JP2011169766A

JP2011169766A - 超音波顕微鏡

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Publication number: JP2011169766A
Application number: JP2010034213A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Tao; 博昭田尾; Hiroyuki Takamatsu; 弘行高松
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2030-02-19
Also published as: JP5483341B2

Abstract

【課題】試料に対して高周波数の超音波を送出でき、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】パルス光を照射するパルス光照射手段５から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４と、超音波送波部４から送出された超音波を収束させつつ試料に放射するレンズ面を備えた音響レンズ２と、を具備する超音波顕微鏡１において、音響レンズ２のレンズ面１０を、楕円体の表面の一部で構成する。当該楕円体を、楕円の長軸又は短軸を回転軸として得られる回転体とする。レンズ面１０を、当該回転軸が、超音波の音響レンズ内での伝播方向と平行になるように非球面の凹形状に形成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、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に関するものであり、特に試料の微小領域の弾性的性質を超音波を利用して評価する超音波顕微鏡に関する。

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が知られている。
音響レンズを通して収束した超音波を試料に入射させ、その試料からの反射超音波から試料の微小部分の弾性的性質を検出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。

特許文献１及び特許文献２に示されるように、従来の超音波顕微鏡は、超音波を発生するトランスデューサ（圧電板）と、ステージと、走査手段とを備えている。トランスデューサは、圧電薄膜からなるものであり、音響レンズと一体となるように構成されている。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半球状の凹部が設けられている。トランスデューサは、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。

ステージは、音響レンズと対向する位置に搭載された試料を保持するものであり、ステージ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。この試料台は、走査手段によって３次元方向に変位駆動されるようになっている。
トランスデューサ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、再び音響レンズを通じてトランスデューサに到達する。トランスデューサは、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部（受信アンプ）に与える。受信部は、この電気信号を増幅及び検波してビデオ信号に変換し、該ビデオ信号を表示部に出力する。表示部は、受信部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。

特開平９−２４３６１９号公報特開平２００２−２４３７１０号公報

ところで、近年、半導体デバイスや電子部品のような極めて微小な試料の評価が必要となっており、超音波顕微鏡にも例えば数μm以下のオーダーといった高い空間分解能が要求されることが多い。
超音波顕微鏡で高い空間分解能を実現するためには、検出波である超音波の周波数を高くする必要がある。ところが、超音波の周波数を高くして高空間分解能を実現しようとすると、低周波数では問題にならなかった音響レンズの収差が問題となる。例えば、周波数帯域が数百ＭＨｚ程度になれば、せっかく波長を小さくしても音響レンズの収差の影響が無視できなくなるため高分解能の実現が困難になる。

また、従来のように、音響レンズのレンズ面が球面である場合、超音波の収束において球面収差が発生するため、特に、高周波数の超音波をレンズ焦点に収束させることが困難となる。
つまり、超音波顕微鏡でサブμｍの分解能を実現するためには、超音波の周波数を高くするだけでなく、音響レンズの収差を確実に低減しなければならないのである。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであって、音響レンズの収差を抑制しつつ高周波の超音波を用いて数μｍ〜サブμｍオーダの分解能を実現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。

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、パルス光を照射するパルス光照射手段から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、超音波送波部から送出された超音波を収束させつつ試料に放射するレンズ面を備えた音響レンズと、を具備する超音波顕微鏡であって、前記音響レンズのレンズ面は、非球面の凹形状に形成されることを特徴とする。

また、前記音響レンズのレンズ面は、楕円体の表面の一部で構成されてもよい。
また、前記楕円体は、楕円の長軸又は短軸を回転軸として得られる回転体であり、前記レンズ面は、当該回転軸が、音響レンズ内での前記超音波の伝播方向と平行になるように非球面の凹形状に形成されてもよい。ここで、楕円体の回転軸は、音響レンズの主軸と一致する。

また、前記超音波の周波数が、５００ＭＨｚ以上であり、前記レンズ面における有効開口径は、前記楕円の長軸及び短軸の２軸の内、前記超音波の音響レンズ内での伝播方向と平行な前記回転軸を中心として、該中心からの半径がレンズ面の開口面に平行な前記軸の軸長の６０％以内の範囲にあり、前記楕円の離心率が、理想的な離心率の２．５倍以下の値（ｅ≠０）であってもよい。なお、離心率ｅ＝０であればレンズ面は球面となるので、本願ではｅ＝０については、考慮しない。

さらに、前記音響レンズを単結晶シリコンから構成すると共に音響結合材を水とした際に、前記レンズ面の離心率を、０．４５以下として設定してもよい。

本発明に係る超音波顕微鏡装置によれば、試料に対して高周波数の超音波を送出でき、サブμｍ以下のオーダーの高空間分解能で、試料の内部を観察することができる。

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。（ａ）は、第１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側面図であり、（ｂ）は、音響レンズの反レンズ面側の構成を示す上面図である。球面形状のレンズ面を有する音響レンズの焦点を含んで、超音波の伝播方向に平行な平面における音響レンズの断面及び音線追跡の結果を示す図である。楕円体形状のレンズ面を有する音響レンズの焦点を含んで、超音波の伝播方向に平行な平面における音響レンズの断面及び音線追跡の結果を示す図である。楕円体形状のレンズ面を有する音響レンズの焦点を含んで、超音波の伝播方向に平行な平面における音響レンズの断面図である。楕円体形状のレンズ面を有する音響レンズの焦点を含んで、超音波の伝播方向に平行な平面における音響レンズの断面図である。（ａ）は、理想的な離心率のレンズ面を有する音響レンズにおいて、中心軸からの距離ｌと、その距離ｌに対応する焦点距離との関係を示す図、（ｂ）は、中心軸からの距離ｌと、その距離ｌに対応する焦点Ｆへの到達時間との関係を示す図である。（ａ）は、楕円体形状のレンズ面を有する音響レンズにおいて、中心軸からの距離ｌと、その距離ｌに対応する焦点距離との関係を示す図、（ｂ）は、中心軸からの距離ｌと、その距離ｌに対応する焦点Ｆへの到達時間との関係を示す図である。（ａ）は、楕円体形状のレンズ面を有する音響レンズにおいて、中心軸からの距離ｌと、その距離ｌに対応する焦点距離との関係を示す図、（ｂ）は、中心軸からの距離ｌと、その距離ｌに対応する焦点Ｆへの到達時間との関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図を基に説明する。
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１について詳しく説明する。図１は、本実施形態による超音波顕微鏡１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１の音響レンズ２の構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態に係る超音波顕微鏡１は、試料が載置されるＸ−Ｙステージ３と、Ｘ−Ｙステージ３上の試料にレンズ面１０を向けて配置された音響レンズ２を備えている。この音響レンズ２の上部には、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、当該超音波を試料に送出する超音波送波部４が形成されており、超音波送波部４にパルス光を照射するパルス光照射手段５も備えられている。

加えて、超音波顕微鏡１は、試料で反射した超音波である反射超音波を受波するとともに、その反射超音波から受ける応力に応じて量子特性を変化させる半導体薄膜を有する超音波受波部６を有する。
また、超音波顕微鏡１は、超音波受波部６の量子特性の変化を検出する特性変化検出手段７と、検出された量子特性の変化を基に試料内部の情報を得る内部情報取得手段８と、を具備する。

以下、第１実施形態の超音波顕微鏡１について、その構成を詳細に説明する。
超音波顕微鏡１は、試料が載置されるＸ−Ｙステージ３を備えている。このＸ−Ｙステージ３は、試料を支持し、音響レンズ２に対する試料の位置を水平方向（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、試料の水平方向位置や送りピッチなどが制御される。

Ｘ−Ｙステージ３の上方には、音響レンズ２が配備される。この音響レンズ２は、例えば純水であって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上の試料と対向している。
図２を参照して、音響レンズ２について詳細に説明する。図２（ａ）は、音響レンズ２を側面から見たときの構成を示す図であり、図２（ｂ）は、音響レンズ２の反レンズ面側の構成示す図である。

音響レンズ２は、例えばＳｉ単結晶からなる円柱状部材であって、その内部には空間を有しない中実な構造となっている。この円柱状部材の一つの底面、すなわちＸ−Ｙステージ３と対向する底面側に、音響レンズ２の内部に向かって湾曲した窪み状のレンズ面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は凹凸のない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（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。

音響レンズ２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、音響レンズ２の材料として石英ガラスやサファイヤなどを用いてもよい。また、音響レンズ２の形状を円柱状であるとしたが、円錐台形状、角柱形状、又は角錐台形状でもよい。
係る音響レンズ２の反レンズ面側の平面には、試料で反射して音響レンズ２を通って戻った反射超音波を受波するための半導体薄膜（超音波受波部６）が積層されている。

この半導体薄膜の上部には、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４）が、超音波受波部６の一部を覆うように設けられている。
まず、超音波送波部４について説明する。
音響レンズ２の反レンズ面には、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなる緩衝層１１が設けられ、この緩衝層１１上にＧａＡｓ膜が積層される。このＧａＡｓ膜の上に、金属膜であるＭｏ（モリブデン）が積層されている。この金属膜（Ｍｏ）は、超音波送波部４としての機能を果たすものである。

この超音波送波部４である金属膜（Ｍｏ）に対して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し、そのときに発生する熱応力（熱弾性効果）によって、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０．５ｎｓ以下の加熱パルスが照射されると、２ＧＨｚ以上の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４に用いる金属膜の材料としては、モリブデン（Ｍｏ）の他に、金、銅、アルミニウム等を用いることができる。

音響レンズ２の上方側には、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４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。

パルス光照射部１２は、例えば波長５３２ｎｍ、パルス幅０．５ｎｍ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４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、超音波受波部６について説明する。

前述したように、音響レンズ２の反レンズ面には、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなる緩衝層１１が設けられ、この緩衝層１１上にＧａＡｓ膜が積層される。このＧａＡｓ膜は、超音波受波部６としての機能を果たすものであって、固有のバンドギャップ（量子特性）を有する混晶半導体の薄膜である。ＧａＡｓ膜のバンドギャップの大きさは、ＧａＡｓ膜が受ける応力によって変化することが知られており、このＧａＡｓ膜が超音波を受波するとＧａＡｓ膜内に応力が発生するので、ＧａＡｓ固有のバンドギャップの大きさが変化する。

つまり、超音波受波部６の上部には、超音波受波部６の一部を覆うように、超音波送波部４である金属膜（Ｍｏ）が積層されている。図２（ｂ）に示すように、反レンズ面では、金属膜である超音波送波部４と半導体薄膜である超音波受波部６の一部が露出している。
一方、図１に示すように、音響レンズ２の上方の両側部には、特性変化検出手段７が設けられている。この特性変化検出手段７は、測定光として例えばＨｅ−Ｎｅレーザを発する測定光レーザ光源１５と、測定光を反射して超音波受波部６に対して斜め方向から入射させるミラー１６と、超音波受波部６で反射した反射測定光を、後述する高速光検出器１８に向かって反射させるミラー１７と、ミラー１７からの反射測定光を検出する高速光検出器１８と、高速光検出器１８が検出した反射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。

これらのうち、測定光レーザ光源１５及びミラー１６で測定光照射手段を形成し、ミラー１７、高速光検出器１８、及び高速オシロスコープ１９で測定光検出手段を形成している。
図１の紙面に向かって音響レンズ２の左上方には、測定光レーザ光源１５が配備されている。この測定光レーザ光源１５は、上記した超音波受波部６のＧａＡｓ膜のバンドギャップに対応する波長又は該波長よりも短い波長を含むＨｅ−Ｎｅレーザ光を、測定光として出力するものである。

本実施形態において測定光レーザ光源１５から発せられる測定光は、少なくとも超音波受波部６のＧａＡｓ膜のバンドギャップに対応する波長を含んでいるので、本実施形態では、ＧａＡｓのバンドギャップに対応する赤外の波長が含まれている。なお、測定光は、加熱パルス光とは、異なる波長を有するのが好ましい。
図１の紙面に向かって音響レンズ２の右上方には、高速光検出器１８が配備されている。この高速光検出器１８は、超音波受波部６で反射した反射測定光を検出するものであり、検出した反射測定光を光電変換して、当該反射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。

高速オシロスコープ１９は、高速光検出器１８から出力された反射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順に、反射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２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、試料表面からの反射エコーを示し、以降に続くピークは試料内部からの反射エコーを示している。

高速オシロスコープ１９は、例えば１〜１０ｐｓｅｃ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反射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、・・・の検出時間の情報から、２番目のピークＥ２の発生時間と３番目以降の前記ピークＥ３、Ｅ４・・・発生時間との時間差を算出し、試料内での超音波の伝播速度から、試料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。

以上のように構成された超音波顕微鏡１の動作について、以下に説明する。
測定光レーザ光源１５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、加熱パルス光を受けた超音波送波部４が超音波を発生する。発生した超音波は、超音波受波部６、及び緩衝層１１を経て音響レンズ２内をレンズ面１０に向けて伝播する。音響レンズ２を伝播した超音波は、レンズ面１０で集束され、試料表面及び内部に入射する。試料表面及び内部で反射した超音波は、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２内を超音波受波部６に向けて伝播する。音響レンズ２内を伝播した超音波は、緩衝層１１を経て超音波受波部６に到達する。

超音波受波部６に到達した超音波は超音波受波部６内に応力を発生させるので、超音波受波部６の半導体薄膜のバンドギャップが変化（量子特性が変化）する。このとき、超音波受波部６に照射されている測定光は、超音波受波部６の半導体薄膜に入射した際に、変化したバンドギャップに対応する波長の光が吸収される。
よって、超音波受波部６で反射した反射測定光は、吸収された光の分だけ強度が低下して、高速光検出器１８に入射する。その後、高速オシロスコープ１９が、当該反射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、高速光検出器１８による反射測定光の検出と、計算機２０による試料内部に存在する欠陥等の深さの算出とが行われる。
以上のような動作を経て、試料内部における３次元方向の状態の分布を観測することができる。

なお、超音波送波部４に用いられるＭｏ等の金属膜は、音響レンズ２を経て戻った超音波を受波すると光弾性効果によって光反射率が変化する（屈折率が変化する）という性質がある。よって、超音波送波部４における加熱パルス光の照射位置以外の部分に、測定光レーザ光源１５からの測定光が照射されるようにし、そこからの反射測定光を高速光検出器１８で検出するように特性変化検出手段７を構成してもよい。

また、上記構成に代えて、超音波受波部６として、圧電素子を採用することも可能である。
次に、本発明の特徴的な構成である音響レンズ２のレンズ面の形状について、図３及び図４に示す概念図を参照して説明する。
図３は、球面形状のレンズ面を有する音響レンズ２の断面（超音波の伝播方向に平行な断面）、及び音響レンズ２により焦点に収束される超音波の音線追跡を示す概念図である。

図４は、楕円体形状のレンズ面を有する音響レンズ２の断面（超音波の伝播方向に平行な断面）、及び音響レンズ２により焦点に収束される超音波の音線追跡を示す概念図である。
上述のような、超音波顕微鏡１において、例えば、周波数が５００ＭＨｚ以上の超音波を用いる場合、図３に示すように音響レンズ２のレンズ面が球面に形成されていると、レンズ面の中心軸から離れた位置を伝播する超音波ほど、音響レンズ２に近い位置で焦点を結ぶので、超音波は１点に収束されず、収束位置にずれが生じる。このずれを、球面収差（単に収差ということもある）というが、この球面収差量が超音波の波長よりも大きくなることがある。球面収差量が、超音波の波長よりも大きくなると、超音波顕微鏡１の空間分解能は低下する。

そこで、高周波数の超音波を使用する場合には、球面収差量が波長よりも小さくなるようにする必要がある。本実施形態では、この球面収差を補正するためのレンズ面形状として楕円体（楕円球）形状を用い、適切な軸比をとってレンズ面を形成している。この場合の音線追跡の結果では、図４に示すように略１点で超音波が収束し、球面収差を解消することができる。これによって、超音波顕微鏡１の空間分解能をサブμｍ以下のオーダーの高空間分解能とすることが可能となり、試料の弾性特性等を測定しうる超音波顕微鏡を実現できる。

以下に、図５を参照して、音響レンズ２のレンズ面１０が呈する楕円体（回転楕円体）形状の軸比を決定する方法について説明する。なお、楕円体形状の適切な軸比は、音響レンズを構成する材料の物性と音響結合材として用いられる材料の物性とによって一意に決まるものとなっている。
図５は、楕円体形状のレンズ面を有する音響レンズ２の断面（超音波の伝播方向に平行な断面）、及び音響レンズ２の焦点を示す図である。

図５のレンズ面１０が呈する楕円体形状は、楕円の長軸を回転軸として得られる回転楕円体を、短軸を含んで長軸に垂直な平面で２等分して得られる一方を、当該回転軸（楕円の長軸）が、超音波の音響レンズ２内での伝播方向と平行になるように配置した形状となっている。すなわち、楕円の長軸が、音響レンズ２の主軸となる。
また、図６に示すように、レンズ面１０が呈する楕円体形状は、楕円の短軸を回転軸として得られる楕円体を、長軸を含んで短軸に垂直な平面で２等分して得られる一方を、当該回転軸（楕円の短軸）が、音響レンズ２内での超音波の伝播方向と平行になるように配置した形状としてもよい。すなわち、楕円の短軸が、音響レンズ２の主軸となる。

まずは、レンズ面１０を形成する楕円体形状の長軸と短軸の適切な軸比を決定する方法について説明する。以下の説明は、図５を参照しながら行う。
図５に示すように、レンズ面１０の中心軸Ｘからｌだけ離れた位置を進む波がレンズ面１０に接する点を点Ｐ（ｐ,ｑ）とすると、ｑ＝ｌであるため、ｐは、（数１）に示す楕円の関係式から、（数２）に示す式のようになる。

また、点Ｐから中心軸に下ろした垂線の接点Ｈ（ｐ,０）から楕円中心点Ｏ（０,０）までの距離ＯＨは、

であるため、距離ＣＨは、

となる。また、距離ＨＦは、

である。
したがって、波が屈折して中心軸Ｘと交わる点Ｆまでの距離ＣＦは、

となる。
一方、中心軸Ｘからｌだけ離れた位置を進む波が準線ＭＮを出発し、点Ｆへ到達する時間を計算する。媒質１（音響レンズ２）中を伝播する距離は、点Ｃから点Ｄまでの距離をｄとすると、

であるので、媒質１中を伝播する時間Ｔ₁は、

である。
また、媒質２中を伝播する距離ＰＦは、

であるので、伝播時間Ｔ₂は、

である。したがって、点Ｆへの到達時間Ｔは、

となる。
また、楕円体の２つの焦点をＦ、Ｆ’とすると、楕円体の性質より

である。
ここで、離心率は、「楕円上のある点から焦点までの距離」と「準線までの距離」との比で定義されるので、この離心率ｅを式で表すと、

である。（数１２）及び（数１３）の関係から、

となる。
ここで、点Ｄを出発した波が、楕円上の任意の点Ａを通って楕円の焦点Ｆを通ると考えると、任意の点Ａを通った波が、常に点Ｆに到達するときの到達時間Ｔは、

であり、この式を変形して、

となる。したがって、（数１４）及び（数１６）より、

が得られる。これは、離心率ｅが、媒質１と媒質２の音速比によって決まることを示している。本実施形態では、媒質１が単結晶Ｓｉであり、媒質２が水であるので、水中の音速ｖ₁と単結晶Ｓｉ中の音速ｖ₂から理想的な離心率ｅ_iが決まる。
一方、楕円の離心率ｅは、

で表されるため、（数１７）と（数１８）から、

を得ることができ、レンズ面１０を通過した音波を１点の焦点に収束するための理想的な離心率ｅ（ｅ_iと表記することもある）を実現する長軸短軸比を求めることができる。
本実施形態では、媒質１がＳｉ単結晶であり、媒質２が水であるので、各媒質中の音速を、Ｓｉ単結晶では８４３６．１ｍ／ｓ、水では１５００ｍ／ｓとして、それら音速の比から、離心率ｅは、およそ０．１７７８となる。この離心率ｅ０．１７７８が、理想的な離心率ｅ_iであり、これを基にして、長軸短軸比ａ／ｂは、

となる。したがって短軸ｂの長さを、５０μｍとしたとき、理想的な離心率ｅ_i（＝０．１７７８）を実現するためには、長軸ａの長さを、５０．８μｍとすればよいことがわかる。
このように理想的な離心率ｅ_iを有する音響レンズ２におけるレンズ焦点距離について、図７に示す。

図７（ａ）は、長軸ａの長さが５０．８μｍ、短軸ｂの長さが５０μｍであり、理想的な離心率ｅ_i（＝０．１７７８）を有する音響レンズ２における、中心軸からの距離ｌと、その距離ｌに対応する焦点距離との関係を示している。図７（ｂ）は、音響レンズ２の中心軸からの距離ｌと、その距離ｌに対応する焦点Ｆへの到達時間との関係を示している。

図７（ａ）に示すように、理想的な離心率ｅ_iを有する音響レンズ２では、レンズ面を通過した波は、中心軸からの距離ｌにかかわらず焦点距離ＣＦが約５９．８μｍと一定である。また、図７（ｂ）に示すように、レンズ面を通過した波の、焦点Ｆへの到達時間は、約４０．１１ｎｓと一定である。このように、同時刻にレンズ面を通過した波は、中心軸からの距離ｌに関係なく、同時に１点（焦点Ｆ）に収束されるので、球面収差が実質的に存在しなくなる。

ところが、レンズ面の加工においては、実際に超音波が１点に収束するような理想的な離心率ｅを実現する軸比で楕円体を形成することは困難であり、離心率ｅが理想的な値からずれる可能性がある。
しかし、本実施形態の超音波顕微鏡１が用いる超音波の周波数が５００ＭＨｚの場合には、必ずしも、理想的な離心率ｅ_iが実現されていなくともよい。周波数が５００ＭＨｚの超音波の波長は、約３μｍであるため、球面収差量が３μｍより少なければ、本実施形態の超音波顕微鏡１に用いることができるからである。

では、離心率ｅの理想的な値からのずれが、どの程度許容されるのかということについて、図８及び図９を用いて、以下に説明する。
図８は、軸ａが５７μｍ、軸ｂが５０μｍであって、図５に示すように長軸ａをレンズの中心軸Ｘとしたときの、焦点距離と焦点Ｆへの到達時間とを示す図である。図８（ａ）は、中心軸Ｘからの距離ｌと、その距離ｌに対応する焦点距離との関係を示している。図８（ｂ）は、中心軸Ｘからの距離ｌと、その距離ｌに対応する焦点Ｆへの到達時間との関係を示している。

図８（ａ）を参照すると、中心軸Ｘからの距離ｌが０μｍのとき、焦点距離は約５３．２μｍである。中心軸Ｘから離れて距離ｌが大きくなるにつれて焦点距離は長くなっていき、中心軸Ｘからの距離ｌが３５μｍのとき、焦点距離は約５７．１μｍである。距離ｌが０μｍのときの焦点距離は、約５３．２μｍであったので、中心軸Ｘからの距離ｌが３５μｍのときは、焦点距離が、約３．９μｍ長くなったことになる。

この約３．９μｍは、球面収差量であり、超音波の波長である３μｍより大きいので、中心軸Ｘからの距離ｌが３５μｍとなるレンズ面を通過した超音波を試料に照射することはできない。そこで、レンズ面１０の有効開口率を、レンズ球面収差量が、３μｍ以下となる距離ｌに定める。図８（ａ）によると、中心軸Ｘからの距離ｌが３０μｍのとき、焦点距離は約５６．０μｍであり、球面収差量は約２．８μｍである。

そこで、中心軸Ｘからの半径が軸ｂの軸長の６０％以内となるようにレンズ面１０の有効開口径を定める。なお、このとき、レンズ面１０を形成する楕円体の軸ａは５７μｍであり、軸ｂは５０μｍであるので、離心率ｅは、約０．４８０であり、理想的な離心率ｅである、０．１７７８の約２．７０倍である。つまり、理想的な離心率ｅ_iを実現することができなくても、用いる超音波の周波数が５００ＭＨｚの場合には、レンズ面１０の有効開口率を選択することによって、理想的な離心率ｅ_iの約２．７０倍の離心率を有する音響レンズ２であっても、超音波顕微鏡１に適用することができる。

図９は、軸ａが４５μｍ、軸ｂが５０μｍであって、図６に示すように短軸ａをレンズの中心軸Ｘとしたときの、焦点距離と焦点Ｆへの到達時間とを示す図である。図９（ａ）は、中心軸Ｘからの距離ｌと、その距離ｌに対応する焦点距離との関係を示している。図９（ｂ）は、中心軸Ｘからの距離ｌと、その距離ｌに対応する焦点Ｆへの到達時間との関係を示している。

図９（ａ）を参照すると、中心軸Ｘからの距離ｌが０μｍのとき、焦点距離は約６７．５μｍである。中心軸Ｘから離れて距離ｌが大きくなるにつれて焦点距離は長くなっていき、中心軸Ｘからの距離ｌが３５μｍのとき、焦点距離は約６３．４μｍである。距離ｌが０μｍのときの焦点距離は、約６７．５μｍであったので、中心軸Ｘからの距離ｌが３５μｍのときは、焦点距離が、約４．１μｍ長くなったことになる。

この約４．１μｍは、球面収差量であり、超音波の波長である３μｍより大きいので、中心軸Ｘからの距離ｌが３５μｍとなるレンズ面を通過した超音波を試料に照射することはできない。そこで、レンズ面１０の有効開口率を、レンズ球面収差量が、３μｍ以下となる距離ｌに定める。図９（ａ）によると、中心軸Ｘからの距離ｌが３０μｍのとき、焦点距離は約６４．７μｍであり、球面収差量は約２．８μｍである。

そこで、中心軸Ｘからの半径が軸ｂの軸長の６０％以内となるようにレンズ面１０の有効開口径を定める。なお、このとき、レンズ面１０を形成する楕円体の軸ａは４５μｍであり、軸ｂは５０μｍであるので、離心率ｅは、約０．４８４であり、理想的な離心率ｅ_iである、０．１７７８の約２．７２倍である。つまり、理想的な離心率ｅ_iを実現することができなくても、用いる超音波の周波数が５００ＭＨｚの場合には、レンズ面１０の有効開口率を選択することによって、理想的な離心率ｅ_iの約２．７２倍の離心率を有する音響レンズ２を超音波顕微鏡１に適用することができる。

理想的な離心率ｅ_iを基準として、２．５倍以内の離心率ｅとなるような長軸短軸比で構成される楕円体表面をレンズ面とし、中心軸Ｘからの半径が軸ｂの軸長の６０％以内となるようにレンズ面１０の有効開口径を定めれば、超音波の周波数が５００ＭＨｚの場合の波長よりも球面収差量の少ない音響レンズ２を得ることができる。
なお、超音波の周波数が高くなるほど当該超音波の波長は短くなる。また、レンズ面１０中心軸Ｘから離れた位置を伝播する波ほど大きな球面収差を生じる。よって、高周波数になるほど有効開口径を小さくする必要がある。

上述したように、音響レンズ２の部材として内部欠陥の少ない単結晶Ｓｉを、音響結合材として超音波顕微鏡に一般的に使用されている水を用いた場合、球面収差が０となる理想的な離心率ｅ_iは、およそ０．１７７８であり、その２．５倍となる離心率０．４５以下となる楕円体表面をレンズ面１０とし、上述のように有効開口径を決めれば、球面収差を５００ＭＨｚ超音波の水中での波長である約３μm以下とすることができる。

ところで、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。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
例えば、音響レンズ２をＳｉ単結晶を用いて構成したが、超音波をできるだけ減衰させずに伝播する材料であればよいので、Ｓｉに限らず、例えば、サファイアの単結晶や、単結晶体でなくとも、石英ガラス等の各種ガラスやサファイヤなどの硬質材料を用いてもよい。また、音響レンズ２の形状を円柱状であるとしたが、角柱形状でも角錐台形状でもよい。

１超音波顕微鏡
２音響レンズ
３Ｘ−Ｙステージ
４超音波送波部
５パルス光照射手段
６超音波受波部
７特性変化検出手段
８内部情報取得手段
９音響結合材
１０レンズ面
１１緩衝層
１２パルス光照射部
Ｘ中心軸

Claims

パルス光を照射するパルス光照射手段から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、超音波送波部から送出された超音波を収束させつつ試料に放射するレンズ面を備えた音響レンズと、を具備する超音波顕微鏡であって、
前記音響レンズのレンズ面は、非球面の凹形状に形成されることを特徴とする超音波顕微鏡。
前記音響レンズのレンズ面は、楕円体の表面の一部で構成されることを特徴とする請求項１に記載の超音波顕微鏡。
前記楕円体は、楕円の長軸又は短軸を回転軸として得られる回転体であり、
前記レンズ面は、当該回転軸が、音響レンズ内での前記超音波の伝播方向と平行になるように非球面の凹形状に形成されることを特徴とする請求項２に記載の超音波顕微鏡。
前記超音波の周波数が、５００ＭＨｚ以上であり、
前記レンズ面における有効開口径は、前記楕円の長軸及び短軸の２軸の内、音響レンズ内での前記超音波の伝播方向と平行な前記回転軸を中心として、該中心からの半径がレンズ面の開口面に平行な前記軸の軸長の６０％以内の範囲にあり、
前記楕円の離心率が、理想的な軸比となる離心率の２．５倍以下（０は除く）の値であることを特徴とする請求項３に記載の超音波顕微鏡。
前記音響レンズを単結晶シリコンから構成すると共に音響結合材を水とした際に、前記レンズ面の離心率を、０．４５以下として設定していることを特徴とする請求項４に記載の超音波顕微鏡。