JPS6035254A - 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】 本発明は一般に顕微鏡、特に高周波音波１ネルギーを用
いる顕微鏡に関連する。

従来型顕微鏡は２　Ｉｆｆ！の放射線、即ち光学顕微鏡
では電磁波、電子顕微鏡では電子波を使用する。

光学顕微鏡は長年にわたって改良され、これで生物ｌｌ
１１２Ｊのような微小対象物の正確な像が得られる。こ
の改良にも拘らず、光学顕微鏡は結像される試料のＭ電
性性を基本的に感知づるものであるから固有の限界があ
る。従っである種の対象物は光学的に透明なため像が現
われず、他の対象物１ま光学的に不透明なため内部の詳
細が現われない。

又組織切片及び輔胞息澗液のようなある種の生１カ試料
では固有の光学的コントラストが少ないのでコントラス
ト感度に限界がある。このコンｈラストの限界は生物学
的試料を着色する非常に手のかかる技術によりある程度
改善できる。

勿論、電子顕微鏡は製作も使用法も技術的にはるかに困
難である。又生きている細胞のようなある種の対象物は
、真空中に支持する必要があること、及び細胞を破壊す
る電子ボンバードのために検査できない。

周波数的１．０００Ｍｌ−１ｚの音波が比較的最近の開
発で発生できるようになったため水中の音波波長約１ミ
クロンが得られ、従って高分解像が愕られる優れた機構
の可能性が示唆されるようになった。又音波エネルギー
の走査２反射及び吸収を決めるのは試料の誘電特性では
なく弾性特性の変化である。このため、光学的又は電子
的に不透明のある種の試料の表面下の細部の研究が可能
になった。更に最も重要なことは弾性特性の変化は又異
なる細部を表示し、特に大きな固有音波コントラストを
与えることである。

従って本発明の一般目的は高度の分解能、感度及びコン
トラストを有し、しかも＃１造も使用法も簡単な音波顕
微鏡を提供覆ることにある。

この目的を達成するため、マイクロ波領域の無ね周波数
（ＲＦ）エネルギーが圧電トランスデユーサに印加され
て音波伝Ｉ！ａ媒質内に規準、即もコリメートされたビ
ーム形式の強力な音波を発生し、このビームは音波レン
ズに送られ、このレンズは上記伝搬媒質内で簡単ではあ
るが有効な凹面形を形成し、かつ隣接する流体媒質内の
焦点に音波エネルギーを集束するため焦面に支持された
試料又は対象物と音波接触する。この音波レンズは最小
球面収差を有するように設計されているので顕微鏡の分
解能は回折だ（プに限定されることが本発明の重斂特黴
である。対象物の走査は集束音波ビームと対象物との相
対運動、例えば焦面内における対象物自体の単純な機械
的並進運動で行われる。

対象物の性質、特にその弾性によって音波エネルギーは
吸収１反射及び／又は散乱されるので、射出音波エネル
ギーの強さ又は位相変化としてのしよう乱を生じ、この
じよう乱は圧電トランスデユーサで検出される。じよう
乱は送信音波エネルギーにも反射音波エネルギーにも存
在するので、観察される特定試料によって送信エネルギ
ー又は反射エネルギーで検出される。

検出された音波信号は可視表示のためオシロスコープに
印加され、又音波エネルギーの焦面内の機械的走査によ
る対象物の運動は表示オシロスコープの電子ビームの走
査と同期される。又このビームの強さは、電子ビームが
螢光板に衝突した時良好な可視像が得られるように、対
象物で送られる音波エネルギーに比例させる。

正確な選択周波数によって非常に高い分解能か得られる
。例えば゛、４００ＭＨｚの周波数を用いるど分解能は
約３ミクロンになり、又１．５Ｇ＋−１２を用いると１
ミクロン以下の最終分解能が得られる。前述の音波レン
ス゛設計により球面収差はこの分解能に対して何の制限
も与えない。

全音波ビームが利用されるから最小量の音波エネルギー
で優れたコントラストを有づる像が得られる。又優れた
ＳＮ（信号対雑音）特性が平均エネルギーレベル１０−
７ワツト／　Ｃ１１１２で容易に得られる。従って必要
なエネルギーは生物試料の損傷レベルよりも十分に低い
。

種々の検出装置が使用できる。伝送された音波エネルギ
ーは類似の音波レンズで再規準された後、感度の大きい
圧電トランスデユーサ、即ち圧電変換器で検出される。

音波レンズ自体は媒質に適当な凹面を形成することによ
って簡単に得られ、又は゛不遊レンズ゛のような一層複
雑なレンズを使用して、球面収差特にビーム軸外の領域
の球面収差を低下できる。本発明ではレンズの断面を透
過する音波エネルギーの伝送は最狭部のビーム断面が最
適形状になるように制御することが可能である。これは
ビーム断面が最大の位相分ｌｌｖ能を与えることを考慮
したものである。　。

透過高波エネルギーではない反射高波エネルギーは伝送
用変換器、又は分離されかつ適当な位置に配置された第
２レンズと変換器で検出される。

又横方向一定間隔に配置された複数の変換器とレンズを
、顕微鏡内を連続的に運動プる対象物に対して使用する
ことができ、検出された出ツノは、適当な遅延時間後、
結合して最終的に非常に高いＳＮ比を得ることができる
。種々の信号処理技術がこの方法に使用できる。

又音波エネルギーにＡｎされる対象物又１ユ試第３１は
位相変化を生じるので、位相じよう乱音波は又あどの表
示のため位相基準信号と比較できる。

入力エネルギーは又現用レーク装置のように大幅に変え
ることができ対ル物の更に詳細な情報を与える。例えば
入力信号は″ヂャーブパ（Ｃ旧「１）線形掃引周波数）
形式とすることができ、又！１１なる周波数の各種入力
信号を対象物に連続的に印加した後再結合することもで
きる。最終可視像のコンミ−ラストを改＠する異なる色
彩表示を有するカラー表示オシロスコープはその一例で
ある。

更に対象物は音波エネルギーの方向に治って運動できる
ように支持され、対象物の各断面を焦面内に移動するこ
とによって対象物の内部変化等を検出することができる
。

又基準波を音波ホログラフィ方式で与えて三次元像を得
ることもてきる。

上記本発明の目的とそれを達成する方法は添付図面に示
す実施例による下記の詳細な説明から明らかであろう。

第１図の無線周波数発振器１０は同＠柁１２を通して、
例えば４００　Ｍ　Ｈｚの周波数の？！磁波エネルギー
を供給するよう配置され、この間１’ｌ！ｌｆｉの未明
はＢ１て示す規準ビームとして強力な音波を発生するた
め音波伝搬媒質１６の端部の薄膜又は板状の圧電変換器
１４にエネルギーを供Ｉ８づる。

変換器１４は図示の実施例では酸化亜ｆｆｆ）の薄膜で
あるが、ニオブ酸リチウム。硫化カドミウム。

硫化亜鉛その他種々の圧電材わｌが使用できる。又この
実施例の音波伝搬ｔｓ賀１６はサファイアであるが、融
解石英、イツトリウム−アルミニウムざくろ石のような
他の媒質、硫化カドミウムのＪ−うな圧電半導体、又は
他の公知の伝搬媒質も使用される。しかし本発明の目的
には後述のようにかなり高い音波伝搬速度を有するｔｓ
質を使用するのが好適である。

音波レンズ゛１８は、圧電変換器１４と反対側で伝ｍｔ
ｓ質１６の端部に形成され、図示のようにサファイア材
料の端部を研磨して凹面を形成する。

詳記すれば上記１ノンズはｆ数は０．６５を有する曲率
半径Ｑ、４ｍｍに研磨する。従って音波の規準ビームＢ
１は、図示実施例では例えば、上記音波レンズ１８を形
成した音波伝搬媒質１６端部と、後述の音波レンズを形
成した別の音波伝搬ｔｓ質端部との間に表面張力によっ
て保持される水を使用する流体媒質２０内に集束される
。水はサファイアと比較して音波伝搬速度が低い媒質で
あるから、上記音波レンズは正レンズ゛を構成し音波ビ
ームを焦点Ｆに集束する。

サファイアは水よりもはるかに音波伝搬速度が大きく、
これらの音速比ＣＩ／Ｃ２は約７．４５であるから、第
２図に示す通り、音波エネルギーの屈折線とレンズ′１
８の交差半径Ｒとの間の角θ２は小さな値になる。勿論
この値はスネルの法則、即ちｓｉｎθ２−　Ｃ２／　Ｃ
＋　ｓｉｎθ１で決り、コ（１）Ｂ１は第２図に示覆通
り音波エネルギーの入射線と曲率半径の延長線との間の
角である。従って、サファイアと水を媒質として使用す
ると最小錯乱円直径は１ミクロン以下に減少され、レン
ズ１８のこの球面収差のため音波顕微鏡の分解能を１ミ
クロン以下にできる。図示の実施例では周波数４００　
ｆｖｌ　ｔ（ｚを使用プると水中音波の波長は約３゜７
５ミクロンになるから音波レンズのこの最小球面収差の
ため分解６Ｉｉには実際の制限はない。像の最小錯乱円
を更に小さくするため音波レンズに特別のコーチングを
施してもよい。

上記のように、ｖＡ察づへき対象物又は試料Ｏは焦点Ｆ
の位置て流体媒質２０内に支持され、又この実施例では
試料に簡単な機械的運動を与えて走査する装置が設（プ
られる。第１図に明示されるように、マイクロメータを
有する調整可能な支持体２２によって試料ＯはＺ方向て
焦面に一′ｆ！ｌさせるように調整できる。又焦面内で
は第１図のＸ方向の迅速な走査はスピーカ２４を上記支
持体２２上に装着することによって行われ、このスピー
カコーンは試料又は対象物に接続される。支持体２２は
更にラム２３でＹ方向に油圧で往復運動する載物台２６
上に装着される。スピーカ２４の駆＃Ｊ電圧と同−電斤
が１源２５からオシロスコー７２８の水平偏向側胛部に
供給され、又往復ηる載物台２６は、ポテンシオメータ
３０に接続され、ポテンシオメータの出力電圧はオシロ
スコープ２８の垂直偏向制御部に供給されるので対象物
の位置とオシロスコープビーム位置との間には１対１の
対応が得られる。事実、走査速度３００梓７／秒で３ｍ
ｍの視野が得られるから１秒以内に完全な像がオシロス
コープ上に形成される。

公知のように、任意の時期に対象物Ｏに投射される音波
エネルギーはじよう乱をうけるから、観察試料の弾性特
性によって音波の強さ及び／′又は位相に変動が起こり
、このしよう乱音波エネルギーは水を通して別の音波レ
ンズ３２に伝送され、このレンズは通常前記音波レンズ
１８と同じもので、又これらの２個のレンズ１８と３２
は焦点が一致するように配置される。音波伝搬媒体３４
の端部には音波レンズ３２が形成されこの媒質を通って
伝送される音波エネルギーを８２で示されるように再び
規準し、この音波エネルギーは、酸化亜鉛又は他の適当
な圧電材料で作られ、従ってじよう乱音波エネルギー検
出器として動作する圧電変１＠！器３Ｇに供給される。

この音波エネルギーは変換器Ｃ電ト１エネル′１′−−
に変換された後オシロスコープに供給され、表示ビーム
の強さを変え、試料像の最終的可視表示を与える。

上記試料物員から発散づるＪべてのエネルギーが利用さ
れるのでこの音波顕微４Ｊ［は低密度の音波エネルギー
が用いられる。事実、平均］−ネルギーレベル１Ｏ−７
Ｗ、・０ｍ２て・優れｊこ二］ントラスト８示す生物試
料像が得られた。このエネルギーレベルは生物試料の損
傷限界値以下である。又実験の結果、観察試料の弾性特
性によって優れたコン］−ラストが１ｑられ、又前記の
ように４００　ｈｌ　ｔ−ｌ　ｚの周波数て約３ミクロ
ンの分解能が１ｑられた。周波数が１．０００Ｍ１−（
ｚ以上に増加すると約１ミクロンの分解能が得られるこ
とは明らかで、又音波レンズの球面収差のためこの優れ
た分解能には殆ど制限がないことを重ねて強調したい。

対象物の位置がマイクロメータ調整支持体２２で７方向
に変位されると、焦面に対する対象物の位置が変わり、
従って対象物の異なる部分か焦面、即ち音波ビームの挟
小部（１ミクロン）に移動（−ることは明らかであろう
。第３図に示されるように、１ミクロンの対象物Ｏが焦
点Ｆにあると、殆ど全部の音波ビームが遮断されて最大
のしよう乱が現われる。しかし対象物Ｏが点線位置まで
２方向に僅かに移動してもビーム遮断とこれに伴うしよ
う乱は大幅に減少し、従って変位が大きくなるとじよう
乱は観察できない。しかし対象物はＺ方向にかなりの大
きさを有する場合には、上記の変位によって異なる深さ
の対象物局部、又は断面が焦面に一致するｆ）ｓ　＋う
特定検査が可能になる。従って対象物の内部の詳細を容
易に研究できる。

前記の通り、対象物又は試料による音波ビームの遮断は
反射、及び透過エネルギーの強さと位相にじよう乱を生
じ、本発明の原理によるとこの反射エネルギーが可視縁
の形成に利用される。勿論、この反射エネルギーの一部
は第１図の圧電変換器に戻された後表示用オシロスコー
プに供給される。

第４図に明示された変形装置は入射エネルギーと反射エ
ネルギーとを分離する利点がある。詳記すると、可変無
線周波数発振器３８はプリズム状伝搬媒質４２の一面上
の第１圧電変換器４０に音波式カニネルキーを供給して
規準ビームＢ３を生じ、このビームは音波レンズ４４て
焦点Ｆに集束され、この焦点に試料又は対象物Ｏが流体
媒質４８内の適当な支持体４６で支持され、この媒質は
第１実施例のように水でもよく、又更に音波伝搬速度が
低く、かつ波長と球面収差を減少する液体ヘリウムのよ
うな他の流体でもよい。対象物Ｏで反射されたエネルギ
ーは前記プリズム状伝搬媒質４２内に適当に配置された
第２音波レンス５０て反射ビームＢ４として再び規準さ
れ、このエネルギーは第２圧電変換器５２て検出され、
第１実施例と同様に表示オシロスコープに供給される。

しかし可変無線周波数発振１ｆｆｉ　３８は復雑なレー
ダー動作で゛チＡ・−プ″と一般に呼ばれる線形（画引
入力信号を発生し、レーダーと同様に対象物の細部の像
が形成される。

又、上記発振器３８又は異なる周波数で動作覆る数個の
分離した発振器は、圧電変換器４ｏに供給される信号、
及びオシロスコープ５４に供給される信号を有すること
もでき、このオシロスコープは異なる周波数信号の各色
表示及びそれらの組合せからなる表示像が得られる多色
ユニット形式のオシロスコープでもよく、従っである場
合ｔＣ（ま対象物に関するより多くの情報が得られる。

上記実施例では単一の入力音波ビームを用いるが、例え
ばＳＮ仕の著しい改良等の利点は対象物を適当な順序で
一連のビームに曝露すること【こより得られる。例えば
第５図に示されるように無線周波数発振器５６からの入
カニネルキーは、１個の伝搬媒質６４上で通常横方向に
一定間隔離して配置した３個の入力変換器５８．６０．
６２に印加され、３本の平行なビームＳｓ　、Ｂ６及び
Ｂ７を形成し、これらのビームは３個の同じレンズ６６
．６８．７０で共通の焦面上の３焦点に集束される。適
当な支持体７２上の対象物Ｏは３本の集束ビームによっ
て償械的に走査され、所定の時間順序でビームをじよう
乱する。じよう乱入力信号は単一の出力伝搬媒質８０に
形成された音波レンズ７４，７６．７８によって３本の
出力ビームＢ８、Ｂ９及びＢｌｏに再び規準される。第
５図に示されるように対象物０が下方ｔこ１械的に動か
されると仮定すると、可変同量遅延装置８８と９０　＋
＝１第１及び第２出力信号の供給を遅３ｉ！；するよう
にレットされているから、３個の出力はすべて電子式加
算器９２に供給され、相合せ出力が表示用オシロスコー
プ９４に送られる。上記の３個の遅延装置に発生するパ
雑音゛′は非干渉的に集められるが、各装置の対象物信
号は加算されるので、使用ブる遅延装置の数に比例して
ＳＮ比が改善される。

対栄物Ｏは流１本媒質９６内で連続的に勤かされるが、
共通焦商内の正確な位置を保持するため偏平な内面を有
する案内部材９８が伝搬媒質６４と８０上に装着される
。これらの案内部材９８（まエポキシ又は高波低損失特
性を有する他の材料で作られ、又この低損失材料の挿入
物は勿論他の実施例にも有効である。

前記実施例において、検出と生成像は、主として音波エ
ネルギーの通路にある試料又は対象物のため生じた透過
エネルギー又は反射エネルギーの種／Ｚの強度１こよる
ものとして説明した。前）ホのように位相変化も生じこ
れらの変化は最終的に可視像を形成するのに利用される
。例えば、第６図の１個のＲＦ発振器１００からのＲＦ
エネルギーは二Δブ酸リチウムの伝Ｉ＃２媒質１０６の
同一平面上の２個の変換器１０２．１０４に同曲に伝送
され２個の類似の音波ビームＢ１１．Ｂ１２を生じ、こ
れらのビームは類似の音波レンズ１０８．１１０で集束
され、これらのレンズはニオブ酸リチウム内の中純な凹
面で形成されるが、図示のように各レンズは、公知のよ
うに球面収差をゼロに−りるためガリウム１１４の中間
層を有し、かつ適当に研磨した融解石英１１２を会む複
合不遊レンズである。

対象物０は一方のビームＢ　ｕの焦点でこのビームに曝
露され、位相がじょう乱された出力は検出用変換器１２
０に伝送づるため伝媒結晶１１８に隣接した他のレンズ
１１６で再び規準される。他のビームＢ　１２は集束後
、類似レンズ１２２で再び規準された後、対応する変換
器１２４で検出され、この両出力はＱ準位相比較’Ｊｔ
ｒ　１２６１こ送られ、次いでその出力は町視閏を現わ
ケ表示用Ａシロスコーグ１２８にｉ１％給される。

以上説明したように本発明によれば、光学顕微鏡及び電
子顕ｍ鏡では不可能であった透明物の細部、又は不透明
物内部の細部等をそのまま、例えば生物学的試料を着色
する手段等を用いることなく表示でき、又、高度の分解
能、感度及びコントラストを有し、しかも溝道も使用も
簡単であるといった効果がある。更に、対象物によって
じよう乱された反射音波エネルギーを検出し表示するの
で、じよう乱された透過音波エネルギーを検出し表示す
るもののよう１こ対象物の厚さが限定されない利点を有
する。

本発明の実施態様を列挙ずれば下記の通りである。

１、　特許請求範囲記載の顕微鏡で、該音波伝搬媒質が
流体媒質よりも本質的に速い音波速度を有する音波顕微
鏡。

２、特許請求の囲記載の顕微３ｈで、該音波伝１１媒質
がその一端部に音波レンズを形成するため球状凹面を＠
覆る固体からなる音波顕微鏡。

３、　第２項記載の顕微鏡で、音波ビーム発生装置が、
音波レンズと整列した固体の伝搬媒質の他端部に圧電を
利用した音波変換器を含む音波顕微鏡。

４、　第２項記載の顕微鏡で、流体媒質の反対側に上記
音波レンズと焦点が一致する第２音波レンズを形成する
凹面を有する第２個体音波伝搬媒質を含み、かつ検出装
置が第２音波レンズの反対側の第２音波伝搬媒質端部に
圧電変換器を含む音波顕微鏡。

５、　特許請求範囲記載の顕微鏡で、音波ビームに直角
な平面内で移動できるように対象物を支持する装置を含
む音波顕微鏡。

６、　第５項記載の顕微鏡で、対象物支持装置か平面内
の直角２方向に移動できるように対象物を支持する音波
顕微鏡。

７、　特許請求の範囲記載の顕微鏡で、音波ビームの方
向に沿って移動できるように対象物を支持する装置を含
む音波顕微鏡。

８、　特許請求範囲記載の顕微鏡で、音波レンズが不遊
レンズである音波顕微鏡。

９、　特許請求範囲記載の顕微鏡で、対象物を透過した
音波エネルギーを検出するため検出！！′評が配置され
た音波顕微鏡。

１０、　特許請求範囲記載の顕微鏡で、対象物で反射さ
れた音波エネルギーを検出するため検出装置が配置され
た音波顕微鏡。

１１、　特許請求範囲記載の顕微鏡で、音波ビーム発生
装置がマイクロ周波数範囲で動作するＲＦ発振器を含む
音波顕微鏡。

１２、　第１１項記載の顕微鏡で、ＲＦ周波数発振器が
チャーブ出力を発生する音波顕微鏡。

１３、　第１１項記載の顕微鏡で、ＲＦ周波数発振器の
出力ど、対象物でしょう乱された検出音波信号との位相
を比較する装ｒを含む音波顕微鏡。

１４、　特許請求範囲記載の顕微鏡で、対象物から反射
された音波エネルギーを受信する位置で伝搬媒質内に第
２音波レンズを形成する装置を含む音波顕微鏡。

１５、　特許請求範囲記載の顕微鏡で、音波伝搬媒質と
流体媒質どの間に挿入された低い音波損失媒質を含む音
波顕微鏡。

１６、　特許請求範囲記載の顕微鏡で、１市方向に一定
間隔に離れた位置で伝搬媒質端部に少くとも１個の別の
音波レンズを形成する装置；該音波レンズに対する音波
ビームを発生するＰｉｆｆｌ：該音波ビームを通して順
次対象物を移動する装置二上記各ビームからのしよう乱
音波エネルギーを検出する装置：検出間隔に関連して検
出音波１３号を遅延づるｎｕｉ１遅延装置；及び上記全
音波ビームからの検出信号を組合わせる装置、を含む音
波顕微鏡。

１７、　特許請求範囲記載の顕微鏡で、伝搬媒質内に第
２音波レンズを形成する装置；第１音波レンスとの共通
平面内に焦点を有する該第２合波レンズに向けて上記伝
搬Ｗ質的に第２音波ビームを発生する装置：第１音波ビ
ームと交差するように対象物を支持する装置；第１及び
第２音波ビームから生じる音波信号を検出する装置：及
び第１及び第２検出音波信号の位相を比較する装置、を
含む音波類（ｉｉＪ！。

１８、　特許請求範囲記載の顕微鏡で検出音波信号を可
視表示する装置を含む音波顕Ｉ＄’ｉ鏡。

１９、　第１８項記載の顕微鏡で、可視表示装置がオシ
ロスコープを含む音波顕微鏡。

２０、第１９項記載の顕微鏡で、オシロスコープは数種
の色彩表示を与えるように動作し、この顕微鏡が、異な
る周波数の数種の音波ビームを発生する装置；異なる周
波数の秤々の音波ビー１１から生じた異なるしよう乱音
波信号を検出プる装置；及び異なる色彩の可視表示をす
るため上記オシロスコープに異なる音波信号を供給づる
装置、を含む音波顕微鏡。

２１、　第２項記載の顕微鏡で、伝搬ｔｓ質と流体媒質
の音波伝搬速度の比は十分に大きく、レンズの分解能は
屈折によってのみ限定される音波顕微鏡。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ブロック図で示される関連電子式入力装置と
出力装置とを有する本発明の一実施例の音波顕微鏡の中
央断面明示図、第２図は第１図の装置に用いられる音波
レンズの動作を説明する縮図、第３図は第１図の装置で
１ｑられる対象物の内部の細部情報の音波検出を説明す
る概略図、第４図は反射音波エネルギーが検出される一
変形実施例の断面明示図、第５図は複数検出を行う他の
実施例の断面明示図て、第６図は音波エネルギーの位相
しよう乱が検出かつ表示される他の一実施例の断面明示
図である。 １４．３６・・・圧電変換器 １６．３４・・・音波伝Ｗ！媒質 １８．３２・・・音波レンズ ２０・・・流体媒質　２２・・・支持体＼、 第２図 第３図 第４図 第１頁の続き ＠発明者　ロスφニー・レモンズ アメリカ合衆国カルフォルニア州マウンテン・ビュー、
アパートメント拳ナンバー２５　エスクエラ２３４手　
続　補　止　μｍく自ｙ？り ２．発明の名称　音波顕微鏡 ３、補正をする者 事イ′１との関係　特許出願人 ６、補ｉ［の対象　■願ｆ１１、発明の名称　■明細Ｉ
）全文　ＣＤ図而面図７、補正の内容　別紙の通り 明　細　書 １、発明の名称 音波顕微鋳 ２、特許請求の範囲 （１）音波伝搬媒質の端部に形成された所定の焦点を有
する音波レンズと、該音波レンズに向けて上記音波伝搬
媒質内に音波ビームを発生Ｊると共に、上記焦点に位置
する対象物により反射されじよう乱された反射音波エネ
ルギーを検出する音波送受装置と、上記入射音波エネル
ギー及び反射音波エネルギーの伝搬方向に設ける流体媒
質とを具備したことを特徴とする音波顕微鏡。 （２）音波伝搬媒質の端部に形成された所定の焦点を有
する音波レンズと、該音波レンズに向けて上記音波伝搬
媒質内に音波ビームを発生すると共に、上記焦点に位置
する対象物により反射されじよう乱された反射音波エネ
ルギーを検出する音波送受装置と、上記入射音波エネル
ギー及び反射音波エネルギーの伝搬方向に設ける流体媒
質と、上記対象物と音波レンズの焦点とを相対的に走査
する走査装置とを具備したことを特徴とする音波顕微鏡
。 ３、発明の詳細な説明 本発明は一般に顕微鏡、特に８周波音波エネルギーを用
いる音波顕微鏡に関連する。 従来型顕微鏡は２種の放射線、即ち光学顕微鏡では電磁
波、電子顕微鏡では電子波を使用する。 光学顕微鏡は長年にわたって改良され、これで生物細胞
のような微小対象物の正確な像が得られる。この改良に
も拘らず、光学顕微鏡は結像される試料の誘電特性を基
本的に感知するもめであるから固有の限界がある。従っ
である種の対象物は光学的に透明なため像が現われず、
他の対象物は光学的に不透明なため内部の詳細が現われ
ない。 又組織切片及び細胞ｉｍｉのようなある種の生物試料で
は固有の光学的コントラストが少ないのでコントラスト
感度に限界がある。このコントラストの限界は生物学的
試料を着色する非常に手のかかる技術によりある程度改
善できる。 勿論、電子顕微鏡は製作も使用法も技術的にはるかに困
難である。又生きている細胞のようなある種の対象物は
、真空中に支持する必要があること、及び細胞を破壊す
る電子ボンバードのために検査できない。 周波数的１，０００〜ＩＨｚの音波が比較的最近の開発
で発生できるようになったため水中の音波波長約１ミク
ロンが得られ、従って高分解像が得られる優れた機構の
可能性が示唆されるようになった。又音波エネルギーの
走査１反射及び吸収を決めるのは試料の誘電特性ではな
く弾性特性の変化である。このため、光学的又は電子的
に不透明のある種の試料の表面下の細部の研究が可能に
なった。更に最も重要なことは弾性特性の変化は又異な
る細部を表示し、特に大きな固有音波コントラストを与
えることである。 従って本発明の一般目的は高度の分解能、感度及びコン
トラストを有し、しかも構造も使用法も簡単な音波顕微
鏡を提供することにある。 この目的を達成するため、マイクロ波＃Ｉ域の無線周波
数（ＲＦ）エネルギーが圧電トランスデュ−サに印加さ
れて音波伝搬媒質内に規準、即ちコリメートされたビー
ム形式の強力な音波を発生し、このビームはｂ波しンズ
に送られ、このレンズは上記伝搬媒質内で簡単ではある
が有効な凹面形を形成し、かつ隣接する流体媒質内の焦
点に音波エネルギーを集束するため焦面に支持された試
料又は対象物と音波接触する。この音波レンズは最小球
面収差を有するように設計されているので顕微鏡の分解
能は回折だけに限定されることが本発明の重要特徴であ
る。対象物の走査は集束音波ビームと対象物との相対運
動、例えば焦面内における対象物自体の単純な機械的並
進運動で行われる。 対象物の性質、特にその弾性によって音波エネルギーは
吸収１反射及び／又は散乱されるので、射出音波エネル
ギーの強さとしてのしよう乱を生じ、このしよう乱は圧
電トランスデユーサで検出される。じよう乱は送信音波
エネルギーにも反射音波エネルギーにも存在するが本発
明では、観察される特定試料によって反射される反射エ
ネルギーで検出される。 検出された音波信号は可視表示のためオシロスコープに
印加され、又音波エネルギーの焦面内の機械的走査によ
る対象物の運動は表示オシロスフープの電子ビームの走
査と同期される。又このビームの強さは、電子ビームが
螢光板に衝突した時良好な可視像が得られるように、対
象物で送られる音波エネルギーに比例させる。 正確な選択周波数によって非常に高い分解能が得られる
。例えば、４００ＭＨｚの周波数を用いると分解能は約
３ミクロンになり、又１．５ＧＨ２を用いると１ミクロ
ン以下の最終分解能が得られる。前述の音波レンズ設計
により球面収差はこの分解能に対して何の制限も与えな
い。 全音波ビームが利用されるから最小量の音波エネルギー
で優れたコントラストを有する像が得られる。又侵れた
ＳＮ（信号対雑音）特性が平均エネルギーレベル１０−
７ワツト／　ｅ１１２で容易に得られる。従って必要な
エネルギーは生物試料の損傷レベルよりも十分に低い。 音波レンズ自体はｖｓ質に適当な凹面を形成することに
よって簡単に冑られ、又は゛不遊レンズ′。 のような一層複雑なレンズを使用して、球面収差特にビ
ーム軸外の領域の球面収差を低下できる。 本発明ではレンズの断面を透過する音波エネルギーの伝
送は最狭部のビーム断面がＲ適形状になるように制御す
ることが可能である。これはビーム断面が最大の位相分
解能を与えることを考慮したものである。 本発明は、透過音波エネルギーではない反射音波エネル
ギーを検出するので伝送を兼用する圧電変換器、即ち、
音波送受圧電変換器で検出される。 入力エネルギーは又現用レーダ装置のように大幅に変え
ることができ対象物の更に詳細な情報を与える。例えば
入力信号は゛チャーブ”　（ｃｈｉｒｐ　：線形掃引周
波数）形式とすることができ、又異なる周波数の各種入
力信号を対象物に連続的に印加した後再結合することも
できる。最終可視像のコントラストを改ｒ１する異なる
色彩表示を有するカラー表示オシロスコープはその一例
である。 更に対象物は音波エネルギーの方向に沿って運動できる
ように支持され、対象物の各断面を焦面内に移動するこ
とによって対象物の内部変化等を検出することができる
。 又基準波を音波ホログラフィ方式で与えて三次元像を得
ることもできる。 上記本発明の目的とそれを達成する方法は添付図面に示
す実施例による下記の詳細な説明から明らかであろう。 第１図の無１周波数発振器１０は同軸線１２を通して、
例えば４００Ｍ１−１ｚの周波数のＮ磁波エネルギーを
供給するよう配置され、この同軸線の末端はＢ１で示す
規準ビームとして強力な音波を発生するため音波伝搬媒
質１６の端部のＩＩＩ又は板状の圧電変換器１４にエネ
ルギーを供給する。 変換器１４は図示の実施例では酸化亜鉛のＷＩＩＩＩＩ
であるが、ニオブ酸リチウム、硫化カドミウム。 硫化亜鉛その他種々の圧電材料が使用できる。又この実
施例の音波伝搬媒質１６はサファイアであるが、融解石
英、イツトリウム−アルミニウムざくろ石のような他の
媒質、硫化カドミウムのような圧電半導体、又は他の公
知の伝搬媒質も使用される。しかし本発明の目的には後
述のようにかなり高い音波伝搬速度を有する媒質を使用
するのが好適である。 音波レンズ１８は、圧電変換器１４と反対側で伝搬媒質
１６の端部に形成され、図示のようにサファイア材料の
端部を研磨して凹面を形成する。 詳記すれば上記レンズはｔ数は０．６５を有する曲率半
径０．４ｍｍに研磨する。従って音波のｒ！！準ビーム
Ｂ１は、図示実施例では例えば、上記音波レンズ１８を
形成した音波伝搬ｔｓ質１６端部と、試料０を支持する
部材との間に表面張力によって保持される水を使用する
流体１ｓ賀２０内に集束される。水はサファイアと比較
して音波伝搬速度が低い媒質であるから、上記音波レン
ズは正レンズを構成し音波ビームを焦点Ｆに集束する。 サファイアは水よりもはるかに音波伝搬速度が大きく、
これらの音速比ＣＩ／Ｃ２は約７．４５であるから、第
２図に示す通り、音波エネルギーの屈折線とレンズ１８
の交差半径Ｒとの間の角θ２は小さな値になる。勿論こ
の値はスネルの法則、即ちｓｉｎθ２　＝　０２　／　
ＣＩ　Ｓｔｎθ１で決り、このθ１は第２図に示す通り
音波エネルギーの入射線と曲率半径の延長線との間の角
である。従って、サファイアと水を媒質として使用する
と最小錯乱円直径は１ミクロン以下に減少され、レンズ
１８のこの球面収差のため音波顕微鏡の分解能を１ミク
ロン以下にできる。図示の実施例では周波数４００ＭＨ
ｚを使用すると水中音波の波長は約３゜７５ミクロンに
なるから音波レンズのこの最小球面収差のため分解能に
は実際の制限はない。像の最小錯乱円を更に小さくする
ため音波レンズに特別のコーチングを施してもよい。 上記のように、観察すべき対象物又は試料Ｏは焦点Ｆの
位置で流体媒質２０内に支持され、又この実施例では試
料に簡里な機械的運動を与えて走査する装置が設けられ
る。第１図に明示されるように、マイクロメータを有す
る調整可能な支持体２２によって試料Ｏは２方向で焦面
に一致させるように調整できる。又焦面内では第１図の
Ｘ方向の迅速な走査はスピーカ２４を上記支持体２２上
にＷＡ＠することによって行われ、このスピーカコーン
は試料又は対象物に接続される。支持体２２は更にラム
２３でＹ方向に油圧で往復運動する載物台２６上に装着
される。スピーカ２４の駆動電圧と同一電圧が電源２５
からオシロスコープ２Ｂの水平偏向制御部に供給され、
又往復する載物台２６はポテンシオメータ３０に接続さ
れ、ポテンシオメータの出力電圧はオシロスコープ２８
の垂直偏向側胛部に供給されるので対象物の位置とオシ
ロスコープビーム位置との間には１対１の対応が得られ
る。事実、走査″ＩＡ度３００線／秒で３ｍｍの視野が
得られるから１秒以内に完全な像がオシロスコープ上に
形成される。 公知のように、任意のａｍに対象物０に投射される音波
エネルギーはじよう乱をうけるから、観察試料の弾性特
性によって音波の強さに変動が起こり、このＵよう乱音
波エネルギーは反射され水を通して再び音波レンズ１８
に反射伝送され、この反射音波エネルギーを８１で示さ
れるように再び規準する。この反射音波エネルギーは、
じよう乱音波エネルギー検出器としても動作する前記圧
電変換器１４に供給される。この音波エネルギーは変換
器１４で電磁エネルギーに変換された後オシロスコープ
に供給され、表示ビームの強さを変え、試Ｆｌ像のｌ！
に終的可視表示を与える。 上記試料物点から発散するすべてのエネルギーが利用さ
れるのでこの音波顕微鏡では低密度の音波エネルギーが
用いられる。事実、平均エネルギーレベル１Ｏ−７Ｗ／
ｃｍ’で優れたコントラストを示す生物試料像が得られ
た。このエネルギーレベルは生物試料の損傷限界値以下
である。又実験の結果、観察試料の弾性特性によって優
れたコントラストが得られ、又前記のように４００ＭＨ
ｚの周波数で約３ミクロンの分解能が得られた。＠波数
が１．ＯＯＯＭＨｚ以上に増加すると約１ミクロンの分
解能が得られることは明らかで、又音波レンズの球面収
差のためこの優れた分解能には殆ど制限がないことを重
ねて強調したい。 対象物の位置がマイクロメータ調整支持体２２でＺ方向
に変位されると、焦面に対づる対象物の位置が変わり、
従って対象物の異なる部分が焦面、即ち音波ビームの挟
小部（１ミクロン）に移動することは明らかであろう。 第３図に示されるように、１ミクロンの対象物０が焦点
Ｆにあると、殆ど全部の音波ビームが遮断されて最大の
しよう乱が現われる。しかし対象物Ｏが点線位置まで２
方向に僅かに移動してもビーム遮断とこれに伴うしよう
乱は大幅に減少し、従って変位が大きくなるとじよう乱
は観察できない。しかし対象物は２方向にかなりの大き
さを有する場合には、上記の変位によって異なる深さの
対象物局部、又は断面が焦面に一致するから特定検査が
可能になる。従って対象物の内部の詳細を容易に研究で
きる。 前記の通り、対象物又は試料によるＲ波ビームの遮断は
反射、及び透過エネルギーの強さと位相にじよう乱を生
じ、本発明の原理によるとこの反射エネルギーが可視像
の形成に利用され、この反射エネルギーの一部は第１図
の圧電変換器に戻された後表示用オシロスコープに供給
されるものである。 このオシロスコープは貝なる周波数信号の各色表示及び
それらの組合せからなる表示像が得られる多色ユニット
形式のオシロスコープでもよく、従っである場合には対
象物に間するより多くの情報が得られる。 以上説明したように本発明によれば、光学顕微鏡及び電
子顕微鏡では不可能であった透明物の細部、又は不透明
物内部の細部等をそのまま、例えば生物学的試料を着色
する手段等を用いることなく表示でき、又、高度の分解
能、感度及びコントラストを有し、しかも構造も使用も
簡単であるといった効果がある。更に、対象物によって
じよう乱された反射音波エネルギーを検出し表示するの
で、じよう乱された透過音波エネルギーを検出し表示す
るもののように対象物の厚さが限定されない利点を有す
る。 本発明の実施態様を列挙すれば下記の通りである。 １、　音波顕微鏡は、音波伝ｖａｔＪＸｗが流体媒質よ
りも本質的に速い音波速度を有する音波顕微鏡。 ２、　音波顕微鏡は、音波伝搬媒質がその一端部に音波
レンズを形成するため球状凹面を有する固体からなる音
波顕微鏡。 ３、　実施態様第２項記載の顕微鏡で、音波ビーム発生
装置が、音波レンズと整列した固体の伝搬媒質の他端部
に圧電を利用した音波変換器を含む音波顕微鏡。 ４、　音波顕微鏡は、音波ビームに直角な平面内で移動
できるように対象物を支持する装置を含む音波顕微鏡。 ５、　実施態様第４項記載の顕微鏡で、対象物支持装置
が平面内の直角２方向に移動できるように対象物を支持
する音波顕微鏡。 ６、　音波顕微鏡は、音波ビームの方向に沿って移動で
きるように対象物を支持する装置を含む音波顕微鏡。 ７、　音波顕微鏡は、音波レンズが不遊レンズである音
波顕微鏡。 ８、　音波顕微鏡は、対象物で反射された音波エネルギ
ーを検出するため検出装置が配置された音波顕微鏡。 ９、　音波顕微鏡は、音波ビーム発生装置がマイクロ周
波数範囲で動作するＲＦ発振器を含む音波顕微鏡。 １０、実施態様第９項記載の顕微鏡で、ＲＦ周波数発振
器がチャープ出力を発生する音波顕微鏡。 １１、　音波顕微鏡は、音波伝搬ｔｓ質と流体媒質との
間に挿入された低い音波損失媒質を含む音波顕微鏡。 １２、　音波顕微鏡は、検出音波信号を可視表示する装
置を含む音波顕微鏡。 １３、　実Ｍｉｌｌ様第１２項記載の顕微鏡で、可視表
示装置がオシロスコープを含む音波顕微鏡。 １４、　実施態様第１３項記載の顕微鏡で、オシロスコ
ープは数種の色彩表示を与えるように動作し、この顕微
鏡が、異なる周波数の数種の音波ビームを発生する装置
；異なる周波数の種々の音波ビームから生じた異なるし
よう包合波信号を検出する装置：及び異なる色彩の可視
表示をするため上記オシ０スコープに異なる音波信号を
供給する装置、を含む音波顕微鏡。 １５、　実施前１！第２項記載の顕微鏡で、伝搬媒質と
流体媒質の音波伝搬速度の比は十分に大きく、レンズの
分解能は屈折によってのみ限定される音波顕微鏡。 ４、図面の簡単な説明 第１図はブロック図で示される関連電子式入力装置と出
力装置とを有する本発明の一実施例の音波顕微鏡の中央
断面明示図、第２図は第１図の装置に用いられる音波レ
ンズの動作を説明する線図、第３図は第１図の装置で得
られる対象物の内部の細部情報の音波検出を説明する概
略図である。 １４・・・音波送受用圧電変換器 １６・・・音波伝搬媒質 １８・・・音波レンズ ２０・・・流体媒質　２２・・・支持体代理人　弁理士
　、　、　＋＜、、＋、Ｈ，′ｆ、、、為＼、：Ｉ 手　続　補　正　町 昭和５９４８月１１１ １、事件の表示　昭和５８年特許願第２２３０５７号２
、発明の名称　音波顕微鏡 ３、補正をりる考 事着との関係　特許出願人 住　所　アメリカ合衆国カリフォルニア用・→ノンタク
ララ。 スタンフォード（無番地） 名　称　）ア・ボード・オブ・ｌ−ラスティース・オブ
・レランド・スタッフォード・ジコニア・ユニバーシテ
ィ代表者　二−ルズ・ジエ・ライマース （国　ｆＷ）　アメリカ合衆国 ４、代理人 住　所　東京都新宿区西新宿７丁１１９番゛１２月６、
補正の対象　昭和５８年１２月２４日提出の手続補正内
の特許手　続　補　正　内 昭和５８年１２月２４１］ 特許庁長官　殿 １、事件の表示 昭和５８年１１月２６　Ｅ＋提出に係る特願昭５０−１
８４４６号を原特許出願とする特許法第４４条第１項の
規定による特許願（１）２、発明の名称　７１波顕微鏡 ３、補正をＪる者 事ｆ１との関係　１閥′１出願人 住　所　アメリカ合衆国カリフＡルニア州・リンタクラ
ラ。 スタンフォード（無番地） 名　称　ザ・ボード・オブ・トラスティース・オブ・レ
ランド・スタッフォード争ジュニア・ユニバージディ代
表者　二−ルズ・ジエ・ライマース （国　籍）　アメリカ白票１１ ４、代理人 住　所　東京都新宿区西新宿７丁目９番１２号６、補正
の対象　■願書の発明の名称　■明細用全文　■図面全
図７、補正の内容　別紙の通り

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）音波伝搬媒質の端部に形成された所定の焦点を有
   づ゛る音波レンズと、該音波レンズに向けて上記音波伝
   搬媒質内に音波ビームを発生すると共に、上記焦点に位
   置する対象物により反射されじよう乱された反射音波エ
   ネルギーを検出する音波送受装置と、上記入射音波エネ
   ルギー及び反則音波エネルギーの伝搬方向に設ける流体
   媒質とを具備したことを特徴とする音波顕微鏡。
2. （２）音波伝搬媒質の端部に形成された所定の焦点を有
   する音波レンズと、該音波レンズに向けて上記音波伝搬
   媒質内に音波ビームを発生すると共に、上記焦点に位置
   する対象物により反射されじよう乱された反射音波エネ
   ルギーを検出する音波送受装置と、上記入射音波エネル
   ギー及び反射音波エネルギーの伝搬方向に設ける流体媒
   質と、上置２慄占に位置する対象物を走査するため該対
   象物を焦点に対して走査づる装置とを具備し、たことを
   特徴とする音波顕微鏡。