JP2718705B2 - 光音響信号検出方法及びその装置 - Google Patents
光音響信号検出方法及びその装置Info
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- JP2718705B2 JP2718705B2 JP63185597A JP18559788A JP2718705B2 JP 2718705 B2 JP2718705 B2 JP 2718705B2 JP 63185597 A JP63185597 A JP 63185597A JP 18559788 A JP18559788 A JP 18559788A JP 2718705 B2 JP2718705 B2 JP 2718705B2
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- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
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- G01N2021/1782—In-depth resolution
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光音響効果（Photoacoustic Effect）を利
用して、試料の表面及び内部情報を検出する光音響信号
検出方法及びその装置に関する。
用して、試料の表面及び内部情報を検出する光音響信号
検出方法及びその装置に関する。
光音響効果は、1881年チンダル（Tyndall），ベル（B
ell），レントゲン（Rontogen）らによつて発見され
た。すなわち、試料に強度変調した光（断続光）を照射
すると、光吸収領域において熱が発生し、熱拡散領域を
周期的に拡散し、この熱歪波によつて超音波が発生する
現象である。この超音波すなわち光音響信号をマイクロ
ホン（音響電気変換器）や圧電素子で検出し、入射光の
変調周波数と同期した成分を求めることにより、試料の
表面及び内部の情報を得ることができる。特に、変調周
波数を変えることにより、試料の深さ方向の情報を得る
ことができる。上記光音響信号の検出方式に関しては、
文献「非破壊検査；第36巻第10号,p730〜p736（昭和62
年10月」において論じられている。一方、試料の内部情
報を非接触・非破壊で検出するという観点からみると、
上記方式には、次のような課題がある。まず、マイクロ
ホンを使う方式では、感度を上げるため、通常数cm2程
度の大きさの密閉した試料室に試料を入れて測定を行う
必要があり、試料の大きさが１〜２cm2に限定されてし
まう。場合によつては、試料を切断しなければならなく
なるケースも生じる。圧電素子を使う方式では、試料の
裏面に圧電素子を貼り付ける必要があり、その密着度に
よつて、検出感度が大きく変化してしまう。
ell），レントゲン（Rontogen）らによつて発見され
た。すなわち、試料に強度変調した光（断続光）を照射
すると、光吸収領域において熱が発生し、熱拡散領域を
周期的に拡散し、この熱歪波によつて超音波が発生する
現象である。この超音波すなわち光音響信号をマイクロ
ホン（音響電気変換器）や圧電素子で検出し、入射光の
変調周波数と同期した成分を求めることにより、試料の
表面及び内部の情報を得ることができる。特に、変調周
波数を変えることにより、試料の深さ方向の情報を得る
ことができる。上記光音響信号の検出方式に関しては、
文献「非破壊検査；第36巻第10号,p730〜p736（昭和62
年10月」において論じられている。一方、試料の内部情
報を非接触・非破壊で検出するという観点からみると、
上記方式には、次のような課題がある。まず、マイクロ
ホンを使う方式では、感度を上げるため、通常数cm2程
度の大きさの密閉した試料室に試料を入れて測定を行う
必要があり、試料の大きさが１〜２cm2に限定されてし
まう。場合によつては、試料を切断しなければならなく
なるケースも生じる。圧電素子を使う方式では、試料の
裏面に圧電素子を貼り付ける必要があり、その密着度に
よつて、検出感度が大きく変化してしまう。
そこで、光音響信号の検出方式として、最近特に注目
を浴びているのが、光干渉を用いる方式である。この方
式については、例えば文献「アイ・イー・イー・イー,1
986ウルトラソニツクスシンポジウムp515〜p526（1986
年）（IEEE;1986ULTRASONICS SYMPOSIUM-p515〜526（19
86））」において論じられている。以下では、第７図に
より、この方式について説明する。レーザ１から出射し
た平行光を音響光学変調素子（AO変調器）２により強度
変調し、その断続光をビームエキスパンダ３により所望
のビーム径に拡大した後、レンズ４により、XYステージ
５上の試料６の表面に集光させる。試料６上の集光部13
0において生じた熱歪波により、超音波が発生し、同時
に試料表面に微小変位が生じる。この微小変位を以下に
述べるマイケルソン干渉計で検出する。レーザ７から出
射した平行光をビームエキスパンダ８により所望のビー
ム径に拡大した後、ハーフミラー９で２つの光路に分離
し、一方はレンズ10により試料６上の集光部130に集光
させる。他方は参照ミラー11上に照射させる。試料６か
らの反射光と参照ミラー11からの反射光は、ハーフミラ
ー９上で互いに干渉し、この干渉パターンがレンズ12に
より、ホトダイオード等の光電変換素子13上に集光され
る。光電変換された干渉強度信号はプリアンプ14で増幅
された後、ロツクインアンプ16に送られる。ロツクイン
アンプ16では、音響光学変調素子２の駆動に用いる発振
器15からの変調周波数信号を参照信号として、干渉強度
信号に含まれる変調周波数成分のみが抽出される。この
周波数成分がその周波数に応じた試料の表面あるいは内
部の情報をもつ。従つて、試料の内部にクラツク等の欠
陥があれば、干渉強度信号中の変調周波数成分に信号変
化が現れ、その存在を知ることができる。XYステージ移
動信号とロツクインアンプ16からの出力信号は計算機17
で処理され、試料上の各点における光音響信号がモニタ
TV等の表示器18に画像情報として出力される。
を浴びているのが、光干渉を用いる方式である。この方
式については、例えば文献「アイ・イー・イー・イー,1
986ウルトラソニツクスシンポジウムp515〜p526（1986
年）（IEEE;1986ULTRASONICS SYMPOSIUM-p515〜526（19
86））」において論じられている。以下では、第７図に
より、この方式について説明する。レーザ１から出射し
た平行光を音響光学変調素子（AO変調器）２により強度
変調し、その断続光をビームエキスパンダ３により所望
のビーム径に拡大した後、レンズ４により、XYステージ
５上の試料６の表面に集光させる。試料６上の集光部13
0において生じた熱歪波により、超音波が発生し、同時
に試料表面に微小変位が生じる。この微小変位を以下に
述べるマイケルソン干渉計で検出する。レーザ７から出
射した平行光をビームエキスパンダ８により所望のビー
ム径に拡大した後、ハーフミラー９で２つの光路に分離
し、一方はレンズ10により試料６上の集光部130に集光
させる。他方は参照ミラー11上に照射させる。試料６か
らの反射光と参照ミラー11からの反射光は、ハーフミラ
ー９上で互いに干渉し、この干渉パターンがレンズ12に
より、ホトダイオード等の光電変換素子13上に集光され
る。光電変換された干渉強度信号はプリアンプ14で増幅
された後、ロツクインアンプ16に送られる。ロツクイン
アンプ16では、音響光学変調素子２の駆動に用いる発振
器15からの変調周波数信号を参照信号として、干渉強度
信号に含まれる変調周波数成分のみが抽出される。この
周波数成分がその周波数に応じた試料の表面あるいは内
部の情報をもつ。従つて、試料の内部にクラツク等の欠
陥があれば、干渉強度信号中の変調周波数成分に信号変
化が現れ、その存在を知ることができる。XYステージ移
動信号とロツクインアンプ16からの出力信号は計算機17
で処理され、試料上の各点における光音響信号がモニタ
TV等の表示器18に画像情報として出力される。
光干渉を用いる上記従来技術は、非接触・非破壊で光
音響信号を検出できる極めて有効な手段であるが、以下
のような課題をもつている。
音響信号を検出できる極めて有効な手段であるが、以下
のような課題をもつている。
光音響信号の横方向分解能は、試料６上におけるレー
ザ１からのレーザ光のスポツト径と試料の熱拡散長によ
つて決まる。熱拡散長は試料固有の値であるが、スポツ
ト径ｄは、レーザ光の波長λ、ビームエキスパンダ３通
過後のビーム径Ｄ及びレンズ４の焦点距離ｆによつて
（１）式で与えられる。
ザ１からのレーザ光のスポツト径と試料の熱拡散長によ
つて決まる。熱拡散長は試料固有の値であるが、スポツ
ト径ｄは、レーザ光の波長λ、ビームエキスパンダ３通
過後のビーム径Ｄ及びレンズ４の焦点距離ｆによつて
（１）式で与えられる。
しかし、一般に試料６上のスポツトの光強度分布は第
８図に示すような断面形状を成しており、直径ｄで与え
られるピーク部19の周辺に高次回折光成分20a及び20bが
存在する。一般に、この高次回折光成分の光強度はスポ
ツト全体の光強度の16.2％もある。試料表面の微小変位
を光干渉により検出する場合は、この値は無視すること
はできず、最終的に光音響信号の横方向分解能が低下し
てしまう。干渉計のレーザ７からのレーザ光のスポツト
径についても同様のことが言え、干渉強度信号の横方向
分解能が低下する。特に高次回折光成分の反射光が、光
電変換素子13に入射すると、ノイズ成分となり光音響信
号の検出感度が大幅に低下してしまう。
８図に示すような断面形状を成しており、直径ｄで与え
られるピーク部19の周辺に高次回折光成分20a及び20bが
存在する。一般に、この高次回折光成分の光強度はスポ
ツト全体の光強度の16.2％もある。試料表面の微小変位
を光干渉により検出する場合は、この値は無視すること
はできず、最終的に光音響信号の横方向分解能が低下し
てしまう。干渉計のレーザ７からのレーザ光のスポツト
径についても同様のことが言え、干渉強度信号の横方向
分解能が低下する。特に高次回折光成分の反射光が、光
電変換素子13に入射すると、ノイズ成分となり光音響信
号の検出感度が大幅に低下してしまう。
本発明の目的は、光音響信号の検出感度を大幅に向上
させて試料の情報を抽出できるようにした光音響信号検
出方法及びその装置を提供することにある。
させて試料の情報を抽出できるようにした光音響信号検
出方法及びその装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明では、光源と、こ
の光源からの光を所望の周波数で強度変調する変調手段
と、この変調手段により変調された光を試料上に集光す
る集光手段と、この集光手段の集光により試料で発生し
た光音響効果を光干渉により検出する光干渉検出手段
と、この光干渉検出手段により検出された光干渉信号の
中から試料の表面及び内部情報を抽出する情報抽出手段
とを備えた光音響信号検出装置において、集光手段及び
光干渉検出手段を共焦点光学系として構成したものであ
る。
の光源からの光を所望の周波数で強度変調する変調手段
と、この変調手段により変調された光を試料上に集光す
る集光手段と、この集光手段の集光により試料で発生し
た光音響効果を光干渉により検出する光干渉検出手段
と、この光干渉検出手段により検出された光干渉信号の
中から試料の表面及び内部情報を抽出する情報抽出手段
とを備えた光音響信号検出装置において、集光手段及び
光干渉検出手段を共焦点光学系として構成したものであ
る。
また、本発明では、光源と、この光源からの光を所望
の周波数で強度変調する変調手段と、この変調手段によ
り強度変調された光を試料上に集光する第１の集光手段
と、この第１の集光手段の集光により試料で発生した光
音響効果を光干渉により検出する光干渉検出手段と、こ
の光干渉検出手段により検出された光干渉信号の中から
試料の表面及び内部情報を抽出する情報抽出手段とを備
えた光音響信号検出装置において、第１の集光手段又は
光干渉検出手段のうち少なくとも何れか一方において試
料からの反射光の一部を分離して集光する第２の集光手
段を設け、この第２の集光手段により集光された反射光
の集光の状態に基づいて第１の集光手段により試料上に
集光される光の集光の状態を制御する制御手段を設けた
ものである。
の周波数で強度変調する変調手段と、この変調手段によ
り強度変調された光を試料上に集光する第１の集光手段
と、この第１の集光手段の集光により試料で発生した光
音響効果を光干渉により検出する光干渉検出手段と、こ
の光干渉検出手段により検出された光干渉信号の中から
試料の表面及び内部情報を抽出する情報抽出手段とを備
えた光音響信号検出装置において、第１の集光手段又は
光干渉検出手段のうち少なくとも何れか一方において試
料からの反射光の一部を分離して集光する第２の集光手
段を設け、この第２の集光手段により集光された反射光
の集光の状態に基づいて第１の集光手段により試料上に
集光される光の集光の状態を制御する制御手段を設けた
ものである。
更に、本発明では、光源から出射した光を所望の周波
数で強度変調し、この強度変調された光を試料上に集光
し、この集光により前記試料から発生した光音響効果を
光干渉により検出し、この検出された光干渉信号の中か
ら試料の表面及び内部情報を抽出する光音響信号検出方
法において、強度変調された光を試料上に集光するこ
と、及び、試料上で発生した光音響効果を光干渉により
検出することを共焦点光学系を用いて行うようにしたも
のである。
数で強度変調し、この強度変調された光を試料上に集光
し、この集光により前記試料から発生した光音響効果を
光干渉により検出し、この検出された光干渉信号の中か
ら試料の表面及び内部情報を抽出する光音響信号検出方
法において、強度変調された光を試料上に集光するこ
と、及び、試料上で発生した光音響効果を光干渉により
検出することを共焦点光学系を用いて行うようにしたも
のである。
更にまた、本発明では、光源から出射した光を所望の
周波数で強度変調し、この強度変調された光を試料上に
集光し、この集光により試料から発生した光音響効果を
光干渉により検出し、この検出された光干渉信号の中か
ら試料の表面及び内部情報を抽出する光音響信号検出方
法において、強度変調された光を試料上に集光する側、
又は、試料上で発生した光音響効果を光干渉により検出
する側のうち少なくとも何れか一方の側で試料からの反
射光の一部を分離して集光し、この分離して集光した反
射光に応じて強度変調された光の試料上への集光の状態
を制御するようにしたものである。
周波数で強度変調し、この強度変調された光を試料上に
集光し、この集光により試料から発生した光音響効果を
光干渉により検出し、この検出された光干渉信号の中か
ら試料の表面及び内部情報を抽出する光音響信号検出方
法において、強度変調された光を試料上に集光する側、
又は、試料上で発生した光音響効果を光干渉により検出
する側のうち少なくとも何れか一方の側で試料からの反
射光の一部を分離して集光し、この分離して集光した反
射光に応じて強度変調された光の試料上への集光の状態
を制御するようにしたものである。
光干渉を利用して光音響信号を検出する光音響信号検
出装置において、集光光学系を共焦点光学系とすること
により、試料上に集光されたスポツト光のピーク部周辺
には不要な高次回折光成分が存在せず、光音響信号の横
方向分解能と検出感度が向上する。また、干渉光学系を
共焦点光学系とすることにより、上記と同様周辺部に不
要な高次回折光成分の存在しない理想的なピーク部を有
するスポツト光を試料上に形成することができ、光音響
信号すなわち、干渉強度検出信号の横方向分解能、検出
感度及びSN比が向上する。また、試料上に集光された光
スポツト径が常に同じ大きさとなるよう、試料あるいは
集光光学系を調節することにより、表面に凹凸のある試
料に対しても、常にレーザの射照パワーが一定となり、
安定な光音響信号が得られ、上記と同様、横方向分解
能，検出感度及びSN比が向上する。
出装置において、集光光学系を共焦点光学系とすること
により、試料上に集光されたスポツト光のピーク部周辺
には不要な高次回折光成分が存在せず、光音響信号の横
方向分解能と検出感度が向上する。また、干渉光学系を
共焦点光学系とすることにより、上記と同様周辺部に不
要な高次回折光成分の存在しない理想的なピーク部を有
するスポツト光を試料上に形成することができ、光音響
信号すなわち、干渉強度検出信号の横方向分解能、検出
感度及びSN比が向上する。また、試料上に集光された光
スポツト径が常に同じ大きさとなるよう、試料あるいは
集光光学系を調節することにより、表面に凹凸のある試
料に対しても、常にレーザの射照パワーが一定となり、
安定な光音響信号が得られ、上記と同様、横方向分解
能，検出感度及びSN比が向上する。
以下、本発明の実施例を第１図〜第６図により説明す
る。
る。
まず、第１の実施例を第１図〜第５図により説明す
る。第１図は本発明の第１の実施例における光音響検出
光学系を示すものである。本光学系は、変調レーザ照射
光学系300,マイケルソン干渉計310,信号処理系320及び
自動焦点系330から成るレーザ21から出射した平行光を
音響光学変調素子22により所定の周波数で強度変調し、
その断続光をビームエキスパンダ23により所望のビーム
径に拡大した後、レンズ24によりその後側焦点位置141
に集光させる。焦点位置141にはピンホール25が設置さ
れており、第２図に示すようにスポツトのピーク部160
の周辺に存在する高次回折光成分161a及び161bを遮光す
る。その結果、ピンホール通過直後の光強度分布は第３
図に示すように、ピーク部160だけとなる。焦点位置141
はレンズ26の前側焦点位置となつているので、ピンホー
ル25通過後の光点からの光は、レンズ26通過後平行光と
なる。
る。第１図は本発明の第１の実施例における光音響検出
光学系を示すものである。本光学系は、変調レーザ照射
光学系300,マイケルソン干渉計310,信号処理系320及び
自動焦点系330から成るレーザ21から出射した平行光を
音響光学変調素子22により所定の周波数で強度変調し、
その断続光をビームエキスパンダ23により所望のビーム
径に拡大した後、レンズ24によりその後側焦点位置141
に集光させる。焦点位置141にはピンホール25が設置さ
れており、第２図に示すようにスポツトのピーク部160
の周辺に存在する高次回折光成分161a及び161bを遮光す
る。その結果、ピンホール通過直後の光強度分布は第３
図に示すように、ピーク部160だけとなる。焦点位置141
はレンズ26の前側焦点位置となつているので、ピンホー
ル25通過後の光点からの光は、レンズ26通過後平行光と
なる。
この平行光はダイクロイツクミラー27で反射された
後、対物レンズ28の前側焦点位置131、すなわち試料170
上で再び第３図に示すと同様の光強度分布をもつ光点と
なる。すなわち、レンズ26と対物レンズ28は共焦点の関
係にある。試料170上の集光部131において生じた熱歪波
により、超音波が発生し、同時に試料表面に微小変位が
生じる。
後、対物レンズ28の前側焦点位置131、すなわち試料170
上で再び第３図に示すと同様の光強度分布をもつ光点と
なる。すなわち、レンズ26と対物レンズ28は共焦点の関
係にある。試料170上の集光部131において生じた熱歪波
により、超音波が発生し、同時に試料表面に微小変位が
生じる。
一方、レーザ21と波長の異なるレーザ31から出射した
円偏光の平行光をビームエキスパンダ32により所望のビ
ーム径に拡大した後、レンズ33によりその後側焦点位置
142に集光させる。焦点142にはピンホール34が設置され
ており、第２図に示すと同様にして、スポツトのピーク
部周辺の高次回折光成分が遮光される。焦点位置142は
レンズ35の前側焦点位置となつており、ピンホール34通
過後の光点からの光はレンズ35により平行光となる。こ
の平行光は偏光ビームスプリツタ36によりＰ偏光とＳ偏
光に分離される。Ｐ偏光は偏光ビームスプリツタ36を透
過し、ダイクロイツクミラー27及びλ/4板55を通過した
後、円偏光となり、対物レンズ28により、ピンホール14
2通過後の光点の像（第３図の光強度分布）が試料170上
の131の位置（対物レンズ28の前側焦点位置）に結像さ
れる。一方、Ｓ偏光は偏光ビームスプリツタ36で反射さ
れ、λ/4板37を通過した後円偏光となり、参照ミラー38
に入射する。試料170からの反射光は試料表面で生じた
微小変位を位相情報としてもつており、対物レンズ28,
λ/4板55を通過した後Ｓ偏光となり、偏光ビームスプリ
ツタ36で反射される。参照ミラー38からの反射光はλ/4
板37を通過した後Ｐ偏光となり、偏光ビームスプリツタ
36を透過する。第４図の120は試料170からの反射光の偏
光方向を、121は参照ミラー38からの反射光の偏光方向
を示している。両者は互いに直交しているのでこのまま
では干渉しない。しかし、偏光板180を光路に押入し、
その偏光方向を第４図の121に示すように、45°方向と
することにより両反射光は干渉する。この干渉パターン
には、試料表面で生じた微小変位の位相情報が含まれて
おり、これをレンズ39によりその後側焦点位置200に集
光し、ホトダイオード等の光電変換素子41で検出する。
また、後側焦点位置200にピンホール40を設置し、対物
レンズ28内で発生した迷光や試料上の透明薄膜内で発生
した干渉成分やあるいは試料表面の微小な凹凸により発
生した高次回折光成分を遮光する。以上述べたように、
このマイケルソン干渉計は、レンズ35,対物レンズ28,レ
ンズ39が総て共焦点の関係にある。光電変換された干渉
強度信号はプリアンプ49で増幅された後、ロツクインア
ンプ51に送られる。ロツクインアンプ51では、音響光学
変調素子22の駆動に用いる発振器50からの変調周波数信
号を参照信号として、干渉強度信号に含まれる変調周波
数成分及び位相成分が抽出される。この周波数成分及び
位相成分がその周波数に応じた試料の表面あるいは内部
の情報をもつ。従つて、試料の内部にクラツク等の欠陥
があれば、干渉強度信号中の変調周波数成分及び位相成
分に信号変化が現れ、その存在を知ることができる。XY
ステージ29の移動信号とロツクインアンプ51からの出力
信号は計算機52で処理され、試料上の各点における光音
響信号がモニタTV等の表示器53に出力される。
円偏光の平行光をビームエキスパンダ32により所望のビ
ーム径に拡大した後、レンズ33によりその後側焦点位置
142に集光させる。焦点142にはピンホール34が設置され
ており、第２図に示すと同様にして、スポツトのピーク
部周辺の高次回折光成分が遮光される。焦点位置142は
レンズ35の前側焦点位置となつており、ピンホール34通
過後の光点からの光はレンズ35により平行光となる。こ
の平行光は偏光ビームスプリツタ36によりＰ偏光とＳ偏
光に分離される。Ｐ偏光は偏光ビームスプリツタ36を透
過し、ダイクロイツクミラー27及びλ/4板55を通過した
後、円偏光となり、対物レンズ28により、ピンホール14
2通過後の光点の像（第３図の光強度分布）が試料170上
の131の位置（対物レンズ28の前側焦点位置）に結像さ
れる。一方、Ｓ偏光は偏光ビームスプリツタ36で反射さ
れ、λ/4板37を通過した後円偏光となり、参照ミラー38
に入射する。試料170からの反射光は試料表面で生じた
微小変位を位相情報としてもつており、対物レンズ28,
λ/4板55を通過した後Ｓ偏光となり、偏光ビームスプリ
ツタ36で反射される。参照ミラー38からの反射光はλ/4
板37を通過した後Ｐ偏光となり、偏光ビームスプリツタ
36を透過する。第４図の120は試料170からの反射光の偏
光方向を、121は参照ミラー38からの反射光の偏光方向
を示している。両者は互いに直交しているのでこのまま
では干渉しない。しかし、偏光板180を光路に押入し、
その偏光方向を第４図の121に示すように、45°方向と
することにより両反射光は干渉する。この干渉パターン
には、試料表面で生じた微小変位の位相情報が含まれて
おり、これをレンズ39によりその後側焦点位置200に集
光し、ホトダイオード等の光電変換素子41で検出する。
また、後側焦点位置200にピンホール40を設置し、対物
レンズ28内で発生した迷光や試料上の透明薄膜内で発生
した干渉成分やあるいは試料表面の微小な凹凸により発
生した高次回折光成分を遮光する。以上述べたように、
このマイケルソン干渉計は、レンズ35,対物レンズ28,レ
ンズ39が総て共焦点の関係にある。光電変換された干渉
強度信号はプリアンプ49で増幅された後、ロツクインア
ンプ51に送られる。ロツクインアンプ51では、音響光学
変調素子22の駆動に用いる発振器50からの変調周波数信
号を参照信号として、干渉強度信号に含まれる変調周波
数成分及び位相成分が抽出される。この周波数成分及び
位相成分がその周波数に応じた試料の表面あるいは内部
の情報をもつ。従つて、試料の内部にクラツク等の欠陥
があれば、干渉強度信号中の変調周波数成分及び位相成
分に信号変化が現れ、その存在を知ることができる。XY
ステージ29の移動信号とロツクインアンプ51からの出力
信号は計算機52で処理され、試料上の各点における光音
響信号がモニタTV等の表示器53に出力される。
本実施例では、変調レーザ照射光学系とマイケルソン
干渉計を共焦点光学系としているため、光音響信号の横
方向分解能が向上するものの、試料170の表面が常に対
物レンズ28の前側焦点位置131と一致している必要があ
る。もし一致していなければ、レーザ21からの断続ビー
ム光は試料表面に集光せず、熱歪波も超音波も極めて微
弱となる。また、レーザ31からのビーム光も試料表面に
集光せず、ピンホール40を通過する光量は大きく減少
し、干渉強度信号は極めて微弱となり、試料表面あるい
は内部の情報を得ることは困難となる。しかし、この現
象を逆に利用することにより、極めて高精度な自動焦点
機能を付加することが可能である。
干渉計を共焦点光学系としているため、光音響信号の横
方向分解能が向上するものの、試料170の表面が常に対
物レンズ28の前側焦点位置131と一致している必要があ
る。もし一致していなければ、レーザ21からの断続ビー
ム光は試料表面に集光せず、熱歪波も超音波も極めて微
弱となる。また、レーザ31からのビーム光も試料表面に
集光せず、ピンホール40を通過する光量は大きく減少
し、干渉強度信号は極めて微弱となり、試料表面あるい
は内部の情報を得ることは困難となる。しかし、この現
象を逆に利用することにより、極めて高精度な自動焦点
機能を付加することが可能である。
すなわち、試料170で反射したレーザ31からのビーム
をビームスプリツタ56で分岐し、さらにビームスプリツ
タ42で分離し、各々のビームをレンズ43及び46で集光す
る。各光路にホトダイオード等の光電変換素子45及び48
を、またその直前にピンホール44及び47を設置する。こ
こで、光電変換素子45はレンズ43の後側焦点位置Faより
も後側に、また光電変換素子48はレンズ46の後側焦点位
置Fbよりも前側に設置する。両光電変換素子からの出力
電流を比較回路54で比較し、常に対物レンズ28の前側焦
点位置131が試料170の表面と一致するように、Ｚステー
ジ30をフイードバック制御する。この自動焦点機能は、
マイケルソン干渉計を共焦点光学系とすることにより初
めて実現できるものである。これにより、第５図に示す
ように、回路パターンの形成された半導体ウエハのよう
に試料表面に凹凸がある場合でも、常に安定にレーザ光
を試料表面に集光することができる。すなわち、試料表
面へのレーザの照射パワーを常に一定に保つことが可能
となる。尚、対物レンズ28′は実際には固定であり、Ｚ
ステージ30′を微動する。
をビームスプリツタ56で分岐し、さらにビームスプリツ
タ42で分離し、各々のビームをレンズ43及び46で集光す
る。各光路にホトダイオード等の光電変換素子45及び48
を、またその直前にピンホール44及び47を設置する。こ
こで、光電変換素子45はレンズ43の後側焦点位置Faより
も後側に、また光電変換素子48はレンズ46の後側焦点位
置Fbよりも前側に設置する。両光電変換素子からの出力
電流を比較回路54で比較し、常に対物レンズ28の前側焦
点位置131が試料170の表面と一致するように、Ｚステー
ジ30をフイードバック制御する。この自動焦点機能は、
マイケルソン干渉計を共焦点光学系とすることにより初
めて実現できるものである。これにより、第５図に示す
ように、回路パターンの形成された半導体ウエハのよう
に試料表面に凹凸がある場合でも、常に安定にレーザ光
を試料表面に集光することができる。すなわち、試料表
面へのレーザの照射パワーを常に一定に保つことが可能
となる。尚、対物レンズ28′は実際には固定であり、Ｚ
ステージ30′を微動する。
本実施例によれば、変調レーザ照射光学系を共焦点光
学系とすることにより、周辺部に高次回折光成分の存在
しない微小なスポツト光を試料上に照射することがで
き、光音響信号の横方向分解能と検出感度を向上させる
ことができる。また、マイケルソン干渉計を共焦点光学
系とすることにより、高精度な自動焦点機能を付加する
ことが可能となり、凹凸のある試料表面上に常に安定に
レーザ光を集光することができ、光音響信号すなわち干
渉強度信号の横方向分解能，検出感度及びSN比が向上す
る。
学系とすることにより、周辺部に高次回折光成分の存在
しない微小なスポツト光を試料上に照射することがで
き、光音響信号の横方向分解能と検出感度を向上させる
ことができる。また、マイケルソン干渉計を共焦点光学
系とすることにより、高精度な自動焦点機能を付加する
ことが可能となり、凹凸のある試料表面上に常に安定に
レーザ光を集光することができ、光音響信号すなわち干
渉強度信号の横方向分解能，検出感度及びSN比が向上す
る。
第２の実施例を第６図により説明する。第６図は、本
発明の第２の実施例における光音響検出光学系を示すも
のである。本光学系は、変調レーザ照射光学系400,ヘテ
ロダイン型マツハ・シエンダ干渉計410,信号処理系420
及び自動焦点系430から成る。レーザ81から出射したＳ
偏光の平行光を音響光学変調素子82により、所定の周波
数で強度変調すると同時に０次光と１次回折光に分離す
る。０次光は、ミラー83及び84で反射した後、ビームエ
キスパンダ85により所望のビーム径に拡大した後、レン
ズ86によりその後側焦点位置151に集光させる。焦点位
置151にはピンホール87が設置されており、第２図に示
すようにスポツトのピーク部160の周辺に存在する高次
回折光成分161a及び161bを遮光する。その結果、ピンホ
ール87通過直後の光強度分布は第３図に示すように、ピ
ーク部160だけとなる。焦点位置151はレンズ88の前側焦
点位置となつているので、ピンホール87通過後の光点か
らの光は、レンズ88通過後再びＳ偏光の平行光となる。
この平行光は偏光ビームスプリツタ89で反射された後、
λ/4板90を通過後円偏光となり、対物レンズ100の前側
焦点位置132、すなわち試料170上で再び第３図に示すと
同様の光強度分布をもつ光点となる。すなわち、レンズ
88と対物レンズ100は共焦点の関係にある。試料170上の
集光部132において生じた熱歪波により超音波が発生
し、同時に試料表面に微小変位が生じる。
発明の第２の実施例における光音響検出光学系を示すも
のである。本光学系は、変調レーザ照射光学系400,ヘテ
ロダイン型マツハ・シエンダ干渉計410,信号処理系420
及び自動焦点系430から成る。レーザ81から出射したＳ
偏光の平行光を音響光学変調素子82により、所定の周波
数で強度変調すると同時に０次光と１次回折光に分離す
る。０次光は、ミラー83及び84で反射した後、ビームエ
キスパンダ85により所望のビーム径に拡大した後、レン
ズ86によりその後側焦点位置151に集光させる。焦点位
置151にはピンホール87が設置されており、第２図に示
すようにスポツトのピーク部160の周辺に存在する高次
回折光成分161a及び161bを遮光する。その結果、ピンホ
ール87通過直後の光強度分布は第３図に示すように、ピ
ーク部160だけとなる。焦点位置151はレンズ88の前側焦
点位置となつているので、ピンホール87通過後の光点か
らの光は、レンズ88通過後再びＳ偏光の平行光となる。
この平行光は偏光ビームスプリツタ89で反射された後、
λ/4板90を通過後円偏光となり、対物レンズ100の前側
焦点位置132、すなわち試料170上で再び第３図に示すと
同様の光強度分布をもつ光点となる。すなわち、レンズ
88と対物レンズ100は共焦点の関係にある。試料170上の
集光部132において生じた熱歪波により超音波が発生
し、同時に試料表面に微小変位が生じる。
従つて、試料170からの反射光にはこの微小変位が位
相情報として含まれる。反射光は対物レンズ100.λ/4板
90を通過後Ｐ偏光となり、偏光ビームスプリツタ89を透
過し、さらに偏光ビームスプリツタ107を透過する。
相情報として含まれる。反射光は対物レンズ100.λ/4板
90を通過後Ｐ偏光となり、偏光ビームスプリツタ89を透
過し、さらに偏光ビームスプリツタ107を透過する。
一方、音響光学変調素子82から出射した１次回折光
は、ミラー83及び102で反射した後、ビームエキスパン
ダ103により所望のビーム径に拡大した後、レンズ104に
よりその後側焦点位置152に集光させる。焦点位置152に
はピンホール105が設置されており、上記と同様、第２
図に示すようにスポツトのピーク部160の周辺に存在す
る高次回折光成分161a及び161bを遮光する。その結果、
ピンホール105通過直後の光強度分布は第３図に示すよ
うに、ピーク部160だけとなる。焦点位置152はレンズ10
6の前側焦点位置となつているので、ピンホール105通過
後の光点からの光は、レンズ106通過後再びＳ偏光の平
行光となり、偏光ビームスプリツタ107で反射される。
第４図の120は第１の実施例と同様、試料170からの反射
光の偏光方向を、121は上記偏光ビームスプリツタ107で
の反射光の偏光方向を示している。両者は互いに直交し
ているのでこのままでは干渉しない。しかし、偏光板10
8を光路に挿入し、その偏光方向を第４図の121に示すよ
うに、45°方向とすることにより両反射光は干渉する。
この干渉パターンには、試料表面で生じた微小変位の位
相情報が含まれており、これをレンズ109によりその後
側焦点位置210に集光し、ホトダイオード等の光電変換
素子111で検出する。また、第１の実施例と同様後側焦
点位置210にピンホール110を設置し、対物レンズ100内
で発生した迷光や試料上の透明薄膜内で発生した干渉成
分やあるいは試料表面の微小な凹凸により発生した高次
回折光成分を遮光する。以上述べたように、このヘテロ
ダイン型マツハ・ツエンダ干渉計は、レンズ106,対物レ
ンズ100,レンズ109が総て共焦点の関係にある。光電変
換された干渉強度信号IDはレーザの出力をＩとして
（２）式で与えられる。
は、ミラー83及び102で反射した後、ビームエキスパン
ダ103により所望のビーム径に拡大した後、レンズ104に
よりその後側焦点位置152に集光させる。焦点位置152に
はピンホール105が設置されており、上記と同様、第２
図に示すようにスポツトのピーク部160の周辺に存在す
る高次回折光成分161a及び161bを遮光する。その結果、
ピンホール105通過直後の光強度分布は第３図に示すよ
うに、ピーク部160だけとなる。焦点位置152はレンズ10
6の前側焦点位置となつているので、ピンホール105通過
後の光点からの光は、レンズ106通過後再びＳ偏光の平
行光となり、偏光ビームスプリツタ107で反射される。
第４図の120は第１の実施例と同様、試料170からの反射
光の偏光方向を、121は上記偏光ビームスプリツタ107で
の反射光の偏光方向を示している。両者は互いに直交し
ているのでこのままでは干渉しない。しかし、偏光板10
8を光路に挿入し、その偏光方向を第４図の121に示すよ
うに、45°方向とすることにより両反射光は干渉する。
この干渉パターンには、試料表面で生じた微小変位の位
相情報が含まれており、これをレンズ109によりその後
側焦点位置210に集光し、ホトダイオード等の光電変換
素子111で検出する。また、第１の実施例と同様後側焦
点位置210にピンホール110を設置し、対物レンズ100内
で発生した迷光や試料上の透明薄膜内で発生した干渉成
分やあるいは試料表面の微小な凹凸により発生した高次
回折光成分を遮光する。以上述べたように、このヘテロ
ダイン型マツハ・ツエンダ干渉計は、レンズ106,対物レ
ンズ100,レンズ109が総て共焦点の関係にある。光電変
換された干渉強度信号IDはレーザの出力をＩとして
（２）式で与えられる。
ここで、IRは偏光ビームスプリツタ107で反射した１
次回折光の強度，ISは試料170で反射し偏光ビームスプ
リツタ107を透過した光の強度，fBは音響光学変調素子8
2の変調周波数，δ（ｔ）は試料170上の微小変位,Aは試
料の材質に固有の定数，fuは試料170内で発生した超音
波の周波数，φ（ｔ）は干渉計内の光路差に基づく位
相，λはレーザ81の発振波長である。この干渉強度信号
IDはプリアンプ112で増幅された後、ロツクインアンプ1
14に送られる。ロツクインアンプ114では、音響光学変
調素子82の駆動に用いる発振器113からの変調周波数信
号を参照信号として、干渉強度信号に含まれる変調周波
数成分δ（ｔ）及び位相成分が抽出される。この周波数
成分及び位相成分がその周波数に応じた試料の表面ある
いは内部の情報をもつ。従つて、試料内部にクラツク等
の欠陥があれば、干渉強度信号中の変調周波数成分及び
位相成分に信号変化が現れ、その存在を知ることができ
る。XYステージ29の移動信号とロツクインアンプ114か
らの出力信号は計算機115で処理され、試料上の各点に
おける光音響信号がモニタTV等の表示器116に出力され
る。
次回折光の強度，ISは試料170で反射し偏光ビームスプ
リツタ107を透過した光の強度，fBは音響光学変調素子8
2の変調周波数，δ（ｔ）は試料170上の微小変位,Aは試
料の材質に固有の定数，fuは試料170内で発生した超音
波の周波数，φ（ｔ）は干渉計内の光路差に基づく位
相，λはレーザ81の発振波長である。この干渉強度信号
IDはプリアンプ112で増幅された後、ロツクインアンプ1
14に送られる。ロツクインアンプ114では、音響光学変
調素子82の駆動に用いる発振器113からの変調周波数信
号を参照信号として、干渉強度信号に含まれる変調周波
数成分δ（ｔ）及び位相成分が抽出される。この周波数
成分及び位相成分がその周波数に応じた試料の表面ある
いは内部の情報をもつ。従つて、試料内部にクラツク等
の欠陥があれば、干渉強度信号中の変調周波数成分及び
位相成分に信号変化が現れ、その存在を知ることができ
る。XYステージ29の移動信号とロツクインアンプ114か
らの出力信号は計算機115で処理され、試料上の各点に
おける光音響信号がモニタTV等の表示器116に出力され
る。
自動焦点系430の構成とその機能は、第１図に示す第
１の実施例と全く同じであり、説明は省略する。
１の実施例と全く同じであり、説明は省略する。
本実施例によれば、第１の実施例と同様、変調レーザ
照射光学系を共焦点光学系とすることにより、周辺部に
高次回折光成分の存在しない微小なスポツト光を試料上
に照射することができ、光音響信号の横方向分解能と検
出感度を向上させることができる。また、マツハ・ツエ
ンダ干渉計を共焦点光学系とすることにより、高精度な
自動焦点機能を付加することが可能となり、凹凸のある
試料表面上に常に安定にレーザ光を集光することがで
き、光音響信号すなわち干渉強度信号の横方向分解能，
検出感度及びSN比が向上する。
照射光学系を共焦点光学系とすることにより、周辺部に
高次回折光成分の存在しない微小なスポツト光を試料上
に照射することができ、光音響信号の横方向分解能と検
出感度を向上させることができる。また、マツハ・ツエ
ンダ干渉計を共焦点光学系とすることにより、高精度な
自動焦点機能を付加することが可能となり、凹凸のある
試料表面上に常に安定にレーザ光を集光することがで
き、光音響信号すなわち干渉強度信号の横方向分解能，
検出感度及びSN比が向上する。
また、本実施例では、レーザが１つであるため光学系
の構成が簡単になるという利点と、参照ミラーを使わな
いマツハ・ツエンダ干渉計を採用しているため、振動等
の外乱に強いという利点を有している。
の構成が簡単になるという利点と、参照ミラーを使わな
いマツハ・ツエンダ干渉計を採用しているため、振動等
の外乱に強いという利点を有している。
本発明によれば、変調レーザ照射光学系及び干渉計を
総て共焦点光学系とすることにより、光音響信号の横方
向分解能，検出感度及びSN比が向上すると共に、表面に
凹凸のある試料への適用も可能となり、試料の表面及び
内部情報の高精度計測が実現できるという効果を有す
る。
総て共焦点光学系とすることにより、光音響信号の横方
向分解能，検出感度及びSN比が向上すると共に、表面に
凹凸のある試料への適用も可能となり、試料の表面及び
内部情報の高精度計測が実現できるという効果を有す
る。
第１図は本発明の第１の実施例における光音響検出光学
系を示す図、第２図はレーザスポツトの高次回折光成分
がピンホールにより遮光される様子を示す図、第３図は
ピンホール通過直後の光強度分布を示す図、第４図は偏
光板の偏光方向を示す図、第５図は凹凸のある試料表面
上にレーザ光が集光する図、第６図は本発明の第２の実
施例における光音響検出光学系を示す図、第７図は従来
の光音響検出光学系を示す図、第８図はレーザスポツト
の光強度分布を示す図である。 1,7,21,31,81……レーザ 2,22,82……音響光学変調素子 25,34,40,87,105,110……ピンホール 28,100……対物レンズ 38……参照ミラー 13,41,45,48,111……光電変換素子 16,51,114……ロツクインアンプ 17,52,115……計算機 17,170……試料
系を示す図、第２図はレーザスポツトの高次回折光成分
がピンホールにより遮光される様子を示す図、第３図は
ピンホール通過直後の光強度分布を示す図、第４図は偏
光板の偏光方向を示す図、第５図は凹凸のある試料表面
上にレーザ光が集光する図、第６図は本発明の第２の実
施例における光音響検出光学系を示す図、第７図は従来
の光音響検出光学系を示す図、第８図はレーザスポツト
の光強度分布を示す図である。 1,7,21,31,81……レーザ 2,22,82……音響光学変調素子 25,34,40,87,105,110……ピンホール 28,100……対物レンズ 38……参照ミラー 13,41,45,48,111……光電変換素子 16,51,114……ロツクインアンプ 17,52,115……計算機 17,170……試料
Claims (4)
- 【請求項１】光源と、該光源からの光を所望の周波数で
強度変調する変調手段と、該変調手段により変調された
光を試料上に集光する集光手段と、該集光手段の集光に
より前記試料で発生した光音響効果を光干渉により検出
する光干渉検出手段と、該光干渉検出手段により検出さ
れた光干渉信号の中から試料の表面及び内部情報を抽出
する情報抽出手段とを備えた光音響信号検出装置であっ
て、上記集光手段及び上記光干渉検出手段を共焦点光学
系として構成したことを特徴とする光音響信号検出装
置。 - 【請求項２】光源と、該光源からの光を所望の周波数で
強度変調する変調手段と、該変調手段により強度変調さ
れた光を試料上に集光する第１の集光手段と、該第１の
集光手段の集光により前記試料で発生した光音響効果を
光干渉により検出する光干渉検出手段と、該光干渉検出
手段により検出された光干渉信号の中から試料の表面及
び内部情報を抽出する情報抽出手段とを備えた光音響信
号検出装置であって、上記第１の集光手段又は上記光干
渉検出手段のうち少なくとも何れか一方を共焦点光学系
として構成し、上記第１の集光手段又は上記光干渉検出
手段のうち少なくとも何れか一方において試料からの反
射光の一部を分離して集光する第２の集光手段を設け、
該第２の集光手段により集光された前記反射光の集光の
状態に基づいて前記第１の集光手段により前記試料上に
集光される光の集光の状態を制御する制御手段を設けた
ことを特徴とする光音響信号検出装置。 - 【請求項３】光源から出射した光を所望の周波数で強度
変調し、該強度変調された光を試料上に集光し、該集光
により前記試料から発生した光音響効果を光干渉により
検出し、該検出された光干渉信号の中から前記試料の表
面及び内部情報を抽出する光音響信号検出方法であっ
て、前記強度変調された光を試料上に集光すること、及
び、上記試料上で発生した光音響効果を光干渉により検
出することを共焦点光学系を用いて行うことを特徴とす
る光音響信号検出方法。 - 【請求項４】光源から出射した光を所望の周波数で強度
変調し、該強度変調された光を試料上に集光し、該集光
により前記試料から発生した光音響効果を光干渉により
検出し、該検出された光干渉信号の中から前記試料の表
面及び内部情報を抽出する光音響信号検出方法であっ
て、前記強度変調された光を試料上に集光する側、又
は、上記試料上で発生した光音響効果を光干渉により検
出する側のうち少なくとも何れか一方の側で前記試料か
らの反射光の一部を分離して集光し、該分離して集光し
た前記反射光に応じて前記強度変調された光の前記試料
上への集光の状態を制御することを特徴とする光音響信
号検出方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63185597A JP2718705B2 (ja) | 1988-07-27 | 1988-07-27 | 光音響信号検出方法及びその装置 |
| US07/384,541 US5083869A (en) | 1988-07-27 | 1989-07-24 | Photocoustic signal detecting device |
| DE68921518T DE68921518T2 (de) | 1988-07-27 | 1989-07-27 | Vorrichtung zur Detektion eines photoakustischen Signals. |
| EP89113875A EP0352789B1 (en) | 1988-07-27 | 1989-07-27 | Photoacoustic signal detecting device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63185597A JP2718705B2 (ja) | 1988-07-27 | 1988-07-27 | 光音響信号検出方法及びその装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0236338A JPH0236338A (ja) | 1990-02-06 |
| JP2718705B2 true JP2718705B2 (ja) | 1998-02-25 |
Family
ID=16173586
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63185597A Expired - Lifetime JP2718705B2 (ja) | 1988-07-27 | 1988-07-27 | 光音響信号検出方法及びその装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5083869A (ja) |
| EP (1) | EP0352789B1 (ja) |
| JP (1) | JP2718705B2 (ja) |
| DE (1) | DE68921518T2 (ja) |
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