用于执行空间分辨的光声测量的设备和方法与流程

1.本发明涉及一种用于执行空间分辨的光声测量(photoakustik)的设备和方法。


背景技术：

2.已知使用光声光谱分析或光声成像来检查样品。在此涉及非侵入式方法，这些方法能够实现对样品的结构上的、功能上的和/或分子上的分析。
3.这些方法基于光声效应，即由于吸收电磁波而将光转换成声波。在此，光的局部吸收导致样品的突然局部加热和由此产生的热膨胀。结果产生声波、尤其是超声范围内的声波。声波的测量通过电声换能器进行。换句话说，例如，用光激发待检查的样品，并且借助于麦克风检测样品的声学响应，以便检测样品的缺陷。
4.已知的设备设置，高时间开销地逐点扫描样品。例如，由de 10 2014 012 364 b4、us 6,590,661 b1和us 2014/0050489 a1已经披露了这种设备。
5.与之相对，本发明的目的是提供一种用于执行空间分辨的光声测量的设备和方法，其中，该光声测量特别快速地、有效地且因此成本有利地可执行或被执行。


技术实现要素：

6.根据本发明，该目的通过根据专利权利要求1所述的设备和根据专利权利要求13所述的方法来实现。从属的专权利要求又提出了优选的扩展方案。
7.因此，根据本发明的目的通过一种用于执行光声光谱分析和/或光声成像的设备来实现。该设备具有用于布置样品的样品保持器、用于照亮样品的光束装置、以及用于检测样品上产生的声波的电声换能器，即“麦克风”。光束装置构造用于将多个、尤其是平行的在空间和时间上分离的光束或光脉冲发射到样品上。光束装置在此优选地构造用于将光束彼此间隔开小于1μs，优选地在0.1ns与10ns之间，尤其是在0.4ns与4ns之间，特别优选地在0.5ns与1ns之间。由于借助多个光束几乎同时照射样品的多个点，因此该设备能够快速地测量出样品的大的区域。然而，在此，由于光束相对于彼此最小时间地延迟，因此该设备仍然可以分别将电声换能器的单独检测结果分配给样品点与电声换能器之间的确定的间距，即分配给样品上的确定的位置。
8.样品可以是该设备的一部分。
9.光源可以构造成激光器的形式。
10.在特别优选的构型中，光束装置具有：用于发射初级光束的单个光源、尤其是激光器形式的单个光源；以及用于将初级光束分成多个在空间上彼此分离的次级光束的分束器。分束器可以构造用于将初级光束分成多于两个、尤其是多于5个、优选地多于10个的次级光束。
11.分束器可以构造用于形成在两个不同方向上彼此间隔开的次级光束。所述方向可以相互垂直。换句话说，光束在相互平行的传播方向上传播，光束相对于彼此侧向地偏移。
分束器然后形成在区域中延伸的多光斑点阵列。分束器使得能够在面中执行具有多个点状激发的激发，而非一个点状激发。
12.光束装置可以构造用于借助点状次级光束照射样品。结果可以实现声波的特别精确的空间分配。
13.进一步优选地，光束装置具有设置在分束器的下游的射束减速装置(strahlbremseinrichtung)。射束减速装置具有至少一个使次级光束减速的射束减速器，使得通过射束减速器的次级光束比没有通过射束减速器的另一个次级光束更晚到达样品。使用单个光源(该单个光源的光被分成多个光束，并且该多个光束被不同地延迟)允许该设备的结构简单并且特别成本有利的构造。
14.在该设备的另一优选的构型例中，射束减速装置具有多个分别不同地进行延迟的射束减速器。因此，可以以高分辨率几乎同时对更大的样品区光声地进行测量。
15.射束减速器不必分别与电声换能器具有单独的间距。举例来说，两个射束减速器可以与电声换能器具有相同间距，但是可以如此不同程度地延迟相应的次级光束，使得能够实现由相应的次级光束启动的信号的明确分配。然而，为了简化对通过相应射束减速器的次级光束的分配，射束减速器优选地分别与电声换能器具有单独的间距。
16.该设备可以具有准直器，以便均匀地照亮分束器。
17.射束减速器特别优选地如此布置或构造在射束减速装置处，使得通过相应射束减速器的延迟随着距射束减速装置的中心点的间距增加而增加。这尤其在电声换能器被居中布置在射束减速装置的区域中的情况下很重要。这是因为，否则可能发生其他从射束减速装置的中心点发射的光束却比样品的中心点的区域中的光束更快速地到达样品上。然而，其他从中心点激发到电声换能器的声波的声信号传播时间更长，因此可能发生两种效应(光在样品上的快速照射、但在样品上的缓慢传播)相互补偿，其结果是电声换能器记录的信号不能被分配给样品上的精确位置。
18.该设备可以具有以二维矩阵的形式、也就是说在平面的两个不同方向上相对于彼此偏移布置或构造的射束减速器。结果，可以以面状的方式照射样品。
19.射束减速器可以相对于它们最近的相邻射束减速器等间距地布置或构造，以便能够均匀地检查样品。
20.射束减速器可以具有塑料，尤其是高折射率塑料。射束减速器可以具有高折射率玻璃，以便特别有效地延迟通过射束减速器的次级光束。优选地，大多数射束减速器(尤其是所有的射束减速器)具有高折射率塑料和/或高折射率玻璃。对于可见范围内的光，高折射率玻璃的折射率优选地大于1.6、尤其是大于1.65。举例来说，燧石f2、致密燧石sf10、镧致密燧石lasf9和/或聚碳酸酯可以用作高折射率玻璃。
21.替代地或附加地，射束减速器可以具有对所使用的光透明的纤维，尤其是玻璃纤维。优选地，大多数射束减速器(尤其是所有的射束减速器)具有这种纤维。纤维可以以实芯纤维或中空芯纤维的形式构造。特别优选地，射束减速器的所有纤维分别具有不同的长度。
22.至少两个、尤其是大部分、优选地所有的射束减速器可以由相同的材料构造。在此，射束减速器优选地构造用于在通过射束方向(durchstrahlrichtung)上具有不同的长度。结果，射束减速装置可以以结构上特别简单的方式和方法构造。
23.在另一有利的构型中，因为结构上特别简单的构造，所以射束减速装置具有对所
使用的次级光束透明的板。至少一个射束减速器、尤其是多个射束减速器、优选地所有的射束减速器可以布置或优选地构造在板上。板可以构造成完全透明的。
24.在此，射束减速装置特别优选地以一体的方式(einteilig)构造。
25.射束减速装置可以由不同的光学部件钉在一起、夹持在一起、或粘接在一起，和/或借助3d打印机构造。
26.为了优化射束减速装置的光学透射率，射束减速装置可以在其面向和/或背离分束器的侧上具有抗反射涂层。
27.分束器可以具有用于将初级光束分成次级光束的衍射光学元件(doe)和/或微透镜阵列。分束器可以以衍射光学元件的形式和/或以微透镜阵列的形式构造。
28.为了能够以尽可能简单的方式和方法将在确定的时间到达的声信号分配给样品上的位置，电声换能器优选地相对于样品居中地布置，尤其是相对于样品保持器居中地布置。电声换能器可以居中地布置或构造在射束减速装置上或射束减速装置中。特别优选地，电声换能器集成到射束减速装置中。
29.电声换能器的内容可以完全参考其de 10 2006 013 345 b4和/或ep 2 039 215 b1中描述的那样构造。在本说明书完整地采用de 10 2006 013 345 b4和ep 2 039 215 b1的披露内容。
30.为了保持设备结构上简单，该设备优选地仅具有用于检测样品上产生的声波的单个电声换能器。
31.该设备可以具有示波器，该示波器用于处理和/或示出由电声换能器输出的输出信号。示波器优选地构造用于达到大于1g样本/s、尤其大于10样本/s、优选地大于100样本/s。结果，相对于彼此具有特别小的时间偏移的声波仍然可以彼此分开地被评估，并且分配给样品的空间位置。
32.一个或多个另外的光学元件(例如聚焦透镜)可以布置在设备的射束路径中。
33.在本发明的优选的构型中，分束器以纤维分束器(faser-splitters)的形式构造。特别优选地，不仅分束器、而且射束减速装置纤维光学地构造。结果，总体上从结构观点来看，该设备可以特别简单和成本有利地构造。
34.该目的进一步通过用于光声成像和/或光声光谱分析的方法、尤其借助在此描述的设备来实现，其中，该方法具有以下方法步骤：
35.a)将初级光束分成多个次级光束；
36.b)尤其以点状方式借助次级光束照亮样品，其中，至少一个次级光束相对于另一个次级光束减速，使得该至少一个次级光束在该另一个次级光束之后照射到样品上；
37.c)借助电声换能器检测通过次级光束在样品上激发的声波。
38.在上述的方法步骤之前、之后或之间能够执行一个或多个其他方法步骤。
39.在该方法中，激光束可以用作初级光束。
40.优选地，在该方法中，脉冲光束用作初级光束。脉冲持续时间优选地小于1000ns、尤其小于100ns、特别优选地小于10ns。
41.在该方法的一个优选变型方案中，两个次级光束、尤其是两个相邻的次级光束，相对于彼此延迟0.01ns与50ns之间。进一步优选地，在该方法中，大多数次级光束、尤其是所有的次级光束，分别相对于另一个次级光束延迟0.01ns与10ns之间。
42.本发明的其他优点从描述和附图中得出。同样，根据本发明，以上提及的特征和仍将进一步解释的那些特征可以分别本身单独地使用、或者以任何期望的组合作为多个地使用。所示出和描述的实施例不应被理解为穷举，而是具有用于概述本发明的示例性特性。
附图说明
43.图1示出了光声效应的示意图。
44.图2示出了使用根据图1的光声效应执行光声测量的设备的第一实施例的示意性侧视图。
45.图3示出了用于执行光声测量的设备的另一实施例的示意性局部平面图。
46.图4示出了各种玻璃的折射率相对于通过玻璃辐射的光的波长的分布曲线，其中玻璃能够在根据图2或图3的设备中使用。
47.图5示出了用于执行光声测量的设备的另一实施例的示意性平面图。
具体实施方式
48.图1示出了用于在分析样品12时使用光声测量的设备10。在此，借助光束14(尤其是光脉冲的形式、优选地激光脉冲的形式)照射样品12。在样品12中吸收的光束14导致热膨胀16，并且进一步导致声波18。声波可以在电声换能器20中产生电信号，所述电信号在示波器22中示出。
49.如果应借助现有技术中已知的设备来检查样品12的更大的区域，则光束14必须逐检查点地移动(图1中未示出)。结果，检查变得非常耗时和昂贵。
50.图2示出了根据本发明的设备10的第一实施方式。设备10具有用于容纳样品12的样品保持器24。为了检查样品12，设备10具有光束装置26。光束装置26具有光源28，在此是单个光源28。光源28可以以激光光源的形式构造。优选地，光源28构造用于发射光脉冲，尤其是具有小于100ns、优选地小于10ns的持续时间的光脉冲。光源28产生初级光束14a，该初级光束优选地由多个光脉冲组成。初级光束14a可以通过准直器30成形。
51.初级光束14a照射在分束器32上，该分束器将初级光束14a分成多个、尤其是多于5个、优选地多于10个、特别优选地多于15个次级光束14b。分束器32优选地以平面衍射光学元件的形式或平面微透镜阵列的形式构造。进一步优选地，分束器32一体式地(einst
ü
ckig)构造。分束器32优选地以面状的方式构造，并且发射在两个不同方向上彼此间隔开的次级光束14b。换句话说，分束器32构造用于由次级光束14b形成多光斑点阵列、尤其是多激光斑点阵列形式的多光斑点阵列。为了提高分束器32的效率，该分束器可以在其输入侧上具有抗反射涂层34。
52.射束减速装置36间接地、或优选地直接连接在分束器32的下游。射束减速装置36可以具有板38。板38构造成，至少在次级光束14b照射的区域中，该板在其输入侧上对次级光束14b是透明的。在板38上可以布置或构造射束减速器40a、40b、40c、40d。射束减速器40a-40d优选地以块状或杆状的方式构造。优选地，所有的射束减速器40a-40d分别具有自己的长度，即分别具有相互不同的长度。射束减速器40a-40d可以具有相同的截面，尤其是多边形、优选地圆形的截面。为了清楚起见，图2中仅示出四个射束减速器40a-40d。然而，射束减速装置36可以具有更多，尤其是多于10个、优选地多于20个射束减速器40a-40d。
53.射束减速器40a-40d可以以二维阵列的形式布置或构造。射束减速器40a-40d分别以单独的时间延迟将次级光束14b发射到样品12上。这在图2中通过在射束减速器40a-40d与样品12的表面之间传播到不同程度的波包(wellenpakete)示出。为了提高射束减速装置36的效率，该射束减速装置可以在其输入侧上和/或其输出侧(未示出)上具有抗反射涂层42。
54.在样品12中，通过次级光束14b引发局部热膨胀，并且由此(如关于图1所解释的)引发声波，这些声波通过电声换能器20记录。示波器22示出电声换能器20的信号。由于已知哪个次级光束14b在时间上被延迟到什么程度，并且进一步已知哪个次级光束14b照射在样品12上的什么位置，所以可以将电声换能器的、以确定的顺序输出的输出信号分配给确定的样品位置。
55.在图2的示意性示例中，电声换能器20的第一输出信号将被分配给由未通过射束减速器的次级光束14b照亮的样品位置。第二输出信号将被分配给通过射束减速器40a的次级光束14b，或者分配给配属于该次级光束14b的样品位置。第三输出信号与通过射束减速器40b的次级光束14b相关，以此类推。尽管样品12的大部分几乎同时被单个光源28照亮，但是电声换能器20的输出信号可以以空间分辨的方式分配给样品12上的确定的位置。
56.图3示出了具有射束减速装置36的另一设备10的一部分的平面图。电声换能器20居中地或者说中央地布置或构造在射束减速装置36中或射束减速装置上。射束减速器(其中为了清楚起见只有射束减速器40a-40d设置有附图标记)分别与电声换能器20具有单独的间距，以便能够实现对通过射束减速器40a-40d的次级光束14b的唯一明确的(eindeutig)分配。射束减速器40a-40d在两个不同方向r1、r2上彼此间隔开，以便获得具有多个斑点的样品12(参见图2)的面状照亮。
57.图4示出了纵坐标上的折射率(brechzahl或brechungsindex)相对于横坐标上的光波长绘制的图形。在图4中绘制了优选地能够用在射束减速器40a-40d(参见图2和图3)中的一些材料的折射率。在此，在图4中绘制了萤石冠fk51a的折射率44a、硼硅酸盐冠bk7的折射率44b、钡冠bak4的折射率44c、燧石f2的折射率44d、致密燧石sf10的折射率44e和镧致密燧石lasf9的折射率44f。
58.在射束减速器40a-40d中可以使用不同的材料或相同的材料。在所有的射束减速器40a-40d中使用相同材料的情况下，射束减速器40a-40d具有不同的长度或光学延迟路径。光学延迟路径的计算在下面基于示例给出：
59.在次级光束在真空中的光速为299,790,000m/s、且在具有折射率为1.6的材料的射束减速器中的相速度为187,368,750m/s的情况下，得到速度差为112,421,250m/s。为了实现1ns的次级光束的时间延迟，光学延迟路径(根据v＝s*t)必须具有112mm的长度。如果示波器构造成达到160g样本/s，则电声换能器由此产生的输出信号仍然可以被采样160次。
60.图5示出了具有光源28的设备10，该光源尤其构造用于产生激光脉冲。光源28光学地、尤其是通过纤维连接46与分束器32连接。分束器32以纤维光学地、即以纤维分束器的形式构造。射束减速装置36具有多个射束减速器40a-40e。射束减速器40a-40e分别以光纤的形式构造。射束减速器40a-40e优选地除它们各自的长度之外被相同地构造。射束减速器40a-40e的不同长度由图5中的环示意性地示出。
61.如果光束例如通过1m的附加的纤维路径被延迟，则激光束以206,751,724m/s的相
速度在玻璃纤维(石英的折射率为1.45)形式的纤维中传播。这导致4.85ns的时间延迟。
62.射束减速装置具有光学头(optischen kopf)48。在光学头处，来自射束减速器40a-40e的光束以自由光束的形式出现，并且照射在样品12或样品保持器24上。类似于图3中的图示，光学头48可以构造成具有用于光束的二维布置的出口，以便能够二维地扫描样品12。
63.结合考虑附图中的所有图，本发明因此总体上涉及一种借助同步地彼此相继的多个光束14、14b来照亮样品12的设备10。通过这些光束14、14b在样品12上产生的声波18由电声换能器20探测。光束14、14b的同步的序列可以通过射束减速装置36来实现，该射束减速装置具有至少一个射束减速器40a-40e、优选地多个射束减速器40a-40e。射束减速器40a-40d分别可以实现对通过它们的光束14b的单独延迟，即相对于其他射束减速器40a-40e不同的延迟。结果，可以借助可分配给相应照亮位置的、快速彼此相继的光束14b扫描样品12的大的表面区域。射束减速装置36可以被分束器32照亮。分束器32和/或射束减速装置36可以以平面方式构造。在本发明的优选的构型中，从光源28开始直到光束从射束减速装置36的光学头48出现为止，设备10主要具有、尤其完全具有纤维光学部件。
64.附图标记列表
65.10 设备
66.12 样品
67.14 光束
68.14a 初级光束
69.14b 次级光束
70.16 热膨胀
71.18 声波
72.20 电声换能器
73.22 示波器
74.24 样品保持器
75.26 光束装置
76.28 光源
77.30 准直器
78.32 分束器
79.34 (分束器32的)抗反射涂层
80.36 射束减速装置
81.38 板
82.40a-40e 射束减速器
83.42 (射束减速装置36的)抗反射涂层
84.44a 萤石冠fk51a的折射率
85.44b 硼硅酸盐冠bk7的折射率
86.44c 钡冠bak4的折射率
87.44d 燧石f2的折射率
88.44e 致密燧石sf10的折射率
89.44f 镧致密燧石lasf9的折射率
90.46 纤维连接
91.48 光学头
92.r1，r2 (射束减速器40a-40e的间距的)方向。