DE1547298A1

DE1547298A1 - Ultraschallkamera

Info

Publication number: DE1547298A1
Application number: DE19661547298
Authority: DE
Inventors: Gabor
Original assignee: Columbia Broadcasting System Inc
Current assignee: CBS Broadcasting Inc
Priority date: 1965-05-12
Filing date: 1966-05-11
Publication date: 1970-07-23
Also published as: NL6606459A; GB1149374A; US3869904A; DE1547298B2

Description

PATENTANWALT ^^Π

■. in «;. Κ. HOLZ E R I ^ ^nicht β^«^ί!±ϋ

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H-i-IMi-AV::t.-«l-K- "il ll.IJl.is, S1S7!

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Augsburg, den 9· Mai 1966

Dennis Gabor ,78 -ueen's Gate, London S,W. 7» England

Ultraschallkanera

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallkaaera ait einem Ultraaohallgenerator und damit gekoppelter Beschallungaflüasigkeit zur Aufnahme eines su untersuchenden Gegenstandes. Mittels einer solchen Kamera können ultraschall schwingungen in festen oder flüssigen Medien sichtbar gemacht werden.

Eine Ultraschallkamera wurde erstmals in den Dreißiger Jahren von B.Y. üokoloff vorgeschlagen. Spätere Konstrukteure

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sind im wesentlichen diesem Vorschlag gefolgt· Derselbe besteht in der Verwendung einer Slektronenkamera Hit einem in eine Flüssigkeit eingetauchten piezoelektrischen Auffänger· Die an der Vakuumröhre der Kamera angeordneten piexoelektrlachen Kristallplatten wandeln die Ultrasehallschwingungen in elektrische Potentiale um, die ihrerseits einen ^btastelektronenstrahl beeinflussen, desaen Bewegungen schließlich auf einem Kathodenstrahlröhrenschirm sichtbar gemacht werden.

Diese Arbeitsweise läßt sich insbesondere für den Nachweis von Blasen b2w. Rissen in Metallproben mit einigem Erfolg anwenden, Sie versagt jedoch auf einem sich anbietenden Hauptnnwendungsgebiet für Ultraschallkameras, nämlich der photographischen Gchwangerachoftsdiagnose, far welche bisher hauptsächlich die Eöntgenuatersuohung angewandt wurde, die mit nicht unerheblichen Strahlungsgefahren verbunden ist.

Die bekannten ültraschallkameras müssen klein sein, da daa Aufnahmegehäuse einerseits dünnwandig sein muß und andererseits den vollen Atmosphären-Vakuum-Druckunterschied aushalten muß» Auch bei einem dünnwandigen Gehäuse kann der Yellenwiderstand dee Cehirms nicht an den v.'ert von Wasser

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angepaßt werden, so daß der Großteil der Ultraschallenergie reflektiert wird. Zudem erzeugt diese Reflexion ein stehendes Wellenfeld, das zu einem die Güte der Aufnahmen solcher ' Kameras störenden Interferenzgebiet führt.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei UltrasohallkaBeras die erwähnten störenden Interferenzerscheinungen und stehenden Wellen möglichst gering zu halten und außerdem die Kammerabmessungen frei von den bisherigen Größenbegrensungen zu halten·

Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß eich innerhalb der Beschallungsflüssigkeit ein elastischer Schirm mit an die Beschallungeflüssigkeit angepaßtem Wellenwiderstand und mit einer Reflexionsfläche befindet, die durch eine Quelle kohärenter elektromagnetischer Strahlung beleuchtet wird, und daß eine Aufnahmeeinrichtung rorgesehen ist, die das an der Reflexionsflache reflektierte Wellenfeld unter Verwendung des Dopplereffekts in ein sichtbares Bild umwandelt·

Ein Bestandteil der Erfindung ist ein Schirm, der Lichtwellen reflektiert und der trotzdem röllig an den Wellenwiderstand γόη Wasser angepaßt ist, so daß er der Bewegung

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desselben folgt, und,wenn überhaupt, nur unmerklich Ultrasehallwellen reflektiert« Ein erstes Beispiel für einen solchen Schirm 1st eine dünne Membran aus einem Stoff wie χ.B. MyIon oder Mylar oder dgl·, der auf einer Seite eine dünne Metallbeschichtung aufweist, so daß er eine spiegelnd reflektierende oder streuende Beschichtung hat· Ein «weites Beispiel hierfür ist eine dünne, metallisierte Kugelschal· aus gut an Wasser angepaßtem Kunststoff und deren Sicke ein kleines ganssahllges Vielfaches der halben Schallwellenlänge beträgt, damit die an der Vorder- und Rückseite reflektierten Wellenenteile einander auslöschen· Schirme nach der Erfindung stellen somit kein Hindernis für die Ultraschallwellen dar, doch ihre Auelenkungen sind viel su klein, als daß man sie durch ein herkömmliches optisches Verfahren sichtbar machen könnte· Dl· Geschwindigkeit Samplitude der Wasserte liehen und damit des Schirmes liegt nur in der Größenordnung von 0,58 em/sec bei einer Ultraschallelstung von einem mW/cm , und »war unabhängig Ton der frequenz, und die Versehlebungsamplitude. betragt nur 2 . 10 ei bsw. 2 A bei einer Frequens von 3 MHs,

Diese kleinen Schwingungen können nach der Erfindung durch eine neuartige Anwendung von Laserstrahlung sichtbar gemacht werden« Der schwingende Schirm wird nämlich mit

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einen Laserstrahl beleuchtet und das reflektierte Licht wird durch noch im einseinen su beschreibende Einrichtungen beobachtet. Sas an de» schwingenden Schirm reflektierte Licht ist infolge des Dopplereffekts frequenzmoduliert, doch diese Modulation ist so geringfügig,, daß sie für normale Einrichtungen roll ig unsichtbar bleibt. Wenn die Maximalgeschwindigkeit oder besser Maximal sehneile des schwingenden Reflektors τ ist, beläuft sieh der Frequenzhub auf einen Bruchteil - 2 · τ/β der Lichtfrequenz mit ο als Lichtgeschwindigkeit· In dem obigen Beispiel mit einer Ultraschalleistung von 1 mW/cm² auf dem Schirm beläuft

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sich dieser nur auf einen Bruchteil 2,5 · 10 der Laserlicht frequenz· Biese geringfügige Ifrequenzaodulation wird in folgender Weise sichtbar gemacht: ELn Anteil des Laserlichtstrahls wird abgespalten und dem von dem schwingenden Schirm zurückkommenden Anteil überlagert· Dieser Anteil, dessen Frequenz unverändert ist, kann als Besugsstrahl dienen· Seine Intensität wird vorzugsweise der Intensität des reflektierten Abbildstrahls gleich gemacht· Durch geeignete Festlegung der optischen Wege der beiden Strahlante ile wird ihre gegenseitige Phasenbeziehung so «ingestollt, daß mindestens ein (Teil des Abbildanteils eiae Phasenverschiebung von 90° gegenüber dem Besugsstrahl, mit dem er überlagert wird, aufweist. Der betreffende Anteil des Ab-Mldlichtbündels besitzt also eine Phasenvoreilung oder ein·

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Fhasennaeheilung um eine Viertelewellenlänge la überlagerungsbereich am Ort ein·· piezoelektrischen Wandlers, der ale Auegangestufe der Oesamteinrichtung dient· Wie noch la einseinen gezeigt werden wird, er» folgt dadurch eine Umwandlung der Frequenzmodulation in eime Amplitudenmodulation aufgrund der Interferenz «wischen dem Abbildlichtbündel und dem Bezugsliehtbündel·

Ee let praktisch unmöglich, eine genaue 90°~Fhasenrerschiebung swiachen beiden Strahlen in einem Interferensgerät su erhalten, dessen einer Bauteil aus einer nachgiebigen Membran besteht, da eine Verschiebung derselben um eine Viertelslichtwellenlänge die Amplitudenmodulation Töllig ausloasht» Biese Schwierigkeit wird nach der Erfindung in folgender Weise behoben: Sie Phasendifferenz «wischen dem Abbildlichtbündel und dem Besugsbündel wird nicht konstant gehalten, sondern ändert sich im wesentlichen gleichmäBig längs des Schirme, beispielsweise von links nach rechts· Dies wird bei den Tersehiedenen Ausführungsformen der Erfindung auf unterschiedliche Weise erreicht· Mach einer Aueführungsform der Erfindung wird der Schirm gleichmäßig mit Laserlicht bestrahlt und ela Bild de* Schirms wird durch ein optisches System erzeugt« Xn diesem Fall bildet das nach Heflexioa τοη den Schirm zurüekkehremd·

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Liohtbündel ei» Wellenfrontfeld· Sea ιύ,τα -ιύ.η Wsllenfrontfeld des Beiugelbündel* überlagert, das eine ?Jiüicht Fora und gleich« Quere»sti?e®köng auf weilst, 'bei dem jedocL· die Welleafrontea tater ei»·» bestirnten Winkel gegenüber den Wellenfro&teJi de* erstem Feldes liegen. Infolgedessen führen die beide» Weilemfroatfelder su eines System beispielsweise Tertikai verlaufender Interferensstreifen. Deren Abstand wird rcrangcwsise gleich oder etwas !deiner als die AoflösuftgSfrcBset d«s Ultrasohalibildes gemaeht· Der relativ« Pluieenwiiiic»! des Beflexionsstrahls und des Besugsstrahls «adort sieli «wischen Je swei benachbarten Znterferensstrelfen im «ine Toll® Periode· Wie später noch bewiesen werden wird_y ergibt sieh aufgrund dieser Oberlagerung, daß jeweils in der Xone swischen swei benachbarten Interferensstreifen swei linien mit reiner, unsichtbarer Frequemsmodulation liegen, AaS sieh jedoch jeweils «wischen-swei derartigen Linien eis Gebiet befindet, wo die Frequensmodulation in eis» Aaplitudenmodulation umgewandelt ist und wo sich die Intensität; periodisch mit der tHtrasohallfrequens ändert* Biese Zfttemeltiitsmodalatiom ist siemliok gering, nämlich bei dem obigem Seispiel mit 1 mW/cm² Schalleistung etwa V1000 im Zemvsw des Gebiets umd 2,5/10CX) im Mittel, doch wird sie mittels einer photoelektriechen £inriohtiimg sichtbar gemacht_v dexen Ausgang an einen Weohselspannungs-Teratärker angekoppelt ist, der auf die Ultraechallfrequens

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abgestimmt ist· Eine oder mehrere solcher abgestimmter photoelektrieeher Einrichtungen tasten das gesamte Bildfeld ab, und deren verstärkte und gleichgerichtete Ausgangsspannung wird auf einer Kathodenstrahlröhre oder dgl. sur Anzeige gebracht. Da innerhalb des Auflösungsabstandes des Bildes swei aktive Modulationsgebietevorhanden sind, tritt kein Informationsverlust ein. Die Abtastblende der photoelektrisehen Einrichtung muß halb so groß wie der AuflÖsungsabstand oder etwas kleiner sein, damit sich dieses Ergebnis einstellt, da Jeweils benachbarte aktive Gebiete jeweils eine gegenphasige Modulation aufweisen.

Nach anderen Ausführungsformen der Erfindung wird nicht jeweils ein vollständiges Bild des Schirmes abgebildet, sondern der Schirm wird duroh mindestens einen Laserstrahl abgetastet, der mit eisern Bexugsstrshl sur Interferon* gebracht wird. Ia diesem Fall sind höchstens Teilwellenfronten vorhanden, doch die vorstehende Lehre führt dasu, daß sich die Phasendifferenz !wischen dem Abbildstrahl und dem Belugsetrahl, die in der photoelektrischen Ausgabeeinrichtung miteinander interferieren, im wesentlichen gleichförmig während der Abtastung ändern muß, was duroh noch su beschreibende Baugruppen erreicht wird.

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Bisher sind Maßnahmen beschrieben, die ein sichtbares Bild des schwingenden Schirms erzeugen· Dies relent für Schattenbilder von Gegenständen ähnlich den Eadiographien aus lind bei Verwendung einer Ultraschallinse» die den Gegenstand auf dem Schirm abbildet, kann man auch Bilder des Gegenstandes selbst erhalten· Booh durch eine Weiterbildung der Erfindung kann man Bilder der Gegenstände oder ^uerschnittsbilder derselben ohne Ultraschallinsen oder opiegel erhalten. Danach wird vorgeschlagen, den Abbildultraschallstrahl einen kohärenten Bezugsultraschailstrahl beizumischen, wobei die beiden Strahlen gleichseitig auf dem Jchirm auftreffen_o Durch diese einfache Maßnahme kann man jede Ebene des dreidimensionalen Gegenstandes in Form eines sichtbaren Bildes abbilden.

Diese auffallende Erscheinung läßt sich kurx als ¹¹'AeIlenfrontrekonstruktion", "Holographie" oder "Photographic ohne Linse" erklären (D. Gabor, "Proc· Roy· Soc", A 12£, 457 - 84, 1949i "Proo. Phys. Soc." B 64, 449 - 69,1951; Ε·Ν· Leith und J· Upatnieks, "J. Opt. 3oc, Amer." ££, 1377 - 8'lf 1963). Die mathematischen Zusammenhänge aind ähnlich, wenn auch die physikalischen Verhältnisse in beiden Fällen verschieden sind. In der Holographie wird «in Gegenstand mit kohärentem Licht beleuchtet und das an dem Gegenstand reflektierte oder gebeugte Licht wird auf einer

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photographischen Platte aufgefangen, die gleichseitig duroli ein kohärentes, vorzugsweise Parallellichtbündel als Besugsbündel beleuchtet wird, welch letzteres unter einen winkel su der Platte ausgerichtet 1st· Bas entstehende Hologramm enthält in Codeform alle Informatics über den Gegenstand, der swei- oder dreidimensional sein kann· Das auf de» Schirm dusch Überlagerung des Abbildlichtbündels und des Besugsbündels erhaltene Ultraschallbild ist ein Schallhologramm· Man kann dann das Schirmbild photographieren und in gleicher Weise wie in der Holographie behandeln, d.h. es entwickeln und mit einem kohärenten Besugelichtbündel beleuchten· Der Gegenstand erscheint dann Tor oder hinter der photographischen Platte, und sw ar vollständig entschlüsselt, cL*h₃ in natürlicher Form Doch es hat sich gezeigt_c daß dies nicht erforderlich ist« Wenn die Abtastbildebene nicht das optische Schirmbild ist, ist das durch Abtastung einer solchen Ebene erhaltene Bild immer noch eine optische Barstellung einer entsprechenden Fläche des Ultrasahaliraumes.

Dies beruht darauf, daß das beschriebene Naehweiaverfahren phaaenempfindlich arbeitet, wo die Oberlagerung eines kohärenten optischen Besugsstrahls und Verstärkung des Wechsel spanmiageaateils in einem abgestimmten Verstärker er-

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folgt· Han erhält jeweils dann Maxima, wm&M ä&T Abbildstrahl eine 90°-Piiaeeavereciiieb«ng gegenüber dem Besugsstrahl aufweist ₉ und Minima, a«h. wenn eine gleichphasige oder gegenphasige Beziehung rorliegt. Die Wirkung ist dieselbe wie in der Holographie, lediglich alt dem Unterschied, daß in der Holographie Maxiaa einer gleichphasigen und Minima einer gegenphasigen Besiehung entsprechen, wogegen in vorliegendem Fall Minima bei einer ^^Phasenverschiebung auftreten. Dies ist jedoch einer Yerkürsung der Wellenlängen des Abbild- und Besugsetrahls in der Holographie auf die Hälfte gleichwertig, wobei sieh die Anzahl der Interferensstreifen verdoppelt. Dies beeinflußt überhaupt nicht die Lage der Flächen, wo eich die beiden Strahle» in konstanter gegenseitiger Fhagenbeslehung befinden, daher liegen diese Flächen im optischen Bildraum genau wie bei der Holographie an gleicher Stelle« Folglieh enthält der optische Baum dasselbe voll «tändige Bild wie der Schallraum und kann tiefenmäßig erfaßt werden. Sine solche dreidimensionale Darstellung des Schallfeldes in dem Lichtfeld kann jedoch nur bei solchen Ausführungsformen der Erfindung erhalten werden, wo der gesamte 3chlrm oder mindestens ein Hauptteil desselben gleichzeitig durch ein Linsensystem beleuchtet und abgebildet wird· Uena der Schirm durch einen fokoeierten Lichtstrahl abgetastet wird, kann man unmittelbar atzr ein Bild des Schirme selbst erhalten.

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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen besser verstanden. Es stellen dar:

Figur 1 eine sehematische Darstellung einer grundlegenden Aueführungsform der Erfindung Bit einem schwingenden Schirm in Form einer dünnen ebenen Membran,

Figur 2 eine Darstellung eines Laserspektrums»

Figur 3 die Grundsüge der Umwandlung der Frequeasmodulation in eine Intensitätsmodulation,

Figuren 4a verschiedene Ansichten eines verbesserten und 4b

optischen Aufbaus sit einem sphärischen

Gchirm und einem überlagerungat·!! zur Überlagerung eines Ultraschallbezugsstrahla auf dem Schirm»

Figuren 5a drei Aneichten einer Abtasteinrichtung m

bia 5e

Aufzeichnung und Anzeige der Ultraachallbilder,

Figuren 6a Jeweils Ansichten weiterer Außführungsformem

bia 6c und

7a und Tb der Erfindung, wo der Laserstrahl in «inen

«chaalen Streifen auf dem Schirm fokueiert iat,

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der mittels einer optischen Abtasteinrichtung rechtwinkelig zu sich selbst -verschoben wird, und wobei der Auegang mittels mehrerer parallel zueinander angeordneter photoelektrischer Fühler abgenommen wird, und

Figuren 8a eine weitere Ausführungsform der Erfindung und 8b .

mit; einem in einen Leuchtfleck auf dem Schim

fokusierten Laserstrahl, der den Schirm zweidimensional abtastet, während das Ausgangssignal übei* einen einzigen photo elektrischen Fühler abgenommen wird·

Figur 1 zeigt in einem schematischen ebenen Hiß eine AuBführungsform der Erfindung, iiin Gehäuse 1, dessen Größe zur Aufnahme eines Gegenstandes 50 ausreicht, enthält Wasser oder ein anderes Strömungsmittel· '.Vo Ultraschallwellen auf die Gehäusewandungen treffen können, sind diese alt eines Absorptionsstoff 2, beispielsweise Schaumgummi, ausgekleidet, damit Reflexionswellen und stehende Wellen unterdrückt werden« Ausgenommen hiervon sind zwei Fenster, eines für den Lichteintritt und das andere für den Lichtaustritt, die jeweils so klein als möglich gemacht sind. Eine Ultraschallquelle 3, beispielsweise ein zur Besonanz angeregter piezoelektrischer

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Kristall» let innerhalb des Gehäuses untergebracht und ein parabolischer Reflektor 4 wandelt das divergierende Strahlenbündel in ein Parallel strahlbiindel, das auf einen Schirm 5 gerichtet ist. In des Torliegenden Beispiel ist der Schirm eine sehr dünne Membran aus einen Stoff wie beispielsweise Nylon oder HyIar, der in einen 'Rahmen 6 gespannt und mit einer streuenden Metallschicht metallisiert ist· In späteren Ausführungsbeispielen ist die L'etallbeschichtung ein spiegeiförmiger Reflektor* Die Membran ist so dünn und leicht, daß sie den ultraschallschwingungen folgt, ohne daß sich ein merklicher Widerstand oder eine Reflexion bemerkbar machen·

Der schwingende Hchira 5 ist durch einen Laserstrahl beleuchtete "=r durch eine Linne 7 und ein strahlaufspaltendes Prisma 8 tritt· Me Abbildung erfolgt durch eine Linse 9* die ein Bild des Bcfeiraa 5 in einer gestrichelt eingezeichneten Ebene arseugt» Ein Laserlichtanteil ist .in 3em Prisiaa 8 abgespalten und fällt in Form einer schiefwinkelig ausgerichteten ebenen Welle auf die Bildebene ein· Die Bildebene wird über eine Linse 11 mittels mindestens einer Photozellc 12 punktweise abgetastet· Der Fhotosellenausgang liegt an einem Wechselspannungsverstärker 52 an, der auf die Ultraschallfrequens abgestimmt ist, und die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Verstärkers wird in einer Kathodenstrahlröhre 13 oder dgl· angezeigt, vorzugsweise in einer speichem-

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den Kathodenstrahlröhre« Diese Darstellung -li®Bt lediglich su eiaer einfaches Erläuterung des Grundgedankens der ErfinduBg ind um all· Steil·» «&© das Gehäuse 1, die Schallquelle 3 und den Gegenstand 50 su ε-eigen, di© in den späteren figuren nicht sehr abgebildet sind« Siese Anordnung ist jedoch« wie die folgende quantitative Unter* suchung «eigen wird« für die; praktische Verwendung nicht aus» reichend.

Zur quantitativen Untersuchung der Wirkungsweise dieser Anordnung wird suaächst die struktur eines Strahls betrachtet« der vorn eint» Öaeleeer emittiert wird« Sie Auegangsstrahlung besteht norKalerweise aus einer Ansah! von Iiinie&gruppeB« die jeweils einem übergang entsprechen. Figur se igt die Struktur einer solche» Gruppe. BelB Fehlen des Lasereinflusses würde di· ÜjRie eiae Dopplerbreite W_D in der Größe von 1000 MHs aufweiten* Der Lasezvlnfluß, d.h. di· angeregte Ssissiwft, spaltet dies· Liaie im eiise Ansah! sehr •ohmsler Linien suf« di· jeweils einer HohlrauawiigensohwftttgqBg entsprechen. Zu» Zwe«ke der Erläuterung sei «in Hellua-Heon-Geslaeer alt einer Well«aäJ5«e von 6328 2 und tob 1 Meter Läng« swisehsa dea SplegelB aagenossieB. Derselbe hat eise Frequenz /Λ . 4,7 . 1Ü¹⁴ Hs, UBd swlsehen den Spiegeln liegen 1,58 · 10⁶ WellealäBg·!!·. Wenn der Laser in geeigneter Welse

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aufgebaut 1st, beispielsweise mittels sphärischer Spiegel, treten nur longitudinale Eigenschwingungen auf, die Jeweils entsprechend einer '.'.'ellenlange gegeneinander ▼erschoben sind, cUh. frequenzmäßig um einen Bruchteil ▼on 1/1,58 * 10 , was zu einen Frequenzabstand zwischen den Laserlinien-von etwa 300 MIIz führt. Andererseits liegt die Breite w der Laserlinien in der Größenordnung einiger weniger kHz oder darunter,

Zunächst sei nur eine Laserlinie der Frequenz //" betrachtet, die an den Bit eiaer Schnellenamplitude ▼ schwingenden Schirm reflektiert wird· Dies erzeugt eine Frequenzmodulation der Laserlinie mit einem Frequenzhub von ί 2 · O/e). Kit anderen Aorten ändert sich nach Figur 3 der Fhatearoktor des reflektierten Lichte »it der Ultraechallfrequens f um seine Klttellage· Der halbe Hubwinkel beträgt

iX - 2 . (v/c) . (KV*)

Das Ausbreitungsmediun sei beispielsweise Wasser mit einer Schallgeschwindigkeit von V ■ 1,5 * 10 crn/sec und

eiaer Ultraschall Strahlungsdichte von 1 a W/cm . Dies entspricht einer Bchnellenaitplitude ron ▼ « 0,36 cm/sec unabhängig von der Frequenz. Hit dem obigen Wert tob und mit f - 3 KHs ergibt sich ύΧ -.4 - 10"⁵.

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Nun werde zu diesem schwingenden Licht vektor ein Vektor A₀ gleicher Länge mit einer IhasenverSchiebung von 90° addiert· Iiach Figur 3 besitzt der resultierende Vektor nunmehr nicht nur eine Phasen-, sondern auch eine Amplitudenmodulation· Sie Lichtintensität skomponent·, die sich sinusförmig mit der Ultraschallfrequen» f ändert, hat einen Hub von -2 · (£ · a£, d.h. di« Intenaität·- amplitude ist gerade ein Bruchteil der Gleichfeldintensität 2 · Aq. Es zeigt sich, daß eine beigemischte Besugaamplitud· gleicher Intensität, jedoch mit 90°-Phasenverschiebung gegenüber dem Reflexionsstrahl, die beste Lösung zur Auswertung dieser Frequenzkomponente darstellt· Maser Idealfall läßt sich allerdings nicht verwirklichen, da man mit einem dünnen und beweglichen Reflexionsschirm praktisch keine Bezugswelle erzeugen kann, die in jedem Punkt eine 90⁰-Phasenver3Chiebung gegenüber der iäeflexionswellenfront aufweist· Die Lösung dieser »Schwierigkeit liegt darin, daß man die Phase der Bezugswelle über die Bildfläche veränderlich, macht, so daß sich auf eine Strecke entsprechend der Ultraschallauflösungsgrenxe die Phase um 2 * % oder etwas mehr ändert· !Tür das obige Beispiel beträgt die Ultraschallwellenlänge in Wasser 1,5 ^β 10V3 · 10 « 0,05 cm· Die TJltrasohaliauflosungagrense ist das 0,6-fache Vielfaohe der Wellenlänge, dividiert durch den Sinus des halben Winkels, unter dem der Schirm von dem Gegenstand aus erscheint, nimmt

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man diesen Winkel zwischen etwa 55° und 40° an» so ergibt sieh das Auflösungsvermögen gerade etwa gleich einer Wellenlänge, d.h. einem halben Millimeter. Bei einem 25 om breiten Schirm erhält man ein Schallbild mit einer Auflösung von 500 χ 500 Linien. Man muß deshalb den Lichtbetugestrehl unter einem solchen Winkel su dem Schirmbild so ausrichten, daß er auf demselben 500 oder etwas zehr Interferensstreifen ergibt, vortugsweise in Form gerader, paralleler, gleichabständiger Linien. Diese können dann senkrecht su ihrer Längsrichtung durch mindestens einen photoelektrisohem Fühler abgetastet werden, dessen «Jeweilige Eintrittsblende nicht breiter als der halbe Xnterferensstreifenabstand sein darf, da die Wechsel Spannungskomponenten benachbarter aktiver Gebiete ,jeweils gepienphasig sind. Es liegen also 1000 aktive Gebiete längs einer Abtastlinie· Es zeigt sich, daß man bei gleichnamiger Phasenänderung länge einer Abtastlinie nur die Hälfte der Anplitudenmodulation einbüßt-, die sich einstellen würde, wenn der Abbildstrahl und der Bexugsstrahl überall eine ^^-Phasenverschiebung haben würden.

Bisher wurde die Erfassung einer einsigen Laserlini· erläutert· Tatsächlich enthält das Laaerspektrum Liniengruppen beispielsweise nach Figur 2. Wenn man das frequensmo dauerte Spektrum einer solchen Gruppe der Ausgangsgruppe überlagert, treten keine Änderungen auf, solange die

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Phasen aller Linien eine 90° Phasenverschiebung aufweisen· Pies beruht darauf» daß die Sciiwebung der Frequenz f jeweils nur durch Interferenz jeder Laserlinie mit der frequenzmodulierten paarigen Linie erzeugt wird« jedoch keine Inte rf er en» zwischen verschiedenen Linien verwertet wird· Sa der Abstand der Laserlinie in der Größe Ton einigen hundert MHz liegt« würde die Beimischung nichtpaariger Linien Schwebungsfrequenzen von mindest ens einigen hundert IfHz ergeben, was weit außerhalb des Durchlaßbereichs des abge· stimmten Verstärkers liegt« Das oben angegebene einfache Ergebnis für die relative Intensitätsmodulation bleibt somit gültig. Ein weiteres Problem tritt jedoch durch die Bedingung auf« daß die 90°-Fhaeentoez±ehung in jedem Bildpunkt zumindest näherungaweiee nicht nur für eine Linie, sondern für alle TfInIen einer Gruppe erfüllt sein muß, deren Gesamtfrequenzbreite etwa 1000 HHz beträgt« Diese Bedingung wird erfüllt« wenn die optischen Weglängen des Seflexionsstrahls und des Besugzstrahls bis auf etwa einen Zentimeter gleich sind· Wenn mehrere Gruppen mit intensiven Linien von einem Laser ausgesandt werden «ad man alle Gruppen benutzen will, muß die Abgleichung noch genauer sein. Die hierfür erforderlichen Maßnahmen «erden Ib späteren Beispielen beschrieben.

Nunmehr seilen die Intensltätabedingungen betrachtet werden, die eingehalten werden müssen, wenn die oben cbge-

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leitete geringe Intensitätsmodulation von einigen Tausendsteln nicht Im Rauschpegel untergehen ßoll. Bei einem Dauerlaserbetrieb ist hauptsächlich Photonenrauschen vorhanden, Ss sei £ die Leistung, d.h. der Liohtenergiefluß pro Sekunde innerhalb der Abtastfläche, also der Fläche der Fühlereintrittsblende· Aus dem angegebenen Gründen ist dies die Hälfte eines aufgelösten Bildelementes· Außerdem sei e ■ qC· E die Lichtsignal leistung, die sich bei der Wechselepannungsfrequen» f seigt, und At das Durchlaßt and des Yer stärkers· Dann ist nach Schottky die mittlere quadratische Rauschleistung in diesem Frequenzband

(/E)² - 2 . h . f . E -At

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mit h als Planck*sehen Wirkuagsquantum h ■ 6,54 · 10 ' erg.see Wenn man ein Slgnal-RauschstromYerhältnis von (S/H) wünscht, muß dieses (S/K) mal kleiner als die mittlere quadratische Signalleistung sein, die ^ · e² - ^ * (X² . E² beträgt· Dies ergibt die Gleichung

2 . h . ff . E . ^f - (H/S)² . ^ · #C² . E²

b*w. E - 4 . h . pr .

Für das obige Beispiel 1st die Photonenenergie

3 · 1O~¹² erg und pC ■ * · 1O~⁵. Himat man eine Band-

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"U

breite Δ f « 10 kH« an und ein Signal-Xlauechverhältnis S/N ■ 10, bezogen auf den photoelektrisohen Strom, bzw. 20 db belogen auf die Leistung, so erhält nan E » 0,75 erg/aeo ■ 0,75 · 10""' W Lichtleiatuag innerhalb der Abtastblendenfläoh·. Da die Abtastblendenfläche gleich oder geringfügig kleiner als eine halbe Elenentarauflösungsflache 1st, erhält man für einen Schirm mit 500 χ 500 2,5 · 10* Bildelementen

0,75 . 10 ⁷ . 5 · 10⁵ - 0,0375 w

Unter Berücksichtigung des ßtromverteilungarauschene in dem photoelektrischen Element ist eine Laserausgangsleistung in der Größe von 100 mW erforderlich. Solche Ausgangsleistungen liegen innerhalb der Werte von Gaslasern, doch das Beispiel zeigt, daß zur Aufzeichnung von Ultraschallwellen mit einer Leistung von 1 mW/cm starke Laser benutzt werden müssen und daß deren Lichtleistung aöglichst vollkommen ausgenutzt werden muß« Es ist zu bemerken, daß eine Ultraschalleistung von 1 MW/cm sehr viel in Anbetracht der einzuhaltenden Sicherheitsvorschriften ist. Die ersten nachteiligen physiologischen Erscheinungen werden normalerweise bei 1 W/cm während etwa 100 Sekunden beobachtet, so daß für Bestrahlungen in der Dauer einer Sekunde die Leistung sicherlich auf das Drei- oder Tierfache ge-

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steigert werden kann· Sie gesteigerte Leistung kann but Verbesserung des Signal-Rausehverhältnisses oder «ur Verminderung der Laserleistung oder auch für beide Zweeke dienen· Tür das folgende wird daher nur die Annahm* eines sohaalen Verstäxkerb&ndes τοη 10 kHs aufgestellt. Bei einer Bandbreite τοη 10 kHs kann ein Abtaster 20 000 verschiedene Bildelemente pro Sekunde aufzeichnen, so daß die Abtastung τοη 250 000 Bildelementen insgesamt 12,5 Sekunden dauert. Zur Verkürzung der Belichtungszeit sind daher mehrere Abtastelemente vorzuziehen.

Sie Figuren 4 und 5 der Zeichnungen zeigen, wie die Forderung einer rollen Ausnutzung der Laserleistung durch die Auslegimg des Gerätes erfüllt werden kann· Die Figuren 4a und 4b stellen zwei rechtwinkelig zueinander gelegte Schnitte durch den der Beobachtung dienenden Endteil des Gerätes dar. Der ebene, streuende, schwingende Sehim' 5 nach Figur 1 ist durch eine dünne, selbsttragende sphärische Membran 14 aus einem Stoff ersetzt, dessen Wellenwiderstand an Wasser angepaßt ist und der einen spiegelnden Reflexioneüberzug trägt. Der selbsttragende sphärische Spiegel kann auch durch eine dünne Metallschicht oder eine metallisierte Kunststofffolie ersetzt werden, die durch einen auf der konkaven Seite ausgeübten Druck in der sphärischen Form gehalten wird. Das

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Zemtrum O dieses sphärischen Spiegels liegt in der Wandung des Wassertanks» Sas Laserlicht wird nach Durchtritt durch ein strahlaufspaltendes Prisma 8 und durch eine Kottdensorlinse 7 in einen I¹UnICt auf einer Seite des Zentrums 0 in geringen Abstand von desselben fokusiert und durch ein totalreflektierendes Prisma 15 auf den Schirm abgelenkt· Der sphärische Spiegel bildet den genannten Brennpunkt auf der anderen Seite des Zentrums 0 ab und richtet damit das gesamte Reflexionslicht in eine Linse % die sehr klein gehalten «erden kann· Von dieser Linse gehen sphärische Wellenfronten F aus· Der in dem Prisma 8 abgespaltene Bexugsstrahl wird auf einen Spiegel 16 gerichtet« der ihn durch eine Kondensorlinse 17 auf einen Spiegel 18 reflektiert« welcher so angeordnet ist, daß der Besugsstrahl τοη einem mit 0 gieiohllegenden Pmmkt aussugehen seheint« der auf den Elntrittspu&kt des Abbildstrahls ausgerichtet ist. Der Spiegel 16 ist im eines solchen Abstand aufgestellt, daß die optischen Weglämgen dee Reflezionsstrahls umd des Besugsstrahls aufeinander abgeglichen siad. Die Wellenfront F* de« Besugsstrahis 1st ebenfalls sphärisch und liegt unter einem im wesentlichen konstanten Winkel »u der Wellenfront F des Abbildstrahle. Infolgedessen bilden die durch diese beiden Strahlen gebildeten Xnterferensstreifen in Ebenen rechtwinkelig xur Hauptachse ein System näherungsweise gerader

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gleichabständiger Linien entsprechend den oben ausgeführten Erfordernissen.

Figur 4b stellt einen Schnitt rechtwinkelig su figur 4a dar und gibt die Baugruppen sur Erseugung eines kohärenten Ultrasohallbesugsstrahle an. Ein Besugsstrahl ist auch bei der Ausführungsfora naoh Figur 1 rorhanden, da nach den Ge set sen der physikalischen Optik ein Anteil des Beleuchtungebündels immer unbeeinflußt bleibt, doch dieser ist nur dann intensiv genug, wenn der Gegenstand sehr transparent ist· Ein intensiver Besugsstrahl wird nach Figur 4b durch eine Ultraschallquelle 16* erzeugt, die synchron mit der Beleuchtungequelle 3 betrieben wird. Die Wellenfront dieser Ultraschallquelle ist sphärisch und etwas schiefwinkelig SU dem Spiegel 14. Die Schiefwinkeligkeit des Besugsstrahls bietet verschiedene Vorteile, wie aus der optischen Holographie bekannt ist.

Die Figuren 5a, 5b und 5e der Zeichnungen seigen eine Mehrfaehabtasteinriehtung in drei Ansichten. Ein Band 19, beispielsweise aus Stahl, läuft über Rollen 20 an Mehreren Abtastkopf en vorbei, die aus pyramidenstumpfförmigem transparenten Lichtleitern 21 bestehen, die jeweils einen Bildbereich und zusammen die gesamte Bildfläche überdecken· Sie enden in photoelektrischen Elementen 12, welche die ent-

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sprechenden Bildbereiche erfassen· Jedes Fhotoelement besitst einen gesonderten abgestimmten Wechselspannungs-Terstärker. Das Band 19 hat kleine, vorzugsweise rechteck« förmige Löcher, die in Abtastrlehtung halb so breit wie in der dazu senkrechten Richtung sind; jeweils ein Loch liegt vor einen der in Reihe angeordneten Abtastbereiche, so daß nacheinander einzelne Linien abgetastet werden, wobei die gesamte Abtastung jeweils mit einem Bandumlauf beendet ist. Es sei als Beispiel wiederum ein Bild mit 250 000 Bildelementen und eine Bandbreite von 10 kHz betrachtet. Zwölf Bereiche tasten das Bildfeld in etwas mehr als einer Sekunde ab. Jede Linie besitst 500 Elemente und wird in 300/200 000 - 0,025 Sekunden abgetastet. Die Abtastfläche sei 5 cm χ 5 em groß, so daß das Band mit einer Geschwindigkeit von 20 cm/sec laufen und etwas mehr als 2 m lang sein muß. Bas Lochband ist lediglich als Beispiel einer mechanischen Abtasteinrichtung erwähnt, wo gleichwertige Anordnungen ohne weiteres verfügbar sind.

Jeder abgestimmte Wechselspannungsverstärker ist mit einem gesonderten Gleichrichter verbunden und besitzt jeweils eine Bandbreite von 0 kHz bis 10 kHz. Zur Anzeige des Bildes auf einer Kathodenstrahlröhre kann eine Zeitmultiplexschaltuag benutzt werden, so daß jeder Ausgang jeweils für

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eine Dauer τοη etwa 2^/Zeec feie 4/fsec an das Steuergitter einer Kathodenstrahlröhre angekoppelt iat, die vorzugsweise als Speicherröhre ausgebildet ist. Dieser Zyklus wiederholt sieh jeweils nach 5O^see. Innerhalb dieser Zeitdauer streicht der Eathodenstrahllichtpunkt jeweils swölfmal rechtwinkelig iber die Abtastlinien, jeweils über eine Bereichsbreite, wie dies aus der kultlplex-Ossillographentechnik bekannt ist·

Wenn auch die anhand der figuren 4 und 5 erläuterte Aueführungeform den später beschriebenen Aueführungsformen hinsichtlieh der Ausnutzung der Laserleistung unterlegen ist, bietet sie doch den Torteil, daß die beschriebene Holographietechnik angewandt werden kann, d.h· der Gegenstand räumlich tiefenmäßig erfaßt werden kann, ohne daß man zunächst eine Photographic des Bildes der Anseigeröhre machen muß· Dies ist am einfachsten für den Sonderfall su verstehen, wo der Abstand der Schallquelle 18* von dem Schirmsentrum dem Schirmradius gleich ist« Die gestrichelt in figur 4b eingezeichnete Schallwellenfront schneidet dann den Schirm 14 In einem Großkreis rechtwinkelig zur Zeichenebene. Wenn nunmehr um den Punkt 18* herum Kugelschalen mit Radien, die sich jeweils um ganz· Vielfache der Schallwellenlänge unterscheiden, aufgetragen werden, schneiden diese den Schirm 14 in Kreisen parallel zu dem genannten Großkreis.

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Aus einer Richtung, die den Winkel zwischen 18* und O teilt, erscheinen dieselben als gerade Linien. Dieselben kann Man als Ultraschall-Fresnel-Zonen bezeichnen·

Nunmehr wird der Ursprung der Bezugsliehtwellenfront F* in den optischen Raun des Schirme 14- traneformiert und mit 0" bezeichnet, was but Vermeidung τοη Verwirrungen in Figur 4 nicht dargestellt ist. Bann legt man diesen Punkt 0" in eine solche Stellung, da£ seine Licht-Fresnel-Zoaen mit den genannten SchalI-Fresnel-Zonen der Quell« 18' übereinntionen. Ba jedoch nach der Erfindung zwischen dem InterfereruBstreifen zweimal Uexiiia auftreten, müssen diese Fresnel-Zonen mit Kugelschalen konstruiert werden, die um Vielfache der halben Lichtwellenlänge auseinanderliegen· Da bei dem beschriebenen Ausführungslieispiel dl j Lichtwellenlange in Wasser etwa ein Tausendstel der Schall wellen-1finge auemacht, wird der Abstand zwischen 0" und 0 etwa 2000-aal geringer als der zwischen den Punkten 18' und 0·

Wenn die Einstellung in der beschriebenen Weise erfolgt, ist die optische Bezugswelle der Sohallbezugswelle äquivalent· Sie wirkt damit in gleicher Weise wie die optische Bezugswelle, die für die Zusanmenfügung in der Lichtholographie benutzt wird· Sie stellt zusammen mit der Abbildwelle das Schallfeld in stark verkleinertem Maßstab dar.

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Ein erstes räumlicheβ Bild des Schallfeideβ entsteht auf der anderen Seite des Schliss in der Nähe des Punktes O in eines kleinräuaigen Bereich. Dieses Bild wird durch die Linse 9 vergrößert und das vergrößerte Bild kann tiefenmäßig mittels einer Abtasteinrichtung nach Figur 5 abgetastet werden· Durch geeignete Wahl der Quervergrößerung kann man die Tiefe des räumlichen Bildes du Original gleichmachen oder eine stärkere Vergrößerung ersielen·

Der Spesialfall, wo die Llchtbeüugswelle als eine genaue optische Fortsetzung der Schallbesugswell· erscheint, wurde nur für eine Vereinfachung der Darstellung ausgewählt· Es ist von der Lichtholographie her bekannt_v daß sich im Ergebnis eine gewisse optische Transformation des Gegenstandes ergibt, die denselben etwas verzerrt» Jedoch die Kenntlichkeit nicht stört, wenn der Bezugsstrahl für die Zusammensetzung nicht derselbe wie der Auegangsstrahl 1st.

Die Figuren 6 und 7 der Zeichnungen «eigen weitere Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die Lasferleistung besser ausgenutst wird, indem jeweils nur ein schmaler Streifen des schwingenden Schirms gleichseitig ausgeleuchtet wird und dieser Streifen senkrecht su seiner Längsrichtung abtastend über den Schirm bewegt wird, wobei die Streifenlängerichtung senkrecht sur Zeichenebene angenommen ist·

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Figur 6a zeigt das Gerät im Grundriß, wo das von einem mit Spiegeln 24 ausgestatteten Gaslaser 23 emittierte Licht in einen dünnen flachen Strahl fokusiert wird, dessen Längsseite senkrecht zur Zeiohenebena liegt, wosu zwei, ein afokaleβ System bildende Zylinderlinsen und 26 dienen. Dies ist deutlicher aus Figur 6b zu erkennen, die den Laser 23 und die Zylinderlinsen 25 und im Seitenriß zeigt* Die erste dieser Linsen 25 kann als dünner Glasstab ausgebildet sein.

Bas Parallelstrahlbündel mit rechteckförmigern Querschnitt tritt sodann in ein sich drehendes polygonales Prisma 27 ein,das aus Glas oder einem anderen transparenten Stoff besteht. Sie Drehzahl ist so abgestimmt, daß eine Seitenfläche des polygonalen Prismas während der Dauer einer Linienabtastung des Lichtbündel durchfährt. Wenn beispielsweise ein Bild mit 500 Linien gleichzeitig durch zehn photoelektrische Fühler abgetastet wird und eine Abtastperiode eine Sekunde dauert, erfolgt eine Linienabtastung in einer Fünfzigetelsekunde. Mn hexagonales Prisma 27 muß also 50/6 Umdrehungen in der Sekunde bzw. 500 Umdrehungen in der Minute ausführen. Um die von dem sich drehenden Prisma bewirkte Luftströmung

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▼on den optischen Teilen ferasuhalten, umgibt man das Prisma Torsugsweise mit einem sich nicht drehenden Glasrohr 28. In der Zeichnung ist die von des Strahlbündel überstrichen« Breit· in gestrichelten Linien eingetragen, während das scheele Strahlbündel in ausgeiogener Linie dargestellt ist.

Bas Strahlbündel tritt sodann in ein, im Verhältnis 50 t 50 strahlaufspaltendes Prisma 29 ein. Der durchtretende Anteil wird durch eine Linse 30 in das Zentrum oder in die Nahe des Zentrums einer Kugellinie fokusiert, die aus zwei Halbkugeln 31 und 32 besteht, zwischen denen sich eine halbdurchlässige Schicht 33 befindet. Der an der Schicht 33 reflektierte Anteil dient als unmodulierter Bezugsstrahl. Er tritt durch ein Linsensystem 34, das der Linse 30 gleich ist, und wird parallel gerichtet. Pas Parallelatrahlbündel wird in sich selbst durch einen senkrecht aufgestellten Spiegel 35 zurückreflektiert. Der Abstand dieses Spiegels ist so gewählt, daß die optischen Weglängen des Abbildstrahls und des Besugsstrahls im wesentlichen gleich besüglich de« Punktes sind, wo diese Anteile wieder vereinigt werden.

Die Verhältnisse an der halbdurchl&saigen Schicht 33

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eind deutlicher aus ligur 6c zu ersehen, die eine Vergrößerung darstellt. Pas durch das Linsensystem 30 getretene Licht wird in dem Punkt O, fokusiert. Per durchgelaesene Anteil gelangt von hier auf den Bildschirm 14 und wird von demselben auf den Punkt C₂ fokusiert, der ■esüglich des Punktes G₁ symmetrisch zum Zentrum O des sphärischen Schirms 14 liegt· Per an der Fläche 33 reflektiert« Anteil wird in den Spiegelpunkt C₄. des Punkt·· CLg fokusiert und durch das eelbstkolliaierende System wieder in diese» Punkt vereinigt. Nach Reflexion an der Schicht 55 scheint dieses Bündel von dem Punkt C^ hercukomen. Per Abstand zwischen C₁ und C Boß klein

¹ 2

■ein· Wenn beispielsweise eine Bildauflösung von 500 Punkten pro Abtaetlinie erforderlich ißt, Bussen nach der vorigen Erläuterung «wischen des Abbildbünäel und c^; >«» Besugebünd·! 500 Interferensstreifen erzeugt werden. Demnach mB der Winkel «wischen den beiden interferierenden Wellenfronten so eingestellt sein, daft über di« Breite des Bildschirms «int Wellenfront gegenüber der anderen üb 500 Wellenlängen versetst ist. Wenn beispielsweise der Ultraschallbildechirn 14 «inen Rad lues von 500 η und •ine Breite von 500 μ hat und die Wellenlänge des Laserlicht·« in Wasser 0,75^*, beträgt, muß der Abstand «wischen

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C^ und C₂ gleich

⁵⁰⁰ * fc§ · °·⁷⁵ · ¹⁰"⁵ · °»⁶² ■■

sein. Dies ist die günstigste Einstellung für 500 Bildpunkte pro Abtastlinie. Wenn der Abstand geringer ist, kann in dem Bild ein Glanzeffekt auftreten. Wenn er größer ist, d. h. wenn mehr Interferensstreifen als Bildpunkte vorhanden sind, ist der Ausnutzungsgrad des Lichts geringer, da Innerhalb einer Äbtastblendenöffnung Modulationsbereiche entgegengesetzter Phasenlage auftreten. Die Einstellung kann vor Aufnahme eines Bildes sehr genau erfolgen, indem man die Interferenzstreifen in der Ebene durch ein Vergrößerungsglas beobachtet.

Das Abbild- und das Btsugsatrahlbündel laufen zusammen durch das Linsensystem JO zurück und fallen als Parallelbündel in das halbdurchlässige Prisma 29 ein. Der reflektierte Strahlanteil kommt zur Beobachtung. Das Bild wird durch, eine Linse 36 entsprechond vergrößert und tritt durch die Abtastblenden 22 des Abtaetbandea 19 in die Lichtleiter 22 der photoelektrischen Elemente 12 ein. Der Hauptunterschied der vorliegenden eu der xuYor beschriebenen Ausführungsform liegt nunmehr darin, daß sich die beleuchtete Zone über die Abtastblenden 22 verschiebt. Ub eine maximale Steigerung der Ausbeute zu erzielen,

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muß diese Zone so schmal wie möglich sein, beispielsweise also 1/100 der Bildbreite betragen. Eine Korrektur ist jedoch deshalb erforderlich, weil sich die Abtastblenden zeitlich linear verschieben, wogegen das rotierend· Prisma 27 zu einer nichtlinearen Ablenkung führt. Ohne Korrektur würde sich dieser Fehler so bemerkbar machen, daß beispielsweise bei einem hexagonalen Prisma mit eines Brechungsindex von 1,525 eine Abweichung von etwa - 1,5 Prozent der Bildbreite sswischen den sich gleichförmig bewegenden Abtastblenden und der sich ungleichförmig bewegenden Leuchtzone auftreten würde. Dies bedeutet, daß die Leuchtzone nicht kleiner als 1/30 der Bildbreite gemacht werden kann, so daß die Leistungssteigerung im Vergleich zu einer vollen Ausleuchtung nicht mehr als 30 betragen kann· !Figur 6a zeigt eine Korrekturmöglichkeit mittels einer zylindrischen, stark gekrümmten Meniskuslinse 37· Diese kann so aufgebaut sein, daß ihre Brechkraft im Zentrum null oder nahezu null beträgt, daß sie jedoch eine starke sphärische Aberration besitzt, so daß sie die Bandstrahlen ein wenig nach innen ablenkt. Hierdurch wird der nichtlineare Fehler des rotierenden Prismas korrigiert. Die Optik stellt zahlreiche andere Korrekturmöglichkeiten zur Verfügung.

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Die in Figur 6 dargestellte Einrichtung ist vergleichsweise einfach aufgebaut, doch ist nachteilig, daß nur etwa 1/8 des Laserlichts zu der endgültigen Abbildung beiträgt, da die beiden halbdurchlässigen Elemente 29 und 33 jeweils zweimal von jedem Teilstrahlbündel durchsetzt «erden. Ein Verlust von 50 Present in des Element 29 kann nach an sich btkannten optischen Verfahren vermieden werden. Ee gibt strahlaufspaltende Prismen alt einer Schichtenzasammensetzung, die als Brew at er-Winkelpriemen bekannt sind und Licht einer Polar! eat ionsrichtung völlig reflektieren» während sie das der anderen Polarisationsrichtung völlig durchlassen. Da Laserlicht linear polarisiert ist, wandelt ein doppelbrechendes /l/4-Plättchen zwischen den Elementen 29 und 30 das Licht in zirkulär polarisiertes um. Beim Bücklauf wird die Polarisationsebene üb einen rechten Winkel verdreht. Deshalb kann »an das Prisma 29 völlig durchlässig für das ausgehende und völlig reflektierend für das rückkehrende Bündel machen.

figur 7 zeigt eine optische Anordnung Bit etwas kompliziertere» Aufbau, die eine noch bessere Lichtausnutsung bietet und Im Prinzip die Ausnutzung der Hälfte der Gesamtlichtintensität gestatte«·

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Di· Mieten Bauteile entsprechen denen nach Figur 6 und sind auch gleich nummeriert. Mn Unterschied zwischen beiden Ausführungeformen liegt darin, daß das rechtwinklige Prisma 29 ein rautenförmiges Prisna 38 nit einer gegenüber dem Strahlengang tut 60° anstelle τοη 45° geneigten halbdurchlässig®!! Fläche ersetzt ist. Damit kann man die Hälfte der Strahlintensität ausnutzen, die in dem obigen Ausführungsbeispiel Terloren ging, wozu das totalreflektierende Prisma 39 dient, das den selbstkollimierenden Spiegel 35 erseist, Dadurch wird der Besugsstrahl von dem Beleuchtungsstrahl unabhängig. Die Zwischenfläche »wischen den Glashalbkugeln 31 und 33 ist anstell· einer halbdurchlässigen Fliehe, mit Ausnahme eines kleinen Flecks 40, der beispielsweise durch Versilberung rollst ändig reflektierend gemacht ist, völlig durchlässig. Dieser Fleck ist nur so groß, daß er nicht den reflektierten Strahl durch Beugung über die Beieuchtunssone verbreitert. Für das vorliegende Ausführungsbeispiel würde eine Abmessung dieses Fleckes τοη 0,1 mm 0 genügend, doch ist eine Abmessung swischen 0,3 mm 0 und 0,5 mm 0 vorsusiehen* damit die Einstellung nicht su kritisch wird. Der Besugsstrahl scheint dann von dem Zentrum 0 der Kugel herzukommen, und der das Interferensstreifenmuster bestimmende Abstand ist jetst nicht C₁ - C₂^

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sondern O - C₂. Wenn derselbe wie bei dem vorigen Beispiel etwa 0,6 an beträgt, ergibt sich kein Verlust in der Abbildstrahlintensität, weder beim ersten noch bei« zweiten Durchgang. Die Hälfte der Intensität geht lediglich beim Bücklauf beider Strahlen in der halbdurchlässigen Fläche des Prismas 38 verloren. Der Wirkungsgrad kann bis zu 50 Prozent ansteigen, abgesehen natürlich von den Verlusten an den linsen- und Prismenflächen und auf dem Abbildschirm· Bei einem für den nichtlinearen Verschiebungsfehler korrigierten System, wo jeweils nur 1/100 des Schirms beleuchtet ist, ergibt sich eine Verbesserung um einen Faktor 50 gegenüber dem eingangs beschriebenen Gerät.

Eine noch günstigere Ausführungeform der Erfindung ist in den Figuren 8a und 8b dargestellt. Dabei erfolgt die Abtastung mittels eines punktförmigen Abtaetflecks P, der über den Schirm 14 geführt ist. Die Abtastung erfolgt dadurch, daß das sich drehende Prisma 27 in einem in den Lagern 41 aufgehängten Rahmen 40 langsam um eine horizontale Achse verkippt wird. Um 500 Linien in einer Sekunde abzutasten, muß das hexagonale Prisma 27 mit 5000 Umdrehungen pro Minute umlaufen, während es gleichzeitig langsam aus einer

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um etwa 50 nach rom geneigten Stellung in eine etwa um 30° nach hinten geneigte Stellung gekippt wird.

Bei diesem Gerät wird das jeweils abgetastete Schirmelement allein durch den scharf fokuaierten Abtastfleck P bestimmt. Dies wird durch eine Linse 38 erreicht, die den Laserstrahl in F* fokusiert, wobei dieser Brennpunkt durch das Linsensystem 30 in den Punkt P des Schirms abgebildet wird. Ein Prisma 42 tritt an die Stelle der Kugellinse 31 nach den figuren 6 und 7· Dieses uafaßt eine halbdurchlässige Fläche 33, die eine Hälfte des Lichtstrahls abspaltet und sie über das kollinierende System 34 auf einen Spiegel 35 richtet, der sich von der Fläche 33 ia selben optischen Abstand wie der Schirm 14 befindet, so daß der Strahl in dem Punkt P" auf dem Spiegel fokusiert wird.

In Figur 8a ist der Einfachheit halber angenommen, daß der Brennpunkt des Linsensystem* 30 und das Zentrum der Fläche 55 im Mittelpunkt der Kugelschal· 14 liegen, so daß die Lichtstrahlen auf genau demselben Weg durch das System surücklaufen, auf dem sie hingelaufen sind. In diesem Fall muß man die Scherung der Wellenfronten gegeneinander

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derjenigen nach Figur 4a in anderer Weise erreichen. Hierzu ist in den, den Spiegel 35 enthaltenden Zweig eine transparente Keilplatte 43 eingesetzt, die bei dem doppelten Durchlauf den erforderlichen Phasenunterschied in Abhängigkeit von der Versetzung der Funkte P und P" erzeugt· Damit das Strahlenbündel in sich selbst zurückläuft, steht der Spiegel 35 nicht rechtwinkelig zur Achse dieses Zweigs, sondern ist geringfügig so geneigt, daß der an dem Prisma abgelenkte Zentralstrahl rechtwinkelig auf den Spiegel einfällt.

Auf dem Rückweg wird das Iiichtstrahlbündel an der Zwischenfläche eines halbdurchlässigen Prismas 39 abgelenkt und fällt auf eine Photozelle 12· Dieselbe ist über einen abgestimmten Verstärker an eine Kathodenstrahl anzeigeröhre oder einen Bildschreiber oder dgl· angeschlossen· Das rotierende Prisma 27 führt zu einem kleinen Bildfehler, der jedoch näherungsweise durch die Krümmung des Schirms ausgeglichen wird, so daß das Anzeigegerät 13 mit einer nur geringen Abtastkorrektur arbeiten kann·

Bei diesem System braucht der sphärische Schirm 14 nicht genau auf den Brennpunkt des Idnsensystems 30 ausgerichtet zu sein. Figur 8b zeigt diesen verallgemeinerten Fall·

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Wenn der Mittelpunkt der Kugelfläche des Schiras 14 geringfügig τοη des Punkt abweicht, in den die achsparallelen Strahlen durch das Linsensystem 30 fokusiert werden, laufen die Strahlbündel τοη den Punkten P und P" nicht auf demselben Weg zurück· Es ist jedoch wesentlich, daß sie letzten Endes von demselben Fleck S der Fläche ausgehen, damit die Strahlen von den Punkten P und P" aus auf genau demselben Weg in die Photoselle 12 zurücklaufen· Dies kann durch entsprechende Einstellung.des Spiegele 35 erreicht werden* Diese Bedingung ist deshalb wesentlich, weil zwischen den beiden, τοη den Punkten P und P" aus su der Photoselle zurücklaufenden Wellenfronten höchstens etwa eine Viertelswellenlängen-Phasendifferenz zulässig ist, ohne daß ein merklicher Empfindlichkeitsrerlust eintritt. Die genaue Einstellung kann mittels eines Vergrößerungsglases geprüft werden, das Tor dem Eingang der Photoselle aufgestellt wird. Der Spiegel 35 wird solange Justiert, bis die beiden Lichtflecke zusammenfallen. Wenn sie in diesem Punkt übereinanderliegen, stimmen die Strahlenbündel auch in der Richtung überein· Somit liegen sie auch in dem Fleck S übereinander, was auf der Geometrie des Systems beruht, d.h. auf der Gleichwertigkeit der beiden optischen Zweige·

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Der Wirkungsgrad dieser Ausführungsform hinsichtlich der Ausnutzung der Laserleistung ist sehr hoch. Für das obige Beispiel «it 1 mW/om² Schalldichte, #C - 4 · 10**⁵ und einen Rauschpegel τοη 20 db, d.h. S/H ■ 10 nüssen nunmehr 250 000 Bildelemente pro Sekunde abgetastet werden. Da pro Abtastelement zwei Signale auftreten, benötigt man ein Wellenband von mindestens f ■ 2,5 · 10^ Hx. Die oben benutzte Formel gibt eine minimale Lichtleistung ron 18,8 erg/sec bzw. 1,88 /^W. Da nur 1/8 der Lichtleistung ausgewertet wird, wird die minimale Laserenergie 15 M W. Unter Berücksichtigung des Strovrerteilungsrausehens ist ein Laser mit etwa 100/< W oder 0,1 mW für ein Signal-Rauschrerhältnis τοη 20. db ausreichend. Bei einer SchalIfeiddichte τοη 0,1 W/cm und gleicher Laserleistung kann das Signal-Rauschrerhältnis auf 40 db gesteigert werden. Mit 1 mW Laserenergie kann die Zeitdauer für ein vollständiges Schallbild auf 0,1 see Termindert werden, wenn eine genügend, schnelle Lichtabtasteinrichtung zur Verfugung steht.

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Patentansprüche

1. Ultraschallkamera mit einem Ultraschallgenerator und damit gekoppelter Beschallungsflüssigkeit zur Aufnahme eines au untersuchenden Gegenstandes» dadurch gekennzeichnet, daß sich innerhalb der Beschallungsflüssigkeit ein elastischer Schirm (5) mit an die Beschallungsflüssigkeit angepaßtem Wellenwiderstand und mit einer Reflexionsfläche befindet, die durch eine Quelle kohärenter elektromagnetischer Strahlung (5Ό beleuchtet wird, und daß eine Aufnahmeeinrichtung (z.B. 7, 8, 9« 10) vorgesehen ist, die das an der Reflexionsfläche reflektierte Wellenfeld unter Verwendung des Popplereffekts in ein sichtbares Bild umwandelt.

2. Ultraschallkamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinrichtung einen Überlagerungsteil zur Überlagerung eines kohärenten Strahlungsanteils mit unveränderter Frequenz über den an der Reflexionsfläche reflektierten Strahlungsanteil enthält, wobei mindestens ein Teil des reflektierten Strahlungsanteils gegenüber dem Überlagerungeanteil eine Phasen-

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verschiebung von 90° aufweist, so daß die Frequenzmodulation infolge des Dopplereffektes in eine Amplitudenmodulation umgewandelt wird.

3. Ultraschallkamera nach Anspruch 2, dadurch ge-* kennzeichnet, daß sich die Phasendifferenz zwischen Reflexions- und Überlagerungsstrahlung in einer Sichtung der Reflexionsfläche gleichmäßig und stetig ändert.

4. Ultraschallkamera nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß die Strecke, auf der eine volle Periode der Phasenänderung erfolgt, nicht größer als der kleinste auflösbare Abstand des Ultraschallbildes ist·

5. Ultraschallkamera nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflections- und Überlagerungsstrahlungsanteil gemeinsam durch eine Blende abgebildet werden, deren Breite in der genannten Phasenänderungsrichtung etwa der Hälfte des kleinsten auflösbaren Abstandes und senkrecht dazu etwa der Grenzauflösung des Ultraschallbildes entspricht.

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6» Ultraschallkamera nach einen der Ansprüche 2 hie 5t gekennzeichnet durch ein Strahlaufspaltungselement (8) zur Aufspaltung des Ausgangsstrahls in zwei etwa gleich« Anteile, deren einer auf die Beflexionsf lache gerichtet ist und deren anderer als Überlagerungestrahl dient, wobei dl· optischen Weglängen der beiden Anteile vor der Überlagerung im wesentlichen gleich sind·

7· Ultrsschallkamera nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch ein lOkusierungsmittel zur Abbildung der reflektierten Strahlung und durch eine Abtasteinrichtung für die Bildfläche.

8. Ultreechallkaeera nach einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch einen kugelkalottenförmigen Schirm.

9. Ultraschallksmera nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Bestrahlungseinrichtung für den Schirm, die eine gleichmäßige Bestrahlung desselben durch eine sphärisch· Wellenfront sicherstellt, deren Ursprungspunkt nah· dem Zentrum der lugelkalotte liegt und durch

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eine Bestrahlungselnrichtung für den Überlagerungsstrahl, die ebenfalls eine sphärische Wellenfront erzeugt und deren Ursprungspunkt gegenüber dem Ursprungspunkt des Reflexionsstrahl geringfügig rersetzt ist.

10. Ultraschallkamera nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Abbildungeelemente (25, 26) zur Fokusierung des Bestrahlungsbündele auf dem Schirm in Form eines schmalen, streifenförmigen Strahls und durch eine Abtasteinrichtung (27) zur Bewegung dieses Strahls senkrecht zur Streifenlängsrichtung.

11. Ultraschallkamera nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Laser (23) ferner durch Abbildungselemente (25, 26) zur Fokusierung des Laserlichtbündels in einen Streifenstrahl, weiter durch ein in dem Strahlengang des Streifenstrahls stehendes polygonales Prisma (27), fernerhin durch eine Abtasteinrichtung zum Drehen dieses Prismas, weiterhin durch eine Fokusierungseinrichtung (20) zur Fokusierung des Abtaststrahls in einen Punkt in der Nähe des Zentrums des sphärischen Schirms (14), des ferneren durch eine sphärische Linse (32) mit halbdurchlässiger Trennfläche (33)» die den Abtaststrahl

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derart aufspaltet, daß der durchgelassene Anteil auf den Schirm trifft und auf die sphärische Linse reflektiert wird und daß der reflektierte Anteil auf einen Reflektor (35) trifft und bei im wesentlichen gleicher optischer Weglänge wie der durchgelassene Anteil wieder auf die sphärische Linse trifft, des weiteren durch eine Blendenreihe für das ReflexLonsbündel des Schirms und des Reflektors, außerdem durch eine Verstelleinrichtung für die Blenden im Gleichlauf mit der Abtastbewegung, schließlich durch je einen, jeweils der betreffenden Blende zugeordneten photoelektrischen Fühler und endlich durch an die Ausgänge dieser Fühler angeschlossene Wandler zur Erzeugung eines sichtbaren Bildes (Figuren 6a, 6b und 6c).

12. Ultraschallkamera nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Laser (23), ferner durch Abbildungselemente (25, 26) zur Fokusierung des Laserlichtbündels in einen Streifenstrahl, weiter durch ein in dem Strahlengang des Streifenstrahls stehendes polygonales Prisma (27), fernerhin durch eine Abtasteinrichtung sub Drehen dieses Prismas, weiterhin durch eine halbdurchlässige Strahlaufspaltfläche zur Aufspaltung de·

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Abtaststrahls in einen durchgelassenen und einen reflektierten Anteil, des ferneren durch eine Fokusierungseinrichtung (20) zur Fokusierung des durchgelassenen Anteils in einen Punkt in der Nähe des Zentrums des sphärischen Schirms (14), von wo die Strahlen divergierend auf den Schirm einfallen und von demselben in einen Punkt in der Nähe des genannten Brennpunkts reflektiert werden, des weiteren durch eine optische Wegstrecke für den reflektierten Anteil, der mit dem durchgelassenen Anteil nach Reflexion desselben durch Überlagerung zur Interferons gebracht wird, wobei die optischen Weglängen der beiden Strahlanteile im wesentlichen gleich sind, außerdem durch eine Blendenreihe zur Aufnahme der Interferenzanteile des Strahlenbündels, schließlich durch eine Verstelleinrichtung für die Blenden im Gleichlauf mit der Abtastbewegung, endlich durch je einen (Jeder Blende zugeordneten photoelektrischen Fühler und suletzt durch an die Ausgänge dieser Fühler angeschlossen· Wandler xur Erzeugung eines sichtbaren Bildes (Figuren 7a und 71>)·

13. Ultraschallkamera nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Fokueierungseinrichtung zur Abbildung

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des Bestrahlungslichtbündels auf eine kleinräumige SchiniflSche und durch eine Abtasteinrichtung but Erzeugung eines Linienrasters.

tJltraschallkamera nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen Laser (23), ferner durch eine Pokusierungseinrichtung (38) zur Bildung eines Lichtbündels nit geringem Bündelquerschnitt, weiter durch ein in dem Strahlengang befindliches polygonales Prisma (27)t fernerhin durch «ine Abtasteinrichtung zur Drehung dieses Prismas um seine Längsachse zwecks Erzeugung einer linienförmige!! Abtastbewegung sowie zur Verschwenkung des Prismas um eine _H*uerachse zwecks Erzeugung einer Spaltenabtastung, weiterhin durch eine Fokuslerungseinrichtung (20) zur Ausrichtung des Abtastbündels auf eine halbdurchlässige Fläche, an der das Bündel in einen Durchlaßanteil und einen Reflexions anteil aufgespalten wird, und zur Fokusierung des Durch laßanteils auf dem Schirm, des ferneren durch einen Reflektor (35) zur Reflexion des Reflexionsanteils zurück auf die halbdurchlfissige Fläche, wo eine Überlagerung mit dem an dem Schirm reflektierten Durchlaßanteil erfolgt, wobei die optischen Weglengen der

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beiden Strahlenanteile im wesentlichen gleich sind und wobei in einem Lichtweg eine Einrichtung (43) zur iinderung der eff elrbiven Weglänge in geringem Maße in Abhängigkeit von der linienförmigen Abtastbewegung vorgesehen 1st, des weiteren durch eine Fokuslerungeeinrichtung für die rücklaufenden Teilbündel durch das Abtastprisma, außerdem durch einen fest aufgestellten photoelektrischen Fühler (12) für die rücklaufenden Bündel und schließlich durch einen Wandler (13) zur Erzeugung eines sichtbaren Bildes aufgrund des Fühlerausgangs und der Linienrasterabtastbewegung (Figuren 8a und 8b).

15· Ultraschallkamera nach einen der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch einen weiteren Ultraschallgenerator (18·) zur Abstrahlung von Ultraschallenergie auf den Schirm ohne Beeinflussung durch einen Gegenstand, wobei die resultierenden Schirmschwingungen aufgrund der durch den Gegenstand gestrahlten und der unbeeinflußten Energie ein Schallhologramm bilden.

16. Ultraschallkamera nach einem der Ansprüche 1

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bis 15* dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (14) aus einer dünnen sphärischen Kunststoffmembran besteht, deren Dicke ein ganzzahlipes Vielfaches der halben Schallwellenlänge in dem Kunststoff beträgt und die auf der konkaven Seite einen Strahlungareflexiönsbelag aufweist.

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