特許 5764251 超音波映像装置、およびそれを用いた観察方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5764251

(24)【登録日】2015年6月19日

(45)【発行日】2015年8月19日

(54)【発明の名称】超音波映像装置、およびそれを用いた観察方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/06 20060101AFI20150730BHJP

【ＦＩ】

   G01N29/06

【請求項の数】10

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2014-262597(P2014-262597)

(22)【出願日】2014年12月25日

【審査請求日】2014年12月25日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000233044

【氏名又は名称】株式会社日立パワーソリューションズ

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】特許業務法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】北見 薫

(72)【発明者】

【氏名】菊池 修

(72)【発明者】

【氏名】大和谷 直史

(72)【発明者】

【氏名】郡司 浩行

(72)【発明者】

【氏名】高橋 卓也

【審査官】 横井 亜矢子

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５７−０４２８６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１７１０５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３４２３３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５２５０５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２４８８４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／００３４８２８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２９／００−２９／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

分解能と焦点深度の広さとを切り換え可能な超音波探触手段と、
前記超音波探触手段を平面方向に走査する走査手段と、
前記超音波探触手段と試料との間隔を可変する深度可変手段と、
前記超音波探触手段の分解能を第１分解能に、焦点深度の広さを第１焦点深度に設定して前記走査手段によって走査することにより前記試料の観察位置の深度マップを取得し、前記超音波探触手段の分解能を前記第１分解能よりも高い第２分解能に、焦点深度の広さを前記第１焦点深度よりも狭い第２焦点深度に設定して、前記超音波探触手段の前記第２焦点深度が前記深度マップに係る前記観察位置を含むように、前記深度可変手段により前記超音波探触手段と前記観察位置との距離を可変させながら前記走査手段によって前記超音波探触手段を走査する制御手段と、
を備えることを特徴とする超音波映像装置。

【請求項2】

前記超音波探触手段は、分解能が前記第１分解能であり、探触する焦点深度の広さが前記第１焦点深度である広焦点深度プローブおよび、分解能が前記第２分解能であり、探触する焦点深度の広さが前記第２焦点深度である高解像度プローブを含んで構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波映像装置。

【請求項3】

前記広焦点深度プローブの超音波の周波数は、前記高解像度プローブの超音波の周波数よりも低い、
ことを特徴とする請求項２に記載の超音波映像装置。

【請求項4】

前記制御手段は、前記走査手段によって前記広焦点深度プローブを平面方向に走査することにより、前記観察位置の前記深度マップを取得する、
ことを特徴とする請求項２に記載の超音波映像装置。

【請求項5】

前記制御手段は、前記広焦点深度プローブの平面方向の走査において、前記広焦点深度プローブと前記試料との間隔を固定する、
ことを特徴とする請求項４に記載の超音波映像装置。

【請求項6】

前記制御手段は、前記走査手段による前記広焦点深度プローブを用いた走査よりも密に、前記走査手段による前記高解像度プローブを用いた走査を行う、
ことを特徴とする請求項２に記載の超音波映像装置。

【請求項7】

前記制御手段は、前記走査手段による前記広焦点深度プローブを用いた走査の速度よりも遅い速度で、前記走査手段による前記高解像度プローブを用いた走査を行う、
ことを特徴とする請求項２に記載の超音波映像装置。

【請求項8】

前記制御手段は、前記観察位置の前記深度マップと前記高解像度プローブの走査結果とを組み合わせて表示手段に表示する、
ことを特徴とする請求項２に記載の超音波映像装置。

【請求項9】

前記超音波探触手段は、前記第１焦点深度で探触する広焦点深度プローブと前記第２焦点深度で探触する高解像度プローブのうちいずれか１つが装着され、かつ前記広焦点深度プローブと前記高解像度プローブとは前記超音波探触手段から取り外して交換可能である、
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波映像装置。

【請求項10】

分解能と焦点深度の広さを切り換え可能な超音波探触手段と、
前記超音波探触手段を平面方向に走査する走査手段と、
前記超音波探触手段と試料との間隔を可変する深度可変手段と、
制御手段と、を備える超音波映像装置を用いた観察方法であって、
前記制御手段が前記超音波探触手段の分解能を第１分解能に、焦点深度の広さを第１焦点深度に設定するステップと、
前記走査手段により前記超音波探触手段を平面方向に走査するステップと、
前記制御手段が前記試料の観察位置の深度マップを取得するステップと、
前記制御手段が前記超音波探触手段の分解能を前記第１分解能よりも高い第２分解能に、焦点深度の広さを前記第１焦点深度よりも狭い第２焦点深度に設定するステップと、
前記超音波探触手段の前記第２焦点深度が前記深度マップに係る前記観察位置を含むように、前記深度可変手段により前記超音波探触手段と前記観察位置との距離を可変させながら前記走査手段によって前記超音波探触手段を走査するステップと、
を含むことを特徴とする超音波映像装置を用いた観察方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体や電子部品などの内部のボイドや剥離などを画像化する超音波映像装置、およびそれを用いた観察方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、超音波によって半導体や集積回路などの内部の欠陥であるボイドや剥離などの分布を調べるには、１本の超音波センサを機械的に水平方向の二次元で走査し画像化する方法が用いられていた。この検査方法は、１本の超音波センサにより、検査対象物である構造物内の検査対象部位を焦点とする超音波の送受信を行い、検査対象部位から反射されたエコー波（超音波）をゲート処理することによって、そのエコー波の強度情報や時間情報を求めるものである。求められたエコー波の情報を水平方向の二次元空間にマッピングすることにより、検査画像情報を生成することができ、この検査画像情報を基に、欠陥の分布を調べることができる。

【0003】

特許文献１には、単一チャネル電子回路に並列にマルチトランスデューサアセンブリを接続することにより、音響撮像システムのスループットを増加させる単一チャネル走査型超音波顕微鏡の発明が記載されている。このように構成することで、音響撮像システムのスループットを増加させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１４／０１１６１４３号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

近年の半導体や電子部品の小型化に伴い、検査画像情報は高い解像度を有することが求められている。このように高い解像度を得るため、超音波映像装置は、超音波の周波数が高い高分解能のプローブ（高解像度プローブ）を用いている。
高分解能のプローブは、超音波の減衰が大きく、焦点深度と追従ゲートの可動域が狭い。ここで焦点深度とは、プローブの超音波を照射する側の表面位置から、超音波の照射方向に焦点を結ぶことが可能な距離である。この焦点深度の狭さは、試料や欠陥構造の湾曲や傾斜に対して問題となる。
つまり、試料の表面や内部欠陥構造の湾曲や傾斜が小さいならば、このプローブが受信した特定の反射エコーに対して、ゲートを追従させる方法があった。しかし、試料の表面や内部欠陥構造の湾曲や傾斜が大きく、高分解能のプローブの焦点深度から外れたならば、ゲートを追従させても焦点を結ぶことができない。よって、プローブを水平方向の二次元で走査して試料を観察することが困難であった。

【0006】

図１１は、比較例の高解像度プローブによる試料４の表面エコーの波形図である。図の縦軸は、それぞれプローブに印加される電圧を示している。図の横軸は、送信インパルスを基準としたタイミングを示している。この比較例では、試料の表面の傾斜が大きい場合を示している。
各グラフは、所定距離だけ走査する毎に、高解像度プローブにインパルス信号が印加され、そのインパルス信号の反射波形を受信していることを示している。
最上部に示した第１グラフは、ゲート期間Ｔｇの受信信号にインパルスが現れていないことを示している。このとき試料の表面は、高解像度プローブに極めて近く、よって焦点深度の範囲外である。
次に示した第２グラフは、ゲート期間Ｔｇの受信信号にインパルスが僅かに現れていることを示している。このとき試料の表面の位置は、高解像度プローブから遠ざかり、焦点深度の範囲に近づいている。
第３グラフは、ゲート期間Ｔｇの受信信号にインパルスが明瞭に現れていることを示している。インパルスは、送信信号のインパルスから時刻Ｔｃの後に現れている。このとき試料の表面は、高解像度プローブの焦点深度の範囲に位置している。
その次に示した第４グラフは、ゲート期間Ｔｇの受信信号にインパルスが僅かに現れていることを示している。このとき試料の表面は、高解像度プローブから更に遠ざかり、焦点深度の範囲から外れようとしている。
最下部に示した第５グラフは、ゲート期間Ｔｇの受信信号にインパルスが現れていないことを示している。このとき試料の表面は、高解像度プローブから更に遠ざかり、焦点深度の範囲外である。
図１１に示すように、試料の表面の傾斜が大きい場合には、ゲートを追従させても焦点を結ぶことができず、よって、表面や内部欠陥などを観察することはできなかった。

【0007】

他方で、長焦点距離のプローブは、高分解能のプローブよりも超音波の減衰が小さく、焦点深度と追従ゲートの可動域が広い。しかし、長焦点距離のプローブでは、高分解能で試料を観察することができないという問題がある。
そこで、長焦点距離のプローブと高分解能のプローブの２本を切り替えて走査することが考えられる。従来技術において複数のプローブで走査する主な目的は、特許文献１に記載の発明のようにスループットを向上させることであり、目的に合ったプローブに切り替えることではなかった。

【0008】

そこで、本発明は、深く湾曲した表面や傾斜した欠陥構造を有する試料を高分解能で観察することが可能な超音波画像装置、およびそれを用いた観察方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

前記した課題を解決するため、本発明の超音波映像装置は、分解能と焦点深度の広さとを切り換え可能な超音波探触手段と、前記超音波探触手段を平面方向に走査する走査手段と、前記超音波探触手段と試料との間隔を可変する深度可変手段と、前記超音波探触手段の分解能を第１分解能に、焦点深度の広さを第１焦点深度に設定して前記走査手段によって走査することにより前記試料の観察位置の深度マップを取得し、前記超音波探触手段の分解能を前記第１分解能よりも高い第２分解能に、焦点深度の広さを前記第１焦点深度よりも狭い第２焦点深度に設定して、前記超音波探触手段の前記第２焦点深度が前記深度マップに係る前記観察位置を含むように、前記深度可変手段により前記超音波探触手段と前記観察位置との距離を可変させながら前記走査手段によって前記超音波探触手段を走査する制御手段とを備えることを特徴とする。

【0010】

本発明の超音波映像装置を用いた観察方法は、分解能と焦点深度の広さを切り換え可能な超音波探触手段と、前記超音波探触手段を平面方向に走査する走査手段と、前記超音波探触手段と試料との間隔を可変する深度可変手段と、制御手段と、を備える超音波映像装置を用いた観察方法であって、前記制御手段が前記超音波探触手段の分解能を第１分解能に、焦点深度の広さを第１焦点深度に設定するステップと、前記走査手段により前記超音波探触手段を平面方向に走査するステップと、前記制御手段が前記試料の観察位置の深度マップを取得するステップと、前記制御手段が前記超音波探触手段の分解能を前記第１分解能よりも高い第２分解能に、焦点深度の広さを前記第１焦点深度よりも狭い第２焦点深度に設定するステップと、前記超音波探触手段の前記第２焦点深度が前記深度マップに係る前記観察位置を含むように、前記深度可変手段により前記超音波探触手段と前記観察位置との距離を可変させながら前記走査手段によって前記超音波探触手段を走査するステップとを含むことを特徴とする。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、深く湾曲した表面や傾斜した欠陥構造を有する試料を高分解能で観察することが可能な超音波画像装置、およびそれを用いた観察方法を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本実施形態における超音波映像装置を示す概略の構成図である。

【図2】超音波映像装置の走査方法を示す斜視図である。

【図3】長焦点距離プローブによる前走査を示す概念図である。

【図4】高解像度プローブによる本走査を示す概念図である。

【図5】長焦点距離プローブによる試料の表面エコーの波形図である。

【図6】高解像度プローブによる試料の表面エコーの波形図である。

【図7】傾斜した内部欠陥構造を有する試料の観察動作を示す図である。

【図8】傾斜した内部欠陥構造を有する試料に対する探触動作を示す図である。

【図9】超音波映像装置による観察処理を示すフローチャートである。

【図10】深度マップを表示した図である。

【図11】比較例の高解像度プローブによる試料の表面エコーの波形図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以降、本発明を実施するための形態を、各図を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態における超音波映像装置１を示す概略の構成図である。
本実施形態の超音波映像装置１は、焦点深度を切り替え可能な超音波探触部２により試料４の観察位置に係る深度マップ５３を取得するものである。本実施形態では、信号発生測定装置６にインパルス波発信器６１，６２を備え、超音波探触部２に長焦点距離プローブ２２と高解像度プローブ２３とを備える。長焦点距離プローブ２２と高解像度プローブ２３とをスイッチ２４で切り替えることにより、超音波探触部２の焦点深度を切り替えることができる。

【0014】

超音波映像装置１は、超音波の送受信を行う超音波探触部２と、この超音波映像装置１を統括制御して超音波映像を表示する映像処理表示装置５と、超音波探触部２との間で電気信号を入出力する信号発生測定装置６とを備える。超音波映像装置１は更に、超音波探触部２を平面的に走査するＸ軸駆動装置８１およびＹ軸駆動装置８２と、超音波探触部２と試料４との間隔を可変するＺ軸駆動装置８３と、これらを制御する制御装置７とを備える。

【0015】

超音波探触部２は、互いの相対的な空間座標位置が固定された長焦点距離プローブ２２と、高解像度プローブ２３を有する。これら長焦点距離プローブ２２と高解像度プローブ２３とは、超音波探触部２に支えられて、水槽３に満たされた水３１に浸漬され、圧電素子２２１，２３１が試料４に対向するように配置される。更に超音波探触部２は、超音波探触部２の走査位置を検知するエンコーダ２１と、スイッチ２４とを備えている。

【0016】

長焦点距離プローブ２２は、電気信号と超音波信号とを相互に変換する圧電素子２２１を備えている。長焦点距離プローブ２２は、焦点深度（第１焦点深度）が広いものであり、超音波の周波数が相対的に低く分解能が低い。
高解像度プローブ２３は、電気信号と超音波信号とを相互に変換する圧電素子２３１を備えている。この圧電素子２３１が発生する超音波の周波数は、圧電素子２２１が発生する超音波の周波数よりも高い。高解像度プローブ２３は、高分解能用であり、超音波の周波数が相対的に高く焦点深度（第２焦点深度）が狭い。
スイッチ２４は、タイミング制御部５２の出力信号に基づいて、圧電素子２２１，２３１のうちいずれの信号をＡ／Ｄ変換器６５に出力するかを切り替えるものである。

【0017】

映像処理表示装置５は、超音波探触部２の走査位置を制御する走査制御部５１と、超音波の送受信タイミングを制御するタイミング制御部５２と、超音波画像を生成する画像生成部５４とを備え、試料４の観察位置に係る深度情報のマップである深度マップ５３を不図示の記憶部に格納する。

【0018】

信号発生測定装置６は、インパルス波の電気信号を生成するインパルス波発信器６１，６２と、超音波探触部２が受信した受信信号を増幅するアンプ６４と、当該受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器６５と、当該受信信号を信号処理する信号処理部６６とを備えている。なお、２個のインパルス波発信器６１，６２に替えて、１個のインパルス波発信器を備えて、スイッチ等で２本のプローブのうちいずれに出力するかを切り替えてもよい。

【0019】

走査制御部５１は、制御装置７（スキャナ）と入出力可能に接続されている。走査制御部５１は、制御装置７とＸ軸駆動装置８１とＹ軸駆動装置８２（走査手段）によって超音波探触部２の水平方向の走査位置を制御し、制御装置７から超音波探触部２の現在の走査位置情報を受信する。更に走査制御部５１は、Ｚ軸駆動装置８３（深度可変手段）によって超音波探触部２と試料４との間の距離を制御し、制御装置７から超音波探触部２の現在のＺ軸位置情報を受信する。

【0020】

制御装置７の出力側は、Ｘ軸駆動装置８１、Ｙ軸駆動装置８２およびＺ軸駆動装置８３に接続されている。制御装置７には、超音波探触部２のエンコーダ２１の出力側が接続されている。制御装置７は、エンコーダ２１の出力信号によって超音波探触部２の走査位置を検知し、Ｘ軸駆動装置８１とＹ軸駆動装置８２とによって超音波探触部２が指示された走査位置になるように制御する。

【0021】

制御装置７は、エンコーダ２１の出力信号によって、超音波探触部２と試料４との間の距離を検知し、Ｚ軸駆動装置８３によって超音波探触部２が指示された深さ位置になるように制御する。
制御装置７は、走査制御部５１から超音波探触部２の制御指示を受けると共に、超音波探触部２の走査位置情報と深さ位置情報とを応答する。
タイミング制御部５２は、走査制御部５１から取得した超音波探触部２の走査位置情報に基づいて、信号発生測定装置６に超音波の送受信タイミング信号（情報）を出力する。

【0022】

インパルス波発信器６１は、タイミング制御部５２が出力したタイミング信号に基づいて、長焦点距離プローブ２２の圧電素子２２１にインパルス波を出力するものである。
インパルス波発信器６２は、タイミング制御部５２が出力したタイミング信号に基づいて、高解像度プローブ２３の圧電素子２３１にインパルス波を出力するものである。

【0023】

圧電素子２２１，２３１は、圧電膜の両面にそれぞれ電極が取り付けられているものである。圧電素子２２１，２３１は、両電極間に電圧が印加されることにより、当該圧電膜から超音波を送信する。圧電素子２２１が送信する超音波の周波数は、圧電素子２３１が送信する超音波の周波数よりも低い。

【0024】

更に圧電素子２２１，２３１は、当該圧電膜が受信したエコー波（受信波）を、前記両電極間に発生する電圧である受信信号に変換する。スイッチ２４は、圧電素子２２１の受信信号と圧電素子２３１の受信信号のうちいずれかを選択して出力するものである。アンプ６４は、選択された当該受信信号を増幅して出力信号として出力するものである。Ａ／Ｄ変換器６５は、増幅された当該受信信号を、アナログ信号からデジタル信号に変換するものである。

【0025】

信号処理部６６は、受信信号を信号処理するものである。信号処理部６６は、タイミング制御部５２が出力するゲートパルスによって、受信信号の所定期間のみを切り出す。信号処理部６６は、所定期間の受信信号の振幅情報、または、所定期間の受信信号の時間情報を、画像生成部５４に出力する。
画像生成部５４は、信号処理部６６の出力信号に基づいて、所定周波数における超音波画像を生成するものである。
超音波映像装置１による試料４の観察では、まず長焦点距離プローブ２２を用いた前走査にて試料４や欠陥構造の湾曲や傾斜の空間座標を大まかに調べる。次に超音波映像装置１は、その深度マップ５３の情報に基づき、高解像度プローブ２３を用いて本走査を実施する。その際、超音波映像装置１は、水平方向の走査だけでなく垂直方向（Ｚ軸方向）のプローブ位置も機械的に調整する。これにより、観察対象の深い湾曲や傾斜に対しても高解像度プローブ２３の焦点を合わせることができ、試料４を高分解能で観察することが可能となる。
深度マップ５３は、本走査よりもスキャン密度が疎である。よって、走査制御部５１は、本走査における水平方向の走査位置を取得すると、その最近傍位置の深度情報を観察位置とする。また、最近傍の複数の深度情報を補間して、その走査位置の深度情報を算出してもよい。

【0026】

図２は、超音波映像装置１の走査方法を示す斜視図である。
ここでは、超音波映像装置１の一部として、Ｘ軸駆動装置８１と、Ｙ軸駆動装置８２と、Ｚ軸駆動装置８３と、超音波探触部２と、水槽３のみが示されている。
Ｘ軸駆動装置８１は、Ｙ軸駆動装置８２とＺ軸駆動装置８３と超音波探触部２を±Ｘ方向に移動させるものである。Ｙ軸駆動装置８２は、Ｚ軸駆動装置８３と超音波探触部２を±Ｙ方向に移動させるものである。Ｚ軸駆動装置８３は、超音波探触部２を±Ｚ方向に移動させるものである。
超音波探触部２は、下部に長焦点距離プローブ２２と高解像度プローブ２３とが取り替え可能に装着されており、更にエンコーダ２１（図１）を備えている。超音波探触部２は、水槽３に満たされた水３１に浸漬され、試料４の上部Ｚ方向に所定の距離をおいて対向するように配置されている。

【0027】

図３は、長焦点距離プローブ２２による前走査を示す概念図である。ここでは、図１と図２を参照しつつ、超音波映像装置１による前走査の動作について説明する。

【0028】

試料４は、例えば円盤形状のシリコンウェーハであり、中央部が下方向に湾曲している。この図３では、試料４の平面図と側面図とを示している。走査制御部５１は、超音波探触部２を±Ｙ方向にスキャンして、長焦点距離プローブ２２により、試料４に係る１ライン分の画素を取得する。長焦点距離プローブ２２の焦点深度２２２は広く、この湾曲した試料４を含んでスキャンすることができる。

【0029】

走査制御部５１は、超音波探触部２がＹ方向の一端（図の右端）に位置していることを検知したならば、超音波探触部２を−Ｘ方向に所定ピッチだけ移動させたのち、＋Ｙ方向にスキャンして、１ライン分の画像を取得する。その後は超音波探触部２を−Ｘ方向に所定ピッチだけ移動させたのち、−Ｙ方向にスキャンして、１ライン分の画像を取得する。これを繰り返して、走査制御部５１は、所定範囲の走査を行う。走査制御部５１は、長焦点距離プローブ２２の平面方向の走査において、この長焦点距離プローブ２２の深度方向（Ｚ軸方向）を固定する。これにより、深度方向を可変しながら走査する場合よりも高速に走査することが可能となる。

【0030】

前走査における−Ｘ方向の移動量は本走査よりも粗く、例えば図３、図４に示す概念図においては、本走査における−Ｘ方向の移動量の３倍である。すなわち、前走査における１ラインは、図４に示す本走査における３ラインに相当する。このように、前走査を本走査よりも粗くスキャンすることで、本走査よりも短時間に前走査を完了することができる。
映像処理表示装置５のタイミング制御部５２は、走査制御部５１から超音波探触部２のＸ方向とＹ方向の走査位置情報を受け取り、Ｘ方向の走査位置情報に基づいて信号発生測定装置６に超音波の送信を指示すると共に、受信信号を信号処理するためのゲートパルスを出力する。

【0031】

信号発生測定装置６は、インパルス波発信器６１が出力したインパルス信号を、超音波探触部２の長焦点距離プローブ２２に出力する。更に信号発生測定装置６は、超音波探触部２の長焦点距離プローブ２２のエコー波（受信波）の受信信号をアンプ６４で増幅したのち、Ａ／Ｄ変換器６５によってデジタル信号に変換する。信号処理部６６は、タイミング制御部５２から入力されたゲートパルスに基づいて、受信信号（デジタル信号）を信号処理し、映像処理表示装置５に出力する。

【0032】

映像処理表示装置５は、走査制御部５１が取得した走査位置の情報と、信号発生測定装置６が信号処理した受信信号の情報に基づき、試料４の表面および内部欠陥構造に係る深度マップ５３を作成する。ここで、試料４の表面および内部欠陥構造は、この試料４の観察位置である。試料４の観察位置に係る深度マップ５３は、受信信号がエコーを捉えた時間の情報によるものである。

【0033】

図４は、高解像度プローブ２３による本走査を示す概念図である。この本走査は、図３に示す前走査に引き続いて実行される。ここでは、図１と図２を参照しつつ、超音波映像装置１による本走査の動作について説明する。

【0034】

走査制御部５１は、超音波探触部２の焦点深度２３２が深度マップ５３に係る観察位置を含むように、超音波探触部２を深度方向に可変させながら＋Ｙ方向にスキャンして、１ライン分の画素を取得する。走査制御部５１は、超音波探触部２が＋Ｙ方向の端に位置していることを検知したならば、超音波探触部２を−Ｘ方向に所定ピッチだけ移動させたのち、超音波探触部２を深度方向に可変させながら−Ｙ方向にスキャンして、１ライン分の画像を取得する。これを繰り返して、走査制御部５１は、所定範囲の本走査を行う。
なお、本実施形態において、高解像度プローブ２３と長焦点距離プローブ２２とは、互いの相対的な空間座標位置だけ相違している。よって走査制御部５１は、先ず高解像度プローブ２３に係る水平位置を相対的な空間座標位置だけ補正する。次に、その水平位置に係る深度マップ５３の観察位置を、高解像度プローブ２３の焦点深度２３２が含むように、この高解像度プローブ２３と試料４との距離を可変する。

【0035】

映像処理表示装置５のタイミング制御部５２と走査制御部５１は、超音波探触部２からＸ方向とＹ方向の走査位置情報を受け取り、走査位置情報と深度マップ５３に基づいて超音波探触部２を深度方向（±Ｚ方向）に可変させる。タイミング制御部５２は更に、Ｙ方向の走査位置情報に基づいて信号発生測定装置６に超音波の送信を指示すると共に、受信信号を信号処理するためのゲートパルスを出力する。

【0036】

信号発生測定装置６は、インパルス波発信器６２が出力したインパルス信号を、超音波探触部２に出力する。更に信号発生測定装置６は、超音波探触部２の高解像度プローブ２３のエコー波（受信波）の受信信号をアンプ６４で増幅したのち、Ａ／Ｄ変換器６５によってデジタル信号に変換する。信号処理部６６は、タイミング制御部５２から入力されたゲートパルスに基づいて、受信信号（デジタル信号）を信号処理し、映像処理表示装置５に出力する。

【0037】

映像処理表示装置５は、走査制御部５１が取得した走査位置の情報を画素位置とし、信号発生測定装置６が信号処理した受信信号の情報を画素の輝度や色の情報として、試料４の内部構造を画像化して表示する。試料４の内部を示す超音波画像は、受信信号の振幅情報によるものでも、受信信号が所定振幅以上になる時間の情報によるものでもよい。また、深度マップ５３上に輝度情報などをマッピングして表示してもよい。

【0038】

図５は、長焦点距離プローブ２２による試料４の表面エコーの波形図である。図の縦軸は、それぞれ長焦点距離プローブ２２に印加される電圧を示している。図の横軸は、送信インパルスを基準としたタイミングを示している。この事例では、試料４の表面の傾斜が大きい場合を示している。
各グラフは、各走査位置において長焦点距離プローブ２２に送信インパルスが印加され、試料４に向けて−Ｚ方向に超音波が送信され、そのインパルスの反射波形を長焦点距離プローブ２２が受信していることを示している。最上部に示した第１グラフから最下部に示した第５グラフまで順に、走査位置が水平移動し、かつ試料４の表面の位置が深くなる。
最上部に示した第１グラフでは、ゲート期間Ｔｇかつ送信インパルスよりも時間Ｔ０の後の受信信号にインパルスが現れている。このとき試料４の表面は、長焦点距離プローブ２２に近いが、この長焦点距離プローブ２２の焦点深度の範囲内である。映像処理表示装置５は、時間Ｔ０を媒体内の音速で除算し、更に１／２を乗算することで、この走査位置に係る深度情報を算出する。
次に示した第２グラフは、ゲート期間Ｔｇかつ送信インパルスよりも時間Ｔ１の後の受信信号にインパルスが現れている。このとき試料４の表面の位置は、長焦点距離プローブ２２から遠ざかっており、かつ長焦点距離プローブ２２の焦点深度の範囲内である。

【0039】

第３グラフは、ゲート期間Ｔｇかつ送信インパルスよりも時間Ｔ２の後の受信信号にインパルスが現れている。このとき試料４の表面の位置は、長焦点距離プローブ２２から遠ざかっており、かつ長焦点距離プローブ２２の焦点深度の範囲内である。
その次に示した第４グラフは、ゲート期間Ｔｇかつ送信インパルスよりも時間Ｔ３の後の受信信号にインパルスが現れている。このとき試料４の表面の位置は、長焦点距離プローブ２２から遠ざかっており、かつ長焦点距離プローブ２２の焦点深度の範囲内である。
最下部に示した第５グラフは、ゲート期間Ｔｇかつ送信インパルスよりも時間Ｔ４の後の受信信号にインパルスが現れている。このとき試料４の表面は、長焦点距離プローブ２２から遠ざかっており、かつ長焦点距離プローブ２２の焦点深度の範囲内である。
図５に示すように、試料４の表面の傾斜が大きい場合であっても、長焦点距離プローブ２２の焦点深度の範囲に収まるならば、ゲートを追従させて焦点を結ぶことができるので、深度マップ５３を作成することができる。

【0040】

図６は、高解像度プローブ２３による試料４の表面エコーの波形図である。図の縦軸は、それぞれ高解像度プローブ２３に印加される電圧を示している。図の横軸は、送信インパルスを基準としたタイミングを示している。この事例では、試料４の表面の傾斜が大きい場合を示している。
各グラフは、各走査位置において高解像度プローブ２３に送信インパルスが印加され、試料４に向けて−Ｚ方向に超音波が送信され、そのインパルスの反射波形を高解像度プローブ２３が受信していることを示している。最上部に示した第１グラフから最下部に示した第５グラフまで順に、走査位置が水平移動し、表面の位置が深くなると共に高解像度プローブ２３は深さ方向（−Ｚ方向）に移動している。
高解像度プローブ２３は、自身の焦点深度が表面を含むように、深度方向に可変している。すなわち、走査制御部５１は、高解像度プローブ２３の送信インパルスと、そのインパルスの反射波形との時間間隔が時間Ｔｃの近傍となるように、制御装置７を介してＺ軸駆動装置８３を制御している。

【0041】

最上部に示した第１グラフから、最下部に示した第５グラフまで、ゲート期間Ｔｇかつ送信インパルスよりも時間Ｔｃの後の受信信号にインパルスが現れている。このとき試料４の表面は、高解像度プローブ２３の焦点深度２３２の範囲内である。この時間Ｔｃは、高解像度プローブ２３の先端から焦点深度２３２の中心までの距離の２倍を音速で除算した値である。
このように、高解像度プローブ２３の深さ位置を調整することによって、観察対象である試料４の表面を高解像度で好適に観察することができる。

【0042】

図７は、傾斜した内部欠陥構造４１を有する試料４の観察動作を示す図である。
破線矢印は、長焦点距離プローブ２２を用いた前走査を示している。実線矢印は、高解像度プローブ２３を用いた本走査を示している。
試料４の内部欠陥構造４１は、斜めに傾いている。
長焦点距離プローブ２２を用いた前走査では、この内部欠陥構造４１の深度マップ５３を生成している。前走査において、長焦点距離プローブ２２は深さ方向に変化しない。
高解像度プローブ２３を用いた本走査では、この内部欠陥構造４１の超音波画像を生成している。本走査において、高解像度プローブ２３は内部欠陥構造４１との距離等を反映して次第に下がりながら移動する。

【0043】

図８は、傾斜した内部欠陥構造４１を有する試料４に対する探触動作を示す拡大図である。図８は、図７に示す観察動作の詳細を示す図である。
図８は、高解像度プローブ２３と試料４と内部欠陥構造４１との位置関係を示している。試料４の上側は、媒体である水３１で満たされている。高解像度プローブ２３は、媒体である水３１内において焦点距離が距離Ｄである。
図の左側において高解像度プローブ２３は、試料４の内部欠陥構造４１が焦点となるように位置している。高解像度プローブ２３の先端は、試料４の内部欠陥構造４１と、距離Ｄ１だけ離間している。高解像度プローブ２３が送信した超音波は、試料４の表面で屈折するので、試料４の内部欠陥構造４１との距離Ｄ１は、距離Ｄとは異なっている。
図の右側においても高解像度プローブ２３は、試料４の内部欠陥構造４１が焦点となるように位置している。高解像度プローブ２３の先端は、試料４の内部欠陥構造４１と、距離Ｄ２だけ離間している。
この内部欠陥構造４１に追随するためには、長焦点距離プローブ２２での前走査において試料４の表面に由来するエコーと内部欠陥構造４１に由来するエコーとを捉え、試料４の音速を考慮して深度マップ５３を生成する。試料４の表面と内部欠陥構造４１とを焦点深度内に収められない場合は、試料４の表面に焦点を合わせた前走査と、内部欠陥構造４１に焦点を合わせた前走査とを分けて実施することにより深度マップ５３を生成してもよい。

【0044】

図９は、超音波映像装置１による観察処理を示すフローチャートである。
観察処理を開始すると、超音波映像装置１は、ステップＳ１０の処理を開始する。
ステップＳ１０において、映像処理表示装置５は、制御装置７と信号発生測定装置６によって、長焦点距離プローブ２２の前走査を行う。
ステップＳ１１において、映像処理表示装置５は、長焦点距離プローブ２２の前走査を終了するか否かを判断する。映像処理表示装置５は、前走査を終了しないならば（Ｎｏ）、ステップＳ１０の処理に戻り、前走査を終了するならば（Ｙｅｓ）、ステップＳ１２の処理を行う。

【0045】

ステップＳ１２において、映像処理表示装置５は、試料４の表面や、試料４の内部欠陥構造４１に係る深度マップ５３を作成する。
ステップＳ１３において、映像処理表示装置５は、制御装置７によって、高解像度プローブ２３の垂直方向（Ｚ軸方向）の位置調整を行う。
ステップＳ１４において、映像処理表示装置５は、制御装置７と信号発生測定装置６によって、高解像度プローブ２３の本走査を行う。
ステップＳ１５において、映像処理表示装置５は、高解像度プローブ２３の本走査を終了するか否かを判断する。映像処理表示装置５は、本走査を終了しないならば（Ｎｏ）、ステップＳ１３の処理に戻り、本走査を終了するならば（Ｙｅｓ）、ステップＳ１６の処理を行う。
ステップＳ１６において、映像処理表示装置５は、高解像度の画像を生成し、図９の処理を終了する。

【0046】

図１０は、深度マップ５３を表示した図である。
図１０に示すように、超音波映像装置１は、深度マップ５３を三次元の斜視図として表示している。これにより超音波映像装置１は、試料４の内部欠陥構造４１を三次元的に示すことができる。

【0047】

（変形例）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば上記した実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き替えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

【0048】

各実施形態に於いて、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
本発明の変形例として、例えば、次の（ａ）〜（ｇ）のようなものがある。
（ａ） 高解像度プローブ２３と試料４の観察位置との間の距離の調整手段は、上記実施形態に限定されない。例えば、高解像度プローブ２３のみを深さ方向に移動する調整手段であってもよく、または、水槽３や試料４などを深さ方向に移動する調整手段であってもよい。

【0049】

（ｂ） 超音波探触部２は、３本以上のプローブを有し、前走査の結果に応じて本走査で使用すべき適切なプローブを選択するように構成してもよい。これにより、試料４の観察位置との間の距離に応じた適切なプローブを選択することができる。
（ｃ） 超音波探触部２の長焦点距離プローブ２２と高解像度プローブ２３とは、互いの相対的な空間座標位置を切り替えて走査するように構成してもよい。これにより、深度マップ５３における位置調整が不要となる。
（ｄ） 超音波探触部２は、長焦点距離プローブ２２と高解像度プローブ２３のうちいずれか１つが装着され、かつ長焦点距離プローブ２２と高解像度プローブ２３とは超音波探触部２から取り外して交替可能に構成してもよい。

【0050】

（ｅ） 超音波映像装置１は、観察位置の深度マップ５３と高解像度プローブ２３の走査結果とを組み合わせて表示手段に表示してもよい。
（ｆ） 超音波映像装置１は、前走査における±Ｙ方向の走査速度を、本走査における±Ｙ方向の走査速度よりも速くしてもよい。
（ｇ） 超音波映像装置１は、試料４のＸＹ領域を前走査したのちに本走査することに限定されない。超音波映像装置１は例えば、試料４の１ライン領域を前走査したのちに、１ライン領域を本走査するように動作してもよく、また画素単位で前走査と本走査とを繰り返してもよく、限定されない。

【符号の説明】

【0051】

１ 超音波映像装置
２ 超音波探触部 （超音波探触手段）
２１ エンコーダ
２２ 長焦点距離プローブ
２２１ 圧電素子
２３ 高解像度プローブ
２３１ 圧電素子
２４ スイッチ
３ 水槽
３１ 水
４ 試料 （観察位置）
４１ 内部欠陥構造 （観察位置）
５ 映像処理表示装置
５１ 走査制御部
５２ タイミング制御部
５３ 深度マップ
５４ 画像生成部
６ 信号発生測定装置
６１，６２ インパルス波発信器
６４ アンプ
６５ Ａ／Ｄ変換器
６６ 信号処理部
７ 制御装置 （制御手段）
８１ Ｘ軸駆動装置 （走査手段）
８２ Ｙ軸駆動装置 （走査手段）
８３ Ｚ軸駆動装置 （深度可変手段）

【要約】

【課題】深く湾曲した表面や傾斜した欠陥構造を有する試料を高分解能で観察する。
【解決手段】超音波映像装置１は、焦点深度を切り替え可能な超音波探触部２と、超音波探触部２を平面方向に走査するＸ軸駆動装置８１およびＹ軸駆動装置８２と、超音波探触部２と試料４との間隔を可変するＺ軸駆動装置８３と、超音波探触部２の焦点深度を広く設定して走査することにより試料４の観察位置の深度マップ５３を取得し、超音波探触部２の焦点深度を狭く設定し、かつ超音波探触部２の焦点深度が観察位置を含むように、Ｚ軸駆動装置８３により超音波探触部２と観察位置との距離を可変させながら超音波探触部２を走査する走査制御部５１とを備える。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】