JPH06102260A - 共焦点型超音波顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、調整が容易で分解能も高く透過型超
音波顕微鏡と同質の画像を得ることができる共焦点超音
波顕微鏡を提供することを目的とする。 【構成】本発明の共焦点超音波顕微鏡は、送信手段２１
と、電気／音響変換手段２３と、音響レンズ２４と、球
面状の反射凹面又はシリンドリカル状の反射凹面２６ａ
を有し該反射凹面の焦点位置を音響レンズ２４の焦点位
置に一致させて配置された凹面反射体２６とを備え、試
料を透過した透過音波を凹面反射体２６で反射させて音
響レンズ２４に再入射させるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料を透過した透過音
波を再び音響レンズに入射して画像情報として取込む反
射型の超音波顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、超音波顕微鏡として図５
（ａ）に示す透過型のものと、同図（ｂ）に示す反射型
のものとが知られている。図５（ａ）に示す透過型超音
波顕微鏡は、送信機１で発生させた送信信号をトランス
デューサ２で超音波に変換し、その超音波を音響レンズ
３によって収束させている。超音波の収束点である音響
レンズ３の焦点位置にサンプルホルダー４で保持した試
料５を配置し、その試料５を透過した透過波を他の音響
レンズ６で受波する。音響レンズ６で受波した透過波は
トランスデューサ７で電気信号に変換し、さらに受信機
８に入力して試料５の１点の画像情報に変換している。
そして、サンプルホルダー４で試料５を２次元走査しな
がら以上の動作を繰返すことにより試料５の画像を得て
いる。

【０００３】ところで、以上の透過型超音波顕微鏡では
透過波を効率良く受波するために音響レンズ３，６を、
図６（ａ）に示すような共焦点状態に配置する必要があ
る。共焦点配置のためには、レンズ間距離をコンフォー
カルになる位置に調整し（Ｚ軸調整）、２つの音響レン
ズ３，６の軸を平行にし（傾き調整）、さらに互いの軸
が一致するように調整することになる。この様に透過型
超音波顕微鏡には複雑な調整が要求される。

【０００４】一方、図５（ｂ）に示す反射型超音波顕微
鏡は、送信機９から出力される送信信号がサーキュレー
タ１０を介してトランスデューサ１１に印加され、トラ
ンスデューサ１１で発生した超音波が音響レンズ１２に
よって収束させられる。ステージ１３上に載置された試
料１４は音響レンズ１２の焦点位置に配置される。

【０００５】反射型超音波顕微鏡において、試料１４の
１点に入射した超音波は、反射して再び音響レンズ１２
に入射しトランスデューサ１１で電気信号に変換された
後、サーキュレータ１０を介して受信機１５に入力す
る。

【０００６】この反射型超音波顕微鏡では、図６（ｂ）
に示すように音響レンズ１２の焦点距離とレンズ，試料
間の距離を一致させ、かつ試料面をレンズ軸に対し垂直
になるように調節する。この調節は、上記した透過型超
音波顕微鏡に要求される調節に比べ簡単である。

【０００７】ところが、上述した反射型超音波顕微鏡
は、透過型超音波顕微鏡と異なり、吸収量による像や、
試料表面による影響を受けない内部像を得たい場合には
適していない。そこで最近では透過型超音波顕微鏡と同
種の画像を得ることができ、かつ反射型超音波顕微鏡と
同等の操作性を備えた超音波顕微鏡が考えられている。

【０００８】かかる超音波顕微鏡の構成を図７（ａ）に
示す。この超音波顕微鏡は、音響レンズ１６に対してフ
ラットディテクタ１７を対向させて音響レンズ１６とフ
ラットディテクタ１７とを図７（ｂ）に示すように配置
する。そしてフラットディテクタ１７の平面で反射させ
た超音波を試料上で収束させ、その透過波を音響レンズ
１６の受波面で反射させて平行光としてフラットディテ
クタ１７に垂直に入射させる。フラットディテクタ１７
に垂直に入射した超音波をトランスデューサ１８で電気
信号に変換して受信機１９に入力する。

【０００９】この超音波顕微鏡では、透過波を得るため
には、１回焦点を通った音波が音響レンズ１６で反射す
る際に平行音波となる距離に音響レンズ１６を調整し
（Ｚ軸調整）、レンズ軸とフラットディテクタ１７が垂
直になるように傾き調整を行う必要がある。この様な調
整は、上記した反射型超音波顕微鏡に要求される調整と
ほとんど同じであり簡単に実施できる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た図７に示す超音波顕微鏡は、音響レンズ１６から出る
球面波をフラットディテクタ１７の平面で一度反射させ
た後、焦点位置に置かれた試料に照射し、音響レンズ１
６の球面部分で反射させて平面波に変換しているため収
差が大きく、垂直分解能が低下する欠点がある。

【００１１】本発明は以上のような実情に鑑みてなされ
たもので、透過波を用いて高い分解能を実現できると共
に調整が容易な共焦点型超音波顕微鏡を提供することを
目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の共焦点型超音波顕微鏡は、超音波に変換され
る送信信号を発生させる送信手段と、前記送信信号を超
音波に変換する共に与えられる超音波を電気信号に変換
する電気／音響変換手段と、この電気／音響変換手段で
発生した超音波を焦点位置に収束させる音響レンズと、
球面状の反射凹面又はシリンドリカル状の反射凹面を有
し該反射凹面の焦点位置を前記音響レンズの焦点位置に
一致させて配置された凹面反射体と、前記音響レンズと
前記凹面反射体との共焦点位置に試料を保持する試料保
持手段と、前記試料を透過した透過音波が前記凹面反射
体で反射されて前記音響レンズに入射することにより前
記電気／音響変換手段から出力される電気信号を処理し
て画像情報に変換する信号処理部とを具備するものとし
た。

【００１３】

【作用】本発明の共焦点型超音波顕微鏡では、送信手段
によって発生させた送信信号が電気／音響変換手段に入
力して超音波が発生する。その超音波は音響レンズによ
り試料上に収束する。試料を透過した透過音波は凹面反
射体で反射され、再び試料上の同一点で収束してから音
響レンズに入射する。

【００１４】ここで、凹面反射体は球面状またはシリン
ドリカル状の反射凹面を有しているので反射時の収差が
フラットディテクタに比べて非常に小さくなる。また超
音波が試料の同じ点で２回収束するので、その箇所での
吸収量などの影響を２回受けるのでコントラストの良い
画像が得られる。なお、シリンドリカル状の凹面反射体
の場合には、反射凹面の長手方向に対して垂直に凹面反
射体へ入射した透過音波しか音響レンズに戻らないの
で、試料の異方性によるコントラスト画像が得られる。
音響レンズで受波された透過波は、電気／音響変換手段
で電気信号に変換された後、信号処理部に入力して画像
情報に変換される。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
１には本発明の一実施例に係る共焦点型超音波顕微鏡の
構成が示されている。

【００１６】本実施例の共焦点超音波顕微鏡は、超音波
を生成するための送信信号として２０〜１００Ｈｚの周
期で１００〜１０００ＭＨｚの高周波バースト波を発生
させる送信機２１を備えている。この送信機２１から送
出された高周波バースト波はサーキュレータ２２を通っ
て電気／音響変換手段としてのトランスデューサ２３に
印加されて超音波に変換される。トランスデューサ２３
は、音響レンズ２４の一端面に設けられ、その音響レン
ズ２４の他端面にはトランスデューサ２３で発生させた
超音波を所定位置に収束させるレンズ面２４ａが形成さ
れている。音響レンズ２４による超音波の収束点（焦
点）には、透過試料として薄膜サンプルＳがサンプルホ
ルダー２５によって保持されている。

【００１７】そして薄膜サンプルＳを挟んで前記音響レ
ンズ２４と対向する位置に、反射体２６が設置されてい
る。この反射体２６は音響レンズ２４との対向面に球面
状の凹面からなる反射凹面２６ａを有している。

【００１８】ここで、音響レンズ２４に形成されたレン
ズ面２４ａの曲率をＲ０とすると、音響レンズ２４の焦
点距離は、ほぼ曲率Ｒ０に等しくなる。また反射体２６
に形成された反射凹面２６ａの曲率をＲ１とすると、反
射凹面２６ａの焦点距離は曲率Ｒ１とほぼ等しくなる。

【００１９】本実施例では、音響レンズ２４のレンズ面
２４ａと反射体２６の反射凹面２６ａとの間を距離（Ｒ
０＋Ｒ１）だけ離し、かつレンズ面２４ａ及び反射凹面
２６ａの両焦点が薄膜サンプルＳ上で一致するように、
音響レンズ２４と反射体２６とを配置している。

【００２０】すなわち、図２に示すように音響レンズ２
４のレンズ面２４ａから発せられる全ての超音波がサン
プルの１点で収束し、その透過波が反射体２６の反射凹
面２６ａで反射して再びサンプルの同一点で収束し、サ
ンプルの同一点を２度通過した音波が音響レンズ２４に
再入射するように、両者が配置されている。

【００２１】また上記音響レンズ２４は、Ｚステージ２
７によりレンズ軸に対して平行な方向へ移動可能に支持
されている。また反射体２６は、ＸＹステージ２８上に
固定されており、このＸＹステージ２８によりＺ方向と
垂直な平面内を互いに直交するＸ方向及びＹ方向へ移動
可能になっている。さらにサンプルホルダー２５は、薄
膜サンプルＳをＸ，Ｙ，Ｚの各方向へスキャンするため
のスキャン機構（不図示）に支持されている。なお、音
響レンズ２４のレンズ面２４ａと反射体２６の反射凹面
２６ａとの間は、超音波を伝播させるためのカプラ液体
２９が充填されている。

【００２２】上記サーキュレータ２２は、第１の入力端
子に送信機２１から入力する送信信号を第１の出力端子
からトランスデューサ２３側へ送出し、第２の入力端子
にトランスデューサ２３から入力する受信信号を第２の
出力端子から出力するように構成されている。このサー
キュレータ２２の第２の出力端子に受信機３１が接続さ
れている。

【００２３】受信機３１は、サーキュレータ２２から入
力する受信信号にゲートをかけてサンプルＳからの反射
波成分のみを取出し、その取出した反射波成分のピーク
値をホールドする機能を備えている。その反射波成分の
ピークホールド値は画像情報としてデジタルメモリ３２
に記憶され、そのデジタルメモリ３２の記憶データがＣ
ＲＴ３３に画像表示可能になっている。

【００２４】また装置全体はコントローラ３４によって
動作制御されている。このコントローラ３４は、次のよ
うな動作機能を実現するためのシーケンスプログラムが
格納されている。すなわち、送信機２１に送信タイミン
グを与え、かつ受信機３１へゲートタイミングを与えて
画像データの取込みを行い、またＺステージ駆動部３５
及びＸＹステージ駆動部３６に制御信号を与えて、音響
レンズ２４と反射体２６とが前述した位置関係となるよ
うに、Ｚステージ２７とＸＹステージ２８を制御し、さ
らに上記送信タイミングに合わせてスキャン機構駆動部
３７に制御信号を与えて薄膜サンプルＳをスキャン動作
させる。次に、以上のように構成された本実施例の動作
について説明する。

【００２５】先ず、音響レンズ２４と反射体２６の反射
凹面２６ａとが共焦点となるように調整する。例えば、
図３（ａ）に示すように音響レンズ２４の焦点Ｐと、反
射凹面２６ａの焦点Ｑとがずれているとする。

【００２６】このような位置関係にあるときは、音響レ
ンズ２４をＺステージ２７によりＺ方向へ移動させて、
図３（ｂ）のように音響レンズ２４の焦点Ｐを反射凹面
２６ａの焦点Ｑと同じ高さに調整する（Ｚ方向の調
整）。次に、反射体２６をＸＹステージ２８によりＸ，
Ｙ方向へ移動させて、図３（ｃ）に示すように焦点Ｑを
焦点Ｐに一致させる。この結果、反射体２６に形成され
た反射凹面２６ａの球面部分の半径方向とレンズ軸とが
一致するため、反射凹面２６ａで反射された音波は音響
レンズ２４へ正確に戻される。

【００２７】以上の調整が終了すると、コントローラ３
４からスキャン機構駆動部３７に制御信号が与えられ
て、薄膜サンプＳのスキャン開始点がレンズ軸上に来る
ように、サンプルホルダー２５が移動させられる。次に
コントローラ３４から送信機２１へ送信タイミングが与
えられ、送信機２１から高周波バースト波が前記した周
期で出力される。

【００２８】高周波バースト波はサーキュレータ２２を
介してトランスデューサ２３に与えられ、そこで超音波
に変換される。その超音波は音響レンズ２４内を伝播し
た後、レンズ面２４ａで屈折して薄膜サンプルＳの１点
に収束する。超音波は薄膜サンプＳの１点を通過する際
に、その収束部位から吸収等の影響を受ける。そして薄
膜サンプルＳを通った透過音波は、再び広がり球面波と
なって反射体２６の反射凹面２６ａに入射する。

【００２９】反射体の反射凹面２６ａは、その焦点がレ
ンズ軸と一致しているため、反射凹面２６ａで反射され
た音波は、薄膜サンプルＳの同一点で収束した後、音響
レンズ２４のレンズ面２４ａに入射して平行波に戻され
る。

【００３０】音響レンズ２４で受波された透過波はトラ
ンスデューサ２３で電気的な受信信号に変換される。こ
の受信信号はサーキュレータ２２を介して受信機３１に
入力し、そこで前述した処理より画像データに変換さ
れ、その画像データがデジタルメモリ３２に記憶され
る。

【００３１】以上の動作により、薄膜サンプルＳの１点
の画像データが取込まれたことになる。従って、スキャ
ン機構駆動部３７により薄膜サンプルＳをラスタスキャ
ンしながら上記動作を繰り返すことにより、薄膜サンプ
ルＳの２次元画像データが得られることになる。

【００３２】この様に本実施例によれば、反射凹面２６
ａを有する反射体２６を、薄膜サンプルＳを挟んで音響
レンズ２４との共焦点位置に対向配置したので、透過型
超音波顕微鏡と同質で、かつ分解能の高い画像を、透過
型超音波顕微鏡よりも簡単な調整で得ることができ、さ
らに構造を簡単化できる。

【００３３】すなわち、サンプルＳに超音波を収束さ
せ、その透過音波を反射凹面２６ａで反射させて再びサ
ンプルＳの同一部位を通過させているので、吸収による
像や、表面の影響のない内部像に関するデータを得るこ
とができると共に、吸収量などの情報が受信信号に２倍
含まれることとなりコントラストの良い画像を得ること
ができる。また本実施例ではＸＹ方向の調整がＸＹステ
ージ２８によるため、従来のような回転機構に比較して
構造が簡単になる。特に、密閉容器内に測定機構が設け
られる極低温超音波顕微鏡においては、複雑な回転機構
に代えて制御も容易に平行移動手段で調整機構が置き換
えられるため、その効果は大きい。また従来の透過形超
音波顕微鏡のように、回転機構では回転中心が焦点に一
致していなければ回転時に高さが変わってしまうためＺ
ステージを再調整しなければならないが、本実施例であ
ればそのような再調整は必要無いため調整が簡単であ
る。

【００３４】なお、上記実施例では反射体として球面状
の反射凹面２６ａを有する反射体２６を使っているが、
これに代えて図４に示すシリンドリカル状の反射凹面３
０ａを有する反射体３０を使用することもできる。

【００３５】同図に示す反射体３０は、反射凹面３０ａ
の曲率に応じた高さであって長手方向（反射凹面３０ａ
の形成方向）にラインフォーカスを有する。例えば、反
射体３０は、ラインフォーカスの方向をＸ方向とする
と、Ｘ方向には収束作用を示さない。そのため、このよ
うな形状の反射体３０を使用した場合には、Ｘ方向の音
波は音響レンズ２４を介してトランスデューサ２３に戻
る時にはレンズ軸に対して傾きを持ち、トランスデュー
サによっては受信されない。従って、ＹＺ面内の音波だ
けがトランスデューサに受信され、試料の異方性情報を
得ることができる。本発明は上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内で種々変
形実施可能である。

【００３６】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、球
面状の反射凹面又はシリンドリカル状の反射凹面を有す
る凹面反射体を音響レンズに対して共焦点配置したの
で、音響レンズと反射体との調整が簡単になると共に、
透過型超音波顕微鏡と同質の画像を得ることができ、さ
らにコントラストの良い画像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る超音波顕微鏡の構成図で
ある。

【図２】図１に示す超音波顕微鏡に備えられた音響レン
ズと反射体との位置関係を示す図である。

【図３】図１に示す超音波顕微鏡における音響レンズと
反射体との調整作業を説明するための図である。

【図４】変形例に係る反射体の斜視図である。

【図５】従来の透過型超音波顕微鏡及び反射型超音波顕
微鏡の構成を示す図である。

【図６】図５（ａ）に示す透過型超音波顕微鏡の音響レ
ンズ同志の位置関係、及び同図（ｂ）に示す反射型超音
波顕微鏡の音響レンズとステージとの位置関係を示す図
である。

【図７】音響レンズとフラットディテクタとを備えた超
音波顕微鏡の構成、及び音響レンズとフラットディテク
タとの位置関係を示す図である。

【符号の説明】

２１…送信機、２３…トランスデューサ、２４…音響レ
ンズ、２５…サンプルホルダー、２６，３０…反射体、
２６ａ…球面状の反射凹面、３０ａ…シリンドリカル状
の反射凹面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波に変換される送信信号を発生させ
   る送信手段と、前記送信信号を超音波に変換する共に与
   えられる超音波を電気信号に変換する電気／音響変換手
   段と、この電気／音響変換手段で発生した超音波を焦点
   位置に収束させる音響レンズと、球面状の反射凹面又は
   シリンドリカル状の反射凹面を有し該反射凹面の焦点位
   置を前記音響レンズの焦点位置に一致させて配置された
   凹面反射体と、前記音響レンズと前記凹面反射体との共
   焦点位置に試料を保持する試料保持手段と、前記試料を
   透過した透過音波が前記凹面反射体で反射されて前記音
   響レンズに入射することにより前記電気／音響変換手段
   から出力される電気信号を処理して画像情報に変換する
   信号処理部とを具備したことを特徴とする共焦点型超音
   波顕微鏡。