JP2672123B2 - 超音波顕微鏡 - Google Patents
超音波顕微鏡Info
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- JP2672123B2 JP2672123B2 JP63208611A JP20861188A JP2672123B2 JP 2672123 B2 JP2672123 B2 JP 2672123B2 JP 63208611 A JP63208611 A JP 63208611A JP 20861188 A JP20861188 A JP 20861188A JP 2672123 B2 JP2672123 B2 JP 2672123B2
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- Japan
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- acoustic lens
- signal
- time
- time gate
- acoustic
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、音響レンズを用いて超音波の集束球面波を
発生させ、測定対象である物質の表面および内部からの
反射波を再び音響レンズでとらえて音響−電気変換を行
ない、その反射信号を取出して表示するようにした超音
波顕微鏡に関し、特にその反射信号を時間分離して取出
し、測定対象物の音響的構造を３次元的に画像表示する
手段に関する。
発生させ、測定対象である物質の表面および内部からの
反射波を再び音響レンズでとらえて音響−電気変換を行
ない、その反射信号を取出して表示するようにした超音
波顕微鏡に関し、特にその反射信号を時間分離して取出
し、測定対象物の音響的構造を３次元的に画像表示する
手段に関する。
音響レンズを用いて超音波の集束球面波を発生させ、
測定対象である物質の表面および内部からの反射波を再
び音響レンズでとらえて音響−電気変換を行ない、その
反射信号を取出して表示するようにした超音波顕微鏡は
公知である。かかる超音波顕微鏡の中で、30MHz〜100MH
zといった比較的低い周波数帯の超音波を用いる超音波
顕微鏡は、超音波が測定対象物に対し数mmの深さまで到
達し得るので、測定対象物の比較的深部における音響的
構造を知る手段として極めて有用である。またこの種の
超音波顕微鏡は、一般にパルス状の超音波を用いている
が、パルス状超音波の反射波における時間軸上での遅れ
量には、測定対象物の深さ方向の位置情報が含まれてい
る。したがって上記位置情報を検出し、これを従来の平
面走査情報とを組み合わせれば、測定対象物の音響的構
造を３次元的に画像化できる可能性をもっている。
測定対象である物質の表面および内部からの反射波を再
び音響レンズでとらえて音響−電気変換を行ない、その
反射信号を取出して表示するようにした超音波顕微鏡は
公知である。かかる超音波顕微鏡の中で、30MHz〜100MH
zといった比較的低い周波数帯の超音波を用いる超音波
顕微鏡は、超音波が測定対象物に対し数mmの深さまで到
達し得るので、測定対象物の比較的深部における音響的
構造を知る手段として極めて有用である。またこの種の
超音波顕微鏡は、一般にパルス状の超音波を用いている
が、パルス状超音波の反射波における時間軸上での遅れ
量には、測定対象物の深さ方向の位置情報が含まれてい
る。したがって上記位置情報を検出し、これを従来の平
面走査情報とを組み合わせれば、測定対象物の音響的構
造を３次元的に画像化できる可能性をもっている。
その試みの一つとして、音響レンズと測定対象物との
間隔を変化させながら、平面走査を複数回くり返すこと
により、異なる深さからの反射信号による複数枚の水平
面断層像（Ｃモード画像）を得、この複数枚の水平面断
層像（Ｃモード画像）から３次元表示を行なおうとする
試みがなされている。
間隔を変化させながら、平面走査を複数回くり返すこと
により、異なる深さからの反射信号による複数枚の水平
面断層像（Ｃモード画像）を得、この複数枚の水平面断
層像（Ｃモード画像）から３次元表示を行なおうとする
試みがなされている。
また別の試みとして、１回の平面走査を行なった際に
得られる反射信号を、複数のタイムゲート信号を用いて
切り出し、反射信号の時間分離を行なうことによって複
数枚のＣモード画像を得ようとする試みがなされてい
る。
得られる反射信号を、複数のタイムゲート信号を用いて
切り出し、反射信号の時間分離を行なうことによって複
数枚のＣモード画像を得ようとする試みがなされてい
る。
上記した測定対象物における音響的構造を３次元的に
画像表示する従来の技術的手段には次のような問題があ
った。
画像表示する従来の技術的手段には次のような問題があ
った。
まず、音響レンズと測定対象物との間隔を変化させな
がら、平面走査を複数回くり返すことにより、異なる深
さからの反射信号による複数枚の水平面断層像（Ｃモー
ド画像）を得、この複数枚の水平面断層像（Ｃモード画
像）から３次元表示を行なおうとする試みでは、各Ｃモ
ード画像が、それぞれ焦点の合った画像になるという長
所がある反面、平面走査を多数回繰り返さなければなら
ないので、測定に長い時間を要する上、各Ｃモードの位
置的再現性に乏しいといった欠点がある。
がら、平面走査を複数回くり返すことにより、異なる深
さからの反射信号による複数枚の水平面断層像（Ｃモー
ド画像）を得、この複数枚の水平面断層像（Ｃモード画
像）から３次元表示を行なおうとする試みでは、各Ｃモ
ード画像が、それぞれ焦点の合った画像になるという長
所がある反面、平面走査を多数回繰り返さなければなら
ないので、測定に長い時間を要する上、各Ｃモードの位
置的再現性に乏しいといった欠点がある。
また１回の平面走査を行なった際に得られる反射信号
を、複数のタイムゲート信号を用いて切り出し、反射信
号の時間分離を行なうことによって複数枚のＣモード画
像を得ようとする試みでは、平面走査を１回だけ行なえ
ばよいので、測定を短時間で行なえる利点はあるが、そ
の反面、焦点のあったＣモード画像は一枚のみであり、
他は焦点の合わない画像となってしまうという重大な欠
点をもっている。
を、複数のタイムゲート信号を用いて切り出し、反射信
号の時間分離を行なうことによって複数枚のＣモード画
像を得ようとする試みでは、平面走査を１回だけ行なえ
ばよいので、測定を短時間で行なえる利点はあるが、そ
の反面、焦点のあったＣモード画像は一枚のみであり、
他は焦点の合わない画像となってしまうという重大な欠
点をもっている。
そこで本発明は、得られる各Ｃモード画像がすべて焦
点の合った画像になり、鮮明な３次元的画像を得ること
ができ、しかも平面走査は１回だけ行なえばよく、短時
間で測定可能である上、各Ｃモード画像の位置的再現性
に優れた３次元的画像表示手段を備えた超音波顕微鏡を
提供することを目的とする。
点の合った画像になり、鮮明な３次元的画像を得ること
ができ、しかも平面走査は１回だけ行なえばよく、短時
間で測定可能である上、各Ｃモード画像の位置的再現性
に優れた３次元的画像表示手段を備えた超音波顕微鏡を
提供することを目的とする。
本発明は上記課題を解決し目的を達するために次のよ
うな手段を講じた。
うな手段を講じた。
すなわち、送信パルスに同期して複数のタイムゲート
信号を発生する手段と、この手段により発生した前記タ
イムゲート信号の前記送信パルスに対する時間遅れを調
整する手段と、この手段により時間遅れを調整させた前
記タイムゲート信号を用いて前記送信パルスに対応する
反射信号を時間分離して抽出する手段と、この抽出され
た反射信号から複素信号を生成する手段とを設けると共
に、前記音響レンズの焦点が測定対象物の表面に合った
状態を基準として音響レンズと測定対象物との間の距離
の変動量を検出する手段を設ける。そして前記音響レン
ズ又は測定対象物載置用ステージの平面走査を行なうこ
とによって前記複数のタイミングゲート信号に対応する
複数の複素Ｃモード画像を得る手段と、この手段により
得られた複数の複素Ｃモード画像の各々に対応する点広
がり関数を前記検出された距離の変動量を含む情報に基
づいた計算によって求めて逆フィルタを作成する手段
と、この手段により作成した逆フィルタを用いて画像劣
化を復元したのち立体透視画像として表示する手段とを
備えるようにした。
信号を発生する手段と、この手段により発生した前記タ
イムゲート信号の前記送信パルスに対する時間遅れを調
整する手段と、この手段により時間遅れを調整させた前
記タイムゲート信号を用いて前記送信パルスに対応する
反射信号を時間分離して抽出する手段と、この抽出され
た反射信号から複素信号を生成する手段とを設けると共
に、前記音響レンズの焦点が測定対象物の表面に合った
状態を基準として音響レンズと測定対象物との間の距離
の変動量を検出する手段を設ける。そして前記音響レン
ズ又は測定対象物載置用ステージの平面走査を行なうこ
とによって前記複数のタイミングゲート信号に対応する
複数の複素Ｃモード画像を得る手段と、この手段により
得られた複数の複素Ｃモード画像の各々に対応する点広
がり関数を前記検出された距離の変動量を含む情報に基
づいた計算によって求めて逆フィルタを作成する手段
と、この手段により作成した逆フィルタを用いて画像劣
化を復元したのち立体透視画像として表示する手段とを
備えるようにした。
つまり、本発明はまず送信パルスに同期して生成され
た複数のタイムチャート信号によりとらえた反射波を、
直交検波して複数枚の複素Ｃモード画像を得る手段を有
している。
た複数のタイムチャート信号によりとらえた反射波を、
直交検波して複数枚の複素Ｃモード画像を得る手段を有
している。
また、音響レンズが、測定対象物の表面に焦点が合っ
た状態から上下にどれほど移動したかを知る手段を有し
ている。
た状態から上下にどれほど移動したかを知る手段を有し
ている。
なお本発明は、試料の音速及び密度が既知であるか、
又は測定することが可能であることを前提とする。
又は測定することが可能であることを前提とする。
かくして、以上の手段および条件に基づいて、各複素
Ｃモード画像に特有な点広がり関数（PSF）を計算によ
り求め、逆フィルタを作成し、焦点はずれ画像から合焦
画像を復元再生して３次元的表示を行なうようにしたこ
とを特徴としている。
Ｃモード画像に特有な点広がり関数（PSF）を計算によ
り求め、逆フィルタを作成し、焦点はずれ画像から合焦
画像を復元再生して３次元的表示を行なうようにしたこ
とを特徴としている。
第１図は本発明の一実施例の構成を示すブロック図で
ある。第１図において11は中央演算装置（以下CPUと略
称する）であり、各部の動作制御および必要な演算を行
なうものとなっている。このCPU11からの制御信号によ
って制御される送信回路12からは、例えば周波数が30MH
z〜100MHz程度の比較的低い周波数帯の送信パルスが出
力される。この送信パルスは、サーキュレータ13を通っ
て圧電トランスジューサ14に印加される。圧電トランス
ジューサ14にて電気−音響変換された超音波は、音響レ
ンズ15によって集束球面波となり、カプラ液体（水）16
を伝搬して測定対象物17に照射される。照射された超音
波の一部は測定対象物17を構成する物質の表面に反射さ
れるが、他の一部は物質内部に到達する。物質の表面，
底面，又は物質内部の音響的不均一部分から反射した反
射波は、再び音響レンズ15を通って圧電トランスジュー
サ14に戻り、音響−電気変換される。このようにして得
られた反射波に対応する反射信号は、サーキュレータ13
を通って受信回路18に入力し増幅される。増幅された反
射信号は、一方においてオシロスコープ19に供給され、
他方において時間分離用ゲート回路20へ入力信号として
供給される。
ある。第１図において11は中央演算装置（以下CPUと略
称する）であり、各部の動作制御および必要な演算を行
なうものとなっている。このCPU11からの制御信号によ
って制御される送信回路12からは、例えば周波数が30MH
z〜100MHz程度の比較的低い周波数帯の送信パルスが出
力される。この送信パルスは、サーキュレータ13を通っ
て圧電トランスジューサ14に印加される。圧電トランス
ジューサ14にて電気−音響変換された超音波は、音響レ
ンズ15によって集束球面波となり、カプラ液体（水）16
を伝搬して測定対象物17に照射される。照射された超音
波の一部は測定対象物17を構成する物質の表面に反射さ
れるが、他の一部は物質内部に到達する。物質の表面，
底面，又は物質内部の音響的不均一部分から反射した反
射波は、再び音響レンズ15を通って圧電トランスジュー
サ14に戻り、音響−電気変換される。このようにして得
られた反射波に対応する反射信号は、サーキュレータ13
を通って受信回路18に入力し増幅される。増幅された反
射信号は、一方においてオシロスコープ19に供給され、
他方において時間分離用ゲート回路20へ入力信号として
供給される。
一方、CPU11からの制御信号によりタイムゲート信号
発生回路30が前記送信回路12と同時に動作を開始する。
タイムゲート信号発生回路30は高速パルスジェネレータ
21からのパルスを基本クロックとして、CPU11からの制
御信号あるいは外部操作によって設定された時間を経過
した後、一定数のタイムゲート信号を発生する。このタ
イムゲート信号も、一方においてオシロスコープ19に供
給され、他方において時間分離用ゲート回路20のゲート
制御信号として供給される。
発生回路30が前記送信回路12と同時に動作を開始する。
タイムゲート信号発生回路30は高速パルスジェネレータ
21からのパルスを基本クロックとして、CPU11からの制
御信号あるいは外部操作によって設定された時間を経過
した後、一定数のタイムゲート信号を発生する。このタ
イムゲート信号も、一方においてオシロスコープ19に供
給され、他方において時間分離用ゲート回路20のゲート
制御信号として供給される。
第２図はオシロスコープ19に表示される受信信号SA
と、タイムゲート信号SBとを模擬的に示す波形図であ
る。SA1は表面反射信号を示し、SA2,SA3…は内部反射信
号を示している。
と、タイムゲート信号SBとを模擬的に示す波形図であ
る。SA1は表面反射信号を示し、SA2,SA3…は内部反射信
号を示している。
第１図に説明を戻す。観察者は、まずオシロスコープ
19に表示された第２図示の表面反射信号SA1を識別し、
その振幅が最大となる位置（表面に焦点が合った位置）
に音響レンズ15を移動させた後、上下位置検出回路22を
リセット（ΔＺ＝０）する。その位置から音響レンズ15
を測定対象物17へ近づける方向に移動して、測定対象物
17を構成している物質内部からの反射信号が十分大きな
振幅を有する状態にする。次に、CPU11あるいは外部か
らの調節操作を含むゲート位置調節手段を用いて、タイ
ムゲート信号発生回路30の調整を行なうことにより、第
２図に示すように、複数のタイムゲート信号のうち先頭
のタイムゲート信号SB1が表面反射信号SA1波をとらえる
状態にセットする。つまり送信パルスに対するタイムゲ
ート信号の時間的遅れを調整する。
19に表示された第２図示の表面反射信号SA1を識別し、
その振幅が最大となる位置（表面に焦点が合った位置）
に音響レンズ15を移動させた後、上下位置検出回路22を
リセット（ΔＺ＝０）する。その位置から音響レンズ15
を測定対象物17へ近づける方向に移動して、測定対象物
17を構成している物質内部からの反射信号が十分大きな
振幅を有する状態にする。次に、CPU11あるいは外部か
らの調節操作を含むゲート位置調節手段を用いて、タイ
ムゲート信号発生回路30の調整を行なうことにより、第
２図に示すように、複数のタイムゲート信号のうち先頭
のタイムゲート信号SB1が表面反射信号SA1波をとらえる
状態にセットする。つまり送信パルスに対するタイムゲ
ート信号の時間的遅れを調整する。
次に、CPU11からの制御信号によりＸ−Ｙ駆動機構23
を始動させ、測定対象物17を載置しているＸ−Ｙステー
ジ24をＸ−Ｙ方向に振動させると共に、メモリ28を書込
み可能な状態にし、一連の操作を実行する。受信信号SA
は時間分離用ゲート回路20により、複数のタイムゲート
信号SB1,SB2,SB3…の部分のみが時間分離されて抽出さ
れ、直交検波回路25に導かれる。直交検波回路25に導か
れた各反射信号SA1,SA2,SA3…は、この直交検波回路25
によってsin検波,cos検波されて複素信号となり、それ
ぞれピークホールド回路26a,26bにより、各タイムゲー
ト信号SB1,SB2,SB3…のタイミングに合わせてピークホ
ールドされ、さらにA/D変換回路27a,27bによりデジタル
信号に変換されて、メモリ28に複素画像として格納され
る。なお後述する３次元的画像やCPU11の動作内容等は
デイスプレイ装置29によって表示される。
を始動させ、測定対象物17を載置しているＸ−Ｙステー
ジ24をＸ−Ｙ方向に振動させると共に、メモリ28を書込
み可能な状態にし、一連の操作を実行する。受信信号SA
は時間分離用ゲート回路20により、複数のタイムゲート
信号SB1,SB2,SB3…の部分のみが時間分離されて抽出さ
れ、直交検波回路25に導かれる。直交検波回路25に導か
れた各反射信号SA1,SA2,SA3…は、この直交検波回路25
によってsin検波,cos検波されて複素信号となり、それ
ぞれピークホールド回路26a,26bにより、各タイムゲー
ト信号SB1,SB2,SB3…のタイミングに合わせてピークホ
ールドされ、さらにA/D変換回路27a,27bによりデジタル
信号に変換されて、メモリ28に複素画像として格納され
る。なお後述する３次元的画像やCPU11の動作内容等は
デイスプレイ装置29によって表示される。
ここで測定対象物17の内部構造が第３図のようなもの
であった場合についての本装置の作用を説明する。第３
図に示すように、測定対象物17の表面31からの距離が異
なった深さ位置に反射体32,33,34が存在しているものと
する。表面反射信号SA1はタイムゲート信号SB1でとらえ
られ、反射体32からの反射信号SA2はタイムゲート信号S
B2により、反射体33からの反射信号SA3はタイムゲート
信号SB3により、反射体34からの反射信号SA4はタイムゲ
ート信号SB4により、それぞれとらえれられていると仮
定する。第３図の例では反射体33からの像は焦点のあっ
たものとなるが、反射体33以外の像は明らかに焦点はず
れの像となる。したがってこのままの状態では鮮明な３
次元的画像表示は得られない。しかるに本実施例では、
上記焦点ずれの画像を焦点のあった状態に復元する手段
を有している。以下、タイムゲート信号SB4によってと
らえられる反射体34からの反射信号SA4による像、すな
わち反射体34が存在している深さの水平面断層像を復元
する手段について説明する。
であった場合についての本装置の作用を説明する。第３
図に示すように、測定対象物17の表面31からの距離が異
なった深さ位置に反射体32,33,34が存在しているものと
する。表面反射信号SA1はタイムゲート信号SB1でとらえ
られ、反射体32からの反射信号SA2はタイムゲート信号S
B2により、反射体33からの反射信号SA3はタイムゲート
信号SB3により、反射体34からの反射信号SA4はタイムゲ
ート信号SB4により、それぞれとらえれられていると仮
定する。第３図の例では反射体33からの像は焦点のあっ
たものとなるが、反射体33以外の像は明らかに焦点はず
れの像となる。したがってこのままの状態では鮮明な３
次元的画像表示は得られない。しかるに本実施例では、
上記焦点ずれの画像を焦点のあった状態に復元する手段
を有している。以下、タイムゲート信号SB4によってと
らえられる反射体34からの反射信号SA4による像、すな
わち反射体34が存在している深さの水平面断層像を復元
する手段について説明する。
第４図は一般的なパルス式音響レンズ40の形状を示す
図である。電気音響トランデューサ41を駆動する電極の
直径a,トランデューサ41から音響レンズ42の後焦点面FB
までの距離d,音響レンズ42の水中側焦点距離ｆ等は、そ
れぞれの音響レンズに固有な設計値として既知である。
図である。電気音響トランデューサ41を駆動する電極の
直径a,トランデューサ41から音響レンズ42の後焦点面FB
までの距離d,音響レンズ42の水中側焦点距離ｆ等は、そ
れぞれの音響レンズに固有な設計値として既知である。
まずはじめに水中側焦平面FFに於ける音場を求める必
要があるが、水中側焦平面FFの音場と後焦点面FBの音場
とは、フーリエ変換の関係にあることはよく知られてい
る。瞳関数Ｐ（x,y）は開口内では１と仮定する。そこ
で後焦点面FBの音場を求めれば良いことになるが、直径
ａの円形音源から距離ｄだけ離れた、音源に平行な平面
の音場分布を求める方法は、次に，として例示する
ように、既にいくつも提案がなされているところであ
る。
要があるが、水中側焦平面FFの音場と後焦点面FBの音場
とは、フーリエ変換の関係にあることはよく知られてい
る。瞳関数Ｐ（x,y）は開口内では１と仮定する。そこ
で後焦点面FBの音場を求めれば良いことになるが、直径
ａの円形音源から距離ｄだけ離れた、音源に平行な平面
の音場分布を求める方法は、次に，として例示する
ように、既にいくつも提案がなされているところであ
る。
「超音波音場とLommel関数」 鳥飼 安生 東京大学生産技術研究所報告 175（受理年度） UDC53.231−141 「高速フーリエ変換による音場の計算法」 有藤 清，青木 由直 電子通信学会論文誌 81/5 Vol.J64−Ａ No.5 これ等の方法を用いて後焦点面FBの音場を求めること
は、水中側焦点面FFの音場のスペクトルを求めることに
なるわけであるが、これは各音響レンズにとって固有な
ものである。したがって設計値に基づいて一度計算して
おけば良い。なお後焦点面FBの音場uf（x,y）と、水中
側焦点面FFでのスペクトルUf（ｋx,ky）の変数の間に
は、 ｋx＝（k0w/f）ｘ …（１） ｋy＝（k0w/f）ｙ …（２） k0w＝２πν/Cw …（３） なる関係がある。ここでνは音波の周波数,Cwは水中で
の音速,fは水中での音響レンズの焦点距離である。
は、水中側焦点面FFの音場のスペクトルを求めることに
なるわけであるが、これは各音響レンズにとって固有な
ものである。したがって設計値に基づいて一度計算して
おけば良い。なお後焦点面FBの音場uf（x,y）と、水中
側焦点面FFでのスペクトルUf（ｋx,ky）の変数の間に
は、 ｋx＝（k0w/f）ｘ …（１） ｋy＝（k0w/f）ｙ …（２） k0w＝２πν/Cw …（３） なる関係がある。ここでνは音波の周波数,Cwは水中で
の音速,fは水中での音響レンズの焦点距離である。
内に、音響レンズに対し測定対象物17が、第３図のよ
うな位置関係にあるとき、測定対象物17の表面31に於け
る音場を求めることを考える。
うな位置関係にあるとき、測定対象物17の表面31に於け
る音場を求めることを考える。
第３図の状態は、前述したように測定対象物17の表面
31に焦点を合わせて、上下位置検出回路22をリセットし
た後、音響レンズ15を測定対象物17に接近させる如く移
動させた状態であるから、上下位置検出回路22には第３
図に図示してある距離△Ｚが保持されていることにな
る。測定対象物17の表面31の音場を求めるには、先に求
めた水中側焦点面FFのスペクトルUf（ｋx,ky）を、水中
で△Ｚだけ逆もどりした平面のスペクトルを計算してや
れば良い。それをUsとすると Us＝Uf e−ikzw△Ｚ …（４） なる式の計算を、各ｋx,kyについて行なうことによって
求まる。
31に焦点を合わせて、上下位置検出回路22をリセットし
た後、音響レンズ15を測定対象物17に接近させる如く移
動させた状態であるから、上下位置検出回路22には第３
図に図示してある距離△Ｚが保持されていることにな
る。測定対象物17の表面31の音場を求めるには、先に求
めた水中側焦点面FFのスペクトルUf（ｋx,ky）を、水中
で△Ｚだけ逆もどりした平面のスペクトルを計算してや
れば良い。それをUsとすると Us＝Uf e−ikzw△Ｚ …（４） なる式の計算を、各ｋx,kyについて行なうことによって
求まる。
固体中では縦波と横波が存在するのが一般的である
が、以下説明を簡単化するために縦波についてのみ考え
る。
が、以下説明を簡単化するために縦波についてのみ考え
る。
Usは反射体34が存在する面まで進んでU0となるが、こ
れは（３）式と同じ考え方から U0＝Us e-ikZLz …（５） （k0Lは測定対象物中の縦波の伝搬定数）と表される。
測定対象物の音速がわかっているという前提から k0L＝２πν/CL， Ｚ＝（ｎ−１）ＣL/fg …（６） 但し ＣL：測定対象物中の縦波の音速 ν：音波の周波数 fg:タイムゲート信号のクロック周波数 n:タイムゲート信号の番号 （ここではSB4） によって求まる。このUo（ｋx,ky）を逆フーリエ変換し
たuo（x,y）が、測定対象物17の表面下ｚの距離にある
面に、音響レンズが形成する音場すなわち点広がり関数
である。
れは（３）式と同じ考え方から U0＝Us e-ikZLz …（５） （k0Lは測定対象物中の縦波の伝搬定数）と表される。
測定対象物の音速がわかっているという前提から k0L＝２πν/CL， Ｚ＝（ｎ−１）ＣL/fg …（６） 但し ＣL：測定対象物中の縦波の音速 ν：音波の周波数 fg:タイムゲート信号のクロック周波数 n:タイムゲート信号の番号 （ここではSB4） によって求まる。このUo（ｋx,ky）を逆フーリエ変換し
たuo（x,y）が、測定対象物17の表面下ｚの距離にある
面に、音響レンズが形成する音場すなわち点広がり関数
である。
走査型の結像システムに於ける伝達関数ｈ（x,y）
は、対物レンズの点広がり関数の２乗になることが知ら
れている。そこで ｈ（x,y）＝｛u0（x,y）｝２ …（７） が音響レンズによる結像系の伝達関数になるわけであ
る。
は、対物レンズの点広がり関数の２乗になることが知ら
れている。そこで ｈ（x,y）＝｛u0（x,y）｝２ …（７） が音響レンズによる結像系の伝達関数になるわけであ
る。
ここまでは測定対象物17と水の界面に於ける透過率，
反射体34での反射率が１として説明してきたが、これ等
はすべて周波数特性を持っている。その内容は、既に詳
細に解析されている。参考文献としては、「WAVES IN L
AYERED MEDIA」（Second Edition by L.M BREKHOVSKIK
H.Academic press,1980）がある。
反射体34での反射率が１として説明してきたが、これ等
はすべて周波数特性を持っている。その内容は、既に詳
細に解析されている。参考文献としては、「WAVES IN L
AYERED MEDIA」（Second Edition by L.M BREKHOVSKIK
H.Academic press,1980）がある。
縦波についての場合のみ、その結果を記すと、水から
測定対象物17の内部への透過率ＴL（ｋx,ky）は θ＝sin-1（kr/k0W） θ１＝sin-1（kr/k0L） γ＝sin-1（kr/kos） ｋos＝２πν/Cs （但しCs:測定対象物中の横波の音速） Ｚ＝ρCw/cosθ Zl＝ρ1CL/cosθ１ Zt＝ρ1Cs/cosγ （但しρ，ρ1:各々水と試料の密度） とすると、 ＴL＝（２ρ／ρ１）Zl cos2γ・（Zl cos22γ ＋Zt sin22γ＋Ｚ）-1 …（８） 測定体操物から水への透過率（即ち測定対象物中の縦
波がその表面から水中へ放射される比率） ＴL′（ｋx,ky）は、φを φ＝（Ｚ＋Zt sin22γ−Zl cos22γ）／（Ｚ ＋Zt sin22γ＋Zl cos22γ） と定義すると、 ＴL′＝（Cw cosθ1/CLcosθcos2γ）・（１−φ） …（９） によって計算される。
測定対象物17の内部への透過率ＴL（ｋx,ky）は θ＝sin-1（kr/k0W） θ１＝sin-1（kr/k0L） γ＝sin-1（kr/kos） ｋos＝２πν/Cs （但しCs:測定対象物中の横波の音速） Ｚ＝ρCw/cosθ Zl＝ρ1CL/cosθ１ Zt＝ρ1Cs/cosγ （但しρ，ρ1:各々水と試料の密度） とすると、 ＴL＝（２ρ／ρ１）Zl cos2γ・（Zl cos22γ ＋Zt sin22γ＋Ｚ）-1 …（８） 測定体操物から水への透過率（即ち測定対象物中の縦
波がその表面から水中へ放射される比率） ＴL′（ｋx,ky）は、φを φ＝（Ｚ＋Zt sin22γ−Zl cos22γ）／（Ｚ ＋Zt sin22γ＋Zl cos22γ） と定義すると、 ＴL′＝（Cw cosθ1/CLcosθcos2γ）・（１−φ） …（９） によって計算される。
反射体34による反射率Ｒ（ｋx,ky）は、反射体34の密
度及び音速が知られていないと計算できないが、本発明
者らは、別途Ｖ（Ｚ）曲線の逆フーリエ変換から反射関
数を求める手法を物質内部にまで拡張した方法を提案し
ている。この方法によれば、測定対象物本体の音速，密
度が既知の場合はもちろん、未知であっても、測定対象
物表面31からの反射波についてのＶ（Ｚ）と、内部反射
体34からの反射波についてのＶ（Ｚ）とを同時に測定，
演算することが可能であり、これにより反射率Ｒ（ｋz,
kr）が求められる。
度及び音速が知られていないと計算できないが、本発明
者らは、別途Ｖ（Ｚ）曲線の逆フーリエ変換から反射関
数を求める手法を物質内部にまで拡張した方法を提案し
ている。この方法によれば、測定対象物本体の音速，密
度が既知の場合はもちろん、未知であっても、測定対象
物表面31からの反射波についてのＶ（Ｚ）と、内部反射
体34からの反射波についてのＶ（Ｚ）とを同時に測定，
演算することが可能であり、これにより反射率Ｒ（ｋz,
kr）が求められる。
以上述べた３種類の周波数特性T,T′,Rは反射体34に
おけるスペクトルUzにかかることになる。走査型結像シ
ステムの２乗特性を考慮して Ｈ＋＝UoT …（10） Ｈ−＝U0 RT′ …（11） Ｈ＝Ｈ＋＠Ｈ− …（12） （＠：コンボリューション） なるＨすなわち逆フィルタを作成する。
おけるスペクトルUzにかかることになる。走査型結像シ
ステムの２乗特性を考慮して Ｈ＋＝UoT …（10） Ｈ−＝U0 RT′ …（11） Ｈ＝Ｈ＋＠Ｈ− …（12） （＠：コンボリューション） なるＨすなわち逆フィルタを作成する。
劣化画像からの復元は、この逆フィルタを直接用いる
ようにしても良いが、適当なノイズパワースペクトルを
導入してウィナーフィルタを構成し、これを用いて復元
しても良い。
ようにしても良いが、適当なノイズパワースペクトルを
導入してウィナーフィルタを構成し、これを用いて復元
しても良い。
以上の説明は、物質内部に、縦波だけが存在している
場合に限定しての説明であったが、実際にも横波も存在
する。そして反射体34では縦波から変換された縦波と横
波，また横波から変換された縦波と横波の４種類の波動
が考えられる。これらに関して、それぞれ前述と同様の
考え方を適用すれば、各々のＨが求められる。それぞれ
の逆変換をh1,h2,h3,h4とすると、劣化画像ｉは一般
に、 ｉ＝ｇ＠（h1＋h2＋h3＋h4） …（13） と考えて良い。したがって必要に応じて、つまり横波の
影響が無視できるかできないかを考慮して、h1〜h4を組
み合わせて用いれば良いであろう。
場合に限定しての説明であったが、実際にも横波も存在
する。そして反射体34では縦波から変換された縦波と横
波，また横波から変換された縦波と横波の４種類の波動
が考えられる。これらに関して、それぞれ前述と同様の
考え方を適用すれば、各々のＨが求められる。それぞれ
の逆変換をh1,h2,h3,h4とすると、劣化画像ｉは一般
に、 ｉ＝ｇ＠（h1＋h2＋h3＋h4） …（13） と考えて良い。したがって必要に応じて、つまり横波の
影響が無視できるかできないかを考慮して、h1〜h4を組
み合わせて用いれば良いであろう。
また、測定対象物によっては、その内部構造が剥離や
クラックを有していることがわかっている場合もある
が、この様な場合にはＲは約１であると考えてさしつか
えない。さらに音響レンズの開口角が十分小さい場合に
は、T,T′がほぼ一様の振幅と位相になる場合もあり、
測定対象物の内部に発生する横波が比較的小さくて無視
できる場合もある。これらのことから計算が簡略化され
ることも多い。
クラックを有していることがわかっている場合もある
が、この様な場合にはＲは約１であると考えてさしつか
えない。さらに音響レンズの開口角が十分小さい場合に
は、T,T′がほぼ一様の振幅と位相になる場合もあり、
測定対象物の内部に発生する横波が比較的小さくて無視
できる場合もある。これらのことから計算が簡略化され
ることも多い。
以上の復元走査をCPU11により行ない、各Ｃモード画
像に対してその処理を施した後、各Ｃモード画像を観測
し易い視点から見た状態に座標変換（アフィン変換）
し、適当な濃度の重みづけ等を行なってディスプレイ装
置29に重畳させて表示する。かくして様々な視点から見
た鮮明な立体透視画像が容易に得られる。
像に対してその処理を施した後、各Ｃモード画像を観測
し易い視点から見た状態に座標変換（アフィン変換）
し、適当な濃度の重みづけ等を行なってディスプレイ装
置29に重畳させて表示する。かくして様々な視点から見
た鮮明な立体透視画像が容易に得られる。
このように本実施例によれば、測定対象物17の内部に
存在する音響的不均一部分の３次元的分布が、ただ１回
の平面走査によって得られる上、すべての深さに於ける
画像をボケのないものとなし得る。
存在する音響的不均一部分の３次元的分布が、ただ１回
の平面走査によって得られる上、すべての深さに於ける
画像をボケのないものとなし得る。
なお本発明は、上記した一実施例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で種々変形実施
可能であるのは勿論である。
はなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施
可能であるのは勿論である。
本発明によれば、得られる各Ｃモード画像がすべて焦
点の合った画像になり、鮮明な３次元的画像を得ること
ができ、しかも平面走査は１回だけ行なえばよく、短時
間で測定可能である上、各Ｃコード画像の位置的再現性
に優れた３次元的画像表示手段を備えた超音波顕微鏡を
提供できる。
点の合った画像になり、鮮明な３次元的画像を得ること
ができ、しかも平面走査は１回だけ行なえばよく、短時
間で測定可能である上、各Ｃコード画像の位置的再現性
に優れた３次元的画像表示手段を備えた超音波顕微鏡を
提供できる。
第１図〜第４図は本発明の一実施例を示す図で、第１図
は全体的な構成を示すブロック図、第２図は反射信号お
よびタイムゲート信号を模擬的に示す波形図、第３図は
超音波の物質表面および物質内部での反射の模様を示す
図、第４図は作用説明に用いた一般的なパルス式音響レ
ンズの形状を示す図である。 11……CPU、14……圧電トランスジューサ、15……音響
レンズ、17……測定対象物、20……時間分離用ゲート回
路、30……タイムゲート信号発生回路。
は全体的な構成を示すブロック図、第２図は反射信号お
よびタイムゲート信号を模擬的に示す波形図、第３図は
超音波の物質表面および物質内部での反射の模様を示す
図、第４図は作用説明に用いた一般的なパルス式音響レ
ンズの形状を示す図である。 11……CPU、14……圧電トランスジューサ、15……音響
レンズ、17……測定対象物、20……時間分離用ゲート回
路、30……タイムゲート信号発生回路。
Claims (1)
- 【請求項１】音響レンズを用いて超音波の集束球面波を
発生させ、測定対象である物質の表面および内部からの
反射波を再び音響レンズでとらえて音響−電気変換を行
ない、その反射信号を取出して表示するようにした超音
波顕微鏡において、 送信パルスに同期して複数のタイムゲート信号を発生す
る手段と、この手段により発生した前記タイムゲート信
号の前記送信パルスに対する時間遅れを調整する手段
と、この手段により時間遅れを調整された前記タイムゲ
ート信号を用いて前記送信パルスに対応する反射信号を
時間分離して抽出する手段と、この抽出された反射信号
から複素信号を生成する手段と、前記音響レンズの焦点
が測定対象物の表面に合った状態を基準として音響レン
ズと測定対象物との間の距離の変動量を検出する手段
と、前記音響レンズ又は測定対象物載置用ステージの平
面走査を行なうことによって前記複数のタイムゲート信
号に対応する複数の複素Ｃモード画像を得る手段と、こ
の手段により得られた複数の複素Ｃモード画像の各々に
対応する点広がり関数を前記検出された距離の変動量を
含む情報に基づいた計算によって求めて逆フィルタを作
成する手段と、この手段により作成した逆フィルタを用
いて画像劣化を復元したのち立体透視画像として表示す
る手段とを備えたことを特徴とする超音波顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63208611A JP2672123B2 (ja) | 1988-08-23 | 1988-08-23 | 超音波顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63208611A JP2672123B2 (ja) | 1988-08-23 | 1988-08-23 | 超音波顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0257972A JPH0257972A (ja) | 1990-02-27 |
| JP2672123B2 true JP2672123B2 (ja) | 1997-11-05 |
Family
ID=16559081
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63208611A Expired - Lifetime JP2672123B2 (ja) | 1988-08-23 | 1988-08-23 | 超音波顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2672123B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04328460A (ja) * | 1991-04-26 | 1992-11-17 | Canon Inc | 超音波映像装置 |
| CN109374739B (zh) * | 2018-09-05 | 2021-07-27 | 广州联声电子科技有限公司 | 一种基于环形面阵的超声显微镜及方法 |
| CN109374738B (zh) * | 2018-09-05 | 2021-07-27 | 广州联声电子科技有限公司 | 一种基于环形阵列的超声显微镜及方法 |
-
1988
- 1988-08-23 JP JP63208611A patent/JP2672123B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0257972A (ja) | 1990-02-27 |
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