JP2013152220A - 表面検査装置及び表面検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属表面の粗さと同程度の微小凹凸欠陥を、金属表面の粗さの影響を除去して検出し、かつ欠陥の凹凸の大きさを定量的に評価する表面検査装置及び方法を提供することを目的としたものである。
【解決手段】本発明の表面検査装置は、テラヘルツ波７を発生するテラヘルツ波発生装置２０と、テラヘルツ波発生装置２０から発生されたテラヘルツ波７をコリメートして鋼板８に照射させるレンズ１７と、鋼板８の表面で反射されたテラヘルツ波７の進行方向垂直平面上の強度分布を検出するテラヘルツ波検出装置１８と、テラヘルツ波７の強度分布に基づいて鋼板８の凹凸欠陥を検出する欠陥判定装置１９とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄鋼板などの金属の微小凹凸性表面欠陥を光学的に検出する表面検査装置及び表面検査方法に関する。

薄鋼板の製造プロセスにおいて、ロール疵またはチャタマークなどの周期性凹凸疵が薄鋼板に発生することがある。これらの疵の薄鋼板面上の大きさは、直径は３ｍｍ〜３０ｍｍ程度であるので比較的大きいのだが、疵の凹凸は０．５μｍ〜５０μｍ程度であるので比較的小さい。その中でも微小凹凸欠陥と呼ばれるものは、凹凸が０．５μｍ〜１０μｍ程度であり、非常に小さい。

図１４は、鋼板の表面の微小凹凸欠陥の断面模式図である。図１４に示されるように、この微小凹凸欠陥は、鋼板の表面の表面粗さ（σ＝０．５μｍ〜１．５μｍ）と同じ程度の凹凸であるため、光が鋼板の表面の粗さにより散乱され、通常状態で観察しても発見することができない。ところが、鋼板の表面が塗装され、表面の粗さが塗料に埋められて滑らかになると、この微小凹凸欠陥が明瞭に認識され得るものとなり、外観上の大きな問題となる。そのため、このような欠陥を有する薄鋼板を出荷しないようにすることは、品質管理上の重要な課題である。

従来より、このような微小凹凸欠陥を見つけるため、鋼板の製造ラインまたは検査ラインにおいて、鋼板を一度停止させ砥石がけを行った後、検査員が目視による検査をしている。砥石がけを行うと、凹部に比べて凸部が凹部よりも強く研磨されて鏡面に近づくので、鋼板の表面の粗さと同程度の凹凸でも目視で確認可能となる。しかしながら、この方法では、製造ラインを一旦停止させるため生産性を阻害し、見逃しが生じる危険性も大きい。

このような微小凹凸欠陥を検出するための技術として、特許文献１に記載の技術がある。特許文献１に記載の技術は、光を低角に鋼板表面に入射させる、または、長波長の光を利用することにより鋼板表面の粗さの影響を除去した鏡面反射を実現し、いわゆる魔鏡と呼ばれる技術を用い欠陥の凹凸による集光および発散を利用してスクリーン上に欠陥のパターンを投影する技術である。

また、特許文献２には、凹凸数１０μｍの欠陥を検出するために波長１０μｍ〜１ｍｍ程度の電磁波を用いる技術が開示されている。特許文献２に記載の技術は、光源からの光を測定対象に集光して照射し、反射波を集光して検出器で測定するものである。特許文献２に記載の技術は、測定された反射波の強度を観測し、欠陥による高さの違いを信号強度の違いで検出する技術を用いている。

特開２００５−００３６９１号公報 特開２００５−２１４７５８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、光を鋼板表面に照射する入射角が８７度程度となり、光学系の調整が困難という問題を有する。また、特許文献２に記載の技術は、そもそも測定対象が数１０μｍ程度の欠陥を対象としており、微小凹凸欠陥の計測には適用することができないという問題を有する。また、いずれの技術にも、欠陥の凹凸の大きさを定量的には評価できないという共通の課題が存在する。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、金属表面の粗さと同程度の微小凹凸欠陥を、金属表面の粗さの影響を除去して検出し、かつ、欠陥の凹凸の大きさを定量的に評価する表面検査装置及び表面検査方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る表面検査装置は、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生手段と、前記テラヘルツ波発生手段から発生されたテラヘルツ波をコリメートして被検体に照射させるテラヘルツ波照射手段と、前記被検体の表面で反射されたテラヘルツ波の進行方向垂直平面上の強度分布を検出するテラヘルツ波検出手段と、前記テラヘルツ波の強度分布に基づいて前記被検体の表面の凹凸欠陥を検出する欠陥判定手段とを備えることを特徴とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る表面検査方法は、テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生ステップと、前記テラヘルツ波発生ステップにて発生されたテラヘルツ波をコリメートして被検体に照射するテラヘルツ波照射ステップと、前記被検体の表面で反射されたテラヘルツ波の進行方向垂直平面上の強度分布を検出するテラヘルツ波検出ステップと、前記テラヘルツ波の強度分布に基づいて前記被検体の表面の凹凸欠陥を検出する欠陥判定ステップとを含むことを特徴とする。

本発明に係る表面検査装置および表面検査方法によれば、金属表面の粗さと同程度の微小凹凸欠陥を、金属表面の粗さの影響を除去して検出し、かつ、欠陥の凹凸の大きさを定量的に評価することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る表面検査装置の概略構成を示す図である。 図２は、励起光と励起光によって発生されるテラヘルツ波と検出光とのタイミングのずれにより検出される観測波形を示す図である。 図３は、テラヘルツ波時間波形マップを作成するための２軸ステージの制御方法を概念的に示す図である。 図４は、鋼板の観察範囲の左上の角にテラヘルツ照射波が照射されている様子を示している図である。 図５は、テラヘルツ波時間波形マップの作成方法のフローチャートである。 図６は、本発明の実施形態に係るテラヘルツ波の最大値画像を作成する方法を概念的に示した図である。 図７は、時間ずれ画像の作成手順を概略的に説明する図である。 図８は、本発明の第２実施形態に係る表面検査装置の概略構成を示す図である。 図９は、検出タイミング毎のテラヘルツ波の電場強度画像を概念的に示す図である。 図１０は、時間ずれ画像の作成方法を概略的に説明する図である。 図１１は、本発明の第３実施形態に係る表面検査装置の概略構成を示す図である。 図１２は、本発明の第４実施形態に係る表面検査装置の概略構成を示す図である。 図１３は、冷延鋼板の表面に生成された凸欠陥と凹欠陥とを計測した計測結果の図である。 図１４は、図１３の最大値画像の破線部における凹凸プロファイルデータである。 図１５は、鋼板の表面の微小凹凸欠陥の断面模式図である。

本発明の実施形態を説明する前に、本発明の原理についての説明を行う。

鋼板表面の粗さの影響を除去するには、長波長の光を用いる測定が有効である。参考文献（Beckmann著 The scattering of electromagnetic waves from rough surface （Pergamon Press, 1963））によると、凹凸量の分布が正規分布となるモデルを仮定した場合、下記のパラメータｇが小さいほど鏡面性が高いといえる（以下、このパラメータｇを鏡面性パラメータと称する）。また、下式においてσ，λ，θ_１，θ_２のそれぞれの値にかかわらず、鏡面性パラメータｇの値が等しければ鏡面性の程度は同等となる。

ただし、σは凹凸量の正規分布の標準偏差、λは照射光の波長、θ_１は入射角、θ_２は出射角である。

ここで、正反射光を受光することを考え、入射角θ_１及び出射角θ_２がともに等しく、その値をθとすると、鏡面性パラメータｇは（式１）となる。

上式によれば、σが大きな被検体であっても、ｃｏｓθ／λを所定の値以下にすれば、鏡面性を確保できることがわかる。例えばσ＝０．０２５μｍの粗面を有する被検体の鏡面性ｇは、可視光の波長０．５μｍ、入射角０度の場合ｇ＝０．３９５である。これと同等の鏡面性を、表面粗さがσ＝１．５μｍ程度の鋼板において実現するには、例えば波長３０μｍかつ入射角０度という条件が必要となる。

一方、測定に用いる波長を長くすると空間分解能が低下する。この点、測定に用いる波長と分解能とが一般に同程度になることが知られている。そして、測定対象とする欠陥の大きさは、径φが３ｍｍ〜３０ｍｍ程度である。したがって、対象とする最小の欠陥である径φが３ｍｍの欠陥を検出するためには、測定に用いる電磁波の波長は３ｍｍ以下とする必要がある。

以上より、波長が３０μｍ〜３ｍｍの電磁波を鋼板表面にコリメートして照射することで鋼板表面粗さの影響を除去することができることが解る。よって、本発明に係る表面検査装置及び表面検査方法は、波長３０μｍ〜３ｍｍの電磁波を鋼板表面にコリメートして照射し、その鏡面反射を正反射位置で撮像する光学系を組み電磁波の強度分布を測定するものである。

電磁波を鋼板表面にコリメートして照射すると、鋼板表面の欠陥の凹凸によって電磁波が集束または拡散され、欠陥の凹凸に応じたパターンが撮像される。これを利用して、本発明に係る表面検査装置及び表面検査方法では、金属表面の凹凸を電磁波の強度に変換して測定する方法を用いる。なお、波長３０μｍ〜３ｍｍ（周波数１０ＴＨｚ〜０．１ＴＨｚ）の電磁波をテラヘルツ波と呼称したり、波長１００μｍ〜１ｍｍの電磁波をテラヘルツ波と呼称したりするようにその定義には幅があるが、本明細書中では波長３０μｍ〜３ｍｍの電磁波をテラヘルツ波と呼称することとする。

以下、上記原理に基づく本発明の表面検査装置および表面検査方法の実施形態について説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。以下では、σ＝０．５μｍ〜１．５μｍ程度の粗さを持つ金属として鋼板を例として説明するが、鋼板に限らず、テラヘルツ波に対する適度な鏡面性を有する被検体であれば、本発明の効果を損なうことなくを適切に実施することができる。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る表面検査装置の概略構成を示す図である。

図１に示されるように、本発明の第１実施形態に係る表面検査装置は、パルスレーザ光２ａを発生するレーザ発生装置１６と、テラヘルツ波７を発生するテラヘルツ波発生装置２０と、テラヘルツ波７をコリメートして鋼板８に照射するテラヘルツ波照射装置６と、テラヘルツ波７の強度分布を検出するテラヘルツ波検出装置１８と、テラヘルツ波７の強度分布に基づいて鋼板８の凹凸欠陥を検出する欠陥判定装置１９とを主な構成要素として備える。

レーザ発生装置１６内に設置されたレーザ光源１は、パルスレーザ光２ａを同一周期で繰り返し発生するものである。例えば、レーザ光源１として、Ｔｉサファイアレーザを用いることができる。他のレーザとしては、ファイバーレーザなどが使用可能であるが、本発明の実施形態には、フェムト秒レーザと呼ばれるようなパルス幅が１ｐｓｅｃより短い短パルスレーザ光源を用いることが望ましい。

なお、本発明の実施におけるパルスレーザ光２ａの波長は、使用するテラヘルツ波発生装置および検出装置にあわせて選択され得る。本実施形態では、低温成長ＧａＡｓ基板を用いた光伝導アンテナをテラヘルツ波発生装置２０およびテラヘルツ波検出装置１８に用いるため、波長７８０ｎｍのパルスレーザ光２ａが用いられている。

レーザ光源１から射出されたパルスレーザ光２ａは、ビームスプリッタ３で励起光２ｂと検出光２ｃに分離され、励起光２ｂは、光ファイバ５ａを経由して、レーザ発生装置１６からテラヘルツ波照射装置６に伝送される。

テラヘルツ波照射装置６は、テラヘルツ波発生装置２０として、光伝導アンテナを内部に備える。この光伝導アンテナは、低温成長ＧａＡｓ基板上に２つの金属線が蒸着されたものである。２つの金属線間は定電圧がかけられているが、中央にギャップが設けられ絶縁されている。このギャップに励起光２ｂが照射されると、低温成長ＧａＡｓ基板にキャリア(電子、正孔)が励起され、２つの金属線間にかけられた電圧により過渡電流が流れる。その結果、この過渡電流がパルス状のテラヘルツ波７が発生する。

発生したテラヘルツ波７はテラヘルツ波照射装置６の内部のレンズ１７でコリメートされ、テラヘルツ波照射装置６から平行のテラヘルツ波７として外部に放出される。テラヘルツ波照射装置６から放出されたテラヘルツ波７は、２軸ステージ９ａ上に固定された鋼板８に入射角４５度で照射される。

鋼板８は、２軸ステージ９ａ上に固定され、鋼板８の表面と概平行な面内で直交する２軸の方向に駆動可能に配置される。したがって、本実施形態の表面検査装置は、鋼板８上に指定された検査範囲内を走査しながら欠陥の計測をする構成である。ここでは、検査範囲を鋼板８上の限られた範囲としているが、鋼板８を移動させて複数回の計測で鋼板８全体を計測することが可能である。また、検査範囲を鋼板８の全体とする設計をすることも可能である。検査範囲は想定される欠陥の大きさよりも広い検査範囲を設定すれば、本発明の実施を適切に行うことができるが、例えば、検査範囲を３０ｍｍ×３０ｍｍ、５０ｍｍ×５０ｍｍ、又は３０ｍｍ×５０ｍｍとすることが好ましい。

鋼板８にて鏡面反射されたテラヘルツ波７は、正反射位置に配置されたテラヘルツ波検出装置１８に入射される。テラヘルツ波検出装置１８は、テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ１０と２軸ステージ９ｂとを内部に備える。２軸ステージ９ｂは、テラヘルツ波７の進行方向と概垂直な面内で直交する２軸の方向にテラヘルツ波検出用光伝導アンテナ１０を駆動可能に構成し、テラヘルツ波検出装置１８内でテラヘルツ波検出用光伝導アンテナ１０を走査しながら、鋼板８で鏡面反射されたテラヘルツ波７を測定できるよう構成している。

テラヘルツ検出用光伝導アンテナ１０には、レーザ発生装置１６内でビームスプリッタ３で分岐されたもう一方のパルスレーザ光２ａである検出光２ｃが導かれる。ビームスプリッタ３で分岐された検出光２ｃは、光路長可変装置(以下、光路長変更用ステージと呼称する)１４上に載せられたミラー４ａで反射され、ミラー４ｂを介して光ファイバ５ｂに導かれる。そして、検出光２ｃは、レーザ発生装置１６とテラヘルツ波検出装置１８を結ぶ光ファイバ５ｂを介して、テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ１０に照射される。

テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ１０は、検出光２ｃが照射されたタイミングにおけるテラヘルツ波７の振幅に応じた電圧を検出し、この電圧をプリアンプ１１に出力する。プリアンプ１１は、入力された電圧を増幅し、これをロックインアンプ１２に送る。ロックインアンプ１２では、検出光２ｃまたは励起光２ｂの光路に設置された図示しないチョッパーからの参照信号に従い、テラヘルツ波７の検出信号のＳＮ比を向上させる。ロックインアンプ１２の出力は、時間波形計測装置１３へ送られ光路長変更用ステージ１４から取得するミラー位置情報を基にテラヘルツ信号の計測されたタイミングを決定しテラヘルツ時間波形を再生する。このテラヘルツ波時間波形を生成することを以下では、単にテラヘルツ波時間波形を計測すると呼ぶこととする。

計測されたテラヘルツ波時間波形は、テラヘルツ波マップ作成装置１５へ送られ、２軸ステージ９ａ,９ｂからの位置情報を基に、テラヘルツ波時間波形マップを作成する。欠陥判定装置１９は、このテラヘルツ波時間波形マップに基づいて欠陥を判定する。

〔計測方法〕
以下、テラヘルツ波時間波形の計測方法について説明する。発生したテラヘルツ波は時間的に急激な変化をするので、通常の測定方法では時間分解能が足りず、波形を精度よく計測することが困難である。よって、表面検査装置が備える光路長変更用ステージ１４（図１参照）を利用してテラヘルツ波の検出タイミングを変動させ、検出値とその検出タイミングから元のテラヘルツ波の波形を再生する手法を用いる。

上述した励起光２ｂと検出光２ｃとは、パルスレーザ光２ａをビームスプリッタ３で分割したパルス光であるので、同一波形かつ同一のタイミングで繰り返し発生されるパルス光である。光路長変更用ステージ１４によりミラー４ａの位置を変えると、励起光２ｂと検出光２ｃとの光路長が変更され、励起光２ｂによって発生されるテラヘルツ波７がテラヘルツ波検出装置１８へ到達するタイミングと、検出光２ｃがテラヘルツ波検出装置１８へ到達するタイミングとをずらすことができる。図２は、励起光２ｂと、励起光２ｂによって発生されるテラヘルツ波７と、検出光２ｃと、のタイミングのずれにより検出される観測波形を示す図である。

先述のように、テラヘルツ波検出装置１８は、検出光が到達した瞬間のテラヘルツ波７の振幅を電圧に変換する。よって、光路長変更用ステージ１４の位置を変えてタイミングをずらしながら、テラヘルツ波検出装置１８がテラヘルツ波７の振幅を繰り返し計測し、時間波形計測装置１３が計測された振幅値をずらしたタイミングの順に並べることで、元のテラヘルツ波時間波形を計測することができる。

しかしながら、この方法で観測された波形は実際のテラヘルツ波形を時間軸方向に引き伸ばしたものとなっている。このため、本発明の実施形態に係る計測方法は、以下の方法で実際のテラヘルツ波形に換算する。

実際の計測では、光路長変更用ステージ１４上でミラー４ａを一定速度ｖで移動させながら、テラヘルツ波７の振幅がサンプリング周波数ｆｓでサンプリングされる。よって、１サンプリングあたりの光路長の変位量ｄｌは、ｄｌ＝(２×ｖ)／ｆｓとなる（なお、この計算は図１のように光路長変更用ステージの光路が１回折りかえしている場合である）。また、実際のテラヘルツ波形の時間軸上での時間ステップは、ｄｔ＝ｄｌ／ｃとなる。ただし、ｃは光速。よって、観測された波形は、実際のテラヘルツ波形を時間軸上での倍率は１／ｆｓ／ｄｔ＝ｃ／２ｖ倍したものとなっている。よって、本発明の実施形態に係る計測方法では、時間波形計測装置１３が計測した実際の波形において時間軸を２ｖ／ｃ倍したものが真の波形となる。

〔テラヘルツ波時間波形マップの作成方法〕
次に、図３、図４、および図５を参照しながら、テラヘルツ波時間波形マップの作成方法を説明する。

図３は、図１に示される表面検査装置の例に従い、テラヘルツ波時間波形マップを作成するための２軸ステージ９ａと２軸ステージ９ｂとの制御方法を概念的に示す図である。したがって、図３では、図１と対応させて、同一構成要素に同一の符号が付されている。ただし、図１におけるテラヘルツ波７については、テラヘルツ波照射装置６から鋼板８までと鋼板８からテラヘルツ波検出用光伝導アンテナ１０までとを区別し、それぞれ、テラヘルツ照射波７ａとテラヘルツ反射波７ｂとする。なお、座標軸（Ｘ１，Ｙ１）および（Ｘ２，Ｙ２）は、それぞれ２軸ステージ９ａおよび２軸ステージ９ｂの駆動位置を表現している。

テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ１０を駆動する２軸ステージ９ｂとの駆動位置に係る配列は次のように定義される。図３および図４に示されるように、テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ１０の走査範囲（以下これを観察範囲という）は、一つのセルのＸ１方向のサイズがΔＸ１かつＹ１方向のサイズがΔＹ１であるメッシュに分割される。観察範囲の左上のセルを（０，０）とし、Ｘ１方向にｉ_１番目かつＹ１方向にｊ_１番目の位置を（ｉ_１，ｊ_１）とし、テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ１０の走査位置が配列（ｉ_１，ｊ_１）によって表わされる。つまり、配列（ｉ_１，ｊ_１）は、観察範囲の左上からＸ１方向にΔＸ１×ｉ_１の位置であり、かつＹ１方向にΔＹ１×ｊ_１の位置を表している。また、観察範囲の大きさはＸ１方向にａ_１かつＹ１方向にｂ_１である。このときｎ_１×ΔＸ１＜ａ_１かつｍ_１×ΔＹ１＜ｂ_１となる最大の整数としてｎ_１およびｍ_１を定義した。すなわち、配列の大きさは（ｎ_１，ｍ_１）である。

同様に、鋼板８を駆動する２軸ステージ９ａとの駆動位置に係る配列は次のように定義される。鋼板８上の走査範囲（以下これを検査範囲という）は、一つのセルのＸ２方向のサイズがΔＸ２かつＹ２方向のサイズがΔＹ２のメッシュに区分けされる。左上のセルを（０，０）、Ｘ２方向にｉ_２番目、Ｙ２方向にｊ_２番目のメッシュを（ｉ_２，ｊ_２）とし、鋼板８の走査位置が配列（ｉ_２，ｊ_２）によって表される。つまり、配列（ｉ_２，ｊ_２）は、左上からＸ２方向にΔＸ２×ｉ_２かつＹ２方向にΔＹ２×ｊ_２の位置を表している。また、検査範囲の大きさはＸ２方向にａ_２かつＹ２方向にｂ_２である。このときｎ_２×ΔＸ２＜ａ_２，ｍ_２×ΔＹ２＜ｂ_２となる最大の整数としてｎ_２およびｍ_２を定義した。すなわち、配列の大きさは（ｎ_２，ｍ_２）である。

例えば図４（図３(ａ)−１）は、鋼板８の検査範囲Ａ_Ｄの左上の角にテラヘルツ照射波７ａが照射されている様子を示している図である。「○」で示されているテラヘルツ波検出用光伝導アンテナ１０の位置が、観察範囲Ａ_Ｆの左上に図示されている。ここで、鋼板８の健全部におけるテラヘルツ波の正反射が観察範囲Ａ_Ｆの中央部を照射するように観察範囲を設定する。

なお、本発明の実施形態に係る２軸ステージ９ａと２軸ステージ９ｂとの制御方法では、光伝導アンテナ１０の走査のステップ幅は、Ｘ１方向に関しΔＸ１であり、Ｙ１方向に関しΔＹ１である。同様に、鋼板８の移動のステップ幅は、Ｘ２方向に関しΔＸ２であり、Ｙ２方向に関しΔＹ２である。これらのステップ幅は上記定義したメッシュのサイズに相当する。

このステップ幅は、想定される欠陥の大きさによって決定される。すなわち、ステップ幅が大きすぎると分解能が低く検出困難となる問題があり、ステップ幅が小さすぎると計算量が膨大になるなどの問題がある。よって、想定される欠陥の大きさの１／３〜１／１０程度が適当であり、さらには１／５程度が最適である。

図５は、上記説明したテラヘルツ波時間波形マップの作成方法のフローチャートである。

まず、図４（図３（ａ）−１）に示される例のように、テラヘルツ波マップ作成装置１５は、初期設定として鋼板８の位置を配列（ｉ_２，ｊ_２）＝（０，０）に設定し、かつ光伝導アンテナ１０の位置を配列（ｉ_１，ｊ_１）＝（０，０）に設定する（ステップＳ１）。

次に、時間波形計測装置１３は、光路長変更用ステージ１４からの光路長に関する情報と、テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ１０から出力される電圧とに基づいて、テラヘルツ波形を計測する（ステップＳ２）。なお、このテラヘルツ波形の計測方法は、図２を参照しながら先に説明した方法を用いる。

そして、テラヘルツ波マップ作成装置１５は、テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ１０の位置がＸ１方向に関して終端であるかを判断する（ステップＳ３）。すなわち、上記定義した配列の言葉で表現すると、ｉ_１＝ｎ_１であるか否かが判断される。そして、ｉ_１＝ｎ_１ではない場合（ステップＳ３；Ｎｏ）、テラヘルツ波マップ作成装置１５は、テラヘルツ検出用光伝導アンテナ１０をＸ１方向に関して１ステップ走査（２軸ステージ９ｂをΔＸ_１駆動）する（ステップＳ４）。その後、ステップＳ２に戻り、移動後の位置にて時間波形計測装置１３がテラヘルツ波形を計測する（ステップＳ２）。

上記ループを繰り返し、テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ１０の位置がＸ１方向に関して終端となった場合（ステップＳ３；Ｙｅｓ）、テラヘルツ波マップ作成装置１５は、テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ１０の位置がＹ１方向に関して終端であるかを判断する（ステップＳ５）。

テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ１０の位置がＹ１方向に関して終端ではない場合（ステップＳ５；Ｎｏ）、テラヘルツ波マップ作成装置１５は、テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ１０をＹ１方向に関して１ステップ走査（２軸ステージ９ｂをΔＹ１駆動）する（ステップＳ６）。その後、ステップＳ２に戻り、移動後の位置にて時間波形計測装置１３がテラヘルツ波形を計測する（ステップＳ２）。

一方、テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ１０の位置がＹ１方向に関して終端である場合（ステップＳ５；Ｙｅｓ）、鋼板８の左上のセル（ｉ_２，ｊ_２）＝（０，０）にテラヘルツ波が照射される場合についてのテラヘルツ時間波形マップに関するデータが、すべて取得されたことになる。したがって、テラヘルツ波マップ作成装置１５は、このデータからテラヘルツ時間波形マップを作成し、欠陥判定装置１９へ送信する（ステップＳ７）。なお、このテラヘルツ時間波形マップは、（ｉ_１，ｊ_１，ｔ）の３次元配列に関するテラヘルツ波の振幅を表しているので、ｆ_{ｉ２，ｊ２}（ｉ_１，ｊ_１，ｔ）と表現することができる。ここで、ｔはテラヘルツ時間波形の時間に関するパラメータである。

その後、鋼板８の検査範囲に関する走査を行う。まず、テラヘルツ波マップ作成装置１５は、鋼板８の位置がＸ２方向に関して終端であるかを判断する（ステップＳ８）。鋼板８の位置がＸ２方向に関して終端ではない場合（ステップＳ８；Ｎｏ）、テラヘルツ波マップ作成装置１５は、２軸ステージ９ａが鋼板８の位置をＸ２方向に１ステップ動かす（ステップＳ９）。その後、ステップＳ２に戻り、移動後の鋼板８の位置について、時間波形計測装置１３がテラヘルツ時間波形を計測する（ステップＳ２）。

一方、鋼板８の位置がＸ２方向に関して終端である場合（ステップＳ８；Ｙｅｓ）、テラヘルツ波マップ作成装置１５は、鋼板８の位置がＹ２方向に関して終端であるかを判断する（ステップＳ１０）。鋼板８の位置がＹ２方向に関して終端ではない場合（ステップＳ１０；Ｎｏ）、テラヘルツ波マップ作成装置１５は、２軸ステージ９ａが鋼板８の位置をＹ２方向に１ステップ動かし（ステップＳ１１）、移動後の鋼板８の位置について、時間波形計測装置１３がテラヘルツ時間波形を計測する（ステップＳ２）。また、鋼板８の位置がＹ２方向に関して終端である場合（ステップＳ１０；Ｙｅｓ）、鋼板８上の観察範囲をすべて走査したことになるので、テラヘルツ波マップ作成装置１５は、処理を終了する。

以上により、鋼板８の各位置（ｉ_２，ｊ_２）につき、合計ｎ_２×ｍ_２個のテラヘルツ時間波形マップが作成される。なお、観察範囲の大きさはあらかじめ、想定される欠陥の大きさよりも大きくなるように、例えば３０ｍｍ×３０ｍｍ、５０ｍｍ×５０ｍｍあるいは３０ｍｍ×５０ｍｍのように設定すれば、本発明の実施をすることができるが、検査範囲と同じ大きさにしておくと計算上の都合がよい。

上記の方法で得られたテラヘルツ時間波形マップは、前述したように欠陥判定装置１９に送られ、鋼板８の位置（ｉ_２，ｊ_２）と、テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ１０の観察位置（ｉ_１，ｊ_１）と、テラヘルツ波の強度分布と、テラヘルツ波の位相分布と、を基に欠陥の判定が行われる。以下、図６および図７を参照しながら、本発明の実施形態に係る欠陥判定方法の説明をする。

〔欠陥判定方法〕
図６は、本発明の実施形態に係るテラヘルツ波の最大値画像を作成する方法を概念的に示した図である。図６（ａ）は、一つの配列（ｉ_１，ｊ_１，ｉ_２，ｊ_２）におけるテラヘルツ波の時間波形のイメージを示している。図６（ａ）に示されるように、テラヘルツ波の強度を代表する数値として、最大値、最小値、およびピークトゥーピークなどがある。ここでは、最大値Ｍａｘ（ｉ_１，ｊ_１，ｉ_２，ｊ_２）を用いて説明を行う。

図６（ｂ）は、最大値Ｍａｘ(ｉ_１，ｊ_１，ｉ_２，ｊ_２)から作成されるテラヘルツ波の最大値アレイを示す図である。具体的には、各配列（ｉ_１，ｊ_１，ｉ_２，ｊ_２）につき定義された最大値Ｍａｘ（ｉ_１，ｊ_１，ｉ_２，ｊ_２）を二乗し強度に変換した後、光伝導アンテナ１０の観察位置（ｉ_１，ｊ_１）に対応させて並べた最大値アレイＡｍａｘ_{ｉ２，ｊ２}（ｉ_１，ｊ_１）を、鋼板８の各検査位置(ｉ_２、ｊ_２)につき作製する。

次に、最大値アレイＡｍａｘ_{ｉ２，ｊ２}（ｉ_１，ｊ_１）の鋼板の位置（ｉ_２，ｊ_２）＝(０，１，…ｎ_２，０，１…ｍ_２)のデータを足し合わせて最大値画像Ｍａｘ＿Ｉｍａｇｅ（ｉ_１，ｊ_１）を（式２）に従い作成する。図６（ｃ）は、この最大値画像を示す図である。

本発明の実施形態に係る欠陥判定方法では、テラヘルツ波の強度分布としてこの最大値画像Ｍａｘ＿Ｉｍａｇｅ（ｉ_１，ｊ_１）を用いる。凹欠陥ではテラヘルツ波が集束するためテラヘルツ波の強度が大きくなり、凸欠陥ではテラヘルツ波が拡散するためテラヘルツ波の強度が小さくなるので、本発明の実施形態に係る欠陥判定方法では、この最大値の大きい部分を凹欠陥と判定し、小さい部分を凸欠陥と判定する。具体的には、あらかじめ健全部を測定しておき健全部の最大値画像の最大値の平均値を計算しておき、その値を実際に測定された最大値画像から減算し、この値が正で大きいもの（例えば健全部におけるこの値の標準偏差をノイズとしてＳＮ比が３を越えるもの）を凹欠陥、負で大きいもの（同様にその絶対値のＳＮ比が３を越えるもの）を凸欠陥と判定する方法が考えられる。

次に、図７を参照しながら、時間ずれ画像の作成手順を説明する。時間ずれ画像は、各配列（ｉ_１，ｊ_１，ｉ_２，ｊ_２）に対して定義される時間ずれＤｅｌａｙ（ｉ_１，ｊ_１，ｉ_２，ｊ_２）から算出される。この時間ずれＤｅｌａｙ（ｉ_１，ｊ_１，ｉ_２，ｊ_２）とは、標準波形と、配列（ｉ_１，ｊ_１，ｉ_２，ｊ_２）における波形ｆ_{ｉ２，ｊ２}（ｉ_１，ｊ_１，ｔ）との時間ずれを意味する。

この時間ずれＤｅｌａｙ（ｉ_１，ｊ_１，ｉ_２，ｊ_２）の例として、図６（ａ）のように、標準波形と波形ｆ_{ｉ２，ｊ２}（ｉ_１，ｊ_１，ｔ）の最大値をとるタイミングの時間差が利用される。その他、最小値を取るタイミングの時間差、最大値と最小値を取るタイミングの中間点の時間差、最大値と最小値の間で０点を横切るタイミングの時間差など、テラヘルツ波のパルスの到達時間を代表する値の時間差を採用することも可能である。なお、この時間ずれＤｅｌａｙ（ｉ_１，ｊ_１，ｉ_２，ｊ_２）は、凹欠陥の場合に遅延し、凸欠陥の場合に先行することになる。

時間ずれ画像Ｄｅｌａｙ＿Ｉｍａｇｅ（ｉ_２，ｊ_２）は、正反射光が照射される位置（ｉ_{１ｍｉｒｒｏｒ}，ｊ_{１ｍｉｒｒｏｒ}）における時間ずれの値を各鋼板の位置に対応させて並べて作成される。図７（ａ）は、この正反射光が照射される位置（ｉ_{１ｍｉｒｒｏｒ}，ｊ_{１ｍｉｒｒｏｒ}）を示す図である。図７（ａ）に示されるように、この位置（ｉ_{１ｍｉｒｒｏｒ}，ｊ_{１ｍｉｒｒｏｒ}）は、テラヘルツ照射波７ａが鋼板８の健全部に照射されているときに、鋼板８で正反射したテラヘルツ反射波７ｂが検出される位置として定義される。なお、本実施形態では、正反射が検出範囲の中心になるように検出範囲を設定しているため、ｉ_{１ｍｉｒｒｏｒ}＝ｎ_１／２，ｊ_{１ｍｉｒｒｏｒ}＝ｍ_１／２である(ただし、ｎ_１，ｍ_１が奇数の場合は予め１を加えてから処理する)。

図７（ｂ）は、各配列(ｉ_１，ｊ_１，ｉ_２，ｊ_２)に対して定義される時間ずれＤｅｌａｙ(ｉ_１，ｊ_１，ｉ_２，ｊ_２)から、時間ずれ画像Ｄｅｌａｙ＿Ｉｍａｇｅ（ｉ_２，ｊ_２）を算出する方法を概念的に説明する図である。図７（ｂ）に示されるように、時間ずれ画像Ｄｅｌａｙ＿Ｉｍａｇｅ（ｉ_２，ｊ_２）は、Ｄｅｌａｙ(ｉ_１，ｊ_１，ｉ_２，ｊ_２)にｉ_１＝ｉ_{１ｍｉｒｒｏｒ}，ｊ_１＝ｊ_{１ｍｉｒｒｏｒ}を代入して算出されるＤｅｌａｙ(ｉ_{１ｍｉｒｒｏｒ}，ｊ_{１ｍｉｒｒｏｒ}，ｉ_２，ｊ_２)を、鋼板８の観察位置（ｉ_２，ｊ_２）に関して配列したものである。

この時間ずれ画像は、テラヘルツ波の位相分布を画像化したものである。したがって、時間ずれ画像の各値は、下記（式３）により、鋼板８の凹凸量ｄに変換され得る。

ただし、ｃ：光速、ｎ：空気の屈折率、θ：テラヘルツ波の鋼板への入射角である。

図７（ｃ）は、時間ずれ画像を鋼板８の凹凸量ｄに変換した図である。図７（ｃ）に示されるように、（式３）に従い変換した凹凸量と、鋼板表面での位置（Ｘ２，Ｙ２）を表現する２軸とあわせて３次元表示することで、時間ずれ画像が鋼板８の表面形状に変換される。つまり、図７（ｃ）に示されるような３次元表示は、その欠陥形状および欠陥体積などを理解するのに好適な表示である。この欠陥形状および欠陥体積などから、より詳細な欠陥の種別、有害度、有害無害の区別が判定される。

以上のように、本発明の第１実施形態に係る表面検査装置および表面検査方法は、テラヘルツ波の検査範囲全体からの反射波の情報を利用したテラヘルツ波の強度分布から欠陥の有無と概略の大きさ凹凸を１次判定し、テラヘルツ波の正反射成分のみの時間ずれの情報であるテラヘルツ波の位相分布から欠陥の種別、有害度、および有害無害の区別を最終判定する。

本発明の第１実施形態に係る表面検査装置および表面検査方法は、テラヘルツ波の強度分布のみを用いる場合より正確に有害無害を判定可能になり、また、テラヘルツ波の位相分布のみを用いる場合と比較すると、テラヘルツ波の強度分布で１次判定を行うことで、欠陥候補の数を絞ることができるため、計算量が大幅に低下するという効果を有する。

上記説明した本発明の第１実施形態に係る表面検査装置および表面検査方法と同様の計算手順で、最小値のマップである最小値マップ、ピークトゥーピークのマップであるピークトゥーピークマップや振幅を二乗して強度に変換した後の最大値をとった強度最大値画像を作成することができる。そして、テラヘルツ波の強度分布として、上記最小値マップなどを用いても本発明を適切に実施することが可能である。また、本発明の実施形態に係る表面検査装置および表面検査方法では、振幅を二乗して強度に変換したが、最大値画像、最小値マップ、ピークトゥーピークマップでは、振幅を二乗して強度に変換してからマップにしても、振幅をそのままマップしても、同様にテラヘルツ波の強度分布として利用することができる。

本発明の第１実施形態に係る表面検査装置および表面検査方法では、テラヘルツ波発生装置として光伝導アンテナを用いたが、ＧａＡｓなどの半導体基板の表面にレーザを照射した際に発生するテラヘルツ波を利用する「半導体表面発光」を用いることもできる。また、発生用および検出用の光伝導アンテナとして低温成長ＧａＡｓ基板上のアンテナを用いたが、例えばＩｎＧａＡｓなどのほかの半導体基板を用いることも可能である。ＩｎＧａＡｓ基板の場合、励起光、プローブ光の波長は１５６０ｎｍが適している。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る表面検査装置および表面検査方法について説明する。

上述の第１実施形態に係る表面検査装置および表面検査方法では、２つの２軸ステージで、検出対象である鋼板８および検出器であるテラヘルツ波検出用光伝導アンテナ１０をそれぞれ２次元スキャンさせることで、比較的光量が弱い代わりに取り扱いが容易な光伝導アンテナ又は半導体表面発光を光源として利用する。一方で、２つの２次元スキャンをする必要があることから、計測時間が長くなる問題がある。以下で説明する発明の第２実施形態に係る表面検査装置および表面検査方法は、第１実施形態に係る表面検査装置および表面検査方法よりも計測時間を短縮することが可能である。

本発明の第２実施形態に係る表面検査装置および表面検査方法は、電気光学結晶（ＥＯ結晶）とＣＣＤカメラの組み合わせを検出器に用いた実施形態である。特にここでは、電気光学結晶としてＺｎＴｅ結晶を用いている。図８は、本発明の第２実施形態に係る表面検査装置の概略構成を示す図である。図８では、図１に示された構成要素と同一のものについては同一の符号を付与し、その説明を省略する。

図８に示されるように、本発明の第２実施形態に係る表面検査装置は、パルスレーザ光２ａを発生するレーザ光源１と、テラヘルツ波７を発生するテラヘルツ波発生装置２０と、テラヘルツ波７をコリメートして鋼板８に照射する放物面鏡２１と、テラヘルツ波の強度分布を検出するテラヘルツ波検出装置２９と、テラヘルツ波の強度分布に基づいて鋼板８の凹凸欠陥を検出する欠陥判定装置３０とを主な構成要素として備える。

レーザ光源１は、パルスレーザ光２ａを同一周期で繰り返し発生するものである。例えば、レーザ光源１として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光源が用いられる。レーザ光源１から射出されたパルスレーザ光２ａは、ビームスプリッタ３で励起光２ｂと検出光２ｃに分離され、励起光２ｂは、ミラー４ｃを経由して、テラヘルツ波発生装置２０に照射される。

本発明の第２実施形態に係るテラヘルツ波発生装置２０には非線形光学結晶が用いられ、励起光を受けて非線形光学結晶の光パラメトリック発生、光パラメトリック発振、光注入型の光パラメトリック発生、差周波発生などの非線形光学効果によりテラヘルツ波が発生される。

テラヘルツ波発生装置２０により発生したテラヘルツ波７は、放物面鏡２１などでコリメートされ、テラヘルツ波用ミラー２２ａで反射され鋼板８の観察範囲全体に照射される。

鋼板８に照射されたのち、鋼板８で正反射されたテラヘルツ波７は、テラヘルツ波用ミラー２２ｂを介してハーフミラー２３を透過して、テラヘルツ波検出用のＥＯ結晶利用型のテラヘルツ波検出装置２９に導かれる。

一方、前段のビームスプリッタ３で分離された検出光２ｃは、ミラー４ａ，４ｂ，４ｄで反射され、レンズ２４ａ，２４ｂによりビーム径を広げられ、偏光板２５ａにより直線偏光に整えられ、上記ハーフミラー２３において、鋼板８で反射されたテラヘルツ波７と同一の光軸で合成され、ＥＯ結晶利用型のテラヘルツ波検出装置２９に入射される。

このうちミラー４ａは、光路長変更用ステージ１４によって位置を変更し、ビームスプリッタ３からテラヘルツ波検出装置２９までの光路長を変えることができるようになっている。なお、この光路長の情報は、後述する欠陥判定装置３０に送られる。

テラヘルツ波検出装置２９は、ＺｎＴｅで構成される電気光学結晶（ＥＯ結晶）２６とλ／４波長板２７と偏光板２５ｂとテラヘルツ波検出器２８を備える。

ＥＯ結晶２６は、ポッケルズ効果により、鋼板８で反射されたのちに入射されるテラヘルツ波７の電場強度に応じて複屈折が発生する。一方、入射された検出光２ｃは、偏光板２５ａを調整することにより、鋼板８で反射されたのちに入射されるテラヘルツ波７が存在しない場合に、λ／４波長板２７を透過後の偏光状態が円偏光となるように設定される。すると、テラヘルツ波７が存在する場合には、テラヘルツ波７の電場によって生じたＥＯ結晶２６の複屈折により検出光２ｃに位相変化が生じるため、ＥＯ結晶２６を透過後の検出光２ｃが楕円偏光となる。

偏光板２５ｂを偏光状態の変化が大きいものを透過する向きに設置しておくと、偏光板を透過したプローブ光の強度は、テラヘルツ波７の電場強度に応じた値となっている。このプローブ光をＣＣＤカメラ（テラヘルツ波検出器）２８を用いて２次元画像として撮像することにより、テラヘルツ波７の電場強度の分布を計測することが可能となる。テラヘルツ波７の電場強度分布データは、画像の形式で欠陥判定装置３０へ送られる。これをテラヘルツ波７の電場強度画像と呼ぶ。欠陥判定装置３０では、テラヘルツ波７の電場強度画像と光路長変更用ステージ１４の位置の情報とを合わせて欠陥判定がされる。

〔欠陥判定装置での処理〕
次に、図９および図１０を参照しながら、欠陥判定装置３０における判定処理について説明する。

欠陥判定装置３０には、テラヘルツ波検出器２８により取得されたテラヘルツ波７の電場強度画像が、検出光によって定められる検出タイミング毎に蓄積される。図９は、欠陥判定装置３０に蓄積される、検出タイミング毎のテラヘルツ波７の電場強度画像を概念的に示す図である。図９に示されるように、一枚のテラヘルツ波７の電場強度画像は、Ｘ１座標とＹ１座標とにより定まる２次元画像であり、各画素にテラヘルツ波７の電場強度のデータが格納されている。したがって、Ｘ１座標およびＹ１座標を固定した画素の値を各検出タイミングでつなげた場合、そのＸ１座標およびＹ１座標におけるテラヘルツ波７の波形が再生できるデータ構造となっている。

次に、欠陥判定装置３０は、上述のように検出タイミング毎に蓄積されたテラヘルツ波７の電場強度画像から最大値画像を作成する。この最大値画像の作成方法は、先述した第１実施形態と同様である。すなわち、欠陥判定装置３０は、テラヘルツ波７の電場強度画像の各画素について（つまり、各Ｘ１座標およびＹ１座標を固定して）、テラヘルツ波形の時間方向（検出タイミング方向；図中ｔ座標）に関する最大値を算出し、その最大値を当該画素の値とする画像を作成する。

上記のように作成された最大値画像は、テラヘルツ波７の強度分布を表している。鋼板８の凹欠陥に対応する画素では、凹欠陥の凹形状によりテラヘルツ波７が当該画素に集束するためテラヘルツ波７の検出強度が大きくなり、凸欠陥に対応する画素では、凸欠陥の凸形状によりテラヘルツ波７が当該画素から拡散するためテラヘルツ波７の検出強度が小さくなる。このことから、この最大値の大きい部分を凹欠陥、小さい部分を凸欠陥と判定することができる。

一方、欠陥判定装置３０は、最大値画像の作成と並行して、最大値を取る検出タイミングｔを画素毎に並べて時間ずれ画像を作成する。この時間ずれ画像の作成方法は、先述した第１実施形態と同様である。図１０は、この時間ずれ画像の作成方法を概略的に説明する図である。図１０に示されるように、この時間ずれ画像における時間ずれ量ｔ_ｉは、先述した（式３）に従い高さｄに換算され、すなわち、鋼板８の凹凸形状へと変換され、欠陥形状および欠陥体積などを求めることが可能になる。この欠陥形状および欠陥体積などからより詳細な欠陥の種別、有害度、有害無害の区別が判定される。

本発明の第２実施形態における欠陥判定装置３０の処理においても、この最大値画像および時間ずれ画像をそれぞれテラヘルツ波７の強度分布およびテラヘルツ波７の位相分布として用いて、第１実施形態と同様の方法で欠陥を検出し、欠陥の大きさ、形状、種類などを判定する。

なお、本発明の第２実施形態における欠陥判定装置３０では、テラヘルツ波７の強度分布として、テラヘルツ波７の電場強度画像から各画素毎に最大値をとった分布である最大値画像を使用したが、最大値の代わりに最小値をとってもよいし、ピークトゥーピーク値などのほかのテラヘルツ波電場強度を代表する値を用いてもよい。

また、本発明の第２実施形態における欠陥判定装置３０では、テラヘルツ波７の位相分布として時間ずれ画像を用いた。このとき時間ずれとしては、基準信号に対する最大値のタイミングのずれを用いたが、最小値を取るタイミングのずれ、最大値と最小値を取るタイミングの中間点、最大値と最小値の間で０点を横切るタイミングなど、各テラヘルツ波パルスのテラヘルツ波発生装置から検出装置への伝達時間を代表する値であればよい。

以上より、本発明の第２実施形態に係る表面検査装置および表面検査方法によれば、光伝導アンテナおよび被検体である鋼板８の走査を必要としないので、短時間で鋼板８の欠陥計測を行うことができる。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る表面検査装置および表面検査方法について説明する。

図１１は、本発明の第３実施形態に係る表面検査装置の概略構成を示す図である。図１１では、図１または図８に示された構成要素と同一のものについては同一の符号を付与し、その説明を省略する。

図１１に示されるように、本発明の第３実施形態に係る表面検査装置は、パルスレーザ光２ａを発生するレーザ光源１と、テラヘルツ波７を発生するテラヘルツ波発生装置２０と、テラヘルツ波７をコリメートして鋼板８に照射する放物面鏡２１と、テラヘルツ波７の強度分布を検出するテラヘルツ波検出装置３１と、テラヘルツ波７の強度分布に基づいて鋼板８の凹凸欠陥を検出する欠陥判定装置３０とを主な構成要素として備える。

レーザ光源１は、パルスレーザ光２ａを同一周期で繰り返し発生しするものである。例えば、レーザ光源１として、Ｔｉサファイアレーザ光源が用いられる。レーザ光源１から射出されたパルスレーザ光２ａは、ビームスプリッタ３で励起光２ｂと検出光２ｃに分けられ、励起光２ｂはミラー４ｃで反射されテラヘルツ波発生装置２０に伝送される。

テラヘルツ波発生装置２０には低温成長ＧａＡｓ基板上に作られた光伝導アンテナが用いられ、この光伝導アンテナは励起光２ｂを受けてテラヘルツ波７を発生する。テラヘルツ波発生装置２０により発生したテラヘルツ波７は、放物面鏡２１などでコリメートされ、テラヘルツ波用ミラー２２ａで反射され鋼板８の観察範囲全体に照射される。

鋼板８で正反射されたテラヘルツ波７は、テラヘルツ波用ミラー２２ｂ、２２ｃで反射されテラヘルツ波検出装置３１に導かれる。テラヘルツ波検出装置３１の内部には、テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ１０が、紙面の水平方向及び垂直方向（すなわちテラヘルツ波７の進行方向と垂直な平面）に２次元配置されている。

一方、前段のビームスプリッタ３で分離された検出光２ｃは、ミラー４ａ，４ｂで反射され、連続プリズム型ビームスプリッタ３２に導かれる。連続プリズム型ビームスプリッタ３２は、半透明の材質で作られたプリズム型のビームスプリッタを連続配置したものであり、１本の検出光２ｃを複数のレーザに分けることができる。この分岐されたプローブ光は、テラヘルツ波検出装置３１の内部にアレイ状に複数配置されたテラヘルツ波検出用光伝導アンテナ１０の各々のギャップ部に照射される。

また、検出光２ｃの光路上に配置されたミラー４ａは、光路長変更用ステージ１４によって位置を変更し、ビームスプリッタ３からテラヘルツ波検出装置３１までの光路長を変えることができる。このミラー位置の情報は、後述する時間波形計測装置１３に送られ、テラヘルツ波７の再生に用いられる。

テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ１０は、検出光２ｃが照射されたタイミングにおけるテラヘルツ波７の振幅に応じた電圧を検出し、この電圧をプリアンプ１１に出力する。プリアンプ１１は、入力された電圧を増幅し、これをロックインアンプ１２に送る。ロックインアンプ１２は、検出光２ｃないしは励起光２ｂの光路のいずれかの場所に設置された図示しないチョッパーからの参照信号に従い、テラヘルツ波７の検出信号のＳＮ比を向上させるものである。ロックインアンプ１２の出力は時間波形計測装置１３へ送られ、時間波形計測装置１３が、光路長変更用ステージ１４から取得するミラー位置情報を元にテラヘルツ信号の計測されたタイミングを決定し、テラヘルツ波検出装置３１に入射されたテラヘルツ時間波形を再生する。

上記のように計測されたテラヘルツ時間波形は、テラヘルツ波マップ作成装置１５へ送られ、テラヘルツ波マップ作成装置１５がテラヘルツ波７の電場強度画像を作成する。その後、このテラヘルツ波７の電場強度画像に基づいて欠陥判定装置３０が欠陥を判定する。これらの電場強度画像の作成および欠陥判定の方法については、先述した第２実施形態と同様なので、ここではその説明を省略する。

本発明の第３実施形態に係る表面検査装置は、各光伝導アンテナ１０からの出力を並べることにより当該出力を画像化し、ＣＣＤカメラの出力と同様に考えることができるので、光伝導アンテナ１０の観測タイミング毎にテラヘルツ波７の電場強度画像が得られる。このため、本発明の第３実施形態に係る表面検査装置は、電場強度画像が得られた後、第２の実施例と同様の手順によってテラヘルツ波７の強度分布およびテラヘルツ波７の位相分布を求めて欠陥の検出および判定を行う。

上記実施形態では、光伝導アンテナ１０を２次元に配列したが、光伝導アンテナ１０を１次元に配列して、被検体又はアンテナを光伝導アンテナ１０の配列と垂直方向に走査させて画像を形成しても同様の計測が可能である。また、一つのアンテナを２次元に走査させても本発明を適切に実施することができる。

本実施形態は、第１実施形態に比較して、いずれの光伝導アンテナの形態をとっても、被検体である鋼板８の走査を必要としないのて、鋼板８の欠陥の計測時間を短縮できる。また、アンテナが１次元配列または２次元配列の場合、光伝導アンテナの走査も不要または少なくてよいので、鋼板８の欠陥の計測時間をさらに短縮できる。

上記第１〜３実施形態において、レーザ光源からの光をビームスプリッタで二つに分けて励起光およびプローブ光として使用したが、２つのレーザ光源を同期させて一方を励起光として用い、もう一方をプローブ光として用いることでも、計測時間を短縮する効果がある。

〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態に係る表面検査装置および表面検査方法について説明する。

図１２は、本発明の第４実施形態に係る表面検査装置の概略構成を示す図である。図１２に示されるように、本発明の第４実施形態に係る表面検査装置は、パルスレーザ光２ａを発生するレーザ光源１と、テラヘルツ波７を発生するテラヘルツ波発生装置２０と、テラヘルツ波７をコリメートして鋼板８に照射するテラヘルツ波照射装置６と、テラヘルツ波７の強度分布を検出するテラヘルツ波検出装置１８と、検出されたテラヘルツ波７の電場強度画像を作成するテラヘルツ波マップ作成装置１５と、テラヘルツ波７の電場強度画像に基づいて鋼板８の凹凸欠陥を検出する欠陥判定装置１９とを主な構成要素として備える。

レーザ光源１は、パルスレーザ光２ａを同一周期で繰り返し発生するものである。例えば、レーザ光源１として、Ｔｉサファイアレーザ光源が用いられる。レーザ光源１から射出されたパルスレーザ光２ａは、ミラー４ａ，４ｂにより反射されテラヘルツ波発生装置２０に伝送される。

テラヘルツ波発生装置２０は、低温成長ＧａＡｓ基板上に作られた光伝導アンテナ１０を備え、この光伝導アンテナ１０が、励起光としてパルスレーザ光２ａを受光して、テラヘルツ波７を発生する。光伝導アンテナ１０により発生したテラヘルツ波７は、レンズ１７などでコリメートされ、２軸ステージ９ａ上に固定された鋼板８に入射角４５度で照射される。

鋼板８にて鏡面反射されたテラヘルツ波７は、正反射位置に配置されたテラヘルツ波検出装置１８に入射される。テラヘルツ波検出装置１８は、テラヘルツ波を吸収体に吸収した際の温度変化をテラヘルツ波の強度として検出する検出器と２軸ステージ９ｂとを内部に備える。

例えば、テラヘルツ波を吸収体に吸収した際の温度変化をテラヘルツ波の強度として検出する検出器は、テラヘルツ波検出用ボロメータ３３とすることができる。テラヘルツ波検出用ボロメータ３３にテラヘルツ波７が照射されると、テラヘルツ波検出用ボロメータ３３内のテラヘルツ波吸収体がテラヘルツ波７を吸収し温度変化が発生する。テラヘルツ波検出用ボロメータ３３は、この温度変化によって半導体の電気抵抗を変化させ、この電気抵抗変化を計測することでテラヘルツ波７の強度を検出する。

テラヘルツ波を吸収体に吸収した際の温度変化をテラヘルツ波の強度として検出する検出器は、テラヘルツ波検出用ボロメータ３３の代わりにゴーレイセルとすることができる。ゴーレイセルは、テラヘルツ波吸収体としてガスチャンバー内のガスを用い、当該ガスの熱膨張をガスチャンバーの変形により検出する検出器である。または、テラヘルツ波を吸収体に吸収した際の温度変化をサーモパイルを用いて検出する構成の検出器をテラヘルツ波検出用ボロメータ３３の代わりに用いることも可能である。

２軸ステージ９ｂは、テラヘルツ波７の進行方向と概垂直な面内で直交する２軸の方向にテラヘルツ波検出用ボロメータ３３を駆動可能に構成し、テラヘルツ波検出装置１８内でテラヘルツ波検出用ボロメータ３３を走査しながら、鋼板８で鏡面反射されたテラヘルツ波７を検出する。

テラヘルツ波検出用ボロメータ３３の信号は、テラヘルツ波マップ作成装置１５に送られ、２軸ステージ９ａ，９ｂからの位置情報を基に、テラヘルツ波信号強度マップを作成する。テラヘルツ波マップ作成装置１５が行うマップ作成処理は、先述の実施形態と同様であるので、ここではその説明を省略する。

欠陥判定装置１９は、テラヘルツ波マップ作成装置１５が作成するテラヘルツ波７の電場強度画像に基づいて欠陥を判定する装置である。欠陥判定装置１９は、この電場強度画像において、信号強度が所定の閾値以上となる領域の面積が一定面積(すなわち一定体積)より大きい場合に欠陥が存在すると判定する。

本実施形態に係る表面検査装置は、テラヘルツ波の検出器として熱的検出器を用いることにより、パルスレーザ光２ａを励起光と検出光とに分離する必要がない。結果、本実施形態に係る表面検査装置は、第１〜３実施形態に係る表面検査装置のように光路長変更用ステージ１４の走査を必要としないので、第１〜３実施形態と比べて簡易な構成かつ短時間で表面検査をすることが可能になる。

〔計測例〕
以下、上記説明した本発明の実施形態に係る表面検査装置および表面検査方法による、欠陥の計測例について説明する。

図１３は、本発明の第１実施形態に示した表面検査装置および表面検査方法を用いて計測した、冷延鋼板の表面に生成された径φ５ｍｍかつ凹凸量２μｍの凸欠陥および凹欠陥の計測結果の図である。図１３に示された測定例は、観察範囲５０ｍｍ×５０ｍｍ、検査範囲５０ｍｍ×５０ｍｍに対する上記の２種類の欠陥の最大値画像をテラヘルツ波７の強度分布としてとり、そのうち２５ｍｍ×２５ｍｍの範囲を表示したものである。

テラヘルツ波７は、冷延鋼板の表面で鏡面反射されている。冷延鋼板に凸欠陥が存在する場合は、テラヘルツ波７は欠陥の凸部の各所でその凸部の傾きに応じた方向に鏡面反射される。この凸部における反射方向は広がる方向に反射されるため、テラヘルツ波７の強度分布は周辺の健全部よりも強度が小さくなる。すなわち、画像で表示した場合に暗く表示される。

冷延鋼板に凹欠陥が存在する場合も同様に、テラヘルツ波７は欠陥の凹部の各所でその凹部の傾きに応じた方向に鏡面反射される。この凹部における反射方向は集まる方向に反射されるため、テラヘルツ波７の強度分布は周辺の健全部よりも強度が大きくなる。すなわち、画像で表示した場合に明るく表示される。以上のように、凹凸量２μｍの小さい欠陥が検出できた。

また、図１４は、図１３の最大値画像の破線部における凹凸を位相画像から（式３）により計算した凹凸プロファイルデータである。凹凸プロファイルデータから欠陥のより正確な形状、欠陥の有害度、発生原因などが推定可能となった。凹凸プロファイルデータのみでは、粗さの情報との識別が困難であり欠陥の誤検出が増える。テラヘルツ波７の強度分布により欠陥の有無を判定し、凹凸プロファイルデータから欠陥のより正確な形状などを判定している。

なお、この例でテラヘルツ波７の鋼板への入射角を４５度とし、反射角４５度の位置に検出器を配置した。これは、角度を寝かせると検出感度が上がる一方で輝度画像情報がゆがんで実際の形と異なるものになる問題があるため、９０度から６０度程度の値にとることが望ましい。なお、９０度に投光するためにはハーフミラーを活用して入射、検出の光軸を同軸にするとよい。

以上により、金属表面の粗面中にある凹凸が０．５μｍ〜１０μｍの微小凹凸欠陥を検出し、さらに欠陥の大きさを定量的に評価することが可能になることが実際に確認できた。すなわち、本発明の実施形態に係る表面検査装置および表面検査方法は、様々な形態の異常をその有害度合いに応じて的確に判別することができる。

１ レーザ光源
２ａ パルスレーザ光
２ｂ 励起光
２ｃ 検出光
３ ビームスプリッタ
４ａ〜ｄ ミラー
５ａ，５ｂ 光ファイバ
６ テラヘルツ波照射装置
７ テラヘルツ波
７ａ テラヘルツ照射波
７ｂ テラヘルツ反射波
８ 鋼板
９ａ，９ｂ ２軸ステージ
１０ 光伝導アンテナ
１１ プリアンプ
１２ ロックインアンプ
１３ 時間波形計測装置
１４ 光路長変更用ステージ
１５ テラヘルツ波マップ作成装置
１６ レーザ発生装置
１７ レンズ
１８ テラヘルツ波検出装置
１９ 欠陥判定装置
２０ テラヘルツ波発生装置
２１ 放物面鏡
２２ａ，２２ｂ テラヘルツ波用ミラー
２３ ハーフミラー
２４ａ，２４ｂ レンズ
２５ａ，２５ｂ 偏光板
２６ 電気光学結晶（ＥＯ結晶）
２７ λ／４波長板
２８ テラヘルツ波検出器
２９ テラヘルツ波検出装置
３０ 欠陥判定装置
３１ テラヘルツ波検出装置
３２ 連続プリズム型ビームスプリッタ
３３ テラヘルツ波検出用ボロメータ

Claims (18)

1. テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生手段と、
   前記テラヘルツ波発生手段から発生されたテラヘルツ波をコリメートして被検体に照射させるテラヘルツ波照射手段と、
   前記被検体の表面で反射されたテラヘルツ波の進行方向垂直平面上の強度分布を検出するテラヘルツ波検出手段と、
   前記テラヘルツ波の強度分布に基づいて前記被検体の表面の凹凸欠陥を検出する欠陥判定手段とを備えることを特徴とする表面検査装置。
2. 前記テラヘルツ波発生手段および前記テラヘルツ波検出手段には、短パルスレーザを発生する同一のレーザ光源から分離された励起光と検出光とがそれぞれ入射され、
   前記テラヘルツ波発生手段は、前記励起光が入射されたタイミングでテラヘルツ波を発生し、
   前記テラヘルツ波検出手段は、前記検出光が入射されたタイミングでテラヘルツ波を検出することを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
3. 前記レーザ光源から前記テラヘルツ波発生手段までの光路、又は、前記レーザ光源から前記テラヘルツ波検出手段までの光路に、前記励起光と前記検出光との光路長差を可変とする光路長可変手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の表面検査装置。
4. 前記欠陥判定手段は、前記被検体の表面に存在する欠陥で反射されたテラヘルツ波の集束または拡散によって生じるテラヘルツ波の強度分布に基づいて前記欠陥の凹凸形状を判定することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の表面検査装置。
5. 前記テラヘルツ波検出手段は、光伝導アンテナを前記進行方向垂直平面内で互いに平行でない２つ以上の方向に走査することにより強度分布を検出することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の表面検査装置。
6. 前記テラヘルツ波検出手段は、前記テラヘルツ波を吸収体に吸収した際の温度変化を前記テラヘルツ波の強度として検出する検出器を前記進行方向垂直平面内で互いに平行でない２つ以上の方向に走査することにより強度分布を検出することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の表面検査装置。
7. 前記テラヘルツ波を吸収体に吸収した際の温度変化を前記テラヘルツ波の強度として検出する検出器は、テラヘルツ波検出用ボロメータであることを請求項６に記載の表面検査装置。
8. 前記テラヘルツ波を吸収体に吸収した際の温度変化を前記テラヘルツ波の強度として検出する検出器は、ゴーレイセルであることを請求項６に記載の表面検査装置。
9. 前記テラヘルツ波発生手段は、光伝導アンテナに対して、被検体をその表面に平行な面内で互いに平行でない２つ以上の方向に走査することにより、テラヘルツ波を発生することを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の表面検査装置。
10. 前記テラヘルツ波発生手段は、半導体の表面発光に対して、前記被検体をその表面に平行な面内で互いに平行でない２つ以上の方向に走査することにより、テラヘルツ波を発生することを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の表面検査装置。
11. 前記欠陥判定手段は、
    前記被検体の走査範囲全体からのテラヘルツ波の反射強度を積算した強度分布と、
    正反射方向へのテラヘルツ波を基準とした、前記被検体からのテラヘルツ波の遅延時間と、に基づいて欠陥を判定することを特徴とする請求項９または１０に記載の表面検査装置。
12. 前記テラヘルツ波検出手段としてＥＯ結晶の複屈折率の変化をカメラで観察するテラヘルツ波検出装置を用いることを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
13. 前記テラヘルツ波検出手段としてアレイ状に並べた光伝導アンテナを用いることを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
14. 励起光と検出光として同期された２つのレーザ光源からのレーザ光を用いることを特徴とした請求項１に記載の表面検査装置。
15. テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生ステップと、
    前記テラヘルツ波発生ステップにて発生されたテラヘルツ波をコリメートして被検体に照射するテラヘルツ波照射ステップと、
    前記被検体の表面で反射されたテラヘルツ波の進行方向垂直平面上の強度分布を検出するテラヘルツ波検出ステップと、
    前記テラヘルツ波の強度分布に基づいて前記被検体の表面の凹凸欠陥を検出する欠陥判定ステップとを含むことを特徴とする表面検査方法。
16. 前記テラヘルツ波検出ステップは、光伝導アンテナを前記進行方向垂直平面内で互いに平行でない２つ以上の方向に走査するステップを含むことを特徴とする請求項１５に記載の表面検査方法。
17. 前記テラヘルツ波発生ステップは、前記被検体をその表面に平行な面内で互いに平行でない２つ以上の方向に走査するステップを含むことを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の表面検査方法。
18. 前記欠陥判定ステップは、
    前記被検体の走査範囲全体からのテラヘルツ波の反射強度を積算した強度分布と、
    正反射方向へのテラヘルツ波を基準とした、前記被検体からのテラヘルツ波の遅延時間と、に基づいて欠陥を判定することを特徴とする請求項１７に記載の表面検査方法。

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