DD275926A1

DD275926A1 - ARRANGEMENT FOR MICROSCOPIC IMAGING OF THERMAL AND THERMOELASTIC OBJECT STRUCTURES

Info

Publication number: DD275926A1
Application number: DD32038488A
Authority: DD
Inventors: Jochen Barthel; Juergen Landgraf; Gerd Matalla
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1988-10-03
Filing date: 1988-10-03
Publication date: 1990-02-07
Also published as: DE3925312A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Realisierung der photoakustischen Rastermikroskopie und wird zur Untersuchung von Schichtsystemen der Mikro- und Optoelektronik, von Schutz-, Hartstoff-, Kontakt- und anderen Beschichtungen eingesetzt. Erfindungsgemaess enthaelt die Anordnung als Aufnehmer der mechanischen Schwingungen der Probe einen piezoelektrischen Biegewandler 8, der sich in akustischem Kontakt mit der Probe 3 befindet, wobei Probe und Biegewandler gemeinsam auf einem schnellbeweglichen Probentisch 9 in einer Schallisolationskammer 10 angeordnet sind. In den Probentisch kann ein Vorverstaerker 11 eingebaut sein. Auf dem Lichteintrittsfenster 12 der Schallisolationskammer koennen zwei teiltransparente Lichtdetektoren 13 a und 13 b aufgebracht sein. FigurThe invention relates to an arrangement for the realization of the photoacoustic scanning microscopy and is used for the investigation of layer systems of micro and optoelectronics, protective, hard, contact and other coatings. According to the invention, the arrangement contains, as a pick-up of the mechanical vibrations of the sample, a piezoelectric bending transducer 8 which is in acoustic contact with the sample 3, wherein sample and bending transducer are arranged together on a fast moving sample table 9 in a sound isolation chamber 10. In the sample table, a Vorverstaerker 11 may be installed. On the light entrance window 12 of the sound insulation chamber, two partially transparent light detectors 13 a and 13 b may be applied. figure

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Realisierung der photoakustischen Rastermikroskopie. Die Anordnung eignet sich zur Materialcharakterisierung und zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken hinsichtlich der Parameter, Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärme, Dichte, thermischer Ausdehnungskoeffizient und Elastizitätsmodul. Sie läßt sich mit Vorteil für die Untersuchung von Schichtsystemen der Mikro· und Optoelektronik, von Schutz·, Hartstoff·, Kontakt· und anderen Beschichtungen sowie zur Abbildung von Poren und Rissen im Materialinnern in der Werkstofftechnik einsetzen.The invention relates to an arrangement for the realization of the photoacoustic scanning microscopy. The arrangement is suitable for material characterization and non-destructive testing of workpieces in terms of parameters, thermal conductivity, specific heat, density, thermal expansion coefficient and modulus of elasticity. It can advantageously be used for the investigation of layer systems of microelectronics and optoelectronics, for protection, hard material, contact and other coatings as well as for the imaging of pores and cracks in the interior of materials in materials technology.

Characteristic of the known state of the art

Es sind verschieden j Anordnungen bekannt, die unter Ausnutzung des photoakustischen Effekts die mikroskopische Abbildung thermischer und thermoelastischer Objektstrukturen anstreben. Diese Anordnungen bestehen aus einer Lichtquelle, einer Optik, einer Rastereinrichtung, einer Einrichtung zur Lichtintensitätssteuerung, einer Probe, einem Detektor, einer Signalverarbeitung und einer Bildwiedergabeeinrichtung. Ein fokussierter, intensilätsmodulierter oder gopulsler Lichtstrahl tastet die Probe systematisch ab und erzeugt Ober einige Energieumwandlungsstufen im Primäranregungsgebiet eine veränderliche elastische Deformation der Probe. Die einzelnen Anordnungen unterscheiden sich durch die Beschaffenheit des Detektors dieser Deformation. In der US-PS 4265971 wird ein piezoelektrischer Detektor beschrieben, der von akustischen Volumenwellen, die sich vom Primäranregungsgebiet her ausbreiten, zu Dickenschwingungen angeregt wird. In der DE-PS 3224637 wird ein Fingerwandler beschrieben, der als Detektor akustische Oborflfichenwellen aufnimmt, die sich um das Primäranregungsgebiet herum auf der Probenoberfläche ausbreiten. In der US-PS 4267732 wird als Detektor eine in der Schallmikroskopie gebräuchliche akustische Linse In Gestalt eines Schalleiters mit Kugelkalottenanschliff und aufgebrachtem piezoelektrischem Wandler eingesetzt, in deren akustischem Brennpunkt sich das PrimSranregungsgebiot befindet. Diese Anordnungen weiden aus geometrischen Gründen nur für akustische Wellen mit Wellenlängen von einigen Millimetern und kürzer wirksam, d. h. für Schallfrequenzen von einigen hundert kHz an aufwärts. In diesem Frequenzbereich ist der Wirkungsgrad des photoakustischen Effekts so klein, daß trotz Bestrahlung der Probe mit Intensitäten bis an die Zorstörungsgrenze heran Abbildungen hinreichender Qualität in Bildzeiton nicht unter elnigon Minuten erzielt werden können.Various arrangements are known which aim at the microscopic imaging of thermal and thermoelastic object structures by utilizing the photoacoustic effect. These arrangements consist of a light source, an optical system, a raster device, a light intensity control device, a sample, a detector, a signal processor and an image display device. A focused, intensity-modulated or gopuls light beam systematically scans the sample and, over some energy conversion stages in the primary excitation region, produces a variable elastic deformation of the sample. The individual arrangements differ by the nature of the detector of this deformation. US Pat. No. 4,265,971 describes a piezoelectric detector that is excited to vibrate by bulk acoustic waves propagating from the primary excitation region. In DE-PS 3224637 a finger transducer is described which receives as a detector acoustic Oborflfichenwellen, which spread around the primary excitation area around on the sample surface. US Pat. No. 4,267,732 uses an acoustic lens customary in sonic microscopy as the detector in the form of a scarfing conductor with a spherical cap and piezoelectric transducer, in the acoustic focus of which is the primary stimulation mode. For geometrical reasons, these arrangements are only effective for acoustic waves with wavelengths of a few millimeters and shorter, ie. H. for sound frequencies from a few hundred kHz onwards. In this frequency range, the efficiency of the photoacoustic effect is so small that, despite irradiation of the sample with intensities up to the Zorstörungsgrenze zoom images of sufficient quality in Bildzeiton not under elnigon minutes can be achieved.

Um den Vorteil des höheren photoakustischen Wirkungsgrades im Schallfrequenzborelch unter 1 MHz ausnutzon zu können, wurde In der US-PS 4123385 die Detektion von Schall mittels Mikrophon In einem abgeschlossenem Gasraum über der Probo beschrieben. Obwohl diese Anordnung eine hohe Empfindlichkeit besitzt, ist sie doch mit dem Nachteil behaftet, daß des Nutzsignal lediglich von don thermischen, nicht abor von don thermoolastischon und elastischen Eigenschaften der Probo abhängt und letztero deshalb mit dliser Anordnung nicht abbildbar sind. Frequenzunabhängig ist die in der Veröffentlichung Dowhurst, R. J.: J. Appl. Phys. 53 (1982) 4064-4071 angegobono Anordnung mit kapazitivem Dotoktor der Objektdeformation. Sio besitzt außerdem don Vorzug der Borührungsfroihoit. Nachteilig wirkt sich aber dio gegenüber der Piozodotektion geringere Empfindlichkeit, bezogen auf glolcho Doformationsamplitude, aus. Ebenfalls berührungslos und frequenzunabhängig erbosen dio Anordnungen nach der JP-PS 68-140637 und der Veröffentlichung Jackson, W. et al.: Appl. Opt. 20 (1981) 1333-1344. Zum Nachwois der Obloktdoformatlon benutzen beide Anordnungen neben dor Prlmärlichtquolle für die Erzielung des photoakuslidchon Effekts elno zweite Lichtquelle, verbunden mit einer weiteren Optik und Einrichtungen zur Llchtdetektlon. In der JP-PS 68-140037 basiert dor Detektor auf der Messung der Lichtinterferenz, in der Anordnung von Jackson, W- et al. auf derIn order to exploit the advantage of the higher photoacoustic efficiency in the Schallfrequenzborelch below 1 MHz, the detection of sound by means of microphone In a closed gas space above the Probo was described in US-PS 4,123,385. Although this arrangement has a high sensitivity, yet it has the disadvantage that the useful signal depends only on don thermal, not abor don thermoolastischon and elastic properties of the Probo and the latter therefore are not imbildler with dliser arrangement. Frequency independent is that in the publication Dowhurst, R. J .: J. Appl. Phys. 53 (1982) 4064-4071 angegobono arrangement with capacitive Dotoktor the object deformation. Sio also has the privilege of bribery. However, disadvantageous is the fact that, compared to the piozototection, the lower sensitivity, based on the glologic doformation amplitude, is detrimental to dio. Also contactless and independent of frequency erbosen dio arrangements according to JP-PS 68-140637 and the publication Jackson, W. et al .: Appl. Opt. 20 (1981) 1333-1344. For Nachwois the Obloktdoformatlon use both arrangements in addition to the Prlmärlichtquolle for achieving the photoakuslidchon effect elno second light source, connected to a further optics and devices for Llchtdetektlon. In JP-PS 68-140037, the detector is based on the measurement of light interference, in the arrangement of Jackson, W et al. on the

Messung der Lichtablenkung. Obwohl mit beiden Anordnungen eine empfindliche Detektion möglich ist, wirkt sich der relativ komplizierte optische Aufbau des Detektorsystems negativ auf die StabilitSt der Bildregistrierung aus. Stabil, empfindlich und für den Frequenzbereich unter 1 MHz geeignet ist die Anordnung mit aufgeklebtem Piezodetektor von Jackson, W., Amer, N. M.: J. Appl. Phye. BI (1980) 3343-3353. Der Detektor weist die radiale Deformetlon der Probe nach. Da diese Anordnung nur für spektroskopische, nicht aber für mikroskopische Zwecke vorgesehen ist, enthSlt sie keine Rastereinrichtung. Der eigentliche Nachteil der Anordnung hinsichtlich einer zerstörungsfreien mikroskopischen photoakustischen Inspektion besteht jedoch in der starren Klebeverbindung zwischen Probe und Detektor.Measurement of light deflection. Although sensitive detection is possible with both arrangements, the relatively complicated optical design of the detector system adversely affects the stability of image registration. Stable, sensitive and suitable for the frequency range below 1 MHz, the arrangement with a bonded piezoelectric detector by Jackson, W., Amer, N.M .: J. Appl. Phye. BI (1980) 3343-3353. The detector detects the radial deformation of the sample. Since this arrangement is intended only for spectroscopic, but not for microscopic purposes, it contains no raster device. The actual disadvantage of the arrangement with regard to a non-destructive microscopic photoacoustic inspection, however, is the rigid adhesive bond between sample and detector.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, die Einsatzbereitschaft von Laserrasvermikroskopen durch die Entwicklung einer Anordnung zur schnellen zerstörungsfreien Abbildung von Strukturen im Matorialinneren auf der Basis des photoakustischen Effektes zu erweitern.The aim of the invention is to expand the operational readiness of Laserrasvermikroskopen by developing a device for rapid non-destructive imaging of structures in Matorialinneren on the basis of the photoacoustic effect.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für ein verbessertes photoakustisches Lichtrastermk.oskop zu entwickeln, das bei kurzen Bildaufnahmezeiten und weitgehender Unempfindlichkeit gegen äußere Störungen sowie vertretbarer Probenbelastung Abbildungen mechanischer und thermischer Objektstrukturen tuch en undurchsichtigen Materialien mit mikroskopischer Auflösung liefert.The invention has for its object to develop an arrangement for an improved photoacoustic Lichtrastermk.oskop that provides short imaging times and extensive insensitivity to external disturbances and acceptable sample loading images of mechanical and thermal object structures cloth opaque materials with microscopic resolution.

Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zur mikroskopischen Abbildung thermischer und thermoelastlscher Objektstrukturen, bestehend aus einer Quelle sichtbaren, infraroten oder ultravioletten Lichts 1, einer Optik 2 zur Führung des Lichtbündels und zur Erzeugung eines mikroskopischen ßrennflecks auf der Probe 3, einer Einrichtung 4 zur Steuerung der im jeweils bestrahlten Probenpunkt ankommenden Lichtleistung, einer Rastereinrichtung 5a, 5b zur Herbeiführung einer systematischen Relativbewegung zwischen Brennfleckund Probe, einem Aufnehmer der durch veränderliche Bestrahlung in det Probe erzeugten mechanischen Schwingungen, Mitteln zur elektronischen Signalverstärkung, einer Signalverarbeitung 6 und einer Bildwiedergabeeinrichtung 7 zur bildlichen Darstellung des von der Signalverarbeitung sequentiell abgegebenen Signals gelöst, wobei erfindungsgemäß als Aufnehmer der mechanischen Schwingungen der Probe ein piezoelektrischer Blegewandltr 8 enthalten Ist, der sich in akustischem Kontakt mit der Probe befindet, und Probe und Biegewandler gemeinsam suf einem schnellbeweglichen Probentisch 9 in einer Schallisolationskammer 10 angeordnet sind.This object is achieved by an arrangement for the microscopic imaging of thermal and thermoelastic object structures, consisting of a source of visible, infrared or ultraviolet light 1, an optical system 2 for guiding the light beam and for producing a microscopic spot on the sample 3, a device 4 for controlling the in the respectively irradiated sample point incoming light power, a raster device 5a, 5b for bringing about a systematic relative movement between focal spot and sample, a pickup of the generated by variable irradiation in det sample mechanical vibrations, means for electronic signal amplification, a signal processing 6 and an image display device 7 for the visual representation of solved by the signal processing sequentially emitted signal, according to the invention as a pickup of the mechanical vibrations of the sample a piezoelectric Blegewandltr 8 is included, which is in acoustic m contact with the sample is located, and sample and bending transducer together suf a fast moving sample stage 9 in a sound isolation chamber 10 are arranged.

In den schnellbeweglichen Probentisch 9 kann vorteilhafterweise ein elektronischer Vorverstärker 11 eingebaut sein. Mit Vorteil können auf dem Lichteintrittsfenster 12 dor Schallisolationskammer 10 zwei teiltransparente Lichtdetektoren 13a und 13b aufgebracht sein.Advantageously, an electronic preamplifier 11 can be installed in the fast-moving sample stage 9. Advantageously, two partially transparent light detectors 13a and 13b can be applied to the light entry window 12 of the sound insulation chamber 10.

Die Anordnung kann vorteilhafterweise einen starren Probentisch und eine Strahlablenkeinrichtung enthalten. Das von der Lichtquelle 1 ausgesandte und von der Optik 2 auf die Probe 3 fokussierte Licht wird durch die Einrichtung 4 zur Steuerung der Lichtleistung moduliert und löst innerhalb dor Probe den photoakustischen Effekt aus, der darin besteht, daß ein bestrahlter Probenpunkt, in dem die absorbierte Lichtmenge zeltlichen Schwankungen unterworfen ist, eine Quelle mechanischer Schwingungen darstellt, die sich unter günstigen Umständen als akustische Wellen in der Probe ausbreiten. Amplitude und Phase der angeregten Schwingungen bilden das photoakustische Signal, das in komplexer Welse vom lokalen optischen Absorptionsvermögen, von spezifischer Wärme, Dichte, Wärmeleitfähigkeit, thermischem Ausdehnungskoeffizienten und Elastizitätsmodul der untersuchten Objektstruktur abhängt.The arrangement may advantageously include a rigid sample table and a beam deflector. The light emitted by the light source 1 and focused by the optics 2 onto the sample 3 is modulated by the means 4 for controlling the light output and triggers within the sample the photoacoustic effect consisting in that an irradiated sample point in which the absorbed Light quantity is subject to variations in frequency, a source of mechanical vibrations that propagate under favorable circumstances as acoustic waves in the sample. The amplitude and phase of the excited vibrations form the photoacoustic signal, which in complex catfish depends on the local optical absorption capacity, specific heat, density, thermal conductivity, thermal expansion coefficient and modulus of elasticity of the object structure investigated.

Zweckmäßig ist der Einsatz eines Lasers als Lichtquelle 1 sowie die wahlweise Benutzung eines akustooptischen Modulators, olner elektrooptischen Zelle oder eines mechanischen Zerhackers als Finrichtung 4 zur Steuerung der Lichtleistung. Die Rastereinrichtung 5 a, 5b z. B. in Gestalt von Strahlscannern oder eines mechanischen x-y-Antriebssystems bewirkt, daß das erzeugte photoakustische Signal sequentiell für alle Punkte aus dem untersuchten Objektboreich die erwünschte Information über die lokalen thermischen oder thermoelastlschon Probeeigenschaften liefert. Der piezoelektrische Biegewandler 8 in Gestalt eines piezokeramischen Bimorphs oder Unimorphs nimmt die mechanischen Schwingungen der Probe über ein akustisches Koppelmedium auf und verwandelt sie in ein proportionales elektrisches Signal. Der elektronische Vorverstärker 11 verstärkt dieses Signal. Durch elektrische Durchführungen in der Wand der Schallisolationskammer, die den Luftschall vom Biegewandler fernhält, gelangt es auf den Eingang der Signalverarbeitung 6, die der Erhöhung des Signal-Rausch-Abstandes dient und zweckmäßig als Heterodyn-Lock-in-Verstärker ausgeführt Ist. Dabei wird das interne Oszillatorsignal des Lock-ln-Verstärkers als Referenzsignal benutzt, um die E' ichtung 4 zur Steuerung der Lichtleistung phasenrichtig anzusteuern. Zur Darstellung der thermischen und thermoelastischen Objektstruktur wird das Ausgangssignal der Signalverarbeitung die aus dem komplexen Eingangssignal separierten Größen Amplitude, Phase oder eine andere daraus abgeleitete Größe auf den Eingang der Bildwiedergaboeinrlchtung 7 gegeben, deren x-y-Ablenkung synchron mit der Rastereinrichtung läuft. Die für eine schnelle Bildgewinnung erforderliche schnelle Abtastung in Zeilenrichtung wird durch den schnellbeweglichen Probentisch 9 realisiert, der sich innethalb der Schallisolationskammer 10 befindet und wegon der notwondigorwoise geringen Eigenmasse aus leichtem Material besteht und nur den Biegewandler, die Probe und don Vorverstärker trägt. Sein schneller Antrieb 5b ist z.B. als elektrodynamisches Tauchspulsystem ausgeführt.The use of a laser as the light source 1 and the optional use of an acousto-optic modulator, an electro-optical cell or a mechanical chopper as a fining 4 for controlling the light output is expedient. The raster device 5 a, 5 b z. B. in the form of beam scanners or a mechanical x-y drive system causes the generated photoacoustic signal sequentially supplies the desired information about the local thermal or thermoelastlschon sample properties for all points from the examined object. The piezoelectric bending transducer 8 in the form of a piezoceramic bimorph or unimorph absorbs the mechanical vibrations of the sample via an acoustic coupling medium and converts them into a proportional electrical signal. The electronic preamplifier 11 amplifies this signal. By electrical feedthroughs in the wall of the sound insulation chamber, which keeps the airborne sound from the bending transducer, it reaches the input of the signal processor 6, which serves to increase the signal-to-noise ratio and is expediently designed as a heterodyne lock-in amplifier. In this case, the internal oscillator signal of the lock-in amplifier is used as a reference signal in order to control the E 'direction 4 to control the light output in the correct phase. To display the thermal and thermoelastic object structure, the output signal of the signal processing is separated from the complex input signal amplitude, phase or other derived variable to the input of the Bildwiedergaboeinrlchtung 7, the x-y deflection is synchronous with the raster device. The fast scanning in the line direction required for fast image acquisition is realized by the fast moving sample stage 9, which is located within the sound isolation chamber 10 and wegon the notwondigorwoise low net mass of lightweight material and carries only the bending transducer, the sample and don preamplifier. Its fast drive 5b is e.g. designed as an electrodynamic immersion coil system.

LJnoarkombinationon von oingostrahltor Lichtleistung und an der Probe roflektierter und/oder diffus gestreuter Lichtleistung. Die elektronische Rogolung 14 verarbeitet die Signale der Lichtdetoktoron 13 a und 13 b und rogolt übor dlo Leistungsstufe 15 die mittlere auf dor Probe ankommende Lichtleistung so nach, daß Im jeweils bestrahlten Probenpunkt die absorbierte Lichtleistung unabhängig vom lokalen Absorptlonsvormögon gemäß einem vorgegebenen Sollwert konstantgehalten wird. ^v LJnoarkombinationon of oingostrahltor light output and on the sample roflektierter and / or diffused light output. The electronic Rogolung 14 processes the signals of the Lichtdetoktoron 13 a and 13 b and rogolt übor dlo power level 15, the average on dor sample incoming light power so that in each irradiated sample point, the absorbed light power is kept constant regardless of the local Absorptlonsvormögon according to a predetermined setpoint. ^v

Der Wirkungsgrad des photoakustischen Effekts ist mit typischen Werten von 10~'° extrem gering, wobei eine umgekehrte Proportionalität zur Modulationsfrequenz beobachtet wird. Um in hinreichend kurzer Zeit ein photoakuotlsches Bild mikroskopischer Auflösung zi· erzielen, sind daher folgende Voraussetzungen nötig:The efficiency of the photoacoustic effect is extremely low with typical values of 10 ~ '°, whereby a reverse proportionality to the modulation frequency is observed. In order to obtain a photoacoustic image of microscopic resolution in a sufficiently short time, the following prerequisites are therefore necessary:

Die In dem durch die Optik erzeugten mikroskopischen Brennfleck konzentrierte Lichtleistung soll möglichst groß sein, ohne daß jedoch bereits eine Zerstörung der Probe in Form von Verdampfung, Aufschmelzen, Ablösung, Zersetzung o. ä. eintritt. Die Modulationsfrequenz des Lichts soll einerseits möglichst niedrig sein, um einen relativ hohen photoakustischen Wirkungsgrad zu erzielen, andererseits aber hinreichend groß sein, damit während der Verweildauer des Brennflack* in jedem Probenpunkt des untersuchten Bereichs mindestens eine volle Modulationsperiode durchlaufen wird. Das Nutzsignal ist mit einem hinreichend großem Rausch- und Störgeräuschabstand bei möglichst hoher Bandbreite zu gewinnen. Für mindestens eine der zwei Richtungen des Bildrasters muß ein schneller Bewegungsmechanismus vorhanden sein.The light power concentrated in the microscopic focal spot produced by the optics should be as large as possible, but without destruction of the sample already taking place in the form of evaporation, melting, detachment, decomposition or the like. On the one hand, the modulation frequency of the light should be as low as possible in order to achieve a relatively high photoacoustic efficiency, but on the other hand should be sufficiently large so that at least one full modulation period is passed through in each sample point of the examined region during the residence time of the firing flare. The useful signal is to win with a sufficiently large noise and noise ratio at the highest possible bandwidth. For at least one of the two directions of the image grid, a fast movement mechanism must be present.

Die erfindungsgemäße Anordnung erfüllt diese Voraussetzungen, weil die in der Probe bei feinfokussierter Bestrahlung bevorzugt angeregten Biegeschwingungen bei guter akustischer Kopplung z.B. mittels Wasser oder Fett sehr effizient auf den Biegewandler übertragen werden, dieser Biegewandler bei Abmessungen von einigen mm Durchmesser und einigen Zehntel mm Dicke Eigenfrequenzen im Bereich von etwa 1 kHz bis etwa 10OkHz aufweist, durch die Schallisolationskammer dio unerwünschte Einkopplung von Störgeräuschen durch Luftschall wesentlich gemindert wird, durch die Leichtbauweise und straffe Aufhängung des Probentisches dessen mechanische Eigenfrequenzen zwischen 50 und 100Hz eingestellt werden, wodurch einerseits eine hinreichend schnelle Abtastung in Zeilenrichtung erfolgen kann, andererseits ein genügend großer Abstand zur Eigenfrequenz des Biegewandlers gegeben ist. Durch die Anordngng des elektronischen VorverstQrkers auf dem Probentisch erfolgt eine vollkommen abgeschirmte unbewegliche elektrische Verbindung des Vorverstärkereingangs mit den Elektroden des Biegewandlers, wodurch der Vorverstärkereingang frei von elektrischen Einstreuungen und Schwankungen der Leitungskapazität ist und durch die Anordnung der zwei Lichtdetektoren zur Messung von eingestrahlter und reflektierter Lichtleistung wenige mm über der Probe die Messung über fast den gesamten Halbraum über der Probe erfolgt, womit das Ziel dieser Messung, nämlich die Konstanthaltung der absorbierten Lichtleistung unabhängig vom lokalen Absorptionsvermögen, mit größtmöglicher Präzision eingehalten wird, wodurch es ermöglicht wird, über den gesamten untersuchten Probenbereich hinweg mit der maximal zulässigen eingestrahtlen Lichtleistung unterhalb der Zerstörungsschwelle zu arbeiten. Die beschriebene Anordnung weist gegenüber den bekannten Anordnungen den Vorteil der höheren Nachweisempfindlichkeit des photoakustischen Signals auf und zwar 1 pm Schwingungsamplitude bei 1 kHz Bandbreite. Infolge des größeren Rausch· und StÖrsignalabstandes können Abbildungen thermischer und thermoelastischer Objektstrukturen in verkürzter Zeit, z. B. In 10s bei 10Ox 100 Bildpunkte mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von 100:1 erzielt werden.The arrangement according to the invention fulfills these prerequisites, because the bending vibrations preferably excited in the sample under finely focused irradiation with good acoustic coupling e.g. has very efficiently transferred to the bending transducer by means of water or fat, this bending transducer has dimensions of a few mm in diameter and a few tenths mm thickness natural frequencies in the range of about 1 kHz to about 10OkHz, is significantly reduced by the sound insulation chamber dio unwanted coupling of noise by airborne sound , Adjusted by the lightweight construction and tight suspension of the sample table whose mechanical natural frequencies between 50 and 100Hz, which on the one hand can be done sufficiently fast scanning in the row direction, on the other hand given a sufficiently large distance to the natural frequency of the bending transducer. By arranging the electronic pre-amplifier on the sample table, a completely shielded immovable electrical connection of the preamplifier input to the electrodes of the bending transducer occurs, whereby the preamplifier input is free of electrical interference and line capacitance variations and by the arrangement of the two light detectors for measurement of incident and reflected light output a few millimeters above the sample, the measurement is made over almost the entire half-space above the sample, thus maintaining the goal of this measurement, namely keeping the absorbed light power constant independent of local absorbance, with the greatest possible precision, thereby enabling it to be present over the entire sample range examined to work with the maximum allowed wired light output below the destruction threshold. The arrangement described has the advantage over the known arrangements of the higher detection sensitivity of the photoacoustic signal, namely 1 pm oscillation amplitude at 1 kHz bandwidth. As a result of the greater noise and interference signal spacing, images of thermal and thermoelastic object structures can be reduced in a shortened time, e.g. B. In 10s at 10Ox 100 pixels with a signal-to-noise ratio of 100: 1 can be achieved.

Von Verteil Ist weiterhin, daß die Probe dabei weder bis über ihre Zerstörungsgrenze hinaus belastet noch durch die Art der Ankopplung an den Detektor einer Beschädigung ausgesetzt wird.From Verteil Furthermore it is the case that the sample is neither loaded beyond its destructive limit nor exposed to damage by the type of coupling to the detector.

Ausfuhrungsbolsplel

\r. der zugehöriger! Zeichnung!«! die «rfinrlunnsgamäße Anordnung dargestellt. \ r. the associated! Drawing!"! showing the arrangement according to the invention.

Als Lichtquelle 1 dient ein He-No-Laser mit einer Ausgangsleistung von 5OmW. Den Grundaufbau der Optik 2 bildet ein Auflichtmikroskop, das mit einem LD-Objektiv mit den Werten 1 β χ/0,20 <»/2·Α versehen ist. Es erzeugt im Abstand von 16mm vor seiner Lichtaustrittsfläche einen Brennfleck von s 2 pm Durchmesser auf der Probe 3. Um die Objektivapertur voll auszuleuchten, befindet sich als Teil der Optik zwischen Laser und Auflichtmikroskop ein Strahlaufweitungssystem mit 3facher Aufweitung. Die Einrichtung 4 zur Lichtintensitätssteuerung wird durch einen akustooptischen Modulator realisiert, hinter dem eine Blende angeordnet ist. Der akustooptische Modulator wird durch eine Leistungsstufe 15 mit einer amplitudenmodulierten HF· Spannung versorgt. Die Frequenz dieser Modulation kann frei gewählt werden. Sie muß im empfindlichen Bereich des Blegewandleri 8 liegen und kann zur Erzielung der maximalen Signalhöhe auf die Grundresonanz des Biegewandlers abgestimmt werden. Die Amplitude der Modulation wird von der Regelung 14 eingestellt. Den Ausgang des akustooptischen Modulators verlassen im Zweistrahlfall der ungebeugte Strahl und ein Strahl der ersten Beugungsordnung. Von der Blende wird nur der gebeugte Strahl durchgelassen, da nur dieser voll durchmoduliert ist und deshalb die Probe nicht unnötig durch einen Gleichanteil der Lichtleistung belastet wird.The light source 1 is a He-No laser with an output power of 5OmW. The basic structure of the optics 2 forms a reflected-light microscope, which is provided with an LD lens with the values 1 β χ / 0.20 <»/ 2 · Α. It generates a focal spot of s 2 pm diameter on the sample at a distance of 16 mm in front of its light exit surface. To fully illuminate the objective aperture, a beam widening system with a 3-fold widening is located as part of the optics between the laser and reflected light microscope. The device 4 for light intensity control is realized by an acousto-optical modulator, behind which a diaphragm is arranged. The acousto-optic modulator is supplied with an amplitude-modulated HF voltage by a power stage 15. The frequency of this modulation can be freely selected. It must lie in the sensitive area of the Bleoderleri 8 and can be tuned to achieve the maximum signal level to the basic resonance of the bending transducer. The amplitude of the modulation is set by the controller 14. The output of the acousto-optic modulator leave in the two-beam case, the undiffracted beam and a beam of the first diffraction order. Of the aperture, only the diffracted beam is transmitted, since only this is fully modulated and therefore the sample is not unnecessarily burdened by a DC component of the light output.

Außordem ist bei linearer Aussteuerung der Mittelwert der gebeugten Lichtleistung der elektrischen Modulationsamplitude am akustooptischen Modulator direkt proportional. Die Rastereinrichtung 5 besteht aus einem langsamen Antrieb 6a und einem schnellen Antrieb 5b. Der langsame Antrieb 5a sitzt als schrittmotorgetriebener eindimensionaler Translationstisch auf der parallel zur optischen Achse des Objektivs beweglichen Schwalbenschwanzführung des Auflichtmikroskops. Auf dem Translstlonstlsch Ist die Schalllsolatlonskammer 10 befestigt, die aus einem Aluminiumgehäuse mit elektrischen Durchführungen, mechanischen Verschraubungen zum Spannen der Aufhängung des Probentisches 9 und einer Befestigung für einon Lautsprechermagneten als YeII des schnellen Antriebs 6b besteht. Fernerhin enthält die Schallisolationskammer das Lichteintrittefenster 12, dessen Abmessungen so ausgelegt sind, dcß seine mechanische Eigenresonanz mit 6OkHz weit oberhalb der Resonanz des Biegewandlers liegt, wobei die Glasdicke den für den Korrektionszustand des LD-Objektivs erforderlichen Wert von 2 mm einhält. Zur vollständigen Abschirmung des äußeren Luftschalls sind alle Öffnungen dicht verschlossen, das zum Probenwechsol abnehmbare Oberteil der Schallisolationskammer, in dem sich auch das Lichteintrittsfenster befindet, ist mit Dichtflächen versehen. Der schnelle Antrieb 5b wird durch eine Tauchspule realisiert, die an dem aus Leiterplattenmaterial bestehenden Probontisch 9 befestigt ist und die je nach Stärko und Richtung dos errogenden Stromflusses mehr oder weniger in den Spalt des Lautsprochermagneton hineingezogen wird. Die erforderliche Gegenkraft wird von 3 Saiten aufgebracht, an denen der Probentisch elastisch aufgehängt ist, wobei je nach Saitonspannung Elgonfroquenzen des Tische oberhalb 60Hz einstellbar sind. Zur Positionsmoldung sind am Lautsprochermagneten weitero Eloktrodon bofostigt, dio gemo'nsam mit einem Abschnitt des Loitorplattenmatorlals dos Probontisches den Kondensator eines kapazitlvon Wegaufnehmers 16 bilden. Auf dem Probontisch bofostigt Ist elno Halterung, in dor dor Biogowandlor oingospannt ist. Dio Haltorung ist für vorschiodenoIn addition, with linear modulation, the mean value of the diffracted light power is directly proportional to the electrical modulation amplitude at the acousto-optic modulator. The raster device 5 consists of a slow drive 6a and a fast drive 5b. The slow drive 5a sits as a stepper motor driven one-dimensional translation table on the parallel to the optical axis of the lens movable dovetail guide of the reflected light microscope. On the translational plate is mounted the sonic dissolver chamber 10, which consists of an aluminum housing with electrical feedthroughs, mechanical fittings for tensioning the suspension of the sample table 9 and a mounting for a loudspeaker magnet as YeII of the fast drive 6b. Furthermore, the sound isolation chamber includes the light entrance window 12, whose dimensions are designed so that its mechanical resonance at 6OkHz is far above the resonance of the bending transducer, wherein the glass thickness maintains the required value of 2 mm for the correction state of the LD objective. For complete shielding of the outer airborne sound, all openings are tightly sealed, the upper part of the soundproofing chamber, which can be removed for sample replacement, in which the light entry window is located, is provided with sealing surfaces. The fast drive 5b is realized by a plunger coil, which is attached to the consisting of printed circuit board material Probontisch 9 and depending on the strength and direction dos errogenden current flow is more or less drawn into the gap of the Lautsprochermagneton. The required counterforce is applied by 3 strings, on which the sample table is suspended elastically, whereby, depending on the Saitonspannung Elgonfroquenzen of the tables are adjustable above 60Hz. For solemnization of position, electrosounding is also carried out on the loudspeaker magnet, which, together with a section of the filter plate mixer, forms the condenser of a capacitive transducer 16. On the probation table is bofostigt elno bracket, in which dor biogowandlor oingospannt is. Dio Haltorung is for vorschiodeno

Wandlerdurchmesser ausgelegt, so daß es möglich ist, Biegewandler mit Resonanzfrequenzen zwischen 3kHz und SOkHz einzusetzen. Als Biegewandler kommen unimorphe oder bimorphe piezokeramische Wandler zur Anwendung. Die Probe 3 liegt auf dem Biegewandler auf. Sie wird nicht starr mit dem Wandjer verschraubt oder verspannt und auch nicht fest aufgeklebt, sondern nur durch ein Koppelmedium wie Wasser, Fett oder Öl mit dem Wandler akustisch verbunden. Sie wird lediglich durch einen Teil der Halterung des Biegewandlers gegen seitliches Verrutschen beim schnellen Rastern gesichert. Auf der dem Biegewandler abgewandten Seite des Probentischs befindet sich der Vorverstärker des vom Biegewandler abgenommenen Signals. Die Mauelemente des Vorverstärkers sind entsprechend ihrer Verschaltung direkt auf dem den Probentisch bildenden Leiterplattenmaterial aufgelötet. Die elektrischen Verbindungen sind so ausgelegt, daß die der Probe zugewandte Elektrode des Biegewandlere, die Haltorung des Biegewandlers und das Gehäuse des Vorverstärkers eine geschlossene elektrische Abschirmung bilden, die den Nutzsignalpfad von der inneren Elektrode des Biegewandlers zum Vorverstärkereingang umgibt. Das Ausgangssignal des Vorverstärkers wird an den Signaleingang eines Heterodyn-Lock-in-Verstärkers gelegt, von dessen Oszillatorausgang die Frequenz zur Ansteuerung des akustooptischen Modulators abgenommen wird. Der Ausgang des Lock-in-Verstärkers ist mit dem Signaleingang eines Bildwiedergabegerätes verbunden, dessen schnelle Ablenkrichtung vom Signal des Wegaufnehmers gesteuert wird und dessen langsame Ablenkrichtung synchron mit dem schrhtrnotorgestouerten langsamer! Antrieb Sa läuft.Designed converter diameter, so that it is possible to use bending transducers with resonant frequencies between 3kHz and SOkHz. As bending transducers, unimorph or bimorph piezoceramic transducers are used. The sample 3 rests on the bending transducer. It is not rigidly bolted to the Wandjer or braced and not stuck firmly, but only acoustically connected by a coupling medium such as water, grease or oil with the transducer. It is only secured by a portion of the bracket of the bending transducer against lateral slippage during rapid scanning. On the side facing away from the bending transducer of the sample table is the preamplifier removed from the bending transducer signal. The Mauelemente of the preamplifier are soldered according to their interconnection directly on the sample table forming circuit board material. The electrical connections are designed so that the sample facing electrode of the bending transducer, the Haltorung of the bending transducer and the housing of the preamplifier form a closed electrical shield surrounding the Nutzsignalpfad from the inner electrode of the bending transducer to the preamplifier input. The output signal of the preamplifier is applied to the signal input of a heterodyne lock-in amplifier, from whose oscillator output the frequency for driving the acousto-optic modulator is removed. The output of the lock-in amplifier is connected to the signal input of a picture display device, whose fast deflection direction is controlled by the signal of the transducer and whose slow deflection direction synchronously with the Schrhtrnotorgestouerten slower! Drive Sa is running.

Entsprechend der mechanischen Eigenfrequenz des Probentisches kann die Bildwiedergabe ο., line mit Zeilenfrequenzen bis zu 100Hz erfolgen, da für die Signalaufnahme sowohl Hin· als auch Rückweg desTischlaufs bei sinusförmiger Ansteuerung genutzt werden können, in den Umkehrpunkten wird dabei zweckmäßigerweise dunkelgetastet. Auf dem Lichteintrittsfenster der Schallisolationskammer befinden sich zwei Lichtdetektoren in Gestalt von Halbleiterphotodioden mit Zinnoxidelektroden, ausgeführt als teiltransparente Beschichtung. Der Abstand zur Probe beträgt etwa 2 mm. Bei einem Durchmesser der empfindlichen Fläche der Lichtdetektoren von 10 mm wird von beiden nahezu das gesamte reflektierte und diffus an der Probenoberfläche gestreute Licht gemessen. Ebenso wird das Primärlicht, das die Lichtdetektoren durchsetzt und auf die Probe trifft, ohne weitere Verluste an anderen Grenzflächen gemessen. Dia Signale der beiden Lichtdetektoren werden von der Regelung 14 erfaßt und zur Konstanthaltung der von der Probe absorbierten Lichtleistung benutzt, indem das Ausgangssignal der Regelung die Modulationsamplitude des akustooptischen Modulators auf die erforderliche Höhe einstellt.Corresponding to the mechanical natural frequency of the sample table, the image reproduction can be carried out with line frequencies of up to 100 Hz, since both the outward and the backward travel of the table run can be used for the signal recording in the case of sinusoidal control; in the reversal points it is expediently blanked. On the light entrance window of the sound insulation chamber are two light detectors in the form of semiconductor photodiodes with tin oxide electrodes, designed as a partially transparent coating. The distance to the sample is about 2 mm. With a diameter of the sensitive area of the light detectors of 10 mm, almost all of the light reflected and diffusely diffused at the sample surface is measured by both. Likewise, the primary light that passes through the light detectors and hits the sample is measured without any loss at other interfaces. Dia signals of the two light detectors are detected by the controller 14 and used to keep constant the light power absorbed by the sample by the output signal of the controller adjusts the modulation amplitude of the acousto-optic modulator to the required height.

Mit der beschriebenen Anordnung wird bei einer Laserausgangsleistung von 50 mW und der Laserwellenlänge von 633 nm, einer Modulationsfrequenz von 5kHz und einer Amplitude der auf die Probe auftreffenden Lichtleistung von 8mW im Biegewandler ein Signal von 10OpV erzielt, wobei bei einer Detektionsbandbreite von 1 kHz ein Signal-Rausch-Verhältnis von 100:1 erreicht wird. Damit läßt sich unter Ausnutzung der mechanisch zulässigen Zeilenfrequenzen ein hinreichend rauschfreies Bild von 100 x 100 Bildpunkten in etwa 10s aufnehmen und on-line darstellen.With the described arrangement, a signal of 10OpV is achieved at a laser output power of 50 mW and the laser wavelength of 633 nm, a modulation frequency of 5 kHz and an amplitude of incident on the sample light power of 8mW in the bending transducer, wherein at a detection bandwidth of 1 kHz a signal Noise ratio of 100: 1 is achieved. This makes it possible, taking advantage of the mechanically permissible line frequencies, to record a sufficiently noise-free image of 100 × 100 pixels in approximately 10 seconds and display them on-line.

Claims

1. Arrangement for the microscopic imaging of thermal and thermoelastic object structures, consisting of a source of visible, infrared or ultraviolet light (1), an optical system (2) for guiding the light beam and for producing a microscopic focal spot on the sample (3) Device (4) for controlling the light output arriving in each irradiated sample point, a Rasloreinrichtung (5a, 5b) for bringing about a systematic relative movement between the focal spot and! Sample, a transducer of the mechanical vibrations generated by variable irradiation in the sample, means for electronic signal amplification, signal processing (6) and image display means (7) for imaging the signal sequentially output from the signal processing, characterized in that the mechanical Vibrations of the sample a piezoelectric bending transducer (8) is included, which is in acoustic contact with the sample, and that sample and bending transducers together on a fast moving sample table (9) in a Schallisolatiunifkammer (10) are arranged.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that in the fast moving sample stage (9), a preamplifier (11) is installed.

3. Arrangement according to claim!, Characterized in that on the light entrance window (12) of the sound insulation chamber (Ί0) two partially transparent light detectors (13a, 13b) are applied.

4. Arrangement according to claim 1, characterized in that a rigid sample table and a beam deflector are included.