JPH0462023B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、周波数掃引によつて陰極線管上に干
渉縞を得ることができる周波数掃引型超音波干渉
顕微鏡に関するものである。

従来技術 超音波干渉顕微鏡は高分子材料や生体組織など
の微小薄膜試料の二次元的音速分布を定量的に観
測する装置として有用である。この目的の装置と
しては、これまでレーザー走査型超音波顕微鏡や
平面−集束トランスジユーサ組合わせ方式の機械
走査型超音波顕微鏡などが開発されており、種々
の薄膜試料の音速測定が試みられている。これら
はいずれも平面超音波を試料面に対して斜めに照
射し、透過波の場所的位相変化を検出することに
よつて干渉縞を形成させ、参照液体と試料の音速
（屈折率）の違いによる干渉縞の位置の変化から
試料の音速を測定するもので、音速の分布が直観
的に観察できるという利点がある。しかしなが
ら、平面波を用いるため、回折の影響を受け易
く、また超音波パワーの利用効率が悪く、均一な
平面波音場の発生が必ずしも容易でないなどの問
題がある。

これに対して、本発明者等は、最近共焦点構成
にした一対の集束超音波トランスジユーサの間の
距離を周期的に変化させる方式のビーム軸上トラ
ンスジユーサ振動型超音波干渉顕微鏡を開発し
た。この方式は、共焦点構成を用いているため、
平面照射による上述の問題が殆どないので、この
装置による生体薄膜試料などの二次元的音速分布
の測定が容易になるという利点がある。

しかしながら、この方式では、機械的に集束超
音波トランスジユーサ間の距離を変えなければな
らず、そのために振動が発生し、その部分のビー
ム幅が変化し、分解能が犠性になるという欠点が
あつた。

目 的 本発明は、上記の点を考慮してなされたもの
で、共焦点構成の透過型機械走査超音波顕微鏡に
おいて、集束超音波トランスジユーサ間の距離を
変化することなしに干渉縞を得るために、周波数
掃引法を用いた新規な周波数掃引型超音波干渉顕
微鏡を提供するものである。以下、図面により本
発明の実施例の構成を説明する。

構 成 第１図は、本発明の原理図を示したもので、
１，２は対向して設けられた送波用及び受波用集
束超音波トランスジユーサ、３は送波用及び受波
用集束超音波トランスジユーサ１，２の間に設け
られた液体カツプラ、４は液体カツプラ３の中に
設けられた試料、５は試料４を保持する試料保持
体であり、送波用及び受波用集束超音波トランス
ジユーサ１，２は液体カツプラ３を介して共焦点
に配置されている。

この構成において、受波用集束超音波トランス
ジユーサ２で受信した受波信号と電気的参照信号
とを干渉させ、試料４を挿入しない場合と、挿入
した場合の位相変化を干渉縞の位置の変化として
観測すれば、液体カツプラ３の音速を参照して試
料の音速が求められる。この干渉縞を形成させる
ためには、陰極線管（図示せず）の掃引に同期し
て送波（或いは受波）信号と参照信号の位相を相
対的に変化させればよい。

今、第１図の構成において、陰極線管の水平掃
引信号に同期して送波信号と参照信号の周波数を
共に周期的に変化させれば、送波用及び受波用集
束超音波トランスジユーサ１，２の間の信号の伝
搬遅延のため、受波信号と参照信号の間の位相は
周期的に変化する。試料４の二次元的音速分布を
同時に観測するため、陰極線管の水平掃引に同期
して試料をＸ方向に走査し、更にＹ方向に低速で
走査する。このとき、受波出力信号の位相変化を
輝度信号とし、等位相線を陰極線管面上に二次元
的に表示すれば、いわゆる干渉パターンが得られ
る。送波用及び受波用集束超音波トランスジユー
サ１，２の間に均質な液体カツプラ３のみが存在
する場合には、等間隔で直線状の干渉縞が得られ
る。また、液体カツプラ中に音速の異なる試料を
挿入した場合には、その音速の大小に応じて干渉
縞の位置が右方向または左方向にシフトする。

第２図は、試料４のＸ方向走査位置と送波信号
の周波数偏移との関係、及び陰極線管面上に得ら
れる干渉パターンを示したもので、陰極線管の水
平掃引、試料のＸ方向走査、及び受波信号と参照
信号の周波数変化が全て同期しているので、これ
らは１対１に対応している。なお、実際には、送
波用及び受波用集束超音波トランスジユーサ間で
t₁だけ遅延があるため、受波信号と参照信号の周
波数が僅かに異なるが、その変化量は使用周波数
に比べて小さいので、ほぼ同一周波数と見倣すこ
とができる。

第２図に示したように、周波数が増加する方向
を図の右方向にとれば、試料４の音速が速い場合
に、干渉縞は右方向へシフトする。試料４がない
場合には、干渉縞の生じる周波数を中心周波数c
（陰極線管の中心）とし、この中心周波数cから
右方向及び左方向にそれぞれ₀、₁、₂、……n
及び_-1、_-2、…_-oとし、干渉縞の間隔をＤ、
これに対応する周波数偏移（干渉縞の周波数間
隔）をΔFとする。今、送波信号の周波数を、
位相をφ₀、送受間遅延時間をt₁とすれば、受波信
号の位相φは、φ＝φ₀−2πt₁である。送波信号
の周波数を変化させた場合、受波信号の位相φが
2π変化するごとに干渉縞を生ずるから、周波数
nにおける位相をφn、_o-1における位相をφ_o-1と
し、 Δφ＝φ_o-1−φn ＝2π（n−_o-1）t₁＝2π とおけば、周波数偏移ΔFは、ΔF＝n−_o-1＝
１／t₁である。周波数掃引幅をＦ、試料のＸ方向
走査幅をＸ、像倍率をＭとすれば、干渉縞の間隔
Ｄは、 Ｄ＝Ｍ・Ｘ／Ｆ・ΔF＝Ｍ・Ｘ／Ｆ・１／t₁…(1) で与えられる。

次に、液体中に試料を挿入した場合の送受間の
遅延時間をt₂とし、また試料４の固有インピーダ
ンスが液体カツプラ３の固有のインピーダンスと
あまり大きく違わず、試料４の多重反射による位
相変化が無視できるものとすれば、周波数にお
ける受波信号の位相φは、φ＝φ−2πt₂となり、
試料がない場合の位相φに対して、2π（t₁−t₂）
だけ変化する。この変化分を送波信号の周波数を
変えて補償した場合、その周波数変化量をΔと
すれば、 2πt₁＝2π（＋Δ）t₂ ＝2π（＋Δ）（t₁−Δt） …(2) の関係がなり立つ。ここで、Δt＝t₁−t₂は試料の
有無による伝搬時間差であり、試料の厚さをｈ、
音速をVs、液体カツプラ３中の音速をＶとすれ
ば、Δt＝ｈ（１／Ｖ−１／Vs）である。(2)式より
Δは、 Δ＝Δt・／（t₁−Δt） …(3) で与えられる。(3)式からわかるように、周波数
が変われば、Δが変わるから、試料挿入による
干渉縞のシフト量は各干渉縞ごとに異なる。各干
渉縞に対するシフト量及びこれらに対応する周波
数偏移を、それぞれ第２図に示したように、d₀、
d_±1、d_±2、…d_±o及びΔ₀、Δ_±1、Δ_±2、…
…
Δ_±oとし、±ｎ番目の干渉縞の生じる周波数_±o
におけるシフト量をd_±o、対応する周波数偏移を
Δ_±oとすれば、シフト量d_±oは、 d_±1＝Ｍ・Ｘ／Ｆ・_±o ／｛t₁／ｈ（１／Vl １／Vs）｝−１ …(4) と表わせる。また、中心周波数cと₀との周波数
差をδ、これに対応するＸ方向位置変化をΔxと
すれば、±ｎ番目の周波数nは、 _±o＝c＋（１／t₁）・（Δx／D_±o）…(5) である。(1)、(4)、(5)式を用いて、 d_±o／Ｄ＝N_±o、Δx／Ｄ＝Ｒ とおけば、試料の音速Vsは、 Vs＝Ｖ／１−N_±oVl／ｈ・c１／１＋（N_±o＋R_±o
）／ct₁(6) で与えられる。従つて、試料４の厚さ及び液体カ
ツプラ３の音速が既知であれば、干パターンから
N_±o及びＲを測定することにより試料の音速が求
められる。ここで、t₁は液体カツプラ３の音速と
送信用及び受信用集束超音波トランスジユーサ
１，２のアラインメントによつて決まり、予め測
定しておくことができる。なお、このt₁の測定誤
差が音速の測定結果に及ぼす影響は非常に小さい
ので、それほど厳密に測定する必要はない。

また、周波数掃引幅が小さく、 （N_±o＋R_±o）／t₁の値が１に比て無視できる場
合には、(6)式は、 Vs＝Vl／１−N_±o・Vl／hc …(7) と近以でき、送波用及び受波用集束超音波トラン
スジユーサ間の距離を変化させる方式と全く同じ
形の式となる。

第３図は、以上の原理に基づいて構成した本発
明の１実施例の周波数掃引型超音波干渉顕微鏡の
ブロツク図を示したもので、１，２は送波用及び
受波用集束超音波トランスジユーサ、３は液体カ
ツプラ、４は試料、５は試料保持体であり、これ
らは前述の原理図で示したものと同じであるので
説明は省略する。６は低周波発振器、７はＸ方向
走査装置、８はＹ方向走査装置、９は陰極線管、
１０は可変移相器、１１は可変減衰器、１２は高
周波発振器、１３は高周波パルス変調器、１４は
高周波増幅器、１５は位相検波器、１６はサンプ
ルホールド回路、１７はビデオ増幅器、１８は微
分回路、１９はパルスジエネレータ、２０は遅延
パルスジエネレータ、２１は可変減衰器である。

次に、本実施例の動作を説明する。まず、低周
波発振器６からの正弦波信号（例えば50Hz）によ
つて高周波発振器１２の出力を周波数変調し、ま
たこの周波数の変化に同期して、Ｘ方向走査装置
７を駆動し、Ｘ方向走査を行ない、また陰極線管
９の水平掃引を行なう。次に、高周波発振器１２
からの周波数変調波を高周波パルス変調器１３に
よつて高周波パルスに変換した後、送波用集束超
音波トランスジユーサ１に加え、試料４に集束超
音波を照射する。試料４を透過した超音波は共焦
点に配置された受波用集束超音波トランスジユー
サ２によつて電気信号に変換される。この信号は
高周波増幅器１４で増幅され、リミツタを通した
後、位相検波器１５で高周波発振器１２からの高
周波信号を可変減衰器２１で適当な振幅にして得
られた参照信号との間で位相検波される。この検
波出力からサンプルホールド回路１６によつて所
望の信号のみを抽出保持した後、ビデオ増幅器１
７で増幅して陰極線管９の輝度信号とする。更
に、Ｙ方向走査装置８を駆動してＹ方向掃引を行
ない、二次元的に表示すれば、陰極線管９の面上
に干渉縞が得られる。

なお、可変位相器１０は高周波発振器１２から
の送波信号の周波数変化と陰極線管９の水平掃引
（試料４のＸ方向走査）を完全に同期させるため
に、変調信号の位相を調整する。また可変減衰器
１１によつて、周波数掃引幅（従つて干渉縞数）
を適当に選ぶことができる。なお、陰極線管９で
線画表示にするため、微分回路１８はビデオ増幅
器１７の後に挿入してある。

このように構成することにより、従来の共焦点
構成の透過型機械走査超音波顕微鏡の機械系に何
ら手を加えることなく構成でき、第１図に示した
原理をより忠実に実施することができる。

なお、高周波発振器１２から位相検波器１５ま
での信号回路系の途中に遅延線を挿入することに
よつて、干渉縞の本数（即ちＸ方向のサンプリン
グ数）を多くとることができる。また、原理から
明らかなように、この周波数掃引方式は反射型超
音波顕微鏡に対してもそのまま適用できる。

効 果 以上の説明から明らかなように、本発明は、従
来の共焦点構成の透過型機械走査超音波顕微鏡の
機械系に何ら手を加えることなく構成でき、超音
波ビームを細く絞れるので、これまでの平面波照
射やトランスジユーサ振動型超音波干渉顕微鏡に
比べて、より高分解能の音速分布の測定が可能で
あり、生体組織の微細な音速分布の定量的測定な
ど、組織の特性評価用装置として有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を説明するための図、第
２図は試料のＸ方向走査位置と送波信号の周波数
偏移との関係及び陰極線管の面上で得られる干渉
パターン、第３図は本発明の１実施例の周波数掃
引型超音波干渉顕微鏡のブロツク図である。 １，２…送波用及び受波用集束超音波トランス
ジユーサ、３…液体カツプラ、４…試料、５…試
料保持体、６…低周波発振器、７…Ｘ方向走査装
置、８…Ｙ方向走査装置、９…陰極線管、１０…
可変移相器、１１…可変減衰器、１２…高周波発
振器、１３…高周波パルス変調器、１４…高周波
増幅器、１５…位相検波器、１６…サンプルホー
ルド回路、１７…ビデオ増幅器、１８…微分回
路、１９…パルスジエネレータ、２０…遅延パル
スジエネレータ、２１…可変減衰器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 液体カツプラ内に試料保持体で装着された試
   料を挟んで共焦点近傍に配置された送波用集束超
   音波トランスジユーサ及び受波用集束超音波トラ
   ンスジユーサと、低周波発信器からの出力によつ
   て前記試料保持体をＸ方向及びＹ方向に走査する
   Ｘ方向走査装置及びＹ方向走査装置と、前記低周
   波発信器からの出力によつて水平掃引が行われる
   陰極線管と、前記低周波発信器の出力によつて可
   変移送器及び可変減衰器を介して出力が周波数変
   調される高周波発信器と、該高周波発信器の周波
   数変調波を高周波パルスに変換する高周波パルス
   変調器と、該高周波パルス変調器からの高周波パ
   ルスを前記送波用集束超音波トランスジユーサに
   印加して前記試料に集束超音波を照射し、前記試
   料を通過した集束超音波を前記受波用集束超音波
   トランスジユーサで受波して前記高周波発信器か
   らの参照信号により位相検波する位相検波器と、
   該位相検波器で位相検波された信号を微分する微
   分回路とからなり、該微分回路からの出力を前記
   陰極線管に印加して前記陰極線管に干渉縞を表示
   するようにしたことを特徴とする周波数掃引型超
   音波干渉顕微鏡。