DE2821574A1

DE2821574A1 - Verfahren und anordnung zur ermittelung von veraenderungen in bzw. bei einem gegenstand

Info

Publication number: DE2821574A1
Application number: DE19782821574
Authority: DE
Inventors: Eric Albert Ash; Simon David Bennett
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1977-05-17
Filing date: 1978-05-17
Publication date: 1978-12-21
Also published as: JPS541681A; JPS6310387B2; GB1598191A; DE2821574C2

Description

Dipl.-Ing. H. MITSCHERLICH Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN Dr. rer. nat. W. KÖRBER

Dipl.-Ing. J. SCHMIDT-EVERS

PATENTANWÄLTE

D-8000 MÖNCHEN 22 Steinsdorfstraße 10 "H¹ (089) * 29 66 84

17. Mai 1978

-ff-

NATIONAL RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION 66-74 Victoria Street
London SW1, England

Verfahren und Anordnung zur Ermittelung von Veränderungen in bzw. bei einem Gegenstand

809851/0658

Dipl.-Ing. H. MITSCHERLICH Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN Dr.rer. not. W. KÖRBER

Dipl.-lng. J. SCHMIDT-EVERS

PATENTANWÄLTE

D-8000 MÖNCHEN 22 Steinsdorfstraße 10

"©> (089) * 29 66 84

-M-

BeSchreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Schallbild-Aufzeichnungsgeräte .

Auf dem Gebiet der Mikroskopie besteht eine ganz neue Entwicklung in der Ausnutzung der Schallstrahlung zur "Beobachtung" eines Gegenstands. Dabei wird eine Schallwelle in eine Wasserzelle mittels einer geeignet geformten Schalllinse fokussiert, wobei durch den Fokus eine Probe mechanisch abgetastet wird. Die durch den Durchgang durch die Probe modulierte Schallstrahlung wird von einer weiteren, auch als Schallinse zu bezeichnenden akustischen Linse aufgenommen. Eine derartige Anordnung ist in der Zeitschrift "Ultrasonics Symposium Proceedings of the Institute of Electrical and Electronic Engineers", 1973, Cat.-Nr. 73 CHO 807-8SU, von R.A.Lemons und C.F.Quate in einem Artikel mit der Bezeichnung "A Scanning Acoustic Microscope" beschrieben worden.

Eine derartige Einrichtung kann dazu herangezogen werden, eine Information über die Probe an einer sehr großen Anzahl von Punkten zu liefern, die in Abstand voneinander auf oder unter der Probenoberfläche vorgesehen sind. Bei der Interpretation dieser Information kann es von Nutzen sein, lediglich Veränderungen in der Probe zu berücksichtigen, die nach Aufnahme einer vorhergehenden Aufzeichnung aufgetreten sind. Die Änderungen können in der Amplitude und/oder der Phase auftreten. Während die bisher bekannten Anordnungen imstande sind, ein Bild unter alleiniger Ausnutzung des Phasenkontrastes oder unter alleiniger Ausnutzung des Amplitudenkontrastes oder unter Ausnutzung

809851/066$

einer bekannten oder unbekannten Kombination beider Kontraste zu liefern, wird davon ausgegangen, daß es bisher nicht möglich gewesen ist, gleichzeitige Veränderungen bei beiden Variablen nach Ablauf einer Zeitspanne aufzuzeichnen.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie nach Ablauf einer Zeitspanne Änderungen der beiden Variablen gleichzeitig aufgezeichnet werden können.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung. Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Ermittelung von Veränderungen bei einem Gegenstand geschaffen, umfassend die Bestrahlung des Gegenstands mit einem fokussierten Strahl einer akustischen Strahlung, die durch ein erstes elektrisches Wechselstromsignal erregt wird. In der Nähe des Fokus wird ein Strahl der in der Phase und Amplitude durch den betreffenden Gegenstand modulierten akustischen Strahlung aufgenommen, und aus dieser Strahlung wird ein zweites elektrisches Wechselstromsignal abgeleitet. Aus dem ersten elektrischen Wechselstromsignal wird ein Bezugssignal mit bekannter Phasenlage erzeugt. Das zweite Signal und das Bezugssignal werden kohärent bzw. zusammenhängend gemischt, um ein erstes in Phase befindliches Signal abzuleiten. Das zweite Signal wird mit dem Bezugssignal gemischt, welches in der Phasenlage zwischen 80° und 100°, zweckmäßigerweise um 90°, umgeschaltet wird, um ein erstes um 90° phasenverschobenes Signal zu liefern. Das erste in Phase befindliche Signal und das erste um 90° phasenverschobene Signal werden gespeichert. Nach einer Zeitspanne wird ein Strahl einer durch denselben Teil des betreffenden Gegenstandes modulierten akustischen Strahlung aufgenommen, und aus diesem Signal wird ein drittes elektrisches Wechselstromsignal abgeleitet. Außerdem werden in entsprechender Weise ein zweites in Phase befindliches Signal und ein zweites um 90° phasenverschobenes Signal abgeleitet. Die gespeicherten ersten und zweiten Signale werden unter Ermittelung jeglicher Veränderung in dem Gegenstand verknüpft

809851/0688

bzw. kombiniert.

Der akustische Schallstrahl kann entweder durch den Gegenstand hindurchgeleitet oder von diesem reflektiert werden.

Die gespeicherten ersten und zweiten Signale können durch einfache Addition oder durch einfache Subtraktion oder durch Addition oder Subtraktion nach Multiplikation des einen Signals mit einem konstanten Faktor oder durch andere mathematische Operationen kombiniert bzw. verknüpft werden.

Üblicherweise umfaßt das Verfahren ferner die Erzeugung einer relativen Bewegung in der Brennebene des Gegenstands und des Fokus des SchallStrahles. Dabei werden ein erstes in Phase befindliches Signal und ein erstes um 90° phasenverschobenes Signal an jeder Stelle der in einer Vielzahl vorgesehenen relativen Stellen abgeleitet. Jedes erste in Phase befindliche Signal und jedes erste um 90° phasenverschobenes Signal werden gespeichert. Nach der betreffenden Zeitspanne wird die Bewegung wiederholt, und ein zweites in Phase befindliches Signal sowie ein zweites um 90° phasenverschobenes Signal werden an der jeweiligen Stelle abgeleitet. Für die jeweilige Stelle werden die gespeicherten ersten und zweiten Signale kombiniert bzw. verknüpft.

Gemäß der Erfindung ist ferner eine Anordnung zur Ermittelung einer Veränderung in bzw. bei einem Gegenstand geschaffen. Diese Anordnung umfaßt Einrichtungen zur Bestrahlung des Gegenstands mittels eines fokussierten Schallstrahles, der durch ein erstes elektrisches Wechselstromsignal erregt wird. Ferner sind Einrichtungen zur Aufnahme eines SchallStrahles vorgesehen, der in der Phase und in der Amplitude durch den betreffenden Gegenstand in der Nähe des Fokus moduliert ist. Außerdem sind Einrichtungen zur Ableitung eines zweiten elektrischen Wechselstromsignals aus dem gerade genannten Schallstrahl vorgesehen. Überdies sind Einrichtungen vorge-

809851 /0658

sehen, die aus dem ersten elektrischen Wechselstromsignal ein Bezugssignal mit einer bekannten Phasenlage ableiten. Außerdem sind Mischeinrichtungen vorgesehen, die das zweite Signal und das Bezugssignal derart zusammenfassend mischen, daß ein in Phase befindliches Signal auftritt, und die das zweite Signal und das Bezugssignal, welches in der Phasenlage zwischen 80° und 100° umgeschaltet bzw. geändert wird, zur Gewinnung eines um 90° phasenverschobenen Signals mischen.

Bei einer Ausführungsform der betreffenden Anordnung sind ferner Abtastanordnungen vorgesehen, die so angeordnet bzw. ausgelegt sind, daß der Gegenstand schrittweise in bezug auf den Fokus des Schallstrahles in der Brennebene und in einem wiederholbaren Muster bewegt wird. Mit den Mischeinrichtungen sind Speichereinrichtungen verbunden, um ein der jeweiligen relativen Lage des Gegenstandes entsprechendes in Phase befindliches Signal und ein entsprechendes um 90° phasenverschobenes Signal zu speichern. Ferner sind Verknüpfungseinrichtungen vorgesehen, die so angeordnet sind, daß sie für die jeweilige Position des Gegenstands das gespeicherte Signal mit dem sukzessiv gelieferten Signal verknüpfen.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem Blockdiagramm eine Anordnung gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt in einem vereinfachten Blockdiagramm einen Teil einer Anordnung zur Anzeige der elektrischen Signale und ihre Verknüpfung.

In Fig. 1 ist ein Abtast-Schall-Transmissionsmikroskop 11 dargestellt, umfassend einen ersten Saphirkristall 10 und einen zweiten Saphirkristall 12. Die beiden Kristalle 10, weisen jeweils eine polierte konkave sphärische Oberfläche bzw. 16 und eine gegenüberliegende plane Oberfläche auf, mit der ein piezoelektrischer Wandler 18 bzw. 20 in Kontakt ist.

809851/0658

Die konkaven Oberflächen sind einander benachbart angeordnet. Jede dieser Oberflächen kann einen Krümmungsradius von etwa 0,13 mm besitzen. Zwischen diesen konkaven Oberflächen wird ein Wassertropfen 22 durch die Oberflächenspannung gehalten.

Wenn eine Wechselspannung an den Wandler 18 angelegt wird, wird eine ebene Welle einer akustischen Strahlung erzeugt, die durch den Kristall 10 in den Wassertropfen 22 hinein gelangt. Die gekrümmte Oberfläche 14 fokussiert den Strahl in das Wasser. Wenn eine dünne Probe 24, die auf einem PoIyäthylenterephthalat-Film 26 aufgebracht bzw. an diesem Film angebracht ist, in dem Brennpunkt angeordnet wird, dann wird die Probe die durch sie hindurchdringende Schallstrahlung modulieren. Wenn die konkaven Oberflächen 14, 16 konfokal angeordnet sind, wird der Kristall 12 die Strahlung vom Brennpunkt aufnehmen und ein verwandtes Wechselstromsignal an den Wandler 20 abgeben. Wenn die Probe durch den Brennpunkt abgetastet wird, wie beispielsweise in einem Rastermuster, kann ein punktweises Abbild aus dem Signal vom Wandler 20 gebildet werden. Dies stellt das grundsätzliche Abtastschallmikroskop dar, wie es in der oben erwähnten Druckschrift beschrieben worden ist.

Um die Aufzeichnung einer Veränderung in bzw. bei einem Gegenstand zu ermöglichen, ist eine zusätzliche Anordnung erforderlich. Der Wandler 18 wird von einem 1-GHz-Oszillator über einen Verstärker 30 und einen Schalter 32 gespeist. Der Wandler 20 ist an einem Schalter 34 angeschlossen. Die Schalter 32, 34 werden von einem Impulsgenerator 36 gesteuert. Der Schalter 34 wird über eine Verzögerungsleitung 38 gesteuert bzw. betätigt, um die Zeit für den Durchgang der Schallstrahlung durch das Mikroskop bereitzustellen. Die Schalter 32, 34 ermöglichen die Anwendung des Zeit-Tast-Verfahrens, gemäß dem ermöglicht ist, daß über den Schalter 34 lediglich die erforderlichen Signale übertragen werden, d.h. diejenigen Signale, die dem direkten Durchgang der

809851/0658

Schallstrahlung durch das Mikroskop entsprechen. Diejenigen Signale, die der an den gekrümmten Oberflächen 14, 16 reflektierten Schallstrahlung entsprechen, werden ausgeschieden.

Der Schalter 34 ist über einen Verstärker 40 und ein Bandpaßfilter 42 an dem ersten Eingang eines Mischers 44 angeschlossen. Der zweite Eingang des Mischers wird von dem Oszillator 28 über eine Verzögerungsleitung 46 und einen schaltbaren Phasenschieber 48 gespeist. Der Ausgang des Mischers ist an einem Tiefpaßfilter 50 angeschlossen.

Im Gebrauch führt die Verzögerungsleitung 46 eine Verzögerung ein, die etw* gleich der Durchgangszeit der Schallstrahlung durch das Mikroskop ist. Dadurch wird die Auswirkung jeglicher Kurzzeit-Instabilität des Oszillators stark vermindert. Das Tiefpaßfilter 50 führt zu einer Unterdrückung unerwünschter Modulationsprodukte. Die Zeitkonstante dieses Filters ist so gewählt, daß eine wirksame Integration des ermittelten Signalimpulses erfolgt.

Im Zuge der folgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, daß die Anordnung so ausgelegt ist, daß die Kombination der Verzögerungsleitung 46 und des schaltbaren Phasenschiebers dazu führt, daß an den Eingang des Mischers 44 ein Signal abgegeben wird, welches entweder in Phase oder um 90° phasenverschoben zu dem Ausgangssignal ist, welches das Mikroskop bei Fehlen jeglichen Gegenstandes liefern würde; das ist die Phasenlage des direkt übertragenen ersten elektrischen Wechselstromsignals.

Der Mischer kombiniert dann die beiden Signale, die entweder genau in Phase sind, um ein in Phase befindliches Signal zu liefern, oder die in der Phasenlage um 90° verschieden sind, um ein um 90° phasenverschobenes Signal zu liefern. Dies gestattet eine klare Erläuterung der Erfindung unter Heranziehung einfacher mathematischer Begriffe.

809851/06S8

Die Bedingungen sind jedoch nicht notwendig. Solange die beiden Phasenlagen, die durch den Phasenschieber hervorgerufen werden, stets gleich sind und um 90° differieren, können sodann zwei Signale, die nominell in Phase und um 90° phasenverschoben sind, abgeleitet werden. Die Phasenänderungen in bzw. bei dem Gegenstand können ermittelt werden. Die tatsächlichen Phasenlagen der beiden Signale müssen bekannt sein; eine Phasenlage kann zur Lieferung des in Phase befindlichen Signals an einem beliebigen Ursprungspunkt gewählt werden.

Der Phasenschieber braucht im übrigen nicht die Phasenlage um genau 90° zu ändern, um das um 90° phasenverschobene Signal zu liefern. Vielmehr können Phasenverschiebungen zwischen 80 und 100 angewandt werden. Die tatsächliche Verschiebung muß durch einen Eichungsvorgang und durch eine auf die Ausgabedaten angewandte einfache numerische Korrektur erster Ordnung genau festgelegt werden.

Wahrscheinlich wird eine Phasendifferenz zwischen den in Phase befindlichen Signalen und den um 90° phasenverschobenen Signalen wesentlich geringer sein als 80°, die die Ermittelung von Phasenänderungen in bzw. an dem Gegenstand ermöglicht^ solange die Größe genau bekannt ist, wobei allerdings größere Korrekturen dann bei den Daten vorzunehmen erforderlich ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 sei angenommen, daß das Oszillator-Ausgangssignal (das ist das erste elektrische Wechselstromsignal) gegeben sei mit Acoswt. Bei Fehlen der Probe 24 und bei auf die Null-Phasenverschiebung eingestelltem Phasenschieber 48 wird die Verzögerungsleitung 46 so gewählt oder eingestellt, daß die Eingangssignale für den Mischer 44 von dem Phasenschieber 48 (das ist das Bezugssignal) und von dem Mikroskop 11 über den Schalter 34 (das ist das zweite elektrische Wechselstromsignal) miteinander in Phase sind und daher jeweils als Acoswt betrachtet werden können, da nämlich die tatsächlichen Phasennacheilungen den gleichen Wert be-

809851/0658

sitzen. Wenn der Phasenschieber 48 zur 90 -Verschiebung verändert wird, dann kann das Eingangssignal von dem Phasenschieber für den Mischer 44 als Asinco t betrachtet werden. Nimmt man an, daß die Übertragungsfunktion der Probe 24 gegeben ist mit Β(χ)[θ° - das sind eine Amplitudenkonrponente B(x) und eine zugehörige Phasenverschiebung von θ° - dann beträgt das Ausgangssignal des Mikroskops 11 gleich B(x)cosj_t^ t + θ (x)J , wenn ein konstanter Faktor unberücksichtigt bleibt. Dieses Signal wird dem ersten Eingang des Mischers 44 zugeführt.

Das Ausgangssignal des Mischers 44 ist das Produkt der beiden Eingangssignale:
Wenn 0=0 ist, dann ist das

Ausgangssignal = A coscut χ B(x) cos[w t + θ (χ)

\ cos θ (χ) + cos Γ 2wt + θ (χ) Γ

L L ^JJ

Das Tiefpaßfilter 50 ermöglicht die Übertragung des Signals:

_{cos θ} (_x).

Wenn 0 = 90° ist, dann beträgt das
Ausgangssignal = A sin tot χ B(x) cos j W t + θ (x)J _

Das Tiefpaßfilter 50 ermöglicht die Übertragung des Signals: _{sin θ(χ}) (2)

Die Messung der beiden durch die Gleichungen (1) und (2) dargestellten Größen ermöglicht die gesonderte Bestimmung von B(x) und von θ (χ).

Nunmehr sei ein Punkt in bzw. auf dem Gegenstand an der Position (iox, doy) betrachtet, wobei Sx^Sy die Abmessung des Bildelements und i und j ganze Zahlen bedeuten. Vor einer

809861/0658

Veränderung in bzw. bei dem Gegenstand sei die komplexe Amplitude gegeben durch B_i-, und nach der Veränderung sei die betreffende Amplitude gegeben durch C. .. Wenn Aufzeichnungen von B^ ■ und von C^ . gemacht werden, dann können diese Größen in unterschiedlichen Arten kombiniert bzw. verknüpft werden. So enthält beispielsweise B.. - C^. die gesamte Information bezüglich der Veränderung, und diese Information kann in geeigneter Weise angezeigt werden. Alternativ dazu wird in dem Fall, daß B^. + K C^ . angezeigt wird, wobei K eine komplexe Konstante ist, durch B^-s ein Bezugshintergrund des ursprünglichen Bildes geliefert, und die Überlagerung von KC. führt zu Interferenzstreifen, und zwar ähnlich jenen Interferenzstreifen, wie sie in der optischen Meßtechnik bekannt sind. Diese Streifen können als unterteilte Konturen der Veränderung betrachtet werden. Wenn die Veränderung hauptsächlich in der Amplitude auftritt, dann könnte eine Anzeige von B. . + C. . C. . * geliefert werden, wobei C₁ ^*

IJ J-J Ij J-J

die komplexe konjugierte Größe von C^λ ist. Andere mathematische Operationen sind ebenfalls möglich.

Zurückkommend auf Fig. 1 sei bemerkt, daß der Träger des Gegenstands bzw. Objektes 26 schrittweise in einem Rastermuster abgetastet wird und daß das Ausgangssignal des Mischers 44 je Abtastpunkt aufgezeichnet wird, und zwar sowohl dann, wenn der Phasenschieber 48 eine Null-Phasenverschiebung einführt, als auch dann, wenn er eine 90°-Phasenverschiebung einführt. Der betreffende Gegenstand bzw. das Objekt wird dann verändert oder seine Veränderung wird in irgendeiner Weise ermöglicht, und dann erfolgt eine erneute Abtastung in genau im gleichen Abtastmuster, wobei an jedem Punkt eine Aufzeichnung für 0=0 und für 0 = 90° vorgenommen wird. Die beiden Aufzeichnungen umfassen dann B^^ und C^; sie können in irgendeiner Weise unter Bereitstellung irgendeiner geeigneten digitalen Verarbeitungseinrichtung kombiniert bzw. verknüpft werden, die in einer herkömmlichen Art und Weise arbeitet. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die geeignetste Form der Anzeige ohne weiteres ausgewählt werden

809851 /0658

Nunmehr wird eine Anordnung zur Steuerung der Erzeugung der Aufzeichnungen B.. und C.. unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert werden.

Das Tiefpaßfilter 50 ist über eine Abtast- und Halteeinheit 52 sowie über einen Analog-Digital-Wandler 54 und ein Steuerleitungssystem 56 an einer Steuerungs- und Speicherschaltung 58 und außerdem an einer Schrittmotor-Antriebs- und Steuerschaltung 60 angeschlossen. Die Schaltung 60 steuert zwei Schrittmotoren 62, 64, welche die Lage des Films 26 steuern, an bzw. auf dem der Gegenstand bzw. das Objekt 24 angebracht ist. Die Schaltung 60 ist außerdem mit einer Anzeigeeinheit 66, wie mit einer Kathodenstrahlröhre, verbunden.

Die Steuerschaltung 58 steuert außerdem die Operation bzw. den Betrieb der Abtast- und Halteeinheit 52, des Analog-Digital-Wandlers 54 und des schaltbaren Phasenschiebers 48.

Ein typischer, unter der Steuerung der Steuerschaltung 58 zur Lieferung der Aufzeichnungen der Signale B^ . und C^ . ablaufender Zyklus könnte wie folgt ablaufen:

1. Der Phasenschieber 48 wird auf 0=0 eingestellt.

2. Den Schrittmotoren 62, 64 werden solche Befehle gegeben, daß diese Schrittmotoren eine Bewegung zu einer vorgegebenen Stelle, dem Punkt irfx, jcfy, ausführen und an der betreffenden Stelle anhalten.

3. Nach einer kurzen Verzögerung, die dem System ermöglicht, sich entsprechend einzustellen, wird die Abtast- und Halteschaltung 52. so eingestellt, daß der Analog-Signalpegel an ihrem Eingang festgehalten wird. Dies entspricht dem Ausgangssignal des Mikroskops 11, welches auf den Punkt idx, JcTy fokussiert ist, und beträgt A^_* cos 0ij.

4. Ein der Größe A^ cos 0^ . entsprechender fester Signalpegel tritt am Eingang des Analog-Digital-Wandlers 54 auf.

5. Der Wandler 54 gibt ein Digital-Signal an den Speicherteil der Steuerschaltung 58 ab, und der Abtast- und Halteschal-

809851/0658

tung ist dann ermöglicht, wieder dem Eingangssignal zu

folgen,
b. Der Phasenschieber 48 wird auf 0 = 90° eingestellt. Die Schritte 3, 4 und 5 werden wiederholt, und ein der Größe A^. sin 0. . entsprechendes Digital-Signal wird in

der Speicherschaltung gespeichert.
7. Die Schrittmotoren bewegen das Objekt in eine neue Position, und der Meßzyklus wird wiederholt.

Nachdem der Gegenstand bzw. das Objekt in einem Rastermuster abgetastet worden ist, wird der betreffende Gegenstand verändert, oder ihm wird ermöglicht, sich zu verändern. Der Zyklus wird dann wiederholt, indem der betreffende Gegenstand in genau demselben Muster abgetastet wird. Die ersten und zweiten Aufzeichnungen B. . und C.. . werden dann durch die

IJ J-J

Speicherschaltung in der gewünschten bzw. erforderlichen Weise kombiniert bzw. verknüpft und angezeigt.

Es dürfte einzusehen sein, daß bei der betreffenden Anordnung eine Vielzahl von Modifikationen vorgenommen werden kann. Wenn beispielsweise ein hinreichend stabiler Oszillator verwendet wird, braucht die Verzögerungsleitung 46 nicht eine Verzögerungszeit einzuführen, die gleich der Durchgangszeit der Schallwelle durch das Mikroskop ist, sondern sie braucht lediglich eine wesentlich geringere Phasenverschiebung einzuführen, so daß das Bezugssignal mit der erforderlichen Phasenlage auftritt. Es dürfte ferner einzusehen sein, daß eine wesentliche Unterscheidung zwischen der Funktion der Verzögerungsleitung 46 und dem Phasenschieber 48 unabhängig von der Tatsache vorhanden ist, daß beide Schaltungen Phasenänderungen einführen bzw. hervorrufen. Das Ziel der durch den Phasenschieber 48 hervorgerufenen 90°-Phasenverschiebung besteht darin, ein 90°-Bezugssignal bereitzustellen. Die absolute Phasenlage dieses Signals in bezug auf den Signalweg durch das Mikroskop ist beliebig - der wesentliche Punkt besteht darin, daß eine Phasendifferenz von 90° zwischen den beiden möglichen Bezugssignalen vorhanden ist. Dabei ist

809851/0658

anzumerken, daß entweder der Eingangsoszillator über die Zeitspanne des Signaldurchgangs durch das Mikroskop phasenstabil ist, oder daß eine Verzögerungsleitung 46 erforderlich ist. Die Auswirkung der Verzögerungseinrichtung - wenn die Verzögerung etwa gleich der Durchgangs- bzw. Laufzeit des Signals durch das Mikroskop ist - besteht darin, sich der Phasenlage zum Zeitpunkt der Übertragung zu "erinnern". Demgemäß ermöglicht die Verwendung einer Verzögerungsleitung eine Entspannung der Toleranz bezüglich der Oszillatorstabilität.

Weitere Modifikationen sind ebenfalls möglich. Wenn das Mikroskop so angeordnet wird, daß keine SchallstrahlungsreflejcJ-onen auftreten, dann braucht das empfangene Signal nicht iinpulsweise getastet zu werden. Die Phasen- und Amplitudensignale für die jeweilige Position können gleichzeitig anstatt sukzessiv nacheinander abgeleitet werden, wenn die Abtastbewegung nicht inkremental, sondern kontinuierlich zu erfolgen braucht. Das Schallmikroskop braucht nicht Saphirkristalle mit konkaven Oberflächen enthalten, sondern kann vielmehr eine Form besitzen, wie sie an anderer Stelle bereits beschrieben wird (siehe britische Patentanmeldung Nr. 20713/77).

Ferner kann ein Reflexionsbetrieb des Mikroskopsbetriebs ausgenutzt werden anstatt des oben beschriebenen Durchgangsbzw. Transmissionsbetriebs.

Beispiele für Arten von Veränderungen in bzw. bei dem jeweiligen Gegenstand bzw. Objekt, der bzw. das mit Hilfe eines Verfahrens und einer Anordnung gemäß der Erfindung überwacht wird, umfassen die Messung von Abmessung.eänderungen, die Messung von Veränderungen in physikalischen Eigenschaften, wie der Viskosität und Elastizität, die Messung von Veränderungen, die sich aus biologischen Prozessen, wie dem Zellwachstum und der Zellteilung ergeben, und die Überwachung eines Kristallwachstums.

8098 51/06Sr^{rPat;entanwalt}

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Ermittelung von Änderungen in bzw. bei einem Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand mit einem fokussierten Strahl einer durch ein erstes elektrisches Wechselstromsignal erregten Schallstrahlung bestrahlt wird, daß ein Strahl der. in der Phase und in der Amplitude durch den betreffenden Gegenstand in der Nähe des Fokus moduliertenSchallstrahlung aufgenommen wird, daß aus dem aufgenommenen Strahl der modulierten Schallstrahlung ein zweites elektrisches Wechselstromsignal abgeleitet wird, daß aus dem ersten elektrischen Wechselstromsignal ein elektrisches Bezugssignal mit bekannter Phasenlage abgeleitet wird, daß das zweite Signal und das Bezugssignal unter Lieferung eines ersten in Phase befindlichen Signals zusammengemischt werden, daß das zweite Signal mit dem in der Phasenlage zwischen 80° und 100° veränderten Bezugssignal unter Lieferung eines ersten, um 90° phasenverschobenen Signals gemischt wird, daß die ersten in Phase befindlichen und die ersten um 90° phasenverschobenen Signale gespeichert werden, daß nach einer bestimmten Zeitspanne ein Strahl einer durch denselben Teil des betreffenden Gegenstands modulierten Schallstrahlung aufgenommen und aus diesem Strahl ein drittes elektrisches Wechselstromsignal abgeleitet wird, aus dem in entsprechender Weise ein zweites in Phase befindliches Signal und ein zweites um 90° phasenverschobenes Signal abgeleitet werden, und daß die gespeicherten ersten und zweiten Signale unter Ermittelung jeglicher Veränderung in bzw. bei dem betreffenden Gegenstand kombiniert werden.

809851/0658

ORIGINAL INSPECTED
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Relativbewegung der Brennebene des betreffenden Gegenstands und des Fokus des SchallStrahles hervorgerufen wird, daß ein erstes in Phase befindliches Signal und ein erstes um 90° phasenverschobenes Signal an jeder Stelle der in einer Vielzahl vorgesehenen relativen Stellen abgeleitet werden, daß jedes erste in Phase befindliche Signal und jedes erste um 90° phasenverschobene Signal gespeichert werden, daß nach einer bestimmten Zeitspanne die Bewegung wiederholt und ein zweites in Phase befindliches Signal sowie ein zweites um 90° phasenverschobenes Signal an der jeweiligen Stelle abgeleitet werden, und daß für jede Stelle die gespeicherten ersten und zweiten Signale kombiniert werden.
3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, zur Ermittelung einer Veränderung in bzw. bei einem Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß Bestrahlungseinrichtungen (10,14,18) vorgesehen sind, die den betreffenden Gegenstand (24) mit einem fokussierten Strahl einer Schallstrahlung bestrahlen, die durch ein erstes elektrisches Wechselstromsignal erregt ist, daß Aufnahmeeinrichtungen (12,16,20) vorgesehen sind, die einen Strahl der in der Phase und Amplitude durch den betreffenden Gegenstand in der Nähe des Fokus modulierten Schallstrahlung aufnehmen und die aus diesem Strahl ein zweites elektrisches Wechselstromsignal ableiten, daß Bezugssignaleinrichtungen (46,48) vorgesehen sind, die ein elektrisches Bezugssignal mit einer bekannten Phasenlage aus dem ersten elektrischen Wechselstromsignal ableiten, und daß Mischeinrichtungen (34) vorgesehen sind, die das zweite Signal und das Bezugssignal unter Bildung eines in Phase befindlichen Signals und damit zusammen das zweite Signal und das in der Phasenlage zwischen 80° und 100° geänderte Bezugssignal unter Bildung eines um 90° phasenverschobenen Signals mischen.

809851/0659

Anordnung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß Abtasteinrichtungen (62,64) vorgesehen sind, die so ausgelegt sind, daß sie eine Relativbewegung in der Brennebene des betreffenden Gegenstands (24) und im Brennpunkt des Schallstrahles hervorrufen, daß an den Mischeinrichtungen Speichereinrichtungen (58) angeschlossen sind, die ein in Phase befindliches Signal und ein um 90° phasenverschobenes Signal entsprechend jeder der in einer Vielzahl vorgesehenen relativen Positionen des betreffenden Gegenstands (24) speichern, und daß Verknüpfungseinrichtungen (58) vorgesehen sind, die für jede Position des betreffenden Gegenstands (24) die gespeicherten Signale mit den aufeinanderfolgend bereitgestellten Signalen kombinieren.

Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtungen (62,64) den Gegenstand (24) schrittweise in der Brennebene in einem wiederholbaren Muster bewegenlund daß bei jedem Bewegungsschritt ein in Phase befindliches Signal und ein 90°-Signal abgeleitet sind.

809851 /0659