JP3495069B2 - 光熱変位信号検出方法とその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光音響効果を利用する
ことによって、試料の表面とその近傍の内部情報が検出
されるようにした光音響信号検出方法とその装置に係わ
り、特に試料上の直線状領域に対する干渉光を高速に処
理することによって、試料の２次元領域における光熱変
位情報が実時間で抽出されるようにした光音響信号検出
方法と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年に、チンダル（Tyndall）やベル（Bell）、
レントゲン（Rentogen）等によって発見された。この光
音響効果とは、図１５に示すように、予め一定周波数で
強度変調された光（断続光）１９が励起光として、レン
ズ５を介し集光された状態で試料７表面上に照射される
場合には、光吸収領域（Ｖ_op）２１において熱が周期的
に発生した上、熱拡散長（μ_s ）２２で与えられる熱拡
散領域（Ｖ_th）２３内を周期的に拡散され、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。その
超音波、即ち、光音響信号をマイクロホン（音響電気変
換器）や圧電素子により、あるいは試料７表面に生じて
いる周期的な変位量を光干渉計により検出した上、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っ
て、試料７の表面およびその近傍内部での情報が得られ
るものとなっている。なお、熱拡散長μ_s は、励起光の
変調周波数をｆ_L 、試料の熱伝導率、密度、比熱をそれ
ぞれｋ、ρ、ｃとして、以下の数式１で与えられるもの
となっている。

【０００３】

【数１】

【０００４】ところで、光音響信号の具体的な検出方法
に関しては、例えば文献「光音響顕微鏡について」（非
破壊検査；第３６巻第１０号，頁７３０〜７３６（昭和
６２年１０月））や、「アイ・イー・イー・イー １９
８６ ウルトラソニックス・シンポジウム；頁５１５〜
５２６（１９８６年）（ＩＥＥＥ １９８６ ＵＬＴＲＡ
ＳＯＮＩＣＳ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ；ｐ．５１５〜５２
６（１９８６）」において論じられている。

【０００５】ここで、従来技術に係る光音響信号検出方
法、あるいはその装置について具体的に説明すれば、図
１６はその一例での装置構成を示したものである。図示
のように、レーザ発振器１からの平行レーザ光は先ず音
響光学変調素子（ＡＯ変調器）２で強度変調されること
で、断続光として得られるものとなっている、この断続
光は励起光として、ビームエキスパンダ３を介し所望の
ビーム径の平行レーザ光１９とされた後、ハーフミラー
４で反射され、更にレンズ５で集光された状態で、ＸＹ
ステージ６上に載置されている試料７表面上に照射され
るものとなっている。この結果、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
表面には微小変位が生じるが、例えばこの微小変位は、
以下に述べるマイケルソン干渉計で検出可とされている
ものである。図示のように、レーザ発振器８からの平行
レーザ光はビームエキスパンダ９を介し所望のビーム径
の拡大平行レーザ光２０とされた後、ハーフミラー１０
で２つの光路に分離され、一方はプローブ光としてレン
ズ５を介し集光された状態で試料７上の集光部２１に照
射される一方では、他方は参照ミラー１１に照射される
ものとなっている。試料７からの、プローブ光２４に対
する反射光と、参照ミラー１１からの反射光とはハーフ
ミラー１０上で互いに干渉するが、その干渉光がレンズ
１２を介し集光された状態でホトダイオード等の光電変
換素子１３で検出されることで、光電変換素子１３から
干渉強度信号が得られているものである。その後、その
干渉強度信号はプリアンプ１４を介しロックインアンプ
１６で、音響光学変調素子２の駆動に用いる発振器１５
からの強度変調周波数信号を参照信号として、干渉強度
信号に含まれている強度変調周波数成分（振幅と、参照
信号との位相差）だけが抽出されるものとなっている。
この強度変調周波数成分にその周波数に応じた、試料７
の表面、あるいはその近傍内部での情報が含まれている
ものである。その際、計算機１７により強度変調周波数
を変更することによっては、熱拡散長（μ_s ）２１もそ
れに応じて変更され得ることから、試料７についての様
々な深さでの情報が得られるものである。もしも、熱拡
散領域（Ｖ_th）２３内にクラック等の欠陥があれば、干
渉強度信号中の強度変調周波数成分にその旨を示す信号
変化が現われるので、その存在が知れるものである。

【０００６】さて、試料７上でのレーザ光照射位置はＸ
Ｙステージ６を介し計算機１７によって更新可として制
御され、また、計算機１７では実レーザ光照射位置はＸ
Ｙステージ６からの位置検出信号より知れるが、試料７
にレーザ光が照射される度に、ロックインアンプ１６か
らの強度変調周波数成分を実レーザ光照射位置に対応づ
けて計算機１７で処理するようにすれば、試料７上の実
レーザ光照射位置各々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表示さ
れ得るものである。

【０００７】因みに、特開平５−１７２７３７号公報に
は、励起光を直線状のストライプビームとし、プローブ
光も同様のストライプビームとして、干渉光を直線状に
配置した複数個の光電変換素子からなる検出器で同時に
検出し、励起光の変調周波数と光電変換素子の制御信号
周波数が一定の関係に維持された状態で、複数個の光電
変換素子の信号を逐次的に読み出し、一旦一定量の信号
を記憶し、記憶された信号から個々の光電変換素子の信
号をそれぞれ逐次的に読み出すことによって、それぞれ
で検出された干渉光の時間変化を得、それに対して一定
の法則に従って計算機を用いて演算を施し、励起光の変
調周波数に対応する成分を抽出することによって、高速
に光熱変位信号を得る方法および装置が示されたものと
なっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術による場合、光熱変位信号は非接触・非破壊で検
出可とされ、極めて有効ではあるが、以下に示すような
各種不具合が同時に伴われたものとなっている。即ち、
図１６に示す従来技術に係る光熱変位検出光学系では、
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に
よって、試料表面は２次元走査される必要があることは
明らかである。この２次元走査は１点づつ情報が検出さ
れる、いわゆるポイント走査であるため、試料の全面に
亘って走査しようとすると、試料の２次元内部情報を得
るのに多くの時間が要されるというものである。実に、
この点が、これまで、光音響検出技術を生産ラインにお
ける試料の内部欠陥検査へ適用し得なかった最大の理由
である。

【０００９】また、試料如何によっては、その表面の反
射率が一様ではなく、局所的に異なっている場合がある
が、このような場合には、プローブ光の反射光強度に内
部情報ばかりでなく、試料表面の反射率情報が併せて含
まれてしまい、内部情報のみを確実に検出することは困
難であるというものである。更に、試料如何によって
は、その表面形状が平坦でなく、局所的に表面が凹凸状
態として形成されている場合があるが、このような場合
には、プローブ光に対する反射光はその位相が試料表面
上の凹凸状態によっても変化され、したがって、内部情
報だけでなく試料表面の凹凸情報も含んでしまい、内部
情報のみを確実に検出することは困難であったのが実情
である。

【００１０】また、特開平５−１７２７３７号公報に示
された公知例では、上記した従来技術に係る光熱変位検
出光学系での不具合は一部解消されてはいるものの、複
数の光電変換素子で検出された信号をそれぞれの光電変
換素子に対して一定時間記憶させる必要があるため、光
電変換素子全体に対し大容量のメモリが必要となってい
る。例えば２５６×２５６画素の光熱変位画像を検出す
る場合、光電変換素子の出力を２バイトで表現した上、
１００回の繰り返しデータを使用するとすれば、約１３
Ｍバイトもの記憶容量のデータ一時記憶用メモリが必要
となるものである。この不具合に加え、干渉光の検出自
体は高速に行えるにも拘らず、光熱変位信号の抽出のた
めのその処理については、逆三角関数を含む数式にもと
づき計算機で処理するとのみ記述されているため、一旦
信号を記憶する必要性と相俟って、光熱変位信号の検出
については必ずしも高速に行えないものとなっている。

【００１１】本発明の目的は、試料表面上の反射率分布
や凹凸分布の影響を受けることなく、しかも試料の表面
とその近傍の内部情報が２次元的に高速に検出され得る
光熱変位信号検出方法とその装置を供するにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的は、周波数ｆ
_L ，ｆ_B ，ｆ_I が一定の比に制御された状態で、光源か
らの光を可変設定可とされた周波数ｆ_L で強度変調した
上、試料表面の直線状領域に照射することによって、該
直線状領域の表面に周期的に光熱変位を発生させる一方
では、上記試料を上記直線状領域の長手方向と直交する
方向に移動させつつ、上記直線状領域に他の光を照射
し、該他の光に対する上記試料表面からの反射光を、周
波数が上記ｆ_B だけ異なる参照光との間で干渉させ、干
渉結果としての干渉光は測定点対応の光電変換素子から
なる直線状検出器で１／ｆ_I 時間周期で複数回に亘って
積分検出されるに際し、最初の積分検出値が上記光電変
換素子対応のアドレスにもとづきメモリに初期値として
記憶された後は、該メモリの内容は上記直線状検出器か
ら光電変換素子対応の積分検出値が得られる度に、該積
分検出値との間で１／ｆ_I 時間周期の整数倍間隔で加
算、減算が行われることによって更新記憶される結果と
して、上記直線状領域内の測定点各々についての光熱変
位情報が抽出されることで達成される。また、装置の構
成要件として、周波数ｆ_L で強度変調された光線を発す
る波長λ₁ の光源と、該強度変調された光線を直線状光
束に変換した上、試料上の直線状領域に照射する第１の
光学手段と、該試料上の直線状領域に波長λ₂ （≠λ
₁ ）の直線状光束光線を照射する第２の光学手段と、該
試料上の直線状領域からの反射光のうち、波長λ₂ の反
射光成分を分離する反射光分離手段と、該反射光分離手
段からの、分離された波長λ₂ の反射光成分と該波長λ
₂ の直線光束とは周波数がｆ_B だけ異なる参照光とを干
渉させる干渉手段と、該手段からの干渉光を、測定点対
応の光電変換素子でｆ_I 時間周期で積分検出する直線状
検出器と、周波数ｆ_L を可変設定可として、かつ周波数
ｆ_L ，ｆ_B ，ｆ_I の信号各々を一定の比に制御した状態
として発生した上、必要部位に供給する制御信号発生手
段と、上記直線状検出器からの、光電変換素子対応の初
期積分検出値を該光電変換素子対応のアドレスにもとづ
き記憶した上、後に該初期積分検出値を更新可として記
憶するメモリと、該メモリの内容と上記直線状検出器か
ら光電変換素子対応の積分検出値が複数回に亘って得ら
れる度に、該積分検出値との間で１／ｆ_I 時間周期の整
数倍間隔で加算、減算を行い、加算、減算の結果を上記
メモリに光電変換素子対応のアドレスにもとづき更新記
憶せしめる第１の演算手段と、上記メモリにおける光電
変換素子対応の内容にもとづき、試料上の直線状領域内
の測定点各々についての光熱変位情報を演算により抽出
する第２の演算手段と、上記試料上の直線状領域を該直
線状領域の長手方向と直交する方向に移動させるべく、
該試料と上記第１，第２の光学手段、反射光分離手段お
よび干渉手段を含む検出光学系との相対位置関係を更新
する直線状領域更新手段と、上記第２の演算手段から繰
返し抽出される光熱変位情報を、外部に可視表示可とし
て試料の２次元領域における光熱変位情報として格納す
る光熱変位情報格納手段と、を具備せしめることで達成
される。

【００１３】

【作用】可変設定可とされた一定周波数で強度変調され
た励起光を直線状ストライプビームとして試料表面に照
射すれば、その試料上の直線状領域における表面やその
近傍内部にて同時に光音響効果、あるいは光熱効果が発
生されるが、その際に、励起光の照射位置と同一位置に
直線状の他の光をストライプビームとして照射した上、
その他の光に対する反射光を参照光と干渉させ、その干
渉光を直線状に配置された複数個の光電変換素子からな
る検出器で同時に検出すれば、光電素子各々からは直線
状領域内の測定点各々についての積分検出値が得られる
ものである。したがって、それら複数個の光電変換素子
各々からの積分検出値を逐次読み出し、光電変換素子の
数以上の容量を持つ一時記憶用メモリに初期積分検出値
が一旦記憶されるとして、光電変換素子各々から積分検
出値が得られる度に、その積分検出値とメモリ内のその
光電変換素子対応の内容との間で加減算を行い、加減算
結果をメモリ内の同一の位置に記憶せしめることを一定
回数に亘って繰返すようにした後、同様な処理で得られ
た他の記憶素子からの内容との間で一定の演算を行うこ
とによって、直線状領域内の測定点各々についての光熱
変位信号や表面反射率に関する信号、表面上の凹凸に関
する信号が高速に検出され得るものである。このよう
に、複数の測定点各々についての表面や内部情報がほぼ
同時に抽出可とされていることから、従来技術に比し光
熱変位信号がより格段に高速に検出された上、実時間に
２次元画像として表示され得るものである。また、その
際に、強度変調周波数が可変として設定される場合に
は、光音響効果、あるいは光熱効果にもとづく熱拡散長
が試料の被測定内部界面の深さと同一か、あるいはそれ
を越える長さとなるべく調整され得ることから、試料内
部の任意の深さに及ぶ欠陥検査や表示が可能となるもの
である。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を図１から図１４により説明す
る。先ず本発明による光熱変位信号検出装置の構成を説
明すれば、図１はその基本的な概要構成を示したもので
ある。図示のように、その基本構成要素として、光熱変
位検出光学系４００、光熱変位情報抽出処理装置４０
１、制御信号発生装置４０２、計算機４０３およびｘｙ
ステージ４８を含むものとして構成されたものとなって
いる。このうち、計算機４０３はｘｙステージ４８を始
めとして、装置全体の動作を制御する機能の他、試料の
表面やその内部の情報として抽出された光熱変位信号を
２次元画像として記憶する複数のメモリ４０４や、メモ
リ４０４の内容を明暗画像や、信号の大小を高さ方向と
した鳥瞰（斜視）図的な画像、信号の大小を色に対応さ
せたカラー画像などとして表示する画像表示装置４０５
を含むものとして構成されたものとなっている。また、
制御信号発生装置４０２は、特定の周波数比の各種制御
パルス信号（周波数比やその絶対的な周波数は計算機４
０３によって設定）を発生した上、光熱変位検出光学系
４００内の各部に対して供給すべく機能したものとなっ
ている。したがって、装置全体としては、ｘｙステージ
４８を試料上の直線状領域と直交する方向に水平移動さ
せる度に、光熱変位検出光学系４００、光熱変位情報抽
出処理装置４０１および制御信号発生装置４０２によっ
て、試料上の直線状領域内の測定点各点各々についての
光熱変位信号および試料表面情報を抽出した上、メモリ
４０４に記憶するようにすれば、メモリ４０４上には試
料上の２次元領域での光熱変位信号および試料表面情報
が収集状態として記憶されることから、これを適当な表
示態様を以て画像表示装置４０５で画像表示すればよい
ものである。その画像表示に併せて、計算機４０３がメ
モリ４０４の内容を読み出した上、公知の計測アルゴリ
ズムや欠陥検出アルゴリズムを用い画像処理を行う場合
は、自動計測、あるいは自動検査を実施することも可能
とされているものである。

【００１５】本発明による光熱変位信号検出装置の概要
構成は以上のようであるが、以下では、その要部として
の光熱変位検出光学系４００、光熱変位情報抽出処理装
置４０１および制御信号発生装置４０２各々についての
具体的な実施例について述べることとする。具体的な実
施例に係る光熱変位検出光学系４００、光熱変位情報抽
出処理装置４０１および制御信号発生装置４０２の各種
組合せ、更にはそれら組合せと計算機４０３、ｘｙステ
ージ４８との組合せ如何によっては、様々な具体的構成
に係る、本発明による光熱変位信号検出装置が実現され
得るものである。

【００１６】さて、先ず本発明に係る光熱変位検出光学
系４００について、その第１の具体的な実施例を図２か
ら図６により説明すれば、図２はその具体的構成を示し
たものである。図示のように、その光熱変位検出光学系
は、励起光学系２０１と、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
とから構成されたものとなっている。先ず励起光学系２
０１であるが、励起光学系２０１では、Ａｒレーザ３１
（波長５１５ｎｍ）から出射された平行ビーム３２は音
響光学変調素子３３に入射された上、変調信号１００に
よりその強度が変調されることで、音響光学変調素子３
３からは励起光が出射されるものとなっている。信号合
成器８８では、発振器８６からの周波数ｆ_C0の正弦波９
８と、制御信号発生装置４０２からの周波数ｆ_L （ｆ_L
＜ｆ_C0）の矩形波９９とから両波形の積がとられること
によって変調信号１００が作成されているが、これが音
響光学変調素子３３に入力される結果として、音響光学
変調素子３３からは、ｆ_C0だけ周波数シフトされた１次
回折光３５が周波数ｆ_L で断続された状態として出射さ
れているものである。即ち、音響光学変調素子３３から
は、励起光として、ｆ_C0だけ周波数シフトされた変調周
波数ｆ_L の強度変調ビーム３５が得られるものである。
なお、その際、０次光３４も併せて出射されるが、これ
は不要なものとして絞り３６で遮光される。

【００１７】その後、強度変調ビーム３５はそのビーム
径がビームエキスパンダ３８で所望に拡大され、更にシ
リンドリカルレンズ（円筒レンズ）３９で楕円ビーム４
０に変換された状態でダイクロイックプリズム（波長６
００ｎｍ以下は反射、６００ｎｍ以上は透過）４１で反
射された上、対物レンズ４２の瞳４３、即ち、後側焦点
位置４４にｘ方向のみ集光された状態として入射される
ものとなっている。ｙ方向に関しては、シリンドリカル
レンズ３９は曲率を持たない単なる板ガラスと見做せる
ので、対物レンズ４２の後側焦点位置４４に平行光の状
態で入射されるものである。その結果として、図３に示
すように、対物レンズ４２の前側焦点位置、即ち、試料
４７の表面上には、励起ビーム４６として、ｘ方向に幅
を持ちｙ方向に集束された、１本のストライプビーム１
０１が照射されるものである。

【００１８】ここで、試料４７として、図３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を想
定する。その試料４７は図４（ａ），（ｂ）に示すよう
に、下地基板としてのセラミック基板１０９上に、厚さ
２０μｍのポリイミド１０４を絶縁体として、厚さ２０
μｍのＣｕ配線パターン１０２，１０３が形成された構
造となっている。さて、Ｃｕ配線パターン１０２，１０
３中の内部クラック１０７や、下地基板とＣｕパターン
界面での剥離１０８が検出されるべき内部欠陥とされて
いるが、このような試料４７では、Ｃｕ配線パターン１
０２，１０３とその周辺のポリイミド１０４との熱的性
質の違いが注目すべき重要事項として挙げられるものと
なっている。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
であることが判る。そこで、励起光の強度変調周波数ｆ
L を５０ｋＨｚとして、既述の数式１に上記値を代入す
れば、Ｃｕ配線パターン１０２，１０３部での熱拡散長
μsは約２７μｍ、ポリイミド１０４部でのそれは約
１．１μｍとなり、その結果として、図４（ａ）に示す
ように、ストライプビーム１０１によって形成されるス
トライプ状の光吸収領域１０５においては、ストライプ
ビーム１０１から与えられる熱が、検査対象であるＣｕ
配線パターン１０２，１０３部では大きく拡散され、下
地基板との界面を含めＣｕ配線パターン１０２，１０３
全体を含む熱拡散領域１０６が形成されるものとなって
いる。一方、検査対象外のポリイミド１０４部では、熱
は小さく拡散されており、熱拡散領域はほぼポリイミド
１０４表面部分のみに形成されるようになっている。換
言すれば、ストライプビーム１０１をＣｕ配線パターン
１０２，１０３を含む試料４７表面に照射すれば、光吸
収領域１０５に沿って光音響効果、あるいは光熱効果が
生じ、その効果にもとづき発生される熱歪波によっては
超音波（熱弾性波）が発生され、試料４７表面には微小
変位の分布１１０（破線表示）が生じるというものであ
る。しかも、その微小変位の分布１１０には、Ｃｕ配線
パターン１０２，１０３各々での内部情報（内部クラッ
ク１０７、剥離欠陥１０８）や、ポリイミド１０４部で
の内部情報が相互に独立したものとして反映されている
というものである。このことは、とりもなおさずストラ
イプビーム１０１によっても、熱的コントラストの高い
複数の検査対象が同時に励起された状態で、試料４７各
部での内部情報が独立に検出され得ることを示唆してい
る。

【００１９】以上、励起光学系２０１について説明し
た。次に、図２に戻り光音響効果にもとづく試料４７表
面での微小変位の分布１１０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のその構
成と機能について説明すれば、ヘテロダイン形トワイマ
ン・グリーン干渉光学系２０２では、Ｈｅ−Ｎｅレーザ
（波長６３３ｎｍ）５１からは直線偏光ビーム５２が出
射されているが、その偏向方向は図５（ａ）に１１１と
して示すように、ｘ軸、ｙ軸（図２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）各
々に対し４５°方向に設定される。このように直線偏光
されている直線偏光ビーム５２はその後、偏光ビームス
プリッタ５３でｐ偏光成分５４とｓ偏光成分５５に分離
された上、所定に処理されるものとなっている。偏光ビ
ームスプリッタ５３への直線偏光ビーム５２のうち、図
５（ａ）に１１２として示すｐ偏光成分５４は偏光ビー
ムスプリッタ５３をそのまま透過された上、音響光学変
調素子６２に入射される一方、図５（ａ）に１１３とし
て示すｓ偏光成分５５は偏光ビームスプリッタ５３で反
射された上、音響光学変調素子５７に入射されているも
のである。音響光学変調素子６２には制御信号発生装置
４０２から周波数ｆC1の正弦波５００が入力されること
で、音響光学変調素子６２からはｆ_C1だけ周波数シフト
されたｐ偏光の１次回折光６４が、また、音響光学変調
素子５７には制御信号発生装置４０２から周波数ｆ
_C2（ｆ_C1≠ｆ_C2）の正弦波５０１が入力されることで、
音響光学変調素子５７からはｆ_C2だけ周波数シフトされ
たｓ偏光の１次回折光５９が得られているものである
（その際、０次光６３は絞り６５で、また、０次光５８
は絞り６０で遮光される）。その後、ｐ偏光の１次回折
光６４はミラー６６で反射された上、偏光ビームスプリ
ッタ６１を通過される一方、ｓ偏光の１次回折光５９は
偏光ビームスプリッタ６１で反射された上、偏光ビーム
スプリッタ６１を通過されてくるｐ偏光の１次回折光６
４と合成されるものとなっている。この合成光６７は二
周波直交偏光、即ち、図５（ｂ）に示すように、１１
２、１１３として示す方向に互いに直交し、かつ互いに
ｆ_C1−ｆ_C2の周波数差をもったビーム光として得られて
いるものである。その後、合成光６７はビームスプリッ
タ６８を通過光６９として通過された後、ビームエキス
パンダ７０により所望のビーム径に拡大された状態でシ
リンドリカルレンズ（円筒レンズ）７１により楕円ビー
ムに変換された上、偏光ビームスプリッタ７３に入射さ
れるものとなっている。

【００２０】偏光ビームスプリッタ７３では、その楕円
ビームはｐ偏光ビーム７２とｓ偏光ビーム７４に分離さ
れるが、このうち、ｐ偏光ビーム７２はｆ_C1だけ周波数
シフトされた状態でダイクロイックプリズム４１を通過
後、対物レンズ４２の瞳４３、即ち、後側焦点位置４４
にｘ方向のみ集光された状態で入射されるものとなって
いる。一方、ｙ方向に関しては、シリンドリカルレンズ
７１は曲率を持たない単なる板ガラスと見做せるので、
対物レンズ４２のその後側焦点位置４４に平行光状態で
入射されているものである。その後、対物レンズ４２か
ら出射されたｐ偏光ビーム１４５はλ／４板４５を通過
後、円偏光ビーム１４５とされた状態で、図３に示すよ
うに、対物レンズ４２の前側焦点位置、即ち、試料４７
の表面上にストライプビーム１０１と同一状態で、かつ
同一位置にプローブビームとして照射されるものとなっ
ている。プローブビームは試料４７表面に、ｘ方向に幅
を持ちｙ方向には集束された、１本のストライプビーム
１９０として照射されているものである。既述の図４
（ａ）に示すように、試料４７からの、ストライプビー
ム１９０に対する反射光には、光音響効果により試料４
７表面で生じた微小変位の分布１１０（破線）を位相分
布情報が含まれているが、その反射光はλ／４板４５を
通過後、ｓ偏光ビームとされた状態で対物レンズ４２を
通過後、再び同一光路を逆に辿って偏光ビームスプリッ
タ７３で反射されるものとなっている。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だけ周波数シフトされた状態でλ／４板７５を
通過後、円偏光に変換された状態で参照ミラー７６で反
射されるものとなっている。参照ミラー７６からの反射
円偏光ビームは再びλ／４板７５を通過後、ｐ偏光とさ
れた上、参照光として偏光ビームスプリッタ７３を通過
されるものとなっている。さて、図６に偏光ビームスプ
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１１４として、また、参照ミラー７６からの反射光
（参照光）の偏光方向を１１５として示すが、両者は互
いに直交しておりこのままでは干渉しないことから、結
像レンズ７８の後に偏光板７９が挿入されるものとなっ
ている。その偏光方向は図６に１１６として示すよう
に、４５°方向とされていることから、両反射光７７は
互いに干渉され、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が得られるものであ
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１次元分布の情
報が含まれているが、その後、ヘテロダイン干渉光８０
は干渉フィルタ（中心波長６３３ｎｍ）８１により迷光
が除去された状態で、結像レンズ７８によりＣＣＤ１次
元センサ等の固体撮像素子８２上に結像されているもの
である。当然ながら、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、その撮像面
には試料４７表面に形成されているストライプビーム１
９０と同様、ヘテロダイン干渉光８０がストライプ状の
干渉光として結像されるわけである。なお、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、
その１０％程度のビーム光が反射されるが、この反射ビ
ーム光での両偏光成分は、偏光方向が図６に１１６とし
て示すように、４５°方向に設定された偏光板８３によ
り互いに干渉され、その干渉光８４が光電変換素子（ホ
トダイオード等）８５で検出されるものとなっている。
ｆ_B´（＝ｆ_C1´−ｆ_C2´）のビート信号５０２が光電
変換素子８５で検出された上、制御信号発生装置４０２
に送出されているものである。

【００２１】以上の具体例に係る光熱変位検出光学系４
００においては、光音響効果にもとづく試料４７表面で
の微小変位がヘテロダイン形干渉光学系で検出されてい
るので、励起周波数ｆ_L とビート周波数ｆ_B の関係が特
定の関係に設定されることによって、後述するように、
試料表面での凹凸や反射率、光熱変位信号が相互に分離
された状態と検出可とされているものである。

【００２２】次に、光熱変位検出光学系４００の第２の
具体的な実施例を図７から図９により説明すれば、図７
はその具体的構成を示したものである。図示のように、
本例でのものは、励起光学系３０１と、光熱変位信号を
検出するためのヘテロダイン形微分干渉光学系３０２と
から構成されたものとなっている。先ず励起光学系３０
１であるが、本例での励起光学系３０１からは、変調周
波数ｆL の強度変調ビーム３５が得られているが、その
構成と機能は図２に示す励起光学系２０１と全く同様と
されていることから、その説明を省略することとする。
さて、励起光学系３０１からの強度変調ビーム３５はビ
ームエキスパンダ３８により所望のビーム径に拡大さ
れ、更にシリンドリカルレンズ（円筒レンズ）１５０に
より楕円ビーム１５１とされた状態で、その焦点位置１
５９にｙ方向のみ集光されるものとなっている。その焦
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を通過後のビ
ームは再び平行光となり、ダイクロイックプリズム（波
長６００ｎｍ以下は反射、６００ｎｍ以上は透過）１５
３で反射された上、対物レンズ１５４の瞳、即ち、後側
焦点位置１５５に入射される。一方、ｘ方向に関して
は、シリンドリカルレンズ１５０は曲率を持たない単な
る板ガラスと見做せるので、リレーレンズ１５２に平行
光の状態で入射されたビームは、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に集光される。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、図８に示
すように、励起ビーム１５６が照射されることで、ｘ方
向に幅を持ちｙ方向に集束された、１本のストライプビ
ーム１８６が得られるものである。

【００２３】さて、図９（ａ），（ｂ）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
縁体として形成されたＣｕ配線パターン１０２，１０３
からなる試料４７に、ストライプ状の励起ビーム１５６
が照射されることによって、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１
８５（破線表示）を示したものである。事情は図４
（ａ），（ｂ）と同様であることから、これ以上の説明
は省略することとする。

【００２４】以上、励起ビーム関係について説明した。
次に、図７に戻り光音響効果にもとづく試料４７表面で
の微小変位の分布１８５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説明
する。図示のように、ヘテロダイン形微分干渉光学系３
０２では、二周波直交偏光、即ち、図５（ｂ）に示すよ
うに、１１２、１１３各々の方向に互いに直交し、かつ
互いにｆC1−ｆC2の周波数差をもった合成光６７が得ら
れているが、その構成と機能は図２に示したものに全く
同様であるので、それ以上の説明は省略することとす
る。さて、図７の紙面に対し垂直方向をｘ軸、それと直
交する方向をｙ軸として、二周波直交偏光の合成光６７
はビームスプリッタ６８を通過光６９として通過された
後、ビームエキスパンダ７０により所望のビーム径に拡
大され、更にシリンドリカルレンズ（円筒レンズ）１６
０により楕円ビーム１６１に変換される。楕円ビーム１
６１への変換に際し、ｙ方向に関しては、シリンドリカ
ルレンズ１６０は曲率を持たない単なる板ガラスと見做
せるので、この楕円ビーム１６１はｙ方向に関し平行光
の状態でビームスプリッタ１６２により反射された上、
シリンドリカルレンズ１６０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、ともに平行光であるｐ偏光ビーム１６４と
ｓ偏光ビーム１６５に分離されるものとなっている。ウ
ォラストン・プリズム１６３の位置はリレーレンズ１６
６の前側焦点位置と一致しているので、リレーレンズ１
６６を通過後のｐ偏光ビーム１６４、ｓ偏光ビーム１６
５各々の主光線は互いに平行とされた状態でミラー１６
７で反射されるも、ｐ偏光ビーム１６４、ｓ偏光ビーム
１６５各々はリレーレンズ１６６の後側焦点位置１８７
に一旦集光された状態でミラー１６７で反射されるもの
となっている。さて、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通過後のそれら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
された後、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に集束され、
また、同時にそれら２つのビームはそれぞれ平行光の状
態で、対物レンズ１５４の後側焦点位置１５５に入射さ
れる。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
で集光された上、リレーレンズ１６６を通過後、平行光
となり、更にリレーレンズ１６８を介しダイクロイック
プリズム１５３を通過後、対物レンズ１５４の後側焦点
位置１５５に集光される。その後、対物レンズ１５４か
ら出射された２つのビームはλ／４板４５を通過後、そ
れぞれ円偏光ビーム１６９，１７０とされた状態で、図
８に示すように、対物レンズ１５４の前側焦点位置、即
ち、試料４７の表面上に照射されることで、ストライプ
ビーム１８６と同一位置にはプローブビームとしてのス
トライプビーム１８１が、また、そのストライプビーム
１８１から僅かに離れた位置には、参照ビームとして、
ストライプビーム１８１と同様、ｘ方向に幅を持ちｙ方
向に集束されたストライプビーム１８２がそれぞれ得ら
れるものである。

【００２５】図９（ａ）に示すように、試料４７上のス
トライプビーム１８１の位置からの反射光には、光音響
効果により試料４７表面で生じた微小変位の分布（破線
表示）１８５が位相分布情報として含まれたものとなっ
ている。なお、参照ビームとしてのストライプビーム１
８２は、ストライプビーム１８６によって試料４７表面
に微小変位が生じる範囲、即ち熱拡散領域１８４の範囲
の外で、かつ図８に示すように、可能な限りストライプ
ビーム１８１に近接した位置に入射させるものとする。

【００２６】図７に戻り説明を続行すれば、試料４７表
面上のストライプビーム１８１，１８２の位置各々から
の反射光はλ／４板４５を通過後、ｓ偏光ビーム、ｐ偏
光ビームとされ、更に対物レンズ１５４を通過後、再び
同一光路を逆に辿って、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を通過され
るようになっている。さて、図６には１１４として、ス
トライプビーム１８１位置からの反射光の偏光方向が、
また、１１５として、ストライプビーム１８２位置から
の反射光の偏光方向がそれぞれ示されているが、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６に１１６として示すように、４５°方向
に設定することによって、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が得られるものとなっている。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次元分布が情報として含まれてい
るが、この干渉光１７１が干渉フィルタ（中心波長６３
３ｎｍ）８１で迷光が除去された後、固体撮像素子（Ｃ
ＣＤ１次元センサ等）８２で電気信号として検出されて
いるものである。なお、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６に１１６として示すよ
うに、４５°方向とされた偏光板８３により互いに干渉
され、干渉光８４は光電変換素子（ホトダイオード等）
８５で検出され、その検出信号としてのｆ_B´（＝ｆ_C1
´−ｆ_C2´）のビート信号５０２は制御信号発生装置４
０２に送出されるものとなっている。

【００２７】以上のように、本実施例での光熱変位検出
光学系では、光音響効果にもとづく試料表面での微小変
位を検出する干渉光学系は微分干渉光学系とされてい
る。即ち、参照光を別途設けられ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された参照ビーム
の試料表面からの反射光を参照光として使用している。
このため、プローブ光と参照光がほぼ同一の光路、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されるとともに、試料表
面と光学系の相対距離の変動、即ち、試料全体の振動な
どの影響が低減される。したがって、第１の実施例によ
る効果に加え、光熱変位信号の検出精度および検出感度
が大きく向上されるという効果がある。更に、参照光路
を別途設ける必要がないので、光学系が簡略化されると
ともに、その安定度が向上される分、光熱変位信号の検
出精度が向上され得るものとなっている。

【００２８】なお、上記した光熱変位検出光学系４００
の第１，第２の実施例ともに、励起光学系２０１，３０
１の光源としてＡｒレーザ３１の他に、半導体レーザを
用いることも可能である。半導体レーザが用いられる場
合には、音響光学素子３３や絞り３６、発振器８６、信
号合成器８８が不要となり、したがって、光学系はより
単純な構成のもので済まされ得、また、電力の使用効率
にも優れ、試料表面は効率的に励起され得るものであ
る。

【００２９】以上、光熱変位検出光学系４００の実施例
について各種説明したが、以下では、光熱変位情報抽出
装置４０１および制御信号発生装置４０２の実施例につ
いて述べる。先ずそれら装置の実施例に先立って、その
光熱変位情報抽出処理の原理について説明すれば、今、
試料４７表面に入射されるプローブビーム光の波長、即
ち、ＨｅーＮｅレーザ５１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表面で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、ＣＣＤ１
次元センサ８２の１画素に入射されるヘテロダイン干渉
光Ｉは次式で表される。

【００３０】

【数２】

【００３１】更に、Ａ<<λより、上式は近似的に次式の
形に改められる。

【００３２】

【数３】

【００３３】ここで、Ａ・ｃｏｓ（２πｆ_L ｔ＋θ）
が、光音響効果にもとづいて生じた試料４７表面の微小
変位の複素振幅を表す項である。ＣＣＤ１次元センサ８
２としてに蓄積形のものを用い、その蓄積時間をα／ｆ
_B とすると、１画素から出力される検出信号Ｉ_D （ｎ＋
ｉ）（ｎ＋ｉはＣＣＤ１次元センサ８２の蓄積・出力回
数）は次式で与えられる。

【００３４】

【数４】

【００３５】ここで、数式４に関して、以下の項目を満
足する条件を求めることとする。

【００３６】（１）第２項≠０ （２）第２項における蓄積・出力回数ｉに対する位相シ
フト量＝π／４の１／Ｐ（Ｐ＝１，２，３・・・） （３）第３項≠０ （４）第３項における蓄積・出力回数ｉに対する位相シ
フト量＝π／２の１／Ｐ （５）第４項＝０ 得られた条件は、α／ｆ_B ＝１／ｆ_I 、Ｕ，Ｖを０以外
の任意整数として次式の通りである（複号同順）。

【００３７】

【数５】

【００３８】また、上記項目条件（３）〜（５）を （３）第３項＝０ （４）第４項≠０ （５）第４項における蓄積・出力回数ｉに対する位相シ
フト量＝π／２の１／Ｐとした場合には、得られる条件
は以下の通りとなる（複号同順）。

【００３９】

【数６】

【００４０】例えば、Ｕ＝Ｖ＝２、Ｐ＝１とし、数式５
の複号のうち、上の符号を採用したとすれば、α＝１７
／８として求められ、また、ｆ_B ＝１００ｋＨｚとすれ
ば、ｆ_L ＝８８．２３５ｋＨｚ、ｆ_I ＝４７．０５９ｋ
Ｈｚとなる。また、数式４にα＝１７／８を代入すると
次式が得られる。

【００４１】

【数７】

【００４２】数式７において、第１項は直流成分、第２
項は蓄積・出力回数ｉに対する位相シフト量がπ／４
で、試料４７表面で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（ビート成分と呼ぶ）、第３項は蓄積・出力回数
ｉに対する位相シフト量がπ／２で、試料４７表面での
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、光熱変位信号の振幅Ａ及び位相
θに関する変調成分（熱変位成分と呼ぶ）である。この
場合での各信号成分の波形の様子を模式的に図１０に示
す。

【００４３】さて、数式７における第２項、第３項のｉ
についての周波数を考えると、それぞれ１／８、１／４
となる。ここで、数式７をｉの関数と考えＩ(ｉ)とし、
ｉについてＮ個（Ｎは８の倍数とする）のデータＩ(０)
〜Ｉ(Ｎ−１)が得られたとして、このデータをフーリエ
級数展開すれば数式８となる。

【００４４】

【数８】

【００４５】但し、ａ_m ｂ_m は以下の通りである。

【００４６】

【数９】

【００４７】

【数１０】

【００４８】数式７の周波数１／８および１／４の成分
は、数式９，１０においてそれぞれ、ｍ＝Ｎ／８、ｍ＝
Ｎ／４として得られる。即ち、数式７における第２項、
周波数１／８のビート成分は以下の通りとなる。、

【００４９】

【数１１】

【００５０】

【数１２】

【００５１】また、数７における第３項、周波数１／４
の熱変位成分は以下の通りとなる。

【００５２】

【数１３】

【００５３】

【数１４】

【００５４】原理的には、上記した２つの周波数成分以
外ないので、数式１１と数式１２は更に簡単に、以下の
ように表現される。

【００５５】

【数１５】

【００５６】

【数１６】

【００５７】このように、ビート成分、熱変位成分とも
に、ＣＣＤ１次元センサ８２の各光電変換素子、即ち、
画素からの出力信号に対して、一定データ間隔で交互に
加減算を行うことによって計算し得る。更に、試料４７
表面での反射率ａs²、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、光熱変位信号の振幅、即ち試料４７表面の微小変
位Ａ、光熱変位信号の位相、即ち励起光の強度変調信号
に対する位相変化θは、それぞれ数式７と数式８の各項
を比較することによって以下のように求められる。

【００５８】

【数１７】

【００５９】

【数１８】

【００６０】

【数１９】

【００６１】

【数２０】

【００６２】なお、以上の説明では、周波数関係の一例
を与えたが、同様な考え方で、数式５，６に示したそれ
以外の様々な整数比の周波数関係を用い、同様な処理を
行い得るものとなっている。

【００６３】さて、以上の考察をもとに、先ず制御信号
発生装置４０２の第１の実施例について説明すれば、必
要とされる信号は、光熱変位検出光学系４００における
音響光学素子６２、５７への、周波数がそれぞれｆ_C1、
ｆ_C2の正弦波（但し、ｆ_C1−ｆ_C2＝ｆ_B ）５００，５０
１、ＣＣＤ１次元センサ８２での蓄積時間を決定する周
波数ｆ_I （＝ｆ_B ／α）のパルス信号５０３、ＣＣＤ１
次元センサ８２での画素の値を逐次読み出すための周波
数ｆ_C のパルス信号５０４、励起光を強度変調する周波
数ｆ_L の矩形波９９である。ここで、α＝１７／８の場
合を例に採り、ＣＣＤ１次元センサ８２の画素数を２５
６として、１ライン当り３００パルスで読み出すものと
すると、これらの関係は、以下のようになる。

【００６４】

【数２１】

【００６５】図１１には制御信号発生装置４０２の第１
の実施例での構成が示されているが、これによる場合、
周波数がそれぞれｆ_C1、ｆ_C2の正弦波５００，５０１
は、発振周波数がｆ_o とされた基準発振器６００からの
出力をもとに、位相比較器７００，７０１、ＶＣＯ（ボ
ルテージ・コントロールド・オシレータ：電圧制御発振
器）７０２，７０３、分周器７０４，７０５からそれぞ
れなるＰＬＬ（フェーズ・ロックド・ループ：位相同期
ループ）回路６０１，６０２により生成されものとなっ
ている。例えば、基準発振器６００の出力周波数ｆ_o が
１００ｋＨｚで、ｆ_C1、ｆ_C2をそれぞれ８０．０ＭＨ
ｚ、７９．９ＭＨｚに設定する場合、分周器７０４，７
０５の分周比はそれぞれ１／８００、１／７９９に設定
される。また、ＣＣＤ１次元センサ８２の蓄積時間を決
定する周波数ｆ_I （＝ｆ_B ／α）のパルス信号５０３、
ＣＣＤ１次元センサ８２の画素の値を逐次読み出すため
の周波数ｆ_C のパルス信号５０４、励起光を強度変調す
る周波数ｆ_L の矩形波９９は、先ず光電変換素子８５で
検出されているビート信号５０２（周波数：ｆ_B ′）を
もとづいて生成されるものとなっている。先ずビート信
号５０２からは、位相比較器７０６、ＶＣＯ７０７、分
周器７０８，７０９からなるＰＬＬ回路６０３により周
波数ｆ_C のパルス信号５０４を生成されるものとなって
いる。そのパルス信号５０４はまた、分周回路６０４，
６０５各々で所定に分周されることで、それぞれ周波数
ｆ_I （＝ｆ_B ／α）のパルス信号５０３、周波数ｆ_L の
矩形波９９が生成されたものとなっている。数式２１に
示した周波数関係の場合、ＰＬＬ回路６０３での分周器
７０８，７０９の分周比はそれぞれ１／１７、１／２４
００に、また、分周回路６０４，６０５の分周比はそれ
ぞれ１／３００、１／１６０に設定されればよいもので
ある。

【００６６】以上からも判るように、本実施例では、先
ず初めに生成されたｆ_C からは、更にｆ_I 、ｆ_L がそれ
ぞれ分周回路により生成されているので、周波数が安定
した制御信号を発生し得るものとなっている。また、そ
のｆ_C を発生させる際での基準信号は、光学系でモニタ
されている周波数ｆ_B ′のビート信号とされているの
で、仮に、光学系やＰＬＬ回路６０１，６０２に何等か
の揺らぎが発生した場合にも、これに追従しつつ信号を
発生し得るものとなっている。

【００６７】図１２にはまた、制御信号発生装置４０２
の第２の実施例での構成が示されているが、これの第１
の実施例との違いは、ｆ_C を発生させるＰＬＬ回路６０
３の基準信号を基準発振器６００から得ていることであ
る。また、ｆ_C1、ｆ_C2を発生させるための基準信号は、
基準発振器６００の出力を分周回路７１０で分周したも
のとされている点にある。他の構成は同様である。この
場合も、周波数関係は、基準発振器６００の出力周波数
ｆ_o はｆ_B に等しく、また、分周回路７１０の分周比を
１／Ｎ_o 、分周器７０４，７０５の分周比をそれぞれ１
／Ｎ₁ 、１／Ｎ₂ とすると、Ｎ_o ＝｜Ｎ₁ −Ｎ₂ ｜の関
係となるべく設定される。例えば、ｆ_B＝１００ｋＨｚ
の場合で、ｆ_C1＝８０．０ＭＨｚ、ｆ_C2＝７９．９ＭＨ
ｚのとき、Ｎ_o ＝１、Ｎ₁ ＝８００、Ｎ₂ ＝７９９、あ
るいはＮ_o ＝２、Ｎ₁ ＝１６００、Ｎ₂ ＝１５９８など
と設定されればよいものである。勿論、Ｎ_o ＝１の場合
は、分周回路７１０は省いてよい。

【００６８】以上のように、本実施例では、光熱変異検
出光学系４００でモニタされているビート信号（周波数
ｆ_B ′）は用いられていないことから、ビート信号５０
２をモニタする上で必要とされているビームスプリッタ
６８や偏光板６８、光電変換素子８５は不要とされるも
のである。また、本実施例では、全ての信号が、単一の
基準発振器６００からの信号にもとづき生成されている
ので、周波数が極めて安定となり、装置全体の安定動作
が期待されるものとなっている。

【００６９】なお、制御信号発生装置４０２の第１，第
２の実施例ともに、基準発振器６００には水晶発振子を
用いた固定周波数のものの他、水晶発振子よりの固定周
波数信号を基準とした、いわゆるＤＤＳ（ダイレクト・
ディジタル・シンセサイザ）方式、あるいはＰＬＬ方式
などの可変周波数発振器を用い得る。特に後者の場合、
励起周波数の可変設定制御が容易となり、種々の試料に
応じて励起周波数が適当に設定されることで、その試料
からは最適な内部情報を得られるものとなっている。ま
た、分周器７０４，７０５，７０８，７０９、分周回路
６０４，６０５，７１０の分周比を可変に設定すること
によっても、励起周波数の可変設定が可能となり、同様
に種々の試料に対して最適な内部情報を得ることが可能
になる。これらの制御は、前述した一定の関係にもとづ
いて行う必要があるが、計算機４０３により設定制御す
ることによって、その設定は容易である。

【００７０】以上、制御信号発生装置４０２の具体的構
成について説明した。次に、光熱変位情報抽出装置４０
１の実施例での具体的構成を図１３に示す。これによる
場合、ＣＣＤ１次元センサ８２よりのアナログ信号は先
ずＡ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器８００によっ
てディジタル信号に変換される。したがって、以降の処
理は全てディジタル演算によって行われるものとなって
いる。既述の数式１７〜２０に示したように、求めるべ
き信号は、基本的に数式１３〜１６に示したａ_N/4 ，ｂ
_N/4 、ａ_N/8 、ｂ_N/8 および信号の平均値から求められ
るものとなっている。但し、これらの演算は、ＣＣＤ１
次元センサ８２の各画素毎に個別に行う必要がある。こ
こで、本実施例では、各画素毎にａ_N/4 ，ｂ_N/4 、ａ
_N/8 、ｂ_N/8 および信号を求めるため、図１３に示すよ
うに、ＣＣＤ１次元センサ８２の画素数以上の容量を持
つメモリ（ラインメモリ）８１０を用い、各ライン毎の
各画素の演算結果を一時的に記憶させるようにしてい
る。即ち、入力された画素信号とその画素に対応するア
ドレスに記憶されたラインメモリ８１０の内容との間で
数式１３〜１６、または数式１６に示された演算を演算
器８１１で行うものである。演算は数式１３〜１６に示
されているように、加算、または減算であるから、演算
器８１１の構成としては、単純なものを用い得るものと
なっている。

【００７１】より詳細に説明すれば、図１３において、
処理部８０２，８０３，８０４，８０５は演算部８０１
と同様、ラインメモリ８１０および演算器８１１から構
成されているものとして、図１４のように動作し、Ｎラ
イン分処理を実行すれば、処理部８０１，８０２，８０
３，８０４，８０５各々の出力として、それぞれ数式１
３〜１６および平均値に対応した出力が得られるもので
ある。即ち、図１４に図示したそれぞれの期間で、各画
素毎に、ラインメモリ８１０へＡ／Ｄ変換器８００の出
力を書き込み、ラインメモリ８１０の内容とＡ／Ｄ変換
器８００の出力との加算、ラインメモリ８１０の内容か
らＡ／Ｄ変換器８００の出力の減算を行う。なお、図１
４中、特に示されていない区間は、ラインメモリ８１０
の内容が変更されない区間である。また、ラインメモリ
８１０へＡ／Ｄ変換器８００の出力を書き込むには、演
算器８１１で何等の演算も行われない状態で、Ａ／Ｄ変
換器８００の出力が単にその演算器８１１内を通過させ
るようにすればよい。

【００７２】以上のようにして、各画素毎に処理を実行
した後、処理部８０１，８０２，８０３，８０４，８０
５各々でのラインメモリ８１０の結果から、数１９、数
２０、数１８、数１７にもとづいた演算を、各画素毎に
演算部８０６，８０７，８０８，８０９で行えば、試料
上の直線状領域内の測定点各々での光熱変位信号、およ
び試料表面での情報を抽出し得るものである。

【００７３】これらの結果をメモリ４０４に書き込み、
ｘｙステージ４８を水平方向に一定距離移動させ、以上
の処理を繰り返せば、メモリ４０４には、２次元領域で
の光熱変位情報、および試料表面での情報が格納される
ものである。その際、もしも、熱拡散長２１がｘｙステ
ージ４８の移動距離より大きい場合は、ｘｙステージ４
８を連続的に一定速度で移動させ同様な処理を行うよう
にすれば、２次元領域での光熱変位情報、および試料表
面での情報が検出され得るものである。なお、演算部８
０６，８０７，８０８，８０９には、マイクロコンピュ
ータによる処理の他、専用のハードウエア、あるいはメ
モリを用いた、いわゆるルックアップテーブルなどを用
い得る。何れにしても、繰返し演算はラインメモリ８１
０と演算器８１１からなる処理部処理部８０１，８０
２，８０３，８０４，８０５で、ＣＣＤ１次元センサ８
２の信号検出と同時に行われていることから、極めて高
速にして光熱変位情報が検出され得るものである。

【００７４】因みに、ここで、図１４について若干説明
を加えれば、図１４は数式５，６におけるＰ＝１の場合
であって、一般的には処理部８０１，８０２は２Ｐライ
ン間隔で加減算を、処理部８０３，８０４は４Ｐライン
間隔で加減算を行えばよい。また、処理部８０２，８０
４における処理の開始、即ち、書き込み区間の遅れは、
それぞれＰ、２Ｐラインとなる。また、処理ライン数を
増加させる程、全体としての検出時間は伸びる方向にな
るが、その分、Ｓ／Ｎが向上され、より微弱な光熱変位
信号、あるいはその変化が検出可能となる。しかし、直
線状に一括して光熱変位信号が検出可とされていること
から、Ｓ／Ｎが同一であるという条件下でも、従来方法
に比しより高速に光熱変位信号、あるいはその変化が検
出可とされているものである。このように、本発明に係
る光熱変位情報抽出装置４０１による場合には、構成単
純にして、実時間に光熱変位情報が抽出され得るもので
ある。

【００７５】

【発明の効果】以上、説明したように本発明は、試料表
面上の反射率分布や凹凸分布の影響を受けることなく、
しかも試料の表面とその近傍の内部情報が２次元的に高
速に検出され得る光熱変位信号検出方法とその装置が得
られるものとなっている。より具体的には、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、および光音響信号の位相
分布と、計４つの表面および内部情報を同時に検出し
得、試料の高速な複合的評価が可能とされているもので
ある。また、試料表面の反射率分布、試料表面の凹凸分
布、および光路の揺らぎを補正した光音響信号の検出が
可能となり、試料の表面および内部情報の高感度に、し
かも安定に検出可とされたものとなっている。更に、光
音響効果にもと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っ
て、内部界面の検査が可能となっている。更にまた、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、高精度
にして光音響信号が検出可能とされたものとなってい
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による光熱変位信号検出装置の
基本的な概要構成を示す図

【図２】図２は、本発明に係る光熱変位検出光学系の第
１の具体的な構成を示す図

【図３】図３は、励起ビームの試料表面への照射状態を
説明するための図

【図４】図４（ａ），（ｂ）は、一例での試料の内部構
造と、励起ビームによって生じた熱拡散状態とを示す図

【図５】図５（ａ），（ｂ）は、ヘテロダイン干渉光学
系に入射されるレーザビームの偏光方向と、二周波直交
偏光状態とを説明するための図

【図６】図６は、偏光ビームスプリッタに入射される２
つの反射光の偏光方向と、それら反射光を干渉させる方
法を説明するための図

【図７】図７は、本発明に係る光熱変位検出光学系の第
２の具体的な構成を示す図

【図８】図８は、図３と同様、励起ビームの試料表面へ
の照射状態を説明するための図

【図９】図９（ａ），（ｂ）は、図４（ａ），（ｂ）と
同様、一例での試料の内部構造と、励起ビームによって
生じる熱拡散状態とを示す図

【図１０】図１０は、光音響信号の検出例を示す図

【図１１】図１１は、本発明に係る制御信号発生装置の
第１の具体的構成を示す図

【図１２】図１２は、本発明に係る制御信号発生装置の
第２の具体的構成を示す図

【図１３】図１３は、本発明に係る光熱変位情報抽出装
置の具体的構成を示す図

【図１４】図１４は、その光熱変位情報抽出装置の処理
動作を説明するための図

【図１５】図１５は、光音響効果を一般的に説明するた
めの図

【図１６】図１６は、従来技術に係る光音響信号検出装
置の一例での構成を示す図

【符号の説明】

３１…Ａｒレーザ、５１…Ｈｅ−Ｎｅレーザ、３３，５
７，６２…音響光学変調素子、３９，７１，１５０，１
６０…シリンドリカルレンズ、４２，１５４…対物レン
ズ、８２…ＣＣＤ１次元センサ、８５…光電変換素子、
４７…試料、４００…光熱変位検出光学系、４０１…光
熱変位情報抽出装置、４０２…制御信号発生装置、４０
３…計算機、４８…ｘｙステージ

フロントページの続き (72)発明者 小林 イラリオ 治臣 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社 日立製作所 生産技術研究所 内 (56)参考文献 特開 平５−172736（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−260585（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 29/00 - 29/28 G01N 21/00 G01N 21/84 - 21/958

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周波数ｆ_Ｌ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｉが一定の比に制
   御された状態で、光源からの光を可変設定可とされた周
   波数ｆ_Ｌで強度変調した上、試料表面の直線状領域に照
   射することによって、該直線状領域の表面に周期的に光
   熱変位を発生させる一方では、上記試料を上記直線状領
   域の長手方向と直交する方向に移動させつつ、上記直線
   状領域に他の光を照射し、該他の光に対する上記試料表
   面からの反射光を、周波数が上記ｆ_Ｂだけ異なる参照光
   との間で干渉させ、干渉結果としての干渉光は測定点対
   応の光電変換素子からなる直線状検出器で１／ｆ_Ｉ時間
   周期で複数回に亘って積分検出されるに際し、最初の積
   分検出値が上記光電変換素子対応のアドレスにもとづき
   メモリに初期値として記憶された後は、該メモリの内容
   は上記直線状検出器から光電変換素子対応の積分検出値
   が得られる度に、該積分検出値との間で１／ｆ_Ｉ時間周
   期の整数倍間隔で加算、減算が行われることによって更
   新記憶される結果として、上記直線状領域内の測定点各
   々についての光熱変位情報が抽出されるようにしたこと
   を特徴とする光熱変位信号検出方法。
2. 【請求項２】 周波数ｆ_Ｌ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｉが、８ＰＵ＋
   １：８ＰＶ−１：８Ｐ、または８ＰＵ−１：８ＰＶ＋
   １：８Ｐ（Ｐ、Ｕ、Ｖ：０以外の任意整数）の一定の比
   に制御された状態で、光源からの光を可変設定可とされ
   た周波数ｆ_Ｌで強度変調した上、試料表面の直線状領域
   に同時に照射することによって、該直線状領域の表面に
   周期的に光熱変位を発生させる一方では、上記試料を上
   記直線状領域の長手方向と直交する方向に移動させつ
   つ、上記直線状領域に他の光を照射し、該他の光に対す
   る試料表面からの反射光を、周波数がｆ_Ｂだけ異なる参
   照光との間で干渉させ、干渉結果としての干渉光は測定
   点対応の光電変換素子からなる直線状検出器で１／ｆ_Ｉ
   時間周期で複数回に亘って積分検出されるに際し、最初
   の積分検出値が上記光電変換素子対応のアドレスにもと
   づきメモリに初期値として記憶された後は、該メモリの
   内容は上記直線状検出器から光電変換素子対応の積分検
   出値が得られる度に、該積分検出値との間で１／ｆ_Ｉ時
   間周期の整数倍間隔で加算、減算が行われることによっ
   て更新記憶される結果として、上記直線状領域内の測定
   点各々についての光熱変位情報が抽出されるようにした
   ことを特徴とする光熱変位信号検出方法。
3. 【請求項３】 周波数ｆ_Ｌ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｉが、８ＰＵ＋
   １：８ＰＶ＋１：８Ｐ、または８ＰＵ−１：８ＰＶ−
   １：８Ｐ（Ｐ、Ｕ、Ｖ：０以外の任意整数）の一定の比
   に制御された状態で、光源からの光を可変設定可とされ
   た周波数ｆ_Ｌで強度変調した上、試料表面の直線状領域
   に同時に照射することによって、該直線状領域の表面に
   周期的に光熱変位を発生させる一方では、上記試料を上
   記直線状領域の長手方向と直交する方向に移動させつ
   つ、上記直線状領域に他の光を照射し、該他の光に対す
   る試料表面からの反射光を、周波数がｆ_Ｂだけ異なる参
   照光との間で干渉させ、干渉結果としての干渉光は測定
   点対応の光電変換素子からなる直線状検出器で１／ｆ_Ｉ
   時間周期で複数回に亘って積分検出されるに際し、最初
   の積分検出値が上記光電変換素子対応のアドレスにもと
   づきメモリに初期値として記憶された後は、該メモリの
   内容は上記直線状検出器から光電変換素子対応の積分検
   出値が得られる度に、該積分検出値との間で１／ｆ_Ｉ時
   間周期の整数倍間隔で加算、減算が行われることによっ
   て更新記憶される結果として、上記直線状領域内の測定
   点各々についての光熱変位情報が抽出されるようにした
   ことを特徴とする光熱変位信号検出方法。
4. 【請求項４】 周波数ｆ_Ｌで強度変調された光線を発す
   る波長λ_１の光源と、該強度変調された光線を直線状光
   束に変換した上、試料上の直線状領域に照射する第１の
   光学手段と、該試料上の直線状領域に波長λ_２（≠
   λ_１）の直線状光束光線を照射する第２の光学手段と、
   該試料上の直線状領域からの反射光のうち、波長λ_２の
   反射光成分を分離する反射光分離手段と、該反射光分離
   手段からの、分離された波長λ_２の反射光成分と該波長
   λ_２の直線光束とは周波数がｆ_Ｂだけ異なる参照光とを
   干渉させる干渉手段と、該手段からの干渉光を、測定点
   対応の光電変換素子で１／ｆ_Ｉ時間周期で積分検出する
   直線状検出器と、周波数ｆ_Ｌを可変設定可として、かつ
   周波数ｆ_Ｌ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｉの信号各々を一定の比に制御し
   た状態として発生した上、必要部位に供給する制御信号
   発生手段と、上記直線状検出器からの、光電変換素子対
   応の初期積分検出値を該光電変換素子対応のアドレスに
   もとづき記憶した上、後に該初期積分検出値を更新可と
   して記憶するメモリと、該メモリの内容と上記直線状検
   出器から光電変換素子対応の積分検出値が複数回に亘っ
   て得られる度に、該積分検出値との間で１／ｆ_Ｉ時間周
   期の整数倍間隔で加算、減算を行い、加算、減算の結果
   を上記メモリに光電変換素子対応のアドレスにもとづき
   更新記憶せしめる第１の演算手段と、上記メモリにおけ
   る光電変換素子対応の内容にもとづき、試料上の直線状
   領域内の測定点各々についての光熱変位情報を演算によ
   り抽出する第２の演算手段と、上記試料上の直線状領域
   を該直線状領域の長手方向と直交する方向に移動させる
   べく、該試料と上記第１，第２の光学手段、反射光分離
   手段および干渉手段を含む検出光学系との相対位置関係
   を更新する直線状領域更新手段と、上記第２の演算手段
   から繰返し抽出される光熱変位情報を、外部に可視表示
   可として試料の２次元領域における光熱変位情報として
   格納する光熱変位情報格納手段と、を含む光熱変位信号
   検出装置。
5. 【請求項５】 周波数ｆ_Ｌで強度変調された光線を発す
   る波長λ_１の光源と、該強度変調された光線を直線状光
   束に変換した上、試料上の直線状領域に照射する第１の
   光学手段と、該試料上の直線状領域に波長λ_２（≠
   λ_１）の直線状光束光線を照射する第２の光学手段と、
   該試料上の直線状領域からの反射光のうち、波長λ_２の
   反射光成分を分離する反射光分離手段と、該反射光分離
   手段からの、分離された波長λ_２の反射光成分と該波長
   λ_２の直線光束とは周波数がｆ_Ｂだけ異なる参照光とを
   干渉させる干渉手段と、該手段からの干渉光を、測定点
   対応の光電変換素子で１／ｆ_Ｉ時間周期で積分検出する
   直線状検出器と、周波数ｆ_Ｌを可変設定可として、かつ
   周波数ｆ_Ｌ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｉの信号各々を、ｆ_Ｌ，ｆ_Ｂ，ｆ
   _Ｉが８ＰＵ＋１：８ＰＶ−１：８Ｐ、または８ＰＵ−
   １：８ＰＶ＋１：８Ｐ（Ｐ、Ｕ、Ｖ：０以外の任意整
   数）の一定の比に制御した状態として発生した上、必要
   部位に供給する制御信号発生手段と、上記直線状検出器
   からの、光電変換素子対応の初期積分検出値を該光電変
   換素子対応のアドレスにもとづき記憶した上、後に該初
   期積分検出値を更新可として記憶するメモリと、該メモ
   リの内容と上記直線状検出器から光電変換素子対応の積
   分検出値が複数回に亘って得られる度に、該積分検出値
   との間で１／ｆ_Ｉ時間周期の整数倍間隔で加算、減算を
   行い、加算、減算の結果を上記メモリに光電変換素子対
   応のアドレスにもとづき更新記憶せしめる第１の演算手
   段と、上記メモリにおける光電変換素子対応の内容にも
   とづき、試料上の直線状領域内の測定点各々についての
   光熱変位情報を演算により抽出する第２の演算手段と、
   上記試料上の直線状領域を該直線状領域の長手方向と直
   交する方向に移動させるべく、該試料と上記第１，第２
   の光学手段、反射光分離手段および干渉手段を含む検出
   光学系との相対位置関係を更新する直線状領域更新手段
   と、上記第２の演算手段から繰返し抽出される光熱変位
   情報を、外部に可視表示可として試料の２次元領域にお
   ける光熱変位情報として格納する光熱変位情報格納手段
   と、を含む光熱変位信号検出装置。
6. 【請求項６】 周波数ｆ_Ｌで強度変調された光線を発す
   る波長λ_１の光源と、該強度変調された光線を直線状光
   束に変換した上、試料上の直線状領域に照射する第１の
   光学手段と、該試料上の直線状領域に波長λ_２（≠
   λ_１）の直線状光束光線を照射する第２の光学手段と、
   該試料上の直線状領域からの反射光のうち、波長λ_２の
   反射光成分を分離する反射光分離手段と、該反射光分離
   手段からの、分離された波長λ_２の反射光成分と該波長
   λ_２の直線光束とは周波数がｆ_Ｂだけ異なる参照光とを
   干渉させる干渉手段と、該手段からの干渉光を、測定点
   対応の光電変換素子で１／ｆ_Ｉ時間周期で積分検出する
   直線状検出器と、周波数ｆ_Ｌを可変設定可として、かつ
   周波数ｆ_Ｌ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｉの信号各々を、ｆ_Ｌ，ｆ_Ｂ，ｆ
   _Ｉが８ＰＵ＋１：８ＰＶ＋１：８Ｐ、または８ＰＵ−
   １：８ＰＶ−１：８Ｐ（Ｐ、Ｕ、Ｖ：０以外の任意整
   数）の一定の比に制御した状態として発生した上、必要
   部位に供給する制御信号発生手段と、上記直線状検出器
   からの、光電変換素子対応の初期積分検出値を該光電変
   換素子対応のアドレスにもとづき記憶した上、後に該初
   期積分検出値を更新可として記憶するメモリと、該メモ
   リの内容と上記直線状検出器から光電変換素子対応の積
   分検出値が複数回に亘って得られる度に、該積分検出値
   との間で１／ｆ_Ｉ時間周期の整数倍間隔で加算、減算を
   行い、加算、減算の結果を上記メモリに光電変換素子対
   応のアドレスにもとづき更新記憶せしめる第１の演算手
   段と、上記メモリにおける光電変換素子対応の内容にも
   とづき、試料上の直線状領域内の測定点各々についての
   光熱変位情報を演算により抽出する第２の演算手段と、
   上記試料上の直線状領域を該直線状領域の長手方向と直
   交する方向に移動させるべく、該試料と上記第１，第２
   の光学手段、反射光分離手段および干渉手段を含む検出
   光学系との相対位置関係を更新する直線状領域更新手段
   と、上記第２の演算手段から繰返し抽出される光熱変位
   情報を、外部に可視表示可として試料の２次元領域にお
   ける光熱変位情報として格納する光熱変位情報格納手段
   と、を含む光熱変位信号検出装置。