DE69117141T2

DE69117141T2 - Gerät zum Bestimmen einer Ultraschallgeschwindigkeit mittels einer V(z)-Messung sowie Ultraschallmikroskop unter Verwendung dieses Geräts

Info

Publication number: DE69117141T2
Application number: DE69117141T
Authority: DE
Inventors: Noriyoshi Chubachi; Hiroshi Kanai
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-11-25
Filing date: 1991-11-22
Publication date: 1996-09-19
Anticipated expiration: 2011-11-23
Also published as: JP2860843B2; US5349862A; EP0488084B1; EP0488084A2; JPH0518942A; EP0488084A3; DE69117141D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Ultraschallgeschwindigkeit hinsichtlich einer V(z)- Kennlinie sowie ein Ultraschallmikroskop, bei dem diese Vorrichtung verwendet wird. Genauer gesagt betrifft diese Erfindung ein Ultraschallmikroskop eines Typs, bei dem eine sogenannte "V(z)-Kennlinie" verwendet wird, um die Geschwindigkeit einer streuenden elastischen Oberflächenwelle einer zu untersuchenden Probe zu bestimmen, und das dafür ausgelegt ist, eine höhere Auflösung zu erreichen, indem der Wert einer Relativbewegung der Probe in Z-Richtung (der zur Höhenrichtung des Mikroskops parallelen Achse) soweit verringert wird, daß er eine Periode der V(z)-Kennlinie unterschreitet. Der hier verwendete Begriff "V(z)-Kennlinie" bezeichnet die periodische Kennlinie der Intensität des Signalempfangs einer durch die Interferenz zwischen zwei Komponenten eines Ultraschallstrahls, der durch eine akustische Sonde fokussiert wurde und der auf die Probe einwirkt, also der aus einem Gebiet in der Nähe der Z-Achse reflektierten Welle und der von der Probe rückgestrahlten streuenden elastischen Oberflächenwelle erzeugten Welle. Die rückgestrahlte streuende elastische Oberflächenwelle wird durch Anregen mit der Komponente des konvergenten Ultraschallstrahls erhalten, die unter einem Winkel in der Nähe des kritischen Rayleigh-Winkels auf die Probe einwirkt, und die V(z)-Kennlinie wird durch Ausführen einer Relativbewegung der Probe in einer Richtung (-Z- Richtung) gewonnen, in der sich die Probe der akustischen Sonde nähert, wobei der Ursprung der Brennpunkt des einfallenden Ultraschallstrahls ist.
Fig. 7 ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Teils der akustischen Sonde eines Ultraschallmikroskops. Die mit 17 bezeichnete akustische Sonde ist an der Z-Abtastachse (Höhenachse) der Meßeinrichtung des Mikroskops befestigt, und besteht gewöhnlich aus einem Wandler (dünner piezoelektrischer Film) und einer Linse. Der Wandler wird in konstanten Zeitintervallen auf Impulsstoßsignale aus dem Meßteil reagierend intermittierend angesteuert, wobei Impulsstoßwellen (Ultraschallwellen) in Richtung der Oberfläche einer zu untersuchenden Probe 11 ausgesendet werden.
Von den ausgesendeten Impulsstoßwellen wird diejenige, die sich entlang des Weges G - A - B fortbewegt und unter dem kritischen Winkel (θLsaw) auf die Oberfläche der Probe 11 fällt, zu einer streuenden elastischen Oberflächenwelle umgewandelt, die eine Welle unter dem kritischen Rayleigh-Winkel rückstrahlt, wenn sie sich vom Einfallspunkt B durch die Oberfläche der Probe 11 ausbreitet, und diejenige, die am Punkt C auf der Oberfläche der Probe rückgestrahlt wird, wird in Richtung des Punktes D der akustischen Sonde 17 ausgesendet. Die ausgesendete Welle folgt dem Rückweg, der zum Weg G in der Sonde parallel ist, entlang dem sich die einfallende Impulsstoßwelle bewegt hat und kehrt daraufhin zum anderen Ende der piezoelektrischen Vorrichtung zurück. Wenngleich in Fig. 7 nur dargestellt ist, daß sich eine Schallwelle entlang des Weges G - A - B - C -D - H ausbreitet, gilt die vorausgehend gegebene Erklärung für alle Schallwellen, die sich entlang der Wege an den durch Drehen des Weges G - A - B - C - D - H um die Achse der Sonde ergebenden Positionen bewegen. Das durch Empfangen dieser Wellen erhaltene Signal entspricht der rückgestrahlten Komponente der vorausgehend erwähnten streuenden elastischen Oberflächenwelle. Abgesehen von dieser Welle bewegt sich eine von der Sonde 17 abgestrahlte Impulsstoßwelle 24 in einer zur Oberfläche der Probe 11 senkrechten Richtung entlang des Weges E - F - E und kehrt zur piezoelektrischen Vorrichtung zurück. Dies ist die von einem Gebiet in der Nähe der Z-Achse reflektierte Welle, die ebenfalls vorausgehend erwähnt wurde. Diese beiden Wellenkomponenten weisen eine Phasendifferenz auf, die auf der Differenz zwischen ihren Weglängen beruht. Hierdurch interferieren die beiden Wellenkomponenten miteinander, und das Interferenzsignal wird von der Sonde 17 empfangen. In Fig. 7 ist ein ein Schallfeld erzeugendes flüssiges Medium mit W bezeichnet.
Wenn die dem Weg E - F entsprechende Entfernung geändert wird, ändert sich entsprechend die Phasendifferenz zwischen den beiden Impulsstoßwellen 23 und 24 infolge der Differenz zwischen ihren Weglängen, wodurch Interferenzänderungen des empfangenen Signals erzeugt werden und sich die in Fig. 8 dargestellte sog. "V(z)-Kennlinie" ergibt. Die Geschwindigkeit der sich zwischen den Punkten B und C durch die Oberfläche der Probe bewegenden streuenden elastischen Oberflächenwelle kann aus der Periode Δz der Vertiefungen der Kennlinie berechnet werden (die Periode der Vertiefungen wird nachfolgend einfach als "Periode" bezeichnet), wodurch die Oberfläche der Probe untersucht werden kann. Einzelheiten dieser Technik sind bereits durch Offenbarung in zahlreichen Veröffentlichungen einschließlich der folgenden bekannt: Weglein, Applied Physics Letters, 34(3), S. 179 - 181, 1. Februar 1979.
Es ist aus der in Fig. 8 dargestellten V(z)-Kennlinie klar ersichtlich, daß es zum richtigen Bestimmen der Periode Δz in der Praxis erforderlich ist, die Intensität der Interferenzwelle angesichts von Rauschen und der Genauigkeit von Messungen über mehrere Perioden zu messen. Unter diesen Umständen muß die Probe 11 um den für die Messung erforderlichen Wert bezüglich der akustischen Sonde 17 in -Z-Richtung bewegt werden. Hinsichtlich dieser Bewegung tritt jedoch ein ernsthaftes Problem auf: Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, wird das Maß der Bewegung in Z-Richtung um so größer, je größer die Länge des Weges B - C wird.
Das Erhöhen der Länge des Weges B - C zum Gewinnen des richtigen Wertes der Periode Δz bedeutet das Aufnehmen von Daten für den Fall, in dem der Durchmesser des konvergenten Strahls vergrößert ist. Die Geschwindigkeit der aus diesen Daten berechneten streuenden elastischen Oberflächenwelle entspricht der vergrößerten Länge des Weges B - C. Die Auflösung von Daten hinsichtlich solcher Parämeter, wie der Art und der Kristalistruktur des interessierenden Materials, die in einer Weise erhalten wurden, die von der Geschwindigkeit der streuenden elastischen Oberflächenwelle und der Auflösung des in einer von der Geschwindigkeit derselben streuenden elastischen Oberflächenwelle abhängigen Art dargestellten Bildes abhängt, ist durch die Länge des Weges B - C begrenzt, weshalb die Werte dieser Auflösungen nicht ausreichend hoch gemacht werden können, falls die Länge des Weges B - C nicht verringert wird.
Zum Verbessern der Auflösung bei Strukturuntersuchungen von Materialien oder der von Ultraschallbildern kann man entweder das Erhöhen der Länge des Weges B - C vermeiden oder den zurückgelegten Weg in Z-Richtung begrenzen. Das erste Verfahren ist jedoch hinsichtlich des kritischen Winkels begrenzt, und der Bereich von Materialien, die untersucht werden können, ist daher eingeschränkt, während beim zweiten Verfahren, bei dem die V(z)-Kennlinie zum Messen der Periode Δz verwendet wird, in der Hinsicht eine theoretische Schwierigkeit auftritt, daß der zurückgelegte Weg geringfügig größer sein muß als der zum Bestimmen einer Periode von Δz erforderliche Wert, daß er jedoch nicht kürzer gemacht werden kann als die entsprechende Länge des Weges B - C.
Ein Beispiel eines gemäß den vorausgehend erklärten Grundsätzen arbeitenden Ultraschallmikroskops ist in EP-A-0 121 890 offenbart.
Ein weiteres Ultraschallmikroskop, in dem die Phasenbeziehung zwischen der reflektierten Wellenkomponente in der Nähe der Mittelachse der akustischen Sonde und die streuende elastische Oberflächenwellenkomponente gemessen werden, ist in Rev. Sci. Instrum. 57 (3), März 1986, S. 446 - 452, offenbart. Beide Komponenten werden von einem einzigen akustischen Wandler empfangen. Sie bestehen aus kurzen Impulsen und werden durch ihre unterschiedlichen Ankunftszeiten unterschieden. Die unterschiedlichen Ankunftszeiten machen es jedoch schwierig, die Phasenbeziehung zwischen den beiden Komponenten zu bestimmen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit eines Ultraschalls mittels einer V(z)-Messung zu schaffen, die eine hochauflösende Strukturuntersuchung einer Probe ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Wie in Anspruch 9 ausgeführt ist, liegt eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Ultraschallmikroskop.
Die Ultraschallgeschwindigkeits-Meßvorrichtung gemäß eine Ausführung der vorliegenden Erfindung, die auf der V(z)- Kennlinie beruht, ist durch folgendes gekennzeichnet: Die zu messende oder untersuchende Probe wird bezüglich einer fokussierenden akustischen Sonde von deren Brennpunkt zu einem Defokussierpunkt bewegt, der sich näher an der Sonde befindet; die Intensität eines ersten Empfangssignals im Randbereich des Wandlers der akustischen Sonde, die von dieser in Abhängigkeit von der Relativbewegung der Probe erhalten wird, die Phasendifferenz zwischen dem ersten Empfangssignal und dem Signal zum Ansteuern der akustischen Sonde oder dem entsprechenden Bezugssignal, die Intensität eines zweiten Empfangssignals im Mittelbereich des Wandlers der akustischen Sonde, die von dieser in Abhängigkeit yon der erwähnten Relativbewegung der Probe erhalten wird, sowie die Phasendifferenz zwischen dem zweiten Empfangssignal und dem Signal zum Ansteuern der akustischen Sonde oder dem entsprechenden Bezugssignal unterliegen mehr als einem Abtasten bei Zeitabständen, die Positionen in Defokussierrichtung entsprechen; Daten hinsichtlich der Intensität und der Phasendifferenz der mehreren ersten Empfangssignale, die durch den Abtastschritt erhalten werden, sowie Daten hinsichtlich der Intensität und der Phasendifferenz der mehreren zweiten Empfangssignale, die durch den Abtastschritt erhalten werden, werden als Daten für Vektorfunktionen bezüglich der Position in Defokussierrichtung der Interferenzwelle zwischen der streuenden elastischen Oberflächenwellenkomponente und der reflektierten Wellenkomponente in der Nähe der Mittelachse der akustischen Sonde erhalten, um die Geschwindigkeit der streuenden elastischen Oberflächenwellenkomponente zu berechnen.
Durch Detektieren nicht nur der Intensität, sondern auch der Phasendifferenz eines jeden der Empfangssignale für die streuende elastische Oberflächenwellenkomponente und die reflektierte Wellenkomponente aus dem Mittelbereich der akustischen Sonde als Funktionen der Position in Z-Richtung können Daten für Vektorfunktionen der streuenden elastischen Oberflächenwellenkomponente bezüglich der Position in Defokussierrichtung berechnet werden, so daß die Schallgeschwindigkeit der die Oberfläche des interessierenden Probenmaterials überstreichenden elastischen Welle bestimmt werden.
Daher kann die Geschwindigkeit der elastischen Oberflächenwelle gemäß der vorliegenden Erfindung gemessen werden, indem lediglich Intensitäts- und Phasendifferenzdaten an mehreren Positionen über den zurückgelegten Weg in Z-Richtung abgetastet werden, und der erforderliche Wert der Bewegung in dieser Richtung kann kleiner sein als eine Periode von Δz.
Infolgedessen kann der Weg der die Oberfläche der Probe überstreichenden streuenden elastischen Welle ausreichend verringert werden, um die Auflösung der Strukturuntersuchung oder des Abbildens zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Ultraschallgeschwindigkeits-Meßvorrichtung oder ein Ultraschallmikroskop, die auf der V(z)-Kennlinie beruhen und bei denen die Probe beim Messen der Schallgeschwindigkeit der die Oberfläche der Probe überstreichenden streuenden elastischen Welle in Z-Richtung über eine kürzere Entfernung bewegt werden muß.
Mit der vorliegenden Erfindung kann der Abschwächungsfaktor der Probe in richtigerer Weise berechnet werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Ultraschallmikroskops, bei dem eine Ultraschallgeschwindigkeits-Meßvorrichtung verwendet wird, die auf der V(z)-Kennlinie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beruht;
in Fig. 2 ist die akustische Sonde eines Ultraschallmikroskops bei Betrachtung von der Spitze aus sowie in einem Querschnitt dargestellt;
in Fig. 3 ist eine Reihe von Diagrammen dargestellt, in denen die Phasenwinkelbeziehungen der Vektorfunktionen der Interferenzwelle zwischen der streuenden elastischen Oberflächenwellenkomponente, die die Oberfläche einer Probe überstreicht, und der reflektierten Wellenkomponente in einem Gebiet in der Nähe der Mittelachse der akustischen Sonde dargestellt sind.
In Fig. 4 ist ein Flußdiagramm dargestellt, in dem der Verfahrensablauf zum Berechnen der Schallgeschwindigkeit mit dem Ultraschallmikroskop dargestellt ist;
Fig. 5 ist ein Diagramm, in dem die Beziehung zwischen der Relativbewegung der Probe in Z-Richtung während der Messung und der Position der akustischen Sonde dargestellt ist;
in Fig. 6 ist eine für die Strukturuntersuchung einer Probe geeignete akustische Sonde bei Betrachtung von der Spitze aus sowie in einem Querschnitt dargestellt;
Fig. 7 ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung des Teils der akustischen Sonde eines herkömmlichen Ultraschallmikroskops; und
Fig. 8 ist ein Diagramm, in dem eine typische V(z)-Kennlinie dargestellt ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Ultraschallmikroskops, bei dem eine Vorrichtung zur Messung einer Ultraschallgeschwindigkeit verwendet wird, die auf der V(z)-Kennlinie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beruht. Das allgemein mit 20 bezeichnete Ultraschallmikroskop enthält eine Sendeschaltung 1, die Signale in Form von Impulsstoßwellen (im folgenden als "Impulsstoßsignale" bezeichnet) erzeugt. Die Sendeschaltung 1 überträgt zwei Impulsstoßsignale mit identischer Kurvenform über Schaltungen 2 und 3, die wahlweise zwischen einer Signalübertragungs- Betriebsart und einer Empfangsbetriebsart umschalten, zu einer akustischen Sonde 8.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, weist die akustische Sonde 8 einen Wandler auf, der in zwei Abschnitte geteilt ist, deren einer entlang der Mittelachse angeordnet ist und deren anderer außerhalb von diesem am Rand angeordnet ist. Die beiden Wandler 8a (in der Mitte angeordneter piezoelektrischer Film) und 8b (am Rand angeordneter piezoelektrischer Film) der Sonde 8 werden gleichzeitig mit Impulsstoßsignalen gleicher Phase und Amplitude versorgt und infolge dieser Signale gleichzeitig angesteuert. Die sich ergebende Ultraschall- Impulsstoßwelle wird auf die Oberfläche einer auf einem mit einer Höhenverstellmöglichkeit versehenen Tisch 10 angebrachten Probe 11 einwirken gelassen. Der Wandler 8a ist so angeordnet, daß seine Mitte im wesentlichen auf die Mittelachse (z-Achse) der akustischen Sonde 8 ausgerichtet ist, während der ringförmige Wandler 8b den Wandler 8a bei einem gegebenen zugelassenen Abstand umgibt. Mit 8c ist eine akustische Linse bezeichnet, die auf einer ihrer Flächen mit den Wandlern 8a und 8b versehen ist.
Das mittels des Wandlers 8a in ein elektrisches Signal umgewandelte Empfangssignal ist die Interferenzwelle zwischen der streuenden elastischen Oberflächenwellenkomponente und der reflektierten Wellenkomponente aus einem Gebiet in der Nähe der Mittelachse der akustischen Sonde 8. Dieses Empfangssignal setzt sich hauptsächlich aus der zweiten Komponente zusammen und wird über den Schalterkreis 2 zu einer Signalempfangsschaltung 4 (s. Fig. 1) übertragen. Das mittels des Wandlers 8b in ein elektrisches Signal umgewandelte Empfangssignal ist weiterhin die Interferenzwelle zwischen der streuenden elastischen Oberflächenwellenkomponente und der reflektierten Wellenkomponente aus einem Gebiet in der Nähe der Mittelachse der akustischen Sonde 8, abgesehen davon, daß es im wesentlichen aus der ersten Komponente zusammengesetzt ist. Dieses Empfangssignal wird über den Schalterkreis 3 zu einer Signalempfangsschaltung 5 übertragen.
Die Signalempfangsschaltungen 4 und 5 sind Hochfrequenz- Verstärkerschaltungen, die den gleichen Aufbau aufweisen wie Schaltungen, die ein Eingangssignal auf einen vorgewählten Pegel verstärken. Das Ausgangssignal der Empfangsschaltung 4 wird zu einer Wellendetektorschaltung 12a und einem Eingang einer Phasenvergleicherschaltung 13a übertragen. Das Ausgangssignal der Empfangsschaltung 5 wird zu einer Wellendetektorschaltung 12b und einem Eingang einer Phasenvergleicherschaltung 13b übertragen. Die Wellendetektorschaltungen 12a und 12b erfassen die Einhüllenden der jeweiligen Eingangssignale, und das Ausgangssignal eines jeden Detektors wird zu einer A/D-Wandlerschaltung (A/D) 14 übertragen. Im Ergebnis wird der Absolutwert der Amplitude eines jeden der empfangenen Signale von der A/D 14 synchron mit dem Abtasten für die A/D-Umwandlung als digitaler Wert erzeugt. Die Ausgangssignale der Detektorschaltungen 12a und 12b werden weiterhin zu einem Oszilloskop 16 übertragen, um das Beobachten der Kurvenformen der empfangenen Signale zu ermöglichen.
Eine jede der Phasenvergleicherschaltungen 13a und 13b wird am anderen Eingang mit einem Impulsstoßsignal von der Sendeschaltung 1 versorgt, das als Bezugssignal für einen Vergleich dient. Die Vergleicherschaltung 13a (oder 13b) vergleicht die Phase des Ausgangssignals der Empfangsschaltung 4 (oder 5) mit der des Impulsstoßsignals, das während des Ansteuerns der akustischen Sonde 8 erzeugt wird, und das sich ergebende Phasendifferenzsignal eines jeden Vergleichers wird zur A/D 14 übertragen.
Folglich werden die durch die Wandler 8a und 8b empfangenen Amplituden der jeweiligen Signalwellen bei der Interferenz sowie ihre Phasendifferenzen gegenüber dem Impulsstoßsignal gleichzeitig synchron mit dem Abtasten für die A/D Umwandlung durch die A/D 14 als digitale Werte erfaßt.
Die zeitliche Synchronisierung des Abtastens für die A/D- Umwandlung wird durch eine Bildverarbeitungseinheit 6 gesteuert. Die durch die A/D 14 umgewandelten Daten werden nacheinander zum Speichern zu einer Meßdaten-Speicheranordnung 15 übertragen. Wenn die akustische Sonde 8 die Probe 11 in der X-Y-Ebene abtastet, werden die Adressen in der Datenspeichereinrichtung 15 bei jedem Abtasten zur A/D-Umwandlung aktualisiert, so daß den jeweiligen Meßpunkten entsprechende Daten nacheinander an den zugehörigen Adressen abgespeichert werden, wenn das Abtasten der Ebene durchgeführt wird. Die Meßdaten-Speichereinrichtung 15 weist n Datenspeicher 15a, 15b, ..., 15n auf (wobei n eine ganze Zahl ist, die 2 beträgt oder größer ist). Ein jeder Datenspeicher entspricht einem einzigen Abtasten in der X-Y-Ebene, und die Meßdaten werden in ihm gespeichert. In Reaktion auf das Aktualisieren der z-Koordinate, die ein Meßpunkt in Z-Richtung darstellt, wird ein anderer dieser Datenspeicher ausgewählt und entsprechend aktualisiert. Von den in der Meßdaten-Speichereinrichtung 15 gespeicherten Daten werden die zum Berechnen erforderlichen von einem MPU (Mikroprozessor) 61 gekennzeichneten in die Bildverarbeitungseinheit 6 eingelesen und nacheinander in vorgewählten Bereichen eines Speichers 62 gespeichert.
An dieser Stelle sei angenommen, daß die Sonde 8 in -Z- Richtung in eine defokussierte Position gebracht ist. Wenn die Ausgaben der A/D 14, also der Absolutwert der Amplitude und die Phasendifferenz eines elektrischen Signals des Wandlers 8a, an mehreren Punkten für die Z-Koordinate abgetastet werden, wird mehr als ein Paar zweier Parameter, also des Absolutwerts der Amplitude eines elektrischen Signals des Wandlers 8a, und der diesem Absolutwert entsprechenden Phasendifferenz erhalten. Die Werte dieser Paare werden durch eine bestimmte Vektorfunktion ausgedrückt, die an dieser Stelle durch einen Vektor Va(z) bezeichnet ist. In ähnlicher Weise kann mehr als ein Paar zweier Parameter für ein durch Umwandlung im Wandler 8b erhaltenes elektrisches Signal erhalten werden, nämlich der Absolutwert der Amplitude dieses elektrischen Signals und die diesem Absolutwert entsprechende Phasendifferenz, und die Werte dieser Paare werden ebenfalls durch eine bestimmte Vektorfunktion ausgedrückt, die an dieser Stelle durch einen Vektor Vb(z) bezeichnet ist. Weiterhin sei angenommen, daß die Vektorfunktionen der streuenden elastischen Oberflächenkomponente und die reflektierte Wellenkomponente aus einem Gebiet in der Nähe der Mittelachse der akustischen Sonde durch einen Vektor VI(z) bzw. einen Vektor VL(z) bezeichnet sind. Da jeder der Vektoren Va(z) und Vb(z) die Welle der Interferenz zwischen den zugehörigen Vektoren VL(z) und VI(z) ist, gelten die folgenden Beziehungen:
Vektor Va(z) = CLa Vektor VL(z) + CIa Vektor VI(z)
Vektor Vb(z) = CLb Vektor VL(z) + CIb Vektor VI(z)..(1),
wobei die Konstanten CLa, CLb, CIa und CIb jeweils komplexe Zahlen sind (also komplexe Konstanten) und z die Z-Koordinate ist (die Koordinate in Höhenrichtung), wobei der Brennpunkt den Ursprung bezeichnet. Wenn die Verschiebung in Z-Richtung gering ist, sind die vier komplexen Konstanten praktisch unabhängig vom Wert von z.
Die Phasen und Amplituden der Vektoren VL(z) und VI(z) können folgendermaßen auf der Grundlage einer geometrischen Untersuchung der in Fig. 7 eingezeichneten Ausbreitungswege ausgedrückt werden:
< Vektor VL(z) = 2kw z+< CL ... (2)
"Vektor VI(z) = 2(kw/cos θLsaw -kLsaw tan θLsaw)z+< CI
= 2kw z cos θLsaw+< CI ... (3)
Vektor VL(z) = CL exp (-2αw z) ... (4)
Vektor VI(z) = CI exp (-2γz tan θLsaw -2αw z/cos θLsaw) ... (5),
wobei kw die Anzahl der Wellen pro Längeneinheit des das Schallfeld erzeugenden flüssigen Mediums W ist; kLsaw die Anzahl der streuenden elastischen Wellen pro Längeneinheit ist, θLsaw der kritische Winkel der streuenden elastischen Welle an der Grenzfläche zwischen dem flüssigen Medium W und der Probe 11 ist; αw die Abschwächungskonstante des flüssigen Mediums ist; γ die Abschwächungskonstante der streuenden elastischen Welle ist; CL eine komplexe Konstante ist, die die Amplitude einer jeweiligen Komponente an der Position z = 0 bezeichnet (Brennpunkt Zo); und CI eine komplexe Konstante ist, die die Phase derselben Komponente an der Position z = 0 bezeichnet. Zur Entwicklung von Gl. (3) wird das Snellsche Gesetz, also kLsaw/sin θLsaw = kw verwendet.
Auf diese Weise ergibt sich durch Anwenden der Gln. (2) -(5) auf die Vektoren VL(z) und VI(z) auf der rechten Seite der Gl. (1):
Vektor VL(z) = CL ZL-z ... (6)
Vektor VI(z) = CI ZI-z ... (7),
wobei
ZL = exp {-2(-αw+jkw)}
ZI = exp [{-2(γ-jkLsaw) tan θLsaw + (-αw+jkLsaw)/cos θLsaw}].
Durch Einsetzen der Gln. (6) und (7) in Gl. (1) erhält man:
Vektor Va(z) = CLa' ZL-z+ CIa' ZI-z
Vektor Vb(z) = CLb' ZL-z+ CIb' ZI-z ... (8),
wobei CLa'=CLa CL, CLb'=CLb CL, CIa'=CIa CI, CIb'=CIb CI.
Die komplexen Konstanten CLa', CLb', CIa' und CIb' in Gl.
(8) können durch mehrfaches Lösen linearer Gleichungen bestimmt werden, indem beispielsweise das Verfahren von Prony (s. J. D. Markel u. a., übersetzt von H. Suzuki) auf die Werte der Vektoren Va(zi) und Vb(zi) angewendet wird, wobei zi den Koordinatenwert in Z-Richtung von N Meßpunkten innerhalb des Defokussierbereichs mit der Periode Δz darstellt (wobei i = 1,2, ..., N ist und N eine ganze Zahl ist, die 2 oder größer sein kann).
Die auf diese Weise bestimmten komplexen Konstanten CLa', CLb', CIa' und CIb' werden in einem Parameter-Speicherbereich 62e des nachfolgend beschriebenen Speichers 62 gespeichert.
Im nächsten Schritt werden die Vektoren VL(z) und VI(z) aus den Parametern CLa', CLb', CIa' und CIb' aus dem folgenden Gleichungssatz bestimmt:
CL' Vektor VL(z) = CIb' Vektor Va(z) - CIa' Vektor Vb(z)
CI' Vektor VI(z) = -CLb' Vektor Va(z) + CLa' Vektor Vb(z) ... (9),
wobei
CL' = CLa CIb' -CLb CIa'
CI' = CLa' CIb -CLb' CIa.
Durch Verwendung von Gl. (9) können die Vektoren VL(z) und VI(z) aus den gemessenen Vektoren Va(z) und Vb(z) berechnet werden. Zu diesem Zweck werden verschiedene Programme im Speicher 62 in der Bildverarbeitungseinheit 6 gespeichert. Zum Berechnen der Vektoren VL(z) und VI(z) aus den Vektoren Va(z) und Vb(z) können zweckmäßigerweise Vektortransformationen nach der Methode der kleinsten Quadrate verwendet werden.
Es erübrigt sich zu bemerken, daß bei diesen Vektoroperationen ein Rauschen und andere unerwünschte Erscheinungen durch Anwenden der Fourier-Transformation auf die jeweiligen Meßdaten ausgeschaltet werden können, bevor auf diese Daten mathematische Operationen angewendet werden.
Die Bildverarbeitungseinheit 6 enthält den Mikroprozessor (MPU) 61, den Speicher 62, ein Bedienpult 63, eine Anzeige 64, eine Schnittstelle 65 usw., die durch Busse 66 verbunden sind. Die digitalen Werte der Meßdaten aus der A/D 14 werden über die Schnittstelle 65 zur Bildverarbeitungseinheit 6 übertragen und im Speicher 62 gespeichert. Die Probe 11 wird daraufhin durch die akustische Sonde 8 in Z-Richtung abgetastet, und die Amplituden der Vektoren Va(z) und Vb(z) sowie die zuhörigen Phasendifferenzen werden für jeden Meßpunkt (zi) bestimmt. Genauer gesagt werden die Amplituden der jeweiligen erfaßten Empfangssignale und die zugehörigen Phasendifferenzen, die Daten für die jeweiligen Vektoren Va(z) und Vb(z) liefern, von der A/D 14 über die Meßdaten-Speichereinrichtung 15 zum MPU 61 übertragen, und diese Daten werden nacheinander für die verschiedenen Meßpunkte im Speicher 62 gespeichert. In diesem Fall kann der Bereich der aufzunehmenden Meßpunkte zi kleiner sein als die zum Bestimmen einer Periode Δz erforderliche durchlaufene Entfernung.
Der Speicher 62 enthält ein Initialisierungs-/Z-Abtastprogramm 62a, ein Vektorfunktions-Berechnungsprogramm 62b, ein Phasenwinkeländerungs-Berechnungsprogramm 62c, ein Schallgeschwindigkeits-Berechnungsprogramm 62d, ein Anzeige- Verarbeitungsprogramm usw. sowie den Parameterspeicherbereich 62e, in dem nicht nur die Daten für die Schrittweite der Messungen in Z-Richtung für das Z-Abtasten (d. h. das Abtasten in Richtung der Sondenhöhe), sondern auch verschiedene Parameter einschließlich der vorausgehend beschriebenen komplexen Konstanten CLa', CLb', CIa' und CIb' gespeichert sind.
Das Initialisierungs-/Z-Abtastprogramm 62a wird vom MPU 61 ausgeführt, der daraufhin den zum Bestimmen der Ausgangsposition der akustischen Sonde 8 nötigen Arbeitsschritt aus führt. Bei diesem Arbeitsschritt werden die vom Bedienpult 63 eingegebenen relativen Positionen der akustischen Sonde 8 und der Probe 11 als Bezugswerte verwendet, um die Z-Koordinate der akustischen Sonde 8 (s. Höhe Zo in Fig. 5) so zu berechnen, daß der Fokus direkt unterhalb der Oberfläche der Probe 11 liegt, und die akustische Sonde 8 wird dementsprechend so positioniert, daß sie sich an der berechneten Höhe Zo befindet. Diese Position dient als Ausgangsposition für das routinemäßige Z-Abtasten. In der Praxis wird ein genaueres Fokussieren dieser Ausgangsposition (des Ursprungs) nachfolgend durch Positionierungsverfahren erreicht, die durch Eingeben über eine Tastatur (s. unten) ausgelöst werden, und die Position wird auf diese Weise fein eingestellt, um die Endposition festzulegen. Weiterhin wird ein Abtaster 9 gesteuert, indem dem MPU 61 ermöglicht wird, das Programm zum Durchführen des Abtastens in der X-Y-Ebene auszuführen. Wenn das Abtasten in der X-Y-Ebene beendet ist, wird das zugehörige Programm ausgeführt, um das Abtasten für nachfolgende Bewegungen um eine Schrittweite in Z-Richtung durchzuführen. Während der Zeitdauer dieses Abtastvorgangs wird ein Vorschub in gleichen Schrittweiten ausgeführt.
Das Vektorfunktions-Berechnungsprogramm 62b hat die Eigenschaft, daß die Werte der Vektoren Va(z) und Vb(z) in der Meßdateneinrichtung 15 (diese Werte sind die von der A/D 14 für unterschiedliche zi erhaltenen Amplituden und Phasendifferenzen) und die komplexen Konstanten CLa', CLb', CIa' und CIb', die im Parameterspeicherbereich 62e gespeichert sind, angesprochen werden, um die Werte (d. h. die Beträge und Phasendifferenzen) der Vektoren VI(z) und VL(z) gemäß den Gln. (1) - (9) für die jeweiligen Meßpunkte beim Abtasten in der X-Y-Ebene im Zusammenhang mit den jeweiligen Werten von zi zu berechnen, und die so berechneten Werte werden in vorgewählten Bereichen des Speichers 62 gespeichert.
Das Phasenwinkeländerungs-Berechnungsprogramm 62c berechnet den Wert der Änderung des Phasenwinkels ξ durch die folgende Gleichung, wobei auf die Daten des Wertes (d. h. die Phase) des Vektors VI(z) für zi im Speicher 62 Bezug genommen wird:
ξ = δ< Vektor VI(z)/δz ... (10).
Das berechnete ξ wird im Parameterspeicherbereich 62e gespeichert.
Die Beziehung des Phasenwinkels < Vektor VI(z) zur z-Koordinate ist in Fig. 3(a) dargestellt.
Das Schallgeschwindigkeits-Berechnungsprogramm 62d berechnet die Ausbreitungsgeschwindigkeit der streuenden elastischen Oberflächenwelle (vLsaw) mittels des folgenden Verfahrens, wobei auf das im Parameterspeicherbereich 62e gespeicherte ξ Bezug genommen wird. Zunächst wird der Wert der Änderung des Phasenwinkels ξ ausgedrückt durch: ξ = 2kw cos θLsaw. Angesichts des Snellschen Gesetzes an der Grenzfläche zwischen dem das Schallfeld erzeugenden flüssigen Medium und der zu untersuchenden Probe gilt die folgende Gleichung:
vLsaw = vw/sin θLsaw.
Wenn die Frequenz der auf die akustische Sonde 8 einwirkenden Eingangs-Impulsstoßwelle mit f bezeichnet wird, gilt die folgende Gleichung:
kw = 2πf/vw.
Unter Berücksichtigung dieser Gleichung gilt die folgende Gleichung:
vLsaw = vw/[1-(ξvw/4πf)²]½ ...(11),
woraus sich die Schallgeschwindigkeit vLsaw ergibt.
Unter den vorausgehend beschriebenen Umständen wird das Abtasten in der X-Y-Ebene zuerst für verschiedene Werte der Z-Koordinate (zi) durchgeführt, die jeweiligen Meßpunkten entsprechen, woraufhin Daten hinsichtlich der Amplituden und Phasendifferenzen der Vektoren Va(z) und Vb(z) in der Meßdaten-Speichereinrichtung 15 für die jeweiligen Meßpunkte in der X-Y-Ebene gewonnen werden. Nachfolgend werden die Werte der Z-Koordinate (zi) aktualisiert, und es werden ähnliche Daten an mehr als einem Meßpunkt für die Z-Koordinate erhalten, die daraufhin in der Meßdaten-Speichereinrichtung 15 gespeichert werden. Wenn man sich auf die in der Speichereinrichtung 15 gespeicherten Daten bezieht, kann die Geschwindigkeit vlsaw durch die Gln. (1) - (11) aus den jeweiligen Werten von zi berechnet werden, die den verschiedenen Meßpunkten beim Abtasten in der X-Y-Ebene entsprechen.
Entsprechend der so berechneten Geschwindigkeit der streuenden elastischen Oberflächenwelle vLsaw werden für jeden Meßpunkt in der X-Y-Ebene Anzeigedaten entsprechend der nachfolgend in den Bildspeicher in der Anzeige 64 übertragenen X-Y-Abtastposition nd durch das Anzeigeverarbeitungsprogramm erzeugt. Als Folge dieser Vorgänge kann das Bild der untersuchten Oberfläche auf dem Bildschirm der Anzeige 64 dargestellt werden. In dem nachfolgend beschriebenen Fall wird die Schrittweite der beim Abtasten in der X-Y-Ebene durchgeführten Messungen so gewählt, daß sie einen Wert annimmt, der eine Auflösung bietet, die der Geschwindigkeit der streuenden elastischen Oberflächenwelle vLsaw entspricht.
Der kritische Winkel θLsaw, den die streuende elastische Oberflächenwelle der akustischen Sonde 8 mit der Probe 11 bildet, kann abhängig von der Situation groß oder klein sein. Wenn er sehr klein ist, kann sich die zu messende Phasendifferenz infolge einer kleinen Änderung des Wertes von zi oder der Koordinate in Z-Richtung beträchtlich ändern, wodurch es unmöglich wird, Gl. (10) unverändert anzuwenden.
In diesem Fall können die in Fig. 3(a) dargestellten Änderungen durch die in Fig. 3(b) skizzierte Beziehung ausgedrückt werden. Wenn der Abstand zweier Werte von z, die für eine Änderung des Phasenwinkels um 2π erforderlich sind, als Δz' bezeichnet wird, gilt die folgende Gleichung:
-2kw cos θLsaw Δz' = 2π
Δz' = π/kw cos θLsaw.
Auf diese Weise wird Gl. (10) nicht verwendet, wenn θLsaw klein ist, und statt dessen kann die Schallgeschwindigkeit bequem aus der Änderung von z nach dem Subtrahieren des Vektors VL(z) vom Vektor VI(z) bestimmt werden. Genauer gesagt kann der Wert der Änderung des aus Gl. (10) bestimmten Phasenwinkels ξ&sub1; unter Berücksichtigung von Δz = π/(1 - cos θ Lsaw)kw ausgedrückt werden durch:
ξ&sub1; = δ(< Vektor VI(z) - Vektor VL(z))/δz ... (12)
und folglich beträgt die Schallgeschwindigkeit vLsaw:
vLsaw = vw/[1-(1-ξ&sub1;vw/4πf)²]½ ... (13)
Der zurückgelegte Weg in Z-Richtung für eine Änderung des Phasenwinkels um 2π kann daher, wie in Fig. 3(c) dargestellt, vergrößert werden.
Die Verwendung dieses Änderungswertes ξ1 des Phasenwinkels ist in dem Fall besonders wirksam, in dem ein kleiner Bereich, wie der in der Nähe der Grenze von Mikrokristallen, untersucht werden muß.
Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, in dem der Ablauf des Verfahrens zur Berechnung der Schallgeschwindigkeit mit dem in Fig. 1 gezeigten Ultraschallmikroskop dargestellt ist. In Schritt 100 wird das Initialisierungs-/Z-Abtastprogramm 62a aktiviert, woraufhin der MPU 61 mit der Ausführung des Initialisierungsvorgangs beginnt. Infolgedessen steuert die Bildverarbeitungseinheit 6 eine Steuereinrichtung 7 so, daß die akustische Sonde 8 auf einer vorgewählten Anfangshöhe (Zo) bezüglich der Probe 11 positioniert wird. Wie in dieser Beschreibung nachfolgend beschrieben wird, wird die Fokussierung an dieser Position der akustischen Sonde erreicht, und die Fokusposition der Sonde dient während der nachfolgenden Messungen als Ursprung.
Im nächsten Schritt 101 werden die komplexen Konstanten CLa', CLb', CIa' und CIb', die Schrittweite der Bewegung in Z-Richtung, die Anzahl der Meßpunkte M in Z-Richtung und alle anderen für die Messungen erforderlichen Parameter festgelegt. Das Festlegen dieser Parameter kann vor Schritt 100 oder nach Schritt 102 oder sogar in späteren Schritten vorgenommen werden. Was die komplexen Konstanten CLa', CLb', CIa' und CIb' angeht, kann eine Messung für jeden der Meßpunkte für die Probe 11 in der X-Y-Ebene mit demselben Verfahren durchgeführt werden, das für die Messungen in Schritt 102 und den folgenden Schritten verwendet wird (s. unten), und der auf diese Weise erhaltene Wert kann über eine Tastatur eingegeben werden oder durch Verarbeiten mit einem Programm automatisch im Parameterspeicherbereich 62e gespeichert werden.
Im nächsten Schritt 102 führt der Bediener, der Daten über eine Tastatur eingibt, die Positionierungsarbeitsschritte aus, wodurch die erforderliche Fokussierung erreicht wird. Zum Fokussieren untersucht der Bediener das Bild auf dem Oszilloskop 16, und die Höhe der Probe 11 wird durch Dateneingabe über eine Tastatur gemäß einem Tisch-Verarbeitungsprogramm eingestellt. Die Fokussierungsposition liegt dort, wo ein Maximalwert von Wellen von der Probe 11 reflektiert wird, wobei der Brennpunkt der akustischen Sonde 8 sich in einer genauen Lage bezüglich der Oberfläche der Probe 11 (Zo) befindet.
In Schritt 103 wird eine Funktionstaste, die das Ende der Fokussierung bezeichnet, zur Eingabe von Daten gedrückt, woraufhin der MPU 61 das Initialisierungs-/Z-Abtastprogramm 62a aktiviert, so daß die Z-Koordinate der akustischen Sonde 8 auf die Position -zi gelegt wird (die ursprünglich zi = z&sub1; war). Dies liefert die erste Position zum Messen in Z-Richtung.
Im nachfolgenden Schritt 104 wird die Meßbeginn-Taste auf dem Bedienpult gedrückt, um mit dem Abtasten in der X-Y-Ebene zu beginnen, woraufhin die Systemausführung in die aus den Schritten 105 - 109 bestehende Schleife geht. In Schritt 105 greift der MPU 61 Meßdaten heraus, die für die Übergabe an den Datenspeicher 15a der Meßdaten-Speichereinrichtung 15 vorgesehen sind. Wenn dieser Meßvorgang beendet ist, aktiviert der MPU 61 in Schritt 106 das Initialisierungs-/Z- Abtastprogramm 62a und veranlaßt, daß sich die akustische Sonde 8 um eine Schrittweite in -Z-Richtung vorbewegt. Als Folge dieses Vorgangs wird die Oberfläche der Probe 11 an die Position z&sub2; gelegt. In Schritt 107 wird die Anzahl der Meßzeiten M um Eins erhöht (M = M + 1), wobei der Anfangswert von M = Eins ist.
In Schritt 108 wird darüber entschieden, ob die Messung beendet ist, indem abgefragt wird, ob M oder die maximale Anzahl der Vorschub-Schrittweiten (entsprechend der Anzahl der Meßpunkte in Z-Richtung) überschritten worden ist. Falls die Antwort negativ ist, wird der Speicher zum Speichern der Meßdaten in Schritt 109 aktualisiert, wodurch der erste Datenspeicher 15a zum nächsten Datenspeicher 15b umgeschaltet wird, wobei der Ablauf zu Schritt 105 zurückkehrt. Daraufhin werden an der Position der Z-Koordinate, zu der die Daten übertragen worden sind, ähnliche Messungen durchgeführt, und die sich ergebenden Meßdaten werden im Speicher 15b gespeichert. Daraufhin werden die Datenspeicher nacheinander aktualisiert, bis die Anzahl der Meßpunkte (M) erreicht ist, und die so erhaltenen Meßdaten werden der Reihe nach in der Meßdaten-Speichereinrichtung 15 gespeichert.
Auf diese Weise wird die akustische Sonde 8 schrittweise in -Z-Richtung bewegt (in Richtung der Oberfläche der Probe 11), so daß sie sich allmählich der Probe 11 nähert, und die Meßdaten für die Intensität und die Phasendifferenz einer jeden empfangenen Interferenzwelle werden für jeden der Meßpunkte in der X-Y-Ebene gewonnen.
Wenn die Messung an allen interessierenden Punkten in Z- Richtung, die so festgelegt sind, daß sie gleiche Abstände aufweisen, infolge eines Vorschubs um Schritte vorbestimmter Schrittweiten endet, wird das Vektorfunktions-Berechnungsprogramm 62b aktiviert, und in Schritt 110 berechnet der MPU 61 unter Bezugnahme auf die in der Meßdaten-Speichereinrichtung 15 gespeicherten Werte zusammen mit den jeweiligen Positionen des Abtastens in der X-Y-Ebene die Amplituden und Phasendifferenzen der Vektoren VI(z) und VL(z) in der vorausgehend bereits beschriebenen Weise aus den Vektoren Va(z) und Vb(z).
Im nächsten Schritt 111 werden das Phasenwinkeländerungs- Berechnungsprogramm 62c und das Schallgeschwindigkeits- Berechnungsprogramm 62d nacheinander auf der Grundlage dieser berechneten Daten aktiviert, und der MPU 61 berechnet die Geschwindigkeit der streuenden elastischen Oberflächenwelle vLsaw in der Probe 11 für jeden Meßpunkt in der X-Y-Ebene. Die so berechnete Geschwindigkeit der streuenden elastischen Oberflächenwelle vLsaw wird in Schritt 111 in Anzeigedaten umgewandelt, wobei sie zur Anzeige 64 übertragen und als Bilddaten der untersuchten Probe dargestellt werden.
An dieser Stelle sei bemerkt, daß die Gesamtsumme der Anzahl der Meßpunkte in Z-Richtung und die Bewegungswerte geringer sind als die Periode Δz der in Fig. 5 dargestellten V(z)-Kennlinie. Daher wird die Breite der Oberfläche der Probe 11, durch die sich die streuende elastische Oberflächenwelle ausbreitet, kleiner als im Fall einer Messung mit der Periode Δz. Mit anderen Worten verringert sich die Wegbreite zur Berechnung der Geschwindigkeit vLsaw der zu messenden streuenden elastischen Oberflächenwellen um einen ausreichenden Wert, um die Auflösung des angezeigten Bildes der untersuchten Probe zu verbessern.
Die Vorschubsteuerung für die Schrittweite, die den zurückgelegten Weg der akustischen Sonde 8 in einer jeden der X-, Y- und Z-Richtungen bestimmt, kann durch einen Schleifenzähler berechnet werden, und dies trägt zu einer wirksameren Steuerung bei.
Die vorausgehende Erörterung betrifft den Fall, in dem das Ultraschallmikroskop 20 als ein eigentliches Mikroskop verwendet wird, das zum Anzeigen eines gewöhnlichen Bildes bestimmt ist. Es sei jedoch bemerkt, daß die Messung der Geschwindigkeit der streuenden elastischen Oberflächenwelle vLsaw hinsichtlich der V(z)-Kennlinie häufig verwendet wird, um die Kristallstruktur, die Anisotropie und andere Strukturmerkmale von Materialien zu untersuchen, anstatt das Bild des Oberflächenzustands dieser Materialien anzuzeigen. In diesem gewöhnlichen Fall wird das Ultraschallmikroskop selbst als Vorrichtung zum Messen von Ultraschallgeschwindigkeiten verwendet.
Ein Beispiel zur Strukturuntersuchung von Materialien ist das Untersuchen des Zustands von Bereichen von Körnern in Metallkeramikkristallen usw., die teilweise unterschiedliche Kristallachsen aufweisen. Da in diesem Fall eine besonders hohe Auflösung erforderlich ist, erweist sich die vorliegende Erfindung als wirksam. Insbesondere sei bemerkt, daß es bei Strukturuntersuchungen der erwogenen Art erforderlich ist, die Schallgeschwindigkeit in kleinen Bereichen an der Oberfläche eines interessierenden Materials zu messen, und es ist weiterhin erforderlich, einen Richtungssinn zu gewährleisten, in dem der Ausbreitungsweg der streuenden elastischen Oberflächenwelle begrenzt wird, um solche Parameter, wie den Richtungssinn von Kristallachsen, zu untersuchen.
In Fig. 6 ist der Aufbau eines Wandlers in einer akustischen Sonde, die für die erwogene Strukturuntersuchung von Materialien geeignet ist, in einer Draufsicht dargestellt. Die allgemein mit 80 bezeichnete akustische Sonde weist einen mittleren Wandler 81 (dünner piezoelektrischer Film) auf, der dem in Fig. 2 dargestellten Wandler 8a entspricht. Anstelle des Vorsehens des in Fig. 2 dargestellten ringförmigen Wandlers 8b sind zwei Wandler 82 und 83 (die beide dünne piezoelektrische Filme sind), deren Form derjenigen der Flügel eines Schmetterlings ähnelt, vorgesehen, wobei sie den Wandler 81 teilweise umgeben und der andere Teil des Wandlers 81 offengelassen ist. Mit 84 ist eine akustische Linse bezeichnet. In Fig. 6 sind die Einzelteile, die zu den in den Figuren 1 und 2 dargestellten identisch sind, mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Die Wandler 82 und 83 empfangen Impulsstoßsignale von der Sendeschaltung 1 über die Schalterkreise 3a bzw. 3b, und die von der Probe 11 ausgesendeten Wellensignale werden durch diese Wandler empfangen und nach der Umwandlung in elektrische Signale zur Empfangsschaltung 5 übertragen. Ebenso wie der Wandler 8a in der akustischen Sonde 8 empfängt der Wandler 81 über den Schalterkreis 2 ein Impulsstoßsignal von der Sendeschaltung 1, nimmt ein Empfangssignal von der Probe 11 auf und überträgt es zur Empfangsschaltung 5. Nach dem Empfangen eines Schaltsignais von der Schnittstelle 65 stellen die Schalterkreise 3a und 3b in der Weise eine wahlweise Verbindung her, daß einer der Seitenwandler 82 und 83 als Elektrode (dünner piezoelektrischer Film) für die Sendebetriebsart arbeitet, während der andere Wandler als Elektrode (dünner piezoelektrischer Film) für die Empfangsbetriebsart arbeitet.
In dem in Fig. 6 dargestellten Fall wird der Wandler 83 als Elektrode für die Sendebetriebsart verwendet, und der Wandler 82 wird als Elektrode für die Empfangsbetriebsart verwendet. Das Schaltsignal von der Schnittstelle 65 wird durch den MPU 61 gesteuert. Der MPU 61 kann daher die Schalterkreise 3a und 3b derart steuern, daß der Wandler 82 als Elektrode für die Sendebetriebsart arbeitet, während der Wandler 83 als Elektrode für die Empfangsbetriebsart arbeitet. Es erübrigt sich zu bemerken, daß beide Wandler 82 und 83 so ausgelegt werden können, daß sie nicht nur als Elektroden für die Sendebetriebsart, sondern auch für die Empfangsbetriebsart arbeiten.
Die vorausgehend beschriebene Anordnung ermöglicht es, daß die streuende elastische Oberflächenwelle nur dann gemessen wird, wenn sie in Wegen ausgesandt wurde, die parallel zu den Wandlern 82 und 83 liegen.
Bei der Ultraschallgeschwindigkeits-Meßvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann die akustische Sonde 80 verwendet werden, um die Geschwindigkeit der streuenden elastischen Oberflächenwelle vLsaw zu messen, und das Datenverarbeitungsverfahren zum Berechnen der Schallgeschwindigkeit braucht nicht detailliert beschrieben zu werden, da es im wesentlichen dem des vorausgehend erwähnten Falles des Ultraschallmikroskops 20 entspricht.
In den vorausgehend beschriebenen Ausführungsformen wird die Geschwindigkeit der streuenden elastischen Oberflächenwelle vLsaw bestimmt, der Abschwächungsfaktor eines bestimmten Materials kann jedoch, falls gewünscht, leicht durch Gewinnen von Daten der Vektorfunktionen der Interferenzwelle bezüglich der Position in Defokussierrichtung bestimmt werden. Genauer gesagt wird die Abschwächungskonstante αw in dem das Schallfeld erzeugenden flüssigen Medium zuerst durch Gl. (4) aus den Werten des Vektors VL(z) bestimmt, und daraufhin kann die Abschwächungskonstante γ der streuenden elastischen Oberflächenwelle durch Gl. (5) aus den Werten von αw und dem Vektor VI(z) bestimmt werden. Auf diese Weise kann die Abschwächungskonstante eines bestimmten Materials durch Gewinnen der Werte von Daten über die Vektorfunktionen der Interferenzwelle, also der Vektoren VL(z) und VI(z), richtig berechnet werden.
In den vorausgehend beschriebenen Ausführungsformen wird ein Impulsstoßsignal der Sendeschaltung als Bezugssignal zum Erfassen der Phasendifferenz verwendet, es sei jedoch bemerkt, daß dieses Impulsstoßsignal durch ein jegliches anderes Bezugssignal ersetzt werden kann, das mit dem Impulsstoßsignal synchronisiert ist.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung einer Ultraschallgeschwindigkeit mittels einer V(z)-Messung, aufweisend:

eine fokussierende akustische Sonde (8) mit einer akustischen Linse (8c), einem im Mittelabschnitt einer Oberfläche der akustischen Linse (8c) angeordneten ersten Wandler (8a) und einem außerhalb des ersten Wandlers (8a) auf der genannten einen Oberfläche angeordneten zweiten Wandler (8b), wobei der erste und der zweite Wandler (8a, 8b) gleichzeitig angesteuert werden, um Ultraschallwellen von der anderen Oberfläche der akustischen Linse (8c) auszusenden,

eine Bewegungseinrichtung (9, 10), um eine Probe (11) bezüglich der fokussierenden akustischen Sonde (8) von deren Brennpunkt in Defokussierrichtung dichter an die Sonde (8) heran zu bewegen,

eine Abtasteinrichtung (1-5, 12-14), die Intensitäts- und Phasendifferenzwerte eines von dem ersten Wandler (8a) infolge Ansteuerns der akustischen Sonde (8) erhaltenen ersten Empfangssignals sowie Intensitäts- und Phasendifferenzwerte eines infolge Ansteuerns der akustischen Sonde (8) von dem zweiten Wandler (8b) erhaltenen zweiten Empfangssignals abtastet, wobei die jeweiligen Phasendifferenzwerte entweder einen Unterschied zu dem Signal zum Ansteuern der akustischen Sonde (8) oder zu einem entsprechenden Bezugssignal darstellen, und

eine Schallgeschwindigkeits-Berechnungseinrichtung (6, 15), um zur Berechnung der Geschwindigkeit einer streuenden elastischen Oberflächenwellenkomponente auf der Grundlage von bei einer Vielzahl an Positionen in Defokussier-Richtung abgetasteten Daten die Daten von Vektorfunktionen der Interferenzwelle zwischen der streuenden elastischen Oberflächenwellenkomponente und der reflektierten Wellenkomponente in der Nähe der Mittelachse der akustischen Sonde bezüglich der Positionen in Defokussier-Richtung zu erhalten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schallgeschwindigkeits-Berechnungseinrichtung (6, 15) eine solche Datenverarbeitung vornimmt, daß die abgetasteten Daten bezüglich der Position in Defokussier-Richtung als Daten von Vektorfunktionen der Interferenzwelle zwischen der streuenden elastischen Oberflächenwellenkomponente und der reflektierten Wellenkomponente in der Nähe der Mittelachse der akustischen Sonde (8) behandelt werden, wodurch die Daten von Vektorfunktionen der streuenden elastischen Oberflächenwellenkomponente, die von der akustischen Sonde (8) empfangen werden, bezüglich der Positionen in Defokussier-Richtung erhalten werden, um die Geschwindigkeit der streuenden elastischen Oberflächenwellenkomponente zu berechnen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei Daten für Vektorfunktionen für die streuende elastische Oberflächenwellenkonponente sowie für die reflektierte Wellenkomponente in der Nähe der Mittelachse der akustischen Sonde (8) erhalten werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei Daten für Vektorfunktionen für die streuende elastische Oberflächenwellenkomponente sowie für die reflektierte Wellenkomponente in der Nähe der Mittelachse der akustischen Sonde (8) erhalten werden und anstelle eines Berechnens der Geschwindigkeit der streuenden elastischen Oberflächenwellenkomponente der Abschwächungsfaktor der interessierenden Probe (11) auf der Grundlage der Daten der Vektorfunktionen berechnet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder der Wandler (8a, 8b) einen dünnen piezoelektrischen Film aufweist und das Ansteuersignal ein Impulsstoßsignal darstellt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Wandler zwei Wandlersegmente (82, 83) aufweist, die außerhalb des ersten Wandlers symmetrisch bezüglich der Achse der fokussierenden akustischen Sonde (80) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abtasteinrichtung eine ein von dem ersten Wandler (8a) empfangenes Signal verstärkende erste Signalempfangsschaltung (4), eine ein von dem zweiten Wandler (8b) empfangenes Signal verstärkende zweite Signalempfangsschaltung (5), eine erste Phasendifferenz-Detektorschaltung (13a) zum Empfang des Ausgangssignal der ersten Signalempfangsschaltung (4) sowie entweder des Signals zur Ansteuerung der akustischen Sonde oder des entsprechenden Bezugssignals, eine zweite Phasendifferenz-Detektorschaltung (13b) zum Empfang des Ausgangssignals der zweiten Signalempfangsschaltung (5) sowie entweder des Signals zur Ansteuerung der akustischen Sonde oder des entsprechenden Bezugssignals und eine A/D-Wandlerschaltung (14), die bei Empfang der Amplitudenwerte der Ausgangssignale der ersten und zweiten Signalempfangsschaltungen (4, 5) und der Ausgangssignale der ersten und zweiten Phasendifferenz-Detektorschaltungen (13a, 13b) eine A/D-Umwandlung der entsprechenden Signale vornimmt, aufweist, wobei die Schallgeschwindigkeits-Berechnungseinrichtung (15) eine Verarbeitungseinheit ist, die das Ausgangssignal der A/D-Wandlerschaltung (14) empfängt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, mit einer ersten und einer zweiten Wellendetektorschaltung (12a, 12b), die entsprechenderweise die Wellenformen der Ausgangssignale der ersten und der zweiten Signalempfangsschaltung (4, 5) erkennen, wobei die Detektorsignale der Detektorschaltungen (12a, 12b) an die A/D-Wandlerschaltung (14) als Amplitudenwerte der Ausgangssignale der ersten und der zweiten Signalempfangsschaltung (4, 5) übermittelt werden.

9. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem Ultraschallmikroskop.