JP3745157B2 - 光音響顕微鏡装置及びその映像方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体試料の表面および内部欠陥、ならびに微小試料の表面および内部の品質を非破壊的に評価・検査し測定する装置、ならびに生体も含めた固体試料の任意の位置に任意のタイミングで光ビームを照射し、光音響効果を用いて検出する装置、及びそれらを応用した映像方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光音響顕微鏡では、圧電素子を用いる方法とコンデンサーマイクロフォン法を用いる方法が主であった。いずれの場合にも光ビームの走査系に関しては、精密さが要求される工業計測の場合、パルスモーターやサーボモーターなどで駆動する機械的なスライド・ステージを用いるものがほとんどであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の光音響顕微鏡を用いて、微小なサイズから大きなサイズまでの汎用の試料に対して試料の高速駆動を行う場合、ウオームギヤなどの機構を用いているステージを使用する事が必要不可欠である。しかしながら、その際に発生する音響的な騒音と、駆動にかなりの時間を必要とするという、アクセス時間の問題を解決しなければならず、ここに技術的な隘路が存在していた。
【０００４】
本発明は、精密さが要求される工業計測においても、微小なサイズから大きなサイズまでの汎用の試料に対して、試料の高速駆動を音響的な騒音の発生を極力抑止した環境下で行うとともに、同時に電磁力に基づくリニア・モーター式のスライド・ステージを用い、その制御をプログラミング的に工夫する事により、光音響顕微鏡の駆動部を高速に動作させ、かつ静粛な動作環境を実現し、光ビームを試料に対してランダムに走査することができる光音響顕微鏡装置及びその映像方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記目的を達成するために、
〔１〕断続光であるレーザービームを変調器により変調し、光学系により密閉容器の光音響セルの検出部内に設置された試料表面に照射して、物質内部に熱を発生させ、これを音波に変化させて音響センサにより検出し、情報処理装置による信号処理により、画像として構成する光音響顕微鏡装置であって、レーザービームと試料との相対的位置変動を伴いながら光走査・集光させる際に、操作する可動ミラーと、偏平コイル型の可動形リニア直流モータからなるリニアモーターステージとを備え、広範囲にわたり高速でかつ静粛な動作環境を実現し、レーザービームを前記試料表面に対してランダムに走査するとともに、前記リニアモーターステージは、固定子と可動子とからなり、前記固定子はヨーク部材を構成するベース部（３１）とそのベース部（３１）の中央から突出した中央突出部（３２）と、この中央突出部（３２）から両側に広がる水平部（３３）と、前記ベース部（３１）の側面に突出する側面突出部（３４）を有し、前記ベース部（３１）にはマグネット（３５）が配置されており、前記可動子は、可動テーブル（３６）と、その可動テーブル（３６）の両側の下方に延びる垂下部（３７）と、この垂下部（３７）の下端の内側に配置される偏平可動コイル（３８）が配置されており、前記固定子の側面突出部（３４）の上端内面と前記可動子の下部外側面との間にクロスローラーガイドとが配置されるようにしたものである。
【０００６】
〔２〕上記〔１〕記載の光音響顕微鏡装置において、前記可動ミラーを静止させ、レーザービームを固定させた状態で、リニアモーターステージを駆動して走査を行うようにしたものである。
【０００７】
〔３〕上記〔１〕記載の光音響顕微鏡装置において、前記リニアモーターステージを固定して、前記可動ミラーを駆動して、レーザービームによる走査を行うようにしたものである。
【０００８】
〔４〕上記〔１〕記載の光音響顕微鏡装置において、前記可動ミラーと、リニアモーターステージとの協動により走査を行うようにしたものである。
【０００９】
〔５〕上記〔１〕記載の光音響顕微鏡装置において、前記リニアモーターステージを情報処理装置のプログラミングにより、レーザービームを試料表面の上にランダムに走査するようにしたものである。
【００１０】
〔６〕光音響顕微鏡装置による映像方法であって、上記〔１〕から〔５〕の何れか一項記載の光音響顕微鏡装置を用いて、前記試料表面の映像を得るようにしたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１は本発明の実施例を示す光音響顕微鏡装置の基本的な構成を示す図である。
【００１３】
図１において、１は断続光源となるレーザー光源、２は光変調器（メカニカルチョッパー）、３はレーザー・ビームの位置を試料表面に照射するための可動ミラー、４は光学顕微鏡であり、レーザー・ビームの集光に用いられる。５は密閉容器内の光音響セルであり、この光音響セル５中に試料６を装着する。７はコンデンサ・マイクロフォン等の音響センサである。８は駆動系に用いられるリニアモーターステージである。９，１０はそれぞれプリアンプ、ロックイン・アンプ等の電気信号の増幅・整形機能を持たせた部分である。１１は情報の表示部、記録部となるマイクロコンピュータであり、ステージ制御装置１２とＧＰ−ＩＢなどの情報バス１３を経由して制御のための通信を行っている。なお、マイクロコンピュータ１１と計測器とを直接接続する場合、情報バス１３は省略可能である。１４はＤ／Ａ変換器、１５はスキャナドライバーである。
【００１４】
以下、この実施例の具体的構成の説明を行う。
【００１５】
この光音響顕微鏡装置は大きく分けて光学部、駆動部、検出部、信号処理部、コンピュータ部に分けられる。光学部は、レーザー光源（例えば、アルゴンレーザー）１とレーザー光を変調させるための光変調器（メカニカルチョッパー）２、可動ミラー３、そして、レーザー光収束のための光学顕微鏡４からなる。
【００１６】
駆動部は、試料６を走査する２軸リニアモーターステージ８と、これを制御するステージ制御装置（ＣＡＴII）１２からなる。
【００１７】
検出部は、光音響セル５と、音響センサ７（圧力センサ：コンデンサ・マイクロフォン）、信号処理部は、光音響信号を増幅するプリアンプ９、同期検波するロックイン・アンプ１０を有する。
【００１８】
コンピュータ部は、マイクロコンピュータ１１及び情報バス（ＧＰ−ＩＢバス）１３からなる。また、この情報バス１３にはＤ／Ａ変換器１４を介してスキャナドライバー１５が接続されている。
【００１９】
そこで、レーザー光源１から照射されたレーザー光は光変調器（メカニカルチョッパー）２により一定周波数に変調される。変調されたレーザー光は、光学顕微鏡４の対物レンズにより収束され、試料６表面上に照射される。試料６の走査は２軸リニアモーターステージ８を駆動して行う。光音響セル５内では試料６が断続光を吸収するため、発生した熱の一部が試料６表面近傍の気体に伝わり、気体が膨張する。ここで、発生した周期的な圧力変化を音響センサ（マイクロフォン）７によって電気的信号に変換して検出する。検出された信号は、ロックイン・アンプ１０により変調信号と同期検波され、Ｓ／Ｎの向上がなされる。そして、振幅及び位相がマイクロコンピュータ１１内に読み込まれ、処理されて画像としてマイクロコンピュータ１１の画面上に再構成・表示される。
【００２０】
以下、リニアモーターステージの構成について説明する。
【００２１】
このリニアモーターステージとしては、例えば、中央精機（株）製を用いることができる。
【００２２】
図２は本発明で用いられるリニアモーターステージの側面図、図３は図２のＡ−Ａ′矢視図である。
【００２３】
これらの図に示すように、このリニアモーターステージ８は、固定子３０と可動子としての可動テーブル３６から構成されている。その固定子３０は、ヨーク部材を構成するベース部３１とそのベース部３１の中央から突出した中央突出部３２と、この中央突出部３２から両側に広がる水平部３３と、ベース部３１の側面に突出する側面突出部３４を有している。そのベース部３１にはマグネット３５が配置されている。
【００２４】
一方、可動子側には、可動テーブル３６と、その可動テーブル３６の両側の下方に延びる垂下部３７と、その垂下部３７の下端の内側に配置される偏平可動コイル３８が配置されている。
【００２５】
更に、固定子側の側面突出部３４の上端内面と可動子側の下部外側面との間にクロスローラーガイド３９が配置されている。
【００２６】
そこで、マグネット３５による磁束Ｂの磁界中に置かれた偏平可動コイル３８に電流Ｉを流すと偏平可動コイル３８にはフレニングの左手の法則により、推力が発生することにより、可動テーブル３６を駆動することができる。
【００２７】
このように、本発明で用いるリニアモーターステージ８は可動形リニア直流モーターに属し、偏平コイル型の直流モーターである。今まで用いていたパルスステージは、１パルスで２μｍの精度で駆動しており、駆動時の音響ノイズもかなりのものであっが、本発明で用いるリニアモーターステージ８は、偏平可動コイル３８を有し、強力なマグネット３５〔例えば、住友特殊金属（株）製、ＮＥＯＭＡＸ）を使用しているので、小型、薄型、軽量である。また、コイルインダクタンスがＬ＝３ｍｈと小さく、電気的応答性に優れている。更に、ダイレクトドライブであるため、ボールネジ等の回転−直線運動変換機構が無く高速駆動（４０ｍｍ／ｓｅｃ）が可能である。
【００２８】
また、可動部はステージ及び可動コイルのみで構成され、構造が簡単で信頼性が高い。可動部はクロスローラガイド使用により低発塵、高耐久、低騒音である。更に、ブラシが用いられていないので、保守が簡単であるという利点がある。
【００２９】
図４は本発明で用いられるリニアモーターステージの制御システム構成図である。
【００３０】
この図において、リニアモーターステージ８にはリニアスケール４１が配置され、このリニアスケール４１からの情報は波形整形ユニット４２を介して、位置検出のために、パルス指令Ｓcom と比較されるとともに、Ｆ／Ｖ変換器４３により速度検出が行われる。なお、４５は位置制御部、４６は速度制御部、４７は電流制御部であり、フィードバック制御が行われるようになっている。
【００３１】
このリニアモーターステージ８の制御システムは、フルクローズドループ方式となっている。
【００３２】
この図に示すように、この制御システムは、機械系すなわち可動テーブルの位置情報をフィードバックする制御であるため、高い精度の位置決めができる。この系は、位置ループ、速度ループ、電流ループより構成され、各制御部に別れる。まず、位置制御部４５でで指令位置と現在位置の差を計算し、偏差に応じた速度指令を出す。次に、速度制御部４６では指令速度と現在速度とを比較してその速度偏差から、トルク指令を計算する。電流制御部４７ではトルク指令と電流の差をとり、トルク指令通りの電流を流すための演算を行い、パワーＦＥＴを用いたＰＷＭ電流増幅回路によりリニアモーターステージ８を駆動する。リニアスケール４１からの移動距離と速度に比例したパルス信号は、位置制御部４５と速度制御部４６へフィードバックされる。
【００３３】
このように構成したので、本発明のリニアモーターステージ８によれば、高分解能の達成ができる。例えば、パルスステージ２０分の１の０．１μｍの精度で駆動することができる。
【００３４】
また、高精度位置決めが可能である。つまり、ギアを使用していないためバックラッシュがなく、位置決めの経年変化が無い。また、フルクローズドループ方式であるため、精密な位置決めが可能である。
【００３５】
更に、駆動時の音響ノイズもほとんど無く、さらに高速応答、高速駆動などが特徴として挙げられる。
【００３６】
次に、試料のランダム走査について説明する。
【００３７】
レーザービームを試料表面の任意の位置にランダムな順序で照射することは、オプティカル・スキャナによっても、リニアモーターステージのいずれによっても達成することができる。
【００３８】
オプティカル・スキャナの場合は、フィードバックループを有するガルバノメーターによった制御を行うため、かなりの高速動作が可能であるが、鏡を回転させるようにしているため、原理的に非直線歪みを有している（変位量が回転角度のｔａｎに比例するために、正方形の中心からビームを振った場合に変位量が大きくなるにつれて正方形の四隅を対角線方向に延ばした図形になってしまう）。
【００３９】
一方、リニアモーターステージの場合には、パルスエンコーダーを有するリニアモーターステージに加えるパルス数と移動方向を自由に変更することにより、従来のようなパルスモーターステージとは異なって、騒音を発生することなく、しかも移動途中の滞在時間が極めて少ない駆動が可能である。
【００４０】
図５は本発明の実施例を示す光音響顕微鏡の試料の平面図である。
【００４１】
この図に示すように、試料２１には、アルミニウムの矩形板を用いた。その大きさはＬ₁ （４０ｍｍ）×Ｌ₂ （４０ｍｍ）×厚さ（１０ｍｍ）である。この試料２１のほぼ中央部にスリット状の欠陥２２，２３がお互いに直角に交差している。これらの欠陥２２，２３の深さはどちらも２．０ｍｍである。
【００４２】
本発明の光音響顕微鏡装置を用い上記試料２１を測定して得られた光音響画像の一例を、図６に示す。
【００４３】
解像度は１００×１００ピクセルであり、変調周波数は１８０Ｈｚであった。画像において、白い部分では光音響信号が強く、黒くなるにつれて信号が弱くなっていく様子を示している。画像中央部に著しく強い光音響（上下、左右）が確認できる。このことから、上記試料２１の２本の表面欠陥２２，２３が互いに交差している状態が、光音響画像として明瞭に表示されていることが分かり、本画像が表面欠陥の交差部光音響信号であることがわかる。
【００４４】
図の中央部で、欠陥２２，２３が直角に交差している光音響像が最大になっている。
【００４５】
このように、本発明によれば、広範囲にわたり高速でかつ静粛な動作環境を実現し、走査を行うことができる。
【００４６】
上記では、リニアモーターステージによる走査について述べたが、リニアモーターステージは固定しておき、マイクロコンピュータ１１−情報バス１３−Ｄ／Ａ変換器１４を介したスキャナドライバー１５の駆動により、可動ミラー３を駆動して試料表面の走査を行うようにしてもよい。
【００４７】
さらに、上記したリニアモーターステージ８の走査と可動ミラー３の走査との協動作用により、試料６表面の走査を行うようにしてもよい。
【００４８】
特に、スキャナドライバー１５の駆動による可動ミラー３による走査の場合には、高速でかつ静粛な動作環境を実現し、走査を行うことができる。
【００４９】
このように、本発明によれば、それぞれ高速・ランダムアクセス、ならびに高精度の試料上の位置決め・照射を行う２つの動作モードが可能である多機能型の光音響顕微鏡装置を提供することができる。
【００５０】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、静粛さと高速性、またコンピュータ制御によるランダム・アクセス性を兼ね備えた光音響顕微鏡及びその映像方法を実現することができ、本装置によればマイクロマシンや微小電子部品の内部欠陥を非破壊的に検査したり、また尿や血液などの時間的に変化しやすい生体試料などをランダムな順序で定量的に測定することが１台の装置で可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示す光音響顕微鏡装置の基本的構成を示した説明図である。
【図２】 本発明で用いられるリニアモーターステージの側面図である。
【図３】 図２のＡ−Ａ′矢視図である。
【図４】 本発明で用いられるリニアモーターステージの制御システム構成図である。
【図５】 本発明の実施例を示す光音響顕微鏡装置の試料の平面図である。
【図６】 本発明の実施例を示す光音響顕微鏡装置による光音響画像を示す図である。
【符号の説明】
１ レーザー光源
２ 光変調器（メカニカルチョッパー）
３ 可動ミラー
４ 光学顕微鏡
５ 光音響セル
６，２１ 試料
７ 音響センサ
８ リニアモーターステージ
９ プリアンプ
１０ ロックイン・アンプ
１１ マイクロコンピュータ
１２ ステージ制御装置
１３ 情報バス
１４ Ｄ／Ａ変換器
１５ スキャナドライバー
２２，２３ 欠陥

Claims (6)

1. 断続光であるレーザービームを変調器により変調し、光学系により密閉容器の光音響セルの検出部内に設置された試料表面に照射して、物質内部に熱を発生させ、これを音波に変化させて音響センサにより検出し、情報処理装置による信号処理により、画像として構成する光音響顕微鏡装置であって、レーザービームと試料との相対的位置変動を伴いながら光走査・集光させる際に、操作する可動ミラーと、偏平コイル型の可動形リニア直流モータからなるリニアモーターステージとを備え、広範囲にわたり高速でかつ静粛な動作環境を実現し、レーザービームを前記試料表面に対してランダムに走査するとともに、前記リニアモーターステージは、固定子と可動子とからなり、前記固定子はヨーク部材を構成するベース部と該ベース部の中央から突出した中央突出部と、該中央突出部から両側に広がる水平部と、前記ベース部の側面に突出する側面突出部を有し、前記ベース部にはマグネットが配置されており、前記可動子は、可動テーブルと、その可動テーブルの両側の下方に延びる垂下部と、該垂下部の下端の内側に配置される偏平可動コイルが配置されており、前記固定子の側面突出部の上端内面と前記可動子の下部外側面との間にクロスローラーガイドとが配置されることを特徴とする光音響顕微鏡装置。
2. 請求項１記載の光音響顕微鏡装置において、前記可動ミラーを静止させ、レーザービームを固定させた状態で、リニアモーターステージを駆動して走査を行うことを特徴とする光音響顕微鏡装置。
3. 請求項１記載の光音響顕微鏡装置において、前記リニアモーターステージを固定して、前記可動ミラーを駆動して、レーザービームによる走査を行うことを特徴とする光音響顕微鏡装置。
4. 請求項１記載の光音響顕微鏡装置において、前記可動ミラーと、リニアモーターステージとの協動により走査を行うことを特徴とする光音響顕微鏡装置。
5. 請求項１記載の光音響顕微鏡装置において、前記リニアモーターステージを情報処理装置のプログラミングにより、レーザービームを試料表面の上にランダムに走査することを可能にしたことを特徴とする光音響顕微鏡装置。
6. 請求項１から５の何れか一項記載の光音響顕微鏡装置を用いて、前記試料表面の映像を得ることを特徴とする光音響顕微鏡装置による映像方法。

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