JP2013217826A - レーザー光により表面の変化を検出する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スペックル画像を用いて、試料表面の変化の場所を特定できるとともに、撮像素子の校正を行えるようにすることを目的とする。
【解決手段】前記レーザー光は回転式偏光板と偏光プリズムを通った後、収束手段、走査手段を通ってハーフミラーで、試料表面と参照画像発生手段への２光束に分割され、前記ハーフミラーと試料表面の光路上に挿脱自在な第１ストッパーを設け、前記ハーフミラーと参照画像発生手段の光路上に挿脱自在な第２ストッパーを設け、前記撮像素子を校正する際には、前記第１ストッパーを光路上に挿入するとともに前記第２ストッパーを光路上から脱することにより、参照画像発生手段の散乱光を撮像装置で撮影することにより、撮像装置の光信号強度を、前記回転式偏光板と偏光プリズムの相対回転量変化によるレーザー光の強度変化に対して校正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー光で物体の表面を照射したときに観測されるスペックル画像を利用して検査対象の表面の変化を非破壊的に検出する装置に関し、特に、装置自体に参照画像発生手段を設けて撮像素子の校正が行えるようにした点に特徴を有する。

スペックル画像を利用した装置は従来から知られており、特許文献１では、碍子の表面にレーザー光を照射して観測されるスペックル画像の変化から碍子表面への物質の付着（汚損）を検知する方法が紹介されている。ここではレーザー光を広げて試料全体を照射して得られるスペックル画像の輝度などの情報を利用する。表面の位置による違いは考慮されていない。
特許文献２では、プラズマ容器の内壁面に線状のレーザービームを照射して得られるスペックル画像の変化から表面への物質の付着などを検出する方法がレーザー反射光の変化を観察する方法と共に紹介されている。走査可能なガルバノミラーによりレーザービームを壁面上の特定の位置へ照射できる装置を紹介しているが、スペックル画像を用いる方法では測定時のレーザービーム走査も照射位置を定めての比較もされていない。
特許文献３では、試料表面への試料全体へのレーザー照射で得られるスペックル画像の試料への熱付与の前後での変化から欠陥の有無を検出する方法をレーザーシェアログラフィ法と共に紹介している。レーザーシェアログラフィ法では試料表面上の欠陥の場所の特定はできるが、スペックル法では照射領域全体からの光の干渉が観察されるため場所の特定はできない。
非特許文献１では、試料表面にレーザーを線状に近い領域に照射して観測されるスペックル画像の変化と物質の付着の関係を調べる方法が紹介されている。照射領域が固定されているため、試料上の一つの箇所しか測定できない。また、スペックル撮影の装置には光強度信号の校正手段が備わっていない。

特開平６−２８１５７３号公報 特開２００３−２４３３７５号公報 特開２００７−２４６７４号公報

Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ，（ＩＣＰＡＣ２０１０），ＩＩ−１６．

レーザー光を物体の表面に照射したときに物体の各点で散乱された光が干渉して撮像面にスペックル画像を形成する。照射領域が面状ならば多数の不規則な斑点からなる画像が得られ、線状ならば多数の不規則な縞からなる画像が得られる。
レーザースペックル画像は表面の形状等の変化を敏感に反映することが知られている。そのため、これを表面の観察に用いれば非破壊的に物体表面の変化を検出することができる。しかし、一般的に、照射の場所によって全く異なる画像が得られ、且つ照射領域の移動によっても変化するため、従来のレーザースペックル画像を用いた検査方法では、その殆どが面状のビームで試料の広い領域を照射するので、試料の場所ごとの変化の違いを知ることは出来なかった（特許文献１、３参照）。また、照射領域を線状にして試料表面上の位置を変えることができる装置を用いる方法もあったが、同一の場所での比較を目的としないものであったり（特許文献２参照）、場所を特定して比較する場合でも照射領域を複数選ぶことができないもの（非特許文献１参照）であった。
線状の照射領域を用いて複数の照射箇所を設け、試料表面の変化の前後で同じ場所を照射して画像を得てそれを比較することができれば同じ試料の複数の場所での違いが検出でき異なる照射領域間の変化を比較することも可能になると考えられる。しかし試料表面の複数の場所の表面変化の前と後のスペックル画像を直接比較することは困難であった。そのためには、変化の前後で複数の照射領域を同じ場所に精度よく再現させる必要があるが、スペックル画像は照射位置の移動に敏感に反応するため、従来の方法ではできなかった。
また、スペックル画像を直接比較するには撮像素子の出力信号を光強度に比例するように補正することが必要だが、スペックル撮影の光学系を保存したままスペックル画像の形成に影響を与えないように撮像素子の校正を行うことは、スペックルが照射位置の移動に敏感であるため、困難であった。
そこで、本発明の解決しようとする課題は、スペックル画像を用いて、予め定めた複数の照射箇所の中から、試料表面の変化の場所を特定できるとともに、撮像素子の校正を行えるようにした、レーザー光により表面の変化を検出する装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、レーザー光源からのレーザー光を試料表面に照射し、試料表面での散乱光を撮像装置でスペックル画像として撮影し、前後に撮影したスペックル画像をコントローラーで解析比較して試料の表面の変化を検出する装置であって、前記レーザー光は回転式偏光板と偏光プリズムを通った後、収束手段、走査手段を通ってハーフミラーで、試料表面と参照画像発生手段への２光束に分割され、前記ハーフミラーと試料表面の光路上に挿脱自在な第１ストッパーを設け、前記ハーフミラーと参照画像発生手段の光路上に挿脱自在な第２ストッパーを設け、試料表面の変化を検出する際には、前記第１ストッパーを光路上から脱するとともに前記第２ストッパーを光路上に挿入することにより、試料表面の散乱光を前記撮像装置でスペックル画像として撮影し、前記撮像素子を校正する際には、前記第１ストッパーを光路上に挿入するとともに前記第２ストッパーを光路上から脱することにより、参照画像発生手段の散乱光を撮像装置で撮影し、撮像装置の光信号強度を、前記回転式偏光板と偏光プリズムの相対回転量変化によるレーザー光の強度変化に対して校正することを特徴とする。
また、本発明は、上記試料の表面の変化を検出する装置において、前記参照画像発生手段は、高速回転機構により回転駆動される参照画像発生用回転板で構成し、レーザー光が照射する参照画像発生用回転板の位置の違いによるムラを回転により平均化して低減する（ここで、回転駆動される参照画像発生用回転板による参照画像はスペックルを平均したものを撮影したものとなり、得られる画像はスペックルというよりは一様に近い（完全ではないにしても）ものとなります）と共に、前記第１ストッパー、第２ストッパーは、いずれも一枚以上の鏡面を用いて、前記光路に挿入されたときにレーザー光を装置外に導くように構成したことを特徴とする。
また、本発明は、上記試料の表面の変化を検出する装置において、２種類以上の光路を選択可能なビームシフターで構成し、レーザー光の入射と出射の位置を段階的に設定できるようにしたことを特徴とする。
また、本発明は、上記試料の表面の変化を検出する装置において、前記ビームシフターは、数枚のスライドグラスを貼り合わせたものであることを特徴とする。

本発明は、スペックル画像の比較を可能とする程の精度で複数の照射領域を再現させることを可能とし、したがって、どの照射領域で表面変化が生じたか場所の特定も可能である。さらに、得られたスペックル画像を直接比較できるように参照画像発生手段を設けて撮像素子の校正ができるようにしたので、検出の前に予め撮像素子の校正を行うことにより、精度の高い検出ができる。

本発明のレーザー光により表面の変化を検出する装置の概略図である。 スペックル画像とその積算グラフである。 ビームシフターの機能の説明図である。 ビームシフターの角度とシフト量の関係のグラフである。 ビームシフターの設定の繰り返しとスペックル画像の比較のグラフである。 組み合わせたビームシフターの機能の説明図である。 参照画像である。 撮像装置の校正曲線である。 物質が付着した部分とそうでない部分のスペックル画像の比較のグラフである。

（装置の概略）
図１は、本発明のレーザー光により表面の変化を検出する装置の概略図である。レーザー光源１（Ｈｅ−Ｎｅレーザー）から出たレーザー光は手動の回転式偏光板２、次いで偏光プリズム３を通りビームエキスパンダー４で適当な大きさに面状に広げられ、円筒凸レンズ５で線状に集光される。ここで回転式偏光板２の回転角度の設定により偏光プリズム３から出射するレーザー光の強度を調節することができる。円筒凸レンズ５を通過したレーザー光は移動機構７付きのビームシフター６の適当な場所を通りハーフミラー８で方向を変え試料９の表面に照射される。
なお、ビームシフター６については後段の「（ビーム移動部）」で詳細に説明する。
こうして試料９の表面に線状の照射領域が出現するが、これがビームシフター６によって特定の位置に設定される。試料画像の撮影時には第１ストッパー１２を光路から除き、第２ストッパー１３を光路に挿入する。ここで散乱されたレーザー光はハーフミラー８を通り撮像装置１０の中に像を結ぶ（図２ａ参照）。撮像装置１０で得られた検出信号はコントローラー１１（ＰＣ等で構成する）で解析処理される。なお、図２ａのｘ方向が線状照射領域の長い方向に対応する。この画像から光強度の補正を施した信号強度を得、それをｙ方向に積算して図２ｂのようなグラフを得る。
なお、補正の方法については後段の「（参照画像発生部）」及び「［撮像装置を校正する方法］」で詳細に説明する。

（ビーム移動部）
ビームシフター６はレーザー光に対して透明な材質からなり２種類以上の光路を設定できるものであってレーザー光が通る場所を移動機構によって段階的に選択できるものである。ここでは数枚のスライドグラスを位置をずらしながら貼り合わせたものを用いた。図３にその詳細を示す。レーザー光はそれが通るガラスの厚さと向きによってビームに垂直の方向に決まった距離だけ平行移動する。図４にこの場合のビームシフターの方向と移動距離との関係を示す。
ビームシフターの位置の設定はレーザー光の全体が同じ厚さのガラスを通るように設定すればよいので目視により容易に設定が可能である。図５にビームシフターをレーザー光路へ目視による出し入れを３回繰り返した場合のグラフの比較を示す。図５ａはビームシフターを通らないもの、図５ｂはガラス板４枚を透過するものの場合であり、比較によりビームシフターの設定には十分な再現性があることが分かる。
なお、ビームシフターは測定時には角度が固定されているため決まった数と量の移動距離しか得られないが、複数のビームシフターを組み合わせれば更に細かく且つ多くの移動量を設定することができる（図６参照）。

（参照画像発生部）
校正用の参照画像は、円筒凸レンズ５を通ったレーザー光が（ビームシフター６は固定したまま）ハーフミラー８を通り参照画像発生用回転板１４に照射されて発生した散乱光をハーフミラー８で撮像装置へ導いて得られる。参照画像発生用回転板１４は表面に凹凸を設けた金属板であって電動モーターを用いた高速回転機構１５によって回転させながら適当な位置に、回転式偏光板２の回転角度で強度を調節したレーザー光を照射させる。参照画像の撮影時には第２ストッパー１３を光路から除き第１ストッパー１２を光路に挿入して試料の散乱光が撮像装置に入らないようにする。撮像装置の時間感度よりも十分に速い速度で照射領域が移動すればほとんどムラのない画像が得られる（図７参照）。
この画像の中で一様性のよい中心領域（例えば図７の長方形の内部の領域）の信号強度を平均して代表の信号強度とし、これを調節された光の相対強度と比較すれば校正曲線が得られる（図８）。回転式偏光板２と偏光プリズム３の互いの偏光方向のなす角度をθとしたとき光強度がｃｏｓθの２乗に比例することを用いる。
また、第１ストッパー１２及び第２ストッパー１３は鏡面を用いて、光路に挿入したときにレーザー光を装置の外に逃がすように構成しておけば、ストッパー側に進んだレーザー光による余計なスペックル画像の発生を防ぐことができ、撮像素子で撮影される画像の純度が保たれる。

本発明のレーザー光により表面の変化を検出する装置は上記のように構成されているので、以下に、本装置の使用法及び動作を説明する。

［光学系とスペックル画像の撮影の方法］
レーザー光源１（Ｈｅ−Ｎｅレーザー）から出射されたレーザー光は手動の回転式偏光板２）、次いで固定された偏光プリズム３を通る。この２つの偏光素子の偏光方向のなす角度をθとすると光強度はｃｏｓθの２乗に比例するので、回転式偏光板２の角度を設定することによりレーザー光の強度を調節することができる。
次にレーザー光はビームエキスパンダー４に入り、適当な大きさに広げられたのち円筒凸レンズ５に入る。そのレンズの位置は通常は試料９上の照射領域の縦横比が最も大きくなる（つまり、線状に近くなる）ように設定されている。
円筒凸レンズ５を通り徐々に変化する楕円状の断面をもつレーザー光はビームシフター６に入射する。ビームシフター６は光路を光軸に垂直な方向へ一定の距離だけ平行移動させるもので入射する場所によってその移動距離が異なる。ここではレーザー光をその断面の楕円の短軸の方向へ移動させるように設置されている。（尚、原理的にはビームシフターによるレーザー光の平行移動により試料面上に合わせていた焦点が移動して照射領域の面積が変化するが、この装置ではスペックル画像の比較に影響を与えるほどの顕著な違いは見られない。）
ビームシフター６によって適当な距離だけ平行移動したレーザー光はハーフミラー８により方向を変え試料９の表面に照射されて散乱される。それがハーフミラー８を通り抜けて撮像装置１０によりスペックル画像として撮影されてコントローラー（ＰＣ）１１へ送られ解析される。
なお、このときは、第１ストッパー１２を光路から外して試料をレーザー光が照射するのを妨げないようにする。第２ストッパー１３を光路に入れて参照画像発生用回転板１４の表面をレーザー光が照射しないようにする。ここで、第１ストッパー１２と第２ストッパー１３はそれぞれ１枚の鏡面であり、レーザー光を装置の外へ導いてスペックル像等が発生することを防ぐものである。
解析に先だって信号強度は光強度に比例するように補正される。それを楕円（線状）領域の短軸に対応する方向に積算して、長軸に対応する方向のピクセル位置に対する積算信号強度のグラフを得る。これをスペックル画像の比較に用いる。

［撮像装置を校正する方法］
スペックル画像を比較するためには撮像装置からの信号強度を補正して光強度に比例する量を求めなければならない。そのため撮像装置を光強度に対して校正する必要がある。レーザースペックル撮影装置の使用の都度の校正を可能にするためにスペックル画像撮影の光学系に影響を与えないで校正ができる機構を備えている。その使用手順を以下に示す。
（１）円筒凸レンズ５からのレーザー光からビームシフターを完全に外す、または、一様に通るようにビームシフター６を固定する。
（２）第１ストッパー１２を光路に入れて試料をレーザー光が照射しないようにする。第２ストッパー１３を光路から外して参照画像発生用回転板１４の表面をレーザー光が照射するようにする。
（３）高速回転機構１５を動作させて撮像装置１０が観察する画像にスペックルが認められないことを確認する。
（４）参照画像が適切な明るさとなるように、回転式偏光板２の角度を種々の位置に設定しながら参照画像発生用回転板１４の回転軸の角度を調整する。
ここで、レーザー光強度が同じならば参照画像発生用回転板の回転軸とレーザー光の光軸のなす角度が大きくなるほど参照画像は暗くなる。参照画像が暗すぎると調光装置で光強度を最大にしても撮像装置の出力の最高値が出ない。反対に参照画像が明るすぎると調光装置で光強度を小さくしたときの調光の精度が悪くなる。
（５）回転式偏光板２と偏光プリズム３の偏光方向のなす角度θを読み取り、撮像装置１０で参照画像を撮影する。これを種々の角θについて行う。
（６）コントローラー１１で撮像装置１０から各画像を読み込み各ピクセルごとの信号強度を数値に変換する。
（７）参照画像の中の信号強度の一様性のよい領域（全ての画像に共通）を決め、各画像についてその領域の中の信号強度の平均を求める。
（８）レーザー光の強度に比例する量（ｃｏｓθの２乗）と信号強度の平均の関係のグラフを作り、滑らかな曲線でデータ点を結ぶ。これを、撮像装置１０の信号強度に対するレーザー光強度（相対値）の関係の校正曲線とする。

（試料付着の検出の実測例）
この装置を用いて金属基板の表面に物質が付着するときの変化を検出する例を示す。一方向に紙やすりで表面を擦った金属板を基板に用いた。撮像装置は上記の方法により校正した。試料を付着させる前に、基板上の複数の場所にビームシフター６によって照射領域を設定しスペックル画像を撮影した。その後基板表面の一部にポリエチレングリコールのエタノール溶液を滴下して乾燥させて、試料が付着した部分とそうでない部分に再びビームシフター６によって照射領域を各々２箇所と１箇所再現させてスペックル画像を撮影した。光強度の信号をピクセルごとに補正を施してから、それらのスペックル画像の変化を比較したところ、試料が付着した部分では図９ｂ，ｃのように変化が見られた。各々の場所のスペックルのグラフの差の標準偏差はそれぞれ１１.４と１０.８であった。しかし、付着のない場所では図９ａのように殆ど変化が見られなかった。ここでの変化の標準偏差は１.５である。このことから試料付着部分のスペックル画像の変化は試料付着によるものと判断できる。

本発明は、環境中の物体表面への物質の付着（汚染）や剥離（コーティング）の検出に用いることができ、また、製品製造過程における物体表面の変化の検出およびそれを利用した製造過程（熱処理、プラズマ処理、研磨など）の制御や欠陥（傷、欠損等）の検査等にも用いることができる。

１ レーザー光源（Ｈｅ−Ｎｅレーザー）
２ 回転式偏光板
３ 偏光プリズム
４ ビームエキスパンダー
５ 円筒凸レンズ
６ ビームシフター
７ 移動機構
８ ハーフミラー
９ 試料
１０ 撮像装置
１１ コントローラー（ＰＣ）
１２ 第１ストッパー
１３ 第２ストッパー
１４ 参照画像発生用回転板
１５ 高速回転機構

Claims (4)

1. レーザー光源からのレーザー光を試料表面に照射し、試料表面での散乱光を撮像装置でスペックル画像として撮影し、そのスペックル画像をコントローラーで解析比較して試料の表面の変化を検出する装置であって、
   前記レーザー光は回転式偏光板と偏光プリズムを通った後、収束手段、走査手段を通ってハーフミラーで、試料表面と参照画像発生手段への２光束に分割され、
   前記ハーフミラーと試料表面の光路上に挿脱自在な第１ストッパーを設け、前記ハーフミラーと参照画像発生手段の光路上に挿脱自在な第２ストッパーを設け、
   試料表面の変化を検出する際には、前記第１ストッパーを光路上から脱するとともに前記第２ストッパーを光路上に挿入することにより、試料表面の散乱光を前記撮像装置でスペックル画像として撮影し、
   前記撮像素子を校正する際には、前記第１ストッパーを光路上に挿入するとともに前記第２ストッパーを光路上から脱することにより、参照画像発生手段の散乱光を撮像装置で撮影し、撮像装置の光信号強度を、前記回転式偏光板と偏光プリズムの相対回転量変化によるレーザー光の強度変化に対して校正することを特徴とする試料の表面の変化を検出する装置。
2. 前記参照画像発生手段は、高速回転機構により回転駆動される参照画像発生用回転板で構成し、レーザー光が照射する参照画像発生用回転板の位置の違いによるムラを回転により平均化して低減すると共に、
   前記第１ストッパー、第２ストッパーは、いずれも一枚以上の鏡面を用いて、前記光路に挿入されたときにレーザー光を装置外に導くように構成したことを特徴とする請求項１に記載の試料の表面の変化を検出する装置。
3. 前記走査手段は、２種類以上の光路を選択可能なビームシフターで構成し、レーザー光の入射と出射の位置を段階的に設定できるようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の試料の表面の変化を検出する装置。
4. 前記ビームシフターは、数枚のスライドグラスを貼り合わせたものであることを特徴とする請求項３に記載の試料の表面の変化を検出する装置。