JP6638810B2 - 欠陥検査装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象の物体の表面を伝搬する音波を映像化する装置及び方法に関する。

コンクリートや鉄鋼構造物等の物体の表面や内部の状態（欠陥など）を非接触で解析する方法の一つに、音波を利用する方法がある。物体の表面の１点に音波を与えると、その音波は物体の表面や内部を伝搬していく。このとき、物体の表面や内部を音波が伝搬する態様は物体表面や内部の状態（例えば欠陥の有無）を反映する。従って、音波が物体表面を伝搬する速度や方向、その連続性などを測定することにより物体表面や内部の状態を解析することができる（例えば特許文献１）。

特許文献１に記載の音波伝搬映像化装置では、図１に示すように、物体表面の所定の1箇所（測定点）に圧電センサを取り付けておき、物体表面にパルスレーザ光を順次照射して、該物体表面の所定範囲を走査する。そして、該所定範囲の各照射点で発生した熱励起振動の強度を前記圧電センサにより検出し、データ化する。物体内の2点間の振動（音波）の伝搬特性には可逆性（対称性）があることから、各照射点から測定点への振動データを、測定点から各照射点への振動データとして扱うことにより、該所定範囲の振動の様子を表す動画（映像）が得られる。使用者は、こうして得られた振動伝播の映像より、該物体の表面や内部の状態を解析することができる。

特開2006-300634号公報

山口一郎, "位相シフトデジタルホログラフィによる形状と変形の測定", 実験力学, Vol. 1 (2001), No. 4, p. 191-196 吉澤徹、鈴木賢策, "格子パターン投影による三次元形状の自動測定", 精密工学会誌, Vol. 53 (1987), No. 3, p. 422-426 李志遠, 王慶華, 有川秀一, 米山聡, "面内変位分布計測におけるデジタル画像相関法とサンプリングモアレ法の比較研究", 実験力学, Vol. 15 (2015), No. 4, p. 303-308

従来技術では、物体へ与える音波として、パルス波が用いられていた。この場合、測定対象とする視野全域の振動の様子を捉えるためには、反射波を含めたパルス波が視野全域を横断する時間にわたってサンプリングを行う必要があった。また、音波を連続性のある伝搬映像として表示するためには、音波の周波数や伝搬速度に対して、十分な数のサンプリングが必要であり、測定するデータ量が大きくなるという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、少数のサンプリングから、連続性のある音波の伝搬映像を得ることができる音波伝搬映像化装置及び方法を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る音波伝搬映像化装置は、
a) 測定対象の物体の表面の所定の位置に、時間波形が連続的な周期関数で表される音波を与える音波付与部と、
b) 前記音波が前記所定の位置から前記表面を伝搬することにより該表面上の各位置において周期的に変化する物理量を測定する物理量測定部であって、その周期的な変化のうちの少なくとも３つの異なる位相における物理量を測定する物理量測定部と、
c) 前記少なくとも３つの異なる位相における物理量に基づいて、該物理量の周期的な変化を表す周期関数を求める周期関数取得部と
を備えることを特徴とする。

前記物理量とは、例えば、音圧、変位、速度、もしくは加速度、またはこれらの空間微分、時間微分、空間差分、もしくは時間差分である。前記物理量の測定は、マイクロフォンや圧電素子等を用いる機械的測定、物体表面の所定範囲に光を照射して音波により変調された反射光を測定する光学的測定等により行うことができる。

本発明に係る音波伝搬映像化装置では、測定対象の物体の表面の所定の位置（例えば端部）に時間波形が連続的な周期関数で表される音波を与える。これは、例えば表面の１箇所に圧電素子を取り付けて時間波形が連続的な周期関数で表される音波を与えることにより実施することができる。また、時間波形が連続的な周期関数で表される音波としては、例えば正弦波状に変化するものを用いることができるほか、１乃至複数の高調波成分を含むものを用いてもよい。

前記音波が物体の測定視野全域に伝搬すると、該視野内の物体表面の各位置では音波と同じ周期で物理量が変動するようになる。物理量測定部は、物理量の変動周期（即ち音波の周期）から３つ以上の異なる位相時点を求め、これらの位相時点で物体表面の各位置における物理量を測定する。例えば物理量を位相が0、2π/3、4π/3である位相時点において測定する場合について説明すると、物体表面の各位置では物理量が周期的に変動しているため、これら３回の測定を１周期中に行う必要はなく、繰り返し起こる物理量の変化を異なる位相で３回（例えば３周期中に）測定すればよい。従って、周波数や伝搬速度が大きい場合でも確実に物理量を測定することができる。そして、測定により得た３つの異なる位相における物理量の値から、物体表面の各位置における物理量の変化を表す周期関数を求める。

このようにして周期関数が得られると、所望の位相間隔で物理量の値を求めることができる。周期関数を用いて所望の位相間隔で求めた物理量の値を輝度（濃淡）や色に変換することにより画像を作成し、作成した画像を位相時間順に並べて連続して表示することにより、十分な連続性をもつ音波の伝搬映像を作成することができる。なお、ここでいう位相時間とは、時間軸を位相により規定したものを意味する。

本発明に係る音波伝搬映像化装置は、さらに、
d) 前記周期関数を用いて、予め決められた位相間隔で物理量の値を求める物理量演算部と、
e) 前記物理量演算部により求められた物理量の値を用いて前記表面における音波の伝搬を映像化する映像化部と
を備えた構成を採ることができる。この態様の音波伝搬映像化装置では物理量の演算と映像化を自動的に行わせることができ、より簡便に音波の伝搬映像を得ることができる。

本発明に係る音波伝搬映像化装置において、音波付与部から物体へ与える音波が単一の周波数成分をもつ場合、前記物理量測定部が物理量を測定する位相は少なくとも３つあればよいが、物体の表面の状態によっては高調波が発生することがある。また、物体の内部空洞等の欠陥部においては、固有の共振周波数を有する場合があり、共振周波数の近傍の帯域内の音波を与えることよって、有効に欠陥部を検知することができる。ただし、この共振周波数は、通常は測定前の段階では明らかでないため、有効に欠陥部を検知するためには、複数の周波数の音波を与えて共振周波数を探索する必要がある。このとき、音波付与部から物体へ与える音波に高調波成分を含ませることによって、複数の周波数の音波を同時に物体へ与えることができる。これらの場合、前記物理量の周期的な変動には高調波成分が含まれるため、前記物理量測定部は互いに異なる2n+1個（nは2以上の整数）以上の位相における物理量を測定することが好ましい。これにより、n次の高調波成分の周期的な物理量の変化を捉えることができる。

本発明に係る音波伝搬映像化装置では、前記測定する物理量を光学的測定により求めることができる。即ち、前記物理量測定部は、前記表面の測定対象領域に光を照射する光照射部と、前記測定対象領域で反射した光の強度分布を測定する光測定部とを備えた構成とすることができる。

上記態様では、特に、微分干渉スペックルイメージング光学系を備えた構成とすることが好ましい。この時、前記測定する物理量は、物体表面の変位の空間差分となる。微分干渉スペックルイメージング（シェアログラフとも呼ばれる）の光学系では、物体表面からの光を２分割し、該分割後の光束の間にわずかに角度差を与えた後、結像させることで、スペックル像（物体表面画像にスペックルが重畳したもの）の微分干渉像を得ることができる。そして、２つの光束の光路長差を変化させつつ微分干渉像の各画素における光強度の変化を測定することにより、各画素に投影されている物体表面上の２点から到来する光の位相差を求めることができる（位相シフト法。非特許文献１）。

また、上記課題を解決するために成された本発明に係る音波伝搬映像化方法は、
a) 測定対象の物体の表面の所定の位置に、時間波形が連続的な周期関数で表される音波を与え、
b) 前記音波が前記所定の位置から前記表面を伝搬することにより発生する、周期的に変化する物理量を、該周期的な変化のうちの少なくとも３つの異なる位相で測定し、
c) 前記少なくとも３つの異なる位相における物理量に基づいて、該物理量の周期的な変化を表す周期関数を求め、
d) 前記周期関数を用いて、予め決められた位相間隔で物理量の値を求め、
e) 前記物理量演算部により求められた物理量の値を用いて前記表面における音波の伝搬を映像化する
を備えることを特徴とする。

本発明に係る音波伝搬映像化装置あるいは方法を用いることにより、少数のサンプリングから、解析に十分な連続性を有する音波の伝搬映像を得ることができる。

従来の音波伝搬映像化装置について説明する図。 本発明に係る音波伝搬映像化装置の一実施例の要部構成図。 本発明に係る音波伝播映像化方法の一実施例における手順を示すフローチャート。 本実施例において用いる音波伝搬映像化技術の原理を説明するためのグラフ。 本実施例において取得する周期関数について説明する図。 本実施例において物理量の測定値に基づき作成される画像の一例。 本実施例において音波伝搬映像を構成する画像の一例。 本実施例において物理量を測定するタイミングについて説明する図。

本発明に係る音波伝搬映像化装置及び方法の実施例について、図２〜図８を参照して説明する。

図２は、本実施形態の音波伝搬映像化装置１０の概略構成図である。この音波伝搬映像化装置１０は、測定対象物体１１の表面における音波の伝搬を映像化することにより表面の欠陥等を検査する装置であり、圧電素子１２、パルスレーザ光源１３、照明光レンズ１４、スペックル・シェアリング干渉計１５、及び制御・処理部２０を備える。

制御・処理部２０は記憶部２１のほか、機能ブロックとして測定制御部２２、周期関数取得部２３、物理量演算部２４、及び映像化部２５を備えている。制御・処理部２０の実体は一般的なコンピュータであり、該コンピュータのＣＰＵにより所定のプログラムを実行することで上記各機能ブロックが具現化される。制御・処理部２０には、入力部３０及び表示部４０が接続されている。記憶部２１には、１乃至複数の周期関数、及び予め設定された位相間隔情報が保存されている。これらについては後述する。

使用者が所定の操作により対象物体１１の測定開始を指示すると、測定制御部２２は、記憶部２１から前記周期関数を読み出す。記憶部２１に複数の周期関数が保存されている場合には、使用者に、測定に用いる周期関数を選択させる。

周期関数を決定すると、測定制御部２２は該周期関数により振幅が変化する交流電気信号を生成し、アンプ（図示なし）により増幅して圧電素子１２に送信する。圧電素子１２は、受信した交流電気信号を機械的振動に変換し、該機械的振動を測定対象物体１１の取り付け位置（例えば表面端部）に付与する。これにより、該測定対象物体１１の圧電素子１２取り付け位置に音波が生じ、生じた音波によって物理量の周期的な変動（例えば強度変化が正弦波で表される音圧変動）が発生する。測定制御部２２と圧電素子１２が本発明における音波付与部に相当する。

圧電素子１２により測定対象物体１１に生成された音波は、該表面の全体に伝搬していき、試料表面の各点における物理量が前記周期関数と同じ周期で変動する定常状態に到達する。

試料表面の各位置における物理量の変動が定常状態に達すると、測定制御部２２は、前記交流電気信号が所定の位相になるタイミングでパルスレーザ光源１３にパルス状の電気信号（パルス信号）を送信する。この所定の位相については後述する。

パルスレーザ光源１３は、測定制御部２２からパルス信号を受けたときに、パルスレーザ光を出力する光源である。パルスレーザ光源１３から発せられた光は凹レンズである照明光レンズ１４により拡大され、測定対象物体１１の表面の測定範囲全体に照射される。測定対象物体１１の表面に照射された光は、各点において音波により変調されて反射し、スペックル・シェアリング干渉計１５で測定される。

スペックル・シェアリング干渉計１５は本発明における物理量測定部に相当し、ビームスプリッタ１５１、第１反射鏡１５２１、第２反射鏡１５２２、位相シフタ１５３、及びイメージセンサ１５５を有する。イメージセンサ１５５の入射部には集光レンズ１５４が設けられている。ビームスプリッタ１５１は、測定対象物体１１の表面の測定領域で反射した照明光が入射する位置に配置されたハーフミラーである。第１反射鏡１５２１はビームスプリッタ１５１で反射される照明光の光路上に配置されており、第２反射鏡１５２２はビームスプリッタ１５１を透過する照明光の光路上に配置されている。位相シフタ１５３は、ビームスプリッタ１５１と第１反射鏡１５２１の間に配置されており、該位相シフタ１５３を通過する光の位相を変化（シフト）させるものである。イメージセンサ１５５は、ビームスプリッタ１５１で反射された後に第１反射鏡１５２１で反射されてビームスプリッタ１５１を透過する照明光、及びビームスプリッタ１５１を透過した後に第２反射鏡１５２２で反射されてビームスプリッタ１５１で反射される照明光の光路上に配置されている。

第１反射鏡１５２１は、その反射面がビームスプリッタ１５１の反射面に対して45°の角度になるように配置されている。それに対して第２反射鏡１５２２は、その反射面がビームスプリッタ１５１の反射面に対して45°からわずかに傾斜した角度になるように配置されている。これら第１反射鏡１５２１及び第２反射鏡１５２２の配置により、イメージセンサ１５５では、測定対象物体１１の表面上のある点Ａ及び第１反射鏡１５２１で反射される照射光（図２中の実線）と、該表面上の点Ａからわずかにずれた位置にある点Ｂ及び第２反射鏡１５２２で反射される照射光（同・破線）は、イメージセンサ１５５の同じ位置に入射して干渉する。イメージセンサ１５５には検出素子が二次元的に多数設けられており、測定対象物体１１の表面上の多数の点（前記の点Ａ）から第１反射鏡１５２１及び位相シフタ１５３を通してイメージセンサ１５５に入射する光を、それぞれ異なる検出素子で検出する。前記の点Ｂについても同様に、多数の点から第２反射鏡１５２２を通してイメージセンサ１５５に入射する光を、それぞれ異なる検出素子で検出する。

以下、図３のフローチャート及び図４のグラフを用いて、本発明に係る音波伝搬映像化方法の一実施例における処理の手順を説明する。本実施例では、圧電素子１２の振動の位相（位相時間）が異なる、m_max≧3回の表面変位の測定を行う。ここで「圧電素子１２の振動の位相」は、測定制御部２２から圧電素子１２に送信される交流電気信号の位相であり、測定対象物体１１に励振される音波の、圧電素子１２の取り付け位置における位相（位相時間）に相当する。以下では、各回の表面変位の測定を、数値k（1〜m_maxの間のいずれかの自然数）を用いて「k回目の測定」と表す。また、以下の説明では、まずは最も単純な例としてm_max=3である場合について全てのステップを説明し、その後、m_maxがさらに大きな数である場合について説明する。

まず、kの初期値を1に設定し（ステップＳ１）、測定制御部２２から圧電素子１２に交流電気信号を送信することにより、圧電素子１２から測定対象物体１１への振動の付与を開始する（ステップＳ２）。これにより、測定対象物体１１に音波が励起される。音波を励起したあと、しばらく時間が経過すると、測定対象物体１１の表面の各点における物理量は例えば次式で表されるように周期関数で表される定常状態になる。

ここで、xは各点の座標、tは時刻、A(x)は座標xにおける振幅、B(x)は座標xにおける物理量の変動の中心値（DC成分）、Tは周期、Φ(x)はxにおける初期位相（t=0における位相）である。

次に、圧電素子１２の振動の位相が、所定の初期値φ₀（例えばφ₀=0）を用いて[φ₀+2π(k-1)/m_max]で表されるタイミング毎に、測定制御部２２はパルスレーザ光源１３にパルス信号を送信する。この段階ではk=1であるため、パルス信号が送信されるときの圧電素子１２の振動の位相はφ₀である。パルスレーザ光源１３はパルス信号を受ける毎にパルスレーザ光である照明光を繰り返し出力する。この照明光は、照明光レンズ１４により拡径され、測定対象物体１１の表面の測定領域の全体に照射される（ステップＳ３）。即ち、音波の周期と同期したタイミングでストロボスコープにより測定対象物体１１が照明される。

照明光は測定対象物体１１の表面で音波により変調された後に反射され、スペックル・シェアリング干渉計１５のビームスプリッタ１５１に入射する。その照明光の一部はビームスプリッタ１５１で反射され、位相シフタ１５３を通過した後に第１反射鏡１５２１で反射され、再度位相シフタ１５３を通過した後に一部がビームスプリッタ１５１を通過し、イメージセンサ１５５に入射する。また、ビームスプリッタ１５１に入射した照明光の残りは、ビームスプリッタ１５１を透過して第２反射鏡１５２２で反射され、一部がビームスプリッタ１５１で反射されてイメージセンサ１５５に入射する。前述の通り、イメージセンサ１５５では、測定対象物体１１の表面上の多数の点で反射される照射光をそれぞれ異なる検出素子で検出する。

位相シフタ１５３は、パルスレーザ光である照明光が繰り返し出力されている間に、該位相シフタ１５３を通過する照射光（すなわち、点Ａで反射された照射光）の位相（空間位相）を変化（シフト）させてゆく。これにより、点Ａで反射された照射光と点Ｂで反射された照射光の位相差が変化してゆき、この変化の間に、イメージセンサ１５５の各検出素子はこれら2つの照射光が干渉した干渉光の強度を検出してゆく（ステップＳ４）。図４(a)に、圧電素子１２の振動の位相（位相時間）がφ₀であるときに得られる、位相シフタ１５３による位相のシフト量と、イメージセンサ１５５の検出素子で検出される干渉光の強度の一例をグラフで示す。そして、干渉光の強度が最大になるときの位相シフタ１５３における位相シフト量から、点Ａと点Ｂの間の（空間）位相差を求めることができる。あるいは、異なる３つの（空間）位相における干渉光の強度を求めることにより、点Ａと点Ｂの間の（空間）位相差を求めることもできる。なお、図４において、検出強度が位相シフト量に対して正弦波状に変化する関係が連続的な曲線で示されているが、実際に観測されるのは離散的なデータであり、観測されたデータから最小二乗法等により上記の連続的な正弦波形を再現する。そのためには、少なくとも３つの異なる位相シフト量での強度を検出する必要がある。

続いて、ステップＳ５において、kの値がm_maxに達しているか否かを確認する。この段階では未だk=1であってm_max(この例では3)に達していないため、ステップＳ５での判定は「NO」となる。「NO」のときにはステップＳ６に進み、kの値を1だけ増加させて「2」とする（ステップＳ５での判定が「YES」の場合については後述）。

次に、ステップＳ３に戻り、圧電素子１２の振動の位相が[φ₀+2π(k-1)/m_max]においてk=2、すなわち[φ₀+2π/3]≡φ₁であるタイミング毎に、測定制御部２２はパルスレーザ光源１３にパルス信号を送信し、パルスレーザ光源１３は該パルス信号を受信したタイミングで測定対象物体１１の表面にパルスレーザ光である照明光を繰り返し照射する。そして、位相シフタ１５３により点Ａで反射された照射光の位相を少なくとも3つの値に変化（シフト）させつつ、イメージセンサ１５５の各検出素子は点Ａで反射されて位相シフタ１５３等を通過した照射光と点Ｂで反射された照射光の干渉光の強度を検出してゆく（ステップＳ４）。

図４(b)に、圧電素子１２の振動の位相がφ₁であるときに得られる、位相シフタ１５３による位相のシフト量と、イメージセンサ１５５の検出素子で検出される干渉光の強度をグラフで示す。この図４(b)と前出の図４(a)を対比すると、干渉光の強度のピーク位置がδφ₁-δφ₀だけ両者でずれている。このずれは、点Ａからの光路と点Ｂからの光路の位相差が、検出時の圧電素子１２の振動の位相の相違により変化したことを示している。この光路の位相差の変化は、点Ａと点Ｂの面外方向の相対的な変位が変化していることを示している。

このようにk=2におけるステップＳ４の操作を実行した後、ステップＳ５では未だm_max(=3)に達していないため「NO」と判定し、ステップＳ６においてkの値を1だけ増加させて「3」とする。その後、ステップＳ３に戻り、交流電気信号の位相が[φ₀+2π(k-1)/m_max]においてk=3、すなわち[φ₀+4π/3]≡φ₂であるタイミング毎に、パルスレーザ光源１３が測定対象物体１１の表面にパルスレーザ光である照明光を繰り返し照射し、イメージセンサ１５５の各検出素子は干渉光の強度を検出してゆく（ステップＳ４）。こうして、図４(c)に示すように、交流電気信号の位相がφ₂であるときの位相シフタ１５３による位相のシフト量と干渉光の強度の関係が得られる。

その後、ステップＳ５では、kの値が3であってm_maxに達しているため「YES」と判定し、ステップＳ７に移る。ステップＳ７では、測定制御部２２から圧電素子１２への交流電気信号の送信を停止し、それにより圧電素子１２が振動を停止する。

次に、ステップＳ８において測定領域の各点における物理量の振動状態（振幅及び位相）を求める。

まず、イメージセンサ１５５の各検出素子につき、各振動の位相φ₀、φ₁、及びφ₂においてそれぞれ、位相シフタ１５３による位相のシフト量を変化させた間に検出素子の出力が最大となる最大出力位相シフト量δφ₀、δφ₁、δφ₂を求める（図４(a)〜(c)のグラフ参照）。さらに、振動の位相が異なる最大出力位相シフト量の差(δφ₁-δφ₀)、(δφ₂-δφ₁)、及び(δφ₀-δφ₂)を求める。これら3つの最大出力位相シフト量の差は、点Ａと点Ｂの面外方向の相対的な変位を、振動子１２の振動の位相が異なる（すなわち時間が異なる）2つのデータで3組示している。（ステップＳ８）。

ステップＳ８において（時間）位相が異なる３つの時点における試料表面の各点における点Ａと点Ｂの面外方向の相対的な変位が得られると、周期関数取得部２３は、試料各点における物理量の変動を表す周期関数を求める（ステップＳ９）。試料表面の各点における点Ａと点Ｂの面外方向の相対的な変位（図５における黒丸の値）が得られると、圧電素子により励起された物理量の変動周期Ｔを用いることにより、図５に示すように、各点における物理量の周期変動を数式で表すことができる。

周期関数取得部２３により試料表面の各点における物理量を表す関数が得られると、物理量演算部２４が、記憶部２１に保存されている位相間隔情報を読み出し、前記周期関数から該位相間隔で音波の強度値を算出する。本実施例では、位相間隔情報（位相がπ/30ずつ異なる物理量の強度を求めるという情報）に基づき、1周期から異なる60の位相における物理量の強度値を算出する（ステップＳ１０）。

続いて、映像化部は、ステップＳ１０において求められた、試料表面の各点における60個の物理量の強度値を位相順に並べて映像を作成する（ステップＳ１１）。具体的には、各位相時間における試料表面の各点での物理量の値を輝度（濃淡）や色に変換することによって作成した、計60枚の画像を位相時間順に並べる。そして、並べた画像を20fpsで表示することにより、1周期の音波の伝搬状態を3秒で表示する映像が得られる。ここで、フレームレートは、人間が動画として自然に認識できる映像のフレームレート（20fps）以上とする。これにより、自然な動画（映像）として捉えることができる、音波伝搬映像が得られる。

本実施例の音波伝搬映像化装置及び方法により作成される音波伝搬映像について、図６及び７を参照して説明する。図６は、材料表面の測定領域（イメージセンサの視野）における物理量を12の異なる位相時間で測定した結果に基づき作成した画像である。一方、図７は、図６に示す12の異なる位相時間における測定結果から測定領域の各位置における物理量の変動を表す周期関数に基づいて、等間隔の60の位相時間における物理量の値を算出することにより得た画像の一部である。図７において実線で囲まれた3つの画像は図６の(6), (7), (8)であり、破線で囲まれた画像はこれらの間にそれぞれ4枚ずつ補完された画像である。本実施例の音波伝搬映像化装置を用いると、このように実測に基づいて得られる画像の位相時間の間に任意の数の画像を補完することができ、これらを位相時間順に並べて繰り返し表示することにより連続性のある音波伝搬映像を作成することができる。

こうして得られた音波伝搬映像において音波の伝搬が不連続になっている領域を視認することにより測定対象物体の表面の欠陥等を容易に発見することができる。あるいは、動画を解析してその不連続点を抽出するアルゴリズムを用いて測定対象物体の表面の欠陥等を解析するように構成してもよい。

以上説明したように、本実施例の音波伝搬映像化装置及び方法では、測定対象の物体の表面の所定の位置（例えば端部）に時間波形が連続的な周期関数で表される音波を与える。この音波が測定対象物体の表面を伝搬することによって物理量の周期的な変動が発生する。そして、位相時間が異なる少なくとも3つの時点での試料表面の各点における物理量を光学的手法により一括測定する。本実施例では、試料表面の各位置において物理量が周期的に変動しているためこれら3回の測定を１周期中に行う必要はなく、複数周期の間に異なる位相で3回（例えば4周期中に3回）測定することができる（図８）。そのため、周波数や伝搬速度が大きい場合でも確実に物理量を測定することができる。また、試料表面の各点における物理量を短時間で一括測定することができる。

そして、測定により得た3つの異なる位相時間における物理量の値から、物体表面の各位置における物理量の変動を表す周期関数を求める。続いて、試料表面の各点における物理量の値を所望の位相間隔で求め、同一位相における各点の値から1枚の画像を作成する。このとき、十分に細かい位相間隔を設定することにより、細かく変化する物理量を表す複数の画像を得ることができる。こうして得た複数の画像を、人間が動画として認識できるフレームレート以上（例えば20fps）で表示することにより、スムーズな音波伝搬映像を得ることができる。

本発明は上記実施例には限定されない。
上記実施例では、異なる3つの位相において物理量の値を測定したが、物体の表面の状態によっては、圧電素子により1つの正弦波で表される音波を与えても伝搬の過程で高調波を発生することがある。また、圧電素子により高調波成分を含む音波を与えてもよく、この場合には試料表面の物理量の変動にも高調波成分が含まれることになる。上記の例ではm_max=3としたが、m_maxを[2n+1]（nは2以上の自然数）で表される数より大きく選ぶことにより、被検査物体Ｓに励起された物理量の変動のn次の成分（第n高調波成分）までを検出することができるようになる。すなわち、点Ａと点Ｂの面外方向の相対的な変位が(2n+1)組以上得られることから、基本波の振幅、基本波の位相、第２高調波の振幅、第２高調波の位相、…第n高調波の振幅、第n高調波の位相、及び物理量の変動のDC成分、という(2n+1)個のパラメータの値が得られる。このように高調波成分を含む音波を与える構成は、物体内部の空洞等の欠陥部を検知する場合に好適に用いることができる。つまり、複数の周波数の音波を与えることにより、該周波数の近傍に共振周波数を持つ空洞を検知することができる。

上記実施例では、パルスレーザ光を用いて試料表面を照明する構成、いわゆるストロボスコープを用いる構成としたが、連続照明とシャッターを組み合わせることにより所定のタイミングで試料表面を照明する構成としてもよい。また、物理量の変動周期が光学的変位計測器のセンサのサンプリングレートに比べて十分に長く、通常の測定で位相ごとに物理量を測定可能な場合には連続照明を用いることができる。

上記実施例では試料表面の各点における物理量の値を、微分干渉スペックルイメージング光学系を備えた測定部により測定したが、他の方法で物理量を測定してもよい。例えば、上記実施例と同様に光学的に物理量を測定する方法として、ホログラフィック干渉計側法、格子投影法（非特許文献２）、サンプリングモアレ法（非特許文献３）、デジタル画像相関（DIC: Digital Image Correlation）法、レーザードップラー振動計による測定法等を用いることができる。また、透明試料に限定されるものの、試料の屈折率をホログラフィック干渉計測法により測定することもできる。さらに、光学的な測定法以外の方法として、音圧をマイクロフォンや圧電素子で計測する方法等を用いることができる。この場合には試料表面の各点に複数の検出素子（マイクロフォンや圧電素子）を配置するか、空間的に走査しつつ測定する。

１０…音波伝搬映像化装置
１１…測定対象物体
１２…圧電素子
１３…パルスレーザ光源
１４…照明光レンズ
１５…スペックル・シェアリング干渉計
１５１…ビームスプリッタ
１５２１…第１反射鏡
１５２２…第２反射鏡
１５３…位相シフタ
１５４…集光レンズ
１５５…イメージセンサ
２０…制御・処理部
２１…記憶部
２２…測定制御部
２３…周期関数取得部
２４…物理量演算部
２５…映像化部
３０…入力部
４０…表示部

Claims (8)

1. a) 測定対象の物体の表面の所定の位置に、時間波形が連続的な周期関数で表される音波を励起する音波励起部と、
   b) 前記音波が前記所定の位置から前記表面を伝搬することにより発生する、周期的に変化する前記表面の面外変位量を測定する変位量測定部であって、前記音波励起部が励起する音波の周期関数のうちの少なくとも３つの異なる位相における前記面外変位量を測定する変位量測定部と、
   c) 前記少なくとも３つの異なる位相における面外変位量に基づいて、該面外変位量の周期的な変化を表す周期関数を求める周期関数取得部と
   を備えることを特徴とする欠陥検査装置。
2. d) 前記面外変位量の周期的な変化を表す周期関数を用いて、予め決められた位相間隔で前記表面の各点における面外変位量の値を求める変位量演算部と、
   e) 前記変位量演算部により求められた面外変位量の値を用いて前記表面における音波の伝搬を映像化する映像化部と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
3. 前記変位量測定部による測定が行われる位相が、2n+1（nは2以上の整数）個以上の異なる位相であり、周期的に変化する面外変位量の第n次高調波成分を取得することを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
4. 前記変位量測定部が、前記音波の周期と同期したタイミングで前記測定対象の物体の表面を照明する照明手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
5. 前記変位量測定部が、前記対象物体の表面からの光を２分割して位相差を与えた後に干渉させる干渉光学系を備えることを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
6. a) 測定対象の物体の表面の所定の位置に、時間波形が連続的な周期関数で表される音波を励起し、
   b) 前記音波が前記所定の位置から前記表面を伝搬することにより発生する、周期的に変化する前記表面の面外変位量を、前記音波の周期関数の少なくとも３つの異なる位相で測定し、
   c) 前記少なくとも３つの異なる位相における面外変位量に基づいて、該面外変位量の周期的な変化を表す周期関数を求め、
   d) 前記面外変位量の周期的な変化を表す周期関数を用いて、予め決められた位相間隔で前記表面の各点における面外変位量の値を求め、
   e)前記予め決められた位相間隔で求められた前記表面の各点における面外変位量の値を用いて該表面における音波の伝搬を映像化する
   ことを特徴とする欠陥検査方法。
7. 前記変位量測定部による測定が行われる前記少なくとも３つの異なる位相が、前記音波励起部が励起する音波の周期関数のうちの複数の周期にまたがって設定されることを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
8. 前記少なくとも３つの異なる位相が、前記音波の周期関数のうちの複数の周期にまたがって設定されることを特徴とする請求項６に記載の欠陥検査方法。