JPH06242085A - 超音波センサの焦点調整方法及び装置 - Google Patents
超音波センサの焦点調整方法及び装置Info
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- JPH06242085A JPH06242085A JP5026833A JP2683393A JPH06242085A JP H06242085 A JPH06242085 A JP H06242085A JP 5026833 A JP5026833 A JP 5026833A JP 2683393 A JP2683393 A JP 2683393A JP H06242085 A JPH06242085 A JP H06242085A
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- ultrasonic sensor
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Abstract
(57)【要約】
【目的】超音波スペクトラム顕微鏡の超音波センサの焦
点を垂直方向に沿って自動的に調整する装置を提供す
る。 【構成】超音波センサ１２は、平面トランスデューサ１
２と凹面トランスデューサ１４とを有する送受独立型セ
ンサである。超音波センサ１２と被検体２４の表面２４
ａとの間の垂直距離ΔＺは、 Δz={(P fref(f)-P f (f))/f} ・{(V 0 ・cos θ)/2 π
(1+ cos2θ)} （ｆ：周波数、Ｐfref(f) ：超音波センサの焦点が被検
体表面に位置する際の基準位相曲線、Ｐf (f) ：超音波
センサの焦点が任意の位置にある際の位相曲線、V 0 ：
超音波センサと被検体との間の超音波伝播媒体中の音
速、θ：平面トランスデューサと被検体表面との間に定
義される入射角）に従う。ＦＦＴ演算装置３４は、超音
波センサ１２の出力からデジタルオシロスコープ３２を
通じてΔＺを計算する。
点を垂直方向に沿って自動的に調整する装置を提供す
る。 【構成】超音波センサ１２は、平面トランスデューサ１
２と凹面トランスデューサ１４とを有する送受独立型セ
ンサである。超音波センサ１２と被検体２４の表面２４
ａとの間の垂直距離ΔＺは、 Δz={(P fref(f)-P f (f))/f} ・{(V 0 ・cos θ)/2 π
(1+ cos2θ)} （ｆ：周波数、Ｐfref(f) ：超音波センサの焦点が被検
体表面に位置する際の基準位相曲線、Ｐf (f) ：超音波
センサの焦点が任意の位置にある際の位相曲線、V 0 ：
超音波センサと被検体との間の超音波伝播媒体中の音
速、θ：平面トランスデューサと被検体表面との間に定
義される入射角）に従う。ＦＦＴ演算装置３４は、超音
波センサ１２の出力からデジタルオシロスコープ３２を
通じてΔＺを計算する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超音波センサの焦点を
調整する方法及び装置に関する。
調整する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】連続した周波数領域における超音波スペ
クトロスコピーのための装置として、本願の発明者等に
より特開平２−２５１７５１号公報に開示された超音波
スペクトラム顕微鏡がある。この超音波スペクトラム顕
微鏡の超音波レンズ若しくはセンサは、凹面（典型的に
は球面）レンズと平面レンズとを備えるＳＰＰ(spheric
al planar pair lens)レンズである。
クトロスコピーのための装置として、本願の発明者等に
より特開平２−２５１７５１号公報に開示された超音波
スペクトラム顕微鏡がある。この超音波スペクトラム顕
微鏡の超音波レンズ若しくはセンサは、凹面（典型的に
は球面）レンズと平面レンズとを備えるＳＰＰ(spheric
al planar pair lens)レンズである。
【０００３】ＳＰＰレンズは、その焦点を被検体の表面
に位置させた状態で、焦点を回転中心として二つのレン
ズまたは平面レンズのみを回転させつつ、被検体からの
反射超音波を測定解析することにより、被検体の微小領
域の弾性定数の測定に使用される。また、被検体の評価
のために、入射角を連続的に変化させた際の超音波の反
射率の測定に使用される。
に位置させた状態で、焦点を回転中心として二つのレン
ズまたは平面レンズのみを回転させつつ、被検体からの
反射超音波を測定解析することにより、被検体の微小領
域の弾性定数の測定に使用される。また、被検体の評価
のために、入射角を連続的に変化させた際の超音波の反
射率の測定に使用される。
【０００４】このような測定において、ＳＰＰレンズの
特性を最大限に発揮させるためには、ＳＰＰレンズの焦
点を被検体面または被検体面に対して任意の高さにおけ
る基準高さ位置に保持する必要がある。このようなＳＰ
Ｐレンズの焦点調整のための従来の方法では、先ず、焦
点が被検体面に位置するときの時間波形から特徴点を定
め、次に個々の測定に際しては、特徴点が再現されるよ
うにＳＰＰレンズの高さを手動で調整する。
特性を最大限に発揮させるためには、ＳＰＰレンズの焦
点を被検体面または被検体面に対して任意の高さにおけ
る基準高さ位置に保持する必要がある。このようなＳＰ
Ｐレンズの焦点調整のための従来の方法では、先ず、焦
点が被検体面に位置するときの時間波形から特徴点を定
め、次に個々の測定に際しては、特徴点が再現されるよ
うにＳＰＰレンズの高さを手動で調整する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、被検体
面上の複数の異なる領域における測定や、弾性波が励起
される場合などには、相似形としての時間波形が得られ
ない。従って特徴点が不明確であり、ＳＰＰレンズの焦
点調整が困難となる。このようなＳＰＰレンズの焦点調
整の精度が低い場合の幾つかの問題点を以下に列挙す
る。
面上の複数の異なる領域における測定や、弾性波が励起
される場合などには、相似形としての時間波形が得られ
ない。従って特徴点が不明確であり、ＳＰＰレンズの焦
点調整が困難となる。このようなＳＰＰレンズの焦点調
整の精度が低い場合の幾つかの問題点を以下に列挙す
る。
【０００６】i)ＳＰＰレンズの傾動により入射角を変化
させながら、微小な観測点からの反射波を採取する場
合、ＳＰＰレンズの傾動と共に観測点が移動してしま
う。
させながら、微小な観測点からの反射波を採取する場
合、ＳＰＰレンズの傾動と共に観測点が移動してしま
う。
【０００７】ii) 受信側レンズの受信面と観測点との間
の位置関係が不適切になり、最悪の場合には、反射波を
全く受信できない。
の位置関係が不適切になり、最悪の場合には、反射波を
全く受信できない。
【０００８】iii)一般に、反射波の任意の周波数成分の
位相曲線は、凹面レンズの焦点と、ＳＰＰレンズの傾動
の中心軸との整合度が高い程に平坦になる。しかしなが
ら、ＳＰＰレンズの焦点位置が変化すると、位相曲線が
平坦にならないので解析が困難となる。
位相曲線は、凹面レンズの焦点と、ＳＰＰレンズの傾動
の中心軸との整合度が高い程に平坦になる。しかしなが
ら、ＳＰＰレンズの焦点位置が変化すると、位相曲線が
平坦にならないので解析が困難となる。
【０００９】この発明の目的は、上述の問題点を解決し
た超音波センサの焦点調整方法及び装置を提供すること
である。更に詳しくは、この発明の目的は、超音波セン
サの垂直方向の焦点調整を高精度に達成可能であり、し
かも自動化が可能な方法及び装置を提供することであ
る。
た超音波センサの焦点調整方法及び装置を提供すること
である。更に詳しくは、この発明の目的は、超音波セン
サの垂直方向の焦点調整を高精度に達成可能であり、し
かも自動化が可能な方法及び装置を提供することであ
る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この発明の一つの観点に
よれば、第１と第２の超音波トランスデューサを含み、
その少なくとも一方が被検体の表面に対面する平面を有
してなり、超音波を送信及び受信する超音波センサの焦
点と被検体表面との間の垂直距離を調整する方法が提供
される。この方法は、(a) 超音波センサの第１の超音波
トランスデューサから被検体表面へ超音波を送信する行
程と、(b) 超音波センサの第２の超音波トランスデュー
サにより被検体表面からの反射超音波を受信する行程
と、(c) 第２の超音波トランスデューサにより受信され
た反射超音波の周波数ｆと位相との関係を求める行程
と、(d) 求められた関係と、超音波センサの焦点が被検
体表面に位置する際の反射超音波の周波数ｆと位相との
予め与えられた関係とに基づいて、超音波センサの焦点
位置と被検体表面との間の垂直距離Δｚを測定する行程
と、(e) 測定された垂直距離Δｚに基づいて、超音波セ
ンサの焦点が被検体の表面に位置するように超音波セン
サを被検体表面に対して相対的に垂直移動させる行程
と、を備える。
よれば、第１と第２の超音波トランスデューサを含み、
その少なくとも一方が被検体の表面に対面する平面を有
してなり、超音波を送信及び受信する超音波センサの焦
点と被検体表面との間の垂直距離を調整する方法が提供
される。この方法は、(a) 超音波センサの第１の超音波
トランスデューサから被検体表面へ超音波を送信する行
程と、(b) 超音波センサの第２の超音波トランスデュー
サにより被検体表面からの反射超音波を受信する行程
と、(c) 第２の超音波トランスデューサにより受信され
た反射超音波の周波数ｆと位相との関係を求める行程
と、(d) 求められた関係と、超音波センサの焦点が被検
体表面に位置する際の反射超音波の周波数ｆと位相との
予め与えられた関係とに基づいて、超音波センサの焦点
位置と被検体表面との間の垂直距離Δｚを測定する行程
と、(e) 測定された垂直距離Δｚに基づいて、超音波セ
ンサの焦点が被検体の表面に位置するように超音波セン
サを被検体表面に対して相対的に垂直移動させる行程
と、を備える。
【００１１】この発明の他の観点によれば、被検体の表
面へ超音波を送信する第１の超音波トランスデューサ
と、被検体表面からの反射超音波を受信する第２の超音
波トランスデューサとを含み、その少なくとも一方が被
検体表面に対面する平面を有してなる超音波センサの焦
点と被検体表面との間の垂直距離を調整する装置が提供
される。この装置は、第２の超音波トランスデューサに
より受信された反射超音波の周波数ｆと位相との関係を
求める手段と、求められた関係と、超音波センサの焦点
が被検体表面に位置する際の反射超音波の周波数ｆと位
相との予め与えられた関係とに基づいて、超音波センサ
の焦点位置と被検体表面との間の垂直距離Δｚを測定す
る手段と、測定された垂直距離Δｚに基づいて、超音波
センサの焦点が被検体の表面に位置するように超音波セ
ンサを被検体表面に対して相対的に垂直移動させる手段
と、を備える。
面へ超音波を送信する第１の超音波トランスデューサ
と、被検体表面からの反射超音波を受信する第２の超音
波トランスデューサとを含み、その少なくとも一方が被
検体表面に対面する平面を有してなる超音波センサの焦
点と被検体表面との間の垂直距離を調整する装置が提供
される。この装置は、第２の超音波トランスデューサに
より受信された反射超音波の周波数ｆと位相との関係を
求める手段と、求められた関係と、超音波センサの焦点
が被検体表面に位置する際の反射超音波の周波数ｆと位
相との予め与えられた関係とに基づいて、超音波センサ
の焦点位置と被検体表面との間の垂直距離Δｚを測定す
る手段と、測定された垂直距離Δｚに基づいて、超音波
センサの焦点が被検体の表面に位置するように超音波セ
ンサを被検体表面に対して相対的に垂直移動させる手段
と、を備える。
【００１２】この場合、他方の超音波トランスデューサ
は、被検体表面に対面する平面或いは凹面を有する。
は、被検体表面に対面する平面或いは凹面を有する。
【００１３】この発明の実施例によれば、上述の装置及
び方法における垂直距離Δｚは、下式、 Δz={(P fref(f)-P f (f))/f} ・{(V 0 ・cos θ)/2 π
(1+ cos2θ)} （但し、ｆは超音波の周波数、Ｐfref(f) は超音波セン
サの焦点が被検体表面に位置する際の基準位相曲線、Ｐ
f (f) は超音波センサの焦点が任意の位置にある際の位
相曲線、V 0 は超音波センサと被検体との間に介在する
超音波伝播媒体中の音速、θは平面を有する超音波トラ
ンスデューサと被検体表面との間に定義される入射角）
に従って計算される。
び方法における垂直距離Δｚは、下式、 Δz={(P fref(f)-P f (f))/f} ・{(V 0 ・cos θ)/2 π
(1+ cos2θ)} （但し、ｆは超音波の周波数、Ｐfref(f) は超音波セン
サの焦点が被検体表面に位置する際の基準位相曲線、Ｐ
f (f) は超音波センサの焦点が任意の位置にある際の位
相曲線、V 0 は超音波センサと被検体との間に介在する
超音波伝播媒体中の音速、θは平面を有する超音波トラ
ンスデューサと被検体表面との間に定義される入射角）
に従って計算される。
【００１４】
【作用】平面を有する第２の超音波トランスデューサに
より受信された反射超音波の周波数ｆと位相との関係
は、超音波センサの焦点位置と被検体の表面との間の垂
直距離Δｚに応じて変化する。従って、この変化を求め
ることにより、超音波センサの焦点位置を垂直移動させ
るべき垂直距離Δｚが得られる。
より受信された反射超音波の周波数ｆと位相との関係
は、超音波センサの焦点位置と被検体の表面との間の垂
直距離Δｚに応じて変化する。従って、この変化を求め
ることにより、超音波センサの焦点位置を垂直移動させ
るべき垂直距離Δｚが得られる。
【００１５】
【実施例】図１は、この発明の超音波センサの高さ調整
装置を示す。
装置を示す。
【００１６】ＳＰＰレンズ１２は、凹面トランスデュー
サ１４と平面トランスデューサ１６とを有する送受独立
型超音波センサである。凹面及び平面トランスデューサ
１４，１６の各々は、例えばＺｕＯ圧電膜トランスデュ
ーサである。これら二つのトランスデューサ１４，１６
は支持体１８により一体的に支持されている。凹面トラ
ンスデューサ１４の凹面１４ａの中心を通る法線Ｎ1 と
平面トランスデューサ１６の平面１６ａの中心を通る法
線Ｎ2 との間には、所定の対向角φが保持されている。
サ１４と平面トランスデューサ１６とを有する送受独立
型超音波センサである。凹面及び平面トランスデューサ
１４，１６の各々は、例えばＺｕＯ圧電膜トランスデュ
ーサである。これら二つのトランスデューサ１４，１６
は支持体１８により一体的に支持されている。凹面トラ
ンスデューサ１４の凹面１４ａの中心を通る法線Ｎ1 と
平面トランスデューサ１６の平面１６ａの中心を通る法
線Ｎ2 との間には、所定の対向角φが保持されている。
【００１７】支持体１８は、超音波センサ１２をθ方向
へ傾動させるθステージ２０により支持されている。θ
ステージ２０は、これを垂直方向（Ｚ軸方向）へ移動さ
せるＺステージ２２により支持されている。Ｚステージ
２２の駆動機構（図示せず）は、例えば０．５μｍステ
ップのステッピングモータである。
へ傾動させるθステージ２０により支持されている。θ
ステージ２０は、これを垂直方向（Ｚ軸方向）へ移動さ
せるＺステージ２２により支持されている。Ｚステージ
２２の駆動機構（図示せず）は、例えば０．５μｍステ
ップのステッピングモータである。
【００１８】被検体２４は、ＳＰＰレンズ１２の下方の
ステージ２６の載置面２６ａに載置されている。ここで
載置面２６ａは、Ｚ軸に対して垂直なＸＹ平面内にあ
る。ＳＰＰレンズ１２の高さ位置は、被検体表面からの
Ｚ軸方向距離である。ＳＰＰレンズ１２と被検体２４と
の間には、超音波伝播媒体（典型的には水）２８が介在
されている。
ステージ２６の載置面２６ａに載置されている。ここで
載置面２６ａは、Ｚ軸に対して垂直なＸＹ平面内にあ
る。ＳＰＰレンズ１２の高さ位置は、被検体表面からの
Ｚ軸方向距離である。ＳＰＰレンズ１２と被検体２４と
の間には、超音波伝播媒体（典型的には水）２８が介在
されている。
【００１９】ＳＰＰレンズ１２の発信側トランスジュー
サ（例えば凹面トランスデューサ１４）には、このトラ
ンスジューサを励起させて超音波を発信させるためのパ
ルスジェネレータ３０が接続されている。
サ（例えば凹面トランスデューサ１４）には、このトラ
ンスジューサを励起させて超音波を発信させるためのパ
ルスジェネレータ３０が接続されている。
【００２０】受信側トランスジューサ（例えば平面トラ
ンスデューサ１６）の反射波出力は、波形測定器、例え
ばデジタルオシロスコープ３２に与えられ、ここで反射
波の時間波形が測定される。この時間波形は、高速フー
リエ変換（ＦＦＴ）機能を有するＦＦＴ演算装置３４に
より高速フーリエ変換される。
ンスデューサ１６）の反射波出力は、波形測定器、例え
ばデジタルオシロスコープ３２に与えられ、ここで反射
波の時間波形が測定される。この時間波形は、高速フー
リエ変換（ＦＦＴ）機能を有するＦＦＴ演算装置３４に
より高速フーリエ変換される。
【００２１】ステージコントローラ３６は、オペレータ
からの指令によりθ及びＺステージ２０，２２を制御す
ると共に、演算装置３４からの指令によりＺステージ２
２を制御する。
からの指令によりθ及びＺステージ２０，２２を制御す
ると共に、演算装置３４からの指令によりＺステージ２
２を制御する。
【００２２】ＳＰＰレンズ１２は、被検体２４に対する
超音波の入射角を変化させても、被検体の表面２４ａの
観測点を通る法線Ｎ0 と、平面トランスデューサ１６の
上述の法線Ｎ2 との間に定義される角度成分のみの反射
波を出力させることができる。従って、凹面トランスデ
ューサ１８の検出角（入射角）を平面トランスデューサ
１６の入射角（検出角）と同一に設定すれば、この設定
角度の成分のみが出力に影響を与える。これは、凹面ト
ランスデューサ１８の被検体に対する角度の変化を問題
にする必要がないことを意味する。
超音波の入射角を変化させても、被検体の表面２４ａの
観測点を通る法線Ｎ0 と、平面トランスデューサ１６の
上述の法線Ｎ2 との間に定義される角度成分のみの反射
波を出力させることができる。従って、凹面トランスデ
ューサ１８の検出角（入射角）を平面トランスデューサ
１６の入射角（検出角）と同一に設定すれば、この設定
角度の成分のみが出力に影響を与える。これは、凹面ト
ランスデューサ１８の被検体に対する角度の変化を問題
にする必要がないことを意味する。
【００２３】このような特性は、ＳＰＰレンズ１２に限
らず、少なくとも一方が平面トランスデューサである送
受独立型センサでも同様である。
らず、少なくとも一方が平面トランスデューサである送
受独立型センサでも同様である。
【００２４】このような平面トランスデューサを有する
センサ若しくはＳＰＰレンズ１２によれば、センサの基
準焦点位置Ｚ0 と任意の焦点位置Ｚn との間における任
意の周波数成分の位相変化は、以下のように近似的に表
現できる。
センサ若しくはＳＰＰレンズ１２によれば、センサの基
準焦点位置Ｚ0 と任意の焦点位置Ｚn との間における任
意の周波数成分の位相変化は、以下のように近似的に表
現できる。
【００２５】図２に示すように、ＳＰＰレンズ１２の基
準焦点位置Ｚ0 を被検体表面２４ａに設定し、この被検
体表面２４ａとＳＰＰレンズ１２の任意の焦点位置（実
際の焦点位置）Ｚn との間のＺ軸方向距離をΔＺとす
る。また、観測点とＺn との間の直線距離をｌ1 、平面
トランスデューサ１６から被検体表面２４ａまでの超音
波伝播距離と平面トランスデューサ１６から焦点位置Ｚ
n までの超音波伝播距離との差をｌ2 とする。
準焦点位置Ｚ0 を被検体表面２４ａに設定し、この被検
体表面２４ａとＳＰＰレンズ１２の任意の焦点位置（実
際の焦点位置）Ｚn との間のＺ軸方向距離をΔＺとす
る。また、観測点とＺn との間の直線距離をｌ1 、平面
トランスデューサ１６から被検体表面２４ａまでの超音
波伝播距離と平面トランスデューサ１６から焦点位置Ｚ
n までの超音波伝播距離との差をｌ2 とする。
【００２６】 ｌ1 ＋ｌ2 =(ΔZ/cos θ)+{(ΔZ/cos θ) ・cos2θ} ……(1) であるから、周波数ｆの超音波の位相差ＰΔZ は、 ＰΔZ =2πf ・(1/VW ) ・（ｌ1 ＋ｌ2 ） =2πf ・(1/VW ) ・{(ΔZ/cos θ) ・(1+cos 2θ)} ……(2) ただし、 VW は超音波伝播媒体（典型的には水）の音速
である。
である。
【００２７】(2) 式を書き換えると、 ΔZ=（ＰΔZ ・ VW ・cos θ）／{2πf (1+cos 2θ)} ここで、ＰΔZ/f をΔＰf とすると、 ΔZ=ΔＰf ・{( VW ・cos θ)/ 2π(1+cos 2θ)} ……(3) ここで図３を参照すると、Ｐref (f) はＳＰＰレンズ１
２が基準高さＺ0 にあるときの位相曲線であり、Ｐ
f (f) はＳＰＰレンズ１２が任意の高さＺn にあるとき
の位相曲線である。但し、これら位相曲線Ｐref (f) ，
Ｐf (f) は、後述のフェイズアンラップ(phase unwrap)
により規格化されている。この図３から明らかなよう
に、ΔＰf は、 ΔＰf =(Ｐref (f)-Ｐf (f))/f ……(4) である。即ち、ΔＰf は傾斜を意味する。
２が基準高さＺ0 にあるときの位相曲線であり、Ｐ
f (f) はＳＰＰレンズ１２が任意の高さＺn にあるとき
の位相曲線である。但し、これら位相曲線Ｐref (f) ，
Ｐf (f) は、後述のフェイズアンラップ(phase unwrap)
により規格化されている。この図３から明らかなよう
に、ΔＰf は、 ΔＰf =(Ｐref (f)-Ｐf (f))/f ……(4) である。即ち、ΔＰf は傾斜を意味する。
【００２８】以上により、Δz は、 Δz={(P fref(f)-P f (f))/f} ・{(V 0 ・cos θ)/2 π(1+ cos2θ)}……(5) と表せる。
【００２９】この(5) 式は演算装置３４に予め記憶され
ている。
ている。
【００３０】この発明の焦点調整装置の操作は以下の通
りである。
りである。
【００３１】(i) ＳＰＰレンズ１２の焦点を被検体表
面２４ａへ位置させ、ＳＰＰレンズ１２と被検体２４と
の間で超音波を発信及び受信させる。
面２４ａへ位置させ、ＳＰＰレンズ１２と被検体２４と
の間で超音波を発信及び受信させる。
【００３２】(ii) 演算装置３４により、(i) の場合の
波形のスペクトルの位相曲線を得る。これをフェイズア
ンラップにより規格化した後、基準位相曲線Ｐfref(f)
として演算装置３４のメモリー（図示せず）に記憶す
る。
波形のスペクトルの位相曲線を得る。これをフェイズア
ンラップにより規格化した後、基準位相曲線Ｐfref(f)
として演算装置３４のメモリー（図示せず）に記憶す
る。
【００３３】(iii) 実際の測定に際して、ＳＰＰレンズ
１２と被検体２４との間で超音波を発信及び受信させ
る。
１２と被検体２４との間で超音波を発信及び受信させ
る。
【００３４】(iv) 演算装置３４により(iii) の場合の
波形のスペクトルの位相曲線Ｐf (f) を得て、これをフ
ェイズアンラップにより規格化した後、演算装置３４の
メモリーに記憶する。
波形のスペクトルの位相曲線Ｐf (f) を得て、これをフ
ェイズアンラップにより規格化した後、演算装置３４の
メモリーに記憶する。
【００３５】(v) 演算装置３４により、一つ以上の周
波数領域について(4) 式に従ってΔＰf を演算する。
波数領域について(4) 式に従ってΔＰf を演算する。
【００３６】(vi) 演算装置３４により、ΔＰf を(5)
式に代入し、高さずれΔＺを演算する。
式に代入し、高さずれΔＺを演算する。
【００３７】(vii) 演算装置３４から出力されたΔＺに
応じてステージコントローラ３６がＺステージ２２を駆
動し、ΔＺを実質的に零にするようにＳＰＰレンズ１２
を垂直移動させる。
応じてステージコントローラ３６がＺステージ２２を駆
動し、ΔＺを実質的に零にするようにＳＰＰレンズ１２
を垂直移動させる。
【００３８】以上により、ＳＰＰレンズ１２の焦点位置
が被検体表面に位置する。
が被検体表面に位置する。
【００３９】焦点調整装置の測定例について説明する。
この例では、周波数帯域は１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ、
入射角θは３０°である。また、超音波伝播媒体（水）
中の音速は１５００ｍ／ｓとした。以下の説明における
演算は演算装置３４により実行された。
この例では、周波数帯域は１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ、
入射角θは３０°である。また、超音波伝播媒体（水）
中の音速は１５００ｍ／ｓとした。以下の説明における
演算は演算装置３４により実行された。
【００４０】先ず基準被検体としてテフロンを用い、図
４に示すように基準位相曲線Ｐfref(f) を得た。次に実
際の被検体として錫を用い、図５に示すように位相曲線
Ｐf(f) を得た。これら位相曲線Ｐfref(f) ，Ｐf (f)
は、非連続的に表示されているため、それぞれフェイズ
アンラップにより図６及び図７に示すように連続的な表
示に規格化した。フェイズアンラップの一つの方法は、
非連続的な表示の位相曲線のうち、或る周波数帯域の位
相曲線とその直前の周波数帯域の位相曲線とを比較し、
位相が一回転（２π）しているか否かを判断し、一回転
した部分については２πを加算することである。これに
より、非連続的な表示が連続的な表示に規格化される。
４に示すように基準位相曲線Ｐfref(f) を得た。次に実
際の被検体として錫を用い、図５に示すように位相曲線
Ｐf(f) を得た。これら位相曲線Ｐfref(f) ，Ｐf (f)
は、非連続的に表示されているため、それぞれフェイズ
アンラップにより図６及び図７に示すように連続的な表
示に規格化した。フェイズアンラップの一つの方法は、
非連続的な表示の位相曲線のうち、或る周波数帯域の位
相曲線とその直前の周波数帯域の位相曲線とを比較し、
位相が一回転（２π）しているか否かを判断し、一回転
した部分については２πを加算することである。これに
より、非連続的な表示が連続的な表示に規格化される。
【００４１】図６の規格化された基準位相曲線Ｐ
fref(f) から図７の規格化された位相曲線Ｐf (f) を差
し引くことにより、図８に示す直線を得た。この直線か
ら(4) に従って、 ΔＰf = ７．２６×１０-8 を得た。これを(5) 式に代入して、 Δz=１０μｍ を得た。ステージコントローラ３６は、ΔＺに従ってＳ
ＰＰレンズ１２を１０μｍだけＺ方向移動させた。
fref(f) から図７の規格化された位相曲線Ｐf (f) を差
し引くことにより、図８に示す直線を得た。この直線か
ら(4) に従って、 ΔＰf = ７．２６×１０-8 を得た。これを(5) 式に代入して、 Δz=１０μｍ を得た。ステージコントローラ３６は、ΔＺに従ってＳ
ＰＰレンズ１２を１０μｍだけＺ方向移動させた。
【００４２】図９は(4) 式を計算するための他の方法を
示す。この図８のように、他の領域と異なる特性を示す
特異領域Ａを有する位相曲線Ｐf (f) が得られた際に
は、特異領域Ａにおける位相曲線Ｐf (f) 及び基準位相
曲線Ｐfref(f) を削除し、他の領域におけるＰf (f) と
Ｐfref(f) との傾きを選択的に使用してもよい。
示す。この図８のように、他の領域と異なる特性を示す
特異領域Ａを有する位相曲線Ｐf (f) が得られた際に
は、特異領域Ａにおける位相曲線Ｐf (f) 及び基準位相
曲線Ｐfref(f) を削除し、他の領域におけるＰf (f) と
Ｐfref(f) との傾きを選択的に使用してもよい。
【００４３】また、θステージ２０により異なる入射角
における基準位相曲線Ｐfref(f，θ) を測定しておき、
各入射角に対応する位相曲線Ｐf (f，θ) を使用してΔ
Ｚを求めてもよい。
における基準位相曲線Ｐfref(f，θ) を測定しておき、
各入射角に対応する位相曲線Ｐf (f，θ) を使用してΔ
Ｚを求めてもよい。
【００４４】この発明は上述した実施例に限定されるも
のではなく、種々の変更が可能である。例えば本発明が
適用される超音波センサは、ＳＰＰレンズ１２に限ら
ず、一方が平面トランスデューサである送受独立型セン
サでもよい。
のではなく、種々の変更が可能である。例えば本発明が
適用される超音波センサは、ＳＰＰレンズ１２に限ら
ず、一方が平面トランスデューサである送受独立型セン
サでもよい。
【００４５】Ｚステージ２２は、ＳＰＰレンズ１２側に
代えて、被検体２４側へ設けてもよい。また、入射角を
可変制御する必要がなければ、θステージは特に設ける
必要はない。
代えて、被検体２４側へ設けてもよい。また、入射角を
可変制御する必要がなければ、θステージは特に設ける
必要はない。
【００４６】更に、デジタルオシロスコープ３２と演算
装置３４との組み合わせは、反射波の周波数解析のため
のスペクトラムアナライザと、位相を周波数の関数とし
て測定するトラッキングジェネレータと、ΔＺを計算す
るための演算装置３４との組み合わせに代えてもよい。
装置３４との組み合わせは、反射波の周波数解析のため
のスペクトラムアナライザと、位相を周波数の関数とし
て測定するトラッキングジェネレータと、ΔＺを計算す
るための演算装置３４との組み合わせに代えてもよい。
【００４７】
【発明の効果】この発明の超音波センサの焦点調整方法
及び装置によれば、超音波センサの受信した反射超音波
の周波数と位相との関係に基づいて、超音波センサの焦
点位置と被検体の表面との間の垂直距離を測定できるの
で、高精度な焦点調整が可能であり、しかも焦点調整の
自動化が可能である。
及び装置によれば、超音波センサの受信した反射超音波
の周波数と位相との関係に基づいて、超音波センサの焦
点位置と被検体の表面との間の垂直距離を測定できるの
で、高精度な焦点調整が可能であり、しかも焦点調整の
自動化が可能である。
【図１】この発明の超音波レンズの焦点調整装置を示す
ブロック図である。
ブロック図である。
【図２】図１の装置の超音波レンズの焦点と被検体との
関係を示す線図である。
関係を示す線図である。
【図３】規格された基準位相曲線と規格された測定位相
曲線とを示すグラフである。
曲線とを示すグラフである。
【図４】測定例における規格化される以前の基準位相曲
線を示すグラフである。
線を示すグラフである。
【図５】測定例における規格化される以前の測定位相曲
線を示すグラフである。
線を示すグラフである。
【図６】図４の基準位相曲線を規格化して示すグラフで
ある。
ある。
【図７】図５の測定位相曲線を規格化して示すグラフで
ある。
ある。
【図８】測定例における垂直距離ΔＺを計算するための
グラフである。
グラフである。
【図９】特異領域を有する測定位相曲線を示すグラフで
ある。
ある。
１２…ＳＰＰレンズ（超音波センサ）、１２…平面トラ
ンスジューサ、１２ａ…平面、１４…凹面トランスジュ
ーサ、１４ａ…凹面、３４…演算装置（周波数ｆと位相
との関係を求める手段、垂直距離測定手段）、３６…Ｚ
ステージ（移動手段）。
ンスジューサ、１２ａ…平面、１４…凹面トランスジュ
ーサ、１４ａ…凹面、３４…演算装置（周波数ｆと位相
との関係を求める手段、垂直距離測定手段）、３６…Ｚ
ステージ（移動手段）。
Claims (6)
- 【請求項１】 第１と第２の超音波トランスデューサを
含み、その少なくとも一方が被検体の表面に対面する平
面を有してなり、超音波を送信及び受信する超音波セン
サの焦点と被検体の表面との間の垂直距離を調整する方
法であって、 (a) 超音波センサの第１の超音波トランスデューサから
被検体表面へ超音波を送信する行程と、 (b) 超音波センサの第２の超音波トランスデューサによ
り被検体表面からの反射超音波を受信する行程と、 (c) 第２の超音波トランスデューサにより受信された反
射超音波の周波数ｆと位相との関係を求める行程と、 (d) 求められた関係と、超音波センサの焦点が被検体表
面に位置する際の反射超音波の周波数ｆと位相との予め
与えられた関係とに基づいて、超音波センサの焦点位置
と被検体表面との間の垂直距離Δｚを測定する行程と、 (e) 測定された垂直距離Δｚに基づいて、超音波センサ
の焦点が被検体表面に位置するように、超音波センサを
被検体表面に対して相対的に垂直移動させる行程と、を
備える超音波センサの焦点調整方法。 - 【請求項２】 垂直距離Δｚが、下式、 Δz={(P fref(f)-P f (f))/f} ・{(V 0 ・cos θ)/2 π
(1+ cos2θ)} （但し、ｆは超音波の周波数、Ｐfref(f) は超音波セン
サの焦点が被検体表面に位置する際の基準位相曲線、Ｐ
f (f) は超音波センサの焦点が任意の位置にある際の位
相曲線、V 0 は超音波センサと被検体との間に介在する
超音波伝播媒体中の音速、θは平面を有する超音波トラ
ンスデューサと被検体表面との間に定義される入射角）
に従って計算される請求項１記載の超音波センサの焦点
調整方法。 - 【請求項３】 被検体の表面へ超音波を送信する第１の
超音波トランスデューサと、被検体の表面からの反射超
音波を受信する第２の超音波トランスデューサとを含
み、その少なくとも一方が被検体表面に対面する平面を
有してなる超音波センサの焦点と被検体表面との間の垂
直距離を調整する装置であって、 第２の超音波トランスデューサにより受信された反射超
音波の周波数ｆと位相との関係を求める手段と、 求められた関係と、超音波センサの焦点が被検体表面に
位置する際の反射超音波の周波数ｆと位相との予め与え
られた関係とに基づいて、超音波センサの焦点位置と被
検体の表面との間の垂直距離Δｚを測定する手段と、 測定された垂直距離Δｚに基づいて、超音波センサの焦
点が被検体表面に位置するように超音波センサを被検体
表面に対して相対的に垂直移動させる手段と、を備える
超音波センサの焦点調整装置。 - 【請求項４】 他方の超音波トランスデューサが、被検
体表面に対面する凹面を有する請求項３記載の超音波セ
ンサの焦点調整装置。 - 【請求項５】 他方の超音波トランスデューサが、被検
体表面に対面する平面を有する請求項３記載の超音波セ
ンサの焦点調整装置。 - 【請求項６】 垂直距離Δｚが、下式、 Δz={(P fref(f)-P f (f))/f} ・{(V 0 ・cos θ)/2 π
(1+ cos2θ)} （但し、ｆは超音波の周波数、Ｐfref(f) は超音波セン
サの焦点が被検体表面に位置する際の基準位相曲線、Ｐ
f (f) は超音波センサの焦点が任意の位置にある際の位
相曲線、V 0 は超音波センサと被検体との間に介在する
超音波伝播媒体中の音速、θは平面を有する超音波トラ
ンスデューサと被検体表面との間に定義される入射角）
に従って計算される請求項３記載の超音波センサの焦点
調整装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02683393A JP3168754B2 (ja) | 1993-02-16 | 1993-02-16 | 超音波センサの焦点調整方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02683393A JP3168754B2 (ja) | 1993-02-16 | 1993-02-16 | 超音波センサの焦点調整方法及び装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06242085A true JPH06242085A (ja) | 1994-09-02 |
| JP3168754B2 JP3168754B2 (ja) | 2001-05-21 |
Family
ID=12204272
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02683393A Expired - Fee Related JP3168754B2 (ja) | 1993-02-16 | 1993-02-16 | 超音波センサの焦点調整方法及び装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3168754B2 (ja) |
-
1993
- 1993-02-16 JP JP02683393A patent/JP3168754B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3168754B2 (ja) | 2001-05-21 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |