JPS5839942A - 超音波顕微鏡の自動焦点調節装置 - 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、超音波顕微鏡において、超音波音響レンズが
試料に合焦した場合の当該試料からの反射波の検波信号
は、合焦しない場合の検波信号に比べて一番大きな鎧を
示し、しかもその場合の超音波音響レンズと試料間の距
離は、廟音波音響レンズの構成によって定まることに着
目し、超音波音響レンズから試料に超音波を投射した時
点を１準とした超音波音響レンズの構成等によって定ま
るタイミングによって、合焦により得られる検波信号（
合焦検波信号）をサンプル・ホールドして検出し、これ
を所定のしきい値と比較して合焦、非合焦を判定するよ
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／で超高周波数のバ
ースト波電気信号を発振させてサーキュレータコを介し
て圧電トランスジューサ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参および液体ｊを
介して走査制御装置６によりＸおよびＹ方向に一次元的
に移動する試料台７上に載置された試料ｊ上にスポット
状に投射している。また、試料ｌからの反射波は超音波
音響レンズ参で集音し、圧電トラン、スジューサ３によ
り電気信号に変換してサーキュレータコを介して信号処
理回路デに供給し、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、この検波信号を輝度信
号としてスキャンコンバータｌσにより走査制御装置乙
による試料台７の走査と同期させて超音波像を陰極管ｌ
ｌ上に表示させるようにしている。なお、音響レンズ参
は試料含７に対して垂直な２方向に変位可能になってい
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
ズ参を２方向に変位させて試料ｔ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．第コおよび第３の順次の極大ｆｉｉｌ、ｎ
および■を有するいわゆるｖ（２）カーブと呼ばれる検
波信号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、音響レンズ参
の構造、液体ｊの種類等によって定まるものである。第
一図において、ｖ（Ｚ）が最大となる第コの極大値■の
点ｆは超音波音響レンズ参が試料ｔに対して合焦状態に
あると亀に得られ、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ｆｔＬ！および麗は
試料ｌ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、従来では信号処理回路デ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参を手動により２方向に変位させ
て検波信号レベルが最大となる位置（１１１図の点ｆ）
を探し、この位置に音響レンズ参を合わせることにより
、超音波音響レンズ参の試料ｔに対する焦点調節を行な
っていた。

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Ｊの極大ｆｉ［
Ｉ−１を憶え、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、調節が極めて困難で
あると共に時間がかかる。これは超音波の周波数を高く
すれはする程、液体ｊ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参と試料ｔとの
間の距離を更に短くする必要があるため、距離の微小炭
化から最大反射点を探すのが更に困難となる。また、操
作者はモニターを見ながら超音波音響レンズ参を操作す
るため、超音波音響レンズ参と試料ｔとが接餉して両者
が毀損する恐れがある。更に、焦点調節が極めて困難で
あるために、多数の試料を観察する場合に像のフントラ
ストに差異が生じ、試料間の比較が極めて難しくなる不
具合がある。

本発明の目的は、上述の種々の不具合を解消するために
、焦点調節を自動的に行なう自動焦点調節装置を提供し
ようとするものである。

すなわち、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焦点
調節機構を有する超音波顕微鏡において、前記超音波音
蕃レンズから投射された超音波の試料からの反射波を受
信して得た検波信号中から、前記超音波音響レンズの構
成等によって定まる所定のタイミングによって合焦時の
検波信号をサンプリングしてホールドするように構成し
たサンプル・ホールド手段と、そのサンプル・ホールド
手段からの出力電圧を所定のしきい埴と比較して停止パ
ルス信号を得るように構成した比較手段とを具え、その
停止パルス信号によって前記焦点調節機構の動作を停止
させるよう構成した仁とを特徴とするものである。

以下図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第３図は、本発明の実施例の一例の構成を第１図に示し
た従来構成の超音波顕微鏡に適用した場合について、ブ
ロック線図で示したものである。

また第１図の部分と同一部分は、同一符号を付して示し
たが、これらの各部については、さきに説明したのでこ
こでは説明を省略する。

同図において、／２は超音波音響レンズ参を２方向に間
欠的に変位させるための駆動装置を含む２方向駆動機構
、すなわち焦点調節機構である。／Ｊはその２方向駆動
機構／２を制御するための２方向駆動制御装置であって
、停止パルス信号が供給さ、れたとき、前記２方向駆動
機構１２の動作を停止させるよう構成しである。また、
ｌ参は高周波ノくルス発生器Ｉを発停制御するための制
御ノザルス発生器、／ｊは信号処理回路デから得られた
反射波検波信号を制御パルス発生器Ｉりからのパルス信
号によりサンプリングしてホールドするように構成した
サンプル・ホールド器であって、−そのノぐルス信号を
超音波音響レンズ参の構成等によって定まるタイミング
をもった合焦時の検波信号のタイミングに一致させるた
めに必要な時間だけ遅延パルス発生器１４により遅延さ
せてサンプル・ホールド器にサンプリングパルスとして
加えている０ すなわち、制御パルス発生器／ｌからのパルス出力を部
分し、その一方により高周波パルス発生器を駆動して高
層゛波パルス信号発生させ、これにより圧１１ｉ）テン
、スジューサＪを駆動することにより得られた第１図の
如自試料ｔからの反射波の検波信号を信号８１１１回路
９から得るとともに、その部分した池方のパルス信号を
遅延パルス発生器１６により遅延させることによって、
第２図に示した第一、の極大値ｌに相当する合焦時の検
波信号のタイミングに一致するタイミングをもったパル
ス信号とし、このパルス信号により前記信号処理回路！
からの検波信号をサンプリングし、ホールドしているの
で、超音波音響レンズ参と試料ｌの２方向の距離が便化
するように、その超音波音響レンズ参をたとえに試料ｌ
と遠く離れた位置から試料ｔに近づけるように変位させ
た場合、サンプル・ホールド９９／ｊによってサンプル
舎ホールドされる検波信号の出力電圧が最大値を示した
ときの超音波音響レンズ参の位置が、丁度合焦位置に相
当する仁ととなる・１７はサンプル・ホールド器／ｊか
らの出力電圧をノイズ等の信号から分離するための比較
器であって、サンプル・ホールド器／ｊでとらえた電圧
Ｖｆとしきい値基準電圧設定＠ｎの電圧ｖｒを比較し、
ｖｆｌ〉ｖｒとなったと自出力するよう構成しである。

従って、第２図に示したｖ（２）カーブにおいて、合焦
時検波信号である第一の極大錬成のみがし龜い籠を越え
るように、し自い値基準電圧設定５１２の電圧ｖｒを設
定すれｄ１超音波音響レンズの２方向の位置が、合焦点
に達した時点で、比較器１７からパルス信号が発生する
。この実施例においては、そのパルス信号を停止パルス
信号として前記２方向駆動制御装置１３に供給している
〇その２方向駆動制御装置１３は、さきに説明したよう
に、停止パルスによって前記２方向駆動機構７２を停止
させるよう制御する構成となっているので、その２方向
駆動機構１２により駆動する超音波音響レンズは、前記
比較器／７から停止パルスが発生した時点、すなわち合
焦時の検波信号が得られた合焦恒量で停止する。

上述の本発明の実施例の構成における制作を、第参図に
示すタイミングチャートを参照して、さらに詳細に説明
する。

２方向駆動制御装置１３により２方向駆動機構／２を動
作させ、超音波音響レンズ参と試料ｔの２方向の距離を
近づけ、奄しくは遠ざけるように駆動させる。一方、圧
１１）テンヌジューサを駆動するための、繰り返しの高
周波パルスを高周波パルス発生器ｌから発生させ、その
発生の制御を制御パルス発生器／ｆからのパルス信号に
よって行なう。第参図に高周波パルス発生器ｌから発生
させた波を入射波Ｐとして、そのタイミングをｔ工のと
ころにとれば、その波は圧電トーランスジューサＪによ
り超音波に変換され、超音波音響レンズ参を通り、液体
ｊを介して試料ｔの表面に当って、その反射波が逆経路
を通り、信号処理回路ｔから出力検波信号として取り、
出される＠超音波音響レンズ参の焦点に試料ｌの面があ
ると亀は、さきに説明したように最も大きい反射があり
、そのときの反射波をＲｆとし、入射波Ｐからの遅れ時
間をｔ（とする。

超音波音響レンズ参の焦点を試料ｔの面から少し超音波
音響レンズ参と試料ｔが離れているときの反射波をＲ近
いときの反射波をＲ２とすると、１ それらのタイミング関係は第参図に示したようになる。

そこで、信号処理回路ｔからの反射波検波信号中、最も
大きい反射波Ｒｆに相当する反射波検波信号を取り出す
ため、制御パルス発生器ｌヂからのパルス信号を遅延パ
ルス発生器１４によりｔｆ、だけ遅延させてｔ２のタイ
ミングをもった遅延パルス信号とし、この遅延パルス信
号により前記反射波検波信号をサンプル・ホールド回路
／３によってサンプリングし、そのときの電圧値をホー
ルドして比較＠／７に供給する◎ 従って、比較器１７に供給されるサンプル・ホールド器
ｌｊの出力は、超音波音響レンズ参が試料ｌの面に合焦
するまでの過程の期間では、非合焦の検波信号をも含む
こととなるが、比較器／７は最も大きな反射波Ｒｆの検
波信号ｖｆが入力−したときのみ、シ愈いｗ／ｉｖｒに
対しｖｆ＞ｖｒとなって出力するように、あらかじめ、
しきい値基準電圧設定器／ｌにより所定のしきい値ｖｒ
に設定しであるので、超音波音響レンズ参の焦点に試料
ｔの面が位置したと自、すなわち最大反射波Ｒｆに対応
する検波信号ｖｆがサンプル書ホールド器によりサンプ
リングされホールドされたときのみ、前記比較器１７か
らパルス信号を出力し、２方向駆動機構／２による超音
波音響レンズ参の２方向の変位を停止させるように２方
向駆動制御装置１３を制御する。これにより、超音波音
響レンズ参の２方向の変位が停止し、超音波音響レンズ
参は試料ｌの面に自動合焦する。

第５図は、本発明の池の実施例の構成の一部を示すプ四
ツクＳ図であっτ、’Ｍｘ図における一点鎖線で囲んだ
部分のみを示したものであり、その他の部分は第３図の
ものと同一構成なので図示を省略しである。

この実施例は、ざきの実施例におけるものよりも一層精
度高く自動焦点調節を行ない得るようにしたもので、サ
ンプル・ホールド回路は二つのサンプルホールド器１９
　、　Ｍからなっている。その一方は、パルス信号入力
端子Ｉを介して第３図にｌで示した制御パルス発生器か
らのパルス信号のタイミングを前述の実施例の場合と同
様に、第４図に示したｔｆなる時間遅延させるための第
７の遅延パルス発生器ｎによって遅延させた遅延パルス
信号により、検波信号入力端子Ｂから加えられる第Ｊｖ
！：Ｊに９で示した信号処理回路からの検波信号をサン
プリングしてホールドするように構成しである＠ また、他方のサンプル・ホールド器Ｘは、前記第１の遅
延パルス発生器ｎで遅延した遅延パルス信号を、さらに
第２の遅延パルス発生器Ｘにより微少時間Δｔだけ遅延
させて得た遅延パルス信号によって、前記傷号処Ｊ１＠
路９からの検波信号をサンプリングし、ホールドするよ
うに構成しである。

一方、比較手段もまた二つの比較＠Ｂ　、　ｍからなり
、それら両比較器３．２４からの出力をＡＮＤ回の実施
例と同様に第１のサンプル・ホールド（至）１９の出力
電圧を、ノイズ等の信号と分離して娯動作を防ぐための
しきい値基準電圧設定＠コによる所定のしきい値と比較
し、前記出力電圧がそのしきい値を越えた場合にのみ出
力するように構成しである◎また、他方の第２の比較−
１は、前記反射波検出信号をごく短かな時間差Δｔｔｓ
ｓててサンプリングして得た各サンプル・ホールド器／
９　、　Ｊ７からの各出力電圧の差をとるように接１し
である０しかして、ムＮＤ回路ｌからの停止パルス信号
は、停止パルス信号出力端子ｌからｌＩｌ図に１３で示
した２方向駆動制御装置入力し、ざきの実施例と同様の
動作をさせるようにしている。なお、その他の構成は、
第ＪＷのものと同一であるので以下同図をも参照して、
１１１４図およびｌ！７図のタイミングチャートに基づ
きこの実施例のものの動作を説明する〇 第１の実施例と同様に、超音波音響レンズ参な試料ｌか
ら遠い位置より徐々に試料ｌに近づけて、試料ｌの面の
近傍に超音波音響し・ンズ参の焦点位置が達する場合、
信号処理回路９から得られる検波出力は第１図のように
変化する◇ 超音波音響レンズ参の焦点に、試料ｌの面があるときの
検波出力を同図Ｂとすれは、超音波音響レンズ亭と試料
ｌが、その焦点距離より少し離れているときは、同図ム
のように検波出力は、同図Ｂに示した合焦した場合の検
波出力よりも減少し、また少し近いとさも同図Ｃのよう
に検波出力は減少する。この微妙な検波出力レベルの差
をとらえて、合焦位置を判別するために、制御パルス発
生器ｌ参からのパルスに対し、ざきの実施例の場合と°
同様に、制御パルス発生器ｌφからのパルス信号に対し
、そのパルス信号のタイミングによる超音波音響レンズ
参からの試料ｌへの入射波によって得られる合焦時の反
射波検波信号が得られるまでの時開差１ｆをもったタイ
ミングの第７の遅延パルス信号を、第１の遅延パルス発
生器ｎから出力させ、その第１の遅延パルス信号により
信号処理回路９からの反射波検波信号なｌＩｌのサンプ
ル・ホールドｌ１１９によ゛つてサンプリングし出力電
圧Ｖ工を得る。

また、前記第１の遅延パルス信号な第一の遅延パルス発
生器２＃により＃Ｉ７図に示したように微少時間Δｔだ
け遅延させた第一の遅延パルス信号を得て、この第２の
遅延パルス信号により信号処理回路９からの反射波検波
信号を第一のサンプル・ホールドＷＪにおいてサンプリ
ングし出力電圧ｖ２を得る。第７図は、それら出力電圧
ｖｌ、ｖ２のタイ虚ング関係を示したものである。

前記第７のサンプル・ホールドＢｉｔの出力電圧Ｖエバ
、１ｌＩｌの比較器Ｂにおいて、しきい値基準電圧設定
器コにより設定された基準電圧ｖｒと比較される。その
基準電圧ｖｒは、前記出力電圧をその第１の比較器は出
力する。つまり、ここで超音波音響レンズ参の焦点近傍
に試料ｌの面があることを判断する。

同図Ｂを焦点に合ったときの検波出力とすれば、超音波
音響レンズ参を試料ｌに近づけるように２方向駆動させ
るときは、同図のムからＢへ、Ｂか・ら０へと検波出力
レベルが変化する。そこで、第１図のム’、Ｂ、Ｏに示
した検波出力の微妙なレベル差を判別するため、第７図
に示すように各サンプル・ホールド器／９　、　Ｘ）の
サンプルホールドのタイミング差Δｔを短くすれば、検
波出力が焦点位置に対し同図ムの状態にあるとき、第１
のサンプル・ホールド器ｌデからの出力電圧Ｖ工と第２
のサンプル・ホールド器Ｘからの出力電圧ｖ２が、■よ
＜ｖ２となり、この場合Ｖ工〉ｖｒとなって第１の比較
器ＢからＯＮ状態の出力がでても、第一の比較器スがＶ
工〈■２のときのみ出力するように■入力端子に■０、
θλ入力端子ｖ２を入力させであるので、ｔＩＩｉコの
比較Ｉ１１はＯＦＦ状部となり、従ってＡＮＤ回路回路
向ＦＦ状態のままである。

つぎに超音波音響レンズ亭が試料ｌの面に合焦して焦点
位置と検波出力の関係が同図Ｂに示した状態に達し、も
しくはその直前の状態においては■　とＶ　の関係がＶ
□〉ｖ２となり、第２の比較器　　　　２ ムはＯＮ状態となって出力する。このとき、第１の比較
＠＠２１がＯＮ状態となって出力しているので、ＡＮＤ
回路回路向図Ｂに示した合焦状態となった時点もしくは
その直前の時点でＯＮ状態となり、その出力が停止パル
ス信号として２方向駆動制御装置１３に入力し、２方向
駆動機１１１ｎの動作を停止させる。超音波音響レンズ
参の２方向の駆動は、これによって停止し、その焦点は
試料ｌの面に合ったこととなる◇ 上述の第２の実施例においては、超音波音響レンズ参を
試料ｌに近づく方向に移動させて、自動合焦させる場合
について説明したが、超音波音響レンズ参を試料ｌから
遠ざける方向に駆動して自動合焦すせる場合には、各々
のサンプル・ホールド器ｌり、Ｘの出力を逆に！Ｍａｔ
、た構成にすれば、上述の第２の実施例と同様の動作を
させることができる０ 上述したように本発明によれば、超音波音響レンズと試
料間の距離を変化させ、試料面に超音波音響レンズの焦
点が合ったときの試料からの反射波の検波信号をサンプ
リングしてホールドし、このホールド電圧を所定のしき
い値と比較して得た比較出力のタイミングによって、前
記超音波音響レンズの駆動を停止させることにより前記
超音波音ルンズを試料面に合焦させるようにしたもので
あるから、従来観察者が手動により行なっていた焦点調
節を、迅速かつ高精度に自動的に行なう。

ことができ、シかも超−音波音響レンズと試料との接触
による毀損も有効に防止できる。また、常に高精度の焦
点調節を自動的に行なうことができることから、多数の
試料を観察する場合には一定のコントラストの像を得る
ことができ、したがって試料間の比較を容易かつ正確に
行なうことができるＯ 特に第２の実施例のものにおいては合焦時における反射
波のピーク点に近い検波信号のタイミングで超音波音響
レンズの駆動を停止せしめることができるので、ざらに
一層高精度の自動焦点調節が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波顕微鏡の一例の構成を示すブロッ
ク線図、１１１２図は音響レンズと試料との間の距離に
対する反射波検波信号の強度分布図、第３図は本発明装
置を第７図のものに適用した場合の本発明の実施例の一
例を示すブロック線図、第参図は、第３図の実施例の動
作を説明するためのタイミングチャート、第５図は本発
明の他の実施例の構成の一部を示すブロック線図、第６
図および第７図はその動作を説明するためのタイミング
チャートである。 ｌ・・・高周波パルス発生器、コ・・・サーキュレータ
、３・・・電圧トランスジューサ、−・・・超音波音響
レンズ、！・・・液体、６・・・走査制御装置、７・・
・試料台、ｌ・・・試料、９・・・信号処理回路、ｌ／
・・・陰極線管、１２・・・２方向駆動機構、１３・・
・２方向駆動制御回路、／４１・・・制御１１ハルス発
生器、　／１・・・サンプル・ホールド６、／４・・・
遅延パルス発生器、”　Ｎ　Ｎ〜謁・・・比較器、／ｌ
　。 コ・・・シきい値基準電圧設足詣、／９・・・＃Ｉｌの
サンプル・ホールド器、Ｘ・・・第一のサンプル・ホー
ルド器、Ｉ・・・パルス儒者入力端子、ｎ・・・第１の
遅延／（ルス発生器、ｎ・・・検波信号入力端子、２り
・・・第２の遅延パルス発生器、Ｂ・・・Ｉｆ！／の比
較器、Ｕ・・・第一の比較器、ｌ・・・ＡＮＤ回路、Ｊ
・・・停止パルス信号出力端子。 第１図 第２図 第３図 第５図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｌ　超音波音響レンズと試料の超音波投射方向における
   相対位置を蛮位させて焦点を調節するように構成した焦
   点調節機構を有する超音波顕微鏡にｉいて、前記超音波
   音響レンズから投射された超音波の試料からの反射波を
   受信して得た検波信号中から、前記超音波音響レンズの
   構成等によって定まる所定のタイミングによって合焦時
   の検波信号をサンプリングしてホールドするように構成
   したサンプル・ホールド手段と、そのサンプル・ホール
   ド手段からの出力電圧を所定のしきい値と比較して停止
   パルス信号を得るように構成した比較手段とを具え、そ
   の停止パルス信号によって前記焦点調節機構の動作を停
   止させるよう構成したことを特徴とする超音波顕微鏡の
   自動焦点調節装置。 ２　前記サンプル・ホールド手段は、前記の所。 定のタイミングと、その近傍のタイミングの二つの時点
   における前記検波信号をサンプリングして得た二値を各
   別にホールドするように構成するとともに、前記比較手
   段は、その二値を比較し前記所定のタイミングによるサ
   ンプル・ホールド値がその近傍のタイミングによるサン
   プル・ホールド値よりも大きいときに出力を発する比較
   器と、前記二値のうちの一つと所定のしきい値を比較す
   る比較器とそれら両比較器からの出力のＡＮＤ出力を停
   止パルス信号として取り出すためのＡＮＤ回路とから構
   成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   超音波顕微鏡の自動焦点調節装置。