JPH0257971A - 超音波顕微鏡における測定対象物の反射関数算定方法およびその装置 - Google Patents
超音波顕微鏡における測定対象物の反射関数算定方法およびその装置Info
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- JPH0257971A JPH0257971A JP63208612A JP20861288A JPH0257971A JP H0257971 A JPH0257971 A JP H0257971A JP 63208612 A JP63208612 A JP 63208612A JP 20861288 A JP20861288 A JP 20861288A JP H0257971 A JPH0257971 A JP H0257971A
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Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
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、その反射信号を時間分離して記録する如く構成され
た超音波顕微鏡に適用され、測定対象である物質の反射
関数、特に物質内部の反射関数を算定する方法およびそ
の装置に関する。
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、その反射信号を時間分離して記録する如く構成され
た超音波顕微鏡に適用され、測定対象である物質の反射
関数、特に物質内部の反射関数を算定する方法およびそ
の装置に関する。
音響レンズを用いて超音波の集束球面波を発生させ、測
定対象物である固体試料の表面からの反射波を音響レン
ズで再びとらえて音響−電気変換を行なう装置は公知で
ある。かかる装置に於いて、音響レンズと固体試料の表
面との距離Zを、合焦状態から短縮する方向に変化させ
ると、その電気出力Vが固体試料を構成する物質によっ
て独特な変化をすることが知られている。この出力の変
化はV (Z)曲線と称され、物質の音響的性質を調べ
る上で有力な情報として注目されている・。
定対象物である固体試料の表面からの反射波を音響レン
ズで再びとらえて音響−電気変換を行なう装置は公知で
ある。かかる装置に於いて、音響レンズと固体試料の表
面との距離Zを、合焦状態から短縮する方向に変化させ
ると、その電気出力Vが固体試料を構成する物質によっ
て独特な変化をすることが知られている。この出力の変
化はV (Z)曲線と称され、物質の音響的性質を調べ
る上で有力な情報として注目されている・。
更に近年、上記V (Z)曲線が、音響レンズの瞳関数
P(kr)の2乗と試料表面の反射関数R(k「)の積
のフーリエ変換で表わされることに着目し、V (Z)
をフーリエ逆変換することにより、反射関数R(kr)
を求めようという試みがなされている。上記試みに関す
る技術は、例えば文献rMaterlal Chara
cterization by theInversi
on of’ V(Z) J (G、S、KINOet
al、1EEETRANS、5ONIC8& ULTR
ASONIC8,Vol、5U−32NO,2P213
MARCI+ 1985)に記載されている。
P(kr)の2乗と試料表面の反射関数R(k「)の積
のフーリエ変換で表わされることに着目し、V (Z)
をフーリエ逆変換することにより、反射関数R(kr)
を求めようという試みがなされている。上記試みに関す
る技術は、例えば文献rMaterlal Chara
cterization by theInversi
on of’ V(Z) J (G、S、KINOet
al、1EEETRANS、5ONIC8& ULTR
ASONIC8,Vol、5U−32NO,2P213
MARCI+ 1985)に記載されている。
すなわちP(kr)が既知であれば
R(kr ) −F−’ fV (Z) 1/P2
(kr ) ・・・(1)なる式によって求めら
れるというものである。ここでp−1はフーリエ逆変換
を表わし、krは音響レンズによって形成される集束球
面波を構成する各平面波の伝搬定数におけるレンズ半径
方向成分である。なお上記レンズ半径方向成分は、音波
の入射角θに相当し、次のような関係を有している。
(kr ) ・・・(1)なる式によって求めら
れるというものである。ここでp−1はフーリエ逆変換
を表わし、krは音響レンズによって形成される集束球
面波を構成する各平面波の伝搬定数におけるレンズ半径
方向成分である。なお上記レンズ半径方向成分は、音波
の入射角θに相当し、次のような関係を有している。
θ−s in−’ (kr /kO)(但しkO:
2πν/Cw 、Cv :水中の音速。
2πν/Cw 、Cv :水中の音速。
シ:音波の周波数)
瞳関数Pは理想的には1であるが、収差等を含んでいる
場合は、別途測定する必要がある。その方法についても
前記文献に開示されている。
場合は、別途測定する必要がある。その方法についても
前記文献に開示されている。
以上述べた方法で測定される反射関数R(kr)は、音
波の入射角度の関数であり、物質の音響的性質を様々に
反映している。例えば、縦波、横波の臨界角θL、θT
から、それぞれの音速はCL−Cw/sinθL
−(2)CT=Cv/sinθT −
(3)(但しCW 二水中の音速) なる式で求まる。また垂直入射波の反射率R(0)は横
波の発生がないため、 R(o) = (pi C−po Cw )/(ρIc
L+ρ0CW) ・・・(4)(但しρ0:水の密
度、ρl :固体の密度)であるから、これより固体の
密度plが求まる。
波の入射角度の関数であり、物質の音響的性質を様々に
反映している。例えば、縦波、横波の臨界角θL、θT
から、それぞれの音速はCL−Cw/sinθL
−(2)CT=Cv/sinθT −
(3)(但しCW 二水中の音速) なる式で求まる。また垂直入射波の反射率R(0)は横
波の発生がないため、 R(o) = (pi C−po Cw )/(ρIc
L+ρ0CW) ・・・(4)(但しρ0:水の密
度、ρl :固体の密度)であるから、これより固体の
密度plが求まる。
このように、極めて豊富な情報を読み取ることができる
。
。
以上述べた従来の反射関数を求める方法は、専ら固体試
料の表面(固液界面)での反射関数を求める方法であっ
た。周知の如く超音波が有している大きな特徴の一つは
、固体の内部へも容易に到達し得ることである。そこで
、この特徴を有効に利用するためには、固体内部に存在
する反射物体の音響的性質を定量的にとらえ得る手段を
有することが重要な要素となる。しかるに従来の超音波
顕微鏡では、測定対象物の内部からの反射波の存在を知
ることは可能であるが、例えばその反射波が、より密度
の高い物質の存在によるものか、クラックや剥離による
低密度な物質との界面からの反射によるものかを知るこ
とすら容易ではなく、ましてやそれ等を定量的にとらえ
ることは不可能であった。
料の表面(固液界面)での反射関数を求める方法であっ
た。周知の如く超音波が有している大きな特徴の一つは
、固体の内部へも容易に到達し得ることである。そこで
、この特徴を有効に利用するためには、固体内部に存在
する反射物体の音響的性質を定量的にとらえ得る手段を
有することが重要な要素となる。しかるに従来の超音波
顕微鏡では、測定対象物の内部からの反射波の存在を知
ることは可能であるが、例えばその反射波が、より密度
の高い物質の存在によるものか、クラックや剥離による
低密度な物質との界面からの反射によるものかを知るこ
とすら容易ではなく、ましてやそれ等を定量的にとらえ
ることは不可能であった。
したがって本発明の目的は、物質内部に存在する音響的
不均一面に於ける音波の反射関数を容易かつ適確に求め
ることができ、測定対象物を構成する物質の音響的内部
構造を定量的に把握することが可能な超音波顕微鏡にお
ける測定対象物の反射関数算定方法およびその装置を提
供することにある。
不均一面に於ける音波の反射関数を容易かつ適確に求め
ることができ、測定対象物を構成する物質の音響的内部
構造を定量的に把握することが可能な超音波顕微鏡にお
ける測定対象物の反射関数算定方法およびその装置を提
供することにある。
〔課題を解決するための手段および作用〕本発明は上記
課題を解決し目的を達成るために次のような手段を講じ
た。
課題を解決し目的を達成るために次のような手段を講じ
た。
(1)本発明の「超音波顕微鏡における測定対象物の反
射関数算定方法」に於いては、一方において音響レンズ
と測定対象である物質との距離を変化させて得られる時
間分離された物質内部からの反射信号を複素V (Z)
信号として取込み、これをフーリエ変換すると共に、他
方において既知である前記音響レンズの瞳関数の2乗と
、前記物質の表面から物質内部へ向かって超音波が透過
するときの角度を変数とする第1の透過率関数と、前記
物質の内部から物質外部へ向かって超音波が透過すると
きの角度を変数とする第2の透過率関数と、前記物質本
体の音速から求まる超音波の入射角度を変数とする位相
遅れ関数との積を求める。
射関数算定方法」に於いては、一方において音響レンズ
と測定対象である物質との距離を変化させて得られる時
間分離された物質内部からの反射信号を複素V (Z)
信号として取込み、これをフーリエ変換すると共に、他
方において既知である前記音響レンズの瞳関数の2乗と
、前記物質の表面から物質内部へ向かって超音波が透過
するときの角度を変数とする第1の透過率関数と、前記
物質の内部から物質外部へ向かって超音波が透過すると
きの角度を変数とする第2の透過率関数と、前記物質本
体の音速から求まる超音波の入射角度を変数とする位相
遅れ関数との積を求める。
そしてこの積によって、前記フーリエ変換した結果を除
算することにより、物質内部の反射関数を算定するよう
にした。
算することにより、物質内部の反射関数を算定するよう
にした。
(2)また本発明の「超音波顕微鏡における測定対象物
の反射関数算定方法」に於いては、(1)に記載の反射
関数算定方法に於いて、時間分離された物質表面からの
反射信号と物質内部からの反射信号の複素V (Z)信
号とを同時に測定し、物質表面の複素V (Z)信号か
らこの物質表面の反射関数を求め、この物質表面の反射
関数から物質本体の音速と密度とを算出することにより
求めた前記第1および第2の透過率関数と、前記位相遅
れ関数と、前記既知の瞳関数の2乗との積を求め、この
積によって、時間分離された物質内部からの反射信号の
複素V (Z)信号をフーリエ変換した結果を除算する
ことにより、物質内部の反射関数を算定するようにした
。
の反射関数算定方法」に於いては、(1)に記載の反射
関数算定方法に於いて、時間分離された物質表面からの
反射信号と物質内部からの反射信号の複素V (Z)信
号とを同時に測定し、物質表面の複素V (Z)信号か
らこの物質表面の反射関数を求め、この物質表面の反射
関数から物質本体の音速と密度とを算出することにより
求めた前記第1および第2の透過率関数と、前記位相遅
れ関数と、前記既知の瞳関数の2乗との積を求め、この
積によって、時間分離された物質内部からの反射信号の
複素V (Z)信号をフーリエ変換した結果を除算する
ことにより、物質内部の反射関数を算定するようにした
。
すなわち、上記(1)(2)に記載した本発明の反射関
数算定方法は、従来の技術として述べたV (Z)のフ
ーリエ変換から反射関数を求める方法を、物質内部に存
在する反射面で反射関数を求めるための方法に拡張した
ことを特徴としている。
数算定方法は、従来の技術として述べたV (Z)のフ
ーリエ変換から反射関数を求める方法を、物質内部に存
在する反射面で反射関数を求めるための方法に拡張した
ことを特徴としている。
(3)本発明の「超音波顕微鏡における測定対象物の反
射関数算定装置」に於いては、高い周波数の基本クロッ
クを発生するクロック発生回路と、このクロック発生回
路にて発生したクロックを超音波パルスの発生に同期さ
せて通過可能とするゲートと、このゲートを通過した前
記クロックを:を数可能に設けられたカウンタと、外部
設定操作を行なうことにより第1の整数値を設定する設
定手段と、前記音響レンズと測定対象物との距離の変化
量に基づいて OUT=2fΔz / Cv なる演算を行なって第2の整数値を算出する算出手段と
、前記設定手段により設定された第1の整数値に対し前
記算出手段により算出された第2の整数値を加減算しこ
の加減算出力を前記超音波パルスの発生に同期させて前
記カウンタにプリセット値として与える手段と、前記カ
ウンタが上記プリセット値に相当する前記クロックの計
数を終了したとき前記ゲートを遮断すると共にタイムゲ
ート信号を発生させる手段と、この手段により発生した
タイムゲート信号を用い少なくとも測定対象物を構成す
る物質の内部からの反射信号を時間分離して抽出する手
段と、この手段により抽出された反射信号を直交検波し
て複素V (Z)信号となす手段と、この手段で得た出
力を記憶するメモリと、このメモリに記憶された情報に
基づいて前記物質内部の反射関数の演算を行なう演算手
段と、を備えるようにした。
射関数算定装置」に於いては、高い周波数の基本クロッ
クを発生するクロック発生回路と、このクロック発生回
路にて発生したクロックを超音波パルスの発生に同期さ
せて通過可能とするゲートと、このゲートを通過した前
記クロックを:を数可能に設けられたカウンタと、外部
設定操作を行なうことにより第1の整数値を設定する設
定手段と、前記音響レンズと測定対象物との距離の変化
量に基づいて OUT=2fΔz / Cv なる演算を行なって第2の整数値を算出する算出手段と
、前記設定手段により設定された第1の整数値に対し前
記算出手段により算出された第2の整数値を加減算しこ
の加減算出力を前記超音波パルスの発生に同期させて前
記カウンタにプリセット値として与える手段と、前記カ
ウンタが上記プリセット値に相当する前記クロックの計
数を終了したとき前記ゲートを遮断すると共にタイムゲ
ート信号を発生させる手段と、この手段により発生した
タイムゲート信号を用い少なくとも測定対象物を構成す
る物質の内部からの反射信号を時間分離して抽出する手
段と、この手段により抽出された反射信号を直交検波し
て複素V (Z)信号となす手段と、この手段で得た出
力を記憶するメモリと、このメモリに記憶された情報に
基づいて前記物質内部の反射関数の演算を行なう演算手
段と、を備えるようにした。
すなわち、上記(3)に記載した本発明の超音波顕微鏡
における測定対象物の反射関数算定装置は、物質内部の
反射面に於けるV (Z)を求める手段として、従来の
パルス式超音波顕微鏡に、■音響レンズの上下方向(Z
方向)の移動に対して、試料内部のある定まった深さか
らの反射信号に追従するタイムゲート信号を発生する手
段、■受信信号を直交検波して複素信号を得、これを記
憶しておき、その記憶情報に基づいて物質内部の反射関
数の演算を行なう手段、等を備えたことを特徴としてい
る。
における測定対象物の反射関数算定装置は、物質内部の
反射面に於けるV (Z)を求める手段として、従来の
パルス式超音波顕微鏡に、■音響レンズの上下方向(Z
方向)の移動に対して、試料内部のある定まった深さか
らの反射信号に追従するタイムゲート信号を発生する手
段、■受信信号を直交検波して複素信号を得、これを記
憶しておき、その記憶情報に基づいて物質内部の反射関
数の演算を行なう手段、等を備えたことを特徴としてい
る。
まず物質内部の反射面に於ける反射関数を求める方法に
ついて説明する。
ついて説明する。
第1図は、本発明の測定対象物を構成する物質の反射関
数を算定する方法の手順を示すブロック図である。第1
図の手順1に示すように、まず音響レンズと測定対象物
を構成する物質との距離を変化させて得られる前記時間
分離された物質内部からの反射信号を複素V (Z)信
号として取込む。
数を算定する方法の手順を示すブロック図である。第1
図の手順1に示すように、まず音響レンズと測定対象物
を構成する物質との距離を変化させて得られる前記時間
分離された物質内部からの反射信号を複素V (Z)信
号として取込む。
次に手順2に示すように、複素V (Z)信号をフーリ
エ変換する。他方、手順3,4,5.6に示すように、
既知である前記音響レンズの瞳関数の2乗と、前記物質
の表面から物質内部へ向かって超音波が透過するときの
角度を変数とする第1の透過率関数と、前記物質の内部
から物質外部へ向かって超音波が透過するときの角度を
変数とする第2の透過率関数と、前記物質本体の音速か
ら求まる超音波の入射角度を変数とする位相遅れ関数と
を求める。そして手順7に示すように、前記手順3.4
,5.6で求めた各位を乗算してその積を求める。次に
手順8に示すように、上記のようにして求めた積により
、前記フーリエ変換した結果を除算することにより、物
質内部の反射関数R’ (kr)を算定する。
エ変換する。他方、手順3,4,5.6に示すように、
既知である前記音響レンズの瞳関数の2乗と、前記物質
の表面から物質内部へ向かって超音波が透過するときの
角度を変数とする第1の透過率関数と、前記物質の内部
から物質外部へ向かって超音波が透過するときの角度を
変数とする第2の透過率関数と、前記物質本体の音速か
ら求まる超音波の入射角度を変数とする位相遅れ関数と
を求める。そして手順7に示すように、前記手順3.4
,5.6で求めた各位を乗算してその積を求める。次に
手順8に示すように、上記のようにして求めた積により
、前記フーリエ変換した結果を除算することにより、物
質内部の反射関数R’ (kr)を算定する。
次に上記した方法により、物質内部の反射関数R’
(kr)を算定することができる理由を説明する。物質
表面のV (Z)は、前述の参考文献から V (Z) −Cf P2(kr ) R(k
r 3(kr/kz) −expc−j2kzZ)dkr ・ (5)(但
しC:規格因子、(kr/kz) :内周と外周のエネルギーの違いを表す因子)である。
(kr)を算定することができる理由を説明する。物質
表面のV (Z)は、前述の参考文献から V (Z) −Cf P2(kr ) R(k
r 3(kr/kz) −expc−j2kzZ)dkr ・ (5)(但
しC:規格因子、(kr/kz) :内周と外周のエネルギーの違いを表す因子)である。
上式について適当な変数変換を行なうと、V (u)−
ClF3 (t)R(t)−eχp(−j2πut)d
t −(6)と表わせるoV’(u)は、P2 (t
)R(t)のフーリエ変換であることがわかる。そこで
(5)式を物質内部に拡張することを考える。説明を簡
単化するために物質内部の縦波だけを考える。
ClF3 (t)R(t)−eχp(−j2πut)d
t −(6)と表わせるoV’(u)は、P2 (t
)R(t)のフーリエ変換であることがわかる。そこで
(5)式を物質内部に拡張することを考える。説明を簡
単化するために物質内部の縦波だけを考える。
第2図に示すように、物質内部の反射面9からの反射波
は、物質表面10からの反射波に対して試料中を22だ
け長く進むことがわかる。この点を考慮すると(5)式
は、 V (Z)−CJ’P2 (kr)R’ (kr)(
kr /kz )exp C−j2kz Z)−ezp
[j21cz’ z〕dkr −(7)のように拡
張できる。ここでR’ (kr)は物質内部の反射関
数、1(z′ は物質内部の伝搬定数のZ成分であり、 kZ’ = (kQ’−kr”) (但しko’−2πν/CL、 シ:音波の周波数、
CI、:縦波の音速) である。CLは既知ないしは前述した従来の方法で、1
ll11定可能であり、Zは後述する反射波の時間計測
を行なうことにより、 z4τCL ・・・(8)な
る式により求まる。2は、Zの変化に対して不変である
。したがってeχI)(j2kz’ z)は、k「の
みを変数とする位相項なので、P(kr)と同様に扱え
ばよいことがわかる。次に、音波が物質表面の固液界面
を往復することによる影響を考える。
は、物質表面10からの反射波に対して試料中を22だ
け長く進むことがわかる。この点を考慮すると(5)式
は、 V (Z)−CJ’P2 (kr)R’ (kr)(
kr /kz )exp C−j2kz Z)−ezp
[j21cz’ z〕dkr −(7)のように拡
張できる。ここでR’ (kr)は物質内部の反射関
数、1(z′ は物質内部の伝搬定数のZ成分であり、 kZ’ = (kQ’−kr”) (但しko’−2πν/CL、 シ:音波の周波数、
CI、:縦波の音速) である。CLは既知ないしは前述した従来の方法で、1
ll11定可能であり、Zは後述する反射波の時間計測
を行なうことにより、 z4τCL ・・・(8)な
る式により求まる。2は、Zの変化に対して不変である
。したがってeχI)(j2kz’ z)は、k「の
みを変数とする位相項なので、P(kr)と同様に扱え
ばよいことがわかる。次に、音波が物質表面の固液界面
を往復することによる影響を考える。
固液界面の反射率および透過率の角度依存性は既に詳細
に解析されており、以下のように定式化されている。
に解析されており、以下のように定式化されている。
CW、ρ:水の音速と密度
CL、Cs:固体中の縦波と横波の音速ρl :固体の
密度 とすると、水中の伝搬定数は kQ −2πν/CW である。固体中の伝搬定数は縦波、横波に対してkO’
−2πν/CL ko’−2πν/C3 であり、入射角θ、縦波の屈折角θl、横波の屈折角γ
はそれぞれ θ−s i n’ (kr / ko )θl −s
i n’ (kr /kO’ )7−s in−’
(kr /RO’ )で表わされる。そこで Z−ρC/cosθ Zノmρlc/cosθI Zt ””11)l Cs/cos7 とすると、水から固体への縦波の透過率T(kr)は T (kr)= (2ρ/ρl )ZJcos2
γ(Z) COS22 γ +zt s i n227+Z)−t ・−
(9)となる。逆に固体から水中への透過率T’ (
kr)は、φを φ= (Z+Zt s i n227 −Zfcos227) / (Z+Zt s i n227 + Z 、f? c o s 227 ) −(1
0)と定義すると、 T’ −(Cv cosθl/CLcosθ・cos
2γ)(1−φ) ・・・・・・(11)となる。なお
、以上の算定に関する参考文献としては、「曾^VES
IN LAYERED MEDIAJ (Secon
dEdition by L、M BREKIIOVS
KIKH,Acadea+Ic press。
密度 とすると、水中の伝搬定数は kQ −2πν/CW である。固体中の伝搬定数は縦波、横波に対してkO’
−2πν/CL ko’−2πν/C3 であり、入射角θ、縦波の屈折角θl、横波の屈折角γ
はそれぞれ θ−s i n’ (kr / ko )θl −s
i n’ (kr /kO’ )7−s in−’
(kr /RO’ )で表わされる。そこで Z−ρC/cosθ Zノmρlc/cosθI Zt ””11)l Cs/cos7 とすると、水から固体への縦波の透過率T(kr)は T (kr)= (2ρ/ρl )ZJcos2
γ(Z) COS22 γ +zt s i n227+Z)−t ・−
(9)となる。逆に固体から水中への透過率T’ (
kr)は、φを φ= (Z+Zt s i n227 −Zfcos227) / (Z+Zt s i n227 + Z 、f? c o s 227 ) −(1
0)と定義すると、 T’ −(Cv cosθl/CLcosθ・cos
2γ)(1−φ) ・・・・・・(11)となる。なお
、以上の算定に関する参考文献としては、「曾^VES
IN LAYERED MEDIAJ (Secon
dEdition by L、M BREKIIOVS
KIKH,Acadea+Ic press。
1980)がある。
上記の(11)式から明らかなように、T。
T′はρ1.CL、、Csが知れていれば、いづれもk
rのみの関数として計算できる。したがって(7)式は
、 V (Z)−ClF3 (kr)T (kr)・T’
(kr)Q(kr)R’ (kr)(kr/kz) ・eZp(−j2kz Z〕dkr・ (12)(但し
Q (Rr )=exp (j2kz′ z〕)と拡
張される。従ってV (Z)がAJj定されれば、物質
内部の反射面9に於ける反射関数R’ (Rr)は R’ (kr ) −F−’ fV (Z)
1/P2 (kr )T (kr )−T’
(kr ) Q (kr ) −(
13)なる式で求めることができる。
rのみの関数として計算できる。したがって(7)式は
、 V (Z)−ClF3 (kr)T (kr)・T’
(kr)Q(kr)R’ (kr)(kr/kz) ・eZp(−j2kz Z〕dkr・ (12)(但し
Q (Rr )=exp (j2kz′ z〕)と拡
張される。従ってV (Z)がAJj定されれば、物質
内部の反射面9に於ける反射関数R’ (Rr)は R’ (kr ) −F−’ fV (Z)
1/P2 (kr )T (kr )−T’
(kr ) Q (kr ) −(
13)なる式で求めることができる。
なお、第1図に示した反射関数算定方法に於いて、時間
分離された物質表面からの反射信号と物質内部からの反
射信号の複素V (Z)信号とを同時に測定し、物質表
面のV (Z)信号からこの物質表面の反射関数を求め
、この物質表面の反射関数から物質本体の音速と密度と
を算出することにより求めた前記第1および第2の透過
率関数と、位相遅れ関数と、既知の瞳関数の2乗との積
を求め、この積により前記時間分離された物質内部から
の反射信号の複素V (Z)信号をフーリエ変換した結
果を除算することにより、物質内部の反射関数を算定す
るようにしてもよい。
分離された物質表面からの反射信号と物質内部からの反
射信号の複素V (Z)信号とを同時に測定し、物質表
面のV (Z)信号からこの物質表面の反射関数を求め
、この物質表面の反射関数から物質本体の音速と密度と
を算出することにより求めた前記第1および第2の透過
率関数と、位相遅れ関数と、既知の瞳関数の2乗との積
を求め、この積により前記時間分離された物質内部から
の反射信号の複素V (Z)信号をフーリエ変換した結
果を除算することにより、物質内部の反射関数を算定す
るようにしてもよい。
上述した本実施例の方法によれば、集束球面波を用いた
超音波測定に於いて、物質内部に存在する音響的反射面
の反射関数を容易かつ適確に求め得、物質内部に存在す
る音響的諸性質の分布を定量的にとらえることができる
。その結果、物質の内部を非破塘で検定可能な超音波の
持つ特徴を最大限に活用することができ、新素材や生物
分野。
超音波測定に於いて、物質内部に存在する音響的反射面
の反射関数を容易かつ適確に求め得、物質内部に存在す
る音響的諸性質の分布を定量的にとらえることができる
。その結果、物質の内部を非破塘で検定可能な超音波の
持つ特徴を最大限に活用することができ、新素材や生物
分野。
半導体分野等幅広い分野に於いて極めて有用で、かつ実
用上の効果の大きな反射関数算定方法を得ることができ
る。
用上の効果の大きな反射関数算定方法を得ることができ
る。
次に前述した内部反射関数の算定方法を実施するための
装置について説明する。
装置について説明する。
第3図はその装置の構成を示すブロック図である。第3
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反射関数の演算を行な
うものとなっている。このCPUI 1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30MHz〜100M程度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−音響変換されて発生した超音波パ
ルスは、音響レンズ15によって集束球面波となり、カ
ブラ液体(水)16を伝搬して測定対象物17に照射さ
れる。照射された超音波パルスの一部は測定対象物17
の物質表面で反射されるが、他の一部は物質内部に達す
る。物質表面および物質内部の音響的不均一面から反射
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。
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反射関数の演算を行な
うものとなっている。このCPUI 1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30MHz〜100M程度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−音響変換されて発生した超音波パ
ルスは、音響レンズ15によって集束球面波となり、カ
ブラ液体(水)16を伝搬して測定対象物17に照射さ
れる。照射された超音波パルスの一部は測定対象物17
の物質表面で反射されるが、他の一部は物質内部に達す
る。物質表面および物質内部の音響的不均一面から反射
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電気信号すな
わち反射信号は、サーキュレータ13を通って受信回路
18に入力して増幅される。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。
わち反射信号は、サーキュレータ13を通って受信回路
18に入力して増幅される。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。このタイムゲート発生回路30には、基本クロ
ック発生回路としての高速パルスジェネレータ21から
のパルスと、音響レンズ15と測定対象物17との距離
の変化量を検出する手段としての音響レンズ上下位置検
出回路22からのデジタル信号が供給されるものとなっ
ている。そしてこのタイムゲート信号発生回路30の出
力信号は、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のゲート制御
信号として供給される。
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。このタイムゲート発生回路30には、基本クロ
ック発生回路としての高速パルスジェネレータ21から
のパルスと、音響レンズ15と測定対象物17との距離
の変化量を検出する手段としての音響レンズ上下位置検
出回路22からのデジタル信号が供給されるものとなっ
ている。そしてこのタイムゲート信号発生回路30の出
力信号は、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のゲート制御
信号として供給される。
第4図はタイムゲート信号発生回路30の詳細な構成を
示すブロック図である。第4図に示すように、このタイ
ムゲート信号発生回路30は、ゲート31と、カウンタ
32と、加減算回路33と、第1の整数値を設定する手
段としての設定回路34と、第2の整数値の算出手段と
しての演算回路34とで構成されている。
示すブロック図である。第4図に示すように、このタイ
ムゲート信号発生回路30は、ゲート31と、カウンタ
32と、加減算回路33と、第1の整数値を設定する手
段としての設定回路34と、第2の整数値の算出手段と
しての演算回路34とで構成されている。
加減・算回路33は、設定回路34からの第1の整数値
に対し、演算回路35からの第2の整数値の加減算を行
ない、その結果を前記超音波パルスの発生に同期させて
前記カウンタ32にプリセット値として与えるものであ
る。設定回路34は観察者が外部から設定操作を行なう
ことにより、任意のデジタル値からなる第1の整数値を
設定するためのものである。演算回路35は、端子36
に与えられる前記上下位置検出回路22からのデジタル
信号Δ2に基づいて OUT=2fΔz / Cv (但しf:高速パルスジェネレータの周波数)なる演算
を行ない、第2の整数値を算出するためのものである。
に対し、演算回路35からの第2の整数値の加減算を行
ない、その結果を前記超音波パルスの発生に同期させて
前記カウンタ32にプリセット値として与えるものであ
る。設定回路34は観察者が外部から設定操作を行なう
ことにより、任意のデジタル値からなる第1の整数値を
設定するためのものである。演算回路35は、端子36
に与えられる前記上下位置検出回路22からのデジタル
信号Δ2に基づいて OUT=2fΔz / Cv (但しf:高速パルスジェネレータの周波数)なる演算
を行ない、第2の整数値を算出するためのものである。
したがってCPUI 1からの信号が端子37に与えら
れると、ゲート31が開かれて端子38に与えられる高
速パルスジェネレータ21からのパルスが通過可能とな
る。同時にカウンタ32には加減算回路33からプリセ
ット値がロードされる。
れると、ゲート31が開かれて端子38に与えられる高
速パルスジェネレータ21からのパルスが通過可能とな
る。同時にカウンタ32には加減算回路33からプリセ
ット値がロードされる。
カウンタ33が前記プリセット値を計数し終わると、そ
の計数終了信号によってゲート31が遮断されると共に
、そのカウンタ出力信号がタイムゲート信号となって出
力端子39から出力される。
の計数終了信号によってゲート31が遮断されると共に
、そのカウンタ出力信号がタイムゲート信号となって出
力端子39から出力される。
このタイムゲート信号は、前述したように反射波に対応
する受信信号と共にオシロスコープ19に供給されて画
面表示される。
する受信信号と共にオシロスコープ19に供給されて画
面表示される。
第5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。SAIは表面反射信号を示し、SA2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。SAIは表面反射信号を示し、SA2は内部反射信
号を示している。
第3図に説明を戻す。観察者は、まずオシロスコープ1
9に表示された第5図示の受信信号SAの波形から表面
反射信号SAI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を移動した
のち、上下位置検出回路22をリセット(△Z−0)す
る。その位置から音響レンズ15を測定対・象物17に
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充分認識できるようにする
。ここで設定回路34を操作して第5図に示すようにタ
イムゲート信号SBが物質内部からの反射信号SA2を
通過させ得る状態に設定する。
9に表示された第5図示の受信信号SAの波形から表面
反射信号SAI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を移動した
のち、上下位置検出回路22をリセット(△Z−0)す
る。その位置から音響レンズ15を測定対・象物17に
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充分認識できるようにする
。ここで設定回路34を操作して第5図に示すようにタ
イムゲート信号SBが物質内部からの反射信号SA2を
通過させ得る状態に設定する。
このような状態に設定されると、上記状態から音響レン
ズ15を上下いずれの方向に移動しても、上下位置検出
回路22で検出された上下移動情報が、タイムゲート信
号発生回路30へ与えられるので、第5図示のタイムゲ
ート信号SBは常に当初の物質内部からの反射による反
射信号SA2に追随して移動することになる。
ズ15を上下いずれの方向に移動しても、上下位置検出
回路22で検出された上下移動情報が、タイムゲート信
号発生回路30へ与えられるので、第5図示のタイムゲ
ート信号SBは常に当初の物質内部からの反射による反
射信号SA2に追随して移動することになる。
そこで観察者は、音響レンズ15をV (Z)の測定開
始点に移動させた後、V(Z)ApJ定用のプログラム
を始動する。V (Z)の1lfll定ルーチンに於い
て、C’P U 11は、前述の送信制御を1回行なう
たびにXYZ駆動機構23に対し、音響レンズ15また
は測定対象物17を載置しているXYZステージ24を
、所定のピッチでZ方向(上下方向)に移動させるべき
信号を送出する。
始点に移動させた後、V(Z)ApJ定用のプログラム
を始動する。V (Z)の1lfll定ルーチンに於い
て、C’P U 11は、前述の送信制御を1回行なう
たびにXYZ駆動機構23に対し、音響レンズ15また
は測定対象物17を載置しているXYZステージ24を
、所定のピッチでZ方向(上下方向)に移動させるべき
信号を送出する。
かくして音響レンズ15と測定対象物17との距離が変
化し、それに伴って得られる物質内部の反射による複数
の反射信号SA2が、時間分離用ゲート回路20におい
てタイムゲート信号SBにより時間的に分離して抽出さ
れる。
化し、それに伴って得られる物質内部の反射による複数
の反射信号SA2が、時間分離用ゲート回路20におい
てタイムゲート信号SBにより時間的に分離して抽出さ
れる。
時間分離用ゲート回路20を通過した反射信号は1、直
交検波回路25によってsin検波。
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(必要に応じて積分回路も含むものを用いるも
のとする) 25a、26bによりピークホールドされ
、さらにA/D変換回路27a。
ルド回路(必要に応じて積分回路も含むものを用いるも
のとする) 25a、26bによりピークホールドされ
、さらにA/D変換回路27a。
27bにより、それぞれデジタル信号に変換されてメモ
リ28に格納される。こうしてZ方向に一連の走査を行
なうことにより、走査終了時点においてメモリ28内に
は、測定対象物17の物質内部における反射面からのV
(Z)のデータが複素データの形でとり込まれること
になる。このメモリ28に格納された記憶情報は、CP
U11内において前述した(13)式による演算が行な
われ、物質内部の反射面における反射関数R’ (R
r)が求められる。表面反射と内部反射の時間遅れτ。
リ28に格納される。こうしてZ方向に一連の走査を行
なうことにより、走査終了時点においてメモリ28内に
は、測定対象物17の物質内部における反射面からのV
(Z)のデータが複素データの形でとり込まれること
になる。このメモリ28に格納された記憶情報は、CP
U11内において前述した(13)式による演算が行な
われ、物質内部の反射面における反射関数R’ (R
r)が求められる。表面反射と内部反射の時間遅れτ。
測定対象物17の音速CI4.CS、密度pl等の必要
なパラメータは既に入力されているものとする。なおC
PUI 1の動作内容等は、デイスプレィ装置29によ
って表示される。
なパラメータは既に入力されているものとする。なおC
PUI 1の動作内容等は、デイスプレィ装置29によ
って表示される。
本実施例に示した上記装置によれば、直交検波回路25
での直交検波により複素信号を簡単に得ることができ、
また音響レンズ15の上下移動に追従してタイムゲート
信号SBが常に注目する反射信号SA2をとらえ得るの
で、V (Z)の測定を高速に行うことができる。
での直交検波により複素信号を簡単に得ることができ、
また音響レンズ15の上下移動に追従してタイムゲート
信号SBが常に注目する反射信号SA2をとらえ得るの
で、V (Z)の測定を高速に行うことができる。
なお、タイムゲート信号発生回路30としては、第6図
の如く構成したものであってもよい。すなわち第6図に
示すように、ゲート31.カウンタ32、加減算回路3
3.設定回路34からなる部分をユニット化し、このユ
ニット化された複数のブロック40a〜4Onを並列に
接続し、各ブロック40a〜40nのそれぞれの出力を
オアゲト41を介して取出し、そのオア出力信号をタイ
ムゲート信号とするものである。このように構成すれば
、第7図に示すように表面反射による反射信号SAIを
含む複数の深さに存在する物質内部の反射面からの反射
信号SA2.SA3・・・についてのV (Z)を同時
的にとらえて算定することが可能となる。特にこの場合
、物質表面のV (Z)を同時にとらえ得ることから、
CL、C8,ρ1を計算で求めることができる。したが
って、物質本体の音速や密度が未知の場合でも、表面反
射のV (Z)を同時に測定することにより、目的の物
質内部の反射面における反射関数を短時間で求めること
ができるという利点があり、未知の測定対象物に対して
極めて有利な測定手段となる。
の如く構成したものであってもよい。すなわち第6図に
示すように、ゲート31.カウンタ32、加減算回路3
3.設定回路34からなる部分をユニット化し、このユ
ニット化された複数のブロック40a〜4Onを並列に
接続し、各ブロック40a〜40nのそれぞれの出力を
オアゲト41を介して取出し、そのオア出力信号をタイ
ムゲート信号とするものである。このように構成すれば
、第7図に示すように表面反射による反射信号SAIを
含む複数の深さに存在する物質内部の反射面からの反射
信号SA2.SA3・・・についてのV (Z)を同時
的にとらえて算定することが可能となる。特にこの場合
、物質表面のV (Z)を同時にとらえ得ることから、
CL、C8,ρ1を計算で求めることができる。したが
って、物質本体の音速や密度が未知の場合でも、表面反
射のV (Z)を同時に測定することにより、目的の物
質内部の反射面における反射関数を短時間で求めること
ができるという利点があり、未知の測定対象物に対して
極めて有利な測定手段となる。
なお本発明は前記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。
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。
本発明の方法によれば、従来のV (Z)のフーリエ変
換から反射関数を求める方法が、物質内部に存在する反
射面での反射関数を求める方法にまで拡張されたので、
物質内部に存在する音響不均一面における音波の反射関
数を容易かつ適確に求めることができ、測定対象物を構
成する物質の音響的内部構造を定量的に把握することが
可能な、超音波顕微鏡における測定対象物の反射関数算
定方法を提供できる。
換から反射関数を求める方法が、物質内部に存在する反
射面での反射関数を求める方法にまで拡張されたので、
物質内部に存在する音響不均一面における音波の反射関
数を容易かつ適確に求めることができ、測定対象物を構
成する物質の音響的内部構造を定量的に把握することが
可能な、超音波顕微鏡における測定対象物の反射関数算
定方法を提供できる。
また本発明の装置によれば、直交検波により複素信号を
簡単に得ることができる上、音響レンズと測定対象物と
の距離の変化量に追従するタイムゲートにより内部反射
信号を適確に抽出できるので、前記方法を実施する上で
極めて有用な、超音波顕微鏡における測定対象物の反射
関数算定装置を提供できる。
簡単に得ることができる上、音響レンズと測定対象物と
の距離の変化量に追従するタイムゲートにより内部反射
信号を適確に抽出できるので、前記方法を実施する上で
極めて有用な、超音波顕微鏡における測定対象物の反射
関数算定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は本発明方法の一実施例を示す図で
、第1図は物質内部の反射関数算定方法の手順を示すブ
ロック図、第2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である。第3図〜第5図は本発明
装置の一実施例を示す図で、第3図は全体の構成を示す
ブロック図、第4図はタイムゲート信号発生回路の構成
を示すブロック図、第5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である。第6図は上記実施
例におけるタイムゲート信号発生回路の変形例を示すブ
ロック図、第7図は同変形例における反射信号およびタ
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、2o・
・・時間分離用ゲート回路、25・・・直交検波回路、
30・・・タイムゲート信号発生回路。 第1!!!I
、第1図は物質内部の反射関数算定方法の手順を示すブ
ロック図、第2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である。第3図〜第5図は本発明
装置の一実施例を示す図で、第3図は全体の構成を示す
ブロック図、第4図はタイムゲート信号発生回路の構成
を示すブロック図、第5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である。第6図は上記実施
例におけるタイムゲート信号発生回路の変形例を示すブ
ロック図、第7図は同変形例における反射信号およびタ
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、2o・
・・時間分離用ゲート回路、25・・・直交検波回路、
30・・・タイムゲート信号発生回路。 第1!!!I
Claims (3)
- (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、
その反射信号を時間分離して記録する如く構成された超
音波顕微鏡に適用され、測定対象である物質の反射関数
を算定する方法に於いて、 前記音響レンズと前記物質との距離を変化させて得られ
る前記時間分離された物質内部からの反射信号を複素V
(Z)信号として取込み、これをフーリエ変換すると共
に、既知である前記音響レンズの瞳関数の2乗と、前記
物質の表面から物質内部へ向かって超音波が透過すると
きの角度を変数とする第1の透過率関数と、前記物質の
内部から物質外部へ向かって超音波が透過するときの角
度を変数とする第2の透過率関数と、前記物質本体の音
速から求まる超音波の入射角度を変数とする位相遅れ関
数との積を求め、この積により前記フーリエ変換した結
果を除算することにより物質内部の反射関数を算定する
ようにしたことを特徴とする超音波顕微鏡における測定
対象物の反射関数算定方法。 - (2)請求項1に記載の反射関数算定方法に於いて、時
間分離された物質表面からの反射信号と物質内部からの
反射信号の複素V(Z)信号とを同時に測定し、物質表
面の複素V(Z)信号からこの物質表面の反射関数を求
め、この物質表面の反射関数から物質本体の音速と密度
とを算出することにより求めた前記第1および第2の透
過率関数と、前記位相遅れ関数と、前記既知の瞳関数の
2乗との積を求め、この積により前記時間分離された物
質内部からの反射信号の複素V(Z)信号をフーリエ変
換した結果を除算することにより、物質内部の反射関数
を算定するようにしたことを特徴とする超音波顕微鏡に
おける測定対象物の反射関数算定方法。 - (3)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、
その反射信号を時間分離して記録する如く構成された超
音波顕微鏡に適用され、測定対象である物質の反射関数
を算定する装置に於いて、 高い周波数の基本クロックを発生するクロック発生回路
と、このクロック発生回路にて発生したクロックを超音
波パルスの発生に同期させて通過可能とするゲートと、
このゲートを通過した前記クロックを計数可能に設けら
れたカウンタと、外部設定操作を行なうことにより第1
の整数値を設定する設定手段と、前記音響レンズと測定
対象物との距離の変化量に基づいて OUT=2fΔz/Cw なる演算を行なって第2の整数値を算出する算出手段と
、前記設定手段により設定された第1の整数値に対し前
記算出手段により算出された第2の整数値を加減算しこ
の加減算出力を前記超音波パルスの発生に同期させて前
記カウンタにプリセット値として与える手段と、前記カ
ウンタが上記プリセット値に相当する前記クロックの計
数を終了したとき前記ゲートを遮断すると共にタイムゲ
ート信号を発生させる手段と、この手段により発生した
タイムゲート信号を用い少なくとも測定対象物を構成す
る物質の内部からの反射信号を時間分離して抽出する手
段と、この手段により抽出された反射信号を直交検波し
て複素V(Z)信号となす手段と、この手段で得た出力
を記憶するメモリと、このメモリに記憶された情報に基
づいて前記物質内部の反射関数の演算を行なう演算手段
とを備えたことを特徴とする超音波顕微鏡における測定
対象物の反射関数算定装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63208612A JPH0257971A (ja) | 1988-08-23 | 1988-08-23 | 超音波顕微鏡における測定対象物の反射関数算定方法およびその装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63208612A JPH0257971A (ja) | 1988-08-23 | 1988-08-23 | 超音波顕微鏡における測定対象物の反射関数算定方法およびその装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0257971A true JPH0257971A (ja) | 1990-02-27 |
Family
ID=16559100
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP63208612A Pending JPH0257971A (ja) | 1988-08-23 | 1988-08-23 | 超音波顕微鏡における測定対象物の反射関数算定方法およびその装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0257971A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4957145A (en) * | 1988-06-29 | 1990-09-18 | Picanol N.V. | Pneumatic weft thread holder for a selvage device |
-
1988
- 1988-08-23 JP JP63208612A patent/JPH0257971A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4957145A (en) * | 1988-06-29 | 1990-09-18 | Picanol N.V. | Pneumatic weft thread holder for a selvage device |
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