JPS5963556A - 超音波顕微鏡 - 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＃鏡において、高品質の超音波走査
画像が得られるようにした超音波受信口ブロック図であ
る。同図において、ｌは周波ｆ！＆ｆ□の高周波バース
ト信号を発生させる高周波パルス発生部であって、制御
部２より０（給される瓜時間パルスに同期して、そのパ
ルスψＭに相当する１１１１記高周波バースト［８号を
発生する。その１覇周波バースト信号は、サーキュレー
タ８を経て圧゛亀トランスデュ〜ザ４を励振し、ここで
超音波に変換されて、音響レンズ５により焦束され超叶
波云達媒捧たとえば水６を介し、試料７面上に微小スポ
ットを形成する。その試料７は、走査制御部８によって
高速走査方向Ｘと低速走査方向Ｙの両方向に移動制御さ
れる試料台９に載置されており、その試） 斜台９を駆動することによって前記超音波の微小ヌボッ
トにより二次元走査されるようになっている。なお、そ
の走査制御部８は、ＢＩＪ記制闘部２からの制御信号に
よって制御される。

試別７によって反射した超音波は、再び水６および音響
レンズ５を介して圧電トランスデユーサ４に入射し、電
気信号に変換さロサーキュレータ８を経てゲート部１０
に入力する０このゲート部１０は、廿会レンズ５内の不
用な内部反射波によする試料情報信号のみを取り出すた
めのものであり、そのため、そのゲート部ＩＯには前記
制御部２から適当なタイミングのゲートパルスが加えら
１１て、超音波周波数ｆ□と同一周波数の試料情報信号
が取り出され高周波増幅部１１に導かれる。

高周波増幅部１１によって増幅された試料情報信号は、
混合部１２において、局部発振部１３からの周波数ｆ、
（゛ただし、ｆ１’−ｐｆ２）の局部発振信号と（ｋ！
、合されて周波数１ｆ□±ｆ２１の中間周波数信号に変
換され、次段の中間周波増幅部１４により周波数）ｆ□
−ｆ２＋の中間層ｒｉ数信号のみを増幅し、これを試料
情報信号として取り出す。この中間周波数の試料情報信
号は、検波部１５に導かれて検波された後、信号処理部
１６においてコントラストおよびブライトネス等の調節
を行なったウニ、スキャンコンバータ１７に入力し、こ
こで前記試料７の各部の超音波反射強度に対応した輝度
信号となるように、制御部２からの制ａＩ信号により前
記走査制御部８による試料台９の駆動制御に関連した走
査周期と同期して記憶部に記憶させて、これを所定のテ
レビジョン周期で連続的に繰返して読み出し、テレビジ
ョンモニタ１８によす静止＋＋！Ｉ７像として再生する
ことにより、ｎ１１記試料７の超Ｎ波像を観察するよシ
にしている。

上述のような構成の超音波顕微鏡において、音響レンズ
５と試料７の間の距離Ｚを変化させて、検波部１４の検
波出力’４１１Ｅｖをモニタすると、第２図のような特
性をとる。

すなわち、同図の横軸は、音響レンズ５による超音波の
合焦位置を０とし、試料が音響レンズ５に近づく方向を
負（−）、斤讐レンズ５から離れる方向を正（＋）の符
号でそれぞれ示したものであり、検波部１５の検波出力
レベルの最高値を２Ｖとした場合の検波出力の変化特性
を示したものである。

同図から明らかなよりに、試料情報１言号の振幅が、距
離２に関連して大きく変化するにもかかわらず、従来の
超音波顕微鏡においては試料情報信号処理系の増幅ｉｔ
ｌあるいは１４として、入力と出力との関係が比例関係
のものを用いているので、４０ｄＢ以上もある超音波の
信号変化を画像として忠実に現わすことが不可能であっ
た。たとえば、信号レベルの高低を画像の輝度の明暗に
対応させて表示する装置において、信号レベルの高いと
ころを画像の明るいレベルに調節すると、信号レベルの
低いところは黒つぶれ画像となり、低レベルのところの
像が一様の黒画像となって細部の観察が不可能となり、
１だ、逆に信号レベルの低いところを画像の暗いレベル
に調節すると、信号レベルの高いところは白つぶｎ画像
となって、高レベル＋７．）ところの像が一様の白画像
となり、さきの場合と同様に細部の観察が不可能となる
等の欠点がある。

本発明の目的は、上記の欠点を解決するために、大きな
ダイナミックレンジをもつ試料情報信号を小さな信号振
幅に変換して画像形成することにより、信号レベルの高
低部分であっても適度なコン本発明の超音波顕微鏡は、
超音波を試料に果束させて当該試料を超音波により二次
元走査する手段と、その試料によって反射しもしくはそ
の試料を透過した＋ＪｔＪ記超汁波を受波して電気は号
に変換して試料情報信号を取り出す手段と、その試料情
報信号をその振幅が試料のｍｌ記二次元走査による走査
位置の輝度に対応する画像信号に変換処理する試料情報
信号処理系と、この試料情報信号処理系からの画像信号
をｆｌｉＪ記試料の超音波ｊ象として０］視化する手段
とからなる超斤波顕微鏡において、ｆｉＪ記試料情報信
号処理系の系路中に、その試料情報（＝号もしくはその
信号の検波出力信号を対敵増幅するための−Ａ数増幅器
と、この対数増幅器によって対数増幅された信号の対数
特性を町変し得る信号処理回路を介挿したことを特徴と
するものである。

以下、図面に基づいて本発明の詳細な説明する。

第３図は、本発明の実施例の構成の一例を示すブロック
図であって、第１図に示した従来構成のものにおいて試
料情報信号処理系路中の１４および１５で示した中間増
幅部および検波部に代えて、詳細を後記するように縦続
接続した複数の中間周波増幅器と、それら各中間周波増
幅器の出力を振幅制限加算して検波する振幅１ｕｕ限加
算検波器よりなる対数増幅器１９を、ミキサ一部１２と
信号処理回路２０間に介挿した構成となっているＯミキ
サ一部１２から超酔波による試料情報信号が、中間周波
ば号（周波数１ｆよ±ｆ２１）の形で得られるまでの各
ｄＳの動作は、第１図の従来例の全く同様であるので説
明を省略する０ ミキサ一部■２から中間周波信号は、対数増幅Ｗ　ｌ　
９に導かわるが、この対数増幅器１９は、入力と出力の
開法が比例する通常の直線増幅器とは異なり、第４図に
実線ｅで示したように入力の対数と出力とが比例開面を
示す特性をとるものである。すなわち、例えば図示のよ
うに入力を１０倍。

１００倍と等比級数で増幅させた場合、出力は２培、８
倍と等差板数的に増大する特性を有する０その対数増幅
器１９の構成例を第５図に示す。同図において、２１．
２２および２３は、それぞれ中間周波増１ｉ１１ｉｆ　
Ｒであって、たとえば、１ｆ□−ｆ、１の中間周波数が
６０　ＭＨ２程度の中間周波数信号を２０　ｄＢ程度瑠
’：’ｌ＋Ｉするもので、こｎを縦続従続して振幅制限
ＩＪＩＩ　ｙ検波器２４の所定の入力端子ａ、ｂ。

Ｃに、そイ１ら各中間周波増１ｐ；ｉ器２１．２２．２
３の出力をそれぞれ導き、振幅制限して加算検波し、バ
ッファ環ｌｌ’ｆ＋ｌ　’ａＥ　２５を介して検波出力
信号を取り出すよりにしている。

すなわら、公知の振幅制限加算器に、その出力を検波す
るための検波器を付加した構成のものが、前記振１１１
１１制限加算検波器１９である。この振幅ｉｔ；！１限
加算検波ｋ　ｉ　９の各入力端子ａ、ｂ、ｃには、この
実施例においては、前述したよりに各中間周波増幅器２
＋、２２．２３によって、ミキサ一部からの人力信号を
２０　ｄＢ　、　４０　ｄＢ　、　６０　ｄＢの利得に
増幅してそれぞれ入力させ、第６閣にａ／。

ｂｔ、、ＣＩなる付号を付して示したようにそれぞれ振
幅制限した特性にしたうえで、これらを加算して同図の
ｄで示したように入力信号の対数に近似した検波出力信
号を得て、この検波出力信号を前記バッファ増幅器２５
に導いている。

このよフに対数増幅器１９を構成することによって、対
数特性に近似した入出力特性が得られるが、この場合、
その対数増幅器１９の構成に際しては、中間周波信号の
ノイズレベルを最小入力レベルとし、試料７からの超音
波の反射波が最も強い場合の中間周波信号のレベルを最
大レベルとして設定する等最適化を計る必要がある。

第８図において、以上のよりにして対数増幅器１９から
得られた検波出力信号を信号処理回路２０に導いて、必
要゛に応じ、コントラストコントロールあるいはブライ
トネスコントロール等を行なった後、第１図で説明した
従来例と同様にスキャンコンバータ１７に導いて、試料
７面上の走査位置に対応する部分の超酋波の反射波強度
に応じた輝度信号となるように、走査制御部８により制
御される走査と同期して記録し、これをテレビジョン走
査周期により連続的に読み出して、テレビジョンモニタ
１８により画像化して観察するようにしたものである○ 第７図は、前記信号処理回路２０の構成例を示したもの
である。この構成例においては、演算増ＩｆＩ　器２　
ｏの反転入力端子に加わる入力信号すなわち前記対数増
幅１コ１ζ１９からの信号を、可変抵抗器２７により制
御し得る構成とすることによって、利得を可変してコン
トラストコントロールを行ない、また非反転入力端子に
加わる直流７Ｌ圧を、ブライトネス調整用可変抵抗２８
の調整により調節して、入力信号に付加する直流分を町
変し、もってブライトネスコントロールを行なりよりに
したものである。そこで、このように構成した信号処理
回路の入力信号に対する対数増幅特性を、［〕ＩＪ記コ
ントラストコントロールによって、例えハ第４図に実線
ｅで示した対数特性から角度θだけ回転させたｇの対数
特性に変化させ得ることとなり、これにより大きなダイ
ナミックレンジの信号振幅を小さなイａ号振１１ｉ１変
化に自在にコントロールできる。また、前述のようにし
てブライトネスコントロールすることにより例えば第４
図のｅの特性からｈのように電圧Ｅだけ直流シフトを行
なった特性にコントロールすることによって、利得、す
なわちブライトネスを可変し得る。以上のよりに構成し
た信号処理回路２０では、人力信号である対数増幅器１
９からの対数圧縮された検波出力信号に対し、コントラ
ストとプライト坏ルコントロールを行なりことにより増
幅特性を直線増幅から対数増幅１で任意に可変できるこ
ととなる。

なお反射波を受信し、受信波の強弱に応じた輝度の画像
として可視化する装置としては、周知のようにレーダー
や医用超音波診断装置等がある。

これらの装置で１は、探知画像の形成に際して、遠距離
の目標物からの反射エコーを、近距離からの目標物外か
らの強い反射エコーに妨害されずに探知するために、受
信信号を処理するうえで時間的に利得が変化する大きな
ダイナミックレンジが必要であり、そのために対数増幅
および時間的に増幅率を変化させるＳＴＣ（Ｓｅｎｓｉ
ｔｉｖｉｔｙ　ｔｉｍｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ）方式等を用
いている。これに対し、超音波顕微鏡では、音響レンズ
と試料間の距離がレーダーや医用超音波診断装置に比べ
て極めて照く、試料への超酢波の投射とほぼ同時に試料
の情報を受けることや、観察物が同槙のものに限られず
、セラミック、金属あるいは生捧試料等多狸多様にわた
り、試料の弾性定数の違いがその１車類によって大きく
異なるために、焚口１ｄ号強度のダイナミックレンジが
大きいのでこれに対処するたりに、本発明では、対数噌
幅召を用いて信号振幅変化を小さくして、１ｌｉｕ　像
形成することにより画像の高輝度部分および低輝度部分
に適当のコントラストがつく妬品質のｆｌｉｌｉ　ｆ＆
を得るよりにしており、対数増１咄器を用いたことによ
る作用および効果が、レーダーや医用超音波診断装置と
は全く異なっている。

また、上記の実施例においては、中間周波数段において
受信信号を対数増幅しているが、高周波段において対数
増幅するよりにしてもよいことは勿論である。

第８図は、本発明の他の実施例の構成を示すブ・ロック
図であるっこの実施例は、第３図に示したさきの実施例
の構成のものに、Ｘ−Ｙモニタ２９を付加し、そのＹ端
子にはミキサ一部１２の出力を分岐して中間周波増幅部
８０および検波部３１を介して得た検波出力信号を入力
するとともに、そのＸ端子には試料７と音響レンズ５の
相対走査用のＸ走査信号を制御部２から供給した構成と
なっている。

このように構成することによって、第３図の実施例のも
のに加えて対数増幅器１９により対数増幅する前のミキ
サ一部１２からの中間周波信号を直接検波して得られる
検波［８号を、Ｘ−Ｙモニタ２９上にＸ走査方向につい
てその信号強度に対応した波形で表示することができ、
しかも対数圧縮する以前の検波出力信号の振幅全表示し
ているので、合焦時には顕著に大きな振幅波形が現われ
ることとなる。すなわち検波出力信号の強度は、第２図
から明らかなよりに焦点状態に応じて大きく変化し、合
焦時には最大強度となるので、Ｘ−Ｙモニタ２９上の波
形を観察しながらその最大振幅が得られるよりに焦点調
節すれば、試料７に対し容易に合焦させることができる
。この実施例の構成によれば、第８図により説明したさ
きの実施例における本発明の効果に加えて、焦点調節を
精度高くかつ容易に行い得る利点がある０ なお第８図において、第３図のものと同一部分は同−符
号で示してあり、それらの構成および動作等については
、さきに説明した第３図のものと同じであるので、その
説明を省略する。

第９図は、本発明の他の別の実施例の構成を示すブロッ
ク図である。この実施例のものは、第３図により説明し
た第ｌの実施例の構成において、対数増幅器１９の出力
を２分して、信号処理回路２０、スキャンコンバータ１
７およびテレビジョンモニタ１８を１組とする！４１の
系列と、第２の信号処理回路２０′、第２のスキャンコ
ンバータ１７’および第２のテレビジョンモニタ１８′
を１組とする第２の系列の各信号処理回路２０．２０’
に導キ、各系列のテレビジョンモニタ１８．１８’によ
り同一試料７の超音波像を同時にａ察し得るよりに構成
したものである。前記第２の系列の作用は、第ｌの系列
と同様であり、またその他の構成および作用についても
第８図の実施例のものと同じであるのでここでは説明を
省略する。

この実施例によｎば、対数増幅器１９からの第６図ｄに
示した如き対数圧縮された検波出力信号を、各系列の信
号処理回路２０．２０’のそれぞｎによって、各テレビ
ジョンモニタ１８．１８’上に画像化される試料の超音
波像のコントラストおよびブライトネスを異ならしめた
画像を得ることができる。従って、例えばダイナミック
レンジの大きな検波出力信号が前記対数増幅器１９の出
力として発生した場合、一方の例えば信号処理回路２０
によりコントラ＞トを弱めるよりに調節してその串力を
画像化するテレビジョンモニタ１日には、全面にわたっ
て白つぶれや黒つぶれのない適当なコントラストをもっ
た画像を映出し、これにより試料全面の超祈波像を観察
するようにし、他方の信号処理回路２０′によって、前
記超音波像の所望の部分を詳細に観察するにＪ薗するよ
りに、その信号処理回路２０′の出力を画像化するテレ
ビジョンモニタ１８上の超音波像の白つぶれ、あるいは
黒つぶれを承知のうえで、ｍＪ記所望の部分のコントラ
ストを調節することにより部分的にコントラストの優れ
た前記試料の超音波像を得ることができる０これにより
イＬＩ＋！察者は、それら同一試料についてのコントラ
スｌ−等の異なる超＃波像を対比して観察することがで
きるので、試Ｆ）袈県上極めて効果的である。

なお、同実施例では、対数増幅部１９の出力を２分して
、２系列の画像化手段によって、画像化する例について
説明したが、その系列数は、２系列にｌ！Ｊｉ！定され
るものではない。

才だ、上述の各実施例においては、何れも超音波の反射
波を受波して試料情報１１号を碍る方式の超冴波顕倣説
に本発明を適用した場合について説明したが、本発明を
、試料を透過した超音波を受波するいわゆる透過型超音
波り貝倣娩に対して通用してもよいことは勿論である。

以上詳細に説明したように本発明によれば、超音波顧倣
跣の超音波受１Δ信号の処理系路中に対数増幅器を介挿
した構成であるから、第２図に示したようなダイナミッ
クレンジの大きい信号の特性も、第ＩＯに示したような
変化の小さい特性になるので、超音波受信検波出力信号
を試料に対ＤＣＩした画像となるように可視化して観察
する場合、テレビジョンモニタのような（潰調の少ない
ディスプレイに映出しても、従来のような白つぶれ画像
や黒つぶれ画像になることなく　、ａ’ｌ（１部にコン
トラストがつくこととなるので超音波走査画像の画質が
一段と向上する効果がある。

また、試料の弾性定数や超計波乙１火食特性等の違いに
よる超痔波受信１ａ号の強度のレベルの大きな変化に対
し、いちいちレベル調節する手間が省けるので、セラミ
ックや止環等のような超音波減衰特性の極端に異なる種
々の試料観察に１産して、操作が容易となる効果もある
。さらに凹凸のある試料を設察する場合など、第２図に
示すように試料と音舎レンズ間の距離２が大きく変化す
ることによって生ずる超音波受信検波出力信号の大きな
レベル変化により、従来は白つぶれや黒つぶれの画像と
なり勝ちであったか、本発明によれば凹部および凸部に
相当する画像部分についてもそれぞれ適度のコントラス
トがつくこととなるので、前記の画質向上効果とあわせ
て精度の高い超汁波像を得ることができる。。

さらに、第８図に示した実施例のものにおいては、上記
本発明による幼果のぽかに、さきに説明したように焦点
調節を容易に行ない得る利点があり、１だ、第９図に示
した実ｊ布例のものにおいては、試料全Ｐドについて適
度のコントラストがついた画像や、試料の所望のあるご
１−分のみを、コントラスト強調したＬｌ！］１顔が同
時に表示できるので、これら両画像を比較！Ｉ！Ｉ察し
得る利点だあ６０

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の超音波顕微鏡の構成例を示すブロック
図、 第２図は、超音波による試料情報信号のダイナミックレ
ンジの大きさを説明するための受信超音波の検波出力の
特性の一例を示す図、 第３図は、本発明の実施例の構成の一例を示すブロック
図、 第４図は、対数増幅部の動作を説明するための特性図、 第５図は、対数増幅部の構成例を示すブロック図、 第６図は、対数増幅部の動作説明図、 第７図は、信号処理回路の構成例を示すブロック図、 第８図は、本発明の他の実施例の構成を示すブロック図
、 第９図は、本発明の別の他の実施例の構成を示すブロッ
ク図、 第１０図は、対数増幅して得らｎる超音波受信検波出力
信号の説明図である。 ■・・高周波パルス発生部　２・・・制御部３・サーキ
ュレータ　　４・・・圧電トランスデユーサ５・・・音
書レンズ　　　　６　超晋波伝達媒坏７　試料　　　　
　　　８・・・走査制御部９・・・試料台　　　　　　
１０・・・ゲート部１１・・高周波増幅部　　　１２・
・ミキサ一部１３・・局部発振部　　　　１４．３０・
・・中１’１４］周波増幅器１５　、３１・・検波部　
　　　１６・・信号処理部１７．１７　’・・・スキャ
ンコンパ〜り１８　、１８　’・・・テレビジョンモニ
タ１９　　対数増幅部　　　　２０．２０’　　信号処
理回路２１．２２．２３　　・中間周波増１嘔器２４・
・振幅制限加算検波器 ２５・・バッファ増幅器　　２６・・演算増幅器２７・
コントラヌトコントロール用町変抵抗２８・・ブライト
ネスコントロール用町変抵抗２９・・ｘ−ｙモニタ。 特許出願人　オリンパス光学工業林式会社／、；’、５
１図 ＺＡｉＱ−Ｗ”４にンＸ’ＭＸＥ嵩Ｌ　Ｚ　Ｃｐｔｎ〕
第８図 第４０ 第５ＪＪ 第６図 第“７（；

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｌ　超砕波を試料に果来させて当該試料を超音波により
   二次元走査する手段と、その試料によって反射しもしく
   はその試料を透過した前記超し波を受波して電気信号に
   変換して試料情報信号を取り出す手段と、その試料情報
   信号をその振幅が試料のＯ１ｊ記二次元走査による走査
   位置の輝度に対応するｌＩ！ＩＩ像信号に変換処理する
   試料情報信号処理系と、この試料情報信号処理系からの
   画像信号を前記試料の超音波像として可視化する手段と
   からなる超音波顕微鏡において、前記試料情報信号処理
   系の系路中に、その試料情報信号もしくはその信・号の
   検波出力信号を対数増幅するための対数増幅器と、この
   対数増幅器によ°つて対数増幅された信号の対数特性を
   可変し得る信号処理回路を介挿したことを特徴とする超
   音波顕微鏡０ ２　前記対数増１ｌＩＩｉｌ器の前段において分岐して
   得た試料情報信号もしくはその検波出力信号の信号強度
   をモニタするように構成したモニタ手段を具えてなるこ
   と特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の超廿波′Ｉ
   Ｉｊ４微鏡。 ８、　前記信号処理回路および試料清報信号処理系から
   の画像信号を試料の超音波像として可視化する手段とか
   らなる系列を複数組設け、前記対数増幅器の出力を分岐
   してそれらの各信号処理回路に導くことにより、圧意所
   望の異なったコントラストおよびブライトネスの超音波
   像が前記各可視化手段により同時に得られるように構成
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項にＪ記載の
   超音波＃１１