DE4224209C2 - Ultraschallmeßvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallmeßvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, mit der die elastische Eigenschaft eines kleinen Abschnittes einer Probe unter Verwendung von Ultraschallwellen meßbar oder bestimmbar ist.

Bei einem vorgeschlagenen Ultraschallmikroskop, wie es in Fig. 19 schematisch dargestellt ist, werden konvergierte Ultraschallwellen auf eine Probe gerichtet, die von der Probe reflektierten Wellen empfangen und ein Ultraschallbild erzeugt oder die elastische Eigenschaft, wie beispielsweise der Young-Modul eines klei­ nen Abschnittes der Probe unter Verwendung der V(Z)-Kurve gemessen oder bestimmt.

Ein Übertragungs-Empfangsabschnitt A des Ultraschallmikro­ skopes umfaßt einen Übertrager 1 zur Erzeugung einer Stoßwelle (burst wave), einen Zirkulator 4, mit dem die Stoßwelle als Signal nur in eine Richtung übertragbar ist (zu einem piezoelektrischen Wandler 2, oder von dem piezo­ elektrischen Wandler 2 zu einem Vorverstärker 3), wobei der piezoelektrische Wandler 2 das übertragene/empfangene Signal einer elekro-akustischen Wandlung unterwirft, eine akusti­ sche Linse 5 zur Bündelung der Ultraschallwelle und eine Kopplerflüssigkeit 6 als Fortpflanzungsmedium für die Ultra­ schallwelle.

Eine Probe 7 wird in Kontakt mit der Kopplerflüssigkeit 6 gebracht und auf einem Probentisch 9 angeordnet, welcher mittels eines X-Y-Abtastabschnittes 8 in X-Y-Richtung beweg­ bar ist. Die akustische Linse 5 kann mittels eines Z-Abtast­ abschnittes 10 in vertikaler oder Z-Richtung bewegt wer­ den.

Nachdem die von dem Abschnitt A ausgegebenen Signale als re­ flektierte Signale von dem Vorverstärker 3 verstärkt worden sind, werden nur benötigte reflektierte Signale von einem Gat­ terabschnitt 11 extrahiert und einem Spitzenwertdetektor 12 eingegeben.

Der Spitzenwertdetektor 12 hält den Spitzenwert des Reflexi­ onssignales und sein Ausgangssignal wird von einem A/D- Wandler 13 in ein digitales Signal umgesetzt und als Daten­ wert in einem Speicher 14 abgespeichert. Die in dem Speicher 14 abgespeicherten Daten werden als Bild auf einem Anzeige­ abschnitt 16 unter der Steuerung eines Computers oder Rech­ ners 15 dargestellt. Die Arbeitsabläufe der oben beschriebe­ nen Elemente unterliegen der Steuerung eines Steuerabschnit­ tes 17.

Unter Bezug auf das Zeitdiagramm in Fig. 20 wird nachfolgend die Arbeitsweise des Ultraschallmikroskopes mit dem Aufbau gemäß Fig. 19 beschrieben.

Wenn gemäß Fig. 20A dem Übertrager 1 ein Übertragungs-Auslö­ seimpuls eingegeben wird, erzeugt der Übertrager 1 hochfre­ quente Stoßwellen von mehreren -zig Perioden mit Frequenzen im Bereich von einigen 100 MHz bis GHz zu Zeitpunkten gemäß Fig. 20B. Das so erzeugte Übertragungssignal wird über den Zirkulator 4 dem piezoelektrischen Wandler 2 zugeführt. In dem piezoelektrischen Wandler 2 wird das Übertragungs­ signal in eine Ultraschallwelle umgesetzt, mittels der akustischen Linse 5 auf einen kleinen Punkt fokussiert und der Probe 7 auf dem Tisch 9 zugeführt.

Ein Freiraum zwischen der Probe 7 und der akustischen Linse 5 ist mit der Kopplerflüssigkeit 6 gefüllt, um eine Dämpfung oder Abschwächung der Ultraschallwelle zu vermeiden. Die der Probe 7 zugeführte Ultraschallwelle wird auf der Probe 7 re­ flektiert und als Empfangssignal über die Kopplerflüssigkeit 6 und die akustische Linse 5 dem Übertrager 2 wieder zuge­ führt, dort in ein elektrisches Signal umgesetzt und über den Zirkulator 4 dem Vorverstärker 3 zu einer ersten Ver­ stärkung zugeführt.

Da das empfangene Signal gemäß Fig. 20C die Übertragungs- Lücke, eine Komponente erster Reflexion von der Linse, eine Komponente der Reflexion an der Probe und eine Komponente der zweiten Reflexion an der Linse beinhaltet, wird ein Gattersignal, welches zu solchen Zeitpunkten erzeugt wird, daß die innerhalb der Linse erzeugten Reflexionskomponenten entfernt sind, gemäß Fig. 20D von dem Steuerabschnitt 17 dem Gatterabschnitt 11 zugeführt, um diesen so anzusteuern, daß nur das notwendige oder gewünschte Reflexionssignal extra­ hiert werden kann.

Gemäß Fig. 20E wird der Spitzenwert des so extrahierten Re­ flexionssignales von dem Spitzenwertdetektor 12 gehalten, von dem A/D-Wandler 13 in ein digitales Signal umgesetzt und dann in dem Speicher 14 abgespeichert.

Die wie oben beschrieben erhaltene Information ist eine In­ formation, die der Probe 7 zugehörig ist. Wenn ein Bild ent­ sprechend dieser Informationen gebildet werden soll, wird die akustische Linse oder die Probe zweidimensional in der X-Y-Ebene senkrecht zur Einfallsrichtung (Z-Achse) der Ul­ traschallwelle mittels des Abtastabschnittes 8 bewegt und somit die Probe abgetastet, wobei der oben beschriebene Detektionsvorgang wiederholt durchgeführt wird und eine zweidimensionale In­ formation bezüglich der Probe 7 in dem Speicher 14 ab­ gespeichert und auf dem Anzeigeabschnitt 16 sichtbar gemacht werden kann.

Um die elastischen Eigenschaften der Probe zu messen oder zu bestimmen, wird eine V(Z)-Kurve erhalten oder ermittelt, in­ dem der Detektionsvorgang an einem Punkt der X-Y-Ebene durchgeführt wird, wobei mittels des Z-Abtastabschnittes 10 der Abstand zwischen der akustischen Linse 5 und der Probe 7 verändert wird. Nachgeschaltet ist ein Verarbeitungsprozeß, beispielsweise eine Fourier-Transformation in dem Rechner 15, um die Schallgeschwindigkeit der Oberflächenwelle zu er­ mitteln.

Nachfolgend werden zwei Funktionen, nämlich die Meßfunktion der elastischen Eigenschaft und die Erzeugungsfunktion eines Ultraschallbildes in einer bekannten Ultraschall-Meßvorrich­ tung erläutert. Zunächst wird für die Meßfunktion der ela­ stischen Eigenschaften das V(Z)-Kurvenverfahren des Ultra­ schallmikroskopes gemäß dem Stand der Technik durchge­ führt, indem der relative Abstand Z zwischen der akustischen Linse und der Probe geändert wird und die Amplitude der von der Probe reflektierten Welle für jeden Abstand Z gemessen wird. Es ist bekannt, daß die Amplitude V mit einer konstanten Periode ΔZ oszilliert (gegeben durch die nachfol­ gende Gleichung), wenn die Geschwindigkeit der elastischen Austrittswelle (speed of leakage elastic wave = LSAW) der Probe durch V_LSAW ausgedrückt wird.

Hierbei sind λω und V_ω die Wellenlänge bzw. die Schallge­ schwindigkeit der Ultraschallwelle in dem Ultraschallwellen- Übertragungsmedium (Akustikkoppler, für gewöhnlich reines Wasser) in dem Raum zwischen der akustischen Linse und der Probe.

Wenn ΔZ von der gemessenen V(Z)-Kurve unter Verwendung ei­ ner Fourier-Transformation ermittelt wird, kann V_LSAW aus der obigen Gleichung erhalten werden.

Das obige Verfahren wird verwendet, den piezoelektrischen Film für ein oberflächenelastisches Wellenelement zu ermit­ teln. In einem Artikel von K. K. Liang, G. S. Kino und B. T. Khuri-Yakub: IEEE Transactions Sonics and Ultra­ son., SU-32,2, (März 1985) 213, ist beschrieben, daß die V(Z)-Kurve die Fourier-Transformation des Produktes aus komplexem Re­ flexionsverhältnis R(kcos Θ) (k=2π/λω: die Wellenzahl von Ul­ traschallwellen in dem Akustikkoppler, Θ: Einfallswinkel der Ultraschallwelle auf einen festen Körper) der Schnittstelle zwischen Wasser und dem festen Körper und dem Quadrat der Pupillenfunktion der akustischen Linse ist, das ist p²(kcos Θ). Das komplexe Re­ flexionsverhältnis R(kcos Θ) wird erhalten durch Messen komplexer V(Z)-Kurven verschiedener Materialien unter Ver­ wendung einer Ultraschallwelle mit einer Frequenz von 10 MHz, wonach die Kurven einer inversen Fourier-Transformation unterworfen werden.

Da mit anderen Worten, die Geschwindigkeiten der Akustikwel­ len, wie longitudinaler, transversaler und elastischer Ober­ flächenwellen, die in der Probe erregt werden, durch Erhalten des komplexen Reflexionsverhältnisses ermittelt werden kön­ nen, wird es möglich, die elastischen Eigenschaften der Probe spezifisch zu analysieren.

Bei der Ultraschall-Erzeugungsfunktion wird ein Ultraschall­ bild des herkömmlichen Ultraschallmikroskopes erhalten, in­ dem die Probe bezüglich der akustischen Linse in zweidimen­ sionaler Art und Weise bewegt oder abgetastet wird, wobei die Distanz zwischen der akustischen Linse und der Probe gleich oder weniger als die Brennweite der akustischen Linse ist und wobei die Amplitude der von einem inneren Abschnitt oder der Oberfläche der Probe reflektierten Wellen ermittelt oder gemessen wird. Zu dieser Zeit beinhaltet das Bild von inneren Abschnitten der Probe Einflüsse, die sich auf der Oberfläche der Probe auswirken.

Wie in einem Artikel von P. A. Reinholdtsen und B. T. Khuri- Yakub: "IEEE Transactions Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 38,2, (März 1991) 141" beschrieben, wird ein Bild eines Abschnittes unter der Oberfläche der Probe erzeugt, indem der Aberrations-Einfluß aufgrund von Brechun­ gen von Ultraschallwellen an der Schnittstelle zwischen der Probe und dem Akustikkoppler entfernt werden oder indem der Einfluß auf die Oberfläche der Probe von einem Bild entfernt wird, welches unter Verwendung eines Defokussiersignales er­ halten wird, wobei eine Ultraschallwelle von 10 MHz verwen­ det wird, wenn ein Bild eines neuen Abschnittes der Probe unter Verwendung der Ultraschallwelle von 10 MHz beobachtet wird. Dies macht es möglich, ein klares Ultraschallbild des inneren Abschnittes der Probe zu erhalten, welches frei von Einflüssen von der Oberfläche der Probe ist.

Bei einer bekannten Ultraschallvorrichtung muß jedoch nicht nur die Amplitude des reflektierten Signales, sondern auch die Phaseninformation verwendet werden, um die elastischen Eigenschaften der Probe aus den Reflexionseigenschaften hiervon zu bestimmen und um das Bild des inneren Abschnittes der Probe zu erhalten, von dem Einflüsse der Oberfläche der Probe entfernt sind.

Allerdings sind bei bekannten Ultraschallvorrichtungen die Verarbeitungsgeschwindigkeiten gering und die Präzision in der Z-Richtung hängt ab von der Präzision des hierzu verwen­ deten mechanischen Systemes. Einflüsse durch Neigung und Welligkeit oder Rauheit der Probe werden nicht entfernt, wenn das Bild beobachtet wird. Weiterhin ist zur Messung der Verset­ zung in Z-Richtung beispielsweise eine Laser- Meßvorrichtung nötig.

Die bei dieser bekannten Ultraschallvorrichtung verwendbare Frequenz liegt höchstens bei ungefähr 10 MHz, ist somit zu niedrig für eine Verwendung in einer Ultraschallvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, einen kleinen Abschnitt einer Probe mit großer Verstärkung darzustellen, oder die elastischen Ei­ genschaften des kleinen Abschnittes zu bestimmen. Von daher ist es wünschenswert, eine Ultraschallvorrichtung zu ent­ wickeln, welche in einem größeren Bereich von Frequenzen ver­ wendbar ist.

Eine dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechende Ultraschallmeßvorrichtung ist aus der US-Z "IEEE Trans­ actions on Sonics and Ultrasonics", Vol. SU-32, Nr. 2, März 1985, S. 266-273 bekannt. Gemäß Fig. 2 dieser Druck­ schrift wird ein Ultraschallmeßsystem eingesetzt, das mit einem Einseitenband-Generator arbeitet, der zeitgleich drei unterschiedliche Frequenzen (0,1 MHz, 10,6 MHz und 10,7 MHz) erzeugt. Ferner ist ein zweiter Oszillator vorhanden, der eine Frequenz von 39,3 MHz erzeugt. Die Frequenzsignale der beiden Oszillatoren werden so gemischt, daß einerseits ein an den Ultraschallkopf angelegtes Signal mit einer Fre­ quenz von 50 MHz und andererseits auf einem anderen Zweig ein Referenzsignal mit einer Frequenz von 49,9 MHz erzeugt wird. Das vom Ultraschallkopf empfangene Echosignal wird über Mischer mit dem Referenzsignal gemischt und dann über Auswerteschaltungen ausgewertet. Bei der bekannten Ultra­ schallmeßvorrichtung ist erheblicher schaltungstechnischer Aufwand aufgrund der Notwendigkeit zweier getrennter Oszil­ latoren und der Erzeugung einer Vielzahl von Frequenzen so­ wie des hierdurch bedingten Einsatzes von Mischern und Bandfiltern erforderlich.

Aus der EP 0 155 504 A2 ist ein Verfahren zur Darstel­ lung elastischer Parameter in Objektoberflächen bekannt, bei dem mit mehreren Eingangsfrequenzen gearbeitet wird. Zwischen diesen Frequenzen wird periodisch umgeschaltet, was sich auf die Eindringtiefe und Wellenlänge insbesondere der Oberflächenwellen auswirkt, so daß durch diese Frequenzumschaltung auch kleinere Änderungen der elasti­ schen Parameter der Objektoberfläche erfaßbar sein sollen.

US-Z "IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control", Band 37, Nr. 2, März 1990, S. 45-53, ist auf die Ultraschallabbildung von internen Vibrationen eines weichen Gewebes bei erzwungener Vibration gerich­ tet. Wie insbesondere aus den Fig. 1 und 3 dieser Druck­ schrift ersichtlich ist, ist direkt neben dem Ultraschall­ kopf ein mechanischer Vibrator angeordnet, der Vibrationen im zu untersuchenden Gewebe erzwingt. Der Einsatz eines solchen mechanischen Vibrators ist aber recht aufwendig und kann aufgrund seiner Interaktionen mit dem zu untersuchen­ den Gewebe auch die Untersuchungsgenauigkeit beeinträchti­ gen. Die Auswertung des Ultraschallechosignals erfolgt nach dem Doppler-Prinzip, wobei allerdings das Referenzsignal nicht aus dem Sendesignal abgegriffen wird.

Aus der EP 0 212 899 A2 ist ein Gerät zur Ultraschall­ untersuchung eines Testmaterials bekannt, bei dem gemäß Fig. 1 nicht mit Burstsignalen, sondern mit einem konti­ nuierlichen Ultraschallsignal untersucht wird. Gemäß Fig. 2 können aus dem kontinuierlichen Signal zwar Burstsignale zur Untersuchung übernommen werden, jedoch werden dort die Echosignale dann über einen Mischer weiterverarbeitet. Es ist keinerlei Möglichkeit der Veränderung und Steuerung des Abstands zwischen dem Ultraschallkopf und der Probe offen­ bart, so daß keine feinfühlige Messung möglich ist. Auch werden die elastischen Eigenschaften eines Probenbereichs nicht untersucht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultra­ schallmeßvorrichtung zum Messen der elastischen Eigenschaf­ ten eines kleinen Bereichs einer Probe zu schaffen, die eine genaue, empfindliche Messung mit geringem Aufwand ermög­ licht.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1, 8 oder 10 genann­ ten Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Ultraschallmeßvorrichtung wird somit das Sende-Burstsignal direkt aus dem Standardsi­ gnal erzeugt, so daß absolute Phasengleichheit zwischen diesen beiden Signalen sichergestellt werden kann. Das kon­ tinuierliche Standardsignal dient aber nicht nur zur Gewin­ nung des Burstsignals, sondern wird auch einerseits direkt und andererseits über eine Phasenschiebereinrichtung an eine Detektionseinrichtung angelegt, durch die sowohl die in Phase befindlichen auch die Kreuzphasen-Komponenten des empfangenen Ultraschallsignals detektierbar sind. Diese De­ tektion kann mit hoher Genauigkeit ablaufen, da die Führung des kontinuierlichen Standardsignals über die Phasenschie­ bereinrichtung zu einem gleichfalls kontinuierlichen, pha­ senverschobenen Signal führt, das keinerlei Einschwingvor­ gängen, -verzögerungen und dergleichen unterliegt, wie es bei Phasenverzögerung eines nur impulsförmig auftretenden Signals der Fall sein könnte.

Das von der Detektionseinrichtung abgegebene Erfas­ sungssignal wird bei der erfindungsgemäßen Ultraschallmeß­ vorrichtung in ein digitales Signal umgewandelt und in di­ gitaler Weise durch eine Verarbeitungseinrichtung verarbei­ tet, die die Phase und die Größe des empfangenen Signals ermittelt. Diese ermittelten Werte werden dann gespeichert, so daß sie dauerhaft abgefragt und/oder ausgewertet werden können.

Die Ultraschallmeßvorrichtung ist in der Lage, eine phasensensitive Detektion ohne Ersetzen eines phasen­ sensitiven Abschnittes durch einen anderen durchzuführen, selbst wenn sich die Frequenz der Signale, die von einer Probe ausgehen, ändert oder selbst wenn die Frequenz hoch ist, und kann die Stärke, Amplitude und Phase der von der Probe reflektierten Wellen detektieren, so daß die ela­ stischen Eigenschaften der Probe bestimmbar sind.

Mit dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird eine Ultraschallmeßvorrichtung geschaffen, mit der Am­ plitude und Phase der Probenreflexionswelle von einer Probe mit hoher Präzision und hoher Geschwindigkeit gemessen wer­ den können und Informationen, die in der Probenreflexions­ welle enthalten sind, können mit höherer Genauigkeit und höherer Geschwindigkeit als bisher erhalten werden, so daß Messungen der elastischen Eigenschaft oder elastischen Eigen­ schaften der Probe, welche bislang hohe Aufwendungen er­ forderten und zeitaufwendig waren, mit hoher Präzision und insbesondere hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden können.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer Ultraschall-Meßvor­ richtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2A bis 2G Zeitdiagramme zur Erläuterung der Arbeits­ weise der ersten Ausführungsform;

Fig. 3 schematisch den Aufbau einer Ultraschall-Meßvor­ richtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 schematisch den Aufbau einer Ultraschall-Meßvor­ richtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 schematisch den Aufbau einer Ultraschall-Meßvor­ richtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6A bis 6E Zeitdiagramme zur Erläuterung der Arbeits­ weise der vierten Ausführungsform;

Fig. 7 schematisch den Aufbau einer Ultraschall-Meßvor­ richtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8A bis 8D Zeitdiagramme zur Erläuterung der Arbeits­ weise der fünften Ausführungsform;

Fig. 9 ein Diagramm der Wellenform einer phasendetek­ tierten Welle, welche von einer Probe der fünf­ ten Ausführungsform reflektiert wird;

Fig. 10 schematisch den Aufbau einer Ultraschall-Meßvor­ richtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 11A bis 11I Zeitdiagramme zur Erläuterung der Arbeits­ weise der sechsten Ausführungsform;

Fig. 12 schematisch den Aufbau einer Ultraschall-Meßvor­ richtung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 13 schematisch den Aufbau einer Ultraschall-Meßvor­ richtung gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 14 schematisch den Aufbau einer V(Z)-Kurven-Messung gemäß einer neunten Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung;

Fig. 15 schematisch den Aufbau einer Ultraschallvorrich­ tung für eine Bildmessung gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 16 schematisch den Aufbau einer V(Z)-Kurven-Messung gemäß einer elften Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung;

Fig. 17A und 17B Diagramme zur Darstellung, wie interne Da­ ten eines ROM aufzufassen sind;

Fig. 18 schematisch den Aufbau einer Ultraschallvorrich­ tung gemäß einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 19 schematisch den Aufbau eines bekannten Ultra­ schallmikroskopes; und

Fig. 20A bis 20E Zeitdiagramme zur Erläuterung der Arbeits­ weise des bekannten Ultraschallmikroskopes gemäß Fig. 19.

Bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß Fig. 1 ist ein Standardsignalgenerator 21 zur Erzeu­ gung einer kontinuierlichen Welle (welche nachfolgend als Standardsignal bezeichnet wird) mit einer konstanten Fre­ quenz von 10 MHz mit dem Eingangsanschluß eines Analogschal­ ters 22 verbunden, um Teile des Standardsignales zu extra­ hieren und den extrahierten Teil als Stoßwelle (burst wave) auszugeben. Einer der ausgangsseitigen Anschlüsse des Ana­ logschalters 22 ist mit einem Wandler oder Übertrager 24, um die Stoßwelle einer elektro-akustischen Wand­ lung zu unterwerfen, sowie mit einem Vorverstärker 25 verbunden. Eine Um­ schaltung zwischen diesen beiden Komponenten erfolgt mittels eines Zirkulators 23, mit dem ein Signal nur in eine Rich­ tung übertragbar ist. Der andere ausgangsseitige Anschluß des Analogschalters 22 ist mit einem Widerstand R1 von bei­ spielsweise 50 Ω verbunden.

Eine akustische Linse 26 zum Konvergieren oder Bündeln einer Ultraschallwelle auf einen kleinen Punkt ist an dem Wandler 24 angeordnet. Ein beweglicher Probentisch 27 ist nahe des Brennpunktes der akustischen Linse 26 angeordnet und auf den Probentisch 27 ist eine Probe 28 anordenbar. Ein Freiraum oder Abstand zwischen der akustischen Linse 26 und der Probe 28 ist mit einer Kopplungsflüssigkeit 29 zur Über­ tragung der Ultraschallwelle gefüllt.

Ein Ausgangsanschluß des Vorverstärkers 25 ist mit zwei Mul­ tiplizierern 30 und 31 verbunden. Der Multiplizierer 30 ist direkt mit dem Standardsignalgenerator 21 verbunden, um das Standardsignal als Referenzsignal (erstes Referenzsignal) zu empfangen. Der Multiplizierer 31 ist mit dem Standardsignal­ generator 21 über einen 90°-Phasenschieber 32 verbunden, dessen Phase bezüglich des Standardsignales um 90° verscho­ ben ist. Die Ausgangsanschlüsse der Multiplizierer 30 und 31 sind mit Tiefpaßfiltern (TPF) 33 und 34 zur Entfernung hochfrequenter Komponenten verbunden. Als TPFs 33 und 34 können Filter mit einer Charakteristik zur Entfernung wenigstens von Komponenten einer Frequenz, welche zweimal die Frequenz der von dem Standardsignalgenerator 21 erzeugten kontinuierlichen Welle ist, verwendet werden.

Die phasensensitive Detektion (PSD) erfolgt mittels der Mul­ tiplizierer 30 und 31 und der TPFs 33 und 34. Die Ausgangs­ anschlüsse der TPFs 33 und 34 sind mit A/D-Wandlern 35 und 36 verbunden, welche digitale Ausgangssignale erzeugen. Die digitalen Ausgangssignale werden einem Computer oder Rechner 37 zugeführt.

Der Rechner 37 ist mit einem Steuerabschnitt 38 verbunden, mit dem die Arbeitsweisen und -zeitpunkte aller Elemente steuerbar sind, sowie einem Z-Abtastabschnitt 39, mit dem die Distanz zwischen der Probe und der akustischen Linse in der Z-Achse änderbar ist.

Unter Bezug auf das Zeitdiagramm von Fig. 2 wird nachfolgend die Arbeitsweise der ersten Ausführungsform erläutert.

Gemäß Fig. 2A erzeugt der Standardsignalgenerator 21 stets ein kontinuierliches Wellensignal (Standardsignal) konstan­ ter Frequenz. Wenn von dem Rechner 37 ein Übertragungs-Aus­ löseimpuls empfangen wird, gibt der Steuerabschnitt 38 ein Rechtecksignal mit einer Breite entsprechend einigen -zig Perioden der Frequenz des Standardsignales aus, wie in Fig. 2B dargestellt (beispielsweise 100 ms wenn die Frequenz des Standardsignales ungefähr 100 bis 200 MHz ist). Dieses Rechtecksignal wird an den Schaltanschluß des Analogschal­ ters 22 synchron mit dem Übertragungs-Auslöseimpuls ange­ legt.

Der Analogschalter 22 führt einen Schaltvorgang abhängig von dem eingehenden Rechtecksignal durch und das Standardsignal wird an den Zirkulator 23 nur dann ausgegeben, wenn der Schalter eingeschaltet ist. Somit wird ein Übertragungs- Stoßsignal oder Burst-Signal gemäß Fig. 2C erzeugt.

Das Übertragungs-Stoßsignal wird in dem Zirkulator 23 in ei­ ner Richtung gemäß des Pfeiles m übertragen und dann dem Wandler oder Übertrager 24 zugeführt. Der Übertrager 24 un­ terwirft die empfangene Übertragungs-Stoßwelle der elektro­ akustischen Wandlung, erzeugt somit eine Ultraschallwelle und überträgt diese Ultraschallwelle auf die akustische Linse 26. Von der akustischen Linse 26 wird die Ultraschall­ welle in konvergierter oder fokussierter Weise von der Kopp­ lerflüssigkeit 29 auf die Probe 28 übertragen.

Die auf die Probe einfallende Ultraschallwelle wird auf der Probe 28 reflektiert, durchläuft die Kopplerflüssigkeit 29 und die akustische Linse 26 und wird von dem Wandler 24 in ein elektrisches Signal umgesetzt (welches nachfolgend als empfangenes Signal bezeichnet wird). Das empfangene Signal durchläuft den Zirkulator 23 in einer Richtung des Pfeiles n, wird von dem Vorverstärker 25 verstärkt und dem Multipli­ zierer 30 und 31 eingegeben.

Der Multiplizierer 30 multipliziert das empfangene Signal mit dem Standardsignal und gibt eine in Phase liegende Kom­ ponente aus. Der Multiplizierer 31 multipliziert das empfan­ gene Signal mit einem Signal, dessen Phase bezüglich des Standardsignales durch den Phasenschieber 32 um 90° verscho­ ben ist, und gibt eine Quadraturphasen-Komponente aus.

Nachfolgend sei angenommen, daß das Standardsignal von dem Standardsignalgenerator 21 sin (ωt) ist. Hierbei ist ω die Frequenz und t die Zeit.

Die Phase des empfangenen Signales liegt hinter derjenigen der Übertragungswelle aufgrund der elastischen Eigenschaften der Probe, sowie der Zeit, die für die Fortpflanzung in der akustischen Linse und der Kopplerflüssigkeit benötigt wird. Es sei an­ genommen, daß die Phasenverzögerung Φ ist. Das empfangene Signal kann dann als Bsin(ωt-Φ), ausgedrückt werden, wobei B die Stärke des empfangenen Signales darstellt.

Im Ergebnis kann der in Phase liegende Ausgang U₁ vom Multi­ plizierer 30 und der Quadraturphasen-Ausgang U₂ vom Multi­ plizierer 31 durch die nachfolgenden Gleichungen (1) und (2) ausgedrückt werden:

Da hierbei Φ eine Konstante ist und sinΦ und cosΦ ebenfalls Konstanten sind, enthalten die Ausgänge U₁ und U₂ eine Gleichspannungskomponente und eine Frequenzkomponente von 2ω und daher können, wenn die Komponente von 2ω entfernt wird, Sinus- und Kosinus-Komponenten (B/2sinΦ und B/2cosΦ) erhal­ ten werden, welche der Phasenverzögerung Φ des empfangenen Signales zugehörig sind.

Die 2ω-Komponenten können aus dem in Phase liegenden Aus­ gang vom Multiplizierer 30 und dem Quadraturphasen-Ausgang vom Multiplizierer 31 durch die TPFs 33 und 34 entfernt wer­ den und die Gleichspannungskomponenten entsprechend sinΦ und cosΦ bleiben zurück. Das empfangene Signal vor der Detektion ist in Fig. 2D dargestellt und die detektierten Ausgänge, welche in Phase liegen und als Quadraturphase vorliegen, also die Signale nach den TPFs 33 und 34, sind in den Fig. 2E und 2F dargestellt.

Die tatsächlich empfangenen Signale beinhalten jedoch Re­ flexionswellen. Diese werden verursacht durch Übertragungsverluste, die erste Reflexion an der Linse und die zweite Reflexion an der Linse und sind zusätzlich zu der Reflexionswelle vorhanden, die durch Refle­ xion an der Probe gemäß Fig. 2D hervorgerufen wird. Da die Reflexionswelle eine Stoßwelle ist, werden die phasendetektierten Ausgänge in Form von Rechteckwellen entsprechend den Reflexionswel­ len erzeugt, wie in den Fig. 2E und 2F dargestellt.

Ein Triggersignal, welches um eine Verzögerungszeit Td ge­ genüber der Übertragungswelle verzögert ist, wie in Fig. 2G dargestellt, wird in dem Steuerabschnitt 38 erzeugt und als Triggersignal für die A/D-Wandler 35 und 36 verwendet, um nur diejenigen Anteile aus den Reflexionswellen zu extra­ hieren, welche durch Reflexion an der Probe erzeugt worden sind.

Die detektierten Ausgänge, welche in Phase und als Quadra­ turphase vorliegen, werden unter Verwendung des obigen Trig­ gersignales einer A/D-Wandlung unterworfen und nachfolgend wird nur der phasendetektierte Ausgang, der durch Reflexion an der Probe erzeugt worden ist und der nun als digitales Signal vorliegt, in einem Speicher des Rechners 37 abgespei­ chert.

Die Verzögerungszeit Td zwischen dem Übertragungssignal und dem Triggersignal für die A/D-Wandlung kann mittels des Rechners 37 frei auf einen gewünschten Wert gesetzt werden. Die Phase und Reflexionsstärke werden auf der Grundlage von sinΦ und cosΦ des gespeicherten probenreflektierten Signales im Rechner 37 bestimmt. Der Z-Abtastabschnitt 39 bewirkt einen Justiervorgang, beispielsweise einen Fokussiervorgang, durch Änderung des Abstandes zwischen der akustischen Linse und der Probe als Reaktion auf Steuerbefehle vom Rechner 37.

Somit ist bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht nur die Stärke, sondern auch die Phase meßbar, indem das probenreflektierte Signal der Quadratur­ detektion unter Verwendung des Standardsignales und eines Signales, welches gegenüber dem Standardsignal um 90° ver­ schoben ist, unterworfen wird.

Fig. 3 zeigt den Aufbau einer Ultraschall-Meßvorrichtung ge­ mäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung.

Bei dieser zweiten Ausführungsform werden Referenzwellen, die durch Phasenverschiebung des Standardsignales um 45° und 135° erhalten werden, zusätzlich in dem Phasendetektionsab­ schnitt der ersten Ausführungsform verwendet, so daß die Präzision der Detektion verbessert wird. In Fig. 3 sind Ab­ schnitte oder Elemente, welche Abschnitten oder Elementen aus Fig. 1 entsprechen, durch gleiche Bezugszeichen gekenn­ zeichnet und der in Fig. 3 gestrichelt eingefaßte Abschnitt A entspricht dem gestrichelt eingefaßten Abschnitt A in Fig. 1. Somit ist nur der sich von Fig. 1 abhebende wesentliche charakteristische Abschnitt der zweiten Ausführungsform in Fig. 3 dargestellt.

Das zur Phasendetektion in der zweiten Ausführungsform ver­ wendete Referenzsignal umfaßt vier Referenzsignale (bestehend aus einem ersten Referenzsignal, welches in Phase mit dem Standardsignal vom Standardsignalgenerator 21 ist, einem drit­ ten Referenzsignal, dessen Phase gegenüber dem Standardsi­ gnal um 45° verschoben ist, einem zweiten Referenzsignal, des­ sen Phase gegenüber dem Standardsignal um 90° verschoben ist, und einem vierten Referenzsignal, dessen Phase gegenüber dem zweiten Referenzsignal um weitere 45° verschoben ist). Dies bedeutet, daß die vier Referenzsignale um 0°, 45°, 90° und 135° gegenüber dem Standardsignal phasenverschoben sind.

Um das erste Referenzsignal zu erzeugen, ist der Standardsi­ gnalgenerator 21 direkt mit dem Multiplizierer 30 verbunden, so daß das Standardsignal an den Multiplizierer 30 angelegt werden kann. Um das dritte Referenzsignal erzeugen zu kön­ nen, ist der Standardsignalgenerator 21 mit einem Multipli­ zierer 42 über einen Phasenschieber 40 mit 45° verbunden, um das Standardsignal um 45° in der Phase schieben zu können.

Um das zweite Referenzsignal erzeugen zu können, ist der Standardsignalgenerator 21 mit dem Multiplizierer 31 über den Phasenschieber 32 verbunden, um das Standardsignal um 90° zu verschieben. Um das vierte Referenzsignal zu er­ zeugen, ist der Standardsignalgenerator 21 mit einem Multi­ plizierer 43 über den Phasenschieber 32 und einen weiteren Phasenschieber 41 verbunden, mit dem das zweite Referenzsi­ gnal um 45° verschoben werden kann. Somit wird das vierte Referenzsignal unter Verwendung der zweistufigen Phasen­ schieber 32 und 41 insgesamt um 135° phasenverschoben. Es ist selbstverständlich gleichermaßen möglich, den Standard­ signalgenerator 21 mit dem Multiplizierer 43 unter Zwischen­ schaltung eines einzigen Phasenschiebers mit 135° zu verbin­ den.

Die Multiplizierer 30, 42, 31 und 43 sind vorgesehen, zu­ sätzlich zu den jeweiligen Referenzsignalen das von dem Vor­ verstärker 25 verstärkte empfangene Signal zu empfangen.

Die Multiplizierer 30, 42, 31 und 43 sind mit Tiefpaßfiltern 33, 44, 34 und 45 verbunden, um phasensensitive Detektorab­ schnitte zu bilden. Ausgänge von den Phasendetektorabschnit­ ten werden A/D-Wandlern 35, 46, 36 und 47 eingegeben, welche mit den Phasendetektorabschnitten verbunden sind. Die Aus­ gänge der Phasendetektorabschnitte werden hier in entspre­ chende digitale Signale umgesetzt und dem Rechner 37 einge­ geben. Der weitere Aufbau der zweiten Ausführungsform ent­ spricht demjenigen der ersten Ausführungsform.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise der zweiten Ausführungs­ form mit dem obigen Aufbau erläutert.

Bei der zweiten Ausführungsform ist der Erzeugungsvorgang des Übertragungs/Empfangs-Signales (bewirkt durch einen Ab­ schnitt vom Standardsignalgenerator 21 zum Vorverstärker 25) gleich demjenigen der ersten Ausführungsform. Ein Ausgangs­ signal (Empfangssignal) vom Vorverstärker 25 wird den Multi­ plizierern 30, 42, 31 und 43 eingegeben und mit den jeweili­ gen Referenzsignalen, die wie oben beschrieben erzeugt wur­ den, multipliziert.

Auf gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform können die Ausgangssignale der Multiplizierer 30 und 31 durch die obigen Gleichungen (1) und (2) ausgedrückt werden und die Ausgangssignale U₃ und U₄ der Multiplizierer 42 und 43 lassen sich durch die folgenden Gleichungen (3) und (4) ausdrücken:

Durch Entfernen der 2ω-Komponenten von den Signalen unter Verwendung der TPFs 33, 44, 34 und 45 können daher Komponen­ ten von cosΦ, sinΦ, cos(Φ-45°) und sin(Φ-45°) der reflek­ tierten Welle den A/D-Wandlern 35, 46, 36 und 47 zugeführt werden. In den Wandlern 35, 46, 36 und 47 werden die jewei­ ligen Ausgangssignale in digitale Signale zu Zeitpunkten wie in der ersten Ausführungsform umgesetzt und dann in den Rechner 37 eingegeben. Um die Reflexionsstärke von den phasendetek­ tierten Daten im Rechner 37 zu erhalten, werden sinΦ und cosΦ quadriert und addiert und die Quadratwurzel aus der Summe wird ermittelt.

Die Phase kann durch die folgende Gleichung erhalten werden:

sinΦ wird jedoch zu "0", wenn Φ von der Referenzwelle um nπ in der Phase abweicht, und cosΦ wird "0", wenn Φ von der Re­ ferenzwelle um (n+½)π abweicht. In einem Bereich nahe dieses Punktes ist der Einfluß von Rauschen auf das Signal hoch und der in dem detektierten Ausgang auftretende Fehler wird groß.

Es geht aus der obigen Gleichung (5) klar hervor, daß der Einfluß auf die Phase nahe einem Abschnitt hoch wird, wo cosΦ "0" wird.

Bei der zweiten Ausführungsform kann somit die Phasenmessung mit hoher Präzision, die in der Lage ist, einen Fehler auf­ grund von Rauschen zu unterdrücken, durch Messen einer Kompo­ nente erhalten werden, welche um 45° gegenüber Φ phasenab­ weichend ist, wonach Stärke und Phase der Reflexionswelle auf der Grundlage der so gemessenen Komponente ermittelt werden.

Unter Bezug auf Fig. 4 werden nachfolgend der Aufbau einer Ultraschall-Meßvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung erläutert. Abschnitte, wel­ che Abschnitten aus Fig. 1 entsprechen, sind in Fig. 4 mit den gleichen Bezugszeichen versehen und der gestrichelt ein­ gefaßte Abschnitt A in Fig. 4 entspricht dem gestrichelt eingerahmten Abschnitt A in Fig. 1; es sind somit nur die für die dritte Ausführungsform charakteristischen Teile in Fig. 4 dargestellt.

Bei der dritten Ausführungsform besteht der Phasendetektionsab­ schnitt aus einem Satz, der aus dem Multiplizierer 30 und den TPF 33 gebildet ist. Ein erstes Referenzsignal, wel­ ches in Phase mit dem Standardsignal ist und ein zweites Re­ ferenzsignal, dessen Phase mittels des Phasenschiebers 32 um 90° verschoben ist, werden als Referenzsignale erzeugt und diese ersten und zweiten Referenzsignale werden selektiv dem Multiplizierer 30 über einen Schalter 48 eingegeben, indem der Schaltzustand des Schalters 48 geändert wird. Ein Aus­ gangssignal des TPF 33 wird in dem A/D-Wandler 35 in ein digitales Signal umgesetzt und dann in den Rechner 37 eingegeben. Der verbleibende Aufbau entspricht demjenigen der ersten Ausfüh­ rungsform.

Somit werden bei der dritten Ausführungsform das empfangene Signal und die entsprechenden Referenzsignale von einem ein­ zigen Phasendetektionsabschnitt detektiert, so daß Einflüsse, die durch Variationen oder Schwankungen in den den Phasendetektionsabschnitt bildenden Elementen verursacht werden, entfernt wer­ den, so daß sich die Präzision verbessern läßt.

Die Arbeitsweise dieser dritten Ausführungsform wird nach­ folgend beschrieben.

Bei der dritten Ausführungsform ist der Erzeugungsvorgang des Übertragungs/Empfangssignals (bewirkt durch einen Ab­ schnitt zwischen dem Standardsignalgenerator 21 und dem Vor­ verstärker 25) gleich demjenigen der ersten Ausführungsform.

Ein Ausgangssignal (empfangenes Signal) vom Vorverstärker 25 wird dem Multiplizierer 30 eingegeben und dort mit dem er­ sten Referenzsignal multipliziert. Die 2ω-Komponente wird mittels des TPF 33 aus dem multiplizierten Signal entfernt, um eine cos-Komponente der Phasendifferenz Φ der reflektier­ ten Welle (empfangenes Signal) zu erzeugen und die probenre­ flektierte Welle wird im A/D-Wandler 35 in ein digitales Si­ gnal umgesetzt und in den Rechner 37 eingegeben.

Der Rechner 37 überträgt einen Übertragungs-Triggerimpuls an den nicht dargestellten Steuerabschnitt und dieser Steuerab­ schnitt schaltet den Schalter 48 auf die Ausgangsseite des Pha­ senschiebers 32, um die Eingabe des zweiten Referenzsignales zu ermöglichen.

Nachfolgend wird ein zweites empfangenes Signal in den Mul­ tiplizierer 30 auf gleiche Weise wie oben beschrieben einge­ geben, mit dem zweiten Referenzsignal multipliziert und an den TPF 33 ausgegeben. Nachfolgend wird die 2ω-Komponente von dem multiplizierten Signal durch den TPF 33 entfernt, um eine sin-Komponente der Phasendifferenz Φ der zweiten re­ flektierten Welle (empfangenes Signal) zu erzeugen, und die probenreflektierte Welle wird vom A/D-Wandler 35 in ein di­ gitales Signal umgesetzt und in den Rechner 37 eingegeben. Der Rechner 37 erhält Stärke und Phase der reflektierten Welle aus der cosΦ-Komponente (erhalten in der ersten Messung) und der sinΦ-Komponente (erhalten in der zweiten Messung).

Da in der dritten Ausführungsform der Phasendetektionsab­ schnitt durch einen einzelnen Detektor aufgebaut ist, kann ein Fehler aufgrund von Variationen oder Schwankungen in den Charakteristiken der den Detektionsabschnitt bildenden Ele­ mente unterdrückt werden, und praktisch die gleichen Detekti­ onsvorgänge können ohne Verwendung einer großen Anzahl von Detektoren durchgeführt werden, so daß die Gesamtkosten die­ ser Anordnung gering gemacht werden können.

In der beschriebenen Ausführungsform wurden als Referenzsi­ gnale für die Phasendetektion das Standardsignal und ein um 90° gegenüber dem Standardsignal verschobenes Signal verwen­ det. Das Referenzsignal ist jedoch nicht auf dieses be­ schriebene Ausführungsbeispiel beschränkt und es ist mög­ lich, eine Mehrzahl von unterschiedlich phasenverschobenen Signalen zu verwenden und selektiv diese phasenverschobenen Signale über einen entsprechend ausgestalteten Schalter zu­ zuführen.

Der Aufbau einer Ultraschall-Meßvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf Fig. 5 erläutert. Abschnitte, Teile oder Elemente, welche denjenigen von Fig. 1 entspre­ chen, sind in Fig. 5 mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine nochmalige detaillierte Beschreibung erfolgt nicht.

Gemäß Fig. 5 ist in der vierten Ausführungsform ein Z-Posi­ tions-Detektionsabschnitt 50 (Z-Detektor) vorgesehen, um die Distanz zwischen der akustischen Linse 26 und der Probe 28 zu messen, so daß diese Distanz präzise ermittelt werden kann, selbst wenn sich der Abstand zwischen der Linse und der Probe ändert, so daß es möglich wird, ein Phasendetekti­ onssignal der probenreflektierten Welle korrekt zu messen.

Die Arbeitsweise der vierten Ausführungsform gemäß Fig. 5 wird nachfolgend unter Bezug auf das Zeitdiagramm von Fig. 6 erläutert.

Wie bei der Messung der V(Z)-Kurve ändert sich das Zeitver­ halten der Reflexion an der Probe abhängig von der Distanz zwischen der akustischen Linse 26 und der Probe 28, wenn die probenreflektierte Welle gemessen wird, während die Distanz zwischen Linse und Probe sich ändert. Beispielsweise nimmt ein in Phase liegendes Ausgangssignal (cosΦ), das erhalten wird, wenn ein kleiner Fleck der Ultraschallwelle auf die Proben­ oberfläche fokussiert wird, eine Form gemäß Fig. 6B an und ein A/D-Wandlertrigger wird von dem Steuerabschnitt 38 zu einem Zeitpunkt erzeugt, der gegenüber dem Übertragungstrig­ ger gemäß Fig. 6A um eine Verzögerungszeit Td verzögert ist, um einen probenreflektierten Abschnitt detektieren zu kön­ nen.

Die Verzögerungszeit Td wird im Steuerabschnitt 38 vom Rech­ ner 37 gesetzt. Nachfolgend sei angenommen, daß zum Fokus­ sierzeitpunkt Td=T0 gilt. Die Distanz zwischen der akustischen Linse 26 und der Probe 28 wird zu diesem Zeitpunkt von dem Z-Detektor 50 erfaßt und im Speicher des Rechners 37 gespei­ chert.

Danach wird der Abstand zwischen der akustischen Linse 26 und der Probe 28 geändert, und wenn die Distanz kleiner wird als diejenige im vorhergehenden Zyklus, kehrt die probenre­ flektierte Welle früher als im Fall von Fig. 6B bezüglich dem Übertragungstrigger gemäß Fig. 6D zurück. Es sei ange­ nommen, daß die Zeitdifferenz ΔT beträgt. Auch in diesem Fall wird die Distanz zwischen der akustischen Linse 26 und der Probe 28 von dem Z-Detektor 50 erfaßt und in den Rechner 37 eingegeben. Es sei nun angenommen, daß eine Differenz zwischen der obigen Distanz und der Distanz (erhalten zur Fo­ kussierzeit und im Speicher des Computers 37 gespeichert) als ΔZ bezeichnet ist, dann kann ΔT aus der nachfolgenden Gleichung (6) er­ halten werden:

wobei V die Schallgeschwindigkeit in der Kopplungsflüssigkeit 29 ist.

Der Rechner 37 ermittelt ΔT aus der Distanz zwischen der akustischen Linse 26 und der Probe 28 auf der Grundlage der Gleichung (6) und liefert die Verzögerungszeit Td des A/D- Triggers gegenüber dem Übertragungstrigger an den Steuerab­ schnitt 38.

Der Steuerabschnitt 38 überträgt den A/D-Trigger an den A/D- Wandler 35 zu einem Zeitpunkt gemäß Fig. 6E. Der Wandler 35 setzt den phasendetektierten Ausgang zum Zeitpunkt des A/D- Wandlertriggerzeitpunktes in ein digitales Signal um und gibt dieses an den Rechner 37. Im Falle der Quadratur­ phase wird ein Ausgang auf gleiche Weise A/D-gewandelt (zum gleichen Zeitpunkt) und ein digitales Signal wird dem Rech­ ner 37 zugeführt.

Bei der vierten Ausführungsform wird der Referenzwert der Distanz zwischen der akustischen Linse 26 und der Probe 28 auf eine Distanz von der akustischen Linse 26 zu der fokus­ sierten Lage gesetzt; der Referenzwert der Distanz ist je­ doch nicht auf den obigen Wert beschränkt und ein beliebiger gegebener Punkt auf der Probe kann verwendet werden. Weiter­ hin ist die Phase des Referenzsignales nicht auf die gleiche Phase (0°) des Standardsignales oder einer Phasendifferenz von 90° bezüglich dem Standardsignal beschränkt, sondern kann auf jede andere gewünschte Phase gesetzt werden, und zwei oder mehr Sätze von Phasendetektoren lassen sich ver­ wenden.

Wie beschrieben kann in der vierten Ausführungsform die pro­ benreflektierte Welle korrekt detektiert werden, indem die Distanz oder der Abstand zwischen der akustischen Linse 26 und der Probe 28 erfaßt wird und das Festsetzen der Zeit­ punkte für die A/D-Wandlung auf dieser Distanz basiert, selbst wenn die Distanz zwischen der Linse 26 und der Probe 28 geändert wird.

Der Aufbau einer Ultraschall-Meßvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf Fig. 7 erläutert. Fig. 7 zeigt nur die wesentlichsten Abschnitte dieser fünften Ausfüh­ rungsform und Abschnitte von Fig. 7, welche im wesentlichen Abschnitten aus Fig. 1 entsprechen, sind mit gleichen Bezugs­ zeichen versehen und eine nochmalige Beschreibung erfolgt nicht.

Bei der fünften Ausführungsform ist ein S/H-Abschnitt 131 zum Abtasten und Halten (sample and hold) eines Ausgangssignals vom TPF 33 zu einem Zeitpunkt (gesteuert durch den Steuerabschnitt 38) und ein Spitzenwertdetektor 132 am Ausgang des S/H-Abschnit­ tes 131 zusätzlich zwischen dem TPF 33 und dem A/D-Wandler 35 der ersten Ausführungsform vorgesehen. In Fig. 7 ist ledig­ lich der Abschnitt für In-Phase dargestellt, ein Abschnitt für Quadraturphase ist auf gleiche Weise aufgebaut. Nachfol­ gend wird die Arbeitsweise des In-Phase-Abschnittes der fünften Ausführungsform unter Bezug auf das Zeitdiagramm von Fig. 8 erläutert.

Zunächst wird ein empfangenes Signal vom Vorverstärker 25 verstärkt und mit einem ersten Referenzsignal multipliziert, welches in Phase mit dem Standardsignal vom Standardsignal­ generator 21 ist, und die 2ω-Komponente wird durch den TPF 33 aus dem empfangenen Signal entfernt, um ein Signal gemäß Fig. 8A zu erzeugen.

Der S/H-Abschnitt 131 tastet das von der Probe reflektierte Signal gemäß Fig. 8A unter Verwendung eines Triggersignales ab, welches um eine Verzögerungszeit Td gemäß Fig. 8B gegenüber der Übertragungswelle auf gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform verzögert ist (Fig. 8C). Der Spitzenwert des abgetasteten und zwischengespeicherten Signales wird gemäß Fig. 8D von dem Spitzenwertdetektor 132 gehalten.

Das Spitzenwert-gehaltene Signal wird von dem A/D-Wandler 35 in ein digitales Signal umgesetzt und dem Rechner 37 zuge­ führt. Die Arbeitsweise für die Quadraturphase ist gleich.

Das Übertragungs-Burstsignal ist eine Welle von einigen -zig Perioden mit einer Frequenz von einigen hundert MHz und da­ her wird die Zeitbreite für die phasendetektierte rechteck­ förmige Welle kleiner als einige hundert ns. Wenn beispiels­ weise das Signal 40 Perioden und eine Frequenz von 200 MHz hat, beträgt die Zeitdauer oder Breite der Rechteckwelle 200 ns. Um das Signal direkt einer A/D-Wandlung unterwerfen zu können, ist somit eine extrem schnell arbeitende A/D-Wand­ lereinheit nötig.

Wie in dem Fall, in dem die V(Z)-Kurve gemessen wird, liegt in dem Fall, in dem die Distanz zwischen der akustischen Linse und der Probe nach und nach kleiner gemacht wird, bezogen auf diejenige, die zum Fokussierzeitpunkt vorlag, das phasende­ tektierte probenreflektierte Signal in einer Wellenform mit drei Komponenten vor, nämlich einer Reflexionskom­ ponente von der Probenoberfläche, einer Komponente einer In­ terferenz zwischen der Reflexionskomponente von der Proben­ oberfläche und der Oberflächenwelle und einer Oberflächen­ wellenkomponente gemäß Fig. 9. Es ist nötig, die Interfe­ renzkomponente zwischen der Reflexionskomponente von der Probenoberfläche und der Oberflächenwelle zu erkennen, aber diese Komponente ist in ihrer Zeitdauer kürzer als die Über­ tragungswelle und es ist eine weitere Hochgeschwindigkeits-A/D- Wandlereinheit nötig.

Da in der fünften Ausführungsform der phasendetektierte Aus­ gang abgetastet und zwischengespeichert und einer Spit­ zenwertdetektion unterworfen wird, ist eine Hochgeschwindig­ keits-A/D-Wandlung nicht nötig, so daß sich Elemente mit normalen Betriebseigenschaften verwenden lassen. Weiterhin ist in der fünften Ausführungsform die Phase des Referenzsi­ gnales nicht auf die gleiche Phase (0°) des Standardsignales oder einer Phasendifferenz von 90° bezüglich des Standardsi­ gnales beschränkt und es kann jede gewünschte Phase ausge­ wählt werden und zwei oder mehr Sätze von Phasendetektoren können verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausfüh­ rungsformen beschränkt und es ist möglich, statt des Standardsignals eine Reflexions­ welle als Referenzsignal zu verwenden, welche auf einen Ab­ schnitt innerhalb der Linse reflektiert wird. In diesem Falle ist es mög­ lich, einen Burst-Wellengenerator zur Übertragung auf glei­ che Weise wie im Fall des Standes der Technik zu verwenden.

Weiterhin werden Phase und Stärke der reflektierten Welle von dem phasendetektierten Ausgang ermittelt, es ist jedoch gleichermaßen möglich, die Reflexionsstärke unter Verwen­ dung eines Detektors mit dem gleichen Aufbau wie beim Stand der Technik zu detektieren und nur die Phase aus dem phasen­ detektierten Ausgang zu detektieren.

Da bei den obigen beschriebenen Ausführungsformen die re­ flektierte Welle phasendetektiert wird, können Phase und Stärke der reflektierten Welle detektiert werden und eine größere Informationsmenge, welche sich in der probenreflek­ tierten Welle befindet, kann im Vergleich zu bekannten Ver­ fahren erhalten werden, bei denen nur die Stärke der probenre­ flektierten Welle detektiert wird, so daß sich die elasti­ schen Eigenschaften der Probe ermitteln lassen, welche sich beim Stand der Technik nicht erhalten lassen.

Nachfolgend wird dem Aufbau einer Ultraschall-Meßvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung unter Bezug auf Fig. 10 erläutert.

Hierbei ist ein Oszillator 54 zur Erzeugung einer kontinu­ ierlichen Welle (nachfolgend als Standardsignal bezeichnet) konstanter Frequenz mit einem eingangsseitigen Anschluß ei­ nes Analogschalters 22 verbunden, mit dem ein Teil des Stan­ dardsignales extrahiert wird und eine Stoß- oder Burst-Welle ausgegeben wird. Einer der ausgangsseitigen Anschlüsse des Analogschalters 22 ist mit dem Eingangsanschluß eines Wahl­ schalters 55 verbunden, der mit hoher Geschwindigkeit umge­ schaltet werden kann, und der andere ausgangsseitige Anschluß ist mit einem Widerstand R1 von beispielsweise 50Ω verbun­ den.

Der Schaltanschluß des Wahlschalters 55 ist mit einem Über­ trager oder Wandler 24 verbunden, mit dem die Burst-Welle einer elektroakustischen Wandlung unterworfen wird. Ein aus­ gangsseitiger Anschluß des Wahlschalters 55 ist mit dem Vor­ verstärker 25 verbunden. Die Schaltvorgänge des Analogschal­ ters 22 und des Wahlschalters 55 werden mittels Steuersigna­ len gesteuert, welche von einem Steuerabschnitt 38 abhängig von Befehlen von einem Computer oder Rechner 37 erzeugt wer­ den, wie nachfolgend noch beschrieben werden wird. Eine aku­ stische Linse 26 zur Konvergierung der Ultraschallwelle auf einen kleinen Punkt ist an dem Wandler 24 angeordnet. Ein beweglicher Probentisch 27 ist nahe dem Brennpunkt der aku­ stischen Linse 26 angeordnet und eine Probe 28 ist auf dem Probentisch 27 anbringbar. Ein Raum zwischen der akustischen Linse 26 und der Probe 28 ist mit einer Kopplungsflüssigkeit 29 gefüllt, in welcher sich die Ultraschallwellen fortpflan­ zen.

Ein Ausgangsanschluß des Vorverstärkers 25 ist mit zwei Mul­ tiplizierern 30 und 31 verbunden. Der Multiplizierer 30 ist mit dem Oszillator 54 über einen Verzögerungsabschnitt 52 verbunden, um ein Signal zu empfangen, welches durch Verzö­ gern des Standardsignales erhalten wird. Dieses verzögerte Signal ist ein erstes Referenzsignal. Auf ähnliche Weise ist der Multiplizierer 31 mit dem Oszillator 54 über einen Ver­ zögerungsabschnitt 53 verbunden, um ein verzögertes Stan­ dardsignal als zweites Referenzsignal zu empfangen.

Die Ausgangsanschlüsse der Multiplizierer 30 und 31 sind mit Tiefpaßfiltern 33 und 34 verbunden, um hochfrequente Kompo­ nenten zu entfernen. Als TPFs 33 und 34 können Filter mit einer Charakteristik verwendet werden, mit der wenigstens Komponenten mit der doppelten Frequenz der vom Os­ zillator 54 erzeugten kontinuierlichen Welle entfernt werden können. Die phasensensitive Detektion (PSD) wird mittels der Multiplizierer 30 und 31 und der TPFs 33 und 34 durchge­ führt.

Die Ausgangsanschlüsse der TPFs 33 und 34 sind mit A/D-Wand­ lern 35 und 36 verbunden, welche die detektierten Signale in digitale Signale umsetzen und diese an den Rechner 37 lie­ fern. Der Rechner 37 ist mit dem Steuerabschnitt 38 zur Steuerung der Arbeitsweisen und -Zeitpunkte aller bisher be­ schriebenen Elemente verbunden, sowie mit einem Z-Abtastab­ schnitt 50 zur Änderung der Distanz zwischen der Probe 28 und der akustischen Linse 26 in Z-Richtung.

Die Arbeitsweise der sechsten Ausführungsform wird nachfol­ gend unter Bezug auf das Zeitdiagramm von Fig. 11 erläutert.

Zunächst werden zu messende Frequenzdaten in den Rechner 37 eingegeben.

Der Oszillator 54 gibt stets eine kontinuierliche Welle ei­ ner konstanten Frequenz aus, welche durch den Rechner 37 festgesetzt worden und in Fig. 11A dargestellt ist.

Wenn ein Übertragungstrigger gemäß Fig. 11B vom Rechner 37 dem Steuerabschnitt 38 eingegeben wird, gibt der Steuerab­ schnitt 38 ein rechteckförmiges Signal mit einer Zeitdauer oder Breite einiger -zig Perioden und einer Frequenz des Os­ zillators 54 aus, wie in Fig. 11C dargestellt. Dieses Signal wird an den Analogschalter 22 synchron mit dem Übertragungs­ trigger angelegt. Es wird somit ein Schaltsignal ausgegeben, welches früher als das rechteckförmige Signal in den Ein-Zustand und nach dem rechteckförmigen Signal in den Aus-Zustand gesetzt wird, wie in Fig. 11D darge­ stellt. Dieses Signal wird dem Wahlschalter 55 zugeführt.

Der Analogschalter 22 wird abhängig von den Ein- und Aus-Zu­ ständen des rechteckförmigen Signales geschaltet und wenn er in dem Ein-Zustand ist, wird das Standardsignal vom Oszilla­ tor 54 dem Wahlschalter 55 zugeführt. Somit wird ein Über­ tragungs-Burstsignal gemäß Fig. 11E erzeugt. Der Wahlschal­ ter 55 wird auf die Seite des Analogschalters 22 geschaltet, wenn ein Schaltsignal vom Steuerabschnitt 38 EIN ist und wird auf die Seite des Vorverstärkers 25 geschaltet, wenn die­ ses Signal AUS ist.

Das Übertragungs-Burstsignal wird über den Wahlschalter 55 dem Übertrager oder Wandler 24 zugeführt. Das Übertragungs- Burstsignal wird im Übertrager 24 einer elektroakustischen Wandlung unterworfen und somit in eine Ultraschallwelle um­ gesetzt.

Die Ultraschallwelle wird von der akustischen Linse 26 über­ tragen, in der Kopplerflüssigkeit 29 auf einen kleinen Punkt konvergiert und auf die Probe 28 gerichtet. Die einfallende Ultraschallwelle wird an der Probe 28 reflektiert und über die Kopplerflüssigkeit 29, die akustische Linse 26 und den Über­ trager 24 zurückgeführt. Das reflektierte Signal, welches nachfolgend als empfangenes Signal bezeichnet wird, wird im Wandler 24 wieder in ein elektrisches Signal umgesetzt und über den Wahlschalter 55, der auf die Seite des Vorverstärkers 25 geschaltet ist, diesem Vorverstärker 25 zugeführt, dort verstärkt und dann den Multiplizierern 30 und 31 zugeführt.

Der Multiplizierer 30 multipliziert das von dem Verzöge­ rungsabschnitt 52 verzögerte erste Referenzsignal mit dem empfangenen Signal und gibt das Multiplikationsergebnis aus. Auf ähnliche Weise multipliziert der Multiplizierer 31 das vom Verzögerungsabschnitt 53 verzögerte zweite Referenzsi­ gnal mit dem empfangenen Signal und gibt das Multiplikati­ onsergebnis aus.

Es sei angenommen, daß das Standardsignal vom Oszillator 54 sin(ωt) ist. ω ist hierbei eine Frequenz und t ist die Zeit. Die Phase des empfangenen Signales liegt hinter derje­ nigen der Übertragungswelle aufgrund der elastischen Eigen­ schaften der Probe und der Zeit, die zur Fortpflanzung in der akustischen Linse und der Kopplerflüssigkeit nötig ist. Wenn die Phasenverzögerung Φ beträgt, läßt sich das emp­ fangene Signal als Bsin(ω-tΦ) ausdrücken, wobei B die Stärke des empfangenen Signales darstellt.

Wenn die Beträge der Zeitverzögerung in den Verzögerungsab­ schnitten 52 und 53 auf Δt₁, Δt₂ gesetzt sind, lassen sich die Referenzsignale für die Multiplizierer 30 und 31 als sin[ω(t-Δt₁)] und cos[ω(t-Δt₂)] ausdrücken.

Im Ergebnis können die Ausgangssignale U₁ und U₂ der Multiplizierer 30 und 31 durch die nachfolgenden Gleichungen (7) und (8) ausgedrückt werden:

wobei Φ, ω, Δt₁ und Δt₂ Konstanten sind. Daher sind cos(Φ-ωΔt₁) und cos(Φ-ωΔt₂) ebenso Konstanten und U₁ und U₂ enthalten die Gleichspannungskomponente und eine Frequenz von 2ω. Durch Entfernung der 2ω-Komponente können somit cos(Φ-ωΔt₁) und cos(Φ-ωΔt₂) extrahiert werden.

Die 2ω-Komponenten werden von den Ausgängen der Multipli­ zierer 30 und 31 mittels der TPFs 33 und 34 entfernt und nur die Gleichspannungskomponenten entsprechend cos(Φ-ωΔt₁) und cos(Φ-ωΔt₂) verbleiben.

Die Wellenform des empfangenen Signales vor der Detektion ist in Fig. 11F dargestellt, die Wellenform des detektierten Ausganges vom TPF 33 ist in Fig. 11G dargestellt und die Wellenform des detektierten Ausganges von TPF 34 ist in Fig. 11H dargestellt.

Das tatsächlich empfangene Signal enthält Reflexionswellen, die verursacht werden durch Übertragungsverluste, eine erste Reflexion an der Linse und eine zweite Reflexion an der Linse, zusätzlich zu der Reflexionswelle, welche durch Reflexion an der Probe erzeugt wurde, wie in Fig. 11F dargestellt. Da weiterhin die Reflexionswelle eine Burst-Welle ist, werden die phasende­ tektierten Ausgänge in Form von rechteckförmigen Wellen ent­ sprechend den Reflexionswellen erzeugt, wie in den Fig. 11G und 11H dargestellt.

Um nur den Anteil aus der Reflexionswelle heraus zu extra­ hieren, der durch Reflexion an der Probe erzeugt worden ist, wird das A/D-Wandler-Triggersignal gemäß Fig. 11I, wel­ ches gegenüber dem Übertragungstrigger gemäß Fig. 11B um die Verzögerungszeit Td verzögert ist, in dem Steuerabschnitt 38 erzeugt und zum Betreiben der A/D-Wandler 35 und 36 benutzt, um die phasendetektierten Ausgänge von den TPFs 33 und 34 in digitale Signale umzusetzen und diese digitalen Signale im Speicher des Rechners 37 zu speichern. Die Zeitverzögerung Td zwischen dem Übertragungstrigger und dem A/D-Triggersi­ gnal kann leicht geändert werden, indem im Rechner 37 die gewünschte Zeitverzögerung festgesetzt wird. In dem Rechner 37 können die sinΦ und cosΦ-Komponenten des empfangenen Si­ gnales (Reflexion an der Probe) aus den Speicherwerten cos(Φ-ωΔt₁) und cos(Φ-ωΔt₂) auf der Grundlage der nach­ folgenden Gleichungen (9) und (10) erhalten werden.

Da hierbei die Frequenz ω, die beiden Verzögerungszeiten Δt₁ und Δt₂ vorab festgesetzte Werte sind und Bcos(Φ-ωΔt₁) und Bcos(Φ-ωΔt₂) Meßwerte sind, können die sinΦ- und cosΦ-Komponenten des probenreflektierten Signales auf der Grundlage der obigen Gleichungen (9) und (10) erhal­ ten werden. Weiterhin werden Phase und Reflexionsstärke aus dem Ergebnis der obigen Berechnung ermittelt. Der Z-Abta­ stabschnitt 50 führt den Einstellvorgang, also die Fokussie­ rung durch Änderung des Abstandes zwischen der akustischen Linse 26 und der Probe 28 abhängig von Befehlen vom Rechner 37 durch.

Wie beschrieben kann bei dieser Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung die Phasendetektion unter Verwendung einer gewünschten Frequenz durchgeführt werden, da eine Verzöge­ rungsleitung in dem Verzögerungsabschnitt ein extrem weites Frequenzband hat.

Nachfolgend wird der Aufbau einer Ultraschall-Meßvorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung unter Bezug auf Fig. 12 erläutert.

In der siebten Ausführungsform ist der Verzögerungsabschnitt zur Verzögerung des Ausgangssignales vom Oszillator durch drei Verzögerungsabschnitte unterschiedlicher Verzögerungs­ zeiten in dem Phasendetektionsabschnitt der sechsten Ausfüh­ rungsform aufgebaut und die Ausgänge der drei Verzögerungs­ abschnitte werden als Referenzsignale verwendet, um die Prä­ zision weiter zu erhöhen. Abschnitte oder Teile von Fig. 12, welche Abschnitten oder Teilen aus Fig. 10 entsprechen, wer­ den mit gleichen Bezugszeichen versehen und eine nochmalige Beschreibung erfolgt nicht. Fig. 12 zeigt somit nur die we­ sentlichsten Abschnitte oder Teile der siebenten Ausfüh­ rungsform.

In der siebten Ausführungsform umfassen die Referenzsignale zur Verwendung bei der Phasendetektion ein erstes Referenz­ signal, das durch Verzögern des Standardsignales vom Oszil­ lator 54 um eine Verzögerungszeit Δt₁ unter Verwendung des Verzögerungsabschnittes 52 erhalten wird, ein zweites Refe­ renzsignal, welches durch Verzögern des Standardsignales um eine Verzögerungszeit Δt₂ unter Verwendung des Verzögerungs­ abschnittes 53 erhalten wird, und ein drittes Referenzsignal, welches durch Verzögerung des Standardsignales um eine Ver­ zögerungszeit Δt₃ unter Verwendung eines Verzögerungsab­ schnittes 61 erhalten wird.

Die siebte Ausführungsform umfaßt noch den Verzöge­ rungsabschnitt 61 zum Erzeugen des dritten Referenzsignales, einen Multiplizierer 62 und einen Tiefpaßfilter 63, sowie einen A/D-Wandler 64 zusätzlich zu den Bauelementen der sechsten Ausführungsform. Ausgänge der entsprechenden Pha­ sendetektionsabschnitte werden den A/D-Wandlern 35, 36 und 64 zugeführt, deren digitale Ausgänge dem Rechner 37 zuge­ führt werden. Die Arbeitsabläufe der Elemente unterliegen der Steuerung des Steuerungsabschnittes 38, der wiederum von dem Rechner 37 gesteuert wird.

Die Arbeitsweise dieser siebten Ausführungsform wird nach­ folgend erläutert. Der Übertragungs/Empfangs-Vorgang unter Verwendung einer Burst-Welle, welche durch Extrahieren eines Teiles des Standardsignales vom Oszillator 54 erhalten wird, die Konvergierung der Ultraschallwelle in einen kleinen Punkt, das Eingeben des probenreflektierten Signales in den Vorverstärker 39 zur Verstärkung und der Erhalt eines Aus­ gangs vom Vorverstärker erfolgt wie in der sechsten Ausfüh­ rungsform.

Ein Ausgang (empfangenes Signal) vom Vorverstärker 25 wird den Multiplizierern 30, 31 und 62 eingegeben und dort mit den entsprechenden Referenzsignalen multipliziert. Die de­ tektierten Ausgangssignale werden somit auf gleiche Weise wie in der sechsten Ausführungsform erhalten und der detek­ tierte Ausgang vom Multiplizierer 30 kann durch die Glei­ chung (7) ausgedrückt werden, der detektierte Ausgang vom Multiplizierer 31 kann durch die Gleichung (8) ausgedrückt werden und der detektierte Ausgang vom Multiplizierer 62 kann durch eine Gleichung ausgedrückt werden, in der Δt₁ durch Δt₃ in Gleichung (7) ersetzt worden ist.

Wenn somit 2ω-Komponenten von den detektierten Ausgängen der TPFs 33, 34 und 63 entfernt worden sind, können cos(Φ-ωΔt₁), cos(Φ-ωΔt₂) und cos(Φ-ωΔt₃)-Komponenten von den A/D-Wandlern 35, 36 und 64 ausgegeben werden. Die Wand­ ler 35, 36 und 64 werden zu Zeiten, wie sie bei der sechsten Aus­ führungsform dargestellt sind, betrieben, um die Detektionssignale zu extrahieren, die Signale in digitale Signale umzusetzen und die digitalen Signale in den Speicher des Rechners 37 zu geben.

Die Reflexionsstärke kann durch Auswahl von zwei der drei phasendetektierten Datenkomponenten (erhal­ ten in einer Messung) und unter Verwendung der Gleichungen (9) und (10) ermittelt werden.

Wenn die unabhängige Variable in den drei pha­ sendetektierten Datenkomponenten 90°, 270° oder ein ganzzah­ liges Vielfaches hiervon ist, wird die Komponente zu 0. Da der detektierte Ausgangswert nahe dem Nullpunkt extrem ge­ ring wird, wird dieser kleine Wert von Rauschen stark beein­ flußt und ein Fehler in dem detektierten Ausgangswert wird hoch. Wenn sich eine der drei phasendetektierten Datenkompo­ nenten dem Nullpunkt annähert, werden die anderen beiden Da­ tenkomponenten verwendet, um sinΦ und cosΦ zu erhalten.

Wenn die Verzögerungszeiten so gesetzt werden, daß die unab­ hängigen Variablen ω (Δt₁-Δt₂), ω(Δt₂-Δt₃) und ω(Δt₃-Δt₁) nicht gleich einem ganzzahligen Vielfachen von 360° werden, wird es möglich, zu verhindern, daß zwei der drei phasendetektierten Datenkomponenten gleichzeitig Null werden.

Da somit bei der siebten Ausführungsform drei Referenzsi­ gnale mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten verwendet werden, um die phasensensitive Detektion durchzuführen und die Berechnung auf der Grundlage von den zwei größeren der erhaltenen Datenkomponenten durchgeführt wird, kann eine Fehlerquelle aufgrund von Störrauschen unterdrückt werden und die Phasenmessung kann mit hoher Präzision durchgeführt werden.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden drei pha­ sendetektierte Signale verwendet; dies ist nicht einschrän­ kend zu verstehen. Es ist schwierig, drei Verzögerungszeiten in einem weiten Frequenzband so auszuwählen, daß die obige Bedingung möglichst gut erfüllt ist, und es können in solch einem Fall Signale mit unterschiedlichen Verzögerungszei­ ten als n-Referenzsignale verwendet werden, um n Phasende­ tektionsvorgänge durchzuführen.

Der Aufbau einer Ultraschall-Meßvorrichtung gemäß einer ach­ ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun un­ ter Bezugnahme auf Fig. 13 erläutert. Bereiche oder Ab­ schnitte, welche Bereichen oder Abschnitten aus Fig. 10 ent­ sprechen, sind in Fig. 13 mit gleichen Bezugszeichen versehen und eine nochmalige Beschreibung erfolgt nicht. Fig. 13 zeigt somit nur die wesentlichen Abschnitte der achten Aus­ führungsform.

Die achte Ausführungsform unterscheidet sich von der sech­ sten Ausführung dahingehend, daß der Phasendetektionsab­ schnitt und der Abschnitt zur Erzeugung des Referenzsignales den Multiplizierer 30 und den TPF 33, Verzögerungsabschnitte 52 und 53 mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten und einen Auswahlschalter 65 zum selektiven Eingeben der Refe­ renzsignale von den Verzögerungsabschnitten in den Phasende­ tektionsabschnitt umfassen.

Ein Ausgangsanschluß des TPF 34 des Phasendetektionsab­ schnittes ist mit einem A/D-Wandler 35 zum Wandeln des de­ tektierten Ausganges in ein digitales Signal verbunden und phasendetektierte Daten, welche in digitale Form umgewandelt worden sind, werden dem Rechner eingegeben. Der verbleibende Aufbau entspricht demjenigen der sechsten Ausführungsform.

Dies bedeutet, daß in der achten Ausführungsform Ausgänge von den Verzögerungsabschnitten 52 und 53 mit unterschiedli­ chen Verzögerungszeiten sequentiell ausgewählt und ein ein­ ziger Phasendetektionsabschnitt verwendet wird, so daß Va­ riationen oder Schwankungen in den detektierten Werten der Phasendetektionsabschnitte, die bei Verwendung einer Mehr­ zahl von Phasendetektionsabschnitten auftreten, verhindert werden können und die Präzision weiter verbessert wer­ den kann.

Die Arbeitsweise der achten Ausführungsform mit obigem Auf­ bau wird nachfolgend erläutert. Der Übertragungs-Empfangsvorgang unter Verwendung einer Burst-Welle, die durch Extra­ hieren eines Teiles aus dem Standardsignal vom Oszillator 54 erhalten wird, das Konvergieren der Ultraschallwelle auf einen Punkt, das Eingeben der probenreflektierten Welle als Empfangssignal in den Vorverstärker 25 und das Erhalten ei­ nes Ausgangssignals vom Vorverstärker erfolgt wie bei der sechsten Ausführungsform.

Ein Ausgangssignal (empfangenes Signal) vom Vorverstärker 25 wird dem Multiplizierer 30 eingegeben und zur gleichen Zeit wird ein erstes Referenzsignal, welches durch Verzögerung des Standardsignales um eine Verzögerungszeit Δt₁ mittels des Verzögerungsabschnittes 52 erhalten worden ist, dem Mul­ tiplizierer 30 eingegeben. Eine 2ω-Komponente wird von dem Multiplikationsergebnis mittels des TPF 33 entfernt, um eine cos(Φ-ωΔt₁)-Komponente zu erhalten. Die so erhaltene Kompo­ nente (detektierter Ausgang) wird von dem Wandler 35 in ein digitales Signal umgesetzt und in den Rechner 37 eingegeben.

Danach überträgt der Rechner 37 ein zweites Übertragungs- Triggersignal an den Steuerabschnitt 38, um einen Schaltvor­ gang des Auswahlschalters 65 zu bewirken.

Da der Verzögerungsabschnitt 53 anstelle des Verzögerungsab­ schnittes 52 durch den Umschaltvorgang des Auswahlschalters 65 angewählt worden ist, ändert sich das in den Multiplizie­ rer 30 eingegebene Referenzsignal vom ersten Referenzsignal zum zweiten Referenzsignal.

Dann wird ein in der zweiten Messung erzeugtes empfangenes Signal in den Multiplizierer 30 eingegeben und dort mit dem zweiten Referenzsignal multipliziert, welches durch Verzöge­ rung des Standardsignales um Δt₂ mittels des Verzögerungsab­ schnittes 53 erzeugt worden ist und das Multiplikationser­ gebnis wird dem TPF 33 zugeführt. In dem TPF 33 wird eine 2ω- Komponente entfernt, um eine cos(Φ-ωΔt₂)-Komponente zu erhalten. Die so erhaltene Kompo­ nente (detektierter Ausgang) wird vom Wandler 35 in ein di­ gitales Signal umgesetzt und in den Rechner 37 eingegeben.

Nachfolgend ermittelt der Rechner 37 cosΦ- und sinΦ-Kompo­ nenten aus der cos(Φ-ωΔt₁)-Komponente der ersten Messung und der cos(Φ-ωΔt₂)-Komponente der zweiten Messung und be­ rechnet Stärke und Phase der reflektierten Welle.

Da in der achten Ausführungsform der Phasendetektionsab­ schnitt durch einen einzelnen Detektor mit einem Multipli­ zierer und einem TPF aufgebaut ist und gemeinsam für jede Messung verwendet wird, kann ein Fehler aufgrund von Varia­ tionen oder Schwankungen in den Charakteristiken der Bau­ teile, die eine Mehrzahl von Detektoren bilden, unterdrückt werden und die Kosten können im Vergleich zu dem Fall gering gemacht werden, wo eine Mehrzahl von Detektoren verwendet wird. Weiterhin werden in der achten Ausführungsform zwei verzögerte Signale als Referenzsignale zur Phasendetektion verwendet, es ist jedoch gleichermaßen möglich, jede ge­ wünschte Anzahl von unterschiedlich verzögerten Signalen zu verwenden und diese Signale selektiv und sequentiell über einen entsprechend ausgebildeten Auswahlschalter, also einen Schalter mit einer entsprechenden Anzahl von Schalterlagen zuzuführen.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausfüh­ rungsformen beschränkt. Beispielsweise neigt das Zeitverhal­ ten des empfangenen Signals (Reflexion an der Probe) zu Ab­ weichungen, wenn sich die Distanz zwischen der akustischen Linse und der Probe ändert, wie dies der Fall ist, wenn die V(Z)-Kurve gemessen wird. Wenn in diesem Fall ein Z-Detek­ tor zum Messen der relativen Distanz zwischen der akusti­ schen Linse und der Probe verwendet wird, um eine Zeitverzö­ gerung des Triggersignales für die A/D-Wandlung bezüglich des Übertragungs-Triggers abhängig von einer Änderung dieser Distanz zu erhalten, kann die Reflexion auf der Probe immer korrekt detektiert werden, selbst wenn sich diese Distanz ändert.

Es kann auch in Betracht gezogen werden, die Reflexion in­ nerhalb der Linse anstelle eines Ausganges vom Oszillator als Referenzsignal zu verwenden. In diesem Falle kann ein Burstwellen-Generator verwendet werden, um eine Burst-Welle zu erzeugen, mit der auf gleiche Weise wie im Stand der Technik ein einfallender Ultraschall-Fleck erzeugt werden kann.

Sodann werden Phase und Stärke der reflektierten Welle von dem phasendetektierten Ausgang erhalten, es kann jedoch auch in Betracht gezogen werden, die Reflexionsstärke unter Ver­ wendung eines Spitzenwertdetektors zu detektieren und nur die Phase aus dem phasendetektierten Ausgang zu ermitteln. Stärke und Phase einer zweidimensional reflektierten Welle können gemessen werden durch wiederholtes Durchführen von Messungen während einer zweidimensionalen Abtastung der Probe unter Verwendung eines X-Y-Abtasters.

Da, wie oben beschrieben, das Referenzsignal für die Phasen­ detektion durch Verzögerung der Standardwelle um eine kon­ stante Zeit erzeugt wird, kann die Phasendetektion in einem weiten Frequenzband mit der gleichen Konstruktion erfolgen, die Frequenz der Ultraschallwelle kann abhängig vom jeweili­ gen Einsatzzweck ausgewählt werden und es wird möglich, die Charakteristiken der Welle, welche die Sequenzverteilung an­ zeigen, zu messen. Da weiterhin eine große Anzahl von Phasen­ verschiebungselementen für jeweilige Frequenzen verwendet werden, ist es nicht nötig, die Frequenz selektiv festzuset­ zen und es ist möglich, die Phasendetektion mit geringen Ko­ sten durchzuführen.

Fig. 14 zeigt den Aufbau einer Ultraschallvorrichtung zur Messung einer V(Z)-Kurve gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Bei der Ultraschallvorrichtung gemäß Fig. 14 ist ein Stan­ dardsignalgenerator 71 zur Erzeugung einer kontinuierlichen Welle konstanter Frequenz mit einem Pulsmodulator 72 verbun­ den, mit dem die kontinuierliche Welle in eine Burst-Welle umwandelbar ist. Die erzeugte Burst-Welle wird einem Über­ trager oder Wandler 74 über einen Hochgeschwindigkeits- Schalter 73 zugeführt, dort in eine Ultraschallwelle umge­ wandelt, und mittels einer akustischen Linse 75 auf einen kleinen Bereich konvergiert.

Nahe des Brennpunktes der akustischen Linse 75 ist eine Probe 77 angeordnet und ein Raum zwischen der akustischen Linse 75 und der Probe 77 ist mit einem Koppler oder einer Kopplungsflüssigkeit 76 gefüllt. Die Probe 77 ist hierbei auf einem Probentisch 78 angeordnet, wobei der Probentisch 78 auf einer X-Y-Stufe 79 angeordnet ist.

Die akustische Linse 75 ist an einer hochpräzisen Z-Stufe 80 mit geringem Stellweg angeordnet. Die hochpräzise Z-Stufe 80 ist an einer normalen Z-Stufe 81 angeordnet. Die X-Y-Stufe 79 und die Z-Stufe 81 sind mit einer Hauptsteuerung 82 ver­ bunden und die Probe 77 und die akustische Linse 75 lassen sich dreidimensional zueinander bewegen.

Der Hochgeschwindigkeitsschalter 73 ist mit dem Übertrager 74, dem Modulator 72 und einem Verstärker 83 verbunden, um selektiv den Modulator 72 oder den Verstärker 83 mit dem Übertrager 74 zu verbinden.

Der Verstärker 83 ist mit Multiplizierern 84, 85, 86 und 87 verbunden, wobei die Multiplizierer 84 und 85 mit einem Pha­ senschieber 88 und einem 90°-Hybrid 89 und die Multiplizierer 86 und 87 mit einem Phasenschieber 90 und einem 90°-Hybrid 91 verbunden sind. Die Phasen der jeweili­ gen kontinuierlichen Wellen werden durch die Phasenschieber 88 und 90 verschoben und die phasenverschobenen Signale wer­ den mittels der 90°-Hybride 89 und 91 eingegeben.

Die Multiplizierer 84 bis 87 sind mit Tiefpaßfiltern 92, 93, 94 und 95 verbunden, um hochfrequente Komponenten auszufil­ tern.

Die TPFs 92 bis 95 sind mit Abtast/Halte-Schaltkreisen (S/H) 96, 97, 98 und 99 verbunden und ein Ausgangssignal vom S/H- Schaltkreis 96 wird über einen Komparator 100 einem Fenster­ komparator 101 zugeführt. Ein Ausgang des S/H-Schaltkreises 97 wird durch einen A/D-Wandler 102 in ein digitales Signal umgesetzt und dann dem Fensterkomparator 101 zugeführt.

Ein Ausgang von S/H-Schaltkreis 98 wird über einen A/D-Wand­ ler 103 einem Fensterkomparator 104 zugeführt und ein Aus­ gang vom S/H-Schaltkreis 99 wird über einen A/D-Wandler 105 einem Speicher 106 und über einen Komparator 107 dem Fen­ sterkomparator 104 zugeführt.

Ein Ausgang vom Fensterkomparator 101 wird von einem Null­ punktdetektor 108 einer Nullpunkt-Detektion unterworfen und von einem Zähler 109 gezählt. Der Zählwert wird einem D/A-Wandler 111 zugeführt, wobei diese Auswahl über einen Datenselektor 110 erfolgt, dort in ein analoges Signal umgesetzt und als Steuersignal dem Phasenschieber 88 oder der hochpräzisen Z-Stufe 80 zugeführt.

Ein Nullpunkt im Ausgang der Hauptsteuerung 82 wird von ei­ nem Nullpunktdetektor 113 erfaßt und von einem Zähler 114 gezählt. Der Zählwert wird von einem D/A-Wandler 115 in ein Analogsignal umgesetzt und dem Phasenschieber 90 und einem Speicher 116 als Steuersignal zugeführt. Der Datenselektor 110 wird durch einen Modus-Setzabschnitt 117 gesteuert.

Der Hauptsteuerabschnitt 82 ist mit dem Hochgeschwindig­ keitsschalter 73, den S/H-Schaltkreisen 96 bis 99, den Spei­ chern 106 und 116, dem Phasenschieber 88 und dem Setzab­ schnitt 117 verbunden, um deren Arbeitsabläufe zu steuern.

Die Arbeitsweise dieser neunten Ausführungsform gemäß Fig. 14 wird nachfolgend erläutert.

Der Standardsignalgenerat 28734 00070 552 001000280000000200012000285912862300040 0002004224209 00004 28615or 71 erzeugt ständig eine kontinu­ ierliche Welle konstanter Frequenz und liefert diese an den Pulsmodulator 72 und den Phasenschieber 88, so daß eine Burst-Welle aus der kontinuierlichen Welle geformt wird.

Der Hochgeschwindigkeits-Wahlschalter 73 wird als Reaktion auf ein Triggersignal von dem Hauptsteuerabschnitt 82 betätigt, um den Pulsmodulator 72 mit dem Übertrager 74 zu verbinden. Im Ergebnis wird eine Burst-Welle dem Übertrager 74 zuge­ führt und dort in eine Ultraschallwelle umgewandelt.

Die von dem Übertrager 74 erzeugte Ultraschallwelle durch­ läuft zwei Pfade A und B in der akustischen Linse 75, trifft dann über den Koppler 76 auf die Probe 77, wird an der Probe 77 reflektiert, läuft zurück und wird dann von dem Übertra­ ger 74 in ein elektrisches Signal umgesetzt.

Die dem Pfad A durchlaufende Ultraschallwelle ist die Pro­ ben-Reflektionswelle, welche von der akustischen Linse 75 konvergiert wurde, auf die Probe 77 gerichtet wurde, dort reflektiert wurde und zurückläuft und die den Pfad B durch­ laufende Ultraschallwelle ist eine Ebenenwelle, welche der Probe 77 über den Ebenenabschnitt der akustischen Linse 75 und der Kopplungsflüssigkeit 76 zugeführt wird, auf der Ober­ fläche der Probe 77 reflektiert und dem Übertrager 74 zu­ rückgeführt wird, wobei der zurückgeführte oder zurücklau­ fende Teil B wieder durch den ebenen Abschnitt der akustischen Linse 75 durchtritt, wie aus Fig. 14 unmittelbar hervorgeht.

Die erste der beiden oben erwähnten Ultraschallwellen wird Probenreflexionswelle genannt und die zweite Ultraschall­ welle wird Ebenenreflexionswelle genannt. Diese beiden Ul­ traschallwellen sind vollständig voneinander auf Zeitbasis getrennt und beeinflussen sich nicht gegenseitig.

Die Probenreflexionswelle und die Ebenenreflexionswelle werden dem Verstärker 83 über den Hochgeschwindigkeitsschal­ ter 73 zugeführt, dort verstärkt und den Multiplizierern 84 bis 87 zugeführt.

Der Multiplizierer 84 multipliziert das ankommende Signal mit einem Signal, welches durch Phasenverschiebung der kon­ tinuierlichen Welle mittels des Phasenschiebers 88 erhalten worden ist, und der Multiplizierer 85 multipliziert das an­ kommende Signal mit einem Signal, welches durch eine weitere Phasenverschiebung des erstgenannten phasenverschobenen Si­ gnals um 90° erhalten worden ist.

Der Multiplizierer 87 multipliziert das ankommende Signal mit einem Signal, welches durch Phasenverschiebung der kon­ tinuierlichen Welle mittels der Phasenschieber 88 und 90 er­ halten worden ist und der Multiplizierer 86 multipliziert das ankommende Signal mit einem Signal, welches durch eine weitere Phasenverschiebung des gerade erwähnten phasenver­ schobenen Signales um 90° erhalten wird.

Die als Ergebnis der erwähnten Multiplikationen erhaltenen Signale werden in S/H-Schaltkreise 96 bis 99 eingegeben, nachdem die Hochfrequenzkomponenten hiervon durch die TPFs 92 bis 95 entfernt worden sind.

Die S/H-Schaltkreise 96 und 97 wählen die Ebenenreflexions­ wellen auf der Zeitbasis aus und speichern die ausgewählten Signale zwischen. Die Signale sind die Quadraturphasenkompo­ nente und die In-Phasenkomponente der Ebenenreflexions­ welle.

Die S/H-Schaltkreise 98 und 99 wählen die Probenreflexions­ wellen auf Zeitbasis aus und speichern die ausgewählten Si­ gnale zwischen. Diese Signale sind die Quadraturphasenkompo­ nente und In-Phasenkomponente der Probenreflexionswelle. Die Vorzeichen der In-Phasenkomponenten werden durch die Komparatoren 100 und 107 erfaßt und die Quadraturphasenkom­ ponenten werden durch die A/D-Wandler 102 und 103 in ent­ sprechende digitale Signale umgesetzt und den Fensterkompa­ ratoren 101 und 104 eingegeben. Die Ausgänge der Fensterkom­ paratoren 101 und 104 werden den Nullpunktdetektoren 108 und 113 eingegeben, um die Nullpunkte der Quadraturphasenkompo­ nenten zu detektieren und diese detektierten oder erfaßten Nullpunkte werden durch die Zähler 109 und 114 gezählt. Die Zählwerte werden als Steuersignale in dem Phasenschieber 88 und der Hochpräzisions-Z-Stufe 80 unter Steuerung des Daten­ selektors 110 zugeführt.

Wenn die V(Z)-Kurve der Probe 77 zu messen ist, wird ein An­ fangswert-Setzmodus zunächst durch den Modus-Setzabschnitt 117 ausgewählt. In diesem Modus wird die akustische Linse 75 in eine Voreinstell-Lage gebracht, der Phasenschieber 88 wird durch den Datenselektor 110 ausgewählt und der Phasenschie­ ber 88 wird durch ein Steuersignal gesteuert, welches durch Wandeln des Zählwertes des Zählers 109 in ein Analogsignal erhalten wird, so daß die Quadraturphasenkomponente der Ebe­ nenreflexionswelle auf Null gesetzt ist. Weiterhin wird der Phasenschieber 90 durch ein Rückkopplungssignal von D/A- Wandler 115 gesteuert, um die Quadraturphasenkomponente der Probenreflexionswelle auf Null zu setzen. Wenn die jeweili­ gen Quadraturphasenkomponenten auf Null gesetzt sind, ist der Initialisierungsschritt abgeschlossen. Nachfolgend wird ein Ausgang des A/D-Wandlers 105 und eine Nullphase jeweils in den Speichern 106 und 116 als Amplitude und Phase der Probenreflexionswelle gespeichert.

Nachfolgend wird ein Meßbeginnmodus durch den Modussetzab­ schnitt 117 ausgewählt; der Datenselektor 110 unterbricht die Erzeugung des Rückkopplungssignales, die akustische Linse 75 wird um eine Distanz "Z" mittels der Z-Stufe 81 un­ ter Steuerung des Hauptsteuerabschnittes 82 näher an die Probe 77 herangebracht und zur gleichen Zeit wird die Phase mittels des Phasenschiebers 88 um Φ₀ geändert. Der Phasen­ verschiebungsbetrag Φ₀ ist eine Änderung der Phase, die ver­ ursacht wird, wenn die akustische Linse 75 näher an die Probe 77 herangebracht wird, und ist gleich dem nachstehenden Betrag:

ω · 2Z/V_ω, (11)

wobei V_ω die Schallgeschwindigkeit in dem Kopplermedium 76 und ω die Winkelfrequenz der Ultraschallwelle ist. Im Ergebnis wird die Ebenenreflexionswelle durch die oben er­ wähnte Phasenänderung beeinflußt und zur gleichen Zeit wird die Probenreflexionswelle einer Phasenänderung entsprechend der elastischen Eigenschaft der Probe 77 unterworfen.

Wenn zu dieser Zeit die Z-Präzision hoch ist, kann der Null­ punkt durch den Nullpunktdetektor erfaßt werden. Wenn jedoch der Nullpunkt nicht erfaßt wird, bewirkt der Zählwert des Zählers 109, daß der Selektor 110 die Hochpräzisions-Z-Stufe 80 ansteuert. Weiterhin wird der Zählwert mittels des D/A-Wandlers 112 in ein Analogsingal umgesetzt, welches der Stufe 80 zugeführt wird, um die Quadraturphasenkomponente der Ebenenreflexionswelle auf Null zu setzen.

Der Rückkopplungsbetrag wird durch einen mechanischen Fehler der Z-Stufe 81 bewirkt. Im Ergebnis wird der Phasenverschie­ bungsbetrag der Probenreflexionswelle im wesentlichen durch die elastische Eigenschaft der Probe bewirkt und Ausgänge U₁ und U₂ der TPFs 98 und 99 können durch die nachfolgenden Gleichungen (12) und (13) erhalten werden:

wobei Φ ein Phasenverschiebungsbetrag der Probenreflexions­ welle und A ein Amplitudenvariationsbetrag der Probenre­ flexionswelle ist.

Es sei angenommen daß Φ=0 ist, dann sind die Gleichungen (12) und (13) wie folgt umschreibbar:

Wenn daher die Phase der Referenzwelle durch den Phasenver­ schieber 90 so geändert wird, daß die Quadraturphasenkompo­ nente der Probenreflexionswelle Null ist, wird die Amplitude der reflektierten Welle vom A/D-Wandler 105 ausgegeben. Zu dieser Zeit wird die vom Phasenschieber 90 verschobene Phase gleich der Phase der Probenreflexionswelle und entspricht dem Zählwert im Zähler 114. Daher können die Ausgänge des A/D-Wandlers 105 und des Zählers 114 in den Speichern 106 und 116 als Amplitude und Phasenverschiebungsbetrag der Pro­ benreflexionswelle gespeichert werden.

Die Amplitude und der Phasenverschiebungsbetrag der V(Z)- Kurve, welche nur die elastische Eigenschaft der Probe wie­ dergibt, kann gemessen werden, indem der oben erwähnte Meßmo­ dus mit einer bestimmten Häufigkeit wiederholt wird.

Somit ist es bei der vorliegenden Erfindung bei deren V(Z)-Kur­ venmessung möglich, die akustische Linse mit hoher Präzi­ sion zu bewegen und die Amplitude und den Phasenverschie­ bungsbetrag der V(Z)-Kurve mit hoher Präzision und hoher Geschwindigkeit zu messen.

Fig. 15 zeigt schematisch den Aufbau einer Ultraschallvor­ richtung zur Bildmessung gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die zehnte Ausführungsform dient im wesentlichen dazu, ein Bild eines kleinen Bereiches der Probe auf der Grundlage von Amplitude und Phasenverschie­ bungsbetrag der Probenreflexionswelle zu untersuchen, wel­ che in der neunten Ausführungsform erhalten worden ist. Be­ reiche, Teile oder Abschnitte der zehnten Ausführungsform, welche im wesentlichen Bereichen, Teilen oder Abschnitten der neunten Ausführungsform entsprechen, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und eine nochmalige Beschreibung hiervon erfolgt nicht.

Gemäß Fig. 15 ist ein Bildprozessor 118 vorgesehen, der von der Hauptsteuerung 82 gesteuert wird und mit den Speichern 106 und 116 verbunden ist. Der Bildprozessor 118 verarbeitet die Amplitude und den Phasenverschiebungsbetrag der Proben­ reflexionswelle, also die Inhalte der Speicher 106 und 116 und erzeugt ein entsprechendes Bild. Die anderen Bereiche und der verbleibende Aufbau der zehnten Ausführungsform sind identisch zur neunten Ausführungsform.

Die Arbeitsweise der zehnten Ausführungsform wird nachfol­ gend erläutert. Der Ablauf vom Schritt des Ausgebens einer kontinuierlichen Welle aus dem Standardsignalgenerator 71 bis zum Schritt des Ausgebens der Rückkopplungssignale aus den D/A-Wandlern 111, 112 und 115 ist gleich wie in der neunten Ausführungsform und diese Schritte werden nicht nochmals er­ läutert.

Um das Bild eines kleinen Bereiches oder Abschnittes der Probe beobachten zu können, wird zunächst durch den Modus­ setzabschnitt 117 der Initialisierungsmodus gesetzt. In die­ sem Modus wird die von der akustischen Linse 75 konvergierte Ultraschallwelle auf einen Abschnitt oder Bereich innerhalb der Probe 77 fokussiert, der Phasenschieber 88 wird unter Steuerung eines Rückkopplungssignales vom D/A-Wandler 111 veranlaßt, die Quadraturphasenkomponente der Ebenenreflexions­ welle auf Null zu setzen und die so erhaltene Set-Up-Be­ dingung wird aufrechterhalten.

Weiterhin wird der Phasenschieber 90 durch ein Rückkopp­ lungssignal von D/A-Wandler 115 so angesteuert, daß die Qua­ draturphasenkomponente der Probenreflexionswelle zu Null wird. Wenn die Quadraturphasenkomponente auf Null gesetzt worden ist, wird der Ausgang vom A/D-Wandler 105 im Speicher 106 gespeichert und eine Nullphase wird im Speicher 116 ge­ speichert.

Nachfolgend wird durch den Modussetzabschnitt 117 der Bild­ beobachtungsmodus gesetzt, wobei eine Verbindung hergestellt wird, um ein Rückkopplungssignal vom Zähler 109 der Hochprä­ zisions-Z-Stufe 80 zuführen zu können. Die X-Y-Stufe 79 wird betrieben, um die Probe 77 in X- oder Y-Richtung um einen kleinen Betrag in Richtung eines gewünschten Abschnittes zu bewegen.

Sodann wird die Phase der Ebenenreflexionswelle durch einen externen Zustand oder eine externe Bedingung der Probe 77 beeinflußt und geändert (beispielsweise durch Neigung und/oder Rauheit der Probenoberfläche). Die Probenrefle­ xionswelle wird weiterhin einer Phasenvariation unterworfen, welche den internen Zustand der Probe wiedergibt, wobei diese Variation in der Quadraturphasenkomponente als sin- Komponente entsprechend dem Phasenvariationsbetrag erscheint und es erfolgt ein Eingang in die Hochpräzisions-Z-Stufe 80 als Rückkopplungssignal zur Steuerung dieser Stufe 80, so daß die akustische Linse 75 derart bewegt wird, daß sie der Oberflächenkonfiguration der Probe 77 folgt.

Danach werden die Phasen der Referenzwellen von den Multi­ plizierern 86 und 87 durch den Phasenschieber 90 so geän­ dert, daß die Quadraturphasenkomponenten der Probenreflexions­ welle zu Null werden. Wenn die Quadraturphasenkomponente auf Null gesetzt ist, wird ein Ausgang von A/D-Wandler 105 im Speicher 106 gespeichert und der Zählwert des Zählers 114 wird im Speicher 116 gespeichert. Die Werte entsprechen der Amplitude der Probenreflexionswelle und des Phasenvariations­ betrages, verursacht durch den internen Zustand der Probe 77.

Die Messung im Bildbeobachtungsmodus wird wiederholt für einen kleinen zu beobachtenden Bereich durchgeführt und das Bild des Inneren der Probe 77 wird durch Verarbeitung von Amplitude und Phaseninformation in den Speichern 106 und 116 mittels des Bildprozessors 118 sichtbar dargestellt.

Somit ist es bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung möglich, bei der Bildmessung Einflüsse der Proben­ oberfläche auf die Probenreflexionswelle automatisch zu entfernen und die Amplitude und die Phasenänderung, welche durch den inneren oder internen Zustand der Probe verursacht wurden, können mit hoher Präzision und Geschwindigkeit gemes­ sen werden.

Nachfolgend wird unter Bezug auf Fig. 16 eine Ultraschall­ vorrichtung zur V(Z)-Kurvenmessung gemäß einer elften Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Die elfte Ausführungsform dient im wesentlichen dazu, Amplitude und Phase durch Beeinflussung der Polarkoordinaten-Transforma­ tion nach der Quadraturdetektion der Ebenenreflexionswelle und Probenreflexionswelle zu ermitteln. Hierbei sind Teile, Bereiche oder Abschnitte der elften Ausführungsform, welche im wesentlichen Teilen, Bereichen oder Abschnitten der neun­ ten Ausführungsform entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen und eine nochmalige Beschreibung dieser Elemente erfolgt nicht.

Wie in der ersten Ausführungsform sind der elften Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 16 die Multiplizierer 84 bis 87 mit dem 90°-Hybrid 89 in Verbindung, sowie mit den S/H-Schaltkreisen 96 bis 99 unter Zwischenschaltung der TPFs 92 bis 95. Die S/H-Schaltkreise 96 bis 99 sind mit A/D-Wandlern 120, 121, 122 und 123 in Verbindung.

Die A/D-Wandler 120 und 121 sind mit einer Koordinatensy­ stem-Transformationseinheit 124 in Verbindung und die A/D- Wandler 122 und 123 sind mit einer Koordinatensystem-Trans­ formationseinheit 125 in Verbindung.

Die Transformationseinheit 124 ist mit einem Speicher 126 und einem Differenzdetektor 127 verbunden, der eine Diffe­ renz zwischen den Ausgängen der Transformationseinheit 124 und dem Speicher 126 an einen D/A-Wandler 128 ausgibt. Der D/A-Wandler 128 ist direkt mit der Hochpräzisions-Z-Stufe 80 verbunden. Weiterhin ist die Koordinatensystem-Transformati­ onseinheit 125 auf ähnliche Weise mit einem Speicher 129 und einem Differenzdetektor 130 verbunden und die Transformati­ onseinheit 125 und der Differenzdetektor 130 sind mit den Speichern 106 und 116 verbunden.

Die Speicher 126 und 129 werden durch ein Signal von dem Mo­ dussetzabschnitt 117 gesteuert und der verbleibende Aufbau dieser Ausführungsform ist der gleiche wie derjenige der neunten Ausführungsform.

Nachfolgend werden die Koordinatensystem-Transformationsein­ heiten 124 und 125 erläutert.

Die Einheit 124 weist zwei ROMs (Lesespeicher) auf, wobei ein ROM für die Amplitudendetektion und das andere ROM für die Phasendetektion verwendet wird. Die Fig. 17A und 17B zeigen das Konzept der internen Daten der ROMs. Fig. 17A zeigt das Amplitudendetektions-ROM und Fig. 17B zeigt das Phasendetektions-ROM. Die In-Phasen-Komponente X und die Quadraturphasenkomponente Y des detektierten Ausganges, wel­ che als Eingänge verwendet werden, lassen sich durch die nachfolgenden Gleichungen (16) und (17) ausdrücken:

wobei A eine Amplitude und Q eine Phase darstellen. In die­ sem Beispiel wird überlegt, daß die Maximalamplitude A/2 ist und die Amplitude wird in n Segmente zur Amplitudendetektion unterteilt und die Phase wird in m Winkelsegmente für die Phasendetektion unterteilt.

Wenn die durch die Gleichungen (16) und (17) ausgedrückten Eingänge den Koordinatensystem-Transformationseinheiten 124, 125 zugeführt werden, werden Kreuzungspunkte gemäß den Fig. 17A und 17B detektiert. In dem dargestellten Bei­ spiel sei die Amplitude E und die Phase e. Somit lassen sich Amplitude und Phase detektieren. Die Größen von n und m werden durch die Anzahl von Bits in dem A/D-Wandler und die Anzahl von ROMs, die verwendet werden, bestimmt und je höher diese Anzahl ist, um so hö­ her ist die Genauigkeit der zu detektierenden Werte.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise in dieser Ausführungsform näher erläutert.

Der Standardsignalgenerator 71 gibt eine kontinuierliche Welle aus und Ebenenreflexions- und Probenreflexionswel­ len, die durch den Verstärker 83 verstärkt wurden, werden den Multiplizierern 84 bis 87 auf gleiche Weise wie in der neun­ ten Ausführungsform eingegeben. In diesem Fall wird die gleiche Referenzwelle in den Multiplizierern 84 bis 87 mul­ tipliziert, Hochfrequenzkomponenten werden in den TPFs 92 bis 95 entfernt und die Referenzsignale werden in den S/H- Schaltkreisen 96 bis 99 zwischengespeichert. Die Ebenenre­ flexionswellen werden in den S/H-Schaltkreisen 96 und 97 zwischengespeichert und die Probenreflexionswellen werden in den S/H-Schaltkreisen 98 und 99 zwischengespeichert.

Danach werden die Wellen durch A/D-Wandler 120 bis 123 in digitale Signale umgesetzt und die Ebenenreflexionswellen werden der Koordinatensystem-Transformationseinheit 124 ein­ gegeben und die Probenreflexionswellen werden der Koordina­ tensystem-Transformationseinheit 125 eingegeben. Nur die Phase der Ebenenreflexionswelle wird aus der Transformati­ onseinheit 124 dem Speicher 126 und dem Differenzdetektor 127 zugeführt und der Differenzdetektor 127 erfaßt eine Dif­ ferenz zwischen den beiden Eingängen und gibt ein Differenz­ signal aus, welches durch den D/A-Wandler 128 in ein Analog­ signal umgesetzt und der Hochpräzisions-Z-Stufe 80 als Rück­ kopplungssignal eingegeben wird.

Die Transformationseinheit 124 gibt die Phase an den Spei­ cher 129 und den Differenzdetektor 130 aus und der Diffe­ renzdetektor 130 erfaßt eine Differenz zwischen den beiden Eingängen und gibt ein Differenzsignal an den Speicher 116 aus. Die Transformationseinheit 125 gibt die Amplitude der Probenreflexionswelle an den Speicher 106 aus.

Wenn die V(Z)-Kurve gemessen wird, wird durch den Modussetz­ abschnitt 117 zunächst der Initialisierungsmodus ausgewählt. In diesem Modus wird die akustische Linse 75 in eine be­ stimmte Ausgangslage gebracht und die Amplituden und Phasen der Ebenenreflexions- und Probenreflexionswellen werden von den Transformationseinheiten 124 und 125 ausgegeben. Die Speicher 126 und 129 speichern die anfänglichen Phasen, der Speicher 106 speichert die Amplitude der Probenreflexions­ welle und der Speicher 116 speichert die Nullphase.

Nachfolgend wird der V(Z)-Meßmodus durch den Modussetzab­ schnitt 117 ausgewählt und die Anfangsphasen der Speicher 126 und 129 werden gehalten. Zu dieser Zeit wird die Z-Stufe 81 durch die Hauptsteuerung 82 um "ΔZ" bewegt und die Phase der Referenzwelle wird mittels des Phasenschiebers 88 um ΔZ verschoben. In diesem Fall wird eine Phasendifferenz ent­ sprechend dem mechanischen Fehler der Z-Stufe von dem Diffe­ renzdetektor 127 ausgegeben und die Phasendifferenz wird zur Hochpräzisions-Z-Stufe rückgekoppelt, nachdem sie durch den D/A-Wandler 128 in ein Analogsignal umgesetzt worden ist.

Durch diesen Rückkopplungsvorgang wird der mechanische Feh­ ler der Z-Stufe 81 korrigiert. Somit gibt die Koordinatensy­ stem-Transformationseinheit 125 nur die Amplitude und Phase aus, welche die elastische Eigenschaft des kleinen Bereiches der Probe wiedergibt und die Amplitude wird im Speicher 106 gespeichert und die Differenz zwischen der obigen Phase und der Anfangsphase wird vom Differenzdetektor 130 ermittelt und im Speicher 116 gespeichert.

Somit wird die V(Z)-Messung oder dieser Meßmodus wiederholt durchgeführt und die Amplitude und Phase der Probenreflexions­ welle, welche nur die elastische Eigenschaft der Probe 77 wiedergibt, kann gemessen werden.

Somit kann bei der elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die akustische Linse mit hoher Präzision bei der V(Z)-Kurvenmessung bewegt werden und Amplitude und Phase der V(Z)-Kurve können mit hoher Präzision und hoher Geschwindig­ keit gemessen werden.

Der Aufbau einer Ultraschallvorrichtung gemäß einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf Fig. 18 erläutert. Die zwölfte Ausführungsform er­ laubt die Bildbeobachtung des kleinen Bereiches der Probe unter Verwendung von Amplitude und Phase der Probenreflexi­ onswelle, die in der elften Ausführungsform erhalten worden ist. Auch bei der zwölften Ausführungsform gemäß Fig. 18 be­ zeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile oder Elemente wie in der elften Ausführungsform und eine nochmalige Be­ schreibung oder Erläuterung dieser Teile erfolgt nicht.

Bei der zwölften Ausführungsform ist der Bildprozessor 118 vorgesehen, der unter der Steuerung der Hauptsteuerung 82 liegt und der mit den Speichern 106 und 116 verbunden ist, wobei der Bildprozessor 118 die gespeicherte Amplitude und Phasenvariation der Probenreflexionswelle verarbeitet, um ein Bild zu erzeugen.

Als Referenzsignale für die Multiplizierer 84 bis 87 wird eine kontinuierliche Welle verwendet, die vom Standardsi­ gnalgenerator 71 erzeugt wird. Der verbleibende Aufbau ent­ spricht demjenigen der elften Ausführungsform.

Die Arbeitsweise der zwölften Ausführungsform wird nun erläu­ tert.

Der Ablauf vom Schritt des Ausgebens einer kontinuierlichen Welle aus dem Standardsignalgenerator 71 bis zum Schritt des Eingebens der Probenreflexionswelle und der ebenen Refle­ xionswelle in die Multiplizierer 84 bis 87 ist wie bei der elften Ausführungsform und eine nochmalige Beschreibung er­ folgt nicht. In den Multiplizierern 84 bis 87 wird die kon­ tinuierliche Welle als Referenzwelle für die Multiplikation verwendet.

Um ein Bild des kleinen Bereiches der Probe zu beobachten, wird zunächst durch den Modussetzabschnitt 117 ein Initiali­ sierungsmodus festgesetzt. In diesem Modus wird die von der akustischen Linse 75 konvergierte Ultraschallwelle auf einen Abschnitt oder Bereich innerhalb der Probe 77 fokussiert, und wie bei der elften Ausführungsform wird die Anfangsphase in den Speichern 126 und 129 gespeichert, die Amplitude der Probenreflexionswelle wird im Speicher 106 gespeichert und die Nullphase wird im Speicher 116 gespeichert.

Nachfolgend wird der Bildbeobachtungsmodus gesetzt. In die­ sem Modus wird die Anfangsphase in den Speichern 126 und 129 gehalten und die X-Y-Stufe 79 wird in X- oder Y-Richtung durch den Hauptsteuerabschnitt 82 bewegt. Nachfolgend wird die Phase der ebenen Reflexionswelle durch äußere Zustände der Probe 77 wie beispielsweise Oberflächenneigung und Rau­ heit der Probenoberfläche beeinflußt und variiert. Eine Phasendifferenz gegenüber der Anfangsphase wird vom Diffe­ renzdetektor 127 ausgegeben, vom D/A-Wandler 128 in ein Ana­ logsignal umgesetzt und dann der Hochpräzisions-Z-Stufe 81 als Rückkopplungssignal eingegeben, um die akustische Linse 75 derart zu bewegen, daß sie der Oberfläche der Probe folgt.

Zu dieser Zeit wird die Amplitude von der Probenreflexions­ welle von der Transformationseinheit 125 im Speicher 106 ge­ speichert und ein Phasenvariationsbetrag, der durch einen inneren Abschnitt oder Bereich der Probe verursacht wurde, wird vom Differenzdetektor 130 ausgegeben und im Speicher 116 gespeichert. Die Information in den Speichern 106 und 116 wird von dem Bildprozessor 118 in Bilddaten umgesetzt, um ein Bild zu erzeugen.

Ein Bild des inneren Aufbaues der Probe kann dadurch erhal­ ten werden, daß der obige Beobachtungsmodus für den kleinen zu beobachtenden Bereich wiederholt gesetzt wird.

Somit kann bei der vorliegenden Erfindung bei der Bildmes­ sung der Probe der Einfluß der Probenoberfläche auf die Pro­ benreflexionswelle automatisch entfernt werden und Ampli­ tude und Phase, welche durch den inneren Abschnitt oder Be­ reich der Probe verursacht wurden, können mit hoher Genauig­ keit und Geschwindigkeit gemessen werden.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen exempla­ risch zu verstehenden Ausführungsformen beschränkt. So kön­ nen beispielsweise Signale als Referenzsignale für die Mul­ tiplizierer verwendet werden, welche um 45° und 135° phasen­ verschoben sind. Weiterhin ist es möglich, eine einzelne Z- Stufe oder mehr als zwei Z-Stufen zu verwenden. Weiterhin werden Amplitude und Phase von dem phasendetektierenden Ausgang erhalten, es ist jedoch gleichermaßen möglich, die Amplitude unter Verwendung bekannter Technologien zu messen und ledig­ lich die Phase mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu mes­ sen.

Claims (12)

1. Ultraschallmeßvorrichtung zum Messen der elastischen Eigen­ schaften eines kleinen Bereiches einer Probe auf der Grundlage eines erzeugten Ultraschallbildes, mit
einer Standardsignalerzeugungseinrichtung (21; 71) zur Erzeugung eines kontinuierlichen Standardsignals,
einer Burstsignal-Gewinnungseinrichtung (22; 72) zur Bildung eines Burstsignals aus dem Standardsignal,
einer Sende/Empfangseinrichtung (24, 26; 74, 75) zum Um­ wandeln des von der Burstsignal-Gewinnungseinrichtung erzeug­ ten Burstsignals in ein Ultraschallsignal zum Konvergieren des Ultraschallsignals in einen kleinen, auf die Probe ge­ richteten Punkt und zum Umwandeln des von der Probe reflek­ tierten Signals in ein elektrisches Signal;
einer Detektionseinrichtung zum Ermitteln der Phase des empfangenen Signals unter Verwendung eines von der Standard­ signalerzeugungseinrichtung erzeugten Referenzsignals; und
einer Einrichtung (39; 80, 81) zum Ändern des relativen Abstands zwischen der Probe und der Sende/Empfangseinrichtung in Richtung der Z-Achse, wobei die Z-Achse mit der Einfalls­ richtung des auf die Probe gerichteten Ultraschallsignals zu­ sammenfällt,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Phasenschiebereinrichtung (32; 89) die Phase des von der Standardsignalerzeugungseinrichtung erzeugten, gege­ benenfalls phasenverschobenen Standardsignals um 90° ver­ schiebt;
die Detektionseinrichtung (30, 31, 33, 34; 84 bis 87; 96 bis 99) zum Abgeben von In-Phase und Quadraturphasen-Kompo­ nenten des empfangenen Signales das von der Standardsignaler­ zeugungseinrichtung erzeugte, gegebenenfalls phasenverscho­ bene Standardsignal als erstes Referenzsignal und ein von der Phasenschiebereinrichtung abgegebenes phasenverschobenes Aus­ gangssignal als zweites Referenzsignal verwendet;
eine A/D-Wandlereinrichtung (35, 36; 102, 103, 105; 120 bis 123) das Ausgangssignal der Detektionseinrichtung in ein digitales Signal umwandelt;
eine Verarbeitungseinrichtung (37; 82; 101, 104, 108, 109, 113, 114) die Phase und die Amplitude des empfange­ nen Signales auf der Grundlage des digitalen Ausgangssignals der A/D-Wandlereinrichtung ermittelt; und
eine Einrichtung (37; 58, 106, 116) zum Speichern der Phase und der Größe des empfangenen Signales oder des di­ gitalen Ausgangssignals der Verarbeitungseinrichtung vorgese­ hen ist.

2. Ultraschallmeßvorrichtung (Fig. 3) nach Anspruch 1, ge­ kennzeichnet durch
eine zweite Phasenschiebereinrichtung (40) zum Verschie­ ben der Phase des von der Standardsignalerzeugungseinrichtung erzeugten kontinuierlichen Standardsignals um 45°;
eine dritte Phasenschiebereinrichtung (41) zum Verschie­ ben der Phase des zweiten Referenzsignals um 45°;
eine zweite Detektionseinrichtung (41 bis 45), die ein von der zweiten Phasenschiebereinrichtung abgegebenes Aus­ gangssignal als drittes Referenzsignal und ein von der drit­ ten Phasenschiebereinrichtung abgegebenes Ausgangssignal als viertes Referenzsignal verwendet und zum Phasendetektieren des von der Sende-/Empfangseinrichtung abgegebenen Signals unter Verwendung des dritten und vierten Referenzsignals und zum Ausgeben des phasendetektierten Signals dient; und
eine A/D-Wandlereinrichtung (46, 47) zum Umwandeln eines Ausgangssignals der zweiten Detektionseinrichtung (42 bis 45) in ein digitales Signal, das der Verarbeitungseinrichtung zum Ermitteln der Phase und Größe des empfangenen Signals zuge­ führt wird.

3. Ultraschallmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Detektionseinrichtung (30, 33) durch einen Multiplizierabschnitt (30) und einen Frequenz­ selektionsabschnitt (33) gebildet ist und daß eine Auswahlein­ richtung (65) vorgesehen ist, die zum selektiven Anlegen des ersten oder des zweiten Referenzsignals an die Detektionsein­ richtung dient.

4. Ultraschallmeßvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, ge­ kennzeichnet durch eine Abtast- und Halteeinrichtung (131; 96 bis 99) zum Abtasten und Halten der Ausgangssignale der De­ tektionseinrichtung (30, 31, 33, 34; 84 bis 87; 92 bis 95) mit einer zeitlichen Steuerung, die auf einem Steuersignal einer Abtastzeit-Steuereinrichtung (38) basiert.

5. Ultraschallmeßvorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, gekennzeichnet durch
eine Distanzdetektionseinrichtung (50) zum Detektieren einer relativen Distanz zwischen der Sende- /Empfangseinrichtung und der Probe,
eine Verarbeitungseinrichtung (37) zum Ermitteln einer Zeitverzögerung (Td) zwischen der Aussendung der Ultraschall­ welle und dem Empfang der von der Probe reflektierten Welle abhängig von der Relativdistanz, welche von der Distanzdetek­ tionseinrichtung (50) erfaßt wurde, und
eine Triggersignalerzeugungseinrichtung (38) zum Erzeu­ gen eines Triggersignals zu einem Zeitpunkt, der gegenüber dem Zeitpunkt der Aussendung der Ultraschallwelle um die er­ mittelte Zeitverzögerung (Td) verzögert ist,
wobei die A/D-Wandlereinrichtung das Ausgangssignal der Detektionseinrichtung als Reaktion auf das Triggersignal um­ wandelt.

6. Ultraschallmeßvorrichtung (Fig. 14, 15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
eine Mehrzahl von Phasenschiebereinrichtungen (88, 90) zum Phasenverschieben des hochfrequenten Standardsignals um unterschiedliche feste Phasenbeträge,
mit den Phasenschiebereinrichtungen (88, 90) verbundene Phasenverzögerungseinrichtungen (89, 91) zum Verzögern der Ausgangssignale der Phasenschiebereinrichtungen (88, 90),
mit den Phasenverzögerungseinrichtungen (89, 91) verbun­ dene Phasendetektionseinrichtungen (84 bis 87, 92 bis 95) zum phasensensitiven Detektieren des empfangenen Signals unter Verwendung der Ausgangssignale der Phasenverzögerungseinrich­ tungen (89, 91) als Referenzsignale,
A/D-Wandlereinrichtungen (102, 103, 105) zum Umwandeln der Ausgangssignale der Phasendetektionseinrichtungen (84 bis 87, 92 bis 95) in digitale Signale,
Nullpunkt-Detektionseinrichtungen (108, 113) zum Detek­ tieren der Nullpunkte der Ausgangssignale der A/D-Wandlerein­ richtungen (102, 103, 105),
Zähleinrichtungen (109, 114) zum Zählen von Signalen für Nullpunkte, die von den Nullpunkt-Detektionseinrichtungen (108, 113) detektiert wurden,
D/A-Wandlereinrichtungen (112, 115) zum D/A-Umsetzen der von den Zähleinrichtungen gezählten Werte,
Zählwertspeichereinrichtungen (106, 116) zum Speichern der von den Zähleinrichtungen gezählten Werte,
eine Hauptsteuereinrichtung (82) zum Steuern der Ar­ beitsweisen der vorstehenden Einrichtungen, und
Distanzänderungseinrichtungen (80, 81) zum Ändern der Distanz zwischen der Probe und der Sende-/Empfangseinrichtung in Richtung der Z-Achse, wobei die Z-Achse so gesetzt ist, daß sie mit der Fortpflanzungsrichtung der Ultraschallwelle zusammenfällt,
wobei die D/A-gewandelten Signale zu den Phasenschieber­ einrichtungen (88, 90) und den Distanzänderungseinrichtungen rückgekoppelt werden, um die Distanz zwischen der Probe und der Sende-/Empfangseinrichtung zu ändern.

7. Ultraschallmeßvorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeich­ net durch eine Einrichtung (118) zum Verarbeiten von Informa­ tionen, die in den Zählwertspeichereinrichtungen (106, 116) und der Einrichtung zum Speichern der Phase und Größe des empfangenen Signals oder des digitalen Ausgangssignals der Verarbeitungseinrichtung gespeichert sind, um ein Bild zu er­ halten.

8. Ultraschallmeßvorrichtung (Fig. 16, 18) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch
eine Phasenschiebereinrichtung (88) zum Phasenverschie­ ben des hochfrequenten Standardsignals um einen festen Pha­ senbetrag,
eine Phasenverzögerungseinrichtung (89) zum Verzögern des Ausgangssignals der Phasenschiebereinrichtung (88),
Detektionseinrichtungen (84 bis 87) zum phasensensitiven Detektieren des empfangenen Signals unter Verwendung des Aus­ gangssignals der Phasenverzögerungseinrichtung (89) als Refe­ renzwellen,
A/D-Wandlereinrichtungen (120 bis 123) zum Wandeln der Ausgangssignale der Detektionseinrichtungen (84 bis 87) in digitale Signale,
Polarkoordinaten-Transformationsausgabeeinrichtungen (124, 125) zum Polarkoordinaten-Transformieren der Ausgangs­ signale der A/D-Wandlereinrichtungen (120 bis 123) und zum Ausgeben der Amplitude und Phase des reflektierten Signals,
Phasenspeichereinrichtungen (126, 129) zum Speichern der Phasen der Ausgangssignale der Polarkoordinaten-Transforma­ tionsausgabeeinrichtungen (124, 125),
Phasendifferenzdetektionseinrichtungen (127, 130) zum Ermitteln von Differenzen zwischen den Phasen der Ausgangssi­ gnale, die in den Phasenspeichereinrichtungen (126, 129) ge­ speichert sind, und den Phasen der Ausgangssignale, welche der Polarkoordinaten-Transformation unterworfen wurden,
eine Phasendifferenzwandlereinrichtung (128) zum D/A-Um­ wandeln der von einer Phasendifferenzdetektionseinrichtung ermittelten Differenzen,
eine Speichereinrichtung (116) zum Speichern der Ampli­ tuden der Ausgangssignale, die von den Phasendifferenzdetek­ tionseinrichtungen erfaßt worden sind, und
Distanzänderungseinrichtungen (80, 81) zum Ändern der Distanz zwischen der Probe und der Sende-/Empfangseinrichtung in Richtung der Z-Achse, wobei die Z-Achse so gesetzt ist, daß sie mit der Fortpflanzungsrichtung des Ultraschallsignals zusammenfällt,
wobei die D/A-gewandelten Signale der Phasendifferenz­ wandlereinrichtung (128) zu den Distanzänderungseinrich­ tungen rückgekoppelt werden, um die Distanz zwischen der Probe und der Sende-/Empfangseinrichtung zu ändern.

9. Ultraschallmeßvorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeich­ net durch eine Einrichtung (118) zum Verarbeiten von Informa­ tionen, die in der Speichereinrichtung (116) und der Einrich­ tung zum Speichern der Phase und Größe des empfangenen Si­ gnals oder des digitalen Ausgangssignals der Verarbeitungs­ einrichtung gespeichert sind, um ein Bild zu erhalten.

10. Ultraschallmeßvorrichtung zum Messen der elastischen Eigenschaften eines kleinen Bereiches einer Probe auf der Grundlage eines erzeugten Ultraschallbildes, mit
einer Standardsignalerzeugungseinrichtung (54) zur Er­ zeugung eines kontinuierlichen Standardsignals,
einer Burstsignal-Gewinnungseinrichtung (22) zur Bildung eines Burstsignals aus dem Standardsignal,
einer Sende/Empfangseinrichtung (24, 26) zum Umwandeln des von der Burstsignal-Gewinnungseinrichtung erzeugten Burstsignals in ein Ultraschallsignal zum Konvergieren des Ultraschallsignals in einen kleinen, auf die Probe gerichte­ ten Punkt und zum Umwandeln des von der Probe reflektierten Signals in ein elektrisches Signal;
einer Phasendetektionseinrichtung zum Ermitteln der Phase des empfangenen Signals unter Verwendung eines von der Standardsignalerzeugungseinrichtung erzeugten Referenz­ signals; und
einer Einrichtung (50) zum Ändern des relativen Abstands zwischen der Probe und der Sende/Empfangseinrichtung in Rich­ tung der Z-Achse, wobei die Z-Achse mit der Einfallsrichtung des auf die Probe gerichteten Ultraschallsignals zusammen­ fällt,
dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest eine erste und zweite Verzögerungseinrichtung (52, 53) das von der Standardsignalerzeugungseinrichtung er­ zeugte Standardsignal um einen gewünschten Wert verzögern;
die Phasendetektionseinrichtung (30, 31, 33, 34) eine Multiplikation des empfangenen Signals unter Verwendung eines verzögerten Ausgangssignals, das durch Verzögerung des von der Standardsignalerzeugungseinrichtung erzeugten Standard­ signals mittels der ersten Verzögerungseinrichtung erhalten wurde, als erstes Referenzsignal und eines verzögerten Aus­ gangssignals, das durch Verzögerung des von der Standard­ signalerzeugungseinrichtung erzeugten Standardsignals mittels der zweiten Verzögerungseinrichtung erhalten wurde, als zwei­ tes Referenzsignal durchführt und die resultierenden Signale einer Filterung unterzieht,
eine A/D-Wandlereinrichtung (35, 36) die Ausgangssignale der Detektionseinrichtung in digitale Signale umwandelt;
eine Verarbeitungseinrichtung (37) die Phase und die Größe des empfangenen Signales auf der Grundlage der di­ gitalen Ausgangssignale der A/D-Wandlereinrichtung ermittelt; und
eine Einrichtung (37) zum Speichern der Phase und der Größe des empfangenen Signales oder der digitalen Aus­ gangssignale der Verarbeitungseinrichtung vorgesehen ist.

11. Ultraschallmeßvorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeich­ net durch
eine dritte Verzögerungseinrichtung (61) zum Verzögern des von der Standardsignalerzeugungseinrichtung erzeugten kontinuierlichen Standardsignals um einen gewünschten Betrag;
wobei die Phasendetektionseinrichtung (30, 31, 33, 34, 62, 63) ein verzögertes Ausgangssignal, das durch Verzögerung des von der Standardsignalerzeugungseinrichtung erzeugten Standardsignals mittels der dritten Verzögerungseinrichtung erhalten wurde, als drittes Referenzsignal verwendet.

12. Ultraschallmeßvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Auswahleinrichtung (65) zum selektiven Anlegen des ersten oder zweiten Referenzsignals an die Detektionseinrichtung vorgesehen ist.