JPS6097268A - 超音波顕微鏡の合焦装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、超音波顕微鏡の合焦装置に係り、試料からの
最大反射波が得られる焦点位置への位置合わせが容易に
行い得るとともに、超音波走査子としての音響レンズと
試料との接触防止機能も備えた超音波顕微鏡の合焦装置
に関する。

〔発明の技術的背景〕

超音波顕微鏡は、原理的には細く絞った超高周波超音波
ビームによって試料面を機械的に走査し、その試料によ
り散乱された超音波を集音して電気信号に変換し、その
信号を陰極線管の表示面に二次元的に表示し、顕微鏡像
を得るのであり、その構成から透過型と反射型とに分け
られる。

第１図は反射型の超音波顕微鏡の原理図で、高周波発振
器１からの信号は方向性結合器２により上部及び下部電
極３ａ、３ｂ及び圧電体３Ｃから成る送受兼用トランス
ジューサ３へ供給される。

この信号は超音波に変換されてこれが貼着された送受波
兼用のサファイア等の超音波伝搬媒体材から成る音響レ
ンズの平面状の一面より内部に放射される。該音響レン
ズ４の離面は球面状にえぐられて球面レンズ部４ａとさ
れ、球面レンズ部４ａと対向して試料台５が配される。

音響レンズ４と前記試料台５との間には水等の音場媒体
６が介在され、前記球面レンズ部４ａの焦点において試
料Ｔが試料台５に取付けられる。試料台５は走査装置８
でＸ及びＹ方向に移動させる。勿論、試料台５の代わり
に音響レンズ４をＸ及びＹ方向に移動したり、音響レン
ズ４と試料台５を別々に所定方向に動かすことも可能で
ある。走査装置８は走査信号発生回路９により制御され
る。そこで、前記トランスジューサ３より音響レンズ４
内に入射された平面状の超音波は前記球面レンズ部４ａ
に伝播し、該球面レンズ部４ａにより集束されて試料７
へ到達する。その反射波は再び音響レンズ４で集音され
、トランスジューサ３で電気信号に変換されて、前記方
向性結合器２を通って表示装置１０へ供給される。

上記超音波顕微鏡において、超音波が音響レンズ４によ
って最も集束される位置（この位置を以下焦点という）
を、観察しようとする試料７の所定部位に合わせる必要
がある。従来、このような合焦操作は、試料台５或は、
音響レンズ４を手動により移動させて試料Ｔから反射波
が得られる位置を探し、そのうちの最大の反射波が得ら
れる位置を合焦位置としていた。

〔背景技術の問題点〕

しかしながら、焦点距離（音響レンズ４の球面レンズ部
４ａから試料７の観察部位迄の距離）はマイクロ単位の
値（例えば数１００〔μｍ］　”）であり、手動で行っ
た場合、試料Ｔを損傷したり、ときには音響レンズ４が
傷付けられたりすることが多々あった。特に、図示しな
いが、音響レンズ４およびトランスジューサ３を加振器
に一体に取り付け、この加振器を音響レンズ４の軸方向
に振らせて断層像を得る場合（試料台５を軸方向に移動
させてもよい）には、試料７と音響レンズ４の距離が更
に小さくなり、試料７と音響レンズ４との衝突（接触）
は避は難いものであった。

〔発明の目的〕

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、測距センサ
を用いることにより、試料および音響レンズを損傷する
ことなく合焦操作を容易に行ない得るようにした超音波
顕微鏡の合焦装置を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、音響レンズ又は試料台の初期位置を設定し、
この初期位置から前記音響レンズ又は試料台を移動して
両者の間隔が音響レンズの焦点距離になった時の合焦位
置を測距情報として記憶する一方、試料を載置した際の
前記音響レンズ又は試料台の移動量を前記試料の厚さ情
報と前記測距情報とから演算してめ、この演算結果に応
じた距離だけ前記音響レンズ又は試料台を移動して合焦
を行うようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を図示の実施例について具体的に説明する
。第２図ないし第４図は本発明の第１実施例に係る図面
であり、第２図は同実施例に係る超音波顕微鏡の合焦装
置を示し、第３図は合焦検出駆動部を示す回路ブロック
図、第４図は動作説明図である。なお、第２図は第１図
と同一要素には同一符号を記し、第２図ないし第４図の
同一要素は同一符号を記す。

先ず、第３図において符号１は高周波発振器、２は方向
性変換器、３はトランスジューサ、４は音響レンズであ
り、この音響レンズ４の側部には、測距センサとしての
光電センサ１１を取り付けたレバー１２が固定されてい
る。この光電センサ１１は試料台５の側面に対向して配
設されており、同試料台５の側面には測距目盛５ａが形
成されている。また、光電センサ５は、第４図に示す合
焦演算駆動部１３に接続され、この接続路に光電変換さ
れた電気信号を試料台５の泗Ｖヒ情報Ｓｔとして導出す
るようになっている。この合焦演算駆動部１３は、図示
しないインプット装置から端子１４に試料７の厚さ情報
Ｓｔが入力されているとともに、合焦駆動信号Ｓｙを導
出するようになっている。一方、前記試料台５は、前記
音響レンズ４の軸方向に移動自在となるように、例えば
昇降用モータ１５の軸に取り付けられた昇降螺子１６に
螺合されている。前記昇降用モータ１５は、前記合焦演
算駆動部１３からの合焦駆動信号ＳＦによって駆動され
るようになっている。そして、試料台５に載置された試
料７は、対音響レンズ４の球面レンズ部４ａとの間に満
たされた音場媒体としての水６によって包囲されている
。また、前記方向性変換器２は、トランスジューサ３に
よって電気信号に変換された超音波受波信号を表示装置
１０に入力し、この受波信号は同表示装置１０に走査信
号発生器９から供給されるＸ−Ｙ方向の走査信号によっ
て画面表示されるようになっている。さらに、走査信号
発生器９は、走査装置８に前記Ｘ・Ｙ方向の走査信号を
供給し、同走査装置８は、前記試料台５をＸ−Ｙ方向に
機械走査するように構成されている。

次に、第３図に示す合焦演算駆動部１３は、第１、第２
メモリ１γ、１８、演算器１９、比較器２０、モータ制
御部２１とから構成されている。

そして、第１メモリ１７は前記端子１４からの厚さ情報
Ｓｔが試料側に読み込みされるようになっており、同第
１メモリ１７で読み出される厚さ情報Ｓｔとしてのデー
タ１７ａは演算器１９の一方の入力部に導出されるよう
になっている。また、前記第２メモリ１８は、光電セン
サ１１からの試料台ミｌ’＋　２情報ＳＩ！を例えば手
動の第１切換スイツチ２２を介して書き込みされるよう
になっている。

この第１切換スイツチ２２は前記５１１’＋　ＨＥ情報
Ｓｔを比較器２０にも選択的に導出できるようになって
おり、かつ前記第２メモリ１８と演算器１９の他方の入
力部との間に設けられた第２切換スイツチ２３と連動し
、同第２スイツチ２３は第３図に示すように第１切換ス
イツチ２２が第２メモリ１８側に導通している時、開放
され、第１切換スイツチ２２が比較器２０（ｌｌＩＩに
導通している時、閉路されるようになっている。そして
、前記比較器２０は、前記演算器１９の演算値データ１
９ａと、前記第１切換スイツチ２２からの殖圧情報ｓｒ
とを入力し、両者を比較してその差に応じた誤差信号２
０ａを前記モータ制御部２１に印加するようになってい
る。この誤差信号２０ａはモータ制御部２１で電力増幅
され、合焦駆動信号Ｓｖとしてモータ１５に印加されて
いる。これにより、試料台５は合焦位置すに導びかれる
ようになっている。

次に、上記実施例から成る合焦装置の動作を第４図を参
照して説明する。第４図において、ａは音響レンズ４の
球面レンズ部４ａの下端位置を示し、ｂは合焦位置、Ｃ
は試料台５の初期位置、ｆは、焦点圧＃肴・示す。

今、試料台５が第４図ａに示すごとく初期位置Ｃに設定
されているものとする。このとき、合焦位置すとの距＠
ｉはｂ　−ｃ　＝　ｌであり、この距離ｌたけ、試料台
５を音響レンズ４の軸方向に例えば手動により上昇させ
る。なお、音響レンズ４は固定であり、したがって光電
センサ１１は初期位置Ｃの位置情報Ｓ／　（例えば零値
信号）を検出している。さて、前記初期位置Ｃの位置か
らｌたけ試料台５を上昇させると、光電センサ１１は、
ｌの距離に対応した間隔の間に目盛られている測距目盛
５ａを検出する。この検出動作は、測距目盛５ａに対向
して相対的に光電センサ１１が移動することにより、測
距目盛５ａからの光情報が変化情報５ＩＡｌｌＩ１５力
されるものである。そして、表示装置１０の表示が最も
鮮明になったとき（反射波の最大時）、試料台５は音響
レンズ４に対して合焦位置すにあり、この時の測距情報
ＳＩ！を第１スイツチ２２を通して第１メモリ１８に書
き込む。この測距情報ＳＩ！は焦点距離ｆの異る音響レ
ンズごとに記憶しておくものである。この後、試料台５
は初期位置Ｃに戻しておくとともに、厚さを測定した試
料７を載置する。

次に、第１．第２切換スイッチ２２．２３を切り換え、
光電センサ１１の測距情報ＳＩ！は比較器２０に供給し
、第１メモリ１８から読み出される測距データ５ｌ（ｂ
）は演算器１９の他方の入力部に読み出すようにする。

そして、図示しないインプット装置から、端子１４を介
して観察しようとする試料７の厚さ情報Ｓｔを第２メモ
リ１７に書き込み、演算器１９の一方の入力部に厚さデ
ータ１７ａ（ｔ）として読み出す。この演算器１９は、
両データ１７ａ（ｔ）とＳ／（ｂ）との差、すなわち、
演算ｌ−１を行い、その演算値データ１９ａ（Ｊ−ｔ）
を比較器２０の一方の入力部に導出する。この時、同比
較器２０の他方の入力部には、光電センサ１１からの測
距情報Ｓｔが入力されているので、比較器２０は、前記
演算値データ１９ａ（ｌ−ｔ）と測距情報Ｓ／との比較
を行い、同１９ａ（ｌ−ｔ）と（Ｓｚ）とが等しくなる
まで誤差信号２０ａを次段のモータ制御部２１に導出す
る。これにより、モータ１５は、試料７の観察面（例え
ば表面）が焦点位置すに上昇する迄駆動される。すなわ
ち、試料台５が距離（７！−１）だけ移動すると測距情
報Ｓ、ｃは５ＩＣＩ−ｔ）となるため、比較器２０は、
演算値データ１９ａ＜ｔ−ｔ）と測距情報５ｐａｔ−ｔ
）とを等しいと判定してモータ１５を一時停止させるも
のである。こうして、合焦操作が自動的に完了される。

なお、比較器２０は１以上の比較誤差（スレショールド
レベルの変動）を持たないようにしであるため、試料台
５は７！−ｔ＋ｆ以上は上昇しない。

これにより、音響レンズ４の球面レンズ部４ａに試料７
が衝突することがなくなり、接触防止を行うことができ
る。

次に、第５図は本発明の第２実施例に係る超音波顕微鏡
の合焦装置を示す説明図である。なお、第２図と同一要
素には同一符号を記す。第５図において、音響レンズ４
は加振器２４に軸方向移動自在に取り付けられている。

この加振器２４は支持棒２５に支持され、かつ同支持棒
に沿って試料台５の試料７載置面に略水平に移動可能に
構成されている。また、この加振器２４の側部には、磁
気テープ５　ａ／が音響レンズ４の軸方向に貼着等の手
段で形成されている。この磁気テープ５ａ／は、前実施
例の測距目盛５ａに相当するものであって、同磁気テー
プ５　ａ／には測距目盛５ａに対応する磁気パターンが
記録されている。また、この磁気テープ５　ａ／は測１
１Ｅセンサとしての磁気センサ１１′が対接されている
。この磁気センサ１１′は、固定された試料台５から延
設されたレバー１２′に取り付けられている。さらに、
この磁気センサ１１′は、合焦演算駆動部１３に接続さ
れ、前記磁気テープ５　ａ／から読み取った測距情報ｓ
ｒを同駆動部１３に導出するようになっている。この合
焦演算駆動部１３の出力である合焦駆動信号Ｓｖをモー
タ１５に印加するようになっている。このモータ１５は
前記加振器２４を支持棒２５と一緒に音響レンズ４の軸
方向に移動するように構成されている。

以上の構成は、特に試料７の断層像を得る場合に好適な
ものである。この場合、加振器２４は図示しない駆動手
段によって支持棒２５に沿って移動されることにより、
試料７の観察しようとする断層面を表示画面上の水平方
向に走査することになる。そして、音響レンズ４をその
軸方向に移動（加振）することにより表示画面上の垂直
方向が走査され、断層像が得られる。さて、本実施例は
、音響レンズ４すなわち、加振器２２をその軸方向に移
動して前実施例と同様の合焦操作を行うものであり、試
料７を例えばその表面から内部の所定深さの断層部位ま
で走査するものとすると、音響レンズ４の初期位置Ｏの
設定は、その球面レンズ部４ａが試料台５に対してｌ＋
ｆの距離だけ離間するように加振器２２を移動させる。

この時、磁気テープ５　ａ　／の情報を読み出す磁気セ
ンサ１１′の測距情報Ｓｌ！は５ｌｔｏ）となる。この
初期位置Ｏから試料台５に向って音響レンズ４を近ずけ
る。次に、音響レンズ４が距離ｌたけ移動した時の測距
情報Ｓｚを第２メモリ１８に書き込み、演算器１９の他
方の入力部に測距データＳＩ！（ｐ’）として読み出す
一方で、第１メモリ１Ｔに試料７の厚さ情報Ｓｔを書き
込み、それを厚さデータ１７ａ（ｔ）として読み出し、
各読み出されたデータ５ｚ（ｐ’＋　、　１７ａ（ｔ）
を演算器１９に入力し、この演算器１９でＡＩ−ｔの演
算を行う。この演算結果としての演算値データ１９ａ（
ｔ−ｔ）は、磁気センサ１１′からの測距情報Ｓｌ！（
Ａ’−１）とともに比較器２０で比較され、同比較器２
０から誤差信号２０ａが出力される。この誤差信号２０
ａはモータ制御部２１を介して合焦駆動信号ＳＦとして
モータ１５を駆動する。これにより音響レンズ４、すな
わち加振器４は距離１−ｔだけ移動して停止する。こう
して合焦が行なわれる。なお、この場合にも、比較器２
０はｆ以上は比較誤差のないように設定しであるため、
試料７に衝突することはない。

こうして本発明は、合焦操作を容易に行うとともに、音
響レンズ４等を損傷することがない。なお、測距センサ
は上記光電センサ、磁気センサ１１．１１′以外にもギ
ャップを検出するギャップセンサとして静電容量の検出
子等を用いることができる。この静電容量検出子によれ
ば、例えば試料台５の側部に測距情報Ｓｚに対応した情
報が記録された一方の導体面を形成し、他方に静電容量
検て音響レンズ４と試料台５で構成するようにしてもよ
い。すなわち、超音波を用いる場合、音響レンズ４から
本来の走査用超音波以外に測距用超音波を出射し、その
反射波の強度に応じて測距するものである。また、静電
容量検出法は、試料台７Ｇこ一方の導体層を形成してお
き、これに対向して音響レンズ４のテーパ面４Ｃ（第２
図参照）に電極を形成する。そして、この電極と前記導
体層との静電容量を電気信号として検出する回路手段を
例えば音響レンズ４に付設すればよい。さらには、測距
センサは一次元位置検出器を用いてもよい。

この場合、例えば試料台５の側部に発光ダイオードを取
り付け、このダイオードの光を前記位置検出器で検出す
る。また、反射型と透過型のいずれに適用してもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、試料を載置した際
の必要な移動量を演算によりめ合焦を行うようにしたの
で、合焦操作を手動によることなく自動的に行うことが
でき、また、試料に音響レンズを当来させるといった不
都合を防止できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音波顕微鏡の原理図、第２図は本発明の一実
施例に係る超音波顕微鏡の概略図、第３図は同実施例に
係る超音波顕微鏡の合焦演算駆動部を示す回路ブロック
図、第４図は同実施例の動作説明図、第５図は他の実施
例に係る超音波顕微鏡を示す概略図である。 ４・・・音響レンズ、　５・・・試料台、７・・・試料
、　１１．１１’・・・測距センサ、１３・・・合焦演
算駆動部、　１５・・・モータ、１６・・・昇降螺子、
　１７．１８・・・メモリ、１９・・・演算器、　２０
・−・比較器、２１・・・モータ制御部、２２．２３・
・・切換スイッチ、２４・−・加振器、 第３図 第４図 （ａ）　（ｂ） 第５図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料台に設置した試料を音響レンズから出射され
   る超音波で走査することにより顕微鏡像を得る超音波顕
   微鏡において、前記試料台又は音響レンズに取り付けら
   れ５、前記試料台に対する音響レンズの位置を検出する
   測距センサ手段と、この測距センサ手段からの測距情報
   を入力するとともに、厚みが測定された前記試料の厚み
   情報を入力し、み情報と予め設定された音響レンズ対試
   料台間合焦距離の測距情報とから演算してめ、試料を設
   置した際、前記演算結果に応じた距離だけ前記音響レン
   ズ又は試料台を移動する合焦演算駆動部とを具備し、前
   記試料対音響レンズ間の合焦を行うようにしたことを特
   徴とする超音波顕微鏡の合焦装置。
2. （２）前記合焦演算駆動部は、前記測距センサ手段の測
   距情報が入力される第１メモリと、前記厚み情報が入力
   される第２メモリと、前記第１および第２メモリから読
   み出された測距データおよび厚みデータをそれぞれ入力
   し、両データの差情報を演算する演算器と、この差情報
   と前記測距情報とを比較する比較器と、この比較器から
   の比較情報を駆動信号としてモータに印加する制御部と
   を具備し、前記差情報と測距情報とが一致した時、合焦
   動作を完了することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の超音波顕微鏡の合焦装置。
3. （３）前記測距センサ手段は磁気センサ或いは光電セン
   サを用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の超音波顕微鏡の合焦装置。