JPH06100511B2 - 走査型応力測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザー光を光源とするラマン分光法を応用し
た応力測定方法に係り、特に被測定試料に応力分布が存
在する場合の測定に好適な走査型応力測定方法に関す
る。

〔従来の技術〕

被測定試料に強い単色可視光線を照射すると、その試料
の分子振動に起因して入射光が振動数変化し、入射光と
振動数が異なるラマン散乱光が発生する。その振動数変
化に対するラマン散乱光強度を測定したものをラマンス
ペクトルといい、このラマンスペクトルがピークを示す
振動数位置から定性分析ができ、また、散乱光強度から
定量分析ができる。応力が負荷されるとラマンスペクト
ルのピークを示す振動数位置がシフトし、このシフト量
を検出することにより応力の定量的評価ができる。

現在のレーザーラマン分光法は、例えば特開昭55-11254
9号に開示する如く、固体試料ならば試料台に載せ、液
体試料ならばセルに入れて、試料室にてレーザー光を試
料に照射して発生するラマン散乱光を分光計に導入して
各振動数におけるラマン散乱光強度を測定して行つてい
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記レーザーラマン分光方法において、試料の測定箇所
のX-Y方向の位置決めは、試料自体を動かし、かつ、手
動で行つたので、動かすと試料が破損する恐れのある場
合や試料を試料室に入れることのできない場合などのよ
うに試料室にて試料自体を動かすことができない場合は
測定が不可能であつた。また、試料室にて試料自体を動
かすことができる場合であつても、手動のため、X-Y方
向の位置決めを精度良く行うことが困難であつた。さら
に、Ｚ方向の位置決めは行つていないので、試料表面に
凹凸がある場合、光フアイバーを試料表面から一定の距
離に保持することが困難であつた。このため、得られる
応力分布の精度が低下する欠点があつた。

本発明の目的は、試料表面及び深さ方向の応力の分布を
自動的に測定する走査型応力測定方法を提供することに
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、レーザーを被測定試料まで第１の光フアイ
バーで導き試料に照射して該試料から発生したラマン散
乱光を第２の光フアイバーでラマン分光計へ導き応力を
測定する方法において、第１及び第２の光ファイバーと
試料との間隔を一定に保ちつつ第１の光ファイバー、第
２の光ファイバー若しくは試料を水平走査または水平及
び垂直走査しながら応力の求めを行うことにより達成
し、また、ラマン分光計によりラマンスペクトルを求
め、次いでコンピュータによりラマンスペクトルがピー
クを示す振動数（或いは波長でも同じ）位置のシフト量
から試料の応力を求め、走査に応じて応力を求めること
により、最終的に応力分布を求めることにより達成され
る。

また上記目的は、レーザー光源と、該レーザー光源から
出たレーザー光を被測定試料まで導く光フアイバーと、
該試料から発生したラマン分光計へ導く光フアイバーと
からなる装置において、光フアイバーを支持するメカニ
カルステージと、試料を載置する台と、前記メカニカル
ステージもしくは試料を載置する台を水平走査又は水平
及び垂直走査する手段と、光フアイバーと試料との間隔
を検出するセンサと、走査制御・データ処理用コンピユ
ータと、画像処理装置とを設けたことにより、達成され
る。

〔作用〕

上記のように、光フアイバーもしくは試料を水平走査
し、又は試料と光フアイバーとの間隔を一定に保ちなが
ら光フアイバーもしくは試料を水平及び垂直走査し、ラ
マン散乱光をラマン分光計へ導くことにより、従来不可
能であつた応力の分布が存在する試料に関してもその応
力の分布を把握できる。

応力が負荷されるとラマンスペクトルのピークを示す振
動数位置がシフトし、このシフト量を検出することによ
り応力を定量的に評価することが可能となり、よって応
力分布を正確に把握することが可能となる。更に光ファ
イバーと試料との距離を一定にすることにより、スペク
トル強度のピーク値を示す振動数（横軸）の位置の変化
を距離変動の影響なく把握することが可能となる。因み
に振動数（波長）のシフト量が応力分布を表し、かつそ
のシフト量が光ファイバーと試料との間隔（距離）に影
響されることは本発明者が見出したものである。

また上記のように、光フアイバーを支持するメカニカル
ステージと、試料を載置する台と、前記メカニカルステ
ージもしくは試料を載置する台を水平走査又は水平及び
垂直走査する手段と、光フアイバーと試料との間隔を検
出するセンサと、走査制御・データ処理用コンピユータ
と、画像処理装置とを設けたことにより、各走査点の位
置と応力を精度良く把握することができるので、高精度
の測定を行うことができる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図に示す実施例は、本発明の基本的態様であり、ア
ルゴンイオンレーザー等のレーザー光源１から発振され
たレーザー光はレーザー光用光フアイバー２を通りレー
ザー集光レンズ３により試料４の測定部に集光する。そ
してこのレーザー光用光フアイバー２及びラマン光用光
フアイバー５をX-Y軸ステージ６に取り付け、２個のス
テツピングモータ（DCモータでもよい。図示せず）で駆
動するX-Y機構に設置した。ステツピングモータをプロ
グラム制御し、X-Y方向に自動的に走査させ、各走査点
でレーザー光７を照射することにより、試料４からラマ
ン散乱光８を発生させる。発生したラマン散乱光８はラ
マン集光レンズ９により集光し、ラマン光用光フアイバ
ー５を経て公知のラマン分光計10において分光してラマ
ンスペクトルを測定し、コンピユータ11によりラマンス
ペクトルがピークを示す振動数位置のシフト量から試料
４の応力分布を求め、画像処理装置11aによりその応力
分布を画像処理したものである。

ラマン分光計10により得られたラマンスペクトルをコン
ピユータ11により処理を行い応力分布の勾配を求め、そ
の大きさにより順次走査ステツプ幅及びデータサンプリ
ング間隔をコンピユータ11により決定し、２個のステツ
ピングモータ（図示せず）を駆動することも可能であ
る。応力分布の勾配が大きくなるときには、走査ステツ
プ幅及びデータサンプリング間隔を小さくして行き、反
対に勾配が小さくなるときには、それらが大きくなるよ
うにする。そして、各走査点でラマン分光計10によりラ
マンスペクトルを測定し、コンピユータ11によりラマン
スペクトルがピークを示す振動数位置のシフト量から試
料４の応力分布を求め、画像処理装置11aによりその応
力分布を画像処理するものである。

第２図に示す実施例は、他の発明の基本的態様で、レー
ザー光用光フアイバー２及びラマン光用光フアイバー５
をＺ方向位置決めセンサ12と共にX-Y-Z軸ステージ6aに
取り付け、２個のステツピングモータ（図示せず）及び
１個のモータ（図示せず）で駆動するX-Y-Z機構に設置
する。ステツピングモータをプログラム制御し、X-Y方
向に自動的に走査させ、これと同時に、Ｚ方向位置決め
センサ12及びこの信号によるモータ駆動により光フアイ
バー２及び５のＺ方向の位置を試料４表面から一定の距
離に保ち、各走査点でレーザー光７を照射する。試料４
から発生したラマン散乱光８はラマン集光レンズ９によ
り集光し、ラマン光用光フアイバー５を経てラマン分光
計10において分光してラマンスペクトルを測定し、コン
ピユータ11によりラマンスペクトルがピークを示す振動
数位置のシフト量から試料４の応力分布を求め、画像処
理装置11aによりその応力分布を画像処理するものであ
る。

ラマン分光計10において測定したラマンスペクトルから
得られた試料４の応力をコンピユータ11により処理を行
い応力分布の勾配を求め、その大きさにより順次走査ス
テツプ幅及びデータサンプリング間隔をコンピユータ11
により決定し、２個のステツピングモータ（図示せず）
を駆動することも可能である。応力分布の勾配が大きく
なるのにつれて、走査ステツプ幅及びデータサンプリン
グ間隔を小さくして行き、反対に応力分布の勾配が小さ
くなるときには、それらが大きくなるようにする。そし
て、各走査点でラマンスペクトルを測定し、コンピユー
タ11によりラマンスペクトルがピークを示す振動数位置
のシフト量から試料４の応力分布を求め、画像処理装置
11aによりその応力分布を画像処理するものである。

第３図は、ステージ6bは移動せず、試料４を載置する台
13を移動する実施例で、かかる構造のものはレーザー光
源1,ステージ6b,ラマン分光計10,走査制御・データ処理
用コンピユータ11及び画像処理装置11aが一体にできる
という効果がある。

第４図は、反射したレーザー光14をＺ方向位置決めセン
サ12で受光し、フアイバー２及び５と試料４表面とを一
定距離に保つ実施例で、かかる構造のものはセンサ発光
部が不要となり構造が簡単になるという効果がある。

第５図は、位置決めセンサ12にレーザーを用いた実施例
である。

同図において、位置決めセンサ12より被測定試料４表面
に照射されたレーザー光15は、被測定試料４表面までの
距離が大きいと輝点16となる。レーザー光15からの乱反
射光は、レンズ17で集光されてイメージセンサ18上の結
像点18aに結像する。被測定試料４表面までの距離が小
さくなり、試料が位置4aになると、輝点16aに移る。そ
れに伴なつてイメージセンサ18上の結像点18aは結像点1
8bへ移る。イメージセンサ18は、多数の受光素子を直線
上に並べたもので、結像点の位置を読むと位置決めセン
サ12と被測定試料４表面との距離がわかる。従つて、あ
らかじめ位置決めセンサ12と光フアイバー２及び５先端
とのＺ方向の距離を明確にしておけば、光フアイバー２
及び５先端と被測定試料４表面との距離がわかる。かく
して、位置決めセンサ12からの信号をコンピユータ11で
処理し、モータ（図示せず）を駆動させることにより、
光フアイバー２及び５のＺ方向の位置を被測定試料４表
面から一定の距離に保つことができる。そして、各走査
点でラマンスペクトルを測定し、コンピユータ11により
処理を行い応力分布を求め、画像処理装置11aにより画
像処理するものである。

第６図に示す実施例は、位置決めセンサ12として、レー
ザーを用いた光学的非接触方式センサの例である。同図
において、位置決めセンサ12のレーザー光源19から出射
したレーザー光20は、レンズ21及び22、ハーフミラー23
及び対物レンズ24を通つて被測定試料４表面上に直径１
μｍ以下に集光される。また、反射光は対物レンズ24、
ハーフミラー23及びレンズ25を通つて受光素子26に入射
する。受光素子26への入射ビーム径は、被測定試料４表
面上の輝点27の大きさにより変化し、またこの輝点27の
大きさは、対物レンズ24と被測定試料４表面との距離Ｌ
に依存する。例えば、距離Ｌが対物レンズ24の焦点距離
に等しいときは、輝点27の大きさは最小となり、受光素
子26への入射ビーム径も最小となる。距離Ｌが対物レン
ズ24の焦点距離より小さいとき又は大きいときには、輝
点27a及び入射ビーム径は増大する。このような受光素
子26への入射ビーム径と距離Ｌとの関係を求めておけ
ば、入射ビーム径を測定することにより距離Ｌを求める
ことができる。従つて、あらかじめ位置決めセンサ12と
光フアイバー２及び５先端とのＺ方向の距離を明確にし
ておけば、光フアイバー２及び５先端と被測定試料４表
面との距離がわかる。かくして、位置決めセンサ12から
の信号をコンピユータ11で処理し、モータ（図示せず）
を駆動させることにより、光フアイバー２及び５のＺ方
向の位置を被測定試料４表面から一定の距離に保つこと
ができる。そして、各走査点でラマンスペクトルを測定
し、コンピユータ11により処理を行い応力分布を求め、
画像処理装置11aにより画像処理するものである。

第７図に示す実施例は、位置決めセンサ12として、投光
・受光素子を用いた非接触方式センサを使用した場合の
例である。同図において、位置決めセンサ12の投光素子
28に電圧をかけて被測定試料４表面に光を投光する。被
測定試料４表面からの反射光29を受光素子30により受光
するようにすると、位置決めセンサ12と被測定試料４表
面との距離Ｌは、受光量を測定することにより求めるこ
とができる。

第８図は距離Ｌと受光量との関係を示したもので、同図
において、（ア）及び（ウ）の領域を使用すれば距離Ｌ
と受光量は直線関係で求めることができる。従つて、あ
らかじめ位置決めセンサ12と光フアイバー２及び５先端
とのＺ方向の距離を明確にしておけば、光フアイバー２
及び５先端と被測定試料４表面との距離がわかる。かく
して、位置決めセンサ12からの信号をコンピユータ11で
処理し、モータ（図示せず）を駆動させることにより、
光フアイバー２及び５のＺ方向の位置を被測定試料４表
面から一定の距離に保つことができる。そして、各走査
点でラマンスペクトルを測定し、コンピユータ11により
処理を行い応力分布を求め、画像処理装置11aにより画
像処理するものである。

第９図に示す実施例は、位置決めセンサ12として、半導
体レーザーを用いた非接触方式センサを使用した場合の
例である。このセンサは、半導体レーザーへの戻り光の
位相変化により出力光を強度変調する光帰還効果を利用
したものである。同図において、位置決めセンサ12の半
導体レーザー31の出射光32が被測定試料４表面で反射し
て再び半導体レーザー31に戻ると、戻り光33の位相によ
りレーザーの出力が変化する。この強度変調された出射
光34を光電変換素子35に入射させて光出力を測定する。

第10図は、位置決めセンサ12と被測定試料４表面との距
離Ｌと出力光パワーとの関係を示したもので、同図にお
いて、（カ）及び（ク）の領域を使用すれば距離Ｌと光
出力は直線関係で求めることができる。なお、第９図に
おいて、光電変換素子35からの出力をリニアライザー
（図示せず）を用いて線形化した後、その信号をコンピ
ユータ11に送るようにすると、第10図に示すものより広
範囲な領域で距離Ｌと光出力は直線関係で求めることが
できる。従つて、あらかじめ位置決めセンサ12と光フア
イバー２及び５先端とのＺ方向の距離を明確にしておけ
ば、光フアイバー２及び５先端と被測定試料４表面との
距離がわかる。かくして、位置決めセンサ12からの信号
をコンピユータ11で処理し、モータ（図示せず）を駆動
させることにより、光フアイバー２及び５のＺ方向の位
置を被測定試料４表面から一定の距離に保つことができ
る。そして各走査点でラマンスペクトルを測定し、コン
ピユータ11により処理を行い応力分布を求め、画像処理
装置11aにより画像処理するものである。

第11図に示す実施例は、位置決めセンサ12として、超音
波を用いた非接触方式センサを使用した場合の例であ
る。同図において、位置決めセンサ12の超音波発振器36
で発生させたパルス状の電気エネルギを超音波送波器37
に加え、これが電歪効果により超音波エネルギに変換さ
れて鉛直方向に発射される。この超音波パルス38は、空
気中を鉛直方向に伝搬して被測定試料４表面に当ると反
射されて返つて来る。これを受波器39で受け再び電気エ
ネルギに変換されて受信器40で増幅され出力される。空
気中での音速を調べておけば、このときの超音波の往復
に要する時間から位置決めセンサ12と被測定試料４表面
との距離Ｌがわかる。従つて、あらかじめ位置決めセン
サ12と光フアイバー２及び５先端とのＺ方向の距離を明
確にしておけば、光フアイバー２及び５先端と被測定試
料４表面との距離がわかる。かくして、位置決めセンサ
12からの信号をコンピユータ11で処理し、モータ（図示
せず）を駆動させることにより、光フアイバー２及び５
のＺ方向の位置を被測定試料４表面から一定の距離に保
つことができる。そして、各走査点でラマンスペクトル
を測定し、コンピユータ11により処理を行い応力分布を
求め、画像処理装置11aにより画像処理するものであ
る。

第12図に示す実施例は、位置決めセンサ12として、静電
容量型非接触方式センサを使用した場合の例である。同
図において、位置決めセンサ12の先端の測定電極41と被
測定試料４表面との間に電位を与えると電荷が蓄積さ
れ、静電容量Ｃは次式で表わされる。

Ｃ＝（ε_ｏ・ε_ｓ・Ｓ）/L …（１） ここで、ε_ｏ：真空の誘電率，ε_ｓ：誘電体の比誘電
率,S:測定電極41の面積,L:測定電極41と被測定試料４表
面との距離。

比誘電率ε_ｓ及び面積Ｓが一定であれば、第（１）式か
ら、静電容量Ｃは距離Ｌによつて決まる。即ち、位置決
めセンサ12と被測定試料４表面との距離Ｌは、静電容量
Ｃを測定することにより求められる。なお、本実施例で
は、同図のように測定電極41と被測定試料４表面との間
の電気力線42が均一になるようにガードリング（電極の
一種）を測定電極37の周囲に設け、該測定電極41と同電
位を与える。このガードリング43を用いることにより第
（１）式が正確に成り立つようにする。以上のことか
ら、あらかじめ位置決めセンサ12と光フアイバー２及び
５先端とのＺ方向の距離を明確にしておけば、光フアイ
バー２及び５先端と被測定試料４表面との距離がわか
る。かくして、位置決めセンサ12からの信号をコンピユ
ータ11で処理し、モータ（図示せず）を駆動させること
により、光フアイバー２及び５のＺ方向の位置を被測定
試料４表面から一定の距離に保つことができる。そし
て、各走査点でラマンスペクトルを測定し、コンピユー
タ11により処理を行い応力分布を求め、画像処理装置11
aにより画像処理するものである。

第13図に示す実施例は、位置決めセンサ12として、うず
電流を用いた非接触方式センサを使用した場合の例であ
る。同図において、位置決めセンサ12のアクテイブコイ
ル44に高周波（約1MHz）電流を流して磁界45を発生させ
る。この状態で位置決めセンサ12を被測定試料４表面に
近づけると、被測定試料４表面に同心円状にうず電流が
流れアクテイブコイル44のインピーダンスが変化する。
ここで位置決めセンサ12と被測定試料４表面との距離が
小さくなれば、これに比例してコイルインピーダンスは
小さくなるので、ホイートストンブリツジを構成してコ
イルのインピーダンスを測定すれば位置決めセンサ12と
被測定試料４表面との距離がわかる。従つて、あらかじ
め位置決めセンサ12と光フアイバー２及び５先端とのＺ
方向の距離を明確にしておけば、光フアイバー２及び５
先端と被測定試料４表面との距離がわかる。かくして、
位置決めセンサ12からの信号をコンピユータ11で処理
し、モータ（図示せず）を駆動させることにより、光フ
アイバー２及び５のＺ方向の位置を被測定試料４表面か
ら一定の距離に保つことができる。そして、各走査点で
ラマンスペクトルを測定し、コンピユータ11により処理
を行い応力分布を求め、画像処理装置11aにより画像処
理するものである。なお、同図において、46はインアク
テイブコイルである。

〔発明の効果〕

上述のとおり、本発明に係る方法は、光フアイバーもし
くは試料を水平走査し、又は試料と光フアイバーとの間
隔を一定に保ちながら光フアイバーもしくは試料を水平
及び垂直走査し、ラマン散乱光をラマン分光計へ導くも
のであるから、従来不可能であつた応力が一様でなく分
布が存在する試料あるいは表面が凹凸である試料にに関
してもその応力分布を外乱を与えることなく把握する効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明に係る走査型応力測定装置の説
明図で、第１図は基本実施例の模形図、第２図は基本実
施例の他の模形図、第３図は基本実施例のさらに他の模
形図、第４図は基本実施例のさらに他の模形図、第５
図，第６図，第７図，第９図，第11図，第12図，第13図
は非接触式センサーの各実施例の模形図、第８図は第７
図模形図の距離と受光量との関係図、第10図は第９図模
形図の距離と光出力との関係図である。 1,19……レーザー光源、２……レーザー光用光フアイバ
ー、３……レーザー集光レンズ、4,4a……試料、５……
ラマン光用光フアイバー、６……X-Y軸ステージ、6a…
…X-Y-Z軸ステージ、6b……ステージ、7,14,15,20……
レーザー光、８……ラマン散乱光、９……ラマン集光レ
ンズ、10……ラマン分光計、11……走査制御・データ処
理用コンピユータ、12……Ｚ方向位置決めセンサ、13…
…載置台、16,16a,27,27a……輝点、17,21,22,25……レ
ンズ、18……イメージセンサ、18a,18b……結像点、23
……ハーフミラー、24……対物レンズ、26,30……受光
素子、28……投光素子、29……反射光、31……半導体レ
ーザー、32……出射光、33……戻り光、34……強度変調
された出射光、35……光電変換素子、36……超音波発振
器、37……超音波送波器、38……超音波、39……超音波
受波器、40……超音波受信器、41……測定電極、42……
電気力線、43……ガードリング、44……アクテイブコイ
ル、45……磁界、46……インアクテイブコイル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザー光を被測定試料まで第１の光ファ
   イバーで導き試料に照射して該試料から発生したラマン
   散乱光を第２の光ファイバーでラマン分光計へ導き応力
   を測定する方法において、前記ラマン散乱光を前記ラマ
   ン分光計へ導き、該ラマン分光計によりラマンスペクト
   ルを求め、次いでコンピュータにより該ラマンスペクト
   ルがピークを示す振動数位置のシフト量から前記試料の
   応力を求め、更に前記試料と前記第１及び第２の光ファ
   イバーとの間隔を一定に保ちつつ前記第１の光ファイバ
   ー、第２の光ファイバー若しくは前記試料を水平走査ま
   たは水平及び垂直走査しながら前記応力の求めを行うこ
   とにより応力分布を求めることを特徴とする走査型応力
   測定方法。