JPS61209353A - Directional ultrasonic microscope - Google Patents

Directional ultrasonic microscope

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JPS61209353A
JPS61209353A JP60051190A JP5119085A JPS61209353A JP S61209353 A JPS61209353 A JP S61209353A JP 60051190 A JP60051190 A JP 60051190A JP 5119085 A JP5119085 A JP 5119085A JP S61209353 A JPS61209353 A JP S61209353A
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JP
Japan
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ultrasonic
waves
transducer
signal
inspected
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JP60051190A
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Japanese (ja)
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Noritoshi Nakabachi
中鉢 憲賢
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Individual
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    • G01S15/00Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/89Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S15/8906Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
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    • GPHYSICS
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Abstract

PURPOSE:To prevent the deterioration of image quality, by performing the two-dimensional scanning of a specimen and drawing an ultrasonic microscopic image in synchronous relation to said scanning on the basis of the x-y sweep signal of a display apparatus. CONSTITUTION:The specimen in a liquid sound field medium 4 is held to a holding stand 5 and an x-y sweep signal is supplied to the sweep signal terminal of an oscilloscope OS9 from the X-Y drive apparatus for two-dimensionally moving the stand 5. Condensed beam is irradiated from a transmitting condensing ultrasonic transducer 20 of which the center line is inclined with respect to the normal line of the specimen 6. The output of an oscillator 18 is applied to a mixer 23 through a variable attenuator 21 and a variable phase shifter 22 to be mixed with a receiving condensing ultrasonic transducer 24 by using the output of the oscillator 18 as a reference signal to form an interference signal which is, in turn, supplied as the display signal of OS9. When the stand 5 is two-dimensionally scanned in an X-Y plane, an ultrasonic microscopic image is drawn on the surface of OS9. A reference signal level is adjusted with respect to the detection signal level of the transducer 24 by the attenuator 21 and contrast is applied to prevent the deterioration of an image.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、多結晶体である金属やセラミックスの表面計
測に係わり、とくに微結晶グレインの異方性情報を取り
入れて映像化できる超音波顕微鏡に関するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to surface measurement of polycrystalline metals and ceramics, and in particular to an ultrasonic microscope that can incorporate and visualize anisotropy information of microcrystalline grains. It is related to.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

近年、集束した超音波ビームを用いて物体の微視的な構
造及び音響特性を観察、測定する機械走査型超音波顕微
鏡が開発されている。この超音波顕微鏡は、原理的には
円錐状に集束された超音波ビームを被検査体に照射し、
超音波ビームの焦点の位置を被検査体面内で移動させた
り、あるいは被検査体面に垂直方向に移動させたりして
、被検査体内の各点における弾性的性質の差異等によっ
て生ずる超音波の反射波あるいは透過波の変化を超音波
トランスジューサで検出して、電気信号に変換し、その
信号を陰極線管面上に二次元的に表示して超音波顕微鏡
像を得たり、あるいはX−Yレコーダー等に記録したり
している。集束超音波ビームを形成するための変換器と
しては1代表的には、レンズ方式によるものと、凹面あ
るいは凸面の球面上に圧電膜超音波変換器を構成した凹
面トランスジューサ方式によるもの等がある。また超音
波トランスジューサの配置により透過型と反射型の超音
波顕微鏡に分類される。
In recent years, mechanical scanning ultrasound microscopes have been developed that use focused ultrasound beams to observe and measure the microscopic structure and acoustic properties of objects. In principle, this ultrasound microscope irradiates an object to be inspected with a conically focused ultrasound beam.
Reflection of ultrasonic waves caused by differences in elastic properties at each point within the object by moving the focal point of the ultrasound beam within the surface of the object to be inspected or moving it perpendicular to the surface of the object to be inspected. Changes in waves or transmitted waves are detected by an ultrasonic transducer, converted into an electrical signal, and the signal is displayed two-dimensionally on the surface of a cathode ray tube to obtain an ultrasonic microscope image, or with an X-Y recorder, etc. I record it on . Typical transducers for forming a focused ultrasound beam include those using a lens system and those using a concave transducer system in which a piezoelectric film ultrasound transducer is constructed on a concave or convex spherical surface. Ultrasonic microscopes are also classified into transmission type and reflection type depending on the placement of the ultrasonic transducer.

第1図は1反射型の超音波顕微鏡のブロック図を示した
もので、集束超音波ビームを得るために音響レンズを用
いた例であり、高周波パルス発振器lからの電気信号は
方向性結合器2を経て、集束用超音波トランスジューサ
3により円錐状の集束超音波ビームとなり、液体音場媒
体4を介して被検査体保持台5上に固定されて、はぼ焦
点近傍に配置された被検査体6に照射される。被検査体
保持台5はXY方向駆動装置7によってX及びY方向に
移動される。勿論、被検査体保持台5を移動させる代わ
りに集束用超音波トランスジューサ3をX及びY方向に
移動させてもよい。またこのxy方向駆動装置7は走査
制御回路8によって制御される。被検査体6により反射
された反射波は再び集束用超音波トランスジューサ3で
集音され。
Figure 1 shows a block diagram of a single-reflection type ultrasound microscope, and is an example in which an acoustic lens is used to obtain a focused ultrasound beam. 2, the focused ultrasonic beam is turned into a conical focused ultrasonic beam by the focusing ultrasonic transducer 3, and is fixed on the inspection object holding table 5 via the liquid acoustic field medium 4, and the inspection object is placed near the focal point. The body 6 is irradiated. The object holding table 5 is moved in the X and Y directions by an XY direction drive device 7. Of course, instead of moving the object holding table 5, the focusing ultrasonic transducer 3 may be moved in the X and Y directions. Further, this xy direction driving device 7 is controlled by a scanning control circuit 8. The reflected wave reflected by the object to be inspected 6 is again collected by the focusing ultrasonic transducer 3.

電気信号に変換され、方向性結合器2を経て表示装置9
へ供給され、超音波顕微鏡像が得られる。
It is converted into an electrical signal and sent to the display device 9 via the directional coupler 2.
and an ultrasonic microscope image is obtained.

反射型の超音波顕微鏡で得られる顕微鏡画像にコントラ
ストの生じるメカニズムは、レンズの焦点と試料位置と
の関係が重要であって1次のように説明される。第2図
はその説明図である0図では試料の観察表面を超音波ビ
ームの焦点の位置より僅かに音響レンズ側へずらしであ
る。広い開口角の音響レンズ側から放射される超音波ビ
ームのうち、液体音場媒体と試料の音速比で決まる臨界
角以内にある超音波ビームの入射波に対する反射波は同
位相で反射する。このうち垂直入射波は図で10の径路
を通って圧電膜に返ってくる(以下。
The mechanism by which contrast occurs in microscopic images obtained with a reflection-type ultrasound microscope is explained as follows, since the relationship between the focal point of the lens and the sample position is important. FIG. 2 is an explanatory diagram. In FIG. 0, the observation surface of the sample is slightly shifted toward the acoustic lens side from the focal point of the ultrasonic beam. Among the ultrasonic beams emitted from the acoustic lens side with a wide aperture angle, reflected waves with respect to the incident waves of the ultrasonic beam within a critical angle determined by the sound velocity ratio of the liquid acoustic field medium and the sample are reflected with the same phase. Among these waves, the vertically incident waves return to the piezoelectric film through 10 paths in the figure (see below).

垂直反射波とよぶ)。一方、臨界角11近傍において入
射する超音波は漏洩弾性表面波を励起し。
(called vertical reflected waves). On the other hand, the ultrasonic wave incident near the critical angle 11 excites leaky surface acoustic waves.

超音波を水中に再放射しながら試料表面を伝搬する。こ
の漏洩弾性表面波による再放射波(以下。
Ultrasonic waves are re-radiated into the water while propagating across the sample surface. Re-radiated waves (hereinafter referred to as

漏洩放射波とよぶ)のうち、圧電膜に返って来るのは試
料表面の特定の位置からの再放射波のみで。
Of the leakage radiation waves), only the re-radiation waves from specific positions on the sample surface return to the piezoelectric film.

図の15の径路を通って圧電膜に返ってくる。したがっ
て、2つの径路をたどってきた波が圧電膜面において重
なり合うとき干渉を起こすわけで。
It returns to the piezoelectric film through the path 15 in the figure. Therefore, when waves that have followed two paths overlap on the piezoelectric film surface, interference occurs.

その出力は位相が一致するときには強め合い2位相が逆
になるときには弱め合うのである。
The outputs are constructive when the phases match, and destructive when the two phases are opposite.

さて、臨界角は液体音場媒体の音速と試料の横波の音速
の比により5nellの法則から決定される。
Now, the critical angle is determined from the 5nell's law based on the ratio of the sound speed of the liquid acoustic field medium and the sound speed of the transverse wave of the sample.

そして試料の音速は試料の密度と弾性率に依存するので
、試料の密度や弾性率が場所的に変化しておれば、それ
にしたがい臨界角も変動する。すなわち、超音波ビーム
が被検査体表面で走査されると、上述の2つの径路をた
どる超音波の位相関係に違いが生じる。その結果、干渉
信号の強度が各点各点で顕著に変化することになって6
画像にコントラストが生じるのである。
Since the sound velocity of a sample depends on the sample's density and elastic modulus, if the sample's density and elastic modulus change locally, the critical angle will also vary accordingly. That is, when the ultrasonic beam scans the surface of the object to be inspected, a difference occurs in the phase relationship of the ultrasonic waves that follow the two paths described above. As a result, the strength of the interference signal changes significantly at each point.
This creates contrast in the image.

上述の超音波顕微鏡においては1円錐状に集束された超
音波ビームが使われている。すなわち。
The ultrasonic microscope described above uses an ultrasonic beam focused into one conical shape. Namely.

集束超音波ビームは、ビーム形状の対称性のために、ビ
ームの成分はビーム軸のまわりの全方向に広がっている
。このことは、被検査体がZ軸のまわりに異方性をもっ
ていても、方向には依存しない、いわゆる平均化された
情報として画像に描き出していることになる。
In a focused ultrasound beam, the beam components are spread out in all directions around the beam axis due to the symmetry of the beam shape. This means that even if the object to be inspected has anisotropy around the Z-axis, it is depicted in the image as so-called averaged information that does not depend on the direction.

一方、このような二次元的な画像を得る超音波顕微鏡に
おいて、被検査体や超音波ビームを二次元的に走査しな
いで(非走査方式とよぶ)、被検査体表面の一点に対す
る弾性的性質を定量的に計測する方法が開発されている
が1弾性的性質の定量的計測にあたっては、どおしても
物質の異方性に関する性質を計測する必要がある。非走
査方式の超音波顕微鏡による弾性的性質の定量的計測法
において、これまでに、異方性の効果を検出するために
、超音波トランスジューサの電極を2分割する方法が提
案されている。また、1方向の分解能を犠牲にすること
になるが、異方性をも含めて精密な定量的計測が行える
直線状集束超音波ビームによる超音波顕微鏡が提案され
ている(特願昭56−107402号参照)。さらに最
近、一対の点状集束超音波トランスジューサを用いた非
走査方式の表面超音波干渉顕微鏡が提案されている(特
願昭59−141204号参照)。
On the other hand, in ultrasound microscopes that obtain such two-dimensional images, the elastic properties of a single point on the surface of the object are measured without scanning the object or the ultrasound beam two-dimensionally (referred to as a non-scanning method). A method has been developed to quantitatively measure elasticity.1 In quantitatively measuring elastic properties, it is necessary to measure properties related to the anisotropy of the material. In a method for quantitatively measuring elastic properties using a non-scanning ultrasound microscope, a method has been proposed in which the electrode of an ultrasound transducer is divided into two in order to detect anisotropic effects. Furthermore, an ultrasonic microscope using a linear focused ultrasonic beam that can perform precise quantitative measurements including anisotropy has been proposed, although it sacrifices resolution in one direction (Japanese Patent Application No. 1987- 107402). More recently, a non-scanning surface ultrasound interference microscope using a pair of point-like focused ultrasound transducers has been proposed (see Japanese Patent Application No. 141204/1982).

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

ミクロな領域の異方性情報を反映させるということは、
超音波顕微鏡像に方向性をもたせることになる。それに
は、被検査体表面のある特定方向のみに漏洩弾性表面波
を励振、検出させる必要がある。上述の直線状集束超音
波ビームによる超音波顕微鏡においては、理想的に特定
方向のみに漏洩弾性表面波を励振、検出できる。しかし
、この方法ではセラミックス等のように多結晶物質の各
グレイン内の異方性についての情報を反映した二次元的
映像を得るのは不可能である。すなわち。
Reflecting the anisotropic information in the microscopic area means that
This gives directionality to the ultrasonic microscope image. To do this, it is necessary to excite and detect leaky surface acoustic waves only in a certain direction on the surface of the object to be inspected. In the ultrasonic microscope using the linear focused ultrasonic beam described above, leaky surface acoustic waves can ideally be excited and detected only in a specific direction. However, with this method, it is impossible to obtain a two-dimensional image that reflects information about the anisotropy within each grain of a polycrystalline material such as ceramics. Namely.

各グレイン内の異方性情報を得るにはどおしても。At any rate to obtain anisotropy information within each grain.

点状集束超音波トランスジューサを用いる必要がある。It is necessary to use a point-focused ultrasound transducer.

しかし1点状集束超音波トランスジューサを用いて、電
極を2分割にした超音波顕微鏡については、以下に述べ
るような解決すべき問題点がある。
However, an ultrasound microscope that uses a single-point focused ultrasound transducer and has an electrode divided into two parts has the following problems that need to be solved.

つまり、超音波顕微鏡像にコントラストが得られるのは
、第2図に示した2つの波、Z軸近傍からの反射波10
 (すなわち、垂直反射波)と漏洩弾性表面波の水への
再放射波12(すなわち、漏洩放射波)との干渉の結果
によるが、上記従来例において、まず垂直反射波に関し
て以下に述べるような問題点がある。すなわち。
In other words, the contrast that can be obtained in an ultrasound microscope image is due to the two waves shown in Figure 2, the reflected wave 10 from near the Z-axis.
(i.e., the vertical reflected wave) and the re-radiated wave 12 of the leaky surface acoustic wave to the water (i.e., the leaked radiated wave). There is a problem. Namely.

(1)第3図は2点状集束超音波トランスジューサを用
いて、電極を2分割にした超音波顕微鏡の集束超音波ト
ランスジューサの構成と、上述の垂直反射波と漏洩弾性
表面波の水への再放射波のとおる径路の様子を示すもの
である。まず、垂直反射波の強度は電極の分割によって
減少する。また。
(1) Figure 3 shows the configuration of a focused ultrasound transducer for an ultrasound microscope in which the electrode is divided into two parts using a two-point focused ultrasound transducer, and the above-mentioned vertical reflected waves and leaky surface acoustic waves transmitted to water. This shows the path that re-radiated waves take. First, the intensity of the vertically reflected wave is reduced by dividing the electrodes. Also.

一般に、垂直反射波の強度は被検査体表面の弾性的性質
に依存し、干渉させるのに十分な反射強度が得られない
場合がある。たとえば被検査体が層状構造の場合には、
液体音場媒体との層を形成する材料の音響インピーダン
スと厚さとの関係で被検査物体内部の方に超音波が入っ
て垂直反射波の強度が少な(なる場合がある。或いは垂
直反射波に被検査体内部からの反射波や干渉波が混入し
たりする。また、被検査物体が高分子材料や生体組織な
どの場合には音響インピーダンスが小さいのでやはり垂
直反射波の強度が小さくなる。
Generally, the intensity of the vertically reflected waves depends on the elastic properties of the surface of the object to be inspected, and there are cases where sufficient reflection intensity is not obtained to cause interference. For example, if the object to be inspected has a layered structure,
Due to the relationship between the acoustic impedance and thickness of the material that forms the layer with the liquid acoustic field medium, the ultrasonic waves may enter the interior of the object to be inspected and the intensity of the vertically reflected waves may become small (or the intensity of the vertically reflected waves may decrease). Reflected waves and interference waves from inside the object to be inspected may be mixed in. Also, when the object to be inspected is a polymeric material, biological tissue, etc., the acoustic impedance is small, so the intensity of the vertically reflected waves is also small.

(2)垂直反射波は被検査体の表面がビームの焦点にあ
るときに超音波の反射強度が最大となり。
(2) For vertically reflected waves, the reflected intensity of the ultrasonic wave is at its maximum when the surface of the object to be inspected is at the focal point of the beam.

また超音波の入射角度はZ軸近傍においてZ軸に対して
わずか傾斜しているが、被検査体が超音波トランスジュ
ーサの方向に近づくにつれて1反射する波はトランスジ
ューサ面において段々位相がそろわなくなり、そのため
垂直反射波の強度が急速に減少し、さらに近づくにつれ
て、垂直反射波はZ軸のごく近傍のみの反射成分だけに
なり反射ビームの拡散効果とともに反射強度はますます
小さくなり、干渉させるのに十分な強度が得にくくなる
。つまり8画像におけるコントラストが減少し2画像を
劣化させる。
Furthermore, the incident angle of the ultrasonic wave is slightly inclined with respect to the Z-axis near the Z-axis, but as the object to be inspected approaches the direction of the ultrasonic transducer, the waves that are reflected gradually become out of phase on the transducer surface. The intensity of the vertically reflected wave rapidly decreases, and as it gets closer, the vertically reflected wave becomes a reflected component only in the very vicinity of the Z axis, and along with the diffusion effect of the reflected beam, the reflected intensity becomes smaller and smaller, enough to cause interference. It becomes difficult to obtain sufficient strength. In other words, the contrast in 8 images is reduced and 2 images are degraded.

(3)高周波パルス発振器により発生されるパルス変調
波のパルス幅は干渉させるためには長い方がよいが、そ
のパルス幅には元来不要エコー等からの信号分離の必要
上、制限がある。そのため。
(3) It is better for the pulse width of the pulse modulated wave generated by the high frequency pulse oscillator to be long in order to cause interference, but the pulse width is originally limited due to the need to separate the signal from unnecessary echoes and the like. Therefore.

被検査体の弾性表面波速度によっては垂直反射波と漏洩
放射波とかトランスジューサ面に到達したときに時間的
なずれが大きくなり所要の干渉効果が得られないことが
ある。これら垂直反射波に対する問題点が干渉効果に影
響を及ぼす。
Depending on the surface acoustic wave velocity of the object to be inspected, there may be a large time lag between the vertically reflected wave and the leaked radiation wave when they reach the transducer surface, making it impossible to obtain the desired interference effect. These problems with vertically reflected waves affect the interference effect.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明者は、先願(特願昭59−141204号)で、
第2図に示す垂直反射波10と漏洩放射波12の中1問
題点の中心である垂直反射波を排除し9代わりに電気的
参照信号を導入することによって、干渉信号を得る方法
を開発しているが。
In the earlier application (Japanese Patent Application No. 59-141204), the present inventor
We have developed a method to obtain an interference signal by eliminating the vertical reflected wave, which is the main problem among the vertical reflected wave 10 and the leakage radiation wave 12 shown in Figure 2, and introducing an electrical reference signal instead. Although it is.

本発明にはその原理を導入し、さらに被検査体を二次元
的に走査し、それに同期させて、オシロスコープ等の表
示装置のx−y掃引を行わせることによって、超音波顕
微鏡像を描かせる。方向性をもつ超音波顕微鏡像を描か
せるためには被検査体をZ軸周りに回転させる。つまり
、送受、一対の集束超音波トランスジューサの集束ビー
ム軸の被検査体表面への投影像の方向が、所望の漏洩弾
性表面波の伝搬方向に一致するように被検査体を回転さ
せる。
The present invention incorporates this principle and further scans the object to be inspected two-dimensionally and synchronizes it with the x-y sweep of a display device such as an oscilloscope to draw an ultrasonic microscope image. . In order to draw a directional ultrasonic microscope image, the object to be inspected is rotated around the Z axis. That is, the object to be inspected is rotated so that the direction of the projected image of the focused beam axis of the pair of focused ultrasonic transducers, transmitted and received, onto the surface of the object to be inspected coincides with the propagation direction of the desired leaky surface acoustic wave.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

第4図に、この発明による方向性超音波顕微鏡の一例を
示す。まず、高周波発振器18からの高周波信号はパル
ス変調器19でパルス変調されてバースト状信号として
送波用集束超音波トランスジューサ20に供給され、こ
のトランスジューサが励振される。一方、高周波発振器
18の出力は分岐され、可変減衰器21により適当なレ
ベルにされ、さらに可変移相器22を経て、混合器23
へ供給される。漏洩弾性表面波の受波用集束超音波トラ
ンスジューサ24の電気的出力は、この高周波信号を参
照信号として混合され、干渉信号となる。この干渉信号
が検波され、その出力がオシロスコープ9に表示信号と
して供給される。さて。
FIG. 4 shows an example of a directional ultrasound microscope according to the present invention. First, the high frequency signal from the high frequency oscillator 18 is pulse modulated by the pulse modulator 19 and supplied as a burst signal to the focused ultrasonic transducer 20 for transmitting waves, and this transducer is excited. On the other hand, the output of the high frequency oscillator 18 is branched, made to an appropriate level by a variable attenuator 21, and further passed through a variable phase shifter 22 to a mixer 23.
supplied to The electrical output of the focused ultrasonic transducer 24 for receiving leaky surface acoustic waves is mixed with this high frequency signal as a reference signal to become an interference signal. This interference signal is detected and its output is supplied to the oscilloscope 9 as a display signal. Now.

液体音場媒体4内に配された被検査体となる試料6は被
検査体保持台5に保持され、被検査体保持台5を二次元
的に移動させるX、Y駆動装置7からx−y掃引信号が
オシロスコープ9のX軸及びy軸の掃引信号端子に供給
される。この試料6の法線に対し中心軸を傾斜させた送
波用集束超音波トランスジューサ20より集束超音波ビ
ームが照射される。即ち、高周波発振器18の出力がパ
ルス変調器19でパルス変調されたバースト状信号出力
は送波用集束超音波トランスジューサ20に供給され、
これが集束超音波ビームを放射し、その集束超音波ビー
ムの中漏洩弾性表面波を励振できる臨界角11の成分の
超音波ビームによって試料表面に漏洩弾性表面波が励振
され伝搬する。この漏洩弾性波の伝搬路上に試料6の法
線に対し中心軸が反対方向に傾斜した受波用集束超音波
トランスジューサ24が配置され、漏洩弾1表面波が受
波検出される。なお、これら送受の両集束超音波トラン
スジューサは1通常それらの焦点が一致するように配置
される。この受波用集束超音波トランスジューサ24の
電気的出力が上述のように混合器23に供給され、干渉
信号となり、振幅検波されて、ビデオ信号となる。さて
、被検査体保持台5をX−Y面内で二次元的に走査させ
ると。
A sample 6, which is an object to be inspected, placed in a liquid acoustic field medium 4 is held on an object holding stand 5, and an x- The y-sweep signal is supplied to the X-axis and y-axis sweep signal terminals of the oscilloscope 9. A focused ultrasonic beam is irradiated from a focused ultrasonic transducer 20 for transmitting waves whose central axis is inclined with respect to the normal line of the sample 6. That is, the output of the high frequency oscillator 18 is pulse-modulated by the pulse modulator 19, and a burst signal output is supplied to the focused ultrasonic transducer 20 for wave transmission.
This emits a focused ultrasonic beam, and a leaky surface acoustic wave is excited and propagated on the sample surface by the ultrasonic beam having a component at a critical angle 11 capable of exciting a leaky surface acoustic wave in the focused ultrasonic beam. A focused ultrasonic wave receiving transducer 24 whose center axis is inclined in the opposite direction to the normal line of the sample 6 is disposed on the propagation path of the leaked elastic wave, and the surface wave of the leaked bullet 1 is received and detected. Note that the transmitting and receiving focused ultrasonic transducers are usually arranged so that their focal points coincide. The electrical output of this focused ultrasonic transducer 24 for reception is supplied to the mixer 23 as described above, becomes an interference signal, and is subjected to amplitude detection to become a video signal. Now, when the inspection object holding table 5 is scanned two-dimensionally within the X-Y plane.

超音波顕微鏡像がオシロスコープ9面上に描かれる。参
照信号のレベルを可変減衰器21により受波トランスジ
ューサの検出信号レベルに対して。
An ultrasonic microscope image is drawn on the 9th surface of the oscilloscope. The level of the reference signal is adjusted by the variable attenuator 21 to the detection signal level of the receiving transducer.

適当に調整すれば、ある特定部分のコントラストを強調
させるとか1画像全体のコントラストの調整を行うこと
ができる。また2本発明に用いる可変移相器については
電子的な移相器の他に超音波可変遅延線を使うこともで
きるのは勿論である。
By making appropriate adjustments, it is possible to emphasize the contrast of a specific part or adjust the contrast of an entire image. Furthermore, as for the variable phase shifter used in the present invention, it is of course possible to use an ultrasonic variable delay line in addition to an electronic phase shifter.

以上の実施例においてはいずれもレンズ方式の集束超音
波トランスジューサについて述べたが。
In all of the above embodiments, lens-type focused ultrasound transducers have been described.

凹面トランスジューサを使用してもよいことは勿論であ
る。第5図は、超音波伝搬体の一方の端面に凸面の球面
を一部とする球面部を形成し、その球面部の表面に一対
の凹面トランスジューサを形成させ、かつ、その超音波
伝搬体の他の端面を凹面にえぐって球面の一部を形成し
た送受波用の一対の集束超音波トランスジューサの構成
図である。
Of course, concave transducers may also be used. FIG. 5 shows a method in which a spherical part having a convex spherical surface is formed on one end surface of the ultrasonic propagating body, a pair of concave transducers are formed on the surface of the spherical part, and the ultrasonic propagating body is FIG. 3 is a configuration diagram of a pair of focused ultrasonic transducers for transmitting and receiving waves in which the other end face is hollowed out to form a part of a spherical surface.

この集束超音波トランスジューサ対を用いた方向性超音
波顕微鏡の実施例を第6図に示す。この場合、送受波用
の一対の集束超音波トランスジューサの電気端子を共通
に結線し、並列に接続している。この場合方向性結合器
を用いており、電気回路の動作原理は、第1図に示した
従来の反射型超音波顕微鏡の場合と全く同様である。勿
論、第4図に示したように、送波と受波の集束超音波ト
ランスジューサを分離してもよいのは当然で、電気回路
とのインピーダンス整合などの面から決められる。また
、送波用に凹面トランスジューサを受波用にレンズ方式
の集束超音波トランスジューサを用いるなど組み合わせ
て使用してもよい。さらに、凹面トランスジューサとし
ては、非同心球殻凹面トランスジューサを使用してもよ
い。
FIG. 6 shows an embodiment of a directional ultrasound microscope using this focused ultrasound transducer pair. In this case, the electrical terminals of a pair of focused ultrasonic transducers for transmitting and receiving waves are connected in common and connected in parallel. In this case, a directional coupler is used, and the operating principle of the electric circuit is exactly the same as that of the conventional reflection type ultrasound microscope shown in FIG. Of course, as shown in FIG. 4, the transmitting and receiving focused ultrasonic transducers may be separated, depending on the impedance matching with the electric circuit. Further, a concave transducer for transmitting waves and a lens-type focused ultrasonic transducer for receiving waves may be used in combination. Additionally, the concave transducer may be a non-concentric spherical shell concave transducer.

本発明では、被検査体をX−Y面内で回転して異なる方
向からの計測を行えることが重要である。
In the present invention, it is important to be able to rotate the object to be inspected within the X-Y plane and perform measurements from different directions.

すなわち、たとえば、フェライトや圧電セラミツ。That is, for example, ferrite or piezoceramic.

クスの多結晶表面の観測で、被検査体の表面の異なる方
向からの計測結果9表面の同じ部位の微結晶のコントラ
ストに変化が観測された。また、超音波の周波数を50
MHz〜400MH2にわたって変化させて測定したと
ころ、コントラストの変化のしたかが、被検査体の設置
方向によって微妙に異なるという結果が得られている。
When observing the polycrystalline surface of the test object, a change was observed in the contrast of the microcrystals at the same location on the surface of the object to be inspected from different directions. In addition, the frequency of the ultrasonic wave was increased to 50
When the contrast was varied over a range of MHz to 400 MHz and measured, the result was that the degree of change in contrast differed slightly depending on the installation direction of the object to be inspected.

つぎに、対をなす集束超音波トランスジューサの数は複
数でもよい。第7図は被検査体表面への入射角が異なる
二対の集束超音波ビーム用凹面トランスジューサを交叉
させた場合の実施例であって、これらの凹面トランスジ
ューサ対をスイッチで切り換えることによって、音速が
広範囲に変化する種々の被検査体に対しても、集束超音
波トランスジューサをとりかえる必要がなくなり、測定
の作業の迅速化が図れる。
Next, the number of paired focused ultrasound transducers may be plural. FIG. 7 shows an embodiment in which two pairs of concave transducers for focused ultrasonic beams with different angles of incidence on the surface of the object to be inspected are crossed, and by switching between these concave transducer pairs with a switch, the speed of sound can be adjusted. There is no need to replace the focused ultrasonic transducer even for various objects to be inspected that change over a wide range, and the measurement work can be speeded up.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上のように、従来の方向性超音波顕微鏡においては1
画像のコントラストを得るための垂直反射波と漏洩放射
波との干渉にさいして、垂直反射波は試料の音響特性に
依存するばかりでな(、試料内部に入ってから反射して
くる波が重なったりするので、超音波顕微鏡像を複雑に
し1画像の解析を困難にするが9本発明によるとこの問
題が除かれるので、試料における漏洩弾性表面波の情報
のみを抽出できる。また9点状集束超音波ビームを用い
ているので物質表面のミクロな部位の弾性的性質の異方
性情報を反映できる。したがって。
As mentioned above, in the conventional directional ultrasound microscope, 1
When it comes to interference between vertically reflected waves and leaky radiation waves to obtain image contrast, the vertically reflected waves not only depend on the acoustic characteristics of the sample (but also because the waves reflected after entering the sample overlap). This complicates the ultrasonic microscope image and makes it difficult to analyze a single image.However, according to the present invention, this problem is eliminated, and only information on leaky surface acoustic waves in the sample can be extracted. Since an ultrasonic beam is used, it is possible to reflect anisotropic information on the elastic properties of microscopic parts of the material surface.

被検査体の方向を変えて計測すれば異なったコントラス
ト画像が得られ、さらに超音波周波数を変えて計測する
ことによって1本発明が物質の微細構造の解析に有効で
あることが明らかにされている。また、焦点位置を変え
ると、漏洩弾性表面波の伝搬路長が変化するが1本発明
では可変移相器や可変減衰器を取り入れているので、「
解決しようとする問題点」の項で述べたところの、高周
波パルス発振器により発生されるパルス変調波のパルス
幅は干渉させるためには長い方がよいが、そのパルス幅
には元来不要エコー等からの信号分離の必要上、制限が
ある。そのため、被検査体の弾性表面波速度によっては
垂直反射波パルスと漏洩放射波パルスとがトランスジュ
ーサ面に到達したときに時間的にずれて、所要の干渉効
果が得られない場合にも、可変移相器により信号の位相
や時間遅れをシフトすることによって1画像のコントラ
ストの調整を可能とする。また可変減衰器をも併せて活
用すれば、たとえば3画像比較法やコンボリューション
法、その他、これまでの画像処理技術で開拓されている
各種の技術が適用できるので、高精度の計測が可能であ
る。
It has been demonstrated that different contrast images can be obtained by changing the direction of the object to be inspected, and that the present invention is effective in analyzing the fine structure of materials by changing the ultrasonic frequency. There is. In addition, when the focal point position is changed, the propagation path length of the leaky surface acoustic wave changes, but since the present invention incorporates a variable phase shifter and a variable attenuator,
As mentioned in the "Problems to be Solved" section, the pulse width of the pulse modulated wave generated by the high-frequency pulse oscillator should be long in order to cause interference, but the pulse width is inherently susceptible to unnecessary echoes, etc. There are limitations due to the need for signal separation from Therefore, depending on the surface acoustic wave velocity of the object to be inspected, the vertical reflected wave pulse and the leakage radiation wave pulse may deviate in time when they reach the transducer surface, making it difficult to obtain the desired interference effect. The contrast of one image can be adjusted by shifting the phase and time delay of the signal using a phase shifter. In addition, if a variable attenuator is also used, it is possible to apply the three-image comparison method, convolution method, and various other techniques that have been developed to date in image processing technology, making it possible to perform highly accurate measurements. be.

さらに、レンズ方式の集束超音波トランスジューサにお
いて第3図に示したような従来の方法では平面トランス
ジューサとレンズの距離を長くとると音波の拡散効果に
よってビーム幅が拡がり平面波とならず、どうしても垂
直反射波の成分が生じていたが1本発明では送受の集束
超音波トランスジューサを分離したり、あるいは凹面ト
ランスジューサを使用することにより、音波の拡散効果
を防ぐとともに、送受のトランスジューサ間のカップリ
ングをも防ぐことができる。また、広い入射角にわたる
集束超音波ビームの発生検出の可能なトランスジューサ
の配置も容易で、従って種々のモードの漏洩弾性表面波
が重なっていても被検査体表面にそれらすべての漏洩弾
性表面波を励振検出することができる。
Furthermore, in the conventional method of lens-type focused ultrasound transducers as shown in Figure 3, if the distance between the plane transducer and the lens is long, the beam width will expand due to the diffusion effect of the sound waves and the beam will not become a plane wave, resulting in vertical reflected waves. However, in the present invention, by separating the transmitting and receiving focused ultrasonic transducers or by using a concave transducer, it is possible to prevent the sound wave diffusion effect and also prevent coupling between the transmitting and receiving transducers. I can do it. In addition, it is easy to arrange a transducer that can generate and detect a focused ultrasonic beam over a wide incident angle, so even if leaky surface acoustic waves in various modes overlap, all leaked surface acoustic waves can be transmitted to the surface of the object to be inspected. Excitation can be detected.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は音響レンズによる集束超音波ビームを用いた従
来の反射型超音波顕微鏡のブロック図。 第2図は反射型超音波顕微鏡像のコントラストが2つの
波の干渉によるものであることを示す説明図、第3図は
従来のトランスジューサ分割型の点状集束超音波トラン
スジューサによる方向性超音波顕微鏡のレンズ部分の構
成図、第4図は本発明の一実施例を示す装置のブロック
図、第5図は超音波伝搬媒体となる一つの球面状基体表
面に送受一対の凹面トランスジューサを形成させたー構
成例であり、第6図は第5図の構成の凹面トランスジュ
ーサ対を用いた本発明のもう一つの実施例で。 一対のトランスジューサは並列に接続されている場合の
装置ブロック図、第7図は集束ビームの中心軸の入射角
が異なる2対の送受凹面トランスジューサを一つの球面
状基体表面に交叉させて、形成・配置したー構成例であ
る。 1・・・高周波パルス発振器、2・・・方向性結合器。 3・・・集束用超音波トランスジューサ、4・・・液体
音場媒体、5・・・被検査体保持台、6・・・被検査体
(試料)、7・・・XY方向移動装置、8・・・走査制
御回路。 9・・・表示装置(オシロスコープ)、lO・・・垂直
反射波、11・・・臨界角、12・・・漏洩放射波、1
6・・・圧電超音波トランスジューサ、17・・・2分
割した超音波トランスジューサ、18・・・高周波発振
器。 19・・・パルス変調器、20・・・送波用集束超音波
トランスジューサ、21・・・可変減衰器、22・・・
可変移相器、23・・・混合器、24・・・受波用集束
超音波トランスジューサ、25・・・端面に曲面をもつ
超音波伝搬媒体、26.27・・・圧電凹面トランスジ
ューサ。 以上
FIG. 1 is a block diagram of a conventional reflection-type ultrasound microscope that uses a focused ultrasound beam using an acoustic lens. Figure 2 is an explanatory diagram showing that the contrast of a reflection ultrasound microscope image is due to the interference of two waves. Figure 3 is a conventional directional ultrasound microscope using a transducer-divided point-focused ultrasound transducer. 4 is a block diagram of a device showing an embodiment of the present invention, and FIG. 5 shows a pair of transmitting and receiving concave transducers formed on the surface of a single spherical substrate that serves as an ultrasonic propagation medium. FIG. 6 shows another embodiment of the present invention using a concave transducer pair having the configuration shown in FIG. 5. A block diagram of the device when a pair of transducers are connected in parallel is shown in Figure 7. Two pairs of transmitting and receiving concave transducers with different incident angles of the central axis of their focused beams are crossed on the surface of a single spherical substrate. This is an example of a configuration. 1...High frequency pulse oscillator, 2...Directional coupler. 3... Ultrasonic transducer for focusing, 4... Liquid sound field medium, 5... Test object holding table, 6... Test object (sample), 7... XY direction moving device, 8 ...Scan control circuit. 9... Display device (oscilloscope), lO... Vertical reflected wave, 11... Critical angle, 12... Leakage radiation wave, 1
6...Piezoelectric ultrasonic transducer, 17...2-divided ultrasonic transducer, 18...High frequency oscillator. 19... Pulse modulator, 20... Focused ultrasonic transducer for wave transmission, 21... Variable attenuator, 22...
Variable phase shifter, 23...Mixer, 24... Focused ultrasonic transducer for receiving waves, 25... Ultrasonic propagation medium having a curved end surface, 26.27... Piezoelectric concave transducer. that's all

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)、被検査体表面に漏洩弾性表面波を励振させるた
めの送波用集束超音波トランスジューサと、上記被検査
体表面を伝搬してきた漏洩弾性表面波を検出するための
受波用集束超音波トランスジューサと、この受波用集束
超音波トランスジューサにより電気信号として検出され
る受波信号を電気的な参照信号と干渉させるための手段
と、上記送受波用の両集束超音波トランスジューサを、
あるいは被検査体を機械的に二次元的スキャンするため
の駆動手段と、被検査体表面上の漏洩弾性表面波の伝搬
方向を変化させる回転台とを備えていることより構成さ
れ、得られた干渉出力信号をオシロスコープ等に明暗の
コントラスト画像、あるいはカラー画像として二次元的
に表示する方向性超音波顕微鏡。
(1) A focused ultrasound transducer for transmitting waves to excite leaky surface acoustic waves on the surface of the object to be inspected, and a focused ultrasound transducer for receiving waves for detecting the leaky surface acoustic waves that have propagated on the surface of the object to be inspected. a sonic transducer; a means for causing a received signal detected as an electrical signal by the focused ultrasonic transducer for wave reception to interfere with an electrical reference signal;
Alternatively, it is constructed by comprising a drive means for mechanically scanning the object to be inspected two-dimensionally, and a rotary table that changes the propagation direction of leaky surface acoustic waves on the surface of the object to be inspected. A directional ultrasound microscope that displays the interference output signal two-dimensionally on an oscilloscope, etc., as a bright and dark contrast image or a color image.
(2)、超音波伝搬体の一方の端面に凸面の球面を一部
とする球面部を形成し、その球面部の表面に一対又は複
数対の凹面トランスジューサを形成させ、かつ前記超音
波伝搬体の他の端面を凹面にえぐって球面の一部を形成
してなる一対又は複数対の送受波用集束超音波トランス
ジューサで構成することを特徴とする特許請求の範囲第
1項記載の方向性超音波顕微鏡。
(2) A spherical part having a convex spherical surface as a part is formed on one end surface of the ultrasonic propagation body, and one or more pairs of concave transducers are formed on the surface of the spherical part, and the ultrasonic propagation body The directional ultrasonic wave according to claim 1, characterized in that it is constituted by one or more pairs of focused ultrasonic transducers for transmitting and receiving waves, the other end face of which is hollowed out into a concave surface to form a part of a spherical surface. Sound wave microscope.
(3)、前記送波用あるいは受波用集束超音波トランス
ジューサの信号系に、信号の位相を変化させる可変移相
器、及び信号強度を変化させる可変減衰器等、あるいは
、どちらか一方の装置を設けたことを特徴とする特許請
求の範囲第1項記載の方向性超音波顕微鏡。
(3) A variable phase shifter that changes the phase of the signal, a variable attenuator that changes the signal strength, etc., or either one of the devices in the signal system of the focused ultrasound transducer for transmitting or receiving waves. A directional ultrasound microscope according to claim 1, characterized in that the directional ultrasound microscope is provided with:
JP60051190A 1984-07-08 1985-03-13 Directional ultrasonic microscope Pending JPS61209353A (en)

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JP60051190A JPS61209353A (en) 1985-03-13 1985-03-13 Directional ultrasonic microscope
PCT/JP1985/000384 WO1986000710A1 (en) 1984-07-08 1985-07-08 Surface ultrasonic wave interference microscope
EP85903386A EP0187866B1 (en) 1984-07-08 1985-07-08 Surface ultrasonic wave interference microscope
DE8585903386T DE3574621D1 (en) 1984-07-08 1985-07-08 SURFACE ULTRASONIC INTERFERENCE MICROSCOPE.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021117037A (en) * 2020-01-23 2021-08-10 株式会社神戸製鋼所 Image generation method

Cited By (1)

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