JP2009258103A - レーザ回折干渉像による細管内面形状の評価方法及び該方法を用いた評価システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、細管または貫通細孔の内面形状を非破壊的、且つ、簡易に評価することのできる新規な評価方法及び該方法を用いた評価システムを提供することを目的とする。
【解決手段】レーザ発散光を細管の内部に照射した際に細管の光軸方向後方に生じる回折干渉像について、直接光領域（Ｌ）の外側の陰影領域（Ｓ）に現われる微小な干渉縞の画像を抽出し、当該干渉縞の画像の光の強度を計測ラインに沿って計測する。光の強度の第１の極大値が計測された位置と第２の極大値が計測された位置との離間距離（ΔＶ）が撮像面２０ａと凸部３０との離間距離Ｄとリニアな関係にあることを利用して、予め作成した校正データ（検量線）を用いて凸部３０の位置を推定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、形状の評価方法に関し、より詳細には、レーザ回折干渉像を用いた細管内面形状を評価する方法及び該方法を用いた評価システムに関する。

従来、レーザ回折光を形状の評価に用いることが種々検討されている。この点につき、特開平９−２６９２９８号公報（特許文献１）は、半導体ウェーハの端部にレーザ平行光を照射し、これにより発生する回折光の強度や周波数成分から、半導体ウェーハの端部における欠陥の存在およびその種類（クラック、チップ、傷等）を検出する方法について開示する。

一方、内燃機関の燃料噴射ノズルや、各種医療用、実験用器具などに細管状の部材が用いられているが、これらはいずれもその内面形状について高い精度が要求されるものである。しかしながら、例えば、数十マイクロメートルオーダーの径の細管などは、その内面形状を直接的に視認することができないため、その評価は一般に困難を伴うものであり、このような細管の内面形状を非破壊的、且つ、簡易に評価することのできる方法が求められていた。

特開平９−２６９２９８号公報

本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、細管の内面形状を非破壊的、且つ、簡易に評価することのできる新規な評価方法及び該方法を用いた評価システムを提供することを目的とする。

本発明者は、細管の内面形状の評価方法につき鋭意検討した結果、レーザ発散光を細管の内部に照射した際に細管の光軸方向後方に生じる回折干渉像について、その陰影領域に着目した。その結果、陰影領域に現われる微小な干渉縞の縞間隔から、細管の内面形状の欠陥に関連する情報を定量性をもって抽出しうることを見出し、本発明に至ったのである。

すなわち、本発明によれば、細管または貫通細孔の内面形状を評価する方法であって、コヒーレントな発散光を評価対象である細管または貫通細孔の内部に照射し、該評価対象の光軸方向後方に生じる回折干渉像を撮像する工程と、前記撮像された回折干渉像について、陰影領域の干渉縞の画像を抽出する工程と、前記陰影領域の干渉縞の縞間隔を導出する工程と、予め作成した陰影領域の干渉縞の縞間隔と前記評価対象の内面に形成した突起の存在位置との相関関係を示す検量線を用いて、前記評価対象の内面における欠陥の存在位置を同定する工程とを含む方法が提供される。本発明においては、前記陰影領域の干渉縞の縞間隔を導出する工程は、前記干渉縞の画像の光の強度を所定の計測ラインに沿って計測し、前記光の強度の第１の極大値が計測された位置と第２の極大値が計測された位置との離間距離を導出する工程を含むことができる。本発明においては、前記陰影領域の干渉縞の縞間隔を導出する工程は、前記干渉縞の画像の光の強度を前記回折干渉像の中心を通る直線として定義される第１の計測ラインに沿って計測し、前記光の強度の第１の極大値が計測された位置と第２の極大値が計測された位置との離間距離を導出する工程を含むことができ、あるいは、前記干渉縞の画像の光の強度を前記回折干渉像の中心を通る直線に直交する直線として定義される第２の計測ラインに沿って計測し、前記光の強度の第１の極大値が計測された位置と第２の極大値が計測された位置との離間距離を導出する工程を含むことができる。また、本発明においては、前記陰影領域の干渉縞の画像を抽出する工程は、前記回折干渉像の直接光領域の干渉縞の乱れに基づいて行なわれることができ、前記評価対象の光軸方向後方に生じる回折干渉像を撮像する工程は、前記評価対象と撮像面との離間距離を変更して、回折干渉像の解像度を調整する工程を含むことができる。

また、本発明によれば、細管または貫通細孔の内面形状を評価する方法であって、コヒーレントな発散光を評価対象である細管または貫通細孔の内部に照射し、該評価対象の光軸方向後方に生じる回折干渉像を撮像する工程と、前記撮像された回折干渉像について、直接光領域の回折干渉像の画像を抽出する工程と、前記直接光領域の回折干渉像の乱れに基づいて、前記評価対象の内面における欠陥の存在の有無を判断する工程とを含む方法が提供される。本発明においては、前記欠陥の存在の有無を判断する工程は、前記直接光領域の回折干渉像の光の強度を同心円状に計測する工程と、計測された前記光の強度の微分の分散値を求める工程と、前記分散値が予め定めた閾値を超える場合に、前記評価対象の内面に欠陥が存在すると判断する工程とを含むことができる。

さらに、本発明によれば、細管または貫通細孔を評価対象として、その内面形状を評価するシステムであって、コヒーレント光を発生する光源と、前記コヒーレント光を発散させるための光発散手段と、前記評価対象を静置するためのステージと、前記評価対象の光軸方向後方に形成される回折干渉像を撮像するための撮像手段と、前記撮像手段から入力される画像情報を処理するための情報処理装置とを含み、前記情報処理装置は、前記撮像手段から入力される前記回折干渉像の画像情報から、陰影領域の干渉縞の画像を抽出する機能手段と、前記陰影領域の干渉縞の間隔を導出する機能手段と、陰影領域の干渉縞の間隔と前記評価対象の内面に形成した突起の存在位置との相関関係を示す検量線を記憶する記憶手段とを備え、導出された前記陰影領域の干渉縞の間隔を示す値と前記検量線とから前記評価対象の内面における欠陥の存在位置を同定する機能手段とを含むシステムが提供される。本発明においては、前記陰影領域の干渉縞の間隔を導出する機能手段は、前記干渉縞の画像の光の強度を前記回折干渉像の中心を通る直線として定義される第１の計測ラインに沿って計測し、光の強度の第１の極大値が計測された位置と第２の極大値が計測された位置との離間距離を導出する機能手段とすることができ、あるいは、前記干渉縞の画像の光の強度を前記回折干渉像の中心を通る直線に直交する直線として定義される第２の計測ラインに沿って計測し、光の強度の第１の極大値が計測された位置と第２の極大値が計測された位置との離間距離を導出する機能手段とすることができる。本発明においては、さらに、前記撮像手段を前記光源の光軸方向に移動させるための位置決め手段を含むことができる。

さらに、本発明によれば、細管または貫通細孔を評価対象として、その内面形状を評価するシステムであって、コヒーレント光を発生する光源と、前記コヒーレント光を発散させるための光発散手段と、前記評価対象を静置するためのステージと、前記評価対象の光軸方向後方に形成される回折干渉像を撮像するための撮像手段と、前記撮像手段から入力される画像情報を処理するための情報処理装置とを含み、前記情報処理装置は、前記撮像手段から入力される前記回折干渉像の画像情報から、直接光領域の回折干渉像の画像を抽出する機能手段と、前記直接光領域の回折干渉像の乱れに基づいて、前記評価対象の内面における欠陥の存在の有無を判断する機能手段とを含むシステムが提供される。本発明においては、前記欠陥の存在の有無を判断する機能手段は、前記直接光領域の回折干渉像の光の強度を同心円状に計測する機能手段と、計測された前記光の強度の微分の分散値を求める機能手段と、前記分散値が予め定めた閾値を超える場合に、前記評価対象の内面に欠陥が存在すると判断する機能手段とを含むことができる。

上述したように、本発明によれば、細管または貫通細孔の内面形状を非破壊的、且つ、簡易に評価することのできる新規な評価方法及び該方法を用いた評価システムが提供される。

本実施形態の細管内面形状評価システムを示す図。 本発明の細管内面形状の評価方法の原理を説明するための概念図。 精密サンプルの回折干渉像を示す図。 本発明の細管内面形状の評価方法の原理を説明するための概念図。 欠陥サンプルの回折干渉像を示す図。 干渉縞の乱れを定量化する計測方法について説明するための概念図。 各計測線について得られた分散値を示すグラフ。 陰影領域に現れる干渉縞を拡大して示す図。 干渉縞の光強度と計測位置の関係を示す図。 校正データ（検量線）作成の手順を示す図。 校正データ（検量線）の一例を示す図。 陰影領域に現れる干渉縞Ｖを拡大して示す図。 干渉縞の光強度と計測位置の関係を示す図。 陰影領域に現れる干渉縞を拡大して示す写真。 回折干渉像の解像度を調整する機能を説明するための概念図。

以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態である、細管内面形状評価システム１０（以下、評価システム１０として参照する）を示す。評価システム１０は、コヒーレント光Ｒを発生する光源１２と、光源１２から発生するコヒーレント光Ｒを発散するための光発散手段１４と、評価対象である細管としてのサンプル１６を静置するためのステージ１８と、サンプル１６の光軸方向後方に形成される回折干渉像を撮像するための撮像手段２０とを含んで構成されている。

本発明は、細管の内面形状について、簡易でありながら高い精度をもって評価する方法を提供するものであり、ここでいう「細管」について、特にその大きさを限定するものではないが、本発明の方法によれば、数十μｍ〜数ｍｍの径の断面を有する細管の内面形状について、好適に評価することができる。また、さらに、大きな径（たとえば、数ｃｍ）の径の断面を有する細管についても、撮像箇所を分割することによって本発明の方法を適用することが可能である。

本実施形態において、光源１２は、コヒーレント光を発生する光源であればよく、Ｈｅ−Ｎｅなどのガスレーザまたは半導体レーザなどを適宜用いることができる。また、光発散手段１４は、光源１２から発生するコヒーレント光Ｒを発散することができる手段であればよく、ピンホールと対物レンズからなる光学系、あるいは既存のビームエキスパンダー等を用いて適宜構成することができる。

また、本実施形態における撮像手段２０は、サンプル１６の後方に形成される回折干渉像を所定以上の解像度をもって撮像可能な手段であればよく、銀塩などのフィルムを用いた撮像手段を用いることもできるが、本発明においては、後の画像解析処理の便宜に鑑みて、画像情報をデジタル信号として出力することができるＣＣＤカメラなどのデジタル撮像手段を用いることが好ましい。

さらに、本実施形態の評価システム１０は、画像解析装置２２を含むことができる。撮像手段２０によって取得した画像情報は、光電変換され、デジタル信号として画像解析装置２２に入力される。画像解析装置２２は、システム・コントローラとして機能するＣＰＵ、アプリケーション・ソフトウェアの実行空間を与えるためのＲＡＭ、処理を行うためのデータ、ジョブログ、またはプログラムなどを格納したＲＯＭ、および、ハードディスクなどの記憶デバイスを備えるパーソナルコンピュータ（ＰＣ）によって構成されており、ＭａｃＯＳ（商標）、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）、ＵＮＩＸ（登録商標）、ＬＩＮＵＸ（登録商標）またはそれ以外の適切なオペレーション・システムを使用し、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋、ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ、Ｊａｖａ（登録商標）などにより記述されたアプリケーション・プログラムを格納し、実行することによって、撮像手段２０から入力される２次元デジタル画像情報に基づいてサンプル１６の内面形状を評価するための機能手段を実現する。

さらに加えて、本実施形態の評価システム１０は、撮像手段２０を光源１２の光軸に平行（図中の矢印で示す）に移動させる位置決め手段２４を含んで構成することができ、位置決め手段２４を電動ＸＹＺステージによって構成し、これを画像解析装置２２として機能するＰＣによって制御させることもできる。以上、本実施形態の評価システム１０の物理的構成について説明してきたが、次に、本発明の細管内面形状の評価方法について、図２〜９を参照して以下説明する。

図２および図４は、本発明の細管内面形状の評価方法の原理を説明するための概念図である。なお、図２および図４においては、共通する要素については同じ符号を用い、その説明を適宜省略する（図１５についても同様）。最初に、その内壁面に欠陥のないサンプル１６（Ｇ）に対する評価について、図２を参照して説明する。

サンプル１６（Ｇ）は、真円の断面形状が要求される製品仕様の円筒状の細管であり、図２においては説明の便宜のため、縦断面図を示している（図４についても同様）。本発明においては、まず、光源１２から発生したコヒーレントな発散光Ｒが、サンプル１６（Ｇ）に照射される。ここで、サンプル１６は、図中の破線で示す光源１２の光軸ａがその内側を貫通するように、ステージ１８上に静置される。照射された発散光Ｒのうち一部は、サンプル１６（Ｇ）の細管の内側を直接通過し、また、一部は、サンプル１６（Ｇ）の内壁面に反射しながら通過する。その結果、上述した２種類の光が、図中の「Ａ」で示す領域を伝搬して、撮像手段２０の撮像面２０ａに投影される。本発明においては、図中の「Ａ」で示す領域を伝搬する光が投影される撮像面２０ａ上の領域を「直接光領域Ｌ」と定義する。

一方、サンプル１６（Ｇ）の端部１６ｔからは、「境界回折波」と呼ばれる２次円柱波が生じ、図中の「Ｂ」で示す領域を伝搬して、撮像面２０ａに投影される。本発明においては、図中の「Ｂ」で示す領域を伝搬する光が投影される撮像面２０ａ上の領域を「陰影領域Ｓ」と定義する。

図３（ａ）は、サンプル１６（Ｇ）に対し発散光を照射した場合に、撮像面２０ａに投影される回折干渉像を示し、図３（ｂ）は、その回折干渉像を概念的に示す。図３に示されるように、「直接光領域Ｌ」においては、真円に近い同心円状の干渉縞が観察される。すなわち、「直接光領域Ｌ」においては、サンプル１６（Ｇ）の細管の内側を直接通過する光と、サンプル１６（Ｇ）の内壁面に反射しながら通過する光とが干渉することによって、真円に近い同心円状の干渉縞が形成される。このことは、裏をかえせば、サンプルに対し発散光Ｒを照射した場合に、撮像面２０ａの「直接光領域Ｌ」に投影される画像が、同心円の乱れのない均一な干渉縞である場合、サンプル１６（Ｇ）の断面形状が真円に近い正常な形状を有しており、その内壁面に目立った凹凸等がないことを意味する。一方、「陰影領域Ｓ」には「境界回折波」のみが投影され、直接光は届かないため、図３に示されるように影に（暗く）なっている。

次に、その内壁面に微小な凸部３０が存在するサンプル１６（ＮＧ）に対する評価について、図４を参照して説明する。図２について上述したのと同様の手順で、光源１２から発生したコヒーレントな発散光Ｒがサンプル１６（ＮＧ）に照射される。ここで、サンプル１６（ＮＧ）の細管の内側を直接通過する光と、サンプル１６（ＮＧ）の内壁面に反射しながら通過する光とが図中の「Ａ」で示す領域を伝搬して「直接光領域Ｌ」に投影される点、また、サンプル１６（ＮＧ）の端部１６ｔからは、「境界回折波」と呼ばれる２次円柱波が発生し、図中の「Ｂ」で示す領域を伝搬して「陰影領域Ｓ」に投影される点は、図２について上述したのと同様である。

一方、発散光Ｒがサンプル１６（ＮＧ）に照射された場合においては、サンプル１６（ＮＧ）の内壁面に形成された凸部３０の存在によって、図中の円弧で示す２次球面波が生じ、この２次球面波は、図中の「Ａ」で示す領域、ならびに、「Ｂ」で示す領域を伝搬する。

図５（ａ）は、サンプル１６（ＮＧ）に対し発散光Ｒを照射した場合に、撮像面２０ａに投影される回折干渉像を示し、図５（ｂ）は、その回折干渉像を概念的に示す。図５に示されるように、「直接光領域Ｌ」においては、同心円状の干渉縞が観察されるが、図中の矢印で示す部分に干渉縞の乱れが観察される。すなわち、サンプル１６（ＮＧ）の細管の内側を直接通過する光と、サンプル１６（ＮＧ）の内壁面に反射しながら通過する光に加え、凸部３０の存在によって生じた２次球面波がさらに干渉することによって、「直接光領域Ｌ」に、同心円状ではあるが均一でない乱れた干渉縞が形成される。本発明においては、このような干渉縞の乱れを、サンプル１６（ＮＧ）の細管の内側に微小な凸部が存在することを示唆するものとして注目する。以下、細管の内部の凸部の存在を示唆する「直接光領域Ｌ」における干渉縞の乱れを定量化する方法について、図６および図７を参照して説明する。

図６は、干渉縞の乱れを定量化する計測方法について説明するための概念図である。本実施形態においては、まず、回折干渉像上に計測中心Ｘを定義する。本実施形態においては、サンプル１６の開口の中心軸と回折干渉像の交点を計測中心Ｘとして定義することが好ましい。以下、計測中心Ｘの決定方法について説明する。

まず、撮像された回折干渉像のデジタル画像について、２値化処理を施した後、さらに、膨張処理と収縮処理を施して、回折干渉像の強度分布の乱れの影響を最大限排除する。最後に、白画素の重心を求め、これを計測中心Ｘとする。なお、上述した方法は例示であり、本実施形態においては、その他の適切な方法によって、サンプル１６の開口の中心軸と回折干渉像の交点を導出し、これを計測中心Ｘとすることができる。

次に、回折干渉像に対して、上述した手順で決定した計測中心Ｘを中心とする複数の円状の計測線Ｃ_１〜Ｃ_ｎを同心円状に定義し、計測線Ｃ_１〜Ｃ_ｎ毎に光強度分布を計測する。回折干渉像の光強度分布の計測においては、回折干渉像のデジタル画像の画素を利用し、各計測線上におけるその光強度分布を微分することによって、その変化量を定量化する。回折干渉像の干渉縞に乱れがない場合には、計測線上で観測される光強度分布の変化は緩やかなものとなり、全体的に低い微分値を取るが、回折干渉像の干渉縞に乱れが生じている部分では，光強度分布の変化が大きくなり、その微分値も大きくなる。そこで、各計測線上で観測された光強度分布について、その微分値の分散を求め、当該分散値に基づいて回折干渉像における干渉縞の乱れを定量的に評価する。

図３（ａ）に示したサンプル１６（Ｇ）の回折干渉像、ならびに、図５（ａ）に示したサンプル１６（ＮＧ）の回折干渉像について、上述した手順で光強度分布の計測を行い、その微分値の分散を求めた場合の結果を図７に示す。
図７は、サンプル１６（Ｇ）およびサンプル１６（ＮＧ）における、各計測線Ｃ_１〜Ｃ_ｎについて得られた分散値を示すグラフであり、横軸は各計測線の計測中心Ｘからの距離（計測線の半径）[pixel]を、縦軸は分散値を示す。図７に示されるように、回折干渉像の干渉縞に乱れのない図３（ａ）に示したサンプル１６（Ｇ）では、すべての計測線を通して分散値は低くなっているが、回折干渉像の干渉縞に乱れが生じている図５（ａ）に示したサンプル１６（ＮＧ）では、外側に位置する計測線における分散値が大きくなっている。本実施形態においては、各計測線上で観測された光強度分布について、その微分値の分散の値に適切な閾値を予め設定し、分散値が当該閾値を超えた場合に、干渉縞の乱れが有ると判定して、細管内の凸部の存在を推定することができる。

なお、回折干渉像の乱れは、図５に示す態様に限定されるものではなく、実際には種々の態様を示す。例えば、それは、回折干渉縞の飛び（位相変化による不連続パターン）や、干渉縞の非対称性として現われる場合がある。また、本実施形態は、断面が円の細管を例にとって説明しているが、本発明においては、三角形等の多角形や楕円などの対称性のある断面形状を有する細管についても、同様の手順で内面形状の評価を行なうことができることを理解されたい。以上、回折干渉像の干渉縞に乱れの有無に基づいて細管内の凸部の存在の有無を推定する方法について説明してきたが、本発明によれば、さらに、細管内側の長手方向における凸部の存在位置を推定することができる。以下、この点について説明する。

図５（ｂ）に示した「直接光領域Ｌ」に形成された回折干渉像の干渉縞が乱れた部分を辿って、そのまま「直接光領域Ｌ」と「陰影領域Ｓ」の境界領域（破線で囲んで示した領域）に視線を移すと、そこには、サンプル１６（Ｇ）のときには観察されなかった、干渉縞が観察される。図８は、図５（ｂ）において破線で囲んで示した領域を拡大して示す。図８に示すように、「陰影領域Ｓ」には、サンプル１６（ＮＧ）の端部１６ｔから生じる「境界回折波」と凸部３０の存在によって生じた２次球面波とが干渉することによって生じる干渉縞Ｖが観察される。干渉縞Ｖは、凸部３０の存在によって生じる２次球面波が微弱なものであり、その干渉効果は微小であるため、「直接光領域Ｌ」においては、直接光の影響が強すぎてその影響を観察することは困難であるが、「陰影領域Ｓ」においては、バックグラウンド強度（直接光）が弱いことから、図８に示すように微小な干渉縞を観察することが可能となり、その縞間隔を定量性をもって検出することが可能になる。本件発明はこの点に着目し、「陰影領域Ｓ」に現れるこの干渉縞Ｖの縞間隔を用いて、サンプル１６（ＮＧ）の凸部３０の存在位置を決定するための方法を提供する。以下、この点について、詳細に説明する。

本実施形態においては、まず、図６を参照して説明した計測中心Ｘを通る直線であって、且つ、干渉縞Ｖを線対称に分割する対称軸を垂直計測ラインＺ１として定義し、当該垂直計測ラインＺ１上に沿って、干渉縞Ｖの光の強度を計測する。なお、垂直計測ラインＺ１の位置決めの態様はこれに限定されるものではなく、本実施形態においては、垂直計測ラインＺ１は、再現性を担保しうる適切な方法に基づいて任意の位置に設定することができる。

図９は、図８に示した干渉縞の光強度（Intensity)と計測位置（Position）の関係を示す図である。なお、図９は、ＣＣＤカメラなどのデジタル撮像手段を用いて干渉縞を撮像した例を示し、計測位置（Position) は、「直接光領域Ｌ」と「陰影領域Ｓ」との境界線Ｙからの距離として定義されており、Ｐｉｘｅｌ数で示されている。

図８に示した「直接光領域Ｌ」と「陰影領域Ｓ」との境界線Ｙを起点として、垂直計測ラインＺ１上に沿って干渉縞Ｖの光の強度を計測していく過程で、光の強度は、境界線Ｙの近傍で最初の極大値である第１の極大値（Ｂ１）と、それに隣接する第２の極大値（Ｂ２）を示す。ここで、境界線Ｙの近傍で最初の極大値である第１の極大値（Ｂ１）は、垂直計測ラインＺ１上における最大の光強度を示し、第２の極大値（Ｂ２）は、第１の極大値（Ｂ１）に次ぐ大きさの光強度を示す。ここで、Ｂ１が計測された垂直計測ラインＺ１上の位置とＢ２が計測された垂直計測ラインＺ１上の位置との離間距離（ΔＶ１）は、図４に示す撮像面２０ａと凸部３０との離間距離Ｄとリニアな関係にあることを本発明者は見出した。すなわち、サンプル１６（ＮＧ）の長手方向における凸部３０の存在位置が撮像手段２０に近づくにつれて、ΔＶ１は小さくなる。

上記の知見に基づき、本発明においては、要求される製品仕様に基づいて精密に製作されたサンプルを用いて、干渉縞Ｖの垂直方向の縞間隔とサンプルの内面に形成した凸部の存在位置との相関関係を示す校正データ（検量線）を予め作成し、画像解析装置２２が備える記憶手段に記憶させた上で、これを用いてサンプル１６（ＮＧ）の長手方向における凸部３０の存在位置を決定する。具体的には、検査対象と同じ規格のサンプル１６を複数用意し、例えば、図１０に示すように、所定位置（ｎ１〜ｎ４）に凸部３０を形成する。次に、光源１２、光発散手段１４、撮像手段２０など、光学系についての全ての条件を固定した状態で、各サンプルについての回折干渉像を撮像する。そして、各サンプルの回折干渉像の「陰影領域Ｓ」に出現する干渉縞Ｖについて、上述したΔＶ１を導出し、ΔＶ１と凸部３０の形成位置とをプロットする。最後に、当該プロットに対する近似直線を求め、これを校正データ（検量線）として定義する。図１１は、上述した手順で作成した校正データ（検量線）の一例を示す。

本発明の評価方法においては、まず、検査対象であるサンプルについて、校正データ（検量線）を作成したときと同じ光学系の条件で、回折干渉像を撮像する。第１の段階においては、「直接光領域Ｌ」について、観察される干渉縞が、同心円の乱れのない均一なものであるか否かを判断する。ここで、干渉縞に乱れが観察された場合には、その干渉縞の乱れた部分から「直接光領域Ｌ」の外周方向延長線上の「陰影領域Ｓ」に着目し、そこに形成される干渉縞Ｖを観察する。

撮像された干渉縞Ｖのデジタル画像は、画像解析装置２２に入力され、所定の画像処理を経たのち、ΔＶ１が導出される。ここで、導出されたΔＶ１は、予め用意された校正データ（検量線）を用いて評価される。例えば、図１１に示した校正データ（検量線）を用いて評価を行なう場合、仮に、ΔＶ１が「１１Ｐｉｘｅｌ」であったとすれば、そのサンプルには、その光源側端部から「０．６ｍｍ」のところに凸部が存在することが推定され、その結果が出力される。以上、本発明の評価方法における、「陰影領域Ｓ」に現れる干渉縞Ｖの光強度を垂直計測ラインＺ１に沿って計測する態様について説明してきたが、本発明においては、干渉縞Ｖの光強度を水平計測ラインに沿って計測することによっても、サンプル内に存在する凸部の位置を推定することができる。以下、この点につき、図１２〜１４を参照して説明する。

図１２は、「陰影領域Ｓ」に現れる干渉縞Ｖを拡大して示す。本実施形態においては、まず、「直接光領域Ｌ」と「陰影領域Ｓ」との境界線Ｙに対して垂直に延び、干渉縞Ｖを線対称に分割する対称軸を垂直計測ラインＺ１として定義する。当該垂直計測ラインＺ１上に沿って、干渉縞Ｖの光の強度を計測し、境界線Ｙの近傍の最初の極大値である第１の極大値（Ｂ１）を示す位置を特定する。ここまでは、上述した方法と同様である。

次に、本実施形態においては、第１の極大値（Ｂ１）を示す点を通り、且つ、垂直計測ラインＺ１に直交する直線を水平計測ラインＺ２として定義した上で、垂直計測ラインＺ１と水平計測ラインＺ２の交点（すなわち、第１の極大値（Ｂ１）を示す点）を起点として、水平計測ラインＺ２に沿って干渉縞Ｖの光強度を計測する。

図１３は、図１２に示した干渉縞の光強度（Intensity)と計測位置（Position）の関係を示す図である。なお、図１２は、ＣＣＤカメラなどのデジタル撮像手段を用いて干渉縞を撮像した例を示し、計測位置（Position) は、垂直計測ラインＺ１と水平計測ラインＺ２の交点からの距離（±）として定義されており、Ｐｉｘｅｌ数で示されている。

図１２に示した垂直計測ラインＺ１と水平計測ラインＺ２の交点を起点として、水平計測ラインＺ２上に沿って干渉縞Ｖの光の強度を計測していく過程で、最初に観測される光の強度の最初の極大値として、第１の極大値（Ａ１）ならびに第２の極大値（Ａ２）が取得される。ここで、最初に観測される極大値である第１の極大値（Ａ１）および第２の極大値（Ａ２）は、水平計測ラインＺ２上における最大の光強度を示す。

本発明者は、ここで、Ａ１が計測された水平計測ラインＺ２上の位置とＡ２が計測された水平計測ラインＺ２上の位置との離間距離（ΔＶ２）についても、図４に示す撮像面２０ａと凸部３０との離間距離Ｄとリニアな関係が成立することを見出した。すなわち、サンプル１６（ＮＧ）の長手方向における凸部３０の存在位置が撮像手段２０に近づくにつれて、ΔＶ２は小さくなる。したがって、上述した垂直計測ラインＺ１を使用する場合と同様の手順で、干渉縞Ｖの水平方向の縞間隔とサンプルの内面に形成した凸部の存在位置との相関関係を示す校正データ（検量線）を予め作成し、これを用いることによって、サンプルの長手方向における凸部３０の存在位置を決定することができる。

上述した水平計測ラインＺ２を使用する方法は、図１４に示すように、観察し得る干渉縞Ｖの領域が狭い場合に有効である。図１４に示すような干渉縞Ｖのパターンは、例えば、（１）測定対象の開口の大きさに対して、十分な広がりのある光を入射できない場合、（２）入射光強度が十分でない場合、（３）細管のアスペクト比が高く、光が「陰影領域Ｓ」に十分に周り込めない場合、などに生じることがある。このような場合、図１４に示すように、水平方向に延在する干渉縞Ｖは確認できるものの、垂直方向に延在しているはずの干渉縞Ｖは、光強度が小さいため観測が不可能である。また、電子基板のスルーホールなどの多孔板を評価する場合には、各ホールが近接しているため、「陰影領域Ｓ」において干渉縞Ｖ同士が重なり合い、垂直方向の光強度の測定が困難になる状況も想定される。

しかしながら、本発明によれば、上述したような場合であっても、水平計測ラインＺ２上で第１の極大値（Ａ１）および第２の極大値（Ａ２）を取得することができれば、サンプル内における凸部の存在位置を推定することができる。また、この水平計測ラインを使用する方法は、短時間で評価結果を導出する要請がある場合にも有効である。すなわち、干渉縞Ｖを垂直計測ラインＺ１に沿って大きく撮像するためには露光時間を長くせざるを得ないところ、上述した水平計測ラインを使用する方法によれば、短い露光時間（すなわち、垂直方向に短い干渉縞Ｖの撮像）によって評価が可能となる。なお、上述した実施形態においては、水平計測ラインを、第１の極大値（Ｂ１）を示す点を通り、且つ、垂直計測ラインＺ１に直交する直線として定義したが、本発明における水平計測ラインの位置決めの態様はこれに限定されるものではなく、水平計測ラインは、「直接光領域Ｌ」と「陰影領域Ｓ」との境界線Ｙに対して平行な任意の直線として、再現性を担保しうる適切な方法に基づいて、任意の位置に設定することができる。

さらに、本発明においては、評価対象と回折干渉像の撮像面との離間距離を適宜変更することによって、回折干渉像の画像の解像度を調整することができる。図１５は、本実施形態における解像度を調整の機能の説明のため、評価システム１０の一部を抜き出して示す。図１５（ａ）に示されるように、サンプル１６と撮像手段２０の撮像面２０ａとの離間距離Ｋが小さいときには、紙面右側の撮像面２０ａの図に示されるように、回折干渉像Ｍは小さくなる。このようなサイズの画像から有効なΔＶの値が抽出できないと判断された場合には、図１について上述した位置決め手段２４によって撮像手段２０を光軸方向後方に移動させ、図１５（ｂ）に示されるように、サンプル１６と撮像面２０ａとの離間距離Ｋを大きくすることによって、紙面右側の撮像面２０ａの図に示されるように、回折干渉像Ｍを拡大し、画像の解像度を上げることができる。なお、同様の効果は、光発散手段１４の光学系を変更して光の広がりを大きくすることによっても達成される。

以上、本発明について細管の内部形状を評価する実施形態をもって説明してきたが、本発明の用途は、図に示した実施形態に限定されるものではなく、本発明の方法によれば、例えば、円錐状（ノズル状）の細管部材の内面形状を評価することもできる。さらに、本発明の評価方法の対象は、細管に限定されるものではなく、本発明によれば、精密スリット、ピンホール、電子基板のスルーホールなどに代表される貫通細孔の内面形状を評価することもできる。その他、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

以上、説明したように、本発明によれば、細管や貫通細孔の内面形状を非破壊的、且つ、簡易に評価することのできる新規な評価方法及び該方法を用いた評価システムが提供される。本発明によれば、高い製品精度が要求される細管部材や貫通細孔の検査におけるスループットが好適に向上することが期待される。

１０…細管内面形状評価システム、１２…光源、１４…光発散手段、１６…サンプル、１８…ステージ、２０…撮像手段、２２…画像解析装置、２４…位置決め手段、３０…凸部

Claims (13)

1. 細管または貫通細孔の内面形状を評価する方法であって、
   コヒーレントな発散光を評価対象である細管または貫通細孔の内部に照射し、該評価対象の光軸方向後方に生じる回折干渉像を撮像する工程と、
   前記撮像された回折干渉像について、陰影領域の干渉縞の画像を抽出する工程と、
   前記陰影領域の干渉縞の縞間隔を導出する工程と、
   予め作成した陰影領域の干渉縞の縞間隔と前記評価対象の内面に形成した突起の存在位置との相関関係を示す検量線を用いて、前記評価対象の内面における欠陥の存在位置を同定する工程と
   を含む方法。
2. 前記陰影領域の干渉縞の縞間隔を導出する工程は、
   前記干渉縞の画像の光の強度を前記回折干渉像の中心を通る直線として定義される第１の計測ラインに沿って計測し、前記光の強度の第１の極大値が計測された位置と第２の極大値が計測された位置との離間距離を導出する工程である、請求項１に記載の方法。
3. 前記陰影領域の干渉縞の縞間隔を導出する工程は、
   前記干渉縞の画像の光の強度を前記回折干渉像の中心を通る直線に直交する直線として定義される第２の計測ラインに沿って計測し、前記光の強度の第１の極大値が計測された位置と第２の極大値が計測された位置との離間距離を導出する工程である、請求項１に記載の方法。
4. 前記陰影領域の干渉縞の画像を抽出する工程は、
   前記回折干渉像の直接光領域の干渉縞の乱れに基づいて行なわれる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記評価対象の光軸方向後方に生じる回折干渉像を撮像する工程は、
   前記評価対象と撮像面との離間距離を変更して、回折干渉像の解像度を調整する工程を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 細管または貫通細孔の内面形状を評価する方法であって、
   コヒーレントな発散光を評価対象である細管または貫通細孔の内部に照射し、該評価対象の光軸方向後方に生じる回折干渉像を撮像する工程と、
   前記撮像された回折干渉像について、直接光領域の回折干渉像の画像を抽出する工程と、
   前記直接光領域の回折干渉像の乱れに基づいて、前記評価対象の内面における欠陥の存在の有無を判断する工程と
   を含む方法。
7. 前記欠陥の存在の有無を判断する工程は、
   前記直接光領域の回折干渉像の光の強度を同心円状に計測する工程と、
   計測された前記光の強度の微分の分散値を求める工程と、
   前記分散値が予め定めた閾値を超える場合に、前記評価対象の内面に欠陥が存在すると判断する工程とを含む、請求項６に記載の方法。
8. 細管または貫通細孔を評価対象として、その内面形状を評価するシステムであって、
   コヒーレント光を発生する光源と、
   前記コヒーレント光を発散させるための光発散手段と、
   前記評価対象を静置するためのステージと、
   前記評価対象の光軸方向後方に形成される回折干渉像を撮像するための撮像手段と、
   前記撮像手段から入力される画像情報を処理するための情報処理装置と
   を含み、
   前記情報処理装置は、
   前記撮像手段から入力される前記回折干渉像の画像情報から、陰影領域の干渉縞の画像を抽出する機能手段と、
   前記陰影領域の干渉縞の間隔を導出する機能手段と、
   陰影領域の干渉縞の間隔と前記評価対象の内面に形成した突起の存在位置との相関関係を示す検量線を記憶する記憶手段とを備え、
   導出された前記陰影領域の干渉縞の間隔を示す値と前記検量線とから前記評価対象の内面における欠陥の存在位置を同定する機能手段と
   を含むシステム。
9. 前記陰影領域の干渉縞の間隔を導出する機能手段は、
   前記干渉縞の画像の光の強度を前記回折干渉像の中心を通る直線として定義される第１の計測ラインに沿って計測し、光の強度の第１の極大値が計測された位置と第２の極大値が計測された位置との離間距離を導出する機能手段である、請求項８に記載のシステム。
10. 前記陰影領域の干渉縞の間隔を導出する機能手段は、
    前記干渉縞の画像の光の強度を前記回折干渉像の中心を通る直線に直交する直線として定義される第２の計測ラインに沿って計測し、光の強度の第１の極大値が計測された位置と第２の極大値が計測された位置との離間距離を導出する機能手段である、請求項８に記載のシステム。
11. さらに、前記撮像手段を前記光源の光軸方向に移動させるための位置決め手段を含む、請求項８〜１０のいずれか１項に記載のシステム。
12. 細管または貫通細孔を評価対象として、その内面形状を評価するシステムであって、
    コヒーレント光を発生する光源と、
    前記コヒーレント光を発散させるための光発散手段と、
    前記評価対象を静置するためのステージと、
    前記評価対象の光軸方向後方に形成される回折干渉像を撮像するための撮像手段と、
    前記撮像手段から入力される画像情報を処理するための情報処理装置と
    を含み、
    前記情報処理装置は、
    前記撮像手段から入力される前記回折干渉像の画像情報から、直接光領域の回折干渉像の画像を抽出する機能手段と、
    前記直接光領域の回折干渉像の乱れに基づいて、前記評価対象の内面における欠陥の存在の有無を判断する機能手段と
    を含むシステム。
13. 前記欠陥の存在の有無を判断する機能手段は、
    前記直接光領域の回折干渉像の光の強度を同心円状に計測する機能手段と、
    計測された前記光の強度の微分の分散値を求める機能手段と、
    前記分散値が予め定めた閾値を超える場合に、前記評価対象の内面に欠陥が存在すると判断する機能手段とを含む、請求項１２に記載のシステム。