JP2015099145A - Diffraction ring analysis method and diffraction ring analyzer - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a diffraction ring analysis method capable of analyzing a diffraction ring and improving accuracy even if the diffraction ring has a missing part.SOLUTION: A diffraction ring analysis method includes: irradiating a specific part of a measurement target with a beam exhibiting a diffraction property, and measuring a strain using a central angle α of a diffraction ring formed by a diffraction beam reflected by this specific part (S21, S22); performing Fourier transform on this measurement result (S23); and calculating at least either a stress or strain of the specific part from a result of this Fourier transform (S24).

Description

本発明は、計測対象物の特定部分にX線または回折する性質を持つビームを照射し、この回折ビームにより形成される回折環の変形をフーリエ変換して、当該特定部分のひずみ、応力を求める回折環分析方法および回折環分析装置に関する。   The present invention irradiates a specific part of an object to be measured with a beam having the property of diffracting X-rays and Fourier transforms the deformation of the diffraction ring formed by the diffracted beam, thereby obtaining strain and stress of the specific part. The present invention relates to a diffraction ring analysis method and a diffraction ring analysis apparatus.

従来の回折環分析装置に関して、特許文献1に開示されたX線回折装置や、特許文献2に開示された三軸応力測定方法等がある。   With respect to conventional diffraction ring analyzers, there are an X-ray diffractometer disclosed in Patent Document 1, a triaxial stress measurement method disclosed in Patent Document 2, and the like.

非特許文献1では、非特許文献2に開示されたX線応力測定方法の1つであるcosα法を発展させて回折環の2次元的データを解析することによって全平面応力成分を単一のX線照射によって同時一括に計測する手法が開示されている。その手法について図面を用いて説明する。   In Non-Patent Document 1, the cosα method, which is one of the X-ray stress measurement methods disclosed in Non-Patent Document 2, is developed to analyze the two-dimensional data of the diffracting ring, thereby obtaining a single plane stress component. A method of simultaneously measuring by X-ray irradiation is disclosed. The method will be described with reference to the drawings.

図30は、計測対象物表面にX線を照射した場合の座標系、入射X線および回折環を示す図である。同図に示すように、X線ビーム1を計測対象物であるサンプル2の特定部分3に照射し、その回折ビーム4により、回折環5(デバイ環)を撮像部6に結像させる。同図中、εαは、円周角αでの回折環の変形を表し、ηは結晶の格子面間隔とX線の波長で決まっている回折角θの余角である(つまりηは90°−θ)。また、ψ0は計測対象物表面の法線と入射ビームとのなす角で、φ0はX線ビームの測定対象物表面への投影線と計測対象物のx軸とのなす角である。 FIG. 30 is a diagram showing a coordinate system, incident X-rays, and a diffraction ring when X-rays are irradiated on the surface of the measurement object. As shown in the figure, an X-ray beam 1 is irradiated onto a specific portion 3 of a sample 2 that is a measurement object, and a diffraction ring 5 (Debye ring) is imaged on an imaging unit 6 by the diffraction beam 4. In the figure, ε α represents the deformation of the diffraction ring at the circumferential angle α, and η is an additional angle of the diffraction angle θ determined by the crystal lattice spacing and the X-ray wavelength (that is, η is 90 ° -θ). Ψ 0 is an angle formed by the normal line of the surface of the measurement object and the incident beam, and φ 0 is an angle formed by the projection line of the X-ray beam onto the surface of the measurement object and the x axis of the measurement object.

回折環5を用いた応力測定では、サンプル2の特定部分3にひずみがある場合、図31に示すように、ひずみがない時の真円の回折環8からずれた位置に、サンプル2のひずみに応じて変形したX線の回折環9が生じる。   In the stress measurement using the diffraction ring 5, when the specific portion 3 of the sample 2 is strained, as shown in FIG. 31, the strain of the sample 2 is shifted to a position deviated from the circular diffraction ring 8 when there is no strain. As a result, an X-ray diffraction ring 9 which is deformed in accordance with is generated.

このサンプル2のひずみ(応力状態)を回折環9の変形から求めるのが、cosα法である。この方式は中性子線など、結晶で回折する性質のあるビームであればX線以外でも利用可能である。   The cos α method is to obtain the strain (stress state) of the sample 2 from the deformation of the diffraction ring 9. This method can be used for other than X-rays as long as the beam has a property of being diffracted by a crystal, such as a neutron beam.

cosα法では回折環9上の中心角αの点での変形の測定値をεαで表すと、図32の様に、回折環9から、中心角α、π+α、−α、π−αの4方向の変形εα、επ+α、ε−α、επ−αを測定する。そして、この4つの測定値から、次の式(1)〜(4)で計算される4種のパラメーターの値を求める。 In the cos α method, when the deformation measured at the point of the central angle α on the diffraction ring 9 is represented by ε α , the central angles α, π + α, −α, π-α are obtained from the diffraction ring 9 as shown in FIG. The deformations ε α , ε π + α , ε −α , and ε π-α in four directions are measured. Then, from these four measured values, values of four parameters calculated by the following formulas (1) to (4) are obtained.

4種のパラメーターの実測値を縦軸、cosα、sinα、cos2α、sin2αの夫々を横軸にしてその関係を示したのが、図33〜図36である。図33からわかるように、cosαとε α(上バー付き)との間には明確な直線的な比例関係がみられる。つまり、式(1)のパラメーターε α(上バー付き)をcosαについてプロットすると直線関係が得られ、その直線の傾きに非特許文献1の式(9)を適用することで被測定物のひずみ(応力状態)を求めることができる(この例ではx方向の応力σx)。 FIG. 33 to FIG. 36 show the relationship of the measured values of the four parameters with the vertical axis and cos α, sin α, cos 2α, and sin 2α on the horizontal axis. As can be seen from Figure 33, cos [alpha] and epsilon - alpha clear that linear proportional relationship between (superscript bar) is observed. That is, when the parameter ε α (with the upper bar) of equation (1) is plotted with respect to cosα, a linear relationship is obtained, and by applying equation (9) of Non-Patent Document 1 to the slope of the straight line, Strain (stress state) can be obtained (in this example, stress σ x in the x direction).

一方、(2)〜(4)では直線関係はそれほど明確ではない(図34〜図36)。これはcosα法ではε α(上バー付き)、ε α(上チルダ付き)、E、Eとcosα、sinα、cos2α、sin2αとの関係がそれぞれ直線になるとしているが、この仮定が成り立つのは被測定物の応力状態が理想的な場合に限られるからである。実際には被測定物の応力状態は理想的な場合からずれており、それにより図34〜図36のように直線からのずれが生じる。このずれは被測定物の物理的状態の情報を含んでいるが、直線近似からひずみ(応力状態)を求めるcosα法ではその情報の取り扱いは困難である。 On the other hand, in (2) to (4), the linear relationship is not so clear (FIGS. 34 to 36). This is a cos [alpha] method epsilon - alpha (superscript bar), epsilon ~ alpha (superscript tilde), E 1, E 2 and cosα, sinα, cos2α, although the relationship between the sin2α is respectively a straight line, this assumption This is because the stress state of the object to be measured is limited to an ideal case. Actually, the stress state of the object to be measured deviates from an ideal case, and as a result, deviation from a straight line occurs as shown in FIGS. This deviation includes information on the physical state of the object to be measured, but it is difficult to handle the information by the cos α method for obtaining strain (stress state) from linear approximation.

またcosα法では常に回折環上の4点を一組としてパラメーターの計算を行うので(図32)、図37のように一部が欠落した回折環では応力の計算が困難になる(図37の例ではε α(上バー付き)、ε α(上チルダ付き)、E、Eの各パラメーターの計算は不可能である)。 In the cos α method, parameters are always calculated with a set of four points on the diffraction ring (FIG. 32), so that it is difficult to calculate stress in a diffraction ring with a part missing as shown in FIG. 37 (FIG. 37). In the example, ε - α (with an upper bar), ε to α (with an upper tilde), E 1 and E 2 parameters cannot be calculated.

欠落した回折環の例として、非特許文献3ではスポッティ化した(つまり粒状性のある)回折環を示している。非特許文献3ではスポッティ化した回折環から精度良く応力を求める画像処理方法としてソフトウェア揺動法を開示しているが、図37のような回折環ではソフトウェア揺動法を利用してもcosα法の適用は困難である。   As an example of a missing diffraction ring, Non-Patent Document 3 shows a spotted diffraction ring (that is, a granularity). Non-Patent Document 3 discloses a software rocking method as an image processing method for accurately obtaining stress from a spotted diffraction ring. However, in the diffraction ring as shown in FIG. Application is difficult.

特開2005−241308号公報JP-A-2005-241308 特開2011−27550号公報JP 2011-27550 A

佐々木俊彦、広瀬幸雄 「2次元的X線検出器イメージングプレートを用いた全平面応力成分の単一入射X線応力測定」、材料 Vol.44, No.504, pp.1138-1143, (1995)Toshihiko Sasaki and Yukio Hirose “Single-incidence X-ray stress measurement of all plane stress components using a two-dimensional X-ray detector imaging plate”, Materials Vol.44, No.504, pp.1138-1143, (1995) 平修二、田中啓介、山崎利春 「細束X線 応力測定の一方法とその疲労き裂伝ぱ問題への応用」材料 Vol.27, pp.251-256, (1978)Shuji Hira, Keisuke Tanaka, Toshiharu Yamazaki “A Method of Stress Measurement for Fine Bundles and Its Application to Fatigue Crack Propagation Problems” Material Vol.27, pp.251-256, (1978) 佐々木俊彦、広瀬幸雄、安川昇一 「イメージングプレートを用いた粗大結晶粒材料のX線マクロ応力測定」、日本機械学界論文集(A編), 63, pp.533-541, (1997)Toshihiko Sasaki, Yukio Hirose, Shoichi Yaskawa “X-ray Macro Stress Measurement of Coarse Grained Materials Using Imaging Plate”, Transactions of the Japan Society of Mechanical Science (A), 63, pp.533-541, (1997)

非特許文献1および非特許文献2によれば、cosα法の数値処理の都合上、次のような問題がある。   According to Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, there are the following problems due to the numerical processing of the cos α method.

第1に、回折環に欠落がある場合(例えば図37)に応力の計算精度が劣化するか、あるいは計算できなくなる。   First, when the diffraction ring is missing (for example, FIG. 37), the calculation accuracy of the stress deteriorates or cannot be calculated.

第2に、4点のひずみを加減算しているため、抽出するパラメーターには常に4点分の測定値誤差を含んでいることになる。これによってS/N比が劣化する。   Secondly, since the distortion at 4 points is added and subtracted, the parameter to be extracted always includes a measurement value error for 4 points. This degrades the S / N ratio.

第3に、回折環のひずみ情報には測定対象物の多くの応力状態についての情報を含んでいるが、それを4つのパラメーターに集約してしまうため、多くの情報が失われることになる。   Thirdly, the strain information of the diffraction ring includes information on many stress states of the measurement object. However, since the information is aggregated into four parameters, a lot of information is lost.

本発明は、回折環に欠落がある場合であっても回折環を分析し、かつ精度を向上させる回折環分析方法および装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a diffraction ring analysis method and apparatus for analyzing a diffraction ring and improving accuracy even when the diffraction ring is missing.

本発明の第1の回折環分析方法は、回折する性質をもつビームを計測対象物の特定部分に照射し、この特定部分から反射される回折ビームにより形成される回折環を測定し、この回折環の変形をフーリエ変換し、その結果から、特定部分の応力又はひずみの少なくとも一方を算出するものである。この構成により、計測対象物の特定部分の応力又はひずみを正確に求めることができ、また、回折環に欠落がある場合であっても計測対象物のひずみ(応力状態)を分析することができる。   The first diffraction ring analysis method of the present invention irradiates a specific part of an object to be measured with a beam having a diffracting property, measures a diffraction ring formed by the diffraction beam reflected from the specific part, The deformation of the ring is subjected to Fourier transform, and at least one of stress or strain at a specific portion is calculated from the result. With this configuration, it is possible to accurately determine the stress or strain of a specific part of the measurement object, and it is possible to analyze the strain (stress state) of the measurement object even when the diffraction ring is missing. .

具体的にフーリエ級数を求めるには、回折環の変形εαと回折環の中心角αの関係のリストを作成し、それに高速フーリエ変換(FFT)などのアルゴリズムを適用することでフーリエ級数の係数を求める。またcosα、sinα、cos2α、sin2α…との相関を計算することでもフーリエ級数の係数を求めることができる。 To obtain the Fourier series specifically, create a list of the relationship between the diffraction ring deformation ε α and the center angle α of the diffraction ring, and apply an algorithm such as Fast Fourier Transform (FFT) to it. Ask for. The coefficient of the Fourier series can also be obtained by calculating the correlation with cosα, sinα, cos2α, sin2α,.

本発明の第2の回折環分析方法は、第1の回折環分析方法において、前記フーリエ級数の係数の他に、ヤング率、ポアソン比、回折角の余角、および前記計測対象物表面に対する法線と入射ビームとのなす角を用いた演算を、測定結果に対して施してもよい。この構成により、計測対象物の特定部分の応力又はひずみを更に正確に求めることができる。   The second diffractive ring analysis method of the present invention is the same as the first diffractive ring analysis method, in addition to the Fourier series coefficient, the Young's modulus, the Poisson's ratio, the residual angle of the diffraction angle, and the method for the surface of the measurement object. An operation using the angle formed by the line and the incident beam may be performed on the measurement result. With this configuration, the stress or strain of a specific portion of the measurement object can be obtained more accurately.

本発明の第3の回折環分析方法は、第1又は第2の回折環分析方法において、回折環の一部に欠落部分がある場合、実測された回折環と欠落部分の中心角αの情報から、フーリエ級数の性質を用いて欠落のない場合の回折環のフーリエ級数を推定する方法であってもよい。これにより、回折環に欠落がある場合であっても計測対象物のひずみ(応力状態)を正確に分析することができる。   In the third diffraction ring analysis method of the present invention, in the first or second diffraction ring analysis method, when there is a missing part in a part of the diffraction ring, information on the measured diffraction ring and the center angle α of the missing part is obtained. From the above, a method of estimating the Fourier series of the diffraction ring when there is no omission using the properties of the Fourier series may be used. Thereby, even if the diffraction ring is missing, the strain (stress state) of the measurement object can be accurately analyzed.

本発明の第4の回折環分析方法は、第1、第2又は第3の回折環分析方法において、フーリエ変換の結果得られたフーリエ級数のうち少なくとも0次から2次までの係数を利用してもよい。ここで、少なくとも1次の係数および2次の係数のいずれか一つを利用してもよい。この構成により、高次の係数を利用しなくても、従来のcosα法に比べて、正確に回折環の分析することができる。   The fourth diffractive ring analysis method of the present invention uses at least coefficients from the 0th order to the second order among the Fourier series obtained as a result of the Fourier transform in the first, second or third diffractive ring analysis method. May be. Here, at least one of the first-order coefficient and the second-order coefficient may be used. With this configuration, it is possible to analyze the diffractive ring more accurately than in the conventional cos α method without using higher-order coefficients.

本発明の第5の回折環分析方法は、第1、第2、第3又は第4の回折環分析方法において、1次および2次のフーリエ級数の係数をa1、b1、a2、b2とする時、計測対象物の応力を平面応力であると仮定してx軸、y軸方向の垂直応力σx、σをそれぞれ
とし、剪断応力τxy
の両式の少なくとも一方の式で算出してもよい。ここで、Eはヤング率、νはポアソン比、ηは回折角の余角、ψは前記計測対象物の表面の法線と入射X線ビームとのなす角を表す。
The fifth diffractive ring analysis method of the present invention is the first, second, third or fourth diffractive ring analysis method, wherein the coefficients of the first and second order Fourier series are a 1 , b 1 , a 2 , When b 2 is assumed, the stress of the object to be measured is assumed to be plane stress, and the vertical stresses σ x and σ y in the x-axis and y-axis directions are respectively
And the shear stress τ xy
It may be calculated by at least one of the two formulas. Here, E is the Young's modulus, ν is the Poisson's ratio, η is the remainder of the diffraction angle, and ψ 0 is the angle between the normal of the surface of the measurement object and the incident X-ray beam.

この構成により、垂直応力および剪断応力を正確に求めることができる。   With this configuration, the normal stress and the shear stress can be accurately obtained.

本発明の第1の回折環分析装置は、回折する性質をもつビームを計測対象物の特定部分に照射するビーム照射部と、この特定部分から反射される回折ビームを撮像し、撮像面に回折環を形成させる撮像部と、この撮像部で得られた測定結果をフーリエ変換し、前記特定部分の応力又はひずみの少なくとも一方を算出するデータ処理部を備えるものである。この構成により、計測対象物の特定部分の応力又はひずみを正確に求めることができ、また、回折環に欠落がある場合であっても回折環を分析する装置を提供できる。   The first diffractive ring analyzer of the present invention images a beam irradiation unit that irradiates a specific part of a measurement object with a beam having a diffracting property, and images a diffracted beam reflected from the specific part, and diffracts it on the imaging surface An imaging unit that forms a ring and a data processing unit that performs Fourier transform on a measurement result obtained by the imaging unit and calculates at least one of stress or strain of the specific part. With this configuration, it is possible to accurately determine the stress or strain of a specific portion of the measurement object, and it is possible to provide an apparatus for analyzing a diffraction ring even when the diffraction ring is missing.

本発明の第2の回折環分析装置は、第1の回折環分析装置において、撮像部が、半導体を利用した固体X線撮像素子またはイメージングプレーであってもよい。この構成により、正確に回折環の測定が可能になる。   The second diffractive ring analyzer of the present invention is the first diffractive ring analyzer, wherein the imaging unit may be a solid X-ray imaging device or an imaging play using a semiconductor. With this configuration, the diffraction ring can be accurately measured.

本発明の回折環分析方法および装置によれば、回折環に欠落がある場合であっても回折環を分析し、かつ精度を向上させることができる。   According to the diffraction ring analysis method and apparatus of the present invention, it is possible to analyze a diffraction ring and improve accuracy even when the diffraction ring is missing.

言い換えれば、第1に、回折環に欠落がある場合(例えば図37)でもフーリエ級数への展開が可能なので、計算精度を劣化させることなく応力計算を可能にする。   In other words, first, even when there is a missing diffraction ring (for example, FIG. 37), the expansion into the Fourier series is possible, so that the stress calculation can be performed without degrading the calculation accuracy.

第2に、4点のひずみを加減算する従来法とは異なり、回折環の存在する部分全てを用いてフーリエ級数に展開することにより4点分の測定値誤差を含まないのでS/N比を向上させることができる。   Second, unlike the conventional method of adding / subtracting distortion at 4 points, the S / N ratio is reduced because it does not include the measured value error for 4 points by expanding all the portions where the diffraction rings exist into a Fourier series. Can be improved.

第3に、フーリエ級数の2次までの係数は従来法と等価な分析を可能にし、さらに、3次以上の係数は、従来法と比べて、回折環のひずみ情報に含まれるより多くの応力状態について分析することが可能にする。   Third, the coefficients up to the second order of the Fourier series enable analysis equivalent to the conventional method, and the coefficients of the third order and higher are more stresses included in the strain information of the diffraction ring than the conventional method. Allows analysis of the condition.

図1は、実施の形態1における回折環分析装置の構成例を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of the diffraction ring analyzer according to the first embodiment. 図2は、実施の形態1を示す回折環分析方法を示すフローチャートである。FIG. 2 is a flowchart showing the diffraction ring analysis method according to the first embodiment. 図3は、回折環の変形εαの実測値と2次以下の係数によって求めた変形εαの近似値の関係をしめしたグラフ(上図)と、その残差(下図)を示す図である。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the measured value of the deformation ε α of the diffraction ring and the approximate value of the deformation ε α obtained by the second-order coefficient (upper diagram) and the residual (lower diagram). is there. 図4は、回折環の変形データ例(一部)とそれから求めたフーリエ級数の係数を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example (part) of deformation data of a diffraction ring and coefficients of Fourier series obtained therefrom. 図5は、機械的に測定した負荷と実施の形態1のフーリエ方式で求めた応力σxの比較を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a comparison between the mechanically measured load and the stress σ x obtained by the Fourier method of the first embodiment. 図6は、実施の形態1における回折環計測装置の変形例における構成を示すブロック図である。FIG. 6 is a block diagram showing a configuration in a modification of the diffractive ring measuring apparatus in the first embodiment. 図7は、回折環計測装置の動作を示すフローチャートである。FIG. 7 is a flowchart showing the operation of the diffraction ring measuring apparatus. 図8は、第1の構成例における撮像部の(a)側面図および(b)下面図である。FIG. 8A is a side view and FIG. 8B is a bottom view of the imaging unit in the first configuration example. 図9は、図6の固体撮像素子の構成例を示すブロック図である。FIG. 9 is a block diagram illustrating a configuration example of the solid-state imaging device of FIG. 図10は、第2の構成例における撮像部の(a)側面図および(b)下面図である。FIG. 10A is a side view and FIG. 10B is a bottom view of the imaging unit in the second configuration example. 図11は、図10の固体撮像素子の画素配置例を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating a pixel arrangement example of the solid-state imaging device of FIG. 図12は、第3の構成例における撮像部の(a)側面図および(b)下面図である。FIG. 12A is a side view and FIG. 12B is a bottom view of the imaging unit in the third configuration example. 図13は、第4の構成例における撮像部の(a)側面図および(b)下面図である。FIG. 13A is a side view and FIG. 13B is a bottom view of the imaging unit in the fourth configuration example. 図14は、第5の構成例における撮像部の(a)側面図および(b)下面図である。FIG. 14A is a side view and FIG. 14B is a bottom view of the imaging unit in the fifth configuration example. 図15は、第6の構成例における撮像部の(a)側面図および(b)下面図である。FIG. 15A is a side view and FIG. 15B is a bottom view of the imaging unit in the sixth configuration example. 図16Aは、第7の構成例における撮像部の(a)側面図および(b)下面図である。FIG. 16A is a (a) side view and (b) bottom view of the imaging unit in the seventh configuration example. 図16Bは、図16Aの変形例における撮像部の(a)側面図および(b)下面図である。FIG. 16B is a (a) side view and (b) bottom view of the imaging unit in the modification of FIG. 16A. 図17は、第8の構成例における撮像部の(a)側面図および(b)下面図である。FIG. 17A is a side view and FIG. 17B is a bottom view of the imaging unit in the eighth configuration example. 図18は、第9の構成例における撮像部の(a)側面図および(b)下面図である。FIG. 18A is a side view and FIG. 18B is a bottom view of the imaging unit in the ninth configuration example. 図19は、第10の構成例における撮像部の(a)断面図および(b)下面図である。FIG. 19A is a cross-sectional view and FIG. 19B is a bottom view of the imaging unit in the tenth configuration example. 図20は、第11の構成例における撮像部の(a)断面図および(b)下面図である。20A is a cross-sectional view of the imaging unit in the eleventh configuration example, and FIG. 20B is a bottom view thereof. 図21は、実施の形態2における式(2.5)の行列Mを表す図である。FIG. 21 is a diagram illustrating a matrix M of the formula (2.5) in the second embodiment. 図22は、実施の形態2における実験に用いた資料の特性を示す図である。FIG. 22 is a diagram showing characteristics of the material used in the experiment in the second embodiment. 図23は、実施の形態2における一部が欠けた回折環を作るためのマスク例を示す図である。FIG. 23 is a diagram showing an example of a mask for making a diffraction ring with a part missing in the second embodiment. 図24は、実施の形態2におけるマスクなしの場合とマスクにより回折光を遮った場合の回折環像を示す図である。FIG. 24 is a diagram showing a diffraction ring image when there is no mask and when the diffracted light is blocked by the mask in the second embodiment. 図25は、実施の形態2における各マスクについてデータ解析に用いた円周角αの範囲を示す図である。FIG. 25 is a diagram showing the range of the circumferential angle α used for data analysis for each mask in the second embodiment. 図26は、実施の形態2における一部が欠けた回折環像から式(2.8) の方式で求めたσxのm依存性と、完全な回折環から求めたσx(破線) とを示す図である。FIG. 26 is a diagram showing the m dependence of σx obtained by the method of formula (2.8) from the diffraction ring image with a part missing in Embodiment 2, and σx (broken line) obtained from the complete diffraction ring. is there. 図27は、従来のcosα法により求めたσxと本実施の形態の方式により求めたσxとを示す図である。FIG. 27 is a diagram showing σx obtained by the conventional cos α method and σx obtained by the method of the present embodiment. 図28は、回折環を8点で測定する場合の説明図である。FIG. 28 is an explanatory diagram when the diffraction ring is measured at eight points. 図29は、ε、ε′からのx1〜x5の推定値を示す図である。FIG. 29 is a diagram showing estimated values of x1 to x5 from ε and ε ′. 図30は、計測対象物表面にX線を照射した場合の座標系、入射X線および回折環を示す図である。FIG. 30 is a diagram showing a coordinate system, incident X-rays, and a diffraction ring when X-rays are irradiated on the surface of the measurement object. 図31は、計測対象物にひずみが生じている回折環の一例と無応力で無ひずみの回折環(真円)とを示す図である。FIG. 31 is a diagram illustrating an example of a diffraction ring in which a measurement object is distorted and a stress-free and strain-free diffraction ring (perfect circle). 図32は、従来のcosα法の4分割の説明図である。FIG. 32 is an explanatory diagram of four divisions in the conventional cos α method. 図33は、従来のcosα法により求めたε α(上バー付き)を縦軸に、cos αを横軸にとったグラフを示す図である。FIG. 33 is a graph showing ε - α (with an upper bar) obtained by the conventional cosα method on the vertical axis and cos α on the horizontal axis. 図34は、従来のcosα法により求めたEを縦軸に、sin2αを横軸にとったグラフを示す図である。Figure 34 is a E 2 obtained by conventional cosα method on the vertical axis, shows a graph plotting the sin2α on the horizontal axis. 図35は、従来のcosα法により求めたEを縦軸に、cos2αを横軸にとったグラフを示す図である。Figure 35 is a E 1 obtained by conventional cosα method on the vertical axis, shows a graph plotting the cos2α on the horizontal axis. 図36は、従来のcosα法により求めたε α(上チルダ付き)を縦軸に、sin2αを横軸にとったグラフを示す図である。FIG. 36 is a graph showing ε to α (with an upper tilde) determined by the conventional cos α method on the vertical axis and sin2α on the horizontal axis. 図37は、回折環に欠落部分がある場合の状態を有する図である。FIG. 37 is a diagram showing a state where there is a missing portion in the diffraction ring.

以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。   Each of the embodiments described below shows a preferred specific example of the present invention. Numerical values, shapes, materials, constituent elements, arrangement positions and connection forms of constituent elements, steps, order of steps, and the like shown in the following embodiments are merely examples, and are not intended to limit the present invention.

(実施の形態1)
<回折環分析装置の構成>
図1は本実施の形態における回折環分析装置の構成例を示すブロック図である。この装置は、X線回折により発生する回折環を解析するものである。同図において、11は高圧電源、12はX線照射部を冷却する冷却部、13は回折環分析装置全体の動作を制御する制御部、14は測定対象物であるサンプルの特定部分にX線を照射するX線照射部、15はサンプルから反射される回折光により形成される回折環(デバイ環、デバイ=シェラー環とも呼ばれる。)を撮像する撮像部(たとえば、半導体などの固体撮像素子)、17は撮像部15により撮像された回折環画像を解析するデータ処理部、18は出力部である。
(Embodiment 1)
<Configuration of diffraction ring analyzer>
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a diffraction ring analyzer according to the present embodiment. This apparatus analyzes a diffraction ring generated by X-ray diffraction. In the figure, 11 is a high-voltage power source, 12 is a cooling unit for cooling the X-ray irradiation unit, 13 is a control unit for controlling the operation of the entire diffractive ring analyzer, and 14 is an X-ray on a specific portion of the sample that is a measurement object X-ray irradiating unit 15, 15 is an imaging unit (for example, a solid-state imaging device such as a semiconductor) that images a diffraction ring (also called Debye ring or Debye-Scherrer ring) formed by diffracted light reflected from the sample , 17 is a data processing unit for analyzing the diffraction ring image captured by the imaging unit 15, and 18 is an output unit.

ここで、X線照射部14は、電子線をターゲットに衝突させてX線を発生させる装置と、発生したX線を細束のX線ビームとして計測対象物に照射するX線光学系とを備えている。X線発生装置として、たとえば、電子線を高電圧で加速して陽極に衝突させCr-Kα特性X線を発生させるためのX線管球(真空管)であり、また、X線光学系は、たとえば、発生したX線を細い平行ビームに絞り照射するピンホールコリメータである。   Here, the X-ray irradiation unit 14 includes an apparatus that generates an X-ray by colliding an electron beam with a target, and an X-ray optical system that irradiates a measurement target object with the generated X-ray as a fine bundle of X-ray beams. I have. As an X-ray generator, for example, an X-ray tube (vacuum tube) for accelerating an electron beam at a high voltage and colliding with an anode to generate Cr-Kα characteristic X-rays, and an X-ray optical system, For example, it is a pinhole collimator that irradiates the generated X-rays with a narrow parallel beam.

計測対象物表面とX線ビームとのなす角は自由に設定してよい。照射されるX線ビームの直径は、たとえば数100μm以下の細さでもよい。また照射するX線のエネルギーは4〜20 keV程度の軟X線でも良い。   The angle formed by the surface of the measurement object and the X-ray beam may be set freely. The diameter of the irradiated X-ray beam may be as small as several hundred μm, for example. The energy of X-rays to be irradiated may be soft X-rays of about 4 to 20 keV.

撮像部15は、計測対象物からの回折ビームにより形成される回折環を撮像する。そのため、CCDイメージセンサ、MOS (Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサ等の固体撮像素子、あるいはイメージングプレートからなる。固体撮像素子の場合は(a) X線ビームが通過する貫通孔を中央部に有し、回折環全体を撮像する、または、(b) 回折環の一部、または複数の部分を撮像する1個または複数の固体撮像素子を備える。撮像にイメージングプレートを用いる場合は露光された回折環像を読み出すための読み出し装置を備える。   The imaging unit 15 images the diffraction ring formed by the diffracted beam from the measurement object. For this reason, the image sensor includes a solid-state imaging device such as a CCD image sensor, a MOS (Metal Oxide Semiconductor) image sensor, or an imaging plate. In the case of a solid-state imaging device, (a) a through-hole through which an X-ray beam passes is formed in the center, and the entire diffraction ring is imaged, or (b) a part or a plurality of portions of the diffraction ring is imaged 1 One or a plurality of solid-state imaging devices are provided. When an imaging plate is used for imaging, a reading device for reading the exposed diffraction ring image is provided.

データ処理部17は撮像部15により撮像された回折環像を解析する。具体的には撮像された画像から回折環を判別し、判別された回折環と真円との半径方向のずれを、回折環の中心角αをパラメーターとする変形εαとして算出し、それをフーリエ級数で表現する。中心角αは、回折環の中心を通る基準となる線と、回折環の円周上の点とのなす中心角であり、円周角αとも呼ぶ。なおフーリエ級数の係数をフーリエ係数または単に係数と呼ぶ。そのフーリエ級数から上述の理論(平面応力状態の場合は後述する式(21)〜(24))に従って試験対象物の応力を求める。 The data processing unit 17 analyzes the diffraction ring image picked up by the image pickup unit 15. Specifically, the diffraction ring is discriminated from the captured image, and the deviation in the radial direction between the discriminated diffraction ring and the perfect circle is calculated as a deformation ε α using the central angle α of the diffraction ring as a parameter. Expressed in Fourier series. The central angle α is a central angle formed by a reference line passing through the center of the diffraction ring and a point on the circumference of the diffraction ring, and is also referred to as a circumferential angle α. The Fourier series coefficients are called Fourier coefficients or simply coefficients. From the Fourier series, the stress of the test object is obtained according to the above theory (in the case of a plane stress state, equations (21) to (24) described later).

出力部18は、表示装置および記憶部を備え、データ処理部17による解析結果を表示し、解析結果を示すデータを記憶部にファイルとして記録する。   The output unit 18 includes a display device and a storage unit, displays an analysis result by the data processing unit 17, and records data indicating the analysis result as a file in the storage unit.

なお、X線照射部14、撮像部15及びサンプルの測定状態は図30に示す通りである。   In addition, the measurement state of the X-ray irradiation part 14, the imaging part 15, and a sample is as showing in FIG.

<データ処理部の詳細>
図2は本実施の形態である回折環分析方法に係るフローチャートを示すものである。
<Details of data processing unit>
FIG. 2 shows a flowchart according to the diffraction ring analysis method of this embodiment.

同図に示すように、本回折環分析方法はフーリエ級数による回折環分析方法であって、データ処理部17は、まず撮像部15により撮像された回折環画像から回折環を判別する(S21)。   As shown in the figure, the present diffraction ring analysis method is a Fourier series diffraction ring analysis method, and the data processing unit 17 first determines a diffraction ring from a diffraction ring image picked up by the image pickup unit 15 (S21). .

そして、判別された回折環と真円との半径方向のずれを判別された回折環と真円との半径方向のずれを、回折環の中心角αをパラメーターとする変形εαとして算出する(S22)。 Then, the radial deviation between the determined diffraction ring and the perfect circle in the radial direction is calculated as a deformation ε α using the central angle α of the diffraction ring as a parameter ( S22).

次に、回折環の中心角αをパラメーターとする変形をεαフーリエ変換し、このフーリエ級数の係数を算出する(S23)。 Next, ε α Fourier transform is performed on the deformation with the central angle α of the diffraction ring as a parameter, and the coefficient of this Fourier series is calculated (S23).

なお、判別された回折環に欠落がある場合には、測定された回折環と欠落部分の中心角αから欠落が無かったであろう場合のフーリエ級数を求める。この計算はフーリエ級数の性質を利用するものであり、欠落が無かったであろう場合のフーリエ級数を推定していることになる。   If there is a missing portion in the discriminated diffractive ring, a Fourier series is calculated from the measured diffractive ring and the center angle α of the missing portion. This calculation makes use of the properties of the Fourier series and estimates the Fourier series when there would have been no omissions.

この後、この算出結果を用いて、サンプルの特定部分の応力又はひずみの少なくとも一方を算出する(S24)。   Then, using this calculation result, at least one of stress or strain of a specific portion of the sample is calculated (S24).

なお、図2において、回折環の真円とのずれをフーリエ級数に展開しているが、その代わりに、あるいは、それと併せて、回折環の幅、回折環の強度の変化をフーリエ級数に展開してもよい。これにより、回折環に含まれる情報に対してより多角的な分析を可能にする。   In FIG. 2, the deviation from the perfect circle of the diffractive ring is expanded to the Fourier series. Instead, or in addition thereto, changes in the width of the diffractive ring and the intensity of the diffractive ring are expanded to the Fourier series. May be. As a result, more multi-faceted analysis can be performed on the information included in the diffraction ring.

本形態の特徴としては第1に、回折環に欠落がある場合でもフーリエ級数への展開が可能なので、計算精度を劣化させることなく応力計算を可能にする。   As a feature of the present embodiment, first, even if there is a deficiency in the diffraction ring, it can be expanded into a Fourier series, so that stress calculation is possible without degrading calculation accuracy.

第2に、4点のひずみを加減算する従来法とはことなり、回折環の存在する部分全てを用いてフーリエ級数に展開することにより4点分の測定値誤差を含まないのでS/N比を向上させることができる。   Secondly, unlike the conventional method of adding and subtracting the strain at 4 points, the S / N ratio is not included because it does not include the measured value error for 4 points by expanding all the parts where the diffraction ring exists into a Fourier series. Can be improved.

第3に、フーリエ級数の2次までの係数は従来法と等価な分析を可能にし、さらに、3次以上の係数は、従来法と比べて、回折環のひずみ情報に含まれるより多くの応力状態について分析することが可能にする。   Third, the coefficients up to the second order of Fourier series enable analysis equivalent to the conventional method, and more than the third order coefficient, more stress included in the strain information of the diffraction ring than the conventional method. Allows analysis of the condition.

フーリエ級数については、データ処理部17は、フーリエ級数の係数のうち少なくとも0次から2次までの係数を算出する。ここで、少なくとも1次の係数および2次の係数のいずれか一つを算出してもよい。例えば、0次から2次までの係数を算出してもよいし、3次以上の係数を算出してもよい。   For the Fourier series, the data processing unit 17 calculates at least coefficients from the 0th order to the second order among the coefficients of the Fourier series. Here, at least one of the first-order coefficient and the second-order coefficient may be calculated. For example, coefficients from the 0th order to the 2nd order may be calculated, or coefficients of the 3rd order or higher may be calculated.

なお、フーリエ級数による回折環の分析を行うデータ処理部17は、メモリとプロセッサを備えるマイクロコンピュータで構成してもよいし、汎用のパソコン(Personal computer)により構成してもよい。その場合、図2に示す処理は、プロセッサがメモリ中のソフトウェアを実行することによって実行される。すなわち、プロセッサがソフトウェアを実行するによって、データ処理部17の機能を実現するようにしてもよい。   The data processing unit 17 for analyzing the diffraction ring by Fourier series may be configured by a microcomputer including a memory and a processor, or may be configured by a general-purpose personal computer. In that case, the processing shown in FIG. 2 is executed by the processor executing the software in the memory. In other words, the function of the data processing unit 17 may be realized by the processor executing software.

また、本実施の形態におけるフーリエ級数は同等の直交級数であってもよく、フーリエ級数又は同等の直交級数に変換することをフーリエ変換と呼ぶ。   Further, the Fourier series in the present embodiment may be an equivalent orthogonal series, and the conversion to a Fourier series or an equivalent orthogonal series is called Fourier transformation.

<回折環のフーリエ級数展開>
次に、回折環のフーリエ級数展開の内容を説明する。
<Fourier series expansion of diffraction rings>
Next, the contents of the Fourier series expansion of the diffraction ring will be described.

入射ビームと試験対象物、撮像素子と回折環の位置関係は図30に示す通りである。ηは結晶の格子面間隔とX線の波長で決まっている回折角θの余角である(つまりηは90°−θ)。またψ0は計測対象物表面の法線と入射ビームとのなす角で、φ0はX線ビームの測定対象物表面への投影線と計測対象物のx軸とのなす角である。 The positional relationship between the incident beam and the test object, the imaging device, and the diffraction ring is as shown in FIG. η is the remainder angle of the diffraction angle θ determined by the lattice spacing of the crystal and the X-ray wavelength (that is, η is 90 ° −θ). Ψ 0 is an angle formed by the normal line of the surface of the measurement object and the incident beam, and φ 0 is an angle formed by the projection line of the X-ray beam onto the surface of the measurement object and the x axis of the measurement object.

一般に、試験対象物のx、y、z軸方向の垂直ひずみをそれぞれεx、εy、εz、、剪断ひずみをγxy、γyz、γzxとすると、円周角αでの回折環の変形εα
で表される。ただしn、n、nは、ひずみεα方向の方向余弦で、図30でφ0=0に設定するとき(以下の考察では妥当な設定である)
で表される。一方、変形εαをフーリエ級数の形に表すと
である。式(8)を式(7)に代入したものと式(9)とを比較することで計測対象物のひずみと回折環の歪のフーリエ級数を関連付けることができる。具体的には
のようになる。k>=3の係数は全て0になるが、試験対象物のひずみがビームの照射領域内で一様で無い場合にはεx、εy、εz、γxy、γyzのいずれかまたは全てがαの関数となりk>=3成分が観測される。
In general, if the vertical strains in the x, y, and z axes of the test object are ε x , ε y , ε z , and the shear strains are γ xy , γ yz , and γ zx , respectively, the diffraction ring at the circumferential angle α The deformation ε α of
It is represented by However n 1, n 2, n 3 is the strain epsilon alpha direction of direction cosines, (a reasonable set in the following discussion) When set to phi 0 = 0 in FIG. 30
It is represented by On the other hand, if the deformation ε α is expressed in the form of a Fourier series,
It is. By comparing the equation (8) into the equation (7) and the equation (9), the distortion of the measurement object and the Fourier series of the distortion of the diffraction ring can be related. In particular
become that way. The coefficients for k> = 3 are all 0, but if the strain of the test object is not uniform within the irradiation area of the beam, one of ε x , ε y , ε z , γ xy , γ yz or All are functions of α, and k> = 3 components are observed.

以上の様に、回折環の円周角αと変形εαを求め、それを用いて、フーリエ変換し、そのフーリエ級数の係数を関連付けることにより、試験対象物の応力、ひずみを正確に求めることができる。 As described above, the stress angle and distortion of the test object can be accurately obtained by determining the circumferential angle α and deformation ε α of the diffraction ring, and using the Fourier transform and relating the coefficients of the Fourier series. Can do.

<平面応力状態>
式(10)〜(14)では変数が6個あるのに対し、方程式は5個なのでこのままでは解くことができない。そこで通常は試験対象物の応力状態に仮定を置いて測定を行う。比較的単純な例として平面応力状態を考える。これは試験対象物の深さ方向に対して応力が変化しないという仮定で、近似的に多くの場合で成り立っており、工業的に重要である。具体的にはヤング率Eとポアソン比v、応力成分σx、σyおよびτxyを用いて
および
のように表される。
<Plane stress state>
In Equations (10) to (14), there are 6 variables, but since there are 5 equations, it cannot be solved as it is. Therefore, the measurement is usually performed assuming the stress state of the test object. Consider a plane stress state as a relatively simple example. This is approximate in many cases on the assumption that the stress does not change in the depth direction of the test object, and is industrially important. Specifically, using Young's modulus E, Poisson's ratio v, stress components σ x , σ y and τ xy
and
It is expressed as

式(11)〜(14)に式(15)および式(16)を代入すると
のようにフーリエ級数の係数と応力の関係式が得られる。ただしa0は応力の決定には利用しないので省略した。
Substituting Equation (15) and Equation (16) into Equations (11)-(14)
Thus, the relational expression between the coefficient of the Fourier series and the stress is obtained. However, a 0 is omitted because it does not use the determination of stress.

式(17)よりσx
のように計算される。このσxと式(19)を利用するとσy
のように求められる。同様に式(18)、式(20)からそれぞれ
のようにτxyが独立に計算される。
From equation (17), σ x is
It is calculated as follows. Using this σ x and equation (19), σ y is
It is required as follows. Similarly, from Equation (18) and Equation (20)
As shown, τ xy is calculated independently.

<応力の測定例>
本発明のフーリエ方式を検証するためJIS-SS400C材に機械的負荷(四点曲げ)を与え、裏面に貼ったひずみゲージによる機械的応力と本フーリエ方式による測定値を比較した。回折用のビームにはX線(Cr-Kα線)を、回折画像の取得にはイメージングプレート(IP)を利用した。回折角θが78.44度なので、ηは11.56度であった。また試験対象物とIPとの距離は39mm、Ψ0=35度であった。
<Example of stress measurement>
In order to verify the Fourier method of the present invention, a mechanical load (four-point bending) was applied to the JIS-SS400C material, and the mechanical stress measured by the strain gauge affixed to the back surface was compared with the measured value by the present Fourier method. An X-ray (Cr-Kα ray) was used for the diffraction beam, and an imaging plate (IP) was used for acquiring the diffraction image. Since the diffraction angle θ is 78.44 degrees, η is 11.56 degrees. The distance between the test object and the IP was 39 mm and Ψ 0 = 35 degrees.

<フーリエ係数の抽出>
図3は回折環の円周角と変形との関係を示す図である。具体的には、10 MPaの負荷をかけたときに得られた回折環の変形εαの例を示す図である。同図の横軸は回折環の円周角α、縦軸は変形εαを表している。εαの実測値(図3の上図の実線で示す)をαについてフーリエ級数に展開し、各項の係数の2次以下の係数によってひずみを近似して求めると、図3の上図の破線のようになる。なお、ここでは高速フーリエ変換(FFT)によって係数を求めており、同図では4次までの係数を示している(実際にはさらに高次の係数も求まる)。
<Fourier coefficient extraction>
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the circumferential angle of the diffraction ring and the deformation. Specifically, a diagram illustrating an example of a deformation epsilon alpha diffraction rings obtained when a load of 10 MPa. Circumferential angle of the horizontal axis of FIG diffraction ring alpha, and the vertical axis represents the deformation epsilon alpha. When the measured value of ε α (shown by the solid line in the upper diagram of FIG. 3) is expanded into a Fourier series with respect to α and the strain is approximated by a coefficient of second order or lower of the coefficient of each term, It looks like a dashed line. Here, the coefficients are obtained by fast Fourier transform (FFT), and the figure shows coefficients up to the fourth order (actually higher order coefficients are also found).

図3の下図は上図の実線(実測値)と破線(近似計算値)との間の残差である。2次以下の近似とは図3のa1、b1、a2、b2だけを式(7)に代入した近似で、残差とは実測値と近似値との間の差である。 The lower diagram in FIG. 3 shows the residual between the solid line (actually measured value) and the broken line (approximate calculated value) in the upper diagram. The second-order approximation is an approximation obtained by substituting only a 1 , b 1 , a 2 , and b 2 in FIG. 3 into the equation (7), and the residual is a difference between the actually measured value and the approximate value.

同図から明らかなように、実測値と計算値の誤差は僅かであり、本回折環分析方法および同装置の効果を実証するものである。なお、同図の下図に示される残差は、これは式(13)および(14)の平面応力状態という近似が完全には成り立っていないことや、ひずみを求める際の回折ピークの位置決定の誤差が原因であると考えられる。   As apparent from the figure, the error between the actually measured value and the calculated value is slight, which proves the effect of the diffraction ring analysis method and the apparatus. It should be noted that the residual shown in the lower figure of the figure is that the approximation of the plane stress state of Equations (13) and (14) does not hold completely, and the position of the diffraction peak when determining strain is determined. The error is considered to be the cause.

<応力の決定>
図4は、試験対象物に機械的負荷を10 MPaかけた状態で回折環の変形εαを測定し、フーリエ級数の係数を求めた結果を示す図である。同図で、係数a1、b1、a2、b2はそれぞれ、式(1)〜(4)に対応するものである。図4から明らかな様に、本実施形態の回折環分析方法および同装置では、従来のcosα法では求めることができなかった高次の係数a3、b3、a4、b4まで求めことが可能になっている。これは、本実施形態では、上記の様に、実測値との関係が明確に理論づけされているからに他ならない。
<Determination of stress>
FIG. 4 is a diagram showing a result of measuring a Fourier series coefficient by measuring the deformation ε α of the diffraction ring in a state where a mechanical load is applied to the test object at 10 MPa. In the figure, the coefficients a 1 , b 1 , a 2 , and b 2 correspond to the equations (1) to (4), respectively. As is apparent from FIG. 4, the diffraction ring analysis method and apparatus according to the present embodiment obtain up to higher-order coefficients a 3 , b 3 , a 4 , and b 4 that cannot be obtained by the conventional cos α method. Is possible. In the present embodiment, this is because the relationship with the actual measurement value is clearly theorized as described above.

図5は、試験対象物に10、43、73、106、140、174、209 MPaの各負荷を機械的にかけながら本実施形態のフーリエ方式で求めた応力σxである。図の横軸は機械的な負荷による応力で、縦軸が本発明のフーリエ方式で求めた応力σxである。それぞれの負荷でフーリエ係数から応力の平均と標準偏差を求め、式(21)から負荷方向の応力σxを決定した。この図では機械的な負荷による応力と本発明のフーリエ方式で求めた応力σxの比例係数がほぼ1になっており、本実施形態のフーリエ方式で応力を正確に測定できることがわかる。 FIG. 5 shows stress σ x obtained by the Fourier method of this embodiment while mechanically applying loads of 10, 43, 73, 106, 140, 174, and 209 MPa to the test object. The horizontal axis in the figure is the stress due to the mechanical load, and the vertical axis is the stress σ x obtained by the Fourier method of the present invention. The average and standard deviation of the stress were obtained from the Fourier coefficient for each load, and the stress σ x in the load direction was determined from Equation (21). In this figure, the proportionality coefficient between the stress due to the mechanical load and the stress σ x obtained by the Fourier method of the present invention is almost 1, and it can be seen that the stress can be accurately measured by the Fourier method of the present embodiment.

<結晶面間隔d0の影響>
本発明の応力測定方式(フーリエ方式)の誤差要因について検討する。最初の要因は結晶面間隔d0の誤差の影響である。結晶の回折現象は結晶面間隔d0の値に依存するが、その値は試験対象物の測定だけからは求まらないため、別に求める必要がある。その決定の誤差は応力測定値の誤差になるため、影響を評価する必要がある。
<Influence of the crystal plane spacing d 0>
The error factor of the stress measurement method (Fourier method) of the present invention will be examined. The first factor is the influence of the error of the crystal plane distance d 0 . The crystal diffraction phenomenon depends on the value of the crystal plane distance d 0 , but the value cannot be obtained only from the measurement of the test object, and must be obtained separately. Since the error in the determination becomes an error in the stress measurement value, it is necessary to evaluate the influence.

回折環の変形εαは、非特許文献2の式(14)より
と表される。これを結晶面間隔d0で偏微分すると
従ってd0の誤差δd0によるεαへの影響誤差δεα
となる。δd0/d0は定数とみなせるから、フーリエ級数の性質より(7)の各係数への影響は
および
となる。通常の測定ではその影響は十分小さい。
The deformation ε α of the diffractive ring is obtained from Equation (14)
It is expressed. If this is partially differentiated by the crystal plane spacing d 0 ,
Therefore, the error error δε α on ε α due to the error δd 0 of d 0 is
It becomes. Since δd 0 / d 0 can be regarded as a constant, the influence on each coefficient of (7) is due to the nature of the Fourier series.
and
It becomes. In normal measurements, the effect is small enough.

<回折角θの変化による影響>
ここまでは回折角θの余角であるη (η=90°−θ)がεαによって変化せず一定であると仮定した。しかし実際にはひずみによって結晶面間隔dが変化を受け、ηもその影響を受ける。それに伴って式(8)の方向余弦も変化する。以下では検証実験の結果の範囲で影響を考察する。
<Influence of change in diffraction angle θ>
Was assumed here to is constant without change by α is a complementary angle of the diffraction angle θ η (η = 90 ° -θ ) is epsilon. However, in practice, the crystal plane distance d is changed by strain, and η is also affected by the change. Along with this, the direction cosine of equation (8) also changes. In the following, the impact is considered within the scope of the verification experiment results.

非特許文献2の式(14)によれば、無ひずみ状態での回折角θがひずみのためθ+Δθになったとすると回折環の変形εα
と表される。これよりηは
だけ変化することがわかる。
According to Equation (14) in Non-Patent Document 2, if the diffraction angle θ in the unstrained state becomes θ + Δθ due to strain, the deformation ε α of the diffraction ring is
It is expressed. From this, η is
You can see that it only changes.

一方、図4より検証実験ではフーリエ級数(9)の係数のうちa、a2以外は小さいので
と近似する。これと式(31)から
および
が得られる。式(31)および(32)を式(5)、(6)に適用し、a、a2の高次の項を(微小なので)無視すると
のようにaへの影響を見積ることができる。
On the other hand, in the verification experiment from Fig. 4, the coefficients of Fourier series (9) other than a 1 and a 2 are small.
And approximate. From this and equation (31)
and
Is obtained. Applying equations (31) and (32) to equations (5) and (6) and ignoring the higher order terms of a 1 and a 2 (because they are minute)
It is possible to estimate the impact on a 1 as.

検証実験では式(22)よりσy〜150MPaと見積られたので、回折角θの変化によるフーリエ級数の係数への影響は
となる。これによる応力測定値への影響は無視できる。
In the verification experiment, σ y was estimated to be 150 MPa from Equation (22), so the effect of the change in the diffraction angle θ on the coefficient of the Fourier series is
It becomes. The effect of this on stress measurements is negligible.

<フーリエ方式とcosα法との比較 (1)>
本発明の応力決定方式(フーリエ)を従来法(cosα法)と比較する。試験対象物のひずみがX線(ビーム)の照射領域で一様であるとすると、εα
のように表すことができる。これを従来のcosα法の基礎式(式(1)〜(4)の再掲)
に代入すると
が得られる。式(39)から明らかなように、従来のcosα法ではフーリエ級数の係数を簡易的に計算している。従ってひずみεαが式(37)で記述される場合には本発明のフーリエ方式と従来のcosα法は等価であると言える。
<Comparison between Fourier method and cosα method (1)>
The stress determination method (Fourier) of the present invention is compared with the conventional method (cos α method). Assuming that the strain of the test object is uniform in the X-ray (beam) irradiation region, ε α is
It can be expressed as This is the basic formula of the conventional cos α method (re-posted from formulas (1) to (4))
Assign to
Is obtained. As apparent from the equation (39), the coefficient of Fourier series is simply calculated in the conventional cos α method. Thus Fourier method and conventional cosα methods of the present invention in the case of strain epsilon alpha is described by equation (37) it can be said to be equivalent.

<フーリエ方式とcosα法との比較 (2)>
次にcosα法と本発明のフーリエ方式が等価にならない場合を考える。実際の試験対象物ではひずみが完全に一様ではないため、式(9)の回折環の変形εαがk>=3の項を含むようになる。ここでは簡単のために
とする。これを式(38)に代入すると
が得られる。これらの式は式(39)と比較して高次の項が加わっている。実際には5次以上のさらに高次の項が含まれることになる。従来法では式(41)の各式を直線で近似しているため、高次の項の影響を取り除くのは難しい。一方、本発明のフーリエ方式では高次の項の影響を分離することができるため、これまでよりも高い精度で応力を測定できることが期待できる。
<Comparison between Fourier method and cosα method (2)>
Next, consider the case where the cos α method and the Fourier method of the present invention are not equivalent. Since the strain is not completely uniform in the actual test object, the deformation ε α of the diffraction ring of Equation (9) includes a term of k> = 3. Here for the sake of simplicity
And Substituting this into equation (38)
Is obtained. These equations have higher-order terms compared to equation (39). Actually, higher order terms of 5th order or higher are included. In the conventional method, since each equation (41) is approximated by a straight line, it is difficult to remove the influence of higher-order terms. On the other hand, in the Fourier method of the present invention, the influence of higher order terms can be separated, so that it can be expected that stress can be measured with higher accuracy than before.

以上、本発明の回折環分析方法としてフーリエ方式について説明した。   The Fourier method has been described above as the diffraction ring analysis method of the present invention.

<回折環分析装置の変形例>
続いて、本発明のフーリエ方式を有効に適用可能な回折環分析装置の変形例について説明する。
<Modification of diffraction ring analyzer>
Next, a modification of the diffractive ring analyzer to which the Fourier method of the present invention can be effectively applied will be described.

図6は、本実施の形態における回折環分析装置の変形例における構成を示すブロック図である。同図の回折環分析装置は、図1に示した回折環分析装置と比べて、画像処理部16が追加されている点と、撮像部15が(a)X線ビームが通過する貫通孔を中央部に有し、回折環全体を撮像する1個の固体撮像装置、または、(b)回折環の一部、または複数の部分を撮像する複数の固体撮像素子を備えており、イメージングプレートではない点とが異なっている。これは、上記(b)の回折環の一部、または複数の部分を撮像する場合であっても、本発明のフーリエ方式では精度良く分析できる点で、本発明のフーリエ方式を有効に適用できるからである。以下、図6に示す変形例の構成について、図1に示した構成と異なる点を中心に説明する。   FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a modified example of the diffraction ring analyzer according to the present embodiment. Compared with the diffraction ring analyzer shown in FIG. 1, the diffraction ring analyzer shown in FIG. 1 has a point that an image processing unit 16 is added, and the imaging unit 15 has (a) a through-hole through which an X-ray beam passes. It has a single solid-state imaging device that has a central part and images the entire diffraction ring, or (b) a plurality of solid-state imaging elements that image a part or a plurality of parts of the diffraction ring. There is no difference. This is because the Fourier method of the present invention can be effectively applied in that the Fourier method of the present invention can be analyzed with high accuracy even when imaging a part or a plurality of parts of the diffraction ring of (b) above. Because. Hereinafter, the configuration of the modified example illustrated in FIG. 6 will be described focusing on differences from the configuration illustrated in FIG.

画像処理部16は、撮像部15により撮像された回折環を表す回折環画像を生成する。回折環画像を生成する処理は、撮像部15が(a)X線が通過する貫通孔を中央部に有し、回折環を撮像する第1の固体撮像素子、および、(b)回折環の互いに異なる部分を撮像する複数の第2の固体撮像素子の何れを有しているかによって異なる。   The image processing unit 16 generates a diffraction ring image representing the diffraction ring imaged by the imaging unit 15. The process of generating a diffraction ring image includes: (a) a first solid-state imaging device that has a through-hole through which X-rays pass in the center and images the diffraction ring; and (b) the diffraction ring It differs depending on which of the plurality of second solid-state imaging devices that images different portions.

画像処理部16は、(b)の場合、複数の第2の固体撮像素子から得られる画素信号列から画像を形成し、さらにそれらの画像を1枚の回折環画像に合成する処理を行う。合成された回折環画像では、回折環の一部が欠落することになる。また、画像処理部16は、撮像部15から得られる画像の座標系が直交座標ある場合は極座標に変換する処理をしてもよい。また、画像処理部16は、(a)の場合、第1の固体撮像素子から得られる画素信号列から回折環画像を生成する。この回折環画像は欠落のない回折環を表すことになる。この場合、画像処理部16は、複数の画像を1枚の回折環画像に合成する処理からは解放される。   In the case of (b), the image processing unit 16 forms an image from the pixel signal sequence obtained from the plurality of second solid-state imaging devices, and further performs a process of synthesizing these images into one diffraction ring image. In the synthesized diffraction ring image, a part of the diffraction ring is missing. In addition, the image processing unit 16 may perform processing for converting into polar coordinates when the coordinate system of the image obtained from the imaging unit 15 is orthogonal coordinates. In the case of (a), the image processing unit 16 generates a diffraction ring image from the pixel signal sequence obtained from the first solid-state imaging device. This diffraction ring image represents a diffraction ring having no omission. In this case, the image processing unit 16 is freed from the process of combining a plurality of images into one diffraction ring image.

図7は、本実施の形態における回折環計測装置に動作を示すフローチャートである。   FIG. 7 is a flowchart showing the operation of the diffractive ring measuring apparatus in the present embodiment.

回折環計測装置10は、まずX線照射部14から計測対象物にX線ビームを照射し、同時に撮像部15により回折環を撮像する(ステップS10)。次に、画像処理部16は、撮像部15からの画素信号列から1枚の回折環画像を生成する(ステップS20)。さらに、データ処理部17は、画像処理部16により生成された回折環画像を解析する(ステップS30)。この解析ステップでは、図2に示したデータ処理すなわちフーリエ方式による回折環の分析を行う。出力部18は、データ処理部17による解析結果を出力する(ステップS40)。   The diffraction ring measuring apparatus 10 first irradiates the measurement target with an X-ray beam from the X-ray irradiation unit 14 and simultaneously images the diffraction ring by the imaging unit 15 (step S10). Next, the image processing unit 16 generates one diffraction ring image from the pixel signal sequence from the imaging unit 15 (step S20). Further, the data processing unit 17 analyzes the diffraction ring image generated by the image processing unit 16 (step S30). In this analysis step, the data processing shown in FIG. 2, that is, analysis of the diffraction ring by the Fourier method is performed. The output unit 18 outputs the analysis result obtained by the data processing unit 17 (step S40).

4つのステップS10〜S40は、シリーズに処理してもよいし、より高速化(高フレームレート化)するためにはパイプライン処理により並列化してもよい。   The four steps S10 to S40 may be processed in series, or may be parallelized by pipeline processing for higher speed (higher frame rate).

続いて、撮像部15のより具体的な構成について第1〜第11の構成例について説明する。   Subsequently, first to eleventh configuration examples will be described with respect to a more specific configuration of the imaging unit 15.

<撮像部の第1の構成例>
第1の構成例では、撮像部15は、1チップの第1の固体撮像素子を有している。この第1の固体撮像素子は、X線が通過する貫通孔と、円形の撮像エリアを有している。
<First Configuration Example of Imaging Unit>
In the first configuration example, the imaging unit 15 includes a one-chip first solid-state imaging device. The first solid-state imaging device has a through hole through which X-rays pass and a circular imaging area.

図8は、撮像部15の第1構成例における撮像部の(a)側面図および(b)下面図である。同図のように撮像部15は、基台151と固体撮像素子200(第1の固体撮像素子)とを有する。   8A is a side view and FIG. 8B is a bottom view of the imaging unit in the first configuration example of the imaging unit 15. As shown in the figure, the imaging unit 15 includes a base 151 and a solid-state imaging device 200 (first solid-state imaging device).

基台151は、X線照射部14からのX線ビームを通過させる貫通孔152を中央部に有し、下面に固体撮像素子200が配置される。貫通孔152の直径は、計測対象物の結晶状態や測定面積に応じて選択すればよく、X線ビームの直径が1〜2mm程度である場合、それよりも大きければよい。図9では、貫通孔152を明確にするために大きく描いている。   The base 151 has a through-hole 152 through which the X-ray beam from the X-ray irradiator 14 passes, and the solid-state imaging device 200 is disposed on the lower surface. The diameter of the through-hole 152 may be selected according to the crystal state and measurement area of the measurement object, and may be larger than that when the diameter of the X-ray beam is about 1 to 2 mm. In FIG. 9, the through hole 152 is greatly drawn for clarity.

固体撮像素子200は、円形の撮像エリア201と、中央部にX線照射部14からのX線ビームを通過させる貫通孔202とを有し、計測対象物で回折したX線により形成される回折環を撮像するイメージセンサである。撮像エリア201は、撮像する回折環の直径以上のサイズを有する。たとえば、撮像部15の画素サイズが10μ位の場合は、計測対象物と撮像部15との距離は10mm程度でよい。この場合、回折環のサイズは計測対象物に依存するがおおよそ半径4〜9mm程度が多いので、撮像エリア201のサイズ(短辺または内径)は10〜20mm程度でよい。   The solid-state imaging device 200 has a circular imaging area 201 and a through-hole 202 through which an X-ray beam from the X-ray irradiation unit 14 passes in the center, and diffraction formed by X-rays diffracted by the measurement object. It is an image sensor that images the ring. The imaging area 201 has a size equal to or larger than the diameter of the diffraction ring to be imaged. For example, when the pixel size of the imaging unit 15 is about 10 μm, the distance between the measurement target and the imaging unit 15 may be about 10 mm. In this case, although the size of the diffraction ring depends on the object to be measured, the radius is about 4 to 9 mm, so the size (short side or inner diameter) of the imaging area 201 may be about 10 to 20 mm.

貫通孔202の直径は、貫通孔152の直径と同じでよい。   The diameter of the through hole 202 may be the same as the diameter of the through hole 152.

また、計測対象物と撮像部15との距離を小さくすれば、撮像エリア201のサイズもX線の強度もより小さくすることができる。この点で、計測対象物と撮像部15との距離は、撮像部15の画素サイズや回折角の大きさ等に依存するが約30mm以下とすることが望ましい。   If the distance between the measurement object and the imaging unit 15 is reduced, the size of the imaging area 201 and the intensity of the X-ray can be reduced. In this regard, the distance between the measurement object and the imaging unit 15 is preferably about 30 mm or less, although it depends on the pixel size of the imaging unit 15 and the size of the diffraction angle.

図10は、図9の固体撮像素子200の構成例を示すブロック図である。同図では固体撮像素子200の撮像エリア201の構成を示している。撮像エリア201は、半径R方向に電荷を転送する複数のR転送部101と、複数の光電変換部102と、円周方向に電荷を転送する1個のθ転送部103とを含む。   FIG. 10 is a block diagram illustrating a configuration example of the solid-state imaging device 200 of FIG. In the figure, the configuration of the imaging area 201 of the solid-state imaging device 200 is shown. The imaging area 201 includes a plurality of R transfer units 101 that transfer charges in the radius R direction, a plurality of photoelectric conversion units 102, and a single θ transfer unit 103 that transfers charges in the circumferential direction.

複数の光電変換部102は、貫通孔を中央とする極座標に沿って配置され、例えばPN接合を含むフォトダイオードより構成される。複数の光電変換部102のそれぞれの受光面積は、極座標の内側の光電変換部102の受光面積よりも大きい。たとえば光電変換部102の受光面積が半径に比例する大きさとしてもよい。   The plurality of photoelectric conversion units 102 are arranged along polar coordinates with the through hole as the center, and are configured of, for example, a photodiode including a PN junction. The light receiving areas of the plurality of photoelectric conversion units 102 are larger than the light receiving areas of the photoelectric conversion units 102 inside the polar coordinates. For example, the light receiving area of the photoelectric conversion unit 102 may be proportional to the radius.

複数のR転送部101は、貫通孔を中心に放射状に形成されている。複数のR転送部101のそれぞれは、半径方向に並ぶ光電変換部102から信号電荷を一斉に受けて、半径方向の中心側に向けて信号電荷を順次転送するCCDである。   The plurality of R transfer units 101 are formed radially around the through hole. Each of the plurality of R transfer units 101 is a CCD that simultaneously receives signal charges from the photoelectric conversion units 102 arranged in the radial direction and sequentially transfers the signal charges toward the center in the radial direction.

θ転送部103は、複数のR転送部101から信号電荷を一斉に受けて、θ方向(つまりθ転送部103の円周方向)に信号電荷を転送するCCDである。θ転送部103の最終段にはアンプが形成されており、このアンプはθ転送部103によりθ方向に転送される最終段の信号電荷を電圧に変換して出力する。   The θ transfer unit 103 is a CCD that simultaneously receives signal charges from a plurality of R transfer units 101 and transfers the signal charges in the θ direction (that is, the circumferential direction of the θ transfer unit 103). An amplifier is formed at the final stage of the θ transfer unit 103. This amplifier converts the signal charge of the final stage transferred in the θ direction by the θ transfer unit 103 into a voltage and outputs the voltage.

固体撮像素子200と、二次元状に直交配置されたフォトダイオードを備える直交CCDイメージセンサとを比較すると、複数のR転送部101は直交CCDイメージセンサの複数の垂直CCDに対応し、θ転送部103は直交CCDイメージセンサの水平CCDに対応する。   Comparing the solid-state imaging device 200 with an orthogonal CCD image sensor having photodiodes arranged two-dimensionally orthogonally, a plurality of R transfer units 101 correspond to a plurality of vertical CCDs of the orthogonal CCD image sensor, and a θ transfer unit Reference numeral 103 corresponds to the horizontal CCD of the orthogonal CCD image sensor.

1つの固体撮像素子200により回折環の全周(つまり欠落のない完全な回折環)を撮像することができる。   The entire circumference of the diffraction ring (that is, a complete diffraction ring without a missing portion) can be imaged by one solid-state imaging device 200.

第1の構成例における画像処理部16は、撮像部15から回折環の全周を表す回折環画像が得られることから、複数枚の画像を結合する処理から解放される。   Since the image processing unit 16 in the first configuration example obtains a diffraction ring image representing the entire circumference of the diffraction ring from the imaging unit 15, the image processing unit 16 is free from the process of combining a plurality of images.

第1の構成例におけるデータ処理部17は、光電変換部102が極座標に沿って配置されているため、回折環の半径を求める際に、直交座標から極座標に変換する処理が不要になり、解析処理が簡単で精度を向上させることができる。また、光電変換部102が半径に比例した受光面積を有することにより、計測対象物との距離や回折角に対する輝度の補正が容易あるいは不要になる。このように、データ処理部17の処理負荷が小さくかつ良好な精度を得ることができる。   Since the photoelectric conversion unit 102 is arranged along the polar coordinates, the data processing unit 17 in the first configuration example does not require a process of converting from the orthogonal coordinates to the polar coordinates when calculating the radius of the diffraction ring. Processing is simple and accuracy can be improved. Further, since the photoelectric conversion unit 102 has a light receiving area proportional to the radius, it is easy or unnecessary to correct the luminance with respect to the distance to the measurement object and the diffraction angle. Thus, the processing load of the data processing unit 17 is small and good accuracy can be obtained.

なお、図9の光電変換部102は矩形状であるが、扇形または円弧状としてもよい。   Note that the photoelectric conversion unit 102 in FIG. 9 has a rectangular shape, but may have a fan shape or an arc shape.

なお、固体撮像素子200は、MOS型の固体撮像素子であってもよい。   The solid-state image sensor 200 may be a MOS type solid-state image sensor.

<撮像部の第2の構成例>
第1の構成例では、第1の固体撮像素子の撮像エリアが円形である例を説明したが、第2の構成例では第1の固体撮像素子の撮像エリアが矩形である例について説明する。
<Second Configuration Example of Imaging Unit>
In the first configuration example, the example in which the imaging area of the first solid-state imaging device is circular has been described. In the second configuration example, an example in which the imaging area of the first solid-state imaging device is rectangular will be described.

図10は、第2の構成例における撮像部の(a)側面図および(b)下面図である。同図のように撮像部15は、基台151と固体撮像素子300(第1の固体撮像素子)とを有する。   FIG. 10A is a side view and FIG. 10B is a bottom view of the imaging unit in the second configuration example. As shown in the figure, the imaging unit 15 includes a base 151 and a solid-state imaging device 300 (first solid-state imaging device).

基台151は、X線照射部14からのX線ビームを通過させる貫通孔152を中央部に有し、下面に固体撮像素子300が配置される。   The base 151 has a through-hole 152 that allows the X-ray beam from the X-ray irradiation unit 14 to pass through at the center, and the solid-state imaging device 300 is disposed on the lower surface.

固体撮像素子300は、矩形状の撮像エリア301と、中央部にX線照射部14からのX線ビームを通過させる貫通孔302とを有し、計測対象物で回折したX線により形成される回折環を撮像するイメージセンサである。   The solid-state imaging device 300 has a rectangular imaging area 301 and a through-hole 302 through which an X-ray beam from the X-ray irradiation unit 14 passes in the center, and is formed by X-rays diffracted by a measurement object. It is an image sensor that images a diffraction ring.

図11は、図10の固体撮像素子300の画素配置例を示す図である。固体撮像素子300は、二次元状に直交配置された複数の画素111を有する。ただし、画素111は、貫通孔302の近くには配置されない。   FIG. 11 is a diagram illustrating a pixel arrangement example of the solid-state imaging device 300 of FIG. The solid-state imaging device 300 includes a plurality of pixels 111 arranged orthogonally in a two-dimensional shape. However, the pixel 111 is not disposed near the through hole 302.

固体撮像素子300は、たとえば、1つの半導体基板上に上半分(一点鎖線の上側)の画素111を有するCCDイメージセンサと、下半分(一点鎖線の下側)の画素111を有するCCDイメージセンサとを備える。上下2つのCCDイメージセンサの回路を対称に構成することにより、垂直転送パルス、水平転送パルス等の駆動信号を共通化することができる。上下2つのCCDイメージセンサの画素からの信号電荷の同時に読み出し可能なことから実質2倍速で読み出すことができる。   The solid-state imaging device 300 includes, for example, a CCD image sensor having an upper half (upper one-dot chain line) pixel 111 and a CCD image sensor having a lower half (lower one-dot chain line) pixel 111 on one semiconductor substrate. Is provided. By configuring the circuits of the upper and lower CCD image sensors symmetrically, it is possible to share drive signals such as vertical transfer pulses and horizontal transfer pulses. Since signal charges from the pixels of the upper and lower CCD image sensors can be read simultaneously, they can be read out at substantially double speed.

この場合、画像処理部16は、上下2つのCCDイメージセンサからの得られる2つの画像を合成することにより回折環画像を生成する。この回折環画像では欠落のない回折環の全周が表現される。   In this case, the image processing unit 16 generates a diffraction ring image by combining two images obtained from the upper and lower CCD image sensors. In this diffraction ring image, the entire circumference of the diffraction ring without any omission is expressed.

なお、図11では、1つの半導体基板上に上下2つのCCDイメージセンサを形成する構成について説明したが、左右に2つ、斜め方向に2つのCCDイメージセンサを構成してもよいし、全光電変換部をもれなく分担する複数のCCDイメージセンサを構成してもよい。また、固体撮像素子300は、CCDイメージセンサではなくMOSイメージセンサにより構成してもよい。   In FIG. 11, the configuration in which two upper and lower CCD image sensors are formed on one semiconductor substrate has been described. However, two CCD image sensors may be configured on the left and right sides, and two in the diagonal direction. A plurality of CCD image sensors that share all the conversion units may be configured. Further, the solid-state imaging device 300 may be configured by a MOS image sensor instead of a CCD image sensor.

<撮像部の第3の構成例>
第3の構成例では、撮像部15は、複数の第2の固体撮像素子を有している。複数の第2の固体撮像素子は、X線照射部から照射されるX線を中心として、X線と直交する平面に配置される。ここでは、複数の第2の固体撮像素子が2つである例を説明する。
<Third Configuration Example of Imaging Unit>
In the third configuration example, the imaging unit 15 includes a plurality of second solid-state imaging elements. The plurality of second solid-state imaging devices are arranged on a plane orthogonal to the X-rays with the X-rays irradiated from the X-ray irradiation unit as the center. Here, an example in which there are two second solid-state imaging devices will be described.

図12は、第3構成例における撮像部の(a)側面図および(b)下面図である。同図のように撮像部15は、基台151と固体撮像素子400a、400b(2つの第2の固体撮像素子)とを有する。   FIG. 12A is a side view and FIG. 12B is a bottom view of the imaging unit in the third configuration example. As shown in the figure, the imaging unit 15 includes a base 151 and solid-state imaging devices 400a and 400b (two second solid-state imaging devices).

基台151は、X線照射部14からのX線ビームを通過させる貫通孔152を中央部に有し、下面に固体撮像素子400a、400bが配置される。   The base 151 has a through-hole 152 that allows the X-ray beam from the X-ray irradiation unit 14 to pass through in the center thereof, and the solid-state imaging devices 400a and 400b are disposed on the lower surface.

固体撮像素子400aは、撮像エリア401aを有する。固体撮像素子400bは、撮像エリア401bを有する。   The solid-state imaging device 400a has an imaging area 401a. The solid-state imaging device 400b has an imaging area 401b.

第3の構成例では、固体撮像素子400a、400bはいずれも貫通孔を有しないので、貫通孔を有する第1の固体撮像素子よりも製造コストを低減することができる。   In the third configuration example, since the solid-state imaging devices 400a and 400b do not have through holes, the manufacturing cost can be reduced as compared with the first solid-state imaging device having through holes.

また、第3の構成例における画像処理部16は、2つの第2の固体撮像素子により撮像された画像を合成することにより回折環画像を生成する。この回折環画像には回折環に欠落が生じるが、データ処理部17の解析手法によっては欠落を十分に許容できる。   Further, the image processing unit 16 in the third configuration example generates a diffraction ring image by synthesizing images captured by the two second solid-state imaging elements. Although the diffraction ring image is missing in the diffraction ring image, depending on the analysis method of the data processing unit 17, the lack can be sufficiently allowed.

<撮像部の第4の構成例>
第3の構成例では、複数の第2の固体撮像素子が2つの例を説明したが、4つの例を説明する。
<Fourth Configuration Example of Imaging Unit>
In the third configuration example, two examples of the plurality of second solid-state imaging devices have been described, but four examples will be described.

図13は、第4の構成例における撮像部の(a)側面図および(b)下面図である。同図のように撮像部15は、基台151と固体撮像素子500a〜500d(4つの第2の固体撮像素子)とを有する。   FIG. 13A is a side view and FIG. 13B is a bottom view of the imaging unit in the fourth configuration example. As shown in the figure, the imaging unit 15 includes a base 151 and solid-state imaging devices 500a to 500d (four second solid-state imaging devices).

基台151は、X線照射部14からのX線ビームを通過させる貫通孔152を中央部に有し、下面に固体撮像素子500a〜500dが配置される。   The base 151 has a through-hole 152 through which the X-ray beam from the X-ray irradiating unit 14 passes in the center, and the solid-state imaging devices 500a to 500d are arranged on the lower surface.

固体撮像素子500aは、撮像エリア501aを有する。固体撮像素子500b〜500dも、同様に撮像エリア501b〜501dをそれぞれ有する。   The solid-state imaging device 500a has an imaging area 501a. Similarly, the solid-state imaging devices 500b to 500d have imaging areas 501b to 501d, respectively.

第4の構成例では、固体撮像素子500a〜500dはいずれも貫通孔を有しないので、貫通孔を有する第1の固体撮像素子よりも製造コストを低減することができる。   In the fourth configuration example, none of the solid-state imaging devices 500a to 500d has a through hole, so that the manufacturing cost can be reduced as compared with the first solid-state imaging device having the through hole.

また、第4の構成例における画像処理部16は、4つの第2の固体撮像素子により撮像された画像を合成することにより回折環画像を生成する。この回折環画像には回折環に欠落が生じるが、データ処理部17の解析手法によっては欠落を十分に許容できる。   The image processing unit 16 in the fourth configuration example generates a diffraction ring image by synthesizing images captured by the four second solid-state imaging elements. Although the diffraction ring image is missing in the diffraction ring image, depending on the analysis method of the data processing unit 17, the lack can be sufficiently allowed.

<撮像部の第5の構成例>
第4の構成例では、複数の第2の固体撮像素子が4つの例を説明したが、第5の構成例では10個の例を説明する。
<Fifth Configuration Example of Imaging Unit>
In the fourth configuration example, four examples of the plurality of second solid-state imaging elements have been described. In the fifth configuration example, ten examples are described.

図14は、第5の構成例における撮像部の(a)側面図および(b)下面図である。同図のように撮像部15は、基台151と固体撮像素子600a〜600j(10個の第2の固体撮像素子)とを有する。   FIG. 14A is a side view and FIG. 14B is a bottom view of the imaging unit in the fifth configuration example. As shown in the figure, the imaging unit 15 includes a base 151 and solid-state imaging devices 600a to 600j (10 second solid-state imaging devices).

基台151は、X線照射部14からのX線ビームを通過させる貫通孔152を中央部に有し、下面に固体撮像素子600a〜600jが配置される。   The base 151 has a through-hole 152 that allows the X-ray beam from the X-ray irradiation unit 14 to pass through at the center, and the solid-state imaging devices 600a to 600j are arranged on the lower surface.

固体撮像素子600aは、撮像エリア601aを有する。固体撮像素子600b〜600jも、同様に撮像エリア601b〜601jをそれぞれ有する。   The solid-state imaging device 600a has an imaging area 601a. Similarly, the solid-state imaging devices 600b to 600j have imaging areas 601b to 601j, respectively.

また、第5の構成例における画像処理部16は、10個の第2の固体撮像素子により撮像された画像を合成することにより回折環画像を生成する。   In addition, the image processing unit 16 in the fifth configuration example generates a diffraction ring image by synthesizing images captured by the ten second solid-state imaging elements.

<撮像部の第6の構成例>
第5の構成例では、複数の第2の固体撮像素子が10の例を説明したが、第6の構成例では12個の例を説明する。
<Sixth Configuration Example of Imaging Unit>
In the fifth configuration example, the example in which the plurality of second solid-state imaging elements is 10 has been described, but in the sixth configuration example, 12 examples will be described.

図15は、第6の構成例における撮像部の(a)側面図および(b)下面図である。同図のように撮像部15は、基台151と固体撮像素子700a〜700l(12個の第2の固体撮像素子)とを有する。   FIG. 15A is a side view and FIG. 15B is a bottom view of the imaging unit in the sixth configuration example. As shown in the figure, the imaging unit 15 includes a base 151 and solid-state imaging devices 700a to 700l (12 second solid-state imaging devices).

基台151は、X線照射部14からのX線ビームを通過させる貫通孔152を中央部に有し、下面に固体撮像素子700a〜700lが配置される。   The base 151 has a through-hole 152 that allows the X-ray beam from the X-ray irradiation unit 14 to pass through in the center thereof, and the solid-state imaging devices 700a to 700l are disposed on the lower surface.

固体撮像素子700aは、撮像エリア701aを有する。固体撮像素子700b〜700lも、同様に撮像エリア701b〜701lをそれぞれ有する。   The solid-state imaging device 700a has an imaging area 701a. Similarly, the solid-state imaging devices 700b to 700l have imaging areas 701b to 701l, respectively.

また、第6の構成例における画像処理部16は、12個の第2の固体撮像素子により撮像された画像を合成することにより回折環画像を生成する。   Further, the image processing unit 16 in the sixth configuration example generates a diffraction ring image by synthesizing images captured by the 12 second solid-state imaging elements.

<撮像部の第7の構成例>
第7の構成例では、撮像部15が複数の第2の固体撮像素子を有し、かつ、複数の第2の固体撮像素子のそれぞれが、貫通孔を中心とする扇形から扇央を含む扇形部分を除外した形状をもつ撮像エリアを有している。また、複数の第2の固体撮像素子は、貫通孔を中央とする極座標に沿って配置された複数の光電変換部を有する。さらに、複数の光電変換部のそれぞれの受光面積は、極座標の内側の光電変換部の受光面積よりも大きくなっている。
<Seventh Configuration Example of Imaging Unit>
In the seventh configuration example, the imaging unit 15 includes a plurality of second solid-state imaging elements, and each of the plurality of second solid-state imaging elements includes a fan shape including a fan center from a fan shape centering on the through hole. An imaging area having a shape excluding the portion is included. The plurality of second solid-state imaging devices have a plurality of photoelectric conversion units arranged along polar coordinates centered on the through hole. Furthermore, the light receiving area of each of the plurality of photoelectric conversion units is larger than the light receiving area of the photoelectric conversion unit inside the polar coordinates.

図16Aは、第7の構成例における撮像部の(a)側面図および(b)下面図である。同図のように撮像部15は、基台151と固体撮像素子800a〜800d(4つ第2の固体撮像素子)とを有する。   FIG. 16A is a (a) side view and (b) bottom view of the imaging unit in the seventh configuration example. As shown in the figure, the imaging unit 15 includes a base 151 and solid-state imaging devices 800a to 800d (four second solid-state imaging devices).

基台151は、X線照射部14からのX線ビームを通過させる貫通孔152を中央部に有し、下面に固体撮像素子800a〜800dが配置される。   The base 151 has a through-hole 152 through which the X-ray beam from the X-ray irradiation unit 14 passes, and the solid-state imaging devices 800a to 800d are arranged on the lower surface.

固体撮像素子800aは、撮像エリア801aを有する。固体撮像素子800b〜800dも、同様に撮像エリア801b〜801dをそれぞれ有する。   The solid-state imaging device 800a has an imaging area 801a. Similarly, the solid-state imaging devices 800b to 800d have imaging areas 801b to 801d, respectively.

撮像エリア801aは、貫通孔を中心とする扇形から扇央を含む扇形部分を除外した形状を有し、貫通孔を中央とする極座標に沿って配置された複数の光電変換部を有する。撮像エリア801aは、図9に示した極座標のCCDイメージセンサのうちほぼ1/4(ほぼ90度)に相当する部分と同じ回路構成を有する。撮像エリア801b〜801dも同様である。たとえば、固体撮像素子800a〜800dの配置には隙間があるので、撮像エリア801aは図9に示したCCDイメージセンサの1/4(90度)よりも少し小さくなる。   The imaging area 801a has a shape in which a fan-shaped portion including the fan center is excluded from a fan-shaped shape centered on the through hole, and has a plurality of photoelectric conversion units arranged along polar coordinates centered on the through hole. The imaging area 801a has the same circuit configuration as a portion corresponding to approximately 1/4 (approximately 90 degrees) in the polar coordinate CCD image sensor shown in FIG. The same applies to the imaging areas 801b to 801d. For example, since there is a gap in the arrangement of the solid-state imaging devices 800a to 800d, the imaging area 801a is slightly smaller than 1/4 (90 degrees) of the CCD image sensor shown in FIG.

画像処理部16は、複数の第2の固体撮像素子により撮像された画像から回折環画像を生成する。   The image processing unit 16 generates a diffraction ring image from images captured by the plurality of second solid-state imaging elements.

第7の構成例では、回折環画像には回折環に欠落が生じるものの、極座標なので第1の構成例と同様の効果が得られ、しかも、第1の構成例よりもコストを低減することができる。   In the seventh configuration example, although the diffraction ring image is missing in the diffraction ring image, since it is polar coordinates, the same effect as the first configuration example can be obtained, and the cost can be reduced more than in the first configuration example. it can.

なお、図16Aに示した固体撮像素子800a〜800dの外形は矩形であるが、図16Bのような形状および配置にしてもよい。図16Bでは、固体撮像素子810a〜810dの扇央部分に該当する一部分を扇状に切り欠いた外形になっている。こうすれば、固体撮像素子810a〜810d間の配置の隙間を0にすることが、または小さくすることができる。図16Bの撮像エリア811a〜811dにより撮像される回折環の欠落は、図16Aと比べてより少なくすることができる。   Note that the outer shape of the solid-state imaging devices 800a to 800d shown in FIG. 16A is rectangular, but the shape and arrangement shown in FIG. 16B may be used. In FIG. 16B, a part corresponding to the central part of the solid-state imaging devices 810a to 810d is cut out in a fan shape. In this way, the arrangement gap between the solid-state imaging devices 810a to 810d can be reduced to 0 or can be reduced. The loss of the diffraction ring imaged by the imaging areas 811a to 811d in FIG. 16B can be reduced as compared with FIG. 16A.

なお図16Bの切欠きは、扇状でなくてもよく、斜め45度でもよい。   In addition, the notch of FIG. 16B does not need to be a fan shape and may be 45 degrees diagonally.

<撮像部の第8の構成例>
第8の構成例では、複数の第2の固体撮像素子は5つ以上のラインセンサである例を説明する。5つ以上のラインセンサは貫通孔を中心に放射状に配置される。また、画像処理部は、5つ以上のラインセンサにより撮像された画像から回折環画像を形成する。
<Eighth Configuration Example of Imaging Unit>
In the eighth configuration example, an example in which the plurality of second solid-state imaging devices are five or more line sensors will be described. Five or more line sensors are arranged radially around the through hole. The image processing unit forms a diffraction ring image from images picked up by five or more line sensors.

図17は、第8の構成例における撮像部の(a)側面図および(b)下面図である。同図のように撮像部15は、基台151と16本のラインセンサ900a〜900pとを有する。   FIG. 17A is a side view and FIG. 17B is a bottom view of the imaging unit in the eighth configuration example. As shown in the figure, the imaging unit 15 includes a base 151 and 16 line sensors 900a to 900p.

基台151は、X線照射部14からのX線ビームを通過させる貫通孔152を中央部に有し、下面に16本のラインセンサ900a〜900pが放射状に配置される。   The base 151 has a through-hole 152 through which the X-ray beam from the X-ray irradiation unit 14 passes, and 16 line sensors 900a to 900p are arranged radially on the lower surface.

ラインセンサ900aは、直線状に並ぶ複数の光電変換部(フォトダイオード)を有する。複数の光電変換部のそれぞれの受光面積は、放射状の内側の光電変換部の受光面積よりも大きく形成されている。たとえば光電変換部の受光面積が半径に比例する大きさとしてもよい。ラインセンサ900b〜900pも同様である。   The line sensor 900a has a plurality of photoelectric conversion units (photodiodes) arranged in a straight line. The light receiving areas of the plurality of photoelectric conversion units are formed larger than the light receiving areas of the radially inner photoelectric conversion units. For example, the light receiving area of the photoelectric conversion unit may be proportional to the radius. The same applies to the line sensors 900b to 900p.

第7の構成例では、回折環画像には回折環に欠落が生じるものの、第1の構成例と同様の効果が得られ、しかも、第1の構成例よりもコストを低減することができる。   In the seventh configuration example, although the diffraction ring image is missing in the diffraction ring, the same effect as the first configuration example can be obtained, and the cost can be reduced as compared with the first configuration example.

<撮像部の第9の構成例>
第8の構成例では、複数の第2の固体撮像素子が16本のラインセンサである例を説明したが、第9の構成例では、複数の第2の固体撮像素子が32本のラインセンサである例を説明する。
<Ninth Configuration Example of Imaging Unit>
In the eighth configuration example, the example in which the plurality of second solid-state imaging devices are 16 line sensors has been described. In the ninth configuration example, the plurality of second solid-state imaging devices has 32 line sensors. An example will be described.

図18は、第8の構成例における撮像部の(a)側面図および(b)下面図である。同図のように撮像部15は、基台151と16本のラインセンサ901〜932とを有する。   FIG. 18A is a side view and FIG. 18B is a bottom view of the imaging unit in the eighth configuration example. As shown in the figure, the imaging unit 15 includes a base 151 and 16 line sensors 901 to 932.

基台151は、X線照射部14からのX線ビームを通過させる貫通孔152を中央部に有し、下面に32本のラインセンサ901〜932が放射状に配置される。   The base 151 has a through-hole 152 through which the X-ray beam from the X-ray irradiating unit 14 passes in the center, and 32 line sensors 901 to 932 are radially arranged on the lower surface.

ラインセンサ901は、例えば、直線状に並ぶ複数の光電変換部(フォトダイオード)と、それと並列に配置されたCCDとを有するCCDリニアイメージセンサである。   The line sensor 901 is, for example, a CCD linear image sensor having a plurality of photoelectric conversion units (photodiodes) arranged in a straight line and a CCD arranged in parallel therewith.

複数の光電変換部のそれぞれの受光面積は、放射状の内側の光電変換部の受光面積よりも大きく形成されている。たとえば光電変換部の受光面積が半径に比例する大きさとしてもよい。ラインセンサ902〜932も同様である。   The light receiving areas of the plurality of photoelectric conversion units are formed larger than the light receiving areas of the radially inner photoelectric conversion units. For example, the light receiving area of the photoelectric conversion unit may be proportional to the radius. The same applies to the line sensors 902 to 932.

なお、ラインセンサ901〜932は、CCDリニアイメージセンサに限らずMOSリニアイメージセンサで構成してもよい。   Note that the line sensors 901 to 932 are not limited to the CCD linear image sensor, and may be composed of a MOS linear image sensor.

第9の構成例では、回折環画像には回折環に欠落が生じるものの、第1の構成例と同様の効果が得られ、しかも、第1の構成例よりもコストを低減することができる。   In the ninth configuration example, the diffraction ring image is missing in the diffraction ring, but the same effect as that of the first configuration example is obtained, and the cost can be reduced as compared with the first configuration example.

<撮像部の第10の構成例>
第10の構成例では、第8の構成例におけるラインセンサの基台への取り付け角度に傾きを持たせる例について説明する。
<Tenth Configuration Example of Imaging Unit>
In the tenth configuration example, an example will be described in which the attachment angle of the line sensor to the base in the eighth configuration example is inclined.

図19は、第10の構成例における撮像部の(a)断面図および(b)下面図である。同図の(a)は、同図の(b)のA−A線で垂直に切った断面図である。同図のように基台152は、円錐状の内面形状を下面にもち、X線照射部から照射されるX線を通過させる貫通孔を円錐形状の頂点部分に有している。   FIG. 19A is a cross-sectional view and FIG. 19B is a bottom view of the imaging unit in the tenth configuration example. (A) of the figure is a cross-sectional view taken along the line AA of (b) of the figure. As shown in the figure, the base 152 has a conical inner surface on the lower surface, and has a through hole at the apex of the conical shape through which X-rays irradiated from the X-ray irradiation unit pass.

第10の構成例は、第8の構成例と比較して、計測対象物からの回折X線と、ラインセンサとの角度を90度に近づけるので、回折環画像の精度を向上させることができる。   Compared to the eighth configuration example, the tenth configuration example can improve the accuracy of the diffraction ring image because the angle between the diffracted X-ray from the measurement object and the line sensor approaches 90 degrees. .

<撮像部の第11の構成例>
第10の構成例では16本のラインセンサを有する例を説明したが、第11の構成例では32本のラインセンサを有する例について説明する。
<Eleventh configuration example of imaging unit>
In the tenth configuration example, an example having 16 line sensors has been described. In the eleventh configuration example, an example having 32 line sensors will be described.

図20は、第11の構成例における撮像部の(a)断面図および(b)下面図である。同図の(a)は、同図の(b)のA−A線で垂直に切った断面図である。同図のように基台152は、円錐状の内面形状を下面にもち、X線照射部から照射されるX線を通過させる貫通孔を円錐形状の頂点部分に有している。   20A is a cross-sectional view of the imaging unit in the eleventh configuration example, and FIG. 20B is a bottom view thereof. (A) of the figure is a cross-sectional view taken along the line AA of (b) of the figure. As shown in the figure, the base 152 has a conical inner surface on the lower surface, and has a through hole at the apex of the conical shape through which X-rays irradiated from the X-ray irradiation unit pass.

第11の構成例は、第10の構成例と比較して、回折環画像の精度をより向上させることができる。   The eleventh configuration example can further improve the accuracy of the diffraction ring image as compared to the tenth configuration example.

なお、第10および第11の構成例においてラインセンサの傾き(円錐形状の下面の傾き)は、回折環が出現する方向、計測対象物の種類等に応じて設定すればよい。また、基台152は、下面の傾きを任意に設定可能な機構を備えてもよい。たとえば、X線照射管を軸としてラインセンサを骨に対応させた傘のような構成としてもよい。この場合の傘の骨およびラインセンサは直線状であってもよいし、球の内面に沿う曲線状であってもよい。また、図8〜図20に示した第1または第2の固体撮像素子の形状は、円錐形状の内面あるいは球の内面に沿う形状としてもよい。   In the tenth and eleventh configuration examples, the tilt of the line sensor (the tilt of the conical lower surface) may be set according to the direction in which the diffraction ring appears, the type of measurement object, and the like. The base 152 may include a mechanism that can arbitrarily set the inclination of the lower surface. For example, it is good also as a structure like the umbrella which made the line sensor respond | corresponded to the bone | frame centering on X-ray irradiation tube. In this case, the umbrella bone and the line sensor may be linear or may be curved along the inner surface of the sphere. Also, the shape of the first or second solid-state imaging device shown in FIGS. 8 to 20 may be a shape that follows a conical inner surface or a spherical inner surface.

なお、図19または図20においてラインセンサの本数は、2本以上であればよく、回折環として取り扱うためにより望ましくは5本以上であればよい。   In FIG. 19 or FIG. 20, the number of line sensors may be two or more, and more preferably five or more for handling as a diffraction ring.

また、撮像部15は取り外し可能な構成としてもよい。例えば(a)X線ビームが通過する貫通孔を中央部に有し、回折環を撮像する第1の固体撮像素子、および、(b)回折環の互いに異なる部分を撮像する複数の第2の固体撮像素子の何れか一方ではなく、両方を備え、選択あるいは交換可能な構成としてもよい。また、上記の第1〜第11の構成例の2つ以上の撮像部を備え、選択あるいは交換可能な構成としてもよい。   Further, the imaging unit 15 may be configured to be removable. For example, (a) a first solid-state imaging device that has a through-hole through which an X-ray beam passes, and that images a diffraction ring, and (b) a plurality of second that images different portions of the diffraction ring. Instead of either one of the solid-state imaging devices, a configuration in which both are provided and can be selected or exchanged may be employed. Moreover, it is good also as a structure which comprises two or more image pick-up parts of said 1st-11th structural example, and can be selected or replaced | exchanged.

以上説明してきた回折環分析装置の変形例によれば、貫通孔をもつ第1の固体撮像素子、または、複数の第2の固体撮像素子により回折環を撮像するので、回折環の撮像から解析までをリアルタイムに行うことできる。さらに、回折環の一部が欠落している場合であっても、本発明のフーリエ方式により正確に分析することができる。   According to the modification of the diffractive ring analyzer described above, since the diffractive ring is imaged by the first solid-state imaging device having the through holes or the plurality of second solid-state imaging devices, the analysis from the imaging of the diffractive ring is performed. Can be done in real time. Furthermore, even if a part of the diffraction ring is missing, it can be accurately analyzed by the Fourier method of the present invention.

(実施の形態2)
次に、実施の形態2におけるX線回折分析法および装置について説明する。
(Embodiment 2)
Next, an X-ray diffraction analysis method and apparatus according to Embodiment 2 will be described.

まず、従来技術および実施の形態1における望ましい改善点について説明する。   First, desirable improvements in the conventional technique and the first embodiment will be described.

実施の形態1におけるX線回折分析法(回折環分析方法)は、円環状の回折環(デバイ環)の情報を全周分活用して被測定物のひずみ、応力を求める方法を開示している。また従来はX線回折によるデバイ環の取得は非特許文献2で開示され、非特許文献1で発展されたイメージングプレート(IP)による方法が一般的であったが、実施の形態1における固体撮像素子(CCD、MOSセンサーなど)を利用した方法では分析装置(回折環計測装置)の構成が簡便になり、かつ測定が高速に行えることが期待される。   The X-ray diffraction analysis method (diffraction ring analysis method) in the first embodiment discloses a method for obtaining strain and stress of an object to be measured by utilizing information of an annular diffraction ring (Debye ring) for the entire circumference. Yes. Conventionally, acquisition of a Debye ring by X-ray diffraction is disclosed in Non-Patent Document 2, and a method using an imaging plate (IP) developed in Non-Patent Document 1 is generally used. In the method using an element (CCD, MOS sensor, etc.), it is expected that the configuration of the analyzer (diffraction ring measuring device) becomes simple and the measurement can be performed at high speed.

しかしX線回折環を利用した応力、ひずみの測定を精度良く行うにはX線の照射方向から回折像を撮影する必要があり(図30)、どうしても回折像の撮像素子の中心に穴を開ける必要がある。これは写真フィルムやIPのような撮像素子では問題にならなかったが、固体撮像素子で実現するには新規に固体撮像素子を設計したり、製作した固体撮像素子の中央に穴を開けたりするなどの特殊な作業が必要となり、開発・製作コストの増大を招く。一方、一般的な矩形の固体撮像素子をX線ビームを中心として並べる方式(例えば図12、図13等)ではどうしても固体撮像素子同士の間に隙間ができてしまうが、その状態で取得したデータにそのまま非特許文献1、非特許文献2や特許文献1の解析方法を適用したのでは得られる応力値に誤差が生じる。   However, in order to accurately measure stress and strain using the X-ray diffraction ring, it is necessary to take a diffraction image from the X-ray irradiation direction (FIG. 30), and a hole is inevitably formed in the center of the image sensor of the diffraction image. There is a need. This was not a problem with image sensors such as photographic film and IP, but to achieve with solid-state image sensors, a new solid-state image sensor was designed or a hole was made in the center of the manufactured solid-state image sensor. Special work such as this is required, which leads to an increase in development and production costs. On the other hand, in a method in which general rectangular solid-state image sensors are arranged around the X-ray beam (for example, FIG. 12, FIG. 13, etc.), a gap is inevitably formed between the solid-state image sensors. If the analysis methods of Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2 and Patent Document 1 are applied as they are, an error occurs in the obtained stress value.

以上のことから、固体撮像素子を利用してより低コストのX線ひずみ、応力分析装置を実現するためには隙間の空いた固体撮像素子から得られた、一部の欠けている回折環から正確に応力を分析する方法が必要である。   From the above, in order to realize a low-cost X-ray strain and stress analyzer using a solid-state imaging device, a part of the missing diffraction ring obtained from a solid-state imaging device with a gap is used. There is a need for a method for accurately analyzing stress.

実施の形態1における回折環分析装置および方法に対して本実施の形態では、以下の点の改善を図っている。   In the present embodiment, the following points are improved with respect to the diffraction ring analyzer and method in the first embodiment.

この点で、実施の形態1では回折環を利用した従来方式の応力・ひずみ解析方法(cosα法)では回折環の一部または複数部分が欠けていると応力・ひずみの計算が全くできないか、計算できても誤差が大きくなることを指摘した。また実施の形態1の解析方法を利用すればそのような場合でも応力・ひずみを精度良く計算できる可能性を示唆した。   In this regard, in the first embodiment, the stress / strain analysis method (cos α method) of the conventional method using the diffraction ring cannot calculate the stress / strain at all if a part or a plurality of parts of the diffraction ring is missing. It was pointed out that the error would increase even if it could be calculated. Further, it is suggested that the stress / strain can be calculated accurately even in such a case by using the analysis method of the first embodiment.

回折環の一部、または複数部分が欠けてしまう場合として第一に被測定物そのものの性質が原因の場合が考えられる。その例としては非特許文献3のように結晶粒が粗大である場合があげられる。非特許文献3ではそのような場合の対策として、被測定物を少しずつ平行移動しながら測定を行う、試料平面揺動法を提案しているが、この方法では機械的に試料を移動させる機構が必要となり、測定装置が大掛かりになってしまう。また通常のX線単一照射の場合と比較して測定時間が長くなってしまう。   As a case where a part or a plurality of parts of the diffractive ring are missing, firstly, the case may be caused by the property of the object to be measured. As an example, a case where the crystal grains are coarse as in Non-Patent Document 3 can be given. Non-Patent Document 3 proposes a sample plane swing method in which measurement is performed while moving the object to be measured little by little as a countermeasure in such a case. In this method, a mechanism for mechanically moving the sample is proposed. Is required, and the measuring apparatus becomes large. In addition, the measurement time becomes longer than in the case of normal single X-ray irradiation.

回折環の一部、または複数部分が欠けてしまう第二の場合として、図12、図13等のように、固体撮像素子(CCD、MOSセンサーなど)で回折環を撮像する場合がある。従来はイメージングプレート(IP)による撮像が一般的であったが、IPの場合には撮像の後でレーザー光を照射して読み取る必要が有るため、そのための光学系とIPを回転させる機構が必要であり、コストと測定時間の両面で不利である。一方固体撮像素子を利用すると読み取り時間の短縮と読み取り機構の簡略化が可能である。しかしX線による応力・ひずみの測定では固体撮像素子の中央に穴を開ける必要があり(図30)、コスト的に不利である。そこで一般的な矩形の固体撮像素子を何枚か並べて回折環の読み取りをする方式(例えば、図12、図13等)が考えられるが、その場合、どうしても固体撮像素子同士の間に撮像できない部分ができてしまい、回折環が不完全になる。   As a second case where a part or a plurality of parts of the diffraction ring is missing, there is a case where the diffraction ring is imaged by a solid-state imaging device (CCD, MOS sensor, etc.) as shown in FIGS. Conventionally, imaging with an imaging plate (IP) has been common, but in the case of IP, it is necessary to irradiate and read a laser beam after imaging, so an optical system for that purpose and a mechanism for rotating the IP are necessary. This is disadvantageous in terms of both cost and measurement time. On the other hand, when a solid-state imaging device is used, reading time can be shortened and a reading mechanism can be simplified. However, in the measurement of stress and strain by X-rays, it is necessary to make a hole in the center of the solid-state imaging device (FIG. 30), which is disadvantageous in terms of cost. Therefore, a method (for example, FIG. 12, FIG. 13, etc.) of reading a diffraction ring by arranging a number of general rectangular solid-state image sensors can be considered. And the diffraction ring becomes incomplete.

以上説明した改善すべき点について、実施の形態2では、回折環の一部または複数部分が欠けている場合でも正確に応力・ひずみを計算する方法を説明する。   With respect to the points to be improved as described above, in the second embodiment, a method for accurately calculating stress / strain even when a part or a plurality of parts of a diffraction ring is missing will be described.

(実施の形態2の概要)
次に、実施の形態2の概要について説明する。
(Outline of Embodiment 2)
Next, an outline of the second embodiment will be described.

実施の形態1は回折環の変形を中心角αの関数としてε(α)とする場合、ε(α)のフーリエ級数の係数(以下フーリエ係数)と応力・ひずみに対応関係があることを開示した。従って回折環の一部または複数部分が欠けている場合でもフーリエ係数が精度良く推定できれば応力・ひずみを精度良く求めることができる。   In the first embodiment, when the deformation of the diffraction ring is ε (α) as a function of the central angle α, there is a correspondence between the coefficient of the Fourier series of ε (α) (hereinafter referred to as Fourier coefficient) and the stress / strain. did. Therefore, even when a part or a plurality of parts of the diffraction ring is missing, if the Fourier coefficient can be estimated with high accuracy, the stress / strain can be obtained with high accuracy.

また一般にε(α)をフーリエ級数に展開した場合にはα の係数が小さい項、特にcosα、sin α 、cos 2α、sin 2αの4項に応力・ひずみの情報が集中して含まれていて、αの係数が大きい項は係数が0とみなせる場合が多い。従って観測点の数に合わせてフーリエ級数を適当な項で打ち切ることにより精度の良い近似が可能になる。   In general, when ε (α) is expanded into a Fourier series, stress / strain information is concentrated on the terms with small coefficients of α, especially the four terms cosα, sin α, cos 2α, and sin 2α. In many cases, a term having a large coefficient of α can be regarded as having a coefficient of zero. Therefore, accurate approximation is possible by truncating the Fourier series with an appropriate term in accordance with the number of observation points.

具体的にはε(α)を回折環上の2k点または2k+1点で測定した場合、フーリエ級数展開で
の2k個または2k+1個の係数を決定可能である。一方、被測定物で平面応力状態が成り立っている場合、実施の形態1からsin 2αの項の係数(a4)までフーリエ係数が決定すれば応力を完全に決定することができる。従って一部または複数部分が欠けている回折環でも最低5点でε(α)を測定すれば応力を決定することができる。
Specifically, when ε (α) is measured at 2k points or 2k + 1 points on the diffraction ring, the Fourier series expansion is used.
2k or 2k + 1 coefficients can be determined. On the other hand, when a plane stress state is established in the object to be measured, the stress can be completely determined if the Fourier coefficient is determined from the first embodiment to the coefficient (a 4 ) of the term sin 2α. Therefore, the stress can be determined by measuring ε (α) at least at five points even in a diffraction ring lacking a part or a plurality of parts.

すなわち、本実施の形態における回折環分析方法は、回折する性質をもつビームを計測対象物の特定部分に照射し、特定部分から反射される回折ビームにより形成される回折環の変形を測定し、測定結果を、フーリエ級数又は同等の直交級数に変換するフーリエ変換を行うことにより回折環を分析する。ここで、上記の測定において、測定点数を決定し、上記の分析において、測定点数に見合った項数のフーリエ級数で回折環を近似し、計測対象物の応力、ひずみを求めるようにしてもよい。   That is, the diffraction ring analysis method in the present embodiment irradiates a specific part of a measurement object with a beam having a diffracting property, measures the deformation of the diffraction ring formed by the diffraction beam reflected from the specific part, The diffraction ring is analyzed by performing a Fourier transform that converts the measurement result into a Fourier series or an equivalent orthogonal series. Here, in the above measurement, the number of measurement points may be determined, and in the above analysis, the diffraction ring may be approximated by a Fourier series having the number of terms corresponding to the number of measurement points, and the stress and strain of the measurement object may be obtained. .

また、上記の分析において、回折環の変形をフーリエ級数による行列として表記し、その逆行列を利用してフーリエ級数の係数(以下フーリエ係数とする)、計測対象物の応力、ひずみ状態を分析してもよい。   In the above analysis, the deformation of the diffraction ring is expressed as a matrix by Fourier series, and the inverse matrix is used to analyze the Fourier series coefficient (hereinafter referred to as Fourier coefficient), the stress and strain state of the measurement object. May be.

ここで、上記の分析において、回折環の一部または複数部分が欠けている場合に、回折環を表現する行列のうち、欠けている部分の角度に対応する行を取り去り、同じ数だけ応力・ひずみ測定に影響の小さい列を取り去った行列を作り、その逆行列を利用してフーリエ係数、応力、ひずみを計算するようにしてもよい。影響の小さい列というのは、取り去らない他の列よりも影響の小さい列をいう。また、取り去る列の数は取り去った行の数と同じでなくてもよい。   Here, in the above analysis, when a part or a plurality of parts of the diffraction ring are missing, the lines corresponding to the angles of the missing parts are removed from the matrix expressing the diffraction ring, and the same number of stresses A matrix in which a column having a small influence on the strain measurement is removed may be created, and the Fourier coefficient, stress, and strain may be calculated using the inverse matrix. A column with less influence is a column with less influence than other columns that are not removed. Also, the number of columns removed may not be the same as the number of rows removed.

以上のフーリエ級数決定法を一般化して、回折環上の任意の点数の測定データからε(α)の係数を決定する具体的な計算方法を開示し、合わせてその場合の計算精度の見積もり方法も開示する。   Generalized the above Fourier series determination method, disclosed a specific calculation method to determine the coefficient of ε (α) from the measurement data of any number of points on the diffraction ring, and also the calculation accuracy estimation method in that case Is also disclosed.

実施の形態2の回折環分析方法によれば、次のような効果がある。すなわち、被測定物の性質で回折環に欠落がある場合でも応力・ひずみを分析し、かつ精度を向上させることができる。また汎用の固体撮像素子などを隙間のある状態で配置して撮像した回折環からも応力・ひずみを精度良く求めることが可能になる。これによってX線回折による応力・ひずみの分析装置を現在よりも柔軟に構成することが可能になり、低価格化、測定時間の短縮が実現できる。   According to the diffraction ring analysis method of the second embodiment, the following effects are obtained. That is, even when the diffraction ring is missing due to the property of the object to be measured, the stress / strain can be analyzed and the accuracy can be improved. In addition, it is possible to obtain stress and strain with high accuracy from a diffraction ring in which a general-purpose solid-state imaging device or the like is arranged with a gap. This makes it possible to configure a stress / strain analyzer by X-ray diffraction more flexibly than the present, which can reduce the price and shorten the measurement time.

また本実施の形態で開示する計算方法によれば、回折環が欠けた状態から計算したフーリエ係数の誤差を、完全な回折環の場合と比較して計算することができるため、最終的に求めた応力・ひずみの信頼性を評価することが可能になる。   Further, according to the calculation method disclosed in the present embodiment, since the error of the Fourier coefficient calculated from the state where the diffraction ring is missing can be calculated as compared with the case of the complete diffraction ring, it is finally obtained. It is possible to evaluate the reliability of stress and strain.

(実施の形態2の詳細)
本実施の形態における回折環分析装置の構成は、実施の形態1と同様であり、また、第1〜第11の構成例のそれぞれに対して適用可能である。よって、回折環分析装置の構成については繰り返しの説明を避けて、主に回折環分析方法について詳細に説明する。
(Details of Embodiment 2)
The configuration of the diffractive ring analyzer in the present embodiment is the same as that in the first embodiment, and is applicable to each of the first to eleventh configuration examples. Therefore, the diffractive ring analysis method is mainly described in detail while avoiding repeated description of the configuration of the diffractive ring analysis apparatus.

<デバイ環の行列表示>
本実施の形態では、まず実施の形態1で開示されたデバイ環のフーリエ級数展開の派生として行列表示を導入する。この表示自体、デバイ環からの応力計算方法として利用可能である。
<Debye ring matrix display>
In this embodiment, first, matrix display is introduced as a derivation of the Fourier series expansion of the Debye ring disclosed in the first embodiment. This display itself can be used as a stress calculation method from the Debye ring.

いまデバイ環の変形ε(α)のフーリエ級数が
で表わされるものとする。このε(α)を中心角α1…αnのn個の測定点で測定する場合
である。ただし円周を等間隔に分割する場合、α1=0、α2=2π/n、…、αn=2π(n-1)/n (単位はラジアン)である。式(2.4)は図21のような n×n行列Mを用いて
と表すことができる。ただしεおよびxは
で表わされるn次元のベクトルである。式(2.5)が本実施の形態で導入するデバイ環の行列表示である。フーリエ級数が直交基底であることからMには逆行列が存在し、xを
のように求めることができるが通常はより高速に計算できる高速フーリエ変換(FFT)を用いる。これにより式(2.3)の最初のn個の係数を決定し、被測定物の応力・ひずみを求めることができる。
Now the Fourier series of Debye ring deformation ε (α) is
It shall be represented by When measuring this ε (α) at n measuring points with a central angle α1 ... αn
It is. However, when the circumference is divided at equal intervals, α1 = 0, α2 = 2π / n,..., Αn = 2π (n−1) / n (unit: radians). Equation (2.4) is obtained by using an n × n matrix M as shown in FIG.
It can be expressed as. Where ε and x are
An n-dimensional vector represented by Equation (2.5) is a matrix display of the Debye ring introduced in this embodiment. Since the Fourier series is an orthogonal basis, there is an inverse matrix in M, and x
Usually, Fast Fourier Transform (FFT) that can be calculated at higher speed is used. Thus, the first n coefficients of the equation (2.3) can be determined, and the stress / strain of the object to be measured can be obtained.

<欠けているデバイ環の再現>
次に回折環が欠けている場合を説明する。回折環のk箇所{αi1,αi2,・・・,αik}(k<n)の測定値が得られなかったものとする。このときεから{εi1,εi2,・・・,εik}を取り除いたn−k次元のベクトルε′、行列Mの{i1,i2,・・・,ik}行を取り除いた(n−k)行n列の行列Mを考えると
である。行列Mの逆行列は存在しないので式(2.7) を逆行列で解くことはできない。
<Reproduction of missing Debye ring>
Next, the case where the diffraction ring is missing will be described. It is assumed that measured values at k locations {αi1, αi2,..., Αik} (k <n) of the diffraction ring cannot be obtained. At this time, an nk-dimensional vector ε ′ obtained by removing {εi1, εi2,..., Ikik} from ε, and {i1, i2,..., Ik} rows of the matrix M are removed (nk). Consider a matrix n 1 with row n columns
It is. Because the inverse matrix of the matrix M 1 is not present can not be solved by the inverse matrix of equation (2.7).

式(2.7) を解くためにx について仮定を置く。理想的な平面応力状態の試料の回折環ではx=0(k>5)であり、多くの場合にkは5より十分大きくてxは0とみなせるはずである。 Make an assumption about x to solve equation (2.7). In the diffraction ring of a sample in an ideal plane stress state, x k = 0 (k> 5), and in many cases, k is sufficiently larger than 5 and x k should be regarded as 0.

したがってm次元のベクトル
を導入すると
と表すことができる。ただし、行列Mは行列M1のm+1列目以降を取り除いた(n−k)行m列の行列(m≦n−k) である。行列Mの逆行列は存在しないが擬似逆行列(つまり一般逆行列)M を用いると
からx′が得られ、試料の応力を推定することができる。例えばx2=a1であることを用いると、式(21)から
のように試料長手方向の応力σx を求めることができる。ここでE、νはX線的ヤング率、ポアソン比で、ηおよびΨ0 は測定系により定まる角度である。
Therefore an m-dimensional vector
When introducing
It can be expressed as. However, the matrix M 3 represents a removal of m + 1 subsequent columns of the matrix M1 (n-k) rows and m columns of the matrix (m ≦ n-k). Although there is no inverse matrix of the matrix M 3 , if a pseudo inverse matrix (that is, a general inverse matrix) M 3 is used,
From which x 'can be obtained and the stress of the sample can be estimated. For example, using x2 = a1, from equation (21)
Thus, the stress σx in the longitudinal direction of the sample can be obtained. Here, E and ν are X-ray Young's modulus and Poisson's ratio, and η and Ψ 0 are angles determined by the measurement system.

<実験>
本実施の形態における回折環分析方法を検証するために回折環像を撮影するイメージングプレート(IP) の前に置いて回折環を欠けさせるマスクを作成し、応力の測定実験を行った。使用した試料はProto社のα−Fe の応力試験片で、詳細は図22の通りである。なお同図中のX-ray elastic constantはX線的ヤング率Eとポアソン比νを用いて
で表わされる。試料の応力_x の定格値は
で、Rigaku MSF−3 とCr−Kαを用いた測定で同様の値が得られた。
<Experiment>
In order to verify the diffractive ring analysis method in this embodiment, a mask for missing a diffractive ring was created by placing it in front of an imaging plate (IP) for taking a diffractive ring image, and a stress measurement experiment was performed. The sample used was an α-Fe 2 stress test piece manufactured by Proto, and details are shown in FIG. The X-ray elastic constant in the figure uses the X-ray Young's modulus E and Poisson's ratio ν.
It is represented by The rated value of the stress_x of the sample is
Thus, similar values were obtained by measurement using Rigaku MSF-3 and Cr-Kα.

次に図22で用いた試料の応力を実施の形態1の方式で測定した。測定に使用した装置はパルステック社のμ−X360で、測定に使用した特性X 線はCr−Kαである。回折環像の解像度は円周方向が0.72°で、動径方向が50μmである。この回折環像よりε(α)を10−4 程度の精度で決定している。またΨ(図30を参照)については、Ψ = 45°とした。また一部が欠けた回折環を作るため、厚紙でマスクを作りIP の直前に置いた。0.35mm 厚の厚紙を2枚重ねたところ回折X 線を完全に遮断することができた。実際に使用したマスクを図23に示す。例えば、Mask Bは図12に対応する。何れのマスクも実施の形態1における、複数の固体撮像素子を備える回折環分析装置の構成等による測定を模写するために使用される。各マスクを用いた測定で150秒の露光を10回ずつ行ない、平均値と標準偏差を求めた。マスク無しの場合と、マスクで回折を遮った場合の回折環像を図24に示す。またそれぞれのマスクについて、データ解析に利用したαの範囲は図25の通りである。 Next, the stress of the sample used in FIG. 22 was measured by the method of the first embodiment. The apparatus used for the measurement is μ-X360 manufactured by Pulse Tech Co., and the characteristic X-ray used for the measurement is Cr-Kα. The resolution of the diffraction ring image is 0.72 ° in the circumferential direction and 50 μm in the radial direction. From this diffraction ring image, ε (α) is determined with an accuracy of about 10 −4 . For Ψ 0 (see FIG. 30), Ψ 0 = 45 °. In addition, a mask was made of cardboard and placed just before the IP in order to create a diffraction ring with a part missing. When two sheets of 0.35 mm thick paper were stacked, the diffraction X-rays could be completely blocked. The mask actually used is shown in FIG. For example, Mask B corresponds to FIG. Any of these masks is used for copying the measurement by the configuration of the diffractive ring analyzer including a plurality of solid-state imaging elements in the first embodiment. The measurement using each mask was performed 10 times for 150 seconds, and the average value and the standard deviation were obtained. FIG. 24 shows diffraction ring images when there is no mask and when diffraction is blocked by the mask. For each mask, the range of α used for data analysis is as shown in FIG.

最初に完全な回折環像から図22の値を用い、実施の形態1の回折環分析方法に従ってσx を求めたところ
であった。この結果は式(2.10) の定格値と同等である。
First, the value of FIG. 22 is used from the complete diffraction ring image, and σx is obtained according to the diffraction ring analysis method of the first embodiment.
Met. This result is equivalent to the rated value of equation (2.10).

次にこの完全な回折環像からmask Aの回折環像と同じ形になるよう、データを取り除いてε´を模擬し、mの値を変えながら式(2.8) よりx′ を求めた。それより得られたσx と完全な回折環から求めたσx との比較例を図26に示す。この例ではm=5のときに両者の差が最も小さくなる。   Next, the data was removed from this complete diffraction ring image so as to have the same shape as the diffraction ring image of mask A, and ε ′ was simulated, and x ′ was obtained from equation (2.8) while changing the value of m. FIG. 26 shows a comparative example of the σx obtained from the σx obtained from the complete diffraction ring. In this example, when m = 5, the difference between the two becomes the smallest.

他の測定データについても傾向は同じで、m=5の時に完全な回折環像から求めた値に最も近い応力値が得られた。他のマスク形状についても同じ傾向が見られたので、以下では特に断らない限りm=5 として求めた応力値で議論を進める。なお、図26では1回の測定によるσx を見ているため、式(2.11) の平均値とは違う値を取る。   The tendency was the same for the other measurement data, and the stress value closest to the value obtained from the complete diffraction ring image was obtained when m = 5. Since the same tendency was observed for other mask shapes, the discussion will proceed with the stress value obtained as m = 5 unless otherwise specified. In FIG. 26, since σx is measured by one measurement, a value different from the average value of the equation (2.11) is taken.

以上の処理をそれぞれのマスクの測定データに対してほどこした結果を図27に示す。同図中のμ−X360の列は、μ−X360付属ソフトウェアの表示値で、これはcos α法で応力値を計算しているが、回折環の一部が欠けている場合には一般的な補完法でデータを補っている。本実施の形態の方式(Proposed technique の列)の応力値はm=5として式(2.2) および(2.9) から計算した。また同図中の“Specification” は応力標準の公称値を、“No Mask” は回折環が完全だった場合の解析値を示している。   FIG. 27 shows the result of applying the above processing to the measurement data of each mask. The column of μ-X360 in the figure is a display value of the software attached to μ-X360, which calculates the stress value by the cos α method, but is general when a part of the diffraction ring is missing. Data is supplemented with a simple complement method. The stress value of the method of this embodiment (sequence of Proposed technique) was calculated from the equations (2.2) and (2.9) with m = 5. In addition, “Specification” in the figure indicates the nominal value of the stress standard, and “No Mask” indicates the analysis value when the diffraction ring is complete.

μ-X360付属のソフトウェアによる応力値は回折環の一部が欠けている場合には誤差を考慮しても公称値、あるいは“No mask” の値と一致しない。一方、提案方式では“Mask A” の値がわずかに公称値より小さいが、それ以外では公称値あるいは回折環が完全な場合と同等である。μ−X360付属のソフトウェアによる応力と提案方式を比較すると、いずれの場合でも本実施の形態の方式の方がより公称値に近い値が得られた。   The stress value by the software attached to the μ-X360 does not agree with the nominal value or “No mask” value even if an error is taken into consideration when a part of the diffraction ring is missing. On the other hand, in the proposed method, the value of “Mask A” is slightly smaller than the nominal value, but otherwise, it is equivalent to the case where the nominal value or the diffraction ring is complete. When the stress by the software attached to μ-X360 is compared with the proposed method, the value of the method of this embodiment is closer to the nominal value in any case.

<まとめ>
本実施の形態では、回折環のひずみのフーリエ級数展開を利用して、回折環の一部が欠けている場合の応力の推定方法を開示した。すなわち、本実施の形態における回折環分析方法は、回折する性質をもつビームを計測対象物の特定部分に照射し、特定部分から反射される回折ビームにより形成される回折環の変形を測定し、測定結果を、フーリエ級数又は同等の直交級数に変換するフーリエ変換を行うことにより回折環を分析する。このとき、上記の測定において、測定点数を決定し、上記の分析において、測定点数に見合った項数のフーリエ級数で回折環を近似し、計測対象物の応力、ひずみを求める。上記の分析において、回折環の一部または複数部分が欠けている場合に、回折環を表現する行列のうち、欠けている部分の角度に対応する行を取り去り、同じ数だけ応力・ひずみ測定に影響の小さい列を取り去った行列を作り、その擬似逆行列(つまり一般化逆行列)を利用してフーリエ係数、応力、ひずみを計算する。なお、取り去る列の数は、取り去った行の数と同じ数でなくてもよい。同じ数であればこの擬似行列は正方行列になり、同じ数でなければ正方行列にならない。つまり、この擬似逆行列は正方行列でなくてもよい。
<Summary>
In the present embodiment, a method for estimating stress when a part of a diffraction ring is missing is disclosed using the Fourier series expansion of distortion of the diffraction ring. That is, the diffraction ring analysis method in the present embodiment irradiates a specific part of a measurement object with a beam having a diffracting property, measures the deformation of the diffraction ring formed by the diffraction beam reflected from the specific part, The diffraction ring is analyzed by performing a Fourier transform that converts the measurement result into a Fourier series or an equivalent orthogonal series. At this time, in the above measurement, the number of measurement points is determined, and in the above analysis, the diffraction ring is approximated by a Fourier series having the number of terms corresponding to the number of measurement points, and the stress and strain of the measurement object are obtained. In the above analysis, if some or more parts of the diffraction ring are missing, the matrix corresponding to the angle of the missing part is removed from the matrix representing the diffraction ring, and the same number of stress / strain measurements are taken. Create a matrix with the least affected columns removed, and use the pseudo-inverse matrix (that is, the generalized inverse matrix) to calculate the Fourier coefficient, stress, and strain. Note that the number of columns to be removed may not be the same as the number of rows to be removed. If the number is the same, this pseudo matrix becomes a square matrix, and if it is not the same number, it does not become a square matrix. That is, this pseudo inverse matrix may not be a square matrix.

また応力試験片で実際に一部が欠けている回折環像を撮像し、実施の形態2の回折環分析方法を適用して長手方向の応力σx を求めた。その結果多くの場合で適正な応力値を推定することができ、単純な補間法とcos α法の組み合わせによる推定より良好な結果を得ることができた。   Further, a diffraction ring image in which a part of the stress test piece was actually missing was taken, and the stress σx in the longitudinal direction was obtained by applying the diffraction ring analysis method of the second embodiment. As a result, it was possible to estimate an appropriate stress value in many cases, and to obtain a better result than the estimation by the combination of a simple interpolation method and the cos α method.

<単純な例>
本実施の形態における回折環分析方法の理解を容易にするため、単純な例で計算方法を説明する。まず、回折環の測定における測定点数の例を図28に示す。図28は回折環をα=0、π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π/4の8点で測定する場合の説明図である。同図は、回折環をn=8に分割してε(α)を測定する場合を示している。
<Simple example>
In order to facilitate understanding of the diffraction ring analysis method in the present embodiment, a calculation method will be described using a simple example. First, an example of the number of measurement points in the measurement of the diffraction ring is shown in FIG. FIG. 28 is an explanatory diagram when the diffraction ring is measured at eight points of α = 0, π / 4, π / 2, 3π / 4, π, 5π / 4, 3π / 2, and 7π / 4. This figure shows a case where ε (α) is measured by dividing the diffraction ring into n = 8.

つぎに、測定点数n=16とし、回折環を16に分割してε(α) を測定する場合を考える。測定点を等間隔に取るとすると
である。ただし単位はラジアンである。これより式(2.4) の行列Mは
の16×16行列になる。また
とすると
である。同様にεは
である。ただし測定の丸め誤差を模擬するためにεの値は小数点以下3桁に丸めた。
Next, consider the case where the number of measurement points is n = 16 and the diffraction ring is divided into 16 to measure ε (α). If we take measurement points at regular intervals
It is. The unit is radians. From this, the matrix M in equation (2.4) is
Of 16 × 16 matrix. Also
If
It is. Similarly, ε is
It is. However, in order to simulate the rounding error of the measurement, the value of ε was rounded to 3 digits after the decimal point.

式(2.15)、(2.16)、(2.17) のM、x、εは式(2.5) を満たすから、式(2.6) より
のようにx を推定することができる。この結果は式(2.16) の初期設定をよく再現している。
Since M, x, and ε in equations (2.15), (2.16), and (2.17) satisfy equation (2.5), from equation (2.6)
X can be estimated as follows. This result closely reproduces the initial setting of equation (2.16).

次に回折環の一部が欠けている場合を考える。   Next, consider a case where a part of the diffraction ring is missing.

回折環のひずみは円周角αの関数としてε(α)と表されるが、いま回折環の一部が欠けている場合を窓関数h(α)を用いて、
のように表す。ただし、h(α)は、
で定義し、回折環が測定できなかった場合はε'(α)=0であるものとする。
The distortion of the diffractive ring is expressed as ε (α) as a function of the circumferential angle α. However, when a part of the diffractive ring is missing, the window function h (α) is used.
It expresses like this. However, h (α) is
When the diffraction ring cannot be measured, it is assumed that ε ′ (α) = 0.

いま窓関数を
とするとεのうち(1,2,3,4,5,13,14,15,16)番目の要素が欠けることになる。これよりε´は
であり式(2.7) のM1は
の7×16行列になる。ただしM1の要素mi,j の値は式(2.15) で定義されているとおりである。M1の逆行列は存在しないが、8列目以降を取り除いた7×7の対称行列M2
には逆行列が存在し、これからxの最初の7要素x′を求めると
となる。式(2.21) と(2.16) および(2.18) を比較すると、(2.21) の精度が悪化している(xで約30%) ことがわかる。これはMの最小の固有値の絶対値が約3 であるのに対し、M2の最小の固有値の絶対値が0.01と非常に小さい事から計算誤差が大きくなったためである。
Now window function
Then, the (1,2,3,4,5,13,14,15,16) -th element of ε is missing. From this, ε´ is
And M1 in equation (2.7) is
7 × 16 matrix. However, the value of element mi, j of M1 is as defined in equation (2.15). There is no inverse matrix of M1, but a 7 × 7 symmetric matrix M2 with the eighth and subsequent columns removed
Has an inverse matrix, and from this the first 7 elements x 'of x
It becomes. Compared equations (2.21) and (2.16) and (2.18), it can be seen that the accuracy of (2.21) has deteriorated (approximately 30% x 2). This is because the absolute value of the smallest eigenvalue of M is about 3, whereas the absolute value of the smallest eigenvalue of M2 is as small as 0.01, so that the calculation error has increased.

精度が悪化した原因の一つに、式(2.21) ではxを7項まで評価していることがあげられる。すなわち
で回折環を近似していることになる。一方、実施の形態1によればxの最初の5項が評価できれば平面応力状態を再現できるのでM2の最初の5列を取り出した7×5行列
を用いれば良い。
One reason for the deterioration of accuracy is that x is evaluated up to 7 terms in equation (2.21). Ie
This approximates the diffraction ring. On the other hand, according to the first embodiment, the plane stress state can be reproduced if the first five terms of x can be evaluated, so the 7 × 5 matrix in which the first five columns of M2 are extracted.
Should be used.

M3の逆行列は存在しないが擬似逆行列(一般逆行列)を用いれば式(2.8) からx′を推定することができる。以下ではその方法を説明する。M3は
のように特異値分解することができる。W、Vはそれぞれ7×7、5×5 の対称行列でW=W−1、V=V−1を満たす。またSはM3の特異値(k,k,k,k,k)(k≧k≧k≧k≧k)を用いて
で表わされる7×5行列である。以上のW、VおよびSを用いるとM3の擬似逆行列(一般逆行列)は
で求められる。ただしS−1
で表わされる5×7行列である。式(2.22) に従って実際に擬似逆行列を求め、式(2.8) に代入すると
のようにx の最初の5項を推定することができる。この推定値は明らかに式(2.21) よりも初期設定値式(2.16)) に近い。
Although there is no inverse matrix of M3, if a pseudo inverse matrix (general inverse matrix) is used, x ′ can be estimated from equation (2.8). The method will be described below. M3
Singular value decomposition can be performed as follows. W and V T are symmetric matrices of 7 × 7 and 5 × 5, respectively, and satisfy W T = W −1 and V T = V −1 . S is the singular value of M3 (k 1 , k 2 , k 3 , k 4 , k 5 ) (k 1 ≧ k 2 ≧ k 3 ≧ k 4 ≧ k 5 ).
Is a 7 × 5 matrix. Using the above W, V and S, the pseudo inverse matrix (general inverse matrix) of M3 is
Is required. However, S- 1 is
Is a 5 × 7 matrix. Actually calculating the pseudo inverse matrix according to equation (2.22) and substituting it into equation (2.8)
The first five terms of x can be estimated as follows. This estimated value is clearly closer to the default value equation (2.16)) than equation (2.21).

以上の結果をまとめたの図29である。これは式(2.17)、(2.20)のε、ε′からのx〜xの推定値を示している。一段目が完全な回折環からの推定値で、式(2.16) の初期設定値を再現している。一方、二段目以降は一部が欠けた回折環からの推定値で、二段目はM2の逆行列を用いた推定値を、三段目はx に厳しい仮定を置いたM3の一般逆行列(つまり擬似逆行列)からの推定値である。同図から明らかなように一般逆行列による推定の方がより良い結果が得られている。 FIG. 29 summarizes the above results. This shows the estimated values of x 1 to x 5 from ε and ε ′ in the equations (2.17) and (2.20). The first level is the estimated value from the complete diffraction ring, which reproduces the initial setting of equation (2.16). On the other hand, the second and subsequent stages are estimated values from a missing diffraction ring, the second stage is an estimated value using the inverse matrix of M2, and the third stage is a general inverse of M3 with strict assumptions on x. An estimated value from a matrix (that is, a pseudo inverse matrix). As is clear from the figure, better results are obtained by the estimation using the general inverse matrix.

以上説明してきたように、実施の形態2の回折環分析方法によれば、被測定物の性質で回折環に欠落がある場合でも応力・ひずみを分析し、かつ精度を向上させることができる。また汎用の固体撮像素子などを隙間のある状態で配置して撮像した回折環からも応力・ひずみを精度良く求めることが可能になる。これによってX線回折による応力・ひずみの分析装置を現在よりも柔軟に構成することが可能になり、低価格化、測定時間の短縮が実現できる。   As described above, according to the diffraction ring analysis method of the second embodiment, stress / strain can be analyzed and accuracy can be improved even when the diffraction ring is missing due to the properties of the object to be measured. In addition, it is possible to obtain stress and strain with high accuracy from a diffraction ring in which a general-purpose solid-state imaging device or the like is arranged with a gap. This makes it possible to configure a stress / strain analyzer by X-ray diffraction more flexibly than the present, which can reduce the price and shorten the measurement time.

また本実施の形態で開示する回折環分析方法によれば、回折環が欠けた状態から計算したフーリエ係数の誤差を、完全な回折環の場合と比較して計算することができるため、最終的に求めた応力・ひずみの信頼性を評価することが可能になる。   Further, according to the diffraction ring analysis method disclosed in the present embodiment, the error of the Fourier coefficient calculated from the state where the diffraction ring is missing can be calculated as compared with the case of a complete diffraction ring. It becomes possible to evaluate the reliability of the stress and strain obtained in the above.

本発明は、金属、セラミック等の工業材料の残留応力等の非破壊検査全般に有用である。またX線等を利用した非破壊検査装置や金属等の薄膜の応力分析にも有用である。   The present invention is useful for nondestructive inspection in general such as residual stress of industrial materials such as metals and ceramics. It is also useful for non-destructive inspection equipment using X-rays and the like and for stress analysis of thin films such as metals.

2 サンプル(計測対象物)
5、8、9 回折環
10 回折環分析装置
11 高圧電源
12 冷却部
13 制御部
14 X線照射部
15 撮像部
16 画像処理部
19 測定対象物
101 R転送部
102 光電変換部
111 画素
151、155 基台
152 貫通孔
200、300 固体撮像素子
201 撮像エリア
202 貫通孔
302 貫通孔
303 θ転送部
300、400a、400b、500a〜500d、600a〜600j 固体撮像素子
700a〜700l、800a〜800d、810a〜810d 固体撮像素子
301、401a、401b、501a〜501d、601a〜601j 撮像エリア
701a〜701l、801a〜801d、811a〜811d 撮像エリア
900a〜900p、901〜932 ラインセンサ
2 samples (measurement object)
5, 8, 9 Diffraction ring 10 Diffraction ring analyzer 11 High voltage power supply 12 Cooling unit 13 Control unit 14 X-ray irradiation unit 15 Imaging unit 16 Image processing unit 19 Measurement object 101 R transfer unit 102 Photoelectric conversion unit 111 Pixel 151, 155 Base 152 Through-hole 200, 300 Solid-state imaging device 201 Imaging area 202 Through-hole 302 Through-hole 303 θ transfer unit 300, 400a, 400b, 500a-500d, 600a-600j Solid-state imaging device 700a-700l, 800a-800d, 810a- 810d Solid-state imaging device 301, 401a, 401b, 501a to 501d, 601a to 601j Imaging area 701a to 701l, 801a to 801d, 811a to 811d Imaging area 900a to 900p, 901 to 932 Line sensor

Claims (12)

回折する性質をもつビームを計測対象物の特定部分に照射し、
前記特定部分から反射される回折ビームにより形成される回折環の変形を測定し、
測定結果を、フーリエ級数又は同等の直交級数に変換するフーリエ変換を行うことにより回折環を分析する
回折環分析方法。
Irradiate a specific part of the measurement object with a diffracting beam,
Measuring the deformation of the diffraction ring formed by the diffracted beam reflected from the specific part;
A diffraction ring analysis method for analyzing a diffraction ring by performing a Fourier transform for converting a measurement result into a Fourier series or an equivalent orthogonal series.
前記回折環の分析において、前記フーリエ変換の結果から、前記特定部分の応力およびひずみの少なくとも一方を算出する
請求項1に記載の回折環分析方法。
The diffraction ring analysis method according to claim 1, wherein in the analysis of the diffraction ring, at least one of stress and strain of the specific portion is calculated from the result of the Fourier transform.
前記回折環の分析において、前記フーリエ級数の係数の他に、ヤング率、ポアソン比、回折角の余角、および前記計測対象物表面に対する法線と入射ビームとのなす角を用いた演算を施すことにより前記応力または前記ひずみの少なくとも一方を算出する
請求項2記載の回折環分析方法。
In the analysis of the diffraction ring, in addition to the Fourier series coefficient, calculation is performed using Young's modulus, Poisson's ratio, diffraction angle remainder angle, and the angle between the normal to the measurement object surface and the incident beam. The diffraction ring analysis method according to claim 2, wherein at least one of the stress and the strain is calculated.
さらに、前記回折環の一部に欠落部分がある場合、実測された回折環と欠落部分の中心角αの情報から数学的性質を用いて欠落のない場合の回折環のフーリエ級数を推定する
請求項1から請求項3の何れかに記載の回折環分析方法。
Further, when there is a missing part in a part of the diffraction ring, the Fourier series of the diffraction ring in the absence of the missing part is estimated using mathematical properties from information on the measured diffraction ring and the central angle α of the missing part. The diffraction ring analysis method according to any one of claims 1 to 3.
前記回折環の分析において、前記フーリエ変換の結果得られたフーリエ級数のうち少なくとも1次の係数および2次の係数のいずれか1つを利用する
請求項1から請求項4の何れかに記載の回折環分析方法。
5. The analysis according to claim 1, wherein in the analysis of the diffraction ring, at least one of a first-order coefficient and a second-order coefficient is used among the Fourier series obtained as a result of the Fourier transform. Diffraction ring analysis method.
前記回折環の分析において、前記フーリエ級数の1次および2次の係数をa1、b1、a2、b2とする時、前記計測対象物の応力を平面応力であると仮定して、x軸、y軸方向の応力σx、σyをそれぞれ
を(1)式により算出し、剪断応力τxyを
の(2)式の少なくとも一方の式で算出し,
は前記フーリエ級数の1次の係数のうちcosαの係数、aは前記フーリエ級数の2次の係数のうちsin2αの係数、bは前記フーリエ級数の1次の係数のうちsinαの係数、bは前記フーリエ級数の2次の係数のうちcos2αの係数、αは前記回折環の中心角、Eはヤング率、νはポアソン比、ηは回折角の余角、ψは前記計測対象物の表面の法線と入射X線ビームとのなす角を表す
請求項1から請求項5の何れかに記載の回折環分析方法。
In the analysis of the diffraction ring, assuming that the first and second order coefficients of the Fourier series are a 1 , b 1 , a 2 , b 2 , the stress of the measurement object is assumed to be plane stress, x-axis and y-axis direction stress σx and σy respectively
Is calculated by equation (1) and the shear stress τxy is
Calculate with at least one of the equations (2)
a 1 is a coefficient of cos α of the first order coefficients of the Fourier series, a 2 is a coefficient of sin 2 α of the second order coefficients of the Fourier series, and b 1 is a coefficient of sin α of the first order coefficients of the Fourier series. , B 2 is a coefficient of cos 2α of the second-order coefficients of the Fourier series, α is a central angle of the diffraction ring, E is a Young's modulus, ν is a Poisson's ratio, η is an additional angle of the diffraction angle, and ψ 0 is the measurement The diffraction ring analysis method according to any one of claims 1 to 5, which represents an angle formed by a normal of a surface of an object and an incident X-ray beam.
前記測定において、測定点数を決定し、
前記分析において、前記測定点数に見合った項数のフーリエ級数で回折環を近似し、計測対象物の応力、ひずみを求める
請求項1に記載の回折環分析方法。
In the measurement, determine the number of measurement points,
The diffraction ring analysis method according to claim 1, wherein in the analysis, the diffraction ring is approximated by a Fourier series having a number of terms corresponding to the number of measurement points, and the stress and strain of the measurement object are obtained.
前記分析において、回折環の変形をフーリエ級数による行列として表記し、その逆行列を利用してフーリエ級数の係数(以下フーリエ係数とする)、計測対象物の応力、ひずみ状態を分析する
請求項1または7に記載の回折環分析方法。
2. In the analysis, the deformation of the diffraction ring is expressed as a matrix by Fourier series, and the inverse matrix is used to analyze the Fourier series coefficient (hereinafter referred to as Fourier coefficient), the stress and strain state of the measurement object. Or the diffraction ring analysis method according to 7.
前記分析において、回折環の一部または複数部分が欠けている場合に、回折環を表現する行列のうち、欠けている部分の角度に対応する行を取り去り、応力・ひずみ測定に影響の小さい列を取り去った行列を作り、その擬似逆行列を利用してフーリエ係数、応力、ひずみを計算する
請求項8に記載の回折環分析方法。
In the above analysis, when a part or a plurality of parts of the diffraction ring is missing, a row corresponding to the angle of the missing part is removed from the matrix representing the diffraction ring, and the column having a small influence on the stress / strain measurement is removed. The diffraction ring analysis method according to claim 8, wherein a matrix is created by removing the, and the Fourier coefficient, stress, and strain are calculated using the pseudo inverse matrix.
回折する性質をもつビームを計測対象物の特定部分に照射するビーム照射部と、
前記特定部分から反射される回折ビームを撮像し、撮像面に回折環を形成させる撮像部と、
前記撮像部で得られた測定結果をフーリエ変換することにより、前記特定部分の応力又はひずみの少なくとも一方を算出するデータ処理部を備えた
回折環分析装置。
A beam irradiation unit that irradiates a specific part of the measurement object with a beam having a diffracting property;
An imaging unit that images the diffracted beam reflected from the specific part and forms a diffraction ring on the imaging surface;
A diffraction ring analyzer including a data processing unit that calculates at least one of stress or strain of the specific portion by performing Fourier transform on a measurement result obtained by the imaging unit.
前記撮像部が、半導体を利用した固体X線撮像素子またはイメージングプレートである
請求項10記載の回折環分析装置。
The diffraction ring analyzer according to claim 10, wherein the imaging unit is a solid-state X-ray imaging device or an imaging plate using a semiconductor.
前記撮像部は、2枚の固体撮像素子を有し、回折環の上下を前記2枚の固体撮像素子の間の空隙に前記ビームを通すよう配置される
請求項10または11に記載の回折環分析装置。
The diffraction ring according to claim 10 or 11, wherein the imaging unit includes two solid-state imaging elements, and is arranged so that the beam passes through a gap between the two solid-state imaging elements above and below the diffraction ring. Analysis equipment.
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