DE2640793C2

DE2640793C2 - Verfahren zur schallmikroskopischen Untersuchung eines Objektes und Schallmikroskop

Info

Publication number: DE2640793C2
Application number: DE2640793A
Authority: DE
Inventors: Walter Lysander Los Altos Calif. Bond; Cassius Chapin Holmdel N.J. Cutler; Ross Alan Tinton Falls N.J. Lemons
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 1975-09-18
Filing date: 1976-09-10
Publication date: 1986-04-30
Also published as: US4030342A; DE2640793A1; JPS5237401A; JPS5858022B2

Description

gemäß dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung von Stereobitdpaaren das Objekt im gemeinsamen Brennpunkt der Linsensysteme um eine durch diesen Brennpunkt gehende Drehachse verstellbar angeordnet und in zwei verschiedenen Winkelstellungen gegenüber einer senkrecht zur Schallfortpflanzungsachse des schallsendenden Linsensystems verlaufenden Achse je ein Objektbild erzeugt wird.

Eine Möglichkeit zur weiteren Ausgestaltung eines solchen Verfahrens ist in dem Patentanspruch 3 angegeben.

Nach einem anderen Verfahren ist die genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch lösbar, daß zur Dunkelfeld-Betrachtung des im gemeinsamen Brennpunkt der Linsensysteme angeordneten Objektes mindestens ein schallaufnehmendes Linsensystem gegenüber der Schallfortpflanzungsachse des schallsendenden Linsensystems υτη einen solchen Neigungswinkel um den Brennpunkt verschwenkt wird, daß die durch das Objekt ohne Beugung oder Streuung reflektierten oder transmittierten akustischen Strahlen außerhalb des Aufnahmebereichs eines solchen Linsensystems verlaufen.

Ein Schallmikroskop der eingangs genannten Gattung weist erfindungsgemäß die Besonderheit auf, daß als Objektträger eine um eine durch den gemeinsamen Brennpunkt der Linsensysteme senkrecht zur Schallfortpflanzungsachse des schallsendenden Linsensystems verlaufende Achse verdrehbare Membran vorgesehen ist, und daß die optische Achse mindestens eines zur Aufnahme des Schall-Strahlenbündels dienenden Linsensystems gegenüber der Achse um den Brennpunkt verschwenkbar angeordnet ist

Eine Möglichkeit zur vorteilhaften weiteren Ausgestaltung eines solchen Schallmikroskops ist in dem Patentanspruch 5 angegeben.

Die Erfindung gestattet die stereo-optische Abtastung eines Objekts sowohl in Hellfeld- als auch in Dunkelfeld-Abbildung. Die Schallwellen werden in einem Brennpunkt fokussiert, wobei das Objekt entsprechend einem Abtastmuster wie z. B. einem ebenen Abtastmuster durch den Brennpunkt hindurch bewegt wird. Die von dem Objekt modulierten Schallwellen werden in elektrische Signale umgesetzt und beispielsweise aufgezeichnet oder mittels eines Oszilloskops zur Sichtanzeige gebracht. Das Objekt ist um eine durch den Brennpunkt verlaufende Achse drehverstekbar, so daß zwei unter einem Winkel zueinander versetzte Bilder des Objekts erhalten werden können. Diese beiden Bilder können dann in einen Stereobildbetrachter eingelegt werden, der in bekannter We<ue ein einziges dreidimensionales Bild zur Sichtdarstellung liefert Außerdem läßt sich de^r Schillempfänger unabhängig vom Objekt um eine durch den Brennpunkt verlaufende Achse verstellen, so daß die im Dunkelfeldbereich und im Obergangsbereich zwischen Dunkel- und Hellfeld gestreuten Schallwellen abgetastet und entsprechende Bilder erzeugt werden können.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen, in denen ein gemäß der Erfindung ausgebildetes Schallmikroskop als Ausführungsbeispiel dargestellt ist näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 den schematischen Seitenriß eines erfindungsgemäß ausgebildeten abtastenden Schallmikroskops;

F i g. 2 einen Querschnitt durch das Mikroskop entlang der Linie 2-2 von.Fig. 1;

F i g. 3 einen Querschnitt durch das Mikroskop entlang der Linie 3-3 von F i g. 1;

F i g. 4 eine schematische Draufsicht auf Schallsender

und -empfänger von Fig. 2 mit Veranschaulichung der Drehbarkeit des Objektes um eine durch den Mikroskopbrennpunkt verlaufende Achse:

F i g. 5 einen Ausschnitt des drehbar gelagerten Objekts von F i g. 4 mit Angabe zweier zueinander winkelversetzter Lagen des Objekts;

F i g. 6 ist eine schaubildliche Ansicht eines herkömmlichen Stereobildbetrachters mit Linsen zur dreidimensionalen Betrachtung der beiden Objektbilder;

F i g. 7 ist eine schematische Draufsicht auf Schallsender und -empfänger von F i g. 2, zur Veranschaulichung der Drehbewegung "on Objekt und Empfänger um den Brennpunkt;

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

F i g. 9 ist eine schematische Draufsicht auf Schallsender und -empfänger von F i g. 2 bei der Abtastung spiegelnd reflektierter und gestreuter Schallwellen;

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

Das in den Fig. 1,2 und 3 dargestellte erfindungsgemäße Sciiallmikroskop 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 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 SigaMe.

Die zur Erzeugung und Fokussierung von Schallwellen auf das Objekt 18 und zum Empfangen der vom Objekt veränderten Schallwellen dienende eiiste Teilgruppe umfaßt einen Hochfrequenzoszillutor 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 1500MHz 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 Ausführungsfonr aus ehier herkömmlichen, hochfrequenzzerstäubten Zinkoxid-Dünnschicht. Der Schallsender ist an einem Schallwellen fortpflanzenden Medium angeordnet, welches die vom Wandler erze gten Schallwellen einer Schallinse 26 zuführt. Der Kürze halber sollen daj Schallfortpflanzungsmedium 24 und die Schallinse 26 im nachfolgenden als Schallsender 24 bezeichnet werden.

Die vom Schallsender 24 entsprechend den F i g. 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 wer-

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den und das Medium als Welle durchlaufen. Der Kürze Brennpunkt 27 der Schallwellen. Die zweite Teilgruppe

halber sollen das zweite Schallfortpflanzungsmedium 28 umfaßt eine angetriebene, verfahrbare Plattform 60,

und die zweite Schallinse 30 im nachfolgenden als welche entsprechend F i g. 1 vermittels eines mit einer

Schallempfänger 28 bezeichnet werden. Die sich inner- Hydraulikpumpe 62 verbundenen Hydraulikzylinders

halb des Schallempfängers fortpflanzenden Schallwel- s 64 angehoben bzw. abgesenkt wird. Während jedes Ab-

len fallen auf einen Wandler 32 und werden von diesem bildungsvorgangs hebt der Kolben des Hydraulikzylin-

in der weiter unten beschriebenen Weise in ein elektri- ders die angetriebene Plattform kontinuierlich an. Um

sches Signal umgesetzt. Der Wandler 32 besteht gleich- die Ausrichtung der angetriebenen Plattform 60 nicht zu

falls aus einer herkömmlichen, hochfrequenzzerstäub- verändern, wird diese dabei in zwei Vertikalführungen

ten Zinkoxid-Dünnschicht. io 66 geführt, welche jeweils über einen X-Z-Schiebe-

Der Schallsender 24 und der Schallempfänger 28 kön- schlitten 68 mit einer feststehenden Halterung verbunnen aus Saphir, YAG. YIG und Quarzglas hergestellt den sind. Die beiden Schiebeschlitten gestatten, das Obsein. Bei einer praktischen Ausführungsform des erfin- jekt 18 im Brennpunkt 27 des Mikroskops zu zentrieren, dungsgemäßen Schallmikroskops wiesen die Schallin- Die senkrechte Lage der angetriebenen Plattform 60 sen 26,30 einen Durchmesser von 0,4 mm, einen Krüm- 15 wird durch den in Fig. 1 dargestellten V-Positionsmungshalbmesser von 039 mm und ein öffnungsver- wandler 70 gemessen. Der Ausgang des V-Positionshältnis /: 1,1 auf. Für dickere Objekte, bei denen zur wandlers 70 besteht aus einem elektrischen Analogst· Stereoabbildung eine größere Tiefenschärfe erforder- gnal, welches die Höhenlage des Objekts 18 oberhalb Hch ist, kann die Apertur der Linse, d. h. der Durchmes- des Mikroskopbrennpunkts anzeigt. Entsprechend einer ser derselben verringert werden, wobei allerdings eine 20 bevorzugten Ausführungsform wird die Lage der angegeringe Einbuße an Auflösungsvermögen in Kauf ge- triebenen Plattform vermittels eines Wandlers gemesnommen werden muß. sen, der bei Aufwärtsbewegung der angetriebenen

Zwischen den beiden Schallinsen 26,30 befindet sich Plattform eine zunehmende Ausgangsspannung erein (hier nicht dargestelltes) flüssiges Schallfortpflan- zeugt. Der Wandler besteht aus zwei sandwichartig zungsmedium. Entsprechend der bevorzugten Ausfüh- 25 übereinander angeordneten Platten entgegengesetzter rungsform wird der Zwischenraum zwischen den beiden Polung in Form eines Keramikkörpers, dessen Aus-Linsen durch einen Wassertropfen ausgefüllt, der auf- gangssignal den Betrag der Verformung des Körpers grand seiner Oberflächenspannung gehalten ist. In die- angibt Wandler dieser Art sind im Handel erhältlich,
sem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß in den Ein zweiter solcher Wandler 78 dient zur eindimen-Zeichnungsfiguren der Zwischenraum zwischen den 30 sionalen Abtastung des Objekts. Das Objekt 18 ist im beiden Schallinsen übertrieben groß dargestellt ist und Zwischenraum zwischen Schallsender 24 und Schallin der Praxis beispielsweise nur angenähert 0,7 mm be- empfänger 28 durch eine Mylar-Membran 74 gehalten, trägt Anstelle von Wasser kann natürlich auch eine an- weiche wie aus F i g. 8 ersichtlich in einem Kreisring 76 dere Flüssigkeit verwendet werden, deren Schallfort- aufgespannt ist Der Kreisring 76 ist mit dem einen Ende pflanzungsgeschwindlgkeit möglichst gering ist und die 35 des Wandlers 78 verbunden. Ein mit der Resonanzfreeine möglichst hohe Durchlässigkeit, & h. geringe Ab- quenz des Wandlers (von angenähert 100 Hz) arbeitensorption für Schallwellen aufweist der Tonircqücnzusziliätöf versetzt das Wandlerende

Schallsender 24 und Schallempfänger 28 sind wie in entsprechend seiner Arbeitsfrequenz in hin und her ge- F i g. 1 dargestellt auf einer feststehenden Platte 36 gela- richtete Schwingungen.

gert, welche zugleich die Mikroskopbasis oder -grund- 40 Das andere Ende des Wandlers 78 ist wie aus F i g. 1

platte bildet Der Sender wird in bezug auf diese festste- ersichtlich starr mit einem wahlweise drehbaren Zylin-

hende Platte 36 durch einen X-Z-Schiebeschlitten 38 der 80 verbunden. Der Zylinder 80 ist an der Plattform

und einen V-Schiebeschlitten 40 verlagert Diese beiden 60 befestigt wobei seine Hauptachse durch den Brenn-

Schiebeschlitten gestatten Verlagerungen in der ange- punkt 27 des Mikroskops und koaxial zum Pfosten 46

gebenen Achsenrichtung. 45 verläuft Der Zylinder 80 ist drehbar um seine Haupt-

Der Schallempfänger 28 ist oberhalb der feststehen- achse geführt, vermittels einer Feststeilschraube 82 fest-

den Platte 36 durch einen Pfosten 46 gehalten, welcher stellbar und dient dazu, das Objekt 18 um eine durch den

in der Weise zentriert ist daß seine Hauptachse durch Mikroskopbrennpunkt verlaufende Achse zu ver-

den Brennpunkt 27 des Mikroskops verläuft Am oberen schwenken.

Ende des Pfostens 46 befindet sich eine Drehbühne 48, 50 Bei einer praktischen Ausführungsform de* erfinwelche in bezug auf den Pfosten 46 verdrehbar gelagert dungsgemäßen Schallmikroskops wurde die angetriebe- und vermittels einer Feststellschraube 50 feststellbar ist ne Plattform 60 vermittels des Hydraulikzylinders 64 Der schallempfänger ist seinerseits vermittels eines X- mit gleichförmiger Geschwindigkeit angehoben. Die Z-Schiebeschlittens 52 auf der Drehbühne 48 gelagert Aufwärtsgeschwindigkeit des Objekts entlang der Y-Vermittels Pfosten 46 und Drehbühne 48 läßt sich der 55 Achse betrug dabei angenähert nur '/κ» bis '/«χ» der Schallempfänger 28 azimutal um den Brennpunkt 27 des Geschwindigkeit, mit welcher der Wandler 78 das Ob-Mikroskops verschwenken- Die Schiebeschlitten 38,40, jekt entlang der X-Achse hin und her bewegte.
52 ermöglichen dabei, daß die Brennpunkte von Schall- In Fi g. 1 ist außerdem die dritte Teilgruppe dargesender 24 und Schallempfänger 28 zusammenfallen und stellt, vermittels welcher das Schaltbild des Objekts 18 bei Drehung des Empfängers in bezug auf den Sender 60 unter Verwendung der von den beiden vorstehend bediese konfokale Lage beibehalten. Mit anderen Worten, schriebenen Teflgruppen gelieferten Signale verarbeitet vermittels der Schiebeschlitten wird für jede Drehstel- und zur Sichtanzeige gebracht wird. In der dritten Teillung zwischen Sender und Empfänger um den Dreh- gruppe wird das vom Wandler 32 erhaltene elektrische punkt-Brennpunkt 27 eine Fokalkoinzidenz zwischen Signal im Schallempfänger 28 einem Detektor- und Ver-Schaiiinse 26 und 30 aufrecht erhalten. 65 Stärkersystem zugeführt weiches hier durch den Ver-

Die zweite Teilgruppe des Mikroskops bewegt das stärker 88 angedeutet ist Das Verstärkersystem umfaßt Objekt 18 entsprechend F i g. 1 in einem vorbestimmten einen (nicht dargestellten) Oszillator, eine (nicht darge- Abtastraster oder Scanningmuster in bezug auf den stellte) Mischstufe und einen mit dem Ausgang dersel-

ben verbundenen (ebenfalls nicht dargestellten) linearen Zwischenfrequenzverstärker. Der Ausgang des Verstärkers 88 wird einem Detektor 90 zugeführt, der entsprechend der bevorzugten Ausfuhrungsform aus einem herkömmlichen Diodendetektor besteht. Der Ausgang des Detektors 90 dient zur Intensitätsmodulation eines Oszilloskops 100.

De" η F i g. 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 Tonfrequenzoszillators an das Oszilloskop 100 angepaßt wird, und eine Phasenlagensteuerung umfaßt, vermittels welcher die Bewegungen des 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 V-Positionswandlers 70 an das Oszilloskop 100 angepaßt wird. Der Ausgang des y-Abtastkreises HO 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 Objekt 18 in einem Rastermuster durch den Brennpunkt 27 des Mikroskops hindurchbewegt, .vobei 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 F i g. 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 Detektor· und Verstärkersystems 88 und des Detektors 80 zur Modulation der Intensität des Oszilloskops 100.

Während des Abtast- oder Scanningvorgangs wird das Objekt 18 durch den Kolben des Hydraulikzylinders 64 kontinuierlich in y-Richtung nach oben verlagert Diese Aufwärtsbewegung 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 110 liegt als Eingang am Oszilloskop 100 und gibt dessen Vertikalablenkung vor.

Währen der Abtastung wird das Objekt 18 außerdem vermittels des Bimorph-Wandler 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 10Ofache 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 s durch den Brennpunkt moduliert das Objekt das Schallbündel 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 Fig.4, 5 und 6 dargestellt In F i g. 4 wird das Objekt 18 um den Brennpunkt 27 durch Verdrehen des Zylinders 80 von F i g. 1

ir» Ka-vik* auf Ate* Plattform üft um einen Λλ/inUel OP

gegen den Uhrzeigersinn 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 — 0° wird in der vorstehend beschriebenen Weise erhalten. Das auf dem Oszilloskop 100 von F i g. 1 erscheinende Schallbild wird fotografiert

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

Wie in F i g. 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.

Fig.5 veranschaulicht die Zusammenhänge beim Verschwenken des Objekts 18 um die Winkel +6»° und —Θ" um den Brennpunkt 27. Wenn das Objekt 118 um den Winkel + ff" verschwenkt ist, tritt das Schallbündel an Punkt 116 in das Objekt ein und tritt an Punkt 118

so wieder aus diesem aus. Wenn das Objekt gegen den Uhrzeigersinn um einen Winkel — Θ³ verschwenkt ist tritt das Schallbündel in das Objekt 18' am Punkt 116' ein isnd verläßt das Objekt wieder an Punkt 118'. Wenn das Objekt in die Lage 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 bessere 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

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anderen Worten, bei sehr dünnen Objekten tritt prak- wellen, und diese modulierten Schallwellen steuern In-

tisch keine Verlagerung zwischen den Punkten 116,118 tensitätsänder j/igen des Oszilloskops.

und den Punkten 116" und 118" in F ig. 5 auf. Während bei der in den Fig. 1 bis 7 dargestellten

Weiterhin wurde beobachtet, daß bei Einhaltung ei- Ausführungsfdrm des Schallmikroskops der Schallempnes konstanten Brennpunkts oder Querschnitts des 5 fänger 28 in der Ebene von X- und Z-Achse um die Schallwellenbündels über die Tiefe des Objekts optische V-Achse verschwenkt wird, kann das Schallmikroskop Verzeichnungen in den beiden Fotografien sehr gering auch in der Weise beschaffen sein, daß der Schallempgehalten wefden können. Zur Erzielung einer konstan- fänger innerhalb des ganzen Raumwinkels des Dunkelten Querschnitfseinschnürung wird eine größere Tiefen- felds 124 verstellbar ist. Der Schallempfänger 28 kann schärfe benutzt, indem der Aperturdurchmesser verrin- io dabei vermittels entsprechender, mechanisch arbeitengertwird. der Stellvorrichtungen gegenüber der Achse B von

Mit einer praktischen Ausführungsform des erfin- F i g. 8 verschwenkbar gelagert sein. Andererseits kann

dungsgemäßen Schallmikroskops ließen sich Stereofo- auch der Kreisring 76 um die Achse B verschwenkbar

tografien unter Ablenkungswinkeln θ bis zu 40° herstel- sein, so daß der ganze Raumwinkel des Dunkelfelds vor

'^en· 15 dem in der X-Z-Ebene verschiebbaren Schallempfänger

Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Schall- 28 vorbeigeführt werden kann.

mikroskops besteht darin, daß es auch Dunkelfeldbe- Ein Grund für die Betrachtung von Objekten 18 im trachtung ermöglicht Entsprechend den Darstellungen Dunkelfeld besteht darin, daß die damit erhaltenen in den F i g. 7 und 8 ist das abtastende Schallmikroskop Schallbilder ein wesentlich verbessertes Auflösungsverin der Weise einstellbar, daß es die vom Objekt 18 ge- 20 mögen aufweisen. Aus der optischen und der Elektrostreuten Schallwellen auffängt In diesen Zeichnungsfi- nenmikroskopie ist bekannt, daß Feinstrukturen eine guren ist mit Achse JBdie Achse der Fortpflanzungsrich- Strahlungsstreuung überwiegend unter größeren Wintung der Schallwellen bezeichnet welche mit der Längs- kein zur Folge haben. Grobstrukturen, weiche im Hellachse des Schallsenders 24 zusammenfällt. Der Winkel feld betrachtet werden, zeigen diesen Effekt nicht. Im Φ wird gemessen von der Achse B zur Längsachse des 25 Dunkelfeld können somit vermittels des abtastenden Schallempfängers 28 und stellt die Drehung des Emp- Schallmikroskops Feinstrukturen des Objekts zur Abfängers um den Brennpunkt 27 dar. Die Achse A ver- bildung gebracht werden, welche ansonsten im Hellfeld läuft in einer zur Fortpflanzungsachse des Schallwellen- 122 nicht sichtbar werden.

bündeis senkrechten Ebene, wobei der Winkel θ von F i g. 9 veranschaulicht die Objektabbildung vermit-

der Achse A zur Ebene des Objekts gemessen wird. 30 tels des abtastenden Schallmikroskops im Reflexionsbe-

Entsprechend der Darstellung in Fig. 1 läßt sich das reich. Diese Art der Beobachtung entspricht der soge- Objekt 18 durch Drehen des Zylinders 80 in bezug auf nannten Auflichtmikroskopie. Der Schallempfänger 28'

die angetriebene plattform 60 in einen beliebigen Win- wird durch Verdrehen der Drehbühne 48 von F i g. 1 um

kel θ in bezug auf den Brennpunkt 27 verdrehen. Der den senkrechten Pfosten 46 in eine Lage gebracht, in

Schallempfänger 28 läßt sich gleichfalls durch Drehen 35 welcher er die vom Objekt reflektierten Schallwellen

der Drehbühne 48 um den senkrechten Pfosten 46 unter auffängt. Das Objekt 18 wird dabei durch Verdrehen des

einen beliebigen Winkel Φ einstellen. Das Objekt oder Zylinders 80 in bezug auf die angetriebene Plattform 60

der Schallempfänger oder auch beide sind unabhängig in eine entsprechende Stellung verschwenkt

voneinander in bezug auf den Schallsender verstellbar. Wie vorstehend ausgeführt, sind Empfänger 28' und

Fig.8 veranschaulicht im Schaubild die durch das 40 Objekt 18 unabhängig voneinander entsprechend Objekt 18 durchgelassene Schallstrahlung. Der größte F i g. 7 unter beliebigen Winkeln Φ bzw. θ verschwenk- Teil der auf das Objekt fallenden Schallwellen wird oh- bar. Der Empfänger 28' kann dabei in eine solche Lage

ne Streuung direkt durch das Objekt durchgelassen. verschwenkt werden, daß er die am Objekt 18 entspre-

Diese Schallwellen 122 pflanzen sich ohne nennenswer- chend dem Brechungsgesetz spiegelnd reflektierten

te Dispersion entlang der Achse B fort. In der Mikrosko- 45 Schallwellen auffängt oder in eine andere Winkellage

pie wird der Bereich, in welchem diese direkt durchge- gebracht werden, so daß er vom Objekt 18 reflektierte

lassenen Schallwellen verlaufen, als da«· Hellfeld be- Streustrahlung auffängt Analog zur Transmissionsbe-

zeichnet Ein Teil der auf das Objekt auftreffenden obachtung (F i g. 7 und 8) liefert die Streustrahlung bes-

Schallwellen wird jedoch von diesem gestreut und unter sere Informationen über die Feinstruktur des Objekts Winkeln abgelenkt, die außerhalb des Hellfelds liegen. 50 als das spiegelnd reflektierte Schallwellenbündel. In der Mikroskopie wird dieser Bereich 124 als Dunkel- Bei Reflexionsbetrieb (entsprechend F i g. 9) wird das

feld bezeichnet Objekt in gleicher Weise wie bei Transmissionsbetrieb

Wie oben ausgeführt gestattet das erfindungsgemäße (F i g. 1) abgetastet Dazu wird das Objekt innerhalb des Schallmikroskop die Abtastung von Schallstrahlung in- Schallwellenbündels entsprechend einem Rastermuster

ι nerhalb des Hellfelds, des Dunkelfelds und im Grenzbe- 55 abgetastet welches mit dem Abbildungsraster des Os-

reich zwischen beiden Feldern. Im Grenzbereich zwi- zilloskops !00 synchronisiert ist Das Objekt 18 modu-

schen Hell- und Dunkelfeld können mit dem Mikroskop liert die entsprechend seiner Beschaffenheit reflektier-

sowohl direkt durchgelassene als auch Streustrahlung ten Schallwellen, und diese modulierten Schallwellen

beobachtet werden. Das dabei erhaltene Schallbild er- dienen zur entsprechenden Steuerung von Intensitäts-

scheint als Mischbild zwischen normaler Dunkelfeld- 60 änderungen des Oszilloskops.

und Hellfeldabbildung. Entsprechend der in F i g. 10 dargestellten Anord-

Beim Arbeiten mit dem Mikroskop im Dunkelfeldbe- nung werden im abtastenden Schallmikroskop zwei

reich wird das Objekt in gleicher Weise wie für Hellfeld- Schallempfänger 28 und 28' in Kombination zur gleich-

betrachtung abgetastet Dazu wird das Objekt entspre- zeitigen Beobachtung der vom Objekt durchgelassenen

chend einem Rastermuster durch das Schallwellenbün- 65 und an diesem reflektierten Schallwellen benatzt Der

del hindurchbewegt wobei das Rastermuster mit dem Ausgang jedes Schallempfänger ist mit einem Hochfre-

Abbildungsraster des Oszilloskops 100 synchronisiert quenzempfänger 134 gekoppelt und die beiden Emp-

ist Das Objekt 18 moduliert die durchgelassenen Schall- fänger sind wiederum mit einem Vergleicher 136 ver-

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bundtn. Beide Hochfrequenzempfänger 134 umfassen jeweils den Verstärker 88 und den Detektor 90 entsprechend der Darstellung und Beschreibung von Fig. 1. Der Vergleicher dient zur Addition, Subtraktion, Multiplikation oder Division der beiden elektrischen Ein- s gangssignale. Der Ausgang des Vergleichers liegt am Oszilloskop 100 und dient zur Intensitätsmodulation desselben.

Die beiden miteinander kombinierten Schallempfän- '■■ ger 28, 28' dienen zur Herleitung synchronisierter

Schallbildvergleiche zwischen durchgelassenem und Γεν flektiertem Bild.

: Vermittels unterschiedlicher mathematischer Behandlung der Empfängersignale lassen sich die Unter- ; schiede zwischen den beiden Betrachtungsweisen — is

ψ. Hellfeld und Dunkelfeld — miteinander kontrastieren Jf und stärker hervorheben.

i·'. Bei sämtlichen hier beschriebenen Ausführungsfor-

;_. men wird ein Schallbild des Objekts erzeugt, wobei der p: Bildkontrast der Modulation der Schallwellen durch das ι-;? Objekt entspricht. Es ist jedoch gleichfalls möglich, Pha-ί; sendifferenzen zwischen elektrischen Signalen unmittel- :"; bar zu vergleichen, die aus von dem Objekt modulierten >',! und nicht von diesem modulierten Schallwellen umgej; setzt worden sind. Ein entsprechendes System zur Pha- ; sendifferenzmessung ist in der US-PS 40 28 933 mit dem Titel »Scanning Acoustic Microscope« (»Abtastendes ; Schallmikroskop«) beschrieben.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Schallmikro- ■i skop läßt sich auch in der Wewe ausführen, daß das

Mikroskop in bezug auf das Objekt ortsveränderlich ist

'. Das Objekt behält dann seine 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 Schallir.ikroskops brauchen nicht wie in den Fig. 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. +5

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims

1 2 (74) vorgesehen ist, und daß die optische Achse min- Patentansprüche: destens eines zur Aufnahme des Schall-Strahlenbün dels dienenden Linsensystems (28, 28') gegenüber

1. Verfahren zur schallmikroskopischen Untersu- der Achse (B) um den Brennpunkt (27) verschwenkchung eines Objektes mh Hilfe mindestens zweier 5 bar angeordnet ist

konfokal zueinander angeordneter, je einen elektro- 5. Schallmikroskop nach Anspruch 4, dadurch ge-

akustischen Wandler enthaltenden schallsendenden kennzeichnet, daß die den Objektträger bildende

bzw. schallaufnehmenden Linsensysteme, durch de- Membran (74) und das bzw. die verschwenkbaren

ren fokussiertes Strahlenbündel das Objekt nach ei- Linsensysteme (28, 28') unabhängig voneinander

nem durch den gemeinsamen Brennpunkt der LJn- 10 einstellbar sind,
sensysteme geführten Rastermuster zur Bildung von

durch das Objekt modulierten Signalen abgetastet

wird, die akustischen Abtastsignale in elektrische Signale umgesetzt and diese zur Erzeugung einer mit

der Abtastbewegung synchronisierten Objektbild- 15 Die Erfindung bezieht sich zunächst auf ein Verfahren

darstellung verwendet werden, dadurch ge- zur schallmikroskopischen Untersuchung eines Objek-

kennzeichnet, daß zur Gewinnung von Stereo- ies mit Hilfe mindestens zweier konfokal zueinander

büdpaaren das Objekt (18) im gemeinsamen Brenn- angeordneter, je einen elektro-akustischen Wandler

punkt (27) der Linsensysteme (24,28) um eine «lurch enthaltenden schallsendenden bzw. schallaufnehmen-

diesen Brennpunkt gehende Drehachse verstellbar 20 den Linsensysteme, durch deren fokussiertes Strahlen-

sngeordnet und in zwei verschiedenen Winkelste!- bündel das Objekt tisch einem durch den gemeinsamen

lungen (+θ, — β) gegenüber einer senkrecht zur Brennpunkt der Linsensysteme geführten Rastermuster

Schallfortpflanzungsachse (B) des schallsendenden zur Bildung von durch das Objekt modulierten Signalen

Linsensystems (24) verlaufenden Achse (A) je ein abgetastet wird, die akustischen Abtssisignale in elek-

Objektbild erzeugt wird. 25 trische Signale umgesetzt und diese zur Erzeugung ei-

2. Verfahren zur schallmikroskopischen Untersu- ner mit der Abtastbewegung synchronisierten Objektchung eines Objektes mit Hufe mindestens zweier bilddarstellung vervt ändet werden.

konfokal zueinander angeordneter, je einen elektro- Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Schallmikroakustischen Wandler enthaltenden schallsendenden skop mit mindestens zwei konfokal zueinander ange- bzw. schallaufnehmenden Linsensysteme, durch de- 30 ordneten, mit elektro-akustischen Wandlern versehenen ren fokussiertes Strahlenbündel das Objekt nach ei- schallsendenden bzw. schallaufnehmenden Linsensystenem durch den gemeinsamen Brennpunkt der Lin- men, mit Mitteln zur Erzeugung einer rasterförmigen sensysteme geführten Rastermuster zur Bildung von Abtastbewegung zwischen einem Objekt und dem gedurch das Objeki modulierten Signalen abgetastet meinsamen Brennpunkt der Linsensysteme und mit Mitwird, die akustischen Abtastsigtale in elektrische Si- 35 teln zur Erzeugung einer Objektbilddarstellung aus den gnale umgesetzt und diese zur Erzeugung einer mit mit der Abtastbewegung synchronisierten Abtastsignader Abtastbewegung synchronisierten Objektbild- len des schallaufnehmenden Linsensystems,
darstellung verwendet werden, dadurch gekenn- Ein Untersuchungsverfahren der zur Rede stehenden zeichnet, daß zur Dunkelfeldbetrachtung des im ge- Art sowie ein entsprechender Schaf!mikroskop sind bemeinsamen Brennpunkt (27) der Linsensysteme an- 40 reits bekannt (vgl. US-PS 4028 933 bzw. inhaltsgleiche geordneten Objektes (18) mindestens ein schallauf- DE-PS 25 04 988 sowie Applied Physics, Letters, 1974, nehmendes Linsensystem (28, 28') gegenüber der S. 163—165). Nach diesem Stand der Technik wird eine Schallfortpflanzungsachse (B) des schallsendenden ebene Schallwelle hoher Frequenz mittels einer Schall-Linsensystems (24) um einen solchen Neigungswin- linse auf ein im Brennpunkt der Linse befindliches Obkel (Φ) um den Brennpunkt verschwenkt wird, daß 45 jekt fokussiert und abgetastet Die von dem Objekt modie durch das Objekt ohne Beugung oder Streuung dulierten Schallwellen werden durch eine zweite Schallreflektierten oder transmittierten akustischen Strah- linse wiederum kollimiert und von einem piezoelektri-Ien (122) außerhalb des Aufnahmebereichs eines so!- sehen Wandler aufgefangen. Das am Wandler aufgefanchen Linsensystems (28,28') verlaufen. gene Schallsignal wird in elektrische Signale umgesetzt,

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 50 welche einem Oszilloskop zugeführt werden, mit dem zeichnet, daß die beiden mit unterschiedlichen Win- das Hellfeld-Schallbild des Gegenstandes zur Sichtankelstellungen des Objekts gewonnenen Objektbilder z^ige gebracht wird.

photographisch aufgezeichnet werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein schall-Schallmikroskop mit mindestens zwei konfokal mikroskopisches Untersuchungsverfahren bzw. ein zueinander angeordneten, mit elektro-akustischen 55 Schallmikroskop der eingangs genannten Art mit dem Wandlern versehenen schallsendenden bzw. schall- Ziel zu verbessern, daß eine Stereobilddarstellung geaufnehmenden Linsensystemen, mit Mitteln zur Er- wonnen und auch eine Dunkelfeld-Betrachtung ermögzeugung einer rasterförmigen Abtastbewegung zwi- licht wird. Die mittels Schall erzeugten dreidimensionaschen einem Objekt und dem gemeinsamen Brenn- len mikroskopisch vergrößerten Bilder sollen ein besonpunkt der Linsensysteme und mit Mitteln zur Erzeu- 60 ders hohes Auflösungsvermögen und eine hohe Kongung einer Objektbilddarstellung aus den mit der trastschärfe aufweisen, um die Einzelheiten von Fein-Abtastbewegung synchronisierten Abtastsignalen Strukturen erkennbar zu machen. Es soll möglich gedes schallaufnehmenden Linsensystems, dadurch ge- macht werden, eine Abbildung sowohl mit gestreuten kennzeichnet, daß als Objektträger eine um eine als auch mit spiegelnd reflektierten Schallwellen zu erdurch den gemeinsamen Brennpunkt der Linsen^y- 65 halten, wobei reflektierte und durchgelassene Bildsignasteme (24, 28, 28') senkrecht zur Schallfortpflan- Ie anhand Addition, Subtration, Division und Multiplika· zungsachse (B) des schallsendenden Linsensystems tion miteinander vergleichbar sein sollen.
(24) verlaufenden Achse (A) verdrehbare Membran Ein diese Aufgabe lösendes Verfahren ist erfindungs-