JP3168754B2 - Method and apparatus for adjusting focus of ultrasonic sensor - Google Patents
Method and apparatus for adjusting focus of ultrasonic sensorInfo
- Publication number
- JP3168754B2 JP3168754B2 JP02683393A JP2683393A JP3168754B2 JP 3168754 B2 JP3168754 B2 JP 3168754B2 JP 02683393 A JP02683393 A JP 02683393A JP 2683393 A JP2683393 A JP 2683393A JP 3168754 B2 JP3168754 B2 JP 3168754B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ultrasonic
- ultrasonic sensor
- subject
- transducer
- focal point
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、超音波センサの焦点を
調整する方法及び装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for adjusting the focus of an ultrasonic sensor.
【0002】[0002]
【従来の技術】連続した周波数領域における超音波スペ
クトロスコピーのための装置として、本願の発明者等に
より特開平2−251751号公報に開示された超音波
スペクトラム顕微鏡がある。この超音波スペクトラム顕
微鏡の超音波レンズ若しくはセンサは、凹面(典型的に
は球面)レンズと平面レンズとを備えるSPP(spheric
al planar pair lens)レンズである。2. Description of the Related Art As an apparatus for ultrasonic spectroscopy in a continuous frequency domain, there is an ultrasonic spectrum microscope disclosed by the present inventors in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 2-251751. An ultrasonic lens or sensor of this ultrasonic spectrum microscope is an SPP (spherical) having a concave (typically spherical) lens and a planar lens.
al planar pair lens) lens.
【0003】SPPレンズは、その焦点を被検体の表面
に位置させた状態で、焦点を回転中心として二つのレン
ズまたは平面レンズのみを回転させつつ、被検体からの
反射超音波を測定解析することにより、被検体の微小領
域の弾性定数の測定に使用される。また、被検体の評価
のために、入射角を連続的に変化させた際の超音波の反
射率の測定に使用される。[0003] The SPP lens measures and analyzes reflected ultrasonic waves from the subject while rotating only the two lenses or the plane lens around the focal point with the focal point positioned on the surface of the subject. Is used to measure the elastic constant of a minute region of the subject. It is also used to measure the reflectivity of the ultrasonic wave when the incident angle is continuously changed for evaluating the subject.
【0004】このような測定において、SPPレンズの
特性を最大限に発揮させるためには、SPPレンズの焦
点を被検体面または被検体面に対して任意の高さにおけ
る基準高さ位置に保持する必要がある。このようなSP
Pレンズの焦点調整のための従来の方法では、先ず、焦
点が被検体面に位置するときの時間波形から特徴点を定
め、次に個々の測定に際しては、特徴点が再現されるよ
うにSPPレンズの高さを手動で調整する。In such a measurement, in order to maximize the characteristics of the SPP lens, the focal point of the SPP lens is held at a reference height position at an arbitrary height with respect to the subject surface or the subject surface. There is a need. SP like this
In the conventional method for adjusting the focus of the P lens, first, a feature point is determined from a time waveform when the focus is located on the object plane, and then, in each measurement, the SPP is set so that the feature point is reproduced. Adjust the lens height manually.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、被検体
面上の複数の異なる領域における測定や、弾性波が励起
される場合などには、相似形としての時間波形が得られ
ない。従って特徴点が不明確であり、SPPレンズの焦
点調整が困難となる。このようなSPPレンズの焦点調
整の精度が低い場合の幾つかの問題点を以下に列挙す
る。However, a similar time waveform cannot be obtained when measurement is performed in a plurality of different areas on the object surface or when an elastic wave is excited. Therefore, the characteristic points are unclear, and it becomes difficult to adjust the focus of the SPP lens. Some problems when the focus adjustment accuracy of the SPP lens is low are listed below.
【0006】i)SPPレンズの傾動により入射角を変化
させながら、微小な観測点からの反射波を採取する場
合、SPPレンズの傾動と共に観測点が移動してしま
う。I) When collecting reflected waves from a minute observation point while changing the incident angle by tilting the SPP lens, the observation point moves with the tilt of the SPP lens.
【0007】ii) 受信側レンズの受信面と観測点との間
の位置関係が不適切になり、最悪の場合には、反射波を
全く受信できない。Ii) The positional relationship between the receiving surface of the receiving lens and the observation point becomes inappropriate, and in the worst case, no reflected wave can be received.
【0008】iii)一般に、反射波の任意の周波数成分の
位相曲線は、凹面レンズの焦点と、SPPレンズの傾動
の中心軸との整合度が高い程に平坦になる。しかしなが
ら、SPPレンズの焦点位置が変化すると、位相曲線が
平坦にならないので解析が困難となる。Iii) In general, the phase curve of an arbitrary frequency component of the reflected wave becomes flatter as the degree of matching between the focal point of the concave lens and the central axis of tilt of the SPP lens increases. However, when the focal position of the SPP lens changes, the analysis becomes difficult because the phase curve does not become flat.
【0009】この発明の目的は、上述の問題点を解決し
た超音波センサの焦点調整方法及び装置を提供すること
である。更に詳しくは、この発明の目的は、超音波セン
サの垂直方向の焦点調整を高精度に達成可能であり、し
かも自動化が可能な方法及び装置を提供することであ
る。It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus for adjusting the focus of an ultrasonic sensor which solve the above-mentioned problems. More specifically, it is an object of the present invention to provide a method and an apparatus that can achieve high-accuracy vertical focus adjustment of an ultrasonic sensor and that can be automated.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】この発明の一つの観点に
よれば、第1と第2の超音波トランスデューサを含み、
その少なくとも一方が被検体の表面に対面する平面を有
してなり、超音波を送信及び受信する超音波センサの焦
点と被検体表面との間の垂直距離を調整する方法が提供
される。この方法は、(a) 超音波センサの第1の超音波
トランスデューサから被検体表面へ超音波を送信する行
程と、(b) 超音波センサの第2の超音波トランスデュー
サにより被検体表面からの反射超音波を受信する行程
と、(c) 第2の超音波トランスデューサにより受信され
た反射超音波の周波数fと位相との関係を求める行程
と、(d) 求められた関係と、超音波センサの焦点が被検
体表面に位置する際の反射超音波の周波数fと位相との
予め与えられた関係とに基づいて、超音波センサの焦点
位置と被検体表面との間の垂直距離Δzを測定する行程
と、(e) 測定された垂直距離Δzに基づいて、超音波セ
ンサの焦点が被検体の表面に位置するように超音波セン
サを被検体表面に対して相対的に垂直移動させる行程
と、を備える。According to one aspect of the present invention, the method includes first and second ultrasonic transducers,
A method is provided for adjusting a vertical distance between a focal point of an ultrasonic sensor for transmitting and receiving ultrasonic waves and a surface of a subject, at least one of which has a plane facing the surface of the subject. This method comprises the steps of (a) transmitting an ultrasonic wave from the first ultrasonic transducer of the ultrasonic sensor to the surface of the object, and (b) reflecting the ultrasonic wave from the surface of the object by the second ultrasonic transducer of the ultrasonic sensor. (C) obtaining a relationship between the frequency f and the phase of the reflected ultrasonic wave received by the second ultrasonic transducer; (d) obtaining the relationship; The vertical distance Δz between the focus position of the ultrasonic sensor and the subject surface is measured based on a predetermined relationship between the frequency f and the phase of the reflected ultrasound when the focus is located on the subject surface. And (e) a step of vertically moving the ultrasonic sensor relative to the object surface such that the focal point of the ultrasonic sensor is located on the surface of the object based on the measured vertical distance Δz, Is provided.
【0011】この発明の他の観点によれば、被検体の表
面へ超音波を送信する第1の超音波トランスデューサ
と、被検体表面からの反射超音波を受信する第2の超音
波トランスデューサとを含み、その少なくとも一方が被
検体表面に対面する平面を有してなる超音波センサの焦
点と被検体表面との間の垂直距離を調整する装置が提供
される。この装置は、第2の超音波トランスデューサに
より受信された反射超音波の周波数fと位相との関係を
求める手段と、求められた関係と、超音波センサの焦点
が被検体表面に位置する際の反射超音波の周波数fと位
相との予め与えられた関係とに基づいて、超音波センサ
の焦点位置と被検体表面との間の垂直距離Δzを測定す
る手段と、測定された垂直距離Δzに基づいて、超音波
センサの焦点が被検体の表面に位置するように超音波セ
ンサを被検体表面に対して相対的に垂直移動させる手段
と、を備える。According to another aspect of the present invention, a first ultrasonic transducer for transmitting ultrasonic waves to the surface of a subject and a second ultrasonic transducer for receiving reflected ultrasonic waves from the surface of the subject are provided. An apparatus is provided for adjusting a vertical distance between a focal point of an ultrasonic sensor and a surface of a subject, at least one of which has a plane facing the surface of the subject. This apparatus includes means for determining the relationship between the frequency f and the phase of the reflected ultrasonic wave received by the second ultrasonic transducer, the determined relation, and the time when the focal point of the ultrasonic sensor is located on the surface of the subject. Means for measuring a vertical distance Δz between the focal position of the ultrasonic sensor and the surface of the subject based on a predetermined relationship between the frequency f and the phase of the reflected ultrasonic wave; Means for vertically moving the ultrasonic sensor relative to the surface of the subject so that the focal point of the ultrasonic sensor is located on the surface of the subject.
【0012】この場合、他方の超音波トランスデューサ
は、被検体表面に対面する平面或いは凹面を有する。In this case, the other ultrasonic transducer has a flat surface or a concave surface facing the surface of the subject.
【0013】この発明の実施例によれば、上述の装置及
び方法における垂直距離Δzは、下式、 Δz={(P fref(f)-P f (f))/f} ・{(V 0 ・cos θ)/2 π
(1+ cos2θ)} (但し、fは超音波の周波数、Pfref(f) は超音波セン
サの焦点が被検体表面に位置する際の基準位相曲線、P
f (f) は超音波センサの焦点が任意の位置にある際の位
相曲線、V 0 は超音波センサと被検体との間に介在する
超音波伝播媒体中の音速、θは平面を有する超音波トラ
ンスデューサと被検体表面との間に定義される入射角)
に従って計算される。According to an embodiment of the present invention, the vertical distance Δz in the apparatus and method described above is given by the following equation: Δz = {(P fref (f) -P f (f)) / f} · {(V 0・ Cos θ) / 2 π
(1 + cos2θ)} (where f is the frequency of the ultrasonic wave, P fref (f) is a reference phase curve when the focal point of the ultrasonic sensor is located on the surface of the object, P
f (f) is the phase curve when the focal point of the ultrasonic sensor is at an arbitrary position, V 0 is the sound velocity in the ultrasonic wave propagating medium interposed between the ultrasonic sensor and the subject, and θ is the ultrasonic wave having a plane. Angle of incidence defined between acoustic transducer and subject surface)
Is calculated according to
【0014】[0014]
【作用】平面を有する第2の超音波トランスデューサに
より受信された反射超音波の周波数fと位相との関係
は、超音波センサの焦点位置と被検体の表面との間の垂
直距離Δzに応じて変化する。従って、この変化を求め
ることにより、超音波センサの焦点位置を垂直移動させ
るべき垂直距離Δzが得られる。The relationship between the frequency f and the phase of the reflected ultrasonic wave received by the second ultrasonic transducer having a plane depends on the vertical distance Δz between the focal position of the ultrasonic sensor and the surface of the subject. Change. Therefore, by obtaining this change, the vertical distance Δz at which the focal position of the ultrasonic sensor should be moved vertically can be obtained.
【0015】[0015]
【実施例】図1は、この発明の超音波センサの高さ調整
装置を示す。FIG. 1 shows a height adjusting device for an ultrasonic sensor according to the present invention.
【0016】SPPレンズ12は、凹面トランスデュー
サ14と平面トランスデューサ16とを有する送受独立
型超音波センサである。凹面及び平面トランスデューサ
14,16の各々は、例えばZuO圧電膜トランスデュ
ーサである。これら二つのトランスデューサ14,16
は支持体18により一体的に支持されている。凹面トラ
ンスデューサ14の凹面14aの中心を通る法線N1 と
平面トランスデューサ16の平面16aの中心を通る法
線N2 との間には、所定の対向角φが保持されている。The SPP lens 12 is a transmission / reception independent ultrasonic sensor having a concave transducer 14 and a flat transducer 16. Each of the concave and planar transducers 14, 16 is, for example, a ZuO piezoelectric film transducer. These two transducers 14, 16
Are integrally supported by a support 18. A predetermined opposing angle φ is maintained between a normal line N 1 passing through the center of the concave surface 14 a of the concave transducer 14 and a normal line N 2 passing through the center of the plane 16 a of the flat transducer 16.
【0017】支持体18は、超音波センサ12をθ方向
へ傾動させるθステージ20により支持されている。θ
ステージ20は、これを垂直方向(Z軸方向)へ移動さ
せるZステージ22により支持されている。Zステージ
22の駆動機構(図示せず)は、例えば0.5μmステ
ップのステッピングモータである。The support 18 is supported by a θ stage 20 that tilts the ultrasonic sensor 12 in the θ direction. θ
The stage 20 is supported by a Z stage 22 that moves the stage 20 in the vertical direction (Z-axis direction). The drive mechanism (not shown) of the Z stage 22 is, for example, a stepping motor having a 0.5 μm step.
【0018】被検体24は、SPPレンズ12の下方の
ステージ26の載置面26aに載置されている。ここで
載置面26aは、Z軸に対して垂直なXY平面内にあ
る。SPPレンズ12の高さ位置は、被検体表面からの
Z軸方向距離である。SPPレンズ12と被検体24と
の間には、超音波伝播媒体(典型的には水)28が介在
されている。The subject 24 is mounted on a mounting surface 26a of a stage 26 below the SPP lens 12. Here, the mounting surface 26a is in an XY plane perpendicular to the Z axis. The height position of the SPP lens 12 is a distance in the Z-axis direction from the surface of the subject. An ultrasonic wave propagation medium (typically, water) 28 is interposed between the SPP lens 12 and the subject 24.
【0019】SPPレンズ12の発信側トランスジュー
サ(例えば凹面トランスデューサ14)には、このトラ
ンスジューサを励起させて超音波を発信させるためのパ
ルスジェネレータ30が接続されている。A pulse generator 30 for exciting the transducer and transmitting an ultrasonic wave is connected to the transmitting side transducer (for example, the concave transducer 14) of the SPP lens 12.
【0020】受信側トランスジューサ(例えば平面トラ
ンスデューサ16)の反射波出力は、波形測定器、例え
ばデジタルオシロスコープ32に与えられ、ここで反射
波の時間波形が測定される。この時間波形は、高速フー
リエ変換(FFT)機能を有するFFT演算装置34に
より高速フーリエ変換される。The reflected wave output of the receiving transducer (for example, the planar transducer 16) is supplied to a waveform measuring device, for example, a digital oscilloscope 32, where the time waveform of the reflected wave is measured. This time waveform is subjected to fast Fourier transform by an FFT operation device 34 having a fast Fourier transform (FFT) function.
【0021】ステージコントローラ36は、オペレータ
からの指令によりθ及びZステージ20,22を制御す
ると共に、演算装置34からの指令によりZステージ2
2を制御する。The stage controller 36 controls the θ and Z stages 20 and 22 according to instructions from the operator, and controls the Z stage 2 according to instructions from the arithmetic unit 34.
2 is controlled.
【0022】SPPレンズ12は、被検体24に対する
超音波の入射角を変化させても、被検体の表面24aの
観測点を通る法線N0 と、平面トランスデューサ16の
上述の法線N2 との間に定義される角度成分のみの反射
波を出力させることができる。従って、凹面トランスデ
ューサ18の検出角(入射角)を平面トランスデューサ
16の入射角(検出角)と同一に設定すれば、この設定
角度の成分のみが出力に影響を与える。これは、凹面ト
ランスデューサ18の被検体に対する角度の変化を問題
にする必要がないことを意味する。Even when the angle of incidence of the ultrasonic wave with respect to the subject 24 is changed, the SPP lens 12 maintains the normal N 0 passing through the observation point on the surface 24 a of the subject and the above-mentioned normal N 2 of the plane transducer 16. It is possible to output a reflected wave of only the angle component defined between. Therefore, if the detection angle (incident angle) of the concave transducer 18 is set to be the same as the incident angle (detection angle) of the flat transducer 16, only the component of the set angle affects the output. This means that the change in the angle of the concave transducer 18 with respect to the subject need not be considered.
【0023】このような特性は、SPPレンズ12に限
らず、少なくとも一方が平面トランスデューサである送
受独立型センサでも同様である。Such characteristics are not limited to the SPP lens 12, but also apply to a transmission / reception independent sensor in which at least one is a flat transducer.
【0024】このような平面トランスデューサを有する
センサ若しくはSPPレンズ12によれば、センサの基
準焦点位置Z0 と任意の焦点位置Zn との間における任
意の周波数成分の位相変化は、以下のように近似的に表
現できる。According to the sensor or the SPP lens 12 having such a plane transducer, the phase change of an arbitrary frequency component between the reference focal position Z 0 and the arbitrary focal position Z n of the sensor is as follows. It can be approximately expressed.
【0025】図2に示すように、SPPレンズ12の基
準焦点位置Z0 を被検体表面24aに設定し、この被検
体表面24aとSPPレンズ12の任意の焦点位置(実
際の焦点位置)Zn との間のZ軸方向距離をΔZとす
る。また、観測点とZn との間の直線距離をl1 、平面
トランスデューサ16から被検体表面24aまでの超音
波伝播距離と平面トランスデューサ16から焦点位置Z
n までの超音波伝播距離との差をl2 とする。As shown in FIG. 2, a reference focal position Z 0 of the SPP lens 12 is set on the surface 24a of the subject, and an arbitrary focal position (actual focal position) Z n of the subject surface 24a and the SPP lens 12 is set. Is defined as ΔZ in the Z-axis direction. Also, the linear distance between the observer and Z n l 1, ultrasonic wave propagation distance and the focal position Z from the plane transducer 16 from the plane transducer 16 to the surface of the object 24a
The difference from the ultrasonic wave propagation distance up to n is l 2 .
【0026】 l1 +l2 =(ΔZ/cos θ)+{(ΔZ/cos θ) ・cos2θ} ……(1) であるから、周波数fの超音波の位相差PΔZ は、 PΔZ =2πf ・(1/VW ) ・(l1 +l2 ) =2πf ・(1/VW ) ・{(ΔZ/cos θ) ・(1+cos 2θ)} ……(2) ただし、 VW は超音波伝播媒体(典型的には水)の音速
である。L 1 + l 2 = (ΔZ / cos θ) + {(ΔZ / cos θ) · cos2θ} (1) Therefore, the phase difference PΔZ of the ultrasonic wave of the frequency f is PΔZ = 2πf · ( 1 / V W ) ・ (l 1 + l 2 ) = 2πf ・ (1 / V W ) ・ {(ΔZ / cos θ) ・ (1 + cos 2θ)} …… (2) where V W is ultrasonic wave propagation The speed of sound of the medium (typically water).
【0027】(2) 式を書き換えると、 ΔZ=(PΔZ ・ VW ・cos θ)/{2πf (1+cos 2θ)} ここで、PΔZ/f をΔPf とすると、 ΔZ=ΔPf ・{( VW ・cos θ)/ 2π(1+cos 2θ)} ……(3) ここで図3を参照すると、Pref (f) はSPPレンズ1
2が基準高さZ0 にあるときの位相曲線であり、P
f (f) はSPPレンズ12が任意の高さZn にあるとき
の位相曲線である。但し、これら位相曲線Pref (f) ,
Pf (f) は、後述のフェイズアンラップ(phase unwrap)
により規格化されている。この図3から明らかなよう
に、ΔPf は、 ΔPf =(Pref (f)-Pf (f))/f ……(4) である。即ち、ΔPf は傾斜を意味する。[0027] Rewriting equation (2), ΔZ = (PΔZ · V W · cos θ) / {2πf (1 + cos 2θ)} Here, if the PΔZ / f and ΔP f, ΔZ = ΔP f · { (V W · cos θ) / 2π (1 + cos 2θ)} (3) Referring now to FIG. 3, P ref (f) is the SPP lens 1
2 is a phase curve at the reference height Z 0 , and P
f (f) is the phase curve when SPP lens 12 is at the desired height Z n. However, these phase curves P ref (f),
P f (f) is a phase unwrap described later.
It is standardized by As is clear from FIG. 3, ΔP f is ΔP f = (P ref (f) −P f (f)) / f (4) That is, ΔP f means a slope.
【0028】以上により、Δz は、 Δz={(P fref(f)-P f (f))/f} ・{(V 0 ・cos θ)/2 π(1+ cos2θ)}……(5) と表せる。From the above, Δz is expressed as follows: Δz = {(P fref (f) −P f (f)) / f} · {(V 0 · cos θ) / 2 π (1 + cos 2θ)} (5) ).
【0029】この(5) 式は演算装置34に予め記憶され
ている。The equation (5) is stored in the arithmetic unit 34 in advance.
【0030】この発明の焦点調整装置の操作は以下の通
りである。The operation of the focus adjusting device of the present invention is as follows.
【0031】(i) SPPレンズ12の焦点を被検体表
面24aへ位置させ、SPPレンズ12と被検体24と
の間で超音波を発信及び受信させる。(I) The focal point of the SPP lens 12 is positioned on the surface 24a of the subject, and ultrasonic waves are transmitted and received between the SPP lens 12 and the subject 24.
【0032】(ii) 演算装置34により、(i) の場合の
波形のスペクトルの位相曲線を得る。これをフェイズア
ンラップにより規格化した後、基準位相曲線Pfref(f)
として演算装置34のメモリー(図示せず)に記憶す
る。(Ii) The arithmetic unit 34 obtains a phase curve of the spectrum of the waveform in the case of (i). After normalizing this by phase unwrapping, the reference phase curve P fref (f)
In the memory (not shown) of the arithmetic unit 34.
【0033】(iii) 実際の測定に際して、SPPレンズ
12と被検体24との間で超音波を発信及び受信させ
る。(Iii) In actual measurement, an ultrasonic wave is transmitted and received between the SPP lens 12 and the subject 24.
【0034】(iv) 演算装置34により(iii) の場合の
波形のスペクトルの位相曲線Pf (f) を得て、これをフ
ェイズアンラップにより規格化した後、演算装置34の
メモリーに記憶する。(Iv) The arithmetic device 34 obtains the phase curve P f (f) of the spectrum of the waveform in the case (iii), normalizes it by phase unwrapping, and stores it in the memory of the arithmetic device 34.
【0035】(v) 演算装置34により、一つ以上の周
波数領域について(4) 式に従ってΔPf を演算する。(V) The arithmetic unit 34 calculates ΔP f according to the equation (4) for one or more frequency domains.
【0036】(vi) 演算装置34により、ΔPf を(5)
式に代入し、高さずれΔZを演算する。(Vi) ΔP f is calculated by the arithmetic unit 34 in (5)
Substituting into the equation, the height deviation ΔZ is calculated.
【0037】(vii) 演算装置34から出力されたΔZに
応じてステージコントローラ36がZステージ22を駆
動し、ΔZを実質的に零にするようにSPPレンズ12
を垂直移動させる。(Vii) The stage controller 36 drives the Z stage 22 in accordance with ΔZ output from the arithmetic unit 34 and sets the SPP lens 12 so that ΔZ becomes substantially zero.
Is moved vertically.
【0038】以上により、SPPレンズ12の焦点位置
が被検体表面に位置する。As described above, the focal position of the SPP lens 12 is located on the surface of the subject.
【0039】焦点調整装置の測定例について説明する。
この例では、周波数帯域は10MHz〜100MHz、
入射角θは30°である。また、超音波伝播媒体(水)
中の音速は1500m/sとした。以下の説明における
演算は演算装置34により実行された。A measurement example of the focus adjusting device will be described.
In this example, the frequency band is 10 MHz to 100 MHz,
The incident angle θ is 30 °. In addition, ultrasonic wave propagation medium (water)
The speed of sound inside was 1500 m / s. The calculation in the following description was performed by the arithmetic unit 34.
【0040】先ず基準被検体としてテフロンを用い、図
4に示すように基準位相曲線Pfref(f) を得た。次に実
際の被検体として錫を用い、図5に示すように位相曲線
Pf(f) を得た。これら位相曲線Pfref(f) ,Pf (f)
は、非連続的に表示されているため、それぞれフェイズ
アンラップにより図6及び図7に示すように連続的な表
示に規格化した。フェイズアンラップの一つの方法は、
非連続的な表示の位相曲線のうち、或る周波数帯域の位
相曲線とその直前の周波数帯域の位相曲線とを比較し、
位相が一回転(2π)しているか否かを判断し、一回転
した部分については2πを加算することである。これに
より、非連続的な表示が連続的な表示に規格化される。First, using Teflon as a reference object, a reference phase curve P fref (f) was obtained as shown in FIG. Next, tin was used as an actual specimen, and a phase curve P f (f) was obtained as shown in FIG. These phase curves P fref (f), P f (f)
Are displayed discontinuously, so that they were normalized to continuous display as shown in FIGS. 6 and 7 by phase unwrapping. One method of phase unwrapping is
Compare the phase curve of a certain frequency band and the phase curve of the frequency band immediately before it among the phase curves of the discontinuous display,
It is determined whether or not the phase makes one rotation (2π), and 2π is added to the part that has made one rotation. Thereby, the discontinuous display is standardized to the continuous display.
【0041】図6の規格化された基準位相曲線P
fref(f) から図7の規格化された位相曲線Pf (f) を差
し引くことにより、図8に示す直線を得た。この直線か
ら(4) に従って、 ΔPf = 7.26×10-8 を得た。これを(5) 式に代入して、 Δz=10μm を得た。ステージコントローラ36は、ΔZに従ってS
PPレンズ12を10μmだけZ方向移動させた。The standardized reference phase curve P shown in FIG.
By subtracting the normalized phase curve P f (f) of FIG. 7 from fref (f), a straight line shown in FIG. 8 was obtained. From this straight line, ΔP f = 7.26 × 10 −8 was obtained according to (4). This was substituted into equation (5) to obtain Δz = 10 μm. The stage controller 36 determines S
The PP lens 12 was moved in the Z direction by 10 μm.
【0042】図9は(4) 式を計算するための他の方法を
示す。この図8のように、他の領域と異なる特性を示す
特異領域Aを有する位相曲線Pf (f) が得られた際に
は、特異領域Aにおける位相曲線Pf (f) 及び基準位相
曲線Pfref(f) を削除し、他の領域におけるPf (f) と
Pfref(f) との傾きを選択的に使用してもよい。FIG. 9 shows another method for calculating the equation (4). As in FIG. 8, when the phase curve P f (f) was obtained having a unique region A exhibit different properties from other regions, the phase curve P f (f) and the reference phase curve in the specific area A P fref (f) may be deleted, and the slope between P f (f) and P fref (f) in another region may be selectively used.
【0043】また、θステージ20により異なる入射角
における基準位相曲線Pfref(f,θ) を測定しておき、
各入射角に対応する位相曲線Pf (f,θ) を使用してΔ
Zを求めてもよい。Further, a reference phase curve P fref (f, θ) at an incident angle different depending on the θ stage 20 is measured, and
Using the phase curve P f (f, θ) corresponding to each incident angle, Δ
Z may be determined.
【0044】この発明は上述した実施例に限定されるも
のではなく、種々の変更が可能である。例えば本発明が
適用される超音波センサは、SPPレンズ12に限ら
ず、一方が平面トランスデューサである送受独立型セン
サでもよい。The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications are possible. For example, the ultrasonic sensor to which the present invention is applied is not limited to the SPP lens 12, but may be a transmission / reception independent sensor in which one is a flat transducer.
【0045】Zステージ22は、SPPレンズ12側に
代えて、被検体24側へ設けてもよい。また、入射角を
可変制御する必要がなければ、θステージは特に設ける
必要はない。The Z stage 22 may be provided on the subject 24 instead of the SPP lens 12. If the incident angle does not need to be variably controlled, the θ stage need not be particularly provided.
【0046】更に、デジタルオシロスコープ32と演算
装置34との組み合わせは、反射波の周波数解析のため
のスペクトラムアナライザと、位相を周波数の関数とし
て測定するトラッキングジェネレータと、ΔZを計算す
るための演算装置34との組み合わせに代えてもよい。Further, the combination of the digital oscilloscope 32 and the arithmetic unit 34 includes a spectrum analyzer for analyzing the frequency of the reflected wave, a tracking generator for measuring the phase as a function of frequency, and an arithmetic unit 34 for calculating ΔZ. May be replaced with a combination of
【0047】[0047]
【発明の効果】この発明の超音波センサの焦点調整方法
及び装置によれば、超音波センサの受信した反射超音波
の周波数と位相との関係に基づいて、超音波センサの焦
点位置と被検体の表面との間の垂直距離を測定できるの
で、高精度な焦点調整が可能であり、しかも焦点調整の
自動化が可能である。According to the ultrasonic sensor focus adjusting method and apparatus of the present invention, the focal position of the ultrasonic sensor and the object are determined based on the relationship between the frequency and the phase of the reflected ultrasonic wave received by the ultrasonic sensor. Since the vertical distance from the surface can be measured, the focus can be adjusted with high precision, and the focus adjustment can be automated.
【図1】この発明の超音波レンズの焦点調整装置を示す
ブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a focus adjusting device for an ultrasonic lens according to the present invention.
【図2】図1の装置の超音波レンズの焦点と被検体との
関係を示す線図である。FIG. 2 is a diagram showing a relationship between a focal point of an ultrasonic lens of the apparatus of FIG. 1 and a subject.
【図3】規格された基準位相曲線と規格された測定位相
曲線とを示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing a standardized reference phase curve and a standardized measured phase curve.
【図4】測定例における規格化される以前の基準位相曲
線を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing a reference phase curve before standardization in a measurement example.
【図5】測定例における規格化される以前の測定位相曲
線を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing a measured phase curve before standardization in a measurement example.
【図6】図4の基準位相曲線を規格化して示すグラフで
ある。FIG. 6 is a graph showing the reference phase curve of FIG. 4 in a normalized manner.
【図7】図5の測定位相曲線を規格化して示すグラフで
ある。FIG. 7 is a graph showing the measured phase curve of FIG. 5 normalized.
【図8】測定例における垂直距離ΔZを計算するための
グラフである。FIG. 8 is a graph for calculating a vertical distance ΔZ in a measurement example.
【図9】特異領域を有する測定位相曲線を示すグラフで
ある。FIG. 9 is a graph showing a measurement phase curve having a unique region.
12…SPPレンズ(超音波センサ)、12…平面トラ
ンスジューサ、12a…平面、14…凹面トランスジュ
ーサ、14a…凹面、34…演算装置(周波数fと位相
との関係を求める手段、垂直距離測定手段)、36…Z
ステージ(移動手段)。12: SPP lens (ultrasonic sensor), 12: planar transducer, 12a: planar, 14: concave transducer, 14a: concave surface, 34: arithmetic unit (means for determining the relationship between frequency f and phase, vertical distance measuring means) 36 ... Z
Stage (moving means).
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−251751(JP,A) 特開 平4−198751(JP,A) 特開 昭59−104547(JP,A) 特開 昭60−18755(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 29/00 - 29/28 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-2-251551 (JP, A) JP-A-4-198751 (JP, A) JP-A-59-104547 (JP, A) JP-A-60-1985 18755 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01N 29/00-29/28
Claims (6)
含み、その少なくとも一方が被検体の表面に対面する平
面を有してなり、超音波を送信及び受信する超音波セン
サの焦点と被検体の表面との間の垂直距離を調整する方
法であって、 (a) 超音波センサの第1の超音波トランスデューサから
被検体表面へ超音波を送信する行程と、 (b) 超音波センサの第2の超音波トランスデューサによ
り被検体表面からの反射超音波を受信する行程と、 (c) 第2の超音波トランスデューサにより受信された反
射超音波の周波数fと位相との関係を求める行程と、 (d) 求められた関係と、超音波センサの焦点が被検体表
面に位置する際の反射超音波の周波数fと位相との予め
与えられた関係とに基づいて、超音波センサの焦点位置
と被検体表面との間の垂直距離Δzを測定する行程と、 (e) 測定された垂直距離Δzに基づいて、超音波センサ
の焦点が被検体表面に位置するように、超音波センサを
被検体表面に対して相対的に垂直移動させる行程と、を
備える超音波センサの焦点調整方法。1. A focal point of an ultrasonic sensor for transmitting and receiving ultrasonic waves, comprising a first and a second ultrasonic transducer, at least one of which has a plane facing a surface of the object, and the object. (A) transmitting ultrasonic waves from a first ultrasonic transducer of the ultrasonic sensor to the surface of the subject; and (b) adjusting a vertical distance of the ultrasonic sensor from the first ultrasonic transducer of the ultrasonic sensor. (C) receiving a reflected ultrasonic wave from the surface of the subject by the second ultrasonic transducer; (c) obtaining a relationship between the frequency f and the phase of the reflected ultrasonic wave received by the second ultrasonic transducer; d) The focal position of the ultrasonic sensor and the focal position of the ultrasonic sensor are determined based on the obtained relationship and the predetermined relationship between the frequency f and the phase of the reflected ultrasonic wave when the focal point of the ultrasonic sensor is located on the surface of the subject. Vertical distance from specimen surface (e) based on the measured vertical distance Δz, the ultrasonic sensor is vertically moved relative to the subject surface so that the focal point of the ultrasonic sensor is located on the subject surface. And a focus adjusting method for the ultrasonic sensor.
(1+ cos2θ)} (但し、fは超音波の周波数、Pfref(f) は超音波セン
サの焦点が被検体表面に位置する際の基準位相曲線、P
f (f) は超音波センサの焦点が任意の位置にある際の位
相曲線、V 0 は超音波センサと被検体との間に介在する
超音波伝播媒体中の音速、θは平面を有する超音波トラ
ンスデューサと被検体表面との間に定義される入射角)
に従って計算される請求項1記載の超音波センサの焦点
調整方法。2. The vertical distance Δz is given by the following equation: Δz = {(P fref (f) −P f (f)) / f} · {(V 0 · cos θ) / 2 π
(1 + cos2θ)} (where f is the frequency of the ultrasonic wave, P fref (f) is a reference phase curve when the focal point of the ultrasonic sensor is located on the surface of the object, P
f (f) is the phase curve when the focal point of the ultrasonic sensor is at an arbitrary position, V 0 is the speed of sound in the ultrasonic wave propagation medium interposed between the ultrasonic sensor and the subject, and θ is an ultrasonic Angle of incidence defined between acoustic transducer and subject surface)
2. The focus adjustment method for an ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the focus is calculated according to the following equation.
超音波トランスデューサと、被検体の表面からの反射超
音波を受信する第2の超音波トランスデューサとを含
み、その少なくとも一方が被検体表面に対面する平面を
有してなる超音波センサの焦点と被検体表面との間の垂
直距離を調整する装置であって、 第2の超音波トランスデューサにより受信された反射超
音波の周波数fと位相との関係を求める手段と、 求められた関係と、超音波センサの焦点が被検体表面に
位置する際の反射超音波の周波数fと位相との予め与え
られた関係とに基づいて、超音波センサの焦点位置と被
検体の表面との間の垂直距離Δzを測定する手段と、 測定された垂直距離Δzに基づいて、超音波センサの焦
点が被検体表面に位置するように超音波センサを被検体
表面に対して相対的に垂直移動させる手段と、を備える
超音波センサの焦点調整装置。3. A method according to claim 1, further comprising a first ultrasonic transducer for transmitting ultrasonic waves to the surface of the subject, and a second ultrasonic transducer for receiving ultrasonic waves reflected from the surface of the subject. An apparatus for adjusting a vertical distance between a focal point of an ultrasonic sensor having a plane facing a sample surface and a surface of the object, wherein a frequency f of reflected ultrasonic waves received by a second ultrasonic transducer Means for determining the relationship between the phase and the phase, based on the determined relationship and a predetermined relationship between the frequency f and the phase of the reflected ultrasonic wave when the focal point of the ultrasonic sensor is located on the surface of the subject, Means for measuring a vertical distance Δz between the focal position of the ultrasonic sensor and the surface of the subject, and an ultrasonic wave based on the measured vertical distance Δz such that the focal point of the ultrasonic sensor is located on the surface of the subject. Sensor Focusing apparatus of an ultrasonic sensor comprising a means for relatively vertically moving with respect to the body surface.
体表面に対面する凹面を有する請求項3記載の超音波セ
ンサの焦点調整装置。4. The focus adjusting device for an ultrasonic sensor according to claim 3, wherein the other ultrasonic transducer has a concave surface facing the surface of the subject.
体表面に対面する平面を有する請求項3記載の超音波セ
ンサの焦点調整装置。5. The focus adjusting device for an ultrasonic sensor according to claim 3, wherein the other ultrasonic transducer has a plane facing the surface of the subject.
(1+ cos2θ)} (但し、fは超音波の周波数、Pfref(f) は超音波セン
サの焦点が被検体表面に位置する際の基準位相曲線、P
f (f) は超音波センサの焦点が任意の位置にある際の位
相曲線、V 0 は超音波センサと被検体との間に介在する
超音波伝播媒体中の音速、θは平面を有する超音波トラ
ンスデューサと被検体表面との間に定義される入射角)
に従って計算される請求項3記載の超音波センサの焦点
調整装置。6. The vertical distance Δz is given by the following equation: Δz = {(P fref (f) −P f (f)) / f} · {(V 0 · cos θ) / 2 π
(1 + cos2θ)} (where f is the frequency of the ultrasonic wave, P fref (f) is a reference phase curve when the focal point of the ultrasonic sensor is located on the surface of the object, P
f (f) is the phase curve when the focal point of the ultrasonic sensor is at an arbitrary position, V 0 is the sound velocity in the ultrasonic wave propagating medium interposed between the ultrasonic sensor and the subject, and θ is the ultrasonic wave having a plane. Angle of incidence defined between acoustic transducer and subject surface)
4. The focus adjusting device for an ultrasonic sensor according to claim 3, wherein the focal length is calculated according to the following equation.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02683393A JP3168754B2 (en) | 1993-02-16 | 1993-02-16 | Method and apparatus for adjusting focus of ultrasonic sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02683393A JP3168754B2 (en) | 1993-02-16 | 1993-02-16 | Method and apparatus for adjusting focus of ultrasonic sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06242085A JPH06242085A (en) | 1994-09-02 |
| JP3168754B2 true JP3168754B2 (en) | 2001-05-21 |
Family
ID=12204272
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02683393A Expired - Fee Related JP3168754B2 (en) | 1993-02-16 | 1993-02-16 | Method and apparatus for adjusting focus of ultrasonic sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3168754B2 (en) |
-
1993
- 1993-02-16 JP JP02683393A patent/JP3168754B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06242085A (en) | 1994-09-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5402681A (en) | Ultrasonic micro spectrometer | |
| US5922961A (en) | Time and polarization resolved acoustic microscope | |
| Hickling et al. | The use of ultrasonics for gauging and proximity sensing in air | |
| US5079952A (en) | Ultrasonic transducer assembly and ultrasonic acoustic microscope | |
| US4655083A (en) | Surface ultrasonic wave interference microscope | |
| US4694699A (en) | Acoustic microscopy | |
| US5349862A (en) | Apparatus for measuring the velocity of ultrasonic sound in terms of V(Z) characteristics and ultrasonic microscope using that apparatus | |
| JP3168754B2 (en) | Method and apparatus for adjusting focus of ultrasonic sensor | |
| US4563898A (en) | Acoustic microscope | |
| Tsukahara et al. | Angular spectral approach to reflection of focused beams with oblique incidence in spherical-planar-pair lenses | |
| Nakaso et al. | Measurement of acoustic reflection coefficients by an ultrasonic microspectrometer | |
| Weise et al. | Examination of the two-dimensional pupil function in coherent scanning microscopes using spherical particles | |
| Sathish et al. | Quantitative imaging of Rayleigh wave velocity with a scanning acoustic microscope | |
| JP2943040B2 (en) | Vibration measuring device | |
| US5585563A (en) | Non-contact thickness measurement using UTG | |
| JPH08105736A (en) | Evaluation method of film thickness of multi-layer thin film by ultrasonic microscope | |
| JPH05296984A (en) | Methods for adjusting focus and incident angle of ultrasonic spectrum microscope | |
| Daoud et al. | A Doppler sensor for high spatial resolution measurements of unsteady surface pressure | |
| JP3261827B2 (en) | Ultrasound spectrum microscope | |
| US11754437B2 (en) | Measuring deflection to determine a dynamic characteristic of a cantilever | |
| JP2883051B2 (en) | Ultrasonic critical angle flaw detector | |
| EP0000259A1 (en) | Process and apparatus for the alignment of a transducer forming part of a radiation generator | |
| Chubachi et al. | Scanning acoustic microscope with transducer swing along beam axis | |
| JP3505757B2 (en) | Ultrasound spectrum microscope | |
| JPH08128994A (en) | Array probe in array-type flaw detector and incident angle control device thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |