JPS59104547A - 超音波顕微鏡の自動焦点調節装置 - 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】 本発明は超音波顕微鏡の自動焦点調節装置に関するもの
である。

超音波Ｍ（ｉ微鏡は従来種々の構成のものが提案されて
いる。り〕１図は反射形の超音波顕微鏡の基本構成を示
すもので、高周波パルス発生器１から発生された高周波
のバースト波電気信号はサーキュレータ２を介して圧電
トランスジューサ３に供給され、ここで電気信号から超
音波に変換されて音ン″；・レンズ〈超音波集束レンズ
）４および液体５を介してた査制祁装置６によりＸ軸お
よびＹ＠力方向二次元的に移動する試料台７上に載置さ
れた試料８上にノボッ［−状に投射される。この超音波
の反射波はＪＥＥ電トシトランスジューサ３り電気信号
に変換されてサーキュレータ２を介して信号処理回路９
に供給され、ここで音響レンズ４で集音される試料８か
らの反射波に対応する信号のみを抽出して増幅、検波し
、この検波信号を輝度信号として走査制御装置６からの
位置に関する信号と共にスキャンコンバータ１０に記録
した後、ＴＶモニタ１１上に表示させる。

このような超音波顕微鏡において、音響レンズ４を試料
８に対して垂直なＺ軸方向に変位させて試料８から十分
離れた位置から近づけていくと、信号処理回路９からは
第２図に示すような第１゜第２おにび第３の順次の極大
値１．］Ｉおよび■を有するいわゆるＶ２　カーブと吋
ばれる検波信号の強痕分布か得られる。第２図において
、＼／７か最大となる第２の極大値■の点ｆは１　Ｗレ
ンズ４が試料８に対して合焦状態にあるときにｊりられ
る。

そこで、従来は信号処理回路９の出力を４シロスコープ
等の測定器でモニタし、これを目視にＪ、り観察しなが
ら音響レンズ４を手８（こよりＺ軸方向に変位させて検
波信号レベルが最大となる位置（第２図の点ず）を探し
、この位置に音響レンズ４を召わせることにより、音響
レンズ４の試料８に対する焦点調節を行なっていた。

しかし、このような手動による焦点調節においては、操
作者か反射波検波イム号のレベルを観察しながら、例え
ば第２図の点ｄ、ｆおよびｈの第１〜第３の極大値１〜
■を憶え、これら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′６１Ａ哀が大きくな
り、これを押えるために音響レンズ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
ら最大反則点を探覆のが更に困難となる。また、操１′
「者はモニタを見ながら音響レンズ４を操作するため、
８−響しンス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、焦慮調節が極めて困難（’Ｃあるため
に、多数の試料を観察する場合に像のコン１〜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。

本発明の目的は上述した種々の不具合を解決し、従来手
動により行なわれていた超音波顕微鏡の焦点調節を自動
的に行ない得るよ°）適切に購成しＩだ超音波顕微鏡の
自動焦点調節装置を提供しようとするのである。

本弁明の超音波顕微鏡の自動焦点調節装置は、超音波顕
微鏡の音響レンズと試料との距離が変化する方向にこれ
らを相対的（こ変位させる手段と、周波数変調した高周
波信号を発生する手段と、この高周波信号をパルス振幅
変調Ｊる手段と、このパルス振幅変調された高周波信号
により前記音響レンズを経”τ（＋Ｕ記試料に投射され
た超音波の該試料からの音波を検出づ−る手段と、この
検出手段で検出した音波の周波数に対応する信号と前記
試料が前記音響レンズの（Ｊぼ焦点位置にあるとき該検
出手段から１ｑられる予じめ定めた音波の周波数に対応
する信号とを比較する手段と、この比較手段の出ツノに
基いて前記試料か前記音響レンズのほぼ焦点位置（こ位
置するように前記音響レンズと試料とを相対的に変位さ
せる手段を制御する手段とを具えることを特徴とするも
のである。

以下図面を参照して本発明の詳細な説明方−る。

第３図は本発明のｊｆｌ音波顕微鏡の自動焦点調節装置
の一例の構成を示ザものである。本例では高周波発生器
２１としで、超高周波の連続波および超高周波の周波数
変調波を選択的に発生ずるものを用いる。この高周波発
生器２１の出力は分配器２２に供給して三方し、一方は
高周波スイッチ２３を経てパルス振幅変調し、他方はア
ッテネータ２４に供給してレベル調整してミキサ２５に
供給する。高周波スイッチ２３の出力はザーキュレータ
２６を経て圧電トランスジューサ２７（二供給し、ここ
で電気信号から超音波に変換して音響レンズ２８　Ｊｉ
よひ液体２９を経て走査制御装置３０により音響レンズ
２８とＸ＠およびＹ軸方向（こ相対的に二次元的に移動
可能な試料台３１上【こ載置された試料３２上にスポッ
ト状（こ投射する。圧電トランスジューサ２７から発射
された超音波の反則波は、該圧電トランスジューサ２７
で受信して電気信号）こ変換し、サーギコレータ２６、
ゲート回路３３および高周波増幅器３４を経て分配器３
５に供給して三方し、一方は信号処理回路３６に供給し
、ここで検波等の所要の信号処理を行なって輝度信号と
し°Ｃ走査制御装置３０からの位置に関する信号と共に
スキャンコンバータ３７に供給して丁Ｖモニタ３８に表
示し得るようにし、他方１ユミキザ２５に供給してアッ
テネータ２４の出力と混合する。このミキサ２５の出力
はローパスフィルタ３つに供給し、ここで西周波成分を
除去しく周波数−電圧変換器４０に供給すると共に、中
間周波増幅器４１を経てピーク検波器４２に供給する。

本例では、音響レンズ２８おＪ：び試料台３１をＺ軸方
向に相対的に変位させるＺ軸方向駆動Ｖ：、置４３を設
け、これによる音響レンズ２８、試料台３１の７＠方向
の相対的移動およびその移動方向を、周波数−電圧変換
器４０ｄ５よひピーク検波器／＋２の出力に基いて制御
する。このため、周波数−電圧変換器４０の出力はコン
パレータ４４Ａの非反転入力端子に供給すると共に、コ
ンパレータ４４Ｂの反転入力端子に供給し、またピーク
検波器４２の出力はコンパレータ４４．　Ｃの相反転入
ノ〕端子に供給する。コンパレータ４４Ａの反転入力端
子Ｊ３よびコンパレータ４４Ｂの非反転入力端子ｌこ（
よそれぞれ電圧設定器ｔ５Ａおよび／１５Ｂで設定した
基準値を供給し、コンパレータ４４Ａの出力を増幅器４
６を経てＺ軸方向駆動装置４，３に供給すると共に、Ｏ
Ｒ回路４７の一方の入力端子に供給し、コンパレータ４
４Ｂの出力をＯＲ回路４７の他方の入力端子に供給する
。また、コンパレータ４４Ｃの反転入力端子には′重圧
設定器４５Ｃで設定した基準値を供給し、このコンパレ
ータ４４Ｃの出力をＡＮＤ回路４８の一方の入力端子に
供給する。このＡ　Ｎ　Ｄ回路４８の他方の入力）ａ１
子にはＯＲ回路４７の出力を供給し、このＡＮＩ）回路
４８の出力を７軸方向駆動装置４３に供給する。

本例では、Ａ　Ｎ　Ｄ　！０１路４８の出力か「１刊」
レベルのときＺｉｌＩｌｉ１方向駆動装置４３を作動さ
せ、ｒＬＪレヘルのどきこれを停止させるど共に、ＡＮ
Ｄ回路４８の出力が「Ｈ」レベルにある状態で、コンパ
レータ４４Ａの出力が「ト（」レベルのときＺ軸方向駆
動装置４３により音響レンズ２８と試料台３１とが近づ
く方向にこれらを相対的に移動させ、またｒＬｌレベル
のとぎは離れる方向に移動させる。

なお、第３図に示づ装置の全体の制御は制御部４つによ
って制御する。

以下、第３３図に示す装置の動作を説明する。

焦点調節を行なう場合には、高周波発生器２１から例え
ば第４図Ａに示すように、中心周波数丁に対して士△［
の狭い帯域で周波数がＤ寺／ｊｌｉ　ｔ％Ｖの間で線形
に変化する超高周波の周波数変調波を発生ざしこの信号
を第４図Ｂに示すように短詩ＩＵｉ導通ずる高周波スイ
ッチ２３によりパルス振φ６１変調してサーキュレータ
２６を経て圧電トランスジユーザ２７に供給し、これに
より音賢レンズ２８おにび液体２９を介して試料３２に
超音波を（シ身４俳る。ここで、圧電トランスジューサ
２ｔがら反射され、該圧電トランスジユーザ２７て受信
されてグー１〜回路３３に供給される反射波信号ＩＪ１
、Ｂ４１えば第１′ｉａ　Ｃに示り′ように分布する。

リ−なゎち、先−リ゛１）ｏて示す高周波スイッチ２３
がらサーキュレータ２６を通しての漏洩４３号が現われ
た後、圧電１〜ランスジユーザ２７と音響レンズ２８と
の間での第１８５よび第２反射波信号Ｐ１およびＰ２が
順次に現われ、試料反射波信号Ｓは第１反射波信号Ｐ１
以降に現われる。本例では、試料反射波信号Ｓが第１お
よび第２反剣波信号Ｐ１および２２間に現われるように
、焦点調節に先立って音響レンズ２８と試料台３１との
相対的位置を予じめ手動により調整しておく。このよう
にして、ゲート回路３３に第４図りに示すように、第′
１および第２反身１汲信号Ｐ＋Ｊ３よぴ２２間の反射波
信号を通すグー１−信号を供給して、第４図Ｅに示すよ
うに試伺反用信札Ｓを抽出゛づ−る。この試料反射波信
号ＳはＬ；４周彼贈幅器３４および分配器３５を経てミ
キサ２５に供給し、ここ°Ｃ゛分配器２２ａ３よひアッ
テネータ２４を紅て供給される高周波発生器２１の出力
と混合した後、その出方をローパスフィルタ３９に供給
して高周波成分を除去する。

ここＣ１０−バスフィルタ３９の出力信号の周Ｉ！！、
数［１は、圧電トランスジユーザ２７に信号を加えてか
ら試オ゛２（反Ｑ−Ｊ波信号Ｓが検出されるまでの時間
を１℃（第４図Ｅ）とすると、 ［Ｉ−２△ｆ　・しぶ／ｌ・＾・どなり、ｔＪｔηなわ
ち音響レンズ２８と試料３２との間の距離に応じて変化
りることになる。このローパスフィルタ３９の出力は、
中間周波増幅器４１で増幅した後、ピーク検波器４２に
ｄ３いてその信号強度を検出し、これをコンパレータ４
４Ｃに供給する。本例ではコンパレータ４４Ｇの基準値
として電圧設定器４５Ｇによりノイズレベルより大きい
電圧ｔ　Ｅ９定し、この基準値よりもピーク検波器４２
の出力が大きくなったとき、コンパレータ４４Ｃから１
１−１」レベルの信号を出力させ、これにより試制反二
］コ波信号Ｓを受けたか否かを判断する。−万、ローパ
スフィルタ３９の出力は周波数−′重圧変換器４０でそ
の周波数に応じた電圧に変換してコンパレータ４／４Ａ
および４４Ｂに供給する。本例では周波数−電圧変換器
４０として、第５図Ａに示すように１」−パスフィルタ
３つの出力信号の周波数１１に応じて出力電圧が直線的
に変化するものを用いると共に、コンパレータ４４Ａお
よび４４Ｂの基準（１ｒ１どして、電圧設定器４５Ａお
よび４５Ｂにより、音響レンズ２８の焦点位置に試料３
２が位置するとぎに得られる周波数−電圧変換器４０の
出力電圧ＶＪＦの前後の電圧、すなわら合焦許容範囲電
圧を設定し、第５図ＢおよびＣにコンパレータ４４Ａお
よび４４Ｂの出力をそれぞれ示すように、周波数−電圧
変換器４０の出力電圧が、電圧設定器４５Ａおよび４５
Ｂで設定した合焦許容範囲電圧内のときは、両川力を「
Ｌ」レベルとし、この範囲より以下のとぎはコンパレー
タ４４Ａの出力をｒＬＪレベル、コンパレータ４４　Ｂ
の出力を「ト１」レベルに、また合焦許容範囲電圧を越
えたときは逆（こコンパレータ４４．　Ａの出力を１−
Ｈ」レベル、コンパレータ４４Ｂの出力を「Ｌ」レベル
にする。このようにすれば、コンパレータ４４ＡＪ５よ
び４４Ｂのいずれか一方の出力がｒＨＪレベルでかつコ
ンパレータ４．４　Ｃの出力が「Ｈ」レベルの状態、す
なわち音響レンズ２８と試料３２との間の距離が合焦許
容範囲から外れた状態で、コンパレータ４４Ａの出力が
ｒＨＪレベルのときはＺ　Ｉ！１Ｉ１１方向駆動装置４
３により音響レンズ２８および試料台３１が互いに近ず
く方向に相対的【こ移動し、五た［−Ｌ」レベルのとぎ
は離れる方向に移動するから、これにより試料３２を音
響レンズ゛２８の＋、、Ｔ　＆、！焦点位首に自動的か
つ迅速に設定ザることか−（ぎる。

以上、焦点調節について説明したが、試料３２の超音波
像をＴＶモニタ３８に表示する場合には、高周波発生器
２１から超高周波の連続波を発生させ、これを高周波ス
イッチ２３によりパルス］辰幅変調してり一−キュレー
タ２６を経て圧電トランスジューサ２７に供給し、ここ
で超音波に変換して音響レンズ′２８および液体２９を
経て試料３２にスボッｊ〜状に投射する。この圧電トラ
ンスジュー−９２７から発射され、該圧電トランスジユ
ーザ２７−３受信された超音波の反射波信号は、」Ｉ−
キュレータ２６、グー１〜回路３３、高周波増幅器３４
、分配器３５８よび信号処理回路３６を通すことにＪ、
り試料及口」波信号の検波信号を得、こ几を輝ｊ艮信号
として走査制御哀詩３０からの位置に関りる（（，７−
５ど共にスキＡ７ンコンバータ３７に記録した後、ＴＶ
モニタ３８に表示する。

なあ、本発明は上述した例にのみ限定されるものではな
く、幾多の変形または変更が可能である。

例えば上述した例では１合焦許容範囲を設定し、この範
囲内に音響レンズの焦点が位置するように調節したか、
焦点が試料面に完全に一致さじるよう制御゛することも
できる。また、本発明は上述した反則形に限らず透過形
の超音波顕微鏡にも有効に適用づ−ることができる。

」ス上ノホべたように本発明によれば、従来観察者が手
動により行なっ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と共に、音響レンズと試料との
接触毀損も有効に防止することができる。また、常に高
精度の焦点調節を行なうことができるから、多数の試料
を観察する場合には一定のコンｈラストの像を得ること
ができ、したがって試料間の比較を容易かつ１７（ｆ実
に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は反則形超音波顕微鏡の基本構成を示す図、 第２図は音六゛レンズと試料との間の距離に対するし制
波検波信号の強度分布を示す線図、第３図ＩＪ木発明の
超音波顕微鏡の自動魚点調ＤＤ装；Ｉ′りの一例の構成
を示づ゛ブロック図、り１４図Ａ〜Ｅおよび第５図Δ〜
ｃ１ユその動作を説明づ′るための信号波形図である。 ２１・・・高周波発生器　　２２・・・分配器２３・・
・高周波スイッチ　２４・・・アッテネータ２５・・・
−、キサ　　　　　２６・・・ザ〜キコレータ２７・・
・圧電トランスジューサ ２８・・・音響レンズ　　　２９・・・液体３０・・・
走査制ｔｆｌｌ装置　　３１・・・試料台３２・・・試
料３３・・・ゲート回路 ３４・・・＾周波ｊ］′！幅器　　３５・・・分配器３
６・・・信号処式）回路　　３７・・・ス千ヤンコンバ
ータ３８・・・ＴＶモニタ　　　３９・・・ローパスフ
ィルタ４０・・・周波数−電圧変換器 ４１・・・中間周波増幅器、４２・・・ビーク倹波器４
３・・・／すｑｂ方向駆動装置 ４４Ａ〜４４Ｃ・・・コンパレータ ４５Ａ〜４５Ｃ・・・電圧設定器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、超音波顕微鏡の音響レンズと試′Ａ３１どの距離が
   変化する方向にこれらを相対的に変位さける手段と、周
   波数変調した高周波信号を発止する手段と、この高周波
   信号をパルス振幅変調する手段と、このパルス振幅変調
   された高周波信号により前記音響レンズを経て前記試料
   に投釦された超音波の該試料からの高；グを検出する手
   段と、この検出手段で検出した音波の周波数に対応する
   信号と前記試料か前吉ｄ音響レンズのほぼ焦点位置にあ
   るときに該イウ）出手段から得られる予じめ定めた音波
   の周波数に対応する１５号とを比較する手段と、この比
   較手段の出力に基いて前記試料が前記Ｍ響しンズのほぼ
   焦点位置に位置するように前記音響レンズと試料どを相
   対的に変位させる手段を制御づる手段とを具えることを
   特徴とする超音波顕微鏡の自動焦点調節装置。