JPH0427502B2 - - Google Patents

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V_k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V_k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V_o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
t_l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t_l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t_lも長くなり、逆に
ｚが短くなればt_lも短くなり、合焦時のt_l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V_kが得られる。すなわち、合焦していると
きは、θ〓＝θ〓でありV_k＝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V_kはV_k＞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、V_kはV_k＜０で負極性になる。
第５図ｆは、その検出信号V_k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V_k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、t_s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t_s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V_oを示す。す
なわち、このようにして得た焦点エラー信号V_o
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V_o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V_oの正負を判別し、V_o＞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V_o＜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、V_o＝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V_o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。