Ultraschall-Mikroskop

Grundlagen:
Auch Ultraschallwellen können zur Abbildung von Objekten heran gezogen werden. Bekannt ist dies aus der medizinischen Diagonistik. Wie für elektromagnetische Wellen gilt hier das die mögliche Auflösung mit sinkender Wellenlänge steigt. Man muss somit möglichst hohe Frequenzen für eine hohe Auflösung verwenden. Im folgendem Gerät wird eine Frequenz von 21 MHz verwendet, ein Kompromiss zwischen Auflösung, Dämfung der Wellen und apparativem Aufwand. Eine ausführliche Aufarbeitung des Themas ist in der >>Raster-Triologie 3. Teil<< zu finden.

Ein wichtiger Bestandteil des Mikroskops ist der Tansducer der aus elektrischen Impulsen Ultraschallwellen erzeugt und ebenso aus eintreffenden Ultraschallwellen elektrische Signale erzeugt.Diese Aufgabe übernimmt ein handelsüblicher Piezobeeper. Die Ultraschallwellen werden mit einer Plexiglaslinse fokussiert.Um die Wellen möglichst verlustfrei zum Messobjekt zu übertragen muss sich der Strahlengang in einem Wasserbad befinden. Da die Schallgeschwindigkeit in der Linse höher ist als im umgebenden Wasser besitzt eine Konkavlinse sammelnde Eigenschaften, im Gegensatz zur Lichtoptik, wo bekannterweise eine Sammellinse eine konvexe Form hat.

Mit dem beschriebenem Transducer kann natürlich noch keine Abbildung erzeugt werden sondern nur ein fein fokussierter Ultraschallstrahl generiert werden.
Für eine Abbildung wird der Transducer rasterförmig über das Messobjekt bewegt und so Punkt für Punkt die Reflektion des Schalles gemessen und der Messwert zur Erstellung eines Pixelbildes gewonnen.
Der Scanner wird durch Schrittmotoren angetrieben, die in der X-Achse das Wasserbad mit dem Messobjekt und in der Y-Achse der Transducer bewegen. Der Umsetzung der Drehbewegung der Motore in eine Linearbewegung erfolgt durch ein Seilzugetriebe mit einem Skalenseil. Gesteuert wird der Scanner vom
>>Schrittmotortreiber des universellen Messystems << .
Die Auflösung ist für die X- und Y-Richtung gleich und beträgt
20 µm pro Schritt.
Der vertikale Abstand des Transducers zur Oberfläche des Messobjekts kann mit einer Mikrometerschraube fein eingestellt werden.und muss der Brennweite der Plexiglaslinse entsprechen.

Die Elektronik zum Mikroskop besteht im Wesentlichen aus einem Sendeempfänger zur Erzeugung und Detektion der Schallwellen, einer Sample/Hold-Schaltung zur Selektion des Messzeitpunkts und der Ablaufsteuerung. Für Einstellarbeiten arbeitet die Schaltung im freilaufenden Modus, während für die Bildaufnahme die Funktionen durch den Arduino gesteuert werden. Auch dieser Einschub findet im >>universellen Messystem<< platz.

>>Schaltplan im PDF-Format<<

Zur Steuerung des Mikroskops wurde ein Delphiprogramm geschrieben welches den Arduino im Universellen Messystem steuert und die erhaltenen Daten darstellt und abspeichert. Der Arduino wiederum steuert die Sende/Empfangselektronik und den Schrittmotortreiber.

Für die ersten Versuche eignet sich eine Probe aus Metall mit einer ebenen Oberfläche und nicht allzu tiefen oder hohen Strukturen, wie zum Beispiel eine Münze. Das Metall der Münze reflektiert Ultraschall sehr gut und man bekommt ein großes Signal. Durch die geringen Höhenunterschiede der Münzoberfläche hat man keine Schwierigkeiten mit Laufzeitunterschieden und der Konfokalität des Strahlengangs.


	Im freilaufendem Modus der Elektronik wird mit der Z-Achsenverstellung ein schönes Reflektionssignal wie im Oszi-Bild rechts eingestellt. Dann kann auf die Arduinosteuerung umgestellt und ein Scan gestartet werden.

Konfokaler Strahlengang:
Der verwendete Transducer hat einen streng konfokalen Strahlengang. Nur wenn sich die reflektierende Oberfläche im Fokus befindet ist das reflektierte Signal Signal hoch genug um gemessen werden zu können. So wird nur die Fläche abgebildet die sich im Fokus befindet, schon Flächen wenige Zehntelmilimeter außer dem Fokus werden nicht mehr gesehen. Natürlich muss auch der Samplepuls entsprechend der Laufzeit zur rechten Zeit kommen.
Sehr schön sieht man das an den Bildern einer kleinen Armbanduhr. Für die Bilder wurde die Z-Position des Transducers verstellt und zwar zwischen den einzelnen Bildern um 0,5 Milimeter. Die zeitliche Position des Samplepulse war bei allen Bildern gleich und wurde beim ersten Bild auf maximales Signal eingestellt.


Z = 7mm	Z = 6,5mm	Z = 6mm	Z = 5,5mm	Z = 5mm

Für das rechte Bild wurden die fünf Einzelbilder mittels Photoshop über- einander gelegt.
Man sieht dass noch nicht alle Flächen erfasst wurden. Ganz tief liegende Flächen bleiben noch schwarz. Es fehlen noch Bilder mit
Z = 4,5 mm und 4,0mm.

Auflösung:
		Als Test wurde die Oberfläche einer Langspielplatte abgetastet. Mit der höchsten Auflösung des Scanners von einem Schritt pro Pixel beträgt das Bildfeld 4 x 6mm, der Linienabstand von 130 µm wird noch sehr gut aufgelöst. Die theoretische Auflösung bei 20 MHz in Wasser beträgt 1/4 der Wellenlänge und somit etwa 20 µm.
Optisches Bild	Ultraschall Bild

Für das folgende Bild wurde mit Schleifpapier auf einer Kupferfläche ein Rillenmuster erzeugt. Auf dem abgescannten Bild wurde dann nach Strukturen gesucht die möglichst nahe beeinander liegen und trotzdem noch getrennt sichtbar sind. Der Ausschnitt zeigt zwei Punkte im Abstand von 47 µm die noch aufgelöst werden. Die Auflösung beträgt somit etwa das Doppelte der theoretischen Grenze, gar nicht so schlecht für eine einfache, selbst gefertigte Plexiglaslinse.

Optisches Bild	Ultraschall Bild	Ausschnitt

Durchleuchtung: Das besondere an der Ultraschallmikroskopie ist aber dass Strukturen gesehen werden können die auf optischem Weg unerfasst bleiben. Das US-Bild einer RF-ID Karte zeigt den einlaminierten Chip sehr deutlich und auch die dünnen Drähte der Antennenspule sind zu sehen. Das waagrechte Wellenmuster stammt von Interferenzen zwischen der Vorder- und Rückseite der Karte.

Aufnahme einer RF-ID Smartcard	mit Röntgendurchleuchtung	und als Ultraschallbild

Nicht so gut gelingt die Aufnahme des Inneren eines Ram-Speichers. Die harte, mit Füllstoffen vermischte, Vergussmasse reflektiert Ultraschall sehr gut sodaß nur wenig Energie in das Innere eindringt. Deshalb sind die Bilder stark verrauscht, zudem stören Interferenzeffekte.

Untersuchung von Klebeflächen: Ein technisches Anwendungsgebiet der US-Mikroskopie ist die Untersuchung von Klebeflächen oder Laminaten. Für die folgenden Bilder wurde eine Polystyrolplatte mit UHU-Plus auf Glas geklebt. Durch etwas Fett auf der Fläche wurde bewußt eine schlechte Klebung erreicht. Durch die Glasplatte auf der Rückseite kann man unter schrägem Lichteinfall die Klebefehler gut erkennen. Bei einem undurchsichtigem Subtrat wäre das natürlich nicht möglich. Eine Ultraschallaufnahme durch die Polystyrolschicht ist aber unabhängig vom Substrat immer möglich und zeigt die Flächen die vom Kleber nicht benetzt wurden sehr deutlich.

Vorderseite	Rückseite	US-Bild

Feststellen von Gussfehler und Lunkern
		Für diesen Test wurden in eine Plexiglasscheibe ein paar Sacklöcher gebohrt und diese mit einer aufgeklebten Kunststoffscheibe abgedeckt. So soll das Vorhandensein von Lunkern nachgebildet werden. Im Ultraschallbild sind die Hohlräume und auch schlechte Abschnitte der Klebung (oben, Mitte) deutlich zu erkennen.
Optisches Bild	Us-Bild

Oberflächen: Interessant ist auch die Untersuchung von Oberflächen, wie z.B. polykristallinen Silizium wie es für Solarzellen verwendet wird. Die unterschiedlichen Kristallrichtungen werden im optischem Bild gut wieder gegeben. Auch im US-Bild erkennt man einige der optisch sichtbaren Strukturen wieder. Andere sind nicht zu sehen, dafür treten im US-Bild Strukturen auf die optisch nicht zu erkennen sind.
Woher diese Differenzierung stammt ist dem Verfasser noch nicht bekannt.

		Auf der US-Aufnahme eines RAM-Speicher Chips erkennt man natürlich nicht die mikroskopisch kleinen Strukturen. Aber die Grenzen der einzelnen Speicherbänke sind zu erkennen. Das ist erstaunlich weil doch die Höhenunterschiede weit unter der Wellenlänge der Ultraschallschwingungen liegen. Wahrscheinlich ist dafür eine Art von Dunkelfeldeffekt verantwortlich der auch in der optischen Mikroskopie erlaubt Objekte weit unter der Auflösungsgrenze zu sehen
Mikroskopbild	US-Bild

Biologische Objekte:
		Beim Standard-Testobjekt, die Zellen in der Haut einer Zwiebel sind schon die Grenzen der Auflösung erreicht. Zwar läßt sich noch die durch die Zellen bedingte Gitterstruktur erkennen, aber Einzelheiten werden nicht aufgelöst. Auch der mechanische Scanner arbeitet in diesem Bereich zu ungenau, was an den ausgefranzten Rändern der dunklen Flecken zu erkennen ist.
Mikroskopbild	US-Bild