JPH0943208A - 超音波顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】音響レンズの内部反射と試料反射とのタイミン
グが接近しているときでも増幅器飽和の影響を受けずに
反射信号を増幅すること。 【解決手段】高周波バースト波からなる送信バースト信
号を出力する送信手段１と、送信バースト信号を電気音
響変換により超音波に変換して試料６に入射させると共
に該試料６からの反射波を受信して電気的な受信信号を
出力する超音波送受信手段２，４，５と、受信信号から
目的の信号成分を抽出する抽出手段３と、抽出手段３で
抽出した抽出信号から高周波のみを取り出すハイパスフ
ィルター９と、ハイパスフィルター９から出力された信
号を増幅する増幅器１０と、増幅器１０から出力された
信号の強度又は位相情報を保存する記憶手段１３と、前
記超音波で試料を２次元走査する走査手段１６とを備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体の内部を観察
することのできる超音波顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、被検体の内部状態を非破壊で
観察する装置として超音波顕微鏡が知られている。従来
の超音波顕微鏡は、電気的なバースト波を音響レンズに
入力して超音波に変換し、音響レンズから液槽内（一般
には水槽内）に沈められた試料に超音波を照射し、試料
からの反射波を受信して電気信号（以下、「受信信号」
と呼ぶ）に変換する。この受信信号は、探触子での電気
音響変換による損失、超音波がカプラ液体を伝播すると
きに受ける吸収、試料内部での吸収、散乱、試料の反射
率の大小等により送信パルス波に対して非常に小さくな
るので、一般には音響レンズから出力される受信信号を
増幅器で増幅している。

【０００３】ところで、増幅器で増幅した受信信号に
は、図５（ａ）で示すように、目的とする試料反射成分
の他に音響レンズ面での反射成分（レンズ内部反射）が
存在している。このレンズ内部反射を含む受信信号から
目的とする試料反射成分を抽出するために、図５（ｂ）
に示すように送信時を基準として一定時間遅れた信号を
用いて試料反射成分の部分にゲートをかけ信号抽出して
いる。この抽出された試料反射信号を強度検波し、デジ
タル信号に変換してメモリに記憶する。このようにして
メモリに記憶されたデジタル信号は試料の１点の情報で
あるので、超音波の試料への入射方向（ｚ方向）に対し
て垂直な平面で音響レンズと試料を相対的に２次元走査
して以上の動作を繰り返すことにより試料の画像情報を
得ることができる。

【０００４】また、試料反射信号は、試料のＺ方向の異
なる深さ位置での音響情報が時系列的に連なっているの
で、該試料反射信号を所定の時間幅と時間間隔でサンプ
リングすれば、深さの異なった複数の画像を得ることが
できる。特開平２−５５９４９号には、ゲート信号を複
数個異なるタイミングで作り深さの異なった複数の画像
を得る方法が記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような超音波顕微鏡には次のような欠点があった。超音
波が液体中を伝播する時に受ける吸収は周波数の２乗の
指数で大きくなっていく。この吸収による超音波の減衰
の影響を少なくするため、周波数が高くなるほど焦点距
離を短くしているが、それでも例えば２００ＭＨｚに対
して１ＧＨｚでは試料の反射信号が３０〜４０ｄＢも小
さくなる。一方、音響レンズ内の反射は高周波用ではレ
ンズ材としてサファイアを使用することが多いために周
波数が高くなってもあまり吸収されない。このため、１
ＧＨｚのような高周波では音響レンズの内部反射信号の
方が試料の反射信号よりも格段に大きい。このために、
試料反射信号に対して適切な増幅率となるように増幅器
の増幅率を設定すれば、増幅器が音響レンズ内部反射で
飽和してしまう。

【０００６】また、音響レンズの焦点距離が短くなると
音響レンズの第１内部反射と試料反射とが接近する。焦
点距離が１００μｍの場合、カプラ液体の音速を１５０
０ｍ／ｓｅｃとすると両者の反射タイミングの差は１３
０ｎｓｅｃ、焦点距離５０μｍでは７０ｎｓｅｃ位にな
る。このために、音響レンズ内部反射で飽和した増幅器
が回復しないうちに試料反射が増幅器に入るので、図４
に示すように試料反射波が正常に増幅されないという不
具合が生じる。

【０００７】これに対して増幅器で増幅する前にゲート
で目的の信号を抽出する方法が考えられるが、ゲートを
かけても目的以外の反射を完全に除去することはでき
ず、３０ｄＢ程度小さくするにすぎない。一方、増幅器
では７０〜８０ｄＢ程度増幅する必要があるのでゲート
から漏れた不要反射によって増幅器が飽和することも考
えられる。

【０００８】本発明は、以上のような実情に鑑みてなさ
れたもので、音響レンズ内部反射と試料反射のタイミン
グが接近するような高周波であっても、レンズ内部反射
による増幅器の飽和の影響を受けずに試料反射が増幅さ
れるような超音波顕微鏡を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために以下のような手段を講じた。請求項１に対
応する本発明は、高周波バースト波からなる送信バース
ト信号を出力する送信手段と、前記送信手段から与えら
れる送信バースト信号を電気音響変換により超音波に変
換して試料に入射すると共に該試料からの反射波を受信
して電気的な受信信号を出力する超音波送受信手段と、
前記超音波送受信手段から出力された受信信号から目的
の信号成分を抽出する抽出手段と、前記抽出手段で抽出
した抽出信号から高周波のみを取り出すハイパスフィル
ターと、前記ハイパスフィルターから出力された信号を
増幅する増幅器と、前記増幅器から出力された信号の強
度又は位相情報を保存する記憶手段と、前記超音波で試
料を２次元走査する走査手段とを備える。

【００１０】本発明の超音波顕微鏡によれば、超音波送
受信手段で受信した反射波成分を含んだ受信信号を増幅
する前に抽出手段でゲートをかける等して試料からの反
射信号のみを抽出することができる。ここで、抽出手段
でゲートをかけ抽出した信号は、図３に示すように試料
の反射信号の他にゲートによって生じる信号（ゲートノ
イズ）がある。このまま増幅するとゲートノイズで増幅
器が飽和することになるが、この信号は比較的低周波成
分が多いのでハイパスフィルタでゲートによるノイズを
除去してから増幅することにより、増幅器を飽和させる
ことなく抽出信号を増幅できる。

【００１１】請求項２に対応する本発明は、高周波バー
スト波からなる送信バースト信号を出力する送信手段
と、前記送信手段から与えられる送信バースト信号を電
気音響変換により超音波に変換して試料に入射させると
共に該試料からの反射波を受信して電気的な受信信号を
出力する超音波送受信手段と、前記受信信号が出力され
る前記超音波送受信手段の出力側に設置され直列接続さ
れた複数の増幅器と、前記各増幅器の前段にそれぞれ設
置され入力信号から目的の信号成分を抽出する複数のゲ
ート回路と、前記各ゲート回路の後段に設置され対応す
るゲート回路の出力信号から高周波のみを取り出す複数
のハイパスフィルターと、最終段の増幅器から出力され
た抽出信号の強度又は位相情報を保存する記憶手段と、
前記超音波で試料を２次元走査する走査手段とを備え
る。

【００１２】本発明によれば、超音波送受信手段から出
力される受信信号を増幅する前にゲート回路でゲートを
かけて試料からの反射信号のみを抽出する。抽出した信
号をそのまま増幅するとゲートノイズで増幅器が飽和す
ることになるが、この信号は比較的低周波成分が多いの
でハイパスフィルタでゲートによるノイズを除去してか
ら１０〜３０ｄＢ増幅する。増幅後、後段のゲート回路
で再びゲートをかけてさらにハイパスフィルタでゲート
ノイズを除去し１０〜３０ｄＢ増幅を行う。ゲート回
路、ハイパスフィルタ、増幅器からなるユニットの段数
を、目的とする増幅率が得られる数に設定しておく。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図１は、本発明を超音波顕微鏡に適用した
第１の実施形態を示している。実施形態として示す超音
波顕微鏡は、電気的なバースト信号を発生する送信部
１、バースト信号を電気音響変換すると共に反射波を電
気的な受信信号に変換するトランスデューサ２、送信部
１から出力されたバースト信号をトランスデューサ２に
通すと共にトランスデューサ２からの受信信号をゲート
部３側へ通すサーキュレータ４を備えている。トランス
デューサ２で発生した超音波バースト波を音響レンズ５
が微小スポットに収束させている。

【００１４】音響レンズ５から送波される超音波の焦点
付近には、試料６が液槽７中に置かれている。液槽７内
には、音響レンズ５と試料６との間に超音波を伝えるた
めのカプラ液体８が満たされている。

【００１５】試料６で反射した超音波は再びカプラ液体
８、音響レンズ５を通りトランスデューサ２で電気的な
受信信号に変換されサーキュレータ４を通ってゲート部
３に入力する。ゲート部３は入力した受信信号から目的
の信号成分を抽出するように動作する。ゲート部３の出
力段に低周波を除去するためのハイパスフィルタ９が接
続されている。ハイパスフィルタ９の出力段には増幅器
１０が接続されている。増幅器１０の出力段に接続され
たピーク検波部１１が抽出反射波のピーク値を保持する
ようになっている。保持された信号の出力をＡ／Ｄ変換
部１２でデジタル信号に変換してから画像メモリ１３に
記録している。

【００１６】画像メモリ１３には超音波の画像を表示す
る表示部１４と表示の制御等を行うためのコンピュータ
１５が接続されている。なお、試料６はＸ−Ｙ走査部１
６によって音響レンズ５に対して相対的にＸＹ走査でき
るようになっている。全体のタイミングはパルス制御部
１７によって制御されている。

【００１７】以下、本実施形態の動作について図３に示
すタイムチャートに基づき説明する。コンピュータ１５
から測定開始指令を受けたパルス制御部１７から送信部
１に送信トリガが入力され、送信部１から送信トリガに
同期してバースト信号が発生される。その発生したバー
スト信号はサーキュレータ４を通り、トランスデューサ
２で超音波に変換され、その超音波が音響レンズ５によ
りカプラ液体８中で収束されて試料６に入射する。

【００１８】試料６に入射して反射した超音波は反射波
として音響レンズ５に入射し、音響レンズ５を通りトラ
ンスデューサ２で電気的な反射信号に変換される。反射
信号はサーキュレータ４を通ってゲート部３に入力す
る。サーキュレータ４を通ってゲート部３に入力する受
信信号（反射信号を含む）には、図３（ａ）に示すよう
に、送信漏れ、レンズ内反射、試料反射等の成分が含ま
れている。

【００１９】ゲート部３ではパルス制御部１７から出力
される送信トリガから材料反射が検出されるまでの一定
時間遅延した図３（ｂ）に示すタイミングのゲート信号
で、試料反射成分を抽出する（図３（ｃ））。ゲート部
３の出力にはこの抽出された反射信号の他にゲートのオ
ン、オフによって生じる信号（ゲートノイズ）が含まれ
ている（図３（ｃ））。ゲートのオン、オフによって生
じるゲートノイズの周波数成分は通常２００ＭＨｚ〜５
００ＭＨｚ位である。ハイパスフィルタ９のカットオフ
周波数を５００ＭＨｚにしておけば、当該ハイパスフィ
ルタ９をゲート部３の出力信号が通ることで図３（ｄ）
のようにゲートノイズが除去される。ゲートノイズが除
去された抽出信号は増幅器１０で増幅されピーク検波部
１１に入力される。ピーク検波部１１では入力された試
料反射信号のその正のピークが保持され（図３
（ｅ））、Ａ／Ｄ変換部１２でデジタル信号に変換され
て画像メモリ１３に保存される。

【００２０】このようにして得られた情報は、試料６の
表面に対して平行なＸＹ面の１点での情報である。二次
元の情報を得るために、Ｘ−Ｙ走査部１６によって試料
６を音響レンズ５に対して２次元走査し、上記の動作を
繰り返し行う。これにより画像メモリ１３に二次元の画
像情報を記録させることができる。このようにして画像
メモリ１３に記録された超音波画像データはコンピュー
タ１４からの命令で表示部１５に表示される。

【００２１】この様に本実施形態によれば、増幅器１０
を通る前にゲート部３で目的の信号成分を抽出し、ゲー
ト部３のゲートノイズをハイパスフィルタ９で除去して
から増幅する構成としたので、試料反射等の目的の信号
がゲートノイズ等の他の信号によって生じる増幅器１０
の飽和の影響を受けることなく増幅され、良質な超音波
画像情報を取得することができる。

【００２２】上記した実施形態では、強度検波の場合の
みを示したが、特開平５−２６８５４号に記載されてい
るように、強度検波を行う代わりに位相検波を行うよう
にしても良い。また、強度検波の方式もピーク検波の代
わりに包絡線検波を使うことも考えられる。

【００２３】図２は、本発明を超音波探傷装置に適用し
た第２の実施形態を示している。なお、前述した図１に
示す超音波探傷装置と同一機能を有する部分には同一符
号を付している。

【００２４】この実施形態で示す超音波探傷装置は、ト
ランスデューサ２が反射超音波を電気信号に変換した受
信信号を出力するサーキュレータ４の出力段に、目的の
信号成分を抽出するための第１のゲート部３ａが接続さ
れている。この第１のゲート部３ａの出力段には低周波
を除去する第１ハイパスフィルタ９ａが接続されてい
る。この第１ハイパスフィルタ９ａの出力段には第１の
増幅器１０ａが接続されており、その出力段に第２のゲ
ート部３ｂが接続されている。第２のゲート部３ｂでは
再び目的の信号の抽出をする。第２のゲート部３ｂの出
力段には第１のハイパスフィルタ９ａと同じ特性を持つ
第２ハイパスフィルタ９ｂが接続されている。第２ハイ
パスフィルタ９ｂの出力を増幅するように第２の増幅器
１０ｂが接続されている。第２の増幅器１０ｂの出力段
に接続されたピーク検波部１１以降の構成は前述した第
の実施形態と同様である。

【００２５】以下、本実施形態の動作について図３に示
すタイムチャートに基づき説明する。パルス制御部１７
から送信部１に送信トリガが入力されると、送信部１か
らバースト信号を発生される。その発生したバースト信
号はサーキュレータ４を通り、トランスデューサ２で超
音波に変換され、その超音波が音響レンズ５によりカプ
ラ液体８中で収束されて試料６に入射する。

【００２６】試料６に入射した超音波がそこで反射して
再び音響レンズ５を通り、トランスデューサ２で電気的
な反射信号に変換され、サーキュレータ４を通って第１
のゲート部３ａに入力する。

【００２７】第１のゲート部３ａでは、図３（ａ）に示
す受信信号に対してパルス制御部１７から出力される送
信トリガから試料反射が検出されるまでの一定時間遅延
した図３（ｂ）に示すタイミングのゲート信号で、試料
反射信号を抽出する。第１のゲート部３ａの出力にはこ
の抽出された反射信号の他に、図３（ｃ）に示すように
ゲートのオン、オフによって生じる信号が含まれてい
る。第１のハイパスフィルタ９ａのカットオフ周波数を
ゲートノイズの周波数成分よりも高くしておけば、第１
のハイパスフィルタ９ａを第１のゲート部３ａの出力が
通ることで図３（ｄ）のようにゲートノイズが除去され
る。

【００２８】ゲートノイズが除去された抽出信号は第１
の増幅器１０ａで増幅された後、第２のゲート部３ｂに
入力する。第２のゲート部３ｂで、第１のゲート部３ａ
と同じタイミングのゲート信号を使って再び試料反射成
分の抽出が行われる。第２のゲート部３ｂの出力にもゲ
ートのオン、オフ信号が含まれているので第２のハイパ
スフィルタ９ｂでゲート信号を除去し、第２の増幅器１
０ｂで増幅する。増幅された信号はピーク検波部１１に
入力され、以下前述した第１の実施形態と同様にして試
料反射成分のデジタル値が画像メモリ１３に保存され
る。

【００２９】この様に本実施形態によれば、増幅器を通
る前にゲートで目的の反射を抽出し、ゲートによるノイ
ズをハイパスフィルタで除去してから増幅する複数の回
路を直列に接続し、ゲートの漏れによって増幅器が飽和
しないようにすることで、目的の信号が他の信号によっ
て生じる増幅器の飽和の影響を受けなくなった。

【００３０】本実施形態によれば、受信信号から抽出し
た試料反射成分を複数回に分けて増幅することができる
ので、個々の増幅器の増幅率を飽和しない範囲内に抑え
ながら最終的に必要な大きさの増幅率を確保することが
できる。

【００３１】もちろん、本発明は上記実施形態に限定さ
れるものではない。本実施形態ではゲートとハイパスフ
ィルタと増幅器の構成を２組としたが必要な増幅率に応
じていくつにしてもよい。

【００３２】さらに、本実施形態では強度検波の場合の
みを示したが、特開平５−２６８５４号のように強度検
波を行う代わりに位相検波を使うことも考えられる。ま
た、強度検波の方式もピーク検波の代わりに包絡線検波
を使うことも考えられる。本発明は上記実施形態に限定
されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内
で種々変形実施可能である。

【００３３】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、超
音波送受信手段から出力される受信信号に直接ゲートを
かけ、ゲートによって生じるノイズをハイパスフィルタ
で除去してから増幅する構成としたので、１ＧＨｚ以上
の周波数を使用した場合のように音響レンズの内部反射
と試料反射とのタイミングが接近しているときでも増幅
器飽和の影響を受けずに反射信号の増幅が可能となっ
た。

【００３４】本発明によれば、受信信号から目的の反射
信号を抽出するのにゲートをかけ、ゲートによって生じ
るノイズをハイパスフィルタで除去してから増幅する構
成を複数組重ねることとしたので、音響レンズの内部反
射と試料反射とのタイミングが接近しているときでも増
幅器飽和の影響を受けずに反射信号の増幅が可能とな
り、ゲートからの漏れによって増幅器が飽和することも
なくすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波探傷装置
の構成図である。

【図２】本発明の第２の実施形態に係る超音波探傷装置
の構成図である。

【図３】第１，第２の実施形態の超音波探傷装置におけ
るタイムチャートである。

【図４】試料反射波が正常に増幅されない不具合を示す
図である。

【図５】受信信号波形とゲート信号タイミングとを示す
図である。

【符号の説明】

１…送信部、２…トランスデューサ、３…第１のゲート
部、４…サーキュレータ、５…音響レンズ、６…試料、
９…ハイパスフィルタ、１０…増幅器、１１…ピーク検
波部、１２…Ａ／Ｄ変換部、１３…画像メモリ、１４…
表示部、１５…コンピュータ、１６…Ｘ−Ｙ走査部、１
７…パルス制御部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高周波バースト波からなる送信バースト
   信号を出力する送信手段と、 前記送信手段から与えられる送信バースト信号を電気音
   響変換により超音波に変換して試料に入射させると共に
   該試料からの反射波を受信して電気的な受信信号を出力
   する超音波送受信手段と、 前記超音波送受信手段から出力された受信信号から目的
   の信号成分を抽出する抽出手段と、 前記抽出手段で抽出した抽出信号から高周波のみを取り
   出すハイパスフィルターと、 前記ハイパスフィルターから出力された信号を増幅する
   増幅器と、 前記増幅器から出力された信号の強度又は位相情報を保
   存する記憶手段と、 前記超音波で試料を２次元走査する走査手段とを具備し
   たことを特徴とする超音波顕微鏡。
2. 【請求項２】 高周波バースト波からなる送信バースト
   信号を出力する送信手段と、 前記送信手段から与えられる送信バースト信号を電気音
   響変換により超音波に変換して試料に入射させると共に
   該試料からの反射波を受信して電気的な受信信号を出力
   する超音波送受信手段と、 前記受信信号が出力される前記超音波送受信手段の出力
   側に設置された直列接続された複数の増幅器と、 前記各増幅器の前段にそれぞれ設置され入力信号から目
   的の信号成分を抽出する複数のゲート回路と、 前記各ゲート回路の後段に設置され対応するゲート回路
   の出力信号から高周波のみを取り出す複数のハイパスフ
   ィルターと、 最終段の増幅器から出力された抽出信号の強度又は位相
   情報を保存する記憶手段と、 前記超音波で試料を２次元走査する走査手段とを具備し
   たことを特徴とする超音波顕微鏡。