DE2504988C2

DE2504988C2 - Akustisches Mikroskop

Info

Publication number: DE2504988C2
Application number: DE19752504988
Authority: DE
Inventors: Ross A. Mountain View Calif. 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: 1984-08-23
Also published as: AT351283B; ATA100575A; FR2261527A1; GB1503734A; CH581368A5; JPS59160754A; CA1029462A; FR2261527B1; JPS6224741B2; JPS6035254A; JPS6035255A; JPS59160755A; DE2504988A1; JPS50116058A; JPS5944582B2

Description

5. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Merkmale k) und I) eine Anordnung zum Vergleich der Phasen der in Sequenz nachgewiesenen Signale vorgesehen ist

6. Akustisches Mikroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Linse (18, 32) als aplanatische Verbundlinse (108,110,116,122) ausgebildet ist

7. Akustisches Mikroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung zur Erzeugung eines zeitlichen modulierten akustischen Strahlenbündels vorgesehen ist

8. Akustisches Mikroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung zur Erzeugung aufeinanderfolgender akustischer Strahlenbündel mit unterschiedlichen Ultraschallfrequenzen vorgesehen ist.

9. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung zur Objektdarstellung in unterschiedlichen Farben vorgesehen ist, wobei die Farben den nachgewiesenen Signalen unterschiedlicher Ultraschallfrequenz zugeordnet sind.

10. Akustisches Mikroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung (46) zur Bewegung des Objekts (O) längs der Ausbreitungsrichtung des akustischen Strahlenbündels und Erzeugung entsprechender Objektlagesignale für die Objektdarstellung in Abhängigkeit von unterschiedlichen Fokuslagen vorgesehen ist.

Die Erfindung betrifft ein akustisches Mikroskop zur Erzeugung einer Ultraschallabbildung eines Objektes nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bis 4.

Aus den Ultrasonics Symposium Proceedings, IEEE. Katalog No. 73 CHO 807-8 SU, S. 18-20, ist ein akustisches Mikroskop der angegebenen Art bekannt Wesentlicher Teil des Systems ist ein Paar von einflächigen akustischen Linsen. Jede der Linsen besteht aus einer polierten, konkaven sphärischen Fläche, die in iine Endfläche eines zylindrischen Saphierstabes geschliffen ist. Die beiden Linsen sind spiegelbildlich zueinander angeordnet, wobei ein Wassertropfen den Raum zwischen ihnen ausfüllt. Das Wasser hat eine zweifache Funktion. Es dient einmal als Immersionsmittel mit niedrigerem Brechungsindex für Schallwellen und zum anderen dazu, zwischen den Linsenflächen und einem zu beobachtenden Objekt einen akustischen Kontakt herzustellen.

Auf den den Linsenflächen gegenüberliegenden Endflächen der Saphierstäbe ist jeweils ein piezoelektrischer Schallwandler angeordnet. Einer der Wandler arbeitet als Sender für eif'e ebene akustische Welle, die sich in dem Saphierstab «»usbreitet und durch die akustische Linse innerhalb des Vvasseriropfens fokussiert wird. Das zu untersuche"de Objekt ist in der Fokusebene des Ultraschallstrahls angeordnet. Da die beiden Linsen so zueinander stehen, daß ihre Fokuslagen übereinstimmen, werden die durch das Objekt hindurchtretenden divergierenden Ultraschallwellen durch die zweite Linse wieder gesammelt Auf diese Weise wird die gesamte durch einen Objektpunkt hindurchgehende Schallenergie durch den zweiten piezoelektrischen Wandler detektiert Diese Transmissionsanordnung hat den zweifachen Vorteil, sowohl Störsignale auszuschlie-Ben, als auch die volle Empfindlichkeit der piezoelektrischen Detektion ausnutzen zu können. Sie erfordert jedoch eine sorgfältige Justierung der Schallausbreitungsrichtungen und der Fokuslagen beider Linsen zueinander.

Um mit diesem System ein Bild erzeugen zu können, wird das Objekt mechanisch in einem rasterförmigen Muster durch den Ultraschallstrahl bewegt. Diese Bewegung ist mit der Ablenkbewegung eines Elektronenstrahls in einer Kathodenstrahlröhre synchronisiert und das Detektorsignal moduliert die Intensität des Elektronenstrahls. Die Modulation des Ultraschallstrahls durch das zu untersuchende Objekt wird auf diese Weise direkt in ein Helligkeitsmuster, d. h. ein Bild des Objekts umgewandelt.

Das bekannte akustische Mikroskop arbeitet mit einer Ultraschallfrequenz von 400 MHz. Es wurde eine Auflösung von etwa 3 μττί erreicht, wobei die Linsenfläcne einen Radius von 0,4 mm und eine Apertur von 0,65 hat Die nachgewiesenen Ultraschallenergien betrugen durchschnittlich 10~⁷ Watt/cm².

Es konnten im wesentlichen nur dünne biologische Objekte untersucht werden, deren Schichtdicken eine für den Nachweis der Ultraschallenergien ausreichende Transmission aufweisen. Außerdem war die Abbildung feinmaschiger Metallnetze durch den Kontrast zwischen den Ultraschall absorbierenden Netzteilen und den Ultraschall hindurchlassenden Löchern möglich.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, das bekannte akustische Mikroskop so weiterzuentwickeln, daß damit eine über die Ultraschallabsorbtion hinausgehende Untersuchung von Objekteigenschaften möglich ist. Außerdem sollte der Anwendungsbereich der akustischen Mikroskopie auch auf die Untersuchung Ultraschall/undurchlässiger Objekte ausgedehnt werden.

Weiterhin sollte der justieraufwand zwischen den akustischen Linsen andererseits vereinfacht und die der Objektabbildung dienende Signalgewinnung verbessert und hinsichtlich der daraus abzuleitenden Objektinformationen erweitert werden.

so Diese Aufgabe wird bei einem akustischen Mikroskop der eingangs genannten Art durch die in den Ansprüchen 1 bis 4 angegebenen kennzeichnenden Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche 5 bis 10.

Ergänzend zu den ersten Erfahrungen mit dem akustischen Mikroskop wurde überraschenderweise gefunden, daß in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Objektes, und zwar speziell der elastischen Eigenschaft desselben, auch akustische Energie in für den Nachweis ausreichendem Maße reflektiert und/oder gestreut wird. Insbesondere wurde gefunden, daß nach Wechselwirkung des akustischen Strahlenbündel;, mit dem Objekt üie nachweisbaren Störungen im akustischen Strahlenbündel nicht nur als Intensitäts- sondern auch als

b5 Phasenänderungen gemessen werden können. Damit wird eine wesentliche Erweiterung des Anwendungsbereichs des bekannten akustischen Mikroskops erreicht.
Für die akusto-mikroskopische Untersuchung von

Objekten im Reflexionsmodus können zwei getrennte akustische Linsenanordnungen verwendet werden, die konfokal in einem Winkel zueinander stehen, so daß das ausgesendete und das empfangene akustische Strahlenbündel auf derselben Seite des Objekts räumlich getrennt verlaufen. Diese Anordnung ermöglicht neben einer ungestörten Detektion des Schallsignals außerdem größere Freiheiten bei der Konstruktion des Tisches für die Objektaufnahme und Objektbewegung.

Eine besonders vorteilhafte Anordnung besteht darin, für das Aussenden und das Empfangen der akustischen Strahlenbündel dieselbe Linse und denselben Schallwandler vorzusehen. Hierbei entfällt das Problem der justierung von zwei akustischen Linsenanordnungen zueinander.

Weiterhin kann eine Mehrzahl von seitlich im Abstandsverhältnis angeordneten Wandlern und akustischen Linsen vorgesehen sein, wobei das Objekt nacheinander durch die Einheiten bewegt und die nachgewiesenen Ausgangssignale nach einer geeigneten externen Zeitverzögerung miteinander kombiniert werden. Damit läßt sich ein wesentlich verbessertes Signal/ Rauschverhältnis erreichen.

Anstelle die nacheinander nachgewiesenen Signale mit einer Zeitverzögerung zu versehen, können sie zur Auswertung einer Phasenänderung auch mit einem Phasenbezugssignal verglichen werden.

Zur weiteren Verringerung der sphärischen Aberration, insbesondere außerhalb der Strahlenachse, können die verwendeten akustischen Linsen als apianatische Verbundlinsen ausgebildet sein. Mit einer solchen Linsenkonstruktion kann erreicht werden, daß die akustische Energieverteilung über den Querschnitt der Linse dergestalt gesteuert werden kann, daß die Umrißform des Strahls in dem Gebiet der Mitte optimal gestaltet wird. Dabei wird an eine Umrißform oder einen Strahlquerschnitt gedacht, der zu einer größtmöglichen Phasenauflösung führt.

Die dem Schallerzeuger zugeführte Energie kann in der gleichen Weise verändert werden, wie dies bei bestehenden Radarsystemen der Fall ist, um auf diese Weise Einzelheiten des Objektes darstellen zu können. So kann z. B. das zugeführte Signal in Form eines »Zwitscherns« (linear gewobbelte Frequenz) vorliegen. Das führt zu einer zeitlichen Modulation des akustischen Strahlenbündels, die es insbesondere bei Verwendung einer einzigen Linse im Reflexionsmodus in einfacher Weise erlaubt, das ausgesendete und das aufgenommene Signal voneinander zu trennen. Außerdem wird durch diese Modulation z. B. ein Phasenbezug für die bereits erwähnte Phasenmessung geschaffen. Die Modulation kann jedoch auch darin bestehen, daß verschiedene Signale mit unterschiedlichen Frequenzen erzeugt werden, mit denen das Objekt nacheinander beaufschlagt wird. Durch die anschließende Rekombination der aufgenommenen Signale kann eine Farbwiedergabe des Objektes verwirklicht werden, wobei die Farben den unterschiedlichen Frequenzen zugeordnet werden. In der Darstellung der Objekte erhält man auf diese Weise einen zusätzlichen Kontrast

Eine wesentliche Erweiterung der akusto-mikroskopischen Untersuchungsmethoden wird erreicht, wenn das Objekt längs der Ausbreitungsrichtung des akustischen Strahlenbündels bewegt werden kann. Damit können unterschiedliche Schichten des Objektes nacheinander in die Brennpunktebene der akustischen Linsen gebracht werden, so daß z. B. die Feststellung innerer Veränderungen im Objekt ermöglicht wird. Für diese Betriebsweise ist ganz besonders der Reflexionsmodus geeignet, da hier die strahlenerzeugenden und strahlenaufnehmenden akustischen Linsenanordnungen der zu untersuchenden Objektfläche gegenüberliegen und die Objektverstellung in der Strahlausbrcitungv richtung nicht behindern. Die untersuchten Schichtdtkken im Objekt können beliebig variiert werden, solange nachweisbare Ultraschallsignale erhalten werden. Hierin liegt auch ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem bekannten akustischen Mikroskop, bei dem unabhängig von der Objektlage immer die vorgegebene Schichtdikke des Objektes von dem Schallbündel durchdrungen wird, so daß Materialstrukturen in den oberen und unteren Schichten die Absorption der Schallstrahlen be-

■i5 cinflusscn. Weiterhin kann bei dieser Verstellung 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 zeigt

F i g. 1 einen diagrammförmigen mittigen Schnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen akustischen Mikroskops, wobei die zugeordneten elektronischen Eingangs- und Ausgangskomponenten in Form eines Blockdiagramms wiedergegeben sind;

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

F i g. 3 ein Diagramm, das das akustische Feststellen von inneren Einzelheiten eines Objekts erläutert, wie es mit der Vorrichtung nach der F i g. 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 vorgesehen ist;
F i g. 6 eine ähnliche Ansicht einer weiteren Ausführungsform, bei der Phasenstörungen der akustischen Energie festgestellt und wiedergegeben werden.

Unter Bezugnahme auf die F i g. 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 akustischen Ausbreitungsmediums 16 abgibt, um so eine akustische Massenwelle in Form eines gerichteten Strahls ß, 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 16 ist in dem vorliegenden Fall ein Saphir vorgesehen, es können jedoch auch andere akustische Ausbreitungsmedien, wie geschmolzener Quarz, Yttriumaluminiumgarnet ein piezoelektrischer Halbleiter, wie Cadmiumsulfid oder andere bekannte Ausbreitungsmedien Anwendung finden. Für die erfindungsgemäßen Zwecke ist es jedoch bevorzugt als Ausbreitungsmedium ein solches anzuwenden,

das eine recht hohe akustische Ausbreitungsgeschwindigkeit aufweist, wie weiter unten im einzelnen erläutert.
An dem äußeren Ende des Ausbreitungsmcdiums 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 erläuierte Linse mit einem Krümmungsradius von 0,4 mm geschliffen und weist eine f Zahl von 0,65 auf. Somit wird der gerichtete akustische Strahl B\ 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 Saphier ist, stellt die akustische Linse eine positive Linse dar, die den Strahl zu einem Brennpunkt Ffokussiert.

Da der Saphir jedoch eine wesentlich höhere akustische Geschwindigkeit als Wasser besitzt, beläuft sich das Geschwindigkeitsverhältnis C1/C2 dieser Materialien auf angenähert 7,45, so daß der Winkel & zwischen dem gebrochenen Strahl der akustischen Energie und dem schneidenden Radius R der Linse 18, wie in der F i g. 2 gezeigt, auf einen kleinen Wert verringert wird, der natürlich durch das Snellsche Gesetzt bestimmt wird, das angibt, daß sin Θ2 = C2/C1 sin θ ι, wobei θ\ der Winkel zwischen dem auftreffenden Strahl und der Verlängerung des Krümmungsradius ist, wie in der F i g. 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 kleinstmöglich gehaltenen sphärischen Aberration in der Linse resultiert. Es können SpezialÜberzüge 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 O 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 F i g. 1 gezeigt, ermöglicht eine einstellbare Traganordnung 22 unter Anwenden eines Mikrometers die Einstellung der Probe oder des Objektes O in und aus der Brennebene heraus, wie nachfolgend als Z-Richtung bezeichnet In der Brenp.pup.ktebene ergibt sich ein schnelles Abtasten in einer Richtung, die als X-Richtung in der F i g. 1 bezeichnet werden kann, dadurch, daß auf der Traganordnung 22 ein Lautsprecher 24 angeordnet wird, dessen Trichter mit der Probe oder dem Objekt verbunden ist Die Traganordnung 22 ist ihrerseits an einer Bühne 26 befestigt, die hydraulisch vermittels ihrer Vorrichtung 23 in der angegebenen V-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 einer herkömmlichen Kathodenstrahlröhre oder Oszilloskop abgegeben und die hin- und hergehend bewegliche Bühne ist mit einem Potentiometer 30 verbunden, dessen Ausgangsspannung an die senkrechte Ablenkelektrode des Oszilloskops 28 abgegeben wird, wodurch sich ein eins-zu-eins Obereinstimmen zwischen der Lage des Objekts und der Lage des Oszilioskopstrahls 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 wer-

^r> den kann.

In bekannter Weise wird die auf das Objekt O 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

!5 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 Bi angegeben und dieselbe wird an einem 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 Objektabbildung 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 weniger als 1O-⁷W/cm² zu Abbildungen biologischer Proben mit ausgezeichneten Kontrast geführt. Derartige Leistungswerte liegen unter den Beschädigungsschwellenwert für derartige Proben. Weiterhin haben experimentielle 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 Traganordnung 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 Fig.3 gezeigt wird bei Anordnen eines 1 Mikron Objektes O an dem Brennpunkt F praktisch der gesamte Strahl aufgefangen, und es wird eine größtmögli- ehe Störung vorliegen. Eine nur geringfügige Einstellung in der Z-Richtung des Objektes O in die punktiert wiedergegebene Lage wird jedoch das Auffangen des Strahls verringern, und das Gleiche ergibt sich für die resultierende Störung, und bei ausreichender Lagever- Schiebung 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 unterschied-

lichen Tiefe in die Brennpunktebene 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 Reflektionen und Störungen sowohl bezüglich der Intensität als auch der Phase der übertragenen Energie, und eine derartig reflektierte 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 Fig. 1 zurückgeführt und kann sodann einem Oszilloskop für die optische Wiedergabe zugeführt werden.

Wie in der Fig.4 diagrammförmig wiedergegebene wahlweise Ausführungsform der Vorrichtung besitzt den Vorteil, die einteilende 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 B), 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, oder es kann sich um ein anderes Strömungsmittel, wie flüssiges Helium handeln, das eine noch niedrigere 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 B^ 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 variable Hochfrequenz-Generator 38 kann jedoch so betrieben werden, daß ein linear gewobbeltes Eingangssignal der Art erzeugt wird, das weiter 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 erden.

Weiterhin kann der Generator 38 oder verschiedene getrennte Generatoren, die mit unterschiedlichen Frequenzen arbeiten, mehrere Signale an den tingangswandler 40 und getrennt an das Oszilloskop 54 abgeben, das in Form einer Mehrfarbeneinheit 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, jedoch 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 F i g. 5 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 ßs, St, und Bi gebildet werden, die durch drei identische Linsen 66,68, 70 in Brennpunkte fokussiert werden, die sich in einer gemeinsamen Brennpunktebene Fbefinden. Das Objekt O wird mechanisch durch eine geeignete Traganordnung 72 durch die drei fokussierten Strahlen abgetastet unter Störung derselben in einer vorherbestimmten

ίο Zeitsequenz. Die gestörten Eingangssignale werden erneut in drei Ausgangsstrahlen Bg, Sq und Sm durch die akustischen Linsen 74, 76, 78 gesammelt, die in einem einzigen Ausgangs-Ausbrcitungsmedium 80 vorliegen, das in entsprechender Weise angeordnete Wandler 82.

84,86 für das Feststellen der drei getrennten Ausgangssignaie trägt. Es wird angenommen, daß das Objekt O mechanisch nach unten, wie die Fig.5 zeigt, bewegt wird, und veränderliche Zeitverzögerungseinheiten 88 und 90 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 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 wird.

Das Objekt O wird immer noch durch ein Strömungsmedium 96 bewegt, um jedoch die Präzision der Lage desselben in der gemeinsamen 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 durch die Zwischenanordnung 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 F i g. 6 kann z. B. eine hochfrequente Energie ausgehend von einem einzigen Generator 100 gleichzeitig an zwei Wandler i02, 104 auf der gleichen Oberfläche eines Ausbreitungsmediums 106 aus Lithäumniobat abgegeben werden unter Erzeugen von zwei ähnlichen akustischen Strahlen Bu, Bn. 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 Schichten aus Gallium 114, um so die sphärische Aberration auf einen Null wert in allgemein bekannter Weise zu verringern. Das Objekt O wird an dem Brennpunkt dem einen Strahl Sn 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 Bi₂ wird nach dem

Fokussieren durch eine ähnliche Linse 122 erneut ausgerichtet und einem entsprechenden Wandler 124 zugeführt. Beide Ausgangssignale werden sodann an einen
Standard-Phasenkomparator 126 abgegeben, dessen
Ausgangssignal nun seinerseits einem Wiedergabe-Os- 5 zilloskop 128 zugeführt wird, das die optische Wiedergabe entwickelt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

M)

65

Claims

Patentansprüche:

1. Akustisches Mikroskop zur Erzeugung einer Ultraschallabbildung eines Objektes mit

a) einem Schallerzeuger (14) zur Umwandlung einer Hochfrequenzschwingung in ein kollimiertes Schallbündel (Bi),

b) einer akustischen Linsenanordnung (16, 18) zur Erzeugung eines fokussieren akustischen Strahlenbündels.

c) einem flüssigen akustischen Kopplungsmediuni (20) zwischen der akustischen Linsenanordnung und dem Objekt (O),

d) Mitteln (22—26) zur Erzeugung einer Bewegung zwischen dem fokussierten akustischen Strahlenbündel und dem Objekt und zum Erzeugen von elektrischen Signalen für die jeweilige relative Objektlage,

e) einer auf das Objekt fokussierten akustischen Linsenanordnung (32, 34) zur Aufnahme des vom Objekt ausgehenden akustischen Strahlenbündels,

f) einem Schalldetektor (36) zur Erzeugung eines dem aufgenommenen akustischen Strahlenbündel (B 2) entsprechenden elektrischen Signals,

g) Mitteln zur Objektdarstellung entsprechend den detektierten Schallsignalen in Abhängigkeit von den Objektlagesignalen, jo

dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung für den Phasenvergleich des vom Schallerzeuger ausgehenden Schallbündels mit dem vom Schalldetektor aufgenommenen Schallbündel vorgesehen ist.

2. Akustisches Mikroskop zur Erzeugung einer Ultraschallabbildung eines Objektes mit

a) einem Schallerzeuger (14) zur Umwandlung einer Hochfrequenzschwingung in ein kollimiertes Schallbündel (B 1),

b) einer akustischen Linsenanordnung (16,18) zur Erzeugung eines fokussierten akustischen Strahlenbündels,

c) einem flüssigen akustischen Kopplungsmedium (20) zwischen der akustischen Linsenanordnung und dem Objekt (O),

f) einem Schalldetektor (36) zur Erzeugung eines dem aufgenommenen akustischen Strahlenbündel (B 2) entsprechenden elektrischen Signals, t>o

g) Mitteln (28) zur Objektdarstellung entsprechend den detektierten Schallsignalen in Abhängigkeit von den Objektlagesignalen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenanordnungen (44, 50) zur Erzeugung und zur Aufnahme der fokussierten akustischen Strahlenbündel konfokal in einem Winkel zueinander, dem Objekt (O) auf der

selben Seite gegenüberliegend, angeordnet sind.

3. Akustisches Mikroskop zur Erzeugung einer Ultraschallabbildung eines Objekts mit

a) einem Schallerzeuger (14) zur Umwandlung einer Hochfrequenzschwingung in ein koHimiertes Strahlenbündel (B 1),

b) einer akustischen Linsenanordnung (16, 18) zur Erzeugung eines fokussierten akustischen Strahlenbündel,

c) einem flüssigen akustischen Kopplungsmediuin (20) zwischen der akustischen Linscminoidnung und dem Objekt (O).

f) einem Schalldetektor (36) zur Erzeugung eines dem aufgenommenen akustischen Strahlenbündel (B 2) entsprechenden elektrischen Signals,

dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung und zur Aufnahme des fokussierten akustischen Strahlenbündels dieselbe Linsenanordnung vorgesehen ist.

4. Akustisches Mikroskop zur Erzeugung einer Ultraschallabbildung eines Objekts mit

f) einem Schalldetektor (36) zur Erzeugung eines dem aufgenommenen akustischen Strahlenbündels (B 2) entsprechenden elektrischen Signals,

dadurch gekennzeichnet, daß

h) mindestens eine weitere ullraschallerzeugende und -nachweisende akustische Linsenanordnung in seitlichem Abstand zur ersten akustischen Linsenanordnung,

i) eine Anordnung zum Bewegen des Objekts in Sequenz durch die fokussierten akustischen

Strahlenbündel hindurch,

k) eine Zeitverzögerungseinrichtung für die in Sequenz nachgewiesenen akustischen Signale und

I) eine Anordnung zur Kombination dler nachgewiesenen und/oder zeitverzögerten Signale vorgesehen ist