位移测量装置和缺陷检测装置

技术领域

本发明涉及一种对在被测量物体产生的位移的分布进行测量的位移测量装置和使用该位移测量装置的缺陷检测装置。

背景技术

作为对在被测量物体产生的位移的分布进行测量的装置，提出了利用散斑干涉法或散斑剪切干涉法的装置。关于散斑干涉法，使来自激光光源的激光分支为照明光和参照光，将照明光照射到测定区域，获得因照明光在测定区域内的被测量物体的表面的各点反射得到的反射光和参照光而产生的干涉图案。关于散斑剪切干涉法(例如，参照专利文献1)，使用来自激光光源的激光对测定区域进行照明，获得因从该测定区域内的被测量物体的表面上接近的两点反射来的光而产生的干涉图案。在散斑剪切干涉法中，在测定区域内的被测量物体的表面的各测定点，在该测定点反射的光相当于上述的“反射光”，从接近的一点反射的光相当于参照光。如此，在散斑剪切干涉法中，由于参照光也是在被测量物体的表面反射的光，因此，为了明确与参照光的区别，下面将在测定点反射的光称为“主反射光”。

在这些位移测量装置中，在对被测量物体施加振动、力、热等的作用之前和之后分别通过CCD摄像机等对干涉图案的图像进行拍摄，根据这两张图像来计算测定区域的表面的位移的分布。

另外，利用当被测量物体的测定区域内存在缺陷时位移的分布在缺陷的部位变得不连续这一情况，上述位移测量装置能够用作基于由此得到的测定区域内的位移的分布来对存在于该测定区域内的缺陷进行检测的缺陷检测装置。

关于散斑干涉法，由于反射光与参照光的光路大不相同，因此光学系统变得复杂，而且，由于反射光与参照光的通过环境不同，因此容易受到环境干扰的影响。相对于此，散斑剪切干涉法具有如下特长：主反射光和参照光彼此在被测量物体的表面的接近的两点被反射而通过大致相同的光路，因此，能够使光学系统比散斑干涉法的光学系统简单，并且由于不易受到环境干扰的影响，因此能够提高进行缺陷的检测时的检测灵敏度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2017-219318号公报

发明内容

发明要解决的问题

在散斑剪切干涉法中，在测定区域内的各测定点处，能够取得无数的接近该测定点的点，但是实际上将在这些无数的点中的如下一点反射的光用作参照光，该一点为位于在由干涉光学系统的结构决定的特定的一个方向(剪切方向)上偏离了特定的距离的位置的一点。因此，在各测定点处，求出该测定点与在剪切方向上偏离了该测定点的一点之间的相对位移来作为该测定点的位移。因而，在两点间的相对位移在某个特定的方向上较大地存在、且该方向与剪切方向不一致的情况下，位移被较小地测量。在这方面，有进一步提高使用散斑剪切干涉法进行缺陷的检测时的检测灵敏度的余地。

本发明要解决的问题在于提供一种能够不受因参照光被反射的点的方位的差异引起的影响地测量在被测量物体产生的位移的分布的位移测量装置和使用该位移测量装置的缺陷检测装置。

用于解决问题的方案

为了解决上述问题而完成的本发明所涉及的位移测量装置的特征在于，具备：激光光源，其向被测量物体的表面的测定区域照射激光；聚焦光学系统，其将所述测定区域设为前方焦点，将规定的成像面设为后方焦点；非聚焦光学系统，其使来自对于所述聚焦光学系统而言与所述成像面的各点对应的所述测定区域的对应点的周边范围的光向所述成像面的该点入射；以及光检测器，其针对所述成像面上的每个点检测光的强度。

根据上述位移测量装置，通过聚焦光学系统使来自测定区域内的某一点的反射光向成像面的规定的一点入射。另外，通过非聚焦光学系统使来自测定区域内的该一点的周边范围的光向成像面的同一点入射。前者相当于散斑剪切干涉法中的主反射光，后者相当于参照光。这样，向成像面的同一点入射的主反射光与参照光发生干涉，针对成像面的每个点，通过光检测器检测干涉光的强度。在成像面的某一点处的干涉光的强度反映了该点所对应的测定区域内的对应点的位移与该对应点的周边范围的平均位移之差。因此，在上述位移测量装置中，能够防止在以往的散斑剪切干涉法中产生的测量结果的方向依赖性。在上述位移测量装置中，基于该干涉光的强度、即通过光检测器检测出的光的强度，一并测定所述测定区域中的每个测定点的位移的分布。

此外，聚焦光学系统和非聚焦光学系统也可以共享(共用)它们中的一部分。“测定区域的对应点的周边范围”既可以为包含该对应点的范围，也可以为除去该对应点的范围，还可以为将该对应点和从该对应点起规定的(比由该周边范围的外缘限定的范围小的)范围除外的范围。

在本发明所涉及的上述位移测量装置中，所述非聚焦光学系统能够设为具有：会聚光学系统(凸透镜系统)，其将所述测定区域设为前方焦点，将所述成像面设为后方焦点；以及扩散元件，其被配置于该会聚光学系统与所述测定区域之间或者配置于该会聚光学系统内，使光进行扩散。由此，通过非聚焦光学系统的扩散板对来自测定区域的对应点的周边范围的光进行扩散，在成像面中，该被扩散的光的一部分向与从该对应点通过聚焦光学系统入射的光相同的点入射。

另外，所述非聚焦光学系统也可以为将所述测定区域的前方或后方设为前方焦点、并将所述成像面设为后方焦点那样的会聚光学系统。即，该情况下的本发明所涉及的位移测量装置的特征在于，具备：激光光源，其向被测量物体的表面的测定区域照射激光；聚焦光学系统，其将所述测定区域设为前方焦点，将规定的成像面设为后方焦点；非聚焦光学系统，其将所述测定区域的前方或后方设为前方焦点，将所述成像面设为后方焦点；以及光检测器，其针对所述成像面上的每个点检测光的强度。

此外，将成像面上的某一点设为后方焦点的非聚焦光学系统的前方焦点在与所述测定区域平行的面内的位置无需一定与将该一点设为后方焦点的聚焦光学系统的前方焦点的位置一致。优选地，将成像面上的某一点设为后方焦点的聚焦光学系统的前方焦点的位置存在于将该一点设为后方焦点的非聚焦光学系统的光束的所述测定区域的截面内。

本发明所涉及的缺陷检测装置的特征在于，具备：激励部，其向被测量物体激发弹性波；激光光源，其向所述被测量物体的表面的测定区域照射激光；聚焦光学系统，其将所述测定区域设为前方焦点，将规定的成像面设为后方焦点；非聚焦光学系统，其使来自对于所述聚焦光学系统而言与所述成像面的各点对应的所述测定区域的对应点的周边范围的光向所述成像面的该点入射；以及光检测器，其针对所述成像面上的每个点检测光的强度。

在使用将所述测定区域的前方或后方设为前方焦点、并将所述成像面设为后方焦点的非聚焦光学系统的情况下，本发明所涉及的缺陷检测装置采取具备如下的结构：激励部，其向被测量物体激发弹性波；激光光源，其向所述被测量物体的表面的测定区域照射激光；聚焦光学系统，其将所述测定区域设为前方焦点，将规定的成像面设为后方焦点；非聚焦光学系统，其将所述测定区域的前方或后方设为前方焦点，将所述成像面设为后方焦点；以及光检测器，其针对所述成像面上的每个点检测光的强度。

根据本发明所涉及的缺陷检测装置，通过与上述位移测量装置相同的方法基于通过光检测器得到的强度来一并测定测定区域中的每个测定点的位移的分布，求出位移不连续地变化的位置，由此能够检测测定区域内的缺陷。在该情况下，测定区域的位移测定结果不存在方向依赖性，因此无论是哪个方向的缺陷都能够以同样的灵敏度进行检测。

优选地，在本发明所涉及的缺陷检测装置中，采取如下的结构：所述激光光源向所述测定区域频闪照射激光，所述缺陷检测装置还具备控制部，所述控制部进行如下的控制：通过控制所述弹性波的相位和所述频闪照明的定时，来在该弹性波的相互不同的至少三个相位下从所述光检测器获取所述光的强度。

当仅在弹性波的一个相位下测定位移的分布时，在该相位下弹性波的振幅小的测定点处，因存在缺陷而引起的振幅的差异也小，因此难以检测位移不连续地变化，从而缺陷的检测精度变低。相对于此，基于在弹性波的相互不同的至少三个相位下获取的光的强度来测定位移的分布，由此在任何的测定点都能够再现弹性波的全振动状态，因此，能够提高缺陷的检测精度。

发明的效果

根据本发明，能够不受因参照光被反射的点的位置的差异引起的影响地测量在被测量物体产生的位移。

附图说明

图1是示出本发明所涉及的位移测量装置的第一实施方式的概要结构图。

图2是示出在本实施方式的位移测量装置中、在测定区域中的点反射的光与向检测器的检测面入射的光的关系的图。

图3是示出本发明所涉及的缺陷检测装置的第一实施方式的概要结构图。

图4是示出在本实施方式的位移检测装置中、振动的相位不同的三个状态和在各状态下得到的干涉光的基于相位的强度的变化的图。

图5是示出本发明所涉及的缺陷检测装置的第二实施方式的概要结构图。

图6是示出本发明所涉及的缺陷检测装置的第三实施方式的概要结构图。

图7是示出第一实施方式的缺陷检测装置的变形例的概要结构图。

具体实施方式

使用图1～图7来说明本发明所涉及的位移测量装置和缺陷检测装置的实施方式。

(1)第一实施方式的位移测量装置

图1是第一实施方式的位移测量装置10的概要结构图。该位移测量装置10具有激光光源11、照明光透镜12、干涉仪15、控制部16以及存储部17。

激光光源11为输出激光的光源，将激光照射到被测量物体S。照明光透镜12为被配置于激光光源11与被测量物体S之间的凹透镜，具有将激光扩散到被测量物体S的表面中的整个测定区域R的作用。

干涉仪15具有分束器151、第一反射镜1521、第二反射镜1522、扩散器(扩散元件、扩散板)153、移相器154、聚光透镜155以及图像传感器156。

分束器151为被配置于在测定区域R反射的照明光所入射的位置的半透半反镜。第一反射镜1521被配置于由分束器151反射的照明光的光路上，第二反射镜1522被配置于透过分束器151的照明光的光路上。

扩散器153被配置于分束器151与第二反射镜1522之间，使透过其的光进行扩散。当使光束向扩散器153入射时，透过扩散器153后的光束的直径变得比入射到扩散器153时的光束的直径大。作为这样的扩散器，列举有在玻璃或树脂等的透明的基板的表面设置凹凸所得到的扩散器，或者例如通过包含气泡等而在基板的内部形成折射率的分布的扩散器。具体而言，有磨砂玻璃、全息扩散器、微透镜阵列、乳白玻璃、空间调制器等。另外，通过使用圆锥形状的棱镜使光稍微会聚或发散，也能够获得同等的效果。

移相器154被配置于分束器151与第一反射镜1521之间，使通过该移相器154的光的相位变化(偏移)。此外，在图1所述的结构中，移相器154为通过型的移相器，但是本发明也能够使用其它类型的移相器来实现。例如，替代移相器，能够构成为追加将反射镜1521的位置设为可变的机构来兼备移相器的功能。另外，移相器154的配置也并不限定于图1所示的位置，也可以被配置于分束器151与扩散器153之间，或者配置于扩散器153与第二反射镜1522之间。另外，也可以将反射镜1522的位置设为可变。

图像传感器156被配置于在由分束器151反射之后由第一反射镜1521反射并透过分束器151的照明光(该光如后述那样相当于“主反射光”)、以及在透过分束器151之后通过扩散器153后由第二反射镜1522反射再次通过扩散器153之后由分束器151反射的照明光(相当于“参照光”。)的光路上。

聚光透镜155被配置于分束器151与图像传感器156之间，是使来自测定区域R中的一点的主反射光向检测面1561的一点入射并成像的透镜。分束器151、第一反射镜1521以及聚光透镜155构成将测定区域R内的点设为前方焦点、并将检测面1561内的点设为后方焦点的聚焦光学系统。因而，检测面1561相当于前述的成像面。另一方面，分束器151、扩散器153、第二反射镜1522以及聚光透镜155构成使来自与检测面1561内的点对应的测定区域R的点的周边范围的光向检测面1561入射的非聚焦光学系统。

控制部16对激光光源11、移相器154以及图像传感器156的动作进行控制。存储部17存储通过图像传感器156得到的数据。

接着，使用图2来说明在本实施方式的位移测量装置10中得到主反射光与参照光的干涉图案的理由。

在图2所示的例子中，通过聚焦光学系统将来自测定区域R内的点A的主反射光入射到检测面1561的点A1。另一方面，来自在测定区域R内存在于点A的周边的点Ba的光被非聚焦光学系统的扩散器153扩散，由此作为参照光，在检测面1561中扩散地入射到从与点Ba对应的点Ba1起的范围Ba2。如果在测定区域R内的点A与点Ba的距离在规定的范围(周边范围BR)内，则在检测面1561中点A1存在于范围Ba2内。并且，与点Ba同样地，来自在测定区域R内存在于从点A起的周边范围BR内的点Bb、Bc、Bd……的参照光也同样地在检测面1561中扩散地入射到从与所述各点Bb、Bc、Bd……对应的点Bb1、Bc1、Bd1……起的包括点A1的范围Bb2、Bc2、Bd2……。因而，来自测定区域R内的点A的主反射光和在测定区域R内的点A的(包括点Ba1、Bb1、Bc1、Bd1……的)周边范围BR反射的参照光向检测面1561内的点A1入射。

另外，也同样地通过聚焦光学系统从测定区域R内的除点A以外的点向与测定区域R内的该点对应的检测面1561的点入射主反射光，在测定区域R内的该点的周边范围反射的参照光通过非聚焦光学系统向检测面1561的该点入射。例如，从点A通过非聚焦光学系统向检测面1561入射的光在检测面1561内扩散地入射到从点A1起的范围A2，成为针对来自测定区域R内的除点A以外的点的主反射光的参照光。

这样，与测定区域R内的多个点中的各个点对应地，在该点反射的主反射光和在该点的周边范围反射的参照光向检测面1561内的多个点中的各个点入射，在检测面1561的这些各点处，主反射光与参照光分别发生干涉。将检测出的检测面1561的每个点的干涉光的强度存储于存储部17。这样，通过在图像传感器156的检测面1561的各点检测干涉光的强度来得到干涉图案。

当在被测量物体S的测定区域R内因振动、力、热等的作用而产生变形时，由此测定区域R内的反射主反射光的点与该点的周边范围内的点的光路差产生变化，因此，在周边范围内的这些点反射的参照光与所述主反射光的干涉光的强度也产生变化。因而，通过在施加上述作用之前和之后分别获取干涉图案，并将两者进行对比，由此能够测量因上述作用引起的被测量物体S的变形。此时，参照光为在周边范围内反射的光而不是在一点反射的光，因此，在本实施方式的位移测量装置10中不会产生在以往的使用来自一点的参照光的散斑剪切干涉法中产生的测量结果的方向依赖性。

在本实施方式的位移测量装置10中，作为位移分布的计算方法，能够使用移相法。具体而言，使主反射光或参照光通过移相器，将由该移相器产生的偏移量设为不同的至少三种值。当然，也可以使主反射光与参照光一起通过移相器来使两者的相位相对地变化。能够通过基于与相移量相应地得到的干涉光的光强度求出主反射光与参照光的相位差，来计算测定区域的表面的位移。此外，作为捕捉表面的位移的方法，还能够使用空间傅立叶变换法、和差法等。

(2)第一实施方式的缺陷检测装置

接着，使用图3来说明第一实施方式的缺陷检测装置20的结构。该缺陷检测装置20具有将信号产生器13和振动器14附加于第一实施方式的位移测量装置10的结构。

信号产生器13与振动器14连接，信号产生器13产生交流电信号并向该振动器14发送该交流电信号。振动器14与被测量物体S接触来使用，振动器14从信号产生器13接收交流电信号并将其变换成机械振动，并且将该机械振动施加于被测量物体S。这些信号产生器13和振动器14相当于前述的激励部。

另外，信号产生器13还与激光光源11连接，在所述交流电信号成为规定的相位的定时向激光光源11发送脉冲状的电信号(脉冲信号)。激光光源11在接收到该脉冲信号的定时射出脉冲状的激光。

控制部16对信号产生器13、移相器154以及图像传感器156的动作进行控制。此外，针对激光光源11的控制经由信号产生器13来进行，因此不直接由控制部16进行。

除了这些信号产生器13、振动器14以及控制部16以外的构成要素与第一实施方式的位移测量装置10相同。

对第一实施方式的缺陷检测装置20的动作进行说明。信号产生器13向振动器14发送交流电信号，由此振动器14将具有与该交流电流信号相同的周期和相位的机械振动施加于被测量物体S。由此，对被测量物体S激发具有与该交流电流信号相同的周期的弹性波。

与此同时，信号产生器13在该交流电流信号成为规定的相位的定时向激光光源11发送脉冲信号，由此激光光源11在接收到该脉冲信号的定时射出脉冲状的激光，将该激光通过照明光透镜12后照射到被测量物体S的测定区域R内。每当从激光光源11射出激光时，该激光在测定区域R内的各点被反射，作为主反射光而向与这些各点对应的图像传感器156的检测面1561内的各点入射，并且在测定区域R内的各点的周边范围反射的参照光向与该各点对应的检测面1561内的各点入射。由此，每当从激光光源11射出脉冲状的激光时，得到干涉图案。

在此，射出激光的定时与在信号产生器13产生的交流电流信号的相位对应，以与该交流电流信号相同的周期和相位向被测量物体S激发弹性波，因此在该弹性波处于规定的相位的定时重复获取干涉图案。即，干涉图案反映了弹性波处于特定的一个相位(注意与激光的相位不同。)时的测定区域R的表面的位移的分布。当在测定区域R内存在缺陷D时，在该缺陷D的附近在该相位下的干涉图案中产生不连续性，因此能够基于该干涉图案来检测缺陷D。

此外，在该缺陷检测装置20中也能够与上述的位移测量装置10的情况同样地，使用通过移相器154使主反射光的相位进行偏移来在不同的三个以上的相位下分别获取干涉图案的移相法。

在至此所述的缺陷检测装置20的动作中，获取如前述那样反映了弹性波的振动处于特定的一个相位时的测定区域R的表面的位移的分布的干涉图案。因此，在弹性波的振动处于该特定的相位时，在测定区域R内的位于接近振动的节点的位置的点处，振动的振幅小，缺陷的检测精度变低。因此，变更从信号产生器13向激光光源11发送脉冲信号的定时，以该交流电信号的不同的三个以上的相位分别将脉冲状的激光照射到测定区域R，通过图像传感器156获取干涉图案，由此能够获得三个以上的参数，能够再现振动的全部状态。

在图4中的左侧，对于测定区域R中的点A和作为该点A的周边范围内的一个点的点Ba，在振动的相位为

(3)位移测量装置和缺陷检测装置的其它实施方式

使用图5和图6来说明本发明所涉及的位移测量装置和缺陷检测装置的其它实施方式。在图5所示的第二实施方式的缺陷检测装置20A中，未设置扩散器153，将第二反射镜1522配置于距分束器151的距离比第一实施方式的缺陷检测装置20的第二反射镜1522距分束器151的距离近的位置。除此以外的结构与第一实施方式的缺陷检测装置20相同。

通过这样配置第二反射镜1522，在非聚焦光学系统中，从被测量物体S的测定区域R通过分束器151后由第二反射镜1522反射、再由分束器151反射而通过聚光透镜155、并向图像传感器156的检测面1561入射的光在检测面1561侧聚光于一点，相对于此，在测定区域R侧，在比测定区域R靠后方(从测定区域R来看，为与分束器151相反的一侧)的位置聚焦。其结果，通过非聚焦光学系统聚光于检测面1561的一点的光(参照光)成为来自激光光源11的激光在测定区域R内的规定的范围(周边范围BR)内反射的光。另一方面，通过聚焦光学系统向检测面1561的一点入射的光成为在测定区域R的周边范围BR内的一点反射的光。由此，通过图像传感器156来检测在测定区域R内的各点反射的主反射光与在各点的周边范围BR内反射的参照光在检测面1561发生干涉所得到的干涉光的强度。

在图6所示的第三实施方式的缺陷检测装置20B中，未设置扩散器153，将第二反射镜1522配置于距分束器151的距离比第一实施方式的缺陷检测装置20的第二反射镜1522距分束器151的距离远的位置。除此以外的结构与第一实施方式的缺陷检测装置20及第二实施方式的缺陷检测装置20A相同。

通过这样配置第二反射镜1522，在非聚焦光学系统中，从被测量物体S的测定区域R通过分束器151后由第二反射镜1522反射、再由分束器151反射而通过聚光透镜155、并向图像传感器156的检测面1561入射的光在检测面1561聚光于一点。相对于此，在测定区域R侧，在比测定区域R靠前方(从测定区域R来看，靠近分束器151)的位置聚焦，在测定区域R中扩散为像相对于分束器151侧发生反转的周边范围BR的光通过非聚焦光学系统聚光于检测面1561的所述一点。关于聚焦光学系统，与第一实施方式的缺陷检测装置20及第二实施方式的缺陷检测装置20A同样地，在测定区域R的周边范围BR内的一点反射的光向检测面1561的一点入射。由此，通过图像传感器156来检测在测定区域R内的各点反射的主反射光与在各点的周边范围BR内反射的参照光在检测面1561发生干涉所得到的干涉光的强度。

同第一实施方式的缺陷检测装置20与位移测量装置10之间的关系同样地，在第二实施方式的缺陷检测装置20A中，省略信号产生器13和振动器14，并变更为通过控制部16直接控制激光光源11，由此构成第二实施方式的位移测量装置。通过将第三实施方式的缺陷检测装置20B也同样地变更，来构成第三实施方式的位移测量装置。

本发明并不限定于上述的各实施方式，能够进行各种的变形。

例如，在第一实施方式的位移测量装置10和缺陷检测装置20中，通过用扩散器153使参照光随机地扩散，有时与本来的干涉图案不同地生成与在具有凹凸的测定区域R反射的主反射光及参照光的干涉图案类似的散斑(斑点状)图案。为了排除这样的散斑图案的影响，将对扩散器153的位置和朝向中的任一者或两者进行变更的扩散器(扩散元件)移动机构1531设置于位移测量装置10和缺陷检测装置20(在图7中，示出在缺陷检测装置20中的例子。在位移测量装置10中也同样。)，能够在扩散器153的位置和/或朝向不同的多个条件下分别获取反射光与参照光的干涉图案。当这样获取多个干涉图案时，由主反射光与参照光形成的本来的干涉图案具有再现性，相对于此，源自扩散器153的散斑图案根据扩散器153的位置和/或朝向而变化，因此，能够通过对这些多个干涉图案进行平均化，来维持本来的干涉图案，并且降低源自扩散器153的散斑图案的影响。

附图标记说明

10：位移测量装置；11：激光光源；12：照明光透镜；13：信号产生器；14：振动器；15：干涉仪；151：分束器；1521：第一反射镜；1522：第二反射镜；153：扩散器；1531：扩散器移动机构；154：移相器；155：聚光透镜；156：图像传感器；1561：检测面；16：控制部；17：存储部；20、20A、20B：缺陷检测装置；D：缺陷；R：测定区域；S：被测量物体。