DE3500640C2 - Akustisches Abtastmikroskop - Google Patents
Akustisches AbtastmikroskopInfo
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Abstract
Ein akustisches Mikroskop, bei dem ein Ultraschallstrahl durch einen Ultraschallwandler mit kurzer Brennweite über ein Ausbreitungsmedium auf eine Probe projiziert wird, die von der Probe reflektierten Schallwellen durch den Wandler erfaßt werden und ein mikroskopisches Bild der Probe durch mechanisches Abtasten der Probe in zwei Richtungen erzielt wird, weist ein Abdeckelement auf, welches zwischen die Probe und das Ausbreitungsmedium eingefügt ist und eine akustische Impedanz aufweist, die größer als die akustische Impedanz der Probe und des Ausbreitungsmediums ist. Die Intensität des Reflexionssignals hängt von der Vielweg-Reflexion innerhalb des Abdeckelementes ab. Ein intensives Reflexionssignal wird selbst für eine Probe erhalten, deren akustische Impedanz sich geringfügig von der akustischen Impedanz des Ausbreitungsmediums unterscheidet.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein akustisches Mikroskop gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1,
wie es z. B. aus der EP 00 84 174 bekannt ist.
Ein akustisches Abtastmikroskop ist vorgeschlagen und untersucht worden als ein Gerät zur Erzielung einer
Abbildung bzw. eines Bildes, welches die mikroskopischen elastischen Eigenschaften eines zu beobachtenden
Gegenstandes zeigt unter Verwendung einer Ultraschallwelle mit einer Frequenz von 1 GHz und demzufolge
einer Wellenlänge von ungefähr 1,5 μπι in Wasser.
Bei einem in der US-PS 40 28 933 offenbarten Ausführungsbeispiel
wird eine akustische Linse mit einer kleinen F-Zahl bzw. Öffnungszahl verwendet zum Projizieren
eines Ultraschallstrahles, welcher sehr scharf auf eine durch ein Ausbreitungsmedium wie Wasser zu beobachtende
Probe fokussiert ist. Während die Probe mechanisch abgetastet wird, wird Störenergie von der
Probe erfaßt. Die erfaßten Schallwellen werden auf einem Kathodenstrahlröhrenschirm angezeigt, Hierdurch
werden mikroskopische Bilder erhalten.
Anordnungen zum Erfassen der Störenergie von der Probe, wie oben beschrieben, werden in zwei Bauarten
klassifiziert, nämlich die Transmissionsbauart und die Reflexionsbauart. Bei der ersten Bauart werden Schallwellen,
welche durch die Probe hindurchgetreten sind, erfaßt, um ein Bild zu erhalten. Hierbei werden eine
akustische Senderlinse oder ein konkaver Senderwandler und eine akustische Empfängerlinse oder ein konkaver
Empfängerwandler derart angeordnet, daß sie einander gegenüberliegen, wobei die Probe zwischen ihnen
angeordnet ist Da die Senderlinse und Empfängerlinse 5 oder die konkaven Wandler beide in konfokaler Weise
angeordnet werden müssen, werden die Einstellungen für ihre Ausrichtung kompliziert und sehr schwierig. Bei
der Reflexionsbauart werden von der Probe reflektierte Schallwellen erfaßt, so daß eine einzige akustische Linse
oder ein konkaver Wandler sowohl zum Senden wie auch zum Empfangen der Wellen benutzt werden kann.
Dies bringt eine Vereinfachung des Aufbaus des Gerätes mit sich. Darüber hinaus sind keine Ausrichtungseinstellungen
erforderlich.
Ein biologisches Gewebe, welches den wesentlichen Gegenstand darstellt der durch das akustische Mikroskop
abgebildet wird, ist bisher mit einem Gerät der Transmissionsbauart und nicht mit einem Gerät der Reflexionsbauart
beobachtet worden. Speziell ist Wasser oder eine physiologische Salzlösung als Ausbreitungsmedium verwendet und zwischen den gegenüberliegenden
Wandlern gehalten worden. Die Probe wird innerhalb dieses Mediums in dem Zustand gelagert, in welchem
sie an einem Film festsitzt mit einer Dicke und aus einem Material, welche ermöglichen, bei der Ausbreitung
der Schallwellen vom Medium zur Probe die Anwesenheit des Filmes zu vernachlässigen.
Der Grund, warum eine solche Anordnung der Transmissionsbauart zur Beobachtung von biologischem Gewebe
verwendet worden ist, ist folgender. Das biologische Gewebe unterscheidet sich geringfügig in seiner
akustischen Impedanz von Wasser als Ausbreitungsmedium und kann kein intensives Reflexionssignal erzeugen.
Mit einer Anordnung der Reflexionsbauart ist daher keine Beobachtung mit einem großen Signal-Rausch-Verhältnis
möglich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein akustisches Mikroskop zu schaffen, bei welchem
selbst eine Probe, deren akustische Impedanz sich geringfügig
von einem Ausbreitungsmedium unterscheidet, intensive reflektierte Schallwellen erzeugen kann,
wodurch sich ein gutes Bild mit Hilfe einer Anordnung der Reflexionsbauart ergibt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein akustisches Mikroskop gemäß Anspruch 1 gelöst.
Das akustische Mikroskop gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere gekennzeichnet durch eine
Wandlereinheit, welche einen Ultraschallstrahl überträgt, der in einem vorbestimmten Brennpunkt konvergiert,
und weiche durch die Übertragung verursachte reflektierte Schallwellen erfaßt, eine Halteeinrichtung
i.um Halten einer Probe an oder nahe dem Brennpunkt, eine Abtasteinrichtung zum Abtasten relativer Positionen
der Probe, die durch die Halteeinrichtung und die Wandlereinheit gehalten wird, und durch ein flüssiges
Ausbreitungsmedium, welches einen Spalt zwischen der Halteeinrichtung und der Wandlereinheit ausfüllt, wobei
die Halteeinrichtung ein Abdeckelement aufweist, welches zwischen die Probe und das Ausbreitungsmedium
eingefügt ist und eine akustische Impedanz aufweist, die größer als die akustische Impedanz der Probe und
des Ausbreitungsmediums ist.
Ein solcher Aufbau benutzt wirksam Vielweg-Reflcxion
innerhalb des Abdeckelementes zur Bildanzeige.
Da die Intensität eines Reflexionssignals, welches durch
das Abdeckelement erzeugt wird, von der akustischen Impedanz der Probe abhängt, welche hinter dem Abdeckelement
angeordnet ist, können die Verteilungen
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der elastischen Eigenschaften der Probe wie die akustische
Impedanz klar beobachtet werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigt
F i g. 1 eine Schnittansicht, aus welcher das Prinzip
der vorliegenden Erfindung hervorgeht,
F i g. 2 eine graphische Darstellung der Eigenschaften der Reflexionsgrade in Abhängigkeit von den akustischen
Impedanzen der Proben,
F i g. 3 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
F i g. 4 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispieles eines Wandlers zur Verwendung bei dieser Ausführungsform,
und
F i g. 5 und 6A und 6B Schnittansichten verschiedener Aspekte der vorliegenden Erfindung.
Im nachfolgenden wird die vorliegende Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
In F i g. 1 ist eine Ansicht zur Erläuterung de-. Prinzips
der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche eine Wandlereinheit 40 mit einer akustischen Linse, eine Probe
60, ein Ausbreitungsmedium 70 (im Falle eines biologischen Gewebes wird normalerweise Wasser oder eine
physiologische Salzlösung benutzt), welches den Raum zwischen der Linse und der Probe ausfüllt, und ein Ultraschall-Abdeckelement
5 mit einer Dicke ti zeigt, welches das charakteristische Merkmal der vorliegenden
Erfindung darstellt. Ein Ultraschallstrahl 7, der von der Linse der Wandlereinheit 40 ausgestrahlt wird, wird
durch die obere Oberfläche (Oberfläche /|) und die untere Oberfläche (Oberfläche I2) des Abdeckelementes 5
reflektiert In dieser Hinsicht unterscheidet sich die Situation der Vielweg-Reflexion innerhalb des Abdeckelementes
in Abhängigkeit von der Dicke des Abdeckelementes und der akustischen Impedanz (Zl) und der
Ausbreitungsgeschwindigkeit (Vl) des Abdeckelementes. Durch Auswahl des Materials und der Dicke des
Abdeckelementes kann man ein reflektiertes akustisches Signal erhalten, welches die Verteilungen der elastischen
Eigenschaften der Probe ausdrückt und welches einen größeren Reflexionsgrad bzw. Reflexionskoeffizienten
und demzufolge einen großen Wert aufweist Darüber hinaus ist eine Abbildung vnit einem großen
Signal-Rausch-Verhältnis möglich.
Wenn r das Verhältnis des Schalldruckes der reflektierten
Ultraschallwellen, welche zu der Seite des Ausbreitungsmediums 70 austreten, wie durch eine Vielzahl
von Pfeilen 51 in F i g. 1 angedeutet ist, relativ zum Schalldruck der einfallenden akustischen Welle, d. h. den
Reflexionsgrad des in Fi g. 1 dargestellten Systems darstellt, ergibt sich die Größe r durch die nachfolgende
Gleichung:
Hierbei ist
r,2
rn θ
rn θ
= (Zs-ZL)l(Zs+Z1)
= 4,τ<///ν/.
= 4,τ<///ν/.
deckelementes 5, des Ausbreitungsmediums 70 und der Probe 60 und d die Dicke des Abdeckelementes 5 darstellt
Aus Gleichung (1) ergibt sich der absolute Wert des Schalldruck-Reflexionsgrades durch
= Γ r\i + 2 rn /ν; cos Θ + r1
Γ
|_ 1
|_ 1
+ 2 Tu r1} cos θ +
r13 Ii
i Γ23 J
i Γ23 J
wobei f die verwendete Ultraschallfrequenz darstellt,
Zi., Zw und Zs jeweils die akustische Impedanz des Ab-Es ist im einzelnen untersucht worden, wie sich der
Schalldruck-Reflexionsgrad \r\ eines solchen Systems ändert in Abhängigkeit von der Dicke d (in der obigen
Gleichung θ) des Abdeckelementes 5 und der akustischen
Impedanz Zl und der Ausbreitungsgeschwindigkeit
Vl dieses Abdeckelementes. Hierbei ist festgestellt
worden, daß im Falle des Einfügens einer Abdeckplatte zwischen das Ausbreitungsmedium und die Probe, welehe
eine akustische Impedanz aufweist, die größer als die akustische Impedanz des Ausbrei&ingsmediums und
der Probe ist, und deren Dicke eine Vier.elwellenlänge
beträgt, ein ausreichender Reflexionsgrad und demzufolge ein ausreichendes reflektiertes Ultraschallsignal
erhalten wird, selbst wenn die Größe der akustischen Impedanz der Probe sich in einem Bereich von
0,6-2,Ox 106MKS(kg - m-2 · s->) verändert
In F i g. 2 ist auf der Abszissenachse die akustische Impedanz Zs einer Probe aufgetragen, während auf der
Ordinatenachse der Reflexionsgrad dargestellt ist Die Veränderungen des Reflexionsgrades werden durch einen
Parameter illustriert, der gleich der akustischen Impedanz Zl des Viertelwellenlängenplättchens ist Die
akustische Impedanz Zw des Ausbreitungsmediums ist gleich 1,5 χ 106 MKS, d. h. es wird als Ausbreitungsmedium
70 Wasser verwendet.
Die Kurve (a) in Fig.2 illustriert einen Fall von Zl
gleich LSxIO6MKS, wobei die akustische Impedanz
des Abdeckelementes gleich der akustischen Impedanz des Ausbreitungsmediums 70 ist oder kein Abdeckelement
verwendet wird. Wenn die akustische Impedanz Zs der Probe in die Nähe von 1,5 χ 106MKS kommt,
reduziert sich der Reflexionsgrad erheblich, wie man erkennen kann. Die akustische Impedanz Zs eines biologischen
Gewebes iit in der Nähe von 1,5 χ 106MKS,
d. h. der akustischen impedanz von Wassser verteilt, da der Inhalt des biologischen Gewebes im wesentlichen
aus Wasser oder einer physiologischen Salzlösung besteht. Demzufolge werden reflektierte Ultraschallwellen
im Bereich des größeren Teils der Probe nicht nachgewiesen.
Diese Umstände sind der wesentliche Grund, warursi
die Durchlässigkeitsmethede bisher zur Beobachtung des biologischen Gewebes verwendet worden ist und
nicht die Reflexionsmethode. Diese Schwierigkeit wird durch die vorliegende Erfindung eliminien.
Die Kurven (b). (c) und (d) in F i g. 2 stellen die Eigenschaften
des Reflexionsgrades für die Fälle dar, in welchen die akustisch." Impedanz Zl des Abdeckelementes
jeweils gleich l,83xlO6MKS. 4,OxIO6MKS und
13,1 χ 106 MKS ist. Wie sich aus diesen Kurven ergibt,
erhöht sich der Schalldruck der ref!ektien';n Schallwellen
mit ansteigendem Zl- Ein weiteres Merkmal besteht darin, daß der singuläre Punkt, der in der Kurve (a) bei
Zs= 1,5 χ 106 MKS i.vi Falle von ZL= 1,5 χ 106 MKS beobachtet
wird, in den Kurven (b), (c) und (d) nicht beobachtet wird. Der singuläre Punkt tritt bei Zi-Zs auf.
Wenn die akustische Impedanz Zs der Probe sich ober-
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halb und unterhalb der akustischen Impedanz Zl des
Abdeckelementes verteilt, tritt die Situation auf, in welcher die Reflexionsiniensität und die akustische Impedanz
der Probe nicht einer 1—zu—1 Beziehung entsprechen
wie in Kurve (a), was für die Interpretation eines Bildes sehr nachteilig ist. Es wird angemerkt, daß,
um eine solche Situation zu vermeiden, die akustische Impedanz des Abdeckelementes mindestens größer als
die akustische Impedanz der Probe sein muß. Darüber hinaus ist die akustische Impedanz im Falle des biologischen
Gewebes innerhalb eines Bereichs von ungefähr 0,6—2,Ox 106 MKS verteilt. Wenn eine solche Probe unter
Verwendung von Wasser als Ausbreitungsmedium und eines Abdeckelementes mit Z/.= 1,83 χ 106 MKS
beobachtet wird, verteilt sich der Schalldruck der reflektierten
Schallwellen innerhalb eines Bereiches von mindestens —25 dB im Vergleich zum Falle einer Totalreflexion
(vgl. Kurve (b)). Da der Schalldruck von —25 dB als untere Grenze angesehen werden kann, welche den
Nachweis der reflektierten Wellen mit dem akustischen Mikroskop ermöglicht, ist es günstig für solche biologischen
Gewebe, wenn Z/.= 1,83 χ 106 MKS oder größer
ist. Wenn Zt = 4 χ 106 MKS ist, wie im Falle der Kurve
(c), wird der Schalldruck der reflektierten Wellen stärker erhöht. Hierbei wird ein Empfangssignal von hohem
Signal-Rausch-Verhältnis erhalten.
Wenn ZL = 13,1 χ 106 MKS ist, wie im Falle der Kurve
(d), ist eine Abbildung ohne einen singulären Punkt in einem Bereich von größeren akustischen Impedanzen
Zsder Probe möglich, z. B. von 0,6 bis 10 χ 106 MKS. Bei
biologischen Geweben werden häufig Einfärbung und Identifizierung mit Schwermetallionen durchgeführt.
Der Bereich der akustischen Impedanzen solcher Proben kann 1Ox 106 MKS erreichen. Das Abdeckelement
mit einer akustischen Impedanz von Z/.= 13,1 χ 106 MKS liefert günstige Ergebnisse für die
Beobachtung solcher Proben.
In F i g. 3 ist eine Anordnung einer Ausführungsform des Mikroskops gezeigt. Eine Wandlereinheit 40 besteht
aus einer akustischen Linse 42, welche mit einem konkaven halbkugelförmigen Loch an einer Seitenfläche versehen
ist, und einem piezoelektrischen Element 44, welches auf der anderen Seitenfläche der akustischen Linse
montiert ist. Eine Signalquelle 10 und ein Empfänger 12 sind mit dem piezoelektrischen Element 44 verbunden.
Wenn ein Erregungssignal in Form von Impulsen von der Signalquelle 10 geliefert wird, wird ein Ultraschallstrahl,
der zu einem vorbestimmten Brennpunkt konvergiert, durch ein Ausbreitungsmedium 70 übertragen.
In der Nähe des Brennpunktes weist ein Probenhalter 80 zum Halten einer Probe 60 ein darauf installiertes
Abdeckelement 5 auf. Die Probe ist an der Rückseite des Abdeckelementes 5 befestigt bzw. festgelegt. Der
Ultraschallstrahl tritt demzufolge in die Probe über das Medium 70 und das Abdeckelement 5 ein. So erzeugte
reflektierte Wellen werden durch die Wandlereinheit 40 über das Medium 70 erfaßt. Dieses nachgewiesene bzw.
erfaßte Signal wird durch den Empfänger 12 empfangen und zu einer Bildanzeigeeinrichtung 18 als Abbildungsinformation geliefert. In der Zwischenzeit wird der Probenhalter
80 durch eine Antriebs- bzw. Steuereinrichtung 16 mechanisch abgetastet bzw. abgelenkt und angetrieben
bzw. gesteuert Bildanzeigeeinrichtung 18 führt eine Signalverarbeitung entsprechend der Abtastung
durch und zeigt das Bild der Probe an. Die Antriebseinrichtung
kann die relativen Positionen des Brennpunktes der Wandlereinheit und der Probe steuern
und abtasten und kann natürlich die Wandlereinheit 40 antreiben. Darüber hinaus kann die Wandlercinheit
40 ein Ultraschallwandler mit einem vorbestimmten Brennpunkt sein. Es kann daher der sogenannte konkave
Wandler z. B. einer sein, bei dem ein piezoelcktrisches Element 45 auf der halbkugelförmigen konkaven
Oberfläche eines Substrats 46, wie in F i g. 4 gezeigt ist, montiert ist.
Im nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele des Abdeckelementes 5 beschrieben. Wenn man ein Abdeckelement
mit einer akustischen Impedanz in der Nähe von Zt=4 χ 106 MKS, wie in Fig. 2 erwähnt, verwenden
will, eignet sich hierfür eine Polymerfolie. Es wurden die akustischen Eigenschaften eines Polyimidharzes
untersucht, welches als »Vespel« (Warenzeichen der Firma Du Pont de Nemours, E. I.) bekannt ist. Man
hat festgestellt, daß die akustische Impedanz Zz. = 3,5 χ 106 MKS und die Ausbreitungsgeschwindigkeit
gleich 2400 m/s ist. Wenn dieses Harz zu einer Folie mit einer Stärk? von .5 um ausgewalzt wurde, wurden
gute Ergebnisse erzielt. Bei dem vorliegenden Beispiel wurde, wie in F i g. 5 gezeigt, die Folie 52 an einem Metallring
51 mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 5 mm befestigt. An der Rückseite der Folie
wurde eine Probe 60 angeheftet bzw. befestigt. Der resultierende Aufbau wurde auf den Probenhalter 80 eines
akustischen Mikroskops der Reflexionsbauart gesetzt, und die Probe wurde beobachtet. Die Rückseite der
Probe (ft ist von Luft umgeben.
Als ähnliches Beispiel wurden die akustischen Eigenschäften
von »Stycast 3050« (Warenzeichen von Emerson & Cuming Co.) unter Epoxyharzen gemessen. Es
wurden Werte von ZL *·3.7 χ 10b MKS und
v/. = 2400m/s gefunden. Es wurde eine Folie mit einer
Stärke von 5 μπι hergestellt. Die Dicke von 5 μιτι cntspricht
einer Viertelwellenlänge einer Ultraschallwelle von 120MHz. Es wurde außerdem festgestellt, daß,
selbst wenn die Dicke des Abdeckelementes nicht genau der Viertelwellenlänge entspricht, das Ziel der vorliegenden
Erfindung erreicht wird.
Als Beispiel für ZL= 13,1 χ 106 MKS in F i g. 2 ist SiO2
mit günstigen Ergebnissen benutzt worden. Wie in Fig.6A gezeigt, wurde insbesondere ein SiOj-FiIm 54
auf einer Oberfläche eines Bleches 53 aus Stahl und einer Dicke von 10 μηι mit einer Stärke von 2 μπι durch
Zerstäuben abgelagert. Danach wurde der Stahl geätzt und in einen Hohlzustand entfernt, wie durch 53' in
Fig.6B gezeigt, unter Verwendung einer Säure usw. Dann wurde ein Aufbau hergestellt, der demjenigen von
F i g. 5 ähnlich ist. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit vl von S1O2 gleich 6000 m/s ist, ergab der Film von 2 μπι
günstige Ergebnisse als Viertelwellenlängen-Aodeckelement
bei einer Frequenz von 750 MHz.
Selbst für ein biologisches Gewebe, dessen akustische Eigenschaften denjenigen von Wasser sehr ähnlich sind
und das mit Mikroskopen der Reflexionsbauart schwer abzubilden ist, werden, wie im vorhergehenden erläutert
worden ist, gemäß der Erfindung die Wirkungen erzielt, daß erstens äquivalent ein sehr großes Reflexionssignal
und ein reflektiertes Bild mit großen Signal-Rausch-Verhältnis
erzielt werden kann, und daß zweitens der singuläre Punkt eines Reflexionssignals, welcher
durch das Ausbreitungsmedium bestimmt wird, vermieden wird und daß die Verteilung einer Reflexionsintensität
und die Verteilung einer akustischen Impedanz innerhalb der Oberfläche einer Probe einer
1—zu—1 Beziehung entspricht, so daß eine deutliche
Bildanzeige möglich ist. Da das Abdeckelement als Schutzfilm für die Probe dient, ergibt sich außerdem.
35 OO 640
daß die vorliegende Erfindung für Proben wie ι. B.
qiiüllbare Proben günstig ist. welche für einen direkten Kontakt mit Wasser oder einer Salzlösung als Ausbreilungsmedium
ungeeignet sind.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
20
25
30
40
45
50
55
60
65
Claims (6)
1. Akustisches Mikroskop mit einer Wandlereinheit, welche einen Ultraschallstrahl zu einem vorbestimmten
Brennpunkt überträgt und durch die Obertragung verursachte reflektierte Schallwellen erfaßt,
einer Halteeinrichtung zum Halten einer Probe an und nahe dem Brennpunkt und einem flüssigen Ausbreitungsmedium,
welches zwischen der Probe und der Wandlereinheit gehalten wird, wobei die von der
Probe reflektierten Schallwellen erfaßt und als Bilddaten verwendet werden, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Abdeckelement (5), welches eine akustische Impedanz aufweist, die größer als die
akustische Impedanz des Ausbreitungsmediums (70) und der Probe (60) ist, zwischen das Ausbreitungsmedium und die Probe eingefügt ist
2. Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
tfaß die Dicke des Abdeckelementes (5) im wesentlichen einer Vierteiweilenlänge einer verwendeten
Ultraschallwelle entspricht
3. Mikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdeckelement eine Polymerfolie
(52) ist, welche an einem ringförmigen Element (55) angeheftet ist
4. Mikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdeckelement ein anorganischer
Film (54) ist.
5. Mikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, diZ das Abdeckelement ein SiOrFiIm (54)
ist
6. Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ^fis Ausbreitungsmedium
(70) Wasser ist und die akustische Impedanz des Abdeckelernentes mindestens gleich
l,83xl0*MKSist
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