JP3201046B2 - 光音響信号検出方法及び装置 - Google Patents

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ものである。

【０００２】

【従来の技術】光音響効果（Photoacoustic Effect）
は、１８８１年チンダル（Tyndall）、ベル（Bell）、
レントゲン（Rentogen）らによって発見された。即ち、
図３１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において熱が発生し、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。上記超音波、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。尚、熱拡散長μ_s２２は、励起光の変
調周波数をｆ_Lとして、試料７の熱伝導率ｋ、密度ρ、
及び比熱ｃより、次式(数１)で与えられる。

【０００３】

【数１】

【０００４】上記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．７３
０〜ｐ．７３６（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）（ＩＥＥＥ１
９８６ＵＬＴＲＡ‐ＳＯＮＩＣＳ ＳＹＭＰＯＳＩＵ
Ｍ；ｐ．５１５〜５２６（１９８６）」において論じら
れている。

【０００５】その一例を図３０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２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からの反射光と上記参
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１
６では、音響光学変調素子２の駆動に用いる発信器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。数１より、変調周波数を変えることによ
り熱拡散長μ_s２１を変えることができ、試料の深さ方
向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
数成分の振幅と、変調周波数信号に対する位相が変化す
るので、その存在を知ることができる。ＸＹ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２次元画像情報とし
て出力される。

【０００６】

【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。

【０００７】即ち、図３０に示す従来の光音響検出光学
系では、試料の２次元内部情報を得ようとする場合、光
音響効果を発生させるための励起光と、光音響効果によ
って生じた試料表面の微小変位を検出するためのプロー
ブ光とを、各々相対的に試料上を２次元走査する必要が
ある。この２次元走査は１点ずつ情報を検出していくい
わゆるポイント走査であるため、試料の全面にわたって
走査しようとすると、莫大な検出時間を要してしまう。
この莫大な検出時間を要する点が、これまで光音響検出
技術が生産ラインにおける試料の内部欠陥検査へ適用で
きないでいた最大の理由である。また、試料によって
は、表面の反射率が場所によって異なっている場合があ
る。その場合、従来技術では、プローブ光の反射光強度
が内部情報だけでなく表面反射率の情報を含んでしま
い、正確に内部情報のみを検出することが困難であっ
た。さらに、試料によっては、表面の形状が平坦でなく
場所によって凹凸状態になっている場合がある。その場
合、従来技術では、プローブ光の反射光の位相が試料表
面の凹凸によって変化し、内部情報だけでなく表面の凹
凸情報を含んでしまい、正確に内部情報のみを検出する
ことが困難であるという課題を有していた。

【０００８】本発明の目的は、単純構成にして、また試
料表面の反射率分布及び凹凸分布の影響を受けにくい、
試料の２次元内部情報の高速検出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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、所望の周波数で強度変調した強度変調光
を試料表面の複数の測定点に照射してこの複数の測定点
の表面または内部において光音響効果あるいは光熱効果
を発生させ、この複数の測定点からの反射光と参照光と
の干渉光を、試料表面と共役の関係にあり、かつ各測定
点に対応した複数個の光電変換素子の各々で受光して干
渉光強度信号として検出し、各光電変換素子ごとに、こ
の検出された各干渉光強度信号の周期に対して異なるサ
ンプリング周期で複数回の信号をサンプリングし、この
複数個の信号データに基づいて複数の測定点において生
じた強度変調周波数と同じ周波数成分の熱歪を検出して
試料の複数の測定点の表面または内部情報を検出する光
音響信号検出方法とした。

【００１０】また、上記目的を達成するために、本発明
は、所望の周波数で強度変調した強度変調光を試料表面
の複数の測定点に照射して複数の測定点の表面または内
部において光音響効果あるいは光熱効果を発生させ、複
数の測定点からの反射光と参照光との干渉光を、試料表
面と共役の関係にあり、かつ各測定点に対応した複数個
の非蓄積形光電変換素子の各々で受光して干渉光強度信
号として検出し、非蓄積形光電変換素子ごとに、検出さ
れた各干渉光強度信号の周期に対して異なるサンプリン
グ周期で複数回信号をサンプリングし、この複数個の信
号データに基づいて測定点において生じた強度変調周波
数と同じ周波数成分の熱歪を検出して試料の複数の測定
点の表面または内部情報を検出する光音響信号検出方法
とした。

【００１１】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、この光源からの
光を所望の周波数で強度変調する強度変調手段と、この
強度変調した光を試料表面の複数の測定点に照射して複
数の測定点の表面あるいは内部において光音響効果ある
いは光熱効果を発生させる励起手段と、複数の測定点に
光を照射してその反射光と参照光と干渉させる光干渉手
段と、この干渉光を試料表面と共役の関係にあり且つ各
測定点に対応した複数個の光電変換素子から成る検出器
で検出する干渉光検出手段と、検出器の各光電変換素子
ごとに検出した干渉光強度信号の周期に対して異なるサ
ンプリング周期で複数の信号をサンプリングしてこの複
数の信号データに基づいて複数の測定点において生じた
強度変調周波数と同じ周波数成分の熱歪を検出して試料
の複数の測定点の表面及び内部情報を検出する情報検出
手段とを備えて構成した。

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【作用】光音響信号検出装置において、強度変調した光
を試料表面の複数の測定点に照射することにより、複数
の測定点において光音響効果あるいは光熱効果を発生さ
せることができると共に、複数の測定点に光を照射しそ
の反射光と参照光とを干渉させ、その干渉光を、試料表
面と共役の関係にあり、かつ各測定点に対応した複数個
の光電変換素子から成る検出器で検出し、検出した干渉
光強度信号の中から、複数の測定点における上記強度変
調周波数と同じ周波数成分の熱歪を光音響信号として検
出することにより、試料の複数の測定点の表面及び内部
情報をほぼ同時に抽出することが可能となり、従来方式
に比べ格段に高速な光音響信号の検出が可能となる。

【００２１】また、試料上に照射する強度変調光を試料
上で連続的な直線形状を成すビームとすることにより、
試料上の複数の測定点を同時に励起することが可能とな
り、従来方式に比べ格段に高速な光音響信号の検出が可
能となる。

【００２２】また、試料上に照射する強度変調光を試料
上で直線状に配列されたスポットビーム列とすることに
より、試料上の複数の測定点を同時に励起することが可
能となり、従来方式に比べ格段に高速な光音響信号の検
出が可能となる。

【００２３】また、上記スポットビーム列の間隔を各ス
ポットビームによる熱拡散領域が重複しない間隔とする
ことにより、各測定点における光音響信号を独立に検出
することが可能になり、光音響画像の検出分解能が向上
する。

【００２４】また、干渉光を検出するために複数個の非
蓄積形光電変換素子から成る検出器を用いることによ
り、複数の測定点における光音響信号をほぼ同時に抽出
することが可能となり、従来方式に比べ格段に高速な光
音響信号の検出が可能となる。

【００２５】また、干渉光を検出するために複数個の非
蓄積形光電変換素子から成る検出器を用い、検出器の各
非蓄積形光電変換素子ごとに、求めるべき信号の周期に
対し、位相がπ／ｎシフトしたサンプリング周期で少な
くとも２ｎ回信号をサンプリングし、この２ｎ個の信号
データに基づいて上記強度変調周波数と同じ周波数成分
の熱歪を算出することにより、アナログ的な周波数フィ
ルタリング処理ではなくディジタル処理を用いることを
可能とし、その結果高調波成分の影響が少なく、高感度
かつ高精度な光音響信号の検出がを可能となる。また、
ただ１個の検出器により、試料表面の反射率分布、試料
表面の凹凸分布、光音響信号の振幅分布、及び光音響信
号の位相分布と計４つの表面及び内部情報を同時に検出
することが可能となり、試料の高速な複合的評価を可能
となる。また、試料表面の反射率分布、試料表面の凹凸
分布、及び光路のゆらぎを補正した光音響信号の検出が
可能となり、試料の表面及び内部情報の高感度かつ安定
な検出が可能となる。

【００２６】また、上記干渉光信号のサンプリングを、
複数個の非蓄積形光電変換素子からの出力信号をＡＤ変
換時に上記所望のサンプリング周期にて実行することに
より、複数の測定点における光音響信号をほぼ同時に抽
出することが可能となり、従来方式に比べ格段に高速な
光音響信号の検出が可能となる。

【００２７】また、上記干渉光信号のサンプリングを、
干渉光信号の周期に対し、蓄積時間が十分小さくなるよ
うに設定したシャッタ機能付ＣＣＤセンサから成る検出
器を用いて実行することにより、複数の測定点における
光音響信号をほぼ同時に抽出することが可能となり、従
来方式に比べ格段に高速な光音響信号の検出が可能とな
る。

【００２８】また、干渉光強度信号が複数個の光電変換
素子から時系列的に１次元信号として出力される検出器
を用いることにより、複数の測定点における光音響信号
をほぼ同時に抽出することが可能となり、従来方式に比
べ格段に高速な光音響信号の検出が可能となる。

【００２９】また、非蓄積形光電変換素子から成る検出
器から出力される干渉光強度信号の位相をπ／ｎずつシ
フトさせる方法として、上記試料表面からの反射光と参
照光との間の光周波数の差、上記強度変調周波数、及び
上記非蓄積形光電変換素子のサンプリング周期を、各々
所望の値に組合せる方法を用いることにより、ただ１個
の検出器により、試料表面の反射率分布、試料表面の凹
凸分布、光音響信号の振幅分布、及び光音響信号の位相
分布と計４つの表面及び内部情報を同時に検出すること
が可能となり、試料の高速な複合的評価を可能となる。
また、試料表面の反射率分布、試料表面の凹凸分布、及
び光路のゆらぎを補正した光音響信号の検出が可能とな
り、試料の表面及び内部情報の高感度かつ安定な検出が
可能となる。

【００３０】また、強度変調周波数を、光音響効果もし
くは光熱効果に基づく熱拡散長が上記試料の被測定内部
界面の深さと同じか、もしくはそれを越える長さとなる
ように設定することにより、内部界面の検査が可能とな
る。

【００３１】

【実施例】本発明の実施例を図１〜図２７に基づいて説
明する。

【００３２】まず、本発明の第１の実施例を図１〜図１
３に基づいて説明する。図１は第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、励起光
学系２０１、光音響信号を検出するためのヘテロダイン
形トワイマン・グリーン干渉光学系２０２、及び信号処
理系２０３から成る。励起光学系２０１のＡｒレーザ３
１（波長５１５ｎｍ）から出射した平行ビーム３２を音
響光学変調素子３３に入射する。今、図１において、発
振器８６から図２（ａ）に示す周波数ｆ_C0の正弦波９８
を、また発振器８７から同図（ｂ）に示す周波数ｆ
_L（ｆ_L＜ｆ_C0）の矩形波９９を各々信号合成器８８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１００を作り、音響光学変調素子３３に入力す
る。その結果、音響光学変調素子３３からはｆ_C0だけ周
波数シフトした１次回折光３５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_C0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３４は絞り３６で遮光される。強度変調ビー
ム３５をビームスプリッタ３７を通過させた後、ビーム
エキスパンダ３８により所望のビーム径に拡大し、更に
シリンドリカルレンズ（円筒レンズ）３９により楕円ビ
ーム４０にし、ダイクロイックプリズム４１（波長６０
０ｎｍ以下は反射、６００ｎｍ以上は透過）で反射させ
た後対物レンズ４２の瞳４３即ち後側焦点位置４４にｘ
方向のみ集光させる。一方、ｙ方向に関してはシリンド
リカルレンズ３９は曲率を持たない板ガラスとみなせる
ので、対物レンズの後側焦点位置４４には平行光のまま
で入射する。その結果、図４に示すように、対物レンズ
の前側焦点位置、即ち試料４７の表面上には、励起ビー
ムとして、ｘ方向に幅を持ちｙ方向に集束した、１本の
ストライプビーム１０１が得られる。尚、ビームスプリ
ッタ３７では強度変調ビーム３５のうち１０％程度のビ
ーム光４９が反射され、ホトダイオード等の光電変換素
子５０で検出された後、増幅回路８９を経て発振器８７
に送られる。発振器８７では、変調信号制御回路９０か
ら送られた設定周波数ｆ_Lと光電変換素子５０で検出さ
れた測定周波数ｆ_L’とを比較し、両者が一致するよう
に発振周波数を微調整する。発振器８７はＰＬＬ（Ｐｈ
ａｓｅ Ｌｏｃｋ Ｌｏｏｐ）回路等で構成される。

【００３３】励起光学系２０１について、図３に基づい
て更に詳細に説明する。図３（ａ）及び（ｂ）におい
て、シリンドリカルレンズ３９の焦点位置と対物レンズ
４２の後側焦点位置４４とは一致しており、また対物レ
ンズの前側焦点位置は試料４７の表面と一致している。
従って、同図（ａ）に示すようにｘ方向に関して、シリ
ンドリカルレンズ３９から出たビーム４０は対物レンズ
４２の後側焦点位置４４に集光するため、対物レンズ４
２から出たビーム４６は平行光となって試料４７表面上
に入射するわけである。一方、同図（ｂ）に示すように
ｙ方向に関して、シリンドリカルレンズ３９は曲率を持
たない板ガラスとみなせるので、シリンドリカルレンズ
３９から出たビーム４０は対物レンズ４２に平行光のま
まで入射するため、対物レンズ４２から出たビーム４６
は試料４７表面上に集光するわけである。その結果、図
４に示すように、試料４７の表面上には、励起ビームと
して、ｘ方向に幅を持ちｙ方向に集束した、１本のスト
ライプビーム１０１が得られる。

【００３４】今、試料として、図４に示すようにポリイ
ミドのような有機高分子材料１０４を絶縁体として形成
されたＣｕ配線パターン１０２、１０３を考える。図５
は、試料の内部構造と、励起ビームによって生じた熱拡
散領域を示す断面図である。試料４７は、セラミック基
板１０９上に厚さ２０μｍのポリイミド１０４を絶縁体
として厚さ２０μｍのＣｕパターン１０２、１０３が配
線パターンとして形成された構造となっている。Ｃｕ配
線パターン中の内部クラック１０７や下地基板とＣｕパ
ターン界面の剥離１０８が検出すべき内部欠陥である。
ここで、重要な点はＣｕパターン１０２、１０３とその
周辺のポリイミド１０４との熱的性質の違いである。即
ち、Ｃｕの熱伝導率ｋは４０３〔Ｊ・ｍ~¹・ｋ~¹・ｓ
~¹〕、密度ρは８．９３〔×１０⁶ｇ・ｍ~³〕、比熱ｃ
は０．３８〔Ｊ・ｇ~¹・ｋ~¹〕であるのに対し、ポリイ
ミドの熱伝導率ｋは０．２８８〔Ｊ・ｍ~¹・ｋ~¹・ｓ
~¹〕、密度ρは１．３６〔×１０⁶ｇ・ｍ~³〕、比熱ｃ
は１．１３〔Ｊ・ｇ~¹・ｋ~¹〕であり、特にＣｕの熱伝
導率ｋはポリイミドのそれの１４００倍である。そこ
で、励起光の強度変調周波数ｆ_Lを５０ｋＨｚとして、
数１に上記の値を代入すると、Ｃｕパターン部１０２、
１０３における熱拡散長μ_sは約２７μｍ、ポリイミド
部１０４における熱拡散長は約１．１μｍとなる。その
結果、図５に示すように、ストライプ状の励起ビーム１
０１によって形成されたストライプ状の光吸収領域１０
５において与えられた熱が、検査対象であるＣｕパター
ン部１０２、１０３では大きく拡散し、下地基板との界
面を含めてＣｕパターンの断面を覆うように熱拡散領域
１０６が形成される。一方、検査対象外のポリイミド部
１０４では、熱は小さく拡散し熱拡散領域は表面部分の
みに形成される。その結果、図４及び図５に示すよう
に、ストライプ状の励起ビーム１０１を複数のＣｕ配線
パターン１０２、１０３を覆うように照射すると、光吸
収領域１０５に沿って光音響効果もしくは光熱効果に基
づいて生じた熱歪波により超音波（熱弾性波）が発生
し、試料４７表面に微小変位の分布１１０（破線）が生
じ、かつこの微小変位の分布１１０には、各々のＣｕ配
線パターン１０２、１０３の内部情報（内部クラック１
０７、剥離欠陥１０８）及びポリイミド部１０４の内部
情報が各々融合されることなく、独立に反映されてい
る。即ち、ストライプ状の励起ビーム１０１を用いれ
ば、熱的コントラストの高い複数の検査対象を同時に励
起でき、かつ独立に検出することができ、試料の２次元
内部情報を高速に検出することが可能となる。

【００３５】次に、光音響効果に基づく試料表面の微小
変位の分布１１０（破線）を検出するためのヘテロダイ
ン形トワイマン・グリーン干渉光学系２０２の構成とそ
の機能について、図１から図９に基づいて説明する。図
１において、Ｈｅ−Ｎｅレーザ５１（波長６３３ｎｍ）
から出射する直線偏光ビーム５２の偏向方向を、図６
（ａ）の１１１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ｙ
軸とし、それと直交する方向をｘ軸とする。偏光ビーム
スプリッタ５３により、入射光ビーム５２のうち図６
（ａ）の１１２で示すｐ偏光成分５４は偏光ビームスプ
リッタ５３を透過し、音響光学変調素子６２に入射す
る。また、図６（ａ）の１１３で示すｓ偏光成分５５は
偏光ビームスプリッタ５３で反射される。発振器９１か
ら図２（ａ）に示すと同様の周波数ｆ_C1の正弦波を音響
光学変調素子６２に入力し、ｆ_C1だけ周波数シフトした
ｐ偏光の１次回折光６４を得る。尚、０次光６３は絞り
６５で遮光される。このｐ偏光の１次回折光６４はミラ
ー６６で反射された後、偏光ビームスプリッタ６１を通
過する。一方、偏光ビームスプリッタ５３で反射された
ｓ偏光成分５５はミラー５６で反射された後、音響光学
変調素子５７に入射する。発振器９１から図２（ａ）に
示すと同様の周波数ｆ_C2（ｆ_C1≠ｆ_C2）の正弦波を音響
光学変調素子５７に入力し、ｆ_C2だけ周波数シフトした
ｓ偏光の１次回折光５９を得る。尚、０次光５８は絞り
６０で遮光される。このｓ偏光の１次回折光５９は偏光
ビームスプリッタ６１で反射され、偏光ビームスプリッ
タ６１を通過してきたｐ偏光の１次回折光６４と合成さ
れる。この合成光６７は二周波直交偏光、即ち図６
（ｂ）に示す様に、１１２及び１１３の方向に互いに直
交し、かつお互いにｆ_C1−ｆ_C2の周波数差をもったビー
ム光を成す。合成光６７をビームスプリッタ６８を通過
させた後、ビームエキスパンダ７０により所望のビーム
径に拡大し、更にシリンドリカルレンズ（円筒レンズ）
７１により楕円ビームにする。この楕円ビームは、偏光
ビームスプリッタ７３によりｐ偏光ビーム７２とｓ偏光
ビーム７４に分離される。ｐ偏光ビーム７２はｆ_C1だけ
周波数シフトしておりダイクロイックプリズム４１を通
過した後、対物レンズ４２の瞳４３即ち後側焦点位置４
４にｘ方向のみ集光する。一方、ｙ方向に関してはシリ
ンドリカルレンズ７１は曲率を持たない板ガラスとみな
せるので、対物レンズ４２の後側焦点位置４４には平行
光のままで入射する。対物レンズ４２から出射したビー
ムはλ／４板４５通過後円偏光ビーム１４５となり、図
４に示すように、対物レンズの前側焦点位置、即ち試料
４７の表面上には、励起ビーム１０１と同じ位置に、プ
ローブビームとしてｘ方向に幅を持ちｙ方向に集束し
た、１本のストライプビーム１９０が得られる。図７に
示すように試料４７からの反射光は、光音響効果により
試料４７表面で生じた微小変位の分布１１０（破線）を
位相分布情報としてもっている。図１において、試料４
７からの反射光はλ／４板４５通過後ｓ偏光ビームとな
り、対物レンズ４２を通過後再び同じ光路を経て偏光ビ
ームスプリッタ７３で反射される。

【００３６】一方、偏光ビームスプリッタ７３により分
離されたｓ偏光ビーム７４は、ｆ_C2だけ周波数シフトし
ており、λ／４板７５通過後円偏光となり、参照ミラー
７６に入射する。参照ミラー７６で反射した円偏光ビー
ムは再びλ／４板７５通過後ｐ偏光となり、参照光とし
て偏光ビームスプリッタ７３を通過する。図８の１１４
は、偏光ビームスプリッタ７３で反射された試料４７か
らの反射光の偏光方向を、１１５は参照ミラー７６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。そこで、結像
レンズ７８の後に偏光板７９を挿入し、その偏光方向を
図８の１１６に示すように４５°方向とすることによ
り、両反射光は干渉しｆ_B＝ｆ_C1−ｆ_C2のビート周波数
を持ったヘテロダイン干渉光８０が得られる。このヘテ
ロダイン干渉光８０には光音響効果により試料４７表面
で生じた微小変位のｘ方向の１次元分布が光位相分布情
報として含まれている。この干渉光８０を中心波長６３
３ｎｍの干渉フィルタ８１を通して迷光を除去した後、
結像レンズ７８により、（数３）式における干渉光信号
の最小の周期に対し、蓄積時間を十分小さくしたシャッ
タ機能付ＣＣＤ１次元センサ８２上に結像させる。シャ
ッタ機能付ＣＣＤ１次元センサ８２の撮像面と試料４７
の表面とは結像関係にあるので、当然ながら、撮像面に
は試料４７の表面に形成されたプローブビームと同様ス
トライプ状の干渉光が結像する。尚、ビームスプリッタ
６８では二周波直交偏光の合成光６７のうち１０％程度
のビーム光が反射される。このビーム光の両偏光成分
は、偏光方向を図８の１１６に示すように４５°方向と
した偏光板８３により互いに干渉し、 ｆ_B’＝ｆ_C1’
−ｆ_{C 2}’のビート信号がホトダイオード等の光電変換素
子８５で検出される。このビート信号は増幅回路９２を
経てシャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサ駆動制御回路９
３に送られる。駆動制御回路９３では、計算機９６から
送られた設定ビート周波数ｆ_Bと光電変換素子８５で検
出された測定周波数ｆ_B’とを比較し、両者が一致する
ように計算機９６及び変調信号制御回路９０を介して、
発振器９１から出力される正弦波の周波数ｆ_C1もしくは
ｆ_C2を微調整する。発振器９１はＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ
Ｌｏｃｋ Ｌｏｏｐ）回路等で構成される。

【００３７】ヘテロダイン形トワイマン・グリーン干渉
光学系２０２について、図３及び図９に基づいて更に詳
細に説明する。図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、励
起光学系２０１と同様、シリンドリカルレンズ７１の焦
点位置と対物レンズ４２の後側焦点位置４４とは一致し
ており、また対物レンズの前側焦点位置は試料４７の表
面と一致している。従って、同図（ａ）に示すようにｘ
方向に関して、シリンドリカルレンズ７１から出たｐ偏
光ビーム７２は対物レンズ４２の後側焦点位置４４に集
光するため、対物レンズ４２から出たビーム１４５は平
行光となって試料４７表面上に入射するわけである。一
方、同図（ｂ）に示すようにｙ方向に関して、シリンド
リカルレンズ７１は曲率を持たない板ガラスとみなせる
ので、シリンドリカルレンズ７１から出たビーム７２は
対物レンズ４２に平行光のままで入射するため、対物レ
ンズ４２から出たビーム１４５は試料４７表面上に集光
するわけである。その結果、図４に示すように、試料４
７の表面上には、励起ビーム１０１と同じ位置に、プロ
ーブビームとして励起ビーム同様ｘ方向に幅を持ちｙ方
向に集束した、１本のストライプビーム１９０が得られ
る。一方、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、シリン
ドリカルレンズ７１の焦点位置と参照ミラー７６の位置
とは一致している。従って、同図（ａ）に示すようにｘ
方向に関して、シリンドリカルレンズ７１から出たｓ偏
光ビーム７４は参照ミラー７６上で集光し、また同図
（ｂ）に示すようにｙ方向に関しては平行光のままで入
射する。

【００３８】図９（ａ）及び（ｂ）に示すように対物レ
ンズ４２の前側焦点位置は試料４７の表面と一致してお
り、また対物レンズ４２の後側焦点位置４４は結像レン
ズ７８の前側焦点位置と一致しており、更に結像レンズ
７８の後側焦点位置はシャッタ機能付ＣＣＤ１次元セン
サ８２の撮像面と一致している。即ち、この光学系は両
テレセントリック結像光学系となっている。従って、同
図（ａ）に示すようにｘ方向に関して、試料４７表面か
らの平行反射光は対物レンズ４２通過後その後側焦点位
置４４に集束し、結像レンズ７８通過後再び平行光とな
りシャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサ８２に入射する。
一方、同図（ｂ）に示すようにｙ方向に関して、試料４
７表面からの発散反射光は対物レンズ４２通過後平行光
となり、結像レンズ７８通過後その後側焦点位置、即ち
シャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサ８２上に集束する。
その結果、シャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサ８２上に
は、試料４７上のプローブビーム１９０と同様、ｘ方向
に幅を持ちｙ方向に集束した、１本のストライプビーム
が得られる。一方、図９（ａ）及び（ｂ）に示すように
参照ミラー７６の位置と結像レンズ７８の前側焦点位置
とは一致している。従って、同図（ａ）に示すようにｘ
方向に関して、参照ミラー７６からの発散反射光は結像
レンズ７８通過後平行光となりシャッタ機能付ＣＣＤ１
次元センサ８２に入射し、また同図（ｂ）に示すように
ｙ方向に関しては結像レンズ７８通過後その後側焦点位
置、即ちシャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサ８２上に集
束する。従って、試料４７からの反射光と参照ミラー７
６からの参照光によって得られるヘテロダイン干渉光
は、シャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサ８２上でプロー
ブビーム光７２と同じストライプビームとなり、ｘ方向
の１次元光干渉信号が検出される。

【００３９】以下では、信号処理系２０３によって、シ
ャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサ８２の出力信号から、
光音響効果に基づいて生じた試料４７表面の微小変位の
振幅及び位相を、試料４７表面の反射率分布及び凹凸分
布の影響を受けることなく抽出する方法について説明す
る。今、試料４７表面に入射するプローブビーム光７２
の波長をλ、その振幅を１、試料４７表面の反射係数を
ａ_s、参照光路での反射係数をａ_r、試料４７表面の凹凸
による位相変化を含めたプローブ光の光路と参照光路と
の間の光位相差をφ、光音響効果による試料４７表面の
微小変位をＡ、また強度変調信号に対する位相変化量を
θとすると、シャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサ８２の
１画素に入射するヘテロダイン干渉光Ｉは次式(数２)で
表される。

【００４０】

【数２】

【００４１】更に、Ａ≪λより、上式は近似的に次式
(数３)の形に改められる。

【００４２】

【数３】

【００４３】(数３)式において、Ａ・ｃｏｓ（２πｆ_L
ｔ＋θ）が、光音響効果に基づいて生じた試料４７表面
の微小変位の複素振幅を表す項である。ここで、シャッ
タ機能付ＣＣＤ１次元センサ８２のシャッタ開放時間を
制御して、（数３）式における干渉光信号の最小の周期
に比べて蓄積時間を十分小さくすることで、近似的に
（数３）のヘテロダイン干渉信号Ｉを離散的にサンプリ
ングする形となり、シャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサ
８２の１画素から出力される検出信号Ｉ_Sは、サンプリ
ング・出力回数ｉの関数として次式（数４）で与えられ
る。

【００４４】

【数４】

【００４５】ここで、ｔ₀はＣＣＤセンサのサンプリン
グ周期、ｎは任意の定数である。次に、(数４)に関し
て、以下の項目を満足する条件を求める。

【００４６】（１）第２項におけるサンプリング・出力
回数ｉに対する位相シフト量＝π／２またはπ／４ （２）第３項におけるサンプリング・出力回数ｉに対す
る位相シフト量＝π （３）第４項におけるサンプリング・出力回数ｉに対す
る位相シフト量＝π／２ 上記条件により、ｐ、ｑ、ｌを整数として、各項に対す
るサンプリング周期ｔ₀は次式(数５)(数６)(数７）が得
られる。

【００４７】

【数５】

【００４８】

【数６】

【００４９】

【数７】

【００５０】式（数５)(数６)(数７）をすべて満足する
条件は次式で与えられる。

【００５１】

【数８】

【００５２】

【数９】

【００５３】例えば、ｐ＝ｑ＝１とすると、ｌ＝１、ｆ
_L＝８０ｋＨｚ、ｆ_B＝２４０ｋＨｚと設定することがで
き、ｐ、ｑ、ｌの各値を式(数５)〜(数７)に代入し、サ
ンプリング周期ｔ₀を求め、これを上記ビート周波数ｆ_B
及び強度変調周波数ｆ_Lと共に(数４)に代入すると次式
(数１０)が得られる。

【００５４】

【数１０】

【００５５】尚、上記パラメータｌ＝１、ｆ_L＝８０ｋ
Ｈｚ、ｆ_B＝２４０ｋＨｚは総て計算機９６で設定さ
れ、各々シャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサ駆動制御回
路９３及び変調信号制御回路９０に送られ、各パラメー
タの値に基づいてシャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサの
駆動と発振器８７及び９１の駆動が制御される。シャッ
タ機能付ＣＣＤ１次元センサ８２の駆動制御信号及びシ
ャッタ開放時間ｔ_sの設定方法を、図１０に示すタイミ
ングチャートに基づいて説明する。同図では上記センサ
駆動制御回路９３は負論理で動作するものとする。シャ
ッタ機能付ＣＣＤ１次元センサ８２の駆動制御に必要と
なる信号は図１０に示すようにセンサの駆動クロックパ
ルスΦ_c２２０、サンプリング周期ｔ₀によって決定され
る読出しシフトパルスΦ_i２２１及びシャッタパルスΦ_s
２２３である。同図において縦軸Ｖは電圧、横軸ｔは時
間軸を表す。まず、センサ駆動制御回路９３にて、計算
機９６から送られた設定ビート周波数ｆ_B及び励起周波
数ｆ_Lと上記パラメータｌより、（数６）式に基づいて
サンプリング周期ｔ₀を求め、周波数１／ｔ₀の読出しシ
フトパルスΦ_i２２１及び同一周波数のシャッタパルス
Φ_sを作り出す。同様にセンサ駆動クロックパルスΦ_c２
２０は周波数ｍ／ｔ₀となるようにする。但し、ｍは使
用するセンサの画素数以上の値をもつ任意の定数であ
る。また、上記読出しシフトパルスΦ_i２２１はシャッ
タパルスΦ_s２２３に対し、予め設定された最小のシャ
ッタ開放時間ｔ_s２２６を遅延時間として有するように
する。以上の信号に基づきセンサの動作原理を説明す
る。まずシャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサは電荷の蓄
積２２２をシフトパルスΦ_i２２１の立ち下がりで開始
する。その後、シャッタパルスΦ_s２２３の立ち下がり
でシャッタゲートが開けられ、センサ部においてその時
点までに蓄積された電荷２２４がシャッタドレインに捨
てられるが、センサは電荷の蓄積を続行するため、シャ
ッタゲートが開けられた時点、即ち、シャッタパルスΦ
_s２２３の立ち下がりから、シフトパルスΦ_i２２１の立
ち下がりまでのシャッタ開放時間ｔ_s内に蓄積された電
荷が信号電荷２２５として出力されることになる。

【００５６】数１０において、第１項は直流成分、第２
項はサンプリング・出力回数ｉに対する位相シフト量が
π／４で、試料４７表面の凹凸による位相変化を含めた
プローブ光の光路と参照光路との間の光位相差φに関す
る変調成分、第３項及び第４項はサンプリング・出力回
数ｉに対する位相シフト量がそれぞれπとπ／２で、試
料４７表面の凹凸による位相変化を含めたプローブ光の
光路と参照光路との間の光位相差φ、光音響信号の振幅
Ａ及び位相θに関する変調成分である。数１０に関して
ｉ＝１からｉ＝８まで、即ち第２項に関して１周期分、
第３項に関して４周期分、第４項に関して２周期分の信
号を求めると次式(数１１)〜(数１８)のようになる。

【００５７】

【数１１】

【００５８】

【数１２】

【００５９】

【数１３】

【００６０】

【数１４】

【００６１】

【数１５】

【００６２】

【数１６】

【００６３】

【数１７】

【００６４】

【数１８】

【００６５】シャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサ８２か
らの検出信号Ｉ_S（ｎ＋ｉ）を増幅回路９４Ａで増幅
し、ＡＤ変換器９４ＢでＡＤ変換する。実際には、図１
１に示すように信号のＳＮ比等を考慮して、(数１０)式
に関してｉ＝１からｉ＝８までのデータセットを１０セ
ット計８０個のサンプリング・出力データセットを２次
元メモリ９５に格納する。シャッタ機能付ＣＣＤ１次元
センサ８２の画素数を２５６とすると、２５６×８０個
のデータが格納されることになる。今、（ｎ＋ｉ）回目
のサンプリング・出力時におけるｗ画素目のデータを
（ｎ＋ｉ，ｗ）で表すとすると、２次元メモリ９５に格
納していく順序は、 (ｎ＋１，１)、(ｎ＋１，２)、(ｎ＋１，３)、…、(ｎ＋１，２５６)、 (ｎ＋２，１)、(ｎ＋２，２)、(ｎ＋２，３)、…、(ｎ＋２，２５６)、 (ｎ＋３，１)、(ｎ＋３，２)、(ｎ＋３，３)、…、(ｎ＋３，２５６)、 ： ： (ｎ＋８０，１)、(ｎ＋８０，２)、(ｎ＋８０，３)、…、(ｎ＋８０，２５６) である。一方、２次元メモリ９５から読み出す際は、以
下のように１画素ごとに８０個のサンプリング・出力デ
ータセットを順次読み出し、計算機９６に送っていく。

【００６６】 (ｎ＋１，１)、(ｎ＋２，１)、(ｎ＋３，１)、…、(ｎ＋８０，１)、 (ｎ＋１，２)、(ｎ＋２，２)、(ｎ＋３，２)、…、(ｎ＋８０，２)、 (ｎ＋１，３)、(ｎ＋２，３)、(ｎ＋３，３)、…、(ｎ＋８０，３)、 ： ： (ｎ＋１，２５６)、(ｎ＋２，２５６)、(ｎ＋３，２５６)、…、(ｎ＋８０，２ ５６) 計算機９６では、１画素ごとに８０個のサンプリング・
出力データセットを用いて、以下の計算処理を行い、試
料４７表面の反射率ａ_s ²、試料４７表面の凹凸による位
相変化を含めたプローブ光の光路と参照光路との間の光
位相差φ、試料４７表面の反射率を補正した光音響信号
の振幅Ａ、試料４７表面の凹凸による位相変化を補正し
た光音響信号の位相θを求める。

【００６７】まず、試料４７表面の凹凸による位相変化
を含めたプローブ光の光路と参照光路との間の光位相差
φは、(数１２)式、(数１４)式、(数１６)式、(数１８)
式より、次式(数１９)で与えられる。

【００６８】

【数１９】

【００６９】試料４７表面の反射率ａ_s ²は、(数１２)
式、(数１６)式及び(数１９)式により、次式(数２０)で
与えられる。

【００７０】

【数２０】

【００７１】光音響信号の振幅、即ち試料４７表面の微
小変位Ａは、(数１１)〜(数１８)式、及び(数２０)式よ
り、試料４７表面の反射率を補正した形として、次式
(数２１)で与えられる。

【００７２】

【数２１】

【００７３】光音響信号の位相、即ち励起光の強度変調
信号に対する位相変化θは、(数１１)〜(数１８)式、及
び(数１９)式より、試料４７表面の凹凸による位相変化
を補正した形として、次式(数２２)で与えられる。

【００７４】

【数２２】

【００７５】図１２（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）は、本
実施例における光音響信号の検出例である。図１２
（ａ）において、内部クラック１２０により、Ｃｕ配線
パターン１０２部の表面の微小変位１１０（破線）が、
正常Ｃｕ配線パターン１０３部の表面のそれに比べて、
大きくなっているのが判る。同図（ｂ）の光音響信号の
振幅Ａの分布１２１、及び同図（ｃ）の試料４７表面の
凹凸による位相変化を補正する前の光音響信号の位相θ
＋φの分布１２４にも、内部クラックの信号１２３（同
図（ｂ））、１２６（同図（ｃ））が強く現われてい
る。

【００７６】一方、図１３（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）
は、試料４７表面に凹凸分布がある場合の本実施例にお
ける光音響信号の検出例である。図１３（ｂ）に示すよ
うに位相補正前の光音響信号の位相θ＋φの分布１３７
は、試料４７表面の凹凸による位相変化の影響を受け、
信号のＳＮ比が大幅に低下し、内部クラック１３５の認
識は極めて困難である。しかし、同図（ｃ）に示すよう
に、数２２による位相補正後の位相信号θの分布１３９
では、試料４７表面の凹凸による位相変化の影響を受け
ることなく、内部クラック１３５の信号１４１を明瞭に
認識することができる。

【００７７】ｘｙステージ４８により試料４７をｘｙ方
向に逐次走査しながら、上記シャッタ機能付ＣＣＤ１次
元センサからの検出信号を計算機９６で処理していくこ
とにより、試料４７全面の２次元光音響画像が得られ、
ＴＶモニタ９７に出力される。

【００７８】以上述べたように、本実施例によれば、従
来のように１点ずつ情報を検出していくいわゆるポイン
ト走査方式でなく、ストライプ状の励起ビームを用い複
数の測定点を並列に同時に励起し、各点で生じた光音響
信号の検出に光干渉を利用し、干渉光を並列に同時に検
出することにより、試料の複数測定点の光音響信号を並
列に同時に検出することができ、試料の２次元内部情報
を高速に検出することが可能となる。

【００７９】更に、本実施例によれば、ただ１個のシャ
ッタ機能付ＣＣＤ１次元センサにより、試料表面の反射
率分布、試料表面の凹凸分布、光音響信号の振幅分布、
及び光音響信号の位相分布と計４つの表面及び内部情報
を同時に検出することができ、試料の複合的な評価が可
能となる。

【００８０】更に、本実施例によれば、試料表面の反射
率分布、試料表面の凹凸分布、及び光路のゆらぎを補正
した光音響信号の検出が可能となり、試料の表面及び内
部情報の高感度かつ安定な検出が可能となる。

【００８１】更に、本実施例によれば、光音響効果に基
づく熱拡散長が検査対象であるＣｕ配線パターンとセラ
ミック基板との界面の深さと同じか、もしくはそれを越
える長さとなるように、励起ビームの強度変調周波数を
設定することにより、内部界面の検査が可能となる。

【００８２】更に、本実施例によれば、光干渉信号から
光音響信号を抽出する際に、アナログ的な周波数フィル
タリング処理ではなくディジタル処理を用いるため、高
調波成分の影響が少なく、高感度かつ高精度な光音響信
号の検出が可能となる。

【００８３】尚、本実施例では、熱的コントラストの高
い複数の検査対象を有する試料に対する本発明の適用例
を述べたが、内部クラック等を含む均一材料からなる試
料への適用も十分可能である。この場合でも、試料上の
複数の測定点の同時励起が可能であるので、上記の効果
が期待できる。

【００８４】発明の第２の実施例を図１４〜図２２に基
づいて説明する。図１４は第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、励起光学系
３０１、光音響信号を検出するためのヘテロダイン形微
分干渉光学系３０２、及び信号処理系３０３から成る。
励起光学系３０１において、変調周波数ｆ_Lの強度変調
ビーム３５を得る部分の構成と機能は第１の実施例と全
く同様であるので説明を省略する。強度変調ビーム３５
をビームスプリッタ３７を通過させた後、ビームエキス
パンダ３８により所望のビーム径に拡大し、更にシリン
ドリカルレンズ（円筒レンズ）１５０によりその焦点位
置１５９にｙ方向のみ集光させる。この焦点位置１５９
は軸外しのリレーレンズ１５２の前側焦点位置と一致し
ており、リレーレンズ１５２通過後のビームは再び平行
光となり、ダイクロイックプリズム１５３（波長６００
ｎｍ以下は反射、６００ｎｍ以上は透過）で反射させた
後対物レンズ１５４の瞳即ち後側焦点位置１５５に入射
させる。一方、ｘ方向に関してはシリンドリカルレンズ
１５０は曲率を持たない板ガラスとみなせるので、リレ
ーレンズ１５２に平行光のままで入射したビームは、リ
レーレンズ１５２の後側焦点位置と一致した対物レンズ
１５４の後側焦点位置１５５に集光する。その結果、対
物レンズ１５４の前側焦点位置、即ち試料４７の表面上
には、励起ビームとして、ｘ方向に幅を持ちｙ方向に集
束した、１本のストライプビーム１８６が得られる。
尚、ビームスプリッタ３７では、第１の実施例と同様強
度変調ビーム３５のうち１０％程度のビーム光４９が反
射され、ホトダイオード等の光電変換素子５０で検出さ
れた後、増幅回路８９を経て発振器８７に送られる。発
振器８７では、変調信号制御回路９０から送られた設定
周波数ｆ_Lと光電変換素子５０で検出された測定周波数
ｆ_L’とを比較し、両者が一致するように発振周波数を
微調整する。発振器８７はＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃ
ｋ Ｌｏｏｐ）回路等で構成される。

【００８５】励起光学系３０１について、図１５に基づ
いて更に詳細に説明する。図１５（ａ）及び（ｂ）にお
いて、シリンドリカルレンズ１５０の焦点位置１５９と
軸外しのリレーレンズ１５２の前側焦点位置とが、また
リレーレンズ１５２の後側焦点位置と対物レンズ１５４
の後側焦点位置１５５とが、更に対物レンズ１５４の前
側焦点位置と試料４７の表面とがそれぞれ一致してい
る。従って、同図（ａ）に示すようにｙ方向に関して、
シリンドリカルレンズ１５０から出たビーム１５１はそ
の焦点位置１５９、即ちリレーレンズ１５２の前側焦点
位置に集光するため、リレーレンズ１５２通過後のビー
ムは再び平行光となり、対物レンズ１５４に入射するた
め、対物レンズ１５４から出たビーム１５６は試料４７
表面上に集光するわけである。尚、リレーレンズ１５２
が軸外しとなっているため、この集光位置は対物レンズ
１５４の中心からずれた位置となる。一方、同図（ｂ）
に示すようにｘ方向に関して、シリンドリカルレンズ１
５０は曲率を持たない板ガラスとみなせるので、シリン
ドリカルレンズ１５０から出たビーム１５１はリレーレ
ンズ１５２に平行光のままで入射し、リレーレンズ１５
２の後側焦点位置と一致した対物レンズ１５４の後側焦
点位置１５５に集光する。その結果、対物レンズ１５４
から出たビーム１５６は試料４７表面上に平行光となっ
て入射するわけである。その結果、図１６に示すよう
に、試料４７の表面上には、励起ビームとして、ｘ方向
に幅を持ちｙ方向に集束した、１本のストライプビーム
１８６が得られる。

【００８６】図１７は、第１の実施例と同様、ポリイミ
ドのような有機高分子材料１０４を絶縁体として形成し
たＣｕ配線パターン１０２、１０３からなる試料に、上
記ストライプ状の励起ビーム１８６の照射によって、光
吸収領域１８３に沿って生じた光音響効果に基づく試料
表面の微小変位の分布１８５（破線）を示したものであ
る。第１の実施例と同様、微小変位の分布１８５には、
各々のＣｕ配線パターン１０２、１０３の内部情報（内
部クラック１０７、剥離欠陥１０８）及びポリイミド部
１０４の内部情報が各々融合されることなく、独立に反
映されている。即ち、このストライプ状の励起ビーム１
８６を用いれば、熱的コントラストの高い複数の検査対
象を同時に励起することができ、試料の２次元内部情報
を高速に検出することができる。

【００８７】次に、光音響効果に基づく試料表面の微小
変位の分布１８５（破線）を検出するためのヘテロダイ
ン形微分干渉光学系３０２の構成とその機能について、
図１４、図１８〜図２２に基づいて説明する。図１４の
ヘテロダイン形微分干渉光学系３０２において、二周波
直交偏光、即ち図６（ｂ）に示す様に、１１２及び１１
３の方向に互いに直交し、かつお互いにｆ_C1−ｆ_C2の周
波数差をもった合成光６７を得る部分の構成と機能は第
１の実施例と全く同様であるので説明を省略する。尚、
ここで、図１４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。二周波直交偏光の合成
光６７をビームスプリッタ６８を通過させた後、ビーム
エキスパンダ７０により所望のビーム径に拡大し、更に
シリンドリカルレンズ（円筒レンズ）１６０により楕円
ビームにする。ｙ方向に関し、シリンドリカルレンズ１
６０は曲率を持たない板ガラスとみなせるので、この楕
円ビームはｙ方向に関し平行光のままで、ビームスプリ
ッタ１６２により反射され、シリンドリカルレンズ１６
０の焦点位置に置かれたウォラストン・プリズム１６３
（ロッション・プリズムでも可）により、共に平行光で
あるｐ偏光ビーム１６４とｓ偏光ビーム１６５に分離さ
れる。ウォラストン・プリズム１６３の位置はリレーレ
ンズ１６６の前側焦点位置と一致しているので、リレー
レンズ１６６通過後のこの２つのビームの主光線は互い
に平行となり、また各ビームはリレーレンズ１６６の後
側焦点位置１８７に集光する。リレーレンズ１６６の後
側焦点位置１８７はリレーレンズ１６８の前側焦点位置
と一致しているので、リレーレンズ１６８通過後の２つ
のビームの主光線は、ダイクロイックプリズム１５３を
通過し、リレーレンズ１６８の後側焦点位置と一致した
対物レンズ１５４の後側焦点位置１５５に集束する。ま
た、同時に２つのビームは各々平行光のままで、対物レ
ンズ１５４の後側焦点位置１５５に入射する。一方、ｘ
方向に関しては、シリンドリカルレンズ１６０から出た
ビームはウォラストン・プリズム１６３に集光した後、
リレーレンズ１６６通過後平行光となり、更にリレーレ
ンズ１６８により、ダイクロイックプリズム１５３通過
後、対物レンズ１５４の後側焦点位置１５５に集光す
る。その結果、対物レンズ１５４の前側焦点位置、即ち
試料４７の表面上には、励起ビームとして、ｘ方向に幅
を持ちｙ方向に集束した、１本のストライプビーム１８
６が得られる。対物レンズ１５４から出射した２つのビ
ームはλ／４板４５通過後各々円偏光ビーム１６９及び
１７０となり、図１６に示すように対物レンズの前側焦
点位置、即ち試料４７の表面上には、励起ビーム１８６
の位置と同じ位置にプローブビームとして、励起ビーム
１８６と同様ｘ方向に幅を持ちｙ方向に集束したストラ
イプビーム１８１が得られ、またプローブビーム１８１
からわずかに離れた位置に参照ビームとして、プローブ
ビーム１８１と同様ｘ方向に幅を持ちｙ方向に集束した
ストライプビーム１８２が得られる。図１８に示すよう
に試料４７のプローブビーム１８１の位置からの反射光
は、光音響効果により試料４７表面で生じた微小変位の
分布１８５（破線）を位相分布情報としてもっている。
尚、参照ビーム１８２は、図１７において励起ビーム１
８６によって試料４７表面の微小変位１８５が生じる範
囲、即ち熱拡散領域１８４の範囲の外で、かつ図１８に
示すように可能な限りプローブビーム１８１に近接した
位置に入射させるものとする。図１４において、試料４
７のプローブビーム１８１及び参照ビーム１８２の位置
からの各々の反射光はλ／４板４５通過後ｓ偏光ビーム
及びｐ偏光ビームとなり、対物レンズ４２を通過後再び
同じ光路を経て、ウォラストン・プリズム１６３にて合
成された後、ビームスプリッタ１６２を通過する。図８
の１１４は、プローブビーム１８１の位置からの反射光
の偏光方向を、１１５は参照ビーム１８２の位置からの
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。そこで、結像レ
ンズ７８の後に偏光板７９を挿入し、その偏光方向を図
８の１１６に示すように４５°方向とすることにより、
両反射光は干渉しｆ_B＝ｆ_C1−ｆ_C2のビート周波数を持
ったヘテロダイン干渉光１７１が得られる。このヘテロ
ダイン干渉光１７１には光音響効果により試料４７表面
で生じた微小変位のｘ方向の１次元分布が光位相分布情
報として含まれている。この干渉光１７１を中心波長６
３３ｎｍの干渉フィルタ８１を通して迷光を除去した
後、結像レンズ７８により、干渉光信号の最小の周期に
対し、蓄積時間を十分小さくした第１の実施例と同様な
シャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサ８２上に結像させ
る。シャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサ８２の撮像面と
試料４７の表面とは結像関係にあるので、当然ながら、
撮像面には試料４７の表面に形成されたプローブビーム
と同様ストライプ状の干渉光が結像する。尚、ビームス
プリッタ６８では、第１の実施例と同様二周波直交偏光
の合成光６７のうち１０％程度のビーム光が反射され
る。このビーム光の両偏光成分は、偏光方向を図８の１
１６に示すように４５°方向とした偏光板８３により互
いに干渉し、ｆ_B’＝ｆ_C1’−ｆ_C2’のビート信号がホ
トダイオード等の光電変換素子８５で検出される。この
ビート信号は増幅回路９２を経てシャッタ機能付ＣＣＤ
１次元センサ駆動制御回路９３に送られる。駆動制御回
路９３では、計算機９６から送られた設定ビート周波数
ｆ_Bと光電変換素子８５で検出された測定周波数ｆ_B’と
を比較し、両者が一致するように計算機９６及び変調信
号制御回路９０を介して、発振器９１から出力される正
弦波の周波数ｆ_C1もしくはｆ_C2を微調整する。発振器９
１はＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋ Ｌｏｏｐ）回路等
で構成される。

【００８８】ヘテロダイン形微分干渉光学系３０２につ
いて、図１９、図２０及び図２１、図２２に基づいて更
に詳細に説明する。図１９及び図２０に示すように、シ
リンドリカルレンズ１６０の焦点位置とウォラストン・
プリズム１６３の位置、ウォラストン・プリズム１６３
の位置とリレーレンズ１６６の前側焦点位置、リレーレ
ンズ１６６の後側焦点位置１８７とリレーレンズ１６８
の前側焦点位置、リレーレンズ１６８の後側焦点位置と
対物レンズ１５４の後側焦点位置１５５、更に対物レン
ズ１５４の前側焦点位置と試料４７の表面とは各々一致
している。従って、図１９に示すようにｙ方向に関し
て、シリンドリカルレンズ１６０は曲率を持たない板ガ
ラスとみなせるので、シリンドリカルレンズ１６０から
出た二周波直交偏光の合成光１６１はウォラストン・プ
リズム１６３に平行光のままで入射した後、共に平行光
であるｐ偏光ビーム１６４とｓ偏光ビーム１６５に分離
される。ウォラストン・プリズム１６３の位置はリレー
レンズ１６６の前側焦点位置と一致しているので、リレ
ーレンズ１６６通過後のこの２つのビームの主光線は互
いに平行となり、また各ビームはリレーレンズ１６６の
後側焦点位置１８７に集光する。リレーレンズ１６６の
後側焦点位置１８７はリレーレンズ１６８の前側焦点位
置と一致しているので、リレーレンズ１６８通過後の２
つのビームの主光線は、リレーレンズ１６８の後側焦点
位置と一致した対物レンズ１５４の後側焦点位置１５５
に集束する。また、同時に２つのビームは各々平行光の
ままで、対物レンズ１５４の後側焦点位置１５５に入射
するため、対物レンズ１５４から出た２つのビーム１６
９及び１７０は、共に試料４７表面上に集光するわけで
ある。尚、両ビームの主光線は互いに平行になってい
る。

【００８９】一方、図２０に示すようにｘ方向に関して
は、シリンドリカルレンズ１６０から出たビームはウォ
ラストン・プリズム１６３に集光した後、リレーレンズ
１６６通過後平行光となり、更にリレーレンズ１６８に
より対物レンズ１５４の後側焦点位置１５５に集光す
る。従って、対物レンズ１５４から出たビーム１６９及
び１７０は共に平行光となって試料４７表面上に入射す
るわけである。その結果、図１６に示すように、試料４
７の表面上には、励起ビーム１８６の位置と同じ位置に
プローブビームとして、励起ビーム１８６と同様ｘ方向
に幅を持ちｙ方向に集束したストライプビーム１８１が
得られ、またプローブビーム１８１からわずかに離れた
位置に参照ビームとして、プローブビーム１８１と同様
ｘ方向に幅を持ちｙ方向に集束したストライプビーム１
８２が得られる。

【００９０】図２１及び２２に示すように対物レンズ１
５４の前側焦点位置は試料４７の表面と、対物レンズ１
５４の後側焦点位置１５５はリレーレンズ１６８の後側
焦点位置と、リレーレンズ１６８の前側焦点位置はリレ
ーレンズ１６６の後側焦点位置１８７と、リレーレンズ
１６６の前側焦点位置はウォラストン・プリズム１６３
の位置と、ウォラストン・プリズム１６３の位置は結像
レンズ７８の前側焦点位置と、更に結像レンズ７８の後
側焦点位置はシャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサ８２の
撮像面と各々一致している。即ち、この光学系は両テレ
セントリック結像光学系となっている。従って、図２１
に示すようにｙ方向に関して、試料４７表面からの２つ
の発散反射光の主光線は対物レンズ１５４通過後、後側
焦点位置１５５に集束し、また同時に２つのビームは各
々平行光のままで、リレーレンズ１６８に入射する。対
物レンズ１５４の後側焦点位置１５５はリレーレンズ１
６８の後側焦点位置と一致しているので、リレーレンズ
１６８通過後の２つのビームの主光線は互いに平行とな
り、また同時に２つのビームは各々リレーレンズ１６８
の前側焦点位置、即ちリレーレンズ１６６の後側焦点位
置１８７に集光する。リレーレンズ１６６通過後の２つ
のビームはウォラストン・プリズム１６３にて合成され
た後、平行光のまま結像レンズ７８通過後その後側焦点
位置、即ちシャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサ８２上に
集光する。一方、図２２に示すようにｘ方向に関して、
試料４７表面からの２つの平行反射光は対物レンズ１５
４通過後その後側焦点位置１５５に集光し、リレーレン
ズ１６８通過後平行光となり、リレーレンズ１６６の前
側焦点位置、即ちウォラストン・プリズム１６３の位置
に集光する。更に、結像レンズ７８通過後再び平行光と
なりシャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサ８２に入射す
る。その結果、シャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサ８２
上には、試料４７上のプローブビーム１８１及び参照ビ
ーム１８２と同様、ｘ方向に幅を持ちｙ方向に集束し
た、１本のストライプビームが得られる。即ち、プロー
ブビーム１８１及び参照ビーム１８２からの各々の反射
光によって得られるヘテロダイン干渉光は、シャッタ機
能付ＣＣＤ１次元センサ８２上でストライプビームとな
り、ｘ方向の１次元光干渉信号が検出される。

【００９１】信号処理系３０３の構成とその機能は、第
１の実施例における信号処理系２０３のそれと全く同じ
であり、第１の実施例と同様、シャッタ機能付ＣＣＤ１
次元センサ８２の出力信号から、光音響効果に基づいて
生じた試料４７表面の微小変位の振幅及び位相を、試料
４７表面の反射率分布及び凹凸分布の影響を受けること
なく抽出することができる。

【００９２】ｘｙステージ４８により試料４７をｘｙ方
向に逐次走査しながら、上記シャッタ機能付ＣＣＤ１次
元センサからの検出信号を計算機９６で処理していくこ
とにより、試料４７全面の２次元光音響画像が得られ、
ＴＶモニタ９７に出力される。

【００９３】以上述べたように、本実施例によれば、従
来のように１点ずつ情報を検出していくいわゆるポイン
ト走査方式でなく、第１の実施例と同様、ストライプ状
の励起ビームを用い複数の測定点を並列に同時に励起
し、各点で生じた光音響信号の検出に光干渉を利用し、
干渉光を並列に同時に検出することにより、試料の複数
測定点の光音響信号を並列に同時に検出することがで
き、試料の２次元内部情報を高速に検出することが可能
となる。

【００９４】更に、本実施例によれば、第１の実施例と
同様、即ち、干渉光信号の最小の周期に対し、蓄積時間
を十分小さくしたシャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサに
より、試料表面の反射率分布、試料表面の凹凸分布、光
音響信号の振幅分布、及び光音響信号の位相分布と計４
つの表面及び内部情報を同時に検出することができ、試
料の複合的な評価が可能となる。

【００９５】更に、本実施例によれば、第１の実施例と
同様、光音響効果に基づく熱拡散長が検査対象であるＣ
ｕ配線パターンとセラミック基板との界面の深さと同じ
か、もしくはそれを越える長さとなるように、励起ビー
ムの強度変調周波数を設定することにより、内部界面の
検査が可能となる。

【００９６】更に、本実施例によれば、第１の実施例と
同様、光干渉信号から光音響信号を抽出する際に、アナ
ログ的な周波数フィルタリング処理ではなくディジタル
処理を用いるため、高調波成分の影響が少なく、高感度
かつ高精度な光音響信号の検出が可能となる。

【００９７】更に、本実施例においては、光音響効果に
基づく試料表面の微小変位を検出する干渉光学系を微分
干渉光学系としている。即ち、参照光を別に設けた参照
ミラーから得るのではなく、プローブ光の近傍に入射し
た参照ビームの試料表面からの反射光を参照光として使
用しているので、プローブ光と参照光がほぼ同一の光
路、及び同一の光学系を通ることになり、２つの光の間
の光路長のゆらぎや波面のずれが大幅に低下し、光音響
信号の検出精度及び検出感度が大きく向上する。更に、
参照光路を別に設ける必要がないので、光学系が簡略化
されると共に、その安定度が向上し、光音響信号の検出
精度が向上する。

【００９８】尚、本実施例では、熱的コントラストの高
い複数の検査対象を有する試料に対する本発明の適用例
を述べたが、内部クラック等を含む均一材料からなる試
料への適用も十分可能である。この場合でも、試料上の
複数の測定点の同時励起が可能であるので、上記の効果
が期待できる。

【００９９】本発明の第３の実施例を図２３〜図２４に
基づいて説明する。図２３は第３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２０１、光音響信号を検出するためのヘテロダイン形
トワイマン・グリーン干渉光学系４０２、及び信号処理
系４０３から成る。励起光学系２０１の構成とその機能
は、第１の実施例と全く同様であるので説明を省略す
る。またヘテロダイン形トワイマン・グリーン干渉光学
系４０２の構成は、第１の実施例におけるヘテロダイン
形トワイマン・グリーン干渉光学系２０２において、ビ
ート信号検出用ビームスプリッタ６８、偏光板８３及び
光電変換素子８５を撤去し、また干渉光を検出するため
のシャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサ８２の代わりに非
蓄積形並列出力ホトダイオードアレイ１９１を用いた点
が異なる他は総て第１の実施例と同様の構成であるの
で、説明を省略する。図２４に示すように、非蓄積形並
列出力ホトダイオードアレイ１９１の各画素から並列に
出力された光干渉信号は、画素数と同じ数だけ配置され
たプリアンプ群１９２で各画素ごとに増幅された後、同
じく画素数と同じ数だけ配置されたＡＤ変換器群１９３
にて、計算機１９６で設定されたサンプリング周期ｔ₀
によって信号発生回路１９７で作り出されるサンプリン
グパルスにより光干渉信号のサンプリングが行われた
後、ディジタルデータに変換され、パラレル・イン、シ
リアル・アウトタイプのシフトレジスタ１９４に送ら
れ、１次元信号に変換された後、２次元メモリ１９５に
格納される。計算機１９６におけるセンサの出力信号の
計算処理は、第１の実施例における計算機９６のそれと
全く同じであり、試料４７の各点における光音響信号、
即ち試料４７全面の２次元光音響画像が得られ、ＴＶモ
ニタ９７に出力される。

【０１００】尚、本実施例は、図４及び図５に示すよう
な熱的コントラストの高い複数の検査対象を有する試料
に対しても、また内部クラック等を含む均一材料からな
る試料に対しても十分適用可能である。

【０１０１】以上述べたように、本実施例によれば、従
来のように１点ずつ情報を検出していくいわゆるポイン
ト走査方式でなく、第１及び第２の実施例と同様、スト
ライプ状の励起ビームを用い複数の測定点を並列に同時
に励起し、各点で生じた光音響信号の検出に光干渉を利
用し、干渉光を並列に同時に検出することにより、試料
の複数測定点の光音響信号を並列に同時に検出すること
ができ、試料の２次元内部情報を高速に検出することが
可能となる。

【０１０２】更に、本実施例によれば、各励起ビームの
熱拡散長領域が重複していないため、光音響画像の検出
分解能が向上するという効果を有している。

【０１０３】更に、本実施例によれば、第１の実施例と
同様、非蓄積形並列出力ホトダイオードアレイを用いる
ことにより、試料表面の反射率分布、試料表面の凹凸分
布、光音響信号の振幅分布、及び光音響信号の位相分布
と計４つの表面及び内部情報を同時に検出でき、試料の
複合的な評価が可能となる。

【０１０４】更に、本実施例によれば、第１の実施例と
同様、試料表面の反射率分布、試料表面の凹凸分布、及
び光路のゆらぎを補正した光音響信号の検出が可能とな
り、試料の表面及び内部情報の高感度かつ安定な検出が
可能となる。

【０１０５】更に、本実施例によれば、第１の実施例と
同様、光音響効果に基づく熱拡散長が検査対象であるＣ
ｕ配線パターンとセラミック基板との界面の深さと同じ
か、もしくはそれを越える長さとなるように、励起ビー
ムの強度変調周波数を設定することにより、内部界面の
検査が可能となる。

【０１０６】更に、本実施例によれば、第１の実施例と
同様、光干渉信号から光音響信号を抽出する際に、アナ
ログ的な周波数フィルタリング処理ではなくディジタル
処理を用いるため、高調波成分の影響が少なく、高感度
かつ高精度な光音響信号の検出が可能となる。

【０１０７】本発明の第４の実施例を図２５〜図２９に
基づいて説明する。図２５は第４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５０１、光音響信号を検出するためのヘテロダイン形
トワイマン・グリーン干渉光学系２０２、及び信号処理
系２０３から成る。ヘテロダイン形トワイマン・グリー
ン干渉光学系２０２及び信号処理系２０３の構成とその
機能は、第１の実施例と全く同様であるので説明を省略
する。第１及び第２の実施例ではストライプ状の励起ビ
ームを用いているのに対し、本実施例では、励起光学系
５０１にて複数スポットビーム並列照射光学系１９７を
採用している点が大きく異なる。他の部分は第１〜第２
の実施例と同様である。図２８に基づき、複数スポット
ビーム並列照射光学系１９７を説明する。ビームエキス
パンダ３８からの拡大平行光は図２９に示すストライプ
状の開口２１０ａを有すマスク２１０を通過した後スト
ライプビームとなり、１次元微小レンズアレイ２１０に
入射する。各微小レンズの後側焦点位置はリレーレンズ
２１３の前側焦点位置２１２と、リレーレンズ２１３の
後側焦点位置は対物レンズ４２の後側焦点位置２１４
と、更に、対物レンズ４２の前側焦点位置は試料４７表
面と各々一致している。１次元微小レンズアレイ２１０
からの各ビームはリレーレンズ２１３の前側焦点位置２
１２で各々集光した後、リレーレンズ２１３通過後平行
光となり、更に、対物レンズ４２通過後集束光として、
試料４７表面上に集光する。尚、各スポットビームの主
光線は互いに平行になっている。図２８は各スポットビ
ームが同時に試料を照射する様子を示したものである。
尚、スポットビームの数は、光干渉検出用の（数３）式
の干渉光信号の最小の周期に対し、蓄積時間を十分小さ
くしたシャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサ８２の画素数
と一致させ、かつその間隔は図２９に示すように各スポ
ットビームにより生じた熱拡散領域２１７が重複しない
ようにしている。また、ヘテロダイン干渉検出用プロー
ブビームは第１及び第２の実施例と同様ストライプ状の
ビームを用いている。信号処理系２０３の構成とその機
能は、第１の実施例におけるそれと全く同じであり、第
１の実施例と同様、（数３）式の干渉光信号に対し、蓄
積時間を十分小さくしたシャッタ機能付ＣＣＤ１次元セ
ンサ８２の出力信号から、光音響効果に基づいて生じた
試料４７表面の微小変位の振幅及び位相を、試料４７表
面の反射率分布及び凹凸分布の影響を受けることなく抽
出することができる。

【０１０８】ｘｙステージ４８により試料４７をｘｙ方
向に逐次走査しながら、上記シャッタ機能付ＣＣＤ１次
元センサからの検出信号を計算機９６で処理していくこ
とにより、試料４７全面の２次元光音響画像が得られ、
ＴＶモニタ９７に出力される。

【０１０９】尚、本実施例は、図４及び図５に示すよう
な熱的コントラストの高い複数の検査対象を有する試料
に対しても、また内部クラック等を含む均一材料からな
る試料に対しても十分適用可能である。

【０１１０】以上述べたように、本実施例によれば、従
来のように１点ずつ情報を検出していくいわゆるポイン
ト走査方式でなく、複数のスポットビームを並列に同時
に照射することにより複数の測定点を並列に同時に励起
し、各点で生じた光音響信号の検出に光干渉を利用し、
干渉光を並列に同時に検出することにより、試料の複数
測定点の光音響信号を並列に同時に検出することがで
き、試料の２次元内部情報を高速に検出することが可能
となる。

【０１１１】更に、本実施例によれば、各励起ビームの
熱拡散領域が重複していないため、光音響画像の検出分
解能が向上するという効果を有している。

【０１１２】更に、本実施例によれば、第１の実施例と
同様、干渉光信号の最小の周期に対し、蓄積時間を十分
小さくしたシャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサにより、
試料表面の反射率分布、試料表面の凹凸分布、光音響信
号の振幅分布、及び光音響信号の位相分布と計４つの表
面及び内部情報を同時に検出することができ、試料の複
合的な評価が可能となる。

【０１１３】更に、本実施例によれば、第１の実施例と
同様、試料表面の反射率分布、試料表面の凹凸分布、及
び光路のゆらぎを補正した光音響信号の検出が可能とな
り、試料の表面及び内部情報の高感度かつ安定な検出が
可能となる。

【０１１４】更に、本実施例によれば、第１の実施例と
同様、光音響効果に基づく熱拡散長が検査対象であるＣ
ｕ配線パターンとセラミック基板との界面の深さと同じ
か、もしくはそれを越える長さとなるように、励起ビー
ムの強度変調周波数を設定することにより、内部界面の
検査が可能となる。

【０１１５】更に、本実施例によれば、第１の実施例と
同様、光干渉信号から光音響信号を抽出する際に、アナ
ログ的な周波数フィルタリング処理ではなくディジタル
処理を用いるため、高調波成分の影響が少なく、高感度
かつ高精度な光音響信号の検出が可能となる。

【０１１６】尚、本実施例では、干渉光検出用にシャッ
タ機能付ＣＣＤ１次元センサを用いているが第３の実施
例のように非蓄積形並列出力ホトダイオードアレイも適
用可能である。その場合は、第３の実施例における信号
処理系４０３を用いればよい。

【０１１７】また、以上述べた第１〜第３の実施例で
は、１次元のストライプ状の励起ビームとプローブビー
ムを用いているが、ある一定の面積を持った２次元形状
のビームを用いることも可能である。その場合には、当
然ながら干渉光検出用に２次元センサを用いる。同様
に、第４の実施例においても、複数のスポットビームを
２次元形状に配置し、２次元のセンサを用いることも可
能である。

【０１１８】

【発明の効果】本発明によれば、複数の測定点を並列に
同時に励起し、各点で生じた光音響信号の検出に光干渉
を利用し、干渉光を並列に同時に検出することにより、
試料の複数測定点の光音響信号を並列に同時に検出する
ことができ、試料の２次元表面及び内部情報を高速に検
出することが可能となるという大きな効果を有する。

【０１１９】また、ただ１個のセンサにより、試料表面
の反射率分布、試料表面の凹凸分布、光音響信号の振幅
分布、及び光音響信号の位相分布と計４つの表面及び内
部情報を同時に検出することができ、試料の高速な複合
的評価が可能になるという効果を有する。

【０１２０】また、試料表面の反射率分布、試料表面の
凹凸分布、及び光路のゆらぎを補正した光音響信号の検
出が可能となり、試料の表面及び内部情報の高感度かつ
安定な検出が可能になるという効果を有する。

【０１２１】また、光音響効果に基づく熱拡散長が検査
対象である内部界面の深さと同じか、もしくはそれを越
える長さとなるように、励起ビームの強度変調周波数を
設定することにより、内部界面の検査が可能になるとい
う効果を有する。

【０１２２】また、光干渉信号から光音響信号を抽出す
る際に、アナログ的な周波数フィルタリング処理ではな
くディジタル処理を用いるため、高調波成分の影響が少
なく、高感度かつ高精度な光音響信号の検出が可能にな
るという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における光音響検出光学
系を示す図である。

【図２】音響光学変調素子へ入力される変調信号を示す
図である。

【図３】第１の実施例における励起光学系とヘテロダイ
ン干渉光学系の構成図である。

【図４】第１の実施例における試料の平面構造と、励起
ビームとプローブビームを示す斜視図である。

【図５】第１の実施例における試料の断面構造と、スト
ライプ状の励起ビームによる光音響効果の発生の様子を
示す図である。

【図６】ヘテロダイン干渉光学系へ入射するレーザビー
ムの偏光方向と、二周波直交偏光状態を示す図である。

【図７】第１の実施例におけるストライプ状のプローブ
ビームの試料表面への入射状態を示す図である。

【図８】試料からの反射光、参照光及び偏光板の各偏光
方向を示す図である。

【図９】第１の実施例におけるヘテロダイン干渉光学系
の検出部の構成図である。

【図１０】シャッタ機能付ＣＣＤ１次元センサの動作原
理を示す図である。

【図１１】２次元メモリにおけるデータの構成を示す図
である。

【図１２】第１の実施例における光音響信号の検出例を
示す図である。

【図１３】第１の実施例における位相補正の効果を示す
光音響信号の検出例を示す図である。

【図１４】本発明の第２の実施例における光音響検出光
学系を示す図である。

【図１５】第２の実施例における励起光学系の構成図で
ある。

【図１６】第２の実施例における試料の平面構造と、励
起ビーム、プローブビーム、及び参照ビームを示す斜視
図である。

【図１７】第２の実施例における試料の断面構造と、ス
トライプ状の励起ビームによる光音響効果の発生の様子
を示す図である。

【図１８】第２の実施例におけるストライプ状のプロー
ブビームと参照ビームの試料表面への入射状態を示す図
である。

【図１９】第２の実施例におけるヘテロダイン干渉光学
系のＸ軸方向から見た構成図である。

【図２０】図１９に示すヘテロダイン干渉光学系のＹ軸
方向から見た構成図である。

【図２１】第２の実施例におけるヘテロダイン干渉光学
系の検出部のＸ軸方向から見た構成図である。

【図２２】図２１に示すヘテロダイン干渉光学系の検出
部のＹ軸方向から見た構成図である。

【図２３】本発明の第３の実施例における光音響検出光
学系を示す図である。

【図２４】第３の実施例における信号処理系の構成を示
す図である。

【図２５】本発明の第４の実施例における光音響検出光
学系を示す図である。

【図２６】第４の実施例における複数スポットビーム並
列照射光学系の構成を示す図である。

【図２７】第４の実施例における複数スポットビーム並
列照射光学系のマスクの形状を示す図である。

【図２８】第４の実施例における複数スポットビームが
同時に試料を照射する様子を示す図である。

【図２９】第４の実施例における各スポットビームによ
り生じた熱拡散領域を示す図である。

【図３０】従来の光音響検出光学系を説明するための図
である。

【図３１】光音響効果の原理図である。

【符号の説明】

１、８…レーザ、３１…Ａｒレーザ、５１…Ｈｅ−Ｎｅ
レーザ、３３、５７、６２…音響光学変調素子、３９、
７１、１５０、１６０…シリンドリカルレンズ、４２、
１５４…対物レンズ、８２…シャッタ機能付ＣＣＤ１次
元センサ、５０、８５…光電変換素子、９５…２次元メ
モリ、９６、１９６…計算機、４７…試料、１０２、１
０３、１３１、１３２…Ｃｕ配線パターン、１９１…非
蓄積形並列出力ホトダイオードアレイ、１９３…ＡＤ変
換器群、１９７…複数スポットビーム並列照射光学系。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−282253（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−46644（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−97416（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−245006（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−263539（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−85363（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−119776（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−33356（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 29/00 - 29/28

Claims (18)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所望の周波数で強度変調した強度変調光を
   試料表面の複数の測定点に照射して該複数の測定点の表
   面または内部において光音響効果あるいは光熱効果を発
   生させ、該複数の測定点からの反射光と参照光との干渉
   光を、試料表面と共役の関係にあり、かつ前記各測定点
   に対応した複数個の光電変換素子の各々で受光して干渉
   光強度信号として検出し、前記各光電変換素子ごとに、
   該検出された各干渉光強度信号の周期に対して異なるサ
   ンプリング周期で複数回の信号をサンプリングし、この
   複数個の信号データに基づいて複数の測定点において生
   じた前記強度変調周波数と同じ周波数成分の熱歪を検出
   して試料の複数の測定点の表面または内部情報を検出す
   ることを特徴とする光音響信号検出方法。
2. 【請求項２】前記強度変調光は、試料上で連続的な直線
   形状を成すビームであ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。
3. 【請求項３】前記強度変調光は、試料上に直線状に配列
   されたスポットビーム列であ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。
4. 【請求項４】前記スポットビーム列の間隔は、各スポッ
   トビームによる熱拡散領域が重複しない間隔であること
   を特徴とする請求項３記載の光音響信号検出方法。
5. 【請求項５】 前記干渉光強度信号を、複数個の光電変換
   素子から時系列的に１次元信号として出力することを特
   徴とする請求項１記載の光音響信号検出方法。
6. 【請求項６】 前記強度変調周波数は、光音響効果もしく
   は光熱効果に基づく熱拡散長が上記試料の被測定内部界
   面の深さとほぼ同じか、もしくはそれを越える長さとな
   るように設定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。
7. 【請求項７】 所望の周波数で強度変調した強度変調光を
   試料表面の複数の測定点に照射して該複数の測定点の表
   面または内部において光音響効果あるいは光熱効果を発
   生させ、該複数の測定点からの反射光と参照光との干渉
   光を、試料表面と共役の関係にあり、かつ前記各測定点
   に対応した複数個の非蓄積形光電変換素子の各々で受光
   して干渉光強度信号として検出し、前記非蓄積形光電変
   換素子ごとに、前記検出された各干渉光強度信号の周期
   に対して異なるサンプリング周期で複数回信号をサンプ
   リングし、この複数個の信号データに基づいて複数の測
   定点において生じた前記強度変調周波数と同じ周波数成
   分の熱歪を検出して試料の複数の測定点の表面または内
   部情報を検出することを特徴とする光音響信号検出方
   法。
8. 【請求項８】 前記干渉光信号のサンプリングは、複数個
   の非蓄積形光電変換素子からの出力信号をＡＤ変換時に
   上記所望のサンプリング周期にて実行することを特徴と
   する請求項７記載の光音響信号検出方法。
9. 【請求項９】 前記干渉光信号のサンプリングは、干渉光
   信号の周期に対し、蓄積時間を十分小さく設定したシャ
   ッタ機能付ＣＣＤセンサによって実現することを特徴と
   する請求項７記載の光音響信号検出方法。
10. 【請求項１０】 光源と、該光源からの光を所望の周波数
    で強度変調する強度変調手段と、該強度変調した光を試
    料表面の複数の測定点に照射して該複数の測定点の表面
    あるいは内部において光音響効果あるいは光熱効果を発
    生させる励起手段と、前記複数の測定点に光を照射して
    その反射光と参照光と干渉させる光干渉手段と、該干渉
    光を試料表面と共役の関係にあり且つ前記各測定点に対
    応した複数個の光電変換素子から成る検出器で検出する
    干渉光検出手段と、該検出器の各光電変換素子ごとに検
    出した干渉光強度信号の周期に対して異なるサンプリン
    グ周期で複数の信号をサンプリングしてこの複数の信号
    データに基づいて前記複数の測定点において生じた前記
    強度変調周波数と同じ周波数成分の熱歪を検出して試料
    の複数の測定点の表面及び内部情報を検出する情報検出
    手段とを備えたことを特徴とする光音響信号検出装置。
11. 【請求項１１】 前記励起手段として、強度変調光を、試
    料上で連続的な直線形状を成すビームで形成することを
    特徴とする請求項１０記載の光音響信号検出装置。
12. 【請求項１２】 前記励起手段として、強度変調光を、試
    料上に直線状に配列されたスポットビーム列で形成した
    ことを特徴とする請求項１０記載の光音響信号検出装
    置。
13. 【請求項１３】 前記励起手段として、スポットビーム列
    の間隔を、各スポットビームによる熱拡散領域が重複し
    ない間隔で形成したことを特徴とする請求項１２記載の
    光音響信号検出装置。
14. 【請求項１４】 前記干渉光検出手段の検出器を、非蓄積
    形光電変換素子で構成したことを特徴とする請求項１０
    記載の光音響信号検出装置。
15. 【請求項１５】 前記干渉光検出手段の検出器を、非蓄積
    形光電変換素子で構成し、前記干渉光信号のサンプリン
    グは、複数個の非蓄積形光電変換素子からの出力信号を
    ＡＤ変換時に前記所望のサンプリング周期にて実行する
    ように構成したことを特徴とする請求項１４記載の光音
    響信号検出装置。
16. 【請求項１６】 前記干渉光検出手段の検出器を、非蓄積
    形光電変換素子で構成し、前記干渉光信号のサンプリン
    グは、干渉光信号の周期に対し、蓄積時間を十分小さく
    設定したシャッタ機能付ＣＣＤセンサによって実現され
    るように構成したことを特徴とする請求項１４記載の光
    音響信号検出装置。
17. 【請求項１７】 前記検出器からの干渉光強度信号は、複
    数個の光電変換素子から時系列的に１次元信号として出
    力されることを特徴とする請求項１０記載の光音響信号
    検出装置。
18. 【請求項１８】 前記強度変調周波数は、光音響効果もし
    くは光熱効果に基づく熱拡散長が上記試料の被測定内部
    界面の深さとほぼ同じか、もしくはそれを越える長さと
    なるように設定することを特徴とする請求項１０記載の
    光音響信号検出装置。