JP2013178242A - X線検査装置、検査方法およびx線検出器 - Google Patents
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Abstract
【課題】高解像度の画像を取得するため、X線光量を増大する方法やスループットの向上する方法を提供する。
【解決手段】試料にX線を照射し、欠陥の径より大きい焦点サイズを持つX線源と、X線源により照射されて該試料を透過したX線をX線透過像として検出し、該試料の走査方向と平行な方向に長い画素を持ち該試料に近接して配置されたX線TDI検出器と、X線TDI検出器により検出されたX線透過像に基づき欠陥を検出する欠陥検出部と、を備え高解像度の画像を取得する。
【選択図】図1
【解決手段】試料にX線を照射し、欠陥の径より大きい焦点サイズを持つX線源と、X線源により照射されて該試料を透過したX線をX線透過像として検出し、該試料の走査方向と平行な方向に長い画素を持ち該試料に近接して配置されたX線TDI検出器と、X線TDI検出器により検出されたX線透過像に基づき欠陥を検出する欠陥検出部と、を備え高解像度の画像を取得する。
【選択図】図1
Description
本発明は、試料にX線を照射し、試料を透過したX線の強度分布に基づいて試料を検査するX線検査装置、検査方法およびX線検査装置に用いられるX線検出器に関する。
本技術分野の背景技術として、特開平9−72863号公報(特許文献1)がある。この公報には、「フロア面より数十センチ以上上方の高さレベルで被検査物が搬送されるX線透過自動検査装置において、フォーカスサイズの径が50μm以上のX線源と、該X線源が上部に配設されると共に、被検査物の搬入・搬出口よりも下側の内側位置に被検査物の画像を撮像する撮像面が配設されるシールドボックスと、該シールドボックス内の撮像場所にて、前記搬入・搬出口の高さレベルと撮像面の高さレベルとの間で昇降し、前記搬入口で受取った被検査物を支持して前記撮像面の上側の検査レベルまで下降し、かつ撮像済の被検査物を支持して搬出口の高さレベルまで上昇する被検査物の水平移送機能を持つ昇降台を設けたことを特徴とする簡易型高分解能X線透過自動検査装置。」(特許請求の範囲の請求項1)が開示されており、これにより「低コストで分解能の優れたプリント基板の撮像が得られ、かつX線源のメインテナンスや交換を容易ならしめるコンパクトな簡易型高分解能X線透過自動検査装置」の提供が可能となると記載されている。
リチウムイオン二次電池の電極材料に含まれる微小金属異物の検査では、50μm以下の微小な金属物体を高速に検査することが求められる。電極の製造工程では、シート状の電極材料がロール搬送により速度500mm/s以上の高速度で連続的に搬送されるため、インライン検査を行うには、速度500mm/s以上の試料走査速度で連続的に検査することが必要である。
試料にX線を照射し試料を透過したX線の強度分布に基づいて試料を検査するX線検査において、微小な物体を検査するには、解像度の高いX線透過像を得ること、および十分大きいX線光量によるX線透過像を得ることが必要である。ここで、X線光量とは、試料に照射するX線の強度と検出器の蓄積時間(露光時間)との積を指す。
前者が必要なのは、物体の大きさに対して解像度が低い場合には像がボケてしまい、物体の像のコントラストが低下するためである。
後者が必要なのは、X線光量が不足する場合には、物体の像のコントラストに対してショットノイズが相対的に大きくなり、画像のSN比が低下することで、物体を判別することが難しくなるためである。ここで、ショットノイズはフォトンショットノイズや量子ノイズとも呼ばれるものであり、画像のノイズの中でショットノイズ成分の占める割合が大きい場合、画像のSN比はX線光量を大きくすることでX線光量の平方根に比例して向上する。
高解像度のX線透過像を得るには、マイクロフォーカスX線管などの焦点サイズの小さいX線源を用い、X線源−試料間距離に対してX線源−カメラ間の距離を大きく遠ざけて拡大像を得る方法がある。しかし、焦点サイズの小さいX線源は高い出力が得られないため、X線光量の不足で画像のSN比が低下する。特に高速検査を行う場合は蓄積時間が短くなるため、この問題が顕著となる。
大きなX線光量を得るには、高出力のX線源を用いる、あるいはTDI(Time Delay Integration)型のX線カメラを用いて蓄積時間を稼ぐ方法がある。しかし、前者は焦点サイズの大きなX線源が必要となるため、高解像度の画像取得と両立しない課題がある。後者は、TDIカメラのラインレートを試料走査速度に同期させる必要があるが、市場で入手可能なX線TDIカメラのラインレートに上限があるため、非常に高速な試料走査速度には対応できない課題がある。例えば、上限ラインレートが約2kHzのX線TDIカメラで、50μmの画素寸法の場合、対応できる上限の試料搬送速度は100mm/sである。
前記特許文献1には、高分解能X線透過自動検査装置が記載されている。しかし、特許文献1の装置は、高解像度の画像を取得するための構成として「該シールドボックス内の撮像場所にて、前記搬入・搬出口の高さレベルと撮像面の高さレベルとの間で昇降し、前記搬入口で受取った被検査物を支持して前記撮像面の上側の検査レベルまで下降し、かつ撮像済の被検査物を支持して搬出口の高さレベルまで上昇する被検査物の水平移送機能を持つ昇降台」が記載されているが、X線光量を増大する必要性については記載されていない。また、高速搬送される試料の検査方法についても記載されていない。
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、
試料にX線を照射し、欠陥の径より大きい焦点サイズを持つX線源と、前記X線源により照射されて該試料を透過したX線をX線透過像として検出し、該試料の走査方向と平行な方向に長い画素を持ち該試料に近接して配置されたX線TDI検出器と、前記X線TDI検出器により検出されたX線透過像に基づき欠陥を検出する欠陥検出部と、を有することを特徴とする。
試料にX線を照射し、欠陥の径より大きい焦点サイズを持つX線源と、前記X線源により照射されて該試料を透過したX線をX線透過像として検出し、該試料の走査方向と平行な方向に長い画素を持ち該試料に近接して配置されたX線TDI検出器と、前記X線TDI検出器により検出されたX線透過像に基づき欠陥を検出する欠陥検出部と、を有することを特徴とする。
本発明によれば,解像度の高いX線透過像を、十分大きいX線光量にて得ることで、微小な欠陥を検出することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本実施例では、試料にX線を照射し、試料を透過したX線の強度分布に基づいて試料を検査するX線検査装置の例を説明する。
図1は本実施例のX線検査装置の構成図の例である。
X線検査装置100は、X線源1、線源遮蔽部2、線源スリット3、X線TDIカメラ4、直接光遮蔽部5、装置カバー6、欠陥判定部7、制御部8、表示部9を有する。
X線源1は試料Wに向けてX線を照射する。X線源1による試料上のX線照射領域の形状は線源スリット3によって制限される。線源遮蔽部2は試料上の照射領域以外に向かうX線を遮蔽する。線源遮蔽部2と線源スリット3により、検査に必要外のX線の漏れ量を低減され、X線検査装置100の安全性が向上する。
試料Wに照射されたX線は試料Wを透過しX線TDIカメラ4によってX線透過画像として検出される。検出器としてX線TDIカメラ4を用いることで、連続的に搬送される試料WのX線透過画像を絶え間なく取得することができる。また、通常のX線ラインカメラを使用する場合に比べて、TDIの段数分だけ多くの蓄積時間をとることができ、X線光量が増すことでSN比の高い画像が得られ、検査感度が向上する。
直接光遮蔽部5は、試料WおよびX線TDIカメラ4を透過したX線を遮蔽し、装置外にX線が漏洩することを防ぐためのものである。装置カバー6は線源遮蔽部2、線源スリット3、直接光遮蔽部5で遮蔽しきれないX線成分、および反射/散乱X線成分を遮蔽するとともに、X線が照射される空間を隔離し、人の手などがその空間に入ることを防ぐためのものである。線源遮蔽部2、線源スリット3、直接光遮蔽部5あるいは装置カバー6が所定の条件に設置されていない場合、インターロックが作動し、X線源1によるX線の照射が停止する。以上の構成により、装置オペレータ等のX線被曝が回避され、X線検査装置100の安全性が確保される。
図1にはX線源1を試料Wの上方に置き、X線TDIカメラ4を試料Wの下方に置く配置を示したが、X線検査装置100を設置する床面からの試料Wまでの距離が長く、試料Wの下方に十分なスペースが確保できる場合は、X線検査装置100の外形をコンパクトにするため、X線源1を試料Wの下方に設置し試料Wの上にX線TDIカメラ4を設置してもよい。また、欠陥判定部7、制御部8、あるいは表示部9は、装置カバー6の内部に設置してもよい。
欠陥判定部7は、X線TDIカメラ4で検出されたX線透過像に基づいて、試料に存在する欠陥を判別し、その存在の有無、存在する数、位置、あるいは大きさを出力する。ここで欠陥とは、リチウムイオン二次電池の電極材料においてリチウムイオン二次電池完成品の信頼性を低下させうる要因であり、例えばリチウムイオン二次電池の正極材料、負極材料、集電体、セパレータに含まれる微小金属異物、あるいは正極材料、負極材料、セパレータの空孔や塗工不良を含む。
リチウムイオン二次電池の正極材料に含まれる微小金属異物の検査では、X線TDIカメラ4の固定パターンノイズ、ランダムに発生するショットノイズ、およびシート状の正極の活物質の厚さムラ、密度ムラなどが背景ノイズとなる。検出した画像に対し、微小金属異物および背景ノイズの画像上の特徴に基いて、背景ノイズを減衰し、微小金属異物などに基づく欠陥信号を強調するフィルタ処理を行い、フィルタ後の画像に対し、その残存ノイズ成分を実質的に検出しないしきい値レベルを設定し、しきい値レベルを越える箇所を欠陥と判定することで、微小金属異物などの欠陥が検出される。金属異物が正極に付着している場合、あるいは正極材料より重い元素からなる金属異物が正極材料内部に埋まっている場合、X線透過像において背景より暗い欠陥信号として現れる。正極材料より軽い元素からなる金属異物が正極材料内部に埋まっている場合、あるいは正極材料の塗工漏れ、空孔がある場合は、X線透過像において背景より明るい欠陥信号として現れる。欠陥部の明度の空間的な広がりの中心(背景との明度差が最大となる位置、あるいは明度差の重心位置)を欠陥位置として計測する。さらに、欠陥部の背景との明度差および明度の空間的な広がりから欠陥の大きさを計測する。以上の欠陥判定結果を検査後に確認できるよう、欠陥部と周囲の背景を含む欠陥画像、欠陥位置の情報、および欠陥に付随する情報(欠陥の大きさ、種類)が、欠陥判定部7あるいは制御部8が内蔵するメモリに保存される。
リチウムイオン二次電池の正極材料に含まれる微小金属異物の検査では、X線TDIカメラ4の固定パターンノイズ、ランダムに発生するショットノイズ、およびシート状の正極の活物質の厚さムラ、密度ムラなどが背景ノイズとなる。検出した画像に対し、微小金属異物および背景ノイズの画像上の特徴に基いて、背景ノイズを減衰し、微小金属異物などに基づく欠陥信号を強調するフィルタ処理を行い、フィルタ後の画像に対し、その残存ノイズ成分を実質的に検出しないしきい値レベルを設定し、しきい値レベルを越える箇所を欠陥と判定することで、微小金属異物などの欠陥が検出される。金属異物が正極に付着している場合、あるいは正極材料より重い元素からなる金属異物が正極材料内部に埋まっている場合、X線透過像において背景より暗い欠陥信号として現れる。正極材料より軽い元素からなる金属異物が正極材料内部に埋まっている場合、あるいは正極材料の塗工漏れ、空孔がある場合は、X線透過像において背景より明るい欠陥信号として現れる。欠陥部の明度の空間的な広がりの中心(背景との明度差が最大となる位置、あるいは明度差の重心位置)を欠陥位置として計測する。さらに、欠陥部の背景との明度差および明度の空間的な広がりから欠陥の大きさを計測する。以上の欠陥判定結果を検査後に確認できるよう、欠陥部と周囲の背景を含む欠陥画像、欠陥位置の情報、および欠陥に付随する情報(欠陥の大きさ、種類)が、欠陥判定部7あるいは制御部8が内蔵するメモリに保存される。
制御部8は、入力部10から、あるいは前述の各構成部品からの信号を受け、X線源1、X線TDIカメラ4、欠陥判定部7のパラメータ設定、制御を行う。前述の各構成部品のパラメータ設定値、状態、検査条件、欠陥判定結果(欠陥個数、位置、欠陥寸法、欠陥画像)が表示部9に表示される。
入力部10では、ユーザなど外部からの各構成要件のパラメータ設定値や検査条件などの入力を受け、制御部8に送る。
搬送系11によって、検査対象の試料Wが搬送、走査される。搬送系11による試料走査の速度に合せて、X線TDIカメラ4のラインレートが設定され、走査速度に同期した撮像が行われる。搬送系11はX線TDIカメラ4のタイミング同期に必要な、搬送速度、あるいは搬送距離などの情報を制御部8に出力する。例えばX線検査装置100を、試料の製造工程などにおいて予め試料が実質的に一定速度にて搬送されている環境に設置して用いる場合は、X線検査装置100自体が搬送系11を有する必要はなく、試料の製造工程などに予め設置されている搬送系を兼用し、これに同期するようX線TDIカメラ4を設定して動作すればよい。この場合、必要に応じて、試料の製造工程などの搬送系の出力あるいは搬送されている試料をエンコーダによって計測して得られる位置計測値、あるいは速度計によって計測して得られる速度計測値を同期に用いる情報として制御部に入力して用いる。
搬送系11によって、検査対象の試料Wが搬送、走査される。搬送系11による試料走査の速度に合せて、X線TDIカメラ4のラインレートが設定され、走査速度に同期した撮像が行われる。搬送系11はX線TDIカメラ4のタイミング同期に必要な、搬送速度、あるいは搬送距離などの情報を制御部8に出力する。例えばX線検査装置100を、試料の製造工程などにおいて予め試料が実質的に一定速度にて搬送されている環境に設置して用いる場合は、X線検査装置100自体が搬送系11を有する必要はなく、試料の製造工程などに予め設置されている搬送系を兼用し、これに同期するようX線TDIカメラ4を設定して動作すればよい。この場合、必要に応じて、試料の製造工程などの搬送系の出力あるいは搬送されている試料をエンコーダによって計測して得られる位置計測値、あるいは速度計によって計測して得られる速度計測値を同期に用いる情報として制御部に入力して用いる。
図2は本実施例のX線源を説明する構成図である。
X線源1は複数のX線管を有する。図2、および後述の図6、および図7では、X線源1が二つのX線管101、102を有する例を図示したが、よりX線光量を増大するために三つ以上のX線管を用いてもよい。X線管101、102各々は、試料W上の互いに異なる領域を照射する。試料W上で照射領域が重なり合わないよう、線源スリット3が設置、調整される。X線管101および102が照射した試料W上の領域を透過したX線はX線TDIカメラ4の受光部103に入射し、検出される。X線管をN個並列して使用することで、一つのX線管が照射する領域の長さが1/N倍になり、X線管と試料間の距離が1/N倍になる。X線の照射強度はX線管からの距離の二乗に反比例するため、試料上の単位面積当りに与えられるX線強度がNの二乗倍に増加する。これにより、X線光量を増大することができる。
図7は本実施例の光源部、およびTDIカメラの配置を説明する図である。
試料Wの走査方向をX方向、それに垂直な方向をY方向とする。X線TDIカメラ4は、X方向がTDI蓄積方向、Y方向が長手方向になるよう、設置、調整される。X線源1が有する複数のX線管(101,102)はY方向に沿って並べられる。
図3は本実施例のX線源、検査対象物、およびTDIカメラの位置関係を説明する図である。
X線源に含まれるX線管の内部でX線の発生する領域は焦点と呼ばれる。図3の201がX線管の焦点領域を示す。焦点領域201は有限の大きさを持つ。ここでは焦点サイズdとし、焦点サイズdが欠陥の径よりも大きくなるように設定する。例えば、焦点サイズd=0.4mmのサブミリフォーカスX線管では連続出力が200W以上、d=1mmのミリフォーカスX線管では連続出力が1000W以上得られる。焦点領域201から発したX線は、試料面Wを透過し、受光部に微小物体203の像204を形成する。像204の位置の周囲に対する像204位置の透過X線強度の低下量を微小物体によるコントラストとする。このとき、像204の両脇に焦点サイズdに応じた像のボケ205が発生する。図3の右側の図に示すように、試料面Wを受光部103に接近させることで、微小物体の像に対するボケの大きさを小さくすることができる。微小物体の像の大きさに対して、ボケの大きさが大きいと、受光部103で検出される透過X線強度分布における微小物体のコントラストが低下するため、検出感度が低下する。
幾何学的な計算から、ボケ205の受光部上での大きさは、焦点サイズd、線源−試料距離aおよび試料−受光部距離bを用いて、bd/aと表される。試料上の像は受光部上で拡大率(a+b)/a倍で拡大されるので、試料上の寸法に換算したボケ205の大きさは、bd/(a+b)と求められる。
図4は本実施例の光源部、検査対象物、およびTDIカメラの位置関係と像のボケ量との関係を説明する図である。上記式に基づき、横軸に試料−受光部距離bと線源−受光部距離(a+b)との比を、縦軸に試料面上換算のボケ量をとり、焦点サイズごとのボケ量を示す。
50μm以下の物体を高感度に検査するには、ボケ量を50μm以下に抑えることが有効である。例えば、リチウムイオン二次電池の正極材料に含まれる微小金属異物の検査では、検査対象の正極材料の厚さが200μm程度である。この場合、試料−受光部距離bを1mm程度に近づけることができる。例えば、X線TDIカメラ4のY方向の長さが300mm、照射角が全角で30度のX線管を4個用いる場合、線源−試料間距離aは140mmとなる。このとき、試料上の寸法に換算したボケ205の大きさはd/140となり、焦点サイズが5mm程度と大きい高出力ミリフォーカスX線源を用いても、36μm程度と小さく抑えられる。
複数のX線管を並列する場合、X線管と試料間距離が短くなる分、試料上の寸法に換算したボケ205の大きさが大きくなる傾向があるが、特に上記のように検査対象試料が例えば1mm以下と薄い場合は、試料−受光部距離bを1mm程度に縮小でき、十分に高い解像度を確保することができる。
試料を搬送する搬送系11あるいは製造工程の搬送系の精度によっては、試料表面が例えば2mm程度上下動する場合がある。また、X線TDIカメラ4は受光部がカメラ筐体に格納されており、筐体表面から受光部までの距離が5〜10mm離れている場合がある。そのような場合、試料−受光部距離bを7〜12mmより長くして、試料とカメラ筐体の接触を回避するのが望ましい。例えば、焦点サイズ0.4mmのサブミリフォーカスX線管と、カメラ筐体表面から受光部までの距離が10mmのX線TDIカメラを用い、線源−試料距離aを200mm、試料−カメラ筐体表面距離を10mmと設定すると、試料−受光部距離bが20mm、試料上の寸法に換算したボケ205の大きさが40μmとなり、試料とカメラ筐体の接触を回避しつつボケを小さく抑えることができる。 図5は複数のTDIカメラを並列する構成例を説明する構成図である。
X線源1、線源遮蔽部2、線源スリット3、TDIカメラ4を有するX線光学系をY方向に複数並列することで、広い幅の試料を検査することができる。複数のTDIカメラ303、304が機械的に干渉しないようにX方向にずらしつつ、Y方向(試料の幅方向)に関して複数の受光部301、302の隙間ができないように並べることで、検査対象領域の抜けを無くすことができる。図5には二つを並列する例を図示したが、三つ以上を並列してもよい。
図6は複数のX線管による像の重複を説明する図である。
複数のX線管101,102によって試料面Wを隙間なくカバーすると、Y方向に関して、各々のX線管の照射領域の境界近くの一部の領域(領域404)の像が受光部上(領域405)で重複して検出される。重複領域405については、欠陥判定部7において、像の重複に対応した欠陥判定処理が行われる。
像が重複している領域に対応した画像処理の一例として、重複領域のみ欠陥判定しきい値を高くする方法がある。重複領域は、互いに相関のない二画像分の背景ノイズが重なるため、重複のない領域に対して、ノイズが√2倍になる。よって、重複領域のみ、欠陥判定しきい値を√2倍高く設定することで、重複領域のノイズ増加に起因する誤検出を回避しつつ、重複領域の欠陥を検出することができる。
境界でのX線入射角が垂直に近いほど、また試料−受光部距離が短いほど、像の重複領域が小さくなる。像の重複領域を小さくするには、例えば、照射角(X線管から出射するX線光束の広がり角)が小さい(例えば30度以下の)X線管を用いること、あるいは特に厚さの薄い試料の場合に試料−受光部距離を小さくする(例えばb<20mm)こと、あるいはX線管の並列数を増やして一つのX線管がカバーする照射領域を狭くすること、などが有効である。
図14は、X線のエネルギーと金属異物コントラスト対ノイズ比との関係を説明する図である。金属異物材料(Fe、Cu)および正極材料(LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4)各々のX線透過率のエネルギー依存性より、金属異物の有無による透過率差から金属異物のコントラストを、あるX線光量を仮定した場合の透過光量からフォトンショットノイズによるノイズを計算により求め、コントラスト対ノイズ比を算出した。金属異物の大きさは50μm角、正極材料の厚さは100μmとした。図14より、いずれの異物材料、正極材料も、10keV前後(5〜15keV)で最も高い異物コントラスト対ノイズ比が得られるため、このエネルギー領域のX線をX線管101,102より照射するのが、微小な異物を検出するために有効である。
X線管101、102は各々管電圧が調整可能であり、管電圧の調整によって照射するX線の線質(エネルギー分布)を調整することができる。一般に、X線管から発生するX線のエネルギー分布のピークあるいは平均エネルギーは、X線管に与える管電圧のおよそ1/3である。本例では管電圧を調整し30kV(15〜45kV)に設定することで、図14に示したコントラスト対ノイズ比が最大となるエネルギー領域のX線が試料に照射され、検査感度を高めることができる。最適な管電圧は試料の材料、厚さ、欠陥の材料、厚さなどに依存する。実際の検査に先立って、同種の試料、欠陥を検査し、管電圧を最適化しておくことが望ましい。予め、試料の材料、厚さ、欠陥の材料、厚さなどに対応する最適な管電圧の情報を準備し、検査条件に合致した管電圧を選択することで、高い検査感度を実現することができる。一般にリチウムイオン電池正極材料(厚さ200μm以下)など厚さが薄い試料の薄い欠陥(厚さ100μm以下)を検査する場合、管電圧は30kV前後(15〜50kV)が望ましい。
X線管101、102は各々管電圧が調整可能であり、管電圧の調整によって照射するX線の線質(エネルギー分布)を調整することができる。一般に、X線管から発生するX線のエネルギー分布のピークあるいは平均エネルギーは、X線管に与える管電圧のおよそ1/3である。本例では管電圧を調整し30kV(15〜45kV)に設定することで、図14に示したコントラスト対ノイズ比が最大となるエネルギー領域のX線が試料に照射され、検査感度を高めることができる。最適な管電圧は試料の材料、厚さ、欠陥の材料、厚さなどに依存する。実際の検査に先立って、同種の試料、欠陥を検査し、管電圧を最適化しておくことが望ましい。予め、試料の材料、厚さ、欠陥の材料、厚さなどに対応する最適な管電圧の情報を準備し、検査条件に合致した管電圧を選択することで、高い検査感度を実現することができる。一般にリチウムイオン電池正極材料(厚さ200μm以下)など厚さが薄い試料の薄い欠陥(厚さ100μm以下)を検査する場合、管電圧は30kV前後(15〜50kV)が望ましい。
図15は、X線TDIカメラ4の断面構造を説明する図である。X線TDIカメラ4は、シンチレータ512、ファイバプレート514、TDIカメラ502(受光画素を模式的に図示した)より構成される。シンチレータ512にてX線像が可視光像に変換され、ファイバプレート514にて可視光像が伝送され、可視光に対応したTDIカメラ502にて検出される。シンチレータ512の材料としては柱状構造CsIやGOSなどが用いられる。シンチレータ512では、X線が可視光に変換されファイバプレートに到達するまでに、像のボケが発生する。柱状構造CsIシンチレータは、微細な柱状の結晶構造を持ち、出力光の広がりによるボケが小さい特徴があるが、それでもある程度のボケが発生する。ここで発生するボケを低減するには、厚さが薄い高解像度型シンチレータをシンチレータ512として用いることが有効である。例えばシンチレータ512の厚さを150μmとすることで、寸法50μm程度の欠陥を検出するのに必要な空間分解能(10LP/mmの縞パターンのコントラストが33%程度)を得ることができることが知られている。
厚さの薄い高解像度型のシンチレータを用いる場合、一般に、シンチレータを透過するX線量が増えるため、出力光量(検出感度)が低下する、TDIカメラ502が被曝して劣化する、などの弊害が出る。本実施例では、前記の管電圧の調整で述べたように、薄い試料に合わせて、30kV前後(20〜50kV)の低い管電圧に設定する。この場合、シンチレータを薄くしても照射X線のほとんどがシンチレータで吸収されるため、上記の弊害は顕在化しない。例えば管電圧を50kVに設定した場合、発生するX線エネルギーはおよそ20keV程度である。このエネルギーでのCsIの質量減弱係数は50cm^2/gであることから、厚さ150μmのCsIシンチレータの透過率は3.4%と求められる。入射X線の96%以上はシンチレータにて吸収され、可視光に変換される。50kVより低い管電圧では、透過率はより低くなるため、前記弊害が更に軽減される。
図16は、X線TDIカメラの回路ゲイン設定を説明する図である。X線TDIカメラは、内部にX線像に対応するアナログ電気信号を出力するTDIセンサ素子と、その出力を増幅しA/D変換してデジタル信号を出力するカメラ回路を備える。高い検査感度を得るためには、先に述べたようにより多くの入射X線量を検出することが有効である。図16にてカメラゲイン高と表記したグラフは、カメラ回路の増幅ゲインが高く設定されているため、TDIセンサ素子が飽和する前にカメラ回路が飽和する状態に対応する。これに対し、カメラゲイン低と表記したグラフは、TDIセンサ素子が飽和してもカメラ回路が飽和しない状態に対応する。より多くの入射X線を検出するためには後者の低カメラゲイン設定にした上で、TDIセンサ素子の出力線形性が保たれる上限の入射X線量になるよう、X線管101,102の出力が設定するのが望ましい(最適X線管出力設定)。低カメラゲイン設定の状態にあることは、X線管出力を上げていった際に、TDIセンサ素子の飽和に対応した出力レベルでデジタル出力信号が一定となる(デジタル出力信号が飽和レベルまで到達しない)ことで確認できる。最適X線間出力設定を行った後、カメラ回路の増幅ゲインを再度調整し、出力信号がカメラ回路飽和レベルに達しない範囲で増幅ゲインを上げることで、カメラ回路のノイズによるSN比低下を抑制することができる。
図8は、扁平画素を有するX線TDIカメラを説明する図である。
X線TDIカメラ4は、TDI蓄積動作を正しく行うために、試料の走査速度と撮影周波数(ラインレート)を同期させる必要がある。同期しない場合、得られる像がX方向にボケて広がるために検査感度が低下する。同期させるためのラインレートfLは、X線TDIカメラの検査対象試料走査方向の画素サイズpx、試料走査速度vx、およびX線光学系の像拡大率Mを用いて、fL=M × vx / pxと表される。試料走査速度vxが大きい場合、TDIカメラのラインレートの上限の制約により、同期撮影が困難となる課題がある。
前述した試料Wを受光部に接近させる光学系は、像拡大率Mが低く(1に近く)保たれるため、同期に必要なラインレートを低く抑えることができ、試料走査速度vxが大きい高速検査を行うために有効である。
また、TDIの走査方向の画素サイズpxを大きくすることで、同期に必要なラインレートを低くすることができ、高速検査への対応が可能となる。画素サイズを大きくすることは、検出画像の解像度が下がるため感度低下につながるが、Y方向の画素サイズを小さく保ち、X方向の画素サイズのみを大きくすることで、解像度低下による感度低下を必要最小限に抑えつつ、高速検査を行うことが可能となる。
例えばラインレート2kHzのTDIカメラを用いる場合、px=400μm、py=50μm、M=1、の条件で、試料走査速度vx=800mm/sでの検査を行うことができる。また、ラインレート8kHzのTDIカメラを用いる場合、px=100μm、py=50μm、M=1、の条件で、試料走査速度vx=800mm/sでの検査を行うことができる。
通常の正方形画素のTDIカメラをX方向にのみビニング動作させることで、上記のX方向の画素サイズがY方向の画素サイズに比べて大きいTDIカメラとして使用することができる。画素サイズ50μmの正方形画素のTDIカメラを、X方向の8画素ごとにビニング動作させることで、px=400μm、py=50μmのTDIカメラとして動作する。X方向の2画素ごとにビニング動作させることで、px=100μm、py=50μmのTDIカメラとして動作する。
X方向をN画素ビニングすることで扁平画素を作る方法は、TDIカメラの飽和上限電荷量がビニングによって増加するため、X線光量が非常に大きい条件でも信号の飽和が起きにくい利点がある。
図9は、扁平画素を有するX線TDIカメラの別の実施例を説明する図である。
X線TDIカメラは、シンチレータをファイバプレートで可視光用のTDIカメラと結合した構成である。通常、ファイバプレートは、シンチレータで光に変換された像を、像の変形等を行うこと無く等倍で可視光用のTDIカメラに転送する役割を持つ。図9に示すような、Y方向に対して、X方向を1/Nに縮小するような、あるいはX方向に対してY方向をN倍に拡大するような、非対称ファイバープレート501を用いて、シンチレータと正方形画素のTDIカメラを結合することで、X方向に長い扁平画素を有するX線TDIカメラが構成される。非対称ファイバプレート501として、テーパ光ファイバが用いられる。
また、非対称ファイバプレートは可視光像を縦横が異なる倍率で変形して転送するもので代用することが可能である。例えば、シリンドリカルレンズ、非球面レンズ、球面レンズ等の組合せを有する、X方向とY方向の光学倍率が異なる結像光学系により、シンチレータの出力面を可視光用TDIカメラの受光部502に結像してもよい。
X方向をN画素ビニングすることで扁平画素を作る方法では、ビニングによりTDI蓄積段数が1/Nに低減するのに対し、非対称ファイバプレートを用いて扁平画素を作る方法は、元のTDIカメラのTDI蓄積段数が維持されるため、同じX線照射条件でもより多くのX線光量を稼ぐことができる利点がある。
図10は、高解像度のX線TDIカメラの構成を説明する図である。
X線TDIカメラは、シンチレータでX線を可視光に変換して検出するが、その変換の過程で光が拡散してボケが発生するため、解像度の上限が50μm程度に制限される課題がある。シンチレータ512の上下にシンチレータの解像度の上限よりも解像度の高い開口マスク511、513を配置し、その透過光をファイバプレート514で受光部に導くことで、変換過程での光の拡散によるボケが抑えられ、50μm以下の高い解像度が得られる。開口マスク511の各開口部を通過したX線光束によりシンチレータ512で出力された光束の中心部が開口マスク513の対応する各開口部を通過するよう、開口マスク511と開口マスク513の相対位置が調整される。なお、前記のX線TDIカメラ4の受光部103はシンチレータ512の入力面(、開口マスクを用いる場合は、開口マスク511の面と実質的に同じ)に対応する。
図11は、X線TDIカメラのシンチレータの解像度を向上する開口マスクを説明する図である。
透過領域を白で、遮光領域を黒で表示した。開口マスク511はX線を遮光する材質で、開口マスク513の遮光領域はシンチレータで出力される光を遮光する材質で形成される。個々の透過領域を狭くするほど高い解像度が得られるが、狭くし過ぎると開口率(透過領域の面積率)が低下し、得られるX線光量が低下する。図11に示した例はφ25μmの透過領域をX、Y方向に50μmピッチで配置したもので、解像度25μm、開口率39%が得られる。本開口マスクは通常のCCDカメラあるいはラインスキャンカメラと共に用いると、遮光領域の画像が得られない問題があるが、TDIカメラと組み合わせることで、試料の走査によって試料上の任意の領域が遮光領域と透過領域を交互に通過するため、試料全面の画像を高解像度で取得することができる。
図12は、本発明に係るX線検査方法を説明するためのフロー図である。
図1の入力部10や他の各構成部品から受信した検査条件等に関する信号を制御部8が受けて(step1201)、制御部8により搬送系11やX線TDIカメラ4、X線源1などの条件設定を行う(step1202)。その後、X線源1によりstep1202で設定した条件にて試料にX線を照射する(step1203)。Step1203にて照射されたX線が試料を透過し、X線透過像をX線TDIカメラ4により検出する(step1204)。欠陥判定部7がstep1204で検出したX線透過像を処理して試料に存在する欠陥を検出する(step1205)。step1205による欠陥の検出結果を表示部9に表示する(step1206)。
図13は本発明に係るX線TDIカメラの受光センサの配置を説明する図である。
図1の入力部10や他の各構成部品から受信した検査条件等に関する信号を制御部8が受けて(step1201)、制御部8により搬送系11やX線TDIカメラ4、X線源1などの条件設定を行う(step1202)。その後、X線源1によりstep1202で設定した条件にて試料にX線を照射する(step1203)。Step1203にて照射されたX線が試料を透過し、X線透過像をX線TDIカメラ4により検出する(step1204)。欠陥判定部7がstep1204で検出したX線透過像を処理して試料に存在する欠陥を検出する(step1205)。step1205による欠陥の検出結果を表示部9に表示する(step1206)。
図13は本発明に係るX線TDIカメラの受光センサの配置を説明する図である。
X線TDIカメラ4として、X方向に位置がずれた複数の受光センサ413、414によってY方向に長い受光領域が形成されるものを用い、受光センサ毎に対応するX線管を備えたものを用い、複数のX線管による複数の試料像411,412の位置をX方向にずらして互いに重ならないようにすることで、図6にて説明した像の重なりを回避することができる。
図17は本発明に係るX線TDIカメラの別の実施例を説明する図である。本実施例のX線TDIカメラは、シンチレータ601、光路偏向素子602、レンズ系603、TDIカメラ604を有する。シンチレータ601は試料のX線透過像検出位置(すなわち前記X線TDIカメラ4の受光部設置位置)に設置される。シンチレータ601にてX線像から変換された可視光像の光束は、光路偏向素子602にて反射して向きを変え、レンズ系603によってTDIカメラ604の受光面上に結像して画像として検出される。本構成により、TDIカメラ604へのX線の照射を回避できるため、TDIカメラ604の劣化を避けることができる。また、可視光用TDIカメラはX線TDIカメラより多画素、高速な市販品があるため、可視光用TDIカメラをTDIカメラ604として用いることで、前記実施例にてX線TDIカメラを用いた場合より高速、高感度検査が実現できる。
シンチレータ601は、微小欠陥を高感度に検出するため、厚さの薄い高解像度型のシンチレータが用いられる。光路偏向素子602は、ミラーまたはプリズムなどの光反射素子からなる。結像による像の劣化を防ぐため、一点に結像する光束の断面積当りの面精度がλ/10以下であることが望ましい。レンズ系603は、シンチレータ601の出力面をTDIカメラ604の受光面に結像する。TDIカメラ604は、水平画素数4000画素以上、垂直画素数(TDI積算段数)128段以上、ラインレート12kHz以上、画素ピッチ14μm以下、シンチレータの出力光波長(CsIシンチレータの場合は550nm)に対応する感度波長域、ダイナミックレンジ800(58dB)以上のものを使用する。
TDIカメラ604におけるTDI積算ボケの発生を抑えるため、レンズ系603は、視野端における歪曲収差が1/(2×TDI積算段数)以下であることが望ましい。例えばTDI積算段数が128段の場合は歪曲収差0.39%以下のものを用いる。レンズ系603の光学倍率Mは、エリアシング、およびサンプリング位相に依存した欠陥信号ばらつきを低減するため、シンチレータ601およびX線管焦点サイズに起因するボケの径をd、TDIカメラ604の画素ピッチをpとした場合、dM<2pとするのが望ましい。ただし、光学倍率が小さすぎると単位時間当たりの検査面積が小さくなるため、2p<dM<4pが望ましい。d=60μm、p=7μmの場合、光学倍率は0.23倍以上0.47倍以下が適当である。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
1…X線源
2…線源遮蔽部
3…線源スリット
4…X線TDIカメラ
5…直接光遮蔽部
6…装置カバー
7…欠陥判定部
8…制御部
9…表示部
2…線源遮蔽部
3…線源スリット
4…X線TDIカメラ
5…直接光遮蔽部
6…装置カバー
7…欠陥判定部
8…制御部
9…表示部
Claims (18)
- 試料にX線を照射し、欠陥の径より大きい焦点サイズを持つX線源と、
前記X線源により照射されて該試料を透過したX線をX線透過像として検出し、該試料の走査方向と平行な方向に長い画素を持ち該試料に近接して配置されたX線TDI検出器と、
前記X線TDI検出器により検出されたX線透過像に基づき欠陥を検出する欠陥検出部と、を備えるX線検査装置。 - 請求項1記載のX線検査装置であって、
さらに、前記X線源から照射されたX線の該試料の表面における照射領域を制限する線源スリットを備えることを特徴とするX線検査装置。 - 請求項1または2に記載のX線検査装置であって、
前記X線TDI検出器は、該試料に対して前記X線源と反対側に配置されていることを特徴とするX線検査装置。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載のX線検査装置であって、
前記X線源は複数のX線管を備えており、前記複数のX線管から照射されるX線は、該試料の表面の互いに異なる領域を照射することを特徴とするX線検査装置。 - 請求項2記載のX線検査装置であって、
前記X線源は複数のX線管を備えており、
前記線源スリットは、前記複数のX線管が該試料の表面の互いに異なる領域を照射するように配置されていることを特徴とするX線検査装置。 - 請求項1乃至5のいずれかに記載のX線検査装置であって、
前記X線TDI検出器は、該試料の走査方向に直交する方向に並列に複数配置されていることを特徴とするX線検査装置。 - 請求項6記載のX線検査装置であって、
前記複数配置された前記X線TDI検出器の受光部は間に隙間がないように配置されていることを特徴とするX線検査装置。 - 請求項1乃至7のいずれかに記載のX線検査装置であって、
前記欠陥検出部により検出された欠陥を表示する表示部を備えることを特徴とするX線検査装置。 - 請求項1乃至8のいずれかに記載のX線検査装置であって、
前記X線源の管電圧が20kV以上50kV以下に設定され、
前記X線TDI検出器が高解像度型シンチレータを備えることを特徴とするX線検査装置。 - 欠陥の径より大きい焦点サイズを持つX線源から該試料にX線を照射するX線照射工程と、
前記X線照射工程により照射されて該試料を透過したX線を、該試料の走査方向と平行な方向に長い画素を持ち該試料に近接して配置されたX線TDI検出器によりX線透過像として検出するX線透過像検出工程と、
前記X線透過像検出工程により検出されたX線透過像に基づき欠陥を検出する欠陥検出工程と、を備えるX線検査方法。 - 請求項10記載のX線検査方法であって、
さらに、前記X線源から照射されたX線の該試料の表面における照射領域を制限する制限工程を備えることを特徴とするX線検査方法。 - 請求項10または11に記載のX線検査方法であって、
前記X線TDI検出器は、該試料に対して前記X線源と反対側に配置されていることを特徴とするX線検査方法。 - 請求項10乃至12のいずれかに記載のX線検査方法であって、
前記X線源は複数のX線管を備えており、
前記X線照射工程では、該試料の表面の互いに異なる領域を照射することを特徴とするX線検査方法。 - 請求項11記載のX線検査方法であって、
前記X線源は複数のX線管を備えており、
前記制限工程では、前記複数のX線管が該試料の表面の互いに異なる領域を照射するように制限することを特徴とするX線検査方法。 - 請求項10乃至14のいずれかに記載のX線検査方法であって、
前記X線TDI検出器は、該試料の走査方向に直交する方向に並列に複数配置されていることを特徴とするX線検査方法。 - 請求項15記載のX線検査方法であって、
前記複数配置された前記X線TDI検出器の受光部は間に隙間がないように配置されていることを特徴とするX線検査方法。 - 請求項10乃至16のいずれかに記載のX線検査方法であって、
前記欠陥検出工程により検出された欠陥を表示する表示工程を備えることを特徴とするX線検査方法。 - X線源により照射されて試料を透過したX線をX線透過像として検出し、該試料の走査方向と平行な方向に長い画素を持つX線検出器。
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