JPS5890164A - Method and device for transmission and reception of ultrasonic wave by laser light - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To enable rapid scanning of the broad surface of an object having an arbitrary form, by merging optical paths of laser lights into one before they reach the object to be inspected, in ultrasonic transmission and reception for detecting the mechanical displacement on the surface of the object by using separate laser lights. CONSTITUTION:Q switch pulse laser lights L1 having a short time width and a high output and being generated from a laser light source 11 for generating ultrasonic waves are merged into the optical path of laser lights 2 for reception by total internal reflection mirrors 25 and 24 for a wavelength lambda1. They are further reflected by total internal reflection mirrors 26 and 27 and reach a sample 5 to be measured, where they generate ultrasonic waves. Next, laser lights L2 generated by a laser light source 12 for receiving ultrasonic waves are applied at a point of generation of the ultrasonic waves through the intermediary of an optical divider 22, a light-transmitting mirror 24 and the reflection mirros 26 and 27 for a wavelength lambda2. Diffused lights thus obtained are given to an interferometer 29 and detected by a photosensing device 17. The relflection mirror 27 is driven to rotate by a rotary mirror driving device 28, and is capable of scanning widely and rapidly the surface of the sample 5 even when it has an arbitrary form.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザ光を用いて非接触にて超音波を発受信す
る装置において、超音波発生用ならびに受信用レーデ光
を走査する方法および装置に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method and apparatus for scanning radar light for ultrasonic generation and reception in an apparatus for non-contactly transmitting and receiving ultrasonic waves using laser light.

近来、鉄鋼製造プロセス等の各種製造工程において、早
期の品質管理すなわち製造損失の減少を月相して、熱間
での探傷、測定技術への夢精が高まっている。このよう
な背景に応えて、非接触で超音波発受信が可能な磁界と
電流の相互作用を利用した電磁超音波技術やレーデ光に
よる超音波発受信技術に関する各種の提案がなされてい
る。また、一般に探傷や測定を行なう場合、被測定試料
全面の計測をすることが望まれ、例えば電磁超音波を用
いる場合、超音波発受信技術体を走査する方法、あるい
は、複数の発受信端をならべる方法等が実施されている
。しかし、これらの方法では、発受信端の走査装置や、
多数の発受信端を必要とするなど装置自体が大がかりに
なる欠点があった。BACKGROUND ART Recently, in various manufacturing processes such as steel manufacturing processes, there has been an increasing interest in hot flaw detection and measurement techniques in order to achieve early quality control, that is, to reduce manufacturing losses. In response to this background, various proposals have been made regarding electromagnetic ultrasound technology that utilizes the interaction between a magnetic field and current and ultrasound technology that uses Raded light to transmit and receive ultrasound without contact. In addition, when performing flaw detection or measurement, it is generally desirable to measure the entire surface of the sample to be measured. For example, when using electromagnetic ultrasound, a method of scanning an ultrasonic transmitting and receiving device, or a method of scanning multiple transmitting and receiving ends is required. Methods such as arranging them are being implemented. However, these methods require scanning devices at the transmitting and receiving ends,
This had the disadvantage that the device itself was large-scale, requiring a large number of transmitting and receiving terminals.

ところで、強力なパルスレーザ光を試料面に照射すると
、試料のごく表面層の物質が瞬時のうち忙蒸発、飛散し
その圧縮応力で試料面に強力なパルス状の超音波が発生
する。このような超音波発生技術は、光学的であるがゆ
えに回転鏡により走査をすることが可能で、これを応用
し、例えば特開昭５４−１５３０９２号公報に示される
様な、レーザ光を回転鏡で走査することにより超音波を
発生走査し、直線状に配置された多数の電磁超音波検出
端で超音波を検出する方法が提案されている。By the way, when a strong pulsed laser beam is irradiated onto a sample surface, the material on the very surface layer of the sample is instantaneously evaporated and scattered, and the resulting compressive stress generates strong pulsed ultrasonic waves on the sample surface. Since this type of ultrasonic wave generation technology is optical, it is possible to scan with a rotating mirror, and by applying this, for example, as shown in Japanese Patent Application Laid-open No. 153092/1983, a laser beam is rotated. A method has been proposed in which ultrasonic waves are generated and scanned by scanning with a mirror, and the ultrasonic waves are detected using a large number of electromagnetic ultrasonic detection ends arranged in a straight line.

１−かじ、電磁超音波法には、試料面と検出端との間隔
の変動が４Ｎ号強度に強く影響する、という欠点があり
、複数の検出端の感度調整が困難な事、また前記の如く
装置が犬がかりになる、という欠点もある。1-The electromagnetic ultrasonic method has the disadvantage that variations in the distance between the sample surface and the detection end strongly affect the No. 4N intensity, making it difficult to adjust the sensitivity of multiple detection ends, and the above-mentioned problem. Another drawback is that the device is dependent on the dog.

また超音波の受信もレーザ光を用いた光干渉法で行なう
提案がなされている。第１図はその１例でマイケルソン
形干渉計を示したものであり、レーザ源１から発生した
レーザ光は、光ビーム分割器２で測定ビーム３と比較ビ
ーム４に分割でれ、それぞれ試料５および全反射鏡６で
反射された後、合体され光電感知装置７で検出される。There have also been proposals to receive ultrasonic waves by optical interference using laser light. Figure 1 shows an example of a Michelson interferometer, in which a laser beam generated from a laser source 1 is split into a measurement beam 3 and a comparison beam 4 by an optical beam splitter 2, each of which is directed toward a sample. 5 and a total reflection mirror 6, the light is combined and detected by a photoelectric sensing device 7.

ここで試料面が微小振動した場合、測定ビーム３の位相
が変化し、比較ビーム４との干渉の結果、光強度が変動
する。しかし、この方法では、試料面が光学的に平坦で
あることが要求されるという欠点がある。このような背
景から、特公昭５６−１９５６１号公報に示されるよう
な、表面が粗面であっても微小振動が検出可能な方法（
以下過渡干渉計と呼ぶ）が提案された。第２図はその原
理を示すもので、レーザ源１から発生したレーザ光は試
料５の表面で反射し光ビーム分割器２で測定ビーム８ａ
と比較ビーム８ｂに分割される。それぞれのビームは全
反射鏡６および９で反射され再び光ビーム分割器で合体
され光電感知装置７に伝達されるが、上記中比較ビーム
８ｂの伝達経路を測定ビーム８ａのそれに比して長くと
ることで両ビーム間に時間的遅延を設けている。したが
って試料５の表面が微小変位した場合、測定ビーム８ａ
と比較ビーム８ｂ間に時間的遅延に相当する位相ずれに
加えて、試料５の表面変位に相当する位相が付加され、
干渉の結果光強度が変化する。この場合、表面での散乱
光を分割した上干渉させているので、試料表面が粗面で
あっても有用であるが、試料表面を走査する場合、レー
ザ源ｌと干渉系１０が同一点を見込むよう、２枚の回転
鏡を独立に制御する必要があり、また超音波の発生もレ
ーザ光で行なう場合には、さら【もう１枚の回転鏡を付
加する必要性がある。If the sample surface undergoes minute vibrations, the phase of the measurement beam 3 changes, and as a result of interference with the comparison beam 4, the light intensity fluctuates. However, this method has the disadvantage that the sample surface is required to be optically flat. Against this background, a method that can detect minute vibrations even if the surface is rough, as shown in Japanese Patent Publication No. 56-19561 (
(hereinafter referred to as a transient interferometer) was proposed. FIG. 2 shows the principle of this method. The laser beam generated from the laser source 1 is reflected by the surface of the sample 5, and the beam splitter 2 sends the measurement beam 8a.
and comparison beam 8b. Each beam is reflected by the total reflection mirrors 6 and 9, combined again by the optical beam splitter, and transmitted to the photoelectric sensing device 7, but the transmission path of the middle comparison beam 8b is made longer than that of the measurement beam 8a. This creates a time delay between both beams. Therefore, if the surface of the sample 5 is slightly displaced, the measurement beam 8a
In addition to the phase shift corresponding to the time delay between the comparison beam 8b and the comparison beam 8b, a phase corresponding to the surface displacement of the sample 5 is added,
The light intensity changes as a result of interference. In this case, the scattered light on the surface is divided and then interfered, so it is useful even if the sample surface is rough. However, when scanning the sample surface, the laser source l and the interference system 10 are at the same point. Therefore, it is necessary to control the two rotating mirrors independently, and if ultrasonic waves are also generated using laser light, it is necessary to add another rotating mirror.

ここでこの方法の実施例を第３図から第５図に示すが、
第３図や第４図のように被測定対象が複雑な形状の場合
、発生用レーデ光し１％受信用レーザ光Ｌ：ならびに受
信用散乱ビームＬ３が同一点を見込むように３枚の回転
鏡１４．１５．１６の回転角をそれぞれ制御することは
極めて困難である。また第５図のように被測定対象が板
状の場合、回転鏡の回転角制御は前述の例程困難ではな
いが、対象が走行中にばたつくような場合に対す（５） る対応は不可能に近い。Examples of this method are shown in FIGS. 3 to 5,
When the object to be measured has a complicated shape as shown in Figures 3 and 4, the three beams are rotated so that the generation radar beam, the 1% reception laser beam L: and the reception scattered beam L3 are focused on the same point. It is extremely difficult to control the rotation angle of the mirrors 14, 15, 16 respectively. In addition, when the object to be measured is plate-shaped as shown in Figure 5, controlling the rotation angle of the rotating mirror is not as difficult as in the example above, but it is not possible to deal with cases where the object flutters while running (5). Close to possible.

本発明は、上述の欠点を解消し、超音波の発受信ともレ
ーザ光を用いて行ない、かつその走査を可能とすること
を目的とするものである。即ち本発明は、超音波発生な
らびに受信用にそれぞれ別個のレーザ光を使用し、それ
らの光路を被測定物体に到る以前に同一にし、１個の回
転鏡による走査を可能とすることにより任意の形状の対
象についての広い範囲にわたる超音波計測を可能とする
ことを特徴としている。It is an object of the present invention to eliminate the above-mentioned drawbacks, to perform both transmission and reception of ultrasonic waves using laser light, and to enable scanning thereof. That is, the present invention uses separate laser beams for generating and receiving ultrasonic waves, makes their optical paths the same before reaching the object to be measured, and enables scanning with a single rotating mirror, thereby making it possible to perform scanning using a single rotating mirror. It is characterized by enabling ultrasonic measurement over a wide range of objects with the shape of .

以下図示の実施例全参照しながらこれを詳細に説明する
。This will be explained in detail below with reference to all the illustrated embodiments.

第６図は本発明の実施例を示す側面図、第７図は、第６
図のａ−ｂ方向に見た正面図である。超音波発生用レー
ザ光源１１より発生した時間幅の短かい（例えば２０　
ｎａｅｃ　）高出力（例えば５０　ＭＷ）のＱスイッチ
・ｆシスレーデ光Ｌｕ　　（波−１ｉλ＋）Ｊｄ波長λ
ｌに対する全反射鏡２５．２４によって受信用レーザ光
り、の光路に合体せしめられ、さらに全反射鏡２６．２
７に反射され被測定試料５に（６） 到達し超音波を発生する。次に超音波受信用レーザ光源
１２より発生したレーザ光Ｌ２　（波長λ２、λ２Ｎλ
１）は、波長λ２に対する光ビーム分割器２２、透過鏡
２４、全反射鏡２６．２７を介して、該超音波発生点を
照射する。ここで超音波受信用レーザ光Ｌ２は、ノーマ
ル発振のパルス（伝えば）ｅルス幅２００μ５ｅｃ）も
しくは連続光である。超音波発生用レーデ光Ｌ１によっ
て発生した超音波は被測定試料５の中を伝播（−１他面
で反射しエコーとして超音波発生点オで伝播し機械的変
位を生ぜしめる。超音波受信用レーザ光Ｌ２は、該機械
的変位の情報を担って被測定試本ト５の表面で散乱し、
そのうちの回転鏡２７の方向へ散乱された光は、波長λ
２に対する全反射鏡２７．２６、透過鏡２４、光ビーム
分割器２２を介して干渉系２９に到る。その後、該散乱
光は光ビーム分割器２１で２つのビーム、１ｌｌｌ＋定
ビームＬ４と比較ビームＬ５にｆ）割され、そのうちの
比較ビームＬ５は、全反射鏡１８．１９．２０で構成さ
れる遅延経路を経た後、全反射億２３で反射され戻って
きた測定ビームＬ４と合体され、光電感知装置１７に到
って検出される。ここで第６図中の各種鏡について１と
めると、反射鏡］、　８　、１９　、２０　、２３　、
２５　。FIG. 6 is a side view showing an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a side view showing an embodiment of the present invention.
It is a front view seen in the a-b direction of the figure. The time width generated by the ultrasonic wave generation laser light source 11 is short (for example, 20
naec) High output (e.g. 50 MW) Q-switch f sislade light Lu (wave -1iλ+) Jd wavelength λ
The receiving laser beam is combined into the optical path of the receiving laser beam by a total reflection mirror 25.24 for the total reflection mirror 26.2.
7 and reaches the sample to be measured 5 (6), generating an ultrasonic wave. Next, laser light L2 (wavelength λ2, λ2Nλ
1) irradiates the ultrasonic generating point via the light beam splitter 22, the transmitting mirror 24, and the total reflection mirrors 26 and 27 for the wavelength λ2. Here, the ultrasonic receiving laser beam L2 is a normal oscillation pulse (if transmitted) with a pulse width of 200 μ5 ec) or continuous light. The ultrasonic waves generated by the radar light L1 for ultrasonic generation propagate in the sample to be measured 5 (-1) and are reflected from the other surface and propagate as echoes at the ultrasonic generation point O, causing mechanical displacement.For ultrasonic reception. The laser beam L2 carries information on the mechanical displacement and is scattered on the surface of the sample to be measured 5,
Among them, the light scattered in the direction of the rotating mirror 27 has a wavelength λ
The light reaches an interference system 29 via a total reflection mirror 27, 26, a transmission mirror 24, and a light beam splitter 22 for the light beam. Thereafter, the scattered light is divided by a light beam splitter 21 into two beams, 1llll + constant beam L4 and a comparison beam L5, of which the comparison beam L5 is a delayed beam formed by a total reflection mirror 18, 19, 20. After passing through the path, it is reflected by the total reflection beam 23 and combined with the returning measurement beam L4, and reaches the photoelectric sensing device 17 where it is detected. Here, regarding the various mirrors shown in Fig. 6, the following are reflected mirrors], 8, 19, 20, 23,
25.

２６．２７は全反射鏡、光ビーム分割器２１゜２２は波
長λ２に対する光ビーム分割器、反射鏡２４は波長λ１
に対して全反射、波長λ２に対して透過であるような波
長選択性全反射鏡である。26 and 27 are total reflection mirrors, light beam splitters 21 and 22 are light beam splitters for wavelength λ2, and reflector 24 is for wavelength λ1.
It is a wavelength-selective total reflection mirror that is totally reflective for the wavelength λ2 and transparent for the wavelength λ2.

なお、このような反射鏡は多層膜蒸着法によって実現さ
れる。以上のよう々配置で、一つの光軸上に合体された
超音波発生用ならびに受信用レーザ光は、回転鏡駆動装
置２８によって駆動される回転鏡２７で、被測定試料５
の上を走査する。第７図は、その走査の様子を示したも
ので、被測定試料５が、第６図中の白抜き、矢印の方向
へ移動しているものとすれば、広い範囲にわたるジグザ
グ状の走査が可能となる。Note that such a reflecting mirror is realized by a multilayer film deposition method. With the above arrangement, the ultrasonic generation and reception laser beams combined on one optical axis are transmitted to the sample to be measured by the rotating mirror 27 driven by the rotating mirror drive device 28.
Scan above. FIG. 7 shows the state of the scanning. Assuming that the sample to be measured 5 is moving in the direction of the white arrow in FIG. It becomes possible.

ここで、超音波受信用レーザ光り、の被測定試料５での
散乱光が該機械的変位１（よって位相のみずれるとする
と、干渉系２９中の遅延経路は、信号の良好ない比を得
るためには、比較ビームＬ。Here, assuming that the scattered light of the ultrasonic receiving laser beam on the sample to be measured 5 is shifted by the mechanical displacement 1 (therefore, only the phase is shifted), the delay path in the interference system 29 is used to obtain a good signal ratio. For comparison beam L.

と測定ビームＬ４の光路差が波長λ２のＡの奇数倍とな
る必要がある。ところで光波の移動体によって散乱され
るとドッゾラ効果により周波数変調を受ける。したがっ
て、ある時刻ｔにおける測定ビームＬ４ならび比較ビー
ムＩ、、ｌけそれぞれ（１）。The optical path difference between the measurement beam L4 and the measurement beam L4 needs to be an odd multiple of A of the wavelength λ2. By the way, when light waves are scattered by a moving object, they undergo frequency modulation due to the Dozzola effect. Therefore, at a certain time t, the measurement beam L4 and the comparison beam I, , l are each (1).

（２）式のように表わされる。It is expressed as in equation (2).

ｙｌ（ｔ）　＝　’＋μｓ（２πｆ１ｔ＋φ１）　　　
・・・（１）Ｙ＄）＝　Ｅ２所（２πｆ２ｔ＋φ２〕　
　　・・・（２）ここでｆｌ、　ｆ２．φ１．φ２はそ
れぞれのビームの時刻【における周波数および位相を表
わし、典型的な場合として比較ビームＬ１１が超音波エ
コーの到着前、測定ビームＬ４が到着後の情報全損って
いる時点においては ｆ、＝ｆｏ十Δｆ（ｆｏ：受信用レーデ光の周波数ｆ２
＝ｆｏ　　　　　　Δｆ：ドッグラ効果による周波数偏
移）φ１＝φ、　　（φ、：機械的変位に相補する位相
差）φ２＝Ｏ となる。したがって、光電感知装置１７における光電界
ｅ（１）は （９） ｅ（ｔ）　”　”１（ｔ）　＋”２（ｔ）＝Ｒｅ〔（Ｅ
ｌｅｘｐ（ｊφ、）＋Ｅ、、　６ＸＰｊ　（２πｆａｔ
＋φ２）Ｉｅｘｐ（ｊ２πｆ、ｔ）〕（ｆｏ＝ｆ２−　
ｆ、）　　　　　　　　・（３）したがって光電感知装
置１７の出力電流は■ｏｃ　［Ｅｌｅ　ｘｐ　（ｊφ１
）＋Ｅ２ｅｘｐ（ｊ（２πｆｏｔ＋φ２））〕×［：Ｅ
ｌｅｘｐ（−Ｊφ１）＋Ｅ２ｅｘｐ　（−ｊ（２πｆｏ
ｔ＋φ２））〕＝　Ｅ１＋ＦＣ２＋２Ｅ１Ｅ２ｃｎｓ　
（２πｆｏｔ＋φ２−φ１）・・・（４）検出信号中、
該機械的変位の情報は（４）式右辺第３項である。さて
、Ｑスイッチされたレーデ光Ｌ１によって発生する超音
波は、数ＭＩ（ｚから数１０ＭＨｚの帯域成分が主成分
であり、一般にこのような周波数範囲の場合、検出信号
には位相偏移より周波数偏移の方が大きく寄与する。し
たがって、干渉系２９中の遅延経路長に関しては、前記
のような厳密な調整は要求されない。yl(t) = '+μs(2πf1t+φ1)
... (1) Y$) = E2 place (2πf2t + φ2)
...(2) Here, fl, f2. φ1. φ2 represents the frequency and phase of each beam at time [, and in a typical case, when the comparison beam L11 has lost all information before the ultrasonic echo arrives and the measurement beam L4 has arrived after the arrival, f,= fo + Δf (fo: frequency f2 of the receiving radar light
=fo Δf: frequency shift due to Dogler effect) φ1=φ, (φ,: phase difference complementary to mechanical displacement) φ2=O. Therefore, the photoelectric field e(1) in the photoelectric sensing device 17 is (9) e(t) ” ”1(t) +”2(t)=Re[(E
lexp(jφ,)+E,, 6XPj (2πfat
+φ2) Iexp(j2πf, t)](fo=f2−
f, ) ・(3) Therefore, the output current of the photoelectric sensing device 17 is ■oc [Ele xp (jφ1
)+E2exp(j(2πfot+φ2))]×[:E
lexp(-Jφ1)+E2exp(-j(2πfo
t+φ2))=E1+FC2+2E1E2cns
(2πfot+φ2-φ1)...(4) In the detection signal,
Information on the mechanical displacement is the third term on the right side of equation (4). Now, the main component of the ultrasonic wave generated by the Q-switched Raded light L1 is a band component from several MI (z to several tens of MHz). The deviation makes a larger contribution.Therefore, as for the delay path length in the interference system 29, strict adjustment as described above is not required.

以上に述べたように本発明によれば、被測定体（１０） と超音波発受信系を数ｍ離し、なおかつ走査し得るとい
う利点があるので、広い範囲にわたって熱間での超音波
による探傷、厚み測定、介在物検出、超音波伝播速度に
よる温度測定など多種多様々適用が可能であり、また光
学的な超音波発受信法であるので、電磁超音波技術を適
用できないような空間的制約のきびしい場所での計測に
も有効である、という利点ヲ有する。また上述のように
各レーザ光の光軸の調整以外は、厳密な調整や制御を必
要としない、という利点があるので、実際の生産工程な
ど悪環境下での実機化に有利である。As described above, according to the present invention, there is an advantage that the object to be measured (10) and the ultrasonic transmitting/receiving system can be separated by several meters and scanning can be performed. It can be applied to a wide variety of applications such as thickness measurement, inclusion detection, and temperature measurement using ultrasonic propagation velocity.Also, since it is an optical ultrasonic transmission/reception method, there are no spatial constraints where electromagnetic ultrasonic technology cannot be applied. It has the advantage of being effective for measurements in harsh locations. Furthermore, as mentioned above, there is an advantage that no strict adjustment or control is required other than the adjustment of the optical axis of each laser beam, so it is advantageous for practical application under adverse environments such as actual production processes.

なお、以上の実施例においては、２種の波長のレーザ光
の走査に用いる全反射鏡は平面鏡であるものとしたが、
中心軸の１わりを回転する正ｎ角柱形の全反射鏡であっ
てもよい。In addition, in the above embodiment, the total reflection mirror used for scanning the laser beams of two different wavelengths was a plane mirror.
It may also be a regular n-prismatic total reflection mirror that rotates around one central axis.

また実施例において、干渉系２９は、過渡干渉系とした
けれども、マイケルソン型干渉系でも勿論よい。Further, in the embodiment, the interference system 29 is a transient interference system, but it may of course be a Michelson type interference system.

また更に、第６図の実施例において該２種のレーザ光の
光路を一致させる場合、超音波発生用レーザ光の光路を
受信用レーザ光の光路に一致させ走査したが、発生用レ
ーザ源１１、受信用レーザ源１２、干渉系２９の配置を
適宜変更しても上述と同じ効果が得られる。第８図から
第１０図は、本発明の他の実施例を示す。これらの場合
、第６図中の平面鏡２２．２４に対応する鏡の特性が変
わり、第８図の場合鏡３０は、受信用レーザ光の波長λ
２に対する光ビーム分割器、鏡３１は発生用レーザ光の
波長λ１に対しては透過、λ、に対しては全反射である
波長選択性全反射鏡である。Furthermore, in the embodiment shown in FIG. 6, when the optical paths of the two types of laser beams are made to coincide, the optical path of the ultrasonic generation laser beam is made to coincide with the optical path of the receiving laser beam and scanning is performed. Even if the arrangement of the receiving laser source 12 and the interference system 29 is changed as appropriate, the same effect as described above can be obtained. 8 to 10 show other embodiments of the invention. In these cases, the characteristics of the mirrors corresponding to the plane mirrors 22 and 24 in FIG. 6 change, and in the case of FIG.
The optical beam splitter and mirror 31 for 2 is a wavelength-selective total reflection mirror that transmits the wavelength λ1 of the generation laser beam and totally reflects the wavelength λ1.

第９図の場合、鏡３２はλ１に対して透過、λ鵞に対し
て全反射である波長選択性全反射鏡、鏡３３は両波長に
対する光ビーム分割器である。捷た第１０図の場合は、
鏡３４はλｌに対して透過、λ鵞に対して全反射である
波長選択性全反射鏡、鏡３５は両波長に対する光ビーム
分割器である。In the case of FIG. 9, the mirror 32 is a wavelength-selective total reflection mirror that transmits λ1 and totally reflects λ1, and the mirror 33 is a light beam splitter for both wavelengths. In the case of the truncated figure 10,
The mirror 34 is a wavelength-selective total reflection mirror that transmits λl and totally reflects λl, and the mirror 35 is a light beam splitter for both wavelengths.

なお、以上に示した本発明の実施例においては、超音波
発生用レーザ光の波長λ！と受信用レーデ光の波長λ２
は、それぞれ異なるものとしたが、これは任意の厚みを
持つ被測定対象に対して適用し得る、という観点からで
あった。すなわち、もし発生および受信用九同波長の光
源を用いると、発生用レーザ光の散乱光を光電感知装置
に到る前に除去することが不可能と力る。そのため、パ
ルス発生時点からある時間間隔の間、不感帯を生じ、も
し被測定対象の肉厚が薄くあるいけ内部欠陥が表Ｊｆｉ
近くにある場合超音波反射エコーが不感帯の間に到着す
ると計測不能に陥るためであった。したがって、もし被
測定対象の肉厚あるいは内部欠陥深さが不感帯の時間間
隔に和尚する値以上であれば、発生・受信用とも同波長
の光源を用いても検出信号のＳ／Ｎ比は若干低下するが
上述とほぼ同様な効果が得られる。この場合光源ならび
に干渉系の配置は、第６図から第１０図に示した配置と
全く同一で、第６図中の平面鏡２２．２４に対応する鏡
への要求が軽くなる。第１１図から第１４図は、以上の
内容の実施例を示すもので、超音波発生用レーザ源１１
ならびに受信用レーザ源１２の出力光の波長λ１　、λ
２は等しく、また各図中の平面鏡３６．３７は共に該波
長に対する光ビー（１３） ム分割器である。In addition, in the embodiment of the present invention shown above, the wavelength λ! of the laser beam for generating ultrasonic waves! and the wavelength λ2 of the receiving radar light
are different from each other, from the viewpoint that they can be applied to objects to be measured having any thickness. That is, if a light source with the same wavelength for generation and reception is used, it is impossible to remove the scattered light of the generation laser beam before it reaches the photoelectric sensing device. Therefore, a dead zone occurs for a certain time interval from the time of pulse generation, and if the wall thickness of the object to be measured is thin or internal defects are present,
This is because if the ultrasonic reflected echo arrives between the dead zone and the sensor is nearby, measurement becomes impossible. Therefore, if the wall thickness or internal defect depth of the object to be measured is greater than the value that satisfies the time interval of the dead zone, the S/N ratio of the detected signal will be slightly lower even if the light sources with the same wavelength are used for both generation and reception. Almost the same effect as described above can be obtained, although the reduction is lower. In this case, the arrangement of the light source and the interference system is exactly the same as that shown in FIGS. 6 to 10, and the requirements for mirrors corresponding to the plane mirrors 22 and 24 in FIG. 6 are reduced. 11 to 14 show an embodiment of the above content, in which the ultrasonic generation laser source 11
and the wavelengths λ1 and λ of the output light of the receiving laser source 12
2 are equal, and the plane mirrors 36 and 37 in each figure are both optical beam splitters for the wavelength.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図は従来のマイケルソン形干渉計の配置を示す図解
図、第２図は過渡干渉計の原理的な配置を示す図解図で
ある。第３図から第５図は、種々の形状の測定対象に対
してレーザ光により発受信する超音波を走査する場合の
複数の回転鏡を用いる方法を示す図解図である。第６図
は本発明の実施例を示す側面図、第７図は第６図でａ−
ｂ線方向に見た部分正面図である。第８図から第１０図
は、本発明の他の実施例を示す図解図である。第１１図
から第１４図は本発明の更に他の実施例を示す図解図で
ある。 ■・・・レーザ、２・・・光ビーム分割器、５・・・被
測定試料、６・・・全反射鏡（平面鏡）、７・・・光電
感知装置、９・・・全反射鏡（平面鏡）、１１．１２・
・・レーザ、１３・・・光干渉装置、１４，１５．１６
・・・回転鏡（平面鏡）、１７・・・光電感知装置、１
Ｂ、１９゜２０・・・全反射鏡（平面鏡）、２１．２２
・・・光ビーム分割器、２３・・・全反射鏡（平面鏡）
、２４・・・波（１４） 長選択性全反射鏡（平面鏡）、２５．２６・・・全反射
鏡（平面鏡）、２７・・・回転鏡（平面鏡）、２８・・
・回転鏡駆動装置、３０・・・光ビーム分割器、３１゜
３２・・・波長選択性全反射鏡（平面鏡）、３３・・・
光ビーム分割器、３４・・・波長選択性全反射鏡（平面
鏡）、３５．３６．３７・・・光ビーム分割器。 第１回 第２ｚ （１５） 第３図 第４回 □− 亭６回 第７図 手続補正：’Ｆ　　（自発） 昭牙１１５８年２月１４０ 特許庁長官　若　杉　和　夫殿 ■　事件の表示 昭和５６年特許願第１８８９８７号 ２、　発明の名ゼド レーザ光による超音波発受信方法および装置３、補１１
モをする者 事件どの関係　特許出願人 東京都千代ＩＩ＋区大手町ニーＪ才１６番３−υ（６６
５）肪１１本製鐵株式會？ｌ。 代入−Ｋ　武　　１）　　　豊 ４、代理人〒１００ 東ぢ一部千代１１１区丸の内二丁１１４番１号６、　補
正の対象 明細書全文 ７、　補正の内容 別紙のとおり 明　　　　　細　　　　　書 １、発明の名称 レーザ光による超音波発受信方法および装置２、特許請
求の範囲 （１）時間幅の短かい高出力ｉＪ？ルスレーザ光を物体
の表面に照射してノＪ？ルス状の超音波を発生させ、該
超音波の反射エコーによって生ずる機械的変位の発生部
分に、さらに他のレーザ光を照射し、その散乱光を用い
た光干渉方式によって前記物体表面の機械的変位を検出
する超音波発受信方法において、前記２種のレーザ光の
光路を被検体に到達する以前に合体せしめることを重機
とするレーザ光による超音波発受信方法。 （２）超音波発生用レーザ光源と、超音波受信用レーザ
光源を設け、前記超音波発生用レーザ光源から発生せし
められたレーザ光り、と超音波受信用レーザ光源からの
レーザ光Ｌ２の何れか一方の少なくともその一部を透過
せしめ、他方を反射せしめて、レーザ光Ｌ１＋Ｌ２を合
体せしめる反射鏡を設け、さらに被検体から反射し、前
記レーザ（１） 光Ｌ１１Ｌ２の合体光路上を通るレーザ光を干渉系に霞
く光路を設けてなるレーザ光による超音波発受信装置。 ３、明の詳細な説明 接触で超音波を発受信する方法および装酋に関し、就中
、超音波発生用ならびに受信用レーザ光の光路を同一に
して、被検体の疵検用を行なったり、寸法測定を行なっ
たシする方法、装置に関する。 近来、たとえば鉄鋼製造プロセスの如き各種製造工程に
おいて、欠陥を早期に摘出し、製造損失の減少を計るた
めに、中間製品を熱間で探促成は寸法測定するだめの技
術の必要性が高まってきている。 被検体が高温でおる場合、従来の超音波発生用のように
、超音波発生伝達手段と被検体との間に、音響結合媒体
を存在せしめなければならない探傷或は寸法測定技術は
適用できない。 高温の被検体に対し非接触で超音波を退入し、エラーを
検出する技術の１つとして導電性の被検体に対し、磁界
と電流の相互作用を利用した電磁超音波発生検出技術が
ある。 また、被検体に対し非接触で超音波を退入し、エコーを
検出するもう１つの技術としてレーザ光を利用する超音
波発生検出システムがある。 このレーザ光を利用する超音発生システムは、強力なノ
４ルスレーザ光を被検体表面に照射すると、被検体の極
く表面層の物質が瞬時のうちに蒸発、飛散し、その圧縮
応力で被検体表面に強力なパルス状の超音波が発生する
現象を応用している。 このレーザ光によシ超音波を発生し、他の手段で検出す
るシステムの１つにパルス状レーザ光の照射によって被
検体表面に、パルス状の超音波を発生させ、エコーは、
前述の電磁超音波の発生検出システムにおける検出手段
と同様の、磁界と被検体の振動によって誘起される電流
を検出するシステムがある（特開昭５４−１５３０９２
号公＠）。 また超音波の受信もレーザ光を用いた光干渉法で行なう
提案がなされている。第１図はその１例でマイケルソン
形干渉計を示したものであ夛、レ−ザ源１から発生した
レーザ光は、光ビーム分割器２で測定ビーム３と比較ビ
ーム４に分割され、それぞれ試料５および全反射鏡６で
反射された後、合体され光電感知装置７で検出される。 ここで試料面が微小振動した場合、測定ビーム３の位相
が変化し、比較ビーム４との干渉の結果、光強度が変動
する。しかし、この方法では、被検体面が光学的に平坦
であることが要求されるという欠点がある。このような
背景から、特公昭５６−１９５６１号公報に示されるよ
うな、表面が粗面であっても微小振動が検出可能な方法
（以下過渡干渉計と呼ぶ）が提案された。第２図はその
原理を示すもので、レーザ源１から発生したレーザ光は
試料５の表面で反射し光ビーム分割器２で測定ビーム８
ａと比較ビーム８ｂに分割される。それぞれのビームは
全反射鏡６および９で反射され再び光ビーム分割器で合
体され光電感知装置７に伝達されるが、上記中比較ビー
ム８ｂの伝達経路を測定ビーム８ａのそれに比して長く
とることで両ビーム間に時間的遅延を設けている。した
がって被検体５０表面が微小変位した場合、測定ビーム
８ａと比較ビーム８ｂ間に時間的遅延に相当する位相ず
れに加えて、被検体５０表表面位に相当する位相が付加
され、干渉の結果光強度が変化する。この場合、光面で
の散乱光を分割した上干渉させているので、被検体面が
粗面であっても有用である。 しかしながら、たとえば鉄鋼製造プロセスにあっては、
鋼管や鋼ストリツプ製造過程のように、平面でないもの
であって動いている対象或は、平面であっても動いてい
てばたつきを伴なっているものを対象として、この対象
の広い面を迅速に、疵検出のだめの走査を行なう必要が
ある場合が多い。 かかる要請に対しては、先に述べた従来の技術的手段は
充分ではない。すなわち、超音波の発生およびそのエコ
ーの検出に、磁界と電流と機械的波動の相互関係を利用
する所謂電磁超音波発生検出技術を適用する場合は、超
音波発生検出ヘッドを被検体表面に沿って走査させるか
、多数のヘッドを配設しなければならないが、超音波発
生、検出ヘッドの走査装置や多数の発生＼検出ヘッドを
必要とする等、装置が非常に犬がかシとなシ実際的では
ない・ まだ、超音波の発生にレーザ光を利用し、検出に、機械
的振動と磁界と電流の相互作用を利用する技術を適用す
る場合は、超音波発生用のレーザ光は、それが光である
故に回転鏡によシ被検体表面を走査することが可能であ
るけれども、この技術によって広い面を迅速に走査する
だめには、検出端を多数配設しておかねばならない。 ところが、電磁式超音波検出手段においては、被検体表
面と、検出端との間隔の変動が信号強度に強く影響する
という欠点があシ、複数の検出端の感度調整が困難なこ
と、寸た装置が犬がかりとなりこれも実用的ではない。 さらに、超音波の発生、検出ともにレーザ光を利用する
技術を適用する場合は、被検体表面を走査するとき、レ
ーデ光源ｌと干渉計１０が同一点を見込むよう、２枚の
回転鏡を独立に制御する必要があり、また超音波の発生
もレーザ光で行なう場合には、さらにもう１枚の回転鏡
を付加する必要がある。 ここでこの方法の実施例を第３図から第５図に示すが、
第３図や第４図のように被測定対象が複雑な形状の場合
、発生用レーザ光し１％受信用レーザ光Ｌ！ならびに受
信用散乱ビームＬ３が同一点を見込むように３枚の回転
鏡１４１１５．１６の回転角をそれぞれ制御することは
極めて困難である。また第５図のように被測定対象が板
状の場合、回転鏡の回転角制御は前述の例程困難ではな
いが、対象が走行中にばたつくような場合に対する対応
は不可能に近い。 本発明は上に述べた従来技術における問題を解決し、複
雑な形状を有する、或は動いている被検体の広い面を迅
速に走査することが可能な、コンパクトな、レーザ光に
よる超音波発生、検出手段を得ることを目的としている
。 本発明の要旨とするところは下記のとおシである０ （１）時間幅の短かい高山カッ４ルスレーザ光を物体の
表面に照射して／（’ルス状の超音波を発生させ、該超
音波の反射エコーによって生ずる機械的変位の発生部分
に、さらに他のレーザ光を照射し、その散乱光を用いた
光干渉方式によって前記物体表面の機械的変位を検出す
る超音波発受信方法において、前記２種のレーザ光の光
路を被検体に到達する以前に合体せしめることを特徴と
するレーザ光による超音波発受信方法。 （２）超音波発生用レーザ光源と、超音波受信用レーザ
光源を設け、前記超音波発生用レーザ光源から発生せし
められだレーデ光Ｌ１と超音波受信用レーザ光源からの
レーザ光Ｌ２の伺れか一方の少なくともその一部を透過
せしめ、他方を反射せしめて、レーザ光Ｌｔ＊Ｌｔを合
体せしめる反射鏡を設け、さらに被検体から反射し、前
記レーザ光ＬＩ＋Ｌ２の合体光路上を通るレーザ光を干
渉系に導く光路を設けてなるレーザ光による超音波発受
信装置。 以下に、本発明の詳細な説明する。 先ず、基本的には、複雑な形状で動いている被検体或は
鋼ストリップのように動いていてばたつきのある被検体
の広い面を迅速に走査するという技術的課題を解決する
ためには、超音波の発生、検出ともに光学的なものでな
ければならない。従って、超音波の発生、検出ともにレ
ーザ光を応用するシステムとなる。 超音波の発生、検出にレーザ光を利用する従来の技術に
おける根本的な問題は超音波発生用ビームと、検出用ビ
ームの光路がばらばらであることに起因している。 発明者等は、この点に着目し、超音波発生用ならびに受
信用に、それぞれ別個のレーザ光を使用するとともに、
それらの光路な被検体に到る以前に同一にし、１箇の回
転鏡による走査を可能にすることによシ、任意の形状の
対象（被検体）の広い面を迅速に走査することが可能な
超音波発生、検出システムを完成させた。 以下図示の実施例を参照しながら本発明をさらに詳細に
説明する。 第６図は本発明の実施例を示す側面図、第７図は、第６
図のａ−ｂ方向に見た正面図である。超音波発生用レー
ザ光源１１よ多発生した時間幅の短かい（例えば２０　
ｎｊ＋ｅｅ　）高出力（例えば５０ＭＷ　）　ノＱスイ
ッチパルスレーザ光Ｌ１　　（波長λ１）は波長λ１に
対する全反射鏡２５．２４によって受信用レーデ光Ｌ２
の光路に合体せしめられ、さらに全反射鏡２６．２７に
反射され被測定試料５に到達し超音波を発生する。次に
超音波受信用レーザ光源１２よ多発生したレーザ光Ｌ２
　　（波長λ２　、λ２Ｎλｌ）は、波長λ２に対する
光ビーム分割器２２、透過鏡２４、全反射鏡２６．２７
を介して、該超音波発生点を照射する。ここで超音波受
信用レーザ光Ｌ２は、ノーマル発振のパルス（例えばパ
ルス幅２００μｓｅｃ　）もしくは連続光である。超音
波発生用レーザ光Ｌ１によって発生した超音波は被検体
５の中を伝播し、他面で反射しエコーとして超音波発生
点まで伝播し機械的変位を生せしめる。超音波受信用レ
ーザ光Ｌ２は、該機械的変位の情報を担って被検体５の
表面で散乱し、そのうちの回転鏡２７の方向へ散乱され
た光は、波長λ２に対する全反射鏡２７，２６、透過鏡
２４、光ビーム分割器２２を介して干渉計２９に到る。 その後、該散乱光は光ビーム分割器２１で２つのビーム
、測定ビームＬ４と比較ビームＬｆｉに分割され、その
うちの比較ビームＬＭは、全反射鏡１８，１９．２０で
構成される遅延経路を経た後、全反射鏡２３で反射され
戻ってきた測定ビームＬ４　と合体され干渉し、光電感
知装置１７に到って検出される。ことで第６図中の各種
鏡についてまとめると、反射鏡１８，１９，２０，２３
゜２５．２６，２７は全反射鏡、光ビーム分割器２１　
、’２２は波長λ２に対する光ビーム分割器、反射鏡２
４は波長λｌに対して全反射、波長λ２に対して透過で
あるような波長選択性全反射鏡である。なお、このよう
な反射鏡は誘電体多層膜蒸着によって実現される。 上に述べた、本発明の構成になるレーデ光による超音波
発生、検出シスヂムによれば超音波発生用レーザ光と、
受信用レーザ光が被検体に到達する以前に１つの光軸上
に合体されるから、本発明における技術的課題のすべて
は、よシよく解決される。すなわち、複雑な形状を呈す
る被検体であっても１箇の回転鏡で走査可能である。ま
た、動いているばたつきのある鋼ストリップが被検体で
ある場合でも探傷が可能である。 第６図、記７図に示すように、一つの光軸上に合体され
た超音波発生用ならびに受信用レーザ光は、回転鏡駆動
装［２８によって駆動される回転鏡２７で、被検体５の
上を走査する。第７図は、その走査の様子を示したもの
で、被検体５が、第６図中の白ａｔ矢印の方向へ移動し
ているものとすれば、広い範囲にわたるジグザグ状の走
査が可能となる。 ここで、超音波受信用レーザ光Ｌ２の被検体５での散乱
光が該機械的変位によって位相のみずれるとすると、干
渉計２９中の遅延経路は、信号の良好なＳ／Ｎ比を得る
ためには、比較ビームＬ５と測定ビームＬ４０光路差が
波長λ２の１／２の奇数倍となる必要がある。ところで
光波は移動体によって散乱されるとドラグラ効果によシ
周波数変調を受ける。したがって、ある時刻ｔにおける
測定ビームＬ４ならびに比較ビームＬＩｌはそれぞれ（
１）。 （２）式のように表わされる。 ｙｌ（ｔ）　””　Ｅ　１　ｃｍ　（２πｆ１ｔ＋φ、
）　　　　　・（１）ｙ２（ｔ）　＝　Ｅ２邸（２πｆ
２ｔ＋φ２）　　　　・・・（２）ここでｆｌ　ｚ　ｆ
２　＋φ１．φ２はそれぞれのビームの時刻ｔにおける
周波数および位相を表わし、典型的な場合として比較ビ
ームＬ５が超音波エコーの到着前、測定ビームＬ４が到
着後の情報を担っている時点においては ｆ１＝ｆｏ十Δｆ　（ｆｏ：受信用レーザ光の周波数ｆ
２＝ｆｏ　　　　　　Δｆ：ドッゾラ効果による周波数
偏移）φ　＝φ　　（φｔ：機械的変位に相当する位相
差）ｔ φ２＝φ　　（φ　：時間遅延に相当する位相差）とな
る。したがって、光電感知装置１７における光電界ｅ（
１）は ’（ｊ）　””　ｙｌ（ｔ）　＋３’２（ｔ）＝　Ｒｅ
（（Ｅｌｅｘｐ（ｊφ１）＋Ｅ２ｅｘｐｊ（２πｆＯｔ
十φ２））ｅｘｐ（ｊ２πｆ１ｔ））Ｃｆｏ＝ｆ２−ｆ
、）　　　　　　　　−（３）したがって光電感知装置
１７の出力電流はＩｏｃ　［Ｅｌｏｘｐ（ｊφ＋）　＋
Ｅｚｅｘｐ（ｊ（２πｆｏｔ＋φ２））：ＩＸＣｇ、　
ｅｘｐ（−ｊφ、）　＋　Ｅ２　ｅｘｐ（−ｊ　（２π
ｆｏｔ十φ２））〕−Ｅ％　十Ｅ２’　＋２Ｅ、Ｅ２ｃ
ｏｓ（２πｆｏｔ＋φ２−φ、　）　　　−（４）検出
信号中、該機械的変位の情報は（４）式右辺第３項であ
る。さて、Ｑスイッチされたレーザ光Ｌ１によりて発生
する超音波は、数ＭＨｚから数ｌＯ■（２の帯域成分が
主成分であシ、一般にこのような周波数範囲の場合、検
出信号にｆ：ｌ、位相偏移よシ周波数偏移の方が大きく
寄与する。したがって、干渉計２９中の遅延経路長に関
しては、前記のような厳密な調整は要求されない。 以上に述べたように本発明によれば、被検体と超音波発
受信系を数ｍ離し、なおかつ走査し得るという利点があ
るので、広い範囲にわたって熱間での超音波による探傷
、厚み測定、介在物検出、超音波伝播速度による温度測
定など多種多様な適用が可能であ如、また光学的な超音
波発受信法であるので、電磁超音波技術を適用できない
ような空間的制約のきびしい場所での計測にも有効であ
る、という利点を有する。また上述のように各し一ザ光
の光軸の調整以外は、厳密な調整や制御を必要としない
、という利点がｄ〉るので、実際の生産工程など悪環境
下での実機化に有利である。 なお、以上の実施例においては、２種の波長のレーザ光
の走査に用いる全反射鏡は平面鏡であるものとしたが、
中心軸のまわシを回転する正ｎ角柱形の全反射鏡であっ
てもよい。 また実施例において、干渉計２９は、過渡干渉計とした
けれども、マイケルノン形干渉計でも勿論よい。 また更に、第６図の実施例において該２種のレーザ光の
光路を一致させる場合、超音波発生用レーザ光の光路を
受信用レーザ光の光路に一致させ走査したが、発生用レ
ーザ源１１、受信用レーザ源１２、干渉計２９の配置を
適宜変更しても上述と同じ効果が得られる。第８図から
第１Ｏ図は、本発明の他の実施例を示す。これらの場合
、第６図中の平面鏡２２．２４に対応する鏡の特性が変
わシ、第８図の場合鏡３０は、受信用レーデ光の波長λ
２に対する光ビーム分割器、鏡３１は発生用レーザ光の
波長λ！に対しては透過、λ２に対しては全反射である
波長選択性全反射鏡である。 第９図の場合、鏡３２はλ１に対して透過、λ２に対し
て全反射である波長選択性全反射鏡、鏡３３は両波長に
対する光ビーム分割器である。また第１０図の場合は、
鏡３４はλ１に対して透過、λ２に対して全反射である
波長選択性全反射鏡、鏡３５は両波長に対する光ビーム
分割器である。 なお、以上に示した本発明の実施例においては、超音波
発生用レーザ光の波長λ１　と受信用レーザ光の波長λ
２は、それぞれ異なるものとしたが、これは任意の厚み
を持つ被検体に対して適用し得る、という観点からであ
った。すなわち、もし発生および受信用に同波長の光源
を用いると、発生用レーザ光の散乱光を光電感知装置に
到る前に除去することが不可能となる◎そのため、パル
ス発生時点からある時間間隔の間、不感帯を生じ、もし
被検体の肉厚が薄くあるいは内部欠陥が表層近くにある
場合超音波反射エコーが不感帯の間に到着すると計測不
能に陥るためであった・したがって、もし被検体の肉厚
あるいは内部欠陥深さが不感帯の時間間隔に相当する値
以上であれば、発生・受信用とも同波長の光源を用いて
も検出信号のＳ／Ｎ比は若干低下するが上述とほぼ同様
な効果が得られる。この場合光源ならびに干渉計の配置
は、第６図から第１０図に示した配置と全く同一で、第
６図中の平面鏡２２．２４に対応する鏡への要求が軽く
なる。第１１図から第１４図は、以上の内容の実施例を
示すもので、超音波発生用レーザ源１１ならびに受信用
レーザ源１２の出力光の波長λ１　、λ２は等しく、ま
だ各図中の平面鏡３６゜３７は共に該波長に対する光ビ
ーム分割器である。 ４、図面の簡単な説明 第１図は従来のマイケルソン形干渉計の配置を示す図解
図、第２図は過度干渉計の原理的な配置を示す図解図で
ある。第３図から第５図は、種々の形状の測定対象に対
してレーザ光によシ発受信する超音波を走査する場合の
複数の回転鏡を用いる方法を示す図解図である。第６図
は本発明の実施例を示す側面図、第７図は第６図でａ−
ｂ線方向に見た部分正面図である。第８図から第１０図
は、本発明の他の実施例を示す図解図である。第１１図
から第１４図は本発明の更に他の実施例を示す図解図で
ある。 １・・・レーデ、２・・・光ビーム分割器、５・・・被
検体、６・・・全反射鏡（平面鏡）、７・・・光電感知
装置、９・・・全反射鏡（平面鏡）、１１，１２・・・
レーザ、１３・・・光干渉装置、１４，１５，１６・・
・回転鏡（平面鏡）、１７・・・光電感知装置、１８，
１９，２０・・・全反射鏡（平面鏡）、２１．２２・・
・光ビーム分割器、２３・・・全反射鏡（平面鏡）、２
４・・・波長選択性全反射鏡（平面鏡）、２５．２６・
・・全反射鏡（平面鏡）、２７・・・回転鏡（平面鏡）
、２８・・・回転鏡駆動装置、３０・・・光ビーム分割
器、３１゜３２・・・波長選択性全反射鏡（平面鏡）、
３３・・・光ビーム分割器、３４・・・波長選択性全反
射鏡（平面鏡）、３５，３６，３７・・・光ビーム分割
器。 ６”ｓ）　　　　　　　　　−３９３FIG. 1 is an illustrative diagram showing the arrangement of a conventional Michelson interferometer, and FIG. 2 is an illustrative diagram showing the principle arrangement of a transient interferometer. FIGS. 3 to 5 are illustrative diagrams showing a method using a plurality of rotating mirrors when scanning measurement objects of various shapes with ultrasonic waves emitted and received by a laser beam. FIG. 6 is a side view showing an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a-a-
It is a partial front view seen in the b-line direction. 8 to 10 are illustrative views showing other embodiments of the present invention. 11 to 14 are illustrative views showing still other embodiments of the present invention. ■... Laser, 2... Light beam splitter, 5... Sample to be measured, 6... Totally reflecting mirror (plane mirror), 7... Photoelectric sensing device, 9... Totally reflecting mirror ( plane mirror), 11.12・
... Laser, 13... Optical interference device, 14, 15.16
...Rotating mirror (plane mirror), 17...Photoelectric sensing device, 1
B, 19°20... Total reflection mirror (plane mirror), 21.22
...Light beam splitter, 23...Total reflection mirror (plane mirror)
, 24... Wave (14) Long selective total reflection mirror (plane mirror), 25.26... Total reflection mirror (plane mirror), 27... Rotating mirror (plane mirror), 28...
・Rotating mirror drive device, 30... Light beam splitter, 31° 32... Wavelength selective total reflection mirror (plane mirror), 33...
Light beam splitter, 34...Wavelength selective total reflection mirror (plane mirror), 35.36.37...Light beam splitter. 1st No. 2z (15) Fig. 3 No. 4 □- Tei No. 6 No. 7 Procedure amendment: 'F (Voluntary) February 1158, Showa 140 Commissioner of the Patent Office Mr. Kazuo Wakasugi ■ Indication of the case Showa 1956 Patent Application No. 188987 2, Ultrasonic Transmission/Reception Method and Apparatus by Zed Laser Light 3, Supplement 11
What is the relationship between the case of a person who commits molestation? Patent applicant Tokyo Chiyo II + Ward Otemachi Nee J Sai 16-3-υ (66
5) Fat 11 Steel Corporation? l. Assignment - K Take 1) Toyo 4, Agent 6, 114-1 Marunouchi 2-chome, 111-ku, Higashijibu, 100, Full text of the specification to be amended 7, Contents of the amendment as shown in the appendix Description 1, Invention Title: Ultrasonic wave transmission/reception method and device 2 using laser light, Claims (1) High output iJ with short time width? Is it possible to irradiate the surface of an object with a laser beam? An ultrasonic wave is generated, another laser beam is irradiated to the part where mechanical displacement occurs due to the reflected echo of the ultrasonic wave, and the mechanical displacement of the surface of the object is performed using an optical interference method using the scattered light. An ultrasound transmission and reception method using a laser beam that uses heavy equipment to combine the optical paths of the two types of laser beams before they reach a subject, in an ultrasound transmission and reception method for detecting displacement. (2) A laser light source for generating ultrasonic waves and a laser light source for receiving ultrasonic waves are provided, and either the laser light generated from the laser light source for generating ultrasonic waves or the laser light L2 from the laser light source for receiving ultrasonic waves is provided. A reflecting mirror is provided that transmits at least a part of one and reflects the other to combine the laser beams L1+L2, and further reflects the laser beam from the object and passes on the combined optical path of the laser beams L11 and L2. Ultrasonic transmitter/receiver using laser light with a hazy optical path in the interference system. 3. Detailed explanation of Akira Regarding the method and equipment for transmitting and receiving ultrasonic waves by contact, in particular, the optical paths of the laser beams for generating and receiving ultrasonic waves are made the same to inspect the object for defects, This invention relates to a method and apparatus for measuring dimensions. In recent years, in various manufacturing processes such as the steel manufacturing process, there has been an increasing need for technology to hotly inspect and measure the dimensions of intermediate products in order to quickly identify defects and reduce manufacturing losses. ing. When the object to be inspected is at a high temperature, flaw detection or dimension measurement techniques that require the presence of an acoustic coupling medium between the ultrasonic generation transmission means and the object cannot be applied, as in conventional ultrasonic generation. One of the technologies for detecting errors by transmitting ultrasonic waves into and out of high-temperature objects without contact is an electromagnetic ultrasound generation and detection technology that uses the interaction of magnetic fields and currents for conductive objects. . Another technique for detecting echoes by transmitting ultrasonic waves into and out of a subject without contact is an ultrasonic generation and detection system that uses laser light. This ultrasonic generation system that uses laser light is capable of irradiating the surface of an object with a powerful laser beam, and the material on the very surface layer of the object instantly evaporates and scatters, causing the compressive stress to cause the material to evaporate and scatter. It applies the phenomenon in which powerful pulsed ultrasonic waves are generated on the surface of a specimen. One of the systems that generates ultrasonic waves using this laser light and detects them using other means generates pulsed ultrasonic waves on the surface of the object by irradiating the pulsed laser light, and the echoes are
There is a system that detects a current induced by a magnetic field and vibration of a subject, similar to the detection means in the electromagnetic ultrasonic generation detection system described above (Japanese Patent Application Laid-Open No. 54-153092).
No.Ko@). There have also been proposals to receive ultrasonic waves by optical interference using laser light. FIG. 1 shows one example of a Michelson interferometer, in which a laser beam generated from a laser source 1 is split into a measurement beam 3 and a comparison beam 4 by an optical beam splitter 2. After being reflected by the sample 5 and the total reflection mirror 6, they are combined and detected by the photoelectric sensing device 7. If the sample surface undergoes minute vibrations, the phase of the measurement beam 3 changes, and as a result of interference with the comparison beam 4, the light intensity fluctuates. However, this method has the disadvantage that the surface of the object to be examined is required to be optically flat. Against this background, a method (hereinafter referred to as a transient interferometer) that can detect minute vibrations even if the surface is rough has been proposed, as shown in Japanese Patent Publication No. 56-19561. Figure 2 shows the principle of this.The laser beam generated from the laser source 1 is reflected by the surface of the sample 5, and the beam splitter 2 sends the measurement beam 8.
a and a comparison beam 8b. Each beam is reflected by the total reflection mirrors 6 and 9, combined again by the optical beam splitter, and transmitted to the photoelectric sensing device 7, but the transmission path of the middle comparison beam 8b is made longer than that of the measurement beam 8a. This creates a time delay between both beams. Therefore, when the surface of the object 50 undergoes a minute displacement, in addition to a phase shift corresponding to a time delay between the measurement beam 8a and the comparison beam 8b, a phase corresponding to the surface position of the object 50 is added, and as a result of interference, light The intensity changes. In this case, since the scattered light on the optical surface is divided and then interfered with, it is useful even if the object surface is rough. However, for example, in the steel manufacturing process,
For example, in the manufacturing process of steel pipes and steel strips, you can quickly cover a wide surface of a moving object that is not flat, or even a flat object that is moving and fluttering. , it is often necessary to perform scanning for flaw detection. The conventional technical means described above are not sufficient to meet such demands. In other words, when applying so-called electromagnetic ultrasound generation and detection technology that utilizes the interrelationship between magnetic fields, currents, and mechanical waves to generate ultrasound and detect its echoes, the ultrasound generation and detection head is moved along the surface of the object. However, the system is very cumbersome, as it requires ultrasonic generation, a scanning device for the detection head, and a large number of generation/detection heads. Not practical - If you still want to use a laser beam to generate ultrasonic waves and apply a technology that uses mechanical vibration, magnetic field, and current interaction for detection, the laser beam for ultrasonic generation is Since it is light, it is possible to scan the surface of the subject using a rotating mirror, but in order to quickly scan a wide surface using this technique, a large number of detection ends must be provided. However, electromagnetic ultrasonic detection means has the disadvantage that fluctuations in the distance between the surface of the object and the detection end strongly affect the signal strength, and it is difficult to adjust the sensitivity of multiple detection ends. This is also impractical as the device relies on a dog. Furthermore, when applying a technology that uses laser light for both generation and detection of ultrasonic waves, two rotating mirrors should be used independently so that the Rade light source l and the interferometer 10 look at the same point when scanning the surface of the object. In addition, if ultrasonic waves are also generated using laser light, it is necessary to add another rotating mirror. Examples of this method are shown in FIGS. 3 to 5,
When the object to be measured has a complicated shape as shown in Figures 3 and 4, the generation laser beam is used and the reception laser beam is 1% L! Furthermore, it is extremely difficult to control the rotation angles of the three rotating mirrors 14115.16 so that the receiving scattered beam L3 looks at the same point. Further, when the object to be measured is plate-shaped as shown in FIG. 5, controlling the rotation angle of the rotating mirror is not as difficult as in the above-mentioned example, but it is almost impossible to deal with cases where the object flutters while running. The present invention solves the above-mentioned problems in the prior art and provides a compact, laser-based ultrasound generator capable of rapidly scanning a wide surface of a moving object or object with a complex shape. , the purpose is to obtain a detection means. The gist of the present invention is as follows. (1) Irradiate the surface of an object with a short-duration alpine laser beam to generate a lass-shaped ultrasonic wave. In an ultrasonic transmitting/receiving method in which a part where a mechanical displacement occurs due to a reflected echo of a sound wave is further irradiated with another laser beam, and the mechanical displacement of the object surface is detected by an optical interference method using the scattered light, A method for transmitting and receiving ultrasonic waves using a laser beam, characterized in that the optical paths of the two types of laser beams are combined before reaching the subject. (2) A laser light source for generating ultrasonic waves and a laser light source for receiving ultrasonic waves. and transmitting at least a part of one of the laser light L1 generated from the ultrasonic generation laser light source and the laser light L2 from the ultrasonic reception laser light source, and reflecting the other, An ultrasonic transmitting and receiving device using a laser beam, which is provided with a reflecting mirror that combines the lights Lt*Lt, and further includes an optical path that guides the laser beam that is reflected from the object and passes through the combined optical path of the laser beams LI+L2 to an interference system. The present invention will be described in detail below.First, basically, a wide surface of a moving object such as a complex shape or a moving and flapping object such as a steel strip is quickly scanned. In order to solve this technical problem, both the generation and detection of ultrasonic waves must be optical.Therefore, the system uses laser light for both generation and detection of ultrasonic waves. The fundamental problem with conventional technology that uses laser light for detection is that the optical paths of the ultrasonic generation beam and the detection beam are disparate.The inventors focused on this point, and In addition to using separate laser beams for ultrasonic generation and reception,
By making these optical paths the same before reaching the object and enabling scanning with a single rotating mirror, it is possible to quickly scan a wide surface of an object (object) of any shape. We have completed an ultrasonic generation and detection system. The present invention will be explained in more detail below with reference to the illustrated embodiments. FIG. 6 is a side view showing an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a side view showing an embodiment of the present invention.
It is a front view seen in the a-b direction of the figure. If the time width in which the ultrasonic waves are generated more frequently than the laser light source 11 is short (for example, 20
nj+ee) High output (for example, 50 MW) Q-switched pulsed laser light L1 (wavelength λ1) is converted into receiving radar light L2 by a total reflection mirror 25.24 for wavelength λ1.
The ultrasonic waves are combined into the optical path of the beam, and are further reflected by the total reflection mirrors 26 and 27 to reach the sample to be measured 5 to generate ultrasonic waves. Next, the laser light L2 generated by the ultrasonic receiving laser light source 12
(wavelength λ2, λ2Nλl) is the light beam splitter 22, transmission mirror 24, total reflection mirror 26, 27 for wavelength λ2.
The ultrasonic generation point is irradiated through. Here, the ultrasonic receiving laser beam L2 is a normal oscillation pulse (eg, pulse width 200 μsec) or continuous light. The ultrasonic waves generated by the ultrasonic wave generating laser beam L1 propagate within the object 5, are reflected from the other surface, and propagate as echoes to the point where the ultrasonic waves are generated, causing mechanical displacement. The ultrasonic receiving laser beam L2 carries information on the mechanical displacement and is scattered on the surface of the object 5, and the light scattered in the direction of the rotating mirror 27 is reflected by the total reflection mirrors 27 and 26 for the wavelength λ2. , a transmitting mirror 24, and a light beam splitter 22 to reach an interferometer 29. Thereafter, the scattered light is split into two beams, a measurement beam L4 and a comparison beam Lfi, by a light beam splitter 21, of which the comparison beam LM passes through a delay path consisting of total reflection mirrors 18, 19, and 20. Thereafter, it is reflected by the total reflection mirror 23 and combined with the returning measurement beam L4, which interferes with the beam, reaches the photoelectric sensing device 17, and is detected. Therefore, to summarize the various mirrors in Fig. 6, reflecting mirrors 18, 19, 20, 23
゜25. 26, 27 are total reflection mirrors, light beam splitter 21
, '22 is a light beam splitter for the wavelength λ2, and a reflecting mirror 2
Reference numeral 4 denotes a wavelength-selective total reflection mirror that totally reflects the wavelength λl and transmits the wavelength λ2. Note that such a reflecting mirror is realized by depositing a dielectric multilayer film. According to the above-mentioned ultrasonic wave generation and detection system using radar light according to the present invention, a laser beam for generating ultrasonic waves,
Since the receiving laser beams are combined on one optical axis before reaching the subject, all of the technical problems of the present invention are well solved. That is, even a subject having a complicated shape can be scanned with one rotating mirror. Furthermore, flaw detection is possible even when the object is a moving, flapping steel strip. As shown in FIGS. 6 and 7, the ultrasonic generation and reception laser beams combined on one optical axis are transmitted to the subject 5 by a rotating mirror 27 driven by a rotating mirror drive unit [28]. Scan above. FIG. 7 shows the scanning process. Assuming that the subject 5 is moving in the direction of the white arrow in FIG. 6, it is possible to scan a wide range in a zigzag pattern. Become. Here, assuming that the phase of the scattered light of the ultrasonic receiving laser beam L2 at the object 5 is shifted due to the mechanical displacement, the delay path in the interferometer 29 is designed to obtain a good S/N ratio of the signal. For this purpose, the optical path difference between the comparison beam L5 and the measurement beam L40 needs to be an odd multiple of 1/2 of the wavelength λ2. By the way, when a light wave is scattered by a moving object, it undergoes frequency modulation due to the dragura effect. Therefore, the measurement beam L4 and the comparison beam LIl at a certain time t are each (
1). It is expressed as in equation (2). yl(t) ”” E 1 cm (2πf1t+φ,
) ・(1) y2(t) = E2 residence (2πf
2t+φ2) ...(2) Here fl z f
2 +φ1. φ2 represents the frequency and phase of each beam at time t, and typically when the comparison beam L5 carries information before the arrival of the ultrasonic echo and the measurement beam L4 carries the information after the arrival, f1=fo+. Δf (fo: frequency f of receiving laser light
2=fo Δf: frequency shift due to Dozzola effect) φ = φ (φt: phase difference corresponding to mechanical displacement) t φ2=φ (φ: phase difference corresponding to time delay). Therefore, the photoelectric field e(
1) is '(j) "" yl(t) +3'2(t)= Re
((Eexp(jφ1)+E2expj(2πfOt
1φ2))exp(j2πf1t))Cfo=f2-f
, ) −(3) Therefore, the output current of the photoelectric sensing device 17 is Ioc [Eloxp(jφ+) +
Ezexp(j(2πfot+φ2)): IXCg,
exp(-jφ,) + E2 exp(-j (2π
fot 1φ2))] -E% 10E2' +2E, E2c
os(2πfot+φ2−φ, ) −(4) In the detection signal, information on the mechanical displacement is the third term on the right side of equation (4). Now, the ultrasonic wave generated by the Q-switched laser beam L1 has a frequency range of several MHz to several lO■ (2 band components are the main components, and generally in such a frequency range, the detection signal has f:l , the frequency shift contributes more than the phase shift.Therefore, as for the delay path length in the interferometer 29, the above-mentioned strict adjustment is not required.As described above, according to the present invention, For example, the advantage is that the object to be examined and the ultrasonic transmitting/receiving system can be separated by several meters and scanning can be performed, so hot ultrasonic flaw detection, thickness measurement, inclusion detection, and temperature measurement using ultrasonic propagation velocity can be performed over a wide range. It is said that it can be applied to a wide variety of applications such as measurement, and because it is an optical ultrasonic transmission and reception method, it is also effective for measurements in places with severe spatial constraints where electromagnetic ultrasonic technology cannot be applied. In addition, as mentioned above, it has the advantage of not requiring strict adjustment or control other than adjusting the optical axis of each beam, so it can be easily used in adverse environments such as in actual production processes. This is advantageous for practical application. In the above embodiments, the total reflection mirror used for scanning the laser beams of two different wavelengths was a plane mirror.
It may be a regular n-prismatic total reflection mirror that rotates around its central axis. Further, in the embodiment, the interferometer 29 is a transient interferometer, but it may of course be a Michaelnon type interferometer. Furthermore, in the embodiment shown in FIG. 6, when the optical paths of the two types of laser beams are made to coincide, the optical path of the ultrasonic generation laser beam is made to coincide with the optical path of the receiving laser beam and scanning is performed. Even if the arrangement of the receiving laser source 12 and the interferometer 29 is changed as appropriate, the same effect as described above can be obtained. Figures 8 to 1O show other embodiments of the invention. In these cases, the characteristics of the mirrors corresponding to the plane mirrors 22 and 24 in FIG. 6 change, and in the case of FIG.
The optical beam splitter and mirror 31 for the laser beam generator 2 have a wavelength λ! It is a wavelength-selective total reflection mirror that transmits light for λ2 and totally reflects light for λ2. In the case of FIG. 9, the mirror 32 is a wavelength-selective total reflection mirror that transmits λ1 and totally reflects λ2, and the mirror 33 is a light beam splitter for both wavelengths. In addition, in the case of Figure 10,
The mirror 34 is a wavelength-selective total reflection mirror that transmits λ1 and totally reflects λ2, and the mirror 35 is a light beam splitter for both wavelengths. In the embodiment of the present invention described above, the wavelength λ1 of the ultrasonic generation laser beam and the wavelength λ1 of the receiving laser beam are
2 are different from each other, from the viewpoint that they can be applied to a subject having any thickness. In other words, if light sources with the same wavelength are used for generation and reception, it will be impossible to remove the scattered light of the generation laser beam before it reaches the photoelectric sensing device. This is because if the thickness of the object to be examined is thin or if there is an internal defect near the surface layer, it will become impossible to measure if the ultrasonic reflected echo arrives between the dead zone. If the wall thickness or internal defect depth is greater than the value corresponding to the time interval of the dead zone, the S/N ratio of the detection signal will decrease slightly even if a light source with the same wavelength is used for both generation and reception, but it will be almost the same as above. You can get the following effect. In this case, the arrangement of the light source and the interferometer is exactly the same as that shown in FIGS. 6 to 10, and the demands on the mirrors corresponding to the plane mirrors 22, 24 in FIG. 6 are reduced. 11 to 14 show examples of the above content, and the wavelengths λ1 and λ2 of the output lights of the ultrasonic generation laser source 11 and the receiving laser source 12 are the same, and the plane mirrors in each figure are the same. 36 and 37 are optical beam splitters for the wavelength. 4. Brief Description of the Drawings FIG. 1 is an illustrative diagram showing the arrangement of a conventional Michelson interferometer, and FIG. 2 is an illustrative diagram showing the principle arrangement of a transient interferometer. FIGS. 3 to 5 are illustrative diagrams showing a method using a plurality of rotating mirrors when scanning measurement objects of various shapes with ultrasonic waves emitted and received by a laser beam. FIG. 6 is a side view showing an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a-a-
It is a partial front view seen in the b-line direction. 8 to 10 are illustrative views showing other embodiments of the present invention. 11 to 14 are illustrative views showing still other embodiments of the present invention. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Rade, 2... Light beam splitter, 5... Subject, 6... Total reflection mirror (plane mirror), 7... Photoelectric sensing device, 9... Total reflection mirror (plane mirror) ), 11, 12...
Laser, 13... Optical interference device, 14, 15, 16...
・Rotating mirror (plane mirror), 17... Photoelectric sensing device, 18,
19,20... Total reflection mirror (plane mirror), 21.22...
・Light beam splitter, 23... Total reflection mirror (plane mirror), 2
4...Wavelength selective total reflection mirror (plane mirror), 25.26.
... Total reflection mirror (plane mirror), 27... Rotating mirror (plane mirror)
, 28... Rotating mirror drive device, 30... Light beam splitter, 31° 32... Wavelength selective total reflection mirror (plane mirror),
33... Light beam splitter, 34... Wavelength selective total reflection mirror (plane mirror), 35, 36, 37... Light beam splitter. 6”s) -393

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] （１）時間幅の短かい高出力パルスレーザ光を物体の表
面に照射してパルス状の超音波を発生させ、該超音波の
反射エコーによって生ずる機械的変位の発生部分に、さ
らに他のレーデ光を照射し、その散乱光を用いた光干渉
方式によって前記物体表面の機械的変位を検出する超音
波発受信方法において、前記２種のレーザ光の光路を被
測定物体に到達する以前に合体せしめることを特徴とす
るレーザ光による超音波発受信方法。(1) A high-power pulsed laser beam with a short duration is irradiated onto the surface of an object to generate pulsed ultrasonic waves, and another laser beam is applied to the area where mechanical displacement occurs due to the reflected echoes of the ultrasonic waves. In an ultrasonic transmission/reception method that irradiates light and detects mechanical displacement of the object surface by an optical interference method using the scattered light, the optical paths of the two types of laser beams are combined before reaching the object to be measured. A method for transmitting and receiving ultrasonic waves using a laser beam, characterized in that: （２）超音波発生用レーザ光源と、超音波受信用レーザ
光源を設け、前記超音波発生用レーザ光源から発生せし
められたレーザ光Ｌｌと超音波受信用レーザ光源からの
レーザ光Ｌ２の何れか一方の少なくともその一部を透過
せしめ、他方を反射せしめて、レーデ光Ｌ１　＋Ｌｔ’
に合体せしめる反射鏡を設け、さらに測定対象から反射
し、前記レーザ光Ｌｌ　、Ｌ２の合体光路上を通るレー
ザ光を干渉系に導く光路を設けてなるレーザ光による超
音波発受信装置。(2) A laser light source for generating ultrasonic waves and a laser light source for receiving ultrasonic waves are provided, and either the laser light Ll generated from the laser light source for generating ultrasonic waves or the laser light L2 from the laser light source for receiving ultrasonic waves is provided. By transmitting at least a part of one and reflecting the other, the Rede light L1 +Lt'
An ultrasonic wave transmitting/receiving device using a laser beam, comprising a reflecting mirror for combining the laser beams Ll and L2, and an optical path for guiding the laser beam reflected from the object to be measured and passing along the combined optical path of the laser beams Ll and L2 to an interference system.