JPH0390856A - Ultrasonic microscope - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、超音波パルスを試料に入射させ、試料の表面
、試料内部の欠陥等から反射された超音波を電気信号に
変換して、例えば試料の音響的性質を検査することので
きる超音波顕微鏡に関する。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention involves injecting ultrasonic pulses into a sample, converting the ultrasonic waves reflected from the surface of the sample, defects inside the sample, etc. into electrical signals, and For example, it relates to an ultrasonic microscope that can examine the acoustic properties of a sample.
この種の超音波顕微鏡としては、従来より第５図に示す
構成のものが知られている。この超音波顕微鏡は、送信
回路１から第６図（ａ）に示すような送信パルスたとえ
ばパルス幅が５〜１０ｎＳの比較的短いパルス波を出力
し、この送信パルスをトランスデユーサ２に印加して超
音波パルスを発生させる。この超音波パルスは音響レン
ズ３によって試料４の表面または内部に集束される。試
料４と音響レンズ３との間は水５で満たされている。試
料４から反射された反射波は、音響レンズ３を通ってト
ランスデユーサ２で電気信号に変換され、受信回路６に
入力する。受信回路６に入力する電気信号（以下、「受
信信号」と呼称する）は、第６図（ｂ）に示すように、
試料表面からの反射波［科内部からの反射波、試料裏面
からの反射波が時間的な遅れを伴って受信される。受信
回路６の出力側に接続されたゲート回路７は、制御回路
８から送られてくる指令信号に基づいて、例えば第６図
（Ｃ）に示すゲート信号によって受信信号の中から必要
な反射波を抽出する（同図には内部反射波を抽出する例
が示されている）、そして、このゲート回路７の出力を
ピーク検出回路９に人力して、第６図（ｄ）に示すピー
ク検出信号を得る。ピーク検出信号はＡ／Ｄ変換回路１
０でデジタル信号に変換され、画像メモリ１］に記憶さ
れる。As this type of ultrasonic microscope, one having the configuration shown in FIG. 5 is conventionally known. This ultrasonic microscope outputs a transmission pulse as shown in FIG. 6(a) from a transmission circuit 1, for example, a relatively short pulse wave with a pulse width of 5 to 10 nS, and applies this transmission pulse to a transducer 2. to generate ultrasonic pulses. This ultrasonic pulse is focused onto the surface or inside of the sample 4 by the acoustic lens 3. The space between the sample 4 and the acoustic lens 3 is filled with water 5. The reflected wave reflected from the sample 4 passes through the acoustic lens 3 , is converted into an electrical signal by the transducer 2 , and is input to the receiving circuit 6 . The electrical signal input to the receiving circuit 6 (hereinafter referred to as "received signal") is as shown in FIG. 6(b).
Reflected waves from the surface of the sample, reflected waves from inside the sample, and reflected waves from the back of the sample are received with a time delay. Based on the command signal sent from the control circuit 8, a gate circuit 7 connected to the output side of the receiving circuit 6 detects a necessary reflected wave from the received signal using a gate signal as shown in FIG. 6(C), for example. (The figure shows an example of extracting internally reflected waves), and the output of this gate circuit 7 is manually input to the peak detection circuit 9 to perform peak detection as shown in FIG. 6(d). Get a signal. The peak detection signal is A/D conversion circuit 1
0 and is converted into a digital signal and stored in the image memory 1].
以上の動作により、試料４の一点についての情報が画像
メモリ１１に記憶されたことになる。Through the above operations, information about one point on the sample 4 is stored in the image memory 11.
２次元画像情報を得るためには、試料４の載置されたス
テージ１２を制御回路８によって送信信号の出力に同期
させて駆動し、試料４を超音波パルスで平面走査する。In order to obtain two-dimensional image information, the stage 12 on which the sample 4 is placed is driven by the control circuit 8 in synchronization with the output of the transmission signal, and the sample 4 is scanned in plane with ultrasonic pulses.
その結果、画像メモリ１１に２次元画像データが記憶さ
れる。画像メモリ１１に記憶された２次元画像データは
制御回路８によって読出され、表示装置１３に可視画像
として表示され、試料４の音響的性質の分布が観測でき
るものとなる。As a result, two-dimensional image data is stored in the image memory 11. The two-dimensional image data stored in the image memory 11 is read out by the control circuit 8 and displayed as a visible image on the display device 13, so that the distribution of acoustic properties of the sample 4 can be observed.
ところで、上記超音波顕微鏡では、受信信号の時間的分
解能をできる限り高くするために、送信信号としてパル
ス波を用いている。パルス波を用いることにより、試料
４内部の欠陥等が存在し・ている深さ方向の位置に関す
る情報を高精度に検出することができる。By the way, in the above ultrasonic microscope, a pulse wave is used as a transmission signal in order to make the temporal resolution of a reception signal as high as possible. By using pulse waves, information regarding the position in the depth direction where a defect or the like exists inside the sample 4 can be detected with high accuracy.
しかしながら、従来の超音波顕微鏡は送信波形が正確に
復元されないため、試料の深さ方向の分解能を十分に取
ることができないという問題がある。However, conventional ultrasonic microscopes have a problem in that the transmitted waveform is not accurately restored, and therefore it is not possible to obtain sufficient resolution in the depth direction of the sample.
すなわち、受信信号に所定のタイミングおよび所定のゲ
ート幅でゲートをかけることにより、試料の所定の深さ
からの反射波を抽出し、この抽出した反射波のピーク値
を検出しているが、第６図（ｃ）（ｄ）に示されるよう
に、ピーク検出信号の大きさは反射波のピーク値がゲー
ト信号内のどこの位置にあっても変わらない。従って、
時間分解能はゲート信号のゲート幅によって決まってし
まう。ところが時間分解能をあげるためにゲート信号の
ゲート幅を狭くすると、第７図に示すように、受信信号
のわずかな遅れでピーク検出信号の大きさが変化してし
まい、受信信号の強度変化と区別がつかなくなってしま
う。That is, by applying a gate to the received signal at a predetermined timing and a predetermined gate width, the reflected wave from a predetermined depth of the sample is extracted, and the peak value of this extracted reflected wave is detected. As shown in FIGS. 6(c) and 6(d), the magnitude of the peak detection signal does not change no matter where the peak value of the reflected wave is located within the gate signal. Therefore,
The time resolution is determined by the gate width of the gate signal. However, when the gate width of the gate signal is narrowed to increase the time resolution, the magnitude of the peak detection signal changes due to a slight delay in the received signal, as shown in Figure 7, and it is difficult to distinguish it from changes in the strength of the received signal. I can't stand it anymore.
また、トランスデユーサ２は第８図に示すような狭帯域
特性を持っているため、受信信号は送信パルスの波形に
比べて大きく広がってしまう。そのため、第９図（ａ）
に示すように、試料のわずかに異なる深さ位置からの反
射波ａ、ｂは第９図（ｂ）に示すように重なってしまい
、複雑な波形となるため、二つの反射波ａ、ｂを分離す
ることができなくなってしまう。また、音響レンズ３の
フォーカス位置からある程度ずれた位置からの反射波す
なわちデフォーカス状態での反射波は各周波数成分の位
相が複雑に変化するので、その波形が第６図（ｂ）に示
す試料裏面からの反射波のように、パルス波とはいえな
い波形となりピーク位置を明確に限定するのが難しい。Furthermore, since the transducer 2 has narrow band characteristics as shown in FIG. 8, the received signal spreads out significantly compared to the waveform of the transmitted pulse. Therefore, Fig. 9(a)
As shown in Figure 9(b), the reflected waves a and b from slightly different depth positions of the sample overlap, resulting in a complicated waveform, so the two reflected waves a and b are It becomes impossible to separate. In addition, since the phase of each frequency component of a reflected wave from a position deviated to some extent from the focus position of the acoustic lens 3, that is, a reflected wave in a defocused state, changes in a complicated manner, the waveform of the sample shown in FIG. 6(b) is Like the reflected wave from the back surface, the waveform is not a pulse wave, and it is difficult to clearly define the peak position.
例えば、第６図（ａ）に示す送信信号のように、極めて
広帯域で数ｎＳの分解能を持つパルス波で駆動しても受
信信号の時間分解能は極めて悪いものとなる。また、現
在市販されているパルス用トランスデユーサは、中心周
波数が３０〜］、００ＭＨｚのものが多く、はとんどの
場合、２〜３波以上の広がり（尾引き）が生じる。その
ため、叉なる反射波を複雑に重なり合わせることなく分
解できる限界は２０ｎＳ程度であり、場合によっては１
００ｎＳを越える。また、試料の音速を５０００ｍ／Ｓ
とすると、往復時間が１００ｎＳで０．２５ｍｍ、
２０ ｎ Ｓでも［１，０５ｍ ｍとなり、十分な深さ
方向の分解能を得ることができない。For example, even if the transmitting signal shown in FIG. 6(a) is driven by a pulse wave having an extremely wide band and a resolution of several nanoseconds, the time resolution of the received signal will be extremely poor. Furthermore, many of the pulse transducers currently on the market have a center frequency of 30 to 00 MHz, and in most cases, a spread (tailing) of 2 to 3 waves or more occurs. Therefore, the limit to which different reflected waves can be resolved without complexly overlapping is about 20 nS, and in some cases, 1
Exceeds 00nS. In addition, the sound velocity of the sample was set to 5000 m/S.
Then, the round trip time is 100 nS and 0.25 mm,
Even at 20 nS, it becomes [1.05 mm], making it impossible to obtain sufficient resolution in the depth direction.
本発明はこのような実情にかんがみてなされたもので、
送信パルス波が正確に復元され、試料の深さ方向の分解
能を向上し得る超音波顕微鏡を提供することを目的とす
る。The present invention was made in view of these circumstances.
An object of the present invention is to provide an ultrasonic microscope in which a transmitted pulse wave can be accurately restored and the resolution in the depth direction of a sample can be improved.
本発明は上記課題を解決するために、超音波パルスを音
響レンズで集束させて試料に入射させ、この超音波パル
スで前記試料、を平面走査し、前記試料からの反射波を
再び前記音響レンズで受けて電気信号に変換し、この電
気信号から前記試料の観察画像データを作成し、この観
察画像データを可視化する超音波顕微鏡において、前記
電気信号の任意の部分を任意の時間幅でサンプリングし
て、前記試料の深さ方向の任意の位置からの反射波を抽
出する手段と、この抽出手段の出力をデジタル信号に変
換するＡ／Ｄ変換手段と、このＡ／Ｄ変換手段の出力を
フーリエ変換し、前記音響レンズと前記試料の相対的な
位置情報５前記抽出手段で抽出された反射波の前記試料
における反射位置情報、前記試料の密度および音速、前
記試料表面からの反射波と前記試料内部からの反射波の
時間差。In order to solve the above problems, the present invention focuses an ultrasonic pulse with an acoustic lens and makes it incident on a sample, scans the sample in plane with this ultrasonic pulse, and returns the reflected wave from the sample to the acoustic lens. In an ultrasonic microscope that receives the electrical signal and converts it into an electrical signal, creates observation image data of the sample from this electrical signal, and visualizes this observation image data, an arbitrary part of the electrical signal is sampled in an arbitrary time width. means for extracting a reflected wave from an arbitrary position in the depth direction of the sample; A/D conversion means for converting the output of the extraction means into a digital signal; and Fourier converting the output of the A/D conversion means. Relative position information between the acoustic lens and the sample 5 Reflection position information on the sample of the reflected wave extracted by the extraction means, density and sound velocity of the sample, reflected wave from the sample surface and the sample Time difference of reflected waves from inside.
前記音響レンズと前記試料との間に位置する超音波伝搬
媒体中における音響レンズの黒点距離、前記超音波伝搬
媒体の吸収係数、前記試料の吸収係数、前記音響レンズ
の瞳関数とから、前記電気信号に変換された前記超音波
パルスの通過経路に関する伝達関数を計算し、この伝達
関数で前記フーリエ変換した値を除算し、さらにこの除
算結果を逆フーリエ変換して観察画像データを作成する
手段とを備える構成とした。From the sunspot distance of the acoustic lens in the ultrasonic propagation medium located between the acoustic lens and the sample, the absorption coefficient of the ultrasonic propagation medium, the absorption coefficient of the sample, and the pupil function of the acoustic lens, the electric means for calculating a transfer function regarding a passage path of the ultrasonic pulse converted into a signal, dividing the Fourier-transformed value by this transfer function, and further performing inverse Fourier-transformation on the division result to create observation image data; The configuration includes:
本発明は以上のような手段を講じたことにより、集束す
る超音波が試料に入射され、試料から反射された超音波
が電気信号に変換される。この電気信号は抽出手段によ
って任意の部分すなわち試料の任意の深さ位置からの反
射波が抽出される。この抽出された反射波信号はＡ／Ｄ
変換器によってデジタル信号に変換された後、フーリエ
変換される。一方、音響レンズと試料のｔ目射的な位置
情報力１１出手段で抽出された反射波の試料における反
射位置情報、試料の密度および音速、試料表面からの反
射波と試料内部からの反射波の時間差、音響ｌノンズと
試料との間に位置する超音波伝搬媒体中における音響レ
ンズの焦点距離、超音波伝搬媒体の吸収係数、試料の吸
収係数、音響レンズの瞳関数とから、前記電気信号に変
換された超音波パルスの通過経路に関する伝達関数が計
算され、この伝達関数で前記フーリエ変換した値が除算
される。By taking the above-described measures, the present invention makes focused ultrasonic waves incident on a sample, and the ultrasonic waves reflected from the sample are converted into electrical signals. From this electric signal, a reflected wave from an arbitrary portion, that is, an arbitrary depth position of the sample, is extracted by an extraction means. This extracted reflected wave signal is A/D
After being converted into a digital signal by a converter, it is Fourier transformed. On the other hand, the reflection position information on the sample of the reflected wave extracted by the acoustic lens and the sample t-direction position information power 11 output means, the density and sound velocity of the sample, the reflected wave from the sample surface and the reflected wave from inside the sample. The electric signal is determined from the time difference of A transfer function regarding the passage path of the converted ultrasonic pulse is calculated, and the Fourier-transformed value is divided by this transfer function.
そして、この除算結果が逆フーリエ変換されて観察画像
データが作成される。このようにして作成された観察画
像データによれば、伝達関数によって時間的な広がりが
補正されるので、試料に入射した超音波パルスの波形が
正確に復元でき、時間分解能すなわち試料の深さ方向の
分解能が向上されるものとなる。This division result is then subjected to inverse Fourier transform to create observation image data. According to the observation image data created in this way, the temporal spread is corrected by the transfer function, so the waveform of the ultrasonic pulse incident on the sample can be accurately restored, and the temporal resolution, that is, the depth direction of the sample The resolution of the image will be improved.
本発明の詳細な説明する前に、本発明の概念について第
２図を参照して説明する。この種の装置を、第２図に示
すような送信パルス波Ｐを入力とし、受信波Ｗを出力と
する伝送系と考え、伝達関数Ｈ（ｆ）を各種のパラメー
タ（反射波の試料での反射位置、フォーカス状態、試料
の材質）から計算し、いわゆるデコンボルーションの方
法により時間分解能の低い受信波形から高分解能の送信
波形を復元するという考えである。Before explaining the present invention in detail, the concept of the present invention will be explained with reference to FIG. Considering this type of device as a transmission system with a transmitted pulse wave P as an input and a received wave W as an output as shown in Fig. The idea is to restore a high-resolution transmitted waveform from a received waveform with a low time resolution using a so-called deconvolution method.
以下、本発明の実施例について説明する。Examples of the present invention will be described below.
第１図は本発明の一実施例に係る超音波顕微鏡の構成を
示す図である。同図に示す２１は送信回路であり、この
送信回路２１から送信パルス信号が発生されて、トラン
スデユーサ２２に印加される。トランスデユーサ２２は
送信パルス信号を超音波パルスに変換する。この超音波
パルスは音響レンズ２３で集束させられ、その集束位置
またはその近傍には試料２４が配置される。音響レンズ
２３と試料２４との間はカブラ液体と・しての水２５で
満たされる。ＸＹＺステージ２６は、試料２４を超音波
パルスの入射方向（２方向）に移動させると共にＺ方向
と直交する二軸ｘ＋Ｙがつくる平面（ＸＹ平而面内で二
次元的に走査駆動するものである。ＸＹＺステージ２６
の各方向の位置は位置検出回路２７によって検出される
。FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an ultrasound microscope according to an embodiment of the present invention. Reference numeral 21 shown in the figure is a transmitting circuit, and a transmitting pulse signal is generated from this transmitting circuit 21 and applied to the transducer 22. Transducer 22 converts the transmitted pulse signal into ultrasound pulses. This ultrasonic pulse is focused by an acoustic lens 23, and a sample 24 is placed at or near the focused position. The space between the acoustic lens 23 and the sample 24 is filled with water 25 as a Kabra liquid. The XYZ stage 26 moves the sample 24 in the direction of incidence of the ultrasonic pulse (two directions) and scans and drives it two-dimensionally within a plane (XY plane) formed by two axes x+Y orthogonal to the Z direction. .XYZ stage 26
The position in each direction is detected by the position detection circuit 27.
試料２４からの反射波は再び音響レンズ２３を通りトラ
ンスデユーサ２２で電気信号に変換され受信回路２８に
人力する。受信回路２８の出力信号はその波形がモニタ
２９に表示される。モニタ２つに表示される波形には試
料表面、試料内部。The reflected wave from the sample 24 passes through the acoustic lens 23 again, is converted into an electrical signal by the transducer 22, and is input to the receiving circuit 28. The waveform of the output signal of the receiving circuit 28 is displayed on the monitor 29. The waveforms displayed on the two monitors include those on the sample surface and inside the sample.
試料裏面等からの反射波が含まれている。モニタ２９に
表示された受信信号の中かから任意の部分がゲート回路
３０によって抽出される。ゲート回路３０の出力は高速
デジタイザ３１でデジタル信号に変換され、演算回路３
２に人力する。演算回路３２は、人力するデジタル信号
をフーリエ変換し、この変換値を後述する伝達関数によ
り除算し。Contains reflected waves from the back surface of the sample, etc. An arbitrary portion of the received signal displayed on the monitor 29 is extracted by the gate circuit 30. The output of the gate circuit 30 is converted into a digital signal by a high-speed digitizer 31, and then sent to the arithmetic circuit 3.
2. Manpower. The arithmetic circuit 32 performs Fourier transform on the manually input digital signal, and divides this transform value by a transfer function to be described later.
この除算結果を逆フーリエ変換して、デジタルメモリ３
３に出力する。なお、伝達関数の計算に必要なパラメー
タは位置検出回路２７および人力装置３４から入力され
る。制御回路３５はデジタルメモリ３３に記憶された観
察画像データを読み出して、表示装置３６に可視画像と
して表示させる。This division result is inverse Fourier transformed and digital memory 3
Output to 3. Note that parameters necessary for calculating the transfer function are input from the position detection circuit 27 and the human power device 34. The control circuit 35 reads out the observed image data stored in the digital memory 33 and displays it on the display device 36 as a visible image.
ここで、受信回路２８その他の電気系が十分に広い帯域
を持っていると仮定すると、伝達関数Ｈ（ｆ）は大きく
二つの構成要素に別けて考えることができる。Here, assuming that the receiving circuit 28 and other electrical systems have a sufficiently wide band, the transfer function H(f) can be roughly divided into two components.
一つは、トランスデユーサ２２に起因する部分であり、
第８図に示すような狭帯域特性をもつ。One is the part caused by the transducer 22,
It has narrow band characteristics as shown in FIG.
これをＨ，、（ｆ）とする。音響レンズ２３の中心軸を
二軸、このＺ ＩＴｏに対して垂直な面内でのレンズ中
心点からの距離をｒとする。また、水中での音速をＣＷ
、トランスデユーサ２２の帯域内のある周波数をｆ。と
すると、伝搬ベクトルｋ。Ｗは、ｋｏｗ””２π ｆｏ
／Ｃｗ
と表すことができ、音響レンズ２３の水中での黒点距離
をＦとするとアンギュラ−スペクトルｋ。Let this be H,,(f). Let the central axis of the acoustic lens 23 be two axes, and the distance from the lens center point in a plane perpendicular to this Z ITo be r. Also, the speed of sound in water is CW
, a certain frequency within the band of the transducer 22 as f. Then, the propagation vector k. W is kow””2π fo
/Cw, and if F is the sunspot distance of the acoustic lens 23 underwater, then the angular spectrum is k.
ｋ ｒ ” （ｋ ｏｗ／ Ｆ ） ｒが定義できる。k r (k ow/ F ) r can be defined.
合焦状態から音響レンズ２３が２だけ試料２４に近付い
たときのトランスデユーサ２２の出力Ｖ＋０（Ｚ）は、
Ｖｔｏ （ｚ）＝ＣｆＰ２ （ｋ、）Ｒ（ｋ、）（ｋ、
／ｋｚ ）ｃｘｐ （ｊ ２ｋｚ ｚ）ｄｋ。The output V+0(Z) of the transducer 22 when the acoustic lens 23 approaches the sample 24 by 2 from the focused state is Vto (z)=CfP2 (k,)R(k,)(k,
/kz )cxp (j 2kz z)dk.
・・・（１） と表すことができる。...(1) It can be expressed as.
ここで、ｋｚ＝ ｋｏｗ”−に、’ Ｐ（ｋ、）は
音響レンズの瞳関数、Ｒ（ｋ、）は試料の反射関数、Ｃ
は規格化定数である。Here, kz=kow''-, 'P(k,) is the pupil function of the acoustic lens, R(k,) is the reflection function of the sample, C
is a normalization constant.
完全反射体の表面に焦点が合っているときは、ｚｍＯな
ので、トランスデユーサ２２の出力は、Ｖ＋ｏ（０）−
ＣｌＦ３ （ｋ、）
（ｋ、／ｋｚ ）ｄｋ、 ・・・（２）と表すこと
ができる。When the surface of the perfect reflector is in focus, zmO, so the output of the transducer 22 is V+o(0)-
It can be expressed as ClF3 (k,) (k, /kz)dk, (2).
Ｐ（ｋ、）が音響レンズ２３の瞳の振幅透！４率分布で
あり、位相の変化がない場合には、■（○）はすべての
超音波周波数に対して等しい値をもつ。P(k,) is the amplitude of the pupil of the acoustic lens 23! If it is a 4-rate distribution and there is no change in phase, ■ (○) has the same value for all ultrasonic frequencies.
したがって、超音波周波数を変化させながらトランスデ
ユーサ２２の出力を測定すれば、トランスデユーサ２２
の周波数特性Ｈ，ｄ（ｆ）に比例した特性曲線が得られ
る。Therefore, if the output of the transducer 22 is measured while changing the ultrasonic frequency, the transducer 22
A characteristic curve proportional to the frequency characteristic H, d(f) of is obtained.
なお、周波数を掃引する代わりに、合焦状態で第２図に
示す送信パルス波Ｐおよび受信波Ｗをフーリエ変換し、
その比を計算することによっても同様の特性曲線が得ら
れる。Note that instead of sweeping the frequency, the transmitted pulse wave P and received wave W shown in FIG. 2 are Fourier transformed in a focused state,
A similar characteristic curve can be obtained by calculating the ratio.
ただし、いずれの場合でも得られる周波数特性は水によ
る吸収の影響を含んでおり、
Ａ ’ Ｈｏ（ｆ）” Ｈｗ （ｆ） −（
３）と表される。なお、Ａは比例定数、水による吸収の
項Ｈｗ（ｆ）は、
Ｈｗ −ｅＸｐ （−２Ｆａｗｆ２）、ａｗは水の吸
収係数である。そこで、トランスデユーサ２２の出力を
測定した結果をＨｗ（ｆ）でわって水による吸収の影響
まで考慮した値をとる。However, in any case, the frequency characteristics obtained include the influence of absorption by water, and are expressed as A 'Ho(f)'' Hw (f) −(
3). In addition, A is a proportionality constant, the term Hw(f) of absorption by water is Hw - eXp (-2Fawf2), and aw is an absorption coefficient of water. Therefore, the result of measuring the output of the transducer 22 is divided by Hw(f) to obtain a value that takes into account the influence of absorption by water.
さて、伝達関数Ｈ（ｆ）のもう一つの構成要素は、受信
信号が試料の表面または試料の内部の所定の深さにおけ
るあるデフォーカス状態での反対波であることによる効
果として、（３）式に加えられるべき部分である。Now, another component of the transfer function H(f) is (3) as an effect of the received signal being an opposite wave at a certain defocus state at a given depth on the surface of the sample or inside the sample. It is the part that should be added to the equation.
第３図は、音響レンズ２３と試ｆ−１２４との位置関係
が示されており、音響レンズ２３の焦点が試料表面にあ
った状態から距離−２だけ相対的に近付いた状態を示し
ている。またＭは試料内に存在する反射体であり、その
反射面が試料表面から距Ｍ−ｑだけ離れている。この状
態でのトランスデユーサ２２の出力は、（１）式を拡張
して、ある周波数ｆ０に対して、
−ｅｘｐ［２ｊｋ、＝ｑ］ｅｘｐ［−２ｊｋ、Ｚ］ｄｋ
、・・・ （４）
となる。ここで、ｋＺ ”” ）Ｃｏｓ’ −ｋｔ
’ｋｏｓ−２πｆｏ ／Ｃｓ、Ｃｓは試料中の音速で
ある。従って、ｅｘｐ（ｊ２ｋｚ ｑ）は入射超音波
が試料内の反射体Ｍまで往復することによる位相変化を
表している。また、Ｔ（ｋ、）は超音波が水から試料へ
透過する際の透過率の入射角依存性を示している。Ｔ’
（ｋ、）は超音波が試料から水に透過する際の透過
率の入射角依存性を示している。２およびｑは測定可能
であり、ＴおよびＴ′は試料２４の密度および音速がわ
かれば、ｒ ＷＡＶＥＳ ＩＮ ＬＡＹＥ！？ＥＤ Ｍ
ＥＤＩＡＪ （Ｓｅｃｏｎｄ ＥｄＩｔｌｏｎ ｂｙＬ
、Ｍ Ｂｒｅｋｈｏｖｓｋｌｋｈ、Ａｃａｄｅｍｌｃ
ｐｒｅｓｓ、１９８０）記載のような公知の方法で求め
ることができる。音響レンズ２３の瞳関数Ｐは、レンズ
の設計段階で知ることができ、その後であっても測定す
ることができる。また、試料内部反射面の反射関数Ｒ′
は、反射面を形成する材質の密度および音速がわかれば
計算で求めることができる。FIG. 3 shows the positional relationship between the acoustic lens 23 and the sample f-124, and shows a state in which the focal point of the acoustic lens 23 has moved relatively closer to the sample surface by a distance of -2. . Further, M is a reflector existing within the sample, and its reflecting surface is separated from the sample surface by a distance M-q. In this state, the output of the transducer 22 is expressed as −exp[2jk,=q]exp[−2jk,Z]dk by extending equation (1) for a certain frequency f0.
,... (4) becomes. Here, kZ ”” )Cos' −kt
'kos-2πfo/Cs, Cs is the sound velocity in the sample. Therefore, exp(j2kz q) represents a phase change due to the incident ultrasonic wave reciprocating to the reflector M within the sample. Further, T(k,) indicates the dependence of the transmittance on the incident angle when the ultrasonic wave is transmitted from water to the sample. T'
(k,) shows the dependence of the transmittance on the angle of incidence when ultrasonic waves are transmitted from the sample to water. 2 and q can be measured, and T and T' can be determined by knowing the density of sample 24 and the speed of sound, r WAVES IN LAYE! ? EDM
EDIAJ (Second EdItlon byL
, M Brekhovsklkh, Academlc.
Press, 1980). The pupil function P of the acoustic lens 23 can be known at the lens design stage and can be measured even after that. Also, the reflection function R′ of the internal reflection surface of the sample
can be determined by calculation if the density of the material forming the reflective surface and the speed of sound are known.
以上述べたように周波数ｆ。に対してＶ＋ｏ（ｚ）は任
意のｚ、ｑに対して計算できる。そこで、Ｖｆｏ （
ｚ）＋ Ｖｆ＋ （ｚ）＋ Ｖｆ２ （ｚ） ・・・
を帯域内のすべての周波数ｆｏ、ｆ＋、ｆｚ・・・に対
して計算する事により伝達関数のＨ，、（ｆ）に加えら
れる部分が求まる。この部分すなわちすべてのｆに対す
るＶ （ｚ）の集合をＨＩＮ （ｆ ）とすると、伝達
関数Ｈ（ｆ）は（３）式とＨ＋Ｎ（ｆ）とを合わせて、
” Ｈ（ｆ ） ＝ Ａ−Ｈ、（ｆ ） ・Ｈ＋Ｎ（
ｆ）・・・ （５）
と表される。さらに吸収を考慮して
Ｈ（ｆ） −Ａ−Ｈｏ（ｆ） ・ Ｈ＋Ｎ （ｆ）
・ Ｈ，ｂＣｆ） ・・・ （６）
として求めることができる。なお、Ｈ，、（ｆ）はＨ−
ｂ（ｆ）−ｅＸｐ （−２（Ｆ−ｚ）ａｗｆ２−２Ｑ
α５ｆ２）
−ｅｘｐ ［−２ｆ２（（Ｆ−ｚ） ａｗ＋ｑα５）
］ ・・・（７）なお、αＳは試料の吸収係
数である。この値は各試料に対して既知である。As mentioned above, the frequency f. In contrast, V+o(z) can be calculated for arbitrary z and q. Therefore, Vfo (
z)+Vf+ (z)+Vf2 (z)...
By calculating for all frequencies fo, f+, fz, . . . in the band, the portion added to H, (f) of the transfer function can be found. Letting this part, that is, the set of V (z) for all f, be HIN (f), the transfer function H (f) is obtained by combining equation (3) and H + N (f), ``H (f) = A- H, (f) ・H+N(
f)... (5) It is expressed as follows. Furthermore, considering absorption, H(f) −A−Ho(f) ・H+N (f)
・H, bCf) ... (6)
It can be found as Note that H,, (f) is H-
b(f)-eXp (-2(F-z)awf2-2Q
α5f2) -exp [-2f2((F-z) aw+qα5)
]...(7) Note that αS is the absorption coefficient of the sample. This value is known for each sample.
以上のようにして伝達関数Ｈ（ｆ）が求められる。The transfer function H(f) is obtained in the above manner.
次に本実施例の動作について説明する。Next, the operation of this embodiment will be explained.
まず、オペレータはモニタ２９に表示される受信信号の
波形を見なからＸＹＺステージ２６のＺ方向の位置を調
節して試料表面に音響レンズ２３の黒点が合った状態に
する。次に、位置検出回路２７をリセットし、試料２４
の観察したい部位からの反射波の部分を十分大きくモニ
タ２９上に表れるようにＺ方向の位置を：Ａ整する。こ
の時点で制御回路３５に、位置検出回路２７から距離Ｚ
が入力される。First, without looking at the waveform of the received signal displayed on the monitor 29, the operator adjusts the position of the XYZ stage 26 in the Z direction so that the black spot of the acoustic lens 23 is aligned with the sample surface. Next, the position detection circuit 27 is reset and the sample 24
The position in the Z direction is adjusted so that the part of the reflected wave from the part to be observed appears sufficiently large on the monitor 29. At this point, the control circuit 35 receives the distance Z from the position detection circuit 27.
is input.
次に、受信信号の必要な部分が切出せるように、ゲート
信号のタイミングおよびゲート幅を設定する。また、入
力装置３４から試料本体２４と内部反射体Ｍの密度およ
び音速、モニタより波形を観測して表面反射波と内部反
射波の時間差τ、音響レンズ２３の水中での焦点距ＭＦ
、水の吸収係数α、、試料の吸収係数αＳ、音響レンズ
２３の瞳関数Ｐが入力され、伝達関数Ｈ（ｆ）が計算さ
れる。なお、反射体Ｍの深さｑはτと試料本体の音速Ｃ
３からｑ”Ｃｓ τ／２と求まる。Next, the timing and gate width of the gate signal are set so that the necessary portion of the received signal can be extracted. In addition, the density and sound velocity of the sample body 24 and the internal reflector M are input from the input device 34, the time difference τ between the surface reflected wave and the internal reflected wave by observing the waveform from the monitor, and the underwater focal length MF of the acoustic lens 23.
, the absorption coefficient α of water, the absorption coefficient αS of the sample, and the pupil function P of the acoustic lens 23 are input, and the transfer function H(f) is calculated. Note that the depth q of the reflector M is determined by τ and the sound velocity C of the sample body.
3, we can find q”Cs τ/2.
次に、第５図で説明した超音波顕微鏡と同様にして送信
パルス信号を発生させ、試料２４からの反射波がトラン
スデユーサ２２で電気信号に変換され、受信回路２８を
通ってゲート回路３０に入力し、上記のように設定され
たゲート信号によって必要な反射波が抽出される。ゲー
ト回路３０の出力は、デジタイザ３１によって十分密に
サンプリングされ、かつＡ／Ｄ変換されて、デジタル波
形データとして演算回路３２へ出力される。演算回路３
２は入力したデジタル波形データをフーリエ変換し、こ
の変換値を伝達関数Ｈ（ｆ）で除算し、さらにこの除算
結果を逆フーリエ変換する。Next, a transmission pulse signal is generated in the same manner as in the ultrasonic microscope described in FIG. is input, and the necessary reflected waves are extracted by the gate signal set as above. The output of the gate circuit 30 is sampled sufficiently densely by a digitizer 31, A/D converted, and outputted to the arithmetic circuit 32 as digital waveform data. Arithmetic circuit 3
2 performs Fourier transform on the input digital waveform data, divides this transform value by the transfer function H(f), and further performs inverse Fourier transform on this division result.
このような演算処理を施すことにより、例えば第４図（
ａ）に示すような、試料内の深さが僅かに異なる反射体
からの反射波ａ、ｂが重なり合って同図（ｂ）に示すよ
うな複雑な波形となったものが、伝達関数Ｈ（ｆ）によ
ってデコンボルーション操作され、同図（ｃ）に示すよ
うな正確な深さ位置に送信パルス波が復元される。By performing such arithmetic processing, for example, the result shown in Fig. 4 (
The reflected waves a and b from the reflectors at slightly different depths within the sample, as shown in a), overlap to form a complex waveform as shown in FIG. The deconvolution operation is performed by f), and the transmitted pulse wave is restored to an accurate depth position as shown in FIG.
このようにして復元されたデジタル波形データ（観察画
像データ）は、そのままの状態でまたはピーク位置と大
きさをコード化する等の処理を施した後、デジタルメモ
リ３３に記憶される。そして、ＸＹＺステージ２６を駆
動させて試料２４を二次元平面走査することにより、極
めて高い分解能で試料内部の観察画像データがデジタル
メモリ３３に記憶される。デジタルメモリ３３に記憶さ
れた観察画像データを制御回路３５で読出し、表示装置
３６に表示させることにより極めて正確に復元された試
料の所定部位の画像を観察できる。The digital waveform data (observed image data) thus restored is stored in the digital memory 33 as is or after processing such as encoding the peak position and magnitude. Then, by driving the XYZ stage 26 to scan the sample 24 in a two-dimensional plane, observation image data inside the sample is stored in the digital memory 33 with extremely high resolution. By reading the observation image data stored in the digital memory 33 by the control circuit 35 and displaying it on the display device 36, it is possible to observe an extremely accurately reconstructed image of a predetermined portion of the sample.
このような本実施例によれば、反射体Ｍの試料内深さ位
置ｑ、試料２４の材質、音響レンズ２３のフォーカス状
態等から試料２４に入射しトランスデユーサ２２で電気
信号に変換された超音波の通過した経路の伝達関数Ｈ（
ｆ）を求め、ゲート回路３０で抽出される任意深さの反
射波を、演算回路３２でデコンボルーションの方法によ
り復元するようにしたので、復元された送信パルス波形
を正確な深さ位置に復元することができ、試料の深さ方
向の分解能を著しく向上させることができる。According to this embodiment, the light is incident on the sample 24 based on the depth position q of the reflector M in the sample, the material of the sample 24, the focus state of the acoustic lens 23, etc., and is converted into an electrical signal by the transducer 22. The transfer function H(
f), and the reflected wave at an arbitrary depth extracted by the gate circuit 30 is restored by the deconvolution method in the arithmetic circuit 32, so that the restored transmission pulse waveform can be placed at an accurate depth position. can be restored, and the resolution in the depth direction of the sample can be significantly improved.
なお、本発明は上記一実施例に限定されるものではない
。例えば、上記実施例では伝達関数Ｈ（ｆ）を単にイン
バースフィルタとして用いているが、Ｓ／Ｎ比を考慮し
てウィナ−フィルタの形に変形して用いても良い。Note that the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the transfer function H(f) is simply used as an inverse filter, but it may be modified into a Wiener filter in consideration of the S/N ratio.
以上詳記したように本発明によれば、試料に入射させた
超音波パルスの通過経路の伝達関数から送信波形を復元
するようにしたので、送信パルス波が正確に復元され、
試料の深さ方向の分解能を向上し得る超音波顕微鏡を撮
像できる。As detailed above, according to the present invention, the transmitted waveform is restored from the transfer function of the passage path of the ultrasonic pulse incident on the sample, so the transmitted pulse wave is accurately restored,
It is possible to image an ultrasonic microscope that can improve the resolution of the sample in the depth direction.
第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図は本発明の
詳細な説明するための図、第３図は試料における音響レ
ンズのフォーカス状態を示す図、第４図（ａ）は僅かに
異なる反射体から反射された二つの反射波の波形図、同
図（ｂ）は二つの反射波が重なり合った状態の波形図、
同図（ｃ）は復元された反射波の波形図、第５図は従来
よりある超音波顕微鏡の構成図、第６図は動作説明図、
第７図は狭いゲート幅のゲート信号で反射波を抽射体か
ら反射された二つの反射波の波形図、同図（ｂ）は二つ
の反射波が重なり合った状態を示す図である。
２１・・・送信回路、２２・・・トランスデユーサ、２
３・・・音響レンズ、２４・・・試料、２７・・・位置
検出回路、
・・・受信回路、
Ｏ・・・ゲー
ト回路、
２・・・演算回路、
３４・・・入力装置、
５・・・制御回
路。Figure 1 is a block diagram of an embodiment of the present invention, Figure 2 is a diagram for explaining the invention in detail, Figure 3 is a diagram showing the focus state of the acoustic lens on a sample, and Figure 4 (a). is a waveform diagram of two reflected waves reflected from slightly different reflectors, and (b) is a waveform diagram of two reflected waves overlapping each other.
Figure (c) is a waveform diagram of the restored reflected wave, Figure 5 is a configuration diagram of a conventional ultrasound microscope, Figure 6 is an operational diagram,
FIG. 7 is a waveform diagram of two reflected waves reflected from an extractor by a gate signal with a narrow gate width, and FIG. 7(b) is a diagram showing a state in which the two reflected waves overlap. 21... Transmission circuit, 22... Transducer, 2
3... Acoustic lens, 24... Sample, 27... Position detection circuit,... Receiving circuit, O... Gate circuit, 2... Arithmetic circuit, 34... Input device, 5. ...Control circuit.
Claims (1)
、この超音波パルスで前記試料を平面走査し、前記試料
からの反射波を再び前記音響レンズで受けて電気信号に
変換し、この電気信号から前記試料の観察画像データを
作成し、この観察画像データを可視化する超音波顕微鏡
において、前記電気信号の任意の部分を任意の時間幅で
サンプリングして、前記試料の深さ方向の任意の位置か
らの反射波を抽出する手段と、 この抽出手段の出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変
換手段と、 このＡ／Ｄ変換手段の出力をフーリエ変換し、前記音響
レンズと前記試料の相対的な位置情報、前記抽出手段で
抽出された反射波の前記試料における反射位置情報、前
記試料の密度および音速、前記試料表面からの反射波と
前記試料内部からの反射波の時間差、前記音響レンズと
前記試料との間に位置する超音波伝搬媒体中における音
響レンズの焦点距離、前記超音波伝搬媒体の吸収係数、
前記試料の吸収係数、前記音響レンズの瞳関数とから、
前記電気信号に変換された前記超音波パルスの通過経路
に関する伝達関数を計算し、この伝達関数で前記フーリ
エ変換した値を除算し、さらにこの除算結果を逆フーリ
エ変換して観察画像データを作成する手段とを具備した
ことを特徴とする超音波顕微鏡。[Claims] Ultrasonic pulses are focused by an acoustic lens and made incident on a sample, the sample is plane-scanned by the ultrasonic pulses, and reflected waves from the sample are received again by the acoustic lens and converted into electrical signals. In an ultrasonic microscope that converts the electric signal into observation image data of the sample and visualizes the observation image data, an arbitrary part of the electric signal is sampled in an arbitrary time width to determine the depth of the sample. means for extracting a reflected wave from an arbitrary position in the horizontal direction; A/D conversion means for converting the output of this extraction means into a digital signal; and Fourier transformation of the output of this A/D conversion means, and and the relative position information of the sample, the reflection position information on the sample of the reflected wave extracted by the extraction means, the density and sound velocity of the sample, the reflected wave from the sample surface and the reflected wave from inside the sample. a time difference, a focal length of an acoustic lens in an ultrasound propagation medium located between the acoustic lens and the sample, an absorption coefficient of the ultrasound propagation medium;
From the absorption coefficient of the sample and the pupil function of the acoustic lens,
A transfer function regarding the passage path of the ultrasonic pulse converted to the electrical signal is calculated, the Fourier-transformed value is divided by this transfer function, and the division result is inversely Fourier-transformed to create observation image data. An ultrasonic microscope characterized by comprising means.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1227036A JPH0390856A (en) | 1989-09-01 | 1989-09-01 | Ultrasonic microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1227036A JPH0390856A (en) | 1989-09-01 | 1989-09-01 | Ultrasonic microscope |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0390856A true JPH0390856A (en) | 1991-04-16 |
Family
ID=16854524
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1227036A Pending JPH0390856A (en) | 1989-09-01 | 1989-09-01 | Ultrasonic microscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0390856A (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006078408A (en) * | 2004-09-10 | 2006-03-23 | Toyohashi Univ Of Technology | Ultrasonic image inspection method and device |
| JP2007248079A (en) * | 2006-03-13 | 2007-09-27 | Honda Electronic Co Ltd | Acoustic impedance measuring method and instrument |
| JP2009227301A (en) * | 2008-03-21 | 2009-10-08 | Universal Seikan Kk | Cap liner, cap and bottle with cap |
| JP2014233415A (en) * | 2013-05-31 | 2014-12-15 | セイコーエプソン株式会社 | Ultrasonic measurement apparatus, ultrasonic image apparatus, and ultrasonic image processing method |
| JP2017184972A (en) * | 2016-04-04 | 2017-10-12 | キヤノン株式会社 | Processing system, image acquisition device, signal processing method and program |
-
1989
- 1989-09-01 JP JP1227036A patent/JPH0390856A/en active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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