WO2008059812A1 - Opto-acoustic measurement system - Google Patents

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Definitions

  • the vector voltmeter 9 has a phase detection circuit for the sine component and a phase detection circuit for the cos component, and these phase detection circuits have the same frequency as the composite resonance frequency f.
  • T is the time [s] that the speed of sound propagates through sample 3 and ⁇ vibrator 4, and ⁇ is ⁇
  • Sample 3 was formed by cutting an aluminum plate (aluminum adhesive tape) with scissors into a substantially equilateral triangle.
  • topographs 300 and 400 shown in FIG. 3 and FIG. 4 this shows that one side of sample 3 (the side on the right side) is turned up! /.
  • sample 3 with low frequency deviation Af is well bonded to PZT transducer 4. That is, in the central part of the sample 3 where the sample 3 is well bonded to the PZT vibrator 4, the time required for the acoustic signal to propagate through the sample 3 is shortened, so the frequency shift Af is reduced.
  • the acoustic signal may be processed into a shape.

Abstract

A composite resonance frequency (ft) is determined on the basis of the amplitude of an acoustic signal which is generated from a PZT oscillator (4) by irradiating the surface (or upper face) of an object specimen (3) fixed (or adhered) to the surface (or upper face) of the PZT oscillator (4), with an intermittent light. The light emitting state of a diode array (1) is so controlled that the intermittent light of the composite resonance frequency (ft) determined may be emitted from the diode array (1). The composite resonance frequency (ft) is used to determine sound wave properties such as the sound velocity (ν), the Young's modulus (E) and the periodic damping factor (τ) of the specimen (3).

Description

明 細 書  Specification
光音響測定システム  Photoacoustic measurement system
技術分野  Technical field
[0001] 本発明は、光音響測定システムに関し、特に、光音響効果を利用して、測定対象の 試料の状態を観察可能にするために用いて好適なものである。  The present invention relates to a photoacoustic measurement system, and is particularly suitable for use in order to enable observation of the state of a sample to be measured using a photoacoustic effect.
背景技術  Background art
[0002] 一般に、試料表面に断続する励起光(以下、断続光と称する)が照射されると、試 料表面に温度変化が発生し、音波が発生する。このような現象を光音響効果といい、 この光音響効果を利用して試料の画像を得るようにした光音響顕微鏡が提案されて いる。  In general, when intermittent excitation light (hereinafter referred to as intermittent light) is irradiated on a sample surface, a temperature change occurs on the sample surface, and a sound wave is generated. Such a phenomenon is called a photoacoustic effect, and a photoacoustic microscope has been proposed in which an image of a sample is obtained using this photoacoustic effect.
特許文献 1では、マイクロフォンにより光音響波を検出し、検出した光音響波に基づ V、て、試料の画像 (光音響像)をテレビモニタに表示する光音響顕微鏡が開示されて いる。  Patent Document 1 discloses a photoacoustic microscope that detects a photoacoustic wave with a microphone and displays an image (photoacoustic image) of a sample on a television monitor based on the detected photoacoustic wave.
[0003] しかしながら、従来の技術では、音波物性のうち、音響減衰係数のみを捉えている ので、試料の詳細な情報を得ることが困難であるという問題点があった。  [0003] However, the conventional technique has a problem that it is difficult to obtain detailed information of the sample because only the acoustic attenuation coefficient is captured among the acoustic wave properties.
[0004] 特許文献 1:特開平 4 213053号公報 [0004] Patent Document 1: Japanese Patent Laid-Open No. 4 213053
発明の開示  Disclosure of the invention
[0005] 本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、光音響効果を利用して、 従来よりも試料の詳細な情報が得られるようにすることを目的とする。  [0005] The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to obtain more detailed information on a sample than in the past by using a photoacoustic effect.
[0006] 本発明の光音響測定システムは、試料に取り付けられ、前記試料の振動を検出す る振動検出素子と、前記振動検出素子が取り付けられた試料に対して、断続する励 起光を照射する光音響顕微鏡と、前記光音響顕微鏡に対し、前記断続する励起光 を与える発光手段と、前記振動検出素子で検出された前記試料の振動を示す音響 信号に基づいて、前記試料と前記振動検出素子との全体の複合共鳴周波数を求め る周波数導出手段と、前記周波数導出手段により求められた複合共鳴周波数で、前 記断続する励起光が前記振動検出素子に取り付けられた試料に対して照射されるよ うに、前記発光手段を制御する制御手段とを有することを特徴とする。 図面の簡単な説明 [0006] The photoacoustic measurement system of the present invention is attached to a sample and detects a vibration of the sample, and a sample to which the vibration detection element is attached is irradiated with intermittent excitation light. The sample and the vibration detection based on an acoustic signal indicating the vibration of the sample detected by the vibration detection element, and a light emitting means for supplying the intermittent excitation light to the photoacoustic microscope. A frequency deriving means for obtaining an overall composite resonance frequency with the element, and a sample attached to the vibration detecting element is irradiated with the excitation light intermittently at the composite resonance frequency obtained by the frequency deriving means. As described above, it has a control means for controlling the light emitting means. Brief Description of Drawings
[0007] [図 1]図 1は、本発明の実施形態を示し、光音響測定システムの構成の一例を示す図 である。  [0007] FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a photoacoustic measurement system according to an embodiment of the present invention.
[図 2]図 2は、本発明の実施形態を示し、 PZT振動子に固定された試料の様子の一 例を示す図である。  FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of the present invention and showing an example of a state of a sample fixed to a PZT vibrator.
[図 3]図 3は、本発明の実施形態を示し、図 2に示した試料における周波数偏移のト ポグラフの一例を示した図である。  FIG. 3 shows an embodiment of the present invention, and is a diagram showing an example of a frequency shift topograph in the sample shown in FIG. 2.
[図 4]図 4は、本発明の実施形態を示し、図 2に示した試料 3における振動減衰率のト ポグラフの一例を示した図である。  FIG. 4 shows an embodiment of the present invention, and is a diagram showing an example of a topography of vibration damping rates in sample 3 shown in FIG.
発明を実施するための最良の形態  BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0008] 以下に、本発明の一実施形態を説明する。  [0008] One embodiment of the present invention will be described below.
図 1は、光音響測定システムの構成の一例を示す図である。  FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of the photoacoustic measurement system.
図 1において、光音響測定システムは、発光ダイオードアレイ (発光ダイオードァレ ィを構成する複数の発光ダイオード) 1と、光音響共鳴顕微鏡 20と、 CCDカメラ 18と 、モニタ 17と、 PZT (チタン酸ジルコン酸鉛)振動子 4と、 XY稼動試料台 5と、試料台 駆動装置 19と、振動検出回路 6と、同調型増幅器 7と、べ外ル電圧計 9と、 VFコン バータ 11と、コンピュータ制御ノ ルス発生器 13と、ダイオードパワー制御器 14と、特 定ダイオード切り替え器 15と、 PC (パーソナルコンピュータ) 12とを有している。  In FIG. 1, the photoacoustic measurement system includes a light emitting diode array (a plurality of light emitting diodes constituting a light emitting diode array) 1, a photoacoustic resonance microscope 20, a CCD camera 18, a monitor 17, and PZT (zirconate titanate). (Lead) vibrator 4, XY working specimen stage 5, specimen stage drive device 19, vibration detection circuit 6, tuning amplifier 7, external voltmeter 9, VF converter 11, and computer control A pulse generator 13, a diode power controller 14, a specific diode switch 15, and a PC (personal computer) 12 are provided.
[0009] XY稼動試料台 5の上に、振動検出素子の一例である PZT振動子 4が取り付けられ ている。この PZT振動子 4の表面に試料 3が取り付けられ、固定されている。図 2は、 PZT振動子 4に固定された試料 3の様子の一例を示す図である。図 2に示すように、 本実施形態では、略正三角形のアルミニウムプレート(アルミ粘着テープ)を試料 3と して用いた場合を例示する。尚、試料 3の厚さは、 0. 13mmである。  A PZT vibrator 4, which is an example of a vibration detection element, is attached on the XY working sample stage 5. A sample 3 is attached and fixed to the surface of the PZT vibrator 4. FIG. 2 is a diagram showing an example of the state of the sample 3 fixed to the PZT vibrator 4. As shown in FIG. 2, in this embodiment, a case where a substantially equilateral triangular aluminum plate (aluminum adhesive tape) is used as the sample 3 is illustrated. The thickness of Sample 3 is 0.13 mm.
[0010] 試料台駆動装置 19は、 X方向試料台駆動装置 19aと、 Y方向試料台駆動装置 19 bとを有している。 X方向試料台駆動装置 19aは、 XY稼動試料台 5を X軸方向(図 1 に向かって横方向)に動かすためのものである。 Y方向試料台駆動装置 19bは、 XY 稼動試料台 5を Y軸方向(図 1の奥行き方向)に動かすためのものである。これら X方 向試料台駆動装置 19a及び Y方向試料台駆動装置 19bは、例えば、ノ^レスモータを 有し、 PC 12から送信された制御信号を受信し、受信した制御信号に基づいてパル スモータを動作させることにより、 XY稼動試料台 5を駆動する。 The sample stage driving device 19 includes an X direction sample stage driving device 19a and a Y direction sample stage driving device 19b. The X-direction sample stage drive device 19a is for moving the XY operation sample stage 5 in the X-axis direction (lateral direction toward FIG. 1). The Y-direction sample stage driving device 19b is for moving the XY working sample stage 5 in the Y-axis direction (depth direction in FIG. 1). These X direction sample stage drive unit 19a and Y direction sample stage drive unit 19b are, for example, a no-less motor. And receiving the control signal transmitted from the PC 12 and operating the pulse motor based on the received control signal to drive the XY operation sample stage 5.
[0011] 光音響共鳴顕微鏡 20は、ハーフミラー 2を有しており、発光ダイオードアレイ 1から 、例えば 50 m]程度のビーム径を有する断続光が発光されると、その断続光を、 ハーフミラー 2を介して試料 3に照射する。そうすると、試料 3の表面に励起された光 の信号が、試料 3の内部を通過して PZT振動子 4の表面をたたく。これにより、 PZT 振動子 4やその周囲の気体に周期的な圧力変化が生じ、音波が発生する。  The photoacoustic resonance microscope 20 includes a half mirror 2. When intermittent light having a beam diameter of, for example, about 50 m is emitted from the light emitting diode array 1, the intermittent light is transmitted to the half mirror. Irradiate sample 3 via 2. Then, the light signal excited on the surface of the sample 3 passes through the inside of the sample 3 and strikes the surface of the PZT vibrator 4. As a result, periodic pressure changes occur in the PZT vibrator 4 and the surrounding gas, and sound waves are generated.
[0012] また、断続光が試料 3に照射されると、試料 3から反射光が発生する。この反射光は 、ハーフミラー 2を介して CCDカメラ 18に取り込まれる。 CCDカメラ 18は、取り込んだ 反射光に基づいて、試料 3の画像データを生成し、生成した画像データをモニタ 17 に表示する。モニタ 17は、例えば、 LCD (Liquid Crystal Display)である。尚、光音響 共鳴顕微鏡 20の内部には、ハーフミラー 2の他に、断続光を試料 3に照射するため のレンズ 21や、断続光をハーフミラー 2に導くためのレンズ 22等も設けられている。  [0012] When the sample 3 is irradiated with intermittent light, reflected light is generated from the sample 3. This reflected light is taken into the CCD camera 18 through the half mirror 2. The CCD camera 18 generates image data of the sample 3 based on the captured reflected light, and displays the generated image data on the monitor 17. The monitor 17 is, for example, an LCD (Liquid Crystal Display). In addition to the half mirror 2, a lens 21 for irradiating the sample 3 with intermittent light, a lens 22 for guiding the intermittent light to the half mirror 2, and the like are also provided inside the photoacoustic resonance microscope 20. Yes.
[0013] PZT振動子 4は、圧電素子である。従って、 PZT振動子 4に固定された試料 3の表 面に励起された光の信号力、試料 3の内部を通過して PZT振動子 4の表面をたたくと 、 PZT振動子 4は振動を起こし、その振動に応じた電気信号 (すなわち音響信号)を 発生 (検出)する。  [0013] The PZT vibrator 4 is a piezoelectric element. Therefore, when the signal force of light excited on the surface of the sample 3 fixed to the PZT vibrator 4 passes through the inside of the sample 3 and hits the surface of the PZT vibrator 4, the PZT vibrator 4 vibrates. Then, an electrical signal (ie, an acoustic signal) corresponding to the vibration is generated (detected).
振動検出回路 6は、 PZT振動子 4で発生した音響信号を増幅するための回路であ る。具体的に振動検出回路 6は、正帰還回路を備えた電流増幅回路である。振動検 出回路 6が、正帰還回路を備えることにより、 PZT振動子 4の共鳴特性値 Qを上げる こと力 Sでさる。  The vibration detection circuit 6 is a circuit for amplifying the acoustic signal generated by the PZT vibrator 4. Specifically, the vibration detection circuit 6 is a current amplification circuit including a positive feedback circuit. Since the vibration detection circuit 6 includes a positive feedback circuit, the force S increases the resonance characteristic value Q of the PZT vibrator 4.
[0014] 同調型増幅器 7は、振動検出回路 6から出力された音響信号を、 PC12から出力さ れる同調信号に基づいて増幅する。具体的に、同調型増幅器 7は、複合共鳴周波数 fを含む周波数帯域を増幅する増幅回路を備えて!/、る。  The tuning amplifier 7 amplifies the acoustic signal output from the vibration detection circuit 6 based on the tuning signal output from the PC 12. Specifically, the tuning amplifier 7 includes an amplifier circuit that amplifies a frequency band including the composite resonance frequency f!
t  t
ここで、複合共鳴周波数 f について説明する。  Here, the composite resonance frequency f will be described.
t  t
厚さが L[m]の振動検出素子(例えば PZT振動子 4)力 S、 f [Hz]の基本共鳴周波  Vibration detection element with a thickness of L [m] (eg PZT vibrator 4) Force S, fundamental resonance frequency of f [Hz]
R  R
数を持つとする。この振動検出素子に厚さが A L[m]の試料 (例えば試料 3)を貼り付 けた場合 (取り付けた場合)、振動検出素子と試料との全体の共鳴周波数は、振動検 出素子の基本共鳴周波数 f より若干周波数の低い周波数であって、厚さ L+ A L[m] Suppose you have a number. When a sample (for example, sample 3) with a thickness of AL [m] is attached to this vibration detection element (when attached), the overall resonance frequency between the vibration detection element and the sample is The frequency is slightly lower than the fundamental resonance frequency f of the output element, and the thickness is L + AL [m]
R  R
の長さを一波長とする複合共鳴周波数 fとなる。このように複合共鳴周波数 fは、振  The composite resonance frequency f with the length of 1 as one wavelength. Thus, the composite resonance frequency f
t t 動検出素子と試料との全体の共鳴周波数である。後述するように、本実施形態では 、この複合共鳴周波数 fで断続光がダイオードアレイ 1から照射されるように、 PC12 t  t t The overall resonance frequency of the motion detection element and the sample. As will be described later, in this embodiment, PC12 t is used so that intermittent light is emitted from the diode array 1 at the composite resonance frequency f.
が各部を制御する。  Controls each part.
[0015] コンピュータ制御ノ ルス発生器 (シンセサイザ) 13は、 PC12から送信された制御信 号に基づいて、複合共鳴周波数 fと同じ周波数を有する参照信号 10を発生する。こ  A computer control noise generator (synthesizer) 13 generates a reference signal 10 having the same frequency as the composite resonance frequency f based on the control signal transmitted from the PC 12. This
t  t
の制御信号は、後述するようにして PC12により決定された複合共鳴周波数 fを示す  This control signal indicates the composite resonance frequency f determined by the PC 12 as described later.
t 信号である。  t signal.
ベクトル電圧計 9は、複合共鳴周波数 fと同じ周波数を有する参照信号 10を用いて  The vector voltmeter 9 uses a reference signal 10 having the same frequency as the composite resonance frequency f.
t  t
、同調型増幅器 7から出力された音響信号の電圧レベルと位相とを測定する。具体 的にベクトル電圧計 9は、 sin成分用の位相検波回路と、 cos成分用の位相検波回路 とを有し、これらの位相検波回路により、複合共鳴周波数 fと同じ周波数を有する参  The voltage level and phase of the acoustic signal output from the tuning amplifier 7 are measured. Specifically, the vector voltmeter 9 has a phase detection circuit for the sine component and a phase detection circuit for the cos component, and these phase detection circuits have the same frequency as the composite resonance frequency f.
t  t
照信号 10を用いて自己相関検波を行う。これにより、同調型増幅器 7から出力された 音響信号の sin成分と、 cos成分とを分離することができる。ベクトル電圧計 9は、これら 音響信号の sin成分と、 cos成分とを VFコンバータ 11に送信する。このように本実施 形態では、複合共鳴周波数 fの信号を参照信号として、測定された音響信号を相関  Autocorrelation detection is performed using the reference signal 10. Thereby, the sin component and the cos component of the acoustic signal output from the tuning amplifier 7 can be separated. The vector voltmeter 9 transmits the sin component and the cos component of these acoustic signals to the VF converter 11. As described above, in this embodiment, the signal of the complex resonance frequency f is used as a reference signal, and the measured acoustic signal is correlated.
t  t
検波することにより、測定される音響信号の感度と信号対雑音比(SN比)とを上げる こと力 Sでさる。  By detecting, the force S increases the sensitivity of the measured acoustic signal and the signal-to-noise ratio (SN ratio).
[0016] VFコンバータ 11は、ベクトル電圧計 9から送信された音響信号の sin成分と、 cos成 分とをデジタル化する。デジタル化された音響信号の sin成分と、 cos成分は、 PC12 に取り込まれる。  The VF converter 11 digitizes the sin component and the cos component of the acoustic signal transmitted from the vector voltmeter 9. The sin component and cos component of the digitized acoustic signal are captured by PC12.
[0017] PC12は、プログラムやデータを記憶する ROM及びハードディスクと、そのプロダラ ムを実行する CPUと、 CPUがプログラムを実行する際のワークエリアやデータの一 時的な保存エリアとして機能する RAM等を備えている。また、 PC12は、キーボード やマウス等のユーザインターフェースと、 CPUで実行された処理結果に基づく画像 等を表示するディスプレイも備えてレ、る。  [0017] The PC 12 includes a ROM and a hard disk that store programs and data, a CPU that executes the program, a RAM that functions as a work area when the CPU executes the program, and a temporary storage area for data. It has. The PC 12 also includes a user interface such as a keyboard and a mouse, and a display for displaying an image based on the processing result executed by the CPU.
[0018] PC12は、前述した同調型増幅器 7への同調信号 8や、コンピュータ制御ノ ルス発 生器 13への制御信号の他に、光強度指示信号及びダイオード選択指示信号を生成 する。 [0018] The PC 12 generates the tuning signal 8 to the tuning amplifier 7 and the computer control noise generation. In addition to the control signal to the generator 13, a light intensity instruction signal and a diode selection instruction signal are generated.
具体的に PC12は、発光ダイオードアレイ 1の各ダイオードアレイ力 発光される光 の波長毎に、発光強度を予め記憶している。そして、 PC 12は、デジタル化された音 響信号の sin成分と、 cos成分とに基づいて、発光ダイオードアレイ 1から発光される光 の波長 (複合共鳴周波数 f )に応じた適切な強度を示す光強度指示信号を生成して  Specifically, the PC 12 stores the light emission intensity in advance for each wavelength of the light emitted by each diode array power of the light emitting diode array 1. PC 12 shows an appropriate intensity according to the wavelength of light emitted from the light emitting diode array 1 (composite resonance frequency f) based on the sin component and the cos component of the digitized sound signal. Generate light intensity indication signal
t  t
、ダイオードパワー制御器 14に送信する。  To the diode power controller 14.
[0019] また、 PC12は、デジタル化された音響信号の sin成分と、 cos成分とに基づいて、ダ ィオードアレイ 1に含まれる複数のダイオードのうち、複合共鳴周波数 fの断続光を発 [0019] Further, the PC 12 emits intermittent light having a composite resonance frequency f among a plurality of diodes included in the diode array 1 based on the sin component and the cos component of the digitized acoustic signal.
t  t
光させるために使用するダイオードを選択するためのダイオード選択指示信号を生 成して、特定ダイオード切り替え器 15に送信する。  A diode selection instruction signal for selecting a diode to be used for light generation is generated and transmitted to the specific diode switch 15.
[0020] ダイオードパワー制御器 14は、 PC12から出力された光強度指示信号と、コンビュ ータ制御パルス発生器 13から送信された信号であって、複合共鳴周波数 fと同じ周 The diode power controller 14 is a light intensity instruction signal output from the PC 12 and a signal transmitted from the converter control pulse generator 13 and has the same frequency as the composite resonance frequency f.
t 波数を有する参照信号 10とに基づいて、ダイオードアレイ 1から発光される光の強度 を決定し、決定した光の強度を示す光強度信号を特定ダイオード切り替え器 15に送 信する。  Based on the reference signal 10 having the t wave number, the intensity of light emitted from the diode array 1 is determined, and a light intensity signal indicating the determined light intensity is transmitted to the specific diode switch 15.
[0021] 特定ダイオード切り替え器 15は、ダイオードパワー制御器 14から送信された光強 度信号と、 PC12から送信されたダイオード選択指示信号とに基づいて、ダイオード アレイ 1に含まれるダイオードから、複合共鳴周波数 fで断続光を発光させるための  [0021] The specific diode switch 15 generates a complex resonance from the diodes included in the diode array 1 based on the light intensity signal transmitted from the diode power controller 14 and the diode selection instruction signal transmitted from the PC 12. For emitting intermittent light at frequency f
t  t
ノ ルス信号 (ダイオードパワーノ ルス)をダイオードに出力する。これにより、発光ダイ オードアレイ 1から、複合共鳴周波数 f [Hz]で断続光が発光される。  Outputs a noise signal (diode power noise) to the diode. As a result, intermittent light is emitted from the light emitting diode array 1 at the composite resonance frequency f [Hz].
t  t
ここで、複合共鳴周波数 f [Hz]の決定方法の一例について説明する。  Here, an example of a method for determining the composite resonance frequency f [Hz] will be described.
t  t
まず、試料 3が貼り付けられた PZT振動子 4は、 RLC直列共振回路と等価であるか ら、定常状態の解として以下の(1)式〜(3)式のように表すことができる。  First, since the PZT vibrator 4 to which the sample 3 is attached is equivalent to an RLC series resonant circuit, it can be expressed as the following equations (1) to (3) as a steady-state solution.
[0022] [数 1] Is (t) =Aab s i ncot+Be I coscot (1) V ROJ [0022] [Equation 1] Is (t) = Aab si ncot + Be I coscot (1) V ROJ
Aab= ■ (2)  Aab = ■ (2)
[(ωο2— ω2)— R2OJ2] ωο22 [(ωο 2 — ω 2 ) — R 2 OJ 2 ] ωο 22
Bel = ■ (3)  Bel = ■ (3)
ί(ωο22) - 2ω2] ί (ωο 2 -ω 2) - 2 ω 2]
[0023] 二こで、 I (t)は定常電流 [Α]、 ωは角周波数 [rad/s]、 ω は共鳴角周波数 [rad s 0 [0023] Here, I (t) is the stationary current [Α], ω is the angular frequency [rad / s], and ω is the resonant angular frequency [rad s 0
/s]である。 Rは、試料 3が貼り付けられた PZT振動子 4と等価な RLC直列共振回路 の抵抗 [Ω]、 Lは、試料 3が貼り付けられた ΡΖΤ振動子 4と等価な RLC直列共振回 路のリアクタンス [Η]である。  / s]. R is the resistance [Ω] of the RLC series resonant circuit equivalent to the PZT vibrator 4 with sample 3 attached, and L is the RLC series resonant circuit equivalent to the と vibrator 4 with sample 3 attached. Reactance [Η].
(2)式に示す定数 Α は、吸収的振幅であり、(3)式に示す定数 Bは、弾性的振幅  The constant 示 す shown in Equation (2) is the absorptive amplitude, and the constant B shown in Equation (3) is the elastic amplitude.
ab el  ab el
である。尚、試料 3が貼り付けられた PZT振動子 4における減衰強度の値は、(1)式 の右辺の第 1項の A sin cotに依存する。  It is. Note that the value of the attenuation intensity in the PZT vibrator 4 to which the sample 3 is attached depends on the first term A sin cot on the right side of the equation (1).
ab  ab
そして、(3)式に示す定数 B は、複合共鳴周波数 fで 0(ゼロ)になる。そこで、本実  The constant B shown in equation (3) becomes 0 (zero) at the composite resonance frequency f. So this is actually
el t  el t
施形態では、 PC12は、(3)式に示す定数 B (前記 cos成分)が 0(ゼロ)になる周波数  In the embodiment, PC12 is the frequency at which the constant B (cos component) shown in Equation (3) becomes 0 (zero).
el  el
を、複合共鳴周波数周波数 f [Hz]として求める。そして、 PC12は、求めた複合共鳴  Is determined as the complex resonance frequency f [Hz]. And PC12 is the calculated complex resonance
t  t
周波数 f に基づいて、コンピュータ制御ノ ルス発生器 13に送信する制御信号と、ダイ t  Based on the frequency f, the control signal to be sent to the computer controlled noise generator 13 and the die t
オードパワー制御器 14に送信する光強度指示信号と、特定ダイオード切り替え器 15 に送信するダイオード選択指示信号とを生成する。以上のように、本実施形態では、 (3)式に示す定数 B力 SO (ゼロ)になる複合共鳴周波数周波数 f [Hz]で断続光が発  A light intensity instruction signal to be transmitted to the odd power controller 14 and a diode selection instruction signal to be transmitted to the specific diode switch 15 are generated. As described above, in the present embodiment, intermittent light is emitted at the complex resonance frequency frequency f [Hz] that becomes the constant B force SO (zero) shown in Equation (3).
el t  el t
光されるようにしている。  I am trying to be lit.
[0024] 次に、 PC12が求める音波物性について説明する。本実施形態の光学顕微鏡装置 に設けられた PC12では、音波物性として、振動減衰係数 αと、音速 Vと、ヤング率 Ε と、振動減衰率 τと、試料 3中の特定物質の濃度 Iと、試料 3の表面から特定物質ま  Next, sound physical properties required by the PC 12 will be described. In the PC 12 provided in the optical microscope apparatus of the present embodiment, as the sound wave properties, the vibration attenuation coefficient α, the sound velocity V, the Young's modulus 率, the vibration attenuation coefficient τ, the concentration I of the specific substance in the sample 3, and From the surface of Sample 3 to the specified substance
0  0
での深さ Dとを求める。  Find depth D at.
[0025] (振動減衰率 τ) [0025] (Vibration damping factor τ)
試料 3が貼り付けられた PZT振動子 4に対して一定の力 F[N]が与えられたときに、 PZT振動子 4に生じる電圧 V[V]は、以下の(4)式で与えられる。 V=kF · · · (4) When a constant force F [N] is applied to the PZT vibrator 4 to which the sample 3 is attached, the voltage V [V] generated in the PZT vibrator 4 is given by the following equation (4). . V = kF (4)
[0026] ここで、 kは、機械電気音響変換定数である。尚、この機械電気音響変換定数は、 試料 3及び PZT振動子 4の全体の機械電気音響変換定数 (試料 3の機械電気音響 変換定数と、 PZT振動子 4の機械電気音響変換定数とを合成したもの)である。 また、試料 3が貼り付けられた PZT振動子 4と等価な RLC直列共振回路の抵抗を R [ Ω ]、その RLC直列共振回路における共振電流を Ι[Α]とすると、 ΡΖΤ振動子 4に生 じる電圧 V[V]は、以下の(5)式で与えられる。  [0026] Here, k is a mechanical electroacoustic conversion constant. This mechanical electroacoustic conversion constant is the total of the electromechanical conversion constants of sample 3 and PZT vibrator 4 (the composite electromechanical conversion constant of sample 3 and the mechanical electroacoustic conversion constant of PZT vibrator 4 are combined. Stuff). If the resistance of the RLC series resonant circuit equivalent to the PZT vibrator 4 with sample 3 attached is R [Ω], and the resonant current in the RLC series resonant circuit is Ι [Α], The voltage V [V] is given by the following equation (5).
V=RI · · · (5)  V = RI (5)
(4)式及び(5)式より、以下の(6)式が成り立つ。  From the equations (4) and (5), the following equation (6) is established.
R=kF/l · · · (6)  R = kF / l (6)
このように、試料 3が貼り付けられた PZT振動子 4に対して与えられる力 Fは、一定 で測定されるため、試料 3が貼り付けられた PZT振動子 4と等価な RLC直列共振回 路の抵抗 Rは、その RLC直列共振回路における共振電流 Iの逆数に比例する。 そして、(6)式より、振動減衰率 τは、以下の(7)式で表される。  In this way, the force F applied to the PZT vibrator 4 with the sample 3 attached is measured at a constant level, so the RLC series resonant circuit equivalent to the PZT vibrator 4 with the sample 3 attached is used. The resistance R is proportional to the reciprocal of the resonance current I in the RLC series resonance circuit. From the equation (6), the vibration damping rate τ is expressed by the following equation (7).
[0027] [数 2] [0027] [Equation 2]
_R_ KF _R_ KF
( 7 )  (7)
[0028] ここで、 Lは、試料 3が貼り付けられた PZT振動子 4と等価な RLC直列共振回路のリ ァクタンス [H]である。 [0028] Here, L is the reactance [H] of the RLC series resonance circuit equivalent to the PZT vibrator 4 to which the sample 3 is attached.
[0029] 本実施形態では、試料 3が貼り付けられた PZT振動子 4と等価な RLC直列共振回 路のリアクタンス Lと、試料 3が貼り付けられた PZT振動子 4に対して与えられる力 Fと 、 PZT振動子 4の機械電気音響変換定数 kとを一定とする。 PC12は、リアクタンス L と、力 Fと、機械電気音響変換定数 kとを、 PC12が備えるユーザインターフェースの ユーザによる操作に基づいて取得して、ハードディスク等に予め記憶しておく。  [0029] In this embodiment, the reactance L of the RLC series resonance circuit equivalent to the PZT vibrator 4 to which the sample 3 is attached and the force F applied to the PZT vibrator 4 to which the sample 3 is attached F And the electromechanical acoustic conversion constant k of the PZT vibrator 4 is constant. The PC 12 acquires the reactance L, the force F, and the mechanical electroacoustic conversion constant k based on the user's operation of the user interface provided in the PC 12, and stores them in a hard disk or the like in advance.
[0030] そして、 PC12は、音響信号の sin成分と、 cos成分とに基づき、 cos成分が 0 (ゼロ)と なるときの sin成分の振幅(共振電流 I)を求め、求めた振幅(共振電流 I)と、予め記憶 しておいたリアクタンス L、力 F、及び機械電気音響変換定数 kとを(7)式に代入して 、振動減衰率 τ (試料 3及び ΡΖΤ振動子 4の全体の振動減衰率)を求める。 [0030] Then, the PC 12 obtains the amplitude (resonance current I) of the sin component when the cos component becomes 0 (zero) based on the sin component and the cos component of the acoustic signal, and calculates the obtained amplitude (resonance current). I) and the previously stored reactance L, force F, and mechanical electroacoustic conversion constant k are substituted into equation (7). The vibration damping rate τ (the overall vibration damping rate of sample 3 and ΡΖΤ vibrator 4) is obtained.
尚、振動減衰率 τは、試料 3及び ΡΖΤ振動子 4の全体の振動減衰率 (試料 3の振 動減衰率と、 ΡΖΤ振動子 4の振動減衰率とを合成したもの)である力 これらのうち、 ΡΖΤ振動子 4の振動減衰率は、一定と見なすことができ、試料 3の振動減衰率よりも 十分小さい。  The vibration damping rate τ is the force that is the overall vibration damping rate of sample 3 and ΡΖΤ vibrator 4 (the combination of the vibration damping rate of sample 3 and the vibration damping rate of ΡΖΤ vibrator 4). Among them, the vibration attenuation rate of the vibrator 4 can be regarded as constant, and is sufficiently smaller than the vibration attenuation rate of the sample 3.
[0031] また、本実施形態では、ダイオードアレイ 1から、試料 3の内部へ侵入する深さが浅 い短波長 λ の波長を有する光(以下、短波長光と称する)を試料 3に照射した場合  In the present embodiment, the sample 3 is irradiated with light having a short wavelength λ having a shallow depth of penetration into the sample 3 (hereinafter referred to as short wavelength light) from the diode array 1. Case
V  V
の試料 3における振動減衰率 を求める。ここで、短波長 λ は、例えば、試料 3内  The vibration damping rate of sample 3 is obtained. Here, the short wavelength λ is, for example, in the sample 3
V V  V V
に含まれる特定物質に到達しないような波長を言う。尚、振動減衰率 τ は、例えば、 短波長光を試料 3に照射した場合に ΡΖΤ振動子 4から得られる音響信号の振幅を測 定し、測定した音響信号の振幅を(11)式の Iに代入することにより求めることができる  A wavelength that does not reach a specific substance contained in Note that the vibration attenuation rate τ is the amplitude of the acoustic signal obtained from the vibrator 4 when the sample 3 is irradiated with short-wavelength light, and the measured amplitude of the acoustic signal is expressed as I in equation (11). Can be obtained by substituting
[0032] (振動減衰係数 α ) [0032] (Vibration damping coefficient α)
PC12は、前述したように(7)式を用いて求めた振動減衰率 に基づいて、 ΡΖΤ振 動子 4に貼り付けられた試料 3における振動減衰係数 αを求める。尚、振動減衰係 数 αは、音響信号の振幅(共振電流 I)の逆数に比例する。  As described above, the PC 12 obtains the vibration damping coefficient α in the sample 3 attached to the heel vibrator 4 based on the vibration damping rate obtained using the equation (7). The vibration damping coefficient α is proportional to the inverse of the amplitude of the acoustic signal (resonance current I).
[0033] (音速 V、ヤング率 Ε) [0033] (Sonic velocity V, Young's modulus Ε)
複合共鳴周波数 fで断続光を試料 3に照射したときに、試料 3が貼り付けられた PZ  PZ with sample 3 attached when sample 3 is irradiated with intermittent light at the complex resonance frequency f
t  t
T振動子 4を共鳴させるためには、以下の(8)式の条件を満たす必要がある。  In order to resonate the T oscillator 4, it is necessary to satisfy the following equation (8).
Τ =Τ + Δ Τ · · · (8)  Τ = Τ + Δ Τ (8)
t R  t R
ここで、 Tは、試料 3と ΡΖΤ振動子 4とを、音速が伝搬する時間 [s]であり、 Τは、 ΡΖ  Here, T is the time [s] that the speed of sound propagates through sample 3 and ΡΖΤ vibrator 4, and Τ is ΡΖ
t R  t R
T振動子 4を音速が伝搬する時間 [s]であり、 Δ Τは、試料 3を音速が伝搬する時間 [ s]である。このように、 Tは、試料 3の厚さ A Lと、振動検出素子(例えば PZT振動子 4  The time [s] that the sound velocity propagates through the T oscillator 4, and ΔΤ is the time [s] that the sound velocity propagates through the sample 3. Thus, T is the thickness A L of the sample 3 and the vibration detecting element (for example, PZT vibrator 4
t  t
)の厚さ Lとの加算値( = L+ Δ L)を一波長とする振動モードの周期となる。  ) Is the period of the vibration mode in which the added value (= L + ΔL) with the thickness L is one wavelength.
ここで、試料 3中の音速を Vとすると、以下の(9)式が成立する。よって、音速 V [m /s]は、以下の(10)式で表される。また、試料 3のヤング率 E [Pa]と音速 Vとの関係 は、以下の(1 1)式で表される。  Here, if the speed of sound in sample 3 is V, the following equation (9) holds. Therefore, the sound velocity V [m / s] is expressed by the following equation (10). The relationship between the Young's modulus E [Pa] of sample 3 and the speed of sound V is expressed by the following equation (11).
[0034] [数 3] ft fR V
Figure imgf000011_0001
[0034] [Equation 3] ft fR V
Figure imgf000011_0001
P P
[0035] ここで、 A Lは、試料 3の厚さ [m]であり、 f は、 PZT振動子 4の共鳴周波数 [Hz]で Here, A L is the thickness [m] of the sample 3, and f is the resonance frequency [Hz] of the PZT vibrator 4
R  R
あり、 fは、複合共鳴周波数 [Hz]であり、 A f ( = f — f )は、周波数偏移 [Hz]であり、 t t R  Yes, f is the composite resonant frequency [Hz], A f (= f — f) is the frequency shift [Hz], and t t R
βは、試料 3の密度 [kg/m3]である。 β is the density [kg / m 3 ] of sample 3.
PC12は、試料 3の厚さ A Lと、 PZT振動子 4の共鳴周波数 f と、試料 3の密度 pと  PC12 has the thickness AL of sample 3, the resonance frequency f of PZT vibrator 4, and the density p of sample 3.
R  R
を、 PC12が備えるユーザインターフェースのユーザによる操作に基づいて取得して 、ハードディスク等に予め記憶しておく。  Is acquired based on an operation by the user of the user interface provided in the PC 12, and stored in advance on a hard disk or the like.
PC12は、前述したようにして決定した複合共鳴周波数 fと、予め記憶しておいた P t  PC12 calculates the composite resonance frequency f determined as described above and P t stored in advance.
ZT振動子 4の共鳴周波数 f とから、周波数偏移 A fを求める。そして、 PC12は、求め  The frequency shift A f is obtained from the resonance frequency f of the ZT vibrator 4. And PC12 asks
R  R
た周波数偏移 Δ fと、予め記憶してお!/、た試料 3の厚さ Δ L及び PZT振動子 4の共鳴 周波数 f とを、(10)式に代入して、 PZT振動子 4に貼り付けられた試料 3における音 The frequency shift Δf stored in advance and the thickness ΔL of the sample 3 and the resonance frequency f of the PZT vibrator 4 are substituted into the equation (10), and the PZT vibrator 4 is Sound in sample 3 pasted
R R
速 Vを求める。その後、 PC12は、求めた音速 Vと、予め記憶しておいた試料 3の密 度 pとを、(11)式に代入して、試料 3のヤング率 Eを求める。  Find the speed V. After that, the PC 12 substitutes the calculated sound velocity V and the density p of the sample 3 stored in advance into the equation (11) to obtain the Young's modulus E of the sample 3.
[0036] 尚、本実施形態では、複合共鳴周波数 fで断続光を試料 3に照射した場合に PZT t In the present embodiment, when the sample 3 is irradiated with intermittent light at the composite resonance frequency f, PZT t
振動子 4に貼り付けられた試料 3に生じる音速 vの他に、ダイオードアレイ 1から短波 長光を試料 3に照射した場合に PZT振動子 4に貼り付けられた試料 3に生じる音速 V と、試料 3中の特定物質の量子力学的吸収波長 λの波長を有する吸収光を試 In addition to the sound velocity v generated in the sample 3 attached to the vibrator 4, the sound velocity V generated in the sample 3 attached to the PZT vibrator 4 when the sample 3 is irradiated with short wavelength light from the diode array 1, and The absorption light having the wavelength λ of the quantum mechanical absorption wavelength λ of the specific substance in Sample 3 was tested.
V s V s
料 3に照射した場合に ΡΖΤ振動子 4に貼り付けられた試料 3に生じる音速 Vも求める ようにしている。  When the sample 3 is irradiated, the sound velocity V generated in the sample 3 attached to the vibrator 4 is also obtained.
[0037] 尚、試料 3の密度 ρとヤング率 Εとが一定ではなぐ場所の関数で表される場合に は、速度 V力 試料 3の密度 ρとヤング率 Εを知ることが可能である。 [0038] (試料 3の表面から特定物質までの深さ D) [0037] If the density ρ and the Young's modulus の of the sample 3 are expressed by a function of a place where the density ρ and the Young's modulus Ε are not constant, it is possible to know the density ρ and the Young's modulus の of the velocity V force sample 3. [0038] (Depth from surface of sample 3 to specific substance D)
PC12は、前述したようにして求めたダイオードアレイ 1から短波長光を試料 3に照 射した場合に PZT振動子 4に貼り付けられた試料 3に生じる複合共鳴周波数 f と f よ tV R り、 Af ( = f f )を定義する。また、試料 3中の特定物質の量子力学的吸収波長 PC12 is the composite resonance frequency f and fV produced by the sample 3 attached to the PZT vibrator 4 when short wavelength light is irradiated onto the sample 3 from the diode array 1 obtained as described above. Define Af (= ff). In addition, the quantum mechanical absorption wavelength of the specific substance in Sample 3
V tV R V tV R
λ の波長を有する吸収光を試料 3に照射した場合に PZT振動子 4に貼り付けられた s  s attached to PZT vibrator 4 when sample 3 is irradiated with absorbed light having a wavelength of λ
試料 3に生じる複合共鳴周波数 f と f より、 Af ( = f f )を定義する。予め記憶さ ts R s ts R  Af (= f f) is defined from the complex resonance frequencies f and f generated in sample 3. Pre-stored ts R s ts R
れた試料 3の厚さ ALとを、以下の(12)式に代入することにより、試料 3の表面から特 定物質までの深さ D[m]を求める。  By substituting the thickness AL of the sample 3 into the following equation (12), the depth D [m] from the surface of the sample 3 to the specified substance is obtained.
D=AL{l-(Af /Δί )} ---(12)  D = AL {l- (Af / Δί)} --- (12)
s V  s V
[0039] (試料 3中の特定物質の濃度 I )  [0039] (Concentration I of specific substance in sample 3)
0  0
試料 3の表面から深さ D[m]の位置にある特定物質の濃度 Iは、以下の(13)式で  The concentration I of the specific substance at the depth D [m] from the surface of sample 3 is expressed by the following equation (13).
0  0
表される。  expressed.
[0040] [数 4コ [0040] [Number 4
I0=Ise +S(AL D) ■ ■ - (13) I 0 = I s e + t S ( AL D ) ■ ■-(13)
[0041] ここで、 τ は、試料 3中の特定物質の量子力学的吸収波長えの波長を有する吸 収光を試料 3に照射した場合の、 ΡΖΤ振動子 4に貼り付けられた試料 3における振動 減衰率であり、 Iは、吸収光を試料 3に照射することにより得られる音響信号の強度で s  [0041] Here, τ is the value in the sample 3 attached to the vibrator 4 when the sample 3 is irradiated with the absorbed light having the wavelength of the quantum mechanical absorption wavelength of the specific substance in the sample 3. Vibration attenuation factor, I is the intensity of the acoustic signal obtained by irradiating sample 3 with absorbed light and s
ある。  is there.
PC12は、吸収光を試料 3に照射することにより得られる音響信号の強度 Iを求める PC12 calculates the intensity I of the acoustic signal obtained by irradiating sample 3 with absorbed light.
。そして、 PC12は、求めた音響信号の強度 Iと、前述したようにして求めた振動減衰 率 τ とを(13)式に代入することによって、試料 3の表面から深さ D[m]の位置にある 特定物質の濃度 Iを求める、 . Then, PC12 substitutes the obtained intensity I of the acoustic signal I and the vibration damping rate τ obtained as described above into the equation (13), so that the position of the depth D [m] from the surface of the sample 3 is obtained. Obtain the concentration I of the specified substance in
0  0
[0042] (トポグラフの作成)  [0042] (Create topograph)
PC12は、以上のような音波物性を求めるに際し、 X— Y平面上の複数箇所で前述 した測定を行うことにより、例えば、音速 V、ヤング率 E、振動減衰率 τ、試料 3中の 特定物質の濃度 I、試料 3の表面から特定物質までの深さ D、及び周波数遷移 Afの  When obtaining the acoustic properties as described above, the PC 12 performs the above-described measurements at a plurality of locations on the XY plane, for example, the sound velocity V, Young's modulus E, vibration damping factor τ, and a specific substance in the sample 3. Concentration I, depth D from the surface of sample 3 to the specified substance, and frequency transition Af
0  0
トポグラフ(3次元画像データ)を生成してディスプレイに表示する。また、 PC12は、こ れらのトポグラフのデータを、例えばノヽードディスクに記憶する。 A topograph (3D image data) is generated and displayed on a display. PC12 is These topographic data are stored, for example, on a node disk.
[0043] 具体的にトポグラフを生成するために、 PC12は、光音響共鳴顕微鏡 20と正対する 試料 3の位置力 予めハードディスク等に設定された位置 (複数の所定位置)になる ように、試料台駆動装置 19 (X方向試料台駆動装置 19a及び Y方向試料台駆動装 置 19b)を順次駆動する。そして、 PC12は、複数の位置で前述した測定を行い、そ れら複数の位置において、音速 V、ヤング率 E、振動減衰率 τ、試料 3中の特定物 質の濃度 I、試料 3の表面から特定物質までの深さ D、及び周波数遷移 A fを求め、 [0043] In order to generate the topograph specifically, the PC 12 is arranged so that the position force of the sample 3 directly facing the photoacoustic resonance microscope 20 is a position (a plurality of predetermined positions) set in advance on a hard disk or the like. The drive unit 19 (X direction sample stage drive unit 19a and Y direction sample stage drive unit 19b) is sequentially driven. Then, the PC 12 performs the above-described measurement at a plurality of positions, and at these positions, the sound velocity V, Young's modulus E, vibration damping ratio τ, specific substance concentration I in the sample 3, and the surface of the sample 3 To the depth D and the frequency transition A f from
0  0
求めた結果に基づいて、トポグラフ(3次元画像データ)を生成する。そして、 PC12に 設けられたディスプレイは、生成されたトポグラフを表示する。  Based on the obtained result, a topograph (3D image data) is generated. The display provided on the PC 12 displays the generated topograph.
[0044] 尚、 PC12は、周波数遷移 A fのトポグラフの中から、音速 V、ヤング率 Eを求めるの に適した周波数偏移 A fを、 PC12が備えるユーザインターフェースのユーザによる 操作に基づいて取得し、取得した周波数偏移 A fを用いて、試料 3の音速 Vとヤング 串 Eとを求めるようにすること力 Sできる。  [0044] It should be noted that the PC 12 obtains the frequency shift A f suitable for obtaining the sound velocity V and the Young's modulus E from the topography of the frequency transition A f based on the user's operation of the user interface provided in the PC 12. Then, using the obtained frequency shift A f, the force S can be obtained to obtain the sound velocity V and Young's skewer E of sample 3.
[0045] 図 3は、図 2に示した試料 3における周波数偏移 A fのトポグラフの一例を示した図 である。また、図 4は、図 2に示した試料 3における振動減衰率 τのトポグラフの一例 を示した図である。図 3及び図 4では、 2 [mm]あたり 40点求め、 ± 50 [ 111]の位置 分解能が得られている。  FIG. 3 is a diagram showing an example of a topograph of the frequency shift A f in the sample 3 shown in FIG. FIG. 4 is a diagram showing an example of a topograph of the vibration damping rate τ in the sample 3 shown in FIG. In Fig. 3 and Fig. 4, 40 points are obtained per 2 [mm], and a position resolution of ± 50 [111] is obtained.
[0046] アルミニウムプレート(アルミ粘着テープ)をはさみで切断して略正三角形としたもの を試料 3として用いた。このこと力、ら、図 3及び図 4に示すトポグラフ 300、 400では、 試料 3の一辺(向かって右側の辺)が上方にめくれ上がって!/、る様子が示されて!/、る 。試料 3の中央部では、周波数偏移 A fが低ぐ試料 3が PZT振動子 4によく接着され ている様子が見える。すなわち、試料 3が PZT振動子 4によく接着されている試料 3の 中央部では、音響信号が試料 3を伝搬する時間が短くなるため、周波数偏移 A fが低 くなる。  [0046] Sample 3 was formed by cutting an aluminum plate (aluminum adhesive tape) with scissors into a substantially equilateral triangle. In the topographs 300 and 400 shown in FIG. 3 and FIG. 4, this shows that one side of sample 3 (the side on the right side) is turned up! /. In the center of sample 3, it can be seen that sample 3 with low frequency deviation Af is well bonded to PZT transducer 4. That is, in the central part of the sample 3 where the sample 3 is well bonded to the PZT vibrator 4, the time required for the acoustic signal to propagate through the sample 3 is shortened, so the frequency shift Af is reduced.
[0047] 本実施形態では、 PC12は、周波数偏移 A fのトポグラフ 300において、試料 3の中 央部における比較的変化がなだらかで且つ低い値の周波数偏移 Δ fを、ユーザによ るユーザインターフェースの操作に基づいて取得して、試料 3の音速 Vとヤング率 E とを求める。 [0048] 以上のように本実施形態では、 PZT振動子 4の表面(上面)に固定 (接着)された測 定対象の試料 3の表面(上面)に、断続光を照射することによって PZT振動子 4から 発生した音響信号の振幅に基づいて、複合共鳴周波数 fを求め、求めた複合共鳴 t [0047] In the present embodiment, the PC 12 uses a frequency shift Δf having a relatively gentle change in the center of the sample 3 and a low value of the frequency shift Af in the topograph 300 of the frequency shift Af. Obtain the sound velocity V and Young's modulus E of sample 3 based on the interface operation. [0048] As described above, in the present embodiment, the PZT vibration is obtained by irradiating the surface (upper surface) of the sample 3 to be measured fixed (adhered) to the surface (upper surface) of the PZT vibrator 4 with intermittent light. Based on the amplitude of the acoustic signal generated from the child 4, the composite resonance frequency f is obtained, and the obtained composite resonance t
周波数 f の断続光がダイオードアレイ 1から断続光が照射されるようにダイオードァレ t  Diode array t so that intermittent light of frequency f is emitted from diode array 1.
ィ 1の発光状態を制御するようにした。そして、求めた複合共鳴周波数 fを用いて、試 t  1 The light emission state of 1 was controlled. Then, using the obtained composite resonance frequency f, the test t
料 3の音速 V、ヤング率 E等の音波物性を求めるようにした。従って、振動減衰率だ けでなぐ様々な音波物性を得ることができ、光音響効果を利用して、従来よりも試料 3の詳細な情報を得ることができる。よって、例えば生体検査等を高い精度で行うよう にすることが可能になる。  The acoustic wave properties such as sound velocity V and Young's modulus E of material 3 were calculated. Accordingly, various sound wave physical properties can be obtained only by the vibration attenuation rate, and more detailed information of the sample 3 can be obtained than before by using the photoacoustic effect. Therefore, for example, it is possible to perform a biopsy or the like with high accuracy.
[0049] また、振動減衰率 α、振動減衰率 τ、及び試料 3の表面から特定物質までの深さ D も求めるようにしたので、試料 3のより詳細な情報を得ることができる。 [0049] Further, since the vibration damping rate α, the vibration damping rate τ, and the depth D from the surface of the sample 3 to the specific substance are also obtained, more detailed information on the sample 3 can be obtained.
更に、音速 V、ヤング率 Ε、振動減衰率 τ、試料 3中の特定物質の濃度 I、試料 3  Furthermore, sound velocity V, Young's modulus Ε, vibration damping rate τ, concentration of specific substance in sample 3, I, sample 3
0 の表面から特定物質までの深さ D、及び周波数遷移 Δ fのトポグラフ(3次元画像デ ータ)を生成してディスプレイに表示するようにしたので、試料 3の状態をユーザに視 覚的に容易に認識させることができる。従って、例えば、生体検査の試料等において 異様繁殖した癌細胞とその周りの通常細胞とを、トポグラフ(例えば、ヤング率 E ( 密度を考慮した)音速 Vのトポグラフ)によって視覚的に容易に判別することが可能 になる。  Since the topography (three-dimensional image data) of the depth D from the surface of 0 to the specific substance and the frequency transition Δ f is generated and displayed on the display, the state of the sample 3 can be visually recognized by the user. Can be easily recognized. Therefore, for example, cancer cells that proliferated abnormally and normal cells around them in a biopsy sample or the like can be easily distinguished visually by a topograph (for example, a topography with a Young's modulus E (considering the density) sound velocity V). It becomes possible.
[0050] 更に、トポグラフ 300に基づいて、音速 V及びヤング率 Eを求めるのに使う周波数 偏移 A fを決定するようにしたので、音速 V及びヤング率 Eをより正確に決定すること ができる。  [0050] Further, since the frequency deviation A f used to determine the sound velocity V and the Young's modulus E is determined based on the topograph 300, the sound velocity V and the Young's modulus E can be determined more accurately. .
[0051] 尚、本実施形態では、 VFコンバータ 11を用いて、 PC12で処理できる形に音響信 号を加工するようにした力 VFコンバータ 11の代わりに ADコンバータを用いて、 PC 12で処理できる形に音響信号を加工するようにしてもよい。  [0051] In this embodiment, the force that is used to process the acoustic signal into a form that can be processed by the PC 12 using the VF converter 11, and can be processed by the PC 12 using an AD converter instead of the VF converter 11. The acoustic signal may be processed into a shape.
また、本実施形態では、周波数偏移 A fのトポグラフ 300を参照したユーザによる操 作に基づいて取得した周波数偏移 A fを用いて、試料 3の音速 Vとヤング率 Eとを求 めるようにしたが、必ずしもこのようにする必要はない。すなわち、周波数偏移 A fのト ポグラフ 300から、 PC12自身力 試料 3の音速 Vとヤング率 Eとを求めるための周波 数偏移 Δ fを決定し、決定した周波数偏移 Δ fを用いて、試料 3の音速 Vとヤング率 E とを求めるようにしてもよい。周波数偏移 A fの決定に際しては、例えば、周波数偏移 Δ fのトポグラフ 300における周波数偏移 Δ fの最低値を用いてもよ!/、し、周波数偏移 Δ fのトポグラフ 300における周波数偏移 Δ fの平均値を用いてもよ!/、し、周波数偏移 Δ fのトポグラフ 300における周波数偏移 Δ fの変化が閾値以下の領域における最低 値又は平均値を用いてもよ!/、。 In the present embodiment, the sound velocity V and the Young's modulus E of the sample 3 are obtained using the frequency shift Af obtained based on the operation by the user referring to the topograph 300 of the frequency shift Af. However, this is not always necessary. That is, the frequency used to determine the sound velocity V and Young's modulus E of sample 3 from the topography 300 of the frequency shift A f The numerical deviation Δf may be determined, and the sound velocity V and Young's modulus E of the sample 3 may be obtained using the determined frequency deviation Δf. In determining the frequency deviation A f, for example, the minimum value of the frequency deviation Δ f in the topography 300 of the frequency deviation Δ f may be used! /, And the frequency deviation in the topography 300 of the frequency deviation Δ f may be used. The average value of the shift Δf may be used! /, And the minimum value or the average value in the region where the change of the frequency shift Δf in the topograph 300 of the frequency shift Δf is below the threshold may be used! / ,.
[0052] また、本実施形態では、発光ダイオードを用いて断続光を発光するようにしたが、 必ずしも発光ダイオードを用いる必要はない。例えば、レーザダイオードを用いるよう にしてもよい。また、発光ダイオードやレーザダイオード等の光源は、複数であっても 1つであってもよい。また、ビーム径が 50 [〃m]の場合を例示した力 ビーム径はこ れに限定されず、例えば 以下に設定できる。ビーム径を小さくすれば、位置 の分解能を向上させることができる。  In this embodiment, intermittent light is emitted using a light emitting diode, but it is not always necessary to use a light emitting diode. For example, a laser diode may be used. Further, there may be a plurality of light sources such as light emitting diodes and laser diodes. Further, the force beam diameter exemplified in the case where the beam diameter is 50 [〃m] is not limited to this, and can be set as follows, for example. If the beam diameter is reduced, the position resolution can be improved.
[0053] また、本実施形態では、 X方向試料台駆動装置 19a及び Y方向試料台駆動装置 1 9bを駆動させて、 X軸方向及び Y軸方向の 2方向に XY稼動試料台 5を駆動させるよ うにした力 Χ軸方向及び Y軸方向の一方向のみ XY稼動試料台 5を駆動させるよう にしてもよい。  In the present embodiment, the X-direction sample stage driving device 19a and the Y-direction sample stage driving device 19b are driven to drive the XY operation sample stage 5 in two directions, the X-axis direction and the Y-axis direction. The XY working sample stage 5 may be driven only in one direction in the axial direction and the Y-axis direction.
[0054] また、本実施形態では、振動検出素子として PZT振動子 4を用いた場合を例に挙 げて説明したが、振動検出素子は、 PZT振動子 (圧電素子)に限定されず、試料 3の 振動を検出する素子であればどのような素子であってもよい。例えば、磁歪共鳴振動 子、 PDF合成共鳴振動子、静電誘導合成共鳴振動子、電磁誘導型合成共鳴振動 子、又は光検出合成共鳴振動子等を、振動検出素子として用いることができる。  In the present embodiment, the case where the PZT vibrator 4 is used as the vibration detection element has been described as an example. However, the vibration detection element is not limited to the PZT vibrator (piezoelectric element), and the sample Any element may be used as long as it is an element that detects the vibration 3. For example, a magnetostrictive resonance vibrator, a PDF synthetic resonance oscillator, an electrostatic induction synthetic resonance oscillator, an electromagnetic induction type synthetic resonance oscillator, or a light detection synthetic resonance oscillator can be used as the vibration detection element.
[0055] 以上説明した本発明の実施形態は、コンピュータがプログラムを実行することによつ て実現すること力できる。また、プログラムをコンピュータに供給するための手段、例 えば力、かるプログラムを記録した CD— ROM等のコンピュータ読み取り可能な記録 媒体、又は力、かるプログラムを伝送する伝送媒体も本発明の実施の形態として適用 すること力 Sできる。また、上記プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録 媒体などのプログラムプロダクトも本発明の実施の形態として適用することができる。 上記のプログラム、コンピュータ読み取り可能な記録媒体、伝送媒体及びプログラム プロダクトは、本発明の範疇に含まれる。 The embodiment of the present invention described above can be realized by a computer executing a program. Further, a means for supplying the program to the computer, for example, a computer-readable recording medium such as a CD-ROM on which the program is recorded, or a transmission medium for transmitting the program is also described. Can be applied as power S. In addition, a program product such as a computer-readable recording medium in which the above program is recorded can also be applied as an embodiment of the present invention. The above program, computer-readable recording medium, transmission medium, and program Products are included within the scope of the present invention.
[0056] また、前述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を 示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されては ならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から 逸脱することなぐ様々な形で実施することができる。 [0056] In addition, the above-described embodiments are merely examples of implementation in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed as being limited thereto. It is. In other words, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof.
産業上の利用可能性  Industrial applicability
[0057] 本発明によれば、試料に取り付けられ、その試料の振動を検出する振動検出素子 と、その振動検出素子に取り付けられた試料との全体の複合共鳴周波数を、前記振 動検出素子で検出された前記試料の振動を示す音響信号に基づいて求めるように したので、複合共鳴周波数を用いて、従来よりも多くの音波物性を求めることができる [0057] According to the present invention, an overall composite resonance frequency of the vibration detection element attached to the sample and detecting the vibration of the sample and the sample attached to the vibration detection element is determined by the vibration detection element. Since it is determined based on the detected acoustic signal indicating the vibration of the sample, it is possible to determine more sound wave properties than before by using the composite resonance frequency.

Claims

請求の範囲 The scope of the claims
[1] 試料に取り付けられ、前記試料の振動を検出する振動検出素子と、  [1] a vibration detecting element attached to the sample and detecting the vibration of the sample;
前記振動検出素子が取り付けられた試料に対して、断続する励起光を照射する光 音響顕微鏡と、  A photoacoustic microscope for irradiating intermittent excitation light on a sample to which the vibration detection element is attached;
前記光音響顕微鏡に対し、前記断続する励起光を与える発光手段と、 前記振動検出素子で検出された前記試料の振動を示す音響信号に基づ!/、て、前 記試料と前記振動検出素子との全体の複合共鳴周波数を求める周波数導出手段と 前記周波数導出手段により求められた複合共鳴周波数で、前記断続する励起光 が前記振動検出素子に取り付けられた試料に対して照射されるように、前記発光手 段を制御する制御手段とを有することを特徴とする光音響測定システム。  Based on an acoustic signal indicating the vibration of the sample detected by the vibration detection element, the light emitting means for providing the intermittent excitation light to the photoacoustic microscope! /, And the sample and the vibration detection element The frequency derivation means for obtaining the overall composite resonance frequency of the sample and the composite resonance frequency obtained by the frequency derivation means so that the intermittent excitation light is irradiated to the sample attached to the vibration detection element, And a control means for controlling the light emitting means.
[2] 前記周波数導出手段により求められた複合共鳴周波数を用いて、前記試料におけ る音速、及び前記試料のヤング率の少なくとも何れか一方を求める音波物性導出手 段を有することを特徴とする請求の範囲 1に記載の光音響測定システム。  [2] The method includes a sound wave property deriving unit that obtains at least one of a sound velocity in the sample and a Young's modulus of the sample using the complex resonance frequency obtained by the frequency deriving unit. The photoacoustic measurement system according to claim 1.
[3] 前記複合共鳴周波数の周波数を有する信号を参照信号として、前記振動検出素 子で検出された前記試料の振動を示す音響信号を相関検波する相関検波手段を有 し、  [3] Correlation detection means for performing correlation detection of an acoustic signal indicating the vibration of the sample detected by the vibration detection element using a signal having the frequency of the complex resonance frequency as a reference signal;
前記周波数導出手段は、前記相関検波手段により相関検波された音響信号に基 づレ、て、前記試料と前記振動検出素子との全体の複合共鳴周波数を求めることを特 徴とする請求の範囲 2に記載の光音響測定システム。  The range of claim 2, wherein the frequency deriving means obtains an overall composite resonance frequency of the sample and the vibration detecting element based on the acoustic signal correlated detected by the correlation detecting means. The photoacoustic measurement system described in 1.
[4] 前記試料に含まれる物質の量子力学的吸収波長を有する前記断続する励起光が 、前記振動検出素子に取り付けられた試料に照射された場合の前記試料における 音速を求める第 1の音速導出手段と、 [4] First sound speed derivation for obtaining sound speed in the sample when the intermittent excitation light having a quantum mechanical absorption wavelength of the substance contained in the sample is irradiated on the sample attached to the vibration detecting element Means,
前記試料に含まれる前記物質に到達しない波長を有する前記断続する励起光が 前記振動検出素子に取り付けられた試料に照射された場合の前記試料における音 速を求める第 2の音速導出手段と、  Second sound speed deriving means for obtaining sound speed in the sample when the intermittent excitation light having a wavelength that does not reach the substance contained in the sample is irradiated to the sample attached to the vibration detecting element;
前記第 1の音速導出手段と、前記第 2の音速導出手段とによって求められた音速と 、前記試料の厚さとに基づいて、前記試料の表面から前記物質までの深さを求める 第 2の音波物性導出手段とを有することを特徴とする請求の範囲 3に記載の光音響 測定システム。 Based on the sound speed obtained by the first sound speed deriving means and the second sound speed deriving means, and the thickness of the sample, the depth from the surface of the sample to the substance is obtained. 4. The photoacoustic measurement system according to claim 3, further comprising second sound wave property derivation means.
[5] 前記試料に含まれる物質の量子力学的吸収波長に基づく周波数で、前記断続す る励起光が前記振動検出素子に取り付けられた試料に対して照射されるように、前 記発光手段を制御する第 2の制御手段と、  [5] The light emitting means is arranged so that the intermittent excitation light is irradiated to the sample attached to the vibration detecting element at a frequency based on a quantum mechanical absorption wavelength of a substance contained in the sample. A second control means for controlling;
前記第 2の制御手段により制御された発光手段から、前記断続する励起光が前記 振動検出素子に取り付けられた試料に対して照射されることによって前記振動検出 素子で検出された前記試料の振動を示す音響信号を用いて、前記試料における振 動減衰率を求める第 3の音波物性導出手段とを有することを特徴とする請求の範囲 4 に記載の光音響測定システム。  The vibration of the sample detected by the vibration detection element is obtained by irradiating the intermittent excitation light to the sample attached to the vibration detection element from the light emitting means controlled by the second control means. 5. The photoacoustic measurement system according to claim 4, further comprising: a third sound wave property deriving unit that obtains a vibration attenuation rate in the sample using an acoustic signal shown.
[6] 前記第 2の制御手段により制御された発光手段から、前記断続する励起光が前記 振動検出素子に取り付けられた試料に対して照射されることによって前記振動検出 素子で検出された前記試料の振動を示す音響信号と、その音響信号を用いて前記 第 3の音波物性導出手段により求められた振動減衰率とを用いて、前記試料に含ま れる物質の濃度を求める第 4の音波物性導出手段とを有することを特徴とする請求 の範囲 5に記載の光音響測定システム。  [6] The sample detected by the vibration detection element by irradiating the intermittent excitation light to the sample attached to the vibration detection element from the light emitting means controlled by the second control means The fourth acoustic property derivation for obtaining the concentration of the substance contained in the sample using the acoustic signal indicating the vibration of the sample and the vibration attenuation factor obtained by the third acoustic property derivation means using the acoustic signal. The photoacoustic measurement system according to claim 5, further comprising: means.
[7] 前記試料と、前記光音響顕微鏡との相対的な位置を変更する位置変更手段を有し 前記音波物性導出手段は、前記位置変更手段により変更されたそれぞれの位置 で、前記音波物性を求めることを特徴とする請求の範囲 6に記載の光音響測定シス テム。  [7] A position changing unit that changes a relative position between the sample and the photoacoustic microscope is provided. The sound wave property derivation unit is configured to change the sound wave property at each position changed by the position change unit. The photoacoustic measurement system according to claim 6, wherein the photoacoustic measurement system is obtained.
[8] 前記位置変更手段により変更されたそれぞれの位置で求められた音波物性に基 づく 3次元画像を表示装置に表示する表示手段を有することを特徴とする請求の範 囲 7に記載の光音響測定システム。  [8] The light according to claim 7, further comprising display means for displaying a three-dimensional image on a display device based on the sound wave physical properties obtained at the respective positions changed by the position changing means. Acoustic measurement system.
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