EP0210358B1

EP0210358B1 - Akustische Fokussierungsanordnung

Info

Publication number: EP0210358B1
Application number: EP86106659A
Authority: EP
Inventors: Abdulla Dr. Atalar; Hayrettin Dr. Köymen
Original assignee: Leica Industrieverwaltung GmbH
Current assignee: Leica Microsystems Holdings GmbH
Priority date: 1985-06-24
Filing date: 1986-05-14
Publication date: 1992-06-24
Anticipated expiration: 2006-05-14
Also published as: EP0210358A2; DE3685779D1; JPS6255556A; US4779241A; EP0210358A3; ATE77708T1; JPH0529064B2; DE3522491A1

Description

Die Erfindung betrifft eine akustische Linsenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine Linsenanordnung dieser Art ist z.B. aus der US-A-4 028 933 bekannt, Auf der einen Seite eines zylindrischen Saphirstabes ist ein piezoelektrischer Wandler angeordnet und auf der gegenüberliegenden Seite ist eine sphärische Hohlfläche eingearbeitet. Ein an den Wandler gelegtes elektrisches Hochfrequenzfeld erzeugt in dem Saphirstab ein ebenes akustisches Wellenfeld, das durch die sphärische Hohlfläche in einer angrenzenden Immersionsflüssigkeit fokussiert wird.
Die Linsenanordnung ist Teil eines akustischen Mikroskops. Dabei wird in den akustischen Fokus ein zu untersuchendes Objekt gebracht. Nach Wechselwirkung der fokussierten akustischen Wellen mit dem Objekt (Erzeugung von Longitudinalwellen, bulk waves) gehen von diesem akustische Wellen aus, die von derselben oder einer anderen akustischen Linse aufgefangen und im piezoelektrischen Wandler in elektrische Signale umgewandelt werden. Durch rasterförmige Abtastung des Objektes kann aus diesen elektrischen Signalen ein die akustische Wechselwirkung darstellendes Bild des Objektes gewonnen werden.
Für die akustische Mikroskopie werden im wesentlichen die am Objekt regulär reflektierten bzw. die transmittierten akustischen Wellen ausgenutzt. Es ist jedoch bekannt, daß akustische Wellen, die unter einem bestimmten, materialabhängigen Winkel (Rayleigh-Winkel ϑ_R) auf eine Objektoberfläche treffen, in dieser Oberflächenwellen anregen (surface acoustic waves, SAW). Entlang ihres Ausbreitungsweges streuen die SAW akustische Wellen aus dem Objekt heraus (leaky waves, Leck-Wellen). Auch diese Wellen können detektiert und in elektrische Signale umgewandelt werden. In der akustischen Mikroskopie sind sie insbesondere bei Fokussierung auf einen unter der Objektoberfläche liegenden Objektbereich dem regulären Signal überlagert. Durch besondere Schaltungsmaßnahmen können sie auch getrennt ausgewertet werden (vgl. DE-Pat.-Anmeldung P 34 09 929.8).
Beim Auftreffen der SAW auf Inhomogenitäten in der Objektoberfläche werden die SAW daran reflektiert, so daß sie ihre Ausbreitungsrichtung ändern. Das hat zur Folge, daß in dieser Richtung auch verstärkt Leck-Wellen auftreten. Da die SAW relativ tief in die Objektoberfläche eindringen, werden sie jetzt zunehmend dazu verwendet, um Materialeigenschaften verschiedener Objekte zu bestimmen. Der besondere Vorteil ist, daß es sich um eine zerstörungsfreie Meßmethode handelt, bei der auch quantitative Messungen möglich sind. Dazu ist es jedoch erforderlich, das örtliche Auflösungsvermögen zu steigern und die Signalausbeute zu verbessern.
Bei der Verbesserung der SAW-Meßmethode sind im wesentlichen zwei Probleme zu lösen. Das erste Problem besteht in einer möglichst effizienten Erzeugung der SAW in der Oberfläche des zu untersuchenden Materials, das in der Regel nicht piezoelektrisch ist. Das Zweite Problem besteht darin, die erzeugten SAW auf die kleinstmögliche Fleckgröße zu fokussieren.
Speziell zur Erzeugung von SAW auf nicht-piezoelektrischen Oberflächen sind bereits mehrere unterschiedliche Anordnungen vorgeschlagen worden, die jedoch nicht dazu geeignet sind, die SAW zu fokussieren.
In Appl.Phys.Lett. 42, S. 411 - 413 (1983) ist ein Verfahren zur Erzeugung konvergenter SAW auf der zu untersuchenden Oberfläche beschrieben, das eine akustische Linse der eingangs genannten Art benutzt, bei der jedoch der akustische Wandler als Halbkreisfläche ausgebildet ist. Im defokussierten Zustand erzeugt diese Linse SAW, die in einem Punkt auf der optischen Achse der akustischen Linse fokussiert sind. Genauere Untersuchungen haben dabei gezeigt, daß die in SAW umgesetzte akustische Energie lediglich aus einem sehr schmalen Ringbereich der Abstrahlfläche der akustischen Linse stammt, für den hinsichtlich der Strahlenneigung der bereits erwähnte Rayleigh-Winkel eingehalten wird. Die übrige Energie des abgestrahlten Schallwellenfeldes wird an der Objektoberfläche spiegelnd reflektiert oder in Longitudinal-Wellen (bulk waves) umgesetzt.
Ein anderes Verfahren, mit dem dieser Nachteil vermieden werden soll, ist in J.Appl.Phys.55 (Jan. 1984), S. 75 - 79, beschrieben. Eine akustische Linse mit zylindrischer Ausgangsfläche wird mit ihrer Längsachse so gegenüber der Objektoberfläche geneigt, daß die Strahlachse den Rayleigh-Winkel einhält. Hiermit wird zwar ein verbessertes Umwandlungsverhältnis des abgestrahlten Ultraschallwellenfeldes in SAW erreicht, aber auch hier sind immer noch nicht alle eingestrahlten Wellen unter dem Rayleigh-Winkel geneigt und anstelle eines Punktfokus ergibt sich ein Linienfokus, über den sich die SAW-Energie verteilt.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine akustische Linsenanordnung anzugeben, die bei möglichst hoher Umwandlungsrate des eingestrahlten Schallwellenfeldes in SAW eine punktförmige Fokussierung der SAW ermöglicht, die einfach herzustellen ist und eine hohe Signalausbeute gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 16.
Der Neigungswinkel ϑ_R der Schallstrahlen beim Auftreffen auf den Objektbereich hängt vom Verhältnis der Phasengeschwindigkeiten der Schallwellen in den aneinandergrenzenden Medien ab. Im Falle einer der Zylinderfläche nachfolgenden Immersionsflüssigkeit ist V_I die Ausbreitungsgeschwindigkeit in diesem Medium. Handelt es sich um ein festes Übertragungsmedium, so kann V_I die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Longitudinalwellen oder der Scherungswellen in dem Festkörper sein, es kann aber auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit in einem gasförmigen Medium sein.
Die Schallausbreitungsgeschwindigkeit in dem Objektbereich hängt von unterschiedlichen Materialeigenschaften ab, wie z.B. der Gefügestruktur, der Dichte, der Elastizität oder einer Schichtstruktur. Man unterscheidet verschiedene Ausbreitungsgeschwindigkeiten V_R für

Rayleigh-Wellen: (transversale Oberflächenwellen)
Pseudo-Oberflächenwellen: (bei anisotropen Festkörpern)
Love-Wellen: (bei parallel zur Oberfläche geschichteten Objekten)
Stonely-Wellen: (bei parallel zur Oberfläche geschichteten Objekten)
Sezewa-Wellen: (bei parallel zur Oberfläche geschichteten Objekten)

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen akustischen Linsenanordnung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt. Sie werden nachfolgend näher beschrieben, wobei auch auf besondere Vorteile im Vergleich zu den bekannten Anordnungen eingegangen wird. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1: eine Prinzipdarstellung der Wirkungsweise der akustischen Linsenanordnung;
Fig. 2: eine graphische Darstellung zur Ermittlung der optimalen Brennweite der akustischen Linsenanordnung;
Fig. 3, 3a: das Signal bei ungestörter Oberflächenwellenausbreitung;
Fig. 4, 4a, 4b: das Signal bei einer Störstelle im SAW-Fokus;
Fig. 5, 6, 7: mögliche Ausführungsformen der akustischen Linsenanordnung;
Fig. 8, 9, 10:: Anordnungen mit getrennten Sende- und Empfangssystemen.

Ausgehend von Fig. 1 soll zunächst die grundsätzliche Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Linsenanordnung erläutert werden. Ein akustischer Strahl, der von einem stabförmigen Wandler in einer Immersionsflüssigkeit erzeugt wird, fällt geneigt auf eine parabolisch konkave Zylinderfläche eines Festkörpers. Wenn der Einfallswinkel groß genug ist, wird die gesamte Schalleistung spiegelnd reflektiert und es werden keine Wellen in dem Festkörper angeregt. Der Reflektor wirkt wie ein parabolischer Zylinderspiegel.
Der einfallende akustische Strahl soll durch eine ebene Welle der Form exp [j(k_y·y + k_z·z)] dargestellt werden. Bei der Reflexion ändert sich die y- und z-Abhängigkeit nicht, aber es entsteht ein x-abhängiger Term, der die Reflexion an der parabolischen Zylinderfläche berücksichtigt.
Da ein parabolischer Zylinderspiegel eine senkrecht auffallende ebene Welle in einem Strich fokussiert, wird eine schräg auffallende ebene Welle in einem Strich mit linear veränderlicher Phase fokussiert. Die Wellenfronten sind konisch und im vorliegenden Fall stimmt die Achse des Konus mit der Fokuslinie des parabolischen Zylinders überein.
Wenn ein Objekt mit einer ebenen Oberfläche senkrecht zu dieser Achse angeordnet wird, dann ist die Schnittlinie der konischen Wellenfronten mit der Objektoberfläche immer kreisförmig. Im Gegensatz dazu werden mit der aus J.Appl.Phys.55, S. 75 - 79, bekannten Anordnung zylindrische Wellenfronten erzeugt, deren Schnittlinie mit der Objektoberfläche elliptisch ist. Aufgrund der geometrischen Begrenzung des erfindungsgemäßen Reflektors umfassen die an ihm reflektierten Wellenfronten nur einen Ausschnitt aus einem Konus, so daß die Schnittlinie anstelle eines Kreises einen Kreisbogen darstellt.
Wie bereits erwähnt, erregt ein Ultraschallstrahl beim Durchgang durch eine Flüssigkeit/Festkörper-Grenzfläche in der Oberfläche des Festkörpers SAW umso intensiver an, je besser der Einfallswinkel mit dem Rayleigh-Winkel übereinstimmt. Diese Tatsache wird erfindungsgemäß mit den besonderen Eigenschaften des beschriebenen Reflektors kombiniert, indem der Einfallswinkel des von dem akustischen Wandler erzeugten Strahls auf dem Reflektor gleich dem Rayleigh-Winkel gewählt wird. Die auf die Grenzfläche zum Objekt hinlaufende Wellenfront schneidet dann die Objektoberfläche in Kreisbogen mit abnehmendem Radius. Jede erzeugte Oberflächenwelle wird die vor ihr mit einem größeren Radius erzeugte Oberflächenwelle phasenstarr verstärken, da der gewählte spezielle Einfallswinkel der akustischen Wellenfront mit der k-Vektor-Komponente der Oberflächenwelle entlang der Übergangs-Grenzfläche übereinstimmt. Es ist hervorzuheben, daß auf diese Weise die gesamte in der konischen Wellenfront enthaltene Energie in eine einzige, kreisförmig konvergierende Wellenfront der SAW umgewandelt wird. Nahezu die gesamte vom Wandler erzeugte akustische Energie wird in einem nur beugungsbegrenzten Fokuspunkt konzentriert.
Im Gegensatz dazu entstehen bei der aus dem Stand der Technik bekannten schräg einfallenden zylindrischen Wellenfront als Schnittlinien mit der Objektoberfläche elliptische Bogen mit gleichbleibender Form, die keine phasenstarre Verstärkung der bereits erzeugten Wellenfronten der SAW ergeben. Auch eine konvergierende, sphärisch geformte Wellenfront kann dies nicht leisten, weil nur ein Bruchteil der einfallenden Wellenfront die Bedingung des Rayleigh-Winkels erfüllt.
Die erzeugten SAW haben nur eine begrenzte Lebensdauer und werden schließlich als Longitudinalwellen in die Flüssigkeitsschicht zurückgestreut. Diese auch als Leck-Wellen bezeichneten Wellen können bereits in dem Moment entstehen, in dem die Oberflächenwellen erzeugt werden. Wenn die Objektoberfläche perfekt eben ist und keinerlei Störstellen aufweist, d.h. daß keine Oberflächenwellen-Reflektoren vorhanden sind, werden nahezu keine Leck-Wellen zum Wandler zurückkehren. Da das einfallende Strahlenbündel in seinem Durchmesser begrenzt ist und in seinem Winkelspektrum auch ebene Wellen enthalten sind, können auch auf den Reflektor zulaufende, d.h. rückwärts laufende, SAW angeregt werden. Die aus diesen SAW hervorgehenden Leck-Wellen werden dann ein Ausgangssignal am akustischen Wandler erzeugen, auch wenn keinerlei Störstellen in der Oberfläche vorliegen. Dieser Effekt ist jedoch sehr gering und kann durch entsprechende Strahlaufweitung und geeignete Formgebung des Reflektors weiter unterdrückt werden. Der akustische Wandler empfängt nur dann ein ausreichend starkes Signal, wenn die Ausbreitungsrichtung der vorwärtslaufenden SAW an irgendeiner Störstelle geändert wird. Für den Fall, daß genau im Fokuspunkt eine solche Störstelle vorliegt, wird die SAW daran reflektiert und als zirkular divergente Welle zurücklaufen. Die daraus in die Flüssigkeit zurückgestreuten Wellen setzen sich wieder in der ursprünglichen konischen Wellenfront zusammen und werden durch den Reflektor als kollimiertes Strahlenbündel auf den akustischen Wandler zurückgeleitet. Wenn die Störstelle nicht genau im Fokuspunkt liegt, wird die daran reflektierte Wellenfront das ursprünglich eingestrahlte Strahlenbündel auch nicht genau wiederherstellen können, so daß das Ausgangssignal des Wandlers kleiner als bei der In-Fokus-Stellung ist.
Ein Ausführungsbeispiel ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Die akustische Linsenanordnung besteht aus einem akustischen Wandler 1, einem zylindrischen Spiegel 2 und einer mechanischen Verbindung 3, mit der der Neigungswinkel und die Position des Wandlers 1 relativ zum Spiegel 2 so eingestellt werden können, daß der Wandler unabhängig vom Neigungswinkel die gesamte Spiegelfläche beschallt. Die Anordnung taucht während des Betriebs in ein als Immersion dienendes Wasserbad 4 ein. Der Spiegel 2 ist auf dem zu untersuchenden Objekt 5 so angeordnet, daß die Längsachse 6 seiner zylindrischen Hohlfläche 7 senkrecht auf der Objektoberfläche steht. Das von dem Wandler 1 erzeugte gepulste Schallwellenfeld 8 fällt unter dem Rayleigh-Winkel ϑ_R auf den Spiegel 2. Aus der ebenen Phasenfront entsteht nach der Reflexion eine konisch geformte Phasenfront 9, die auf die Objektoberfläche ebenfalls unter dem Rayleigh-Winkel ϑ_R auftrifft und in ihr SAW 10 anregt. Die von der Objektoberfläche reflektierten Strahlen werden von dem Wandler 1 aufgenommen und in entsprechende elektrische Signale umgewandelt, die auf einem nicht dargestellten Oszilloskop angezeigt werden. Ein ebenfalls nicht dargestelltes Mikropositioniersystem erlaubt eine rasterförmige Relativverschiebung zwischen akustischer Linsenanordnung 1, 2, 3 und zu untersuchendem Objekt 5.
Der Wandler 1 besteht aus einer planen Keramikscheibe, deren Dicke für eine Resonanzfrequenz von 1 MHz ausgelegt ist. Die Übergangsfläche zur Immersionsflüssigkeit 4 ist mit einer nicht dargestellten λ/4-Anpassungsschicht versehen. Der Wandler wird durch einen etwa 0,2 Mikrosekunden dauernden Spannungsimpuls angetrieben, der einen sinusförmig abfallenden Druckimpuls erzeugt. Der abgestrahlte Ultraschallimpuls ist etwa 5 Mikrosekunden lang und hat eine Mittenfrequenz von 1 MHz.
Um eine konische Phasenfront des Schallwellenfeldes zu erzeugen, sollte die zylindrische Hohlfläche 7 eine parabolische Form haben. Da diese schwierig herzustellen ist, sind als Annäherung an diese Form auch Versuche mit einer kreisförmig zylindrischen Spiegelfläche erfolgreich durchgeführt worden. Die geometrische Begrenzung dieser vereinfachten Hohlfläche wurde so gewählt, daß bei Beschallung des Reflektors mit einer ebenen Wellenfront die Randstrahlen zum Zentralstrahl eine Wegdifferenz von nicht mehr als λ/4 aufweisen, wobei λ die Wellenlänge des Ultraschallstrahls in der Immersionsflüssigkeit 4 ist.
Für eine optimale Konstruktion der akustischen Linsenanordnung muß eine bestimmte Brennweite gewählt werden, die von der Frequenz des verwendeten Ultraschallwellenfeldes und dem zu untersuchenden Material abhängt. Die optimale Brennweite f_opt kann aus Fig. 2 abgelesen werden. In dieser Figur ist f_opt bezüglich der Schoch-Verschiebung Δ_s normiert und in Abhängigkeit von Δ_s/λ aufgetragen, wobei λ die Schallwellenlänge in der Immersionsflüssigkeit ist. Das Verhältnis Δ_s/λ ist nach Brekovskikh (1980) gegeben durch

wobei V die Schallgeschwindigkeit in der Immersionsflüssigkeit ist und mit V_s, V₁ und V_R die Scher-, die Longitudinal- und die Rayleigh-Schallgeschwindigkeiten in dem zu untersuchenden Festkörper bezeichnet sind.
Δ_s/λ kann mit Hilfe dieser Formel berechnet werden, wenn die jeweils relevanten physikalischen Parameter eingesetzt werden. Für Aluminium ergibt sich als Wert von Δ_s/λ z.B. 21.3, für rostfreien Stahl 57.85, für Molybdän 90.3, und für Aluminiumoxid (Al₂O₃) 118.3. Es läßt sich zeigen, daß die Abhängigkeit f_opt/Δ_s von Δ_s/λ ziemlich locker ist, und daß man allgemein f_opt = 0,59 Δ_s wählen kann. Bei einer Ultraschallfrequenz von 1,5 MHz wird f_opt für Aluminiumobjekte dann z.B. 12,5 mm. Bei einer Ultraschallfrequenz von 100 MHz ergibt sich für Aluminiumoxid (Al₂O₃) ein f_opt = 1,05 mm. Wenn der parabolisch zylindrische Reflektor durch eine Zylinderfläche mit kreisförmiger Krümmung angenähert wird, dann ist f_opt gleich dem halben Radius. Ein f_opt von 12,5 mm kann mit einem Zylinder von 50 mm Durchmesser und ein f_opt von 1,05 mm durch einen Zylinder von 4,2 mm Durchmesser verwirklicht werden.
Wenn f_opt einmal bestimmt ist, kann die maximale Breite 2x_m des Reflektors, bei der keine signifikanten zylindrischen Aberrationen auftreten, nach folgender Formel berechnet werden:
Mit diesem Wert erreicht die Linsenanordnung eine maximale Auflösung. Er ist 22,4 mm für Aluminium bei 1,5 MHz Ultraschallfrequenz und 1,22 mm für Al₂O₃ bei 100 MHz.
Die Apertur (f-Zahl) der Linsenanordnung kann unter Verwendung der bereits ermittelten Werte wie folgt bestimmt werden:

und ergibt 0,56 für Aluminium und 0,86 für Al₂O₃.
Die Höhe H des Reflektors soll gleich f_opt · cot ϑ_R sein, wenn die Grundfläche des Reflektors die zu untersuchende Objektoberfläche nahezu berührt. Die optimale Höhe ergibt sich zu 21,7 für Aluminium bei 1,5 MHz und 4 mm für Al₂O₃ bei 100 MHz.
Alle angegebenen absoluten Werte verändern sich bei Wahl anderer Ultraschallfrequenzen umgekehrt proportional zu dem Frequenzverhältnis.
Als Spiegelmaterial eignet sich z.B. Messing, das gegenüber der Immersionsflüssigkeit Wasser eine hohe akustische Impedanz aufweist. In einem Ausführungsbeispiel hatte der Spiegel eine Höhe von 38 mm, eine Breite von 37 mm und einen Zylinderradius von 50 mm. Diese Dimensionierungen weichen von den aufgrund der Theorie optimalen Grenzwerten für die Untersuchung von Aluminium zwar geringfügig ab. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die darauf zurückzuführenden Verluste in der Signalleistung vernachlässigbar sind.
Wenn Aluminium als Testobjekt verwendet wird, ergibt sich bei einer Ultraschallfrequenz von 1 MHz eine Wellenlänge der SAW von 2,85 mm, womit auch der Durchmesser des beugungsbegrenzten Fokus und die Schichtdicke der Objektoberfläche festgelegt sind, in der die SAW laufen. Innerhalb dieser Schichtdicke liegende Inhomogenitäten können aufgrund der an ihnen zurückreflektierten Schallwellen erkannt werden. Eine 10 mm dicke Testplatte wirkt daher für die SAW wie ein quasi unendlich dickes Objekt.
Die akustische Linsenanordnung soll zunächst in der Mitte einer ausreichend großen Testfläche angeordnet werden. Dieser Fall ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Das in Fig. 3a dargestellte Oszilloskop-Bild des Meßsignals zeigt nur einen Echo-Impuls 20. Dieses Signal ist auf den bereits geschilderten Sachverhalt zurückzuführen, daß die von dem akustischen Wandler erzeugte Schallwellenfront nicht exakt eben ist und daß auf den Reflektor 2 auch Strahlkomponenten treffen, deren Einfallswinkel mehr oder weniger stark von dem Rayleigh-Winkel ϑ_R abweichen. Diese werden an der Kante zwischen Objektoberfläche und zylindrischer Hohlfläche reflektiert und erzeugen das Echosignal. Durch Optimierung der Wandler- und Reflektorgeometrie sowie Einstellung einer geeigneten Nachweisempfindlichkeit kann dieses Signal minimiert werden. Wird die akustische Linsenanordnung, wie in Fig. 4 dargestellt, so an den Rand der Testoberfläche verschoben, daß der Fokus der SAW genau an der Kante liegt, dann wird ein zweiter signifikant größerer Echo-Impuls 21 im Oszillogramm beobachtet. Dieser ist in Fig. 4a und vergrößert nochmals in Fig. 4b dargestellt.
Der Abstand zwischen den beiden Echo-Impulsen 20, 21 beträgt 17 Mikrosekunden. Das entspricht der Laufzeit der SAW für eine Strecke von 50 mm, d.h. der doppelt - ten Brennweite. Daraus läßt sich ein sehr einfaches Verfahren zur genauen Einstellung des Rayleigh-Winkels ϑ_R zwischen der Strahlrichtung des vom Wandler ausgehenden ebenen Schallwellenfeldes und der Längsachse des Reflektors ableiten. Der Reflektor ist im Abstand seiner Brennweite von einer Kante des zu untersuchenden Objektes anzuordnen und der Neigungswinkel des Wandlers ist solange zu verändern, bis die Amplitude des Echo-Impulses 21 ein Maximum hat.
Durch Messungen an verschiedenen Testobjekten konnte bestätigt werden, daß mit fokussierten SAW mit einer Wellenlänge von etwa 3 mm periodisch auftretende Störstellen mit einem Abstand von etwa 2 mm getrennt nachgewiesen werden können. Mit derselben Wellenlänge konnten auch Inhomogenitäten, die etwa 2,5 mm unter der Objektoberfläche lagen, eindeutig erkannt werden, wodurch bestätigt ist, daß die Eindringtiefe der SAW ihrer Wellenlänge entspricht.
Die Vorrichtung zur Einstellung des Neigungswinkels zwischen Wandler und Reflektor dient vornehmlich zur Optimierung des objektabhängigen Rayleigh-Winkels ϑ_R zur nahezu verlustlosen Umwandlung des eingestrahlten Schallwellenfeldes in SAW. Es ist jedoch bekannt, daß bei bestimmten Schichtstrukturen neben den SAW auch andere Wellen im Objekt angeregt werden können, die ebenfalls von dem Einfallswinkel der Ultraschallstrahlen an der Grenzfläche Flüssigkeit/Objekt abhängen. Solche Wellen sind z.B. unter der Bezeichnung Love-Wellen, Stonely-Wellen und Sezewa-Wellen bekannt. Wenn das zu untersuchende Objekt z.B. mehrere übereinanderliegende Schichten unterschiedlicher Materialien trägt, können diese Wellen selektiv angeregt werden, wenn der Einfallswinkel in der Flüssigkeit geeignet eingestellt wird. Die in das Objekt eindringenden Wellen werden in ähnlicher Weise fokussiert wie die SAW. Damit wird es möglich, eine größere Eindringtiefe des akustischen Fokus zu erreichen als bei den SAW.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wurde vorstehend für Anwendungsfälle mit relativ niedrigen Ultraschallfrequenzen beschrieben. Sie läßt sich jedoch auch in akustischen Mikroskopen einsetzen, die Ultraschallfrequenzen bis in den GHz-Bereich benutzen. Eine geeignete Linsenanordnung ist in Fig. 5 dargestellt. Ein Stab 40 aus einem Material mit geringen akustischen Verlusten, wie z.B. Saphir, ist mit parallelen, plan polierten Endflächen versehen. Auf der einen Seite ist ein akustischer Wandler 41 angebracht (ZnO), der zwischen zwei Goldelektroden 42, 43 liegt. Die andere Seite ist mit einer λ/4-Antireflex-Beschichtung aus Glas oder Kohlenstoff mit geeigneter akustischer Impedanz versehen, um eine gute Anpassung für den Übergang der Ultraschallstrahlen in die nicht dargestellte Immersionsflüssigkeit zu erreichen. Der zylindrische, vorzugsweise parabolisch geformte Reflektor 44 ist auf diese Seite des Stabs 40 so aufgeklebt, daß ein bestimmter Rayleigh-Winkel ϑ_R zu seiner Längsachse entsteht. Er besteht z.B. aus Aluminium oder einem anderen festen Material hoher akustischer Impedanz. Die geometrischen Abmessungen (Höhe und Breite) und die Brennweite müssen der vorgesehenen Ultraschallfrequenz angepaßt werden. Sie verringern sich gegenüber den für 1 MHz genannten Größen nahezu linear proportional mit der Erhöhung der Ultraschallfrequenz. Aus diesem Grund wird es zweckmäßig sein, für die Untersuchung unterschiedlicher Materialien unterschiedliche feste Linsenanordnungen mit entsprechend dem erforderlichen Rayleigh-Winkel ϑ_R geneigtem Reflektor vorzusehen. Grundsätzlich kann jedoch auch hier der Neigungswinkel einstellbar gestaltet werden, was eine individuelle Anpassung an das Untersuchungsobjekt erlaubt.
In Fig. 6 ist eine sehr kompakte und mechanisch sehr stabile Ausführungsform der akustischen Linsenanordnung dargestellt. Der Wandler 1 und die gegenüber dem Wandler hohle Zylinderfläche 7 sind an Außenflächen eines für die Schallübertragung geeigneten Festkörpers 60 angeformt. Zur Erzeugung einer ausreichend hohen Impedanz der Reflektorfläche gegenüber der Impedanz des schallübertragenden Festkörpers ist auf die Zylinderfläche 7 eine Metallschicht aufgedampft. Zur besseren Ankopplung des fokussierten Schallstrahlenbündels an die Objektoberfläche kann zwischen der Austrittsfläche der Linsenanordnung und der Objektoberfläche noch eine Immersionsflüssigkeit eingefügt sein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 7 dargestellt. Bei dieser Anordnung wird die Schallfokussierung anstelle einer Reflexion an der senkrecht zur Objektoberfläche stehenden Zylinderfläche nunmehr durch eine Brechung an einer solchen Fläche erzeugt. Die Schallübertragung vom Wandler 1 erfolgt durch einen Festkörper 70 hindurch zur zylindrischen Hohlfläche 7, die in diesem Fall zum Wandler hin gewölbt ist und deren Längsachse 6 senkrecht auf der Objektoberfläche 5 steht. Die Normalenrichtung auf dem vom Wandler ausgehenden ebenen Schallwellenfeld ist gegenüber der Objektoberfläche unter einem Winkel ϑ_i geneigt. Der Raum zwischen der Hohlfläche 7 und der Objektoberfläche 5 ist durch eine nicht dargestellte Immersionsflüssigkeit ausgefüllt.
Wenn die Differenz der Ausbreitungsgeschwindigkeiten für die Schallstrahlen im Festkörper 70 und der Immersionsflüssigkeit groß genug ist, dann wirkt die Hohlfläche 7 in horizontaler Richtung wie eine Zylinderlinse. Andererseits ist in vertikaler Richtung das Snell'sche Brechungsgesetz zu beachten:

wobei mit V_Festkörper und V_Immersion die Phasengeschwindigkeiten der Schallwellen in den beiden Übertragungsmedien bezeichnet sind. Nach der Brechung entsteht wieder eine konische Wellenfront wie bei den zuvor beschriebenen Reflektions-Linsenanordnungen.
Die Neigung der Wandlerebene ist so zu wählen, daß unter Beachtung der Brechung an der Hohlfläche 7 die Schallwellen unter dem kritischen Winkel ϑ_R auf die Objektoberfläche treffen. Dann werden in der Objektoberfläche wieder SAW erzeugt, die in einem Punkt fokussiert sind. Es ist noch zu erwähnen, daß bei der Schallausbreitung in dem Festkörper 70 sowohl Longitudinalwellen als auch Scherungswellen angeregt wurden können. Unter V_Festkörper ist dann die Phasengeschwindigkeit für die jeweils benutzte Wellenart zu verstehen. Zur Vermeidung von Transmissionsverlusten ist die Hohlfläche 7 mit einer geeigneten Antireflexbeschichtung zu versehen.
Mit der Wahl des Festkörpers 70 und der Immersionsflüssigkeit ist die maximale Größe des Winkels (90-ϑ_R) festgelegt. Aufgrund dieser Tatsache ist in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften des zu untersuchenden Objekts die Auswahl des festen Übertragungsmediums eingeschränkt. Grundsätzlich gilt, daß die Schallausbreitungsgeschwindigkeit in dem Festkörper 70 geringer sein muß als in der Objektoberfläche 5.
In den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen wird der akustische Wandler üblicherweise im Puls-Echo-Verfahren abwechselnd als Sender und als Empfänger benutzt. Bei kontinuierlicher Schallerzeugung werden die vom Objekt zurückkehrenden Schallwellen mit den eingestrahlten interferieren, so daß am Wandler ein phasenmoduliertes Signal entsteht.
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform mit zwei konfokal zueinander stehenden Linsenanordnungen, von denen die eine als Sender und die andere als Empfänger für die Schallwellen dient, wie durch die Pfeilrichtungen angedeutet ist. Beide Anordnungen liegen auf derselben Achse der SAW-Ausbreitung. Ein solcher Aufbau kann selbstverständlich sowohl mit kontinuierlicher wie mit gepulster Schallwellenerzeugung arbeiten. Im Puls-Echo-Betrieb lassen sich zwei Signale gewinnen, die den in Richtung auf den Sender rückwärts gestreuten und den in Richtung auf den Empfänger vorwärts gestreuten Schallwellenanteilen zugeordnet sind.
Die in Fig. 9 dargestellte Anordnung aus zwei konfokalen Linsenanordnungen ist so gewählt, daß die Richtungen der SAW-Ausbreitung einen Winkel φ miteinander bilden. Dieser Winkel kann einstellbar gemacht werden. Auch diese Anordnung ist für kontinuierliche und für gepulste Schallerzeugung geeignet. Mit ihr lassen sich insbesondere Anisotropien in der SAW-Reflexion bestimmen.
Die in Fig. 10 dargestellte Ausführungsform arbeitet mit nur einem Reflektor und einem zweigeteilten Wandler, von denen einer als Sender und der andere als Empfänger sowohl im kontinuierlichen wie im gepulsten Betrieb verwendet werden kann. Die Abbildungseigenschaften des Reflektors sorgen für eine ausreichende Richtungsselektion zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Schallstrahlenbündel, so daß die beiden Strahlen nicht oder nur in sehr geringem Maße miteinander interferieren, und zwar unabhängig von der Orientierung der Teilungslinie zwischen den Wandlern.

Claims

Akustische Linsenanordnung mit mindestens einem Wandler (1) zur Erzeugung und/oder zum Empfang eines ebenen Schallwellenfeldes (8), Mitteln zum Fokussieren des Schallwellenfeldes in einem Objektbereich und mindestens einem Medium (4) zum verlustarmen Übertragen des Schallwellenfeldes (8) zwischen dem Wandler (1), den Mitteln zum Fokussieren und dem Objektbereich, wobei dem Wandler (1) gegenüberliegend eine von dem Schallwellenfeld (8) beschallte Zylinderfläche (7) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse der Zylinderfläche (6) gegenüber der Normalenrichtung auf dem Schallwellenfeld (8) so geneigt ist, daß in einer Stellung der Längsachse (6) normal zur Oberfläche (5) des Objektbereichs die dort auftreffenden Schallstrahlen einen Winkel
mit der Normalen auf der Oberfläche bilden, wobei VI die Phasengeschwindigkeit der Schallwellen in dem Übertragungsmedium (4) zwischen der Zylinderfläche und dem Objektbereich und V_R die Phasengeschwindigkeit der Schallwellen in dem Objektbereich ist.
Akustische Linsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderfläche (7) gegenüber dem Wandler (1) hohl ist und in Reflexion benutzt wird.
Akustische Linsenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Impedanz der Zylinderfläche (7) im Vergleich zu der des schallübertragenden Mediums (4, 60) hoch ist.
Akustische Linsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderfläche (7) gegenüber dem Wandler (1) gewölbt ist und in Transmission als brechende Fläche benutzt wird.
Akustische Linsenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung des Schallwellenfeldes (8) zwischen Wandler (1), Zylinderfläche (7) und Objektbereich (5) ein flüssiges Immersionsmedium (4) vorgesehen ist.
Akustische Linsenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung des Schallwellenfeldes (8) zwischen Wandler (1), Zylinderfläche (7) und Objektbereich (5) ein festes Medium (60) vorgesehen ist.
Akustische Linsenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Wandler (1) und Zylinderfläche (7) ein festes Medium (70) und zwischen Zylinderfläche (7) und Objektbereich (5) zumindest in einem Teilbereich ein flüssiges Immersionsmittel (4) vorgesehen ist.
Akustische Linsenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schallübertragung in einem Teilbereich ein gasförmiges Medium vorgesehen ist.
Akustische Linsenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel ϑ_R zwischen der Normalenrichtung auf dem Schallwellenfeld und der Längsachse der Zylinderfläche (7) einstellbar ist.
Akustische Linsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Zylinderfläche (7) eine Parabel bildet.
Akustische Linsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Zylinderfläche (7) einen Kreisbogen bildet.
Akustische Linsenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei zueinander konfokale, getrennte Linsenanordnungen vorgesehen sind, von denen eine als Schallsender und die andere als Schallempfänger dient.
Akustische Linsenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Zentralstrahlen der Sender- und Empfängeranordnung aufgespannten Ebenen übereinstimmen (Fig. 8).
Akustische Linsenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Zentralstrahlen der Sender- und Empfängeranordnung aufgespannten Ebenen miteinander einen Winkel φ bilden (Fig. 9).
Akustische Linsenanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel φ einstellbar ist.
Akustische Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler zweigeteilt ist, wobei die eine Hälfte als Schallsender und die andere Hälfte als Schallempfänger dient (Fig. 10).