JPH0427502B2 - - Google Patents

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JPH0427502B2
JPH0427502B2 JP58125553A JP12555383A JPH0427502B2 JP H0427502 B2 JPH0427502 B2 JP H0427502B2 JP 58125553 A JP58125553 A JP 58125553A JP 12555383 A JP12555383 A JP 12555383A JP H0427502 B2 JPH0427502 B2 JP H0427502B2
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JP
Japan
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signal
ultrasonic
phase
sample
acoustic lens
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JP58125553A
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JPS6018755A (ja
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Junichi Ishibashi
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Olympus Corp
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Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH0427502B2 publication Critical patent/JPH0427502B2/ja
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    • 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
    • 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
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/221Arrangements for directing or focusing the acoustical waves

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、焦点調整精度の高い超音波顕微鏡の
自動焦点調節装置に関し、特に発射した超音波の
試料による反射波が受信されるまでの時間に対応
して変化する超音波受信信号の位相量から、焦点
情報を得るようにした超音波顕微鏡の自動焦点調
節装置に関するものである。
超音波顕微鏡は、従来種々の構成のものが提案
されている。その構成の一例を第1図に示す。図
示の超音波顕微鏡においては、高周波パルス発生
器1で超高周波のパースト波電気信号を発振させ
てサーキユレータ2を介して圧電トランスジユー
サ3に供給し、ここで電気信号から超音波に変換
して超音波音響レンズ4および液体5を介して走
査制御装置6によりXおよびY方向に2次元的に
移動する試料台7上に載置された試料8上にスポ
ツト状に投射している。また、試料8からの反射
波は超音波音響レンズ4で集音し、圧電トランス
ジユーサ3により受信され電気信号に変換され
る。この受信信号はサーキユレータ2を介して信
号処理回路9に供給し、ここで不要な信号を除去
すると共に必要な反射波に対応する信号のみを増
幅、検波して反射波の強度に応じた検波信号を得
る。この検波信号を輝度信号としてスキヤンコン
バータ10により走査制御装置6による試料台7
の走査と同期させて超音波像を陰極管11上に表
示させるようにしている。なお、超音波音響レン
ズ4は試料台7に対して垂直なZ方向に変位可能
になつている。
上述したような超音波顕微鏡において、超音波
音響レンズ4をZ方向に変位させて試料8から十
分離れた位置から近づけていくと、信号処理回路
9からは第2図に示すような第1、第2および第
3の順次の極大値,およびを有するいわゆ
るV(Z)カーブと呼ばれる検波信号V(Z)の強
度分布が得られ、それらの検波信号が得られる距
離Zは、使用する超音波の周波数、超音波音響レ
ンズ4の構造、液体5の種類等によつて定まる。
第2図において、V(Z)が最大となる第2の極
大値の点fは、超音波音響レンズ4が試料8に
対して合焦状態にあるときに得られ、この点fの
前後の点dおよびhにおいて現われる第1および
第3の極大値およびは、試料8における表面
波と反射波との干渉などにより生じる。
そこで、従来では焦点調節に際し、信号処理回
路9の出力をオシロスコープ等の測定器でモニタ
ーし、これを目視により観察しながら超音波音響
レンズ4を手動によりZ方向に変位させて検波信
号レベルが最大となる位置(第2図の点f)を探
し、この位置に音響レンズ4を合わせることによ
り、超音波音響レンズ4の試料8に対する焦点調
節を行なつていた。
しかし、このような手動による焦点調節におい
ては、操作者が反射波検波信号のレベルを観察し
ながら、たとえば第2図の点d,fおよびhの第
1〜第3の極大値〜を憶えておき、Z方向を
変位させながらモニターを観察し、これらを比較
しながら最大反射波点(焦点位置)fを探す必要
があるため、調節が容易でないばかりではなく時
間もかかる。この焦点調節作業は、超音波の周波
数を高くすればする程、液体5中での超音波の減
衰が大きくなり、これを押えるために超音波音響
レンズ4と試料8との間の距離をさらに短くする
必要があるため、距離の微小変化から最大反射点
fを探すのがさらに困難となる。また、操作者は
モニターを見ながら超音波音響レンズ4を操作す
るため、超音波音響レンズ4と試料8とが接触す
ることに気付かないことがあり、このような場合
には、それら両者を毀損する恐れがある。さら
に、正確に焦点調節することが難しいことに起因
して、多数の試料を観察する場合等、焦点調節が
まちまちになり勝ちとなるので像のコントラスト
に差異が生じ、試料間の比較が極めて難しくなる
場合がある。
本発明の目的は、超音波顕微鏡を手動焦点調節
する場合の煩わしさから解放し、上記のような各
種の不具合の発生を解消するために、焦点情報の
検出精度の高い超音波顕微鏡の自動焦点調節装置
を提供しようとするものである。
本発明の超音波顕微鏡の自動焦点調節装置は、
超音波音響レンズと試料との超音波投射方向にお
ける相対位置を変位させて焦点を調節するように
構成した超音波顕微鏡において、前記超音波音響
レンズから投射した超音波の試料からの反射波を
受信して得た受信信号の位相とリフアレンス信号
の位相との差を検出する位相検出手段と、この位
相検出手段から得られた検出信号によつて前記相
対位置を可変制御し得るように構成した焦点調節
手段とから成ることを特徴とするものである。
以下、本発明を図面に基づき詳細に説明する。
第3図は、本発明の実施例の一例の構成を示す
ブロツク図である。この実施例は、第1図に示し
た従来構成の超音波顕微鏡に実施した場合を示し
ており、一点鎖線で囲んだ範囲がそれに該当し、
同軸切換器12を接点a側に切り変えた状態で超
音波顕微鏡として動作する。なお、一点鎖線で示
した範囲内の構成は、さきに説明したとおりであ
るのでこの実施例の説明上必要な部分以外は図示
を省略してある。
前記同軸切換器12の接点bは、パルスコント
ロール部13からの制御パルスq,sによつて制
御されるダイオードスイツチ14に接続されてい
る。すなわち、ダイオードスイツチ14は、パル
スコントロール部13からの互に逆極性の2種の
スイツチコントロール信号qおよびsによつて導
通する2個のスイツチ素子によつて構成されてお
り、その一方のスイツチ素子14aが導通したと
き連続波発振器15の出力pがバースト状パルス
信号iとして圧電トランスジユーサ3に加わり、
それ以外の時間は、他方のスイツチ素子14bが
導通して試料8からの反射波の受信信号jが増幅
器16に導かれるように、同軸切換器12、連続
波発振器15および増幅器16間に介挿されてい
る。なお、前記連続波発振器15は、超音波像を
得るために圧電トランスジユーサ3に供給される
高周波パルス発生器1の発振周波数よりも低い周
波数を発振するように設定されており、その周波
数の決定については詳細を後記する。
増幅器16によつて増幅された受信信号jは、
移相器17を介して位相検出器18に導かれ、こ
こでリフアレンス信号との位相差に対応した検出
信号Vkを得るようにしている。この実施例にお
いては、前記連続波発振器15から導いた連続波
信号をリフアレンス信号として用い、このリフア
レンス信号の位相を基準にして受信信号jとの位
相差に対応した検出信号を得る構成となつてお
り、その位相検出器18に入力する受信信号はj
の位相は、リフアレンス信号の位相に対してその
受信信号jが超音波音響レンズ4の焦点面からの
反射波である場合に同相となるように、前記移相
器17によつて超音波音響レンズ4内の通路長や
線路長等による受信信号の遅延時間の影響等を補
償するよう位相調整されている。19は位相検出
器18の出力検波信号Vkを、パルスコントロー
ル部16から供給されるサンプリングパルスmに
よつて、順次サンプルホールドするサンプルホー
ルド器であつて、このサンプルホールド器19の
出力VoによつてZ方向駆動制御部20を作動さ
せ、超音波音響レンズ4により超音波投射方向Z
についてその超音波音響レンズ4と試料台7の相
対位置を可変し得るように構成したZ方向駆動機
構21を自動制御する構成になつている。
以上のような構成において、まず連続波発振器
15の発振周波数はつぎのようにして決定する。
第4図に示すように超音波音響レンズ4の開口
部球面4aの曲率半径をrとし、当該レンズの材
質をサフアイアとすると、超音波伝達媒体である
液体5に水を用いた場合、焦点距離fは、f
1.15rとなり、たとえばr=0.5mmとすれば、f=
0.575mmとなる。
そこで、連続波発振器15からリフアレンス信
号として導かれた連続波信号の位相に対して、超
音波音響レンズ4と試料8間のZ方向の距離を変
化させたときに、試料からの反射波の位相の変化
を有効に検出し得るように、超音波音響レンズ4
の開口部4aと試料8間に介在させる液体5内に
おいて、焦点距離fが前記連続波信号の波長のほ
ぼ1/4またはその波長の1/4×(2n+1)倍(n:
整数)にする。
このことから連続波発振器15の発振周波数F
は、 Fv/4f(2n+1)〔Hz〕 (v=液体5中の音速) に設定するのが妥当である。これをたとえばさき
に例示したf=0.575mmを用いて計算すると、F
=652×(2n+1)KHz付近の周波数に発振周波
数Fを設定するのがのぞましいことがわかる。
第3図において、連続波発振器15の発振周波
数Fは上記のとおり設定してあるものとして第5
図の波形図によりその動作を説明する。
同軸切換器12は、焦点調節する場合のみ、図
示のように焦点b側に切り変える。これに連動し
て連続波発振器15が発振するように構成してあ
る。第5図aはその発振信号pを示す。この発振
信号pは、ダイオードスイツチ14の一方のスイ
ツチ素子14aを介し、パルスコントロール部1
3から供給される第5図bのスイツチコントロー
ル信号qのタイミングと時間幅に対応するバース
ト状パルス信号iとして、適当な一定周期で圧電
トランスジユーサ3に導かれ、ここで超音波に変
換され、液体5を通して試料8上に投射される。
第5図cは、その圧電トランスジユーサ3に導か
れるバースト状パルス信号iを示す。試料8から
の反射波は、その逆の経路によつて圧電トランス
ジユーサ3で受信され電気信号に変換される。こ
の受信信号jは、第5図dに示したように同図c
に示す圧電トランスジユーサ3への電気信号入力
の時点より、超音波が音響レンズ4と液体5を通
過して試料8に達する時間の2倍(往復)の時間
tlだけ少なくとも遅れている。この受信信号j
(第5図d)は、パルスコントロール部13から
の第5図eに示すスイツチコントロール信号sに
よつて導通するダイオードスイツチ14のスイツ
チ素子14bを介して増幅器16に入力して増幅
された後、移相器17を経て位相検出器18に入
力する。
位相検出器18には、さきに説明したようにリ
フアレンス信号として連続波発振器15から、圧
電トランスジユーサ3に加わるバースト状パルス
信号(第5図c)と同相の連続波信号pが供給さ
れている。また、この位相検出器18に加わる受
信信号j(第5図d)の遅延時間tlは、超音波音
響レンズ4と試料8のZ方向の相対距離zに応じ
て変化し、zが長くなければtlも長くなり、逆に
zが短くなればtlも短くなり、合焦時のtlを基準
にその受信信号jの位相が遅れたり進んだりす
る。位相検出器18に入力する受信信号jは、さ
きに説明したように移相器17によつて、合焦時
の受信信号の位相がリフアレンス信号の位相と同
相となるようにあらかじめ位相調整されているの
で位相検出器18からは、第6図のように受信信
号jの位相調整後の位相θ〓と、リフアレンス信号
に用いた連続波信号pの位相θ〓の差に応じた検波
信号Vkが得られる。すなわち、合焦していると
きは、θ〓=θ〓でありVk=0となるが、zがz>f
のときにはθ〓がθ〓より遅れてθ〓−θ〓>0゜とな
り、
位相検出器18の出力VkはVk>0で負極性にな
る。また逆にz<fのときにはθ〓がθ〓より進んで
θ〓−θ〓<0゜になり、VkはVk<0で負極性になる。
第5図fは、その検出信号Vkの一例を示し、超
音波音響レンズ4の試料8に対する合焦位置の前
後によつて極性が異なり、その絶対値は焦点と試
料8間の距離に応じて変化する。
この検出信号Vkをつぎのサンプルホールド器
19に導いてサンプルホールドする。サンプルホ
ールド器19に供給するサンプリングパルス信号
mは、第5図gに示すように、同図bのスイツチ
素子14a駆動用スイツチコントロール信号qに
対し、ts時間遅らせてパルスコントロール部13
により発生させたものである。その時間tsは、同
図dに示す試料からの正しい反射波の受信信号に
対する位相検出器出力(第5図f)をサンプリン
グするのに適したタイミングのサンプリングパル
ス信号が得られる時間に設定されている。
第5図hに、同図fの位相検出器18の出力を
サンプルホールドしたときのサンプルホールド器
19から得られる焦点エラー信号Voを示す。す
なわち、このようにして得た焦点エラー信号Vo
は、サンプリングパルスmの周期ごとに焦点誤差
に対応したレベルを有し、かつ非合焦方向に応じ
た極性をもつたものになる。
この焦点エラー信号VoをZ方向駆動制御部2
0に導いている。Z方向駆動制御部20は、焦点
エラー信号Voの正負を判別し、Vo>0のときに
は超音波音響レンズ4と試料8の相対距離zが短
くなる方向に、またVo<0のときには前記相対
距離zが長くなる方向にZ方向駆動機構を駆動
し、Vo=0となつたときに停止させるように、
当該Z方向駆動機構を自動制御する構成になつて
いる。したがつて、超音波音響レンズ4の焦点が
試料8に合焦したとき、サンプルホールド器19
の出力Voが零となるので、その時点でZ方向駆
動機構21が停止し、これにより自動的に合焦状
態となる。
このようにして焦点合わせを自動的に行なつた
後は、前記同軸切換器12を下側の接点aに切り
換えて、従来と同様に超音波顕微鏡像を得るよう
にすれば、正確に焦点の合つた優れた解像度の超
音波顕微鏡像が得られる。
なお、上記の実施例においては、連続波発振器
15の発振周波数について具体的に例示したが、
この周波数は比較的低い周波数であればよく、試
料8による反射波の受信信号の位相θ〓と、連続波
発振器15からリフアレンス信号として導かれる
連続波信号の位相θ〓の差が、合焦時にθ〓−θ〓=0
となるように移相器17で前記受信信号の位相を
調整することができることを考慮すれば、前記連
続波発振器15の発振周波数は実施例のものに何
ら限定されるものではない。また、超音波顕微鏡
像を得るための超音波の周波数が比較的に低い場
合には、その超音波発生用の高周波パルス発生器
(第1図に1で示す。)の発振モードを自動焦点調
節時にのみ連続波発振に切り換えて、実施例の連
続波発振器15に代えるように構成することも可
能である。
上記の実施例においてはまた、合焦時に得られ
る受信信号の位相θ〓をリフアレンス信号の位相θ〓
に等しくするために、受信信号の位相に調整する
ようにしているが、リフアレンス信号の位相を調
整することによつて合焦時の両信号の位相を一致
させるように構成してもよいことは勿論であり、
また、場合によつては移相調整器を省くこともで
きる。
以上詳細に説明したように本発明によれば、試
料の超音波顕微鏡像の観測に先立ち従来観察者が
手動により行なつていた焦点調節を、迅速かつ高
精度に自動的に行なうことができる。したがつ
て、従来手間暇を要したこの種の作業から観察者
を解放することができるばかりではなく、手操作
時に生じ勝ちであつた超音波音響レンズと試料と
の接触による毀損事故を有効に防止することがで
きる。
また、本発明を実施した超音波顕微鏡によれ
ば、常に均一な高精度の焦点調節が自動的に行な
われるので、同一超音波顕微鏡によつて多数の試
料を順次観察する場合、各試料について一定のコ
ントラストの超音波顕微鏡像を得ることができる
利点があり、したがつて観察者にとつてそれら試
料間の比較を容易かつ正確に行なうことができる
等の利便が生ずる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、超音波顕微鏡の一般的な構成の一例
の概略を示すブロツク線図、第2図は、V(z)
カーブの説明図、第3図は、本発明の実施例の一
例の構成を示すブロツク線図、第4図は、超音波
音響レンズの焦点距離の説明図、第5図は、第3
図に示した実施例の動作説明のための各部波形
図、第6図は、位相検出器の出力特性の一例を示
す曲線図である。 1…高周波パルス発生器、2…サーキユレー
タ、3…圧電トランスジユーサ、4…超音波音響
レンズ、5…液体、7…試料台、8…試料、9…
信号処理回路、12…同軸切換器、13…パルス
コントロール部、14…ダイオードスイツチ、1
4a,14b…スイツチ素子、15…連続波発振
器、16…増幅器、17…移相器、18…位相検
出器、19…サンプルホールド器、20…Z方向
駆動制御部、21…Z方向駆動機構。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 超音波音響レンズと試料との超音波投射方向
    における相対位置を変位させて焦点を調節するよ
    うに構成した超音波顕微鏡において、前記超音波
    音響レンズから投射した超音波の試料からの反射
    波を受信して得た受信信号の位相と、リフアレン
    ス信号の位相との差を検出する位相検出手段と、
    この位相検出手段から得られた検出信号によつて
    前記相対位置を可変制御し得るように構成した焦
    点調節手段とから成ることを特徴とする超音波顕
    微鏡の自動焦点調節装置。
JP58125553A 1983-07-12 1983-07-12 超音波顕微鏡の自動焦点調節装置 Granted JPS6018755A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP58125553A JPS6018755A (ja) 1983-07-12 1983-07-12 超音波顕微鏡の自動焦点調節装置

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JP58125553A JPS6018755A (ja) 1983-07-12 1983-07-12 超音波顕微鏡の自動焦点調節装置

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JPS6018755A JPS6018755A (ja) 1985-01-30
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ID=14913047

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JP58125553A Granted JPS6018755A (ja) 1983-07-12 1983-07-12 超音波顕微鏡の自動焦点調節装置

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JPH02193065A (ja) * 1989-01-20 1990-07-30 Canon Inc 超音波装置

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JPS6018755A (ja) 1985-01-30

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