内部欠陥検査方法及び内部欠陥検査装置
【課題】欠陥検出感度が高く、電磁波照射方向の欠陥寸法も検出できる方法及び装置を提供すること。
【解決手段】検査対象部材を透過する波長のテラヘルツパルス光を該検査対象部材に照射する照射工程と、前記検査対象部材を透過した前記テラヘルツパルス光の電場振幅時間分解波形を検出する検出工程と、を有し、前記電場振幅時間分解波形の位相情報及び或いは振幅情報から前記検査対象部材の内部欠陥を検査することを特徴とする内部欠陥検査方法。
【解決手段】検査対象部材を透過する波長のテラヘルツパルス光を該検査対象部材に照射する照射工程と、前記検査対象部材を透過した前記テラヘルツパルス光の電場振幅時間分解波形を検出する検出工程と、を有し、前記電場振幅時間分解波形の位相情報及び或いは振幅情報から前記検査対象部材の内部欠陥を検査することを特徴とする内部欠陥検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、射出成形、圧縮成形、押出成形等で製造された部材の内部欠陥検査方法及び装置に関する。詳しくは、検査対象部材に電磁波を照射して部材を透過する電磁波の変化から部材内部の欠陥を検査する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
樹脂やゴムといった高分子材料、ガラスやセラミックスといった無機材料などからなる部材は、押出成形、射出成形や加圧焼成等で製造される。しかし、製造された部材は、異物混入、材料配合の不均一性、ボイド（空隙）等の内部欠陥をもっている場合がある。
【０００３】
これらの欠陥を検査するための従来の方法は、部材を透過する波長の電磁波（テラヘルツ波）を照射し、部材を透過した電磁波の透過強度の変化から欠陥を検査するものである（例えば特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００５−４３２３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来の欠陥検査方法は、断面形状が一定の細長部材（パイプ等）であって、部材を透過した電磁波の透過強度の変化から欠陥を検出するが、透過強度は、内部欠陥だけでなく部材表面状態、部材組成の均一性、等の影響を受けるため、ノイズが多く欠陥検出感度、欠陥検出精度が低かった。また、透過強度は照射方向によって積分されるため、照射方向の欠陥の寸法を知ることができなかった。さらに、従来の欠陥検出方法は、一定断面形状での欠陥の有無は定性的に評価できるが、形状がパイプ形状でない部材の欠陥を定量的に評価することができなかった。従って、欠陥の３次元形状である大きさや形を定量評価することができなかった。
【０００５】
本発明は、上記の従来の欠陥検査方法の問題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、欠陥検出感度が高く、電磁波照射方向の欠陥寸法も検査できる方法及び装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
課題を解決するためになされた請求項１に係る発明は、検査対象部材を透過する波長のテラヘルツパルス光を該検査対象部材に照射する照射工程と、前記検査対象部材を透過した前記テラヘルツパルス光の電場振幅時間分解波形を検出する検出工程と、を有し、前記電場振幅時間分解波形の位相情報及び或いは振幅情報から前記検査対象部材の内部欠陥を検査することを特徴とする内部欠陥検査方法である。
【０００７】
また、請求項２に係る発明は請求項１の内部欠陥検査方法であって、前記位相情報が前記内部欠陥を透過したテラヘルツパルス光と前記内部欠陥を透過しなかったテラヘルツパルス光との時間差であり、前記振幅情報が前記内部欠陥を透過したテラヘルツパルス光と前記内部欠陥を透過しなかったテラヘルツパルス光との振幅比であることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項３に係る発明は請求項１または２の内部欠陥検査方法であって、前記波長は１００μｍ〜３ｍｍであり、前記検査対象部材は高分子材料であることを特徴としている。
【０００９】
課題を解決するためになされた請求項４に係る発明は、短パルスレーザ光を発生するレーザ光源と、前記レーザ光源から発生された前記短パルスレーザ光をポンプ光とプローブ光とに分割する光分割手段と、前記光分割手段で分割された前記プローブ光或いは前記ポンプ光の時間遅延を制御する光遅延手段と、前記光分割手段で分割された前記ポンプ光でポンプされて検査対象部材を透過する波長のテラヘルツパルス光を発生するテラヘルツパルス光発生手段と、前記テラヘルツパルス光発生手段から発生された前記テラヘルツパルス光を前記検査対象部材に照射する照射手段と、前記検査対象物材を透過した前記テラヘルツパルス光を受光する受光手段と、前記受光手段で受光した前記テラヘルツパルス光の電場振幅時間分解波形を前記プローブ光で検出する検出手段と、前記電場振幅時間分解波形の位相情報及び或いは振幅情報から前記検査対象部材の内部欠陥を判別する欠陥判別器と、を備えたことを特徴とする内部欠陥検査装置である。
【００１０】
また、請求項５に係る発明は請求項４の内部欠陥検査装置であって、前記照射手段の開口数をNA1とし、前記受光手段の開口数をNA2とするとき、NA1<NA2であることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項６に係る発明は、請求項４又は５に記載の内部欠陥検出装置であって、前記照射手段の光軸（ｚ軸）と直交する水平軸（ｘ軸）及び或いは垂直軸（ｙ軸）方向に前記検査対象部材を走査する走査手段をさらに備えることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項７に係る発明は、請求項４ないし６のいずれか１項の内部欠陥検査装置であって、前記位相情報が前記内部欠陥を透過したテラヘルツパルス光と前記内部欠陥を透過しなかったテラヘルツパルス光との時間差であり、前記振幅情報が前記内部欠陥を透過したテラヘルツパルス光と前記内部欠陥を透過しなかったテラヘルツパルス光との振幅比であることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項８に係る発明は請求項４ないし７のいずれか１項の内部欠陥検査装置であって、前記テラヘルツパルス光の波長は１００μｍ〜３ｍｍであり、前記検査対象部材は樹脂材料であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
上記本発明の方法及び装置によれば、以下の効果が得られる。
【００１５】
（１）検査対象部材を透過したテラヘルツパルス光の電場振幅時間分解波形の位相情報と振幅情報は、内部欠陥の影響を強く受けるので、欠陥検出感度が高い。
【００１６】
（２）内部欠陥を透過したテラヘルツパルス光と内部欠陥を透過しなかったテラヘルツパルス光との時間差及び振幅比は、内部欠陥のみの影響を受けるので、より一層欠陥検出感度が高い。また、上記時間差は、光軸方向（照射方向）の欠陥寸法に依存し、上記振幅比は、光軸方向と直交する横断面における欠陥の寸法に依存するので、時間差から光軸方向の欠陥寸法を、振幅比から光軸方向と直交する横断面における欠陥の寸法を検出することができる。
【００１７】
（３）高分子材料は、波長が１００μｍ〜３ｍｍのテラヘルツパルス光に対して透明であり、検査対象部材を透過したテラヘルツパルス光の検出感度が高い。
【００１８】
（４）検査対象部材を透過したテラヘルツパルス光を開口数の大きな受光手段で受光するので、検査対象部材と欠陥との屈折率差によってテラヘルツパルス光が散乱されても検査対象部材を透過したテラヘルツパルス光を効率よく受光することができる。
【００１９】
（５）検査対象部材を走査する走査手段を備えているので、内部欠陥を３次元的に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２１】
図１は、本発明の内部欠陥検査装置の全体構成図である。この図に示すように、本発明の検査対象部材の内部欠陥検査装置は、レーザ光源１、光分割手段２、光遅延手段３、テラヘルツパルス光発生手段４、照射手段５、走査手段９、受光手段６、検出手段７、欠陥判別器１０を備える。また、図１において、Ｍ1〜Ｍ6は平面鏡、Ｌ1〜Ｌ3はレンズ、ＰＭ1〜ＰＭ4は軸外し放物面鏡、Ｗ1〜Ｗ3は窓である。Ｋは筐体で、テラヘルツパルス光の光路を外部から隔離する。筐体Ｋの内部は真空または窒素雰囲気であり、テラヘルツパルス光が空気を構成する分子で吸収されることを防止する。
【００２２】
レーザ光源１は、例えば、モードロックファイバレーザ装置で、パルス幅がフェムト秒〜ピコ秒の短パルスレーザ光Ｌを発生する。例えば、中心波長７８０ｎｍ帯、平均出力２０ｍＷ、繰り返し周波数５０ＭＨｚ、の小型ファイバレーザが用いられる。
【００２３】
光分割手段２は、例えば、ビームスプリッタまたはウェッジプレートであり、短パルスレーザ光Ｌをポンプ光Ｐuとプローブ光Ｐrとに分割する。
【００２４】
光遅延手段３は、例えば、コーナミラーを矢印Ｒ1方向（ｘ方向）に移動するステージ（図示せず）に取り付けた装置であり、ポンプ光Ｐuの光路長を制御して遅延時間を走査する。なお、本実施形態の内部欠陥検査装置では、光遅延手段３が、ポンプ光Ｐuの光路中に挿入されているが、プローブ光Ｐrの光路中に挿入されてもよい。
【００２５】
テラヘルツパルス光発生手段４は、例えば、低温成長GaAsダイポールアンテナ、InSb結晶、InAs半導体結晶等である。
【００２６】
照射手段５は、例えば、軸外し放物面鏡ＰＭ1とＰＭ2とからなり、発生手段４から発生されたテラヘルツパルス光Ｓをコリメートして、検査対象部材８の平行する２面８１、８２の一方の面８１付近に、光軸（ｚ軸）OAが面８１、８２に直交するように集光する。例えば、軸外し放物面鏡ＰＭ1によりコリメートされたテラヘルツパルス光のビーム径は、約１５ｍｍであり、これを焦点距離１５０ｍｍの軸外し放物面鏡ＰＭ2 で集光すると、集光径が約２ｍｍになる。従って、照射手段５の開口数、すなわち、検査対象部材に入射されるテラヘルツパルス光の開口数NA1は、約０．０５である。
【００２７】
走査手段９は、例えば、ｘ軸移動ステージであり、矢印Ｒ２方向に検査対象部材８を移動させる。
【００２８】
受光手段６は、例えば、軸外し放物面鏡ＰＭ3とＰＭ4とからなり、検査対象部材８を透過したテラヘルツパルス光Ｓ’をコリメートして、検出手段７に集光する。軸外し放物面鏡ＰＭ3 は、焦点距離１５０ｍｍ、口径５０ｍｍであり、受光手段６の開口数NA2は、約０．１６である。
【００２９】
検出手段６は、例えば、電気光学（EO）結晶としてのZnTe結晶６１、ウォルストンプリズム６２、バランス検出器６３を備えている。バランス検出器６３は、検査対象部材８を透過したテラヘルツパルス光Ｓ’によりZnTe結晶６１に誘起される複屈折によって生じるプローブ光Ｐrの偏光回転量を差動増幅機構を用いて抽出する。従って、検出手段６から後述の欠陥判別器７に入力される信号は、図２に示すような電場振幅時間分解波形である。図２は、欠陥の無い検査対象部材８を透過したテラヘルツパルス光の電場振幅時間分解波形である。なお、ZnTe結晶６１を例えば、低温成長GaAsダイポールアンテナにし、テラヘルツパルス光を検出する際発生するプローブ光Ｐrによる光起電流を増幅する電流アンプを備えるようにしてもよい。
【００３０】
欠陥判別器７は、例えばパソコンであり、検出手段７からの信号を図示しないロックインアンプで増幅した信号を受けて、図２のような電場振幅時間分解波形の位相情報及び或いは振幅情報から欠陥を判別する。
【００３１】
次に、本実施形態の内部欠陥検査装置で欠陥を検査する原理を説明する。図３は、図１における検査対象部材８付近の拡大斜視図、図４は図１における検査対象部材８付近の拡大ｘ−ｚ平面視図である。検査対象部材８は、光軸OA方向（ｚ方向）の厚さがｌ（エル）で、８０はｙ方向に延びる直径２ｄの円柱状欠陥である。２ａは、テラヘルツパルス光Ｓの光束の光軸方向と直交する横断面における径である。
【００３２】
図５は、図４の矢印Ｒ2方向（ｘ方向）に検査対象部材８を走査手段９で移動させ、テラヘルツパルス光Ｓの照射位置ｘrを変化させたときの電場振幅時間波形（信号と略記する）を模式的に示している。下側のケース１〜ケース４は、テラヘルツパルス光Ｓの光束が欠陥径以下の場合（２ａ≦２ｄ）であり、上側のケース５〜ケース８は、テラヘルツパルス光Ｓの光束が欠陥径より大きい場合（２ａ＞２ｄ）である。横軸のｔ1に現れる信号は、直径２ｄ1の欠陥を透過したテラヘルツパルス光であり、ｔ2に現れる信号は、直径２ｄ2（ただし、ｄ2＜ｄ1）の欠陥を透過したテラヘルツパルス光、ｔ3に現れる信号は欠陥を透過しないテラヘルツパルス光である。
【００３３】
まず、電場振幅時間波形の位相情報の一つであるΔｔ1（＝ｔ3−ｔ1）、Δｔ2（＝ｔ3−ｔ2）、Δｔ3（＝ｔ2−ｔ1）と欠陥の光軸方向（ｚ方向）の大きさとの関係を説明する。
【００３４】
テラヘルツパルス光の伝搬時間は、光路長を光速度ｃで割ることで求まり、光路長は伝搬媒質の屈折率ｎ、伝搬距離をｌ（エル）とすると、ｎｌとなる。従って、検査対象部材の屈折率をｎ、欠陥部の屈折率をｎ’とすると、
Δｔ1＝２ｄ1（ｎ−ｎ’）／ｃ （１）
Δｔ2＝２ｄ2（ｎ−ｎ’）／ｃ （２）
Δｔ3＝２（ｄ1−ｄ2）（ｎ−ｎ’）／ｃ （３）
となる。よって、（１）〜（３）式から、ｎとｎ’が既知であれば、欠陥のｚ方向の大きさが求まる。通常、検査対象部材の屈折率ｎは既知であるが、欠陥部の屈折率ｎ’は不明の場合が多い。その場合は、欠陥の大きさの絶対値は求まらないが、相対値を求めることができる。また、欠陥部がボイドのような空隙であれば、ｎ’＝１であるので、大きさの絶対値を求めることができる。
【００３５】
次に、電場振幅時間波形の振幅情報の一つであるｔ1での信号とｔ3での信号の振幅比、ｔ1での信号とｔ2での信号の振幅比、と欠陥のｘ方向の寸法との関係を説明する。
【００３６】
まず、ケース５〜ケース７に注目することにする。これらのケースは欠陥のｘ方向寸法より大きな光束のテラヘルツパルス光を入射させ、検査対象部材をｘ方向に移動させて、照射位置を変える場合である。ケース５は移動量（オフセット量）がゼロの場合で、欠陥を透過したテラヘルツパルス光の信号Ｓ’1（０，ｄ1）と透過しなかった信号Ｓ’2（０，ｄ1）とが検出される。ケース７は移動量が大きく、テラヘルツパルス光の全てが欠陥を透過しない場合で、欠陥を透過しなかったテラヘルツパルス光の信号Ｓ’（>ｄ1，ｄ1）のみが検出される。ケース６はケース５とケース７の間の場合で、ケース５より欠陥を透過しないテラヘルツパルス光が増えるため、欠陥を透過したテラヘルツパルス光の信号Ｓ’1（＜ｄ1，ｄ1）の振幅はＳ’1（０，ｄ1）より小さく、欠陥を透過しない信号Ｓ’2（＜ｄ1，ｄ1）がその分増え、欠陥を透過した信号Ｓ’1と透過しなかった信号Ｓ’2との比が欠陥のｘ方向寸法に依存することがわかる。従って、大きさが既知の欠陥サンプルを用いて、キャリブレーションすることで、振幅比からｘ方向の寸法を求めることができる。
【００３７】
次に、ケース１〜ケース３に注目することにする。これらのケースは欠陥のｘ方向寸法以下の光束のテラヘルツパルス光を入射させ、検査対象部材をｘ方向に移動させて、照射位置を変える場合である。ケース１は移動量がゼロの場合で、欠陥を透過したテラヘルツパルス光の信号Ｓ’1（０，ｄ1）のみが検出される。ケース２は、移動量が大きく、テラヘルツパルス光の全てが欠陥を透過しない場合で、欠陥を透過しなかったテラヘルツパルス光の信号Ｓ’（≧２ａ，ｄ1）のみが検出される。ケース３はケース１とケース２の間の場合で、欠陥を透過したテラヘルツパルス光の信号Ｓ’1（＜ａ，ｄ1）と透過しなかった信号Ｓ’2（＜ａ，ｄ1）とが検出される。これらの信号Ｓ’1（＜ａ，ｄ1）、Ｓ’2（＜ａ，ｄ1）の振幅は、上記ケース５〜ケース７の場合のように、照射位置ｘrの値、すなわち移動量に依存するため、Ｓ’1（＜ａ，ｄ1）とＳ’2（＜ａ，ｄ1）との振幅比から欠陥のｘ方向寸法を求めることができる。
【００３８】
次に、ケース１とケース８に注目することにする。ケース１は欠陥のｘ方向寸法以下の光束のテラヘルツパルス光が入射する場合で、この場合、全てのテラヘルツパルス光が欠陥を透過する。それに対して、ケース８は欠陥がケース１の場合より小さく、欠陥のｘ方向寸法より大きい光束のテラヘルツパルス光が入射する場合であり、この場合、テラヘルツパルス光の一部が欠陥部を透過し、残部が欠陥部を透過しない。その結果、欠陥部を透過するテラヘルツパルス光の信号Ｓ’1（０，ｄ2）の振幅は、ケース１の場合の信号Ｓ’（０，ｄ1）より小さく、両信号の振幅比が欠陥のｘ方向寸法に依存することがわかる。従って、大きさが既知の様々な欠陥サンプルを用いて、キャリブレーションすることで、振幅比からｘ方向の寸法を求めることができる。
【００３９】
なお、図６に示すように、検査対象部材８をｘ’軸と直交するｙ’軸（紙面に垂直）の周りに回転（矢印Ｒ２’）させることにより、非対称な内部欠陥８０’の形状を計測すること、すなわちＣＴ計測することができる。
【００４０】
光は、屈折率の異なる界面を通過するとき屈折する。例えば、図４のような円柱状の欠陥があると、欠陥検査部材の屈折率が大きい場合、欠陥部と屈折率差が大きくなり、テラヘルツパルス光Ｓは欠陥部でレンズ作用や臨界角による全反射を受けて、検出手段に到達しなくなる。そこで、以下に欠陥がボイドで欠陥の屈折率ｎ’＝１（媒質がなく空気）の場合、検査対象部材の屈折率ｎがどのくらいであれば、レンズ作用や全反射を回避できるかを説明することにする。
【００４１】
図７に空気から媒質中に光が進む場合の屈折角の入射角依存性を示す。直線はｎ＝１の場合を示しており、媒質がない場合（つまり空気があるだけの状態）に相当する。これに対して、ｎ＞１の場合、入射角が大きくなるにつれ屈折角が小さくなる傾向にある。この傾向はｎが大きいほど顕著である。一般的に、光計測で使用される入射角は０°に近い方が理想的であるが、現実は２０°程度まで使用される。この場合、２０°入射におけるｎ＝１の直線からのズレ量が５０％程度以下であれば、ｎ＝１の光学系をそのまま用いても比較的簡単に効率よく計測することができる。従って、ｎ＝２以下の媒質、すなわち、検査対象部材の屈折率ｎがｎ≦２であることが好ましい。
【００４２】
図８に媒質から空気中に光が進む場合の屈折角の入射角依存性を示す。この場合、臨界角が存在する。臨界角は、屈折率が大きいほど小さな入射角にある。ｎ＝２では、入射角３０°付近で臨界角になる。この場合も３０°でのｎ＝１の直線からのズレ量を５０％以下に設定すると、ｎ＝１の光学系をそのまま用いることが可能になる。従って、図６と同様、ｎ＝２以下の媒質であることが好ましい。
【００４３】
以上をまとめると、屈折率ｎがｎ≦２であれば、透過測定において、検査対象部材による屈折や臨界角による散乱やレンズ作用の影響を少なくして計測することできるようになる。テラヘルツパルス光の波長を１００μｍ〜３ｍｍにし、検査対象部材を高分子材料にすると、ｎ≦２の条件を満たすことができるので、散乱やレンズ作用の影響を少なくして効率よい検査が可能になる。
【００４４】
検査対象部材による屈折や臨界角による散乱やレンズ作用の影響を、さらに少なくするためには、以下に説明するように、照射手段の開口数NA1より受光手段の開口数NA2を大きくすればよい。図９は、検査対象部材８から検出手段７のEO結晶７１までの光線軌跡を模式的に示している。図９で、θ１は検査対象部材８へ集光照射されるテラヘルツ光Ｓの開口半角、θ２は受光部材６の開口半角である。また、○は、検査対象部材８がない場合のテラヘルツ光（参照光）の中で最も外側の光路を通る光線、△は、光軸（OA）を通る光線、□は、検査対象部材８の入射面や内部欠陥での界面で屈折により最も外側に曲げられた光線である。検査対象部材を透過したテラヘルツ光の開口数NA1はNA1=nsinθ１、受光部材の開口数NA2はNA2=nsinθ２である。今、上記のように、例えば、NA1=０．０５、NA2＝０．１６の場合、すなわち、NA1<NA2の場合、屈折により曲げられた光線（□）も受光手段で受光することができ、EO結晶に入射される。従って、検査対象部材を透過したテラヘルツ光をロスすることなく受光検出でき、散乱やレンズ作用の影響を全く受けない効率よい検査が可能になる。
【００４５】
また、受光手段に軸外し放物面鏡を使用すると、屈折により曲げられた光線（□）、光軸を通る光線（△）、参照光の中で最も外側を通る光線（○）のいずれもが、放物面鏡ＰＭ３の焦点から出ているため、これらの光線は軸外し放物面鏡ＰＭ４でEO結晶７１の上に集光されるとき、必ず同一焦点に位相差なしで到達する。従って、正確な位相情報を検出することができる。その結果、精度の高い欠陥検出ができる。
【実施例１】
【００４６】
検査原理の実証試験として、図１０に示すような欠陥検査部材を作製し、実験を行った。使用した検査部材は、ｚ方向厚さｌ＝３ｍｍのポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）ブロックで、直径２ｍｍ（＝２ｄ1）と直径１．４ｍｍ（＝２ｄ2）の穴がｙ方向にあけられている。
【００４７】
まず、図１の内部欠陥検査装置で検査対象部材の屈折率を測定した。図１１はテラヘルツパルス光を検出手段６で検出した電場振幅時間分解波形をフーリエ変換して得られたスペクトル強度と位相である。図１１で（ロ）は検査対象部材をセットする前のテラヘルツパルス光スペクトル（参照光スペクトル）、（イ）は検査対象部材をセットして検査対象部材を透過後のスペクトル（信号光スペクトル）、（ニ）は参照光位相、（ハ）は信号光位相である。
【００４８】
図１２は、図１１から算出した透過率（ホ）と位相差（ヘ）で、透過率は（信号光強度）／（参照光強度）、位相差は（信号光位相）−（参照光位相）から求められた。図１１から、透過率が１ＴＨｚ以上（波長３００μｍ以下）ではほとんどゼロ、すなわちほとんど透過しないことがわかる。連続的に変化していた位相差も１．４ＴＨｚ（波長約２００μｍ）周辺でノイズが増えているが、これは透過率が小さいために解析に必要な信号強度が得られていないことに起因する。従って、この検査対象部材では１．４ＴＨｚより低周波（波長約２００μｍ以上）の光を透過することがわかる。一方、低周波側でも透過率が１を越える部分が０．２ＴＨｚ以下（波長約１．５ｍｍ以上）に出現している。これも信号光強度或いは参照光強度の弱い部分が存在するため、解析処理ができないためと考えられる。従って、以後の解析範囲を０．２ＴＨｚ〜１．４ＴＨｚに限定する必要がある。
【００４９】
図１３は上記図１２の結果から算出された複素屈折率である。実部（ト）は屈折率、虚部（チ）は吸収係数である。これから、本実施例の検査対称部材の屈折率ｎは０．２ＴＨｚ〜１．４ＴＨｚ（２００μｍ〜１．５ｍｍ）の範囲で約１．８５であることがわかる。上記結果では、ノイズの影響やＰＢＴ高分子材料の透過率の影響で波長が２００μｍ〜１．５ｍｍのテラヘルツ光の例を示したが、さらにノイズを減らした場合や他の材料を用いた場合では、１００μｍ〜３ｍｍまで測定波長を拡張しても様々な高分子材料では屈折率が約２程度と考えられる。
【００５０】
図１４は、光束２ａが２ａ＝２．５ｍｍのテラヘルツパルス光Ｓを検査対象部材に照射したときの、透過テラヘルツパルス光Ｓ’の電場振幅時間分解波形である。（リ）は、図１０に示すように、テラヘルツパルス光Ｓが大きな欠陥の中心を透過するように照射した場合の電場振幅時間分解波形、（ヌ）は小さな欠陥中心を透過するように照射した場合の電場振幅時間分解波形である。
【００５１】
図１４からΔｔ1＝５．６３ｐｓで、（１）式からｎ＝１．８５とすると、２ｄ1＝２ｍｍと求まる。また、Δｔ2＝３．９３ｐｓで、（２）式から２ｄ2＝１．４ｍｍと求まる。さらに、Δｔ3＝０１．６９ｐｓで、（３）式から２（ｄ1−ｄ2）＝０．６ｍｍであることがわかる。すなわち、検査対象部材を透過したテラヘルツパルス光の電場振幅時間分解波形の位相情報から欠陥の光軸方向の寸法を測定できることが立証された。
【実施例２】
【００５２】
次に、別の実証試験結果を示す。本実施例は、照射位置ｘrを一定ピッチでｘ方向にオフセットする以外は、検査対象部材もテラヘルツパルス光Ｓの光束も実施例１と同じである。図１５は照射位置ｘrを０．５ｍｍずつオフセットさせて照射する場合の、←・→で示す光束と欠陥の重なり状態を模式的に示している。
【００５３】
図１６は、２ｄ1＝２ｍｍの穴にテラヘルツパルス光Ｓを照射した場合の透過テラヘルツパルス光Ｓ’の電場振幅時間分解波形である。図１６において、(ル)はオフセットゼロの場合の電場振幅時間分解波形、（オ）は０．５ｍｍオフセットさせた場合の電場振幅時間分解波形、・・・（タ）は２．５ｍｍオフセットさせた場合の電場振幅時間分解波形である。Ｓ’1は欠陥を透過したテラヘルツパルス光の電場振幅時間分解波形、Ｓ’2、Ｓ’は透過しなかったテラヘルツパルス光の電場振幅時間分解波形である。図１６からＳ’1の振幅Ｉbを、Ｓ’2（Ｓ’）の振幅Ｉ0を、それぞれ求める。一方、テラヘルツパルス光Ｓの光束断面積Σと該断面積とオーバラップする欠陥断面積σを幾何学的に求める。図１７はＩb／Ｉ0とσ／Σ関係をプロットしたグラフで、２ｄ1＝２ｍｍの穴（○）と２ｄ2＝１．４ｍｍの穴（△）が同一曲線に乗り、この曲線をキャリブレーション曲線とすることで、欠陥のｘ方向の寸法を求めることができる。すなわち、電場振幅時間分解波形の振幅情報から欠陥の光軸方向と直交するｘ方向の寸法を測定できることが立証された。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の内部欠陥検査装置の全体構成図である。
【図２】電場振幅時間分解波形の一例である。
【図３】図１における検査対象部材８付近の拡大斜視図である。
【図４】図１における検査対象部材８付近の拡大ｘ−ｚ平面視図である。
【図５】図４の矢印Ｒ2方向に検査対象部材８を移動させ、テラヘルツパルス光Ｓの照射位置ｘrを変化させたときの電場振幅時間波形を模式的に示す図である。
【図６】検査対象部材回転走査して検査する状況を説明する図である。
【図７】光が空気から媒質中に進む場合の屈折角の入射角依存性を示すグラフである。
【図８】光が媒質から空気中に進む場合の屈折角の入射角依存性を示すグラフである。
【図９】検査対象部材から検出手段までの光線軌跡を模式的に示す図である。
【図１０】実施例１の欠陥検査部材である。
【図１１】テラヘルツパルス光を検出手段６で検出した電場振幅時間分解波形をフーリエ変換して得られたスペクトル強度と位相である。
【図１２】図１１から算出された透過率と位相差である。
【図１３】図１２から算出された複素屈折率である。
【図１４】実施例１において、光束２ａが２ａ＝２．５ｍｍのテラヘルツパルス光Ｓを検査対象部材に照射したときの、透過テラヘルツパルス光Ｓ’の電場振幅時間分解波形である。
【図１５】実施例２において、照射位置ｘrを０．５ｍｍずつオフセットさせて照射する場合の、光束と欠陥の重なり状態を模式的に示す図である。
【図１６】実施例２において、２ｄ1＝２ｍｍの穴にテラヘルツパルス光Ｓを照射した場合の透過テラヘルツパルス光Ｓ’の電場振幅時間分解波形である。
【図１７】電場振幅時間分解波形の振幅比と欠陥断面積／光束断面積の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５５】
１・・・・・・・・・レーザ光源
２・・・・・・・・・光分割手段
３・・・・・・・・・光遅延手段
４・・・・・・・・・テラヘルツパルス光発生手段
５・・・・・・・・・照射手段
６・・・・・・・・・受光手段
７・・・・・・・・・検出手段
８・・・・・・・・・検査対象部材
９・・・・・・・・・走査手段
１０・・・・・・・・欠陥判別器
Ｐu ・・・・・・・ポンプ光
Ｐo ・・・・・・・プローブ光
Ｓ、Ｓ’・・・・・・テラヘルツパルス光
【技術分野】
【０００１】
この発明は、射出成形、圧縮成形、押出成形等で製造された部材の内部欠陥検査方法及び装置に関する。詳しくは、検査対象部材に電磁波を照射して部材を透過する電磁波の変化から部材内部の欠陥を検査する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
樹脂やゴムといった高分子材料、ガラスやセラミックスといった無機材料などからなる部材は、押出成形、射出成形や加圧焼成等で製造される。しかし、製造された部材は、異物混入、材料配合の不均一性、ボイド（空隙）等の内部欠陥をもっている場合がある。
【０００３】
これらの欠陥を検査するための従来の方法は、部材を透過する波長の電磁波（テラヘルツ波）を照射し、部材を透過した電磁波の透過強度の変化から欠陥を検査するものである（例えば特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００５−４３２３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来の欠陥検査方法は、断面形状が一定の細長部材（パイプ等）であって、部材を透過した電磁波の透過強度の変化から欠陥を検出するが、透過強度は、内部欠陥だけでなく部材表面状態、部材組成の均一性、等の影響を受けるため、ノイズが多く欠陥検出感度、欠陥検出精度が低かった。また、透過強度は照射方向によって積分されるため、照射方向の欠陥の寸法を知ることができなかった。さらに、従来の欠陥検出方法は、一定断面形状での欠陥の有無は定性的に評価できるが、形状がパイプ形状でない部材の欠陥を定量的に評価することができなかった。従って、欠陥の３次元形状である大きさや形を定量評価することができなかった。
【０００５】
本発明は、上記の従来の欠陥検査方法の問題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、欠陥検出感度が高く、電磁波照射方向の欠陥寸法も検査できる方法及び装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
課題を解決するためになされた請求項１に係る発明は、検査対象部材を透過する波長のテラヘルツパルス光を該検査対象部材に照射する照射工程と、前記検査対象部材を透過した前記テラヘルツパルス光の電場振幅時間分解波形を検出する検出工程と、を有し、前記電場振幅時間分解波形の位相情報及び或いは振幅情報から前記検査対象部材の内部欠陥を検査することを特徴とする内部欠陥検査方法である。
【０００７】
また、請求項２に係る発明は請求項１の内部欠陥検査方法であって、前記位相情報が前記内部欠陥を透過したテラヘルツパルス光と前記内部欠陥を透過しなかったテラヘルツパルス光との時間差であり、前記振幅情報が前記内部欠陥を透過したテラヘルツパルス光と前記内部欠陥を透過しなかったテラヘルツパルス光との振幅比であることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項３に係る発明は請求項１または２の内部欠陥検査方法であって、前記波長は１００μｍ〜３ｍｍであり、前記検査対象部材は高分子材料であることを特徴としている。
【０００９】
課題を解決するためになされた請求項４に係る発明は、短パルスレーザ光を発生するレーザ光源と、前記レーザ光源から発生された前記短パルスレーザ光をポンプ光とプローブ光とに分割する光分割手段と、前記光分割手段で分割された前記プローブ光或いは前記ポンプ光の時間遅延を制御する光遅延手段と、前記光分割手段で分割された前記ポンプ光でポンプされて検査対象部材を透過する波長のテラヘルツパルス光を発生するテラヘルツパルス光発生手段と、前記テラヘルツパルス光発生手段から発生された前記テラヘルツパルス光を前記検査対象部材に照射する照射手段と、前記検査対象物材を透過した前記テラヘルツパルス光を受光する受光手段と、前記受光手段で受光した前記テラヘルツパルス光の電場振幅時間分解波形を前記プローブ光で検出する検出手段と、前記電場振幅時間分解波形の位相情報及び或いは振幅情報から前記検査対象部材の内部欠陥を判別する欠陥判別器と、を備えたことを特徴とする内部欠陥検査装置である。
【００１０】
また、請求項５に係る発明は請求項４の内部欠陥検査装置であって、前記照射手段の開口数をNA1とし、前記受光手段の開口数をNA2とするとき、NA1<NA2であることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項６に係る発明は、請求項４又は５に記載の内部欠陥検出装置であって、前記照射手段の光軸（ｚ軸）と直交する水平軸（ｘ軸）及び或いは垂直軸（ｙ軸）方向に前記検査対象部材を走査する走査手段をさらに備えることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項７に係る発明は、請求項４ないし６のいずれか１項の内部欠陥検査装置であって、前記位相情報が前記内部欠陥を透過したテラヘルツパルス光と前記内部欠陥を透過しなかったテラヘルツパルス光との時間差であり、前記振幅情報が前記内部欠陥を透過したテラヘルツパルス光と前記内部欠陥を透過しなかったテラヘルツパルス光との振幅比であることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項８に係る発明は請求項４ないし７のいずれか１項の内部欠陥検査装置であって、前記テラヘルツパルス光の波長は１００μｍ〜３ｍｍであり、前記検査対象部材は樹脂材料であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
上記本発明の方法及び装置によれば、以下の効果が得られる。
【００１５】
（１）検査対象部材を透過したテラヘルツパルス光の電場振幅時間分解波形の位相情報と振幅情報は、内部欠陥の影響を強く受けるので、欠陥検出感度が高い。
【００１６】
（２）内部欠陥を透過したテラヘルツパルス光と内部欠陥を透過しなかったテラヘルツパルス光との時間差及び振幅比は、内部欠陥のみの影響を受けるので、より一層欠陥検出感度が高い。また、上記時間差は、光軸方向（照射方向）の欠陥寸法に依存し、上記振幅比は、光軸方向と直交する横断面における欠陥の寸法に依存するので、時間差から光軸方向の欠陥寸法を、振幅比から光軸方向と直交する横断面における欠陥の寸法を検出することができる。
【００１７】
（３）高分子材料は、波長が１００μｍ〜３ｍｍのテラヘルツパルス光に対して透明であり、検査対象部材を透過したテラヘルツパルス光の検出感度が高い。
【００１８】
（４）検査対象部材を透過したテラヘルツパルス光を開口数の大きな受光手段で受光するので、検査対象部材と欠陥との屈折率差によってテラヘルツパルス光が散乱されても検査対象部材を透過したテラヘルツパルス光を効率よく受光することができる。
【００１９】
（５）検査対象部材を走査する走査手段を備えているので、内部欠陥を３次元的に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２１】
図１は、本発明の内部欠陥検査装置の全体構成図である。この図に示すように、本発明の検査対象部材の内部欠陥検査装置は、レーザ光源１、光分割手段２、光遅延手段３、テラヘルツパルス光発生手段４、照射手段５、走査手段９、受光手段６、検出手段７、欠陥判別器１０を備える。また、図１において、Ｍ1〜Ｍ6は平面鏡、Ｌ1〜Ｌ3はレンズ、ＰＭ1〜ＰＭ4は軸外し放物面鏡、Ｗ1〜Ｗ3は窓である。Ｋは筐体で、テラヘルツパルス光の光路を外部から隔離する。筐体Ｋの内部は真空または窒素雰囲気であり、テラヘルツパルス光が空気を構成する分子で吸収されることを防止する。
【００２２】
レーザ光源１は、例えば、モードロックファイバレーザ装置で、パルス幅がフェムト秒〜ピコ秒の短パルスレーザ光Ｌを発生する。例えば、中心波長７８０ｎｍ帯、平均出力２０ｍＷ、繰り返し周波数５０ＭＨｚ、の小型ファイバレーザが用いられる。
【００２３】
光分割手段２は、例えば、ビームスプリッタまたはウェッジプレートであり、短パルスレーザ光Ｌをポンプ光Ｐuとプローブ光Ｐrとに分割する。
【００２４】
光遅延手段３は、例えば、コーナミラーを矢印Ｒ1方向（ｘ方向）に移動するステージ（図示せず）に取り付けた装置であり、ポンプ光Ｐuの光路長を制御して遅延時間を走査する。なお、本実施形態の内部欠陥検査装置では、光遅延手段３が、ポンプ光Ｐuの光路中に挿入されているが、プローブ光Ｐrの光路中に挿入されてもよい。
【００２５】
テラヘルツパルス光発生手段４は、例えば、低温成長GaAsダイポールアンテナ、InSb結晶、InAs半導体結晶等である。
【００２６】
照射手段５は、例えば、軸外し放物面鏡ＰＭ1とＰＭ2とからなり、発生手段４から発生されたテラヘルツパルス光Ｓをコリメートして、検査対象部材８の平行する２面８１、８２の一方の面８１付近に、光軸（ｚ軸）OAが面８１、８２に直交するように集光する。例えば、軸外し放物面鏡ＰＭ1によりコリメートされたテラヘルツパルス光のビーム径は、約１５ｍｍであり、これを焦点距離１５０ｍｍの軸外し放物面鏡ＰＭ2 で集光すると、集光径が約２ｍｍになる。従って、照射手段５の開口数、すなわち、検査対象部材に入射されるテラヘルツパルス光の開口数NA1は、約０．０５である。
【００２７】
走査手段９は、例えば、ｘ軸移動ステージであり、矢印Ｒ２方向に検査対象部材８を移動させる。
【００２８】
受光手段６は、例えば、軸外し放物面鏡ＰＭ3とＰＭ4とからなり、検査対象部材８を透過したテラヘルツパルス光Ｓ’をコリメートして、検出手段７に集光する。軸外し放物面鏡ＰＭ3 は、焦点距離１５０ｍｍ、口径５０ｍｍであり、受光手段６の開口数NA2は、約０．１６である。
【００２９】
検出手段６は、例えば、電気光学（EO）結晶としてのZnTe結晶６１、ウォルストンプリズム６２、バランス検出器６３を備えている。バランス検出器６３は、検査対象部材８を透過したテラヘルツパルス光Ｓ’によりZnTe結晶６１に誘起される複屈折によって生じるプローブ光Ｐrの偏光回転量を差動増幅機構を用いて抽出する。従って、検出手段６から後述の欠陥判別器７に入力される信号は、図２に示すような電場振幅時間分解波形である。図２は、欠陥の無い検査対象部材８を透過したテラヘルツパルス光の電場振幅時間分解波形である。なお、ZnTe結晶６１を例えば、低温成長GaAsダイポールアンテナにし、テラヘルツパルス光を検出する際発生するプローブ光Ｐrによる光起電流を増幅する電流アンプを備えるようにしてもよい。
【００３０】
欠陥判別器７は、例えばパソコンであり、検出手段７からの信号を図示しないロックインアンプで増幅した信号を受けて、図２のような電場振幅時間分解波形の位相情報及び或いは振幅情報から欠陥を判別する。
【００３１】
次に、本実施形態の内部欠陥検査装置で欠陥を検査する原理を説明する。図３は、図１における検査対象部材８付近の拡大斜視図、図４は図１における検査対象部材８付近の拡大ｘ−ｚ平面視図である。検査対象部材８は、光軸OA方向（ｚ方向）の厚さがｌ（エル）で、８０はｙ方向に延びる直径２ｄの円柱状欠陥である。２ａは、テラヘルツパルス光Ｓの光束の光軸方向と直交する横断面における径である。
【００３２】
図５は、図４の矢印Ｒ2方向（ｘ方向）に検査対象部材８を走査手段９で移動させ、テラヘルツパルス光Ｓの照射位置ｘrを変化させたときの電場振幅時間波形（信号と略記する）を模式的に示している。下側のケース１〜ケース４は、テラヘルツパルス光Ｓの光束が欠陥径以下の場合（２ａ≦２ｄ）であり、上側のケース５〜ケース８は、テラヘルツパルス光Ｓの光束が欠陥径より大きい場合（２ａ＞２ｄ）である。横軸のｔ1に現れる信号は、直径２ｄ1の欠陥を透過したテラヘルツパルス光であり、ｔ2に現れる信号は、直径２ｄ2（ただし、ｄ2＜ｄ1）の欠陥を透過したテラヘルツパルス光、ｔ3に現れる信号は欠陥を透過しないテラヘルツパルス光である。
【００３３】
まず、電場振幅時間波形の位相情報の一つであるΔｔ1（＝ｔ3−ｔ1）、Δｔ2（＝ｔ3−ｔ2）、Δｔ3（＝ｔ2−ｔ1）と欠陥の光軸方向（ｚ方向）の大きさとの関係を説明する。
【００３４】
テラヘルツパルス光の伝搬時間は、光路長を光速度ｃで割ることで求まり、光路長は伝搬媒質の屈折率ｎ、伝搬距離をｌ（エル）とすると、ｎｌとなる。従って、検査対象部材の屈折率をｎ、欠陥部の屈折率をｎ’とすると、
Δｔ1＝２ｄ1（ｎ−ｎ’）／ｃ （１）
Δｔ2＝２ｄ2（ｎ−ｎ’）／ｃ （２）
Δｔ3＝２（ｄ1−ｄ2）（ｎ−ｎ’）／ｃ （３）
となる。よって、（１）〜（３）式から、ｎとｎ’が既知であれば、欠陥のｚ方向の大きさが求まる。通常、検査対象部材の屈折率ｎは既知であるが、欠陥部の屈折率ｎ’は不明の場合が多い。その場合は、欠陥の大きさの絶対値は求まらないが、相対値を求めることができる。また、欠陥部がボイドのような空隙であれば、ｎ’＝１であるので、大きさの絶対値を求めることができる。
【００３５】
次に、電場振幅時間波形の振幅情報の一つであるｔ1での信号とｔ3での信号の振幅比、ｔ1での信号とｔ2での信号の振幅比、と欠陥のｘ方向の寸法との関係を説明する。
【００３６】
まず、ケース５〜ケース７に注目することにする。これらのケースは欠陥のｘ方向寸法より大きな光束のテラヘルツパルス光を入射させ、検査対象部材をｘ方向に移動させて、照射位置を変える場合である。ケース５は移動量（オフセット量）がゼロの場合で、欠陥を透過したテラヘルツパルス光の信号Ｓ’1（０，ｄ1）と透過しなかった信号Ｓ’2（０，ｄ1）とが検出される。ケース７は移動量が大きく、テラヘルツパルス光の全てが欠陥を透過しない場合で、欠陥を透過しなかったテラヘルツパルス光の信号Ｓ’（>ｄ1，ｄ1）のみが検出される。ケース６はケース５とケース７の間の場合で、ケース５より欠陥を透過しないテラヘルツパルス光が増えるため、欠陥を透過したテラヘルツパルス光の信号Ｓ’1（＜ｄ1，ｄ1）の振幅はＳ’1（０，ｄ1）より小さく、欠陥を透過しない信号Ｓ’2（＜ｄ1，ｄ1）がその分増え、欠陥を透過した信号Ｓ’1と透過しなかった信号Ｓ’2との比が欠陥のｘ方向寸法に依存することがわかる。従って、大きさが既知の欠陥サンプルを用いて、キャリブレーションすることで、振幅比からｘ方向の寸法を求めることができる。
【００３７】
次に、ケース１〜ケース３に注目することにする。これらのケースは欠陥のｘ方向寸法以下の光束のテラヘルツパルス光を入射させ、検査対象部材をｘ方向に移動させて、照射位置を変える場合である。ケース１は移動量がゼロの場合で、欠陥を透過したテラヘルツパルス光の信号Ｓ’1（０，ｄ1）のみが検出される。ケース２は、移動量が大きく、テラヘルツパルス光の全てが欠陥を透過しない場合で、欠陥を透過しなかったテラヘルツパルス光の信号Ｓ’（≧２ａ，ｄ1）のみが検出される。ケース３はケース１とケース２の間の場合で、欠陥を透過したテラヘルツパルス光の信号Ｓ’1（＜ａ，ｄ1）と透過しなかった信号Ｓ’2（＜ａ，ｄ1）とが検出される。これらの信号Ｓ’1（＜ａ，ｄ1）、Ｓ’2（＜ａ，ｄ1）の振幅は、上記ケース５〜ケース７の場合のように、照射位置ｘrの値、すなわち移動量に依存するため、Ｓ’1（＜ａ，ｄ1）とＳ’2（＜ａ，ｄ1）との振幅比から欠陥のｘ方向寸法を求めることができる。
【００３８】
次に、ケース１とケース８に注目することにする。ケース１は欠陥のｘ方向寸法以下の光束のテラヘルツパルス光が入射する場合で、この場合、全てのテラヘルツパルス光が欠陥を透過する。それに対して、ケース８は欠陥がケース１の場合より小さく、欠陥のｘ方向寸法より大きい光束のテラヘルツパルス光が入射する場合であり、この場合、テラヘルツパルス光の一部が欠陥部を透過し、残部が欠陥部を透過しない。その結果、欠陥部を透過するテラヘルツパルス光の信号Ｓ’1（０，ｄ2）の振幅は、ケース１の場合の信号Ｓ’（０，ｄ1）より小さく、両信号の振幅比が欠陥のｘ方向寸法に依存することがわかる。従って、大きさが既知の様々な欠陥サンプルを用いて、キャリブレーションすることで、振幅比からｘ方向の寸法を求めることができる。
【００３９】
なお、図６に示すように、検査対象部材８をｘ’軸と直交するｙ’軸（紙面に垂直）の周りに回転（矢印Ｒ２’）させることにより、非対称な内部欠陥８０’の形状を計測すること、すなわちＣＴ計測することができる。
【００４０】
光は、屈折率の異なる界面を通過するとき屈折する。例えば、図４のような円柱状の欠陥があると、欠陥検査部材の屈折率が大きい場合、欠陥部と屈折率差が大きくなり、テラヘルツパルス光Ｓは欠陥部でレンズ作用や臨界角による全反射を受けて、検出手段に到達しなくなる。そこで、以下に欠陥がボイドで欠陥の屈折率ｎ’＝１（媒質がなく空気）の場合、検査対象部材の屈折率ｎがどのくらいであれば、レンズ作用や全反射を回避できるかを説明することにする。
【００４１】
図７に空気から媒質中に光が進む場合の屈折角の入射角依存性を示す。直線はｎ＝１の場合を示しており、媒質がない場合（つまり空気があるだけの状態）に相当する。これに対して、ｎ＞１の場合、入射角が大きくなるにつれ屈折角が小さくなる傾向にある。この傾向はｎが大きいほど顕著である。一般的に、光計測で使用される入射角は０°に近い方が理想的であるが、現実は２０°程度まで使用される。この場合、２０°入射におけるｎ＝１の直線からのズレ量が５０％程度以下であれば、ｎ＝１の光学系をそのまま用いても比較的簡単に効率よく計測することができる。従って、ｎ＝２以下の媒質、すなわち、検査対象部材の屈折率ｎがｎ≦２であることが好ましい。
【００４２】
図８に媒質から空気中に光が進む場合の屈折角の入射角依存性を示す。この場合、臨界角が存在する。臨界角は、屈折率が大きいほど小さな入射角にある。ｎ＝２では、入射角３０°付近で臨界角になる。この場合も３０°でのｎ＝１の直線からのズレ量を５０％以下に設定すると、ｎ＝１の光学系をそのまま用いることが可能になる。従って、図６と同様、ｎ＝２以下の媒質であることが好ましい。
【００４３】
以上をまとめると、屈折率ｎがｎ≦２であれば、透過測定において、検査対象部材による屈折や臨界角による散乱やレンズ作用の影響を少なくして計測することできるようになる。テラヘルツパルス光の波長を１００μｍ〜３ｍｍにし、検査対象部材を高分子材料にすると、ｎ≦２の条件を満たすことができるので、散乱やレンズ作用の影響を少なくして効率よい検査が可能になる。
【００４４】
検査対象部材による屈折や臨界角による散乱やレンズ作用の影響を、さらに少なくするためには、以下に説明するように、照射手段の開口数NA1より受光手段の開口数NA2を大きくすればよい。図９は、検査対象部材８から検出手段７のEO結晶７１までの光線軌跡を模式的に示している。図９で、θ１は検査対象部材８へ集光照射されるテラヘルツ光Ｓの開口半角、θ２は受光部材６の開口半角である。また、○は、検査対象部材８がない場合のテラヘルツ光（参照光）の中で最も外側の光路を通る光線、△は、光軸（OA）を通る光線、□は、検査対象部材８の入射面や内部欠陥での界面で屈折により最も外側に曲げられた光線である。検査対象部材を透過したテラヘルツ光の開口数NA1はNA1=nsinθ１、受光部材の開口数NA2はNA2=nsinθ２である。今、上記のように、例えば、NA1=０．０５、NA2＝０．１６の場合、すなわち、NA1<NA2の場合、屈折により曲げられた光線（□）も受光手段で受光することができ、EO結晶に入射される。従って、検査対象部材を透過したテラヘルツ光をロスすることなく受光検出でき、散乱やレンズ作用の影響を全く受けない効率よい検査が可能になる。
【００４５】
また、受光手段に軸外し放物面鏡を使用すると、屈折により曲げられた光線（□）、光軸を通る光線（△）、参照光の中で最も外側を通る光線（○）のいずれもが、放物面鏡ＰＭ３の焦点から出ているため、これらの光線は軸外し放物面鏡ＰＭ４でEO結晶７１の上に集光されるとき、必ず同一焦点に位相差なしで到達する。従って、正確な位相情報を検出することができる。その結果、精度の高い欠陥検出ができる。
【実施例１】
【００４６】
検査原理の実証試験として、図１０に示すような欠陥検査部材を作製し、実験を行った。使用した検査部材は、ｚ方向厚さｌ＝３ｍｍのポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）ブロックで、直径２ｍｍ（＝２ｄ1）と直径１．４ｍｍ（＝２ｄ2）の穴がｙ方向にあけられている。
【００４７】
まず、図１の内部欠陥検査装置で検査対象部材の屈折率を測定した。図１１はテラヘルツパルス光を検出手段６で検出した電場振幅時間分解波形をフーリエ変換して得られたスペクトル強度と位相である。図１１で（ロ）は検査対象部材をセットする前のテラヘルツパルス光スペクトル（参照光スペクトル）、（イ）は検査対象部材をセットして検査対象部材を透過後のスペクトル（信号光スペクトル）、（ニ）は参照光位相、（ハ）は信号光位相である。
【００４８】
図１２は、図１１から算出した透過率（ホ）と位相差（ヘ）で、透過率は（信号光強度）／（参照光強度）、位相差は（信号光位相）−（参照光位相）から求められた。図１１から、透過率が１ＴＨｚ以上（波長３００μｍ以下）ではほとんどゼロ、すなわちほとんど透過しないことがわかる。連続的に変化していた位相差も１．４ＴＨｚ（波長約２００μｍ）周辺でノイズが増えているが、これは透過率が小さいために解析に必要な信号強度が得られていないことに起因する。従って、この検査対象部材では１．４ＴＨｚより低周波（波長約２００μｍ以上）の光を透過することがわかる。一方、低周波側でも透過率が１を越える部分が０．２ＴＨｚ以下（波長約１．５ｍｍ以上）に出現している。これも信号光強度或いは参照光強度の弱い部分が存在するため、解析処理ができないためと考えられる。従って、以後の解析範囲を０．２ＴＨｚ〜１．４ＴＨｚに限定する必要がある。
【００４９】
図１３は上記図１２の結果から算出された複素屈折率である。実部（ト）は屈折率、虚部（チ）は吸収係数である。これから、本実施例の検査対称部材の屈折率ｎは０．２ＴＨｚ〜１．４ＴＨｚ（２００μｍ〜１．５ｍｍ）の範囲で約１．８５であることがわかる。上記結果では、ノイズの影響やＰＢＴ高分子材料の透過率の影響で波長が２００μｍ〜１．５ｍｍのテラヘルツ光の例を示したが、さらにノイズを減らした場合や他の材料を用いた場合では、１００μｍ〜３ｍｍまで測定波長を拡張しても様々な高分子材料では屈折率が約２程度と考えられる。
【００５０】
図１４は、光束２ａが２ａ＝２．５ｍｍのテラヘルツパルス光Ｓを検査対象部材に照射したときの、透過テラヘルツパルス光Ｓ’の電場振幅時間分解波形である。（リ）は、図１０に示すように、テラヘルツパルス光Ｓが大きな欠陥の中心を透過するように照射した場合の電場振幅時間分解波形、（ヌ）は小さな欠陥中心を透過するように照射した場合の電場振幅時間分解波形である。
【００５１】
図１４からΔｔ1＝５．６３ｐｓで、（１）式からｎ＝１．８５とすると、２ｄ1＝２ｍｍと求まる。また、Δｔ2＝３．９３ｐｓで、（２）式から２ｄ2＝１．４ｍｍと求まる。さらに、Δｔ3＝０１．６９ｐｓで、（３）式から２（ｄ1−ｄ2）＝０．６ｍｍであることがわかる。すなわち、検査対象部材を透過したテラヘルツパルス光の電場振幅時間分解波形の位相情報から欠陥の光軸方向の寸法を測定できることが立証された。
【実施例２】
【００５２】
次に、別の実証試験結果を示す。本実施例は、照射位置ｘrを一定ピッチでｘ方向にオフセットする以外は、検査対象部材もテラヘルツパルス光Ｓの光束も実施例１と同じである。図１５は照射位置ｘrを０．５ｍｍずつオフセットさせて照射する場合の、←・→で示す光束と欠陥の重なり状態を模式的に示している。
【００５３】
図１６は、２ｄ1＝２ｍｍの穴にテラヘルツパルス光Ｓを照射した場合の透過テラヘルツパルス光Ｓ’の電場振幅時間分解波形である。図１６において、(ル)はオフセットゼロの場合の電場振幅時間分解波形、（オ）は０．５ｍｍオフセットさせた場合の電場振幅時間分解波形、・・・（タ）は２．５ｍｍオフセットさせた場合の電場振幅時間分解波形である。Ｓ’1は欠陥を透過したテラヘルツパルス光の電場振幅時間分解波形、Ｓ’2、Ｓ’は透過しなかったテラヘルツパルス光の電場振幅時間分解波形である。図１６からＳ’1の振幅Ｉbを、Ｓ’2（Ｓ’）の振幅Ｉ0を、それぞれ求める。一方、テラヘルツパルス光Ｓの光束断面積Σと該断面積とオーバラップする欠陥断面積σを幾何学的に求める。図１７はＩb／Ｉ0とσ／Σ関係をプロットしたグラフで、２ｄ1＝２ｍｍの穴（○）と２ｄ2＝１．４ｍｍの穴（△）が同一曲線に乗り、この曲線をキャリブレーション曲線とすることで、欠陥のｘ方向の寸法を求めることができる。すなわち、電場振幅時間分解波形の振幅情報から欠陥の光軸方向と直交するｘ方向の寸法を測定できることが立証された。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の内部欠陥検査装置の全体構成図である。
【図２】電場振幅時間分解波形の一例である。
【図３】図１における検査対象部材８付近の拡大斜視図である。
【図４】図１における検査対象部材８付近の拡大ｘ−ｚ平面視図である。
【図５】図４の矢印Ｒ2方向に検査対象部材８を移動させ、テラヘルツパルス光Ｓの照射位置ｘrを変化させたときの電場振幅時間波形を模式的に示す図である。
【図６】検査対象部材回転走査して検査する状況を説明する図である。
【図７】光が空気から媒質中に進む場合の屈折角の入射角依存性を示すグラフである。
【図８】光が媒質から空気中に進む場合の屈折角の入射角依存性を示すグラフである。
【図９】検査対象部材から検出手段までの光線軌跡を模式的に示す図である。
【図１０】実施例１の欠陥検査部材である。
【図１１】テラヘルツパルス光を検出手段６で検出した電場振幅時間分解波形をフーリエ変換して得られたスペクトル強度と位相である。
【図１２】図１１から算出された透過率と位相差である。
【図１３】図１２から算出された複素屈折率である。
【図１４】実施例１において、光束２ａが２ａ＝２．５ｍｍのテラヘルツパルス光Ｓを検査対象部材に照射したときの、透過テラヘルツパルス光Ｓ’の電場振幅時間分解波形である。
【図１５】実施例２において、照射位置ｘrを０．５ｍｍずつオフセットさせて照射する場合の、光束と欠陥の重なり状態を模式的に示す図である。
【図１６】実施例２において、２ｄ1＝２ｍｍの穴にテラヘルツパルス光Ｓを照射した場合の透過テラヘルツパルス光Ｓ’の電場振幅時間分解波形である。
【図１７】電場振幅時間分解波形の振幅比と欠陥断面積／光束断面積の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５５】
１・・・・・・・・・レーザ光源
２・・・・・・・・・光分割手段
３・・・・・・・・・光遅延手段
４・・・・・・・・・テラヘルツパルス光発生手段
５・・・・・・・・・照射手段
６・・・・・・・・・受光手段
７・・・・・・・・・検出手段
８・・・・・・・・・検査対象部材
９・・・・・・・・・走査手段
１０・・・・・・・・欠陥判別器
Ｐu ・・・・・・・ポンプ光
Ｐo ・・・・・・・プローブ光
Ｓ、Ｓ’・・・・・・テラヘルツパルス光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象部材を透過する波長のテラヘルツパルス光を該検査対象部材に照射する照射工程と、
前記検査対象部材を透過した前記テラヘルツパルス光の電場振幅時間分解波形を検出する検出工程と、を有し、
前記電場振幅時間分解波形の位相情報及び或いは振幅情報から前記検査対象部材の内部欠陥を検査することを特徴とする内部欠陥検査方法。
【請求項２】
前記位相情報が前記内部欠陥を透過したテラヘルツパルス光と前記内部欠陥を透過しなかったテラヘルツパルス光との時間差であり、前記振幅情報が前記内部欠陥を透過したテラヘルツパルス光と前記内部欠陥を透過しなかったテラヘルツパルス光との振幅比であることを特徴とする請求項１に記載の内部欠陥検査方法。
【請求項３】
前記波長は１００μｍ〜３ｍｍであり、前記検査対象部材は高分子材料であることを特徴とする請求項１または２に記載の内部欠陥検査方法。
【請求項４】
短パルスレーザ光を発生するレーザ光源と、
前記レーザ光源から発生された前記短パルスレーザ光をポンプ光とプローブ光とに分割する光分割手段と、
前記光分割手段で分割された前記プローブ光或いは前記ポンプ光の時間遅延を制御する光遅延手段と、
前記光分割手段で分割された前記ポンプ光でポンプされて検査対象部材を透過する波長のテラヘルツパルス光を発生するテラヘルツパルス光発生手段と、
前記テラヘルツパルス光発生手段から発生された前記テラヘルツパルス光を前記検査対象部材に照射する照射手段と、
前記検査対象物材を透過した前記テラヘルツパルス光を受光する受光手段と、
前記受光手段で受光した前記テラヘルツパルス光の電場振幅時間分解波形を前記プローブ光で検出する検出手段と、
前記電場振幅時間分解波形の位相情報及び或いは振幅情報から前記検査対象部材の内部欠陥を判別する欠陥判別器と、を備えたことを特徴とする内部欠陥検査装置。
【請求項５】
前記照射手段の開口数をNA1とし、前記受光手段の開口数をNA2とするとき、NA1<NA2であることを特徴とする請求項４に記載の内部欠陥検査装置。
【請求項６】
前記照射手段の光軸（ｚ軸）と直交する水平軸（ｘ軸）及び或いは垂直軸（ｙ軸）方向に前記検査対象部材を走査する走査手段をさらに備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の内部欠陥検査装置。
【請求項７】
前記位相情報が前記内部欠陥を透過したテラヘルツパルス光と前記内部欠陥を透過しなかったテラヘルツパルス光との時間差であり、前記振幅情報が前記内部欠陥を透過したテラヘルツパルス光と前記内部欠陥を透過しなかったテラヘルツパルス光との振幅比であることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１項に記載の内部欠陥検査装置。
【請求項８】
前記テラヘルツパルス光の波長は１００μｍ〜３ｍｍであり、前記検査対象部材は高分子材料であることを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１項に記載の内部欠陥検査装置。
【請求項１】
検査対象部材を透過する波長のテラヘルツパルス光を該検査対象部材に照射する照射工程と、
前記検査対象部材を透過した前記テラヘルツパルス光の電場振幅時間分解波形を検出する検出工程と、を有し、
前記電場振幅時間分解波形の位相情報及び或いは振幅情報から前記検査対象部材の内部欠陥を検査することを特徴とする内部欠陥検査方法。
【請求項２】
前記位相情報が前記内部欠陥を透過したテラヘルツパルス光と前記内部欠陥を透過しなかったテラヘルツパルス光との時間差であり、前記振幅情報が前記内部欠陥を透過したテラヘルツパルス光と前記内部欠陥を透過しなかったテラヘルツパルス光との振幅比であることを特徴とする請求項１に記載の内部欠陥検査方法。
【請求項３】
前記波長は１００μｍ〜３ｍｍであり、前記検査対象部材は高分子材料であることを特徴とする請求項１または２に記載の内部欠陥検査方法。
【請求項４】
短パルスレーザ光を発生するレーザ光源と、
前記レーザ光源から発生された前記短パルスレーザ光をポンプ光とプローブ光とに分割する光分割手段と、
前記光分割手段で分割された前記プローブ光或いは前記ポンプ光の時間遅延を制御する光遅延手段と、
前記光分割手段で分割された前記ポンプ光でポンプされて検査対象部材を透過する波長のテラヘルツパルス光を発生するテラヘルツパルス光発生手段と、
前記テラヘルツパルス光発生手段から発生された前記テラヘルツパルス光を前記検査対象部材に照射する照射手段と、
前記検査対象物材を透過した前記テラヘルツパルス光を受光する受光手段と、
前記受光手段で受光した前記テラヘルツパルス光の電場振幅時間分解波形を前記プローブ光で検出する検出手段と、
前記電場振幅時間分解波形の位相情報及び或いは振幅情報から前記検査対象部材の内部欠陥を判別する欠陥判別器と、を備えたことを特徴とする内部欠陥検査装置。
【請求項５】
前記照射手段の開口数をNA1とし、前記受光手段の開口数をNA2とするとき、NA1<NA2であることを特徴とする請求項４に記載の内部欠陥検査装置。
【請求項６】
前記照射手段の光軸（ｚ軸）と直交する水平軸（ｘ軸）及び或いは垂直軸（ｙ軸）方向に前記検査対象部材を走査する走査手段をさらに備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の内部欠陥検査装置。
【請求項７】
前記位相情報が前記内部欠陥を透過したテラヘルツパルス光と前記内部欠陥を透過しなかったテラヘルツパルス光との時間差であり、前記振幅情報が前記内部欠陥を透過したテラヘルツパルス光と前記内部欠陥を透過しなかったテラヘルツパルス光との振幅比であることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１項に記載の内部欠陥検査装置。
【請求項８】
前記テラヘルツパルス光の波長は１００μｍ〜３ｍｍであり、前記検査対象部材は高分子材料であることを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１項に記載の内部欠陥検査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００８−７６１５９（Ｐ２００８−７６１５９Ａ）
【公開日】平成２０年４月３日（２００８．４．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２５４３０６（Ｐ２００６−２５４３０６）
【出願日】平成１８年９月２０日（２００６．９．２０）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月３日（２００８．４．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月２０日（２００６．９．２０）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
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