(57)【要約】【課題】試料表面に非接触で超音波励起を行い、超音波を励起した点を光干渉計測する手段を用いた非接触で試料内部の観察を行うことにより、稼動部分が無く、コンパクトな構成で、高感度で非破壊・非接触に内部欠陥を検査する。【解決手段】検査対象の試料から離れた場所から超音波を発射してこの超音波を試料に照射し、この試料の表面の超音波が照射された箇所に偏光の状態が制御された偏光光を照射し、この偏光光が照射された試料の表面からの反射・散乱光のうち照射した偏光光と同じ偏光特性を持つ光を光検出器で検出し、この光検出器で検出した信号を処理して試料の内部の欠陥を検出する内部欠陥検査方法及びその装置とした。【選択図】図１
2012127897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象の試料から離れた場所から超音波を発射して該超音波を前記試料に照射し、該試料の表面の前記超音波が照射された箇所に偏光の状態が制御された偏光光を照射し、該偏光光が照射された前記試料の表面からの反射・散乱光のうち前記照射した偏光光と同じ偏光特性を持つ光を光検出器で検出し、該光検出器で検出した信号を処理して前記試料の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】
前記超音波を、前記試料から離れた場所から前記試料の表面に向けて収束させて照射することを特徴とする請求項１記載の内部欠陥検査方法。
【請求項３】
前記偏光光が照射された前記試料の表面からの反射・散乱光のうち前記照射した偏光光と同じ偏光特性を持つ光による光学像を光検出器で検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の内部欠陥検査方法。
【請求項４】
前記光検出器は、前記偏光光が照射された前記試料の表面の前記超音波が照射された検査箇所からの反射・散乱光のうち前記照射した偏光光と同じ偏光特性を持つ光と、前記試料の表面に照射された偏光光と異なる偏光成分を有する光と、を合成した光を検出することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の内部欠陥検査方法。
【請求項５】
前記試料の表面に照射された偏光光と異なる偏光成分を有する偏光光は、前記試料の表面に照射された偏光光と少なくとも一部の光路を共有していることを特徴とする請求項４記載の内部欠陥検査方法。
【請求項６】
前記偏光の状態が制御された偏光光を２つの光路に分岐し、該２つの光路に分岐された偏光光のうちの一方の偏光光を前記試料の表面の前記超音波が照射された検査箇所に第１の照射手段により集光して照射し、前記２つの光路に分岐された偏光光のうちの他方の偏光光を前記試料の表面の前記超音波が照射された検査箇所に第２の照射手段により集光して照射し、前記第１の照射手段により照射されて前記検査箇所から反射・散乱された光のうち前記第２の照射手段に入射した光と前記第２の照射手段により照射されて前記検査箇所から反射・散乱された光のうち前記第１の照射手段に入射した光とを前記光検出器で検出することを特徴とする請求項１記載の内部欠陥検査方法。      
【請求項７】
前記第１の照射手段の光路長と前記第２の照射手段の光路長とが異なることを特徴とする請求項６記載の内部欠陥検査方法。
【請求項８】
検査対象の試料に超音波を照射する超音波照射部と、該超音波照射部により超音波が照射された前記試料の表面に光を照射して該表面からの反射・散乱光を検出する光学検出部と、該光学検出部から出力された信号を処理して前記試料の内部の欠陥を検出する信号処理部とを備えた非破壊非接触内部検査装置であって、前記超音波照射部は前記試料から離れた場所から前記試料に向けて超音波を照射する超音波トランスデューサを有し、前記光学検出部は光源手段と、該光源手段から発射された光の偏光の状態を制御する偏光制御手段と、該偏向制御部により偏光の状態が制御された偏光光を前記試料の表面の前記超音波が照射された箇所に照射する光照射手段と、該光照射手段により偏光光が照射された前記試料の表面からの反射・散乱光のうち前記照射した偏光光と同じ偏光特性を持つ光を検出する光検出手段を有し、前記信号処理部は前記光学検出手段から出力された信号を処理して前記試料の内部の欠陥を検出することを特徴とする内部欠陥検査装置。
【請求項９】
前記超音波照射部の超音波トランスデューサは、前記試料から離れた場所から前記試料の表面の検査箇所に向けて前記超音波を収束させて照射することを特徴とする請求項８記載の内部欠陥検査装置。
【請求項１０】
前記光学検出部の照射手段は、前記試料の表面の前記超音波が照射された検査箇所に光を集光して照射し、該集光して照射した箇所からの反射・散乱光の像を検出することを特徴とする請求項８又は９に記載の内部欠陥検査装置。
【請求項１１】
前記光学検出部の光検出手段は、前記照射手段により偏光光が照射された前記試料の表面の前記超音波が照射された検査箇所からの反射・散乱光のうち前記照射した偏光光と同じ偏光特性を持つ光と、前記光源手段から発射された光のうち前記照射手段により前記試料の表面に照射された偏光光と異なる偏光成分を有する光と、を合成した光を検出することを特徴とする請求項８乃至１０の何れかに記載の内部欠陥検査装置。
【請求項１２】
前記試料の表面に照射された偏光光と異なる偏光成分を有する偏光光は、前記試料の表面に照射された偏光光と、前記光源手段から前記照射手段までの光路と、前記試料の表面で反射・散乱された光の前記光検出手段までの光路とについて、それぞれ少なくとも一部を共有することを特徴とする請求項１１記載の内部欠陥検査装置。
【請求項１３】
前記光学検出部の光照射手段は、前記偏向制御部により偏光の状態が制御された偏光光を２つの光路に分岐する偏光分岐手段と、該偏光分岐手段で２つの光路に分岐された偏光光のうちの一方の偏光光を前記試料の表面の前記超音波が照射された検査箇所に集光して照射する第１の照射手段と、前記偏光分岐手段で２つの光路に分岐された偏光光のうちの他方の偏光光を前記試料の表面の前記超音波が照射された検査箇所に集光して照射する第２の照射手段とを有し、前記光検出手段は、前記第１の照射手段により照射されて前記検査箇所から反射・散乱された光のうち前記第２の照射手段に入射した光と前記第２の照射手段により照射されて前記検査箇所から反射・散乱された光のうち前記第１の照射手段に入射した光とを検出することを特徴とする請求項８記載の内部欠陥検査装置。      
【請求項１４】
前記第１の照射手段の光路長と前記第２の照射手段の光路長とが異なることを特徴とする請求項１３記載の内部欠陥検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料内部の欠陥検査方法に係り、特に空中伝播超音波を用いて試料内部に超音波を伝播させ、欠陥から反射または散乱してくる超音波の振動、またはと透過してくる超音波の振動を、光干渉計で観測する内部欠陥検査方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、広く用いられている試料内部の欠陥検査方法として、接触式超音波法、レーザー超音波法、Ｘ線ＣＴ法などが挙げられる。
超音波法とは非特許文献１にも記述があるように、超音波発振機で発した超音波を試料へ伝播させ、試料における超音波の反射や散乱を観測することによって内部の検査を行う方法である。特に、接触式超音波法とは、超音波発信機を試料へ直接接触、または音響整合を取るための媒質を介して試料へ接触、または試料を液体等の超音波伝播媒質に浸すことによって試料へ超音波を伝播させる方法をさす。超音波の波長が１mm程度〜１μm程度と短いことにより、精度良く内部検査が可能となる利点がある。
【０００３】
レーザー超音波法は、非特許文献２に記述があるように、試料へ光を照射して試料の内部に超音波を励起し、かつ超音波の伝播を光によって測定し、超音波の伝播の様子から試料内部の検査を行う方法である。レーザー超音波法は、試料に接することなく内部の検査が可能であるという利点と、ＭHzを超える高周波超音波を比較的簡便に用いることができるという利点がある。
【０００４】
Ｘ線ＣＴ法は非特許文献３に記述があるように、試料に対して入射角を変化させてＸ線を照射し、各方位での透過Ｘ線を測定し、各方位での透過Ｘ線像から内部構造を再構成して試料の内部検査を行う方法である。Ｘ線ＣＴ法は、透過性が高く内部構造を詳細に観察可能であり、多くの試料へ適用可能であることから、工業的応用から医用まで広く普及している。しかし、測定機器が比較的大きいことと、測定に比較的長時間を要することにより適用範囲が限定されている。またＸ線そのものの侵襲性が危惧される適用領域もある。
【０００５】
光を用いた変位計測は、非特許文献４に記述があるように、光干渉法やTime of Flight法（ＴＯＦ法）などが知られている。光干渉法は比較的大掛かりな測定となることが欠点であるが、高感度であり二次元観察が可能であるという利点のため、さまざまな分野で応用されている。最近では、特許文献１に記述があるように、フォトニック結晶を利用した超小型高感度光干渉計が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２８６５１８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】社団法人  日本非破壊検査協会、“非破壊検査技術シリーズ  超音波探傷試験”I, II, III
【非特許文献２】山脇  寿、“レーザー超音波と非接触材料評価”、溶接学会誌  第６４巻（１９９５）第２号  １０４頁
【非特許文献３】小川  誠二・上野  照剛、“非侵襲・可視化技術ハンドブック”、株式会社NTS
【非特許文献４】谷田貝  豊彦、“応用光学  −光計測入門−”、丸善株式会社
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
接触式超音波法においては、超音波トランスデューサーを直接または媒質を介して試料へ接触させ、試料へ超音波を直接伝播させる。検出は、多くの場合、同様にして接触したトランスデューラーによってなされる。非破壊内部検査が可能である一方、試料に接触する、または試料を液浸する必要があるため、試料が汚染されるまたは本来あるべき状態から変化してしまうという課題があり、生産現場における出荷品の検査などにおいては広く普及するには至っていない。また、試料表面の凹凸が大きい場合等においては超音波励起と検出の効率が著しく低下するという課題がある。
【０００９】
レーザー超音波法においても、測定に十分な超音波を励起・検出するために比較的大掛かりな装置が必要であることや、超音波励起の際に試料へダメージが入る危険があること等の課題により、産業上の普及は進んでいない。
【００１０】
上記課題を克服する方法として空中超音波法がある。空中超音波法とは、空気と音響整合を取った超音波トランスデューサーから超音波を試料へ向けて空中に照射して試料へ超音波を伝播させ、同様な被接触のトランスデューサーによって試料内部で反射または散乱された超音波を検出する方法である。
【００１１】
空中超音波法は試料に被接触での超音波励起と超音波検出可能であることより、出荷前検査等に適用が期待されている。しかし空中超音波法においては、試料から空気中へ伝播しトランスデューサーによって検出される間に空気による減衰が大きい。さらに、トランスデューサーの検出感度が低いことも相まって、検出側の回路に大きなゲインが必要であり、かつ測定に長い時間を要する等の課題がある。さらに、検出回路に励起信号が重畳し、不感帯が存在するという課題もある。
【００１２】
これらの課題を克服するためには、検出を光干渉計測法を用いて光学的に行うことが有効である。これは、光干渉計測による検出は、トランスデューサーによる検出より高感度であり、かつ、不感帯の大幅な縮小が可能だからである。
【００１３】
光干渉計測を用いる場合、測定光は試料表面に対して垂直に入射させる必要があり、かつ、トランスデューサーと光検出器はその性質上同一のものとすることができない。そのため、空中超音波による励起と光検出は同軸で行うことができず、超音波を斜入射させる必要が生じる。しかし、超音波を試料に対して斜入射させた場合、空気と試料の界面における超音波の屈折により、欠陥深さを知るためには、試料表面の超音波照射位置と検出位置の相対位置を走査する必要がある。この様子を、図１ないし図２を用いて簡単に説明する。
【００１４】
図１において、１０１は試料、２０１は超音波トランスデューサ、２０５は光センサである。被検査物である試料１０１の表面１０２に対し、超音波トランスデューサー２０１から超音波を伝播させ、試料１０１内部にある欠陥１０３を励振する。欠陥１０３で散乱された超音波２０３は試料表面１０２を振動または表面変位させる（２０４）。この表面変位２０４を、光センサ２０５を用いて測定する。図２には、図１と同様の欠陥検出原理が描かれているが、欠陥１０３の深さ１０６およびトランスデューサー２０１と光センサ２０５の距離が図１と異なる。
【００１５】
図１においては欠陥１０３が深さＤ１：１０４の位置にあり、欠陥１０３からの散乱超音波２０３に起因する試料１０１の表面１０２の変位２０４を光センサ２０５の検出光２０６で検出するには、トランスデューサー２０１から発せられた超音波２０２が試料表面１０２で屈折するため、トランスデューサー２０１と光センサ２０５の距離を超音波の入射角度と欠陥の深さで決まる２０７とする必要がある。一方、図２に示すように、図１の欠陥１０３より深い深さＤ２：１０６の位置にある欠陥１０５を検出するためには、トランスデューサー２０１と光センサ２０５の距離Ｌ２：２０８を、図１における距離Ｌ１：２０７より離れた２０８とする必要がある。
【００１６】
共通光路光干渉計測を用いた超音波計測を行う場合、測定光は試料表面に対して垂直に入射させる必要があり、かつ、トランスデューサーと光検出器はその性質上同一のものとすることができない。そのため、従来は空中超音波による励起と光検出は同軸で行うことができず、超音波を斜入射させる必要が生じる。しかし、超音波を試料に対して斜入射させた場合、空気と試料の界面における超音波の屈折により、欠陥深さを知るためには、試料表面の超音波照射位置と検出位置の相対位置を走査する必要がある。
【００１７】
このため、空中超音波法に光干渉計測を組み合わせた超音波内部検査装置においては、装置に稼動部分があり、かつ比較的大掛かりな装置とならざるを得ない課題があった。
【００１８】
本発明の目的は、試料表面に非接触で超音波励起を行い、超音波を励起した点を光干渉計測する手段を用いた非接触で試料内部の観察を行うことにより、稼動部分が無く、コンパクトな構成で、高感度で非破壊・非接触な手段による内部欠陥検査方法及びその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記した課題を解決するために、本発明では、検査対象の試料から離れた場所から超音波を発射してこの超音波を試料に照射し、この試料の表面の超音波が照射された箇所に偏光の状態が制御された偏光光を照射し、この偏光光が照射された試料の表面からの反射・散乱光のうち照射した偏光光と同じ偏光特性を持つ光を光検出器で検出し、この光検出器で検出した信号を処理して試料の内部の欠陥を検出する内部欠陥検査方法とした。
【００２０】
また、上記した課題を解決するために、本発明では、内部欠陥検査装置を検査対象の試料に超音波を照射する超音波照射部と、この超音波照射部により超音波が照射された試料の表面に光を照射してこの表面からの反射・散乱光を検出する光学検出部と、この光学検出部から出力された信号を処理して前記試料の内部の欠陥を検出する信号処理部とを備えて構成し、超音波照射部は前記試料から離れた場所から試料に向けて超音波を照射する超音波トランスデューサを有し、光学検出部は光源手段と、この光源手段から発射された光の偏光の状態を制御する偏光制御手段と、この偏向制御部により偏光の状態が制御された偏光光を試料の表面の超音波が照射された箇所に照射する光照射手段と、この光照射手段により偏光光が照射された試料の表面からの反射・散乱光のうち照射した偏光光と同じ偏光特性を持つ光を検出する光検出手段を有し、信号処理部は光学検出手段から出力された信号を処理して試料の内部の欠陥を検出するようにした。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、試料表面に非接触で超音波励起を行い、超音波を励起した点を光干渉計測する手段を用いた非接触で試料内部の観察を可能にすることにより、稼動部分が無く、コンパクトな構成で、高感度で非破壊・非接触な手段による内部欠陥検査方法及びその装置の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】欠陥が浅い場合の空中超音波励起と光センサによる内部観察を説明する模式図である。
【図２】欠陥が深い場合の空中超音波励起と光センサによる内部観察を説明する模式図である。
【図３】貫通穴あき超音波トランスデューサーの斜視図である。
【図４】段貫通穴あき超音波トランスデューサーの斜視図である。
【図５】超音波トランスデューサーに設けた貫通穴に共通光路光干渉計を配置した超音波計測装置の断面図である。
【図６Ａ】外部から導入した直線偏光を光源として用いた共通光路光干渉計の構成例を示すブロック図である。
【図６Ｂ】フォトニック結晶アレイ６１８と６１９の構造を示す斜視図である。
【図７】光源を内蔵した共通光路光干渉計の構成を示すブロック図である。
【図８Ａ】外部から導入した直線偏光を光源として用いた線フォーカス型共通光路光干渉計の構成を示すブロック図である。
【図８Ｂ】フォトニック結晶アレイ６３５と６３６の構成を示す斜視図である。
【図９】貫通穴あき超音波トランスデューサーと共通光路光干渉計を用いた超音波計測の測定方法を説明する共通光路光干渉計を組み込んだ貫通穴あき超音波トランスデューサーの断面図である。
【図１０】超音波トランスデューサーに設けた貫通穴に共通光路光干渉計の参照ミラーと集束レンズを配置した超音波計測装置の構成を示す超音波トランスデューサーの断面図である。
【図１１】超音波トランスデューサーに設けた段貫通穴に共通光路光干渉計の参照ミラーを配置した超音波計測装置の構成例を示す超音波トランスデューサーの断面図である。
【図１２】超音波トランスデューサーに設けた段貫通穴に共通光路光干渉計を配置した超音波計測装置の構成を示す超音波トランスデューサーの断面図である。
【図１３】超音波トランスデューサーに非収束型トランスデューサーを用いた場合の超音波計測を説明するための超音波トランスデューサーの断面図である。
【図１４】超音波トランスデューサーと斜入射サニャック干渉計を用いた超音波計測装置の構成例を示す超音波トランスデューサーの断面図である。
【図１５】超音波トランスデューサーと可変光学遅延路を持つ斜入射サニャック干渉計を用いた超音波計測装置の構成例を示す超音波トランスデューサーの断面図である。
【図１６】超音波トランスデューサーとファイバ型斜入射サニャック干渉計を用いた超音波計測装置の構成例を示す超音波トランスデューサーの断面図である。
【図１７】超音波トランスデューサーとファイバ型斜入射サニャック干渉計を用いた超音波計測装置に用いられる分波器の構成を示す分波器のブロック図である。
【図１８】超音波トランスデューサーと平行測定光を用いた斜入射サニャック干渉計を用いた超音波計測装置の構成例を示す超音波トランスデューサーの断面図である。
【図１９】超音波計測装置全体の構成を示すブロック図である。
【図２０】超音波測定装置を走査して得られるデータの模式図である。
【図２１】超音波測定装置を走査して得られるデータから欠陥の深さ分布を算出して二次元表示した例を示す表示画面の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の実施例を、図を用いて説明する。
【実施例１】
【００２４】
本発明の第一の実施例を、図１ないし図１３を用いて説明する。
図１ないし図２に記したような、試料表面１０２に非接触で試料１０１を超音波励起し、超音波励起点の表面変位を光センサ２０５で計測する手段で、非接触で試料内部の観察が可能な空中超音波内部測定を行う。このような非接触測定において、超音波トランスデューサー３０１と光センサ２０５の相対位置を固定したコンパクトな測定系を実現するために、図３ないし図４に図示したような超音波トランスデューサー３０１又は３０３を用いる。
【００２５】
図３に図示した超音波トランスデューサー３０１は、その中央部に光センサ２０５または光センサ２０５の一部を配置するための貫通穴３０２が設けられた「貫通穴あき超音波トランスデューサー」である。図４に図示した超音波トランスデューサー３０３は、その中央部に光センサ２０５または光センサ２０５の一部を配置するサグリ３０４と光センサ２０５への信号や検出光を通すための座グリ３０４と径の異なる貫通穴３０５が設けられている「段付貫通穴あき超音波トランスデューサー」である。
【００２６】
図３の貫通穴３０２ないし図４の座グリ３０４は光センサ２０５の全体を配置可能な大きさの貫通穴ないし座グリであってもよく、また光センサ２０５の一部分のみを配置可能な大きさであってもよい。図３ないし図４においては貫通穴３０２と貫通穴３０５および座グリ３０４の断面形状は円形であるが、必ずしも円形である必要はなく矩形等の他の形状であってもよい。
【００２７】
図３に示した超音波トランスデューサー３０１は、用いる光センサ２０５の長さが超音波トランスデューサーの長さと同程度である場合に適した形状である。一方、図４に示した超音波トランスデューサー３０３は、光センサ２０５の長さが超音波トランスデューサーに比べて十分短い場合、または光センサ２０５の一部のみを配置する場合に適している。また、超音波トランスデューサー３０３は、超音波トランスデューサー３０１に比べてトランスデューサーへの加工量が少ないため、超音波トランスデューサーの加振性能の低下を抑えることができ、かつ超音波トランスデューサーの機械的強度の低下を抑えることもできる利点がある。
【００２８】
図３に示した貫通穴あき超音波トランスデューサー３０１の実際の使用形態の一例を図５に模式的に示す。すなわち、貫通穴あき超音波トランスデューサー３０１の貫通穴３０２に光センサ３０６を配置し、入出力ケーブル３０７によって外部に信号を取り出す形態である。検出光の光源が光センサ３０６と切り離されている場合においては、外部より光センサ３０６へ光を導く必要があり、その際は入出力ケーブル３０７が光ファイバなどを内蔵していてもよい。
【００２９】
本発明においては、光センサ２０５又は光センサ３０６は、例えば、測定光と参照光が光学的に同一または光学的にほぼ同一の光路を通る光干渉計で構成されている光センサを用いる。該干渉計は、共通光路で構成されているため外乱に強く、高感度測定が可能であることが利点である。以後、光センサ２０６ないし光センサ３０６は共通光路光干渉計と呼ぶ。
【００３０】
共通光路光干渉計３０６の構成とその機能について、図６Ａないし図８に基づいて説明する。共通光路光干渉計３０６の詳細な構成及びその作用は、例えば、特開２００８−２８６５１８号公報に記載されているものと同じである。図６Ａに示すように、共通光路光干渉計３０６は、外部に設けられたレーザー光源（図示せず）から偏波面保存ファイバ６０１で光を導く。偏波面保存ファイバ６０１から出射した４５°の偏光方向の直線偏光レーザー光をコリメーター６０２で平行光６０３にし、さらにグラントムソンプリズムなどの偏光素子６０４を透過させ、透過光６０５をプリズムミラー６０６及び無偏光ビームスプリッタ６０７で反射させて、参照ミラー６０８に入射させる。参照ミラー６０８は、例えばフォトニック結晶やワイヤグリッド偏光子等の平面状偏光素子を用いる。
【００３１】
参照ミラー６０８に入射したレーザー光のうち、Ｐ偏光成分は参照ミラー６０８を透過し、Ｓ偏光成分は参照ミラー６０８で反射される。
参照ミラー６０８を透過したＰ偏光ビーム６０９は、集光レンズ６１０により、収束光６１１として試料１０１の表面１０２の超音波励起部６１２に集光される。すなわち、集光レンズ６１０の焦点位置が試料表面１０２と一致するように集光レンズ６１０と試料１０１の表面１０２の間隔が調整されている。試料１０１の表面１０２の領域６１２には図５に示した超音波トランスデューサ３０１から超音波が照射される。この超音波が照射された領域６１２からの反射光は集光レンズ６１０を透過した後、再びＰ偏光の平行光６０９となり、参照ミラー６０８を透過する。先に参照ミラー６０８で反射されたＳ偏光ビームと、試料１０１の表面１０２の超音波が照射された領域６１２から反射して参照ミラー６０８を透過したＰ偏光ビーム６０９は、直交偏光ビーム６１４として合成され、無偏光ビームスプリッタ６０７を透過する。
【００３２】
この直交偏光ビーム６１４は、迷光除去のための開口６１３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６１５及び６１６により、４つの直交偏光ビーム６１７に分割される。ビーム分割の方法は、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として実施してもよい。４つの直交偏光ビーム６１７は、フォトニック結晶アレイ６１８及び６１９で構成される位相シフト素子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６２０が生成される。
【００３３】
４つの位相シフト干渉光６２０は、それぞれに対応する４つの結像レンズ６２１を透過することにより４つの収束光６２２として、フォトダイオードなどの４つの光電変換素子６２３の受光面上に集光して受光される。この４つの収束光６２２を受光した４つの光電変換素子６２３からの出力信号は、増幅器６２４で増幅された後、４つの位相シフト干渉信号３０７として出力される。
【００３４】
図６Ａから明らかなように、４つの結像レンズ６２１の焦点位置は、光電変換素子６２３の受光面と一致している。従って、試料表面１０２と光電変換素子６２３の受光面とは、集光レンズ６１０及び結像レンズ６２１を介して共役の関係、すなわち結像関係にある。そのため、試料表面１０２に傾斜や微小な凹凸が生じていたいり、あるいは試料表面１０２が粗面であったとしても、試料表面１０２からの反射光は、光電変換素子６２３の受光面上に正確に集光して受光され、参照ミラー６０８で反射されたＳ偏光成分との間で安定な４つの位相シフト干渉信号が得られる。
【００３５】
前述した位相シフト素子は、例えば２つのフォトニック結晶アレイ６１８及び６１９で構成される。フォトニック結晶アレイ６１８は図６Ｂに示すように２つの領域から成り、上半分の領域６１８ａが１／４波長板としての機能を有しているフォトニック結晶で構成されており、下半分の領域６１８ｂがフォトニック結晶と同一光路長を持つ基盤で構成されている。すなわち、４つの直交偏光ビーム６１７のうち、領域６１８ａを透過する直交偏光ビームと、領域６１８ｂを透過する直交偏光ビームの間にπ／２の位相差が生じる。
【００３６】
フォトニック結晶アレイ６１９も図６Ｂに示すように２つの領域から成り、領域６１９ａが０°の結晶軸方向を有するフォトニック結晶で構成され、領域６１９ｂが直交する９０°の結晶軸方向を有するフォトニック結晶で構成される。２つの領域のフォトニック結晶は偏光素子としての機能を有しており、４つの直交偏光ビームビーム６１７のうち領域６１９ａのフォトニック結晶透過する２つの直交偏光ビームと、領域６１９ｂのフォトニック結晶を透過する２つの直交偏光ビームの間に、相対的にπの位相差を与える。
【００３７】
フォトニック結晶アレイ６１８及び６１９を透過後、参照ミラー６０８で反射したＳ偏光の参照光から成る４つの直交偏光ビームと参照ミラー６０８を透過して試料表面１０２で反射したＰ偏光から成る検出光の４つの直交偏光ビームとが干渉する。
【００３８】
上記フォトニック結晶アレイ６１８及び６１９は、例えば、合成石英基板上に入射光の波長よりも小さなピッチのライン＆スペース状の回折格子を形成し、その上に屈折率の異なる誘電体薄膜を複数層積層して構成される。
【００３９】
図７には、共通光路光干渉計３０６の別の構成例を示す。図７に示した構成においては、図６Ａに示したレーザー光源から偏波面保存ファイバ６０１によってレーザー光を干渉計へ導くことに代えて、半導体レーザー等の小形のレーザダイオード６２６を共通光路光干渉計３０６に内蔵する。レーザダイオード６２６から出射した直線偏光レーザー光６２７を、コリメーティングレンズ６２８で平行光６０３にし、さらにグラントムソンプリズムなどの偏光素子６０４を透過させ、透過光６０５をプリズムミラー６０６及び無偏光ビームスプリッタ６０７で反射させて、参照ミラー６０８に入射させる。以降の各部の構成とその機能は、レーザー光源と偏波面保存ファイバ６０１の有無を除いて、図６に示す実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００４０】
図８には、共通光路光干渉計３０６の更に別の構成例として、直線状の測定光６３２を出射する光学系を有する例を示す。図８に示したように、共通光路光干渉計３０６は、外部に設けられたレーザー光源（図示せず）から偏波面保存ファイバ６０１で光を導く構成である。偏波面保存ファイバ６０１から出射した４５°方向の直線偏光レーザー光をコリメーター６０２で平行光６０３にし、さらにグラントムソンプリズムなどの偏光素子６０４を透過させ、透過光６０５を回折格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様なビーム整形素子６２９によって、矩形状ビーム６３０に変換する。矩形状ビーム６３０をプリズムミラー６０６及び無偏光ビームスプリッタ６０７で反射させて、参照ミラー６０８に入射させる。
【００４１】
参照ミラー６０８は、例えば、前述したフォトニック結晶で構成される。フォトニック結晶は、例えばフォトニック結晶光学軸と直交する偏光成分を反射し、フォトニック結晶光学軸と直交する偏光成分を透過する。参照ミラー６０８で反射された直線偏光ビームを参照光として用い、透過した直線偏光ビーム６３１測定光として用いる。フォトニック結晶のかわりに、ワイヤグリッド偏光子等の平面状偏光素子を用いることも可能である。
【００４２】
参照ミラー６０８を透過した偏光ビーム６３１は、集光レンズ６１０によりｘ軸方向には平行光の状態を保ちｙ軸方向に集光され、収束光６３２として試料１０１の表面１０２に直線状に集光される（６３３）。すなわち、集光レンズ６１０の焦点位置が試料表面１０２と一致している。試料表面１０２からの反射光は集光レンズ６１０を透過後、再び直線偏光の矩形状平行光となり参照ミラー６０８を透過する。参照ミラー６０８で反射された参照光と参照ミラー６０８を透過した試料表面１０２からの反射光による偏光ビームは、直交偏光ビーム６３４として合成され、無偏光ビームスプリッタ６０７を透過する。
【００４３】
この直交偏光ビーム６３４は、例えば二つのフォトニック結晶アレイ６３５及び６３６で形成される位相シフト素子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、集光スポット６３３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６３７が生成される。
【００４４】
位相シフト素子は、例えば２つのフォトニック結晶アレイ６３５及び６３６で構成される。フォトニック結晶アレイ６３５は集光スポット６３３の長手方向と直交する方向に分割された２つの領域から成る。上半分の領域は１／４波長板として機能するフォトニック結晶で構成されており、下半分はフォトニック結晶と同一光路長を持つ基板で構成されている。すなわち、矩形状直交偏光ビーム６３４のうち、上半分と下半分を透過する直交偏光ビームの間にπ／２の位相差を生じさせる。
【００４５】
フォトニック結晶アレイ６３６は、集光スポット６３３の長手方向と直交する方向に４分割されており、０°の結晶軸方向を有するフォトニック結晶と、９０°の結晶軸方向を有するフォトニック結晶が交互に並んでいる。各フォトニック結晶は偏光素子としての機能を有しており、矩形状直交偏光ビーム６３４のうち０°の結晶軸方向を有するフォトニック結晶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、９０°の結晶軸方向を有するフォトニック結晶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、両偏光成分を干渉させる。
【００４６】
すなわち、２つのフォトニック結晶アレイ６３５及び６３６から成る位相シフト素子を透過した矩形状直交偏光ビーム６３４の長手方向と直交する方向の各直交偏光成分の間には、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、集光スポット６３３の長手方向と直交する方向に４分割され、かつ集光スポット６３３の長手方向に共役な位相シフト干渉光６３７が生成される。
【００４７】
位相シフト干渉光６３７は、集光スポット６３３の長手方向と位相シフト素子の４つの領域に対応したＮ×４個のレンズアレイ６３８によってＮ×４個の収束光６３９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６４０の受光面上に集光して受光され、増幅器６４１で増幅された後、Ｎ×４個の位相シフト干渉信号として出力される。
【００４８】
図８から明らかなように、レンズアレイ６３９の焦点位置は、光電変換素子６４０の受光面と一致している。従って、試料表面１０２と光電変換素子６４０の受光面とは、集光レンズ６１０及びレンズアレイ６３８を介して共役の関係、すなわち結像関係にある。そのため、試料表面１０２に傾斜や微小な凹凸が生じていたいり、あるいは試料表面１０２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６４０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が得られる。
【００４９】
図６ないし図８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１０２に生じるピコメートルオーダの微弱な超音波振動を、外乱の影響を最小限に抑えて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、表面が粗面である試料の内部欠陥を、非接触・非破壊で安定に検出可能となる。さらに、図８に示した実施形態によれば、共通光路光干渉計３０６を試料から一定距離離れた上空で一方向にのみ走査することで、試料１０１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。
【００５０】
図５に示した実施形態における実際の測定方法について図９を用いて簡単に説明する。超音波トランスデューサー３０１から発せられた超音波３０８は空中を伝播し、その一部が試料表面１０２を透過して試料１０１内部を伝播する（３０９）。試料１０１内部に例えば欠陥３１０が存在した場合、超音波３０９の一部が反射または散乱され、試料表面１０２に戻ってゆく（３１１）。反射または散乱された超音波３１１は試料表面１０２を変位させるため、共通光路光干渉計３０６の測定光３１２によって超音波に起因する表面変位を測定する。
【００５１】
前述したような共通光路光干渉計３０６で表面変位を測定すると、表面変位があることから試料１０１内部に例えば欠陥３１０が存在することがわかり、超音波３０８を発してから測定光３１２で表面変位を検出するまでの時間から、例えば欠陥３１０の試料表面１０２における超音波照射点からの距離を知ることができる。
【００５２】
図１０には、超音波トランスデューサー３０１に設けられた貫通穴３０２に共通光路光干渉計の一部である参照ミラー３１３と集束レンズ３１４（図６ないし図８における参照ミラー６０８及び集束レンズ６１０に対応）が貫通穴３０２に配置されている構成を示した。図１０に示した構成では、共通光路光干渉計３１４から検出光を光ファイバ３１５によって光を導き、アウトプットカプラ３１６によって平行光として出射する。アウトプットカプラ３１６は、光ファイバ３１５で導いた検出光を平行光線として射出する機能と、試料表面１０２で反射して戻ってきた検出光を光ファイバ３１５へ導入する機能を有するものである。
【００５３】
検出光の一部この出射された光のうちS偏光成分は参照ミラー３１３１で反射されて再びアウトプットカプラ３１６に入射する。一方、P偏光成分は参照ミラー３１３１を透過して集光レンズ３１３２に入射し試料表面１０２の計測点上に収束して照射される。試料表面１０２で反射した検出光は集光レンズ３１３２で集光され、参照ミラー３１３１を透過してアウトプットカプラ３１６へ戻ってくる。その後、検出光は光ファイバ３１５によって共通光路光干渉計３１４に導かれる。
【００５４】
図１０に示した構成において、光ファイバ３１５に偏光保存ファイバを用い、参照ミラー３１３を入射光の偏光で反射と透過を制御可能な偏光ミラーを用いると、効率よく試料１０２へ検出光を導くことができ、結果として検出効率を上げられる。また、図１０においては参照ミラー３１３１とアプトプットカプラー３１６が別々に記されているが、アウトプットカプラ３１６に参照ミラー３１３１を貼り付ける、またはアウトプットカプラ３１６の射出端面に参照ミラー３１３と同等の働きをする光学薄膜を形成して用いてもよい。
【００５５】
図１０に示した構成の利点は、参照ミラー３１３１と集光レンズ３１３２及びアウトプットカプラ３１６を超音波トランスデューサー３０１の内部に配置するため、貫通穴３０２に共通光路光干渉系３０６を配置する図５で説明した形態に比べ、超音波トランスデューサー３０１への加工量を減らせることである。超音波トランスデューサー３０１への加工量を減らすことができれば、貫通穴３０２加工による超音波トランスデューサー３０１の加振性能への影響を抑制でき、かつ超音波トランスデューサー３０１の機械的強度を損なうこともなくなる。
【００５６】
図１０に示した構成では、光干渉計における参照ミラー３１３１と集光レンズ３１３２以外の構成要素３１４を超音波トランスデューサー３０１から離すため、超音波の励起と検出を行う測定ユニットを小型化できる利点がある。さらに、光干渉計の光検出器や回路を超音波トランスデューサーのように高電圧を印加して周囲に電界を発生させる素子から離すことができるため、光干渉系への電気的な影響を避けられる利点もある。
【００５７】
参照ミラー３１３１と集光レンズ３１３２及びアウトプットカプラ３１６を超音波トランスデューサーに設けた貫通穴ないし座グリに配置するのであれば、超音波トランスデューサーには図４に示した段付貫通穴あき超音波トランスデューサー３０３がより適している。段付貫通穴あき超音波トランスデューサー３０３を用いた構成例を図１１に示す。図１１においては、座グリ３０４に参照ミラー３１３１と集光レンズ３１３２及びアウトプットカプラ３１６を配置し、貫通穴３０５は光ファイバ３１５のみを通す穴なので、座グリより径が小さくなっている。
【００５８】
図１１に示したような構成とすると、超音波トランスデューサー３０３への加工量を最小にでき、そのため、超音波トランスデューサー３０３の加振性能や機械強度の低下を最小限に抑えられる利点がある。
【００５９】
図１０または図１１に示した構成において、集光レンズ３１３２を省いた構成も考えられる。その構成の場合は、アウトプットカプラ３１６から射出した検出光は平行光線のまま試料表面１０２に達し、検出光照射領域全体の表面変位を検出し、反射してアウトプットカプラ３１６に戻ってくることになる。この場合には、集光レンズ３１３２を用いる場合に比べて検出領域を広くすることができ、かつ検出光を試料表面１０２に絞るための集光レンズ３１３２の焦点距離調整を省くことができる利点がある。これは、試料表面１０２に凹凸がある場合などに有効な手段となる。
【００６０】
もし、共通光路光干渉計３０６を超音波トランスデューサー３０３に比べて十分小さく抑えることができた場合は、図１２に示すような構成も可能である。すなわち、超音波トランスデューサー３０３に設けた座グリ３０４に共通光路光干渉計３０６を配置し、貫通穴３０５には入出力ケーブル３０７のみを通すという構成である。図１２に示した構成の利点は、超音波トランスデューサー３０３の加振性能や機械強度の低下を最小限に抑えることができることと、超音波トランスデューサー３０３と共通光路光干渉計３０６を一体化でしているために、全体としてコンパクトに装置を構成可能なことである。
【００６１】
図５または図９ないし図１２に図示した構成では、超音波トランスデューサー３０１または３０３は収束型超音波トランスデューサーを用いた例を図示したが、図１３に示すように、超音波トランスデューサーは平面超音波を出射する非収束型超音波トランスデューサーであってもよい。図１３には、超音波トランスデューサー３０１に設けた貫通穴３０２に共通光路光干渉計３０６を配置した構成例を示した。
【００６２】
図１３には貫通穴３０２に共通光路光干渉計３０６を配置する構成を図示したが、図１０または図１１の如く参照ミラー３１３とアウトプットカプラ３１６のみを貫通穴に配置する構成でもよく、また、図１１や図１２の如く段付貫通穴あき超音波トランスデューサー３０３を用いる構成であっても良い。
【００６３】
図１３に図示した構成においては、超音波は超音波トランスデューサー３０１からほぼ平面波として伝播をはじめ、回折の影響で緩やかに波面を広げながら伝播してゆく（３０８）。試料１０１の内部に進入した超音波３０８は試料１０１内部をほぼ平面波として伝播し、例えば欠陥３１０があれば反射または散乱される。例えば欠陥３１０から反射または散乱した超音波３１１は、試料表面１０２に達し、表面変位３１７を生じさせる。この表面変位３１７を共通光路光干渉計３０６の検出光３１２によって測定する。
【００６４】
共通光路光干渉計３０６での測定によって試料１０１の表面１０２の表面変位を検出すると、その検出した位置近傍の試料１０１内部に例えば欠陥３１０があることがわかり、超音波３０８を照射してから表面変位３１７を測定光３１２で測定するまでの時間から、例えば欠陥３１０の試料表面１０２からの深さを知ることができる。
【００６５】
図５または図９ないし図１２には収束型超音波トランスデューサー３０１または３０３を用いる構成例を示したが、収束型超音波トランスデューサー３０１または３０３を用いる利点は、超音波を試料表面１０２上の一点に収束することができるため、超音波励起を効率よく行えることである。一方、図１３に示したような非収束型超音波トランスデューサー３０１１を用いると、試料１０１内部を伝播する超音波をほぼ平面波とできるため、欠陥１０３の深さに関係なく常に同じ励振条件を実現できることが利点となる。
【００６６】
収束型超音波トランスデューサー３０１または３０３を用いて超音波を励起する場合、励起効率は良いものの、試料１０１内を伝播する超音波は励起点から広がる球面波となり、あらゆる方向に伝播する。そのため、励起点から距離rの位置においては振幅が1/r^2に減少する。
【００６７】
一方の非収束型超音波トランスデューサー３０１１を用いた超音波励起においては、励起効率は収束型トランスデューサー３０１または３０３に劣るものの、試料１０１内部を平面波として伝播するため、伝播による減衰が殆ど無視できる。そのため、試料表面１０２から深い位置にある異物や欠陥、界面を検出する際は、感度がよい。また、試料１０１内部を伝播する超音波が平面波であるため、超音波励起から光検出までの時間が純粋に異物や欠陥、界面の深さに対応していることも利点である。
【００６８】
一方、収束型超音波トランスデューサー３０１または３０３で励起した超音波は試料１０１内部で球面波となるため、超音波励起から光検出までの時間が、試料表面１０２における超音波収束点から異物や欠陥、界面の距離に対応している。そのため、異物や欠陥、界面の試料表面１０２からの深さを調べるためには、超音波励起および光検出を行う点を試料１０１の表面に沿って２次元走査し、励起から検出までの時間が変化する分布を作成することや、複数方向から測定した結果を総合的に評価して異物や欠陥、界面の位置を算出するという作業が必要となる。
【００６９】
非収束型超音波トランスデューサー３０１１を用いた場合、非収束型超音波トランスデューサー３０１１から発振させる超音波の周波数ｆと、非収束型超音波トランスデューサー３０１１の超音波を発振する面の広がりＬを適切に選択することにより、大きさＷの欠陥検出の効率と精度を向上できる。これは、空気中の音速をｖとした場合に、波長ｖ／ｆが発振面Ｌより十分に大きい場合（ｖ／ｆ≫Ｌ）は、超音波は非収束型超音波トランスデューサー３０１１の発振面から広がって伝播し、逆に波長が発振面に対して十分小さい場合（ｖ／ｆ≪Ｌ）は非収束型超音波トランスデューサー３０１１の発振面から指向性よくビーム状に伝播することによる。
【００７０】
すなわち、非収束型超音波トランスデューサー３０１１の発振面から発散するような超音波を試料へ入射すると、励起効率が低下するのみならず、試料に励起された超音波の波面が複雑になるために、測定結果の解釈が困難となる。ただし、試料内部における超音波の散乱が強い場合は、超音波の波長を長くする（つまり周波数を下げる）ことによって、超音波の散乱を抑制し、深い位置にある欠陥を検出できる可能性が向上する利点がある。
【００７１】
一方、収束型超音波トランスデューサー３０１または３０３の発振面からビーム状に伝播する超音波を試料へ入射すると、励起効率は向上し、試料内部を伝播する超音波波面が平面波となるため、欠陥検出の効率が向上する利点と、測定結果を理解しやすくなる利点がある。ただし、ビーム状超音波の指向性を向上させると、収束型超音波トランスデューサー３０１または３０３の発振面直下にある欠陥しか励振することができず、光センサ直下の欠陥を見逃す懸念が生じる。
【００７２】
実際に非収束型トランスデューサー３０１１を用いて欠陥の検出を行う場合は、試料の超音波伝播特性や検出したい欠陥の大きさ、欠陥検査の目的を考慮し、超音波の周波数とトランスデューサーの大きさを選択する。
【００７３】
図５または図９ないし図１３においては、光検出のための検出光を収束光として結像光学系を組んだ例を図示したが、検出光は平行光としても良い。検出光を平行光とする利点は、より広い面積を一度に測定できる点である。一方、結像光学系を用いた場合は、検出光を空間の一点に絞るため検出光密度が大きくなり、効率よく検出を行うことが可能である。また、空間分解能を向上させられる利点と、試料表面１０２が傾斜している場合においても測定が可能となる利点がある。
【００７４】
検出光を平行光とした場合においても結像光学系を用いて集光した場合においても、最終的な光電変換素子をフォトダイオードや光電子増倍管のように単眼の素子とすると、照射した領域すなわち視野における表面変位を平均化して検出することができる。この場合、視野全体の変化を加算して検出することになるため、検出感度は向上する利点がある。
【００７５】
一方、光電変換素子としてＣＣＤカメラ等の二次元撮像素子を用いると、視野内を画素分に分割して測定することになるため空間分解が可能となる利点がある。光電変換素子に単眼の素子を用いるか二次元撮像素子を用いるかは測定対象物ならびに検出したい対象によって選択される。
【実施例２】
【００７６】
第一の実施例においては、光センサとして共通光路光干渉計３０６を用いて光センサの検出光軸に対して対称な超音波励起とする実施形態を記した。第一の実施形態例で説明した構成の利点は、非常にコンパクトな測定系を実現できることである。一方、図１４に例示したような構成を用い、励起超音波の伝播方向に対して対称な光計測を行うことによっても、コンパクトで高感度な非接触内部欠陥検査を実現できる。この第二の実施例の利点としては、測定系全体が比較的コンパクトに構成可能であることと、第一の実施例に比べて検出に用いる光センサの構成が簡便にできることである。
【００７７】
本発明の第二の実施例を、図１４ないし図１８を用いて説明する。
図１４に空中超音波励起トランスデューサー４０１で試料１０１に超音波を励起し、斜入射サニャック干渉計によって表面変位を介して超音波を検出し、試料内部を観察する非接触超音波測定装置の構成例を示す。
【００７８】
超音波トランスデューサー４０１から照射された超音波は、試料表面１０２を透過し、試料内部１０１を伝播する。試料１０１内部に欠陥や界面が存在すると、そこで超音波が反射または散乱し、その一部が試料表面１０２へ戻ってきて表面を変位させる。
【００７９】
サニャック干渉計における測定光４０２は、＋ｚ方向から−ｚ方向へ向かって入射する。測定光４０２は、偏光子４０３によって、（x+y）方向または（x-y）方向の直線偏光４０２１と４０２２とに変換され、偏光ビームスプリッタ４０４で直交する偏光成分で分割される。偏光ビームスプリッタ４０４は、直交する偏光成分に分離可能、すなわち一方の偏光を透過してもう一方の偏光を反射する機能を有していればよく、その形状を問わない。
【００８０】
偏光ビームスプリッタ４０４を透過した検出光４０２１は、ミラー４０５によって伝播方向が変えられ、レンズ４０６によって超音波トランスデューサー４０１が超音波を励起している領域へ集光される。試料表面１０２によって反射または散乱された測定光４０２は、レンズ４０７によって集光され、ミラー４０８、ミラー４０９によって伝播方向が変えられ、偏光ビームスプリッタ４０４へ向かう。検出光４０２は偏光ビームスプリッタ４０４を透過し、波長板４１０へ達する。
【００８１】
一方、偏光子４０３で直線偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ４０３で反射された検出光４０２２は、ミラー４０９、ミラー４０８で伝播方向が変えられ、レンズ４０７によって超音波トランスデューサー４０１が超音波を励起している領域へ集光される。試料表面１０２で反射または散乱された測定光４０２は、レンズ４０６によって集光され、ミラー４０５で方向を変えられ、偏光ビームスプリッタ４０４で反射され、波長板４１０へ達する。
【００８２】
波長板４１０に達した直交する直線偏光の測定光４０２１と４０２２とは、波長板４１０によって位相差を設けられ干渉し、検光子４１１によって特定の偏光成分のみを抽出される。干渉し、検光子４１１によって抽出された測定光４０２は、光検出器４１２に達し、測定される。
【００８３】
ここで、光検出器４１２はフォトダイオードや光電子増倍管のような単眼の素子や、CCDカメラ等の二次元撮像素子でもよい。単眼の素子を用いて光検出を行う場合は、高速性や高感度化に有利であるという利点がある。しかし、二次元測定をする場合には光干渉計全体または試料１０１を走査する必要が生じる。一方、CCDカメラのような二次元撮像素子を用いた場合は測定光４０２の照射領域内で空間分解測定が可能となる利点がある。ここで、空間分解能は、レンズ４０６とレンズ４０７、結像レンズ４３８の倍率と、二次元撮像素子の大きさによって決定される。
【００８４】
単眼の素子を用いる場合は、解像度や倍率より光検出器４１２における検出効率等を考慮し、結像レンズ４３８の焦点距離や口径を選択することができる。また、単眼の素子を用いる場合、状況によっては結像レンズ４３８は必ずしも必要ではないので、省略することができる。
【００８５】
図１４に示す構成においては、測定光４０２が入射してから試料表面１０２に達するまでに、偏光子ビームスプリッタ４０３→ミラー４０５→レンズ４０６と伝播する測定光４０２１の光路と、変更ビームスプリッタ４０４→ミラー４０９→ミラー４０８→レンズ４０７と伝播する測定光４０２２の光路で、二通りの光路があり、変更ビームスプリッタ４０４とミラー４０９との間隔Ｌ：４１３だけ光路長が異なる。そのため、ｔ0＝Ｌ0／ｃ0だけ異なるタイミングで測定光が試料表面１０２に達することとなる。しかし、再び偏光ビームスプリッタ４０４に達して反射または透過した測定光４０２1と４０２２とは、波長板４１０に達した際に一つの光束に合成される。ここで、ｔ0は測定光の到達時間差で、Ｌ0は試料表面１０２に達するまでの光路差４１３、ｃ0は真空中の光速である。
【００８６】
結局、測定光４０２は試料表面１０２の表面の変位ｄ(t)をｔ0だけ異なるタイミングで測定することとなり、図１４に示した構成の光干渉計においてはＤ(t)＝｛ｄ(t+t0)-ｄ(t)｝／ｔ0、すなわち表面振動を測定することとなる。ここで、ｄ(t)は時刻ｔにおける表面変位であり、Ｄ(t)は時刻ｔにおいて干渉計が検知する表面変位の差である。
【００８７】
図１４のような構成の光干渉計を用いると、測定光が同一の光路を逆周りに伝播するため、光路における空気揺らぎや干渉計の各素子に対する外乱の影響を軽減でき、高感度検出を達成できることが利点である。
【００８８】
図１４においてはレンズ４０８で集光された検出光４０２は、レンズ４０６で集光された、偏光ビームスプリッタ４０４を透過した検出光４０２と近接する領域に集光されているものとする。近接する領域とは、まったく同じ領域に集光されていることを含み、１００μm程度離れていてもよい。レンズ４０６で集光する測定光４０２１とレンズ４０７で集光する測定光４０２２をより近接する領域に照射すると、光路差Ｌ：４１３に相当する時間ｔ0における試料表面１０２の振動Ｄ(t)を測定することになり、より離れた領域に測定光を照射すると、振動と空間微分の両方が重畳した物理量を測定することとなる。目的に応じ、測定光４０２１と４０２２の集光領域を変えられる。
【００８９】
図１４に示した構成では、測定光４０２１と４０２２とが試料表面１０２に達するタイミングは光干渉計を構成した段階でｔ0＝Ｌ0／ｃ0に固定されてしまう。そこで、図１５に示したように、干渉計にコーナーミラー４１７等で構成した遅延光路を追加することで、測定光４０２の照射タイミングを可変にできる。すなわち、測定光４０２が入射して偏光ビームスプリッタ４０４で反射された測定光４０２４はミラー４１８とコーナーミラー４１７を通りレンズ４１８で集光させて試料表面１０２に照射させることにより、偏光ビームスプリッタ４０４を透過してミラー４１４を経由しレンズ４１５で集光させて試料表面１０２に達する偏光成分４０２３に比べｔ1＝２Ｌ1／ｃ0だけ遅れて試料表面に達する。コーナーミラー４１７を移動させることによってＬ1を変化させ、ｔ1を制御して試料表面１０２に達するタイミングを可変にできる。
【００９０】
ここで、コーナーミラー４１７は、入射光と平行に光を反射する光学素子であればよく、コーナーミラーのほかには、例えばレトロリフレクターやコーナーキューブ、キャッツアイ、ミラーの組み合わせ等で構成しても良い。
【００９１】
図１４と図１５に示した構成例においては、サニャック干渉計をミラー等の光学素子を配置して、検出光４０２が空間を伝播する構成とした。前述したように、同一光路を違うタイミングで伝播する構成のため、外乱に対して強い特徴がある。しかし、外乱に対してより安定とするために、図１６に示したような構成が考えられる。
【００９２】
図１６に示した構成は光路を光ファイバで構成し、試料表面１０２に測定光４０２を照射する部分だけ光ファイバから出射ようにする構成である。図１６は、光源４２０で発振した測定光を偏光保存ファイバ４２１（以下、ファイバ４２１と記す）に導入する。ファイバ４２１には直線偏光子４２２が配置されており、ファイバ４２１を伝播する偏光を調整できるようになっている。ファイバ４２１を伝播する測定光は、分波器４２３によって直交する偏光成分で分離され、各偏光成分は偏光保存ファイバファイバ４２４（以下ファイバ４２４と記す）と偏光保存ファイバファイバ４２９（以下ファイバ４２４と記す）に導かれる。
【００９３】
ファイバ４２４に導かれた検出光はアウトプットカプラ４２５によって射出され、レンズ４２６によって試料表面１０２へ集光される。試料表面１０２で反射または散乱された測定光は、レンズ４２７によって集光され、アウトプットカプラ４２８によってファイバ４２９へ導入され、分波器４２３に達する。一方、分派器４２３からファイバ４２９に導かれた検出光はアウトプットカプラ４２８を通ってレンズ４２７によって試料表面１０２に集光される。試料表面１０２で反射または散乱された検出光は、レンズ４２６によって集光され、アウトプットカプラ４２５を通じてファイバ４２４に導入され、分波器４２３に戻る。
【００９４】
ここで、分波器４２３からファイバ４２４とファイバ４２９に導かれた測定光は、ファイバ４２４と４２９との長さが異なることによって試料表面１０２に異なるタイミングで達することになる。
【００９５】
分波器４２３に戻ってきた各偏光成分は分波器４２３によって合成され、ファイバ４３０へ導かれる。ファイバ４３０には波長板４３１と検光子４３２が組み込まれており、波長板４３１によって位相差を調整して直交していた各偏光成分を干渉させ、検光子４３２によって干渉した測定光から特定の偏光成分を抽出し、集光レンズ４３８で集光された検出光は光検出器４１０で検出され、その検出信号に基づいて変位測定を行う。
【００９６】
図１７に示した分波器４２３は、ファイバ４２１から入射する測定光を偏光によって分離して各偏光成分をファイバ４２４とファイバ４２９へ分岐する機能と、ファイバ４２４とファイバ４２９から入射してきた光を、偏光を保存したまま全てファイバ４３０へ導くような機能を備えた素子であればよい。例えば、図１７に例示したようにサーキュレーター４３３と偏光カプラ４３４を組み合わせることで分波器４２３を構成できる。
【００９７】
図１６に示した光ファイバを用いた構成は、光ファイバ４２４や４２９を巻くなどすることによって、図１４や図１５に示した構成に比べ装置全体をコンパクトに構成可能となる利点もある。
【００９８】
図１４ないし図１６に図示した光干渉計においては、測定光はレンズ４０６またはレンズ４０７、レンズ４１５、レンズ４１６、レンズ４２６、レンズ４２７によって試料表面１０２に集光されている。試料表面１０２にレンズ等を用いて検出光４０２を集光させる利点は、検出における光密度を向上させることによって高感度検出が可能となることと、空間分解能を向上できることである。
【００９９】
しかし、検出光の光密度が向上するために試料表面１０２に対して損傷を与える危険があることと、二次元的な測定を行うには光干渉計または試料を走査する必要がある。そこで、図１８に例示するような、測定光を試料表面１０２に集光しない構成も考えられる。図１８に示した構成においては、図１４と同様に偏光ビームスプリッタ４０４で各直交する偏光成分に分割された光を、プリズム等の素子４３５によってその伝播方向を変え、超音波トランスデューサー４０１が超音波を励起している領域へ平行光のまま照射する。
【０１００】
試料表面１０２で反射または散乱された検出光は、プリズム等の素子４３６とミラー４３７によって伝播方向を変えられ、偏光ビームスプリッタ４０４を透過して、波長板４１０に到達する。一方、偏光ビームスプリッタ４０４で反射された測定光はミラー４３７→素子４３６→試料表面１０２→素子４３５と伝播して偏光ビームスプリッタ４０４に達して偏光ビームスプリッタ４０４で反射され、波長板４１０に達する。
【０１０１】
図１８に示したような、測定光４０２を平行光の状態で試料表面１０２へ照射する構成を用いる利点は、検出光の光密度を下げることによって試料１０１へ損傷が生じにくくなるということと、広い面積を一度に測定できることである。また、検出光を平行光として試料１０１へ照射しているため、素子４３５及び４３６と試料１０１の距離が変化した際にも、検出光４０２が常に光検出器４１２に達するという利点もある。
【０１０２】
図１８に示したように測定光を集光しない干渉計を用いる構成においては、光検出器４１２を二次元撮像素子とすることによって空間分解測定も可能であり、大面積を一回の測定で網羅できるため、高速大面積測定が可能となる。また、単眼の光検出器を用いた場合においては、広い面積における表面変位を総和して測定することができるため、高感度検出が可能となる利点もある。
【実施例３】
【０１０３】
実施例１および２で説明した、空中超音波励起トランスデューサー４０１で試料１０１に超音波を励起し、共通光路光干渉計または斜入射サニャック干渉計によって表面変位を介して超音波を検出し、試料１０１内部を観察する非接触超音波測定手段は、図５ないし図１８に示した構成で実現できる。しかし、図５ないし図１８に示した構成ではレンズで集光した空間一点または測定光を照射した限られた領域の試料１０１の深さ方向の観察しか実現できない。そのため、図５ないし図１８に示した構成要素からなる測定ユニットを、何らかの手段で試料表面に沿って走査する必要がある。
【０１０４】
図１９に測定ユニット５０１と検出光の光源５０２を搭載した走査装置５０３が試料ステージ５０７に搭載された試料１０１上を走査する装置構成の例を図示した。走査装置５０３は、走査制御部５０６によって例えば測定ユニット５０１を直交３軸方向の移動と直交３軸周りの回転を行うことができ、試料１０１上における測定点を移動できるものである。図１９に示した構成では、光源５０２も走査装置５０３に搭載されているが、必ずしも走査装置５０３に搭載されている必要はなく、光ファイバを用いるなどして測定ユニット５０１へ測定光を導く構成でもよい。また、試料１０１を搭載している試料ステージ５０７が移動ないし回転を行う機能を有していてもよい。
【０１０５】
測定ユニット５０１における光検出器４１２からのアナログ出力信号、すなわち試料１０１の表面変位に対応した信号は、例えばアナログデジタル変換器５０４でアナログ信号がデジタル信号に変換されてから制御部５０５へ伝達される。制御部５０５は走査制御部５０６を制御して試料１０１上の位置を変化させ、試料表面１０２上の各点における表面変位信号を収集する。収集した結果は図２０に示すように、空間各点における試料表面１０２の変位２００１を時間軸で観測したデータの集合２００２となる。
【０１０６】
制御部５０５は、図２０に示したような試料１０１の表面１０２の変位を空間各点で観測したデータを処理し、例えば図２１に示すように表示画面２１０１上に二次元画像２１０２として表示する機能を有していてもよい。図２１は、図２０に示したデータを読み取り、超音波を励起した後に試料表面が変位するまでの時間から試料１０１内部における例えば欠陥や界面の深さと位置、分布を算出し、それを空間各点でプロットした例である。
【０１０７】
図２１の二次元画像２１０２のように二次元的に表示することにより、試料１０１内部の例えば欠陥や界面の分布を直感的に知ることができる利点がある。光検出器４１２に二次元撮像素子を用いた場合には、走査装置５０３を走査して空間各点で撮像した各二次元画像をつなぎ合わせることにより、二次元撮像素子の視野より広い領域の二次元的な、試料１０１内部の例えば欠陥や界面の分布を知ることができる。
【符号の説明】
【０１０８】
１０１・・・試料    １０２・・・試料表面    １０３・・・欠陥    ２０１・・・超音波トランスデューサー    ２０５・・・共通光路光干渉計    ３０１・・・超音波トランスデューサー    ３０２・・・貫通穴    ３０３・・・超音波トランスデューサー    ３０４・・・座グリ    ３０５・・・貫通穴    ３０６・・・共通光路光干渉計    ３１０・・・欠陥    ３１３…参照ミラー    ３１４・・・共通光路光干渉計    ３１５・・・光ファイバ    ３１６・・・アウトプットカプラ    ４０１…超音波トランスデューサー    ４０３・・・偏光子    ４０４・・・偏光ビームスプリッタ    ４０５、４０８、４０９，４１４，４１８・・・ミラー    ４０６、４０７、４１５、４１６・・・レンズ      ４１０・・・波長板    ４１１・・・検光子    ４１２・・・光検出器    ４１７・・・コーナーミラー    ４２０・・・光源    ４２１、４２４，４３０・・・光ファイバ    ４２２・・・偏光子    ４２３・・・分波器    ４２５、４２８・・・アウトプットカプラ    ４２６,４２７・・・レンズ    ４２９、４３０・・・光ファイバ    ４３１・・・波長板    ４３２・・・検光子    ４３３・・・サーキュレーター    ４３４・・・偏光カプラ    ４３５,４３６・・・プリズム    ４３７・・・ミラー    ５０１・・・測定ユニット    ５０２・・・光源    ５０３・・・走査装置    ５０４・・・アナログデジタル変換機    ５０５…制御部    ６０１・・・偏波面保存ファイバ    ６０２・・・コリメーター    ６０４・・・偏光素子    ６０６・・・プリズムミラー    ６０７・・・無偏光ビームスプリッタ    ６０８・・・参照ミラー    ６１０・・・集光レンズ    ６１３・・・開口    ６１５・・・四角錐プリズム    ６１６・・・四角錐プリズム    ６１８・・・フォトニック結晶アレイ    ６１９・・・フォトニック結晶アレイ    ６２１・・・結像レンズ    ６２３・・・光電変換素子    ６２４・・・増幅器    ６２６・・・レーザダイオード    ６２８・・・コリメーティングレンズ    ６２９・・・ビーム整形素子    ６３５・・・フォトニック結晶アレイ    ６３６・・・フォトニック結晶アレイ    ６３９・・・レンズアレイ    ６４０・・・光電変換素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
2012127897.tif 000024
【図２１】
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