JPH07311182A - 光熱変位計測による試料評価方法 - Google Patents
光熱変位計測による試料評価方法Info
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- JPH07311182A JPH07311182A JP7003721A JP372195A JPH07311182A JP H07311182 A JPH07311182 A JP H07311182A JP 7003721 A JP7003721 A JP 7003721A JP 372195 A JP372195 A JP 372195A JP H07311182 A JPH07311182 A JP H07311182A
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
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- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 複雑な信号処理を行うことなく高精度かつ安
定に光熱変位の計測を行うことのできる光熱変位計測に
よる試料評価方法。 【構成】 本方法による装置Ａ１は，レーザ１などによ
り，励起光であるビーム１′，１″と測定光であるビー
ム３，４とをそれぞれ発生させ，ビーム１′，１″を音
響光学変調器４により互いに逆位相で強度変調し，それ
ぞれを試料８の異なる位置に照射し，ビーム３，４を音
響光学変調器１０，１１により互いに異なる振動周波数
に設定し，上記ビーム１′，１″のそれぞれの照射位置
に上記ビーム３，４のそれぞれを照射し，上記ビーム
３，４の試料８からの反射光を干渉させ，この干渉光の
位相に基づいて試料８を評価するように構成されてい
る。上記構成により複雑な信号処理を行うことなく高精
度かつ安定に光熱変位を計測することができる。
定に光熱変位の計測を行うことのできる光熱変位計測に
よる試料評価方法。 【構成】 本方法による装置Ａ１は，レーザ１などによ
り，励起光であるビーム１′，１″と測定光であるビー
ム３，４とをそれぞれ発生させ，ビーム１′，１″を音
響光学変調器４により互いに逆位相で強度変調し，それ
ぞれを試料８の異なる位置に照射し，ビーム３，４を音
響光学変調器１０，１１により互いに異なる振動周波数
に設定し，上記ビーム１′，１″のそれぞれの照射位置
に上記ビーム３，４のそれぞれを照射し，上記ビーム
３，４の試料８からの反射光を干渉させ，この干渉光の
位相に基づいて試料８を評価するように構成されてい
る。上記構成により複雑な信号処理を行うことなく高精
度かつ安定に光熱変位を計測することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は試料に周期的に強度変調
された励起光が照射され，これにより生じる試料表面の
熱膨張振動が測定されて試料の欠陥等が評価される試料
評価方法に関する。
された励起光が照射され，これにより生じる試料表面の
熱膨張振動が測定されて試料の欠陥等が評価される試料
評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】試料に周期的に強度変調された光（励起
光）が照射されると，試料はこの光の吸収により発熱
し，これにより熱膨張が生じる。照射光は周期的に強度
変調されているため，発熱による試料の温度変化は周期
的となり，試料は熱膨張振動をおこす。この熱応答が計
測されることにより試料が評価される手法は光熱変位計
測技術として知られている。図５はマイケルソン型レー
ザ光干渉法により試料の熱膨張振動が計測される手法に
よる装置Ａ０１の概略構成を示したものである（Mirand
a,APPLID OPTICS Vo122,No18,P2882(1983) ）。ここに
６１は被測定試料，６２は試料に熱膨張振動を与えるた
めの励起光源であり，チョッパ６３により励起光源６２
からの光が強度変調され，試料６１に照射される。この
熱膨張振動（光熱変位）がレーザ光干渉法により計測さ
れる。そのために測定用レーザ６４からの光が半透鏡６
５で二分され，一方が試料の熱膨張測定点に，他方が空
間的に固定された鏡６６に照射され，これらからの反射
光が干渉させられて光電変換器６７で受光される。光電
変換器６７からの電気出力Ｅは次式で表される。 Ｅ＝Ｃ1 ＋Ｃ2 ・ｃｏｓ（Ｐ（ｔ）＋φ） …（１′） ここで，Ｃ1 ，Ｃ2 及びφは試料６１や干渉計の構成や
光電変換係数等に依存する定数，Ｐ（ｔ）は励起光照射
による熱膨張振動による試料の表面変位に伴う位相変化
であり，信号処理回路６８を用いてこの計測が行われる
ことにより試料の熱膨張振動が計測され，試料の熱弾性
的性質が評価される。
光）が照射されると，試料はこの光の吸収により発熱
し，これにより熱膨張が生じる。照射光は周期的に強度
変調されているため，発熱による試料の温度変化は周期
的となり，試料は熱膨張振動をおこす。この熱応答が計
測されることにより試料が評価される手法は光熱変位計
測技術として知られている。図５はマイケルソン型レー
ザ光干渉法により試料の熱膨張振動が計測される手法に
よる装置Ａ０１の概略構成を示したものである（Mirand
a,APPLID OPTICS Vo122,No18,P2882(1983) ）。ここに
６１は被測定試料，６２は試料に熱膨張振動を与えるた
めの励起光源であり，チョッパ６３により励起光源６２
からの光が強度変調され，試料６１に照射される。この
熱膨張振動（光熱変位）がレーザ光干渉法により計測さ
れる。そのために測定用レーザ６４からの光が半透鏡６
５で二分され，一方が試料の熱膨張測定点に，他方が空
間的に固定された鏡６６に照射され，これらからの反射
光が干渉させられて光電変換器６７で受光される。光電
変換器６７からの電気出力Ｅは次式で表される。 Ｅ＝Ｃ1 ＋Ｃ2 ・ｃｏｓ（Ｐ（ｔ）＋φ） …（１′） ここで，Ｃ1 ，Ｃ2 及びφは試料６１や干渉計の構成や
光電変換係数等に依存する定数，Ｐ（ｔ）は励起光照射
による熱膨張振動による試料の表面変位に伴う位相変化
であり，信号処理回路６８を用いてこの計測が行われる
ことにより試料の熱膨張振動が計測され，試料の熱弾性
的性質が評価される。
【０００３】図６は本発明者らにより開発された測定光
に励起光を用いた手法による装置Ａ０２の概略部分構成
を示したものである（特願平５−１７２９４８号）。励
起光源７２からの励起光が音響光学変調器７３により強
度変調され，その回折光と非回折光とがビームスプリッ
タ７４を介して試料７１に照射される。このとき，回折
光と非回折光とではその照射位置は異なる。各照射位置
からの反射光は再びビームスプリッタ７４を通る。そし
て，この反射光は及びミラーＭとビームスプリッタ７７
とからなる干渉計が用られて干渉させられる。干渉光は
光電変換器７８により受光される。このときの光電変換
器７８の出力Ｅは次式で表される。 Ｅ＝Ｃ3 ＋Ｃ4 ・Ａ（ｔ）・ｃｏｓ｛２πＦｂｔ ＋Ｐ（ｔ）＋φ｝ …（２′） ここで，Ｃ3 ，Ｃ4 及びφは試料７１や干渉計の構成や
光電変換係数等に依存する定数，Ａ（ｔ）は音響光学変
調器７３による強度変化度合いに依存する因子，Ｆｂは
音響光学変調器７３の搬送波の周波数，Ｐ（ｔ）は励起
光照射による試料の光熱変位による位相変化である。信
号処理回路７９が用られてこの位相変化の計測が行われ
ることにより試料の熱膨張振動が計測され，試料の熱弾
性的性質が評価される。この従来装置Ａ０２では上記回
折光と非回折光とは，互いに逆位相で強度変調されてい
るため，これらの試料７１からの反射光の光熱変位によ
る位相差は，上記従来装置Ａ０１の２倍になり，光熱変
位計測の計測精度が高められうる。
に励起光を用いた手法による装置Ａ０２の概略部分構成
を示したものである（特願平５−１７２９４８号）。励
起光源７２からの励起光が音響光学変調器７３により強
度変調され，その回折光と非回折光とがビームスプリッ
タ７４を介して試料７１に照射される。このとき，回折
光と非回折光とではその照射位置は異なる。各照射位置
からの反射光は再びビームスプリッタ７４を通る。そし
て，この反射光は及びミラーＭとビームスプリッタ７７
とからなる干渉計が用られて干渉させられる。干渉光は
光電変換器７８により受光される。このときの光電変換
器７８の出力Ｅは次式で表される。 Ｅ＝Ｃ3 ＋Ｃ4 ・Ａ（ｔ）・ｃｏｓ｛２πＦｂｔ ＋Ｐ（ｔ）＋φ｝ …（２′） ここで，Ｃ3 ，Ｃ4 及びφは試料７１や干渉計の構成や
光電変換係数等に依存する定数，Ａ（ｔ）は音響光学変
調器７３による強度変化度合いに依存する因子，Ｆｂは
音響光学変調器７３の搬送波の周波数，Ｐ（ｔ）は励起
光照射による試料の光熱変位による位相変化である。信
号処理回路７９が用られてこの位相変化の計測が行われ
ることにより試料の熱膨張振動が計測され，試料の熱弾
性的性質が評価される。この従来装置Ａ０２では上記回
折光と非回折光とは，互いに逆位相で強度変調されてい
るため，これらの試料７１からの反射光の光熱変位によ
る位相差は，上記従来装置Ａ０１の２倍になり，光熱変
位計測の計測精度が高められうる。
【０００４】図７は本発明者らにより上記従来装置Ａ０
２に先立って開発された測定に励起光を用いた手法によ
る装置Ａ０３の概略構成を示したものである（特開平３
−２６９３４６号公報）。励起光源８１からの励起光は
音響光学変調器８２により強度変調される。この強度変
調された光から周波数シフタ８３により互いに直交し，
周波数差がＦb なるビーム１，ビーム２が生成される。
これらのビームはビームスプリッタ８４により２分割さ
れる。この内ビーム１は試料８５にレンズ８６を介して
照射される。一方，ビーム２はミラー８７に照射されて
参照光とされる。試料８５からの反射光と参照光とはビ
ームスプリッタ８４及び偏光板８８を介して互いに干渉
させられた上で，光電変換器８９により受光される。こ
のときの光電変換器８９の出力Ｅも上記（２′）式で表
され，励起光照射による試料の光熱変位による位相変化
Ｐ（ｔ）が含まれている。信号処理回路９０によりこの
位相変化の計測が行われることにより熱膨張振動が計測
され，試料の熱弾性的性質が評価される。
２に先立って開発された測定に励起光を用いた手法によ
る装置Ａ０３の概略構成を示したものである（特開平３
−２６９３４６号公報）。励起光源８１からの励起光は
音響光学変調器８２により強度変調される。この強度変
調された光から周波数シフタ８３により互いに直交し，
周波数差がＦb なるビーム１，ビーム２が生成される。
これらのビームはビームスプリッタ８４により２分割さ
れる。この内ビーム１は試料８５にレンズ８６を介して
照射される。一方，ビーム２はミラー８７に照射されて
参照光とされる。試料８５からの反射光と参照光とはビ
ームスプリッタ８４及び偏光板８８を介して互いに干渉
させられた上で，光電変換器８９により受光される。こ
のときの光電変換器８９の出力Ｅも上記（２′）式で表
され，励起光照射による試料の光熱変位による位相変化
Ｐ（ｔ）が含まれている。信号処理回路９０によりこの
位相変化の計測が行われることにより熱膨張振動が計測
され，試料の熱弾性的性質が評価される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の光熱変位計
測による試料評価方法では，以下のような問題点があっ
た。 （１）従来装置Ａ０１による場合，励起光の照射位置に
測定光が照射される必要がある。しかし，これら光の照
射位置のずれにより光熱変位の測定値に変動がもたらさ
れるため，安定かつ精度良く光熱変位が計測されえな
い。また，光熱変位が小さいときには，干渉計測により
検出される位相変化が小さくなる。これによっても，計
測精度が劣化する。 （２）従来装置Ａ０２及びＡ０３では，測定光に励起光
が用いられるため，従来装置Ａ０１における光の照射位
置の問題が解消される。さらにＡ０２では光熱変位が小
さいときであっても前述の如く計測精度が高められう
る。しかし，Ａ０２，Ａ０３ではいずれも，音響光学変
調器におけるレーザ光の強度変調によるレーザ光の位相
変化や光電変換器，増幅器等における信号レベル変化に
よる電気信号の位相変化が生じる。そして，これらの位
相変化が，光熱変位による位相変化に重畳されてノイズ
となる。従って，安定した光熱変位が計測されるため
に，ノイズ補償を行うための複雑な信号処理が必要とさ
れる。本発明では，このような従来の技術における課題
を解決するために，光熱変位計測による試料評価方法が
改良され，複雑な信号処理を行うことなく，高精度かつ
安定に計測が行われ得る光熱変位計測による試料評価方
法が提供されることが目的とされるものである。
測による試料評価方法では，以下のような問題点があっ
た。 （１）従来装置Ａ０１による場合，励起光の照射位置に
測定光が照射される必要がある。しかし，これら光の照
射位置のずれにより光熱変位の測定値に変動がもたらさ
れるため，安定かつ精度良く光熱変位が計測されえな
い。また，光熱変位が小さいときには，干渉計測により
検出される位相変化が小さくなる。これによっても，計
測精度が劣化する。 （２）従来装置Ａ０２及びＡ０３では，測定光に励起光
が用いられるため，従来装置Ａ０１における光の照射位
置の問題が解消される。さらにＡ０２では光熱変位が小
さいときであっても前述の如く計測精度が高められう
る。しかし，Ａ０２，Ａ０３ではいずれも，音響光学変
調器におけるレーザ光の強度変調によるレーザ光の位相
変化や光電変換器，増幅器等における信号レベル変化に
よる電気信号の位相変化が生じる。そして，これらの位
相変化が，光熱変位による位相変化に重畳されてノイズ
となる。従って，安定した光熱変位が計測されるため
に，ノイズ補償を行うための複雑な信号処理が必要とさ
れる。本発明では，このような従来の技術における課題
を解決するために，光熱変位計測による試料評価方法が
改良され，複雑な信号処理を行うことなく，高精度かつ
安定に計測が行われ得る光熱変位計測による試料評価方
法が提供されることが目的とされるものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に第１の発明は，試料に励起光を照射し，該励起光によ
る試料の光熱変位を測定光を用いて計測することにより
試料を評価する方法において，２つの励起光と２つの測
定光とをそれぞれ発生させ，上記２つの励起光を互いに
異なる位相で強度変調し，それぞれを上記試料の異なる
位置に照射し，上記２つの測定光を互いに異なる振動周
波数に設定し，上記２つの励起光のそれぞれの照射位置
に上記２つの測定光のそれぞれを照射し，上記２つの測
定光の試料からの反射光を干渉させ，該干渉光の位相に
基づいて上記試料を評価することを特徴とする光熱変位
計測による試料評価方法である。さらには，上記２つの
励起光を互いに逆位相で強度変調する光熱変位計測によ
る試料評価方法である。さらには，上記励起光の振動周
波数が上記測定光の振動周波数と異なる光熱変位計測に
よる試料評価方法である。さらには，上記２つの励起光
に該励起光を音響光学変調器により強度変調したときの
回折光と非回折光とを用いる光熱変位計測による試料評
価方法である。さらには，上記干渉光の光電変換出力に
含まれ，上記２つの測定光の振動周波数差の成分を有す
るビート信号の位相変化から上記試料の光熱変位を計測
する光熱変位計測による試料評価方法である。
に第１の発明は，試料に励起光を照射し，該励起光によ
る試料の光熱変位を測定光を用いて計測することにより
試料を評価する方法において，２つの励起光と２つの測
定光とをそれぞれ発生させ，上記２つの励起光を互いに
異なる位相で強度変調し，それぞれを上記試料の異なる
位置に照射し，上記２つの測定光を互いに異なる振動周
波数に設定し，上記２つの励起光のそれぞれの照射位置
に上記２つの測定光のそれぞれを照射し，上記２つの測
定光の試料からの反射光を干渉させ，該干渉光の位相に
基づいて上記試料を評価することを特徴とする光熱変位
計測による試料評価方法である。さらには，上記２つの
励起光を互いに逆位相で強度変調する光熱変位計測によ
る試料評価方法である。さらには，上記励起光の振動周
波数が上記測定光の振動周波数と異なる光熱変位計測に
よる試料評価方法である。さらには，上記２つの励起光
に該励起光を音響光学変調器により強度変調したときの
回折光と非回折光とを用いる光熱変位計測による試料評
価方法である。さらには，上記干渉光の光電変換出力に
含まれ，上記２つの測定光の振動周波数差の成分を有す
るビート信号の位相変化から上記試料の光熱変位を計測
する光熱変位計測による試料評価方法である。
【０００７】さらには，上記励起光の光源が波長可変型
光源である光熱変位計測による試料評価方法である。第
２の発明は，試料に光を照射し，それによる試料の光熱
変位を計測することにより試料を評価する方法におい
て，強度変調した光を２分割し，一方の光を試料に照射
し，その反射光の位相を他方の光の位相を基準に計測
し，該計測された反射光の位相に基づいて上記光熱変位
を計測してなることを特徴とする光熱変位計測による試
料評価方法である。さらには，上記２分割した光とは光
周波数の異なる光を発生させ，その光を上記反射光及び
他方の光とそれぞれ別個に干渉させた時の両干渉光の位
相差に基づいて上記光熱変位を計測してなることを特徴
とする光熱変位計測による試料計測方法である。さらに
は，上記両干渉光のそれぞれを別個の光電変換器により
受光したときの両光電変換器の出力信号の位相差に基づ
いて上記光熱変位を計測してなる光熱変位計測による試
料計測方法である。
光源である光熱変位計測による試料評価方法である。第
２の発明は，試料に光を照射し，それによる試料の光熱
変位を計測することにより試料を評価する方法におい
て，強度変調した光を２分割し，一方の光を試料に照射
し，その反射光の位相を他方の光の位相を基準に計測
し，該計測された反射光の位相に基づいて上記光熱変位
を計測してなることを特徴とする光熱変位計測による試
料評価方法である。さらには，上記２分割した光とは光
周波数の異なる光を発生させ，その光を上記反射光及び
他方の光とそれぞれ別個に干渉させた時の両干渉光の位
相差に基づいて上記光熱変位を計測してなることを特徴
とする光熱変位計測による試料計測方法である。さらに
は，上記両干渉光のそれぞれを別個の光電変換器により
受光したときの両光電変換器の出力信号の位相差に基づ
いて上記光熱変位を計測してなる光熱変位計測による試
料計測方法である。
【０００８】
【作用】第１の発明によれば，試料に励起光が照射さ
れ，該励起光による試料の光熱変位が測定光を用いて計
測されることにより試料が評価されるに際し，まず２つ
の励起光と２つの測定光とがそれぞれ発生させられる。
上記２つの励起光が互いに異なる位相で強度変調され，
それぞれが上記試料の異なる位置に照射される。上記２
つの測定光が互いに異なる振動周波数に設定される。上
記２つの励起光のそれぞれの照射位置に上記２つの測定
光のそれぞれが照射される。上記２つの測定光の試料か
らの反射光が干渉させられ，該干渉光の位相に基づいて
上記試料が評価される。従って，互いに異なる位相で強
度変調された励起光が試料に照射されたことにより，各
励起部の光熱変位による測定光の位相差が従来例装置Ａ
０１における単独励起よりも大きくなるため，光熱変位
の検出感度が高くなる。また，光熱変位を計測するため
の光は従来例装置Ａ０２におけるような音響光学変調器
による強度変調が行われないため，上記変調器による位
相ノイズはなくなる。これにより安定に光熱変位が計測
されうる。さらに，上記２つの励起光が互いに逆位相で
強度変調されるようにしてもよい。その場合，上記２つ
の測定光の試料からの反射光の位相差は，単独励起の２
倍になるため，光熱変位の検出感度が高められる。よっ
て，計測精度が高められうる。
れ，該励起光による試料の光熱変位が測定光を用いて計
測されることにより試料が評価されるに際し，まず２つ
の励起光と２つの測定光とがそれぞれ発生させられる。
上記２つの励起光が互いに異なる位相で強度変調され，
それぞれが上記試料の異なる位置に照射される。上記２
つの測定光が互いに異なる振動周波数に設定される。上
記２つの励起光のそれぞれの照射位置に上記２つの測定
光のそれぞれが照射される。上記２つの測定光の試料か
らの反射光が干渉させられ，該干渉光の位相に基づいて
上記試料が評価される。従って，互いに異なる位相で強
度変調された励起光が試料に照射されたことにより，各
励起部の光熱変位による測定光の位相差が従来例装置Ａ
０１における単独励起よりも大きくなるため，光熱変位
の検出感度が高くなる。また，光熱変位を計測するため
の光は従来例装置Ａ０２におけるような音響光学変調器
による強度変調が行われないため，上記変調器による位
相ノイズはなくなる。これにより安定に光熱変位が計測
されうる。さらに，上記２つの励起光が互いに逆位相で
強度変調されるようにしてもよい。その場合，上記２つ
の測定光の試料からの反射光の位相差は，単独励起の２
倍になるため，光熱変位の検出感度が高められる。よっ
て，計測精度が高められうる。
【０００９】さらに，上記励起光の振動周波数が上記測
定光の振動周波数と異なるものとされてもよい。その場
合，上記反射光から試料の光熱変位による位相変化成分
が確実に抽出される。これにより，計測精度が高められ
うる。さらに，上記２つの励起光に，該励起光を音響光
学変調器により強度変調したときの回折光と非回折光と
が用いられてもよい。これにより，上記互いに逆位相で
強度変調された２つの励起光がえられるため，光熱変位
の検出感度が最も高められる。よって，計測精度が高め
られうる。さらに，上記干渉光の光電変換出力に含ま
れ，上記２つの測定光の振動周波数差の成分を有するビ
ート信号の位相変化から上記試料の光熱変位が計測され
てもよい。これにより，上記位相変化成分の確実な抽出
がなされるため，計測精度が高められうる。さらに，上
記励起光の光源が波長可変型光源とされてもよく，その
場合，試料の分光的評価も可能になる。第２の発明によ
れば，試料に光が照射され，それによる試料の光熱変位
が計測されることにより試料が評価されるに際し，まず
強度変調された光が２分割される。一方の光が試料に照
射される。その反射光の位相が他方の光の位相を基準に
計測される。該計測された反射光の位相に基づいて上記
光熱変位が計測される。
定光の振動周波数と異なるものとされてもよい。その場
合，上記反射光から試料の光熱変位による位相変化成分
が確実に抽出される。これにより，計測精度が高められ
うる。さらに，上記２つの励起光に，該励起光を音響光
学変調器により強度変調したときの回折光と非回折光と
が用いられてもよい。これにより，上記互いに逆位相で
強度変調された２つの励起光がえられるため，光熱変位
の検出感度が最も高められる。よって，計測精度が高め
られうる。さらに，上記干渉光の光電変換出力に含ま
れ，上記２つの測定光の振動周波数差の成分を有するビ
ート信号の位相変化から上記試料の光熱変位が計測され
てもよい。これにより，上記位相変化成分の確実な抽出
がなされるため，計測精度が高められうる。さらに，上
記励起光の光源が波長可変型光源とされてもよく，その
場合，試料の分光的評価も可能になる。第２の発明によ
れば，試料に光が照射され，それによる試料の光熱変位
が計測されることにより試料が評価されるに際し，まず
強度変調された光が２分割される。一方の光が試料に照
射される。その反射光の位相が他方の光の位相を基準に
計測される。該計測された反射光の位相に基づいて上記
光熱変位が計測される。
【００１０】従って，光の強度変調による位相変化は相
殺されて，従来例装置Ａ０２，Ａ０３におけるような音
響光学変調器による位相ノイズはなくなる。これにより
安定した光熱変位が計測されうる。さらに，上記２分割
された光とは光周波数の異なる光が発生させられ，その
光が上記反射光及び他方の光とそれぞれ別個に干渉させ
られたときの両干渉光の位相差に基づいて上記光熱変位
が計測されるようにしてもよい。この場合，上記反射光
及び他方の光の光周波数が，これらの光とは光周波数の
異なる光を用いてビートダウン（低下）されるため，上
記位相差の計測精度が確保される。さらに，上記両干渉
光のそれぞれが別個の光電変換器により受光されたとき
の両光電変換器の出力信号の位相差に基づいて上記光熱
変位が計測されるようにしてもよい。このように上記ビ
ートダウンされた光が交流電気信号に変換され，この信
号の位相差が計測されることにより，上記位相差の計測
精度が確保される。その結果，複雑な信号処理を行うこ
となく高精度かつ安定に光熱変位が計測されうる。
殺されて，従来例装置Ａ０２，Ａ０３におけるような音
響光学変調器による位相ノイズはなくなる。これにより
安定した光熱変位が計測されうる。さらに，上記２分割
された光とは光周波数の異なる光が発生させられ，その
光が上記反射光及び他方の光とそれぞれ別個に干渉させ
られたときの両干渉光の位相差に基づいて上記光熱変位
が計測されるようにしてもよい。この場合，上記反射光
及び他方の光の光周波数が，これらの光とは光周波数の
異なる光を用いてビートダウン（低下）されるため，上
記位相差の計測精度が確保される。さらに，上記両干渉
光のそれぞれが別個の光電変換器により受光されたとき
の両光電変換器の出力信号の位相差に基づいて上記光熱
変位が計測されるようにしてもよい。このように上記ビ
ートダウンされた光が交流電気信号に変換され，この信
号の位相差が計測されることにより，上記位相差の計測
精度が確保される。その結果，複雑な信号処理を行うこ
となく高精度かつ安定に光熱変位が計測されうる。
【００１１】
【実施例】以下添付図面を参照して，本発明を具体化し
た実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以
下の実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発
明の技術的範囲を限定する性格のものではない。ここ
に，図１は第１の発明の一実施例（第１の実施例）に係
る光熱変位計測による試料評価装置Ａ１の概略構成を示
す模式図，図２は第１の発明の他の実施例（第２の実施
例）に係る光熱変位計測による試料評価装置Ａ２の概略
部分構成を示す模式図，図３は第１の発明の他の実施例
（第３の実施例）に係る光熱変位計測による試料評価装
置Ａ３の概略部分構成を示す模式図，図４は第２の発明
の一実施例（第４の実施例）に係る光熱変位計測による
試料評価装置Ａ４の概略構成を示す模式図である。第１
の発明に係る光熱変位計測による試料評価方法は，試料
に励起光が照射され，この励起光による試料の光熱変位
が測定光を用いて計測されることにより試料が評価され
る点で従来例（装置Ａ０１，Ａ０２）と同様である。し
かし，第１の発明では，２つの励起光と２つの測定光と
がそれぞれ発生させられ，上記２つの励起光が互いに異
なる位相で強度変調され，それぞれが試料の異なる位置
に照射され，上記２つの測定光が互いに異なる振動周波
数に設定され，上記２つの励起光のそれぞれの照射位置
に上記２つの測定光のそれぞれが照射され，上記２つの
測定光の試料からの反射光が干渉させられ，この干渉光
の位相に基づいて上記試料が評価される点で従来例と異
なる。
た実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以
下の実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発
明の技術的範囲を限定する性格のものではない。ここ
に，図１は第１の発明の一実施例（第１の実施例）に係
る光熱変位計測による試料評価装置Ａ１の概略構成を示
す模式図，図２は第１の発明の他の実施例（第２の実施
例）に係る光熱変位計測による試料評価装置Ａ２の概略
部分構成を示す模式図，図３は第１の発明の他の実施例
（第３の実施例）に係る光熱変位計測による試料評価装
置Ａ３の概略部分構成を示す模式図，図４は第２の発明
の一実施例（第４の実施例）に係る光熱変位計測による
試料評価装置Ａ４の概略構成を示す模式図である。第１
の発明に係る光熱変位計測による試料評価方法は，試料
に励起光が照射され，この励起光による試料の光熱変位
が測定光を用いて計測されることにより試料が評価され
る点で従来例（装置Ａ０１，Ａ０２）と同様である。し
かし，第１の発明では，２つの励起光と２つの測定光と
がそれぞれ発生させられ，上記２つの励起光が互いに異
なる位相で強度変調され，それぞれが試料の異なる位置
に照射され，上記２つの測定光が互いに異なる振動周波
数に設定され，上記２つの励起光のそれぞれの照射位置
に上記２つの測定光のそれぞれが照射され，上記２つの
測定光の試料からの反射光が干渉させられ，この干渉光
の位相に基づいて上記試料が評価される点で従来例と異
なる。
【００１２】以下本方法による第１の実施例に係る装置
Ａ１を用いて本方法が具現化されると共に，その基本原
理が概略説明される。この装置Ａ１では，図１に示され
るように，レーザ（ＹＡＧレーザ）１からの直線偏光レ
ーザ光が半波長板２及び偏光ビームスプリッタ３により
適当な分配比にてビーム１とビーム２とに分岐される。
ビーム１が励起光とされて，音響光学変調器４により周
波数Ｆにて周期的強度変調が行われる。音響光学変調器
４からの出射光，ここでは，回折光（１次回折光）及び
非回折光（０次回折光）が，ミラーＭ，偏光ビームスプ
リッタ５，ビームスプリッタ６，レンズ７を介して試料
８に集光されて照射される。試料８上での，０次および
１次回折光の照射位置は，レンズ７に照射するこれら０
次および１次回折光のビームの角度及びレンズ７の焦点
距離に依存する。ここでは，試料８上の０次および１次
回折光の間隔が約１００μｍとされる。また，０次回折
光と１次回折光との強度変調の位相は，逆位相であるた
め，これら励起光による光熱変位も互いに逆位相とな
る。
Ａ１を用いて本方法が具現化されると共に，その基本原
理が概略説明される。この装置Ａ１では，図１に示され
るように，レーザ（ＹＡＧレーザ）１からの直線偏光レ
ーザ光が半波長板２及び偏光ビームスプリッタ３により
適当な分配比にてビーム１とビーム２とに分岐される。
ビーム１が励起光とされて，音響光学変調器４により周
波数Ｆにて周期的強度変調が行われる。音響光学変調器
４からの出射光，ここでは，回折光（１次回折光）及び
非回折光（０次回折光）が，ミラーＭ，偏光ビームスプ
リッタ５，ビームスプリッタ６，レンズ７を介して試料
８に集光されて照射される。試料８上での，０次および
１次回折光の照射位置は，レンズ７に照射するこれら０
次および１次回折光のビームの角度及びレンズ７の焦点
距離に依存する。ここでは，試料８上の０次および１次
回折光の間隔が約１００μｍとされる。また，０次回折
光と１次回折光との強度変調の位相は，逆位相であるた
め，これら励起光による光熱変位も互いに逆位相とな
る。
【００１３】この光熱変位が上記偏光ビームスプリッタ
３により先に分岐されたビーム２により計測される。す
なわち，ビーム２がビームスプリッタ９で二分され，そ
れぞれが周波数Ｆ１およびＦ２の搬送波で定常駆動され
る音響光学変調器１０，１１により周波数シフトされ
る。これらの音響光学変調器１０，１１からの出射回折
光の光周波数は，その入射光に対して，それぞれ周波数
Ｆ１及びＦ２だけそれぞれシフトされている。これら２
ビーム（ビーム３，４）のそれぞれが測定光とされて，
偏光ビームスプリッタ５に先の０次および１次回折光で
あるビーム１′，１″のそれぞれと同軸方向になるよう
に導光されることにより，それぞれ試料８上の照射位置
（光熱変位測定位置）に照射される。ビーム３，４の試
料８からの反射光が再びレンズ７およびビームスプリッ
タ６を経由させられた後，両反射光はミラーＭおよびビ
ームスプリッタ１２により合成され，干渉させられる。
そして，この干渉光が光電変換器１３により受光され
る。光電変換器１３の出力におけるビーム３，４の干渉
信号成分Ｖ（周波数Ｆ１−Ｆ２成分）が，フィルタ１４
により取り出される。この取り出された信号のレベルが
リミッタアンプ１５により一定化（定振幅化）される。
この出力Ｖは次式で示される。 Ｖ＝Ｃ・ｓｉｎ（２π（Ｆ１−Ｆ２）ｔ＋４πＬ０／λ−４πＬ１／λ＋Ｐ） …（１）
３により先に分岐されたビーム２により計測される。す
なわち，ビーム２がビームスプリッタ９で二分され，そ
れぞれが周波数Ｆ１およびＦ２の搬送波で定常駆動され
る音響光学変調器１０，１１により周波数シフトされ
る。これらの音響光学変調器１０，１１からの出射回折
光の光周波数は，その入射光に対して，それぞれ周波数
Ｆ１及びＦ２だけそれぞれシフトされている。これら２
ビーム（ビーム３，４）のそれぞれが測定光とされて，
偏光ビームスプリッタ５に先の０次および１次回折光で
あるビーム１′，１″のそれぞれと同軸方向になるよう
に導光されることにより，それぞれ試料８上の照射位置
（光熱変位測定位置）に照射される。ビーム３，４の試
料８からの反射光が再びレンズ７およびビームスプリッ
タ６を経由させられた後，両反射光はミラーＭおよびビ
ームスプリッタ１２により合成され，干渉させられる。
そして，この干渉光が光電変換器１３により受光され
る。光電変換器１３の出力におけるビーム３，４の干渉
信号成分Ｖ（周波数Ｆ１−Ｆ２成分）が，フィルタ１４
により取り出される。この取り出された信号のレベルが
リミッタアンプ１５により一定化（定振幅化）される。
この出力Ｖは次式で示される。 Ｖ＝Ｃ・ｓｉｎ（２π（Ｆ１−Ｆ２）ｔ＋４πＬ０／λ−４πＬ１／λ＋Ｐ） …（１）
【００１４】ここで，ＣおよびＰは定数，λはビーム
３，４の波長，Ｌ０，Ｌ１はそれぞれビーム１′，１″
による光熱変位であり，ビーム１′，１″の強度が等し
く，また，強度変化が前述のごとく逆位相のとき出力Ｖ
は次式で表される。 Ｖ＝Ｃ・ｓｉｎ（２π（Ｆ１−Ｆ２）ｔ＋２・４πＬ０／λ＋Ｐ） …（２） 光熱変位は，後段のＦＭ復調回路１６による出力Ｖの位
相検出により求められる。上記（２）式からわかるよう
に，光熱変位による干渉信号の位相変化は，単独励起
（０次回折光のみ，あるいは１次回折光のみの照射の場
合）の２倍になることから，微弱な光熱変位であっても
この場合は感度よく計測されうる。実際には，上記２つ
の励起光（ビーム１′，１″）の位相は必ずしも互いに
逆位相とされる必要はなく，少なくとも互いに異なる位
相とされれば足りる。ただし，逆位相とされた場合が最
も感度が高くなることはいうまでもない。
３，４の波長，Ｌ０，Ｌ１はそれぞれビーム１′，１″
による光熱変位であり，ビーム１′，１″の強度が等し
く，また，強度変化が前述のごとく逆位相のとき出力Ｖ
は次式で表される。 Ｖ＝Ｃ・ｓｉｎ（２π（Ｆ１−Ｆ２）ｔ＋２・４πＬ０／λ＋Ｐ） …（２） 光熱変位は，後段のＦＭ復調回路１６による出力Ｖの位
相検出により求められる。上記（２）式からわかるよう
に，光熱変位による干渉信号の位相変化は，単独励起
（０次回折光のみ，あるいは１次回折光のみの照射の場
合）の２倍になることから，微弱な光熱変位であっても
この場合は感度よく計測されうる。実際には，上記２つ
の励起光（ビーム１′，１″）の位相は必ずしも互いに
逆位相とされる必要はなく，少なくとも互いに異なる位
相とされれば足りる。ただし，逆位相とされた場合が最
も感度が高くなることはいうまでもない。
【００１５】ここで，音響光学変調器４，１０，１１に
おける各搬送波の周波数は出力Ｖに励起光ノイズが入ら
ないように，設定される必要がある。本実施例では，励
起光であるビーム１′（０次回折光）の光周波数はＦ
Ｐ，もう１つの励起光であるビーム１″（１次回折光）
の光周波数はＦＰ−１２０ＭＨｚ，測定光であるビーム
３の光周波数はＦＰ＋１２０ＭＨｚ，もう１つの測定光
であるビーム４の光周波数はＦＰ＋２００ＭＨｚになる
ように各ビームはそれぞれ設定された。このとき，ビー
ム３，４の干渉信号のビートの周波数は１２０ＭＨｚ，
２００ＭＨｚ，２４０ＭＨｚおよび３２０ＭＨｚとなる
が，これらはすべて電気的フィルタであるフィルタ１４
で容易に除去されうる。これにより，ビーム３，４の干
渉信号成分である８０ＭＨｚのみが確実に抽出されう
る。むろん，これ以外の設定も可能であるが，少なくと
も励起光（ビーム１′，１″）の振動周波数が測定光
（ビーム３，４）の振動周波数と異なるものとすれば上
記ビーム信号成分の抽出が容易となる。
おける各搬送波の周波数は出力Ｖに励起光ノイズが入ら
ないように，設定される必要がある。本実施例では，励
起光であるビーム１′（０次回折光）の光周波数はＦ
Ｐ，もう１つの励起光であるビーム１″（１次回折光）
の光周波数はＦＰ−１２０ＭＨｚ，測定光であるビーム
３の光周波数はＦＰ＋１２０ＭＨｚ，もう１つの測定光
であるビーム４の光周波数はＦＰ＋２００ＭＨｚになる
ように各ビームはそれぞれ設定された。このとき，ビー
ム３，４の干渉信号のビートの周波数は１２０ＭＨｚ，
２００ＭＨｚ，２４０ＭＨｚおよび３２０ＭＨｚとなる
が，これらはすべて電気的フィルタであるフィルタ１４
で容易に除去されうる。これにより，ビーム３，４の干
渉信号成分である８０ＭＨｚのみが確実に抽出されう
る。むろん，これ以外の設定も可能であるが，少なくと
も励起光（ビーム１′，１″）の振動周波数が測定光
（ビーム３，４）の振動周波数と異なるものとすれば上
記ビーム信号成分の抽出が容易となる。
【００１６】また，試料８上の２つの励起光（ビーム
１′，１″）の照射位置間隔は，本実施例では約１００
μｍとされたが，これ以外の値としてもよい。ただし完
全に差動的な光熱変位が発生するように試料８の熱拡散
長程度以上に設定される必要がある。これは，上記照射
位置間隔が小さい程，試料評価における優れた分解能が
期待できるからである。この点，本実施例では励起光及
び測定光にいずれもレーザ光を用いることとしているこ
とから，上記照射位置間隔が最も小さくされうる。上記
第１の実施例では，励起光と測定光との生成に同一の光
源であるレーザ１を用いた場合が示されたが，励起光源
と測定光源とに異なるレーザが適用されることも考えら
れる。第２の実施例はこの点に着目してなされたもので
あり，以下述べる。図２に示されるごとく，第２の実施
例に係る光熱変位計測による試料評価装置Ａ２では，励
起光源１８に例えば波長可変型光源（色素レーザ等）が
用いられる。測定光源１７には上記第１の実施例と同様
のＹＡＧレーザが用いられる。その他の構成は上記第１
の実施例の装置Ａ１と同様である。これにより波長の異
なる励起光による光熱変位が得られ，これを基に試料８
の分光的評価が可能となる。上記第１，第２の実施例で
は，各レーザ光はいずれも空間を伝搬しているが，光フ
ァイバによる導光を行うことが考えられる。第３の実施
例はこの点に着目してなされたたものであり，以下述べ
る。
１′，１″）の照射位置間隔は，本実施例では約１００
μｍとされたが，これ以外の値としてもよい。ただし完
全に差動的な光熱変位が発生するように試料８の熱拡散
長程度以上に設定される必要がある。これは，上記照射
位置間隔が小さい程，試料評価における優れた分解能が
期待できるからである。この点，本実施例では励起光及
び測定光にいずれもレーザ光を用いることとしているこ
とから，上記照射位置間隔が最も小さくされうる。上記
第１の実施例では，励起光と測定光との生成に同一の光
源であるレーザ１を用いた場合が示されたが，励起光源
と測定光源とに異なるレーザが適用されることも考えら
れる。第２の実施例はこの点に着目してなされたもので
あり，以下述べる。図２に示されるごとく，第２の実施
例に係る光熱変位計測による試料評価装置Ａ２では，励
起光源１８に例えば波長可変型光源（色素レーザ等）が
用いられる。測定光源１７には上記第１の実施例と同様
のＹＡＧレーザが用いられる。その他の構成は上記第１
の実施例の装置Ａ１と同様である。これにより波長の異
なる励起光による光熱変位が得られ，これを基に試料８
の分光的評価が可能となる。上記第１，第２の実施例で
は，各レーザ光はいずれも空間を伝搬しているが，光フ
ァイバによる導光を行うことが考えられる。第３の実施
例はこの点に着目してなされたたものであり，以下述べ
る。
【００１７】図３に示されるごとく，第３の実施例に係
る光熱変位計測による試料評価装置Ａ３では，ＹＡＧレ
ーザ１より発射したレーザ光がコリメートレンズ２１に
より光ファイバ１９に集められ，多チャンネル音響光学
変調器２２に導かれる。ここで，励起光であるビーム
１′，１″と測定光であるビーム３，４とが生成され
る。これらのビームは光ファイバ１９′により導光さ
れ，ファイバ結合器２０にてビーム１′とビーム４と
が，またビーム１″とビーム３とがそれぞれ合成され
る。そして，これらのビームはそれぞれコリメートレン
ズ２１′を介して光路空間に放射される。またこれらの
ビームはそれぞれビームスプリッタ６，レンズ７を介し
て試料８に照射される。試料８からの反射光はコリメー
トレンズ２１″により光ファイバ１９″に集められる。
これらの集められたビームはファイバ結合器２０′によ
り合成され，干渉されて光電変換器１３にて受光され
る。以降の構成は，装置Ａ１と全く同様である。この場
合には，光路空間の大半が光ファイバにて置き換えられ
ているため，外乱光の影響を受けることが殆どなくな
る。その結果，計測精度の向上が図られる。
る光熱変位計測による試料評価装置Ａ３では，ＹＡＧレ
ーザ１より発射したレーザ光がコリメートレンズ２１に
より光ファイバ１９に集められ，多チャンネル音響光学
変調器２２に導かれる。ここで，励起光であるビーム
１′，１″と測定光であるビーム３，４とが生成され
る。これらのビームは光ファイバ１９′により導光さ
れ，ファイバ結合器２０にてビーム１′とビーム４と
が，またビーム１″とビーム３とがそれぞれ合成され
る。そして，これらのビームはそれぞれコリメートレン
ズ２１′を介して光路空間に放射される。またこれらの
ビームはそれぞれビームスプリッタ６，レンズ７を介し
て試料８に照射される。試料８からの反射光はコリメー
トレンズ２１″により光ファイバ１９″に集められる。
これらの集められたビームはファイバ結合器２０′によ
り合成され，干渉されて光電変換器１３にて受光され
る。以降の構成は，装置Ａ１と全く同様である。この場
合には，光路空間の大半が光ファイバにて置き換えられ
ているため，外乱光の影響を受けることが殆どなくな
る。その結果，計測精度の向上が図られる。
【００１８】尚，上記第１〜第３の実施例では，上記干
渉光の光電変換出力に含まれ２つの測定光の振動周波数
差の成分を有するビート信号の位相変化から試料の光熱
変位が計測されているが，実使用に際しては側波帯の検
知によってもよい。その場合，スペクトラムアナライザ
を用いて精度よく計測されうる。以上のように，本第１
〜第３の実施例によれば，いずれも互いに異なる位相で
強度変調された励起光が試料に照射されたことにより，
各励起部の光熱変位による測定光の位相差が従来例装置
Ａ０１における単独励起よりも大きくなるため，光熱変
位の検出感度が高くなる。また，光熱変位が計測される
ための光は従来例装置Ａ０２におけるような音響光学変
調器による強度変調が行われないため，上記変調器によ
る位相ノイズはなくなる。これにより安定に光熱変位が
計測されうる。その結果，複雑な信号処理を行うことな
く高精度かつ安定に光熱変位が計測されうる。
渉光の光電変換出力に含まれ２つの測定光の振動周波数
差の成分を有するビート信号の位相変化から試料の光熱
変位が計測されているが，実使用に際しては側波帯の検
知によってもよい。その場合，スペクトラムアナライザ
を用いて精度よく計測されうる。以上のように，本第１
〜第３の実施例によれば，いずれも互いに異なる位相で
強度変調された励起光が試料に照射されたことにより，
各励起部の光熱変位による測定光の位相差が従来例装置
Ａ０１における単独励起よりも大きくなるため，光熱変
位の検出感度が高くなる。また，光熱変位が計測される
ための光は従来例装置Ａ０２におけるような音響光学変
調器による強度変調が行われないため，上記変調器によ
る位相ノイズはなくなる。これにより安定に光熱変位が
計測されうる。その結果，複雑な信号処理を行うことな
く高精度かつ安定に光熱変位が計測されうる。
【００１９】上記第１〜第３の実施例では，いずれも光
が分割されて，一方の光が励起光として強度変調され，
他方の光が測定光として強度変調されずに周波数シフト
された後両光が合成されて試料に照射されるため，光学
系が若干複雑化している。これを簡略化すべくなされた
のが次に示される第２の発明である。以下述べる。第２
の発明に係る光熱変位計測による試料計測方法は，試料
に光が照射され，それによる試料の光熱変位が計測され
ることにより試料が評価される点では，従来例（装置Ａ
０１，Ａ０２，Ａ０３）と同様である。しかし，本第４
の実施例では，強度変調された光が２分割され，一方の
光が試料に照射され，その反射光の位相が他方の光の位
相を基準に計測され，該計測された反射光の位相に基づ
いて上記光熱変位が計測される点で従来例と異なる。ま
た，上記２分割された光とは光高周数の異なる光が発生
させられ，その光が上記反射光及び他方の光とそれぞれ
別個に干渉させられたときの両干渉光の位相差に基づい
て上記光熱変位が計測されるようにしてもよく，その点
でも従来例と異なる。但し，上記光周波の異なる光を用
いることなく，反射光の位相及び他方の光の位相は高周
波数域で直接計測されることとしてもよい。
が分割されて，一方の光が励起光として強度変調され，
他方の光が測定光として強度変調されずに周波数シフト
された後両光が合成されて試料に照射されるため，光学
系が若干複雑化している。これを簡略化すべくなされた
のが次に示される第２の発明である。以下述べる。第２
の発明に係る光熱変位計測による試料計測方法は，試料
に光が照射され，それによる試料の光熱変位が計測され
ることにより試料が評価される点では，従来例（装置Ａ
０１，Ａ０２，Ａ０３）と同様である。しかし，本第４
の実施例では，強度変調された光が２分割され，一方の
光が試料に照射され，その反射光の位相が他方の光の位
相を基準に計測され，該計測された反射光の位相に基づ
いて上記光熱変位が計測される点で従来例と異なる。ま
た，上記２分割された光とは光高周数の異なる光が発生
させられ，その光が上記反射光及び他方の光とそれぞれ
別個に干渉させられたときの両干渉光の位相差に基づい
て上記光熱変位が計測されるようにしてもよく，その点
でも従来例と異なる。但し，上記光周波の異なる光を用
いることなく，反射光の位相及び他方の光の位相は高周
波数域で直接計測されることとしてもよい。
【００２０】以下，本第２の発明の方法による第４の実
施例に係る装置Ａ４を用いて本方法が具現化されると共
に，その基本原理を概略説明される。この装置Ａ４で
は，図４に示されるように，光周波数がＦｐのＹＡＧレ
ーザ３１からレーザ光は，搬送周波数Ｆｂでドライブさ
れた音響光学変調器３２により強度変調される。この変
調光（音響光学変調器３２からの回折光）はビームスプ
リッタ３３により，ビーム１およびビーム２に分割され
る。これらのビーム１，２をなす各光波は，次式で表さ
れる。 ビーム１：Ｓ１＝Ａ・Ｍ（ｔ）ｅｘｐ｛ｉ（２π（Ｆｐ＋Ｆｂ）ｔ＋φ）｝ …（３） ビーム２：Ｓ２＝Ｂ・Ｍ（ｔ）ｅｘｐ｛ｉ（２π（Ｆｐ＋Ｆｂ）ｔ＋φ）｝ …（４）
施例に係る装置Ａ４を用いて本方法が具現化されると共
に，その基本原理を概略説明される。この装置Ａ４で
は，図４に示されるように，光周波数がＦｐのＹＡＧレ
ーザ３１からレーザ光は，搬送周波数Ｆｂでドライブさ
れた音響光学変調器３２により強度変調される。この変
調光（音響光学変調器３２からの回折光）はビームスプ
リッタ３３により，ビーム１およびビーム２に分割され
る。これらのビーム１，２をなす各光波は，次式で表さ
れる。 ビーム１：Ｓ１＝Ａ・Ｍ（ｔ）ｅｘｐ｛ｉ（２π（Ｆｐ＋Ｆｂ）ｔ＋φ）｝ …（３） ビーム２：Ｓ２＝Ｂ・Ｍ（ｔ）ｅｘｐ｛ｉ（２π（Ｆｐ＋Ｆｂ）ｔ＋φ）｝ …（４）
【００２１】ここで，Ａ，Ｂは，光波振幅を示す定数で
あるが，ビーム１は励起用に用いられるためＡはＢより
大きくなるように設定されている。φは光学系の構成，
強度変化による変化し得る値，Ｍ（ｔ）は強度変調度合
いを表す因子である。本第４の実施例では，元のレーザ
光が周波数Ｆで正弦波状に強度変調されているため，Ｍ
（ｔ）は，次式で表される。 Ｍ（ｔ）＝１＋ｍ・ｃｏｓ（２πＦｔ＋ｑ） …（５） ここで，ｍ（０＜ｍ＜１）は変調率，ｑは定数である。
ビーム１が試料３４に照射されたとき，その反射光の光
波Ｓｒは，励起光でもあるビーム１自身の強度変化によ
る光熱変位に対する位相変化Ｐを含むため次式で表され
る。 Ｓｒ＝Ｒ・Ｍ（ｔ）・ｅｘｐ｛ｉ（２π（Ｆｐ＋Ｆｂ）ｔ＋φ＋φｒ＋Ｐ）｝ …（６） ここでＲは試料３４の反射率，光学系の透過率に依存す
る値，φｒは光路長に対する位相変化である。
あるが，ビーム１は励起用に用いられるためＡはＢより
大きくなるように設定されている。φは光学系の構成，
強度変化による変化し得る値，Ｍ（ｔ）は強度変調度合
いを表す因子である。本第４の実施例では，元のレーザ
光が周波数Ｆで正弦波状に強度変調されているため，Ｍ
（ｔ）は，次式で表される。 Ｍ（ｔ）＝１＋ｍ・ｃｏｓ（２πＦｔ＋ｑ） …（５） ここで，ｍ（０＜ｍ＜１）は変調率，ｑは定数である。
ビーム１が試料３４に照射されたとき，その反射光の光
波Ｓｒは，励起光でもあるビーム１自身の強度変化によ
る光熱変位に対する位相変化Ｐを含むため次式で表され
る。 Ｓｒ＝Ｒ・Ｍ（ｔ）・ｅｘｐ｛ｉ（２π（Ｆｐ＋Ｆｂ）ｔ＋φ＋φｒ＋Ｐ）｝ …（６） ここでＲは試料３４の反射率，光学系の透過率に依存す
る値，φｒは光路長に対する位相変化である。
【００２２】レーザ出射口にてビームサンプラ３５によ
り次式で示される光波振幅を持つレーザ光（ビーム３）
が取り出され，ビームスプリッタ３６により分割されて
ビーム３′，３″となる。 Ｔ＝Ｃ・ｅｘｐ｛ｉ（２πＦｐｔ＋φｃ）｝ …（７） ここで，Ｃ，φｃはいずれも定数である。このビーム
３′と試料３４からの反射光とはビームスプリッタ３７
により干渉させられ，光電変換器３８により受光され
る。光電変換器３８の出力Ｐ１は次式で表される。 Ｐ１＝Ｄ・｜Ｓｒ＋Ｔ｜2 ＝Ｄ・｛｜Ｓｒ｜2 ＋｜Ｃ｜2 ＋２・Ｒ・Ｍ（ｔ）・Ｃ・ｃｏｓ（２πＦ ｂｔ＋φ＋φ１＋Ｐ）｝ …（８） ここで，Ｄは定数，φ１は光路長に対する位相変化であ
る。
り次式で示される光波振幅を持つレーザ光（ビーム３）
が取り出され，ビームスプリッタ３６により分割されて
ビーム３′，３″となる。 Ｔ＝Ｃ・ｅｘｐ｛ｉ（２πＦｐｔ＋φｃ）｝ …（７） ここで，Ｃ，φｃはいずれも定数である。このビーム
３′と試料３４からの反射光とはビームスプリッタ３７
により干渉させられ，光電変換器３８により受光され
る。光電変換器３８の出力Ｐ１は次式で表される。 Ｐ１＝Ｄ・｜Ｓｒ＋Ｔ｜2 ＝Ｄ・｛｜Ｓｒ｜2 ＋｜Ｃ｜2 ＋２・Ｒ・Ｍ（ｔ）・Ｃ・ｃｏｓ（２πＦ ｂｔ＋φ＋φ１＋Ｐ）｝ …（８） ここで，Ｄは定数，φ１は光路長に対する位相変化であ
る。
【００２３】さらに，ビーム２もビーム３″とビームス
プリッタ３３を通して干渉させられ，光電変換器３９に
より受光される。光電変換器３９の出力Ｐ２は次式で表
される。 Ｐ２＝Ｅ・｜Ｓ２＋Ｔ｜2 ＝Ｅ・｛｜Ｓ２｜2 ＋｜Ｃ｜2 ＋２・Ｂ・Ｍ（ｔ）・Ｃ・ｃｏｓ（２πＦ ｂｔ＋φ＋φ２）｝ …（９） ここで，Ｅは定数，φ２は光路長に対する位相変化であ
る。この２つの信号の位相差を検出する具体的手法を以
下に示す。出力Ｐ１のビート周波数成分がフィルタ４０
により取り出された後，リミッタアンプ４１により定振
幅化されて信号Ｖ１が生成される。信号Ｖ１は次式で表
される。 Ｖ１＝Ｆ１・ｃｏｓ（２πＦｂｔ＋φ＋φ１＋φ１ｅ＋Ｐ）｝ …（１０） ここで，Ｆ１は定数，φ１ｅは本電気回路で生じる位相
変化に依存する値である。
プリッタ３３を通して干渉させられ，光電変換器３９に
より受光される。光電変換器３９の出力Ｐ２は次式で表
される。 Ｐ２＝Ｅ・｜Ｓ２＋Ｔ｜2 ＝Ｅ・｛｜Ｓ２｜2 ＋｜Ｃ｜2 ＋２・Ｂ・Ｍ（ｔ）・Ｃ・ｃｏｓ（２πＦ ｂｔ＋φ＋φ２）｝ …（９） ここで，Ｅは定数，φ２は光路長に対する位相変化であ
る。この２つの信号の位相差を検出する具体的手法を以
下に示す。出力Ｐ１のビート周波数成分がフィルタ４０
により取り出された後，リミッタアンプ４１により定振
幅化されて信号Ｖ１が生成される。信号Ｖ１は次式で表
される。 Ｖ１＝Ｆ１・ｃｏｓ（２πＦｂｔ＋φ＋φ１＋φ１ｅ＋Ｐ）｝ …（１０） ここで，Ｆ１は定数，φ１ｅは本電気回路で生じる位相
変化に依存する値である。
【００２４】同様に出力Ｐ２のビート周波数成分がフィ
ルタ４２により取り出された後，リミッタアンプ４３に
より定振幅化され，位相シフタ４４を経て信号Ｖ２が生
成される。信号Ｖ２は次式で表される。 Ｖ２＝Ｆ２・ｃｏｓ（２πＦｂｔ＋φ＋φ２＋φ２ｅ＋ｑ）｝ …（１１） ここで，Ｆ２は定数，φ２ｅは本電気回路で生じる位相
変化に依存する値である。また，ｑは位相シフタ４４に
よる位相変化である。出力Ｐ１，Ｐ２の上記各処理にお
いて，同特性のフィルタやアンプが適用され，信号レベ
ルも同レベルで処理されることにより，上記出力Ｐ１及
びＰ２の各処理での位相変化は等しくされる（φ１ｅ＝
φ２ｅ）。次に，信号Ｖ１とＶ２とが乗算器４５により
ミキシングされる。ミキング出力Ｖ３の低周波成分（ロ
ーパスフィルタ４６により周波数２Ｆｂ帯がカットされ
た残りの成分）の信号ＶＬは，次式で表される。 ＶＬ＝Ｇ・ｃｏｓ（Ｐ＋φ１−φ２−ｑ）｝ …（１２） ここで，Ｇは定数である。位相変化φ１，φ２はローパ
スフィルタ４７によるＶＬのＤＣレベルで検知される。
このＤＣレベルが零になるように位相シフタ４４により
位相ｑが制御される（φ１−φ２−ｑ＝π／２＋２ｎπ
（ｎ＝１，２，…））。
ルタ４２により取り出された後，リミッタアンプ４３に
より定振幅化され，位相シフタ４４を経て信号Ｖ２が生
成される。信号Ｖ２は次式で表される。 Ｖ２＝Ｆ２・ｃｏｓ（２πＦｂｔ＋φ＋φ２＋φ２ｅ＋ｑ）｝ …（１１） ここで，Ｆ２は定数，φ２ｅは本電気回路で生じる位相
変化に依存する値である。また，ｑは位相シフタ４４に
よる位相変化である。出力Ｐ１，Ｐ２の上記各処理にお
いて，同特性のフィルタやアンプが適用され，信号レベ
ルも同レベルで処理されることにより，上記出力Ｐ１及
びＰ２の各処理での位相変化は等しくされる（φ１ｅ＝
φ２ｅ）。次に，信号Ｖ１とＶ２とが乗算器４５により
ミキシングされる。ミキング出力Ｖ３の低周波成分（ロ
ーパスフィルタ４６により周波数２Ｆｂ帯がカットされ
た残りの成分）の信号ＶＬは，次式で表される。 ＶＬ＝Ｇ・ｃｏｓ（Ｐ＋φ１−φ２−ｑ）｝ …（１２） ここで，Ｇは定数である。位相変化φ１，φ２はローパ
スフィルタ４７によるＶＬのＤＣレベルで検知される。
このＤＣレベルが零になるように位相シフタ４４により
位相ｑが制御される（φ１−φ２−ｑ＝π／２＋２ｎπ
（ｎ＝１，２，…））。
【００２５】このとき，信号ＶＬは次式で表される。 ＶＬ＝Ｇ・ｓｉｎ（Ｐ）〜ＧＰ …（１３） この信号ＶＬから光熱変位による位相変化Ｐが検出され
る。この位相変化Ｐより光熱変位Ｌは，次式で表され
る。 Ｌ＝Ｐλ／４π …（１４） ここで，λはレーザの波長である。この光熱変位Ｌよ
り，試料３４の特性（熱弾性特性，光吸収特性等）が評
価される。上記位相変化Ｐの検出，光熱変位Ｌの演算及
び試料３４の特性評価は本装置Ａ４の最後段に設けられ
たロックインアンプ，コンピュータ等からなるデータ処
理装置４８によってなされる。尚，上記第４の実施例で
は，各レーザ光は，空間に伝搬されているが，前記第３
の実施例と同様，光ファイバによる導光や，光の合成，
干渉にファイバ結合器の利用が可能である。以上のよう
に本第４の実施例は，励起光の試料からの反射光の位相
を基に光熱変位が計測される手法であるから，光熱変位
を測定するために別のレーザ光が光熱変位測定点に照射
される必要がない。従って，従来例装置Ａ０１で生じる
励起光と測定光の照射位置のずれに関する問題はない。
る。この位相変化Ｐより光熱変位Ｌは，次式で表され
る。 Ｌ＝Ｐλ／４π …（１４） ここで，λはレーザの波長である。この光熱変位Ｌよ
り，試料３４の特性（熱弾性特性，光吸収特性等）が評
価される。上記位相変化Ｐの検出，光熱変位Ｌの演算及
び試料３４の特性評価は本装置Ａ４の最後段に設けられ
たロックインアンプ，コンピュータ等からなるデータ処
理装置４８によってなされる。尚，上記第４の実施例で
は，各レーザ光は，空間に伝搬されているが，前記第３
の実施例と同様，光ファイバによる導光や，光の合成，
干渉にファイバ結合器の利用が可能である。以上のよう
に本第４の実施例は，励起光の試料からの反射光の位相
を基に光熱変位が計測される手法であるから，光熱変位
を測定するために別のレーザ光が光熱変位測定点に照射
される必要がない。従って，従来例装置Ａ０１で生じる
励起光と測定光の照射位置のずれに関する問題はない。
【００２６】また，ビーム１の光の位相は，強度変調に
より変化するが，この位相変化はビーム２でも生じてい
る。従って，ビーム２を基準にビーム１の試料からの反
射光の位相が測定されることにより，強度変調による位
相変化は相殺され，ビーム１の試料からの反射光におけ
る光熱変位による位相差だけが計測される。従って，従
来例装置Ａ０２，Ａ０３で生じるノイズに関する問題点
はない。さらに，上記位相測定では，光干渉法にて，試
料からの反射光及びビーム２の光周波数がビートダウン
（低下）され，交流電気信号に変換され，この信号の位
相が計測される。この手法は高周波数域で計測される場
合に比べて精度が確保されやすいため現実的である。そ
の結果，複雑な信号処理を行うことなく高精度かつ安定
に光熱変位が計測されうる。
より変化するが，この位相変化はビーム２でも生じてい
る。従って，ビーム２を基準にビーム１の試料からの反
射光の位相が測定されることにより，強度変調による位
相変化は相殺され，ビーム１の試料からの反射光におけ
る光熱変位による位相差だけが計測される。従って，従
来例装置Ａ０２，Ａ０３で生じるノイズに関する問題点
はない。さらに，上記位相測定では，光干渉法にて，試
料からの反射光及びビーム２の光周波数がビートダウン
（低下）され，交流電気信号に変換され，この信号の位
相が計測される。この手法は高周波数域で計測される場
合に比べて精度が確保されやすいため現実的である。そ
の結果，複雑な信号処理を行うことなく高精度かつ安定
に光熱変位が計測されうる。
【００２７】
【発明の効果】第１の発明に係る光熱変位計測による試
料評価方法は，上記したように構成されているため，互
いに異なる位相で強度変調された励起光が試料に照射さ
れたことにより，各励起部の光熱変位による測定光の位
相差が従来例装置Ａ０１における単独励起よりも大きく
なるため，光熱変位の検出感度が高くなる。また，光熱
変位を計測するための光は従来例装置Ａ０２におけるよ
うな音響光学変調器による強度変調が行われないため，
上記変調器による位相ノイズはなくなる。これにより安
定に光熱変位が計測されうる。さらに，上記２つの励起
光が互いに逆位相で強度変調される場合，上記２つの測
定光の試料からの反射光の位相差は，単独励起の２倍に
なるため，光熱変位の検出感度が高められる。よって，
計測精度が高められうる。さらに，上記励起光の振動周
波数が上記測定光の振動周波数と異なるものとされる場
合，上記反射光から試料の光熱変位による位相変化成分
が確実に抽出される。これにより，計測精度が高められ
うる。さらに，上記２つの励起光に，該励起光が音響光
学変調器により強度変調されたときの回折光と非回折光
とが用いられる場合上記互いに逆位相で強度変調された
２つの励起光がえられるため，光熱変位の検出感度が最
も高められうる。よって計測精度が高められうる。
料評価方法は，上記したように構成されているため，互
いに異なる位相で強度変調された励起光が試料に照射さ
れたことにより，各励起部の光熱変位による測定光の位
相差が従来例装置Ａ０１における単独励起よりも大きく
なるため，光熱変位の検出感度が高くなる。また，光熱
変位を計測するための光は従来例装置Ａ０２におけるよ
うな音響光学変調器による強度変調が行われないため，
上記変調器による位相ノイズはなくなる。これにより安
定に光熱変位が計測されうる。さらに，上記２つの励起
光が互いに逆位相で強度変調される場合，上記２つの測
定光の試料からの反射光の位相差は，単独励起の２倍に
なるため，光熱変位の検出感度が高められる。よって，
計測精度が高められうる。さらに，上記励起光の振動周
波数が上記測定光の振動周波数と異なるものとされる場
合，上記反射光から試料の光熱変位による位相変化成分
が確実に抽出される。これにより，計測精度が高められ
うる。さらに，上記２つの励起光に，該励起光が音響光
学変調器により強度変調されたときの回折光と非回折光
とが用いられる場合上記互いに逆位相で強度変調された
２つの励起光がえられるため，光熱変位の検出感度が最
も高められうる。よって計測精度が高められうる。
【００２８】さらに，上記干渉光の光電変換出力に含ま
れ，上記２つの測定光の振動周波数差の成分を有するビ
ート信号の位相変化から上記試料の光熱変位が計測され
る場合，上記位相変化成分の確実な抽出がなされるた
め，計測精度が高められうる。さらに，上記励起光の光
源が波長可変型光源とされる場合，試料の分光的評価も
可能になる。また，第２の発明に係る光熱変位計測によ
る試料評価方法では，光の強度変調による位相変化は相
殺されて，従来例装置Ａ０２，Ａ０３におけるような音
響光学変調器による位相ノイズはなくなる。これにより
安定した光熱変位が計測されうる。さらに，上記２分割
された光とは光周波数の異なる光が発生させられ，その
光が上記反射光及び他方の光とそれぞれ別個に干渉させ
られたときの両干渉光の位相差に基づいて上記光熱変位
が計測される場合，上記反射光及び他方の光の光周波数
が，これらの光とは光周波数の異なる光を用いてビート
ダウン（低下）されるため，上記位相差の計測精度が確
保される。さらに，上記両干渉光のそれぞれが別個の光
電変換により受光されたときの両光電変換器の出力信号
の位相差に基づいて上記光熱変位が計測される場合，上
記ビートダウンされた光が交流電気信号に変換されこの
信号の位相差が計測されることにより，上記位相差の計
測精度が確保される。その結果，複雑な信号処理を行う
ことなく高精度かつ安定に光熱変位が計測されうる。
れ，上記２つの測定光の振動周波数差の成分を有するビ
ート信号の位相変化から上記試料の光熱変位が計測され
る場合，上記位相変化成分の確実な抽出がなされるた
め，計測精度が高められうる。さらに，上記励起光の光
源が波長可変型光源とされる場合，試料の分光的評価も
可能になる。また，第２の発明に係る光熱変位計測によ
る試料評価方法では，光の強度変調による位相変化は相
殺されて，従来例装置Ａ０２，Ａ０３におけるような音
響光学変調器による位相ノイズはなくなる。これにより
安定した光熱変位が計測されうる。さらに，上記２分割
された光とは光周波数の異なる光が発生させられ，その
光が上記反射光及び他方の光とそれぞれ別個に干渉させ
られたときの両干渉光の位相差に基づいて上記光熱変位
が計測される場合，上記反射光及び他方の光の光周波数
が，これらの光とは光周波数の異なる光を用いてビート
ダウン（低下）されるため，上記位相差の計測精度が確
保される。さらに，上記両干渉光のそれぞれが別個の光
電変換により受光されたときの両光電変換器の出力信号
の位相差に基づいて上記光熱変位が計測される場合，上
記ビートダウンされた光が交流電気信号に変換されこの
信号の位相差が計測されることにより，上記位相差の計
測精度が確保される。その結果，複雑な信号処理を行う
ことなく高精度かつ安定に光熱変位が計測されうる。
【図１】 第１の発明の一実施例（第１の実施例）に係
る光熱変位計測による試料評価装置Ａ１の概略構成を示
す模式図。
る光熱変位計測による試料評価装置Ａ１の概略構成を示
す模式図。
【図２】 第１の発明の他の実施例（第２の実施例）に
係る光熱変位計測による試料評価装置Ａ２の概略部分構
成を示す模式図。
係る光熱変位計測による試料評価装置Ａ２の概略部分構
成を示す模式図。
【図３】 第１の発明の他の実施例（第３の実施例）に
係る光熱変位計測による試料評価装置Ａ３の概略部分構
成を示す模式図。
係る光熱変位計測による試料評価装置Ａ３の概略部分構
成を示す模式図。
【図４】 第２の発明の一実施例（第４の実施例）に係
る光熱変位計測による試料評価装置Ａ４の概略構成を示
す模式図。
る光熱変位計測による試料評価装置Ａ４の概略構成を示
す模式図。
【図５】 従来の光熱変位計測による試料評価装置の第
１例Ａ０１における概略構成を示す模式図。
１例Ａ０１における概略構成を示す模式図。
【図６】 従来の光熱変位計測による試料評価装置の第
２例Ａ０２における概略構成を示す模式図。
２例Ａ０２における概略構成を示す模式図。
【図７】 従来の光熱変位計測による試料評価装置の第
３例Ａ０３における概略構成を示す模式図。
３例Ａ０３における概略構成を示す模式図。
Ａ１〜Ａ３…光熱変位計測装置 １…レーザ ４，１０，１１…音響光学変調器 ８…試料 Ａ４…光熱変位計測装置 ３１…レーザ ３２…音響光学変調器 ３４…試料
フロントページの続き (72)発明者 森本 勉 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内
Claims (9)
- 【請求項１】 試料に励起光を照射し，該励起光による
試料の光熱変位を測定光を用いて計測することにより試
料を評価する方法において，２つの励起光と２つの測定
光とをそれぞれ発生させ，上記２つの励起光を互いに異
なる位相で強度変調し，それぞれを上記試料の異なる位
置に照射し，上記２つの測定光を互いに異なる振動周波
数に設定し，上記２つの励起光のそれぞれの照射位置に
上記２つの測定光のそれぞれを照射し，上記２つの測定
光の試料からの反射光を干渉させ，該干渉光の位相に基
づいて上記試料を評価することを特徴とする光熱変位計
測による試料評価方法。 - 【請求項２】 上記２つの励起光を互いに逆位相で強度
変調する請求項１記載の光熱変位計測による試料評価方
法。 - 【請求項３】 上記励起光の振動周波数が上記測定光の
振動周波数と異なる請求項１又は２記載の光熱変位計測
による試料評価方法。 - 【請求項４】 上記２つの励起光に該励起光を音響光学
変調器により強度変調したときの回折光と非回折光とを
用いる請求項１〜３のいずれかに記載の光熱変位計測に
よる試料評価方法。 - 【請求項５】 上記干渉光の光電変換出力に含まれ，上
記２つの測定光の振動周波数差の成分を有するビート信
号の位相変化から上記試料の光熱変位を計測する請求項
１〜４のいずれかに記載の光熱変位計測による試料評価
方法。 - 【請求項６】 上記励起光の光源が波長可変型光源であ
る請求項１〜５のいずれかに記載の光熱変位計測による
試料評価方法。 - 【請求項７】 試料に光を照射し，それによる試料の光
熱変位を計測することにより試料を評価する方法におい
て，強度変調した光を２分割し，一方の光を試料に照射
し，その反射光の位相を他方の光の位相を基準に計測
し，該計測された反射光の位相に基づいて上記光熱変位
を計測してなることを特徴とする光熱変位計測による試
料評価方法。 - 【請求項８】 上記２分割した光とは光周波数の異なる
光を発生させ，その光を上記反射光及び他方の光とそれ
ぞれ別個に干渉させた時の両干渉光の位相差に基づいて
上記光熱変位を計測してなることを特徴とする請求項７
記載の光熱変位計測による試料計測方法。 - 【請求項９】 上記両干渉光のそれぞれを別個の光電変
換器により受光したときの両光電変換器の出力信号の位
相差に基づいて上記光熱変位を計測してなる請求項８記
載の光熱変位計測による試料計測方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7003721A JPH07311182A (ja) | 1994-03-25 | 1995-01-13 | 光熱変位計測による試料評価方法 |
| KR1019950006341A KR0163627B1 (ko) | 1994-03-25 | 1995-03-24 | 광열변위계측에 의한 시료평가방법 |
| US08/409,670 US5619326A (en) | 1994-03-25 | 1995-03-24 | Method of sample valuation based on the measurement of photothermal displacement |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5535794 | 1994-03-25 | ||
| JP6-55357 | 1994-03-25 | ||
| JP7003721A JPH07311182A (ja) | 1994-03-25 | 1995-01-13 | 光熱変位計測による試料評価方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07311182A true JPH07311182A (ja) | 1995-11-28 |
Family
ID=26337357
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7003721A Pending JPH07311182A (ja) | 1994-03-25 | 1995-01-13 | 光熱変位計測による試料評価方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5619326A (ja) |
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