JPH09281085A - Apparatus and method for inspecting laser ultrasonic wave - Google Patents
Apparatus and method for inspecting laser ultrasonic waveInfo
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- JPH09281085A JPH09281085A JP8095082A JP9508296A JPH09281085A JP H09281085 A JPH09281085 A JP H09281085A JP 8095082 A JP8095082 A JP 8095082A JP 9508296 A JP9508296 A JP 9508296A JP H09281085 A JPH09281085 A JP H09281085A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、被検体にレーザー
光を照射して超音波を発生させ、被検体を伝播した超音
波を検出することによって被検体の状態を検査するレー
ザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser ultrasonic inspection apparatus for inspecting the state of a subject by irradiating the subject with laser light to generate ultrasonic waves and detecting the ultrasonic waves propagated through the subject. And a laser ultrasonic inspection method.
【０００２】[0002]
【従来の技術】各種材料の内部や表面の欠陥等を検出す
る方法の一つとして、いわゆるレーザー超音波法と呼ば
れる検査方法がある。この方法については、例えば超音
波ＴＥＣＨＮＯ５月号（vol.5, No.5, p38(1993)日本工
業出版）等を参照することができる。この方法は、レー
ザー光を用いて超音波を発生させるとともに、別のレー
ザー光を用いてこの超音波を検出するので、検査対象に
接触することができない状況での検査に有利であり、種
々の分野での利用が検討されている。2. Description of the Related Art As one of the methods for detecting defects inside or on the surface of various materials, there is a so-called laser ultrasonic method. Regarding this method, for example, the ultrasonic TECHNO May issue (vol.5, No.5, p38 (1993) Nippon Kogyo Shuppan) can be referred to. This method generates an ultrasonic wave using a laser beam and detects the ultrasonic wave using another laser beam, which is advantageous for inspection in a situation where the inspection target cannot be contacted, and various Utilization in the field is being considered.
【０００３】また、J. Huang, S. Krishnaswamy and J.
D. Achenbach による「Laser Generation of narrow-b
and surface waves 」（J. Acoust. Soc. Am. 92(5) 19
92,p2527-2531）には、レーザー超音波法の他の例が記
載されている。この論文では、図９に示す構成のレーザ
ー超音波発生装置が記載されている。図９の装置は、単
一のレーザー光５０を回折格子５１に照射し、回折格子
５１における回折によって多数に分岐したレーザービー
ム５２を被検体であるアルミニウムのブロック５３にほ
ぼ垂直に照射することによって、被検体５３の表層部分
に超音波を発生させる。このような方法で多数に分岐し
たレーザービームを照射する目的は、単一の強力なレー
ザー光を直接照射することによって生じる被検体表面の
損傷を避けるために、被検体に損傷を与えない熱弾性領
域で超音波を発生させるとともに、その超音波の強度を
検出に十分なＳＮ比が確保できる程度に高めるためであ
る。Also, J. Huang, S. Krishnaswamy and J.
"Laser Generation of narrow-b" by D. Achenbach
and surface waves "(J. Acoust. Soc. Am. 92 (5) 19
92, p2527-2531), another example of the laser ultrasonic method is described. In this paper, a laser ultrasonic generator having the configuration shown in FIG. 9 is described. The apparatus shown in FIG. 9 irradiates a single laser beam 50 on a diffraction grating 51, and irradiates a laser beam 52, which is branched into a large number by the diffraction in the diffraction grating 51, into an aluminum block 53, which is an object, almost vertically. , Ultrasonic waves are generated in the surface layer portion of the subject 53. The purpose of irradiating a laser beam branched into a large number by such a method is to prevent damage to the surface of the subject caused by direct irradiation of a single strong laser beam, and to prevent damage to the subject by thermoelasticity. This is because ultrasonic waves are generated in the region and the intensity of the ultrasonic waves is increased to such an extent that a sufficient SN ratio for detection can be secured.
【０００４】回折格子５１によって回折されたレーザー
ビーム５２は、図１０に示すような縞状の強度分布をも
って被検体５３に照射される。同図において、斜線の部
分は強度の高い部分、その間の白の部分は強度の低い部
分を模式的に示している。図１０に示すように、各縞の
間隔は、レーザービーム５２を被検体に垂直に照射した
ために、等間隔となっている。前掲論文によると、この
強度分布のピークの間隔が適当な値となるように回折格
子の格子間隔その他を調整することによって、図１１に
示すようなトーンバースト状の超音波、すなわちほぼ一
定の周波数及び振幅が一定期間にわたって持続する超音
波が発生する。The laser beam 52 diffracted by the diffraction grating 51 is applied to the subject 53 with a striped intensity distribution as shown in FIG. In the figure, the shaded portions schematically show high strength portions, and the white portions between them show schematically low strength portions. As shown in FIG. 10, the intervals between the stripes are equal because the laser beam 52 is applied vertically to the subject. According to the above-mentioned paper, the tone-burst ultrasonic waves as shown in FIG. 11, that is, a substantially constant frequency, is obtained by adjusting the grating spacing of the diffraction grating so that the spacing between the peaks of the intensity distribution becomes an appropriate value. And an ultrasonic wave whose amplitude lasts for a certain period is generated.
【０００５】被検体にクラックその他の欠陥が存在する
と、被検体中を伝播する超音波は欠陥部において反射さ
れ、エコーが生じる。このエコーは、被検体の他の位置
においてヘテロダインレーザー干渉計５４によって検出
され、位相検波その他の処理が行われる。この処理後の
信号から、被検体に欠陥が存在するか否かを知ることが
でき、また欠陥が存在する場合には、既知である被検体
の音速及び観測された到達時間から、その位置を知るこ
とができる。図１１に示すような狭帯域のトーンバース
ト信号を発生させることによって、従来のように広帯域
の超音波しか発生できなかった装置に比べて、欠陥検出
のＳＮ比が数十倍程度向上する。When a crack or other defect is present in the subject, the ultrasonic wave propagating through the subject is reflected at the defect portion and an echo is generated. This echo is detected by the heterodyne laser interferometer 54 at another position of the subject and subjected to phase detection and other processing. From the signal after this processing, it is possible to know whether or not there is a defect in the subject, and if there is a defect, determine its position from the known sound velocity of the subject and the observed arrival time. I can know. By generating a narrow band tone burst signal as shown in FIG. 11, the SN ratio of defect detection is improved by several tens of times as compared with the conventional device which can generate only wide band ultrasonic waves.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、トーン
バースト状の超音波は、図１１に示すように、ある時間
的な幅を持っている。このため、このトーンバースト信
号を用いて欠陥の位置を決定しようとした場合、この時
間幅分だけ距離分解能が低下するという問題がある。However, the tone burst ultrasonic waves have a certain temporal width, as shown in FIG. Therefore, when trying to determine the position of the defect using this tone burst signal, there is a problem that the distance resolution is reduced by this time width.
【０００７】そこで、本発明は、従来の利点を維持した
まま欠陥位置を決定する際の距離分解能が向上するレー
ザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法を提供
することを目的とする。Therefore, it is an object of the present invention to provide a laser ultrasonic inspection apparatus and a laser ultrasonic inspection method which improve the distance resolution when determining a defect position while maintaining the conventional advantages.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１記載の発明であるレーザー超音波走査装
置は、超音波励起用のレーザー光を発生し、所定の部位
に照射するレーザー光源手段と、前記レーザー光を回折
してレーザービームを複数に分岐させる回折格子と、複
数に分岐された前記レーザービームが被検体に照射され
ることにより発生する超音波の周波数が、時間的に変化
するように、前記被検体を前記回折格子に対して所定の
角度に傾ける被検体傾斜手段と、前記被検体を伝播する
前記超音波を検出する超音波検出手段と、前記超音波検
出手段によって検出された超音波信号に対して所定の処
理を施し、前記被検体における欠陥の存在及びその位置
を検出する信号処理手段と、を具備することを特徴とす
る。In order to solve the above problems, the laser ultrasonic scanning device according to the invention of claim 1 generates a laser beam for ultrasonic wave excitation and irradiates it to a predetermined portion. A laser light source means, a diffraction grating that diffracts the laser light to split the laser beam into a plurality of beams, and a frequency of ultrasonic waves generated by irradiating the subject with the plurality of branched laser beams are temporal Object tilting means for tilting the object at a predetermined angle with respect to the diffraction grating, ultrasonic wave detecting means for detecting the ultrasonic wave propagating through the object, and ultrasonic wave detecting means. Signal processing means for performing a predetermined process on the ultrasonic signal detected by detecting the presence and position of a defect in the subject.
【０００９】請求項２記載の発明の発明であるレーザー
超音波検査方法は、超音波励起用のレーザー光源からの
レーザー光を回折格子に照射して複数に分岐したレーザ
ービームを生成し、これらを、前記回折格子に対して所
定の角度だけ傾けて配置した被検体に照射することによ
り、周波数が時間的に変化する超音波を前記被検体に発
生させ、前記被検体を伝播する前記超音波を検出し、こ
の超音波信号に対して所定の信号処理を行うことによっ
て、前記被検体における欠陥の存在及びその位置を検査
することを特徴とするものである。According to a second aspect of the present invention, there is provided a laser ultrasonic inspection method in which a laser beam from a laser light source for ultrasonic excitation is applied to a diffraction grating to generate a laser beam branched into a plurality of beams. By irradiating an object arranged at a predetermined angle with respect to the diffraction grating, an ultrasonic wave whose frequency changes with time is generated in the object, and the ultrasonic wave propagating through the object is generated. It is characterized in that the presence and the position of a defect in the subject are inspected by detecting and performing predetermined signal processing on the ultrasonic signal.
【００１０】[0010]
【作用】回折を利用して複数に分岐させたレーザービー
ムを被検体に垂直に照射すると、前記の論文に記載され
ているように、いわゆるトーンバースト状の超音波が発
生する。この超音波は、その周波数及び振幅がほぼ一定
であり、一定の時間にわたり持続する。これに対し、上
記のように回折格子に対して被検体を傾け、回折格子か
ら分岐したそれぞれのレーザービームが、場所によって
異なる入射角で被検体に入射するように配置すると、被
検体に照射されるレーザービームの縞状のパターンの幅
が序々に変化する。このため、これら複数のレーザービ
ームによって発生する超音波は、その周波数が時間的に
変化する、いわゆるチャープ波となる。この超音波が被
検体の表層部を伝播して欠陥に当たると、ここで反射さ
れる。チャープ波を利用して、高い分解能で目標物を観
測する技術は、レーダー技術の分野において知られてい
る。レーダーに使用する電磁波も固体中を伝播する超音
波も、どちらも波動である点では共通し、数学的に同様
の取扱いが可能である。したがって、レーダー技術にお
いて用いられているのと同様の信号処理を超音波信号に
対して行うことによって、高い分解能で被検体中の欠陥
の存在及びその位置を検出することができる。When a laser beam split into a plurality of beams using diffraction is vertically irradiated to the subject, so-called tone burst ultrasonic waves are generated as described in the above-mentioned paper. This ultrasonic wave has a substantially constant frequency and amplitude, and lasts for a constant time. On the other hand, when the subject is tilted with respect to the diffraction grating as described above, and the laser beams branched from the diffraction grating are arranged so as to enter the subject at different incident angles depending on the location, the subject is irradiated. The width of the striped pattern of the laser beam gradually changes. Therefore, the ultrasonic wave generated by the plurality of laser beams becomes a so-called chirp wave whose frequency changes with time. When this ultrasonic wave propagates through the surface layer of the subject and hits a defect, it is reflected here. A technique for observing a target with high resolution using a chirp wave is known in the field of radar technology. Both electromagnetic waves used for radar and ultrasonic waves propagating in solids are common in that they are both waves, and mathematically similar treatment is possible. Therefore, by performing the same signal processing as that used in the radar technique on the ultrasonic signal, it is possible to detect the presence and the position of the defect in the subject with high resolution.
【００１１】[0011]
【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、本発明の
実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形
態のレーザー超音波検査装置の概略構成図であり、従来
装置を示した図９に対応する。超音波を発生させるため
のレーザー光源１０には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーを使用
する。光源１０から発せられたレーザー光は、ミラー１
１，１２、拡散用レンズ１３、フォーカス用レンズ１４
を経て、回折格子１５に到達する。拡散用レンズ１３
は、ビーム幅を広げるためのレンズであり、フォーカス
用レンズ１４は、レーザービームを被検体に焦点合わせ
するためのレンズである。回折格子１５に到達したレー
ザー光は、ここで様々な方向に回折されるが、そのうち
一定の光路差をもつもの同士が被検体１６の表面におい
て干渉し、強め合う。これによって、被検体１６の表面
における強度分布は、回折格子１５の格子方向と垂直な
方向において波状に変化する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a laser ultrasonic inspection apparatus according to an embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 9 showing a conventional apparatus. A Nd: YAG laser is used as the laser light source 10 for generating ultrasonic waves. The laser light emitted from the light source 10 is reflected by the mirror 1.
1, 12, diffusion lens 13, focusing lens 14
And reaches the diffraction grating 15. Diffusion lens 13
Is a lens for widening the beam width, and the focusing lens 14 is a lens for focusing the laser beam on the subject. The laser light that has reached the diffraction grating 15 is diffracted in various directions, but those having a constant optical path difference interfere with each other on the surface of the subject 16 and strengthen each other. As a result, the intensity distribution on the surface of the subject 16 changes like a wave in the direction perpendicular to the grating direction of the diffraction grating 15.
【００１２】被検体のうち、レーザー光の強度が高い部
分では、超音波が励起され、被検体を媒体として、その
表面の約２〜３ｍｍの領域を伝播する。このとき、レー
ザー光の強度は、回折格子１５の格子方向と平行な方向
においてはほぼ一定であるため、超音波は、回折格子１
５の格子の方向と垂直な方向に伝播しやすくなり、伝播
方向に指向性が現れる。Ultrasonic waves are excited in a portion of the subject where the intensity of the laser light is high, and propagates in a region of about 2 to 3 mm on the surface of the subject as a medium. At this time, since the intensity of the laser light is substantially constant in the direction parallel to the grating direction of the diffraction grating 15, the ultrasonic wave is emitted by the diffraction grating 1.
Propagation becomes easier in the direction perpendicular to the direction of the lattice of No. 5, and directivity appears in the propagation direction.
【００１３】図２は、この超音波が被検体の表層部を伝
播する経路を模式的に描いた図である。同図において、
４０で示す領域で発生された超音波は、矢印ａ1 ，ａ2
で示す方向に伝播する。ａ1 方向に伝播する超音波が欠
陥４１で反射され、その反射波がａ3 で示す方向に伝播
し、４２で示す超音波検出領域に達すると、ここでその
反射波が検出される。超音波発生領域４０及び超音波検
出領域４２の相対的な位置関係は予め分かっており、ま
た、被検体中における超音波の音速も既知であるから、
レーザーを照射してから超音波を検出するまでの時間を
観測すれば、簡単な計算によって欠陥４１の位置を特定
することができる。そして、超音波発生領域４０と超音
波検出領域４２の相対的な位置関係を保ったまま、被検
体１６を図２の上下方向に走査させることによって、被
検体１６の表層部全体の欠陥検査を行うことが可能とな
る。FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a path along which the ultrasonic waves propagate in the surface layer of the subject. In the figure,
The ultrasonic waves generated in the region indicated by 40 are arrows a 1 and a 2
Propagate in the direction indicated by. The ultrasonic wave propagating in the a 1 direction is reflected by the defect 41, the reflected wave propagates in the direction indicated by a 3 , and reaches the ultrasonic wave detection region indicated by 42, where the reflected wave is detected. Since the relative positional relationship between the ultrasonic wave generation region 40 and the ultrasonic wave detection region 42 is known in advance, and the sound velocity of the ultrasonic wave in the subject is also known,
The position of the defect 41 can be specified by a simple calculation by observing the time from the laser irradiation to the ultrasonic wave detection. Then, while the relative positional relationship between the ultrasonic wave generation region 40 and the ultrasonic wave detection region 42 is maintained, the subject 16 is scanned in the vertical direction of FIG. 2 to perform a defect inspection of the entire surface layer portion of the subject 16. It becomes possible to do.
【００１４】被検体を伝播する超音波の検出には、図１
に示すレーザー干渉計２０を用いる。レーザー干渉計２
０としては、超音波振動の存在によって被検体１６の表
面に照射したプローブ用レーザー光の反射光の位相変化
を検出するヘテロダイン型干渉計やホモダイン型干渉
計、或いは被検体表面の超音波振動によってプローブ用
レーザー光の反射光が受けるドップラーシフトを検出す
るファブリペロー型干渉計を使用することができる。レ
ーザー干渉計２０の出力信号は、コンピュータ２１に送
られ、ここで計算等の処理が行われ、その結果は必要に
応じて記憶される。また、処理の結果はＣＲＴ２２に表
示することができる。For the detection of ultrasonic waves propagating through a subject, FIG.
The laser interferometer 20 shown in is used. Laser interferometer 2
0 is a heterodyne type interferometer or a homodyne type interferometer that detects a phase change of the reflected light of the probe laser beam applied to the surface of the subject 16 due to the presence of ultrasonic vibration, or ultrasonic vibration of the surface of the subject. A Fabry-Perot interferometer that detects the Doppler shift received by the reflected light of the probe laser light can be used. The output signal of the laser interferometer 20 is sent to the computer 21, where processing such as calculation is performed, and the result is stored as necessary. Further, the processing result can be displayed on the CRT 22.
【００１５】図１のレーザー超音波検査装置には、回転
機構３０及び３１が設けられている。回転機構３０，３
１の制御は、コンピュータ２１によって行われる。回転
機構３０は、被検体１６の矢印Ａの方向における傾きの
角度を変えるためのものである。被検体１６を傾ける
と、回折格子１５おいて回折された光は、ある程度の角
度をもって被検体１６に照射される。この点が、回折後
のレーザービームを被検体に垂直に照射する図９の従来
装置と大きく異なる点である。また、回転機構３０によ
って被検体の角度が変わると、回転機構３１がこれに連
動し、レーザー干渉計２０から発生されたプローブ用レ
ーザー光を反射するミラー２３の角度を変える。これ
は、プロープ用レーザー光が、常に被検体１６に垂直に
照射されるようにするためである。The laser ultrasonic inspection apparatus of FIG. 1 is provided with rotating mechanisms 30 and 31. Rotation mechanism 30,3
The control of 1 is performed by the computer 21. The rotation mechanism 30 is for changing the angle of inclination of the subject 16 in the direction of arrow A. When the subject 16 is tilted, the light diffracted by the diffraction grating 15 is applied to the subject 16 at a certain angle. This is a significant difference from the conventional apparatus shown in FIG. 9 in which the diffracted laser beam is applied vertically to the subject. When the rotation mechanism 30 changes the angle of the subject, the rotation mechanism 31 works in conjunction with this to change the angle of the mirror 23 that reflects the probe laser light generated from the laser interferometer 20. This is so that the probe laser light is always applied to the subject 16 vertically.
【００１６】図１に示すようにレーザー光に対して被検
体１６が傾いていると、被検体１６の上部は回折格子１
５に近づき、被検体１６の下部は回折格子１５から離れ
る。図３は、レーザー光に対して被検体を傾けたときに
どのようにビームが当たるかを拡大して示した図であ
る。同図において、ｍ＝０，±１，±２，・・・は、回
折の次数、θm はｍ次の回折ビームの角度、αは被検体
の傾きを垂直方向から計った角度、Ｌ0 は回折格子と被
検体との距離、ｙは被検体表面におけるビームの当たる
位置（ｙ＝０の位置をｍ＝０のビームが当たる点とす
る）、Δｙはビームとビームの間隔を示す。このように
傾いた被検体に回折格子回折したレーザー光を照射した
ときの干渉縞のパターンを模式的に示すと、図４のよう
になる。すなわち、被検体１６の表面において生じる干
渉縞の間隔は、上部では短く、下部では長くなる。この
点が、干渉縞の間隔がほぼ等しい図１０とは異なる。被
検体１６の傾きと、干渉縞の間隔との関係は、次のよう
になる。When the subject 16 is tilted with respect to the laser light as shown in FIG.
5, the lower part of the subject 16 moves away from the diffraction grating 15. FIG. 3 is an enlarged view showing how the beam strikes when the subject is tilted with respect to the laser light. In the figure, m = 0, ± 1, ± 2, ... Is the order of diffraction, θ m is the angle of the m-th order diffracted beam, α is the angle measured from the vertical direction of the subject, and L 0 Is the distance between the diffraction grating and the object, y is the position where the beam hits the surface of the object (the position where y = 0 is the point where the beam with m = 0 hits), and Δy is the distance between the beams. The pattern of the interference fringes when the tilted subject is irradiated with the laser beam diffracted by the diffraction grating is shown in FIG. That is, the interval of the interference fringes generated on the surface of the subject 16 is short in the upper part and long in the lower part. This point is different from FIG. 10 in which the intervals of the interference fringes are almost equal. The relationship between the tilt of the subject 16 and the distance between the interference fringes is as follows.
【００１７】 ｙ＝Ｌ0 tanθm ｛ cosα＋ sinα・ tan（α＋θm ）｝ （ｍ≧０） ｙ＝Ｌ0 tanθm ／｛ cosα＋ sinα・ tanθm ）｝ （ｍ＜０） θm ≪１のときは、ｍ≧０の場合には、 Δｙ＝Ｌ0 Ａ｛ cosα＋α sinα｝＋Ｌ0 Ａ2 （２ｍ＋１） sinα ＝Ｃ1 ＋Ｃ1 ｍ となる。Y = L 0 tan θ m {cos α + sin α · tan (α + θ m )} (m ≧ 0) y = L 0 tan θ m / {cos α + sin α · tan θ m )} (m <0) When θ m << 1 When m ≧ 0, Δy = L 0 A {cos α + α sin α} + L 0 A 2 (2m + 1) sin α = C 1 + C 1 m.
【００１８】このように、間隔が徐々に変化する干渉縞
を被検体１６に照射すると、これによって被検体１６に
生じる超音波の周波数は、図５に示すように変化する。
この図において、右側の周波数の高い部分は、干渉縞の
間隔が短い被検体１６の上部（図４の上部）において発
生した波に対応し、左側の周波数の低い部分は、干渉縞
の間隔が長い下部（図４の下部）において発生した波に
対応する。そして、この間における周波数の変化をグラ
フで示すと、図６のように直線的となる。尚、同図の横
軸は時間、縦軸は周波数である。このように周波数が直
線的に変化する波は、一般にチャープ波と呼ばれる。こ
のような波形の超音波を被検体１６の表層部において伝
播さたとき、この超音波が被検体の欠陥（もし存在すれ
ば）に当たると、そこで反射を受ける。そして、この反
射波の超音波の波形もやはりチャープ波形である。As described above, when the subject 16 is irradiated with the interference fringes whose intervals are gradually changed, the frequency of the ultrasonic waves generated in the subject 16 is changed as shown in FIG.
In this figure, the high frequency part on the right side corresponds to the wave generated in the upper part of the subject 16 (the upper part of FIG. 4) where the intervals of the interference fringes are short, and the low frequency part on the left side has the intervals of the interference fringes. Corresponds to the wave generated in the long lower part (lower part of FIG. 4). Then, the graph of the frequency change during this period is linear as shown in FIG. The horizontal axis of the figure is time, and the vertical axis is frequency. Such a wave whose frequency changes linearly is generally called a chirp wave. When an ultrasonic wave having such a waveform is propagated in the surface layer portion of the subject 16, if the ultrasonic wave hits a defect (if any) of the subject, it is reflected there. The waveform of the ultrasonic wave of this reflected wave is also a chirp waveform.
【００１９】レーダー技術の分野において、このような
チャープ波を目標に向けて送信し、その反射波を受信し
た後、所定の信号処理（パルス圧縮という）を行うこと
によって、高い距離分解能で目標の位置を特定する方法
が知られている。これについては、例えば「計測・セン
サにおけるディジタル信号処理」（近藤倫正、大橋由
昌、実森彰郎共著、昭晃堂）の４４ページ以降に記載さ
れている。同書によれば、チャープ波の信号をｓ1(t)と
すると、In the field of radar technology, such a chirp wave is transmitted toward a target, the reflected wave is received, and then predetermined signal processing (called pulse compression) is performed to obtain a target with a high range resolution. A method for identifying the position is known. This is described, for example, in "Digital Signal Processing in Measurement / Sensor" (by Tomomasa Kondo, Yoshimasa Ohashi, Akira Mimori, Shokodo), pp. According to the same book, if the signal of the chirp wave is s 1 (t),
【００２０】[0020]
【数１】 と書くことができる。ここで、ｆ0 は中心周波数、ｋは
ｓ1(t)の瞬時周波数[Equation 1] Can be written. Where f 0 is the center frequency and k is the instantaneous frequency of s 1 (t)
【００２１】[0021]
【数２】 の時間に対する変化率、Ｔはｓ1(t)の持続時間であり、
rect関数は、次式で定義される。[Equation 2] The rate of change of with respect to time, T is the duration of s 1 (t),
The rect function is defined by the following equation.
【００２２】[0022]
【数３】 式（１）及び式（２）から明らかなように、ｓ1(t)の瞬
時周波数の変化量Ｂは、ｋＴとなる。ｓ1(t)のスペクト
ルはｓ1(t)をフーリエ変換することにより得られ、(Equation 3) As is clear from the equations (1) and (2), the variation B of the instantaneous frequency of s 1 (t) is kT. spectrum of s 1 (t) is s 1 (t) is obtained by Fourier transform,
【００２３】[0023]
【数４】 となる。ここにＺ(y) は複素フレネル積分で、(Equation 4) Becomes Where Z (y) is the complex Fresnel integral,
【００２４】[0024]
【数５】 により表せる。そして、ｙ1 ，ｙ2 はそれぞれ次式によ
り定義される。(Equation 5) Can be represented by Then, y 1 and y 2 are respectively defined by the following equations.
【００２５】[0025]
【数６】 (Equation 6)
【００２６】[0026]
【数７】 式（４）で表されるスペクトルＳ1(f)の振幅及び位相
は、ＴＢが約１００とすれば、図７（ａ）（ｂ）に示す
ようになる。ここで、パルス圧縮のフィルタのインパル
スレスポンスとして、次式で与えられるものを考える。(Equation 7) The amplitude and phase of the spectrum S 1 (f) expressed by the equation (4) are as shown in FIGS. 7A and 7B, assuming that TB is about 100. Here, the impulse response of the pulse compression filter is given by the following equation.
【００２７】[0027]
【数８】 式（８）から分かるように、入力信号ｓ1(t)の瞬時周波
数が（ｆ0 −ｋＴ／２）から（ｆ0 ＋ｋＴ／２）に変化
するのに対し、ｈ(t) の瞬時周波数は（ｆ0 ＋ｋＴ／
２）から（ｆ0 −ｋＴ／２）に変化する。すなわち、瞬
時周波数の特性が逆になっている。このフィルタの伝達
特性はｈ(t) をフーリエ変換することにより、(Equation 8) As it is seen from equation (8), whereas a change in the instantaneous frequency of the input signal s 1 (t) from (f 0 -kT / 2) to (f 0 + kT / 2) , the instantaneous frequency of the h (t) Is (f 0 + kT /
2) to (f 0 −kT / 2). That is, the characteristics of the instantaneous frequency are reversed. The transfer characteristic of this filter is the Fourier transform of h (t)
【００２８】[0028]
【数９】 で表される。パルス圧縮フィルタに信号ｓ1(t)が入力さ
れれば、時間領域におけるその出力はｓ1(t)とｈ(t) の
コンボリューション積分によって与えられ、[Equation 9] It is represented by If the signal s 1 (t) is input to the pulse compression filter, its output in the time domain is given by the convolution integral of s 1 (t) and h (t),
【００２９】[0029]
【数１０】 となる。ここで、sinc関数は、次式で定義される。(Equation 10) Becomes Here, the sinc function is defined by the following equation.
【００３０】[0030]
【数１１】 式（１０）で表される出力信号ｓ2(t)は，入力信号ｓ
1(t)に比べて、振幅において電圧で（ＴＢ）1/2 倍、電
力においてＴＢとなり、パルス幅は約１／ＴＢ倍となる
ことがわかる（ｓ1(t)のパルス幅がＴであり、ｓ2(t)の
パルス幅が約１／Ｂとなる）。ＴＢで表されるこの量を
圧縮率という。パルス圧縮フィルタの周波数領域におけ
る出力は、ｓ2(t)のフーリエ変換又はＳ1(f)とＨ(f) の
積で表され、[Equation 11] The output signal s 2 (t) expressed by the equation (10) is the input signal s
Compared with 1 (t), the amplitude is (TB) 1/2 times the voltage, and the power is TB, and the pulse width is about 1 / TB times (the pulse width of s 1 (t) is T. Yes, the pulse width of s 2 (t) becomes about 1 / B). This amount expressed in TB is called the compression rate. The output in the frequency domain of the pulse compression filter is represented by the Fourier transform of s 2 (t) or the product of S 1 (f) and H (f),
【００３１】[0031]
【数１２】 となる。次に、パルス圧縮フィルタがマッチドフィルタ
として構成されている場合を考える。マッチドフィルタ
とは、そのフィルタの入力におけるＳＮ比（ピーク信号
電力対平均雑音電力）を固定したとき出力のＳＮ比が最
大となるフィルタをいう。但し、ここでは雑音はホワイ
トガウシアンとする。このときマッチドフィルタの伝達
関数は、出力信号の遅延を無視すれば、(Equation 12) Becomes Next, consider the case where the pulse compression filter is configured as a matched filter. The matched filter is a filter that maximizes the SN ratio of the output when the SN ratio (peak signal power to average noise power) at the input of the filter is fixed. However, the noise is white Gaussian here. At this time, the transfer function of the matched filter, if the delay of the output signal is ignored,
【００３２】[0032]
【数１３】 で与えられる。ここに、アスタリスク「＊」は、共役複
素数を表す。また、フィルタのインパルスレスポンス
は、(Equation 13) Given in. Here, an asterisk "*" represents a complex conjugate number. Also, the impulse response of the filter is
【００３３】[0033]
【数１４】 で表される。したがって、時間領域における出力信号ｓ
1(t)とｈM (t) のコンボリューション積分により得ら
れ、[Equation 14] It is represented by Therefore, the output signal s in the time domain
Obtained by convolution integration of 1 (t) and h M (t),
【００３４】[0034]
【数１５】 となる。式（１０）との比較を容易にするために、式
（１５）を正規化すれば、最終的に得られる波形の振幅
は(Equation 15) Becomes If equation (15) is normalized to facilitate comparison with equation (10), the amplitude of the finally obtained waveform will be
【００３５】[0035]
【数１６】 となる。式（１６）において、振幅のピークが生じるｔ
＝０より時間軸方向に離れるにしたがって分子の第２項
は小さくなるので、式（１６）は、式（１０）で表され
る波形の振幅とほぼ同じになる。式（１０）の波形を図
示すると、図８のようになる。この図から、周波数偏移
Ｂを大きくする程、図８の波形のパルス幅は狭くなり、
高さは高くなることがわかる。このことは、目標から反
射されて返ってきたチャープ波を上記のように信号処理
することによって、距離分解能を高めることができるこ
とを意味する。(Equation 16) Becomes In Expression (16), t at which the amplitude peak occurs
Since the second term of the numerator becomes smaller with increasing distance from = 0 in the time axis direction, the equation (16) becomes almost the same as the amplitude of the waveform represented by the equation (10). FIG. 8 shows the waveform of the equation (10). From this figure, the larger the frequency shift B is, the narrower the pulse width of the waveform of FIG.
It can be seen that the height increases. This means that the distance resolution can be improved by processing the chirp wave reflected from the target and returned as described above.
【００３６】以上の議論は、主としてレーダー技術にお
ける電磁波に対する信号処理を対象としているが、レー
ザー超音波検査装置における超音波信号に対する信号処
理にも同様の議論がそのまま適用できる。図１の装置の
被検体１６において発生させるチャープ波の超音波につ
いてＢを大きくするには、被検体１６の傾きを大きくす
ればよい。もっとも、上記の説明では、図１に示した被
検体１６を傾ける角度が大きくなればなる程、位置分解
能は高くなるが、一方で、被検体を傾けることによる超
音波を発生させるためのレーザー光の単位面積当たりの
強度が低下して、十分な強度の超音波が発生できなくな
るという問題がある。したがって、被検体１６を傾ける
角度には、位置分解能とレーザー光の強度との兼ね合い
で、適当な角度とする必要がある。Although the above discussion mainly deals with signal processing for electromagnetic waves in radar technology, the same discussion can be applied as it is to signal processing for ultrasonic signals in a laser ultrasonic inspection apparatus. In order to increase B for the chirp wave ultrasonic wave generated in the subject 16 of the apparatus of FIG. 1, the inclination of the subject 16 may be increased. However, in the above description, the greater the angle at which the subject 16 shown in FIG. 1 is tilted, the higher the positional resolution becomes, but on the other hand, the laser beam for generating ultrasonic waves by tilting the subject is used. There is a problem in that the intensity per unit area of is reduced and it becomes impossible to generate ultrasonic waves of sufficient intensity. Therefore, the angle at which the subject 16 is tilted needs to be an appropriate angle in consideration of the positional resolution and the intensity of the laser light.
【００３７】本発明は上記実施の形態に限定されるもの
ではなく、その要旨の範囲内で種々の変形が可能であ
る。The present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and various modifications can be made within the scope of the gist thereof.
【００３８】[0038]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被検体を所定の角度に傾けて配置し、これに、回折格子
を利用して多数分岐させたレーザービームを照射するこ
とによって、多数のレーザービームの照射によって被検
体中に生じる超音波を、時間的に直線的に変化する波
形、すわなちチャープ波形とすることができるため、こ
の超音波を検出し、レーダー技術の分野において知られ
ている所定の信号処理を行うことによって、トーンバー
スト状の超音波を発生させた場合に問題となる欠陥の位
置分解能の低下という問題を回避して、高い分解能で欠
陥の位置を検出することが可能となり、同時に、回折格
子で多数に分岐したレーザービームで超音波を発生させ
ることによって高いＳＮ比が得られるという従来の利点
を維持することも可能となるレーザー超音波検査装置及
びレーザー超音波検査方法を提供することができる。As described above, according to the present invention,
By arranging the subject at a predetermined angle and irradiating it with a laser beam that is branched using a diffraction grating, ultrasonic waves generated in the subject due to the irradiation of the multiple laser beams Since a waveform that linearly changes linearly, that is, a chirp waveform can be obtained, by detecting this ultrasonic wave and performing predetermined signal processing known in the field of radar technology, a tone burst-like waveform can be obtained. It becomes possible to detect the position of the defect with high resolution by avoiding the problem of the deterioration of the position resolution of the defect, which is a problem when ultrasonic waves are generated. A laser ultrasonic inspection apparatus and a laser ultrasonic inspection apparatus that can maintain the conventional advantage that a high SN ratio can be obtained by generating ultrasonic waves. The method can be provided.
【図１】本発明の一実施形態のレーザー超音波検査装置
の概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a laser ultrasonic inspection apparatus according to an embodiment of the present invention.
【図２】レーザーの照射によって発生された超音波が被
検体の表層部を伝播する経路を模式的に描いた図であ
る。FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a path in which an ultrasonic wave generated by laser irradiation propagates in a surface layer portion of a subject.
【図３】レーザー光に対して被検体を傾けたときにどの
ようにビームが当たるかを拡大して示した図である。FIG. 3 is an enlarged view showing how a beam strikes when a subject is tilted with respect to laser light.
【図４】傾いた被検体に回折格子で回折したレーザー光
を照射したときの干渉縞のパターンを模式的に示す図で
ある。FIG. 4 is a diagram schematically showing an interference fringe pattern when a tilted subject is irradiated with laser light diffracted by a diffraction grating.
【図５】間隔が徐々に変化する干渉縞を被検体に照射し
たときに発生する超音波の波形を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a waveform of ultrasonic waves generated when a subject is irradiated with interference fringes whose intervals are gradually changed.
【図６】間隔が徐々に変化する干渉縞を被検体に照射し
たときに発生する超音波の周波数の時間的な変化を示す
図である。FIG. 6 is a diagram showing temporal changes in frequency of ultrasonic waves generated when an object is irradiated with interference fringes whose intervals are gradually changed.
【図７】チャープ波のスペクトルの位相及び振幅の様子
を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a state of a phase and an amplitude of a spectrum of a chirp wave.
【図８】チャープ波に対する信号処理の結果得られた信
号の波形を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a waveform of a signal obtained as a result of signal processing on a chirp wave.
【図９】従来のレーザー超音波装置の概略構成図であ
る。FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a conventional laser ultrasonic device.
【図１０】回折格子によって回折されたレーザービーム
を被検体に垂直に照射したときの縞状の強度分布を示す
図である。FIG. 10 is a diagram showing a striped intensity distribution when a laser beam diffracted by a diffraction grating is vertically irradiated to a subject.
【図１１】多数分岐したレーザービームを被検体にほぼ
垂直に照射したときに生じるトーンバースト状の超音波
の波形を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a waveform of a tone-burst-like ultrasonic wave generated when a subject is irradiated with a laser beam branched into multiple beams substantially vertically.
１０ レーザー光源 １１，１２ ミラー １３ 拡散用レンズ １４ フォーカス用レンズ １５，５１ 回折格子 １６ 被検体 ２０ レーザー干渉計 ２１ コンピュータ ２２ ＣＲＴ ３０，３１ 回転機構 ４０ 超音波発生領域 ４１ 欠陥 ４２ 超音波検出領域 ５２ レーザービーム ５３ アルミニウムブロック 10 Laser Light Source 11, 12 Mirror 13 Diffusion Lens 14 Focusing Lens 15, 51 Diffraction Grating 16 Subject 20 Laser Interferometer 21 Computer 22 CRT 30, 31 Rotation Mechanism 40 Ultrasonic Wave Generation Area 41 Defect 42 Ultrasonic Detection Area 52 Laser Beam 53 Aluminum block
Claims (2)
定の部位に照射するレーザー光源手段と、 前記レーザー光を回折してレーザービームを複数に分岐
させる回折格子と、 複数に分岐された前記レーザービームが被検体に照射さ
れることにより発生する超音波の周波数が、時間的に変
化するように、前記被検体を前記回折格子に対して所定
の角度に傾ける被検体傾斜手段と、 前記被検体を伝播する前記超音波を検出する超音波検出
手段と、 前記超音波検出手段によって検出された超音波信号に対
して所定の処理を施し、前記被検体における欠陥の存在
及びその位置を検出する信号処理手段と、 を具備することを特徴とするレーザー超音波検査装置。1. A laser light source means for generating a laser beam for ultrasonic wave excitation and irradiating the laser beam to a predetermined portion, a diffraction grating for diffracting the laser beam to divide the laser beam into a plurality of beams, and a plurality of branched laser beams. An object inclining means for inclining the object at a predetermined angle with respect to the diffraction grating so that the frequency of ultrasonic waves generated by irradiating the object with the laser beam changes with time, Ultrasonic detecting means for detecting the ultrasonic waves propagating through the subject, and subjecting the ultrasonic signal detected by the ultrasonic detecting means to predetermined processing to detect the presence and position of a defect in the subject. A laser ultrasonic inspection apparatus comprising:
ザー光を回折格子に照射して複数に分岐したレーザービ
ームを生成し、これらを、前記回折格子に対して所定の
角度だけ傾けて配置した被検体に照射することにより、
周波数が時間的に変化する超音波を前記被検体に発生さ
せ、前記被検体を伝播する前記超音波を検出し、この超
音波信号に対して所定の信号処理を行うことによって、
前記被検体における欠陥の存在及びその位置を検査する
ことを特徴とするレーザー超音波検査方法。2. A laser beam from a laser light source for ultrasonic wave excitation is applied to a diffraction grating to generate a laser beam branched into a plurality of beams, which are arranged at a predetermined angle with respect to the diffraction grating. By irradiating the subject,
The ultrasonic wave whose frequency changes with time is generated in the subject, the ultrasonic wave propagating through the subject is detected, and by performing predetermined signal processing on the ultrasonic signal,
A laser ultrasonic inspection method comprising inspecting the presence and position of a defect in the subject.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8095082A JPH09281085A (en) | 1996-04-17 | 1996-04-17 | Apparatus and method for inspecting laser ultrasonic wave |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8095082A JPH09281085A (en) | 1996-04-17 | 1996-04-17 | Apparatus and method for inspecting laser ultrasonic wave |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09281085A true JPH09281085A (en) | 1997-10-31 |
Family
ID=14128032
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8095082A Withdrawn JPH09281085A (en) | 1996-04-17 | 1996-04-17 | Apparatus and method for inspecting laser ultrasonic wave |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09281085A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100446181C (en) * | 2001-09-25 | 2008-12-24 | 株式会社半导体能源研究所 | Laser irradiation method and laser irradiation device and method of manufacturing semiconductor device |
| US7943885B2 (en) | 2001-09-25 | 2011-05-17 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Laser irradiation method and method of manufacturing semiconductor device |
| WO2011140911A1 (en) * | 2010-05-14 | 2011-11-17 | Wang Bo | Crack detection system and method |
-
1996
- 1996-04-17 JP JP8095082A patent/JPH09281085A/en not_active Withdrawn
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| US9748099B2 (en) | 2001-09-25 | 2017-08-29 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Laser irradiation method and laser irradiation device and method of manufacturing semiconductor device |
| US10366885B2 (en) | 2001-09-25 | 2019-07-30 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Laser irradiation method and laser irradiation device and method of manufacturing semiconductor device |
| US10910219B2 (en) | 2001-09-25 | 2021-02-02 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Laser irradiation method and laser irradiation device and method of manufacturing semiconductor device |
| WO2011140911A1 (en) * | 2010-05-14 | 2011-11-17 | Wang Bo | Crack detection system and method |
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