JPH0783889A - 超音波顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ビーム径を小さくでき、エネルギ強度を増大さ
せることができて、分解能の向上を図ることができる超
音波顕微鏡装置を提供すること。 【構成】高周波信号を超音波送受手段に与え、収束超音
波に変換して試料に照射し、また、反射超音波をこの超
音波送受手段により高周波電気信号に戻して受信信号と
し、この受信信号より超音波反射波のレベル対応の映像
信号を得るようにした超音波顕微鏡装置であって、超音
波送受手段は超音波を伝播させて収束させる音響レンズ
30とこの音響レンズに設けられる高周波信号‐超音波変
換用の電気‐音響変換素子40より構成される超音波顕微
鏡装置において、上記音響レンズは超音波出射端部側に
凹球面部30a を形成すると共に、当該超音波出射端部側
に対向する他端面30b 側は球面若しくは放物面に形成
し、当該他端面に電気‐音響変換素子を形成する構成と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超音波顕微鏡装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】反射型超音波顕微鏡（Ｒ‐ＵＳＭ）は音
響レンズから液体（カップラ液体）中に収束超音波を入
射させ、上記液体中に配した試料の表面に収束させてそ
の反射波を観測するのが基本原理である。

【０００３】このように、反射型超音波顕微鏡は試料の
状態を音波ビームの反射波で観測するものであり、その
基本構成を説明すると図１０に示す如く、所定周波数の
高周波信号（電気的パルス）を発生する送信機１があ
り、この送信機１からの出力高周波信号を分配器である
サーキュレータ２に導き、サーキュレータ２はこの高周
波信号を音響レンズ３へと送り出す。音響レンズ３は後
述するカップリング液体より音伝搬速度の大きい固体物
質でできている。音響レンズ３には電気信号‐音波相互
変換機能を有するトランスデューサ（電気‐音響変換素
子）４が設けてあり、サーキュレータ２から出力された
高周波信号はこのトランスデューサ４に与えられて、ト
ランスデューサ４はこの印加された高周波信号に対応し
た振動を起こす。すなわち、電気的パルスをパルス音波
に変える。

【０００４】そして、トランスデューサ４からの当該振
動は超音波ＵＷとして音響レンズ３に伝播し、この音響
レンズ３により所定の焦点ｆ位置で収束されるように偏
向されて出射してゆく。この音響レンズ３から出射する
超音波ＵＷを観察対象である試料５に当て、反射波を観
測する。音響レンズ３は円柱状であり、その超音波出射
端面が凹球面３ａとなっており、トランスデューサ４で
変換された超音波ＵＷは音響レンズ３を伝搬して凹球面
３ａ部分にて偏向され、収束される。反射超音波ＵＷは
出射ルートと逆のルートを辿り、トランスデューサ４に
入る。

【０００５】ところで音波は気体中では減衰が大きいか
ら、この減衰を無くすために、音響レンズ３と試料５を
カップラ液体（カップリング液体）６中に配置する。そ
して、この音響レンズ３の焦点ｆ位置に試料（サンプ
ル）５を配置しておくと、音響レンズ３から出射した超
音波ＵＷは、この試料５にぶつかった際に出射超音波は
反射され、再び音響レンズ３に戻る。そして、音響レン
ズ３を伝播してトランスデューサ４に達し、このトラン
スデューサ４を振動させる。

【０００６】これにより、トランスデューサ４は受けた
振動に対応した電気信号を発生する。このトランスデュ
ーサ４の発生した電気信号はサーキュレータ２に送ら
れ、サーキュレータ２はこれを受信機７側に送り出す。
受信機７ではこの電気信号を処理して反射超音波に対応
した輝度の信号にし、ＣＲＴ表示器等の映像表示装置８
に送る。

【０００７】試料５を送信超音波に対してＸＹ走査すれ
ば、超音波は試料５の表面をＸＹ走査（２次元平面走
査）することになるから、その走査範囲の反射超音波を
収集することができ、これをＸＹ走査位置に対応してフ
レームメモリ上の該当画素位置に記憶して、映像表示装
置の表示走査に同期させながら読出して輝度信号化する
ことにより、映像表示装置に当該走査範囲の反射超音波
による映像を表示することができる。

【０００８】９はそのためのＸＹ駆動装置であり、コン
トローラ１０の制御のもとに、試料５を送信超音波ＵＷ
に対してＸＹ走査する。また、音響レンズ３から出射し
た超音波ＵＷの焦点ｆ位置に試料５が来るように、音響
レンズ３の試料５に対する位置を調整する合焦装置１１
があり、コントローラ１０の制御のもとに、試料５に対
する音響レンズ３の離間距離を調整する。

【０００９】コントローラ１０は、送信機１や受信機７
の送受信制御、ＸＹ駆動装置９によるＸＹスキャン、合
焦装置１１による合焦位置の制御、ＸＹスキャンに伴う
反射超音波の受信信号をデータに変換して上記ＸＹスキ
ャン位置対応にフレームメモリ上の該当画素位置に記憶
する書き込み制御、輝度信号（映像信号）化のために映
像表示装置８の表示走査タイミングに合わせてフレーム
メモリからデータを読出す制御等を行う。

【００１０】このように反射型超音波顕微鏡は音響レン
ズから液体（カップラ液体）中に収束超音波を入射さ
せ、液体中に配した試料の表面に収束させてその反射波
を観測することで、超音波伝播に基づく試料の表面若し
くは内部の物理的構造や物理的性質の情報を得るのが基
本原理である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】超音波顕微鏡は図１０
のようになっており、送信機より電気パルスを発生し、
音響レンズに取り付けたトランスデューサで音波に変換
し、音響レンズの先端の凹球面部分で収束されて出射さ
れた超音波はカップリング液体中を通って、サンプル上
またはサンプル内部で合焦し、反射して同じ経路を辿っ
て、音響レンズのトランスデューサに戻り、トランスデ
ューサで電気信号に戻されてから、受信機に送られ、こ
こで受信処理されて記憶される。

【００１２】このプロセスを、サンプルに対して超音波
照射域がＸＹスキャン（２次元平面走査）されるように
ＸＹ駆動装置でスキャン制御しながら繰り返すことによ
って超音波反射波に基づく画像を得る。

【００１３】ところで、このシステムでは超音波は音響
レンズの出射端面開口径の範囲に集まるようにトランス
デューサを配置しなければならない。すなわち、トラン
スデューサは平面状の音響レンズの後端面に配設されて
おり、平板状で面積を有している。そして、音波は平板
状のトランスデューサ全面から発生して音響レンズを伝
播するから、音響レンズの出射端面（入出射端面）にあ
る凹球面部に収まるような位置関係にあるもののみ、凹
球面部から収束されて出力することになり、他は雑音成
分となってしまう。

【００１４】そして、従来の音響レンズ３は背面端部が
平坦面であり、ここにトランスデューサ４を設ける構成
であるから、凹球面部分に収束超音波を入射してやるに
は、凹球面部分の領域の直上にトランスデューサ４を配
置する必要がある。つまり、音響レンズ３は背面端部が
平坦面であり、ここにトランスデューサ４を設ける構成
であるから、トランスデューサ４を設けることのできる
位置は音響レンズ３の背面端部側の平坦面における凹球
面部分対向位置（凹球面部分の直上領域）である。

【００１５】また、特定角度を以て凹球面部分から超音
波ビームの入出射をしたいと云う要求があるが、そのよ
うなある特定の角度による超音波ビームの入出射をする
ためには、図１１に示すように、音響レンズ３のレンズ
開口径（出射端部の凹球面部の径）より遥かに小さいト
ランスデューサ４を使わねばならず、加工精度がより厳
しくなってコストアップに繋がる他、選べる入出射角度
の範囲も極めて僅かな範囲となる。

【００１６】また、Ｄ．Ｒｕｇａｒと云う人は文献
“Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．５６，（１９８
４）１３３８ｐ．”に発表しているように、超音波のパ
ルスのエネルギレベルをあげると非線型効果により分解
能が向上することを示しているが、トランスデューサの
面積を大きくすれば、出射超音波の全パワーは大きくな
るが、トランスデューサの面積はレンズの開口径で決ま
り、それ以上に大きくすることはできないので問題解決
とはならない。

【００１７】すなわち、レンズの開口径は同じ開口角で
比較するとレンズの焦点距離に比例するが、レンズの焦
点距離は超音波がカップリング液体中を通るときの吸収
が大きいため長くすることができない。従って、開口径
も大きくすることができない。

【００１８】そこで、この発明の目的とするところは、
エネルギ強度を増大させることができて、Ｓ／Ｎの向上
を図ることができ、かつ、これを低コストで実現できる
ようにした超音波顕微鏡装置を提供することにある。ま
た、所望の角度で超音波の入出射を可能にする超音波顕
微鏡装置を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明はつぎのように構成する。すなわち、第１に
は高周波信号を超音波送受手段に与え、収束超音波に変
換して試料に照射し、また、反射超音波をこの超音波送
受手段により高周波電気信号に戻して受信信号とし、こ
の受信信号より超音波反射波のレベル対応の映像信号を
得るようにした超音波顕微鏡装置であって、超音波送受
手段は超音波を伝播させて収束させる音響レンズとこの
音響レンズに設けられる高周波信号‐超音波変換用の電
気‐音響変換素子より構成される超音波顕微鏡装置にお
いて、上記音響レンズは超音波出射端部側に凹球面部を
形成すると共に、当該超音波出射端部側に対向する他端
面側は球面に形成し、当該他端面に電気‐音響変換素子
を形成する構成とした。また、音響レンズは超音波出射
端部側に対向する他端面側に形成された球面と、上記超
音波出射端部側の凹球面は同心配置とするようにした。

【００２０】また第２には、上記音響レンズは超音波出
射端部側は平面に形成すると共に中央に凹球面部を形成
し、当該超音波出射端部側に対向する他端面側は放物面
に形成すると共に、上記超音波出射端部側の平面部分に
電気‐音響変換素子を配設する構成とした。また、音響
レンズはその超音波出射端部側に対向する他端面側に形
成された放物面と、上記超音波出射端部側の凹球面は焦
点位置が同位置配置構造とした。

【００２１】

【作用】このような構成において、上記第１の構成の場
合は、上記他端面側に設けた電気‐音響変換素子はその
方向が凹球面部に向き、しかも、伝播する超音波は凹球
面部に収束する方向となる。しかも、電気‐音響変換素
子を設ける位置により、凹球面部に入射する超音波の角
度は種々選択できることになる。

【００２２】よって、電気‐音響変換素子は超音波ビー
ムを細くしつつも、面積を大きくすることが可能であ
り、エネルギレベルの高い、しかも、細い超音波ビーム
を所望の角度で凹球面部より出射することができるよう
になる。

【００２３】また、球面を使用しているので、音響レン
ズの焦点距離は変えずにトランスデューサの面積を増加
させることができ、収束超音波のパワーアップと微細な
超音波ビームの照射を可能にして、しかも、サンプルに
対し、ある特定の角度より収束超音波を照射することが
できて、高分解能な、かつ、加工精度を必要以上確保す
る必要がないので、低コスト化が図れる等の特徴を有す
る超音波顕微鏡を提供できる。また、電気‐音響変換素
子を複数有する複雑な構成の音響レンズも容易に作成で
きる。

【００２４】また、上記第２の構成の場合、平面部分に
配設した電気‐音響変換素子より音響レンズの放物面に
向けて超音波を発生すれば、音響レンズを伝播した超音
波は放物面にて反射されて凹球面部に向かう。従って、
電気‐音響変換素子は超音波ビームを細くしつつも、面
積を大きくすることが可能であり、エネルギレベルの高
い、しかも、細い超音波ビームを所望の角度で凹球面部
より出射することができるようになる。

【００２５】また、放物面を使用して凹球面部分に超音
波を集め、凹球面部分から出射させるようにしているの
で、音響レンズの焦点距離は変えずにトランスデューサ
の面積を増加させることができ、収束超音波のパワーア
ップと微細な超音波ビームの照射を可能にして、しか
も、サンプルに対し、ある特定の角度より収束超音波を
照射することができて、高分解能な、かつ、加工精度を
必要以上確保する必要がないので、低コスト化が図れる
等の特徴を有する超音波顕微鏡を提供できる。また、電
気‐音響変換素子を複数有する複雑な構成の音響レンズ
も容易に作成できる。

【００２６】

【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実施例）図１は本発明による超音波顕微鏡装置の
概略的な構成を示すブロック図である。図において、１
は送信機であり、所定周波数の高周波信号（パルス）を
発生するものである。２はサーキュレータであり、入出
力される信号を分配するものであって、送信機１からの
出力高周波信号を当該サーキュレータ２に導き、サーキ
ュレータ２はこの高周波信号を本発明による音響レンズ
３０へと送り出す。音響レンズ３０はカップリング液体
より音伝搬速度の大きい固体物質でできている。

【００２７】音響レンズ３０には電気信号‐音波相互変
換機能を有するトランスデューサ（電気‐音響変換素
子）４０が設けてあり、サーキュレータ２から出力され
た高周波信号はこのトランスデューサ４０に与えられ、
当該トランスデューサ４０はこの印加された高周波信号
に対応した振動を起こす。

【００２８】そして、トランスデューサ４０からの当該
振動は超音波ＵＷとして音響レンズ３０に伝播し、この
音響レンズ３０の出射端より所定の焦点ｆ位置で収束さ
れるように偏向されて出射してゆく。この音響レンズ３
０から出射する超音波ＵＷを観察対象である試料５に当
て、反射波を観測する。

【００２９】なお、トランスデューサはＬｉＮｂＯ₃ や
ＺｎＯなどをスパッタまたは接着して形成する。本実施
例において使用する音響レンズ３０は背面端部が球面の
円錘柱状であり、その超音波出射端面（超音波入出射端
面）が凹球面３０ａとなっており、トランスデューサ４
０で変換された超音波ＵＷは音響レンズ３０を伝搬して
凹球面３０ａ部分にて偏向され、収束される。反射超音
波ＵＷは出射ルートと逆のルートを辿り、トランスデュ
ーサ４０に入る。

【００３０】音響レンズ３０の出射端と試料（サンプ
ル）５はカップラ液体（カップリング液体）６中に配置
する。そして、この音響レンズ３０の焦点ｆ位置に試料
５を配置しておくと、音響レンズ３０から出射した超音
波ＵＷは、この試料５にぶつかった際に出射超音波は反
射され、再び音響レンズ３０に戻る。そして、音響レン
ズ３０を伝播してトランスデューサ４０に達し、このト
ランスデューサ４０を振動させる。

【００３１】これにより、トランスデューサ４０は受け
た振動に対応した電気信号を発生する。このトランスデ
ューサ４０の発生した電気信号はサーキュレータ２に送
られ、サーキュレータ２はこれを受信機７側に送り出
す。受信機７ではこの電気信号を処理して反射超音波に
対応した輝度の信号にし、ＣＲＴ表示器等の映像表示装
置８に送る。

【００３２】試料５を送信超音波に対してＸＹ走査すれ
ば、超音波は試料５の表面をＸＹ走査することになるか
ら、その走査範囲の反射超音波を収集することができ、
映像表示装置に当該走査範囲の反射超音波による映像を
表示することができる。

【００３３】すなわち、画像表示用のフレームメモリを
用意し、超音波ビームで試料５の表面をＸＹ走査する際
に収集した反射超音波を、レベル対応のデータに変換
し、これをＸＹ走査位置に対応してフレームメモリ上の
該当画素位置に記憶し、映像表示装置の表示走査に同期
させながら読出して輝度信号化することにより、映像表
示装置に当該走査範囲の反射超音波による映像を表示す
ることができる。

【００３４】９はそのＸＹ走査のためのＸＹ駆動装置で
あり、コントローラ１０の制御のもとに、試料５を送信
超音波ＵＷに対してＸＹ走査する。また、音響レンズ３
０から出射した超音波ＵＷの焦点ｆ位置に試料５が来る
ように、音響レンズ３０の試料５に対する位置を調整す
る合焦装置１１があり、コントローラ１０の制御のもと
に、試料５に対する音響レンズ３０の離間距離を調整す
る。

【００３５】コントローラ１０は、送信機１や受信機７
の送受信制御、ＸＹ駆動装置９によるＸＹスキャン、合
焦装置１１による合焦位置の制御、ＸＹスキャンに伴う
反射超音波の受信信号をデータに変換して上記ＸＹスキ
ャン位置対応にフレームメモリ上の該当画素位置に記憶
する書き込み制御、輝度信号（映像信号）化のために映
像表示装置８の表示走査タイミングに合わせてフレーム
メモリからデータを読出す制御等を行う。

【００３６】本発明の超音波顕微鏡装置は基本的には従
来技術で説明した図１０の構成のものと変わらず、ま
た、音響レンズ３０に取り付けるトランスデューサ４０
も基本的な考え方は図１１を踏襲している。そして、図
１１の構成のトランスデューサ４０の基本的な考え方は
従来技術で説明したような問題点があるので、これを本
発明では音響レンズ３０の構造を含めて改善することに
より、解決した。

【００３７】従って、本発明の最も重要な部分である音
響レンズ３０の構造をトランスデューサ４０の構造を含
めてもう少し詳しく説明する。本発明の音響レンズ３０
の原理的構造を説明すると図２の如きである。すなわ
ち、図２（ａ）のように背面端面３０ｂが球面に加工さ
れ、出射端面３０ａが凹球面状の円錘柱状の構造のレン
ズで、音響レンズ３０の背面端面３０ｂに取り付けるト
ランスデューサは音響レンズ３０の背面端部３０ｂの面
積より小さい面積のトランスデューサ４０ａ，４０ｂを
用いる。

【００３８】トランスデューサ４０ａは超音波送信用の
ものであり、トランスデューサ４０ｂは超音波受信用の
ものである。従って、トランスデューサ４０ａを送信ト
ランスデューサ、トランスデューサ４０ｂは受信トラン
スデューサと呼ぶことにする。

【００３９】図２の如く、音響レンズ３０の背面端部３
０ｂは面形状を球面としてあり、円錘台状の出射端面の
先端の符号３０ａを付して示す部分は凹球面状としてあ
る。そして、球面と凹球面は互いに同心としてあり、球
面状の背面端面３０ｂに上述したトランスデューサ４０
ａ，４０ｂを設ける。

【００４０】音響レンズ３０の凹球面３０ａにおける特
定の角度範囲に音波を送信するときに、音響レンズ背面
端部を球面としたところにトランスデューサを設けるの
と、音響レンズ背面端部を平面としたところに設けるの
とでは、音響レンズ背面端部を球面とした方がトランス
デューサの面積が遥かに大きくとれる。

【００４１】これは球面の方が超音波ビームを収束方向
に向かわせるからであり、従って、音響レンズ３０の凹
球面３０ａにおける特定の角度範囲に音波を入射させる
目的で４０ａ，４０ｂのように小面積のトランスデュー
サを設けるときは、図１１で説明した従来の方式に比べ
て遥かに大面積を確保できるようになることから、トラ
ンスデューサ４０ａ，４０ｂの製造も容易となり、ま
た、高出力（高出力エネルギレベル）のトランスデュー
サとすることができる。

【００４２】本発明に使用する音響レンズ３０に設ける
送信トランスデューサ４０ａと受信トランスデューサ４
０ｂは、音響レンズ３０の背面端部の面に対して、取付
角度θを試料５における観察したい特定の領域の構成物
質の表面波励起の臨界角に合わせる。物質が等方体の場
合ではレイリー波の臨界角がある（図３）。

【００４３】図３は等方体に対する超音波ビームの入射
角と反射率の大きさの関係を示す図である。等方体にお
いて超音波ビームの入射角をレイリー臨界角の前後のＡ
で示す範囲に納めると、表面が特定の物質Ｘで覆われて
いる部分では反射信号が弱くなる。

【００４４】レイリー臨界角は物質により固有のもので
あり、物質により異なるから、たとえば、探査目的のあ
る特定の物質のレイリー臨界角で音波を出すような位置
関係に送信トランスデューサ４０ａを設けた音響レンズ
３０を製作する。また、この送信トランスデューサ４０
ａからの送信超音波の反射波を受信できるような位置に
受信ランスデューサ４０ｂを設けた音響レンズ３０とす
る。

【００４５】上記特定の物質Ｘ中に不純物が混じった試
料（サンプル）５をこの音響レンズ３０を用いた超音波
顕微鏡装置で測定してみる。超音波ビームは円錘状であ
ると仮定できから、その断面の位置によりビーム角度が
幾分異なることにより、ビーム入射角はビーム断面の中
心位置から離れるに従い、レイリー臨界角よりずれる。
従って、試料５を前記音響レンズ３０を用いた超音波顕
微鏡装置で測定してみると、表面が前記特定の物質Ｘで
覆われている部分では試料５からの超音波反射信号はそ
の位相が図３におけるレイリー臨界角を中心とする反射
率のように変形するため、受信信号はこの変形された反
射率の範囲で積分したものになり、互いに打ち消し合っ
て弱くなる。

【００４６】一方、物質Ｘ以外の不純物の部分ではこの
ようなことが起らないため、不純物のところが明るくな
るような画像が得られ、試料５における物質Ｘの分布解
析ができる。

【００４７】等方体では、直入射からθ度傾いた位置か
ら出射した音波は、図２の（ｂ）におけるψ（超音波ビ
ームの物質入射面に対する広がり方向（放射方向）での
入射角度）に無関係に、同じ信号が戻って来るので、図
２の原理的構成を発展させて図４に示すような環状（リ
ングドーナツ状）の送受トランスデューサ４０を送信用
および受信兼用のトランスデューサ（送受トランスデュ
ーサ）として採用すれば同じ結果が得られる。

【００４８】そして、環状としたことにより、得ること
のできる対凹球面入射角θも図２のものと変わらないば
かりか、図２のように小さなトランスデューサ４０ａ，
４０ｂを音響レンズ３０に取り付ける構成のように、ト
ランスデューサ面積が小さくなる問題（エネルギ強度が
低い、製作が難かしい）を解消する。

【００４９】しかもこの場合、送受トランスデューサ４
０は図２の原理的構成のものに比べてその面積が広くな
った分、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が良い。そして、送受
トランスデューサ４１が取り付けられる音響レンズ３０
の背面端部は球面になっているため、送受トランスデュ
ーサ４０の面積が大きくなっても音響レンズ３０内では
出射端部に向かって収束するように伝搬するので、音響
レンズ３０の出射端部からは、その凹球面部分より収束
されて出射されるようになる。

【００５０】故に、より大きなエネルギレベルでの超音
波ビームの送信ができ、音響レンズ３０の加工精度を従
来と同じものとした場合に、従来のものより高いＳ／Ｎ
を有する超音波顕微鏡装置を低コストで実現できる。

【００５１】なお、図５に符号４１を付して示すよう
に、音響レンズ３０の凹球面部分に対する超音波ビーム
入射角度位置が種々とれるように、球面の背面端面の種
々の位置に送受トランスデューサを設けた複数組構成の
送受トランスデューサ構成として、これら複数の送受ト
ランスデューサ４１のうち、所望の一つを選択して送受
信に使用できるような構成にしておくと、試料に対する
様々な超音波ビーム出射角度が選べるようになるので、
様々な臨界角に合わせて超音波ビーム照射角度が選べる
ようになり、組成が異なる様々な試料（サンプル）５の
測定に対応できるようになる。

【００５２】以上、第１実施例は音響レンズの背面端部
を球面にすると共に、当該音響レンズの背面端部に設け
る送受トランスデューサを環状として、従来技術の問題
点を解消したものである。

【００５３】（第２実施例）第２実施例は音響レンズ３
０の背面端面のトランスデューサを、図６のように円板
状の送受トランスデューサ４０Ａとしたものである。

【００５４】円板状の送受トランスデューサ４０Ａとす
ることにより、大面積トランスデューサとすることがで
きる。この大面積送受トランスデューサ４０Ａを使用す
ると、カップリング液体で収束した音波のパワーが強く
なり、非線型効果で分解能が一層向上する。

【００５５】（第３実施例）つぎに超音波顕微鏡装置に
用いる音響レンズ３０を、送受トランスデューサを含め
て図７のような構成とすることもできる。図７において
は、背面端部を放物面３０ｂとすると共に、出射端部側
の面を平面とし、出射端部側の平面中央に凹球面３０ａ
を形成した音響レンズとする。そして、凹球面３０ａと
放物面３０ｂは共通の焦点ｆを持つようにする。

【００５６】そして、図７に示すように、送信用および
受信用のトランスデューサ４２，４３を音響レンズ３０
の出射端部側の平面に配置する。音響レンズ３０の凹球
面３０ａと放物面３０ｂは共通の焦点ｆを持つように構
成されているので、送信用のトランスデューサ４２から
発生された超音波は音響レンズ３０内を伝播して放物面
３０ｂにぶつかると再び音響レンズ３０内を凹球面３０
ａの焦点位置方向へと向かい、凹球面３０ａから外部へ
と出射する。そして、反射波は音響レンズ３０の凹球面
３０ａより音響レンズ３０内に入射し、音響レンズ３０
内を伝播してその放物面３０ｂにぶつかり、放物面３０
ｂで反射されて受信用のトランスデューサ４３へと入っ
て電気信号に変換される。

【００５７】このように、凹球面３０ａと放物面３０ｂ
の焦点が共通の焦点ｆとなるようにした音響レンズ３０
では、下部の平面部（出射端部側の平面）に送信用およ
び受信用のトランスデューサ４２，４３を設けることに
より、第１実施例と同じ効果を持つ音響レンズを作るこ
とができる。この場合、トランスデューサ設置面は平面
なので、スパッタによりＺｎＯ（酸化亜鉛）によるトラ
ンスデューサを形成するときには、曲面に形成するより
も効率の良いトランスデューサの形成工程を実現でき
る。そして、このことは、装置のコストダウンに反映さ
れる。

【００５８】送信用トランスデューサ４２と受信用トラ
ンスデューサ４３を別々に形成すると、発生させること
ができる超音波のエネルギレベルを十分、あげられない
心配がある。この場合には、これを解決するために、ト
ランスデューサ４２，４３を図８（ａ），（ｂ）に示す
ように図４の場合と同様、環状トランスデューサ４０と
して送受兼用として、音響レンズ３０の出射端部側の平
面部に形成する構成を採用すると良い。

【００５９】図８（ａ），（ｂ）に示すような構成にす
ると、それぞれ先の実施例で説明したものと同様の効果
が得られると共に、トランスデューサの形成は平面部に
施されるので、形成容易であると云った効果も得られる
ことになる。

【００６０】発生させることができる超音波のエネルギ
レベルに問題がなければ、勿論、図８（ｃ）に示すよう
な位置を異ならせてトランスデューサを複数配置する構
成とすることもでき、この場合、図５で説明したと同様
の効果が得られることになる。

【００６１】（第４実施例）つぎに第３実施例のような
構造の音響レンズ３０を用いた超音波顕微鏡装置の応用
例を第４実施例として説明する。第３実施例のような共
通の焦点ｆを持つ凹球面３０ａと放物面３０ｂを有する
音響レンズ３０では、送信用のトランスデューサ４２と
受信用のトランスデューサ４３を音響レンズ３０に対し
て移動可能な構成とすれば、凹球面３０ａからの超音波
出射角度θを自由に調整することが可能になり、また、
反射波を受信用のトランスデューサ４３で捕らえること
ができる。

【００６２】これは送信用のトランスデューサ４２と受
信用のトランスデューサ４３のようにトランスデューサ
が送受別体となったものばかりでなく、送受兼用のトラ
ンスデューサとした場合も同様であり、従って、環状、
円形状の送受兼用のトランスデューサにも適用できる。

【００６３】図９に示すように、第３実施例のような構
造の音響レンズ３０の下面、出射端部側の平面側に、ト
ランスデューサ４０を移動機構５１付の別体として配設
し、音響レンズ３０は固定支持装置５２により別途保持
させる。移動機構５１はトランスデューサ４０を音響レ
ンズ３０の下面側における出射端部側の平面側に沿って
位置移動が可能なように保持しており、測定者の望む位
置にトランスデューサ４０を移動調整することが可能で
ある。

【００６４】音響レンズ３０の下面側にはトランスデュ
ーサ４０の位置より遠方に試料（サンプル）５が配置さ
れる。そして、トランスデューサ４０を試料５に対して
超音波ビーム入射方向が所望の角度θとなるように、ま
た、角度θで反射波を受信でいる位置に移動して固定す
る。

【００６５】もちろん、トランスデューサ４０と音響レ
ンズ３０との間、音響レンズ３０と試料５との間にはカ
ップリング液体６を介在させて超音波伝播を確保する。
また、図９（ｂ）に符号５３を付して示す反射防止膜を
音響レンズ３０に付けて、当該反射防止膜５３とトラン
スデューサ４０との間、反射防止膜５３と試料５との間
間を６カップリング液体で満たすようにしても良い。

【００６６】この方法によれば、試料に対して超音波ビ
ーム入射方向が所望の角度θをとることができるので、
任意の成分の試料の観察に利用できる。以上のように、
本発明は超音波を伝播させる音響レンズの超音波伝播方
向軸線一端側を背面部、他端側を超音波出射端部面と
し、これらのうち、上記背面部を球面状に突出させて形
成し、上記背面部に対向する音響レンズの超音波出射端
部面には凹球面部を形成すると共に、上記背面部には電
気信号‐振動に変換するトランスデューサを形成して構
成したものである。また、音響レンズは超音波出射端部
側に対向する他端面側に形成された球面と、上記超音波
出射端部側の凹球面は同心配置とするようにしたもので
ある。

【００６７】従って、上記背面部側に設けた電気‐音響
変換素子はその方向が凹球面部に向き、しかも、伝播す
る超音波は凹球面部に収束する方向となる。しかも、電
気‐音響変換素子を設ける位置により、凹球面部に入射
する超音波の角度は種々選択できることになる。

【００６８】よって、音響レンズは超音波ビームの入出
射端面である凹球面部の開口径が同じであっても、電気
‐音響変換素子は面積をより大きくすることが可能であ
り、エネルギレベルの高い、しかも、超音波ビームを所
望の角度で凹球面部より出射することができるようにな
る。また、音響レンズは球面若しくは放物面を使用して
いるので、トランスデューサの面積を増加させることが
できて、しかも、サンプルに対し、所望のある特定の角
度より収束超音波を照射する構成とすることが容易にで
きて、Ｓ／Ｎの改善を図ることができ、所望の物質の分
布測定なども容易に行うことができる装置を、低コスト
で実現できるようになる。

【００６９】また、上記背面部を放物面状に突出させて
形成し、上記背面部に対向する音響レンズの超音波出射
端部面は平坦面にすると共に、当該平坦面の中央には凹
球面部を形成し、上記放物面と凹球面とは同一焦点位置
となるように構成し、上記平坦面に電気‐音響変換素子
は配設した。

【００７０】そして、平面部分に配設した電気‐音響変
換素子より音響レンズの放物面に向けて超音波を発生す
れば、音響レンズを伝播した超音波は放物面にて反射さ
れて凹球面部に向かうことになり、従って、電気‐音響
変換素子は面積を大きくすることが可能となって、エネ
ルギレベルの高い、しかも、所望の角度で凹球面部より
超音波ビームを出射することができるようになる。

【００７１】従って、本発明によれば、高Ｓ／Ｎな観測
が可能で、かつ、加工精度を必要以上確保する必要がな
いので、低コスト化が図れる他、所望角度で超音波入出
射が可能である等の特徴を有する超音波顕微鏡を提供で
きる。

【００７２】なお、本発明は上述した実施例に限定する
ことなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して
実施し得るものである。例えば、上述した放物面は焦点
ｆ位置からの信号がその面で反射して近似的に平面波に
なるような球面などとすることも可能である。

【００７３】

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明によれ
ば、トランスデューサの面積を大きく確保することがで
き、出射超音波ビームのエネルギ強度を増大させること
ができて、Ｓ／Ｎの向上を図ることができ、かつ、これ
を低コストで実現できると共に、所望の角度から超音波
ビームの入出射できるようにした超音波顕微鏡装置を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を説明するための図であって、
本発明の第１実施例の全体構成を示すブロック図。

【図２】本発明の実施例を説明するための図であって、
本発明の第１実施例における要部構成を説明するための
図。

【図３】本発明の実施例を説明するための図であって、
物質の超音波反射率における臨界角の例を説明するため
の図。

【図４】本発明の実施例を説明するための図であって、
第１実施例に使用する環状（リングドーナツ状）の送受
トランスデューサ４０を用いた音響レンズを示す斜視
図。

【図５】本発明の実施例を説明するための図であって、
球面の背面端面の種々の位置に送受トランスデューサを
設けた複数組構成の送受トランスデューサを有する音響
レンズの構成例を示す斜視図。

【図６】本発明の実施例を説明するための図であって、
円板状の送受トランスデューサを用いた音響レンズを示
す斜視図。

【図７】本発明の実施例を説明するための図であって、
背面端部を放物面とすると共に、出射端部側の面を平面
とした構造の音響レンズを示す斜視図。

【図８】本発明の実施例を説明するための図であって、
背面端部を放物面とすると共に、出射端部側の面を平面
とした構造の音響レンズに使用するトランスデューサの
構成例を示す斜視図。

【図９】本発明の実施例を説明するための図であって、
第４実施例を説明するための概略的な構成図。

【図１０】従来技術を説明するための図であって、従来
の超音波顕微鏡装置の構成を示すブロック図。

【図１１】従来技術を説明するための図であって、従来
の超音波顕微鏡装置に適用する微細超音波ビームを所望
角で送出するための音響レンズおよびトランスデューサ
の構成を説明する図。

【符号の説明】

１…送信機 ２…サーキュレータ ５…試料（サンプル） ６…カップラ液体（カップリング液体） ７…受信機 ８…映像表示装置 ９…ＸＹ駆動装置 １０…コントローラ １１…合焦装置 ３０…音響レンズ ３０ａ…凹球面 ３０ｂ…放物面 ４０，４０Ａ，４２，４０ａ，４０ｂ，４３…トランス
デューサ ５１…トランスデューサの移動機構 ５２…固定支持装置 ｆ…焦点 ＵＷ…超音波

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高周波信号を超音波送受手段に与え、収
   束超音波に変換して試料に照射し、また、反射超音波を
   この超音波送受手段により高周波電気信号に戻して受信
   信号とし、この受信信号より超音波反射波のレベル対応
   の映像信号を得るようにした超音波顕微鏡装置であっ
   て、超音波送受手段は超音波を伝播させて収束させる音
   響レンズとこの音響レンズに設けられる高周波信号‐超
   音波変換用の電気‐音響変換素子より構成される超音波
   顕微鏡装置において、 上記音響レンズは超音波出射端部側に凹球面部を形成す
   ると共に、当該超音波出射端部側に対向する他端面側は
   球面若しくは放物面に形成し、当該他端面に電気‐音響
   変換素子を形成することを特徴とする超音波顕微鏡装
   置。