JP2000517414A

JP2000517414A - 短パルス励起を使用する三次元超音波顕微鏡検査の方法と装置およびこれに用いられる三次元超音波顕微鏡

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Publication number: JP2000517414A
Application number: JP09538063A
Authority: JP
Inventors: マシューオードンル; ジェームズディーハミルトン
Original assignee: ユニヴァーシティーオヴミシガン
Priority date: 1996-04-19
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 2000-12-26
Also published as: US5615675A; AU2586597A; EP0904013A1; WO1997039684A1; CA2251336A1; AU713650B2

Abstract

(57)【要約】短パルスレーザ励起を使用し、検査中の試料または対象物（１２）を備えた三次元超音波顕微鏡検査の方法およびシステムが、光学的な吸収および反射材料を含む返還器（１４）に光学音響的に連結される。光学的検出が、音響光学走査デバイス（２３）によって、検査している対象物に連結されている光−音響返還器（１４）の吸収層を横切って走査される集束励起ビーム（１９）を利用し、生体組織でもよい対象物内に球面超音波を生じさせる。反射した球面超音波は、非集束探査ビームと光学的検出アレイとを使用して、または、集束探査ビーム（２１）と光−音響返還器の反射面からの探査ビームを受信する単一光検出器（２０）とを使用して、検出される。

Description

【発明の詳細な説明】短パルス励起を使用する三次元超音波顕微鏡検査の方法と装置およびこれに用いられる三次元超音波顕微鏡背景技術本発明は、物体および材料の非破壊評価に関連し、より詳しくは、短パルス励起を使用する三次元超音波顕微鏡検査の方法およびシステム、そして、これに用いられる三次元超音波顕微鏡に関する。技術の背景臨床病理学の実務は、身体から得られた生検材料の顕微鏡分析が中心となっている。組織の生検材料は基本的には三次元的であるが、大部分の生物試料は不透明であるため、光学顕微鏡による二次元的な分析のため、これらを切片にしなければならない。このため、生検材料ごとに、多数の二次元試料を、準備しなければならない。標本プレパラートは、断片標本毎に大変費用がかかる。さらに、三次元試料全体の性質を正確に特徴付けるために、多くの切片標本を準備しなければならない。超音波顕微鏡は、１９７０年代初期までに、十分に確立された技術である。最も評価されているシステムは、スタンフォード大学の応用物理学部で、カルビンケイト(Calvin Quate)によって作られたシステムである。ケイト氏が発明者である米国特許第４、００６、４４４号明細書、第４、０２８、９３３号明細書、第４、２６７、７３２号明細書、第４、４３０、８９７号明細書、および、第５、３１９、９７７号明細書は、種々の超音波顕微鏡を開示している。この顕微鏡およびこれに類似する顕微鏡の幾つかの小さな市販品が、この１０年にわたって製造されている。これらの顕微鏡の全ては、本質的に二次元であり、画像は、機械的な走査形態を通して共通して得られる。音波の短パルスのレーザ励起もまた、１００MHz未満の超音波振動用に、十分に確立された技術である。フォングットフェルド等(Von Gutfeld et al)の米国特許第４、５１２、１９７号明細書に説明されているように、これに関する研究の大部分は、ＩＢＭで行われた。タウク(Tauc)とマリス(Mris)が率いるブラウン大学物理学部のグループによる最近に研究は、１GHzより大きな周波数で超音波パルスを発生させるように、レーザ励起を拡張することができることを示している。フォート等(Fort et al)の米国特許第5、２６９、３０９号明細書および第５、４６５、７２２号明細書に開示されているように、合成アパーチャ技術は、超音波およびＲＡＤＡＲシステムにおいて、一般的である。例えば、２０年にわたってＥＲＩＭが先駆者であった、合成アパーチャレーダ(Synthetic Aperture Ra der:SAR)は、現在、多くの形式の監視で、日常的に使用されている。しかしながら、レーザ発信高周波超音波に関する現在までの全ての研究は、弱く集束した光源を使用し、この結果、空間的に拡張された励起を引き起こす（すなわち、多くの超音波波長にアパーチャである）このような励起は、発生した超音波パルスの略平面の波伝搬を作りだす。発明の概要本発明の目的は、三次元超音波顕微鏡画像を生成するために、超音波顕微鏡検査と超音波パルスの光学励起と合成アパーチャ再構成(synthetic aperturerecon struction)との原理を使用して、対象物を内部的に検査する方法およびシステムを提供する。これらの技術は、人体の病理学および超音波非破壊試験に応用できる。本発明のもう一つの目的は、生きている組織を、現行の二次元的な方法と同じ診断上の正確さで、三次元的に検査する、短パルス励起を使用する三次元超音波顕微鏡検査の方法およびシステムを提供することである。本発明のさらにもう一つの目的は、従来の生検針の先端のような光学針プローブの中に集積でき、その位置で、内器官をリアルタイムで画像化できる、三次元超音波顕微鏡を提供することである。本発明のさらにもう一つの目的は、高い周波数の超音波を用いて光学的に不透明な小さな組織標本を三次元画像にする、短パルス励起を使用する三次元超音波顕微鏡検査の方法およびシステムを提供することである。本発明のさらにもう一つの目的は、光学顕微鏡の高解像度にほぼ等しい解像度で、小さな組織標本を動的に焦点を合わされた三次元画像を生成するために、短パルス励起と合成アパーチャ再構成とを使用する三次元超音波顕微鏡検査の方法およびシステムを提供することである。本発明のさらにもう一つの目的は、広い被写界深度にわたって、ぼぼ理想的な解像度を備えた真の三次元超音波顕微鏡画像を得るために、簡単かつ効果的な方法で短パルス励起を使用する三次元超音波顕微鏡検査の方法およびシステムを提供することである。本発明の上記および他の目的を達成するために、対象物（物体）の内部を検査する方法が提供される。この方法は、光学的反射面と、電磁エネルギのバーストを対象物に対する熱パルスに変換し、熱パルスが音波として対象物内に伝搬して対象物内で内部的に反射するようにできる吸収層とを有する光−音響変換器を、位置決めする工程を含む。この方法は、また、対象物内の音波を得るために、吸収層の表面上で電磁エネルギの複数のバーストを走査し、対象物内で反射した音波を光−音響変換器の光学的反射面の複数の位置で検出し、出力信号を生成し、この出力信号から対象物の三次元表現を算出する工程を含む。この方法は、最後に、三次元表現を画像として表示する工程を含む。本発明の上記および他の目的を達成するために、対象物（物体）の内部を検査する方法が提供される。この対象物は、電磁エネルギのバーストを、対象物内に音波として伝搬し対象物内で内部的に反射する熱パルスに、変換することができる。この方法は、対象物の表面上で電磁エネルギの複数のバーストを走査して対象物内に音波を生じさせ、対象物内で反射した音波を対象物の表面上の複数位置で検出して出力信号を生成し、この出力信号から対象物の三次元表現を算出する工程を含む。この方法は、最後に、三次元表現を画像として表示する工程を含む。本発明の上記および他の目的を達成するために、上記方法の工程を実施するシステムが提供される。本発明の上記および他の目的を達成するために、三次元超音波顕微鏡が提供され、この三次元超音波顕微鏡は、対象物の内部を検査する三次元超音波顕微鏡検査（マイクロスコピ）用のシステムで使用される。この顕微鏡は、対象物に連結された光−音響変換器を含んでいる。変換器は、光学的反射面と、電磁エネルギのバーストを対象物内に音波として伝搬し且つ対象物内で内部的に反射される熱パルスに変換する吸収層とを有している。この顕微鏡は、また、吸収層の表面上で電磁エネルギの複数のバーストを走査して対象物内に音波を生じさせるための第１の音響光学デバイスを含んでいる。また、光−音響変換器の反射面の複数位置で、プローブ（探査）ビームを走査するための第２の音響光学デバイスが設けられている。ハウジングが、光−音響変換器と、第１および第２の音響光学走査デバイスを収容し、光学的針プローブを構成している。本発明の上記および他の目的を達成するために、対象物の内部を検査する三次元超音波顕微鏡検査（マイクロスコピ）用のシステムで使用されるように構成された三次元超音波顕微鏡が提供される。この目的は、電磁エネルギのバーストを熱パルスに変化し、熱パルスが音波として対象物に伝搬しかつ対象物内で内部的に反射することができる。この顕微鏡は、対象物の表面上で電磁エネルギの複数のバーストを走査して対象物内に音波を生じさせる第１の音響光学走査デバイスと、対象物の表面の複数位置でプローブ（探査）ビームを走査する第２の音響光学走査デバイスとを含んでいる。この顕微鏡は、また、第１および第２の音響光学走査デバイスを収容して光学的針プローブを構成するハウジングを含んでいる。本発明の上記および他の目的、特徴および利点は、添付図面、および、以下の発明を実施するための最良の形態の詳細な説明から容易に明らかになる。図面の簡単な説明図１は、光学的検出を伴う三次元光学的励起超音波顕微鏡の概略図である。図２ａは、非集束探査（プローブ）ビーム源とコヒーレント光検出器を用いて光検出がされている、図１と同様の図面である。図２ｂは、本発明の方法およびシステムに使用するための単一光ファイバを備えた光−音響検出器の概略図である。図３は、音響検出を伴う、三次元光学励起超音波顕微鏡の斜視図である。図４は、三次元光学励起超音波顕微鏡のブロック図である。発明を実施する最良の形態先行技術とは異なり、本発明の方法およびシステムは、励起アパーチャが超音波波長と同程度であるように、高度に集束された短い光パルスを使用する三次元超音波顕微鏡を提供する。もし、波長にと同程度のアパーチャに制限されたなら、励起は、球面波を、検査されているの試料中に送り出すことになる。この原理を活用する三次元顕微鏡システムの一つの可能な実施の形態が、図１に、参照番号１０で概略的に示されている。検査されている試料すなわち対象物は、光学−音響学的に、全体を参照番号１４で示される変換器（トランスデューサ）に連結され、この変換器は、光学的に吸収および反射する材料を含んでいる。病理学試料の場合には、対象物１２は、変換器１４からの組織試料への超音波の連結を補償する変換器１４と密接に接触している内器官である。変換器１４は、光学的励起波長で半透過性の材料層１６を含み、この層は、作動の一次超音波周波数で、超音波の波長λの４分の１に等しい厚さを有しているのが好ましい。薄い金属フイルムすなわち吸収層１８（例えば、アルミニウム）が、半透過性層１６の表面上に堆積させられている。この薄いフイルム１８は、光学的吸収体であり、光源１９からのレーザパルスを、熱パルスに変換し、次いで、この熱パルスは、検査中の対象物１２に音波として伝搬する。半透過性層すなわち基層１６は、吸収体−対象物境界面が、一次作動周波数λ で、機械的にクランプされるように、厚さλ／４に選択されるのが典型的である。吸収層１８は、基層１６のどちらの表面にあってもよく、吸収層１８が、もし基層１６の外側面に配置されたなら、部分的光学反射器として作用する。各レーザ励起パルスは、(λ)²と同程度である領域内で、熱波を発生させるように、吸収層１８上に高度に集束され、光パルスの継続時間は、作動の一次超音波周波数λでの超音波発生を最大にするように、選択される。発生した超音波パルスは、球面波として、伝搬し、組織と相互作用する。反射された超音波は、基質−空気境界面の自由表面まで伝搬して戻る。この境界面は、光−音響変換器で光学的反射器として作用する。被変調面が、励起ビームの波長とは異なった波長で作動する、光源２１が発生させた集束連続波レーザビームによって、探査すなわち走査される。集束光学系によって制御される受信ビームのスポットサイズの直径は、約λ／２であり、ここでλは超音波の波長である。ビームは、基層−空気境界面で、反射または散乱させられ、集光光学系によって集められる。表面変位(surface displacement)は、反射されたビームから、ファブリ−ペローエタロンおよび強度検出器を備えている光学的フイルターリングによって測定される。光源１９が発生させた励起ビームは、ブラッグセル（音響光学変換素子）２３のような第１の音響光学走査装置によって、変換器１４上を、音響光学的に走査されるのが好ましい。同じように、光源２１が発生させた探査（プローブ）ビームは、モータ制御ミラーによって機械的に、または、ブラッブセル２５のような第２の音響光学走査装置によって光学的に、交換器１４上を走査される。各々の走査位置で、生成レーザパルスは、検査中の対象物１２の中に、超音波放射を伝搬させる。散乱または反射した音は、探査ビームによって検出され、この手順が、他の位置に対して繰り返される。もし、光検出器２０のような単一の光学的検出器が検出に用いられるなら、探査ビームは、励起ビームとは別に、変換器１４の表面上で走査されなければならないことは明らかである。変形例として、受信ビームは、図２ａに示されるように（コヒーレント）光学検出器アレイ２０’による検出を伴い、非集束探査ビーム光源２１’によって発生させられたときには、集束されないこともある。図２ａのシステムは、全体を参照番号１０’で示されている。各素子が励起領域のサイズと同程度である変換器１４のサイズに対応すること（すなわち、一つの光学検出器が、変換器１４の表面で、同等の音響素子に対応すること）を確実にするために、変換器１４と検出アレイ２０’との間に、光学的な倍率が必要とされることがある。好ましい光学的検出素子は、上述した米国特許出願に開示され、かつまた、図２ｂを参照して議論される。図２ｂに全体を１１０で示されている光−音響検出器は、一般に、高周波超音波アレイイメージングに便利である。光−音響検出器１１０は、検出器に入射する超音波圧力波に関連する光学的振動数を発生させるファイバーレーザを含んでいる。ファイバーレーザの光学キャビティは、光路長および相の変化が誘導されて、光学的振動数を変調するように、入射音響圧によって変調される。光学キャビティは、光路と直交しているその横断面積が、λ²より小さいか又はこれと同程度であるように配置され、ここで、λは入射超音波の波長である。レーザキャビティは、全体が参照番号１１１で示され、且つ、第１および第２の反射器１１２、１１４にそれぞれ境界を接する光ファイバを有している。反射器１１２、１１４は、レーザキャビティによって、単一縦モードが支持されるように、配置されている。検出器１１０は、音響変調が無いときに単一縦モードへのレイジングを制限するために、光ファイバ１１１の中に直接配置できる集積狭帯域反射器１１２を含んでいる。第２の反射器１１４は、超音波放射または超音波１１７を支持する媒質１１６に音響的に連結されている。反射器１１２および／または反射器１１４は、レーザ出力の準位幅を制限する周波数応答を有しており、これによって、単一モード作動を可能にする。光−音響検出器は、また、入射ポンプをレーザパワーに変換する利得材料をドープした光ファイバ１１１の一区間または一部分である活性媒体(active medium )１１３を含んでいる。励起ビームパワーは、外部の励起ビーム源１１９から光ファイバ１２１を経て、光ファイバマルチプレクサ１２２によって検出器のレーザキャビティに連結され、レーザキャビティの中に送られる。ポンピングパワーは、外部の探査励起源１１８から、光ファイバ１２０を経てレーザキャビティに送られ、光ファイバマルチフレクサ１２２によって検出器のレーザキャビティに接続される。信号パワーは、マルチプレクサ１２２又はもう一つの出力接続デバイスを介して検出器１１０から取り出され、もう一つの光ファイバ１２８を介して信号処理ユニット１２６に伝えられる。信号処理ユニット１２６は、検出器１０に入射した受信音響圧力に対応する出力信号を発生させる。超音波検出器１１０の強化は、音響信号強化の特徴である。この特徴は、上述した広域反射器１１４を含んでいるより大きな表面変位を可能にする。増大した変位が、より大きなファイバレーザキャビティの光路長のより大きな変動を可能にし、これによって、上記出願で詳細に述べているように、検出器１０の感度を高くする。本発明のさらなる拡張は、検査中の試料に直接接触する高密度高周波数アレイの光ファイバ超音波検出器１１０の使用である。このタイプのアレイでは、同等な超音波素子サイズが、光学的検出器１１０の検知領域によって、決定される。光ファイバデバイスでは、検知領域は、本質的に、ファイバコアの横断面積であり、典型的には、５００MHzより大きな超音波作動周波数でさえ、λ²と同程度又はそれ未満である。小さくなった素子サイズにより、光学的検出器１１０を密接して配置でき、高周波数いイメージング用の高密度アレイが可能になる。加えて、高密度ファイバアレイが、光学的励起パルスを送り、音響伝送アレイを製造する。励起パルスの波長は、ファイバキャビティのレイジング波長と異なるように選択される。ミラーは、この波長の励起パルスを吸収するか、または、この波長に透過性を有し且つ適当な吸収体まで励起パルスを通過させる。図２ａを参照すると、集束パルスが非集束探査ビームで探査すなわち走査される同じ面を正確に走査して、基本的な記録が繰り返されている。光学検出器アレイにＮ個の素子があったとしたら、二次元アパーチャにわたって、Ｎ²回の記録があることを意味している。一般に、ファイアリング位置の数は、任意である。ブラッグセル２３、２５のような音響光学デバイスは、簡略化のために、図２ａでは省略してある。図２ａのシステムの僅かな変形が、図３に示され、このシステムは音響検出を利用している。音響パルスの光学的検出は、本質的に、感度が悪い。完全な光学的検出は、高感度が必要とされる用途に高周波顕微鏡イメージングを適用するのに十分なＳＮ比を有していることは予測されているが、直接的な圧電検出が使用される。高度に集束された単一素子の従来型の超音波顕微鏡変換器２２が、図３のシステムでは、反射した超音波を検出するために使用されている。変換器２２は、光音響変換器１４の表面に集束され、ここで、フォーカルスポットは、(λ² )と同程度の領域に限定される（すなわち、超音波レンズに関して約１のｆ数である。）変換器２２は、光−音響変換器１４の面に平行な面内で走査され、図１の走査光学探査ビームシステムと同じ信号を記録する。図１、図２ａ、図２ｂおよび図３に関連して説明した光学的励起を使用する三次元超音波顕微鏡システムの概略図が、図４に示されている。光学的検出器２０または超音波変換器２２のからの（顕微鏡用途に応じた１００−１０００MHz）無線周波数波形出力が、波形レコーダすなわちディジタイザ２４を使用して、ディジタル化される。光音響変換器１４の全面が走査されるまで、各ファイアリング毎のレコーダ２４の出力は、メモリ２６に記憶される。次いで、これらのデータは、ブロック２８で示されているように、適当にプログラムされたコンピュータ内の三次元合成アパーチャ形成等式(3-D Synthetic aperture beam forming e quations)を使用して再構成され、送信および受信の両方で、完全な球面焦点を可能にする。このような再構成は、現在、一次元アレイを使用する低周波超音波イメージングで使用されている。これらの標準的な方法は、二次元アレイに容易に拡張することができ、完全な三次元再構成になる。次いで、再構成ハードウエアの出力は、医療のイメージングで現在採用されている従来の三次元表示システム３０を使用して表示される。全てのデータの取得、再構成および表示システムは、主走査制御装置（マスタースキャンコントローラ）３２によって、同期させられる。図１ないし図３に示されたシステムは、概念的に簡単である。それにもかかわらず、これらは、大きな被写界深度にわたって高解像度を維持して、三次元画像を正確に生成する。そのようなシステムは、今日行われている臨床病理学に劇的な衝撃を与え、もし、これらのシステムが、現在日常的に使用されている高性能光学系と同等の詳細な情報を提供し、且つ、その場所でリアルタイムのイメージングをできる従来型の生検針の先端に組み込めるのであれば、特に、劇的な衝撃を与える。第１および第２の音響デバイス即ちブラッグセル２３、２５は、光音響変換器１４とともに、図１に点線で示されるハウジング２７に設置されたとき、三次元超音波顕微鏡を構成する。ソース１９、２１から光検出器２０までの線は、単一光ファイバを備え、図ｂに示されるのとほと同じ構成を備え、ここで単一光ファイバ１１１は複数の目的に果たす。医療用に加えて、材料の被破壊評価(NDE:Non-Destructive Evalutation)でこの技術のいくつかの使用法がある。このような使用法において、光音響変換器に対する必要性は無いかもしれない。開示された顕微鏡は、全てのＮＤＥ用途で、機械的に走査されるシステムに入れ替わることができる。さらに、柔軟なプラスチックのＮＤＥのような、針を挿入できる用途では、このシステムの電子走査能力が、従来の機械的な走査より非常に優れている。本発明を実施する最良の形態を詳細に説明したが、本発明が関連する技術分野の当業者は、後述の請求の範囲によって定められた本発明を実施するための数多くの他の設計および実施の形態を認識するであろう。

【手続補正書】【提出日】平成１０年１０月２０日（１９９８．１０．２０）【補正内容】請求の範囲１．対象物を内部的に検査する方法であって、前記対象物内に音波を生じさせるために電磁エネルギの複数のバーストを走査する工程と、出力信号を生成するために前記対象物内で反射された音波を検出する工程と、前記出力信号に基づいて前記対象物の三次元表現を算出する工程と、前記三次元表現を画像として表示する工程と、を備えている検査方法。２．反射面と、電磁エネルギのバーストを熱パルスに変換して該熱パルスを音波として前記対象物内に伝搬させかつ該対象物内で内部的に反射させることができる吸収層とを有する光−音響変換器を前記対象物に対して位置決めする工程をさらに備え、電磁エネルギの複数のバーストが、前記対象物内で音波を得るために、前記吸収層の表面上で走査され、前記対象物内で反射された音波は、前記光−音響変換器の反射面の複数位置で検出され出力信号を生じさせる、請求の範囲第１項に記載の検査方法。３．対象物を内部的に検査するシステムであって、前記対象物内に音波を生じさせるために電磁エネルギの複数のバーストを走査する励起ビーム走査器と、出力信号を生成するために前記対象物内で反射した音波を検出する検出器と、前記対象物の三次元表現を、前記出力信号から算出する計算器と、前記三次元表現を、画像として表示する表示装置と、を備えている検査システム。４．前記計算器が、前記三次元表現を三次元合成アパーチャビーム形成等式に基づいて算出することができるようにプログラムされたコンピュータを含んでいる、請求の範囲第３項に記載の検査システム。５．前記対象物に対して連結されるように構成され、反射面と、電磁エネルギのバーストを熱パルスに変換して該熱パルスを音波として前記対象物内に伝搬させかつ該対象物内で内部的に反射させることかできる吸収層とを有する光−音響変換器を備え前記励起ビーム走査器が、前記対象物内で音波を得るために、電磁エネルギの複数のバーストを前記吸収層の表面上で走査し、前記検出器が前記対象物内で反射した音波を前記光−音響変換器の反射面の複数位置で検出して出力信号を生じさせる、請求の範囲第３項に記載の検査システム。６．前記計算器が、三次元合成アパーチャビーム形成等式に基づいて、前記三次元表現を算出することができるプログラムされたコンピュータを含んでいる、請求の範囲第５項に記載の検査システム。７．前記検出器が、前記電磁エネルギのバーストの波長とは異なった波長で作動する集束連続波レーザビームで、前記光−音響変換器の反射面を走査する探査ビーム走査器を含んでいる、請求の範囲第５項に記載の検査システム。８．前記反射面が、前記光−音響変換器の吸収層の一面である、請求の範囲第５項に記載の検査システム。９．前記走査器の少なくとも１つが、電子的に駆動される光音響デバイスである、請求の範囲第７項に記載の検査システム。 10．前記光−音響変換器が吸収層と反射層を含み、前記探査ビーム走査器と前記励起ビーム走査器とがハウジングに収容され光学的針プローブを形成している、請求の範囲第７項に記載の検査システム。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ

Claims

【特許請求の範囲】１．対象物の内部を検査する方法であって、光学的反射面と、電磁エネルギのバーストを前記対象物に対する熱パルスに変換し該熱パルスが音波として対象物内に伝搬し且つ対象物内で内部的に反射するようにできる吸収層とを有する光−音響変換器を、位置決めする工程と、前記対象物内の音波を得るために、前記吸収層の表面上で電磁エネルギの複数のバーストを走査する工程と、前記対象物内で反射した音波を、前記光−音響変換器の前記光学的反射面の複数の位置で検出して出力信号を生成する工程と、前記出力信号から前記対象物の三次元表現を算出する工程と、前記三次元表現を画像として表示する工程とを含む、検査方法。２．前記電磁エネルギがレーザ光のパルスである、請求の範囲第１項に記載の検査方法。３．前記音波が、一次波長λを有し、前記音波が球面波になるようにλ²に略等しい前記吸収層の領域で各熱パルスを発生させるように、前記レーザ光のパルスを集束させる工程を、更に、含む、請求の範囲第２項に記載の検査方法。４．前記電磁エネルギのバーストが、レーザ光のパルスであり、前記吸収層が光−音響変換器の材料層である、請求の範囲第１項に記載の検査方法。５．前記光−音響変換器の吸収層が、薄い金属フイルムである、請求の範囲４に記載の検査方法。６．前記光−音響変換器が、厚さ約λ／４の光学的に半透明な基層を含み、前記金属フイルムが、前記基層上の表面層として形成されている、請求の範囲第５項に記載の検査方法。７．前記検出工程が、前記光−音響変換器の反射面を、前記電磁エネルギのバーストの波長とは異なった波長で作動する集束連続波レーザビームで、走査する工程を含んでいる、請求の範囲第１項に記載の検査方法。８．前記反射面が、前記光−音響変換器の吸収層の表面である、請求の範囲第７項に記載の検査方法。９．前記音波が、一次波長λを有しており、前記検出工程が、光−音響変換器の反射面上の複数の走査位置で、λより小さな直径のスポットサイズを有する探査ビームを走査する工程を含んでいる、請求の範囲第１項に記載の検査方法。１０．前記検出工程が、光−音響検出器のアレイで達成される、請求の範囲第１項に記載の検査方法。１１．前記音波が、一次波長λを有しており、前記検出工程が、対象物の表面で約λ²に等しい面積を有する音響スポットを集束させる超音波顕微鏡変換器で達成され、前記顕微鏡変換器が、前記対象物の表面と略平行な面内で走査するために利用される、請求の範囲第１項に記載の検査方法。１２．前記算出工程が、三次元合成アパーチャビーム形成等式に基づく、請求の範囲第１項に記載の検査方法。１３．対象物の内部を検査する方法であって、該対象物が、電磁エネルギのバーストを該対象物内で音波として伝搬する熱パルスに変換することできる検査方法であって、前記対象物の表面を電磁エネルギの複数のバーストで走査して、前記対象物内に音波を生じさせる工程と、前記対象物内で反射した音波を、前記対象物の表面上の複数位置で検出して出力信号を生成する工程と、前記出力信号から対象物の三次元表現を算出する工程と、前記三次元表現を画像として表示する工程を含む、検査方法。１４．前記電磁エネルギのバーストが、レーザ光のパルスである、請求の範囲第１３項に記載の検査方法。１５．前記音波が、一次波長λを有し、前記音波が球面波になるようにλ²に略等しい前記対象物の領域で各熱パルスを発生させるように、前記レーザ光のパルスを集束させる工程を、更に、含む、請求の範囲第１４項に記載の検査方法。１６．前記検出工程が、前記対象物の表面を、前記電磁エネルギのバーストの波長とは異なった波長で作動する集束連続波レーザビームで、走査する工程を含んでいる、請求の範囲第１３項に記載の検査方法。１７．前記音波が、一次波長λを有しており、前記検出工程が、前記対象物の表面上の複数の走査位置で、λより小さな直径のスポットサイズを有する探査ビームを走査する工程を含んでいる、請求の範囲第１３項に記載の検査方法。１８．前記検出工程が、光−音響検出器のアレイで達成される、請求の範囲第１７項に記載の検査方法。１９．前記音波が、一次波長λを有しており、前記検出工程が、対象物の表面で約λ²に等しい面積を有する音響スポットを集束させる超音波顕微鏡変換器で達成され、前記顕微鏡変換器が、前記対象物の表面と略平行な面内で走査するために利用される、請求の範囲第１７項に記載の検査方法。２０．前記算出工程が、三次元合成アパーチャビーム形成等式に基づく、請求の範囲第１７項に記載の検査方法。２１．対象物の内部を検査するシステムであって、対象物に音響的に連結されるように構成され、かつ、光学的反射面と、電磁エネルギのバーストを前記対象物内に音波として伝搬し且つ前記対象物内で内部的に反射される熱パルスに変換する吸収層とを有している光−音響変換器と、前記吸収層の表面上で前記電磁エネルギの複数のバーストを走査して前記対象物内で音波を得る励起ビーム走査器と、前記光−音響変換器の反射面の複数位置で、前記対象物内で反射した音波を検出して結果信号を生成する検出器と、前記結果信号から前記対象物の三次元表現を算出する計算器と、前記三次元表現を画像として表示する表示装置とを備えた、システム。２２．前記電磁エネルギのバーストが、レーザ光である、請求の範囲第２１項に記載のシステム。２３．前記音波が、一次波長λを有し、前記音波が球面波になるようにλ²に略等しい前記吸収層の領域で各熱パルスを発生させるように、前記レーザ光のパルスを集束させる光学要素を、更に、備えている、請求の範囲第２２項に記載のシステム。２４．前記電磁エネルギのバーストが、レーザ光のパルスであり、前記吸収層が光−音響変換器の材料層である、請求の範囲第２１項に記載のシステム。２５．前記光−音響変換器の吸収層が、薄い金属フイルムである、請求の範囲２３に記載のシステム。２６．前記光−音響変換器が、厚さ約λ／４の光学的に半透明な基層を含み、前記金属フイルムが、前記基層上の表面層として形成されている、請求の範囲第２５項に記載のシステム。２７．前記検出器が、前記光−音響変換器の反射面を、前記電磁エネルギのバーストの波長とは異なった波長で作動する集束連続波レーザビームで、走査する探査ビーム走査器を含んでいる、請求の範囲第２１項に記載のシステム。２８．前記反射面が、前記光−音響変換器の吸収層の表面である、請求の範囲第２７項に記載のシステム。２９．前記音波が、一次波長λを有しており、前記検出器が、前記光−音響変換器の反射面上の複数の走査位置で、λより小さな直径のスポットサイズを有する探査ビームを走査する探査ビーム走査器を含んでいる、請求の範囲第２１項に記載のシステム。３０．前記走査器の少なくとも１つが、電子的に駆動される音響光学デバイスを含む、請求の範囲第２９項に記載のシステム。３１．前記音響光学デバイスが、ブラッグセルである、請求の範囲第３０項に記載のシステム。３２．前記光−音響変換器が、吸収層と反射層とを含み、前記探査ビーム走査器および前記励起ビーム走査器が、ハウジングに収容され光学的針ブローブを形成している、請求の範囲第２９項に記載のシステム。３３．光ファイバを、さらに、備え、前記探査ビームが、該光ファイバによって探査ビーム走査器に送られる、請求の範囲第２４項に記載のシステム。３４．光ファイバを、さらに、備え、前記励起ビームが、該光ファイバによって励起ビーム走査器に送られる、請求の範囲第２１項に記載のシステム。３５．前記検出器が、光検出アレイを含み、検出ビームが、前記光ファイバから光検出器に戻される、請求の範囲第３４項に記載のシステム。３６．前記検出器が、光−音響検出器アレイを含んでいる、請求の範囲第２１項に記載のシステム。３７．単一の光ファイバを更に備え、該光ファイバによって、前記探査ビームが、前記探査ビーム走査器に送られ、前記励起ビームが、前記励起ビーム走査器に送られ、検出ビームが、前記検出器に送られる、請求の範囲第２９項に記載のシステム。３８．前記音波が、一次波長λを有しており、前記検出器が、対象物の表面で約λ²に等しい面積を有する音響スポットを集束させる超音波顕微鏡変換器を含み、前記顕微鏡変換器が、前記対象物の表面と略平行な面内で走査するために利用される、請求の範囲第２１項に記載のシステム。３９．前記計算器が、三次元合成アパーチャビーム形成等式に基づく三次元表現を算出できるようにプログラムされたコンピュータを含む、請求の範囲第２１項に記載のシステム。４０．対象物の内部を検査するシステムであって、前記対象物が電磁エネルギのバーストを音波として該対象物内に伝搬し該対象物内で内部的に反射する熱パルスに変換できる前記システムであって、電磁エネルギの複数のバーストを、前記対象物の表面上で走査して該対象物内に音波を生じさせる励起ビーム走査器と、前記対象物内で反射した音波を、前記対象物の表面の複数位置で検出して出力信号を生成する検出器と、前記出力信号から、前記対象物の三次元表現を算出する計算器と、前記三次元表現を画像をして表示する表示装置と、を備えている検査システム。４１．前記電磁エネルギのバーストが、レーザ光のパルスである、請求の範囲第４０項に記載のシステム。４２．前記音波が、一次波長λを有し、前記システムが、前記音波が球面波になるようにλ²に略等しい前記対象物の領域で各熱パルスを発生させるように、前記レーザ光のパルスを集束させる光学要素を、更に、備えている、請求の範囲第２２項に記載のシステム。４３．前記検出器が、前記表面を、前記電磁エネルギのバーストの波長とは異なった波長で作動する集束連続波レーザビームで、走査する探査ビーム走査器を含んでいる、請求の範囲第４０項に記載のシステム。４４．前記音波が、一次波長λを有しており、前記検出器が、前記対象物の表面上の複数の走査位置に、λより小さな直径のスポットサイズを有する探査ビームを走査する探査ビーム走査器を含んでいる、請求の範囲第４０項に記載のシステム。４５．前記走査器の少なくとも１つが、電子的に駆動される音響光学デバイスである、請求の範囲第４４項に記載のシステム。４６．前記音響光学デバイスが、ブラッグセルである、請求の範囲第４５項に記載のシステム。４７．前記探査ビーム走査器および前記励起ビーム走査器が、ハウジングに収容され光学的針ブローブを形成している、請求の範囲第４４項に記載のシステム。４８．光ファイバを、さらに、備え、前記探査ビームが、該光ファイバによって前記探査ビーム走査器に送られる、請求の範囲第４４項に記載のシステム。４９．光ファイバを、さらに、備え、前記励起ビームが、該光ファイバによって前記励起ビーム走査器に送られる、請求の範囲第４４項に記載のシステム。５０．前記検出器が、光検出アレイを含み、検出ビームが、前記光ファイバによって光検出器に戻される、請求の範囲第４９項に記載のシステム。５１．前記検出器が、光−音響検出器アレイを含んでいる、請求の範囲第４０項に記載のシステム。５２．単一の光ファイバを更に備え、該光ファイバによって、前記探査ビームが前記探査ビーム走査器に送られ、前記励起ビームが前記励起ビーム走査器に送られ、検出ビームが前記検出器に送られる、請求の範囲第４４項に記載のシステム。５３．前記音波が、一次波長λを有しており、前記検出器が、対象物の表面で約λ²に等しい面積を有する音響スポットを集束させる超音波顕微鏡変換器を含み、前記顕微鏡変換器が、前記対象物の表面と略平行な面内で走査するために利用される、請求の範囲第４０項に記載のシステム。５４．前記計算器が、三次元合成アパーチャビーム形成等式に基づく三次元表現を算出できるようにプログラムされたコンピュータを含む、請求の範囲第４０項に記載のシステム。５５．対象物の内部を検査する三次元超音波顕微鏡検査システムで使用されるように構成された三次元超音波顕微鏡であって、前記対象物に結合されるように構成され、且つ、光学的反射面と、電磁エネルギのバーストを前記対象物内に音波として伝搬し前記対象物内で内部的に反射される熱パルスに変換する吸収層とを有している光−音響変換器と、前記吸収層の表面上で前記電磁エネルギの複数のバーストを走査して前記対象物内で音波を生じさせる第１の音響光学走査デバイスと、前記光−音響変換器の反射面の複数位置で、探査ビームを走査する第２の音響光学走査デバイスと、前記光−音響変換器と、前記第１および第２の音響光走査デバイスを収容して光学針プローブを形成するハウジングと、備えている三次元超音波顕微鏡。５６．前記走査デバイスの少なくとも１つが、電子的に駆動される音響光学ブラックセルである、請求の範囲第５５項に記載の三次元超音波顕微鏡。５７．対象物の内部を検査する三次元超音波顕微鏡検査システムで使用されるように構成された三次元超音波顕微鏡であって、前記対象物が電磁エネルギのバーストを音波として該対象物内に伝搬し該対象物内で内部的に反射する熱パルスに変換できる前記三次元超音波顕微鏡であって、電磁エネルギの複数のバーストを、前記対象物の表面上で走査して該対象物内に音波を生じさせる第１の音響光学走査デバイスと、前記対象物の表面の複数位置で、探査ビームを走査する第２の音響光学走査デバイスと、前記光−音響変換器と、前記第１および第２の音響光学走査デバイスを収容して光学針プローブを形成するハウジングと、備えている三次元超音波顕微鏡。５８．前記走査デバイスの少なくとも１つが、電子的に駆動される音響光学ブラックセルである、請求の範囲第５７項に記載の三次元超音波顕微鏡。