JP2000074650A - 光音響測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被検体からの音響信号を減衰させることなく
音響信号の検出ができる。 【解決手段】 熱励起光源であるレーザ光源（２）と、
該レーザ光源（２）から出射されたレーザ光を変調する
光強度変調器（３）と、該光強度変調器（３）により変
調されて集光レンズ（４）によって光ファイバ（５）に
導光されて音響セル部まで導かれた熱励起光を試料の面
へ照射して試料から発生する音響波を検出するマイクロ
ホン（７）が開放端の一端に設けられ、開放端の他端が
試料に面すると共に前記熱励起光を導光する通過孔（１
６）を有する照射室が設けられた集音部（１）と、該集
音部（１）のマイクロホン（７）により検出された音響
信号に基づいて吸光度測定に必要な所定の演算処理を行
う演算部（１１）とを有する光音響測定装置において、
集音部の内側形状を、音響波発生側である開放端の他端
に向かって狭い円錐状の筒形状とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光音響測定装置に
関し、特に光音響効果を利用した非接触の膜厚・濃度測
定に使用する開放型セルを有する光音響測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、開放型光音響セルの集音装置の
機能としては、光音響セル外の試料からの音響信号を減
衰することなく集め同時に周囲からの雑音を少なくさせ
ることが必要であり、これが光音響信号の検出感度を高
める上での重要なポイントである。

【０００３】このため、従来から提案されてきた集音装
置は、広い面積で受けとめた大量の音響波を同じタイミ
ングで反射焦点に置いたマイクロホンに届くように工夫
されていたが、このタイミングがずれると音響波は弱め
合ってしまうので、必然的に音響波の反射器形状が重要
となる。そこで、従来より、いわゆるパラボラ型やお椀
型が多く用いられていた。

【０００４】しかし、試料の調製無しで測定を行う開放
型光音響セルの場合や周囲に音響ノイズ源がある場合、
お椀型では開放型光音響セル内への外部からの音響ノイ
ズ流入が多くなり、ＳＮ比が低下してしまい、開放型光
音響セルを用いたインプロセスでの測定を不可能にして
しまう可能性があった。

【０００５】この問題点を解決するために、前述のお椀
型の改良型として、マイクロホンを内蔵したセルの内面
を被検体に発生した光音響信号の波が前記セルの内面に
達した後反射して焦点に集中させられるように内部を大
気に開放した回転楕円体に形成し、前記反射波の集中す
る回転楕円体の焦点にマイクロホンを位置させる集音装
置（積分球型）が特開平１−２１４７１９号公報等に開
示されているが、内部に大気に開放されている回転楕円
型の開放型セルでは、空間中では発生音響波は球面状に
拡がるため音源から距離が離れると共に発生音響波は減
衰してしまい、試料からの高感度の音響信号検出が困難
であった。

【０００６】これは球面波の場合には、音源から離れる
に従って、音響波が急速に弱くなることによるもので、
音響波の拡がりが原因であり倍に拡がれば強さは半分に
なることによる。

【０００７】また、音響波は拡がることによって「薄ま
る」と考えられ、拡がりは球面の面積で表されるから、
音源からの距離の二乗に比例してくる。従って、音響波
の強さは距離の二乗に反比例し、即ち距離が二倍になれ
ば強さは１／４になってしまう。一般に空中を伝搬する
音響波は、媒質によるエネルギ−吸収損と回折現象によ
り球面状に拡散する拡散損失が支配的であり、これによ
ってその伝搬距離が制約される。つまり音響波が制約さ
れる。つまり、音響のエネルギーは遠くへいくほどその
減衰が大きいことになる。

【０００８】現在までに提案されている開放型光音響セ
ルを有する他の音響信号集音装置としては、特開昭６２
−２７２１５３号公報の他、集音部分に円錐型のテーパ
のハウジングを設けてじびハウジングを透過させてレー
ザ照射の照射点と開口端を対向させたものを開示する特
開平６−２６６２７号公報、更に特開平４−３５７４４
０号公報、特開平５−１９６４４８号公報、特開平６−
２４９８３７号公報等が提案されている。また、外に凸
の曲面形のハウジングを有してこのハウジングの別孔か
ら照射されるレーザ光に反応した被測定物の振動を連通
孔に通してマイクロホンのハウジングに誘導して当該音
波をマイクロホンで拾うようにしたものが特開平９−２
９２３２７号公報に開示されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このい
ずれの集音装置でも、被検体からの拡散性のある光音響
信号を減衰させることなく非接触で取得することは困難
である。

【００１０】また、一般に、ガス−マイクロホン方式の
光音響装置において光音響セル内のガス（空気）が外気
開放されている開放型光音響セルの場合、振動面（音
源）の直径が波長程度以下の大きさであると音響波はほ
ぼ均一に各方向に出てゆくため、本来検出したい音響信
号は音源から離れるに従って減衰してしまい、試料面上
に非接触で存在する開放型光音響セルにおいては、外部
からのノイズの影響もあり試料からの光音響信号の検出
感度（変換効率）が低下する。

【００１１】このため、試料方向から拡散しながら伝搬
する光音響信号を減衰させることなく検出できるような
機能を光音響セルに持たせなければならないが、従来提
案されているパラボラ型の集音装置を持つ開放型光音響
セルではこれが困難であった。

【００１２】本発明はこれらの問題点を解決するための
ものであり、被検体からの音響信号を減衰させることな
く音響信号の検出ができる光音響測定装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は前記問題点を解
決するために、熱励起光源であるレーザ光源と、該レー
ザ光源から出射されたレーザ光を変調する光強度変調器
と、該光強度変調器により変調されて集光レンズによっ
て光ファイバに導光されて音響セル部まで導かれた熱励
起光を試料の面へ照射して試料から発生する音響波を検
出するマイクロホンが開放端の一端に設けられ、開放端
の他端が試料に面すると共に熱励起光を導光する通過孔
を有する照射室が設けられた集音部と、該集音部の前記
マイクロホンにより検出された音響信号に基づいて吸光
度測定に必要な所定の演算処理を行う演算部とを有する
光音響測定装置において、集音部の内側形状を、音響波
発生側である開放端の他端に向かって狭い円錐状の筒形
状としたことに特徴がある。よって、セル自体が音響波
のエネルギーの拡散を防ぎ、一方向への音響波の強さを
ある程度保持することができ、指向性の良い集音装置を
有する光音響測定装置を提供できる。

【００１４】また、集音部の円錐状の錐面における母線
を凹曲線としたことにより、音響波の繰り返し反射を利
用して音を遠方まで伝播させる効果を得ることができ、
光音響信号の検出感度を高めることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】集音部の内側形状を、音響波発生
側である開放端の他端に向かって狭い円錐状の筒形状と
した。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。はじめに、光音響信号測定用開放型セルを使用
して吸光度・膜厚等を測定する光音響セルにあっては、
拡散性を有する音響信号を集音し光音響セル内を伝播す
る試料からの光音響信号を減衰させないことが光音響信
号の検出感度を高める上での基本的なポイントとなる。

【００１７】音響波は音源からの四方八方に均一に出る
わけではなく、強い方向と、余り出ない方向とがあり、
これを一般に指向性と呼んでいる。音響波を含めた波の
一般的な性質として、音源であるビーム（振動面）の大
きさと出ていく音響波の波長の比で指向性が定まる。す
なわち、熱励起光のビーム径が波長程度以下の大きさで
あると、音響波はほぼ均一に各方向に出ていくが、波長
に比べてビーム径（振動面）が大きいほど音響波は正面
方向に集中して放射される性質を持っている。

【００１８】波長は周波数に反比例するので、同じ大き
さの音響波発生源ならば、周波数の高い音響信号ほど指
向性が鋭くなる。角度１０ｄｅｇ．以内の鋭い指向性を
得るためには、波長の数十倍程度の音響発生面直径が必
要であるため、仮に３５ｋＨｚの周波数を持つ音響波で
も直径が１０ｃｍ以上必要で非現実的な数字となる。し
かし、音響波発生側の閉じた円錐状の筒形状を用いる
と、音響波のエネルギーの拡散を防ぎ、マイクロホン方
向への音の強さを有する程度大きくすることができる。

【００１９】このような作用は、特に高域の音響周波数
帯で有効であり、いずれも大気中にて行われる。前述し
たように音響波を含めた波の一般的性質として、波源で
ある振動面の大きさと出ていく波の波長の比で指向性が
決まるので、光音響信号である音波自体の指向性を高め
る意味で高周波での熱励起光のチョッピングを行うと相
乗的な効果が生まれる。

【００２０】次に、開放型光音響セルの作用及び試料の
吸光度測定に本発明を適用した実施例について以下に説
明する。

【００２１】図１は、本発明の一実施例に係る光音響測
定装置の構成を示すブロック図である。同図における光
音響測定装置は、集光装置１、Ａｒイオンガスレーザ等
のレーザ光源２、光強度変調器３、集光レンズ４、光フ
ァイバ５、コンデンサレンズ６、マイクロホンユニット
７、プリアンプ８、ロックインアンプ９、Ａ／Ｄコンバ
ータ１０、そしてデジタル信号処理部であるコンピュー
タ１１を含んで構成されている。また、同図において、
１２はレーザ光、１３は熱励起光、１４は錐面、１５は
音響信号、１６は通過孔である。

【００２２】次に、本実施例の光音響測定装置の動作に
ついて説明すると、先ず熱励起光源であるＡｒイオンガ
スレーザ等のレーザ光源２を発振させて、出射されたレ
ーザ光１２を光強度変調器３で変調した後、集光レンズ
４によって光ファイバ５に導光する。光ファイバ５及び
コンデンサレンズ６を通って音響セル部まで導かれた熱
励起光１３は、集光装置１の側壁に設けられた通過孔１
６を介して試料面へ照射される。熱励起光１３の照射後
は、試料がこの熱励起レーザ光を吸収し、光音響発生過
程、即ち非輻射偏移によって原子の振動、つまり熱とな
り、入射光が断続な光として変調されている場合、加熱
は変調周波数と一致して繰り返され、結果として変調周
波数に従った気体の圧力変化を引き起こして音響波を発
生し、検出器であるマイクロホンユニット７側に伝播し
ていく。そして、マイクロホンユニット７で検出された
音響信号１５は、プリアンプ８で増幅された後ロックイ
ンアンプ９で入射変調成分と同じ周波数のものだけが取
り出されるようになる。次いで、ロックインアンプ１０
の出力信号は、Ａ／Ｄコンバータ１０を介してコンピュ
ータ１１に入力され、吸光度測定に必要な演算処理が行
われる。

【００２３】なお、光源がレーザである場合は、波長選
択機構が不要となり、また光の強度が強い方が試料から
の信号が強く得られてダイナミックレンジが上がるの
で、光量は試料を破壊しない程度に強い方が好ましい。
本実施例におけるレーザ光源２には、発振波長５１４．
５ｎｍのＡｒイオンガスレーザを使用している。熱励起
光１３の照射面上でのビーム径は０．５ｍｍφ、強度は
２００ｍＷである。また、本実施例では、所望の指向性
を得るため熱励起光の変調周波数を光強度変調器でおお
よそ５００Ｈｚとしてある。

【００２４】光音響効果を用いた計測システムを構成す
る場合、被測定面で音響波が球面状に拡散している場合
は、高感度な音響信号検出が困難になることが考えられ
る。これは前述のとおり球面波の場合は音源から離れる
に従って音が急速に弱くなることによるもので、これは
音の拡がりが原因であり、倍に拡がれば強さは半分にな
るためである。

【００２５】このため、本発明では、音響信号検出用の
光音響セルの集音装置１の全体形状を従来からよく用い
られるパイプ状から、集音の指向性を高めるため集音装
置の内側形状を、音響波発生側である開放端の他端に向
かって狭い円錐状の筒形状にしている。パイプ状の細い
管の中を伝わる音響波の場合、球面波の場合と異なり波
が拡がらずに伝わるので、強さが急激に弱くなることは
ない。これは球面波と異なって距離が波なれていても減
衰せずに伝わるという特徴を利用している。そして、図
２に示すように、集音の指向性を高めるために、集音装
置１の内側形状が音響波発生側に向かって狭い、そして
錐面１４の母線が直線である円錐状の筒形状としてこの
ような形状であると、音響波のエネルギーの拡散を防ぎ
一方向への音響波１７の強さをある程度保持することが
でき、更に図３及び図４に示すように集音装置１の内側
形状が音響波発生側に向かって狭い円錐状の筒形状であ
ってその錐面１４の母線が緩やかな反射性の凹曲線１８
であることを特徴とした場合、反射性の凹曲面に沿って
音響波１７が繰り返し反射して伝わることを利用して音
響波をマイクロホンユニットまで伝播させる効果が得ら
れる。これらは、本発明にとって特徴的なことであり、
平面波効果を狙った細いパイプ形状では得られない。ま
た、マイクロホンユニットとしては、一般に圧電素子を
用いた圧電効果を利用した圧電型マイクロホンが用いら
れるがこれに変えて静電容量の変化を利用して音圧を測
定する静電容量型マイクロホンが用いられることもあ
る。本実施例では特に集音装置内部を伝播してくる音響
波１７を吸音する静電容量型マイクロホンユニットとし
て、株式会社リオン製（型番ＵＣ−３１）を使用してい
る。

【００２６】なお、本発明は上記実施例に限定されるこ
とはなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば多種
の変形や置換可能であることは言うまでもない。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
集音の指向性を高めるため集音部の内部形状を、音響波
発生側である開放端の他端に向かって狭い円錐状の筒形
状としたことにより、セル自体が音響波のエネルギーの
拡散を防ぎ、一方向への音響波の強さをある程度保持す
ることができ、指向性の良い集音装置を有する光音響測
定装置を提供できる。また、その円錐状の錐面の母線が
緩やかな反射性の凹曲線であるため音響波の繰り返し反
射を利用して音を遠方まで伝播させる効果を得ることが
でき、光音響信号の検出感度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の光音響測定装置の構成を示
すブロック図である。

【図２】本実施例における集音装置の構造を示す部分断
面図である。

【図３】本実施例における集音装置の別の構造を示す部
分断面図である。

【図４】図３の本実施例における集音装置内部の詳細な
様子を示す部分断面図である。

【符号の説明】

１ 集音装置 ７ マイクロホンユニット １４ 錐面 １７ 音響波 １８ 凹曲線

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱励起光源であるレーザ光源と、該レー
   ザ光源から出射されたレーザ光を変調する光強度変調器
   と、該光強度変調器により変調されて集光レンズによっ
   て光ファイバに導光されて音響セル部まで導かれた熱励
   起光を試料の面へ照射して試料から発生する音響波を検
   出するマイクロホンが開放端の一端に設けられ、開放端
   の他端が試料に面すると共に前記熱励起光を導光する通
   過孔を有する照射室が設けられた集音部と、該集音部の
   前記マイクロホンにより検出された音響信号に基づいて
   吸光度測定に必要な所定の演算処理を行う演算部とを有
   する光音響測定装置において、 前記集音部の内側形状を、音響波発生側である開放端の
   他端に向かって狭い円錐状の筒形状としたことを特徴と
   する光音響測定装置。
2. 【請求項２】 前記集音部の円錐状の錐面における母線
   が凹曲線である請求項１記載の光音響測定装置。