JPH0470562A

JPH0470562A - 透過型超音波顕微鏡

Info

Publication number: JPH0470562A
Application number: JP2182805A
Authority: JP
Inventors: Koichi Karaki; 幸一唐木
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1990-07-12
Filing date: 1990-07-12
Publication date: 1992-03-05
Also published as: US5224382A

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、試料を透過した超音波を用いて画像を形成す
る透過型超音波顕微鏡に関する。

〔従来の技術〕

従来より、試料からの反射波を利用して試料画像や試料
内の欠陥等を観察することのできる反射型の超音波顕微
鏡か知られている。この反射型の超音波顕微鏡は生細胞
の様に試料の反射率が低い場合には高分解能を得ること
ができない。そこで、超音波が試料を透過する際に受け
る吸収によって生成されるコントラストを利用した透過
型の超音波顕微鏡が考えられている。

第４図は従来の透過型超音波顕微鏡の構成例を示す図で
ある。

この透過型超音波顕微鏡は、試料に対して超音波ビーム
を投射する送信側音響レンズ１と、試料を透過した超音
波を検出する受信側音響レンズ２とが、互いの光軸を一
致させて対向配置されている。一対の音響レンズ１．２
は、互いの焦点および光軸が一致するように、位置およ
び姿勢が調整される。そのため、一方が固定され（受信
側音響レンズ２を固定する場合を図示）、他方の音響レ
ンズ１が位置決め及び傾き調整機構３に支持されている
。一対の音響レンズ１，２の共焦点位置Ｏに、試料Ｓが
配置される。試料Ｓはマイラシートのような厚さが均一
の薄膜４上に載置されて共焦点位置Ｏに挿入される。マ
イラシート４は、その基端部が光軸方向に移動可能な移
動機構４に保持されている。移動機構４は、光軸に対し
て垂直な平面内を移動可能なＸＹスキャナー５に保持さ
れている。

送信側音響レンズ１に設けられたトランスデユーサ６に
超音波生成用信号が供給され、ここで電気／音響変換さ
れた超音波が、送信側音響レンズ１によって収束され、
カブラ液体５内を伝播して試料Ｓに投射される。試料Ｓ
は受信側音響レンズ２の焦点位置にあるため、試料Ｓを
透過した超音波は受信側音響レンズ２に入射する。ＸＹ
スキャナー５で試料Ｓを走査することにより、受信側音
響レンズ２に設けられたトランスデユーサ８から、試料
Ｓを２次元走査した透過超音波の音響／電気変換信号が
検出信号として出力される。この検出信号を用いれば、
試料Ｓの透過超音波による画像を得ることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上述したような共焦点型の超音波顕微鏡では
、２つの音響レンズ１．２の焦点位置を、その分解能よ
りも高い精度で一致させなければならない。この精度は
、例えばＦナンバーを１．０、音響レンズ１，２の使用
周波数を４００ＭＨｚ、カプラ液体７として水を用いた
場合には、平面分解能ｄｘＹ、深度分解能ｄＺは、平面分解能ｄｘｙ＝１．ＯＸ　Ｆ　Ｘλ−３，ｙμｍ深
度分解能ｄｚ　＝２　ＸＦ２ｘλ−７，５μｍとなる。

さらに、実際に必要となる精度は経験的にこれよりも１
桁高い数値が要求される。

従って、従来の透過型超音波顕微鏡は、三次元位置決め
及び傾き調整機構３に上記した厳しい精度が要求され、
しかもこの様な精度を動作中も保持しなければならない
ことから、その位置決め作業は極めて困難であった。

本発明は以上のような実情に鑑みてなされたもので、音
響レンズに対する調整精度を低減でき、極めて効率よく
透過超音波を検出できて、高解像度の画像を得ることが
できる透過型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〕

上記した目的を達成するために第１の発明は透過型超音
波顕微鏡を、凹面状のレンズ面を有する音響レンズと平
面状の受波面を有する超音波検出手段が、前記レンズ面
と前記受波面とを対向させて対向配置され、超音波伝播
媒体で満たされた前記音響レンズと前記超音波検出手段
との間に試料が配置され、該試料に対して前記音響レン
ズから超音波が投射され、前記試料を透過した超音波が
前記超音波検出手段で検出され、この検出信号を用いて
画像が形成される透過型超音波顕微鏡において、前記音
響レンズから投射された超音波が前記超音波検出手段の
受波面で反射した後、前記試料の配置位置近傍で一度収
束し、その後、前記音響レンズのレンズ面で反射されて
前記超音波検出手段の受波面に垂直に入射する如く前記
音響レンズと前記超音波検出手段とを配置した構成とし
、第２の発明は透過型超音波顕微鏡を、凹面状のレンズ
面を有する音響レンズと、平面状の受波面を有し入射波
の波面を保存したまま進行方向を反転させた位相共役波
を発生させる位相共役鏡とが、前記レンズ面と前記受波
面とを対向させて対向配置され、超音波伝播媒体で満た
された前記音響レンズと前記位相共役鏡との間に試料が
配置され、電気／音響変換機能を有する超音波送受手段
から出力された超音波を前記音響レンズを介して前記試
料に投射し、前記試料を透過して前記位相共役鏡に入射
した超音波の位相共役波が再び前記音響レンズを通って
前記超音波送受手段で受信され、該受信信号を用いて画
像を形成する透過型超音波顕微鏡において、前記音響レ
ンズから投射された超音波が前記位相共役鏡の受波面で
反射した後、前記試料の配置位置近傍で一度収束し、そ
の後、前記音響レンズのレンズ面で反射されて前記位相
共役鏡の受波面に垂直に入射する如く前記音響レンズと
前記位相共役鏡とを配置した構成とした。

〔作用〕

第１の発明によれば、音響レンズから投射された超音波
が超音波検出手段の受波面で反射され、この反射波が試
料の配置位置近傍で一旦収束する。

即ち、反射超音波が試料に入射してその透過超音波が音
響レンズのレンズ面で反射され、光軸と平行な音波に変
換されて、超音波検出手段の受波面に垂直に入射する。

従って、試料を透過した超音波の大部分が超音波検出手
段の受波面に垂直に入射するものとなり、共焦点型でな
くても試料を透過した超音波を極めて効率よく検出でき
る。また、共焦点型でないので厳しい位置調整精度が要
求されない。

第２の発明によれば、音響レンズから投射された超音波
が位相共役鏡の受波面で反射され、この反射波が試料の
配置位置近傍で一旦収束する。即ち、反射超音波が試料
に入射してその透過超音波が音響レンズのレンズ面で反
射され、光軸と平行な音波に変換されて、位相共役鏡の
受波面に垂直に入射する。位相共役鏡は垂直に入射した
超音波の位相共役波を発生させる。即ち、試料を透過し
た超音波の大部分が音響レンズへ入射される。音響レン
ズに入射された透過超音波は超音波送受手段で受信信号
に変換される。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

第１図は第１実施例となる透過型超音波顕微鏡の全体的
な構成を示す図である。この透過型超音波顕微鏡は、音
響レンズ１０と平行平板状をなす超音波受信体１１（以
下、「フラットディテクタ」と呼ぶ）とが対向配置され
ている。互いに対向している音響レンズ１０のレンズ面
とフラットディテクタ１１の受波面との間にはカプラ液
体７が充填されている。また、音響レンズ１０．　フラ
ットディテクタ１１間には均一の厚さを有するサンプル
支持膜１２に載置されたサンプルＳか配置される。符号
１３は、サンプル支持膜１２の保持部材であり、この保
持部材１３がＸＹスキャン機機工１４保持されている。

この保持部材１３は、ＸＹスキャン機構１４によって走
査移動され、三次元位置決め及び傾き調整機構１５によ
ってｘ−ｙ−ｚ方向の移動及び姿勢制御される。

音響レンズ１０は、Ｚ軸機構１６によって光軸方向とな
るＺ方向に移動される。音響レンズ１゜には、トランス
デユーサ１７が取付けられていて、このトランスデユー
サ１７で高周波送信器１８から与えられる高周波信号を
電気／音響変換した超音波を所定の焦点位置に収束させ
るように作用する。

フラットディテクタ１１は、音響レンズのレンズ面と略
同−径を有し、しかも同一材質またはそれに類似する音
響伝播媒体から構成されている。

フラットディテクタ１１の受波面と対向する裏面には、
トランスデユーサ２０が取付けられていて、受波面に入
射した超音波を電気的な受信信号に変換している。フラ
ットディテクタ１１とトランスデユーサ２０とから超音
波検出手段を構成している。この超音波検出手段から出
力された受信信号は高周波受信器２０で受信されて、画
像処理回路２１へ送られる。画像処理回路２１で生成さ
れた画像はデイスプレィ２２に表示される。高周波送信
器１８の送信タイミング、ＸＹスキャン機構１４と三次
元位置決め及び傾き調整機構１５の動作、画像処理回路
２１の動作はコントローラ２３によって制御される如く
構成されている。

本実施例では、音響レンズ１０と超音波受信体１１とは
第２図に示すように配置される。

即ち、音響レンズ１０の屈折収束系焦点Ｆａと反射収束
系焦点Ｆｂとのほぼ中間に、超音波受信体１１の受波面
か位置し、かつこの受波面と音響レンズｌＯの光軸とが
垂直となるように配置されている。

なお、屈折収束系焦点Ｆａとは、音響レンズ１０を構成
する音響伝播媒質とカブラ液体７との音速差によって屈
折された音波が収束する焦点のことである。また、反射
収束系焦点Ｆｂとは、音響レンズ１０を反射凹面鏡とし
てみた時に、該凹面鏡にその光軸と平行な音波を入射し
たときに、その反射波か凹面鏡の曲率によって収束され
てできる焦点のことである。

音響レンズ１０とフラットディテクタ１１とを第２図に
示すように配置した場合の音波の経路は、音響レンズ１
０から投射された超音波が屈折収束系焦点Ｆａに向かっ
て収束され、その一部がフラットディテクタ１１の受波
面で反射される。この反射波は試料Ｓが配置された反射
収束系焦点Ｆｂで一度収束し、その音響レンズ１０のレ
ンズ面で反射されて音響レンズ１０の光軸と平行な音波
となって、フラットディテクタ１１の受波面に垂直に入
射する。

フラットディテクタ１１の受波面に垂直に入射した音波
のみがトランスデユーサ１９で検出される。これは、次
のような理由による。

即ち、一般にフラットディテクタ１１若しくは音響レン
ズ１０を構成する母体（超音波伝播媒質）とカブラ液体
７の音速差は非常に大きく、音響レンズ１０若しくはフ
ラットディテクタ１１での音速を■１、カブラ液体７で
の音速をＶ２とすると、屈折における臨界角θ０は、臨界角θｏ　−５ｉｎ　−’　（Ｖ２／Ｖｌ）となり、
実際には非常に小さな値になる。例えば、カブラ液体に
水を用い、レンズにサファイアを用いた場合には、臨界角θｏ　−５ｉｎ　−’　（１，５／１１５）　−
７，５”となる。よって、光軸に対して７．５°の角度
でレンズ面もしくは受光面に入射する音波は真横に曲げ
られてしまう。よって、フラットディテクタ１１のトラ
ンスデユーサ１９まで到達する音波は、光軸に対しで７
．５°以内の角度で受光面に入射した音波に限られる。

次に、以上のように構成された本実施例の動作について
説明する。

先ず、Ｚ軸機構１６によって音響レンズ１０を図中上方
向に移動させて、音響レンズ１０とフラットディテクタ
１１の間を作業をするのに十分なスペースにする。次に
、サンプル保持膜１２上に載置されている試料Ｓを、三
次元位置決め及び傾き調整機構１５により、音響レンズ
１０とフラットディテクタ１１間に挿入する。そして、
試料Ｓを音響レンズ１０の光軸から外した状態で、音響
レンズ１０とフラットディテクタ１１のレンズ面と受光
面間にカブラ液体７を充填する。

次に、高周波送信器１８から高周波信号を発生させる。

この時、高周波受信器２０から出力される受信信号をモ
ニタしながら音響レンズ１０をゆっくりとフラットディ
テクタ１１へ近付けていく。

音響レンズ１０とフラットディテクタ１１が第２図に示
す状態になると、フラットディテクタ１１のトランスデ
ユーサ１９で検出される音波量が急激に増加するのでこ
の位置を検出して、音響レンズ１０とフラットディテク
タ１１を第２図に示す状態に配置する。なお、試料Ｓを
光軸から外しておくのは、試料Ｓによる散乱が位置調整
の妨げとなるからである。

次に、試料Ｓを光軸上に配置して音響レンズ１０から超
音波ビームを投射する。試料Ｓの一点に収束した超音波
ビームは、第２図に示す経路を通ってフラットディテク
タ１１の受波面に垂直に入射して、トランスデユーサ１
９に到達する。ぞして、ＸＹスキャン機構１４により、
試料Ｓを二次元走査する。この結果、試料Ｓを超音波ビ
ームで走査したときの透過超音波のはととんどが、トラ
ンスデユーサ１９で電気信号に変換され、この信号が高
周波受信器２０を介して画像処理回路２１へ送られる。

画像処理回路２１では、透過超音波のコントラスト等の
情報から試料の画像を形成し、デイスプレィ２２へ表示
する。

この様に本実施例によれば、音響レンズ１０とフラット
ディテクタ１１とを第２図に示すように配置して、音響
レンズ１０から投射され、フラットディテクタ１１で反
射された音波か試料配置位置Ｆａで一度収束した後、音
響レンズ１０のレンズ面で反射されてフラットディテク
タ１１へ垂直に入射するようにしたので、共焦点型の構
成を採ることなく、極めて高い効率で透過超音波を検出
することかできる。その結果、音響レンズ１０等に要求
される調製精度は共焦点型に比べて大幅に緩和され、顕
微鏡自体の構成を簡素化できて、位置調整に係わる多く
の部品を削減することができる。また、それ程高い調整
精度が要求されないことから、測定精度の向上を図るこ
ともできる。

次に、本発明の第２実施例について説明する。

第３図は第２実施例となる透過型超音波顕微鏡の全体的
な構成を示す図である。なお、第１図に示す超音波顕微
鏡と同一機能を有する部分には同一の符号を付している
。

本実施例は、音響レンズ１０に対向させて位相共役鏡３
０が配置されている。位相共役鏡３０は、音響的非線形
性を有する例えばＬｉＮｂ３０．結晶からなり音響レン
ズ１０のレンズ面と対向した平面状の受波面を有する非
線形圧電体３１と、この非線形圧電体３１を挟んで対向
配置された一対の電極３２．３３と、一方の電極３２に
バースト波からなる高周波電圧を印加するバースト高電
圧発生部３４とから構成されている。なお、非線形圧電
体３１に設けられた他方の電極３３は接地されている。

バースト高電圧発生部３４は、コントローラ３５からの
指令に基づいて動作する。

この位相共役鏡３０は、入射波の波面を保存したまま進
行方向を反転した波（位相共役波）を発生させる機能を
有している。

また、音響レンズ１０のトランスデユーサ１７には、高
周波送信器１８から送出された高周波信号がサーキュレ
ータ３６を介して印加され、かつ音響レンズ１０に再入
射した超音波かトランスデユーサ１７で電気信号に変換
された後、サーキュレータ３６を通って高周波受信器２
０へ送出されるように構成されている。

音響レンズ１０と位相共役鏡３０とは、前記第１実施例
と同様に第２図に示すように配置される。

即ち、音響レンズ１０の屈折収束系焦点Ｆａと反射収束
系焦点Ｆｂとのほぼ中間に、位相共役鏡３０の受波面が
位置し、かっこの受波面と音響レンズ１０の光軸とか垂
直となるように配置されている。

この様に配置することにより、音響レンズ１０から投射
された超音波は位相共役鏡３ｏの受波面で反射され、こ
の反射波が試料Ｓの配置位置近傍で一旦収束する。そし
て、反射波か試料Ｓに入射してその透過超音波が音響レ
ンズ１ｏのレンズ面で反射し、光軸と平行な音波に変換
されて、位相共役鏡３０の受波面に垂直に入射する。位
相共役鏡３０は垂直に入射した超音波の位相共役波を発
生させる。即ち、受波面に垂直に入射した超音波の進行
方向を反転させた音波（位相共役波）を音響レンズ１０
側へ出力する。その結果、位相共役鏡３０で位相共役波
に変換された光軸と平行な透過超音波が音響レンズ１０
に入射してトランスデユーサ１７に到達する。この到達
した透過超音波か受信信号として画像処理回路２１側へ
出力される。

なお、音響レンズ１０と位相共役鏡３０との配置関係を
調整する動作や試料Ｓを二次元走査する動作等は前記第
１実施例と同様であるのでここでは省略する。

この様な本実施例によれば、様々な方向成分を含んでい
た入射波が、第２図に示す配置によって一定の方向に揃
えられ、かつ位相共役鏡３０の受波面に垂直に入射する
ので、このような入射波に対して最も効率よく共役波を
発生するように非線形圧電体３１をカットすれば、透過
超音波の検出効率を飛躍的に高めることができる。

また、音波が試料Ｓの近傍を往復４回通過するため、試
料表面の凹凸により波面の乱れが生じるが、位相共役鏡
３０を用いているので、この乱れは原理的には完全に復
元され、得られる信号は吸収のみを反映したものとなり
、高精度な測定値を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上詳記したように本発明によれば、音響レンズに対す
る調整精度を大幅に低減でき、極めて効率よく透過超音
波を検出できて、高解像度の画像を得ることができる透
過型超音波顕微鏡を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１実施例の構成図、第２図は同実施例におけ
る音響レンズとフラットディテクタの配置関係を示す図
、第３図は第２実施例の構成図、第４図は共焦点型の透
過型超音波顕微鏡の原理の説明図である。１０・・・音響レンズ、１１・・・フラットディテクタ
、１２・・・サンプル保持膜、１３・・・支持枠、１４
・・・ＸＹスキャン機構、１５・・・三次元位置決め及
び傾き調整機構、１６・・・２軸機構、１７．１９・・
・トランスデユーサ、１８・・・高周波送信器、２０・
・・高周波受信器、２１・・・画像処理回路、２２・・
・デイスプレィ、２３・・・コントローラ、３０・・・
位相共役鏡、３１・・・非線形圧電体、３２．３３・・
・電極、３４・・・バースト高電圧発生部、３６・・・
サーキュレータ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）凹面状のレンズ面を有する音響レンズと平面状の
受波面を有する超音波検出手段が、前記レンズ面と前記
受波面とを対向させて対向配置され、前記音響レンズと
前記超音波検出手段との間に配置された試料に対して前
記音響レンズから超音波が投射され、前記試料を透過し
た超音波が前記超音波検出手段で検出され、この検出信
号を用いて画像が形成される透過型超音波顕微鏡におい
て、前記音響レンズから投射された超音波が前記超音波
検出手段の受波面で反射した後、前記試料の配置位置近
傍で一旦収束し、その後、前記音響レンズのレンズ面で
反射されて前記超音波検出手段の受波面に垂直に入射す
る如く前記音響レンズと前記超音波検出手段とを配置し
たことを特徴とする透過型超音波顕微鏡。
（２）前記超音波検出手段の受波面は、前記音響レンズ
から投射された超音波が収束する音響レンズの屈折収束
系焦点と、前記音響レンズの反射収束系焦点とのほぼ中
間に位置し、かつ前記音響レンズの中心軸と垂直に配置
され、前記試料は前記反射収束系焦点の近傍に配置され
ることを特徴とする請求項１記載の透過型超音波顕微鏡
。
（３）凹面状のレンズ面を有する音響レンズと、平面状
の受波面を有し入射波の波面を保存したまま進行方向を
反転させた位相共役波を発生させる位相共役鏡とが、前
記レンズ面と前記受波面とを対向させて対向配置され、
前記音響レンズと前記位相共役鏡との間に試料が配置さ
れ、電気／音響変換機能を有する超音波送受手段から出
力された超音波を前記音響レンズを介して前記試料に投
射し、前記試料を透過して前記位相共役鏡に入射した超
音波の位相共役波が再び前記音響レンズを通つて前記超
音波送受手段で受信され、該受信信号を用いて画像を形
成する透過型超音波顕微鏡において、前記音響レンズか
ら投射された超音波が前記位相共役鏡の受波面で反射し
た後、前記試料の配置位置近傍で一旦収束し、その後、
前記音響レンズのレンズ面で反射されて前記位相共役鏡
の受波面に垂直に入射する如く前記音響レンズと前記位
相共役鏡とを配置したことを特徴とする透過型超音波顕
微鏡。
（４）前記位相共役鏡の受波面は、前記音響レンズから
投射された超音波が収束する音響レンズの屈折収束系焦
点と、前記音響レンズの反射収束系焦点とのほぼ中間に
位置し、かつ前記音響レンズの中心軸と垂直に配置され
、前記試料は前記反射収束系焦点の近傍に配置されるこ
とを特徴とする請求項３記載の透過型超音波顕微鏡。