JP7291618B2 - 画像取得システム及び画像取得方法 - Google Patents

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Description

本発明は、画像取得システム及び画像取得方法に関する。
近年、環境負荷低減のため省エネルギー化のニーズが高まっている。その流れに伴いモーターやソレノイド、トランスなどの電子制御部品の高性能化、高制御化、高効率化及び省電力化が急務である。これら部品は主に電線と鉄心で構成され、電気エネルギーと磁気エネルギーの変換を行っている。ここで、効率よくエネルギー変換できることが省エネルギー対策において最も重要である。
この鉄心には主に軟磁性材料が使用され、一般的には電磁鋼板が用いられている。電磁鋼板や軟磁性体材料では応力や歪が入ると材料強度や磁気特性が変化する。通常は応力や歪は材料脆化等を引き起こし破損の原因となる。また、試料内において磁気特性が不均一であることは特性向上の妨げとなる。
しかし、一部の電磁鋼板においては歪を効果的に制御することで性能を向上することができる。磁性材料においては粒子の形状や大きさ、粒径分散、粒子と粒子の間の粒界形状などにより磁気特性が大きく変化することが知られている。
そのため、歪の有無を簡便に判断し且つその歪が影響する領域が評価でき、さらに歪が生じた原因を解明することができる手段が必要とされている。同時に粒子形状や粒径、粒径分散なども評価できる手段も必要とされている。
従来、応力歪評価に用いられる方法としてはＸ線を用いた方法や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）や電子線後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）などによる格子定数の変化を測定する方法がある。また、粒径解析としては反射電子（ＢＳＥ）像を用いた方法がある。例えば、特許文献１には、既知の材料をもとに透磁率を推定する技術が開示されている。
特開２００２－１５６３６１号公報
従来、応力歪評価に用いられるＸ線を用いた測定では試料片全体の平均的な歪の値しかわからないため、歪が入っている場所が特定できない。また、ＴＥＭによる歪測定は、ｎｍオーダーでの評価であり、広範囲で試料を測定することが難しい。
同様に、ＥＢＳＤによる歪測定においても表面の平滑化が必要なため、観察のためには試料表面を加工する必要がある。そのため、歪が入った原因について解析することが難しく、歪の頻度や歪が入った原因の解明ができない。
また、ＢＳＥ像から粒径解析をするためには、試料を真空中に入れる必要があり、試料形状が制限されてしまう。
特許文献１に開示されている方法によれば、既知の材料をもとに透磁率を推定することはできるが、歪分布状態を把握することができない。このため、簡便で広範囲に歪分布を測定することが望まれている。
本発明の目的は、画像取得システムにおいて、簡便で広範囲に歪分布を測定することにある。
本発明の一態様の画像取得システムは、信号処理部を有し、磁性体を含む試料の画像を取得する画像取得システムであって、前記信号処理部は、基準となる基準外部磁場を用いて、光を照射し基準となる前記試料の基準磁区画像を取得し、外部磁場を変化させながら印加した状態で複数の磁区画像を取得し、複数の前記磁区画像から前記基準磁区画像をそれぞれ差し引いた複数の差引画像を取得し、複数の前記差引画像から磁区が反転した磁区反転領域をそれぞれ抽出し、前記磁区反転領域をそれぞれ有する複数の前記差引画像を合成することにより、複数の前記磁区反転領域を有する合成画像を取得することを特徴とする。
本発明の一態様の画像取得方法は、磁性体を含む試料の画像を取得する画像取得方法であって、基準となる基準外部磁場を用いて、光を照射し基準となる前記試料の基準磁区画像を取得するステップと、外部磁場を変化させながら印加した状態で複数の磁区画像を取得するステップと、複数の前記磁区画像から前記基準磁区画像をそれぞれ差し引いた複数の差引画像を取得するステップと、
複数の前記差引画像から磁区が反転した磁区反転領域をそれぞれ抽出するステップと、前記磁区反転領域をそれぞれ有する複数の前記差引画像を合成することにより、複数の前記磁区反転領域を有する合成画像を取得するステップと、を有することを特徴とする。
本発明の一態様によれば、画像取得システムにおいて、簡便で広範囲に歪分布を測定することができる。
実施例１の画像取得システムの構成を示す図である。 実施例１の画像取得方法を示すフローチャートである。 差し引き画像を取得する手法の一例を示す説明図である。 差し引き画像の一例を示す説明図である。 磁化反転領域のマッピング画像の構成の一例を示す説明図である。 歪分布図の構成の一例を示す説明図である。 実施例１の操作ＧＵＩの一例を示す説明図である。 実施例２の画像取得方法を示すフローチャートである。 実施例３の画像取得方法を示すフローチャートである。 差し引き画像から粒界を取得する手法の一例を示す説明図である。 粒界画像の一例を示す説明図である。 実施例３の操作ＧＵＩの一例を示す説明図である。
以下、図面を用いて実施例について説明する。
図１を参照して、実施例１の画像取得システムの構成について説明する。
画像取得システムは、ステージ機構系、光学系及び画像処理系により構成されている。
ステージ機構系は、磁性体の試料３を固定しＸＹＺ軸に移動可能なステージを備えた試料ホルダ１と外部磁場を印加できる電磁コイル２を有する。光学系は検出器８を有する。画像処理系は、制御装置１１と画像表示端末（ＧＵＩ）１２を有する。制御装置１１は、信号処理部９と記憶部（データベース）１０を有する。
レーザー光５が入射光６として試料３の平面に入射し、試料３の平面で反射した入射光７が検出器８で検出される。ここで、４は試料法線方向を示す。検出器８で検出された検出信号は信号処理部９に送られて所定の処理が行われる。
図２を参照して、実施例１の画像取得方法について説明する。
最初に、試料３は試料ホルダ１の上に固定され、試料ホルダ１の上に載せた試料３の表面形状の観察を行い、形状画像を取得する（Ｓ１０１）。また、この時点において外部からの磁場は印加されない。つまり、無磁場で光顕画像を取得する。形状画像は光学顕微鏡などを用いて撮影することも可能である。
次に、同一視野において、所定強度の光を照射し基準となる試料３の磁区画像を取得する（Ｓ１０２）。この時点においても外部磁場は印加されない。つまり、無磁場で磁区画像を取得する。
ここで使用される光は、可視光や紫外光などである。光を磁性体の試料３の平面に入射して反射光７の偏光面が回転することをＫｅｒｒ効果と呼ぶ。Ｋｅｒｒ顕微鏡では、このＫｅｒｒ効果を用いて試料３の磁化の向きを検出し磁区画像を取得する。試料３の磁化が面内方向に向いている場合は縦Ｋｅｒｒ効果や横Ｋｅｒｒ効果を用い、試料３の磁化が試料面に垂直方向に向いている場合は極Ｋｅｒｒ効果を用いて磁区画像を得る。
縦Ｋｅｒｒ効果や横Ｋｅｒｒ効果を利用するためには、試料法線方向４に対して入射光６を４５度斜めから入射し、極Ｋｅｒｒ効果を利用するためには、試料３の試料法線方向４から入射光を入れる。さらに、Ｋｅｒｒ顕微鏡の偏光子と検光子を３～５度程ずらすことで、磁区コントラストが形成され磁区画像を得ることができる。ここでは、Ｋｅｒｒ顕微鏡を用いて磁区画像を取得しているが、他の手段を用いて磁区画像を取得しても良い。例えば、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）や走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて磁区画像を取得しても良い。
次に、試料３の両端に設置される電磁コイル２により外部磁場を印加した状態で磁区画像を取得する（Ｓ１０３）。
次に、外部磁場を印加して得られた磁区画像から基準の磁区画像を差し引いた差し引き画像を取得する（Ｓ１０４）。得られた差し引き画像から磁区が反転した領域を抽出して磁区反転領域を特定していく（Ｓ１０５）。
上記の工程（Ｓ１０１～Ｓ１０５）を繰り返すことにより外部磁場を変化させた差し引き画像を取得し、この差し引き画像から磁区が反転した磁区反転領域を抽出し、一画像に集約して合成する。このようにして、磁区反転領域のマッピング画像である合成画像を取得する。
この際、磁化が反転しない領域を非磁性体領域、例えば粒界領域と判断して、粒界像を形成し粒径分布を解析することも可能であり、歪分布のマッピング画像と同様に材料解析に有効である。ここで取得した画像は全て記憶部１０であるデータベースに記憶する。
次に、各磁区反転領域の歪量をそれぞれ算出する（Ｓ１０６）。
次に、マッピング画像（合成画像）において、磁区反転領域と歪量とを対応付けることにより歪分布画像を作製して取得する（Ｓ１０７）。
最後に、歪分布画像を用いて、歪原因を調査する（Ｓ１０８）。
図３を参照して、差し引き画像の取得方法について説明をする。
（ａ）は、所定の外部磁場を印加して得られた磁区画像である。（ｂ）は、同一視野における磁場を印加する前（無磁場）の基準の磁区画像である。（ｃ）は、画像（ａ）から画像（ｂ）を差し引いた画像である。所定の外部磁場を印加することにより、磁化反転した領域のコントラストが変化して磁区反転領域３１が抽出できる。
次に、図４に、外部磁場を変化させながら印加して得られた磁区画像から、基準の磁区画像を差し引いて得られた差し引き画像を示す。
（ａ）、（ｂ）の差し引き画像においては、低磁場反転領域４１、４２が形成されている。（ｃ）の差し引き画像においては、中磁場反転領域４３と反転しない領域４４が形成されている。（ｃ）の差し引き画像においては、高磁場反転領域４５が形成されている。
上記工程（Ｓ１０１～ＳＳ１０５）を繰りかえすことで、それぞれの外部磁場に応じて様々な領域のコントラストが変化した磁区画像を得ることができる。
図５に磁区反転領域のマッピング画像（合成画像）を示す。
図４に示した外部磁場を変化させながら印加して得られた磁区画像から基準の磁区画像を差し引いて得られた差し引き画像（（ａ）～（ｄ））を合成することにより、複数の磁区反転領域を有する合成画像を取得する。このように、合成画像では、低磁場で反転する低磁場反転領域４１、４２、中磁場で反転する中磁場反転領域４３、反転しない領域４４及び高磁場で反転する高磁場反転領域４５が形成されている。磁区が反転した領域を抽出し、一画像に集約して合成することで反転領域のマッピング画像を取得することができる。
次に、図６に示すように、複数の磁区反転領域の歪量をそれぞれ算出し、合成画像において磁区反転領域と歪量とを対応付けることにより歪分布画像を取得する。
ここで、外部磁場がＨｉｎｖの時、磁区が反転したとするとこの時の異方性定数をＫｕは、以下の数１で表される。
Ｋｕ ∝ Ｈｉｎｖ ｘ Ｉｓ Ｉｓ：自発磁化 （数１）
また、磁気異方性エネルギーの式より応力σは、以下の数２で表される。
σ ∝ Ｋｕ／λ λ：磁歪定数 （数２）
この数１と数２と材料毎のヤング率から、図２のＳ１０６において歪量εを算出する。
ここで、低磁場反転領域４１、４２の歪量ε＝１．８ｘ１０－４、中磁場反転領域４３の歪量ε＝３．２ｘ１０－２、高磁場反転領域４５の歪量ε＝５．２ｘ１０－２である。ここで、４４は反転しない領域である。
尚、得られた歪分布画像は記憶部１０に記憶する。図６に示すように、歪量と反転領域の合成画像を対応付けることで歪分布画像を取得することができる。
図７を参照して、画像表示端末１２の画面に表示される内容について説明する。図７は操作ＧＵＩの例である。ここで、７１、７２、７３、７４、７５は画面のウィンドウである。
画像表示端末１２の画面には、記憶部１０に記憶された形状像（形状画像）、磁区像（磁区画像）、差し引き像（差し引き画像）及び歪分布像（歪分布画像）が纏めて表示される。このように、得られた画像は操作ＧＵＩ上にすべて表示することができる。つまり、得られた歪分布像と形状像をＧＵＩに同時に表示することができる。これにより、表面構造との対応付けが容易にできることから、歪が入った原因の推定及び解明が容易にできる。この結果、図６の６１は傷が入った領域と判断できる。尚、得られた差し引き像や歪分布像及び形状像はすべて記憶部１０に記憶される。
画像表示端末１２の画面を、磁性を持つ試料の評価に用いることにより非破壊で試料の歪分布のマッピングと定量評価が行える。このため、試料の品質管理にも使用できる。
図８を参照して、実施例２の画像取得方法について説明する。
図２に示す実施例１の画像取得方法と異なる点は、図２のＳ１０２がＳ８０２に置き変わった点である。つまり、図２のＳ１０２では、外部磁場は印加されない無磁場で基準とする磁区画像を取得しているのに対して、図８のＳ８０２では、外部磁場を印加して基準とする磁区画像を取得している。その他のステップ（Ｓ１０１、Ｓ１０３、Ｓ１０４、Ｓ１０５、Ｓ１０６、Ｓ１０７）は、図２に示す実施例１の画像取得方法と同じなのでその説明は省略する。
実施例２の画像取得方法では、図８に示すように、基準となる磁区画像取得において、ある所望の磁場印加状態において磁区画像を取得する。例えば、完全に磁化が飽和するレベルの高磁場を印加し、単磁区状態になった画像を基準画像とすることも有効である。取得後は実施例１と同様の手順で複数回撮像を繰り返して磁区画像を取得する。これにより、歪分布画像を取得し、歪が入った原因の推定及び解明を容易に行うことができる。
図９を参照して、実施例３の画像取得方法について説明する。
実施例３では、途中までは図８に示す実施例２と同様の手順で粒界画像を取得する。すなわち、磁区画像を取得し、所定の外部磁場を印加した画像との差し引き画像を取得して粒界領域の画像を取得する。
最初に、試料３は試料ホルダ１の上に固定され、試料ホルダ１の上に載せた試料３の表面形状の観察を行い、形状画像を取得する（Ｓ９０１）。また、この時点において外部からの磁場は印加されない。つまり、無磁場で光顕画像を取得する。
次に、同一視野において、基準とする外部磁場で磁区画像を取得する（Ｓ９０２）。
次に、試料３の両端に設置される電磁コイル２により外部磁場を印加した状態で磁区画像を取得する（Ｓ９０３）。
最後に、外部磁場を印加して得られた磁区画像から基準の磁区画像を差し引いた差し引き画像を取得する（Ｓ９０４）。
図１０に示すように、粒界部分が非磁性体又は粒子内部と異なる組成や組織などで形成されている場合、粒子内部領域のコントラストと粒界部分のコントラストに違いが生じる。ここで、１０１は粒子であり、１０２は粒界である。
このため、画像を差し引きすることで、図１１で示すような粒界領域が抽出できる。観察位置を少しずつずらしながら複数枚評価することで、広い領域の粒子形状や粒径測定、粒径分布などの評価が可能である。ここで、１１１は粒子であり、１１２は粒界である。
得られた粒子形状や粒径測定、粒径分布などのデータと実施例１又は実施例２で得られる歪分布画像と組み合わせることにより、歪が入った原因の推定及び解明を容易に行うことができる。
実施例３におけるＧＵＩの操作画面の例を図１２に示す。ここで、１２１、１２２、１２３、１２４、１２５は、画面のウィンドウである。
得られた差し引き像（差し引き画像）、歪分布像（歪分布画像）、形状像（形状画像）及び粒界像（粒界画像）はＧＵＩに同時に表示することができる。各画像を比較することで、表面構造や粒子構造との対応付けが容易にできる。このため、歪が入った原因の推定及び解明が容易にできる。
このＧＵＩの操作画面を用いて、磁性を持つ試料の評価を行う。これにより、非破壊で試料の歪分布のマッピングと定量評価が行える。このため、材料の品質管理にも使用できる。
上記実施例では、磁区観察から磁区コントラストが反転する外部磁場の値を測定することで、その磁区の歪量を推定し、観察領域での歪分布画像を形成する。そして、磁性体における磁区の歪量（ε）を算出し、観察領域での歪分布画像を得る。すなわち、表面形状像と同視野において磁区構造が撮影できる手法を備えた装置から、外部磁場に応じた磁区変化を抽出し、外部磁場による磁区反転したデータを併せて解析する。これにより、歪量を算出し歪分布画像を作成して表面形状像と同時に表示する。
上記実施例によれば、磁性体における磁区の歪量を推定し、観察領域での歪分布画像が得られる。同一視野での光顕による形状像が簡便に得られるほか、磁場印加による磁化反転と磁区構造も同時に観察できる。これにより得られる磁区画像又は差し引き画像からの粒界像より、試料状態や粒界位置が確認可能である。これにより、歪の発生原因の解明が可能である。また、試料は大気中にて接触レス、加工レスで簡便に複数回の評価が可能である。
また、動的モードでの観察が可能なため、部品動作モードでも歪評価が可能である。また、得られた差し引き画像より、粒界位置が判別可能なため粒径測定や粒径分布評価も可能である。
このように、上記実施例によれば、画像取得システムにおいて、簡便で広範囲に歪分布を測定することができる。
１ 試料ホルダ
２ 電磁コイル
３ 試料
４ 試料法線方向
５ レーザー光
６ 入射光
７ 反射光
８ 検出器
９ 信号処理部
１０ 記憶部（データベース）
１１ 制御装置
１２ 画像表示端末（ＧＵＩ）
３１ 磁化反転領域
４１、４２ 低磁場反転領域
４３ 中磁場反転領域
４４ 反転しない領域
４５ 高磁場反転領域
６１ 傷が入った領域
６２ 反転しない領域
７１、７２、７３、７４、７５ ウィンドウ
１０１、１１１ 粒子
１０２、１１２ 粒界
１２１、１２２、１２３、１２４、１２５ ウィンドウ

Claims (13)

  1. 信号処理部を有し、磁性体を含む試料の画像を取得する画像取得システムであって、
    前記信号処理部は、
    基準となる基準外部磁場を用いて、光を照射し基準となる前記試料の基準磁区画像を取得し、
    外部磁場を変化させながら印加した状態で複数の磁区画像を取得し、
    複数の前記磁区画像から前記基準磁区画像をそれぞれ差し引いた複数の差引画像を取得し、
    複数の前記差引画像から磁区が反転した磁区反転領域をそれぞれ抽出し、
    前記磁区反転領域をそれぞれ有する複数の前記差引画像を合成することにより、複数の前記磁区反転領域を有する合成画像を取得し、
    前記信号処理部は、
    複数の前記磁区反転領域の歪量をそれぞれ算出し、
    前記合成画像において、前記磁区反転領域と前記歪量とを対応付けることにより歪分布画像を取得することを特徴とする画像取得システム。
  2. 前記信号処理部は、
    複数の前記磁区反転領域として、少なくとも第１の磁場で反転する第１の磁区反転領域と、前記第１の磁場より高い第２の磁場で反転する第２の磁区反転領域と、前記第２の磁場より高い第３の磁場で反転する第３の磁区反転領域とを抽出し、
    複数の前記磁区反転領域の歪量として、少なくとも第１の歪量と、前記第１の歪量より大きい第２の歪量と、前記第２の歪量より大きい第３の歪量とを算出し、
    前記第１の磁区反転領域と前記第１の歪量とを対応付け、
    前記第２の磁区反転領域と前記第２の歪量とを対応付け、
    前記第３の磁区反転領域と前記第３の歪量とを対応付けることを特徴とする請求項１に記載の画像取得システム。
  3. 前記信号処理部は、
    前記基準外部磁場として外部磁場を印加しない無磁場の状態で、前記基準磁区画像を取得することを特徴とする請求項１に記載の画像取得システム。
  4. 前記信号処理部は、
    所定の視野において、無磁場の状態で前記試料の表面形状の形状画像を取得し、
    前記所定の視野において、前記基準磁区画像と複数の前記磁区画像を取得することを特徴とする請求項１に記載の画像取得システム。
  5. 所定の情報を記憶する記憶部と、
    所定の画像を表示する画像表示端末と、を更に有し、
    前記記憶部は、
    前記形状画像と前記磁区画像と前記差引画像と前記歪分布画像とを記憶し、
    前記画像表示端末は、
    前記記憶部に記憶された前記形状画像と前記磁区画像と前記差引画像と前記歪分布画像とを纏めて表示することを特徴とする請求項４に記載の画像取得システム。
  6. 前記信号処理部は、
    Ｋｅｒｒ顕微鏡、磁気力顕微鏡及び走査電子顕微鏡のいずれかを用いて、前記光を照射して前記基準磁区画像を取得することを特徴とする請求項１に記載の画像取得システム。
  7. 前記信号処理部は、
    光学顕微鏡を用いて、前記形状画像を取得することを特徴とする請求項４に記載の画像取得システム。
  8. 前記試料を固定して移動可能なステージを備えた試料ホルダと、
    前記外部磁場を印加可能な電磁コイルと、
    を更に有することを特徴とする請求項１に記載の画像取得システム。
  9. 少なくとも前記試料の粒界画像を表示する画像表示端末を更に有することを特徴とする請求項１に記載の画像取得システム。
  10. 磁性体を含む試料の画像を取得する画像取得方法であって、
    基準となる基準外部磁場を用いて、光を照射し基準となる前記試料の基準磁区画像を取得するステップと、
    外部磁場を変化させながら印加した状態で複数の磁区画像を取得するステップと、
    複数の前記磁区画像から前記基準磁区画像をそれぞれ差し引いた複数の差引画像を取得するステップと、
    複数の前記差引画像から磁区が反転した磁区反転領域をそれぞれ抽出するステップと、
    前記磁区反転領域をそれぞれ有する複数の前記差引画像を合成することにより、複数の前記磁区反転領域を有する合成画像を取得するステップと、
    複数の前記磁区反転領域の歪量をそれぞれ算出するステップと、
    前記合成画像において、前記磁区反転領域と前記歪量とを対応付けることにより歪分布画像を取得するステップと、
    を有することを特徴とする画像取得方法。
  11. 前記基準磁区画像を取得するステップは、
    前記基準外部磁場として外部磁場を印加しない無磁場の状態で、前記基準磁区画像を取得することを特徴とする請求項１０に記載の画像取得方法。
  12. 前記試料の表面形状の形状画像と前記磁区画像と前記差引画像と前記歪分布画像とを記憶するステップと、
    前記記憶された前記形状画像と前記磁区画像と前記差引画像と前記歪分布画像とを纏めて表示するステップと、
    を更に有することを特徴とする請求項１０に記載の画像取得方法。
  13. 少なくとも前記試料の粒界画像を表示するステップを更に有することを特徴とする請求項１０に記載の画像取得方法。
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