JPH04259854A - 走査型超音波顕微鏡の測定データ処理方式 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、走査型超音波顕微鏡
の測定データ処理方式に関し、詳しくは、表示画像の歪
みを低減でき、測定視野をスキャナの運動範囲近くまで
拡大することができるような走査型超音波顕微鏡に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】超音波顕微鏡の全体的な構成は、通常、
図３に示す通りである。図において、２０は、超音波顕
微鏡であって、一般的にスキャン機構を有する測定機構
系（スキャナ）２１と、スキャンについての駆動を制御
する駆動コントローラ２２、測定機構系２１のｘ主走査
軸（横軸）に固定された超音波センサ（圧電素子＋レン
ズ）２３と、このセンサを駆動し、ここからエコー受信
信号を受ける超音波測定部２４、超音波測定部２４から
の測定値を受けるＡ／Ｄ変換・インタフェース部２５、
Ａ／Ｄ変換・インタフェース部２５からＡ／Ｄ変換され
た測定データを読込む画像処理・制御部２６、そして、
画像処理・制御部２６で生成されたビデオ信号を受けて
画像を表示するＣＲＴディスプレイ（ＣＲＴ）２７とを
備えている。なお、Ａ／Ｄ変換・インタフェース部２５
は、超音波測定部２４に画像処理・制御部２６からの制
御信号を送るインタフェースにもなっている。また、通
常、Ａ／Ｄ変換・インタフェース部２５と画像処理・制
御部２６とＣＲＴ２７とで画像処理・制御装置が構成さ
れる。

【０００３】超音波測定部２４は、通常、高周波パルス
発生器を有していて、画像処理・制御部２６からの駆動
パルスに応じてバースト波を発生し、超音波センサ２３
を駆動する。その内部にはパルサ・レシーバと、エコー
のピーク値を検出するピークディテクタなどを備えてい
る。Ａ／Ｄ変換・インタフェース部２５は、画像処理・
制御部２６からの制御パルスに応じて（後述する駆動パ
ルス３に対応して発生する）測定値をＡ／Ｄ変換してそ
のサンプル値を一時記憶する。コントローラ２２は、画
像処理・制御部２６により制御されて測定機構系（スキ
ャナ）２１の試料位置決め系のＸＹ移動機構と試料走査
制御系のｘｙｚ移動機構とを駆動制御する。これら移動
機構により決定されるＸＹ座標系とｘｙｚ座標系のうち
のｘｙの座標関係とは、同一平面上にある。

【０００４】測定機構系２１には、超音波センサ２３の
直下に試料の測定部分を位置決めするＸＹ移動テーブル
２８と、試料の測定位置の中心を超音波センサ２３の直
下に位置づけかつその中心を中心としてｘｙ走査を行う
ｘ方向走査軸３０とｙ方向走査テーブル２９とが設けら
れている。ｘ方向走査軸３０は、超音波センサ２３が固
定されていて、ｘ軸駆動部３１によりｘ方向に進退駆動
され、ｘ軸駆動部３１は、ｚ方向移動軸３２に取付られ
、ｘ方向走査軸３０とともにその全体が移動する。一方
、ｙ方向走査テーブル２９は、ＸＹ移動テーブル２８の
Ｙ方向移動テーブル２８ｂ上に支承され、その下側にＸ
Ｙ移動テーブル２８のＸ方向移動テーブル２８ａが設け
られている。なお、Ｘ方向移動テーブル２８ａとＺ方向
移動軸３２は、それぞれベース３３に固定されている。 そして、コントローラ２２がこれら各テーブルと移動軸
、走査軸とをそれぞれ駆動する。

【０００５】画像処理・制御部２６は、コントローラ２
２を介してＸＹ移動テーブル２８を制御して試料のうち
から測定したい領域を超音波センサ２３の直下に位置決
めさせる。また、コントローラ２２を介してｘｙ走査を
行い、選択された測定領域に対してｘｙ方向の水平面あ
るいはｘｚ，ｙｚ方向の垂直面において試料を走査して
超音波センサ２３，超音波測定部２４を介してその測定
データを得て、これをＡ／Ｄ変換・インタフェース部２
５によりデジタル値に変換する。画像処理・制御部２６
は、この測定データを読込み、画像メモリに転送してそ
れに基づいてビデオ信号を生成して測定画像をＣＲＴ２
７に出力し、それを表示させる。

【０００６】ところで、走査型超音波顕微鏡において、
速く動作するスキャナに対してはその往復運動の走査軸
であるｘ軸に単振動運動が与えられる。これにより一定
の振動周波数のものでは同一の駆動力に対して振幅を大
きくでき、不要・有害な高次振動の発生を防止できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、単振動運動を
利用してデータを採取する場合、超音波センサに対する
駆動（バースト信号の発生）を等時間間隔で行うと、単
振動運動に応じた状態で測定位置が変化する関係から測
定位置が等間隔とならず、測定画像に遅れや歪みを生じ
る。このようなことを解決する技術の１つとして超音波
センサの駆動の時間間隔を単振動運動の移動位置に合わ
せて変化させることが考えられ、この種のものとして特
開昭５８−２１８６４７号を挙げることができる。

【０００８】単振動運動の移動位置に応じて超音波セン
サを駆動するこの種の技術は、移動速度が遅い場合には
それなりの利点がある。しかし、移動速度が高速になる
と駆動信号の時間間隔を単振動運動に合わせて変化させ
る制御が難しくなる。そこで、移動速度が速くなった場
合には、スキャナを単振動させつつその振幅の中央部の
等速運動と見なしうる領域（疑似等速運動領域）を測定
部として選択し、その範囲において一定時間間隔で測定
を行うことになる。

【０００９】このような従来技術では、単振動運動中、
実際には等速運動をする部分がないにもかかわらず、等
速運動と仮定して等時間間隔で測定されたデータを等間
隔の位置のデータとして画像表示をすることになる。し
たがって、表示画像に歪が混入する。しかも、表示画像
の歪を目視観測上許容できる程度に抑えるためにスキャ
ナの運動範囲のうちその中央部のみしか測定範囲として
設定できず、それにより視野を広げることができない問
題がある。また、この種の装置において、測定視野を広
げるためにｘ方向全体の振幅を大きく採ると逆に測定速
度が低下し、装置が大型化する。

【００１０】近年、高精度のアクチュエータとして圧電
素子等が利用され、その応用としてこれが超音波応用計
測を精密に行う上で貴重な存在となりつつある。しかし
、残念ながらその振幅範囲は決して大きくなく、従来の
ごとく単振動でスキャンさせてその中央部を疑似等速運
動部にして一定時間間隔で測定せざるを得ないのが現実
である。

【００１１】この発明は、このような従来技術の問題点
を解決するものであって、測定データを画像処理やデー
タ解析に供し得る形で記録しつつ、これによる表示画像
の歪みを低減でき、測定視野をスキャナの運動範囲近く
まで拡大することができ、高速スキャンが可能な走査型
超音波顕微鏡の測定データ処理方式を提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明の走査型超音波
顕微鏡の測定データ処理方式の特徴は、スキャナの疑似
等速運動領域だけでなく非等速運動領域をも含めて測定
データを一定時間間隔で採取し、測定データを画像メモ
リとは異なるメモリに順次記憶し、このメモリに記憶さ
れた測定データを読出し、そ記憶位置に応じて試料に対
する超音波センサの相対位置に対応する画像メモリ上の
表示位置を算出してそこに測定値を表示データとして記
憶するものである。

【００１３】

【作用】このように、画像メモリとは別に測定データを
記憶するメモリを設けて測定データの表示位置をこの別
のメモリの記憶位置から割出し、画像メモリに表示デー
タとして展開して記憶するようにするようにしているの
で、採取した測定データは、画像メモリ上の表示データ
として歪みがないような位置に書込まれ、観測し易い映
像が得られる。しかも、多くの測定データを往復運動に
おける走査の位置に応じて一定時間間隔で高速に別のメ
モリに採取することができるので、高速処理が可能にな
る。

【００１４】ところで、以上のように画像メモリの各画
素対応の記憶アドレスに順次格納するのではなく格納す
べきアドレスを計算によって求めた上で表示データを格
納すると、表示データ間に隙間が生じることが考えられ
る。これは、振幅中央部の最高速度の部分の測定データ
の密度が画素密度に合致するように、スキャナ振幅、振
動数、測定周期、表示サイズ等のマッチングをとること
によって避けることができる。しかしこのようにすると
、往復運動における走査の振幅両端部分の各測定データ
に対しては、画像メモリ上の表示アドレスが不足するこ
とになる。そこで、その部分では画像メモリ上の同一ア
ドレスに格納すべきデータについて平均化するか前また
は後のいずれかのデータを優先する処理を行い、このよ
うに表示データについてはデータ加工または廃棄を行う
が、このようにしても画像処理およびデータ解析のため
には別のメモリに全データが格納されているので差し支
えない。なお、以上とは逆に表示データの間に隙間があ
る場合には補間する処理を行ってもよい。

【００１５】

【実施例】図１は、この発明の走査型超音波顕微鏡の測
定データ処理方式を適用した一実施例のブロック図であ
り、図２は、その動作の説明図である。なお、第３図と
同等のものは同一の符号を付してその装置の説明を割愛
する。

【００１６】図１に示すように、Ａ／Ｄ変換・インタフ
ェース部２５は、Ａ／Ｄ変換回路２５ａと入出力回路２
５ｂとから構成されている。また、コントローラ２２は
、スキャナドライバ２２ａとＤ／Ａ変換回路２２ｂとを
備えている。なお、１は、ｙ方向走査テーブル２９上に
載置された試料である。ここで、画像処理・制御装置２
６は、Ｄ／Ａ変換器２２ｂを通して画像処理・制御装置
２６のリアルタイムの位置制御に基づいてスキャナドラ
イバ２２ａを駆動制御する。これにより測定機構系（ス
キャナ）２１がその指示された位置へ移動する。

【００１７】駆動制御のうちｘ方向の走査における移動
量と時間の関係を示すと、図２の（ａ）に示すようにｓ
ｉｎ　カーブ（単振動運動の波形）２となる。このｓｉ
ｎ　カーブに応じて入出力回路２５ｂを介して同図（ｂ
）に示すように往復運動の帰り（超音波センサ２３側か
らみれば前進状態である。なお、これは往復であっても
よい。）時点の全振幅において一定間隔（周期Ｔ，図で
は、説明上実際より拡大している。）の駆動パルス３が
超音波測定部２４に送出される。超音波測定部２４は、
この駆動パルス３に応じて、例えば、その立上がり及び
立下がりタイミングで高周波パルス発生器からバースト
信号発生してそれで超音波センサ２３を駆動する。した
がって、駆動パルス３に応じて決定されるｘ方向の各測
定点は、全体にｓｉｎ　カーブ上のものとなり、等間隔
とならない。 その中央部は等間隔に近くなるが粗く、上下の部分は密
になる。なお、図中、Ｗ１　が全振幅の範囲であり、Ｗ
２　が疑似的に等速運動とみなせる最大の測定範囲であ
る。

【００１８】さて、超音波測定部２４から発せられたバ
ースト信号が超音波センサ２３で超音波に変換され試料
１に照射され、その反射波は超音波センサ２３にて再度
電気信号に変換され、超音波測定部２４の高周波受信器
で増幅されてピーク検出回路等で検出され、Ａ／Ｄ変換
回路２５ｂを経てデジタルデータとして画像処理・制御
部２６に取込まれる。取込まれた測定データは、画像処
理・制御部２６において、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ
）２６ａによりメインメモリ２６ｂに記憶される。その
後メインメモリ２６ｂの測定データを表示データに展開
するとともに表示データ記憶位置算出プログラム２６ｄ
を起動して生成した表示データを画像メモリ２６ｃの所
定のアドレスに記憶していく。なお、測定データは、図
２の（ｂ）に示す駆動パルス３の周期Ｔ（その発生タイ
ミング）に応じて得られ、その各測定データごとにメイ
ンメモリ２６ｂのアドレスが順次更新されて記憶されて
いく。

【００１９】したがって、各測定データのメインメモリ
２６ｂ上の記憶アドレスは、ｘ方向の走査測定位置を示
している。言い換えれば、測定データを記憶する記憶ア
ドレスは、同時に測定位置も表している。しかも、図２
の（ｂ）の場合には、各測定データは、超音波センサ２
３の前進に応じてその全振幅における駆動パルス３の発
生位置に対応して得られる。その位置は等間隔にはなら
ないが、測定データはすべて記憶される。なお、ここで
、記憶アドレスとは、メインメモリ２６ｂの物理的なア
ドレスを意味するばかりでなく、プログラムにおいて設
定される変数や配列において論理的に決定されるアドレ
スであってもよいことはもちろんである。

【００２０】メインメモリ２６ｂに記憶された測定デー
タをそのまま表示データに展開したのでは従来と同様に
表示データに歪みが生じる。そこで、画像メモリ２６ｃ
に記憶される測定データを前記メインメモリ２６ｂに記
憶されたデータの位置を補正して表示するように表示位
置を修正する。これは、基本的には、メインメモリ２６
ｂの各測定データの記憶アドレスが示す測定位置から表
示画素が示す測定間隔に対応した等間隔な位置の測定デ
ータを生成することで達成される。そして、それは、メ
インメモリ２６ｂに記憶された測定データがどの表示位
置のデータであるかを逆に算出することで行うことがで
きる。この計算をするのが表示データ記憶位置算出プロ
グラム２６ｄである。

【００２１】ところで、駆動パルス３で示されるように
、一定時間間隔Ｔで測定するとき、スキャナの単振動運
動の周期と振幅を与えると三角関数の計算を通して各測
定点の位置を求めることができる。それはメインメモリ
２６ｂの各測定データの記憶位置にも対応している。 各測定点の位置が求まると各測定点の画面上の表示位置
を求めることができ、それにより画像メモリ２６ｃの表
示データアドレスが得られる。したがって、表示データ
記憶位置算出プログラム２６ｄは、このような構造を持
つ関数である。

【００２２】表示画素に対応する等間隔の測定データの
値とその位置との関係及びその算出には、種々のものが
ある。先に説明したように、メインメモリ２６ｂ上の各
測定データの位置配列はｓｉｎ　カーブ特性となってい
る。 そこで、測定点がｓｉｎ　カーブの密の部分にあるもの
を基準として測定データ全体を表示データに展開すると
、粗の部分のデータが対応できなくなり、表示データに
歪みを生じる。そこで、ここでは、先に説明したように
、測定点が粗となり、かつ、疑似的に測定点が等間隔に
なる、ｓｉｎ　カーブのうち直線性のよい部分に着目し
てそこを単位画素が示す距離に対応させて表示データを
生成する。このようにすれば、図２の（ａ）のｓｉｎ　
カーブの上下の測定点が密になる部分についての表示デ
ータのうち表示位置が重なるものは、画像メモリ２６ｃ
の同じアドレス位置に重ね書きして最新のデータを記憶
するだけで済む。このようなアドレスをメインメモリ２
６ｂの各測定データの記憶アドレスから表示データ記憶
位置算出プログラム２６ｄにより算出して発生させて画
像メモリ２６ｃに表示データとして記憶する。

【００２３】このような表示方式において重要なことは
、表示画素の単位（それが表現する測定距離）が測定単
位のうち粗い測定距離に一致しているか、それ以上であ
ることである。このように設定すれば、密の部分の測定
データは、自動的に間引かれて、表示データの歪みを低
減でき、従来より広い視野の表示画像が得られる。具体
的には、例えば、ディスプレイ上のｘ方向の画素数が２
００点であるとすれば、メインメモリ２６ｂに記憶され
る測定点の数を３６０点程度にして、粗い部分の測定点
についての表示数とその測定データの記憶数との関係を
１対１あるいは、１対１．５程度にする。なお、複数の
測定データが重複するような画素位置については、複数
の測定データの平均値を採って平均化してその画素位置
のデータとしてもよい。また、画素位置に適合しない記
憶位置にある測定データについては前後の測定データか
ら補間することで測定値を生成して表示データに展開す
ることができる。

【００２４】また、ｓｉｎ　カーブのうちの密の部分を
基準にして各画素を割当てた場合には、ｓｉｎ　カーブ
の中央部の粗となる測定点と測定点との間に表示データ
が記憶される画素が１つあるいは複数存在してしまう。 このような場合は、測定点が割当てられない画素につい
ては、メインメモリ２６ｂに記憶された前記後の測定デ
ータ値から補間処理をすることにより測定データを生成
することができる。さらにこの場合、同じ測定点のデー
タを２画素（複数画素で可）に対応させてもよい。

【００２５】先の実施例では、測定データのうち表示デ
ータについては、表示データ記憶位置算出プログラム２
６ｄを起動して画像メモリ２６ｃのアドレス位置（表示
画素位置）を求めて、測定データを一部は重複記憶して
画像メモリ２６ｃに記憶し、かつ、メインメモリ２６ｂ
には、測定データそのものが順次アドレスを更新して記
憶されている。そこで、重複する表示用データについて
廃棄を行って不均一にサンプルされた測定データを歪な
く表示しても問題はない。画像処理およびデータ解析の
ためには別途メインメモリ２６ｂに測定全データが保持
されているのでこの測定データは、表示画像とは別に画
像処理またはデータ解析処理に利用できる。

【００２６】このようにすることにより、スキャナの非
等速運動にもかかわらず測定データのデータ処理によっ
て表示データについては画素に対応する等間隔の位置で
測定した場合と同等の表示データが生成でき、測定画像
はほとんど歪なく表示できる。その結果、動作範囲のほ
ぼ全域で測定を行うことができ、非等速運動に基づく、
画像の歪が排除され、かつ測定視野を拡大することがで
きる。

【００２７】以上説明してきたが、実施例では、ｘ方向
の走査を中心にしているが、ｙ方向の走査やｚ方向の走
査についても同様に適用できることはもちろんである。 また、実施例の画像メモリの記憶位置については、各測
定データについて表示データを１画素対応にしているが
、１つの表示データを複数画素に対応させて拡大させる
ような処理をすることもできる。

【００２８】

【発明の効果】以上の説明のとおり、この発明にあって
は、画像メモリとは別に測定データを記憶するメモリを
設けて測定データの表示位置をこの別のメモリの記憶位
置から割出し、画像メモリに表示データとして展開して
記憶するようにするようにしているので、採取した測定
データは、画像メモリ上の表示データとして歪みがない
ような位置に書込まれ、観測し易い映像が得られる。し
かも、多くの測定データを往復運動における走査の位置
に応じて一定時間間隔で高速に別のメモリに採取するこ
とができるので、高速処理が可能になる。また、測定デ
ータそのものを記憶する別のメモリを有しているので、
実際のデータ解析等については、この別のメモリのデー
タを使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　この発明の走査型超音波顕微鏡の測定デー
タ処理方式を適用した一実施例のブロック図である。

【図２】　　図２は、その動作の説明図である。

【図３】　　図３は、一般的な走査型超音波顕微鏡の説
明図である。

【符号の説明】

１…試料、２…単振動運動の波形、３…駆動パルス、２
０…走査型超音波顕微鏡、２１…測定機構系、２２…コ
ントローラ、２２ａ…スキャナドライバ、　　２３…超
音波センサ、２４…超音波測定部、２５…Ａ／Ｄ変換・
インタフェース部、２５ａ…Ａ／Ｄ変換回路、２５ｂ…
デジタル入出力回路、２６…画像処理・制御部、２７…
ＣＲＴディスプレイ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　所定の範囲でスキャナのＸ，Ｙ，Ｚ方
   向のいずれかにおいて往復運動をして試料を走査する超
   音波センサを有し、この超音波センサから得られる測定
   データをＡ／Ｄ変換して画像メモリの走査に対応する方
   向の表示データに展開して画像メモリのそれに対応する
   記憶位置に記憶し、測定データの表示を行う走査型超音
   波顕微鏡において、前記往復運動の走査に対応して一定
   時間間隔で前記試料を測定して得られる各測定データを
   順次前記画像メモリとは別のメモリに記憶し、この別の
   メモリから測定データをその記憶位置を更新して順次読
   出し、その読出し記憶位置に応じて前記往復運動の走査
   と前記一定時間間隔の測定との関係で得られる試料の測
   定位置に対応する前記画像メモリ上の記憶位置を算出し
   、その位置に読出した測定データについての前記表示デ
   ータを記憶することを特徴とする走査型超音波顕微鏡の
   測定データ処理方式。
2. 【請求項２】　　別のメモリの測定データの記憶数は、
   画像メモリの測定データの記憶数よりも大きいことを特
   徴とする請求項１記載の走査型超音波顕微鏡の測定デー
   タ処理方式。