JPH0255950A - 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、パルス式の超音波顕微鏡に係り、特に受信信
号の抽出タイミングの設定部の改良に関する。

［従来の技術］ 近年、物質の音響的性質の微細な空間的分布を画像化し
解析する装置として超音波顕微鏡が商品化され、新素材
の研究開発や生体分野の研究等に有効な手段として注目
されている。超音波顕微鏡のうち、３０〜１００ＭＨｚ
の比較的低周波帯の超音波を用いるものは、試料表面か
らＵオーダーの深さまで観察することができるという特
徴を有するため、物質の内部構造を非破壊的に測定する
装置として有効である。この種の超音波顕微鏡は。

従来の超音波探傷装置や医療分野での超音波診断装置等
と同様に、被検体の深さ方向の位置情報を反射エコーの
時間情報として取出す必要がある。

深さ方向の位置分解能は９反射信号の時間分解能に依存
する。従ってパルス状の送信波を用いるのが一般的であ
る。

第４図は、従来のパルス式超音波顕微鏡の構成例である
。図示しない制御回路により送信回路１が駆動されて、
高周波バースト波からなる高電圧パルスが発生され、こ
れがサーキュレータ２を通って圧電トランスジューサ３
に印加される。トランスジューサ３で電気音響変換され
て得られた超音波パルスは、音響レンズ４により微小ス
ポットに集束するように集束球面波とされて、その焦点
位置またはその近傍に置かれた試料５に投射される。試
料５と音響レンズ４の間には、超音波伝搬の減衰を防止
するため水等のカプラー液体６が満たされる。試料５に
投射された超音波パルスは。

一部試料５表面で反射して内部に伝搬する。表面からの
反射波、および試料５の内部の音響的不均一部分や底面
等で反射した反射波は、カプラー液体６を通って音響レ
ンズ４に入り、トランスジューサ３で電気信号に変換さ
れて、サーキュレータ２を通って受信回路７に導かれる
。

受信回路７の出力信号は、タイマ２１により制御される
出力ゲート８により、必要な信号のみが抽出されて検波
回路９に導かれる。タイマ２１には、出力ゲート８への
制御信号のタイミングを外部的に設定するため、設定機
構２２が設けられている。この設定機構２２は例えば、
タイマ２１の時定数を変化させるボリュームなどである
。受信回路７の出力端子にはまた。受信信号波形を観察
するオシロスコープ１０が接続されている。

受信信号の例を第２図（ａ）に示す。ここで送信波と記
されたパルスは、サーキュレータ２の電気的不整合によ
るもれ波である。レンズ内部反射波と記されたパルスは
、音響レンズ４とカプラー液体６の界面からの反射波で
ある。これは１反射防止膜によっても除去できないもの
が、音響レンズ４内を往復反射して等間隔で複数同視れ
ることを示している。音響レンズ４は、これらレンズ内
部反射波の間の時間帯に試料からの反射波が余裕をもっ
て入るように設計されている。図の試料内部反射波■、
■は、試料内部の異なった深さ位置に存在する音響的不
均一部分から反射された超音波が時間的に分解されて得
られる様子を示している。

観察者は、この様な受信信号波形をオシロスコープ１０
により見ながら、観察したい深さ位置に対応する時間を
決定し、設定機構２２によって出カゲート８をオン制御
する時間を設定する。第２図（Ｃ）はこのオン制御信号
の例を示している。

ここでは、内部反射波■、■のうち■を抽出するように
、タイミングが設定されている。こうして。

内部反射波■のみが出力ゲート８により取出されて検波
回路９に導かれる。検波回路９は例えば。

得られた受信信号を包路線検波する他、そのピーク値を
検出してホールドする機能を有する。

以上では、試料の一点のみの音響情報を得る場合を説明
したが、実際には図示しない走査機構によって試料ステ
ージが超音波源に対して相対的に二次元的に走査駆動さ
れる。そして各点で得られる音響情報を処理するするこ
とにより、試料内部の所定渫さに存在する音響的不均一
の平面的分布が画像化されることになる。

このような従来のパルス式超音波顕微鏡の大きな一つの
欠点は、−度出力ゲートのタイミングを設定した後、音
響レンズを上下方向に移動させて異なってフォーカス状
態で走査しようとする場合。

再度タイマを設定し直さなければならない、ということ
である。例えば、音響レンズ４と試料５の位置関係が第
３図に示す状態Ａで得られる受信信号が第２図（ａ）で
ある場合、第３図の状態Ｂでは受信信号は第２図（ｂ）
のようになる。レンズ内部反射波の受信タイミングは、
音響レンズ４の構造により決まるため状態Ａ、Ｂに拘ら
ず一定であり、試料からの反射波のみが時間的にずれて
受信されることになる。従って、音響レンズ４を上下し
たときにも同じ深さ位置の画像を得たい場合には、タイ
マ２１を再度調整することが必要になる。

一方、音響レンズをどの位置に移動させた状態でもで常
に合焦画像を得たいという場合もある。

この場合も、音響レンズを上下させて集束点位置を変化
させると、タイマ２１を再度調整しないと合焦画像は得
られない。

［発明が解決しようとする課題］ 以上のように従来の超音波顕微鏡では、フォーカス状態
を変化させて走査しようとすると、出力ゲートを開くタ
イミングを決めるタイマを再度調整し直さねばならない
、という問題があった。

本発明の目的は、音響レンズを上下しても自動的に同じ
深さ位置の画像を得ることを可能とした超音波顕微鏡を
提供することにある。

本発明の他の目的は、やはり音響レンズを上下させた時
に、常に試料内の合焦画像を得ることを可能とした超音
波顕微鏡を提供することにある。

〔課題を解決するための手段］ 本発明においては上記目的を達成するため、音響レンズ
の試料に対する相対的な上下動変化量を検出する変化量
検出手段を設け、検出された変化量に対応して出力ゲー
トのオン制御信号のタイミングを自動的に調整するタイ
ミング制御回路を設ける。タイミング制御回路は、出力
ゲートのオン制御信号のタイミングを決定する第１の数
値を外部から設定する数値設定手段、前記変化量検出手
段による距離の変化量ΔＺから補正用の第２の数値を求
める演算手段、第１および第２の数値を加算する加算回
路、およびこの加算回路の出力値を計数してその計数終
了信号またはこれと同期した信号を前記出力ゲートにオ
ン制御信号として送出するカウンタ、等により構成され
る。

補正用の第２の数値を求める演算式は、後に詳細に説明
するように、補正の目的、即ち音響レンズを上下しても
常に同じ深さ位置の画像を得ようとする場合と、常に合
焦画像を得ようとする場合とでは、異なったものとなる
。

［作用〕 本発明による超音波顕微鏡では、音響レンズの上下移動
量に連動して、一定の法則に従って自動的に、必要な反
射信号を抽出するための時間軸上のゲート位置が調整さ
れる。従って従来のように。

音響レンズを上下させた時のフォーカス状態の変化に対
応させてタイマを調整し直すという必要がない。これに
より、音響レンズを上下させるのみで自動的に試料内部
の同じ深さ位置の画像を得ることができる。また、音響
レンズを上下させた時に自動的に合焦画像を得ることが
可能になる。

［実施例］ 以下２本発明の詳細な説明する。

第１図は２本発明の一実施例の超音波顕微鏡の構成を示
す。送信回路１．サーキュレータ２．圧電トランスジュ
ーサ３．音響レンズ４．および受信回路７等からなる超
音波パルス送受手段は従来と変わらない。超音波パルス
はカプラー液体６を介して試料５に投射される。受信回
路７の出力は。

出力ゲート８により必要な部分が抽出されて検波回路９
に送られるようになっており、これも従来と変わらない
。この実施例では、音響レンズ４を相対的に試料５に対
して上下させた時に、その移動量即ち音響レンズ４と試
料５間の距離の変化量を検出する移動量検出装置１６が
設けられている。

この移動量検出装置１６は例えば、ロー°タリーエンコ
ーダ、ポテンショメータなどにより構成される。移動量
検出装置１６には、リセット回路１７が設けられている
。移動量検出装置１６により得られる出力に応じて一定
の法則で出力ゲート８を開くタイミングを調整するタイ
ミング制御回路として、カウンタ１１．これを駆動する
基本クロックを発生するクロック発生器１２．基本クロ
ックを送信パルス発生に同期させてカウンタ１１に供給
するための制御ゲート１３．出力ゲート８を開くタイミ
ングを外部的に手動で設定するための第１の数値を与え
る数値設定回路、移動量検出装置１６の出力に応じて出
力ゲート８を開くタイミングを補正するための第２の数
値を求める演算回路１８、および第１の数値と第２の数
値を加算する加算回路１４により構成される。演算回路
１８は。

論理回路を用いて専用のハードウェアとして構成しても
よいし、汎用マイクロコンピュータの内部にソフトウェ
ア的に構成してもよい。数値設定回路は１５は１例えば
複数のディジタル・デイツプ・スイッチにより構成され
る。加算回路１４の出力は送信パルスに同期してカウン
タ１１に初期値として入力され、この初期値が基本クロ
ックによって減算計数される。そしてカウンタ１１の計
数終了信号（またはこれと同期した信号）が出力ゲート
８にオン制御信号として送出され、同時に制御ゲート１
３にオフ制御信号として送出されるようになっている。

試料ステージは、ｘ−ｙ走査装置１９により音響レンズ
４に対して相対的に二次元走査される。

この走査装置１９から得られる同期信号を送信回路１の
トリガ信号として用いることにより、この実施例の場合
にはいわゆるＣスコープ画像と呼ばれる試料内部の二次
元画像を得ることができるようになり、ている。

このように構成された超音波顕微鏡の動作を次に説明す
る。先にも述べたように、演算回路１８による演算の内
容は、目的とする処理により異なる。

まず、常に同じ深さ位置の画像を得る。という第１の目
的に対しては、演算回路１８により出力される第２の数
値は９次式（１）で表わされるものである。

２ΔＺ−ｆ／Ｃｏ　　　　　　　−（１）ここで、ΔＺ
は、移動量検出装置１６の出力である移動Ｑ、ｆは基本
クロックの周波数であり。

ｃｏはカプラー液体中の音速である。移動量ΔＺは、音
響レンズ４と試料５間の距離が増大する方向の場合は正
であり、逆の場合は負であるとする。

この様な演算式を与えた場合に、同じ深さ位置の画像が
得られることを、具体的な操作手順に従って以下に説明
する。まず観測者は、オシロスコープ１０により第２図
（ａ）のような反射信号波形を見ながら、音響レンズ４
を上下移動させるなどして表面反射や試料内部からの反
射を確認する。

レンズ内部反射波は前述のようにレンズの移動に対して
静止しているので、試料内部反射波と区別できる。いま
、取出したい反射波として例えば。

第２図（ａ）の内部反射波■を決定する。次にリセット
回路１７をオンにすることにより、演算回路１８の出力
を零にする。この状態で数値設定回路１５により第１の
数値を設定する。数値設定回路１５は加算回路１４の一
方の入力に接続されているが、この状態では数値設定回
路１５に設定されたディジタル値は直接カウンタ１１の
プリセットデータ端子に印加されることになる。

制御回路からの制御信号が送信回路１に与えられると、
送信回路１１は送信パルスを発生すると同時に、制御ゲ
ート１３を解放する信号とカウンタ１１にプリセットデ
ータをロードする信号を出力する。この時点からカウン
タ１は減数を開始し。

プリセットされた値に達すると計数終了信号が出されて
、これにより出力ゲート８はオン、制御ゲート１３はオ
フとされる。オシロスコープ１０には、出力ゲート８に
与えられる制御信号も反射信号と共に表示されている。

そこで観測者は、出力ゲート８をオン制御する信号が試
料内部からの必要な反射波■と時間軸上で重なるまで、
数値設定回路１５の設定値を変化させ、その後リセット
回路１７をオフ状態とする。これで走査準備が完了した
ことになる。

この後１通常のように二次元走査を行ない、試料内部反
射波■に相当する所望の深さ位置の画像を得ることがで
きる。音響レンズ４を上下してオオーカス状態を変更す
ると、移動量検出装置１６゜演算回路１８により、先の
（１）式で表わさせる補正用の第２の数値が加算回路１
４に与えられる。

第３図に示す音響レンズ４と試料５間の距離の変化量Δ
Ｚを超音波が往復する時間は、２ΔＺ／Ｃｏであるから
、（１）式で表わされる第２の数値は、この時間に対応
する基本クロック数である。

そして、ΔＺの正または負に応じて加算回路１４で第１
の数値と加算または減算が行われる。従って例えば第２
図（ａ）の受信信号波形に対して音響レンズの下降によ
り同図（ｂ）の受信状態になると、第２図（Ｃ）のオン
制御信号のタイミングはそれに応じて早くなる。つまり
音響レンズを上下移動させても、その移動量に対応して
ゲート時間が補正され、常に試料内部反射波■に相当す
る一定の深さ位置の画像を１）ることかで゛きる。

以上では、試料の深さ方向のある一点の情報を得る場合
を説明した。出力ゲート８を、第２図（ｄ）に示すよう
に複数回オン、オフすれば、試料の所定の深さ範囲に渡
る複数枚の画像を得ることが可能である。このような走
査を行なう場合にもこの実施例によれば、音響レンズの
上下に拘らず、一定の深さの範囲内での画像情報を得る
ことができる。

次に、試料４の観測すべき深さの範囲内で常に合焦画像
を得ようとする第２の目的に対しては。

補正用の第２の数値を求める演算、即ち演算回路１８に
よる演算の内容は２次式（２）で表わされるものとする
。

２ΔＺ−ｆ（１（Ｃｏ／Ｃｓ）２｝／Ｃｏ・・・（２） この式（２）において、ΔＺ、ｆ、ｃ、は先の式（１）
と同じであり、ＣＳは試料内部の超音波音速である。即
ちこの（２）式に基づく補正を行なう場合には、試料内
部の音速Ｃ８が知られていることが必要である。超音波
顕微鏡で内部を観４−１シようとする試料は、その音速
が既知のものもあれば、未知のものもある。音速が未知
であっても。

試料の厚みを知れば１表面反射波と底面からの反射波の
時間遅れと試料の厚みを利用して音速を求めることが可
能である。

この（２）式の演算による補正の結果、常に合焦画像が
得られる理由を２次に説明する。走査準備完了までの操
作は、先の深さ位置一定の画像を得るための動作説明に
おける場合と同様である。

この走査準備完了の時点での音響レンズ４と試料５の位
置関係がいま第３図の状態Ａにあったとする。このとき
第２図（ａ）に示すオシロスコープ１０上での信号波形
において、試料内部反射波■の振幅が最大であり、これ
が第３図の状態Ａでの超音波パルス集束点位置からの反
射波であったとする。この状態で音響レンズ４を上下さ
せることなく走査を行なえば、試料の合焦画像が得られ
る。

ここで音響レンズ４を試料５に近付ける方向にΔＺだけ
移動させ、第３図の状態Ｂになったとする。この状態で
合焦画像を得ようとすると、音響レンズ４のカプラー液
体中での移動量ΔＺと、試料５中での集束点のずれΔＺ
の双方を考慮して補正しなければならない。音響レンズ
４の移動量ΔＺの往復に要する超音波の時間に対応する
基本クロック数は、先の深さ位置一定の補正を行なう場
合と同じく、２ΔＺ−ｆ／Ｃｏである。また。

試料内部での集束点の移動量は、ΔＺ−ΔＺ・Ｃｏ／Ｃ
ｏであり、音波が試料内でこれだけの距離を往復する時
間は、２Δｚ　／　Ｃｓ　＝　２ΔＺ・Ｃｏ／Ｃｏ２で
あって、この距離に対応する基本クロック数は、２ΔＺ
−ｆ−Ｃｏ／ＣＳ２となる。

音響レンズ４の移動量ΔＺとこれによる試料内部での集
束点の移動量ΔＺとは、第３図から容易に理解されるよ
うに９反射波の受信時間の変化に対して互いに逆方向に
影響する。従ってその極性を考慮して、（２）式で示さ
れる第２の数値を補正用として与えれば、音響レンズを
上下した場合にも自動的に合焦画像を得ることができる
ことになる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、音響レンズを上下さ
せた時に自動的に出力ゲートをオンとするタイミングが
調整される。操作性に優れた超音波顕微鏡が実現する。

特にその出力ゲートのタイミング制御の演算式を選ぶこ
とにより、試料のある深さ位置の信号を得るように一度
設定すれば。

その後音響レンズを上下させても常に同じ深さ位置から
の情報を捕えるような追随性を付与することができる。

また、別の演算式を用いることにより、試料の合焦画像
を得るように一度設定すれば。

その後音響レンスを上下させても常に合焦画像が得られ
るようにすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の一実施例の超音波顕微鏡の構成を示
す図、第２図はその動作を説明するためのタイミング図
、第３図は同じくその動作を説明するために、音響レン
ズを上下させた状態を併置して示す図、第４図は、従来
の超音波顕微鏡の構成を示す図である。 １・・・送信回路、２・・・サーキュレータ、３・・・
圧電トランスジューサ、４・・・音響レンズ、５・・・
試料。 ６１．、カプラー液体、７・・・受信回路、８・・・出
力ゲート、９・・・検波回路、１０・・・オシロスコー
プ。 １１・・・カウンタ、１２・・・クロック発生器。 １３・・・制御ゲート、１４・・・加算回路、１５・・
・数値設定回路、１６・・・移動量（変化量）検出装置
、１７・・・リセット回路、１８・・・演算回路。 １９・・・ｘ−ｙ走査装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）音響レンズにより微小スポットに集束する超音波
   パルスをカプラー液体を通して試料に投射し、試料から
   の反射波を受信する超音波パルス送受手段と、この手段
   による受信信号の一部を抽出するための出力ゲートと、
   この出力ゲートを通過した受信信号を検波して音響情報
   信号を得る手段と、前記音響レンズと試料間の距離の変
   化量を検出する変化量検出手段と、この手段により得ら
   れた距離の変化量に対応して前記出力ゲートのオン制御
   信号のタイミングを自動的に調整するタイミング制御回
   路とを備え、前記タイミング制御回路は、前記出力ゲー
   トのオン制御信号のタイミングを決定する第１の数値を
   外部から設定する数値設定手段と、前記変化量検出手段
   による距離の変化量ΔＺから、下記式で表わされる補正
   用の第２の数値を求める演算手段と、前記第１の数値と
   第２の数値を加算する加算回路と、この加算回路の出力
   値を計数して、その計数終了信号またはこれと同期した
   信号を前記出力ゲートにオン制御信号として送出するカ
   ウンタとを有することを特徴とする超音波顕微鏡。 記 ２ΔＺ・ｆ／Ｃ＿ｏ 但し、ｆ：カウンタの基本クロック周波数 Ｃ＿ｏ：カプラー液体中の超音波音速
2. （２）音響レンズにより微小スポットに集束する超音波
   パルスをカプラー液体を通して試料に投射し、試料から
   の反射波を受信する超音波パルス送受手段と、この手段
   による受信信号の一部を抽出するための出力ゲートと、
   この出力ゲートを通過した受信信号を検波して音響情報
   信号を得る手段と、前記音響レンズと試料間の距離の変
   化量を検出する変化量検出手段と、この手段により得ら
   れた距離の変化量に対応して前記出力ゲートのオン制御
   信号のタイミングを自動的に調整するタイミング制御回
   路とを備え、前記タイミング制御回路は、前記出力ゲー
   トのオン制御信号のタイミングを決定する第１の数値を
   外部から設定する数値設定手段と、前記変化量検出手段
   による距離の変化量ΔＺから、下記式で表わされる補正
   用の第２の数値を求める演算手段と、前記第１の数値と
   第２の数値を加算する加算回路と、この加算回路の出力
   値を計数して、その計数終了信号またはこれと同期した
   信号を前記出力ゲートのオン制御信号として送出するカ
   ウンタとを有することを特徴とする超音波顕微鏡。 記 ２ΔＺ・ｆ｛１−（Ｃ＿ｏ／Ｃ＿ｓ）＾２｝／Ｃ＿ｏ但
   し、ｆ：カウンタの基本クロック周波数 Ｃ＿ｏ：カプラー液体中の超音波音速 Ｃ＿ｓ：試料中の超音波音速