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JP2879995B2 - Depth analysis using photoacoustic and Fourier spectroscopy - Google Patents
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JP2879995B2 - Depth analysis using photoacoustic and Fourier spectroscopy - Google Patents

Depth analysis using photoacoustic and Fourier spectroscopy

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JP2879995B2
JP2879995B2 JP3165655A JP16565591A JP2879995B2 JP 2879995 B2 JP2879995 B2 JP 2879995B2 JP 3165655 A JP3165655 A JP 3165655A JP 16565591 A JP16565591 A JP 16565591A JP 2879995 B2 JP2879995 B2 JP 2879995B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光音響分光法(PA
S)とフーリエ分光法を用いた試料の深さ分析法に関
し、特に、パルス光源とラピッドスキャン干渉計とを用
いて、試料の深さ方向の情報を正確に検出することが可
能なPASとフーリエ分光法を用いた深さ分析法に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to photoacoustic spectroscopy (PA).
S) and a depth analysis method of a sample using Fourier spectroscopy, and in particular, PAS and Fourier which can accurately detect information in the depth direction of the sample using a pulsed light source and a rapid scan interferometer. The present invention relates to a depth analysis method using spectroscopy.

【0002】[0002]

【従来の技術】光音響分光法(PAS)は、次のような
ものである。すなわち、試料に光を照射し、その中に取
り込まれた光エネルギーの一部が熱を発生し、発生され
た熱エネルギーの一部は熱拡散により周囲の気体に伝達
される。いま、照射光が断続的に変調されており、その
変調周波数に比べて充分速い熱変換速度を有しているな
ら、熱エネルギーの周囲気体への伝達も断続的となり、
周囲の気体に粗密波(音波)が発生する。これを高感度
マイクロホンで検知して試料の分光情報を得ることがで
きる。上記の断続的に変調された照射光として、ラピッ
ドスキャン干渉計によって変調された光を用い、マイク
ロホンで検知された信号をFT−IR(フーリエ変換赤
外分光法)と同じ信号処理を用いて、干渉計の移動鏡速
度を変えることにより、試料の深さ方向の情報を得てい
る(田隅三生著「FT−IRの基礎と実際」(1986
年12月10日(株)東京化学同人発行)第114〜1
23頁参照)。
2. Description of the Related Art Photoacoustic spectroscopy (PAS) is as follows. That is, the sample is irradiated with light, a part of the light energy captured therein generates heat, and a part of the generated heat energy is transmitted to the surrounding gas by thermal diffusion. Now, if the irradiation light is intermittently modulated and has a sufficiently high heat conversion rate compared to its modulation frequency, the transfer of heat energy to the surrounding gas will also be intermittent,
A compression wave (sound wave) is generated in the surrounding gas. This can be detected by a high-sensitivity microphone to obtain spectral information of the sample. As the above-mentioned intermittently modulated irradiation light, light modulated by a rapid scan interferometer is used, and a signal detected by a microphone is processed using the same signal processing as FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy). By changing the moving mirror speed of the interferometer, information in the depth direction of the sample is obtained (Mitsuo Tasumi, "Basics and Practice of FT-IR" (1986)
December 10th, 2002 (published by Tokyo Chemical Co., Ltd.) 114-1
See page 23).

【0003】ところで、本出願人は、すでに、刺激発生
手段により周期的に刺激を発生して測定対象に繰り返し
与え、ラピッドスキャン干渉計を用いた検出器出力から
刺激より一定の遅延時間に対するインターフェログラム
を取得し、フーリエ変換によりスペクトルを得ることに
よって、刺激に対して繰り返し同じ応答を示す測定対象
の反応状態を測定する時間分解分光方法に関して、特願
平1−230209号、特願平1−335748号、特
願平2−259355号、特願平2−259357号、
特願平3−2378号、特願平3−2379号、特願平
3−64623号、特願平3−64624号、特願平3
−158330号等により種々提案している。
By the way, the present applicant has already generated a stimulus periodically by the stimulus generation means and repeatedly applied the stimulus to the object to be measured. The output of the detector using the rapid scan interferometer is the interferometer for a certain delay time from the stimulus. The time-resolved spectroscopy method of measuring a reaction state of a measurement object that repeatedly shows the same response to a stimulus by acquiring a gram and obtaining a spectrum by Fourier transform is disclosed in Japanese Patent Application Nos. Hei. No. 335748, Japanese Patent Application No. 2-259355, Japanese Patent Application No. 2-259357,
Japanese Patent Application Nos. 3-2378, 3-2379, 3-64623, 3-64624, and 3
Various proposals have been made, for example, in US Pat.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】さて、上記FT−IR
を用いたPASにおいて、深さ方向の情報とは、試料の
ある深さから表面までの平均した吸収情報であり、ま
た、その深さも光の波数により異なるため、ある深さの
層だけの情報を取り出すことは困難である。
The above-mentioned FT-IR
In the PAS using, the information in the depth direction is the average absorption information from a certain depth to the surface of the sample, and since the depth also varies depending on the wave number of light, information on only a layer at a certain depth is obtained. It is difficult to take out.

【0005】また、試料の表面のみの分析には、移動鏡
の速度を上げればよいが、実際にはAD変換器の変換速
度等の関係で、移動鏡の大幅な高速化は難しい。
In order to analyze only the surface of the sample, the speed of the movable mirror may be increased. However, it is difficult to actually increase the speed of the movable mirror due to the conversion speed of the AD converter.

【0006】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、試料の深さ方向の情報を正確
に検出することが可能な光音響分光法とフーリエ分光法
を用いた深さ分析法を提供することである。
The present invention has been made in view of such circumstances, and has as its object to use photoacoustic spectroscopy and Fourier spectroscopy which can accurately detect information in the depth direction of a sample. It is to provide a depth analysis method.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の光音響分光法とフーリエ分光法を用いた深さ分析法
は、測定試料にラピッドスキャン干渉計によって変調さ
れた光を照射することによって測定試料中で発生した熱
が拡散して周囲の気体に伝達され、それに基づく気体の
密度変化を検出して電気信号に変換し、その信号をフー
リエ変換することにより測定試料の深さ方向の情報を取
得する光音響分光法とフーリエ分光法を用いた深さ分析
法において、光源として所定周期で発光するパルス光源
を用い、検出信号をパルス光源発光より後の一定の遅延
時間においてサンプリングし、サンプリングされた信号
の所定範囲の周波数成分を取り出し、フーリエ変換し
て、照射光波数に依存した測定試料の前記遅延時間に対
応した特定深さの熱分布情報を得ることを特徴とする方
法である。
The depth analysis using photoacoustic spectroscopy and Fourier spectroscopy according to the present invention, which achieves the above object, comprises irradiating a sample to be measured with light modulated by a rapid scan interferometer. The heat generated in the measurement sample is diffused and transmitted to the surrounding gas, and the change in the density of the gas based on the diffusion is detected and converted into an electric signal. In depth analysis using photoacoustic spectroscopy and Fourier spectroscopy to acquire information, using a pulsed light source that emits light at a predetermined period as a light source, sampling a detection signal at a fixed delay time after the pulsed light source emission, A frequency component in a predetermined range of the sampled signal is extracted, Fourier-transformed, and heat of a specific depth corresponding to the delay time of the measurement sample depending on the irradiation light wave number is obtained. A method characterized by obtaining fabric information.

【0008】[0008]

【作用】本発明においては、光源として所定周期で発光
するパルス光源を用い、検出信号をパルス光源発光より
後の一定の遅延時間においてサンプリングし、サンプリ
ングされた信号の所定範囲の周波数成分を取り出し、フ
ーリエ変換して、照射光波数に依存した測定試料の前記
遅延時間に対応した特定深さの熱分布情報を得るように
しているので、照射光の波数に依存した測定試料の深さ
方向の吸収特性の違いを利用して、試料の深さ方向の情
報を正確に検出することができる。
According to the present invention, a pulse light source emitting light at a predetermined period is used as a light source, a detection signal is sampled at a fixed delay time after the light emission of the pulse light source, and a frequency component in a predetermined range of the sampled signal is extracted. Since Fourier transform is performed to obtain heat distribution information at a specific depth corresponding to the delay time of the measurement sample depending on the wave number of the irradiation light, absorption in the depth direction of the measurement sample depending on the wave number of the irradiation light By utilizing the difference in characteristics, information in the depth direction of the sample can be accurately detected.

【0009】[0009]

【実施例】以下、図面を参照にして、本発明の光音響分
光法とフーリエ分光法を用いた深さ分析法の実施例につ
いて説明する。図1に本発明に係る深さ分析法の1実施
例を実施するための装置の基本構成を示す。この実施例
においては、干渉計2の変調周波数fが、パルス光源1
の繰り返し周波数1/τ(τ:パルス発光繰り返し周
期)の半分より小さい範囲にのみ存在するとする。図1
において、1はパルス光源、2は干渉計、3はパルス光
源1を周期τでパルス発光させるためのタイマであり、
また、4は深さ方向の情報を得ようとする試料、5は試
料4からの熱による音波を検知するマイクロホンであ
り、試料4とマイクロホン5は従来のものと同様なPA
Sユニット6を構成している。さらに、7はプリアン
プ、8は遅延回路、9はゲート回路、10はローパスフ
ィルタ、11はメインアンプ、12はAD変換器、13
はコンピュータを示す。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Referring to the drawings, an embodiment of a depth analysis method using photoacoustic spectroscopy and Fourier spectroscopy of the present invention will be described below. FIG. 1 shows a basic configuration of an apparatus for carrying out one embodiment of a depth analysis method according to the present invention. In this embodiment, the modulation frequency f of the interferometer 2 is
Is present only in a range smaller than half of the repetition frequency 1 / τ (τ: pulse emission repetition cycle). FIG.
, 1 is a pulse light source, 2 is an interferometer, 3 is a timer for causing the pulse light source 1 to emit a pulse with a period τ,
Reference numeral 4 denotes a sample from which information in the depth direction is to be obtained, and reference numeral 5 denotes a microphone for detecting sound waves due to heat from the sample 4, and the sample 4 and the microphone 5 are PA
The S unit 6 is constituted. Further, 7 is a preamplifier, 8 is a delay circuit, 9 is a gate circuit, 10 is a low-pass filter, 11 is a main amplifier, 12 is an AD converter, 13
Indicates a computer.

【0010】このような構成において、試料4は、干渉
計2により変調されたパルス光源1からの光で一様に照
射され、各深さの層の成分に応じた光を吸収する。吸収
された光は熱に変換され、その吸収に応じた熱分布を示
す。熱は時間と共に拡散して試料4表面に達し、そこで
周りの空気を暖め、膨張させる。その圧力変化を音とし
てマイクロホン5がキャッチして電気信号に変換する。
タイマ3は、干渉計2の持つ基準信号(インタフェログ
ラムをA/D変換してコンピュータに取り込んでフーリ
エ変換するためのサンプリング信号)と非同期で一定周
期τでパルス光源1をパルス発光させるものであり、ま
た、遅延回路5は、タイマ3の発光信号から一定時間Δ
τ遅延したトリガーを生成してゲート回路9を制御する
ものである。ゲート回路9は、パルス発光から一定時間
Δτ遅延した時間にマイクロホン5からの出力を切り出
すものであるが、AD変換器12と同様に、周期τに対
して十分狭いゲート幅を持ったものであり、その間だけ
信号を通すことによって櫛状の信号を得るものである。
ローパスフィルタ10は、ゲート回路9の出力から得ら
れるスペクトルの低周波成分(f<1/2τ)を取り出
すものである。
In such a configuration, the sample 4 is uniformly irradiated with the light from the pulse light source 1 modulated by the interferometer 2, and absorbs light corresponding to the component of the layer at each depth. The absorbed light is converted into heat and exhibits a heat distribution according to the absorption. The heat spreads over time and reaches the surface of the sample 4, where it warms and expands the surrounding air. The microphone 5 catches the pressure change as sound and converts it into an electric signal.
The timer 3 causes the pulse light source 1 to emit a pulse at a constant period τ asynchronously with a reference signal of the interferometer 2 (sampling signal for A / D converting an interferogram and taking it into a computer and performing Fourier transform). Further, the delay circuit 5 is provided with a predetermined time Δ
The gate circuit 9 is controlled by generating a trigger delayed by τ. The gate circuit 9 cuts out the output from the microphone 5 at a time delayed by a predetermined time Δτ from the pulse emission, and has a gate width sufficiently narrow with respect to the period τ similarly to the AD converter 12. , A comb-like signal is obtained by passing the signal only during that time.
The low-pass filter 10 extracts a low-frequency component (f <1 / 2τ) of the spectrum obtained from the output of the gate circuit 9.

【0011】さて、試料4に光の波数σの単位強度のパ
ルス光を照射したときにマイクロホン5から得られる信
号(PASのパルスレスポンス関数)をA(σ,t) とする
と、A(σ,t) は、試料4の波数σの光に対する深さ方向
の熱分布情報を表すことになる。したがって、このPA
Sのパルスレスポンス関数A(σ,t) を求めることによ
り、試料4の深さ方向の情報を正確に検出することがで
きる。
When a signal (pulse response function of PAS) obtained from the microphone 5 when the sample 4 is irradiated with pulse light having a unit intensity of the wave number σ of light is A (σ, t), A (σ, t) t) represents the heat distribution information of the sample 4 in the depth direction with respect to the light having the wave number σ. Therefore, this PA
By obtaining the pulse response function A (σ, t) of S, information on the sample 4 in the depth direction can be accurately detected.

【0012】いま、単色光B(σ)dσのパルス連Шτ(t)
が干渉計2を通過したときの出力は、 B(σ)dσШτ(t) cos2πx σ で表され、これがPASユニット6に入射したとする
と、マイクロホン5から得られる信号は、 {B(σ)dσШτ(t) cos2πx σ}*A(σ,t) ={A(σ,t) *Шτ(t) }B(σ) cos2πx σd σ となる。ここで、Шτ(t) はデラック関数δ(t)が等
間隔な時間τで並んだ繰り返し操作を表すコム関数、*
はコンボリューション演算である。したがって、様々な
波数の光がパルス光源1から放射されるときは、マイク
ロホン5から得られる信号は次のようになる。
Now, the pulse train Шτ (t) of the monochromatic light B (σ) dσ
Is expressed as B (σ) dσШτ (t) cos2πx σ. If this is incident on the PAS unit 6, the signal obtained from the microphone 5 is expressed as {B (σ) dσШτ (t) cos2πx σ} * A (σ, t) = {A (σ, t) * Шτ (t)} B (σ) cos2πxσdσ Here, Шτ (t) is a comb function representing a repetitive operation in which the Delak function δ (t) is arranged at equal intervals of time τ, *
Is a convolution operation. Therefore, when light of various wave numbers is emitted from the pulse light source 1, the signal obtained from the microphone 5 is as follows.

【0013】 ∫{A(σ,t) *Шτ(t) }B(σ)cos 2πx σ dσ この信号をゲート回路9を通して切り出だすと、 Шτ(t -Δτ) ∫{ A( σ,t) *Шτ(t) }B(σ)cos2 πx σ dσ となる。∫ {A (σ, t) * Шτ (t)} B (σ) cos 2πx σ dσ When this signal is cut out through the gate circuit 9, Шτ (t−Δτ) ∫ {A (σ, t ) * Шτ (t)} B (σ) cos2 πx σ dσ

【0014】この信号において、サンプリング処理を示
すШτ(t -Δτ) は、変数σとは独立な関数であるた
め、積分の中に組み込むことができる。ここで、時間変
数tに従属なШτ(t -Δτ) {A(σ,t) *Шτ(t) }だ
けを取り出して、その式の変形を行う。コム関数はデル
タ関数の和で表せるので、 Шτ(t) =Σδ(t-nτ) ・・・(A1) Шτ(t -Δτ) { A( σ,t) *Шτ(t) }をこの(A1)
式を用いて書き直す。ここで、nは整数である。
In this signal, Шτ (t−Δτ) indicating the sampling process is a function independent of the variable σ, and therefore can be incorporated in the integration. Here, only {τ (t−Δτ)} A (σ, t) * {τ (t)} dependent on the time variable t is extracted, and the equation is modified. Since the comb function can be represented by the sum of the delta functions, Шτ (t) = Σδ (t-nτ) ... (A1) Шτ (t-Δτ) {A (σ, t) * Шτ (t) こ のA1)
Rewrite using the formula. Here, n is an integer.

【0015】 Шτ(t -Δτ) {A(σ,t) *Шτ(t) } ={Σδ(t- Δτ-nτ) }[∫A(σ,t-t'){Σδ(t'- mτ) }dt' ] ={Σδ(t- Δτ-nτ) }{ΣA(σ,t-mτ) } ・・・(A2) mもまた整数である。パルス光源1周期τは試料4の熱
拡散時間より長くとられているので、t<0,t≧τの
ときは、A(σ,t) =0となる。したがって、(A2)式
はn=mのときのみ信号が得られる。よって、(A2)
式は次のように変形できる。
Шτ (t-Δτ) {A (σ, t) * Шτ (t) {Σ = {Σδ (t-Δτ-nτ)} [∫A (σ, t-t ') {Σδ (t'- mτ)} dt '] = {Σδ (t-Δτ-nτ)} {ΣA (σ, t-mτ)} (A2) m is also an integer. Since one cycle τ of the pulsed light source is longer than the thermal diffusion time of the sample 4, when t <0, t ≧ τ, A (σ, t) = 0. Therefore, in the equation (A2), a signal is obtained only when n = m. Therefore, (A2)
The equation can be modified as follows.

【0016】 {Σδ(t- Δτ-nτ) }{ΣA(σ,t-mτ) } =Σ{δ(t- Δτ-nτ) A(σ,t- n τ) } =Σ{δ(t- Δτ-nτ) A(σ, Δτ) } ・・・(A3) A(σ, Δτ) は定数のため、括りだせるので、 =A(σ, Δτ) Σδ(t- Δτ-nτ) =A(σ, Δτ) Шτ(t- Δτ) ・・・(A4) よって、 Шτ(t -Δτ) ∫{ A( σ,t) *Шτ(t) }B(σ)cos2 πx σ dσ =Шτ(t -Δτ) ∫A(σ,Δτ) B(σ)cos2 πx σ dσ ・・(A5) になる。{Σδ (t−Δτ−nτ)} {ΣA (σ, t−mτ) Σ {= Σ {δ (t−Δτ−nτ) A (σ, t−nτ)} = Σ {δ (t -Δτ-nτ) A (σ, Δτ) ・ ・ ・ (A3) Since A (σ, Δτ) is a constant and can be rounded down, = A (σ, Δτ) Σδ (t- Δτ-nτ) = A (σ, Δτ) Шτ (t- Δτ) ・ ・ ・ (A4) Therefore, Шτ (t-Δτ) ∫ {A (σ, t) * Шτ (t)} B (σ) cos2 πx σ dσ = Шτ ( t-Δτ) ∫ A (σ, Δτ) B (σ) cos2 πx σ dσ (A5)

【0017】このゲート回路9を通して得られる信号
(A5)は、よく見ると、本出願人が特願平1−2302
09号、特願平1−335748号、特願平2−259
355号、特願平2−259357号、特願平3−23
78号、特願平3−2379号、特願平3−64623
号、特願平3−64624号、特願平3−158330
号等において提案した時間分解分光方法におけるゲート
回路からの出力と全く同じ形式のものである(この信号
(A5)は、例えば特願平3−2378号の式(4b)と同
じである。)。すなわち、干渉計2を通してパルス光源
1から試料4を照射する光は、上記の時間分解分光方法
における刺激発生手段からの測定対象に与える繰り返し
刺激に相当し、以後の信号の処理は、全く同様に処理す
ればよいことになる。
When the signal (A5) obtained through the gate circuit 9 is closely looked at, the applicant of the present invention has filed Japanese Patent Application No. 1-2302.
No. 09, Japanese Patent Application No. 1-335748, Japanese Patent Application No. 2-259
No. 355, Japanese Patent Application No. 2-259357, Japanese Patent Application No. 3-23
No. 78, Japanese Patent Application No. 3-2379, Japanese Patent Application No. 3-64623
No., Japanese Patent Application No. 3-64624, Japanese Patent Application No. 3-158330.
The signal (A5) is of the same type as the output from the gate circuit in the time-resolved spectroscopy method proposed in the Japanese Patent Application No. 3-2378. . That is, the light that irradiates the sample 4 from the pulse light source 1 through the interferometer 2 corresponds to the repetitive stimulus given to the measurement target from the stimulus generation means in the above-described time-resolved spectroscopic method, and the subsequent signal processing is performed in exactly the same manner. That is all we need to do.

【0018】したがって、図1の場合は、干渉計2の各
時間分解信号の変調周波数fがパルス光源1の繰り返し
周波数1/τの半分より小さい範囲にのみ存在するの
で、特願平1−230209号の場合と同様、その信号
の低周波成分(f<1/2τ)をローパスフィルタ10
により取り出し、メインアンプ11で増幅後、AD変換
器12により干渉計2の持つ周期τ0 の基準信号でサン
プリングを行い、コンピュータ13によりフーリエ変換
することにより、A(σ,Δτ) B(σ) が求められ、例え
ば通常のFT−IR分光測定で求めたB(σ) を用いて、
求められたA(σ,Δτ) B(σ) との比をとることによ
り、試料4の波数σの光に対する深さ方向の熱分布情報
を表すPASのパルスレスポンス関数A(σ, Δτ) を求
めることができる。同様にして、ゲート回路9へのトリ
ガー信号の遅延時間Δτを変えることにより、一連の遅
延時間における時系列のPASのパルスレスポンス関数
A(σ,Δτ) を求めることができる(Δτが深さに対応
する。)。
Therefore, in the case of FIG. 1, since the modulation frequency f of each time-resolved signal of the interferometer 2 exists only in a range smaller than half of the repetition frequency 1 / τ of the pulse light source 1, Japanese Patent Application No. 1-230209 is disclosed. Signal, the low frequency component (f <1 / 2τ) of the signal is
After amplification by the main amplifier 11, sampling is performed by the AD converter 12 using the reference signal having the period τ 0 of the interferometer 2, and a Fourier transform is performed by the computer 13 to obtain A (σ, Δτ) B (σ) Is obtained, for example, using B (σ) obtained by ordinary FT-IR spectrometry,
By taking a ratio with the obtained A (σ, Δτ) B (σ), the PAS pulse response function A (σ, Δτ) representing the heat distribution information in the depth direction with respect to the light of the wave number σ of the sample 4 is obtained. You can ask. Similarly, by changing the delay time Δτ of the trigger signal to the gate circuit 9, the pulse response function of the time-series PAS in a series of delay times is obtained.
A (σ, Δτ) can be obtained (Δτ corresponds to the depth).

【0019】以上は、干渉計2の変調周波数fが、パル
ス光源1の繰り返し周波数1/τ(τ:パルス発光繰り
返し周期)の半分より小さい範囲にのみ存在する場合で
あったが、m/2τ<f<(m+1)/2τ(mは正の
整数)の範囲のみにパルス光源1からのスペクトルが存
在する場合には、ゲート回路9から得られた信号は、特
願平3−2378号、特願平3−2379号及び特願平
3−158330号の場合と同様に処理する。すなわ
ち、特願平3−2379号による場合は、図1の構成に
装置において、ローパスフィルタ10によりゲート回路
9から得られた信号の高次成分(f<1/2τの範囲に
ある1次成分)を取り出し、その信号をAD変換器12
でサンプリングした後、コンピュータ13で位相補正と
波数変換を行ってPASのパルスレスポンス関数A(σ,
Δτ) を求める。
The above is a case where the modulation frequency f of the interferometer 2 exists only in a range smaller than half the repetition frequency 1 / τ (τ: pulse emission repetition cycle) of the pulse light source 1, but m / 2τ If the spectrum from the pulse light source 1 exists only in the range of <f <(m + 1) / 2τ (m is a positive integer), the signal obtained from the gate circuit 9 is described in Japanese Patent Application No. Hei. Processing is performed in the same manner as in Japanese Patent Application Nos. 3-2379 and 3-158330. That is, in the case of Japanese Patent Application No. Hei 3-2379, the high-order component (the first-order component within the range of f <1 / 2τ) of the signal obtained from the gate circuit 9 by the low-pass filter 10 in the apparatus shown in FIG. ) And outputs the signal to the AD converter 12
, The phase correction and the wave number conversion are performed by the computer 13, and the pulse response function A (σ,
Δτ).

【0020】また、特願平3−2378号による場合
は、図2に示すように、ローパスフィルタの代わりに、
m/2τ<f<(m+1)/2τ(mは正の整数)の信
号を通すバンドパスフィルタ14を用いて、ゲート回路
9から得られた信号の中から本来のPASのレスポンス
関数に相当する部分(0次成分)のみを取り出し、これ
を図1の場合と同様にフーリエ変換してPASのパルス
レスポンス関数A(σ, Δτ) を求める。
In the case of Japanese Patent Application No. 3-2378, as shown in FIG. 2, instead of a low-pass filter,
Using a band-pass filter 14 that passes a signal of m / 2τ <f <(m + 1) / 2τ (m is a positive integer), the signal obtained from the gate circuit 9 corresponds to the original PAS response function. Only the part (0-order component) is taken out and Fourier-transformed as in the case of FIG. 1 to obtain a pulse response function A (σ, Δτ) of the PAS.

【0021】さらに、特願平3−158330号による
場合は、特願平3−2379号による場合と同様、ロー
パスフィルタ10によりゲート回路9から得られた信号
の高次成分(f<1/2τの範囲にある1次成分)を取
り出すが、位相補正と波数変換を行う代わりに、図3に
示すように、ローパスフィルタ10からの信号をロック
インアンプ15に入力し、タイマ3からの周期τの信号
と同期をとることにより、本来のPASのレスポンス関
数と同じスペクトルを有し位相補正の必要のない信号に
変換して、AD変換器12でサンプリングした後、図1
の場合と同様にフーリエ変換してPASのパルスレスポ
ンス関数A(σ, Δτ) を求める。
Further, in the case of Japanese Patent Application No. 3-158330, similarly to the case of Japanese Patent Application No. Hei 3-2379, the high-order component (f <1 / 2τ) of the signal obtained from the gate circuit 9 by the low-pass filter 10 is used. , But instead of performing phase correction and wave number conversion, a signal from the low-pass filter 10 is input to the lock-in amplifier 15 as shown in FIG. 1 is converted into a signal having the same spectrum as the original PAS response function and requiring no phase correction, and is sampled by the AD converter 12.
As in the case of (4), the pulse response function A (σ, Δτ) of the PAS is obtained by Fourier transform.

【0022】また、図1、図3の場合に、パルス光源1
の発光周期をτ、ゲート回路9で信号を切り出す周期を
τ/2にして、1個おきの信号をパルス光入射のときの
PAS信号とし、もう1つの1個おきの信号をパルス光
入射なしのときのバックグラウンド信号とすることによ
り、装置の状態、測定環境の変化に影響されない測定を
可能にすることが可能である。すなわち、特願平1−3
35748号による場合は、干渉計2の各時間分解信号
の変調周波数fがパルス光源1の繰り返し周波数1/τ
の半分より小さい範囲にのみ存在する場合で、図4に示
すように、タイマ3からの周期τの信号はパルス光源1
をパルス発光させると共に、もう1つの信号は逓倍器1
6により周期τ/2の信号に変換され、その後遅延回路
5により一定時間Δτ遅延したトリガーを生成してゲー
ト回路9に加えられる。ゲート回路9は、パルス発光時
及びパルス発光間の中間時点から一定時間Δτ遅延した
時間にマイクロホン5からの出力を切り出す。このゲー
ト回路9からの信号の1/2τ<f<1/τの周波数成
分をバンドパスフィルタ14により取り出し、バンドパ
スフィルタ14からの信号をロックインアンプ15に入
力して、タイマ3からの周期τの信号と同期をとること
により位相補正の必要のない形にし、AD変換器12で
サンプリングした後、コンピュータ13によりフーリエ
変換することにより、バックグラウンドとの差の形でA
(σ,Δτ) B(σ) が求められ、別に求めたB(σ) を用
いて、試料4の波数σの光に対する深さ方向の熱分布情
報を表すPASのパルスレスポンス関数A(σ, Δτ) を
求めることができる。同様にして、ゲート回路9へのト
リガー信号の遅延時間Δτを変えることにより、一連の
遅延時間における時系列のPASのパルスレスポンス関
数A(σ, Δτ) を求めることができる(Δτが深さに対
応する。)。
1 and 3, the pulse light source 1
The light emission cycle is τ, the cycle of cutting out the signal by the gate circuit 9 is τ / 2, every other signal is a PAS signal when pulsed light is incident, and the other signal is not pulsed light. By using the background signal at the time of (1), it is possible to perform measurement that is not affected by changes in the state of the device and the measurement environment. That is, Japanese Patent Application No. 1-3
In the case of 35748, the modulation frequency f of each time-resolved signal of the interferometer 2 is equal to the repetition frequency 1 / τ of the pulse light source 1.
Is present only in a range smaller than half of the pulse light source 1 as shown in FIG.
And the other signal is a multiplier 1
The signal is converted into a signal having a period τ / 2 by 6, and then a trigger delayed by a predetermined time Δτ is generated by the delay circuit 5 and applied to the gate circuit 9. The gate circuit 9 cuts out the output from the microphone 5 at a time delayed by a predetermined time Δτ from the time point of the pulse light emission and the intermediate point between the pulse light emission. The frequency component of 1 / 2τ <f <1 / τ of the signal from the gate circuit 9 is extracted by the band-pass filter 14, and the signal from the band-pass filter 14 is input to the lock-in amplifier 15. By synchronizing with the signal of τ, the phase is not required to be corrected. After sampling by the AD converter 12, the computer 13 performs Fourier transform to obtain A in the form of a difference from the background.
(σ, Δτ) B (σ) is obtained, and using the separately obtained B (σ), the pulse response function A (σ, Δτ) can be obtained. Similarly, by changing the delay time Δτ of the trigger signal to the gate circuit 9, the pulse response function A (σ, Δτ) of a time-series PAS at a series of delay times can be obtained (Δτ is the depth. Corresponding.)

【0023】また、特願平3−64623号による場合
は、干渉計2の各時間分解信号の変調周波数fがm/2
τ<f<(m+1)/2τ(mは正の整数)の範囲のみ
に存在する場合で、この場合は、図4のバンドパスフィ
ルタ14を用いる代わりに、図5に示すように、f<1
/2τの範囲にある成分を取り出すローパスフフィルタ
10を用いる。その他は図4の場合と同様である。
In the case of Japanese Patent Application No. 3-64623, the modulation frequency f of each time-resolved signal of the interferometer 2 is m / 2.
This is a case where there exists only in the range of τ <f <(m + 1) / 2τ (m is a positive integer). In this case, instead of using the band-pass filter 14 of FIG. 4, as shown in FIG. 1
A low-pass filter 10 for extracting components in the range of / 2τ is used. Others are the same as those in FIG.

【0024】さらに、特願平3−64624号により、
図5のロックインアンプ15を省略して図6のように構
成し、ローパスフィルタ10からの信号をAD変換器1
2でサンプリングした後、コンピュータ13で位相補正
と波数変換を行ってバックグラウンドとの差をとったP
ASのパルスレスポンス関数A(σ, Δτ) を求めるよう
にすることもできる。
Further, according to Japanese Patent Application No. 3-64624,
The lock-in amplifier 15 shown in FIG. 5 is omitted and the configuration shown in FIG.
After sampling at 2, the computer 13 performs phase correction and wave number conversion to obtain a difference from the background.
The pulse response function A (σ, Δτ) of the AS may be determined.

【0025】ところで、以上の図1から図6の何れのも
のも、ゲート回路9、ローパスフィルタ10、メインア
ンプ11等からなるチャンネルを複数設け、各チャンネ
ルにプリアンプ7からの信号を入力し、パルス光源1を
発光させてからの各ゲートを開くまでの遅延時間Δτを
チャンネル毎に異ならせることにより、異なる一連の遅
延時間Δτ1 、Δτ2 、Δτ3 ・・・におけるPASの
パルスレスポンス関数A(σ, Δτ) を同時に求めること
もできる。その例を図1の場合と図4の場合とについ
て、図7、図8に図示のみするが、図2、図3、図5、
図6の場合についても同様に構成できることは明らかで
あろう。なお、これらの詳細については、特願平2−2
59355号、特願平2−259357号、特願平3−
2378号、特願平3−2379号、特願平3−646
23号、特願平3−64624号、特願平3−1583
30号の明細書を参照されたい。
In each of the above-described FIGS. 1 to 6, a plurality of channels including a gate circuit 9, a low-pass filter 10, a main amplifier 11, etc. are provided, and a signal from the preamplifier 7 is input to each channel. By making the delay time Δτ from when the light source 1 emits light to when each gate is opened different for each channel, the PAS pulse response function A () in a series of different delay times Δτ 1 , Δτ 2 , Δτ 3. σ, Δτ) can be obtained at the same time. The example is shown only in FIGS. 7 and 8 for the case of FIG. 1 and the case of FIG. 4, but FIG. 2, FIG. 3, FIG.
It will be apparent that the same configuration can be applied to the case of FIG. For details, refer to Japanese Patent Application No.
59355, Japanese Patent Application No. 2-259357, Japanese Patent Application No. 3-
No. 2378, Japanese Patent Application No. 3-2379, Japanese Patent Application No. 3-646
No. 23, Japanese Patent Application No. 3-64624, Japanese Patent Application No. 3-1583
See the specification of No. 30.

【0026】以上、本発明の光音響分光法とフーリエ分
光法を用いた深さ分析法について、その数学的原理が、
本出願人の特願平1−230209号、特願平1−33
5748号、特願平2−259355号、特願平2−2
59357号、特願平3−2378号、特願平3−23
79号、特願平3−64623号、特願平3−6462
4号、特願平3−158330号等で提案した時間分解
分光方法の数学的原理と同じであることを説明し、その
アナロジーから各種実施例を説明してきたが、それらの
作用、効果の詳細、その他の変形例等については、これ
ら出願の明細書及び図面を参照されたい。
As described above, the mathematical principle of the depth analysis using the photoacoustic spectroscopy and the Fourier spectroscopy of the present invention is as follows.
Applicant's Japanese Patent Application Nos. 1-230209 and 1-33.
5748, Japanese Patent Application No. 2-259355, Japanese Patent Application No. 2-2
59357, Japanese Patent Application No. 3-2378, Japanese Patent Application No. 3-23
No. 79, Japanese Patent Application No. 3-64623, Japanese Patent Application No. 3-6462
No. 4, Japanese Patent Application No. 3-158330, etc., explained that it is the same as the mathematical principle of the time-resolved spectroscopy method, and explained various examples from the analogy. Please refer to the specification and drawings of these applications for other modifications and the like.

【0027】ところで、以上の説明において、試料4が
照射された光を吸収して熱に変換し、その熱の周囲の空
気への拡散を検知するPASユニット6にマイクロホン
5を用いることを前提にしていたが、この熱拡散を検知
するのに、熱による空気の屈折率の変化を利用するよう
にすることもできる。すなわち、図9に別の実施例のP
ASユニット6′を模式的に示すように、試料4表面に
沿って近接してレーザ光20を通過させておき、その通
過光をCCD等の1次元又は2次元アレー検知器21に
入射させておく。試料4に干渉計2を介してパルス光源
1からのパルス光を照射して吸収により試料1を内部か
ら加熱すると、その表面にパルス光照射後の時間に応じ
て熱が拡散してきて空気が膨張し、屈折率が温度に応じ
て変化する。すると、試料4表面に沿って近接して通過
しているレーザ光20の光路は屈折率の高い方へ曲げら
れ、アレー検知器21上での受光位置が変化する。この
位置変化をアレー検知器21により信号に変え、図1〜
図8におけるプリアンプ7に入力するようにすることも
できる。この場合、屈折率の変化は極めて敏感に検知で
きるので、より検出感度が向上する。
In the above description, it is assumed that the microphone 5 is used as the PAS unit 6 which absorbs the light irradiated from the sample 4 and converts it into heat, and detects the diffusion of the heat to the surrounding air. However, a change in the refractive index of air due to heat may be used to detect the thermal diffusion. That is, FIG.
As schematically shown in the AS unit 6 ', the laser light 20 is passed close to the surface of the sample 4 and the passed light is made incident on a one-dimensional or two-dimensional array detector 21 such as a CCD. deep. When the sample 4 is irradiated with pulsed light from the pulse light source 1 via the interferometer 2 and the sample 1 is heated from the inside by absorption, heat is diffused on the surface according to the time after the pulsed light irradiation and the air expands. Then, the refractive index changes according to the temperature. Then, the optical path of the laser beam 20 passing closely along the surface of the sample 4 is bent to a higher refractive index, and the light receiving position on the array detector 21 changes. This position change is converted into a signal by the array detector 21 and
It can be input to the preamplifier 7 in FIG. In this case, since the change in the refractive index can be detected very sensitively, the detection sensitivity is further improved.

【0028】以上、いくつかの実施例について説明して
きたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形
が可能である。
Although several embodiments have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications are possible.

【0029】[0029]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光音響分
光法とフーリエ分光法を用いた深さ分析法によると、光
源として所定周期で発光するパルス光源を用い、検出信
号をパルス光源発光より後の一定の遅延時間においてサ
ンプリングし、サンプリングされた信号の所定範囲の周
波数成分を取り出し、フーリエ変換して、照射光波数に
依存した測定試料の前記遅延時間に対応した特定深さの
熱分布情報を得るようにしているので、照射光の波数に
依存した測定試料の深さ方向の吸収特性の違いを利用し
て、試料の深さ方向の情報を正確に検出することができ
る。
As described above, according to the depth analysis method using the photoacoustic spectroscopy and the Fourier spectroscopy of the present invention, a pulse light source that emits light at a predetermined period is used as a light source, and the detection signal is a pulse light source light emission. Sampling at a later fixed delay time, extracting a predetermined range of frequency components of the sampled signal, performing a Fourier transform, and measuring a heat distribution at a specific depth corresponding to the delay time of the measurement sample depending on the irradiation light wave number. Since the information is obtained, the information in the depth direction of the sample can be accurately detected by utilizing the difference in the absorption characteristics in the depth direction of the measurement sample depending on the wave number of the irradiation light.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る深さ分析法の1実施例を実施する
ための装置の基本構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of an apparatus for carrying out one embodiment of a depth analysis method according to the present invention.

【図2】他の実施例の図1と同様な図である。FIG. 2 is a view similar to FIG. 1 of another embodiment.

【図3】ロックインアンプを用いた実施例の図1と同様
な図である。
FIG. 3 is a diagram similar to FIG. 1 of an embodiment using a lock-in amplifier.

【図4】差測定法による実施例の図1と同様な図であ
る。
FIG. 4 is a view similar to FIG. 1 of an embodiment using a difference measurement method.

【図5】差測定法による別の実施例の図1と同様な図で
ある。
FIG. 5 is a view similar to FIG. 1 of another embodiment using a difference measurement method.

【図6】ロックインアンプを用いない差測定法の実施例
の図1と同様な図である。
FIG. 6 is a diagram similar to FIG. 1 illustrating an embodiment of a difference measurement method without using a lock-in amplifier.

【図7】図1の装置を多チャンネル化した実施例の図1
と同様な図である。
FIG. 7 shows an embodiment in which the apparatus of FIG. 1 is multi-channeled.
FIG.

【図8】図4の装置を多チャンネル化した実施例の図1
と同様な図である。
8 is a diagram showing an embodiment in which the apparatus of FIG.
FIG.

【図9】PASユニットの別の実施例の構成を示す模式
的な図である。
FIG. 9 is a schematic diagram showing a configuration of another embodiment of the PAS unit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…パルス光源 2…干渉計 3…タイマ 4…測定試料 5…マイクロホン 6…PASユニット 7…プリアンプ 8…遅延回路 9…ゲート回路 10…ローパスフィルタ 11…メインアンプ 12…AD変換器 13…コンピュータ 14…バンドパスフィルタ 15…ロックインアンプ 16…逓倍器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Pulse light source 2 ... Interferometer 3 ... Timer 4 ... Measurement sample 5 ... Microphone 6 ... PAS unit 7 ... Preamplifier 8 ... Delay circuit 9 ... Gate circuit 10 ... Low-pass filter 11 ... Main amplifier 12 ... AD converter 13 ... Computer 14 ... Band pass filter 15 ... Lock-in amplifier 16 ... Multiplier

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 測定試料にラピッドスキャン干渉計によ
って変調された光を照射することによって測定試料中で
発生した熱が拡散して周囲の気体に伝達され、それに基
づく気体の密度変化を検出して電気信号に変換し、その
信号をフーリエ変換することにより測定試料の深さ方向
の情報を取得する光音響分光法とフーリエ分光法を用い
た深さ分析法において、光源として所定周期で発光する
パルス光源を用い、検出信号をパルス光源発光より後の
一定の遅延時間においてサンプリングし、サンプリング
された信号の所定範囲の周波数成分を取り出し、フーリ
エ変換して、照射光波数に依存した測定試料の前記遅延
時間に対応した特定深さの熱分布情報を得ることを特徴
とする光音響分光法とフーリエ分光法を用いた深さ分析
法。
1. A method of irradiating a measurement sample with light modulated by a rapid scan interferometer, heat generated in the measurement sample is diffused and transmitted to surrounding gas, and a change in gas density based on the heat is detected. In a depth analysis method using photoacoustic spectroscopy and Fourier spectroscopy that convert the signal into an electrical signal and obtain the information in the depth direction of the measurement sample by Fourier transforming the signal, a pulse that emits light at a predetermined period as a light source using a light source, a detection signal is sampled at a constant time delay after the pulsed light source emitting retrieves frequency components in a predetermined range of the sampled signals, Fourier
D conversion, the delay of the measurement sample depending on the irradiation light wave number
A depth analysis method using photoacoustic spectroscopy and Fourier spectroscopy, which obtains heat distribution information at a specific depth corresponding to time .
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