DE3931048C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein konisches Ultraschallwellen-Ablenkelement mit einem achsialsymmetrisch angeordneten Ultraschallwandler für die Ultraschallmikroskopie mit Oberflächenwellen und/oder Lamb-Wellen in einem Objekt und ein Verfahren zur Ultraschallmikroskopie mit einer solchen Anordnung.

Aus J.K. Zieniuk, A. Latuszek, Proc. IEEE Ultrason. Symp. (1986), S. 1037-1039 ist ein Ultraschall-Spitzen-Rastermikroskop bekannt. An einen Ultraschallwandler ist eine kegelstumpfförmige Saphierspitze angebracht, deren Spitzendurchmesser etwa 1/4 der Ultraschallwellenlänge im Koppelmedium beträgt. Eine Ausbildung von definierten Wellen im Koppelmedium unterbleibt daher und die Anordnung erzeugt Überauflösung.

Ein Kegelwinkel von 20°, Spitzendurchmesser von 20 µm und eine Ultraschallfrequenz 30 MHz werden beschrieben, bei hauptsächlicher Anregung von Longitudinalwellen im Objekt. Die Kegelform dient hier vorrangig zur Überleitung von der großen Ultraschallwandler-Fläche zu der kleinen Spitze.

Aus I.R. Smith et al. Appl. Phys. Lett (42), 1983, p. 411-413, ist eine Anordnung zur Ultraschallmikroskopie mit Oberflächenwellen bekannt, die mit normalen sphärischen Ultraschallinsen arbeitet.

Im defokussierten Zustand sind die Signalbeiträge der Längswellen unterdrückt, während durch einen schmalen Ring auf der sphärischen Linse durchtretende Ultraschallwellen unter einem geeigneten Winkel - dem sogenannten Rayleigh-Winkel - zur resonanten Anregung von Oberflächenwellen auf die Objektoberfläche auftreffen und Oberflächenwellen mit kreisförmiger Wellenfront erzeugen, welche zu einem beugungsbegrenzten Oberflächenwellen-Fokus zusammenlaufen.

Dazu wird eine Transmissionsanordnung mit Sende- und Empfangsein­ heit aus Linse und Ultraschallwandler angegeben.

Für eine Reflexionsanordnung wird vorgeschlagen, nur einen Halbkreis­ sektor der herkömmlichen sphärischen Linse/Wandler-Einheit zu ver­ wenden, wobei entweder die Linse geteilt oder nur ein halbkreisför­ miger Ultraschallwandler aufgebracht wird.

Es ist offensichtlich nicht möglich, einen bestimmten Winkel des Auftreffens auf der Oberfläche vorzugeben und so z. B. bestimmte Moden der Oberflächenwellen auszuwählen.

Daß hierbei nur ein sehr geringer Teil der erzeugten und auf das Objekt einwirkenden Ultraschallenergie in Oberflächenwellen umge­ wandelt wird und also zur Signalerzeugung nutzbar ist, hat zu ei­ ner Reihe von anderen Lösungen geführt.

Eine Anordnung mit der dieser Nachteil vermieden werden soll, ist in B. Nongaillard et al. J. Appl. Phys. 55 (1984), p. 75-79, be­ schrieben. Es ist eine Zylinderlinse anstelle der sphärischen Lin­ se vorgesehen und diese wird mit ihrer Längsachse gegenüber der Objektoberfläche geneigt. Die zylindrischen Wellenfronten haben dann eine elliptische Schnittlinie mit der Objektoberfläche. Ent­ spricht der Neigungswinkel dem Rayleigh-Winkel, so werden wirksam Oberflächenwellen erzeugt, die wegen der elliptischen Erzeugungs­ zone jedoch zu einem Linienfokus auf der Oberfläche konvergieren. Für die Verwendung in einem herkömmlichen Ultraschallmikroskop ist die erforderliche Neigung der Zylinderlinse gegen die Senkrechte zur Objektoberfläche störend.

Nach der DE 35 22 491 A1 wirkt ein ebener Ultraschallwandler schrägwinklig auf eine reflektierende oder brechende, vorzugsweise parabolisch zylindrische Fläche, so daß konische Wellenfronten entstehen, wobei die Konusachse mit der Fokuslinie der reflektierenden oder brechenden Fläche übereinstimmt. Das Objektiv wird senkrecht zu dieser Achse angeordnet und dann ist die Schnittlinie der konischen Wellenfronten mit der Objektoberfläche ein Kreissektor, so daß der aus I.R. Smith et al. bekannte Punktfokus erreicht wird. Durch Verändern des Winkels zwischen Ultraschallwandler und fokussierender Fläche wird der Rayleigh-Winkel zur Erzeugung der Oberflächenwellen erreicht.

Das Verfahren kann in Transmission und Reflexion, mit getrennten oder vereinten Sende- und Empfangs-Ultraschallwandlern ausgeführt werden. Wegen der schrägen Winkel ist auch dieses Verfahren nur schwer mit einem herkömmlichen Ultraschallmikroskop kompatibel.

Es wurde auch vorgeschlagen, die Formgebung des Ultraschallwand­ lers zur Erzielung der erforderlichen Wellengeometrie heranzuziehen. Ein Ultraschallwandler in Form eines Kegelsektors, dessen Kegelachse senkrecht auf der Objektoberfläche steht, ist aus S. Ayter, Proc. of 1987 IEEE Ultrason. Symp., p. 301-304, bekannt. Dabei ist ein erhöhter Herstellungsaufwand für den Ultraschallwandler erforderlich.

Aus A. Atalar et al., Proc. 1988 IEEE Ultrason. Symp., p. 771-774 ist es bekannt, daß an Objekten mit Schichtstruktur die Anregung generalisierter Lamb-Wellen vorteilhaft zur Ultraschall-Bilderzeugung genutzt werden kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Ultraschallwellen- Ablenkelement anzugeben, welches Oberflächenwellen mit kreisförmiger Wellenform im Objekt erzeugt, bei gleichzeitig möglichst einfachem Aufbau, hoher Bildqualität und guter Kompatibilität mit bekannten Ultraschallmikroskopen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein konisches Ultraschallwellen- Ablenkelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 8.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, Verfahren zur effektiven Ultraschallmikroskopie mit einer solchen Anordnung anzugeben. Die Verfahrensaufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 9 und des Unteransprüchs 10.

Die für die wirksame Erzeugung eines Oberflächenwellen-Fokus ein­ zuhaltenden Bedingungen

• - alle Bereiche der Ultraschallwellen haben den gleichen bestimmten Winkel, nämlich einen kritischen Winkel für die Rayleigh-Welle oder eine Lamb-Wellen-Mode zur Objektoberfläche;
• - die Wellenfronten treffen auf einem Kreis bzw. einem Kreissektor auf die Oberfläche;

oder äquivalent

• - konische Wellenfront der anregenden Ultraschallwellen wird von einer Anordnung aus ebenem oder konischem Ultraschallwandler und konischer Ablenkfläche mit gemeinsamer Symmetrieachse und zur Konusachse senkrechter Lage der Objektoberfläche erfüllt.

Die Abdeckung oder Aussparung einer achsialsymmetrischen Kreisscheibe an dem Ultraschallwandler und/oder am Ablenkelement unterdrückt wirksam Störungen durch andere Anregungs- und Abstrahlungsmechanismen.

Es sind keine schiefwinkligen Bauteilanordnungen erforderlich. Der Fokus liegt als Linie auf der Konusachse senkrecht zur Objektober­ fläche, bildet also einen Punkt auf der Oberfläche, während er bei den bekannten Anordnungen mit Zylinderflächen schief liegt. Die Bildqualität wird dadurch verbessert.

Insbesondere eine Ausführung mit brechendem Ablenkungselement, also einer Ultraschall-Linse, ist mit üblichen Ultraschallmikroskopen direkt kompatibel, wo sie statt der Wandler/sphärische Linse-Einheit eingesetzt werden kann. Es ist auch die Herstellung weitestgehend gleichartig, anstelle der sphärisch konkaven Fläche ist eine konisch konkave Fläche zu setzen (vgl. auch I. R. Smith, et al. aaO).

Es erscheint dabei zunächst als Problem der vorgeschlagenen An­ ordnung, daß der Einfallswinkel der Ultraschallwellen auf die Ob­ jektoberfläche durch den Öffnungswinkel des Kegels festgelegt ist und dieser Winkel nicht mit einem kritischen Winkel für die Erzeugung von Oberflächenwellen oder Lamb-Wellen in einem bestimmten Objekt übereinstimmt. Das vorgeschlagene Verfahren löst dieses Problem durch die Frequenzanpassung.

Insbesondere die als "Lamb-Wellen" bekannten Wellen in Oberflä­ chenschichten sind dispersiv, so daß durch geeignete Frequenzwahl der kritische Winkel einer "Lamb-Welle" dem vorgegebenen Winkel der konischen Ablenkeinrichtung angepaßt werden kann.

Die experimentelle Bestimmung dieser Frequenz ist einfach: man verändert die Frequenz bis das maximale Signal empfangen wird. Da die Bandbreite der meisten Ultraschallwandler jedoch nicht groß ist, benötigt man allerdings eine Reihe der vorgeschlagenen Anordnungen mit unterschiedlichem Konuswinkel, um alle möglichen Objekte untersuchen zu können.

Ein Ultraschallmikroskop mit einer solchen Anordnung hat eine ach­ siale Auflösung gleich der Dicke der Oberflächenschicht, in der die angeregten Lamb-Wellen Moden verlaufen. Dagegen läßt sich die laterale Auflösung nicht einfach festlegen. Eine Störung des Em­ pfangssignals tritt immer dann auf, wenn eine Struktur irgendwo innerhalb des Bereichs der zirkular konvergierenden Oberflächenwelle liegt, obwohl die Störung am stärksten ist, wenn die Struktur im Fokus liegt. Gerade für kleine Strukturen können jedoch laterale Auflösungen besser als die Ultraschallwellenlänge erreicht werden.

Die Erfindung wird mittels der Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt ein schematisches Schnittbild einer Anordnung mit konischer Linse.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Schnittbild einer Anordnung mit konischem Reflektor.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Kombination von konischem Ultraschallwandler und konischer Linse.

Ein Beispiel einer Ausführung der Erfindung mit brechender Ablenkfläche ist in Fig. 1 dargestellt.

Ein piezoelektrischer Ultraschallwandler 1 ist mit Anschlüssen 11 zur elektrischen Hochfrequenzanregung versehen und auf einem Linsenkörper 2, z. B. aus Saphir, aufgebracht. Ein Koppelmedium 3, z. B. Wasser, stellt die Verbindung zum Objekt 4 dar, durch die Ultraschallwellen 5 übertragen werden. Im Gegensatz zu bekannten sphärischen Linsen ist jedoch die brechende Fläche 21 konisch ausgebildet mit einem Konuswinkel γ, und zwar als Kegelstumpf mit ebener Deckfläche 22, die mit einer stark ultraschalldämpfenden Schicht belegt ist, um senkrecht einfallende Ultraschallwellen zu verhindern. Dagegen ist die brechende Fläche 21 zweckmäßigerweise antireflexbeschichtet.

Das zu untersuchende Objekt 4 sollte vorzugsweise eine Oberflächenschicht 41 auf einem Substrat 42, das selbst wiederum aus Schichten bestehen kann, aufweisen. Beispielsweise kann eine Kupferfolie, auf Aluminium geklebt, untersucht werden.

Im Koppelmedium 3 laufen nach der Brechung an der Fläche 21 Ultra­ schallwellen 5, die alle den gleichen Winkel R zur Konusachse 6 haben und deren gemeinsame Wellenfront kegelförmig ist.

Der Winkel R ergibt sich aus dem Konuswinkel γ nach dem Snellius'schen Brechungsgesetz abhängig von den Schallgeschwindig­ keiten im Linsenkörper 2 und dem Koppelmedium 3.

Die Konusachse 6 ist senkrecht zur Oberfläche des Objekts 4 aus­ gerichtet, so daß die Wellenfronten kreisförmig die Oberfläche durchschneiden.

Stimmt der Winkel R mit dem Winkel für bestimmte Oberflächenwellen oder Lamb-Wellen 51 überein, so werden diese stark angeregt. Die Kreisgeometrie des Schnitts der Wellenfronten mit der Oberfläche bewirkt eine radiale Ausbreitung der Oberflächen-oder Lamb-Wellen 51 zu einem Fokus 52. Vorzugsweise werden Lamb-Wellen angeregt, die sich nur in einer Oberflächenschicht 41 ausbreiten. Sie sind dispersiv, d. h. durch Änderung der Ultraschallfrequenz kann in weiten Grenzen ein Rayleigh-Winkel für eine Lamb-Wellen-Mode oder eine Rayleigh-Welle eingestellt werden, der dem durch die Linse 2 vorgegebenen Winkel R entspricht. Zudem sind Lamb-Wellen gegenüber einem Koppelmedium 3 leckend, d. h. sie strahlen stark in das Koppelmedium 3 zurück und führen so zu einem nachweisbaren Ultraschallsignal.

Die beschriebene Anordnung kann in einem Reflexions-Ultraschallmikroskop zugleich als Sender und Empfänger dienen, wobei bekannte Schaltungsmaßnahmen zur Entkopplung von Anregungs- und Meßsignalen getroffen werden müssen. Durch die Länge des Linsenkörpers 2 kann die zeitliche Trennung von Sende- und Meßwelle erreicht werden.

Ebenso kann die Anordnung in einem Transmissions-Ultraschallmikroskop als Sender vorgesehen werden, wobei auf der gegenüberliegenden Objektseite eine gleiche oder eine andere bekannte Anordnung als Empfänger vorgesehen wird.

Aus I.R. Smith et al. aaO ist bekannt, daß eine Reflexionsanordnung mit voller Kreissymmetrie um die Achse 6 bei strukturloser Oberfläche maximales Signal liefert, und dies auch, wenn genau im Fokus 52 ein idealer Reflektor liegt. Eine Bildinformation als Signalabfall ergibt sich, wenn die Struktur wenig neben dem Fokus 52 liegt.

Dagegen ergibt sich eine Verbesserung, wenn die Anordnung effektiv zu einem 180° Sektor halbiert wird. Außer Durchtrennen der ganzen Anordnung in einer die Achse 6 enthaltenden Symmetrieebene ist dazu insbesondere das Abdecken einer Hälfte der brechenden Fläche 21 mit Absorbermaterial und/oder die Begrenzung des Ultraschallwandlers auf einen 180° Sektor geeignet. Abweichungen vom 180° Sektorwinkel führen zu proportionalen Verschlechterungen des Nutzeffekts. Man hat dann ein Null-Meßinstrument, das ohne Störstelle im Fokus 52 kein Signal, mit Störstelle im Fokus 52 maximales Signal ergibt.

Eine solche Ultraschallinse 2 mit konischer Brechungsfläche 21 kann vollständig mit der bekannten Fertigungstechnologie von sphärischen Ultraschallinsen hergestellt werden und an deren Stelle in Ultraschallmikroskope eingesetzt werden.

Man kann konische Anordnungen mit Konusdurchmessern bis hinab zu 10 µm herstellen, um hohe Auflösung zu erzielen.

Ist dabei der Winkel R klein, dann kann die Weglänge der Ultra­ schallwellen 5 im Koppelmedium 3 wesentlich kleiner als bei ver­ gleichbaren sphärischen Linsen sein, was die nutzbaren Ultra­ schallfrequenzen im GHz-Bereich und somit die erreichbare Auflösung erhöht.

Da in achsialer Richtung der Fokus auf die Oberflächenschicht 41 beschränkt bleibt und durch die orthogonale Anordnung auch nicht seitlich auswandert, wenn der Abstand zwischen Linse 2 und Objekt 4, z. B. beim Scannen des Mikroskops, sich verändert, ergibt sich eine gesteigerte Störsicherheit, bzw. die Anforderungen an die Scaneinrichtung werden gemildert.

Fig. 2 zeigt als Alternative eine Anordnung mit konusförmigem Re­ flektor 7, vorzugsweise aus Metall, z. B. poliertem Aluminium. Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. Der Ultraschallwandler 1 ist in seiner Form dem Ablenkelement 7 angepaßt als Kreisring ausgeführt, der die Projektion der Reflektorfläche in seine Ebene abdeckt. Die achsiale Kreisscheibe ist also passiv. Damit wird die erzeugte Ultraschalleistung ausgenutzt und der Empfang an der Oberfläche des Objekts 4 gewöhnlich reflektierter Ultraschallwellen 5 vermieden. Dazu sollte der Abstand Z des Ultraschallwandlers 1 von der Oberfläche des Objekts 4 zweckmäßigerweise Z<R/tan R gewählt werden, wobei R der äußere Radius der reflektierenden Fläche des Reflektors ist und γ der Einfallswinkel der Ultraschallwellen am Objekt, der durch das Brechungsgesetz mit dem Konuswinkel R des Reflektors 7 verknüpft ist (R=2γ).

Der innere Radius r des Ultraschallwandlers 1 bzw. der reflektie­ renden Fläche muß r < R - Z tan (R/2) gewählt werden, damit der Reflektor nicht auf das Objekt 4 aufsitzt.

Fig. 3 zeigt eine Variante mit konischem Ultraschallwandler 1, die ansonsten der Fig. 1 mit Ultraschallinse 2 entspricht. Gleiche Teile sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Abwei­ chend weist der Linsenkörper 2 eine zweite Konusfläche 23 auf, auf die der Ultraschallwandler 1 aufgebracht ist. Dadurch ist die Ul­ traschallabstrahlung konusförmig und die Energiedichte an der bre­ chenden Fläche 21 ist gegenüber der Energiedichte am Ultraschall­ wandler 1 erhöht, da die Energie aus dem Kreisring des Ultra­ schallwandlers 1 mit dem mittleren Radius r_t auf dem kleineren Kreisring der brechenden Fläche 21 mit dem mittleren Radius r_L konzentriert ist.

Diese Ausführung eignet sich vor allem für kleinste Linsendurch­ messer und kann selbstverständlich auch vorteilhaft als 180° Sek­ tor ausgebildet werden.

Claims (10)

1. Konisches Ultraschallwellen-Ablenkelement (2, 7) mit einem achsialsymmetrisch angeordneten Ultraschallwandler (1) für die Ultraschallmikroskopie mit Oberflächenwellen und/oder Lamb-Wellen in einem Objekt (4),

• - das eine konisch sich ausbreitende Wellenfront der Ultraschallwellen auf das Objekt (4) richtet,
• - wobei eine dem Ultraschallwandler (1) und/oder dem Ultraschallwellen-Ablenkelement (2, 7) jeweils zugeordnete achsiale Kreisscheibe keine Ultraschallwellen sendet bzw. Ultraschallwellen dämpft und die Konusachse der Wellenfront senkrecht zu der Oberfläche des Objektes (4) steht.

2. Ultraschallwellen-Ablenkelement (2, 7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (1) eben ist und die Konusachse (6) der Ablenkfläche (21, 7) des Ultraschallwellen-Ablenkelements (2, 7) dazu senkrecht steht.

3. Ultraschallwellen-Ablenkelement (2, 7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (1) konisch ist und seine Konusachse mit der Konusachse (6) der Ablenkfläche (21) des Ultraschallwellen-Ablenkelements (2) zusammenfällt.

4. Ultraschallwellen-Ablenkelement (2, 7) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Linse ist, die objektseitig eine konische, konkave Ablenkfläche (21) aufweist.

5. Ultraschallwellen-Ablenkelement (2, 7) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die konische, konkave Ablenkfläche (21) eine Kegelstumpfoberfläche ist, deren ebene Deckfläche (22) mit einer ultraschalldämpfenden Schicht belegt ist.

6. Ultraschallwellen-Ablenkelement (2, 7) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Reflektor (7) ist, der zum Ultraschallwandler (1) hin eine konische, konkave Fläche aufweist und der Ultraschallwandler (1) so geformt und angeordnet ist, daß er die Projektion der konisch konkaven Fläche des Reflektors (7) in seine Ebene abdeckt.

7. Ultraschallwellen-Ablenkelement (2, 7) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (1) und/oder das Ablenkelement (2, 7) zumindest näherungsweise als Sektor mit 180° Sektorwinkel ausgeführt ist.

8. Ultraschallwellen-Ablenkelement (2, 7) nach den Ansprüchen 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (1) in einem Reflexions-Ultraschallmikoskop zugleich als Sender und Empfänger dient.

9. Verfahren zur Ultraschallmikroskopie mit einem Ultraschallwellen-Ablenkelement (2, 7) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Frequenz der Ultraschallwellen so eingestellt wird, daß das Bildsignal maximal wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Objekt (4) mit Schichtstruktur (41, 42) untersucht wird, in dessen Oberflächenschicht (41) Lamb-Wellen angeregt werden.