(57)【要約】  変位計測装置１０は、被計測物体Ｓの表面の測定領域Ｒにレーザ光を照射するレーザ光源１１と、測定領域Ｒを前方焦点とし、所定の結像面（検出面１５６１）を後方焦点とする合焦光学系（ビームスプリッタ１５１、第１反射鏡１５２１及び集光レンズ１５５）と、合焦光学系に関して前記結像面の各点に対応する測定領域Ｒの対応点の周辺範囲からの光を前記結像面の該点に入射させる非合焦光学系（ビームスプリッタ１５１、ディフューザ１５３、第２反射鏡１５２２及び集光レンズ１５５）と、前記結像面上の各点毎に光の強度を検出する光検出器（イメージセンサ１５６）とを備える。これにより、測定領域Ｒ内の多数の点の各々に対応して、該点で反射された主反射光と該点の周辺範囲で反射された参照光が結像面内の多数の点の各々に入射し、それら結像面内の多数の点でそれぞれ主反射光と参照光が干渉することで干渉パターンが得られる。
2020157817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測物体の表面の測定領域にレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記測定領域を前方焦点とし、所定の結像面を後方焦点とする合焦光学系と、
前記合焦光学系に関して前記結像面の各点に対応する前記測定領域の対応点の周辺範囲からの光を前記結像面の該点に入射させる非合焦光学系と、
前記結像面上の各点毎に光の強度を検出する光検出器と
を備える変位計測装置。
【請求項２】
前記非合焦光学系が、前記測定領域を前方焦点とし前記結像面を後方焦点とする収束光学系と、該収束光学系と前記測定領域の間又は該収束光学系内に配置された、光を拡散させる拡散素子とを有するものである、請求項１に記載の変位計測装置。
【請求項３】
前記拡散素子の位置及び向きのいずれか一方又は両方を変更する拡散素子移動機構をさらに有する、請求項２に記載の変位計測装置。
【請求項４】
被計測物体の表面の測定領域にレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記測定領域を前方焦点とし、所定の結像面を後方焦点とする合焦光学系と、
前記測定領域の前方又は後方を前方焦点とし、前記結像面を後方焦点とする非合焦光学系と、
前記結像面上の各点毎に光の強度を検出する光検出器と
を備える変位計測装置。
【請求項５】
被計測物体に弾性波を励起する励振部と、
前記被計測物体の表面の測定領域にレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記測定領域を前方焦点とし、所定の結像面を後方焦点とする合焦光学系と、
前記合焦光学系に関して前記結像面の各点に対応する前記測定領域の対応点の周辺範囲からの光を前記結像面の該点に入射させる非合焦光学系と、
前記結像面上の各点毎に光の強度を検出する光検出器と
を備える欠陥検出装置。
【請求項６】
前記非合焦光学系が、前記測定領域を前方焦点とし前記結像面を後方焦点とする収束光学系と、該収束光学系と前記測定領域の間に配置された、光を拡散させる拡散素子とを有するものである、請求項５に記載の欠陥検出装置。
【請求項７】
前記拡散素子の位置及び向きのいずれか一方又は両方を変更する拡散素子移動機構をさらに有する、請求項５に記載の欠陥検出装置。
【請求項８】
前記レーザ光源が、前記測定領域にレーザ光をストロボ照射するものであって、
さらに、前記弾性波の位相と前記ストロボ照明のタイミングを制御することにより、該弾性波の互いに異なる少なくとも3つの位相において前記光検出器から前記光の強度を取得する制御を行う制御部を備える、
請求項５に記載の欠陥検出装置。
【請求項９】
被計測物体に弾性波を励起する励振部と、
前記被計測物体の表面の測定領域にレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記測定領域を前方焦点とし、所定の結像面を後方焦点とする合焦光学系と、
前記測定領域の前方又は後方を前方焦点とし、前記結像面を後方焦点とする非合焦光学系と、
前記結像面上の各点毎に光の強度を検出する光検出器と
を備える欠陥検出装置。
【請求項１０】
前記レーザ光源が、前記測定領域にレーザ光をストロボ照射するものであって、
さらに、前記弾性波の位相と前記ストロボ照明のタイミングを制御することにより、該弾性波の互いに異なる少なくとも3つの位相において前記光検出器から前記光の強度を取得する制御を行う制御部を備える、
請求項９に記載の欠陥検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被計測物体に生じる変位の分布を計測する変位計測装置、及び該変位計測装置を用いた欠陥検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被計測物体に生じる変位の分布を計測する装置として、スペックル干渉法又はスペックル・シェアリング干渉法を利用した装置が提案されている。スペックル干渉法は、レーザ光源からのレーザ光を照明光と参照光に分岐させ、照明光を測定領域に照射し、照明光が測定領域内における被計測物体の表面の各点で反射した反射光と参照光による干渉パターンを得るものである。スペックル・シェアリング干渉法（例えば特許文献１参照）は、レーザ光源からのレーザ光を用いて測定領域に照明を行い、該測定領域内の被計測物体の表面において近接する2点から反射してくる光による干渉パターンを得るものである。スペックル・シェアリング干渉法では、測定領域内における被計測物体の表面の各測定点において、該測定点で反射する光が上述の「反射光」に該当し、近接する1点から反射する光が参照光に該当する。このようにスペックル・シェアリング干渉法では、参照光も被計測物体の表面で反射される光であることから、以下では参照光との区別を明確にするために、測定点で反射する光を「主反射光」と呼ぶ。【０００３】
これらの変位計測装置では、被計測物体に振動、力、熱等の作用を加える前と後でそれぞれ干渉パターンの画像をCCDカメラ等で撮影し、それら2枚の画像から測定領域の表面の変位の分布を算出する。【０００４】
また、被計測物体の測定領域内に欠陥が存在すると変位の分布が欠陥の箇所で不連続になることを利用して、上記変位計測装置は、それによって得られる測定領域内の変位の分布に基づいて該測定領域内に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置として用いることができる。【０００５】
スペックル干渉法は、反射光と参照光の光路が大きく異なるため、光学系が複雑になるうえに、反射光と参照光の通過環境が異なるため環境外乱の影響を受け易い。それに対してスペックル・シェアリング干渉法は、主反射光と参照光が互いに被計測物体の表面の近接する2点で反射され、ほぼ同じ光路を通過するため、スペックル干渉法よりも光学系を単純にすることができると共に、環境外乱の影響を受け難いことから欠陥の検出を行う際の検出感度を高くすることができるという特長を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2017-219318号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
スペックル・シェアリング干渉法において、測定領域内の各測定点では、該測定点に近接する点は無数に取り得るが、実際にはそれら無数の点のうち、干渉光学系の構成によって定まる特定の1方向（シェア方向）に特定の距離だけずれた位置にある1点で反射する光を参照光として用いる。そのため、各測定点では、該測定点と該測定点からシェア方向に離れた1点との間の相対的な変位をその測定点の変位として求めていることとなる。従って、2点間の相対的な変位が、ある特定の方向に大きく存在し、その方向とシェア方向が一致しない場合には、変位が小さく計測される。この点で、スペックル・シェアリング干渉法を用いて欠陥の検出を行う際の検出感度をより向上させる余地がある。【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、参照光が反射する点の方位の相違による影響を受けることなく、被計測物体に生じる変位の分布を計測することができる変位計測装置、及び該変位計測装置を用いた欠陥検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために成された本発明に係る変位計測装置は、
被計測物体の表面の測定領域にレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記測定領域を前方焦点とし、所定の結像面を後方焦点とする合焦光学系と、
前記合焦光学系に関して前記結像面の各点に対応する前記測定領域の対応点の周辺範囲からの光を前記結像面の該点に入射させる非合焦光学系と、
前記結像面上の各点毎に光の強度を検出する光検出器と
を備えることを特徴とする。【００１０】
上記変位計測装置によれば、測定領域内の或る1点からの反射光は、合焦光学系により結像面の所定の1点に入射する。また、非合焦光学系により、測定領域内の該1点の周辺範囲からの光が結像面の同じ点に入射する。前者はスペックル・シェアリング干渉法における主反射光に該当し、後者は参照光に該当する。このように結像面の同じ点に入射する主反射光と参照光は干渉し、結像面の点毎に、干渉光の強度が光検出器で検出される。結像面の或る1点での干渉光の強度は、その点に対応する測定領域内の対応点の変位とその対応点の周辺範囲の平均の変位との差を反映したものとなる。そのため、従来のスペックル・シェアリング干渉法で生じていた計測結果の方向依存性を、上記変位計測装置では防ぐことができる。上記変位計測装置では、この干渉光の強度、すなわち光検出器で検出された光の強度に基づいて、前記測定領域中の測定点毎の変位の分布を一括測定する。【００１１】
なお、合焦光学系と非合焦光学系は、それらの一部を共有（共用）するものであってもよい。「測定領域の対応点の周辺範囲」は、該対応点を含んだ範囲であってもよいし、該対応点を除いた範囲であってもよく、該対応点及び該対応点から所定の（該周辺範囲の外縁で規定される範囲よりも狭い）範囲を除外した範囲であってもよい。【００１２】
本発明に係る上記変位計測装置において、前記非合焦光学系は、前記測定領域を前方焦点とし前記結像面を後方焦点とする収束光学系（凸レンズ系）と、該収束光学系と前記測定領域の間又は該収束光学系内に配置された、光を拡散させる拡散素子とを有するものとすることができる。これにより、測定領域の対応点の周辺範囲からの光が非合焦光学系の拡散板で拡散され、結像面では、この拡散された光の一部が、合焦光学系により該対応点から入射する光と同じ点に入射する。【００１３】
また、前記非合焦光学系は、前記測定領域の前方又は後方を前方焦点とし、前記結像面を後方焦点とするような収束光学系であってもよい。すなわち、この場合の本発明に係る変位計測装置は、
被計測物体の表面の測定領域にレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記測定領域を前方焦点とし、所定の結像面を後方焦点とする合焦光学系と、
前記測定領域の前方又は後方を前方焦点とし、前記結像面を後方焦点とする非合焦光学系と、
前記結像面上の各点毎に光の強度を検出する光検出器と
を備えることを特徴とする。【００１４】
なお、結像面上の或る1点を後方焦点とする非合焦光学系の前方焦点の前記測定領域に平行な面内での位置は、該1点を後方焦点とする合焦光学系の前方焦点の位置と必ずしも一致する必要はない。結像面上の或る1点を後方焦点とする合焦光学系の前方焦点の位置は、該1点を後方焦点とする非合焦光学系の光束の前記測定領域における断面内に存在することが望ましい。【００１５】
本発明に係る欠陥検出装置は、
被計測物体に弾性波を励起する励振部と、
前記被計測物体の表面の測定領域にレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記測定領域を前方焦点とし、所定の結像面を後方焦点とする合焦光学系と、
前記合焦光学系に関して前記結像面の各点に対応する前記測定領域の対応点の周辺範囲からの光を前記結像面の該点に入射させる非合焦光学系と、
前記結像面上の各点毎に光の強度を検出する光検出器と
を備えることを特徴とする。【００１６】
前記測定領域の前方又は後方を前方焦点とし、前記結像面を後方焦点とする非合焦光学系を用いる場合には、本発明に係る欠陥検出装置は、
被計測物体に弾性波を励起する励振部と、
前記被計測物体の表面の測定領域にレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記測定領域を前方焦点とし、所定の結像面を後方焦点とする合焦光学系と、
前記測定領域の前方又は後方を前方焦点とし、前記結像面を後方焦点とする非合焦光学系と、
前記結像面上の各点毎に光の強度を検出する光検出器と
を備えるという構成を取る。【００１７】
本発明に係る欠陥検出装置によれば、上記変位計測装置と同様の方法により光検出器で得られる強度に基づいて測定領域中の測定点毎の変位の分布を一括測定し、変位が不連続的に変化する位置を求めることにより、測定領域内の欠陥を検出することができる。この場合、測定領域の変位測定結果における方向依存性が無いため、どのような方向の欠陥であっても同様の感度で検出することができる。【００１８】
本発明に係る欠陥検出装置において、
前記レーザ光源は、前記測定領域にレーザ光をストロボ照射するものであって、
さらに、前記弾性波の位相と前記ストロボ照明のタイミングを制御することにより、該弾性波の互いに異なる少なくとも3つの位相において前記光検出器から前記光の強度を取得する制御を行う制御部を備える
という構成を取ることが望ましい。【００１９】
弾性波の1つの位相においてのみ変位の分布を測定すると、その位相において弾性波の振幅が小さい測定点では、欠陥が存在することによる振幅の相違も小さくなるため、変位が不連続的に変化することを検出し難くなり、欠陥の検出精度が低くなる。それに対して、弾性波の互いに異なる少なくとも3つの位相において取得される光の強度に基づいて変位の分布を測定することにより、いずれの測定点においても弾性波の全振動状態を再現することができるため、欠陥の検出精度を高くすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、参照光が反射する点の位置の相違による影響を受けることなく、被計測物体に生じる変位を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る変位計測装置の第１実施形態を示す概略構成図。
【図２】本実施形態の変位計測装置において、測定領域中の点で反射される光と、検出器の検出面に入射する光の関係を示す図。
【図３】本発明に係る欠陥検出装置の第１実施形態を示す概略構成図。
【図４】本実施形態の変位検出装置において、振動の位相が異なる3つの状態と、各状態で得られる干渉光の位相による強度の変化を示す図。
【図５】本発明に係る欠陥検出装置の第２実施形態を示す概略構成図。
【図６】本発明に係る欠陥検出装置の第３実施形態を示す概略構成図。
【図７】第１実施形態の欠陥検出装置の変形例を示す概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１〜図７を用いて、本発明に係る変位計測装置及び欠陥検出装置の実施形態を説明する。
【００２３】
(1) 第１実施形態の変位計測装置
図１は、第１実施形態の変位計測装置１０の概略構成図である。この変位計測装置１０は、レーザ光源１１、照明光レンズ１２、干渉計１５、制御部１６及び記憶部１７を有する。
【００２４】
レーザ光源１１はレーザ光を出力する光源であり、レーザ光を被計測物体Ｓに照射する。照明光レンズ１２は、レーザ光源１１と被計測物体Ｓの間に配置された凹レンズであり、レーザ光を被計測物体Ｓの表面のうち測定領域Ｒの全体に拡げる役割を有する。
【００２５】
干渉計１５は、ビームスプリッタ１５１、第１反射鏡１５２１、第２反射鏡１５２２、ディフューザ（拡散素子、拡散板）１５３、位相シフタ１５４、集光レンズ１５５及びイメージセンサ１５６を有する。
【００２６】
ビームスプリッタ１５１は、測定領域Ｒで反射した照明光が入射する位置に配置されたハーフミラーである。第１反射鏡１５２１はビームスプリッタ１５１で反射される照明光の光路上に配置されており、第２反射鏡１５２２はビームスプリッタ１５１を透過する照明光の光路上に配置されている。
【００２７】
ディフューザ１５３は、ビームスプリッタ１５１と第２反射鏡１５２２の間に配置されており、それを透過する光を拡散させるものである。ディフューザ１５３に光のビームを入射させると、ディフューザ１５３を透過した光のビームの径は入射したときよりも大きくなる。そのようなディフューザとして、ガラスや樹脂等の透明な基板の表面に凹凸を設けたものや、例えば気泡を含ませること等によって基板の内部に屈折率の分布を形成したものが挙げられる。具体的には、すりガラス、ホログラフィックディフーザー、マイクロレンズアレイ、オパールガラス、空間変調器などがある。また、円錐形状のプリズムを用いて光をわずかに収束又は発散させることによっても同等の効果を得ることができる。
【００２８】
位相シフタ１５４は、ビームスプリッタ１５１と第１反射鏡１５２１の間に配置されており、該位相シフタ１５４を通過する光の位相を変化（シフト）させるものである。なお、図１に記載の構成において、位相シフタ１５４は、通過型の位相シフタであるが、本発明は他のタイプの位相シフタを用いても実現可能である。例えば位相シフタの代わりに、反射鏡１５２１の位置を可変とする機構を追加して、位相シフタの機能を兼備させる構成が可能である。また、位相シフタ１５４の配置も図１に示した位置に限定されず、ビームスプリッタ１５１とディフューザ１５３の間、又はディフューザ１５３と第２反射鏡１５２２の間に配置されていてもよい。また、反射鏡１５２２の位置を可変としてもよい。
【００２９】
イメージセンサ１５６は、ビームスプリッタ１５１で反射された後に第１反射鏡１５２１で反射されてビームスプリッタ１５１を透過する照明光（この光が後述のように「主反射光」に該当する）、及びビームスプリッタ１５１を透過した後にディフューザ１５３を通過して第２反射鏡１５２２で反射され、再度ディフューザ１５３を通過した後にビームスプリッタ１５１で反射される照明光（「参照光」に該当。）の光路上に配置されている。
【００３０】
集光レンズ１５５は、ビームスプリッタ１５１とイメージセンサ１５６の間に配置されており、測定領域Ｒ中の1点からの主反射光を検出面１５６１の1点に結像させて入射させるレンズである。ビームスプリッタ１５１、第１反射鏡１５２１及び集光レンズ１５５は、測定領域Ｒ内の点を前方焦点とし、検出面１５６１内の点を後方焦点とする合焦光学系を構成している。従って、検出面１５６１は前述の結像面に該当する。一方、ビームスプリッタ１５１、ディフューザ１５３、第２反射鏡１５２２及び集光レンズ１５５は、検出面１５６１内の点に対応する測定領域Ｒの点の周辺範囲からの光を検出面１５６１に入射させる非合焦光学系を構成している。
【００３１】
制御部１６は、レーザ光源１１、位相シフタ１５４及びイメージセンサ１５６の動作を制御するものである。記憶部１７は、イメージセンサ１５６で得られるデータを記憶するものである。
【００３２】
次に、図２を用いて、本実施形態の変位計測装置１０において主反射光と参照光の干渉パターンが得られる理由を説明する。
【００３３】
図２に示す例では、測定領域Ｒ内の点Aからの主反射光は、合焦光学系により、検出面１５６１の点A1に入射する。一方、測定領域Ｒ内で点Aの周辺に存在する点Baからの光は、非合焦光学系のディフューザ１５３で拡散されることにより、検出面１５６１では参照光として、点Baに対応する点Ba1から範囲Ba2に拡がって入射する。測定領域Ｒ内での点Aと点Baの距離が所定の範囲（周辺範囲BR）内にあれば、検出面１５６１では範囲Ba2内に点A1が存在することとなる。さらに、点Ba同様に測定領域Ｒ内で点Aから周辺範囲BR内に存在する点Bb. Bc, Bd…からの参照光も同様に、検出面１５６１では前記各点Bb. Bc, Bd…に対応する点Bb1. Bc1, Bd1…から点A1を含む範囲Bb2, Bc2, Bd2…に拡がって入射する。従って、検出面１５６１内の点A1には、測定領域Ｒ内の点Aからの主反射光と、測定領域Ｒ内の点Aの（点Ba1. Bb1.Bc1, Bd1…を含む）周辺範囲BRで反射された参照光が入射することとなる。
【００３４】
また、測定領域Ｒ内の点A以外の点からも同様に、合焦光学系により、測定領域Ｒ内の該点に対応する検出面１５６１の点に主反射光が入射し、測定領域Ｒ内の該点の周辺範囲で反射された参照光が、非合焦光学系により、検出面１５６１の該点に入射する。例えば、点Aから非合焦光学系により検出面１５６１に入射する光は、検出面１５６１内では点A1から範囲A2に拡がって入射し、測定領域Ｒ内の点A以外の点からの主反射光に対する参照光となる。
【００３５】
このように、測定領域Ｒ内の多数の点の各々に対応して、該点で反射された主反射光と該点の周辺範囲で反射された参照光が検出面１５６１内の多数の点の各々に入射し、それら検出面１５６１の各点でそれぞれ主反射光と参照光が干渉する。検出された検出面１５６１の点毎の干渉光の強度は、記憶部１７に記憶される。こうしてイメージセンサ１５６の検出面１５６１の各点で干渉光の強度を検出することにより、干渉パターンが得られる。
【００３６】
被計測物体Ｓの測定領域Ｒ内に振動、力、熱等の作用により歪みが生じると、それによって主反射光が反射される測定領域Ｒ内の点と、その点の周辺範囲の点との光路差に変化が生じるため、それら周辺範囲の点で反射される参照光と前記主反射光の干渉光の強度にも変化が生じる。従って、上記作用を付与する前と後でそれぞれ干渉パターンを取得し、両者を対比することにより、上記作用による被計測物体Ｓの歪みを計測することができる。このとき、参照光は1点ではなく周辺範囲で反射された光であることから、1点からの参照光を用いた従来のスペックル・シェアリング干渉法で生じていた計測結果の方向依存性は、本実施形態の変位計測装置１０では生じることがない。
【００３７】
本実施形態の変位計測装置１０では、変位分布の算出手段として、位相シフト法を用いることができる。具体的には、主反射光もしくは参照光を位相シフタに通し、該位相シフタによるシフト量を異なる少なくとも3種の値にする。もちろん、主反射光と参照光を共に位相シフタに通して両者の位相を相対的に変化させてもよい。位相シフト量に応じて得られる干渉光の光強度に基づき、主反射光と参照光の位相差を求めることで、測定領域の表面の変位を算出することができる。その他、表面の変位を捉える手法としては、空間的フーリエ変換法や和差法などを用いることもできる。
【００３８】
(2) 第１実施形態の欠陥検出装置
次に、図３を用いて、第１実施形態の欠陥検出装置２０の構成を説明する。この欠陥検出装置２０は、第１実施形態の変位計測装置１０に、信号発生器１３及び振動子１４を付加した構成を有する。
【００３９】
信号発生器１３は振動子１４に接続されており、交流電気信号を発生させて該振動子１４に送信する。振動子１４は、被計測物体Ｓに接触させて用いられ、信号発生器１３から交流電気信号を受信して機械的振動に変換し、該機械的振動を被計測物体Ｓに付与する。これら信号発生器１３及び振動子１４は、前述の励振部に該当する。
【００４０】
信号発生器１３はまた、レーザ光源１１にも接続されており、前記交流電気信号が所定の位相となるタイミングでレーザ光源１１にパルス状の電気信号（パルス信号）を送信する。レーザ光源１１は、このパルス信号を受信したタイミングでパルス状のレーザ光を出射する。
【００４１】
制御部１６は、信号発生器１３及び、位相シフタ１５４及びイメージセンサ１５６の動作を制御する。なお、レーザ光源１１に対する制御は、信号発生器１３を介して行うため、制御部１６では直接的には行わない。
【００４２】
これら信号発生器１３、振動子１４及び制御部１６以外の構成要素は、第１実施形態の変位計測装置１０と同様である。
【００４３】
第１実施形態の欠陥検出装置２０の動作を説明する。信号発生器１３が振動子１４に交流電気信号を送信することにより、振動子１４はこの交流電流信号と同じ周期及び位相を有する機械的振動を被計測物体Ｓに付与する。これにより、被計測物体Ｓには、この交流電流信号と同じ周期を有する弾性波が励起される。
【００４４】
それと共に、信号発生器１３がこの交流電流信号が所定の位相となるタイミングでパルス信号をレーザ光源１１に送信することにより、レーザ光源１１はこのパルス信号を受信したタイミングでパルス状のレーザ光を出射し、照明光レンズ１２を通して被計測物体Ｓの測定領域Ｒ内にこのレーザ光を照射する。測定領域Ｒ内の各点では、レーザ光源１１からレーザ光が出射される度に、このレーザ光が反射され、それら各点に対応するイメージセンサ１５６の検出面１５６１内の各点に主反射光として入射すると共に、測定領域Ｒ内の各点の周辺範囲で反射される参照光が該各点に対応する検出面１５６１内の各点に入射する。これにより、レーザ光源１１からパルス状のレーザ光が出射される度に、干渉パターンが得られる。
【００４５】
ここでレーザ光が出射されるタイミングが信号発生器１３で発生する交流電流信号の位相に対応しており、この交流電流信号と同じ周期及び位相で弾性波が被計測物体Ｓに励起されていることから、干渉パターンは、この弾性波が所定の位相にあるタイミングで繰り返し取得される。すなわち、干渉パターンは、弾性波が特定の1つの位相（レーザ光の位相とは異なることに注意。）にあるときの測定領域Ｒの表面における変位の分布を反映していることとなる。測定領域Ｒ内に欠陥Ｄが存在すると、その欠陥Ｄの近傍で当該位相における干渉パターンに不連続性が生じることから、この干渉パターンに基づいて欠陥Ｄを検出することができる。
【００４６】
なお、この欠陥検出装置２０においても上述の変位計測装置１０の場合と同様に、主反射光の位相を位相シフタ１５４でシフトさせることにより、異なる3つ以上の位相でそれぞれ干渉パターンを取得する位相シフト法を用いることができる。
【００４７】
ここまでに述べた欠陥検出装置２０の動作では、前述のように弾性波の振動が特定の1つの位相にあるときにおける測定領域Ｒの表面の変位の分布を反映した干渉パターンを取得している。そのため、弾性波の振動がこの特定の位相にあるときに振動の節に近い位置にある測定領域Ｒ内の点では、振動の振幅が小さく、欠陥の検出精度が低くなる。そこで、信号発生器１３からレーザ光源１１にパルス信号を送信するタイミングを変更し、該交流電気信号の異なる3つ以上の位相でそれぞれパルス状のレーザ光を測定領域Ｒに照射してイメージセンサ１５６で干渉パターンを取得することにより、3つ以上のパラメータを得ることができ、振動の全状態を再現することができる。
【００４８】
図４中の左側に、測定領域Ｒ中の点Aと、この点Aの周辺範囲内の1つの点である点Baにつき、弾性波の振動の状態の例を、振動の位相がφ1、φ2、φ3（典型的には0、2π/3、4π/3）という異なる3つの状態についてそれぞれ模式的に示す。また、同図中の右側には、上記3つの状態においてそれぞれ、点Aで反射した主反射光と、参照光のうち点Baで反射した光の干渉光の強度の、位相シフタ１５４で変化させる主反射光の位相による相違を示す。振動の位相がφ1、φ2、φ3の各値のときにそれぞれ、位相シフタ１５４で主反射光の位相を変化させてゆくと、干渉光の強度は、正弦波に一定値を加えた関数のように変化してゆく。振動の位相がφ1、φ2、φ3である場合に対応した、干渉光の強度が最大となるときの主反射光の位相シフト量δ1、δ2、δ3は、各振動の位相における点Aと点Baとの面外方向の相対的な位置の差を反映した値となる。そのため、これら3つの位相δ1、δ2、δ3の値に基づいて、点Aと点Baの相対的な変位の変動を示す振動の全状態を再現することができる。但し、ここまでは話を簡単にするために周辺範囲内の1つの点Baにのみ着目して説明したが、実際には周辺範囲内で平均を取った位置と点Aの位置との相対的な変位の変動を見ることとなる。
【００４９】
(3) 変位計測装置及び欠陥検出装置の他の実施形態
図５及び図６を用いて、本発明に係る変位計測装置及び欠陥検出装置の他の実施形態を説明する。図５に示す第２実施形態の欠陥検出装置２０Ａでは、ディフューザ１５３を設けず、第１実施形態の欠陥検出装置２０よりもビームスプリッタ１５１からの距離が近い位置に第２反射鏡１５２２を配置している。それ以外の構成は第１実施形態の欠陥検出装置２０と同様である。
【００５０】
このように第２反射鏡１５２２を配置することにより、非合焦光学系では、被計測物体Ｓの測定領域Ｒからビームスプリッタ１５１を通過して第２反射鏡１５２２で反射され、さらにビームスプリッタ１５１で反射されて集光レンズ１５５を通過し、イメージセンサ１５６の検出面１５６１に入射する光は、検出面１５６１側では1点に集光するのに対して、測定領域Ｒ側では測定領域Ｒよりも後方（測定領域Ｒから見てビームスプリッタ１５１の反対側）の位置で焦点を結ぶ。その結果、非合焦光学系により検出面１５６１の1点に集光される光（参照光）は、レーザ光源１１からのレーザ光が測定領域Ｒ内の所定の範囲（周辺範囲BR）内で反射された光となる。一方、合焦光学系によって検出面１５６１の1点に入射する光は、測定領域Ｒの周辺範囲BR内の1点で反射される光となる。これにより、測定領域Ｒ内の各点で反射された主反射光と、各点の周辺範囲BR内で反射された参照光が検出面１５６１で干渉した干渉光の強度がイメージセンサ１５６で検出される。
【００５１】
図６に示す第３実施形態の欠陥検出装置２０Ｂでは、ディフューザ１５３を設けず、第１実施形態の欠陥検出装置２０よりもビームスプリッタ１５１からの距離が遠い位置に第２反射鏡１５２２を配置している。それ以外の構成は第１及び第２実施形態の欠陥検出装置２０及び２０Ａと同様である。
【００５２】
このように第２反射鏡１５２２を配置することにより、非合焦光学系では、被計測物体Ｓの測定領域Ｒからビームスプリッタ１５１を通過して第２反射鏡１５２２で反射され、さらにビームスプリッタ１５１で反射されて集光レンズ１５５を通過し、イメージセンサ１５６の検出面１５６１に入射する光は、検出面１５６１では1点に集光する。それに対して、測定領域Ｒ側では測定領域Ｒよりも前方（測定領域Ｒから見てビームスプリッタ１５１寄り）の位置で焦点を結び、測定領域Ｒではビームスプリッタ１５１側とは像が反転するように拡がった周辺範囲BRの光が非合焦光学系によって検出面１５６１の前記1点に集光することとなる。合焦光学系に関しては第１及び第２実施形態の欠陥検出装置２０及び２０Ａと同様に、測定領域Ｒの周辺範囲BR内の1点で反射される光が検出面１５６１の1点に入射する。これにより、測定領域Ｒ内の各点で反射された主反射光と、各点の周辺範囲BR内で反射された参照光が検出面１５６１で干渉した干渉光の強度がイメージセンサ１５６で検出される。
【００５３】
第１実施形態の欠陥検出装置２０と変位計測装置１０の関係と同様に、第２実施形態の欠陥検出装置２０Ａにおいて、信号発生器１３及び振動子１４を省略し、制御部１６によって直接レーザ光源１１を制御するように変更することにより、第２実施形態の変位計測装置が構成される。第３実施形態の欠陥検出装置２０Ｂも同様に変更することによって、第３実施形態の変位計測装置が構成される。
【００５４】
本発明は上記の各実施形態には限定されず、種々の変形を行うことができる。
【００５５】
例えば、第１実施形態の変位計測装置１０及び欠陥検出装置２０では、ディフューザ１５３で参照光がランダムに拡散されることにより、凹凸のある測定領域Ｒで反射される主反射光と参照光の干渉パターンに類似したスペックル（斑点状）パターンが、本来の干渉パターンとは別に生成されることがある。このようなスペックルパターンの影響を排除するために、変位計測装置１０及び欠陥検出装置２０に、ディフューザ１５３の位置及び向きのいずれか一方又は両方を変更するディフューザ（拡散素子）移動機構１５３１を設け（図７に、欠陥検出装置２０での例を示す。変位計測装置１０においても同様。）、ディフューザ１５３の位置及び／又は向きが異なる複数の条件でそれぞれ反射光と参照光の干渉パターンを取得することができる。こうして複数の干渉パターンを取得すると、主反射光と参照光による本来の干渉パターンは再現性を有するのに対して、ディフューザ１５３に由来するスペックルパターンはディフューザ１５３の位置や向きによって変化するため、これら複数の干渉パターンを平均化することにより、本来の干渉パターンを維持しつつディフューザ１５３に由来するスペックルパターンの影響を低減することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１０…変位計測装置
１１…レーザ光源
１２…照明光レンズ
１３…信号発生器
１４…振動子
１５…干渉計
１５１…ビームスプリッタ
１５２１…第１反射鏡
１５２２…第２反射鏡
１５３…ディフューザ
１５３１…ディフューザ移動機構
１５４…位相シフタ
１５５…集光レンズ
１５６…イメージセンサ
１５６１…検出面
１６…制御部
１７…記憶部
２０、２０Ａ、２０Ｂ…欠陥検出装置
Ｄ…欠陥
Ｒ…測定領域
Ｓ…被計測物体
【図１】
2020157817.tif 000003
【図２】
2020157817.tif 000004
【図３】
2020157817.tif 000005
【図４】
2020157817.tif 000006
【図５】
2020157817.tif 000007
【図６】
2020157817.tif 000008
【図７】
2020157817.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】令和3年4月1日(2021.4.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
例えば、第１実施形態の変位計測装置１０及び欠陥検出装置２０では、ディフューザ１５３で参照光がランダムに拡散されることにより、凹凸のある測定領域Ｒで反射される主反射光と参照光の干渉パターンに類似したスペックル（斑点状）パターンが、本来の干渉パターンとは別に生成されることがある。このようなスペックルパターンの影響を排除するために、変位計測装置１０及び欠陥検出装置２０に、ディフューザ１５３の位置及び向きのいずれか一方又は両方を変更するディフューザ（拡散素子）移動機構１５３１を設け（図７に、変位計測装置１０での例を示す。欠陥検出装置２０においても同様。）、ディフューザ１５３の位置及び／又は向きが異なる複数の条件でそれぞれ反射光と参照光の干渉パターンを取得することができる。こうして複数の干渉パターンを取得すると、主反射光と参照光による本来の干渉パターンは再現性を有するのに対して、ディフューザ１５３に由来するスペックルパターンはディフューザ１５３の位置や向きによって変化するため、これら複数の干渉パターンを平均化することにより、本来の干渉パターンを維持しつつディフューザ１５３に由来するスペックルパターンの影響を低減することができる。
【手続補正書】
【提出日】令和3年7月6日(2021.7.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測物体の表面の測定領域にレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記測定領域を前方焦点とし、所定の結像面を後方焦点とする合焦光学系と、
前記合焦光学系に関して前記結像面の各点に対応する前記測定領域の対応点の周辺範囲からの光を前記結像面の該点に入射させる非合焦光学系と、
前記結像面上の各点毎に光の強度を検出する光検出器と
を備える変位計測装置。
【請求項２】
前記非合焦光学系が、前記測定領域を前方焦点とし前記結像面を後方焦点とする収束光学系と、該収束光学系と前記測定領域の間又は該収束光学系内に配置された、光を拡散させる拡散素子とを有するものである、請求項１に記載の変位計測装置。
【請求項３】
前記拡散素子の位置及び向きのいずれか一方又は両方を変更する拡散素子移動機構をさらに有する、請求項２に記載の変位計測装置。
【請求項４】
被計測物体の表面の測定領域にレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記測定領域を前方焦点とし、所定の結像面を後方焦点とする合焦光学系と、
前記測定領域の前方又は後方を前方焦点とし、前記結像面を後方焦点とする非合焦光学系と、
前記結像面上の各点毎に光の強度を検出する光検出器と
を備える変位計測装置。
【請求項５】
被計測物体に弾性波を励起する励振部と、
前記被計測物体の表面の測定領域にレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記測定領域を前方焦点とし、所定の結像面を後方焦点とする合焦光学系と、
前記合焦光学系に関して前記結像面の各点に対応する前記測定領域の対応点の周辺範囲からの光を前記結像面の該点に入射させる非合焦光学系と、
前記結像面上の各点毎に光の強度を検出する光検出器と
を備える欠陥検出装置。
【請求項６】
前記非合焦光学系が、前記測定領域を前方焦点とし前記結像面を後方焦点とする収束光学系と、該収束光学系と前記測定領域の間に配置された、光を拡散させる拡散素子とを有するものである、請求項５に記載の欠陥検出装置。
【請求項７】
前記拡散素子の位置及び向きのいずれか一方又は両方を変更する拡散素子移動機構をさらに有する、請求項６に記載の欠陥検出装置。
【請求項８】
前記レーザ光源が、前記測定領域にレーザ光をストロボ照明するものであって、
さらに、前記弾性波の位相と前記ストロボ照明のタイミングを制御することにより、該弾性波の互いに異なる少なくとも3つの位相において前記光検出器から前記光の強度を取得する制御を行う制御部を備える、
請求項５に記載の欠陥検出装置。
【請求項９】
被計測物体に弾性波を励起する励振部と、
前記被計測物体の表面の測定領域にレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記測定領域を前方焦点とし、所定の結像面を後方焦点とする合焦光学系と、
前記測定領域の前方又は後方を前方焦点とし、前記結像面を後方焦点とする非合焦光学系と、
前記結像面上の各点毎に光の強度を検出する光検出器と
を備える欠陥検出装置。
【請求項１０】
前記レーザ光源が、前記測定領域にレーザ光をストロボ照明するものであって、
さらに、前記弾性波の位相と前記ストロボ照明のタイミングを制御することにより、該弾性波の互いに異なる少なくとも3つの位相において前記光検出器から前記光の強度を取得する制御を行う制御部を備える、
請求項９に記載の欠陥検出装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
本発明に係る欠陥検出装置において、
前記レーザ光源は、前記測定領域にレーザ光をストロボ照明するものであって、
さらに、前記弾性波の位相と前記ストロボ照明のタイミングを制御することにより、該弾性波の互いに異なる少なくとも3つの位相において前記光検出器から前記光の強度を取得する制御を行う制御部を備える
という構成を取ることが望ましい。
【国際調査報告】
2020157817.tif 000010
2020157817.tif 000011
2020157817.tif 000012