JP2015004619A - テラヘルツ波を用いた異物検査装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】テラヘルツ波を用いた異物検査装置及び方法において検査対象物に含まれる異物を高速に精度良く検出すること。【解決手段】異物検査装置１は、被検査体２を所定方向に走査する走査手段１０と、テラヘルツ波１５を発生し走査手段により走査される被検査体２に照射するテラヘルツ波照射部１１と、被検査体を透過したテラヘルツ波を受光し受光強度を測定するテラヘルツ波受光部１２と、テラヘルツ波受光部の測定した受光強度から被検査体に含まれる異物の有無を判定する異物有無判定部１３とを備える。テラヘルツ波照射部１１はテラヘルツ波のスポット形状を略楕円形状２３とし、その長軸方向を被検査体の走査方向に対し垂直に向けて照射する。【選択図】図１

Description

本発明は、テラヘルツ波を用いて検査対象物中の異物を検出する異物検査装置及びその方法に関する。

従来の可視光による異物検査装置では、検査対象物の外観を撮像手段で撮像し、撮像画像を画像処理して異物を検出している。しかし、外観の撮像画像による検査では、検査対象物の内部に存在する異物を検出することは困難であった。また、例えば液体を凍結乾燥させた凍結乾燥注射剤のように、検査対象物が容器に収納され、容器内壁に乾燥した液体の粉が付着している場合、検査対象物である凍結乾燥剤を鮮明に撮像すること自身難しくなる。一方、Ｘ線による異物検査装置では、検査対象物の内部を観察することはできるが、生体由来の異物や昆虫などを検出することができない。

これに対し、近年、テラヘルツ領域（０．３〜３ＴＨｚ程度）の電磁波（以下、テラヘルツ波、ＴＨｚ波）を用いた異物検出装置が提案されている。この帯域では、光の直線性を有するとともにプラスチック、紙、ゴム、木材、セラミックなどの物質への透過性があり、安全な非破壊検査法として期待されている。例えば特許文献１には、サブテラヘルツ波（０．５ＴＨｚ〜１００ＧＨｚ）を用いて粉粒体中の異物を短時間で検出する異物検査装置が記載されている。また特許文献２には、内在物の異常性を検出するために、異なる２波長のテラヘルツ波を用いた差分イメージング方法及び装置が記載されている。

特開２００１−６６３７５号公報 特開２００４−１０８９０５号公報

テラヘルツ波を用いた異物検出装置は、検査物に対し非接触・無侵襲で検査できる特徴を有しているが、検査時間の短縮と検出精度の向上が要求されている。上記特許文献１では検査時間を短縮するため、テラヘルツ波のビーム径を拡大し検査物への照射面積を大きくしている。しかしながら、照射するテラヘルツ波のパワー密度が低下するため、結果として異物検出精度が低下し微小な異物の検出が困難になる。上記特許文献２では、テラヘルツ波の吸収特性に波長依存性のあるターゲット（異物）の有無を検出することはできるが、それ以外の波長依存性のない異物への適用はできない。

本発明の目的は、テラヘルツ波を用いた異物検査装置及び方法において検査対象物に含まれる異物を高速に精度良く検出することにある。

本発明によるテラヘルツ波を用いた異物検査装置は、被検査体を所定方向に走査する走査手段と、走査手段により走査される被検査体にテラヘルツ波を照射するテラヘルツ波照射部と、被検査体を透過したテラヘルツ波を受光し受光強度を測定するテラヘルツ波受光部と、テラヘルツ波受光部の測定した受光強度から被検査体に含まれる異物の有無を判定する異物有無判定部とを備え、テラヘルツ波照射部はテラヘルツ波のスポット形状を略楕円形状とし、その長軸方向を被検査体の走査方向に対し垂直に向けて照射することを特徴とする。

本発明によれば、テラヘルツ波を用いた異物検査装置において、異物を短時間に精度良く検出することができる。また、単一周波数のテラヘルツ波を用いるので、波長依存性のない異物の検出にも適用できる。

テラヘルツ波を用いた異物検査装置の一実施例を示す全体構成図である。 被検査体２に照射するテラヘルツ波１５のビーム断面形状を示す図である。 テラヘルツ波照射部１１の第１の構成例を示す図である。 テラヘルツ波照射部１１の第２の構成例を示す図である。 図４において非軸放物面鏡によるスポット形状の変形を説明する図である。 テラヘルツ波による被検査体の測定例を示す図である。 異物検査方法の手順を示すフローチャートである。 テラヘルツ波の照射方向の変形例を示す図である。 テラヘルツ波の照射方向の他の変形例を示す図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明によるテラヘルツ波を用いた異物検査装置の一実施例を示す全体構成図である。被検査体２は、凍結乾燥剤などの検査試料４を収納した容器３から成り、検査試料４に含まれる異物５を検出する。被検査体２にテラヘルツ波を照射し、これを透過したテラヘルツ波の強度を測定する。検査試料４に異物５が存在するとテラヘルツ波の透過率が変化するので、テラヘルツ波の受光強度の変化から異物の有無を判定する。

異物検査装置１の主たる構成は、容器３に検査試料４の入った被検査体２を走査するための走査手段１０と、走査される被検査体２にテラヘルツ波１５を照射するテラヘルツ波照射部１１と、被検査体２を透過したテラヘルツ波１５を受光するテラヘルツ波受光部１２を備える。さらに、受光したテラヘルツ波の強度から異物の有無を判定する異物有無判定部１３と、異物判定結果を格納する検査結果格納部１４とを備える。本構成では、テラヘルツ波照射部１１からは単一周波数のテラヘルツ波を照射するので、波長依存性のない異物の検出にも適用できる。

図２は、被検査体２に照射するテラヘルツ波１５のビーム断面形状を示す図である。
被検査体２に入射されるテラヘルツ波１５のビーム断面形状は、従来はスポット形状２１に示すような円形状であった。また、ビーム径を小さく絞り込んだスポット形状２２とすることで、ビームスポットのパワー密度が増大し検出感度を向上させることができる。しかし、スポット形状２２のようにビーム径を小さく絞った場合、ビーム照射面積が狭くなることから、検査領域の大きい被検査体では検査に要する時間はより増大してしまう。

そこで本実施例では、ビーム断面形状を楕円状のスポット形状２３に変形させる。その際スポット形状２３の長軸は、走査方向に対して垂直方向に向け、その長軸寸法ｍを引き延ばすことで走査幅を広げている。かつ、パワー密度を上げるために、走査方向と平行なスポット形状２３の短軸寸法ｎを小さくしている。走査方向に対し垂直方向の幅ｍを引き延ばすことで、一回の走査で検査できる面積が拡大し、検査時間を短縮できる。また、走査方向と平行方向の幅ｎを小さくし、スポット形状２３の面積をスポット形状２１の面積よりも小さく絞り込んだ形状とすることで、パワー密度が増大し検出感度が向上する。

スポット形状２３の短軸寸法ｎは異物の大きさ以下とすれば検出感度が最大となる。長軸寸法ｍは必要なパワー密度が得られることを条件に、可能な限り大きくすることで、走査回数を最小限とすることができる。なお、スポット形状２３は楕円形に限らず、長辺ｍと短辺ｎを有する長方形（略楕円形状）としても良い。このように、楕円形絞りのスポット形状２３とすることで、検査時間の短縮と検出感度の向上を実現することができる。

次に、楕円形絞りのスポット形状２３を得るためのテラヘルツ波照射部１１の内部構成について説明する。

図３は、テラヘルツ波照射部１１の第１の構成例を示す図である。
レーザー光源３１はフェムト秒程度の光パルスを出射し、アイソレータ３２を介してビームスプリッタ３３に入射させる。ビームスプリッタ３３はレーザー光を励起光と参照光に分岐する。励起光はミラー３４で反射され可動反射鏡３５との間を往復する。可動反射鏡３５はその位置を調整することで、励起光の光路長（遅延時間）を調整するものである。励起光はテラヘルツ波発振器３６に入射し、テラヘルツ波発振器３６からパルス状のテラヘルツ波１５を発生する。発振周波数は０．３〜３ＴＨｚの範囲で、パルス幅は０．５ｐｓとする。テラヘルツ波発振器３６には定電圧電源３７から電源供給される。その後テラヘルツ波１５は、光学系により楕円形絞りのスポット形状２３となって被検査体２に入射される。

一方ビームスプリッタ３３で分岐された参照光は、テラヘルツ波検出器４０に送られる。テラヘルツ波検出器４０は、被検査体２を透過したテラヘルツ波（すなわち信号光）を受光し、参照光のパルスに同期した信号光を検出する。テラヘルツ波検出器４０の検出出力はロックインアンプ３８を介してパソコン３９に送られ、その検出強度から異物の有無を判定する。

ここに可動反射鏡３５は、励起光の光路長（遅延時間）を調整するためのものである。励起光の光路長を変えるとテラヘルツ波検出器４０にて検出するパルス状のテラヘルツ波の検出位置を変えることになり、テラヘルツ波の検出強度が変化する。信号光と参照光の光路長を一致させるように調整することでテラヘルツ波のパルスに同期して検出できるので、最大の検出感度が得られる。

テラヘルツ波発振器３６から発生するテラヘルツ波１５を楕円形絞りのスポット形状２３とするため、光学系として、１対の非軸放物面鏡４１ａ，４１ｂとともに１対のシリンドリカルレンズ４２ａ，４２ｂを配置している。

テラヘルツ発振器３６から出射されたテラヘルツ波１５は、第１の非軸放物面鏡４１ａで反射させることで円形のスポット形状２１のテラヘルツ波１５’とする。第１のシリンドリカルレンズ４２ａを透過させることで、１方向にのみ圧縮させた楕円形絞りのスポット形状２３を有するテラヘルツ波１５”に変換する。楕円形絞りのテラヘルツ波１５”は被検査体２に照射され、これを透過したテラヘルツ波は、第２のシリンドリカルレンズ４２ｂと第２の非軸放物面鏡４１ｂにより元のスポット形状２１に戻され、テラヘルツ波検出器４０に入射して検出される。

図４は、テラヘルツ波照射部１１の第２の構成例を示す図である。この例では、４個の非軸放物面鏡４１ａ〜４１ｄを配置し、この姿勢を操作調整して楕円形絞りのスポット形状を得ている。図５は、非軸放物面鏡によるスポット形状の変形を説明する図である。テラヘルツ波の発生（テラヘルツ波発振器３６）までと、テラヘルツ波の検出（テラヘルツ波検出器４０）以後は、図３の構成と同様である。

第１の非軸放物面鏡４１ａのホルダー４３ａのあおり（非軸放物面鏡４１ａの反射面の向き）を調整して、テラヘルツ波１５を非軸放物面鏡４１ａの中心から上方にずらして（矢印４５で示す）入射させる。これと同時に、非軸放物面鏡４１ａからの反射波１５’が水平方向に進むように調整する。この調整によりテラヘルツ波は第２の非軸放物面鏡４１ｂに入射するときには、一方向に圧縮された形状になる。また、第２の非軸放物面鏡４１ｂのホルダー４３ｂのあおり調整により、非軸放物面鏡４１ｂにより広がった方向の垂直方向に強く圧縮され、楕円形絞りのスポット形状２３を有するテラヘルツ波１５”に変換する。楕円形絞りのテラヘルツ波１５”は被検査体２に照射され、これを透過したテラヘルツ波は、第３の非軸放物面鏡４１ｃと第４の非軸放物面鏡４１ｄにより元のスポット形状２１に戻され、テラヘルツ波検出器４０に入射して検出される。

このように、テラヘルツ波照射部１１の光学系（非軸放物面鏡、シリンドリカルレンズなど）を変更することで、容易に楕円形絞りのスポット形状を有するテラヘルツ波を得ることができる。

図６は、テラヘルツ波による被検査体の測定例を示す図である。横軸は走査位置、縦軸は受光強度（検出電圧）である。グラフＧ０（実線）は、異物の含まれない基準試料に対するテラヘルツ波の受光強度を示す。グラフＧ１（一点鎖線）とグラフＧ２（点線）は、２つの被検査体に対する測定結果である。

異物有無の判定では、被検査体の測定値Ｇと基準試料の測定値Ｇ０との差分値ΔＧ＝｜Ｇ−Ｇ０｜を求める。そして、差分値ΔＧを閾値ｇと比較し、ΔＧ＞ｇであれば異物有りと判定し、ΔＧ≦ｇであれば異物無しと判定する。異物が存在するとその部分の透過率が変化し、テラヘルツ波の受光強度が変化する。図６の場合は、グラフＧ１は異物無しと判定され、グラフＧ２は異物有りと判定される。このように、基準試料の測定値との差分値を算出して異物の有無を判定することで、判定精度が向上する。

図７は、異物検査方法の手順を示すフローチャートである。まず初期設定として、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３で基準試料の測定を行う。続いてステップＳ１０４〜Ｓ１１２で被検査体の測定を行い、基準試料の測定値と比較して異物の有無を判定する。

Ｓ１０１では、被検査体２として異物が含まれていない基準試料をセットし、テラヘルツ波照射部１１から楕円形絞りのスポット形状２３に変形させたテラヘルツ波１５を照射する。
Ｓ１０２では、テラヘルツ波受光部１２により、被検査体２を透過したテラヘルツ波の強度を測定する。その際、テラヘルツ波受光部１２での受光強度が最大になるように、可動反射鏡３５の位置を調整して最適な光路長に設定する。これで得られた測定値を基準値Ｇ０とする。
Ｓ１０３では、基準試料に対する基準測定値Ｇ０と基準光路長（調整後の可動反射鏡３５の位置）を、検査結果格納部１４に記憶する。

Ｓ１０４では、検査対象となる被検査体２を走査手段１０にセットし、テラヘルツ波照射部１１から楕円形絞りのスポット形状２３に変形させたテラヘルツ波１５を照射する。
Ｓ１０５では、走査手段１０により被検査体２を所定方向に走査する。走査方向に対し、楕円形絞りのスポット形状２３の長軸は垂直方向とする（図２参照）。
Ｓ１０６では、テラヘルツ波受光部１２により被検査体２を透過したテラヘルツ波を受光してその強度を測定する。被検査体２の測定値をＧとする。

Ｓ１０７では、異物有無判定部１３は、被検査体２の測定値Ｇと前記Ｓ１０３で記憶した基準試料の測定値（基準値）Ｇ０との差分値ΔＧ＝｜Ｇ−Ｇ０｜を算出する。
Ｓ１０８では、異物有無判定部１３は、各走査位置における差分値ΔＧを閾値ｇとを比較する。差分値ΔＧが閾値ｇ以下であればＳ１０９へ進み、差分値ΔＧが閾値ｇより大きければＳ１１０へ進む。
Ｓ１０９では、「異物無し」と判定し、その旨表示する（図６でＧ１の場合）。
Ｓ１１０では、「異物有り」と判定し、その旨表示する（図６でＧ２の場合）。
Ｓ１１１では、異物判定結果と測定値Ｇを検査結果格納部１４に保存する。

Ｓ１１２では、被検査体２の全ての検査対象領域を測定終了したかどうかを判定する。未終了であればＳ１１３へ進む。
Ｓ１１３では、テラヘルツ波１５の照射位置を次の走査ラインにずらす（図２で距離ｍだけ移動させる）。具体的には、テラヘルツ波１５の光路をガルバノミラー等で移動させるか、被検査体２の位置をステージや回転機構等で移動させる。Ｓ１０５に戻り、次の走査ラインでの測定を繰り返す。

このように、テラヘルツ波１５のスポット形状を楕円形絞り形状としたので、検査対象領域の幅が大きな被検査体２についても最小限の走査回数で検査を行うことができ、検査時間の短縮を図ることができる。

上記フローチャートでは、テラヘルツ波１５のスポット形状やスポットサイズは固定値としたが、検査対象物の種類やそれに含まれる異物の種類に応じて変更するのが好ましい。その場合は、Ｓ１０１において、所望のスポット形状・サイズになるよう照射光学系（図３、図４における非軸放物面鏡やシリンドリカルレンズ）を調整し、調整後の値を記憶しておく。同様にＳ１０３において、検査対象物の種類ごとに最適な光路長を記憶しておけば、次に同じ種類の検査対象物を検査するとき、記憶したスポット形状や光路長の値を読み出して、迅速に初期設定を行うことができる。
また、Ｓ１０８〜Ｓ１１０では、被検査体２の異物有無の判定を異物有無判定部１３により自動的に行うものとした。これに代えて、検査結果格納部１４に保存した測定結果を参照して、検査者が判定しても良いことは言うまでもない。

以下、テラヘルツ波の照射方向を変更した異物検査装置について説明する。これにより、ガラス容器内の検査試料のうち、テラヘルツ波が照射されにくい容器内壁付近（いわゆる死角位置）で異物検出精度が低下するのを防止することができる。

図８は、テラヘルツ波の照射方向の変形例を示す図である。この例では、２組のテラヘルツ波照射部１１ａ，１１ｂとテラヘルツ波受光部１２ａ，１２ｂとを備え、２方向からのテラヘルツ波１５ａ，１５ｂを被検査体２に交差するように照射する構成とした。すなわち、図１のように照射方向が走査方向に直交する場合には、照射方向と直交する容器内壁付近の試料位置４ａ，４ｂが死角となり検出精度が低下する問題がある。これを図８のように走査方向に２方向から斜交するように照射することで、試料位置４ａ，４ｂが死角とならないため検出精度を低下させずに測定することができる。

図９は、テラヘルツ波の照射方向の他の変形例を示す図である。この例では、テラヘルツ波を照射する被検査体２を往路と復路で９０°だけ方向回転させて、往復走査させるようにした。すなわち、往路（右方向）の走査時の測定では試料位置４ａ，４ｂが死角となるが、往路の終点位置で回転機構により被検査体２を９０°回転させ、復路（左方向）の走査時の測定を行う。復路では試料位置４ａ，４ｂは死角とならないので、試料位置４ａ，４ｂの検出精度を低下させずに測定することができる。

１…異物検査装置、２…被検査体、３…容器、４…試料、５…異物、１０…走査手段、１１…テラヘルツ波照射部、１２…テラヘルツ波受光部、１３…異物有無判定部、１４…検査結果格納部、１５…テラヘルツ波、２１，２２，２３…テラヘルツ波のスポット形状、４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ…非軸放物面鏡、４２ａ，４２ｂ…シリンドリカルレンズ。

Claims (7)

1. 被検査体に含まれる異物を検出するテラヘルツ波を用いた異物検査装置において、
   前記被検査体を所定方向に走査する走査手段と、
   前記走査手段により走査される前記被検査体にテラヘルツ波を照射するテラヘルツ波照射部と、
   前記被検査体を透過したテラヘルツ波を受光し受光強度を測定するテラヘルツ波受光部と、
   前記テラヘルツ波受光部の測定した受光強度から前記被検査体に含まれる異物の有無を判定する異物有無判定部とを備え、
   前記テラヘルツ波照射部は前記テラヘルツ波のスポット形状を略楕円形状とし、その長軸方向を前記被検査体の走査方向に対し垂直に向けて照射することを特徴とするテラヘルツ波を用いた異物検査装置。
2. 請求項１に記載のテラヘルツ波を用いた異物検査装置において、
   前記テラヘルツ波照射部は、光学系に非軸放物面鏡とシリンドリカルレンズを用いることで、前記テラヘルツ波のスポット形状を略楕円形状とすることを特徴とするテラヘルツ波を用いた異物検査装置。
3. 請求項１に記載のテラヘルツ波を用いた異物検査装置において、
   前記テラヘルツ波照射部は、光学系に非軸放物面鏡を有し該非軸放物面鏡に入射するテラヘルツ波の位置を中心からずらすことで、前記テラヘルツ波のスポット形状を略楕円形状とすることを特徴とするテラヘルツ波を用いた異物検査装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のテラヘルツ波を用いた異物検査装置において、
   前記テラヘルツ波照射部は、光パルスを発生するレーザー光源と、光パルスを励起光と参照光に分岐するビームスプリッタと、前記励起光の光路長を調整する可動反射鏡と、光路長の調整された励起光を入射してパルス状のテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発振器とを有し、
   前記テラヘルツ波受光部は、前記ビームスプリッタで分岐された参照光を入射し、これに同期して前記被検査体を透過したテラヘルツ波の信号を検出するテラヘルツ波検出部を有するものであって、
   前記可動反射鏡により光路長を調整することで、前記テラヘルツ波検出部の検出するテラヘルツ波の検出信号を最大化することを特徴とするテラヘルツ波を用いた異物検査装置。
5. 被検査体に含まれる異物を検出するテラヘルツ波を用いた異物検査方法において、
   前記被検査体を所定方向に走査するステップと、
   略楕円形状のスポット形状を有するテラヘルツ波を発生するステップと、
   前記走査される被検査体に対し、前記略楕円形状のスポット形状の長軸方向を前記被検査体の走査方向に対し垂直に向けて前記テラヘルツ波を照射するステップと、
   前記被検査体を透過したテラヘルツ波を受光し受光強度を測定するステップと、
   前記測定した受光強度から前記被検査体に含まれる異物の有無を判定するステップと、
   を備えることを特徴とするテラヘルツ波を用いた異物検査方法。
6. 請求項５に記載のテラヘルツ波を用いた異物検査方法において、
   前記テラヘルツ波を照射するステップは、光パルスを発生して励起光と参照光に分岐するステップと、前記励起光の光路長を調整するステップと、光路長の調整された励起光を入射してパルス状のテラヘルツ波を発生するステップと、を有し、
   前記受光強度を測定するステップは、前記分岐された参照光を入射し、これに同期して前記被検査体を透過したテラヘルツ波の信号を検出するステップを有し、
   前記光路長を調整することで、前記検出するテラヘルツ波の検出信号を最大化することを特徴とするテラヘルツ波を用いた異物検査方法。
7. 請求項５または６に記載のテラヘルツ波を用いた異物検査方法において、
   前記異物の有無を判定するステップでは、前記被検査体で測定された受光強度と異物の含まれない基準試料で測定された受光強度とを比較し、その差分値が閾値より大きいか否かにより判定することを特徴とするテラヘルツ波を用いた異物検査方法。

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