超音波顕微鏡
【課題】高周波超音波の周波数に対応した高空間分解能で試料の内部を観察することができる超音波顕微鏡を提供する。
【解決手段】本発明の超音波顕微鏡１ａは、パルス光を照射するパルス光照射手段５と、照射されたパルス光を吸収して熱弾性効果による超音波を発し、当該超音波を試料Ｓに送出する超音波送波部４ａと、試料Ｓで反射した反射超音波を受波して内部に伝播させるとともに、伝播する反射超音波によって光弾性を発揮する光弾性部材６とを備えている。超音波顕微鏡１ａは、さらに、光弾性部材６を伝播する反射超音波の伝播経路を横切るように測定光を照射する測定光照射手段と、反射超音波の伝播経路を横切った通過測定光を受光するとともに、受光した通過測定光の強度変化を検出する測定光検出手段と、測定光検出手段が検出した強度変化を基に、試料Ｓの内部の情報を得る内部情報取得手段８と、を備えている。
【解決手段】本発明の超音波顕微鏡１ａは、パルス光を照射するパルス光照射手段５と、照射されたパルス光を吸収して熱弾性効果による超音波を発し、当該超音波を試料Ｓに送出する超音波送波部４ａと、試料Ｓで反射した反射超音波を受波して内部に伝播させるとともに、伝播する反射超音波によって光弾性を発揮する光弾性部材６とを備えている。超音波顕微鏡１ａは、さらに、光弾性部材６を伝播する反射超音波の伝播経路を横切るように測定光を照射する測定光照射手段と、反射超音波の伝播経路を横切った通過測定光を受光するとともに、受光した通過測定光の強度変化を検出する測定光検出手段と、測定光検出手段が検出した強度変化を基に、試料Ｓの内部の情報を得る内部情報取得手段８と、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス光を用いて発生させた超音波を試料に照射し、試料で反射した反射超音波を用いて、当該試料を観察する超音波顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、パルス光を用いて超音波を発生させ、発生した超音波を音響レンズを通して収束して試料に照射し、その試料で反射した反射超音波を用いて試料を観察する装置として超音波顕微鏡が知られている。
超音波顕微鏡では、光学顕微鏡や電子顕微鏡では得られない試料内部の情報が非破壊で得られることから、試料の弾性等の力学的性質の評価だけでなく、内部欠陥の検出等にも多く用いられている。
【０００３】
このような超音波顕微鏡としては特許文献１に開示されたものがある。
特許文献１の超音波顕微鏡は、超音波を発生するトランスデューサと、試料台と、走査手段とを備えている。トランスデューサは、音響レンズと圧電薄膜とから構成されている。音響レンズは、サファイアや石英ガラスなどの円柱状結晶からなっており、一方の端面は光学研磨された平面であり、他方の端面には、レンズ面を形成する微小な凹半球状のレンズ面が設けられている。試料台上に載置された試料と音響レンズとの間には、純水のような超音波の伝播媒体が充填される。
【０００４】
圧電薄膜は、前述した音響レンズの光学研磨された平面上に設けられ、パルス発振器からの高周波パルスで励起されて超音波を発生する。圧電薄膜から放射された超音波は、音響レンズを通して試料の微小部位に入射し、当該微小部位で反射する。その反射した超音波は、反射超音波として再び音響レンズを通じて圧電薄膜に到達する。圧電薄膜は、試料からの反射超音波である超音波エコーを電気信号に変換して、この電気信号を受信器に与える。
【０００５】
受信器は、この電気信号を検波及び増幅してビデオ信号に変換し、該ビデオ信号を表示器に出力する。表示器は、受信器からビデオ信号を受信し、試料の内部状態を画像として表示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−４３２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に示されるような超音波顕微鏡の空間分解能は、用いられる超音波の波長（λ）で決定される。その波長（λ）は、音速（Ｖ）／周波数（ｆ）で与えられるので、音速（Ｖ）が一定となる環境下で空間分解能を高めるためには、周波数（ｆ）を高くする必要がある。
しかし、特許文献１の超音波顕微鏡は、圧電薄膜を用いて超音波の送波を行っているので、当該超音波の周波数は、圧電薄膜の容量成分や共振特性の制約を受け、高周波数の超音波を発生することに関して自ずから限界がある。そこで近年、ナノセカンド（ｎｓ）からピコセカンド（ｐｓ）のオーダーで照射されるパルスレーザ光を用いて高周波超音波を発生させる技術が超音波顕微鏡に応用されつつある。
【０００８】
とはいえ、パルスレーザ光によって高周波超音波を発生させて送波しても、従来の圧電薄膜などで受波し検出したとすれば、圧電薄膜の容量成分や共振特性の制約を受け、従来の空間分解能しか得ることができないといった問題が存在する。そのため、送波された高周波超音波を、その高周波数に対応した応答速度で受波し検出する技術が望まれている。
本発明は、この問題点に鑑みてなされたものであって、高周波超音波の周波数に対応した高空間分解能で試料の内部を観察することができる超音波顕微鏡の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明に係る超音波顕微鏡は、パルス光を用いて超音波を発生させ、発生した超音波を試料に照射し、前記試料で反射した反射超音波を用いて、当該試料を観察する超音波顕微鏡であって、パルス光を照射するパルス光照射手段と、前記照射されたパルス光を吸収して熱弾性効果による超音波を発し、当該超音波を試料に送出する超音波送波部と、前記試料で反射した反射超音波を受波して内部に伝播させるとともに、前記伝播する反射超音波によって光弾性を発揮する光弾性部と、前記光弾性部を伝播する反射超音波の伝播経路を横切るように測定光を照射する測定光照射手段と、前記反射超音波の伝播経路を横切った通過測定光を受光するとともに、受光した通過測定光の強度変化を検出する測定光検出手段と、前記測定光検出手段が検出した強度変化を基に、試料内部の情報を得る内部情報取得手段と、を具備することを特徴とする。
【００１０】
ここで、超音波顕微鏡は、前記光弾性部の内部において前記反射超音波が収束するように伝播させると共に、前記光弾性部内部での反射超音波の収束位置を通過するように測定光を照射可能な位置に、前記測定光照射手段を配備していると好ましい。
また、前記測定光照射手段は、前記受波した反射超音波の伝播方向に対して略垂直となる方向から、前記反射超音波の収束位置を通過するように測定光を照射すると好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る超音波顕微鏡によれば、高周波超音波の周波数に対応した高空間分解能で試料の内部を観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態による超音波顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態による超音波顕微鏡の音響レンズ及び光弾性部材の構成を示す図である。
【図３】透過測定光の強度信号の時系列変化を示す図である。
【図４】第２実施形態による超音波顕微鏡の音響レンズの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を、図を基に説明する。
［第１実施形態］
まず、図１及び図２を参照しながら、本発明の第１実施形態による超音波顕微鏡１ａについて説明する。図１は、本実施形態による超音波顕微鏡１ａの構成を示す図である。図２は、本実施形態による超音波顕微鏡１ａの音響レンズ２Ａ及び光弾性部材（光弾性部）６の構成を示す図である。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態に係る超音波顕微鏡１ａは、試料Ｓが載置されるＸ−Ｙステージ３と、Ｘ−Ｙステージ３上の試料Ｓにレンズ面１０を向けて配置された音響レンズ２Ａを備えている。レンズ面１０には、照射されたパルス光を吸収して熱弾性効果による超音波を発し、当該超音波を試料Ｓに送出する超音波送波部４ａが形成されている。
この音響レンズ２Ａの上部には、内部を伝播する超音波によって光弾性効果を発揮する光弾性部材６が設けられている。さらに、音響レンズ２Ａ及び光弾性部材６の上部には、超音波送波部４ａにパルス光を照射するパルス光照射手段５が備えられている。
【００１５】
また、音響レンズ２Ａ及び光弾性部材６の側部には、光弾性部材６の側方から測定光を照射するとともに光弾性部材６を透過した透過測定光の強度変化を検出する強度変化検出手段７ａと、検出された強度変化を基に試料Ｓ内部の情報を得る内部情報取得手段８と、が備えられている。
以下、第１実施形態の超音波顕微鏡１ａについて、その構成を詳細に説明する。
【００１６】
超音波顕微鏡１ａは、試料Ｓが載置されるＸ−Ｙステージ３を備えている。このＸ−Ｙステージ３は、試料Ｓを支持し、音響レンズ２Ａに対する試料Ｓの位置を水平方向（超音波の照射方向に対して直交する方向の位置）に変化させて位置決めするためのものであり、直交するボールネジ機構等から構成される。Ｘ−Ｙステージ３は、コンピュータ等で構成されたステージ制御部２１により、試料Ｓの水平方向位置や送りピッチなどが制御される。
【００１７】
Ｘ−Ｙステージ３の上方には、音響レンズ２Ａが配備される。この音響レンズ２Ａは、超音波を伝播するカップリング媒体９を介して、Ｘ−Ｙステージ３上の試料Ｓと対向している。カップリング媒体９は、例えば純水などの液体やペースト状の物質である。
図２を参照して、音響レンズ２Ａについて詳細に説明する。図２は、超音波顕微鏡１ａの音響レンズ２Ａの構成を示す図である。
【００１８】
音響レンズ２Ａは、例えばサファイヤからなる円柱状部材２ａ及び円柱状部材２ｂを組み合わせて構成されたものであって、円柱状部材２ａ及び円柱状部材２ｂの内部は空間及び隙間の無い中実な構造となっている。
この円柱状部材２ａの一つの底面（下底面）、すなわちＸ−Ｙステージ３と対向する底面のほぼ中央に、円柱状部材２ａの内部に向かって湾曲した窪み状（凹状）のレンズ面１０を形成している。このレンズ面１０は、当該底面での開口部がほぼ円形であり、レンズ面１０は平滑な略球面となっている。レンズ面１０が形成されないもう一方の底面（上底面であって、反レンズ面、すなわち反Ｘ−Ｙステージ３側）は、光学研磨された平面である。
【００１９】
円柱状部材２ａは、超音波をできるだけ減衰させずに伝播するために硬質材料で形成されるので、円柱状部材２ａの材料としてサファイヤなどが用いられている。また、円柱状部材２ａの外形形状は円柱形状であるが、円柱形状と同じく上底面と下底面を有する円錐台形状、角柱形状、又は角錐台形状でもよい。円柱状部材２ａは、レンズ面１０と反レンズ面との間におけるパルス光の透過及び超音波の伝播を妨げない外形形状を有すると共に、内部に空間及び隙間の無い中実な構造を有していればよい。
【００２０】
この円柱状部材２ａのレンズ面１０には、加熱用のパルス光（加熱パルス光）の吸収及び発熱によって発生する熱応力によって高周波の超音波を発生する金属膜（超音波送波部４ａ）が、レンズ面１０を覆うように設けられている。
この超音波送波部４ａについて、以下に説明する。
超音波送波部４ａは、Ｍｏ（モリブデン）などの金属膜である。この超音波送波部４ａに対してパルス光照射手段５から加熱パルス光が照射されると、金属膜（Ｍｏ）は、パルス光のエネルギーの吸収及び発熱によって熱膨張する。そのときに発生する熱応力（熱弾性効果）は、加熱パルスと同じパルス幅（時間幅）の熱弾性波を発生する。例えば、パルス幅が１ｎｓ程度の加熱パルスが照射されると、数百ＭＨｚ以上の高周波数の超音波を発生させることができる。超音波送波部４ａに用いる金属膜の材料としては、モリブデンの他に、金、銅、アルミニウム等を用いることができる。
【００２１】
円柱状部材２ｂは、このような円柱状部材２ａと同様の形状及び構成を有するものであり、円柱状部材２ｂのレンズ面２２には、超音波送波部となる金属膜は設けられていない。
上述のような円柱状部材２ａと円柱状部材２ｂを、互いの反レンズ面で接合して一体化することで、試料Ｓに対向する面とその反対面とにレンズ面を有する音響レンズ２Ａが得られる。
【００２２】
本実施形態においては、円柱状部材２ａと円柱状部材２ｂの２つの部材から音響レンズ２Ａを構成したが、単一の円柱状部材の両底面にレンズ面を形成することでも音響レンズ２Ａを構成することができる。
図１に示す如く、この音響レンズ２Ａの上部には、内部を伝播する超音波によって光弾性効果を発揮する光弾性部材６が設けられている。なお、光弾性部材６の構成や働きの詳細は後述する。
【００２３】
この光弾性部材６の上部には、加熱パルス光を発生するパルス光照射手段５が設けられている。このパルス光照射手段５は、短パルス幅のパルスレーザ光を発する光源（ＹＡＧレーザ等）であるパルス光照射部１２と、加熱パルス光を超音波送波部４ａに対して略垂直方向に照射するように導くミラー１３と、加熱パルス光のビーム径を調整するレンズ系１４とを備えている。これらパルス光照射部１２、ミラー１３、及びレンズ系１４でパルス光照射手段５を構成している。
【００２４】
パルス光照射部１２は、例えば波長５３２ｎｍ、パルス幅１ｎｓのパルス状のレーザ光を加熱パルス光として発する光源（ＹＡＧレーザ等）である。ここで加熱パルス光の波長は、超音波送波部４ａの材質に応じて選択することができ、パルス幅は、発生させたい超音波の周波数に応じて選択することができる。
次に、図２を参照して、本願発明の特徴的な構成部材である光弾性部材６について説明する。
【００２５】
光弾性部材６は、加えられた応力に応じた光弾性効果を発揮するものであり、例えば石英ガラスなどからなる光透過性を有する円柱状の部材からなる。この光弾性部材６は、円柱状の音響レンズ２Ａとほぼ同一の径を有している。
なお、光弾性とは、弾性体に外力が加えられると、弾性体に生じた歪の大きさと向きに応じて、弾性体における複屈折の大きさと向き、すなわち屈折率が変化する性質のことである。そのため、外力を加えた光弾性体に光（例えば直線偏光）を当てて観察すると、生じた歪の大小によって複屈折した光に位相差が生じ、干渉縞となって現れるようになる。この性質・効果を光弾性効果という。
【００２６】
一方、円柱状の光弾性部材６の一つの底面、すなわち音響レンズ２Ａと接合される底面のほぼ中央に、光弾性部材６の外に向かって湾曲した突起状（凸状）の凸部１５を形成している。この凸部１５は、円柱状部材２ｂのレンズ面２２に対応した形状及び大きさを有しており、平滑な略球面を有している。凸部１５が形成されないもう一方の底面（反凸部面、すなわち反Ｘ−Ｙステージ３側）は、光学研磨された平面である。
【００２７】
図２に示すように、この光弾性部材６の凸部１５を円柱状部材２ｂのレンズ面２２に嵌入させて接合すると、当該凸部１５と円柱状部材２ｂのレンズ面２２とが密に接する。この構成によって、音響レンズ２Ａから光弾性部材６に伝播する反射超音波は、光弾性部材６と円柱状部材２ｂのレンズ面２２との接合面で屈折し、光弾性部材６内で収束する。
図１に示すように、光弾性部材６の両側部には、強度変化検出手段７ａが設けられている。この強度変化検出手段７ａは、図１の紙面に向かって光弾性部材６の左側方に配置される測定光照射手段と、光弾性部材６の右側方に配置される測定光検出手段とから構成されている。
【００２８】
詳しくは図２に示すように、測定光照射手段は、反射超音波の状態を測定するための測定光を発する測定光レーザ光源１６と、発せられた測定光を収束しつつ光弾性部材６の側方から入射させる集光レンズ１１と、を備えている。
測定光レーザ光源１６は、例えば、ＨｅＮｅ（ヘリウムネオン）レーザ光源で構成されており、測定光を光弾性部材６に向かって出力する。出力された測定光は、集光レンズ１１で収束されて光弾性部材６内に入射し、反射超音波の伝播経路を横切るように光弾性部材６内を通過する。このとき、測定光は、反射超音波の伝播経路を略垂直に横切ると好ましい。反射超音波の伝播経路を略垂直に横切ることで、測定光は、反射超音波の変化を高い時間分解能で反映することができる。
【００２９】
測定光は、反射超音波の伝播経路のどの位置を横切ってもよいが、本実施形態においては、反射超音波の収束点（収束位置）２３と測定光の収束点がほぼ一致するように通過する。このように反射超音波の収束点２３と測定光の収束点とを一致させることによって、透過測定光は反射超音波による光弾性効果を確実に受けることができ、反射超音波の状態に合わせて正確に屈折の状態が変化する。
【００３０】
ここで、測定光は、加熱パルス光とは異なる波長を有しているのが好ましい。
一方、光弾性部材６の右側方に配備された測定光検出手段は、光弾性部材６をはさんで集光レンズ１１の反対側に配置された遮光板１７と、遮光板１７を通過した透過測定光を受光してその強度を出力する光検出器（測定光受光部）１８とを有している。さらに、測定光検出手段は、光検出器１８が出力した透過測定光の強度信号の時系列変化を検出する高速オシロスコープ１９と、を備えている。
【００３１】
遮光板１７は、ピンホールやスリットなどの開口を有しており、且つ、この開口が、集光レンズ１１を通過した測定光の光軸上に位置するように配置されている。
光検出器１８は、例えばフォトダイオードからなるものであり、光弾性部材６を透過した透過測定光を検出し、検出した透過測定光を光電変換して当該透過測定光の強度信号を生成し、後述する高速オシロスコープ１９に出力するものである。
【００３２】
高速オシロスコープ１９は、光検出器１８から出力された透過測定光の強度信号を受け取るとともに、強度信号をサンプリングして一次記憶し、その強度信号の時系列変化を検出する装置である。
例えば、高速オシロスコープ１９は、熱パルス光が出力されたことを示すパルス光出力開始信号をパルス光照射部１２から取得し、当該パルス光出力開始信号を取得した時点から、図３に示すような透過測定光の強度信号の強度のピークＥ１、Ｅ２、Ｅ３、・・・（エコー）が検出された時点までの時間を検出し、その時間の情報を計算機２０に出力する。ここで、最も早く検出されたピークＥ１は、音響レンズ２Ａとカップリング媒体９との界面からの反射エコーを示し、ピークＥ２は、試料Ｓの表面からの反射エコーを示し、以降に続くピークＥ３以降は試料Ｓの内部からの反射エコーを示している。
【００３３】
高速オシロスコープ１９は、例えば数十ｐｓ程度のサンプリング周期での信号入力機能を有しているので、熱パルス光のパルス幅よりも十分に短い間隔で透過測定光の強度信号をサンプリングすることができる。
内部情報取得手段８である計算機２０は、高速オシロスコープ１９から得られるピークＥ１、Ｅ２、・・・の情報から、試料Ｓの内部に存在する欠陥等の深さや、音速等を算出する。このとき、加熱パルス光を複数回繰り返し照射することで試料Ｓ内の同一測定点の測定を繰り返し、同期加算平均化処理を行うことで測定精度（Ｓ／Ｎ比）を向上させる。
【００３４】
以上のように構成された超音波顕微鏡１ａの動作について、以下に説明する。
測定光レーザ光源１６が測定光を照射すると共に、パルス光照射手段５のパルス光照射部１２が加熱パルス光を発すると、加熱パルス光が光弾性部材６及び音響レンズ２Ａを透過して超音波送波部４ａに到達する。加熱パルス光を受けた超音波送波部４ａは、熱弾性効果により超音波を発生する。発生した超音波は、レンズ面１０の形状に従って収束され、試料Ｓの表面及び内部に入射する。
【００３５】
試料Ｓの表面及び内部で反射した反射超音波は、入射とは反対の経路を経てレンズ面１０に戻り、音響レンズ２Ａ内及び光弾性部材６内を伝播する。音響レンズ２Ａ内を伝播した反射超音波は、石英ガラスからなる光弾性部材６とサファイアからなる音響レンズ２Ａの音速の違いから、光弾性部材６との接合面で屈折する。このとき、サファイアの音速（１１０００ｍ／ｓ）よりも石英ガラスの音速（５９００ｍ／ｓ）のほうが低いので、屈折した反射超音波は、当該接合面の焦点に収束しつつ、光弾性部材６内を伝播する。
【００３６】
一方で、測定光レーザ光源１６から照射された測定光は、集光レンズ１１で収束されて反射超音波の収束点２３を横切って通過する。
もし、光弾性部材６内を反射超音波が伝播していなければ、光弾性部材６は光弾性効果を発揮していないので、測定光は、屈折することなく光弾性部材６を真っ直ぐに透過するとともに、そのほぼ全てが遮光板１７の開口に入射し、光検出器１８へと達する。
【００３７】
しかしこのとき、光弾性部材６は伝播する反射超音波からの応力によって光弾性による効果（光弾性効果）を発揮しており、特に、反射超音波の収束点２３において大きな光弾性効果を発揮している。
反射超音波の収束点２３を通過した測定光は、この光弾性効果によって複屈折を起こしその進路を変更する。このように進路を変更した測定光は、その一部が遮光板１７の開口に入射することができないので光検出器１８に到達できず、測定光の検出強度は低下する。
【００３８】
しかし、反射超音波の状態に依存して複屈折の程度も変化するので、遮光板１７の開口に入射する測定光の量も反射超音波の状態に依存して変化する。つまり、反射超音波の収束点２３を通過した測定光の進路が反射超音波の状態に依存して揺らぐように変化するので、遮光板１７の開口に入射する測定光の量も、反射超音波の状態を反映して揺らぐように変化する。
【００３９】
このように、光検出器１８が検出する測定光の強度も、反射超音波の状態を反映して変化することとなるので、この透過測定光の強度変化を検出すれば、反射超音波の変化を検出することができる。
光検出器１８は、このように遮光板１７の開口を通過した透過測定光を受光し、その強度を高速オシロスコープ１９に出力する。
【００４０】
その後、高速オシロスコープ１９が、当該透過測定光の強度信号の時系列変化を検出し、計算機２０が上述のように試料Ｓの内部に存在する欠陥等の深さや、音速等を算出する。
Ｘ−Ｙステージ３によって試料Ｓにおける観測部位の位置決めがなされるごとに、加熱パルス光及び測定光の照射と、光検出器１８による透過測定光の検出と、計算機２０による試料Ｓの内部に存在する欠陥等の深さの算出とが行われる。
【００４１】
以上のような動作を経て、試料Ｓの内部における３次元方向の状態の分布を観測することができる。
［第２実施形態］
図４を参照しながら、本発明の第２実施形態による超音波顕微鏡１ｂについて説明する。図４は、本実施形態による超音波顕微鏡１ｂの音響レンズ２Ｂの構成を示す図である。
【００４２】
第１実施形態による超音波顕微鏡１ａでは、音響レンズ２Ａと光弾性部材（光弾性部）６とは別体であったが、本実施形態による超音波顕微鏡１ｂでは、音響レンズ２Ｂが光弾性効果を発揮する光弾性部としての働きも兼ねている。本実施形態による超音波顕微鏡１ｂにおいてその他の構成は、第１実施形態による超音波顕微鏡１ａと略同様である。
図４を参照して、音響レンズ２Ｂの構成を以下に説明する。
【００４３】
音響レンズ２Ｂは、例えば石英ガラスからなる円柱状の部材であって、内部は空間及び隙間の無い中実な構造となっている。
この音響レンズ２Ｂの一つの底面（下底面）、すなわちＸ−Ｙステージ３と対向する底面のほぼ中央に、音響レンズ２Ｂの内部に向かって湾曲した窪み状（凹状）のレンズ面３０が形成されている。このレンズ面３０は、当該底面での開口部がほぼ円形であり、平滑な略球面となっている。レンズ面３０が形成されていないもう一方の底面（上底面であって、反レンズ面、すなわち反Ｘ−Ｙステージ３側）は、全体にわたって凸状に湾曲し、音響レンズ２Ｂ内に焦点を有する湾曲面となるように形成されている。
【００４４】
音響レンズ２Ｂは、加えられた応力に応じた光弾性効果を発揮するとともに、超音波をできるだけ減衰させずに伝播するために硬質材料で形成される。よって、音響レンズ２Ｂは、石英ガラスに限らず、サファイヤなどの光透過性を有する材料を用いて構成することもできる。
なお、音響レンズ２Ｂの形状を円柱形状であるとしたが、円柱形状と同じく上底面と下底面を有する円錐台形状、角柱形状、又は角錐台形状でもよい。音響レンズ２Ｂは、レンズ面３０と反レンズ面である湾曲面との間におけるパルス光の透過及び超音波の伝播を妨げない外形形状を有すると共に、内部に空間及び隙間の無い中実な構造を有していればよい。
【００４５】
この音響レンズ２Ｂの湾曲面には、加熱用のパルス光（加熱パルス光）の吸収及び発熱によって発生する熱応力によって高周波の超音波を発生する金属膜（超音波送波部４ｂ）が、当該湾曲面全体を覆うように設けられている。
この超音波送波部４ｂについて、以下に説明する。
超音波送波部４ｂは、第１実施形態による超音波送波部４ａと同じく、Ｍｏ（モリブデン）などの金属膜である。この超音波送波部４ｂに対してパルス光照射手段５から加熱パルス光が照射されると、超音波送波部４ａと同様に加熱パルスと同じパルス幅（時間幅）の熱弾性波を発生する。超音波送波部４ｂの材料としては、モリブデンの他に、金、銅、アルミニウム等を用いることができる。
【００４６】
このように、超音波送波部４ｂが形成された音響レンズ２Ｂの上部には、音響レンズ２Ｂと同じ材質の凹レンズ３１が設けられている。凹レンズ３１の凹面は、音響レンズ２Ｂの反レンズ面である凸状の湾曲面に対応した形状であり、凹レンズ３１の凹面と音響レンズ２Ｂの凸状の湾曲面の間に超音波送波部４ｂが挟み込まれている。このとき、音響レンズ２Ｂの反レンズ面と超音波送波部４ｂは密に接しており、超音波送波部４ｂと凹レンズ３１の凹面も密に接している。凹レンズ３１において、凹面が形成されない他方の面は、光学研磨された平面である。
【００４７】
このように構成された超音波送波部４ｂを有する音響レンズ２Ｂによって、超音波送波部４ｂで発生した超音波は、音響レンズ２Ｂにおいて湾曲面の焦点に収束され、当該焦点を通過した超音波は拡散しつつレンズ面３０に到達する。レンズ面３０から試料Ｓに発せられた超音波は試料Ｓで反射して反射超音波となり、伝播してきた経路を反対向きに進む。そのため反射超音波は、レンズ面３０に入射後、音響レンズ２Ｂの湾曲面の焦点に収束される。
【００４８】
本実施形態による超音波顕微鏡１ｂにおいて音響レンズ２Ｂ以外の構成は、第１実施形態による超音波顕微鏡１ａと略同様である。本実施形態による超音波顕微鏡１ｂも強度変化検出手段７ａを有しており、強度変化検出手段７ａの測定光照射手段が音響レンズ２Ｂの一側方に設けられ、測定光検出手段が音響レンズ２Ｂを挟んで測定光照射手段の反対側に設けられている。
【００４９】
第１実施形態と同様に、測定光照射手段の測定光レーザ光源１６から出力された測定光は集光レンズ１１で収束されて、音響レンズ２Ｂの側方から入射する。入射した測定光は、音響レンズ２Ｂ内の反射超音波の伝播経路を横切って音響レンズ２Ｂ内を透過する。このとき、測定光は、反射超音波の伝播経路を略垂直に横切ると好ましい。反射超音波の伝播経路を略垂直に横切ることで、測定光は、反射超音波の変化を高い時間分解能で反映することができる。
【００５０】
また、測定光は、反射超音波の伝播経路のどの位置を横切るように出力されてもよいが、本実施形態においては、音響レンズ２Ｂの湾曲面の焦点である反射超音波の収束点（収束位置）３２と測定光の収束点とがほぼ一致するように出力される。
このように反射超音波の収束点３２と測定光の収束点とを一致させることによって、透過測定光は反射超音波による光弾性効果を確実に受けることができる。
【００５１】
ここで、測定光は、加熱パルス光とは異なる波長を有しているのが好ましい。
本実施形態による超音波顕微鏡１ｂの動作において、音響レンズ２Ｂが光弾性部としての機能も兼ねていること以外は、第１実施形態による超音波顕微鏡１ａの動作と略同様であるので、超音波顕微鏡１ｂの動作についての説明は省略する。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【００５２】
例えば、第１実施形態において、音響レンズ２Ａをサファイヤを用いて、光弾性部材６を石英ガラスを用いて構成したが、音響レンズ２Ａと光弾性部材６の材質の組み合わせはこれに限らない。
また、上記各実施形態において、測定光レーザ光源１６から発せられる測定光の波長は、赤外線など特定の波長に限定されるものではない。光弾性部材の材質や所望する屈折率に応じて任意の波長を選択することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１ａ，１ｂ 超音波顕微鏡
２Ａ，２Ｂ 音響レンズ
３ Ｘ−Ｙステージ
４ａ，４ｂ 超音波送波部
５ パルス光照射手段
６ 光弾性部材
７ａ，７ｂ 強度変化検出手段
８ 内部情報取得手段
９ カップリング媒体
１０，２２，３０ レンズ面
１１ 集光レンズ
１２ パルス光照射部
１３ ミラー
１４ レンズ系
１５ 凸部
１６ 測定光レーザ光源
１７ 遮光板
１８ 光検出器
１９ 高速オシロスコープ
２０ 計算機
２１ ステージ制御部
２３，３２ 収束点
３１ 凹レンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス光を用いて発生させた超音波を試料に照射し、試料で反射した反射超音波を用いて、当該試料を観察する超音波顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、パルス光を用いて超音波を発生させ、発生した超音波を音響レンズを通して収束して試料に照射し、その試料で反射した反射超音波を用いて試料を観察する装置として超音波顕微鏡が知られている。
超音波顕微鏡では、光学顕微鏡や電子顕微鏡では得られない試料内部の情報が非破壊で得られることから、試料の弾性等の力学的性質の評価だけでなく、内部欠陥の検出等にも多く用いられている。
【０００３】
このような超音波顕微鏡としては特許文献１に開示されたものがある。
特許文献１の超音波顕微鏡は、超音波を発生するトランスデューサと、試料台と、走査手段とを備えている。トランスデューサは、音響レンズと圧電薄膜とから構成されている。音響レンズは、サファイアや石英ガラスなどの円柱状結晶からなっており、一方の端面は光学研磨された平面であり、他方の端面には、レンズ面を形成する微小な凹半球状のレンズ面が設けられている。試料台上に載置された試料と音響レンズとの間には、純水のような超音波の伝播媒体が充填される。
【０００４】
圧電薄膜は、前述した音響レンズの光学研磨された平面上に設けられ、パルス発振器からの高周波パルスで励起されて超音波を発生する。圧電薄膜から放射された超音波は、音響レンズを通して試料の微小部位に入射し、当該微小部位で反射する。その反射した超音波は、反射超音波として再び音響レンズを通じて圧電薄膜に到達する。圧電薄膜は、試料からの反射超音波である超音波エコーを電気信号に変換して、この電気信号を受信器に与える。
【０００５】
受信器は、この電気信号を検波及び増幅してビデオ信号に変換し、該ビデオ信号を表示器に出力する。表示器は、受信器からビデオ信号を受信し、試料の内部状態を画像として表示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−４３２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に示されるような超音波顕微鏡の空間分解能は、用いられる超音波の波長（λ）で決定される。その波長（λ）は、音速（Ｖ）／周波数（ｆ）で与えられるので、音速（Ｖ）が一定となる環境下で空間分解能を高めるためには、周波数（ｆ）を高くする必要がある。
しかし、特許文献１の超音波顕微鏡は、圧電薄膜を用いて超音波の送波を行っているので、当該超音波の周波数は、圧電薄膜の容量成分や共振特性の制約を受け、高周波数の超音波を発生することに関して自ずから限界がある。そこで近年、ナノセカンド（ｎｓ）からピコセカンド（ｐｓ）のオーダーで照射されるパルスレーザ光を用いて高周波超音波を発生させる技術が超音波顕微鏡に応用されつつある。
【０００８】
とはいえ、パルスレーザ光によって高周波超音波を発生させて送波しても、従来の圧電薄膜などで受波し検出したとすれば、圧電薄膜の容量成分や共振特性の制約を受け、従来の空間分解能しか得ることができないといった問題が存在する。そのため、送波された高周波超音波を、その高周波数に対応した応答速度で受波し検出する技術が望まれている。
本発明は、この問題点に鑑みてなされたものであって、高周波超音波の周波数に対応した高空間分解能で試料の内部を観察することができる超音波顕微鏡の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明に係る超音波顕微鏡は、パルス光を用いて超音波を発生させ、発生した超音波を試料に照射し、前記試料で反射した反射超音波を用いて、当該試料を観察する超音波顕微鏡であって、パルス光を照射するパルス光照射手段と、前記照射されたパルス光を吸収して熱弾性効果による超音波を発し、当該超音波を試料に送出する超音波送波部と、前記試料で反射した反射超音波を受波して内部に伝播させるとともに、前記伝播する反射超音波によって光弾性を発揮する光弾性部と、前記光弾性部を伝播する反射超音波の伝播経路を横切るように測定光を照射する測定光照射手段と、前記反射超音波の伝播経路を横切った通過測定光を受光するとともに、受光した通過測定光の強度変化を検出する測定光検出手段と、前記測定光検出手段が検出した強度変化を基に、試料内部の情報を得る内部情報取得手段と、を具備することを特徴とする。
【００１０】
ここで、超音波顕微鏡は、前記光弾性部の内部において前記反射超音波が収束するように伝播させると共に、前記光弾性部内部での反射超音波の収束位置を通過するように測定光を照射可能な位置に、前記測定光照射手段を配備していると好ましい。
また、前記測定光照射手段は、前記受波した反射超音波の伝播方向に対して略垂直となる方向から、前記反射超音波の収束位置を通過するように測定光を照射すると好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る超音波顕微鏡によれば、高周波超音波の周波数に対応した高空間分解能で試料の内部を観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態による超音波顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態による超音波顕微鏡の音響レンズ及び光弾性部材の構成を示す図である。
【図３】透過測定光の強度信号の時系列変化を示す図である。
【図４】第２実施形態による超音波顕微鏡の音響レンズの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を、図を基に説明する。
［第１実施形態］
まず、図１及び図２を参照しながら、本発明の第１実施形態による超音波顕微鏡１ａについて説明する。図１は、本実施形態による超音波顕微鏡１ａの構成を示す図である。図２は、本実施形態による超音波顕微鏡１ａの音響レンズ２Ａ及び光弾性部材（光弾性部）６の構成を示す図である。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態に係る超音波顕微鏡１ａは、試料Ｓが載置されるＸ−Ｙステージ３と、Ｘ−Ｙステージ３上の試料Ｓにレンズ面１０を向けて配置された音響レンズ２Ａを備えている。レンズ面１０には、照射されたパルス光を吸収して熱弾性効果による超音波を発し、当該超音波を試料Ｓに送出する超音波送波部４ａが形成されている。
この音響レンズ２Ａの上部には、内部を伝播する超音波によって光弾性効果を発揮する光弾性部材６が設けられている。さらに、音響レンズ２Ａ及び光弾性部材６の上部には、超音波送波部４ａにパルス光を照射するパルス光照射手段５が備えられている。
【００１５】
また、音響レンズ２Ａ及び光弾性部材６の側部には、光弾性部材６の側方から測定光を照射するとともに光弾性部材６を透過した透過測定光の強度変化を検出する強度変化検出手段７ａと、検出された強度変化を基に試料Ｓ内部の情報を得る内部情報取得手段８と、が備えられている。
以下、第１実施形態の超音波顕微鏡１ａについて、その構成を詳細に説明する。
【００１６】
超音波顕微鏡１ａは、試料Ｓが載置されるＸ−Ｙステージ３を備えている。このＸ−Ｙステージ３は、試料Ｓを支持し、音響レンズ２Ａに対する試料Ｓの位置を水平方向（超音波の照射方向に対して直交する方向の位置）に変化させて位置決めするためのものであり、直交するボールネジ機構等から構成される。Ｘ−Ｙステージ３は、コンピュータ等で構成されたステージ制御部２１により、試料Ｓの水平方向位置や送りピッチなどが制御される。
【００１７】
Ｘ−Ｙステージ３の上方には、音響レンズ２Ａが配備される。この音響レンズ２Ａは、超音波を伝播するカップリング媒体９を介して、Ｘ−Ｙステージ３上の試料Ｓと対向している。カップリング媒体９は、例えば純水などの液体やペースト状の物質である。
図２を参照して、音響レンズ２Ａについて詳細に説明する。図２は、超音波顕微鏡１ａの音響レンズ２Ａの構成を示す図である。
【００１８】
音響レンズ２Ａは、例えばサファイヤからなる円柱状部材２ａ及び円柱状部材２ｂを組み合わせて構成されたものであって、円柱状部材２ａ及び円柱状部材２ｂの内部は空間及び隙間の無い中実な構造となっている。
この円柱状部材２ａの一つの底面（下底面）、すなわちＸ−Ｙステージ３と対向する底面のほぼ中央に、円柱状部材２ａの内部に向かって湾曲した窪み状（凹状）のレンズ面１０を形成している。このレンズ面１０は、当該底面での開口部がほぼ円形であり、レンズ面１０は平滑な略球面となっている。レンズ面１０が形成されないもう一方の底面（上底面であって、反レンズ面、すなわち反Ｘ−Ｙステージ３側）は、光学研磨された平面である。
【００１９】
円柱状部材２ａは、超音波をできるだけ減衰させずに伝播するために硬質材料で形成されるので、円柱状部材２ａの材料としてサファイヤなどが用いられている。また、円柱状部材２ａの外形形状は円柱形状であるが、円柱形状と同じく上底面と下底面を有する円錐台形状、角柱形状、又は角錐台形状でもよい。円柱状部材２ａは、レンズ面１０と反レンズ面との間におけるパルス光の透過及び超音波の伝播を妨げない外形形状を有すると共に、内部に空間及び隙間の無い中実な構造を有していればよい。
【００２０】
この円柱状部材２ａのレンズ面１０には、加熱用のパルス光（加熱パルス光）の吸収及び発熱によって発生する熱応力によって高周波の超音波を発生する金属膜（超音波送波部４ａ）が、レンズ面１０を覆うように設けられている。
この超音波送波部４ａについて、以下に説明する。
超音波送波部４ａは、Ｍｏ（モリブデン）などの金属膜である。この超音波送波部４ａに対してパルス光照射手段５から加熱パルス光が照射されると、金属膜（Ｍｏ）は、パルス光のエネルギーの吸収及び発熱によって熱膨張する。そのときに発生する熱応力（熱弾性効果）は、加熱パルスと同じパルス幅（時間幅）の熱弾性波を発生する。例えば、パルス幅が１ｎｓ程度の加熱パルスが照射されると、数百ＭＨｚ以上の高周波数の超音波を発生させることができる。超音波送波部４ａに用いる金属膜の材料としては、モリブデンの他に、金、銅、アルミニウム等を用いることができる。
【００２１】
円柱状部材２ｂは、このような円柱状部材２ａと同様の形状及び構成を有するものであり、円柱状部材２ｂのレンズ面２２には、超音波送波部となる金属膜は設けられていない。
上述のような円柱状部材２ａと円柱状部材２ｂを、互いの反レンズ面で接合して一体化することで、試料Ｓに対向する面とその反対面とにレンズ面を有する音響レンズ２Ａが得られる。
【００２２】
本実施形態においては、円柱状部材２ａと円柱状部材２ｂの２つの部材から音響レンズ２Ａを構成したが、単一の円柱状部材の両底面にレンズ面を形成することでも音響レンズ２Ａを構成することができる。
図１に示す如く、この音響レンズ２Ａの上部には、内部を伝播する超音波によって光弾性効果を発揮する光弾性部材６が設けられている。なお、光弾性部材６の構成や働きの詳細は後述する。
【００２３】
この光弾性部材６の上部には、加熱パルス光を発生するパルス光照射手段５が設けられている。このパルス光照射手段５は、短パルス幅のパルスレーザ光を発する光源（ＹＡＧレーザ等）であるパルス光照射部１２と、加熱パルス光を超音波送波部４ａに対して略垂直方向に照射するように導くミラー１３と、加熱パルス光のビーム径を調整するレンズ系１４とを備えている。これらパルス光照射部１２、ミラー１３、及びレンズ系１４でパルス光照射手段５を構成している。
【００２４】
パルス光照射部１２は、例えば波長５３２ｎｍ、パルス幅１ｎｓのパルス状のレーザ光を加熱パルス光として発する光源（ＹＡＧレーザ等）である。ここで加熱パルス光の波長は、超音波送波部４ａの材質に応じて選択することができ、パルス幅は、発生させたい超音波の周波数に応じて選択することができる。
次に、図２を参照して、本願発明の特徴的な構成部材である光弾性部材６について説明する。
【００２５】
光弾性部材６は、加えられた応力に応じた光弾性効果を発揮するものであり、例えば石英ガラスなどからなる光透過性を有する円柱状の部材からなる。この光弾性部材６は、円柱状の音響レンズ２Ａとほぼ同一の径を有している。
なお、光弾性とは、弾性体に外力が加えられると、弾性体に生じた歪の大きさと向きに応じて、弾性体における複屈折の大きさと向き、すなわち屈折率が変化する性質のことである。そのため、外力を加えた光弾性体に光（例えば直線偏光）を当てて観察すると、生じた歪の大小によって複屈折した光に位相差が生じ、干渉縞となって現れるようになる。この性質・効果を光弾性効果という。
【００２６】
一方、円柱状の光弾性部材６の一つの底面、すなわち音響レンズ２Ａと接合される底面のほぼ中央に、光弾性部材６の外に向かって湾曲した突起状（凸状）の凸部１５を形成している。この凸部１５は、円柱状部材２ｂのレンズ面２２に対応した形状及び大きさを有しており、平滑な略球面を有している。凸部１５が形成されないもう一方の底面（反凸部面、すなわち反Ｘ−Ｙステージ３側）は、光学研磨された平面である。
【００２７】
図２に示すように、この光弾性部材６の凸部１５を円柱状部材２ｂのレンズ面２２に嵌入させて接合すると、当該凸部１５と円柱状部材２ｂのレンズ面２２とが密に接する。この構成によって、音響レンズ２Ａから光弾性部材６に伝播する反射超音波は、光弾性部材６と円柱状部材２ｂのレンズ面２２との接合面で屈折し、光弾性部材６内で収束する。
図１に示すように、光弾性部材６の両側部には、強度変化検出手段７ａが設けられている。この強度変化検出手段７ａは、図１の紙面に向かって光弾性部材６の左側方に配置される測定光照射手段と、光弾性部材６の右側方に配置される測定光検出手段とから構成されている。
【００２８】
詳しくは図２に示すように、測定光照射手段は、反射超音波の状態を測定するための測定光を発する測定光レーザ光源１６と、発せられた測定光を収束しつつ光弾性部材６の側方から入射させる集光レンズ１１と、を備えている。
測定光レーザ光源１６は、例えば、ＨｅＮｅ（ヘリウムネオン）レーザ光源で構成されており、測定光を光弾性部材６に向かって出力する。出力された測定光は、集光レンズ１１で収束されて光弾性部材６内に入射し、反射超音波の伝播経路を横切るように光弾性部材６内を通過する。このとき、測定光は、反射超音波の伝播経路を略垂直に横切ると好ましい。反射超音波の伝播経路を略垂直に横切ることで、測定光は、反射超音波の変化を高い時間分解能で反映することができる。
【００２９】
測定光は、反射超音波の伝播経路のどの位置を横切ってもよいが、本実施形態においては、反射超音波の収束点（収束位置）２３と測定光の収束点がほぼ一致するように通過する。このように反射超音波の収束点２３と測定光の収束点とを一致させることによって、透過測定光は反射超音波による光弾性効果を確実に受けることができ、反射超音波の状態に合わせて正確に屈折の状態が変化する。
【００３０】
ここで、測定光は、加熱パルス光とは異なる波長を有しているのが好ましい。
一方、光弾性部材６の右側方に配備された測定光検出手段は、光弾性部材６をはさんで集光レンズ１１の反対側に配置された遮光板１７と、遮光板１７を通過した透過測定光を受光してその強度を出力する光検出器（測定光受光部）１８とを有している。さらに、測定光検出手段は、光検出器１８が出力した透過測定光の強度信号の時系列変化を検出する高速オシロスコープ１９と、を備えている。
【００３１】
遮光板１７は、ピンホールやスリットなどの開口を有しており、且つ、この開口が、集光レンズ１１を通過した測定光の光軸上に位置するように配置されている。
光検出器１８は、例えばフォトダイオードからなるものであり、光弾性部材６を透過した透過測定光を検出し、検出した透過測定光を光電変換して当該透過測定光の強度信号を生成し、後述する高速オシロスコープ１９に出力するものである。
【００３２】
高速オシロスコープ１９は、光検出器１８から出力された透過測定光の強度信号を受け取るとともに、強度信号をサンプリングして一次記憶し、その強度信号の時系列変化を検出する装置である。
例えば、高速オシロスコープ１９は、熱パルス光が出力されたことを示すパルス光出力開始信号をパルス光照射部１２から取得し、当該パルス光出力開始信号を取得した時点から、図３に示すような透過測定光の強度信号の強度のピークＥ１、Ｅ２、Ｅ３、・・・（エコー）が検出された時点までの時間を検出し、その時間の情報を計算機２０に出力する。ここで、最も早く検出されたピークＥ１は、音響レンズ２Ａとカップリング媒体９との界面からの反射エコーを示し、ピークＥ２は、試料Ｓの表面からの反射エコーを示し、以降に続くピークＥ３以降は試料Ｓの内部からの反射エコーを示している。
【００３３】
高速オシロスコープ１９は、例えば数十ｐｓ程度のサンプリング周期での信号入力機能を有しているので、熱パルス光のパルス幅よりも十分に短い間隔で透過測定光の強度信号をサンプリングすることができる。
内部情報取得手段８である計算機２０は、高速オシロスコープ１９から得られるピークＥ１、Ｅ２、・・・の情報から、試料Ｓの内部に存在する欠陥等の深さや、音速等を算出する。このとき、加熱パルス光を複数回繰り返し照射することで試料Ｓ内の同一測定点の測定を繰り返し、同期加算平均化処理を行うことで測定精度（Ｓ／Ｎ比）を向上させる。
【００３４】
以上のように構成された超音波顕微鏡１ａの動作について、以下に説明する。
測定光レーザ光源１６が測定光を照射すると共に、パルス光照射手段５のパルス光照射部１２が加熱パルス光を発すると、加熱パルス光が光弾性部材６及び音響レンズ２Ａを透過して超音波送波部４ａに到達する。加熱パルス光を受けた超音波送波部４ａは、熱弾性効果により超音波を発生する。発生した超音波は、レンズ面１０の形状に従って収束され、試料Ｓの表面及び内部に入射する。
【００３５】
試料Ｓの表面及び内部で反射した反射超音波は、入射とは反対の経路を経てレンズ面１０に戻り、音響レンズ２Ａ内及び光弾性部材６内を伝播する。音響レンズ２Ａ内を伝播した反射超音波は、石英ガラスからなる光弾性部材６とサファイアからなる音響レンズ２Ａの音速の違いから、光弾性部材６との接合面で屈折する。このとき、サファイアの音速（１１０００ｍ／ｓ）よりも石英ガラスの音速（５９００ｍ／ｓ）のほうが低いので、屈折した反射超音波は、当該接合面の焦点に収束しつつ、光弾性部材６内を伝播する。
【００３６】
一方で、測定光レーザ光源１６から照射された測定光は、集光レンズ１１で収束されて反射超音波の収束点２３を横切って通過する。
もし、光弾性部材６内を反射超音波が伝播していなければ、光弾性部材６は光弾性効果を発揮していないので、測定光は、屈折することなく光弾性部材６を真っ直ぐに透過するとともに、そのほぼ全てが遮光板１７の開口に入射し、光検出器１８へと達する。
【００３７】
しかしこのとき、光弾性部材６は伝播する反射超音波からの応力によって光弾性による効果（光弾性効果）を発揮しており、特に、反射超音波の収束点２３において大きな光弾性効果を発揮している。
反射超音波の収束点２３を通過した測定光は、この光弾性効果によって複屈折を起こしその進路を変更する。このように進路を変更した測定光は、その一部が遮光板１７の開口に入射することができないので光検出器１８に到達できず、測定光の検出強度は低下する。
【００３８】
しかし、反射超音波の状態に依存して複屈折の程度も変化するので、遮光板１７の開口に入射する測定光の量も反射超音波の状態に依存して変化する。つまり、反射超音波の収束点２３を通過した測定光の進路が反射超音波の状態に依存して揺らぐように変化するので、遮光板１７の開口に入射する測定光の量も、反射超音波の状態を反映して揺らぐように変化する。
【００３９】
このように、光検出器１８が検出する測定光の強度も、反射超音波の状態を反映して変化することとなるので、この透過測定光の強度変化を検出すれば、反射超音波の変化を検出することができる。
光検出器１８は、このように遮光板１７の開口を通過した透過測定光を受光し、その強度を高速オシロスコープ１９に出力する。
【００４０】
その後、高速オシロスコープ１９が、当該透過測定光の強度信号の時系列変化を検出し、計算機２０が上述のように試料Ｓの内部に存在する欠陥等の深さや、音速等を算出する。
Ｘ−Ｙステージ３によって試料Ｓにおける観測部位の位置決めがなされるごとに、加熱パルス光及び測定光の照射と、光検出器１８による透過測定光の検出と、計算機２０による試料Ｓの内部に存在する欠陥等の深さの算出とが行われる。
【００４１】
以上のような動作を経て、試料Ｓの内部における３次元方向の状態の分布を観測することができる。
［第２実施形態］
図４を参照しながら、本発明の第２実施形態による超音波顕微鏡１ｂについて説明する。図４は、本実施形態による超音波顕微鏡１ｂの音響レンズ２Ｂの構成を示す図である。
【００４２】
第１実施形態による超音波顕微鏡１ａでは、音響レンズ２Ａと光弾性部材（光弾性部）６とは別体であったが、本実施形態による超音波顕微鏡１ｂでは、音響レンズ２Ｂが光弾性効果を発揮する光弾性部としての働きも兼ねている。本実施形態による超音波顕微鏡１ｂにおいてその他の構成は、第１実施形態による超音波顕微鏡１ａと略同様である。
図４を参照して、音響レンズ２Ｂの構成を以下に説明する。
【００４３】
音響レンズ２Ｂは、例えば石英ガラスからなる円柱状の部材であって、内部は空間及び隙間の無い中実な構造となっている。
この音響レンズ２Ｂの一つの底面（下底面）、すなわちＸ−Ｙステージ３と対向する底面のほぼ中央に、音響レンズ２Ｂの内部に向かって湾曲した窪み状（凹状）のレンズ面３０が形成されている。このレンズ面３０は、当該底面での開口部がほぼ円形であり、平滑な略球面となっている。レンズ面３０が形成されていないもう一方の底面（上底面であって、反レンズ面、すなわち反Ｘ−Ｙステージ３側）は、全体にわたって凸状に湾曲し、音響レンズ２Ｂ内に焦点を有する湾曲面となるように形成されている。
【００４４】
音響レンズ２Ｂは、加えられた応力に応じた光弾性効果を発揮するとともに、超音波をできるだけ減衰させずに伝播するために硬質材料で形成される。よって、音響レンズ２Ｂは、石英ガラスに限らず、サファイヤなどの光透過性を有する材料を用いて構成することもできる。
なお、音響レンズ２Ｂの形状を円柱形状であるとしたが、円柱形状と同じく上底面と下底面を有する円錐台形状、角柱形状、又は角錐台形状でもよい。音響レンズ２Ｂは、レンズ面３０と反レンズ面である湾曲面との間におけるパルス光の透過及び超音波の伝播を妨げない外形形状を有すると共に、内部に空間及び隙間の無い中実な構造を有していればよい。
【００４５】
この音響レンズ２Ｂの湾曲面には、加熱用のパルス光（加熱パルス光）の吸収及び発熱によって発生する熱応力によって高周波の超音波を発生する金属膜（超音波送波部４ｂ）が、当該湾曲面全体を覆うように設けられている。
この超音波送波部４ｂについて、以下に説明する。
超音波送波部４ｂは、第１実施形態による超音波送波部４ａと同じく、Ｍｏ（モリブデン）などの金属膜である。この超音波送波部４ｂに対してパルス光照射手段５から加熱パルス光が照射されると、超音波送波部４ａと同様に加熱パルスと同じパルス幅（時間幅）の熱弾性波を発生する。超音波送波部４ｂの材料としては、モリブデンの他に、金、銅、アルミニウム等を用いることができる。
【００４６】
このように、超音波送波部４ｂが形成された音響レンズ２Ｂの上部には、音響レンズ２Ｂと同じ材質の凹レンズ３１が設けられている。凹レンズ３１の凹面は、音響レンズ２Ｂの反レンズ面である凸状の湾曲面に対応した形状であり、凹レンズ３１の凹面と音響レンズ２Ｂの凸状の湾曲面の間に超音波送波部４ｂが挟み込まれている。このとき、音響レンズ２Ｂの反レンズ面と超音波送波部４ｂは密に接しており、超音波送波部４ｂと凹レンズ３１の凹面も密に接している。凹レンズ３１において、凹面が形成されない他方の面は、光学研磨された平面である。
【００４７】
このように構成された超音波送波部４ｂを有する音響レンズ２Ｂによって、超音波送波部４ｂで発生した超音波は、音響レンズ２Ｂにおいて湾曲面の焦点に収束され、当該焦点を通過した超音波は拡散しつつレンズ面３０に到達する。レンズ面３０から試料Ｓに発せられた超音波は試料Ｓで反射して反射超音波となり、伝播してきた経路を反対向きに進む。そのため反射超音波は、レンズ面３０に入射後、音響レンズ２Ｂの湾曲面の焦点に収束される。
【００４８】
本実施形態による超音波顕微鏡１ｂにおいて音響レンズ２Ｂ以外の構成は、第１実施形態による超音波顕微鏡１ａと略同様である。本実施形態による超音波顕微鏡１ｂも強度変化検出手段７ａを有しており、強度変化検出手段７ａの測定光照射手段が音響レンズ２Ｂの一側方に設けられ、測定光検出手段が音響レンズ２Ｂを挟んで測定光照射手段の反対側に設けられている。
【００４９】
第１実施形態と同様に、測定光照射手段の測定光レーザ光源１６から出力された測定光は集光レンズ１１で収束されて、音響レンズ２Ｂの側方から入射する。入射した測定光は、音響レンズ２Ｂ内の反射超音波の伝播経路を横切って音響レンズ２Ｂ内を透過する。このとき、測定光は、反射超音波の伝播経路を略垂直に横切ると好ましい。反射超音波の伝播経路を略垂直に横切ることで、測定光は、反射超音波の変化を高い時間分解能で反映することができる。
【００５０】
また、測定光は、反射超音波の伝播経路のどの位置を横切るように出力されてもよいが、本実施形態においては、音響レンズ２Ｂの湾曲面の焦点である反射超音波の収束点（収束位置）３２と測定光の収束点とがほぼ一致するように出力される。
このように反射超音波の収束点３２と測定光の収束点とを一致させることによって、透過測定光は反射超音波による光弾性効果を確実に受けることができる。
【００５１】
ここで、測定光は、加熱パルス光とは異なる波長を有しているのが好ましい。
本実施形態による超音波顕微鏡１ｂの動作において、音響レンズ２Ｂが光弾性部としての機能も兼ねていること以外は、第１実施形態による超音波顕微鏡１ａの動作と略同様であるので、超音波顕微鏡１ｂの動作についての説明は省略する。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【００５２】
例えば、第１実施形態において、音響レンズ２Ａをサファイヤを用いて、光弾性部材６を石英ガラスを用いて構成したが、音響レンズ２Ａと光弾性部材６の材質の組み合わせはこれに限らない。
また、上記各実施形態において、測定光レーザ光源１６から発せられる測定光の波長は、赤外線など特定の波長に限定されるものではない。光弾性部材の材質や所望する屈折率に応じて任意の波長を選択することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１ａ，１ｂ 超音波顕微鏡
２Ａ，２Ｂ 音響レンズ
３ Ｘ−Ｙステージ
４ａ，４ｂ 超音波送波部
５ パルス光照射手段
６ 光弾性部材
７ａ，７ｂ 強度変化検出手段
８ 内部情報取得手段
９ カップリング媒体
１０，２２，３０ レンズ面
１１ 集光レンズ
１２ パルス光照射部
１３ ミラー
１４ レンズ系
１５ 凸部
１６ 測定光レーザ光源
１７ 遮光板
１８ 光検出器
１９ 高速オシロスコープ
２０ 計算機
２１ ステージ制御部
２３，３２ 収束点
３１ 凹レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス光を用いて超音波を発生させ、発生した超音波を試料に照射し、前記試料で反射した反射超音波を用いて、当該試料を観察する超音波顕微鏡であって、
パルス光を照射するパルス光照射手段と、
前記照射されたパルス光を吸収して熱弾性効果による超音波を発し、当該超音波を試料に送出する超音波送波部と、
前記試料で反射した反射超音波を受波して内部に伝播させるとともに、前記伝播する反射超音波によって光弾性を発揮する光弾性部と、
前記光弾性部を伝播する反射超音波の伝播経路を横切るように測定光を照射する測定光照射手段と、
前記反射超音波の伝播経路を横切った通過測定光を受光するとともに、受光した通過測定光の強度変化を検出する測定光検出手段と、
前記測定光検出手段が検出した強度変化を基に、試料内部の情報を得る内部情報取得手段と、を具備することを特徴とする超音波顕微鏡。
【請求項２】
前記光弾性部の内部において前記反射超音波が収束するように伝播させると共に、
前記光弾性部内部での反射超音波の収束位置を通過するように測定光を照射可能な位置に、前記測定光照射手段を配備していることを特徴とする請求項１に記載の超音波顕微鏡。
【請求項３】
前記測定光照射手段は、前記受波した反射超音波の伝播方向に対して略垂直となる方向から、前記反射超音波の収束位置を通過するように測定光を照射することを特徴とする請求項２に記載の超音波顕微鏡。
【請求項１】
パルス光を用いて超音波を発生させ、発生した超音波を試料に照射し、前記試料で反射した反射超音波を用いて、当該試料を観察する超音波顕微鏡であって、
パルス光を照射するパルス光照射手段と、
前記照射されたパルス光を吸収して熱弾性効果による超音波を発し、当該超音波を試料に送出する超音波送波部と、
前記試料で反射した反射超音波を受波して内部に伝播させるとともに、前記伝播する反射超音波によって光弾性を発揮する光弾性部と、
前記光弾性部を伝播する反射超音波の伝播経路を横切るように測定光を照射する測定光照射手段と、
前記反射超音波の伝播経路を横切った通過測定光を受光するとともに、受光した通過測定光の強度変化を検出する測定光検出手段と、
前記測定光検出手段が検出した強度変化を基に、試料内部の情報を得る内部情報取得手段と、を具備することを特徴とする超音波顕微鏡。
【請求項２】
前記光弾性部の内部において前記反射超音波が収束するように伝播させると共に、
前記光弾性部内部での反射超音波の収束位置を通過するように測定光を照射可能な位置に、前記測定光照射手段を配備していることを特徴とする請求項１に記載の超音波顕微鏡。
【請求項３】
前記測定光照射手段は、前記受波した反射超音波の伝播方向に対して略垂直となる方向から、前記反射超音波の収束位置を通過するように測定光を照射することを特徴とする請求項２に記載の超音波顕微鏡。
【図１】
【図３】
【図２】
【図４】
【図３】
【図２】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２４２３５９（Ｐ２０１２−２４２３５９Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１６０２３（Ｐ２０１１−１１６０２３）
【出願日】平成２３年５月２４日（２０１１．５．２４）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２４日（２０１１．５．２４）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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