JPH0567908B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光音響効果により固体または粉体に
発生する光音響波の集音装置に関する。

〔従来の技術〕

光音響効果により固体または粉体等からなる被
検体に発生する光音響波を測定し、被検体の光学
的、熱的等の物性や、表面下の欠陥などの有無等
の情報を得る装置として光音響分光計、光音響顕
微鏡等があるが、これらの装置における被検体に
発生する光音響波の検出は、マイクロフオンをセ
ンサーとする場合、該マイクロフオンを内蔵した
光音響セルを使用して被検体より放出される光音
響波を集音して行われている。（例えば沢田嗣郎
編「光音響分光法とその応用ーPAS」（昭．
57.6.5）学会出版センター．P.83〜P.87） 〔発明が解決しようとする課題〕 従来の被検体が固体である場合の光音響波の集
音装置は、内部にヘリウムなどの気体の封入され
た小さな気密容器すなわち光音響セル内に被検体
を入れ、その被検体に集束されたレーザビームを
入射して前記被検体に光音響効果により発生する
光音響波を前記光音響セルに内蔵した高感度マイ
クロフオンで集音するものである。この光音響セ
ルを使用する従来の光音響波の集音装置にあつて
は、光音響セル内の被検体からの光音響波を増大
させ同時に雑音を少なくすることが光音響波の検
出感度を高めるうえでの基本的なポイントとな
る。この対策の簡単で有効な手段として、光音響
セルの基体層の容積をできるだけ小さくするとと
もに壁厚を適度な厚さとし、同時に密閉性を向上
させることが提案され設定製作されている。しか
しこのような光音響セルを使用する光音響波の検
出においては、検出感度は高められるものの光音
響セル内への被検体の挿入および測定終了後の取
出しの都度気密性の保持および気密性の回復に時
間を要し、そのため被検体１個に要する検査時間
が長くなるという不具合がある。上記光音響セル
に対する被検体の挿入・取出しを容易にし、かつ
密閉性を一層向上させる目的で光音響セル全体を
気密な箱または部屋内に置く構成も考えられてい
るが、この場合においても被検体の挿入・取出し
時の気密性の問題は同様に発生する。そしてこの
ことは実際の製品、例えば半導体素子のような多
数のものを高速でしかも連続的に検査するライン
のような場合には到底対応することができない問
題点を有していた。

つぎに前記光音響セルへの入射光の一部や被検
体による散乱光は、光音響セルの内壁や光を取り
込む窓，あるいはマイクロフオン等にあたり光音
響波を発生させるが、この光音響波は被検体から
の光音響波の雑音の一つとなり感度低下の原因と
なるため防止する必要がある。なお、散乱光また
は入射光の一部がマイクロフオンに直接伝搬され
た場合には、マイクロフオンの表面で光音響波が
発生し、これをマイクロフオンがひろうことにな
る。そして、このようなマイクロフオン表面で発
生した光音響波も試料表面の物性等を反映したも
のではなく単なる雑音に過ぎない。このような雑
音に対する対策として光音響セルの光のあたる内
壁面積をできるだけ小さくし、かつ透明な材質で
製作するなどの考慮とともに、マイクロフオンに
光があたらないように光音響セル内におけるマイ
クロフオンの配置についても配慮しなければなら
ない。このような条件に対応するためには光音響
セルの内容積は必然的に小さくなり（例えば約１
cm³）、同時に被検体の寸法もそれに応じた小さい
ものに制限されることになり、たとえば半導体素
子のような小寸法の製品であつても収容は困難
で、検査対象が寸法上かなりの制限を受けるとい
う問題点があつた。

本発明は、上記の問題点に鑑み、被検体および
気体を密封する従来の光音響セルを使用すること
なく大気中において被検体に発生した光音響波を
集音できるようにし、被検体の交換を大気中にお
いて自由に行えるようにして被検体の検査時間を
短縮するとともに、従来に比べて被検体寸法をそ
れほど制限することなく検査することができる。
光音響波の集音装置を提供することを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明の光音響波の
集音装置は、マイクロフオンを内蔵したセルの内
面を、被検体に発生した光音響波が前記セルの内
面に達したのち反射して焦点に集中させられるよ
うに、内部を大気に解放した回転楕円体に形成
し、前記光音響波の反射波の集中する回転楕円体
の焦点にマイクロフオンを位置させ、該マイクロ
フオンの位置する焦点と一対をなす回転楕円体の
他の焦点に被検体のレーザビーム入射点を位置さ
せて配置したことを特徴とする。

この場合、同様の原理にて被検体上からの散乱
光もマイクロフオンに集光され、マイクロフオン
上で光音響波を発生してノイズ源となるため、セ
ルの内面は反射光防止のための塗料を塗布する
か、反射防止コーテイングを行なうことが望まし
い。

前記マイクロフオンの位置と被検体のレーザビ
ーム入射点を、内面を回転楕円体に形成した同一
セル内の一対の焦点に位置させて配置すると集音
は一層効果的である。

〔作用〕

回転楕円体の一対をなす各焦点に、マイクロフ
オンと被検体のレーザビーム入射点がそれぞれ位
置させられているから、被検体に発生した光音響
波は点音源より発生したものとなり、回転楕円体
の内面に達すると該内面で反射し、その光音響波
の反射波はすべて焦点位置にあるマイクロフオン
に集中して集音される。

上記作用は、同一回転楕円体内にマイクロフオ
ンと被検体とを内蔵した場合はもちろん、一端側
が切除された形状の回転楕円体内の焦点にマイク
ロフオンが内蔵され、該マイクロフオンの位置す
る焦点と一対をなす他の焦点が、一部欠除した側
の前記回転楕円体外にあつて該位置に被検体を位
置させるようにした場合も同様であり、いずれも
大気中において行われる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。第１図は第１の実施例である。図において１
は被検体、２は被検体１を載置する検査用の台で
XY平面に移動が可能である。３は高感度のマイ
クロフオン、４は被検体１側の端部が切除され、
かつ内面４ａが回転楕円体状に形成されているセ
ルで、内部は大気に開放されている。セル４の外
形は任意である。マイクロフオン３はその集音部
の中心がセル４の楕円体の焦点Faと一致する位
置に固定されている。５は図中実線の矢印で示す
ように集束されたレーザビーム６を被検体１に入
射し、かつ被検体１の表面を走査するためのミラ
ーである。被検体１におけるレーザビーム６の入
射点は、セル４の楕円体の焦点Faと一対をなす
同楕円体の他の焦点Fbに一致するように、台２
またはミラー５により位置を調整される。またミ
ラー５は、レーザビーム６の入射により被検体１
およびその周囲に発生する散乱光が、マイクロフ
オン３に直接伝搬されないように遮蔽物の機能を
有している。マイクロフオン３と被検体１におけ
るレーザビーム６の入射点が、セル４の回転楕円
体の一対の焦点Fa，Fbにそれぞれ位置させて配
置されていることにより、レーザビーム６の入射
により焦点Fbを点音源として被検体１に発生し
た光音響波は、一部はセル４外に散乱するが図中
波線で示すように主としてセル４内に伝搬したの
ち内面４ａにて反射し、その光音響波の反射波の
すべてが焦点Faに位置するマイクロフオン３に
集中して集音される。なお、レーザビーム６とし
て本実施例では、可視波長を有するヘリウム−ネ
オンレーザを用いている。

この集音作用は、回転楕円体状に形成されてい
るセル４の全体が集音器として効率よく作用する
から、セル４をヘリウム等のガスを封入した気密
容器にしなくても大気に開放した状態で光音響波
を検出するのに必要なレベルの集音をすることが
可能になる。このため従来のように気密に光音響
セル内に被検体を入れて検査をする必要がなくな
り大気中における検査が可能になるから、従来の
光音響セルに被検体を出し入れする際の気密性の
保持およびガスの補充等による気密性の回復等の
作業が一切不要になり、被検体の検査時間の短縮
化が図れるとともに被検体の交換作業を容易にす
る。一方、被検体１による散乱光は、セル４の内
面４ａに達すると前記焦点Fbを点音源として波
と同様にマイクロフオン３に集光されノイズの原
因となるが、セル４の内面４ａに反射防止用の塗
料を塗布することによつて、そのレベルを下げる
ことが可能である。またミラー５によりマイクロ
フオン３に反射光が直接伝搬されないように遮蔽
されるから、雑音が減少し偽の信号の発生が防止
され検出精度を向上させる効果がある。気密性を
必要としないセル４の寸法は、従来の光音響セル
のように内壁面積を小さく制限しなくてもよく任
意に決めることが可能になり、たとえば一般の半
導体素子程度の寸法の被検体であれば容易に検査
を行うことができる寸法に自由に対応して大きく
することが可能になる。なお、上述した反射防止
用の塗料としては、レーザビーム６の波長に応じ
て吸収性の高い塗料が用いられるが、本実施例で
は黒色の塗料を用いている。

つぎに第２図に示す第２の実施例について説明
する。図中第１図と同符号のものは同じものまた
は同じ機能のものを示す。図において、７は被検
体１を載置しレーザビーム６の被検体１への入射
位置を決めるXY平面に移動可能な台である。８
は被検体１およびマイクロフオン３を内蔵したセ
ルで、マイクロフオン３の装着部や台７の装着部
等のごく一部の個所を除いて内面８ａがほぼ完全
な回転楕円体状に形成されており、かつ内部は常
時大気に開放されている。セル８の外径は任意に
形成される。マイクロフオン３と被検体１のセル
８内における設置位置は、焦点Faにマイクロフ
オン３を、焦点Faと一対をなす焦点Fbに被検体
１のレーザビーム６の入射点をそれぞれ位置させ
る。そしてセル８には内部に被検体１を自由に出
し入れできるように、任意の位置に図示していな
い窓を設けるか、またはセル８の壁の一部分を開
閉可能の構成にする。

上記構成の集音装置は、前記第１の実施例と同
様の作用・効果を奏するが、セル４に比べてセル
８の形状がほぼ完全な回転楕円体状に形成されて
いるからその分だけ集音効率がよく、それだけ検
出感度を高められる効果を有する 第３図は第３の実施例を示すもので、第２図の
変形例である。図の９はセル８と同様に内面９ａ
がほぼ完全な回転楕円体状に形成され、かつ内部
が大気に開放されているセルである。第２の実施
例に比べて、ミラー５をセル９の外部に設置しミ
ラー５の操作を容易にしているほかは同様の構成
になつており、作用・効果も同じであるが、被検
体１およびその周囲の散乱光を台７を遮蔽体とし
て遮蔽している点が異なる。

第４図は第１図に示す光音響波の集音装置を検
査装置に適用した場合の具体例である。図中第１
図ないし第３図と同符号のものは同じものまたは
同機能のものを示す。図において１０はレーザ
ー、１１は複数のレンズからなる光学系、１２は
モニターカメラ、１３はモニターカメラ１２の映
像により台２の移動位置を制御するコントロー
ラ、１４は前置増幅器、１５はロツクイン増幅
器、１６はロツクイン増幅器１５の出力信号を処
理し検査結果を出力する信号処理装置、１７は任
意周波数の基準パルスを発生する基準パルス発生
器で、例えばフアンクシヨンジエネレータが使用
される。

レーザー１０より出力されるレーザビームは、
基準パルス発生器１７により任意周波数の変調を
かけられパルス波形、周期等が決定される。パル
スビームは光学系１１を介して集束されたミラー
５により被検体１の表面に照射され、かつ走査さ
れる。パルスビームの照射により被検体１の表面
近傍に光音響効果により光音響波が発生し、その
波が大気中を伝搬してセル４内に入り、セル４の
内面にて反射しその反射波がセル４内の焦点に位
置するマイクロフオン３に集音される。この場合
も前記各実施例と同様に被検体１のパルスビーム
の照射点は、セル４内の焦点と一対をなす楕円体
の他の焦点と一致する位置に配置されている。図
に示すミラー５の位置，被検体１とセル４との位
置関係，パルスビームの照射方向等は第１図と異
なるが、これは装置全体の機能を理解しやすく模
式的に示したからで、具体的には集音装置は第１
図と同じ構成になる。集音された光音響波はマイ
クロフオン３で電気信号に変換され、変換された
電気信号は前置増幅器１４およびロツクイン増幅
器１５により増幅されたのち信号処理装置１６に
送られ被検体１の合否を判定する情報となるが、
この場合にも前記第１の実施例で述べた作用・効
果により大気中において効率良く検査を行うこと
ができるから、本発明の集音装置を適用すること
により検査装置を例えば半導体素子のような多数
の製品の製造ラインに組み込んで使用する装置と
することが可能になる。

〔発明の効果〕

以上述べた如く本発明による光音響波の集音装
置は、以下に記載するような効果を奏する。

マイクロフオンを内蔵したセルの内面を、該セ
ルの内部を大気に解放した回転楕円体に形成し、
回転楕円体の一対の焦点の一方の焦点に前記マイ
クロフオンを位置させ、他方の焦点に被検体のレ
ーザビーム入射点を位置させて被検体に発生した
光音響波を集音するようにしたことにより、セル
全体が効率のよい集音器として作用することにな
り、大気中においても被検体に発生した光音響波
を所要のレベルで集音することが可能である。こ
のため被検体の検査を大気中において行うことが
可能になり、従来のできるだけ内容積を小さく制
限した気密セル内での被検体の検査に比べて、検
査時間の短縮化が図れるとともに被検体寸法の大
きさ制限を大幅に緩和することができる。

また、セルをほぼ完全な回転楕円体に形成し、
その同一セル内の一対の焦点にマイクロフオンと
被検体のレーザビーム入射点を位置させることに
より、セルが一層集音効率のよい集音器となり、
高い検出感度のもとで上記した効果を奏すること
ができる。

さらにマイクロフオンと被検体間に、被検体か
らの散乱光がマイクロフオンに直接伝搬しないよ
うに遮蔽体を設けたことにより、雑音が減少する
とともに偽の信号の発生が防止され検出精度を高
めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる光音響波の集音装置の
第１実施例の縦断面図、第２図および第３図は第
２実施例および第３実施例の縦断面図、第４図は
第１実施例を検査装置に適用した場合の具体例で
ある。 １……被検体、２，７……検査用の台、３……
マイクロフオン、４，８，９……セル、４ａ，８
ａ，９ａ……セルの内面、５……ミラー、６……
レーザビーム、Fa，Fb……焦点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 集束されたレーザビームの入射により被検体
   に発生した光音響波を、セルに内蔵したマイクロ
   フオンで集音する光音響波の集音装置において、
   前記マイクロフオンを内蔵したセルの内部を大気
   に開放し、該セルの内面を、前記被検体に発生し
   た光音響波が前記セルの内面に達したのち反射し
   て焦点に集中させられる回転楕円体に形成し、前
   記光音響波の反射波の集中する回転楕円体の焦点
   に前記マイクロフオンを位置させ、該マイクロフ
   オンの位置する焦点と一対をなす回転楕円体の他
   の焦点に被検体のレーザビーム入射点を位置させ
   て配置したことを特徴とする光音響波の集音装
   置。 ２ マイクロフオンの位置と被検体のレーザビー
   ム入射点を、内面に回転楕円体に形成した同一セ
   ル内の一対の焦点に位置させて配置した請求項１
   記載の光音響波の集音装置。 ３ マイクロフオンと被検体との間に、被検体に
   発生した散乱光がマイクロフオンに直接伝搬しな
   いように遮蔽体を設置した請求項１記載の光音響
   波の集音装置。 ４ 被検体に発生した散乱光が、マイクロフオン
   に直接伝搬しないように、回転楕円体状のセル内
   に散乱光の反射防止のための塗料を塗布、または
   反射防止コーテイングを行つたことを特徴とする
   請求項１記載の光音響波の集音装置。