JPS61194353A - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、超音波顕微鏡において、試料に加えられた外
部じよう乱の大いさの変化と超音波画像のコントラスト
の変化との間の相関を明示する撮像方法に関する。

〔発明の背景〕

音波周波数ＩＧＨｚ、従って水中での音波長として約１
μｍに及ぶ超音周波音波を利用して、対象物の微細構造
を描画する超音波顕微鏡が検討されている。これについ
ては例えば、ア・スキャニング・アコースティック・マ
イクロスコープ（ＡＳｃａｎｎｉｎｇ　Ａｃｏｕｓｔｉ
ｃ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）と題するＩ　ＥＥＥ　　Ｃ
ａｔ、　　Ｎｏ、７　３ＣＨ１４８２９ＳＵ。

第４２３〜４２６頁に掲載の文献に記載されている。

この超音波顕微鏡の原理は、約１μｍ位まで補く絞った
超音波ビームによって、試料面を機械的二次元走査しな
がら、試料によって惹起された散乱９反射、透過減衰と
いったしよう乱音波を集音して電気信号に変換し、この
電気信号をブラウン管上に、上記機械走査と同期して二
次元表示する事により顕微画像を与えるものである。

まず、従来の反射型超音波顕微鏡の基本構成を第１図を
用いて詳に説明する。

超音波を発生検出するトランスデユーサは、主として圧
電薄膜２０、音響レンズ４０から構成される。即ち、レ
ンズ結晶４０（例えば、サファイア、石英ガラス等の円
柱状結晶）は、その一端面４１は光学研磨された平面で
あり、他端面には微小な曲率半径（例えば０．１−１ｍ
ｍ）の半球穴４２が形成されている。端面４１に蒸着等
によって設けられた上部電極１０、圧電薄膜２０及び下
部電極１１からなる層構造の上下電極間に、ＲＦパルス
発振器１００の出力電気信号を印加すれば、上記圧電薄
膜の圧電効果により、レンズ結晶４０内に平面波のＲＦ
パルス超音波８０が放射される。

この平面超音波は上記半球穴４２と媒質５０（一般に純
水が用いられる）との界面で形成される正゛の音響球面
レンズにより所定焦点面におかれて試料６０上に集束さ
れる。

試料６０によって反射された超音波は、上記音響レンズ
により集音され、平面超音波に変換されてレンズ結晶４
０内を伝播し、最終的に圧電薄膜２０の逆圧電効果によ
りＲＦパルス電気信号に変換される。このＲＦパルス電
圧信号はＲＦ受信器１１０で増巾検波後、ビデオ信号（
１〜１０ＭＨｚ）に変換されブラウン管１３０の輝度信
号（Ｚ入力）として用いられる。

かかる構成において、試料ステージ７０上に貼付された
試料６０をｘ−７面内の２次元機械走査系１２０によっ
て、２次元機械振動を行なわせながら、上記ビデオ信号
をこの走査と同期してブラウン管１３０上に表示すれば
、顕微画像が得られる事になる。

このようにして得られた超音波顕微画像は、試料の各場
所の力学的な性質、例えば、弾性率、粘性率、密度など
の２次元分布を反映している。従って超音波顕微画像の
コントラストを解析することによって、これらの力学的
諸量の分布や試料の特性を得ることができる。

従来は、このように超音波顕微鏡と試料が外界に対して
殆んど閉じた系を構成しているのが通例で、外界からの
しよう乱としては、操作者による周波数の変更、媒質た
る水の温度の変更ぐらいであった。

周知の如く、試料の力学的性質をより詳細に調べるため
には、外部じょう乱による試料の力学的性質の変化の様
子を知ることが不可欠である。

ここで述べる外部じよう乱とは、例えば、試料に印加さ
れる応力や歪み、電界や磁界、光や電子線などの超音波
以外の放射線、試料自身の加熱。

冷却および試料が電子回路であるなら電気信号などがあ
げられる。そして、それらの外部じよう乱の大いさの変
化には、準静的なものや動的なものがあげられる。

もし、このような外部からのしよう乱の大いさの変化に
よって、超音波顕微画像のコントラストがどう変化して
いくかが、操作者にとって明解に明示されるような超音
波顕微鏡における新しい撮像方法および表示方法が提供
されるなら、以上の議論で明らかなように、超音波顕微
鏡を用いた試料の力学的性質の解明に極めて有用である
と思われる。

〔発明の目的〕

本発明は、以上の点を鑑みてなされたもので、その目的
は、第１に試料に印加された外部からのしよう乱の大い
さの変化と顕微画像のコントラストの変化との間の相関
関係を明解に与えるような超音波顕微鏡の撮像方式を提
供すること、第２に、かかる相関関係を明示する表示方
法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明では、超音波顕微鏡における二次元機械走査のう
ち、低速の機械走査を停止し、高速走査軸の機械走査が
終了する毎に、外部じよう乳量の大いさを変化せしめる
とともに、ＣＲＴ上の電子ビームのライター走査のうち
、低速走査軸そのものの走査を上記外部じよう乳量の変
化と同期させることによって実現するのである。

以下の説明では、外部じよう乱の例として、試料に印加
される応力を例にとって、より詳しく本発明を説明する
。

まず、従来の超音波顕微鏡における二次元機械走査とＣ
ＲＴ上の表示方法について触れる（第２図（ａ））。

圧電薄膜や音響レンズなどからなる超音波探触子４０と
試料７０とは相対的に図のように、Ｘ。

Ｙ軸方向に移動走査され、超音波ビーム４２が試料面を
走査するので、ＣＲＴ　１３０上には、このＸ、Ｙ機械
走査軸に対応してＸｖＹ軸方向に電子ビームが同期走査
される。試料からの反射超音波の大きさや位相など画素
信号はＣＲＴの輝度の変調に用いられ、試料７０の超音
波顕微画像がＣＲＴ１３０上に表示されるのである。こ
こで。

通例、ｙ軸の機械走査には、ボイスコイルの往復ピスト
ン運動などが用いられ高速であるのに対し、ｙ軸の機械
走査には、ステップモータに連結したマイクロメーター
のヘッドの並進運動などが用いられ、低速である。

このような従来の機械走査Ｃモード撮像構成において、
本発明では、低速のＹ軸機械走査を停止させ、替りに試
料に印加する外部じよう乱の大いさを走査するのである
（第２図（ｂ））。かかる構成では、超音波ビームは試
料面の特定の線上を繰り返し走査することになり、超音
波顕微像としては従来の面情報ではなく線情報が得られ
ることになる。

ここで１図中の矢印の方向へ応力を印加し、この応力の
大いさを上記の繰り返し走査毎に少しづつ変化させるな
ら、上記の線画像は印加応力の大いさに応じて変化する
ことになる。試料への応力印加は音響弾性効果や発生す
る歪によって、試料　　　゛の局所的な弾性率などの力
学的性質を変化せしめるからである。

もし、ＣＲＴ　１３０上のｙ軸走査をこの印加応力の大
いさの変化に同期して行うなら、ＣＲＴ１３０上には、
試料の特定の直線部分の線像が、応力の印加の大いさと
ともにどのように変化するかが明示されるのである。

かかる応力印加装置としては、圧電素子を用い、電気的
に応力の大いさを可変にかる周知の技術を使うことがで
きる。

以上の例は、応力を外部じよう乱の例として説明したが
先に述べた外部じよう乱でも全く同一であるが、ここで
２，３の例について述べる。

外部じよう乱が歪みの場合、印加する応力は上記と同じ
であるが、ＣＲＴ１３０上のｙ軸の走査に用いる量とし
ては、試料に貼付された歪みゲージの電圧出力を適明に
増巾して用いればよい。又、電界や磁界は、周知の電気
信号によってその大いさが制御されるコンデンサ構成や
コイル構成が使えるし、加熱、冷却の場合には、試料に
貼付した熱電対の電圧出力を使うことができる。光や電
子線の大いさは周知の光レーザーや電子ビーム発生器の
ように電圧や電流で制御できるし、又、これらの放射線
の試料への印加によって生じた熱や他の２次放射（ｉ！
子やイオンなど）は、周知の検出器によって求められる
。即ち、これらの諸外力は、いずれもその大いさを電気
的に制御出来るか、あるいは諸外力の印加゛に伴って生
ずる物理変化を検出して電気信号として得られるもので
あるから。

これらの制御信号もしくは検出信号を上記のＣＲＴのｙ
軸走査信号として用いることができる。

なお本発明においては、従来のＣモードの映像をかかる
線分析を行う際の位置決めとして用いている。第２図（
ａ）のＣＲＴ１３０に示すように、顕微画像の特定のＹ
＝Ｖ　ｏの直線部分で線分析を行うには、ｙ＝ｙｏのと
ころで低速機械走査をとめて、第２図（ｂ）の撮像およ
び表示を行えばよいからである。

〔発明の実施例〕

第３図は、本発明の一実施例の全体図を示している。即
ち、定盤２６０の上に、粗動用Ｙステージ２４０．粗動
用Ｘステージ２５０があり、いずれもステップモータに
より並進移動する構成になっている。これらのステージ
系の上に、ｙ軸走査ステージ２３０及び試料台７０が図
の如く積層して構成されている。センサ２１０が超音波
を送受信する部分で、発生した集束超音波ビーム２００
は、試料台７０上に貼付された試料６０に照射及び反射
される。この構成で、試料台７０を、Ｘ方向にボイスコ
イル加振器２７０のピストン運動で並進させながら、試
料台７０及びボイスコイル加振器２７０全体の載ったｙ
走査ステージ２３０をｙ軸方向にステップモータで並進
運動させれば。

従来のＣモード超音波顕微鏡が実現される。本実施例で
は、この従来構成に加えて、センサ２１０を２軸方向に
上下するに必要な２走査ステージ２２０を設け、これを
ステップモータを用いて上下に並進運動させる機能と、
試料台７０．ｙ走査ステージ２３０及び加振器２７０全
体をセンサの中心を軸として回転させる回転ステージ２
４５及び回転に必要なステップモータと、試料台７０゜
加振器２７０１　Ｍ走査ステージ２３０回転ステージ２
４５全体を、Ｘ及びＹ方向に粗動する為の粗動ステージ
２４０，２５０が設けである。

又、本図では省略しであるが、試料に外部じよう乱を印
加する機構を例えば、ｙ軸走査ステージ゛に設けである
。

第４図は、外部じよう乱として応力を例にした場合の印
加機構部の実施例を模式的に示したものである。即ち試
料台７０の上におかれた試料６０は、印加用ブロック１
５１ａ、１５１ｂによって応力印加される。このブロッ
クは、円筒圧電体１５０ａ、１５０ｂとこれを試料台７
０に固定するサポータ１５２ａ、１５２ｂと接しており
、圧電体への電力供給線１６０によって外部電力増巾器
に結がっている。かかる構成において、圧電体は外部か
らの電圧印加によって図中Ｘ軸方向へ延伸するから、試
料６０へ外部電圧に比例した応力を印加できるのである
。

以上述べた構成で、本発明による超音波顕微鏡の一操作
例を第５図に示す。まず、従来と同様にレンズの焦点を
合せＣモード顕微像を撮像する。

この画面内で表面プロファイルを計測したい部分７５を
横切るような図中の線分３００を選択する。

この線分とＺ軸を含む面内の断層像３１０が断面顕微像
である。しかるに、加振器による機械走査はＸ軸方向に
走査しているから、線分３００の方向へこの走査を偏向
する必要がある。本発明では、Ｃモード像の中心３２０
を回転中心として試料６０を回転テーブル２４５で回転
させ、加振器の機械走査方向と線分３００が平行になる
様にするものである。Ｃモード画像内の点３２０は必ず
しも試料６０の回転中心にはならないので、その偏移は
、粗動ｘ、ｙステージ２５０，２６０で調整している。

次に以上のような機械系を有する本発明の超音波顕微鏡
の全体構成について説明する。

即ち、第６図においてＲＦパルス送信部４４０゜方向性
結合器５２０．トランスデユーサ５３０゜試料台５４０
．ＲＦ増巾及び検波部及び標本化回路からなる超音波送
受信部４５０と、Ｘ軸走査回路４６０．Ｘ軸ディスプレ
イ信号回路４６５．Ｘ軸ドライバ回路４６７、Ｙ軸走査
回路４７０．Ｙ軸ディスプレイ信号回路４７５．Ｙ軸ド
ライバ回路４７７からなる走査制御回路部と、ムーヴイ
ングコイル２７０及びステップモータとボールネジ２８
０からなる機械走査部と、ＸＹブラウン管３３０、タイ
ミングコントロール回路４３５２倍率制御部４８０およ
び試料に印加する外部じよう乱を制御する電圧又は電流
信号発生器４８１および試料に印加された外部じよう乱
によって生じた試料の変化（温度や歪みなど）の検出信
号を増巾する増巾器４８２からなる。

第７図及び第８図は、第６図のうち超音波送受信部４５
０をより詳しく示す図であり、第９図は、それらの動作
説明用波形図である。ＲＦ連続波発振器５００で発生し
たＲＦ連続波信号（例えばＩＧＨｚ）をアナログ・スイ
ッチ５１０で継続時間ｔｄ（例えば１００ｎｓ）のＲＦ
パルス信号にかえ（第９図（ａ）の波形）、方向性結合
器５２０を介してトランスデユーサ５３０に印加する。

試料５４０からの反射エコー信号は、再び方向性結合器
５２０を介して、ＲＦ増巾器５６０で増巾される（第９
図（ｂ）の波形）。ここで、Ａは打ち出し信号を、Ｂは
レンズと媒質たる水の界面からのエコーを、Ｃは試料か
らの反射エコーを表わしている。ＲＦ増巾器の出力はダ
イオード検波器５６５によってビデオ信号（例えば帯域
１０ＭＨｚ）に変換され（第９図（ｃ）の波形）、サン
プルホールド回路等の標本化回路５７０で標本化され、
ブラウン管のＺ信号として用いられる（ディジタルメモ
リを用いる場合は、この信号をＡＤ変換後、メモリの書
き込みデータとすればよい）。同期制御回路５５０は、
その一実施例は第８図の如くで、超音波送受信の繰り返
し周期ｔＲの矩形波パルス発振器５５１の出力（第９図
（ｆ）の波形）を、ワン・ショット５５２によりパルス
巾ｔｄのパルス列（第９図（ｄ）の波形）に変換し、こ
れをコントロール信号１として上記アナログ・スイッチ
の○Ｎ、ＯＦＦに用いている。又、パルス発振器５５１
の出力は、可変遅延器５５３で遅延後、ワン・ショット
５５４により、パルス巾ｔ８のパルス列に変換され（第
６図（ｅ）のコントロール信号２）、上記標本化回路の
タイムゲート信号として用いている。本実施例では、こ
のゲート信号又はアナログ・スイッチのＯＮ、ＯＦＦ信
号そのもの“を以下に述べる機械走査制御回路のクロッ
クとして用いている。

第１０図は本発明の機械走査部を更に詳しく示す図であ
る。又、第１１図は、その動作説明図である。上記コン
トロール信号２のパルス列は、カウンタ６００に入力さ
れ、カウンタ６００の計数値出力をアドレス信号とする
ＲＯＭ６１０の出力データはＤＡ変換器６２０によって
アナログ信号に変換される。ＲＯＭにあらかじめ１周期
の正弦波のデータを書き込んでおくと、かかる構成でＤ
Ａ変換器の出力として正弦波が得られる事になる。この
信号は、増巾器６５０で振巾を調整後直接ブラウン管３
３０のＸ軸入力信号として用いられると共に、マルチプ
ライングＤＡ変換器６３０のレファレンス入力に加えら
れ、ＤＡ変換器のディジタル入力に応じて振巾が定った
正弦波として、位相シフタ６３５及びパワアンプ６４０
を介してムーヴイングコイルに印加されるのである６位
相シフタ６３５は、パワアンプに加えた正弦波とムーヴ
イングコイルの現実の動作との間の位相遅れを補正する
のに用いている。ここで、カウンタ６００の出力はアト
Ｌ／Ｘ１０２Ｘ１０２４（７）ＲＯに接続されているが
、カウンタ６００が１０２４回計数する毎に（第１１図
（ｂ）の波形）、−周期の正弦波（第１１図（ａ）の波
形）が発生する様ＲＯＭのデータを書きこんでおけば、
超音波を１０２４回送受信すると必ず１往復のＸ軸走査
が行なわれる事になるのである。正弦波のうち、直線領
域に近い領域（本実施例では、アドレス３７よりアドレ
ス４７６まで）を、ブラウン管３３０に表示する為、Ｒ
ＯＭ６１０にはこの間ブラウン管を輝らせるようなアン
ブランキング信号が同時に書きこまれており、この信号
はブラウン管３３０のブランキング入力に接続されてい
る（第１１図（Ｃ）の波形）。かくして１回のＸ軸走査
は必ず４４０点の超音波データを画素として発生し、Ｒ
ＯＭ６１０のアドレスを介して、超音波の送受信データ
とＸ軸走査に伴なう試料の位置との対応が１対１に確定
するのである。

上記ＲＯＭには、更に１回のＸ軸走査の終了に対応して
Ｙ軸走査制御系への入力パルス（第８図（ｄ）の波形）
を発生する。このＸ軸系からのキャリ信号は、アップダ
ウンカウンタ６６０を駆動し、その計数出力はＤＡ変換
器６７０でアナログ信号に変換されスイッチ４９１がａ
の位置にあるときは、ブラウン管のＹ入力信号となる。

本実施例では、カウンタ６６０の最大計数値を５１２と
して、そのキャリ又はボロウ信号によってカウントアツ
プとカウントダウンを繰り返す様になっている。

かかる構成の場合、ブラウン管３３０上では、上から下
へ又下から上へと走査を繰り返す事になるのである。上
記Ｘ軸系からのキャリ信号は又Ｎパルス発生器６８０に
印加され、該キャリ信号に続いて次のＸ軸走査が始まる
までにＮヶのパルス列を発生するのである（第９図（ｅ
）の波形）、このパルス列は上記カウンタ６６０のアッ
プ・ダウンの状態に応じてマルチプレキサロ９゛０によ
って正回転又は逆回転パルスに振りわけられ、ステップ
モータドライバ４７７を介して、Ｙ軸走査用ステップモ
ータに供給される。

以上述べた構成によれば、超音波の送受信パルスと同期
してＸ、Ｙ両軸ともディジタル制御される事になる。し
かも、１画面を構成する画素はｔ８なる超音波送受繰り
返し時間によらず、いつも一定（本例では４４０Ｘ５１
２）となるのである。

かかる実施例において本発明は以下のように具現されて
いる。今、スイッチ４９２をａの位置に設定し、ｙ軸機
械走査回路４７７によりステッピングモータによるｙ軸
機械走査を行ないながら、超音波の送受信毎にＣＲＴ３
３０上に一画素ずつ表示していくなら、従来のＣモード
方式の撮像結果が得られる。本発明では、まずｙ軸機械
走査回路４７７によりｙ軸駆動用のステップモータへの
駆動パルスを停止し、ｙ軸ディスプレイ信号回路４７５
の出力を外部じよう社印加用の電圧、電流発生回路４８
１に印加し、試料に応力などの外部じよう乱を印加せし
めるものである。ＣＲＴ３３０のｙ軸走査とて例えば応
力の大きさの変化をとる場合には、このような構成で、
ｙ軸走査回゛路４７０（第１０図を用いて詳しく説明し
た回路）でカウンタ６６０が計数する度に、矩形状でし
かもディジタイズされた応力が試料に印加されるから、
ＣＲＴ３３０上には超音波線画像の応力の変化に対応し
た画像が第２図（ｂ）のようなフォーマットで表示され
るのである。又、もし、ＣＲＴ上のｙ軸走査として、歪
みのように応力の印加によって生ずる試料の変化を反映
する量をとる場合には、この構成で試料に貼付した歪み
ゲージなどの電気出力を増巾器４８２で信号レベルの大
いさを適切に変換し、スイッチ４９２をｂの位置に設定
することによりこの検出信号を直接ｙ軸ディスプレイ信
号とすることにより同様の表示を実現するのである。

なお１以上の実施例では、試料のＸ軸機械走査に際し、
試料を走査する例について述べたが、試料の替りに超音
波トランスデユーサの方を動してもよい。

なお、上記実施例では、ムービングコイルを正弦波的に
駆動する為、ＲＯＭデータとして正弦波を用いたが、Ｒ
ＯＭデータとして三角波を用い、サーボアンプを介して
ムービングコイルを駆動してもよい。又、超音波の送受
信１回が一画素に対応する構成について述べたが、２回
以上の送受信の平均値を反射データとして、これを一画
素に対応させてもよい。この平均操作は１機械走査系の
クロックとして、超音波送受信の繰り返し信号そのもの
を用いる事によって始めて妥当な操作となるのである。

更に、顕微画像の表示手段として、ＣＲＴ１３０および
３３０はいわゆるＸＹディスプレイを念頭において以上
では説明を行なったが、いわゆる画像メモリをは用いて
モニタテレビに表示してもよい。この場合は、ｘ、ｙ軸
のディスプレイ信号の替りに、カウンタ６００および６
６０のディジタル出力そのものを画像メモリのアドレス
制御信号とするのである。

又、本実施例では、外部じよう乱の例として応力および
その結果たる歪みを主たる例として説明してきたが、本
質的に電気信号によりその大いさの制御できるような外
部じよう乱（応力、電界。

磁界光線や電子線などの放射線、加熱、冷却および電気
信号など）であるか、又は、それらもしくはその他の原
因によって生ずる試料の変化（歪み。

温度２発光量など）を検出して電気信号に変換したもの
であれば全く同一に実施できることを付言したい。

最後に、本発明では、従来のＣモードの撮像と本発明の
撮像とを切り換えて実施することは実施例に示したごと
く容易にスイッチ切り換えで実施できることも付は加え
たい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の超音波顕微鏡の概略構成を示す図、第
２図（ａ）はその走査方法および像の表示方法を説明す
る為のブロック図、第２図（ｂ）は、本発明の走査方法
および像の表示方法を説明するためのブロック図、第３
図は本発明の実施例の主として機械走査系を中心とする
部分を示す図、第４図は、実施例のしよう乱印加機構を
示す図、第５図は実施例の超音波顕微鏡の操作例を示す
図。 第６図は、本発明の実施例の全体のシステム構成を表わ
す図、第７図は実施例の超音波送受信部を示すブロック
図、第８図はその制御回路を示す図。 第９図は、その動作説明用波形図、第１Ｏ図は本発明の
実施例の走査制御部を示す図、第１１図はその動作説明
図である。 第２固 ／Ｙ和 靜３閲 躬　７因 第３図 第ｑ図 メを 一第１− 第１θ目 ノミ２デ （ｔ）′″−ｔ （ｔルー−−一」□乙

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、集束超音波ビームの焦点面内を試料が実効的に２次
   元走査する超音波顕微鏡において、焦点面内の一次元走
   査と試料に印加したじょう乱の大いさを走査とを用いて
   なる撮像手段を具備することを特徴とする超音波顕微鏡
   。