JPH01259253A - 非線形効果を利用した超音波顕微鏡 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、非線形効果を利用して分解能向上が可能な超
音波顕微鏡に関する。

［従来の技術と発明が解決しようとづる課題］近年、光
学的な顕微鏡とか電子線を利用した電子顕微鏡とは異な
り、音響的な画像情報を得ることのできる超音波顕微鏡
が注目されるようになった。この超音波顕微鏡は、例え
ば１００ＭＨｚ〜数Ｇ　Ｈｚの超音波を用いることによ
り、μｍ　ｌｒ　−グーの分解能を有する超音波顕微鏡
画像を得ることができる。

この超音波顕微鏡は、原理的には、細く絞った超音波ビ
ームによって試料面を走査し、その試料によって散乱、
減衰等、じよう乱された超音波を集音して電気信号に変
換し、これを映像信号処理して、モニタ上に画像を表示
するようにしたものである。

ところで、最近、超音波の振幅が十分大きな状態では、
音速が音圧に依存し、音圧の増加に伴って増加するとい
う非線形効果を、超音波検査に利用するという試みがあ
る。

例えば、ジャーナル　オブ　アプライド　フィツクス（
Ｊｏｕｒｎａｌ　　ｏｆ　　ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓ　
ｉ　ｃｓ）第５６巻、１９８４年、第１３３８−１３４
６ページのルーガー（Ｄ、Ｒｕｇｅｒ）の論文中には、
非線形効果を利用した超音波顕微鏡について記載されて
いる。

前記論文によれば、超音波顕微鏡の試料と音響レンズ間
の超音波伝達媒体は、非線形性を有する。

音波による密度ゆらぎの振幅を、線形理論とは箕なり、
有限として、流体力学的方程式を解析すると、局所的な
密度に依存する音速の表式が得られる。すなわち、密度
に対して音速は単調増加するという結論が導かれる。正
弦的な密度波である音波は、伝搬と共に、その波形を鋸
歯状に歪ませて高調波を発生づる。このことが、前述の
非線形性の意味である。

音波の振幅が大きくなる程、基本波に対する高調波の振
幅は大きくなる。従って、超音波顕微鏡で用いるような
収束音波では、収束点で最も高調波の割合が大ぎ（なる
。一方、音波のスポットサイズは、波長をλとすると０
．７２で与えられる。

基本波の波長がλのとき、第２高調波の波長はλ／２で
あるから、そのスポットサイズは、０．３５λどなる。

以上のことから、充分大ぎな振幅の収束音波を液体中に
入射すると、収束点付近では、直径０．３５２の範囲に
エネルギーの大きな部分が集中し、事実上、スポラ１〜
＋Ｊイズが小さくなることが分る。このことは、当然、
超音波顕微鏡の分解能向上をもたらす。

前掲のル〜ガーの非線形性を用いた超音波顕微鏡では、
レンズの焦点付近で発生した高調波は、試料で反則した
後、伝搬と共に、再び基本波に転換する。そこで、音響
レンズへは、周波数ωの交流電力を加え、試料からの反
則波も周波数ωの交流電力として検出する通常の方法で
、非線形効果を利用Ｊ−ることが可能になる。

しかしながら、第２高調波を発生したり、あるいは、高
調波を基本波に戻したりする過程は、流体力学的方程式
にＪ３いて音波による密度ゆらぎの２次の項によるもの
であり、この過程に関与する音波の振幅は基本波に比べ
てかなり小さい。すなわち、周波数２ωの第２高調波か
ら転換した周波数ωの基本波の成分はかなり小さい。従
って、基本波を検出した場合は、画像の中で、非線形効
果にＪ：る部分のＳ／Ｎが悪くなってしまうという問題
点がある。

［発明の目的］ 本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、非線
形効果を利用すると共に、Ｓ／Ｎの良い画像を得ること
のできる超音波顕微鏡を提供することを目的どしている
。

［課題を解決するための手段及び作用］本発明による超
音波顕微鏡は、所定の焦点を有する音響レンズど、前記
音響レンズに対して、所定の周波数の超音波を供給する
手段と、前記音響レンズの焦点に位置する対象物によっ
てＵよう乱された音波エネルギを検出する検出手段と、
前記検出手段で検出される音波エネルギのうち、非線形
効果ににり前記音響レンズの焦点近傍で発生する高調波
成分を取り出して画像化する手段とを備えたものである
。

［作用コ 本発明では、音響レンズの焦点に位置する対象物によっ
てじよう乱され、検出手段（“検出される音波エネルギ
のうち、非線形効果により前記音響レンズの焦点近傍で
発生する高調波成分が取り出されて画像化される。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明覆る。

第１図は本発明の第１実施例の超音波顕微鏡の概略の構
成を示す説明図である。

本実施例の超音波顕微鏡は、超音波伝搬媒体材からなる
送受信兼用の音響レンズ１を備え、この音響レンズ１の
一端面には、送受信兼用の圧電トランスデユーサ２が貼
着されている。前記音響レンズ１の他端面には、球面状
の凹部からなる球面レンズ部１ａが形成されている。ま
た、前記音響レンズ１の球面レンズ部１ａに対向して、
試料５が駅名される試料台６が配設されている。前記球
面レンズ部１ａと前記試料５との間には、水等の超音波
伝達媒体７が介装されるようになっている。゛また、前
記音響レンズ１は、ＸＹ走査装Ｍ８にＪ：って、ＸＹ平
而面において２次元的に駆動されるようになっている。

尚、前記ＸＹ平面は、前記法面レンズ部１ａと試料５と
を結ぶ方向を７方向とした場合にお（−）る７方向に直
交Ｊる平面である。

前記圧電１−ランスデューリ２には、広帯域サーキュレ
ータ１２が接続され、この広帯域ザーキコレータ１２の
前記圧電トランスデューリ−２に対する入力側には、送
信器１１が接続されている。前記送信器１１は、周波数
ωの高周波電力を発生し、前記広帯域サーキュレータ１
２は、少なくともωから２ωの範囲をカバーするり一キ
ュレータである。また、前記広帯域サーキュレータ１２
の前記圧電トランスデユー９−２に対する出力側には、
帯域通過フィルタ１３が接続されている。この帯域通過
フィルタ１３は、通過帯域の中心周波数が２ωであり、
通過帯域幅は、周波数ωの信号を通ざないように設定さ
れている。前記帯域通過フィルタ１３の出ツノ信号は、
周波数２ωの信号を増幅づる増幅器を右する受信器１４
に入力され、この受信器１／ｌの出力は、映像信号処理
回路１５に入力されるようになっている。そして、この
映像信号処理回路１５で生成される映像信号が、モニタ
１６に入力され、このモニタ１６に超音波顕微鏡像が表
示されるＪ：うになっている。

尚、前記ＸＹ走査装置８及び映像信号処理回路１５は、
制御回路１０によって同期した制御が行われるようにな
っている。

次に、本実施例の作用について説明する。

送信器１１から出力される周波数ωの高周波電力は、広
帯域サーキュレータ１２を通過後、圧電ｉ〜ランスデコ
ーサ２に供給され、周波数ωの超音波に変換される。こ
の超音波は、音響レンズ１によって、収束球面音波どな
り、超音波伝達媒体７中に放射され、前記音響レンズ１
の焦点位置に配置された試料５上に収束される。前記音
響レンズ１の焦点近傍では、音波による密度ゆらぎが大
きくなり、周波数２ωの第２高調波が発生し、実効的な
スポットサイズが小さくなる。前記試料５で反射した音
波のうち、周波数ωの基本波はそのまま、周波数２ωの
第２高調波は一部が基本波に戻りつつ大部分は周波数２
ωのまま、前記音響レンズ１に到達する。この音波は、
前記圧電トランスデユーサ２によって、再び電気信号に
変換され、前記サーキュレータ１２を経て、帯域通過フ
ィルタ１３に入力される。この帯域通過フィルタ１３で
は、第２高調波のみが取り出され、受信器１／ｌに送ら
れる。そして、この受信器１４で増幅された周波数２ω
の信号が、映像信号処理回路１５に入力される。尚、前
記音響レンズ１は、ＸＹ走査装置８にＪ：ってＸ方向及
びＹ方向に走査され、これらの走査によって得られる超
音波顕微鏡像の映像信号が、前記映像信号処理装置１５
から出力される。そして、この映像信号が、モニタ１６
に入力され、口のモニタ１６に超音波顕微鏡像が表示さ
れる。本実施例において、前記モニタ１６に表示される
画像は、周波数２ωの第２高調波ににる画像である。

このように本実施例によれば、音響レンズ１の焦点近傍
Ｃ・発生し、試料５で反射された第２高調波を、直接検
出して、画像化しているので、実効的なスポットサイズ
が小さくなることから分解能が向上され、しかも、第２
高調波から転換した基本波成分を画像化する場合に比べ
て、Ｓ／Ｎの良い画像が得られる。

第２図は本発明の第２実施例の超音波顕微鏡の概略の構
成を示す説明図である。

本実施例は、第１実施例にインピーダンスマツチング回
路を加え、高能率化したものである。

音響レンズ１は、周波数に対し変化するインピーダンス
を持つため、第２図に示すように、送信側には、送信器
１１と広帯域サーキュレータ１２どの間に、周波数ωに
適したω−マツチング回路２１を設り、受信側には、広
帯域サーキュレータ１２と受信器１４との間に、周波数
２ωに適した２ω−マツチング回路２２を設けている。

尚、本実施例において、前記２ω−マツチング回路２２
は、中心周波数２ωの信号を通過し周波数ωの信号を通
さない帯域通過フィルタの機能も右するため、第１実施
例における帯域通過フィルタ１３は設りられていない。

その他の構成１作用及び効果は、第１実施例と同様であ
る。

尚、本発明は、上記各実施例に限定されず、例えば、試
料内を散乱、減衰しながら通過した超音波を受信して画
像化づる透過型の超音波顕微鏡にも適用Ｊることができ
る。

また、超高波伝達媒体として、液体チッソ、液体アルゴ
ン、液体ヘリウム等の低温液体を用いる低温超音波顕微
鏡にも適用Ｊることができる。

まＩｃ、第２高調波のみならず、基本波も検出できるよ
うにして、第２高調波による画像と基本波にＪ：る画像
の双方を表示可能にしても良い。

また、走査方法どして、Ｘ方向とＹ方向の少なくとも一
方を、試料台を駆動することによって行うようにしても
良い。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、音響レンズの焦点
近傍で発生した第２高調波を、直接検出して画像化でき
るので、実効的なスポットサイズが小さくなることから
分解能を向上でき、しかも、第２高調波から転換した基
本波成分を画像化する揚台に比べて、Ｓ／’Ｎの良い画
像を得ることかできるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の超音波顕微鏡の概略の構
成を丞８１説明図、第２図は本発明の第２実施例の超音
波顕微鏡の概略の構成を示Ｊ説明図である。 １・・・音響レンズ ２・・・圧電トランスデユーリ フ・・・超音波伝達媒体　１１・・・送信器１３・・・
帯域通過フィルタ １４・・・受信器　　　　１５・・・映像信号処理回路
１６・・・モニタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 所定の焦点を有する音響レンズと、前記音響レンズに対
   して、所定の周波数の超音波を供給する手段と、前記音
   響レンズの焦点に位置する対象物によってじよう乱され
   た音波エネルギを検出する検出手段と、前記検出手段で
   検出される音波エネルギのうら、非線形効果により前記
   音響レンズの焦点近傍で発生する高調波成分を取り出し
   て画像化する手段とを備えたことを特徴とする非線形効
   果を利用した超音波顕微鏡。