JPH0694602A - 変調された電磁波の吸収を超音波によって検出する分光撮影装置 - Google Patents

変調された電磁波の吸収を超音波によって検出する分光撮影装置

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JPH0694602A
JPH0694602A JP5154016A JP15401693A JPH0694602A JP H0694602 A JPH0694602 A JP H0694602A JP 5154016 A JP5154016 A JP 5154016A JP 15401693 A JP15401693 A JP 15401693A JP H0694602 A JPH0694602 A JP H0694602A
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JP
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electromagnetic wave
sample surface
sample
distance measuring
ultrasonic
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JP5154016A
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Charles L Dumoulin
チャールス・ルシアン・デュモウリン
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Publication date
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    • GPHYSICS
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 試料表面の分光分析法。 【構成】 試料の表面に関するスペクトルを求めるた
め、干渉計手段および超音波距離測定装置を用いた分光
撮影装置が提供される。干渉計手段は広帯域電磁波源を
含んでいて、それから放射される電磁波は波長に反比例
した周波数で変調される。変調された電磁波が分析すべ
き表面に入射して吸収される。かかる電磁波の吸収は試
料の表面を膨張させる。こうして生じた寸法の変化が単
一周波数の超音波源を使用する超音波距離測定装置によ
って検出され、それによって試料表面と超音波距離測定
装置との瞬時距離が測定される。検出された距離の変化
を各波長における吸収度と関係づけることにより、試料
表面の各点の化学組成を表わす吸収スペクトルを求める
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【関連出願の記述】本願は、いずれもチャールズ・エル
・デュムリン(Charles L. Dumoulin) の「パルス電磁波
源および干渉計を用いた分光撮影装置」と称する米国特
許出願第909,276号および「2台の干渉計を用い
た分光撮影装置」と称する米国特許出願第909,27
7号と関連を有している。
【0002】
【発明の分野】本発明は分光分析技術に関するものであ
って、更に詳しく言えば、試料の表面の分光分析に関す
る。
【0003】
【関連技術の説明】化学種の存在を確認するため、電磁
波を用いて試料の吸収および透過スペクトルを求めるこ
とができる。その場合、特定のスペクトル領域は他のス
ペクトル領域よりも有用である。最も有用なスペクトル
領域は、試料中に含まれる化学種によって固有の波長の
電磁波が吸収されるようなスペクトル領域である。吸収
された電磁波は直接に検出されたり、試料から再放射さ
れたり、あるいは試料からの螢光発生を引起こしたりす
る。赤外線、可視光線および紫外線を用いて吸光、発光
および螢光を分光測定することは、試料分析のために広
く使用されている。しかし残念ながら、これらの技術の
多くは粗面を有する試料の分析用途に対して十分に適す
るとは言えない。この場合、電磁波が粗面によって散乱
される結果、反射光または透過光の測定は困難となる。
また、不透明な試料の場合にも、電磁波の透過を必要と
する技術を使用することは困難もしくは不可能である。
【0004】粗面の分光分析のために有用であることが
判明している技術の1つは、光音響分光法である。この
技術においては、単色光源を断続することによってパル
ス光が生み出される。かかるパルス光が試料の表面に入
射させられる。かかるパルス光が試料によって吸収され
る波長を有する結果、表面が周期的に加熱され、それに
よって表面の膨張および収縮が起こる。このような運動
によって発生した音波が表面上方の気体を通って伝搬
し、そして高感度のマイクロホンにより検出される。こ
の場合、入射光の波長を変化させることによって表面の
スペクトルが求められる。しかし残念ながら、光音響分
光法の検出効率は他の光学的分析法に比べて低く、従っ
てこの方法を小さい試料に対して容易に適用することが
できない。
【0005】現在、粗面を有する試料に関する特定の化
学種の光学スペクトルを高い感度で検出し得る分析装置
が要望されている。
【0006】
【発明の概要】本発明の第1の実施の態様に基づく分光
撮影装置は、干渉計手段および超音波距離測定装置を含
んでいる。干渉計手段においては広帯域電磁波源が使用
される。干渉計手段内の可動鏡を直線的に運動させた場
合、広帯域電磁波源からの様々な波長に含まれる各波長
の振幅が該波長に反比例した周波数で変調されることに
なる。変調された電磁波が分析すべき試料の表面に入射
して吸収される結果、表面の温度が上昇して表面の膨張
が起こる。かかる電磁波は変調されているから(すなわ
ち、各波長の振幅が時間に対して正弦的に変化するか
ら)、表面の周期的な加熱が起こる。その結果、吸収さ
れた電磁波の波長に反比例する速度で表面の周期的な膨
張および収縮が起こることになる。
【0007】他方、超音波距離測定装置から放射された
単一周波数の超音波が試料表面に入射させられる。超音
波源の波長は、試料表面によるそれの吸収を最少限に抑
えると共に、超音波の焦点スポットのサイズをできるだ
け小さくするように選定される。反射された超音波は超
音波距離測定装置によって感知され、それによって試料
表面と超音波距離測定装置との瞬時距離が測定される。
この距離は、吸収された電磁波の波長に反比例する周波
数で経時的に変化する。また、距離の変化の振幅は広帯
域電磁波の吸収度に比例する。それ故、超音波距離測定
装置によって測定された距離の変化は試料表面の吸収特
性を表わすことになる。
【0008】本発明の第2の実施の態様に従えば、所定
の周波数で断続される単色電磁波源が干渉計手段の代り
に使用される。かかる単色電磁波源はチューナブルレー
ザーから成っていてもよいし、あるいは広帯域電磁波源
とモノクロメーター手段との組合せから成っていてもよ
い。この実施の態様においては、単色電磁波表面の波長
を所定の波長範囲にわたり走査することによって吸収ス
ペクトルが求められる。
【0009】
【発明の目的】本発明の目的の1つは、試料の粗面から
吸収スペクトルを求めるための装置を提供することにあ
る。本発明のもう1つの目的は、不透明な試料から吸収
スペクトルを求めるための装置を提供することにある。
【0010】新規なものと考えられる本発明の特徴は、
前記特許請求の範囲中に詳細に記載されている。とは言
え、本発明の構成や実施方法並びにそれの追加の目的や
利点は、添付の図面を参照しながら以下の説明を考察す
ることによって最も良く理解されよう。
【0011】
【発明の詳細な開示】図1には、分析すべき表面110
を有する試料100が示されている。電磁波から成る試
料励起ビーム120が、粗面である表面110に入射す
る。その結果、特定の化学成分に応じ、試料励起ビーム
120の一部が表面110によって吸収される。
【0012】他方、超音波距離測定装置から放射された
超音波から成る測定ビーム130が表面110に入射し
て反射されることにより、超音波の反射ビーム140が
生み出される。測定ビーム130用の超音波源の波長
は、試料100によるそれの吸収を最少限に抑えるよう
に選定される。反射ビーム140は粗面によって散乱さ
れるとは言え、十分な量の超音波が超音波距離測定装置
に戻され、そして超音波距離測定装置に対する表面11
0の変位を正確に測定するために利用される。
【0013】図2は、本発明の第1の実施の態様を示す
略図である。この場合、試料100は試料位置決め手段
205によって三次元(x,y,z)座標系内の所望の
位置に配置される。次いで、干渉計手段210からの電
磁波および超音波距離測定装置220からの超音波が試
料100の表面110に照射される。その際には、鏡制
御手段230の使用によって干渉計手段210内の鏡
(図2中には示されていない)の運動が制御される。干
渉計手段210内の鏡の運動を表わす信号が画像形成手
段240に送信される。鏡の運動に関する情報とほぼ同
時に、超音波距離測定装置220からの信号も画像形成
手段240に伝達される。また、試料100の位置を表
わす信号も試料位置決め手段205から画像形成手段2
40に送信される。干渉計手段210、超音波距離測定
装置220および試料位置決め手段205から受信した
信号を使用することにより、画像形成手段240は試料
100の表面110上における複数の照射部位に関する
吸収スペクトルを求める。出力装置250はかかる吸収
スペクトル上の特定の点を処理し、それによって表面1
10上に存在する化学種を表わすマップを作成する。出
力装置250はまた、空間情報および分光情報に基づい
て様々な分析試験を行うこともできる。
【0014】図3は、広帯域電磁波源300を有する干
渉計手段210を一層詳しく示す略図である。広帯域電
磁波源300は半銀鏡のごときビームスプリッター手段
310に向けて電磁波を放射する。ビームスプリッター
手段310は広帯域電磁波源300からの電磁波を第1
の透過ビームと第1の反射ビームとに分割する。第1の
透過ビームは、ビームスプリッター手段310から距離
Aの位置に配置された固定鏡320により反射されてビ
ームスプリッター手段310に戻る。ビームスプリッタ
ー手段310は、第1の透過ビームの反射の結果として
第2の透過ビームおよび第2の反射ビームを生み出す。
第1の反射ビームは、ビームスプリッター手段310か
ら距離Bの位置において、運動中の可動鏡330によっ
て反射される。第1の反射ビームはビームスプリッター
手段310に入射して第3の反射ビームおよび第3の透
過ビームを生じる。鏡位置決め手段340が図2の鏡制
御手段230によって制御される結果、可動鏡330は
絶えず運動している。固定鏡320および可動鏡330
から反射された電磁波の光路長AおよびBが相等しい場
合には、干渉計手段210の出射口360を通過する第
2の反射ビームおよび第3の透過ビームは同じ位相を有
している。可動鏡330の位置が運動軸350に沿って
変化すると、光路長AおよびBはもはや等しくなくな
り、そして2つのビームは光路長の差および電磁波の波
長によって決定される位相関係を示すことになる。すな
わち、2つのビームは互いに干渉して強め合ったり弱め
合ったりする結果、各々の波長に関して振幅の変調を生
じる。たとえば、光路長の差がある波長の整数倍となる
ような位置に可動鏡330が存在する場合には、干渉計
手段210から出射する2つのビームはその波長に関し
て同じ位相を有し、従ってそれらは互いに強め合うよう
に合成される。他方、光路長が電磁波の波長の1/2だけ
異なる場合には、干渉計手段210から出射する2つの
ビームはその波長に関して180°だけ位相がずれ、従
ってそれらは互いに弱め合うように合成される。その結
果、その波長の電磁波は実質的に干渉計手段210から
出射しないことになる。
【0015】干渉計手段210内に含まれる広帯域電磁
波源300は、一定範囲の波長を有する電磁波を発生す
る。光路長AおよびBが相等しければ、広帯域電磁波源
300からの電磁波の全ての波長が干渉計手段210を
通して放射されることになる。しかるに、可動鏡330
が位置を変えるのに伴い、各波長の電磁波の位相は合っ
たりはずれたりする。可動鏡330が時間に対して一定
の運動を行えば、干渉計手段210から出射する電磁波
はそれの波長に反比例した周波数で変調されることにな
る。
【0016】干渉計手段210からの広帯域電磁波は図
1の試料100の表面110に入射し、そしてそれの一
部分が吸収される。かかる電磁波の吸収は表面110の
直近領域の温度を上昇させ、そしてこのような温度の上
昇は表面110の材料を膨張させる。かかる電磁波は変
調されているから(すなわち、各波長の振幅が時間に対
して正弦的に変化するから)、表面の周期的な加熱が起
こる。その結果、吸収された電磁波の波長に反比例する
速度で表面110の周期的な膨張および収縮が起こるこ
とになる。このような膨張および収縮は、超音波距離測
定装置220によって正確に測定される。
【0017】図4は、本発明の第2の実施の態様を示す
略図である。この実施の態様においては、試料100は
試料位置決め手段205によって三次元(x,y,z)
座標系内の所望の位置に配置される。次いで、パルス電
磁波源215からの電磁波および超音波距離測定装置2
20からの超音波が試料100の表面110に照射され
る。その際には、パルス制御手段235の使用によって
パルス電磁波源215の波長およびパルス周波数が制御
される。パルス電磁波源215の波長およびパルス周波
数を表わす信号が画像形成手段240に送信される。パ
ルス電磁波源215からの信号とほぼ同時に、超音波距
離測定装置220からの電子信号も画像形成手段240
に伝達される。パルス電磁波源215および超音波距離
測定装置220から受信した信号を使用することによ
り、画像形成手段240は試料100の表面110上に
おける複数の照射部位に関する吸収スペクトルを求め
る。出力装置250はかかる吸収スペクトル上の特定の
点を処理し、それによって表面110上に存在する化学
種を表わすマップを作成する。出力装置250はまた、
空間情報および分光情報に基づいて様々な分析試験を行
うこともできる。
【0018】図5は、パルス電磁波源215を一層詳し
く示す略図である。パルス電磁波源215は広帯域電磁
波源500を含んでいて、この広帯域電磁波源500は
一連の波長λmin →λmax を有する電磁波をモノクロメ
ーター手段510に向けて放射する。モノクロメーター
手段510は狭い所定波長幅λの電磁波のみを通過させ
る。なお、本発明の別の実施の態様に従えば、所定の波
長を有する電磁波を放射し得るチューナブルレーザーを
使用することもできる。かかる単色電磁波は断続手段5
20に入射し、それによって所定の周波数で機械的に断
続される。こうして得られた波長λのパルス電磁波が出
射口530を通してパルス電磁波源215から出射す
る。なお、別の実施の態様に従えば、断続手段520を
広帯域電磁波源500とモノクロメーター手段510と
の間に配置することもできる。
【0019】図4に示されるごとく、パルス電磁波源2
15からのパルス電磁波は試料100の表面110上の
スポットに入射し、そしてそれの一部分が吸収される。
かかる電磁波の吸収は該スポットの直近領域の温度を上
昇させ、そしてこのような温度の上昇は表面110の材
料を膨張させる。パルス電磁波が使用されるから、表面
110の周期的な加熱が起こる。その結果、パルス周波
数で表面110の周期的な膨張および収縮が起こること
になる。このような膨張および収縮は、超音波距離測定
装置220によって正確に測定される。
【0020】いずれの実施の態様においても、時間に対
して測定された距離の変化d(t)に関してフーリエ変
換を行うことができる。その結果、試料表面110上の
各々の照射スポットに関し、吸収波長に対する吸収度を
表わすスペクトルD(f)が求められる。図6には、本
発明において使用される超音波距離測定装置220の具
体例が示されている。かかる超音波距離測定装置220
は、所定の周波数を有する実質的に連続した正弦波から
成る信号を発生する発振器手段610を含んでいる。こ
の信号は、ゲート手段620が制御器手段635に応答
して導通状態にある場合、ゲート手段620によって増
幅器630に供給される。増幅された信号は送信用変換
器640に供給され、それにより超音波エネルギーに変
換されて超音波の測定ビーム130を生み出す。なお、
送信用変換器640は圧電材料から成っていればよい。
測定ビーム130の反射によって反射ビーム140が生
み出される。反射ビーム140は受信用変換器650に
入射し、それによって超音波エネルギーが電気信号に変
換され、そしてこの電気信号が前置増幅器660に供給
される。前置増幅器660からの信号はミクサー手段6
70に供給され、そこにおいて元の送信信号と混合さ
れ、それによってドップラーシフト情報を有する信号が
生み出される。混合された信号は積分器手段680に伝
達され、そこにおいてドップラーシフト情報がデコード
され、それによって超音波距離測定装置220と図1の
試料表面110との距離の変化が求められる。
【0021】別の実施の態様に従えば、超音波距離測定
装置220の制御器手段635がゲート手段620を制
御することによってパルス信号が生み出される。この場
合には、ゲート手段620によるパルス信号の発生と積
分器手段680による信号の検出との間における時間の
ずれを利用することにより、試料表面110(図1)と
変換器との距離が求められる。
【0022】以上、好適な実施の態様に関連して本発明
の分光撮影装置を詳細に説明したが、それ以外にも数多
くの変更態様が可能であることは当業者にとって自明で
あろう。それ故、本発明の精神に反しない限り、前記特
許請求の範囲はかかる変更態様の全てを包括するものと
理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】電磁波源からの電磁波を吸収しかつ超音波源か
らの超音波を反射する試料表面の斜視図である。
【図2】干渉計手段および超音波距離測定装置を用いて
特定の試料表面に関する吸収スペクトルを求めるために
役立つ本発明の第1の実施の態様を示すブロック図であ
る。
【図3】試料表面に照射される電磁波を発生させるため
に使用される図2の干渉計手段の具体例を示すブロック
図である。
【図4】変調された電磁波を発生するためにパルス電磁
波源を使用する本発明の第2の実施の態様を示すブロッ
ク図である。
【図5】試料表面に照射される電磁波を発生させるため
に使用される図4のパルス電磁波源の具体例を示すブロ
ック図である。
【図6】図2および4の超音波距離測定装置の具体例を
示すブロック図である。
【符号の説明】
100 試料 110 表面 120 試料励起ビーム 130 測定ビーム 140 反射ビーム 205 試料位置決め手段 210 干渉計手段 215 パルス電磁波源 220 超音波距離測定装置 230 鏡制御手段 235 パルス制御手段 240 画像形成手段 250 出力装置 300 広帯域電磁波源 310 ビームスプリッター手段 320 固定鏡 330 可動鏡 340 鏡位置決め手段 350 運動軸 360 出射口 500 広帯域電磁波源 510 モノクロメーター手段 520 断続手段 530 出射口 610 発振器手段 620 ゲート手段 630 増幅器 635 制御器手段 640 送信用変換器 650 受信用変換器 660 前置増幅器 670 ミクサー手段 680 積分器手段

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 試料表面の電磁波吸収スペクトルに基づ
    いて前記試料表面の化学組成を表わす画像を作成するた
    めの装置において、(a) 時変調された広帯域電磁波から
    成る試料励起ビームを前記試料表面の一部分に照射する
    ために役立つ照射手段、(b) 前記照射手段から放射され
    た前記試料励起ビームの吸収に応答して生じる、前記試
    料表面と超音波距離測定装置との距離の経時的変化を検
    出するために役立つ超音波距離測定装置、並びに(c) 前
    記試料表面と前記超音波距離測定装置との距離の経時的
    変化の検出結果から前記試料表面の前記一部分の吸収ス
    ペクトルを計算すると共に、前記距離の経時的変化の検
    出結果から前記試料表面の化学組成を表わす吸収スペク
    トルを前記試料表面の様々な部分について求めるために
    役立つ画像形成手段の諸要素を含む装置。
  2. 【請求項2】 前記照射手段および前記超音波距離測定
    装置に対して前記試料を移動させるための試料位置決め
    手段が追加包含される請求項1記載の装置。
  3. 【請求項3】 (a1)入射ビームを部分透過ビームと部分
    反射ビームとに分割するために役立つビームスプリッタ
    ー、(a2)前記ビームスプリッターに向けて広帯域電磁波
    ビームを放射して第1の透過ビームおよび第1の反射ビ
    ームを生み出すために役立つ広帯域電磁波源、(a3)前記
    第1の透過ビームを前記ビームスプリッターに向けて反
    射することによって前記第1の透過ビームを第2の透過
    ビームと第2の反射ビームとに分割するために役立つ固
    定鏡、並びに(a4)実質的に一様に運動しながら、前記第
    1の反射ビームを前記ビームスプリッターに向けて反射
    することによって前記第1の反射ビームを第3の透過ビ
    ームと第3の反射ビームとに分割するために役立つ可動
    鏡の諸要素を含む結果、前記第2の反射ビームと前記第
    3の透過ビームとが互いに干渉して強め合ったり弱め合
    ったりすることにより、複数の波長を有すると共に、各
    波長の振幅が該波長に反比例した周波数で経時的に変化
    するような時変調された試料励起ビームを生み出す干渉
    計手段から前記照射手段が成る請求項1記載の装置。
  4. 【請求項4】 (a1)複数の波長を有する電磁波を発生す
    るための広帯域電磁波源、(a2)複数の波長を有する前記
    電磁波を入射させて狭い波長幅の電磁波のみを通過させ
    るためのモノクロメーター手段、および(a3)前記電磁波
    を断続してパルス電磁波を生み出すための断続手段の諸
    要素を含むパルス電磁波源から前記照射手段が成る請求
    項1記載の装置。
  5. 【請求項5】 前記パルス電磁波源が、赤外域波長、可
    視域波長および紫外域波長から成る群より選ばれた波長
    域内の波長を有する電磁波を発生するための手段を含む
    請求項4記載の装置。
  6. 【請求項6】 前記超音波距離測定装置が、前記超音波
    距離測定装置と前記試料表面上の少なくとも1点との距
    離の経時的変化を同時に検出し、それによって前記試料
    表面の照射部分から空間的に識別された情報を得るため
    の手段を含む請求項1記載の装置。
  7. 【請求項7】 前記画像形成手段が、前記干渉計手段に
    よって放射された広帯域電磁波に応答して前記超音波距
    離測定装置により検出された前記距離の経時的変化から
    前記試料表面の画像を作成するための手段を含む請求項
    1記載の装置。
  8. 【請求項8】 前記広帯域電磁波源が、赤外域波長、可
    視域波長および紫外域波長から成る群より選ばれた一連
    の波長を有する電磁波を発生するための手段から成る請
    求項3記載の装置。
  9. 【請求項9】 レーザーおよび電磁波断続手段から構成
    されたパルス電磁波源から前記照射手段が成る請求項1
    記載の装置。
  10. 【請求項10】 前記画像形成手段が、前記試料表面の
    照射部分内の少なくとも1点に関して検出された前記距
    離の経時的変化のフーリエ変換値を計算することによっ
    て前記少なくとも1点に関する吸収スペクトルを求める
    ためのフーリエ変換手段を含む請求項1記載の装置。
  11. 【請求項11】 前記試料表面の前記一部分に関して求
    められた前記吸収スペクトルから所望の化学種の分布を
    表わす画像を作成するための出力装置が追加包含される
    請求項1記載の装置。
  12. 【請求項12】 試料表面の電磁波吸収スペクトルに基
    づいて前記試料表面の化学組成を表わす画像を作成する
    ための方法において、(a) 前記試料表面の一部分に電磁
    波ビームを照射することにより、前記試料表面に前記電
    磁波ビームの一部分を吸収させて前記試料表面を周期的
    に膨張させ、それによって前記試料表面と測定点との距
    離を変化させ、(b) 超音波距離測定装置を用いて前記試
    料表面と前記測定点との距離を経時的に測定し、次いで
    (c) 前記距離の測定結果から前記試料表面の化学組成を
    表わす吸収スペクトルを前記試料表面の様々な部分につ
    いて求める諸工程を含む方法。
  13. 【請求項13】 前記距離を測定する工程(b) が、(b1)
    前記試料表面に向けて超音波の測定ビームを送信し、(b
    2)前記試料表面から反射された反射ビームを感知して電
    子信号を生み出し、(b3)送信された前記測定ビームから
    電子信号を生み出し、(b4)前記反射ビームからの電子信
    号と前記測定ビームからの電子信号とを混合して混合電
    子信号を生み出し、(b5)経時的に前記混合電子信号の標
    本抽出を行ってドップラーデータを求め、そして(b6)前
    記ドップラーデータからドップラーシフトを計算するこ
    とによって前記試料表面と前記測定点との距離の変化を
    計算することから成る請求項12記載の方法。
JP5154016A 1992-07-06 1993-06-25 変調された電磁波の吸収を超音波によって検出する分光撮影装置 Withdrawn JPH0694602A (ja)

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