JP2004069571A - 表面検査装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光学式表面検査装置では検出が不可能であった、粗面中にある微小な凹凸形状を検出する。
【解決手段】マイクロ波発生器と、該マイクロ波を被測定対象面に導く第１の光学系と、被測定対象面からの反射波を検出するマイクロ波検出器と、前記反射波を前記マイクロ波検出器に導く第２の光学系と、測定位置ごとの検出信号を処理して信号強度分布を求め、求めた信号強度分布から前記金属の表面形状を決定する信号処理装置と、被測定対象の移動機構とを備える。
【選択図】 図１
【解決手段】マイクロ波発生器と、該マイクロ波を被測定対象面に導く第１の光学系と、被測定対象面からの反射波を検出するマイクロ波検出器と、前記反射波を前記マイクロ波検出器に導く第２の光学系と、測定位置ごとの検出信号を処理して信号強度分布を求め、求めた信号強度分布から前記金属の表面形状を決定する信号処理装置と、被測定対象の移動機構とを備える。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属の表面形状を検査するための表面検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで表面検査装置には、例えば、▲１▼ＣＣＤカメラを用いた方式（「表面疵の検出方法及びその装置」特許第３０６３５２３号）や、▲２▼レーザー光を用いた方式（「鋼板の表面欠陥検出方法」特開平６−３０８０５１号）などがあった。▲１▼は白色ランプから放射された可視光を被測定対象面に照射し、反射光をＣＣＤカメラで撮影する方式であり、特に照射する光はインコヒーレントであることを特徴とする。また、▲２▼は可視域のレーザーを数ｍｍ程度のスポット状に照射し、光検出器を用いて反射光を検出する。両者ともに、可視光を被測定対象面に照射し、該対象面の変化に伴う反射光の違いや偏光の変化を検出することで観察領域が正常或いは異常であるかを判定する点は同じである。一方、両者には光の照射、検出方式の違いに基づき、検出できる異常の種類が異なる。
【０００３】
▲１▼の方式は、被測定対象面を写真で撮影した場合と同様の画像が得られ、レンズ倍率を上げて空間分解能を細かくすれば大きさが１ｍｍ以下の異常も検出できる可能性がある。しかし、この方式では反射光量に基づいた明暗、全体的な形などの情報を抽出するが、対象表面の凹凸情報が得られないため、対象表面の凹凸に基づく異常を正確に検出、判別することができなかった。例えば、金属の製造工程では、スクラッチや異物によって押し込まれた異常など、その種類や有害度合いが凹凸（深さ）形状と強い相関のある場合があるが、凹凸情報に基づく判別は原理上不可能であった。また、工程によっては、本来正常である部位の表面に油や汚れなどが付着することもあるが、ＣＣＤカメラ方式では、この付着物の画像として凹状の異常部と極めて類似した画像が得られるので、これらを区別することができなかった。一方、▲２▼の方式は、レーザー光を被測定対象面上に集光するため、検出できる異常の大きさはこの集光径に依存する。一般に比較的遠距離からレーザー光を照射することから集光径はミリオーダーとなり、１ｍｍ以下の微小な異常を検出することができなかった。
【０００４】
更に、いずれの方式でも、対象面が可視光に対して散乱性を持つような粗面である場合、異常部を形作る断面形状の輪郭がなだらかな傾斜を持つ凹凸異常を検出することができなかった。例えば、金属の製造工程では、砥石がけなど特別な表面加工を施した上で初めて顕在化できる異常がこれに該当する。この異常は砥石がけなどの操作を行わない限り目視でも認識することが不可能であることから、原理上▲１▼の方式では検出が不可能である。尚、▲２▼の方式では原理上、凹凸情報が得られる可能性もあるが、表面の粗度が原因となって反射光が散乱し、異常部の凹凸による反射光の変化を著しく低下させること、更にスペックルノイズもＳ／Ｎを低下させる方向に働くことなどから、大きさが１ｍｍ以上あっても凹凸が１００μｍ程度以下の異常を検出することはできなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした状況を鑑み、従来の光学式表面検査装置では検出が不可能であった、粗面中にある微小な凹凸形状を検出すること、様々な形態の異常をその種類や有害度合いに応じて的確に判別すること、特に金属の製造工程などにおいて発生する、異常と類似した付着物などと異常部とを正確に判別することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、以下の（１）〜（８）の本発明により解決される。
（１）金属の表面形状を検査するための表面検査装置において、マイクロ波発生器と、該マイクロ波を被測定対象面に導く第１の光学系と、被測定対象面からの反射波を検出するマイクロ波検出器と、前記反射波を前記マイクロ波検出器に導く第２の光学系と、測定位置ごとの検出信号を処理して信号強度分布を求め、求めた信号強度分布から前記金属の表面形状を決定する信号処理装置と、被測定対象の移動機構とを兼ね備えた表面検査装置。
（２）前記マイクロ波発生器は波長１０μｍ〜１ｍｍのマイクロ波或いは、その一部の波長のマイクロ波を発生することを特徴とする（１）項に記載の表面検査装置。
（３）前記マイクロ波発生器はその波長領域でコヒーレントなマイクロ波を発生するものであり、前記マイクロ波検出器は反射波の干渉強度を検出するものであって、前記信号強度分布のパターンから異常部の位置、大きさ、種類の少なくとも一つ以上を判別することを特徴とする（１）または（２）に記載の表面検査装置。
（４）前記第２の光学系は鏡面反射成分を除去し、散乱成分のみを検出する機構を兼ね備えたことを特徴とする（１）から（３）項のいずれか１項に記載の表面検査装置。
（５）前記マイクロ波発生器はパルス波を発生するものであり、前記マイクロ波検出器は受信パルス波の時間変化を捉えるものであり、前記信号処理装置はパルス信号を周波数成分に分解し、周波数成分ごとの信号強度分布を求める機能を有するものであることを特徴とする（１）から（４）のいずれか１項に記載の表面検査装置。
（６）前記第２の光学系は鏡面反射成分を除去し、散乱成分のみを検出する機構の代わりに反射波を鏡面反射成分と散乱成分に分離する機構を有し、前記信号処理装置はパルス信号の遅延時間を測定する機能を有することを特徴とする（５）項に記載の表面検査装置。
（７）前記マイクロ波発生器は時間が１ピコ秒以下のパルスを発生するものであることを特徴とする（５）または（６）項に記載の表面検査装置。
（８）前記被測定対象の移動機構の代わりにマイクロ波の照射位置を移動させ、反射光を検出する光学系を兼ね備えた請求項（１）から（７）項のいずれか１項に記載の表面検査装置。
【０００７】
【発明の実施の形態】
課題を解決するための手段（１）項に記載のマイクロ波を用いた表面検査装置は、マイクロ波の長波長性から、被測定対象面が光学的に粗面であっても、その粗度の影響を受けず鏡面に近い反射特性を示すため、表面の微小な形状による反射波分布の違いを検出することで、異常部を形作る数μｍ以上の凹凸情報のみを正確に検知することができる。特に、金属の製造工程では多くの場合、１０μｍ程度以下の凹凸が粗面として形成されている一方、品質管理上、大きさがサブミリオーダー、凹凸が数μｍ以上の異常部を検査する必要があり、これに対して、（２）項に記載の波長が１０μｍ〜１ｍｍの特異なマイクロ波或いは、その一部の波長を利用することが有効であることを本発明者らは見いだした。また、マイクロ波が波長領域でコヒーレントであり、反射光の干渉強度を計測する（３）項に記載の発明は、急峻な形状変化を伴う異常に対する感度が高く、マイクロ波の集光径であるミリオーダー以下の大きさであっても検出が可能である。更に、（４）項に記載の被測定対象面からの鏡面反射成分を除去し、散乱成分のみを検出する光学系を用いると、正常部からの信号に対して、その強度が減少する方向のみの検出信号パターンであったものに、新たに信号強度が増加する正方向のパターンが現れ、被測定対象の形状と信号パターンとの相関が大きくなるため、より信頼性の高い検査が実現できる。マイクロ波がパルス波である、（５）項に記載の発明は、パルス検出信号を複数周波数成分に分解することで、一つの異常を各周波数における信号パターンの組み合わせとして表現できるため、連続波に比べて、より正確な形状計測ができ且つ、測定できる凹凸の広いダイナミックレンジが実現できる。また、（６）項に記載の反射波を鏡面反射成分と散乱成分に分離する機構を用いると、散乱成分から得られる複数周波数の信号パターンと同時に、鏡面反射成分から時間的な遅延情報も得られ、対象の異常が凹／凸いずれかであることや、付着物と凹面との正確な判別が可能となる。特に、（７）項に記載の時間幅が１ピコ秒以下のパルス波を用いると、１００ギガヘルツ以上の広い周波数帯からの信号が得られ、パルス波の位相情報から数μｍ〜１０μｍ程度以上の凹凸を直接検出することも可能になるため、検出精度が更に向上する。これらの知見に基づき、従来方式では実現できなかった高精度の検査装置を提供することができた。
【０００８】
【実施例】
Ｉ）基本構成
課題を解決するための手段（１）及び（２）項に記載の発明は、例えば図１のように実現できる。マイクロ波発生器１から放射されたマイクロ波２は単数或いは複数のポリエチレンレンズ又はミラーからなる第１の光学系３を通り、被測定対象８の表面上にビーム径数ｍｍ程度に集光される。被測定対象８表面の法線方向に照射方向と対称な鏡面反射方向を軸として第２の光学系４を設置し、マイクロ波２をマイクロ波検出器５の検出面上に導く。信号処理機６はマイクロ波検出器５からの信号と同時に、被測定対象の移動機構７から位置情報を受け取り、被測定対象の位置に応じた信号変化を検出することができる。
【０００９】
測定を開始する際に、予め平坦なミラー或いは正常部などを移動機構７上に設置し、参照信号をとっておく。その後、検査対象を設置し、測定信号と参照信号との比をとったものを検出信号とする。移動機構７には検査時に必要な被測定対象８表面とほぼ平行なＸ−Ｙ方向に駆動できる機構の他、被測定対象の厚みや傾斜に応じて測定前に調整するＺ方向及び回転方向の移動機構も有している。被測定対象をＸ−Ｙ方向に移動させると、入射するマイクロ波２の照射位置と異常部との相対位置によって、検出器が受光する光量が変化し、異常の大きさや種類に応じた信号パターンが得られる。
【００１０】
マイクロ波の波長領域におけるコヒーレント性に関わらず、マイクロ波２が被測定対象８面上にある数μｍ以上の凹凸を持つ異常部に照射されると、図２（ａ）に示すように反射マイクロ波１２内では、鏡面反射の他、表面形状に依存した反射方向の変化すなわち散乱成分が発生する。この時異常部を走査すると、異常部の基準位置と照射するマイクロ波の中心との相対位置が変わるにつれて、例えば図２（ｂ）に示すように、正常部からの反射分布１５とは異なる反射波分布１６が発生する。検出できる反射波の立体角は、検出光学系によって限定されるので、図中の「検出範囲」に示すように、有限の反射成分のみが検出され、結果として検出される信号強度の変化が観測される。この時、横軸をマイクロ波と異常部との相対位置にとり、検出信号を正常部からの信号で規格化したものを検出信号強度として縦軸に表すと、例えば図２（ｃ）のような信号パターンが得られる。このパターン変化は散乱に起因しているため、異常部は強度が減少する信号として観測される。
【００１１】
ところで、この信号パターンは粗面の影響を受けない波長のマイクロ波を用いることで初めて検出が可能となる。図３に正常部にマイクロ波、可視或いは赤外光を、同じ入射広がり角で照射した場合のそれぞれの反射パターンを示し、両者の違いを比較する。光は正常部に照射された場合でも、表面の粗度により散乱されるため、反射光２０の広がり角は入射光１９に比べて大きくなる。一方、マイクロ波の場合、反射波１８は入射波１７とほぼ同じ広がり角を持つ。この時、光又はマイクロ波２１が例えば図４（ａ）に示すように微小な傾斜を持つ異常部２４に照射されたとすると、いずれも同じ角度だけ僅かに反射方向の軸が変化する。この様子は図４（ｂ）に示すように、入射光又はマイクロ波の空間分布２７、２５に対して反射光又はマイクロ波の分布２６、２８が一定量シフトする。この反射方向の変化に対しては、反射光波の広がり角が小さいほど検出精度が向上するので、本例では図中に示すように、マイクロ波の場合には検出範囲で十分な信号変化となる一方、光の場合には検出範囲に依らず極めて小さい信号変化しか得られない。このように、表面粗度の影響を受けない波長を選択することにより、微小な形状変化を検出することが可能となる。特に、金属の製造工程で圧延された表面に対しては、波長が１０μｍ以上のマイクロ波が有効である。
【００１２】
本検出原理に基づく信号強度の変化は、図１におけるマイクロ波２の入射広がり角や集波サイズの他、異常部の大きさや凹凸形状にも依存するため、検出信号のパターン変化から主に異常の有無や大凡の大きさなどを特定できる。また反対に、凹凸が大きい場合にも、マイクロ波２の反射方向の変化が大きくなり、第２の光学系４で検出器上に集光するマイクロ波強度が極端に小さくなるため検出が可能である。具体的には、予め基準となる信号パターンを計算或いは、標準サンプルなどで収集しておき、現信号パターンをこれらと比較することで実現できる。
【００１３】
尚、本検査装置は図５に示すように、測定対象の垂直方向からマイクロ波を照射する光学系でも実現が可能である。この場合、マイクロ波を被測定対象３７面上に導く第１の光学系と、反射マイクロ波を検出器３４に導く第２の光学系ではレンズ３８を共有し、反射マイクロ波をマイクロ波検出器３４の方向に導くためのハーフ・ミラー３３を追加する必要があるが、基本構成に比べてマイクロ波の入射、検出角度による補正を考慮しなくてよいので、信号パターンの計算が容易であるという特徴がある。
【００１４】
ＩＩ）波長領域でコヒーレントなマイクロ波を用いた場合
（３）項に記載の本発明の検査装置も図１或いは図５と同様の構成で実現できる。本装置においても、Ｉ）に記載の検出原理が成り立つので、同様の検出性能が得られる。本装置では、更に、異常の断面形状がマイクロ波の反射方向の変化を生じさせない、例えばステップ状の異常でも検出が可能となる。異常部が急峻な凹凸変化を伴った形状である場合は、異常部の断面形状及びマイクロ波の波長に応じて回折が発生し、その結果、検出器上で干渉パターンが発生する。干渉パターンはマイクロ波内部に含まれる位相遅延の割合に依存しており、被測定対象を走査することによって反射方向の変化に基づく信号変化とは異なる信号パターンが得られる。Ｉ）と同様に、予め基準となる信号変化を計算或いは、標準サンプルなどで収集しておき、現信号パターンを比較することで異常の種類などを判別できる。
【００１５】
ＩＩＩ）非鏡面反射成分のみを検出する機構を有する場合
（４）項に記載の本発明の検査装置は図６の様に、反射マイクロ波の中心部をカットする遮蔽板４４を挿入した第２の光学系５０を用いることで実現できる。遮蔽板４４は例えば、フレーム５１にマイクロ波を透過する膜５２、マイクロ波を遮蔽する例えば金属５３を組み合わせた図７のような構造で実現できる。これは通過するマイクロ波の中心部を遮蔽し、周辺部を透過させる構造になっている。このような遮蔽板４４を、図６に示すように、正常部における反射方向と遮蔽板中心を一致させるようにして設置すると、反射マイクロ波の周辺部すなわち、散乱成分のみを検出器４７上に集光して検出することができる。この時、１対のレンズを用いると、反射マイクロ波が２枚のレンズ間でほぼ平行波となるような領域を作ることができ、この領域に遮蔽板４４を設置すると、遮蔽板の設置位置による検出信号のばらつきが抑制され、安定した検出が可能になる。特に、焦点距離ｆのレンズ２枚を用いたとき、被測定対象面４３、１枚目のレンズ４５、遮蔽板４４、２枚目のレンズ４６及び検出器４７間のそれぞれの距離をｆにすると、遮蔽板４４の位置がフーリエ光学面に相当し、低い空間周波数成分をカットすることができる。
【００１６】
このような光学系を用いた場合、被測定対象４３の凹凸に起因した散乱或いは回折が生じると、Ｉ）の方法では信号強度が低下する方向（負の極性）の変化しか観測できなかった反面、散乱又は回折による反射分布の変化を強調し、正負の信号変化を伴った信号を得ることができる。例えば、図２（ｂ）と同様に、被測定対象面からの反射分布の例を図８（ａ）に示す。図中の斜線部が遮蔽板４４によって遮蔽された部分であり、反射波の裾野部分のみが検出範囲となっている。この時、散乱性の比較的大きい形状からは、（ａ）、（ｂ）に示すように、検出範囲の信号強度が低下し、Ｉ）の例と同様に負の極性を持つ信号が得られる。一方、散乱性の小さい場合は、（ｃ）、（ｄ）に示すように検出強度が増加する（正の極性を伴った）信号が得られる。このようにして、遮蔽機構を用い、散乱に相当する特定領域のマイクロ波成分のみを検出することにより、測定対象の形状に更に敏感に変化する信号を得ることができ、検出信号パターンから異常種などを判別する性能が向上する。
【００１７】
尚、図７における遮蔽板４４内部の遮蔽部５３のサイズは予備検証などを行うことによって、検出に最適な径や形状を選択することができる。本例では遮蔽部５３は円形としているが、測定対象に異方性がある場合は、非対称な形状をとることも考えられる。
【００１８】
ＩＶ）パルスマイクロ波を用いた場合
（５）項に記載のパルス波を用いた検出装置では、受信したマイクロ波が複数の周波数成分を含むため、効果としては複数波長のマイクロ波を用いた場合と同様の効果を得る。勿論、複数波長のマイクロ波を発生する発生器を用いても本検査は実現できるが、パルスを用いると単一のマイクロ波発生器だけで実現できるし、周波数分解する際にも高速フーリエ変換などを用いれば高速且つ容易に分解できるという特徴がある。
【００１９】
本装置は、図１におけるマイクロ波発生器１から発生したマイクロ波２が第１の光学系３により被測定対象８面上に集光される点、反射マイクロ波は第２の光学系４により検出器５に導かれる点、信号処理機６がマイクロ波検出器５からの信号と被測定対象８の位置とを同期させる点はＩ）と同様である。異なる点は、発生器からパルス状のマイクロ波が発生される点、パルス化に伴って信号の時間変化を捉える検出方式になる点である。これは図１において、マイクロ波発生器１をパルスマイクロ波発生器に置き換え、検出器５にストリークカメラや、高速の検出器と１００ＧＨｚ以上の帯域を持つ電気的な波形検出機構との組み合わせを用いることによって実現できる。更に、信号処理機６に、例えば高速フーリエ変換などのようにリアルタイムで周波数成分に分解できる機能を組み込むことで、一度に複数周波数の信号パターンを得ることができる。
【００２０】
被測定対象を移動させた時に得られる信号変化を複数周波数で観測すると、例えば図９に示すように、対象の断面形状によって独特のパターンを示す。本図は、幅は同じであるが断面形状が異なる３種類の線状異常からの、周波数が５００ＧＨｚ、１ＴＨｚ、２ＴＨｚの検出信号パターンを表している。本ケースでは例えば、５００ＧＨｚの周波数信号に注目すると、断面形状が矩形、くさび形の測定対象から得られたパターンが非常に似通っているが、他の周波数では全く異なるパターンとなっている。このように、前述の連続的なマイクロ波を用いた単一周波数での検査では、対象の形状が異なるにも関わらず、しばしば類似した信号変化を示すことがあったが、複数の周波数を用いた場合、対象形状と各周波数における信号の組み合わせとの間に極めて高い相関が生じ、信頼性が向上する。勿論、本例だけ見ると、検出周波数として２ＴＨｚを選択すれば十分であるようにも考えられるが、対象の形状によっては２ＴＨｚで類似したパターンが得られることもあるため、複数周波数での信号パターンを同時に検出できる本装置は有効であると考えられる。実際の検査では、予め様々な形状のデータを取っておくか、理論計算を行っておき、現測定データとのマッチングを調べることによって、被測定対象の表面形状を推定する。
【００２１】
Ｖ）パルス検出において反射波を鏡面反射成分と散乱成分に分離する機構を有する場合
（６）項に記載の本発明の検査装置は例えば図１０のように実現できる。マイクロ波発生器５６から被測定対象５９からの反射マイクロ波を発生させるまでは図６の構成と同様である。異なるのは、反射マイクロ波の一部を空間的に遮蔽する遮蔽板４４の代わりに、反射波を鏡面反射成分と散乱成分に分離する一部透過ミラー６０を設置すること、検出器６５及びこれに反射マイクロ波を導くレンズ６３を第２の光学系６８中に有している点である。一部透過ミラー６０の構造は図１１に示すように、反射波方向に対して４５度に設置した際に、マイクロ波内部を円形に切り出せるように楕円形をしている。フレーム６９内には開口部７１を持つ肉薄の平面ミラー７０が設置されている。これを図１０のように、正常部におけるマイクロ波の鏡面反射方向を中心に、反射軸に対して４５度に設置すると、反射されたマイクロ波の中心領域は透過し、レンズ６２を通って検出器６４上に集光される一方、マイクロ波の周辺領域は反射されてレンズ６３、検出器６５へ導かれる。検出器６５で検出された信号は信号処理機６６でＩＩＩ）と同様の処理が施され、複数周波数での信号パターンが得られる。一方、信号処理機６６では、検出器６４で検出された信号から、パルスの遅延時間、複数周波数における位相などが同時に計算される。予め基準となる正常部からのパルス到達時間を測定しておけば、異常部を検出した際に、それが凹凸のいずれであるか或いはその凹凸の大きさを比較判断できる。このように本装置では、ＩＩＩ）と同様の信号パターンに加え、対象の凹／凸情報も得ることができるので、被測定面上のマイクロ波の集波サイズより大きい緩慢な形状変化も直接検出することができるという特徴がある。一般に位相検出では、対象の形状変化量がマイクロ波の波長を一周期として、同じ信号パターンが繰り返し観測されるため、単一周波数の検出では次数を決定できず、測定できる凹凸の大きさすなわちダイナミックレンジが波長によって制約される。これに対して、比較的広帯域の複数周波数を用いることで、形状の変化量と位相情報との組み合わせをほぼ一意に対応づけることができ、広い測定ダイナミックレンジが実現できる。
【００２２】
ＶＩ）パルス幅がピコ秒以下のマイクロ波を用いる場合
パルス幅がピコ秒程度以下の短パルスを用いる（７）項に記載の発明は、広い周波数帯での信号パターンが得られるだけでなく、パルス波の時間遅延に基づく位相検出の精度も向上し、より高精度な測定ができるという特徴がある。このような短パルスを用いた測定は、図１２に示すような方式で実現できる。本発明の波長領域におけるマイクロ波を発生、検出するには、パルスレーザーによる光サンプリング技術を用いることが考えられ、検出用レーザーとマイクロ波との時間的な遅延機構が必要となる。まず可視或いは赤外パルスレーザー７２を、ビーム・スプリッタ７３を用いて２つに分岐し、一方をマイクロ波発生用、他方をマイクロ波検出用に用いる。マイクロ波発生には例えば、半導体基板上の微小なアンテナに集光する方式や、レーザー径を拡大して特定の結晶方向に切り出された非線形光学素子に照射する方式、いわゆる光混合と呼ばれる方式などがある。いずれかの方式によりマイクロ波発生素子７６から発生されたパルス状のマイクロ波７７は、光学系７８を通して被測定面８６上に照射され、反射光はレンズ７９を通過後、一部透過ミラー９１で鏡面反射成分と散乱成分とに分離される。尚、一部透過ミラー９１は図１１に示した構造において、開口部７１部分にレーザー光に対するビーム・スプリッタを設置している点のみ異なる。分離されたマイクロ波は、それぞれレンズ８２、９２によって電気光学素子８３、９３に導かれる。これは、マイクロ波の強度を屈折率変化に変換するもので、マイクロ波が照射されている時間内にレーザー光８８が通過すると、レーザーの偏光が変化する。これを偏光変化が検出できる検出器９４で受信すると、レーザー光でサンプリングされたパルス状のマイクロ波を検出することができる。この検出器９４は例えば、偏光ビーム・スプリッタと２つの光検出器を組み合わせて実現できる。予めマイクロ波発生用のレーザー光の光路中に光変調器８９を設置しておき、光変調器からの信号と同期させて、２つの光検出信号の差分をロックインアンプ８５、９５で検出する。レーザー光の遅延機構８０で検出用レーザー光の遅延時間を連続的に変化させることによって、被測定対象面で反射したマイクロ波のパルス波形を検出することができる。検出後の信号は、信号処理機９０において、ＩＩＩ）と同様の処理が施される。
【００２３】
以上述べた装置を用いることで、例えば、金属の製造工程で見られる油や汚れなどと異常部とを判別することが可能となる。特に金属の製造工程で発生する異常については、その有害性は大きさ以外にも凹凸の大きさや断面形状の急峻度合いなどと相関がある場合が多く、従来判別が困難だった種類や有害性を的確に判別することができる。
【００２４】
ＶＩＩ）対象の移動機構の代わりにマイクロ波の走査或いは空間分布測定機構を用いる場合
本例は、特に金属の製造工程のように、シート状の被測定対象が一方向に移動する場合の検査装置に関する。図１３において、マイクロ波発生器９７から発生されたマイクロ波はポリゴンミラー９９、放物面ミラー９８を通過後、被測定対象１０２に照射される。この時、照射されるマイクロ波はｙ軸成分がほぼ０となるよう調整しておくと、ポリゴンミラー９９の回転に伴い、被測定対象１０２の各位置に一定の角度で照射することができる。一方、反射マイクロ波も同様の放物面ミラー１００を用いて、検出器１０１に集波する。検出信号を測定対象の速度と同期させることにより、信号を画像化することができる。特に、発生するマイクロ波がインコヒーレントな場合は、検出器をアレイ状に配置することで同期機構なしに画像を得ることもできる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は、従来の光学式表面検査装置では検出が不可能であった、粗面中にある微小な凹凸形状を検出し、様々な形態の異常をその種類や有害度合いに応じて的確に判別すること、更に異常と類似した正常部への油付着などと異常部とを正確に判別することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関わる装置の基本構成を表すブロック図である。
【図２】微小な凹凸異常を検出する原理の説明図である。
【図３】正常部にマイクロ波、可視或いは赤外光を照射した場合の反射パターンを示す図である。
【図４】光又はマイクロ波を微小な傾斜をもつ異常部に照射したときの反射パターンを示す図である。
【図５】被測定対象面に垂直入射する場合の装置構成を表すブロック図である。
【図６】非鏡面反射成分のみを検出する機構を表すブロック図である。
【図７】遮蔽板の構造を示す図である。
【図８】検出信号に極性を持たせる原理の説明図である。
【図９】異常の種類による信号強度の変化を説明する図である。
【図１０】反射マイクロ波の鏡面反射成分と散乱成分とを分離して測定する検査装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】一部透過ミラーの構造を示す図である。
【図１２】１ピコ秒以下の短パルス波を用いた検査装置の構成を示すブロック図である。
【図１３】マイクロ波を走査する方式の本発明の装置構成を示す図である。
【符号の説明】
１：マイクロ波発生器 ２：マイクロ波
３：マイクロ波を被測定対象面に導く第１の光学系
４：反射マイクロ波を検出器に導く第２の光学系
５：マイクロ波検出器 ６：信号処理機
７：被測定対象の移動機構 ８：被測定対象
１１：入射マイクロ波 １２：反射マイクロ波
１３：被測定対象 １４：異常部
１５、１７、２５：入射マイクロ波の空間強度分布
１６、１８、２６：反射マイクロ波の空間強度分布
１９、２７：入射光の空間強度分布 ２０、２８：反射光の空間強度分布
２１：入射光又はマイクロ波 ２２：反射光又はマイクロ波
２３：被測定対象 ２４：異常部
３０：マイクロ波発生器 ３１：マイクロ波
３２、３８、３９：レンズ ３３：ハーフ・ミラー
３４：マイクロ波検出器 ３５：信号処理機
３６：被測定対象の移動機構 ３７：被測定対象
４０：マイクロ波発生器 ４１：マイクロ波
４２；マイクロ波を被測定対象面に導く第１の光学系
４３：被測定対象 ４４：遮蔽板
４５、４６：焦点距離ｆのレンズ ４７：検出器
４８：信号処理機 ４９：被測定対象の移動機構
５０：反射マイクロ波を検出器に導く第２の光学系
５１：フレーム ５２：マイクロ波透過膜
５３：金属膜 ５４：入射マイクロ波の空間強度分布
５５：反射マイクロ波の空間強度分布 ５６：マイクロ波発生器
５７：マイクロ波
５８；マイクロ波を被測定対象面に導く第１の光学系
５９：被測定対象 ６０：一部透過ミラー
６１、６２、６３：焦点距離ｆのレンズ
６４、６５：検出器 ６６：信号処理機
６７：被測定対象の移動機構
６８：反射マイクロ波を検出器に導く第２の光学系
６９：フレーム ７０：平面ミラー
７１：開口部
７２：可視或いは赤外のパルスレーザー
７３：ビーム・スプリッタ ７４：ミラー
７５：集光或いは拡大光学系 ７６：マイクロ波発生素子
７７：パルスマイクロ波
７８：マイクロ波を被測定対象に導く第１の光学系
７９、８２、９２：レンズ ８０：レーザー光の遅延機構
８１：ダイクロイックミラー ８３、９３：電気光学素子
８４、９４：偏光変化を検出する検出器
８５、９５：ロックインアンプ ８６：被測定対象
８７：被測定対象の移動機構 ８８：レーザー光
８９：光変調器 ９０：信号処理機
９６：反射マイクロ波を検出器に導く第２の光学系
９７：マイクロ波発生器 ９８、１００：放物面ミラー
９９：ポリゴンミラー １０１：検出器
１０２：被測定対象
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属の表面形状を検査するための表面検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで表面検査装置には、例えば、▲１▼ＣＣＤカメラを用いた方式（「表面疵の検出方法及びその装置」特許第３０６３５２３号）や、▲２▼レーザー光を用いた方式（「鋼板の表面欠陥検出方法」特開平６−３０８０５１号）などがあった。▲１▼は白色ランプから放射された可視光を被測定対象面に照射し、反射光をＣＣＤカメラで撮影する方式であり、特に照射する光はインコヒーレントであることを特徴とする。また、▲２▼は可視域のレーザーを数ｍｍ程度のスポット状に照射し、光検出器を用いて反射光を検出する。両者ともに、可視光を被測定対象面に照射し、該対象面の変化に伴う反射光の違いや偏光の変化を検出することで観察領域が正常或いは異常であるかを判定する点は同じである。一方、両者には光の照射、検出方式の違いに基づき、検出できる異常の種類が異なる。
【０００３】
▲１▼の方式は、被測定対象面を写真で撮影した場合と同様の画像が得られ、レンズ倍率を上げて空間分解能を細かくすれば大きさが１ｍｍ以下の異常も検出できる可能性がある。しかし、この方式では反射光量に基づいた明暗、全体的な形などの情報を抽出するが、対象表面の凹凸情報が得られないため、対象表面の凹凸に基づく異常を正確に検出、判別することができなかった。例えば、金属の製造工程では、スクラッチや異物によって押し込まれた異常など、その種類や有害度合いが凹凸（深さ）形状と強い相関のある場合があるが、凹凸情報に基づく判別は原理上不可能であった。また、工程によっては、本来正常である部位の表面に油や汚れなどが付着することもあるが、ＣＣＤカメラ方式では、この付着物の画像として凹状の異常部と極めて類似した画像が得られるので、これらを区別することができなかった。一方、▲２▼の方式は、レーザー光を被測定対象面上に集光するため、検出できる異常の大きさはこの集光径に依存する。一般に比較的遠距離からレーザー光を照射することから集光径はミリオーダーとなり、１ｍｍ以下の微小な異常を検出することができなかった。
【０００４】
更に、いずれの方式でも、対象面が可視光に対して散乱性を持つような粗面である場合、異常部を形作る断面形状の輪郭がなだらかな傾斜を持つ凹凸異常を検出することができなかった。例えば、金属の製造工程では、砥石がけなど特別な表面加工を施した上で初めて顕在化できる異常がこれに該当する。この異常は砥石がけなどの操作を行わない限り目視でも認識することが不可能であることから、原理上▲１▼の方式では検出が不可能である。尚、▲２▼の方式では原理上、凹凸情報が得られる可能性もあるが、表面の粗度が原因となって反射光が散乱し、異常部の凹凸による反射光の変化を著しく低下させること、更にスペックルノイズもＳ／Ｎを低下させる方向に働くことなどから、大きさが１ｍｍ以上あっても凹凸が１００μｍ程度以下の異常を検出することはできなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした状況を鑑み、従来の光学式表面検査装置では検出が不可能であった、粗面中にある微小な凹凸形状を検出すること、様々な形態の異常をその種類や有害度合いに応じて的確に判別すること、特に金属の製造工程などにおいて発生する、異常と類似した付着物などと異常部とを正確に判別することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、以下の（１）〜（８）の本発明により解決される。
（１）金属の表面形状を検査するための表面検査装置において、マイクロ波発生器と、該マイクロ波を被測定対象面に導く第１の光学系と、被測定対象面からの反射波を検出するマイクロ波検出器と、前記反射波を前記マイクロ波検出器に導く第２の光学系と、測定位置ごとの検出信号を処理して信号強度分布を求め、求めた信号強度分布から前記金属の表面形状を決定する信号処理装置と、被測定対象の移動機構とを兼ね備えた表面検査装置。
（２）前記マイクロ波発生器は波長１０μｍ〜１ｍｍのマイクロ波或いは、その一部の波長のマイクロ波を発生することを特徴とする（１）項に記載の表面検査装置。
（３）前記マイクロ波発生器はその波長領域でコヒーレントなマイクロ波を発生するものであり、前記マイクロ波検出器は反射波の干渉強度を検出するものであって、前記信号強度分布のパターンから異常部の位置、大きさ、種類の少なくとも一つ以上を判別することを特徴とする（１）または（２）に記載の表面検査装置。
（４）前記第２の光学系は鏡面反射成分を除去し、散乱成分のみを検出する機構を兼ね備えたことを特徴とする（１）から（３）項のいずれか１項に記載の表面検査装置。
（５）前記マイクロ波発生器はパルス波を発生するものであり、前記マイクロ波検出器は受信パルス波の時間変化を捉えるものであり、前記信号処理装置はパルス信号を周波数成分に分解し、周波数成分ごとの信号強度分布を求める機能を有するものであることを特徴とする（１）から（４）のいずれか１項に記載の表面検査装置。
（６）前記第２の光学系は鏡面反射成分を除去し、散乱成分のみを検出する機構の代わりに反射波を鏡面反射成分と散乱成分に分離する機構を有し、前記信号処理装置はパルス信号の遅延時間を測定する機能を有することを特徴とする（５）項に記載の表面検査装置。
（７）前記マイクロ波発生器は時間が１ピコ秒以下のパルスを発生するものであることを特徴とする（５）または（６）項に記載の表面検査装置。
（８）前記被測定対象の移動機構の代わりにマイクロ波の照射位置を移動させ、反射光を検出する光学系を兼ね備えた請求項（１）から（７）項のいずれか１項に記載の表面検査装置。
【０００７】
【発明の実施の形態】
課題を解決するための手段（１）項に記載のマイクロ波を用いた表面検査装置は、マイクロ波の長波長性から、被測定対象面が光学的に粗面であっても、その粗度の影響を受けず鏡面に近い反射特性を示すため、表面の微小な形状による反射波分布の違いを検出することで、異常部を形作る数μｍ以上の凹凸情報のみを正確に検知することができる。特に、金属の製造工程では多くの場合、１０μｍ程度以下の凹凸が粗面として形成されている一方、品質管理上、大きさがサブミリオーダー、凹凸が数μｍ以上の異常部を検査する必要があり、これに対して、（２）項に記載の波長が１０μｍ〜１ｍｍの特異なマイクロ波或いは、その一部の波長を利用することが有効であることを本発明者らは見いだした。また、マイクロ波が波長領域でコヒーレントであり、反射光の干渉強度を計測する（３）項に記載の発明は、急峻な形状変化を伴う異常に対する感度が高く、マイクロ波の集光径であるミリオーダー以下の大きさであっても検出が可能である。更に、（４）項に記載の被測定対象面からの鏡面反射成分を除去し、散乱成分のみを検出する光学系を用いると、正常部からの信号に対して、その強度が減少する方向のみの検出信号パターンであったものに、新たに信号強度が増加する正方向のパターンが現れ、被測定対象の形状と信号パターンとの相関が大きくなるため、より信頼性の高い検査が実現できる。マイクロ波がパルス波である、（５）項に記載の発明は、パルス検出信号を複数周波数成分に分解することで、一つの異常を各周波数における信号パターンの組み合わせとして表現できるため、連続波に比べて、より正確な形状計測ができ且つ、測定できる凹凸の広いダイナミックレンジが実現できる。また、（６）項に記載の反射波を鏡面反射成分と散乱成分に分離する機構を用いると、散乱成分から得られる複数周波数の信号パターンと同時に、鏡面反射成分から時間的な遅延情報も得られ、対象の異常が凹／凸いずれかであることや、付着物と凹面との正確な判別が可能となる。特に、（７）項に記載の時間幅が１ピコ秒以下のパルス波を用いると、１００ギガヘルツ以上の広い周波数帯からの信号が得られ、パルス波の位相情報から数μｍ〜１０μｍ程度以上の凹凸を直接検出することも可能になるため、検出精度が更に向上する。これらの知見に基づき、従来方式では実現できなかった高精度の検査装置を提供することができた。
【０００８】
【実施例】
Ｉ）基本構成
課題を解決するための手段（１）及び（２）項に記載の発明は、例えば図１のように実現できる。マイクロ波発生器１から放射されたマイクロ波２は単数或いは複数のポリエチレンレンズ又はミラーからなる第１の光学系３を通り、被測定対象８の表面上にビーム径数ｍｍ程度に集光される。被測定対象８表面の法線方向に照射方向と対称な鏡面反射方向を軸として第２の光学系４を設置し、マイクロ波２をマイクロ波検出器５の検出面上に導く。信号処理機６はマイクロ波検出器５からの信号と同時に、被測定対象の移動機構７から位置情報を受け取り、被測定対象の位置に応じた信号変化を検出することができる。
【０００９】
測定を開始する際に、予め平坦なミラー或いは正常部などを移動機構７上に設置し、参照信号をとっておく。その後、検査対象を設置し、測定信号と参照信号との比をとったものを検出信号とする。移動機構７には検査時に必要な被測定対象８表面とほぼ平行なＸ−Ｙ方向に駆動できる機構の他、被測定対象の厚みや傾斜に応じて測定前に調整するＺ方向及び回転方向の移動機構も有している。被測定対象をＸ−Ｙ方向に移動させると、入射するマイクロ波２の照射位置と異常部との相対位置によって、検出器が受光する光量が変化し、異常の大きさや種類に応じた信号パターンが得られる。
【００１０】
マイクロ波の波長領域におけるコヒーレント性に関わらず、マイクロ波２が被測定対象８面上にある数μｍ以上の凹凸を持つ異常部に照射されると、図２（ａ）に示すように反射マイクロ波１２内では、鏡面反射の他、表面形状に依存した反射方向の変化すなわち散乱成分が発生する。この時異常部を走査すると、異常部の基準位置と照射するマイクロ波の中心との相対位置が変わるにつれて、例えば図２（ｂ）に示すように、正常部からの反射分布１５とは異なる反射波分布１６が発生する。検出できる反射波の立体角は、検出光学系によって限定されるので、図中の「検出範囲」に示すように、有限の反射成分のみが検出され、結果として検出される信号強度の変化が観測される。この時、横軸をマイクロ波と異常部との相対位置にとり、検出信号を正常部からの信号で規格化したものを検出信号強度として縦軸に表すと、例えば図２（ｃ）のような信号パターンが得られる。このパターン変化は散乱に起因しているため、異常部は強度が減少する信号として観測される。
【００１１】
ところで、この信号パターンは粗面の影響を受けない波長のマイクロ波を用いることで初めて検出が可能となる。図３に正常部にマイクロ波、可視或いは赤外光を、同じ入射広がり角で照射した場合のそれぞれの反射パターンを示し、両者の違いを比較する。光は正常部に照射された場合でも、表面の粗度により散乱されるため、反射光２０の広がり角は入射光１９に比べて大きくなる。一方、マイクロ波の場合、反射波１８は入射波１７とほぼ同じ広がり角を持つ。この時、光又はマイクロ波２１が例えば図４（ａ）に示すように微小な傾斜を持つ異常部２４に照射されたとすると、いずれも同じ角度だけ僅かに反射方向の軸が変化する。この様子は図４（ｂ）に示すように、入射光又はマイクロ波の空間分布２７、２５に対して反射光又はマイクロ波の分布２６、２８が一定量シフトする。この反射方向の変化に対しては、反射光波の広がり角が小さいほど検出精度が向上するので、本例では図中に示すように、マイクロ波の場合には検出範囲で十分な信号変化となる一方、光の場合には検出範囲に依らず極めて小さい信号変化しか得られない。このように、表面粗度の影響を受けない波長を選択することにより、微小な形状変化を検出することが可能となる。特に、金属の製造工程で圧延された表面に対しては、波長が１０μｍ以上のマイクロ波が有効である。
【００１２】
本検出原理に基づく信号強度の変化は、図１におけるマイクロ波２の入射広がり角や集波サイズの他、異常部の大きさや凹凸形状にも依存するため、検出信号のパターン変化から主に異常の有無や大凡の大きさなどを特定できる。また反対に、凹凸が大きい場合にも、マイクロ波２の反射方向の変化が大きくなり、第２の光学系４で検出器上に集光するマイクロ波強度が極端に小さくなるため検出が可能である。具体的には、予め基準となる信号パターンを計算或いは、標準サンプルなどで収集しておき、現信号パターンをこれらと比較することで実現できる。
【００１３】
尚、本検査装置は図５に示すように、測定対象の垂直方向からマイクロ波を照射する光学系でも実現が可能である。この場合、マイクロ波を被測定対象３７面上に導く第１の光学系と、反射マイクロ波を検出器３４に導く第２の光学系ではレンズ３８を共有し、反射マイクロ波をマイクロ波検出器３４の方向に導くためのハーフ・ミラー３３を追加する必要があるが、基本構成に比べてマイクロ波の入射、検出角度による補正を考慮しなくてよいので、信号パターンの計算が容易であるという特徴がある。
【００１４】
ＩＩ）波長領域でコヒーレントなマイクロ波を用いた場合
（３）項に記載の本発明の検査装置も図１或いは図５と同様の構成で実現できる。本装置においても、Ｉ）に記載の検出原理が成り立つので、同様の検出性能が得られる。本装置では、更に、異常の断面形状がマイクロ波の反射方向の変化を生じさせない、例えばステップ状の異常でも検出が可能となる。異常部が急峻な凹凸変化を伴った形状である場合は、異常部の断面形状及びマイクロ波の波長に応じて回折が発生し、その結果、検出器上で干渉パターンが発生する。干渉パターンはマイクロ波内部に含まれる位相遅延の割合に依存しており、被測定対象を走査することによって反射方向の変化に基づく信号変化とは異なる信号パターンが得られる。Ｉ）と同様に、予め基準となる信号変化を計算或いは、標準サンプルなどで収集しておき、現信号パターンを比較することで異常の種類などを判別できる。
【００１５】
ＩＩＩ）非鏡面反射成分のみを検出する機構を有する場合
（４）項に記載の本発明の検査装置は図６の様に、反射マイクロ波の中心部をカットする遮蔽板４４を挿入した第２の光学系５０を用いることで実現できる。遮蔽板４４は例えば、フレーム５１にマイクロ波を透過する膜５２、マイクロ波を遮蔽する例えば金属５３を組み合わせた図７のような構造で実現できる。これは通過するマイクロ波の中心部を遮蔽し、周辺部を透過させる構造になっている。このような遮蔽板４４を、図６に示すように、正常部における反射方向と遮蔽板中心を一致させるようにして設置すると、反射マイクロ波の周辺部すなわち、散乱成分のみを検出器４７上に集光して検出することができる。この時、１対のレンズを用いると、反射マイクロ波が２枚のレンズ間でほぼ平行波となるような領域を作ることができ、この領域に遮蔽板４４を設置すると、遮蔽板の設置位置による検出信号のばらつきが抑制され、安定した検出が可能になる。特に、焦点距離ｆのレンズ２枚を用いたとき、被測定対象面４３、１枚目のレンズ４５、遮蔽板４４、２枚目のレンズ４６及び検出器４７間のそれぞれの距離をｆにすると、遮蔽板４４の位置がフーリエ光学面に相当し、低い空間周波数成分をカットすることができる。
【００１６】
このような光学系を用いた場合、被測定対象４３の凹凸に起因した散乱或いは回折が生じると、Ｉ）の方法では信号強度が低下する方向（負の極性）の変化しか観測できなかった反面、散乱又は回折による反射分布の変化を強調し、正負の信号変化を伴った信号を得ることができる。例えば、図２（ｂ）と同様に、被測定対象面からの反射分布の例を図８（ａ）に示す。図中の斜線部が遮蔽板４４によって遮蔽された部分であり、反射波の裾野部分のみが検出範囲となっている。この時、散乱性の比較的大きい形状からは、（ａ）、（ｂ）に示すように、検出範囲の信号強度が低下し、Ｉ）の例と同様に負の極性を持つ信号が得られる。一方、散乱性の小さい場合は、（ｃ）、（ｄ）に示すように検出強度が増加する（正の極性を伴った）信号が得られる。このようにして、遮蔽機構を用い、散乱に相当する特定領域のマイクロ波成分のみを検出することにより、測定対象の形状に更に敏感に変化する信号を得ることができ、検出信号パターンから異常種などを判別する性能が向上する。
【００１７】
尚、図７における遮蔽板４４内部の遮蔽部５３のサイズは予備検証などを行うことによって、検出に最適な径や形状を選択することができる。本例では遮蔽部５３は円形としているが、測定対象に異方性がある場合は、非対称な形状をとることも考えられる。
【００１８】
ＩＶ）パルスマイクロ波を用いた場合
（５）項に記載のパルス波を用いた検出装置では、受信したマイクロ波が複数の周波数成分を含むため、効果としては複数波長のマイクロ波を用いた場合と同様の効果を得る。勿論、複数波長のマイクロ波を発生する発生器を用いても本検査は実現できるが、パルスを用いると単一のマイクロ波発生器だけで実現できるし、周波数分解する際にも高速フーリエ変換などを用いれば高速且つ容易に分解できるという特徴がある。
【００１９】
本装置は、図１におけるマイクロ波発生器１から発生したマイクロ波２が第１の光学系３により被測定対象８面上に集光される点、反射マイクロ波は第２の光学系４により検出器５に導かれる点、信号処理機６がマイクロ波検出器５からの信号と被測定対象８の位置とを同期させる点はＩ）と同様である。異なる点は、発生器からパルス状のマイクロ波が発生される点、パルス化に伴って信号の時間変化を捉える検出方式になる点である。これは図１において、マイクロ波発生器１をパルスマイクロ波発生器に置き換え、検出器５にストリークカメラや、高速の検出器と１００ＧＨｚ以上の帯域を持つ電気的な波形検出機構との組み合わせを用いることによって実現できる。更に、信号処理機６に、例えば高速フーリエ変換などのようにリアルタイムで周波数成分に分解できる機能を組み込むことで、一度に複数周波数の信号パターンを得ることができる。
【００２０】
被測定対象を移動させた時に得られる信号変化を複数周波数で観測すると、例えば図９に示すように、対象の断面形状によって独特のパターンを示す。本図は、幅は同じであるが断面形状が異なる３種類の線状異常からの、周波数が５００ＧＨｚ、１ＴＨｚ、２ＴＨｚの検出信号パターンを表している。本ケースでは例えば、５００ＧＨｚの周波数信号に注目すると、断面形状が矩形、くさび形の測定対象から得られたパターンが非常に似通っているが、他の周波数では全く異なるパターンとなっている。このように、前述の連続的なマイクロ波を用いた単一周波数での検査では、対象の形状が異なるにも関わらず、しばしば類似した信号変化を示すことがあったが、複数の周波数を用いた場合、対象形状と各周波数における信号の組み合わせとの間に極めて高い相関が生じ、信頼性が向上する。勿論、本例だけ見ると、検出周波数として２ＴＨｚを選択すれば十分であるようにも考えられるが、対象の形状によっては２ＴＨｚで類似したパターンが得られることもあるため、複数周波数での信号パターンを同時に検出できる本装置は有効であると考えられる。実際の検査では、予め様々な形状のデータを取っておくか、理論計算を行っておき、現測定データとのマッチングを調べることによって、被測定対象の表面形状を推定する。
【００２１】
Ｖ）パルス検出において反射波を鏡面反射成分と散乱成分に分離する機構を有する場合
（６）項に記載の本発明の検査装置は例えば図１０のように実現できる。マイクロ波発生器５６から被測定対象５９からの反射マイクロ波を発生させるまでは図６の構成と同様である。異なるのは、反射マイクロ波の一部を空間的に遮蔽する遮蔽板４４の代わりに、反射波を鏡面反射成分と散乱成分に分離する一部透過ミラー６０を設置すること、検出器６５及びこれに反射マイクロ波を導くレンズ６３を第２の光学系６８中に有している点である。一部透過ミラー６０の構造は図１１に示すように、反射波方向に対して４５度に設置した際に、マイクロ波内部を円形に切り出せるように楕円形をしている。フレーム６９内には開口部７１を持つ肉薄の平面ミラー７０が設置されている。これを図１０のように、正常部におけるマイクロ波の鏡面反射方向を中心に、反射軸に対して４５度に設置すると、反射されたマイクロ波の中心領域は透過し、レンズ６２を通って検出器６４上に集光される一方、マイクロ波の周辺領域は反射されてレンズ６３、検出器６５へ導かれる。検出器６５で検出された信号は信号処理機６６でＩＩＩ）と同様の処理が施され、複数周波数での信号パターンが得られる。一方、信号処理機６６では、検出器６４で検出された信号から、パルスの遅延時間、複数周波数における位相などが同時に計算される。予め基準となる正常部からのパルス到達時間を測定しておけば、異常部を検出した際に、それが凹凸のいずれであるか或いはその凹凸の大きさを比較判断できる。このように本装置では、ＩＩＩ）と同様の信号パターンに加え、対象の凹／凸情報も得ることができるので、被測定面上のマイクロ波の集波サイズより大きい緩慢な形状変化も直接検出することができるという特徴がある。一般に位相検出では、対象の形状変化量がマイクロ波の波長を一周期として、同じ信号パターンが繰り返し観測されるため、単一周波数の検出では次数を決定できず、測定できる凹凸の大きさすなわちダイナミックレンジが波長によって制約される。これに対して、比較的広帯域の複数周波数を用いることで、形状の変化量と位相情報との組み合わせをほぼ一意に対応づけることができ、広い測定ダイナミックレンジが実現できる。
【００２２】
ＶＩ）パルス幅がピコ秒以下のマイクロ波を用いる場合
パルス幅がピコ秒程度以下の短パルスを用いる（７）項に記載の発明は、広い周波数帯での信号パターンが得られるだけでなく、パルス波の時間遅延に基づく位相検出の精度も向上し、より高精度な測定ができるという特徴がある。このような短パルスを用いた測定は、図１２に示すような方式で実現できる。本発明の波長領域におけるマイクロ波を発生、検出するには、パルスレーザーによる光サンプリング技術を用いることが考えられ、検出用レーザーとマイクロ波との時間的な遅延機構が必要となる。まず可視或いは赤外パルスレーザー７２を、ビーム・スプリッタ７３を用いて２つに分岐し、一方をマイクロ波発生用、他方をマイクロ波検出用に用いる。マイクロ波発生には例えば、半導体基板上の微小なアンテナに集光する方式や、レーザー径を拡大して特定の結晶方向に切り出された非線形光学素子に照射する方式、いわゆる光混合と呼ばれる方式などがある。いずれかの方式によりマイクロ波発生素子７６から発生されたパルス状のマイクロ波７７は、光学系７８を通して被測定面８６上に照射され、反射光はレンズ７９を通過後、一部透過ミラー９１で鏡面反射成分と散乱成分とに分離される。尚、一部透過ミラー９１は図１１に示した構造において、開口部７１部分にレーザー光に対するビーム・スプリッタを設置している点のみ異なる。分離されたマイクロ波は、それぞれレンズ８２、９２によって電気光学素子８３、９３に導かれる。これは、マイクロ波の強度を屈折率変化に変換するもので、マイクロ波が照射されている時間内にレーザー光８８が通過すると、レーザーの偏光が変化する。これを偏光変化が検出できる検出器９４で受信すると、レーザー光でサンプリングされたパルス状のマイクロ波を検出することができる。この検出器９４は例えば、偏光ビーム・スプリッタと２つの光検出器を組み合わせて実現できる。予めマイクロ波発生用のレーザー光の光路中に光変調器８９を設置しておき、光変調器からの信号と同期させて、２つの光検出信号の差分をロックインアンプ８５、９５で検出する。レーザー光の遅延機構８０で検出用レーザー光の遅延時間を連続的に変化させることによって、被測定対象面で反射したマイクロ波のパルス波形を検出することができる。検出後の信号は、信号処理機９０において、ＩＩＩ）と同様の処理が施される。
【００２３】
以上述べた装置を用いることで、例えば、金属の製造工程で見られる油や汚れなどと異常部とを判別することが可能となる。特に金属の製造工程で発生する異常については、その有害性は大きさ以外にも凹凸の大きさや断面形状の急峻度合いなどと相関がある場合が多く、従来判別が困難だった種類や有害性を的確に判別することができる。
【００２４】
ＶＩＩ）対象の移動機構の代わりにマイクロ波の走査或いは空間分布測定機構を用いる場合
本例は、特に金属の製造工程のように、シート状の被測定対象が一方向に移動する場合の検査装置に関する。図１３において、マイクロ波発生器９７から発生されたマイクロ波はポリゴンミラー９９、放物面ミラー９８を通過後、被測定対象１０２に照射される。この時、照射されるマイクロ波はｙ軸成分がほぼ０となるよう調整しておくと、ポリゴンミラー９９の回転に伴い、被測定対象１０２の各位置に一定の角度で照射することができる。一方、反射マイクロ波も同様の放物面ミラー１００を用いて、検出器１０１に集波する。検出信号を測定対象の速度と同期させることにより、信号を画像化することができる。特に、発生するマイクロ波がインコヒーレントな場合は、検出器をアレイ状に配置することで同期機構なしに画像を得ることもできる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は、従来の光学式表面検査装置では検出が不可能であった、粗面中にある微小な凹凸形状を検出し、様々な形態の異常をその種類や有害度合いに応じて的確に判別すること、更に異常と類似した正常部への油付着などと異常部とを正確に判別することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関わる装置の基本構成を表すブロック図である。
【図２】微小な凹凸異常を検出する原理の説明図である。
【図３】正常部にマイクロ波、可視或いは赤外光を照射した場合の反射パターンを示す図である。
【図４】光又はマイクロ波を微小な傾斜をもつ異常部に照射したときの反射パターンを示す図である。
【図５】被測定対象面に垂直入射する場合の装置構成を表すブロック図である。
【図６】非鏡面反射成分のみを検出する機構を表すブロック図である。
【図７】遮蔽板の構造を示す図である。
【図８】検出信号に極性を持たせる原理の説明図である。
【図９】異常の種類による信号強度の変化を説明する図である。
【図１０】反射マイクロ波の鏡面反射成分と散乱成分とを分離して測定する検査装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】一部透過ミラーの構造を示す図である。
【図１２】１ピコ秒以下の短パルス波を用いた検査装置の構成を示すブロック図である。
【図１３】マイクロ波を走査する方式の本発明の装置構成を示す図である。
【符号の説明】
１：マイクロ波発生器 ２：マイクロ波
３：マイクロ波を被測定対象面に導く第１の光学系
４：反射マイクロ波を検出器に導く第２の光学系
５：マイクロ波検出器 ６：信号処理機
７：被測定対象の移動機構 ８：被測定対象
１１：入射マイクロ波 １２：反射マイクロ波
１３：被測定対象 １４：異常部
１５、１７、２５：入射マイクロ波の空間強度分布
１６、１８、２６：反射マイクロ波の空間強度分布
１９、２７：入射光の空間強度分布 ２０、２８：反射光の空間強度分布
２１：入射光又はマイクロ波 ２２：反射光又はマイクロ波
２３：被測定対象 ２４：異常部
３０：マイクロ波発生器 ３１：マイクロ波
３２、３８、３９：レンズ ３３：ハーフ・ミラー
３４：マイクロ波検出器 ３５：信号処理機
３６：被測定対象の移動機構 ３７：被測定対象
４０：マイクロ波発生器 ４１：マイクロ波
４２；マイクロ波を被測定対象面に導く第１の光学系
４３：被測定対象 ４４：遮蔽板
４５、４６：焦点距離ｆのレンズ ４７：検出器
４８：信号処理機 ４９：被測定対象の移動機構
５０：反射マイクロ波を検出器に導く第２の光学系
５１：フレーム ５２：マイクロ波透過膜
５３：金属膜 ５４：入射マイクロ波の空間強度分布
５５：反射マイクロ波の空間強度分布 ５６：マイクロ波発生器
５７：マイクロ波
５８；マイクロ波を被測定対象面に導く第１の光学系
５９：被測定対象 ６０：一部透過ミラー
６１、６２、６３：焦点距離ｆのレンズ
６４、６５：検出器 ６６：信号処理機
６７：被測定対象の移動機構
６８：反射マイクロ波を検出器に導く第２の光学系
６９：フレーム ７０：平面ミラー
７１：開口部
７２：可視或いは赤外のパルスレーザー
７３：ビーム・スプリッタ ７４：ミラー
７５：集光或いは拡大光学系 ７６：マイクロ波発生素子
７７：パルスマイクロ波
７８：マイクロ波を被測定対象に導く第１の光学系
７９、８２、９２：レンズ ８０：レーザー光の遅延機構
８１：ダイクロイックミラー ８３、９３：電気光学素子
８４、９４：偏光変化を検出する検出器
８５、９５：ロックインアンプ ８６：被測定対象
８７：被測定対象の移動機構 ８８：レーザー光
８９：光変調器 ９０：信号処理機
９６：反射マイクロ波を検出器に導く第２の光学系
９７：マイクロ波発生器 ９８、１００：放物面ミラー
９９：ポリゴンミラー １０１：検出器
１０２：被測定対象
Claims (8)
- 金属の表面形状を検査するための表面検査装置であって、マイクロ波発生器と、該マイクロ波を被測定対象面に導く第１の光学系と、被測定対象面からの反射波を検出するマイクロ波検出器と、前記反射波を前記マイクロ波検出器に導く第２の光学系と、測定位置ごとの検出信号を処理して信号強度分布を求め、求めた信号強度分布から前記金属の表面形状を決定する信号処理装置と、被測定対象の移動機構とを兼ね備えた表面検査装置。
- 前記マイクロ波発生器は波長１０μｍ〜１ｍｍのマイクロ波或いは、その一部の波長のマイクロ波を発生することを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
- 前記マイクロ波発生器はその波長領域でコヒーレントなマイクロ波を発生するものであり、前記マイクロ波検出器は反射波の干渉強度を検出するものであって、前記信号強度分布のパターンから異常部の位置、大きさ、種類の少なくとも一つ以上を判別することを特徴とする請求項１または２に記載の表面検査装置。
- 前記第２の光学系は鏡面反射成分を除去し、散乱成分のみを検出する機構を兼ね備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の表面検査装置。
- 前記マイクロ波発生器はパルス波を発生するものであり、前記マイクロ波検出器は受信パルス波の時間変化を捉えるものであり、前記信号処理装置はパルス信号を周波数成分に分解し、周波数成分ごとの信号強度分布を求める機能を有するものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の表面検査装置。
- 前記第２の光学系は鏡面反射成分を除去し、散乱成分のみを検出する機構の代わりに反射波を鏡面反射成分と散乱成分に分離する機構を有し、前記信号処理装置はパルス信号の遅延時間を測定する機能を有することを特徴とする請求項５に記載の表面検査装置。
- 前記マイクロ波発生器は時間が１ピコ秒以下のパルスを発生するものであることを特徴とする請求項５または６に記載の表面検査装置。
- 前記被測定対象の移動機構の代わりにマイクロ波の照射位置を移動させ、反射光を検出する光学系を兼ね備えた請求項１から７のいずれか１項に記載の表面検査装置。
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