DE3925312A1

DE3925312A1 - Microscopic imaging appts. for thermal and thermo-elastic structure - has piezoelectrical flexural transducer detecting mechanical vibrations caused by light variations

Info

Publication number: DE3925312A1
Application number: DE19893925312
Authority: DE
Inventors: Jochen Dipl Phys Dr Re Barthel; Juergen Dipl Phys Landgraf; Gerd Dipl Phys Matalla
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1988-10-03
Filing date: 1989-07-31
Publication date: 1990-04-05
Also published as: DD275926A1

Abstract

The arrangement consists of a source (1) of visbile, visible, i.r. or u.v. light, a lens (2) for producing a microscopic light spot on the specimen, a light intensity controller (4), a scanner (5a,5b), a detector of the mechanical vibrations of the specimen caused by the varying illumination, an electronic amplifier, a signal processor and an image reproduction device. The detector of the mechanical vibrations is a piezo-electric flexural transducer (8) placed in acoustic contact with the specimen. The specimen and the flexural transducer are mounted together on a rapidly moving specimen table (9) in a sound insulating chamber (10). ADVANTAGE - Range of applications of laser scanning microscopes is expanded by developing arrangement for rapid, non-destructive imaging of structures inside material using the photo-acoustic effect.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Realisierung der photoakustischen Rastermikroskopie. Die Anordnung eignet sich zur Materialcharakterisierung und zur zerstörungsfreien Prü fung von Werkstücken hinsichtlich der Parameter, Wärmeleit fähigkeit, spezifische Wärme, Dichte, thermischer Ausdehnungs koeffizient und Elastizitätsmodul. Sie läßt sich mit Vor teil 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 realizing the Photoacoustic scanning microscopy. The arrangement is suitable for material characterization and non-destructive testing of workpieces with regard to parameters, thermal conductivity ability, specific heat, density, thermal expansion coefficient and modulus of elasticity. You can be with Vor part for the investigation of layer systems of the micro and Optoelectronics, of protection, hard material, contact and others Coatings as well as for pores and cracks in the Use material inside in materials technology.

Es sind verschiedene Anordnungen bekannt, die unter Ausnutzung des photoakustischen Effekts die mikroskopische Abbildung thermischer und thermoelastischer Objektstrukturen anstreben. Diese Anordnungen bestehen aus einer Lichtquelle, einer Op tik, einer Rastereinrichtung, eine Einrichtung zur Licht intensitätssteuerung, einer Probe, einem Detektor, einer Signalverarbeitung und einer Bildwiedergabeeinrichtung. Ein fokussierter, intensitätsmodulierter oder gepulster Lichtstrahl tastet die Probe systematisch ab und erzeugt über einige Energieumwandlungsstufen im Primäranregungs gebiet eine veränderliche elastische Deformation der Probe. Die einzelnen Anordnungen unterscheiden sich durch die Beschaffenheit des Detektors dieser Deformation. In der US-PS 42 55 971 wird ein piezoelektrischer Detektor be schrieben, der von akustischen Volumenwellen, die sich vom Primäranregungsgebiet her ausbreiten, zu Dickenschwingungen angeregt wird. In der DE-PS 32 24 637 wird ein Fingerwandler beschrieben, der als Detektor akustische Oberflächenwellen aufnimmt, die sich um das Primäranregungsgebiet herum auf der Probenoberfläche ausbreiten. In der US-PS 42 67 732 wird als Detektor eine in der Schallmikroskopie gebräuchliche akustische Linse in Gestalt eines Schalleiters mit Kugel kalottenschliff und aufgebrachtem piezoelektrischem Wand ler eingesetzt, in deren akustischem Brennpunkt sich das Primäranregungsgebiet befindet. Diese Anordnungen werden aus geometrischen Gründen nur für akustische Wellen mit Wellenlängen von einigen Millimetern und kürzer wirksam, d. h. für Schallfrequenzen von einigen hundert kHz an auf wärts. In diesem Frequenzbereich ist der Wirkungsgrad des photoaktustischen Effekts so klein, daß trotz Bestrahlung der Probe mit Intensitäten bis an die Zerstörungsgrenze heran Abbildungen hinreichender Qualität in Bildzeiten nicht unter einigen Minuten erzielt werden können.Various arrangements are known which are exploited the microscopic image of the photoacoustic effect Aim for thermal and thermoelastic object structures. These arrangements consist of a light source, an op tik, a grid device, a device for light intensity control, a sample, a detector, a Signal processing and an image display device. A focused, intensity-modulated or pulsed The beam of light scans the sample systematically and generates it over some energy conversion stages in primary excitation requires a variable elastic deformation of the sample. The individual arrangements differ in that Condition of the detector of this deformation. In the US-PS 42 55 971 a piezoelectric detector be wrote that of acoustic bulk waves, which differ from the Spread primary excitation area, to thickness vibrations is excited. In DE-PS 32 24 637 is a finger converter described the surface acoustic waves as a detector picks up that around the primary excitation area spread the sample surface. In US-PS 42 67 732 as a detector a common one in sonic microscopy acoustic lens in the form of a sound conductor with ball dome grinding and applied piezoelectric wall used in their acoustic focus Primary excitation area. These arrangements will be for geometric reasons only for acoustic waves Wavelengths of a few millimeters and shorter effective d. H. for sound frequencies of a few hundred kHz is. The efficiency of the photo-acoustic effect so small that despite radiation the sample with intensities up to the destruction limit Picture of sufficient quality in picture times cannot be achieved in a few minutes.

Um den Vorteil des höheren photoakustischen Wirkungsgra des im Schallfrequenzbereich unter 1 MHz ausnutzen zu kön nen, wurde in der US-PS 41 29 385 die Detektion von Schall mittels Mikrophon in einem abgeschlossenen Gasraum über der Probe beschrieben. Obwohl diese Anordnung eine hohe Empfindlichkeit besitzt, ist sie doch mit dem Nachteil be haftet, daß das Nutzsignal lediglich von den thermischen, nicht aber von den thermoelastischen und elastischen Eigen schaften der Probe abhängt und letztere deshalb mit dieser Anordnung nicht abbildbar sind. Frequenzunabhängig ist die in der Veröffentlichung Dewhurst, R. J.: J. Appl. Phys. 53 (1982) 4064-4071 angegebene Anordnung mit kapazitivem De tektor der Objektdeformation. Sie besitzt außerdem den Vor zug der Berührungsfreiheit. Nachteilig wirkt sich aber die gegenüber der Piezodetektion geringere Empfindlichkeit, be zogen auf gleiche Deformationsamplitude, aus. Ebenfalls be rührungslos und frequenzunabhängig arbeiten die Anordnungen nach der JP-PS 58-1 40 637 und der Veröffentlichung Jackson, W. et al.: Appl. Opt. 20 (1981) 1333-1344. Zum Nachweis der Objektdeformation benutzen beide Anordnungen neben der Primärlichtquelle für die Erzielung des photoakustischen Effekts eine zweite Lichtquelle, verbunden mit einer wei teren Optik und Einrichtungen zur Lichtdetektion. In der JP-PS 58-1 40 637 basiert der Detektor auf der Messung der Lichtinterferenz, in der Anordnung von Jackson, W. et al. auf der Messung der Lichtablenkung. Obwohl mit beiden An ordnungen eine empfindliche Detektion möglich ist, wirkt sich der relativ komplizierte optische Aufbau des Detek torsystems negativ auf die Stabilität der Bildregistrie rung aus. Stabil, empfindlich und für den Frequenzbereich unter 1 MHz geeignet ist die Anordnung mit aufgeklebtem Piezodetektor von Jackson, W., Amer, N. M.: Appl. Phys. 51 (1980) 3343-3353. Der Detektor weist die radiale De formation der Probe nach. Da diese Anordnung nur für spektroskopische, nicht aber für mikroskopische Zwecke vorgesehen sind, enthält sie keine Rastereinrichtung. Der eigentliche Nachteil der Anordnung hinsichtlich einer zerstörungsfreien mikroskopischen photoakustischen In spektion besteht jedoch in der starren Klebeverbindung zwischen Probe und Detektor.To take advantage of the higher photoacoustic efficacy of being able to exploit in the sound frequency range below 1 MHz NEN, was the detection of sound in US-PS 41 29 385 using a microphone in a closed gas room of the sample. Although this arrangement is high Has sensitivity, but it has the disadvantage is liable that the useful signal is derived only from the thermal, but not of the thermoelastic and elastic properties depends on the sample and the latter therefore with it The arrangement cannot be mapped. The frequency is independent in the publication Dewhurst, R. J .: J. Appl. Phys. 53 (1982) 4064-4071 specified arrangement with capacitive De tector of object deformation. She also has the front train of freedom of contact. But it has a disadvantage lower sensitivity compared to piezo detection, be moved out to the same deformation amplitude. Also be The arrangements work without contact and independent of frequency according to JP-PS 58-1 40 637 and the publication Jackson, W. et al .: Appl. Opt. 20 (1981) 1333-1344. To prove the Object deformation uses both arrangements next to the Primary light source for achieving the photoacoustic Effect a second light source, connected to a white tter optics and devices for light detection. In the JP-PS 58-1 40 637 the detector is based on the measurement of the Light interference, in the arrangement by Jackson, W. et al. on the measurement of light deflection. Although with both An sensitive detection is possible the relatively complicated optical structure of the Detek torsystems negatively on the stability of the image registration tion. Stable, sensitive and for the frequency range The arrangement with glued on is suitable for less than 1 MHz Piezodetector from Jackson, W., Amer, N. M .: Appl. Phys. 51 (1980) 3343-3353. The detector has the radial De formation of the sample. Since this arrangement is only for spectroscopic, but not for microscopic purposes are provided, it contains no raster device. The actual disadvantage of the arrangement in terms of a non-destructive microscopic photoacoustic in However, inspection consists in the rigid adhesive connection between sample and detector.

Ziel der Erfindung ist es, die Einsatzbreite von Laser rastermikroskopen durch die Entwicklung einer Anordnung zur schnellen zerstörungsfreien Abbildung von Strukturen im Materialinneren auf der Basis des photoakustischen Ef fekts zu erweitern. The aim of the invention is to determine the range of use of lasers scanning microscopes by developing an arrangement for fast, non-destructive imaging of structures inside the material based on the photoacoustic ef expand effectively.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für ein verbessertes photoakustisches Lichtrastermikroskop zu entwickeln, das bei kurzen Bildaufnahmezeiten und weit gehender Unempfindlichkeit gegen äußere Störungen sowie vertretbarer Probenbelastung Abbildungen mechanischer und thermischer Objektstrukturen auch an undurchsichtigen Ma terialien mit mikroskopischer Auflösung liefert.The invention has for its object an arrangement for an improved photoacoustic light scanning microscope to develop that with short image acquisition times and far going insensitivity to external disturbances as well acceptable sample loading illustrations of mechanical and thermal object structures even on opaque dimensions supplies materials with microscopic resolution.

Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zur mikroskopischen Abbildung thermischer und thermoelastischer Objektstruktu ren, bestehend aus einer Quelle sichtbaren, infraroten oder ultravioletten Lichts 1, einer Optik 2 zur Führung des Lichtbündels und zur Erzeugung eines mikroskopischen Brenn flecks auf der Probe 3, einer Einrichtung 4 zur Steuerung der im jeweils bestrahlten Probenpunkt ankommenden Licht leistung, einer Rastereinrichtung 5 a, 5 b zur Herbeiführung einer systematischen Relativbewegung zwischen Brennfleck und Probe, einem Aufnehmer der durch veränderliche Bestrahlung in der Probe erzeugten mechanischen Schwingungen, Mitteln zur elektronischen Signalverstärkung, einer Signalverarbei tung 6 und einer Bildwiedergabeeinrichtung 7 zur bildlichen Darstellung des von der Signalverabeitung sequentiell abge gebenen Signals gelöst, wobei erfindungsgemäß als Aufnehmer der mechanischen Schwingungen der Probe ein piezoelektrischer Biegewandler 8 enthalten ist, der sich in akustischem Kon takt mit der Probe befindet, und Probe und Biegewandler ge meinsam auf einem schnellbeweglichen Probentisch 9 in einer Schallisolationskammer 10 angeordnet sind.This object is achieved by an arrangement for microscopic imaging of thermal and thermoelastic object structures, consisting of a source of visible, infrared or ultraviolet light 1 , optics 2 for guiding the light beam and for producing a microscopic focal spot on the sample 3 , a device 4 for Control of the light power arriving at the respectively irradiated sample point, a raster device 5 a , 5 b for bringing about a systematic relative movement between the focal spot and the sample, a sensor of the mechanical vibrations generated by variable irradiation in the sample, means for electronic signal amplification, signal processing 6 and an image display device 7 for the pictorial representation of the signal sequentially emitted by the signal processing, wherein according to the invention a piezoelectric bending transducer 8 is contained as a sensor of the mechanical vibrations of the sample, which is shown in a kustischen Kon is in contact with the sample, and sample and bending transducer ge are arranged together on a fast-moving sample table 9 in a sound insulation chamber 10 .

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

Die Anordnung kann vorteilhafterweise einen starren Proben tisch und eine Strahlablenkeinrichtung enthalten. The arrangement can advantageously be a rigid sample table and a beam deflector included.

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 inner halb der Probe den photoakustischen Effekt aus, der darin besteht, daß ein bestrahlter Probenpunkt, in dem die absor bierte Lichtmenge zeitlichen Schwankungen unterworfen ist, eine Quelle mechanischer Schwingungen darstellt, die sich unter günstigen Umständen als akustische Wellen in der Pro be ausbreiten. Amplitude und Phase der angeregten Schwin gungen bilden das photoakustische Signal, das in komplexer Weise vom lokalen optischen Absorptionsvermögen, von spe zifischer Wärme, Dichte, Wärmeleitfähigkeit, thermischen Ausdehnungskoeffizienten und Elastizitätsmodul der unter suchten Objektstruktur abhängt.The light emitted by the light source 1 and focused by the optics 2 on the sample 3 is modulated by the device 4 for controlling the light output and triggers the photoacoustic effect within the sample, which consists in that an irradiated sample point in which the absorbed amount of light is subject to temporal fluctuations, represents a source of mechanical vibrations that, under favorable circumstances, propagate as acoustic waves in the sample. The amplitude and phase of the excited vibrations form the photoacoustic signal, which depends in a complex manner on the local optical absorption capacity, on specific heat, density, thermal conductivity, thermal expansion coefficient and modulus of elasticity of the object structure under investigation.

Zweckmäßig ist der Einsatz eines Lasers als Lichtquelle 1 sowie die wahlweise Benutzung eines akustooptischen Modu lators, einer elektrooptischen Zelle oder eines mechani schen Zerhackers als Einrichtung 4 zur Steuerung der Licht leistung.The use of a laser as light source 1 and the optional use of an acousto-optical modulator, an electro-optical cell or a mechanical chopper as a device 4 for controlling the light output are expedient.

Die Rastereinrichtung 5 a, 5 b z. B. in Gestalt von Strahl scannern oder eines mechanischen x-y-Antriebssystems be wirkt, daß das erzeugte photoakustische Signal sequentiell für alle Punkte aus dem untersuchten Objektbereich die er wünschte Information über die lokalen thermischen oder ther moelastischen Probeneigenschaften liefert. Der piezoelek trische Biegewandler 8 in Gestalt eines piezokeramischen Bimorphs oder Unimorphs nimmt die mechanischen Schwingungen der Probe über ein akustisches Koppelmedium auf und ver wandelt sie in ein proportionales elektrisches Signal. Der elektronische Vorverstärker 11 verstärkt dieses Signal. Durch elektrische Durchführungen in der Wand der Schall isolationskammer, die den Luftschall vom Biegewandler fernhält, gelangt es auf den Eingang der Signalverarbei tung 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-in- Verstärkers als Referenzsignal benutzt, um die Einrichtung 4 zur Steuerung der Lichtleistung phasenrichtig anzusteuern. Zur Darstellung der thermischen und thermoelastischen Ob jektstruktur wird als Ausgangssignal der Signalverarbei tung die aus dem komplexen Eingangssignal separierten Größen Amplitude, Phase oder eine andere daraus abgeleite te Größe auf den Eingang der Bildwiedergabeeinrichtung 7 gegeben, deren x-y-Ablenkung synchron mit der Rasterein richtung läuft. Die für eine schnelle Bildgewinnung erfor derliche schnelle Abtastung in Zeilenrichtung wird durch den schnellbeweglichen Probentisch 9 realisiert, der sich innerhalb der Schallisolationskammer 10 befindet und wegen der notwendigerweise geringen Eigenmasse aus leichtem Ma terial besteht und nur den Biegewandler, die Probe und den Vorverstärker trägt. Sein schneller Antrieb 5 b ist z. B. als elektrodynamisches Tauchspulsystem ausgeführt.The grid device 5 a , 5 b z. B. in the form of beam scanners or a mechanical xy drive system be that the generated photoacoustic signal sequentially for all points from the examined object area he provides the desired information about the local thermal or therelastic sample properties. 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 it into a proportional electrical signal. The electronic preamplifier 11 amplifies this signal. Through electrical bushings in the wall of the sound insulation chamber, which keeps the airborne sound away from the bending transducer, it arrives at the input of signal processing 6 , which serves to increase the signal-to-noise ratio and is expediently designed as a heterodyne lock-in amplifier. The internal oscillator signal of the lock-in amplifier is used as the reference signal in order to control the device 4 for controlling the light output in the correct phase. To represent the thermal and thermoelastic object structure, the amplitude, phase or another quantity derived from the complex input signal is given as the output signal of the signal processing to the input of the image display device 7 , the xy deflection of which runs synchronously with the raster device. The fast scanning required in the line direction for fast image acquisition is realized by the fast-moving sample table 9 , which is located within the sound insulation chamber 10 and, because of the necessarily low dead weight, consists of light material and carries only the bending transducer, the sample and the preamplifier. Its fast drive 5 b is such. B. designed as an electrodynamic moving coil system.

Die beiden Lichtdetektoren 13 a und 13 b auf dem Lichtein trittsfenster 12 der Schallisolationskammer messen zwei verschiedene Linearkombinationen von eingestrahlter Licht leistung und an der Probe reflektierter und/oder diffus ge streuter Lichtleistung. Die elektronische Regelung 14 ver arbeitet die Signale der Lichtdetektoren 13 a und 13 b und regelt über die Leistungsstufe 15 die mittlere auf der Probe ankommende Lichtleistung so nach, daß im jeweils be strahlten Probenpunkt die absorbierte Lichtleistung unab hängig vom lokalen Absorptionsvermögen gemäß einem vorge gebenen Sollwert konstantgehalten wird.The two light detectors 13 a and 13 b on the light entry window 12 of the sound insulation chamber measure two different linear combinations of incident light power and light power reflected and / or diffusely scattered on the sample. The electronic control 14 ver processes the signals from the light detectors 13 a and 13 b and regulates the average light output arriving at the sample via the power stage 15 in such a way that the light output absorbed in the respective irradiated sample point is independent of the local absorption capacity according to a predetermined setpoint is kept constant.

Der Wirkungsgrad des photoakustischen Effekts ist mit ty pischen Werten von 10^-10 extrem gering, wobei eine umge kehrte Proportionalität zur Modulationsfrequenz beobachtet wird. Um in hinreichend kurzer Zeit ein photoakustisches Bild mikroskopischer Auflösung zu erzielen, sind daher fol gende Voraussetzungen nötig:The efficiency of the photoacoustic effect is extremely low with typical values of 10 ^-10 , whereby an inverse proportionality to the modulation frequency is observed. In order to obtain a photoacoustic image of microscopic resolution in a sufficiently short time, the following requirements are therefore necessary:

Die in dem durch die Optik erzeugten mikroskopischen Brenn fleck konzentrierte Lichtleistung soll möglichst groß sein, ohne daß jedoch bereits einer Zerstörung der Probe in Form von Verdampfung, Aufschmelzen, Ablösung, Zersetzung o. ä. eintritt.The microscopic focal generated by the optics spot concentrated light output should be as large as possible, without however already destroying the sample in the form of evaporation, melting, detachment, decomposition or the like entry.

Die Modulationsfrequenz des Lichts soll einerseits möglichst niedrig sein, um einen relativ hohen photoakustischen Wir kungsgrad zu erzielen, andererseits aber hinreichend groß sein, damit während der Verweildauer des Brennflecks in jedem Probenpunkt des untersuchten Bereichs mindestens eine volle Modulationsperiode durchlaufen wird.On the one hand, the modulation frequency of the light should be as possible as possible be low to a relatively high photo acoustic level to achieve efficiency, but on the other hand sufficiently large so that during the focal spot stays in at least one for each sample point in the area examined full modulation period.

Das Nutzsignal ist mit einem hinreichend großem Rausch- und Störgeräuschabstand bei möglichst hoher Bandbreite zu ge winnen. Für mindestens eine der zwei Richtungen des Bild rasters muß ein schneller Bewegungsmechanismus vorhanden sein.The useful signal is with a sufficiently large noise and Noise to noise ratio with the widest possible bandwidth win. For at least one of the two directions of the picture raster must have a fast movement mechanism be.

Die erfindungsgemäße Anordnung erfüllt diese Voraussetzungen, weil die in der Probe bei feinfokussierter Bestrahlung be vorzugt 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 ca. 1 kHz bis ca. 100 kHz aufweist, durch die Schallisolationskam mer die unerwünschte Einkopplung von Störgeräuschen durch Luftschall wesentlich gemindert wird, durch die Leichtbau weise und straffe Aufhängung des Probentisches dessen me chanische Eigenfrequenzen zwischen 50 und 100 Hz einge stellt werden, wodurch einerseits eine hinreichend schnelle Abtastung in Zeilenrichtung erfolgen kann, andererseits ein genügend großer Abstand zur Eigenfrequenz des Biege wandlers gegeben ist. Durch die Anordnung des elekroni schen Vorverstärkers auf dem Probentisch erfolgt eine vollkommen abgeschirmte unbewegliche elektrische Verbin dung des Vorverstärkereingangs mit den Elektroden des Biegewandlers, wodurch der Vorverstärkereingang frei von elektrischen Einstreuungen und Schwankungen der Leitungs kapazität ist und durch die Anordnung der zwei Lichtde tektoren 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 Kostanthaltung der absorbierten Lichtleistung unabhängig vom lokalen Absorp tionsvermögen, mit größtmöglicher Präzision eingehalten wird, wodurch es ermöglicht wird, über den gesamten unter suchten Probenbereich hinweg mit der maximal zulässigen eingestrahlten Lichtleistung unterhalb der Zerstörungs schwelle zu arbeiten.The arrangement according to the invention fulfills these requirements, because the be in the sample with finely focused radiation preferably excited bending vibrations with good acoustic Coupling z. B. using water or fat very efficiently the bending transducer are transmitted, this bending transducer with dimensions of a few mm in diameter and a few Tenths of a mm thick Natural frequencies in the range of approx. 1 kHz to about 100 kHz, through the sound insulation came mer the unwanted coupling of noise Airborne noise is significantly reduced by the lightweight construction wise and taut suspension of the sample table of me Chan natural frequencies between 50 and 100 Hz are made, which on the one hand is sufficiently quick Sampling can be done in the row direction, on the other hand a sufficiently large distance from the natural frequency of the bending converter is given. By arranging the elekroni preamplifier on the sample table fully shielded immovable electrical connector of the preamplifier input with the electrodes of the Bending converter, which makes the preamplifier input free of electrical interference and line fluctuations capacity and by the arrangement of the two light ends tectors for measuring irradiated and reflected Light output a few mm above the sample almost the entire half space above the sample takes place, with what the aim of this measurement, namely to maintain the cost of the absorbed light output regardless of the local absorber capacity, adhered to with the greatest possible precision is what makes it possible for the whole under searched the sample area with the maximum permissible radiated light output below the destruction threshold to work.

Die beschriebene Anordnung weist gegenüber den bekannten Anordnungen den Vorteil der höheren Nachweisempfindlich keit des photoakustischen Signals auf und zwar 1 pm Schwingungsamplitude bei 1 kHz Bandbreite. Infolge des größeren Rausch- und Störsignalabstandes können Abbildungen thermischer und thermoplastischer Objektstrukturen in verkürzter Zeit, z. B. in 10 s bei 100 × 100 Bildpunkte mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von 100 : 1 erzielt werden. Von Vorteil ist weiterhin, daß die Probe dabei weder bis über ihre Zerstörungsgrenze hinaus belastet noch durch die Art der Ankopplung an den Detektor einer Beschädigung aus gesetzt wird. The arrangement described has compared to the known Arrangements take advantage of higher detection sensitivity speed of the photoacoustic signal at 1 pm Vibration amplitude at 1 kHz bandwidth. As a result of larger noise-to-noise ratio can be illustrated thermal and thermoplastic object structures in reduced time, e.g. B. in 10 s at 100 × 100 pixels a signal-to-noise ratio of 100: 1 can be achieved. Another advantage is that the sample is neither up to beyond its destruction limit still burdened by the Type of coupling to the detector from damage is set.

In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße An ordnung dargestellt.In the drawing, the invention order shown.

Als Lichtquelle 1 dient ein He-Ne-Laser mit einer Ausgangs leistung von 50 mW. Den Grundaufbau der Optik 2 bildet ein Auflichtmikroskop, das mit einem LD-Objektiv mit den Werten 16x/0,20 ∞ /2-A versehen ist. Es erzeugt im Abstand von 16 mm vor seiner Lichtaustrittsfläche einen Brennfleck von 2 µm Durchmesser auf der Probe 3. Um die Objektivaper tur voll auszuleuchten, befindet sich als Teil der Optik zwischen Laser und Auflichtmikroskop ein Strahlaufweitungs system mit 3facher Aufweitung. Die Einrichtung 4 zur Licht intensitätssteuerung wird durch einen akustooptischen Mo dulator realisiert, hinter dem eine Blende angeordnet ist. Der akustooptische Modulator wird durch eine Leistungs stufe 15 mit einer amplitudenmodulierten HF-Spannung ver sorgt. Die Frequenz dieser Modulation kann frei gewählt werden. Sie muß im empfindlichen Bereich des Biegewandlers 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 einge stellt. Den Ausgang des akustooptischen Modulators ver lassen 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. Außerdem ist bei linearer Aussteuerung der Mittelwert der gebeugten Lichtleistung der elektrischen Modulationsam plitude am akustooptischen Modulator direkt proportional. Die Rastereinrichtung 5 besteht aus einem langsamen An trieb 5 a und einem schnellen Antrieb 5 b. Der langsame An trieb 5 a sitzt als schrittmotorgetriebener eindimensiona ler Translationstisch auf der parallel zur optischen Achse des Objektivs beweglichen Schwalbenschwanzführung des Auf lichtmikroskops. Auf dem Translationstisch ist die Schall isolationskammer 10 befestigt, die aus einem Aluminiumge häuse mit elektrischen Durchführungen, mechanischen Ver schraubungen zum Spannen der Aufhängung des Probentischs 9 und einer Befestigung für einen Lautsprechermagneten als Teil des schnellen Antriebs 5 b besteht. Fernerhin enthält die Schallisolationskammer das Lichteintrittsfenster 12, dessen Abmessungen so ausgelegt sind, daß seine mechanische Eigenresonanz mit 50 kHz weit oberhalb der Resonanz des Biegewandlers liegt, wobei die Glasdicke den für den Kor rektionszustand des LD-Objektivs erforderlichen Wert von 2 mm einhält. Zur vollständigen Abschirmung des äußeren Luftschalls sind alle Öffnungen dicht verschlossen, das zum Probenwechsel abnehmbare Oberteil der Schallisolations kammer, in dem sich auch das Lichteintrittsfenster befin det, ist mit Dichtflächen versehen. Der schnelle Antrieb 5 b wird durch eine Tauchspule realisiert, die an dem aus Lei terplattenmaterial bestehenden Probentisch 9 befestigt ist und die je nach Stärke und Richtung des erregenden Strom flusses mehr oder weniger in den Spalt des Lautsprecher magneten hineingezogen wird. Die erforderliche Gegenkraft wird von 3 Saiten aufgebracht, an denen der Probentisch elastisch aufgehängt ist, wobei je nach Saitenspannung Eigenfrequenzen des Tisches oberhalb 50 Hz einstellbar sind. Zur Positionsmeldung sind am Lautsprechermagneten weitere Elektroden befestigt, die gemeinsam mit einem Abschnitt des Leiterplattenmaterials des Probentisches den Kondensator eines kapazitiven Wegaufnehmers 16 bilden. Auf dem Proben tisch befestigt ist eine Halterung, in der der Biegewand ler eingespannt ist. Die Halterung ist für verschiedene Wandlerdurchmesser ausgelegt, so daß es möglich ist, Biege wandler mit Resonanzfrequenzen zwischen 3 kHz und 50 kHz 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 Wand ler verschraubt oder verspannt und auch nicht fest aufge klebt, sondern nur durch ein Koppelmedium wie Wasser, Fett oder Öl mit dem Wandler akustisch verbunden. Sie wird le diglich durch einen Teil der Halterung des Biegewandlers gegen seitliches Verrutschen beim schnellen Rastern ge sichert. Auf der dem Biegewandler abgewandten Seite des Probentischs befindet sich der Vorverstärker des vom Bie gewandler abgenommenen Signals. Die Bauelemente des Vor verstärkers sind entspechend ihrer Verschaltung direkt auf dem den Probentisch bildenen Leiterplattenmaterial aufgelötet. Die elektrischen Verbindungen sind so ausge legt, daß die der Probe zugewandte Elektrode des Biege wandlers, die Halterung des Biegewandlers und das Gehäuse des Vorverstärkers eine geschlossene elektrische Abschir mung bilden, die den Nutzsignalpfad von der inneren Elek trode des Biegewandlers zum Vorverstärkereingang umgibt. Das Ausgangssignal des Vorverstärkers wird an den Signal eingang 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 Ablenk richtung vom Signal des Wegaufnehmers gesteuert wird und dessen langsame Ablenkrichtung synchron mit dem schritt motorgesteuerten langsamen Antrieb 5 a läuft.A He-Ne laser with an output power of 50 mW serves as light source 1 . The basic structure of the optics 2 is a reflected light microscope, which is equipped with an LD lens with the values 16x / 0.20 ∞ / 2-A. It creates a focal spot with a diameter of 2 µm on sample 3 at a distance of 16 mm from its light exit surface. In order to fully illuminate the lens aperture, there is a beam expansion system with 3-fold expansion as part of the optics between the laser and the reflected light microscope. The device 4 for light intensity control is realized by an acousto-optical modulator, behind which an aperture is arranged. The acousto-optical modulator is provided by a power stage 15 with an amplitude-modulated RF voltage. The frequency of this modulation can be chosen freely. It must lie in the sensitive area of the bending transducer 8 and can be matched to the basic resonance of the bending transducer in order to achieve the maximum signal level. The amplitude of the modulation is set by the controller 14 . In the case of two beams, the output of the acousto-optical modulator is left by the undeflected beam and a beam of the first order of diffraction. Only the diffracted beam is let through from the aperture, since only this is fully modulated and therefore the sample is not unnecessarily burdened by a constant proportion of the light output. In addition, with linear modulation, the mean value of the diffracted light output is directly proportional to the electrical modulation amplitude at the acousto-optical modulator. The grid device 5 consists of a slow drive 5 a and a fast drive 5 b . The slow drive 5 a sits as a stepper motor-driven one-dimensional translation table on the dovetail guide of the light microscope that is movable parallel to the optical axis of the lens. On the translation table, the sound insulation chamber 10 is attached, which consists of an aluminum housing with electrical feedthroughs, mechanical screw connections for tensioning the suspension of the sample table 9 and an attachment for a loudspeaker magnet as part of the fast drive 5 b . Furthermore, the sound insulation chamber contains the light entry window 12 , the dimensions of which are designed such that its mechanical natural resonance at 50 kHz lies far above the resonance of the bending transducer, the glass thickness maintaining the value of 2 mm required for the correction state of the LD lens. For complete shielding of the outside airborne sound, all openings are tightly closed, the removable upper part of the sound insulation chamber for sample change, in which the light entry window is located, is provided with sealing surfaces. The fast drive 5 b is realized by a plunger coil which is attached to the sample plate 9 made of Lei material and which, depending on the strength and direction of the exciting current flow, is more or less drawn into the magnet gap of the loudspeaker. The necessary counterforce is exerted by 3 strings on which the sample table is elastically suspended, with the table's natural frequencies above 50 Hz being adjustable depending on the string tension. To report the position, further electrodes are attached to the loudspeaker magnet, which together with a section of the circuit board material of the sample table form the capacitor of a capacitive displacement sensor 16 . A bracket is attached to the sample table, in which the bending wall is clamped. The bracket is designed for different transducer diameters, so that it is possible to use bending transducers with resonance frequencies between 3 kHz and 50 kHz. Unimorphic or bimorphic piezoceramic transducers are used as bending transducers. Sample 3 lies on the bending transducer. It is not rigidly screwed or clamped to the transducer and is not firmly glued, but is only acoustically connected to the transducer by a coupling medium such as water, grease or oil. It is le diglich secured by part of the bracket of the bending transducer against lateral slippage during fast rasterization. The preamplifier of the signal picked up by the bending transducer is located on the side of the sample table facing away from the bending transducer. The components of the pre-amplifier are soldered directly to the circuit board material forming the sample table. The electrical connections are so laid out that the sample-facing electrode of the bending transducer, the bracket of the bending transducer and the housing of the preamplifier form a closed electrical shield that surrounds the useful signal path from the inner electrode of the bending transducer to the preamplifier input. The output signal of the preamplifier is connected to the signal input of a heterodyne lock-in amplifier, from the oscillator output of which the frequency for controlling the acousto-optical modulator is taken. The output of the lock-in amplifier is connected to the signal input of an image display device, the fast deflection direction of which is controlled by the signal from the displacement transducer and the slow deflection direction of which runs synchronously with the step-controlled slow drive 5 a .

Entsprechend der mechanischen Eigenfrequenz des Probenti sches kann die Bildwiedergabe on-line mit Zeilenfrequenzen bis zu 100 Hz erfolgen, da für die Signalaufnahme sowohl Hin- als auch Rückweg des Tischlaufs bei sinusförmiger An steuerung genutzt werden können, in den Umkehrpunkten wird dabei zweckmäßigerweise dunkelgetestet.According to the mechanical natural frequency of the sample ti The image can be displayed on-line with line frequencies up to 100 Hz because both for signal recording There and back of the table run with sinusoidal approach control can be used in the reversal points is expediently dark-tested.

Auf dem Lichteintrittsfenster der Schallisolationskammer befinden sich zwei Lichtdetektoren in Gestalt von Halblei terphotodioden mit Zinnoxidelektroden, ausgeführt als teil transparente Beschichtung. Der Abstand zur Probe beträgt ca. 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. Die Signale der beiden Lichtdetektoren werden von der Re gelung 14 erfaßt und zur Konstanthaltung der von der Probe absorbierten Lichtleistung benutzt, indem das Ausgangssi gnal der Regelung die Modulationsamplitude des akustoopti schen Modulators auf die erforderliche Höhe einstellt. Mit der beschriebenen Anordnung wird bei einer Laseraus gangsleistung von 50 mW und der Laserwellenlänge von 633 nm, einer Modulationfrequenz von 5 kHz und einer Amplitude der auf die Probe auftreffenden Lichtleistung von 8 mW im Biegewandler ein Signal von 100 µV erzielt, wobei bei einer Detektionsbandbreite von 1 kHz ein Signal-Rausch-Ver hältnis von 100 : 1 erreicht wird. Damit läßt sich unter Aus nutzung der mechanisch zulässigen Zeilenfrequenz ein hin reichend rauschfreies Bild von 100 × 100 Bildpunkten in ca. 10 s aufnehmen und on-line darstellen.On the light entry window of the sound insulation chamber there 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 approx. 2 mm. With a diameter of the sensitive surface of the light detectors of 10 mm, almost all of the reflected and diffusely scattered light on the sample surface is measured by both. The primary light that passes through the light detectors and hits the sample is also measured at other interfaces without further losses. The signals from the two light detectors are detected by the control 14 and used to keep the light power absorbed by the sample constant by the output signal of the control which adjusts the modulation amplitude of the acousto-optic modulator to the required level. With the arrangement described, a signal of 100 μV is achieved with a laser output power of 50 mW and the laser wavelength of 633 nm, a modulation frequency of 5 kHz and an amplitude of the light power incident on the sample of 8 mW in the bending transducer, with a detection bandwidth of 1 kHz a signal-to-noise ratio of 100: 1 is achieved. This allows a sufficiently noise-free image of 100 × 100 pixels to be recorded in approx. 10 s using the mechanically permissible line frequency and displayed on-line.

Claims

1. Arrangement for microscopic imaging of thermal and thermoelastic object structures, consisting of a source of visible, infrared or ultraviolet light ( 1 ), optics ( 2 ) for guiding the light beam and for producing a microscopic focal spot on the sample ( 3 ), a device ( 4 ) to control the light line arriving at the respectively irradiated sample point, a raster device ( 5 a , 5 b) for causing a systematic relative movement between the focal spot and the sample, a transducer of the mechanical vibrations generated by variable radiation in the sample, means for Electronic signal amplification, a signal processing ( 6 ) and an image display device ( 7 ) for the pictorial representation of the signal sequentially emitted by the signal processing, characterized in that a piezoelectric bending transducer ( 8 ) is included as the transducer for the mechanical vibrations of the sample in there is acoustic contact with the sample, and that the sample and bending transducer are arranged together on a fast-moving sample table ( 9 ) in a sound insulation chamber ( 10 ).

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that in the fast-moving sample table ( 9 ) a Vorver stronger ( 11 ) is installed.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that on the light entry window ( 12 ) of the sound insulation chamber ( 10 ) two partially transparent light detectors ( 13 a , 13 b) are applied.

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