(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バネ板（２）に取り付けられ、かつ試料（11）の表面近傍範囲に配置された測定針（１）と、該試料（11）に結合された超音波変換器と、該試料（11）との距離の時間平均値が常に等しくなるように配線された該測定針（１）を基準にして試料（11）を位置決めするための移動装置と、制御・測定データ収集装置（17）とを備えた、試料（11）を調べるための超音波顕微鏡において、
前記超音波変換器は、測定針（１）を取り付けたバネ板（２）の共振振動数よりも高い振動数を有する超音波を測定針（１）から距離をおいて試料（11）に照射できる伝搬ヘッド（９）であり、
バネ板（２）、移動装置、伝搬ヘッド（９）および試料（11）は、保持装置（４）を経て機械的に剛性があるように互いに結合されるとともに、該保持装置（４）の共振振動数は照射された超音波の振動数よりも小さくされており、
測定針（１）と試料（11）の表面との間の間隔が測定針の変位に関して平均化されかつ制御回路（８、17、24、29;2、８、17、77、85、86）を経て一定に保たれた状態で、入力した超音波により引き起こされた測定針（１）の変位を検出装置（36、37、39、41;58;2、77、85、87）によって捕らえることが出来る、
ことを特徴とする超音波顕微鏡。
【請求項２】
照射された超音波の振動数は測定針（１）を取り付けたバネ板（２）の共振振動数よりも少なくとも高いオーダーにあることを特徴とする、特許請求範囲第１項記載の超音波顕微鏡。
【請求項３】
バネ板（２）によって反射される光線（22）は光学式偏向装置（23、32）を経て第一光学式検出ユニット（24、29）を備える制御回路（８、17、24、29）並びに第二光学式検出ユニットとしての検出装置（36、
37;58）にそれぞれ入射されることを特徴とする、特許請求範囲第１項または第２項記載の超音波顕微鏡。
【請求項４】
前記第一光学式検出ユニットは二分割式光感受性検出器（24）と規準化増幅器（29）を備え、測定針（１）が中央位置にあるときには光線（22）は二分割式検出器（24）の真ん中に入射し、そして中央位置において中性信号が規準増幅器（29）の出力端子にかかっていて、該信号は二分割式検出器（24）の各要素（25、26）の出力電圧の総和を規準にした出力電圧差によって形成されていることを特徴とする、特許請求範囲第３項記載の超音波顕微鏡。
【請求項５】
第二光学式検出ユニットはシングル・セル式光感受性検出器（37）および光線シェージング装置（36）を備え、その際に該光線シェージング装置（36）はシングル・セル式光感受性検出器（37）に関して、測定針（１）が中央位置にあるときにシングル・セル式検出器（37）に入射する光線（33）が真ん中でシェージングされるように配置されていることを特徴とする、特許請求範囲第３項または第４項記載の超音波顕微鏡。
【請求項６】
第二検出ユニットとしての検出装置はヘテロダイン通過時間干渉計（58）を備え、該干渉計の長い方のアーム（60）では長い方のアーム（60）を通過する光線の振動数を変位させるための振動数変位装置（63）が配置されていることを特徴とする、特許請求範囲第３項または第４項記載の超音波顕微鏡。
【請求項７】
ヘテロダイン通過時間干渉計（58）の干渉光線（68、69）はそれぞれ一つの光感受性検出器（70、73）に入射され、該検出器の出力信号は差分復調増幅器（72）で互いに減算され、振動数変位装置（63）の振動数によって復調された上で増幅出来ることを特徴とする、特許請求範囲第６項記載の超音波顕微鏡。
【請求項８】
検出装置は金属をコーティングしたバネ板（２）と針状対抗電極（77）によって形成される測定容量を呈することを特徴とする、特許請求範囲第１項または第２項記載の超音波顕微鏡。
【請求項９】
容量型測定回路（85）によって測定針（１）の変位による測定容量の変化を捕らえることが出来ることを特徴とする、特許請求範囲第８項記載の超音波顕微鏡。
【請求項１０】
低域フィルタ（86）と高域フィルタ（87）によって測定針（１）の超音波により誘起された高周波変位が容量型測定回路（85）の出力信号の低周波変位から分離でき、その際に低域フィルタ（86）の出力信号は制御回路（２、８、17、77、85、86）の制御信号として用いられることを特徴とする、特許請求範囲第９項記載の超音波顕微鏡。
【請求項１１】
送受信ユニット（19）によって時間ゲート回路（48）を経てパルス発生器（49）と遅延回路（52）によって予め定められた時間範囲において測定針（１）の超音波により誘起された平均変位は超音波を照射したあとに伝搬ヘッド（９）によって捕らえることが出来ることを特徴とする、特許請求範囲第１項から第10項のうちのいずれか一つの項記載の超音波顕微鏡。
【請求項１２】
前記時間範囲は、測定針（１）の超音波により誘起された第一変位の平均値が捕らえられるように調整されていることを特徴とする、特許請求範囲第11項記載の超音波顕微鏡。
【請求項１３】
制御・測定データ収集装置（17）において表面像と測定針（１）の変位に比例した測定量の測定データは試料（11）の位置と対応させて記憶できることを特徴とする、特許請求範囲第１項から第12項のうちのいずれか一つの項記載の超音波顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
本発明は、バネ板に取り付けられ、かつ試料の表面近傍範囲に配置された測定針、該試料に結合された超音波変換器、測定針を基準にして試料を位置決めするための移動装置（その際に測定針は時間平均すると試料の表面から等距離を呈している）、そして制御・測定データ収集装置を備えた、試料を調べるための超音波顕微鏡に関するものである。
この種の超音波顕微鏡は、WO89/12805で知られている。該超音波顕微鏡のもとでは、音叉に取り付けた測定針が試料の表面近傍域に配置されている。バネ板を形成している圧電クォーツ製音叉を、その脚に取り付けられた電極を経て印加された交流電圧によって励起させ、機械的振動に移行させることが出来る。該機械的振動は、測定針を経て超音波として試料表面に照射され、振動する測定針と試料表面との間の相互作用と関連して振動の減衰により自由振動と比べて音叉の振動数変位および／または振幅変位へとつながる。移動装置によって試料および測定針は互いに相対的に位置決めでき、その際に測定針は時間平均すると試料の表面から等距離のところに配置されている。制御・測定データ収集装置は、試料に対する測定針の相対位置と測定針により記録された測定値とを対応させるのに用いられる。
この超音波顕微鏡のもとでは、測定針を取り付けた音叉は、超音波照射機としても、またセンサとしても用いられる。このために測定値を得るのに、かなりの誤差を内蔵している機械的振動の振動数および振幅に関して基本的に同じ大きさの値の、電子的に行われる減算を実施しなければならない。このことは、とりわけ表面上での測定点あたりの測定時間が短い場合に、欠点としての低いSN比をもたらす結果になる。連続運転での音叉の共振励起によって、測定針と試料表面との間の連関範囲において例えば弾性特性の収集と切り離して試料の表面像を検出することは、原理的に実施できない。さらに、この超音波顕微鏡では、音叉を約32kHzの範囲にある共振振動数で励起されると有利であるように考慮されているので、確かに励起力に比べて振幅は大きいものの、照射する雑音振動はこの振動数範囲において同じく否定的影響を及ぼす比較的大きな雑音振幅へとつながる。
別の超音波顕微鏡は、雑誌「応用物理学書簡」62のページ829から831（1993年）のB.クレーティンおよびF.シュタールの出版物「走査型微小変形顕微鏡検査」において知られている。この装置では、バネ板の共振振動数のもとで約50キロヘルツの測定針の振動によって試料表面で微小変形が生み出され、この微小変形が試料中に超音波を誘起させる。この超音波は、超音波変換器によって測定針の振動に関してその振幅と位相を検出できる。超音波の振幅および／または位相を転写することによって測定針の位置と関連して測定針によって走査された試料表面の弾性特性の描像を生じさせることが出来る。表面下にある材料の不均一性を検出し、可視化することも可能である。この顕微鏡の解像度は、約10マイクロメータである。
この種の超音波顕微鏡を用いると、試料表面の機械的に硬い範囲および柔らかい範囲を検出することが出来る。しかし、試料の表面像は、受信した超音波信号を評価することにより間接的にしか可能でなく、とりわけ比較的複雑な半導体表面像のもとでは非常に困難であることが証明されている。現代の半導体構造物は数マイクロメータのオーダーにあるので、本顕微鏡をこの種の試料の高解像度研究に使用することは不可能である。
この超音波顕微鏡の別の欠点は、SN比が比較的小さいことである。振動する測定針は、点源として作用するので、超音波の振幅は試料の透過後に伝播媒体中での減衰や照射された超音波の球面波特性のために、検出場所では非常に小さくなる。この理由から、SN比を改善するために、超音波変換器によって検出された信号をロックイン増幅器で増幅することが見込まれている。しかし、結果的には、これによって測定時間が比較的長くなってしまう。
雑誌「ナノテクノロジー」２のページ103ff（1991年）のP.メイボールド、H.J.バット、S.A.C.グールドらの発行物「原子間力顕微鏡で表面弾性をイメージするための力変調の使用」において、原子間力顕微鏡が記述されている。この顕微鏡は、測定針に関して試料の周期的な遠近運動によって調整要素を経てバネ板状の平均力を一定にした上で試料表面像の直接測定と並んで、場所と関連して試料表面域での弾性特性の測定を可能にする。機械的に柔らかい範囲では、バネ板の変位は、機械的に硬い範囲の場合よりも大きい。このため、加える力を一定にしておいて測定針の位置と関連して測定針の最大変位をプロットすることによって、表面像および表面近傍域の弾性特性を可視化できる。
この種の原子間力顕微鏡の場合、弾性に由来する成分と表面像に由来する成分とをコントラストで分離することは困難である。試料を遠近運動させるための変調振動数は、励起と変位との間の移相を出来る限り僅かに保つために数キロヘルツの範囲にある。記述した原子間力顕微鏡では、反復率は５キロヘルツであり、これによって超音波顕微鏡の機械的構造物の振動による重畳の危険があることと並んで、弾性測定時間が比較的長くなる。
本発明の課題は、高い位置解像度と高いSN比で試料の表面像と弾性、並びにコントラストを迅速かつ互いに独立して測定できる超音波顕微鏡を製造することである。
本発明によれば、前記課題は、次のようにして解決される；すなわち、超音波変換器が伝搬ヘッドであって、該ヘッドを用いて測定針から距離をおいて超音波を試料に照射でき、その際に超音波は測定針を取り付けたバネ板の共振振動数よりも高い振動数を有すること、バネ板、移動装置、伝搬ヘッドおよび試料が機械的に剛性があるように互いに結合されていること、そして変位にわたって平均化されかつ制御回路を経て一定に保たれた、測定針と試料表面との間の間隔を同じにした上で照射した超音波により引き起こされた測定針の変位を検出装置によって捕らえることが出来ることによって解決される。
測定針の変位を検出することによって、弾性測定に関する測定信号として超音波により誘起された表面波の振幅を直接捕らえることが出来る。制御回路を経て測定針と試料表面との間の平均間隔を一定に保つことによって、超音波により引き起こされた測定針の変位と無関係に、割り当てられた制御信号を用いて試料の表面像が得られる。構成部品を機械的に高剛性結合することによって、並びに測定針を取り付けたバネ板の共振振動数よりも高い超音波振動数を用いることによって、高いSN比と高いコントラストが達成されている。
圧電結晶を経て測定針の平均変位を一定に保つ制御回路には、応答時間の長い第一検出ユニットを用いるのが有利である。しかし、１台の広帯域検出ユニットの信号（該信号は超音波により誘起された高周波信号も含んでいる）から低周波ろ過を経て制御信号を得ることも可能である。
少なくとも数メガヘルツの振動数の超音波を用いるのが有利であるので、低周波雑音は測定針を取り付けたバネ板の共振振動数の範囲では簡単な方法で分離できる。
バネ板、位置決め装置および伝搬ヘッドは、保持装置を経て機械的に剛性があるように互いに結合されているのが有利であり、その際に保持装置の共振振動数は超音波振動数よりも小さいので、超音波顕微鏡の十分な機械的安定性が保証されている。測定針を取り付けたバネ板の固有振動数よりも遥かに高い振動数で測定針の変位を測定することによって、例えば構造物の機械的振動などの低周波雑音は否定的な影響を及ぼさない。
本発明の一つの実施例において、測定針の変位はバネ板で反射した光線を偏向させることによって捕らえられる。制御回路は、第一光学検出ユニットとして二分割式フォトダイオードを備え、該フォトダイオードは測定針と試料表面との間の特定の相互作用力のもとで光線がフォトダイオードの両方のセグメントの真ん中に入射するように配置されている。該二分割式フォトダイオードの帯域幅は、照射された超音波の振動数よりも遥かに小さいので、測定針の高周波変位は第一検出ユニットで捕えられない。
検出装置は第二光学検出ユニットを備え、該ユニットは本実施例では少なくとも超音波振動数と同じ帯域幅を有するシングル・フォトダイオードによって、そしてエッジの平滑なシェージング装置、例えばナイフ・エッジによって形成されている。該シングル・フォトダイードと該シェージング装置は、測定針と超音波が照射されていない試料表面との間の平均相互作用力を一定に保持した上でシェージング装置が基本的には光線の半分を阻止するように互いに調整されている。
別の実施例では、第二光学検出ユニットはヘテロダイン通過時間干渉計によって構成され、該へテロダイン通過時間干渉計のもとでは長い干渉計アームにおいて振動数変位装置によって該アームの光線の振動数を予め定められた値だけ変位させることが出来、そして重ね合わされた両方の出力光線がそれぞれ一個のフォトダイオードに当たる。差分復調増幅器によって両方のフォトダイオードの増幅された差分信号を可視化でき、該差分信号は次に変位振動数を復調することによって測定針とバネ板の変位に相応した出力信号を含んでいる。
本発明の別の実施形態では、制御回路と検出装置は容量型検出器に組み込まれていて、該検出器のもとでは測定容量はバネ板とこれに対面配置された針状対抗電極によって形成されている。測定容量の高周波変化量は、制御信号として用いた、かつ低減フィルタを経て分離した測定容量変化量から高域フィルタによって分離できる。これによって調整結果に極めて過敏に反応しがちな光学構造物を避けることができる。
本発明の別の実施形態および長所は、下位請求項および以下の図の記述から明らかになる。
図１は、１台の検出装置、並びに２台の光学式検出ユニットを有する一つの制御回路を備えた、表面像と超音波に誘起された測定針の変位を捕らえるための超音波顕微鏡を模式図で示し、
図２は、測定針の変位を惹起させ、記録するための送受信ユニットのブロック線図を示し、
図３は、測定針の超音波誘起変位を捕らえるための第二光学検出ユニットとしてのヘテロダイン通過時間干渉計を有する超音波顕微鏡を模式図で示し、
図４は、バネ板の超音波誘起変位を捕らえるために容量型検出装置を用いている超音波顕微鏡を模式図で示している。
図１には、超音波顕微鏡が模式図で示してある。測定針１は、そのベースを長さ約100マイクロメータのSi3N4製バネ板２の一端に固定されている。この実施例では、測定針１はピラミッド形状を呈し、先端部で約50ナノメータの曲率半径を有している。バネ板２は、約0.1N/mのバネ定数を有している。バネ板２は、その他端を機械的に剛性のある保持装置４の上端部３に取り付けられている。
保持装置４のベース５には、直径約１センチメータ、肉厚１ミリメータのチューブ状圧電結晶が装着されている。この圧電結晶は、一つの平面内で互いに直交する運動を実施するためにその外面に４つの電極を備え、該電極はそれぞれ90度ずらしてそれぞれ外面の1/4をカバーしている。内面には、アースに接続された電極が装着されている。図１には、２つの電極６、７が模式図的に描かれている。90度ずらした図示されていない２つの電極６、７に制御電圧を印加することによって、一つの平面内で直交運動を実施できる。図に示されていない外周部に装着した２つの電極は、それぞれ向き合っている電極のマイナス電圧と接続されている。図示した電極６、７の一方は、180度ずらして図示されていない当該電極と共にｘ方向の運動に用いられ、以下においてｘ電極６と称されている。電極７は、然るべく接続された向かい合った電極と共にｘ方向と直交しているｙ方向運動に用いられ、以下においてｙ電極７と称されている。
チューブ状圧電結晶の一端は、ｘ電極６とｙ電極７の運動面に対して直角方向の運動を実施するために外周部を一周して覆っているリング状ｚ電極８を備えている。図面には、わかりやすいように、各電極の寸法比を誇張して再現してある。
ｚ電極８上には伝搬ヘッド９があり、該ヘッドによってリード体10を介して超音波を試料11に伝搬できる。測定針１は、試料11の上に載っている。しかし測定針は、試料11の表面から数100ナノメータ離れた距離を呈することもできる。
電極６、７、８は、それぞれ然るべき圧電制御線12、13、14を経て、さらに高電圧増幅器15とディジタル／アナログ変換器16を経て、制御・測定データ収集装置17に接続されている。伝搬ヘッド９は、配線18を経て送受信ユニット19に接続されている。さらに以下において図２を参照して記述された該送受信ユニット19によって、超音波による測定針１の変位を測定することが出来る。測定針１の変位は、本実施例では約10ナノメータである。
約670ナノメータの波長のレーザ光を出す半導体レーザ・ダイオード20から、レンズ21によって集光されたレーザ光線22が、バネ板２の平坦な自由端（ここに測定針が取り付けられている）に照射される。レーザ光線22の反射光は、ミラー23に当たる。該ミラー23は、ビーム・スプリッタ32を通してレーザ光線22を超音波よりも振動数が遅い二分割式フォトダイオード24へと偏向させる。
ミラー23とフォトダイオード24は、測定針１が中央位置にあるときにレーザ光線22が測定針１と試料11との間の特定の相互作用力のもとで二分割式フォトダイオード24の第一要素25と第二要素26との中央に入射するように配置されている。
出力線27、28を経て、第一要素25と第二要素26の光電変換電圧が規準化増幅器29に加えられる。該規準化増幅器29は、要素25、26の各光電変換電圧間の差を規準化し、増幅する。規準化増幅器29の出力信号は、配線30を経て電圧をディジタル化するためのディジタル／アナログ変換器31の入力端子に送られる。
ビーム・スプリッタ32は、ミラー23から入射したレーザ光線22を約1:1の比率で分割する。ビーム・スプリッタ32は、反射レーザ光線33がミラー34に当たり、該ミラーが反射レーザ光線33をコリメータ・レンズ35を経てナイフ・エッジ36を通過して単一セル式フォトダイオード36（該フォトダイオードの帯域幅は少なくとも超音波の振動数と等しい）に向けて偏向させるように配置されている。
ビーム・スプリッタ32、ミラー34、コリメータ・レンズ35およびナイフ・エッジ36は、ビーム・スプリッタ32を通過するレーザ光線22を二分割式フォトダイオード24の中央に入射するようにした場合にナイフ・エッジ36が反射レーザ光線33を基本的に中央対称的にシェージングさせるように配置されている。反射レーザ光線33の非シェージング部分は、単一セル式フォトダイオード37に照射される。この構成の場合の光学的距離は、数センチメータの範囲にある。
単一セル式フォトダイオード37は、配線38によって、50オームの負荷抵抗および保護抵抗（これらは抵抗回路39として図示されている）に接続されている。単一セル式フォトダイオード37は、本実施例では約１ナノ秒の立上り時間を有するシリコンpinダイオードである。しかし照射された超音波の振動数よりも大きな帯域幅を有する別の光感知型検出器、例えばアバランシェ・ダイオードを使用することもできる。抵抗回路39の出力信号は、配線40を介して、増幅器41の入力に約60デジベルの増幅率を与える。増幅器41の出力信号は、配線42を介して、送受信ユニット19に電圧入力を与える。
送受信ユニット19のデータ出力は、配線43によってアナログ／ディジタル変換器31の第二入力端子と接続されており、該アナログ／ディジタル変換器31によって送受信ユニット19からの電圧をディジタル化することが出来る。配線44によって、アナログ・ディジタル変換器31でディジタル化されたデータを、制御・測定データ収集装置17に入力できる。規準増幅器29および送受信ユニット19のディジタル出力信号は、試料11の位置に対応させた状態で、制御・測定データ収集装置17のメモリに格納することができる。出力ユニット76、例えば表示画面は、制御・測定データ収集装置17のメモリの内容をカラー値コード化またはグレイ値コード化の形で出力するために設けられている。
図２は、送受信ユニット19の内部構成をブロック線図で示している。図１の増幅器41の信号は、配線42内を通り、オシロスコープ46のチャンネル45と時間ゲート積分器48の信号入力端子47とに達する。
超音波送信器57は、立上り時間約15ナノ秒の短いパルスを、配線18を介して伝搬ヘッド９に送出する。これと同時に、パルス発生器49は、配線56を介して、スタート・パルスを受け取る。これにより、パルス発生器49は、配線51を介して持続時間の設定可能な矩形パルスを遅延回路52に与える。該遅延回路52によれば、矩形パルスを遅延させることができ、これによりスタート・パルスの調整を行うことができる。遅延された矩形パルスは、配線53により、一方ではオシロスコープ46の第二チャンネル54に、そして他方では時間ゲート積分器48の時間ゲート入力端子55に、それぞれ供給される。オシロスコープ46の掃引は、配線75を介して、パルス発生器49によって開始される。このオシロスコープ46を用いて、遅延回路52が出力した遅延矩形パネルの、チャネル45への供給信号に対する位置を制御することができる。
時間ゲート積分器48は、パルス発生器49から時間ゲート入力端子55に供給される遅延矩形パルスがハイレベルの期間中、信号入力端子47から入力される信号の平均振幅を検出する。この平均振幅値は、ディジタル化を行うために、配線43を介して、図１のアナログ／ディジタル変換器31に供給される。
超音波送信器57の反復度は、制御・測定データ収集装置17が新しい振幅値を読み込む前に、超音波振幅値が試料11のいずれの位置においても少なくとも１回更新されている程度の大きさである。この実施例では、超音波反復度は約１キロヘルツであるので、約500ヘルツの読込み周波数に至るまで少なくとも１個の超音波パルスが試料11の一つの位置で照射されていることが保証されている。
前述したように、測定中は測定針１と試料11との間の平均相互作用力を一定に保たねばならない。これは、制御・測定データ収集装置17を経てｚ電極８を然るべく調整して、制御回路内でビーム・スプリッタ32を透過した一部のレーザ光線22が二分割式フォトダイオード24の第一要素25と第二要素26との間の中央に維持されるようにすることにより、達成できる。規準化増幅器29の出力レベルがプラスまたはマイナスに変化すると、ｚ電極８に接続された圧電制御線14の電圧は、これに追従して、規準増幅器29の出力電圧を中性値に近づくように制御する。ｚ電極８の制御電圧は、試料11のｘ位置およびｙ位置と関連して試料11の表面像を与える。
超音波の振動数は、約５メガヘルツから約100メガヘルツの間で調節でき、このためにこの実施例で用いられた測定針１の付いたバネ板２の共振振動である約数キロヘルツを遥かに上回っている。
本実施例では照射された超音波は縦波であるので、試料11の表面は規準振動を行う。この規準振動は、バネ板２の高周波変位へとつながる。該高周波変位は、遅い二分割式フォトダイオード24の帯域幅が小さすぎるために捕らえられないが、しかしメガヘルツ範囲の帯域幅を有する単一セル式フォトダイオード37ではナイフ・エッジ36による反射レーザ光線33の一部のシェージングによって測定信号になる。
本実施例では遅延回路52は、時間ゲート積分器48内でバネ板２の第一高周波変位の平均振幅が試料11の表面振動の結果として決定できるように調整されている。測定針１の変位の測定値を記憶したあと、試料11はｘ電極６とｙ電極７への制御・測定データ収集装置17の然るべき出力信号によって、次の測定個所に位置決めできる。この後、次の超音波測定サイクルが行われる。
予め定められた測定領域にわたる試料11の表面の走査中に、試料11の表面像を表わすために、出力ユニット76が、ｚ電極８の制御電圧を位置ごとに表示する。それとともに、それぞれの測定値についての、測定針１の超音波誘起変位も、位置ごとに表示される。該表示は、一般のグレイ値コード化またはカラー値コード化によって行うのが望ましい。この方法では、同時に測定技術的に互いに独立した方法で試料11の表面像を生じさせることができ、試料表面の弾性特性に応じた、試料11の表面での超音波振幅の描像を生じさせることも出来る。
照射した超音波の別の時間レンジで測定技術的に捕らえるために、時間ゲートを遅延回路52によって時間的に変更することが可能である。これは、とりわけリード体10の交換が行われ透過時間が変化した時にも必要である。
図３には、超音波顕微鏡の別の実施例が模式図的に示してある。この実施例のもとでは、図１の部品と同じ部品に同じ番号が付与され、これらの部品の説明は以下において行われていない。図３の実施例では、ビーム・スプリッタ32によって反射されたレーザ光線33はヘテロダイン通過時間干渉計58に入射されている。反射レーザ光線33は、入力ビーム・スプリッタ59に入射し、該ビーム・スプリッタ59は入射強度の約半分をヘテロダイン通過時間干渉計58の長い方のアーム60に入射させる。
長い方のアーム60には、２枚のミラー61、62があり、該ミラーは長い方のアーム60の光線を音響・光学効果を基盤にして作動しているブラッグ・セル63を通して出力ビーム・スプリッタ64へと偏向させる。該ミラー61、62、並びにブラッグ・セル63は、ブラッグ・セル63の周波数変位された第一次回折光線が出力ビーム・スプリッタ64に入射するように配置されている。ブラッグ・セル63は、配線65を経て制御回路66に接続されており、該制御回路56によって周波数変位の値は本実施例の場合約80メガヘルツに調整されている。
ヘテロダイン通過時間干渉58の短い方のアーム67は、入力ビーム・スプリッタ59を透過する約半分の強度のレーザ光線33の一部によって形成されている。長い方のアーム60と短い方のアーム67の光束は、出力ビーム・スプリッタ64を経て、干渉光線68、69と同一線上に重ね合わされている。
第一の干渉光線68は、第一干渉フォトダイオード70に入射し、該フォトダイオードの出力信号は配線71を介して差分復調増幅器72の第一入力端子に供給される。第二の干渉光線69は、第二干渉フォトダイオード73に入射し、該フォトダイオードの出力信号は配線74を介して差分復調増幅器72の第二入力端子に供給される。
干渉フォトダイオード70、73の出力信号には、短い方のアーム67と長い方のアーム60との間の通過時間差によって、公知の方法で、測定針１の変位差に比例した位相変調が含まれている。各アーム60、67の間の光路差は、照射した超音波振動数に関する干渉計の感度が最大であるように、すなわちアーム長の差が屈折率を乗じた超音波振動数の二倍の値で光速度を割った値とほぼ同じであるように選ぶのが望ましい。
差分復調増幅器72内では、第一干渉フォトダイオード70と第二干渉フォトダイオード73の出力信号の差を生成することが出来る。その際に、この差分信号は、ブラッグ・セル63でのその後の復調とともに振動数をシフトすることによって、低周波雑音を取り除くことができる。これによって、例えば、反射光線33の強度変動または低周波の機械的雑音を補正できる。さらに、差分信号は、差分復調増幅器72で増幅でき、配線42を介して送受信ユニット19の時間ゲート積分器48に供給される。
別の実施例では、ヘテロダイン通過時間干渉計58が能動的に安定化された光ファイバ式通過時間干渉計と置き換えられている。この安定化された干渉計は、その長い方のアームに移相器を備え、該移相器は制御回路内で配線を介して差分増幅器と接続されているので、光路長さの変化が補正できる。入出力は、図３に示した実施例の場合と同様にヘテロダイン通過時間干渉計を用いて行われる。
図４は、本発明の別の実施例が示されていて、ここでは図１および図３の部品と同じ部品は同じ番号が付与され、これらの部品の説明は以下において行われていない。図４の実施例では、測定針１の変位は容量型検出装置によって捕らえることが出来る。該容量型検出装置は、バネ板２の金属をコーティングした裏面と先端が針の先のように尖った対抗電極77（該先端はバネ板２の方向に向かっている）によって形成されている測定容量を呈している。バネ板２は、電導性ホルダ78に取り付けられ、該ホルダはアース79に接続されている。
対抗電極77は、圧電要素80に機械的に取り付けられ、この圧電要素80から電気的に切り離されている。圧電要素80は、保持装置４に取り付けられている機械式スライド・テーブル81に固定されている。圧電要素80には、配線82を経て制御可能な電源83によって給電できる。対抗電極77の先端からバネ板２まで距離は、スライド・テーブル81の機械式調整装置を経て粗く、そして圧電要素80の供給電圧の変化を経て微細にそれぞれ調整できる。
対抗電極77は、配線84を経て容量型測定回路85と電気的に接続されている。測定容量は、約915メガヘルツで振動するオッシレータによって励起されている容量型測定回路85の振動回路で積分される。該オッシレータの振動数は、振動回路の共振曲線の側部の急峻な範囲にあるように選ばれている。測定針１およびバネ板２の変位による測定容量の変化は、振動回路の共振振動数の変化、並びにオッシレータによって励起された振幅の変化へとつながる。これらの振幅変化は、低域フィルタ86および高域フィルタ87を経て低周波成分および高周波成分に分離できる。
低域フィルタ86は、約20キロヘルツに至るまでの透過範囲を有し、そして高域フィルタ87は、超音波振動数の約半分の値以上を透過させる。これによって試料11の表面像の変化によって現れる測定針１の緩やかな変位は低周波出力端子88で、そして測定針１の超音波励起高周波変位は高周波出力端子89でそれぞれ捕らえることが出来る。
低周波出力端子88にかかっている信号は、配線30を経てアナログ・ディジタル変換器31に供給でき、そしてこの信号は試料11の表面と測定針１との間の平均距離を一定に保つための制御信号として用いられる。高周波出力端子89にかかっている信号は、配線42を経て送受信ユニット19に入力できる。その後のデータ処理は、図１、図２および図３に記述したのと同様に行われる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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