JPH0461306B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、超音波顕微鏡の自動焦点調節装置に
関する。 ［発明の技術的背景およびその問題点］ 超音波顕微鏡は、従来種々の構成のものが提案
されている。その構成の一例を第１図に示す。図
示の超音波顕微鏡においては、高周波パルス発生
器１で超高周波数のパースト波電気信号を発振さ
せてサーキユレータ２を介して圧電トランスジユ
ーサ３に供給し、ここで電気信号から超音波に変
換して超音波音響レンズ４および液体５を介して
走査制御装置６によりＸおよびＹ方向に２次元的
に移動する試料台７上に載置された試料８上にス
ポツト状に投射している。また、試料８から反射
波は超音波音響レンズ４で集音し、圧電トランス
ジユーサ３により電気信号に変換してサーキユレ
ータ２を介して信号処理回路９に供給し、ここで
不要な信号を除去すると共に必要な反射波に対応
する信号のみを増幅、検波して反射波の強度に応
じた検波信号を得、この検波信号を輝度信号とし
てスキヤンコンバータ１０により走査制御装置６
による試料台７の走査と同期させて超音波像を陰
極管１１上に表示させるようにしている。なお、
音響レンズ４は試料台７に対して垂直なＺ方向に
変位可能になつている。 上述したような超音波顕微鏡において、超音波
音響レンズ４をＺ方向に変位させて試料８から十
分離れた位置から近づいていくと、信号処理回路
９からは第２図に示すような第１、第２および第
３の順次の極大値，およびを有するいわゆ
るＶ（ｚ）カーブと呼ばれる検波信号の強度分布
が得られそれらの検波信号が得られる距離（Ｚ）
は、使用する超音波の周波数、音響レンズ４の構
造、液体５種類等によつて定まるものである。第
２図において、Ｖ（ｚ）が最大となる第２の極大
値の点ｆは超音波音響レンズ４が試料８に対し
て合集状態にあるときに得られ、この点ｆの前後
の点ｄおよびｈにおいて現われる第１および第３
の極大値およびは試料８における表面波と反
射波との干渉などにより生じる。 そこで、従来では信号処理回路９の出力をオシ
ロスコープ等の測定器でモニターし、これを目視
により観察しながら超音波音響レンズ４を手動に
よりＺ方向に変位させて横波信号レベルが最大と
なる位置（第２図の点ｆ）を探し、この位置に音
響レンズ４を合わせることにより、超音波音響レ
ンズ４の試料８に対する焦点調節を行なつてい
た。 しかし、このような手動による焦点調節におい
ては、操作者が反射波検波信号のレベルを観察し
ながら、たとえば第２図の点ｄ，ｆおよびｈの第
１〜第３の極大値〜を備え、これを比較しな
がら最大反射波点（焦点位置）ｆを探す必要があ
るため、調節が極めて困難であると共に時間がか
かる。これは超音波の周波数を高くすればする
程、液体５中での超音波の減衰が大きくなり、こ
れを押えるために超音波音響レンズ４と試料８と
の間の距離を更に短くする必要があるため、距離
の微小変化から最大反射点を探すのが更に困難と
なる。また、操作者はモニターを見ながら超音波
音響レンズ４を操作するため、超音波音響レンズ
４と試料８とが接触して両者が毀損する恐れがあ
る。更に焦点調節が極めて困難であるために、多
数の試料を観察する場合に像のコントラストに差
異が生じ、試料間の比較が極めて難しくなる不具
合がある。 ［発明の目的］ 本発明の目的は、従来手動で行なつていた焦点
調節を自動的に行なう自動焦点調節装置を提供す
ることで、迅速かつ高精度に焦点調節が得られる
と共に、超音波の音響レンズと試料との接触によ
る両者の毀損を防止できるものである。 ［発明の概要］ 本発明は、音響レンズと液体との界面において
反射する波と試料表面において反射する波との干
渉波の振幅から得られる焦点調節情報に基づき、
自動的に焦点を調節するようにしたものである。 ［発明の実施例］ 第３図乃至第７図を用いて本発明の一実施例に
ついて説明する。第１図に示す部材と共通に用い
られるものについては、同じ番号を符しておく。 第３図は、本実施例の顕微鏡装置に用いられる
円柱形の音響レンズからなるトランスデユーサ部
１２で、その上面及び下面の略中心に圧電トラン
スデユーサ３及び開口部１４をそれぞれ設ける。
そして、音響レンズ１３の下面と液体５との界面
における反射波と、試料８表面からの反射波が、
近似的に平面波となるように、上記トランスデユ
ーサ部１２の圧電トランスデユーサ３と同じ平面
内に、サブ圧電トランスデユーサ１５が設けられ
ている。 ここで、本発明による自動焦点調節装置の原理
について説明する。 第４図に示すように、開口部１４の開口径をｒ
とすると、その焦点距離ｆは、液体５を水とし、
音響レンズ１３の材質をサフアイアにした場合ｆ
＝1.15rで与えられる。 従つて、開口部の開口角をθとすると、合焦時
における音響レンズ１３の下面と試料８の表面と
の距離ｌは、ｌ＝ｆ−ｒ＋rcosθ＝ｒ（0.15＋
cosθ）となる。例えばｒ＝0.5mm、θ＝60゜として
みるとｌ＝0.325mmになる。 さて、サブ圧電トランスデユーサ１５より音響
レンズ１３内に出された超音波ｉは、音響レンズ
１３の下面と液体５の界面における反射波ｊと試
料８表面からの反射波ｋとが干渉し合つた形で再
びサブ圧電トランスデユーサ１５に戻される。 ここで、使用する超音波の波長入を適当な定め
ると合焦状態における反射波ｊとｋとの干渉にお
ける波の打ち消しを最大にできる。すなわち、λ
＝4l／2n＋１（ただし、ｎは、ｏ又は正の整数）と すると、合焦時、すなわち音響レンズ１３下面と
試料８表面との距離がｌの時において干渉波の振
幅は最小になる。一方、合焦時をはずれると、干
渉の効果は薄れるため、振幅は、逆に増大する。
このあたりの関係は、第５図に示されている。 従つて、音響レンズ−試料間の距離を変化させ
ながら干渉波の振幅を測定していけば、合焦−非
合焦の情報を得ることができるので、この情報を
音響レンズの駆動機構（もしくは、試料台の駆動
機構）にフイードバツクすることにより、自動的
に焦点調節を行なうことができる。 大木の波長入の条件は、周波数fcを用いるとfc
＝Ｖ／4l（2n＋１）［Hz］（ただし、ｖは液体５中の 音速、ｎは０又は正の整数）と表わされる。例え
ば、先の例（ｌ＝0.325mm）に対しては、fc＝
1.154（2n＋１）ＭHzとなる。 さて、本発明においては、超音波顕微鏡の基本
的構成は、従来と同じである。例えば、第１図に
示すもので良い。そこで、第６図には、新たにつ
け加えられる焦点調節機構のみを示している。 トランスデユーサー部１２は、液体５を介して
試料台７上の試料８に対向している。トランスデ
ユーサ部１２のサブ圧電トランスデユーサ１５
は、第１のダイオードスイツチ１６、第２のダイ
オードスイツチ１７の各々の可動端子１８，１９
につながれている。第１のダイオードスイツチ１
６の固定端子２０には、CW発振器２１により発
生する、顕微鏡用の圧電トランスデユーサ３に使
用するよりも低い周波数の連続波が出力される。
第２のダイオードスイツチ１７の固定端子２２
は、検波増幅部２３の入力部につながれている。
この検波増幅部２３の出力は、分岐してサンプル
ホールド回路２４，２５に加えられた後、それぞ
れコンパレータ２６の二つの入力部に入力され
る。 パルスコントロール部２７は、第１、第２のダ
イオードスイツチ１６，１７の開閉を制御するパ
ルスを発生すると共に、このパルスを受け遅延し
たパルスを発生する遅延パルス発生器２８を介し
て交番パルス発生器２９に接続される。交番パル
ス発生器２９は遅延したパルスを交互にサンプル
ホールド回路２４，２５に出力するもので、出力
部は遅延回路３０を介して、Ｚ方向駆動制御部３
１にも接続している。 Ｚ方向駆動制御部３１は、トランスデユーサ部
１２を鉛直方向（Ｚ方向）に駆動するＺ方向駆動
機構３２の動作を制御するもので、コンパレータ
２６の出力が入力部に加えられている。 以上のように構成された本発明の実施例の動作
を、第７図に示した波形図を参照しながら説明す
る。 第１、第２のダイオードスイツチ１６，１７の
開閉は、パルスコントロール部２７より加えられ
るパルスｑ，ｓ（第７図参照）により制御される。 この波形から解かるように、第２のダイオード
スイツチ１６，１７は、片方が閉じている時は、
かならずもう一方は開くように制御されている。 そこで、CW発振器２１にて発生した連続波ｐ
は、時間t₀にて、第１のダイオードスイツチ１６
を通してサブ圧電トランスデユーサ１５に加えら
れ（波形ｉ）、ここで、電気信号から超音波信号
ｉに変換される。第１のダイオードスイツチ１６
の閉成期間は、入射波と反射波が重ならないよう
余裕をとつて、最初に入射した超音波がサブ圧電
トランスデユーサ１５に再び戻つてくるまでの時
間2L／Vs（ただし、Ｌは、音響レンズ１３中の厚
み、Vsは、音響レンズ１３中の音速）よりやや
短かめに設定される。 入射波は、音響レンズ１３の下面と液体５との
界面で反射され、再び音響レンズ１３に入射して
超音波から電気信号に変換され第７図ｊのような
波形になる。 また、液体５を通過して試料８の表面で反射す
る超音波は、同じく音響−電気変換され、第７図
ｋのような波形になる。波形ｋは、波形ｊに比べ
波路が長いので時間2l／ｖだけ遅れている。 この反射波ｊとｋとは干渉し合つて、サブ圧電
トランスデユーサ１５内に戻つてくるが、その戻
つてくる期間内は、第１ダイオードスイツチ１６
は開状態に、第２ダイオードスイツチ１７は閉状
態になる。第２ダイオードスイツチ１７を通つた
パルスは、増幅・検波部２３を通つて増幅および
検波され第７図のｖで示すパルスになる。 一方、パルスコントロール部２７から出力され
るパルスｑは、遅延パルス発生器２８により、パ
ルスｖと重なるように時間twだけ遅延されると
共に幅の狭いパルス列に変換される。このパルス
列は、交番パルス発生器２９により、１つ置きに
交互に選択され、パルスｗ１，ｗ２として、サン
プリングホールド回路２４，２５サンプリングパ
ルスとして利用される。 サブ圧電トランスデユーサ１５ら増幅・検査波
部２３を通つて得られるパルスｖは、サンプリン
グホールド回路２４，２５においてサンプリング
パルスｗ１，ｗ２のタイミングでサンプリングさ
れ、その値をホールドして第７図のα，βで示す
信号になる。 信号α，βの電圧Vα，Vβは、それぞれ、コン
パレータ２６の＋端子、−端子に入力され、その
大小を比較される。コンパレータ２６は、Vα＞
Vβのとき、Ｈ（High）レベルの出力を、Vα≦
VβのときはＬ（Lou）レベルの出力をＺ方向駆動
制御部３１へ出し、サンプリングパルスｗ２を遅
延回路３０により所定時間trだけ遅らせたパルス
γのタイミングすなわち信号α，βがともにホー
ルド状態にあるタイミングで、Ｈレベルならば、
Ｚ方向駆動機構３２を音響レンズ１３と試料８と
の距離を増大させる向きに駆動し、Ｌレベルなら
ば停止させる。 ここで、音響レンズ１３と試料８との距離を出
来る限り狭めた所から動作を開始すると、Vα−
Vβは、第５図から解るように、正の値になつて
おり、音響レンズ１３と試料８との距離は増大し
ていくが、この距離が合焦時における距離ｌを越
すあたりになると、Vα−Vβは零の値に近づき、
コンパレータ２６の出力は、Ｌレベルとなるので
Ｚ方向駆動機構３２は停止し、合焦状態に置かれ
る。 以上の実施例において、さらに正確に焦点を合
わせるためには、VαとVβとの比較の精度を上げ
ると共に、サンプリングの周波数を上げれば良
い。また、音響レンズ−試料間距離が距離ｌを越
した後、逆に距離を減少させる向きにＺ方向駆動
機構３２を駆動させるようにすると合焦が正確に
なる。 また、以上の実施例においては、音響レンズと
試料との相対距離を変化させて焦点調節を行つて
いるが、両者の相対距離を一定に保つたまま焦点
を行う顕微鏡装置においても、本発明は適用でき
る。 例えば、幾つかの同心円状に配置されたトラン
スデユーサを用いて、動作させるトランスジユー
サを変えることにより焦点調節を行うものがあ
る。この場合は、サブ圧電トランスデユーサも同
心円状としコンパレータの出力に応じて、選択す
るトランスデユーサを変えるようにすれば良い。 ［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば従来、観
察者が手動で行なつていた焦点調節を、迅速かつ
高精度に自動的に行なうことができるようにな
る。 しかも、音響レンズと試料との距離が合焦位置
を越えて近づくと、レンズ（又は、試料台）の駆
動機構は、停止又は、距離を広げる方向に駆動す
るので、レンズと試料との接触による両者の毀損
を防止できる。また、常に高精度の焦点調節を自
動的に行なうことが出来ることから多数の試料を
観察する場合には一定のコントラストの像を得る
ことができ、したがつて試料間の比較を容易かつ
正確に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の超音波顕微鏡の構成の一例を
示すブロツク図、第２図は、Ｖ（ｚ）カーブと呼
ばれる検波信号の強度分布を表わすグラフ、第３
図は、本発明の一実施例のトランスデユーサ部の
斜視図、第４図は、同トランスデユーサ部の正面
図及び部分拡大図、第５図は、レンズ−試料間距
離と干渉波振幅の関係を表わすグラフ、第６図
は、本発明の一実施例の構成を示すブロツク図、
第７図は、同実施例の動作説明用波形図である。 ３……圧電トランスデユーサ、１２……トラン
スデユーサ部、１３……音響レンズ、１４……開
口部、１５……サブ圧電トランスデユーサ、１６
……第１のダイオードスイツチ、１７……第２の
ダイオードスイツチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 円柱形の音響レンズ上面に圧電トランスデユ
   ーサと共に、同一平面内に設けられた焦点調節用
   のサブ圧電トランスデユーサと、 このサブ圧電トランスデユーサを駆動する電源
   部と、 このサブ圧電トランスデユーサより発生した超
   音波が上記音響レンズに対向する試料の表面で反
   射した反射波と、上記超音波が上記音響レンズと
   試料の間に介在する液体と、上記音響レンズとの
   界面で反射した反射波とで干渉して上記サブ圧電
   トランスデユーサに入射した後、このサブ圧電ト
   ランスデユーサで電気音響交換により得られる電
   圧の振幅を異なるタイミングで比較する手段と、 この比較手段の出力に基づいて上記超音波トラ
   ンスデユーサ部の焦点調節を行なう焦点調節手段
   とを具備したことを特徴とする超音波顕微鏡の自
   動焦点調節装置。