JPS58196453A - 超音波顕微鏡 - Google Patents

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】 本発明は、超音波エネルギーを用いた撮像装置、特に超
音波顕微鏡の受信装置罠関する。

近年において医学界において人体の内部構造を観察する
のに有効な波動として応用されている超音波は、光や電
子線には不可能な光学的に不透明な物体をも透過する性
質を持っておシ、その周波数が高ければ高い程より微細
な対象物まで描き出す事が可能である。その上、超音波
が取り出す情報は対象物の弾性、密度、粘性等の力学的
性質を反映している為、光や電子線では得られない内部
の構造までみる事が出来る。

音波周波数ＩＧＨｚ、従って水中での青波長として約１
μｍに及ぶ超高周波音波を利用して、上記の超音波の特
徴を生かした超音波顕微鏡が検討されている。

この超音波顕微鏡の原理は、約１μｍ位まで細く絞った
超音波ビームによって試料面？ｆ’＊械的に２次元走査
しながら、試料によって惹起された散乱、反射、透過減
衰といったしよう乱音波を集音して電気信号に変換し、
この電気信号分ブラウン管上に、上記機械走査と同期し
て２次元表示する事によシ顕微画像を得るものである。

本発明は、試料がちの反射超音波を検出描画する反射型
超音波顕微鏡をまず第１図を用いてその従来の基本構成
を説明する。

超音波全発生検出するトランスデユーサは、主として圧
電薄膜２０、音響レンズ４０から構成される。即ち、レ
ンズ結晶４０（例えば、サファイア、石英ガラス等の円
柱状結晶）は、その一端而４１は光学研磨された平面で
あり、他端面には微小な曲率半径（例オ、ば０．１〜ｌ
　ａｍ　ｌの半球穴４２が形成されている。端面４１に
蒸着等によって設けられた上部電極１０、圧電薄膜２０
及び下部電極１１からなる層構造の上下電極間に、ＲＦ
パルス発振器１００の出力電気信号を印加すれば、上記
圧電薄膜の圧電効果により、レンズ結晶４０内に平面波
のＲＦパルス超音波８０が放射される。

この平面超音波は上記半球穴４２と媒質５０（一般に純
水が用いられる）との界面で形成される正の音響球面レ
ンズにより所定焦点面におかれた試料６０上に集束され
る。

試別６０によって反射された超音波は、上記音響レンズ
によシ集音され、平面超音波に変換されてレンズ結晶４
０内を伝播し、最終的に圧電薄膜２０の逆圧電効果によ
りＲＦパルス電気信号に変換される。このＲＥ’パルス
電似信号はＲＦ受信器ｉｉｏで増幅検波後、ビデオ信号
（１〜１０ＭＨ２）に変換されブラウン管１３０の輝度
信号（Ｚ入力）とＵ７て用いられる。

かかる構成において、試料ステージ７０上に貼付された
試料６０　（ｉ−ｘ　−ｙ面内の２次元機械走査系１２
０によって、２次元機械振動を行なわせながら、上記ビ
デオ信号をこの走査と同期してブラウン管１３０上に表
示すれば、顕微画像が得られる事になる。

ところで、この様な撮像装置の分解能には、超音波の伝
播方向（Ｚ＠力方向の深度分解能Ｃ焦点深度）Δρと超
音波の伝播方向と垂直な面内の方位分解能Δｒとがあり
、いずれも使用超音波の波長λとレンズの明るさを表わ
すＦナンバによって定まり、それぞれ Δｒ＝λ・Ｆ　　　　　　　　　　　　　　（１）Δρ
＝２λ・Ｆ　”　　　　　　　　　　　　（２）で与え
られる。

作成可能なレンズのＦナンバは０．７程度であるからＩ
ＧＨｚの超音波を用いると水中（波長λ＝１．５μｍ）
で３１〜１μｍ５　　Δρ〜１．５μｍが得られる。超
音波顕微鏡では、この様に極めて浅い焦点深度を利用し
て試料内部のある深さの面内画像をスライスして描画す
る事が出来る。第２図はこの間の事情を模式的に示した
ものである。ここで、試料６０はｘｙ平面内で機械的に
２次元に走査されている。上記の超音波センサ２００が
第２図（ａ）の位置にいる時は、レンズの焦点Ｆは試料
６０から離れており、ピントのボケだ画像が得られ、第
２図（ｂ）の位置にいる時には焦点Ｆは丁度試料６００
表面に合い、試料６０の表面の音響像が得られ、又、第
２図（Ｃ）の位置にいる時には、試料６０のＲざＺ。な
る内部のスライス面の音響像が得られるのである。

この様に、超音波顕微鏡はその極めて浅い焦点深度を用
いて試料表面よりいろいろな深さのスライス像を撮像す
る事が出来る。従って、ある試料の種々の深さにおける
顕微画像を得るには、センサと試料間の距離ケ変えてや
る必要がある。他方、超音波反射信号を検出する場合こ
の距離の変化に伴ない反射信号を標本化するタイミング
をずらす必要がある。第３図はこの間の事情を説明する
図で、第１図に示す七ンブ部に繰シ返えし周期ｔＢのＲ
Ｆパルス電気信号管印加した時のビデオ領域での検出信
号を示したものである。ここで横軸は時間軸分たて軸は
信号強度を示している。Ａは印加したＲＦパルスを示し
、Ｂはレンズ界面からの反射信号を又Ｃは試料からの反
射信号を示している。

この試料からの反射信号Ｃが、顕微画像を形成　、する
ものであるから、この反射強度の大いさ全適切なタイミ
ングで標本化する必要がある。詳しく説明すると、　Ｒ
Ｐパルスの継続時間を１ｄ　（第３図中））とすると、
レンズと水との界面からの反射信号Ｂは、 ’　ｔ　＝２　Ｌ／ＶＬ　　　　　　　　　　　　（３
）だけ打ち出しパルスＡより遅延して生ずる。ここで、
Ｌはレンズ面４２と平板面４１０間の長さで、ｖＬはレ
ンズ材４０の音速度である。又、試料からの反射信号Ｃ
は、反射信号Ｂよりも更にｔ　ｓ　＝２　Ｚ　／　、Ｖ
　ｗ　　　　　　　　　　　　（４）だけ遅延して生ず
る。ここで、ＺはレンズとＫ１間の距離を表し、Ｖｗは
レンズと試料との間全満す媒質５０の音速度を表わす。

従って反射信号Ｃを標本化するゲート信号（第３図（Ｃ
））は、打ち出しパルスＡの立ち上がりよりｔｔ＋ｔｓ
だけ遅延する必要がある。

式（４）から明らかな如く、種々の深さのスライス像を
得る為にセンサと試料間の距離を変えるとｔ、＋ｔｄな
る遅延量は変化するから、従来の様にゲート信号とコン
トロール信号の間の時間を固定していたのでは、標本化
すべきゲート信号の幅から反射信号Ｃがはずれてしまう
のである。従って、操作者は試料とセンサ間の距離が変
わる毎に絶えずゲート信号の遅延時間分正しく反射信号
Ｃをとらえるよう調整する必要があり、煩雑で又再現性
も保証されない。かかる事情から、センサと試料間の距
離に応じたゲート信号の遅延時間の修正管、規則的に又
定量的に行なう手段があれば、操作者はセンサと試料間
の距離を変える毎に（焦点の位置を変える毎に）、ゲー
ト信号の遅延時間を変える必要がなく、超音波顕微鏡の
撮像操作分署るしく簡便にする事が期待される。

本発明は以上の点を鑑みてなされたもので、試料とセン
サ間の距離に対応して、定量的かつ合理的にゲート信号
の遅延時間管変える手段を提供する事ケ目的とする。

本発明では、式（４）に従って何らかの手段でセンサと
試料間の距離Ｚがわかれば、必要なゲート信号の遅延時
間が求められる事に着目し、上記課題全潰そうとするも
のであるが、以下図面を用いて一実施例全説明しながら
発明の詳細な説明する。

本実施例では、七ン丈と試料間の距離全検出゛するのに
、センサの焦点が試料の表面に合致せる事を検出する事
によって行う。センサの焦点距離はあらかじめ解ってい
るから、上記検出時に試料とセンサ間が丁度焦点距離だ
け離れている事になり式（４）に従って容易に所望のゲ
ート信号の遅延時間の基準値が求まるからである。この
距離を基準としてセンサを試料に近′ずけたり遠ざけた
りする際、その移動量を求めれば任意のセンサー試料間
の距離に対応したゲート遅延時間を設定する事が出来る
。

まず、試料表面にセンサの焦点が合致せる事を検出する
一実施例を示す。

第４図は、試料として半導体ウェハを例にとり、試料の
ｘｙ面内の機械的な走査をとめた状態で、レンズと試料
間の距離Ｚ’ｒ変えながら測定した試料からの反射強度
の変化を示したものである。横軸はレンズと試料の間の
距離を、縦軸は試料からの反射強度を表わしたものであ
る。

本発明者等は、第４図中Ｒ８で表わした距離、即ち反射
強度が最大になる距離にレンズと試料間の距離分設定し
て、試料を機械走査して音響像をとった時、その音響像
は丁度試料の表面の音響像になっている事を見出した。

試料全色々かえて測定した結果、上記作業によって求め
たＲ０点にレンズと試料間の距離？設定する事は、極め
て良い精度で試料の表面にレンズ系の焦点ケあわせた事
に対応している事が確認出来たのである。

超音波顕微鏡では、第４図の如く光学顕微鏡の様に単峰
特性ではなく、多節特性のある事が特長で、これは音波
がコヒーレントである為に生じる現象と考えられる。従
って、超音波顕微鏡では、レンズケ試料に近すけていっ
た時の最初の極大値管求めるという光学顕微鏡で用いら
れている従来の合焦点法ではなく、数ある極大値の中か
ら真の最大値を求める必焚かあり、これは超音波顕微鏡
特有の要請である。

従って本実施例で用いたるＲ６点の検出は、次の手順に
より実現される。即ち、 （１”）　　任意の厚みの試料に対し、センサと試料が
接触しない程度にセンサを試料より離す。（この量は試
料の厚みが既知の時は、厚み＋センサの焦点距離にする
と便利である）。

（２”ａ）セン−９′？試料に近すけなから、反射信号
の最初の極大値ａ、とその時のセンサー試料間の距離Ｚ
ｔ’？検出、記憶する。

（？ｂ）更にセンサを試料に近ずけて、次の極大値ａ、
とＺ、を記憶する。ａ、＞ａ、なら次の極大値を求めて
いく。

この作業を繰り返してｉ番目の極大値ａ１がａ、＜ａ、
−Ｉになった時にこの作業を停止する。この時第３図か
ら明らかなように％　　ａＩ−１が勲最大値である。従
って、最後に （３“）センサー試料間の距離がＺ、−１になるように
センＶを試料より遠ざける。

間は操作者が調整しても良いし、式（４）に基づいて後
述する様に演算によ多制御してもよい。

第５図は以上のアルゴリズムを実現する一実施例の構成
を示すブロック図である。即ち、レンズ２００と試料２
２０の間の距離を変化させるものとして、レンズ２００
を支持する台２１０と、これにとりつけたボールネジに
連結せるパルスモータ２３０によるボールネジの回転を
利用するのである。パルスモータ２３０ｆ駆動する駆動
電源２４０に、パルス発振器２５０によりパルスを送れ
ば、パルスモータ２３０の正回転、送回転に従ってレン
ズ系２００を試料２２０に近ずけたり遠　□ざけたりで
きるわけである。パルス発振器２５０より送られたパル
スは同時にアップ・ダウンカラ（１１） ンタ２６０により計数され、この計数値は表示器２７０
に表示されると同時にバス・ライン２８０上に載せられ
る。レンズ２００には、ＲＦ発振器１８０よりＢＰ’電
力が供給され、レンズより細い超音波ビームが放射され
、試料２２０による反射超音波は再びレンズで集音され
、ＲＦ受信器２９０によシ増巾後、検波器３００により
ビデオ信号に変換される。このビデオ信号は、上記パル
ス発振器２５０から発生するパルスに同期して標本化回
路３０５で標本化され、更にアナログディジタル変換器
３１０によりディジタル化され、パスライン２８０上に
載せられる。バス・ライン２８０は近年多用すしている
マイクロ・コンピュータ３２０（ＤＩ１０ボート會介し
てマイクロ・コンピュータの内部メモリにつながってい
る。

まずＲ８点の検出は、以下の様な信号のやりとシで実行
される。即ち、 （１”）　　マイクロコンピュータ３２０より所定の距
離だけレンズ２００と試料２２０が離れるようにパルス
発振器２５０にパルス発生の指令を送り、（１２） パルス発振器２５０よりモータ駆動電源２４０に正回転
パルスを必要個数送る。

（２”）　　レンズ２２０１試料に近ずける作業は、（
ｌ“）と同様であり、極大値分求める作業が加わってい
る。ステップモータ′ｆｒｌパルス分ｏｏ転ｇせ、レン
ズ分試料に近付けた時、この動作後反射信号の強度デー
タ（アナログ・ディジタル変換器３１０の出力）？バス
・ライン２８０ｉ介して、コンピュータ３２０に取りこ
み記憶する。この作業ケ、レンズの動き従ってパルス発
振器２５０から発生するパルスと同期して逐時行ないソ
フトウェア的に極大値を検出する。極大、値（例えばａ
ｔ　　）が求まると、その時のカウンタ２６０の計数値
（Ｚ、）をパスライン２８０ｉ介してコンピュータ３２
０内のメモリに記憶する。この手順を続けて％　　ａｌ
く町−８なる極大値が求まると、最大値ａ１−７とその
時のレンズ−試料間の距離Ｚ＋　−１を求められる。

（３“）最後に、Ｚ、−Ｚ、−１の距離に相当する逆回
転パルスを駆動電源２４０に加えて、レンズ−試料間の
距離をＺｉになるように設定する。

（１３） かくしてレンズと試料間の距離の基準値Ｚｉ　をマイク
ロコンピュータ３２０の内部メモリに取りこみ、式（４
）に従って、 ｒｅｆ　＝　２　Ｚ　ｉ　／　Ｖｗ　　　　　　　　　
（５）を計算し、基準のゲート遅延時間とするわけであ
る。

操作者がレンズ−試料間の距離をかえて、異なる深度の
（異なるレンズ−試料間の距離）のスライス像を得んと
する時は、操作者が上記基準値ＺｉよりどれだけＺ軸方
向にセンサを移動したかは、カウンタ２６θの計数値と
してパスライン２８０を介してマイクロコンピュータが
知り得るから、改めて式（４）に従って必要なゲート遅
延時間を設定すればよい。

上記のマイクロコンピュータ３２０からのディジタルデ
ータによりゲート遅延時間分制御するには、周知のディ
ジタル遅延制御の技術を用いる事が出来る。例えば、第
５図ではサンプルホールド回路３０５のサンプリングゲ
ート信号に該ゲート遅延信号を用いるのである。遅延ゲ
ート信号発生／１７１ 器３３０は、例えば第６図に示す如（、Ｒ，Ｆパルス発
振器のコントロール信号を用い、フリップフロップ４１
０、アップダウンカウンタ４００．１０Ｍ’Ｈｚ水晶発
振器４２０及びマルチバイブレーク４３０よりなる。フ
リップフロップ４１０はあらかじめクリアされ、発振器
４２０の信号はカウンタ４００のカウント入力に入らな
い。ＲＦ）くルス発振器よシ打ち出しコントロールノ（
ルスがフリップ・フロップ４１０のプリセット端子に入
ると、フリップフロッグ４１０の出力は正となりカウン
タは減算計数全行なう。カウンタ４１０はあらかじめマ
イクロコンピュータ３２０によってパスライン２８０を
介して、上記遅延時間に対応するディジタルデータがロ
ードされており、該遅延時間に対応する計数が完了する
とボロウ信号を発生する。このポロウ信号はマルチバイ
ブレータ４３０により適度なサンプリングゲート幅のパ
ルスに変換されると同時に、フリップフロップ４１０を
クリアし、カウンタの計数をとめる。かかる構成によっ
て、マイクロコンピュータから与えられ（１５） た計数値Ｎと、水晶発振器の周波数ｆにより、入力たる
打ち出しコントロール信号より ｔ＝−（６） に対応した遅延量會有するゲート信号が発生するのであ
る。

以上述べた実施例では、マイクロコンピュータを用いて
いるが、センサと試料間の距１ｍを変化させる手段と、
その変化を計数記憶する手段とを有し、反射信号の上記
距離変化に対応した大いさを検出記憶する手段と、上記
センサと試料間の距離に応じて標本化ゲート信号の遅延
時間會変える手段とを有していれば、ランダム・ロジッ
クで作成してもよい事は勿論である。

以上述べた如く、本発明によればセンサー試料間の距離
が変化しても試料からの反射信号Ｃ’を標本化するに必
要なゲート信号の遅延制御を自動的に補償する事が出来
、超音波顕微鋺等、集束ビーム管用いた超音波撮像機器
や計測器における操作性を著るしく高め、当業界への寄
与は極めて大な（１６） るものである。

【図面の簡単な説明】

の一実施例の構成図である。 ２００・・・レンズ、２２０・・・ＥＬ２ａｏ・・・ノ
くルスモータ、２５０・・・パルス発振器、２６０・・
・アンプダウンカウンタ、３００・・・検波器、３２０
・・・マイクロコンピュータ、４００・・・アップダウ
ンカウンタ、４１Ｏ・・・フリップフロッグ、４２０・
・・発振器。 代理人　弁理士　薄田利幸 第　１　目

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、集束する超音波ビームの焦点管含んで試料が実効的
   に２次元走査し、試料による該ビームのしよう乱を検出
   表示する超音波顕微鏡において、前記焦点と試料との間
   の距離を変化きせる手段を有し、その変化に応じて反射
   信号を標本化するゲート信号の遅延を制御する手段を具
   備させることを特徴とする超音波顕微鏡。