(57)【要約】  ＰＺＴ振動子（４）の表面（上面）に固定（接着）された測定対象の試料（３）の表面（上面）に、断続光を照射することによってＰＺＴ振動子（４）から発生した音響信号の振幅に基づいて、複合共鳴周波数ｆtを求め、求めた複合共鳴周波数ｆtの断続光がダイオードアレイ（１）から断続光が照射されるようにダイオードアレイ（１）の発光状態を制御するようにした。そして、求めた複合共鳴周波数ｆtを用いて、試料（３）の音速ν、ヤング率Ｅ、及び振動減衰率τ等の音波物性を求めるようにした。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に取り付けられ、前記試料の振動を検出する振動検出素子と、
前記振動検出素子が取り付けられた試料に対して、断続する励起光を照射する光音響顕微鏡と、
前記光音響顕微鏡に対し、前記断続する励起光を与える発光手段と、
前記振動検出素子で検出された前記試料の振動を示す音響信号に基づいて、前記試料と前記振動検出素子との全体の複合共鳴周波数を求める周波数導出手段と、
前記周波数導出手段により求められた複合共鳴周波数で、前記断続する励起光が前記振動検出素子に取り付けられた試料に対して照射されるように、前記発光手段を制御する制御手段とを有することを特徴とする光音響測定システム。
【請求項２】
前記周波数導出手段により求められた複合共鳴周波数を用いて、前記試料における音速、及び前記試料のヤング率の少なくとも何れか一方を求める音波物性導出手段を有することを特徴とする請求の範囲１に記載の光音響測定システム。
【請求項３】
前記複合共鳴周波数の周波数を有する信号を参照信号として、前記振動検出素子で検出された前記試料の振動を示す音響信号を相関検波する相関検波手段を有し、
前記周波数導出手段は、前記相関検波手段により相関検波された音響信号に基づいて、前記試料と前記振動検出素子との全体の複合共鳴周波数を求めることを特徴とする請求の範囲２に記載の光音響測定システム。
【請求項４】
前記試料に含まれる物質の量子力学的吸収波長を有する前記断続する励起光が、前記振動検出素子に取り付けられた試料に照射された場合の前記試料における音速を求める第１の音速導出手段と、
前記試料に含まれる前記物質に到達しない波長を有する前記断続する励起光が前記振動検出素子に取り付けられた試料に照射された場合の前記試料における音速を求める第２の音速導出手段と、
前記第１の音速導出手段と、前記第２の音速導出手段とによって求められた音速と、前記試料の厚さとに基づいて、前記試料の表面から前記物質までの深さを求める第２の音波物性導出手段とを有することを特徴とする請求の範囲３に記載の光音響測定システム。
【請求項５】
前記試料に含まれる物質の量子力学的吸収波長に基づく周波数で、前記断続する励起光が前記振動検出素子に取り付けられた試料に対して照射されるように、前記発光手段を制御する第２の制御手段と、
前記第２の制御手段により制御された発光手段から、前記断続する励起光が前記振動検出素子に取り付けられた試料に対して照射されることによって前記振動検出素子で検出された前記試料の振動を示す音響信号を用いて、前記試料における振動減衰率を求める第３の音波物性導出手段とを有することを特徴とする請求の範囲４に記載の光音響測定システム。
【請求項６】
前記第２の制御手段により制御された発光手段から、前記断続する励起光が前記振動検出素子に取り付けられた試料に対して照射されることによって前記振動検出素子で検出された前記試料の振動を示す音響信号と、その音響信号を用いて前記第３の音波物性導出手段により求められた振動減衰率とを用いて、前記試料に含まれる物質の濃度を求める第４の音波物性導出手段とを有することを特徴とする請求の範囲５に記載の光音響測定システム。
【請求項７】
前記試料と、前記光音響顕微鏡との相対的な位置を変更する位置変更手段を有し、
前記音波物性導出手段は、前記位置変更手段により変更されたそれぞれの位置で、前記音波物性を求めることを特徴とする請求の範囲６に記載の光音響測定システム。
【請求項８】
前記位置変更手段により変更されたそれぞれの位置で求められた音波物性に基づく３次元画像を表示装置に表示する表示手段を有することを特徴とする請求の範囲７に記載の光音響測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光音響測定システムに関し、特に、光音響効果を利用して、測定対象の試料の状態を観察可能にするために用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、試料表面に断続する励起光（以下、断続光と称する）が照射されると、試料表面に温度変化が発生し、音波が発生する。このような現象を光音響効果といい、この光音響効果を利用して試料の画像を得るようにした光音響顕微鏡が提案されている。
特許文献１では、マイクロフォンにより光音響波を検出し、検出した光音響波に基づいて、試料の画像（光音響像）をテレビモニタに表示する光音響顕微鏡が開示されている。【０００３】
しかしながら、従来の技術では、音波物性のうち、音響減衰係数のみを捉えているので、試料の詳細な情報を得ることが困難であるという問題点があった。【０００４】
【特許文献１】特開平４−２１３０５３号公報
【発明の開示】
【０００５】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、光音響効果を利用して、従来よりも試料の詳細な情報が得られるようにすることを目的とする。
【０００６】
本発明の光音響測定システムは、試料に取り付けられ、前記試料の振動を検出する振動検出素子と、前記振動検出素子が取り付けられた試料に対して、断続する励起光を照射する光音響顕微鏡と、前記光音響顕微鏡に対し、前記断続する励起光を与える発光手段と、前記振動検出素子で検出された前記試料の振動を示す音響信号に基づいて、前記試料と前記振動検出素子との全体の複合共鳴周波数を求める周波数導出手段と、前記周波数導出手段により求められた複合共鳴周波数で、前記断続する励起光が前記振動検出素子に取り付けられた試料に対して照射されるように、前記発光手段を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明の実施形態を示し、光音響測定システムの構成の一例を示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態を示し、ＰＺＴ振動子に固定された試料の様子の一例を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態を示し、図２に示した試料における周波数偏移のトポグラフの一例を示した図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態を示し、図２に示した試料３における振動減衰率のトポグラフの一例を示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明の一実施形態を説明する。
図１は、光音響測定システムの構成の一例を示す図である。
図１において、光音響測定システムは、発光ダイオードアレイ（発光ダイオードアレイを構成する複数の発光ダイオード）１と、光音響共鳴顕微鏡２０と、ＣＣＤカメラ１８と、モニタ１７と、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）振動子４と、ＸＹ稼動試料台５と、試料台駆動装置１９と、振動検出回路６と、同調型増幅器７と、ベクトル電圧計９と、ＶＦコンバータ１１と、コンピュータ制御パルス発生器１３と、ダイオードパワー制御器１４と、特定ダイオード切り替え器１５と、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）１２とを有している。【０００９】
ＸＹ稼動試料台５の上に、振動検出素子の一例であるＰＺＴ振動子４が取り付けられている。このＰＺＴ振動子４の表面に試料３が取り付けられ、固定されている。図２は、ＰＺＴ振動子４に固定された試料３の様子の一例を示す図である。図２に示すように、本実施形態では、略正三角形のアルミニウムプレート（アルミ粘着テープ）を試料３として用いた場合を例示する。尚、試料３の厚さは、０．１３ｍｍである。【００１０】
試料台駆動装置１９は、Ｘ方向試料台駆動装置１９ａと、Ｙ方向試料台駆動装置１９ｂとを有している。Ｘ方向試料台駆動装置１９ａは、ＸＹ稼動試料台５をＸ軸方向（図１に向かって横方向）に動かすためのものである。Ｙ方向試料台駆動装置１９ｂは、ＸＹ稼動試料台５をＹ軸方向（図１の奥行き方向）に動かすためのものである。これらＸ方向試料台駆動装置１９ａ及びＹ方向試料台駆動装置１９ｂは、例えば、パルスモータを有し、ＰＣ１２から送信された制御信号を受信し、受信した制御信号に基づいてパルスモータを動作させることにより、ＸＹ稼動試料台５を駆動する。【００１１】
光音響共鳴顕微鏡２０は、ハーフミラー２を有しており、発光ダイオードアレイ１から、例えば５０［μｍ］程度のビーム径を有する断続光が発光されると、その断続光を、ハーフミラー２を介して試料３に照射する。そうすると、試料３の表面に励起された光の信号が、試料３の内部を通過してＰＺＴ振動子４の表面をたたく。これにより、ＰＺＴ振動子４やその周囲の気体に周期的な圧力変化が生じ、音波が発生する。【００１２】
また、断続光が試料３に照射されると、試料３から反射光が発生する。この反射光は、ハーフミラー２を介してＣＣＤカメラ１８に取り込まれる。ＣＣＤカメラ１８は、取り込んだ反射光に基づいて、試料３の画像データを生成し、生成した画像データをモニタ１７に表示する。モニタ１７は、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）である。尚、光音響共鳴顕微鏡２０の内部には、ハーフミラー２の他に、断続光を試料３に照射するためのレンズ２１や、断続光をハーフミラー２に導くためのレンズ２２等も設けられている。【００１３】
ＰＺＴ振動子４は、圧電素子である。従って、ＰＺＴ振動子４に固定された試料３の表面に励起された光の信号が、試料３の内部を通過してＰＺＴ振動子４の表面をたたくと、ＰＺＴ振動子４は振動を起こし、その振動に応じた電気信号（すなわち音響信号）を発生（検出）する。
振動検出回路６は、ＰＺＴ振動子４で発生した音響信号を増幅するための回路である。具体的に振動検出回路６は、正帰還回路を備えた電流増幅回路である。振動検出回路６が、正帰還回路を備えることにより、ＰＺＴ振動子４の共鳴特性値Ｑを上げることができる。【００１４】
同調型増幅器７は、振動検出回路６から出力された音響信号を、ＰＣ１２から出力される同調信号に基づいて増幅する。具体的に、同調型増幅器７は、複合共鳴周波数ｆtを含む周波数帯域を増幅する増幅回路を備えている。
ここで、複合共鳴周波数ｆtについて説明する。
厚さがＬ［ｍ］の振動検出素子（例えばＰＺＴ振動子４）が、ｆR［Ｈｚ］の基本共鳴周波数を持つとする。この振動検出素子に厚さがΔＬ［ｍ］の試料（例えば試料３）を貼り付けた場合（取り付けた場合）、振動検出素子と試料との全体の共鳴周波数は、振動検出素子の基本共鳴周波数ｆRより若干周波数の低い周波数であって、厚さＬ+ΔＬ［ｍ］の長さを一波長とする複合共鳴周波数ｆtとなる。このように複合共鳴周波数ｆtは、振動検出素子と試料との全体の共鳴周波数である。後述するように、本実施形態では、この複合共鳴周波数ｆtで断続光がダイオードアレイ１から照射されるように、ＰＣ１２が各部を制御する。【００１５】
コンピュータ制御パルス発生器（シンセサイザ）１３は、ＰＣ１２から送信された制御信号に基づいて、複合共鳴周波数ｆtと同じ周波数を有する参照信号１０を発生する。この制御信号は、後述するようにしてＰＣ１２により決定された複合共鳴周波数ｆtを示す信号である。
ベクトル電圧計９は、複合共鳴周波数ｆtと同じ周波数を有する参照信号１０を用いて、同調型増幅器７から出力された音響信号の電圧レベルと位相とを測定する。具体的にベクトル電圧計９は、sin成分用の位相検波回路と、cos成分用の位相検波回路とを有し、これらの位相検波回路により、複合共鳴周波数ｆtと同じ周波数を有する参照信号１０を用いて自己相関検波を行う。これにより、同調型増幅器７から出力された音響信号のsin成分と、cos成分とを分離することができる。ベクトル電圧計９は、これら音響信号のsin成分と、cos成分とをＶＦコンバータ１１に送信する。このように本実施形態では、複合共鳴周波数ｆtの信号を参照信号として、測定された音響信号を相関検波することにより、測定される音響信号の感度と信号対雑音比（ＳＮ比）とを上げることができる。【００１６】
ＶＦコンバータ１１は、ベクトル電圧計９から送信された音響信号のsin成分と、cos成分とをデジタル化する。デジタル化された音響信号のsin成分と、cos成分は、ＰＣ１２に取り込まれる。【００１７】
ＰＣ１２は、プログラムやデータを記憶するＲＯＭ及びハードディスクと、そのプログラムを実行するＣＰＵと、ＣＰＵがプログラムを実行する際のワークエリアやデータの一時的な保存エリアとして機能するＲＡＭ等を備えている。また、ＰＣ１２は、キーボードやマウス等のユーザインターフェースと、ＣＰＵで実行された処理結果に基づく画像等を表示するディスプレイも備えている。【００１８】
ＰＣ１２は、前述した同調型増幅器７への同調信号８や、コンピュータ制御パルス発生器１３への制御信号の他に、光強度指示信号及びダイオード選択指示信号を生成する。
具体的にＰＣ１２は、発光ダイオードアレイ１の各ダイオードアレイから発光される光の波長毎に、発光強度を予め記憶している。そして、ＰＣ１２は、デジタル化された音響信号のsin成分と、cos成分とに基づいて、発光ダイオードアレイ１から発光される光の波長（複合共鳴周波数ｆt）に応じた適切な強度を示す光強度指示信号を生成して、ダイオードパワー制御器１４に送信する。【００１９】
また、ＰＣ１２は、デジタル化された音響信号のsin成分と、cos成分とに基づいて、ダイオードアレイ１に含まれる複数のダイオードのうち、複合共鳴周波数ｆtの断続光を発光させるために使用するダイオードを選択するためのダイオード選択指示信号を生成して、特定ダイオード切り替え器１５に送信する。【００２０】
ダイオードパワー制御器１４は、ＰＣ１２から出力された光強度指示信号と、コンピュータ制御パルス発生器１３から送信された信号であって、複合共鳴周波数ｆtと同じ周波数を有する参照信号１０とに基づいて、ダイオードアレイ１から発光される光の強度を決定し、決定した光の強度を示す光強度信号を特定ダイオード切り替え器１５に送信する。【００２１】
特定ダイオード切り替え器１５は、ダイオードパワー制御器１４から送信された光強度信号と、ＰＣ１２から送信されたダイオード選択指示信号とに基づいて、ダイオードアレイ１に含まれるダイオードから、複合共鳴周波数ｆtで断続光を発光させるためのパルス信号（ダイオードパワーパルス）をダイオードに出力する。これにより、発光ダイオードアレイ１から、複合共鳴周波数ｆt［Ｈｚ］で断続光が発光される。
ここで、複合共鳴周波数ｆt［Ｈｚ］の決定方法の一例について説明する。
まず、試料３が貼り付けられたＰＺＴ振動子４は、ＲＬＣ直列共振回路と等価であるから、定常状態の解として以下の（１）式〜（３）式のように表すことができる。【００２２】
【数１】
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【００２３】
ここで、Ｉs（ｔ）は定常電流［Ａ］、ωは角周波数［ｒａｄ／ｓ］、ω0は共鳴角周波数［ｒａｄ／ｓ］である。Ｒは、試料３が貼り付けられたＰＺＴ振動子４と等価なＲＬＣ直列共振回路の抵抗［Ω］、Ｌは、試料３が貼り付けられたＰＺＴ振動子４と等価なＲＬＣ直列共振回路のリアクタンス［Ｈ］である。
（２）式に示す定数Ａabは、吸収的振幅であり、（３）式に示す定数Ｂelは、弾性的振幅である。尚、試料３が貼り付けられたＰＺＴ振動子４における減衰強度の値は、（１）式の右辺の第１項のＡabｓｉｎωｔに依存する。
そして、（３）式に示す定数Ｂelは、複合共鳴周波数ｆtで０（ゼロ）になる。そこで、本実施形態では、ＰＣ１２は、（３）式に示す定数Ｂel（前記cos成分）が０（ゼロ）になる周波数を、複合共鳴周波数周波数ｆt［Ｈｚ］として求める。そして、ＰＣ１２は、求めた複合共鳴周波数ｆtに基づいて、コンピュータ制御パルス発生器１３に送信する制御信号と、ダイオードパワー制御器１４に送信する光強度指示信号と、特定ダイオード切り替え器１５に送信するダイオード選択指示信号とを生成する。以上のように、本実施形態では、（３）式に示す定数Ｂelが０（ゼロ）になる複合共鳴周波数周波数ｆt［Ｈｚ］で断続光が発光されるようにしている。【００２４】
次に、ＰＣ１２が求める音波物性について説明する。本実施形態の光学顕微鏡装置に設けられたＰＣ１２では、音波物性として、振動減衰係数αと、音速νと、ヤング率Ｅと、振動減衰率τと、試料３中の特定物質の濃度Ｉ0と、試料３の表面から特定物質までの深さＤとを求める。【００２５】
（振動減衰率τ）
試料３が貼り付けられたＰＺＴ振動子４に対して一定の力Ｆ［Ｎ］が与えられたときに、ＰＺＴ振動子４に生じる電圧Ｖ［Ｖ］は、以下の（４）式で与えられる。
Ｖ＝ｋＦ  ・・・（４）【００２６】
ここで、ｋは、機械電気音響変換定数である。尚、この機械電気音響変換定数は、試料３及びＰＺＴ振動子４の全体の機械電気音響変換定数（試料３の機械電気音響変換定数と、ＰＺＴ振動子４の機械電気音響変換定数とを合成したもの）である。
また、試料３が貼り付けられたＰＺＴ振動子４と等価なＲＬＣ直列共振回路の抵抗をＲ［Ω］、そのＲＬＣ直列共振回路における共振電流をＩ［Ａ］とすると、ＰＺＴ振動子４に生じる電圧Ｖ［Ｖ］は、以下の（５）式で与えられる。
Ｖ＝ＲＩ  ・・・（５）
（４）式及び（５）式より、以下の（６）式が成り立つ。
Ｒ＝ｋＦ／Ｉ  ・・・（６）
このように、試料３が貼り付けられたＰＺＴ振動子４に対して与えられる力Ｆは、一定で測定されるため、試料３が貼り付けられたＰＺＴ振動子４と等価なＲＬＣ直列共振回路の抵抗Ｒは、そのＲＬＣ直列共振回路における共振電流Ｉの逆数に比例する。
そして、（６）式より、振動減衰率τは、以下の（７）式で表される。【００２７】
【数２】
2008059812.tif 000004
【００２８】
ここで、Ｌは、試料３が貼り付けられたＰＺＴ振動子４と等価なＲＬＣ直列共振回路のリアクタンス［Ｈ］である。【００２９】
本実施形態では、試料３が貼り付けられたＰＺＴ振動子４と等価なＲＬＣ直列共振回路のリアクタンスＬと、試料３が貼り付けられたＰＺＴ振動子４に対して与えられる力Ｆと、ＰＺＴ振動子４の機械電気音響変換定数ｋとを一定とする。ＰＣ１２は、リアクタンスＬと、力Ｆと、機械電気音響変換定数ｋとを、ＰＣ１２が備えるユーザインターフェースのユーザによる操作に基づいて取得して、ハードディスク等に予め記憶しておく。【００３０】
そして、ＰＣ１２は、音響信号のsin成分と、cos成分とに基づき、cos成分が０（ゼロ）となるときのsin成分の振幅（共振電流Ｉ）を求め、求めた振幅（共振電流Ｉ）と、予め記憶しておいたリアクタンスＬ、力Ｆ、及び機械電気音響変換定数ｋとを（７）式に代入して、振動減衰率τ（試料３及びＰＺＴ振動子４の全体の振動減衰率）を求める。
尚、振動減衰率τは、試料３及びＰＺＴ振動子４の全体の振動減衰率（試料３の振動減衰率と、ＰＺＴ振動子４の振動減衰率とを合成したもの）であるが、これらのうち、ＰＺＴ振動子４の振動減衰率は、一定と見なすことができ、試料３の振動減衰率よりも十分小さい。【００３１】
また、本実施形態では、ダイオードアレイ１から、試料３の内部へ侵入する深さが浅い短波長λVの波長を有する光（以下、短波長光と称する）を試料３に照射した場合の試料３における振動減衰率τVを求める。ここで、短波長λVは、例えば、試料３内に含まれる特定物質に到達しないような波長を言う。尚、振動減衰率τsは、例えば、短波長光を試料３に照射した場合にＰＺＴ振動子４から得られる音響信号の振幅を測定し、測定した音響信号の振幅を（１１）式のＩに代入することにより求めることができる。【００３２】
（振動減衰係数α）
ＰＣ１２は、前述したように（７）式を用いて求めた振動減衰率τに基づいて、ＰＺＴ振動子４に貼り付けられた試料３における振動減衰係数αを求める。尚、振動減衰係数αは、音響信号の振幅（共振電流Ｉ）の逆数に比例する。【００３３】
（音速ν、ヤング率Ｅ）
複合共鳴周波数ｆtで断続光を試料３に照射したときに、試料３が貼り付けられたＰＺＴ振動子４を共鳴させるためには、以下の（８）式の条件を満たす必要がある。
Ｔt＝ＴR＋ΔＴ  ・・・（８）
ここで、Ｔtは、試料３とＰＺＴ振動子４とを、音速が伝搬する時間［ｓ］であり、ＴRは、ＰＺＴ振動子４を音速が伝搬する時間［ｓ］であり、ΔＴは、試料３を音速が伝搬する時間［ｓ］である。このように、Ｔtは、試料３の厚さΔＬと、振動検出素子（例えばＰＺＴ振動子４）の厚さＬとの加算値（＝Ｌ+ΔＬ）を一波長とする振動モードの周期となる。
ここで、試料３中の音速をνとすると、以下の（９）式が成立する。よって、音速ν［ｍ／ｓ］は、以下の（１０）式で表される。また、試料３のヤング率Ｅ［Ｐａ］と音速νとの関係は、以下の（１１）式で表される。【００３４】
【数３】
2008059812.tif 000005
【００３５】
ここで、ΔＬは、試料３の厚さ［ｍ］であり、ｆRは、ＰＺＴ振動子４の共鳴周波数［Ｈｚ］であり、ｆtは、複合共鳴周波数［Ｈｚ］であり、Δｆ（＝ｆt−ｆR）は、周波数偏移［Ｈｚ］であり、ρは、試料３の密度［ｋｇ／ｍ3］である。
ＰＣ１２は、試料３の厚さΔＬと、ＰＺＴ振動子４の共鳴周波数ｆRと、試料３の密度ρとを、ＰＣ１２が備えるユーザインターフェースのユーザによる操作に基づいて取得して、ハードディスク等に予め記憶しておく。
ＰＣ１２は、前述したようにして決定した複合共鳴周波数ｆtと、予め記憶しておいたＰＺＴ振動子４の共鳴周波数ｆRとから、周波数偏移Δｆを求める。そして、ＰＣ１２は、求めた周波数偏移Δｆと、予め記憶しておいた試料３の厚さΔＬ及びＰＺＴ振動子４の共鳴周波数ｆRとを、（１０）式に代入して、ＰＺＴ振動子４に貼り付けられた試料３における音速νを求める。その後、ＰＣ１２は、求めた音速νと、予め記憶しておいた試料３の密度ρとを、（１１）式に代入して、試料３のヤング率Ｅを求める。【００３６】
尚、本実施形態では、複合共鳴周波数ｆtで断続光を試料３に照射した場合にＰＺＴ振動子４に貼り付けられた試料３に生じる音速νの他に、ダイオードアレイ１から短波長光を試料３に照射した場合にＰＺＴ振動子４に貼り付けられた試料３に生じる音速νVと、試料３中の特定物質の量子力学的吸収波長λsの波長を有する吸収光を試料３に照射した場合にＰＺＴ振動子４に貼り付けられた試料３に生じる音速νsも求めるようにしている。【００３７】
尚、試料３の密度ρとヤング率Ｅとが一定ではなく、場所の関数で表される場合には、速度νから試料３の密度ρとヤング率Ｅを知ることが可能である。【００３８】
（試料３の表面から特定物質までの深さＤ）
ＰＣ１２は、前述したようにして求めたダイオードアレイ１から短波長光を試料３に照射した場合にＰＺＴ振動子４に貼り付けられた試料３に生じる複合共鳴周波数ｆｔVとｆＲより、ΔｆV（＝ｆｔV−ｆＲ）を定義する。また、試料３中の特定物質の量子力学的吸収波長λsの波長を有する吸収光を試料３に照射した場合にＰＺＴ振動子４に貼り付けられた試料３に生じる複合共鳴周波数ｆｔｓとｆＲより、Δｆｓ（＝ｆｔｓ−ｆＲ）を定義する。予め記憶された試料３の厚さΔＬとを、以下の（１２）式に代入することにより、試料３の表面から特定物質までの深さＤ［ｍ］を求める。
Ｄ＝ΔＬ｛１−（Δｆｓ／ΔｆV）｝  ・・・（１２）【００３９】
（試料３中の特定物質の濃度Ｉ0）
試料３の表面から深さＤ［ｍ］の位置にある特定物質の濃度Ｉ0は、以下の（１３）式で表される。【００４０】
【数４】
2008059812.tif 000006
【００４１】
ここで、τsは、試料３中の特定物質の量子力学的吸収波長λsの波長を有する吸収光を試料３に照射した場合の、ＰＺＴ振動子４に貼り付けられた試料３における振動減衰率であり、Ｉsは、吸収光を試料３に照射することにより得られる音響信号の強度である。
ＰＣ１２は、吸収光を試料３に照射することにより得られる音響信号の強度Ｉsを求める。そして、ＰＣ１２は、求めた音響信号の強度Ｉsと、前述したようにして求めた振動減衰率τsとを（１３）式に代入することによって、試料３の表面から深さＤ［ｍ］の位置にある特定物質の濃度Ｉ0を求める、【００４２】
（トポグラフの作成）
ＰＣ１２は、以上のような音波物性を求めるに際し、Ｘ−Ｙ平面上の複数箇所で前述した測定を行うことにより、例えば、音速ν、ヤング率Ｅ、振動減衰率τ、試料３中の特定物質の濃度Ｉ0、試料３の表面から特定物質までの深さＤ、及び周波数遷移Δｆのトポグラフ（３次元画像データ）を生成してディスプレイに表示する。また、ＰＣ１２は、これらのトポグラフのデータを、例えばハードディスクに記憶する。【００４３】
具体的にトポグラフを生成するために、ＰＣ１２は、光音響共鳴顕微鏡２０と正対する試料３の位置が、予めハードディスク等に設定された位置（複数の所定位置）になるように、試料台駆動装置１９（Ｘ方向試料台駆動装置１９ａ及びＹ方向試料台駆動装置１９ｂ）を順次駆動する。そして、ＰＣ１２は、複数の位置で前述した測定を行い、それら複数の位置において、音速ν、ヤング率Ｅ、振動減衰率τ、試料３中の特定物質の濃度Ｉ0、試料３の表面から特定物質までの深さＤ、及び周波数遷移Δｆを求め、求めた結果に基づいて、トポグラフ（３次元画像データ）を生成する。そして、ＰＣ１２に設けられたディスプレイは、生成されたトポグラフを表示する。【００４４】
尚、ＰＣ１２は、周波数遷移Δｆのトポグラフの中から、音速ν、ヤング率Ｅを求めるのに適した周波数偏移Δｆを、ＰＣ１２が備えるユーザインターフェースのユーザによる操作に基づいて取得し、取得した周波数偏移Δｆを用いて、試料３の音速νとヤング率Ｅとを求めるようにすることができる。【００４５】
図３は、図２に示した試料３における周波数偏移Δｆのトポグラフの一例を示した図である。また、図４は、図２に示した試料３における振動減衰率τのトポグラフの一例を示した図である。図３及び図４では、２［ｍｍ］あたり４０点求め、±５０［μｍ］の位置分解能が得られている。【００４６】
アルミニウムプレート（アルミ粘着テープ）をはさみで切断して略正三角形としたものを試料３として用いた。このことから、図３及び図４に示すトポグラフ３００、４００では、試料３の一辺（向かって右側の辺）が上方にめくれ上がっている様子が示されている。試料３の中央部では、周波数偏移Δｆが低く、試料３がＰＺＴ振動子４によく接着されている様子が見える。すなわち、試料３がＰＺＴ振動子４によく接着されている試料３の中央部では、音響信号が試料３を伝搬する時間が短くなるため、周波数偏移Δｆが低くなる。【００４７】
本実施形態では、ＰＣ１２は、周波数偏移Δｆのトポグラフ３００において、試料３の中央部における比較的変化がなだらかで且つ低い値の周波数偏移Δｆを、ユーザによるユーザインターフェースの操作に基づいて取得して、試料３の音速νとヤング率Ｅとを求める。【００４８】
以上のように本実施形態では、ＰＺＴ振動子４の表面（上面）に固定（接着）された測定対象の試料３の表面（上面）に、断続光を照射することによってＰＺＴ振動子４から発生した音響信号の振幅に基づいて、複合共鳴周波数ｆtを求め、求めた複合共鳴周波数ｆtの断続光がダイオードアレイ１から断続光が照射されるようにダイオードアレイ１の発光状態を制御するようにした。そして、求めた複合共鳴周波数ｆtを用いて、試料３の音速ν、ヤング率Ｅ等の音波物性を求めるようにした。従って、振動減衰率だけでなく、様々な音波物性を得ることができ、光音響効果を利用して、従来よりも試料３の詳細な情報を得ることができる。よって、例えば生体検査等を高い精度で行うようにすることが可能になる。【００４９】
また、振動減衰率α、振動減衰率τ、及び試料３の表面から特定物質までの深さＤも求めるようにしたので、試料３のより詳細な情報を得ることができる。
更に、音速ν、ヤング率Ｅ、振動減衰率τ、試料３中の特定物質の濃度Ｉ0、試料３の表面から特定物質までの深さＤ、及び周波数遷移Δｆのトポグラフ（３次元画像データ）を生成してディスプレイに表示するようにしたので、試料３の状態をユーザに視覚的に容易に認識させることができる。従って、例えば、生体検査の試料等において異様繁殖した癌細胞とその周りの通常細胞とを、トポグラフ（例えば、ヤング率Ｅや（密度を考慮した）音速νのトポグラフ）によって視覚的に容易に判別することが可能になる。【００５０】
更に、トポグラフ３００に基づいて、音速ν及びヤング率Ｅを求めるのに使う周波数偏移Δｆを決定するようにしたので、音速ν及びヤング率Ｅをより正確に決定することができる。【００５１】
尚、本実施形態では、ＶＦコンバータ１１を用いて、ＰＣ１２で処理できる形に音響信号を加工するようにしたが、ＶＦコンバータ１１の代わりにＡＤコンバータを用いて、ＰＣ１２で処理できる形に音響信号を加工するようにしてもよい。
また、本実施形態では、周波数偏移Δｆのトポグラフ３００を参照したユーザによる操作に基づいて取得した周波数偏移Δｆを用いて、試料３の音速νとヤング率Ｅとを求めるようにしたが、必ずしもこのようにする必要はない。すなわち、周波数偏移Δｆのトポグラフ３００から、ＰＣ１２自身が、試料３の音速νとヤング率Ｅとを求めるための周波数偏移Δｆを決定し、決定した周波数偏移Δｆを用いて、試料３の音速νとヤング率Ｅとを求めるようにしてもよい。周波数偏移Δｆの決定に際しては、例えば、周波数偏移Δｆのトポグラフ３００における周波数偏移Δｆの最低値を用いてもよいし、周波数偏移Δｆのトポグラフ３００における周波数偏移Δｆの平均値を用いてもよいし、周波数偏移Δｆのトポグラフ３００における周波数偏移Δｆの変化が閾値以下の領域における最低値又は平均値を用いてもよい。【００５２】
また、本実施形態では、発光ダイオードを用いて断続光を発光するようにしたが、必ずしも発光ダイオードを用いる必要はない。例えば、レーザダイオードを用いるようにしてもよい。また、発光ダイオードやレーザダイオード等の光源は、複数であっても１つであってもよい。また、ビーム径が５０［μｍ］の場合を例示したが、ビーム径はこれに限定されず、例えば１［μｍ］以下に設定できる。ビーム径を小さくすれば、位置の分解能を向上させることができる。【００５３】
また、本実施形態では、Ｘ方向試料台駆動装置１９ａ及びＹ方向試料台駆動装置１９ｂを駆動させて、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の２方向にＸＹ稼動試料台５を駆動させるようにしたが、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の一方向のみＸＹ稼動試料台５を駆動させるようにしてもよい。【００５４】
また、本実施形態では、振動検出素子としてＰＺＴ振動子４を用いた場合を例に挙げて説明したが、振動検出素子は、ＰＺＴ振動子（圧電素子）に限定されず、試料３の振動を検出する素子であればどのような素子であってもよい。例えば、磁歪共鳴振動子、ＰＤＦ合成共鳴振動子、静電誘導合成共鳴振動子、電磁誘導型合成共鳴振動子、又は光検出合成共鳴振動子等を、振動検出素子として用いることができる。【００５５】
以上説明した本発明の実施形態は、コンピュータがプログラムを実行することによって実現することができる。また、プログラムをコンピュータに供給するための手段、例えばかかるプログラムを記録したＣＤ−ＲＯＭ等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体、又はかかるプログラムを伝送する伝送媒体も本発明の実施の形態として適用することができる。また、上記プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体などのプログラムプロダクトも本発明の実施の形態として適用することができる。上記のプログラム、コンピュータ読み取り可能な記録媒体、伝送媒体及びプログラムプロダクトは、本発明の範疇に含まれる。【００５６】
また、前述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明によれば、試料に取り付けられ、その試料の振動を検出する振動検出素子と、その振動検出素子に取り付けられた試料との全体の複合共鳴周波数を、前記振動検出素子で検出された前記試料の振動を示す音響信号に基づいて求めるようにしたので、複合共鳴周波数を用いて、従来よりも多くの音波物性を求めることができる。
【図１】
2008059812.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４】
2008059812.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成20年9月16日(2008.9.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
試料に取り付けられ、前記試料の振動を検出する振動検出素子と、
前記振動検出素子が取り付けられた試料に対して、断続する励起光を照射する光音響顕微鏡と、
前記光音響顕微鏡に対し、前記断続する励起光を与える発光手段と、
任意の周波数の前記断続する励起光によって前記試料の表面から内部に向かって励起される光音響波源群柱の任意の一点からの距離の間にある媒質と前記振動検出素子との複合共鳴周波数を、前記振動検出素子で検出された前記試料の振動を示す音響信号に基づいて求める周波数導出手段と、
前記周波数導出手段により求められた複合共鳴周波数で、前記断続する励起光が前記振動検出素子に取り付けられた試料に対して照射されるように、前記発光手段を制御する制御手段とを有することを特徴とする光音響測定システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３】
前記複合共鳴周波数の周波数を有する信号を参照信号として、前記振動検出素子で検出された前記試料の振動を示す音響信号を相関検波する相関検波手段を有し、
前記周波数導出手段は、任意の周波数の前記断続する励起光によって前記試料の表面から内部に向かって励起される光音響波源群柱の任意の一点からの距離の間にある媒質と前記振動検出素子との複合共鳴周波数を、前記相関検波手段により相関検波された音響信号に基づいて求めることを特徴とする請求の範囲２に記載の光音響測定システム。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
技術分野
［０００１］
本発明は、光音響測定システムに関し、特に、光音響効果を利用して、測定対象の試料の状態を観察可能にするために用いて好適なものである。
背景技術
［０００２］
一般に、試料表面に断続する励起光（以下、断続光と称する）が照射されると、試料表面に温度変化が発生し、音波が発生する。このような現象を光音響効果といい、この光音響効果を利用して試料の画像を得るようにした光音響顕微鏡が提案されている。
特許文献１では、マイクロフォンにより光音響波を検出し、検出した光音響波に基づいて、試料の画像（光音響像）をテレビモニタに表示する光音響顕微鏡が開示されている。
［０００３］
しかしながら、従来の技術では、音波物性のうち、音響減衰係数のみを捉えているので、試料の詳細な情報を得ることが困難であるという問題点があった。
［０００４］
特許文献１：特開平４−２１３０５３号公報
発明の開示
［０００５］
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、光音響効果を利用して、従来よりも試料の詳細な情報が得られるようにすることを目的とする。
［０００６］
本発明の光音響測定システムは、試料に取り付けられ、前記試料の振動を検出する振動検出素子と、前記振動検出素子が取り付けられた試料に対して、断続する励起光を照射する光音響顕微鏡と、前記光音響顕微鏡に対し、前記断続する励起光を与える発光手段と、任意の周波数の前記断続する励起光によって前記試料の表面から内部に向かって励起される光音響波源群柱の任意の一点からの距離の間にある媒質と前記振動検出素子との複合共鳴周波数を、前記振動検出素子で検出された前記試料の振動を示す音響信号に基づいて求める周波数導出手段と、前記周波数導出手段により求められた複合共鳴周波数で、前記断続する励起光が前記振動検出素子に取り付けられた試料に対して照射されるように、前記発光手段を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
プロダクトは、本発明の範疇に含まれる。
［００５６］
また、前述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
産業上の利用可能性
［００５７］
本発明によれば、試料に取り付けられ、その試料の振動を検出する振動検出素子と、その振動検出素子に取り付けられた試料の表面から内部に向かって励起される光音響波源群柱の任意の一点からの距離の間にある媒質との複合共鳴周波数を、前記振動検出素子で検出された前記試料の振動を示す音響信号に基づいて求めるようにしたので、複合共鳴周波数を用いて、従来よりも多くの音波物性を求めることができる。
【国際調査報告】
2008059812.tif 000011
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