JP6872450B2

JP6872450B2 - レーザ変位計と、それを用いたレーザ超音波検査装置

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Publication number: JP6872450B2
Application number: JP2017143145A
Authority: JP
Inventors: 一男石山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2017-07-25
Filing date: 2017-07-25
Publication date: 2021-05-19
Anticipated expiration: 2037-07-25
Also published as: US20190033201A1; US10247660B2; JP2019023593A

Description

本発明は、超音波技術に関し、特に、レーザ変位計、ならびにレーザ超音波検査装置に関する。

レーザ超音波検査装置は、レーザによる超音波励起部とレーザによる超音波検出部から構成される。レーザによる超音波励起は、時間的にパルス状のレーザ光（励起用レーザ）を試験体に照射することで行なう。レーザ光のパワー密度が小さい場合には、表面微小領域の急加熱−急冷却過程により熱応力が発生し、発生した熱応力が材料の歪み元となって超音波信号が発生する（熱弾性モード）。

一方、レーザ光のパワー密度が大きいと試験体の対象表面層がプラズマ化し、プラズマ膨張の反作用として試験体に圧力が加わって振動が発生する（アブレーションモード）。

レーザによる超音波受信は、超音波によって誘起される表面変位をレーザ変位計で計測することで行われる。レーザ変位計としてナイフエッジ法と呼ばれる表面変位によるビームの偏向を用いる方法がある。ナイフエッジ法は安価であり、特許文献１には、粗表面適用可能なSpeckle Knife Edge Detector(以下、ＳＫＥＤ)が記載されている。従って、ナイフエッジ型検出器を用いることで、実用的で安価なレーザ超音波検査装置が実現可能である。

特表２０１５−５０５３６２号公報

レーザ超音波法の測定には、励起用レーザの走査と受信用のレーザの走査が必要である。

ナイフエッジ型レーザ変位計では、受信用レーザ光は試験体表面に対して角度をつけて照射され、そのプローブ光は光検出部で受光されるため、照射光とプローブの光軸が同軸ではない。従って、受信用レーザ光を走査すると、その走査に従って光検出部も走査する必要があるため実現するのは困難である。

そこで、照射光の位置と光検出部の位置を固定し、それぞれをアレイ化することで、多点で同時に計測することで、測定時間の高速化することが好ましい。

しかし、光検出器のアレイのピッチが小さい場合、または、試験体の表面が粗く反射光が散乱する場合は、近接する光検出器に、信号が漏れるクロストークが生じて雑音が増加することにより、SN比が劣化する課題が生じる。

本発明の目的は、雑音を低減し、実用的、安価でかつ測定時間を高速化できるレーザ変位計を提供することにある。

本発明の好ましい一例として、対象物からのレーザ光の反射光を検出することで前記対象物に生じる変位を計測するレーザ変位計であって、複数の異なる波長の光を出射する複数のレーザを備えたレーザアレイ光源部と、レーザ光を集光する複数のレンズを備えたレンズアレイ部と、レーザ光が対象物の表面で反射して得られる反射光を集光する複数の集光レンズを備えた反射光用レンズアレイ部と、集光された各反射光を選択して透過する複数の光学フィルタを備えた光学フィルタアレイ部と、光学フィルタを透過した光を検出する複数の光検出器を備えた光検出器アレイ部を有するレーザ変位計である。

本発明を用いることで、雑音を低減した、実用的、安価でかつ測定時間を高速化できるレーザ変位計を得ることができる。

実施例の多波長レーザ光源を用いたナイフエッジ型レーザ変位計を示す斜視図である。多波長レーザ光源を用いたナイフエッジ型レーザ変位計を示す側面図である。波長の異なる複数の半導体レーザ光源を用いたナイフエッジ型レーザ変位計を示す図。波長の異なる複数の半導体レーザ光源を複数の光ファイバに結合したナイフエッジ型レーザ変位計を示す図。ガイド光を有するナイフエッジ型レーザ変位計を示す図。ナイフエッジ型レーザ変位計アレイを用いたレーザ超音波検査装置のブロック図。ナイフエッジ型光検出器アレイの構成と、多波長レーザ光と、多波長レーザ用電源ユニットを説明する図。

以下に，図面を用いて，本発明の実施形態を詳細に述べる。

図１は、実施例１のレーザ変位計１３の斜視図であり、図２は、レーザ変位計１３の側面図である。

レーザ変位計１３は、少なくとも二つ以上の異なる波長を有する複数のレーザ光１５と、各レーザ光を集光する複数のレンズから構成されるレンズアレイ１６と、レーザ光が試験体表面で反射して得られる多波長プローブ光１７を集光する複数の集光レンズから構成されるプローブ光用集光レンズ１８と、集光された各プローブ光のみを透過する複数の光学フィルタからなる光学フィルタアレイ１９と、光学フィルタを透過した光を検出する複数のナイフエッジ型光検出器１２からなる光検出器アレイ２０から構成される。

ここで、ナイフエッジ型光検出器アレイ２０は、フォトダイオード３７と電気信号増幅器３８から構成される（図７を参照）。

多波長レーザ光１５は、集光レンズアレイ１６で集光され、試験体６の表面に照射される。照射された光１５は試験体表面で反射され、プローブ光１７となって集光用レンズ１８で集光され、光学フィルタアレイ１９に入射する。光学フィルタは、特定の波長領域の光のみを透過する特性を有するため、各光学フィルタ２１に入射した光は、選択的に透過され、光学フィルタ２１の後に配置された各ナイフエッジ型光検出器１２で検出される。

光検出器アレイ２０を構成するナイフエッジ型光検出器１２では、試験体の表面の変位によりプローブ光の偏向が生じ、その偏向量に比例した電気信号が発生する。光学フィルタアレイを用いることで、ある光検出器に入射する光の一部が他の光検出器に入射する、いわゆる検出器間クロストークが小さくなるため、クロストークによる雑音成分を抑制できる。

ここで、クロストークについて説明する。光１５の各波長の光は、それぞれ試験体６の表面のそれぞれの測定位置で反射し、光検出器アレイ２０の各ナイフエッジ型光検出器１２に入射する。すなわち、各測定位置と各光検出器１２は一対一に対応し、ある光検出器はそれに対応した測定位置でのデータのみを取得するために使われる。しかし、表面が粗い場合には、光１５は散乱するため、ある位置で反射した光は、それに対応する光検出器以外の光検出器にも入射し、この光が雑音成分となる。

多波長レーザ光１５を発する多波長レーザ光源としては、固体レーザ、半導体レーザなどが適用できる。固体レーザは、レーザの波長変換用非線形結晶（BBO,LBO,KTP,LiNO3など）を用いて波長変換することで、多波長レーザを実現することができる。

半導体レーザは、半導体材料を変えることで、可視域から近赤外まで幅広く波長を変えることができ、容易に多波長レーザを実現することができる。光学フィルタアレイ１９の光学フィルタとしては、多層膜構造からなるバンドパス型フィルタが好ましいが、ローパスフィルタまたはハイパスフィルタでも構わない。ナイフエッジ型光検出器として、２分割フォトダイオード、光位置検出素子（Position Sensitive Detector）、特許文献１に記載の斑点ナイフエッジ検出器（ＳＫＥＤ）が好ましい。

ナイフエッジ型光検出器１２の検出感度は波長依存性があるため、各光検出器１２の感度を補正する感度補正手段が必要である。補正する手段として、下記の（１）から（３）がある。
（１）図７に示した、多波長レーザ用電源ユニット３６から供給する電流を制御し、各多波長レーザの光出力を調整することで感度を補正する。
（２）各光学フィルタ２１の透過率を調整することで感度を補正する。
（３）図７に示した、ナイフエッジ型光検出器１２の電気信号増幅器３８の増幅度を調整することで感度を補正する方法がある。感度を補正することで、各検出器からの真の信号強度レベルを得ることができる。

図３は、レーザ変位計１３の多波長光源として、半導体レーザを用いた実施例３を示す図である。本実施例に係るレーザ変位計１３は、少なくとも二つ以上の異なる波長を有する複数の半導体レーザからなる多波長レーザ光源２２と、各レーザ光をコリメートする複数のコリメートレンズ２３から構成されるレンズアレイと、コリメート光を円形のビーム形状に形成するアナモルフィックレンズ２４から構成されるレンズアレイと、円形コリメート光を試験体表面に集光する照射光用集光レンズ１６からなるレンズアレイと、集光されたレーザ光が試験体表面で反射して得られる多波長プローブ光１７を集光する複数の集光レンズから構成されるプローブ光用集光レンズ１８と、集光された各プローブ光のうち、特定波長のプローブ光を選択して透過する光学フィルタを複数個備えた光学フィルタアレイ１９と、光学フィルタを透過した光を検出する複数のナイフエッジ型光検出器１２からなる光検出器アレイ２０から構成される。

半導体レーザの材料としては、GaN系, AlGaAs/GaAs系、GaInAsP/InP系などがある。半導体レーザは、小型化できる。固体レーザに比べて、波長の種類が多いので、レーザ光源に多くの種類の異なる波長のレーザを設けることができる。

図４は、レーザ変位計１３において、光ファイバを用いた実施例４を示す図である。本実施例に係るレーザ変位計１３は、少なくとも二つ以上の異なる波長を有する複数の半導体レーザからなる多波長レーザ光源２２と、各レーザ光をコリメートする複数のコリメートレンズ２３から構成されるレンズアレイと、コリメート光を円形のビーム形状に形成するアナモルフィックレンズ２４から構成されるレンズアレイと、コリメート光を集光して光ファイバ２６に入射する半導体レーザ用集光レンズ２５からなるレンズアレイと、光ファイバ２６から出射した光をコリメートするコリメートレンズ２３からなるレンズアレイと、円形コリメート光を試験体の表面に集光する照射光用集光レンズ１６からなるレンズアレイと、試験体に照射されたレーザ光が試験体表面で反射して得られる多波長プローブ光１７を集光する複数の集光レンズから構成されるプローブ光用集光レンズ１８と、集光された各プローブ光のみを透過する複数の光学フィルタからなる光学フィルタアレイ１９と、光学フィルタを透過した光を検出する複数のナイフエッジ型光検出器１２からなる光検出器アレイ２０から構成される。

実施例４によれば、光ファイバを用いるため、レーザ光源から離れた場所にある試験体の測定が容易になる。

レーザ変位計１３において、ガイド光を用いる実施例５を、図１を用いて説明する。多波長レーザ光のうち少なくとも二つ以上の波長を可視域とする。この可視域の波長の光をガイド光として用いることで、各波長の光が、試験体６の表面のどの場所に入射しているかが容易に分かる。そのため、変位の測定などを行うレーザ変位計１３の使用者にとって、レーザ光１５の位置合せが容易になる。

レーザ変位計１３において、ガイド光を用いる実施例６を、図５を用いて説明する。本実施例に係るレーザ変位計１３は、少なくとも二つ以上の異なる波長を有する複数のレーザ光１５と、複数のレーザ光１５の両端に位置する可視域の波長を有するガイド光２７と、複数のレーザ光１５を集光する複数のレンズから構成されるレンズアレイ１６と、レーザ光が試験体表面で反射して得られる多波長プローブ光１７を集光する複数の集光レンズから構成されるプローブ光用集光レンズ１８と、集光された各プローブ光のうち、特定波長のプローブ光を選択して透過する複数の光学フィルタからなる光学フィルタアレイ１９と、光学フィルタを透過した光を検出する複数のナイフエッジ型光検出器１２からなる光検出器アレイ２０から構成される。

ナイフエッジ型光検出器１２に使われるフォトダイオードの高感度波長域が可視域外の場合、レーザ光１５の波長は可視域外が好ましく、レーザ光１５自身を用いて、位置合せをすることは困難である。この場合、複数のレーザ光１５の両端に可視域の波長を有するガイド光２７を加えることで、レーザ変位計１３の使用者にとってレーザ光１５の位置合せが容易になる。

図６に、レーザ変位計１３を用いた実施例７としてのレーザ超音波検査装置４０のブロック図を示す。このレーザ超音波検査装置４０は、超音波発生ユニット２９、受信ユニット３１、ユニット間同期制御ユニット３０、Ａ／Ｄ変換器３３、信号処理ユニット３４、画像化装置３５から構成される。超音波発生ユニット２９は、励起用レーザ１、励起用レーザ１を走査するための走査型ミラー５とそれらを同期するために必要な超音波発生ユニット内制御ユニット２８から構成される。

受信ユニット３１は、多波長レーザ光源３２とナイフエッジ型光検出器アレイ２０から構成される上記実施例１から６に説明した本実施例に係るレーザ変位計１３である。

ユニット間同期制御ユニット３０が、超音波発生ユニット２９と受信ユニット３１の同期をとる。ユニット間同期制御ユニット３０は、超音波発生ユニット２９による超音波発生時間と受信ユニット３１による超音波信号の取得開始時間を揃えるために必要である。

受信ユニット３１からの出力は、Ａ／Ｄ変換器３３でアナログ信号からデジタル信号に変換され、信号処理ユニット３４がＡ／Ｄ変換器３３からのデジタル信号を処理し、画像化装置３５で検出画像が作成される。ここで、超音波発生ユニット２９は、パルスレーザの他に圧電型、または静電容量型の超音波発生素子でも構わない。

６試験体、１０受信用レーザ光、１２ナイフエッジ型光検出器、１３レーザ変位計、１６照射光用集光レンズ、１８プローブ光用集光レンズ、１９光学フィルタアレイ、２２半導体レーザ、２６光ファイバ、２７ガイド光、２９超音波発生ユニット、３２多波長レーザ光源、３５画像化装置、４０レーザ超音波検査装置

Claims

対象物からのレーザ光の反射光を検出することで前記対象物に生じる変位を計測するレーザ変位計であって、
複数の異なる波長の光を出射する複数のレーザを備えたレーザアレイ光源部と、
レーザ光を集光する複数のレンズを備えたレンズアレイ部と、
前記レーザ光が前記対象物で反射して得られる反射光を集光する複数の集光レンズを備えた反射光用レンズアレイ部と、
集光された反射光を選択して透過する複数の光学フィルタを備えた光学フィルタアレイ部と、
前記光学フィルタを透過した光を検出する複数の光検出器を備えた光検出器アレイ部とを有し、
前記レーザアレイ光源部は、半導体レーザであり、
前記レーザアレイ光源部は、ガイド光として用いるため複数のレーザの波長を可視域としたことを特徴とするレーザ変位計。
対象物からのレーザ光の反射光を検出することで前記対象物に生じる変位を計測するレーザ変位計であって、
複数の異なる波長の光を出射する複数のレーザを備えたレーザアレイ光源部と、
レーザ光を集光する複数のレンズを備えたレンズアレイ部と、
前記レーザ光が前記対象物で反射して得られる反射光を集光する複数の集光レンズを備えた反射光用レンズアレイ部と、
集光された反射光を選択して透過する複数の光学フィルタを備えた光学フィルタアレイ部と、
前記光学フィルタを透過した光を検出する複数の光検出器を備えた光検出器アレイ部とを有し、
前記レーザアレイ光源部は、半導体レーザであり、
ガイド光として用いるため、前記レーザアレイ光源部の両端に配置された２つのレーザの波長は可視域としたことを特徴とするレーザ変位計。
請求項１又は請求項２に記載のレーザ変位計において、前記光検出器の感度を補正する手段を有することを特徴とするレーザ変位計。
請求項１又は請求項２に記載のレーザ変位計において、前記半導体レーザからの光を、導波する光伝送媒体を有することを特徴とするレーザ変位計。
請求項１又は請求項２に記載のレーザ変位計と、超音波を励起する超音波発生部と、前記超音波発生部と前記レーザ変位計との同期を取る制御部と、前記レーザ変位計からの信号に基づいて、画像を作成する画像化装置とを有することを特徴とするレーザ超音波検査装置。