DE3931048A1 - Konisches ultraschallwellen-ablenkelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung aus einem Ultraschallwandler und einem Ultraschallwellen-Ablenkelement für die Ultraschallmi­ kroskopie mit Oberflächenwellen und Lamb-Wellen in einem Objekt und ein Verfahren für die Ultraschallmikroskopie mit einer solchen Anordnung.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Es wurde auch vorgeschlagen, die Formgebung des Ultraschallwand­ lers zur Erzielung der erforderlichen Wellengeometrie heranzuzie­ hen. Ein Ultraschallwandler in Form eines Kegelsektors, dessen Ke­ gelachse senkrecht auf der Objektoberfläche steht, ist aus S. Ayter, Proc. of 1987 IEEE Ultrason. Symp., p. 301-304, bekannt.

Dabei ist ein erhöhter Herstellungsaufwand für den Ultraschall­ wandler erforderlich. Die Größe des Wandlers bestimmt direkt die Weglänge des Ultraschalls im Koppelmedium bis zum Objekt, was we­ gen der Dämpfungseigenschaften problematisch ist.

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

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Anordnung mit möglichst einfachem Aufbau, hoher Bildqualität und guter Kompati­ bilität mit bekannten Ultraschallmikroskopen anzugeben.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit den kennzeichnen­ den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Ausgestaltungen sind Gegen­ stand der Unteransprüche 2 bis 8.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, Verfahren zur effekti­ ven Ultraschallmikroskopie mit einer solchen Anordnung anzugeben.

Die Verfahrensaufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merk­ male des Anspruchs 9 und des Unteransprüchs 10.

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

• - alle Bereiche der Ultraschallwellen haben den gleichen be­ stimmten Winkel, nämlich den Rayleigh-Winkel zur Objektober­ fläche;
• - die Wellenfronten treffen auf einem Kreis bzw. einem Kreissektor auf die Oberfläche;

oder äquivalent

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

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

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

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

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

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

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

Die Erfindung wird mittels der Zeichnung näher erläutert.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Eine solche Ultraschallinse 2 mit konischer Brechungsfläche 21 kann vollständig mit der bekannten Fertigungstechnologie von sphä­ rischen Ultraschallinsen hergestellt werden und an deren Stelle in Ultraschallmikroskope eingesetzt werden. Da konische Flächen ein­ facher als sphärische hergestellt werden können, kann man konische Anordnungen mit Konusdurchmessern bis hinab zu 10 µm herstellen, um hohe Auflösung zu erzielen.

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

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

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

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

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

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

Claims (10)

1. Anordnung aus einem Ultraschallwandler (1) und einem Ultra­ schallwellen-Ablenkelement (2, 7) für die Ultraschallmikroskopie mit Oberflächenwellen und/oder Lamb-Wellen in einem Objekt (4), dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschall­ wellen-Ablenkelement (2, 7) eine konische Ablenkfläche (21) auf­ weist und die Konusachse (6) der Ablenkfläche (21) senkrecht zur Objektoberfläche steht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ultraschallwandler (1) eben ist und die Konusachse (6) der Ablenkfläche (21, 7) dazu senkrecht steht (Fig. 1, 2).

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ultraschallwandler (1) konisch ist und seine Konusachse mit der Konusachse (6) der Ablenkfläche (21) zu­ sammenfällt (Fig. 3).

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkelement eine Linse (2) ist, die objektseitig eine konische Konkavfläche (21) aufweist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die konische Konkavfläche (21) ein Kegel­ stumpf ist und dessen ebene Deckfläche (22) mit einer stark ultra­ schalldämpfenden Schicht belegt ist (Fig. 1).

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkelement ein Reflektor (7) ist, der zum Ultraschallwandler (1) hin eine konische konkave Fläche aufweist und der Ultraschallwandler (1) so geformt und an­ geordnet ist, daß er im wesentlichen die Projektion der konisch konkaven Fläche des Reflektors (7) in die Ebene des Ultraschall­ wandlers abdeckt (Fig. 2).

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

8. Anordnung nach den Ansprüchen 5 und 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die in einem Reflex-Ultraschallmi­ kroskop zugleich als Sender und Empfänger dient.

9. Verfahren zur Ultraschallmikroskopie mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Frequenz der Ultraschallwellen so einge­ stellt wird, daß das Bildsignal maximal wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anwendung an einem Objekt (4) mit Schichtstruktur (41, 42) erfolgt und Lamb-Wellen in einer Ober­ flächenschicht (41) angeregt werden.