(57)【要約】【課題】短波長音波を生成し検出するために短い光パルスを使用することにより、試料の物理的な特性を測定するための装置を提供する。【解決手段】測定の初期段階のために、光放射の短い初期ポンプパルス４が垂直またはほとんど垂直の入射角で、自由表面を有する試料６上の局所領域１３にレンズ５によって集束される。表面に近い領域で光吸収が起こり初期局所音波源をつくる。特に、弾性的に等方性の固体の例では、縦方向音波の短波長パルスが試料６の深さ方向に発射される。試料６における初期ポンプビーム１０の水平空間プロファイルはデータ解析を容易にするために、例えばガウス（Ｇａｕｓｓｉａｎ）スポットの場合のように軸対称であるように選ぶと有利である。【選択図】図１
2005338063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）光放射の短い初期ポンプパルスにより、試料中に局所化した初期音波源を発生させるための手段と、
（ｂ）光放射の短い初期プローブパルスにより、前記試料の表面近くまたは内部の初期プローブ領域で生じる初期音響擾乱をプローブするための手段と、
（ｃ）所定の前記光放射の初期ポンプパルスの前記試料への到着時間と、プローブ光放射の初期パルスによる前記初期音響擾乱のプローブ時間との間の、初期遅延時間と呼ばれる遅延時間を変えるための手段と、
（ｄ）前記初期プローブ光放射と前記試料との相互作用の後、前記初期プローブ光放射中に音響的に誘起された、前記初期プローブ領域における前記初期音響擾乱の特性の変化を、前記初期遅延時間の関数として検出するための手段と、
（ｅ）前記初期プローブ光放射中に音響的に誘起された前記変化に比例する初期信号群を、前記初期遅延時間の関数として記憶するための手段と、
（ｆ）前記初期プローブ領域またはその近くで、一連の光放射の短いプレイバックポンプパルスによって前記試料中のプレイバック局所音波源の発生を制御するために用いられるプレイバック関数を計算するために、前記初期信号群を処理するための手段と、
（ｇ）前記試料の前記初期プローブ領域またはその近くで、前記一連の光放射の短いプレイバックポンプパルスによって、前記プレイバック局所音波源を発生させるための手段と、
（ｈ）前記試料の表面近くまたは内部のプレイバックプローブ領域で生じるプレイバック音響擾乱を、一連の光放射の短いプレイバックプローブパルスによってプローブするための手段と、
（ｉ）所定の前記光放射のプレイバックポンプパルスの前記試料への到着時間と、前記プローブ光放射のプレイバックパルスによる前記プレイバック音響擾乱のプローブ時間との間の、プレイバック遅延時間と呼ばれる遅延時間を変えるための手段と、
（ｊ）前記プレイバック光ポンプ放射の振幅、位相または偏光状態を前記プレイバック遅延時間の関数として変調するための手段と、
（ｋ）前記プレイバックプローブ光放射と前記試料との相互作用の後、前記プレイバックプローブ光放射中に音響的に誘起された、前記プレイバックプローブ領域における前記プレイバック音響擾乱の特性の変化を検出するための手段と、
（ｌ）前記プレイバックプローブ光放射中に音響的に誘起された前記変化に比例する前記プレイバック信号群を、前記プレイバック遅延時間の関数として記憶するための手段と、
（ｍ）処理されたプレイバック信号群を作成するために、処理関数によって前記プレイバック信号群を処理するための手段と、
（ｎ）プローブされた前記初期音響擾乱を表すデータ群を作成するために、前記初期局所音波源または前記初期プローブ領域の位置または前記初期局所音波源と前記初期プローブ領域との相対位置を走査するための手段と、
（ｏ）プローブされた前記プレイバック音響擾乱を表すデータ群を作成するために、前記プレイバック局所音波源または前記プレイバックプローブ領域の位置または前記プレイバック局所音波源と前記プレイバックプローブ領域との相対位置を走査するための手段と、
（ｐ）必要であれば、上記工程を繰り返す手段と、
（ｑ）前記初期プローブ領域における時間反転された前記初期音響擾乱または時間ゲート処理された前記初期音響擾乱の一部の発生による音響伝播から効果的に生じる処理されたプレイバック信号群を、重ね合わせの原理を用いて、所定の近似で再生することを可能にするような前記手段と、
（ｒ）前記処理されたプレイバック信号群または前記手段（ｐ）による繰返しの結果に対応する前記処理されたプレイバック信号群と、前記試料中の前記初期およびプレイバック音響擾乱の伝播および散乱、および前記試料中の音響光発生および検出プロセスの適当な理論モデルとの比較のための手段とを具備し、
その結果、前記試料物理的な特性を取り出すことを特徴とする試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項２】
前記プレイバック音響擾乱を用いずに、前記プレイバック信号群を前記初期信号群から合成することを特徴とする請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項３】
前記光放射の初期ポンプパルスまたは前記一連の光放射のプレイバックポンプパルスが軸対称性をもつビームに集束されることを特徴とする請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項４】
前記光放射の初期ポンプパルスまたは前記一連の光放射のプレイバックポンプパルスが近似的にガウス（Ｇａｕｓｓｉａｎ）断面をもつビームに集束されることを特徴とする請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項５】
前記光放射の初期プローブパルスまたは前記一連の光放射のプレイバックプローブパルスが軸対称性をもつビームに集束されることを特徴とする請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項６】
前記光放射の初期プローブパルスまたは前記一連の光放射のプレイバックプローブパルスが近似的にガウス（Ｇａｕｓｓｉａｎ）断面をもつビームに集束されることを特徴とする請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項７】
前記プローブ光放射によって前記初期またはプレイバック音響擾乱をプローブするための手段が、前記試料との相互作用による前記プローブ光放射の振幅、位相または偏光状態の変調の使用を含むことを特徴とする請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項８】
前記プローブ光放射によって前記初期またはプレイバック音響擾乱をプローブするための手段が、前記光放射の初期またはプレイバックポンプパルスに対して、前記試料の同じ側からの前記試料への光の入射を含むことを特徴とする請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項９】
前記プローブ光放射によって前記初期またはプレイバック音響擾乱をプローブするための手段が、前記光放射の初期またはプレイバックポンプパルスに対して、前記試料の異なる側からの前記試料への光の入射を含むことを特徴とする請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項１０】
前記初期プローブ領域が前記初期局所音波源の領域と実質的に同じであることを特徴とする請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項１１】
前記プレイバックプローブ領域が前記プレイバック局所音波源の領域と実質的に同じであることを特徴とする請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項１２】
前記初期局所音波源または前記初期プローブ領域の位置または前記初期局所音波源と前記初期プローブ領域との相対位置を走査するための前記手段をもたないことを特徴とする請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項１３】
前記プレイバック局所音波源または前記プレイバックプローブ領域の位置または前記プレイバック局所音波源と前記プレイバックプローブ領域との相対位置を走査するための手段をもたないことを特徴とする請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項１４】
前記初期またはプレイバックプローブ光放射中の前記音響的に誘起された変化が面外音響変位に比例することを特徴とする請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項１５】
前記初期またはプレイバックプローブ光放射中の前記音響的に誘起された変化が面外音響粒子速度に比例することを特徴とする請求項１記載の試料の物理的な特性性質を測定するための装置。
【請求項１６】
前記初期またはプレイバックプローブ光放射中の前記音響的に誘起された変化が前記試料中の音響歪みテンソルの成分に比例することを特徴とする請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項１７】
前記初期またはプレイバックプローブ光放射中の前記音響的に誘起された変化が、前記試料の表面または界面の音響変位の面外成分、前記試料の表面または界面の音響変位の面内成分、前記試料の表面または界面の音響粒子速度の面外成分、前記試料の表面または界面の音響粒子速度の面内成分、音響歪みテンソルの６つの成分、のいずれかの組み合わせに比例することを特徴とする請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項１８】
前記初期またはプレイバックプローブ光放射中の前記音響的に誘起された変化が、短い時間間隔で測定された前記初期またはプレイバック音響擾乱の二つの測定値の差から得られることを特徴とする請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項１９】
前記プレイバック光ポンプ放射の振幅、位相または偏光状態を前記プレイバック遅延時間の関数として変調するための前記手段をもたないことを特徴とする請求項１記載の試料の物理的性質を測定するための装置。
【請求項２０】
前記プレイバック信号群を処理するための前記手段が、そのフーリエ変換Ａ（ω）が式
Ａ（ω）＝Ｇ（ω）* ／Ｈ（ω）Ｄ（ω）* 
（ここでωは音波の角振動数、Ｈ（ω）は前記プレイバック局所音波源の光発生のインパルス応答関数ｈ（ｔ）のフーリエ変換（ここでｔは遅延時間）、Ｄ（ω）は初期プローブ領域における前記初期音響擾乱の光検出のインパルス応答関数ｄ（ｔ）のフーリエ変換、Ｇ（ω）は前記初期プローブ光放射中に前記初期遅延時間の関数として前記音響的に誘起された変化に比例する前記初期信号群ｇ（ｔ）のフーリエ変換、＊は複素共役を表す）で定義される、前記処理関数ａ（ｔ）の時間ドメインの一部または全体による前記プレイバック信号群の畳み込みを含むことを特徴とする請求項１又は１９記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項２１】
前記処理関数ａ（ｔ）が前記プレイバック信号群を処理するための前記手段中に適用される前にフィルターをかけられることを特徴とする請求項１、１９又は２０記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項２２】
前記処理関数ａ（ｔ）が前記プレイバック信号群を処理するための前記手段中に適用される前に一定のビット数精度でディジタル処理されることを特徴とする請求項１、１９又は２０記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項２３】
前記プレイバック信号群を処理するための前記手段をもたないことを特徴とする請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項２４】
前記プレイバック光ポンプ放射の振幅、位相または偏光状態を前記プレイバック遅延時間の関数として変調するための前記手段が、前記プレイバック遅延時間の関数としての前記プレイバック光ポンプ放射の強度と、下記式
【数１】
2005338063.tif 000021
2005338063.tif 000022
【請求項２５】
前記プレイバック遅延時間の関数ｂ（ｔ）が前記プレイバック光ポンプ放射の振幅、位相または偏光状態を前記プレイバック遅延時間の関数として変調するための前記手段中に適用される前にフィルターをかけられることを特徴とする請求項１、２３又は２４記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項２６】
前記プレイバック遅延時間の関数ｂ（ｔ）が前記プレイバック光ポンプ放射の振幅、位相または偏光状態を前記プレイバック遅延時間の関数として変調するための前記手段中に適用される前に一定のビット数精度でディジタル処理されることを特徴とする請求項１、２３又は２４記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項２７】
前記初期プローブ領域での前記初期音響擾乱の光検出の前記インパルス応答関数ｄ（ｔ）が自由表面を有する試料に対して
【数２】
2005338063.tif 000023
（ここでＲｅは実部を意味し、ｋは前記初期プローブ光放射の波数、Ｎは前記初期プローブ放射に対する前記試料の複素屈折率、ｄＮ／ｄηは前記初期プローブ放射に対する適当な光弾性定数、νは前記試料の縦方向の音速度、θ（ｔ）は単位ステップ関数、ｉ＝√（−１）であり、前記インパルス応答関数ｄ（ｔ）は前記試料の表面に垂直に伝播する縦方向の音響歪みに関連して定義され、このときｇ（ｔ）は前記初期プローブ光放射の相対的な複素反射率変化の実部である）で与えられることを特徴とする請求項１、１９〜２６の何れか一項記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項２８】
前記初期プローブ領域での前記初期音響擾乱の光検出の前記インパルス応答関数ｄ（ｔ）が自由表面を有する試料に対して
【数３】
2005338063.tif 000024
（ここでＩｍは虚部を意味し、ｋは前記初期プローブ光放射の波数、Ｎは前記初期プローブ放射に対する前記試料の複素屈折率、ｄＮ／ｄηは前記初期プローブ放射に対する適当な光弾性定数、νは前記試料の縦方向の音速度、θ（ｔ）は単位ステップ関数、ｉ＝√（−１）であり、前記インパルス応答関数ｄ（ｔ）は前記試料の表面に垂直に伝播する縦方向の音響歪みに関連して定義され、このときｇ（ｔ）は前記試料との相互作用による前記初期プローブ光放射の位相変化に比例する）で与えられることを特徴とする請求項１、１９〜２６の何れか一項記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項２９】
音波の光検出の前記インパルス応答関数ｄ（ｔ）およびそのフーリエ変換Ｄ（ω）が、自由表面を有する試料に対してｄ（ｔ）＝−２ｋδ（ｔ）およびＤ（ω）＝−２ｋ（ここでｋは前記初期プローブ光放射の波数、δ（ｔ）は、ディラックのデルタ関数であり、前記インパルス応答関数ｄ（ｔ）は前記試料表面の外向き表面変位に関連して定義され、このときｇ（ｔ）は前記試料との相互作用による前記初期プローブ光放射の光位相変化に比例する）で近似されることを特徴とする請求項１、１９〜２６の何れか一項記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項３０】
前記初期プローブ領域での前記初期音響擾乱の光検出の前記インパルス応答関数ｄ（ｔ）およびそのフーリエ変換Ｄ（ω）が、自由表面を有する前記試料に対してｄ（ｔ）＝−２ｋδ（ｔ）およびＤ（ω）＝−２ｋ（ここでｋは前記初期プローブ光放射の波数、ｉ＝√（−１）であり、δ（ｔ）は、ディラックのデルタ関数であり、前記インパルス応答関数ｄ（ｔ）は前記試料の外向き表面粒子速度に関連して定義され、ｇ（ｔ）は二つの前記光放射の初期プローブパルスの間の光位相差に比例し、このとき前記初期プローブパルスはともに前記初期ポンプパルスの後で前記試料に入射し、二つの前記初期プローブパルスの間の時間間隔は十分に小さくなるように選ばれる）で近似されることを特徴とする請求項１，１９〜２６の何れか一項記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項３１】
前記プレイバック局所音波源の発生を容易にするために、前記光放射のプレイバックポンプパルスが振幅、位相または偏光状態を調整した形状のパルスであることを特徴とする請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項３２】
前記試料中の前記初期およびプレイバック音響擾乱の伝播および散乱、および前記試料中の音響光発生および検出プロセスの前記適当な理論モデルが、前記試料のある部分の寸法、弾性定数および密度分布に関する既知の量にもとづき、前記試料の他の部分の寸法、弾性定数または密度などの他の未知の物理的な特性を測定し、前記適当な理論モデルと前記処理されたプレイバック信号群との前記の比較が、前記試料の前記他の部分の寸法、弾性定数または密度の試行数値を変えて、前記の適当な理論モデルの予測値と前記処理されたプレイバック信号群との差を最小化することからなることを特徴とする請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項３３】
測定される物理的な特性が（１）前記試料の部分中の内部応力、（２）前記試料の部分間の接着状態、（３）前記試料の部分中へのイオン注入量、（４）前記試料の湿気への暴露の効果、（５）前記試料の表面または界面の粗さ、（６）前記試料中の音響散乱源の大きさおよび位置、（７）前記試料の粒子サイズ分布、（８）前記試料の有孔率、（９）前記試料中の欠陥分布、（１０）前記試料中の転位、（１１）前記試料上の吸着物質の厚みまたは分布、（１２）前記試料のミクロ構造、から選択されることを特徴とする請求項３１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項３４】
前記試料が前記初期ポンプパルスまたは前記一連のプレイバックポンプパルスの光放射に対して吸収性の物質で構成される請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項３５】
前記試料が前記初期ポンプパルスまたは前記一連のプレイバックポンプパルスの光放射に対して透明な部分および吸収性の部分で構成される請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項３６】
前記試料が、前記初期ポンプパルスまたは前記一連のプレイバックポンプパルスの光放射に対して透明な部分、半透明な部分および吸収性の部分、の一つ以上で構成される請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項３７】
前記試料が、前記初期プローブパルスまたは前記一連のプレイバックプローブパルスの光放射に対して透明な部分、半透明な部分および吸収性の部分、の一つ以上で構成される請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項３８】
前記試料が、固体、液体または気体部分、の一つ以上で構成される請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項３９】
前記試料が無秩序な音響空洞を含む少なくとも一つの領域で構成され、前記空洞が前記試料のある範囲の領域における前記初期音響擾乱またはプレイバック音響擾乱の効果的な集束を可能とする請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項４０】
前記試料の領域に対して前記初期音響擾乱またはプレイバック音響擾乱を表す空間像が前記初期またはプレイバック遅延時間の関数として得られる請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項４１】
測定の空間分解能を上げるために、一つ以上の前記初期またはプレイバックポンプパルスまたはプローブパルスがテーパつきファイバーなどの近接場光技法を用いて試料上に集束される請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項４２】
一つ以上の前記初期またはプレイバックプローブパルスがそれぞれ一つの前記初期またはプレイバックポンプパルスに対応する請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【請求項４３】
多数の前記初期またはプレイバックプローブパルスを集めて一体化し、連続するプローブビームを生じさせる請求項１記載の試料の物理的な特性を測定するための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の物理的な特性を測定するための装置に係り、特に、音響的方法による物質の物理的な特性の測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
音波を用いた物質の物理的な特性の非破壊測定は、表面下の特性をプローブすることが可能であるため、多様な分野で提案されてきた。ボイド、欠陥、クラックまたは他の不均質な領域など、多くの音響散乱体を含む複雑な物質のプローブに関連する利用分野の中で、特に興味深いのが音響時間反転の方法である。例えば下記特許文献１〜４で明示されているように、この分野には多様な技術がある。これらの方法が特に優れているのは、等方性または異方性などの、試料の結晶状態とは無関係に、また音響散乱体が分布していても、繰り返し時間反転法あるいは音響源のアレイを用いたマトリックス法によって、試料中の個々の音響散乱体の同定および分析が可能であるという点である。
【０００３】
基本原理は、試料の局所領域中で短い音響パルスを生成し、初期局所音波源を構成するものである。試料中の音響擾乱は、より広い範囲の音響波数ベクトルを含むほど有利である。試料の初期プローブ領域と呼ぶことにする試料の同じまたは別の領域で、典型的には、音波発生用にも使える超音波トランスデューサにより、音響応答を時間の関数として記録する。
【０００４】
この記録にかかる時間は検出された音響信号、すなわちコーダ波が完全に消滅するほど長いことが多い。初期信号群と呼ぶことにするこの信号を記憶し、電子的に時間反転する。次に、同じ圧電トランスデューサにより、試料の同じ初期プローブ領域でプレイバックする。試料中の音響伝播が、散逸過程にあまり強く影響されたり、ドリフトまたはクリープに支配されていなければ、音響伝播は合理的近似で時間ｔの偶数次数だけを含む弾性波動方程式に従い、この時間反転されたプレイバック音響擾乱の部分または全てが、試料中の同じ経路を再び、ただし逆向きにたどり、初期局所音波源の領域に再び集束される。集束された音波はそこで例えば、初期インパルス局所音波源に用いられたのと同じ超音波トランスデューサによって検出できる。初期局所音波源と試料の初期プローブ領域との間に散乱媒体が存在してもこれは成立する。
【０００５】
プレイバック音響擾乱は、電子的に時間反転した信号の完全なコピーとして選択されなくてもよい。例えば１ビットの情報だけが残るようにそれをディジタル化してもよい。または、例えば時間反転した信号の一部だけがプレイバックされるように時間ゲート処理してもよい。この時間ゲート処理法は、上記の時間反転プロセスを繰り返すことにより、物質内に埋れた音響散乱体の同定に効果的であることがわかった。初期局所音波源領域で検出されたプレイバック音響擾乱を表す信号を、電子的に時間反転して、試料の同じ部分でプレイバックすれば、測定の初期およびプレイバック段階で構成される全プロセスを、所望の回数だけ実行できる。このような繰り返し法により、音響擾乱は変化し収束して、微弱な散乱体を無視し、試料中で優勢な一つ以上の音響散乱体の場所で大きな振幅が生成される。この方法は物質中の散乱体の同定に有用であることが証明されている。
【０００６】
上記時間ゲート処理法の一般化法も提案されており、時間反転演算子分解法として知られている。この方法では、個々の散乱体を同定するために、超音波トランスデューサなどの局所音波源のアレイを用いる。あるトランスデューサで、別のトランスデューサが発生した音響信号を記録し、これをトランスデューサのすべての組合せで実行すれば、測定対象である試料の完全な音響信号がマトリックスとしてできあがる。このマトリックスの演算により、音響発生および時間反転プレイバックを含む反復プロセスで媒体中の主要な音響散乱体を同定することが可能になる。
【０００７】
この方法の他の重要な利用分野は、空間的には分布しているが、全て同じ点に集束する多くのプレイバック音響擾乱を用いた、高い音響強度の実現に関連する。特に高い音響強度を生じさせるためには、例えば音響導波路中で実行することができる。
【０００８】
音波の集束に関連する利用分野には、例えば、下記非特許文献１に説明されるように、初期局所音波源として作用する超音波トランスデューサを含む無秩序音響空洞の使用がある。この超音波トランスデューサにプレイバックするために必要な時間反転信号の知識があれば、無秩序音響空洞の内または外の予め選択した点に集束させることが可能である。この必要な時間反転信号は、予め選択した点に局所音波源を置き、無秩序音響空洞中の超音波トランスデューサで音響信号を検出することにより、前もって測定できる。この音響信号を時間反転することで必要な信号が得られる。
【０００９】
顕著な音響非線形性または散逸過程が存在しても、音響時間反転法を用いて試料の有用な物理的情報を得られることも示されている。
【００１０】
音響時間反転に基づくこれらの有望な技術は、主として従来の超音波圧電トランスデューサに依存する。そのようなトランスデューサは、一般には対応する波長が０．１−１ｍｍの範囲のような比較的低いＭＨｚ領域の周波数帯域に限定される。より高いＧＨｚ域までの周波数での圧電トランスデューサの使用は可能ではあるが、効率が非常に悪く、実施が非常に難しく、かつ高価になる。さらに、このような従来の音響時間反転法では、試料または例えば水などの結合媒体との接触が必要である。したがってこれらの方法は例えば、サブナノメートル（ｎｍ）域までの短い音響波長、または１ＴＨｚまであるいはそれ以上の高い周波数を必要とするミクロ構造またはナノ構造の評価には適用できない。
【００１１】
音響時間反転法と組み合わせた非接触音響発生への若干の進歩がなされた。例えば、下記非特許文献２中で、初期局所音波源を生成するレーザーパルス、および連続波放射に基づく時間反転プレイバック音響擾乱検出用の光干渉計の使用が報告されている。しかし、この従来方式のレーザー音響方法は、１ＧＨｚを超える非常に高い音響周波数には使えない。
【００１２】
ミクロンまたはサブミクロンの薄膜の厚さを測定するための音響パルスエコー技術が、下記特許文献５により提案された。この方法では、超短持続時間ポンプ光パルスによって試料中に短波長の縦方向音響パルスを励起し、遅延した超短持続時間プローブ光パルスを用いて、試料の光定数中に歪み誘起された変化を、特に試料から反射されたプローブビームの強度変化を測定することによって検出する。しかし、このような音響パルスエコー装置では音響伝播時間だけが測定されるので、弾性定数および密度に依存する膜の音速度が既知でないと、この装置は膜厚決定に使えない。したがってこの装置は音速度の較正を必要とする点で不利である。さらに、この装置は試料中に顕著な数の音響散乱体または不均質領域があるとき、層が多過ぎるときには、検出された複雑で比較的長いエコー波形を解析することが難しいため役に立たない。
【００１３】
膜の厚さおよび音速度を同時に決定できないという制限を回避するために使用でき、超短波長の光パルスにより試料中に短い波長の音波を発生させ検出する類似の装置が、下記特許文献６〜８に提案された。遅延した超短持続時間プローブ光パルスを用いて、干渉計で検出を行い、特に試料の表面変位のモニタリングを可能にし、表面音波伝播の二次元空間像を時間の関数として得ることができる。この方法は縦方向の音波に加えて表面音波の測定に適し、例えば薄膜の厚さおよび音速度を導き出すことが可能である。しかしこの方法は、一連の単純な励起および検出プロセスに依存しているため、多数の音響散乱体または不均質領域を含む試料の測定にはやはり適しない。
【特許文献１】米国特許第６，１６１，４３４号公報
【特許文献２】米国特許第５，４３１，０５３号公報
【特許文献３】米国特許第５，４２８，９９９号公報
【特許文献４】米国特許第５，５１３，５３２号公報
【特許文献５】米国特許第４，７１０，０３０号公報
【特許文献６】特開２００１−２２８１２１号公報（米国特許第６，５４９，２８５号）
【特許文献７】特開２００１−２２８１２２号公報（米国特許第６，５５２，８００号）
【特許文献８】特開２００１−２２８１２３号公報（米国特許第６，５５２，７９９号）
【特許文献９】特開平０５−１７２７３９号公報
【非特許文献１】Ｍ．Ｆｉｎｋ  ｅｔ  ａｌ．, ザ・ジャーナル・オブ・ノンリニアリティー（Ｔｈｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ）、１５巻、Ｒ１−Ｒ１８頁、２００２年
【非特許文献２】Ｃ．Ｄｒａｅｇｅｒ  ｅｔ  ａｌ．, アプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）誌、７２巻、１５６７−１５６９頁、１９９８年
【非特許文献３】Ｏ．Ｍａｔｓｕｄａ．ｅｔ  ａｌ．, ジャーナル・オブ・ジ・オプティカル・ソサイエティー・オブ・アメリカ（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ）Ｂ、１９巻、３０２８−３  ０４１頁、２００２年
【非特許文献４】Ｏ．Ｂ．Ｗｒｉｇｈｔ．ｅｔ  ａｌ．, フィジカル・レビュー・レターズ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）、６９巻、１６６８−１６７１頁、１９９２年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
一般的に持続時間が０．０２ｐｓから２０ｎｓまでの短い光ポンプパルスを使用して、典型的にはサブナノメーターから２０μｍオーダーの音響波長を含み得る音波を生成し、ついでポンプパルスと類似の持続時間を持つ遅延した短い光プローブパルスを用いてこれを検出することにより、ミクロ構造またはナノ構造などの物質の物理的な特性を、一般的に０．２ｎｍから２０μｍまでの比較的短い長さスケールで非接触測定することができる。この発生方法では、一般に試料のいろいろな方向に伝播する短波長の音響擾乱が生じる。しかし顕著な数の音響散乱体または不均質領域、または多数の層を含む試料の場合には、複雑な比較的長いコーダ波が検出され、解析することが非常に難しい。
【００１５】
本発明は、音響時間反転の原理、および超短光パルスの発生および短波長音波の検出に基づいて、試料の物理的な特性を測定するための装置に関する。本発明により、非常に小さなものであり得るが、顕著な数の散乱体または不均質領域、または多数の層を含むことがある特徴的な構造をもつ試料の検査が可能となる。本発明は簡単な方法で実現できる。特に、音響時間反転を組み込んで、変調された音響発生方法を含む単一段階で音響擾乱の所定のプレイバックを実行する必要がなく、一連のプレイバック局所音波源を用いることにより、初期プローブ領域における前記初期音響擾乱の時間反転によって生成される音響伝播に基づいて実効的に発生する、処理されたプレイバック信号群が得られることを明らかにする。たとえば、個々のそのような局所音波源に対して、単にプレイバック光ポンプ放射の単一の短パルスを用いてもよく、それにより短い時間スケールで、光変調のための余分な装置を必ずしも必要とせずに、音響時間反転を実現する。さらに、合成されたプレイバック信号群を用いることにより、プレイバック音響擾乱を必ずしも直接的に測定せずに音響時間反転を実現する。
【００１６】
本発明は、短い時間スケールでの短波長の音波の音響時間反転法を用いることができるため、顕著な数の散乱体または不均質領域、または多数の層をもつミクロ構造およびナノ構造の非破壊評価ができる。その上、本発明は光学的方法であることから、試料との機械的接触も、試料と接触する結合媒体も必要としない。本発明によれば、必要であれば、分析している試料中の音響擾乱の伝播を、時間の関数として空間画像化するなど、測定プロセスの任意の段階でさらに価値ある情報を提供することもできる。
【００１７】
短い光パルスを使用して短波長音波を生成し検出することにより、試料の物理的な特性を測定するための改善された装置を提供することが本発明の目的である。
【００１８】
音響時間反転法を短波長音波に適用可能にすることにより、試料の物理的な特性を測定するような装置を提供することが本発明のさらなる目的である。
【００１９】
非常に小さなものであり得るが、顕著な数の散乱体または不均質領域、または多数の層を含むことがある特徴的な構造をもつ試料の検査を可能とするような装置を提供することが本発明のさらなる目的である。
【００２０】
試料との機械的な接触を必要とせず、非破壊的であり得るような装置を提供することが本発明のさらなる目的である。
【００２１】
短い長さスケールで試料の物理的な特性を測定することができるような装置を提供することが本発明のさらなる目的である。
【００２２】
試料の領域中に伝播する音響擾乱の像を１ミクロン以下のオーダーの小さな空間分解能で作成することができるような装置を提供することが本発明のさらなる目的である。
【００２３】
試料の物理的な特性を測定することができ、同時に試料中に伝播する音響擾乱の空間像を時間の関数として生成できるような装置を提供することが本発明のさらなる目的である。
【００２４】
ミクロ構造、ナノ構造、薄膜、多層、複合材料、多結晶の試料、およびボイド、欠陥、クラック、転位または短い長さスケールを特徴とする他の不均質な領域を含む試料の物理的な特性を測定することができるような装置を提供することが本発明のさらなる目的である。
【００２５】
不透明、透明または半透明な部分またはこれらの組み合わせで構成される試料の物理的な特性を測定することができるような装置を提供することが本発明のさらなる目的である。
【００２６】
等方性または異方性である試料を測定することができるような装置を提供することが本発明のさらなる目的である。
【００２７】
測定の初期およびプレイバック段階を含む完全な音響時間反転処理に必要な全ての操作を達成でき、なおかつ、振幅、位相または偏光状態が変調されていない一連の系列の短い光パルスを用いることによっても操作できるような装置を提供することが本発明のさらなる目的である。
【００２８】
完全な音響時間反転処理に必要な全ての操作を、実際のプレイバック段階の測定を行うことなしに、初期段階の測定結果から合成されたプレイバック信号群を用いることによって操作できるような装置を提供することが本発明のさらなる目的である。
【００２９】
本発明は、上記したような試料の物理的な特性を測定するための装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明の特徴は、光ポンププローブ法と音響時間反転の方法を組み合わせたことである。既存の音響時間反転法では扱える音響周波数の上限がＭＨｚ程度であるのに対して、本発明ではそれよりはるかに高いＴＨｚ領域の音響周波数を扱うことが可能になった。本発明による測定装置は、薄膜・多層膜・ナノ構造の主として積層方向に沿った１次元的な情報を取得するのみならず、これらの試料の表面に沿った２次元的な測定も可能である。さらに音波を３次元的な任意の位置に再集束させることも可能である。この方法ではポンプ光パルスを超高速時間変調する必要は無く、従って既に確立された標準的なレーザーピコ秒音響法の技術が使用可能である。本発明により薄膜・多層膜・ナノ構造における欠陥や各層膜厚を評価することができる。
【００３１】
本発明は、真に有効な測定機器は、短光パルスによって照射されるとき、比較的短い長さスケールで試料の音響応答について最大の情報量をモニターでき、同時に試料中の顕著な数の音響散乱体または不均質領域、または多数の層も許容可能であるべきだとの認識に基づくものである。
【００３２】
本発明は、短いポンプ光パルスを用いて、試料中に音響擾乱を生成する局所音波源を発生させ、次いで短いプローブ光パルスで音響擾乱を検出することにより、試料の物理的な特性を測定する装置を特徴とする。一般的に０．００２ピコ秒（ｐｓ）から２０ナノ秒（ｎｓ）の持続時間を有する周期的な一連の短い光パルスからなるパルスポンプビームを提供するコヒーレントな、または部分的にコヒーレントな放射源がある。そのような放射源の代表例は、高反復率のモードロック固体レーザーである。また、通常は測定ビームと同じ放射源に由来する、一般的に０．００２ｐｓから２０ｎｓの持続時間を有する周期的な一連の短いプローブ光パルスからなる、パルスプローブビームを提供する放射源もある。ポンプおよびプローブ放射は１０ナノメートル（ｎｍ）から１００ミクロンの波長範囲で構成されることができ、同じ中心波長または光スペクトル成分をもつ必要はない。これらのポンプおよびプローブビームは一般的に軸対称な断面、例えばガウス（Ｇａｕｓｓｉａｎ）断面をもって試料に集束することができる。
【００３３】
一本の初期ポンプビームを、試料上に入射するとき初期プローブブームと共線的（ｃｏｌｌｉｎｅａｒ）であってもよい選択された方向から試料上へ向ける。初期ポンプ光パルスの役割は、広い範囲の音響波数ベクトルおよび周波数成分を含む初期局所音波源を提供することである。単独または複数の初期プローブビームの役割は、試料の表面または内部で生じる初期音響擾乱をプローブすることである。これは、初期ポンプ光パルスが試料に到着することで誘起される初期音響擾乱による、初期プローブ光放射の振幅、位相または偏光状態の変調により可能となる。あるいは、初期ポンプ光パルスが試料に到着した後、試料に連続して入射する二つの初期プローブ光パルスの振幅、位相または偏光状態の差の変調によっても実現できる。
【００３４】
音響擾乱は、例えば縦波、せん断波、準縦波、準せん断波、表面音波または界面波などであってもよい。表面近くを伝播する波の特定の例としてはレイリー（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）波、ラム（Ｌａｍｂ）波、ラブ（Ｌｏｖｅ）波、ストンレー（Ｓｔｏｎｅｌｅｙ）波、一般表面音波、擬似表面音波または表面スキミングバルク波がある。これらは、試料の表面または試料内の界面の機械的運動、および試料中で種々の音響歪みの場を作り出す。初期プローブビームを含む光パルスの振幅、位相または偏光状態を変調するのはこれらの擾乱である。
【００３５】
初期ポンプパルスと初期プローブパルスとの間の、初期遅延時間と呼ばれる到着時間の間隔を変化させ、初期プローブ光放射中にこの初期遅延時間の関数として音響的に誘起された変化を引き起こす。初期プローブ光放射中に初期遅延時間の関数として音響的に誘起されたこれらの変化に比例する初期信号群は、例えばコンピュータのメモリー中に記憶される。次いで、プレイバック関数を計算するために、この初期信号群を処理する。プレイバック関数を計算するのは、装置に実装して音響時間反転の実行に使用するためである。このプレイバック関数は畳み込み演算に用いられる。その目的は、一連の短い光放射のプレイバックポンプパルスによって試料中のプレイバック局所音波源の発生を制御するとき、または後でプレイバック信号群を処理するときのどちらかに、この畳み込み演算を適用することである。後者の方法にはいかなる光変調装置も必要としないという長所がある。
【００３６】
一本のプレイバックポンプビームを選ばれた方向から試料へ向ける。試料上に入射するとき、プレイバックプローブビームと共線形でもよい。プレイバックポンプ光パルスの役割は、プレイバック局所音波源を提供することである。プレイバックプローブビームの役割は、試料の表面または内部において生じるプレイバック音響擾乱をプローブすることである。これは測定の初期段階と同じように、プレイバックポンプ光パルスが試料に到着することで誘起されるプレイバック音響擾乱によって、プレイバックプローブ光放射の振幅、位相または偏光状態を変調することにより可能となる。あるいは、これはプレイバックポンプ光パルスが試料に到着した後に、試料に連続的に入射する、二つのプレイバックプローブ光パルスの振幅、位相または偏光状態の差を変調することによっても実現できる。一連の光放射の短いプレイバックポンプパルスは初期プローブ領域またはその近くに向けられ、そこで試料中にプレイバック局所音波源を発生させる。この領域は初期局所音波源と同じでも同じでなくてもよい。プレイバックポンプパルスとプレイバックプローブパルスの到着時間の間の、プレイバック遅延時間と呼ばれる間隔を変化させ、プレイバックプローブ光放射中にこのプレイバック遅延時間の関数として音響的に誘起された変化を引き起こす。プレイバックプローブ光放射中にプレイバック遅延時間の関数として音響的に誘起されたこれらの変化に比例するプレイバック信号群は、例えばコンピュータのメモリー中に記憶される。
【００３７】
音響時間反転を実際のプレイバック段階の測定を行うことなしに実現することも可能である。この場合、初期段階の測定で得られた初期信号群から合成されたプレイバック信号群を用いて音響時間反転を実現する。
【００３８】
本発明の一つの実施態様においては、プレイバック光ポンプ放射の振幅、位相または偏光状態をプレイバック遅延時間の関数として変調するための手段が存在する。これはプレイバック関数に依存する方法である。あるいは、もう一つの実施態様においては、プレイバック光ポンプ放射の振幅、位相または偏光状態を変調するための手段を必要とせずにプレイバック信号群が処理される。さらにもう一つの実施態様においては、光放射のプレイバックポンプパルスとして、プレイバック局所音波源の発生が容易になるように振幅、位相または偏光状態を調整して望みの形状のパルスを選ぶことができる。これらの操作の目的は、前記初期プローブ領域における時間反転された前記初期音響擾乱または前記初期音響擾乱の時間ゲート処理された部分の発生によって生成される音響伝播に基づいて効果的に、重ね合せの原理を用いて、前記処理されたプレイバック信号群を所定の近似で再現することである。
【００３９】
従来の音響時間反転では超音波トランスデューサの配列を用いることが多いが、一つの配列が測定の初期およびプレイバック段階の両方の役割を果たすこともあるし、試料の異なる領域において二つ以上の配列で初期段階およびプレイバック段階が実行されることもある。本発明においては、試料と相互作用する光ビームの位置を走査することにより、一つ以上の超音波トランスデューサ配列と同じ効果が得られる。本発明は、一点ずつ独立に測定して空間および時間上で和をとり、必要な信号群を組み立てるのに適している。
【００４０】
この目的で、プローブされた初期音響擾乱を表すデータ群を作成するために、初期局所音波源または初期プローブ領域の位置または相対位置を走査するための手段を導入することができる。そのような測定の代表的な例は、測定のこの初期段階のために超音波トランスデューサの線形配列をシミュレーションすることを目的として、単独の初期局所源を使用し、また初期プローブ領域の線形配列に対応するデータ群を作成する方法である。
【００４１】
プローブされたプレイバック音響擾乱を表すデータ群を作成するために、プレイバック局所音波源およびプレイバックプローブ領域の位置または相対位置を走査する場合にも同じことがいえる。そのような測定の代表的な例は、測定のこのプレイバック段階のために超音波トランスデューサの線形配列をシミュレーションすることを目的として、単独のプレイバック局所源を使用し、またプレイバックプローブ領域の線形配列に対応するデータ群を作成する方法である。
【００４２】
従来の音響時間反転においては、時として測定を繰り返すことが必要であり、処理されたプレイバック信号群の時間反転されたプレイバックを、プレイバックプローブ領域で利用することが必要となる。これにより測定の第２の初期段階と呼ばれる段階が開始される。初期段階およびプレイバック段階を繰り返すことにより、試料中の音響擾乱は、顕著な音響擾乱を示す領域に存在する最も強い音響散乱体に集束する傾向がある。本発明を用いると、これと全く同じ測定が可能になる。本発明は、やはり一つ以上の音波源の配列をつくる必要がある時間反転演算子分解法にも適している。
【００４３】
従来の音響時間反転の場合とまったく同じように、無秩序音響空洞を利用して、試料の必要な領域に音響を集束させることも可能であり、この方法で試料の特定の領域を研究することができる。
【００４４】
プレイバック信号群を処理するための手段を伴う本発明の態様においては、この処理には処理関数ａ（ｔ）の時間ドメインの一部分または全体によるプレイバック信号群の畳み込みが含まれる。ここでｔは遅延時間である。このプレイバック関数を計算することで、初期プローブ領域における初期音響擾乱の時間反転が有効に行われる。この処理関数ａ（ｔ）は、初期プローブ領域における初期音響擾乱の光検出のためのインパルス応答関数ｄ（ｔ）、初期プローブ光放射中に初期遅延時間の関数として音響的に誘起された変化に比例する初期信号群ｇ（ｔ）、およびプレイバック局所音波源の光発生のためのインパルス応答関数ｈ（ｔ）の知識を用いて計算される。処理関数ａ（ｔ）は、必要であれば、利用する前にフィルターをかけることができ、その一つの例は一定のビット数精度で処理関数ａ（ｔ）をディジタル的に処理することである。
【００４５】
プレイバック光ポンプ放射の振幅、位相または偏光状態をプレイバック遅延時間の関数として変調するための手段が存在する本発明の一つの実施態様においては、この変調は、プレイバック遅延時間の関数としてのプレイバック光ポンプ放射の強度とプレイバック関数ｂ（ｔ）の乗算を含む。ここでプレイバック関数ｂ（ｔ）はｄ（ｔ）、ｇ（ｔ）およびｈ（ｔ）の知識を用いて計算される。プレイバック関数ｂ（ｔ）は、必要なら、利用する前にフィルターをかけることができ、その一つの例は一定のビット数精度でプレイバック関数ｂ（ｔ）をディジタル的に処理することである。
【００４６】
関数ｇ（ｔ）は歪み、転位または表面粒子速度のような所望の変数に対して表すことができ、関数ｈ（ｔ）も同様である。同じように、例えば関数ｇ（ｔ）は試料の反射率変化、相対的な反射率変化または光位相変化に対して表してもよい。
【００４７】
本発明のもう一つの実施態様においては、光放射のプレイバックポンプパルスとして、プレイバック局所音波源の発生が容易になるように振幅、位相または偏光状態を調整して望みの形状のパルスを選ぶことができる。この場合の一つの例は、処理関数ａ（ｔ）または、処理関数ａ（ｔ）の時間ゲート処理された部分に比例する調整関数が、リアルタイムｔの関数としてのプレイバックポンプパルスの強度の形状として選ばれるときである。ここでａは処理関数と同じ関数である。形状調整は、例えば空間光変調器によって実現できる。
【００４８】
処理されたプレイバック信号群または繰返しの結果に対応するプレイバック信号群は、試料または試料の部分の大きさ、弾性定数または密度のような物理的な特性を抽出するために、試料中の音響擾乱の伝播および散乱、および試料中の音響光発生および検出プロセスの適当な理論モデルと比較することができる。これは、たとえば試料または試料の部分の大きさ、弾性定数または密度に対して試行値を変化させ、適当な理論モデルの予測値と処理されたプレイバック信号群との差を最小化することにより実現できる。
【００４９】
薄膜試料の場合における膜厚のような、試料の他の物理的な特性も導き出すことができる。内部応力、接着、イオン注入量、湿気暴露量、音響散乱体の大きさおよび位置、粒子サイズ分布、有孔率、欠陥分布、転位、表面上の吸着物質の厚さ、またはミクロ構造等の関連量を、それらの音響擾乱の伝播に対する影響を介して測定することも可能である。
【００５０】
一般に、試料は光学プローブまたはポンプ光放射に対して、透明、半透明または不透明な部分からなっていてよい。試料を励起するためには、試料はポンプ光放射に対して完全には透明でない方がよい。試料は固体物質に限定されない。固体、液体または気体の部分または物質の他の中間層を有する試料を研究することができる。
【００５１】
測定の空間分解能を光学回折限界より高めるために、テーパーつきファイバーのような近接場光学技法を用いて、光ビームを試料上に集束することも可能である。この方法で１ミクロンの何分の１かまで水平分解能を上げることができる。
【００５２】
また、初期またはプレイバック遅延時間の関数として、初期音響擾乱またはプレイバック音響擾乱を表す空間像を得ることも可能である。これは、音響擾乱についてより多くの情報を得るために非常に有効である。
【００５３】
各ポンプパルスに対応するプローブパルスの数を任意に選んで使用することが可能である。多数の初期プローブパルスまたはプレイバックプローブパルスを用いて、これらを集めて一体とし、連続なプローブビームを形成することも可能である。
【発明の効果】
【００５４】
本発明は、半導体ウエハーまたは集積回路のオンラインモニタリングに応用可能である。特に、本発明を用いると試料中の非常に浅い表面下欠陥の存在および位置を評価することができる。特に、本発明を用いて他の不均質な領域の分布の存在下で、表面下欠陥の存在および位置を検出することができる。本発明は密度、弾性定数またはこれらの特性に影響する量、例えばイオン注入量、内部応力、表面粗さ、界面粗さ、表面上の吸着物質、接着、粒子サイズ分布、有孔率、ミクロ構造または湿気の影響等を評価するために用いることができる。
【００５５】
本発明を用いると、試料との接触なく非破壊的に試料の特性を求めることができ、オンライン条件で、例えば単一のまたは多層の薄膜でコーティングされた、半導体ウエハー製品に使用できる。本発明はまた、複雑な試料形状に対しても使用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
本発明の特徴は、光ポンププローブ法と音響時間反転法を組み合わせたことである。既存の音響時間反転法では扱える音響周波数の上限がＭＨｚ程度であるのに対して、本発明ではそれよりはるかに高いＴＨｚ領域の音響周波数を扱うことが可能になった。本発明による測定装置は、薄膜・多層膜・ナノ構造の、主として積層方向に沿った１次元的な情報を取得するのみならず、これらの試料の表面に沿った２次元的な測定も可能である。さらに音波を３次元的な任意の位置に再集束させることも可能である。この方法ではポンプ光パルスを超高速時間変調する必要は無く、従って既に確立された標準的なレーザーピコ秒音響法の技術が使用可能である。本発明により薄膜・多層膜・ナノ構造における欠陥や各層膜厚を評価することができる。
【実施例】
【００５７】
以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。
【００５８】
図１および図２は、時間ドメイン干渉計３を組み入れた本発明の第１の実施態様を示しており、用いる光照射に対して十分に不透明である試料に特に適したものである。この実施態様は短い波長での音響測定に特に適している。本実施態様に用いられる時間ドメイン干渉計３の例が本願発明者により上記特許文献６〜８中に詳細に説明されている。この干渉計３は光放射の二つの短いプローブパルスの反射率変化または位相変化の差をとるために使うことができる。最も単純な形式の測定プロセスは初期段階およびプレイバック段階の二つの段階からなる。図１は初期段階を表し、図２はプレイバック段階を表す。ここで、図１において、初期ポンプビームと初期プローブビームは同じレンズを通して試料に集束されており、図２においても、プレイバックポンプビームとプレイバックプローブビームは同じレンズを通して試料に集束されている。
【００５９】
測定の初期段階において、光放射の短い初期ポンプパルス４が垂直またはほとんど垂直の入射角で、自由表面を有する試料６上の局所領域１３にレンズ５によって集束される。試料６の表面に近い領域で光吸収が起こり、初期局所音波源をつくる。特に、弾性的に等方性の固体の例では、縦方向音波の短波長パルスが試料６の深さ方向に発生する。試料６における初期ポンプビーム１０の水平空間プロファイルは、データ解析を容易にするために、例えばガウス（Ｇａｕｓｓｉａｎ）スポットの場合のように軸対称であるように選ぶと有利である。
【００６０】
第１の実施態様においては、初期プローブパルス１および初期プローブパルス２と呼ばれる、選ばれた時間間隔ＴP だけ離れた光放射の二つの短い初期プローブパルスを用いる。これらの初期プローブパルス１，２は初期ポンプビーム１０と共線形の初期プローブビーム９を形成し、レンズ５によって集束されて、試料６の初期プローブ領域１１へ垂直またはほとんど垂直な入射角で入射する。また、初期プローブ領域１１は初期ポンプビーム１０入射に関する局所領域１３と最適に重なるように選ばれる。初期プローブビーム９の試料６における水平空間プロファイルは、データ解析を容易にするために、例えばガウススポットの場合のように軸対称であるように選ぶと有利である。初期ポンプビーム１０と初期プローブビーム９とが同じ中心波長をもたない場合は、二色性のビームスプリッター１２を選ぶことができる。時間が経過すると、初期音響擾乱が試料６の面内方向および内部に広がる。当業者によく知られているように、初期ポンプパルスおよび初期プローブパルスの周期的な系列を使い、得られる信号群をある時間にわたり平均化すると有利である。
【００６１】
一般に、試料６表面または表面下の音響運動、または試料６内部の音響歪みに起因して、初期プローブ光放射と初期音響擾乱との間に結合が生じ得る。試料６の表面または界面の音響変位の面外成分、試料６の表面または界面の音響変位の面内成分、試料６の表面または界面の音響粒子速度の面外成分、試料６の表面または界面の表面粒子速度の面内成分、音響歪みテンソルの６つの成分、のうちの一つが初期プローブ光放射に結合すると、原則として、初期音響擾乱を検出することができる。試料６内への初期プローブビーム９の光侵入深さ範囲内の音響歪みは、一般に光弾性効果により初期プローブ光放射の変調に影響を与える。
【００６２】
試料６中で初期音響擾乱と相互作用した後、初期プローブ光放射は一般に、図１の時間ドメイン干渉計３中に組み込まれた光検出器によりモニターされる。この実施態様においては、初期プローブ照射は、試料６から反射した後検出される。当業者によく知られているように、例えば変調器８およびロックイン検出による初期ポンプビーム１０の光チョッピングを使って信号対雑音比を向上させることができる。初期ポンプビーム１０を誘導するためには、ミラー１４および１５が使われる。
【００６３】
初期プローブ光放射中に音響的に誘起され、初期音響擾乱の特性を示す変化は、初期ポンプパルス４の試料６への到着時間と、二つの初期プローブパルス１および２の試料６への到着時間の平均時間との間の所定の初期時間遅延で検出される。この初期時間遅延は、初期ポンプパルス４と初期プローブパルスとの間の光遅延線または電子的に制御された遅延を用いて導入することができる。これらの初期ポンプパルス４および初期プローブパルスは、通常は同じ反復率をもつ周期的パルス列であるように選ばれる。次に、二つの初期プローブパルス１および２の試料６への平均到着時間に対応して、初期ポンプパルス４の試料６への到着時間と、初期音響擾乱のプローブ時間との間の遅延時間を変えることにより、初期遅延時間の関数として初期プローブ光放射中に音響的に誘起された変化に比例する初期信号群を得ることができる。この初期信号群は、例えばコンピュータであるデータプロセッサ７のメモリー中に記憶される。遅延時間の走査は連続法または逐次法により実施でき、これは初期段階にもプレイバック段階にも同様に適用される。
【００６４】
図１の装置においては、二つの初期プローブパルス１および２の試料６への到着の時間間隔ＴP は固定され、二つの初期プローブパルス１，２の到着時間の平均と初期ポンプパルス４との間の初期遅延時間が走査される。これは、図２のプレイバック段階でも同様である。
【００６５】
本発明の第１の実施態様を用いる一つの測定例においては、初期プローブパルス１は、初期ポンプパルス４より早く試料６に入射するように設定される。このような構成とすることで、干渉計３によって試料６との相互作用による初期プローブパルス２の反射率変化または位相変化を測定することができる。第１の実施態様によるもう一つの測定例においては、初期プローブパルス１および２はともに、初期ポンプパルス４の後で試料６に入射する。時間間隔ＴP を十分に小さく選べば、干渉計３によって反射率変化または位相変化の時間微分に近似的に比例するこの時間間隔での反射率変化または位相変化の間の差を測定することができる。同等の考察が図２のプレイバック段階にもあてはまる。
【００６６】
初期信号群の記録後、図２に示すように、測定のプレイバック段階を開始することができる。第１の実施態様においては、初期段階用およびプレイバック段階用に、厳密に同じ特性および入射の光放射および同じ装置が使われる。装置の重複を避けるためにこの方法を採用することは、必須ではないが一般に有利である。測定のプレイバック段階では、一連の光放射の短いプレイバックポンプパルス２４で構成されるプレイバックポンプビーム２５は、レンズ５により集束されて試料６上の局所領域３１に垂直またはほとんど垂直な入射角で入射し、プレイバック局所音波源をつくり出す。この局所領域３１は、試料の初期プローブ領域１１と重なるように最適に選ばれるが、この初期プローブ領域１１の近傍であってもよい。時間が経過するにつれて、プレイバック音響擾乱は試料６の面内方向および内部に広がる。
【００６７】
光パルスの対で構成される一連の光放射の短いプレイバックプローブパルスは、プレイバックプローブビーム２９をつくり、レンズ５により集束されて垂直またはほとんど垂直な入射角で試料６のプレイバックプローブ領域３３に入射する。第１の実施態様においては、特に、プレイバックプローブ領域３３は実際には初期ポンプビーム１０入射のための局所領域１３および初期プローブ領域１１と重なるように最適に選ばれる。プレイバック段階の光放射の短いプローブパルスの各対を、プレイバックプローブパルス２１およびプレイバックプローブパルス２２と呼ぶ。当業者によく知られているように、プレイバックポンプパルス２４およびプレイバックプローブパルス２１，２２の周期的な系列を使い、得られる信号群を一定時間にわたって平均するのが有利である。
【００６８】
試料６におけるプレイバック音響擾乱との相互作用後のプレイバックプローブ光放射は、初期段階で時間ドメイン干渉計３中に用いられたのと同じ光検出器によりモニターされる。当業者によく知られているように、例えばプレイバックポンプビーム２５の光チョッピングおよびロックイン検出を用いて信号対雑音比を向上させることができる。
【００６９】
プレイバックプローブ光放射中に音響的に誘起され、プレイバック音響擾乱の特性を示す変化は、プレイバックポンプパルス２４の試料６への到着時間と、二つのプレイバックプローブパルス２１および２２の試料６への到着時間の平均との間の所定のプレイバック時間遅延で検出される。第１の実施態様においては、プレイバック時間遅延は、初期段階に用いたのと同じ装置を使うことにより導入される。二つのプレイバックプローブパルス２１と２２の試料６への平均到着時間に対応して、プレイバックポンプパルス２４の試料６への到着時間とプレイバック音響擾乱のプローブ時間の間の遅延時間を変えることにより、プレイバック遅延時間の関数として、プレイバックプローブ光放射中に音響的に誘起された変化に比例するプレイバック信号群を得ることができる。このプレイバック信号群はデータプロセッサ７のメモリー中に記憶される。
【００７０】
第１の実施態様においては、プレイバック光ポンプ放射の振幅、位相または偏光状態を、プレイバック遅延時間の関数として変調するための手段はない。初期プローブ領域における時間反転された初期音響擾乱または初期音響擾乱の時間ゲート処理された部分の発生によって生成される音響伝播によって効果的に、重ね合わせの原理を用いて、処理されたプレイバック信号群が所定の近似で再現される。
【００７１】
第１の実施態様のために必要な処理関数は、試料中の音響擾乱の発生および検出を考察することによって導き出すことができる。ｄ（ｔ）を初期プローブ領域における初期音響擾乱の光検出のためのインパルス応答関数、ｇ（ｔ）を初期プローブ光放射中に初期遅延時間の関数として音響的に誘起された変化に比例する初期信号群とする。ここでｔは初期遅延時間を表す。ｈ（ｔ）をプレイバック局所音波源の光発生のためのインパルス応答関数、ｚ1 （ｔ）を処理前のプレイバック信号群とする。ここで同じ記号ｔがプレイバック遅延時間を表すこととする。
【００７２】
応答関数は、測定の対象となる諸量に関して定義される。具体的な例としては、自由表面を有する試料６表面の外向きの表面変位ｕ（ｔ）に関してインパルス応答関数を定義することである。この解析は、試料６中の音響伝播が散逸的ではなく、音響時間反転の要求を満たすために線形微分方程式に従うという仮定の上で導き出される。さらに、試料６は顕著なドリフトまたはクリープを受けないと仮定する。また、音響光発生および検出プロセスが線形過程であると仮定する。しかし、本発明は、それでもなお、ちょうど従来の音響時間反転のように、種々の近似で一般的な試料に適用することができる。関数ｕ（ｔ）は、以下のように定義される。
【００７３】
【数４】
2005338063.tif 000003
2005338063.tif 000004
【００７４】
また、関数ｈ（ｔ）は、ディラック（Ｄｉｒａｃ）のデルタ関数δ（ｔ）に従って時間により変化する強度を有する初期ポンプパルス４により、初期局所源の位置で生じる外向きの表面変位ｕ（ｔ）に対して定義される。この場合、関数ｇ（ｔ）は以下の式（２）により定義される。
【００７５】
【数５】
2005338063.tif 000005
したがって
【００７６】
【数６】
2005338063.tif 000006
初期プローブ領域の位置で時間反転された変位を再構成するためには、そこで変位ｕ（−ｔ）を発生させる必要がある。
【００７７】
最初に、第１の実施態様の場合ではなく、リアルタイムドメイン中でプレイバックポンプパルスを変調するための手段が使用できる場合を考える。これは、例えば、その強度が実時間の関数としてプレイバック関数ａ0 （ｔ）（ここで記号ｔは、実時間ドメイン中の時間を表す）に比例するプレイバックポンプパルス２４を用いて実施できる。そうすると、リアルタイムドメイン中では、
【００７８】
【数７】
2005338063.tif 000007
を満たす必要がある。フーリエ（Ｆｏｕｒｉｅｒ）変換をとり、上記式（２）および（４）を使うと、
Ａ0 （ω）＝Ｕ（−ω）／Ｈ（ω）＝Ｇ（−ω）／Ｈ（ω）Ｄ（−ω）
（ここで大文字はそれぞれ小文字のフーリエ変換を表し、ωは音響角振動数）となる。
【００７９】
したがって、関数ｈ（ｔ）、ｄ（ｔ）について既に得た知識および測定された初期信号群ｇ（ｔ）から、必要なプレイバック関数ａ0 （ｔ）を得ることができる。試料６中の音響伝播が散逸的でなく、線形微分方程式に従い、かつドリフトまたはクリープをあまり受けない場合は、変換関数ｍ（ｔ）の既知の相反性により、生じる音響擾乱〔この場合にはプレイバックプローブ領域の位置での変位ｕ1 （ｔ）〕の時間変動の検証は容易である。すなわち、リアルタイムドメイン中は以下のようになる。
【００８０】
【数８】
2005338063.tif 000008
これはさらに式（１）を用いて、
【００８１】
【数９】
2005338063.tif 000009
となる。ここで、
【００８２】
【数１０】
2005338063.tif 000010
を仮定した。これは十分な散乱体を含む媒体においては良い近似である。予期されるように、プレイバックプローブ領域の位置で測定された試料６の変位は、同じ位置における初期局所音波源発生後の対応する変位に対して時間反転されている。
【００８３】
第１の実施態様においては、プレイバック光ポンプ放射の振幅、位相または偏光状態をプレイバック遅延時間の関数として変調するための手段はない。しかしそれでも、線形応答を有する試料６にあてはまる重ね合せの原理を利用することによって、音響時間反転を実行することは可能である。一般化するために、プレイバックプローブ領域におけるプレイバック音響擾乱の光検出のためのインパルス応答関数をｄ1 （ｔ）で表示する。しかし、第１の実施態様の場合には、これは初期プローブ領域における初期音響擾乱の光検出のためのインパルス応答関数ｄ（ｔ）と同じである。
2005338063.tif 000011
【００８４】
【数１１】
2005338063.tif 000012
この方程式は、上記の式を用いて解くことができ、遅延時間ｔの関数として、
【００８５】
【数１２】
2005338063.tif 000013
または
Ａ（ω）＝Ｇ（−ω）／Ｈ（ω）Ｄ（−ω）＝Ｄ（ω）Ｈ（−ω）／Ｇ（ω）（１０）
が得られる。ここで考慮する関数は実関数であり、したがってＦ（−ω）＝Ｆ（ω）* である（ここでＦは任意の関数であり、＊は複素共役を表す）。処理関数ａ（ｔ）は、実際には上記した異なる例で得られた関数ａ0 （ｔ）と同じものである。処理関数ａ（ｔ）を用いる畳み込み演算の結果として、初期プローブ領域における時間反転された初期音響擾乱または初期音響擾乱の時間ゲート処理された部分によって生成される音響伝播によって効果的に、重ね合わせの原理を用いて、処理されたプレイバック信号群が所定の近似で再現される。処理関数ａ（ｔ）は、例えば、理論または実験または両方から関数ｈ（ｔ）、ｄ（ｔ）を推定することにより、および測定された初期信号群ｇ（ｔ）を用いて、得ることができる。
【００８６】
等しい強度の一連の単一の短いプレイバックポンプパルスを用いる上記の測定には、選ばれた時間間隔にわたるプレイバック遅延時間の一回以上の走査のみが必要とされる。この選ばれた時間間隔は、必要であれば、本質的にプレイバック音響擾乱を表すコーダ波の全部またはこのコーダ波の時間ゲート処理された部分を含むことができる。ａ0 （ｔ）およびａ（ｔ）が対応していることから、時間ゲート処理された関数ａ0 （ｔ）と全く同じ実時間中の時間ゲート処理されたプレイバックが、プレイバック信号群を同様に時間ゲート処理された処理関数ａ（ｔ）で畳み込むことによって得られるのは明らかである。そのような時間ゲート処理されたプレイバックは音響時間反転では多くの場合役に立つので、これは重要である。
【００８７】
第１の実施態様に関して、これらの結果を理論的に検証するために、持続時間１００ｆｓの短い光パルスによる縦方向の音響発生のシミュレーションを行った。このような短い光パルス持続時間の場合、音響パルス持続時間と比較してこの持続時間は無視する。図３は、一連の多結晶性金属膜：４００ｎｍ厚のモリブデン、１００ｎｍ厚の銀、１００ｎｍ厚のニッケル、１００ｎｍ厚の金、１００ｎｍ厚のニッケル、１００ｎｍ厚の銀および最後にシリカ基板、を含む多層からなる、選ばれた試料を示す。ポンプパルス４および２４の波長は６３０ｎｍであり、プローブパルス１，２，２１および２２の波長も６３０ｎｍである。音響パルスは、熱弾性効果のみにより発生すると仮定する。このことは、当業者には明らかなように、主音響周波数はν／２πＬ＝６４ＧＨｚで、音波波長８０ｎｍに対応することを意味する。ここでν＝６４４０ｍ／ｓはモリブデン最上層膜の縦方向音速であり、Ｌ＝１６ｎｍはポンプパルス４および２４の光学吸収深さである。
【００８８】
当業者に知られているように、ある物質に対するあるプローブ光波長で、試料６の光弾性応答は無視することができる。その場合には、試料６との相互作用による初期プローブパルス２またはプレイバックプローブパルス２２の光位相変化δφは外向きの表面変位ｕ（ｔ）に比例し、ｇ（ｔ）＝δφ＝−２ｋｕ（ｔ）となる。ここでｋは初期プローブ光放射の波数である。これは、ｄ（ｔ）＝−２ｋδ（ｔ）〔ここでδ（ｔ）はディラックのデルタ関数〕であることを意味する。これは上記非特許文献４に示されるようにここで用いた光波長においてはよい近似であると考えられる。以下この例について考察する。初期の短いポンプパルス４に起因する計算された表面変位ｈ（ｔ）を図４に示す。当業者によく知られているように、この関数ｈ（ｔ）はθ（ｔ）（１−ｅ-(νt/L)）に比例する。ここでθ（ｔ）は単位ステップ関数である。初期プローブ信号群ｇ（ｔ）は図５中に示され、多層中の多重散乱に起因する長いコーダ波を示している。時間ゲート処理せずに等しい強度の一連のインパルス用の単一の短いプレイバックポンプパルス２４を用いて得られたプレイバック信号群ｚ1 （ｔ）は、プレイバック局所音波源の位置がこの第１の実施態様中の初期局所音波源の位置と同じなので、この場合、符号とオフセットを除いて、初期プローブ信号群と同じ関数である。計算された処理関数ａ（ｔ）を、図６に示す。処理関数ａ（ｔ）による畳み込みから得られた処理されたプレイバック信号群ｚ（ｔ）を図７に示す。予想されるように、この関数の形はｕ（ｔ）と同じである。用いた数値計算の精度によって、得られる信号には雑音が重ね合わされている。計算精度を向上させ、および計算されるコーダ信号の持続時間を増すことにより、この雑音は任意に小さくできる。関数ｚ（ｔ）は点ｔ＝０の両側に存在するが、ｕ（ｔ）はｔ＞０でのみ存在する。これは音響時間反転法の特性である。
【００８９】
従来の音響時間反転から知られているように、処理関数ａ（ｔ）に対して、時間ゲート処理された関数を選ぶことにより、試料６中の多重散乱の種々の時間領域をプローブすることが可能である。また、測定プロセスを繰り返すことも可能である。初期局所音波源領域で検出される全てのプレイバック音響擾乱の和を有効に表す信号群ｚ（ｔ）は、時間反転され、試料６の同じ領域中で再び有効にプレイバックされる。測定の初期およびプレイバック段階で構成される全部のプロセスを所望の回数だけ、それぞれの回に適切な処理関数ａ（ｔ）で畳み込んで、実行することができる。従来の音響時間反転と同様に、このような繰返しにより、音響擾乱は変化し、収束して、試料６中の単独または複数の主要な音響散乱体において、弱い散乱体と引き換えに、高い音波振幅を特徴とする信号群を発生させる。処理関数ａ（ｔ）は、必要であれば、使用する前にフィルターをかけることができ、その一つの例は、処理関数ａ（ｔ）を一定のビット数精度でディジタル的に処理することである。
【００９０】
第１の実施態様においては、インパルス応答関数はまた、試料中の縦方向の歪みに関して定義してもよい。試料の均質領域中では、試料中の音響散乱体との相互作用の後、試料６の自由表面へ戻る一般的な形状の縦方向の歪みパルスは、次の式で表すことができる。
【００９１】
η（ｚ，ｔ）＝η0 （ｔ＋ｚ／ν）−η0 （ｔ−ｚ／ν）                  （１１）
実際は、ここで、η0 ＝−（１／２ν）ｄｕ（ｔ）／ｄｔである。一般的に行われるように、測定した初期信号群ｇ（ｔ）を用いて、初期プローブパルス２またはプレイバックプローブパルス２２の反射率変化Ｒまたは相対反射率変化δＲ／Ｒを表すことができる。式（１１）の歪みパルスに対する複素相対反射率変化δｒ／ｒは、上記非特許文献３にあるように、当業者にはよく知られている。縦方向歪みη0 （ｔ）に関連するインパルス応答関数は簡単に導き出され、式（２）の代わりに、次の式が使われる。
【００９２】
【数１３】
2005338063.tif 000014
ｇ（ｔ）が複素相対反射率変化の実部であるとすると、
【００９３】
【数１４】
2005338063.tif 000015
が得られる。ここで、Ｒｅは実部、ｋは初期プローブ光放射の波数、Ｎは初期プローブ放射に対する試料６の複素屈折率、ｄＮ／ｄηは初期プローブ放射に対する適当な光弾性定数、νは試料６の縦方向音速、θ（ｔ）は単位ステップ関数、ｉ＝√（−１）である。式（１３）は、実験ではよく起こりうる、相対反射率変化が比較的小さい場合に適用される。その場合、Ｒｅ（δｒ／ｒ）＝（１／２）δＲ／Ｒである。
【００９４】
あるいは、ｇ（ｔ）を複素相対反射率変化の虚数部とすると
【００９５】
【数１５】
2005338063.tif 000016
が得られる。式（１４）も相対反射率変化が比較的小さい場合に適用される。その場合Ｉｍ（δｒ／ｒ）＝δφである。ここでδφは初期プローブパルス２またはプレイバックプローブパルス２２の光学位相変化である。
【００９６】
式（１３）および（１４）は第１の実施態様において必要な処理関数ａ（ｔ）を見積もるときに役に立つ。この両式（１３），（１４）はともに試料６の光弾性応答および表面変位の効果を考慮に入れている。プローブパルス１または２１が、それぞれポンプパルス４または２４の前に、試料６上に入射するように設定される場合に、これらの定義は有用である。
【００９７】
当業者に知られているように、ある物質に対するあるプローブ光波長においては試料６の光弾性応答は無視することができる。上記でそのような実例を検討した。その場合、初期プローブパルス２の光位相変化δφは、外向きの表面変位ｕ（ｔ）に比例し、それにより、ｇ（ｔ）＝δφ＝−２ｋｕ（ｔ）を定義できる。ここでｋは初期プローブ光放射の波数である。これはｄ（ｔ）＝−２ｋδ（ｔ）〔ここでδ（ｔ）はディラックのデルタ関数〕を意味する。プローブパルス１または２１が、それぞれポンプパルス４または２４の前に、試料６上に入射するように設定される場合に、これらの定義は有用である。
【００９８】
第１の実施態様と関連するもう一つの種類の測定においては、初期プローブパルス１および２またはプレイバックプローブパルス２１および２２は、それぞれ初期ポンプパルス４またはプレイバックポンプパルス２４の後から試料６へ入射する。時間間隔ＴP を十分短く選べば、干渉計３により、この時間間隔における反射率変化または位相変化の差を測定することができる。これらの差は近似的に反射率変化または位相変化の時間微分に比例する。
【００９９】
光弾性応答を無視できる試料６に対しては、試料との相互作用による初期プローブパルス２と初期プローブパルス１との間の光位相差Δφの変化は外向きの表面変位ｕ（ｔ）の時間微分に比例する。ｇ（ｔ）＝Δφ／ＴP ＝−２ｋｄｕ（ｔ）／ｄｔと定義することができる。これはやはり、ｄ（ｔ）＝−２ｋδ（ｔ）を意味する。
【０１００】
試料６の光弾性効果および表面または界面変位がプローブ光放射中の音響的に誘起された変化に影響を与える一般的な場合には、関数ｄ（ｔ）は、上記で考察したようなさらに複雑な形をとる。ｄ（ｔ）の形は、理論または実験またはその両方から導き出すことができる。例えば、上記非特許文献３中に報告されているように、一般的な多層の理論形式が利用できる。
【０１０１】
インパルス応答関数ｈ（ｔ）は、ｕ（ｔ）またはη0 （ｔ）のような便利な量に関して定義することができる。この関数ｈ（ｔ）も理論または実験またはその両方から決定することができる。当業者に知られているように、金属または半導体のような試料６に対してｈ（ｔ）を見積もるときには、熱拡散およびキャリア拡散の効果を考慮に入れなければならないことがある。試料６中で発生する音波の型は試料の幾何学的形状、ならびに試料６中のキャリアの発生および温度変化に依存するが、それに限定されない。音波は、例えば、熱弾性効果によって、変形ポテンシャル効果によって、電気ひずみによって、またはアブレーションによって発生する。
【０１０２】
第１の実施態様においてポンプビームおよびプローブビームの両方に対して単一のレンズ５を使用するというのは、唯一の可能な設計ではない。ポンプビーム用に一枚、および、プローブビーム用に一枚として、二枚のレンズの使用も選択の一つである。一般に、ミラーの使用を含め、任意の望ましい集束系を用いることができる。種々の光入射角を選ぶことも可能である。また、測定の初期およびプレイバック段階において異なる光成分を選ぶことも可能である。さらに、ポンプビームと、プローブビームが試料６の反対側から、または異なる側から入射するようにすることも可能である。
【０１０３】
第１の実施態様に類似のさらなる別の設計においては、プレイバック信号群ｚl （ｔ）を直接の測定によって取得する必要が無い。例えば、試料が初期ポンプ領域近傍と初期プローブ領域近傍で同一視可能ならば、ｄl （ｔ）＝ｄ（ｔ）の仮定のもとに合成されたプレイバック信号群
【０１０４】
【数１６】
2005338063.tif 000017
が得られる。この場合、式（３）よりｚl （ｔ）はｇ（ｔ）に等しい。ｄl （ｔ）≠ｄ（ｔ）の場合でもｍ（ｔ）を測定し、理論に基づいてｄl （ｔ）を計算すれば、ｚl （ｔ）を合成できる。ｍ（ｔ）は式（３）のフーリエ変換と既知のＤ（ω）、Ｈ（ω）、およびＧ（ω）より、Ｍ（ω）＝Ｇ（ω）／〔Ｈ (ω）Ｄ (ω）〕として求められる。このようにしてプレイバック段階の測定を省略することにより、測定時間の短縮が図られる。
【０１０５】
同じく図１および図２に対応する第２の実施態様においては、プレイバック光ポンプ放射の振幅、位相または偏光状態を、プレイバック遅延時間の関数として変調するための手段が存在する。この実施態様においては、プレイバック遅延時間ｔの関数であるプレイバック光ポンプ放射の強度と、プレイバック関数ｂ（ｔ）との乗算が含まれる。これは例えば電気光学変調器または音響光学変調器であってもよい変調器８を用いて実行することができる。この実施態様は、短波長音響測定および、用いる光放射に対して十分に不透明な試料６にも特に適している。
【０１０６】
自由表面を有する試料６表面の外向きの表面変位ｕ（ｔ）に関してインパルス応答関数を定義する具体例を再び取り上げると、プレイバック関数ｂ（ｔ）の必要な形は、方程式：
【０１０７】
【数１７】
2005338063.tif 000018
から得ることができる。ここでｔは遅延時間である。これは、次の式
【０１０８】
【数１８】
2005338063.tif 000019
に変換することができる。したがって、プレイバック関数ｂ（ｔ）は、例えば、理論または実験、またはその両方から関数ｈ（ｔ）およびｄ（ｔ）を推定することにより、および測定した初期信号群ｇ（ｔ）を用いて得ることができる。必要であれば、プレイバック関数ｂ（ｔ）には、使用前にフィルターをかけてもよく、一つの例は一定のビット数精度でのｂ（ｔ）のディジタル処理である。この第２の実施態様においては、プレイバック信号群を処理する必要はない。プレイバック関数はまた、原則として、それによりプレイバック音響擾乱中に対応する変化が生じる場合には、プレイバック光ポンプ放射の位相または偏光を変調するために適用することができる。
【０１０９】
同じく図１および２に対応する第３の実施態様においては、プレイバック光ポンプ放射の振幅、位相または偏光状態をプレイバック遅延時間の関数として変調するための手段はないが、代わりに、光放射のプレイバックポンプパルス２４をリアルタイムで変調する変調器８が用いられる。この実施態様も短波長音響測定および用いる光放射に対して十分に不透明な試料６に特に適する。これらのプレイバックポンプパルスは、プレイバック局所音波源の発生を容易にするために、振幅、位相または偏光状態を望ましい形状にしたパルスであるように選ぶことができる。この場合の一つの例は、ａ（ｔ）に比例する関数、またはａ（ｔ）の時間ゲート処理された部分を、実時間ｔの関数としてのプレイバックポンプパルスの強度の形状であるように選ぶ場合である。ここでａは処理関数と同じ関数である。形状調整は、例えば空間光変調器によって実現できる。当業者に知られているように、ピコ秒時間スケールで任意の持続時間および形状の光パルスを生成することは難しい。したがって、最初の三つの実施態様において用いられる技術を組み合わせることが、第３の実施態様を単独で用いるよりも有利なこともある。
【０１１０】
第４の実施態様においても、図１および図２中と同じ装置が用いられるが、プローブパルス１および２１は使われない。この実施態様も、短波長音響測定および、用いられる光放射に対して十分に不透明な試料６に特に適している。この場合には干渉計３は、上記特許文献９に明らかにされているように、例えばマイケルソン（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ）干渉計を選ぶことができる。この第４の実施態様においては、干渉計３はまた、反射率測定だけのためのより単純な系に置き換えることもできる。この実施態様においては、二つのプローブパルスの間の反射率または位相変化の差が測定されないこと以外は、機能は最初の三つの実施態様と同様である。代わりに、反射率または位相変化は、試料６と相互作用する単一のプローブパルスに対して測定することになる。
【０１１１】
従来の音響時間反転においては、超音波トランスデューサーの配列を用いることが多いが、測定の初期段階およびプレイバック段階の両方の役割を果たす単一配列、および試料６の異なる領域において初期およびプレイバック段階を実行する二つ以上の配列を用いる場合もある。光ビームが試料と相互作用する位置を走査することにより、本発明は単独または複数の超音波トランスデューサの配列と同じ効果を得ることができる。
【０１１２】
第５の実施態様を図８および図９に示す。図８および図９は図１および図２と同じ装置を表しているが、プローブされた初期音響擾乱を表すデータ群を作成するために、初期局所音波源または初期プローブ領域の位置または相対位置を走査する手段、ならびにプローブされた前記プレイバック音響擾乱を表すデータ群を作成するために、プローブされた前記プレイバックプローブ領域の単独または複数の局所音波源の位置または相対位置を走査する手段が、それぞれ導入されている。第５の実施態様においては、これらの走査手段は、ミラー１４および１５の角度の調整により、初期ポンプビーム１０およびプレイバックポンプビーム２５の位置を走査する手段に対応している。さらに、試料６の位置を走査することもできる。この実施態様は、例えば、試料６中の、表面音波などの面内方向に伝播する音響擾乱の測定に用いることができる。
【０１１３】
この実施態様においては、一般に、初期プローブ領域１１は初期ポンプビーム入射のための局所領域１３と同じではない。しかし、第１の実施態様の場合のように、プレイバックポンプビーム２５入射のための局所領域３１は、試料６の初期プローブ領域１１と重なるように最適に選ばれる。
【０１１４】
第５の実施態様の最も単純な実施においては、プレイバックプローブ領域３３は、初期ポンプビーム１０入射のための局所領域１３と最適に重なるように選ばれる。これを達成するために、測定の初期段階の後、プレイバックポンプビーム２５および試料６を走査する。この手段によって、初期プローブ領域１１における時間反転された初期音響擾乱または初期音響擾乱の時間ゲート処理された部分によって生成される音響伝播に基づいて効果的に、重ね合わせの原理を用いて、局所領域３３で検出される処理されたプレイバック信号群を所定の近似で再現することができる。
【０１１５】
この第５の実施態様においては、プレイバック段階を達成するために第１の実施態様において説明したのと同じ理由を用いることができる。前述と同じく、プレイバック段階の実施方法の一つを実行するためには、実験または理論、またはその両方から、インパルス応答関数および必要な処理関数またはプレイバック関数を求めれば十分である。
【０１１６】
第５の実施態様のより複雑な実施においては、測定のこの初期段階のための超音波トランスデューサの線形配列をシミュレーションするために、単一の初期局所源を用いて、初期プローブ領域１１の線形配列に対応する一連の初期信号群を作成する。プレイバックポンプビーム２５の入射に対する局所領域３１の位置はそこでこれらの初期プローブ領域１１各々に次々と走査され、これらの位置の各々に対してプレイバック段階が実行される。さらに、プレイバック段階の各々に対して所定の初期プローブ領域１１に対応するプレイバックプローブ領域３３の位置を走査することができる。こうして、測定のプレイバック段階のための超音波トランスデューサの線形配列をシミュレーションすることができる。
【０１１７】
第５の実施態様は、空間および時間上での総和法によって必要な信号群を構成しながら、一点ずつ独立に測定を行うのに非常に適している。この実施態様はまた、一以上の音波源の配列が作成されることを必要とする時間反転演算子分解法に適している。
【０１１８】
ちょうど従来の音響時間反転の場合のように、第５の実施態様に関連して、試料の所望の領域への音響集束を可能とするため、無秩序な音響空洞を利用することも可能であり、この方法で、試料の特定の領域を研究できる。そのような空洞の例は、試料６の表面のＤ字形の領域であり、この上には試料６の近隣の部分とは異なる音響インピーダンスを有する金属膜が蒸着されている。
【０１１９】
第５の実施態様における走査領域は、二次元に限定される必要はない。三次元空間の走査も可能である。これは、例えば、試料６が曲面を持つ場合、または部分的に透明である場合に必要になりうる。そのような走査手段を用いて、初期またはプレイバック遅延時間の関数として、初期音響擾乱あるいはプレイバック音響擾乱を表す空間像を得ることも可能である。これは、音響擾乱についてより多くの情報を得るために非常に有用である。
【０１２０】
これらの実施態様のすべてにおいて、処理されたプレイバック信号群または繰返しの結果に対応する信号群は、試料６または試料６の部分の大きさ、弾性定数または密度等の物理的な特性を抽出するために、試料６中における音響擾乱の伝播および散乱、および試料中の音響光発生および検出プロセスの適切な理論モデルと比較することができる。これは、例えば、試料６または試料６の部分の大きさ、弾性定数または密度の試行値を変えて、適当な理論モデルの予測値と処理されたプレイバック信号群との間の差を最小にすることにより実行することができる。
【０１２１】
例えば薄膜試料における膜厚などの、試料６の他の物理的な特性も導き出すことができる。また、例えば、内部応力、イオン注入量、接着、湿気暴露量、音響散乱物体の大きさおよび位置、粒子サイズ分布、有孔率、欠陥分布、転位、表面上の吸着物質の厚さ、またはミクロ構造などの関連量を、音響擾乱の伝播に対するこれらの性質の影響を介して測定することも可能である。
【０１２２】
一般に、試料６は、光プローブまたはポンプ光放射に対して透明、半透明または不透明な部分からなっていてよい。試料６中に音波源を発生させるためには、ポンプ光放射に対して試料６が完全に透明ではない方がよい。試料６は固体材料に限定されない。固体、液体または気体またはその他の中間相を含む試料６を研究することができる。例えば、透明な被覆を有する試料６の場合のように、局所領域１１，１３，３１および３３の位置は必ずしも試料６表面近くの領域に対応する必要はない。同じように、試料６の前面の媒体は、固体、液体または気体であってよい。試料６は二つの平行な面を持つものに限定されない。例えば、結晶の一つの面に局所音波源を有し、ある角度で傾斜したもう一つの面にプローブ領域を有することも可能である。
【０１２３】
光の回折限界を超えて測定の空間分解能を上げるために、例えばテーパつきファイバーのような近接場光学技法を用いて、光ビームを試料６に集束することも可能である。この方法で、１ミクロンの何分の一のオーダーまで水平分解能を小さくすることが可能である。
【０１２４】
本発明に関連して用いることができる実験装置は、上記に説明した特定の装置に限定されない。プローブビームの偏光状態の変調、または試料を透過したプローブビームの変調を含む装置を用いることも可能である。各ポンプパルスに対応して、いかなる数のプローブパルスを選んで用いることも可能である。多数の初期またはプレイバックプローブパルスを用いて、それらのパルスを一体化して連続するプローブビームを形成することも可能である。この場合には光遅延線の代わりに、ストリークカメラまたは高周波光検出器で構成されるリアルタイムデータ取得システムを、装置中に用いることができる。光プローブ放射の位相変化が検出できるので、試料６が光プローブ放射に対して透明であってもよいことを認識することも重要である。試料６上で局所音波源の位置または相対位置を走査するとき、装置に対するプローブビームの位置ならびに試料６およびポンプビームの位置を走査することもできる。
【０１２５】
ポンプビームまたはプローブビームの入射角は斜めであってもよいが、必要であれば、円柱レンズを用いて試料６上に円対称性の点をつくり、ビームプロファイルを修正してもよい。試料６中の光プローブビームを傾斜させることは、試料６内部の音響歪みの種々の成分とのカップリングにおける変化を通して、初期またはプレイバックプローブ光放射中の音響的に誘起された変化の振幅を改善するために有利である場合がある。加えて、ポンプビームまたはプローブビームの単一の中心波長または単一の偏光を用いる必要はない。ポンプビームまたはプローブビームの複数の波長または偏光を使用することは、例えば、多層試料の場合には、試料６中の種々の部分における音響発生または検出の効率をあげるために有利であり得る。
【０１２６】
試料６における光放射の初期またはプレイバックプローブパルスの水平空間分布としては、通常は滑らかな軸対称のプロファイルを選ぶが、他のプロファイルを選ぶことも可能である。同様に、試料６における光放射の初期またはプレイバックプローブパルスの時間プロファイルとしては、通常は滑らかな時間プロファイルを選ぶが、他のプロファイルを選ぶことも可能である。
【０１２７】
必要な信号群を得るもう一つの方法として、平行取得技術（Ｐａｒａｌｌｅｌ  Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）がある。この技術においては、試料６の複数の部分を同時にプローブするために、試料６の一連の点、線または実質的な領域をポンプビームで、または、プローブビームで照射する。この目的のために複数の光源または光検出器を用いることができる。これにより必要な信号群のより迅速な取得が可能となる。
【０１２８】
本発明は、上記のように構成したので、以下のような効果を奏することができる。
【０１２９】
本発明中で説明される装置は、短い長さスケールでの物質の特性の測定に関する広範囲な利用分野において非常に効果的である。本発明の装置は融通性に富み、種々の試料、あるいは不透明、透明または半透明な部分の組み合わせにより構成される試料、および結晶状態に対して独立に等方性または異方性であって、音響散乱体が分布する試料に対して適用できる。
【０１３０】
また、本装置は、大きさ、密度または弾性定数などの試料の物理的な特性の非接触および非破壊の測定を可能とする。さらに、例えば内部応力、イオン注入量、接着、湿気暴露量、音響散乱体の大きさおよび位置、粒子サイズ分布、有孔率、欠陥分布、転位、表面上の吸着物質の厚さ、またはミクロ構造などの関連する物理的性質をプローブすることができる。試料の異なる層または部分の物理的な特性をプローブすることもできる。本装置によって、物理的な特性を導き出す前に、試料の表面または内部における音響擾乱の画像化、および試料が、必要な品質、たとえば十分な水平弾性均質性または機械的均質性を備えているかどうかを同時に検出することが可能になる。
【０１３１】
このアプローチにより、短い長さスケールでの物理的な特性の測定に関して、音響時間反転を含まない他の非接触音響装置類よりも広い範囲での応用が可能になる。特に、このアプローチにより、顕著な数の散乱体または不均質領域、または多数の層を有するミクロ構造およびナノ構造の非破壊評価を可能とする。
【０１３２】
（実験結果）
本発明の装置を実験的に試験するために、図１および２の装置を採用する。実験方法は、可視光域の光放射のサブピコ秒初期ポンプパルス４を用いて周期的に音波を励起する光ポンプおよびプローブ技術に基づく。試料６は多層からなり、その断面を図１０に示す。磨いたシリカ基板上に１００ｎｍの多結晶ニッケルをコーティングし、その上に４００ｎｍの多結晶金の上層を作製した。中心波長が４１５ｎｍ、持続時間が１ｐｓ（ピコ秒）オーダーおよび繰返し速度８０ＭＨｚの、モードロックＴｉ：サファイヤパルスレーザーからの倍周波数初期ポンプパルス４を直角入射で試料６の直径６μｍ（ピークの半値幅強度）オーダーのスポットに、レンズ５を用いて、試料６の平らな金表面の上でガウススポットに集束する。入射ポンプパルスのエネルギーは、典型的には０．３ｎＪオーダーである。これにより、金薄膜の場合は１０Ｋオーダーで、試料の過渡温度上昇が発生する。これらの初期ポンプパルス４またはプレイバックポンプパルス２４は、試料６中に複雑な三次元音響場を発生させる。特に、縦方向音波パルスが深さ方向に発生する。これらの縦方向の音波波長は、１４０ｎｍオーダーの表面下深さまでの試料内への電子拡散と組み合わされた熱弾性効果によって主に支配され、この実験においては一般的に６００ｎｍ域にある。これは５ＧＨｚオーダーの広帯域周波数範囲に対応する。
【０１３３】
装置は、レンズ５を通して直径およそ３μｍのガウススポットに直角入射で集束する、中心波長８３０ｎｍおよび持続時間２００ｆｓオーダーの光プローブパルスを用いる、非常に安定した共通光路サニャック（Ｓａｇｎａｃ）干渉計３を含む。この干渉計は、光位相変化を測定するために設置される。初期段階では、光ポンプパルスと同期して同じレーザーから取り出される二つの初期プローブパルス１および２を利用する。初期プローブパルス１は、試料６との相互作用による初期プローブパルス２の変化が干渉計３によって測定されるように、初期ポンプパルス４より前に試料６に入射するように設定される。二つのプローブパルスの試料への到着時間間隔ＴP は、３２００ｐｓであるように選ばれ、これは、遅延時間の長い間隔にわたる信号群の記録を可能にするのに十分な長さである。本実験において用いられる金の薄膜に関して、初期プローブまたはプレイバックプローブ光放射中に音響的に誘起された、初期プローブパルス２またはプレイバックプローブパルス２２の光位相変化に比例する変化は、主に試料６の外向きの表面変位から生じると予測される。しかし、ここで用いられる以外のプローブ波長では、または例えば、アルミニウムなどの他の物質の薄膜では、主として光弾性効果が、プローブ光放射中に音響的に誘起された変化に影響することがあり得る。ポンプおよびプローブパルスの間の可変時間遅延を使用することで、初期またはプレイバック信号群を記録することができる。信号対雑音比を改善するために、ポンプビームの１ＭＨｚでの光チョッピングおよびロックイン検出が用いられる。
【０１３４】
図１１は、上記の多層試料に対して記録された初期信号群ｇ（ｔ）を示す。多層試料６内部の音波の多重音響散乱の結果として、一連の音響エコーが見える。ここに含まれる超音波周波数に対する散逸的音響減衰効果は小さい。
【０１３５】
プレイバック局所音波源の位置が初期局所音波源の位置と同じである場合の第１の実施態様の使用法を示す。同じ光パルスを用いてプレイバック段階を実行するので、光ポンプ変調を利用しない第１の実施態様におけるプレイバック信号群ｚ1 （ｔ）は、したがって、図１１の初期信号群ｇ（ｔ）と同一であると考えられ、それを得るための追加の実験は必要ない。したがってｚ1 （ｔ）＝ｇ（ｔ）であると仮定できる。
【０１３６】
この実施態様においては、プレイバック処理関数ａ（ｔ）による畳み込みを行うことが必要である。計算された関数ａ（ｔ）を図１２に示す。
2005338063.tif 000020
【０１３７】
式（９）および（１０）を用いて得られる処理されたプレイバック信号群ｚ（ｔ）を図１３に示す。予期されるように、ｚ（ｔ）の形は、符号とオフセットを除けば、初期信号群ｇ（ｔ）の時間反転に良好に近似している。この場合、ｇ（ｔ）およびｚ（ｔ）の時間形状は、それぞれの極大値の近傍で近似的に対称である。
【０１３８】
解析においては、試料中への熱拡散により生成される緩慢なバックグラウンド変化を、データから減算した。熱的変動は音響擾乱を表す信号と比較すると時間的にゆっくり変化するので、一般にこれは必要に応じて行われる。
【０１３９】
この実験は、単純ではあるが効果的に、本発明の実行可能性を示すものである。
【０１４０】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１４１】
本発明は、半導体ウエハーまたは集積回路のオンラインモニタリングに応用可能である。特に、本発明を用いると試料中の非常に浅い表面下欠陥の存在および位置を推測することができる。特に、本発明を用いて他の不均質な領域が分布していても、表面下欠陥の存在および位置を検出することができる。本発明はまた、密度、弾性定数またはこれらの特性に影響する量、例えばイオン注入量、内部応力、表面粗さ、界面粗さ、表面上の吸着物質、接着、粒子サイズ、有孔率、ミクロ構造または湿気の影響等を評価するために用いることができる。
【０１４２】
本発明によれば、試料の特性を非破壊・非接触で決定することができ、例えば、単層または多層薄膜で被覆された半導体ウエハーの作製におけるオンライン条件下で使用することができる。また、試料の幾何学的形状が複雑である場合にも、使用することができる。
【０１４３】
本発明には、他にも多くの産業上の利用可能な分野がある。薄膜または層を試料の上に作製するとき、試料内に表面下構造が存在するとき、または短い長さスケールで試料の特性を測定する必要があるとき、本発明によれば、最終製品の性能にとって決定的に重要な機械的または弾性的特性など、試料の物理的な特性に関する広範囲の情報をいつでも提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４４】
【図１】本発明の第１の実施態様の装置を示す模式図であり、測定の初期段階を示す。
【図２】本発明の第１の実施態様の装置を示す模式図であり、測定のプレイバック段階を示す。
【図３】本発明の第１の実施態様における短い光パルスによる縦方向の音響発生のシミュレーションのために選ばれた多層試料の断面図である。
【図４】本発明の第１の実施態様において多層試料に対しての短い初期ポンプパルスに起因する計算された表面変位ｈ（ｔ）を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施態様における初期プローブ信号群ｇ（ｔ）を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施態様における計算された処理関数ａ（ｔ）を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施態様における処理関数ａ（ｔ）による畳み込みから得られた処理されたプレイバック信号群ｚ（ｔ）を示す図である。
【図８】本発明の第５の実施態様を示す位置走査の手段を含む装置を示す模式図であり、測定の初期段階を示す。
【図９】本発明の第５の実施態様を示す位置走査のための手段を含む装置を示す模式図であり、測定のプレイバック段階を示す。
【図１０】本発明の実験のために選ばれた多層試料の断面図である。
【図１１】図１０の多層試料に対して記録された初期信号群ｇ（ｔ）を示す図である。
【図１２】本発明の実験のために選ばれた多層試料に対応する計算された関数ａ（ｔ）を示す図である。
【図１３】本発明の実験のために選ばれた多層試料に対応する処理されたプレイバック信号集合ｚ（ｔ）を示す図である。
【符号の説明】
【０１４５】
１，２    初期プローブパルス
３    時間ドメイン干渉計
４    初期ポンプパルス
５    レンズ
６    試料
７    データプロセッサ
８    変調器
９    初期プローブビーム
１０    初期ポンプビーム
１１    初期プローブ領域
１２    ビームスプリッター
１３，３１    局所領域
１４，１５    ミラー
２１，２２    プレイバックプローブパルス
２４    プレイバックポンプパルス
２５    プレイバックポンプビーム
２９    プレイバックプローブビーム
３３    プレイバックプローブ領域
【図１】
2005338063.tif 000025
【図２】
2005338063.tif 000026
【図３】
2005338063.tif 000027
【図４】
2005338063.tif 000028
【図５】
2005338063.tif 000029
【図６】
2005338063.tif 000030
【図７】
2005338063.tif 000031
【図８】
2005338063.tif 000032
【図９】
2005338063.tif 000033
【図１０】
2005338063.tif 000034
【図１１】
2005338063.tif 000035
【図１２】
2005338063.tif 000036
【図１３】
2005338063.tif 000037