JPH0155408B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、超音波エネルギーを用いた撮像装置
特に超音波顕微鏡に関する。

近年1CHzに及ぶ超高周波の音波の発生検出が
可能となつたので、水中で約1μmの音波長が実現
できる事になり、その結果、高い分解能の音波撮
像装置が得られる様になつた。即ち、凹面レンズ
を用いて集束音波ビームを作り、1μmに及ぶ高い
分解能を実現するのである。

上記ビーム中に試料をそう入し、試料による反
射超音波を検出して試料の微細領域の弾性的性質
を解明したり、或は試料を機械的に２次元に走査
しながらこの信号の強度をブラウン管の輝度信号
として表示すれば、試料の微細領域を拡大してみ
る事が出来る。

まず、この様な超音波顕微鏡の従来構成につい
て説明し、その問題点を説明する。

第１図は、超音波顕微鏡の探触子系の従来法に
よる概略構成を示す図である。音響レンズ２０
（例えばサフアイア、石英ガラス等の円柱状結晶）
はその一端面２１が光学研摩された平面であり、
他端面に凹面状の半球穴３０が形成されている。
端面２１に蒸着された圧電薄膜１０に印加された
RFパルス電気信号により音響レンズ２０内に平
面波のRFパルス音波が放射される。この平面音
波は上記半球穴３０と媒質４０（一般に水）との
界面で形成された正の音響レンズにより所定焦点
におかれた試料５０上に集束される。

試料５０によつて反射、散乱された超音波は、
同じレンズによつて集音され平面波に変換され
て、最終的に圧電薄膜１０によりRF電気信号に
変換される。このRF電気信号をダイオード検波
してビデオ信号に変換し、上記のブラウン管の入
力信号として用いるのである。

ところで、この様な装置の分解能には、超音波
の伝播方向の深度分解能（焦点深度）Δρと超音
波の伝播方向と垂直な面内の方位分解能Δγとが
あり、いずれも使用した超音波の波長λとレンズ
の明るさを表わすＦナンバによつて定り、 Δγ＝λ・Ｆ (1) Δρ＝2λ・F² (2) で与えられる。

作成可能なレンズのＦナンバは0.7程度である
から、1GHzの超音波を用いると水中（1500m／
ｓ）でΔγ〜1μm、Δρ〜1.5μmとなる。超音波顕
微鏡では、このような極めて浅い焦点深度を利用
して試料内部のある深さの面内スライス像を得る
事ができる。第２図はこのことを模式的に示した
ものである。ここで試料１２０はxy平面内で機
械的に２次元に走査されている。上記の超音波セ
ンサ１００が第２図ａの位置にいる時は、レンズ
の焦点Ｆは試料１２０から離れており、ピントの
ボケた画像が得られ、第２図ｂの位置にいる時に
は焦点Ｆは丁度試料１２０の表面に合い、試料１
２０の表面に関わる音響像が得られ、又、第２図
ｃの位置にいる時には、試料１２０の深さＺなる
内部のスライス面に関わる音響像が得られるので
ある。

而して、顕微鏡画像を得る際、センサ１００と
試料１２０との間の距離を固定しておき、xy面
内を走査してセンサ１００の焦点が試料表面から
Ｚなる深度のΔρなる厚みのスライス像を得てい
る。従つて第２図中、Ａなる反射体はこの走査に
よる画像に明瞭に表われ、Ｂなる反射体は明瞭に
は表われない事になる。Ｂなる反射体を明瞭に描
画するにはセンサ１００を更に試料１２０に近づ
け焦点Ｆがxy機械走査中にＢ点を横切る様にし
なくではならない。

ところで、超音波顕微鏡で試料を観察する場合
まず低倍率で試料全体のxy面内の画像を観察し、
拡大して観察したい場所を見つけその上で高倍率
でその部分を拡大して観察する事が行なわれてい
る。これと同様に、xzはyz面内の試料の深さ方
向の情報も、まず第２図の様に表面からZ′なる深
さ（これは超音波が内部に到達しうる最大深度）
までの全体の様子を知り、しかる後に所望のスラ
イス面を観察する方法が求められている。例え
ば、第２図の例では、まずＡとＢという反射体が
存在するという事をxy機械走査で求め、その上
でＡ又はＢを詳しく観察したいのである。

従来の１つの音響センサを用いた超音波顕微鏡
では、xy面内の方位分解能を優先して設計され
ている為に、焦点深度Δρは極めて浅く（〜1μm）
上記の様な深度方向の概略の反射体の分布を観察
するには、センサ１００と試料１２０との間の距
離を変えては、xy走査して任意のスライス面に
ついての音響画像を求めるという操作を繰り返し
ていた。ところが、機械走査を用いている為、１
枚のxy画面を得るのに10〜20秒かかる為、Δρ
1.5μmのセンサで厚み15μmの多層構造の集積回
路を観察する場合、Ｚを約10回変えて10枚のxy
画面を得て始めて深度方向の分布が判明し、約
100〜200秒という長時間を要していたのである。

本発明は以上の点を鑑みてなされたもので、一
回のxy画走査という短時間で深度方向の情報の
概略を得、これをもとに詳細に観察すべきスライ
ス面を求めていく手段を提供する事を目的とす
る。

かかる目的を達成するために、本発明は、深度
方向の分解能Δρを深くしたり浅くしたりする手
段を付加することを特徴とする。即ち、焦点深度
の深い場合は上記第２図の試料の様にＡ，B2つ
の反射体を１回のxy走査で観察出来、又焦点深
度を浅くすればＡのみ又はＢのみを観察出来るか
らである。再して、(2)式によれば焦点深度Δρは Δρ＝2λ・F² (3) で与えられる。従つて低周波数にすれば焦点深度
を深く出来るから、一つの解決策としては高周波
用センサ（例えば1GHz、Δρ＝1.5μm）と低周波
用センサ（例えば100MHz、Δρ＝15μm）とを切
り換える事が考えられる（第３図の表中の方式１
に示す）。しかし、これではセンサが２つ必要で
あるばかりか、方位分解能も1μmから10μmと悪
くなるので得策ではない。これは(1)、(3)式で波長
λが共に１次で効いている為である。

本発明者等は(1)、(3)式においてＦナンバの効き
方が、方位分解能は１次であるのに対し深度分解
能には２次で効いている事に着目し、使用超音波
周波数は固定してＦナンバのみを変化させる事に
より焦点深度を切り換える構成を考案した。

即ち1GHzでＦ＝0.7のセンサ（Δγ＝1μm、Δρ
＝1.5μm）で、ＦナンバをＦ＝2.2にする事が出来
るならΔγ＝3.3μm、Δρ＝15μmとする事が出来る
（第３図の表中の方式に示す）。

云いかえれば、上記表に示す様に本発明によれ
ば方位分解能を著るしく劣化させる事がなく、焦
点深度を深くする事が出来る。以下に本発明の実
施例を図面を用いて説明する。第４図はレンズ系
の幾何形状を示したもので、音響レンズ２００の
一端面に下部電極２０５を蒸着し、その上にZnO
等の圧電薄膜２２０を蒸着する。更にその上に従
来と異なり同心円状の２つの上部電極２３０，２
１０を図の如く設け各々に電気入力端子２４０，
２５０を設けるのである。かかる構成において、
RF電気パルス信号を端子２４０，２５０に同時
に印加すれば、２６０の様な巾の平面超音波パル
スが発生し焦点Ｆに集束する。この時の焦点Ｆか
らみたレンズ径の見込み角θ₁がＦナンバを決め、 Ｆ１／（2sinθ₁） (4) で与えられる。Ｆナンバ0.7のときはθ₁＝45゜であ
る。今、本構成で端子２５０のみにRF電気信号
を印加するなら、上部電極２３０と下部電極２０
５ではさまれた圧電薄膜２２０の一部のみが振動
し、２７０の様な巾の平面超音波パルスが発生し
同じく焦点Ｆに集束する。この時のＦナンバは、 Ｆ１／（2sinθ₂） (5) で与えられる。前述の様にθ₂＝13゜とするとＦナ
ンバは2.2となる。従つて、本構成を用いるなら
最初端子２５０のみを用いて超音波を送受信すれ
ばＦナンバ２２のセンサとして1GHzで焦点深度
15μmの撮像を行ない、次にその観察をもとに、
改めて上部電極２５０，２４０を同時に用いて超
音波を送受信すればＦナンバ0.7のセンサとして
1GHzの焦点深度1.5μmの撮像を行なう事が出来
る。かかる操作は、第５図に示す如く、センサ系
３００２つの端子２５０及び２４０のうち２４０
と超音波送受信機３２０との間にRFアナログス
イツチ３１０をそう入し、これをON、OFFする
事により容易に実施出来る。

以上述べた如く、本発明によれば同一センサを
用いて、焦点深度を浅くしたり深くしたりする事
が出来、深度方向の全体観察と特定スライス面に
絞つた詳細観察とを使い分ける事が出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の超音波顕微鏡の探触子の概略
構成を示す図、第２図は、試料内部のスライス画
像を得る従来方法を説明する図、第３図は、深度
分解能と方位分解能とを比較する表を示す図、第
４図は、本発明の一実施例の構成を示す図、第５
図は、本発明の一実施例の構成の動作を説明する
ための図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 超音波集束ビームを送受信するセンサと該ビ
   ームの焦点領域内を２次元に相対的に試料を走査
   する手段とを有する超音波顕微鏡において、上記
   センサーが音響レンズ本体とその上に構成された
   下部、上部電極と圧電薄膜からなると共に上部電
   極が同心円状に分割されており、電圧パルスを印
   加する上部電極を選択する手段を備え、これによ
   りセンサのＦナンバーの値を切り換えることによ
   つて焦点深度の値を切り換える事を特徴とする超
   音波顕微鏡。