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音響顕微鏡は、超高周波または極超高周波の超音波を用いる顕微鏡法です。音響顕微鏡は非破壊的に動作し、ほとんどの固体材料を透過して、亀裂、剥離、空隙などの欠陥を含む内部構造の画像を可視化します。
音響顕微鏡の概念は、1936年にS. Ya. Sokolov [ 1 ]が3GHzの音波で構造を拡大表示する装置を提案したことに遡ります。しかし、当時の技術的な制約により、そのような装置は製作できず、1959年にDunnとFry [ 2 ]が最初の音響顕微鏡実験を行ったものの、非常に高い周波数ではありませんでした。
ダンとフライの実験以降、音響顕微鏡の開発はほとんど進展が見られず、1970 年頃に 2 つの活動グループが現れました。 1 つは CF クエイト (スタンフォード大学) が率いるグループ、もう 1 つは A. コーペルと LW ケスラー (ゼニス無線研究所) が率いるグループです。 実用的な音響顕微鏡の開発に向けた最初の取り組みは、低周波超音波可視化法の高周波への応用に重点が置かれました。 初期のシステム 1 つは、音響波場とレーザー光ビームの直接的な相互作用に基づくブラッグ回折イメージング[ 3 ]を採用しました。 もう 1 つの例は、ポールマン セルのバリエーションに基づいています[ 4 ] 。オリジナルの装置は、薄い流体層に非対称粒子を懸濁させたもので、音響エネルギーが作用すると、視覚的な反射率の変化が生じます。 カニンガムとクエイト[ 5 ] は、流体中に微小なラテックス球を懸濁させることでこれを改良しました。 音響圧力により、視覚的に検出可能な集団シフトが発生しました。ケスラーとソーヤー[ 6 ]は、流体の流体力学的配向によって音を検出できる液晶セルを開発した。1973年、クエイトグループは、超音波エネルギーを集束および検出するための50MHz超音波レンズの共焦点ペアを備えた最初の走査型音響顕微鏡（SAM）を利用する概念の開発を開始した[ 7]。1974年、この概念はスタンフォード大学マイクロ波研究所のRAレモンズとCFクエイトによって実現された。この走査型音響顕微鏡の進歩は、非常に高い解像度、新しいイメージングモード、およびアプリケーションを実現することに関係している。SAMはライツ社とオリンパス社によって市販された。1970年、コーペルとケスラーのグループは、音響顕微鏡用の走査型レーザー検出システムの追求を開始した[ 8 ] 。 1974年、活動はケスラーの下にある別の組織（ソノスキャン社）に移管され、そこで装置の実用的な側面が開発された。この装置、走査型レーザー音響顕微鏡（SLAM）[ 9 ]は1975年に市販された。[ 10 ]
1980年、ロシア科学アカデミーの生物物理学的イントロスコピー研究所で、ロマン・マエフと彼の学生によって、最初の高解像度（周波数最大500MHz ）透過モードSAMが構築されました。[ 11 ] 100MHzから超高周波1.8GHzまでの広い周波数範囲を持つ最初の商用SAMであるELSAMは、マルティン・ホッペと彼のコンサルタントであるアブドラ・アタラル（スタンフォード大学、米国）、ロマン・マエフ（ロシア科学アカデミー、ロシア）が率いるグループによって、エルンスト・ライツ社（ヴェッツラー、ドイツ）で構築されました。
同時に、1984年にケスラーの研究グループは、SLAMの透過モード（のみ）だけでなく反射モードでも動作するC-SAMコンセプト装置[ 12 ]の開発を完了しました。同じトランスデューサを使用して超音波をパルスし、反射エコーを受信することで、音響画像を関心のある深さに容易に限定することができました。この設計は、今日使用されているほぼすべての音響顕微鏡の先駆けであり、断面音響イメージング、3次元音響イメージングなど、その後の数多くの進歩を可能にした開発でした。
それ以来、音響顕微鏡システムの解像度、画像品質、精度を向上させるために多くの改良が加えられてきました。[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]
音響顕微鏡の開発に直接つながる最初の実験から半世紀が経過し、少なくとも3つの基本的なタイプの音響顕微鏡が開発されました。これらは、走査型音響顕微鏡（SAM）、共焦点走査型音響顕微鏡（CSAM）、およびCモード走査型音響顕微鏡（C-SAM）です。[ 16 ]
最近では、ピコ秒超音波システムに基づく音響顕微鏡が、数GHzの超音波周波数で動作するサブ光波長を使用して細胞内の音響イメージングを実証している。今日使用されている音響顕微鏡の大部分はC-SAMタイプの機器であるため、この議論はこれらの機器に限定される。[ 17 ]
超音波は、人間の耳が感知できる最高周波数である20kHzを超える周波数の音と広く定義されます。しかし、音響顕微鏡は 5MHzから400MHzを超える周波数の超音波を発する ことで、マイクロメートルサイズの分解能を実現しています。試料に浸透した超音波は、内部構造や試料自体によって散乱、吸収、反射されることがあります。これらの現象は光の挙動と類似しています。内部構造から反射された超音波、あるいは（用途によっては）試料の厚み全体を透過した超音波を用いて、音響画像を作成します。
音響イメージングを行う前にサンプルに特別な処理は必要ありませんが、空気はトランスデューサからの高周波音響エネルギーの伝達効率が非常に低いため、サンプルは少なくとも短時間、水または他の液体にさらされても耐えられる必要があります。サンプルは完全に水に浸すか、細い水流でスキャンすることができます。あるいは、サンプルを汚染しないように、アルコールなどの液体を使用することもできます。サンプルは通常、スキャン可能な平面を少なくとも1つ持っていますが、適切な治具を使用すれば円筒形や球形のサンプルもスキャンできます。以下の段落で説明するサンプルは、プラスチックで封止された集積回路です。
音響顕微鏡のトランスデューサによって試料に照射される超音波周波数は、最低10MHz （まれに5MHz ）から最高400MHz以上まで幅広く分布しています。この周波数範囲全体にわたって、浸透性と解像度 の間にはトレードオフの関係があります。10MHzなどの低周波数の超音波は、高周波数の超音波よりも材料内部に深く浸透しますが、音響画像の空間解像度は低くなります。一方、非常に高い周波数の超音波は深く浸透しませんが、非常に高解像度の音響画像が得られます。特定の試料を画像化するために選択される周波数は、対象物の形状と材料によって異なります。
下図のプラスチック封止型ICの音響画像は、30MHz のトランスデューサを使用して作成されました。この周波数は、透過性と画像解像度のバランスが取れているためです。
超音波トランスデューサは、試料の上面をラスタースキャンします。毎秒数千個のパルスが試料に入射します。各パルスは、試料の均質な部分を通過する際に散乱または吸収される可能性があります。材料の界面では、パルスの一部がトランスデューサに反射され、そこで受信されて振幅が記録されます。
反射されるパルスの部分は、界面で接する各物質の音響インピーダンスZによって決まります。特定の物質の音響インピーダンスは、その物質の密度にその物質中の超音波速度を乗じたものです。超音波パルスが2つの物質の界面に遭遇すると、その界面からの超音波反射の程度は次の式で表されます。
ここで、Rは反射率であり、z1とz2は2つの材料の音響インピーダンスであり、光伝搬における屈折率に相当する。
両方の材料が典型的な固体である場合、反射率は中程度となり、パルスの大部分は試料内部へと深く伝播し、そこでより深い材料界面で部分的に反射される可能性があります。一方、剥離、亀裂、空隙などの場合のように、一方の材料が空気などの気体である場合、固体と気体の界面での反射率はほぼ100%となり、反射パルスの振幅は非常に大きくなり、パルスは試料内部へほとんど伝播しません。
トランスデューサから発せられた超音波パルスは、ナノ秒またはマイクロ秒かけて内部界面に到達し、反射されてトランスデューサに戻ってきます。異なる深さに複数の内部界面が存在する場合、反射波は異なるタイミングでトランスデューサに到達します。平面音響画像では、すべての深さからのすべての反射波を使用して可視音響画像を作成するわけではありません。代わりに、関心のある深さからの反射波のみを受け入れる時間窓が作成されます。このプロセスは、反射波の「ゲーティング」として知られています。
最後に、プラスチックで封止されたICを裏返し、裏面から画像化しました。反射エコーは、裏面のモールドコンパウンドがダイパドルの裏面と接する深さでゲート処理されました。上の音響画像に見られる小さな黒い点は、モールドコンパウンド内の小さな空隙（閉じ込められた気泡）です。
上記に示した音響画像はすべて平面画像であり、試料内部の水平面を可視化していることからこのように呼ばれています。反射エコー信号で受信した音響データは、三次元画像、断面画像、走査画像など、他の種類の画像を作成するためにも使用できます。
音響顕微鏡で画像化されるサンプルは、通常、少なくとも1つの表面が平坦または規則的に湾曲した、1つ以上の固体材料の集合体です。対象となる深さは、材料間の内部結合、または均質な材料に欠陥が生じる可能性のある深さなどです。さらに、画像化を行わずにサンプルを特性評価し、例えば音響インピーダンスを測定することもできます。
音響顕微鏡は、非破壊的に特徴を可視化できるため、品質管理、信頼性、故障解析のために電子部品やアセンブリの製造で広く使用されています。通常、関心は剥離、亀裂、空隙などの内部欠陥の発見と分析にありますが、音響顕微鏡は、特定の部品や材料が仕様を満たしているか、場合によっては偽造品ではないことを（材料特性評価や画像化、またはその両方によって）検証するためにも使用できます。[ 18 ]音響顕微鏡は、プリント基板[ 19 ]やその他のアセンブリの画像化にも使用されます。
さらに、電子機器以外にも数多くの応用例がある。多くの産業において、チューブ、セラミック材料、複合材料、あるいは接着層や各種溶接部を含む様々な接合部を持つ製品を音響的に画像化することができる。
数多くの医療製品の組み立てでは、音響顕微鏡を使用して内部の結合や特徴を調べます。たとえば、ポリマーフィルムを画像化して、血液分析で使用されるマルチチャンネルプラスチックプレートとの結合を調べることができます。SAMは、細胞や硬組織、軟組織の両方の弾性に関するデータを提供でき、特定の形状に構造を保持する物理的な力や、細胞骨格などの構造の力学に関する有用な情報を提供できます。[ 3 ] [ 4 ]これらの研究は、細胞運動などのプロセスを調査する際に特に価値があります。[ 5 ] [ 6 ]
もう一つの有望な方向性は、軟組織と硬組織の皮下3Dイメージングと診断のための携帯型ハンドヘルドSAMを設計および構築するために世界中のさまざまなグループによって開始され[ 17 ] [ 20 ]、この方向性は現在、これらの方法を臨床および美容の実践に実装することを目標として順調に発展しています。
また、過去10年間には、絵画作品やその他の美術文化遺産の絵具層の3D非破壊検査に音響顕微鏡法を適用することへの関心が表明された。[ 21 ] [ 22 ]
