TWI451085B

TWI451085B - 金屬材的特性測量裝置

Info

Publication number: TWI451085B
Application number: TW100112620A
Authority: TW
Inventors: Mitsuhiko Sano
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Elec Inc
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2014-09-01
Also published as: US9470623B2; CN103403537A; DE112011104977B4; US20130335745A1; CN103403537B; KR101610608B1; CA2825892A1; DE112011104977T5; TW201235660A; JP5715234B2; CA2825892C; JPWO2012117493A1; WO2012117493A1; KR20130121953A; KR20150083132A

Description

金屬材的特性測量裝置

本發明係關於使用雷射光之金屬材的特性測量裝置。

近年來，金屬材的強度、成形性等特性之提升很顯著。伴隨於此，製造工序及檢查工序中，測量金屬材的特性及與金屬材的特性具有強相關之諸項特性之必要性乃逐漸提高。

例如，為人所知的是金屬材的強度與結晶粒徑之間具有強相關，若將結晶粒徑從數十μm縮小至1μm左右，則可得不僅強度高，並且成形加工性、回收性亦佳之高性能金屬材。此種金屬材的品質管理，較多是藉由破壞試驗來進行。例如，從軋延後的製品卷材(coil)切出試驗片，並藉由拉伸試驗等來確認強度。然而，此方法中，至得到測量值為止之前置時間長則數小時至數天，在此期間無法防止不良品的連續產生。

相對於此，係有人嘗試藉由雷射超音波法來進行金屬材的特性測量(參照例如專利文獻1)。雷射超音波法，為將脈衝雷射光照射於金屬材的表面，並解析此時所產生之高頻的脈衝狀超音波(以下稱為「脈衝超音波」)於金屬材中的傳播動作，進而以非接觸方式測量金屬材的結晶粒徑等特性之方法。根據此方法，可迅速地獲得測量結果。

使用脈衝超音波的傳播動作所偵測出之金屬材的特性，例如有結晶粒徑、彈性率、成形性(r值)、彈性波速度等各種特性。此外，為人所知的是在金屬材的結晶粒徑，與拉伸強度、崩潰強度、及崩潰伸長率之間具有強相關關係，亦可藉由與金屬材之結晶粒徑的測量方法相同之測量方法，來測得此等特性值。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2008-116209號公報

使用雷射超音波法之金屬材的特性測量中，在脈衝超音波於金屬材內部傳播之間，不僅會因為利用在金屬材的特性測量之「(i)由晶界上的散射所導致之脈衝超音波的衰減」，亦會因「(ii)脈衝超音波往直行方向以外擴散」，使脈衝超音波的振幅降低。當脈衝超音波的振幅降低時，訊號雜訊比惡化，而使特性測量裝置的測量精確度降低。

因此，為了更明確地偵測出由晶界上的散射所導致之脈衝超音波的衰減，必須抑制脈衝超音波的擴散。為了抑制脈衝超音波的擴散，係有增大脈衝雷射光的光點大小之方法。亦即，在光點的外周部，由於周圍的金屬材使振動受到限制，所以脈衝超音波的行進方向改變而產生擴散，但若增大光點大小，可相對地減少外周部所產生的影響，並能夠抑制脈衝超音波往直行方向以外擴散。

然而，僅是將從一般的雷射振盪器所射出之脈衝雷射光予以放大照射者，乃具有無法獲得充分效果之問題。亦即，從雷射振盪器所射出之脈衝雷射光的光束剖面內的光量分布(beam profile)並非均一，一般來說，光束中心附近的光量較周邊更大。因此，當僅放大脈衝雷射光來增大光點大小時，在金屬材的光點中央部被激發之脈衝超音波的振幅較大，在光點周邊部被激發之脈衝超音波的振幅較小。

由於該脈衝超音波的振幅差，脈衝超音波的傳播方向在與脈衝雷射光的照射面垂直之方向無法一致，而產生宛如光點大小較小時之脈衝超音波往周邊擴散之情形。因此，脈衝超音波的振幅相對於傳播距離顯著地降低，導致所偵測出之脈衝超音波波形的訊號雜訊比惡化。因而存在著測量精確度降低之問題。

鑒於上述問題點，本發明之目的在於提供一種能夠抑制測量精確度的降低並使用脈衝雷射光之金屬材的特性測量裝置。

根據本發明的一態樣，係提供一種金屬材的特性測量裝置，為具備有：(甲)雷射振盪器，射出脈衝雷射光；(乙)透鏡陣列，具有以矩陣狀鋪滿在與脈衝雷射光的光軸垂直之面之複數個同一形狀的小透鏡，並設置成使將脈衝雷射光對光束剖面進行分割後的一部分入射於複數個小透鏡的各個；(丙)聚光透鏡，將來自透鏡陣列之複數個小透鏡的射出光，重疊聚光於測量對象之金屬材的表面的同一區域；(丁)雷射干涉儀，偵測出藉由以聚光透鏡聚光之脈衝雷射光所激發並在金屬材的內部傳播之脈衝超音波，來作為電訊號；以及(戊)訊號處理裝置，處理電訊號。

根據本發明，可提供一種能夠抑制測量精確度的降低並使用脈衝雷射光之金屬材的特性測量裝置。

接著參照圖式來說明本發明的第1及第2實施形態。下列圖式之記載中，對於同一或類似的部分，係賦予同一或類似的圖號。下列所示之第1及第2實施形態，係例示出用以使本發明的技術思想達到具體化之裝置或方法，本發明的實施形態，並非用以將構件的構造、配置等限定於下列所示者。本發明的實施形態，在申請專利範圍內可進行種種變更。

(第1實施形態)

如第1圖所示，本發明的第1實施形態之金屬材的特性測量裝置1具備有：射出脈衝雷射光Lp之雷射振盪器10；具有以矩陣狀鋪滿在與脈衝雷射光Lp的光軸垂直之面之複數個同一形狀的小透鏡Ls之透鏡陣列20；將來自複數個小透鏡Ls的射出光Ld，重疊聚光於測量對象之金屬材100的表面101的同一區域之聚光透鏡30；以及照射射出光Ld並解析在金屬材100的內部傳播之脈衝超音波SW之解析裝置40。針對與脈衝雷射光Lp的光軸垂直之光束剖面進行分割後的一部分，分別入射於透鏡陣列20的複數個小透鏡Ls，複數個小透鏡Ls係分別射出與光軸垂直之光束剖面的形狀互為同一之射出光Ld。

第1圖所示之特性測量裝置1中，將脈衝雷射光Lp照射在金屬材100的表面101來引發小規模的爆發，而在金屬材100激發脈衝超音波SW。此脈衝超音波SW一邊於金屬材100內傳播一邊衰減，而顯現成為與照射有脈衝雷射光Lp之表面101相對向之金屬材100的背面102之微小振動。

解析裝置40的偵測裝置係偵測此微小振動作為電訊號。第1圖為採用雷射干涉儀41作為偵測裝置之例。雷射干涉儀41係偵測出藉由以聚光透鏡30聚光之脈衝雷射光Lp所激發並在金屬材100的內部傳播之脈衝超音波，來作為電訊號。具體而言，雷射干涉儀41將微弱的偵測用雷射光Lf照射在金屬材100的背面102，並使偵測用雷射光Lf之來自金屬材100的反射光Lr與基準光產生干涉，藉此偵測出金屬材100的背面102所顯現之微小振動作為電壓變化。解析裝置40的訊號處理裝置42係處理由雷射干涉儀41所偵測出之電訊號，來測量金屬材100的特性。例如，透過數位示波儀421將所偵測之電訊號讀取至訊號處理電腦422，並藉由波形解析來判定金屬材100的特性。

以下係說明第1圖所示之特性測量裝置1的詳細內容。

雷射振盪器10，可採用例如大輸出且特性安定之Q開關固體脈衝雷射。尤其是在振盪用固體媒質使用釹摻雜：釔鋁石榴石(Nd：YAG)之脈衝寬度數ns至數十ns左右之Q開關固體脈衝雷射，被廣泛使用在產業用途上，乃適合於雷射振盪器10。

從雷射振盪器10所射出之脈衝雷射光Lp，一般為具有稍微廣的角度。因此，採用組合有凹透鏡111及凸透鏡112之放大系統11而構成為幾乎平行光之脈衝雷射光Lp，被入射於透鏡陣列20。

第2圖(a)至第2圖(c)係顯示透鏡陣列20的構成例。透鏡陣列20係具有在與所入射之脈衝雷射光Lp的光軸垂直之面鋪滿有同一形狀的多數個小透鏡Ls之構造，第2圖係顯示以矩陣狀配置n個正方形的小透鏡Ls1至Lsn之例。第2圖(a)中，加上影線之區域為脈衝雷射光Lp的光束所照射之區域，脈衝雷射光Lp的光束徑為Db。

除了正方形外，小透鏡Ls亦可採用長方形、六角形、及圓形等任一形狀。惟當小透鏡Ls之間具有間隙時，聚光效率會降低，故較佳以無間隙之方式將小透鏡Ls配置在透鏡陣列20。第2圖(c)所示之小透鏡Ls的間隔w，係以在所入射之脈衝雷射光Lp的光束剖面內含有如後所述之充分數量的小透鏡Ls之方式來決定。在此，所謂「小透鏡的間隔」，為相鄰接之小透鏡Ls的中心間距離。

當使脈衝雷射光Lp入射於透鏡陣列20時，對光束剖面進行分割後之脈衝雷射光Lp的一部分，分別入射於以包含於脈衝雷射光的光束剖面內之方式所配置之構成透鏡陣列20之各個小透鏡Ls，小透鏡Ls的各個係使小透鏡Ls之形狀(例如正方形)的像成像。入射於透鏡陣列20之脈衝雷射光Lp之光束剖面內的光量分布，不論是何種分布由脈衝雷射光Lp的極小部分所形成之各個小透鏡Ls的射出光Ld，係具有均一的光量分布。

從透鏡陣列20所射出之各射出光Ld，藉由凸透鏡的聚光透鏡30而聚光於金屬材100的表面101。聚光透鏡30的焦距幾乎與間隔距離(stand off distance)SD(聚光透鏡30與金屬材100的表面101之間隔)相等。

然後，由複數個小透鏡Ls所成像之各像，係重疊投影於聚光透鏡30的焦點位置，亦即金屬材100的表面101上之一點。如此，以將照射有與小透鏡Ls相同形狀(例如正方形)且具有均一光量分布之複數個脈衝雷射光的聚光點SP，形成於金屬材100的表面101之方式，將脈衝雷射光Lp予以整形。聚光點SP的形狀與小透鏡Ls的形狀相同，大小由聚光透鏡30的焦距所決定。

在此聚光點SP中，由於藉由複數個小透鏡Ls所投影之像重疊，所以產生干涉條紋所形成之明暗。惟若充分地增加重疊像的數目，則可極度地縮小該干涉條紋的間隔，在聚光點SP內可獲得幾乎均一的光量分布。當重疊像的數目低於15個時，干涉條紋對於在金屬材100的內部傳播之脈衝超音波SW的波形所造成之影響，可能會變得無法忽視，此外，光量均一化的效果可能不足。因此，係以所入射之脈衝雷射光Lp的光束剖面內含有15個以上的小透鏡Ls之方式，來設定透鏡陣列20中之小透鏡Ls的間隔。

透鏡陣列20的焦距，係以使形成於金屬材100的表面101之聚光點SP的大小成為期望值之方式，藉由實驗或光線追隨模擬計算來決定。實用上，透鏡陣列20的焦距，是從與間隔距離SD同等程度至間隔距離SD的十分之一之範圍。由於透鏡陣列20的製造受到各種限制，故有時無法獲得期望焦距的小透鏡Ls的情形。此時，可組合配置複數種透鏡陣列20。

由於脈衝雷射光Lp之光量密度的峰間值高，故關於透鏡陣列20的材料，較佳例如為石英玻璃等損傷臨限值高之玻璃製者。惟亦可因金屬材100的特性測量所需之波長、輸出的不同，採用塑膠製的透鏡陣列20等。

第3圖係顯示將金屬材100的表面101之聚光點SP的形狀洗印在感光紙上之例。第3圖顯示出使光束徑Db為14mm的脈衝雷射光Lp，入射於以1.1mm的間隔並以18列18行的矩陣狀配置小透鏡Ls之透鏡陣列20所形成之聚光點SP的形狀。因此，第3圖為重疊有大約127個小透鏡Ls的像之例。可得知聚光點SP的形狀為與透鏡陣列20之小透鏡Ls的形狀相同之正方形，且小透鏡Ls的形狀良好地重疊而投影。第3圖所示之例中，聚光點SP的大小Ds為4.5mm。

藉由脈衝雷射光Lp對聚光點SP之照射，在金屬材100中激發脈衝超音波SW，使該脈衝超音波SW在金屬材100內傳播。如第4圖所例示，在金屬材100中被激發之脈衝超音波SW，係具有種種振動模式成分。例如，在金屬材100之結晶粒徑的測量中，係利用縱向波成分的重複反射回波(第4圖中以箭頭所示之波形為尖的部分)。第4圖中，波形E1、E2、E3分別為縱向波的第1回波、第2回波、第3回波。

第4圖中，縱軸表示相對振幅(單位a.u.：Arbitrary Unit；任意單位)。橫軸為射出脈衝雷射光Lp後的經過時間。在射出脈衝雷射光Lp後，首先在金屬材100的背面102，在脈衝超音波SW到達之時刻中偵測出第1回波。然後，在背面102產生反射後，再於表面101產生反射之脈衝超音波SW到達背面102之時刻，偵測出第2回波以後之反射回波。因此，至偵測出第1回波為止之時間，係對應於金屬材100的厚度，偵測出之後的各回波之間隔，係對應於金屬材100的厚度的2倍。

在此，參照第5圖來說明在金屬材100的內部傳播之脈衝超音波SW。第5圖係顯示從平板狀的活塞音源500所傳送出之脈衝超音波SW的擴散模樣之示意圖。

當從活塞音源500傳送脈衝超音波SW時，將作為平面波Wp所直行之區域稱為近距離音場(夫瑞奈區域)，脈衝超音波SW所直行之距離(近距離音場極限距離x)，是由下列式(1)表示：

x=d² /(4λ)‧‧‧(1)

式(1)中，d為活塞音源500的直徑，相當於照射在金屬材100之脈衝雷射光Lp的光點大小。λ為脈衝超音波SW的波長(mm)。

另一方面，將較近距離音場極限距離x更遠之區域稱為遠距離音場，脈衝超音波SW係以球面波Ws的方式擴散。遠距離音場中，與結晶粒徑等的材質特性無關，脈衝超音波SW的振幅係與傳播距離的平方呈比例急速地減少。因此，為了明確地偵測出波形解析中所使用之脈衝超音波SW，較佳係擴大光點大小，並更進一步增長近距離音場極限距離x。

例如，在測量厚度2mm之鋼材的粒徑時，當從鋼材的背面偵測出重複反射之第1至第5回波的波形時，第5回波的傳播距離是由下列式(2)表示：

2(mm)×(1+4×2(來回))=18mm‧‧‧(2)

由於鋼材之縱向波超音波的傳播速度v約為5900m/s，所以30MHz之縱向波超音波的波長λ=v/f，為0.197mm。因此，根據式(1)，當波形解析中使用30MHz以上的頻率成分時，可得知較佳是將光點大小的直徑設為約4mm以上。

上述數值為設計上的標準，實際上因應測量目的，因可容許何種程度之訊號雜訊比的劣化之不同，有時即使設為較小的光點大小，亦不會產生問題。此外，可使用表示出由擴散所造成之振幅的減少之一般所知的式子等來修正超音波波形，藉此，即使為更小的光點大小，有時亦可明確地偵測出超音波回波。

另一方面，關於脈衝超音波SW之擴散的抑制，對於光點大小的上限並不存在特別的限制。惟對應雷射振盪器10的輸出，乃存在有可確保在金屬材100的表面101上引起融蝕所需之光量密度的光點大小的上限值，故只需在該值以下即可。因此，不需特別對應金屬材100的厚度等來調整光點大小的上限。

對於上述脈衝超音波SW的擴散之探討，係以平板狀的活塞音源500為前提。然而，從雷射振盪器10所射出之脈衝雷射光Lp之光束剖面內的光量分布(光束分布)，不一定為均一。尤其在產業用途中被廣泛運用之雷射振盪器之脈衝雷射光的光量分布，光束中心附近的光量較大，而成為依據凸透鏡所形成之聚光性良好之「高斯分布(常態分布)」或接近於此之分布。第6圖(a)所示之光束分布為高斯分布的情形時，與第6圖(b)所示之光束分布為均一分布的情形時相比，光束中心附近的光量與周邊的光量之差較大。第6圖(a)、第6圖(b)的縱軸表示光量，橫軸表示聚光點內的位置。

當將具有高斯分布之脈衝雷射光，以上述方式之充分大小的光點大小來聚光於金屬材100的表面101時，一般是經由數片透鏡所形成之縮小光學系統。此時，聚光點內的光量分布，為從雷射振盪器所射出之脈衝雷射光的光量分布所直接投影者。因此，在聚光點中央部被激發之超音波回波的振幅大，相反的，在聚光點周邊部被激發之超音波回波的振幅小。如以上所說明，由於該振幅差，而如光點大小較小的情形一樣脈衝超音波往周邊擴散。因而導致雷射干涉儀所偵測之超音波波形的訊號雜訊比惡化，測量精確度降低。

然而，根據第1圖所示之特性測量裝置1，構成透鏡陣列20之複數個小透鏡Ls，可將具有均一光量分布之像，重疊投影於聚光透鏡30的焦點位置。因此，脈衝雷射光Lp在金屬材100的表面101上具有與小透鏡Ls相同形狀且均一的光量分布，並且以形成第6圖(b)所示之光量分布的聚光點之方式被整形。

因此，藉由脈衝雷射光Lp在金屬材100被激發之脈衝超音波SW的擴散，可被抑制地較小。因此，相對於傳播距離，脈衝超音波SW的振幅不易減少。

藉由脈衝雷射光Lp所激發之脈衝超音波SW在金屬材100內傳播，金屬材100的背面102所顯現之微小振動，乃藉由雷射干涉儀41偵測作為電訊號。如上所述，由於脈衝超音波SW振幅的減少受到抑制，所以可提升雷射干涉儀41所偵測之超音波波形的訊號雜訊比，而獲得良好的測量精確度。

雷射干涉儀41，可採用即使金屬材100的表面101為粗面，亦可測量高頻率的振動之光折射干涉儀。或者是法布立-拍若干涉儀，亦可對粗面測量高頻率的振動，故可同樣地採用。此外，若金屬材100的表面101為鏡面，則可採用邁克遜干涉儀等。

將以雷射干涉儀41所偵測之電壓波形，例如收錄在數位示波儀421並以訊號處理電腦422進行解析，藉此可進行金屬材100的特性測量。

在金屬材100內傳播之縱向超音波於晶粒所引起的散射所導致之衰減率，係因縱向超音波的頻率、及金屬材100的結晶粒徑之不同而不同。例如，為人所知者有瑞立散射、序率散射等。

以下參照第7圖所示的流程圖來說明依據散射衰減之波形解析方法的例子。

將在第7圖的步驟S1中所讀取之波形數據，在步驟S2中藉由傅立葉轉換等而分解為各頻率成分。接著在步驟S3中，在各頻率成分中抽出各縱向波回波。步驟S4中，藉由對數函數將所抽出之縱向波回波的振幅變化予以近似化，並計算出各頻率成分的衰減率α(f)。

衰減率α、頻率f、及結晶粒徑D，具有下列式(3)的相關關係：

α=K×D^n-1 ×fⁿ ‧‧‧(3)

式(3)中，α為衰減率(dB/mm)，D為結晶粒徑(mm)，f為頻率(MHz)，K及n為係數。

若將式(3)予以變形則可得下列式(4)：

D={α/(K×fⁿ )}^1/(n-1) ‧‧‧(4)

步驟S5中，根據任一頻率f的衰減率α(f)，使用式(4)來判定結晶粒徑。係數K、n之值，可藉由測量結晶粒徑為已知的試驗材之實驗來確認。係數n之值，理論上係對應結晶粒徑D與波長λ之比D/λ來決定。亦即，瑞立散射區域(0.03≦D/λ≦0.3)中，n=4，序率散射區域(0.3≦D/λ≒1)中，n=3。

第8圖係顯示藉由第1實施形態之金屬材的特性測量裝置1所偵測出之脈衝超音波的波形的一例。第8圖中，縱軸表示相對振幅(單位a.u.：Arbitrary Unit；任意單位)。橫軸為射出脈衝雷射光Lp之後的經過時間。測定對象的金屬材100為板厚1.35mm的鋼板，結晶粒徑約4μm。雷射干涉儀41所偵測之超音波波形，可明確地偵測出從縱向波的第1回波(波形E1)至第13回波(波形E13)。

如以上所說明，根據本發明的第1實施形態之金屬材的特性測量裝置1，可使照射在測定對象的金屬材100之脈衝雷射光的光束剖面內的光量分布達到均一。因此，在金屬材100中被激發之脈衝超音波SW的擴散受到抑制。因此可提供一種能夠抑制測量精確度的降低並使用脈衝雷射光之金屬材的特性測量裝置1。

聚光透鏡30與透鏡陣列20之位置關係，亦可與第1圖所示之例子為前後相反。亦即，可於雷射振盪器10與聚光透鏡30之間配置透鏡陣列20，或是於雷射振盪器10與透鏡陣列20之間配置聚光透鏡30。

第9圖係顯示於雷射振盪器10與聚光透鏡30之間配置有透鏡陣列20之例子。藉由第9圖所示之特性測量裝置1，亦可將透鏡陣列20的複數個小透鏡Ls所分別輸出之射出光Ld，藉由聚光透鏡30聚光於測定對象之金屬材100的表面101的同一區域。

此外，如第1圖、第9圖所示，於透鏡陣列20及聚光透鏡30與金屬材100之間設置有窗板51。窗板51係為了從收納有雷射振盪器10、透鏡陣列20及聚光透鏡30之框體50將脈衝雷射光Lp射出至外部而設置在框體50。

以雷射振盪器為首，透鏡、反射鏡等光學設備，為了提高該光學效率，較多為使用特殊材料或施以特殊塗膜，若讓塵埃等附著於此，則容易產生損傷而導致光學效率的降低。因此，一般是將全體設備收納於密閉度高之框體，並經由窗板來取出雷射光。

然而，當將窗板設置在實際的生產線時，液體或粉末等有時會附著於該窗板。此時，窗板的該部分之穿透率會降低。當雷射光照射在穿透率降低的部分時，窗板的該部分會吸收雷射光的能量並發熱，而產生損傷。而且，當持續照射雷射光時，損傷會持續擴大。產生此種損傷時，以往的聚光系統中，損傷部分會作用為所謂的遮光罩，使聚光點之形狀內的光量分布變得不均一。

相對於此，第1圖、第9圖所示之特性測量裝置1中，在金屬材100之表面101的聚光點SP，可使脈衝雷射光的光量分布達到均一。亦即，即使因窗板51之附著有液體或粉末等之部分的損傷，使通過窗板51之脈衝雷射光Lp的光束分布劣化，在金屬材100中被激發之脈衝超音波SW的擴散亦可被抑制地較小。因此，相對於傳播距離，脈衝超音波SW的振幅不易減少，雷射干涉儀41所偵測之超音波波形的訊號雜訊比幾乎不會改變。亦即，即使窗板51產生損傷，亦可維持良好的測量精確度。因此，即使窗板51產生損傷，亦不須立即更換，可配合生產排程上的休止期間來進行窗板51的更換。因此，可避免特性測量裝置1之運轉率的降低。

(第2實施形態)

本發明的第2實施形態之金屬材的特性測量裝置1，如第10圖所示，與第1圖所示之第1實施形態不同之處，在於復具備有將從雷射振盪器10所射出之脈衝雷射光Lp的波長進行轉換之波長轉換結晶60者。其他構成與第1實施形態相同。

金屬材100之經研磨的表面101之雷射光的吸收率，波長愈短時愈大。因此，藉由波長轉換結晶60將從雷射振盪器10所射出之脈衝雷射光Lp轉換為短波長後再照射至金屬材100，藉此，在研磨面等之反射率高的金屬材，相對於同一脈衝雷射光輸出，可激發更大振幅的脈衝超音波SW。

根據第10圖所示之特性測量裝置1，從雷射振盪器10所射出之脈衝雷射光Lp，係藉由波長轉換結晶60轉換為更短波長後再照射至金屬材100。由於波長愈短，金屬材100的表面101之脈衝雷射光的吸收率愈大，所以在研磨面等，相對於同一脈衝雷射光輸出，可激發振幅更大的脈衝超音波SW。例如，來自波長1064nm的Nd：YAG雷射之脈衝雷射光Lp，可藉由LBO(LiB₃ O₅ )或KTP(KTiOPO₄ )等之波長轉換結晶60，轉換為波長532nm或波長355nm的脈衝雷射光Lp，並照射在金屬材100的表面101。

通常，為了防止波長轉換結晶60的損傷，係將入射於波長轉換結晶60之脈衝雷射光Lp的光量密度設為損傷臨限值以下。因此，若所使用之脈衝雷射光Lp的輸出較大，則需使用大小較大的波長轉換結晶60，並且增大所入射之脈衝雷射光Lp的光束徑。

然當使用大小較大的波長轉換結晶60時，結晶內的溫度不一致或隨時間之變化，會有從波長轉換結晶60所射出之雷射光的光束分布劣化之問題。例如，第11圖(a)及第11圖(b)係顯將YAG雷射光的波長轉換為532nm時之光束分布隨時間之變化之例，第11圖(a)顯示使用開始不久後，第11圖(b)顯示經過10個月後之光束分布。

第11圖(b)中，光量較大的區域D1與光量較小的區域D2混合存在等，當比較第11圖(a)與第11圖(b)時，可得知光束分布隨時間產生較大變化。此種光束分布的劣化，會對在金屬材100被激發之脈衝超音波SW的擴散狀況造成無法忽視之影響。亦即，相對於傳播距離，超音波振幅顯著地減少，雷射干涉儀41所偵測之超音波波形的訊號雜訊比惡化。因而具有測量精確度降低之問題。

相對於此，根據第10圖所示之特性測量裝置1，即使因波長轉換結晶60隨時間之變化或溫度不一致等而產生光束分布的劣化，亦可使金屬材100表面101的聚光點SP之脈衝雷射光的光量分布達到均一。因此，在金屬材100被激發之脈衝超音波SW的擴散可被抑制地較小，結果，相對於傳播距離，脈衝超音波SW的振幅不易減少，可提升雷射干涉儀41所偵測之超音波波形的訊號雜訊比，而獲得良好的測量精確度。

除此之外，其他與第1實施形態實質上為相同，故省略重複記載。

如上所述，本發明係藉由第1及第2實施形態而予以記載，但構成此揭示內容的一部分之論述及圖式，並不應理解為用以限定本發明之內容。對該業者而言，所能夠明瞭的是可從該揭示內容得知種種替代實施形態、實施例及運用技術。亦即，本發明當然包含在此所未記載之種種實施形態等。因此，本發明之技術範圍，僅由上述說明與適當的申請專利範圍相關之發明特定事項所決定。

[產業利用可能性]

本發明之金屬材的特性測量裝置，可運用在以非接觸方式測量金屬材的特性之製造業。

1．．．特性測量裝置

10．．．雷射振盪器

11．．．放大系統

20．．．雷射陣列

30．．．聚光透鏡

40．．．解析裝置

41．．．雷射干涉儀

42．．．訊號處理裝置

50．．．框體

51．．．窗板

60．．．波長轉換結晶

100．．．金屬材

101．．．表面

102．．．背面

111．．．凹透鏡

112．．．凸透鏡

421．．．數位示波儀

422．．．訊號處理電腦

第1圖係顯示本發明第1實施形態之金屬材的特性測量裝置的構成之示意圖。

第2圖係顯示本發明第1實施形態之金屬材的特性測量裝置所具有之透鏡陣列的構成例之示意圖，第2圖(a)為俯視圖，第2圖(b)為第2圖(a)之沿著IIb-IIb方向之剖面圖，第2圖(c)為沿著第2圖(a)之IIc-IIc方向之剖面圖。

第3圖係顯示本發明第1實施形態之金屬材的特性測量裝置之聚光點形狀例之照片。

第4圖係顯示於測量對象的金屬材內部被激發之脈衝超音波的偵測波形例之圖表。

第5圖係顯示從活塞音源所傳送出之脈衝超音波的擴散模樣之示意圖。

第6圖係顯示脈衝雷射光的光量分布例之圖表，第6圖(a)顯示高斯分布，第6圖(b)顯示均一分布。

第7圖係用以說明依據本發明第1實施形態之金屬材的特性測量裝置所進行之波形解析方法例之流程圖。

第8圖係顯示藉由本發明第1實施形態之金屬材的特性測量裝置所偵測出之脈衝超音波的偵測波形例之圖表。

第9圖係顯示本發明第1實施形態之金屬材的特性測量裝置的另一構成之示意圖。

第10圖係顯示本發明第2實施形態之金屬材的特性測量裝置的構成之示意圖。

第11圖係顯示脈衝雷射光的光束分布隨時間之變化之照片，第11圖(a)顯示隨時間之變化前的光束分布之照片，第11圖(b)顯示隨時間之變化後的光束分布之照片。