JP2015152377A - ミリ波イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも高精度の欠陥検出が可能となる、ミリ波イメージング装置を提供する。
【解決手段】送信器１２は、ミリ波帯域内で周波数掃引された電磁波を検査対象２１に放射する。演算部４４は、検査対象２１表面の一点における、周波数別の反射係数の振幅成分の極小値を取る周波数を抽出するとともに、抽出された周波数の、検査対象２１表面の２次元座標に沿った２次元画像を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ミリ波イメージング装置に関する。

従来から、検査対象の表面欠陥や内部欠陥の有無を調査するために、ミリ波イメージング装置が用いられている。当該装置では、ミリ波を放射する送信器と検査対象とを相対移動させるとともに、検査対象からの反射波と、当該反射波受信時の送信器と検査対象との相対位置をもとにして、２次元画像を生成する。

例えば特許文献１では、それぞれミリ波を送受信する２つのアンテナを備えるイメージング装置が開示されている。２つのアンテナは、検査対象表面からの離間距離が異なるようにして配置される。そして、離間距離の差Ｘをもとにした画像処理を行うことで、２次元画像生成の際に生じ得る、定在波による画像歪みを除去している。

また、特許文献２では、ミリ波の放射アンテナの主軸と検査対象表面の垂直軸との成す角と、受信アンテナの主軸と検査対象表面の垂直軸との成す角が異なるように、放射アンテナ及び受信アンテナが配置される。このような配置とすることで、クラックからの反射波及び検査対象表面からの反射波のうち、後者の受信を抑制している。

特開２００６−２４２７８０号公報 特開２００７−１２１２１４号公報

ところで、２つのアンテナの離間距離の差を用いて画像歪みを除去する場合、検査対象表面が曲面であると各アンテナと検査表面との離間距離が（したがって離間距離の差も）変動して、画像歪みの除去が困難となるおそれがある。また、検査対象表面からの反射波を抑制するように受信アンテナの主軸を傾けると、内部剥離等、検査対象表面と平行な面を持つ欠陥の検出が困難となるおそれがある。そこで、本発明は、従来よりも高精度の欠陥検出が可能な、ミリ波イメージング装置を提供することを目的とする。

本発明に係る、ミリ波イメージング装置は、ミリ波帯域内で周波数掃引された電磁波を検査対象に放射する送信器と、前記検査対象からの反射波を受信する受信器と、前記検査対象表面との離間距離を維持した状態で、前記検査対象表面に沿って、前記送信器及び受信器と前記検査対象とを相対移動させる移動機構と、前記検査対象表面の一点における、周波数別の反射係数の振幅成分の極小値を取る周波数を抽出するとともに、抽出された周波数の、前記検査対象表面の２次元座標に沿った２次元画像を生成する演算部と、を備える。

また、本発明の別の態様に係る、ミリ波イメージング装置は、ミリ波帯域内で周波数掃引された電磁波を検査対象に放射する送信器と、前記検査対象から透過した透過波を受信する受信器と、前記検査対象表面との離間距離を維持した状態で、前記検査対象表面に沿って、前記送信器及び受信器と前記検査対象とを相対移動させる移動機構と、前記検査対象表面の一点における、周波数別の透過係数の振幅成分の極小値を取る周波数を抽出するとともに、抽出された周波数の、前記検査対象表面の２次元座標に沿った２次元画像を生成する演算部と、を備える。

本発明に係るミリ波イメージング装置によれば、従来よりも高精度の欠陥検出が可能となる。

本実施形態に係るミリ波イメージング装置を説明する模式図である。 本実施形態に係るミリ波イメージング装置の別例を説明する模式図である。 ミリ波イメージングのサンプルについて説明する斜視図である。 サンプルの計測結果を示す図である。 サンプルの計測結果を示す図である。 サンプルの計測結果を示す図である。 サンプルの計測結果を示す図である。 サンプルの計測結果を示す図である。 サンプルの計測結果を示す図である。 本実施形態に係るミリ波イメージング装置の計測フローを例示する図である。 本実施形態に係るミリ波イメージング装置の別例を説明する模式図である。

図１に、本実施の形態に係るミリ波イメージング装置１０を例示する。なお、図１では紙面の左方向に延伸する軸をＸ軸とし、紙面の上方向に延伸する軸をＺ軸とし、紙面の奥行き方向に延伸する軸をＹ軸とする。例えば、Ｘ軸、Ｙ軸は水平面上の直交軸を示し、Ｚ軸は鉛直軸を示す。

ミリ波イメージング装置１０は、送信器１２、受信器１４、移動機構１６、演算処理器１８及び信号源２０を含んで構成される。

信号源２０は、ミリ波帯域内で周波数掃引させた電磁波を出力する。信号源２０は、例えば８０ＧＨｚから１００ＧＨｚの帯域幅にて周波数変調させた電磁波を出力する。信号源２０は、例えば掃引発振器から構成される。また、信号源２０は、周波数掃引の際の掃引ピッチを任意に変更可能であってよく、例えば、０．０１ＧＨｚ以上０．１０ＧＨｚの範囲で掃引ピッチが変更可能であってよい。

送信器１２は、検査対象２１の被検査部位２２に電磁波を放射する。送信器１２は信号源２０に接続されており、信号源２０から伝送された電磁波（周波数掃引された電磁波）が送信器１２から出力される。送信器１２は、例えばアンテナから構成される。

受信器１４は、被検査部位２２から反射された電磁波を受信する。受信器１４は演算処理器１８に接続されており、受信器１４に受信された反射波は演算処理器１８に伝送される。受信器１４は、例えばアンテナから構成される。

送信器１２及び受信器１４は、一体化させて単一のアンテナ２４として構成してもよい。アンテナ２４の形状は、電磁波の放射及びその反射波の受信が可能な形状であればよく、例えば略円錐形状のホーンアンテナとすることができる。

また、図２に示すように、送信器１２及び受信器１４を、別々に配置させてもよい。この場合、送信器１２のアンテナ主軸と検査対象２１表面の垂直軸との成す角と、受信器１４のアンテナ主軸と検査対象２１表面の垂直軸との成す角が等しくなるように、送信器１２及び受信器１４を配置することが好適である。

図１に戻り、移動機構１６は、アンテナ２４（送信器１２及び受信器１４）と検査対象２１との相対位置を２次元的に変更させる。例えば、移動機構１６は、検査対象２１を固定させるとともに、アンテナ２４を移動させる。移動機構１６は、Ｘステージ２８、Ｙステージ３０及び固定ステージ４０を備える。Ｘステージ２８は、Ｘステージ移動用モータ３４等の駆動手段によって、図面Ｘ軸方向に移動する。Ｙステージ３０は、Ｙステージ移動用モータ３６等の駆動手段によって、図面Ｙ軸方向に移動する。

Ｘステージ２８及びＹステージ３０は、アンテナ２４を保持するアーム３８に接続される。このような構成を備えることで、Ｘステージ２８及びＹステージ３０の移動に伴い、アンテナ２４がＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能となる。

Ｘステージ２８及びＹステージ３０は、それぞれ移動の際に、Ｚ方向（鉛直方向）には移動しないように、それぞれ図示しないガイド部材に沿って移動する。このようにすることで、検査対象２１表面との離間距離を維持した状態で、検査対象２１表面に沿って、送信器１２及び受信器１４と検査対象２１とを相対移動させることができる。

なお、検査対象２１の表面が曲面である場合には、離間距離を一定に保つべく、移動機構１６は、アンテナ２４の首振り機構やＺ方向のリフトを設けるようにしてもよい。

固定ステージ４０は、検査対象２１を載置してこれを固定する。また、検査対象２１と接する面には、検査対象２１内を透過した電磁波を反射させる反射板２６を備えることが好適である。

演算処理器１８は、移動機構１６、アンテナ２４及び信号源２０に接続されている。演算処理器１８は、これらの機器から送られた信号の演算処理を行ったり、これらの機器の動作を制御する。演算処理器１８は、記憶部４２と演算部４４を含んで構成されている。

記憶部４２には、例えば、Ｘステージ２８、Ｙステージ３０のそれぞれの移動範囲や移動ピッチ、信号源２０の掃引周波数帯域や掃引ピッチ（周波数分割数）、また後述する特定周波数の抽出条件などが記憶されている。記憶部４２はこれらの情報を記憶可能な機器であればよく、例えばＲＯＭやＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ、ハードディスク装置等の１つまたは複数の組み合わせから構成することができる。

演算部４４は、後述するような計測フローを実行して、特定周波数を抽出するとともに、当該特定周波数の２次元画像を生成する。また、Ｘステージ２８及びＹステージ３０を制御することで、アンテナ２４の位置を制御する。演算部４４はこれらの演算処理や抽出処理が可能な機器であればよく、例えばネットワークアナライザを備えたマイクロコンピュータユニットを含んで構成されている。

次に、本実施の形態におけるミリ波イメージング装置における、画像生成工程について説明する。まず、実施例をもとにした測定原理について説明する。

図３に、検査対象２１のサンプルを示す。このサンプルは、厚さ０．２５ｍｍのガラス繊維とエポキシ樹脂の平織りクロスプリプレグ５０を２４枚積層させ成形した、厚さ６ｍｍのガラス繊維強化複合材料（Glass Fiber Reinforced Plastic :GFRP）である。図３では、図示を簡略化するため、積層数を減らしている。また、このサンプルには、厚さ方向中央部に、異物として、直径２０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの円形の低密度ポリエチレンフィルム５２が挿入されている。

アンテナ２４の走査範囲は、Ｘ座標、Ｙ座標ともに６０ｍｍとし、移動ピッチはともに０．５ｍｍとした。サンプル表面とアンテナ２４との離間距離（リフトオフ）は２ｍｍ（Ｚ＝２ｍｍ）とした。また、Ｘ座標及びＹ座標がともに２０ｍｍから４０ｍｍの範囲に、低密度ポリエチレンフィルムが位置するように、サンプルを固定ステージ４０上に配置した。さらに、電磁波の周波数掃引範囲は８０ＧＨｚ以上１００ＧＨｚとし、掃引ピッチは０．０２ＧＨｚとした。

図４に、Ｙ＝３０ｍｍ、Ｘ＝０〜６０ｍｍのときの、周波数別の反射係数の振幅[ｄＢ]を示す。反射係数とは、入射波に対する反射波の比を表すものであり、振幅（大きさ）及び位相を持つベクトル量である。図４は、この反射係数の振幅を取り出してプロットしたものであり、いわゆるリターンロスに相当する。この、反射係数の振幅（リターンロス）は、検査対象２１や空気等の媒質への電磁波の吸収度合いが反映されたものとなる。例えば、反射係数の振幅が低い（負に大きい）場合は、その周波数の電磁波が、検査対象２１や内部の異物等によく吸収されたことを表す。

図４のグラフには、大きく２つの極小値が示されている。図５の左図には、図４の９５ＧＨｚ付近のような、２つの極小値のうち、振幅の落ち込みが相対的に大きい極小値を与える周波数を、サンプル表面のＸ座標及びＹ座標に沿って並べた２次元画像が示されている。この図では相対的に周波数の低い個所が暗くなり、相対的に周波数の高い個所が明るくなる様に画像処理されている。図５右図には、同左図の、Ｙ＝３０ｍｍ、Ｘ＝０〜６０ｍｍのときの、周波数分布を抽出したグラフが示されている。図５左図に示されているように、サンプル内の異物の判別は困難となる。

図６左図には、図４の２つの極小値のうち、８３ＧＨｚ付近のような、振幅の落ち込みが相対的に小さい極小値を与える周波数をプロットした画像が示されている。図６右図には、同左図の、Ｙ＝３０ｍｍ、Ｘ＝０〜６０ｍｍのときの、周波数分布を抽出したグラフが示されている。左図に示されているように、サンプル内の異物が極めて明確に表れる。言い換えると、図６における周波数帯のように、２つの極小値のうち、振幅の落ち込みが相対的に小さい極小値を示す周波数帯をプロットした画像は、異物の影響が強く反映されたものとなる。

図７〜９の各左図には、比較例として、それぞれ極小値を取らない、周波数８０ＧＨｚ、９０ＧＨｚ、１００ＧＨｚの振幅画像（反射係数の振幅成分を、検査対象２１表面のＸ座標及びＹ座標に沿って並べた２次元画像）が示されている。図７〜９の各右図には、Ｙ＝３０ｍｍ、Ｘ＝０〜６０ｍｍのときの、各周波数の反射係数の振幅が示されている。これらの図と図５，６を比較すると、反射係数の振幅成分の極小値を取る周波数による画像のうち、少なくとも一つは、サンプル内の異物を極めて明確に表すことが理解される。

なお、以下では、反射係数の振幅成分の極小値を取る周波数を、特定周波数と呼ぶ。

本実施形態では、上記の測定結果に基づいて、演算部４４が、検査対象２１表面の一点を測定したときの周波数別の反射係数の振幅成分から、特定周波数を抽出する。さらに、各点における特定周波数を用いた画像（周波数の分布画像）を生成することで、検査対象内の異物検査に適した２次元画像を取得する。

図１０には、本実施形態に係るミリ波イメージング装置１０の計測フローが示されている。まず、図示しない入力手段等により、演算処理器１８に対して、計測条件が入力される（Ｓ１０）。この計測条件は、例えば、Ｘ座標及びＹ座標方向の計測範囲、Ｘ座標及びＹ座標の計測ピッチ、掃引周波数の範囲、掃引周波数の分割数（掃引ピッチ）、特定周波数の抽出条件等が含まれる。特定周波数の抽出条件とは、検査対象２１の一点における反射係数の振幅データから抽出する極小値の個数（例えば、振幅の落ち込みの大きなものから順に２個等）を含む。これらの計測条件は、記憶部４２に記憶される。

次に、演算部４４は、Ｘステージ２８及びＹステージ３０を操作して、アンテナ２４を初期位置へ移動させる（Ｓ１２）。例えば（Ｘ，Ｙ）＝（０，０）の位置にアンテナ２４を移動させる。

次に、演算部４４は、計測を開始する（Ｓ１４）。具体的には、初期位置にて周波数掃引された電磁波を放射するとともにその反射波を受信して、周波数ごとに（掃引ピッチごとに）反射係数を求める。求められた反射係数は記憶部４２に記憶される（Ｓ１６）。

さらに、演算部４４は、現在のアンテナ２４が最終計測位置にいるか否かを確認する（Ｓ１８）。例えば、アンテナ２４の現在座標が（Ｘ，Ｙ）＝（６０，６０）であるか否かを確認する。最終計測位置でない場合は、所定の計測ピッチ分アンテナ２４を移動させて（Ｓ２０）、移動後の位置における計測を行う。

アンテナ２４の現在位置が最終計測位置である場合、演算部４４は、特定周波数の抽出を行う（Ｓ２２）。例えば、すべての座標点について、周波数ごとの反射係数の振幅データを求めて、その極小値を取る周波数を抽出する。

次に、演算部４４は、抽出された特定周波数を、検査対象２１表面の平面座標に沿ってプロットした２次元画像を生成する（Ｓ２４）。この２次元画像は、極小値の大きさ別に生成される。例えば、振幅の落ち込みが最も大きい極小値を与える特定周波数から２次元画像を生成する。生成された画像は、演算処理器１８に接続されたディスプレイ等によって表示されるようにしてもよい。

上述したように、反射係数の振幅成分の極小値が複数存在する場合に、極小値を取るそれぞれの周波数をプロットして画像を生成すると、いずれかの画像は、内部の異物を明瞭に示すものとなる。このような知見から、本実施形態では、極小値を取る周波数のみに的を絞って画像を作成している。このようにすることで、すべての周波数ごとに画像を作成する場合と比較して、画像の作成に係る負荷を大幅に軽減させつつ、内部の異物を明瞭に示す画像を確実に得ることができる。

なお、上述した実施形態では、反射係数の振幅に基づいて特定周波数を求めていたが、この形態に限らない。例えば、図１１に示すように、反射係数の代わりに、透過係数の振幅を求めるようにしてもよい。具体的には、固定ステージ４０を、開口を備えたものとして、当該開口に受信器１４を配置する。受信器１４は、送信器１２と対向した位置に設ける。受信器１４及び送信器１２は、対向した位置関係のまま、移動機構１６によって検査対象２１と相対移動させられる。

このようにすることで、送信器１２から放射され検査対象２１を透過した透過波が受信器１４に受信される。その結果、検査対象２１表面の一点における、周波数別の透過係数の振幅成分を求めることが可能となり、さらにそこから、振幅成分の極小値を取る周波数を抽出するとともに、抽出された周波数をプロットして２次元画像を得ることが可能となる。

１０ ミリ波イメージング装置、１２ 送信器、１４ 受信器、１６ 移動機構、１８ 演算処理器。

Claims (2)

1. ミリ波帯域内で周波数掃引された電磁波を検査対象に放射する送信器と、
   前記検査対象からの反射波を受信する受信器と、
   前記検査対象表面との離間距離を維持した状態で、前記検査対象表面に沿って、前記送信器及び受信器と前記検査対象とを相対移動させる移動機構と、
   前記検査対象表面の一点における、周波数別の反射係数の振幅成分の極小値を取る周波数を抽出するとともに、抽出された周波数の、前記検査対象表面の２次元座標に沿った２次元画像を生成する演算部と、
   を備えることを特徴とする、ミリ波イメージング装置。
2. ミリ波帯域内で周波数掃引された電磁波を検査対象に放射する送信器と、
   前記検査対象から透過した透過波を受信する受信器と、
   前記検査対象表面との離間距離を維持した状態で、前記検査対象表面に沿って、前記送信器及び受信器と前記検査対象とを相対移動させる移動機構と、
   前記検査対象表面の一点における、周波数別の透過係数の振幅成分の極小値を取る周波数を抽出するとともに、抽出された周波数の、前記検査対象表面の２次元座標に沿った２次元画像を生成する演算部と、
   を備えることを特徴とする、ミリ波イメージング装置。