DE2504988A1

DE2504988A1 - Akustisches mikroskop

Info

Publication number: DE2504988A1
Application number: DE19752504988
Authority: DE
Inventors: Ross A Lemons
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 1974-02-15
Filing date: 1975-02-04
Publication date: 1976-01-08
Also published as: JPS50116058A; CA1029462A; CH581368A5; JPS6035255A; DE2504988C2; GB1503734A; JPS5944582B2; ATA100575A; JPS6224741B2; JPS59160754A; AT351283B; FR2261527A1; JPS59160755A; JPS6035254A; FR2261527B1

Description

THE BOARD OF TRUSTEES OF THE LELAND STANFORDJUNIOR UNIVERSITY

Stanford, Kalifornien, USA

Akustisches Mikroskop

Es wird ein akustisches Abtafetmikroskop geschaffen, bei dem eine hochfrequente, akustische, ebene Welle durch eine akustische Linse fokussiert wird unter Abtasten eines Objektes an der Brennpunktebene und wird sodann durch eine zweite akustische Linse eingestellt, mit einem piezoelektrischen Detektor festgestellt und das festgestellte akustische Signal wird auf ein Oszilloskop unter Ausbilden einer optischen Anzeige beaufschlagt.

Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Mikroskope und insbesondere Mikroskope, bei denen hochfrequente, akustische Wellenenergie angewandt wird.

Herkömmliche Mikroskope arbeiten mit zwei Strahlungsformen, und zwar elektromagnetischen Wellen, wie bei den optischen Instrumenten und Elektronenwellen, wie bei den Elektronenmikroskopen.

Die optischen Instrumente haben im Verlaufe vieler Jahre Verbesserungen erfahren unter Ausbilden genauer Abbildungen von selbst Gegenständen, die so klein wie biologische Zellen sind. Unabhängig von derartigen Verbesserungen gibt es arteigene Begrenzungen, da die optischen Systeme im wesentlichen die dielektrischen Eigenschaften des abgebildeten Gegenstandes oder Probe feststellen. Aufgrund dieser Tatsache sind bestimmte Gegenstände

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optisch durchscheinend, so daß keine Abbildung entwickelt werden kann, während andere optisch nicht durchsichtig sind, so daß Einzelheiten im Inneren nicht offenbart werden. Weiterhin gibt es Begrenzungen in der Kontrastempfindlichkeit, da z.B. geringer spezifischer optischer Kontrast bei bestimmten biologischen Proben, wie Gewebeschnitten und Zellsuspensionen vorliegt. Derartige Kontrastbegrenzungen sind lediglich teilweise überwunden worden durch sehr zeitraubende Arbeitsweisen des Anfärbens biologischer Proben.

Das Elektronenmikroskop ist natürlich technisch wesentlich schwieriger zu erstellen und zu benutzen. Weiterhin können bestimmte Objekte, wie lebende Zellen nicht untersucht werden, da das Erfordernis vorliegt ein Vakuum aufrechtzuerhalten, sowie die Elektronenbombardierung die Zellen beschädigt.

Die relativ kürzliche Entwicklung einer akustischen Wellenerzeugung mit Frequenzen von etwa 1000 MHz führt zu einer akustischen Wellenlänge im Wasser in der Größenordnung von 1 Mikron, wodurch sich die Anwendung eines möglicherweise hervorragenden Mechanismus für die Ausbildung von Abbildungen hoher Auflösung ergibt. Weiterhin ist es die Veränderung der elastischen und nicht der dielektrischen Eigenschaften der Probe, die die Streuung, Reflektion und Absorption der akustischen Energie bestimmt. Dies ermöglicht die untersuchung von Einzelheiten, die unter der Oberfläche bestimmter PRoben vorliegen, die ansonsten aufgrund der optischen oder elektronischen Undurchsichtigkeit nicht festgestellt werden können. Weiterhin, und dies ist von größter Bedeutung, zeigen Veränderungen der elastischen Eigenschaften ebenfalls unterschiedliche Einzelheiten und führen speziell zu einem großen spezifischen akustischen Kontrast.

Eine allgemeine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein akustisches Mikroskop zu schaffen, das eine hohe Auflösung, Empfindlichkeit und Kontrast besitzt, dabei jedoch einen einfachen Aufbau und einfache Nutzanwendung zeigt.

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Zur Lösung dieser Aufgabe wird hochfrequente Energie in dem Mikrowellenbereich auf einen plezoelektirschen Wandler beaufschlagt unter Erzeugen einer akustischen Massenwelle in Form eines gerichteten Strahls in einem akustischen Ausbreitungsmedium, und der Strahl wird sodann an eine akustische Linse abgegeben, die mit der einfachen, jedoch wirksamen Form einer Konkavität in dem Ausbreitungsmedium vorliegt und zu einem Fokussieren der akustischen Energie auf einen Brennpunkt in einem benachbarten Strömungsmedium führt, wodurch ein akustischer Kontakt mit einer Probe oder Objekt ermöglicht wird, das in der Brennpunktsebene getragen wird. Die akustische Linse ist so ausgelegt, daß dieselbe eine kleinstmögliche sphärische Aberration aufweist, so daß die Systemauflösung lediglich durch Brechung begrenzt wird. Dies stellt ein sehr wesentliches erfindungsgemäßes Merkmal dar. Das Abtasten des Objektes wird durch relative Bewegung zwischen dem fokussierten akustischen Strahl und dem Objekt erreicht und dies kann z.B. in einfacher Form durch eine mechanische Translation des Objektes als solchem in der Brennpunktsebene erfolgen.

In Abhängigkeit von den Eigenschaften des Objektes und spezieller der elastischen Eigenschaft desselben wird die akustische Energie absorbiert, reflektiert und/oder gestreut, wodurch sich Störungen in Form von Intensitäts- oder Phasenveränderungen in der auftretenden akustischen Energie ergeben, die im Anschluß hieran durch den gleichen oder einen anderen piezoelektrischen Wandler festgestellt wird. Da Störungen sowohl in der ausgesandten als auch der reflektierten akustischen Energie vorliegen, kann das Feststellen entweder in der ausgesandten oder reflektierten Energie erfolgen in Abhängigkeit von dem speziellen zu betrachtenden Muster.

Das festgestellte akustische Signal kann auf ein Oszillosköp für die optische Wiedergabe beaufschlagt werden und die Bewegung des Objektes durch die mechanische Abtastung desselben

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in der Brennpunktsebene der akustischen Energie kann mit dem Abtasten des Elektronenstrahls in dem Wiedergabe-Oszilloskop synchronisiert werden. Weiterhin kann die Intensität dieses Strahls proportional der akustischen Energie gemacht werden, die durch das Objekt übertragen wird, und zwar dergestalt, daß bei Auftreffen des Elektronenstrahls auf den fluoreszierenden Schirm die sichtbare Abbildung hervorragend ist. In Abhängigkeit von der genauen ausgewählten Frequenz kann eine sehr hohe Auflösung erhalten werden. Wenn z.B. eine Frequenz von 400 MHz angewandt wird, wird sich die Auflösung auf angenähert 3 Mikron belaufen und bei Anwenden von 1,5 GHz läßt sich eine Auflösung von weniger als 1 Mikron erreichen. Aufgrund des Aufbaues der akustischen Linse, wie weiter oben angegeben, bedingt die sphärische Aberration keinerlei Begrenzung bezhüglich einer derartigen Auflösung..

Da der gesamte akustische Strahl angewandt wird, ist nur eine außerordentlich geringe Menge an akustischer Leistung erforderlich, um eine Abbildung mit hervorragendem Kontrast zu erzielen. Weiterhin können hervorragende Signal/Geräusch-Charak-

-7 teristika bei durchschnittlichen Leistungswerten von 10 W/cm erhalten werden. Somit liegt die erforderliche Leistung erheblich unter dem Beschädigungswert für biologische Proben.

Es können verschiedene spezifische Anordnungen für das Feststellen angewandt werden. Die ausgesandte akustische Energie kann durch eine ähnliche akustische Linse erneut ausgerichtet oder eingestellt und sodann durch einen piezoelektrischen Wandler festgestellt werden, wodurch sich eine erhebliche Empfindlichkeit ergibt. Die Linsen als solche können in einfacher Weise durch geeignete Konkavitäten in dem Medium gebildet werden oder es kann sich um eine verwickeitere Linse handeln, wobei z.B. eine"aplanatische Linse" zwecks weiterer Verringerung der sphärischen Aberration angewandt werden kann, und zwar speziell in dem Gebiet entfernt von der Strahlenachse. Es wird

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in Betracht gezogen, daß das Aussenden der akustischen Energie über den Querschnitt der Linse dergestalt gesteuert werden kann, daß die Umrißform des Strahls in dem Gebiet der Mitte optimal gestaltet wird. Es wird hierbei an eine Umrißform oder Querschnitt des Strahlsgedacht, der zu einer größtmöglichen Phasenauflösung führt. .

Die reflektierte und nicht die ausgesandte akustische Energie kann entweder durch den aussendenden Wandler oder durch eine getrennte und in entsprechender Weise angeordnete zweite Linse und Wandler festgestellt werden.

Weiterhin kann eine Mehrzahl an seitlich im Abstandsverhältnis angeordneten Wandlern und Linsen angewandt werden, wobei das Objekt nacheinander durch die Einheiten bewegt und die festgestellten Ausgangssignale, nach einer geeigneten externen Zeitverzögerung, kombiniert werden unter Ausbilden eines wesentlich größeren Signal/Geräusch-Verhältnisses. Es können verschiedene Signalverarbeitungsverfahren hierbei in Anwendung kommen.

Da weiterhin das der akustischen Wellenenergie unterworfene Objekt oder Probe zu Phasenveränderungen führt, kann die phasengestörte Welle ebenfalls mit einem Phasenbezugssignal für eine spätere Wiedergabe verglichen werden.

Die zugeführte Energie kann ebenfalls praktisch in der gleichen Weise verändert werden, wie dies bei bestehenden Radarsystemen der Fall ist unter Ausbilden weiterer Einzelheiten des Objekts. So kann z.B. das zugeführte Signal in Form eines "Zwitscherns" (linear gewobbelte Frequenz) vorliegen, oder es können verschiedene Signale mit unterschiedlichen Frequenzen nacheinander auf das Objekt beaufschlagt und anschließend rekombiniert werden. Ein Beispiel stellt ein Farbwiedergabe-Oszilloskop dar, wobei unterschiedliche farbliche Wiedergaben vorliegen, die zu einem zusätzlichen Kontrast in der optischen Abbildung führen.

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Weiterhin kann das Objekt für eine Bewegung längs der Richtung der akustischen Energie getragen werden, wodurch verschiedene Abschnitte des Objektes in die Brennpunktsebene gebracht werden, wodurch z.B. das Feststellen innerer Veränderungen in dem Objekt ermöglicht wird.

Weiterhin kann eine Bezugswelle in der Art akustischer Holographie vorgesehen werden, um so ein dreidimensionales Bild zur Ausbildung zu bringen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen diagrammförmigen mittigen Schnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen akustischen Mikroskops, wobei die zugeordneten elektrnnisehen Eingangs- und Ausgangskomponenten in Form eines Biockdiagrams wiedergegeben sind;

Fig. 2 ein Diagramm, das die Arbeitsweise einer akustischen Linse erläutert, wie sie in der Anordnung nach der Figur 1 angewandt wird;

Fig. 3 ein Diagramm, das das akustische Feststellen von inneren Einzelheiten eines Objekts erläutert, wie es mit der Vorrichtung nach der Figur 1 erreicht wird;

Fig. 4 einen diagrammförmigen Querschnitt einer abgewandelten Ausführungsform, bei der die reflektierte akustische Energie festgestellt wird;

Fig. 5 eine ähnliche Ansicht einer dritten Ausführungsform, bei ■ der ein mehrfaches Feststellen vorgestehen ist;

Fig. 6 eine ähnliche Ansicht einer weiteren Ausführungsform, bei 'der Phasenstörungen der akustischen Energie festgestellt und wiedergegeben werden.

Unter Bezugnahme auf die Figur 1 ist ein Hochfrequenzgenerator 10 vorgesehen, der elektromagnetische Energie mit einer Frequenz von z.B. 400 MHz über eine Koaxialleitung 12 abgibt, deren äußeres Ende die Energie auf einen dünnfilmigen oder plattenförmigen piezoelektrischen Wandler 14 an dem Ende des

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akustischen Ausbreitungsmediums 16 abgibt, um so eine akustische Massenwelle in Form eines gerichteten Strahls B zu ergeben.

Der Wandler 14 kann in dem vorliegenden Fall aus einem dünnen Film aus Zinkoxid gebildet sein, es können jedoch auch andere piezoelektrische Materialien, wie Lithiumniobat, Cadmiumsulfid, Zinksulfid oder viele weitere piezoelektrische Materialien angewandt werden, wie dies auf dem einschlägigen Gebiet bekannt ist. Als akustisches Ausbreitungsmedium 15 ist in dem vorliegenden Fall ein Saphir vorgesehen, es können jedoch auch andere akustische Ausbreitungsmedien, wie geschmolzener Quarz, Yttrium- aluminiumgarnet, ein piezoelektrischer Halbleiter, wie Cadmiumsulfid oder andere bekannte Ausbreitungsmedien Anwendung finden. Für die erfindungsgemäßen Zwecke ist es jedoch bevorzugt als Aus-' breitungsmedium ein solches anzuwenden, das eine recht hohe akustische Ausbreitungsgeschwindigkeit aufweist, wie weiter unten im einzelnen erläutert.

An dem äußeren Ende des Ausbreitungsmediums 16 entfernt von dem Eingangswandler 14 ist eine akustische Linse 18 ausgebildet, die wie hier spezifisch erläutert, in der einfachen Form einer polierten, konkaven, sphärischen Oberfläche vorliegt, die in das Ende des Saphirmaterials eingeschliffen ist. Speziell ist die hier erläuterte Linse mit einem Krümmungsradius von 0,4 mm geschliffen und weist eine f Zahl von 0,65 auf. Somit wird der gerichtete akustische Strahl B₁ in ein benachbartes Strömungsmedium 20 konvergierend geführt, wobei das Medium in dem vorliegenden Fall Wasser darstellt; Da das Wasser ein langsameres akustisches Geschwindigkeitsmedium als der Saphir ist, stellt die akustische Linse eine positive Linse dar, die den Strahl zu einem Brennpunkt F fokussiert.

Da der Saphir jedoch eine wesentlich höhere akustische Geschwindigkeit als Wasser besitzt, beläuft sichdas Geschwindigkeitsverhältnis C./C dieser Materialien auf angenähert 7,45, so daß der Winkel Q- zwischen dem gebrochenen Strahl der akustischen Energie und dem schneidenden Radius R der Linse 18, wie in der

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Figur 2 gezeigt, auf einen kleinen Wert verringert wird, der . natürlich durch das Shell'sehe Gesetz bestimmt wird, das angibt, daß sin Θ, = C-/C sin0_t, wobei Θ, der Winkel zwischen dem auftreffenden Strahl und der Verlängerung des Krümmungsradius ist, wie in der Figur 2 gezeigt. Demgemäß wird unter Anwenden der Saphir- und Wassermedien der Durchmesser des Kreises geringster Verwaschung auf weniger als 1 Mikron verringert, so daß die sphärische Aberration der Linse 18 die Auflösungsfähigkeiten des beschriebenen akustischen Mikroskops auf den Wert von 1 Mikron oder darunter begrenzt. In dem vorliegenden Fall, wo die Arbeitsfrequenz sich auf 400 MHz beläuft, ist die akustische Wellenlänge in dem Wasser angenähert 3,75 Mikron, so daß keine praktische Begrenzung der Auflösung aufgrund der kIeinstmöglich gehaltenen sphärischen Aberration in der Linse resultiert. Es können Spezialüberzuge auf der Linse angewandt werden, um so weiter den Kreis der kleinsten Verwaschung zu verringern.

Wie weiter oben angegeben, wird das zu betrachtende Objekt oder Probe 0 in dem Strömungsmedium 20 an dem Brennpunkt F getragen und es ist eine Anordnung für das Abtasten vorgesehen, in dem vorliegenden Fall vermittels der einfachen mechanischen Bewegung der Probe. Wie diagrammförmig in der Figur 1 gezeigt, ermöglicht eine einstellbare Traganordnung 22 unter Anwenden eines Mikrometers die Einstellung der Probe oder des Objektes 0 in und aus der Brennebene heraus, wie nachfolgend als Z-Richtung bezeichnet. In der Brennpunktebene ergibt sich ein schnelles Abtasten in einer Richtung, die als X-Richtung in der Figur 1 bezeichnet werden kann dadurch, daß auf der Traganordnung 22 ein Lautsprecher 24 angeordnet wird, dessen Trichter mit der Probe oder dem Objekt verbunden 1st. Die Traganordnung 22 ist ihrerseits an einer Bühne 26 befestigt, die hydraulisch vermittels ihrer Vorrichtung 23 In der angegebenen Y-Richtung hin-und hergehend bewegt werden kann. Die gleiche Spannung, die den Lautsprecher 24 von einer. Energiequelle 25 aus speist, wird ebenfalls an die waagerechte Ablenksteuerung einerherkömmlichen Kathodenstrahlröhre oder Oszilloskop abgegeben und die

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hin- und hergehend bewegliche Bühne ist mit einem Potentiometer 30 verbunden, dessen Ausgangsspannung an die senkrechte Ablenkel'ektrode des Oszilloskops 28 abgegeben wird, wodurch sich ein eins-zu-eins Übereinstimmen, zwischen der Lage des Objekts und der Lage des Oszilloskopstrahls ergibt. In praktischer Hinsicht können bis zu 3 mm Blickfeld mit Abtastgeschwindigkeiten von 300 Zeilen/sec. erreicht werden, so daß eine vollständige Abbildung auf dem Oszilloskop in weniger als 1 Sekunde ausgebildet werden kann.

In bekannter Weise wird die auf das Objekt 0 zu jedem Zeitpunkt auftreffende akustische Energie gestört werden, so daß akustische Veränderungen in der Intensität und/oder Phase resultieren in Abhängigkeit von den speziellen elastischen Eigenschaften der betrachteten Probe,und die gestörte akustische Energie wird sodann durch das Wasser zu einer weiteren akustischen Linse 32 übertragen, die vorzugsweise identisch zu der ersten akustischen Linse ist und so angeordnet ist, daß die Brennpunkte der zwei Linsen 18,32 zusammenfallen. Das Ausbreitungsmedium 34, auf dessen äußeres Ende die akustische Linse 32 ausgebildet ist, richtet erneut die akustische Energie aus, die durch ein derartiges Medium übertragen wird, wie durch B₂ angegeben und dieselbe wird an einen dünnfilmigen piezoelektrischen Wandler 36 aus Zinkoxid oder irgendeinem anderen geeigneten piezoelektrischen Material abgegeben, der demgemäß als ein Detektor für die gestörte akustische Energie wirkt. Die Energie wird durch den Wandler in elektromagnetische Energie umgewandelt, die ihrerseits an die Kathodenstrahlröhre abgegeben wird unter Modifizieren der Intensität des Wiedergabestrahls derselben, wodurch sich die optische Wiedergabe der Objekthbbildung ergibt.

Da die gesamte von dem Objektpunkt divergierende Leistung ausgenutzt wird, können sehr geringe akustische Leistungsdichten in dem beschriebenen Mikroskop angewandt werden. In praktischer Hinsicht haben durchschnittliche Schallintensitätswerte von

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weniger als 10 W/cm zu Abbildungen biologischer Proben mit

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ausgezeichnetem Kontrast geführt. Derartige Leistungswerte liegen unter den Beschädigungsschwellenwert für derartige Proben. Weiterhin haben experimentelle Ergebnisse zu hervorragendem Kontrast geführt, der sich durch die elastischen Eigenschaften der betrachteten Proben oder Objekte ergibt und wie weiter oben ausgeführt, wird bei der Arbeitsfrequenz von 400 MHz eine Auflösung von angenähert 3 Mikron erreicht. Es versteht sich, daß bei Erhöhen der Frequenz über 1000 MHz eine Auflösung von angenähert 1 Mikron erreichbar ist und es ist erneut zu betonen, daß die sphärische Aberration der akustischen Linsen dergestalt ist, daß keinerlei Begrenzung bezüglich dieser potentiellen Auflösung vorliegt.

Wenn die Objektlage in der Z-Richtung durch die vermittels Mikrometer gesteuerte, einstellbare !radanordnung 22 verschoben wird, ergibt sich, daß die Objektlage relativ zu der Brennpunktebene verändert wird und ein unterschiedliches Teil des Objektes wird in der Brennpunktebene oder an der schmaleren Hüfte (z.B. 1 Mikron) des akustischen Strahls liegen. Wie anhand der Figur 3 gezeigt, wird bei Anordnen eines 1 Mikron Objektes O an dem Brennpunkt F praktisch der gesamte Strahl aufgefangen, und es wird eine größtmögliche Störung vorliegen. Eine nur geringfügige Einstellung in der Z-Richtung des Objektes 0 in die punktiert wiedergegebene Lage wird jedoch das Auffangen des Strahls verringern, und das gleiche ergibt sich für die resultierende Störung, und bei ausreichender Lageverschiebung wird das Objekt nicht mehr beobachtet. Wenn das Objekt jedoch in der Z-Richtung eine erhebliche Abmessung besitzt, wird durch das Verschieben ein Teil oder Abschnitt des Objektes mit einer unterschiedlichen Tiefe in die Brennpunktsebene gebracht, so daß dies in spezifischer Weise festgestellt werden wird. Auf diese Weise lassen sich leicht innere Einzelheiten eines Objektes untersuchen.

Wie bereits angegeben, führt das Auffangen des akustischen Strahls durch ein Objekt oder Probe zur Ausbildung von Reflketionen und Störungen sowohl bezüglich der Intensität als. auch der Phase der übertragenen Energie, und eine derartig reflektier-

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-lite Energie kann nach den allgemeinen erfindungsgemäßen Grundsätzen dazu angewandt werden, daß eine optische Abbildung zur Ausbildung kommt. Ein Teil einer derartigen reflektierten Energie wird natürlich zu dem Eingangswandler nach Figur 1 zurückgeführt und kann sodann einem Oszilloskop für die optische Wiedergabe zugeführt werden.

Sie in der Figur 4 diagrammförmig wiedergegebene wahlweise Ausführngsform der Vorrichtung besitzt den Vorteil ,.die einfallende und reflektierte Leistung zu trennen. Hierbei wird insbesondere ein variabler Hochfrequenzgenerator 38 vorgesehen, der die zugeführte akustische Energie an einen ersten Wandler 40 auf einer Fläche des prismenartigen Ausbreitungsmediums 42 abgibt unter Erzeugen eines gerichteten Strahls B₃, der sodann durch eine akustische Linse 44 zu einem Brennpunkt F fokussiert wird, wo die Probe oder das Objekt O vermittels einer geeigneten Traganordnung 46 in einem Strömungsmedium 48 getragen werden kann, das hierbei wie bei der ersten Ausführungsform Wasser sein kann, pder es kann sich um ein anderes Strömungsmittel, wie flüssiges Heliumhandeln, das eine noch niedrigerere akustische Geschwindigkeit aufweist, wodurch sowohl die Wellenlänge als auch die sphärische Aberration verringert werden. Die durch das Objekt O reflektierte Energie wird erneut in einen reflektierten Strahl, B₄ vermittels einer zweiten akustischen Linse 50 ausgerichtet, die in geeigneter Weise in dem Ausbreitungsprisma 42 angeordnet ist, so daß die Energie sodann durch einen zweiten Ausgangswandler 52 festgestellt und an ein Wiedergabeoszilloskop 54 in allgemein analoger Weise zu der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform abgegeben wird.

Der variab-le Hochfrequenz-Generator 38 kann jedoch so bfetrieben werden, daß ein linear gewobbeltes Eingangssignal der Art erzeugt wird, das welter oben als "Zwitschern" bezeichnet worden ist und bei verwickelten Radarvorgängen auftritt, und in einer analogen Weise können wichtige Einzelheiten des Objektes somit zur Abbildung gebracht werden.

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Weiterhin kann der Generator 38 oder verschiedene getrennte Generatoren, die mit unterschiedlichen Frequenzen arbeiten, mehrere Signale an den Eingangswandler 40 und getrennt an das Oszilleskop 54 abgeben, das in Form einer Mehrfarbeneinhei.t vorliegt, so daß es möglich wird individuelle Farbwiedergaben der Signale unterschiedlicher Frequenz zu erhalten, sowie sich eine Wiedergabeabbildung ergibt, die die Kombination derselben darstellt, wodurch in bestimmten Fällen mehr Information über das Objekt erhalten wird.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen kommt lediglich ein einziger akustischer Eingangsstrahl in Anwendung, jeodch können bestimmte Vorteile, wie eine wesentliche Verbesserung des Signal/Geräusch-Verhältnisses dadurch erhalten werden, daß das Objekt mit geeigneter Sequenz Reihen von Strahlen ausgesetzt wird. Wie z.B. in der Figur 4 gezeigt, wird die Eingangsenergie ausgehend von dem Hochfrequenz-Signalgenerator 56 auf drei Eingangswandler 58, 60, 62 beaufschlagt, die vorzugsweise im seitlichen Abstandsverhältnis auf einen einzigen Ausbreitungsmedium 64 angeordnet sind, wodurch drei parallele Strahlen B₅, Bg und B₇ gebildet werden, die durch drei identische Linsen 66, 68, 70 in Brennpunkte fokussiert werden, die sich In einer gemeinsamen Brennpunktsebene F befinden. Das Objekt 0 wird — mechanisch durch eine geeignete Traganordnung 72 durch die drei foküssierten Strahlen abgetastet unter Stören derselben in einer vorherbestimmten Zeitsequenz. Die gestörten Eingangssignale werden erneut in drei Ausgangsstrahlen B₀, B_n und B_nrs durch die

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akustischen Linsen 74, 76,78 gesammelt, die in einem einzigen Ausgangs-Ausbreitungsmedium 80 vorliegen, das in entsprechender Weise angeordnete Wandler 82, 84, 86 für das Feststellen der drei getrennten Ausgangssignale trägt. Es wird angenommen, daß das Objekt 0 mechanisch nach unten, wie die Figur 5 zeigt, bewegt wird, und veränderliche Zeitverzögerungseinheiten 88 und sind so eingestellt, daß die Abgabe der ersten und zweiten Ausgangssignale so verzögert wird, daß alle drei Signale der elektronischen Addiervorrichtung 92 zugeführt werden, sowie das

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Ausgangssignal sodann an ein Wiedergabe-Oszilloskop 94 abgegeben wird. Das in den drei Einheiten erzeugte "Geräusch" vervielfältigt sich in inkohärenter Weise, die Objektsignale der drei Einheiten addieren sich jedoch, wodurch das Signal/Geräusch-Verhältnis im Verhältnis zu der Anzahl der angewandten Einheiten verbessert

Dad Objekt O wird immer noch durch ein Strömungsmedium 96 bewegt, um jedoch die Präzision der Lage desselben in der gmeinsamen Brennpunktebene sicherzustellen, sind Führungsteile 98 mit flachen inneren Oberflächen an den Ausbreitungsstrukturen 64 und 80 befestigt. Diese Führungsteile 98 sollten aus einem Epoxidkunststoff oder anderem Material gefertigt sein, das niedrige akustische Verlustcharakteristika besitzt und derartige Einsätze mit niedrigem Verlust können natürlich vorteilhafterweise bei jeder der anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen angewandt werden.

Bezüglich der weiter oben beschriebenen Ausführungsformen beruht das Feststellen und die sich ergebende Abbildung im wesentlichen auf der veränderlichen Intensität der übertragenen oder reflektierten akustischen Energie, wie sie sich durch die Zwischenordnung der Probe oder des Objektes in dem Laufweg der akustischen Energie ergibt. Wie angegeben, treten ebenfalls Phasenveränderungen auf und dieselben können dazu angewandt werden, um schließlich eine sichtbare Abbildung zur Ausbildung zu bringen.· Unter . spezifischer Bezugnahme auf die Figur 6 kann z.B. eine hochfrequente Energie ausgehend von einem einzigen Generator 100 gleichzeitig an zwei Wandler 102, 104 auf der gleichen Oberfläche eines Ausbreitungsmediums 106 aus Lithiumniobat abgegeben werden unter Ezeugen von zwei ähnlichen akustischen Strahlen B,,,B_l2f die durch ähnliche akustische Linsen 108, 110 fokussiert werden, wobei jede derselben die Form einer einfachen Konkavität in dem Lithiumniobat einnehmen kann, jedoch, wie gezeigt, ist jede derselben eine aplanatische Verbundlinse mit geeignet geschliffenem, geschmolzenem Quarz 112 mit zwischengeordneten

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Schichten aus Gallium 114, um so die sphärische Aberration auf einen Nullwert in allgemein bekannter Weise zu verringern. Das Objekt O wird an dem Brennpunkt dem einen Strahl B₁₁ ausgesetzt und das phasengestörte Ausgangssignal wird durch eine weitere Linse 116 benachbart zu einem Ausbreitungskristall 118 erneut gerichtet für die Abgabe an einen Wandler 120. Der andere Strahl B₁2 wird nach dem Fokussieren durch eine ähnliche Linse 122 erneut ausgerichtet und einem entsprechenden Wandler 124 zugeführt. Beide Ausgangssignale werden sodann an einen Standarfi-Phasenkomperator 126 abgegeben, dessen Ausgangssignal nun seinerseits einem Wiedergabe-Oszilloskop" 128 zugeführt wird, das die optische Wiedergabe entwickelt.

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Claims

Patentansprüche

\J Akustisches Mikroskop, dadurch gekennzeichnet , daß dasselbe ein akustisches Ausbreitungsmedium (16) , eine Anordnung (18), die eine akustische Linse mit einem vorherbestimmten Brennpunkt an dem Ende des Ausbreitungsmediums (16) bildet, eine Anordnung (10) für das Erzeugen eines akustischen Strahls in dem Medium (16) , der auf die akustische Linse (18) gerichtet ist, wodurch die akustische Energie praktisch an dem Brennpunkt (F) konvergiert, ein Strömungsmedium (20), das dort vorliegt, wo sich der Brennpunkt (F) befindet, wodurch ein zu · betrachtendes Objekt (0) dort angeordnet werden kann und eine Anordnung (28) für das Feststellen der durch das Objekt (0) gestörten akustischen Energie, aufweist.
2. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das akustische Ausbreitungsmedium (16) eine akustische Geschwindigkeit aufweist, die wesentlich größer als diejenige des Strömungsmediums (20) ist.
3. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das akustische Ausbreitungsmedium (16) ein Feststoff ist, der eine sphärische Konkavität an einem Ende desselben unter Ausbilden der akustischen Linse aufweist*
4. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Anordnung (10) zur Erzeugung des Strahls einen piezoelektrischen, elektroakustischen Wandler (14) an dem gegenüberliegenden Ende des festen Ausbreitungsmediums (34) ausgerichtet zu der akustischen Linse (18) aufweist.
5. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß ein zweites, festes, akustisches Ausbreitungsmedium (34) an der entfernten Seite des Strömungsmediums (20) vorliegt und eine Konkavität aufweist, die eine zweite akustische Linse (32) bildet, deren Brennpunkt mit demjenigen der ersten akustischen Linse zusammenfällt, sowie die Anordnung

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(28) zum Feststellen einen piezoelektrischen Wandler (36) an " dem Ende des zweiten akustischen Ausbreitungsmediums (34) aufweist, das entfernt von der zweiten akustischen Linse (32) vorliegt.
6. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Anordnung (26) für das Tragen eines Objektes (O) zwecks Bewegen in einer Ebene senkrecht zu der Richtung des akustischen Strahls vorliegt.
7. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Traganordnung (26) für das Objekt (O) dasselbe für eine Bewgung in zwei zueinander senkrechten Richtungen in der Ebene trägt.
8. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Anordnung (46) für das Tragen eines Objekts (O) zwecks Bewegen längs der Richtung des akustischen Signals vorliegt.
9. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die akustische Linse (18) aplanatisch ist.
10. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Feststellanordnung (54) so angeordnet ist, daß dieselbe akustische Energie feststellt, die über das Objekt (0) hinaus übertragen wird.
11. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Feststellanordnung (54) so angeordnet ist, daß dieselbe akustische Energie feststellt, die durch das Objekt (0) reflektiert wird.
12. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch g e k en η zeichnet , daß die Anordnung (10) für das Erzeugen des akustischen Strahls einen Hochfrequenzgenerator aufweist, der in dem Mikrowellen-Frequenzbereich arbeitet.

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13. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 12, dadurch g e k e η nzeichnet , daß der Hochfrequenz-Generator ein Zwitscher-Signal erzeugt.
14. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 12, dadurch ge k e η η-zeichnet , daß eine Anordnung (126) für den Phasenvergleich des Ausgangssignals des Hochfrequenz-Generators mit dem festgestellten akustischen Signal, das durch das Objekt (O) gestört wird, vorliegt.
15. Akufetisches Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch g e k e η nzeichnet , daß eine Anordnung (50) vorliegt, die eine zweite akustische Linse in dem Ausbreitungsmedium (42) an einer Stelle bildet für die Aufnahme der von dem Objekt (0) reflektierten Energie.
16. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet , daß zwishhen dem akustischen Ausbreitungsmedium (16,34) und dem Strömungsmedium (20) ein Medium mit geringem akustischen Verlust angeordnet ist.
17. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch g e k e.n-nzeichnet , daß eine Anordnung (76,78) , die wenigstens eine zusätzliche akustische Linse an dem Ende des Ausbreitungsmediums in einem seitlichen Abstandsverhältnis bildet, eine Anordnung (56) für das Erzeugen eines akustischen Strahls für jede der zusätzlichen akustischen Linsen, eine Anordnung (72) für das Bewegen des Objekts (0) in Sequenz durch die akustischen Strahlen, eine Anordnung für das Feststellen der gestörten akustischen Energie jeder der Strahlen, eine Anordnung (88,90) für die Zeitverzögerung der festgestellten akustischen Signale · in einer Weise, die in Beziehung mit den Feststellintervallen steht, und eine Anordnung (92) für das Kombinieren der festgestellten Signale aller der Strahlen, vorliegt. -

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18. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Anordnung für das Ausbilden einer zweiten akustischen Linse in dem Ausbreitungsmedium, eine Anordnung (100) zum ERzeugen eines zweiten akustischen Strahls in dem Medium, der .auf die zweite Linse gerichtet ist, deren Brennpunkt in einer gemeinsamen Ebene mit der ersten Linse vorliegt, eine Anordnung (72) für das Tragen des Objektes (0) für das Auffangen des ersten akustischen Strahls, eine Anordnung für das Feststellen der akustischen Signale, die sich aus den ersten und zweiten akustischen Strahlen ergeben und eine Anordnung (126) für den Vergleich der Phase der ersten und zweiten festgestellten akustischen Signale, vorliegt.
19. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Anordnung (54,94,128) für die optische Wiedergabe des festgestellten akustischen Signals vorliegt.
20. Akustisches Mikroskpp nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß die optische Wiedergabeanordnung ein Oszilloskop (128) aufweist.
21. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß das Oszilloskop (94) dahingehend arbeitet, daß verschiedene Farbwiedergaben erzeugt werden und eine Anordnung (56) für das Erzeugen verschiedener akustischer Strahlen mit unterschiedlichen Frequenzen, eine Anordnung für das Feststellen der verschiedenen gestörten akustischen Signale, wie sie sich ahnand der verschiedenen akustischen Strahlen mit unterschiedlichen Frequenzen ergeben und eine Anordnung für die Abgabe dieser unterschiedlichen Signale an das Oszilloskop (94) für die optische Wiedergabe in unterschiedlichen Farben, vorgesehen ist.
22. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis der akustischen Geschwindigkeit des Ausbreitungsmediums (16,34) und des Strömungsmediums (20) ausreichend groß ist dergestalt, daß die Auflösung der Linse lediglich durch Brechung begrenzt wird.

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