JPS6312537B2

JPS6312537B2 -

Info

Publication number: JPS6312537B2
Application number: JP55501000A
Authority: JP
Inventors: Hiimansa Kumaa Uitsukuramashingu
Original assignee: NAT RES DEV
Current assignee: NAT RES DEV
Priority date: 1979-05-24
Filing date: 1980-05-15
Publication date: 1988-03-19
Also published as: US4378699A; GB2051363A; JPS56500585A; WO1980002595A1; GB2051363B

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、走査音響顕微鏡に関する。

高周波音響放射の集束されたビームをして、サ
ンプル表面を走査せしめ、次に透過又は反射され
た音響放射を光学信号に変換して、サンプルイメ
ージを提供することは公知である。サンプルは
水、液体ヘリウム又は液体アルゴンの如き液体に
よつて適当なトランスジユーサに結合される。こ
の形式の走査音響顕微鏡は米国特許第4028933号
に記載されている。

そのようなシステムでは、主に高吸収係数を有
する結合液体の中で極めて大きな信号のロスがあ
る。典型的な液体の場合、吸収係数は10GHzまで
及び10GHzを超えて、周波数の平方に比例し、音
響波長はその周波数に逆比例する。走査音響顕微
鏡の解像度は、結合媒質での音響波長の約2/3で
あることが分つている。

伝送時間をＴ秒、結合流体を介するロスをＮネ
ーパと仮定する。更に流体路長をＬ、減衰係数を
周波数でαと仮定する。

Ｘ＝α／² の場合Ｎ＝X²L 従つて ²＝Ｎ／XL ［１］Ｖが音響速度で、λが音響波長の場合、Ｖ＝λ 式［１］に置換すると、 λ＝Ｖ／＝ｖ（Ｌ／Ｎ）^1/2（ｘ）^1/2 しかしＬ＝VT 従つて λ＝v^3/2（Ｔ／Ｎ）^1/2（ｘ）^1/2 ＝ｋ（ｖ）^3/2（ｘ）^1/2 ［２］解像度２／３ｋ（ｖ）^3/2（ｘ）^1/2 式中、ｋは定数である。従つて結合媒質に於け
るロス及び伝送時間を固定した場合、理論的に到
達可能な解像度は、（液体中の音響速度）^3/2と液体
の定数の平方根との積に比例する。

大気圧での気体の場合、音響速度は典型的には
液体の場合に比して５乃至10倍遅いので、解像度
が増大するが、一方値Ｘが典型的には水の場合に
比して100乃至1000倍大きいので、式［２］によ
り示される如く解像度のゲインが相殺されること
も公知である。従つて走査音響顕微鏡の結合媒質
として気体を使用することは、予測される解像度
が液体結合システムの場合よりも低い故に実際的
でない。

しかしながら、我々は今気体の使用がある条件
下で好都合であり得ると確信するに至つた。

本発明の走査音響顕微鏡は、音響放射の集束ビ
ームを与えるためのトランスジユーサ手段と、試
験時に前記ビームの焦点とサンプルとの焦点平面
での相対動作を生起するための手段と、ビーム焦
点付近でサンプルにより変調された音響反射を受
信するためのトランスジユーサ手段と、トランス
ジユーサ手段及びサンプルを包囲する空間に気体
を供給する手段とを含み、気体は少なくとも10気
圧の圧力下にあるアルゴン、キセノンのような理
想気体に良く近似した気体を用いる。

顕微鏡を伝送モードで使用する場合、伝送トラ
ンスジユーサが集束ビームを与えかつ別の受信ト
ランスジユーサが被変調放射を感知するであろ
う。顕微鏡を反射モードで使用する場合、単一の
伝送／受信トランスジユーサの使用が可能であ
る。

本発明の顕微鏡は、従来のいずれのモードでも
使用され得る。位相及び振幅情報が提供され、パ
ルス化或いは連続波動作も可能であり、且つ暗フ
イルドのイメージングを使用できる。

本発明は、理論的には発明者が予想した、約
100気圧の圧力下の単原子気体の場合、定数Ｘは、
液体の場合のその値と同じオーダーであるという
発見に基づいている。気体内の音速は圧力に無関
係であることを示す古典的式とこの発見との組み
合わせが、初めて加圧気体を結合媒質として使用
する新規かつ進歩性のある走査音響顕微鏡に実際
応用しうることが分かつた。気体内の音吸収に対
するガス圧の影響が音響顕微鏡に理論的又は実際
的に考慮されたのはこれが初めてであると確信す
る。

理想気体の挙動を考慮する古典的気体理論で
は、気体による音吸収を説明するべく２個の吸収
メカニズム、即ち粘性ダンピング及び原子運動量
の直接転送により生起される熱伝導が適用可能で
ある。これらの２個の影響はアルゴン及びキセノ
ンに対する振幅とほぼ同じオーダである。

粘性ダンピング及び熱伝導による音吸収αを考
慮すると、古典的表現は α＝2π² ²／ρV³ ４／３η＋（γ−１）ｋ／C_p［３
］である。式中ηは剪断粘度、ρは密度、γはモル
熱量比、C_pは定圧比熱、ｋは熱伝導度である。
角括弧中最初の項は粘性ダンピングに相当し、第
２の項は熱伝導ロスに相当する。前記の如く、
は周波数、Ｖは音速である。

またＶ＝（γ^P／ρ）^1/2 ［４］式中、Ｐは気圧、γはモル熱量比である。式
［３］でＶを置換すると： α／²＝Ｘ＝2π²／γ^PV ４／３η＋（γ−１）Ｋ／
C_p［５］しかし、Ｖ＝（γ^P／ρ）^1/2＝（γ^RT／Ｍ）^1/2 ［６］式中、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、Ｍは気体
の分子量である。式［５］中でＶを置換すると： α／²＝2π²／γ^P（Ｍ／γ^RT）^1/2 Ｘ〔４／３η＋（γ−１）Ｋ／C^P〕［７］気体の運動理論から、η，γ，Ｋ及びC_pが圧
力と無関係であると予測される。アルゴンは理想
気体に良く近似しており、アルゴンの剪断速度は
１乃至100気圧の圧力の場合10％未満で変化する。
また量（γ−１）Ｋ／C_pはこの範囲でほぼ一定
である。これらの条件下で、式［７］は、アルゴ
ンにおける値Ｘ＝α／²は一定温度Ｔで気圧Ｐに
反比例することを予測する。また、式６からアル
ゴンに於ける音響速度は単に温度の関数であり、
圧力に無関係である。従つて気圧Ｐが増加すると
吸収係数α／²が減少し、速度Ｖは一定であるこ
とが予想される。

実際に、気体に於ける音響吸収及び音響速度
は、気体分子間で起こる何らかの弛張プロセスで
制御される。しかしながら、単原子気体が使用さ
れる場合、そのようなプロセスは存在しないであ
ろう。

従つて、走査音響顕微鏡の場合、水結合顕微鏡
に比して、理論的に解像度は結合媒質が250気圧
の圧力のアルゴンガスの場合には５倍であり40気
圧の圧力のキセノンガスの場合には４倍であると
予測されうる。

本発明の改良された走査音響顕微鏡を添付図面
を参照し乍ら記載する。

第１図は反射モードで走査可能な走査音響顕微
鏡を示す。ロツド状サフアイア結晶から成る音響
トランスミツタ／レシーバ１０は、その一端に平
らな面を有し、前記面に対して圧電性トランスジ
ユーサ及び電極１２が付着されており、対向する
端部に凹状面１４を有している。例えば3GHzで
交流電気信号を電極１２に加えると、音波が発生
し、凹状面１４を介して流れ、それによりビーム
が焦点に集束する。焦点平面に、試料ホルダー１
８に付着した試料１６が置かれる。ホルダー１８
は圧電性バイモルフ２０により支持され、前記バ
イモルフは、バイモルフの励振により試料ホルダ
ーが図面の平面に垂直に走査されるように配置さ
れている。バイモルフ２０は第１の可動キヤリヤ
２２により支持され、前記キヤリヤは図面の平面
で試料ホルダーを走査するために矢印で支持され
る如く駆動され得る。２個の走査動作により、２
次元に於ける音響ビームの焦点及び試料が相対的
に動作する。動作が結合して、ラスタ走査が与え
られる。焦点領域で試料により反射された音響放
射がトランスミツタ／レシーバ１０により受信さ
れ、電極１２からの交流電気信号が適当な検出装
置へ流れる。

トランスミツタ／レシーバ１０は第２の可動キ
ヤリヤ２４により支持され、前記キヤリヤの動作
により試料１６に対する焦点平面の位置が変更さ
れる。キヤリヤ２４は中央孔を有しており、孔を
介して電気結線２６が電極１２に続いている。キ
ヤリヤ２２，２４は気密圧力チヤンバ２７の壁の
孔内で可動性であり、気密シールは“Ｏ”リング
２８により与えられる。ガスは供給パイプ３０を
介してチヤンバ２７へ供給され得る。気体はトラ
ンスミツタ／レシーバの凹状端１４及びサンプル
１６を音響放射に対する結合媒質として作動する
ように包囲している。

第２図に於いて、チヤンバ２７はパイプ３０及
びコントロール弁３２を介して加圧気体供給源３
４に接続されて図示されている。典型的には40気
圧でアルゴン又はキセノンが供給される。チヤン
バ２７は又排出弁３６を有する。

チヤンバ内の第１キヤリヤ２２は、支持体４４
内に保持されたマイクロメータ４２によりガイド
３８及び液圧性リンク４０を介して図面の平面に
於ける走査動作を与うるべく駆動される。マイク
ロメータ４２自体は、バンド４８により小滑車５
０で接続された直径の大きい滑車４６を介して駆
動される。小滑車は２個のギアボツクス５４，５
６を介して直流モータ５８により駆動される軸５
２により担持されている。軸５２はベアリング６
０により担持され、それ自体はポテンシヨメータ
６４に接続された滑車６２を担持する。

ギア５４，５６により与えられた減速及び滑車
４６，５０の比によりマイクロメータ４２が所用
の速度でキヤリヤ２２を前進させる。液圧性リン
ク４０はマイクロメータねじに対する力を減少す
べく使用される。ポテンシヨメータ６４はキヤリ
ヤ２２の位置に対応する電気出力を与える。

焦点平面の位置はチヤンバ内のキヤリヤ２４の
動作によりコントロールされる。キヤリヤ２４は
ガイド６６及び液圧性リンク６８を介して、支持
体７２に保持されたマイクロメータ７０により駆
動される。焦点平面の位置は、マイクロメータの
直接読取りにより指示される。

第２図に図示していないトランスミツタ／レシ
ーバは、励振信号及び信号復調器を提供する従来
の走査音響顕微鏡電子回路７４に接続される。前
期装置は信号を可視デイスプレイユニツト７６に
供給する。

音響顕微鏡の理論的解像度については既に論議
したが、更にトランスミツタ／レシーバ１４及び
結合気体の凹状界面１４で反射ロスが大きいとい
う問題がある。界面がサフアイヤ、結合気体が大
気圧下のアルゴンの場合、反射ロスは42デシベル
である。ポリエチレンの四分の一波長インピータ
ンス整合層７７を使用すると、ロスが14デシベル
に減少する。更に、インピーダンス整合は気圧の
増加とともに改良され、130気圧で四分の一波長
層が理論的に完壁な整合を与える。そのような方
法は500MHzまでの周波数の場合実行可能である。
しかしながらより高い周波数では、ポリエチレン
での減衰が余りに大きい。その場合、複整合層を
形成すべく異なる材料の四分の一波長層を２また
は３個使用し得る。例えば界面がサフアイヤで結
合気体が250気圧のアルゴンの場合、アルミニ
ウ／白金／アルミニウムを組合せた四分の一波長
整合層の反射ロスは1.3dBである。別にもし界面
が溶融石英の場合、白金／アルミニウムを組合せ
た四分の一波長整合層の反射ロスは3.2dB（250気
圧で）である。

反射ロスを減少する別の方法を第３図に示す。
トランスミツタ／レシーバは円錐形状のサフアイ
ヤ結晶７８を含み、その円錐アペツクスに凹状面
８０、対向端部に凸状面８２を有し、その面はＦ
で同一焦点である。酸化亜鉛の薄膜の如き圧電性
トランスジユーサ及び電極層８４を凸状面に設け
る。

全体のトランスミツタ／レシーバは同一焦点共
振器として作用し、凹状面８０と接して気体状媒
質と良好なインピーダンス整合が存在する。しか
しながら、そのようなトランスミツタ／レシーバ
の場合、顕微鏡は連続波モードのみ作動可能であ
る。

第１図及び第２図に図示した走査音響顕微鏡は
約40気圧までの圧力で作動可能である。より高い
圧力では、ピストン様キヤリヤ及び“Ｏ”リング
上への圧力がより高いであろう。250気圧の圧力
での使用に適する別の具体例を第４図に示す。第
１図の部分と同一な部分は同じ参照番号で示す。
トランスミツタ／レシーバ１０及びバイモルフ２
０は各ホルダー８６，８８により支持されてお
り、各ホルダーは供給リード９４，９６により圧
電性走査装置９０，９２に接続されている。圧電
性走査装置９２は図面の平面に於いて走査動作を
与え、走査装置９０は焦点調整を与える。チヤン
バ９８は静充填シール（図示せず）の使用のみに
よりシールされ得る。

本発明の走査音響顕微鏡の利点は、サブ光学解
像度で生体臓器を研究するために使用され得るこ
とである。現在、そのような高い解像度は結合媒
質として低温液体を使用すれば得られ得るが、生
体材料を研究することは不可能である。生体系は
温度に対して極めて敏感であるが、圧力変化に対
して全く反応しない。従つて、例えば超小形電子
試料での温度ストレスを避ける室温での作動可能
性も、高い解像度の音響顕微鏡の能力を増加させ
るために有用であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の顕微鏡の断面図である。第２図は第１図の顕微鏡とそれに結合されたコ
ントロールシステムの平面図である。第３図は顕微鏡に於ける使用に適する音響トラ
ンスジユーサの概略断面図であり、第４図は本発
明の顕微鏡の別の実施例の断面図である。１０……音響トランスミツタ／レシーバ、１２
……圧電性トランスジユーサ、１４……凹状面、
１６……試料、１８……試料ホルダー、２０……
圧電性バイモルフ、２２……第１の可動キヤリ
ヤ、２４……第２の可動キヤリヤ、２７，９８…
…気密圧力チヤンバ、９０，９２……圧電性走査
装置。

Claims

【特許請求の範囲】１音響放射の集束ビームを与えるめたのトラン
スジユーサ手段と、試験時に前記ビームの焦点及
びサンプルの、焦点平面に於ける相対動作を生起
するための手段と、ビーム焦点近くでサンプルに
より変調された音響放射を受信するためのトラン
スジユーサ手段とから成り、トランスジユーサ手
段とサンプルを包囲する空間に気体を供給するた
めの手段を含み、気体が少なくとも10気圧の圧力
下にあるアルゴン、キセノンのような不活性な理
想気体に良く近似した気体であることを特徴とす
る走査音響顕微鏡。２反射モードで操作可能であり、該モードでは
伝送／受信トランスジユーサが音響放射の集束ビ
ームを与えかつビーム焦点近くでサンプルにより
変調された音響放射を検知することを特徴とする
特許請求の範囲第１項に記載の走査音響顕微鏡。３伝送／受信トランスジユーサが一端に圧電性
トランスジユーサを具備する平たんな面を有し、
他端にインピーダンス整合層を具備する凹状面を
有するロツド状結晶を含むことを特徴とする特許
請求の範囲第２項に記載の走査音響顕微鏡。４ロツド状結晶がその凹状面に四分の一波長の
ポリエチレン層から成るインピーダンス整合層を
具備するサフアイヤ結晶であり、気体が130気圧
のアルゴンであることを特徴とする特許請求の範
囲第３項に記載の走査音響顕微鏡。５ロツド状結晶がその凹状面にアルミニウム、
白金、アルミニウムの連続する四分の一波長層か
ら成るインピーダンス整合層を具備するサフアイ
ヤ結晶であり、気体が250気圧のアルゴンである
ことを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の
走査音響顕微鏡。６ロツド状結晶がその凹状面に白金の四分の一
波長層及びアルミニウムの四分の一波長層から成
るインピーダンス整合層を具備する石英結晶から
成ることを特徴とする特許請求の範囲第３項に記
載の走査音響顕微鏡。７伝送／受信トランスジユーサは円錐アペツク
スに凹状面を、その対向端に凸状面を有する円錐
形状の結晶を含み、この二つの面が同一焦点を有
し、かつ圧電性トランスジユーサが該凸状面と接
していることを特徴とする特許請求の範囲第３項
に記載の走査音響顕微鏡。８音響放射の集束ビームを与えるためのトラン
スジユーサ手段と、試験時に前記ビームの焦点及
びサンプルの、焦点平面に於ける相対動作を生起
するための手段と、ビーム焦点近くでサンプルに
より変調された音響放射を受信するためのトラン
スジユーサ手段と、トランスジユーサ手段とサン
プルを包囲する空間に気体を供給するための手段
と、気体が少なくとも10気圧の圧力下にあるアル
ゴン、キセノンのような不活性な理想気体に良く
近似した気体であることと、音響放射の集束ビー
ムを与えるトランスジユーサ手段に励振信号を供
給し、ビーム焦点近くでサンプルにより変調され
た音響放射を検知するトランスジユーサ手段から
の情報信号を受信し、この情報信号を復調し、か
つ信号を可視デイスプレイユニツトに供給するた
めの回路手段と、焦点平面への横断方向に焦点平
面とサンプル間の相対動作を生起するための手段
とから成る走査音響顕微鏡。