01
導入
光学検出技術はレーザー超音波検査 (LUT) において中心的な役割を果たしており、従来の圧電センサーよりも優れた利点があります。非接触光学検出は超音波場に干渉せず、正確な空間精度で検出ポイントを迅速に移動させることができます。光学検出は高周波数帯域の広い周波数範囲をカバーするため、超音波を識別して分析できます。{3}}対照的に、圧電センサーは材料特性の制限により、高周波信号を検出する際に課題に直面しています。-ただし、散乱物体を扱う場合、光学検出の感度は大幅に低下します。光ビームに対する超音波の影響は、主に強度変調と位相または周波数変調に分類できます。光の周波数が非常に高いため、現在の光検出器は光の位相を直接測定できず、光の強度のみを検出できます。光ビームの位相情報を取得するには、ビームを変調して位相情報を強度情報に変換し、復調によって強度情報を回復する必要があります。
02
強度変調技術
強度変調技術は、光強度の変動を監視することによって表面の振動と変位のデータを取得します。このアプローチには主に、ポンプ-プローブ技術、光偏向技術、表面格子回折技術が含まれます。ポンプ-プローブ技術は、超高速ダイナミクスとマイクロ-からナノスケールの音響応答を特徴付けるために使用されます。図 1 に示すように、その原理には、高エネルギーのポンプ光を使用して材料内に一時的な熱弾性変形または高周波超音波パルスを誘導し、その後、制御された時間遅延を持つプローブ光でサンプリングすることが含まれます。-超音波によって引き起こされる屈折率の乱れや変位により、プローブ光の反射特性が変化します。機械的な変換ステージを使用して 2 つのパルス間の時間遅延を調整することにより、システムはピコ秒またはフェムト秒のスケールで超音波の動的展開を記録できます。光偏向技術は、表面弾性波によって引き起こされる局所的な幾何学的傾斜を検出します。超音波が検出点を通過するとき、表面のわずかな傾きにより反射光ビームが空間的に偏向されます。光路に物理的な障害物を導入すると、角変位が検出器が受け取る光強度の変動に変換されます。これらの変動の周波数は、表面音響場の物理的特性を直接反映します。表面格子回折技術は、周期的な微細構造を持つ表面に適しています。超音波が伝播するにつれて、格子にわずかな調整が生じることが多く、その結果、回折ビームの角度とエネルギー分布が変化します。特定の次数で回折光の強度の変化を監視することにより、システムはサブ-ナノメートルレベルで表面の動的変位情報を抽出できます。
03
位相変調とファブリペロー干渉法
位相変調技術は、コヒーレント光の干渉原理を利用して、超音波振動によって変調された位相シフトを干渉縞の強度の変化に変換します。このテクノロジーは通常、ナノメートル-レベル以下の精度を実現します。干渉検出は、参照光干渉と自己参照干渉に分けられます。-参照-光干渉にはゼロパス-差分干渉とヘテロダイン干渉が含まれます。一方、自己参照スキームには遅延干渉、適応型ホログラフィック干渉、レーザー散乱検出が含まれます。-位相復調方式では、ファブリー ペロー干渉計がレーザー超音波検出の中核技術です。この方法では、2 つの高反射ミラーによって形成された共振空洞を介して、複数のビームのコヒーレントな重ね合わせが実現されます (図 2)。表面振動の位相情報を持ったプローブ光がキャビティに入射すると、ミラー間で光が何度も反射し、干渉縞が非常に鮮明になります。超音波-によって引き起こされる変位が位相シフトを引き起こすと、共振条件がドリフトし、透過光または反射光の強度に劇的な線形変動が生じます。従来のマイケルソン干渉計と比較して、ファブリ・ペロー干渉計は環境の機械振動に対する耐性が高く、光学コリメーションが優れているため、大型の航空宇宙部品の粗い表面を扱う際の感度が向上します。圧電セラミックでキャビティ長を制御することにより、システムは動作点を干渉曲線の最も敏感な領域にロックすることができ、弱い音響振動信号の高い直線性の抽出が可能になります。-さらに、適応型ホログラフィック干渉計は、フォトリフラクティブ結晶を使用して干渉パターンを動的に記録し、環境の外乱や複雑な表面形態によって引き起こされる波面の歪みを自動的に補償し、過酷な産業環境におけるシステムの安定性を向上させます。レーザー散乱検出技術は、スペックル場分布の動的な変化を分析することで振動情報を取得します。絶対変位分解能は純粋な干渉法よりわずかに劣りますが、未処理の散乱の多い表面を処理する場合に強力な堅牢性を備えており、複雑な航空宇宙材料の特性を評価するための補完的なアプローチとして機能します (図 3 を参照)。ヘテロダイン干渉計は、周波数差を導入することでビート信号を生成し、DC 信号ドリフトの問題に効果的に対処し、動的環境での測定精度を高めます。
04
まとめ
レーザー超音波検査の光学検出原理は、物理エネルギーの変換から信号位相復調までの完全なシステムを確立します。強度変調技術は、その直観的な構造とリアルタイム応答を備えており、高速プロセスのモニタリングやマイクロ-の特性評価において重要な役割を果たしています。-ファブリ-ペロー干渉計に代表される位相変調技術は、正確な光コヒーレンス手法により、感度と分解能の点で非接触検出の限界を克服しています。{6}}この完全非接触検出モードは、複雑な曲面コンポーネントのオンライン評価の課題に対処するだけでなく、ライフサイクル全体にわたる材料の健全性モニタリングのための重要な理論的サポートと技術的経路も提供します。-
