KR0168444B1 - 열팽창진동을 이용한 시료평가방법 - Google Patents

열팽창진동을 이용한 시료평가방법 Download PDF

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Abstract

시료에 주기적으로 강도를 변조한 여기광을 조사하고 이것에 의해 생기는 시료표면의 열팽창 진동을 측정해서 시료의 결함등을 평가함에 있어서, 진동하는 시료표면에 진동주파수(F1)인 측정광을 조사하고 그 반사광과 진동수(F2)인 참조광을 간섭시킨다. 간섭광의 비이트파신호(E1)(비이트주파수 : Fb = F1- F2)를 2치신호(E2)로 변환하고, 이 2치신호에 적절한 처리를 해서 얻은 신호에 의해 시료를 평가한다. 또 여기광자신을 측정광과 겸하므로써 양광의 광축의 어긋남을 없앤다.

Description

열팽창진동을 이용한 시료평가방법
제1도는 제1의 발명에 해당하는 제1실시예의 장치의 블록도.
제2도는 시료의 내부결함을 검출하는 방법의 개념도.
제3도는 제2의 발명에 해당하는 제2실시예의 장치의 블록도.
제4도는 제3의 발명에 해당하는 제3실시예의 장치의 블록도.
제5도는 제4의 발명에 해당하는 제4실시예의 장치의 블록도.
제6도는 제5의 발명에 해당하는 제5실시예의 장치의 블록도.
제7도는 제6의 발명에 해당하는 제6실시예의 장치의 블록도.
제8도는 종래의 열팽창진동을 계측하는 방법의 개념도.
제9도는 종래의 반사율계측법에 기초한 시료의 평가방법을 도시하는 개념도이다.
본 발명은 시료에 주기적으로 강도를 변조한 여기광을 조사하고 이것에 의해 생기는 시료의 표면의 열팽창 진동을 측정해서 시료의 결함등을 평가하는 시료평가방법에 관한 것이다.
시료에 주기적으로 강도를 변조한 여기광을 조사하면 시료는 이 빛의 흡수에 의해 발열하고 이것에 의해 열팽창한다. 조사광은 주기적으로 강도가 변조되므로 발열에 의한 시료의 온도 변화는 주기적이 되어 시료는 열팽창진동을 일으킨다. 이것들의 열응답을 계측하므로서 시료를 평가하는 수법은 광음향 계측기술로서 알려져 있다.
제6도는 마이켈손형 레이저광 간섭법에 의해 시료의 열팽창진동을 계측하는 수법을 도시한 것이다(Miranda, APPLID OPTICS Vo122, No18, P2882(1983)). 여기에서 61은 피측정시료, 62는 시료에 열팽창진동을 부여하기 위한 여기광원이며, 쇼퍼(schopper)(63)에 의해 여기광원(62)으로 부터의 빛을 강도 변조하여 시료(61)에 조사한다. 이 열팽창진동을 레이저광 간섭법에 의해 계측한다. 그 때문에 측정용 레이저(64)로부터의 빛을 반투경(半透鏡)(65)으로 2분하고, 한편을 시료의 열팽창 측정점에 다른쪽을 공간적으로 고정한 거울(66)에 조사시켜서 이것들로부터의 반사광을 간섭시켜 광전변환기(67)로 수광(受光)한다. 광전변환기(67)로 부터의 전기출력(E)은 (1)식으로 연산된다.
Figure kpo00002
여기서, C1, C2및
Figure kpo00003
는 시료(61)나 간섭계의 구성이나 광전변환계수등에 의존하는 정수, λ는 측정용 레이저의 파장이다. P(t)는 여기광 조사에 의한 열팽창 진동에 의한 시료의 표면변위에 의한 위상변화이며 이 계측에 의해 시료의 열팽창진동을 계측하고 시료의 열탄성적 성질을 평가한다.
제7도는 반사율 계측법에 의거한 수법이다(일본국 특개소 61-2046참조). 여기레이저(30)로 부터의 빛을 변조기(32)에 주기적으로 강도변조하고 시료(22)에 조사해서 시료에 주기적 온도변화를 부여한다. 이 온도변화가 사료에 광반사율의 변화를 초래한다. 이 반사율의 변화를 검출하기 위해 측정용 레이저(50)를 시료의 온도변화 계측점(본도면에 있어서는 여기레이저 조사점과 같은 위치)에 거울(36)을 통해서 조사하고 그 반사광을 광검출기(56)로 검출한다. 이 출력으로부터 신호처리회로(58)에 의해 반사율의 변화를 구한다.
전자의 마이켈손형 레이저광 간섭에 의해 시료의 열팽창을 계측하는 수법에서는 상기 식(1)에 있어서 정수 C1, C2의 변화가 외란(外亂)으로서 측정 정밀도를 저하시킨다.
예를들면 여기광 조사에 의한 시료의 온도변화 및 플라즈마(전자, 호울) 밀도의 변화(반도체 시료의 경우)에 의해 시료의 반사율이 변화하는 경우가 있다. 이 경우 간섭광의 신호는 반사율변화에 따른 외란신호를 함유하고 있는 것이되고 간섭광의 신호로부터 진짜 열팽창신호를 계측할 수 없다. 또한 전자에서는 공기의 흔들림등의 외란진동이, 이것들은 (1)식의 위상항(
Figure kpo00004
)의 변동의 원인이 된다. 이것이 위상항P(t)의 계측시에 노이즈로 되고 측정정밀도를 저하시킨다.
후자의 반사율 계측법에 의한 방법은 시료의 온도변화, 플라즈마밀도 변화의 계측이므로 시료의 열팽창율등의 열탄성적 성질을 얻을 수 없다. 또 열확산장내의 정보밖에는 얻을수 없으므로 시료의 깊은곳을 평가할 수 없다는 결점이 있다. 또 기본적으로 온도변화에 대해서, 반사율이 변화하는 시료이외에는 적용할수 없다.
따라서 본 발명이 제1의 목적으로 하는 것은 시료의 온도변화, 플라즈마 밀도의 변화등에 의한 시료의 반사율의 변화 또는 외란의 영향을 받지않고 시료의 진짜 열팽창 진동을 계측할수 있는 열팽창진동에 의한 시료평가방법을 제공하는 것이다.
상기의 제1목적을 달성하기 위해서 다음에 표시하는 제1내지 제3의 발명이 제공된다. 어느것의 발명도 독립적으로 상기 제1의 목적을 달성한다.
상기 목적을 달성하기 위해서 제1의 발명은 시료에 주기적(주파수: F)으로 강도를 변조한 여기광을 조사하고 이것에 의해 생기는 시료표면의 열팽창진동을 측정해서 시료를 평가하는 방법에 있어서 상기 여기광 조사에 의해 열팽창 진동을 일으키는 시료표면위치에 진동주파수(F1)인 측정광(빔1)을 조사해서 그 반사광과 진동주파수(F2)인 참조광(빔2)을 간섭시켜 상기 간섭광을 광전변환한 전기신호(E)를 얻은 후 상기 전기신호(E)의 비이트파 신호(E1)(비이트주파수: Fb= F1-F2))를 꺼내서 상기 비이트파 신호(E1)를 2치화 처리해서 2치신호(E2)로 변환하고 상기 2치화신호(E2)로부터 주파수(F-Fb) 혹은 (F+Fb)의 성분을 추출해서 이 성분의 진폭 및 위상에 의해 시료를 평가하는 것을 특징으로 하는 열팽창 진동을 이용한 시료평가 방법으로서 구성되어 있다.
상기 제1의 목적을 달성하기 위한 제2의 발명은 시료에 주기적(주파수: F)으로 강도를 변조한 여기광을 조사하고 이것에 의해 생기는 시료표면의 열팽창진동을 측정해서 시료를 평가하는 방법에 있어서 상기 여기광 조사에 의해 열팽창 진동을 일으키는 시료 표면 위치에 진동주파수(F1)인 측정광(빔1)을 조사하고 그 반사광과 진동주파수(F2)인 참조광(빔2)을 간섭시켜 상기 간섭광을 광전 변환시킨 전기신호(E)를 얻은 후 상기 전기신호(E)의 비이트파신호(E1)(비이트 주파수: Fb(Fb= F1- F2))를 꺼내서 상기 비이트파 신호(E1)를 2치화처리해서 2치신호(E2)로 변환하고 상기 2치신호(E2)로부터 시간(τ)지연된 지연신호(Eb)를 일으키고 상기 2치신호(E2)와 상기 지연신호(Eb)를 곱셈해서 얻은 곱셈신호(Vt)로부터 주파수(F)에 관한 신호 성분(Va)을 추출해서 이 신호성분(Va)의 진폭 및 위상에 의해 시료를 평가하는 것을 특징으로 하는 열팽창진동을 이용한 시료평가 방법으로서 구성되어 있다.
상기 제1의 목적을 달성하기 위한 제3의 발명은 시료에 주기적(주파수: F)으로 강도를 변조한 여기광을 조사하고 이것에 의해 생기는 시료표면의 열팽창 진동을 측정해서 시료를 평가하는 방법에 있어서 상기 여기광 조사에 의해 열팽창진동을 일으키는 시료표면위치에, 진동주파수(F1)인 측정광(빔1)을 조사해서 그 반사광과 진동주파수(F2)인 참조광(빔2)을 간섭시켜 상기 간섭광을 광전변환한 전기신호(E)를 얻은 후, 상기 전기신호(E)의 비이트파 신호(E1)(비이트주파수: Fb(Fb= F1- F2))를 꺼내서 상기 비이트파 신호(E1)를 2치화처리해서 2치신호(E2)로 변환하고 상기 2치신호(E2)와 주파수(Fb)인 국부발진신호(Eb)를 곱셈한 신호(Vu)의 주파수(F)의 성분(Va)과 상기 신호(E2)에 대해 위상이 90°상이한 신호(E4)와 주파수(Eb)인 국부발진신호(Eb)를 곱셈한 신호(Vn)의 주파수(F)의 성분(Vc)을 추출하고 상기 성분(Va와 Vc)으로 시료의 열팽창 진동에 의한(빔1)의 위상변화(P(t))만을 변수로 하는 출력(Vc)을 연산하고 이(Vc)에 의해 시료를 평가하는 것을 특징으로 하는 열팽창진동을 이용한 시료평가방법으로해서 구성되어 있다.
또 본 발명이 제2의 목적으로 하는 점은 여기광 자체가 측정광을 겸하므로써 양 빛의 광축을 맞추는 등의 수고를 필요치 않게 하여 광학계의 간소화, 비용의 저하를 도모함과 함께 시료의 온도변화, 플라즈마 밀도의 변화 등에 의한 시료의 반사율의 변화등의 외란의 영향을 받지 않고 시료의 진짜 열팽창진동을 계측할 수 있는 열팽창진동에 의한 시료평가방법을 제공하는 것이다.
상기의 제2의 목적을 달성하기 위해서 제4의 발명은 시료에 주기적(주파수: F)으로 강도를 변조한 여기광을 조사하고 이것에 의해 생기는 시료표면의 열팽창진동을 측정해서 시료를 평가하는 방법에 있어서 주파수(F)로 강도를 변조한 진동주파수(F1)인 측정광(빔1)을 조사하고 그 반사광과 진동주파수(F2)인 참조광(빔2)을 간섭시켜 상기 간섭광을 광전변환한 전기신호(E)를 얻은후, 상기 전기신호(E)의 비이트파신호(E1)(비이트주파수: Fb(Fb= F1- F2))를 꺼내고 상기 비이트파신호(E1)를 2치화 처리해서 2치신호(E2)로 변환하고 상기 2치신호(E2)로부터 주파수(F-Fb) 혹은 (F+Fb)의 성분을 추출하고 그 성분의 진폭 및 위상에 의해 시료를 평가하는 것을 특징으로하는 열팽창 진동을 이용한 단일 광원에 의한 시료평가 방법으로서 구성되어 있다. 따라서 이 제4의 발명은 제1의 발명에 있어서 여기광과 측정광을 겸용한 것이다. 따라서 부호는 공통의 것을 사용하고 있다.
상기 제2의 목적을 달성하기 위하여 제5의 발명은 시료에 주기적(주파수: F)으로 강도를 변조한 여기광을 조사하고 이것에 의해 생기는 시료표면의 열팽창진동을 측정하여 시료를 평가하는 방법에 있어서 주파수(F)에서 강도를 변조한 진동주파수(F1)인 측정광(빔1)을 조사해서 그 반사광과 진동주파수(F2)인 참조광(빔2)을 간섭시키고 상기 간섭광을 광전변환한 전기신호(E)를 얻은 후 상기 전기신호(E)의 비이트파신호(E1)(비이트주파수: Fb(Fb= F1- F2))를 끄집어내서 상기 비이트파신호(E1)를 2치화처리해서 2치신호(E2)로 변환하고 상기 2치신호(E2)로부터 시간(τ)지연한 지연신호(Eb)를 생성하고 상기 2치신호(E2)와 상기 지연신호(Eb)를 곱셈하여 얻은 곱셈신호(Vt)로부터 주파수(F)에 관한 신호성분(Va)을 추출하고 이 신호성분(Va)의 진폭 및 위상에 의해 시료를 평가하는 것을 특징으로하는 열팽창진동을 이용한 시료평가방법으로서 구성되어있다.
상기 제2의 목적을 달성하기 위한 제6의 발명은 시료에 주기적(주파수: F)으로 강도를 변조한 여기광을 조사하고 이것에 의해 생기는 시료표면의 열팽창진동을 측정해서 시료를 평가하는 방법에 있어서 주파수(F)에서 강도를 변조한 진동주파수(F1)인 측정광(빔1)을 조사해서 그 반사광과 진동 주파수(F2)인 참조광(빔2)을 간섭시키고 상기 간섭광을 광전변환한 전기 신호(E)를 얻은 후 상기 전기신호(E)의 비이트파 신호(E1)(비이트 주파수: Fb(Fb= F1- F2))를 끄집어내서 상기 비이트파 신호(E1)을 2치화처리해서 2치신호(E2)로 변환하고 상기 2치신호(E2)와 주파수(Fb)인 국부 발진신호(Eb)를 곱한 신호(Vu)의 주파수(F)의 성분(Va)와 상기 신호(E2)에 대해 위상이 90°상이한 신호(E4)와 주파수(Fb)인 국부발진신호(Eb)를 곱셈한 신호(Va)의 주파수(F)의 성분(Vc)을 추출하고 상기 성분(Va와 Vc)으로부터 시료의 열팽창진동에 의한 빔1의 위상변화(P(t))만을 변수로하는 출력(Vc)을 연산해서 이 Vc에 의해 시료를 평가하는 것을 특징으로 하는 열팽창 진동을 이용한 시료평가방법으로서 구성되어 있다.
계속해서 제1도를 참조해서 제1의 발명의 구체화한 실시예에 대해 설명한다.
제1도에 도시하는 바와 같이 시료(4)에 열팽창진동을 부여하는 여기레이저로 반도체레이저(1)가 이용된다. 동 레이저(1)에의 주입전류의 변화에 의해 여기광을 주파수(F)로 강도를 변조하고 색선별거울(2)로 반사시켜 렌즈(3)로 집광하여 시료(4)에 조사한다.
시료(4)는 이 주기적인 광조사에 의해 주기적인 가열을 받아 열팽창진동을 일으킨다. 이 열팽창진동을 다음에 기술하는 레이저광 간섭법으로 계측한다.
측정용 레이저로 He-Ne레이저(5)가 사용된다. 이 출사광을 주파수 시프터(6)에 의해 서로가 직교하고 주파수차가 Fb인 측정광(빔1), 참조광(빔2)을 생성한다. 이것들의 빛을 편광(偏光)빔 스플릿터(splitter)(7)에 의해 2개로 분할하고 빔1을 색선별거울(2)을 투과시켜서 렌즈(3)로 집광하여 시료(4)에 조사하고 비임(2)을 거울(8)에 조사한다. 빔1의 시료(4)로부터의 반사광은 1/4파장판(9)을 통과후 편광면이 90°변화하기 때문에 편광빔 스플릿터(7)로 이번에는 반사한다. 똑같이 빔2의 거울(8)로부터의 반사광은 편광빔 스플릿터(7)를 투과한다. 이것들의 레이저 광은 직교하고 있으므로 편광판(10)을 투과시킴으로써 이들의 빔을 간섭시켜 이 간섭광을 광전변환기(11)로 수광(受光)한다.
광전변환기(11)로부터의 출력(V)을 필터(12)를 거쳐 간섭광에 있어서의 비이트파신호(E1)를 꺼낸다. E1은
Figure kpo00005
로 주어진다. 여기서 A는 시료, 간섭 광학계등에 의존하는 수치((1)식의 C2에 해당), P(t)는 시료의 열팽창진동에 의한 빔1의 위상변화,
Figure kpo00006
는 P(t)가 0인때(열팽창진동이 없을 때)의 빔1, 빔2사이의 광로의 길이의 차에 의한 위상차이다. 시료의 진동의 진폭은 L, 위상을 P라 하면 P(t)는
Figure kpo00007
으로 부여된다. 여기서 Lλ의 경우 E1의 주파수(Fb- F)를 가지고 있는 신호성분(V)은
Figure kpo00008
로되고 이 주파수성분의 신호의 진폭(L), 위상(P)의 계측에 의해 시료의 열팽창진동의 계측이 가능하다. 그러나 상기와 같은 A는 시료의 온도변화, 플라즈마 밀도변화에 따라 변화하는 시료의 반사율에 영향을 받으므로 이것이 변동할 경우 노이즈로 되어 정확하게 열팽창 진동을 계측할 수 없다.
그래서 본실시예에 있어서는 E1의 수치를 0레벨(역치)과 비교하고 E1이 0레벨 이하이면 E1= -V가 되도록 콤파레이터(13)로 2치화에 의한 파형변환을 한다. 이 파형변환의 신호(E2)는
Figure kpo00009
이 된다. 이경우 E2에 있어서 Lλ의 경우의 주파수(Fb- F)를 가지고 있는 신호성분
Figure kpo00010
로 되고 A를 포함하지 않으므로 정확하게 열팽창진동(진폭 L, 위상 P)을 계측할 수 있다.
E2로부터 주파수(Fb- F)를 가지고 있는 신호성분을 추출하기 위해서 주파수 해석기, FM 튜너등의 이용을 생각할 수 있으나 신호레벨이 작을 때에는 동기 검파방식을 사용하는 것이 적합하다. 이 경우 동기검파에 있어서 참조신호로서 주파수(Fb- F)를 가지고 있는 신호로 동기검파를 하면된다. 그러나 일반적으로 광학간섭계는 공기의 흔들림이나 외란진동등의 영향을 받기쉽고 이것이 노이즈가 되어 (2)식, (5)식에 있어서 위상(
Figure kpo00011
)에 시간적 변동을 가져다 준다.
Figure kpo00012
의 변동은 V의 변동이 되어 안정적으로 열팽창진동을 계측할 수 없다. 그래서 본 실시예에서는 우선 E2에 변조신호(M·sin(2πFt + q))를 곱셈기(14)로 곱셈한다. M및 q는 이미 알고 있는 정수이다. 곱셈후의 신호(Vm)는,
Figure kpo00013
가 된다. 다음에 Vm을 필터(15)를 통하고 상기 식의 우변에 있어서의 제2항의 신호(Vγ)를 꺼낸다. 이 Vr를 참조신호로 해서 동기검파를 한다. Vr에는 위상(
Figure kpo00014
)을 포함하고 있으므로 Vr를 참조신호로 해서 동기검파(16)를 행하면 V에 있어서의 위상(
Figure kpo00015
)의 영향은 상쇄된다. 동기검파출력(Vo)은
Figure kpo00016
가 되고 위상
Figure kpo00017
는 없어져서 안정적으로 Vo를 계측할 수 있고 이것으로 열팽창진동(L, P)을 정밀도가 높게 계측할 수 있다.
그리고 상기에 있어서는 주파수(Fb- F)의 추출에 대해서 기재하였으나 E2에 있어서 주파수(Fb+ F)의 성분에도 열팽창진동의 정보가 포함된다. 따라서 식(7)의 Vm의 우변의 제1항의 신호를 참조신호로서 이용해도 열팽창진동을 계측할 수 있다.
제2도에 시료의 내부결함의 검출방법을 도시한다. 즉, 동도는 시료의 표면에 열팽창신호를 유기하는 레이저광을 조사시켜 열팽창 진동에 의한 비틀림파를 시료의 배면 혹은 조사점으로부터 떨어져있는 지점에서 검출하는 구성을 도시하고 있다.
이 경우 검출되는 진동에는 탄성파 전반중의 정보(탄성적 특성)를 포함하고 있고 시료내부 결함, 표면 크랙등을 검출할 수 있다. 상기 종래의 반사율 계측법에서는 여기광의 확산장내의 정보만을 얻을수 있으므로 이와같은 평가는 할 수 없다.
제2도에 도시한 내부결함의 검출방법은 다음의 제2내지 제4의 실시예에도 똑같이 적용된다.
다음에 제3도를 참조해서 제2의 실시예에 대해서 기술한다. 이 실시예에서도 콤파레이터(13)에 의해 2치신호(E2)((5)식)를 얻는데까지는 제1의 실시예와 똑같다. 본실시예에서는 상기 2치신호(E2)를 지연회로(17)에 입력하고 상기 2치신호(E2)에서 시간(τ)분을 지연시킨 지연신호(Eb)를 생성시킨다.
이 지연신호(Eb)는 다음의 (5)식에 표시된다.
Figure kpo00018
상기 지연회로(17)에 있어서 지연조작은 2치신호(E2)가 0이 되었을 때를 트리거를 하여 행한다. 즉 상기 지연신호(17)로서는 게이트 회로에 의한 펄스발생회로나 지연선 등을 사용함으로써 실현할 수 있다.
그리고 상기 지연시간(τ)은 상기 변조신호의 주파수(F), 비이트주파수(Fb) 및 시료특성에 의거해서 설정된다.
그리고 곱셈기(18)에 의해 상기 2치신호(E2)와 지연신호(Eb)가 곱해져서 곱셈신호(Vt)가 얻어진다.
이 곱셈신호(Vt)는 다음의 식(10)으로 나타낸다.
Figure kpo00019
(단 R=2V/π)여전히, 식(10)에 있어서 식(9)까지의 고주파성분의 기재가 생략되어 있으나 이것은 후술하는 주파수(F)에 관하는 신호 성분을 추출할때의 설명을 용이하게 하기위한 것으로서 실제에서도 예를들면 필터처리를 적용하므로서 상기 고주파성분을 제거할 수 있다.
그리고 상기 위상차(
Figure kpo00020
(t))는 앞서 기술한 바와같이 비교적 저주파로 변동하고 그 변동의 주기가 비교적 길다. 따라서 상기 지연회로(17)에 의해 설정된 지연시간(τ)이 상기 변동의 주기보다도 충분히 작을 때(예를들면 τ가 수밀리초 이하의 경우), 시각(t)에 있어서의 위상차(
Figure kpo00021
(r))와 시각(t-τ)에 있어서의 위상차
Figure kpo00022
(t-τ)는 극히 근사하다고 가정되어 다음의 식(11)이 성립한다.
Figure kpo00023
그래서 상기의 식(10)의 곱셈신호(Vt)는 다음식으로 나타낸다.
Figure kpo00024
(12)식에 있어서,
Figure kpo00025
또,
Figure kpo00026
즉, 2치신호(E2)와 지연신호(Eb)의 곱셈에 의해 위상차(
Figure kpo00027
(t),
Figure kpo00028
(t-τ))가 상쇄(相殺)된 신호성분을 발생시킬 수 있다.
다음에 식(12)의 곱셈신호(Vt)로부터 주파수(F)를 가지고 있는 신호성분(Va)이 추출된다. 상기 신호성분(Va)의 추출조작은 레벨의 작은 신호를 취급하는데 적합하다고 하는 동기검파기(19)를 이용해서 행해진다. 그 동기검파기(19)에의 참조신호로서 주파수(F)의 변조신호가 적용된다. 그리고 또 상기 동기검파기(19)를 대신해서 주파수해석기, 대역(帶域)여파기(濾派器)등을 이용하는 것도 가능하다.
여기에 있어서 식(12)의 우변 제1항은 주주파수(2Fb)에 관한 신호성분을 뜻하며 동 제2항은 주 주파수(F)에 관한 신호성분을 뜻한다. 즉 상기 제1항과 제2항의 각 신호성분은 각각 주파수 체계가 상이하므로 상기 곱셈신호(Vt)로부터 어느것인가의 신호성분을 용이하게 추출할 수가 있다.
그래서 Lλ인때 상기 우편 제2항은 다음과 같이 전개되어진다. (12)식의 우변 제2항은 다음과 같이 전개되어진다.
Figure kpo00029
그래서 J2(S)는 2차의 베셀함수이다.
그리고 식(15)에 있어서 주파수(F)를 가지고 있는 신호성분(Va)은 우변의 제2항이며 당해 우변 제2항이 동기검파기(19)에 있어서 추출된다.
즉 상기 신호성분(Va)은 다음식으로 표시된다.
Figure kpo00030
식(16)에 의하면 신호성분(Va)은 상기의 계수(A)나 위상차(
Figure kpo00031
(t))를 포함하고 있지 않으므로 시료나 간섭광학계등의 종류에 의존하는 일없고 공기의 흔들림이나 외란진동등에 노이즈의 영향을 받는 일이 없다.
따라서 본 실시예의 방법에 의하면 상기 신호성분(Va)을 안정적으로 계측할 수가 있고 이것으로서 상기 열팽창진동(진폭, 위상)을 정밀도가 높게 계측하는 것이 가능하게 된다.
그리고 본 실시예 방법에 있어서 신호성분(Va)의 진폭, 위상은(15)식에서 명확한 것과 같이 지연시간(τ)에 의해 변화하므로 이 지연시간(τ)의 설정에는 주의를 요한다. 또 위상측정기능을 가지고 있지 않는 동기검파기나 기타의 필터회로를 이용한 경우에는 2종이상의 지연시간(τ)에 의한 신호성분(Va)의 진폭치로부터 시료의 열팽창진폭(L), 위상(q)를 구할수도 있다.
또 상기한 실시예에 있어서 곱셈기(18)로부터의 곱셈신호(Vt)로부터 추출되는 주파수(F)에 관한 신호성분(Va)으로는 식(15)의 우변 제2항의 주파수(F)에 관하는 신호성분을 추출했으나 이것에 한정되지 않고 동 우변 제1항의 주파수(2F)에 관하는 신호성분을 추출해도 좋다. 단 이경우에는 동기검파기(19)에 있어서 이 주파수와 참조가 되는 변조신호의 주파수를 동기시키는 수단을 별도로 마련하지 않으면 안된다.
상기한 바와 같이 일반적으로 광학간섭계는 공기의 흔들림이나 외란진동등의 영향을 받기쉽고 이것이 노이즈로 되어(2)식, (4)식에 있어서의 위상(
Figure kpo00032
(t))에 시간적으로 변동을 가져온다. 따라서
Figure kpo00033
(t)가 변동하면 안정적으로 시료의 열팽창진동을 계측할 수가 없다.
이하
Figure kpo00034
(t)를 제거하는 제3의 실시예에 대해 제4도를 참조하여 설명한다. 2치 신호(E2)를 얻기까지의 방법은 제1, 제2의 실시예와 똑같다.
곱셈기(15A)에 의해 상기 신호(E2)와 발진기(20)로부터의 주파수(Fb)인 국부발진신호(Eb)를 곱한다.
Figure kpo00035
여기에서 K는 정수이다. 곱셈후의 신호(Vm)는 다음 식(18)으로 표시된다.
Figure kpo00036
식(18)에서는 후단의 여과처리로 고주파 성분이 제거되는 것을 고려해서 고주파성분의 기재를 생략하고 있다.
다음에 필터(17A)에 의해 고주파성분(주파수 2Fb대)를 제거한 신호(V-mL)를 생성한다. 여기서 P(t)가 작을 때(진동진폭이 파장 λ에 비교해서 충분히 작음) VmL는 다음식(19)으로 표시된다.
Figure kpo00037
다음에 상기 2치신호(E2)에 대해서 위상이 90°상이한 신호(E4).
Figure kpo00038
을 이상(移相)회로(21)에 의해 생성한다.
상기의 식(18)의 처리와 똑같이 상기(E4)에 주파수(Fb)인 국부발진신호(Eb)를 곱셈기(15B)에 의해 곱하여 Vn를 얻은 후, 고주파성분(주파수 2 Fb대)을 제거한 신호(VnL)를 필터(17b)에 의해 생성한다. P(t)가 작은때 VnL는 다음의 식(21)으로 표시된다.
Figure kpo00039
상기와 같이
Figure kpo00040
(t)는 외란진동등에 의해 시간과 함께 변동하나 일반적으로 이 변동의 주파수는 저주파(수십 Hz이하)이다. 따라서 P(t)의 변화의 주파수가
Figure kpo00041
(t)의 주파수에 비해서 충분히 클 때 (19), (21)식에 있어서 제2항만을 필터(17A, 17B)에 의해 꺼낼수 있다. 이것들의 출력(Vs, Vc)는
Figure kpo00042
로 표시된다. (22)식에는
Figure kpo00043
(t)가 포함되나 적절한 처리에 의해 위상항P(t)만을 추출하고 시료의 열팽창 진동특성을 해석할 수 있다. 본 실시예에서는 Vs, Vc의 2제곱의 합을 연산회로(22)로 구한다. 그 출력(Vb)은
Figure kpo00044
가 되고
Figure kpo00045
(t)를 포함하지 않는다. 또 Vb는 2치신호(E2)(또는 E2에 대해서 위상이 90°다른 신호(E4))와 국부발진신호(Eb)로부터 생성되므로 외란진동등에 의한 노이즈의 영향을 받지 않고 안정적으로 진동을 검출할 수 있다.
또다시 Vb에는 식(2)에 있어서의 계수(A)도 함유하고 있지 않으므로 상기의 문제점에서 시사한 반사율 변동에 의한 노이즈의 영향을 받지않고 정밀도가 높게 시료의 열팽창 진동을 계측할 수 있다.
다음에 여기광 자신이 측정광을 겸하므로써 여기광과 측정광의 광축 맞춤이 불필요하게 된다.
제4의 실시예에 대하여 제5도를 참조하여 기술한다.
이 실시예는 제1의 실시예를 변형한 것으로써 그 기본적 생각(여기광과 측정광을 겸용한다는 생각)은 제2, 제3의 실시예에 대해서도 똑같이 적용되는데 적용의 방법은 이실시예와 똑같으므로 장치의 개요를 도시하는 제6도, 제7도를 첨부하는 것으로 그치고 상세한 설명은 생략한다. 또 각각의 실시예와 공통의 요소에는 동일한 부호를 사용한다. 또다시 수식의 번호도 공통의 것을 사용하고 있다.
제5도에 도시하는 바와같이 시료(4)에 열팽창진동을 부여함과 함께 이것을 계측하는 레이저로서 아르곤이온 레이저(1a)를 사용하고 이 출사광을 광변조기(2a)로 주파수(F)로 강도를 변조하고 이빛을 주파수 시프터(6)에 의해 서로가 직교하고 주파수의 차가(Fb)인 빔1, 빔2을 생성한다. 이것들의 빛을 편광빔 스플릿터(7)에 의해 두개로 나누고 빔1(여기광)을 렌즈(3)에서 집광하고 시료(4)에 조사해서 빔2(참조광)을 거울(8)에 조사한다.
빔1의 시료(4)로부터의 반사광은 1/4파장판(9)을 통과후 편광면이 90도 변화하므로 편광빔 스플릿터(7)로 반사한다. 똑같이 빔2의 거울(8)로부터의 반사광은 편광빔 스플릿터(7)를 투과한다. 이것들의 레이저 광은 직교하고 있으므로 편광판(10)을 투과시킴으로써 이것들의 빔을 간섭시켜 이 간섭광을 광전변환기(11)로 수광한다.
광전변환기(11)로부터의 출력(V)을 필터(12)를 통해서 간섭광에 있어서의 비이트파 신호(E1)를 끄집어낸다. E1은 U(t)를 변조신호로 해서
Figure kpo00046
로 부여된다. 여기서 A는 시료, 간섭광학계등에 의존하는 수치, P(t)는 시료의 팽창진동에 의한 빔의 위상변화,
Figure kpo00047
는 P(t)가 0일 때의 빔1, 빔2사이의 광로의 길이차에 의한 위상차이다.
시료의 진동의 진폭을 L, 위상을 P로 하면 P(t)는
Figure kpo00048
으로 부여된다. 여기서 Lλ인때 E1의 주파수(Fb- F)를 가지고 있는 신호의 성분은
Figure kpo00049
로 되고 이주파수 성분의 신호의 진폭, 위상의 계측으로부터 시료의 열팽창 진동의 계측이 가능하다. 그러나 상기와 같이 시료의 온도변화등에 따라서 시료의 반사율이 변동하므로 A가 변동하는 경우, 이것이 노이즈가 되어 정확하게 열팽창진동을 계측할 수 없다. 그래서 본실시예에 있어서는 E1의 값을 0레벨(역치)과 비교하고 E1이 0레벨이상이면 E1= V, E1이 0레벨이하이면 E1= -V로 되도록 콤퍼레이터(13)로 2치화에 의한 파형변환을 한다. 이 파형 변환후의 신호 E2는,
Figure kpo00050
로 되고, A를 포함하지 않으므로 정확하게 열팽창진동(진폭L, 위상p)을 계측할 수 있다.
E2에서 주파수(Fb- F)를 가지고 있는 신호성분을 추출하기위해 주파수 해석기, FM튜너등의 이용이 생각할 수 있으나 신호레벨이 작을 때에는 동기 검파방식을 이용하는 것이 적합하다. 이경우 동기검파에 있어서 참조신호로서 주파수(Fb- F)를 가지고 있는 신호로 동기검파를 행하면 된다. 그러나 일반적으로 광학간섭형은 공기의 흔들림이나 외란 진동등의 영향을 받기쉽고 이것이 노이즈가 되고 식(2), 식(5)에 있어서의 위상(
Figure kpo00051
)에 시간적 변동을 가져온다.
Figure kpo00052
의 변동은 V의 변동이 되고 안정적으로 열팽창 진동을 계측할 수 없다.
그래서 본실시예에서는 우선 E2에 변조신호(M·sin(2
Figure kpo00053
Ft + q))를 곱셈기(14a)로 곱한다.
여기서 M 및 q는 이미 알고 있는 정수, 곱셈후의 신호(Vm)는
Figure kpo00054
로 된다. 다음에 Vm를 필터(15a)를 거쳐서 상기식의 우변에 있어서의 제2항의 신호(Vr)를 끄집어낸다. 이Vr를 참조신호로 해서 동기검파를 행한다. Vr에는 위상(
Figure kpo00055
)을 함유하고 있으므로 Vr를 참조신호로 해서 동기검파(16a)를 행하면 V에 있어서의 위상(
Figure kpo00056
)의 영향은 상쇄된다. 동기검사파출력(Vo)은
Figure kpo00057
로 되고 위상(
Figure kpo00058
)은 없어지고 안정적으로 Vo를 계측할 수 있어 이것으로 열팽창진동을 정밀도가 높게 계측할 수 있다.
그리고 상기에 있어서 주파수(Fb- F)의 추출에 대해서 기재하였는데 E2에 있어서 주파수(Fb+ F)의 성분에도 열팽창진동의 정보가 함유되어 있다. 따라서 식(7)의 Vm의 우변의 제1항의 신호를 참조신호로서 사용해도 열팽창진동을 계측할 수 있다.

Claims (6)

  1. 시료에 주기적(주파수:F)으로 강도를 변조한 여기광을 조사하고 이것에 의해 발생되는 시료의 표면의 열팽창진동을 측정해서 시료를 평가하는 방법에 있어서, 상기 여기광조사에 의해 열팽창진동을 일으키는 시료표면위치에 진동 주파수(F1)인 측정광(빔1)을 조사해서 그 반사광과 진동주파수(F2)인 참조광(빔2)을 간섭시키고, 상기 간섭광을 광전변환한 전기신호(E)를 얻은후, 상기 전기신호(E)의 비이트파신호(E1)(비이트 주파수: Fb(Fb= F1- F2))를 끄집어 내고, 상기 비이트파신호(E1)를 2치화 처리해서 2치신호(E2)로 변환하고, 상기 2치신호(E2)로부터 주파수((F - Fb) 혹은 (F + Fb))의 성분을 추출하고, 이 성분의 진폭 및 위상에 의해 시료를 평가하는 것을 특징으로 하는 열팽창 진동을 사용한 시료평가방법이다.
  2. 시료에 주기적(주파수: F)으로 강도를 변조한 여기광을 조사해서 이것에 의해 생기는 시료표면의 열팽창진동을 측정해서 시료를 평가하는 방법에 있어서, 상기 여기광 조사에 의해 열팽창 진동을 일으키는 시료의 표면위치에 진동주파수(F1)인 측정광(빔1)을 조사하고 그 반사광과 진동주파수(F2)인 참조광(빔2)을 간섭시키고, 상기 간섭광을 광전 변환한 전기신호(E)를 얻은 후, 상기 전기신호(E)의 비이트파 신호(E1)(비이트주파수 : Fb(Fb= F1- F2))를 끄집어내고, 상기 비이트파 신호(E1)를 2치화 처리해서 2치신호(E2)로 변환하고, 상기 2치신호(E2)로부터 시간(τ)지연한 지연신호(Eb)를 생성하고, 상기 2치신호(E2)와 상기 지연신호(Eb)를 곱하여 얻은 곱셈신호(Vm)로부터 주파수(F)에 관한 신호성분(Va)를 추출하고 이 신호성분(Va)의 진폭 및 위상에 의해 시료를 평가하는 것을 특징으로 하는 열팽창 진동을 사용한 시료평가방법.
  3. 시료에 주기적(주파수: F)으로 강도를 변조한 여기광을 조사하고 이것에 의해 생기는 시료표면의 열팽창진동을 측정해서 시료를 평가하는 방법에 있어서, 상기 여기광조사에 의해 열팽창진동을 일으키는 시료표면위치에 진동 주파수(F1)인 측정광(빔1)을 조사하고 그 반사광과 진동주파수(F2)인 참조광(빔2)을 간섭시켜서 상기 간섭광을 광전변환한 전기신호(E)를 얻은 후, 상기 전기신호(E)의 비이트파 신호(E1)(비이트주파수 : Fb(Fb= F1- F2))를 끄집어내고, 상기 비이트파신호(E1)을 2치화 처리해서 2치신호(E2)로 변환하고, 상기 2 치신호(E2)와 주파수(Fb)인 국부발진신호(Eb)를 곱한 신호(Vu)의 주파수(F)의 성분(Vs)과 상기 신호(E2)에 대해 위상이 90°상이한 신호(E4)와 주파수(Fb)인 국부발진신호(Eb)를 곱한 신호(Vn)의 주파수(F)의 성분(Vc)을 추출하고, 상기 성분(Vs와 Vc)으로 시료의 열팽창진동에 의한 빔1의 위상 변화(P(t))만을 변수로 하는 출력(Vo)을 연산하고 이 Vo에 의해 시료를 평가하는 것을 특징으로 하는 열팽창 진동을 이용한 시료의 평가방법.
  4. 시료에 주기적으로 강도를 변조한 여기광을 조사하고 이것에 의해 생기는 시료표면의 열팽창 진동을 측정해서 시료를 평가하는 방법에 있어서, 주파수(F)로 강도를 변조한 진동주파수(F1)인 측정광(빔1)을 조사하고 그 반사광과 진동주파수(F2)인 참조광(빔2)을 간섭시켜 상기 간섭광을 광전변환한 전기신호(E)를 얻은 후, 상기 전기신호(E)이 비이트파신호(E1)(비이트주파수 : Fb(Fb= F1- F2))를 끄집어 내고, 상기 비이트파 신호(E1)를 2치화 처리해서 2치신호(E2)로 변환하고, 상기 2치신호(E2)로부터 주파수(F-Fb혹은 F+Fb)의 성분을 추출하고 이 성분의 진폭 및 위상에 대해 시료를 평가하는 것을 특징으로 하는 열팽창 진동을 이용한 단일 광원에 의한 시료평가방법.
  5. 시료에 주기적(주파수: F)으로 강도를 변조한 여기광을 조사하고, 이것에 의해 생기는 시료표면의 열팽창 진동을 측정해서 시료를 평가하는 방법에 있어서, 주파수(F)로 강도를 변조한 진동주파수(F1)인 측정광(빔1)을 조사하고 그 반사광과 진동주파수(F2)인 참조광(빔2)을 간섭시키고, 상기 간섭광을 광전변환한 전기신호(E)를 얻은후, 상기 전기신호(E)의 비이트파신호(E1)(비이트주파수 : Fb(Fb= F1- F2))를 끄집어내고, 상기 비이트파신호(E1)을 2치화 처리해서 2치신호(E2)로 변환하고, 상기 2치신호(E2)에서 시간(τ)지연한 지연신호(Eb)를 생성하고, 상기 2치신호(E2)와 상기 지연신호(Eb)를 곱해서 얻은 곱셈신호(Vt)로부터 주파수(F)에 관한 신호성분(Va)을 추출하고 이 신호성분(Va)의 진폭 및 위상에 의해 시료를 평가하는 것을 특징으로하는 열팽창진동을 이용한 시료평가방법.
  6. 시료에 주기적(주파수: F)으로 강도를 변조한 여기광을 조사하고, 이것에 의해 생기는 시료표면의 열팽창 진동을 측정해서 시료를 평가하는 방법에 있어서, 주파수(F)로 강도를 변조한 진동주파수(F1)인 측정광(빔1)을 조사하고 그 반사광과 진동주파수(F2)인 참조광(빔2)을 간섭시키고, 상기 간섭광을 광전변환한 전기신호(E)를 얻은후, 상기 전기신호(E)의 비이트파신호(E1)(비이트주파수 : Fb(Fb= F1- F2))를 끄집어내고, 상기 비이트파신호(E1)을 2치화 처리해서 2치신호(E2)로 변환하고, 상기 2치신호(E2)와 주파수(Fb)인 국부발진회로(Eb)를 곱한 신호(Vu)의 주파수(F)의 성분(Vs)와 상기 신호(E2)에 대해 위상이 90°상이한 신호(E4)와 주파수(Fb)인 국부발진신호(Eb)를 곱한 신호(Vn)의 주파수(F)의 성분(Vc)를 추출하고, 상기 성분(Vs와 Vc)로부터 시료의 열팽창진동에 의한 빔1의 위상변화(P(t))만을 변수로 하는 출력(Vo)를 연산하고 이 Vo에 의해 시료를 평가하는 것을 특징으로하는 열팽창진동을 이용한 시료평가방법.
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