JPH0232251A - 超音波顕微鏡装置のフォーカシング機構 - Google Patents

超音波顕微鏡装置のフォーカシング機構

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JPH0232251A
JPH0232251A JP63182679A JP18267988A JPH0232251A JP H0232251 A JPH0232251 A JP H0232251A JP 63182679 A JP63182679 A JP 63182679A JP 18267988 A JP18267988 A JP 18267988A JP H0232251 A JPH0232251 A JP H0232251A
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JP
Japan
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lens
acoustic lens
focusing
coil
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JP63182679A
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Koichi Karaki
幸一 唐木
Mitsugi Sakai
酒井 貢
Yasuo Sasaki
靖夫 佐々木
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Olympus Corp
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Olympus Optical Co Ltd
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Priority to DE3924005A priority patent/DE3924005A1/de
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H3/00Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
    • G01H3/10Amplitude; Power
    • G01H3/12Amplitude; Power by electric means
    • G01H3/125Amplitude; Power by electric means for representing acoustic field distribution
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04Analysing solids
    • G01N29/06Visualisation of the interior, e.g. acoustic microscopy

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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

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] 本発明は超音波顕微鏡、特に超音波伝達媒体として液体
窒素、液体アルゴン、液体ヘリウムのような低温液体を
用いる超音波装置に用いられるフォーカシング機構に関
するものである。
[従来の技術] 従来、観察されるべき試料を超音波ビームで2次元的に
走査し、試料からの反射波を受波して試料の超音波像を
作成する超音波顕微鏡装置が実用化されている。この装
置では集束された超音波ビームを用いるため、超音波ビ
ームの集束手段、例えば音響レンズと試料表面又は内部
との間隔を焦点深度内に調整するいわゆるフォーカシン
グを行う必要がある。
本出願人による特願昭63−43458号にはフォーカ
シング方式の一例が述べられている。第6図を用いてそ
のフォーカシング方式を説明する。
一般には音響レンズと試料間に水が伝達媒体として満た
されているが、この装置は液体窒素、液体アルゴン、液
体ヘリウム等の低温液体を伝違媒体として用いており高
い分解能を得ることができる。
第6図は線図的断面図であり、防振台1に断熱容器2を
密封装着し、この断熱容器2内に超音波伝達媒体である
液体チッソ3を収容する。
この断熱容器2の上部は開口し、この開口部と対応する
防振台1の部分も開口させる。断熱容器2は二重真空構
造とされ、この真空槽内に環状槽4を設け、この環状槽
4内に液体チッソを封入して外部からの温度上昇作用を
防止する。
断熱容器2の側部壁にのぞき窓5a、5b及び5Cを設
け、これらのぞき窓を介して音響レンズと試料との間の
間隔を外部から確認できるようにする。防振台1の上部
にOリングを介してベースフランジ6を密封装着する。
このベースフランジ6のほぼ中央部に開口を設けると共
に4本のステー7を取り付ける(図面を明瞭にするため
2本のステー7a及び7bだけを図示する)。これらス
テーの下端にスキャナ支持台8を装着し、このスキャナ
支持台8にxyスキャナ9を装着し、このxyスキャナ
9に音響レンズ10を装着する。従って、音響レンズ1
0はxyスキャナ9により紙面と直交するxy平面内に
おいて2次元的に駆動されることになる。音響レンズ1
0の上方にZ方向に延在するサンプルロッド11を配置
し、このサンプルロッド11の下端に試料台12を取り
付け、この試料台12に観察すべき試料13を装着する
。音響レンズ10から発射した超音波ビームは伝達媒体
である液体チッソ3を経て試料13に到達し、従って試
料13は超音波ビームによって2次元的に走査されるこ
とになる。試料13からの反射波は音響レンズ13によ
って集められ、圧電トランスジユーサにより電気信号に
変換されサーキュレータ及び信号処理回路を経て画像信
号に変換される。サンプルロッド11はステンレス製の
中空パイプで構成する。これら音響レンズ及びxyスキ
ャナ用のリード線は、断熱容器2の側壁部又はベースフ
ランジ6に形成した孔及びシール装着を介して外部まで
延在させて外部回路に接続するものとする。尚、サンプ
ルロッド11をステー7と熱膨張率がほぼ同一の材料で
構成すれば、液体チッソの液面が変化しても音響レンズ
10に対する試料13のZ方向の変位の発生を防止する
ことができる。
尚、断熱容器2の開口部付近に環状の断熱部材14を配
置して開口部側における断熱効果を達成する。ベースフ
ランジ6の上側にOリングを介してゲートバルブ15を
取り付け、バルブを開閉することによって試料を交換す
るときに断熱容器2の内部を密閉する。尚、このゲート
バルブ15は種々の型式のものを用いることができ、こ
こではその詳細な説明は省略する。このゲートバルブ1
5の上側にOリングを介してフランジ16を装着し、こ
のフランジ16の上側にOリングを介してZ方向調整機
構17のベース17aを同軸的に装着する。このZ方向
調整機構17は、後述するサンプルロッドを支持するス
ライドシールを介してサンプルロッド11をZ方向に移
動して焦点調整を行うものであり、マイクロメータ17
bを侵しこのマイクロメータ17bを回動させることに
より図示しない連結機構を介して可動テーブル17cを
Z方向に自在に移動させる。このZ方向調整機構17は
種々の型式のものを用いることができ、ここでは詳細な
説明は省略する。Z方向調整機構17のベース17aに
スリーブ18及びベローズ19を同軸状に装着する。こ
のベローズ19は、Z方向並びにこのZ方向と直交する
X及びY方向に変形可能な中空密閉部材として機能する
。更にベローズ1つの上側にスライドシールを構成する
と共にサンプルロッド11を保持スるための保持用スリ
ーブ20を装着する。この保持用スリーブ20は長手方
向の中央部に形成されサンプルロッド11の外径よりも
若干大きい径のリング部20a1 リング部20aの上
方及び下方にそれぞれ形成されサンプルロッド11の外
径よりも大きい径の上側スリーブ部20b及び下側スリ
ーブ20cを有し、上側スリーブ分20bとサンプルロ
ッド11との間の環状空間内に第1のOリング21、第
1スIJ −フ22、第2のOリング23及び第2スリ
ーブ24を順次嵌合装着する。更に上側スリーブ部20
bの外周側にエンドキャップ25を螺合し、このエンド
キャップ25を締め付けることにより第1及び第2のO
リング21及び23を介してサンプルロッド11の端部
を密閉状で支持する。
従って、これら部材によりスライドシール26が構成さ
れると共にサンプルロッド11を保持することになる。
このスライドシール26は、エンドキャップ25の締め
付は量に応じて3種類の動作状態を選択的にとることが
できる。すなわち第1にエンドキャップ25を完全にゆ
るめた場合であって、サンプルロッドをスライドシール
に対して相対移動させてサンプルロッドを挿脱し得る動
作状態。第2にエンドキャップ25をゆるく締め付け、
気密に維持しながらサンプルロッドをZ方向に移動し得
る動作状態。
第3にエンドキャップを完全に締め付はスライドシール
とサンプルロッドとが一体に移動する動作状態をとるこ
とができる。サンプルロッド11の周囲にゲートバルブ
15、スライドシール26、ベローズ19等の中空部材
によってX方向、X方向及びZ方向に変形可能な密封空
間を画成することになる。尚、以後の説明において、こ
の空間をトップローディング空間と称することにする。
更に、保持用スリーブ20の上側スリーブ部20cにボ
ンピングライン27を接続し、このポンピングラインを
介してトップローディング空間の真空排気又は特定ガス
の充填を行なう。一方、Z方向調整機構17の可動テー
ブル17c上にX方向移動機構及びX方向移動機構を配
置する。これらX方向移動機構及びX方向移動機構はサ
ンプルロッド11をX方向及びX方向にそれぞれ平行移
動させる作用を達成する。これらX方向移動機構及びX
方向移動機構は共に同一構造をしており、図面を明瞭な
ものとするためX方向移動機構28だけを図示する。X
方向移動機構28はマイクロメータ28aを有し、この
マイクロメータ28aを回動することにより図示しない
スピンドルを介してX方向移動テーブル28bをX方向
に摺動させる。また、X方向移動機構用のマイクロメー
タはX方向移動機構28のマイクロメータ28aと直交
する方向(紙面に直交する方向)に位置し、このマイク
ロメータを回動することによりX方向移動テーブル28
b上に摺動自在に装着されているX方向移動テーブル2
9をX方向に移動させる。これらX方向移動機構及びX
方向移動機構を操作することによって密閉状態でサンプ
ルロッド11がX方向及びX方向にそれぞれ平行移動し
、従ってサンプルロッド11の先端に装着されている試
料13が音響レンズ10に対してX及びX方向に平行移
動し、この移動範囲において試料の所望の部位を視野内
に位置合わせすることができる。これらX方向移動機構
及びX方向移動機構の移動範囲は、1mm程度に設定す
れば、試料の所望の部位を視野内に十分位置合わせする
ことができる。このように構成すれば、断熱容器及びト
ップローディング空間の気密状態を破ることなく所望の
観察視野を選択することができる。X方向移動テーブル
29上に球面ゴニオから成るXY傾き調整機構30を配
置し、サンプルロッド11のX方向及びX方向の傾き調
整を行う。このXY傾き調整機構30は凹形球面部材に
凸形球面部材を嵌合し、マイクロメータ30a及びマイ
クロメータ30bを操作することによってサンプルロッ
ドのX及びX方向の傾き調整を行う。尚、この球面ゴニ
オから成る傾き調整機構は既知であるため詳細な説明は
省略する。さらに、エンドキャップ25に2本のネジ3
1a及び31bを介してブラケット32を連結する。こ
のブラケット32に差動マイクロメータ33を装着し、
この差動マイクロメータ33のスピンドル34を連結ネ
ジ35によりサンプルロッド11の端部に連結する。こ
の差動マイクロメータ33はサンプルロッド11のZ方
向に対する超微動移動装置としての機能を達成する。す
なわち、スライドシール26のエンドキャップ25を気
密が破られない程度にゆるめた状態で、差動マイクロメ
ータ33を操作することによりす・ンブルロッドのZ方
向の微調整を行なう。このように構成することにより、
極めて高精度に焦点調整を行なうことができ、−層鮮明
な超音波画像を得ることができる。さらに、本例ではベ
ースフランジ6にチューブ36の一端を連結する。この
チューブ36は、後述するように断熱容器内の液体チッ
ソ3と接する空間の内圧を一定の圧力に維持するための
ものであり、検鏡中にチューブ36を介して上記空間内
のチッソガスを外部に排気する。
次に試料交換の操作について説明する。試料観察が終了
した後、連結ネジ35をゆるめ差動マイクロメータ33
のスピンドル34とサンプルロッドとの間の連結を解除
してからスライドシール26のエンドキャップ25を気
密状態を破らない程度にゆるめ、サンプルロッド11を
試料台12がゲートバルブ15の上方に位置するまで引
き出す。次にゲートバルブ15を閉じ断熱容器2及びト
ップローディング空間をそれぞれ気密状態にする。この
状態でポンピングライン27を介してトップローディン
グ空間を排気し真空状態としてサンプルロッド11及び
試料13が室温になるまで待つ。この場合ポンピングラ
インから高温又は室温の乾燥空気やチッソガスを送り込
んでサンプルロッド等の温度を短詩間で室温まで上げる
こともできる。サンプルロッド等の温度が室温まで上昇
してからスライドシール26を開放してサンプルロッド
及び試料を外部に取り出す。このようにすれば、サンプ
ルロッド及び試料に外気中の水分が付着することがない
。次に、試料が交換されたサンプルロッドをスライドシ
ール26を経てトップローディング空間に挿入する。次
にスライドシール26を閉じてトップローディング空間
を排気し真空状態とする。これによりサンプルロッド及
び試料が乾燥される。次にゲートバルブ15を開くと共
に気密状態が破られないようにスライドシール26をゆ
るめサンプルロッドヲ図示の状態まで挿入する。このよ
うに構成すれば、トップローディング空間は排気されて
いるので水分を含む空気が断熱容器内に入ることが防止
され、水分付着による悪影響を防止することができる。
尚、試料を所定の観察位置に配置するに際しのぞき窓5
a〜5cを介して音響レンズに対する試料の位置を確認
することができるので試料配置作業が容易になる。更に
、試料観察に当ってZ方向調整機構17及びサンプルロ
ッドの端部に連結した差動マイクロ機構33を操作して
焦点調整を行い、更にxy傾き調整機構30を操作して
試料の傾き調整を行うと共に、X方向移動機構及びY方
向移動機構を操作することによって試料の所望の観察部
位を選定することができる。
[発明が解決しようとする課題] 従来のフォーカシング方式では試料側すなわち、サンプ
ルロッドを変位して粗調及び微調動作を行うようにして
いたため、次に述べる問題が生じていた。
■サンプルロッドは試料交換毎に出し入れされるため、
サンプルロッドはフォーカシング機構からいちいち取り
外す必要がある。しかも、試料交換はひんばんに行われ
るから容易に取り外せなければならない。従って、フォ
ーカシング機構に対して、ロッドの着脱機構しかも容易
に着脱できる機構を設けなければならないので構成が複
雑化する。
■サンプルロッドは、その上端部付近で支持されている
が、この支持部には真空をシールするためにO−リング
が嵌合している。0−リングがあるために、サンプルロ
ッドは機械的に確実な安定した固定状態にはなっていな
いことになる。従って、不安定なサンプルロッドをフォ
ーカシング方向に変位させて確実な位置決めを行わせる
のは容易には成し遂げることができない。
そこで、本発明は以上の問題点を解決して単純な構成で
確実に動作する超音波顕微鏡のフォーカシング機構を提
供することを目的とする。
[課題を解決するための手段および作用]本発明は少な
くとも音響レンズをフォーカシング方向、すなわち音響
レンズと試料との間隔を変化させる方向に移動させる手
段を設けたものである。
[実施例] 第1図は本発明の第1実施例を現わしており、音響レン
ズの周辺部のみを示している。スキャナ支持台8は底部
が閉塞された円筒状の部分と円筒部分の上端に外接する
円板状のフランジ部とからなる。円筒部分の内部には、
底面より上方に向って突設された細長い円筒形のスプリ
ング91が設けられている。スプリング91の先端には
レンズ支持台92が固定され、支持台92の上面の中心
部には音響レンズ10がスプリング91と同軸に装着さ
れている。一方、支持台92の上面の外周側にはスプリ
ング91と音響レンズ10の軸に対して対称な位置にX
−ドライブコイル93及びX−センスコイル94が設け
られている。また、コイル93.94を各々上下から挾
むようにマグネット95.97及びヨーク96.98が
スキャナ支持台8上に取り付けられている。そして、X
−ドライブコイル93に駆動信号を加えることによりレ
ンズ10はX方向へ走査される。X−センスコイル94
は、レンズ10のX方向の速度信号を得るもので、検出
出力をX−ドライブコイル93のドライバの入力にフィ
ードバックすることにより走査の安定化を計っている。
同様の走査機構が紙面と垂直な方向(Y方向)に設けら
れており、Y方向への走査を可能にしている。音響レン
ズ10とレンズ支持台92の間にはZ方向圧電体アクチ
ュエータ100が取り付けられておりフォーカシング方
向への音響レンズ10の移動を可能にしている。これに
対し、サンプルロッドの構成はZ方向の調整機構を全く
持たないものが考えられる。この場合は、Z方向圧電体
アクチュエータ100のみでフォーカシングを行うよう
にする。あるいは、第6図におけるZ方向調整機構17
は持っているが、マイクロ差動メータ33、スピンドル
34、連結ネジ35を除いた構成であっても良い。この
場合は、粗調整をサンプルロッドの移動で行い、微調整
をZ方向圧電体アクチュエータ100で行う。超音波顕
微鏡の他の部分の構成は、第6図に示すものであって良
い。
次に第2図により第2実施例を説明する。第2実施例で
はX−Yスキャナー9を支持するスキャナー支持台8と
ステー7a、7bの間にZ方向圧電体アクチュエータ1
01a、101bを取り付けている。アクチュエータ1
01a。
101bを駆動することにより、X−Yスキャナー9全
体が上下し、音響レンズ10と試料13との距離を調節
する。この場合も、第1実施例と同じ(サンプルロッド
11はZ方向調整機構17のみで粗調整のみを行っても
良いし、あるいは全(Z方向には調整しない様にしても
良い。なお、図示していないが、紙面と垂直な方向にも
一対のステーとZ方向圧電体アクチュエータが設けられ
ている。
第3図(a)、(b)は第3実施例である。
第3図(b)はZ方向調整機構の詳細を拡大して示して
いる。この実施例は第2実施例と同じ<X−Yスキャナ
ー9全体を上下させる機構になっている。X−Yスキャ
ナー9を保持するスキャナ支持台8は4本のステー7a
〜7d(紙面と垂直方向のステーは図示していない)に
より吊り下げられている。ステー7aの上端は真空シー
ルを保ちながらベースフランジ6の上まで延びており、
マイクロメータヘッド102の先端に連結ネジ103に
より固定されている。
第3図(b)に示すようにマイクロメータヘッド102
はステー7aと同軸上にあるようにマイクロメータベー
ス104の上tJ104 aに取り付けられる。マイク
ロメータベース104自体はその脚部104bにてベー
スフランジ6上にネジ止めされている。ベースフランジ
6には、ステー7aを通すために貫通孔105が形成さ
れるが、孔105の形状はベースフランジ6の上面に臨
んでいる部分105aの方が下面に臨んでいる部分10
5bより大きな径となっていて、両者はテーパー状の部
分105cを介してつながっている。テーパ部分105
Cにはステー7aに外装された0−リング106が密着
嵌合し、気密状態を保つようになっている。孔105は
上からキャップ107で塞がれており、キャップ107
はベースフランジ6上にネジ止めされる。
他のステー7b〜7dも同様の構成になっており、4個
のマイクロメータを回して調節することによりステー7
a〜7dを介してX−Yスキャナー9全体を上下させ、
フォーカシングを行う。サンプルロッドに関しては、第
1、第2実施例と同様の構成であり、他の部分について
は、第6図の構成をとることができる。第2、第3実施
例では、4コのZ方向調整機構を独立に動作させること
が可能なので、試料の傾き、すなわちレンズの2次元走
査面と試料表面との平行度のずれを補正することができ
る。その場合、第6図に招けるxy傾き調整機構を省略
することも可能である。補正を行うには、xy方向に試
料を移動させて数ケ所でV(Z)信号を検出し、その値
が1シぼどの場所でも一定になる様にZ方向調整機構を
動作させれば良い。一定の値が得られるのは、平行にな
ったことを意味している。
第6図の従来の装置では、断熱容器2内の液体窒素3が
沸騰して発生するアワによる微小振動を防止するために
、液体窒素3と接する空間の内圧を高め、アワを止めて
いる。しかしながら、完全にアワの発生を止められない
ので内圧が更に上昇しサンプルロッド11をもち上げフ
ォーカシングがずれることがあった。アワの発生は外部
からの熱の流入があることを示し、サンプルロッドを介
しての流入が問題となる。これは、サンプルロッドの一
端が室温中にあり、他端が液体窒素内に置かれているか
らである。
熱の流入はより低温の液体ヘリウムを用いた場合に特に
大きな問題となるが、第6図の構造ではフォーカシング
機構ごと低温液体内に閉じ込めることは不可能であるの
で熱の流入を防ぐことができない。
次の例によればフォーカシング機構も含めて低温液体内
に閉じ込めることができる。第4図において、フレーム
110には、音響レンズと試料、並びにx、y、zの全
ての方向への移動機構が取り付けられている。フレーム
110は上下二つの枠体110a、110bからなり、
上枠体110aには試料111をフォーカシング方向(
Z方向)に移動可能にするボイスコイル機構112が取
り付けられている。ボイスコイル機構112は三本の腕
部を持ったヨーク113.114とヨークの中央部に嵌
合している磁石115.116およびヨーク113.1
14の中央の腕部に嵌装されるコイル117.118か
らなる。ヨーク113.114と磁石115.116は
フレーム110の上枠体110aに対向して配置される
。ヨーク114の中央の腕部はシャフト119を通すた
めに貫通孔があけられている。フィル117.118は
シャフト119の上端と中央部に取り付けられる。
シャフト119の下端には試料120が装着さし、フォ
ーカシング方向への移動を可能にした形で固定される。
一方、下枠体110bには試料120に対向して音響レ
ンズ121とX−Yスキャナー122とが取り付けられ
ている。動作を説明する。
コイル117にドライブ回路123からD C74圧を
加えるとその電圧値に応じてシャフト119は移動し重
力とバネ123.124の弾性力とのつり合った点で静
止する。コイル118は周囲の振動等でシャフト119
が振動すると変位速度に応じ元々ゼロであった出力がゼ
ロでな(なり、この信号がドライブ回路125の入力に
フィードバックされてシャフト119を静止させる働き
を果たす。従って、コイル118は)イ/1zl17で
決定されたシャフト119の位置をロックする働きをな
すことになる。フォーカス調整は、コイル117に加之
るD CN圧を変化させることにより行われる。第5図
はボイスコイル機構の他の例である。これは、第1図の
X−Yスキャナーと同じ構造で、コイル129はボビン
130に巻回され、ボビン129はそのフランジ部分に
てシャフト131に固定している。
さて、第4図、第5図の方式では、一つのフレーム内に
音響レンズと試料並びに両者の位置関係を調整するX−
Y及びZ方向調整機構が設置され、しかも、調整機構は
外部からの電気信号により遠隔操作することができる。
従って、フレーム全体を低温液体に漬けることとが可能
になる。この構成により、外部からの熱の流入が防げる
と共に、低温液体の気化による内圧の上昇があったとし
ても試料を取り付けたシャフトには一方向のみから力が
働くことがないので、フォーカスがずれるという問題点
が生じなくなる。なお、外部からの熱の流入は妨げると
しても、電流をコイルに流しているからコイル自体から
の発熱がある。これは、コイルを超伝導線で作ることで
解決される。
[発明の効果コ 本発明によれば、試料は交換の際にいちいち気密された
ハウジング外に取り出さなければならないため、試料を
支持する試料支持手段のみにフォーカシングの機構を持
たせるには構造の複雑化が避けられない点に着目し、少
なくとも音響レンズをフォーカシング方向に移動させる
ようにしたものである。音響レンズ側は交換の必要性が
全くないわけではないが、試料に比べれば交換の頻度が
少ないからフォーカシング機構を取り付けても、交換の
際に誤ってフォーカシング機構を破損する可能性が低(
なる。また、フォーカシング機構に対する着脱機構につ
いても特に容易に着脱される機能を要求されるわけでは
ないから設計の幅が拡がる。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図、第3図(a)(b)、第4図、第5図
は各々この発明の第1〜第5実施例を説明する図、第6
図は従来の超音波顕微鏡装置を示す図である。 100+101a。 アクチュエータ 102・・・マイクロメータヘッド 113.114,127・・・ヨーク 115.116,126・・・磁石 117.118,129・・・コイル 101b・・・・・・Z方向圧電体 10しンス゛ 特許出願人   オリンパス光学工業株式会社第1図 第2図 第 図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 超音波ビームを試料に投射する音響レンズと、この試料
    を支持する試料支持手段と、少なくとも前記音響レンズ
    と試料手段との間の前記超音波ビームの移動空間を満た
    す超音波伝達媒体である低温液体と、前記音響レンズと
    前記試料支持手段と前記低温液体とを収容すると共に、
    気密性を有するハウジングと、このハウジングの一部に
    気密保持状態と気密解除状態とを切換えて発生させ、気
    密解除状態で前記試料を前記ハウジングより取り出すこ
    とを可能にする気密切換手段とを有する超音波顕微鏡装
    置において、少なくとも前記音響レンズを前記試料との
    間隔を変化させる方向に移動させる手段を有することを
    特徴とする超音波顕微鏡装置のフォーカシング機構。
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