JP3261704B2

JP3261704B2 - 光音響信号検出方法及び装置

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Publication number: JP3261704B2
Application number: JP11436191A
Authority: JP
Inventors: 俊彦中田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-05-20
Filing date: 1991-05-20
Publication date: 2002-03-04
Anticipated expiration: 2017-03-04
Also published as: JPH04343045A

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１６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。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．７３０〜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）（Ｉ
ＥＥＥ１９８６ＵＬＴＲＡ‐ＳＯＮＩＣＳＳＹＭＰＯ
ＳＩＵＭ；ｐ．５１５〜５２６（１９８６）」において
論じられている。

【０００３】その一例を図１５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。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２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、図１５に示す従来の光学系では、試
料表面及び内部で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、各々独立に試料上に照射
する必要がある。従って、励起光によって生じた光音響
効果を高分解能でかつ高感度に検出するためには、励起
光とプローブ光とをサブミクロンオーダの精度で試料上
の同一点に集光しなければならない。しかし、２本のビ
ーム光を上記精度で光軸調整するのは非常に困難である
と同時に、光学系の安定度を高く保つ必要があり、その
結果光学系及びその周辺機構が非常に複雑になってしま
う。

【０００６】本発明の目的は、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の相対的光軸調
整を不要とし、単純構成でかつ安定に試料の表面及び内
部情報を検出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、本発明は、相対的に周波数の異なる２つのビーム光
のうち、一方のビーム光を強度変調して、試料上に集光
して光音響効果を発生させると共に、その反射光と他方
のビーム光とを干渉させ、その干渉光より２倍の変調周
波数成分を検出することにより、光音響効果により生じ
た試料表面の微小変位を検出し、さらにその検出信号よ
り強度変調周波数に応じた振幅、位相情報を光音響信号
として抽出する。これにより、１本のビーム光で光音響
効果の発生と光音響効果により生じた試料表面の微小変
位の検出を行うことを可能とし、また励起光とプローブ
光との相対的光軸調整を不要とし、更に単純な光学系の
構成で試料の表面及び内部情報の安定かつ高感度な検出
を可能としたものである。

【０００８】また、上記目的を達成するために、本発明
は、上記２つのビーム間の周波数の差を、上記強度変調
周波数よりも高くすることにより、干渉光検出信号から
の強度変調周波数に応じた振幅、位相情報の抽出を容易
としたものである。

【０００９】また、上記目的を達成するために、本発明
は、一方のビーム光にのみ周波数シフトを生じさせて２
つのビーム間に相対的周波数差を設けることにより、更
に単純な光学系の構成で試料の表面及び内部情報の安定
かつ高感度な検出を可能としたものである。

【００１０】また、上記目的を達成するために、本発明
は、両ビーム光に互いに異なる周波数シフトを生じさせ
て相対的光周波数差を設けることにより、周波数差の調
整とより低い周波数差の設定を可能とし、試料の表面及
び内部情報の安定かつ高感度な検出を可能としたもので
ある。

【００１１】また、上記目的を達成するために、本発明
は、相対的に周波数の異なる２つのビーム光のうち、一
方のビーム光を強度変調して試料上に集光する励起手段
と、その反射光と他方のビーム光とを干渉させ光音響効
果により生じた試料表面の微小変位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、
光音響信号の横方向分解能、検出感度及び信号ＳＮ比を
向上せしめたものである。

【００１２】

【作用】光音響信号検出装置において、相対的に周波数
のことなる２つのビーム光のうち、一方のビーム光を強
度変調して試料上に集光することにより、光音響効果を
発生させることができると共に、その反射光と他方のビ
ーム光とを干渉させ２倍の変調周波数成分を検出するこ
とにより、光音響効果により生じた試料表面の微小変位
を検出することが可能となる。その結果、１本のビーム
光で光音響効果の発生と光音響効果により生じた試料表
面の微小変位の検出を行うことが可能となり、正確に試
料上の励起部の光音響信号を検出することができる。ま
た励起光とプローブ光との相対的光軸調整が不要とな
り、更に単純な光学系の構成で試料の表面及び内部情報
の安定かつ高感度な検出が可能となる。

【００１３】また、上記２つのビーム間の光周波数の差
を、上記強度変調周波数よりも高くすることにより、干
渉光検出信号からの強度変調周波数に応じた振幅、位相
情報の抽出が容易となる。

【００１４】また、一方のビーム光にのみ周波数シフト
を生じさせて２つのビーム間に相対的光周波数差を設け
ることにより、更に単純な光学系の構成で試料の表面及
び内部情報の安定かつ高感度な検出が可能となる。

【００１５】また、両ビーム光に互いに異なる周波数シ
フトを生じさせて相対的周波数差を設けることにより、
周波数差の調整とより低い周波数差の設定が可能とな
り、干渉光検出信号からの強度変調周波数に応じた振
幅、位相情報の抽出が容易となると同時に、試料の表面
及び内部情報の安定かつ高感度な検出が可能となる。

【００１６】また、相対的に周波数の異なる２つのビー
ム光のうち、一方のビーム光を強度変調して試料上に集
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と、その反射光と他方のビー
ム光とを干渉させ光音響効果により生じた試料表面の微
小変位を検出する光干渉光検出手段とを、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
ク部を有する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。

【００１７】

【実施例】本発明の実施例を図１〜図１４に基づいて説
明する。

【００１８】まず、本発明の第１の実施例を図１〜図７
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
系と検出光学系を兼ねたヘテロダイン形マッハツェンダ
干渉光学系３０１と信号処理系３００から成る。マッハ
ツェンダ干渉光学系３０１ににおいて、Ａｒレーザ３１
から出射する直線偏光ビーム３２の偏向方向を図２の７
７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３
３により、入射光ビーム３２のうち図２の７８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２の７９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は図３に示すように、ガラ
スあるいは二酸化テルル（ＴｅＯ₂）のような光学媒体
８６に超音波トランスジューサ８０を組合せた構成とな
っており、超音波トランスジューサ８０に発信器８１よ
り図４（ａ）に示す周波数ｆ_Bの正弦波８３を入力する
と、光学媒体８６中を超音波８２が伝播し周期的な屈折
率変化が生じ、これが回折格子の働きをして光学媒体８
６を通る光ビーム３４を回折させる。図３において、１
次回折光３７は入射光を２θだけ偏向させた方向に出射
される。更に、入射光の光周波数をｆ₀とすると、０次
光３６の光周波数はそのままｆであるのに対し、１次回
折光３７の光周波数は上記超音波の駆動周波数ｆ_Bだけ
シフトしｆ₀＋ｆ_Bとなる。今、図１において、発振器６
８から図４（ａ）に示す周波数ｆ_Bの正弦波８３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８４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８５
を作り、音響光学変調素子７６に入力する。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
ｐ偏光の１次回折光３７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３６は絞り３８で遮光される。強度変調ビーム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５（ａ）に示すように、集光スポットのピー
ク部９０の周辺に存在する高次回折光成分９０ａ及び９
０ｂ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５（ｂ）に示すように、ピーク部９０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４
３通過後平行光になる。上記平行光は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、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５
０、即ち、試料５１上に集光され、図５（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上の集光部である前側焦点位置５０におい
て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４８に
微小変位が生じる。集光部４８からの反射光は試料５１
表面で生じた微小変位を位相情報としてもっており、対
物レンズ４８を通過後平行光となり、さらにλ／４板４
７通過後ｓ偏光ビーム６１となる。このｓ偏光ビーム６
１は偏光ビームスプリッタ４５で反射された後、無偏光
ビームスプリッタ６０を通過する。

【００１９】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５（ａ）に示すように、集光スポ
ットのピーク部９０の周辺に存在する高次回折光成分９
０ａ及び９０ｂ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５（ｂ）に示すように、ピーク
部９０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。上記参照光
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５１表
面からの反射光６１と互いに干渉する。この、干渉光６
２には、光音響効果により試料５１表面で生じた微小変
位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３０１において、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４
８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。

【００２０】今、励起光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、２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
は次式で表される。

【００２１】

【数１】

【００２２】さらに、ａ≪λより上式は近似的に次式の
形に改められる。

【００２３】

【数２】

【００２４】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
表す項であり、また最終項１＋ｃｏｓ（２πｆ_Lｔ）
は、変調周波数ｆ_Lで強度変調された励起光による干渉
光の周期的強度変化を表す。尚、本実施例では、ｆ_B＝
４０ＭＨｚ，ｆ_L＝１００ｋＨｚとした。

【００２５】以下では、信号処理系３００によって、数
１で表される干渉光から、光音響効果に基づいて生じた
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６に示すように位相保
持分波器９１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９２を
通った後、位相シフタ９３より位相がπ／２遅延され
る。位相シフタ９３からの出力信号はアンプ９４で増幅
された後、ミキサ９５に送られ、位相保持分波器９１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。上記他方の干渉強度信号Ｉ_D1は数３で、またアンプ
９４からの出力信号Ｉ_D2は数４で、さらにミキサ９５か
らの出力信号Ｉ_Dは数５で各々表される。

【００２６】

【数３】

【００２７】

【数４】

【００２８】

【数５】

【００２９】数５は、ａ≪λより近似的に次式の形に改
められる。

【００３０】

【００３１】数６において、第１項及び第２項はｆ_Bの
周波数成分、第３項及び第４項はｆ_B±ｆ_Lの周波数成
分、第５項は直流成分、第６項、第７項及び第８項はｆ
_Lの周波数成分、第９項は２ｆ_Lの周波数成分、第１０項
及び第１１項は２ｆ_Bの周波数成分、第１２項及び第１
３項は２ｆ_B±ｆ_Lの周波数成分であることが分かる。図
７にこれらの項の周波数スペクトルを示す。第６項、第
７項及び第８項は、励起光の変調周波数と同じｆ_Lの周
波数成分であるが、これらの項から、光音響効果に基づ
いて生じた試料５１表面の微小変位の振幅ａ及び位相θ
だけを求めることは極めて困難である。一方、第９項は
２ｆ_Lの周波数成分であるが、この項から微小変位の振
幅ａ及び位相θだけを求めることは容易である。即ち、
今ｆ_L≪ｆ_B−ｆ_Lとして、ミキサ９５からの出力信号
を、図７の破線２５０で示す周波数特性をもつローパス
フィルタ９６に通した後、図１のロックインアンプ７３
に入力する。ここで、ロックインアンプ７３の倍周波参
照信号入力端子には発振器６９からの変調信号（周波数
ｆ_L）を入力する。この変調信号はロックインアンプ７
３の内部で２ｆ_Lに変換される。ローパスフィルタ９６
では、直流成分、ｆ_L及び２ｆ_Lの各周波数成分が取り出
され、さらにロックインアンプ７３では、最終的に数６
における第９項、即ち２ｆ_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、上記熱拡散領域Ｖ_th内にクラック等の内部欠陥が
あれば、上記振幅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２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。

【００３２】本実施例によれば、ヘテロダイン干渉に基
づくマッハツェンダ干渉光学系を採用し、かつ励起光で
ある強度変調ビームの変調周波数の２倍の周波数成分を
検出することにより、試料からの反射光を光音響検出の
ためのプローブ光として用いることが可能となる。その
結果、１本のビーム光で光音響効果の発生と光音響効果
により生じた試料表面の微小変位の検出を行うことがで
きるため、正確に試料上の励起部の光音響信号の検出が
可能となり、また励起光とプローブ光との相対的光軸調
整が不要となり、更に単純な光学系の構成で試料の表面
及び内部情報の安定かつ高感度な検出が可能となる。

【００３３】また、本実施例によれば、上記干渉光学系
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有する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。

【００３４】本発明の第２の実施例を図８及び図９に基
づいて説明する。図８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、励起光学系と
検出光学系を兼ねたヘテロダイン形マッハツェンダ干渉
光学系３０２と信号処理系３００から成る。基本構成と
その機能は図１に示す第１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１
の実施例とは、偏光ビームスプリッタ３３で反射された
参照光３５にも周波数シフトを与える点が異なる。周波
数シフトの与え方は第１の実施例における励起光の場合
と同様である。即ち、発振器１０９から出力された図９
に示す周波数ｆ_c2の正弦波２６1を音響光学変調素子１
００に入力し、ｆ_c2だけ周波数シフトした１次回折光１
０２を得る。尚、０次光１０１は絞り１０３で遮光され
る。一方、偏光ビームスプリッタ３３を透過したｐ偏光
成分３４に関しては、第１の実施例と同様、発振器６８
から図４（ａ）に示す周波数ｆ_c1（ｆ_c1≠ｆ_c2）の正弦
波８３を、また発振器６９から同図（ｂ）に示す周波数
ｆ_L（ｆ_L＜ｆ_c1、ｆ_c2）の矩形波８４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８５を作り、音響光学変調素子７６に入
力する。その結果、音響光学変調素子７６からはｆ_c1だ
け周波数シフトしたｐ偏光の１次回折光３７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_c1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。この励起光は第１の実施例と同様、試料５１
上に集光されて光音響効果を発生させると同時に、その
反射光６１は無偏光ビームスプリッタ６０を通過した
後、無偏光ビームスプリッタ６０で反射した参照光１０
５と互いに干渉する。この干渉光１０６には、光音響効
果により試料５１表面で生じた微小変位が光位相情報と
して含まれている。干渉光１０６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において、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。

【００３５】今、試料からの反射光と参照光の周波数量
差をｆ_Bとすると、ｆ_B＝ｆ_c1−ｆ_c2となり、光電変換素
子６７で検出される干渉光の強度Ｉは、第１の実施例と
同様、数１で表される。従って、第１の実施例と同様、
信号処理系３００よって、数１で表される干渉光から変
調周波数ｆ_Lの２倍の周波数成分を検出することによ
り、光音響効果に基づいて生じた試料５１表面の微小変
位の振幅ａ及び位相θが求められる。尚、本実施例で
は、ｆ_c1＝７９ＭＨｚ、ｆ_c2＝８０ＭＨｚ、ｆ_L＝１０
０ｋＨｚとした。即ち、ｆ_B＝１ＭＨｚである。このよ
うに、本実施例では、試料からの反射光と参照光の各々
に互いに異なる周波数シフトを与えることにより、第１
の実施例に比べ、２つの光の間により低い周波数差を設
けることが可能となる点が大きな特徴である。

【００３６】本実施例によれば、第１の実施例と同様、
ヘテロダイン干渉に基づくマッハツェンダ干渉光学系を
採用し、かつ励起光である強度変調ビームの変調周波数
の２倍の周波数成分を検出することにより、試料からの
反射光を光音響検出のためのプローブ光として用いるこ
とが可能となる。その結果、１本のビーム光で光音響効
果の発生と光音響効果により生じた試料表面の微小変位
の検出を行うことが可能となり、正確に試料上の励起部
の光音響信号の検出が行える。また励起光とプローブ光
との相対的光軸調整が不要となり、更に単純な光学系の
構成で、試料の表面及び内部情報の安定かつ高感度な検
出が可能となる。

【００３７】また、本実施例によれば、励起光あるいは
試料からの反射光と参照光の各々に互いに異なる周波数
シフトを与えて相対的周波数差を設ける構成になってい
るため、より低い周波数シフトの設定が可能となり、信
号処理系における干渉光検出信号からの強度変調周波数
に応じた振幅、位相情報の抽出が容易になると同時に、
試料の表面及び内部情報の安定かつ高感度な検出が可能
となる。

【００３８】また、本実施例によれば、第１の実施例と
同様、上記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有するスポ
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。

【００３９】本発明の第３の実施例を図１０〜図１２に
基づいて説明する。図１０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
系と検出光学系を兼ねたヘテロダイン形マイケルソン干
渉光学系３０３と信号処理系３００から成る。マイケル
ソン干渉光学系３０３において、Ａｒレーザ１２１から
出射する直線偏光ビーム１２３の偏向方向を第１の実施
例と同様、図２の７７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１０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１２４により、入射光ビーム１２３
のうち図２の７８で示すｐ偏光成分１２５は偏光ビーム
スプリッタ１２４を透過し、音響光学変調素子１２７に
入射する。また、図２の７９で示すｓ偏光成分１２６は
偏光ビームスプリッタ１２４で反射される。第１の実施
例と同様、発振器６８から図４（ａ）に示す周波数ｆ_c1
の正弦波８３を、また発振器６９から同図（ｂ）に示す
周波数ｆ_L（ｆ_L＜ｆ_c1）の矩形波８４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８５を作り、音響光学変調素子１２７に
入力する。その結果、音響光学変調素子１２７からはｆ
_c1だけ周波数シフトしたｐ偏光の１次回折光１２９が周
波数ｆ_Lで断続的に出力される。尚、０次光１２８は絞
り１３０で遮光される。このｐ偏光の１次回折光１２９
はミラー１４０で反射された後、偏光ビームスプリッタ
１４５を通過する。一方、偏光ビームスプリッタ１２４
で反射されたｓ偏光成分１２６はミラー１４１で反射さ
れた後、音響光学変調素子１２７に入射する。発振器１
０９から出力された図９に示す周波数ｆ_c2（ｆ_c1≠
ｆ_c2）の正弦波２６1を音響光学変調素子１４２に入力
し、ｆ_c2だけ周波数シフトした１次回折光１４４を得
る。尚、０次光１４３は絞り１４５で遮光される。この
ｓ偏光の１次回折光１４４は偏光ビームスプリッタ１４
５で反射され、偏光ビームスプリッタ１４５を通過して
きたｐ偏光の１次回折光１２９と合成される。この合成
光１４６は二周波直交偏光、即ち図１１に示す様に、１
７０及び１７１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１
４６をビームエキスパンダ１４７により所望のビーム径
に拡大した後、レンズ１４８によりその後側焦点位置１
４９に集光させる。後側焦点位置１４９にはピンホール
１５０が設置されており、図５（ａ）に示すように、集
光スポットのピーク部９０の周辺に存在する高次回折光
成分９０ａ及び９０ｂ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５（ｂ）に示すように、
ピーク部９０だけになる。焦点位置１４９はレンズ１５
１の前側焦点位置になっているので、ピンホール１５０
通過後の光束はレンズ１５１通過後平行光になる。上記
平行光は、偏光ビームスプリッタ１０８により、ｐ偏光
ビーム１５３とｓ偏光ビーム１５４に分離される。ｐ偏
光ビーム１５３はｆ_c1だけ周波数シフトし、かつ変調周
波数ｆ_Lで強度変調されている。ｐ偏光ビーム１５３は
λ／４板１５５通過後円偏光となり、試料への励起光と
してに対物レンズ１５６によりその前側焦点位置１５
８、即ち試料５１上に集光され、図５（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
１５１の前側焦点位置１４９と対物レンズ１５６の前側
焦点位置１５８とは、互いに共役であると同時に共焦点
の関係にある。試料５１上の集光部である前側焦点位置
１５８において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１５８に微小変位が生じる。集光部１５８からの
反射光は試料５１表面で生じた微小変位を位相情報とし
てもっており、対物レンズ１５６を通過後平行光とな
り、さらにλ／４板１５５通過後ｓ偏光ビームとなる。
このｓ偏光ビームは偏光ビームスプリッタ１０８で反射
される。

【００４０】一方、偏光ビームスプリッタ１０８により
分離されたｓ偏光ビーム１５４は、ｆ_c2だけ周波数シフ
トしており、λ／４板１５９通過後円偏光となり、参照
ミラー１６０に入射する。参照ミラー１６０で反射した
円偏光ビームは再びλ／４板１５９通過後ｐ偏光とな
り、参照ミラーとして偏光ビームスプリッタ１０８を通
過する。図１２の１７２は、偏光ビームスプリッタ１０
８で反射された試料５１からの反射光の偏光方向を、１
７３は参照ミラー１６０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、偏光板１６１を光路に挿入
し、その偏光方向を図１２の１７４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
光１６２には光音響効果により試料５１表面で生じた微
小変位が光位相情報として含まれている。干渉光１６２
をレンズ１６３によりその後側焦点位置１６４に集光
し、ホトダイオード等の光電変換素子１６６で検出す
る。このマイケルソン干渉光学系３０３において、レン
ズ１５１の前側焦点位置１４９、対物レンズ１５６の前
側焦点位置１５８及びレンズ１６３の後側焦点位置１６
４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１６３の後側焦点位置１６４にはピ
ンホール１６５が設置されている。その結果、対物レン
ズ１５６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。

【００４１】今、試料からの反射光と参照ミラーからの
参照光の周波数差をｆ_Bとすると、ｆ_B＝ｆ_c1−ｆ_c2とな
り、光電変換素子６７で検出される干渉光の強度Ｉは、
第１の実施例と同様、数１で表される。従って、第１の
実施例と同様、信号処理系３００よって、数１で表され
る干渉光から変調周波数ｆ_Lの２倍の周波数成分を検出
することにより、光音響効果に基づいて生じた試料５１
表面の微小変位の振幅ａ及び位相θが求められる。尚、
本実施例では、ｆ_c1＝７９ＭＨｚ、ｆ_c2＝８０ＭＨｚ、
ｆ_L＝１００ｋＨｚとした。とした。即ち、ｆ_B＝１ＭＨ
ｚである。このように、本実施例では、試料からの反射
光と参照光の各々に互いに異なる周波数シフトを与える
ことにより、第１の実施例に比べ、２つの光の間により
低い周波数差を設けることが可能となる点が大きな特徴
である。

【００４２】本実施例によれば、第１の実施例と同様ヘ
テロダイン干渉に基づくマイケルソン干渉光学系を採用
し、かつ励起光である強度変調ビームの変調周波数の２
倍の周波数成分を検出することにより、試料からの反射
光を光音響検出のためのプローブ光として用いることが
可能となる。その結果、１本のビーム光で光音響効果の
発生と光音響効果により生じた試料表面の微小変位の検
出を行うことが可能となり、正確に試料上の励起部の光
音響信号の検出が行える。また、励起光とプローブ光と
の相対的光軸調整が不要となり、更に単純な光学系の構
成で、試料の表面及び内部情報の安定かつ高感度な検出
が可能となる。

【００４３】また、本実施例によれば、第２の実施例と
同様、励起光あるいは試料からの反射光と参照光の各々
に互いに異なる周波数シフトを与えて相対的周波数差を
設ける構成になっているため、第１の実施例に比べ、よ
り低い周波数シフトの設定が可能となり、信号処理系に
おける干渉光検出信号からの強度変調周波数に応じた振
幅、位相情報の抽出が容易になると同時に、試料の表面
及び内部情報の安定かつ高感度な検出が可能となる。

【００４４】また、本実施例によれば、第１の実施例と
同様、上記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有するスポ
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。

【００４５】本発明の第４の実施例を図１３及び図１４
に基づいて説明する。図１３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
学系と検出光学系を兼ねたヘテロダイン形マッハツェン
ダ干渉光学系３０４と信号処理系３００から成る。マッ
ハツェンダ干渉光学系３０３において、Ａｒレーザ１８
１から出射するｓ偏光ビーム１８２を音響光学変調素子
１８３に入射する。第１の実施例と同様、発振器６８か
ら図４（ａ）に示す周波数ｆ_Bの正弦波８３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８４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８５を作
り、音響光学変調素子１８３に入力する。その結果、音
響光学変調素子１８３からは０次光１８５と、ｆ_Bだけ
周波数シフトし変調周波数ｆ_Lで強度変調された１次回
折光１８６が出力される。１次回折光１８６はミラー１
８７で反射した後、ビームエキスパンダ１８８により所
望のビーム径に拡大した後、レンズ１８９によりその後
側焦点位置１９０に集光させる。後側焦点位置１９０に
はピンホール１９１が設置されており、図５（ａ）に示
すように、集光スポットのピーク部９０の周辺に存在す
る高次回折光成分９０ａ及び９０ｂを遮光する。その結
果、ピンホール１９１通過後の光強度分布は図５（ｂ）
に示すように、ピーク部９０だけになる。焦点位置１９
０はレンズ１９２の前側焦点位置になっているので、ピ
ンホール１９１通過後の光束はレンズ１９２通過後平行
光になる。上記平行光はｓ偏光成分から成るので、偏光
ビームスプリッタ１９４で反射された後、λ／４板１９
５通過後円偏光となり、さらに対物レンズ１９６により
その前側焦点位置１９８、即ち試料５１上に集光され、
図５（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１９２の前側焦点位置１９０と対
物レンズ１９６の前側焦点位置１９８とは、互いにに共
役であると同時に共焦点の関係にある。試料５１上の集
光部である前側焦点位置１９８において光音響効果に基
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１９８に微小変位が生
じる。集光部１９８からの反射光は試料５１表面で生じ
た微小変位を位相情報としてもっており、対物レンズ１
９６を通過後平行光となり、さらにλ／４板１９５通過
後、ｐ偏光ビームとなる。このｐ偏光ビームは偏光ビー
ムスプリッタ１９４を通過した後、さらに偏光ビームス
プリッタ２０６を通過する。

【００４６】一方、参照光である０次光１８５は１次回
折光１８６と同様、ミラー１９９で反射した後、ビーム
エキスパンダ２００により所望のビーム径に拡大した
後、レンズ２０１によりその後側焦点位置２０２に集光
させる。後側焦点位置２０２にはピンホール２０３が設
置されており、図５（ａ）に示すように、集光スポット
のピーク部９０の周辺に存在する高次回折光成分９０ａ
及び９０ｂを遮光する。その結果、ピンホール２０３通
過後の光強度分布は図５（ｂ）に示すように、ピーク部
９０だけになる。焦点位置２０２はレンズ２０４の前側
焦点位置になっているので、ピンホール２０３通過後の
光束はレンズ２０４通過後平行参照光になる。上記参照
光はｓ偏光成分から成るので、偏光ビームスプリッタ２
０６で反射された後、偏光ビームスプリッタ２０６を通
過してきた試料５１表面からの反射光と合成される。こ
こで、図１４の２１４は、偏光ビームスプリッタ２０６
を通過してきた試料５１からの反射光の偏光方向を、２
１５は偏光ビームスプリッタ２０６で反射された参照光
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、偏光板２０７
を光路に挿入し、その偏光方向を図１４の２１６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。干渉光２０８には、光音響効果により試料５１表面
で生じた微小変位が光位相情報として含まれている。干
渉光２０８をレンズ２０９によりその後側焦点位置２１
０に集光し、ホトダイオード等の光電変換素子２１２で
検出する。このマッハツェンダ干渉光学系３０４におい
て、レンズ１９２の前側焦点位置１９０、レンズ２０４
の前側焦点位置２０２、対物レンズ１９６の前側焦点位
置１９８及びレンズ２０９の後側焦点位置２１０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２０９の後側焦点位置２１０にはピンホール
２１１が設置されている。その結果、対物レンズ１９６
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。

【００４７】今、励起光の波長をλ、試料５１表面から
の反射光の強度をＩ_s、参照光の強度をＩ_r、２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２１２で検出される干渉光の強度Ｉは、第１の実
施例と同様、数１で表される。従って、第１の実施例と
同様、信号処理系３００よって、数１で表される干渉光
から変調周波数ｆ_Lの２倍の周波数成分を検出すること
により、光音響効果に基づいて生じた試料５１表面の微
小変位の振幅ａ及び位相θが求められる。尚、本実施例
では、ｆ_B＝４０ＭＨｚ、ｆ_L＝１００ｋＨｚとした。

【００４８】本実施例によれば、第１の実施例と同様、
ヘテロダイン干渉に基づくマッハツェンダ干渉光学系を
採用し、かつ励起光である強度変調ビームの変調周波数
の２倍の周波数成分を検出することにより、試料からの
反射光を光音響検出のためのプローブ光として用いるこ
とが可能となる。その結果、１本のビーム光で光音響効
果の発生と光音響効果により生じた試料表面の微小変位
の検出を行うことが可能となり、正確に試料上の励起部
の光音響信号の検出が行える。また、励起光とプローブ
光との相対的光軸調整が不要となり、更に単純な光学系
の構成で、試料の表面及び内部情報の安定かつ高感度な
検出が可能となる。

【００４９】また、本実施例によれば、音響光学変調素
子から出力された０次光と１次回折光を、各々参照光及
び励起光として用いているので、光量の損失が少ないと
いう利点がある。

【００５０】また、本実施例によれば、第１の実施例と
同様、上記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有するスポ
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。

【００５１】

【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、相対的に光周波数の異なる２つのビーム光のう
ち、一方のビーム光を強度変調して試料上に集光するこ
とにより光音響効果を発生させ、その反射光と他方のビ
ーム光とを干渉させ２倍の変調周波数成分を検出するこ
とにより、光音響効果により生じた試料表面の微小変位
を検出することが可能となる。その結果、１本のビーム
光で光音響効果の発生と光音響効果により生じた試料表
面の微小変位の検出を行うことが可能となるため、正確
に試料上の励起部の光音響信号の検出が行える。また、
励起光とプローブ光との相対的光軸調整が不要となり、
さらに単純な光学系の構成で試料の表面及び内部情報の
安定かつ高感度な検出が可能となるという効果を有す
る。

【００５２】また、励起光を試料上に集光する励起手段
と、光音響効果により生じた試料表面の微小変位を検出
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有するス
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】第１の実施例における入射光の偏光方向を示す
図である。

【図３】音響光学変調素子の原理図である。

【図４】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５】集光スポットの高次回折光成分が遮光される様
子を示す図である。

【図６】位相検波回路の構成図である。

【図７】干渉強度信号の周波数スペクトルを示す図であ
る。

【図８】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９】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１０】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１１】第３の実施例における二周波直交偏光状態を
示す図である。

【図１２】第３の実施例における試料からの反射光、参
照光及び偏光板の各偏光方向を示す図である。

【図１３】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１４】第４の実施例における試料からの反射光、参
照光及び偏光板の各偏光方向を示す図である。

【図１５】従来の光音響検出光学系を説明するための図
である。

【図１６】光音響効果の原理図である。

【符号の説明】

１，８…レーザ、３１，１２１，１８１…Ａｒレーザ、
２，７６，１００，１２７，１４２，１８３…音響光学
変調素子、４２，５７，６５，１５０，１６５，１９
１，２０３，２１１…ピンホール、５，４８，１５６，
１９６…対物レンズ、１３，６７，１６６，２１２…光
電変換素子、７２…位相検波回路、１６，７３…ロック
インアンプ、１７，７４…計算機、７，５１…試料。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 29/00 - 29/28 G01N 21/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの光を２つに分離して、該２つに
分離した光に周波数差を設け、該周波数差を設けた一方
の光を所望の変調周波数で強度変調し、該強度変調した
光を試料の表面に集光して照射し、該試料の表面あるい
は該試料の内部にて光音響効果あるいは光熱効果を発生
させると共に前記照射により前記試料の表面で反射した
前記強度変調した光の反射光を前記分離した他方の光と
干渉させ、該干渉により生じた干渉光を検出し、該干渉
光を検出した検出信号を前記変調周波数の２倍の周波数
を通過させるローパスフィルタに入力し、該ローパスフ
ィルタを通過した検出信号から前記検出した干渉光に含
まれている前記変調周波数に対して２倍の周波数に相当
する周波数成分を検出し、該周波数成分より強度変調周
波数に応じた試料の表面及び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】上記２つの光の間の周波数差は、上記強度
変調周波数よりも高く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】上記２つの光のうち一方の光にのみ周波数
シフトを生じさせて、２つ光の間に相対的周波数差を設
け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】上記２つの光の各々に互いに異なる周波数
シフトを生じさせて、２つ光の間に相対的周波数差を設
け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】上記強度変調した光を試料表面上に集光
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と、上記干渉光を検出する干
渉光検出手段を、共焦点光学系として構成することを特
徴とする請求項１記載の光音響信号検出方法。
【請求項６】光源と、該光源からの光を２つに分離する
分離手段と、該分離手段で分離した２つの光に周波数差
を設ける周波数差設定手段と、該周波数差設定手段で周
波数差を設けた一方の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表
面上に集光照射して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と、該励起手
段により前記試料に集光照射した光のうち前記試料表面
で反射し前記所望の周波数で強度変調された反射光を前
記分離手段で分離した他方の光と干渉させその干渉光を
検出する干渉光検出手段と、該干渉光検出手段で前記干
渉光を検出した検出信号を前記変調周波数の２倍の周波
数を通過させるローパスフィルタ手段と、該ローパスフ
ィルタ手段を通過した検出信号から前記干渉光検出手段
で検出した干渉光に含まれる前記変調周波数に対して２
倍の周波数に相当する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
変調周波数の２倍の周波数成分より強度変調周波数に応
じた試料の表面及び内部情報を抽出する情報抽出手段と
を設けたことを特徴とする光音響信号検出装置。
【請求項７】上記周波数差設定手段は、２つの光の間に
上記強度変調周波数よりも高い周波数差を設定すること
を特徴とする請求項６記載の光音響信号検出装置。
【請求項８】上記周波数差設定手段は、２つの光のうち
一方の光にのみ周波数シフトを生じさせて、２つ光の間
に相対的周波数差を設けることを特徴とする請求項６記
載の光音響信号検出装置。
【請求項９】上記周波数差設定手段は、２つの光の各々
に互いに異なる周波数シフトを生じさせて、２つ光の間
に相対的周波数差を設けることを特徴とする請求項６記
載の光音響信号検出装置。
【請求項１０】上記強度変調した光を試料表面上に集光
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と、上記反射光と上記他方の光
とを干渉させ、その干渉光を検出する干渉光検出手段
を、共焦点光学系として構成することを特徴とする請求
項６記載の光音響信号検出装置。