JPH04116458A - 超音波顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超音波パルスを使用して試料の表面及び内部を
観察する超音波顕微鏡に関する。

〔従来の技術〕

従来、超音波顕微鏡では音響レンズを用いることにより
超音波を微小なスポットに収束させて試料に照射し、試
料からの反射波を受信して受信信号に変換している。そ
して、受信信号の一部にゲトをかけて、試料反射波の任
意の部分を抽出し、抽出した反射波成分のピーク値を検
波して試料の任意の一点の情報を得ている。これを試料
の水平方向に二次元的に走査しながら行なうこと、によ
り、試料の超音波像を得ることができる。

ところで、上記検波値の強度は音響レンズが試料に対し
て合焦点にある時に最大となる。このことを利用した音
響レンズの自動合焦方法か提案されている。例えば、音
響レンズの焦点距離がわかっている場合には、試料表面
からの反射波が合焦時に受信されるタイミングが、送信
時間等の基準時間からの遅れとして計算することかでき
る。従って、そのタイミングにゲートをかけることによ
って試料からの反射波を抽出してその強度を測定する。

音響レンズを試料から光分離れた位置から試料に近づけ
ながら、試料からの反射波の強度とあるしきい値とを比
較し、二つの値が等しいとき、又は測定値がしきい値を
越えたときに、音響レンズを停止させる構成とすること
により自動合焦を行なうことかできる。

また、しきい値を合焦点の反射波の強度よりも少し小さ
くし、二つのゲートを用いて前記しきい値と、二つのゲ
ート内のピーク値とを比較することで自動合焦点を行な
うこともできる。これは、二つのゲートを、合焦点時に
表面反射波か受信される時間に設定されるケート］と、
その近傍の時間に設定されるゲート２とする。そして、
ゲート１で抽出された反射波の検波信号の強度かゲ−１
・２で抽出された反射波の検波信号の強度より大きくな
ったことを判定する判定回路と、ゲート１の検波信号の
強度かあるしきい値を越えたことを判定する判定回路と
、両者の出力のＡＮＤをとる回路とを設け、このＡＮＤ
回路からの出力により音響レンズを停止するというもの
である。

〔発明か解決しようとする課題〕

前述した合焦方法は、しきい値は試料に焦点か合ってい
るときの反射波の強度に近いレベルに設定しておく必要
がある。ところが、試料からの反射波の強度は、試料の
材質や形状により大きく異なるため、個々の試料により
その都度そのようなしきい値を適当なレベルに調整し直
さなければならないという不具合があった。

本発明は以上のような実情に鑑みてなされたもので、試
料が変イつる毎に、その都度オペレータがしきい値を調
整する必要かなく自動的に合焦調節できて極めて容易に
合焦調節でき、作業性を向上し得る超音波顕微鏡を提供
することをＬＩ的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明による超音波顕微鏡は
、音響レンズで収束させた超音波を試料に入射し、前記
試料からの反射波を受信して受信信号に変換し、この受
信信号を用いて超音波像を生成する超音波顕微鏡におい
て、前記音響レンズと前記試料との相対距離を調節する
距離調節手段と、前記受信信号から試料反射波の一部を
抽出する抽出手段と、この抽出手段からの出力信号をゲ
イン調整する変換手段と、この変換手段でゲイン調整さ
れた信号の強度と予め設定されたしきい値とを比較する
比較手段と、この比較手段による比較値に基づいて前記
変換手段における信号の人出力比が任意の値になるよう
に前記変換手段のゲイン量を調整するゲイン制御手段と
、前記音響レンズをその焦点位置より十分離れた位置か
ら前記試料方向へ移動したときの前記変換手段のゲイン
変化曲線に基づいて前記音響レンズの合焦位置を算出し
、その算出結果に応じた駆動信号を前記距離調節手段へ
出力する合焦調節制御手段とを具備してなるものとした
。

〔作用〕

本発明によれば、試料からの反射波の一部が抽出手段に
よって抽出され、この抽出信号が任意の入出力比に変換
する変換手段に入力される。変換手段でゲイン調整され
た信号の強度としきい値とが比較手段で比較され、この
比較結果に応じて前記入出力比変換手段の入出力比が所
望の値となるように変換回路のゲイン量が調整される。

合焦調節制御手段では、音響レンズをその焦点位置より
十分離れた位置から試料方向へ移動したときの変換手段
のゲイン変化曲線に基づいて音響レンズの合焦位置が算
出され、その算出結果に応じた駆動信号が距離調節手段
へ出力される。その結果、音響レンズと試料との間が距
離が調節されて合焦調節される。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は、本発明の一実施例となる自動合焦機構付き超
音波顕微鏡の構成を示す図である。パルス送信部１、パ
ルス送信部１からの送信パルスを超音波に変換するトラ
ンスデユーサ２、トランスデユーサ２で発生した超音波
パルスを微小スポットに収束する音響レンズ３て超音波
送受信手段が構成されている。試料台４の中には、試料
５か置かれ、音響レンズ３と試料５との間は、超音波が
伝播するようにカブラ液体６が入っている。試料５に入
射した超音波は、試料５の表面及び裏面又は内部で反射
し、その反射波は再び音響レンズ３を通りトランスデユ
ーサ２で受信信号に変換されて前置増幅器７へ入力され
る。前置増幅器７の出力側にはゲート部８が接続されて
いる。このゲート部８は、受信信号から、音響レンズ３
の焦点位置に対応する出力部分を抽出するタイミングで
ゲートがかけられる。ゲート部８には減衰器９が接続さ
れている。この減衰器９の減衰量は後述するようにその
入出力比が所望の値となるように調節される。減衰器９
の出力はピーク検波部１０により検波される。ピーク検
波部１０の出力は、コンパレータ１１の一方の入力端子
に入力すると共にＤ／Ａ変換部１２へ入力される。コン
パレータ１１の他方の入力端子にはしきい値レベル設定
器１３から供給されるしきい値が入力される。コンパレ
ータ１１は、検波値がしきい値を越えているときにのみ
オンとなる。コンツタレータ１２の出力およびＤ／Ａ変
換部の出力はコンピュータ１４に入力される。また、音
響レンズ３は、Ｚ駆動部１５により超音波の入射方向に
移動され、Ｚ駆動部１５はコンピュータ１４からの指令
信号を受けたＺ駆動制御部１６からの駆動信号によって
動作する。さらに、試料５は、コンピュータ１４からＸ
ＹＹ査信号を受けるＸＹ走走査部子７よってＸＹ定走査
れる。また、パルス制御部１７はコンピュータ］４から
の送信タイミング信号によってパルス送信部１に対して
送信トリガ信号を出力する。ゲート幅調整部１８は、コ
ンピュータ１４からの指令に応じてゲート部８のゲート
幅を調節する。

次に、以上のように構成された本実施例の動作について
説明する。

パルス制御部１７から送信トリガ信号がパルス送信部１
に入力されると、パルス送信部１は単発パルス波信号を
発生し、このパルス波信号がトランスデユーサ２で電気
音響変換されて超音波パルスとなり、この超音波パルろ
が音響レンズ３を通り試料５に入射する。試料５からの
反射波は再び音響レンズ３を通り、トランスデユーサ２
で電気信号（受信信号）に変換される。一方、パルス制
御部１７では、音響レンズ３に固有のワーキングデイス
タンスにより計算されるタイミングてゲト部８にパルス
を出力する。前置増幅器７から出力された受信信号は、
ゲート部８で上記計算されたタイミングによってゲート
がかけられて予定焦点近傍の反射波のみ抽出される。抽
出された信号はコンピューター４によって減衰量が設定
された減衰器９に入力して、コンピューター４て設定さ
れた所定量だけ減衰する。減衰器９から出力された出力
信号の信号強度としきい値とがコンパレタ１２で比較さ
れ、減衰器９を通った信号がしきい値よりも大きいとき
に、コンパレータ］−１の出力信号がＯＮになる。コン
ピュータ１４は、コンパレータ１２からの出力信号が、
ＯＮからＯＦＦに変わる状態になるように減衰器９の減
衰量を常に調整する。

ところで、上記したように減衰器９の減衰量か調整され
る本実施例の構成において、音響レンズ３を試料５から
充分離れた位置から、試料５に近づけていくときの減衰
器９の減衰量の変化の一例を第２図に示す。距離Ｃの付
近で試料に焦点が合っているが、焦点近傍では試料５か
らの反射波の強度が大きいので前置増幅器７て飽和し、
減衰量が一定期間一定の値となっている。なお、ａやｅ
の極大点はノイズなどの影響によるものである。

自動合焦を行なう為に、音響レンズ３を充分離れた位置
から少しづつ試料５に近づける。このとき、各距離ごと
にコンピュータ１４は、コンパレタ１１からの出力信号
が丁度ＯＮからＯＦＦになるように減衰器９の減衰量を
調整する。コンピュータ１４のメモリ内には、音響レン
ズ３が現在の位置にくるまでの間で最も大きい減衰量を
記憶しておき、現在の減衰量の方か記憶している減衰量
よりも大きい場合には、減衰量を逐次更新する。

同時にこの時の音響レンズ３の位置も記憶する。

また、現在の減衰量と記憶している減衰量とが等しい場
合には、メモリ内容は更新せず、さらに音響レンズ３を
試料に近づける。また、現在の減衰量が記憶している減
衰量よりも小さい場合には、コンピュータ１４のメモリ
内に予め定めておいた設定値を用いて、以下のような条
件式を使用する。

（現在の減衰量）＜（記憶している減衰量）−（設定値
）ただし、設定値は第２図に示すようにノイズの影響を
除去する為のものであり、距離ｅでの減衰量と距離ｄで
の減衰量との差ΔＬと同じが、又は差ΔＬよりも少し大
きくとる。この設定値は、ノイズ特性検査等により決定
する。

現在の減衰量が（１）式の条件を満たさない場合は、さ
らに音響レンズ３を試料に近づける。

そして、（１）式の条件を満たした場合は、音響］　ル ンズ３の移動を中止する。

音響レンズ３の移動を中止したとき、コンピュタ１４の
メモリ内に記憶されている音響レンズ３の位置は、第３
図においては位置ｆに相当し２、焦点近傍で減衰量が一
定になり始めたときのｆ３′７置を表す。一方、音響レ
ンズ３を停止した位置は第３図では位置ｇに相当し、最
大の減衰量から」−記設定値分を引いた値よりも小さい
値になるときの位置を表す。焦点位置であるＣは必ず距
離ｆと距離ｇとの間にある。

焦点位置を求めるには、距離ｆと距離ｇとから近似を行
ない、焦点位置Ｃ′を算出する。第４図に近似すること
により得た焦点位置Ｃ′を示す。

ここで焦点位置Ｃ′での減衰量は、距離ｆでの減衰量よ
り大きいが減衰量の変化値の最小ステップ（第３図中の
△Ω）より小さいので、距Ｍｌｌｉ　ｆでの減衰量に減
衰変化量の１ステップΔｇを加えた値であるとし７、距
離ｇでの減衰量は音響レンズ３が移動を中止したときに
記憶している減衰量から上記設定値を引いた値であると
し、ている。このとき焦点位置Ｃ′は、第４図のように
点Ｇと点Ｆを通り、直線ｍに接する二次曲線で近似でき
る。この近似により焦点位置Ｃ′か得られるので音響レ
ンズ３を位置Ｃ′へ移動さぜると自動合焦調節が完了す
る。

以上の動作で音響レンズ３は試料５に対し、丁度焦点の
合う位置にあるが、さらに、減衰量を最大の減衰量に設
定し、予め定められたゲート幅になるようにゲート幅を
調節した後、ゲーをかけるタイミングを少しずつずらし
ていきなから、コンパレータ１１からの出力信号がＯＮ
になるゲート位置を検出する。ここで、予め定められた
ゲート幅は、抽出すべき反射波の一部のみが含まれる程
度に狭くする。コンパレータ１１からの出力信号がＯＮ
になるゲート位置にゲートを設定すれば、このままの状
態で試料の超音波像を得ることができる。

この様に本実施例によれば、予定焦点近傍の反射波成分
を抽出して減衰器９へ入力し、音響レンズ３を移動さぜ
たときの減衰器９の人＋Ｈ力比か所望の値となるように
減衰量を調節し、この減衰曲線から合焦位置を求めるよ
うにしたので、従来のように合焦状態での反射波強度近
傍にしきい値を設定しなくても合焦位置を容易に検出す
ることかでき、音響レンズ３を合焦調節できる。よって
、音響１ノンズ３の合焦調節が極めて容易であることか
ら、超音波像作成の作業性が大幅に向上される。

なお、試料５からの反射波が前置増幅器７において飽和
しているときには、距離ｇの減衰量からさらにΔＬ下が
る点を測定し、３点により２次曲線近似を行ない、焦点
位置Ｃを得ることもできる。また、音響レンズ３の周波
数と開口角により減衰量の変化曲線の形は決まるので、
予め減衰曲線を測定しておき、曲線の形と第１実施例と
同じく２点の測定より焦点位置を求めることもできる。

また、前置増幅器７で飽和しないレベルである場合には
、距離ｆから距離ｇに達するまでの間の減衰量と距離と
を全て記憶しておき、音響レンズ３が移動を停止した後
、記憶している減衰量の中で最も大きい減衰量に対応す
る距離を、焦点位置］４ とすることができる。これにより、さらに精度の高い焦
点合せが可能となる。

さらに、ゲート部８で受信信号を抽出する場合のゲート
の幅を広げることにより、同種の音響レンズを使う際の
ワーキングデイスタンスのばらつきにも対応できる。ま
た、上記設定値を調節することにより試料５への送信波
がパルス波のときのみでなくバースト波のときても自動
合焦可能である。

また、減衰器９の減衰量の制御をコンピュータ１４で行
なっていたが、コンパレータ１１の出力を減衰器９にフ
ィードバックする制御回路を用いることも可能である。

〔発明の効果〕

以上詳記したように本発明によれば、試料が変わる毎に
、その都度オペレータがしきい値を調整する必要がなく
自動的に合焦調節できて極めて容易に合焦調節でき、作
業性を向上し得る超音波顕微鏡を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例となる超音波顕微鏡の構成図
、第２図は同実施例において音響レンズを試料方向へ移
動させたときの減衰器の減衰量曲線を示す図、第３図は
減衰量曲線のコンピュータ処理による波形図、第４図は
合焦位置検出演算における近似方法を説明するための図
である。 １・・・パルス送信部、２・・・トランスデユーサ、３
・・・音響レンズ、４・・・試料台、５・・・試料、６
・・・カプラ液体、７・・・前置増幅器、８・・・ゲー
ト部、９・・減衰器、１０・・・ピーク検波部、１１・
・・コンパレータ、１２・・・Ｄ／Ａ変換器、１３・・
・しきい値レベル設定器、１４・・・コンピュータ、１
５・・・Ｚ駆動部、１６・・・Ｚ駆動制御部、１７・・
・ＸＹ走査部、１８・・パルス制御部、１９・・・ゲー
ト幅調節部。 出願人代理人　弁理士　坪井　　淳 寓嬬− 填　燗　− 手続補正書 平成　２年１１月　６０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 音響レンズで収束させた超音波を試料に入射し、前記試
   料からの反射波を受信して受信信号に変換し、この受信
   信号を用いて超音波像を生成する超音波顕微鏡において
   、 前記音響レンズと前記試料との相対距離を調節する距離
   調節手段と、前記受信信号から試料反射波の一部を抽出
   する抽出手段と、この抽出手段からの出力信号をゲイン
   調整する変換手段と、この変換手段でゲイン調整された
   信号の強度と予め設定されたしきい値とを比較する比較
   手段と、この比較手段による比較値に基づいて前記変換
   手段における信号の入出力比が任意の値になるように前
   記変換手段のゲイン量を調整するゲイン制御手段と、前
   記音響レンズをその焦点位置より十分離れた位置から前
   記試料方向へ移動したときの前記変換手段のゲイン変化
   曲線に基づいて前記音響レンズの合焦位置を算出し、そ
   の算出結果に応じた駆動信号を前記距離調節手段へ出力
   する合焦調節制御手段とを具備したことを特徴とする超
   音波顕微鏡。