JP3000729B2

JP3000729B2 - 光音響信号検出方法およびその装置

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Publication number: JP3000729B2
Application number: JP3152955A
Authority: JP
Inventors: 俊彦中田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-06-25
Filing date: 1991-06-25
Publication date: 2000-01-17
Anticipated expiration: 2015-01-17
Also published as: JPH051988A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光音響効果を利用して
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。

【０００２】

【従来の技術】光音響効果は、１８８１年チンダル、ベ
ル、レントゲンらによって発見された。即ち、図１８に
示すように、強度変調した光（断続光）１９を励起光と
して、レンズ５により試料７上に集光して照射すると、
光吸収領域Ｖ_op２１で熱が発生し、熱拡散長μ_s２２で
与えられる熱拡散領域Ｖ_th２３を周期的に拡散し、この
熱歪波によって弾性波（超音波）が発生する現象であ
る。この超音波、即ち、光音響信号をマイクロホン（音
響電気変換器）や圧電素子あるいは光干渉計を用いて検
出し、励起光の変調周波数と同期した信号成分を求める
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。光音響信号の検出方法に関しては、例えば、文献
「非破壊検査；第３６巻第１０号，ｐ．７３０〜ｐ．７
３６（昭和６２年１０月）」や「アイ・イー・イー・イ
ー１９８６ウルトラ・ソニックス・シンポジウム；ｐ．
５１５〜５２６（１９８６年）（ＩＥＥＥ１９８６ＵＬ
ＴＲＡ‐ＳＯＮＩＣＳＳＹＭＰＯＳＩＵＭ；ｐ．５１
５〜５２６（１９８６）」において論じられている。

【０００３】その一例を図１７に基づいて説明する。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、即ち励起光を
ビームエキスパンダ３により所望のビーム径の平行光１
９とした後、ハーフミラー４で反射させ、レンズ５によ
りＸＹステージ６上の試料７の表面に集光させる。試料
７上の集光部２１から生じた熱歪波により超音波が発生
し、同時に試料７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８から出射した平行光をビームエキスパンダ９により
所望のビーム径に拡大した後、ハーフミラー１０で二つ
の光路に分離し、一方はプローブ光２４としてレンズ５
により試料７上の集光部２１に集光させる。他方は参照
ミラー１１に照射させる。試料７からの反射光と参照ミ
ラー１１からの反射光とは、ハーフミラー１０上で互い
に干渉し、この干渉光がレンズ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、ロッ
クインアンプ１６に送られる。ロックインアンプ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だけが抽出される。この周波数成
分がその周波数に応じた試料７の表面あるいは内部の情
報を持つ。変調周波数を変えることにより熱拡散長μ_s
２１を変えることができ、試料の様々な深さの情報を得
ることができる。熱拡散領域Ｖ_th２３内にクラック等の
欠陥があれば、干渉強度信号中の変調周波数成分に信号
変化が現われるので、その存在を知ることができる。Ｘ
Ｙステージ移動信号とロックインアンプ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
音響信号がモニタテレビジョン等の表示器１８に二次元
画像情報として出力される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】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、以下に示すような課題をもっている。

【０００５】即ち、一般に、光音響信号の信号強度は励
起光の強度変調周波数に逆比例するという性質を持って
おり、また図１６に示すマイケルソン干渉計の検出感度
は表面変位の変動周波数（励起光の強度変調周波数）を
ｆとすると、√ｆに逆比例するという性質を持ってい
る。また、光音響信号の検出にＰＺＴ素子を用いた場合
も、ＰＺＴ素子の周波数特性により、検出感度は様々に
変化する。従って、従来の光音響信号検出装置では、励
起光の強度変調周波数を色々変化させて、試料内部の様
々な深さの欠陥を検出した場合、検出された光音響信号
から欠陥の大きさを判別しようとしても、光音響信号の
信号強度が上述のように変調周波数に応じて様々に変化
するため、欠陥の大きさの定量的な把握が困難である。

【０００６】本発明の目的は、励起光の強度変調周波数
によらず常に検出感度が一定となるよう各変調周波数に
応じて光音響信号の信号強度を実効的に補正し、試料の
表面及び内部情報の安定検出と定量的解析を可能とする
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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、光源からの光を所望の変調周波数で強
度変調し、この強度変調した光を試料上に照射し、この
照射により試料の表面あるいは試料の内部に光音響効果
あるいは光熱効果を発生させ、発生させた光音響効果あ
るいは光熱効果を検出し、この光音響効果あるいは光熱
効果を検出した検出信号の中から強度変調した変調周波
数の周波数成分を検出し、この検出した周波数成分の中
から強度変調した変調周波数に応じた試料の表面あるい
は試料の内部情報を抽出する光音響信号検出方法におい
て、異なる変調周波数に対して検出信号の検出感度が一
定となるように、各変調周波数に応じて検出感度を実効
的に補正しながら変調周波数を変えて試料の異なる範囲
の表面または内部情報を抽出するようにした。

【０００８】また、上記目的を達成するために、本発明
では、励起光を試料に照射することにより試料の表面あ
るいは試料の内部に発生させた光音響効果あるいは光熱
効果による信号を検出し試料の表面あるいは試料の内部
情報を抽出する光音響信号検出方法において、励起光を
この励起光の変調周波数に応じて強度を変化させながら
試料上に照射することにより、試料中の欠陥の大きさを
定量的に把握するようにした。

【０００９】また、上記目的を達成するために、本発明
では、励起光を試料に照射することにより試料の表面あ
るいは試料の内部に発生させた光音響効果あるいは光熱
効果による信号を検出し試料の表面あるいは試料の内部
情報を抽出する光音響信号検出方法において、励起光を
変調周波数を変化させながら試料上に照射し、この励起
光の照射により試料の表面あるいは内部に発生した光音
響効果あるいは光熱効果による信号を検出し、この検出
した信号を変調周波数に応じて補正することにより試料
中の欠陥の大きさを定量的に把握するようにした。

【００１０】また、上記目的を達成するために、本発明
では、光音響信号検出装置を、光源と、この光源から発
射された光を所望の変調周波数で強度変調する変調手段
と、この変調手段で強度変調した光を試料上に照射して
試料の表面あるいは試料の内部に光音響効果あるいは光
熱効果を発生させる励起手段と、この励起手段により発
生させた光音響効果あるいは光熱効果による試料表面の
熱歪を検出する熱歪検出手段と、この熱歪検出手段で検
出した試料表面の熱歪の検出信号の中から強度変調した
変調周波数の周波数成分を検出する周波数成分検出手段
と、この周波数成分検出手段で検出した強度変調した変
調周波数の周波数成分から強度変調した変調周波数に応
じた試料の表面あるいは試料の内部情報を抽出する情報
抽出手段と、周波数成分検出手段で検出する強度変調し
た変調周波数の周波数成分の検出信号の検出感度が異な
る変調周波数に対して一定となるように各変調周波数に
応じて検出感度を実効的に補正する検出感度補正手段と
を備えて構成した。

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【作用】光音響信号検出装置において、検出感度補正手
段を設け、光音響検出信号の検出感度が各変調周波数に
対して一定となるように、各変調周波数に応じて検出感
度を実効的に補正することにより、試料の表面及び内部
情報の安定検出と定量的解析が可能となる。

【００１６】また、検出感度補正手段は、検出感度が各
変調周波数に対して一定となるように、強度変調した光
の強度を各変調周波数に応じて調節するので、非光学的
雑音の影響を低減できる。

【００１７】また、検出感度補正手段は、検出感度が各
変調周波数に対して一定となるように、検出信号の強度
を各変調周波数に応じて調節するので、光学系の安定度
が増加する。

【００１８】また、検出感度補正手段は、上記熱歪を検
出する熱歪検出手段の変調周波数特性を含めて、検出感
度が各変調周波数に対して一定となるように感度補正す
るので、検出信号の定量性がより向上する。

【００１９】また、熱歪検出手段は、光干渉検出手段を
用いて試料表面の熱歪を検出するので、光音響信号の検
出が非接触で実行可能となる。

【００２０】また、熱歪検出手段は、圧電素子を用いて
試料表面の熱歪を検出するので、検出系の構成が簡略化
され、信号検出の安定度が向上する。

【００２１】また、強度変調した光を試料上に集光し、
試料表面あるいは内部にて光音響効果あるいは光熱効果
を発生させる励起手段を、共焦点光学系として構成する
ので、光音響信号の横方向分解能、検出感度及び信号Ｓ
Ｎ比が向上する。

【００２２】また、光音響効果あるいは光熱効果により
生じた試料表面の熱歪を検出する光干渉検出手段を、共
焦点光学系として構成するので、光音響信号の横方向分
解能、検出感度及び信号ＳＮ比が向上する。

【００２３】

【実施例】本発明の実施例を図１から図１６に基づいて
説明する。

【００２４】まず、本発明の第一の実施例を図１から図
１１に基づいて説明する。図１は第一の実施例における
光音響検出光学系を示す。本光学系は、励起光学系３０
１、光音響信号を検出するためのヘテロダイン形マッハ
ツェンダ干渉光学系３０２及び信号処理系３００からな
る。励起光学系３０１のＡｒレーザ８１（波長５１５ｎ
ｍ）から出射した平行ビーム８２を音響光学変調素子８
３に入射する。今、図１において、発振器６８から図２
（ａ）に示す周波数ｆ_Bの正弦波１００を、また発振器
６９から同図（ｂ）に示す周波数ｆ_L（ｆ_L＜ｆ_B）の矩
形波１０１を各々信号合成器７０に入力し、両波形の積
をとることにより同図（ｃ）に示す変調信号１０２を作
り、音響光学変調素子８３に入力する。その結果、音響
光学変調素子８３からはｆ_Bだけ周波数シフトした一次
回折光８５が周波数ｆ_Lで断続的に出力される。即ち、
励起光として、ｆ_Bだけ周波数シフトした変調周波数ｆ_L
の強度変調ビームが得られる。尚、０次光８４は絞り８
６で遮光される。強度変調ビーム８５をビームエキスパ
ンダ８７により所望のビーム径に拡大した後、レンズ８
８によりその後側焦点位置８９に集光させる。後側焦点
位置８９にはピンホール９０が設置されており、図３
（ａ）に示すように、集光スポットのピーク部１０５の
周辺に存在する高次回折光成分１０５ａ及び１０５ｂを
遮光する。その結果、ピンホール９０通過後の光強度分
布は図３（ｂ）に示すように、ピーク部１０５だけにな
る。焦点位置８９はレンズ９１の前側焦点位置になって
いるので、ピンホール９０通過後の光束はレンズ９１通
過後平行光９２になる。平行光９２はダイクロイックプ
リズム（波長６００ｎｍ以下は反射、波長６００ｎｍ以
上は透過）９３で反射された後、λ／４板４７通過後対
物レンズ４８によりその前側焦点位置５０、即ち、試料
５１上に集光され、図３（ｂ）に示すと同様の光強度分
布をもつ光スポットになる。即ち、レンズ９１の前側焦
点位置８９と対物レンズ４８の前側焦点位置５０とは、
共役であると同時に共焦点の関係にある。試料５１上の
集光部５０で光音響効果に基づいて生じた熱歪波により
超音波（熱弾性波）が発生し、同時に試料５１表面の集
光部５０に微小変位が生じる。この微小変位は励起光９
２の強度変調周波数ｆ_Lで周期的に変化する。

【００２５】一方、マッハツェンダ干渉光学系３０２に
おいて、Ｈｅ−Ｎｅレーザ３１（波長６３３ｎｍ）から
出射する直線偏光ビーム３２の偏向方向を図４の１０６
のようにｘ軸及びｙ軸に対し４５°方向に設定する。こ
こで、図１の紙面に対し、垂直方向をｘ軸とし、それと
直交する方向をｙ軸とする。偏光ビームスプリッタ３３
により、入射光ビーム３２のうち図４の１０７で示すｐ
偏光成分３４は偏光ビームスプリッタ３３を透過し、音
響光学変調素子７６に入射する。また、図４の１０８で
示すｓ偏光成分３５は偏光ビームスプリッタ３３で反射
される。音響光学変調素子７６には発振器１１５より図
２（ａ）に示す周波数ｆ_Bの正弦波１００が入力され
る。その結果、音響光学変調素子７６からはｆ_Bだけ周
波数シフトした一次回折光３７が出力される。尚、０次
光３６は絞り３８で遮光される。一次回折光３７をビー
ムエキスパンダ３９により所望のビーム径に拡大した
後、レンズ４０によりその後側焦点位置４１に集光させ
る。後側焦点位置４１にはピンホール４２が設置されて
おり、図３（ａ）に示すように、集光スポットのピーク
部１０５の周辺に存在する高次回折光成分１０５ａ及び
１０５ｂを遮光する。その結果、ピンホール４２通過後
の光強度分布は図３（ｂ）に示すように、ピーク部１０
５だけになる。焦点位置４１はレンズ４３の前側焦点位
置になっているので、ピンホール４２通過後の光束はレ
ンズ４３通過後平行光になる。平行光はｐ偏光成分から
成るので、偏光ビームスプリッタ４５をそのまま透過し
ミラー４６で反射された後、ダイクロイックプリズム９
３及びλ／４板４７通過後円偏光となり、さらに対物レ
ンズ４８によりその前側焦点位置５０、即ち、試料５１
上に集光され、図３（ｂ）に示すと同様の光強度分布を
もつ光スポットになる。即ち、レンズ４３の前側焦点位
置４１と対物レンズ４８の前側焦点位置５０とは、共役
であると同時に共焦点の関係にある。試料５１上の集光
部５０からの反射光は試料５１表面で生じた微小変位量
を位相情報としてもっており、対物レンズ４８通過後平
行光となり、さらにλ／４板４７通過後ｓ偏光ビームと
なる。このｓ偏光ビームは再び同一光路を経た後偏光ビ
ームスプリッタ４５で反射され、無偏光ビームスプリッ
タ６０を通過する。

【００２６】一方、参照光である、偏光ビームスプリッ
タ３３で反射されたｓ偏光ビーム３５をミラー５３で反
射した後、ビームエキスパンダ５４により所望のビーム
径に拡大した後、レンズ５５によりその後側焦点位置５
６に集光させる。後側焦点位置５６にはピンホール５７
が設置されており、図３（ａ）に示すように、集光スポ
ットのピーク部１０５の周辺に存在する高次回折光成分
１０５ａ及び１０５ｂを遮光する。その結果、ピンホー
ル５７通過後の光強度分布は図３（ｂ）に示すように、
ピーク部１０５だけになる。焦点位置５６はレンズ５８
の前側焦点位置になっているので、ピンホール５７通過
後の光束はレンズ５８通過後平行参照光５９になる。参
照光５９は、無偏光ビームスプリッタ６０で反射された
後、無偏光ビームスプリッタ６０を通過してきた試料５
１の表面からの反射光６１と互いに干渉する。この、干
渉光６２には、光音響効果により試料５１の表面で生じ
た微小変位量が光位相情報として含まれている。干渉光
６２をレンズ６３によりその後側焦点位置６４に集光
し、ホトダイオード等の光電変換素子６７で検出する。
このマッハツェンダ干渉光学系３０２で、レンズ４３の
前側焦点位置４１、レンズ５８の前側焦点位置５６、対
物レンズ４８の前側焦点位置５０及びレンズ６３の後側
焦点位置６４とは、互いに共役であると同時に共焦点の
関係にある。さらに、レンズ６３の後側焦点位置６４に
はピンホール６５が設置されている。その結果、対物レ
ンズ４８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ことができる。

【００２７】今、入射光３２の波長をλ、試料５１表面
からの反射光６１の強度をＩ_s、参照光５９の強度を
Ｉ_r、二つの光路間の位相差を時間変動を含めてφ(t)、
試料５１表面で生じた微小変位の振幅をａ、位相をθと
すると、光電変換素子６７で検出される干渉光の強度Ｉ
は式（１）で表される。

【００２８】

【数１】

【００２９】さらに、ａ≪λより上式は近似的に式
（２）の形に改められる。

【００３０】

【数２】

【００３１】ここで、ａ・ｃｏｓ（２πｆ_Lｔ＋θ）が
光音響効果に基づいて生じた試料５１表面の微小変位を
表す項である。尚、本実施例では、ｆ_B＝４０ＭＨｚ，
ｆ_L＝１００ｋＨｚとした。

【００３２】以下では、信号処理系３００によって、式
（１）で表される干渉光から、光音響効果に基づいて変
調周波数ｆ_Lで生じた試料５１表面の微小変位の振幅ａ
及び位相θを求める方法について説明する。光電変換さ
れた干渉強度信号はプリアンプ７１で増幅された後、位
相検波回路７２に送られる。位相検波回路７２では、図
５に示すように位相保持分波器９４により、検出された
干渉強度信号が分離され、一方は中心周波数ｆ_Bのバン
ドパスフィルタ９５を通った後、位相シフタ９６より位
相がπ／２遅延される。位相シフタ９６からの出力信号
はアンプ９７で増幅された後、ミキサ９８に送られ、位
相保持分波器９４により分離された他方の干渉強度信号
との積が出力される。他方の干渉強度信号Ｉ_D1は式
（３）で、またアンプ９７からの出力信号Ｉ_D2は式
（４）で、さらにミキサ９８からの出力信号Ｉ_Dは式
（５）で各々表される。

【００３３】

【数３】

【００３４】

【数４】

【００３５】

【数５】

【００３６】式（５）は、ａ≪λより近似的に次式の形
に改められる。

【００３７】

【数６】

【００３８】式（６）の、第一項は直流成分、第二項は
求めるべきｆ_Lの周波数成分、第三項及び第四項はｆ_Bの
周波数成分、第五項及び第六項は２ｆ_Bの周波数成分で
ある。今ｆ_L≪ｆ_Bとして、ミキサ９８からの出力信号
を、ｆ_B以上の周波数成分を遮断するローパスフィルタ
９９に通した後、図１のロックインアンプ７３に入力す
る。ローパスフィルタ９９では、直流成分及びｆ_Lの周
波数成分だけが取り出され、さらにロックインアンプ７
３では、発振器６９から出力される周波数ｆ_Lの矩形波
信号を参照信号として、最終的にｆ_Lの周波数成分の振
幅と位相が取り出される。この振幅及び位相から試料５
１表面の微小変位の振幅ａ及び位相θが求まるわけであ
る。また、この振幅ａ及び位相θが、その変調周波数ｆ
_Lで定義される熱拡散領域Ｖ_th内の熱的及び弾性的情報
をもつ。従って、熱拡散領域Ｖ_th内にクラック等の内部
欠陥があれば、振幅ａ及び位相θが変化し、その存在を
知ることができる。ＸＹステージ５２の移動信号とロッ
クインアンプ７３からの出力信号は計算機７４で処理さ
れ、試料５１上の各点における光音響信号がモニタＴＶ
７５上に二次元光音響画像として出力される。また、発
振器６９から出力される変調信号の周波数ｆ_Lを計算機
７４で制御すれば、様々な変調周波数に設定することが
でき、試料５１の様々な深さの内部情報を検出すること
ができる。

【００３９】ここで例えば、試料が光学的に透明でかつ
熱的に薄い場合、図６に示すように、光音響信号の信号
強度ａ(ｆ_L)は励起光の強度変調周波数ｆ_Lに逆比例する
という周波数特性１１０を持つ。また、図７に示すよう
に、マッハツェンダ干渉光学系３０２の検出感度ｂ
(ｆ_L)は表面変位の変動周波数（励起光の強度変調周波
数）ｆ_Lに対し、√ｆ_Lに逆比例するという周波数特性１
１１を持つ。従って、従来の光音響信号検出装置では、
励起光の強度変調周波数ｆ_Lを色々変化させて、試料内
部の様々な深さの欠陥を検出した場合、検出された光音
響信号から欠陥の大きさを判別しようとしても、光音響
信号の検出感度が変調周波数に応じて様々に変化するた
め、欠陥の大きさの定量的な把握が困難である。そこ
で、本実施例では、以下の手段により、この課題を解決
している。まず初めに、光音響信号及び干渉計の各変調
周波数特性を予め各試料ごとに理論的あるいは実験的に
求めておく。今の場合、最終的に得られる光音響信号の
信号強度は上記のように、変調周波数ｆ_Lの−３／２乗
（（−１）＋（−１／２））に比例するので、各変調周
波数における検出感度を一定にするには、変調周波数特
性の逆数である変調周波数ｆ_Lの３／２乗に比例して、
励起光の強度Ｉ_eを変化させればよい。励起光の強度Ｉ_e
を変化させる方法として、本実施例では図８に示すよう
に、発振器６９から出力される図２（ｂ）に示す周波数
ｆ_Lの矩形波１０１の振幅Ｖ_Mを変化させて、音響光学変
調素子８３から出力される一次回折光８５、即ち、励起
光の強度Ｉ_eを変化させる方法を用いている。従って、
変調周波数ｆ_Lを色々変えて光音響信号を検出する時
は、計算機７４の制御により変調周波数ｆ_Lの３／２乗
に比例して発振器６９から出力される図２（ｂ）に示す
周波数ｆ_Lの矩形波１０１の振幅Ｖ_Mを変化させ、さらに
同図（ｃ）に示す変調信号１０２の振幅Ｖ_Mを変化させ
る。その結果、図９に示すように、各変調周波数ごとに
変調周波数ｆ_Lの３／２乗に比例して励起光８５（９
２）の強度Ｉ_eを変化させることができ、最終的に図１
０に示すように光音響信号の信号強度Ｉが各変調周波数
において一定となり、検出感度の変調周波数特性を補正
することができる。

【００４０】本実施例によれば、励起光の強度変調周波
数によらず常に光音響信号の検出感度が一定となるた
め、変調周波数を変えて試料の様々な深さの欠陥を検出
した場合、検出された光音響信号から欠陥の大きさを定
量的に判別することが可能となると共に、試料の表面及
び内部情報の安定検出、また変調周波数を変えて検出し
た試料の様々な深さの内部情報の定量的解析が可能とな
る。

【００４１】また、本実施例によれば以下のような大き
な効果がある。例えば図１１に示すように、光音響信号
の信号強度ａ(ｆ_L)の周波数特性が１１０であるのに対
し、非光学的雑音、例えば、装置のステージの振動雑音
等の周波数特性が１３０のようである場合、変調周波数
ｆ_LNにおいて、光音響信号ａ(ｆ_LN)は雑音ｎ(ｆ_LN)より
も小さくなり、検出が不可能となってしまう。このよう
な場合でも、本実施例によれば、励起光の強度Ｉ_eを変
化させ、特にｆ_LN付近で光音響信号強度が増加し、かつ
１１０ｐのように変調周波数ｆ_Lに対し一定となるよう
に調節すれば、非光学的雑音強度ｎ(ｆ_LN)はそのままで
光音響信号強度ａ(ｆ_LN)だけを増加させることができ、
変調周波数ｆ_LNにおいて、光音響信号ａ(ｆ_LN)の検出が
可能となる。

【００４２】また、本実施例では、励起光の強度Ｉ_eを
変化させる手段として、励起光の強度変調用に用いてい
る音響光学変調素子８３の変調信号１０２の振幅Ｖ_Mを
変化させる方法を採用しているので、従来の光学系がそ
のまま使えるという効果がある。

【００４３】また、本実施例によれば、励起光学系と干
渉光学系を共焦点光学系として構成することにより、試
料上及び干渉光検出手段上に、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もつスポット光を形成す
ることができ、さらに対物レンズ４８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
光することができる。よって、光音響信号の横方向分解
能、検出感度及び信号ＳＮ比が向上する。

【００４４】本発明の第二の実施例を図１２及び図１３
に基づいて説明する。図１２は第二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、励起光
学系３０３、ヘテロダイン形マッハツェンダ干渉光学系
３０２及び信号処理系３００から成る。基本構成とその
機能は図１に示す第一の実施例における光音響検出光学
系と同じであるので、詳細な説明は省略する。第一の実
施例では、図２（ｃ）に示す変調信号１０２の振幅Ｖ_M
を変化させて音響光学変調素子８３から出力される一次
回折光８５即ち変調周波数ｆ_Lの励起光の強度Ｉ_eを変化
させることにより、検出される光音響信号強度Ｉの変調
周波数特性を補正している。これに対し、第二の実施例
では、図１２に示すように、励起光学系３０３の音響光
学変調素子８３の手前に、図１３（ｂ）の１２３に示す
ように、一方向に連続的な透過率変化を有する連続可変
形ＮＤフィルタ１２０を挿入し、これをパルスモータ及
びクランク機構（図示せず）から成る駆動機構１２１と
コントローラ１２２により、矢印方向に微動させること
により励起光の強度Ｉ_eを変化させる構成としている。
即ち、変調周波数ｆ_Lを色々変えて光音響信号を検出す
る時は、各変調周波数ごとにこの連続可変形ＮＤフィル
タ１２０を微動することにより、図９に示すように変調
周波数ｆ_Lの３／２乗に比例して励起光の強度Ｉ_eを変化
させ、光音響信号の変調周波数特性を補正してやれば、
最終的に第一の実施例と同様、図１０に示すように光音
響信号（信号強度Ｉ）、即ち、検出感度の変調周波数特
性を一定にすることができる。

【００４５】本実施例によれば、第一の実施例と同様、
励起光の変調周波数によらず常に光音響信号の検出感度
が一定となるため、変調周波数を変えて試料の様々な深
さの欠陥を検出した場合、検出された光音響信号から欠
陥の大きさを定量的に判別することが可能となると共
に、試料の表面及び内部情報の安定検出、また変調周波
数を変えて検出した試料の様々な深さの内部情報の定量
的解析が可能となる。

【００４６】また、本実施例によれば、第一の実施例と
同様、以下のような大きな効果がある。例えば図１１に
示すように、光音響信号の信号強度ａ(ｆ_L)の周波数特
性が１１０であるのに対し、非光学的雑音、例えば装置
のステージの振動雑音等の周波数特性が１３０のようで
ある場合、変調周波数ｆ_LNにおいて、光音響信号ａ
(f_LN)は雑音ｎ(ｆ_LN)よりも小さくなり、検出が不可能
となってしまう。このような場合も、本実施例によれ
ば、励起光の強度Ｉ_eを変化させ、光音響信号の信号強
度を１１０ｐのように変調周波数ｆ_Lに対し一定となる
ように調節すれば、変調周波数ｆ_LNでも、光音響信号ａ
(ｆ_LN)の検出が可能となる。

【００４７】また、本実施例では、励起光の強度Ｉ_eを
変化させる手段として、励起光学系３０３の光路中に別
途設けた連続可変形ＮＤフィルタ１２０を用いているの
で、発振器６９において図２（ｂ）に示す周波数ｆ_Lの
矩形波１０１の振幅Ｖ_Mの制御が不要となるため、回路
構成が容易になるという効果がある。

【００４８】また、本実施例によれば、第一の実施例と
同様、励起光学系と干渉光学系を共焦点光学系として構
成することにより、試料上及び干渉光検出手段上に、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も
つスポット光を形成することができ、さらに対物レンズ
４８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ことができる。よっ
て、光音響信号の横方向分解能、検出感度及び信号ＳＮ
比が向上する。

【００４９】本発明の第三の実施例を図１４に基づいて
説明する。図１４は第三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、励起光学系３０
４、ヘテロダイン形マッハツェンダ干渉光学系３０２及
び信号処理系３０５からなる。基本構成とその機能は図
１に示す第一の実施例における光音響検出光学系と同じ
であるので、詳細な説明は省略する。第一の実施例で
は、図２（ｃ）に示す変調信号１０２の振幅Ｖ_Mを変化
させて音響光学変調素子８３から出力される一次回折光
８５即ち励起光の強度Ｉ_eを変化させることにより、検
出される光音響信号強度Ｉの変調周波数特性を補正して
いる。これに対し、第三の実施例では、光音響信号強度
Ｉの変調周波数特性の補正を、励起光の強度Ｉ_eの調節
で行うのではなく、信号処理系３０５に新たに設けたア
ナログ乗算器１２４により行う。即ち、変調周波数ｆ_L
を色々変えて光音響信号を検出する時は、各変調周波数
ごとに計算機７４からアナログ乗算器１２４に図９に対
応した補正用の電圧信号を入力し、検出した干渉強度信
号に掛けあわせてやれば、最終的に第一の実施例と同
様、図１０に示すように光音響信号（信号強度Ｉ）、即
ち検出感度の変調周波数特性を一定にすることができ
る。

【００５０】本実施例によれば、第一の実施例と同様、
励起光の変調周波数によらず常に光音響信号の検出感度
が一定となるため、変調周波数を変えて試料の様々な深
さの欠陥を検出した場合、検出された光音響信号から欠
陥の大きさを定量的に判別することが可能となると共
に、試料の表面及び内部情報の安定検出、また変調周波
数を変えて検出した試料の様々な深さの内部情報の定量
的解析が可能となる。

【００５１】また、本実施例では、光音響信号強度Ｉの
変調周波数特性を補正する手段として、信号処理系３０
５に設けたアナログ乗算器１２４を用いて電気的に行っ
ているので、励起光学系３０４に励起光強度の制御機能
を設ける必要がなくなり、光学系の安定度が増すという
効果がある。

【００５２】また、本実施例によれば、第一の実施例と
同様、励起光学系と干渉光学系を共焦点光学系として構
成することにより、試料上及び干渉光検出手段上に、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も
つスポット光を形成することができ、さらに対物レンズ
４８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ことができる。よって、光
音響信号の横方向分解能、検出感度及び信号ＳＮ比が向
上する。

【００５３】本発明の第四の実施例を図１５及び図１６
に基づいて説明する。図１５は第四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、励起光
学系３０６と光音響信号を検出するためのＰＺＴ素子１
２６を含めた信号処理系３０７からなる。励起光学系３
０６の構成は、図１に示す第一の実施例における励起光
学系３０１と同じであるので、詳細な説明は省略する。
尚、ダイクロイックプリズム９３の代わりにミラー１２
５を用いている。第一から第三の実施例では、光音響信
号の検出にヘテロダイン形マッハツェンダ干渉光学系を
用いているが、本実施例では、試料５１の裏面に装着し
たＰＺＴ素子１２６を用いている。ＰＺＴ素子１２６か
らの出力電圧はプリアンプ１２７で増幅された後、ロッ
クインアンプ７３に送られる。ロックインアンプ７３で
は、発振器６９から出力される周波数ｆ_Lの矩形波信号
を参照信号として、ＰＺＴ素子１２６の出力信号の中か
らｆ_Lの周波数成分の振幅と位相が取り出される。この
振幅及び位相から試料５１表面の微小変位の振幅ａ及び
位相θが求まるわけである。また、この振幅ａ及び位相
θが、その変調周波数ｆ_Lで定義される熱拡散領域Ｖ_th
内の熱的及び弾性的情報をもつ。従って、熱拡散領域Ｖ
_th内にクラック等の内部欠陥があれば、振幅ａ及び位相
θが変化し、その存在を知ることができる。第一の実施
例と同様、ＸＹステージ５２の移動信号とロックインア
ンプ７３からの出力信号は計算機７４で処理され、試料
５１上の各点における光音響信号がモニタＴＶ７５上に
二次元光音響画像として出力される。また、発振器６９
から出力される変調信号の周波数ｆ_Lを計算機７４で制
御すれば、様々な変調周波数に設定することができ、試
料５１の様々な深さの内部情報を検出することができ
る。

【００５４】本実施例では、光音響信号を検出するため
にＰＺＴ素子１２６を用いているため、図６に示す光音
響信号強度ａ(ｆ_L)の変調周波数特性１１０と図１６に
示すＰＺＴ素子の感度ｐ(ｆ_L)の変調周波数特性１２８
の両者を補正している。補正方法は、第一の実施例と同
様、まず初めに、予め図６に示す光音響信号強度ａ
(ｆ_L)の変調周波数特性１１０と図１６に示すＰＺＴ素
子の感度ｐ(ｆ_L)の変調周波数特性１２８を理論的ある
いは実験的に測定しておく。次に、図１０に示すように
各変調周波数における検出感度が一定となるように、測
定した各周波数特性の逆数（補正係数）を計算機７４で
求める。次に、発振器６９から出力される図２（ｂ）に
示す変調信号１０１の振幅Ｖ_Mをこの補正係数に基づい
て計算機７４で制御し、同図（ｃ）に示す変調信号１０
２の振幅Ｖ_Mを変化させることにより、音響光学変調素
子８３から出力される一次回折光８５、即ち、励起光の
強度Ｉ_eを変化させ、検出される光音響信号強度Ｉの変
調周波数特性を補正する。

【００５５】本実施例によれば、第一の実施例と同様、
励起光の変調周波数によらず常に光音響信号の検出感度
が一定となるため、変調周波数を変えて試料の様々な深
さの欠陥を検出した場合、検出された光音響信号から欠
陥の大きさを定量的に判別することが可能となると共
に、試料の表面及び内部情報の安定検出、また変調周波
数を変えて検出した試料の様々な深さの内部情報の定量
的解析が可能となる。

【００５６】また、本実施例によれば、第一の実施例と
同様、以下のような大きな効果がある。例えば図１１に
示すように、光音響信号の信号強度ａ(ｆ_L)の周波数特
性が１１０であるのに対し、非光学的雑音、例えば装置
のステージの振動雑音等の周波数特性が１３０のようで
ある場合、変調周波数ｆ_LNで、光音響信号ａ(ｆ_LN)は雑
音ｎ(ｆ_LN)よりも小さくなり、検出が不可能となってし
まう。このような場合も、本実施例によれば、励起光の
強度Ｉ_eを変化させ、光音響信号の信号強度を１１０ｐ
のように変調周波数ｆ_Lに対し一定となるように調節す
れば、変調周波数ｆ_LNでも、光音響信号ａ(ｆ_LN)の検出
が可能となる。

【００５７】また、本実施例では、励起光の強度Ｉ_eを
変化させる手段として、励起光の強度変調用に用いてい
る音響光学変調素子８３の変調信号１０２の振幅Ｖ_Mを
変化させる方法を採用しているので、従来の光学系がそ
のまま使えるという効果がある。

【００５８】また、本実施例によれば、光音響信号の検
出にＰＺＴ素子を用いているので、光学系が簡略化さ
れ、光軸調整等が容易になる、あるいは光学系の安定度
が増すという効果がある。

【００５９】また、本実施例によれば、励起光学系を共
焦点光学系として構成することにより、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ット
光を試料上に形成することができるため、光音響信号の
横方向分解能、検出感度及び信号ＳＮ比が向上する。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば、光音響信号検出装置に
おいて、励起光の変調周波数によらず常に光音響信号の
検出感度が一定となるため、変調周波数を変えて試料の
様々な深さの欠陥を検出した場合、検出された光音響信
号から欠陥の大きさを定量的に判別することが可能とな
ると共に、試料の表面及び内部情報の安定検出、また変
調周波数を変えて検出した試料の様々な深さの内部情報
の定量的解析が可能となる。

【００６１】また、励起光を試料上に集光する励起手段
と、光音響効果あるいは光熱効果により生じた試料表面
の微小変位（熱歪）を検出する光干渉検出手段とを、共
焦点光学系として構成することにより、試料上及び干渉
光検出手段上に、不要な高次回折光成分の存在しない理
想的なピーク部をもつスポット光を形成することがで
き、光音響信号の横方向分解能、検出感度及び信号ＳＮ
比が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例における光音響検出光学
系を示すブロック図、

【図２】音響光学変調素子へ入力される変調信号の波形
図、

【図３】集光スポットの高次回折光成分が遮光される様
子を示す説明図、

【図４】第一から第三の実施例の干渉計における入射光
の偏光方向を示す説明図、

【図５】位相検波回路のブロック図、

【図６】光音響信号強度の変調周波数特性図、

【図７】干渉光学系の検出感度の変調周波数特性図、

【図８】変調信号の振幅と音響光学変調素子から出力さ
れる一次回折光強度との関係を示す特性図、

【図９】光音響信号の変調周波数特性を補正するための
励起光強度の変調周波数特性図、

【図１０】感度補正後の光音響信号強度の変調周波数特
性図、

【図１１】感度補正前後の光音響信号強度の変調周波数
特性と非光学的雑音の変調周波数特性図、

【図１２】本発明の第二の実施例における光音響検出光
学系を示すブロック図、

【図１３】第二の実施例における連続可変形ＮＤフィル
タの透過率分布図、

【図１４】本発明の第三の実施例における光音響検出光
学系を示すブロック図、

【図１５】本発明の第四の実施例における光音響検出光
学系を示すブロック図、

【図１６】第四の実施例におけるＰＺＴ素子検出感度の
変調周波数特性図、

【図１７】従来の光音響検出光学系を説明するためのブ
ロック図、

【図１８】光音響効果の原理図。

【符号の説明】

１，８…レーザ、８１…Ａｒレーザ、３１…Ｈｅ−Ｎｅ
レーザ、２，７６，８３…音響光学変調素子、４２，５
７，９０…ピンホール、５，４８…対物レンズ、１３，
６７…光電変換素子、１２６…ＰＺＴ素子、１５，６９
…発振器、７２…位相検波回路、１２０…連続可変形Ｎ
Ｄフィルタ、１２４…アナログ乗算器、１６，７３…ロ
ックインアンプ、１７，７４…計算機、７，５１…試
料。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの光を所望の変調周波数で強度変
調し、該強度変調した光を試料上に照射し、該照射によ
り前記試料の表面あるいは前記試料の内部に光音響効果
あるいは光熱効果を発生させ、該発生させた光音響効果
あるいは光熱効果を検出し、該光音響効果あるいは光熱
効果を検出した検出信号の中から前記強度変調した変調
周波数の周波数成分を検出し、該検出した周波数成分の
中から前記強度変調した変調周波数に応じた前記試料の
表面あるいは前記試料の内部情報を抽出する光音響信号
検出方法であって、異なる変調周波数に対して前記検出
信号の検出感度が一定となるように、各変調周波数に応
じて検出感度を実効的に補正しながら前記変調周波数を
変えて前記試料の異なる範囲の表面または内部情報を抽
出することを特徴とする光音響信号検出方法。
【請求項２】前記検出感度の補正は、検出感度が各変調
周波数に対して一定となるように、前記強度変調した光
の強度を各変調周波数に応じて調節することを特徴とす
る請求項１記載の光音響信号検出方法。
【請求項３】前記検出感度の補正は、検出感度が各変調
周波数に対して一定となるように、前記検出信号の強度
を各変調周波数に応じて調節することにより実行される
ことを特徴とする請求項１記載の光音響信号検出方法。
【請求項４】前記検出感度の補正は、前記光音響効果あ
るいは光熱効果を検出する手段の変調周波数特性を含め
て検出感度が各変調周波数に対して一定となるように実
行されることを特徴とする請求項１記載の光音響信号検
出方法。
【請求項５】励起光を試料に照射することにより該試料
の表面あるいは該試料の内部に発生させた光音響効果あ
るいは光熱効果による信号を検出し前記試料の表面ある
いは前記試料の内部情報を抽出する光音響信号検出方法
であって、前記励起光を該励起光の変調周波数に応じて
強度を変化させながら試料上に照射することにより、前
記試料中の欠陥の大きさを定量的に把握することを特徴
とする光音響信号検出方法。
【請求項６】励起光を試料に照射することにより該試料
の表面あるいは該試料の内部に発生させた光音響効果あ
るいは光熱効果による信号を検出し前記試料の表面ある
いは前記試料の内部情報を抽出する光音響信号検出方法
であって、前記励起光を変調周波数を変化させながら試
料上に照射し、該励起光の照射により前記試料の表面あ
るいは内部に発生した光音響効果あるいは光熱効果によ
る信号を検出し、該検出した信号を前記変調周波数に応
じて補正することにより前記試料中の欠陥の大きさを定
量的に把握することを特徴とする光音響信号検出方法。
【請求項７】前記光音響効果あるいは光熱効果を、光干
渉を用いて検出することを特徴とする請求項１乃至６の
何れかに記載の光音響信号検出方法。
【請求項８】前記光音響効果あるいは光熱効果を、圧電
素子を用いて検出することを特徴とする請求項１乃至６
の何れかに記載の光音響信号検出方法。
【請求項９】前記強度変調した光を試料上に照射し、前
記試料の表面あるいは内部で光音響効果あるいは光熱効
果を発生させる励起方法を共焦点光学系により行うこと
を特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の光音響信
号検出方法。
【請求項１０】前記光干渉を、共焦点光学系を用いて検
出することを特徴とする請求項７記載の光音響信号検出
方法。
【請求項１１】光源と、該光源から発射された光を所望
の変調周波数で強度変調する変調手段と、該変調手段で
強度変調した光を試料上に照射して前記試料の表面ある
いは前記試料の内部に光音響効果あるいは光熱効果を発
生させる励起手段と、該励起手段により発生させた光音
響効果あるいは光熱効果による前記試料表面の熱歪を検
出する熱歪検出手段と、該熱歪検出手段で検出した前記
試料表面の熱歪の検出信号の中から前記強度変調した変
調周波数の周波数成分を検出する周波数成分検出手段
と、該周波数成分検出手段で検出した前記強度変調した
変調周波数の周波数成分から前記強度変調した変調周波
数に応じた前記試料の表面あるいは前記試料の内部情報
を抽出する情報抽出手段と、前記周波数成分検出手段で
検出する前記強度変調した変調周波数の周波数成分の検
出信号の検出感度が異なる変調周波数に対して一定とな
るように各変調周波数に応じて検出感度を実効的に補正
する検出感度補正手段とを備えたことを特徴とする光音
響信号検出装置。
【請求項１２】前記検出感度補正手段が、検出感度が各
変調周波数に対して一定となるように、強度変調した光
の強度を各変調周波数に応じて調節することを特徴とす
る請求項１１記載の光音響信号検出装置。
【請求項１３】前記検出感度補正手段が、検出感度が各
変調周波数に対して一定となるように、前記検出信号の
強度を各変調周波数に応じて調節することを特徴とする
請求項１１記載の光音響信号検出装置。
【請求項１４】前記検出感度補正手段が、熱歪を検出す
る熱歪検出手段の変調周波数特性を含めて検出感度が各
変調周波数に対して一定となるように、感度補正するこ
とを特徴とする請求項１１記載の光音響信号検出装置。
【請求項１５】前記熱歪検出手段は、光干渉を用いて試
料表面の熱歪を検出することを特徴とする請求項１１記
載の光音響信号検出装置。
【請求項１６】前記熱歪検出手段は、圧電素子を用いて
試料表面の熱歪を検出することを特徴とする請求項１１
記載の光音響信号検出装置。
【請求項１７】前記励起手段を、共焦点光学系で構成し
たことを特徴とする請求項１１記載の光音響信号検出装
置。
【請求項１８】前記光干渉を用いて試料表面の熱歪を検
出する熱歪検出手段を、共焦点光学系で構成したことを
特徴とする請求項１５記載の光音響信号検出装置。