JPH0257972A - 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、音響レンズを用いて超音波の集束球面波を発
生させ、測定対象である物質の表面および内部からの反
射波を再び音響レンズでとらえて音響−電気変換を行な
い、その反射信号を取出して表示するようにした超音波
顕微鏡に関し、特にその反射信号を時間分離して取出し
、測定対象物の音響的構造を３次元的に画像表示する手
段に関する。

〔従来の技術〕

音響レンズを用いて超音波の集束球面波を発生、させ、
測定対象である物質の表面および内部からの反射波を再
び音響レンズでとらえて音響−電気変換を行ない、その
反射信号を取出して表示するようにした超音波顕微鏡は
公知である。かかる超音波顕微鏡の中で、３０ＭＨｚ〜
１００ＭＨｚといった比較的低い周波数帯の超音波を用
いる超音波顕微鏡は、超音波が測定対象物に対し数關の
深さまで到達し得るので、測定対象物の比較的深部にお
ける音響的構造を知る手段として極めて有用である。ま
たこの種の超音波顕微鏡は、一般にパルス状の超音波を
用いているが、パルス状超音波の反射波における時間軸
上での遅れ量には、測定対象物の深さ方向の位置情報が
含まれている。したがって上記位置情報を検出し、これ
を従来の平面走査情報とを組み合わせれば、測定対象物
の音響的構造を３次元的に画像化できる可能性をもって
いる。

その試みの一つとして、音響レンズと測定対象物との間
隔を変化させながら、平面走査を複数回くり返すことに
より、異なる深さからの反射信号による複数枚の水平面
断層像（Ｃモード画像）を得、この複数枚の水平面断層
像（Ｃモード画像）から３次元表示を行なおうとする試
みがなされている。

また別の試みとして、１回の平面走査を行なった際に得
られる反射信号を、複数のタイムゲート信号を用いて切
り出し、反射信号の時間分離を行なうことによって複数
枚のＣモード画像を得ようとする試みがなされている。

〔発明が解決しようとする６課題〕 上記した測定対象物における音響的構造を３次元的に画
像表示する従来の技術的手段には次のような問題があっ
た。

まず、音響レンズと測定対象物との間隔を変化させなが
ら、平面走査を複数回くり返すことにより、異なる深さ
からの反射信号による複数枚の水平面断層像（Ｃモード
画像）を得、この複数枚の水平面断層像（Ｃモード画像
）から３次元表示を行なおうとする試みでは、各Ｃモー
ド画像が、それぞれ焦点の合った画像になるという長所
がある反面、平面走査を多数回繰り返さなければならな
いので、測定に長い時間を要する上、各Ｃモードの位置
的再現性に乏しいといった欠点がある。

また１回の平面走査を行なった際に得られる反射信号を
、複数のタイムゲート信号を用いて切り出し、反射信号
の時間分離を行なうことによって複数枚のＣモード画像
を得ようとする試みでは、平面走査を１回だけ行なえば
よいので、測定を短時間で行なえる利点はあるが、その
反面、焦点のあったＣモード画像は一枚のみであり、他
は焦点の合わない画像となってしまうという重大な欠点
をもっている。

そこで本発明は、得られる各Ｃモード画像がすべて焦点
の合った画像になり、鮮明な３次元的画像を得ることが
でき、しかも平面走査は１回だけ行なえばよく、短時間
で測定可能である上、各Ｃモード画像の位置的再現性に
優れた３次元的画像表示手段を備えた超音波顕微鏡を提
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〕本発明は上記
課題を解決し目的を達するために次のような手段を講じ
た。

すなわち、送信パルスに同期して複数のタイムゲート信
号を発生する手段と、この手段により発生した前記タイ
ムゲート信号の前記送信パルスに対する時間遅れを調整
する手段と、この手段により時間遅れを調整された前記
タイムゲート信号を用いて前記送信パルスに対応する反
射信号を時間分離して抽出する手段と、この抽出された
反射信号から複素信号を生成する手段とを設けると共に
、前記音響レンズの焦点が測定対象物の表面に合った状
態を基準として音響レンズと測定対象物との間の距離の
変動量を検出する手段を設ける。そして前記音響レンズ
又は測定対象物載置用ステージの平面走査を行なうこと
によって前記複数のタイムゲート信号に対応する複数の
複素Ｃモード画像を得る手段と、この手段により得られ
た複数の複素Ｃモード画像の各々に対応する点広がり関
数を前記検出された距離の変動量を含む情報に基づいた
計算によって求めて逆フィルタを作成する手段と、この
手段により作成した逆フィルタを用いて画像劣化を復元
したのち立体透視画像として表示する手段とを備えるよ
うにした。

つまり、本発明はまず送信パルスに同期して生成された
複数のタイムゲート信号によりとらえた反射波を、直交
検波して複数枚の複素Ｃモード画像を得る手段を有して
いる。

また、音響レンズが、ＤＩ定対象物の表面に焦点が合っ
た状態から上下にどれほど移動したかを知る手段を有し
ている。

なお本発明は、試料の音速及び密度が既知であるか、又
は測定することが可能であることを前提とする。

かくして、以上の手段および条件に基づいて２、各複素
Ｃモード画像に特有な点広がり関数（Ｐ　Ｓ　Ｆ）を計
算により求め、逆フィルタを作成し、焦点はずれ画像か
ら合焦画像を復元再生して３次元的表示を行なうように
したことを特徴としている。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例の構成を示すブロック図であ
る。第１図において１１は中央演算装置（以下ＣＰＵと
略称する）であり、各部の動作制御および必要な演算を
行なうものとなっている。

このＣＰＵＩ　１からの制御信号によって制御される送
信回路１２からは、例えば周波数が３０　Ｍ　Ｈｚ〜１
００ＭＨｚ程度の比較的低い周波数帯の送信パルスが出
力される。この送信パルスは、サーキュレータ１３を通
って圧電トランスジューサ１４に印加される。圧電トラ
ンスジューサ１４にて電気音響変換された超音波は、音
響レンズ１５によって集束球面波となり、カプラ液体（
水）１６を伝搬して７１１１ｊ定対象物１７に照射され
る。照射された超音波の一部は測定対象物１７を構成す
る物質の表面で反射されるが、他の一部は物質内部に到
達する。物質の表面、底面、又は物質内部の音響的不均
一部分から反射した反射波は、再び音響レンズ１５を通
って圧電トランスジューサ１４に戻り、音響−電気変換
される。このようにして得られた反射波に対応する反射
信号は、サーキュレータ１３を通って受信回路１８に入
力し増幅される。

増幅された反射信号は、一方においてオシロスコープ１
９に供給され、他方において時間分離用ゲート回路２０
へ入力信号として供給される。

一方、ＣＰＵＩＩからの制御信号によりタイムゲート信
号発生回路３０が前記送信回路１２と同時に動作を開始
する。タイムゲート信号発生回路３０は高速パルスジェ
ネレータ２１からのパルスを基本クロックとして、ＣＰ
　Ｕ　１．　］−からの制御信号あるいは外部操作によ
って設定された時間を経過した後、一定数のタイムゲー
ト信号を発生する。

このタイムゲート信号も、一方においてオシロスコープ
１９に供給され、他方において時間分離用ゲート回路２
０のゲート制御信号として供給される。

第２図はオシロスコープ１９に表示される受信信号ＳＡ
と、タイムゲート信号ＳＢとを模擬的に示す波形図であ
る。ＳＡＩは表面反射信号を示し、ＳＡ２．ＳＡ３・・
・は内部反射信号を示している。

第１図に説明を戻す。観察者は、まずオシロスコープ１
つに表示された第２図示の表面反射信号ＳＡＩを識別し
、その振幅が最大となる位置（表面に焦点が合った位置
）に音響レンズ１５を移動させた後、上下位置検出回路
２２をリセット（ΔＺ＝０）する。その位置から音響レ
ンズ１５を測定対象物１７へ近づける方向に移動して、
測定対象物１７を構成している物質内部からの反射信号
が十分大きな振幅を有する状態にする。次に、ＣＰＵＩ
Ｉあるいは外部からの調節操作を含むゲート位置調節手
段を用いて、タイムゲート信号発生回路３０の調整を行
なうことにより、第２図に示すように、複数のタイムゲ
ート信号のうち先頭のタイムゲート信号ＳＢＩが表面反
射信号ＳＡＩ波をとらえる状態にセットする。つまり送
信パルスに対するタイムゲート信号の時間的遅れを調整
する。

次に、ＣＰＵＩＩからの制御信号によりＸ−Ｙ駆動機構
２３を始動させ、測定対象物１７を載置しているＸ−Ｙ
ステージ２４をＸ−Ｙ方向に振動させると共に、メモリ
２８を書込み可能な状態にし、一連の走査を実行する。

受信信号ＳＡは時間分離用ゲート回路２０により、複数
のタイムゲート信号ＳＢ１．ＳＢ２．ＳＢ３・・・の部
分のみが時間分離されて抽出され、直交検波回路２５に
導かれる。直交検波回路２５に導かれた各反射信号ＳＡ
Ｉ、ＳＡ２．ＳＡ３・・・は、この直交検波回路２５に
よってｓｉｎ検波、ＣＯＳ検波されて複素信号となり、
それぞれピークホールド回路２６ａ。

２６ｂにより、各タイムゲート信号ＳＢＩ。

ＳＢ２．ＳＢ３・・・のタイミングに合わせてピークホ
ールドされ、さらにＡ／Ｄ変換回路２７ａ。

２７ｂによりデジタル信号に変換されて、メモリ２８に
複素画像として格納される。なお後述する３次元的画像
やＣＰＵＩＩの動作内容等はデイスプレィ装置２９によ
って表示される。

ここで測定対象物１７の内部構造が第３図のようなもの
であった場合についての本装置の作用を説明する。第３
図に示すように、測定対象物１７の表面３１からの距離
が異なった深さ位置に反射体３２．３３．３４が存在し
ているものとする。

表面反射信号ＳＡＩはタイムゲート信号ＳＢ１でとらえ
られ、反射体３２からの反射信号ＳＡ２はタイムゲート
信号ＳＢ２により、反射体３３からの反射信号ＳＡ３は
タイムゲート信号ＳＢ３により、反射体３４からの反射
信号ＳＡ４はタイムゲート信号ＳＢ４により、それぞれ
とらえれられていると仮定する。第３図の例では反射体
３３からの像は焦点のあったものとなるが、反射体３３
以外の像は明らかに焦点はずれの像となる。したがって
このままの状態・では鮮明な３次元的画像表示は得られ
ない。しかるに本実施例では、上記焦点ずれの画像を焦
点のあった状態に復元する手段を有している。以下、タ
イムゲート信号ＳＢ４によってとらえられる反射体３４
からの反射信号ＳＡ４による像、すなわち反射体３４が
存在している深さの水平面断層像を復元する手段につい
て説明する。

第４図は一般的なパルス式音響レンズ４０の形状を示す
図である。電気音響トランデューサ４１を駆動する電極
の直径ａ、　　トランデューサ４１から音響レンズ４２
の後焦点面ＦＢまでの距離ｄ。

音響レンズ４２の水中側焦点距離ｆ等は、それぞれの音
響レンズに固有な設計値として既知である。

まずはじめに水中側焦平面ＦＦに於ける音場を求める必
要があるが、水中側焦平面ＦＦの音場と後焦点面ＦＢの
音場とは、フーリエ変換の関係にあることはよく知られ
ている。瞳関数Ｐ（χ、ｙ＞は開口内では１と仮定する
。そこで後焦点面ＦＢの音場を求めれば良いことになる
が、直径ａの円形音源から距離ｄだけ離れた、音源に平
行な平面の音場分布を求める方法は、次に■、■とじて
例示するように、既にいくつも提案がなされているとこ
ろである。

■　「超音波音場とＬｏｍｍｅｌ関数」鳥飼　安生 東京大学生産技術研究所報告 １７５（受理年度） ＵＤＣ５３，２３１−１４，１ ■　［高速フーリエ変換による音場の計算法」有藤　清
、　青水　出直 電子通信学会論文誌 ８１１５　　Ｖｏｌ、Ｊ６４−Ａ　　Ｎｏ、５これ等の
方法を用いて後焦点面ＦＢの音場を求めることは、水中
側焦点面ＦＦの音場のスペクトルを求めることになるわ
けであるが、これは各音響レンズにとって固有なもので
ある。したがって設計値に基づいて一度計算しておけば
良い。なお後焦点面ＦＢの音場ｕｌ’　　（χ、ｙ）と
、水中側焦点面ＦＦでのスペクトルＵｆ’　　（ｋｘ、
ｋｙ）の変数の間には、 ｋｘ　＝　（ｋｏｖ／　ｆ）　ｘ　　　　　　　・＝　
（１）ｋｙ　−（ｋＯｗ／　ｆ　）　Ｙ　　　　　　−
（２）ｋＯｗ−２π！／／ＣＭ　　　　　　　　　−（
３）なる関係がある。ここでνは音波の周波数、　Ｃｖ
は水中での音速、ｆは水中での音響レンズの焦点距離で
ある。

次に、音響レンズに対し測定対象物１７が、第３図のよ
うな位置関係にあるとき、測定対象物１７の表面３１に
於ける音場を求めることを考える。

第３図の状態は、前述したように測定対象物１７の表面
３１に焦点を合わせて、上下位置検出回路２２をリセッ
トした後、音響レンズ１５を測定対象物１７に接近させ
る如く移動させた状態であるから、上下位置検出回路２
２には第３図に図示しである距離ΔＺが保持されている
ことになる。

測定対象物１７の表面３１の音場を求めるには、先に求
めた水中側焦点面ＦＦのスペクトルＵｆ’（ｋｘ、ｋｙ
）を、水中で△Ｚだけ逆もどりした平面のスペクトルを
計算してやれば良い。それをＵｓとすると Ｕ　Ｓ＝　Ｕ　ｒｅ−１ｋｚｗΔｚ　　　　　　−（４
）（但しｋｚｗ−（ｋＯｖ２−　ｋｘ　２−Ｒｙ　２）
なる式の計算を、各ｋｘ、ｋｙについて行なうことによ
って求まる。

固体中では縦波と横波が存在するのが一般的であるが、
以下説明を簡単化するために縦波についてのみ考える。

Ｕｓは反射体３４が存在する面まで進んでＵＯとなるが
、これは（３）式と同じ考え方からＵＯ−ＵＳ　ｅ　　
−１ｋｚ”　　　　　　　　−（５）（但しｋＺＬ＝　
　（ｋｏＩ、２−ｋＸ”−Ｒｙ２）（ｋＯＬは測定対象
物中の縦波の伝搬定数）と表される。Ｍ１定対象物の音
速がわかっているという前提から ｋＯＬ−２πν／ＣＬ　。

Ｚ−（ｎ−１）ＣＬ、／ｆｇ　　　　・＝　（６）但し ＣＬ：／！ＩＩＩ定対象物中の縦波の音速シ：音波の周
波数 ｆｇ：タイムゲート信号のクロック周波数ｎ：タイムゲ
ート信号の番号 （ここでは５Ｂ４） によって求まる。このＵｏ　　（ｋｘ、ｋｙ）を逆フー
リエ変換したＵＯ（χ、ｙ）が、測定対象物１７の表面
下２の距離にある面に、音響レンズが形成する音場すな
わち点広がり関数である。

走査型の結像システムに於ける伝達関数ｈ（χ。

ｙ）は、対物レンズの点広がり関数の２乗になることが
知られている。そこで ｈ　（χ、ｙ）＝　　（ｕｏ　　（χ、５／）＋２・・
・（７） が音響レンズによる結像系の伝達関数になるわけである
。

ここまでは測定対象物１７と水の界面に於ける透過率２
反射体３４での反射率が１として説明してきたが、これ
等はすべて周波数特性を持っている。その内容は、既に
詳細に解析されている。参考文献としては、ｒＷＡＶＥ
ｓ　ＩＮ　ＬＡＹＥＲＥＤ　ＭＥＤＩＡＪ（Ｓｅｃｏｎ
ｄ　Ｅｄｉｔｉｏｎ　ｂｙ　Ｌ、Ｍ　ＢＲＥＫＨＯＶＳ
ＫＩＫＩ（、Ａｃａｄｅｍｔｃｐｒｅｓｓ、　１９８０
）がある。

縦波についての場合のみ、その結果を記すと、水から測
定対象物１７の内部への透過率ＴＬ（ｋｘ、ｋｙ）は に「−メロ１１１〒７ θ−ｓ　Ｌ　ｎ−’　（ｋｒ　／　ｋＯＷ）θ１−　ｓ
　ｉ　ｎ’　（ｋｒ　／ｋＯＬ）７−ｓ　ｉ　ｎ’　（
ｋｒ　／ｋｏｓ）ｋｏｓ＝　２　　π　ｖ／　Ｃｓ （但しＣｓ：測定対象物中の横波の音速）Ｚ−／ｉｃｙ
／ｃｏｓθ Ｚ、Ｃ−ρＩｃＬ／ｃｏｓθ１ ２１厘ρＩｃｓ／ｃｏｓγ （但しρ、ρ１　：各々水と試料の密度）とすると、 ＴＩ、＝（２ρ／ρｌ）Ｚノｃｏｓ２γ（Ｚ、ｉ？ｃｏ
ｓ２２γ ＋ｚｔ　ｓ　ｉ　ｎ２２７＋Ｚ）’　　−（８）ＩＩＰ
Ｉ定対象物から水への透過率（即ち測定対象物中の縦波
がその表面から水中へ放射される比率）ＴＬ’　　（ｋ
ｘ、ｋｙ）は、φを φ＝　（Ｚ＋Ｚｔ　ｓ　ｉ　ｎ２２７ −Ｚ、ｆｆｃｏｓ２２７） ／　（Ｚ＋Ｚｔ　ｓ　ｉ　ｎ２２７ ＋Ｚ）ＣＯ６２２７） と定義すると、 ＴＬ’　　＝　　（Ｃｗ　　ｃｏｓ　　θｌ／ＣＬｃｏ
ｓ　　θ　ｃｏｓ２　　γ）（１−φ）　　　　　　・
・・　（９）によって計算される。

反射体３４による反射率Ｒ（ｋｘ、ｋｙ）は、反射体３
４の密度及び音速が知られていないと計算できないが、
本発明者らは、別途Ｖ　（Ｚ）曲線の逆フーリエ変換か
ら反射関数を求める手法を物質内部にまで拡張した方法
を提案している。この方法によれば、測定対象物本体の
音速、密度が既知の場合はもちろん、未知であっても、
測定対象物表面３１からの反射波についてのＶ　（Ｚ）
と、内部反射体３４からの反射波についてのＶ　（Ｚ）
とを同時に測定、演算することが可能であり、これによ
り反射率Ｒ（１（Ｚ　、　　ｋｒ　）が求められる。

以上述べた３種類の周波数特性Ｔ、Ｔ’　、Ｒは反射体
３４におけるスペクトルＵｚにかかることになる。走査
型結像システムの２乗特性を考慮して Ｈ＋　　−Ｕｏ　　Ｔ　　　　　　　　　　　　　　　
　　・・・　（１０）Ｈ−−ＵＯＲＴ’　　　　　　　
　　　　　　　・・・　（１１）Ｈ−Ｈ＋　　＠Ｈ−・
・・　（１２）。

（＠：コンボリューション） なるＨすなわち逆フィルタを作成する。

劣化画像からの復元は、この逆フィルタを直接用いるよ
うにしても良いが、適当なノイズパワースペクトルを導
入してウィナ−フィルタを構成し、これを用いて復元し
ても良い。

以上の説明は、物質内部に、縦波だけが存在している場
合に限定しての説明であったが、実際には横波も存在す
る。そして反射体３４では縦波から変換された縦波と横
波、また横波から変換された縦波と横波の４種類の波動
が考えられる。これらに関して、それぞれ前述と同様の
考え方を適用すれば、各々のＨが求められる。それぞれ
の逆変換をｈｌ、ｈ２．ｈ３．ｈ４とすると、劣化画像
ｉは一般に、 ｉ−ｇ＠　（ｈｌ　＋ｈ２　＋ｈ３　＋ｈ４　）・・・
（１３） と考えて良い。したがって必要に応じて、つまり横波の
影響が無視できるかできないかを考慮して、ｈｌ−ｈ４
を組み合わせて用いれば良いであろう。

また、測定対象物によっては、その内部構造が剥離やク
ラックを有していることがわかっている場合もあるが、
この様な場合にはＲは約１であると考えてさしつかえな
い。さらに音響レンズの開口角が十分少さい場合には、
Ｔ、Ｔ’がほぼ一様の振幅と位相になる場合もあり、測
定対象物の内部に発生する横波が比較的小さくて無視で
きる場合もある。これらのことから計算が簡略化される
ことも多い。

以上の復元操作をＣＰＵＩＩにより行ない、各Ｃモード
画像に対してその処理を施した後、各Ｃモード画像を観
測し易い視点から見た状態に座標変換（アフィン変換）
し、適当な濃度の重みづけ等を行なってデイスプレィ装
置２９に重畳させて表示する。かくして様々な視点から
見た鮮明な立体透視画像が容易に得られる。

このように本実施例によれば、測定対象物１７の内部に
存在する音響的不均一部分の３次元的分布が、ただ１回
の平面走査によって得られる上、すべての深さに於ける
画像をボケのないものとなし得る。

なお本発明は、上記した一実施例に限定されるものでは
なく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可
能であるのは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、得られる各Ｃモード画像がすべて焦点
の合った画像になり、鮮明な３次元的画像を得ることが
でき、しかも平面走査は１回だけ行なえばよく、短時間
で測定可能である上、各Ｃモード画像の位置的再現性に
優れた３次元的画像表示手段を備えた超音波顕微鏡を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の一実施例を示す図で、第１図
は全体的な構成を示すブロック図、第２図は反射信号お
よびタイムゲート信号を模擬的に示す波形図、第３図は
超音波の物質表面および物質内部での反射の模様を示す
図、第４図は作用説明に用いた一般的なパルス式音響レ
ンズの形状を示す図である。 １１・・・ＣＰＵ、１４・・・圧電トランスジューサ、
１５・・・音響レンズ、１７・・・ｉ０１定対象物、２
０・・・時間分離用ゲート回路、３０・・・タイムゲル
ト信号発生回路。 出願人代理人　弁理士　坪井　　淳

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 音響レンズを用いて超音波の集束球面波を発生させ、測
   定対象である物質の表面および内部からの反射波を再び
   音響レンズでとらえて音響−電気変換を行ない、その反
   射信号を取出して表示するようにした超音波顕微鏡にお
   いて、 送信パルスに同期して複数のタイムゲート信号を発生す
   る手段と、この手段により発生した前記タイムゲート信
   号の前記送信パルスに対する時間遅れを調整する手段と
   、この手段により時間遅れを調整された前記タイムゲー
   ト信号を用いて前記送信パルスに対応する反射信号を時
   間分離して抽出する手段と、この抽出された反射信号か
   ら複素信号を生成する手段と、前記音響レンズの焦点が
   測定対象物の表面に合った状態を基準として音響レンズ
   と測定対象物との間の距離の変動量を検出する手段と、
   前記音響レンズ又は測定対象物載置用ステージの平面走
   査を行なうことによって前記複数のタイムゲート信号に
   対応する複数の複素Ｃモード画像を得る手段と、この手
   段により得られた複数の複素Ｃモード画像の各々に対応
   する点広がり関数を前記検出された距離の変動量を含む
   情報に基づいた計算によって求めて逆フィルタを作成す
   る手段と、この手段により作成した逆フィルタを用いて
   画像劣化を復元したのち立体透視画像として表示する手
   段とを備えたことを特徴とする超音波顕微鏡。