DE102007049937B4

DE102007049937B4 - Method for carrying out a sample examination by means of an ultrasound microscope

Info

Publication number: DE102007049937B4
Application number: DE200710049937
Authority: DE
Inventors: Dr. Köhler Bernd; Dr.-Ing. Schubert Frank; Martin Barth
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-10-18
Filing date: 2007-10-18
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2027-10-19
Also published as: DE102007049937A1

Abstract

Verfahren zur Durchführung einer Probenuntersuchung mittels eines Ultraschallmikroskops, bei dem ein Ultraschallwandler relativ zu einer Oberfläche der Probe gerastert wird und an jeder Rasterposition taktweise Ultraschallwellen über ein Koppelmedium in eine Probe eingekoppelt und an und/oder innerhalb der Probe reflektierte Ultraschallwellen von dem Ultraschallwandler empfangen werden, die in Zeitsignale umgewandelt werden, die von einer Speicher- und Auswerteeinheit erfasst und zur Sichtbarmachung von innerhalb der Probe befindlichen Probenbereichen ausgewertet werden, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: – Fokussieren der Ultraschallwellen in das Koppelmedium oder in das Probenmedium oder auf die Grenze zwischen beiden Medien, – Erfassen und Abspeichern der reflektierten Ultraschallwellen in Form von Zeitsignalen an wenigstens zwei Rasterpunkten, – Korrigieren von Zeitsignalen, die an wenigstens zwei benachbarten Rasterpunkten aufgenommen werden, derart, dass die Zeitsignale einer Zeitfensterung unterzogen werden, bei der Zeitintervalle betrachtet werden, deren Signalinhalt einen identischen zeitlichen Abstand zum Sendeimpuls besitzen, und dass eine zeitliche...Method for carrying out a sample examination by means of an ultrasound microscope, in which an ultrasound transducer is scanned relative to a surface of the sample and, at each grid position, ultrasound waves are intermittently coupled into a sample via a coupling medium and ultrasound waves reflected on and / or within the sample are received by the ultrasound transducer, which are converted into time signals that are recorded by a storage and evaluation unit and evaluated to make the sample areas within the sample visible, characterized by the combination of the following features: - Focusing the ultrasonic waves in the coupling medium or in the sample medium or on the boundary between the two Media, acquisition and storage of the reflected ultrasound waves in the form of time signals at at least two raster points, correction of time signals that are recorded at at least two adjacent raster points in such a way that the Time signals are subjected to a time window in which time intervals are considered whose signal content is identical in time to the transmission pulse, and that a temporal ...

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Durchführung einer Probenuntersuchung mittels eines Ultraschallmikroskops, bei dem ein Ultraschallwandler relativ zu einer Oberfläche der Probe gerastert verfahren wird und an jeder Rasterposition taktweise Ultraschallwellen über ein Koppelmedium in eine Probe eingekoppelt und an und/oder innerhalb der Probe reflektierte Ultraschallwellen von dem Ultraschallwandler empfangen werden, die in Zeitsignale umgewandelt werden, die von einer Speicher- und Auswerteeinheit erfasst und zur Sichtbarmachung von innerhalb der Probe befindlichen Probenbereichen ausgewertet werden.The invention relates to a method for carrying out a sample examination by means of an ultrasonic microscope, in which an ultrasonic transducer is scanned relative to a surface of the sample and cyclically coupled at each raster position ultrasonic waves via a coupling medium in a sample and reflected on and / or within the sample Ultrasonic waves are received by the ultrasonic transducer, which are converted into time signals, which are detected by a storage and evaluation unit and evaluated to visualize located within the sample sample areas.

Stand der TechnikState of the art

Auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Werkstoff- und Probenuntersuchung stellt neben bekannten Durchstrahlungstechniken, wie bspw. die Röntgendurchstrahlung oder Röntgencomputertomographieverfahren, die Ultraschallmesstechnik und hier insbesondere die Ultraschallmikroskopie eine vielseitig einsetzbare und technisch einfach zu realisierende Alternative dar, um Kenntnisse über das Probeninnere zu gelangen, die mit konventionellen optischen Untersuchungsmethoden nicht oder nicht ohne Weiteres zugänglich sind. Die Ultraschallmikroskopie ermöglicht den Einblick in das Innere kleinbauender Bauteile, bspw. Bauelemente aus der Elektronik und Mikroelektronik, wie gekapselte, integrierte Schaltkreise oder ähnliche elektronische Elemente, die es bei ihrer Herstellung aus Gründen der Qualitätssicherung gilt, mit einem möglichst kostengünstigen und zuverlässigen Verfahren auf mögliche Fehler, wie bspw. fehlerhafte Klebungen, Schweißnähte, Verbundstellen, Poren etc., zu untersuchen. Aber nicht nur elektronische Bauelemente, sondern auch Verbundbauelemente aus unterschiedlichen Materialien, wie bspw. keramische Bauteile mit Porositäten und Einschlüssen sind mit den Mitteln der Ultraschallmikroskopie zu untersuchen.In the field of non-destructive testing of materials and samples in addition to known radiation techniques, such as the X-ray or X-ray computed tomography, the ultrasonic measurement and especially ultrasonic microscopy is a versatile and technically easy to implement alternative to get to the inside of the sample, with conventional optical examination methods are not or not easily accessible. The ultrasonic microscopy allows insight into the interior of small-sized components, for example. Components of electronics and microelectronics, such as encapsulated integrated circuits or similar electronic elements, which it applies in their manufacture for reasons of quality assurance, with a cost-effective and reliable method to possible Errors such as faulty bonds, welds, joints, pores, etc., to investigate. But not only electronic components, but also composite components made of different materials, such as, for example, ceramic components with porosities and inclusions are to be examined by means of ultrasonic microscopy.

Üblicherweise werden in der Ultraschallmikroskopie die zu untersuchende Probe und der Ultraschallwandler mit zugehörigem, das von dem Ultraschallwandler ausgehende Ultraschallwellenfeld fokussierenden Element, bspw. in Form einer akustischen Linse, in einem Fluid, meistens in Form eines Wasserbades, derart positioniert, dass die von dem Ultraschallwandler pulsweise ausgehenden Ultraschallwellen in einen Fokuspunkt innerhalb der Probe fokussiert werden. Das Wasserbad dient hierbei der akustischen Ankopplung zwischen dem Ultraschallwandler und der zu untersuchenden Probe, sowohl zur Einkopplung von Ultraschallwellen in die Probe als auch in entgegengesetzter Richtung zur Detektion der an der Probe oder innerhalb der Probe reflektierten Ultraschallwellen und einer damit erforderlichen Einkopplung der Schallwellen in den Ultraschallwandler. Typischerweise wird der Ultraschallwandler über die Probenoberfläche gerastert, wobei an jeder Rasterposition ein Ultraschallwellenpuls generiert wird, dessen Antwortsignal aus der Probe zeitlich aufgelöst empfangen, digitalisiert und aufgezeichnet wird. Zur Aufnahme eines zweidimensionalen Gitters von Positionen innerhalb der Probe gilt es sämtliche Echosignale in Form sog. Zeitsignale an jeder einzelnen Sendeposition des Ultraschallwandlers zu empfangen, zu digitalisieren und entsprechend aufzuzeichnen. Mit einem derartig zweidimensionalen lateralen Scan kann jedoch nur eine Tiefenebene innerhalb der Probe scharf abgebildet werden. Soll möglichst das gesamte Volumen der zu untersuchenden Probe erfasst werden, gilt es eine Vielzahl zweidimensionaler Gitter von Positionen der Probe aus jeweils unterschiedlichen Tiefenlagen der Probe zu erfassen. Es liegt auf der Hand, dass ein derartiges Vorgehen einen entsprechend großen Zeitaufwand erfordert.Usually, in ultrasound microscopy, the sample to be examined and the ultrasound transducer with associated element focusing the ultrasound wave field emanating from the ultrasound transducer, for example in the form of an acoustic lens, are positioned in a fluid, usually in the form of a water bath, such that the ultrasound transducer pulsed outgoing ultrasonic waves are focused into a focal point within the sample. The water bath serves for acoustic coupling between the ultrasonic transducer and the sample to be examined, both for coupling ultrasonic waves into the sample and in the opposite direction for detecting the ultrasonic waves reflected at the sample or within the sample and thus coupling the sound waves into the sample ultrasonic transducers. Typically, the ultrasound transducer is scanned across the sample surface, generating an ultrasound wave pulse at each raster position, the response signal of which is received, digitized, and recorded from the sample at a temporally resolved resolution. For receiving a two-dimensional grid of positions within the sample, all echo signals in the form of so-called time signals at each individual transmit position of the ultrasound transducer must be received, digitized and recorded accordingly. With such a two-dimensional lateral scan, however, only one depth plane within the sample can be sharply imaged. If possible, the entire volume of the sample to be examined is detected, it is necessary to detect a plurality of two-dimensional grid of positions of the sample from each different depth positions of the sample. It is obvious that such a procedure requires a correspondingly large amount of time.

Hinzu kommt, dass eine Fokussierung der Ultraschallwellen lediglich bis in eine Probentiefe möglich ist, die kleiner ist als die Fokuslänge des eingesetzten, fokussierenden Ultraschallwandlers bzw. kleiner als die sog. Nahfeldlänge von unfokussierten Schallwandlern ist, die wiederum von dessen Durchmesser sowie der Ultraschallwellenlänge abhängt. Somit fordert eine Verschiebung der Fokuslage in größere Tiefen einen entsprechend vergrößerten Wandlerdurchmesser, der jedoch wieder mit anderweitigen Nachteilen verbunden ist, wie bspw. größere Masse etc.In addition, it is possible to focus the ultrasonic waves only down to a sample depth which is smaller than the focal length of the focusing ultrasonic transducer used or smaller than the so-called near-field length of unfocussed acoustic transducers, which in turn depends on its diameter and the ultrasound wavelength. Thus, a shift in the focus position into greater depths requires a correspondingly increased transducer diameter, which, however, is again associated with other disadvantages, such as greater mass, etc.

Bei der Detektion der an und insbesondere innerhalb der Probe reflektierten Ultraschallwellenanteile mit Hilfe des Ultraschallwandlers werden pro Sendeimpuls jeweils ein Zeitsignal aufgenommen, das den zeitlichen Verlauf der am Ort des Ultraschallwandler detektierten an und innerhalb der Probe reflektierten Ultraschallwellenamplituden repräsentiert. Die Datenaufzeichnung wird typischerweise nach jedem Sendeimpuls durch elektronische Triggerung ausgelöst. Als Triggerereignis wird häufig das an der Oberfläche der Probe reflektierte Echosignal genutzt, das als Signalwelle vom Ultraschallwandler detektiert wird. Eine derartige Triggerung ist jedoch nicht immer effektiv, zumal in Folge schwankender Amplituden die Triggerung auf unterschiedlichen Halbwellen ausgelöst werden kann. Dies führt zu zeitlichen Sprüngen bei der Signalauswertung, insbesondere im Vergleich zu benachbarten Zeitsignalen.In the detection of the ultrasound wave components reflected on and, in particular, within the sample with the aid of the ultrasound transducer, a time signal is recorded for each transmit pulse which represents the time profile of the ultrasonic wave amplitudes detected at the location of the ultrasound transducer and reflected within the sample. The data recording is typically triggered after each transmit pulse by electronic triggering. As a trigger event, the echo signal reflected at the surface of the sample is often used, which is detected as a signal wave from the ultrasonic transducer. However, such triggering is not always effective, especially as a result of fluctuating amplitudes, the triggering can be triggered on different half-waves. This leads to temporal jumps in the signal evaluation, in particular in comparison to adjacent time signals.

Eine andere Möglichkeit der Triggerung der Datenaufzeichnung besteht im Nutzen des Sendeimpulses, jedoch ist auch eine derartige Triggerung häufig fehlerbehaftet, zumal systemimmanente, signifikante zeitliche Verschiebungen, auch als Jitter bezeichnet, in den einzelnen Echosignalen auftreten können.Another way of triggering the data recording is the use of the transmit pulse, but such triggering is often faulty, especially system immanent, significant temporal shifts, also known as jitter, can occur in the individual echo signals.

Eine weitere Schwierigkeit, die bei einer exakten Auswertung der Zeitsignale pro Sendeimpuls bzw. Sendeposition des Ultraschallwandlers auftrifft, ist in manchen Fällen konstruktionsbedingt durch die Ultraschallwandler selbst verursacht und äußert sich im Auftreten sog. systematischer Nachhallsignale. Derartige Nachhallsignale werden durch den Sendeimpuls selbst oder durch starke Echosignale provoziert, die insbesondere bei einer großen Empfangsverstärkung zu deutlichen Störsignalen in den Messdaten führen.Another difficulty that is encountered in an exact evaluation of the time signals per transmission pulse or transmission position of the ultrasonic transducer is caused in some cases by the design of the ultrasonic transducer itself and manifests itself in the appearance of so-called. Systematic reverberation signals. Such reverberation signals are provoked by the transmission pulse itself or by strong echo signals, which lead to significant interference signals in the measured data, in particular with a large reception amplification.

Die DE 43 20 473 C2 offenbart eine Ultraschallprüfvorrichtung zum Detektieren von Reflexionsstellen in einem Prüfkörper, bei der mittels eines Prüfkopfes ein Ultraschallwellenzug erzeugt wird, der in der Nähe der Oberfläche des Prüfkörpers fokussiert wird. Zur Auswertung kommen Fernfeldsignale, die in Einstrahlrichtung jenseits des Fokuspunktes stammen. Die aus dem Fokusbereich stammenden Signale werden mit einem Sperrschalter unterdrückt.The DE 43 20 473 C2 discloses an ultrasonic inspection apparatus for detecting reflection sites in a specimen in which a probe head is used to generate an ultrasonic wave train which is focused near the surface of the specimen. For evaluation, far-field signals originate in the direction of incidence beyond the focal point. The signals originating from the focus area are suppressed with a blocking switch.

Aus DE 10 2006 003 978 A1 ist ein Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüfkörpers mit anisotropen Werkstoffeigenschaften bekannt, das mit einem Array aus n 1D-, 2D- oder 3D-angeordneten Ultraschallwandlern durchgeführt wird. Mithilfe von werkstück-/stoffspezifischen Steifigkeitsmatrizen werden die Schalllaufzeiten berechnet, die jeweils eine Ultraschallwelle vom Ort ihrer Entstehung zu einem Raumpunkt im Prüfkörper und zurück zu einem Empfänger benötigt. Alle von einem Raumpunkt reflektierten Ultraschallsignale werden phasengleich addiert.Out DE 10 2006 003 978 A1 discloses a method for nondestructive testing of an anisotropic material properties specimen performed with an array of n 1D, 2D or 3D ultrasonic transducers. Using workpiece-specific / substance-specific stiffness matrices, sound propagation times are calculated, each of which requires an ultrasonic wave from its place of origin to a point in space in the specimen and back to a receiver. All ultrasonic signals reflected by a point in space are added in phase.

Die DE 10 2005 062539 A1 offenbart ein Verfahren zur Kalibrierung eines Parkleitsystems mit an einem Fahrzeug beabstandet voneinander angebrachten Sender und Empfängern. Durch Auswertung mehrerer Messzyklen wird die Häufigkeit bestimmter gemessener Laufzeiten ermittelt. Hierdurch können Signale, die einem direkten Übersprechen zwischen Sender und Empfängern entsprechen, von Signalen, die durch Reflexion an Gegenständen in der Umgebung des Fahrzeugs entstehen, herausgefiltert werden.The DE 10 2005 062539 A1 discloses a method for calibrating a parking guidance system with transmitters and receivers spaced apart from each other on a vehicle. By evaluating several measurement cycles, the frequency of certain measured transit times is determined. As a result, signals that correspond to a direct crosstalk between transmitter and receivers can be filtered out of signals that result from reflection on objects in the surroundings of the vehicle.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Durchführung einer Probenuntersuchung mittels eines Ultraschallmikroskops, bei dem ein Ultraschallwandler relativ zu einer Oberfläche der Probe verfahren wird und an jeder Rasterposition taktweise Ultraschallwellen über ein Koppelmedium in die Probe eingekoppelt, wobei an und/oder innerhalb der Probe reflektierte Ultraschallwellen von dem Ultraschallwandler empfangen werden, die in Zeitsignale umgewandelt werden, die von einer Speicher- und Auswerteeinheit erfasst und zur Sichtbarmachung von innerhalb der Probe befindlichen Probenbereichen ausgewertet werden, derart weiterzubilden, dass der zur Erstellung von das Probeninnere repräsentierenden Darstellungen, die im Rahmen der Auswertung der Zeitsignale gewonnen werden, erforderliche verfahrenstechnische Aufwand erheblich reduziert werden soll. Insbesondere gilt es nach ökonomischen Lösungen zu suchen, den Zeitaufwand bei der Durchführung ultraschallmikroskopischer Untersuchungen an Proben erheblich zu reduzieren. Ferner gilt es den Einfluss von Störeffekten und Störgrößen auf die Messergebnisse zu reduzieren und damit die Qualität und Aussagekraft der im Rahmen der Ultraschallmikroskopie gewonnenen Informationen über die Beschaffenheit und den inneren Aufbau von Proben zu verbessern, indem das Signal/Rausch-Verhältnis angehoben wird.The invention is based on the object, a method for performing a sample examination by means of an ultrasonic microscope, in which an ultrasonic transducer is moved relative to a surface of the sample and intermittently coupled at each raster position ultrasonic waves via a coupling medium in the sample, wherein on and / or within the Sample reflected ultrasonic waves are received by the ultrasonic transducer, which are converted into time signals, which are detected by a storage and evaluation and evaluated for visualization of within the sample sample areas, such that the representations for the preparation of the sample interior representations in the Frame of the evaluation of the time signals are obtained, required procedural effort to be significantly reduced. In particular, it is important to seek economic solutions to reduce the time required to perform ultrasound microscopic examinations on samples considerably. It is also important to reduce the influence of parasitics and disturbances on the measurement results, thereby improving the quality and validity of ultrasound microscopy information on the nature and build-up of samples by increasing the signal-to-noise ratio.

Lösungen der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe sind in den Ansprüchen 1, 2 und 11 angegeben. Vorteilhaft weiterbildende Merkmale der lösungsgemäßen Verfahren sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung zu entnehmen.Solutions of the problem underlying the invention are set forth in claims 1, 2 and 11. Advantageously further developing features of the method according to the invention are to be taken from the subclaims and the further description.

Lösungsgemäß zeichnet sich das Verfahren zur Durchführung einer Probenuntersuchung mittels eines Ultraschallmikroskops gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1, 2 und 11 derart aus, dass im Unterschied zum bisherigen Vorgehen die seitens des Ultraschallwandlers erzeugten Ultraschallwellen unter Verwendung eines die Ultraschallwellen fokussierenden Mittels in ein Medium oder auf eine Grenzschicht zwischen zwei Medien fokussiert werden. Vorzugsweise wird der Fokus auf die Probenoberfläche oder in deren Nähe gelegt. Der Fokuspunkt stellt einen virtuellen Messpunkt dar. Je nach Beschaffenheit der Probe breiten sich von einem Fokuspunkt Ultraschallwellenfronten isotrop oder anisotrop innerhalb der Probe aus, die den Probenkörper vorzugsweise vollständig durchdringen und an den innerhalb der Probe vorhandenen Materialgrenzen oder Materialungänzen zumindest teilweise reflektiert werden. Die reflektierten Ultraschallwellenanteile werden im Weiteren von dem am Rasterpunkt positionierten Ultraschallwandler erfasst und in ein Zeitsignal umgewandelt, das letztlich vorzugsweise in digitalisierter Form abgespeichert wird. Zur Erfassung sämtlicher Informationen, die für eine Untersuchung des gesamten Probenvolumens erforderlich sind, bedarf es der Ultraschallwelleneinkopplung mit einer möglichst engmaschigen Rasterung z. B. längs einer Oberflächenseite der Probe im Rahmen nur eines einzigen, zweidimensionalen lateralen Scans. Das Fokussieren deutlich oberhalb einer Grenzschicht – bspw. der Probenoberfläche – ist zur Vermessung der Struktur dieser Grenzschicht geeignet.According to the solution, the method for carrying out a sample examination by means of an ultrasonic microscope according to the features of the preamble of claim 1, 2 and 11 is characterized in that, in contrast to the previous procedure, the ultrasonic waves generated by the ultrasonic transducer using a means focusing the ultrasonic waves in a medium or be focused on a boundary layer between two media. Preferably, the focus is placed on the sample surface or in its vicinity. The focal point represents a virtual measurement point. Depending on the nature of the sample, ultrasonic wave fronts propagate isotropically or anisotropically within the sample from a focal point, which preferably completely penetrate the sample body and are at least partially reflected at the material boundaries or material dips present within the sample. The reflected ultrasound wave components are subsequently detected by the ultrasound transducer positioned at the raster point and converted into a time signal, which is ultimately stored, preferably in digitized form. For the collection of all information necessary for an examination of the entire sample volume, it requires the ultrasonic wave coupling with a mesh as close as possible z. B. along a surface side of the sample in the context of only a single, two-dimensional lateral scan. The focusing clearly above a boundary layer - eg the sample surface - is for Measuring the structure of this boundary layer suitable.

Die Auswertung der in der vorstehenden Weise erhaltenen und abgespeicherten Zeitsignale erfolgt derart, dass zu jedem einzelnen Raumpunkt innerhalb der Probe zugehörige Signalanteile aus den einzelnen, abgespeicherten Zeitsignalen selektiert wenden. Die Selektion basiert unter Berücksichtigung der Ultraschalllaufzeiten, die eine Ultraschallwelle benötigt um vom jeweiligen Rasterpunkt bzw. virtuellen Messpunkt, von dem aus das jeweilige Zeitsignal aufgenommen worden ist, zu dem in Betracht genommenen Raumpunkt und zurück zu gelangen. Die zu jedem betrachteten Raumpunkt selektiv zugehörigen Signalanteile werden nachfolgend addiert und in geeigneter Weise zur Darstellung gebracht. Erfolgt die Auswertung der Zeitsignale in der vorstehenden Weise für jeden Raumpunkt innerhalb des Probenvolumens, so können durch geeignete Zusammenstellung der für jeden einzelnen Raumpunkt erhaltenen Informationen in verschiedener Weise ähnlich der Darstellung bei der von Röntgen-Computer-Tomographie dargestellt werden. Insbesondere können Schnitte in unterschiedlicher Orientierung und Lage oder ein Volumenrendering angefertigt werden.The evaluation of the time signals obtained and stored in the above manner takes place in such a way that for each individual point in space within the sample associated signal components are selected from the individual, stored time signals. The selection is based on the ultrasound propagation times required by an ultrasonic wave to travel from the respective grid point or virtual measurement point, from which the respective time signal was recorded, to the spatial point considered and back. The signal components which are selectively associated with each spatial point in question are subsequently added and displayed in a suitable manner. If the evaluation of the time signals is carried out in the above manner for each spatial point within the sample volume, then the information obtained for each individual spatial point can be represented in a variety of ways, similar to the representation in the case of X-ray computer tomography, by suitable composition. In particular, cuts in different orientation and position or a volume rendering can be made.

Bei Messungen in festen Medien mit dem Fokus an deren Oberfläche erfolgt in besonders vorteilhafter Weise die vorstehend erläuterte Zeitsignalauswertung nicht nur unter Berücksichtigung der Laufzeiten bzgl. eines ausgewählten Wellenmodes beispielsweise der Longitudinalwellen oder der Transversalwellen innerhalb des Probenmediums, wie dies üblicherweise Stand der Technik ist, sondern sowohl nach beiden Moden getrennt als auch in Kombination beider Moden. So werden sowohl die Fälle berücksichtigt, bei denen sowohl für den Einkoppel- als auch für den Auskoppelvorgang in die Probe bzw. aus der Probe die Zeitsignale nur unter dem Aspekt der longitudinalen sowie auch nur unter dem Aspekt der transversalen Wellenausbreitung untersucht werden, darüber hinaus werden auch Mischformen der Auswertung durchgeführt, indem bspw. für die Einkopplung nur der Longitudinalmode und für die Auskopplung nur der Transversalmode berücksichtigt werden sowie auch umgekehrt. Alle auf diese Weise gewonnenen Ergebnisse pro ausgewertetes Zeitsignal werden gewichtet und entsprechend überlagert. Aus der Überlagerung kann eine charakteristische Größe extrahiert werden, bspw. die Amplitude des laufzeitkorrigierten Fehlerechos, die als Volumenbild oder Flächenschnittbild dargestellt werden kann. Die vorstehende Überlagerung der unterschiedlichen Auswertemodi kann sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich durchgeführt werden.In measurements in solid media with the focus on their surface, the above-explained time signal evaluation is carried out in a particularly advantageous manner not only taking into account the transit times with respect to a selected wave mode, for example the longitudinal waves or the transverse waves within the sample medium, as is conventional in the art separated by both modes as well as in combination of both modes. Thus, both the cases are taken into account, in which the time signals are examined for the coupling-in as well as the coupling-out process into the sample or from the sample only under the aspect of the longitudinal as well as the aspect of the transverse wave propagation Also mixed forms of the evaluation carried out, for example, for the coupling only the longitudinal mode and for the decoupling only the transverse mode are taken into account and vice versa. All results obtained in this way per evaluated time signal are weighted and superimposed accordingly. From the superimposition, a characteristic quantity can be extracted, for example the amplitude of the propagation time corrected error echo, which can be represented as a volume image or area sectional image. The above superimposition of the different evaluation modes can be carried out both in the time domain and in the frequency domain.

Mit Hilfe der vorstehenden Auswertung der mit Hilfe eines Ultraschallmikroskops gewonnenen Messsignale ist es möglich, im Rahmen lediglich eines einzigen zweidimensionalen Flächenscans, bei dem der Ultraschallwandler an einer Vielzahl einzelner Rasterpunkte zur Auslösung eines Ultraschallwellenimpulses positioniert wird, vollständige Informationen über den gesamten Volumenbereich der Probe zu erhalten, der von den Ultraschallwellen durchstrahlt wenden kann. Die Ultraschallmikroskopie ermöglicht es, Proben von nur wenigen Millimetern Große und darunter zu untersuchen, bspw. verkapselte Bauelemente aus der Elektrotechnik, bis hin zur Mikroelektronik. Ein besonderes Charakteristikum der Ultraschallmikroskopie ist der Nachweis von Fehlern im Größenbereich unterhalb eines Millimeters und zum Teil deutlich darunter.With the aid of the above evaluation of the measurement signals obtained with the aid of an ultrasonic microscope, it is possible to obtain complete information about the entire volume range of the sample in the context of only a single two-dimensional surface scan in which the ultrasonic transducer is positioned at a plurality of individual halftone dots for triggering an ultrasonic wave pulse which can be irradiated by the ultrasonic waves. Ultrasonic microscopy makes it possible to examine samples of just a few millimeters in size and below, for example encapsulated components from electrical engineering, right up to microelectronics. A special feature of ultrasonic microscopy is the detection of errors in the size range below one millimeter and sometimes significantly lower.

Um darüber hinaus die Qualität der im Rahmen der Ultraschallmikroskopie erhaltenen Messsignale zu verbessern, gilt es nachfolgend ein besonderes Augenmerk auf die Beseitigung oder zumindest Minimierung auftretender Störsignale oder Fehlerquellen zu lenken.Furthermore, in order to improve the quality of the measurement signals obtained in the context of ultrasonic microscopy, special attention must be paid to the elimination or at least minimization of interference signals or sources of error occurring in the following.

So betrifft eine bekannte Störgroße die bei der taktweisen Erzeugung einzelner Sendeimpulse auftretende zeitliche Varianz der Digitalisierung. So sind die aufgezeichneten Zeitsignale von aufeinander folgenden Messimpulsen bei ansonsten gleichen Messbedingungen zeitlich zueinander verschoben. Um diese auch als Jitter bekannten zeitlichen Verschiebungen zu beseitigen, wenden lösungsgemäß aus den Zeitsignalen, die im Rahmen der Messung zur Untersuchung der Probe aufgenommen wurden, Bereiche gefenstert. D. h. zur Bestimmung der zeitlichen Verschiebung wird gemäß Anspruch 1 ein Zeitintervall betrachtet, dessen Signalinhalt einen identischen zeitlichen Abstand zum Sendeimpuls besitzt. Im Weiteren werden die zeitlichen Verschiebungen aller Zeitintervalle zu einem Zeitintervall der Messung oder zu dem Zeitintervall eines zuvor bestimmten Referenzsignals vorzugsweise mittels Kreuzkorrellation bestimmt. Anschließend werden die zeitlichen Verschiebungen in allen Zeitsignalen korrigiert.Thus, a known disturbance relates to the temporal variance of the digitization occurring in the cyclical generation of individual transmission pulses. Thus, the recorded time signals of successive measurement pulses are shifted in time with the measurement conditions otherwise the same. In order to eliminate these temporal shifts, which are also known as jitter, in accordance with the solution, areas are fenestrated from the time signals which were recorded during the measurement for the examination of the sample. Ie. to determine the time shift is considered according to claim 1, a time interval whose signal content has an identical time interval to the transmit pulse. In addition, the time shifts of all time intervals at a time interval of the measurement or at the time interval of a previously determined reference signal are preferably determined by means of cross-correlation. Subsequently, the time shifts in all time signals are corrected.

So eignet sich dieses Vorgehen insbesondere bei Zeitsignalen, die zum Sendeimpuls synchrone Signalanteile – nachfolgend als Sendeimpuls-Nachhall bezeichnet – in den Messdaten enthalten. Diese treten bspw. bei Polymer-(PVDF)-Prüfköpfen und Prüfköpfen mit Vorlaufstrecke auf. Eine besonders bevorzugte Auswahl der zeitlichen Lage der jeweiligen Zeitintervalle sieht vor, dass keine probenspezifischen Echosignale darin enthalten sind. Von besonderem Interesse sind hierbei jene kurzen Zeitintervalle, die unmittelbar nach Auslösen des Sendeimpulses folgen und enden, bevor der Ultraschallwandler Echosignale zumindest von der Oberfläche der Probe empfängt. Die darin enthaltenen Signale rühren von der Charakteristik des Ultraschallwandlers selbst her und sind somit an sich für jeden Sendevorgang identisch. Da eben jene Signalanteile aufgrund des Jitter-Effektes zeitlichen Verschiebungen unterliegen, ist es bspw. mittels Kreuzkorrelation möglich, durch entsprechenden Vergleich der Zeitsignale eben diesen zeitlichen Versatz festzustellen und entsprechend zu eliminieren.Thus, this procedure is particularly suitable for time signals which contain synchronous signal components for the transmission pulse-referred to below as transmit pulse reverberation-in the measurement data. These occur, for example, in the case of polymer (PVDF) test heads and probes with a flow path. A particularly preferred selection of the temporal position of the respective time intervals provides that no sample-specific echo signals are contained therein. Of particular interest in this case are those short time intervals which follow immediately after the triggering of the transmission pulse and end before the ultrasonic transducer receives echo signals at least from the surface of the sample. The signals contained therein are due to the characteristics of the ultrasonic transducer itself and are therefore identical per se for each transmission process. Since just those signal components due to the jitter Effect temporal shifts, it is, for example, by means of cross-correlation possible to determine by appropriate comparison of the time signals precisely this time offset and to eliminate accordingly.

Gemäß Anspruch 2 beinhaltet eine alternative Ausführungsform zur Eliminierung des vorstehend bezeichneten Jitters einen Vergleich jedes einzelnen, aufgenommenen Zeitsignals mit einem vor der Messung aus entjitterten Zeitsignalen gemittelten, prüfkopfspezifischen Referenzzeitsignal. Dieses Referenzsignal wird im gleichen Koppelmedium, jedoch ohne Probe aufgenommen, damit es keine Probenechos enthält. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass das Referenzsignal praktisch frei von zufälligen Rauschsignalen ist, welche die Bestimmung der zeitlichen Verschiebungen negativ beeinflussen können. Auch im Fall des Entjitterns mit Referenzsignal wird wenigstens ein geeignet gewähltes Zeitintervall zur Selektion von Signalanteilen – sowohl bei den gemessenen Zeitsignalen als auch bei dem Referenzzeitsignal – gewählt, dessen Signalinhalt einen identischen zeitlichen Abstand zum Sendeimpuls besitzt und die zeitlichen Verschiebungen der Signale bspw. mittels Kreuzkorrelation bestimmt und anschließend korrigiert.According to claim 2, an alternative embodiment for eliminating the above-mentioned jitter comprises a comparison of each individual, recorded time signal with a probe-specific reference time signal averaged before measurement from de-jittered time signals. This reference signal is recorded in the same coupling medium, but without a sample, so that it contains no sample echoes. This approach has the advantage that the reference signal is practically free of random noise signals that can adversely affect the determination of the time shifts. Also in the case of dejittering with the reference signal, at least one suitably selected time interval is selected for the selection of signal components-both in the measured time signals and in the reference time signal-the signal content of which has an identical time interval to the transmitted pulse and the time shifts of the signals, for example by cross-correlation determined and then corrected.

Die vorstehende Maßnahme der numerischen Beseitigung des Jitter-Effektes führt zu einer Synchronisierung der einzelnen Messsignale.The above measure of the numerical elimination of the jitter effect leads to a synchronization of the individual measurement signals.

Da der Sendeimpuls-Nachhall nicht zufällig und mit den Echosignalen überlagert ist, führt er zu einer Verschlechterung des Darstellungskontrasts in der Volumenrekonstruktion. Er bewirkt eine Art „Hintergrundrauschen”. Aus den synchronisierten Messsignalen wird der Sendeimpuls-Nachhall stark reduziert, indem das auf die Stärke des Nachhallsignals im Messsignal skalierte Referenzzeitsignal subtrahiert wird.Since the transmission pulse reverberation is not random and superimposed with the echo signals, it leads to a deterioration of the representation contrast in the volume reconstruction. He causes a kind of "background noise". From the synchronized measurement signals, the transmission pulse reverberation is greatly reduced by subtracting the reference time signal scaled to the strength of the reverberation signal in the measurement signal.

Das Entjittern hat dann eine direkte positive Wirkung auf die Volumenrekonstruktion, wenn nachfolgend keine Triggerung auf ein Eintrittsecho durchgeführt wird.The dejittering then has a direct positive effect on the volume reconstruction if subsequently no triggering on an entry echo is performed.

Neben dem vorstehend beschriebenen Sendeimpuls-Nachhalleffekt können auch starke Echos, wie bspw. das Eintrittsecho, störende Nachhalleffekte hervorrufen. Um das Nachhallen des starken Signals des Eintrittsechos zu reduzieren, ist die vorstehend beschriebene Maßnahme der Verwendung eines Referenzsignals ungeeignet, zumal sich die Nachhall-Signale je nach Material und Oberflächenbeschaffenheit der zu untersuchenden Probe sowie der Fokussierung an der Probenoberfläche unterscheiden. Gemäß Anspruch 11 erfolgt das Korrigieren der Zeitsignale, die an wenigstens zwei benachbarten Rasterpunkten aufgenommen werden, derart, dass die Zeitsignale einer Zeitfensterung unterzogen werden. Bei der Zeitfensterung werden zunächst die Zeitsignale getriggert, d. h. auf das Eintrittsecho synchronisiert, da die Probenoberfläche leichte Unebenheiten aufweisen kann und geringe Abweichungen der parallelen Lage der Probenoberfläche zur Scanebene des Ultraschallmikroskops möglich sind. Diese Umstände führen zu Laufzeitunterschieden im Koppelmedium und somit zu unterschiedlichen Einsatzzeitpunkten des Eintrittsechos. Dadurch sind auch die Eintrittsecho-Nachhallsignale zeitlich gegeneinander verschoben. Das Triggern auf das Eintrittsecho kann mit dem üblichen Schwellwertverfahren erfolgen.In addition to the transmit pulse reverberation effect described above, strong echoes, such as the input echo, can cause disturbing reverberation effects. In order to reduce the reverberation of the strong signal of the entrance echo, the above-described measure of the use of a reference signal is unsuitable, especially since the reverberation signals differ depending on the material and surface condition of the sample to be examined and the focusing on the sample surface. According to claim 11, the correction of the time signals, which are recorded at at least two adjacent halftone dots, such that the time signals are subjected to a time windowing takes place. In time windowing, the time signals are first triggered, i. H. synchronized to the entrance echo, since the sample surface may have slight bumps and small deviations of the parallel position of the sample surface to the scanning plane of the ultrasonic microscope are possible. These circumstances lead to runtime differences in the coupling medium and thus at different times of use of the entrance echo. As a result, the entrance echo reverberation signals are temporally shifted from one another. The triggering on the entrance echo can be done by the usual threshold method.

Anschließend wird zur Beseitigung des mit dem Eintrittsecho verbundenen Nachhalleffekts aus der Gesamtheit aller vorliegenden Informationen für jeden Zeitschnitt – auch Tiefenschnitt bezeichnet – nach dem Eintrittsecho ein Histogramm erzeugt, das die Häufigkeit aller möglichen diskreten Signalwerte im jeweiligen Zeitschnitt des gesamten Datensatzes angibt. Die jeweils häufigsten Signalwerte in den einzelnen, den jeweiligen Zeitschnitten zugeordneten Histogrammen wenden zu einem Zeitsignal zusammengefasst, das zur Korrektur von allen Zeitsignalen subtrahiert wird, die an den einzelnen Rasterpunkten mit dem Ultraschallwandler gewonnenen wurden. Da der Nachhalleffekt in allen Zeitsignalen annähernd gleich ist und die Nutzsignale i. d. R. örtlich begrenzt sind, ist das aus den Histogrammen generierte Zeitsignal dem Nachhallsignal sehr ähnlich.Subsequently, to eliminate the reverberation effect associated with the entrance echo, a histogram is generated for each time intersection - also called a depth intersection - after the entry echo, which indicates the frequency of all possible discrete signal values in the respective time intersection of the entire data set. The most frequent signal values in the individual histograms assigned to the respective time slices are combined into a time signal which is subtracted for correction from all time signals which were obtained at the individual raster points with the ultrasound transducer. Since the reverberation effect is approximately the same in all time signals and the useful signals i. d. Are locally limited, the time signal generated from the histograms is very similar to the reverberation signal.

Auf diese Weise treten die durch das Eintrittsecho hervorgerufenen Nachhallsignale verdeckten, schwächer ausgeprägten Echosignale hervor, welche aus größeren Tiefenbereichen der Probe oder von schwächeren Reflektoren stammen. Nachfolgend kann mit einem weitaus besseren Signal- zu Rauschverhältnis detektiert und ausgewertet werden, wodurch sich die Messgenauigkeit erhöht und die Aussagequalität der Messsignale verbessert.In this way, the reverberation signals produced by the entrance echo appear hidden, weaker echo signals originating from larger depth regions of the sample or from weaker reflectors. Subsequently, a much better signal-to-noise ratio can be detected and evaluated, which increases the measurement accuracy and improves the information quality of the measurement signals.

Das vorstehend beschriebene Vorgehen zur Auswertung der Messsignale, die mit der Ultraschallmikroskopanordnung aufgenommen und abgespeichert worden sind, sowie zur Unterdrückung oder Beseitigung vorhandener Störanteile in den Messsignalen kann in übersichtlicher Darstellung aus dem Flussdiagramm gemäß 1 in selbsterklärender Weise entnommen wenden.The above-described procedure for evaluating the measurement signals that have been recorded and stored with the ultrasound microscope arrangement and for suppressing or eliminating existing interference components in the measurement signals can be seen in a clear representation from the flowchart according to FIG 1 in a self-explanatory manner.

Mit dem vorstehend beschriebenen, lösungsgemäßen Verfahren können in vorteilhafter Weise sämtliche Tiefenbereiche einer zu untersuchenden Probe mit nur einem einzigen, zweidimensionalen Scan mit hoher lateraler Auflösung abgebildet werden. Die Begrenzung des lateral hoch aufgelösten Bereiches auf Tiefen kleiner als die Wandler-Nahfeldlänge kann mit dem lösungsgemäßen Verfahren aufgehoben wenden, zumal nicht mehr die Wandlerapertur D maßgebend ist, sondern die Größe des zweidimensional aufgespannten Scan- bzw. Rasterfeldes. Zudem lässt sich die Messauflösung verbessern und Artefakte unterdrücken, indem in vorteilhafter Weise sowohl Longitudinal- als auch Transversalwellenanteile bedingt durch Modenkonversion an Grenzschichten und Fehlern zur Auswertung genutzt wenden.With the method according to the solution described above, all depth regions of a sample to be examined can advantageously be imaged with only a single, two-dimensional scan with high lateral resolution. The limitation of the laterally high-resolution region to depths smaller than the transducer near-field length can be reversed with the method according to the solution, especially since the transducer aperture D is no longer decisive, but the size of the scan field or grid field spanned in two dimensions. In addition, the measurement resolution can be improved and artifacts suppressed by advantageously using both longitudinal and transverse wave components due to mode conversion at boundary layers and errors for evaluation.

Claims

Method for carrying out a sample examination by means of an ultrasonic microscope, in which an ultrasonic transducer is rastered relative to a surface of the sample and cyclically coupled at each raster position ultrasonic waves via a coupling medium in a sample and received at and / or within the sample reflected ultrasonic waves from the ultrasonic transducer, which are converted into time signals, which are detected by a storage and evaluation unit and evaluated for visualization of within the sample sample areas, characterized by the combination of the following features: Focusing the ultrasonic waves in the coupling medium or in the sample medium or on the boundary between the two media, Detecting and storing the reflected ultrasonic waves in the form of time signals at at least two grid points, - Correcting time signals that are recorded at at least two adjacent halftone dots, such that the time signals are time-sliced, are considered at the time intervals whose signal content have an identical time interval to the transmit pulse, and that a temporal shift of signal components of the at least two time signals are each determined from two temporally identical time windows and thus the temporal shifts of the unsprung time signals are corrected, and - Evaluating the corrected time signals such that to a spatial point of the sample associated signal components from the individual corrected time signals on the basis of associated ultrasonic wave transit times between the respective grid point and the considered point in space are selected, wherein added to the considered space point signal components added and brought to the presentation.

Method for carrying out a sample examination by means of an ultrasonic microscope, in which an ultrasonic transducer is scanned relative to a surface of the sample and intermittently coupled at each raster position ultrasonic waves via a coupling medium in a sample and receive reflected and / or within the sample reflected ultrasonic waves from the ultrasonic transducer which convert into time signals which are detected by a storage and evaluation unit and evaluated for visualization of sample areas located within the sample, characterized by the combination of the following features: Focusing the ultrasonic waves in the coupling medium or in the sample medium or on the boundary between the two media, Detecting and storing the reflected ultrasonic waves in the form of time signals at at least two grid points, Correcting the time signals in such a way that at least one time signal and one reference time signal are subjected to time-windowing in which time intervals are considered whose signal contents have an identical time interval to the transmitted pulse, and in that the at least one time signal and the reference time signal are synchronized with one another, the signal components of the at least one time signal and the reference time signal are each compared from two temporally identical time windows and temporal shifts between the signal components of the time signal and the reference time signal are determined, which are compensated in the time signal to obtain a corrected time signal, and - Evaluate the corrected time signals such that to a spatial point of the sample associated signal components from the individual corrected time signals on the basis of associated ultrasonic wave transit times between the respective grid point and the considered point of space selected, the added to the considered space point signal components are added and displayed.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the Ultraschallwelleneinkopplung is performed by means of an ultrasonic waves on, above or below the surface of the sample focusing means, so that the focus can be regarded as an ultrasonic point source.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the focusing of the ultrasonic waves on, above or below the sample surface is such that the ultrasonic focus has a spatial extent in the millimeter to submicron range, so that an effective spatial resolution at the spatial points to be examined in the millimeter range and below is achievable.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the evaluation of the time signals on the basis of the transverse and / or the longitudinal shaft speeds is also carried out using mode conversion, and that taking into account the weighted values obtained at individual wave velocities are weighted together to form a respective considered point in space and brought into a holistic compilation of all points in space as a 1D or 2D section or as a 3D view for displaying the reconstructed volume.

A method according to claim 2, characterized in that the comparison of the signal components of the at least one time signal and the reference time signal respectively from two temporally identical time windows by means of cross-correlation.

Method according to one of the methods 1 to 6, characterized in that the time windows are selected such that no sample echo signals are contained within the time window.

A method according to claim 7, characterized in that the time windows start and end in time with the emission of an ultrasonic wave, before an ultrasonic wave reflected at the sample surface is detected.

Method according to one of claims 2 to 8, characterized in that the reference time signal is recorded and stored with the ultrasonic transducer such that the time signal is recorded at an ultrasonic wave triggering with the ultrasonic transducer without a sample.

Method according to one of claims 2 to 9, characterized in that for suppressing a transmission pulse reverberation, a reference signal scaled to a strength of the transmission pulse reverberation is subtracted from the corrected time signals for obtaining time signals corrected with respect to the transmitted pulse reverberation, and in that the relative to the Transmitted pulse reverberation corrected time signals are subjected to the evaluation.

Method for carrying out a sample examination by means of an ultrasonic microscope, in which an ultrasonic transducer is rastered relative to a surface of the sample and cyclically coupled at each raster position ultrasonic waves via a coupling medium in a sample and received at and / or within the sample reflected ultrasonic waves from the ultrasonic transducer, which are converted into time signals, which are detected by a storage and evaluation unit and evaluated for visualization of within the sample sample areas, characterized by the combination of the following features: Focusing the ultrasonic waves in the coupling medium or in the sample medium or on the boundary between the two media, Detecting and storing the reflected ultrasonic waves in the form of time signals at at least two grid points, Correcting the timing signals received at at least two adjacent halftone dots such that the timing signals are time-sliced synchronizing with respect to an input echo contained in all the timing signals corresponding to the reception of ultrasonic waves reflected at the sample surface Time window is a histogram created that the most frequently occurring in the histograms signal values in a time signal, the so-called reverberation time signal, summarized, and that the reverberation time signal to obtain corrected time signals is subtracted from the time signals, and - Evaluating the corrected time signals such that to a spatial point of the sample associated signal components from the individual corrected time signals on the basis of associated ultrasonic wave transit times between the respective grid point and the considered point in space are selected, wherein added to the considered space point signal components added and brought to the presentation.

Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that, after correcting the timing signals, further processing of the timing signals follows, in which the timing signals are time-sliced synchronizing with respect to an input echo contained in all the timing signals corresponding to the reception of ultrasonic waves reflected at the sample surface, That a histogram is created for each time window, That the signal values most frequently occurring in the histograms are combined in a time signal, the so-called reverberation time signal, - That the reverberation time signal for obtaining corrected time signals is subtracted from the time signals, and - That the thus corrected time signals are subjected to the evaluation.