KR101103860B1 - 레이저초음파를 이용한 비접촉식 탄성 측정 장치 - Google Patents

레이저초음파를 이용한 비접촉식 탄성 측정 장치 Download PDF

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Abstract

측정시편의 복수의 표면에 측정용 레이저 빔을 조사하고, 상기 조사된 측정용 레이저 빔에 상응하는 반사 레이저 빔을 이용하여, 레이저 간섭 신호를 생성하는 레이저 간섭부, 및 상기 생성된 레이저 간섭 신호를 수집하여 상기 복수의 표면에 대한 초음파 공명 신호를 각각 추출하는 신호 수집부를 포함하는 레이저초음파를 이용한 비접촉식 탄성 측정 장치가 개시된다.

Description

레이저초음파를 이용한 비접촉식 탄성 측정 장치{NONCONTACT MEASUREMENT APPARATUS FOR ELASTIC PROPERTIES BY USING LASER ULTRASOUND}
본 발명의 실시예들은 레이저초음파의 공명신호를 이용하여 재료의 탄성계수를 측정하는 레이저초음파를 이용한 비접촉식 탄성 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 접촉식 압전 탐촉자(piezo-transducer, PZT) 기반의 탄성 측정 장치는 재료의 탄성을 측정하는 장치로서 널리 사용되어 왔다.
도 1은 일반적인 압전 트렌스듀스 방식의 초음파 공명 신호를 이용한 탄성 측정 장치의 내부 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 압전 트렌스듀스 방식의 초음파 공명 신호를 이용한 탄성 측정 장치(100)는 신호 발생부(17), 전송 트렌스듀스(18), 수신 트렌스듀스(19), 및 신호 수신부(20)를 포함하여 구성된다.
신호 발생부(17)에서 발생된 전기적 펄스 신호는 PZT압전소자로 구성된 전송 트렌스듀스(18)에 전송되어 기계적 진동 신호로 변환되고, 기계적 진동 신호는 접촉면을 따라 측정시편(5)에 초음파를 발생시킨다.
측정시편(5)에 접촉된 PZT방식의 수신 트렌스듀스(19)는 측정시편(5) 내부에 발생된 공명 초음파에 의한 기계적 진동 신호를 전기적 신호로 변환하며, 신호 수신부(20)는 전기적 신호로 변환된 초음파 공명 신호를 수신한다. 이때, 신호 발생부(17)는 한 순간에 하나의 주파수 성분을 갖는 초음파를 발생시키며, 순서대로 주파수 값을 스위칭하면서 모든 주파수 성분에 대한 공명 초음파 신호를 발생시키고, 신호 수신부(20)는 이를 차례로 모두 수신한다.
하지만, 이와 같이 재료에 접촉하여 탄성을 측정하는 접촉식 압전 탐촉자 기반의 탄성 측정 장치에서는, 비접촉식으로 탄성을 측정하는 레이저초음파를 이용한 탄성 측정 장치 보다 정밀도가 떨어지게 된다.
이에 따라, 근래에는 레이저초음파를 이용하여 비접촉식으로 재료의 특성을 측정하는 기술들이 제안되고 있다. 미국특허 US6,532,821에서는 레이저초음파의 확산계수와 흡수계수를 이용하여 재료의 그레인 크기 정보를 추출하는 방안을 제시하고 있고, 미국특허 5,814,730과 일본특허 P2002-529691A에서는 레이저초음파의 완전한 비접촉식 특성과 초음파의 속도 변화 등을 이용하여 직물과 제지의 품질 정보를 추출하는 방안을 제시하고 있다.
또한, 일본특허 P2007-127547A에서는 레이저초음파의 종파와 횡파의 속도변화를 이용하여 재료의 탄성을 추출하는 방안을 제시하고 있다. 이러한 레이저초음파를 이용한 재료의 탄성 측정 기술은 완전한 비접촉식이라는 장점을 이용하여 효과적으로 사용될 수 있다.
하지만, 일반적으로 레이저초음파 신호는 기존의 PZT기반 초음파 신호보다 신호대 잡음 비율이 낮기 때문에 크기가 큰 재료의 탄성 측정 시 어려움이 있으며, 또한, 한 번에 모든 모드의 초음파 신호가 발생되므로 효과적인 신호 처리 기술이 필요하게 된다. 이러한 어려움을 극복하고자 본 발명에서는 초음파의 신호 발생 강도를 증가시키고, 더욱 정밀하게 탄성을 측정할 수 있는 성능이 개선된 장치를 제안하고자 한다.
본 발명의 일실시예는 파워 증강판을 이용하여 강도가 약한 외곽부분을 제거한 펄스레이저 빔을 측정시편에 조사하여, 레이저초음파 신호의 신호대 잡음 비율을 향상시킬 수 있는 레이저초음파를 이용한 비접촉식 탄성 측정 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 일실시예는 공명 초음파에 의해 측정시편의 표면 변이가 가장 작은 위치인 노드점 위치 세 곳에 시편 지지대를 위치시켜 시편이 자유롭게 공명을 하도록 유도할 수 있는 레이저초음파를 이용한 비접촉식 탄성 측정 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 일실시예는 측정시편에 대한 다면 스캔을 통해 3차원 공명형상을 측정하고, 모든 공명 신호를 효과적으로 추출 함으로써, 보다 정밀하게 탄성을 측정할 수 있는 레이저초음파를 이용한 비접촉식 탄성 측정 장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저초음파를 이용한 비접촉식 탄성 측정 장치는, 측정시편의 복수의 표면에 측정용 레이저 빔을 조사하고, 상기 조사된 측정용 레이저 빔에 상응하는 반사 레이저 빔을 이용하여, 레이저 간섭 신호를 생성하는 레이저 간섭부, 및 상기 생성된 레이저 간섭 신호를 수집하여 상기 복수의 표면에 대한 초음파 공명 신호를 각각 추출하는 신호 수집부를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 파워 증강판을 이용한 펄스 성형을 통해 레이저 초음파 신호의 강도를 증가시키고, 신호 대 잡음 비율을 향상시킴으로써 측정시편의 탄성을 더욱 정밀하게 측정할 수 있게 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 측정시편의 진동에 의한 표면 변이가 가장 작아서 시편 지지대에 의한 영향이 가장 적은 위치인 노드점에 시편 지지대를 위치 시킴으로써, 측정시편이 자유공명에 가깝게 진동을 하도록 유도하여 측정시편의 탄성을 보다 정밀하게 측정할 수 있게 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 3차원 면적 스캐닝부의 지원 기능이 부착된 레이저 간섭부를 통해 측정시편에 대한 다면 스캔을 통해 3차원 공명형상을 측정하고 정확한 공명 위치 정보를 제공 함으로써, 정밀한 탄성 측정이 가능하게 한다.
도 1은 일반적인 압전 트렌스듀스 방식의 초음파 공명 신호를 이용한 탄성 측정 장치의 내부 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 레이저초음파를 이용한 비접촉식 탄성 측정 장치의 내부 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일측에 따른 파워 증강부 및 파워 증강판의 일례를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일측에 따른 레이저 간섭부 및 면적 스캐닝부의 세부 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일측에 있어서, 측정시편의 윗면을 스캐닝하여 측정한 초음파 공명주파수 모드에서 100kHz~2000kHz사이의 모든 공명주파수 모드를 절대 평균한 공명 모드 영상을 도시한 도면이다.
도 6은 일반적인 원형의 펄스레이저 빔을 사용 시 측정된 초음파 공명 주파수 신호와, 파워 증강판을 이용하여 펄스 성형한 펄스레이저 빔을 사용 시 측정된 초음파 공명 주파수 신호를 도시한 도면이다.
도 7은 측정시편의 한 위치에서 측정한 하나의 초음파 공명 신호와, 측정시편의 윗면에서 측정한 모든 초음파 공명 신호의 주파수 스펙트럼을 합한 신호를 도시한 도면이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 레이저초음파를 이용한 비접촉식 탄성 측정 장치의 내부 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 레이저초음파를 이용한 비접촉식 탄성 측정 장치(200)는 레이저초음파 생성부(24), 파워 증강부(4), 레이저 간섭부(11), 면적 스캐닝부(12), 신호 수집부(21), 및 신호 처리부(22)를 포함하여 구성될 수 있다.
레이저초음파 생성부(24)는 원거리에서 비접촉식으로 측정시편(5)의 표면에 펄스레이저 빔을 조사하여, 측정시편(5)의 내부에서 초음파 공명 신호를 발생시킬 수 있다. 여기서, 레이저초음파 생성부(24)는 펄스레이저(1), 거울(2), 및 포커싱 렌즈(3)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 펄스레이저(1)에서 조사된 펄스레이저 빔은 거울(2)과 포커싱렌즈(3)를 통해 파워 증강부(4)로 입력되며, 상기 입력된 펄스레이저 빔은 파워 증강부(4)에서 펄스 성형이 된 후 측정시편(5)으로 조사되어, 측정시편(5)의 내부에 레이저초음파(초음파 공명 신호)를 발생시킬 수 있다.
파워 증강부(4) 내부의 불투명한 파워 증강판(32)은 펄스레이저 빔의 지름보다 작은 홀(hole)을 가지며, 입력된 펄스레이저 빔은 파워 증강판(32)을 통과하면서 펄스레이저 빔의 외곽부분이 차단될 수 있다. 이때, 파워 증강판(32)은 측정시편(5)과 비접촉 상태이면서, 측정시편(5)에 근접한 지점(예컨대, 20cm 이내)에 위치될 수 있다.
이와 같이, 파워 증강부(4)에 의해, 설정된 기준치 이하의 강도를 갖는 빔영역(즉, 외곽부분)이 제거된 펄스레이저 빔이 측정시편(5)으로 조사되므로, 측정시편(5)의 내부에서 생성되는 초음파 공명 신호(레이저초음파)의 강도는 보다 강화될 수 있다.
이때, 파워 증강부(4)는 측정하고자 하는 공명주파수 범위 내에서, 초음파 공명 신호에 의한 측정시편(5)의 표면 변이가 최소인 위치, 즉, 노드점에 복수의 시편 지지대(33)를 위치시킴으로써, 측정시편(5)이 자유롭게 공진을 하도록 유도할 수 있다.
레이저 간섭부(11)는 측정시편(5)의 내부에서 발생하는 초음파 공명 신호(레이저초음파)를 측정하기 위한 측정용 레이저 빔을, 측정시편(5)의 복수의 표면에 조사하고, 상기 조사된 측정용 레이저 빔에 상응하여 측정시편(5)으로부터 반사되어 수신되는 반사 레이저 빔을 이용하여, 레이저 간섭 신호를 생성한다.
즉, 레이저 간섭부(11)는 측정용 레이저 빔을 측정시편(5)의 모든 면에 스캐닝 조사하여 되돌아 오는 측정용 레이저 빔(반사 레이저 빔)에 대한 레이저 간섭 신호를 생성할 수 있다.
레이저 간섭부(11)는 측정용 레이저(41)에서 발생되는 레이저 빔을 기준 레이저 빔과 측정용 레이저 빔으로 분할하는 빔 분할기(42)를 포함할 수 있다.
또한, 레이저 간섭부(11)는 상기 분할된 측정용 레이저 빔을 면적 스캐닝부(12)를 통해 측정시편(5)의 표면으로 조사하는 빔 방향제어기(49)를 포함할 수 있다.
여기서, 면적 스캐닝부(12: 12-1, 12-2, 12-3)는 측정시편(5)으로 조사되는 상기 측정용 레이저 빔을, X축 스캐닝 미러(13)와 Y축 스캐닝 미러(14)와 1/4파장판(15), 및 포커싱 렌즈(16)로 조절하여, 측정시편(5)의 표면에 대한 스캐닝을 수행할 수 있다. 이때, 면적 스캐닝부(12)는 측정시편(5)의 각 표면에 대한 스캐닝을 수행하는 윗면 스캔부(12-1), 옆면 스캔부(12-2), 및 앞면 스캔부(12-3)를 포함할 수 있다.
또한, 레이저 간섭부(11)는 상기 조사된 상기 분할된 측정용 레이저 빔에 상응하여 측정시편(5)으로부터 반사되는 상기 반사 레이저 빔과 상기 분할된 기준 레이저 빔을 이용하여, 상기 레이저 간섭 신호를 생성하는 광굴절결정기(46)를 포함할 수 있다.
즉, 측정시편(5)의 표면에 입사된 측정용 레이저 빔은 반사되어, 입사된 방향과 반대방향으로 동일한 광경로를 통해 진행하여 레이저 간섭부(11)로 입력될 수 있다. 레이저 간섭부(11) 내부의 광굴절결정기(46)로 입력된 반사 레이저 빔은 기준 레이저 빔과 간섭을 일으키게 되고, 이에 따라 생성된 레이저 간섭 신호는 신호 수집부(21)로 수집될 수 있다.
신호 수집부(21)는 생성된 레이저 간섭 신호를 수집하여 측정시편(5)의 복수의 표면에 대한 초음파 공명 신호를 각각 추출하고, 상기 추출된 각 초음파 공명 신호를 이용하여 측정시편(5)에 대한 종합 초음파 공명 신호를 생성한다.
이때, 신호 수집부(21)는 상기 주파수 변환된 각각의 초음파 공명 신호와 연관된 주파수 스펙트럼에 대해, 로렌지안 피팅(Lorentzian fitting)을 실행하고, 상기 실행 결과, 피팅 에러율이 기준 범위(예컨대, 20%) 미만일 경우, 상기 생성된 종합 초음파 공명 신호를 유효한 공명 주파수 신호로 판단할 수 있다.
신호 처리부(22)는 상기 생성된 종합 초음파 공명 신호에 대한 신호 처리를 수행하여, 측정시편(5)에 대한 탄성 정보를 산출한다. 여기서, 신호 처리부(22)는 전체 시스템을 운영하고 신호 처리하는 컴퓨터로 구현 가능하다.
각 면에서 추출된 유효한 초음파 공명 신호는 상기 컴퓨터 상에서 수학식 1과 수학식 2에서 정재파를 탐색하는 신호 처리를 수행하여 측정시편(5)의 탄성 C를 산출할 수 있다.
Figure 112010000426849-pat00001
Figure 112010000426849-pat00002
여기서, ρ는 측정시편(5)의 밀도이고, ω는 각 공명 주파수(angular resonance frequency)이고, u i 는 변위 벡터의 i번째 요소이고, n은 샘플 표면에서 바깥쪽으로 수직 단위이고, 쉼표(,)는 뒷부분 좌표에 대한 앞부분 좌표의 차분을 나타내고, C ij 는 탄성 요소가 될 수 있다. 이때, 측정시편(5)의 내부 결정구조와 외부의 형태 및 크기에 따라 탄성 C를 산출하는 상세한 계산 절차는 Physica B 183, 1 (1993)의 페이지 1-24에 상세히 기술되어 있다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면, 파워 증강판을 이용한 펄스 성형을 통해 레이저 초음파 신호의 강도를 증가시키고, 신호 대 잡음 비율을 향상시킴으로써 측정시편의 탄성을 더욱 정밀하게 측정할 수 있게 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 측정시편의 진동에 의한 표면 변이가 가장 작아서 시편 지지대에 의한 영향이 가장 적은 위치인 노드점에 시편 지지대를 위치 시킴으로써, 측정시편이 자유공명에 가깝게 진동을 하도록 유도하여 측정시편의 탄성을 보다 정밀하게 측정할 수 있게 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 3차원 면적 스캐닝부의 지원 기능이 부착된 레이저 간섭부를 통해 측정시편에 대한 다면 스캔을 통해 3차원 공명형상을 측정하고 정확한 공명 위치 정보를 제공 함으로써, 정밀한 탄성 측정이 가능하게 한다.
도 3은 본 발명의 일측에 따른 파워 증강부 및 파워 증강판의 일례를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일측에 따른 파워 증강부(4)는 시편 지지판(31), 파워 증강판(32), 및 시편 지지대(33)를 포함하여 구성될 수 있다.
파워 증강판(32)은 입사하는 펄스레이저 빔의 지름폭보다 작은 지름폭의 홀(hole)이 있는 불투명한 빔 성형판(32-1)을 통해, 펄스레이저 빔의 강도가 약한 외곽부분을 날카롭게 제거할 수 있다.
이때, 빔 성형판(32-1)은 원형빔 성형판(32-a) 또는 선형빔 성형판(32-b, 32-c)과 같이 다양한 홀(hole) 형태와 크기를 가질 수 있다. 원형빔 성형판(32-a)는 원형빔 형상을 생성하고, 선형빔 성형판(32-b, 32-c)은 선형 펄스빔을 생성할 수 있다.
이와 같이, 파워 증강부(4)로 입사된 펄스레이저 빔은 원형빔 성형판(32-a) 또는 선형빔 성형판(32-b, 32-c)과 같은 빔 성형판(32-1)을 통해 펄스 성형된 후, 측정시편(5)으로 조사될 수 있다.
이때, 시편 지지판(31)은 파워 증강판(32)과 측정시편(5)을 접촉하여 지지하는 시편 지지대(33)를 받칠 수 있다.
상기 시편 지지대(33)는 경지지대(33-1) 및 연지지대(33-2)를 포함하여 구성되며, 파워 증강부(4)는 시편 지지대(33)를 측정시편(5)의 진동에 의한 표면 변이가 가장 작은 위치인 노드점에 위치시킴으로써, 측정시편(5)이 자유공명에 가깝게 진동을 하도록 유도하여 측정시편(5)의 탄성을 보다 정밀하게 측정할 수 있게 한다.
도 4는 본 발명의 일측에 따른 레이저 간섭부 및 면적 스캐닝부의 세부 구성을 도시한 도면이다.
도 4에는 측정시편(5)의 3개의 표면을 스캐닝하는 면적 스캐닝부(12: 12-1, 12-2, 12-3)와, 측정시편(5)에서 발생하는 공명 초음파 신호를 측정하는 레이저 간섭부(11)가 도시되어 있다.
측정용 레이저(41)에서 조사된 측정용 레이저 빔은 반파장판(61)을 지나서 빔분할기(42)를 통과하면서 직진하는 기준 레이저 빔과 반사하는 측정 레이저 빔으로 분할될 수 있다. 직진하는 기준 레이저 빔은 빔경로조절기(43)를 거쳐, 반파장판(44) 및 빔크기 조절 집속기(45)를 통과한 후에, 광굴절결정기(46)로 조사될 수 있다.
이때, 레이저 간섭부(11)는 빔 방향제어기(49)에 포함된 거울(59, 60)을 제어하여, 윗면 스캔부(12-1), 옆면 스캔부(12-2), 또는 앞면 스캔부(12-3) 중 어느 하나의 면적 스캐닝부(12)로 상기 빔 분할기(42)에서 반사된 측정용 레이저 빔을 입력할 수 있으며, 면적 스캐닝부(12)는 상기 입력된 측정용 레이저 빔을 조절하여, 측정시편(5)의 윗면, 옆면, 또는 앞면 중 어느 하나의 표면에 대한 스캐닝을 수행할 수 있다.
예컨대, 빔 방향제어기(49)에서 거울(59)과 거울(60)이 모두 오픈되는 경우, 측정 레이저 빔은 면적 스캐닝부(12)의 윗면 스캔부(12-1)로 진행하여 측정시편(5)의 윗면을 스캔하여 초음파 공명 신호를 획득할 수 있다.
또는, 빔 방향제어기(49)에서 거울(59)이 닫혀있는 경우, 측정 레이저 빔은 면적 스캐닝부(12)의 옆면 스캔부(12-2)로 진행하여 측정시편(5)의 옆면을 스캔하여 초음파 공명 신호를 획득할 수 있다.
또는, 빔 방향제어기(49)에서 거울(59)만 오픈되고 거울(60)이 닫혀있는 경우, 측정 레이저 빔은 면적 스캐닝부(12)의 앞면 스캔부(12-3)로 진행하여 측정시편(5)의 앞면을 스캔하여 초음파 공명 신호를 획득할 수 있다.
빔 방향제어기(49)에서 거울(59)과 거울(60)이 모두 오픈되어 상기 측정 레이저 빔이 윗면 스캔부(12-1)로 진행한 경우, 상기 측정 레이저 빔은 측정시편(5) 위쪽 표면에 입사되어 조사된 후, 반사되는 반사 레이저 빔은 입사된 측정 레이저 빔과 진행 방향은 반대이면서 동일한 광경로로 진행되어 레이저 간섭부(11)로 입력될 수 있다. 즉, 상기 반사 레이저 빔은 윗면스캔부(12-1)와 거울(48, 47)과 빔 분할기(42)와 빔 집속기(53)와 거울(54)와 반파장판(55)을 거쳐서 광굴절결정기(46)에 조사될 수 있다. 광굴절결정기(46)에 조사된 상기 반사 레이저 빔은 상기 기준 레이저 빔과 만나 간섭을 일으킬 수 있으며, 이에 따라 생성되는 레이저 간섭 신호는 1/4파장판(56)과 분극기(57)를 거쳐 광센서(58)에 입사되어 전기적 신호로 변환될 수 있다.
전기적 신호로 변환된 레이저 간섭 신호는 신호 수집부(21)로 수집되며, 신호 수집부(21)는 상술한 방식으로 측정시편(5)의 모든 면(예컨대, 윗면, 옆면, 앞면)에 대한 초음파 공명 신호를 획득할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일측에 있어서, 측정시편의 윗면을 스캐닝하여 측정한 초음파 공명주파수 모드에서 100kHz~2000kHz사이의 모든 공명주파수 모드를 절대 평균한 공명 모드 영상을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 측정시편(5)의 외곽부분은 초음파 공명 신호에 의한 표면 변이가 크고, 내부는 표면 변이가 상대적으로 작음을 알 수 있다. 또한, 곳곳에 초음파 공명 신호에 의한 표면 변이가 아주 작은 위치점인 노드점 P1, P2, P3들이 관찰된다. 따라서, 표면 변이가 최소인 노드점 P1, P2, P3에 시편 지지대(33)가 위치될 경우, 측정시편(5)이 자유 공진에 가깝게 진동하도록 유도할 수 있어, 더욱 정밀한 탄성을 측정할 수 있게 된다.
도 6은 일반적인 원형의 펄스레이저 빔을 사용 시 측정된 초음파 공명 주파수 신호와, 파워 증강판을 이용하여 펄스 성형한 펄스레이저 빔을 사용 시 측정된 초음파 공명 주파수 신호를 도시한 도면이다.
도 6에 도시된 그래프(610)는 지름이 3.5mm인 가우시안 강도 분포를 갖는 일반적인 원형의 펄스레이저 빔을 사용하였을 때 얻어진 초음파 공명 주파수 신호를 도시한 도면이다.
도 6에 도시된 그래프(620)는 일반적인 직경 3.5mm의 펄스레이저 빔을 파워 증강판(32)에 부착된 지름이 2mm인 원형빔 성형판(32-a)에 통과시켰을 경우, 외곽빔이 제거된 지름 2mm인 펄스레이저 빔이 측정시편(5)에 조사 됨에 따라 획득된 초음파 공명 주파수 신호를 도시한 도면이다. 이때, 파워 증강판(32)은 펄스레이저 빔의 외곽빔을 효과적으로 날카롭게 제거하기 위해 측정시편(5)에 비접촉이면서도 20cm 이내로 가깝게 위치될 수 있다.
그래프(610)와 그래프(620)를 비교하면, 일반적인 가우시안 강도분포를 갖는 펄스레이저 빔을 사용하는 것보다, 외곽빔이 제거된 펄스레이저 빔이 강도 높은 초음파 공명 신호를 발생시킴을 알 수 있다. 즉, 일반적인 3.5mm의 펄스레이저 빔 보다는 원형빔 성형판(32-a)을 사용하여 외곽부분이 날카롭게 잘려 더 작은 에너지를 갖는 지름 2mm인 펄스레이저 빔에 의해, 측정시편(5)의 내부에서 더 강한 초음파 공명 신호가 발생될 수 있다.
도 7은 측정시편의 한 위치에서 측정한 하나의 초음파 공명 신호와, 측정시편의 윗면에서 측정한 모든 초음파 공명 신호의 주파수 스펙트럼을 합한 신호를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 측정시편의 윗면에서 측정한 모든 초음파 공명 신호의 주파수 스펙트럼을 합한 신호(702)는, 측정시편(5)의 한 위치에서 측정한 하나의 초음파 공명 신호(701)보다 선명한 신호대 잡음 비율을 제공하여, 탄성 정보를 보다 정밀하게 측정하게 할 수 있다.
또한, 측정시편의 윗면에서 측정한 모든 초음파 공명 신호의 주파수 스펙트럼을 합한 신호(702)의 노드점에서는, 측정시편(5)의 한 위치에서 측정한 하나의 초음파 공명 신호(701)의 노드점에서는 관찰되지 않는 공명모드를 관찰할 수 있어, 탄성 정보를 보다 정밀하게 측정하게 할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 압전 트렌스듀스 방식의 초음파 공명 신호를 이용한 탄성 측정 장치
200: 레이저 레이저초음파를 이용한 비접촉식 탄성 측정 장치
1: 펄스레이저 2: 거울
3: 포커싱 렌즈 4: 파워 증강부
5: 측정시편 11: 레이저 간섭부
12: 면적 스캐닝부 12-1: 윗면 스캔부
12-2: 옆면 스캔부 12-3: 앞면 스캔부
13: X축 스캔 미러 14: Y축 스캔 미러
15: 1/4파장판 16: 포커싱 렌즈
17: 신호 발생부 18: 전송 트렌스듀스
19: 수신 트렌스듀스 20: 신호 수신부
21: 신호 수집부 22: 신호 처리부
24: 레이저초음파 생성부 31: 시편 지지판
32: 파워 증강판 32-1: 빔 성형판
32-a: 원형빔 성형판 32-b, 32-c: 선형빔 성형판
33: 시편 지지대 33-1: 경지지대 33-2: 연지지대
41: 측정용 레이저 42: 빔 분할기
43: 빔경로 조절기 44: 반파장판
45: 빔크기 조절 집속기 46: 광굴절결정기
47, 48, 50, 51, 52, 54, 59, 60: 거울
49: 빔 방향제어기 53: 빔 집속기
55, 61: 반파장판 56: 1/4파장판
57: 분극기 58: 광센서

Claims (10)

  1. 빔 방향제어기에 포함된 거울을 제어하여, 윗면 스캔부, 옆면 스캔부, 또는 앞면 스캔부 중 어느 하나의 면적 스캐닝부로 측정용 레이저 빔을 입력하고, 측정시편의 복수의 표면에 상기 측정용 레이저 빔을 조사하며, 상기 조사된 측정용 레이저 빔에 상응하는 반사 레이저 빔을 이용하여, 레이저 간섭 신호를 생성하는 레이저 간섭부;
    상기 입력된 측정용 레이저 빔을 조절하여, 상기 측정시편의 윗면, 옆면, 또는 앞면 중 어느 하나의 표면에 대한 스캐닝을 수행하는 면적 스캐닝부; 및
    상기 생성된 레이저 간섭 신호를 수집하여 상기 복수의 표면에 대한 초음파 공명 신호를 각각 추출하는 신호 수집부
    를 포함하는 레이저초음파를 이용한 비접촉식 탄성 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 면적 스캐닝부는,
    상기 측정용 레이저 빔을, X축 스캐닝 미러 또는 Y축 스캐닝 미러로 조절하여, 상기 측정시편의 표면에 대한 스캐닝을 수행하는, 레이저초음파를 이용한 비접촉식 탄성 측정 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 간섭부는,
    측정용 레이저에서 발생되는 레이저 빔을, 기준 레이저 빔과 상기 측정용 레이저 빔으로 분할하는 빔 분할기; 및
    상기 조사된 측정용 레이저 빔에 상응하여 상기 측정시편으로부터 반사되는 상기 반사 레이저 빔과 상기 기준 레이저 빔을 이용하여, 상기 레이저 간섭 신호를 생성하는 광굴절결정기
    를 포함하는 레이저초음파를 이용한 비접촉식 탄성 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 신호 수집부는,
    상기 추출된 초음파 공명 신호 각각에 대해 주파수 변환하여 주파수 스펙트럼을 산출하고, 각각 산출된 상기 주파수 스펙트럼을 합산하여, 상기 측정시편에 대한 종합 초음파 공명 신호의 생성시 이용하는, 레이저초음파를 이용한 비접촉식 탄성 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 신호 수집부는,
    상기 주파수 스펙트럼에 대해, 로렌지안 피팅(Lorentzian fitting)을 실행하고,
    상기 실행 결과, 피팅 에러율이 기준 범위 미만일 경우, 상기 종합 초음파 공명 신호를 유효한 공명 주파수 신호로 판단하는, 레이저초음파를 이용한 비접촉식 탄성 측정 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 비접촉식 탄성 측정 장치는,
    상기 생성된 종합 초음파 공명 신호에 대한 신호 처리를 수행하여, 상기 측정시편에 대한 탄성 정보를 산출하는 신호 처리부
    를 더 포함하는 레이저초음파를 이용한 비접촉식 탄성 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 측정시편에 펄스레이저 빔을 조사하여, 상기 측정시편에서 상기 초음파 공명 신호를 발생시키는 레이저초음파 생성부; 및
    상기 펄스레이저 빔 중에서 설정된 기준치 이하의 강도를 갖는 빔외곽 부분을 제거하는 파워 증강부
    를 더 포함하는 레이저초음파를 이용한 비접촉식 탄성 측정 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 파워 증강부는,
    파워 증강판에 구비된 홀(hole)을 통과하는 펄스레이저 빔이 상기 측정시편에 조사되도록 하여, 상기 측정시편의 내부에서 발생되는 초음파 공명 신호의 강도를 증가시키는, 레이저초음파를 이용한 비접촉식 탄성 측정 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 측정시편이 지지되는 시편 지지대는,
    상기 초음파 공명 신호에 의한, 상기 측정시편의 표면 변이가 최소인 노드점에 위치하는, 레이저 레이저초음파를 이용한 비접촉식 탄성 측정 장치.
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