CH543314A - Ultraschalloptik - Google Patents

Description

  
 



   Die Erfindung betrifft eine Ultraschalloptik zur Fokussierung von Ultraschallstrahlen.



   Ultraschallmethoden gewinnen in Technik und Medizin ständig an Bedeutung, so z. B. in der Materialprüfung oder in der medizinischen Diagnostik. Ein bekanntes Verfahren ist das Echolotverfahren, bei dem von einem Schallkopf ein Ultraschallimpuls ausgesendet und der an einem Hindernis reflektierte Impuls von einem anderen oder von demselben Schallkopf empfangen wird. Aus der Zeit die verstreicht, bis das Echo empfangen wird, kann die Distanz Sender/Empfänger und dem reflektierenden Objekt bestimmt werden.



   Ein Mass für die Genauigkeit eines Echolotverfahrens ist das longitudinale, d. h. in Richtung der Schallstrahlen bestehende und das laterale, d. h. das zum ersteren senkrechte Auflösungsvermögen. Bei Verwendung eines einfachen üblichen Wandlers lässt sich eine relativ gute longitudinale Auflösung erzielen, jedoch ist wegen des relativ grossen Durchmessers des Ultraschallstrahls die laterale Auflösung ungenügend. Wird der Durchmesser des Schallkopfes kleiner gemacht, so hat der Strahl infolge von Beugungserscheinungen eine grosse Divergenz. Eine Verbesserung lässt sich dadurch erzielen, dass man den Strahl schwach fokussiert, so dass sein Durchmesser in der Mitte des zu beobachtenden Objektes minimal wird. Der minimale Durchmesser darf jedoch nicht zu klein gewählt werden, weil sonst wiederum die Divergenz des Strahls zu gross wird.

  Typischerweise erhält man einen Strahldurchmesser von 1 bis 2 cm, wenn mit einer Frequenz von 2 MHz über eine Tiefe von 20 cm beobachtet werden soll.



   Eine wesentlich bessere laterale Auflösung erreicht man, wenn man den Ultraschallstrahl mit einem System grosser Öffnung fokussiert. Die laterale Auflösung kann dann in der Grössenordnung der Wellenlänge liegen, also bei 2 MHz etwa   (1,75    mm betragen. Diese gute laterale Auflösung wird jedoch nur über eine sehr geringe Tiefe, d. h. ebenfalls ungefähr eine Wellenlänge, erreicht.



   Es ist also ersichtlich, dass der Nachteil der bisher bekannten Echolotverfahren darin besteht, dass eine Verbesserung der lateralen Auflösung immer mit einer Verringerung der Tiefe, über die sie erreichbar ist, einhergeht.



   Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine gute Bündelung des Schallfeldes und damit eine gute laterale Auflösung über eine grosse Tiefe zu erreichen.



   Erfindungsgemäss wird dies erreicht durch eine Ultraschalloptik der eingangs angegebenen Art mit mindestens einer rotationssymmetrischen, nichtsphärischen Reflexionsoder Refraktionsfläche. Als rotationssymmetrische,   nichtsphä-    rische Flächen kommen beispielsweise konische oder   zylindri-    sche Flächen oder Kombinationen von solchen mit Kugelflächen in Frage. Da akustische Linsen meist stark reflektieren oder absorbieren, verwendet man mit Vorteil reflektierende Flächen, d. h. akustische Spiegel.



   Im folgenden sind anhand der beiliegenden Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Ultraschallkopf mit einer einen nichtsphärischen Spiegel enthaltenden Optik und
Fig. 2 eine Anordnung mit einem Hohlzylinder als Optik in schematischer Darstellung.



   Der in Fig. 1 gezeigte Ultraschallkopf enthält einen Ultraschallwandler 1, der in einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse 2 angeordnet ist. Als Ultraschallwandler kommt ein handelsübliches Produkt in Frage. Im vorliegenden Fall beträgt der Durchmesser des piezoelektrischen Kristalls des Wandlers etwa 20 mm. Der Wandler 1 wird durch eine Befestigungshülse 3 und einen Absatz 4 der Gehäuseinnenwand festgehalten. Zu diesem Zweck und um den Ausbau des Wandlers 1 zu gestatten, ist die Hülse 3 durch ein Gewinde mit dem Gehäuse 2 verbunden. Auf der der Befestigungshülse gegenüberliegenden Seite ist das Gehäuse mit einer Ultraschallsammellinse 5 abgeschlossen. Die Linse 5 besteht aus einem für Ultraschall-Linsen geeigneten Material, im vorliegenden Fall aus Acrylglas.

  Sie ist so angeordnet, dass der Wandler 1 in seiner fixierten Position durch eine Schicht 6 eines Ultraschallkopplungsmittels, z. B. Silikonfett, direkt an sie angekoppelt worden ist.



   Auf der gleichen Seite ist das Gehäuse 2 durch ein auf seiner Aussenwand vorgesehenes Gewinde mit einer im wesentlichen kreisförmigen Trägerplatte 7 verbunden.



   Die Trägerplatte 7 hat einen Durchmesser von etwa 135 mm und weist im Abstand von etwa 7 mm von ihrem Umfang einen umlaufenden Vorsprung 8 auf. Der Vorsprung 8 dient als Auflage für einen Ultraschallspiegel 9, der durch einen mit der Trägerplatte verschraubten Ring 10 gehalten wird. Der Ultraschallspiegel 9 ist als Hohlspiegel ausgebildet und besitzt eine nichtsphärische, um eine Achse rotationssymmetrische Spiegelfläche. Im vorliegenden Fall hat die Spiegelfläche eine aus der Kombination einer Kegelfläche und einer Kugelfläche gebildete Form. Der Spiegel 9 besteht aus einem geeigneten, Ultraschall reflektierenden Material, z. B. aus Messing. Im Abstand von etwa 75 mm vom Kristall des Wandlers 1 ist ein weiterer Ultraschallspiegel 11 angebracht.



  Dieser Spiegel 11 hat etwa den gleichen Durchmesser wie der Kristall und eine sphärische Oberfläche. Er besitzt einen zylindrischen Ansatz 12, mit dem er mittels einer Stellschraube 14 in einem Haltering 13 befestigt ist. Der Haltering 13 ist mittels Streben 15 mit dem Ring 10 verbunden. Der Spiegel 11 besteht ebenfalls aus Messing, während die übrigen Befestigungsteile und das Wandlergehäuse beispielsweise aus Aluminium gefertigt sind.



   Ein vom Wandler ausgestrahlter Schallimpuls wird durch die Linse 5 fokussiert, vom sphärischen Spiegel 11 aufgeweitet und dann vom Spiegel 9 erneut fokussiert. Durch die nichtsphärische Form des Spiegels 9 entsteht anstelle eines Brennpunktes eine Brennlinie. In einem Punkt dieser Brennlinie wird die von einem ringförmigen Bereich des Spiegels 9 reflektierte Ultraschallenergie fokussiert, d. h. jedem Punkt der Brennlinie entspricht eine ringförmige Apertur der Optik.



  Durch diese Art der Fokussierung in einer Brennlinie ergibt sich eine enge Bündelung über die ganze Länge dieser Brennlinie und damit die Möglichkeit einer guten lateralen, bei gleichzeitiger guter longitudinaler Auflösung.



   Neben der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung sind vielfältige weitere Ausführungsformen möglich. So sind Modifikationen denkbar durch Veränderung des Strahlenganges vom   Ultraschallwandler    bis zum Spiegel 9. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Spiegel 9 sphärisch und den Spiegel 11 nichtsphärisch zu machen oder auch beide Spiegel
11 und 9 nichtsphärisch zu wählen. Ferner kann anstelle des nichtsphärischen Spiegels auch eine akustische Linse mit einer nichtsphärischen Refraktionsfläche verwendet werden.



   Neben diesen Modifikationen der in Fig. 1 gezeigten Anordnung sind auch von diesen stark abweichende Ausführungsformen möglich. In Fig. 2 ist ein Hohlzylinder 16 als Ultraschallspiegel gezeigt, mit dem ebenfalls eine Fokussierung in einer Brennlinie erzielt werden kann. Ein Ultraschallwandler 17 ist koaxial mit dem Hohlzylinder 16 angeordnet und weist zweckmässigerweise eine Zerstreuungslinse 18 auf.



  Die von ihm ausgehenden Ultraschallstrahlen 19 werden an der Innenwand des Hohlzylinders 16 reflektiert. Alle an einem inneren Umfangkreis reflektierten Ultraschallstrahlen schneiden sich in einem Punkt der Zylinderachse.



   Allen Ausführungsformen der Erfindung ist gemeinsam, dass das   Schallfeld    im wesentlichen rotationssymmetrisch und konvergent ist, die Wellenfronten aber keine Kugelflächen sind. 

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH

   Ultraschalloptik zur Fokussierung von Ultraschallstrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine rotationssymmetrische, nicht sphärische Reflexions- oder Refraktionsfläche aufweist.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Ultraschalloptik nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass sie einen akustischen Spiegel in Form einer Kreiskegelfläche aufweist.

   2. Ultraschalloptik nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine akustische Linse mit mindestens einer Kreiskegelfläche aufweist.

   3. Ultraschalloptik nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Reflexionsfläche in Form eines Hohl zylinders aufweist.