JPH07159381A

JPH07159381A - 光音響信号検出方法及びその装置

Info

Publication number: JPH07159381A
Application number: JP5311495A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Nakada; 俊彦中田; Takanori Ninomiya; 隆典二宮
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-12-13
Filing date: 1993-12-13
Publication date: 1995-06-23
Anticipated expiration: 2018-02-17
Also published as: JP3379180B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は光干渉を用いた光音響信号検出装置に
関し、空気の揺らぎや振動の影響による干渉信号の変動
を低減し、かつ表面の荒れた試料に対しても、常に高精
度かつ高感度な光音響信号の検出を可能とする方法及び
その装置を提供する。【構成】光音響効果または光熱効果による熱膨張変位を
検出するためのプローブ光６９の光路と参照光７０の光
路とを完全に同一光路とし、かつ参照波面として、試料
表面の広い領域からの参照光７０の反射光のフーリエ変
換像の直流成分を用いることより、上記目的が達成され
る。【効果】空気の揺らぎや振動等の外乱の影響が低減さ
れ、また、試料表面の荒れや微小凹凸によるコヒーレン
スの低下を抑えることができ、表面の荒れた試料に対し
ても、常に安定した干渉光を得ることが可能となり、常
に高精度かつ高感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。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光音響効果あるいは光
熱効果を利用して、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１３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（音波）が発生す
る現象である。上記音波、即ち光音響信号をマイクロホ
ン（音響電気変換器）や圧電素子を用いて、あるいは試
料表面に生じた周期的熱膨張変位を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_Eとして、試料７の熱伝導率κ、密度ρ、及び比熱ｃ
より、次式で与えられる。

【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
９８６ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳＳＹＭＰＯ-ＳＩＵ
Ｍ；ｐ．５１５〜５２６（１９８６）」において論じら
れている。

【０００５】その一例を、図１２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
１９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音波が発生
し、同時に試料７表面に微小な周期的熱膨張変位が生じ
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２１の位置に集光させ
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１６では、音響光学変調素子２の駆動に用
いる発振器１５からの変調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）式より、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、熱膨張変
位が変化し、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６の移動信号と
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】上記光干渉を用いた光音響検出技術は、非
接触・非破壊で光音響信号を検出できる有効な手段であ
るが、ハーフミラー１０から試料７に至る光路と、ハー
フミラー１０から参照ミラー１１に至る光路の間で、空
気の揺らぎや振動等の外乱が生じた場合、干渉信号が大
きく変動し、光音響信号のＳＮ比が大幅に低下するとい
う課題を抱えている。

【０００７】このような外乱の影響を低減する光干渉法
として、図１４に示す共通光路形の干渉計が考えられ
る。励起光学系の部分は、図１２に示す光学系と同様で
ある。干渉計において、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、レンズ３０を介し、ハーフミラー３９で反射させ
て、方解石３１ａ、３１ｂ等で構成した複屈折素子３１
に入射する。複屈折素子３１では、入射光が互いに直交
する２つの偏光成分３５（実線）と３６（破線）に分離
される。レンズ３２及び５により、偏光成分３５は試料
７上の励起光の集光点と同じ位置３７に集光され、偏光
成分３６は、それからわずか離れた位置３８に集光され
る。即ち、偏光成分３５はプローブ光として用い、偏光
成分３６は参照光として用いる。プローブ光には、励起
光の照射によって生じた試料表面の熱膨張変位による位
相変化が生じる。両反射光は再び同一光路を経た後、複
屈折素子３１で合成され、ハーフミラー３９を透過した
後、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。互いに直交する偏光成分から成る
この合成光は、光路中に設けた偏光板３３により偏光干
渉する。光電変換された干渉強度信号の処理は、図１２
に示した光学系と全く同様であるので、説明を省略す
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記光学系では、プロ
ーブ光と参照光とがほぼ同一の光路を通過するため、空
気の揺らぎや振動等の外乱の影響を受けにくく、従来の
方式に比べ高い検出精度が期待できるが、以下に示すよ
うな課題をもっている。

【０００９】例えば、試料のより深い情報を得ようとす
る場合は、励起光の強度変調周波数ｆ_Eを低下させて、
熱拡散長μ_s２２で与えられる熱拡散領域Ｖ_th２３を大
きくする。この時、変調周波数によっては、図１５に示
すように、熱拡散長μ_s、即ち熱膨張変位が生じる領域
がプローブ光３５と参照光３６との間隔Ｓよりも大きく
なるケースが生じてしまう。その結果、本来検出される
べき熱膨張変位ｈに対し、実際に検出される変位がｈ_D
と小さくなってしまい、光音響信号の検出感度が低下し
てしまうという課題を有している。熱拡散長の増加に応
じて、プローブ光３５と参照光３６との間隔Ｓを大きく
することも可能であるが、空間分解能の低下という新た
な課題が生じてしまう。

【００１０】一方、図１６に示すように、試料の表面４
０が粗面あるいは微小な凹凸を有している場合、プロー
ブ光３５及び参照光３６の両反射光が散乱し、コヒーレ
ンスが低下してしまい、熱膨張変位による位相変化を正
確に検出することが困難になるという課題を有してい
る。

【００１１】本発明の目的は、上記従来技術の課題を解
決すべく、単純な構成にして、試料の表面または内部情
報を高感度で、且つ安定に検出できるようにした光音響
信号検出方法及びその装置を提供することにある。

【００１２】また本発明の目的は、光干渉を用いた光音
響信号検出において、空気の揺らぎや振動の影響による
干渉信号の変動を低減し、かつ表面の荒れた試料に対し
ても、常に高精度で、且つ高感度な光音響信号の検出を
可能とした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。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、光音響効果ま
たは光熱効果による熱膨張変位を検出するためのプロー
ブ光の光路と参照光の光路とを完全に同一光路とし、か
つ参照波面として、試料表面の広い領域からの参照光の
反射光のフーリエ変換像の直流成分を用いることより、
上記目的を達成するようにしたことにある。

【００１４】本発明は、上記目的を達成するために、光
源からの光を所望の周波数で強度変調して強度変調した
光を試料表面の測定点に照射して光音響効果あるいは光
熱効果を発生させ、前記測定点にプローブ光と該プロー
ブ光よりも大きい照射領域を有する参照光とを照射し、
プローブ光に基づく試料表面からの反射光と前記参照光
に基づく試料表面に対するフーリエ変換像の直流成分と
を互いに光学的に干渉させて干渉光を光電変換素子で検
出し、該検出された干渉強度信号の中から前記光音響効
果あるいは光熱効果により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、該周波数成分の熱歪よ
り試料の表面または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である。

【００１５】また本発明は、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を備えて該強
度変調手段で強度変調した光を試料表面の測定点に照射
し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、該励起手段で光音響効果あるいは光熱効果を発生さ
せた測定点にプローブ光と該プローブ光よりも大きい照
射領域を有する参照光とを照射する照射手段と、該照射
手段で前記測定点に照射されたプローブ光に基づく試料
表面からの反射光と前記照射手段で照射された参照光に
基づく試料表面に対するフーリエ変換像の直流成分とを
互いに光学的に干渉させて光電変換素子で検出する干渉
光検出手段と、該干渉光検出手段で検出された干渉強度
信号の中から前記光音響効果あるいは光熱効果により生
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、該周波数成分の熱歪より試料の表面または内部情報
を抽出する情報検出手段を備えたことを特徴とする光音
響信号検出装置である。

【００１６】即ち、本発明は、強度変調した光を試料表
面の測定点に照射して光音響効果あるいは光熱効果を発
生させ、前記測定点にプローブ光と該プローブ光よりも
大きい照射領域を有する参照光とを照射し、プローブ光
に関して試料表面からの反射光と参照光に関しては試料
表面に対するフーリエ変換像の直流成分とを互いに光学
的に干渉させてその干渉光を光電変換素子で検出し、該
検出した干渉強度信号の中から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。前記
干渉手段により、プローブ光路と参照光路とを完全に同
一光路とすることができ、両光路間の微小な空気の揺ら
ぎや振動の影響による干渉信号の変動を低減することを
可能とし、また、参照光の照射領域を十分大きくするこ
とにより、試料表面の荒れや微小凹凸による参照光のコ
ヒーレンスの低下を抑え、常に安定した干渉光を得るこ
とを可能とし、高精度かつ高感度な光音響信号の検出を
可能としたものである。また、従来の共通光路干渉計に
おける、プローブ光と参照光の間の微小間隔による空間
分解能の低下を低減することを可能としたものである。

【００１７】また、上記目的を達成するために、本発明
は、前記参照光の照射領域を前記光音響効果あるいは光
熱効果によって発生する熱拡散領域と同じか、もしくは
それよりも大きくすることにより、熱膨張変位により参
照光が受ける位相変化の影響を低減することを可能と
し、高精度かつ高感度な光音響信号の検出を可能とした
ものである。

【００１８】また、本発明は、上記プローブ光と参照光
とを互いに直交した偏光成分から成るものとすることに
より、プローブ光路と参照光路とを完全に同一光路とす
ることができ、両光路間の微小な空気の揺らぎや振動の
影響による干渉信号の変動を低減することを可能とし、
高精度かつ高感度な光音響信号の検出を可能としたもの
である。

【００１９】また、上記目的を達成するために、本発明
は、上記プローブ光に関して試料表面からの反射光を、
参照光に関しては試料表面に対するフーリエ変換像の直
流成分を、互いに光学的に干渉させる手段として、２重
焦点レンズを用いることにより、プローブ光路と参照光
路とを完全に同一光路とすることができ、両光路間の微
小な空気の揺らぎや振動の影響による干渉信号の変動を
低減することを可能とし、また、参照光の照射領域を十
分大きくすることが可能となり、試料表面の荒れや微小
凹凸による参照光のコヒーレンスの低下を抑え、常に安
定した干渉光を得ることを可能とし、高精度かつ高感度
な光音響信号の検出を可能としたものである。また、従
来の共通光路干渉計における、プローブ光と参照光の間
の微小間隔による空間分解能の低下を低減することを可
能としたものである。

【００２０】また、本発明は、前記２重焦点レンズを、
複屈折光学材料を用いて入射光の偏光に依存して焦点距
離が変わる構成とすることにより、プローブ光路と参照
光路とを完全に同一光路とすることができ、両光路間の
微小な空気の揺らぎや振動の影響による干渉信号の変動
を低減することを可能とし、高精度かつ高感度な光音響
信号の検出を可能としたものである。

【００２１】

【作用】光音響信号検出装置において、強度変調した光
を試料表面の測定点に照射することにより、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。一方、前記測定点にプローブ光と、該プローブ光
よりも大きい照射領域を有する参照光とを照射し、プロ
ーブ光に関して試料表面からの反射光と参照光に関して
は試料表面に対するフーリエ変換像の直流成分とを互い
に光学的に干渉させてその干渉光を光電変換素子で検出
し、検出した干渉強度信号の中から、前記強度変調周波
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。前記干渉手段により、プローブ光路と参照光路とを
完全に同一光路とすることができ、両光路間の微小な空
気の揺らぎや振動の影響による干渉信号の変動を低減す
ることが可能となる。また、参照光の照射領域を十分大
きくすることにより、試料表面の荒れや微小凹凸による
参照光のコヒーレンスの低下が抑えられ、表面の荒れた
試料に対しても、常に安定した干渉光を得ることが可能
となり、高精度かつ高感度な光音響信号の検出が可能と
なる。更に、従来の共通光路干渉計における、プローブ
光と参照光の間の微小間隔による空間分解能の低下を低
減することが可能となる。

【００２２】また、前記参照光の照射領域を、前記光音
響効果あるいは光熱効果によって発生する熱拡散領域と
同じか、もしくはそれよりも大きくすることにより、熱
膨張変位により参照光が受ける位相変化の影響を低減す
ることが可能となり、高精度かつ高感度な光音響信号の
検出が可能となる。

【００２３】また、前記プローブ光と参照光とを互いに
直交した偏光成分から成るものとすることにより、プロ
ーブ光路と参照光路とを完全に同一光路とすることがで
き、両光路間の微小な空気の揺らぎや振動の影響による
干渉信号の変動を低減することが可能となり、高精度か
つ高感度な光音響信号の検出が可能となる。

【００２４】また、前記プローブ光に関して試料表面か
らの反射光を、参照光に関しては試料表面に対するフー
リエ変換像の直流成分を、互いに光学的に干渉させる手
段として、２重焦点レンズを用いることにより、プロー
ブ光路と参照光路とを完全に同一光路とすることがで
き、両光路間の微小な空気の揺らぎや振動の影響による
干渉信号の変動を低減することが可能となる。また、参
照光の照射領域を十分大きくすることができるため、試
料表面の荒れや微小凹凸による参照光のコヒーレンスの
低下が抑えられ、表面の荒れた試料に対しても、常に安
定した干渉光を得ることが可能となり、高精度かつ高感
度な光音響信号の検出が可能となる。また、従来の共通
光路干渉計における、プローブ光と参照光の間の微小間
隔による空間分解能の低下を低減することが可能とな
る。

【００２５】また、前記２重焦点レンズを、複屈折光学
材料を用いて、入射光の偏光に依存して焦点距離が変わ
る構成とすることにより、プローブ光路と参照光路とを
完全に同一光路とすることができ、両光路間の微小な空
気の揺らぎや振動の影響による干渉信号の変動を低減す
ることが可能となり、高精度かつ高感度な光音響信号の
検出が可能となる。

【００２６】

【実施例】本発明の実施例を図１〜図１１に基づいて説
明する。

【００２７】まず、本発明の第１の実施例を図１〜図８
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２重焦点レンズ
を用いた共通光路形ヘテロダイン干渉光学系２０２、及
び信号処理系２０３から成る。励起光学系２０１のＡｒ
レーザ１４１（波長５１５ｎｍ）から出射した平行ビー
ム１４４を、音響光学変調素子１４２により変調周波数
ｆ_Eで強度変調した後、ビームエキスパンダ１４３によ
り所望のビーム径に拡大する。拡大ビーム光１９をダイ
クロイックプリズム４１（波長６００ｎｍ以下は反射、
６００ｎｍ以上は透過）で反射させた後、対物レンズ４
２により試料４３上の６５の位置に集光させる。集光点
６５において、光音響効果または光熱効果により試料表
面に周期的な熱膨張変位が生じる。

【００２８】次に、この熱膨張変位を検出するための、
２重焦点レンズを用いた共通光路形ヘテロダイン干渉光
学系２０２の構成とその機能について説明する。図１に
おいて、Ｈｅ−Ｎｅレーザ４５（波長６３３ｎｍ）から
出射する直線偏光ビーム７５の偏光方向を、図２（ａ）
の８１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４６により、入射光ビーム７５のうち図２（ａ）の８
２で示すＰ偏光成分６６（実線）は偏光ビームスプリッ
タ４６を透過し、音響光学変調素子４７に入射する。ま
た、図２（ａ）の８３で示すＳ偏光成分６７（破線）は
偏光ビームスプリッタ４６で反射され、ミラー４９で反
射された後、音響光学変調素子５０に入射する。ドライ
バ６１から出力された周波数ｆ_C1及びｆ_C2（ｆ_C1≠
ｆ_C2）の正弦波を各々音響光学変調素子４７及び５０に
入力し、Ｐ偏光成分６６及びＳ偏光成分６７の各光周波
数を各々ｆ_C1及びｆ_C2だけシフトさせる。両偏光成分
は、偏光ビームスプリッタ５１で合成される。この合成
光６８は二周波直交偏光、即ち図２（ｂ）に示す様に、
８２及び８３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。

【００２９】合成光６８を、ビームエキスパンダ５２に
より所望のビーム径に拡大した後、ビームスプリッタ５
３を透過させ、方解石等の複屈折材料を用いて構成した
２重焦点レンズ５４に入射させる。この２重焦点レンズ
５４は、図３に示すように、入射光６８に対し、ある偏
光成分６９に対しては焦点距離が無限大となり、それと
直交する偏光成分７０に対しては有限の焦点距離Ｆ_Pと
なるように設計されている。今、偏光成分６９を図１に
おけるＰ偏光成分、同じく偏光成分７０をＳ偏光成分と
すると、図１において、２重焦点レンズ５４から出射し
たＰ偏光成分６９（実線）は、平行光のまま対物レンズ
に入射し、励起光１９と同じ集光位置７１（対物レンズ
４２の前側焦点位置）に集光する。一方、Ｓ偏光成分７
０（破線）は集束光となり、対物レンズの後側焦点位置
１５１に集光した後、対物レンズ通過後平行光として試
料４３表面に入射する。この様子を図４に示す。即ち、
Ｐ偏光成分６９（実線）は、プローブ光として励起光１
９と同じ集光位置７１（対物レンズ４２の前側焦点位
置）に集光し、熱膨張変位による位相変化を受ける。

【００３０】一方、Ｓ偏光成分７０（破線）は、参照光
として円筒ビーム、即ち平面波の状態で試料の広い範囲
７２に入射する。Ｐ偏光成分６９の反射光は、光音響効
果または光熱効果により試料４３表面で生じた周期的熱
膨張変位の情報を位相変化としてもっている。

【００３１】Ｐ偏光成分６９及びＳ偏光成分７０の両反
射光は、再び同一の光路を経た後、２重焦点レンズ５４
により合成される。この合成光は、ビームスプリッタ５
３で反射される。図５の８４は、Ｐ偏光成分６９（プロ
ーブ光）の反射光の偏光方向を、８５はＳ偏光成分７０
（参照光）の反射光の偏光方向を各々示している。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５５の後に偏光板５６を挿入
し、その偏光方向を図５の８６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７４が得ら
れる。このヘテロダイン干渉光７４には光音響効果また
は光熱効果により試料４３表面で生じた熱膨張変位の情
報が、位相情報として含まれている。この干渉光７４を
結像レンズ５５により、ホトダイオード等の光電変換素
子５７上に結像させる。尚、干渉光７４に含まれる不要
な高次回折光成分は、ピンホール１５０で遮光される。
光電変換された光干渉信号はプリアンプ５８で増幅され
る。

【００３２】ここで、重要な点は、図６に概略図として
示すように、プローブ光６９（Ｐ偏光成分）に関して
は、試料４３表面４０上の集光位置７１（対物レンズ４
２の前側焦点位置）と、光電変換素子５７とが共役、即
ち結像関係にあり、一方、参照光７０（Ｓ偏光成分）に
関しては、対物レンズの後側焦点位置１５１、即ち、試
料４３表面４０に対するフーリエ変換位置と、光電変換
素子５７とが結像関係にあるという点である。従って、
プローブ光は、試料表面４０の集光位置７１で生じた周
期的熱膨張変位による位相変化を、そのままもっている
のに対し、参照光は、試料表面４０の荒れや微小凹凸に
よる位相分布のフーリエ変換像の情報をもっている。こ
のフーリエ変換像のうち、高周波成分は、光電変換素子
５７の手前のピンホール１５０で遮光されるため、最終
的に、試料表面４０の荒れや微小凹凸による位相分布情
報のうち直流成分のみが参照波面として、干渉に寄与す
る。従って、参照光の照射範囲を十分大きくすることに
より、試料表面４０の荒れや微小凹凸の影響が大幅に低
減した安定した参照波面を得ることが可能となる。

【００３３】ところで、図７に示すように、励起光１９
の照射により周期的熱膨張変位が生じる領域は、概ね熱
拡散長μ_Sの範囲と考えられるので、円筒ビームの状態
で試料４３表面に入射する参照光７０の照射範囲（半径
Ｒ）は、静止し安定した参照波面が得られるよう、即
ち、熱膨張による光の位相変化の影響が十分無視できる
大きさとなるよう、Ｒ≫μ_Sとする必要がある。

【００３４】今、Ｈｅ−Ｎｅレーザ４５から出射する直
線偏光ビーム７５の波長をλ、試料４３表面からの反射
光のうち、プローブ光６９（Ｐ偏光成分）の反射光の強
度をＩ_s、参照光７０（Ｓ偏光成分）の反射光の強度を
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４３表面で生じた熱膨張変位の振幅をＡ、位相をθ
とすると、光電変換素子５７で検出される干渉光の強度
Ｉは次式で表される。

【００３５】

【数２】

【００３６】さらに、Ａ≪λより上式は近似的に次式の
形に改められる。

【００３７】

【数３】

【００３８】ここで、Ａ・ｃｏｓ（２πｆ_Eｔ＋θ）が
光音響効果に基づいて生じた試料４３表面の熱膨張変位
を表す項である。尚、本実施例では、ｆ_B＝１００ｋＨ
ｚ，ｆ_E＝８０ｋＨｚとした。

【００３９】以下では、信号処理系２０３によって、
（数３）式で表される干渉信号から、熱膨張変位の振幅
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５８で増幅された後、
検波回路５９に送られる。検波回路５９では、図８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により位相が
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
４）式で、またアンプ９４からの出力信号Ｉ_D2は（数
５）式で、さらにミキサ９５からの出力信号Ｉ_Dは（数
６）式で各々表される。

【００４０】

【数４】

【００４１】

【数５】

【００４２】

【数６】

【００４３】（数６）式において、第１項はｆ_Bの周波
数成分、第２項は２ｆ_Bの周波数成分、第３項は、熱膨
張変位の振幅Ａ、位相θを有する周波数ｆ_Eの成分、第
４項は２ｆ_B＋ｆ_Eの周波数成分、第５項は２ｆ_B−ｆ_Eの
周波数成分である。ｆ_E≪ｆ_B、またｆ_E≪２ｆ_B±ｆ_Eで
あるから、ミキサ９５からの出力信号を、例えば２ｆ_E
程度のカットオフ周波数をもつローパスフィルタ９６に
通すことにより、第３項、即ち、熱膨張変位の振幅Ａ、
位相θを有する周波数ｆ_Eの成分を取り出すことができ
る。尚、実際の光音響法では、熱膨張変位の振幅Ａはサ
ブナノメートルオーダと非常に微弱であり、また、干渉
信号には、上記（数６）式で表される周波数成分以外に
各種電気ノイズが含まれている。そこで、実際には、ロ
ーパスフィルタ９６からの出力信号を図１のロックイン
アンプ６２に入力し、音響光学変調素子１４２駆動用発
振器６０からの強度変調信号（周波数ｆ_E）を参照信号
として、最終的に周波数ｆ_Eの成分、即ち、熱膨張変位
の振幅Ａ及び位相θのみを高精度に抽出することができ
る。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４４により試料４３をｘ
ｙ方向に逐次走査しながら、上記ロックインアンプ６２
からの出力信号を計算機６３で処理していくことによ
り、試料４３全面の２次元光音響画像が得られ、ＴＶモ
ニタ６４に出力される。また、発振器６０から出力され
る変調信号の周波数ｆ_Eを計算機６３で制御して、様々
な変調周波数に設定することにより、試料４４の様々な
深さの内部情報を検出することができる。

【００４４】本実施例では、図６に示すように、試料表
面４０の荒れや微小凹凸による位相分布のフーリエ変換
像のうち、高周波成分を光電変換素子５７の手前のピン
ホール１５０で遮光し、直流成分のみを透過させ、これ
を参照波面として用いている。この遮光手段は、ピンホ
ール１５０に限定されるものではなく、例えば、偏光板
にピンホールを形成し、これを対物レンズの後側焦点位
置１５１、即ち、試料４３表面４０に対するフーリエ変
換位置に設置し、その偏光方向をプローブ光６９（Ｐ偏
光成分）の偏光方向と一致させる。これにより、プロー
ブ光はそのまま透過することができるが、参照光７０
（Ｓ偏光成分）については、直流成分のみがピンホール
部を透過し、ピンホール径よりも大きく広がった高周波
成分は偏光板により遮光される。

【００４５】本実施例によれば、図１に示すように、光
音響効果または光熱効果による熱膨張変位を検出するた
めのプローブ光路と参照光路とを完全に同一光路とする
ことにより、両光路間の微小な空気の揺らぎや振動の影
響による干渉信号の変動を低減することができる。

【００４６】更に、本実施例によれば、図６に示すよう
に、参照波面として、試料表面の広い領域からの反射光
のフーリエ変換像の直流成分を用いているので、試料表
面４０の荒れや微小凹凸によるコヒーレンスの低下を抑
えることができ、表面の荒れた試料に対しても、常に安
定した干渉光を得ることが可能となる。以上より、本実
施例によれば、高精度かつ高感度な光音響信号の検出が
可能となる。

【００４７】更に、本実施例によれば、参照光の照射領
域を熱拡散長よりも十分大きくすることにより、従来の
共通光路干渉計において、熱膨張変位により参照光が受
ける位相変化の影響を低減することが、また、プローブ
光と参照光との間隔による空間分解能の低下を低減する
ことが可能となる。

【００４８】本発明の第２の実施例を図９〜図１１に基
づいて説明する。図９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
２０４、光音響信号を検出するための２重焦点レンズを
用いた共通光路形ヘテロダイン干渉光学系２０５、及び
信号処理系２０６から成る。第１の実施例が、励起ビー
ム、プローブビーム共にポイントビームを用い、試料を
２次元的に走査することにより、２次元光音響画像を得
ていたのに対し、本実施例では、励起ビーム及びプロー
ブビームに直線状のビームを用い、試料の複数点を同時
に励起、検出することにより、高速に２次元光音響画像
が得られるようにした点に大きな特徴がある。

【００４９】励起光学系２０４のＡｒレーザ１４１（波
長５１５ｎｍ）から出射した平行ビーム１４４を、音響
光学変調素子１４２により変調周波数ｆ_Eで強度変調し
た後、ビームエキスパンダ１４３により所望のビーム径
に拡大する。拡大ビーム光１９をシリンドリカルレンズ
（円筒レンズ）１００により楕円ビーム１２２にし、ダ
イクロイックプリズム４１（波長６００ｎｍ以下は反
射、６００ｎｍ以上は透過）で反射させた後、対物レン
ズ４２の後側焦点位置１５１にｘ方向（紙面に対し垂直
方向）にのみ集光させる。ｙ方向に関してはシリンドリ
カルレンズ１００は曲率をも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１５１には平行光
のままで入射する。その結果、図１０に示すように、対
物レンズ４２の前側焦点位置、即ち試料１０１の表面上
には、励起光として、ｘ方向に幅をもちｙ方向に集束し
た１本の直線状ビーム１２３が得られる。今、試料１０
１として、ポリイミド等１２５を絶縁体として形成され
たＣｕ等の配線パターン１２６、１２７を考える。図１
１は、試料１０１の内部構造と、直線状の励起ビーム１
２３によって生じた熱拡散領域を示す断面図である。試
料１０１は、セラミック基板１２９上に厚さ２０μｍの
ポリイミド１２５を絶縁体として厚さ２０μｍのＣｕパ
ターン１２６、１２７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
１３１や下地基板とＣｕパターン界面の剥離１３２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１２６、１２７とその周辺のポリイミド１２５との
熱的性質の違いである。即ち、Ｃｕの熱伝導率κは４０
３〔Ｊ・ｍ~¹・ｋ~¹・ｓ~¹〕、密度ρは８．９３〔×１
０⁶ｇ・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κは０．２８８
〔Ｊ・ｍ~¹・ｋ~¹・ｓ~¹〕、密度ρは１．３６〔×１０
⁶ｇ・ｍ~³〕、比熱ｃは１．１３〔Ｊ・ｇ~¹・ｋ~¹〕で
あり、特にＣｕの熱伝導率κはポリイミドのそれの１４
００倍である。そこで、励起光の強度変調周波数ｆ_Eを
５０ｋＨｚとして、（数１）式に上記の値を代入する
と、Ｃｕパターン部１２６、１２７における熱拡散長μ
_sは約２７μｍ、ポリイミド部１２５における熱拡散長
は約１．１μｍとなる。その結果、図１１（ａ）に示す
ように、直線状の励起ビーム１２３によって形成された
直線状の光吸収領域において与えられた熱が、検査対象
であるＣｕパターン部１２６、１２７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
うような熱拡散領域１３０が形成される。一方、検査対
象外のポリイミド部１２５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１１
（ａ）に示すように、直線状の励起ビーム１２３を複数
のＣｕ配線パターン１２６、１２７を覆うように照射す
ると、直線状の光吸収領域に沿って光音響効果もしくは
光熱効果に基づいて、試料１０１表面に周期的な熱膨張
変位の分布１３３（破線）が生じる。この熱膨張変位分
布１３３には、各Ｃｕ配線パターン１２６、１２７の内
部情報（内部クラック１３１、剥離欠陥１３２）及びポ
リイミド部１２５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。欠陥部では、熱伝導率が低
下するので、熱膨張変位が増加する。このように、直線
状の励起ビーム１２３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。

【００５０】次に、この熱膨張変位分布１３３を検出す
るための、２重焦点レンズを用いた共通光路形ヘテロダ
イン干渉光学系２０５の構成とその機能について説明す
る。図９において、第１の実施例と同様、Ｈｅ−Ｎｅレ
ーザ４５（波長６３３ｎｍ）から出射する直線偏光ビー
ム７５の偏光方向を、図２（ａ）の８１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４６により、入射光
ビーム７５のうち図２（ａ）の８２で示すＰ偏光成分６
６（実線）は偏光ビームスプリッタ４６を透過し、音響
光学変調素子４７に入射する。また、図２（ａ）の８３
で示すＳ偏光成分６７（破線）は偏光ビームスプリッタ
４６で反射され、ミラー４９で反射された後、音響光学
変調素子５０に入射する。ドライバ１３５から出力され
た周波数ｆ_C1及びｆ_C2（ｆ_C1≠ｆ_C2）の正弦波を各々音
響光学変調素子４７及び５０に入力し、Ｐ偏光成分６６
及びＳ偏光成分６７の各光周波数を各々ｆ_C1及びｆ_C2だ
けシフトさせる。両偏光成分は、偏光ビームスプリッタ
５１で合成される。この合成光６８は二周波直交偏光、
即ち図２（ｂ）に示す様に、８２及び８３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。

【００５１】合成光６８ををビームスプリッタ１０２を
通過させた後、ビームエキスパンダ５２により所望のビ
ーム径に拡大する。拡大ビームをビームスプリッタ５３
を透過させた後、方解石等の複屈折材料を用いて構成し
た２重焦点シリンドリカルレンズ１０７に入射させる。
この２重焦点シリンドリカルレンズ１０７は、紙面と平
行な方向に関しては、第１の実施例で図３に示したよう
に、入射光６８に対し、ある偏光成分６９に対しては焦
点距離が無限大となり、それと直交する偏光成分７０に
対しては有限の焦点距離Ｆ_Pとなるよう、即ち２重焦点
機能を有するように設計されている。一方、紙面に対し
垂直方向（図９においてＡ方向から見る方向）に関して
は、曲率をもたない形状となっているため、２重焦点機
能を有さない構造となっている。

【００５２】今、図３における偏光成分６９を図９にお
けるＰ偏光成分１２１（破線）、同じく偏光成分７０を
Ｓ偏光成分１２０（実線）とすると、２重焦点レンズ１
０７から出射したＳ偏光成分１２０（実線）は、紙面と
平行な方向（ｙ方向）に関しては、集束光となり、リレ
ーレンズ１０８通過後平行光のまま対物レンズに入射
し、直線状励起ビーム１２３と同じ集光位置（対物レン
ズ４２の前側焦点位置）に集光する。一方、紙面と垂直
な方向（ｘ方向、Ａ方向から見る方向）に関しては、２
重焦点シリンドリカルレンズ１０７は曲率をもたない板
ガラスとみなせるので、Ｓ偏光成分１２０（実線）は平
行光のままリレーレンズ１０８に入射するため、その出
射光は集束光となり、対物レンズ４２の後側焦点位置１
５１に集光し、対物レンズ４２通過後、平行光として試
料１０１表面に入射する。その結果、図１０及び図１１
に示すように、Ｓ偏光成分１２０（実線）に関しては、
対物レンズ４２の前側焦点位置、即ち試料１０１の表面
上に、励起ビーム１２３と同様、ｘ方向に幅をもちｙ方
向に集束した１本の直線状プローブビーム１２８が得ら
れる。

【００５３】一方、２重焦点レンズ１０７から出射した
Ｐ偏光成分１２１（破線）は、紙面と平行な方向（ｙ方
向）に関しては、平行光のままリレーレンズ１０８に入
射するため、その出射光は集束光となり、対物レンズ４
２の後側焦点位置１５１に集光し、対物レンズ４２通過
後、平行光として試料１０１表面に入射する。また、紙
面と垂直な方向（ｘ方向、Ａ方向から見る方向）に関し
ては、２重焦点シリンドリカルレンズ１０７は曲率をも
たない板ガラスとみなせるので、Ｐ偏光成分１２１（破
線）は平行光のままリレーレンズ１０８に入射するた
め、その出射光は集束光となり、対物レンズ４２の後側
焦点位置１５１に集光し、対物レンズ４２通過後、平行
光として試料１０１表面に入射する。その結果、図１０
及び図１１に示すように、Ｐ偏光成分１２１（破線）に
関しては、参照光として、平面波の状態で試料の広い範
囲１２４に入射する円筒ビーム１２１が得られる。

【００５４】Ｓ偏光成分１２０（実線）から成る直線状
プローブビーム１２８は、直線状励起ビーム１２３によ
り直線状に生じた熱膨張変位分布による位相変化を受け
る。位相変化を受けたＳ偏光直線状プローブビーム１２
８の反射光と、参照光であるＰ偏光円筒ビーム１２１の
反射光は、再び同一の光路を経た後、２重焦点シリンド
リカルレンズ１０７により合成され、平行光となる。

【００５５】この合成平行光は、ビームスプリッタ５３
で反射され、シリンドリカル結像レンズ１０９により、
紙面と平行な方向（ｙ方向）に関しては集束光として、
紙面と垂直な方向（ｘ方向、Ｂ方向から見る方向）に関
しては、平行光のまま、即ち直線状のビームとして、１
次元ＣＣＤセンサ等の蓄積形固体撮像素子１１１に入射
する。図５の８４は、Ｓ偏光成分１２０（プローブ光）
の反射光の偏光方向を、８５はＰ偏光成分１２１（参照
光）の反射光の偏光方向を各々示している。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、シリンドリカル結像レンズ１０９の後に偏光板１１
０を挿入し、その偏光方向を図５の８６に示すように４
５°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直線状のヘテロダイン
干渉光１５２が得られる。このヘテロダイン干渉光１５
２には光音響効果または光熱効果により試料１０１表面
で生じた熱膨張変位の情報が、位相情報として含まれて
いる。尚、干渉光１５２に含まれる不要な高次回折光成
分は、直線状ビーム形状に対応させた直線状開口部を有
する遮光板１５３で遮光される。１次元ＣＣＤセンサ１
１１で光電変換された光干渉信号はプリアンプ１１２で
増幅された後、入力用インタフェース回路１１５に送ら
れる。

【００５６】ここで、重要な点は、図９に示すように、
直線状プローブビーム１２８（Ｓ偏光成分）に関して
は、試料１０１表面（対物レンズ４２の前側焦点位置）
と、１次元ＣＣＤセンサ１１１とが共役、即ち結像関係
にあり、一方、参照光１２１（Ｓ偏光成分）に関して
は、対物レンズ４２の後側焦点位置１５１、即ち、試料
１０１表面に対するフーリエ変換位置と、１次元ＣＣＤ
センサ１１１とが結像関係にあるという点である。従っ
て、直線状プローブ光１２８は、試料表面１０１の表面
で直線状に生じた周期的熱膨張変位による位相変化を、
そのままもっているのに対し、参照光は、試料１０１表
面の荒れや微小凹凸による位相分布のフーリエ変換像の
情報をもっている。このフーリエ変換像のうち、高周波
成分は、１次元ＣＣＤセンサ１１１の手前の遮光板１５
３で遮光されるため、最終的に、試料１０１表面の荒れ
や微小凹凸による位相分布情報のうち直流成分のみが参
照波面として、干渉に寄与する。従って、参照光の照射
範囲を十分大きくすることにより、試料１０１表面の荒
れや微小凹凸の影響が大幅に低減した安定した参照波面
を得ることが可能となる。

【００５７】ところで、図１０において、第１の実施例
と同様、直線状励起ビーム１２３の照射により周期的熱
膨張変位が生じる領域は、概ね熱拡散長μ_Sの範囲と考
えられるので、円筒ビームの状態で試料１０１表面に入
射する参照光１２１の照射範囲（半径Ｒ）１２４は、静
止し安定した参照波面が得られるよう、即ち、熱膨張に
よる光の位相変化の影響が十分無視できる大きさとなる
よう、ｙ方向に関してＲ≫μ_Sとする必要がある。

【００５８】尚、図９において、ビームスプリッタ１０
２では、二周波直交偏光の合成光６８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５の８６に示すように４５°方向とし
た偏光板１０３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１０４
で検出される。このビート信号は増幅回路１０５を経
て、基準信号発生回路１０６に送られ、１次元ＣＣＤセ
ンサ１１１駆動用クロック信号を生成する。クロック信
号は、分周回路１１３に送られ、１次元ＣＣＤセンサ用
蓄積時間制御信号を生成し、クロック信号と共に、１次
元ＣＣＤセンサ１１１及びセンサ出力信号入力用インタ
フェース回路１１５に送られる。また同時に、クロック
信号は分周回路１１４に送られ、励起用強度変調信号を
生成し、音響光学変調素子１４２駆動用ドライバ１１９
に送る。以上のように、１次元ＣＣＤセンサ駆動用クロ
ック信号、蓄積時間制御信号、及び励起用強度変調信号
は、総て干渉光学系で得られたヘテロダインビート信号
を基準信号として生成され、また、上記基準信号発生回
路１０６、分周回路１１３及び１１４は総てＰＬＬ（Ｐ
ｈａｓｅＬｏｃｋＬｏｏｐ）回路で構成され、周波
数及び位相の安定度向上を図っている。

【００５９】入力用インタフェース回路１１５に送られ
た１次元ＣＣＤセンサ１１１からの出力信号は、ＡＤ変
換の後、計算機１１６に送られ、試料１０１表面で生じ
た熱膨張変位の振幅Ａ及び位相θが抽出される。Ｈｅ−
Ｎｅレーザ４５から出射する直線偏光ビーム７５の波長
をλ、試料１０１表面からの反射光のうち、直線状プロ
ーブビーム１２８（Ｓ偏光成分）の反射光の強度を
Ｉ_s、円筒状参照光１２１（Ｐ偏光成分）の反射光の強
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)、とすると、１次元ＣＣＤセンサ１１１の１画素に
入射するヘテロダイン干渉光の強度Ｉは、第１の実施例
と同様、（数３）式で表される。

【００６０】以下では、計算機１１６を含めた信号処理
系２０６によって、（数３）式で表される干渉光から、
熱膨張変位の振幅Ａ及び位相θを求める方法について説
明する。１次元ＣＣＤセンサ１１１の１画素から出力さ
れる検出信号Ｉ_D（ｎ＋ｉ）（ｎ＋ｉは１次元ＣＣＤセ
ンサ１１１の蓄積・出力回数）は、センサの蓄積時間を
α／ｆ_Bとして、次式で与えられる。

【００６１】

【数７】

【００６２】次に、（数７）式に関して、各積分に伴
う、即ちｉの変化に対する第２項の位相シフト量がπ／
４、熱膨張変位の振幅Ａ及び位相θの成分を含む第４項
のそれがπ／２になる条件を、また第３項が消去され
る、即ち振幅成分が０になる条件を導くと、次式が得ら
れる。

【００６３】

【数８】

【００６４】

【数９】

【００６５】ここで、ｐ、ｓは任意の整数である。例え
ば、ｐ＝４、ｓ＝０とすると、（数８）式よりα＝１７
／８、またｆ_B＝１００ｋＨｚとすると、（数９）式よ
りｆ_E＝８８．２３５ｋＨｚとなる。αの値を（数４）
式に代入すると、次の（数１０）式が得られる。

【００６６】

【数１０】

【００６７】尚、上記パラメータｆ_B＝１００ｋＨｚは
計算機１１６で設定され、音響光学変調素子４７及び５
０駆動用ドライバ１３５に送られ、またｆ_E＝８８．２
３５ｋＨｚは、ホトダイオード１０４で検出した周波数
ｆ_Bのヘテロダインビート信号を原信号とする基準信号
発生回路１０６及び分周回路１１４で設定され、強度変
調用音響光学変調素子１４２駆動用ドライバ１１９に送
られる。また、センサの蓄積時間α／ｆ_Bの設定方法
は、基準信号発生回路１０６及び分周回路１１３によ
り、周波数ｆ_B／αの１次元ＣＣＤセンサ用読出しシフ
トパルス（蓄積時間制御信号）を作り出し、これにより
１次元ＣＣＤセンサ１１１を駆動することにより、実現
している。

【００６８】（数１０）式において、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１０１表面の凹凸による位相変化を含め
たプローブ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項は蓄積・出力回数ｉに対する位相シフ
ト量がπ／２で、試料１０１表面の凹凸による位相変化
を含めたプローブ光路と参照光路との間の光位相差φ、
熱膨張変位の振幅Ａ及び位相θに関する変調成分であ
る。第２項に関しては、８個の積分データから、第３項
に関しては、４個の積分データから、各々１周期分の干
渉信号を再生できることが判る。

【００６９】従って、１次元ＣＣＤセンサ１１１からの
検出信号Ｉ_D（ｎ＋ｉ）をプリアンプ１１２で増幅し、
インタフェース回路１１５にてＡＤ変換した後、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
蓄積・出力データセットを、インタフェース回路１１５
内の２次元メモリに格納する。１次元ＣＣＤセンサ１１
１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）回目の蓄積・
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次元メモリから読み出す際は、以下の
ように１画素ごとに８０個の蓄積・出力データセットを
順次読み出し、計算機１１６に送っていく。

【００７０】 (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＋８０，２５６) 計算機１１６では、１画素ごとに８０個の蓄積・出力デ
ータセットを用いて、以下の計算処理を行い、試料１０
１表面の反射光強度Ｉ_s（反射率に比例）、試料１０１
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１０１表面の反射率
を補正した熱膨張変位の振幅Ａ、試料１０１表面の凹凸
による位相変化を補正した熱膨張変位の位相θを求め
る。

【００７１】

【数１１】

【００７２】

【数１２】

【００７３】

【数１３】

【００７４】

【数１４】

【００７５】ｘｙステージ１１８により、試料１０１を
直線状励起ビーム及び直線状プローブビームと直交する
方向に逐次走査しながら、上記１次元ＣＣＤセンサ１１
１からの検出信号を計算機１１６で処理していくことに
より、試料１０１全面の２次元光音響画像が得られ、Ｔ
Ｖモニタ１１７に出力される。図１１（ａ）に示すよう
に、内部クラック１３１及び剥離欠陥１３２の部分で
は、熱膨張変位の振幅Ａ１３３が増加するので、この変
化から、これら内部欠陥の存在を認識することができ
る。

【００７６】本実施例では、図９に示すように、試料表
面の荒れや微小凹凸による位相分布のフーリエ変換像の
うち、高周波成分を１次元ＣＣＤセンサ１１１の手前の
遮光板１５３で遮光で遮光し、直流成分のみを透過さ
せ、これを参照波面として用いている。この遮光手段
は、遮光板１５３に限定されるものではなく、例えば、
偏光板にピンホールを形成し、これを対物レンズの後側
焦点位置１５１、即ち、試料１０１表面に対するフーリ
エ変換位置に設置し、その偏光方向をプローブ光１２０
（Ｓ偏光成分）の偏光方向と一致させる。これにより、
プローブ光はそのまま透過することができるが、参照光
１２１（Ｐ偏光成分）については、直流成分のみがピン
ホール部を透過し、ピンホール径よりも大きく広がった
高周波成分は偏光板により遮光される。

【００７７】以上述べたように、本実施例によれば、第
１の実施例と同様、図９に示すように、光音響効果また
は光熱効果による熱膨張変位を検出するためのプローブ
光路と参照光路とを完全に同一光路とすることにより、
両光路間の微小な空気の揺らぎや振動の影響による干渉
信号の変動を低減することができる。

【００７８】更に、本実施例によれば、図９及び図１０
に示すように、参照波面として、試料表面の広い領域か
らの反射光のフーリエ変換像の直流成分を用いているの
で、試料表面の荒れや微小凹凸によるコヒーレンスの低
下を抑えることができ、表面の荒れた試料に対しても、
常に安定した干渉光を得ることが可能となる。以上よ
り、本実施例によれば、高精度かつ高感度な光音響信号
の検出が可能となる。

【００７９】更に、本実施例によれば、参照光の照射領
域を熱拡散長よりも十分大きくすることにより、従来の
共通光路干渉計において、熱膨張変位により参照光が受
ける位相変化の影響を低減することが、また、プローブ
光と参照光との間隔による空間分解能の低下を低減する
ことが可能となる。

【００８０】更に、本実施例によれば、第１の実施例の
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、直線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、各点で生じた熱膨張変位の検出
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熱膨張成分を並列に同時に
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。

【００８１】更に、本実施例によれば、ただ１個の１次
元ＣＣＤ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、熱膨張変位の振幅分布、及び熱膨張変位
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。

【００８２】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
した熱膨張成分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。

【００８３】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。

【００８４】更に、本実施例によれば、光干渉信号から
熱膨張成分を抽出する際に、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熱膨張成
分の検出が可能となる。

【００８５】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。

【００８６】尚、上記の実施例では、蓄積形の１次元Ｃ
ＣＤセンサを用いているが、非蓄積形のホトダイオード
アレイを用いることも可能である。また、上記２つの実
施例では、複屈折材料を用いて偏光条件に依存した２重
焦点レンズを用いたが、色収差を用いた２重焦点レンズ
を用いることも可能である。

【００８７】

【発明の効果】本発明によれば、光音響効果または光熱
効果による熱膨張変位を検出するためのプローブ光の光
路と参照光の光路とを完全に同一光路とすることによ
り、両光路間の微小な空気の揺らぎや振動の影響による
干渉信号の変動を低減した高精度な熱膨張変位計測（光
音響信号検出）が可能となり、高精度な試料内部構造及
び内部欠陥計測が実現できるという効果を有する。

【００８８】また、本発明によれば、参照波面として、
試料表面の広い領域からの反射光のフーリエ変換像の直
流成分を用いているので、試料表面の荒れや微小凹凸に
よるコヒーレンスの低下を抑えることができ、常に安定
した干渉光を得ることが可能となり、表面の荒れた試料
に対しても、高精度な内部構造及び内部欠陥計測が実現
できるという効果を有する。

【００８９】また、本発明によれば、参照光の照射領域
を熱拡散長よりも十分大きくすることにより、従来の共
通光路干渉計において、熱膨張変位により参照光が受け
る位相変化の影響を低減することが、また、プローブ光
と参照光との間隔による空間分解能の低下を低減するこ
とが可能となり、高安定かつ高分解能な試料内部構造及
び内部欠陥計測が実現できるという効果を有する。

【００９０】また、本発明によれば、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。

【００９１】また、本発明によれば、空気の揺らぎや振
動等の外乱の影響が低減され、また、試料表面の荒れや
微小凹凸によるコヒーレンスの低下を抑えることがで
き、表面の荒れた試料に対しても、常に安定した干渉光
を得ることが可能となり、常に高精度かつ高感度な光音
響信号の検出が可能になるという効果を有する空気の揺
らぎや振動等の外乱の影響が低減され、また、試料表面
の荒れや微小凹凸によるコヒーレンスの低下を抑えるこ
とができ、表面の荒れた試料に対しても、常に安定した
干渉光を得ることが可能となり、常に高精度かつ高感度
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】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３】複屈折材料を用いて構成した２重焦点レンズの
機能を示す図である。

【図４】第１の実施例におけるプローブ光と参照光のビ
ーム形状を示す斜視図である。

【図５】試料からのプローブ反射光、参照光及び偏光板
の各偏光方向を示す図である。

【図６】プローブ光と参照光に関する結像関係を示す図
である。

【図７】参照光の照射領域と熱拡散長との関係を示す図
である。

【図８】第１の実施例における検波回路の構成を示す図
である。

【図９】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１０】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、及び参照ビームのビーム形
状を示す斜視図である。

【図１１】第２の実施例における試料の断面構造と、直
線状の励起ビームによる熱拡散及び熱膨張変位の発生の
様子を示す図である。

【図１２】従来の光音響検出光学系を説明するための図
である。

【図１３】光音響効果の原理図である。

【図１４】従来の共通光路形干渉計を用いた光音響検出
光学系を説明するための図である。

【図１５】共通光路形干渉計において、熱拡散長の増加
による熱膨張変位検出感度の低下を示す図である。

【図１６】試料表面の荒れや微小凹凸によるプローブ光
及び参照光のコヒーレンスの低下を示す図である。

【符号の説明】

１、８…レーザ、１４１…Ａｒレーザ、４５…Ｈｅ−Ｎ
ｅレーザ、２、４７、５０、１４２…音響光学変調素
子、５４…２重焦点レンズ、１０７…２重焦点シリンド
リカルレンズ、１００…シリンドリカルレンズ、１０９
…シリンドリカル結像レンズ、４２…対物レンズ、５
７、１０４…光電変換素子、１１１…１次元ＣＣＤセン
サ、５９…検波回路、６２…ロックインアンプ、６３、
１１６…計算機、４３、１０１…試料、１２６、１２７
…Ｃｕ配線パターン。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの光を所望の周波数で強度変調し
て強度変調した光を試料表面の測定点に照射して光音響
効果あるいは光熱効果を発生させ、前記測定点にプロー
ブ光と該プローブ光よりも大きい照射領域を有する参照
光とを照射し、プローブ光に基づく試料表面からの反射
光と前記参照光に基づく試料表面に対するフーリエ変換
像の直流成分とを互いに光学的に干渉させて干渉光を光
電変換素子で検出し、該検出された干渉強度信号の中か
ら前記光音響効果あるいは光熱効果により生じた前記強
度変調周波数と同じ周波数成分の熱歪を検出し、該周波
数成分の熱歪より試料の表面または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】前記参照光の照射領域は、前記光音響効果
あるいは光熱効果によって発生する熱拡散領域と同じ
か、もしくはそれよりも大き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】前記プローブ光と参照光とは、互いに直交
した偏光成分からな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】前記プローブ光に関しては試料表面からの
反射光を、参照光に関しては試料表面に対するフーリエ
変換像の直流成分を、互いに光学的に干渉させる方法
は、２重焦点レンズを用いることを特徴する請求項１記
載の光音響信号検出方法。
【請求項５】前記２重焦点レンズは、複屈折光学材料を
用いて構成し、入射光の偏光に依存して焦点距離が変わ
ることを特徴する請求項４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所望の周波数で強
度変調する強度変調手段とを備えて該強度変調手段で強
度変調した光を試料表面の測定点に照射して光音響効果
あるいは光熱効果を発生させる励起手段と、該励起手段
で光音響効果あるいは光熱効果を発生させた測定点にプ
ローブ光と該プローブ光よりも大きい照射領域を有する
参照光とを照射する照射手段と、該照射手段で前記測定
点に照射されたプローブ光に基づく試料表面からの反射
光と前記照射手段で照射された参照光に基づく試料表面
に対するフーリエ変換像の直流成分とを互いに光学的に
干渉させて光電変換素子で検出する干渉光検出手段と、
該干渉光検出手段で検出された干渉強度信号の中から前
記光音響効果あるいは光熱効果により生じた前記強度変
調周波数と同じ周波数成分の熱歪を検出し、該周波数成
分の熱歪より試料の表面または内部情報を抽出する情報
検出手段を備えたことを特徴とする光音響信号検出装
置。
【請求項７】前記照射手段で照射される参照光の照射領
域を前記光音響効果あるいは光熱効果によって発生する
熱拡散領域と同じか、もしくはそれよりも大きくするよ
うに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。
【請求項８】前記照射手段で照射されるプローブ光と参
照光とを互いに直交した偏光成分からなるように構成す
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。
【請求項９】前記干渉光検出手段は、２重焦点レンズを
備えたことを特徴する請求項６記載の光音響信号検出装
置。
【請求項１０】前記２重焦点レンズは、入射光の偏光に
依存して焦点距離が変わるように複屈折光学材料を用い
て構成したことを特徴する請求項９記載の光音響信号検
出装置。