前記光スイッチから、信号発生部からの制御信号に従い、前記反射光と前記信号光とのいずれか一方を出力するステップと、
前記光スイッチからの出力をファブリ・ペロー干渉計に入力するステップと、
前記ファブリ・ペロー干渉計からの出力を光検出器に入力するステップと、
前記光検出器の出力をサンプル・ホールド部に入力するステップと、
前記信号発生部からの制御信号に従い、前記光スイッチが安定化光を出力する期間は、前記光検出部からの入力をそのまま出力し、光スイッチの出力光が安定化光から信号光へ切り換わる前にファブリ・ペロー干渉計の出力の値をサンプリングし、該サンプリングした値をホールドし、光スイッチの出力が信号光である期間は、該ホールドした値を出力するステップと、
前記サンプル・ホールド部からの出力を安定化回路に入力するステップと、
前安定化回路からの出力に応じて、前記ファブリ・ペロー干渉計の共振器長を調整するステップと
を備えることを特徴とする超音波測定方法。
【００３０】
（４）前記ファブリ・ペロー干渉計の共振器媒質が、偏波保持光ファイバであることを特徴とする前記（３）の超音波測定方法。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、ファブリ・ペロー干渉計に偏波方向により屈折率の異なる複屈折性を有する共振器媒質を用いても、安定的に高感度な超音波測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態を概略的に説明する図である。
【図２Ａ】本発明の偏波保持光ファイバを共振器媒質とするファブリ・ペロー干渉計の構成を示す図である。
【図２Ｂ】本発明の偏波保持光ファイバを共振器媒質とするファブリ・ペロー干渉計の別の構成を示す図である。
【図２Ｃ】本発明の偏波保持光ファイバを共振器媒質とするファブリ・ペロー干渉計の別の構成を示す図である。
【図２Ｄ】本発明の偏波保持光ファイバを共振器媒質とするファブリ・ペロー干渉計の別の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の方法の各信号のタイミングと関係を示す図である。
【図４】本発明の実施例における各信号のタイミングを示す図である。
【図５】本発明の実施例において検出された超音波のスペクトル信号を示す図である。
【図６】偏波保持光ファイバを共振器媒質とするファブリ・ペロー干渉計のファイバの長さを変化させた際の、速軸・遅軸方向における透過特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００３４】
図１は、本発明の、複屈折物質を共振器媒質とするファブリ・ペロー干渉計を用いる超音波測定装置を概略的に説明する図である。
【００３５】
超音波検出用レーザ１から出力された、偏波方向が紙面に平行な直線偏光であるレーザビームは、ビームスプリッタ２により、測定対象物体３へ照射される照射光１０１と、ファブリ・ペロー干渉計６の出力を安定化させるための安定化光１０２に分岐される。
【００３６】
照射光１０１は、測定対象物体３の表面で、測定対象物体３の内部を伝播する超音波３０１が測定対象物体３の表面に到達して発生する振動により、周波数シフトされて反射し、信号光１０３となる。安定化光１０２と信号光１０３は、それぞれ集光レンズ２０１、２０２により集光され、偏波保持光ファイバ４０１、４０２を経て、紙面に平行な偏波方向を有する直線偏光状態を保ったまま、光スイッチ４に入力される。
【００３７】
光スイッチ４は、信号発生器５の制御信号Ｖｃ１により、入力された安定化光１０２と信号光１０３のどちらか一方を出力する。例えば、制御信号Ｖｃ１がＨｉｇｈのとき、信号光１０３を、Ｌｏｗのときは安定化光１０２を出力する。光スイッチ４からの出力光は、偏波保持光ファイバ４０３、コリメータレンズ２０３を経て、ファブリ・ペロー干渉計６へ入力される。
【００３８】
ファブリ・ペロー干渉計６から出力された信号光１０３は、高速光検出器２０４で検出され、また、安定化光１０２は光検出器２０５で検出する。光検出器２０５の出力Ｖｉｎはサンプル・ホールド回路７に入力される。
【００３９】
サンプル・ホールド回路は、連続的に変化する信号値を、例えば外部からのトリガーのタイミングにあわせてサンプリングし、サンプリングした値を一定の期間保持するための回路として、一般的に多用されているものである。
【００４０】
ここで、安定化光１０２と信号光１０３は光スイッチ４によって出力される期間が異なるだけで、空間的には分離できない。したがって、安定化光１０２が出力されている期間は高速光検出器２０４でも安定化光１０２が検出され、また、信号光１０３が出力されている期間は光検出器２０５でも信号光１０３が検出される。
【００４１】
サンプル・ホールド回路７は、後述するように、光検出器２０５に安定化光１０２が入力される期間は、入力をそのまま出力する。
【００４２】
そして、光検出器２０５に入力される光が安定化光１０２から信号光１０３に切り替わる前に、入力されたレベルをサンプリングし、ホールドする。サンプリングは、光検出器２０５に安定化光１０２が入力される期間であって、入力される光が信号光１０３に切り替わるよりも前の時刻において、一度行う。この時刻は、上記の期間内であれば、特に規定するものではない。
【００４３】
その後、光検出器２０５信号光１０３が入力される期間は、上記のホールドされたレベルでサンプル・ホールド回路７から出力する。
【００４４】
サンプル・ホールド回路７の出力Ｖｏｕｔは、ローパス・フィルタ８を経て安定化回路９へ入力される。ローパス・フィルタ８は、安定化回路９の出力が発振しないようにするために設けられている。
【００４５】
安定化回路９は、入力が目標値に達するようにＰＩ（比例積分型）制御にてファブリ・ペロー干渉計６の共振器長を制御し、ファブリ・ペロー干渉計の出力を安定化する。これによって、安定化した条件で、高速光検出器２０４の出力を高速オシロスコープやＡ／Ｄ変換ボードへ接続し、超音波の波形を測定できる。
【００４６】
図２Ａは、ファブリ・ペロー干渉計の共振器媒質として、偏波保持光ファイバを用いる場合の詳細図である。
【００４７】
光スイッチ４からの出力は、偏波保持光ファイバ４０３、コリメータレンズ２０３を経て、紙面に平行方向の偏波面をもつ水平偏光ビーム１０４として、偏光ビームスプリッタ６０１へ入射する。偏光ビームスプリッタ６０１へ入射した水平偏光ビーム１０４は、水平偏光を保ったまま偏光ビームスプリッタを通過し、ファラデー回転子６０２へ入射する。
【００４８】
水平偏光ビーム１０４は、ファラデー回転子６０２を通過後、偏波面が紙面に平行方向に対し４５°傾いた４５°偏光ビーム１０５となり、集光レンズ６０３で偏波保持光ファイバ６０４に入射する。ファラデー回転子６０２は、４５°偏光ビーム１０５が偏波保持光ファイバ６０４内で直線偏光状態を保持するように、偏波保持光ファイバの速軸又は遅軸方向は、４５°偏光ビーム１０５の偏波方向に平行又は垂直となるようにする。
【００４９】
偏波保持光ファイバ６０４は、部分反射ミラー６０５、６０６を両端に有する偏波保持光ファイバ６０７に、速軸及び遅軸方向が一致するように接続されている。偏波保持光ファイバ６０７は、ファブリ・ペロー干渉計６の共振器となっており、圧電性を有する円筒型のＰＺＴチューブ６０８に巻かれている。
【００５０】
ＰＺＴチューブに印加される安定化回路９の出力により、ＰＺＴチューブの径が変化し、偏波保持光ファイバ６０７の長さ、すなわち、ファブリ・ペロー干渉計６の共振器長が変化する。図６に示すように、光ファイバの長さが０．１μｍ程度変化すればファブリ・ペロー干渉計の透過強度が変化するので、光ファイバ６０７の長さは、微小長さだけ変えられればよい。
【００５１】
ここでは、共振器長を微小長さだけ変化させるために円筒型のＰＺＴチューブを用いる例を挙げたが、円筒型のＰＺＴチューブの代わりに、偏波保持ファイバを直線型のＰＺＴロッドに接着させ、ＰＺＴロッドを伸縮させてもよい。
【００５２】
部分反射ミラー６０６を経て出力される偏波保持光ファイバ６０７からの出力は、偏波方向が４５°のままコリメータレンズ６０９を経て、４５°偏光ビーム１０６として光検出器２０５へ入射する。
【００５３】
部分反射ミラー６０５を経て出力される偏波保持光ファイバ６０７からの出力は、偏波方向が４５°のままレンズ６０３を経て、ファラデー回転子６０２に入射し４５°偏波面が回転して、紙面に垂直な偏波面を有する垂直偏光ビーム１０７となる。垂直偏光ビーム１０７は、偏光ビームスプリッタ６０１で反射後、高速光検出器２０４で検出される。
【００５４】
次に、光スイッチ４とサンプル・ホールド回路７を用いた超音波測定方法について、図１、図２Ａ及び図３を用いて説明する。
【００５５】
信号発生器５で発生させたＶｃ１とＶｃ２の２つの制御信号は、それぞれ光スイッチ４とサンプル・ホールド回路７へ入力される。両制御信号は、互いに同期の取れた矩形波とする。ここで、光スイッチ４は、制御信号Ｖｃ１に対する応答に一定の遅延があることが一般的であり、その場合には、図３に例示する様に、制御信号Ｖｃ２のパルスの幅や、位相、すなわち、パルスの立ち上がり、立ち下がりのタイミングを、制御信号Ｖｃ１に対してずらすのがよい。
【００５６】
図３では、制御信号Ｖｃ１、制御信号Ｖｃ２は、繰り返しパルス列として例示されているが、超音波測定の目的によって、例えば、超音波発生と超音波検出とを１度だけ行えばよい場合には、制御信号Ｖｃ１、制御信号Ｖｃ２は、それぞれ１つだけのパルスであってもよい。その場合、信号発生器５は、例えば、本超音波測定装置の操作者によるパルス発生トリガ信号（図示せず）の入力を受け、その信号によって制御信号Ｖｃ１、制御信号Ｖｃ２の発生タイミングを制御する。
【００５７】
光スイッチ４は、例えば、制御信号Ｖｃ１がＨｉｇｈの時に信号光１０３を、Ｌｏｗの時に安定化光１０２を出力し、ファブリ・ペロー干渉計６へ入力する。ファブリ・ペロー干渉計６の光出力は、光検出器２０５で検出され、サンプル・ホールド回路７の入力信号Ｖｉｎとなる。
【００５８】
サンプル・ホールド回路７からの出力信号Ｖｏｕｔは、光スイッチ４の出力が安定化光１０２の期間は、光検出器２０５からの入力をそのまま出力した信号である。
【００５９】
そして、安定化光１０２から信号光１０３に切り替わる前に、サンプル・ホールド回路７へ入力される制御信号Ｖｃ２がＨｉｇｈとなった時に、光検出器２０５からの入力をサンプリングし、ホールドする。
【００６０】
光スイッチの出力が信号光１０３の期間は、安定化光１０２が光検出器２０５から出力されない。この間は、制御信号Ｖｃ２がＬｏｗとなるまで、上記のホールドされたレベルでサンプル・ホールド回路７から出力信号Ｖｏｕｔを出力する。
【００６１】
サンプル・ホールド回路７からの出力信号Ｖｏｕｔは、ローパス・フィルタ８を経て、安定化回路９へ入力され、超音波信号が安定的に高感度に検出できるように、ファブリ・ペロー干渉計６の共振器長が制御される。
【００６２】
光スイッチ４の出力が信号光に切り換わっている期間に、パルスレーザなどで測定物体３中に超音波を発生させ、高速光検出器２０４に高速オシロスコープやＡ／Ｄ変換ボードを接続して、高速光検出器２０４からの出力を取り込めば、発生した超音波の波形を観測できる。
【００６３】
本実施形態では、サンプル・ホールド回路７によりサンプル・ホールド部の一例が実現される。また、信号発生器５により信号発生部の一例が実現される。
【００６４】
本発明の方法によれば、共振器媒質として偏波保持光ファイバを用いることによって、小型でかつ振動などの外乱に強く、特別な光学素子などの調整作業が不要となるので、厳しい環境の作業現場に容易に適用可能である。同時に、偏波保持光ファイバの長さを調整することによって、所望の帯域、特に長くすることによって、広帯域の超音波測定が可能となる。
【実施例】
【００６５】
本実施例では、超音波発生用パルスレーザ（図示せず）として、波長１０６４ｎｍのＹＡＧパルスレーザレーザを用い、超音波検出用レーザ１として波長５３２ｎｍのグリーンＹＡＧレーザを用いた。光スイッチ４には、入力２ポート、出力１ポートで、波長５３２ｎｍ対応の、ファイバ接続型の光スイッチを用いた。
【００６６】
ファブリ・ペロー干渉計６の共振器媒質として偏波保持光ファイバ６０７を用いて、図２Ａに示す、反射型ファブリ・ペロー干渉計を構成した。部分反射ミラー６０５、６０６は、偏波保持光ファイバ６０７の両端を反射率９５％の反射コーティングを施して形成した。偏波保持光ファイバ６０７は、圧電性を有するＰＺＴチューブの外周に巻き、安定化回路９の出力を印加して、共振器長であるファイバの長さの調整を行った。
【００６７】
信号発生器５には、２ＣＨの位相同期が可能なものを用い、１ＣＨ目を光スイッチ４の制御入力へ、２ＣＨ目をサンプル・ホールド回路７の制御入力へ接続した。また、信号発生器５の制御信号に同期したトリガ出力を、信号発生器５から遅延パルス発生器（図示せず）に入力し、遅延パルス発生器から出力されたトリガ出力である超音波発生制御信号を、超音波発生用パルスレーザに入力し、超音波の発生タイミングを制御した。
【００６８】
図４に、光スイッチ４でスイッチングしたときの光検出器２０５で検出した安定化光の出力Ｖｓ、光スイッチの制御信号Ｖｃ１、サンプル・ホールド回路の制御信号Ｖｃ２、及び超音波発生制御信号Ｖｇのタイミングを示す。ｔ１ｒとｔ１ｆは、光スイッチの制御信号Ｖｃ１の立上りと立下りのタイミング、ｔ２ｒとｔ２ｆは、サンプル・ホールド回路の立上りと立下りのタイミングをそれぞれ示す。
【００６９】
光スイッチ４の出力は光スイッチの制御信号Ｖｃ１に対して立上り（又は立下り）の遅延があるため、制御信号Ｖｃ１のパルス幅は、立上り（又は立下り）時間の３倍以上になるように設定した。また、安定化光の出力Ｖｓが立ち下がり始める前から再び立ち上がり終わるまでの期間をカバーするように、サンプル・ホールド回路７の制御信号Ｖｃ２のパルス幅と位相を調整した。超音波の発生タイミングは、安定化光の代わりに信号光が光スイッチ４から出力される期間に入るように、超音波発生制御信号Ｖｇのタイミングを設定した。
【００７０】
本実施例では、測定対象物体３として、鋼種ＳＳ４００の厚み２ｍｍの鋼板を用いた。測定対象物体３に発生させる超音波は、発生位置の鋼板内部に長く滞留し、発生効率が高く鋼材等の材質計測に有用な、群速度０の板波（ラム波）の対称１次モード（Ｓ１モード）とした。
【００７１】
測定対象物体３上で、超音波発生用パルスレーザと検出用ＹＡＧレーザ１の集光スポットが一致するように、両方のレーザビームの照射位置を調整し、超音波発生用パルスレーザを鋼板に照射して、熱弾性効果で板波を発生させた。
【００７２】
発生した板波の時間波形を、高速光検出器２０４にバンドパス・フィルタ及びアンプを接続し、出力を高速オシロスコープに接続して観測した。高速オシロスコープで得られた時間波形を高速フーリエ変換して周波数領域のスペクトルを得たところ、図５に示すように、Ｓ１モードに相当するピークを、安定的に高感度に検出することができた。
【００７３】
以上、ファブリ・ペロー干渉計６から出力される信号光と安定化光を、別々の光検出器２０４、２０５で検出し、信号光をファブリ・ペロー干渉計６の入射方向と同じ側から取り出す、反射型のファブリ・ペロー干渉計の実施の形態を示した。他に、以下に例を示すように様々な変形例が可能である。
【００７４】
図２Ｂに、図２Ａの安定化光検出用の光検出器２０５と、超音波検出用の高速光検出器２０４の配置を入れ替えた例を示す。このように安定化光をファブリ・ペロー干渉計の入射方向と同じ側から取り出し、信号光を入射方向と反対側から取り出す透過型のファブリ・ペロー干渉計とすることも可能である。
【００７５】
図２Ｃに示すように、光検出器２０４を使わず、高速光検出器２０５の出力を電気的に二分岐し、一方を安定化のための信号としてサンプル・ホールド回路７に入力し、他方を超音波信号として高速オシロスコープ１１で観測する、反射型の配置とすることも可能である。
【００７６】
図２Ｄに、光スイッチ４の偏波保持ファイバ４０３と偏波保持ファイバ６０４の速軸又は遅軸方向を一致させて、ファイバ・コネクタ６１０で直結した透過型ファブリ・ペロー干渉計の例を示す。安定化光と信号光を同じ高速光検出器２０４で検出した後、電気的に分岐し、一方を安定化ための信号としてサンプル・ホールド回路７に入力し、他方を超音波信号として高速オシロスコープ１１で観測することも可能である。
【００７７】
実施例においては、超音波発生手段としてＹＡＧパルスレーザを用いたが、ローレンツ力や磁歪効果、圧電効果で超音波を発生させてもよい。
【００７８】
制御信号Ｖｃ１とＶｃ２、及び超音波発生制御信号Ｖｇの発生タイミングは、信号発生器５の内部で設定可能な、周期が一定のタイミングでもよいし、信号発生器５に外部トリガを入力し任意のタイミングでもよい。
【００７９】
実施例として、偏波保持光ファイバを複屈折性を有する共振器媒質とするファイバ・ファブリペロー干渉計を用いる超音波測定装置について説明したが、複屈折性を有する共振器媒質として光導波路を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明によれば、ファブリ・ペロー干渉計に偏波方向により屈折率の異なる複屈折性を有する共振器媒質を用いても、安定的に高感度な超音波測定が可能となり、本発明は、非接触での材料物性の測定方法などに適用できるので、産業上の利用可能性は大きい。
【符号の説明】
【００８１】
１ 超音波検出用レーザ
２ ビームスプリッタ
３ 測定対象物体
４ 光スイッチ
５ 信号発生器
６ ファブリ・ペロー干渉計
７ サンプル・ホールド回路
８ ローパス・フィルタ
９ 安定化回路
１１ 高速オシロスコープ
１０１ 検出用レーザからの照射光
１０２ 安定化光
１０３ 信号光
１０４ 水平偏波した直線偏光
１０５、１０６ ４５°偏波した直線偏光
１０７ 垂直偏波した直線偏光
２０１、２０２、２０３ コリメータレンズ
２０４ 高速光検出器
２０５ 光検出器
３０１ 超音波
４０１、４０２ 光スイッチの入力側偏波保持光ファイバ
４０３ 光スイッチの出力側偏波保持光ファイバ
６０１ 偏光ビームスプリッタ
６０２ ファラデー回転子
６０３、６０９ コリメータレンズ
６０４、６０７ 偏波保持光ファイバ
６０５、６０６ 部分反射ミラー
６０８ ＰＺＴチューブ
６１０ ファイバ・コネクタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファブリ・ペロー干渉計を用いた超音波測定装置に関するものであって、特に、ファブリ・ペロー干渉計を構成する媒質が複屈折性を有する場合において、測定の安定性と感度を向上させたファブリ・ペロー干渉計方式の超音波測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、超音波が測定対象物体の表面に到達すると、その超音波により、対象物体の表面が振動する。このとき、レーザビームを測定対象物体の表面に照射すると、超音波による物体表面の振動により、その対象物体の表面で反射・散乱された散乱光は、微少ではあるが、照射前の周波数に比べ周波数がシフトする。
【０００３】
これは、ドップラーシフトと呼ばれる現象であり、周波数のシフト量は、およそ表面変位の速度、すなわち、超音波による変位の微分量に比例する。この現象を用いて、対象物体に伝達された超音波の特性を測定することができる。
【０００４】
ドップラーシフトによる超音波の測定には、ファブリ・ペロー干渉計が広く用いられている。ファブリ・ペロー干渉計は、入力された周波数変調された光を強度変調された光に変換し出力するもので、出力された光を高速光検出器で検出し、高速オシロスコープで観測すれば、超音波の変位速度におよそ比例した、超音波の振動波形が得られる。
【０００５】
また、測定対象物体の表面にレーザパルスビームを照射し、アブレーション現象や熱弾性現象を引き起こして、超音波を発生させる方法がある。これらを併せて用いれば、超音波の発生・検出をすべて非接触で行うことができる。
【０００６】
このような超音波の測定技術は、レーザ超音波技術として知られており、金属や複合材料など対象物体の機械的特性や微細組織など、材質物性の測定方法として広範囲に用いられる。レーザ超音波技術は非接触での測定を可能とし、その測定方法は、特に高温や狭間部など、超音波の発生や検出に使用するセンサが苦手とする環境下でよく用いられる有効な方法である。
【０００７】
非特許文献１には、共振器媒質が空気で、共振器ミラーの焦点が一致するように配置された共焦点型ファブリ・ペロー干渉計を、超音波の検出に用いる方法が記載されている。
【０００８】
非特許文献１に記載の方法では、検出用レーザビームの一部を分岐して得られる安定化光と、対象物体からの散乱光である信号光とを、偏光ビームスプリッタなどの偏光素子を利用し、偏波状態を変えて干渉計に入射させる。
【０００９】
ファブリ・ペロー干渉計からの光出力には安定化光と信号光が混合されているが、両者の偏波状態の違いを利用して、偏光ビームスプリッタなどの偏光素子を利用して空間的に分離することができる。ファブリ・ペロー干渉計から出力された安定化光の光強度が、最大値の半分になるようにピエゾ素子で干渉計の共振器長を微少量だけ制御することで感度を高くし、安定的にＳ／Ｎのよい超音波信号が得られる。
【００１０】
しかし、空気を媒質とする共焦点型ファブリ・ペロー干渉計は、共振器長を長くすると振動などの外乱に弱くなり、また調整にも手間がかかるため、実質的に共振器長を長くすることはできない。
【００１１】
これに対して、共振器として光ファイバを用いたファブリ・ペロー干渉計では、光ファイバの長さを変えることで、共振器長を変えることができる。
【００１２】
特許文献１には、共振器として偏波保持光ファイバを用いたファイバ型ファブリ・ペロー干渉計を使用する発明が開示されている。このファブリ・ペロー干渉計は、共振器長となる光ファイバの長さを変えることにより、測定する超音波の帯域に最適な周波数特性を持たせることが可能である。
【００１３】
ファイバ型ファブリ・ペロー干渉計は、広帯域のファブリ・ペロー干渉計を容易に構成できる点で、共焦点型ファブリ・ペロー干渉計よりも優れている。
【００１４】
ファイバ型ファブリ・ペロー干渉計の共振器である偏波保持光ファイバは、複屈折性を持つので、屈折率の最も小さい速軸方向、又は屈折率が最も大きく速軸方向に直交する遅軸方向に平行に偏波した直線偏光のみを、その偏波状態を変えることなく伝播させることができる。
【００１５】
偏波保持光ファイバは、偏波方向により屈折率が異なるため偏波方向により光路長が変わり、干渉計の出力光の透過特性も異なってくる。
【００１６】
図６に、それぞれ速軸方向と遅軸方向に平行に偏波した直線偏光をファイバ型ファブリ・ペロー干渉計に入射させ、共振器長である偏波保持光ファイバの長さを変化させた場合の、透過特性の一例を示す。横軸は偏波保持光ファイバの長さの変化量、縦軸は透過率を示している。図６に示すように、透過率が最大値の半分となるファイバの長さ（干渉計の動作点）が、速軸方向と遅軸方向では異なる。
【００１７】
このため、ファブリ・ペロー干渉計に偏波の異なる安定化光と信号光を入射した場合、両者の透過特性は異なるものとなる。その結果、干渉計の共振器長を、安定化光の光強度が最大値の半分になる長さに調整しても、安定した感度の高い超音波信号を得ることはできない。
【００１８】
また、偏波の異なる安定化光と信号光をファイバ型ファブリ・ペロー干渉計に入射した場合、偏波保持光ファイバ内で偏波モード間の結合が起こり、両者間でエネルギーの交換が行われ、偏波状態を保持することができなくなる。これらの理由により、共焦点型ファブリ・ペロー干渉計のように、その出力を偏波状態により空間的に分離できない。
【００１９】
以上のように、偏波方向により屈折率の異なる偏波保持光ファイバを共振器媒質として用いたファイバ型ファブリ・ペロー干渉計では、安定化光と信号光を両方同時に入れて、出力を空間的に分離できないため、安定化が困難であった。
【００２０】
上記の問題を解決するために、特許文献１では、物体からの反射散乱光である信号光のみを干渉計に入れ、光検出器で電気信号に変換した後、電気信号を二分岐し、一方は超音波の検出に、もう一方はローパスフィルタを通した後、安定化光として用いている。測定対象物が、反射散乱光の強度がほぼ一定となる表面状態ならば、この方法で安定化が可能であり、超音波信号を感度よく検出可能である。
【００２１】
しかしながら、測定対象物体の表面状態によっては信号光の強度が大きく変化するため、動作点の透過光強度の設定が困難であり、また、測定対象物からの反射散乱光が弱い場合には安定化できず超音波信号を検出できないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特許第３９７９９６１号公報
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】J.-P. Monchalin and R. Heon, “Laser ultrasonic generation and optical detectionwith a confocal Fabry-Perot interferometer,” Mater. Eval., 44 (1986) 1231-1237
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明は、前記の問題点を解決するべく成されたもので、特に、偏波保持光ファイバのように、偏波方向により屈折率の異なる共振器媒質であっても、安定的に高感度な測定が可能な、ファブリ・ペロー干渉計を用いた超音波測定装置、及び、超音波測定方法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】
【００２５】
本発明者らは、安定して高感度な測定が可能な、ファブリ・ペロー干渉計を用いた超音波測定方法について鋭意検討した。その結果、安定化光と測定対象物からの反射光（信号光）を適切なタイミングで切り替えてファブリ・ペロー干渉計に入力し、安定化光の入力レベルを基に、信号光が入力される際のファブリ・ペロー干渉計の共振器長を制御することで、安定して高感度な測定が可能となることを見出した。
【００２６】
本発明は、上記の知見に基づきなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
【００２７】
（１）測定対象物にレーザビームを照射し、該測定対象物中を伝搬する超音波による該レーザビームの反射光のドップラーシフト量を、複屈折性物質を共振器媒質とするファブリ・ペロー干渉計を用いて測定し、該測定対象物中を伝搬する超音波を測定する超音波測定装置において、
前記測定対象物からのレーザビームの反射光である信号光と、測定対象物に照射するレーザビームの一部を分岐して得られる安定化光とを入力して、該信号光と該安定化光とのいずれか一方を出力し、前記ファブリ・ペロー干渉計へ入力する光スイッチと、
前記ファブリ・ペロー干渉計の出力を検出する光検出器と、
前記光検出器の出力を入力するサンプル・ホールド部と、
前記サンプル・ホールド部の出力を入力し、該入力に応じてファブリ・ペロー干渉計の共振器長を調整する信号を出力する安定化回路と、
前記光スイッチの出力光を切り換えるタイミング、及び、前記サンプル・ホールド部のサンプル・ホールド動作のタイミングを制御する制御信号を発生する信号発生部と
を備え、
前記サンプル・ホールド部は、前記光スイッチが安定化光を出力する期間は、前記光検出部から入力された値をそのまま出力し、光スイッチの出力光を安定化光から信号光へ切り換える前に、前記光検出部から入力された値をサンプル・ホールドし、光スイッチの出力が信号光である期間は、該ホールドした値を出力する
ことを特徴とする超音波測定装置。
【００２８】
（２）前記ファブリ・ペロー干渉計の共振器媒質が、偏波保持光ファイバであることを特徴とする前記（１）の超音波測定装置。
【００２９】
（３）測定対象物にレーザビームを照射し、該測定対象物中を伝搬する超音波による該レーザビームの反射光のドップラーシフト量を、複屈折性物質を共振器媒質とするファブリ・ペロー干渉計を用いて測定し、該測定対象物中を伝搬する超音波の特性を測定する超音波測定方法において、
前記測定対象物からのレーザビームの反射光である信号光と、測定対象物に照射するレーザビームの一部を分岐して得られる安定化光とを光スイッチに入力するステップと、
前記光スイッチから、信号発生部からの制御信号に従い、前記反射光と前記信号光とのいずれか一方を出力するステップと、
前記光スイッチからの出力をファブリ・ペロー干渉計に入力するステップと、
前記ファブリ・ペロー干渉計からの出力を光検出器に入力するステップと、
前記光検出器の出力をサンプル・ホールド部に入力するステップと、
前記信号発生部からの制御信号に従い、前記光スイッチが安定化光を出力する期間は、前記光検出部からの入力をそのまま出力し、光スイッチの出力光が安定化光から信号光へ切り換わる前にファブリ・ペロー干渉計の出力の値をサンプリングし、該サンプリングした値をホールドし、光スイッチの出力が信号光である期間は、該ホールドした値を出力するステップと、
前記サンプル・ホールド部からの出力を安定化回路に入力するステップと、
前安定化回路からの出力に応じて、前記ファブリ・ペロー干渉計の共振器長を調整するステップと
を備えることを特徴とする超音波測定方法。
【００３０】
（４）前記ファブリ・ペロー干渉計の共振器媒質が、偏波保持光ファイバであることを特徴とする前記（３）の超音波測定方法。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、ファブリ・ペロー干渉計に偏波方向により屈折率の異なる複屈折性を有する共振器媒質を用いても、安定的に高感度な超音波測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態を概略的に説明する図である。
【図２Ａ】本発明の偏波保持光ファイバを共振器媒質とするファブリ・ペロー干渉計の構成を示す図である。
【図２Ｂ】本発明の偏波保持光ファイバを共振器媒質とするファブリ・ペロー干渉計の別の構成を示す図である。
【図２Ｃ】本発明の偏波保持光ファイバを共振器媒質とするファブリ・ペロー干渉計の別の構成を示す図である。
【図２Ｄ】本発明の偏波保持光ファイバを共振器媒質とするファブリ・ペロー干渉計の別の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の方法の各信号のタイミングと関係を示す図である。
【図４】本発明の実施例における各信号のタイミングを示す図である。
【図５】本発明の実施例において検出された超音波のスペクトル信号を示す図である。
【図６】偏波保持光ファイバを共振器媒質とするファブリ・ペロー干渉計のファイバの長さを変化させた際の、速軸・遅軸方向における透過特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００３４】
図１は、本発明の、複屈折物質を共振器媒質とするファブリ・ペロー干渉計を用いる超音波測定装置を概略的に説明する図である。
【００３５】
超音波検出用レーザ１から出力された、偏波方向が紙面に平行な直線偏光であるレーザビームは、ビームスプリッタ２により、測定対象物体３へ照射される照射光１０１と、ファブリ・ペロー干渉計６の出力を安定化させるための安定化光１０２に分岐される。
【００３６】
照射光１０１は、測定対象物体３の表面で、測定対象物体３の内部を伝播する超音波３０１が測定対象物体３の表面に到達して発生する振動により、周波数シフトされて反射し、信号光１０３となる。安定化光１０２と信号光１０３は、それぞれ集光レンズ２０１、２０２により集光され、偏波保持光ファイバ４０１、４０２を経て、紙面に平行な偏波方向を有する直線偏光状態を保ったまま、光スイッチ４に入力される。
【００３７】
光スイッチ４は、信号発生器５の制御信号Ｖｃ１により、入力された安定化光１０２と信号光１０３のどちらか一方を出力する。例えば、制御信号Ｖｃ１がＨｉｇｈのとき、信号光１０３を、Ｌｏｗのときは安定化光１０２を出力する。光スイッチ４からの出力光は、偏波保持光ファイバ４０３、コリメータレンズ２０３を経て、ファブリ・ペロー干渉計６へ入力される。
【００３８】
ファブリ・ペロー干渉計６から出力された信号光１０３は、高速光検出器２０４で検出され、また、安定化光１０２は光検出器２０５で検出する。光検出器２０５の出力Ｖｉｎはサンプル・ホールド回路７に入力される。
【００３９】
サンプル・ホールド回路は、連続的に変化する信号値を、例えば外部からのトリガーのタイミングにあわせてサンプリングし、サンプリングした値を一定の期間保持するための回路として、一般的に多用されているものである。
【００４０】
ここで、安定化光１０２と信号光１０３は光スイッチ４によって出力される期間が異なるだけで、空間的には分離できない。したがって、安定化光１０２が出力されている期間は高速光検出器２０４でも安定化光１０２が検出され、また、信号光１０３が出力されている期間は光検出器２０５でも信号光１０３が検出される。
【００４１】
サンプル・ホールド回路７は、後述するように、光検出器２０５に安定化光１０２が入力される期間は、入力をそのまま出力する。
【００４２】
そして、光検出器２０５に入力される光が安定化光１０２から信号光１０３に切り替わる前に、入力されたレベルをサンプリングし、ホールドする。サンプリングは、光検出器２０５に安定化光１０２が入力される期間であって、入力される光が信号光１０３に切り替わるよりも前の時刻において、一度行う。この時刻は、上記の期間内であれば、特に規定するものではない。
【００４３】
その後、光検出器２０５信号光１０３が入力される期間は、上記のホールドされたレベルでサンプル・ホールド回路７から出力する。
【００４４】
サンプル・ホールド回路７の出力Ｖｏｕｔは、ローパス・フィルタ８を経て安定化回路９へ入力される。ローパス・フィルタ８は、安定化回路９の出力が発振しないようにするために設けられている。
【００４５】
安定化回路９は、入力が目標値に達するようにＰＩ（比例積分型）制御にてファブリ・ペロー干渉計６の共振器長を制御し、ファブリ・ペロー干渉計の出力を安定化する。これによって、安定化した条件で、高速光検出器２０４の出力を高速オシロスコープやＡ／Ｄ変換ボードへ接続し、超音波の波形を測定できる。
【００４６】
図２Ａは、ファブリ・ペロー干渉計の共振器媒質として、偏波保持光ファイバを用いる場合の詳細図である。
【００４７】
光スイッチ４からの出力は、偏波保持光ファイバ４０３、コリメータレンズ２０３を経て、紙面に平行方向の偏波面をもつ水平偏光ビーム１０４として、偏光ビームスプリッタ６０１へ入射する。偏光ビームスプリッタ６０１へ入射した水平偏光ビーム１０４は、水平偏光を保ったまま偏光ビームスプリッタを通過し、ファラデー回転子６０２へ入射する。
【００４８】
水平偏光ビーム１０４は、ファラデー回転子６０２を通過後、偏波面が紙面に平行方向に対し４５°傾いた４５°偏光ビーム１０５となり、集光レンズ６０３で偏波保持光ファイバ６０４に入射する。ファラデー回転子６０２は、４５°偏光ビーム１０５が偏波保持光ファイバ６０４内で直線偏光状態を保持するように、偏波保持光ファイバの速軸又は遅軸方向は、４５°偏光ビーム１０５の偏波方向に平行又は垂直となるようにする。
【００４９】
偏波保持光ファイバ６０４は、部分反射ミラー６０５、６０６を両端に有する偏波保持光ファイバ６０７に、速軸及び遅軸方向が一致するように接続されている。偏波保持光ファイバ６０７は、ファブリ・ペロー干渉計６の共振器となっており、圧電性を有する円筒型のＰＺＴチューブ６０８に巻かれている。
【００５０】
ＰＺＴチューブに印加される安定化回路９の出力により、ＰＺＴチューブの径が変化し、偏波保持光ファイバ６０７の長さ、すなわち、ファブリ・ペロー干渉計６の共振器長が変化する。図６に示すように、光ファイバの長さが０．１μｍ程度変化すればファブリ・ペロー干渉計の透過強度が変化するので、光ファイバ６０７の長さは、微小長さだけ変えられればよい。
【００５１】
ここでは、共振器長を微小長さだけ変化させるために円筒型のＰＺＴチューブを用いる例を挙げたが、円筒型のＰＺＴチューブの代わりに、偏波保持ファイバを直線型のＰＺＴロッドに接着させ、ＰＺＴロッドを伸縮させてもよい。
【００５２】
部分反射ミラー６０６を経て出力される偏波保持光ファイバ６０７からの出力は、偏波方向が４５°のままコリメータレンズ６０９を経て、４５°偏光ビーム１０６として光検出器２０５へ入射する。
【００５３】
部分反射ミラー６０５を経て出力される偏波保持光ファイバ６０７からの出力は、偏波方向が４５°のままレンズ６０３を経て、ファラデー回転子６０２に入射し４５°偏波面が回転して、紙面に垂直な偏波面を有する垂直偏光ビーム１０７となる。垂直偏光ビーム１０７は、偏光ビームスプリッタ６０１で反射後、高速光検出器２０４で検出される。
【００５４】
次に、光スイッチ４とサンプル・ホールド回路７を用いた超音波測定方法について、図１、図２Ａ及び図３を用いて説明する。
【００５５】
信号発生器５で発生させたＶｃ１とＶｃ２の２つの制御信号は、それぞれ光スイッチ４とサンプル・ホールド回路７へ入力される。両制御信号は、互いに同期の取れた矩形波とする。ここで、光スイッチ４は、制御信号Ｖｃ１に対する応答に一定の遅延があることが一般的であり、その場合には、図３に例示する様に、制御信号Ｖｃ２のパルスの幅や、位相、すなわち、パルスの立ち上がり、立ち下がりのタイミングを、制御信号Ｖｃ１に対してずらすのがよい。
【００５６】
図３では、制御信号Ｖｃ１、制御信号Ｖｃ２は、繰り返しパルス列として例示されているが、超音波測定の目的によって、例えば、超音波発生と超音波検出とを１度だけ行えばよい場合には、制御信号Ｖｃ１、制御信号Ｖｃ２は、それぞれ１つだけのパルスであってもよい。その場合、信号発生器５は、例えば、本超音波測定装置の操作者によるパルス発生トリガ信号（図示せず）の入力を受け、その信号によって制御信号Ｖｃ１、制御信号Ｖｃ２の発生タイミングを制御する。
【００５７】
光スイッチ４は、例えば、制御信号Ｖｃ１がＨｉｇｈの時に信号光１０３を、Ｌｏｗの時に安定化光１０２を出力し、ファブリ・ペロー干渉計６へ入力する。ファブリ・ペロー干渉計６の光出力は、光検出器２０５で検出され、サンプル・ホールド回路７の入力信号Ｖｉｎとなる。
【００５８】
サンプル・ホールド回路７からの出力信号Ｖｏｕｔは、光スイッチ４の出力が安定化光１０２の期間は、光検出器２０５からの入力をそのまま出力した信号である。
【００５９】
そして、安定化光１０２から信号光１０３に切り替わる前に、サンプル・ホールド回路７へ入力される制御信号Ｖｃ２がＨｉｇｈとなった時に、光検出器２０５からの入力をサンプリングし、ホールドする。
【００６０】
光スイッチの出力が信号光１０３の期間は、安定化光１０２が光検出器２０５から出力されない。この間は、制御信号Ｖｃ２がＬｏｗとなるまで、上記のホールドされたレベルでサンプル・ホールド回路７から出力信号Ｖｏｕｔを出力する。
【００６１】
サンプル・ホールド回路７からの出力信号Ｖｏｕｔは、ローパス・フィルタ８を経て、安定化回路９へ入力され、超音波信号が安定的に高感度に検出できるように、ファブリ・ペロー干渉計６の共振器長が制御される。
【００６２】
光スイッチ４の出力が信号光に切り換わっている期間に、パルスレーザなどで測定物体３中に超音波を発生させ、高速光検出器２０４に高速オシロスコープやＡ／Ｄ変換ボードを接続して、高速光検出器２０４からの出力を取り込めば、発生した超音波の波形を観測できる。
【００６３】
本実施形態では、サンプル・ホールド回路７によりサンプル・ホールド部の一例が実現される。また、信号発生器５により信号発生部の一例が実現される。
【００６４】
本発明の方法によれば、共振器媒質として偏波保持光ファイバを用いることによって、小型でかつ振動などの外乱に強く、特別な光学素子などの調整作業が不要となるので、厳しい環境の作業現場に容易に適用可能である。同時に、偏波保持光ファイバの長さを調整することによって、所望の帯域、特に長くすることによって、広帯域の超音波測定が可能となる。
【実施例】
【００６５】
本実施例では、超音波発生用パルスレーザ（図示せず）として、波長１０６４ｎｍのＹＡＧパルスレーザレーザを用い、超音波検出用レーザ１として波長５３２ｎｍのグリーンＹＡＧレーザを用いた。光スイッチ４には、入力２ポート、出力１ポートで、波長５３２ｎｍ対応の、ファイバ接続型の光スイッチを用いた。
【００６６】
ファブリ・ペロー干渉計６の共振器媒質として偏波保持光ファイバ６０７を用いて、図２Ａに示す、反射型ファブリ・ペロー干渉計を構成した。部分反射ミラー６０５、６０６は、偏波保持光ファイバ６０７の両端を反射率９５％の反射コーティングを施して形成した。偏波保持光ファイバ６０７は、圧電性を有するＰＺＴチューブの外周に巻き、安定化回路９の出力を印加して、共振器長であるファイバの長さの調整を行った。
【００６７】
信号発生器５には、２ＣＨの位相同期が可能なものを用い、１ＣＨ目を光スイッチ４の制御入力へ、２ＣＨ目をサンプル・ホールド回路７の制御入力へ接続した。また、信号発生器５の制御信号に同期したトリガ出力を、信号発生器５から遅延パルス発生器（図示せず）に入力し、遅延パルス発生器から出力されたトリガ出力である超音波発生制御信号を、超音波発生用パルスレーザに入力し、超音波の発生タイミングを制御した。
【００６８】
図４に、光スイッチ４でスイッチングしたときの光検出器２０５で検出した安定化光の出力Ｖｓ、光スイッチの制御信号Ｖｃ１、サンプル・ホールド回路の制御信号Ｖｃ２、及び超音波発生制御信号Ｖｇのタイミングを示す。ｔ１ｒとｔ１ｆは、光スイッチの制御信号Ｖｃ１の立上りと立下りのタイミング、ｔ２ｒとｔ２ｆは、サンプル・ホールド回路の立上りと立下りのタイミングをそれぞれ示す。
【００６９】
光スイッチ４の出力は光スイッチの制御信号Ｖｃ１に対して立上り（又は立下り）の遅延があるため、制御信号Ｖｃ１のパルス幅は、立上り（又は立下り）時間の３倍以上になるように設定した。また、安定化光の出力Ｖｓが立ち下がり始める前から再び立ち上がり終わるまでの期間をカバーするように、サンプル・ホールド回路７の制御信号Ｖｃ２のパルス幅と位相を調整した。超音波の発生タイミングは、安定化光の代わりに信号光が光スイッチ４から出力される期間に入るように、超音波発生制御信号Ｖｇのタイミングを設定した。
【００７０】
本実施例では、測定対象物体３として、鋼種ＳＳ４００の厚み２ｍｍの鋼板を用いた。測定対象物体３に発生させる超音波は、発生位置の鋼板内部に長く滞留し、発生効率が高く鋼材等の材質計測に有用な、群速度０の板波（ラム波）の対称１次モード（Ｓ１モード）とした。
【００７１】
測定対象物体３上で、超音波発生用パルスレーザと検出用ＹＡＧレーザ１の集光スポットが一致するように、両方のレーザビームの照射位置を調整し、超音波発生用パルスレーザを鋼板に照射して、熱弾性効果で板波を発生させた。
【００７２】
発生した板波の時間波形を、高速光検出器２０４にバンドパス・フィルタ及びアンプを接続し、出力を高速オシロスコープに接続して観測した。高速オシロスコープで得られた時間波形を高速フーリエ変換して周波数領域のスペクトルを得たところ、図５に示すように、Ｓ１モードに相当するピークを、安定的に高感度に検出することができた。
【００７３】
以上、ファブリ・ペロー干渉計６から出力される信号光と安定化光を、別々の光検出器２０４、２０５で検出し、信号光をファブリ・ペロー干渉計６の入射方向と同じ側から取り出す、反射型のファブリ・ペロー干渉計の実施の形態を示した。他に、以下に例を示すように様々な変形例が可能である。
【００７４】
図２Ｂに、図２Ａの安定化光検出用の光検出器２０５と、超音波検出用の高速光検出器２０４の配置を入れ替えた例を示す。このように安定化光をファブリ・ペロー干渉計の入射方向と同じ側から取り出し、信号光を入射方向と反対側から取り出す透過型のファブリ・ペロー干渉計とすることも可能である。
【００７５】
図２Ｃに示すように、光検出器２０４を使わず、高速光検出器２０５の出力を電気的に二分岐し、一方を安定化のための信号としてサンプル・ホールド回路７に入力し、他方を超音波信号として高速オシロスコープ１１で観測する、反射型の配置とすることも可能である。
【００７６】
図２Ｄに、光スイッチ４の偏波保持ファイバ４０３と偏波保持ファイバ６０４の速軸又は遅軸方向を一致させて、ファイバ・コネクタ６１０で直結した透過型ファブリ・ペロー干渉計の例を示す。安定化光と信号光を同じ高速光検出器２０４で検出した後、電気的に分岐し、一方を安定化ための信号としてサンプル・ホールド回路７に入力し、他方を超音波信号として高速オシロスコープ１１で観測することも可能である。
【００７７】
実施例においては、超音波発生手段としてＹＡＧパルスレーザを用いたが、ローレンツ力や磁歪効果、圧電効果で超音波を発生させてもよい。
【００７８】
制御信号Ｖｃ１とＶｃ２、及び超音波発生制御信号Ｖｇの発生タイミングは、信号発生器５の内部で設定可能な、周期が一定のタイミングでもよいし、信号発生器５に外部トリガを入力し任意のタイミングでもよい。
【００７９】
実施例として、偏波保持光ファイバを複屈折性を有する共振器媒質とするファイバ・ファブリペロー干渉計を用いる超音波測定装置について説明したが、複屈折性を有する共振器媒質として光導波路を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明によれば、ファブリ・ペロー干渉計に偏波方向により屈折率の異なる複屈折性を有する共振器媒質を用いても、安定的に高感度な超音波測定が可能となり、本発明は、非接触での材料物性の測定方法などに適用できるので、産業上の利用可能性は大きい。
【符号の説明】
【００８１】
１ 超音波検出用レーザ
２ ビームスプリッタ
３ 測定対象物体
４ 光スイッチ
５ 信号発生器
６ ファブリ・ペロー干渉計
７ サンプル・ホールド回路
８ ローパス・フィルタ
９ 安定化回路
１１ 高速オシロスコープ
１０１ 検出用レーザからの照射光
１０２ 安定化光
１０３ 信号光
１０４ 水平偏波した直線偏光
１０５、１０６ ４５°偏波した直線偏光
１０７ 垂直偏波した直線偏光
２０１、２０２、２０３ コリメータレンズ
２０４ 高速光検出器
２０５ 光検出器
３０１ 超音波
４０１、４０２ 光スイッチの入力側偏波保持光ファイバ
４０３ 光スイッチの出力側偏波保持光ファイバ
６０１ 偏光ビームスプリッタ
６０２ ファラデー回転子
６０３、６０９ コリメータレンズ
６０４、６０７ 偏波保持光ファイバ
６０５、６０６ 部分反射ミラー
６０８ ＰＺＴチューブ
６１０ ファイバ・コネクタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物にレーザビームを照射し、該測定対象物中を伝搬する超音波による該レーザビームの反射光のドップラーシフト量を、複屈折性物質を共振器媒質とするファブリ・ペロー干渉計を用いて測定し、該測定対象物中を伝搬する超音波を測定する超音波測定装置において、
前記測定対象物からのレーザビームの反射光である信号光と、測定対象物に照射するレーザビームの一部を分岐して得られる安定化光とを入力して、該信号光と該安定化光とのいずれか一方を出力し、前記ファブリ・ペロー干渉計へ入力する光スイッチと、
前記ファブリ・ペロー干渉計の出力を検出する光検出器と、
前記光検出器の出力を入力するサンプル・ホールド部と、
前記サンプル・ホールド部の出力を入力し、該入力に応じてファブリ・ペロー干渉計の共振器長を調整する信号を出力する安定化回路と、
前記光スイッチの出力光を切り換えるタイミング、及び、前記サンプル・ホールド部のサンプル・ホールド動作のタイミングを制御する制御信号を発生する信号発生部と
を備え、
前記サンプル・ホールド部は、前記光スイッチが安定化光を出力する期間は、前記光検出部から入力された値をそのまま出力し、光スイッチの出力光を安定化光から信号光へ切り換える前に、前記光検出部から入力された値をサンプル・ホールドし、光スイッチの出力が信号光である期間は、該ホールドした値を出力する
ことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項２】
前記ファブリ・ペロー干渉計の共振器媒質が、偏波保持光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載の超音波測定装置。
【請求項３】
測定対象物にレーザビームを照射し、該測定対象物中を伝搬する超音波による該レーザビームの反射光のドップラーシフト量を、複屈折性物質を共振器媒質とするファブリ・ペロー干渉計を用いて測定し、該測定対象物中を伝搬する超音波の特性を測定する超音波測定方法において、
前記測定対象物からのレーザビームの反射光である信号光と、測定対象物に照射するレーザビームの一部を分岐して得られる安定化光とを光スイッチに入力するステップと、
前記光スイッチから、信号発生部からの制御信号に従い、前記反射光と前記信号光とのいずれか一方を出力するステップと、
前記光スイッチからの出力をファブリ・ペロー干渉計に入力するステップと、
前記ファブリ・ペロー干渉計からの出力を光検出器に入力するステップと、
前記光検出器の出力をサンプル・ホールド部に入力するステップと、
前記信号発生部からの制御信号に従い、前記光スイッチが安定化光を出力する期間は、前記光検出部からの入力をそのまま出力し、光スイッチの出力光が安定化光から信号光へ切り換わる前にファブリ・ペロー干渉計の出力の値をサンプリングし、該サンプリングした値をホールドし、光スイッチの出力が信号光である期間は、該ホールドした値を出力するステップと、
前記サンプル・ホールド部からの出力を安定化回路に入力するステップと、
前安定化回路からの出力に応じて、前記ファブリ・ペロー干渉計の共振器長を調整するステップと
を備えることを特徴とする超音波測定方法。
【請求項４】
前記ファブリ・ペロー干渉計の共振器媒質が、偏波保持光ファイバであることを特徴とする請求項３に記載の超音波測定方法。
【請求項１】
測定対象物にレーザビームを照射し、該測定対象物中を伝搬する超音波による該レーザビームの反射光のドップラーシフト量を、複屈折性物質を共振器媒質とするファブリ・ペロー干渉計を用いて測定し、該測定対象物中を伝搬する超音波を測定する超音波測定装置において、
前記測定対象物からのレーザビームの反射光である信号光と、測定対象物に照射するレーザビームの一部を分岐して得られる安定化光とを入力して、該信号光と該安定化光とのいずれか一方を出力し、前記ファブリ・ペロー干渉計へ入力する光スイッチと、
前記ファブリ・ペロー干渉計の出力を検出する光検出器と、
前記光検出器の出力を入力するサンプル・ホールド部と、
前記サンプル・ホールド部の出力を入力し、該入力に応じてファブリ・ペロー干渉計の共振器長を調整する信号を出力する安定化回路と、
前記光スイッチの出力光を切り換えるタイミング、及び、前記サンプル・ホールド部のサンプル・ホールド動作のタイミングを制御する制御信号を発生する信号発生部と
を備え、
前記サンプル・ホールド部は、前記光スイッチが安定化光を出力する期間は、前記光検出部から入力された値をそのまま出力し、光スイッチの出力光を安定化光から信号光へ切り換える前に、前記光検出部から入力された値をサンプル・ホールドし、光スイッチの出力が信号光である期間は、該ホールドした値を出力する
ことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項２】
前記ファブリ・ペロー干渉計の共振器媒質が、偏波保持光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載の超音波測定装置。
【請求項３】
測定対象物にレーザビームを照射し、該測定対象物中を伝搬する超音波による該レーザビームの反射光のドップラーシフト量を、複屈折性物質を共振器媒質とするファブリ・ペロー干渉計を用いて測定し、該測定対象物中を伝搬する超音波の特性を測定する超音波測定方法において、
前記測定対象物からのレーザビームの反射光である信号光と、測定対象物に照射するレーザビームの一部を分岐して得られる安定化光とを光スイッチに入力するステップと、
前記光スイッチから、信号発生部からの制御信号に従い、前記反射光と前記信号光とのいずれか一方を出力するステップと、
前記光スイッチからの出力をファブリ・ペロー干渉計に入力するステップと、
前記ファブリ・ペロー干渉計からの出力を光検出器に入力するステップと、
前記光検出器の出力をサンプル・ホールド部に入力するステップと、
前記信号発生部からの制御信号に従い、前記光スイッチが安定化光を出力する期間は、前記光検出部からの入力をそのまま出力し、光スイッチの出力光が安定化光から信号光へ切り換わる前にファブリ・ペロー干渉計の出力の値をサンプリングし、該サンプリングした値をホールドし、光スイッチの出力が信号光である期間は、該ホールドした値を出力するステップと、
前記サンプル・ホールド部からの出力を安定化回路に入力するステップと、
前安定化回路からの出力に応じて、前記ファブリ・ペロー干渉計の共振器長を調整するステップと
を備えることを特徴とする超音波測定方法。
【請求項４】
前記ファブリ・ペロー干渉計の共振器媒質が、偏波保持光ファイバであることを特徴とする請求項３に記載の超音波測定方法。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２５７３６５（Ｐ２０１１−２５７３６５Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３４２７８（Ｐ２０１０−１３４２７８）
【出願日】平成２２年６月１１日（２０１０．６．１１）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【出願人】（５９２０００６９１）ポスコ (130)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１１日（２０１０．６．１１）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【出願人】（５９２０００６９１）ポスコ (130)
【Ｆターム（参考）】
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