JPH067123B2 - 超音波干渉顕微鏡装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、超音波顕微鏡装置、特に音速分布や弾性率分
布を測定するに際し空間分解能を一層向上させた超音波
干渉顕微鏡装置に関するものである。

（従来の技術） 通常の超音波顕微鏡を用いて被測定対象物の弾性率や吸
収係数を測定する場合被測定物からの超音波を受信する
集束トランスジューサと被測定物との間の距離を変化さ
せ、受波した超音波の振幅の距離長変化に基いて弾性率
や吸収係数を決定する手法が用いられている。しかし、
この技術では空間分解能を高めようとすると超音波の周
波数を高くしなければならず、測定物中での超音波の吸
収減衰が大きくなる欠点があった。また、被測定物が弾
性的に異方性を有する場合測定が極めて困難になり、ま
た集束した超音波をその焦点からはずして測定しなけれ
ばならず測定精度及び測定技術上においても種々の欠点
があった。

このような問題点を解決する方法として超音波干渉顕微
鏡装置を用いて被測定物の弾性率等を測定する方法が提
案されている。この超音波干渉顕微鏡装置は、カップラ
媒体を介して被測定物に向けて超音波を照射し、被測定
物中を伝播した超音波と参照電気信号とを干渉させて干
渉縞を作成し、作成した干渉縞に基いて画像信号を作成
し、被測定物の音速分布や弾性率等を決定するように構
成されている。

（発明が解決しようとする問題点） 上述した超音波干渉顕微鏡装置は、通常の超音波顕微鏡
に比べ種々の利点を有しているが、測定精度を高めるた
めに分解能を向上させ、操作性を向上させることが強く
要請されている。超音波干渉顕微鏡装置を用いて局所的
弾性率測定を行なう場合、分解能はほぼ干渉縞の間隔で
決定され、干渉縞の間隔は被測定物中を伝播する超音波
の波長によりほぼ決定される。従って、分解能を高くす
るには高周波数の超音波を被測定物に照射しなければな
らない。しかしながら、超音波の周波数を高くすると被
測定物中での吸収減衰が大きくなり、この結果超音波の
波面がぼけ、観測した干渉縞が不鮮明になり、従って測
定精度が著しく低下する不都合を生じてしまう。

また、分解能を高める方法として投射すべき超音波の位
相を時間軸上で電気的にずらせて位相を細くしてサンプ
リングする時間位相変化法が提案されている。しかし、
この時間位相変化法では、投射すべき超音波の位相を電
気的にずらし、電気的に位相のずれた超音波による干渉
縞像を時間軸上でずられて重ね合せているにすぎないた
め、干渉縞間隔をどの程度ずらしたか、明確に判断でき
ないため分解能を高める上で限界がある。また、時間位
相変化法では被測定物上の問題とする限られた領域の音
速分布だけを測定することができない。

従って、本発明の目的は上述した欠点を除去し、簡単な
構成で被測定物の音速分布や弾性率分布を高い分解能を
以て測定できる超音波干渉顕微鏡装置を提供するもので
ある。

（問題点を解決するための手段） 本発明による超音波干渉顕微鏡装置は、超音波発振器
と、超音波発振器からの出力に基いて超音波を発生させ
る送波用トランスジューサと、送波用トランスジューサ
で発生した超音波を測定すべき試料に向けて投射する試
料台と、試料又は試料台を互いに相対的に移動させる間
欠移送装置と、前記試料表面を光ビームにより２次元的
に走査し、試料からの反射光により試料表面の干渉縞を
検出するレーザ走査装置と、このレーザ走査装置からの
出力信号を位相検波する位相検波器と、この位相検波器
からの出力信号を画像信号化すると共に、複数の位相の
ずれた超音波による干渉縞像を合成する画像処理装置
と、合成干渉縞像を表示する表示装置とを具えることを
特徴とするものである。

（作用） 本発明では、間欠移送装置を用い、測定すべき試料又は
試料に超音波を投射する試料台を互いに相対的に移動さ
せ、試料に向けて位相が離散的にずれた超音波を順次投
射し、各位相がずれた超音波を投射する毎に干渉縞像を
検出し、これら干渉縞像を合成して１個の干渉縞像を作
成する。この結果、干渉縞のピッチ間隔が狭まり、空間
分解能を高めることができる。例えば所定周波数の超音
波を用いて干渉縞像を観測し、このとき観測した干渉縞
のピッチ間隔をＤとした場合に分解能を更にｎ倍高めよ
うとするには、D/nの距離だけ試料又は試料台を相対的
に移動させてｎ個の干渉縞像を検出し、これらｎ個の干
渉縞像を合成すればよく、比較的低周波数の超音波を用
いて高い分解能の画像を得ることができる。

（実施例） 第１図は本発明による超音波干渉顕微鏡装置の一実施例
の構成を示すものであり、第１図Ａは測定セルの構成を
示す線図、同図Ｂは全体構成を示すブロツク図である。
本例ではレーザ走査型超音波干渉顕微鏡装置を用いて測
定する例について説明する。測定セル１の試料台２上に
カップラ媒体を介して測定すべき試料３を載置する。試
料台２は溶融石英から成り、試料載置面に対して傾斜し
た面に送波用トランスジューサ４を固着する。試料３を
支持枠５に支持し、この支持枠５をステップモータのよ
うな単位ピッチずつ間欠的に移送する試料移送装置６に
連結する。従って、試料３は試料台２に対して相対的に
単位ピッチｄずつ矢印ａ方向に間欠的に移送されるも
のとする。試料３の上にカップラ媒体を介してレーザ光
を反射すべきカバースリップ７を載置する。カバースリ
ップ７の下面には金が蒸着されており、それによりレー
ザ光を反射する。カバースリップ７は試料台２の上に厚
さＴのスペーサを載せ、その上に置かれている。

発振周波数100MHzのRF発振器10の出力を送波用トランス
ジューサ４に供給し所定周波数の超音波を発生させる。
このRF発振器10の発振周波数は、測定すべき試料の特性
や測定項目等に基いて決定する。発生した超音波は、試
料台２中を伝播し、各波面が平行に並び、試料３との界
面で屈折し試料３中を伝播する。従って、試料３は伝播
する超音波の周波数で振動し、カバースリップ７の下面
3aが矢印ｂ及びｃ方に振動することになる。この振動す
る試料表面3aに向けてレーザ走査装置11から微小スポッ
ト状に集束したレーザビームを投射し、このレーザビー
ムで２次元的に走査して試料３中を伝播した超音波の波
面の状態を検出する。このレーザ走査装置11は、波長63
2.8nmのレーザ光を投射するHe-Neレーザ及び試料表面3a
を２次元的に走査する走査装置を具え、中央処理装置12
の制御のもとで試料表面3aを所定の走査周波数で２次元
的に走査すると共に、所定表面3aからの反射光を受光す
る。ガバースリップ６の下面3aは超音波の周波数に従っ
て矢印ｂ及びｃ方向に振動するので、この振動がレーザ
光の反射強度変化として規制される。この信号を電気信
号に変換し、参照電気信号と干渉させることによって干
渉縞が観測される。従って、レーザ走査装置11で試料表
面3aを２次元的に走査することにより２次元の干渉縞像
が検出される。レーザ走査装置11の出力を位相検波器13
に供給する。位相検波器13では、RF発振器10からの参照
信号を用いて検波し、干渉縞像の信号を得てから画像処
理装置14に出力する。画像処理装置14では中央処理装置
12の制御のもとで送出されてくる干渉縞像の信号を画像
処理して平均化及び細線化処理を行ない画像信号に変換
して画像処理装置に設けたフレームメモリに記憶すると
共に、この干渉縞像を画像モニタ15上に表示する。操作
者は画像モニタ上に表示された干渉縞像の鮮明度等を判
断し、干渉縞のピッチ間隔Ｄを決定する。この場合映出
された干渉縞像が吸収減衰により不鮮明な場合はRF発振
器10の周波数を一段低く設定し直して鮮明な干渉縞像を
得る。

次に、中央処理装置12の制御のもとで試料移送装置６に
より試料３を試料台に対して距離ｄだけ移動させる。
この移動距離ｄは、例えば検出した干渉縞のピッチを
Ｄとし、ｎ倍だけ分解能を高めようとする場合ｄ＝D/
nとする。従って、RF発振器10の発振周波数が100MHz
で、画像モニタ15上に映出された干渉縞像から検出した
干渉縞のピッチＤが80μｍの場合40倍分解能を高めよう
とするれば、ｄ＝２μｍとする。試料３を距離ｄだ
け移動させた状態で同一の操作を繰り返し、位相がD/n
だけずれた超音波による干渉縞像の映像信号を作成して
画像処理装置14内のフレームメモリに記憶する。そし
て、この操作をｎ回繰り返し、ｎ個の干渉縞像の映像信
号をフレームメモリにそれぞれ記憶し、画像モニタ15上
で単位ピッチｄに相当する距離だけずらせて合成して
から画像モニタ15に表示する。従って、試料３は位相が
D/nずつ離散的にずれた超音波が順次入射することにな
る。

第２図は位相の異なる超音波により試料が走査された状
態を示す模式図である。本例では検出した干渉縞のピッ
チをＤとし、分解能を４倍高めるものとする。試料台２
は固定されているから試料台の同一試料載置面には常時
同一位相の超音波が伝播する。一方、試料３をD/4のピ
ッチで右方向に移動させれば、試料３の同一点（白丸で
示す）には超音波波形曲線20上の黒丸で示す位相がD/4
だけ進んだ超音波が順次入射することになり、４倍の周
波数の超音波で測定したものと等価になる。

第３図Ａ〜Ｃはモニタ上に映出される干渉縞像を示す線
図である。本例では超音波の進行方向に対して斜めに試
料を載置し、試料と標準物質である水との境界線の上
側を試料とし、下側を水とする。第３図Ａは画像処理装
置14で平均化及び細線化処理されていない干渉縞像を示
す。超音波の波面が平行に連続しているのが観測され、
超音波の波長に等しい間隔の干渉縞が観測される。この
干渉縞像を画像処理装置14で平均化及び細線化処理する
と第３図Ｂに示す干渉縞像が明瞭に映出される。標準物
質である水と試料との境界において、干渉縞にずれが生
ているのが明瞭に観測される。次に、試料をD/nだけず
らして観測したｎ個の干渉縞像を合成した干渉縞像を第
３図Ｃに示す（図面上４個の干渉縞像を合成した例を示
す）。このように だけ試料を移動させて得た干渉縞像をｎ個合成すれば、
ｎ倍の本数の干渉縞が得られ空間分解能がｎ倍だけ高め
ることができる。

次に、干渉縞像から試料の音速分布を求める場合につい
て説明する。第３図Ｂに示すように、画像モニタ15上で
観測された干渉縞のピッチをＤ、標準物質と試料との干
渉縞のずれ量をｄとすると、干渉縞のずれが生じている
位置における試料の音速Ｖ_Ｘは次式で示される。

ここで，Ｔ：基準物質及び試料の厚さ Ｖｏ：標準物質中における超音波の速度 λｏ：標準物質中における超音波の波長 測定周波数をとすれば、 であるから、 (1)式は次式で示される。

従って、画像モニタ上に映出される干渉縞のピッチ間隔
Ｄと干渉縞の標準物質と試料とのずれ量ｄを計測すれば
音速分布を容易に求めることができる。特に、本発明の
ように干渉縞のピッチ間隔を狭くすることができれば、
空間分解能が高くなり測定精度を一層向上させることが
できる。Ｖ_Ｘの分布を画像モニタ上にカラー表示もでき
る。

本発明は上述した実施例だけに限定されるものではなく
種々の変形が可能である。例えば、上述した実施例では
レーザ走査型超音波干渉顕微鏡装置を例にして説明した
が、機械走査型超音波干渉顕微鏡装置にも勿論適用する
ことができる。

また、上述した実施例では試料台上の試料をd/nずつ移
動させて位相の異なる超音波を試料に投射する構成とし
たが、試料を固定して試料台を移動させて位相のずれた
超音波を順次投射させることもできる。

更に、上述した実施例では音速分布を測定する例を以て
説明したが、音速分布だけでなく弾性率分布等も測定で
き、特に生体組織や微生物中の弾性率分布を１μｍ以上
の分解能で測定することができる。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、試料に向けて位相
のずれた超音波を順次投射し、各位相のずれた超音波を
投射する毎に干渉縞像を検出し、各干渉縞像を合成して
１個の干渉縞像を作成する構成としているので、空間分
解能を一層高めることができる。従って、測定精度が向
上すると共に局部的な試料情報の欠落も防止される。

また、試料に向けて投射する超音波の周波数を低くして
も高解像度の画像が得られるので、すなわち、100MHzの
超音波を用いても例えば位相が1/10ピッチずつずれた干
渉縞像を合成することによって１GHzの超音波を用いて
測定した場合と等価な分解能が得られるので、試料内で
の超音波の吸収減衰が少なくなり、鮮明な干渉縞が観測
され、測定精度が向上する。

更に、測定に当って測定すべき試料に応じて試料に投射
する超音波の周波数及び分解能倍率を適切に設定すれば
よく、操作性も一層向上させることができる。

更に、干渉縞像を画像信号化して画像モニタ上に表示
し、表示された干渉縞像から干渉縞のピッチを検出し、
求めた干渉縞のピッチと分解能倍率とに基いて試料を移
動する構成としているので、ずらすべき位相量を明確に
判断することができ、等間隔の干渉縞像を高精度に形成
することができる。

更に、干渉縞から音速分布を求め、カラー表示すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ及びＢは本発明による超音波干渉顕微鏡装置一
例の構成を示す線図、 第２図は試料が位相の異なる超音波によって走査された
状態を示す模式図、 第３図Ａ〜Ｃは画像モニタ上に映出される干渉縞の状態
を示す線図である。 １…測定セル、２…試料台 ３…試料 ４…送波用トランスジューサ ５…支持枠、６…試料移送装置 ７…カバースリップ、10…RF発振器 11…レーザ走査装置、12…中央処理装置 13…位相検波器、14…画像処理装置 15…画像モニタ、20…超音波波形曲線

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波発振器と、超音波発振器からの出力
   に基いて超音波を発生させる送波用トランスジューサ
   と、送波用トランスジューサで発生した超音波を測定す
   べき試料に向けて投射する試料台と、試料又は試料台を
   互いに相対的に移動させる間欠移送装置と、前記試料表
   面を光ビームにより２次元的に走査し、試料からの反射
   光により試料表面の干渉縞を検出するレーザ走査装置
   と、このレーザ走査装置からの出力信号を位相検波する
   位相検波器と、この位相検波器からの出力信号を画像信
   号化すると共に、複数の位相のずれた超音波による干渉
   縞像を合成する画像処理装置と、合成干渉縞像を表示す
   る表示装置とを具えることを特徴とする超音波干渉顕微
   鏡装置。