DE2640793A1 - Schallmikroskop - Google Patents

Description

Patentanwalt

DipL-Ing.l

2 HAMBURG 36 NeuerWalHOII

4662-1-2885

T. 76141 Fl 9. September 1976

The Board of Trustees of the Leland Stanford Junior University, Stanford, Kalif. (V.St.A.)

SGHALLMIK-ROSKOP

(Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U.S. Anmeldung Ser.No. 614 359 vom 18. September 1975 in Anspruch genommen.)

Die Erfindung bezieht sich auf die Abbildung vermittels Schallwellen und insbesondere das Gebiet der akustischen oder Schallmikroskopie.

In der Mikroskopie werden stark vergrößerte, für das menschliche Auge auflösbare Bilder sehr kleiner Gegenstände oder Strukturen erzeugt. Bei optischen, d.h. mit Lichtwellen arbeitenden Mikroskopen werden bei Hellfeldbetrachtung entweder die von einem Beobachtungsgegenstand unmittelbar durchgelassenen oder die spiegel nd an diesem reflektierten Wellen zur Erzeugung des Bildes benutzt. Bei Dunkelfeldbetrachtung mit dem optischen Mikroskop entsteht das Bild aus den Lichtwellen, welche vom Objekt in einen Raumwinkel gestreut werden, der außerhalb des Winkels der von diesem direkt durchgelassenen oder spiegelnd an diesem reflektierten Wellen liegt. Wie bekannt wird dementsprechend in der Mikroskopie allgemein bei

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Dunkelfeldbetrachtung die Feinstruktur des Objekts abgebildet, wohingegen bei Hellfeldbetrachtung die grobe Gesamtstruktur sichtbar wird.

In der U.S. PS (U.S. Patentanmeldung Ser. No.

442 782, A.T. 15. 2. 1974, Titel "Scanning Acoustic Microscope" ("Abtastendes Schallmikroskop"), Erfinder Ross Lemons u.a. ist ein Schallmikroskop offenbart, mit dem ein Object in Hellfeldbetrachtung abgetastet werden kann. In diesem Mikroskop wird eine ebene Schallwelle hoher Frequenz vermittels einer Schalllinse auf ein im Brennpunkt der Linse befindliches Objekt fokussiert, wobei dieses im Scanningbetrieb abgetastet wird. Die vom Objekt modulierten Schallwellen werden durch eine zweite Schallinse wiederum kollimiert und von einem piezoelektrischen Wandler aufgefangen. Das am Wandler aufgefangene Schallsignal wird in elektrische Signale umgesetzt, welche einem Oszilloskop zugeführt werden, mit dem das Hellfeld-Schallbild des Gegenstands zur Sichtanzeige gebracht wird.

Aufgabe der Erfindung ist nunmehr die Schaffung eines verbesserten Schallmikroskops, welches die Abbildung von Objekten mittels gestreuter Schallwellen im Hell- und Dunkelfeld, sowie auch im Übergangsbereich zwischen Hell- und Dunkelfeld und die Sichtbarmachung und/oder Aufzeichnung eines dreidimensionalen, mikroskopisch vergrößerten Bildes mit einem sehr hohen, gesteigerten Auflösungsvermögen gestattet. Entsprechend weiteren Zielen der Erfindung sollen die vermittels Schall erzeugten Bilder hohen Kontrast aufweisen und die Einzelheiten von Feinstrukturen erkennen lassen. Es soll möglich sein, eine Abbildung sowohl mit gestreuten als auch mit spiegelnd reflektierten Schallwellen zu erhalten, wobei reflektierte und durchgelassene Bildsignale anhand Addition, Subtraktion, Division und Multiplikation miteinander vergleichbar sein sollen.

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Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene akustische oder Schallmikroskop ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch ein erstes, Schallwellen fortpflanzendes Medium, eine am Ende des Schallfortpflanzungsmediums angeordnete Schallinse, einen zur Erzeugung von gegen die Schallinse gerichteten und durch diese fokussierbaren Schallwellen im Schallfortpflanzungsmedium dienenden Schallerzeuger, ein zweites, Schallwellen fortpflanzendes Medium, in welchem Schallwellen kollimierbar sind, eine an einem Ende des zweiten Schallfortpflanzungsmediums angeordnete Schallinse, wobei die Brennpunkte von erster und zweiter Schallinse mit dem Brennpunkt des Mikroskops zusammenfallen, einen zur Umsetzung der Schallwellen im zweiten Schallfortpflanzungsmedium in elektrische Signale dienenden Wandler, Stellvorrichtungen, vermittels welcher das Objekt relativ zu dem Mikroskop entsprechend einem Abtastmuster durch den Mikroskopbrennpunkt hindurchbewegbar ist, eine Drehvorrichtung, vermittels welcher das Objekt relativ zu dem Mikroskop um eine durch den Mikroskopbrennpunkt verlaufende Achse verdrehbar ist, und eine mit dem Wandler gekoppelte, zur Aufzeichnung der den vom Objekt modulierten Schallwellen entsprechenden elektrischen Signale dienende Aufzeichnungsvorrichtung.

Weitere Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche 2-7.

Das vorgeschlagene Schallmikroskop gestattet die stereooptische Abtastung eines Objekts sowohl in Hellfeld- als auch in Dunkelfeldabbildung. Im Mikroskop werden die Schallwellen in einem Brennpunkt fokussiert, wobei das Objekt entsprechend einem Abtastmuster wie z.B. einem ebenen Abtastmuster durch den Brennpunkt hindurchbewegt wird. Die vom Objekt modulierten Schallwellen werden in elektrische Signale umgesetzt und beispielsweise aufgezeichnet oder vermittels eines Oszilloskops zur Sichtanzeige gebracht. Das Objekt ist innerhalb des

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Mikroskops um eine durch den Brennpunkt verlaufende Achse drehbar^ gelagert, so daß zwei unter einem Winkel zueinander versetzte Bilder des Objekts erhalten werden können. Diese beiden Bilder können dann in einen Stereobildbetrachter eingelegt werden, wobei der Betrachter ein einziges, dreidimensionales Bild sieht. Außerdem läßt sich der Schallempfänger des Mikroskops unabhängig vom Objekt um eine durch den Brennpunkt verlaufende Achse verschwenken, so daß vermittels des Mikroskops die im Dunkelfeldbereich und im Übergangsbereich zwischen Dunkel·^ und Hellfeld gestreuten Schallwellen abgetastet und dementsprechende Bilder erzeugt werden können.

Das erfindüngsgemäß vorgeschlagene Schallmikroskop ist im nachfolgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 ist ein teilweise im Schnitt dargestellter schematischer Seitenaufriß eines erfindungsgemäß ausgebildeten abtastenden Schallmikroskops,

Fig. 2 ist ein Querschnitt durch das Mikroskop entlang der Linie 2-2 von Fig. 1.

Fig. 3 ist ein Querschnitt durch das Mikroskop entlang der Linie 3-3 von Fig. 1.

Fig. 4 ist eine schematische Draufsicht auf

Schallsender und -empfänger von Fig. 2 , ; zur Veranschaulichung der Drehbewegung . des Objekts um eine durch den Mikroskopbrennpunkt verlaufende Achse.

Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt des drehbar gelagerten Objekts von Fig. 4 und veranschaulicht zwei zueinander winkelversetzte Lagen des Objekts.

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Fig. 6 ist eine schaubildliche Ansicht eines

herkömmlichen Stereobildbetrachters mit Linsen zur dreidimensionalen Betrachtung der beiden Objektbilder.

Fig. 7 ist eine schematische Draufsicht auf

Schallsender und -empfänger von Fig. 2, zur Veranschaulichung der Drehbewegung von Objekt und Empfänger um den Brennpunkt .

Fig. 8 ist eine schaubildliche Darstellung der durch das Objekt durchgelassenen Schallwellen mit Darstellung von Hell- und Dunkelfeld.

Fig. 9 ist eine schematische Draufsicht auf

Schallsender und -empfänger von Fig. 2 bei der Abtastung spiegelnd reflektierter und gestreuter Schallwellen.

Fig. 10 ist eine schematische Draufsicht auf das Schallmikroskop, welches zur Abtastung reflektierter und durchgelassener Schallwellen und zum Vergleich dieser reflektierten und durchgelassenen Signale eingestellt und ausgelegt ist.

Das in den Figuren 1,2 und 3 dargestellte erfindungsgemäße Schallmikroskop gestattet die Abtastung (Scanning) eines relativ zu dem Mikroskop beweglichen Objekts 18 mit direkt durchgelassenen, spiegelnd reflektierten und gestreuten Schallwellen. Das Mikroskop setzt sich aus drei Teilgruppen zusammen, die im gegenseitigen Zusammenwirken zum Abtasten des Objekts und zur Sichtbarmachung des Schallbilds dienen. Die erste Teilgruppe erzeugt und fokussiert die Schallwellen auf das Objekt und fängt die vom Objekt veränderten Schallwellen auf. Die zweite

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Teilgruppe verlagert das Objekt in bezug auf die Schallwellen entsprechend einem vorbestimmten Abtast- oder Scanningmuster. Die dritte Teilgruppe verarbeitet das Schallbild des Objekts und bringt dieses zur Sichtanzeige unter Verwendung der von erster und zweiter Teilgruppe abgegebenen Signale.

Die zur Erzeugung und Fokussierung von Schallwellen auf das Objekt 18 und zum Empfangen der vom Objekt veränderten Schallwellen dienende erste Teilgruppe umfaßt einen Hochfrequenzoszillator 20. Dieser kann beispielsweise aus einem herkömmlichen Festfrequenzoszillator veränderlicher Frequenz mit einer Ausgangsleistung von angenähert 20 mW bestehen. Entsprechend einer Ausführungsform kann der Hochfrequenzoszillator 20 für den Frequenzbereich von 200 bis 1500 MHz ausgelegt sein. Wie in Fig. 1 schematisch angedeutet, treibt der Hochfrequenzoszillator 20 einen Wandler 22 an, welcher die Hochfrequenzsignale in Schallwellen umsetzt. Der Wandler 22 besteht entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform aus einer herkömmlichen, hochfrequenzζerstäubten Zinkoxid-Dünnschicht. Der Schallsender ist an einem Schallwellen fortpflanzenden Medium angeordnet, welches die vom Wandler erzeugten Schallwellen einer Schallinse 26 zuführt. Der Kürze halber sollen das Schallfortpflanzungsmedium 24 und die Schallinse 26 im nachfolgenden als Schallsender 24 bezeichnet werden.

Die vom Schallsender 24 entsprechend den Fig. 1 und 2 ausgehenden Schallwellen werden in einem Brennpunkt 27 fokussiert. Die hinter dem Brennpunkt divergierenden Schallwellen treten in ein. zweites Schallfortpflanzungsmedium 28 ein, wobei sie zunächst auf eine Schallinse 30 fallen, an dieser gebrochen werden und das Medium als Welle durchlaufen. Der Kürze halber sollen das zweite Schallfortpflanzungsmedium 28 und die zweite Schallinse 30 im nachfolgenden als Schallempfänger 28 bezeichnet werden. Die sich innerhalb des Schallempfängers fort-

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pflanzenden Schallwellen fallen auf einen Wandler 32 und werden von diesem in der weiter unten beschriebenen Weise in ein elektrisches Signal umgesetzt. Der Wandler 32 besteht gleichfalls aus einer herkömmlichen, hochfrequenzζerstäubten Zinkoxid-Dünnschicht.

Der Schallsender 24 und der Schallempfänger 28 können aus Saphir, YAG, YIG und Quarzglas hergestellt sein. Bei einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallmikroskops wiesen die Schallinsen 26, 30 einen Durchmesser von 0,4 mm, einen Krümmungshalbmesser von 0,39 mm und ein Öffnungsverhältnis f : 1,1 auf. Für dickere Obj ekte, bei denen zur Stereoabbildung eine größere Tiefenschärfe erforderlich ist, kann die Apertur der Linse, d.h. der Durchmesser derselben verringert werden, wobei allerdings eine geringe Einbuße an Auflösungsvermögen in Kauf genommen werden muß.

Zwischen den beiden Schallinsen 26, 30 befindet sich ein (hier nicht dargestelltes) flüssiges Schallfortpflanzungsmedium. Entsprechend der bevorzugten Ausführungsform wird der Zwischenraum zwischen den beiden Linsen durch einen Wassertropfen ausgefüllt, der aufgrund seiner Oberflächenspannung gehalten ist. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß in den Zeichnungsfiguren der Zwischenraum zwischen den beiden Schalllinsen übertrieben groß dargestellt ist und in der Praxis beispielsweise nur angenähert 0,7 mm beträgt. Anstelle von Wasser kann natürlich auch eine andere Flüssigkeit verwendet werden, deren Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit möglichst gering ist und die eine möglichst hohe Durchlässigkeit, d.h. geringe Absorption für Schallwellen aufweist.

Schallsender 24 und Schallempfänger 28 sind wie in Fig. 1 dargestellt auf einer feststehenden Platte 36 gelagert, welche zugleich die Mikroskopbasis oder -grundplatte bildet. Der Sender wird in bezug auf diese feststehende Platte 36 durch

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einen X-Z-Sehiebeschlitten 38 und einen Y-Schiebeschlitten 40 verlagert. Diese beiden Schiebeschlitten gestatten Verlage-.rungen in der angegebenen Achsenrichtung und sind im Handel erhältlich.

Der Schallempfänger 28 ist oberhalb der feststehenden Platte 36 durch einen Pfosten 46 gehalten, welcher in der Weise zentriert ist, daß seine Hauptachse durch den Brennpunkt 27 des Mikroskops verläuft. Am oberen Ende des Pfostens 46 befindet sich eine Drehbühne 48, welche in bezug auf den Pfosten 46 verdrehbar gelagert und vermittels einer Feststellschraube 50 feststellbar ist. Der Schallempfänger ist seinerseits vermittels eines X-Z-Schiebeschlittens 52 auf der Drehbühne 48 gelagert. Vermittels Pfosten 46 und Drehbühne 48 läßt sich der Schallempfänger 28 azimutal um den Brennpunkt 27 des Mikroskops verschwenken.. Die Schiebeschlitten 38, 40, 52 ermöglichen dabei, daß die Brennpunkte von Schallsender 24 und Schallempfänger 28 zusammenfallen und bei Drehung des Empfängers in bezug auf den Sender diese konfokale Lage beibehalten. Mit anderen Worten, vermittels der Schiebeschlitten wird für jede Drehstellung zwischen Sender und Empfänger um den Drehpunkt-Brennpunkt 27 eine Fokalkoinzidenz zwischen Schallinse 26 und 30 aufrecht erhalten. .-*""""

Die zweite Teilgruppe desMikrospkops bewegt das Objekt 18 entsprechend Fig. 1 in einem vorbestimmten Abtastraster oder Scanningmuster in bezug auf den Brennpunkt 27 der Schallwellen. Die zweite Teilgruppe umfaßt eine angetriebene, verfahrbare Plattform 60, welche entsprechend Fig. 1 vermittels eines mit einer Hydraulikpumpe 62 verbundenen Hydraulikzylinders 64 angehoben bzw. abgesenkt wird. Während jedes Abbildungsvorgangs hebt der Kolben des Hydraulikzylinders die angetriebene Plattform kontinuierlich an. Um die Ausrichtung der angetriebenen Plattform 60 nicht zu verändern, wird diese dabei in zwei Vertikalführungen 66 geführt, welche jeweils über einen X-Z-

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Schiebeschlitten 68 mit einer feststehenden Halterung verbunden sind. Die beiden Schiebeschlitten gestatten, das Objekt 18 im Brennpunkt 27 des Mikroskops zu zentrieren.

Die senkrechte Lage der angetriebenen Plattform 60 wird durch den in Fig. 1 dargestellten Y-Positionswandler 70 gemessen. Der Ausgang des Y-Positionswandlers 70 besteht aus einem elektrischen Analogsignal, welches die Höhenlage des Objekts 18 oberhalb des Mikroskopbrennpunkts anzeigt. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform wird die Lage der angetriebenen Plattform vermittels eines Bimorph-Wandlers gemessen, der bei Aufwärtsbewegung der angetriebenen Plattform eine zunehmende Ausgangsspannung erzeugt. Der Bimorph-Wandler besteht aus zwei sandwichartig übereinander angeordneten Platten entgegengesetzter Polung in Form eines Keramikkörpers, dessen Ausgangssignal den Betrag der Verformung des Körpers angibt. Bimorph-Wandler sind im Handel erhältlich (beispielsweise von der Fa. Vernitron Piezoelectric Division, 232 Forbes Road, Bedford, Ohio 44146, V.St.A.).

Ein zweiter Bimorph-Wandler 78 dient zur eindimensionalen Abtastung des Objekts. Das Objekt 18 ist im Zwischenraum zwischen Schallsender 24 und Schallempfänger 28 durch eine Mylar-Membran 74 gehalten, welche wie aus Fig. 8 ersichtlich in einem· Kreisring 76 aufgespannt ist. Der Kreisring 76 ist mit dem einen Ende des Bimorph-Wandlers 78 verbunden. Ein mit der Resonanzfrequenz des Bimorph-Wandlers (von angenähert 100 Hz) arbeitender Tonfrequenzoszillator versetzt das Wandlerende entsprechend seiner Arbeitsfrequenz in hin und her gerichtete Schwingungen.

Das andere Ende des Bimorph-Wandlers 78 ist wie aus Fig. 1 ersichtlich starr mit einem wahlweise drehbaren Zylinder 80 verbunden. Der Zylinder 80 ist an der Plattform 60 befestigt, wobei seine Hauptachse durch den Brennpunkt 27 des Mikroskops

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und koaxial zum Pfosten 46 verläuft. Der Zylinder 80 ist drehbar um seine Hauptachse geführt, vermittels einer Feststellschraube 82 feststellbar und dient dazu, das Objekt 18 um eine durch den Mikroskopbrennpunkt verlaufende Achse zu verschwenken.

Bei einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallmikroskops wurde die angetriebene Plattform 60 vermittels des Hydraulikzylinders 64 mit gleichförmiger Geschwindigkeit angehoben. Die Aufwärtsgeschwindigkeit des Objekts entlang der Y-Achse betrug dabei angenähert nur 1/100 bis 1/1000 der Geschwindigkeit, mit welcher der Bimorph-Wandler 78 das Objekt entlang der Y-Achse hin und her bewegte.

In Fig. 1 ist außerdem die dritte Teilgruppe dargestellt, vermittels welcher das Schallbild des Objekts 18 unter Verwendung der von den beiden vorstehend beschriebenen Teilgruppen gelieferten Signale verarbeitet und zur Sichtanzeige gebracht wird. In der dritten Teilgruppe wird das vom Wandler 32 erhaltene elektrische Signal im Schallempfänger 28 einem Heterodyn-Detektor- und Verstärkersystem zugeführt, welches hier durch den Verstärker 88 angedeutet ist. Das Verstärker-Heterodynsystem umfaßt einen (nicht dargestellten) Oszillator, eine (nicht dargestellte) Mischstufe und einen mit dem Ausgang derselben verbundenen (ebenfalls nicht dargestellten) linearen Zwischenfrequenzverstärker. Der Ausgang des Verstärkers 88 wird einem Detektor 90 zugeführt, der entsprechend der bevorzugten Ausführungsform aus einem herkömmlichen Diodendetektor besteht. Der Ausgang des Detektors 90 dient zur Intensitätsmodulation eines Oszilloskops 100.

Der in Fig. 1 dargestellte Tonfrequenzoszillator 79, welcher das Objekt 18 entlang der X-Achse hin und her bewegt, ist mit einem X-Abtastkreis 106 verbunden, welcher eine Vergrößerungseinstellstufe, durch welche die Ausgangsspannung des Ton-

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frequenzoszillators an das Oszilloskop 100 angepaßt wird, und eine Phasenlagensteuerung umfaßt, vermittels welcher die Bewegungen des Bimorph-Wandlers 78 mit der Abtastung des Oszilloskops synchronisiert werden. Der Ausgang des X-Abtastkreises 106 ist mit dem Oszilloskop 100 verbunden und dient zum Antrieb der Horizontalablenkung desselben.

Der Y-Positionswandler 70 von Fig. 1 ist mit einem Y-Abtastkreis 110 verbunden, welcher eine Vergrößerungseinstellstufe umfaßt, vermittels welcher die Ausgangsspannung des Y-Positionswandlers 70 an das Oszilloskop 100 angepaßt wird. Der Ausgang des Y-Abtastkreises 110 liegt am Oszilloskop 100 und steuert dessen Vertikalablenkung.

Die Arbeitsweise des Schallmikroskops ist kurz wie folgt: Im Zusammenwirken der drei Teilgruppen des Mikroskops wird das Obj ekt 18 in einem Rastermuster durch den Brennpunkt 2 7 des Mikroskops hindurchbewegt, wobei ein Schallbild des Objekts auf dem Oszilloskop 100 zur Sichtanzeige gebracht wird. Dazu erzeugt der Hochfrequenzoszillator 20 ein Hochfrequenzsignal, das durch den Wandler 22 in Schallwellen umgesetzt wird, welche sich durch den Schallsender 24 fortpflanzen und durch die Schallinse 26 im Brennpunkt 27 fokussiert werden. Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, durchsetzen die Schallwellen das Objekt 18 in Transmission, wobei das Schallwellenbündel aufgrund der physikalischen Beschaffenheit des Objekts moduliert wird. Die modulierten Schallwellen treffen auf die Schallinse 30, werden von dieser gebrochen und pflanzen sich dann im Schallempfänger 28 fort, in welchem sie vermittels des Wandlers 32 zu entsprechenden elektrischen Ausgangssignalen umgesetzt werden. Diese elektrischen Ausgangssignale dienen nach Durchlaufen des Heterodyn-Detektor- und Verstärkersystems 88 und des Detektors 80 zur Modulation der Intensität des Oszilloskops 100.

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Während des Abtast- oder Scanningvorgangs wird das Objekt 18 durch den Kolben des Hydraulikzylinders 64 kontinuierlich in .Y-Richtung nach oben verlagert. Diese Äufwärtsbewegung des Objekts in Y-Richtung wird durch den Y-Positionswandler 70 und den Y-Abtastkreis 110 in ein entsprechendes elektrisches Signal umgesetzt. Das Ausgangssignal des Y-Abtastkreises liegt als Eingang am Oszilloskop 100 und gibt dessen Vertikalablenkung vor.

Während der Abtastung wird das Objekt 18 außerdem vermittels des Bimorph-Wandlers 78 und des Tonfrequenzoszillators 79 in Richtung der X-Achse hin und her bewegt. Diese X-Achsenbewegung des Objekts wird durch den X-Abtastkreis 106 synchronisiert mit der waagerechten Ablenkung des Oszilloskops 100. Bei einer praktischen Ausführungsform betrug die Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts in X-Achsenrichtung wenigstens das 100-fache der Bewegungsgeschwindigkeit in Y-Richtung.

Wie somit ersichtlich, wird das Objekt 18 entsprechend einem Abtastraster oder Scanningmuster durch den Mikroskopbrennpunkt 27 hindurchbewegt, wobei das Rastermuster mit dem Bildraster des Oszilloskops 100 synchronisiert ist. Bei der Bewegung des Objekts durch den Brennpunkt moduliert das Objekt das Schall^ bündel entsprechend der Durchlässigkeit des im Brennpunkt befindlichen Objekts. Die Schwankungen der akustischen Durchlässigkeit erscheinen im Oszilloskopbild als kontrastierende helle und dunkle Flächen. Jeder Punkt des Oszilloskopbildes entspricht einem Objektpunkt, da das Rasterbewegungsmuster des Objekts mit dem Bildraster des Oszilloskops synchronisiert ist.

Vermittels des vorgeschlagenen Schallmikroskops lassen sich auch stereoskopische/ d.h. dreidimensionale Bilder eines abgetasteten Objekts erstellen. Das entsprechende Vorgehen ist anhand der Figuren 4, 5 und 6 dargestellt. In Fig. 4 wird das Objekt 18 um den Brennpunkt 27 durch Verschwenken des Zylinders

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80 von Fig. 1 in bezug auf die Plattform 60 um einen Winkel - ·θ·° gegen den Urzeigersinn verschwenkt. Entsprechend der bevorzugten Ausführungsform wird der Winkel -Θ- gegen eine zur Fortpflanzungsachse der Schallwellen senkrechte Achse gemessen. Der Schallsender 24 und der -empfänger 28 befinden sich dabei in koaxialer Ausrichtung zueinander und behalten diese bei. Ein Schallbild des Objekts 18 unter dem Winkel - -9·° wird in der vorstehend beschriebenen Weise erhalten. Das auf dem Oszilloskop 100 von Fig. 1 erscheinende Schallbild wird fotografiert.

Dann wird das Objekt 18 um den Brennpunkt 27 um einen Winkel + -9·° im Uhrzeigersinn verschwenkt. Wiederum wird ein Schallbild in gleicher Weise im Oszilloskop 100 erzeugt, und dieses zweite Schallbild wird ebenfalls fotografiert.

Wie in Fig. 6 dargestellt, werden die beiden Fotografien 112 und 113 der beiden Schallbilder in einem gegenseitigen Abstand nebeneinander auf einer Pappe 114 angeordnet und in einen herkömmlichen Stereobildbetrachter mit Linsen 115 eingesetzt und mit diesem in bekannter Weise betrachtet. Bei dieser Betrachtungsweise verschmelzen die beiden Fotografien 112 und 113 für den Betrachter zu einem einzigen Bild und vermitteln diesem den Eindruck von Tiefe ähnlich wie bei normalem dreidimensionalem Sehen.

Figur 5 veranschaulicht die Zusammenhänge beim Verschwenken des Objekts 18 um die Winkel + -6·° und - ·θ·° um den Brennpunkt 27. Wenn das Objekt 18 um den Winkel + -9·° verschwenkt ist, tritt das Schallbündel an Punkt 116 in das Objekt ein und tritt an Punkt 118 wieder aus diesem aus. Wenn das Objekt gegen den Uhrzeigersinn um einen Winkel - ·θ·° verschwenkt ist, tritt das Schallbündel in das Objekt 18' am Punkt 116' ein und verläßt das Obj ekt wieder an Punkt 118'. Wenn das Obj ekt in die Lage

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18' verschwenkt ist, haben sich die Punkte 116, 118 in die Lage 116" bzw. 118" verlagert. Daher erscheinen bei Winkelverdrehung des Objekts aus der einen in die andere Drehstellung die gleichen Punkte des Objekts an verschiedenen Stellen der beiden Fotografien. Bei Betrachtung der beiden Fotografien durch einen Stereobildbetrachter vermittelt die Winkelverlagerung dem. Betrachter den Eindruck der Tiefe.

Es wurde gefunden, daß vermittels des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schallmikroskops besssere Stereofotografien erhalten werden können, wenn das Objekt 18 eine größere Dicke aufweist. Das ist darauf zurückzuführen, daß die Objektdicke eine stärkere räumliche Verlagerung der beiden Fotografien bewirkt. Mit anderen Worten, bei sehr dünnen Objekten tritt praktisch keine Verlagerung zwischen den Punkten 116, 188 und den Punkten 116" und 118" in Fig. 5 auf.

Weiterhin wurde beobachtet, daß bei Einhaltung eines konstanten Brennpunkts oder Querschnitts des Schallwellenbündels über die Tiefe des Objekts optische Verzeichnungen in den beiden Fotografien sehr gering gehalten werden können. Zur Erzielung einer konstanten Querschnittseinschnürung wird eine größere Tiefenschärfe benutzt, indem der Aperturdurchmesser verringert wird.

Mit einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallmikroskops ließen sich Stereofotografien unter Ablenkungswinkeln -Θ- bis zu 40° herstellen.

Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Schallmikroskops besteht darin, daß es auch Dunkelfeldbetrachtung ermöglicht. Entsprechend den Darstellungen in den Fig. 7 und 8 ist das abtastende Schallmikroskop in der Weise einstellbar, daß es die vom Objekt 18 gestreuten Schallwellen auffängt. In diesen Zeichnungsfiguren ist mit Achse B die Achse der Fortpflanzungs-

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richtung der Schallwellen bezeichnet, welche mit der Längsachse des Schallsenders 24 zusammenfällt. Der Winkel φ wird gemessen von der Achse B zur Längsachse des Schallempfängers 28 und stellt die Drehung des Empfängers um den Brennpunkt 2 7 dar. Die Achse A verläuft in einer zur Fortpflanzungsachse des Schallwellenbündels senkrechten Ebene, wobei der Winkel -Θ-von der Achse A zur Ebene des Objekts gemessen wird.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 1 läßt sich das Objekt durch Drehen des Zylinders 80 in bezug auf die angetriebene Plattform 60 in einen beliebigen Winkel -Q- in bezug auf den Brennpunkt 27 verdrehen. Der Schallempfänger 28 läßt sich gleichfalls durch Drehen der Drehbühne 48 um den senkrechten Pfosten 46 unter einen beliebigen Winkel φ einstellen. Das Objekt oder der Schallempfänger oder auch beide sind unabhängig voneinander in bezug auf den Schallsender verstellbar.

Figur 8 veranschaulicht im Schaubild die durch das Objekt 18 durchgelassene Schallstrahlung. Der größte Teil der auf das Objekt fallenden Schallwellen wird ohne Streuung direkt durch das Objekt durchgelassen. Diese Schallwellen 122 pflanzen sich ohne nennenswerte Dispersion entlang der Achse B fort. In der Mikroskopie wird der Bereich, in welchem diese direkt durchgelassenen Schallwellen verlaufen, als das Hellfeld bezeichnet. Ein Teil der auf das Objekt auftreffenden Schallwellen wird jedoch von diesem gestreut und unter Winkeln abgelenkt, die außerhalb des Hellfelds liegen. In der Mikroskopie wird dieser Bereich 124 als Dunkelfeld bezeichnet.

Wie oben ausgeführt, gestattet das erfindungsgemäße Schallmikroskop die Abtastung von Schallstrahlung innerhalb des Hellfelds, des Dunkelfelds und im Grenzbereich zwischen beiden Feldern. Im Grenzbereich zwischen Hell- und Dunkelfeld können mit dem Mikroskop sowohl direkt durchgelassene als auch Streustrahlung beobachtet werden. Das dabei erhaltene Schallbild erscheint

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als Mischbild zwischen normaler Dunkelfeld- und Hellfeldabbildung. _s . .

Beim Arbeiten mit dem Mikroskop im Dunkelfeldbereich wird das Obj ekt in gleicher Weise .wie für Hellfeldbetrachtung abgetastet. Dazu wird das Objekt entsprechend einem Rastermuster durch das Schallwellenbündel· hindurchbewegt, wobei das Rastermuster mit dem Abbildungsraster des Oszilloskops 100 synchronisiert ist-Das Objekt 18 moduliert die durchgelassenen Schallwellen, und diese modulierten Schallwellen steuern Intensitätsänderungen des Oszilloskops.

Während bei der in den Pig. 1 bis 7 dargestellten Ausführungsform des Schallmikroskops der Schallempfänger 28 in der Ebene von X- und Z-Achse um die Y-Achse verschwenkt wird, kann das Schallmikroskop auch in der Weise beschaffen sein, daß der Schallempfänger innerhalb des ganzen Raumwinkels des Dunkelfelds 124 verstellbar ist. Der Schallempfänger 28 kann dabei vermittels entsprechender, mechanisch arbeitender Stellvorrichtungen um die Achse B von Fig. 8 verschwenkbar gelagert sein. Andererseits kann auch der Kreisring 76 um die Achse B verschwenkbar sein, so daß der ganze Raumwinkel des Dunkelfelds vor dem in der X-Z-Ebene verschiebbaren Schallempfänger 28 vorbeigeführt werden kann.

Ein Grund für die Betrachtung von Objekten 18 im Dunkelfeld besteht darin, daß die damit erhaltenen Schallbilder ein wesentlich verbessertes Auflösungsvermögen aufweisen. Aus der optischen und der Elektronenmikroskopie ist bekannt, daß Feinstrukturen eine Strahlungsstreuung überwiegend unter größeren Winkeln zur Folge haben. Grobstukturen, welche im Hellfeld betrachtet werden, zeigen diesen Effekt nicht. Im Dunkelfeld können somit vermittels des abtastenden Schallmikroskops Feinstrukturen des Objekts zur Abbildung gebracht werden, welche ansonsten im Hellfeld 122 nicht sichtbar werden.

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Figur 9 veranschaulicht die Objektabbildung vermittels des abtastenden Schallmikroskops im Reflexionsbereich. Diese Art der Beobachtung entspricht der sogenannten Auflichtmikroskopie. Der Schallempfänger 28' wird durch Verdrehen der Drehbühne 48 von Fig. 1 um den senkrechten Pfosten 46 in eine Lage gebracht, in welcher er die vom Objekt reflektierten Schallwellen auffängt. Das Objekt 18 wird dabei durch Verdrehen des Zylinders 80 in bezug auf die angetriebene Plattform 60 in eine entsprechende Stellung verschwenkt.

Wie vorstehend ausgeführt, sind Empfänger 28' und Objekt 18 unabhängig voneinander entsprechend Fig. 7 unter beliebigen Winkeln φ bzw. -Θ- verschwenkbar. Der Empfänger 28' kann dabei in eine solche Lage yerschwenkt werden, daß er die am Objekt 18 entsprechend dem Brechungsgesetz spiegelnd reflektierten Schallwellen auffängt, oder in eine andere Winkellage gebracht werden, so daß er vom Objekt 18 reflektierte Streustrahlung auffängt. Analog zur Transmissionsbeobachtung (Fig. 7 und 8) liefert die Streustrahlung bessere Informationen über die Feinstruktur des Objekts als das spiegelnd reflektierte Schallwellenbündel.

Bei Reflexionsbetrieb (entsprechend Fig. 9) wird das Objekt in gleicher Weise wie bei Transmissionsbetrieb (Fig. 1) abgetastet. Dazu wird das Objekt innerhalb des Schallwellenbündels entsprechend einem Rastermuster verlagert, welches mit dem Abbildungsraster des Oszilloskops 100 synchronisiert ist. Das Objekt 18 moduliert die entsprechend seiner Beschaffenheit reflektierten Schallwellen, und diese modulierten Schallwellen dienen zur entsprechenden Steuerung von Intensitätsänderungen des Oszilloskops.

Entsprechend der in Fig. 10 dargestellten Anordnung werden im abtastenden Schallmikroskop zwei Schallempfänger 28 und 28' in Kombination zur gleichzeitigen Beobachtung der vom Objekt

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durchgelassenen und an diesem reflektierten Schallwellen benutzt. Der Ausgang jedes Schallempfängers ist mit einem Hochfrequenzempfänger 134 gekoppelt, und die beiden Empfänger sind wiederum mit einem Vergleicher 136 verbunden. Beide Hochfrequenzempfänger 134 umfassen jeweils den Verstärker und den Detektor 90 entsprechend der.Darstellung und Beschreibung von Fig. 1. Der Vergleicher dient zur Addition, Subtraktion, Multiplikation oder Division der beiden elektrischen Eingangssignale. Der Ausgang des Vergleichers liegt am Oszilloskop 100 und dient zur Intensitätsmodulation desselben.

Die beiden miteinander kombinierten Schallempfänger 28, 28· dienen zur Herleitung synchronisierter Schallbildvergleiche zwischen durchgelassenem und reflektiertem Bild.

Vermittels unterschiedlicher mathematischer Behandlung der Empfängersignale lassen sich die Unterschiede zwischen den beiden Betrachtungsweisen - Hellfeld und Dunkelfeld - miteinander kontrastieren und stärker hervorheben.

Bei sämtlichen hier beschriebenen Ausführungsformen wird ein Schallbild des Objekts erzeugt, wobei der Bildkontrast der Modulation der Schallwellen durch das Objekt entspricht. Es ist jedoch gleichfalls möglich, Phasendifferenzen zwischen elektrischen Signalen unmittelbar zu vergleichen, die aus von dem Objekt modulierten und nicht von diesem modulierten Schallwellen umgesetzt worden sind. Ein entsprechendes System zur Phasendifferenzmessung ist in der U.S. PS mit

dem Titel "Scanning Acoustic Microscope" ("Abtastendes Schallmikroskop") beschrieben.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Schallmikroskop läßt sich auch in der Weise ausführen, daß das Mikroskop in bezug auf das Objekt ortsveränderlich ist. Das Objekt behält dann seine

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Lage bei, und Sender und Empfänger werden durch mechanische Vorrichtungen in ähnlicher Weise wie hier beschrieben entsprechend einem Rastermuster angetrieben. Das Rastermuster ist in der beschriebenen Weise mit einem Oszilloskop synchronisiert, wobei das Schallbild des Gegenstands in der beschriebenen Weise erhalten wird.

Die Ausgänge der dritten Teilgruppe des Schallmikroskops brauchen nicht wie in den Figuren 1,9 und 10 dargestellt mit einem Oszilloskop verbunden zu sein, sondern können auch allgemein mit jedem Aufzeichnungsgerät wie z.B. einem Magnetbandgerät, einem Kurvenschreiber oder dem Speicher eines Digitalrechners verbunden sein.

- Patentansprüche: -

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L e e r s e i t e

Claims (7)

Patentansprüche :

1. Schallmikroskop, gekennzeichnet durch

a) ein erstes, Schallwellen fortpflanzendes Medium (24),

b) eine am Ende des Schallfortpflanzungsmediums angeordnete Schallinse (26),

c) einen zur Erzeugung von gegen die Schallinse gerichteten und durch diese fokussierbaren Schallwellen im Schallfortpflanzungsmedium dienenden Schallerzeuger (22),

d) ein zweites, Schallwellen fortpflanzendes Medium (28), in welchem Schallwellen kollimierbar sind,

e) eine an einem Ende des zweiten Schallfortpflanzungsmediums (28) angeordnete Schallinse (23), wobei die Brennpunkte von erster und zweiter Schallinse mit dem Brennpunkt (27) des Mikroskops zusammenfallen,

f) einen zur Umsetzung der Schallwellen im zweiten Schallfortpflanzungsmedium in elektrische Signale dienenden Wandler (32),

g) Stellvorrichtungen (60, 68), vermittels welcher das Objekt (18) relativ zu dem Mikroskop entsprechend einem Abtastmuster durch den Mikroskopbrennpunkt hindurchbewegbar ist,

h) eine Drehvorrichtung (80), vermittels welcher das Objekt (18) relativ zu dem Mikroskop um eine durch den Mikroskopbrennpunkt verlaufende Achse verdrehbar ist, und

i) eine mit dem Wandler (32) gekoppelte, zur Aufzeichnung der dem vom Objekt modulierten Schallwellen entsprechenden elektrischen Signale dienende Aufzeichnungsvorrichtung (88 - 110).

2. Schallmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufzeichnungsvorrichtung ein Gerät zur Bilderzeugung (100) umfaßt, wobei der Bildkontrast an vorbe-

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stimmten Stellen Modulationsänderungen der Schallwellen durch das Objekt (18) entspricht und die vorbestimmten Stellen der durch die Stellvorrichtungen (60, 68) vorgegebenen Lage des Objekts entsprechen.

3. Schallmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellvorrichtungen (60, 68) für Translationsverstellung des Objekts (18) in einem Rastermuster ausgelegt sind und die Aufzeichnungsvorrichtung eine Kathodenstrahlröhre (100) umfaßt, deren Raster mit der Translation des Objekts synchronisiert ist.

4. Schallmikroskop nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß erstes und zweites Schallfortpflanzungsmedium (24, 28) koaxial zueinander ausgerichtet sind und die Schallwellen durch das Objekt (18) hindurchtreten .

5. Schallmikroskop nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß erstes und zweites Schallfortpflanzungsmedium (24, 28) unter einem Winkel zueinander ausgerichtet sind und die Schallwellen am Objekt reflektiert werden.

6. Schallmikroskop nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufzeichnungsvorrichtung einen Phasenvergleicher (136) umfaßt, der dazu dient, Phasenunterschiede der elektrischen Signale aus der Umsetzung vom Objekt modulierter Schallwellen und nicht von diesem modulierter Schallwellen miteinander zu vergleichen.

7. Schallmikroskop nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drehvorrichtung vorgesehen ist, vermittels welcher das Objekt (18) relativ zu dem Mikro-

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skop um eine durch den Mikroskopbrennpunkt (27) verlaufende zweite Achse verdrehbar ist.

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