JP2020118623A - Laser displacement gauge and ultrasonic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、試験体の表面変位を測定するレーザ変位計に関する。 The present invention relates to a laser displacement meter for measuring surface displacement of a test body.
一般的な超音波技術においては、圧電効果を利用した圧電素子の接触型センサを、超音波伝搬媒質を介して試験体に接触させることにより、超音波信号を送受信する。一方、非接触式超音波技術として、超音波の送受信をレーザ技術により実施するレーザ超音波法が提案されている(S.Krishnaswamy.:“Theory and Applications of Laser−Ultrasonic Techniques”,<URL>http://www.cqe.northwestern.edu/sk/SK−Papers/B5_lutchapter_2003.pdf)。レーザ超音波法は、非接触(レーザ光のパワー密度が低い場合は非破壊)で測定できるので、試験体に対して接触することが困難な場合(例えば高温、高所、高放射線場、複雑形状部など)や、近接性が悪く遠隔操作による測定手法が求められる場合に適しており、今後様々な分野への応用が期待されている。 In a general ultrasonic technique, an ultrasonic signal is transmitted and received by bringing a contact-type sensor of a piezoelectric element utilizing a piezoelectric effect into contact with a test body via an ultrasonic wave propagation medium. On the other hand, as a non-contact ultrasonic technique, a laser ultrasonic method for transmitting and receiving ultrasonic waves by a laser technique has been proposed (S. Krishnaswamy.: "Theory and Applications of Laser-Ultrasonic Techniques", <URL>http. ://Www.cqe.northwestern.edu/sk/SK-Papers/B5_lutchapter_2003.pdf). The laser ultrasonic method can be used for non-contact measurement (non-destructive when the power density of the laser light is low), so it is difficult to contact the specimen (for example, high temperature, high place, high radiation field, complicated It is suitable for cases where the measurement method by remote control is required due to poor proximity and shape, etc., and is expected to be applied to various fields in the future.
レーザ超音波装置は、試験体表面を変位させることによりその表面上において超音波を誘起するための励起用レーザと、表面変位を測定するレーザ変位計を備える。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を試験体に照射することにより実施する。レーザ光のパワー密度が小さい場合は、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を発生させる(熱弾性モード)。レーザ光のパワー密度が大きい場合は、試験体の表面が蒸発によって気化し、その反作用力が試験体に圧力として加わって超音波が発生する(アブレーションモード)。 The laser ultrasonic device includes an excitation laser for displacing the surface of the test body to induce ultrasonic waves on the surface, and a laser displacement meter for measuring the surface displacement. The ultrasonic excitation by the laser is performed by irradiating the test body with a pulsed laser beam with time. When the power density of the laser light is small, thermal stress is generated by the rapid heating-cooling process of the microscopic surface area, and the generated thermal stress becomes the strain source of the material and generates an ultrasonic signal (thermoelastic mode). .. When the power density of the laser light is large, the surface of the test body is vaporized by evaporation, and the reaction force is applied to the test body as pressure to generate ultrasonic waves (ablation mode).
レーザ変位計は、超音波によって誘起される試験体表面の変位をレーザ照射によって計測する際に用いられる。レーザ変位計として、マイケルソン干渉計、ファブリペロー干渉計、フォトリフラクティブ素子を用いた干渉計などの干渉法をベースにしたものと(例えば、R.J.Dewhurst et al.:“Optical remote measurement of ultrasound”,Meas.Sci.Technol.,vol.10,pp.139−168(1999))、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(J.Monchalin:“Optical Detection of Ultrasound”,IEEE Transaction on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,vol.UFFC−33,pp.No.5,485−499(1986))。 The laser displacement meter is used when measuring the displacement of the surface of the test body induced by ultrasonic waves by laser irradiation. Laser displacement meters based on interferometry methods such as Michelson interferometers, Fabry-Perot interferometers, and interferometers using photorefractive elements (for example, RJ Dewhurst et al.: “Optical remote measurement of”). ultrasound", Meas. Sci. Technol., vol. 10, pp. 139-168 (1999)), and a method using beam deflection by surface displacement called a knife edge method (J. Moncalin: "Optical Detection of Ultrasound"). ," IEEE Transaction on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. UFFC-33, pp. No. 5, 485-499 (1986)).
ファブリペロー干渉計と、フォトリフラクティブ素子を用いたレーザ変位計は、試験体の表面が粗い場合でも適用できるので実用的であるが、高価である欠点を有する。一方、ナイフエッジ法を用いるレーザ変位計は安価であるが、粗面には対応していない。近年、粗い表面を有する試験体にも適用可能なSpeckle Knife Edge Detector(以下、SKED)が開発されている(特許文献1)。したがって、ナイフエッジ型検出器(特にSKED)を用いることにより、実用的で安価なレーザ超音波装置が実現可能である。 The Fabry-Perot interferometer and the laser displacement meter using the photorefractive element are practical because they can be applied even when the surface of the test body is rough, but they have the drawback of being expensive. On the other hand, a laser displacement meter using the knife edge method is inexpensive, but does not support rough surfaces. In recent years, a Speckle Knife Edge Detector (hereinafter, SKED) applicable to a test body having a rough surface has been developed (Patent Document 1). Therefore, a practical and inexpensive laser ultrasonic device can be realized by using the knife edge type detector (in particular, SKED).
試験体の表面が凹凸を有する場合、受信レーザ光が試験体表面において散乱するので、レーザ光を光検出器に対して集束させるための集束レンズが必要になる。例えばナイフエッジ検出器と試験体との間にレンズを配置し、試験体から反射されたレーザ光をそのレンズによって集光するとともに光検出器に対して集束させることができる。 When the surface of the test body has irregularities, the received laser light is scattered on the surface of the test body, so that a focusing lens for focusing the laser light on the photodetector is required. For example, a lens may be arranged between the knife edge detector and the test body, and the laser light reflected from the test body can be collected by the lens and focused on the photodetector.
下記特許文献2は、『微細な凹凸が形成された受光面を有する固体撮像素子の反り量を、迅速に精度良く測定する方法を提供する。』ことを課題として、『AFアクティブ方式やその他の方法を用いて、まず、オンチップレンズを備えていないエリア10の領域の測定点を測定し、これから仮想基準面Aを定める(b)。(b)に示すように、仮想基準面Aは傾いていることがある。次に、この仮想基準面Aを基準にして、AFエリアコントラスト方式のスキャン範囲を決め、その範囲でオンチップレンズを備えたエリア9内の測定点を測定する(c)。よって、AFエリアコントラスト方式のスキャン範囲を短くすることにより、測定時間を短くでき、かつ、AFエリアコントラスト方式を使用しているので、オンチップレンズによる凹凸がある場合でも、正確な距離測定が可能となる。』という技術を開示している(要約参照)。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-187242 provides a method for quickly and accurately measuring the amount of warpage of a solid-state imaging device having a light receiving surface on which fine irregularities are formed. The first problem is to measure the measurement point in the area of the
下記特許文献3は、『測定面の傾斜方向に拘わらず、傾斜誤差を低減できる表面形状測定装置および表面形状測定方法を提供する。』ことを課題として、『測定対象物の測定面の測定点に照射光を照射する照射手段と、前記測定点からの反射光を受光し、その反射光をn個(nは2以上の整数)に分割した分割光の受光量差に基づいて、基準位置からの前記測定点の変位を焦点誤差として検出する変位検出手段と、を備え、焦点誤差検出方法を用いて、前記測定面の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、前記変位検出手段は、前記測定面の傾斜方向を検出する傾斜方向検出手段と、検出された前記傾斜方向に基づいて、前記測定点の変位がないときの前記焦点誤差が小さくなるように前記受光量差を調整する受光量差調整手段と、を有することを特徴とする。』という技術を開示している(要約参照)。
ナイフエッジ法における検出感度は、試験体の表面変位量が大きいほど向上する。したがって検出感度を高めるためには、表面変位を励起させるレーザ光の信号強度を高めればよい。これに対してレーザ変位計自体の検出感度を高めるためには、結合効率ηを高めるか、または試験体と光検出器との間の距離Lを大きくすればよいと考えられる。結合効率とは、光検出器に対して入力する光パワーの割合である。 The detection sensitivity in the knife edge method improves as the amount of surface displacement of the test body increases. Therefore, in order to increase the detection sensitivity, the signal intensity of the laser light that excites the surface displacement may be increased. On the other hand, in order to increase the detection sensitivity of the laser displacement meter itself, it is considered that the coupling efficiency η should be increased or the distance L between the test body and the photodetector should be increased. Coupling efficiency is the ratio of the optical power input to the photodetector.
試験体表面における散乱の影響を抑制するために集束レンズを用いる場合、結合効率ηを高めるためには、試験体と集束レンズとの間の距離を短くする必要があり、この場合、必然的に集束レンズと光検出器との間の距離は短くなる。従って、試験体と光検出器との間の距離も短くなる。すなわち集束レンズを用いる従来のナイフエッジ法においては、結合効率ηCと距離Lをともに大きくすることは困難であるので、レーザ変位計の検出感度を向上させるのは困難である。 When a focusing lens is used to suppress the influence of scattering on the surface of the test body, it is necessary to shorten the distance between the test body and the focusing lens in order to increase the coupling efficiency η. In this case, inevitably. The distance between the focusing lens and the photodetector is reduced. Therefore, the distance between the test body and the photodetector is also reduced. That is, in the conventional knife-edge method using a focusing lens, it is difficult to increase both the coupling efficiency η C and the distance L, and it is difficult to improve the detection sensitivity of the laser displacement meter.
レーザ光により試験体の表面変位を誘起させてナイフエッジ法のレーザ変位計によりその表面変位を測定する場合、試験体に対する入射光の光路と試験体からの反射光の光路が互いに重ならないようにするのが通常である。特許文献2と3は、このようなレーザ光により誘起した表面変位を測定する技術ではなく、試験体が元来有している表面凹凸を測定するための技術であるので、入射光路と反射光路は同一である。したがってこれら文献記載の技術は、レーザ光によって試験体の表面変位を誘起させてナイフエッジ法のレーザ変位計によりその表面変位を測定する場合においてそのまま用いることはできない。
When inducing the surface displacement of the test body with the laser beam and measuring the surface displacement with the knife edge method laser displacement meter, make sure that the optical path of the incident light to the test body and the optical path of the reflected light from the test body do not overlap each other. It is usually done. Since
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、表面に凹凸を有する試験体の表面変位を測定するレーザ変位計において、結合効率ηCと距離Lをともに大きくすることにより検出感度を向上させることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and is detected by increasing both the coupling efficiency η C and the distance L in a laser displacement meter that measures the surface displacement of a test body having unevenness on the surface. The purpose is to improve the sensitivity.
本発明に係るレーザ変位計は、試験体からの反射光を集光し略平行光に変換する第1レンズと前記略平行光を光検出器に対して集束させる第2レンズを備え、照射部が照射するレーザ光の第1光軸と前記試験体から反射された前記レーザ光の第2光軸は、重ならないように配置されている。 A laser displacement meter according to the present invention includes a first lens that collects reflected light from a test body and converts the reflected light into substantially parallel light, and a second lens that focuses the substantially parallel light on a photodetector. The first optical axis of the laser light emitted by the laser light and the second optical axis of the laser light reflected from the test body are arranged so as not to overlap with each other.
本発明に係るレーザ変位計によれば、試験体の表面が有する凹凸によってレーザ光が散乱される場合であっても、表面変位の検出感度が高いレーザ変位計を提供することができる。 According to the laser displacement meter of the present invention, it is possible to provide a laser displacement meter with high detection sensitivity of surface displacement even when laser light is scattered by the unevenness of the surface of the test body.
<従来のナイフエッジ検出法について>
図1は、超音波によって生じた試験体の表面変位をナイフエッジ法によって検出する原理を説明する図である。試験体の表面2は、超音波によって例えば表面3のように変位する。光検出器7は、ナイフエッジ法によりその変位を検出する。具体的には、レーザ光1を試験体に対して照射し、その反射光を光検出器7によって検出する。試験体表面と光検出器7との間は距離6だけ離れている。表面2からの反射光4と表面3からの反射光5は、光検出器7に対する入射位置が互いに異なる。光検出器7の入射面における反射光4と5それぞれの入射位置は、互いに距離8だけ離れている。
<Conventional knife edge detection method>
FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of detecting a surface displacement of a test body caused by ultrasonic waves by a knife edge method. The
光検出器7の検出感度は、入射光のパワーを光検出器7に対してできる限り多く入力させることにより、向上させることができる。また、表面変位の大きさは距離8に表れているので、表面変位に対して距離8をできる限り大きく変化させることにより、検出感度を向上させることができる。距離8を大きく変化させるためには、距離6を大きくすればよいと考えられる。
The detection sensitivity of the
以上の原理によれば、ナイフエッジ検出法における検出感度Sは、下記式1で表すことができる(M.A.Olmstead et al.:“Photothermal Displacement Spectroscopy:An Optical Probe for Solids and Surfaces”,Appl.Phys.A,vol.32,pp.141−154(1983))。γはナイフエッジ光検出器の変換効率、ηCは結合効率(光検出器7へ入力する光パワーの割合)、uZは超音波による試験体表面の変位量、rは位置座標、Lは試験体から光検出器7までの光路長である。距離Lは、試験体と光検出器7との間の距離6と一致する:S=γηC(duZ/dr)L (1)。
According to the above principle, the detection sensitivity S in the knife edge detection method can be represented by the following formula 1 (MA Olmstead et al.: "Photothermal Displacement Spectroscopy: An Optical Probe for Solids and Surflaces", A). Phys. A, vol. 32, pp. 141-154 (1983)). γ is the conversion efficiency of the knife edge photodetector, η C is the coupling efficiency (the ratio of the optical power input to the photodetector 7), u Z is the displacement of the surface of the test body by ultrasonic waves, r is the position coordinate, and L is L It is the optical path length from the test body to the
式1によれば、検出感度Sを大きくするためには、超音波のパワー密度を高くして変位量uZを大きくする以外に、結合効率ηCと距離Lを大きくすることが必要であることが分かる。
According to
従来のレーザ超音波装置において用いられるナイフエッジ検出法は、表面が光学的に滑らかな試験体をターゲットにしているので、光検出器7の前には、集光用または集束用レンズがないか(C.Edwards et al.:“LASER ULTRASOUND FOR THE STUDY OF THIN SHEETS”,Review of Progress in Quantitative Evaluation,vol.12,pp.539−548(1993))、またはレンズが1つのみ配置されている(R.L.Whitman and A.Korpel:“Probing of Acoustic Surface Perturbations by Coherent Light”,Appl.Opt.,vol.8,pp.1567−1576(1969))。
Since the knife edge detection method used in the conventional laser ultrasonic device targets a test body having an optically smooth surface, whether there is a focusing lens or a focusing lens in front of the
図2は、集光または集束レンズを配置した例である。試験体表面が光学的に滑らかな場合は、図1で説明したような光学系を用いることができる。しかし試験体表面に凹凸がある場合は、レーザ光1が試験体表面において散乱するので、その散乱した反射光を集光して光検出器7に対して集束するためのレンズ11が必要となる。図2においては、レーザ光1を照射レンズ10(照射部)によって試験体9の表面に集束させ、さらにレンズ11によって反射光を集光するとともに光検出器7に対して集束させている。この光学系においては以下のような課題が生じる。
FIG. 2 shows an example in which a condenser or focusing lens is arranged. When the surface of the test body is optically smooth, the optical system as described in FIG. 1 can be used. However, when the surface of the test body has irregularities, the
試験体9とレンズ11との間の距離、およびレンズ11と光検出器7との間の距離は、それぞれレンズの焦点距離fの2倍(2f)である。すなわち、試験体9と光検出器7との間の距離Lは4fとなる。試験体表面からの散乱が大きい場合、結合効率ηCを大きくするためには、焦点距離fを小さくする必要がある。そうすると、L(=4f)は小さくなり、ηCとLを同時に増加することはできない。したがって式1から明らかなように、検出感度Sの大きな改善を期待することはできない。
The distance between the
以上を前提として、特許文献1記載の技術についてさらに説明する。特許文献1の光学系は、以下のように構成されている:(a)ファイバヘッドから出射した光を第1レンズによって第1ミラーに対して集束させる、(b)第1ミラーから反射した光をサンプルに対して入射させる、(c)サンプルから反射した光を第2ミラーによって反射する、(d)第2ミラーから反射した光を第2レンズによってコリメートする、(e)コリメート光を第3レンズによって検出器に対して集束させる(同文献の図1参照)。
Based on the above, the technique described in
第2レンズによって反射光がコリメート光に変換されているので、レンズの焦点距離とは無関係に、サンプルと光検出器との間の光路長Lを大きくすることができる。しかし同文献の光学系においては、試験体と第2レンズとの間に第2ミラーが設置されているので、試験体表面の凹凸によってレーザ光が散乱されると、結合効率ηCを大きくすることは困難である。第2レンズの焦点距離を調整したとしても、第2ミラーと試験体との間の集光率を調整することはできないからである。したがって特許文献1においては、表面に凹凸がある試験体の表面変位を検出する際に、結合効率ηCと距離Lをともに大きくすることにより検出感度を高めるのは困難である。
Since the reflected light is converted into the collimated light by the second lens, the optical path length L between the sample and the photodetector can be increased regardless of the focal length of the lens. However, in the optical system of the same document, since the second mirror is installed between the test body and the second lens, when the laser light is scattered by the unevenness of the surface of the test body, the coupling efficiency η C is increased. Things are difficult. This is because even if the focal length of the second lens is adjusted, the light collection rate between the second mirror and the test body cannot be adjusted. Therefore, in
ナイフエッジ法による表面変位の測定は、表面変位によってビームが偏向されることを前提にしている(例えば図1における反射光4と5)。すなわち、試験体に対して入射するレーザ光1の光路は単一であるのに対して、反射光の光路はある程度の幅を有する。したがって、入射光の光路を構成する光学系と、反射光の光路を構成する光学系は、別系とする必要がある。入射光の光路に幅を持たせると、試験体に対する入射光の照射位置が定まらないからである。
The measurement of the surface displacement by the knife edge method assumes that the beam is deflected by the surface displacement (for example, reflected
特許文献2と3は、試験体表面が有する凹凸に起因するデフォーカス量を用いてその凹凸を検出する技術である。デフォーカス量を検出するためには、入射光路と反射光路を変える必要はないので、これら文献において入射光路と反射光路は同じである。またこれら文献における検出感度はデフォーカス量に依拠するので、図1における反射光4と5のように、表面変位によって生じる反射光の偏向量を大きくする必要はない。したがって特許文献2と3は、レーザ光によって試験体の表面変位を誘起させてレーザ変位計によりその表面変位を測定する場合には、採用する意義が乏しい。
<実施の形態1>
図3Aは、本発明の実施形態1に係るレーザ変位計100の構成図である。レーザ変位計100は、表面に凹凸を有する試験体9の表面変位を計測する装置であり、照射レンズ10、第1レンズ12、第2レンズ13、光検出器7を備える。照射レンズ10は、レーザ光1を集光して試験体9に対して照射する。第1レンズ12は、試験体9から反射されたレーザ光1(散乱反射光)を集光し、略平行光にコリメートする。第2レンズ13は、第1レンズによって略平行光に変換されたレーザ光を集束する。光検出器7は、第2レンズ13が集束したレーザ光を検出する、ナイフエッジ型検出器である。
<
FIG. 3A is a configuration diagram of the
光検出器7が検出した光は、図示しない信号処理ユニットによって、ナイフエッジ法を用いて信号処理される。光検出器7としては、SKED、2分割フォトダイオード、または光位置検出素子(Position Sensitive Detector)などを用いることができる。
The light detected by the
照射レンズ10、第1レンズ12、および第2レンズ13は、レーザ光1の光軸と反射光の光軸が互いに重ならないように配置されている。すなわち、レーザ光1の光路と反射光の光路との間には0°超の角度が形成されている。光路30は超音波による表面変位がない場合の光路を表し、光路31は超音波による表面変位がある場合の光路を示す。光路30と31いずれの光軸も、レーザ光1の光軸と重ならないように配置されている。
The
第1レンズ12は、試験体9表面が有する凹凸によって散乱した反射光を集光する役割を有する。したがって第1レンズ12と試験体9表面との間の距離は、第1レンズ12の焦点距離以内であることが望ましい。
The
図3Bは、本実施形態1に係るレーザ変位計100の変形例である。照射レンズ10はレーザ光1をビームスプリッタ32に対して照射する。ビームスプリッタ32はレーザ光1を第1レンズ12に向けて反射させる。試験体9から反射した反射光は、第1レンズ12によって略平行光に変換された後、ビームスプリッタ32を通過して第2レンズ13へ向かう。したがって試験体9の表面変位が生じていないとき、レーザ光1の光軸と反射光(光路30)の光軸は同軸(光軸間の角度は0°)である。試験体9の表面変位が生じたとき、光路31の光軸は光路31の光軸とは異なる。したがって図3Bの構成も、図3Aと同様の効果を発揮することができる。
FIG. 3B is a modified example of the
図4は、超音波励起用パルスレーザを照射した試験体の表面変位を測定した結果を示すグラフである。表面変位の測定系として図3の構成を用いた。光検出器7としてSKEDを用いた。図4上段は、観測された表面変位を表す信号強度の時間変化である。図4下段は、信号振幅(上限値と下限値との間の差分)のLに対する依存性を示す。式1が示すとおり、Lが増加するにしたがって信号強度が大きくなることを実験的に確認した。第1レンズ12は変えていないので、結合効率ηCは一定である。この測定結果から、Lを400mm以上にすれば検出感度を2倍以上に改善できることが分かる。
FIG. 4 is a graph showing the results of measuring the surface displacement of the test body irradiated with the ultrasonic excitation pulsed laser. The configuration shown in FIG. 3 was used as a surface displacement measurement system. SKED was used as the
<実施の形態1:まとめ>
本実施形態1に係るレーザ変位計100は、レーザ光1の光軸と反射光の光軸が重ならないように各レンズが配置されており、第1レンズ12は反射光を集光して略平行光に変換する。第1レンズ12により、試験体9の表面に凹凸がある場合であっても散乱光を集光することができるとともに、焦点距離に依拠することなく試験体9と光検出器7との間の距離を大きくすることができる。また入射光と反射光が重ならないので、反射光の偏向量に基づきナイフエッジ法により表面変位を測定することができる。
<Embodiment 1: Summary>
In the
<実施の形態2>
実施形態1において、第1レンズ12のNA(Numerical Aperture)は、散乱光を高効率で集光するために大きな値(たとえば0.5以上)のものが望ましい。第2レンズ13のNAは、光の収差をできるだけ抑えて集束させるため、第1レンズ12のNAに比べて小さい方が望ましい。
<Second Embodiment>
In the first embodiment, it is desirable that the NA (Numerical Aperture) of the
<実施の形態3>
図5は、本発明の実施形態3に係るレーザ変位計100の構成図である。実施形態1で説明したように、試験体9と光検出器7との間の距離Lを増加することにより、検出感度Sを改善することができる。しかし、望ましいLの値は400mm以上であり、これによりレーザ変位計100の装置サイズが大きくなる。そこで本実施形態3においては、レーザ変位計100のサイズ増加を抑制しつつLを大きくすることを図る。
<Third Embodiment>
FIG. 5 is a configuration diagram of the
距離Lは、試験体9と光検出器7との間の光学的距離(光路長)を意味する。本実施形態3においては、第1レンズ12と第2レンズ13との間の光路において光反射部14を配置することにより、第1レンズ12と第2レンズ13との間の距離を増やすことなく光路長を増やすことを図る。
The distance L means an optical distance (optical path length) between the
図5に示す光反射部14は、1対の平板ミラー15を備える。平板ミラー15は、反射光の光路に沿って延伸しており、反射光が複数回反射するように配置されている。これにより平板ミラー15間において反射光の光路長を実効的に増やすことができる。
The
図6Aは、光反射部14の変形例である。図6Aにおける光反射部14は、対向して配置された複数のミラー16を備える。略平行光17はいずれかのミラー16に対して入射し、その反射光が別のミラー16によって反射されることが繰り返され、これにより光路長を増加させている。
FIG. 6A is a modified example of the
図6Bと図6Cは、光反射部の別変形例である。光反射部14は、光が通過する空洞を有する円筒18または四角柱19によって構成することもできる。空洞の内壁は光を反射するように構成されている。したがって円筒18と四角柱19は、光導波路として構成されている。第1レンズ12は、略平行光17を空洞入口に対して斜めに入射させる。これにより略平行光17は、内壁によって反射されながら空洞を通過するので、光路長を増加させることができる。
6B and 6C show another modification of the light reflecting portion. The
<実施の形態4>
図7は、本発明の実施形態4に係る超音波検査装置200の構成図である。超音波検査装置200は、超音波発生ユニット23、レーザ変位計100、制御ユニット25、A/D変換器26、信号処理ユニット27、画像化装置28、を備える。超音波発生ユニット23は、励起用レーザ20、励起用レーザ20を走査するための走査型ミラー21、それらを同期するために必要な送信制御ユニット22、を備える。超音波発生ユニット23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。レーザ変位計100は、実施形態1〜3いずれかで説明したものであり、レーザ光1を照射するレーザ29、光検出器7、などを備える。制御ユニット25は、超音波発生ユニット23とレーザ変位計100を同期させる。制御ユニット25は、送信制御ユニット22による超音波発生時刻とレーザ変位計100による計測時刻を揃えるためのものである。A/D変換器26は、レーザ変位計100からの出力をアナログ信号からデジタル信号に変換する。信号処理ユニット27はそのデジタル信号に対して信号処理を実施する。画像化装置28は、表面変位の検出結果を表す検出画像を作成する。
<
FIG. 7 is a configuration diagram of an
<本発明の変形例について>
以上の実施形態において、光検出器7としては、例えば特許文献1が記載しているようなスペックルナイフエッジ検出器を用いることができる。スペックルナイフエッジ検出器は、検出素子がマトリクス状に配置されており、各検出素子による検出結果を比較することによって光の入射位置などを検出することができる。本発明はこれに限られるものではなく、その他タイプの検出器においても用いることができる。すなわち、表面に凹凸を有する試験体の表面変位をレーザ光によって検出するレーザ変位計において、本発明を適用することができる。
<Regarding Modifications of the Present Invention>
In the above embodiment, as the
9:試験体
10:照射レンズ
12:第1レンズ
13:第2レンズ
14:光反射部
17:略平行光
23:超音波発生ユニット
25:制御ユニット
26:A/D変換器
27:信号処理ユニット
28:画像化装置
32:ビームスプリッタ
100:レーザ変位計
9: Test body 10: Irradiation lens 12: First lens 13: Second lens 14: Light reflection part 17: Substantially parallel light 23: Ultrasonic wave generation unit 25: Control unit 26: A/D converter 27: Signal processing unit 28: Imaging device 32: Beam splitter 100: Laser displacement meter
Claims (12)
前記試験体に対してレーザ光を照射する照射部、
前記試験体から反射された前記レーザ光を集光して略平行光に変換する第1レンズ、
前記略平行光の光路上に配置され、前記略平行光を集束して出力する第2レンズ、
前記第2レンズが出力する光を検出する光検出器、
を備え、
前記照射部、前記第1レンズ、および前記第2レンズは、前記表面変位が生じているとき、前記照射部が照射するレーザ光の第1光軸と前記試験体から反射された前記レーザ光の第2光軸が重ならないように配置されている
ことを特徴とするレーザ変位計。 A laser displacement meter for measuring the surface displacement of a test body with unevenness on the surface,
An irradiation unit that irradiates the test body with laser light,
A first lens for converging the laser light reflected from the test body and converting it into substantially parallel light;
A second lens which is arranged on the optical path of the substantially parallel light and focuses and outputs the substantially parallel light;
A photodetector for detecting the light output by the second lens,
Equipped with
When the surface displacement occurs, the irradiation unit, the first lens, and the second lens have a first optical axis of the laser light irradiated by the irradiation unit and the laser light reflected from the test body. A laser displacement meter, wherein the second optical axis is arranged so as not to overlap.
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ変位計。 The laser displacement according to claim 1, wherein the first lens is arranged at a position where a distance between the first lens and a surface of the test body is within a focal length of the first lens. Total.
前記ビームスプリッタは、前記照射部が出射した前記レーザ光を前記第1レンズに向かって反射するとともに、前記試験体から反射した前記レーザ光を前記第2レンズに向かって透過させるように構成されている
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ変位計。 The laser displacement meter further comprises a beam splitter,
The beam splitter is configured to reflect the laser light emitted from the irradiation unit toward the first lens and transmit the laser light reflected from the test body toward the second lens. The laser displacement meter according to claim 1, wherein
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ変位計。 The laser displacement meter further reflects the substantially parallel light before the substantially parallel light that has passed through the first lens is incident on the second lens, thereby making the first lens and the second lens The laser displacement meter according to claim 1, further comprising a light reflecting portion that makes an optical path length between the first lens and the second lens longer than a distance between the first lens and the second lens.
前記第1ミラーは、前記第1レンズを透過した前記略平行光を前記第2ミラーに向かって反射させるように配置されており、
前記第2ミラーは、前記第1ミラーから反射された前記略平行光を前記第2レンズに向かって反射させるように配置されている
ことを特徴とする請求項4記載のレーザ変位計。 The light reflecting portion includes first and second mirrors arranged between the first lens and the second lens,
The first mirror is arranged so as to reflect the substantially parallel light transmitted through the first lens toward the second mirror,
The laser displacement meter according to claim 4, wherein the second mirror is arranged so as to reflect the substantially parallel light reflected from the first mirror toward the second lens.
ことを特徴とする請求項5記載のレーザ変位計。 The laser displacement meter according to claim 5, wherein a plurality of at least one of the first lens and the second lens are arranged between the first lens and the second lens.
前記光導波路の内壁は、前記略平行光を反射させるように構成されており、
前記第1レンズは、前記光導波路の内部において前記略平行光が反射するように、前記光導波路に対して前記略平行光を入射させる
ことを特徴とする請求項4記載のレーザ変位計。 The light reflection portion includes an optical waveguide that allows the substantially parallel light to pass therethrough,
The inner wall of the optical waveguide is configured to reflect the substantially parallel light,
The laser displacement meter according to claim 4, wherein the first lens makes the substantially parallel light incident on the optical waveguide so that the substantially parallel light is reflected inside the optical waveguide.
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ変位計。 The photodetector includes a plurality of photodetection elements arranged in an array, and detects the irradiation position and intensity of light with respect to the photodetector by comparing the optical signals detected by the photodetection elements. The laser displacement meter according to claim 1, wherein the laser displacement meter is configured to be capable of
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ変位計。 The laser displacement meter according to claim 1, wherein the numerical aperture of the second lens is smaller than the numerical aperture of the first lens.
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ変位計。 The laser displacement meter according to claim 1, wherein a light propagation distance between the first lens and the second lens is 400 mm or more.
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ変位計。 The laser displacement meter according to claim 1, wherein the NA value of the first lens is 0.5 or more.
前記表面変位を測定するレーザ変位計、
を備え、
前記レーザ変位計は、
前記試験体に対してレーザ光を照射する照射部、
前記試験体から反射された前記レーザ光を集光して略平行光に変換する第1レンズ、
前記略平行光の光路上に配置され、前記略平行光を集束して出力する第2レンズ、
前記第2レンズが出力する光を検出する光検出器、
を備え、
前記照射部、前記第1レンズ、および前記第2レンズは、前記表面変位が生じているとき、前記照射部が照射するレーザ光の第1光軸と前記試験体から反射された前記レーザ光の第2光軸が重ならないように配置されている
ことを特徴とする超音波装置。 An ultrasonic wave generation unit that causes a surface displacement by making excitation laser light incident on a test body with unevenness on the surface,
A laser displacement meter for measuring the surface displacement,
Equipped with
The laser displacement meter,
An irradiation unit that irradiates the test body with laser light,
A first lens for converging the laser light reflected from the test body and converting it into substantially parallel light;
A second lens which is arranged on the optical path of the substantially parallel light and focuses and outputs the substantially parallel light;
A photodetector for detecting the light output by the second lens,
Equipped with
When the surface displacement occurs, the irradiation unit, the first lens, and the second lens have a first optical axis of the laser light irradiated by the irradiation unit and the laser light reflected from the test body. An ultrasonic device, wherein the second optical axis is arranged so as not to overlap.
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Citations (4)
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---|---|---|---|---|
JPH0720094A (en) * | 1993-06-30 | 1995-01-24 | Kobe Steel Ltd | Ultrasonic oscillation measuring apparatus |
JPH09159945A (en) * | 1995-12-04 | 1997-06-20 | Komatsu Ltd | Device and method for detecting mirror angle |
JP2008032669A (en) * | 2006-07-27 | 2008-02-14 | Oputouea Kk | Optical scanning type planal visual inspecting apparatus |
WO2016088203A1 (en) * | 2014-12-02 | 2016-06-09 | 三菱電機株式会社 | Displacement sensor, displacement detection device, and displacement detection method |
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- 2019-01-28 JP JP2019011783A patent/JP7059211B2/en active Active
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