JP4369766B2

JP4369766B2 - 表面検査装置

Info

Publication number: JP4369766B2
Application number: JP2004021016A
Authority: JP
Inventors: 昇長谷川
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2024-01-29
Also published as: JP2005214758A

Description

本発明は、金属表面の検査装置に関する。

例えば、鋼板のような金属表面の表面検査装置は、平坦な正常部の中から、疵や凹凸といった様々な種類の欠陥や形状不良などの異常箇所を特定し、異常の種類を判別する装置である。従来、このような検査装置には、例えば、（１）ＣＣＤカメラを用いた方式（例えば特許文献１）や（２）レーザー光を用いた方式（特許文献２）などがあった。（１）は白色ランプから放射された可視光を被測定対象面である金属表面に照射し、その反射光をＣＣＤカメラで撮影する方式であり、特に照射する光はインコヒーレントであることを特徴とする。また、（２）は可視域のレーザーを直径数ｍｍ程度のスポット状に照射し、光検出器を用いて反射光を検出する。両者ともに、可視光を被測定対象面に照射し、該対象面の変化に伴う反射光の違いや偏光の変化を検出することで観察領域が正常或いは異常であるかを判定するものである。両者は光の照射、検出方式の違いによって、検出できる異常の種類が異なるが、大きさがサブｍｍ以上、高低差が数十μｍ以上の緩やかな起伏を持つ凹凸形状の検出及び判別は難しかった。

すなわち、（１）ＣＣＤカメラを用いた方式は、被測定対象面を写真で撮影した場合と同様の画像が得られ、カメラレンズの倍率を上げて空間分解能を上げれば、大きさが１ｍｍ以下の異常も検出できる可能性がある。しかし、この方式では反射光量に基づいた明暗、全体的な形などの情報を抽出するが、対象表面の凹凸情報が得られないため、対象表面の凹凸異常を正確に検出、判別することができなかった。
例えば、金属の製造工程では、スクラッチや異物によって押し込まれた異常などは、その種類や有害度合いが凹凸（深さ）形状と強い相関のある場合があるが、凹凸情報がないために判別は原理上不可能であった。また、工程によっては、本来正常である部位の表面に油や汚れなどが付着することがあるが、ＣＣＤカメラ方式では、凹状の異常部と極めて類似した画像が得られるので、これらを判別することができなかった。
一方、（２）レーザー光を用いた方式は、レーザー光を被測定対象面上に集光するため、検出できる異常の大きさはこの集光スポット径に依存する。一般に、比較的遠距離からレーザー光を照射することから集光スポット径はミリオーダーとなり、１ｍｍ以下の微小な異常を検出することができなかった。

更に、いずれの方式でも、対象面が可視光を乱反射するような粗面である場合、異常部を形作る断面形状の輪郭がなだらかな傾斜を持つ凹凸異常を検出することができなかった。例えば、金属の製造工程では、砥石がけなど特別な表面加工を施して初めて顕在化できる異常がこれに該当する。この異常は砥石がけなどの操作を行わない限り目視でも認識することが不可能であることから、原理上（１）の方式では検出が不可能である。尚、（２）の方式では表面の凹凸によってレーザー光の反射方向が変化するため、この変化を捉えることで凹凸情報が得られる可能性もあるが、表面の粗度が原因となって反射光が散乱し、異常部の凹凸による反射光の変化を著しく低下させること、更にスペックルノイズもＳ／Ｎを低下させる方向に働くことなどから、大きさが１ｍｍ以上あっても凹凸が１００μｍ程度以下の異常を検出することはできなかった。
特許第３０６３５２３号公報特開平６−３０８０５１号公報

本発明は、従来の光学式表面検査装置では検出或いは形状の識別が不可能であった、粗面中のなだらかな輪郭を持つ数十μｍ程度及びそれ以下の凹凸形状を検出、識別することを課題とする。

前記課題は、以下の（１）から（３）の発明により解決される。
（１）金属を検査するための表面検査装置において、波長１０μｍ〜１ｍｍのマイクロ波或いは、その一部の波長のマイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、該マイクロ波を被測定対象面に導く第1の光学系と、被測定対象面からの反射波を検出するマイクロ波検出器と、前記反射波を前記マイクロ波検出器に導く第２の光学系と、被測定対象の移動機構と、測定位置ごとの検出信号を処理して信号強度分布を求め、求めた信号強度分布から前記金属の表面形状を決定する信号処理器とを兼ね備えた表面検査装置であって、前記マイクロ波検出器は、前記第２の光学系の後焦点位置と空間的に異なる位置に設置され、かつ、マイクロ波を空間的に選別して検出する機構を兼ね備えたことを特徴とする表面検査装置。
（２）前記マイクロ波発生器は、１ピコ秒以下の可視波長域のパルス光（可視パルス光）を発生させる光発生器と、該可視パルス光をマイクロ波に変換する機構（変換器）と、該可視光を該変換器に導く光学系とを備えており、１ピコ秒以下のパルスマイクロ波を発生するものであり、かつ、前記マイクロ波検出器は、該パルスマイクロ波が形成する電界によって屈折率が変化する材料と、該材料を照射する可視パルスレーザーと、該パルスレーザーの偏光変化を検出する機構からなることを特徴とする（１）項に記載の表面検査装置。
（３）前記信号処理器は、検出信号を周波数成分毎に処理することを特徴とする（１）又は（２）項に記載の表面検査装置。

課題を解決するための手段（１）項に記載のマイクロ波を用いた表面検査装置において、本発明者らは、被測定対象が平面である場合に比べ、輪郭のなだらかな数十μｍ程度の凹凸がマイクロ波に対して凹或いは凸面ミラーの様に作用し、マイクロ波の集光位置を元々の焦点位置からずらす効果のあること、この効果を第２の光学系の焦点位置からずらした位置にマイクロ波検出器を設置し、且つ、集光した近傍のマイクロ波の例えば中心領域のみを選択的に検出することによってマイクロ波強度として検出できること、更に検出された信号は被測定対象表面の凹凸によって反転した極性を示すことを見出した。
また、パルスマイクロ波を発生して被測定面に照射し、反射マイクロ波を検出する（２）項に記載の表面検査装置は、検出用の可視レーザー光が特定の空間領域を抽出する役割を果たし、マイクロ波を空間的に選別して検出する機構が不要になる特徴がある。

更に、検出したパルス波形を複数の周波数成分に分解して処理する（３）項に記載の表面検査装置は、パルスマイクロ波が被測定対象面で複数の集光スポット径を持つことを利用しており、分解した周波数に応じて複数の空間分解能で測定することができるため、検出または識別の性能が向上する。こうした知見に基づき、従来の可視光を用いた方法或いは、被測定対象からの反射光のうち、正反射成分を遮蔽し、散乱成分のみを検出する方式では実現できなかった微小且つなだらかな表面凹凸の検出、識別装置を提案する。

本発明は、従来の光学式表面検査装置では検出が不可能であった、粗面中にある微小な凹凸形状を検出し、様々な形態の異常をその種類や有害度合いに応じて的確に判別することができる。

本発明の詳細について、図を用いて以下で説明する。
Ｉ）基本構成
課題を解決するための手段（１）項に記載の発明は、例えば図１のように実現できる。マイクロ波発生器１から放射されたマイクロ波２は、単数或いは複数のポリエチレンレンズ又はミラーからなる第１の光学系３を通り、被測定対象８の表面上にビーム径数ｍｍ程度に集光される。被測定対象８表面の法線方向に関して、照射方向と対称な鏡面反射方向を軸として第２の光学系４を設置し、反射マイクロ波２をマイクロ波検出器６の検出面上に導く。検出器の前にマイクロ波を空間的に選択できる空間フィルタ５を設置し、該マイクロ波の一部が検出されるようにする。信号処理器７はマイクロ波検出器６からの信号と同時に、被測定対象の移動機構８から位置情報を受け取り、被測定対象の位置に応じた信号変化を検出することができる。

測定を開始する際に、予め平坦なミラー或いは正常部などを移動機構８上に設置し、参照信号をとっておく。その後、検査対象を設置し、測定信号と参照信号との比をとったものを検出信号とする。移動機構７には検査時に必要な被測定対象９表面とほぼ平行なＸ−Ｙ方向に駆動できる機構の他、被測定対象の厚みや傾斜に応じて測定前に調整するＺ方向及び回転方向の移動機構も有している。被測定対象をＸ−Ｙ方向に移動させると、入射するマイクロ波２の照射位置と異常部との相対位置によって、検出器が受光する光量が変化し、異常の大きさや種類に応じた信号パターンが得られる。

図２（ａ）は本発明の原理を説明するために、図１における被測定対象９、第２の光学系４、空間フィルタ５及びマイクロ波検出器６の部分を抽出したブロック図である。これらはそれぞれ図２（ａ）の１０１、１０２、１０３及び１０４に相当する。本例では光学系１０２は焦点距離の同じレンズ対で構成されており、被測定対象１０１からの反射マイクロ波は１枚目のレンズでほぼ平行波となり、２枚目のレンズで検出器１０４に集光される。この時の焦点位置を図中（ii）で示しており、この位置より光学系１０２に近い側に検出器１０４を設置し、例えばピンホールの様な空間フィルタ１０３でマイクロ波の中心部分を抽出する。

図２（ｂ）は図（ａ）の検出器位置（i）と（ii）におけるマイクロ波の強度分布を示す。被測定対象１０１が平面である場合、被測定対象の表面で反射したマイクロ波は（ii）の位置に比較的緩やかに集光されるので、そのマイクロ波の強度分布１０６は位置（i）、（ii）によらず類似した形状を示す。これに対し、被測定対象１０１が凹（凸）状である場合は検出位置によって顕著な差を生じる。検出位置（ii）では、被測定対象に凹凸があっても、マイクロ波の強度分布に大きな差はなく、結果として図（ｃ）の（ii）のような極めて小さい信号しか検出できない。一方、検出位置（i）では、被測定対象の凹凸によって信号が減少或いは増加する。この時、信号変化の著しい中心部分を空間フィルタ１０３によって選択的に検出するようにすると、その信号は図（ｃ）の（i）中にある１０９、１１０の様に極性を示す。これは被測定対象の凹凸が極性の異なる焦点距離を持つ反射ミラーとして作用するためであり、表面の凹凸や曲率に応じて反射マイクロ波の焦点位置と広がり角度が変化し、位置をずらした検出器と空間フィルタを組み合わせることで初めて信号強度の変化として捉えることができる。尚、本例では、検出器の位置を光学系に近い側にずらしているが、遠いほうにずらしても全く同様の効果を得ることができる。また、本例では検出器の位置をずらす場合のみ記述しているが、光学系を調整することで焦点位置をずらしても同様である。

II）パルスマイクロ波を用いた場合
（２）項に記載のパルス波を用いた検出装置は、例えば、図３に示すような方式で実現できる。本発明の波長領域におけるマイクロ波を発生、検出するには、パルスレーザーによる光サンプリング技術を用いることが考えられ、検出用レーザーとマイクロ波との時間的な遅延機構が必要となる。まず可視或いは赤外パルスレーザー２０１を、ビーム・スプリッタ２０２を用いて２つに分岐し、一方をマイクロ波発生用、他方をマイクロ波検出用に用いる。マイクロ波発生には例えば、半導体基板上の微小なアンテナに集光する方式や、レーザー径を拡大して特定の結晶方向に切り出された非線形光学素子に照射する方式、いわゆる光混合と呼ばれる方式などがある。いずれかの方式によりマイクロ波発生素子２０５から発生されたパルス状のマイクロ波２０６は、光学系２０７を通して被測定面２１７上に照射され、反射マイクロ波はレンズ２０８、２１１からなる第２の光学系２２０によって電気光学素子２１２に導かれる。この素子は光学系２２０の焦点位置から前あるいは後方向にずらして設置してある。電気光学素子２１２はマイクロ波の強度を屈折率変化に変換するもので、マイクロ波が照射されている時間内にレーザー光２１９が通過すると、レーザーの偏光が変化する。この時、レーザー光が通過する領域のみの屈折率変化を検出することになるので、結果として空間フィルタの機能を併せ持つ。これを偏光変化が検出できる検出器２１３で受信すると、レーザー光でサンプリングされたパルス状のマイクロ波を検出することができる。この検出器２１３は例えば、偏光ビーム・スプリッタと２つの光検出器を組み合わせて実現できる。予めマイクロ波発生用のレーザー光の光路中に光変調器２１８を設置しておき、光変調器からの信号と同期させて、光検出信号の差分をロックインアンプ２１４で検出する。レーザー光の遅延機構２０９で検出用レーザー光の遅延時間を連続的に変化させることによって、被測定対象面で反射したマイクロ波のパルス波形を検出することができる。検出後の信号は、信号処理器２１５において、周波数分解され、それらの極性やパターンが計算される。

この時、被測定面２１７に照射されるマイクロ波２０６の集光径はパルス波形を構成する周波数成分毎に異なっており、高い（低い）周波数ほど小さな（大きな）集光径となる。これは、複数の空間分解能で測定することと等価であり、パルスの周波数帯域を選ぶことによって、異常部のサイズに応じて感度を高くするよう調整できる。特に、パルス幅が１ピコ秒以下である場合、数テラヘルツ以上の広い周波数帯域を持つことから検出信号の多重性が増し、かつ、高い精度でパルス波の時間遅延に基づく位相情報も検出できるため、検出や識別の性能が向上するという特徴がある。
以上述べた装置を用いることで、幅がミリオーダーで数十μｍ以下の凹凸の大きさや断面形状の急峻度合いなど、従来判別が困難だった異常の検出やその種類を的確に判別することができる。

図４を用いて実施例の一つを説明する。３０１はＹＡＧレーザーなどで励起されたチタンサファイアレーザーであり、パルス圧縮技術を用いて１００フェムト秒程度の短パルスを発生する。これは１ｋＨｚの繰り返し周波数で波長７７５ｎｍの可視光を出力する。これを可視光用のビーム・スプリッタ３０２を用いて励起用と検出用の２つのビームに分岐する。光変調機３０３はチョッパー或いは音響光学モジュレータであり、５００Ｈｚの周波数でレーザーを変調する。この時、レーザーパルスの２つに１つを通過させるように、レーザーの発振信号とチョッパーとの同期を取っておく。光学系３０４は、例えば焦点距離が−２５ｍｍの凹レンズと７５ｍｍの凸レンズとを組み合わせたテレスコープであり、この場合はビーム径を３倍に拡げることができる。本例ではレーザーのビーム径が約８ｍｍで、テレスコープを通過後２４ｍｍ程度に拡大される。これを２次の非線形係数を持つＺｎＴｅ結晶３０５に照射する。この結晶は〈１１０〉面でカットされており、厚みが１〜２ｍｍである。これをレーザー光軸に垂直に設置し、面内で回転させて最適な角度に調整すると、１ピコ秒以下の短パルスマイクロ波を発生させることができる。ＺｎＴｅの大きさはレーザーの径より大きく３０ｍｍ程度とした。ＺｎＴｅ３０５と凹面鏡３０７、被測定対象３０８の間の距離はそれぞれ凹面鏡の軸はずし焦点距離と同じ１２０ｍｍに設定した。凹面鏡３０７はマイクロ波を被測定対象に導く弟１の光学系とマイクロ波を検出器に導く弟２の光学系で共有されている。これは、マイクロ波を被測定対象３０８に垂直に照射するためであり、マイクロ波に対するビーム・スプリッタ３０６をＺｎＴｅと凹面鏡３０７との間に設置することで実現される。凹面鏡３０７と３１９との間は２４０ｍｍであるが、凹面鏡３１９と検出用のＺｎＴｅ３１１間は１１５ｍｍになっている。

一方、検出用レーザーは移動ステージ上に設置されたミラー対或いは、コーナーキューブミラーを通過する際に、パルスマイクロ波に対して−５から２０ピコ秒程度の遅延が生じるように調整する。これを可視光に対するビーム・スプリッタ３０９でマイクロ波と同軸になるよう合成し、ＺｎＴｅ結晶３１１上に集光する。ビーム・スプリッタは薄膜に金属蒸着したペリカルビーム・スプリッタとよばれるもので、反射率は１０％である。ＺｎＴｅ３１１はマイクロ波が照射されると内部の屈折率が変化し、この間にレーザーパルスが通過するとレーザーの偏光がマイクロ波強度に応じて変化する。この偏光変化を波長板３１２、偏光ビーム・スプリッタ３１３及び２つのＰＩＮフォトダイオード３１４で検出する。マイクロ波が照射されない状態で、予めフォトダイオードに入射するレーザー光の割合が１：１になるように波長板を調整しておく。ロックインアンプ３１５はチョッパー３０３の変調周波数成分に同期して、２つのＰＩＮフォトダイオードの受光信号を差分検出する。検出したパルス信号はＰＣ３１６でフーリエ変換され、周波数成分に分解される。同時に、ＰＣ３１６からステージ３１７を用いて被測定対象を移動させ、被測定対象と同期して信号強度を検出する。図５は本手法で得られた検出画像であり、周波数が１テラヘルツの信号強度を被測定対象の位置毎にプロットしたものである。これらは対象の凹／凸に応じて信号の極性が反転し、その曲率に応じて信号強度が変化するので、対象の形状を的確に識別することができる。

本発明に関わる装置の基本構成を表すブロック図である。本発明の原理の説明図である。パルスマイクロ波を用いた検査装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施例を示す図である。本発明の実施例で得られた測定信号を示す図である。

符号の説明

１：マイクロ波発生器
２：マイクロ波
３：マイクロ波を被測定対象面に導く第１の光学系
４：反射マイクロ波を検出器に導く第２の光学系
５：空間フィルタ
６：マイクロ波検出器
７：信号処理器
８：被測定対象の移動機構
９：被測定対象
１０１：被測定対象
１０２：マイクロ波を検出器に導く光学系
１０３：空間フィルタ
１０４：マイクロ波の検出器
１０５：被測定対象が凸状の場合の検出器前面におけるマイクロ波形状
１０６：被測定対象が平面の場合の検出器前面におけるマイクロ波形状
１０７：被測定対象が凹状の場合の検出器前面におけるマイクロ波形状
１０８：マイクロ波の選択領域
１０９：被測定対象が凸状の場合の検出信号
１１０：被測定対象が凹状の場合の検出信号
２０１：可視或いは赤外のパルスレーザー
２０２：ビーム・スプリッタ
２０３：ミラー
２０４：集光或いは拡大光学系
２０５：マイクロ波発生素子
２０６：パルスマイクロ波
２０７：マイクロ波を被測定対象に導く第１の光学系
２０８、２１１：レンズ
２０９：レーザー光の遅延機構
２１０：ダイクロイックミラー
２１２：電気光学素子
２１３：偏光変化を検出する検出器
２１４：ロックインアンプ
２１５：信号処理器
２１６：被測定対象の移動機構
２１７：被測定対象
２１８：光変調器
２１９：レーザー光
２２０：反射マイクロ波を検出器に導く第２の光学系
２２１：同期機構
３０１：チタンサファイアレーザー
３０２：ビーム・スプリッタ
３０３：チョッパー
３０４：テレスコープ
３０５：ＺｎＴｅ結晶
３０６：マイクロ波に対するビーム・スプリッタ
３０７、３１９：凹面鏡
３０８：被測定対象
３０９：レーザー光に対するビーム・スプリッタ
３１０：ダイクロイックミラー
３１２：ＺｎＴｅ結晶
３１３：偏光ビーム・スプリッタ
３１４：ＰＩＮフォトダイオード
３１５：ロックインアンプ
３１６：ＰＣ
３１７：移動ステージ
３１８：同期信号送信機

Claims

金属を検査するための表面検査装置において、波長１０μｍ〜１ｍｍのマイクロ波或いは、その一部の波長のマイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、該マイクロ波を被測定対象面に導く第1の光学系と、被測定対象面からの反射波を検出するマイクロ波検出器と、前記反射波を前記マイクロ波検出器に導く第２の光学系と、被測定対象の移動機構と、測定位置ごとの検出信号を処理して信号強度分布を求め、求めた信号強度分布から前記金属の表面形状を決定する信号処理器とを兼ね備えた表面検査装置であって、前記マイクロ波検出器は、前記第２の光学系の後焦点位置と空間的に異なる位置に設置され、かつ、マイクロ波を空間的に選別して検出する機構を兼ね備えたことを特徴とする表面検査装置。
前記マイクロ波発生器は、１ピコ秒以下の可視波長域のパルス光（可視パルス光）を発生させる光発生器と、該可視パルス光をマイクロ波に変換する機構（変換器）と、該可視光を該変換器に導く光学系とを備えており、１ピコ秒以下のパルスマイクロ波を発生するものであり、かつ、前記マイクロ波検出器は、該パルスマイクロ波が形成する電界によって屈折率が変化する材料と、該材料を照射する可視パルスレーザーと、該パルスレーザーの偏光変化を検出する機構からなることを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
前記信号処理器は、検出信号を周波数成分に分解して処理することを特徴とする請求項１又は２に記載の表面検査装置。