JP2009103634A - 内部歪観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サファイアインゴット等の被測定物内部における歪の分布を短時間で観察することができる内部歪観察装置を提供すること。
【解決手段】この内部歪観察装置は、単色光源１とＣＣＤカメラ６を備えており、単色光源１とＣＣＤカメラ６との間の光路上に、単色光源１側から順に、偏光子２、被測定物４、検光子５が配置されかつ被測定物４は自動回転ステージ３に載置されている。そして、上記自動回転ステージ３に載置された被測定物４を回転させることにより、コノスコープ像におけるアイソジャイアに隠れた位置にある歪が視覚化されるようになっていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明はサファイア結晶等の被測定物内部における歪を観察する装置に係り、特に、被測定物内部の全体に同時に光を照射して、短時間で被測定物内部における歪の分布を観察できる内部歪観察装置の改良に関するものである。

従来、被測定物の内部に光を照射し、その透過光を得ることにより被測定物内部の歪に関する情報を得る内部歪観察方法および装置が知られている。

被測定物内部の欠陥を測定する装置が、例えば、特許文献１に開示されている。この装置においては、被測定物の側面から光を照射する。入射光は被測定物内部の欠陥により散乱される。この散乱光を入射光の光軸と直交する位置に配置されたビデオカメラで観察する。また、ビデオカメラの焦点を被測定物の上部または下部端面に合わせ、被測定物が支持されたステージを垂直方向に移動させることにより、被測定物内部を所定距離間隔で走査する。そして、得られる各画像をビデオフレームメモリーに記憶させ、被測定物内部における欠陥の３次元的な分布を知ることが可能となる。

また、被測定物内部の歪を知る方法が、例えば、特許文献２に開示されている。この方法は、被測定物に誘起する複屈折の２次元分布を測定して被測定物内部の歪を検出するものである。但し、光源には単色光のレーザ光を用いるので、１回の測定で知ることができる範囲はレーザ光が透過した部分だけである。この複屈折測定によるリターデーション測定装置として、例えば、ユニオプト社からＡＢＲシリーズの装置が発売されている（非特許文献１参照）。

ところで、特許文献１および２に開示された測定装置若しくは測定方法において一回に測定できる範囲は、上述したように光が照射されている小部分だけであった。このため、被測定物全体の内部欠陥の分布若しくは歪の分布を知りたい場合には、被測定物内部の全体を走査して、それぞれの画像をパソコンのメモリに保存し、かつ、それぞれの画素を合成して全体像を求める過程が必要であった。
特開昭６２−０５６４００号公報 特開平０６−１４７９８６号公報 ユニオプト社カタログ

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、被測定物内部の全体に同時に光を照射して、短時間で被測定物内部における歪の分布を観察できる内部歪観察装置を提供することにある。

すなわち、請求項１に係る発明は、
被測定物内部の歪を観察する装置において、
単色光源とＣＣＤカメラとの間の光路上に、単色光源側から偏光子、被測定物、検光子が順に配置され、かつ、被測定物は回転ステージに載置されると共に、上記回転ステージにより被測定物を回転させて、コノスコープ像におけるアイソジャイアに隠れた位置にある歪が視覚化されることを特徴とするものである。

次に、請求項２に係る発明は、
請求項１に記載の発明に係る内部歪観察装置において、
回転ステージに載置された被測定物の像が、被測定物の真上９０度に配置されたＣＣＤカメラにより撮影されるようになっていることを特徴とし、
請求項３に係る発明は、
請求項１または２に記載の発明に係る内部歪観察装置において、
上記被測定物を屈折率整合液中に浸漬させた状態で単色光が照射されるようになっていることを特徴とし、
また、請求項４に係る発明は、
請求項１、２または３に記載の発明に係る内部歪観察装置において、
上記被測定物における歪の全体が、短時間で観察されるようになっていることを特徴とするものである。

本発明に係る内部歪観察装置によれば、回転ステージを回転して被測定物を回転させることにより、コノスコープ像におけるアイソジャイアに隠れた位置にある歪が視覚化されるため、アイソジャイアに重なった部分の歪の分布を知ることができる。従って、被測定物内部における全体の歪の分布について短時間で観察することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

まず、本発明に係る内部歪観察装置は、図１に示すように単色光源１とＣＣＤカメラ６を備えている。また、単色光源１とＣＣＤカメラ６との間の光路上には、単色光源１側から、偏光子２、被測定物４、検光子５が順に配置されており、かつ、被測定物４は自動回転ステージ３に載置されこの自動回転ステージ３により被測定物４が回転されるように構成されている。

この内部歪観察装置において、単色光源１から出射された単色光は、偏光子２により直線偏光に変換され、自動回転ステージ３に載置された被測定物４を透過し、かつ、被測定物４を透過した光は、検光子５を透過してＣＣＤカメラ６のレンズ系により受光面に結像する。

そして、本発明に係る内部歪観察装置においては、上記自動回転ステージ３により被測定物４が回転されるように構成されているため、コノスコープ像におけるアイソジャイアに隠れた位置にある歪が視覚化されて、アイソジャイアに重なった部分の歪の分布を知ることができる。従って、被測定物４内部における全体の歪の分布について短時間で観察することが可能となる。

ここで、上記コノスコープ像を観察する方法は、顕微鏡観察において異方性のある鉱物の複屈折を測定する方法として知られており、観察方法自体は公知である。以下、コノスコープ像の観察原理を図２に示す。図２中、被測定物は一軸性の結晶であり、ｃ軸が図２中で水平方向に平行であるとする。被測定物の内部には歪に起因した屈折率の変動が存在する。そして、図２において偏光子を透過した単色光源からの光は、被測定物の内部で常光と異常光に分離して伝播する。

そして、ｃ軸の屈折率を（ｎｅ）、ｃ軸に垂直な面内の屈折率を（ｎｏ）、被測定物の実効的な厚みをｄとすると、コノスコープ像に現れる干渉縞は、
ｄ・（ｎｏ−ｎｅ）＝ｋ・λ （ｋ＝０、１、２、３、・・・）
の式を満足する場合に生じることが分かる。尚、λは光の波長であり、被測定物の実効的な厚みｄは被測定物に入射する光の入射角の関数である。

以下、本発明の実施例について具体的に説明する。

被測定物としてサファイア結晶を例に挙げ、図１に示す内部歪観察装置を用いてサファイア結晶全体の歪の分布を観察する。尚、サファイア結晶は、青色ＬＥＤの素材であるＧａＮをエピタキシャル成長させるときの基板として用いられており、サファイア結晶の品質が悪いと、そこから切り出された基板の品質も良くないので、エピタキシャル成長させた場合のＧａＮの品質にも悪い影響を与えることとなる。

ところで、サファイアインゴットの円筒面と上下の端面はラッピング加工されているので、光を照射しても内部の散乱を観察することはできない。この場合、サファイアインゴットの円筒面と上下端面に光学研磨を施せば、インゴット内部の散乱を観察することは可能となるが、サファイアの硬度はダイアモンドに次いで高いので光学研磨には多大の時間と費用を要する。この問題を解決するため、上記サファイアインゴットを屈折率整合液であるヨウ化メチレンに浸漬して使用することとした。サファイアの可視域における屈折率は約１．７６、ヨウ化メチレンの屈折率は１．７４であるため、サファイアインゴットをヨウ化メチレンに浸漬して使用することにより、サファイア表面における散乱および反射の寄与を除去することが可能となる。また、サファイア結晶の屈折率は、ｎｏが１．７６８、ｎｅが１．７６０である。

図１に示す内部歪観察装置において、単色光源１には、エドモンド・オプティクス・ジャパン社製のグリーン単色ランプ（波長５８７．６ｎｍ）、偏光子２と検光子５には、エドモンド・オプティクス・ジャパン社製の偏光フィルム、自動回転ステージ３には、ニューポート・ジャパン社製のＵＲＳ１５０、ＣＣＤカメラ６には、ニコン社製のＤ７０が用いられている。

そして、図３にサファイアインゴットを回転させて撮影したコノスコープ像を示し、図４に品質の良いサファイアインゴットのコノスコープ像を示す。図４の写真図において、白の直線で表した十字がアイソジャイアと呼ばれるものである。また、図３の写真図において、白丸で囲んだ部分は歪による応力が集中し干渉縞が消えている部分を表している。更に、図３の写真図から、サファイアインゴットを回転させにつれて歪の部分も回転していくことが分かる。また、干渉縞がゆがんでいる場所は、屈折率が不均一になっている場所、すなわち、内部に歪が存在することを表している。被測定物４であるサファイアインゴットが回転することにより、暗い線の十字の形で現れるアイソジャイアの変形の度合いが内部の歪の分布に対応している。

このように被測定物４であるサファイアインゴットを自動回転ステージ３で回転させることにより、サファイアインゴット全体の歪の分布を観察することができる。

そして、本発明に係る内部歪観察装置を用いることにより、品質の良いサファイアインゴットを短時間でかつ非破壊により選別することが可能になる。

本発明に係る内部歪観察装置によれば、回転ステージを回転して被測定物を回転させることによりコノスコープ像におけるアイソジャイアに隠れた位置にある歪が視覚化されるため、アイソジャイアに重なった部分の歪の分布を知ることができる。従って、被測定物内部における全体の歪の分布について短時間で観察することが可能となるため、サファイア結晶等の品質を評価する方法に用いられる産業上の利用可能性を有している。

本発明に係る内部歪観察装置の構成説明図。 従来のコノスコープ像の観察原理を示す説明図。 被測定物であるサファイアインゴットを回転させて撮影したコノスコープ像の写真図。 品質の良いサファイアインゴットを撮影したコノスコープ像の写真図。

符号の説明

１ 単色光源
２ 偏光子
３ 自動回転ステージ
４ 被測定物
５ 検光子
６ ＣＣＤカメラ

Claims (4)

1. 単色光源とＣＣＤカメラとの間の光路上に、単色光源側から偏光子、被測定物、検光子が順に配置され、かつ、被測定物は回転ステージに載置されると共に、上記回転ステージにより被測定物を回転させて、コノスコープ像におけるアイソジャイアに隠れた位置にある歪が視覚化されることを特徴とする内部歪観察装置。
2. 回転ステージに載置された被測定物の像が、被測定物の真上９０度に配置されたＣＣＤカメラにより撮影されるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の内部歪観察装置。
3. 上記被測定物を屈折率整合液中に浸漬させた状態で単色光が照射されるようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の内部歪観察装置。
4. 上記被測定物における歪の全体が、短時間で観察されるようになっていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の内部歪観察装置。

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