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.
The invention relates to ultrasonic optics for focusing ultrasonic beams.
Ultrasound methods are becoming increasingly important in technology and medicine. B. in materials testing or in medical diagnostics. A well-known method is the echo sounding method, in which an ultrasonic pulse is emitted by one transducer and the pulse reflected by an obstacle is received by another transducer or by the same transducer. From the time that elapses until the echo is received, the distance between the transmitter / receiver and the reflecting object can be determined.
A measure of the accuracy of an echo sounding method is the longitudinal, i.e. H. existing in the direction of the sound beams and the lateral, d. H. the resolving power perpendicular to the former. When using a simple conventional transducer, a relatively good longitudinal resolution can be achieved, but the lateral resolution is insufficient because of the relatively large diameter of the ultrasonic beam. If the diameter of the transducer is made smaller, the beam has a large divergence due to diffraction phenomena. An improvement can be achieved by weakly focusing the beam so that its diameter is minimal in the center of the object to be observed. The minimum diameter, however, must not be chosen to be too small, because otherwise the divergence of the beam becomes too great.
A beam diameter of 1 to 2 cm is typically obtained when observing at a frequency of 2 MHz over a depth of 20 cm.
A much better lateral resolution can be achieved if the ultrasound beam is focused with a system with a large aperture. The lateral resolution can then be of the order of magnitude of the wavelength, i.e. at 2 MHz approximately (1.75 mm. However, this good lateral resolution is only achieved over a very small depth, i.e. also approximately one wavelength.
It can therefore be seen that the disadvantage of the previously known echo sounder methods is that an improvement in the lateral resolution is always accompanied by a reduction in the depth over which it can be reached.
The aim of the present invention is to achieve good bundling of the sound field and thus good lateral resolution over a great depth.
According to the invention, this is achieved by ultrasonic optics of the type specified at the outset with at least one rotationally symmetrical, non-spherical reflection or refraction surface. For example, conical or cylindrical surfaces or combinations of those with spherical surfaces come into consideration as rotationally symmetrical, non-spherical surfaces. Since acoustic lenses mostly reflect or absorb strongly, it is advantageous to use reflective surfaces, i.e. H. acoustic mirrors.
In the following, exemplary embodiments of the invention are explained with reference to the accompanying drawings. Show it:
1 shows an ultrasound head with optics containing an aspherical mirror, and FIG
2 shows an arrangement with a hollow cylinder as optics in a schematic representation.
The ultrasound head shown in FIG. 1 contains an ultrasound transducer 1, which is arranged in a substantially cylindrical housing 2. A commercially available product can be used as the ultrasonic transducer. In the present case, the diameter of the transducer piezoelectric crystal is approximately 20 mm. The converter 1 is held in place by a fastening sleeve 3 and a shoulder 4 on the inner wall of the housing. For this purpose and to allow the converter 1 to be removed, the sleeve 3 is connected to the housing 2 by a thread. On the side opposite the fastening sleeve, the housing is closed off with an ultrasonic collecting lens 5. The lens 5 consists of a material suitable for ultrasonic lenses, in the present case of acrylic glass.
It is arranged so that the transducer 1 is in its fixed position by a layer 6 of an ultrasonic coupling agent, e.g. B. silicone grease, has been coupled directly to them.
On the same side, the housing 2 is connected to an essentially circular carrier plate 7 by a thread provided on its outer wall.
The carrier plate 7 has a diameter of approximately 135 mm and has a circumferential projection 8 at a distance of approximately 7 mm from its circumference. The projection 8 serves as a support for an ultrasonic mirror 9, which is held by a ring 10 screwed to the carrier plate. The ultrasonic mirror 9 is designed as a concave mirror and has a non-spherical mirror surface that is rotationally symmetrical about an axis. In the present case, the mirror surface has a shape formed from the combination of a conical surface and a spherical surface. The mirror 9 is made of a suitable ultrasound reflective material, e.g. B. made of brass. Another ultrasonic mirror 11 is attached at a distance of about 75 mm from the crystal of the transducer 1.
This mirror 11 has approximately the same diameter as the crystal and a spherical surface. It has a cylindrical extension 12 with which it is fastened in a retaining ring 13 by means of an adjusting screw 14. The retaining ring 13 is connected to the ring 10 by means of struts 15. The mirror 11 is also made of brass, while the other fastening parts and the converter housing are made of aluminum, for example.
A sound pulse emitted by the transducer is focused by the lens 5, expanded by the spherical mirror 11 and then refocused by the mirror 9. The non-spherical shape of the mirror 9 creates a focal line instead of a focal point. At a point on this focal line, the ultrasonic energy reflected by an annular region of the mirror 9 is focused, i.e. H. an annular aperture of the optics corresponds to each point of the focal line.
This type of focusing in a focal line results in a tight bundling over the entire length of this focal line and thus the possibility of good lateral, with simultaneous good longitudinal resolution.
In addition to the described embodiment of the invention, a wide variety of other embodiments are possible. Modifications are therefore conceivable by changing the beam path from the ultrasonic transducer to the mirror 9. Another possibility is to make the mirror 9 spherical and the mirror 11 non-spherical, or both mirrors
11 and 9 to be chosen non-spherically. Furthermore, an acoustic lens with a non-spherical refraction surface can also be used instead of the non-spherical mirror.
In addition to these modifications of the arrangement shown in FIG. 1, embodiments which differ greatly from these are also possible. In Fig. 2, a hollow cylinder 16 is shown as an ultrasonic mirror, with which a focusing can also be achieved in a focal line. An ultrasonic transducer 17 is arranged coaxially with the hollow cylinder 16 and expediently has a diverging lens 18.
The ultrasonic beams 19 emanating from it are reflected on the inner wall of the hollow cylinder 16. All of the ultrasonic beams reflected on an inner circumferential circle intersect at a point on the cylinder axis.
All embodiments of the invention have in common that the sound field is essentially rotationally symmetrical and convergent, but the wave fronts are not spherical surfaces.