JPS5934138A - レーザープローブによる熱波検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は標本中に発生された熱波を検出するための新規
かつ改良された方法に関する０特に標本中の熱波を検出
するため、反射されたレーザービームの角度的変位を監
視する非接触測定法を開示する。

最近、熱波顕微法を利用する分析法の開発に大きな関心
がをせられている。熱波顕微法ｌこＳいては標本の表面
上に周期的熱源が釆束される。この熱源は典型的な場合
、強度変調されたレーザービーム又は電子ビーム等の粒
子流のいずれ７ハにより与えられる。もしも標本が標本
妖面上又はその附近で入射エネギーを吸収すると、周期
的表面〃１熱が起こり、その結果、照射された部位（’
　５ｐｏｔ　）から伝播する熱Ｖを発生する。これらの
熱はビーム変調周波数と同一の周波数を有する。熱波の
波長はビームの周波数及び標本の熱的パラメータの両方
により次定される。

熱波顕微法（こおいては、標本表面下の熱的特徴により
散乱され又は反射される熱波を感九することにより、こ
れら熱的特徴が検出されると共に映像化される。熱波は
著しく（ｊＪ、長される結果、弱すぎて慣出し得なくな
る前に面々−ないし二波長分だけ進行する。そ４％４こ
も創らず標不同で発生さイ１゜た熱波を減却し７Ｊｈつ
測定し得るいろいろの方法が開発されている。

検出法の一つとして熱波により発生された音響波を減却
する方法がある。具体的にいうと、標本の加熱繊域円ζ
こ熱波が応力−歪振動を訪起するために音響波が発生す
るのである。これらの弾性波は真に回帰する波であって
、在米の超音波変換器によって検出器ｎｅである。熱音
響顕微法と呼ばれるこの方法は不出願人に対する１　９
８１′ｘＴＥ、（昭和５６年〕３月１７日付米国特許第
４．２５５，９７１号ζこ初めて開示されたと考えら４
％る。

音４Ｉ信号の測定を介して何う熱波の検出は特に副局波
畝ｌこおいて有効であるが、成る４■の入点がある。例
えばその方法は超音波変換器を標本に付着せしめること
を心安とする［接触式Ｊ）５法である。この接触を心安
とする方法は時ＩＩ５を及し、大量生産の場合には適当
で７．（いことがある。ざらに祈４信号は板モードの共
鳴のような他の弾性幼果により影・−を受けるおそれか
める。板モード共鳴の演出は二つの材料間の接置の品買
を評１曲する目的には非洛に好ましい（不出−人の１９
８２年（昭和５７年）５月２５日付米国特吐出顧第３８
１゜８９１号参照）。し／Ｊ）シ他の測矩を行う揚せに
はいろいろの弾性幼果及びｉｆ４幼米により熱波分書は
噛褪ｄｌこなる。

標本に何４接触することを安しない熱彼伏出の他の方法
が元行仮術において知ら２％てい６ｏ　？ｔｌんば標本
表面５こて局１方的周期的温度を監視することによって
、熱波映１ボを行なうことができる。周期的な温度変化
を測置する一つの方法はガスマイクロホン光背４Ｉ法う
！用いることである。この方法では空気及びｔ！７．感
なマイクロホンを内臓した密閉チャンバ内に標本が握力
）れる。標本表面からチャツバ内の空気に向けて起こる
周期的熱伝纒がチャツバ内に周期的圧力変化を発生する
。この周期的圧力変化はマイクロホンにより検出し得る
（１９８０年（昭４０５５年〕刊ロンドンの７ガデミソ
クプレス社発行の［走宜映１戚頭微法Ｊ中のワン著「走
宜光音＃顕微法（５ＰＡＩＶＩ　）　Ｊ参照）。

標本表面における周期的圧力変化合測雉するもう一つの
方法ｌこは、４本表面上の刀口熱部位ｌこ接触している
Ａ体又は成体の媒体を横断するレーザービームを監視す
る方法がある。レーザービームは、標本からその１４接
の媒体への周期的熱流があるために、周ＷＪ四′−回を
起こす（１９８０年（昭４日５５年）刊ロンドンのアカ
デミツクブレス仕発行のＦ盾畳吠隊−イよ；去Ｊ巾のン
ーニエ及びボッカラ共著「光熱映像法ｌこおける腫気楼
幼呆」参照）０振動性表面１品度を測定する用三の方法
は標本表聞上の力ロ熱部位からの周期的称外蕨放出を感
知する亦外線検出器を利用する（１９８０手（昭相５５
年）刊ロンドンのアカデミツクブレス祉発行「走亘吠１
象Ｍ＃法Ｊ中のルーカラ著「低変調局波欽ｌこおける光
音２＃顕微法ｊ参照〕。

標本の表面温度の周期的変化を測だする上記の方法は低
質ａｌＡＩＰｔｉＪ波畝、例入ば１０　’）ｃＨｚ　木
（ｆ４、にＢいては適当な感度を４入る。波動を使用す
るすべての映１域システムの例に見られる通り、熱波映
隊システムにおいて得られる４　５ｎｔ＝は吠泳技の彼
犬ｌｃｆ存する。それσ、ミクロン以下の鎖酸の分解乳
を得るためにはこれと同程度の波長・狽域を有した熱波
を使用することが心安である。ミクロン以下の１Ａ域の
熱波はメガヘルツ領域のビーム斌調周波赦を心安とする
。しかし上／ｃ指摘したようｔこ後者方法はメガヘルツ
ＦｆｉＪｍ畝にて作動するに足る十分な感度を待たず、
したがって標本内のミクロン以下の程度の％做の映像８
麻去してしまう。したがってこの所望の感度を与え−ｆ
１６演出システムを与えることが望ましい。

破近、レーザー干抄システムを用いて局所的六面編度の
ゆらぎを測定する則足法が開示された。

このシステムは、標本中Ｃと誘起された局ノッｆ的温度
損動が標本表面のｊ彫張及び収相による局所的な鉛直方
向の表面変位を起こすという事芙に基づいている。適切
に設計されたレーザー干渉計はムｏｋ１′１ｚより篩い
周葭１こて表面温贋ゆらぎを検出し得るｈ′シカがある
（１９８１年（−１１５６年）刊米国元学学会発行の光
廿響分光学研死果会技術要旨果の論文Ｔ）ＩＡ６−１で
あるアメリ他共著ｒ元変位映像法」参照〕ｏＬ／７Ｊ）
シ、その開示された光干渉計でさえミクロン程度の寸法
の特徴を映像化するに十分な感度を持たないと思われる
。さらに、干渉計システムの開発は、温度の倣動又は偵
械的振励により誘導されるノイズによって起こされる底
面反射率の変ｆｓのような付随的幼呆があるため、制限
を受けることがある。

したがって本発明の目的は標本中に発生さ４１．た熱波
を検出するための新規かつ収長さイｔた方法を与えるこ
とである。

本発明の別の目的はレーザーグローブ（探食手段）を４
０用して熱波を検出する７こめの新規かつ改良さイｔた
方法を与んることである。

本発明のさらに別の目的はミクロン以下の￥ｆ徴を映像
化するための、メガヘルツ周波１狽威にて作動し得る熱
波測定の新規θ）つ改良さ４また方法を与えることであ
る。

本光明のさらに別の目的は、標本と接触すべき超音波変
換器を装涜することのない、熱Ｖ測定の〃を規７Ｊ）つ
改良された方法を４入ることである０本発明のさらに別
の目的は熱音暫測定に内在するいｌ′Ｊ）なる弾性効果
及び晋４効果からも影響さイｌ。

ない熱波測定の新規かつ改良された方法を与えることで
ある。

これらの目的のみぼらず曲の多数の目的（こｌ臼って、
本発明１ま標本中に発生された熱ｅ、を検出するための
新規かつ改良された方法を与える。標本表面上の局所的
部位を周期的に加熱することによって、熱波が発生さイ
する。周期的加熱は強度変調されたレーザー又は−子ビ
ームのような任意の適当／、１″装置によって発生し得
る。レーザー寺のエネルギービームを標本次面上の）用
熱頂域の一部分一と果釆することによりそのビームを異
聞から反射させ、もって熱波を成田する。反射されたビ
ームの用度的変恒を監視する。ビームの変鼠は、熱波の
発生に起因する儂本底面における同店的用度変１し力１
ら起こる。したがつＣビームの茨ａを・一本甲の熱波の
医用ｔこ便用し得る。好ましい夷抛′列においてはスプ
リット式検出器又は象限恢出器のような光検出装置を利
用してビームの角度変位を測定する。

本発明の他の目的及び利点は姫付の図面ζこＩＪＡ連さ
れた下記の詳細な硯明から明らかとなろう。

第１図及び第２図を参照して本発明の方法をさらに具体
的ｌこ説明する。標本表面上に周期的熱源を集束するこ
とにより熱波を発生できる。周ｄ的〃口熱を発生させる
一つの方法は頻度便調さイ１７た′嵯磁放射線ビームを
使用して行なわイ１．る。典型的な場合、この放射線は
レーザーｌこより供帽されるが、非コヒーレントな光源
から発生することもてきる。

Ｘ？１Ｍ、ガンマ祿、赤外巌、猪外線％０Ｔ祝光線）フ
ィクロ波又はラジオ波の周波式のようないろいろの波長
が使用できる。熱波は又、−子、陽子、中性子、イオン
又は分子のビームのよう’Ａ　炊Ｋ　夏Ｆ＋ｉｌを受け
た粒子流と標本との相互作用ｌこ起因する熱的励起によ
り発生することも町＃目である。熱波発生のもう一つの
方法ζこは）標本に変調さ’４した１流を通過させて局
所化された周期的加熱を発生させる方法がある。本発明
の特許請求の範囲は上記の任意の加熱形態を含むものと
する。

標本四を、強度変調されたエネルギービームレフで照射
すると、熱波が発生される。熱波は次回及び表面下の熱
的特徴により故乱され、反射される。その結果これら特
徴やＳ可視となり”、映１域化される。熱波影像法の詳
ｍｌな舐論は本出願人の１９８２年（昭本日５７年）６
月１８日付米し！！Ｉ特許出願第３８．９．６２３号に
示した通りである。この出願は薄いフィルムの厚さ測定
及び標本中の不純切及び人１１１６の深度プロフィル定
量法等のいろいろな熱映像法を記載している。

上記映像法及びその他の映像法を速行するためには、標
本内熱技の４動を監視する適当な方法を開発しなければ
ならない。本方紙は標本中ζこ発生した熱波により局湧
的底面角度変位又は傾斜が起こるという事実に基づいて
いる。これらの角度亥位゛（まエネルギービームＶ１を
、標本ｖｌｊの表面上の〃０熱狽域の一部に厘ね合さる
よう（こ、集束すること（こまり、検出される。エネル
ギービームＧ？４１は好ましくＱまレーザーグローブ（
探萱手段）であるが、鏡面的反射、すなわちスネルの法
則にしたがって標本の前部表面の起こす反射、を示す任
意のビームでよい。

したがって非コヒーレントな光及び枚ナビームでさえも
１史用し得る。しかしレーザーグローブが好韮しい。そ
の理由はそのコリメートヲ受け１こビームは測定目的上
さらζこ正確であるからである０ビームは標本−〇）の
表面７ｆｉら反射した佼、・−出癖シ６）により監視さ
れる。〃口熱部位慎域における標本表面の角度変位のた
め、ビームの戊＠経路が振動する。さらに具体的ζこ述
べると＊４本表面の角度は入射ビーム（至）に対してゆ
らいでいるので、このビームは周期的な一同を受ける０
個回の滅１喘及び周Ｖ数は標本中に発生された熱波の振
幅及び周波式に対応する。

レーザープローブの偏向を感知するに適当な櫨々の検出
器が先行技術内で人手可能である。好ましい芙適例にお
いては、スプリット式検出器が利用される。スプリット
式検出器は、数ミクロンの厚さのデバイダ−（分割器）
ｌこより分離された、かつ隣り合せに配置された二つの
感知菓子を・汀する光検出器７１）ら成る。谷感知素子
はそのセクタ（５ｅｃｔｏｒ　）に到来する元の強度ζ
こ示づく゛電気信号を発生する。二つの感昶素子の出力
を比較することにより、ビームの偏向による変化が決定
できる。

スプリット式検出器を使用することの利点は例んば標本
の反＃′１率の変化のような任意の外因的パラメータが
演出器の両方に等しく彰響す／）。したがって両感知累
子の出力を比較するとビーム偏向の効果以外の任意の局
のパラメータが威云さｎる。

この形式の・区出器は又、ビーム自材のいかなるノイズ
効果も相殺するという利点がある。

人手可能のもう一つの適当なる検出器はいわゆる「＃限
」伏出器である。尿ＰＪｉ横比器は四象限に配置された
複数の感知素子を含む。例んば円形検出器は四つのパイ
（ｐｉｅ）形累子ｌこ分子ｔＩＩシ得る。

原板検出器はビームの偏向角に関してさらｔこ詳、洲な
情報を与えることが出来る〇 上述したようｌこビームは類本＠面上のカｎ：４饋域の
一部分ｌこ果束される。もしもグロー１′の当たる部位
の寸法が加燕饋域全体と一致ずれは、角度変化の効果が
相殺さイｔて不正確な画一を生ずる。

第２図を参照すると標本表間の８度変化８監祝する最適
な配置が例示されている。さらに具体的ｔこ述べるとグ
ローブ部位い唱ま刀口熱・直載（、匈の中心−〇の一方
側にすべて閂装置されている。グローブ゛を力ロ熱゛匝
域Ｃ（４１の一方側半分鎖酸のみに１ｔｉｌＪ　＋奴す
ることによって、加熱領域の他方側の示す相ｔＩｌｉ　
ｒＦＪかつ相殺的変位が除去さｉする。

４通配置の場合、プロ−７一部立、列が力ロ熱屓域ｃ４
の境界内に入るように制限することも好７しい一方法で
ある。この自己−では笠グローグビームが標本表面の角
度的変位により影響される。加熱領域を越んて延びるブ
ロー１部位間はすべて何等偏向を示さない。したがって
偏向を示すグローブ領域を最大限にすることにより、監
視器により感知された信号が成人にされ、感度が壇犬す
る。

刀ｎ、４Ｉ！ｌｉｔ域の寸法ｔなわち「加熱直径Ｊ　Ｄ
’ｘ決冗するためには熱波の熱拡散長及び変調されたエ
ネルギービームｅ４の当たる部位の寸法のようないろい
ろの因子を考慮しなければならｌ了い。「加熱直径」は
仄弐により廻義される。

ここで都立半径ｒＯは変調されたエネルギービーム半径
として廻桃される。

上記の公式が示すところによイｔば、〃（＋熱部位の大
きさを示す直径が熱拡散長の２倍より著しく大きい極限
的場合ｌこは加熱直径りは加熱部位置径ｔこ非常ｌこ近
くなる。この場合ｌこはグローブ部１１１．ｎ）はｈ１
熱部位寸法の１／２１ｃＡ節さｎ　６ｏし、）＞（、加
熱部位寸法ｒＯが非ポｌこ小さい場合は、加熱直径りの
大きさは一層熱拡改戯こ籏く依存する関数とな／）。

熱波はあらゆる方向Ｉこ伝補するので、ガＩ４熱直径り
は熱拡散長の大きさの２倍に弄しい。ぞれ改、後者ｍ限
の場合はプローブ部位い０）合−熱拡散長の大きさに調
節し得る。もちろん多くの試行状況は両極限の間に入る
。したがってグローブ部位寸法は上記公式によって確定
される７ソロ熱匹径υのＶ２に寺しくなるように、、Ｉ
ｌｔ　ｆｉ６される。退択したビーム変調周波数が非常
に尚く熱仏に９．艮がグロープリ元学的波長よりも小さ
い場合は卵熱部１Ｍ、直径を元学的彼長より大きくして
検出を可目巳７よらしめることが必要である。

本煉出法は−れた感度（１−刹°シ、メガヘルツｐｌｔ
或の周波数にて作動しＣいるとさでも工０−３オングス
トローム未満の部位を枳出し得る。本恢田システムは篩
部波畝（ごて販感カ）つ１乍動ｕＩ舵−Ｃのることに加
えて、標本と干渉しない非接１’ｌ！！法であるという
利点をＭする。さらに１ＩＩ１１足さイ”した信号は熱
波分析を捜維化するい１Ｊｓｆｉる弾性的及び晋暫的効
釆がらも影響されない。後者の精米が達成されるのは、
音＃１言号が熱波によって発生されるにも％Ｊらす、音
響信号が局所的熱変位よりも著しく小さく、かつ干渉性
ある信号８発生しないからである。

安約すると、標本内の熱波を測ボする〃［７尻かつ改良
さイｔた方法が与えられる。標本式面上の一部位におけ
る周期的ｔ−ｆ局所卵熱によって熱波が発生され／）。

本号ｉ去は、凛本茨面上のＪＪＩＪ熱狽域の鎖酸分にレ
ーザーグローブを、そのグローブビームが狭面から反射
さ４％るように、果釆することを＠む〇熱波（こ殉因す
る標本表面状態の月に変化が反射ビームの角度髪位７ｊ
：起こす。反射ビームの変位を監視することｔこより熱
波が検出さイする。

本発明’ａｄｄましい犬画例について述へたが、前記特
。′Ｆ請求の犯囲に確建される本発明の本旨及び範囲を
変えることなく、当来者によりいろいろの他の変更及び
改変を行ない得ることをｒ屏さイｔたＧ’ｉ　。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明ｌこよる熱波侠出法を逐行するための一
つの配置列を示す簡略図、 第２図は標本表面上の加熱直載とレーザーグローブの部
位甘酸との間の関係を示す闇路図Ｃある。 頷・・・・・・・・・・・・標本 ２２、２４・・・・・・エネルギービーム２６°°°°
°°”°゛°検出器 ３ｏ・・・・・曲・・・　グローブ部位３４・・・・・
・・・曲／Ｊｌｌ熱領域Ｐ工［Ｅｒ−−１− １ヨエ［Ｔ　−２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１標不円の熱波を横比する方法であって、該熱波が
   該標本の辰面上の一部泣の周期的かつ局所的加熱により
   発生され、賊方法が 該ｇ４不表面上の襄がｌ熱禎域の一部分ｌこエネルギー
   ビームを、該ビームが咳六面から反射されるように、集
   束する段と、 該反射されたビームの角厩的変侃を監視する段にして該
   変位が、熱波に帰因す６葭襟不の表面＄悪の局所的用度
   変化θ）ら生することｌこより、該反射ビームの変・泣
   を訳熱阪慎出に使用し得るようにする段と、 を含む熱波恢出沃。 （２１時計請求の範囲第（１１項に記載の方法に２いて
   、該エネルギービームを該標本表面加熱領域の半分の上
   に集束させる方法。 （３１特許請求の範囲第（１１項１ｃ記載の方法におい
   て、該標本表面から反射される該エネルギービームが電
   磁放射線である方法。 （４）特許請求の範囲第（３］項１ｃ記載の方法ｆこお
   いて、該電磁放射線が元である方法。 （５）　　特許請求の範囲第（４）項に記載の方法にお
   いて、威光がレーザーρλら発生され力１つコヒーレン
   ト１である方法。 （６）特許請求の範囲第ｔ１１項に記載の方法において
   、該標不表面力きら反射されるエネルギービームが粒子
   流である方法。 （７）　　特許請求の範囲第（６）項に記載の方法にお
   いて、該ビーム中の粒子が螺子である方法。 （８１特許５ｉ）Ｒの隼０囲第（１）項ｌこＵ己域の方
   法Ｉこおいて、該反射ビームの該角度変位をスゲリット
   型検出器を利用して藍視する方法。 （９）　　特許請求の範囲第（１］項に記載の方法にお
   いて、該反射ビームの該角度変位を象限検出器により監
   視する方法。