DE3920125A1 - Abtastvorrichtung fuer ein rastermikroskop - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung für ein Rastermikroskop, insbesondere eine Linsenabtastvorrichtung für ein Ultraschallmikroskop.

In den letzten Jahren wurde ein Ultraschallmikroskop in Gebrauch genommen, bei dem eine zu beobachtende Probe mit Hilfe eines Ultraschallstrahls zweidimensional abgetastet und die von der Probe reflektierten oder durchgelassenen Wellen empfangen werden, um ein Ultraschallbild der Probe zu erzeugen. Bei diesem Ultraschallmikroskop wird die Probe dadurch abgetastet, daß man eine relative zweidimensionale Bewegung zwischen Linse und Probe vorsieht. Derartige Abtastverfahren schließen z. B. ein Verfahren zum Abtasten einer Linse in X-Richtung und Abtasten einer Probe in Y- Richtung, ein Verfahren zum Abtasten einer Linse und einer Probe in X-Y-Richtung usw. ein. Obwohl es verschiedene Einrichtungen zum Abtasten einer Linse oder eine Probe in X-Y- Richtung gibt, sei auf ein X-Y-Abtastgerät hingewiesen, das für ein Niedertemperatur-Ultraschallmikroskop verwendet wird und auf den Seiten 17 und 18 in "Acoustical Imaging", Vol. 12 dargestellt ist.

Bei diesem X-Y-Abtastgerät ist z. B. ein Linsenabstütztisch zum Lagern einer Linse über eine Feder (Rohr) an einem Abstützständer des Abtastgeräts befestigt. An diesem Linsenabstütztisch ist eine Spule, am Abtastgerät- Abstützständer hingegen ein Magnet befestigt. Mit Hilfe dieser Spule und dieses Magneten kann der Linsenabstütztisch in X-Y- Richtung bewegt werden.

Das vorstehend erwähnte Abtastgerät weist in verschiedenen Punkten hervorragende Eigenschaften auf. Wird jedoch die oben erwähnte Feder unelastisch gemacht, so daß diese durch die elektrische Antriebskraft so gering wie möglich angetrieben wird, so wird das Abtastgerät leicht durch eine Änderung in Schwingungen versetzt, die von der Außenseite, einem Rauschen des Antriebs- bzw. Ansteuersignals, einem relativen Oberwellengehalt usw. herrührt. Eine derartige Änderung bewirkt eine Ablenkung des Bildes und stellt die Ursache dafür dar, daß die Bildqualität stark verringert wird. Demzufolge wurde eine elektrische Gegenmaßnahme, wie z.B. ein Servomechanismus, gewöhnlich in Erwägung gezogen. Jedoch reicht diese Gegenmaßnahme nicht aus, und zwar insbesondere für die vorstehend erwähnten verschiedenen Störungen mit einer Frequenz nahe dem Resonanzpunkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abtastvorrichtung für ein Rastermikroskop vorzuschlagen, mit deren Hilfe Schwingungen reduziert werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 9.

Die erfindungsgemäße Abtastvorrichtung wird bei einem Rastermikroskop verwendet, das eine Beobachtungseinrichtung zum Beobachten einer Probe aufweist, wobei die Probe zum Erzeugen eines Abbildes der Probe abgetastet wird. Diese Abtastvorrichtung umfaßt eine Bewegungseinrichtung zum Bewegen der Probe und/oder der Beobachtungseinrichtung für die Probenabtastung sowie eine für die Bewegungseinrichtung strukturell vorgesehene Schwingungsdämpfungseinrichtung zum Dämpfen der relativen Schwingungen zwischen Probe und Beobachtungseinrichtung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 ein erstes Ausführungsbeispiel, wobei Fig. 1 die X-Y-Abtastvorrichtung in Schnittansicht und

Fig. 2 eine Teilschnittansicht des gesamten Niedertemperatur-Ultraschallmikroskops wiedergibt;

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer X-Y- Abtastvorrichtung in Schnittansicht;

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Niedertemperatur-Ultraschallmikroskops in Teilschnittansicht und

Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel einer X-Y- Abtastvorrichtung in Schnittansicht.

Das erste Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 1 und 2 wiedergegeben.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist das Niedertemperatur- Ultraschallmikroskop, das bei diesem Ausführungsbeispiel verwendet wird, eine Basis 1 auf, unter der ein Niedertemperaturtank 2 als adiabatischer Behälter abgedichtet befestigt ist. Flüssiger Stickstoff 3, der ein Ultraschallwellen-Übertragungsmittel darstellt, ist in diesem Niedertemperaturtank 2 enthalten, der eine Doppelvakuumstruktur aus drei Behältern 2 a, 2 b und 2 c aufweist, wobei innerhalb der Behälter 2 a und 2 c ein ringförmiger Tank 4 vorgesehen ist, dessen Unterseite mit dem mittleren Behälter 2 b in Verbindung steht. Ein Rohr 5 führt über den äußeren Behälter 2 a in diesen Tank 2, so daß flüssiger Stickstoff 3 über dieses Rohr 5 eingeschlossen werden kann. Die Temperaturerhöhungswirkung von der Außenseite soll durch diesen ringförmigen Tank 4 verhindert werden, der diesen flüssigen Stickstoff 3 umschließt. Die jeweiligen Seitenwände der Behälter 2 a, 2 b und 2 c des vorstehend erwähnten Niedertemperaturtanks 2 sind entsprechend mit Beobachtungsfenstern 6 a, 6 b und 6 c ausgestattet, über die von der Außenseite her der Abstand zwischen der akustischen Linse und der Probe festgestellt bzw. bestätigt werden kann.

Im zentralen Teil der Basis 1 ist eine Öffnung 1 a vorgesehen. Um diese Öffnung 1 a herum sind vier Abstützungen 7 für die Abtastvorrichtung 31 vorgesehen, die von der unteren Fläche der Basis 1 nach unten ragen. Übrigens sind in Fig. 2 nur zwei Abstützungen 7 gezeigt. Ein Abstütztisch 30 ist an den unteren Enden dieser Abstützungen 7 befestigt. Die X-Y- Abtastvorrichtung 31 ist auf dem Abstütztisch 30 befestigt, wobei an der X-Y-Abtastvorrichtung 31 eine akustische Linse 32 montiert ist. Diese akustische Linse 32 wird in einer X-Y- Ebene, die rechtwinkelig die Papierebene schneidet, mit Hilfe der X-Y-Abtastvorrichtung 31 zweidimensional angetrieben.

Ein Probenstab 11 wird über die Öffnung 1 a der Basis 1 in den Niedertemperaturtank 2 eingeführt und in Z-Richtung oberhalb der akustischen Linse 32 angeordnet. Am unteren Ende dieses Probenstabs 11 ist ein Probentisch befestigt, auf dem eine zu beobachtende Probe 12 festgelegt werden kann. Die von einem nicht dargestellten Sender erzeugte Hochfrequenzenergie wird mit Hilfe eines piezoelektrischen Wandlers, der über einen Zirkulator mit der akustischen Linse 32 verbunden ist, in Ultraschallwellen umgewandelt.

Diese Ultraschallwellen werden durch die akustische Linse 32 konvergiert, wobei der von der akustischen Linse 32 ausgesandte Ultraschallstrahl die Probe 12 über den als Übertragungsmedium dienenden flüssigen Stickstoff 3 erreicht. Demzufolge wird die Probe 12 vom Ultraschallstrahl zweidimensional abgetastet. Die von der Probe 12 reflektierten Wellen werden durch die akustische Linse 32 konzentriert und mit Hilfe des piezoelektrischen Wandlers in elektrische Signale umgewandelt. Diese elektrischen Signale werden über den oben erwähnten Zirkulator und eine nicht dargestellte Signalverarbeitungsschaltung zu einem Bildsignal umgewandelt, das an einen Monitor zur Wiedergabe eines Ultraschallbildes angelegt wird.

Der oben erwähnte Probenstab 11 besteht übrigens aus einem hohlen Rohr, das z.B. aus rostfreiem Stahl hergestellt ist. Wird dieser Probenstab 11 aus einem Material mit dem gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der der Abstützung 7 hergestellt, so kann selbst dann, wenn der Flüssigkeitspegel des flüssigen Stickstoffs 3 variiert, verhindert werden, daß die Probe in bezug auf die akustische Linse 32 in Z-Richtung verschoben wird. Nahe der Öffnung des Niedertemperaturtanks 2 ist ein ringförmiges, adiabatisches Element 14 angeordnet, um eine adiabatische Wirkung auf der Seite der Öffnung zu erzielen.

Andererseits ist an der Basis 1 eine X-Y-Z-Bühne 21 zum Bewegen des Probenstabs 11 in X-, Y- und Z-Richtung vorgesehen. Um die Öffnung 1 a herum ist auf der Oberfläche der Basis 1 ein Balgen 22 befestigt, über den der Probenstab 11 eingeführt wird. Am oberen Ende dieses Balgens 22 ist ein beweglicher Tisch 23 der oben erwähnten X-Y-Z-Bühne 21 befestigt, wobei in diesen Tisch 23 der Probenstab 11 eingesetzt ist. Zum Beobachten der Probe 12 wird der Probenstab 11 mit Hilfe der X-Y-Z-Bühne 21 in X-, Y- und Z- Richtung bewegt, so daß der Beobachtungsbereich ausgewählt und der Brennpunkt eingestellt werden kann.

An der Oberfläche des beweglichen Tisches 23 ist eine Gleitdichtung 25 befestigt, so daß zwischen der Außenseite und dem Niedertemperaturtank 2 eine luftdichte Abdichtung erzielt und der Probenstab 11 fixiert werden kann.

Der Aufbau der X-Y-Abtastvorrichtung 31 dieses Ausführungsbeispiels ist in Fig. 1 verdeutlicht.

Im Mittelteil des Abstützständers bzw. Abstütztisches 30 der Abtastvorrichtung 31 ist eine Öffnung vorgesehen, wobei unterhalb dieser Öffnung ein zylindrischer Körper 33 angeordnet ist, der am unteren Ende mit einem Boden abgeschlossen ist. Auf der Oberfläche des Bodens dieses zylindrischen Körpers 33 ist z.B. ein metallisches Abstützrohr 35 vorgesehen, das als eine nach oben ragende Feder dient. Das obere Teil dieses Abstützrohres 35 ragt über den Abstütztisch 30 hinaus, wobei am oberen Ende des Abstützrohres 35 ein Linsenabstütztisch 36 vorgesehen ist, auf dem die akustische Linse 32 befestigt ist. Auf der Oberfläche des Linsenabstütztisches 36 ist am Außenumfang eine Spule 37 befestigt, während an der Oberfläche des Abstütztisches 30 der Abstützvorrichtung 31 ein Joch 38 so befestigt ist, daß die vorstehend erwähnte Spule 37 oben und unten vom Joch 38 umgeben ist. Ein Magnet 40, der der Spule 37 in einem vorbestimmten Abstand von der Oberseite und der Unterseite gegenüberliegt, ist in das Innere des Joches 38 eingesetzt. Wird ein elektrischer Strom an die Spule 37 angelegt, so bewegt sich der Linsenabstütztisch 36 in X-Y-Richtung durch die Kraft, die vom Magnetfeld herrührt, das auf dem elektrischen Strom durch die Spule 37 und dem Magneten 40 gründet, so daß die akustische Linse 32 die oben erwähnte Probe 12 in X-Y-Richtung abtasten kann.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Gummi 41, der ein Dämpfungsmaterial darstellt, als strukturelle Schwingungsdämpfungseinrichtung am Außenumfang des Abstützrohres 35 befestigt, das als Feder für die oben erwähnte X-Y-Abtastvorrichtung 31 zur Reduziering des Q- Faktors der Resonanz dient.

Da bei diesem Ausführungsbeispiel eine strukturelle Schwingungsdämpfungseinrichtung mit Hilfe des Gummis 41 in der X-Y-Abtastvorrichtung 31 vorgesehen ist, können von der Außenseite kommende Schwingungen, durch Rauschen des Antriebs- bzw. Steuersignals bedingte Schwingungen, durch höhere harmonische Anteile im Antriebssignal bedingte Schwingungen usw. reduziert werden. Demzufolge kann eine Ablenkung des Bildes infolge der Schwingungen verhindert werden und es ist somit möglich, daß die Feder (Rohr 35) unelastisch ausgeführt wird, so daß diese durch die elektrische Energie so gering wie möglich angetrieben wird.

Ferner ist es nicht immer erforderlich, daß die am Abstützrohr 35 befestigte Schwingungsdämpfungseinrichtung aus Gummi besteht. Z. B. ist auch ein weiches Harz geeignet.

In Fig. 3 ist das zweite Ausführungsbeispiel dargestellt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist in dem zylindrischen Körper 33 eine Flüssigkeit 51 enthalten, die stabil ist und eine geeignete Viskosität, einen niedrigen Dampfdruck (z.B. Öl für eine Drehpumpe) und einen niedrigen Fließpunkt aufweist. In diesem Körper 33 ist das Abstützrohr 35 installiert, das als Feder für die X-Y-Abtastvorrichtung 31 dient. Die Bewegung des Rohres 35 wird durch hydrodynamische Reibung (viskoser Widerstand) zwischen der Flüssigkeit 51 und dem Rohr 35 gedämpft, so daß die Schwingungen des Rohres 35 durch die viskose Dämpfung bedämpft werden.

Es ist nicht immer erforderlich, daß die X-Y-Abtastvorrichtung 31 so verwendet wird, daß die akustische Linse 32 nach oben gedreht ist, wie dies in den Figuren gezeigt ist. In einigen Fällen wird die akustische Linse 32 umgekehrt, so daß die Oberseite nach unten gerichtet ist. Es gibt viele Fälle, bei denen es bequem ist, die akustische Linse so zu verwenden, daß die Linse nach unten gekehrt ist. In diesem Fall ist es erforderlich, einen Deckel mit geringem Widerstand aufzusetzen, damit die Flüssigkeit 51 nicht herausfließen kann und die Bewegung des Rohres 35 nicht behindert wird. Anschließend wird ein Ringmagnet 52 in den Innenumfang der Öffnung des Körpers 33 eingesetzt und ein magnetisches Fluid 53 zwischen den Innenumfang des Ringmagneten 52 und das Rohr 52 gebracht, so daß der Innenumfang durch das magnetische Fluid 53 geschlossen wird.

Die übrigen Ausgestaltungen, Funktionen und Wirkungen entsprechen denen des ersten Ausführungsbeispiels.

In Fig. 4 ist das dritte Ausführungsbeispiel dargestellt.

Beim ersten Ausführungsbeispiel wurde der Gummi 41 als Dämpfungsmaterial am Abstützrohr 35 befestigt, das als Feder für die Abtastvorrichtung 31 fungiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind jedoch anstelle des Gummis 41 mehrere Flügel 61 (oder Flossen) am Abstützrohr 35 befestigt, die in die um das Rohr 35 vorgesehene Kühlflüssigkeit (flüssiger Stickstoff 3) ragen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Bewegung des mit den Flügeln 61 ausgestatteten Abstützrohres 35 infolge des auf die Flügel 61 in der Kühlflüssigkeit einwirkenden viskosen Widerstands gedämpft, so daß die Schwingungen des Abstützrohres 35 durch diese viskose Dämpfung bedämpft werden.

Die übrigen Ausgestaltungen, Funktionen und Wirkungen entsprechen denen des ersten Ausführungsbeispiels.

In Fig. 5 ist das vierte Ausführungsbeispiel dargestellt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Abstützrohr 65 aus einer Legierung ohne Resonanz (z.B. einem Material mit dem Namen "SILENTALLOY" der Toshiba, Inc.) anstelle des Abstützrohres 35 vorgesehen, auf dem der Gummi 41 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel befestigt ist. D. h. bei diesem Ausführungsbeispiel wird durch das Material des Abstützrohres 65 selbst ein Dämpfungseffekt bewirkt.

Die übrigen Ausgestaltungen, Funktionen und Wirkungen entsprechenden denen des ersten Ausführungsbeispiels.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf die vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern die Abtastvorrichtung kann auch eine Abtastung durch Bewegen einer Probe und ohne Bewegung der Linse vorsehen. Ferner kann die Erfindung auch bei einem Durchstrahlungs-Ultraschallmikroskop Verwendung finden, bei dem die Ultraschallwellen unter Ausbreitung und Bedämpfung durch die Probe hindurchstrahlen und dann zu Bildern umgewandelt werden.

Ferner kann die Erfindung nicht nur bei einem Ultraschallmikroskop Anwendung finden, sondern auch bei einer Abtastvorrichtung eines Mikroskops, bei dem eine Abtastung erforderlich ist. Außer bei Mikroskopen kann die Erfindung ferner auch bei einer mechanischen Abtastvorrichtung, wie z. B. einer Ultraschalldiagnosevorrichtung und einem Ultraschall- Endoskop Verwendung finden.

Wie oben erläutert, kann mit Hilfe der Erfindung eine Schwingung bedämpft werden, da bei der für das Rastermikroskop vorgesehenen Abtastvorrichtung eine strukturelle Schwingungsdämpfungseinrichtung vorgesehen ist.

Claims (9)

1. Abtastvorrichtung für ein Rastermikroskop, das eine Beobachtungseinrichtung (32) zum Beobachten einer Probe (12) aufweist, wobei die Probe (12) zur Erzeugung eines Probenbildes abgetastet wird, gekennzeichnet durch

• - eine Bewegungseinrichtung (35 bis 40, 65) zum Bewegen der Probe (12) und/oder der Beobachtungseinrichtung (32) für das Abtasten der Probe (12) und
• - eine Schwingungsdämpfungseinrichtung (41; 51; 61; 65), die strukturell für die Bewegungseinrichtung vorgesehen ist und eine relative Schwingung zwischen Probe (12) und Beobachtungseinrichtung (32) bedämpft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsdämpfungseinrichtung ein Dämpfungsmaterial (41) einschließt, das an einem beweglichen Teil (35) der Bewegungseinrichtung befestigt ist (Fig. 1).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsdämpfungseinrichtung ein Fluid (51) mit einer Viskosität einschließt, das um ein bewegliches Teil (35) der Bewegungseinrichtung herum vorgesehen ist, so daß eine Schwingung des beweglichen Teils (35) durch eine viskose Dämpfung bedämpft wird, die auf der Bewegung des beweglichen Teils im Fluid beruht (Fig. 3).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsdämpfungseinrichtung ein Fluid (3) mit Viskosität, das um ein bewegliches Teil (35) der Bewegungseinrichtung herum vorgesehen ist, sowie wenigstens eine Flosse (61) einschließt, die am beweglichen Teil (35) vorgesehen ist und sich in dem Fluid bewegt, so daß eine Schwingung des beweglichen Teils (35) durch eine viskose Dämpfung bedämpft wird, die auf der Bewegung der Flosse im Fluid beruht (Fig. 4).

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsdämpfungseinrichtung ein bewegliches Teil (65) der Bewegungseinrichtung einschließt, das aus einem Material ohne Resonanz besteht, so daß eine Schwingung des beweglichen Teils (65) durch den Dämpfungseffekt des beweglichen Teils (65) gedämpft wird (Fig. 5).

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinrichtung (35 bis 40, 65) die Beoabachtungseinrichtung (32) bewegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastvorrichtung für ein Rastermikroskop in Form eines Ultraschallmikroskops Verwendung findet und daß die Beobachtungseinrichtung eine akustische Linse (32) einschließt, die einen Ultraschallstrahl auf die Probe (12) richtet und eine durch die Probe (12) gestörte akustische Welle empfängt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinrichtung die akustische Linse (32) bewegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rastermikroskop eine Kühlflüssigkeit (3) aufweist, die als Ultraschallwellenübertragungsmedium dient und in die die akustische Linse (32) und die Probe (12) eingesetzt sind, und daß die Schwingungsdämpfungseinrichtung wenigstens eine am beweglichen Teil (35) der Bewegungseinrichtung vorgesehene Flosse (61) einschließt, die sich in der Kühlflüssigkeit (3) bewegt, so daß die Schwingung des beweglichen Teils (35) durch eine viskose Dämpfung gedämpft wird, die auf der Bewegung der Flosse (61) in der Kühlflüssigkeit (3) beruht.