内部欠陥検査方法及びその装置
【課題】
試料にダメージを与えることなく、非接触で試料に超音波を励起し、試料内部の欠陥からの超音波を、試料表面の影響を受けることなく非接触かつ高感度に検出する内部欠陥検査方法及びその装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
本発明は、超音波送信部から試料に向けて超音波を出射させて、試料から反射した超音波を結像形共通光路干渉計により干渉信号として検出し、前記干渉信号から超音波信号を得て、該超音波信号から試料内部の欠陥を検出することを特徴とする。
試料にダメージを与えることなく、非接触で試料に超音波を励起し、試料内部の欠陥からの超音波を、試料表面の影響を受けることなく非接触かつ高感度に検出する内部欠陥検査方法及びその装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
本発明は、超音波送信部から試料に向けて超音波を出射させて、試料から反射した超音波を結像形共通光路干渉計により干渉信号として検出し、前記干渉信号から超音波信号を得て、該超音波信号から試料内部の欠陥を検出することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部欠陥の検査方法とその装置に係り、特に空中超音波によって試料内部に超音波を伝搬させ、内部欠陥から反射あるいは透過してくる超音波の振動を光干渉計によって検出する内部欠陥検査方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料内部の欠陥を検査する方法として、非特許文献１に開示されているように、水をカップリング材として固体試料に超音波を励起し、試料内部の欠陥から透過あるいは反射してくる超音波を光干渉計で検出するレーザ走査超音波顕微鏡（ＳＬＡＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が知られている。
【０００３】
また、非特許文献２には、パルスレーザ光を固体試料に照射して、試料内部に弾性波を励起し、試料内部の欠陥により生じた表面弾性波の振幅と位相の変化を光干渉計で検出する方法が開示されている。
【０００４】
また、非特許文献３には、直線状の強度変調レーザ光を固体試料に照射し、試料表面の微小な熱膨張変位の振幅と位相を直線状ビームを用いた光干渉計により一括検出することで、内部欠陥像を高速イメージングする方法が開示されている。
【０００５】
また、特許文献１には、空中超音波を試料内部に伝搬させ、内部欠陥からの空中超音波を検出する方法が開示されている。
【０００６】
また、超音波探触子を試料表面に密着させて、超音波の励起と検出を行う方法も知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１５０６９２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】ＡＳＮＴ Ｎａｔｌ．Ｃｏｎｆ．，Ｓｐｒｉｎｇ １９８０，ｐｐ．１１−１７（１９８０）
【非特許文献２】Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ １９８６ ＩＥＥＥ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ，ｐｐ．５１５−５２６（１９８６）
【非特許文献３】Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，４５，ＰＰ．２６４３−２６５５（２００６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記した非特許文献１による水をカップリング材として固体試料に超音波を励起するレーザ走査超音波顕微鏡では、水による試料の汚染の問題があり、適用対象が限定されるという課題があった。また、従来の光干渉計では測定感度がｎｍからサブμｍオーダであり感度が不足していたため、十分な内部欠陥検出感度が得られないという課題があった。
【００１０】
また、非特許文献２によるパルスレーザ光を固体試料に照射して、試料内部に弾性波を励起する方法では、同様に表面弾性波を検出する光干渉計の測定感度がｎｍからサブμｍオーダであり感度が不足していたため、レーザ出力を大きくせざるを得ず、アブレーション等が発生し試料がダメージを受けてしまうという課題があった。
【００１１】
また、非特許文献３による直線状の強度変調レーザ光を固体試料に照射し、試料表面の微小な熱膨張変位の振幅と位相を直線状ビームを用いた光干渉計により一括イメージングする方法では、同様に光干渉計の測定感度がｎｍからサブμｍオーダであり感度が不足していたため、十分な内部欠陥検出感度が得られないという課題があった。
【００１２】
また、特許文献１による空中超音波を試料内部に伝搬させ、内部欠陥からの空中超音波を検出する方法では、試料内部に伝搬する超音波が微弱であり、さらに欠陥からの空中超音波も極めて微弱であるため、十分な内部欠陥検出感度が得られないという課題があった。
【００１３】
また、試料表面に凹凸が存在していたり、試料表面が粗面で構成されている場合には、超音波探触子を試料表面に密着させることができず、内部欠陥検出感度が著しく低下するという課題があった。
【００１４】
そこで本発明では上記課題に鑑み、試料にダメージを与えることなく、非接触で試料に超音波を励起し、試料内部の欠陥からの超音波を、試料表面の影響を受けることなく非接触かつ高感度に検出する内部欠陥検査方法及びその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、超音波送信部から試料に向けて超音波を出射させて、試料から反射した超音波を結像形共通光路干渉計により干渉信号として検出し、前記干渉信号から超音波信号を得て、該超音波信号から試料内部の欠陥を検出することを特徴とする内部欠陥検査方法を提供する。
【００１６】
また、他の観点における本発明は、空中に超音波を出射させて試料内部に伝搬させる超音波送信部と、試料内部を伝搬する該超音波を超音波振動として試料表面にて検出する結像形共通光路干渉計と、該結像形共通光路干渉計で検出された干渉信号から超音波信号を検出する超音波信号検出手段とを備える特徴とする内部欠陥検査装置を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、試料にダメージを与えることなく、非接触で試料に超音波を励起し、試料内部の欠陥からの超音波を、試料表面の影響を受けることなく非接触かつ高感度に検出する内部欠陥検査方法及びその装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１における内部欠陥検査装置の全体構成を示す斜視図とブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１における光干渉変位センサの構成を示す斜視図とブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶を用いた参照ミラーの構成と機能を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶アレイを用いた位相シフト素子の構成を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態１における光干渉変位センサの変位感度を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態２における光干渉変位センサの構成を示す斜視図とブロック図である。
【図７】本発明の実施の形態３における内部欠陥検査装置の全体構成を示す斜視図とブロック図である。
【図８】本発明の実施の形態４における内部欠陥検査装置の全体構成を示す斜視図とブロック図である。
【図９】本発明の実施の形態４における光干渉変位センサの構成を示す斜視図とブロック図である。
【図１０】本発明の実施の形態４におけるフォトニック結晶アレイを用いた位相シフト素子の構成を示す斜視図である。
【図１１】本発明の実施の形態４における分割形光電変換素子の受光面を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１を、図１〜図５に基づいて説明する。図１は、本実施の形態１における内部欠陥検査装置の全体構成を示す図である。本内部欠陥検査装置は、空中超音波を出射する超音波送信部２００、試料内部から反射あるいは透過してくる超音波振動を検出する光干渉変位センサ１００、レーザ光源ユニット１、レーザ光源ユニット１から出射したレーザ光を光干渉変位センサ１００に導く偏波面保存ファイバ２、空中超音波の出射の制御と検出された超音波振動の振幅、位相の解析・処理、並びに超音波画像構成の制御を実行する信号制御・処理部３００、検出された超音波信号から試料のｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の位置に関する３次元超音波画像を構成する３次元画像構成部５００、及び３次元超音波画像の表示と欠陥判定を行う表示・欠陥判定部６００から成る。
【００２０】
信号制御・処理部３００からの制御信号２０１に基づいて発信器２０２からパルス信号２０３あるいは連続波信号２０３が出力され、超音波送信部２００から空中超音波２０４が出射される。超音波送信部２００は、電圧の印加により振動して超音波を発する振動部と音響整合部材とを備え、音響整合部材が振動部に設けられることにより、振動部と空気との音響インピーダンスの差を抑制して、超音波を空中に伝搬させることができる。振動部としては一般に圧電素子が用いられ、音響整合部材としては、圧電素子と空気の双方に対して音響インピーダンスの差が小さいクレイ（粘土）や、エポキシ、ポリウレタン等が用いられる。空中超音波２０４は、圧延鋼板、複合鋼板や鋳物、あるいはセラミックス基板等の試料４００の表面から内部に伝搬し、試料内部に生じた剥離、クラック、ボイド等の欠陥４０１で反射される。この反射超音波は減衰しながらも試料４００表面に微弱な超音波振動２０５を励起する。
【００２１】
波長６３２．８ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザや波長５３２ｎｍの固体レーザで構成されるレーザ光源ユニット１から出射した直線偏光レーザ光を、偏波面保存ファイバ２で光干渉変位センサ１００に導光する。光干渉変位センサ１００から出射した測定光１２が超音波振動２０５の励起部に照射され、その反射光には超音波振動に伴う位相変化が生じる。この位相変化が光干渉変位センサ１００で干渉光の振幅変化として検出され、超音波信号５１として出力される。
【００２２】
超音波信号５１は、信号制御・処理部３００を経由して３次元画像構成部５００に送られる。３次元画像構成部５００では、超音波送信部２００及び光干渉変位センサ１００を試料４００から一定距離離れた上空でｘ及びｙ方向に走査することによって得られる超音波画像セット５０１〜５０４を用いて、試料４００の内部構造を示す３次元超音波画像を構成する。すなわち、超音波画像セット５０１は、時間軸信号（ｚ方向信号）データを、超音波送信部２００及び光干渉変位センサ１００をｘ方向に走査しつつ複数枚収集したものであり、ｘ方向及びｚ方向に関する２次元超音波画像に相当する。この動作を、さらに超音波送信部２００及び光干渉変位センサ１００をｙ方向に走査しつつ実行して、超音波画像セット５０２、５０３、５０４、・・・を繰り返し取得していくことにより、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向に関する３次元超音波画像が構築される。時間軸信号（ｚ方向信号）データ５０１〜５０４中の５０１ａは、試料４００表面４００ａからの反射超音波信号を表し、５０１ｂは裏面４００ｂからの反射超音波信号を表す。一方、時間軸信号（ｚ方向信号）データ５０２中の５０１ｃは、試料４００内部の欠陥４０１からの反射超音波信号を表す。
【００２３】
この３次元超音波画像は表示・欠陥判定部６００に送られ、試料４００の３次元超音波画像６０１がディスプレイ等に表示され、内部欠陥４０１が内部欠陥像６０２として顕在化される。
【００２４】
尚、超音波送信部２００から出射された空中超音波２０４が光干渉変位センサ１００に直接入射することのないよう、両者の配置や振動抑制を考慮することはいうまでもない。
【００２５】
本実施の形態における光干渉変位センサ１００の構成とその機能について、図２〜図４に基づいて説明する。図２に示すように、光干渉変位センサ１００は、光干渉計１１０及び超音波信号演算処理ユニット４０から成る。光干渉計１１０では、偏波面保存ファイバ２から出射した９０°方向の直線偏光レーザ光をコリメータ３で平行光４にし、さらにグラントムソンプリズムなどの偏光素子５を透過させ、透過光６をプリズムミラー７及び無偏光ビームスプリッタ８で反射させて、参照ミラー９に入射させる。
【００２６】
参照ミラー９は、図３に示すように、フォトニック結晶９ａで構成される。フォトニック結晶９ａは、拡大斜視図に示すように、合成石英基板９ａ１上に入射光の波長よりも小さなピッチの４５°方向のライン＆スペース状の回折格子９ａ２を形成し、その上に屈折率の異なる誘電体薄膜９ａ３及び９ａ４を積層して構成される。誘電体薄膜９ａ３及び９ａ４を積層する際のバイアススパッタリング条件を制御することにより、薄膜層の断面構造には、回折格子の凹凸形状が膜厚方向に沿って最上層まで三角波形の凹凸形状として維持される。薄膜材料としては、Ｓｉ、 ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５が適用可能である。このような回折格子をベースとする多層薄膜構造は、回折格子の方向を結晶軸方向（太い矢印で図示）とするフォトニック結晶となり、多層薄膜間の回折、干渉作用により複屈折特性（光学的異方性）を示し、入射光の偏光や透過・反射特性を制御することが可能となる（参照：(株)フォトニックラティス製品カタログ）。入射光の波長及び得たい特性を考慮して、回折格子ピッチ、深さ、各薄膜の膜厚は制御される。また、半導体素子製造に用いられるフォトリソグラフィ技術やスパッタリングなどの膜付け技術を用いることにより、１枚の基板上に結晶軸方向の異なる偏光素子や波長素子をアレイ状に形成できる点も大きな特徴である。本実施の形態において、フォトニック結晶９ａは、偏光素子として機能する。すなわち、回折格子の方向（結晶軸方向）を４５°とすることにより、参照ミラー９に入射した９０°方向（６ｎで図示）の直線偏光レーザ光６のうち、結晶軸方向と同一のＳ偏光成分１０ｒｓはフォトニック結晶９ａ表面で反射し、結晶軸方向と直交するＰ偏光成分１０ｍｐはフォトニック結晶９ａを透過する。参照ミラー９で反射されたＳ偏光ビーム１０ｒを参照光として用い、透過したＰ偏光ビーム１０ｍを測定光として用いる。フォトニック結晶９ａの代わりに、ガラス基板上にＡｌ等の金属材料で回折格子が形成されたワイヤグリッド偏光子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）等の格子状偏光素子を用いることも可能である。
【００２７】
参照ミラー９を透過したＰ偏光ビーム１０ｍは、集光レンズ１１により、収束光１２として試料４００表面の反射超音波振動２０５の励起部に集光される。すなわち、集光レンズ１１の焦点位置が試料４００表面と一致している。励起部からの反射光は集光レンズ１１を透過した後、再びＰ偏光の平行光１０ｍとなり、参照ミラー９を透過する。参照ミラー９で反射されたＳ偏光ビーム１０ｒ（参照光）と透過したＰ偏光ビーム１０ｍは、直交偏光ビーム１４として合成され、無偏光ビームスプリッタ８を透過する。
【００２８】
この直交偏光ビーム１４は、迷光除去のための開口１３を通過した後、対向させた２つのピラミッド形状の四角錐プリズム１５ａ及び１５ｂにより、４つの直交偏光ビーム１６に分割される。ビーム分割の方法は、このようなプリズムに限定されるものではなく、回折光学素子やキューブ形状のビームスプリッタの組み合わせなども適用可能である。４つの直交偏光ビームビーム１６は、位相シフト素子１７を透過することにより、直交偏光成分の間に、０、π／２、π、３π／２の位相シフトが与えられた状態で偏光干渉し、４つの位相シフト干渉光２０が生成される。
【００２９】
位相シフト素子１７は、図４に示すように、２つのフォトニック結晶アレイ１８及び１９で構成される。フォトニック結晶アレイ１８は２つの領域から成り、右下半分が合成石英１８ａで構成され、左上半分はフォトニック結晶１８ｂで構成される。フォトニック結晶１８ｂは、拡大斜視図に示すように、合成石英基板１８ｂ１上に入射光の波長よりも小さなピッチの４５°方向のライン＆スペース状の回折格子１８ｂ２を形成し、その上に屈折率の異なる誘電体薄膜１８ｂ３及び１８ｂ４を積層して構成される。フォトニック結晶１８ｂは１／４波長板としての機能を有しており、太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわち、図２に示すように、４つの直交偏光ビーム１６のうちフォトニック結晶１８ｂを透過する２つの直交偏光ビームに関して、２つの偏光成分の間にπ／２の位相差が生じる。一方、残りの２つの直交偏光ビームは合成石英１８ａを透過し、位相差は生じない。
【００３０】
フォトニック結晶アレイ１９は、図４に示すように４つの領域から成り、左右の三角形部分が０°の結晶軸方向（太い矢印で図示）を有するフォトニック結晶１９ａ及び１９ｂで構成され、上下の三角形部分が直交する９０°の結晶軸方向（太い矢印で図示）を有するフォトニック結晶１９ｃ及び１９ｄで構成される。各領域のフォトニック結晶は、例えばフォトニック結晶１９ｄを例にとると、拡大斜視図に示すように、合成石英基板１９ｄ１上に入射光の波長よりも小さなピッチの９０°方向のライン＆スペース状の回折格子１９ｄ２を形成し、その上に屈折率の異なる誘電体薄膜１９ｄ３及び１９ｄ４を積層して構成される。フォトニック結晶１９ａ、１９ｂ、１９ｃの構造も同様である。４つのフォトニック結晶１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄは、偏光素子としての機能を有しており、太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわち、図２に示すように、４つの直交偏光ビームビーム１６のうちフォトニック結晶１９ａ及び１９ｂを透過する２つの直交偏光ビームを構成する２つの偏光成分と、フォトニック結晶１９ｃ及び１９ｄを透過する２つの直交偏光ビームを構成する２つの偏光成分との間に、相対的にπの位相差が与えられた状態で、両偏光成分は干渉する。
【００３１】
すなわち、２つのフォトニック結晶アレイ１８及び１９から成る位相シフト素子１７を透過した４つの直交偏光ビーム１６の各直交偏光成分は、０、π／２、π、３π／２の位相シフトが与えられた状態で偏光干渉し、４つの位相シフト干渉光２０が生成される。４つの位相シフト干渉光２０は、各々４つの結像レンズ２１を透過することにより４つの収束光２２として、フォトダイオードなどの４つの光電変換素子２３の受光面上に集光して受光され、増幅器２４で増幅された後、４つの位相シフト干渉信号３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄとして出力される。図２から明らかなように、４つの結像レンズ２１の焦点位置は、光電変換素子２３の受光面と一致している。従って、試料４００の表面と光電変換素子２３の受光面とは、集光レンズ１１及び結像レンズ２１を介して共役の関係、すなわち結像関係にある。そのため、試料４００の表面に傾斜や微小な凹凸が生じていたいり、あるいは試料４００表面が粗面であったとしても、表面からの反射光は、光電変換素子２３の受光面上に正確に集光して受光され、安定な位相シフト干渉信号３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄが得られる。
【００３２】
４つの位相シフト干渉信号３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、各々（１）〜（４）式で与えられる。
Ｉａ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ）・・・（１）
Ｉｂ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋π／２）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ−２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｓｉｎ（４πｎＤ／λ）・・・（２）
Ｉｃ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋π）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ−２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ）・・・（３）
Ｉｄ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋３π／２）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｓｉｎ（４πｎＤ／λ）・・・（４）
ここで、Ｉｍはプローブ光１０ｍの検出強度、Ｉｒは参照光１０ｒの検出強度、ｎは空気の屈折率、Ｄは試料４００表面に励起された反射超音波振動２０５の振幅、λはレーザ光４の波長である。超音波信号演算処理ユニット４０では、（５）式に基づいて試料４００表面に励起された反射超音波振動２０５の振幅Ｄが算出されて、超音波信号５１として信号制御・処理部３００に入力される。
Ｄ＝（λ／４πｎ）ｔａｎ−１｛（Ｉｄ−Ｉｂ）／（Ｉａ−Ｉｃ）｝・・・（５）
図２から明らかなように、試料４００表面に照射される測定光１０ｍと参照光１０ｒの２つのビームは、光源ユニット１から出射されて光干渉変位センサ１００に入射し、参照ミラー９に至るまで、更に参照ミラー９から４つの光電変換素子２３で受光されるに至るまで、完全に同一の光路を通る。即ち、共通光路形干渉計の構成となる。従って、仮に光路中に空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、あるいは機械振動が生じたとしても、これらの外乱は両ビームに等しく影響を及ぼすため、両ビームが干渉した際にこれらの外乱の影響は完全に相殺され、干渉光は外乱の影響を受けない。唯一、参照ミラー９と試料４００との間の光路において測定光１０ｍ及びその収束光１２のみが存在するが、例えば、参照ミラー９と集光レンズ１１との間隔を１ｍｍ以下とし、集光レンズ１１の焦点距離を５ｍｍ程度以下にすれば、参照ミラー９と試料４００との間隙は集光レンズ１１の厚さ２ｍｍ程度を考慮しても、８ｍｍ以下に設定することが可能であり、このような微小間隙での外乱の影響は無視できる。また、レーザ光自身の強度変動は、（１）〜（４）式においてプローブ光検出強度Ｉｍ、参照光検出強度Ｉｒの変動となるが、超音波信号演算処理ユニット４０における（５）式の中の減算処理及び除算処理により相殺される。
【００３３】
さらに本実施の形態の光干渉変位センサ１００では、単純な構成で４つの直交偏光ビームを生成し、かつアレイ状に配置したフォトニック結晶により空間的に並列に４つの位相シフト干渉光を生成し受光する構成となっているので、従来の位相シフト干渉計に比べ光学部品が大幅に低減し、光干渉変位センサが格段に小形化できるというメリットがある。具体的には、光干渉計１１０の寸法を２０（Ｗ）×５０（Ｌ）×１４（Ｈ）ｍｍ程度に縮小化可能である。また、４つの位相シフト干渉光が近接した光路を通過するため、光路間に空気の揺らぎ等による温度分布、湿度分布、気圧分布、密度分布、気流変化などの外乱が重畳されたとしても、その影響を最小限に抑えることが可能になる。このように光干渉変位センサ１００を小形にできるため、超音波送信部２００と組み合わせて試料４００上をｘ方向及びｙ方向に走査するのが、容易となる。
【００３４】
試作した光干渉変位センサ１００による微小変位の測定結果を、図５に示す。測定対象には圧電素子ステージを用いた。横軸は圧電素子ステージを１ｎｍの範囲にわたって走査した時のステージ移動量を、縦軸は光干渉変位センサ１００による測定変位を示している。測定された変位信号５１ｓの変動幅から、光干渉変位センサ１００の変位感度が４０ｐｍ（ピコメートル）以下であり、従来の光干渉計の１０倍以上の感度を有していることが判る。以上より、本光干渉変位センサ１００により、温度、湿度、気圧、密度、音響振動といった環境因子を高精度に制御することなく、測定対象物の移動量や超音波振動の振幅をピコメートルオーダの感度で安定に計測することが可能である。すなわち、超音波送信部２００において、音響整合部材が振動部に設けられることにより、振動部と空気との音響インピーダンスの差を抑制して、超音波を高い伝搬効率で空中に出射させることができるものの、この空中超音波は試料４００に入射する際には大きく減衰する。その結果、内部欠陥から反射あるいは透過して、試料４００表面に生じる超音波振動の振幅はサブナノメートル以下に減衰したものとなる。そのため、従来の光干渉計では、空中超音波の励起によって試料表面に生じるこの微弱な超音波振動を検出することは不可能であった。これに対し、図５に示すように、本実施の形態における光干渉変位センサ１００は４０ｐｍ以下の変位感度を有しており、空中超音波の励起によって試料表面に生じるピコメートルオーダの振幅の微弱な超音波振動を、初めて検出することが可能となった。
【００３５】
本実施の形態では、内部欠陥から反射してくる超音波振動を検出するため、試料４００に対し、超音波送信部２００と同じ側に光干渉変位センサ１００を配置したが、内部欠陥を透過してくる超音波振動を検出するため、超音波送信部２００と反対側に光干渉変位センサ１００を配置することも可能である。
【００３６】
図１〜図５に示すように、本実施の形態によれば、空中超音波の励起によって試料表面に生じるピコメートルオーダの振幅の微弱な超音波振動を、外乱の影響を受けることなく高感度に検出することが可能となり、表面に傾斜や微小な凹凸を有する試料や、表面が粗面で構成されているような試料の内部欠陥を、非接触・非破壊で安定に検出可能となる。
【００３７】
＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２を、図６に基づいて説明する。図６は、本実施の形態において、内部欠陥検査装置の中の光干渉変位センサ１００を示す図である。
【００３８】
実施の形態１では、レーザ光源ユニット１から出射した直線偏光レーザ光を、偏波面保存ファイバ２で光干渉変位センサ１００に導光していた。これに対し、本実施の形態における光干渉変位センサ１００では、図６に示すように、レーザ光源ユニット１と偏波面保存ファイバ２に代えて、レーザ光源としての半導体レーザ等の小形のレーザダイオード３５を光干渉計１１０に内蔵する。ここで、レーザダイオード３５はＨｅ−Ｎｅレーザや固体レーザなどのレーザ光源とファイバカップラから成り、レーザ光源からの出射光をファイバカップラを介して偏波面保存ファイバに導くものである。従って、レーザダイオード３５を用いることにより、ファイバで導光することなく、光干渉計の中にそのまま内蔵することができ、装置全体を小型化することができる。レーザダイオード３５から出射した９０°方向の直線偏光レーザ光３６を、コリメーティングレンズ３７で平行光４にし、さらにグラントムソンプリズムなどの偏光素子５を透過させ、透過光６をプリズムミラー７及び無偏光ビームスプリッタ８で反射させて、参照ミラー９に入射させる。以降の各部の構成とその機能、並びに内部欠陥検査装置の構成と各部の機能は、レーザ光源ユニット１及び偏波面保存ファイバ２を除いて、図１及び図２に示す実施の形態１と全く同様であるので、説明を省略する。
【００３９】
図６に示すように、本実施の形態によれば、空中超音波の励起によって試料表面に生じるピコメートルオーダの振幅の微弱な超音波振動を、外乱の影響を受けることなく高感度に検出することが可能となり、表面に傾斜や微小な凹凸を有する試料や、表面が粗面で構成されているような試料の内部欠陥を、非接触・非破壊で安定に検出可能となる。さらに、本実施の形態によれば、レーザダイオードを光干渉変位センサ１００に内蔵しているため、レーザ光源ユニットが不要となり、内部欠陥検査装置全体の大きさが小形となる。さらに、超音波送信部２００と組み合わせて試料４００上をｘ方向及びｙ方向に走査するのが、一層容易となる。
【００４０】
＜実施の形態３＞
本発明の実施の形態３を、図７に基づいて説明する。図７は、本実施の形態において、内部欠陥検査装置の全体構成を示す図である。
【００４１】
実施の形態１では、空中超音波を出射する超音波送信部２００と、試料内部から反射あるいは透過してくる超音波振動を検出する光干渉変位センサ１００を１台ずつ有し、これらをｘ方向及びｙ方向に走査することにより３次元超音波画像を得ていた。これに対し、本実施の形態では、図７に示すように、複数台の超音波送信部２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄをｘ方向に並べて配置し、複数の空中超音波２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄを同時にあるいは時系列的に出射する。一方、対応する位置に複数台の光干渉計１１０及び複数台の超音波信号演算処理ユニット４０を内蔵した光干渉変位センサ１００を配置する。光干渉変位センサ１００からは、ｘ方向に並んだ複数の測定光１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが、試料４００表面の複数の超音波振動２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄの各励起部に集光され、その反射光には超音波振動に伴う位相変化が生じる。この位相変化が光干渉変位センサ１００で干渉光の振幅変化として検出され、複数の超音波信号５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄが出力され、信号制御・処理部３００を経由して３次元画像構成部５００に送られる。
【００４２】
３次元画像構成部５００では、超音波送信部２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ及び光干渉変位センサ１００を試料４００から一定距離離れた上空でｙ方向に走査することによって得られる超音波画像セット５０１〜５０４を用いて、試料４００の内部構造を示す３次元超音波画像を構成する。以降の各部の機能は、実施の形態１と全く同様であるので、説明を省略する。尚、実施の形態２を本実施の形態に組み合わせることも可能である。
【００４３】
本実施の形態において、超音波送信部及び光干渉計の台数を増やすことにより、より水平分解能の高い内部欠陥検査が可能であることはいうまでもない。また、複数台の超音波送信部に代えて、直線状の空中超音波を出射する超音波送信部を使用することも可能である。
【００４４】
図７に示すように、本実施の形態によれば、空中超音波の励起によって試料表面に生じるピコメートルオーダの振幅の微弱な超音波振動を、外乱の影響を受けることなく高感度に検出することが可能となり、表面に傾斜や微小な凹凸を有する試料や、表面が粗面で構成されているような試料の内部欠陥を、非接触・非破壊で安定に検出可能となる。さらに、本実施の形態によれば、超音波送信部及び光干渉変位センサを試料から一定距離離れた上空でｙ方向にのみ走査することで、試料の３次元超音波画像が得られるので、走査機構が単純な構成になると同時に、内部欠陥検査の所要時間が短縮される。
＜実施の形態４＞
本発明の実施の形態４を、図８〜図１１に基づいて説明する。図８は、本実施の形態において、内部欠陥検査装置の全体構成を示す図である。
【００４５】
本実施の形態では、実施の形態３と同様に、複数台の超音波送信部２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄをｘ方向に並べて配置し、複数の空中超音波２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄを同時にあるいは時系列的に出射する。一方、光干渉変位センサ１００からは、ｘ方向に沿った直線状の測定光１２ｗが、試料４００表面の複数の超音波振動２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄの各励起部に照射され、その反射光には超音波振動に伴う位相変化が生じる。この位相変化が光干渉変位センサ１００で干渉光の振幅変化として検出され、複数の超音波信号５１ｗが出力され、信号制御・処理部３００を経由して３次元画像構成部５００に送られる。
【００４６】
３次元画像構成部５００では、超音波送信部２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ及び光干渉変位センサ１００を試料４００から一定距離離れた上空でｙ方向に走査することによって得られる超音波画像セット５０１〜５０４を用いて、試料４００の内部構造を示す３次元超音波画像を構成する。以降の各部の機能は、実施の形態１と全く同様であるので、説明を省略する。
【００４７】
本実施の形態における光干渉変位センサ１００の構成とその機能について、図９〜図１１に基づいて説明する。図９に示すように、光干渉変位センサ１００は、直線状の測定光１２を出射する光干渉計１１０ｗ及び超音波信号演算処理ユニット４０ｗから成る。光干渉計１１０ｗでは、偏波面保存ファイバ２から出射した９０°方向の直線偏光レーザ光をコリメータ３で平行光４にし、さらにグラントムソンプリズムなどの偏光素子５を透過させ、透過光６を回折光学素子やホログラム素子、あるいはアナモルフィックプリズムペアのようなビーム整形素子８０により、矩形状ビーム８１に変換する。矩形状ビーム８１をプリズムミラー７及び無偏光ビームスプリッタ８で反射させて、参照ミラー９に入射させる。
【００４８】
参照ミラー９は、図３に示すように、フォトニック結晶９ａで構成される。フォトニック結晶９ａは、拡大斜視図に示すように、合成石英基板９ａ１上に入射光の波長よりも小さなピッチの４５°方向のライン＆スペース状の回折格子９ａ２を形成し、その上に屈折率の異なる誘電体薄膜９ａ３及び９ａ４を積層して構成される。誘電体薄膜９ａ３及び９ａ４を積層する際のバイアススパッタリング条件を制御することにより、薄膜層の断面構造には、回折格子の凹凸形状が膜厚方向に沿って最上層まで三角波形の凹凸形状として維持される。薄膜材料としては、Ｓｉ、 ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５が適用可能である。このような回折格子をベースとする多層薄膜構造は、回折格子の方向を結晶軸方向（太い矢印で図示）とするフォトニック結晶となり、多層薄膜間の回折、干渉作用により複屈折特性（光学的異方性）を示し、入射光の偏光や透過・反射特性を制御することが可能となる。入射光の波長及び得たい特性を考慮して、回折格子ピッチ、深さ、各薄膜の膜厚は制御される。また、半導体素子製造に用いられるフォトリソグラフィ技術やスパッタリングなどの膜付け技術を用いることにより、１枚の基板上に結晶軸方向の異なる偏光素子や波長素子をアレイ状に形成できる点も大きな特徴である。本実施の形態において、フォトニック結晶９ａは、偏光素子として機能する。すなわち、回折格子の方向（結晶軸方向）を４５°とすることにより、参照ミラー９に入射した９０°方向（６ｎで図示）の矩形状直線偏光レーザ光６のうち、結晶軸方向と同一の矩形状Ｓ偏光成分１０ｒｓはフォトニック結晶９ａ表面で反射し、結晶軸方向と直交する矩形状Ｐ偏光成分１０ｍｐはフォトニック結晶９ａを透過する。参照ミラー９で反射された矩形状Ｓ偏光ビーム１０ｒを参照光として用い、透過した矩形状Ｐ偏光ビーム１０ｍを測定光として用いる。フォトニック結晶９ａの代わりに、ガラス基板上にＡｌ等の金属材料で回折格子が形成されたワイヤグリッド偏光子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）等の格子状偏光素子を用いることも可能である。
【００４９】
参照ミラー９を透過した矩形状Ｐ偏光ビーム１０ｍは、集光レンズ１１ｗにより集光され、収束光１２ｗとして試料４００表面の複数の超音波振動２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄの励起部沿って直線状に集光される。すなわち、集光レンズ１１ｗの焦点位置が試料４００表面と一致している。励起部からの反射光は集光レンズ１１を透過した後、再びＰ偏光の矩形状平行光１０ｍとなり、参照ミラー９を透過する。参照ミラー９で反射された矩形状Ｓ偏光ビーム１０ｒ（参照光）と透過した矩形状Ｐ偏光ビーム１０ｍは、矩形状直交偏光ビーム８２として合成され、無偏光ビームスプリッタ８を透過する。
【００５０】
この矩形状直交偏光ビーム８２は、位相シフト素子８３を透過することにより、直交偏光成分の間に、０、π／２、π、３π／２の位相シフトが与えられた状態で偏光干渉し、直線状集光スポット１２ｗの長手方向と直交する方向に分割された４つの位相シフト干渉光８６が生成される。
【００５１】
位相シフト素子８３は、図１０に示すように、２つのフォトニック結晶アレイ８４及び８５で構成される。フォトニック結晶アレイ８４は直線状集光スポット１２ｗの長手方向と直交する方向に分割された２つの領域から成り、下半分が合成石英８４ａで構成され、上半分はフォトニック結晶８４ｂで構成される。フォトニック結晶８４ｂの構成と原理は、参照ミラー９と同様であるので、説明を省略する。フォトニック結晶８４ｂは１／４波長板としての機能を有しており、４５°方向の太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわち、図９に示すように、矩形状直交偏光ビーム８２のうちフォトニック結晶８４ｂを透過する直交偏光ビームに関して、２つの偏光成分の間にπ／２の位相差が生じる。一方、合成石英８４ａを透過する直交偏光ビームに関しては、２つの偏光成分の間に位相差は生じない。
【００５２】
フォトニック結晶アレイ８５は、図１０に示すように直線状集光スポット１２ｗの長手方向と直交する方向に４分割され、０°の結晶軸方向を有するフォトニック結晶８５ａ及び８５ｂと、直交する９０°の結晶軸方向を有するフォトニック結晶８５ｃ及び８５ｄが交互に並んでいる。フォトニック結晶８５ａ、８５ｂ、８５ｃ、８５ｄは偏光素子としての機能を有しており、太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわち、図９に示すように、矩形状直交偏光ビーム８２のうちフォトニック結晶８５ａ及び８５ｂを透過する直交偏光ビームを構成する２つの偏光成分と、フォトニック結晶８５ｃ及び８５ｄを透過する直交偏光ビームを構成する２つの偏光成分との間に、相対的にπの位相差が与えられた状態で、両偏光成分は干渉する。
【００５３】
すなわち、２つのフォトニック結晶アレイ８４及び８５から成る位相シフト素子８３を透過した矩形状直交偏光ビーム８２の長手方向と直交する方向の各直交偏光成分の間に、０、π／２、π、３π／２、の位相シフトが与えられた状態で偏光干渉し、直線状集光スポット１２ｗの長手方向と直交する方向に４分割され、かつ直線状集光スポット１２ｗの長手方向に共役な位相シフト干渉光８６が生成される。位相シフト干渉光８６は、図９に示すように、直線状集光スポット１２ｗの長手方向と位相シフト素子８３の４つの領域に対応したＮ×４個のレンズアレイ８７により、Ｎ×４個の収束光８８として、Ｎ画素×４の受光領域から成るフォトダイオードアレイなどの分割形光電変換素子８９の受光面上に集光して受光され、増幅器９０で増幅された後、Ｎ×４個の位相シフト干渉信号３１ｗとして出力される。図１１に示すように、受光領域８９ａ、８９ｂ、８９ｃ、８９ｄがそれぞれ図１０のフォトニック結晶アレイ８５のフォトニック結晶８５ａ、８５ｂ、８５ｃ、８５ｄに対応する。また、図９から明らかなように、レンズアレイ８７の焦点位置は、光電変換素子８９の受光面と一致している。従って、試料４００の表面と光電変換素子８９の受光面とは、集光レンズ１１ｗ及びレンズアレイ８７を介して共役の関係、すなわち結像関係にある。そのため、試料４００の表面に傾斜や微小な凹凸が生じていたいり、あるいは試料４００表面が粗面であったとしても、表面からの反射光は、光電変換素子８９の受光面上に正確に集光して受光され、安定な位相シフト干渉信号３１ｗが得られる。
【００５４】
Ｎ画素分に対応した４つの位相シフト干渉信号３１ｗは、実施の形態１と同様、各々（１）〜（４）式で与えられ、超音波信号演算処理ユニット４０ｗでは、（５）式に基づいてＮ個の各画素毎に試料４００表面に励起された反射超音波振動２０５ａ〜２０５ｄの振幅Ｄが算出されて、Ｎ個の超音波信号５１ｗとして信号制御・処理部３００に入力される。
【００５５】
図８及び図９に示すように、本実施の形態によれば、空中超音波の励起によって試料表面に生じるピコメートルオーダの振幅の微弱な超音波振動を、外乱の影響を受けることなく高感度に検出することが可能となり、表面に傾斜や微小な凹凸を有する試料や、表面が粗面で構成されているような試料の内部欠陥を、非接触・非破壊で安定に検出可能となる。さらに、本実施の形態によれば、超音波送信部及び光干渉変位センサを試料から一定距離離れた上空でｙ方向にのみ走査することで、試料の３次元超音波画像が得られるので、走査機構が単純な構成になると同時に、内部欠陥検査の所要時間が短縮される。
【００５６】
また、実施の形態３では、複数台の光干渉計を用いて試料の複数点の超音波信号を同時に検出するので、走査機構が単純な構成になると同時に、内部欠陥検査の所要時間が短縮されるというメリットを有している。しかし、その一方で、光干渉変位センサの構成が複雑になっていた。一方、本実施の形態によれば、矩形状ビームを用いることにより、光干渉計は１台で済むため、実施の形態３と同じメリットを有すと同時に、光干渉変位センサの構成が単純になり、コスト低減を実現することができる。
【００５７】
上記４つの実施の形態において、フォトニック結晶アレイの代わりに、ガラス基板上にＡｌ等の金属材料で回折格子が形成されたワイヤグリッド偏光子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）等の格子状偏光素子を用いることも可能である。
＜実施の形態１〜４の効果＞
以上説明したように、実施の形態１〜４によれば、空中超音波の励起によって試料表面に生じるピコメートルオーダの振幅の微弱な超音波振動を、外乱の影響を受けることなく高感度に検出することが可能となり、表面に傾斜や微小な凹凸を有する試料や、表面が粗面で構成されているような試料の内部欠陥を、非接触・非破壊で安定に検出可能となる。その結果、圧延鋼板、複合鋼板や鋳物、あるいはセラミックス基板等に生じた、剥離、クラック、ボイド等の内部欠陥の非接触・非破壊検査が可能になる。
【００５８】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５９】
１…レーザ光源ユニット ２…偏波面保存ファイバ ３…コリメータ ５…偏光素子 ７…プリズムミラー ８…無偏光ビームスプリッタ ９…参照ミラー ９ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、８４ｂ、８５ａ、８５ｂ、８５ｃ、８５ｄ…フォトニック結晶 １０ｍ…測定光 １０ｒ…参照光 １１、１１ｗ…集光レンズ １２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｗ、２２、８８…収束光 １３…開口 １４、１６、８２…直交偏光ビーム １５ａ、１５ｂ…四角錐プリズム １７、８３…位相シフト素子 １８、１９、８４、８５…フォトニック結晶アレイ ２０、８６…位相シフト干渉光 結像レンズ…２１ ２３…光電変換素子 ２４、９０…増幅器 ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｗ…位相シフト干渉信号 ３５…レーザダイオード ３６…直線偏光レーザ光 ３７…コリメーティングレンズ
４０、４０ｗ…超音波信号演算処理ユニット ５１、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｗ、５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃ…超音波信号 ８０…ビーム整形素子 ８７…レンズアレイ ８９…分割形光電変換素子 １００、１１０ｗ…光干渉変位センサ １１０…光干渉計 ２００、２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ…超音波送信部 ２０１…制御信号 ２０２…発信機 ２０３…パルス信号、連続波信号 ２０４、２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ…空中超音波 ２０５、２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄ…反射超音波振動 ３００…信号制御・処理部 ４００…試料 ４０１…欠陥 ５００…３次元画像構成部 ５０１〜５０４…超音波画像セット ６００…表示・欠陥判定部 ６０１…３次元超音波画像 ６０２…内部欠陥像
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部欠陥の検査方法とその装置に係り、特に空中超音波によって試料内部に超音波を伝搬させ、内部欠陥から反射あるいは透過してくる超音波の振動を光干渉計によって検出する内部欠陥検査方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料内部の欠陥を検査する方法として、非特許文献１に開示されているように、水をカップリング材として固体試料に超音波を励起し、試料内部の欠陥から透過あるいは反射してくる超音波を光干渉計で検出するレーザ走査超音波顕微鏡（ＳＬＡＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が知られている。
【０００３】
また、非特許文献２には、パルスレーザ光を固体試料に照射して、試料内部に弾性波を励起し、試料内部の欠陥により生じた表面弾性波の振幅と位相の変化を光干渉計で検出する方法が開示されている。
【０００４】
また、非特許文献３には、直線状の強度変調レーザ光を固体試料に照射し、試料表面の微小な熱膨張変位の振幅と位相を直線状ビームを用いた光干渉計により一括検出することで、内部欠陥像を高速イメージングする方法が開示されている。
【０００５】
また、特許文献１には、空中超音波を試料内部に伝搬させ、内部欠陥からの空中超音波を検出する方法が開示されている。
【０００６】
また、超音波探触子を試料表面に密着させて、超音波の励起と検出を行う方法も知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１５０６９２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】ＡＳＮＴ Ｎａｔｌ．Ｃｏｎｆ．，Ｓｐｒｉｎｇ １９８０，ｐｐ．１１−１７（１９８０）
【非特許文献２】Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ １９８６ ＩＥＥＥ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ，ｐｐ．５１５−５２６（１９８６）
【非特許文献３】Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，４５，ＰＰ．２６４３−２６５５（２００６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記した非特許文献１による水をカップリング材として固体試料に超音波を励起するレーザ走査超音波顕微鏡では、水による試料の汚染の問題があり、適用対象が限定されるという課題があった。また、従来の光干渉計では測定感度がｎｍからサブμｍオーダであり感度が不足していたため、十分な内部欠陥検出感度が得られないという課題があった。
【００１０】
また、非特許文献２によるパルスレーザ光を固体試料に照射して、試料内部に弾性波を励起する方法では、同様に表面弾性波を検出する光干渉計の測定感度がｎｍからサブμｍオーダであり感度が不足していたため、レーザ出力を大きくせざるを得ず、アブレーション等が発生し試料がダメージを受けてしまうという課題があった。
【００１１】
また、非特許文献３による直線状の強度変調レーザ光を固体試料に照射し、試料表面の微小な熱膨張変位の振幅と位相を直線状ビームを用いた光干渉計により一括イメージングする方法では、同様に光干渉計の測定感度がｎｍからサブμｍオーダであり感度が不足していたため、十分な内部欠陥検出感度が得られないという課題があった。
【００１２】
また、特許文献１による空中超音波を試料内部に伝搬させ、内部欠陥からの空中超音波を検出する方法では、試料内部に伝搬する超音波が微弱であり、さらに欠陥からの空中超音波も極めて微弱であるため、十分な内部欠陥検出感度が得られないという課題があった。
【００１３】
また、試料表面に凹凸が存在していたり、試料表面が粗面で構成されている場合には、超音波探触子を試料表面に密着させることができず、内部欠陥検出感度が著しく低下するという課題があった。
【００１４】
そこで本発明では上記課題に鑑み、試料にダメージを与えることなく、非接触で試料に超音波を励起し、試料内部の欠陥からの超音波を、試料表面の影響を受けることなく非接触かつ高感度に検出する内部欠陥検査方法及びその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、超音波送信部から試料に向けて超音波を出射させて、試料から反射した超音波を結像形共通光路干渉計により干渉信号として検出し、前記干渉信号から超音波信号を得て、該超音波信号から試料内部の欠陥を検出することを特徴とする内部欠陥検査方法を提供する。
【００１６】
また、他の観点における本発明は、空中に超音波を出射させて試料内部に伝搬させる超音波送信部と、試料内部を伝搬する該超音波を超音波振動として試料表面にて検出する結像形共通光路干渉計と、該結像形共通光路干渉計で検出された干渉信号から超音波信号を検出する超音波信号検出手段とを備える特徴とする内部欠陥検査装置を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、試料にダメージを与えることなく、非接触で試料に超音波を励起し、試料内部の欠陥からの超音波を、試料表面の影響を受けることなく非接触かつ高感度に検出する内部欠陥検査方法及びその装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１における内部欠陥検査装置の全体構成を示す斜視図とブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１における光干渉変位センサの構成を示す斜視図とブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶を用いた参照ミラーの構成と機能を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶アレイを用いた位相シフト素子の構成を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態１における光干渉変位センサの変位感度を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態２における光干渉変位センサの構成を示す斜視図とブロック図である。
【図７】本発明の実施の形態３における内部欠陥検査装置の全体構成を示す斜視図とブロック図である。
【図８】本発明の実施の形態４における内部欠陥検査装置の全体構成を示す斜視図とブロック図である。
【図９】本発明の実施の形態４における光干渉変位センサの構成を示す斜視図とブロック図である。
【図１０】本発明の実施の形態４におけるフォトニック結晶アレイを用いた位相シフト素子の構成を示す斜視図である。
【図１１】本発明の実施の形態４における分割形光電変換素子の受光面を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１を、図１〜図５に基づいて説明する。図１は、本実施の形態１における内部欠陥検査装置の全体構成を示す図である。本内部欠陥検査装置は、空中超音波を出射する超音波送信部２００、試料内部から反射あるいは透過してくる超音波振動を検出する光干渉変位センサ１００、レーザ光源ユニット１、レーザ光源ユニット１から出射したレーザ光を光干渉変位センサ１００に導く偏波面保存ファイバ２、空中超音波の出射の制御と検出された超音波振動の振幅、位相の解析・処理、並びに超音波画像構成の制御を実行する信号制御・処理部３００、検出された超音波信号から試料のｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の位置に関する３次元超音波画像を構成する３次元画像構成部５００、及び３次元超音波画像の表示と欠陥判定を行う表示・欠陥判定部６００から成る。
【００２０】
信号制御・処理部３００からの制御信号２０１に基づいて発信器２０２からパルス信号２０３あるいは連続波信号２０３が出力され、超音波送信部２００から空中超音波２０４が出射される。超音波送信部２００は、電圧の印加により振動して超音波を発する振動部と音響整合部材とを備え、音響整合部材が振動部に設けられることにより、振動部と空気との音響インピーダンスの差を抑制して、超音波を空中に伝搬させることができる。振動部としては一般に圧電素子が用いられ、音響整合部材としては、圧電素子と空気の双方に対して音響インピーダンスの差が小さいクレイ（粘土）や、エポキシ、ポリウレタン等が用いられる。空中超音波２０４は、圧延鋼板、複合鋼板や鋳物、あるいはセラミックス基板等の試料４００の表面から内部に伝搬し、試料内部に生じた剥離、クラック、ボイド等の欠陥４０１で反射される。この反射超音波は減衰しながらも試料４００表面に微弱な超音波振動２０５を励起する。
【００２１】
波長６３２．８ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザや波長５３２ｎｍの固体レーザで構成されるレーザ光源ユニット１から出射した直線偏光レーザ光を、偏波面保存ファイバ２で光干渉変位センサ１００に導光する。光干渉変位センサ１００から出射した測定光１２が超音波振動２０５の励起部に照射され、その反射光には超音波振動に伴う位相変化が生じる。この位相変化が光干渉変位センサ１００で干渉光の振幅変化として検出され、超音波信号５１として出力される。
【００２２】
超音波信号５１は、信号制御・処理部３００を経由して３次元画像構成部５００に送られる。３次元画像構成部５００では、超音波送信部２００及び光干渉変位センサ１００を試料４００から一定距離離れた上空でｘ及びｙ方向に走査することによって得られる超音波画像セット５０１〜５０４を用いて、試料４００の内部構造を示す３次元超音波画像を構成する。すなわち、超音波画像セット５０１は、時間軸信号（ｚ方向信号）データを、超音波送信部２００及び光干渉変位センサ１００をｘ方向に走査しつつ複数枚収集したものであり、ｘ方向及びｚ方向に関する２次元超音波画像に相当する。この動作を、さらに超音波送信部２００及び光干渉変位センサ１００をｙ方向に走査しつつ実行して、超音波画像セット５０２、５０３、５０４、・・・を繰り返し取得していくことにより、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向に関する３次元超音波画像が構築される。時間軸信号（ｚ方向信号）データ５０１〜５０４中の５０１ａは、試料４００表面４００ａからの反射超音波信号を表し、５０１ｂは裏面４００ｂからの反射超音波信号を表す。一方、時間軸信号（ｚ方向信号）データ５０２中の５０１ｃは、試料４００内部の欠陥４０１からの反射超音波信号を表す。
【００２３】
この３次元超音波画像は表示・欠陥判定部６００に送られ、試料４００の３次元超音波画像６０１がディスプレイ等に表示され、内部欠陥４０１が内部欠陥像６０２として顕在化される。
【００２４】
尚、超音波送信部２００から出射された空中超音波２０４が光干渉変位センサ１００に直接入射することのないよう、両者の配置や振動抑制を考慮することはいうまでもない。
【００２５】
本実施の形態における光干渉変位センサ１００の構成とその機能について、図２〜図４に基づいて説明する。図２に示すように、光干渉変位センサ１００は、光干渉計１１０及び超音波信号演算処理ユニット４０から成る。光干渉計１１０では、偏波面保存ファイバ２から出射した９０°方向の直線偏光レーザ光をコリメータ３で平行光４にし、さらにグラントムソンプリズムなどの偏光素子５を透過させ、透過光６をプリズムミラー７及び無偏光ビームスプリッタ８で反射させて、参照ミラー９に入射させる。
【００２６】
参照ミラー９は、図３に示すように、フォトニック結晶９ａで構成される。フォトニック結晶９ａは、拡大斜視図に示すように、合成石英基板９ａ１上に入射光の波長よりも小さなピッチの４５°方向のライン＆スペース状の回折格子９ａ２を形成し、その上に屈折率の異なる誘電体薄膜９ａ３及び９ａ４を積層して構成される。誘電体薄膜９ａ３及び９ａ４を積層する際のバイアススパッタリング条件を制御することにより、薄膜層の断面構造には、回折格子の凹凸形状が膜厚方向に沿って最上層まで三角波形の凹凸形状として維持される。薄膜材料としては、Ｓｉ、 ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５が適用可能である。このような回折格子をベースとする多層薄膜構造は、回折格子の方向を結晶軸方向（太い矢印で図示）とするフォトニック結晶となり、多層薄膜間の回折、干渉作用により複屈折特性（光学的異方性）を示し、入射光の偏光や透過・反射特性を制御することが可能となる（参照：(株)フォトニックラティス製品カタログ）。入射光の波長及び得たい特性を考慮して、回折格子ピッチ、深さ、各薄膜の膜厚は制御される。また、半導体素子製造に用いられるフォトリソグラフィ技術やスパッタリングなどの膜付け技術を用いることにより、１枚の基板上に結晶軸方向の異なる偏光素子や波長素子をアレイ状に形成できる点も大きな特徴である。本実施の形態において、フォトニック結晶９ａは、偏光素子として機能する。すなわち、回折格子の方向（結晶軸方向）を４５°とすることにより、参照ミラー９に入射した９０°方向（６ｎで図示）の直線偏光レーザ光６のうち、結晶軸方向と同一のＳ偏光成分１０ｒｓはフォトニック結晶９ａ表面で反射し、結晶軸方向と直交するＰ偏光成分１０ｍｐはフォトニック結晶９ａを透過する。参照ミラー９で反射されたＳ偏光ビーム１０ｒを参照光として用い、透過したＰ偏光ビーム１０ｍを測定光として用いる。フォトニック結晶９ａの代わりに、ガラス基板上にＡｌ等の金属材料で回折格子が形成されたワイヤグリッド偏光子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）等の格子状偏光素子を用いることも可能である。
【００２７】
参照ミラー９を透過したＰ偏光ビーム１０ｍは、集光レンズ１１により、収束光１２として試料４００表面の反射超音波振動２０５の励起部に集光される。すなわち、集光レンズ１１の焦点位置が試料４００表面と一致している。励起部からの反射光は集光レンズ１１を透過した後、再びＰ偏光の平行光１０ｍとなり、参照ミラー９を透過する。参照ミラー９で反射されたＳ偏光ビーム１０ｒ（参照光）と透過したＰ偏光ビーム１０ｍは、直交偏光ビーム１４として合成され、無偏光ビームスプリッタ８を透過する。
【００２８】
この直交偏光ビーム１４は、迷光除去のための開口１３を通過した後、対向させた２つのピラミッド形状の四角錐プリズム１５ａ及び１５ｂにより、４つの直交偏光ビーム１６に分割される。ビーム分割の方法は、このようなプリズムに限定されるものではなく、回折光学素子やキューブ形状のビームスプリッタの組み合わせなども適用可能である。４つの直交偏光ビームビーム１６は、位相シフト素子１７を透過することにより、直交偏光成分の間に、０、π／２、π、３π／２の位相シフトが与えられた状態で偏光干渉し、４つの位相シフト干渉光２０が生成される。
【００２９】
位相シフト素子１７は、図４に示すように、２つのフォトニック結晶アレイ１８及び１９で構成される。フォトニック結晶アレイ１８は２つの領域から成り、右下半分が合成石英１８ａで構成され、左上半分はフォトニック結晶１８ｂで構成される。フォトニック結晶１８ｂは、拡大斜視図に示すように、合成石英基板１８ｂ１上に入射光の波長よりも小さなピッチの４５°方向のライン＆スペース状の回折格子１８ｂ２を形成し、その上に屈折率の異なる誘電体薄膜１８ｂ３及び１８ｂ４を積層して構成される。フォトニック結晶１８ｂは１／４波長板としての機能を有しており、太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわち、図２に示すように、４つの直交偏光ビーム１６のうちフォトニック結晶１８ｂを透過する２つの直交偏光ビームに関して、２つの偏光成分の間にπ／２の位相差が生じる。一方、残りの２つの直交偏光ビームは合成石英１８ａを透過し、位相差は生じない。
【００３０】
フォトニック結晶アレイ１９は、図４に示すように４つの領域から成り、左右の三角形部分が０°の結晶軸方向（太い矢印で図示）を有するフォトニック結晶１９ａ及び１９ｂで構成され、上下の三角形部分が直交する９０°の結晶軸方向（太い矢印で図示）を有するフォトニック結晶１９ｃ及び１９ｄで構成される。各領域のフォトニック結晶は、例えばフォトニック結晶１９ｄを例にとると、拡大斜視図に示すように、合成石英基板１９ｄ１上に入射光の波長よりも小さなピッチの９０°方向のライン＆スペース状の回折格子１９ｄ２を形成し、その上に屈折率の異なる誘電体薄膜１９ｄ３及び１９ｄ４を積層して構成される。フォトニック結晶１９ａ、１９ｂ、１９ｃの構造も同様である。４つのフォトニック結晶１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄは、偏光素子としての機能を有しており、太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわち、図２に示すように、４つの直交偏光ビームビーム１６のうちフォトニック結晶１９ａ及び１９ｂを透過する２つの直交偏光ビームを構成する２つの偏光成分と、フォトニック結晶１９ｃ及び１９ｄを透過する２つの直交偏光ビームを構成する２つの偏光成分との間に、相対的にπの位相差が与えられた状態で、両偏光成分は干渉する。
【００３１】
すなわち、２つのフォトニック結晶アレイ１８及び１９から成る位相シフト素子１７を透過した４つの直交偏光ビーム１６の各直交偏光成分は、０、π／２、π、３π／２の位相シフトが与えられた状態で偏光干渉し、４つの位相シフト干渉光２０が生成される。４つの位相シフト干渉光２０は、各々４つの結像レンズ２１を透過することにより４つの収束光２２として、フォトダイオードなどの４つの光電変換素子２３の受光面上に集光して受光され、増幅器２４で増幅された後、４つの位相シフト干渉信号３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄとして出力される。図２から明らかなように、４つの結像レンズ２１の焦点位置は、光電変換素子２３の受光面と一致している。従って、試料４００の表面と光電変換素子２３の受光面とは、集光レンズ１１及び結像レンズ２１を介して共役の関係、すなわち結像関係にある。そのため、試料４００の表面に傾斜や微小な凹凸が生じていたいり、あるいは試料４００表面が粗面であったとしても、表面からの反射光は、光電変換素子２３の受光面上に正確に集光して受光され、安定な位相シフト干渉信号３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄが得られる。
【００３２】
４つの位相シフト干渉信号３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、各々（１）〜（４）式で与えられる。
Ｉａ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ）・・・（１）
Ｉｂ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋π／２）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ−２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｓｉｎ（４πｎＤ／λ）・・・（２）
Ｉｃ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋π）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ−２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ）・・・（３）
Ｉｄ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋３π／２）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｓｉｎ（４πｎＤ／λ）・・・（４）
ここで、Ｉｍはプローブ光１０ｍの検出強度、Ｉｒは参照光１０ｒの検出強度、ｎは空気の屈折率、Ｄは試料４００表面に励起された反射超音波振動２０５の振幅、λはレーザ光４の波長である。超音波信号演算処理ユニット４０では、（５）式に基づいて試料４００表面に励起された反射超音波振動２０５の振幅Ｄが算出されて、超音波信号５１として信号制御・処理部３００に入力される。
Ｄ＝（λ／４πｎ）ｔａｎ−１｛（Ｉｄ−Ｉｂ）／（Ｉａ−Ｉｃ）｝・・・（５）
図２から明らかなように、試料４００表面に照射される測定光１０ｍと参照光１０ｒの２つのビームは、光源ユニット１から出射されて光干渉変位センサ１００に入射し、参照ミラー９に至るまで、更に参照ミラー９から４つの光電変換素子２３で受光されるに至るまで、完全に同一の光路を通る。即ち、共通光路形干渉計の構成となる。従って、仮に光路中に空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、あるいは機械振動が生じたとしても、これらの外乱は両ビームに等しく影響を及ぼすため、両ビームが干渉した際にこれらの外乱の影響は完全に相殺され、干渉光は外乱の影響を受けない。唯一、参照ミラー９と試料４００との間の光路において測定光１０ｍ及びその収束光１２のみが存在するが、例えば、参照ミラー９と集光レンズ１１との間隔を１ｍｍ以下とし、集光レンズ１１の焦点距離を５ｍｍ程度以下にすれば、参照ミラー９と試料４００との間隙は集光レンズ１１の厚さ２ｍｍ程度を考慮しても、８ｍｍ以下に設定することが可能であり、このような微小間隙での外乱の影響は無視できる。また、レーザ光自身の強度変動は、（１）〜（４）式においてプローブ光検出強度Ｉｍ、参照光検出強度Ｉｒの変動となるが、超音波信号演算処理ユニット４０における（５）式の中の減算処理及び除算処理により相殺される。
【００３３】
さらに本実施の形態の光干渉変位センサ１００では、単純な構成で４つの直交偏光ビームを生成し、かつアレイ状に配置したフォトニック結晶により空間的に並列に４つの位相シフト干渉光を生成し受光する構成となっているので、従来の位相シフト干渉計に比べ光学部品が大幅に低減し、光干渉変位センサが格段に小形化できるというメリットがある。具体的には、光干渉計１１０の寸法を２０（Ｗ）×５０（Ｌ）×１４（Ｈ）ｍｍ程度に縮小化可能である。また、４つの位相シフト干渉光が近接した光路を通過するため、光路間に空気の揺らぎ等による温度分布、湿度分布、気圧分布、密度分布、気流変化などの外乱が重畳されたとしても、その影響を最小限に抑えることが可能になる。このように光干渉変位センサ１００を小形にできるため、超音波送信部２００と組み合わせて試料４００上をｘ方向及びｙ方向に走査するのが、容易となる。
【００３４】
試作した光干渉変位センサ１００による微小変位の測定結果を、図５に示す。測定対象には圧電素子ステージを用いた。横軸は圧電素子ステージを１ｎｍの範囲にわたって走査した時のステージ移動量を、縦軸は光干渉変位センサ１００による測定変位を示している。測定された変位信号５１ｓの変動幅から、光干渉変位センサ１００の変位感度が４０ｐｍ（ピコメートル）以下であり、従来の光干渉計の１０倍以上の感度を有していることが判る。以上より、本光干渉変位センサ１００により、温度、湿度、気圧、密度、音響振動といった環境因子を高精度に制御することなく、測定対象物の移動量や超音波振動の振幅をピコメートルオーダの感度で安定に計測することが可能である。すなわち、超音波送信部２００において、音響整合部材が振動部に設けられることにより、振動部と空気との音響インピーダンスの差を抑制して、超音波を高い伝搬効率で空中に出射させることができるものの、この空中超音波は試料４００に入射する際には大きく減衰する。その結果、内部欠陥から反射あるいは透過して、試料４００表面に生じる超音波振動の振幅はサブナノメートル以下に減衰したものとなる。そのため、従来の光干渉計では、空中超音波の励起によって試料表面に生じるこの微弱な超音波振動を検出することは不可能であった。これに対し、図５に示すように、本実施の形態における光干渉変位センサ１００は４０ｐｍ以下の変位感度を有しており、空中超音波の励起によって試料表面に生じるピコメートルオーダの振幅の微弱な超音波振動を、初めて検出することが可能となった。
【００３５】
本実施の形態では、内部欠陥から反射してくる超音波振動を検出するため、試料４００に対し、超音波送信部２００と同じ側に光干渉変位センサ１００を配置したが、内部欠陥を透過してくる超音波振動を検出するため、超音波送信部２００と反対側に光干渉変位センサ１００を配置することも可能である。
【００３６】
図１〜図５に示すように、本実施の形態によれば、空中超音波の励起によって試料表面に生じるピコメートルオーダの振幅の微弱な超音波振動を、外乱の影響を受けることなく高感度に検出することが可能となり、表面に傾斜や微小な凹凸を有する試料や、表面が粗面で構成されているような試料の内部欠陥を、非接触・非破壊で安定に検出可能となる。
【００３７】
＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２を、図６に基づいて説明する。図６は、本実施の形態において、内部欠陥検査装置の中の光干渉変位センサ１００を示す図である。
【００３８】
実施の形態１では、レーザ光源ユニット１から出射した直線偏光レーザ光を、偏波面保存ファイバ２で光干渉変位センサ１００に導光していた。これに対し、本実施の形態における光干渉変位センサ１００では、図６に示すように、レーザ光源ユニット１と偏波面保存ファイバ２に代えて、レーザ光源としての半導体レーザ等の小形のレーザダイオード３５を光干渉計１１０に内蔵する。ここで、レーザダイオード３５はＨｅ−Ｎｅレーザや固体レーザなどのレーザ光源とファイバカップラから成り、レーザ光源からの出射光をファイバカップラを介して偏波面保存ファイバに導くものである。従って、レーザダイオード３５を用いることにより、ファイバで導光することなく、光干渉計の中にそのまま内蔵することができ、装置全体を小型化することができる。レーザダイオード３５から出射した９０°方向の直線偏光レーザ光３６を、コリメーティングレンズ３７で平行光４にし、さらにグラントムソンプリズムなどの偏光素子５を透過させ、透過光６をプリズムミラー７及び無偏光ビームスプリッタ８で反射させて、参照ミラー９に入射させる。以降の各部の構成とその機能、並びに内部欠陥検査装置の構成と各部の機能は、レーザ光源ユニット１及び偏波面保存ファイバ２を除いて、図１及び図２に示す実施の形態１と全く同様であるので、説明を省略する。
【００３９】
図６に示すように、本実施の形態によれば、空中超音波の励起によって試料表面に生じるピコメートルオーダの振幅の微弱な超音波振動を、外乱の影響を受けることなく高感度に検出することが可能となり、表面に傾斜や微小な凹凸を有する試料や、表面が粗面で構成されているような試料の内部欠陥を、非接触・非破壊で安定に検出可能となる。さらに、本実施の形態によれば、レーザダイオードを光干渉変位センサ１００に内蔵しているため、レーザ光源ユニットが不要となり、内部欠陥検査装置全体の大きさが小形となる。さらに、超音波送信部２００と組み合わせて試料４００上をｘ方向及びｙ方向に走査するのが、一層容易となる。
【００４０】
＜実施の形態３＞
本発明の実施の形態３を、図７に基づいて説明する。図７は、本実施の形態において、内部欠陥検査装置の全体構成を示す図である。
【００４１】
実施の形態１では、空中超音波を出射する超音波送信部２００と、試料内部から反射あるいは透過してくる超音波振動を検出する光干渉変位センサ１００を１台ずつ有し、これらをｘ方向及びｙ方向に走査することにより３次元超音波画像を得ていた。これに対し、本実施の形態では、図７に示すように、複数台の超音波送信部２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄをｘ方向に並べて配置し、複数の空中超音波２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄを同時にあるいは時系列的に出射する。一方、対応する位置に複数台の光干渉計１１０及び複数台の超音波信号演算処理ユニット４０を内蔵した光干渉変位センサ１００を配置する。光干渉変位センサ１００からは、ｘ方向に並んだ複数の測定光１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが、試料４００表面の複数の超音波振動２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄの各励起部に集光され、その反射光には超音波振動に伴う位相変化が生じる。この位相変化が光干渉変位センサ１００で干渉光の振幅変化として検出され、複数の超音波信号５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄが出力され、信号制御・処理部３００を経由して３次元画像構成部５００に送られる。
【００４２】
３次元画像構成部５００では、超音波送信部２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ及び光干渉変位センサ１００を試料４００から一定距離離れた上空でｙ方向に走査することによって得られる超音波画像セット５０１〜５０４を用いて、試料４００の内部構造を示す３次元超音波画像を構成する。以降の各部の機能は、実施の形態１と全く同様であるので、説明を省略する。尚、実施の形態２を本実施の形態に組み合わせることも可能である。
【００４３】
本実施の形態において、超音波送信部及び光干渉計の台数を増やすことにより、より水平分解能の高い内部欠陥検査が可能であることはいうまでもない。また、複数台の超音波送信部に代えて、直線状の空中超音波を出射する超音波送信部を使用することも可能である。
【００４４】
図７に示すように、本実施の形態によれば、空中超音波の励起によって試料表面に生じるピコメートルオーダの振幅の微弱な超音波振動を、外乱の影響を受けることなく高感度に検出することが可能となり、表面に傾斜や微小な凹凸を有する試料や、表面が粗面で構成されているような試料の内部欠陥を、非接触・非破壊で安定に検出可能となる。さらに、本実施の形態によれば、超音波送信部及び光干渉変位センサを試料から一定距離離れた上空でｙ方向にのみ走査することで、試料の３次元超音波画像が得られるので、走査機構が単純な構成になると同時に、内部欠陥検査の所要時間が短縮される。
＜実施の形態４＞
本発明の実施の形態４を、図８〜図１１に基づいて説明する。図８は、本実施の形態において、内部欠陥検査装置の全体構成を示す図である。
【００４５】
本実施の形態では、実施の形態３と同様に、複数台の超音波送信部２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄをｘ方向に並べて配置し、複数の空中超音波２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄを同時にあるいは時系列的に出射する。一方、光干渉変位センサ１００からは、ｘ方向に沿った直線状の測定光１２ｗが、試料４００表面の複数の超音波振動２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄの各励起部に照射され、その反射光には超音波振動に伴う位相変化が生じる。この位相変化が光干渉変位センサ１００で干渉光の振幅変化として検出され、複数の超音波信号５１ｗが出力され、信号制御・処理部３００を経由して３次元画像構成部５００に送られる。
【００４６】
３次元画像構成部５００では、超音波送信部２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ及び光干渉変位センサ１００を試料４００から一定距離離れた上空でｙ方向に走査することによって得られる超音波画像セット５０１〜５０４を用いて、試料４００の内部構造を示す３次元超音波画像を構成する。以降の各部の機能は、実施の形態１と全く同様であるので、説明を省略する。
【００４７】
本実施の形態における光干渉変位センサ１００の構成とその機能について、図９〜図１１に基づいて説明する。図９に示すように、光干渉変位センサ１００は、直線状の測定光１２を出射する光干渉計１１０ｗ及び超音波信号演算処理ユニット４０ｗから成る。光干渉計１１０ｗでは、偏波面保存ファイバ２から出射した９０°方向の直線偏光レーザ光をコリメータ３で平行光４にし、さらにグラントムソンプリズムなどの偏光素子５を透過させ、透過光６を回折光学素子やホログラム素子、あるいはアナモルフィックプリズムペアのようなビーム整形素子８０により、矩形状ビーム８１に変換する。矩形状ビーム８１をプリズムミラー７及び無偏光ビームスプリッタ８で反射させて、参照ミラー９に入射させる。
【００４８】
参照ミラー９は、図３に示すように、フォトニック結晶９ａで構成される。フォトニック結晶９ａは、拡大斜視図に示すように、合成石英基板９ａ１上に入射光の波長よりも小さなピッチの４５°方向のライン＆スペース状の回折格子９ａ２を形成し、その上に屈折率の異なる誘電体薄膜９ａ３及び９ａ４を積層して構成される。誘電体薄膜９ａ３及び９ａ４を積層する際のバイアススパッタリング条件を制御することにより、薄膜層の断面構造には、回折格子の凹凸形状が膜厚方向に沿って最上層まで三角波形の凹凸形状として維持される。薄膜材料としては、Ｓｉ、 ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５が適用可能である。このような回折格子をベースとする多層薄膜構造は、回折格子の方向を結晶軸方向（太い矢印で図示）とするフォトニック結晶となり、多層薄膜間の回折、干渉作用により複屈折特性（光学的異方性）を示し、入射光の偏光や透過・反射特性を制御することが可能となる。入射光の波長及び得たい特性を考慮して、回折格子ピッチ、深さ、各薄膜の膜厚は制御される。また、半導体素子製造に用いられるフォトリソグラフィ技術やスパッタリングなどの膜付け技術を用いることにより、１枚の基板上に結晶軸方向の異なる偏光素子や波長素子をアレイ状に形成できる点も大きな特徴である。本実施の形態において、フォトニック結晶９ａは、偏光素子として機能する。すなわち、回折格子の方向（結晶軸方向）を４５°とすることにより、参照ミラー９に入射した９０°方向（６ｎで図示）の矩形状直線偏光レーザ光６のうち、結晶軸方向と同一の矩形状Ｓ偏光成分１０ｒｓはフォトニック結晶９ａ表面で反射し、結晶軸方向と直交する矩形状Ｐ偏光成分１０ｍｐはフォトニック結晶９ａを透過する。参照ミラー９で反射された矩形状Ｓ偏光ビーム１０ｒを参照光として用い、透過した矩形状Ｐ偏光ビーム１０ｍを測定光として用いる。フォトニック結晶９ａの代わりに、ガラス基板上にＡｌ等の金属材料で回折格子が形成されたワイヤグリッド偏光子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）等の格子状偏光素子を用いることも可能である。
【００４９】
参照ミラー９を透過した矩形状Ｐ偏光ビーム１０ｍは、集光レンズ１１ｗにより集光され、収束光１２ｗとして試料４００表面の複数の超音波振動２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄの励起部沿って直線状に集光される。すなわち、集光レンズ１１ｗの焦点位置が試料４００表面と一致している。励起部からの反射光は集光レンズ１１を透過した後、再びＰ偏光の矩形状平行光１０ｍとなり、参照ミラー９を透過する。参照ミラー９で反射された矩形状Ｓ偏光ビーム１０ｒ（参照光）と透過した矩形状Ｐ偏光ビーム１０ｍは、矩形状直交偏光ビーム８２として合成され、無偏光ビームスプリッタ８を透過する。
【００５０】
この矩形状直交偏光ビーム８２は、位相シフト素子８３を透過することにより、直交偏光成分の間に、０、π／２、π、３π／２の位相シフトが与えられた状態で偏光干渉し、直線状集光スポット１２ｗの長手方向と直交する方向に分割された４つの位相シフト干渉光８６が生成される。
【００５１】
位相シフト素子８３は、図１０に示すように、２つのフォトニック結晶アレイ８４及び８５で構成される。フォトニック結晶アレイ８４は直線状集光スポット１２ｗの長手方向と直交する方向に分割された２つの領域から成り、下半分が合成石英８４ａで構成され、上半分はフォトニック結晶８４ｂで構成される。フォトニック結晶８４ｂの構成と原理は、参照ミラー９と同様であるので、説明を省略する。フォトニック結晶８４ｂは１／４波長板としての機能を有しており、４５°方向の太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわち、図９に示すように、矩形状直交偏光ビーム８２のうちフォトニック結晶８４ｂを透過する直交偏光ビームに関して、２つの偏光成分の間にπ／２の位相差が生じる。一方、合成石英８４ａを透過する直交偏光ビームに関しては、２つの偏光成分の間に位相差は生じない。
【００５２】
フォトニック結晶アレイ８５は、図１０に示すように直線状集光スポット１２ｗの長手方向と直交する方向に４分割され、０°の結晶軸方向を有するフォトニック結晶８５ａ及び８５ｂと、直交する９０°の結晶軸方向を有するフォトニック結晶８５ｃ及び８５ｄが交互に並んでいる。フォトニック結晶８５ａ、８５ｂ、８５ｃ、８５ｄは偏光素子としての機能を有しており、太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわち、図９に示すように、矩形状直交偏光ビーム８２のうちフォトニック結晶８５ａ及び８５ｂを透過する直交偏光ビームを構成する２つの偏光成分と、フォトニック結晶８５ｃ及び８５ｄを透過する直交偏光ビームを構成する２つの偏光成分との間に、相対的にπの位相差が与えられた状態で、両偏光成分は干渉する。
【００５３】
すなわち、２つのフォトニック結晶アレイ８４及び８５から成る位相シフト素子８３を透過した矩形状直交偏光ビーム８２の長手方向と直交する方向の各直交偏光成分の間に、０、π／２、π、３π／２、の位相シフトが与えられた状態で偏光干渉し、直線状集光スポット１２ｗの長手方向と直交する方向に４分割され、かつ直線状集光スポット１２ｗの長手方向に共役な位相シフト干渉光８６が生成される。位相シフト干渉光８６は、図９に示すように、直線状集光スポット１２ｗの長手方向と位相シフト素子８３の４つの領域に対応したＮ×４個のレンズアレイ８７により、Ｎ×４個の収束光８８として、Ｎ画素×４の受光領域から成るフォトダイオードアレイなどの分割形光電変換素子８９の受光面上に集光して受光され、増幅器９０で増幅された後、Ｎ×４個の位相シフト干渉信号３１ｗとして出力される。図１１に示すように、受光領域８９ａ、８９ｂ、８９ｃ、８９ｄがそれぞれ図１０のフォトニック結晶アレイ８５のフォトニック結晶８５ａ、８５ｂ、８５ｃ、８５ｄに対応する。また、図９から明らかなように、レンズアレイ８７の焦点位置は、光電変換素子８９の受光面と一致している。従って、試料４００の表面と光電変換素子８９の受光面とは、集光レンズ１１ｗ及びレンズアレイ８７を介して共役の関係、すなわち結像関係にある。そのため、試料４００の表面に傾斜や微小な凹凸が生じていたいり、あるいは試料４００表面が粗面であったとしても、表面からの反射光は、光電変換素子８９の受光面上に正確に集光して受光され、安定な位相シフト干渉信号３１ｗが得られる。
【００５４】
Ｎ画素分に対応した４つの位相シフト干渉信号３１ｗは、実施の形態１と同様、各々（１）〜（４）式で与えられ、超音波信号演算処理ユニット４０ｗでは、（５）式に基づいてＮ個の各画素毎に試料４００表面に励起された反射超音波振動２０５ａ〜２０５ｄの振幅Ｄが算出されて、Ｎ個の超音波信号５１ｗとして信号制御・処理部３００に入力される。
【００５５】
図８及び図９に示すように、本実施の形態によれば、空中超音波の励起によって試料表面に生じるピコメートルオーダの振幅の微弱な超音波振動を、外乱の影響を受けることなく高感度に検出することが可能となり、表面に傾斜や微小な凹凸を有する試料や、表面が粗面で構成されているような試料の内部欠陥を、非接触・非破壊で安定に検出可能となる。さらに、本実施の形態によれば、超音波送信部及び光干渉変位センサを試料から一定距離離れた上空でｙ方向にのみ走査することで、試料の３次元超音波画像が得られるので、走査機構が単純な構成になると同時に、内部欠陥検査の所要時間が短縮される。
【００５６】
また、実施の形態３では、複数台の光干渉計を用いて試料の複数点の超音波信号を同時に検出するので、走査機構が単純な構成になると同時に、内部欠陥検査の所要時間が短縮されるというメリットを有している。しかし、その一方で、光干渉変位センサの構成が複雑になっていた。一方、本実施の形態によれば、矩形状ビームを用いることにより、光干渉計は１台で済むため、実施の形態３と同じメリットを有すと同時に、光干渉変位センサの構成が単純になり、コスト低減を実現することができる。
【００５７】
上記４つの実施の形態において、フォトニック結晶アレイの代わりに、ガラス基板上にＡｌ等の金属材料で回折格子が形成されたワイヤグリッド偏光子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）等の格子状偏光素子を用いることも可能である。
＜実施の形態１〜４の効果＞
以上説明したように、実施の形態１〜４によれば、空中超音波の励起によって試料表面に生じるピコメートルオーダの振幅の微弱な超音波振動を、外乱の影響を受けることなく高感度に検出することが可能となり、表面に傾斜や微小な凹凸を有する試料や、表面が粗面で構成されているような試料の内部欠陥を、非接触・非破壊で安定に検出可能となる。その結果、圧延鋼板、複合鋼板や鋳物、あるいはセラミックス基板等に生じた、剥離、クラック、ボイド等の内部欠陥の非接触・非破壊検査が可能になる。
【００５８】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５９】
１…レーザ光源ユニット ２…偏波面保存ファイバ ３…コリメータ ５…偏光素子 ７…プリズムミラー ８…無偏光ビームスプリッタ ９…参照ミラー ９ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、８４ｂ、８５ａ、８５ｂ、８５ｃ、８５ｄ…フォトニック結晶 １０ｍ…測定光 １０ｒ…参照光 １１、１１ｗ…集光レンズ １２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｗ、２２、８８…収束光 １３…開口 １４、１６、８２…直交偏光ビーム １５ａ、１５ｂ…四角錐プリズム １７、８３…位相シフト素子 １８、１９、８４、８５…フォトニック結晶アレイ ２０、８６…位相シフト干渉光 結像レンズ…２１ ２３…光電変換素子 ２４、９０…増幅器 ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｗ…位相シフト干渉信号 ３５…レーザダイオード ３６…直線偏光レーザ光 ３７…コリメーティングレンズ
４０、４０ｗ…超音波信号演算処理ユニット ５１、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｗ、５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃ…超音波信号 ８０…ビーム整形素子 ８７…レンズアレイ ８９…分割形光電変換素子 １００、１１０ｗ…光干渉変位センサ １１０…光干渉計 ２００、２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ…超音波送信部 ２０１…制御信号 ２０２…発信機 ２０３…パルス信号、連続波信号 ２０４、２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ…空中超音波 ２０５、２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄ…反射超音波振動 ３００…信号制御・処理部 ４００…試料 ４０１…欠陥 ５００…３次元画像構成部 ５０１〜５０４…超音波画像セット ６００…表示・欠陥判定部 ６０１…３次元超音波画像 ６０２…内部欠陥像
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波送信部から試料に向けて超音波を出射させて、試料から反射した超音波を結像形共通光路干渉計により干渉信号として検出し、前記干渉信号から超音波信号を得て、該超音波信号から試料内部の欠陥を検出することを特徴とする内部欠陥検査方法。
【請求項２】
請求項１に記載の内部欠陥検査方法において、
前記結像形共通光路干渉計は、レーザ光を出射し、参照ミラーにレーザ光の一部を反射させ、前記参照ミラーを透過したレーザ光を試料で反射させ、前記参照ミラー及び試料で反射したレーザ光を位相シフト素子により位相差を与えた状態で偏光干渉させて検出することを特徴とする内部欠陥検査方法。
【請求項３】
請求項２に記載の内部欠陥検査方法において、
前記結像形共通光路干渉計は、前記参照ミラーを透過したレーザ光を集光レンズにより前記試料表面に集光させ、前記位相シフト素子を透過したレーザ光を結像レンズにより集光させることを特徴とする内部欠陥検査方法。
【請求項４】
請求項１に記載の内部欠陥検査方法において、
前記結像形共通光路干渉計は、レーザ光源から出射したレーザ光を偏波面保存ファイバにより導光することを特徴とする内部欠陥検査方法。
【請求項５】
請求項１に記載の内部欠陥検査方法において、
前記結像形共通光路干渉計は、レーザダイオードから出射したレーザ光をコリメーティングレンズで平行光にし、参照ミラーに入射させることを特徴とする内部欠陥検査方法。
【請求項６】
請求項１に記載の内部欠陥検査方法において、
複数の前記超音波送信部から空中に超音波を出射させて、試料内部からの超音波振動を試料表面にて複数の結像形共通光路干渉計により検出することを特徴とする内部欠陥検査方法。
【請求項７】
請求項６に記載の内部欠陥検査方法において、
レーザ光を整形素子により矩形状ビームに変換し、参照ミラーに入射させることを特徴とする内部欠陥検査方法。
【請求項８】
空中に超音波を出射させて試料内部に伝搬させる超音波送信部と、
試料内部を伝搬する該超音波を超音波振動として試料表面にて検出する結像形共通光路干渉計と、
該結像形共通光路干渉計で検出された干渉信号から超音波信号を検出する超音波信号検出手段とを備える特徴とする内部欠陥検査装置。
【請求項９】
請求項８に記載の内部欠陥検査装置において、
前記結像形共通光路干渉計は、レーザ光を出射するレーザー光源と、レーザー光の一部を反射し一部を透過する参照ミラーと、レーザー光に位相差を与える位相シフト素子とを備えることを特徴とする内部欠陥検査装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の内部欠陥検査装置において、
前記結像形共通光路干渉計は、前記参照ミラーを透過したレーザー光を前記試料表面に集光させる集光レンズと、前記位相シフト素子を透過したレーザー光を集光させる結像レンズとを備えることを特徴とする内部欠陥検査装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の内部欠陥検査装置において、
前記参照ミラーを、格子状偏光素子で構成することを特徴とする内部欠陥検査装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の内部欠陥検査装置において、
前記位相シフト素子を、格子状偏光素子で構成することを特徴とする内部欠陥検査装置。
【請求項１３】
請求項９に記載の内部欠陥検査装置において、
前記参照ミラーを、フォトニック結晶で構成することを特徴とする内部欠陥検査装置。
【請求項１４】
請求項９に記載の内部欠陥検査装置において、
前記位相シフト素子を、フォトニック結晶で構成することを特徴とする内部欠陥検査装置。
【請求項１】
超音波送信部から試料に向けて超音波を出射させて、試料から反射した超音波を結像形共通光路干渉計により干渉信号として検出し、前記干渉信号から超音波信号を得て、該超音波信号から試料内部の欠陥を検出することを特徴とする内部欠陥検査方法。
【請求項２】
請求項１に記載の内部欠陥検査方法において、
前記結像形共通光路干渉計は、レーザ光を出射し、参照ミラーにレーザ光の一部を反射させ、前記参照ミラーを透過したレーザ光を試料で反射させ、前記参照ミラー及び試料で反射したレーザ光を位相シフト素子により位相差を与えた状態で偏光干渉させて検出することを特徴とする内部欠陥検査方法。
【請求項３】
請求項２に記載の内部欠陥検査方法において、
前記結像形共通光路干渉計は、前記参照ミラーを透過したレーザ光を集光レンズにより前記試料表面に集光させ、前記位相シフト素子を透過したレーザ光を結像レンズにより集光させることを特徴とする内部欠陥検査方法。
【請求項４】
請求項１に記載の内部欠陥検査方法において、
前記結像形共通光路干渉計は、レーザ光源から出射したレーザ光を偏波面保存ファイバにより導光することを特徴とする内部欠陥検査方法。
【請求項５】
請求項１に記載の内部欠陥検査方法において、
前記結像形共通光路干渉計は、レーザダイオードから出射したレーザ光をコリメーティングレンズで平行光にし、参照ミラーに入射させることを特徴とする内部欠陥検査方法。
【請求項６】
請求項１に記載の内部欠陥検査方法において、
複数の前記超音波送信部から空中に超音波を出射させて、試料内部からの超音波振動を試料表面にて複数の結像形共通光路干渉計により検出することを特徴とする内部欠陥検査方法。
【請求項７】
請求項６に記載の内部欠陥検査方法において、
レーザ光を整形素子により矩形状ビームに変換し、参照ミラーに入射させることを特徴とする内部欠陥検査方法。
【請求項８】
空中に超音波を出射させて試料内部に伝搬させる超音波送信部と、
試料内部を伝搬する該超音波を超音波振動として試料表面にて検出する結像形共通光路干渉計と、
該結像形共通光路干渉計で検出された干渉信号から超音波信号を検出する超音波信号検出手段とを備える特徴とする内部欠陥検査装置。
【請求項９】
請求項８に記載の内部欠陥検査装置において、
前記結像形共通光路干渉計は、レーザ光を出射するレーザー光源と、レーザー光の一部を反射し一部を透過する参照ミラーと、レーザー光に位相差を与える位相シフト素子とを備えることを特徴とする内部欠陥検査装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の内部欠陥検査装置において、
前記結像形共通光路干渉計は、前記参照ミラーを透過したレーザー光を前記試料表面に集光させる集光レンズと、前記位相シフト素子を透過したレーザー光を集光させる結像レンズとを備えることを特徴とする内部欠陥検査装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の内部欠陥検査装置において、
前記参照ミラーを、格子状偏光素子で構成することを特徴とする内部欠陥検査装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の内部欠陥検査装置において、
前記位相シフト素子を、格子状偏光素子で構成することを特徴とする内部欠陥検査装置。
【請求項１３】
請求項９に記載の内部欠陥検査装置において、
前記参照ミラーを、フォトニック結晶で構成することを特徴とする内部欠陥検査装置。
【請求項１４】
請求項９に記載の内部欠陥検査装置において、
前記位相シフト素子を、フォトニック結晶で構成することを特徴とする内部欠陥検査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−４７６０７（Ｐ２０１２−４７６０７Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９０２５３（Ｐ２０１０−１９０２５３）
【出願日】平成２２年８月２７日（２０１０．８．２７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２７日（２０１０．８．２７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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